MXO 示波器：精準分析電動車三相傳動系統效率與 SiC 交換暫態
- Sonya Chan
- 9月7日
- 讀畢需時 7 分鐘
汽車產業正經歷一場朝向電氣化的轉型變革，而對電動傳動系統進行精準的量測與分析，對於提升其效能、效率與可靠性至關重要，R&S MXO 系列示波器已成為執行這些量測任務的關鍵測試工具，該機種能提供對電壓與電流波形的即時洞察，讓工程師和技術人員得以深入探索複雜的運作機制，進而改善傳動系統的整體效能與運作效率 。
您的任務：多面向的傳動系統效能特性分析
傳動系統的效能特性分析是一項多面向的工程任務，其目標在於確保系統內各元件的無縫整合與最佳功能性運作，這項任務不僅是單純的數據收集，更是對系統動態行為的深度剖析，其中包含了幾個核心的分析面向 。
首先，電壓與電流波形分析是基礎，必須在傳動系統的關鍵節點上執行，例如：變頻器的直流輸入端與三相交流輸出端，透過精確捕捉這些波形，工程師能計算出不同功率轉換階段的實際效率與功率因數，從而識別出能量損耗的主要來源並尋求改善空間；其次，馬達控制演算法的驗證至關重要，這項工作確保馬達的行為能精確且迅速地響應控制單元的輸入指令，例如：驗證脈衝寬度調變（PWM，Pulse-Width Modulation）訊號的時序是否準確、閉迴路控制是否穩定，以及扭力輸出是否線性。
接著，暫態響應分析專注於評估傳動系統應對負載或功率條件突然變化的能力，例如：駕駛者瞬間踩下加速踏板或啟動再生煞車時，系統的電壓過衝 (Overshoot)、電流尖峰與穩定時間等都是關鍵指標，這些非重複性事件的特性往往決定了系統的穩健性 (Robustness) 與安全性；最後，識別並抑制系統中的諧波失真，有助於改善電力品質與傳動系統的整體可靠性，由變頻器高速交換所產生的諧波，可能導致馬達過熱、產生額外噪音、甚至干擾車內其他敏感的電子設備。
這四個分析面向環環相扣、互為因果，例如：一個不穩定的馬達控制演算法可能在暫態期間引發劇烈的電壓震盪，進而產生大量的諧波失真，最終導致功率轉換效率顯著下降，因此，一個全面的分析方法，能確保對傳動系統的行為有透徹的理解，並為效能最佳化提供明確的方向 。
Rohde & Schwarz 解決方案：新世代示波器的整合分析能力
面對如此多樣化的量測需求，工程師需要運用不同的設備以獲得精確的結果，傳統上，功率分析儀、低頻向量分析儀或匯流排解碼器等儀器，都在各自的領域中提供準確的量測；然而，示波器在此扮演了獨特的角色，它能夠將時間與振幅的關係以視覺化方式呈現，同時提供豐富的分析工具，例如快速傅立葉變換 (FFT，Fast Fourier Transform)、數學函數、諧波分析、數位通訊協定解碼以及頻率響應分析 。
作為新世代的示波器，R&S MXO 系列在電動傳動系統的最佳化方面表現卓越，該機種不僅提供基礎的時域分析，更具備業界最快的波形擷取率、18 位元高動態 (HD，High Definition) 解析度、超快速的 FFT 頻譜能力以及極深的記錄長度，特別是 MXO 5 系列，是首款專為三相分析設計的八通道示波器，能夠同時量測所有三相的電壓與電流，提供前所未有的系統級視野 。
本模組支援：
每秒 450 萬次波形擷取： 提供最高的波形捕獲率，確保高達 99% 的訊號活動都能被觀測，大幅提升捕獲偶發性突波 (Glitches) 或異常事件的機率，傳統示波器在處理與顯示波形時存在較長的「盲區時間」，可能遺漏關鍵的暫態事件，而 MXO 系列的架構將此盲區時間降至最低，確保如百萬分之一機率的 shoot-through 事件也能被可靠捕獲。
18 位元 HD 模式： 提供市面上最精確、最準確的垂直解析度。在電動車 400V 或 800V 的高壓直流鏈路上，要量測數十毫伏（mV）的漣波 (Ripple) 或雜訊尖峰 (Noise Spike)，如同在深水中觀察一顆小石頭，傳統 8 位元示波器完全無法分辨這些細節，而 18 位元的解析度提供了足夠的動態範圍，能清晰呈現這些微小卻關鍵的訊號細節。
每通道 400 Mpoints/500 Mpoints 記錄長度： 讓使用者在維持高取樣率的同時，能夠擷取更長時間的波形；電動傳動系統這類機電整合系統的響應速度相對較慢，工程師需要觀測一個完整的加速或減速週期（可能長達數秒），同時又不能錯過變頻器中微秒（µs）級的交換細節，超長的記錄記憶體正是實現此目標的關鍵。
每秒 45000 次 FFT 運算： 提供反應靈敏的頻譜分析能力，對於 EMI（Electromagnetic Interference）分析至關重要。當工程師在除錯過程中嘗試增加濾波器或磁珠時，快速的 FFT 更新率能讓他們即時看到雜訊基底的變化，提供立即的視覺回饋，大幅縮短除錯週期。
