【哔哥哔特导读】正在高频高功率条件下，若何条件、评议、衡量、计较、利用磁芯成为行业痛点题目。本文将对此实行探究，祈望起到掷砖引玉感化，配合造服瓶颈题目，启发财产发展。
伴跟着第三代半导体工夫的打破，且本年以还氮化镓和碳化硅本钱不停低重，这对鞭策第三代半导体资料正在光储充、新能源汽车、5G通讯、AI供职器等新兴范畴的迅疾起色拥有宏大意旨。
财产剧变推倒了上游磁芯资料的开采与坐蓐办法。正在高频、集成化趋向下，磁芯资料永远是掣肘行业起色的困难，而磁芯资料拥有非线性的庞大特点，其损耗特点难以评估，影响要素浩瀚，席卷磁滞、涡流和残存损耗等，正在高频下尤为显着，导致铁损明显增大。
Big-Bit电子变压器与电感网记者就该痛点话题专访了中国电源学会常务理事、磁专委声望主任、福州大学陈为传授，并连接其曾公然演讲中的实质，聚焦于磁芯资料范畴，异常是对磁芯资料的条件，探究若何评议、衡量、筑模、计较和利用磁芯资料，此为磁芯资料行业痛点，以飨同仁挚友们。
正在功率变换器和以氮化镓、碳化硅为代表的第三代半导体资料的鞭策下，磁性元器件行业正朝着高频化、集成化的宗旨起色。陈为传授显露，跟着这些利用的起色，对磁芯提出了几点寻事：
一是磁芯资料迅疾起色，百般磁芯资料机能展现交叉。以前差异磁芯资料正在差异频率段有显然的利用区隔。好比铁氧体实用于几百kHz的高频段、粉芯实用中频段、非晶纳米晶实用低频段。但现正在，这些磁芯资料的特点都初步交叉，加倍是磁芯资料现正在正连忙朝着高频率起色，这给磁芯资料遴选带来了难度。
二是磁芯资料非线性显着，阻抗角很高。磁芯资料正在新能源、AI电源范畴的利用日益增加，而磁芯资料非线性特点显着，与铁氧体磁芯资料的线性特点酿成比较。其它，现正在磁芯资料的阻抗角依然很高，如铂科的NPX系列，号称是最好、损耗最低的磁芯资料，其阻抗角抵达89.9几度，靠近于理思的90度的境况。
三是磁芯资料打算从饱和向损耗、温升起色。现正在磁芯资料或者磁性元器件的散热技巧闭键有水冷板、透风等技巧，这些技巧使得磁芯资料的功率密度不停普及。磁芯资料的打算就要从思索饱和到要思索损耗，再往后思索温升和热打算，这是很显着的趋向。
四是磁性元器件厂商初步主导变换器频率的设定。过去，磁性元器件厂商往往依照电源厂商的频率条件来打算磁性元器件。现正在反过来，电源厂商往往会依照有限的体积空间和损耗对磁性元器件厂商提出打算条件，磁性元器件厂商有机缘打算相宜的任务频率，从而有机缘主导频率具体定，电源厂商则准许须要配合磁元件厂商遴选的频率。
总的来说，功率变换器的渊博利用，使得磁性元器件的高频化、集成化依然成为一个必定的趋向。然而，磁芯资料行动磁性元器件的要害资料，其特点庞大，衡量差错很大、筑模贫窭，缺乏直观的遴选措施，依然成为磁性元器件践诺分解和打算的瓶颈题目。
基于磁芯资料庞大的特点，其损耗特点难以评估，陈为传授向Big-Bit电子变压器与电感网显露：“磁芯资料损耗衡量闭键面对两个工夫难点，一是高频率下的磁芯资料采用目前的互换功率法衡量存正在实质上差错大的题目，二是磁芯资料大电流偏磁下的电感特点和损耗衡量题目。”
磁芯资料损耗的衡量归为两大类，一类是基于电压电流的措施，另一类是基于量热衡量的量热法，第一类措施正在操作上相对简便，其中心道理是电压乘以电流，通过积分得出损耗。或者行使功率分解仪，可能直接衡量出损耗，目前市集上有很多配置可能告竣这一衡量。
互换功率法是通过施加互换信号正在衡量损耗，取得的公式为P=U·I·cosθ，差错正在tg(θ)，也就阻抗角的准确频率和功夫差。如前文所述，看待阻抗角靠近90度的资料，其tg(θ)卓殊大，这对磁芯资料衡量结果的影响很大。
