SiC/GaN电机效率测量中高频振铃功率为何至关重要
引言
您是否遇到过在低负载区间测试电机效率时，测出效率超过 100% 的情况？或实测效率与预期值存在偏差？SiC、GaN 开关器件快速的电压上升可能会激发 MHz级的高频电压和电流分量。在这样的频率范围内，不仅功率分析仪，包含电流传感器在内的整个测量系统的带宽和相位特性，都会直接影响有功功率的测量精度。
此外，使用低通滤波器有可能滤除会产生有功功率的高频电压、电流分量。测量系统如果无法充分捕捉到这些分量，测得的电机输入功率可能会低于实际值，从而导致算出的效率偏高。
本文将聚焦于导致此类测量问题的因素之一——高频振铃伴随的有功功率。介绍利用功率谱分析（PSA) 确认该功率分量的方法以及低负载工况对测量系统高带宽范围性能要求更高的原因
振铃功率 ：出现在振铃频率处的有功功率 [1], [2]
随着逆变器朝着更高效率、更高功率密度方向发展，人们开始采用能更高速开关的器件。尤其是 SiC 和 GaN 等宽带隙（WBG）半导体，与传统硅基开关器件相比，可以缩短电压上升的时间。
这种快速的电压上升可能会激发电机以及逆变器与电机之间电缆寄生分量所带来的谐振。由此产生的过渡性振荡就是振铃。
图 1 开关时电压上升时间与振铃的关系
左 ：上升沿平缓，振幅微弱
右侧 ：上升沿陡峭，出现振铃
振铃相关的高频电压及电流分量中，可能包含振铃频率下的有功功率。这里将这一有功功率分量称为振铃功率。
如果振铃功率属于电机输入功率的一部分，那么准确测量总输入功率，测量系统就必须采集到该分量。
振铃功率的产生机制
试想一个电机单相绕组的简化等效电路。
图 2 电机单相的简化等效电路
电缆电感与电机电容相互作用，会在特定频率下产生谐振。开关会激发谐振电路产生振荡，导致电机端子出现高频电压和电流的振荡。
逆变器输出侧和电机端子侧都可能出现振铃，其振幅取决于电缆和电机的阻抗特性。
图 3 逆变器电机系统中振铃出现的典型位置
下图是放大后在逆变器输出侧观察到的振铃波形。
图 4 在逆变器输出侧观测到的振铃波形放大图（PW8001 + U7005 + CT6904A）
粉色 ：U － V 线间电压，白色 ：U 相电流
传统电机功率测量无法充分捕捉振铃功率的原因
长期以来，IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）一直被广泛用作逆变器的开关元件。传统 IGBT 电机驱动的电压上升沿通常比 SiC 、GaN 器件平缓。因此，对于传统电机驱动器的功率测量，不一定要求测量系统具备覆盖 MHz 频段的性能。
然而，SiC 、GaN 等 WBG 半导体具有高速开关特性，可能会在由逆变器、电缆和电机构成的系统中激发频率更高的谐振。
下图为将逆变器输出侧（即电机的电气输入端）测得功率按频率分量拆分的示意图。绿色表示振铃的功率，分布在比粉色载波频率分量及其谐波更高的频段。
在这样的高频区域，电压、电流的功率因数可能会降低。因此，即使电压测量系统与电流测量系统之间只有微小的相位误差，也可能导致有功功率测量值出现较大误差。
图 5 不同频率下有功功率分量的概念图
负载越低高频功率越重要的原因
尽管开关频率分量、谐波、边带以及振铃相关功率分量的大小会随电机的高低负载运行而有所变化，但它们存在于各类电机工作点中。
当负载较低时，基波分量中的电机输入功率会减小。因此，高频分量占总输入功率的比例往往较大。
因此，如果这些高频功率分量存在测量误差，低负载范围内计算出的逆变器效率和电机效率产生受到的影响将更大。
图 6 低负载时，高频有功功率分量占电机总输入功率的比例趋于增大
SiC/GaN 逆变器及电机测量所需的测量系统性能
要准确测量高频功率，必须确保为目标频段提供足够的带宽，同时明确规定相位特性。
这不仅是对功率分析仪单体性能的要求，也是对包括电流传感器在内的整个测量系统的要求。
PW8001 与输入单元 U7005 的组合具备 5 MHz 的测量带宽。同时电流传感器 CT6904A 还具备 4 MHz 的带宽。此外，HIOKI 日置还规定了功率分析仪与电流传感器组合时的相位特性。
因此，即便高频且低功率因数条件下，相位误差会直接影响计算所得的功率值，也能高精度地测量有功功率。
通过功率谱分析（PSA）实现振铃功率可视化
一般的快速傅里叶变换（FFT）分析主要用于查看电压和电流的频谱。与此相对，功率谱分析（PSA）除了能分析电压和电流频谱外，还可以计算各个频率的有功功率。
通过此功能，可以确认有功功率存在于哪个频段，并定量评估各个频率分量中包含的功率。
使用这一功能，我们在以下条件下测量了 SiC 逆变器。
● 开关频率 ：30 kHz
● 电机转速 ：1000 r/min
PSA 的测量结果显示，在 1 MHz ～ 2 MHz 频段确认检测到了振铃功率。
图 7 通过 PSA 确认在与观测到的振铃相对应的约 1 MHz ～ 2 MHz 频段存在有功功率分量
