【嗶哥嗶特導讀】不可否認，磁性元器件的發展已搭乘上第三代半導體材料發展的快車。芯片電感、一體成型電感、磁集成技術等新技術新產品層出不窮，但材料始終是掣肘行業發展的難題，如何更為深刻和全面地認識磁性材料，讓其跟上行業奔跑的快車是行業亟待去正視和解決的問題。

磁性材料性能參數眾多，且是非線性材料，在不同應用下具有復雜多變的參數特性，而變頻狀態下，更要求磁性材料在各個頻率點均能保持良好的性能。

尤其是在以氮化鎵、碳化硅為代表的第三代半導體材料的推動下，磁性元器件行業呈現高頻化、集成化的發展趨勢，讓磁性材料的開發變得更為復雜和困難，這就需要磁性材料企業對磁性材料的理解足夠深刻和全面。

磁性材料——磁芯，供圖：凱通電子

01 磁性材料參數的復雜性

一般來說，對線性材料的參數確定比較簡單，對各種磁導率，如果在線性情況下都是一樣的參數。而磁性材料是一個非線性的材料，磁性材料有磁滯回線，磁滯回線又分為靜態的和動態的，這兩個曲線在頻率高的時候就有差別。

此外，基本磁化曲線對于磁性材料的設計至關重要。基于基本磁化曲線，磁導率有多種定義，不同的磁導率應用于不同的電感參數，其意義也各不相同。

例如，初始磁導率用于共模電感的設計；幅值磁導率用于交流電感器和變壓器的勵磁電感設計；增量磁導率是在一定的偏磁下面的增量磁導率，應用于直流電感；復數磁導率用于EMI濾波器；而能量磁導率表示磁芯儲存磁能的能力。

對于線性材料，能量磁導率等于二分之一B·H（B=磁感應強度；H=磁場強度），能量磁導率的物理概念是磁化曲線的工作點與H軸所形成的面積。

從圖中可以看到，即使紅色和藍色線在a點具有同樣的幅值磁導率，但是它們兩個磁性材料具有不同的能量磁導率，即幅值磁導率相同，但是能量磁導率不同。因此，對于磁性材料，存在磁導率不同這樣的復雜性問題。

02 不同磁導率所需的電感測量儀器

在測量初始磁導率時，可以用LCR表和阻抗分析儀，這些儀器測量的勵磁電壓信號較小。而測量幅值磁導率時，可以用B-H 分析儀和交流磁特性測量儀，它們可以產生較大的信號。但是如果磁導率比較低，所需要的勵磁容量(S）等于勵磁電壓（U）×勵磁電流（I），就可能很大。

如果磁導率μe很高，如鐵氧體可能達到一兩千，那么測量磁性材料的勵磁功率可以很小，雖然電壓較高，但是電流可以很小。然而，如果是粉芯，μe很低的情況下，激勵源容量就很大，因此一般傳統的交流測試的功放都很難在磁性材料測量中達到這么大的功率，或者達到這么大的容量。

要測量增量磁導率，需要使用LCR表或者阻抗分析儀，并加上高頻的偏置源，這是一個在頻率很高的頻段下，增量磁導率仍然具有恒流特性的電流源。

那么這里就有兩個挑戰，一個是磁性材料頻率高，另一個是磁性材料電流要很大，直流電流Idc可能是幾百安培、上千安培都有。尤其是在AI服務器電源上，電流需要更大，所以傳統的商業化的高頻偏置源目前可能就100多安培、125安培五個模塊并聯，這也是磁性材料行業面臨的一個挑戰。

也就是說，功率源和偏置源滿足不了現在磁性材料測試的要求，因此磁性材料行業很早就有脈沖測量法，即用一個脈沖，產生一個短時間的脈沖，這個原理就是給電感加一個脈沖電壓，就會產生電流。現在DPG、SYBERTEK、威派森都有在賣這種商業化設備。

只要把電感的兩端電壓u(t)和電流i(t)足夠準確地采出來，那么通過這三個公式的運算就可以得到磁化曲線和幅值電感以及增量電感。

原理很簡單，采樣的精度、設備和傳感器的準確性是確保磁芯材料測量結果可靠性的關鍵因素。雖然脈沖測量法與常規的直流偏置源加阻抗分析儀的測量方法有些差異，但它已被納入IEC 63300，并得到了業界的廣泛認可和應用。

這種方法的優勢在于其操作的簡便性，但同時也存在一些局限性。特別是當磁性材料對頻率變化較為敏感時，脈沖的寬度或電壓的高低會影響電流的上升速率，進而影響測量結果的準確性。上升速率的不同相當于頻率的差異，可能會導致測量結果出現偏差。

然而，對于某些磁性材料，如粉芯，在特定的頻率范圍內，磁性材料對頻率的變化并不敏感，因此脈沖寬度對磁性材料測量的結果的影響相對較小。這意味著在實際磁性材料測試中，需要根據磁性材料的特性和應用場景，選擇合適的測量方法和參數，以確保測量結果的準確性和可靠性。

03 幅值電感與增量電感的應用差異及測量方法

這個圖展示了幅值電感與增量電感在應用上的差異，業界通常會混淆相關的公式L·I=N·A·B=磁鏈，這里的關鍵是這里的I和L是什么含義，L是指增量電感L，還是幅值電感L。

直流電流和伏秒級ΔB磁通變化量是由外電路決定的，但是對磁性材料來說，ΔI和Bdc是由磁性材料本身決定的。根據ΔI·L =N·A·ΔB，這里的L實際上是指增量磁導率，即斜率，也就是ΔH比ΔB。

如果是Bdc，則由靜態磁導率或幅值磁導率決定，因此在應用時這兩個參數會有差異，特別是在粉芯材料中，這種差異尤為明顯，尤其是在盡限設計時，電流在接近飽和的地方，差異會更加顯著。

增量磁導率的獲取可以通過幾種方法：

第一種方法是由靜態磁化曲線求導得到，但由于曲線是靜態的，無法反映頻率的影響，所以只有當頻率對磁導率的影響很小的情況下，這個方法才適用。

第二種方法是通過阻抗分析儀加上偏磁源測量得出，這是常規方法。但是偏磁源可能沒有足夠大的直流量，而且激勵源的信號很小。

第三種方法可以從脈沖測量法得到。這種方法的問題可能會受到脈沖寬度的影響，脈沖伏秒級相同下，可以脈沖寬度時間短，但電壓高，也可以時間長，但電壓小，這意味著脈寬頻率不一樣。

因此，選擇合適的測量方法和參數，以確保測量結果的準確性和可靠性，對于磁性材料的磁導率測量來說至關重要。

結語

從終端應用上看，以充電樁、儲能、新能源汽車、AI服務器、云計算等為代表的領域正在延續大功率發展的態勢。

如車載用OBC的功率呈現出從3.3kW、6.6kW到11kW、22kW的趨勢。充電樁從最早的15kW，到20/30/40/60kW的模塊電源，而新國標上限提高到800kW，單個模塊電源功率需要更高，集成度也要更高。

技術的創新離不開材料的不斷發展。只有深刻理解和應用磁性材料，才能加速大功率、高頻率磁性元器件產品的落地，掣肘行業發展的難題才會迎刃而解。

*對此，Big-Bit電子變壓器與電感網將對磁性材料評價指標的探討專訪中國電源學會常務理事、磁專委名譽主任、福州大學陳為教授，敬請期待。

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