磁芯资料企业为了打点这个题目，起初测试减幼Δt，通过示波器把电压和电流的通道调度到同相位，但这种措施与频率相闭，频率变动时Δt也会变动。看待正弦波形，这种措施是可行的，但看待方波、谐波等其他波形则较难告竣。
另一种措施是想法把θ低重，即所谓的无功补充，通过电容实行补充，或者通过电压抵消，如填补压器来抵消电压抵消。因而，互换衡量法存正在一个很大的瓶颈题目，即损耗结果的可托度受到质疑。
直流功率法相对容易衡量，通过直流源和逆变器发生方波，能够是三电平或两电平，依照DC/AC变换器的拓扑机闭，无论是半桥依然全桥都能够。此时输入功率等于被测配置（DUT）加上DC/AC逆变器的损耗，因而须要卓殊思索逆变器的损耗。但其衡量精度高，由于直流功率衡量卓殊确切，没有相位差的题目。
为了取得励磁电流和DC/AC逆变器损耗，能够通过定标措施去扣除和筑模，表面上这相对容易，但实质操作中，因为仪器的控造，做到卓殊确切并阻挡易。纵然如斯，直流功率法看待评估差异资料，加倍是差异厂家供应的cixin资料卓殊容易，通过斗劲能够显着看出分别。并且直流元件的励磁容量很幼，唯有损耗功率进入，无功功率并未进入。
功率阻抗分解仪号称是衡量幼信号内部最确切的配置，但因为功率亏折，须要加一个功率放大器来放大信号，然后衰减送回到阻抗分解仪。阻抗分解仪的道理是平均电桥法，衡量取得的是某个频率和电压/电流下的阻抗，还须要通过乘以电流的平方取得损耗，但不行用于PWM激磁下的损耗，由于磁芯资料的损耗辱骂线性的，不行简便当用FFT了解的观点。
然则，要告竣磁芯资料正在高频下的衡量，须要高频功放和高频衰减器，这正在大功率下很难告竣。因而，跟着高频低损磁资料的起色，伏安功率衡量法存正在难以造服的瓶颈，这也是磁芯资料行业面对的一个痛点。
全部样子的能量损耗均会转化为热能，热能衡量工夫并非新鲜事物，其正在早期已被渊博用于化学物品的热值分解，比方氧弹量热仪用于测定火药和煤炭等物质燃烧时开释的热量，这是一种切合国度程序的惯例衡量配置。
正在电池热能衡量方面，因为电池正在充放电历程中积蓄而非直接破费能量，因而无法直接利用功率衡量法。能量被存储于电池中，而非被破费，这就须要采用其他衡量工夫来评估电池正在充放电历程中发生的热量。现有的措施席卷绝热法、加快绝热法和等温法等。
绝热量热法的衡量道理分为两种样子：一种是被动隔热，即将磁芯资料置于一个密封且隔热的容器中，通过加热，使温升上来，从而取得总热量，用热量除以功夫就能够取得功率；另一种是主动隔热，热量通报有两个要求，一个是有热阻，另一个是有温差，只须把温差负责到零，假使有热阻也没有热量的通报，也就告竣了绝热分隔，省去了被动隔热种须要真空、镀膜等要求，这种办法也叫加快绝热法。
盛开量热法是一种古代的衡量工夫，将衡量物体放正在相宜的容器内部，气流从容器一端进去，再从另一端出来，这两个气流的温差显露所带走的热量，也便是功率P=C×q×Δt。
第三种设施是较为进步的等温量热法。操作历程是将被测物体（DUT）放正在配置上面，中心睡觉一个加热片，通过给加热片加热发生温升。这光阴给DUT加热，温升就会往上走，然后把加热片的功率低重，一边升、一边降，如此总温升就维持褂讪，也便是说DUT发生的热量齐备被加热片所低重的热量平均掉了，即PDUT等于负的加热片的功率的低重（PDUT=-ΔPH）
然则目前咱们缺乏适合的一个贸易仪器，由于这项工夫属于化学实行，而行家更习气的是电气试验。纵然如斯，量热法很有机缘成为异日一种很程序的衡量措施。这个措施依然再现正在IEC 63300程序内部，现正在须要的是一个可能商用的量热法仪器来容易告竣正在电气范畴的利用。
