磁滞回线和功耗测量
2003-09-28 14:15:11
来源：国际电子变压器2002年12刊
磁滞回线和功耗测量
Hysteresic Loop and Measure of Power Loss
摘 要： 本文从基本原理方面，探讨了功耗测量数据分散的原因。建议共同约定以所谓正常磁滞回线的功耗作为材料功耗的表征。对功耗测量提出了激励波形的要求。最后介绍了我们研制软磁铁氧体磁性测量分析平台的构想，以及该平台研发工作的阶段成果。
1、软磁铁氧体磁芯功耗测量现状
在功率电子学领域，功耗是软磁材料的一个重要技术指标。目前功耗测量普遍存在数据分散和可比性差的现象。百分之十到十五甚至更大的不确定范围并不少见，以至于习以为常。事实是，有二个方面的理由迫切需要改进功耗测量的准确程度。
其一，现代电子装置功能日趋复杂强大，体积则日趋缩小，装置内部元、部件的安装密度自然也越来越高。因而元、部件的发热成为设计过程中不可回避的问题。电子工程师在着力于设计电路预定功能的同时，必须认真计算和分析电子装置运行过程中内部热场分布的变化，并找出相应的对策，以确保电子装置的稳定和可靠。这就要求材料和元件供应商提供更为准确的功耗数值。
其二，软磁铁氧体，尤其是锰锌铁氧体已进入精细化工的范畴。产品性能的任何进一步优化都有赖于对从配方到一连串工艺环节的精细调整和控制。
本文将就功耗测量数据分散的部分原因，作出分析并提供解决方案。
2、磁滞回线同功耗测量的关系。
从磁介质物理学基本原理可得到如下关于磁芯磁滞损耗能量和损耗功率的几个公式：
单位体积材料每周磁滞损耗的能量
E =∮HdB = B-H loop的面积 (1)
单位体积材料的磁滞损耗功率
Pv = f·∮HdB = f·B-Hloop的面积 (2)
磁芯的损耗功率
P = Ve·f·∮H’dB’ = Ve·f·B’-H’ loop的面积 (3)
上面公式(3)中的B’和H’分别为B和H的平均值。这几个公式的重要性在于清楚地表明，磁芯的功耗总是同磁芯经历的磁滞回线联系在一起的。[注：B’(t)和H’(t)是磁芯内部B和H的空间平均值，它们分别通过以下二式同磁芯绕组两端的电压V(t)和磁芯绕组中的电流I(t)相联系，dB’ = (1/NAe)Vdt， H’(t) = NI(t)/Le 。
因此公式(3)不仅包含磁滞损耗，还同时包含涡流损耗以及所有其他磁芯损耗。
众所周知，一个磁性材料的磁滞回线图形，因加于它的周期性激励条件不同而有所不同。这里的激励条件不仅指激励的频率f和激励的强度B^或H^，还包括激励的时间波形。即使f和B^或H^相同，如果B(t)或H(t)的波形不同，磁滞回线图形亦会有所不同。与磁滞回线图形面积相联系的功耗数值自然也不尽相同。这是造成功耗测量数据分散的一个重要原因。
因此，要减少功耗测量数据的误差，要使功耗测量数据具有一定的可比性，就应该对测量功耗时发生的磁滞回线的图形有一个共同的约定。
通常惯见的磁滞回线(以下称正常磁滞回线)图形有如下特征：(1)中心对称性，(2)由单一回路组成(不含小回线)。
除非有特殊的需要，共同约定以具有上述图形特征的所谓正常磁滞回线的面积作为材料功耗的表征是合适的。也就是说谈到一个材料的功耗就特指该材料的正常磁滞回线的功耗。在测量功耗时，应该确保材料经历的是一个正常磁滞回线描述的反复磁化过程。这就需要在测量时，对激励波形和回线图形进行实时监控。
3、功耗测量对波形的要求
