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 ：Power Factor Correction 的缩写。指集成在电源装置、 逆变器等设备中，通过调整输入电流波形来提高功率因数的电路。
使用电抗器的典型电路
DC/DC转换器的升压斩波电路
 | 以往多用于混合动力汽车（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光伏面板的电压升压。 |
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。 |
这些电路中以往主要采用 IGBT 作为开关器件，开关频率通常在 20kHz 内，近年来，随着 SiC 和 GaN 逐步被用作开关器件，电路不断向更高的耐压及开关频率方向发展。
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，对电源提出了小型化、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，允许叠加的信号电平有限。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。
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，涵盖开关频率在内的高频段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和测量值
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。 两设备各自均在宽频带内具有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在宽频带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
以上述图表为例，计算在视在功率（VI）=1 kW，Φ=88°，频率 f=200 kHz 的正弦波下电抗器的损耗。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。
项目 | PW8001（U7005） CT6904A | A 社 | B 社 | |
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 |
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。
待测器件连接放大图 |
框图 |
测量条件
正弦波 电流 ：最高约 2 A 频率 ：以 100kHz 为步进从 100kHz 到 500kHz 进行测量
数据更新速率 ：200 ms
平均处理 ：ON（移动平均 8 次）
同步源 ：各通道电压
LPF ：OFF
相位补偿 ：ON（自动补偿）
其余设置均相同
测量结果
下图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）与相位测量结果的关联。
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°，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 时的电抗器损耗 （CH1 ：CT6904A、CH2 ：CT6872）
正弦波 400 kHz 时的电抗器损耗 （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，关键要点是在包含相位特性在内的最优组合条件下开展测量。
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，相位特性等测量仪器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 | NF电路模块 |
放大器 | ×1 | NF电路模块 |
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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