脈沖場磁力測定法能夠表征磁性元件

在電子領(lǐng)域，我們看到對需要高效率的電源應(yīng)用的需求不斷增長。電動汽車和隨之而來的電動汽車和充電站數(shù)量的增長，再加上對可再生能源領(lǐng)域的大量投資，導(dǎo)致對軟磁材料的需求增加，其市場估計將達到 100 歐元到 2026 年將達到 10 億。由于這種增長，汽車、基礎(chǔ)設(shè)施和半導(dǎo)體行業(yè)等領(lǐng)先的電力電子行業(yè)預(yù)計將在很短的時間內(nèi)需要先進的磁性材料和組件。功率磁性元件的精確設(shè)計是高效功率應(yīng)用的關(guān)鍵因素。雖然繞組損耗背后的物理原理是線性的，而且準確的測量工具已經(jīng)可用，磁化過程的物理學非常復(fù)雜，磁性材料和繞線組件的非線性行為只能通過準確的測量進行分析和表征。因此，需要準確可靠的測試設(shè)備來設(shè)計和開發(fā)用于電力應(yīng)用的高效材料（尤其是低磁導(dǎo)率磁性材料），從而限制功率損耗的影響。

對于磁性材料，特別是使用低導(dǎo)磁率粉末或多氣隙異形磁芯的功率磁性元件，需要在器件飽和工作時進行測量，因此需要極高的磁化電流幅值。此外，完整測量所需的時間應(yīng)適當限制（一些微秒或毫秒），以避免散熱的影響。脈沖場磁力計是一種有效且有前途的技術(shù)，能夠滿足磁性材料表征的要求。BsT-脈沖1測試設(shè)備利用該技術(shù)為組件提供 Q 因數(shù)和差分電感。BsT-pulse基于晶閘管和二極管技術(shù)，可以表征負載下的電感元件，無自熱、磁飽和和Q因子。該儀器包括專用軟件，可將測量值轉(zhuǎn)換為智能數(shù)據(jù)，用于電感元件設(shè)計。

BsT-pulse：工作原理

用于表征磁性材料的脈沖場磁強計基于全反向電流的雙極勵磁原理。為此，使用了晶閘管，眾所周知，這種功率元件能夠提供高振幅電流，同時以同樣高的電壓運行。晶閘管脈沖發(fā)生器基本上是一個電源電路，它使用可控硅（SCR）二極管作為高壓開關(guān)元件、存儲能量的電容器和放電限制電感器，其功能是將電流限制在SCR 二極管不被損壞。電容放電技術(shù)的優(yōu)點是產(chǎn)生幅度非常高的脈沖。電路框圖如圖1所示。

圖 1：BsT-pulse 脈沖發(fā)生器框圖

產(chǎn)生的脈沖使被測雙極器件 (DUT) 進入飽和狀態(tài)，并且由于集成了續(xù)流二極管，放電電路會產(chǎn)生反向電流。通過這種方式，產(chǎn)生了飽和-去飽和-飽和轉(zhuǎn)變，并且可以通過特殊探頭監(jiān)測所涉及的電流和電壓，從而可以準確表征材料。脈沖產(chǎn)生的能量在轉(zhuǎn)換期間以電壓-電流衰減的形式耗散。

對于具有環(huán)形形狀的磁性材料的表征，可以使用類似于圖 2 所示的可選 JIG 測試。該裝置簡化了 DUT 的實現(xiàn)，由導(dǎo)線和可在測量前后插入或移除的芯線組成。

圖 2：可選夾具

BsT-pulse 可以表征任何類型的軟磁材料，尤其是具有不同成分的合金粉芯，這需要應(yīng)用高強度電流來分析它們在飽和狀態(tài)下的行為。測量過程從將電容器充電到特定（預(yù)設(shè)）電壓開始，對應(yīng)于 DUT 的典型工作條件。一旦達到預(yù)設(shè)電壓值，電容器與非線性 DUT 的組合形成串聯(lián) RLC 電路。只要電感保持在線性區(qū)，就可以推導(dǎo)出具有固定諧振頻率的微分方程。然而，施加到 DUT 的帶電脈沖能量可以將其驅(qū)動到飽和狀態(tài)，并且由于集成的續(xù)流二極管，由此產(chǎn)生的放電電路能夠?qū)崿F(xiàn)全電流反轉(zhuǎn)。因此，將產(chǎn)生消磁轉(zhuǎn)換，電流和電壓探頭可以對其進行監(jiān)測，以說明 DUT 的飽和行為。

脈沖測量的數(shù)據(jù)處理

由于 ADC 的分辨率有限和瞬態(tài)測量間隔，通過 di/dt 方法計算電感量非常困難和復(fù)雜，該方法評估每單位時間通過線圈的電流變化。但是，可以使用 GeckoCIRCUITS 工具（一種用于建模電力電子系統(tǒng)的電路模擬器）來執(zhí)行模擬。該軟件工具允許針對施加的電流幅度對幅度和差分電感進行分析計算，如圖 3 所示。

