如何认识和测量磁性材料的基本磁参数特性？

【哔哥哔特导读】不可否认，磁性元器件的发展已搭乘上第三代半导体材料发展的快车。芯片电感、一体成型电感、磁集成技术等新技术新产品层出不穷，但材料始终是掣肘行业发展的难题，如何更为深刻和全面地认识磁性材料，让其跟上行业奔跑的快车是行业亟待去正视和解决的问题。

磁性材料性能参数众多，且是非线性材料，在不同应用下具有复杂多变的参数特性，而变频状态下，更要求磁性材料在各个频率点均能保持良好的性能。

尤其是在以氮化镓、碳化硅为代表的第三代半导体材料的推动下，磁性元器件行业呈现高频化、集成化的发展趋势，让磁性材料的开发变得更为复杂和困难，这就需要磁性材料企业对磁性材料的理解足够深刻和全面。

01 磁性材料参数的复杂性

一般来说，对线性材料的参数确定比较简单，对各种磁导率，如果在线性情况下都是一样的参数。而磁性材料是一个非线性的材料，磁性材料有磁滞回线，磁滞回线又分为静态的和动态的，这两个曲线在频率高的时候就有差别。

此外，基本磁化曲线对于磁性材料的设计至关重要。基于基本磁化曲线，磁导率有多种定义，不同的磁导率应用于不同的电感参数，其意义也各不相同。

例如，初始磁导率用于共模电感的设计；幅值磁导率用于交流电感器和变压器的励磁电感设计；增量磁导率是在一定的偏磁下面的增量磁导率，应用于直流电感；复数磁导率用于EMI滤波器；而能量磁导率表示磁芯储存磁能的能力。

对于线性材料，能量磁导率等于二分之一B·H（B=磁感应强度；H=磁场强度），能量磁导率的物理概念是磁化曲线的工作点与H轴所形成的面积。

从图中可以看到，即使红色和蓝色线在a点具有同样的幅值磁导率，但是它们两个磁性材料具有不同的能量磁导率，即幅值磁导率相同，但是能量磁导率不同。因此，对于磁性材料，存在磁导率不同这样的复杂性问题。

02 不同磁导率所需的电感测量仪器

在测量初始磁导率时，可以用LCR表和阻抗分析仪，这些仪器测量的励磁电压信号较小。而测量幅值磁导率时，可以用B-H 分析仪和交流磁特性测量仪，它们可以产生较大的信号。但是如果磁导率比较低，所需要的励磁容量(S）等于励磁电压（U）×励磁电流（I），就可能很大。

如果磁导率μe很高，如铁氧体可能达到一两千，那么测量磁性材料的励磁功率可以很小，虽然电压较高，但是电流可以很小。然而，如果是粉芯，μe很低的情况下，激励源容量就很大，因此一般传统的交流测试的功放都很难在磁性材料测量中达到这么大的功率，或者达到这么大的容量。

要测量增量磁导率，需要使用LCR表或者阻抗分析仪，并加上高频的偏置源，这是一个在频率很高的频段下，增量磁导率仍然具有恒流特性的电流源。

那么这里就有两个挑战，一个是磁性材料频率高，另一个是磁性材料电流要很大，直流电流Idc可能是几百安培、上千安培都有。尤其是在AI服务器电源上，电流需要更大，所以传统的商业化的高频偏置源目前可能就100多安培、125安培五个模块并联，这也是磁性材料行业面临的一个挑战。

也就是说，功率源和偏置源满足不了现在磁性材料测试的要求，因此磁性材料行业很早就有脉冲测量法，即用一个脉冲，产生一个短时间的脉冲，这个原理就是给电感加一个脉冲电压，就会产生电流。现在DPG、SYBERTEK、威派森都有在卖这种商业化设备。

只要把电感的两端电压u(t)和电流i(t)足够准确地采出来，那么通过这三个公式的运算就可以得到磁化曲线和幅值电感以及增量电感。

原理很简单，采样的精度、设备和传感器的准确性是确保磁芯材料测量结果可靠性的关键因素。虽然脉冲测量法与常规的直流偏置源加阻抗分析仪的测量方法有些差异，但它已被纳入IEC 63300，并得到了业界的广泛认可和应用。

这种方法的优势在于其操作的简便性，但同时也存在一些局限性。特别是当磁性材料对频率变化较为敏感时，脉冲的宽度或电压的高低会影响电流的上升速率，进而影响测量结果的准确性。上升速率的不同相当于频率的差异，可能会导致测量结果出现偏差。

然而，对于某些磁性材料，如粉芯，在特定的频率范围内，磁性材料对频率的变化并不敏感，因此脉冲宽度对磁性材料测量的结果的影响相对较小。这意味着在实际磁性材料测试中，需要根据磁性材料的特性和应用场景，选择合适的测量方法和参数，以确保测量结果的准确性和可靠性。

03 幅值电感与增量电感的应用差异及测量方法

这个图展示了幅值电感与增量电感在应用上的差异，业界通常会混淆相关的公式L·I=N·A·B=磁链，这里的关键是这里的I和L是什么含义，L是指增量电感L，还是幅值电感L。

直流电流和伏秒级ΔB磁通变化量是由外电路决定的，但是对磁性材料来说，ΔI和Bdc是由磁性材料本身决定的。根据ΔI·L =N·A·ΔB，这里的L实际上是指增量磁导率，即斜率，也就是ΔH比ΔB。

如果是Bdc，则由静态磁导率或幅值磁导率决定，因此在应用时这两个参数会有差异，特别是在粉芯材料中，这种差异尤为明显，尤其是在尽限设计时，电流在接近饱和的地方，差异会更加显著。

增量磁导率的获取可以通过几种方法：

第一种方法是由静态磁化曲线求导得到，但由于曲线是静态的，无法反映频率的影响，所以只有当频率对磁导率的影响很小的情况下，这个方法才适用。

第二种方法是通过阻抗分析仪加上偏磁源测量得出，这是常规方法。但是偏磁源可能没有足够大的直流量，而且激励源的信号很小。

第三种方法可以从脉冲测量法得到。这种方法的问题可能会受到脉冲宽度的影响，脉冲伏秒级相同下，可以脉冲宽度时间短，但电压高，也可以时间长，但电压小，这意味着脉宽频率不一样。

因此，选择合适的测量方法和参数，以确保测量结果的准确性和可靠性，对于磁性材料的磁导率测量来说至关重要。

结语

从终端应用上看，以充电桩、储能、新能源汽车、AI服务器、云计算等为代表的领域正在延续大功率发展的态势。

如车载用OBC的功率呈现出从3.3kW、6.6kW到11kW、22kW的趋势。充电桩从最早的15kW，到20/30/40/60kW的模块电源，而新国标上限提高到800kW，单个模块电源功率需要更高，集成度也要更高。

技术的创新离不开材料的不断发展。只有深刻理解和应用磁性材料，才能加速大功率、高频率磁性元器件产品的落地，掣肘行业发展的难题才会迎刃而解。

*对此，Big-Bit电子变压器与电感网将对磁性材料评价指标的探讨专访中国电源学会常务理事、磁专委名誉主任、福州大学陈为教授，敬请期待。

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