高频电抗器损耗的测量：使用功率分析仪测量和分析电抗器（电感器）的方法
出处：维库电子市场网 发布于：2025-03-25 17:39:25 | 277 次阅读
高频电抗器用于电动汽车 （EV） 和混合动力电动汽车 （HEV） 的各种位置。例如，电池和逆变器之间的升压 DC/DC 转换器以及电池充电电路中的 AC/DC 转换器。为了提高整体系统效率，有必要提高每个组成电路的效率，而电抗器是导致这些电路中大量损耗的一个组件。因此，准确测量反应器损失是提高整体系统效率的一项重要任务。一般来说，由于这些反应器中的大多数都是在高频下打开和关闭的，因此传统观点认为很难直接测量反应器损失。过去，IGBT 等元件用作，频率约为数十 kHz。近年来，随着 SiC 和 GaN 元件的商品化进展，开关频率超过 100 kHz 成为可能，刺激了对高频带测量仪器的需求。本文以实际测量实例为例，介绍了一种高精度测量反应器损失的方法。
反应器损失
图 1 显示了电抗器的等效电路，可以将其视为电感分量 Ls 与电阻 Rs 串联的电路，代表损耗。 电抗器的等效电路
等效电路的 Ls 和 Rs 可以使用标准 LCR 表进行测量。在这种情况下，LCR 表将对测量目标施加微小的正弦波信号并测量阻抗。相比之下，工作电路中电抗器的特性与使用 LCR 表进行的测量不同，原因如下：
作为开关作的结果，矩形波电压将施加到元件上。这将导致三角波电流流动，结果是电压波形和电流波形都不会采用正弦波的形式。
由于元件磁芯的特性，每个参数都会表现出电平依赖性。这种依赖性将导致元件运行期间的 Ls 和 Rs 等量与使用 LCR 表测量获得的值不同。
在使用 DC/DC 转换器时，施加到电抗器的电流会发生直流叠加。由于磁芯的饱和特性，这种叠加期间的参数会有所不同。
简而言之，反应堆损耗和参数的高精度测量不能使用 LCR 表进行，而必须在组件处于运行状态时进行。 电抗器损耗的测量方法
通过保持电流布线和电压与功率分析仪的连接尽可能短，可以提高这种测量的精度。此外，有必要考虑反应器附近金属和磁性物体的影响。必须小心，因为电线和其他附近的金属物体可能会影响反应器的运行。此外，由于测量可能会受到电压电缆外围噪声的影响，因此最好在测量前扭曲电缆。
图 2：升压斩波器电路中电抗器损耗的测量
当单独测量磁芯的损耗（磁芯损耗）时，如图 3 所示，在将二次布线缠绕在磁芯上后测量电抗器电压。 磁芯损耗的测量
由于磁芯损耗定义为 B-H 环路的面积，因此每单位体积的磁芯损耗 Pc 可以按以下方式计算，其中 T 表示一个 B-H 环路周期的持续时间：
\large P_c = \frac{1}{T}\int HdB = \frac {1}{T}\int _0 ^T H\frac{dB}{dt}dt
如果磁芯的磁通路径长度为 l，横截面积为 A，则初级绕组电流 i 与磁场 H 以及次级绕组电压 v 与磁通密度 B 之间的关系如下：
\large H = \frac{N_li}{l}
\large \frac{dB}{dt}=\frac{v}{N_2A}
因此，每单位体积的磁芯损耗可以计算如下，其中 P 表示根据初级绕组电流 i 和次级绕组电压 v 计算的功率。
\large P_c = \frac{1}{lA}\cdot \frac{N_1}{N_2}\cdot \frac{1}{T}\int_0^T v\cdot idt
\large = \frac{1}{lA}\cdot \frac{N_1}{N_2}\cdot P
此外，由于内核的体积由 lA 给出，因此内核的整体内核损耗 PcALL 可以计算如下：
?\large P_{cALL} = P_c \cdot lA = \frac{N_1}{N_2}P
因此，通过使用图 3 所示的设置进行测量，可以测量实际工作条件下的磁芯损耗。
此外，功率分析仪 PW6001 可以将采样率为 5 MSa/s 的 16 位电压和电流波形数据保存为 CSV 文件，并将数据传输到 MATLAB*，从而使仪器能够生成比标准波形记录仪更精确的波形数据。此数据还可用于分析目的，例如，呈现 B-H 循环。
*MATLAB 是 Mathworks Inc. 的注册商标。
为什么很难测量反应堆损耗？
电感是决定电抗器阻抗的主要因素。从功率测量的角度来看，测量的特点是功率因数低。简而言之，电压和电流之间的相位差接近 90°。如图 4 所示，仪器的电压和电流测量单位之间的相位误差对测量值的影响大于使用高功率因数进行测量时的影响。因此，测量单元必须具有高度的相位精度。 相位误差与功率测量误差之间的关系