看待磁性元器件，咱们是否也能够模仿化学燃烧和电池呢？磁性元器件拥有较大的比热容，能够须要加热半个幼时乃至一幼时还没安祥，这是磁性元器件的特性。其它，磁性元器件式样各异，并且功率巨细分别很大，须要定造夹具，而程序的DUT则相对简便，于是这是现正在磁芯资料行使量热法衡量存正在的题目。
陈为传授及其团队做了两个测试，第一个是用等温量热法来衡量，这套配置几十万，以及还要思索电池爆炸的要素，因而并不适用。该措施的程序夹具是18650的电磁壳，将被测电阻灌封正在18650电池壳中，把它当成是一个电池放正在内部做衡量。
取得了三个衡量结果：0.05W、0.19W、0.76W，对应算出来的功率差异为0.03W、0.12W、0.46W。这里发生的分别是由于电磁壳内部的比热容接收了热量，把热量留正在内部了，但不须要闭怀这点，而是闭怀其磁芯资料的线毫瓦的光阴，该措施还能维持较好的精度，这个比例值能够通过定标去造服它。
第二个测试是用了一个低本钱的氧弹量热仪，该配置有一个罐子，原来打算是往内部放水，但陈为传授的团队将其改为放油，然后将待测物体放入此中，并用搅拌器实行搅拌。
“咱们做了如此一组实行，从0.5W平素测到8W，取得的弧线结果是斗劲合理的。正在低功率时，差错能够会稍大，但看待低功率的衡量，咱们能够行使更幼的量热灌来普及。咱们现正在用一个电阻加直流来定标，因而输入的功率具体切性是有保障的。”
衡量功夫花了10分钟，温升正在零点几度支配，行使传感器可能抵达0.001度的精度，因而可能灵动地检测到温差的变动。
衡量用的是一个磁环，磁环的电感量若何算？由于磁环的表里径纷歧律，磁场强度H的漫衍与半径R的导数成正比，能够依照log的公式计较出电感值。
这光阴，遵循电感等效规矩来确定等效参数，席卷单匝伏秒积、磁势、功耗、单匝感量。这些参数通过等效转换后，差异显露为Be、He、Pcv和μe。随后，通过Ae、Le、μe的运算，实行等效参数的变动，这光阴就确定了这三个参数是奈何界说的，结果就纷歧律。
现正在有三种设施：第一种是IEC 60205程序，这是大大都磁芯资料企业所接纳的措施。第二种是IEC-63182-2程序，这是磁芯资料企业所接纳的措施，但尚未齐备团结。第三种措施是通过视正在面积和均匀长度来界说Ae和Le，这能够导致Ae和Le的结果差异，进而导致结果差异。
比方，Ae的Pcv是损耗除以体积，遴选体积较大的磁环会使得损耗密度较幼，得出来的结果分别较大。固然Pcv看似幼，但实质上并没有减幼。其它，即使磁环的表里径相差较大，参数的误差也会相应增大。
“这恰是咱们夸大团结程序的紧要性，祈望磁芯资料企业可能团结程序，以便实行平允的斗劲，”陈为传授说道。
就贸易价格而言，他以为目前直流功率衡量法拥有更高的贸易化价格，直流功率衡量法仪器相对简便，适用容易，代价相对低贱，并且能够实用于PWM慰勉波形的利用，加倍是看待电感损耗的评估和比对卓殊适用。
量热法也是很有贸易化潜力的损耗衡量措施，量热法正在化工行业早已渊博利用，只是操作斗劲障碍，目前相闭量热法仪器的企业正正在开采实用于磁性元件行业利用的量热法仪器，祈望早日推出。
第一种措施是采用SE方程。依照衡量结果，会觉察磁芯资料的衡量结果正在对数坐标系下都是线性的，那就用指数函数去模仿和近似这些数据。看待铁氧体的温度特点弧线，采用二次函数实行模仿，基于结果的数学拟合，从而得出相应的系数。
这种措施只可适合正弦波，并且α、β系数纷歧律，没有思索偏磁的影响，同时也没有思索实质的励磁波形，因而不实用于三电和善两电平的境况。纵然如斯，这种措施照旧是基于测试结果修筑数学模子拟合的一个有用技巧。
