随着科技的飞速发展，功率变换器正朝着高频、高效、高功率密度的方向大步迈进，这使得对磁性元器件磁特性进行精准测量与精确计算成为了磁性元器件行业发展进程中亟待攻克的关键课题。而在这其中，正弦波激励源扮演着极为重要的角色，它贯穿于整个磁特性研究的诸多环节。

本文将结合福州大学汪晶慧教授的公开演讲内容，深入剖析以正弦波为标准时在测量与计算过程中遭遇的重重挑战，同时详细阐述引入方波作为标准波后为解决这些难题所带来的创新性解决方案，旨在为磁性元器件行业相关从业者提供全面且深入的技术参考。

福州大学汪晶慧教授

一、正弦波“遇阻”：测量与计算的双重困境

在研究磁性元器件磁特性的领域，正弦波激励源的应用广泛且基础，它是众多理论与实践的基石。正弦波是一种按正弦函数规律变化的周期性交流信号，其在电子领域应用广泛，在磁性元件测量中也长期占据重要地位。而正弦波激励源，作为产生正弦波的关键源头，更是重中之重。

在深入探讨正弦波在磁性元器件磁特性测量与计算中所面临的问题前，先让我们了解一下正弦波激励的应用现状。

(一)正弦波激励的应用现状

在磁芯数据手册中，所呈现的 BH 曲线、磁芯损耗、温度曲线、直流特性以及磁导率等一系列磁特性参数，大多是以正弦波激励源激磁为基础获取的。可以说，正弦波激励源是这些参数诞生的 “摇篮”，没有它，很多磁特性数据将无从谈起。

正弦波激励源之所以被广泛采用，是因为其数学模型简单，易于分析和计算。且正弦波激励源实现过程相对简便，并且具备良好的可重复性，因此在磁芯材料表征特性的过程中，成为了一个被广泛采用的重要参考标准。

在国际电工委员会制定的 IEC63300 标准里，对正弦波激励源的幅值、频率以及总谐波分量等关键指标都作出了明确且细致的规范。这充分体现了正弦波激励源在行业规范中的关键地位，它必须按照严格标准来执行，才能保障后续磁特性研究的准确性。

按照该标准要求，正弦波激励源的幅值和频率需控制在 ±0.1% 的误差范围内，同时正弦波激励源的总谐波分量应保持在 1% 以内，在这样的标准设定下，获取符合要求的正弦波激励源并非难事。但实际操作中，环境因素诸如温度、湿度以及电磁干扰等，都会给正弦波激励源的稳定性带来挑战，稍有不慎就可能导致其偏离标准指标。

在实验室环境以及工业生产中，通常借助小信号发生器搭配功率放大器来产生正弦波激励源，市场上无论是国产还是进口的此类设备都种类繁多，为以正弦波激励源进行磁芯特性测试提供了便利条件。这也使得正弦波激励源在实际应用场景中有了坚实的硬件支撑，得以广泛发挥作用。

然而，看似便利的正弦波激励源在实际测量和计算中，却隐藏着诸多问题。这让科研人员不得不重新审视正弦波激励源的每一个应用细节，从信号发生到传输线路，任何一处与正弦波激励源相关的环节都可能是问题的根源。下面，我们就来看看正弦波激励源磁心损耗测量存在哪些难题。

(二)正弦波激励源磁心损耗测量难题

在实际测量磁芯损耗时，交流功率法是一种应用较为广泛的测量手段。该方法通常采用双绕组结构的被测磁性元器件，通过对副边电压和原边电流的测量，进而计算获取磁芯损耗。然而，在运用交流功率法开展测量工作的过程中，不可避免地会出现一定程度的误差，这些误差主要源自以下三个方面：

其一，电压与电流有效值的测量误差。随着现代测量技术的持续进步以及测量仪器精度的逐步提升，这一部分误差在当前已得到了较好的控制，其对整体测量结果的影响相对较小。

其二，测量精度对采样电压和电流之间的相位差误差表现出极高的敏感度。在正弦波激励源电路中，电压和电流的相位关系本应遵循一定规律，但实际情况却更为复杂。当针对阻抗角趋近于 90° 的磁粉心进行磁心损耗测量时，这种相位差所引发的测量误差会显著增大。造成相位差误差的因素较为复杂，主要涵盖两个层面：

被测磁性元器件寄生参数(阻抗角)

一方面，采样仪器在工作过程中存在不同步性，这使得在采集电压与电流信号时，无法实现精准同步，进而不可避免地引入相位偏差。另一方面，电流采样环节所涉及的寄生参数问题也是导致相位差误差的重要原因。

