脉冲场磁力测定法能够表征磁性元件

在电子领域，我们看到对需要高效率的电源应用的需求不断增长。电动汽车和随之而来的电动汽车和充电站数量的增长，再加上对可再生能源领域的大量投资，导致对软磁材料的需求增加，其市场估计将达到 100 欧元到 2026 年将达到 10 亿。由于这种增长，汽车、基础设施和半导体行业等领先的电力电子行业预计将在很短的时间内需要先进的磁性材料和组件。功率磁性元件的精确设计是高效功率应用的关键因素。虽然绕组损耗背后的物理原理是线性的，而且准确的测量工具已经可用，磁化过程的物理学非常复杂，磁性材料和绕线组件的非线性行为只能通过准确的测量进行分析和表征。因此，需要准确可靠的测试设备来设计和开发用于电力应用的高效材料（尤其是低磁导率磁性材料），从而限制功率损耗的影响。

对于磁性材料，特别是使用低导磁率粉末或多气隙异形磁芯的功率磁性元件，需要在器件饱和工作时进行测量，因此需要极高的磁化电流幅值。此外，完整测量所需的时间应适当限制（一些微秒或毫秒），以避免散热的影响。脉冲场磁力计是一种有效且有前途的技术，能够满足磁性材料表征的要求。BsT-脉冲1测试设备利用该技术为组件提供 Q 因数和差分电感。BsT-pulse基于晶闸管和二极管技术，可以表征负载下的电感元件，无自热、磁饱和和Q因子。该仪器包括专用软件，可将测量值转换为智能数据，用于电感元件设计。

BsT-pulse：工作原理

用于表征磁性材料的脉冲场磁强计基于全反向电流的双极励磁原理。为此，使用了晶闸管，众所周知，这种功率元件能够提供高振幅电流，同时以同样高的电压运行。晶闸管脉冲发生器基本上是一个电源电路，它使用可控硅（SCR）二极管作为高压开关元件、存储能量的电容器和放电限制电感器，其功能是将电流限制在SCR 二极管不被损坏。电容放电技术的优点是产生幅度非常高的脉冲。电路框图如图1所示。

图 1：BsT-pulse 脉冲发生器框图

产生的脉冲使被测双极器件 (DUT) 进入饱和状态，并且由于集成了续流二极管，放电电路会产生反向电流。通过这种方式，产生了饱和-去饱和-饱和转变，并且可以通过特殊探头监测所涉及的电流和电压，从而可以准确表征材料。脉冲产生的能量在转换期间以电压-电流衰减的形式耗散。

对于具有环形形状的磁性材料的表征，可以使用类似于图 2 所示的可选 JIG 测试。该装置简化了 DUT 的实现，由导线和可在测量前后插入或移除的芯线组成。

图 2：可选夹具

BsT-pulse 可以表征任何类型的软磁材料，尤其是具有不同成分的合金粉芯，这需要应用高强度电流来分析它们在饱和状态下的行为。测量过程从将电容器充电到特定（预设）电压开始，对应于 DUT 的典型工作条件。一旦达到预设电压值，电容器与非线性 DUT 的组合形成串联 RLC 电路。只要电感保持在线性区，就可以推导出具有固定谐振频率的微分方程。然而，施加到 DUT 的带电脉冲能量可以将其驱动到饱和状态，并且由于集成的续流二极管，由此产生的放电电路能够实现全电流反转。因此，将产生消磁转换，电流和电压探头可以对其进行监测，以说明 DUT 的饱和行为。

脉冲测量的数据处理

由于 ADC 的分辨率有限和瞬态测量间隔，通过 di/dt 方法计算电感量非常困难和复杂，该方法评估每单位时间通过线圈的电流变化。但是，可以使用 GeckoCIRCUITS 工具（一种用于建模电力电子系统的电路模拟器）来执行模拟。该软件工具允许针对施加的电流幅度对幅度和差分电感进行分析计算，如图 3 所示。