圖 3：模擬輸出電感、差分（綠色）和幅度（藍色）

如前所述，脈沖測量的數(shù)據(jù)處理是一項艱巨的任務(wù)，因為它需要具有高分辨率和高采樣率的 ADC 來計算電感作為外加電壓和電流增量速率的商。為了表征磁性元件的特性，BsT-pulse 使用了一種專門的軟件，可以完全控制設(shè)備并觸發(fā)脈沖過程本身。在大多數(shù)應(yīng)用中，必須對 DUT 的飽和行為進行評估。飽和特性取決于磁化電流幅度，因此，具有所需電壓脈沖電平（代表磁化率 dB/dt）的充電脈沖能量應(yīng)可配置。這發(fā)生在 BsT-pulse 上，可以通過用戶界面直接調(diào)整電容器的充電電壓，其中 1 kV 是單個模塊的最大值。該軟件應(yīng)用程序還負責數(shù)據(jù)采集階段。每次觸發(fā)脈沖過程時，電容器都會充電到所需的電壓電平（預(yù)設(shè)），然后通過連接的 DUT 放電，從而形成阻尼諧振電路。假設(shè)電壓脈沖電平足夠高，DUT 在飽和和去飽和狀態(tài)之間交替。在這些轉(zhuǎn)換過程中，會獲取 DUT 上的瞬時電壓和電流值。然后在軟件級別分析和進一步處理電壓和電流衰減。采集的數(shù)據(jù)也可以在每次脈沖測試期間以原始格式存儲，讓用戶有機會根據(jù)特定要求進行自己的評估和數(shù)據(jù)處理。該軟件應(yīng)用程序還負責數(shù)據(jù)采集階段。每次觸發(fā)脈沖過程時，電容器都會充電到所需的電壓電平（預(yù)設(shè)），然后通過連接的 DUT 放電，從而形成阻尼諧振電路。假設(shè)電壓脈沖電平足夠高，DUT 在飽和和去飽和狀態(tài)之間交替。在這些轉(zhuǎn)換過程中，會獲取 DUT 上的瞬時電壓和電流值。然后在軟件級別分析和進一步處理電壓和電流衰減。采集的數(shù)據(jù)也可以在每次脈沖測試期間以原始格式存儲，讓用戶有機會根據(jù)特定要求進行自己的評估和數(shù)據(jù)處理。該軟件應(yīng)用程序還負責數(shù)據(jù)采集階段。每次觸發(fā)脈沖過程時，電容器都會充電到所需的電壓電平（預(yù)設(shè)），然后通過連接的 DUT 放電，從而形成阻尼諧振電路。假設(shè)電壓脈沖電平足夠高，DUT 在飽和和去飽和狀態(tài)之間交替。在這些轉(zhuǎn)換過程中，會獲取 DUT 上的瞬時電壓和電流值。然后在軟件級別分析和進一步處理電壓和電流衰減。采集的數(shù)據(jù)也可以在每次脈沖測試期間以原始格式存儲，讓用戶有機會根據(jù)特定要求進行自己的評估和數(shù)據(jù)處理。每次觸發(fā)脈沖過程時，電容器都會充電到所需的電壓電平（預(yù)設(shè)），然后通過連接的 DUT 放電，從而形成阻尼諧振電路。假設(shè)電壓脈沖電平足夠高，DUT 在飽和和去飽和狀態(tài)之間交替。在這些轉(zhuǎn)換過程中，會獲取 DUT 上的瞬時電壓和電流值。然后在軟件級別分析和進一步處理電壓和電流衰減。采集的數(shù)據(jù)也可以在每次脈沖測試期間以原始格式存儲，讓用戶有機會根據(jù)特定要求進行自己的評估和數(shù)據(jù)處理。每次觸發(fā)脈沖過程時，電容器都會充電到所需的電壓電平（預(yù)設(shè)），然后通過連接的 DUT 放電，從而形成阻尼諧振電路。假設(shè)電壓脈沖電平足夠高，DUT 在飽和和去飽和狀態(tài)之間交替。在這些轉(zhuǎn)換過程中，會獲取 DUT 上的瞬時電壓和電流值。然后在軟件級別分析和進一步處理電壓和電流衰減。采集的數(shù)據(jù)也可以在每次脈沖測試期間以原始格式存儲，讓用戶有機會根據(jù)特定要求進行自己的評估和數(shù)據(jù)處理。假設(shè)電壓脈沖電平足夠高，DUT 在飽和和去飽和狀態(tài)之間交替。在這些轉(zhuǎn)換過程中，會獲取 DUT 上的瞬時電壓和電流值。然后在軟件級別分析和進一步處理電壓和電流衰減。采集的數(shù)據(jù)也可以在每次脈沖測試期間以原始格式存儲，讓用戶有機會根據(jù)特定要求進行自己的評估和數(shù)據(jù)處理。假設(shè)電壓脈沖電平足夠高，DUT 在飽和和去飽和狀態(tài)之間交替。在這些轉(zhuǎn)換過程中，會獲取 DUT 上的瞬時電壓和電流值。然后在軟件級別分析和進一步處理電壓和電流衰減。采集的數(shù)據(jù)也可以在每次脈沖測試期間以原始格式存儲，讓用戶有機會根據(jù)特定要求進行自己的評估和數(shù)據(jù)處理。

