高頻高密度趨勢下磁芯材料評價指標(biāo)探討

在高頻高功率要求下，如何要求、評價、測量、計算、應(yīng)用磁芯成為行業(yè)痛點(diǎn)問題。本文將對此進(jìn)行探討，希望起到拋磚引玉作用，共同克服瓶頸問題，帶動產(chǎn)業(yè)進(jìn)步。

材料的焦慮正在被日新月異的產(chǎn)業(yè)變革放大。

伴隨著第三代半導(dǎo)體技術(shù)的突破，且今年以來氮化鎵和碳化硅成本不斷降低，這對推動第三代半導(dǎo)體材料在光儲充、新能源汽車、5G通信、AI服務(wù)器等新興領(lǐng)域的快速發(fā)展具有重大意義。

產(chǎn)業(yè)劇變顛覆了上游磁芯材料的開發(fā)與生產(chǎn)方式。在高頻、集成化趨勢下，磁芯材料始終是掣肘行業(yè)發(fā)展的難題，而磁芯材料具有非線性的復(fù)雜特性，其損耗特性難以評估，影響因素眾多，包括磁滯、渦流和剩余損耗等，在高頻下尤為明顯，導(dǎo)致鐵損顯著增大。

Big-Bit電子變壓器與電感網(wǎng)記者就該痛點(diǎn)話題專訪了中國電源學(xué)會常務(wù)理事、磁專委名譽(yù)主任、福州大學(xué)陳為教授，并結(jié)合其曾公開演講中的內(nèi)容，聚焦于磁芯材料領(lǐng)域，特別是對磁芯材料的要求，探討如何評價、測量、建模、計算和應(yīng)用磁芯材料，此為磁芯材料行業(yè)痛點(diǎn)，以饗同仁朋友們。

一、高頻、集成化趨勢下對磁芯材料的要求

在功率變換器和以氮化鎵、碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體材料的推動下，磁性元器件行業(yè)正朝著高頻化、集成化的方向發(fā)展。陳為教授表示，隨著這些應(yīng)用的發(fā)展，對磁芯提出了幾點(diǎn)挑戰(zhàn)：

一是磁芯材料快速發(fā)展，各種磁芯材料性能出現(xiàn)交叉。以前不同磁芯材料在不同頻率段有明確的應(yīng)用區(qū)隔。比如鐵氧體適用于幾百kHz的高頻段、粉芯適用中頻段、非晶納米晶適用低頻段。但現(xiàn)在，這些磁芯材料的特性都開始交叉，尤其是磁芯材料現(xiàn)在正迅速朝著高頻率發(fā)展，這給磁芯材料選擇帶來了難度。

二是磁芯材料非線性明顯，阻抗角很高。磁芯材料在新能源、AI電源領(lǐng)域的應(yīng)用日益增多，而磁芯材料非線性特性明顯，與鐵氧體磁芯材料的線性特性形成對比。此外，現(xiàn)在磁芯材料的阻抗角已經(jīng)很高，如鉑科的NPX系列，號稱是最好、損耗最低的磁芯材料，其阻抗角達(dá)到89.9幾度，接近于理想的90度的情況。

三是磁芯材料設(shè)計從飽和向損耗、溫升發(fā)展。現(xiàn)在磁芯材料或者磁性元器件的散熱手段主要有水冷板、通風(fēng)等手段，這些手段使得磁芯材料的功率密度不斷提高。磁芯材料的設(shè)計就要從考慮飽和到要考慮損耗，再往后考慮溫升和熱設(shè)計，這是很明顯的趨勢。

四是磁性元器件廠商開始主導(dǎo)變換器頻率的設(shè)定。過去，磁性元器件廠商往往根據(jù)電源廠商的頻率要求來設(shè)計磁性元器件?，F(xiàn)在反過來，電源廠商往往會根據(jù)有限的體積空間和損耗對磁性元器件廠商提出設(shè)計要求，磁性元器件廠商有機(jī)會設(shè)計合適的工作頻率，從而有機(jī)會主導(dǎo)頻率的確定，電源廠商則愿意需要配合磁元件廠商選擇的頻率。

總的來說，功率變換器的廣泛應(yīng)用，使得磁性元器件的高頻化、集成化已經(jīng)成為一個必然的趨勢。然而，磁芯材料作為磁性元器件的關(guān)鍵材料，其特性復(fù)雜，測量誤差很大、建模困難，缺乏直觀的選擇方法，已經(jīng)成為磁性元器件實踐分析和設(shè)計的瓶頸問題。

