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磁性材料性能參數(shù)眾多，且是非線性材料，在不同應(yīng)用下具有復(fù)雜多變的參數(shù)特性，而變頻狀態(tài)下，更要求磁性材料在各個(gè)頻率點(diǎn)均能保持良好的性能。

尤其是在以氮化鎵、碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體材料的推動(dòng)下，磁性元器件行業(yè)呈現(xiàn)高頻化、集成化的發(fā)展趨勢(shì)，讓磁性材料的開發(fā)變得更為復(fù)雜和困難，這就需要磁性材料企業(yè)對(duì)磁性材料的理解足夠深刻和全面。

01 磁性材料參數(shù)的復(fù)雜性

一般來說，對(duì)線性材料的參數(shù)確定比較簡(jiǎn)單，對(duì)各種磁導(dǎo)率，如果在線性情況下都是一樣的參數(shù)。而磁性材料是一個(gè)非線性的材料，磁性材料有磁滯回線，磁滯回線又分為靜態(tài)的和動(dòng)態(tài)的，這兩個(gè)曲線在頻率高的時(shí)候就有差別。

此外，基本磁化曲線對(duì)于磁性材料的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。基于基本磁化曲線，磁導(dǎo)率有多種定義，不同的磁導(dǎo)率應(yīng)用于不同的電感參數(shù)，其意義也各不相同。

例如，初始磁導(dǎo)率用于共模電感的設(shè)計(jì)；幅值磁導(dǎo)率用于交流電感器和變壓器的勵(lì)磁電感設(shè)計(jì)；增量磁導(dǎo)率是在一定的偏磁下面的增量磁導(dǎo)率，應(yīng)用于直流電感；復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率用于EMI濾波器；而能量磁導(dǎo)率表示磁芯儲(chǔ)存磁能的能力。

對(duì)于線性材料，能量磁導(dǎo)率等于二分之一B·H（B=磁感應(yīng)強(qiáng)度；H=磁場(chǎng)強(qiáng)度），能量磁導(dǎo)率的物理概念是磁化曲線的工作點(diǎn)與H軸所形成的面積。

從圖中可以看到，即使紅色和藍(lán)色線在a點(diǎn)具有同樣的幅值磁導(dǎo)率，但是它們兩個(gè)磁性材料具有不同的能量磁導(dǎo)率，即幅值磁導(dǎo)率相同，但是能量磁導(dǎo)率不同。因此，對(duì)于磁性材料，存在磁導(dǎo)率不同這樣的復(fù)雜性問題。

02 不同磁導(dǎo)率所需的電感測(cè)量?jī)x器

在測(cè)量初始磁導(dǎo)率時(shí)，可以用LCR表和阻抗分析儀，這些儀器測(cè)量的勵(lì)磁電壓信號(hào)較小。而測(cè)量幅值磁導(dǎo)率時(shí)，可以用B-H 分析儀和交流磁特性測(cè)量?jī)x，它們可以產(chǎn)生較大的信號(hào)。但是如果磁導(dǎo)率比較低，所需要的勵(lì)磁容量(S）等于勵(lì)磁電壓（U）×勵(lì)磁電流（I），就可能很大。

如果磁導(dǎo)率μe很高，如鐵氧體可能達(dá)到一兩千，那么測(cè)量磁性材料的勵(lì)磁功率可以很小，雖然電壓較高，但是電流可以很小。然而，如果是粉芯，μe很低的情況下，激勵(lì)源容量就很大，因此一般傳統(tǒng)的交流測(cè)試的功放都很難在磁性材料測(cè)量中達(dá)到這么大的功率，或者達(dá)到這么大的容量。

要測(cè)量增量磁導(dǎo)率，需要使用LCR表或者阻抗分析儀，并加上高頻的偏置源，這是一個(gè)在頻率很高的頻段下，增量磁導(dǎo)率仍然具有恒流特性的電流源。

那么這里就有兩個(gè)挑戰(zhàn)，一個(gè)是磁性材料頻率高，另一個(gè)是磁性材料電流要很大，直流電流Idc可能是幾百安培、上千安培都有。尤其是在AI服務(wù)器電源上，電流需要更大，所以傳統(tǒng)的商業(yè)化的高頻偏置源目前可能就100多安培、125安培五個(gè)模塊并聯(lián)，這也是磁性材料行業(yè)面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。

也就是說，功率源和偏置源滿足不了現(xiàn)在磁性材料測(cè)試的要求，因此磁性材料行業(yè)很早就有脈沖測(cè)量法，即用一個(gè)脈沖，產(chǎn)生一個(gè)短時(shí)間的脈沖，這個(gè)原理就是給電感加一個(gè)脈沖電壓，就會(huì)產(chǎn)生電流?，F(xiàn)在DPG、SYBERTEK、威派森都有在賣這種商業(yè)化設(shè)備。

