宽带精密功率计通过对电压和电流信号进行数字化采样，将采样值 u(t) 与 i(t) 相乘，再对一个或多个基本周期的功率曲线 p(t) 计算算术平均值，从而得到有功功率 P。功率测量的精度取决于电压和电流采样的幅值精度、采样之间的时间延迟，以及用于确定周期长度的测量区间或过零点的精度。

第一代变频器出现于20世纪60年代末。此后经历了二十多年，才出现了能够处理变频器极其陡峭的电压边沿和畸变电流信号的测量设备。其中一个例子便是20世纪90年代初的LEM NORMA D 6000型功率分析仪。当时，电流测量采用超宽带同轴分流器以及所谓的“GUARD”技术，该技术能够最大程度地抑制共模干扰。在高电位下测量非常陡峭的电压边沿时，会产生从测量通道流向设备外壳的共模电流，从而引起幅值和相位角误差。

图1

损耗无法直接测量

在测量变频器和电动机损耗时面临的另一个挑战是：它们效率极高，且损耗无法直接测量。对这些驱动部件进行损耗计算，始终基于输入和输出功率。对于逆变器而言，这意味着输入端的直流电功率和输出端的交流电功率。对于电动机，则是输入的电功率和输出的机械功率。

虽然单个有功功率值可以测量得相当精确，但损耗测量的不确定度必须考虑到：输入功率和输出功率的测量误差可能方向相反——例如，输入功率测得偏高而输出功率测得偏低。因此，损耗测量的不确定度高度依赖于部件的效率。显而易见，对于效率接近99%的逆变器，测量误差可能导致实际损耗的偏差超过100%。因此，对驱动部件进行损耗计算时，必须使用最高精度的功率计和传感器。

如前所述，就幅值精度和相位保真度而言，外置同轴分流器曾经非常适用于此类测量。然而，在高电压且严重畸变的信号上测量分流器输出端的微小压降，问题极大。所连接的测量设备必须具备极高的共模抑制比。此外，外置的大电流同轴电阻非常昂贵。

多年来，超高精度的DCCT电流传感器(与测量信号电流隔离)已被用于扩展功率计的量程。这项技术最初是为粒子加速器中线性直流大电流源的调节而开发的。其在医疗技术领域的一个早期应用是MRI扫描仪中的磁场测量。

仅具有高直流精度并不足以精确计算逆变器的损耗。传感器必须在高达数百千赫兹的宽频率范围内保持幅值精度，并且不能在真实的电压和电流信号之间引入额外的相移。这种相移会改变功率因数，导致有功功率和损耗计算出现误差。

新旧两代传感器的比较

第一代批量生产的DCCT传感器尚未针对较高频率交流电流的测量进行优化。这也许是这些传感器迟迟未能广泛应用于扩展功率计量程的原因之一。此外，老一代传感器对外部交流磁场的敏感度相对较高。然而如今，它们已成为标准配置。

专用传感器现在的频率范围覆盖直流到数兆赫兹。这通常仅用于极高频率的应用，例如新型快速半导体开关的信号分析。在这些应用中，开关频率可接近100 kHz，而在极低电感负载下，开关频率的谐波理论上可延伸至兆赫兹范围。

图2

对于典型的功率和损耗测量，并不需要如此宽的频率范围。测量电路中的阻抗会显著衰减电流中的大部分高频成分。而且，如果电流中没有某一频率的分量，那么该频率上也不会有有功功率分量，因为只有电压和电流中同频率的信号分量才会产生有功功率或损耗。

DCCT电流传感器的精度比变频器电流控制中常用的标准霍尔效应传感器高出数百倍。不幸的是，其设计也复杂得多。过去，需要两个相同的电感器来测量电流的直流分量。第二个电感器专门用于补偿主磁芯中第一个电感器引起的干扰。这些电感器的制造需要极高的精度和一致性。本文不深入探讨旧式模拟技术的具体工作原理。

在开发最新一代DCCT传感器时，LEM运用了其在其他电流测量技术中通过微处理器控制误差补偿方面的专业知识。在新的IN系列中，用于抑制噪声的第二个电感器已被取消。用于直流测量的电感器所产生的干扰，在生产过程中被学习、数字化并存储在处理器中，然后通过D/A转换器、模拟放大器和主磁芯中的补偿绕组进行补偿。传感器中几乎不再需要容易出错的模拟元件。甚至失调调整也存储在FPGA中。最新一代传感器的典型直流精度在个位数ppm(百万分之一)的低位。LEM已为这项新技术申请了专利。

现在的传感器开发也将交流优化考虑在内。在这方面，LEM也运用了其适用于变频器应用的直流/交流电流传感器的知识。在交流电路中，DCCT传感器与标准的电流补偿型霍尔效应传感器差别甚微。

图3

简化传感器在测试台架上的使用

在生产环境中测试高压电池历来很复杂。为了简化传感器在测试台架上的使用，需要专用的传感器电源。该电源应确保稳定的运行以及所连接的传感器和负载电阻具有高精度的信号完整性。

为了应对这些挑战，专注于宽带功率测量技术的SIGNALTEC公司开发了其单通道和多通道传感器系统(MCTS)，两者均具备电流隔离的供电通道。SIGNALTEC建立了一个设备齐全的测量与测试实验室，可以在宽频率范围内对开发和样机阶段的幅值精度和相位精度进行测量。

丰富的附件使得传感器输出信号能够适配测量设备上各种类型的电流或电压输入端。

将传感器集成到自动化系统中，通常需要专用的信号数字化处理，尤其是在电池生产线末端(EOL)的测试配置中。高精度、高速的EtherCAT转换器能够实时提供这种功能。这些转换器与最初的型号相比已有了显著的发展。第一代所谓的EtherCAT转换器只能测量电流，并在输出端提供EtherCAT协议。最新的系统(例如REDCUR公司与SIGNALTEC合作开发的Powerlens)现在可以提供完整的电流和电压测量、EtherCAT输出，并额外支持CAN协议。

DCCT传感器已成为扩展宽带功率分析仪量程的标准配置，而数字补偿型DCCT传感器则旨在为直流和交流电流测量提供更加精确的结果。

LEM与其合作伙伴SIGNALTEC和REDCUR一起，致力于超高精度DCCT电流传感器领域。SIGNALTEC提供针对交流优化的CT传感器以及便于集成到测试台架的附件，而REDCUR则为生产环境中的高压电池测试提供完整的测量系统。