【嗶哥嗶特導讀】在高頻高功率要求下，如何要求、評價、測量、計算、應用磁芯成為行業(yè)痛點問題。本文將對此進行探討，希望起到拋磚引玉作用，共同克服瓶頸問題，帶動產業(yè)進步。

材料的焦慮正在被日新月異的產業(yè)變革放大。

伴隨著第三代半導體技術的突破，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體材料在光儲充、新能源汽車、5G通信、AI服務器等新興領域的快速發(fā)展具有重大意義。

產業(yè)劇變顛覆了上游磁芯材料的開發(fā)與生產方式。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，導致鐵損顯著增大。

Big-Bit電子變壓器與電感網記者就該痛點話題專訪了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，并結合其曾公開演講中的內容，聚焦于磁芯材料領域，特別是對磁芯材料的要求，探討如何評價、測量、建模、計算和應用磁芯材料，此為磁芯材料行業(yè)痛點，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，隨著這些應用的發(fā)展，對磁芯提出了幾點挑戰(zhàn)：

一是磁芯材料快速發(fā)展，各種磁芯材料性能出現交叉。以前不同磁芯材料在不同頻率段有明確的應用區(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。但現在，這些磁芯材料的特性都開始交叉，尤其是磁芯材料現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電源領域的應用日益增多，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，現在磁芯材料的阻抗角已經很高，如鉑科的NPX系列，號稱是最好、損耗最低的磁芯材料，其阻抗角達到89.9幾度，接近于理想的90度的情況。

三是磁芯材料設計從飽和向損耗、溫升發(fā)展。現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。磁芯材料的設計就要從考慮飽和到要考慮損耗，再往后考慮溫升和熱設計，這是很明顯的趨勢。

四是磁性元器件廠商開始主導變換器頻率的設定。過去，磁性元器件廠商往往根據電源廠商的頻率要求來設計磁性元器件。現在反過來，電源廠商往往會根據有限的體積空間和損耗對磁性元器件廠商提出設計要求，磁性元器件廠商有機會設計合適的工作頻率，從而有機會主導頻率的確定，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用，使得磁性元器件的高頻化、集成化已經成為一個必然的趨勢。然而，磁芯材料作為磁性元器件的關鍵材料，其特性復雜，測量誤差很大、建模困難，缺乏直觀的選擇方法，已經成為磁性元器件實踐分析和設計的瓶頸問題。

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表示：“磁芯材料損耗測量主要面臨兩個技術難點，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。”

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（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。或者使用功率分析儀，能夠直接測量出損耗，目前市場上有許多設備能夠實現這一測量。

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整到同相位，但這種方法與頻率有關，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。

另一種方法是設法把θ降低，即所謂的無功補償，通過電容進行補償，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，即損耗結果的可信度受到質疑。

直流功率法相對容易測量，通過直流源和逆變器產生方波，可以是三電平或兩電平，根據DC/AC變換器的拓撲結構，無論是半橋還是全橋都可以。此時輸入功率等于被測設備（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，只有損耗功率進入，無功功率并未進入。

功率阻抗分析儀號稱是測量小信號里面最準確的設備，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，不能簡單應用FFT分解的概念。

但是，要實現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。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。

2、磁芯材料損耗測量技術（量熱法）

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

在電池熱能測量方面，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來評估電池在充放電過程中產生的熱量。現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，將測量物體放在合適的容器里面，氣流從容器一端進去，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的等溫量熱法。操作過程是將被測物體（DUT）放在設備上面，中間放置一個加熱片，通過給加熱片加熱產生溫升。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等于負的加熱片的功率的降低（PDUT=-ΔPH）

但是目前我們缺乏適合的一個商業(yè)儀器，因為這項技術屬于化學實驗，而大家更習慣的是電氣試驗。盡管如此，量熱法很有機會成為將來一種很標準的測量方法。這個方法已經體現在IEC 63300標準里面，現在需要的是一個能夠商用的量熱法儀器來方便實現在電氣領域的應用。

3、關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。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，而標準的DUT則相對簡單，所以這是現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)出適合應用的量熱法的設備。”

