软磁磁芯高激励下损耗测试的技术.docx

大比特资讯 / 软磁磁芯高激励条件下的损耗测量技术 Core Loss Measurement Technology for Soft Magnetic Element under High Exaction 摘要 本文对软磁材料在高激励条件下的交流损耗测量技术进行了探讨，尤其是对超大尺寸的低磁导率金属磁粉芯材料的损耗测试，以及在直流偏置下的磁芯的损耗及BH曲线测试方法进行了介绍。 关键词：软磁磁芯的交流磁性能，损耗，磁滞回线，直流偏置，损耗测试仪 引言 软磁材料高激励条件下呈现非线性使得测量技术成为材料创新和电感设计的关键技术。了解测量系统的性能和理解测量数据的分析有助于功率电子设计人员对软磁材料和磁芯的认识，以及帮助材料研发人员兼顾材料运用考量。先进测量系统的首要要求是自动化测试，排除人为干扰因素；其次是测量过程要快速，避免测量过程中产生自热，间接影响到被测物的温升，从而产生系统误差；其三是准确度，主要体现在同样被测物，同样测量条件，同样绕组条件下测量数据的重复性。 随着直流电网发展趋势，感性元件设计要兼顾直流偏置条件下，磁性参数的测量成为功率电子设计者越来越关心的题目。材料革新来自于功率电感，高功率密度，高效率是推进研发的动力，大电流意味着低导磁率，高效率指的是磁性材料及器件的低损耗。而只有直流偏置条件下的励磁电流才是磁芯损耗的根本原因。 综合以上几点对于软磁材料在高激励条件的测量需求，BsT系统提供了相应的解决方案。 测量原理和现有国际电工委员会标准 依据国际电工委员会 62044-3， 测试损耗有以下各种方法： 1) 共振法 2) 乘积法 伏安乘积法 （例如市场上常见的以Clark-Hess 功率仪为基础的系统） 示波器(时域)乘积法 (例如BsT-2, BsT-2 Pro BH Loop Analyzer） 示波器(频域)乘积法 （例如Iwatsu SY-8258） 电桥分析法 矢量分析法 3) 反射测量法 4) 散热测量法 现将常见的几种软磁材料交流磁性测试设备为例，从测量绕组绕线方式来对测试精度进行分析和研究。 测量绕组及方式与测试精度的关系： 不同品牌和种类的软磁磁芯损耗测量系统，具有不同的样品测试绕线的接线方式。 例如以Clark-Hess 功率仪为基础的系统，采用的是单线圈绕组法对样品进行测试绕线的接线方式；而日本IWATSU以及安博磁所代表的德国BsT-X BH分析仪则采用了单线圈和双线圈绕组法对样品进行测试绕线的接线方式。 本文探讨了测试绕组方式对磁芯损耗精度的影响，采用何种测试绕组方式取决于磁芯阻抗特性(等效损耗电阻、电感)与铜绕线阻抗特性(等效损耗电阻、漏电感)，选择不同的绕线接线方式将影响所耗费的准备时间与期望的精度，理解各种接线方式有助于功耗量测工作的进行。 （1）单线圈绕组测试法： 典型的设备型号： 例如Clark-Hess 的功率仪为基础的系统；以及德国BST-1 BH Analyzer 左图为被测元件的单线圈绕组的示意图。 Zcore为磁芯本身的阻抗，Zwire为磁芯上绕组铜线产生的阻抗。测试到的被测元件的损耗由两部分组成： 磁芯的损耗（铁损）+ 绕组产生的损耗（铜损） 当对被测元件磁芯进行磁化时，在激励电流或磁场H的线性区下，被测元件上的的电压为Vm, 其中磁芯两端的电压V1为： V1(peak) = (2πf) × N ×Ae×Bp 其中：Ae为磁芯的有效截面积参数，N为单线圈的绕线的匝数，f为测试频率(Hz) Bp为测试时的峰值磁通密度(T)。 磁芯损耗的理论值为： (1) 当Zwire远小于Zcore，则Vm ~= V1，所实际量测值为： (2) 此时采用单线圈绕线进行测试时，测试工作简单并且效率高。对于一般功率铁氧体磁芯、非晶、纳米晶磁芯的测试来说，由于其磁导率高，测试时绕的匝数少，磁芯的阻抗远远大于绕线的阻抗，铜线的损耗往往可以忽略不计。适合于采用单线圈绕线的设备来进行损耗测试。 但是，当Zwire不是远小于Zcore时，Vm V1，并且其差异无法忽略不计。 此时以Vm 来调整激励电源时将造成磁芯上的实际测试Bp 小于所设定的测试条件，使得所测试到的功耗Pv值(铜损+铁损)偏小，而所测的功耗Pv因含铜绕线损耗而使所量测功耗Pv高于实际磁芯功耗值Pcv。 对于一般金属磁粉芯的测试来说，由于其磁导率低，测试时绕的匝数多，绕线的阻抗增大，有时甚至高于磁芯的阻抗，铜线的损耗占了较大的比例，不可以忽略不计。采用单线圈绕线的设备来进行损耗测试，将产生非常大的误差，即使是人工估算由电阻去除铜线的损耗，所产生的不确定性也是非常大的。铜损估算往往以直流电阻为基础，即使考量到涡流和肌肤效应也非常