磁芯材料——來源：龍磁科技

二、磁芯材料特性的測量方法

基于磁芯材料復(fù)雜的特性，其損耗特性難以評估，陳為教授向Big-Bit電子變壓器與電感網(wǎng)表示：“磁芯材料損耗測量主要面臨兩個技術(shù)難點(diǎn)，一是高頻率下的磁芯材料采用目前的交流功率法測量存在本質(zhì)上誤差大的問題，二是磁芯材料大電流偏磁下的電感特性和損耗測量問題?！?/p>

對此，陳為教授介紹了磁芯材料高頻損耗測量的兩種測量方法——伏安法和量熱法。

1、磁芯材料損耗測量技術(shù)（伏安法）

磁芯材料損耗的測量歸為兩大類，一類是基于電壓電流的方法，另一類是基于量熱測量的量熱法，第一類方法在操作上相對簡單，其核心原理是電壓乘以電流，通過積分得出損耗?；蛘呤褂霉β史治鰞x，能夠直接測量出損耗，目前市場上有許多設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)這一測量。

交流功率法是通過施加交流信號在測量損耗，得到的公式為P=U·I·cosθ，誤差在tg(θ)，也就阻抗角的正確頻率和時間差。如前文所述，對于阻抗角接近90度的材料，其tg(θ)非常大，這對磁芯材料測量結(jié)果的影響很大。

磁芯材料企業(yè)為了處理這個問題，首先嘗試減小Δt，通過示波器把電壓和電流的通道調(diào)整到同相位，但這種方法與頻率有關(guān)，頻率變化時Δt也會變化。對于正弦波形，這種方法是可行的，但對于方波、諧波等其他波形則較難實現(xiàn)。

另一種方法是設(shè)法把θ降低，即所謂的無功補(bǔ)償，通過電容進(jìn)行補(bǔ)償，或者通過電壓抵消，如增加壓器來抵消電壓抵消。因此，交流測量法存在一個很大的瓶頸問題，即損耗結(jié)果的可信度受到質(zhì)疑。

直流功率法相對容易測量，通過直流源和逆變器產(chǎn)生方波，可以是三電平或兩電平，根據(jù)DC/AC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，無論是半橋還是全橋都可以。此時輸入功率等于被測設(shè)備（DUT）加上DC/AC逆變器的損耗，因此需要額外考慮逆變器的損耗。但其測量精度高，因為直流功率測量非常準(zhǔn)確，沒有相位差的問題。

為了獲得勵磁電流和DC/AC逆變器損耗，可以通過定標(biāo)方法去扣除和建模，理論上這相對容易，但實際操作中，由于儀器的限制，做到非常準(zhǔn)確并不容易。盡管如此，直流功率法對于評估不同材料，尤其是不同廠家提供的ci'xin材料非常方便，通過比較可以明顯看出差異。而且直流元件的勵磁容量很小，只有損耗功率進(jìn)入，無功功率并未進(jìn)入。

功率阻抗分析儀號稱是測量小信號里面最準(zhǔn)確的設(shè)備，但由于功率不足，需要加一個功率放大器來放大信號，然后衰減送回到阻抗分析儀。阻抗分析儀的原理是平衡電橋法，測量得到的是某個頻率和電壓/電流下的阻抗，還需要通過乘以電流的平方得到損耗，但不能用于PWM激磁下的損耗，因為磁芯材料的損耗是非線性的，不能簡單應(yīng)用FFT分解的概念。

但是，要實現(xiàn)磁芯材料在高頻下的測量，需要高頻功放和高頻衰減器，這在大功率下很難實現(xiàn)。因此，隨著高頻低損磁材料的發(fā)展，伏安功率測量法存在難以克服的瓶頸，這也是磁芯材料行業(yè)面臨的一個痛點(diǎn)。

2、磁芯材料損耗測量技術(shù)（量熱法）

所有形式的能量損耗均會轉(zhuǎn)化為熱能，熱能測量技術(shù)并非新穎事物，其在早期已被廣泛用于化學(xué)物品的熱值分析，例如氧彈量熱儀用于測定炸藥和煤炭等物質(zhì)燃燒時釋放的熱量，這是一種符合國家標(biāo)準(zhǔn)的常規(guī)測量設(shè)備。

在電池?zé)崮軠y量方面，由于電池在充放電過程中儲存而非直接消耗能量，因此無法直接應(yīng)用功率測量法。能量被存儲于電池中，而非被消耗，這就需要采用其他測量技術(shù)來評估電池在充放電過程中產(chǎn)生的熱量?，F(xiàn)有的方法包括絕熱法、加速絕熱法和等溫法等。

