提供精確測量磁芯損耗的能力對于磁設(shè)計和熱設(shè)計具有重要意義。由于碳化硅和氮化鎵等能夠在越來越高的頻率下運行的新半導(dǎo)體技術(shù)的引入，該主題變得越來越重要。這些新材料需要不同類型的濾波器和電感元件。如今，選擇正確的組件是一項非常艱巨的任務(wù)。盡管對材料的特性和化學(xué)物理特性有深刻的了解，但要比較不同類型的鐵氧體磁芯或扼流圈，選擇最適合我們設(shè)計的一種并不容易。本文將解釋如何找到該問題的解決方案，介紹一種可準確測量磁芯損耗的技術(shù)。

模擬與測量

當(dāng)要量化任何東西（磁芯損耗或其他東西）時，基本上有兩種不同的方法：測量或模擬。仿真要求設(shè)計人員面臨一些挑戰(zhàn)。用于核心制造的材料具有很強的非線性行為，這使得很難找到合適的模擬模型。而且，材料有硬磁和軟磁兩種，不能一概而論。最后，如果我們想使用一些公式進行模擬，我們需要有一些基本的表征和從測量中導(dǎo)出的參數(shù)。另一方面，測量允許直接量化損失。除了原始損耗測量外，還可以使用其他有助于判斷產(chǎn)品或材料的重要參數(shù)。它們可以依次使用，驗證理論模型或作為未來材料開發(fā)的基礎(chǔ)。這并不意味著不應(yīng)使用模擬。在許多工業(yè)應(yīng)用中，仿真很重要，主要是因為仿真速度很快。只需修改幾個參數(shù)，就可以重復(fù)模擬，在短時間內(nèi)創(chuàng)建大量數(shù)據(jù)。然而，基礎(chǔ)始終是準確的物理測量，我們將展示如何做到這一點。

測量標準程序

最常用于磁損耗測量的兩種程序需要正弦場強或正弦磁通密度。從電源的角度來看，這是一個有點具有挑戰(zhàn)性的需求，因為這些信號源的生成非常復(fù)雜。特別是，很難獲得場強和磁通密度的正弦形狀。圖 1 中給出了一個示例，其中場強具有接近正弦的形狀，而磁通密度明顯偏離所需的行為。

可以使用以下替代方法來克服該問題。我們沒有在信號源上投入大量金錢和精力，而是采用了很多不太復(fù)雜的信號源，并在測量設(shè)備中加入了更多的智能。換句話說，我們將復(fù)雜性從信號源轉(zhuǎn)移到測量設(shè)備。該方法基于使用功率分析儀和簡單的信號源。甚至可以使用電源電壓，但在許多情況下，由于頻率有限，它是不夠的。該程序基于測量初級側(cè)的峰值電流和磁芯次級側(cè)的電壓整流值。

磁滯回線

圖 2 顯示了磁場的增加如何意味著流量的增加；一切都發(fā)生到飽和發(fā)生的某個點。因此，如果場強減小，磁通量也會減小，但不會立即減小，也不會完全減小。這就是所謂的滯后循環(huán)，即表征材料的曲線。磁滯循環(huán)曲線與磁芯損耗之間存在密切關(guān)系：實際上，這條曲線下的面積與損耗成正比。如果我們可以計算或測量該區(qū)域，我們就能夠量化損失。

損耗受一些參數(shù)的影響，例如：頻率、溫度、材料特性、幾何形狀（例如橫截面）和流動密度。

測量電路

圖 3 描繪了一個非常簡化的測量電路原理圖。在初級側(cè)，我們可以使用任何類型的信號來提供激勵。示波器測量初級側(cè)的電流和次級側(cè)的電壓。后者是開路電壓，因為次級側(cè)沒有電流流動。如下圖所示，總損耗由四個部分組成：磁滯損耗、渦流損耗（由于磁場在材料中感應(yīng)出的電流）、繞組損耗（它們是繞線芯中的銅損耗），然后是一小部分由于一些非常復(fù)雜的物理效應(yīng)而造成的損失。

P _loss = P_滯后 + P _{eddy_currents} + P_繞組+ P _rest

圖 4 顯示了測量電路的設(shè)置。它包括一個 Zimmer Zes 功率分析儀，它具有顯示相關(guān)測量數(shù)據(jù)的特殊功能。可以通過測量次級側(cè)的電壓、初級側(cè)的電流和功率因數(shù)來計算損耗。為簡單起見，功率因數(shù)由余弦 phi 給出，這對于正弦和非正弦信號都是正確的。初級和次級側(cè)的繞組數(shù)分別為n ₁和n ₂。

