脈沖場(chǎng)磁力測(cè)定法能夠表征磁性元件

在電子領(lǐng)域，我們看到對(duì)需要高效率的電源應(yīng)用的需求不斷增長(zhǎng)。電動(dòng)汽車和隨之而來(lái)的電動(dòng)汽車和充電站數(shù)量的增長(zhǎng)，再加上對(duì)可再生能源領(lǐng)域的大量投資，導(dǎo)致對(duì)軟磁材料的需求增加，其市場(chǎng)估計(jì)將達(dá)到 100 歐元到 2026 年將達(dá)到 10 億。由于這種增長(zhǎng)，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(jì)將在很短的時(shí)間內(nèi)需要先進(jìn)的磁性材料和組件。功率磁性元件的精確設(shè)計(jì)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(zhǔn)確的測(cè)量工具已經(jīng)可用，磁化過(guò)程的物理學(xué)非常復(fù)雜，磁性材料和繞線組件的非線性行為只能通過(guò)準(zhǔn)確的測(cè)量進(jìn)行分析和表征。因此，需要準(zhǔn)確可靠的測(cè)試設(shè)備來(lái)設(shè)計(jì)和開(kāi)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(duì)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(shí)進(jìn)行測(cè)量，因此需要極高的磁化電流幅值。此外，完整測(cè)量所需的時(shí)間應(yīng)適當(dāng)限制（一些微秒或毫秒），以避免散熱的影響。脈沖場(chǎng)磁力計(jì)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(cè)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(fù)載下的電感元件，無(wú)自熱、磁飽和和Q因子。該儀器包括專用軟件，可將測(cè)量值轉(zhuǎn)換為智能數(shù)據(jù)，用于電感元件設(shè)計(jì)。

BsT-pulse：工作原理

用于表征磁性材料的脈沖場(chǎng)磁強(qiáng)計(jì)基于全反向電流的雙極勵(lì)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(shí)以同樣高的電壓運(yùn)行。晶閘管脈沖發(fā)生器基本上是一個(gè)電源電路，它使用可控硅（SCR）二極管作為高壓開(kāi)關(guān)元件、存儲(chǔ)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(diǎn)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(cè)雙極器件 (DUT) 進(jìn)入飽和狀態(tài)，并且由于集成了續(xù)流二極管，放電電路會(huì)產(chǎn)生反向電流。通過(guò)這種方式，產(chǎn)生了飽和-去飽和-飽和轉(zhuǎn)變，并且可以通過(guò)特殊探頭監(jiān)測(cè)所涉及的電流和電壓，從而可以準(zhǔn)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(duì)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(cè)試。該裝置簡(jiǎn)化了 DUT 的實(shí)現(xiàn)，由導(dǎo)線和可在測(cè)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(qiáng)度電流來(lái)分析它們?cè)陲柡蜖顟B(tài)下的行為。測(cè)量過(guò)程從將電容器充電到特定（預(yù)設(shè)）電壓開(kāi)始，對(duì)應(yīng)于 DUT 的典型工作條件。一旦達(dá)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(dòng)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(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以說(shuō)明 DUT 的飽和行為。

脈沖測(cè)量的數(shù)據(jù)處理

由于 ADC 的分辨率有限和瞬態(tài)測(cè)量間隔，通過(guò) di/dt 方法計(jì)算電感量非常困難和復(fù)雜，該方法評(píng)估每單位時(shí)間通過(guò)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(lái)執(zhí)行模擬。該軟件工具允許針對(duì)施加的電流幅度對(duì)幅度和差分電感進(jìn)行分析計(jì)算，如圖 3 所示。