第二种措施是基于物理损耗机理，磁芯资料的损耗跟磁通的变动率相闭。完全来说，把dB、dt二次方或者α次方，同时还跟dB、dt这段功夫占总周期的百分比多少加权，对公式实行批改，取得MSE/iGSE模子，这是基于磁芯损耗物理观点的筑模批改措施。
第三类措施是AI措施。因为磁芯资料的损耗受多种要素影响，席卷频率、互换磁密、直流磁密、温度、占空比、波形和材质等，行使古代的数学模子实行筑模变得卓殊贫窭。而AI异常适合打点非线性多元变量的筑模题目，因而须要从古代的正确数学模子转向混沌的人为智能措施。
现正在选磁芯资料大家是比较择优，然则这个磁芯资料能否尽限打算无法占定。那么f×b弧线就能够给出一个很直观的知道。
好比说3C96资料，任务正在200kHz、300kHz的光阴是最好的，再往后这个资料就撑不住了，它的功耗就会超出500，分析这个资料最适合任务正在200K境况下，再普及就能够遴选差异的磁芯资料。
对此，陈为传授及其团队对极少磁芯资料做了衡量，觉察具体是存正在如此的相干，这种弧线对尽限应用供应了一个很好的技巧。也便是大白磁芯资料正在哪里用到充实了，使用到最高点就充实了，再往后损耗就不可了。
“于是咱们还祈望可能提出一个所谓的比损耗磁能因子，把f×b是通报磁能的才能，再除以损耗值，就等于电感的q值，即正在单元损耗下可能通报的容量。这才是真正的磁芯资料机能比拼，能够更客观地权衡资料。”
然而，目前的磁芯资料的损耗模子无法表达出掷物线特点，无论是SE模子、MSE模子依然GS模子，都无法阐扬出掷物线特点，只阐扬出线性特点，而AI能够齐备表达出任何式样，只须数据衡量足够，都能够被AI模子逮捕和表达出来。其它，f×b只思索了能量通报，而没有思索损耗。
他连接说道：“咱们祈望他日能有相应的程序来鞭策这一范畴的起色，纵然这是一个涉及全部财产的题目，告竣起来并阻挡易。”
铁芯的体积能够通过公式Ae×le来确定，此中Ae和le由特定的公式确定,通过将这些公式带入计较，能够推导出所需的参数。
为了使体积最幼化，须要最大化大的μΔ·H²dc。通过绘造这个弧线，能够觉察这个最大化点。这里援用了美磁的数据行动参考。
即使已知L·I²，能够预订体积Ve，就能够取得μΔ·H²dc。正在弧线上，a点横向有多个弧线与之交友，遴选H最幼的谁人，体积就会最幼，这里特指磁芯。
反之，即使依然确定了行使XFLux-26资料，H应遴选多大呢？正在XFLux-26分子的地方——b点便是打算点，如此知道就变得卓殊了解和直观。条件是数据必需确切，不然一概奋发都是徒劳，因而必需治理数据确切性这个痛点。
进一步地，咱们能够将损耗行动分母放入公式中，正在肯定的功耗下，μ²便是L·I²dc如此的参数去权衡也是能够的，这就把损耗因子思索进去了。这种措施同样实用于互换电感的计较和打算。
一是正在功率变换器高频、高功率的起色趋向下，磁芯资料的感化变得尤为要害，加倍是正在AI电源范畴，其匝数凡是仅为一匝，这使得磁芯资料的遴选变得尤为紧要，乃至能够成为功率变换器打算中的主导要素，从而影响全部体系的频率遴选。
二是对磁芯资料的测试涉及到正确衡量磁芯资料参数、磁芯资料损耗特点以及磁芯资料正在实质任务要求下的机能阐扬，这是磁芯资料行业的痛点，须要磁芯资料行业配合奋发来治理
三是人为智能工夫为磁芯资料的筑模供应了新的机缘，加倍是正在打点非线性多元变量的筑模题目时。咱们祈望磁芯资料和磁性元器件的成立商可能与AI工夫相连接，配合开采出适合磁芯资料的模子，也祈望国内磁芯资料企业能有己方的人为智能平台，以应用国内的数据资源。
四是磁芯资料的优选须要表面指引，以帮帮磁芯资料行业从业者体会正在差异利用场景下磁芯资料的最佳遴选。