从正常磁滞回线图形的中心对称性和单回路特征，可推知测量功耗时的激励波形B(t)或H(t)应该满足下述要求：(1)沿时间轴的平移-镜面对称性(指将正半周波形沿时间轴移动半个周期同负半周波形成镜面对称)；(2)单调性(指从正最大单调地减少到负最大，又从负最大单调地增加到正最大)。
由于法拉第定律将磁芯内部的B(t)同加于磁芯绕组两端的电压V(t)联系在一起，而H(t)同流过绕组的电流I(t)通过安培定理相联系，因此测量功耗时加于磁芯绕组的V(t)和电流I(t)的波形也应该满足平移-镜面对称性和单调性要求。
除此之外，还应该共同约定测量时使用的激励波形的基本类型：如正弦波，三角波，或是方波......，总而言之，功耗测量要有一定的可比性，除了按IEC标准设定激励频率f和激励强度B^值以外，还必须对激励波形作如下的约定：
（1）．V(t)和I(t)波形具有平移-镜面对称性，
（2）．V(t)和I(t)波形具有单调性，
（3）．采用同样的V(t)和I(t)波形类型，如基本上的正弦波波形。
综上所述，在功耗测量过程中，有必要对V(t)和I(t)波形以及B-H回线的图形进行实时监控。
4、对目前常用的几种功耗测量系统的评价
测量功耗大体有二类方法：
热学方法：此方法从功耗发热引起的温度变化测量功耗。此法测量用时长，无法满足自动化连续测量的要求。同时因功耗本身随温度而变化，因此要获得准确的测量结果并非易事。
电路方法:磁芯中损耗的能量来自激励电路，因此磁芯的功耗必定在电路的有关物理量中有所反应。用此法测量功耗依据以下二个公式：
磁芯损耗功率 P = Vrms * Irms * Cosθ(4)
或
磁芯损耗功率 P =∮V(t)I(t)dt / T (5)
以上二式中V是磁芯绕组两端的电压，I是磁芯绕组中通过的电流，T是激励周期，∮表示对一个时间周期积分。
依据公式(4)测量功耗的方法有所谓"三电压法"和"倒相法"二种。公式(4)仅当V(t)和I(t)波形同时为标准正弦波形时才成立。而实际情况是，由于磁芯磁化的非线性特征(这种非线性特征在测量功耗的激励水平上是非常显著的)，V(t)和I(t)同时为正弦波是根本不可能的。因此使用公式(4)测量功耗的方法有本质上的欠缺。
公式(5)是关于一段无源两端电路功率的普遍表达式，对任意形状的V(t)和I(t) 波形都成立。但是当用于测量磁芯功耗时，V(t)和I(t)波形就必须满足上一节提出的要求。
实现公式(5)的典型方法有以下几种:
（1）．VAW法：258
258用运算放大器构成一个乘积响应电路，其输出为V(t)和I(t)乘积的瞬时值，再 通过积分电路得到功耗。
（2）．VAW法：2330
2330与258不同之处是采用了双通道采样技术，然后通过简单的乘法和加法运算得到功耗值。
以上二种方法都没有波形监视措施，并且必须使用公式Vrms=2πfNAeB^/√2来设定激励强度。而此式又是一个仅适合于正弦波形的公式，是功耗测量误差的一个来源。
（3）．高采样率双通道数字采样法
此法以SY-8232和Philips公司的EMMA系统为代表。根据产品样本公布的技术指标，后者的测量误差略优于前者。为了弥补采样精度的不足，可借助离散傅利叶变换或快速傅利叶变换，将采样获得的时间域数据转换到频率域计算功耗，进一步提高了功耗测量的准确性。SY-8232和EMMA系统在测量功耗的同时，都显示了测量过程中的波形曲线以及相应的磁滞回线图形。
由于近年来高速数字采样技术获得了长足发展，此法现今已成为测量磁芯功耗的主流方法。