在实际电路中，电流采样往往会受到寄生电容、寄生电感等参数的影响，这些寄生参数会改变电流信号的相位，使得测量得到的电流与实际电流之间存在相位差。此外，被测磁性元器件自身的材质特性以及内部结构所附带的寄生参数，同样会成为相位差误差的一个来源，进一步增加了测量结果的不确定性。

其三，实际测量环境中，诸多寄生参数相互交织、彼此影响，极大地增加了精准测量磁芯损耗的难度。由于受到各种寄生参数的干扰，测量人员仅能获取到受到寄生参数 “污染” 的数据，这些数据无法纯粹地反映磁芯真实的工作参数，这无疑给后续的数据计算与分析工作带来了极大的阻碍。

例如，在高频电路中，漏感、等效电阻以及匝间电容等寄生参数的影响尤为显著，它们会使测量得到的电压和电流信号发生畸变，从而导致磁芯损耗的测量结果出现较大偏差。这种情况在测量阻抗角接近于 90 度的磁粉芯以及频率超过兆赫兹的铁氧体磁芯时表现得更为突出，测量误差会变得非常大。

除了正弦波测量误差这一难题外，正弦波激励源的容量也成为了正弦波激励源在实际应用中的一大制约因素。

(三)正弦波激励源容量的限制

以标准环铁氧体为例，在测量其磁芯特性时，所需正弦波激励源与多个因素密切相关，具体而言，它与频率、磁通密度峰值 Bm、磁芯体积成正比，而与相对磁导率 μr 成反比。

为了更直观地展示这一关系，研究人员制作了不同频率下铁氧体和磁粉芯的激励源容量计算表格。

从表格数据可以清晰地看出，当频率升高或者磁通密度峰值增大时，所需的正弦波激励源容量会急剧增加。例如，当 f=100KHz，在测量 0.8T 的磁粉芯时，所需的激励源容量高达 26670VA;

而当 f=1MHz，测量 0.1T 的铁氧体磁芯时，所需正弦波激励源为 1083VA，当频率进一步提升到 3MHz 时，所需容量更是达到 3250VA。

然而，当前市面上常用的功率放大器，如 ar 品牌的产品其正弦波激励源容量仅为 600VA，NF 品牌的功率放大器正弦波激励源容量为 200VA，这些设备远远无法满足高频、大容量正弦波激励源的需求，这就使得在实际测量工作中面临正弦波激励源容量不足的困境，严重限制了对一些高性能磁性元件磁芯特性的准确测量。可以说，正弦波激励源容量的瓶颈，已经成为阻碍磁芯特性深入研究的一大 “拦路虎”。

在计算磁芯损耗方面，正弦波激励源同样面临着困境。

(四)正弦波激励源磁芯损耗计算模型的困境

在计算磁性元器件磁芯损耗方面，目前常用的方法是基于正弦波激励源来获取磁芯损耗数据。正弦波激励源在这里就像是一把 “钥匙”，开启了磁芯损耗计算的大门，但这把 “钥匙” 并非万能。

在正弦波激励源下，磁芯内部的磁畴运动遵循特定规律，其损耗与正弦波激励源的频率、幅值等参数相关。基于此，形成了一系列以正弦波激励源为基础的磁芯损耗计算方法。

在功率变换器中，实际的激励波形大多为 PWM 波，而我们通常利用正弦波激励源的磁芯损耗计算模型来推算 PWM 波的磁芯损耗。

其中，Steinmetz(SE)方程是最常用的正弦波激励源磁芯损耗计算模型。但该方程仅适用于正弦波激励源的情况，对于 PWM 波并不适用。

为了解决这一问题，众多学者展开了深入研究，提出了一系列拓展 SE 方程使用范围的公式，如 MSE、GSE、EEL、WcSE 和 IGSE 等。但这些改进措施终究是在正弦波激励源基础框架上的修补，难以从根本上突破正弦波激励源固有局限带来的困境。这些模型在计算不对称 PWM 波激磁的磁心损耗时，通常将其等效为系数与相同频率的幂和相同磁通密度的幂的乘积形式，并且系数均与 α 相关。

通过对这些模型的研究分析，我们发现 β 对磁芯损耗的计算影响相对较小，而 α 对磁心损耗的计算影响较大。

随后，研究人员分别对两款不同的材料进行了损耗计算。当对磁粉芯进行计算时，在 f=35kHz 的条件下，利用 SE 公式拟合 α 和 β 的数值，得到 α=0.902，这一结果与我们常规认知中 α 值在 1 - 2 之间的范围不符。