可以看出，与观测到的振铃相同的频段内存在有功功率分量。
通过电机效率图比较测量结果
我们比较了 HIOKI 的测量系统与由其他功率分析仪 + 电流传感器组合的测量系统。以下将该测量系统称为竞争对手 A。
测量配置
图 8 测量框图
测量系统 | 竞争对手 A | HIOKI |
功率分析仪带宽 | 最大 2 MHz | PW8001 + U7005 ＊ 5 MHz |
电流传感器带宽 | 约 300 kHz | CT6904A ：4 MHz |
电流传感器相位补偿 | 手动输入补偿值 | 自动相位补偿 |
滤波器 | OFF | OFF |
其他设置（两种测量通用）
● 测量间隔 ：200 ms
● 同步源 ：I1（逆变器电流）
CT6904A 已应用 PW8001 进行电流传感器的自动相位补偿。对于竞争对手 A 的电流传感器，则是手动输入了制造商提供的补偿值。
DUT 信息
● 测试电机 ：Fuji Electric Co., Ltd. GNF2117A
● 逆变器 ：Myway Plus Inc. MWINV-5044-SIC
● 开关频率 ：30 kHz
● 直流输入电压 ：300 V
测量结果
图 9 电机效率图
左 ：竞争对手 A 的功率分析仪＋电流传感器
右 ：PW8001 ＋ U7005 ＋ CT6904A
蓝色标记为表 1 所示的工作点。
表 1
27 N·m、803 r/min 时的电机效率测量结果
项目 | 竞争对手 A | HIOKI |
机械输出 | 2,303W | 2,289W |
电机输入 | 2,290W | 2,505W |
电机损耗 | -13W | 216W |
计算得出的电机效率 | 100.6% | 91.4% |
在 27 N·m、803 r/min 的工作点，两套测量系统测得的机械输出基本一致，误差约为 14 W。另一方面，测得的电机输入相差 215 W，其中竞争对手 A 为 2,290 W，HIOKI 的测量系统为 2,505 W。
由此，计算所得的电机效率分别为 ：竞争对手 A 为 100.6%，HIOKI 为 91.4%。
不过，仅凭这一比较，无法将测量值差异归因于某一个误差因素。
竞争对手 A 使用的电流传感器带宽约为 300 kHz，而在 PSA 中观察到的振铃相关有功功率分量则达到了 1 ～ 2 MHz频段。因此，测量带宽和相位特性的差异可能会影响高频有功功率的测量值，进而影响计算得出的电机效率。
HIOKI 的测量系统组合使用了 PW8001、U7005 和 CT6904A，不仅具备 5 MHz 带宽的功率分析仪和 4 MHz 带宽的电流传感器，还能够进行电流传感器的相位补偿。这些特性可以减少在高频且低功率因数分量条件下产生的测量误差。
总结
SiC 和 GaN 器件的应用使得开关速度得以提升，但与电机驱动器功率测量相关的分量，有时会扩展到传统测量系统无法充分捕捉的更高频段。
振铃并非只是波形上的一种现象。伴随振铃出现的电压、电流分量可能包含有功功率 ；使用 PSA 可以了解这些功率分布在哪些频段。
尤其在电机低负载区，由于电气输入功率本身较小，高频功率的测量误差可能会对计算效率产生较大影响。
因此，要准确测量电机驱动器的功率，不仅要评估功率分析仪的带宽，还应评估包括电流传感器带宽和相位特性在内的整个测量系统的性能。
在测量 SiC/GaN 电机效率时，如果在低负载区发现意外的测量结果，请咨询 HIOKI 日置，了解测量系统的带宽和相位性能。
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引用文献
[1] M. Akahane, K. Hayashi, and K. Akatsu, “Proposal and Validation of a Ringing Loss Analysis Model for PWM Inverter-Driven Motor Systems,” presented at the International Power Electronics Conference (IPEC-ECCE Asia), Nagasaki, Japan, May–Jun 2026.
[2] M. Akahane, M. Nakamura, K. Hayashi, S. Yamada, and S. Obara, “Evaluation of effect of motor bench system on motor and inverter efficiency measurement using precision wide-band power analyzer,” IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2025.