數位觸發： 具備高達 0.0001 div 的觸發靈敏度。這種高靈敏度使其能夠穩定地觸發在極微小、快速生成的訊號異常上，這些異常往往是系統不穩定性的根源，但卻容易被傳統類比觸發系統所忽略。
測試任務 | MXO 示波器 | 功率分析儀 |
穩態效率量測 | 次要角色，可用於快速評估與驗證 | 主要工具，提供符合法規的高精度量測 |
動態暫態事件分析 | 主要工具，能捕捉高速、非重複性的事件 | 不適用於此類分析 |
交換訊號特性分析 | 主要工具，精確量測上升/下降時間、振鈴、死區時間 | 不適用於此類分析 |
諧波含量分析 | 適用於即時除錯與頻譜分析 (FFT) | 適用於符合標準的諧波量測 |
控制與電源訊號關聯性除錯 | 主要工具，透過多通道進行時間關聯分析 | 不適用於此類分析 |
變頻器驅動控制對多通道分析的需求
將電池的直流電轉換為驅動電動馬達的交流電，是傳動系統的核心功能之一。為了提高效率，變頻器內部的功率半導體（通常為圖騰柱結構的閘極）會透過 PWM 技術，將直流電壓斬波成不同寬度的脈衝，再經過濾波形成近似正弦波的交流電來驅動馬達 。
對於 三相電動馬達，就需要三組獨立的變頻器閘極，而這些閘極的交換邏輯與時序精準度，將直接影響駕駛效能與能源效率。
在進行完整的三相系統分析時，工程師需要在每個變頻器相位上同時量測電壓與電流，此外，量測扭力感測器和馬達轉速的訊號也能提供關鍵的機械性能回饋，MXO 5 系列示波器具備的八個通道，正好滿足了這種複雜的量測需求，讓工程師能捕獲變頻器驅動控制的全面視圖，例如：
通道 1, 2, 3：分別連接高壓差動探棒，量測三相輸出電壓 (Va,Vb,Vc)。
通道 4, 5, 6：分別連接電流探棒，量測三相輸出電流 (Ia,Ib,Ic)。
通道 7：監控直流鏈路電壓，觀察在負載變化下的電壓下垂 (Droop) 與漣波情況。
通道 8：連接邏輯探棒或差動探棒，解碼來自車輛控制單元的 CAN 匯流排協定，將控制指令（如目標扭力）與實際的電氣響應進行時間上的精確關聯。
透過這種方式，八通道示波器能夠將電氣行為、機械回饋與數位控制指令整合在同一個時間軸上進行分析，這是傳統四通道示波器無法實現的系統級除錯能力 。
交換閘極議題：應對寬能隙半導體帶來的挑戰
為了追求更高的效率與更快的傳動系統響應速度，設計上已從傳統的絕緣閘雙極電晶體（IGBT，Insulated-Gate Bipolar Transistors）轉向使用寬能隙技術的電晶體，例如：碳化矽 (SiC) 元件，這些新世代半導體的關鍵優勢在於其材料特性允許更快的交換速度，但更重要的是，它們具有更低的動態導通電阻，從而顯著提升了導電效率 。
然而，更快的上升邊緣 (rising edge) 與下降邊緣 (falling edge) 也帶來了新的設計挑戰，因為它們會在系統中引入高頻的 EMI 雜訊，高速的電壓變化率 (dV/dt) 與電流變化率 (dI/dt) 會激發電路板佈線與元件封裝中存在的寄生電感和寄生電容，導致嚴重的振鈴現象，並可能引發破壞性的上下臂短路 (shoot-through) 事件，也就是當圖騰柱結構中的高側與低側閘極同時導通時，會造成對直流電源的直接短路；因此，對電晶體及其驅動電路進行額外的時序分析變得至關重要，特別是確保高低側閘極切換之間有足夠的死區時間 (dead-time)。
R&S MXO 系列的數位觸發功能在偵測電晶體閘極上的微小突波時非常有用，其高靈敏度能夠可靠地捕獲可能導致上下臂短路 (shoot-through) 的寄生震盪，結合 18 位元 HD 解析度，示波器能以極高的精確度呈現波形細節，讓工程師準確量測死區時間並觀察交換節點上的微小異常；同時，快速的 FFT 功能有助於即時識別由高速交換產生的 EMI 輻射頻率，進而改善電路濾波器的設計，確保系統符合電磁相容性規範 。
MXO 示波器於電動傳動系統測試的全面優勢
電動傳動系統的改進需要多樣化的測試方法，從高層級的三相諧波改善，到最底層的閘極驅動交換分析，皆不可或缺，與專為高精度規格量測設計的功率分析儀不同，示波器能提供一個關鍵的時序視圖，幫助使用者理解不同時序控制下的時變行為 。
示波器同時也是一款功能極為廣泛的工具，其測試能力橫跨時域與頻域，可用於電能效率量測、EMI 除錯、諧波分析與匯流排解碼，R&S MXO 系列示波器標配的深度記錄長度，使其成為測試電動傳動系統的理想選擇，因為這類系統通常具有較慢的機械響應。
該機種整合了數位觸發的靈敏度、HD 解析度的精確度、量測軌跡的分析能力、快速頻譜分析的即時性以及八通道的系統級觀測能力，在評估電動傳動系統效能時，開啟了無限的量測可能性，為工程師提供了解決最複雜設計挑戰所需的洞察力 。