絕熱量熱法的測量原理分為兩種形式：一種是被動隔熱，即將磁芯材料置于一個密封且隔熱的容器中，通過加熱，使溫升上來，從而獲得總熱量，用熱量除以時間就可以得到功率；另一種是主動隔熱，熱量傳遞有兩個條件，一個是有熱阻，另一個是有溫差，只要把溫差控制到零，即使有熱阻也沒有熱量的傳遞，也就實現(xiàn)了絕熱隔離，省去了被動隔熱種需要真空、鍍膜等條件，這種方式也叫加速絕熱法。

開放量熱法是一種傳統(tǒng)的測量技術(shù)，將測量物體放在合適的容器里面，氣流從容器一端進(jìn)去，再從另一端出來，這兩個氣流的溫差表示所帶走的熱量，也就是功率P=C×q×Δt。

第三種辦法是較為先進(jìn)的等溫量熱法。操作過程是將被測物體（DUT）放在設(shè)備上面，中間放置一個加熱片，通過給加熱片加熱產(chǎn)生溫升。這時候給DUT加熱，溫升就會往上走，然后把加熱片的功率降低，一邊升、一邊降，這樣總溫升就保持不變，也就是說DUT產(chǎn)生的熱量完全被加熱片所降低的熱量平衡掉了，即PDUT等于負(fù)的加熱片的功率的降低（PDUT=-ΔPH）

但是目前我們?nèi)狈m合的一個商業(yè)儀器，因為這項技術(shù)屬于化學(xué)實驗，而大家更習(xí)慣的是電氣試驗。盡管如此，量熱法很有機(jī)會成為將來一種很標(biāo)準(zhǔn)的測量方法。這個方法已經(jīng)體現(xiàn)在IEC 63300標(biāo)準(zhǔn)里面，現(xiàn)在需要的是一個能夠商用的量熱法儀器來方便實現(xiàn)在電氣領(lǐng)域的應(yīng)用。

3、關(guān)于量熱法的思考與探討

對于磁性元器件，我們是否也可以模擬化學(xué)燃燒和電池呢？磁性元器件具有較大的比熱容，可能需要加熱半個小時甚至一小時還沒穩(wěn)定，這是磁性元器件的特點(diǎn)。此外，磁性元器件形狀各異，而且功率大小差異很大，需要定制夾具，而標(biāo)準(zhǔn)的DUT則相對簡單，所以這是現(xiàn)在磁芯材料使用量熱法測量存在的問題。

“我們也在跟一些廠家聯(lián)系，爭取用一個低成本的方案開發(fā)出適合應(yīng)用的量熱法的設(shè)備?！?/p>

陳為教授及其團(tuán)隊做了兩個嘗試，第一個是用等溫量熱法來測量，這套設(shè)備幾十萬，以及還要考慮電池爆炸的因素，因此并不實用。該方法的標(biāo)準(zhǔn)夾具是18650的電磁殼，將被測電阻灌封在18650電池殼中，把它當(dāng)成是一個電池放在里面做測量。

得到了三個測量結(jié)果：0.05W、0.19W、0.76W，對應(yīng)算出來的功率分別為0.03W、0.12W、0.46W。這里產(chǎn)生的差異是因為電磁殼里面的比熱容吸收了熱量，把熱量留在里面了，但不需要關(guān)注這點(diǎn)，而是關(guān)注其磁芯材料的線性度。測量到50毫瓦的時候，該方法還能保持較好的精度，這個比例值可以通過定標(biāo)去克服它。

第二個嘗試是用了一個低成本的氧彈量熱儀，該設(shè)備有一個罐子，原本設(shè)計是往里面放水，但陳為教授的團(tuán)隊將其改為放油，然后將待測物體放入其中，并用攪拌器進(jìn)行攪拌。

“我們做了這樣一組實驗，從0.5W一直測到8W，得到的曲線結(jié)果是比較合理的。在低功率時，誤差可能會稍大，但對于低功率的測量，我們可以使用更小的量熱灌來提高。我們現(xiàn)在用一個電阻加直流來定標(biāo)，因此輸入的功率的準(zhǔn)確性是有保證的?！?/p>