这主要是由于随着材料科学的不断发展，磁性材料的种类日益繁多，不同材料的特性差异较大，导致在运用现有公式进行计算时，结果可能会与传统认知相悖。此外，按照理论公式，损耗应该与频率和磁通密度成正比，但实际计算出来的结果却与之相反。

对于另一款铁氧体软磁材料，同样采用上述方法进行计算，虽然其 α 数值处于常规认识的 1 - 2 之间，但利用不同的模型计算出来的磁芯损耗却完全不同。

这一现象充分表明，尽管当前针对磁芯损耗计算已经提出了众多模型，但这些模型的精度仍有待进一步验证。如果继续基于正弦波激励源来计算 PWM 波磁芯损耗，将会面临诸多难以克服的挑战，严重影响对磁性元器件性能的准确评估。

面对正弦波激励源在测量与计算过程中遭遇的重重困境，有没有更好的解决办法呢?答案是肯定的，那就是方波。接下来，我们就一起看看方波是如何 “救场” 的。

二、方波“救场”：测量方法的创新突破

(一)方波激励源的提供方式

考虑到功率变换器中诸如 Buck 电路、Boost 电路、移相全桥电路等磁性元器件电压波形均呈现为方波这一特点，以方波作为基准波来进行磁性元器件磁特性测量与计算的设想应运而生。

在实现方波激励源的过程中，主要存在两种可行的方式。

第一种方式是延续正弦波激励源的产生思路，采用小信号源和功率放大器的组合形式来产生方波激励。不过，这种借鉴正弦波激励源产生方式的做法，存在明显的弊端。

一方面，其成本相对较高，对于大规模的工业生产和广泛的实验室应用来说，会增加较大的经济负担;另一方面，该方式所能提供的激励源容量有限，难以满足一些对激励源容量要求较高的磁性元件测试需求。

第二种方式则是采用逆变电路来产生方波激励。在逆变电路中，开关管的容量决定了被测磁性元器件所需的激励容量。

与第一种方式相比，这种方法具有成本较低的优势，能够在一定程度上降低测试成本，提高经济效益。同时，逆变电路的灵活性较高，可以通过合理设计电路参数和控制策略，满足不同磁性元器件对激励源的多样化需求。

(二)方波电压激磁损耗测量方法

在测量方波电压激磁损耗时，如果依然采用传统的交流功率法进行计算，研究发现对于高频 PWM 波电压激磁磁心损耗的测量，会产生非常大的误差。因此，需要探寻一种更为合适的测量方法，直流功率法便是一种有效的解决方案。

直流功率法的原理相对简单易懂。它利用恒压源将逆变电路转换为方波信号，并施加在磁性元器件上。在这个过程中，整个系统的能量供应主要来源于直流源，因此，只要能够精确测量出直流源的有功功率，就可以得到磁性元器件的损耗。

在理想情况下，如果能够将逆变电路的损耗控制得足够小，那么在测量过程中就可以忽略不计，此时直流源的功率就近似等于被测磁性元器件的功率。在实际操作中，测量人员只需再精确测量输入电压源的直流分量，就能够顺利获得磁性元件的损耗数据。

这种测量计算方法的显著优点在于，它不会像正弦波激励源测量一样受到被测件的阻抗角和被测件寄生参数等因素的影响，从而有效避免了因这些因素导致的测量误差。

当然，直流功率法并非完美无缺，它也存在一定的误差来源。其中，直流装置内部自身的损耗会给测量结果带来误差。

不过，随着技术的不断进步，目前已经涌现出许多有效的方法来扣除这部分误差，例如通过建立精确的电路模型对直流装置损耗进行补偿，或者利用AI人工智能技术对测量数据进行分析处理，提取出其中的有效信息，从而提高测量精度。

此外，直流功率法还具有很强的拓展应用能力，它不仅可以测量方波的磁性损耗，通过适当改变控制策略，如增加直流偏置，或是在 50Hz 正弦波叠加高频 PWM 波电压激励等方式，还能够对不对称 PWM 波和移相全桥等电路的磁芯损耗进行准确测量。

直流功率法测量样机

目前，经过科研人员多年的不懈研究，已经成功制作出一套基于直流功率法的测量样机。该样机设计有四个端口，其中两个端口用于连接被测件，另外两个端口则用于连接直流源。

该设备在频率方面表现出色，能够达到 1MHz 的测量频率。如果在控制板上进一步增加氮化镓材料，其频率甚至可以提升至 10MHz。

这一成果表明，在测量层面，以方波为基础的测量技术已经能够有效解决功率变换器当前面临的诸多问题，为磁性元器件磁特性的精准测量提供了有力的技术支持。

该样机除了能够测量磁芯损耗以外，还具备测量磁化曲线的功能，这有助于研究人员深入掌握磁芯在饱和状态下的特性，为电感与电子变压器等磁性元器件优化设计提供了更丰富的数据依据。

