电抗器损耗测量中的测量误差因素及高精度测量要点
电抗器定义
电抗器是由感应线圈构成的元件，用于抑制浪涌电流和高频干扰，平滑电流等。主要分为直流电抗器和交流电抗器两种，广泛应用于功率因数校正电路（PFC电路*1）、降压/升压斩波器及滤波电路。
在电子元器件领域多称为电感器，而在电力系统及逆变器等电力电子领域则称为电抗器。
*1：功率因数校正的简称。指集成于电源设备或逆变器中的电路，用于调整输入电流波形以提升功率因数。
使用电抗器的典型电路
DC/DC转换器的升压斩波电路
传统上用于混合动力汽车（HEV）提升电机输出，近年来在电动车（EV）和燃料电池车（FCV）中的应用逐渐增加。此外，也用于太阳能发电中对光伏组件电压的升压处理。
AC/DC转换器中的交错式功率因数校正
该技术被广泛应用于数据中心用AC/DC转换器、空调的功率因数校正电路及电动车的充电电路等。
这些回路中以往主要采用IGBT作为开关器件，主流开关频率约20kHz，近年来，随着SiC和GaN的开关元件逐步投入应用，高耐压化和高开关频率不断推进。
由此可见，电抗器在电力电子领域中是十分常见且至关重要的器件。
电抗器损耗测量的必要性
当前，以电力电子为代表的各类市场，为实现电能的高效利用，对电源提出小型化、轻量化、低损耗的需求。
其中，电抗器等无源电子器件在电源整体的体积和重量中占有较大比重，随着包含逆变器在内的系统整体效率提升，其损耗大小也不可忽视。因此，准确测量并掌握电抗器损耗，对于设计改进、效率提升以及电源高性能化具有不可或缺的重要意义。
电抗器损耗测量中的课题
基于LCR测试仪的测量方法
在电子元器件领域中，电感器的测量通常采用LCR测试仪进行。然而，电抗器存在电平依赖性，随着输入信号增大，磁通密度提高，损耗特性随之变化。因此，小信号测量无法准确反映实际的损耗及其行为特征。
此外，LCR测试仪仅限于小信号正弦波测量，在可叠加信号的电平上也存在限制。若试图在实际运行状态下进行测量，过大的输入可能导致测量仪器损坏。
采用功率分析仪的测量方法
通过使用功率分析仪，可以在实际运行条件下实现对损耗的准确测量。然而，在电抗器损耗的测量中，电压与电流的相位差（功率因数角）接近90°，属于功率因数极低条件下的评估。因此，在选用功率分析仪及电流传感器时，涵盖开关频率的高频域内的相位精度是最关键的指标。
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| 升压斩波电路中电抗器的波形与测量值 |
建议的解决方案
我们推荐使用功率分析仪 PW8001（U7005）与电流传感器 CT6904A 的组合。
两设备各自均实现了宽带域且平坦的频率特性与相位特性，组合使用下的精度也有所保障。
PW8001 + CT6904A组合方案与A公司、B公司解决方案的相位特性比较如图所示。可以看出PW8001 + CT6904A在宽带域内保持了平坦的相位特性。
组合条件下的相位特性比较
相位误差对电抗器损耗的影响
损耗误差 [%] 的计算公式如下所示。
Perror：损耗误差，Φ：功率因数角，ΔΦ：相位误差
项目 | PW8001（U7005） | A公司 | B公司 | |
相位误差ΔΦ | [°] | −0.03 | −3.50 | +2.04 |
损耗误差 | [W] | −0.523 | −60.94 |
+35.59 |
[%] | −1.49 | −174.63 | +102.00 | |
显示值 | [W] | 34.376 | −26.046 | 70.497 |
以上述图表为例，计算视在功率（VI）=1 kW，Φ=88°，频率f=200 kHz的正弦波下电抗器损耗。此时，电抗器损耗的理论值为34.89 W（P = VIcosΦ）。与此相比可以看出A公司和B公司受到相位误差的影响较大。
实测案例
采用两种电流传感器进行了电抗器损耗的实际测量比较。本实验中将CT6872作为CT6904A的对比对象使用。
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| 框图 | 待测器件连接放大图 |
测量条件
• 正弦波 电流：约2 A以下 频率：100 kHz~500 kHz，每100 kHz递增测量
• 数据更新率：200 ms
• 平均处理：开启（移动平均8次）
• 同步源：各通道电压
• LPF：OFF
• 相位补偿：开启（自动补偿）
• 其他设置均相同
测量结果
以下展示了正弦波频率从100 kHz递增至500 kHz时，有功功率（电抗器损耗）与相位关系的图示。
 |  |
| 有功功率比较 | 相位比较 |
当施加电流的频率从100 kHz逐渐升高时，CT6872在400 kHz时功率因数角超过90°，且功率呈负数。相比之下，CT6904A的功率因数角未超过90°，测量表现稳定。这主要源于高频环境下的相位特性差异。
正弦波100 kHz时的损耗（CH1：CT6904A、CH2：CT6872）
正弦波400 kHz时的损耗（CH1：CT6904A、CH2：CT6872）
CT6872在振幅带宽方面优于CT6904A，而CT6904A的相位特性更佳。由此可见，电抗器损耗测量中，采用包含相位特性的最优组合条件进行测量，是实现高精度的关键。
CT6904A与CT6872的相位特性比较
尤其是在交错式功率因数校正等实际电路测量中，由于叠加了包含开关频率在内的各类高频分量，测量仪器相位特性等性能差异对损耗值的影响会被放大。
此外，根据测量对象的电流值，可选用具有与CT6904A相同特性的直连型PW9100A。
使用设备列表
PW8001 | ×1 | 功率分析仪 | |
U7005 | ×2 | 输入单元 | 15 MS/s、18 bit、～5 MHz |
CT6904A | ×1 | 电流传感器（CH1） | 振幅：DC～4 MHz |
CT6872 | ×1 | 电流传感器（CH2） | 振幅：DC～10 MHz |
DUT
信号发生器 | ×1 | 低频电路模块 |
放大器 | ×1 | 噪声滤波单元 |
电抗器 | ×1 | — |
总结
准确测量并掌握电抗器损耗，对于设计优化、效率提升以及电源高性能化具有不可或缺的作用。尤其是电抗器存在电平依赖性，因此需要采用功率分析仪在实际运行条件下开展测试。
此外，鉴于此类测量涉及的功率通常表现为高频且低功率因数，测量仪器的相位特性对结果精度具有重要影响。为实现包含相位误差的准确测量，合理选择功率分析仪和电流传感器至关重要。
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