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

得到了三個測量結果：0.05W、0.19W、0.76W，對應算出來的功率分別為0.03W、0.12W、0.46W。這里產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，但不需要關注這點，而是關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，該設備有一個罐子，原本設計是往里面放水，但陳為教授的團隊將其改為放油，然后將待測物體放入其中，并用攪拌器進行攪拌。

“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。我們現在用一個電阻加直流來定標，因此輸入的功率的準確性是有保證的。”

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

4、測量結果

即磁芯材料的有效參數（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)的內外徑不一樣，磁場強度H的分布與半徑R的導數成正比，可以根據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，包括單匝伏秒積、磁勢、功耗、單匝感量。這些參數經過等效轉換后，分別表示為Be、He、Pcv和μe。隨后，通過Ae、Le、μe的運算，進行等效參數的變化，這時候就決定了這三個參數是怎么定義的，結果就不一樣。

現在有三種辦法：第一種是IEC 60205標準，這是大多數磁芯材料企業(yè)所接受的方法。第二種是IEC-63182-2標準，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，這可能導致Ae和Le的結果不同，進而導致結果不同。

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)的內外徑相差較大，參數的偏差也會相應增大。

“這正是我們強調統(tǒng)一標準的重要性，希望磁芯材料企業(yè)能夠統(tǒng)一標準，以便進行公平的比較，”陳為教授說道。

就商業(yè)價值而言，他認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)早已廣泛應用，只是操作比較麻煩，目前有關量熱法儀器的企業(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

有測量結果了，如何去計算？

第一種方法是采用SE方程。根據測量結果，會發(fā)現磁芯材料的測量結果在對數坐標系下都是線性的，那就用指數函數去模擬和近似這些數據。對于鐵氧體的溫度特性曲線，采用二次函數進行模擬，基于結果的數學擬合，從而得出相應的系數。

這種方法只能適合正弦波，而且α、β系數不一樣，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果構建數學模型擬合的一個有效手段。

第二種方法是基于物理損耗機理，磁芯材料的損耗跟磁通的變化率有關。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，對公式進行修正，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、波形和材質等，使用傳統(tǒng)的數學模型進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)的精確數學模型轉向模糊的人工智能方法。

四、磁芯材料的充分高效應用

變壓器用磁芯材料的選擇依據

現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計無法判斷。那么f×b曲線就可以給出一個很直觀的認識。

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，陳為教授及其團隊對一些磁芯材料做了測量，發(fā)現的確是存在這樣的關系，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，運用到最高點就充足了，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，都無法表現出拋物線特性，只表現出線性特性，而AI可以完全表達出任何形狀，只要數據測量足夠，都可以被AI模型捕捉和表達出來。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的標準來推動這一領域的發(fā)展，盡管這是一個涉及整個產業(yè)的問題，實現起來并不容易。”

電感器用磁芯材料的選擇設計（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由特定的公式決定,通過將這些公式帶入計算，可以推導出所需的參數。

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)現這個最大化點。這里引用了美磁的數據作為參考。

如果已知L·I2，可以預定體積Ve，就可以得到μΔ·H2dc。在曲線上，a點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，如果已經確定了使用XFLux-26材料，H應選擇多大呢？在XFLux-26分子的地方——b點就是設計點，這樣認識就變得非常清晰和直觀。前提是數據必須準確，否則一切努力都是徒勞，因此必須解決數據準確性這個痛點。

進一步地，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這樣的參數去衡量也是可以的，這就把損耗因子考慮進去了。這種方法同樣適用于交流電感的計算和設計。

結語

在探討完以上內容后，也給我們帶來幾點思考：

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鍵，尤其是在AI電源領域，其匝數通常僅為一匝，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計中的主導因素，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、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，這是磁芯材料行業(yè)的痛點，需要磁芯材料行業(yè)共同努力來解決

三是人工智能技術為磁芯材料的建模提供了新的機會，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技術相結合，共同開發(fā)出適合磁芯材料的模型，也希望國內磁芯材料企業(yè)能有自己的人工智能平臺，以利用國內的數據資源。

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

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