方波不仅在测量方法上实现了创新突破，在计算模型方面也带来了全新变革。

三、方波“赋能”计算模型的全新变革

(一)不同 PWM 波的方波分解计算

在计算模型方面，方波同样展现出了独特的优势。对于无直流偏置的不对称 PWM 波，研究人员发现可以从能量的角度出发，将其分解成两个方波进行处理。通过这种方式，能够较为简便地计算出不对称 PWM 波的磁芯损耗。

这种计算方法的创新之处在于，它巧妙地利用了方波的特性，将复杂的 PWM 波分解为简单的方波组合，从而降低了计算的难度，提高了计算的准确性。

在无直流偏置对称 PWM 波(如移相全桥电路)的情况下，虽然其中存在一部分电压为 0 的时段，但这并不意味着该时段没有损耗。这是因为在系统从动态向稳定转变的过程中，并不会瞬间完成，而是存在弛豫现象。

基于这一物理现象，研究人员将移相全桥电路中的损耗分成两块进行计算，一块是方波本身产生的损耗，另一块则是与弛豫现象相关的弛豫损耗。其中，弛豫损耗与 Bm 密切相关，同时也和移相全桥电路中弛豫现象所持续的时间有关。

通过这种细致的损耗分解和计算方式，能够更准确地评估移相全桥电路在不同工作状态下的磁芯损耗情况，为电路的优化设计提供更精准的数据支持。

(二)有直流偏置及 PFC 电路的计算

对于有直流偏置的不对称 PWM 波，增加直流偏置会导致损耗的增量产生。研究表明，这个损耗增量与多个因素有关，包括频率、占空比等。通过深入研究这些因素与损耗增量之间的关系，建立相应的数学模型，就可以准确计算出有直流偏置的不对称 PWM 波的磁芯损耗。

在 PFC 电路拓扑结构中，磁芯损耗同样可以利用方波进行测量计算。以 50Hz 的工作频率为例，将其正弦波叠加高频 PWM 波电压激励进行分解，可得到有直流偏置的 PWM 波和 50kHz 正弦波的损耗组合。

这种分解方式与前面提到的计算方法类似，通过分别计算不同部分的损耗，再将它们叠加起来，就能够得到 PFC 电路磁芯的总损耗。

通过这种方法，在不同的电路中，利用方波作为基准波都可以有效地计算出磁芯损耗，这意味着磁心损耗的损耗计算模型问题得到了妥善解决。

(三)方波参数规范

在 IEC 6330 标准中，对方波的一些关键参数作出了明确规定。当激励为方波(占空比为 0.5)时，过冲应小于峰值脉冲幅度 Um 的 5%，顶降应小于峰值脉冲幅度 Um 的 2%，脉冲上升时间和脉冲下降时间应小于方波周期的 1%。

这些参数规范的制定，为以方波为标准波衡量磁芯磁特性提供了统一的标准和依据。同时，在实际应用中，这些参数也都比较容易实现，这为方波在磁性元器件磁特性测量与计算中的广泛应用奠定了坚实的基础。

四、结语：方波引领磁性元器件行业新未来

从电子行业磁性元器件的发展历程和趋势来看，方波作为标准波在磁芯磁特性测量与计算领域的出现，无疑是一次具有深远意义的技术变革。

它成功地解决了正弦波激励源长期以来面临的测量误差大、正弦波激励源容量不足以及正弦波激励源计算模型精度低等诸多难题，为磁性元器件性能的精准评估和优化设计提供了强有力的技术支持。

在未来，随着方波测量技术和计算模型的不断完善、持续优化以及广泛推广应用，磁性元器件在功率变换器中的性能将得到更加精确的把控。

这不仅有助于进一步提高功率变换器的效率、功率密度，降低其体积和重量，还将推动整个电子行业在电力转换领域实现质的飞跃。

对于电子行业的从业者而言，积极关注并深入研究方波在磁性元器件领域的应用，及时掌握这一前沿技术，将成为把握行业发展新机遇、在激烈的市场竞争中脱颖而出的关键因素。

相信在方波技术的有力推动下，磁性元器件行业必将迎来更加辉煌灿烂的明天，为电子科技的持续创新和发展注入源源不断的动力。