測量時間花了10分鐘，溫升在零點(diǎn)幾度左右，使用傳感器能夠達(dá)到0.001度的精度，因此能夠靈敏地檢測到溫差的變化。

4、測量結(jié)果

即磁芯材料的有效參數(shù)（Be、He、Pcv損耗密度、等效μe）。

測量用的是一個磁環(huán)，磁環(huán)的電感量如何算？因為磁環(huán)的內(nèi)外徑不一樣，磁場強(qiáng)度H的分布與半徑R的導(dǎo)數(shù)成正比，可以根據(jù)log的公式計算出電感值。

這時候，按照電感等效原則來確定等效參數(shù)，包括單匝伏秒積、磁勢、功耗、單匝感量。這些參數(shù)經(jīng)過等效轉(zhuǎn)換后，分別表示為Be、He、Pcv和μe。隨后，通過Ae、Le、μe的運(yùn)算，進(jìn)行等效參數(shù)的變化，這時候就決定了這三個參數(shù)是怎么定義的，結(jié)果就不一樣。

現(xiàn)在有三種辦法：第一種是IEC 60205標(biāo)準(zhǔn)，這是大多數(shù)磁芯材料企業(yè)所接受的方法。第二種是IEC-63182-2標(biāo)準(zhǔn)，這是磁芯材料企業(yè)所接受的方法，但尚未完全統(tǒng)一。第三種方法是通過視在面積和平均長度來定義Ae和Le，這可能導(dǎo)致Ae和Le的結(jié)果不同，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)果不同。

例如，Ae的Pcv是損耗除以體積，選擇體積較大的磁環(huán)會使得損耗密度較小，得出來的結(jié)果差異較大。雖然Pcv看似小，但實際上并沒有減小。此外，如果磁環(huán)的內(nèi)外徑相差較大，參數(shù)的偏差也會相應(yīng)增大。

“這正是我們強(qiáng)調(diào)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的重要性，希望磁芯材料企業(yè)能夠統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，以便進(jìn)行公平的比較，”陳為教授說道。

就商業(yè)價值而言，他認(rèn)為目前直流功率測量法具有更高的商業(yè)化價值，直流功率測量法儀器相對簡單，實用方便，價格相對便宜，而且可以適用于PWM激勵波形的應(yīng)用，尤其是對于電感損耗的評估和比對非常實用。

量熱法也是很有商業(yè)化潛力的損耗測量方法，量熱法在化工行業(yè)早已廣泛應(yīng)用，只是操作比較麻煩，目前有關(guān)量熱法儀器的企業(yè)正在開發(fā)適用于磁性元件行業(yè)應(yīng)用的量熱法儀器，希望早日推出。

三、磁芯材料損耗特性的建模

有測量結(jié)果了，如何去計算？

第一種方法是采用SE方程。根據(jù)測量結(jié)果，會發(fā)現(xiàn)磁芯材料的測量結(jié)果在對數(shù)坐標(biāo)系下都是線性的，那就用指數(shù)函數(shù)去模擬和近似這些數(shù)據(jù)。對于鐵氧體的溫度特性曲線，采用二次函數(shù)進(jìn)行模擬，基于結(jié)果的數(shù)學(xué)擬合，從而得出相應(yīng)的系數(shù)。

這種方法只能適合正弦波，而且α、β系數(shù)不一樣，沒有考慮偏磁的影響，同時也沒有考慮實際的勵磁波形，因此不適用于三電平和兩電平的情況。盡管如此，這種方法仍然是基于測試結(jié)果構(gòu)建數(shù)學(xué)模型擬合的一個有效手段。

第二種方法是基于物理損耗機(jī)理，磁芯材料的損耗跟磁通的變化率有關(guān)。具體來說，把dB、dt二次方或者α次方，同時還跟dB、dt這段時間占總周期的百分比多少加權(quán)，對公式進(jìn)行修正，得到MSE/iGSE模型，這是基于磁芯損耗物理概念的建模修正方法。

第三類方法是AI方法。由于磁芯材料的損耗受多種因素影響，包括頻率、交流磁密、直流磁密、溫度、占空比、波形和材質(zhì)等，使用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行建模變得非常困難。而AI特別適合處理非線性多元變量的建模問題，因此需要從傳統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)向模糊的人工智能方法。

四、磁芯材料的充分高效應(yīng)用

變壓器用磁芯材料的選擇依據(jù)

現(xiàn)在選磁芯材料大多是對比擇優(yōu)，但是這個磁芯材料能否盡限設(shè)計無法判斷。那么f×b曲線就可以給出一個很直觀的認(rèn)識。

比如說3C96材料，工作在200kHz、300kHz的時候是最好的，再往后這個材料就撐不住了，它的功耗就會超過500，說明這個材料最適合工作在200K情況下，再提高就可以選擇不同的磁芯材料。