圖 3：模擬輸出電感、差分（綠色）和幅度（藍(lán)色）

如前所述，脈沖測(cè)量的數(shù)據(jù)處理是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，因?yàn)樗枰哂懈叻直媛屎透卟蓸勇实?ADC 來(lái)計(jì)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(mén)的軟件，可以完全控制設(shè)備并觸發(fā)脈沖過(guò)程本身。在大多數(shù)應(yīng)用中，必須對(duì) DUT 的飽和行為進(jìn)行評(píng)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(guò)用戶界面直接調(diào)整電容器的充電電壓，其中 1 kV 是單個(gè)模塊的最大值。該軟件應(yīng)用程序還負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集階段。每次觸發(fā)脈沖過(guò)程時(shí)，電容器都會(huì)充電到所需的電壓電平（預(yù)設(shè)），然后通過(guò)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(guò)程中，會(huì)獲取 DUT 上的瞬時(shí)電壓和電流值。然后在軟件級(jí)別分析和進(jìn)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(cè)試期間以原始格式存儲(chǔ)，讓用戶有機(jī)會(huì)根據(jù)特定要求進(jìn)行自己的評(píng)估和數(shù)據(jù)處理。該軟件應(yīng)用程序還負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集階段。每次觸發(fā)脈沖過(guò)程時(shí)，電容器都會(huì)充電到所需的電壓電平（預(yù)設(shè)），然后通過(guò)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(guò)程中，會(huì)獲取 DUT 上的瞬時(shí)電壓和電流值。然后在軟件級(jí)別分析和進(jìn)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(cè)試期間以原始格式存儲(chǔ)，讓用戶有機(jī)會(huì)根據(jù)特定要求進(jìn)行自己的評(píng)估和數(shù)據(jù)處理。該軟件應(yīng)用程序還負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集階段。每次觸發(fā)脈沖過(guò)程時(shí)，電容器都會(huì)充電到所需的電壓電平（預(yù)設(shè)），然后通過(guò)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(guò)程中，會(huì)獲取 DUT 上的瞬時(shí)電壓和電流值。然后在軟件級(jí)別分析和進(jìn)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(cè)試期間以原始格式存儲(chǔ)，讓用戶有機(jī)會(huì)根據(jù)特定要求進(jìn)行自己的評(píng)估和數(shù)據(jù)處理。每次觸發(fā)脈沖過(guò)程時(shí)，電容器都會(huì)充電到所需的電壓電平（預(yù)設(shè)），然后通過(guò)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(guò)程中，會(huì)獲取 DUT 上的瞬時(shí)電壓和電流值。然后在軟件級(jí)別分析和進(jìn)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(cè)試期間以原始格式存儲(chǔ)，讓用戶有機(jī)會(huì)根據(jù)特定要求進(jìn)行自己的評(píng)估和數(shù)據(jù)處理。每次觸發(fā)脈沖過(guò)程時(shí)，電容器都會(huì)充電到所需的電壓電平（預(yù)設(shè)），然后通過(guò)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(guò)程中，會(huì)獲取 DUT 上的瞬時(shí)電壓和電流值。然后在軟件級(jí)別分析和進(jìn)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(cè)試期間以原始格式存儲(chǔ)，讓用戶有機(jī)會(huì)根據(jù)特定要求進(jìn)行自己的評(píng)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(guò)程中，會(huì)獲取 DUT 上的瞬時(shí)電壓和電流值。然后在軟件級(jí)別分析和進(jìn)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(cè)試期間以原始格式存儲(chǔ)，讓用戶有機(jī)會(huì)根據(jù)特定要求進(jìn)行自己的評(píng)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(guò)程中，會(huì)獲取 DUT 上的瞬時(shí)電壓和電流值。然后在軟件級(jí)別分析和進(jìn)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(cè)試期間以原始格式存儲(chǔ)，讓用戶有機(jī)會(huì)根據(jù)特定要求進(jìn)行自己的評(píng)估和數(shù)據(jù)處理。

電感分析

BsT-pulse 軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)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(chǎng)。DUT 的電感值是根據(jù)瞬時(shí)電流的幅值計(jì)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(dòng)檢測(cè)和測(cè)量從零到最大電流的所有磁化周期。

電感計(jì)算分為兩個(gè)階段。最初，評(píng)估電流信號(hào)的極值，可用于計(jì)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(hào)的導(dǎo)數(shù)在這些極值處為零，因此相同點(diǎn)處電壓降的電感分量也為零。通過(guò)這種方式，可以通過(guò)將在 DUT 上測(cè)得的電壓除以在極值點(diǎn)測(cè)得的電流來(lái)計(jì)算電阻。下一步包括檢測(cè)磁化周期，磁化周期從電流為零的點(diǎn)開(kāi)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(gè)磁化周期的曲線。

BsT-pulse 測(cè)試設(shè)備隨附的軟件提供了以下電感分析方法：

計(jì)算微分電感，可用于確定飽和電流

電感幅度曲線的計(jì)算，對(duì)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(jì)算，對(duì)于首先將能量存儲(chǔ)在電感組件中然后稍后將其提供給負(fù)載的轉(zhuǎn)換器非常有用

圖 4 顯示了在相同測(cè)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(jì)算非常具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗艿接糜跍y(cè)量的 ADC 分辨率的限制。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以采用兩種不同的技術(shù)。第一個(gè)涉及對(duì)脈沖電流進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，然后通過(guò)兩個(gè)平滑濾波器應(yīng)用信號(hào)調(diào)節(jié)。第一個(gè)濾波器是加權(quán)移動(dòng)平均，其目的是減少當(dāng)前信號(hào)中的量化噪聲，而第二個(gè)濾波器是應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)平滑的 Savitzky-Golay 濾波器。第二種技術(shù)是直接通過(guò)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(cè)量。

損失分析

BsT-pulse 軟件提供的另一個(gè)重要功能是功率損耗的測(cè)量。為此，軟件會(huì)自動(dòng)檢測(cè) DUT 電壓信號(hào)中的兩個(gè)峰值，并計(jì)算相對(duì)于兩個(gè)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?yàn)橛脩艨梢赃x擇自定義區(qū)域來(lái)評(píng)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(jì)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(gè)非常重要的細(xì)節(jié)。

圖 5：能量損失評(píng)估

材料表征

通過(guò)在軟件應(yīng)用程序中輸入 DUT 的相關(guān)參數(shù)，可以進(jìn)行表征，然后確定材料的屬性。參數(shù)包括長(zhǎng)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(dòng)計(jì)算磁導(dǎo)率曲線、磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁通量密度。圖 6 顯示了根據(jù)被測(cè) DUT 的磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算得出的磁導(dǎo)率和磁通密度。

圖 6：材料特性評(píng)估

額定電流大于 22 A 的磁性元件目前沒(méi)有參考規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。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(yàn)證和確定用于大功率電子應(yīng)用的磁性材料的特性?？蓪?shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的操作和透明的數(shù)據(jù)處理，實(shí)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(jì)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(cè)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(jìn)行計(jì)算，驅(qū)動(dòng) DUT 來(lái)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(gè)脈沖確定。盡管有不同的方法來(lái)考慮和評(píng)估繞線組件的損耗，但引入 BsT-pulse 作為一種工具來(lái)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