图 3：模拟输出电感、差分（绿色）和幅度（蓝色）

如前所述，脉冲测量的数据处理是一项艰巨的任务，因为它需要具有高分辨率和高采样率的 ADC 来计算电感作为外加电压和电流增量速率的商。为了表征磁性元件的特性，BsT-pulse 使用了一种专门的软件，可以完全控制设备并触发脉冲过程本身。在大多数应用中，必须对 DUT 的饱和行为进行评估。饱和特性取决于磁化电流幅度，因此，具有所需电压脉冲电平（代表磁化率 dB/dt）的充电脉冲能量应可配置。这发生在 BsT-pulse 上，可以通过用户界面直接调整电容器的充电电压，其中 1 kV 是单个模块的最大值。该软件应用程序还负责数据采集阶段。每次触发脉冲过程时，电容器都会充电到所需的电压电平（预设），然后通过连接的 DUT 放电，从而形成阻尼谐振电路。假设电压脉冲电平足够高，DUT 在饱和和去饱和状态之间交替。在这些转换过程中，会获取 DUT 上的瞬时电压和电流值。然后在软件级别分析和进一步处理电压和电流衰减。采集的数据也可以在每次脉冲测试期间以原始格式存储，让用户有机会根据特定要求进行自己的评估和数据处理。该软件应用程序还负责数据采集阶段。每次触发脉冲过程时，电容器都会充电到所需的电压电平（预设），然后通过连接的 DUT 放电，从而形成阻尼谐振电路。假设电压脉冲电平足够高，DUT 在饱和和去饱和状态之间交替。在这些转换过程中，会获取 DUT 上的瞬时电压和电流值。然后在软件级别分析和进一步处理电压和电流衰减。采集的数据也可以在每次脉冲测试期间以原始格式存储，让用户有机会根据特定要求进行自己的评估和数据处理。该软件应用程序还负责数据采集阶段。每次触发脉冲过程时，电容器都会充电到所需的电压电平（预设），然后通过连接的 DUT 放电，从而形成阻尼谐振电路。假设电压脉冲电平足够高，DUT 在饱和和去饱和状态之间交替。在这些转换过程中，会获取 DUT 上的瞬时电压和电流值。然后在软件级别分析和进一步处理电压和电流衰减。采集的数据也可以在每次脉冲测试期间以原始格式存储，让用户有机会根据特定要求进行自己的评估和数据处理。每次触发脉冲过程时，电容器都会充电到所需的电压电平（预设），然后通过连接的 DUT 放电，从而形成阻尼谐振电路。假设电压脉冲电平足够高，DUT 在饱和和去饱和状态之间交替。在这些转换过程中，会获取 DUT 上的瞬时电压和电流值。然后在软件级别分析和进一步处理电压和电流衰减。采集的数据也可以在每次脉冲测试期间以原始格式存储，让用户有机会根据特定要求进行自己的评估和数据处理。每次触发脉冲过程时，电容器都会充电到所需的电压电平（预设），然后通过连接的 DUT 放电，从而形成阻尼谐振电路。假设电压脉冲电平足够高，DUT 在饱和和去饱和状态之间交替。在这些转换过程中，会获取 DUT 上的瞬时电压和电流值。然后在软件级别分析和进一步处理电压和电流衰减。采集的数据也可以在每次脉冲测试期间以原始格式存储，让用户有机会根据特定要求进行自己的评估和数据处理。假设电压脉冲电平足够高，DUT 在饱和和去饱和状态之间交替。在这些转换过程中，会获取 DUT 上的瞬时电压和电流值。然后在软件级别分析和进一步处理电压和电流衰减。采集的数据也可以在每次脉冲测试期间以原始格式存储，让用户有机会根据特定要求进行自己的评估和数据处理。假设电压脉冲电平足够高，DUT 在饱和和去饱和状态之间交替。在这些转换过程中，会获取 DUT 上的瞬时电压和电流值。然后在软件级别分析和进一步处理电压和电流衰减。采集的数据也可以在每次脉冲测试期间以原始格式存储，让用户有机会根据特定要求进行自己的评估和数据处理。