對此，陳為教授及其團(tuán)隊對一些磁芯材料做了測量，發(fā)現(xiàn)的確是存在這樣的關(guān)系，這種曲線對盡限利用提供了一個很好的手段。也就是知道磁芯材料在哪里用到充足了，運(yùn)用到最高點(diǎn)就充足了，再往后損耗就不行了。

“所以我們還希望能夠提出一個所謂的比損耗磁能因子，把f×b是傳遞磁能的能力，再除以損耗值，就等于電感的q值，即在單位損耗下能夠傳遞的容量。這才是真正的磁芯材料性能比拼，可以更客觀地衡量材料。”

然而，目前的磁芯材料的損耗模型無法表達(dá)出拋物線特性，無論是SE模型、MSE模型還是GS模型，都無法表現(xiàn)出拋物線特性，只表現(xiàn)出線性特性，而AI可以完全表達(dá)出任何形狀，只要數(shù)據(jù)測量足夠，都可以被AI模型捕捉和表達(dá)出來。此外，f×b只考慮了能量傳遞，而沒有考慮損耗。

他繼續(xù)說道：“我們希望未來能有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)來推動這一領(lǐng)域的發(fā)展，盡管這是一個涉及整個產(chǎn)業(yè)的問題，實現(xiàn)起來并不容易?！?/p>

電感器用磁芯材料的選擇設(shè)計（直流/交流電感）

如果選擇的是電感材料，那么如何去判斷？

鐵芯的體積可以通過公式Ae×le來確定，其中Ae和le由特定的公式?jīng)Q定,通過將這些公式帶入計算，可以推導(dǎo)出所需的參數(shù)。

為了使體積最小化，需要最大化大的μΔ·H2dc。通過繪制這個曲線，可以發(fā)現(xiàn)這個最大化點(diǎn)。這里引用了美磁的數(shù)據(jù)作為參考。

如果已知L·I2，可以預(yù)定體積Ve，就可以得到μΔ·H2dc。在曲線上，a點(diǎn)橫向有多個曲線與之相交，選擇H最小的那個，體積就會最小，這里特指磁芯。

反之，如果已經(jīng)確定了使用XFLux-26材料，H應(yīng)選擇多大呢？在XFLux-26分子的地方——b點(diǎn)就是設(shè)計點(diǎn)，這樣認(rèn)識就變得非常清晰和直觀。前提是數(shù)據(jù)必須準(zhǔn)確，否則一切努力都是徒勞，因此必須解決數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性這個痛點(diǎn)。

進(jìn)一步地，我們可以將損耗作為分母放入公式中，在一定的功耗下，μ2就是L·I2dc這樣的參數(shù)去衡量也是可以的，這就把損耗因子考慮進(jìn)去了。這種方法同樣適用于交流電感的計算和設(shè)計。

結(jié)語

在探討完以上內(nèi)容后，也給我們帶來幾點(diǎn)思考：

一是在功率變換器高頻、高功率的發(fā)展趨勢下，磁芯材料的作用變得尤為關(guān)鍵，尤其是在AI電源領(lǐng)域，其匝數(shù)通常僅為一匝，這使得磁芯材料的選擇變得尤為重要，甚至可能成為功率變換器設(shè)計中的主導(dǎo)因素，從而影響整個系統(tǒng)的頻率選擇。

二是對磁芯材料的測試涉及到精確測量磁芯材料參數(shù)、磁芯材料損耗特性以及磁芯材料在實際工作條件下的性能表現(xiàn)，這是磁芯材料行業(yè)的痛點(diǎn)，需要磁芯材料行業(yè)共同努力來解決

三是人工智能技術(shù)為磁芯材料的建模提供了新的機(jī)會，尤其是在處理非線性多元變量的建模問題時。我們希望磁芯材料和磁性元器件的制造商能夠與AI技術(shù)相結(jié)合，共同開發(fā)出適合磁芯材料的模型，也希望國內(nèi)磁芯材料企業(yè)能有自己的人工智能平臺，以利用國內(nèi)的數(shù)據(jù)資源。

四是磁芯材料的優(yōu)選需要理論指導(dǎo)，以幫助磁芯材料行業(yè)從業(yè)者了解在不同應(yīng)用場景下磁芯材料的最佳選擇。

本文為嗶哥嗶特資訊原創(chuàng)文章，未經(jīng)允許和授權(quán)，不得轉(zhuǎn)載

審核編輯 黃宇