電感分析

BsT-pulse 軟件對采集的數(shù)據(jù)進行處理，提供電感分析、能量損失值以及材料磁特性的表征，例如磁導(dǎo)率和磁場。DUT 的電感值是根據(jù)瞬時電流的幅值計算得出的。由于飽和和去飽和狀態(tài)之間的多次轉(zhuǎn)換，軟件應(yīng)用程序使用算法自動檢測和測量從零到最大電流的所有磁化周期。

電感計算分為兩個階段。最初，評估電流信號的極值，可用于計算 DUT 的電阻。DUT 兩端的壓降包括電感和電阻分量。由于電流信號的導(dǎo)數(shù)在這些極值處為零，因此相同點處電壓降的電感分量也為零。通過這種方式，可以通過將在 DUT 上測得的電壓除以在極值點測得的電流來計算電阻。下一步包括檢測磁化周期，磁化周期從電流為零的點開始向左延伸。結(jié)果，電感分析產(chǎn)生一系列電感曲線，即每個磁化周期的曲線。

BsT-pulse 測試設(shè)備隨附的軟件提供了以下電感分析方法：

計算微分電感，可用于確定飽和電流

電感幅度曲線的計算，對于確定特定電流幅度下 DUT 的 Q 因子也非常重要

等效于能量的電感的計算，對于首先將能量存儲在電感組件中然后稍后將其提供給負載的轉(zhuǎn)換器非常有用

圖 4 顯示了在相同測量周期內(nèi)執(zhí)行的電感曲線，與前面提到的三種分析方法有關(guān)。

圖 4：差分、幅度和能量等效電感

差分電感的計算非常具有挑戰(zhàn)性，因為它受到用于測量的 ADC 分辨率的限制。為了解決這個問題，可以采用兩種不同的技術(shù)。第一個涉及對脈沖電流進行準確測量，然后通過兩個平滑濾波器應(yīng)用信號調(diào)節(jié)。第一個濾波器是加權(quán)移動平均，其目的是減少當前信號中的量化噪聲，而第二個濾波器是應(yīng)用標準平滑的 Savitzky-Golay 濾波器。第二種技術(shù)是直接通過空氣中線圈兩端的電壓降（晶閘管放電限制電感器）獲取電流的增加率?？諝庵械木€圈電壓可被視為參考測量。

損失分析

BsT-pulse 軟件提供的另一個重要功能是功率損耗的測量。為此，軟件會自動檢測 DUT 電壓信號中的兩個峰值，并計算相對于兩個峰值之間面積的插入損耗（dB）和能量損耗（焦耳）。此功能非常靈活，因為用戶可以選擇自定義區(qū)域來評估功率損耗。該軟件還推導(dǎo)出電感器的品質(zhì)因數(shù) Q，計算為電抗（能量中的等效電感）與 DUT 的電阻之間的比率。電壓和電流之間的相位角不影響獲得的結(jié)果，這是相位角接近 90° 的金屬合金粉末材料的一個非常重要的細節(jié)。

圖 5：能量損失評估

材料表征

通過在軟件應(yīng)用程序中輸入 DUT 的相關(guān)參數(shù)，可以進行表征，然后確定材料的屬性。參數(shù)包括長度、磁路的有效面積、磁芯形狀的幾何形狀、繞組數(shù)和線圈類型。知道這些參數(shù)后，軟件就能夠自動計算磁導(dǎo)率曲線、磁場強度和磁通量密度。圖 6 顯示了根據(jù)被測 DUT 的磁場強度計算得出的磁導(dǎo)率和磁通密度。

圖 6：材料特性評估

額定電流大于 22 A 的磁性元件目前沒有參考規(guī)范或標準。使用基于使用晶閘管的阻尼振蕩技術(shù)的 BsT-pulse 等儀器可驗證和確定用于大功率電子應(yīng)用的磁性材料的特性?？蓪崿F(xiàn)簡單的操作和透明的數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)在線診斷和在線監(jiān)控。

結(jié)論

BsT-pulse 是一款完整且易于使用的工具，能夠計算電感（幅度、微分）、（去）磁化曲線以及有關(guān)磁性元件非線性特性的更多信息。測試設(shè)備還根據(jù)全反向電流幅度的功率扼流圈的能量/功率損耗進行計算，驅(qū)動 DUT 來回飽和，直到累積的脈沖能量消失。磁性元件的非線性特性可以用單個脈沖確定。盡管有不同的方法來考慮和評估繞線組件的損耗，但引入 BsT-pulse 作為一種工具來鑒定繞線組件及其使用中的相關(guān)材料是一種寶貴的豐富。

審核編輯：湯梓紅