5、研发中的软磁材料磁性测量分析平台
我们在研究软磁铁氧体材料的成分和工艺—显微结构—最终磁性之间关系的过程中逐渐形成了以下认识：
（1）．磁滞回线是软磁材料交流磁性的集中反映。对软磁磁性的测量应该以磁滞回线的测量为基础。
（2）．磁滞回线中蕴含着大量尚未被充分认识的、对软磁材料研发和应用极有价值的信息。因此，通过系统的(而非孤立的或个别的) 磁滞回线测量，为软磁磁芯建立完整的磁滞回线数据库，可以获得关于磁芯显微结构以及产生该显微结构的工艺和成分的有用信息。另一方面，比起电感量、磁导率这样的简化物理量，磁滞回线更完整地记录了软磁材料的响应对激励的滞后性和非线性。这些信息对现代电子电路设计是必不可少的。
（3）．有必要研制一台精度达到一定要求的磁滞回线自动测量和分析系统，而且应该为系统开发并配置一个功能强大的、专为磁性材料和器件研发工作者使用的数据库软件。
（4）．这个系统还应该是一个充分尊重用户的个性和创造力的开放式平台。在这个平台上，用户可以方便地增删自行开发的测量和分析应用程序，灵活应对未来软磁材料和器件的新发展。
根据以上构想设计的软磁铁氧体磁性测量分析平台(暂名)目前尚处于研发过程之中，阶段性成果如下：
（1）．基本测量项目
中等激励水平下的B-H磁滞回线以及下列相关参数
P、Pv、Pm、B^、H^、Br、Hc、μa
强激励下的饱和磁滞回线以及下列相关参数：
Hm、Bs和Ms、Br和Mr、Hc
以及以上各量对温度T、频率f和激励强度B^和H^的曲线和图表。
（2）．选择测量项目
性能因子PF100、PF200对频率f的曲线低激励水平下的测量：
Ls、Rs、Lp、Rp、Z、θ、δm、μi、μ′、μ＂、tanδm、tanδm/μ′
以及以上各量对温度T、频率f和激励强度B^和H^的曲线和图表。
（3）．可测量范围
频率：
中等激励水平 10kHz ~ 500kHz
强激励水平 10kHz点频
低激励水平 10kHz ~ 1MHz
磁芯有效尺寸
Ae(max) 70mm
Le(max) 90mm
（4）．测量设定条件选择
除温度和频率外，可根据需要选择设定下列诸量之一：
B^、H^；Pv、P、V^、I^
（5）．功耗测量误差 < ±5%
（6）．测量自动化程度(目前)
测量操作 手动
数据处理 全自动
我们的软磁铁氧体磁性测量分析平台目前尚处于研发和完善之中，距设想的最终目标还有很长路要走。因此我们真诚期待同业内同仁开展有益的探讨和合作。
6、软磁铁氧体磁性测量分析平台若干测量实例
Hysteresic Loop and Measure of Power Loss
摘 要： 本文从基本原理方面，探讨了功耗测量数据分散的原因。建议共同约定以所谓正常磁滞回线的功耗作为材料功耗的表征。对功耗测量提出了激励波形的要求。最后介绍了我们研制软磁铁氧体磁性测量分析平台的构想，以及该平台研发工作的阶段成果。
1、软磁铁氧体磁芯功耗测量现状
在功率电子学领域，功耗是软磁材料的一个重要技术指标。目前功耗测量普遍存在数据分散和可比性差的现象。百分之十到十五甚至更大的不确定范围并不少见，以至于习以为常。事实是，有二个方面的理由迫切需要改进功耗测量的准确程度。
其一，现代电子装置功能日趋复杂强大，体积则日趋缩小，装置内部元、部件的安装密度自然也越来越高。因而元、部件的发热成为设计过程中不可回避的问题。电子工程师在着力于设计电路预定功能的同时，必须认真计算和分析电子装置运行过程中内部热场分布的变化，并找出相应的对策，以确保电子装置的稳定和可靠。这就要求材料和元件供应商提供更为准确的功耗数值。