此外，电抗器的开关频率范围从几十千赫兹到几百千赫兹不等。如上所述，SiC 和 GaN 元件的商品化导致开关频率上升的趋势，因此有必要在如此高的频率下使用具有高相位精度的测量仪器。此外，在使用电流传感器时，需要考虑电流传感器的相位误差。
此外，在图 2 所示的测量类型中，将对电压和电流测量单元施加较大的共模电压。因此，必须使用具有高共模抑制比 （CMRR） 的仪器。
如上所述，被测组件以几十 kHz 到几百 kHz 的频率进行切换，导致测量环境具有极大的噪声特征。因此，必须使用具有高抗噪性的仪器。
通过这种方式，传统观点认为测量反应器损失是一个困难的过程，因为它需要一种在许多领域都表现出高性能的仪器。使用功率分析仪 PW6001 可以满足这些要求，它提供以下功能：
得益于其电流传感器相移功能，具有宽带和高精度相位特性 [1]
高 CMRR（100 kHz 时为 80 dB 或更高）
专用电流传感器实现高抗噪性 [2][3] 反应器损失测量所需的仪器特性
升压斩波器电路中的电抗器电压和电流波形
图 5：升压斩波器电路中的电抗器电压和电流波形 需要注意的是，不仅振幅（增益）需要高精度测量能力，而且电压和电流之间的相位差也需要高精度测量能力。要测量超过几安培的高频电流，必须使用电流传感器[2]。由于电流传感器的相位误差在高频下无法忽略，因此有必要采用某种校正方法。大多数其他制造商的功率分析仪和示波器都使用 Deskew 功能执行此校正。根据电流传感器的特性，该方法需要为每个测量频率使用不同的延迟时间。因此，在测量失真波形（例如在宽带中具有频率分量的三角波形）时，它会导致更大的误差。通过使用带有高精度电流传感器的功率分析仪 PW6001 以及仪器的相移功能，并在 PW6001 中仅将电流传感器的相位误差输入到一个点，就可以在宽频带内进行低相位误差的测量。 使用功率分析仪进行电抗器测量示例
本节介绍使用功率分析仪 PW6001 和 Current Box PW9100 进行电抗器测量的示例。图 6 提供了测量电路图，而表 1 列出了被测反应器的规格。在用 （4055， NF Corporation） 施加正弦信号的同时进行测量。 测量框图
功率分析仪用于测量 RMS 电压和电流值以及相位误差和功率等参数。PW6001 允许作员将这些基本测量值组合成用户定义的计算形式，这些计算可以实时执行。可以通过设置表 2 中列出的用户定义的计算来测量反应器参数。 配置用户定义的计算
此示例说明了如何使用电源来施加正弦波电流和电压。如上所述，矩形波电压和三角波电流通常施加到运行中的电抗器，而不是正弦波信号。功率分析仪允许在这种条件下直接测量电抗器。此外，LS 和 RS 等参数可以根据仪器执行的谐波计算结果进行计算。这些仪器特性使更准确的分析成为可能。 说明电感和电阻的直流叠加特性的测量示例 （f = 100 kHz）
反应器损失
图 1 显示了电抗器的等效电路，可以将其视为电感分量 Ls 与电阻 Rs 串联的电路，代表损耗。 电抗器的等效电路
等效电路的 Ls 和 Rs 可以使用标准 LCR 表进行测量。在这种情况下，LCR 表将对测量目标施加微小的正弦波信号并测量阻抗。相比之下，工作电路中电抗器的特性与使用 LCR 表进行的测量不同，原因如下：
作为开关作的结果，矩形波电压将施加到元件上。这将导致三角波电流流动，结果是电压波形和电流波形都不会采用正弦波的形式。
由于元件磁芯的特性，每个参数都会表现出电平依赖性。这种依赖性将导致元件运行期间的 Ls 和 Rs 等量与使用 LCR 表测量获得的值不同。
在使用 DC/DC 转换器时，施加到电抗器的电流会发生直流叠加。由于磁芯的饱和特性，这种叠加期间的参数会有所不同。
简而言之，反应堆损耗和参数的高精度测量不能使用 LCR 表进行，而必须在组件处于运行状态时进行。 电抗器损耗的测量方法
通过保持电流布线和电压与功率分析仪的连接尽可能短，可以提高这种测量的精度。此外，有必要考虑反应器附近金属和磁性物体的影响。必须小心，因为电线和其他附近的金属物体可能会影响反应器的运行。此外，由于测量可能会受到电压电缆外围噪声的影响，因此最好在测量前扭曲电缆。
图 2：升压斩波器电路中电抗器损耗的测量
当单独测量磁芯的损耗（磁芯损耗）时，如图 3 所示，在将二次布线缠绕在磁芯上后测量电抗器电压。 磁芯损耗的测量
由于磁芯损耗定义为 B-H 环路的面积，因此每单位体积的磁芯损耗 Pc 可以按以下方式计算，其中 T 表示一个 B-H 环路周期的持续时间：
\large P_c = \frac{1}{T}\int HdB = \frac {1}{T}\int _0 ^T H\frac{dB}{dt}dt
如果磁芯的磁通路径长度为 l，横截面积为 A，则初级绕组电流 i 与磁场 H 以及次级绕组电压 v 与磁通密度 B 之间的关系如下：
