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제품정보 > 파워 아날라이저 전력변환효율, 모터 평가가 가능한 파워 미터

하이엔드급 파워 아날라이저를 이용한 SiC 인버터 실측 비교 (PW8001)

요약

 들어가기 전에

최근 고속 스위칭이 가능한 전력 반도체인 SiC와 GaN을 사용한 고효율 인버터 개발이 진행되고 있습니다. 이러한 전력 반도체를 채택하면 인버터의 스위칭이 빨라지고, 평활화용 코일이나 커패시터 등의 부품을 소형화할 수 있습니다. 또한, 스위칭 손실의 감소로 방열판을 비롯한 방열 부품의 소형화가 가능하여 인버터 및 모터 전체의 고효율화, 소형화, 경량화를 실현할 수 있습니다. 그러나 스위칭의 고속화에 따라 기존보다 광대역으로 정밀도가 높은 전력 측정이 요구되기 때문에 적절한 기종 선정이 매우 중요합니다. 이번 어플리케이션 노트에서는 파워 아날라이저 PW8001과 A사의 하이엔드급 파워 아날라이저를 사용하여 SiC 인버터의 효율을 실측하여 비교한 결과를 소개합니다.

 

 


 

 

 인버터 출력 전력 측정 오차의 영향

인버터 및 모터의 소형화와 경량화, 고효율화를 위해 스위칭 주파수의 고속화가 진행되고 있습니다. 그러나 스위칭 주파수의 고속화에 따라 인버터의 출력 전력을 정확하게 측정하는 것이 어려워지고 있습니다. 예를 들어, 자동차의 인버터 개발에서는 연비 개선과 충전 시간 단축을 위해 10W 단위의 열 관리가 이루어지고 있습니다. 인버터 손실과 모터 손실을 정확하게 측정해야 최적의 열 관리 설계가 가능합니다. 그러나 이러한 측정 오차가 커서 실제보다 더 큰 손실이 있다고 오인하게 되면 과도한 열 관리를 하게 되고, 그 결과 소형 경량화 실현이 어려워질 수 있습니다. 이러한 이유로 인버터 출력 전력을 정확하게 측정하는 것이 매우 중요합니다.

 

 


 

 

 SiC 인버터・모터의 효율 실측 비교

SiC 인버터의 효율을 실측으로 비교한 블록도입니다. 인버터의 입력 전력(1P2W), 인버터의 출력 전력(3P3W2M), 모터 전력의 세 개의 포인트를 두 기종의 파워 애널라이저로 동시에 측정하고 있습니다. 또한, PW8001은 AC/DC 전류 센서 CT6904A와 함께 측정하고 있기 때문에, 조건을 맞추기 위해 A사의 파워 아날라이저에도 대응하는 A사의 전류 센서를 조합하여 측정하고 있습니다.

 

 


 

 


 

 

 인버터 효율, 모터 효율, 종합 효율 비교

본 실험에서는 SiC 인버터의 스위칭 주파수를 10kHz, 20kHz, 100kHz, 200kHz로 변화시킨 상태에서 인버터 효율과 모터 효율을 각각 측정했습니다. 인버터 효율 비교 결과, 스위칭 주파수가 높아질수록 두 모델 간의 차이가 커지는 것을 확인할 수 있었습니다. 또한, 모터 효율 비교 결과에서도 스위칭 주파수가 높아질수록 차이가 커질 뿐만 아니라, A사 파워 아날라이저에서는 효율이 100%를 넘어서는 결과를 확인할 수 있었습니다.

 

 


 

 


 

다음 그림은 스위칭 주파수가 100kHz인 조건에서 인버터 효율, 모터 효율, 종합 효율을 비교한 결과입니다. 실제 측정값을 확인해보면 인버터 입력인 DC 전력과 토크계 및 인코더에서 산출되는 모터 전력에는 큰 차이가 없음을 알 수 있습니다. 하지만 인버터 출력인 삼상 전력의 수치에는 큰 차이가 보입니다. 예를 들어, 인버터 손실에 주목하면 PW8001의 측정 결과 손실이 0.17kW인 반면, A사의 파워 아날라이저는 0.83kW의 손실이 발생합니다. 측정값을 잘못 인식하면 추가적인 방열 대책이나 제어 설계의 재검토가 필요합니다.

 


 

 

 고속 스위칭하는 인버터 전력을 정확하게 측정할 수 있는 파워 아날라이저 선정 기준

■ 인버터 출력 전력의 특징

유효 전력에 차이가 나는 이유는 무엇일까요? 다음 그림은 인버터가 출력하는 유효 전력의 주파수 분포를 보여줍니다. 인버터의 출력 전력에는 모터를 구동하는 기본 주파수 성분과 그 고조파(파란색 부분), 인버터의 스위칭 주파수와 그 고조파(빨간색 부분)가 포함되어 있습니다. 이처럼 저주파에서 고주파까지 넓은 범위에 걸쳐 유효전력이 분포되어 있기 때문에 인버터의 출력 전력을 정확하게 측정하기 위해서는 광대역에 대응하는 파워 아날라이저가 반드시 필요합니다. 또한, 인버터 출력 전력의 스위칭 주파수와 그 고조파 성분은 역률이 낮기 때문에 출력 전압과 출력 전류의 위상차를 고주파 영역까지 정확하게 파악해야 합니다.

 

 

 

 

■ 위상 정확도의 중요성

인버터 출력 전력을 정확하게 측정하기 위해서는 특히 스위칭 주파수와 그 고조파 성분을 정확하게 측정하는 것이 중요한데, 고주파에서는 낮은 역률(=전압 전류 위상차 90º)이 나타나기 때문에 측정기에는 높은 위상 정확도가 요구됩니다. 위상 오차는 특히 저역률의 유효 전력 측정에 큰 영향을 미칩니다. 예를 들어, 88º의 위상에 대해 측정기의 위상 오차가 1º인 경우, 유효 전력으로 환산했을 때 오차는 약 50%에 달합니다. 당사는 고정밀 전류 센서를 자체 개발하여 각 센서 기종의 위상 특성을 파악하고 있기 때문에 광대역에 걸친 위상 보정을 실현하고 있습니다. 예를 들어 100kHz의 위상 오차를 비교했을 때, A사의 전류 센서에서는 1.0º 이상의 위상차가 발생하는 반면, HIOKI CT6904A는 0.01º 이하의 오차를 보이고 있습니다.

 

 

정리

 

하이엔드급 파워 아날라이저를 사용하여 SiC 인버터의 실측 비교를 실시했습니다. 경쟁사 파워 아날라이저와 비교했을 때, 인버터 출력 전력에 뚜렷한 차이를 확인할 수 있었습니다. 그 결과로 고주파 스위칭 주파수까지 정확하게 측정할 수 있는 PW8001의 측정값이 신뢰할 수 있는 것으로 판단됩니다.
인버터 출력 전력의 스위칭 주파수와 그 고조파 성분은 역률이 낮기 때문에 광대역 및 위상 정밀도가 좋은 파워 아날라이저와 전류 센서를 선정하는 것이 포인트입니다.

 

 

제품에 대한 자세한 내용은 제품 페이지에서 확인하실 수 있습니다.

제품 데모 요청 및 애플리케이션 관련 상담은 HIOKI 담당자에게 문의해 주시기 바랍니다.