P _loss = U _trms · I _trms · cos? · n ₁ /n ₂

建議使用質(zhì)量好的功率分析儀，而應(yīng)避免使用萬用表，因為需要電流和電壓精度，并且需要良好的相位關(guān)系。此外，相位誤差應(yīng)以高精度進行評估。損耗功率誤差由三部分組成：電壓幅度誤差、電流幅度誤差和相位誤差。

相位誤差尤其重要，應(yīng)盡可能保持低。功率分析儀是一種經(jīng)過設(shè)計優(yōu)化以降低此相位誤差的儀器。

仔細觀察相位誤差分量，我們指的是電壓和電流之間相移幾乎為 90 度的電感分量。這意味著余弦 phi 是一個最小值：在 90 度時它將完全為零。因此，我們將某個值除以非常接近于零的值：這意味著任何小的變化都會導(dǎo)致與實際值的相當(dāng)大的偏差。根據(jù)設(shè)置，將在次級側(cè)測量電壓，在初級側(cè)測量電流。在測試設(shè)備中，這兩個信號采用不同的路徑。如果儀器的模擬架構(gòu)沒有以完全同步或盡可能同步的方式進行優(yōu)化，則會引入延遲，從而在測量過程中產(chǎn)生較大的相位。

為了更好地理解相位誤差的重要性，我們可以考慮一個真實的場景。例如，假設(shè)電壓和電流之間的時間延遲為 3.8 納秒（實際上非??常?。l率為 50 kHz，余弦 phi 為 0.06，我們的測量將受到額外 2% 誤差的影響。比較兩個核心或兩個扼流圈時，2% 的錯誤可能會產(chǎn)生破壞性影響。

實際設(shè)置如圖 5 所示。它包括 Zes Zimmer LMG610 功率分析儀、一個 115 VAC 電源、一個電流傳感器以及帶有初級和次級繞組的磁芯。在這種情況下，初級側(cè)和次級側(cè)的繞組數(shù)相同（僅為 2），因此它們的比率為 1。

磁場強度的峰值可以根據(jù)麥克斯韋-安培方程計算，表明磁場的峰值直接取決于初級的峰值電流、初級繞組的數(shù)量和磁路長度：

假設(shè)準平穩(wěn)場和對稱電流（峰值電流需要是峰峰值電流的一半），上述公式可以簡化為：

在哪里：

H _pk : 磁場強度的峰值

I _pk : 初級電流峰值

n ₁ : 初級繞組數(shù)

l _magn：磁路長度

由于電流是對稱的，我們有：

因此，H _pk的結(jié)果公式為：

該表達式很容易計算，因為峰值電流是功率分析儀可以進行的標準測量之一。

磁通密度峰值的計算可以采用類似的方法。我們從以下麥克斯韋-法拉第方程開始：

對準平穩(wěn)場做出與之前相同的假設(shè)，我們得到：

在哪里：

B(t)：磁通密度

u(t)：感應(yīng)二次電壓

n ₂ : 次級繞組數(shù)

A：芯截面

對兩個零交叉點之間的次級電壓進行積分，磁通密度 (B _pp )的峰峰值可以計算如下：

由于感應(yīng)電壓沒有直流成分：

從修正值的定義我們知道：

最后，我們可以通過將電壓整流值除以頻率、次級繞組數(shù)和截面積的四倍來計算磁通密度的峰值：

計算完全獨立于信號形狀：它只取決于整流值。

在圖 6 中，我們可以觀察測量值如何出現(xiàn)在功率分析儀上。它不顯示功率，而是顯示所有相關(guān)的測量參數(shù)：初級電流、次級電壓、場強、磁通密度，當(dāng)然還有最重要的磁芯損耗。

我們還可以從已有的數(shù)據(jù)中推導(dǎo)出其他測量值。無需任何額外工作，即可直接計算能量 (E)、電荷流動 (Q)、磁通量 (Φ) 和焦耳熱積分 (I ² t)。

結(jié)論

我們已經(jīng)看到，通過直接測量初級的頻率、峰值電流值和次級的整流感應(yīng)電壓，我們可以以極高的精度計算施加到初級側(cè)的任何類型的激勵信號的磁芯損耗。這使我們能夠比較不同的磁芯材料和不同的磁芯架構(gòu)。作為功??率分析儀的儀器不僅在電源頻率 (50-60 Hz) 下而且在更高頻率下都應(yīng)具有高準確度（尤其是與功率因數(shù)相關(guān)的準確度）。測量設(shè)置也是必不可少的。對稱性具有主要相關(guān)性：應(yīng)避免電壓和電流測量的不同路徑長度。