\large H = \frac{N_li}{l}
\large \frac{dB}{dt}=\frac{v}{N_2A}
因此，每单位体积的磁芯损耗可以计算如下，其中 P 表示根据初级绕组电流 i 和次级绕组电压 v 计算的功率。
\large P_c = \frac{1}{lA}\cdot \frac{N_1}{N_2}\cdot \frac{1}{T}\int_0^T v\cdot idt
\large = \frac{1}{lA}\cdot \frac{N_1}{N_2}\cdot P
此外，由于内核的体积由 lA 给出，因此内核的整体内核损耗 PcALL 可以计算如下：
?\large P_{cALL} = P_c \cdot lA = \frac{N_1}{N_2}P
因此，通过使用图 3 所示的设置进行测量，可以测量实际工作条件下的磁芯损耗。
此外，功率分析仪 PW6001 可以将采样率为 5 MSa/s 的 16 位电压和电流波形数据保存为 CSV 文件，并将数据传输到 MATLAB*，从而使仪器能够生成比标准波形记录仪更精确的波形数据。此数据还可用于分析目的，例如，呈现 B-H 循环。
*MATLAB 是 Mathworks Inc. 的注册商标。
为什么很难测量反应堆损耗？
电感是决定电抗器阻抗的主要因素。从功率测量的角度来看，测量的特点是功率因数低。简而言之，电压和电流之间的相位差接近 90°。如图 4 所示，仪器的电压和电流测量单位之间的相位误差对测量值的影响大于使用高功率因数进行测量时的影响。因此，测量单元必须具有高度的相位精度。 相位误差与功率测量误差之间的关系
此外，电抗器的开关频率范围从几十千赫兹到几百千赫兹不等。如上所述，SiC 和 GaN 元件的商品化导致开关频率上升的趋势，因此有必要在如此高的频率下使用具有高相位精度的测量仪器。此外，在使用电流传感器时，需要考虑电流传感器的相位误差。
此外，在图 2 所示的测量类型中，将对电压和电流测量单元施加较大的共模电压。因此，必须使用具有高共模抑制比 （CMRR） 的仪器。
如上所述，被测组件以几十 kHz 到几百 kHz 的频率进行切换，导致测量环境具有极大的噪声特征。因此，必须使用具有高抗噪性的仪器。
通过这种方式，传统观点认为测量反应器损失是一个困难的过程，因为它需要一种在许多领域都表现出高性能的仪器。使用功率分析仪 PW6001 可以满足这些要求，它提供以下功能：
得益于其电流传感器相移功能，具有宽带和高精度相位特性 [1]
高 CMRR（100 kHz 时为 80 dB 或更高）
专用电流传感器实现高抗噪性 [2][3] 反应器损失测量所需的仪器特性
升压斩波器电路中的电抗器电压和电流波形
图 5：升压斩波器电路中的电抗器电压和电流波形 需要注意的是，不仅振幅（增益）需要高精度测量能力，而且电压和电流之间的相位差也需要高精度测量能力。要测量超过几安培的高频电流，必须使用电流传感器[2]。由于电流传感器的相位误差在高频下无法忽略，因此有必要采用某种校正方法。大多数其他制造商的功率分析仪和示波器都使用 Deskew 功能执行此校正。根据电流传感器的特性，该方法需要为每个测量频率使用不同的延迟时间。因此，在测量失真波形（例如在宽带中具有频率分量的三角波形）时，它会导致更大的误差。通过使用带有高精度电流传感器的功率分析仪 PW6001 以及仪器的相移功能，并在 PW6001 中仅将电流传感器的相位误差输入到一个点，就可以在宽频带内进行低相位误差的测量。 使用功率分析仪进行电抗器测量示例
本节介绍使用功率分析仪 PW6001 和 Current Box PW9100 进行电抗器测量的示例。图 6 提供了测量电路图，而表 1 列出了被测反应器的规格。在用 （4055， NF Corporation） 施加正弦信号的同时进行测量。 测量框图
功率分析仪用于测量 RMS 电压和电流值以及相位误差和功率等参数。PW6001 允许作员将这些基本测量值组合成用户定义的计算形式，这些计算可以实时执行。可以通过设置表 2 中列出的用户定义的计算来测量反应器参数。 配置用户定义的计算
表 2 配置自定义计算
此示例说明了如何使用电源来施加正弦波电流和电压。如上所述，矩形波电压和三角波电流通常施加到运行中的电抗器，而不是正弦波信号。功率分析仪允许在这种条件下直接测量电抗器。此外，LS 和 RS 等参数可以根据仪器执行的谐波计算结果进行计算。这些仪器特性使更准确的分析成为可能。 说明电感和电阻的直流叠加特性的测量示例 （f = 100 kHz）
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