一個(gè)新興的功率測(cè)量需求，一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)
高頻功率測(cè)量，給現(xiàn)有的測(cè)量設(shè)備和測(cè)量技術(shù)帶了巨大挑戰(zhàn)。所謂高頻功率測(cè)量指的是針對(duì)新興的無線充電、EV/PHV研發(fā)、電機(jī)＆逆變器、高頻燈＆影印機(jī)以及特種高頻電源等產(chǎn)品中的數(shù)十KHz至數(shù)百KHz頻率的電壓/電流信號(hào)測(cè)量。
現(xiàn)有的測(cè)量技術(shù)，單純測(cè)量高頻電壓或高頻電流已不是什么難事，但是需要同步高精度測(cè)量高頻功率的話，功率分析儀的高頻電壓/電流精度、高頻功率因數(shù)影響以及高頻相位延遲校準(zhǔn)等缺一不可，對(duì)于測(cè)試設(shè)備和技術(shù)水平要求很高。本文限于篇幅，主要就高頻下相位角對(duì)功率精度的影響以及相位延遲校準(zhǔn)方面做簡(jiǎn)單分析，并給出解決方案。
功率表相位角差對(duì)功率精度的影響
從正弦電路中，有功功率的數(shù)學(xué)表達(dá)式P=Urms*Irms*cos?可以看出，有功功率P與電壓、電路和相位差?(?:正弦電路中電壓與電流的相位差)均有關(guān)，我們把相位差?的誤差稱為功率表相位角差。
實(shí)際測(cè)量中Urms*Irms和?都會(huì)有誤差，假設(shè)三個(gè)參數(shù)的絕對(duì)誤差分別為⊿U、⊿I和⊿?(弧度單位)，那么總的絕對(duì)誤差⊿P可以表示為：
由此可得P的相對(duì)誤差：
該算式中很容易看出，從右向左第一項(xiàng)為電壓測(cè)量的相對(duì)誤差，第二項(xiàng)為電流測(cè)量的相對(duì)誤差，第三相誤差是相位角?的正切與相位測(cè)量誤差的乘積，具體數(shù)值與相位角有著密切的關(guān)系。
當(dāng)?=0°或者180°(PF=1)時(shí)，tan?=0，功率測(cè)量準(zhǔn)確度幾乎不受相位誤差的影響。
當(dāng)?=90°或者270°(PF=0)時(shí)，tan?=±∞，任何非無窮小的相位誤差，都會(huì)導(dǎo)致功率測(cè)量誤差無窮大，換句話說，功率因數(shù)等于0時(shí)，功率無法測(cè)量。而實(shí)際應(yīng)用中，一般不會(huì)遇到功率因數(shù)等于零的情況，我們更關(guān)心低功率因數(shù)下功率測(cè)量的精度。由上面的公式可以看出，功率因數(shù)越低，相同相位的誤差對(duì)功率測(cè)量精度的影響越大。
在無線充電的線圈功率和逆變器的電抗器功率測(cè)量時(shí)，往往功率因數(shù)都比較小(約0.2～0.3)，此時(shí)的相位角誤差對(duì)總功率測(cè)量精度的影響就非常大。
實(shí)際測(cè)量中相位角的誤差由兩部分組成，一是由測(cè)試儀器本體的性能決定，二是由外部電壓-電流探頭(傳感器)造成的。
橫河(YOKOGAWA)高頻示波功率分析儀就具有非常優(yōu)秀的零功率因數(shù)頻率特性(圖1)，由圖2可知，低于500KHz信號(hào)測(cè)量PF=0的頻率特性非常穩(wěn)定，良好的頻率線性度保證了我們測(cè)量高頻功率時(shí)的精度。
圖1 高頻示波功率儀PX8000
圖2 Zero PF frequency characteristic
對(duì)于外部電壓-電流探頭（傳感器），功率測(cè)量中的電壓取樣基本都采用了導(dǎo)線直接并聯(lián)的方式，純線性的負(fù)載（忽略高頻下的寄生電感）幾乎不會(huì)對(duì)電壓相位產(chǎn)生影響。而電流采樣多采用高頻AC/DC電流探頭或高頻AC電流環(huán)，由于采用了鐵芯結(jié)構(gòu)，所以鐵芯的磁滯效應(yīng)在會(huì)影響感應(yīng)電流的相位，隨著測(cè)量信號(hào)頻率的增加而變大，在測(cè)試100KHz以上信號(hào)時(shí)這種相位延遲已經(jīng)無法忽視。
定量分析相位延遲對(duì)于高頻功率測(cè)量的精度影響
通過上文簡(jiǎn)述，我們應(yīng)該能夠理解相位產(chǎn)生的機(jī)理，那么我們可以通過簡(jiǎn)單的模擬運(yùn)算來實(shí)際評(píng)估一下相位延遲對(duì)于高頻功率測(cè)量精度的影響到底有多大。下面的運(yùn)算，可以定量地分析誤差影響效果。
在運(yùn)算前需要規(guī)定幾個(gè)測(cè)量條件：
電壓波形：U(t)=Asin(ωx+φ1) A=310V ω：角速度
電流波形：I(t)=Asin(ωx+φ2) A=310A U-I相位差 ?=φ1-φ2(弧度表示)
電流傳感器的時(shí)間延遲：10ns初始U-I相位差=1.309rad(約75°) PF=0.26(無線充電中常見PF值）