只要把電感的兩端電壓u(t)和電流i(t)足夠準(zhǔn)確地采出來，那么通過這三個(gè)公式的運(yùn)算就可以得到磁化曲線和幅值電感以及增量電感。

原理很簡(jiǎn)單，采樣的精度、設(shè)備和傳感器的準(zhǔn)確性是確保磁芯材料測(cè)量結(jié)果可靠性的關(guān)鍵因素。雖然脈沖測(cè)量法與常規(guī)的直流偏置源加阻抗分析儀的測(cè)量方法有些差異，但它已被納入IEC 63300，并得到了業(yè)界的廣泛認(rèn)可和應(yīng)用。

這種方法的優(yōu)勢(shì)在于其操作的簡(jiǎn)便性，但同時(shí)也存在一些局限性。特別是當(dāng)磁性材料對(duì)頻率變化較為敏感時(shí)，脈沖的寬度或電壓的高低會(huì)影響電流的上升速率，進(jìn)而影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。上升速率的不同相當(dāng)于頻率的差異，可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)偏差。

然而，對(duì)于某些磁性材料，如粉芯，在特定的頻率范圍內(nèi)，磁性材料對(duì)頻率的變化并不敏感，因此脈沖寬度對(duì)磁性材料測(cè)量的結(jié)果的影響相對(duì)較小。這意味著在實(shí)際磁性材料測(cè)試中，需要根據(jù)磁性材料的特性和應(yīng)用場(chǎng)景，選擇合適的測(cè)量方法和參數(shù)，以確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

03 幅值電感與增量電感的應(yīng)用差異及測(cè)量方法

這個(gè)圖展示了幅值電感與增量電感在應(yīng)用上的差異，業(yè)界通常會(huì)混淆相關(guān)的公式L·I=N·A·B=磁鏈，這里的關(guān)鍵是這里的I和L是什么含義，L是指增量電感L，還是幅值電感L。

直流電流和伏秒級(jí)ΔB磁通變化量是由外電路決定的，但是對(duì)磁性材料來說，ΔI和Bdc是由磁性材料本身決定的。根據(jù)ΔI·L =N·A·ΔB，這里的L實(shí)際上是指增量磁導(dǎo)率，即斜率，也就是ΔH比ΔB。

如果是Bdc，則由靜態(tài)磁導(dǎo)率或幅值磁導(dǎo)率決定，因此在應(yīng)用時(shí)這兩個(gè)參數(shù)會(huì)有差異，特別是在粉芯材料中，這種差異尤為明顯，尤其是在盡限設(shè)計(jì)時(shí)，電流在接近飽和的地方，差異會(huì)更加顯著。

增量磁導(dǎo)率的獲取可以通過幾種方法：

第一種方法是由靜態(tài)磁化曲線求導(dǎo)得到，但由于曲線是靜態(tài)的，無法反映頻率的影響，所以只有當(dāng)頻率對(duì)磁導(dǎo)率的影響很小的情況下，這個(gè)方法才適用。

第二種方法是通過阻抗分析儀加上偏磁源測(cè)量得出，這是常規(guī)方法。但是偏磁源可能沒有足夠大的直流量，而且激勵(lì)源的信號(hào)很小。

第三種方法可以從脈沖測(cè)量法得到。這種方法的問題可能會(huì)受到脈沖寬度的影響，脈沖伏秒級(jí)相同下，可以脈沖寬度時(shí)間短，但電壓高，也可以時(shí)間長(zhǎng)，但電壓小，這意味著脈寬頻率不一樣。

因此，選擇合適的測(cè)量方法和參數(shù)，以確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，對(duì)于磁性材料的磁導(dǎo)率測(cè)量來說至關(guān)重要。

結(jié)語

從終端應(yīng)用上看，以充電樁、儲(chǔ)能、新能源汽車、AI服務(wù)器、云計(jì)算等為代表的領(lǐng)域正在延續(xù)大功率發(fā)展的態(tài)勢(shì)。

如車載用OBC的功率呈現(xiàn)出從3.3kW、6.6kW到11kW、22kW的趨勢(shì)。充電樁從最早的15kW，到20/30/40/60kW的模塊電源，而新國標(biāo)上限提高到800kW，單個(gè)模塊電源功率需要更高，集成度也要更高。

技術(shù)的創(chuàng)新離不開材料的不斷發(fā)展。只有深刻理解和應(yīng)用磁性材料，才能加速大功率、高頻率磁性元器件產(chǎn)品的落地，掣肘行業(yè)發(fā)展的難題才會(huì)迎刃而解。

*對(duì)此，Big-Bit電子變壓器與電感網(wǎng)將對(duì)磁性材料評(píng)價(jià)指標(biāo)的探討專訪中國電源學(xué)會(huì)常務(wù)理事、磁專委名譽(yù)主任、福州大學(xué)陳為教授，敬請(qǐng)期待。