提供精確測量磁芯損耗的能力對于磁設計和熱設計具有重要意義。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體技術的引入，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。盡管對材料的特性和化學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。

模擬與測量

當要量化任何東西（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。仿真要求設計人員面臨一些挑戰。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出的參數。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品或材料的重要參數。它們可以依次使用，驗證理論模型或作為未來材料開發的基礎。這并不意味著不應使用模擬。在許多工業應用中，仿真很重要，主要是因為仿真速度很快。只需修改幾個參數，就可以重復模擬，在短時間內創建大量數據。然而，基礎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性的需求，因為這些信號源的生成非常復雜。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雜的信號源，并在測量設備中加入了更多的智能。換句話說，我們將復雜性從信號源轉移到測量設備。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的峰值電流和磁芯次級側的電壓整流值。

磁滯回線

圖 2 顯示了磁場的增加如何意味著流量的增加；一切都發生到飽和發生的某個點。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，即表征材料的曲線。磁滯循環曲線與磁芯損耗之間存在密切關系：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域，我們就能夠量化損失。

損耗受一些參數的影響，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，我們可以使用任何類型的信號來提供激勵。示波器測量初級側的電流和次級側的電壓。后者是開路電壓，因為次級側沒有電流流動。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雜的物理效應而造成的損失。

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

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

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

建議使用質量好的功率分析儀，而應避免使用萬用表，因為需要電流和電壓精度，并且需要良好的相位關系。此外，相位誤差應以高精度進行評估。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，應盡可能保持低。功率分析儀是一種經過設計優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致與實際值的相當大的偏差。根據設置，將在次級側測量電壓，在初級側測量電流。在測試設備中，這兩個信號采用不同的路徑。如果儀器的模擬架構沒有以完全同步或盡可能同步的方式進行優化，則會引入延遲，從而在測量過程中產生較大的相位。

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，假設電壓和電流之間的時間延遲為 3.8 納秒（實際上非??常小），頻率為 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% 的錯誤可能會產生破壞性影響。

實際設置如圖 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，初級側和次級側的繞組數相同（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、初級繞組的數量和磁路長度：

假設準平穩場和對稱電流（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

l _magn：磁路長度

由于電流是對稱的，我們有：

因此，H _pk的結果公式為：

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：

對準平穩場做出與之前相同的假設，我們得到：

在哪里：

B(t)：磁通密度

u(t)：感應二次電壓

n ₂ : 次級繞組數

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在功率分析儀上。它不顯示功率，而是顯示所有相關的測量參數：初級電流、次級電壓、場強、磁通密度，當然還有最重要的磁芯損耗。

我們還可以從已有的數據中推導出其他測量值。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)。

結論

我們已經看到，通過直接測量初級的頻率、峰值電流值和次級的整流感應電壓，我們可以以極高的精度計算施加到初級側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。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具有高準確度（尤其是與功率因數相關的準確度）。測量設置也是必不可少的。對稱性具有主要相關性：應避免電壓和電流測量的不同路徑長度。