电感分析

BsT-pulse 软件对采集的数据进行处理，提供电感分析、能量损失值以及材料磁特性的表征，例如磁导率和磁场。DUT 的电感值是根据瞬时电流的幅值计算得出的。由于饱和和去饱和状态之间的多次转换，软件应用程序使用算法自动检测和测量从零到最大电流的所有磁化周期。

电感计算分为两个阶段。最初，评估电流信号的极值，可用于计算 DUT 的电阻。DUT 两端的压降包括电感和电阻分量。由于电流信号的导数在这些极值处为零，因此相同点处电压降的电感分量也为零。通过这种方式，可以通过将在 DUT 上测得的电压除以在极值点测得的电流来计算电阻。下一步包括检测磁化周期，磁化周期从电流为零的点开始向左延伸。结果，电感分析产生一系列电感曲线，即每个磁化周期的曲线。

BsT-pulse 测试设备随附的软件提供了以下电感分析方法：

计算微分电感，可用于确定饱和电流

电感幅度曲线的计算，对于确定特定电流幅度下 DUT 的 Q 因子也非常重要

等效于能量的电感的计算，对于首先将能量存储在电感组件中然后稍后将其提供给负载的转换器非常有用

图 4 显示了在相同测量周期内执行的电感曲线，与前面提到的三种分析方法有关。

图 4：差分、幅度和能量等效电感

差分电感的计算非常具有挑战性，因为它受到用于测量的 ADC 分辨率的限制。为了解决这个问题，可以采用两种不同的技术。第一个涉及对脉冲电流进行准确测量，然后通过两个平滑滤波器应用信号调节。第一个滤波器是加权移动平均，其目的是减少当前信号中的量化噪声，而第二个滤波器是应用标准平滑的 Savitzky-Golay 滤波器。第二种技术是直接通过空气中线圈两端的电压降（晶闸管放电限制电感器）获取电流的增加率。空气中的线圈电压可被视为参考测量。

损失分析

BsT-pulse 软件提供的另一个重要功能是功率损耗的测量。为此，软件会自动检测 DUT 电压信号中的两个峰值，并计算相对于两个峰值之间面积的插入损耗（dB）和能量损耗（焦耳）。此功能非常灵活，因为用户可以选择自定义区域来评估功率损耗。该软件还推导出电感器的品质因数 Q，计算为电抗（能量中的等效电感）与 DUT 的电阻之间的比率。电压和电流之间的相位角不影响获得的结果，这是相位角接近 90° 的金属合金粉末材料的一个非常重要的细节。

图 5：能量损失评估

材料表征

通过在软件应用程序中输入 DUT 的相关参数，可以进行表征，然后确定材料的属性。参数包括长度、磁路的有效面积、磁芯形状的几何形状、绕组数和线圈类型。知道这些参数后，软件就能够自动计算磁导率曲线、磁场强度和磁通量密度。图 6 显示了根据被测 DUT 的磁场强度计算得出的磁导率和磁通密度。

图 6：材料特性评估

额定电流大于 22 A 的磁性元件目前没有参考规范或标准。使用基于使用晶闸管的阻尼振荡技术的 BsT-pulse 等仪器可验证和确定用于大功率电子应用的磁性材料的特性。可实现简单的操作和透明的数据处理，实现在线诊断和在线监控。

结论

BsT-pulse 是一款完整且易于使用的工具，能够计算电感（幅度、微分）、（去）磁化曲线以及有关磁性元件非线性特性的更多信息。测试设备还根据全反向电流幅度的功率扼流圈的能量/功率损耗进行计算，驱动 DUT 来回饱和，直到累积的脉冲能量消失。磁性元件的非线性特性可以用单个脉冲确定。尽管有不同的方法来考虑和评估绕线组件的损耗，但引入 BsT-pulse 作为一种工具来鉴定绕线组件及其使用中的相关材料是一种宝贵的丰富。

审核编辑：汤梓红