其二，软磁铁氧体，尤其是锰锌铁氧体已进入精细化工的范畴。产品性能的任何进一步优化都有赖于对从配方到一连串工艺环节的精细调整和控制。
本文将就功耗测量数据分散的部分原因，作出分析并提供解决方案。
2、磁滞回线同功耗测量的关系。
从磁介质物理学基本原理可得到如下关于磁芯磁滞损耗能量和损耗功率的几个公式：
单位体积材料每周磁滞损耗的能量
E =∮HdB = B-H loop的面积 (1)
单位体积材料的磁滞损耗功率
Pv = f·∮HdB = f·B-Hloop的面积 (2)
磁芯的损耗功率
P = Ve·f·∮H’dB’ = Ve·f·B’-H’ loop的面积 (3)
上面公式(3)中的B’和H’分别为B和H的平均值。这几个公式的重要性在于清楚地表明，磁芯的功耗总是同磁芯经历的磁滞回线联系在一起的。[注：B’(t)和H’(t)是磁芯内部B和H的空间平均值，它们分别通过以下二式同磁芯绕组两端的电压V(t)和磁芯绕组中的电流I(t)相联系，dB’ = (1/NAe)Vdt， H’(t) = NI(t)/Le 。
因此公式(3)不仅包含磁滞损耗，还同时包含涡流损耗以及所有其他磁芯损耗。
众所周知，一个磁性材料的磁滞回线图形，因加于它的周期性激励条件不同而有所不同。这里的激励条件不仅指激励的频率f和激励的强度B^或H^，还包括激励的时间波形。即使f和B^或H^相同，如果B(t)或H(t)的波形不同，磁滞回线图形亦会有所不同。与磁滞回线图形面积相联系的功耗数值自然也不尽相同。这是造成功耗测量数据分散的一个重要原因。
因此，要减少功耗测量数据的误差，要使功耗测量数据具有一定的可比性，就应该对测量功耗时发生的磁滞回线的图形有一个共同的约定。
通常惯见的磁滞回线(以下称正常磁滞回线)图形有如下特征：(1)中心对称性，(2)由单一回路组成(不含小回线)。
除非有特殊的需要，共同约定以具有上述图形特征的所谓正常磁滞回线的面积作为材料功耗的表征是合适的。也就是说谈到一个材料的功耗就特指该材料的正常磁滞回线的功耗。在测量功耗时，应该确保材料经历的是一个正常磁滞回线描述的反复磁化过程。这就需要在测量时，对激励波形和回线图形进行实时监控。
3、功耗测量对波形的要求
从正常磁滞回线图形的中心对称性和单回路特征，可推知测量功耗时的激励波形B(t)或H(t)应该满足下述要求：(1)沿时间轴的平移-镜面对称性(指将正半周波形沿时间轴移动半个周期同负半周波形成镜面对称)；(2)单调性(指从正最大单调地减少到负最大，又从负最大单调地增加到正最大)。
由于法拉第定律将磁芯内部的B(t)同加于磁芯绕组两端的电压V(t)联系在一起，而H(t)同流过绕组的电流I(t)通过安培定理相联系，因此测量功耗时加于磁芯绕组的V(t)和电流I(t)的波形也应该满足平移-镜面对称性和单调性要求。
除此之外，还应该共同约定测量时使用的激励波形的基本类型：如正弦波，三角波，或是方波......，总而言之，功耗测量要有一定的可比性，除了按IEC标准设定激励频率f和激励强度B^值以外，还必须对激励波形作如下的约定：
（1）．V(t)和I(t)波形具有平移-镜面对称性，
（2）．V(t)和I(t)波形具有单调性，
（3）．采用同样的V(t)和I(t)波形类型，如基本上的正弦波波形。
综上所述，在功耗测量过程中，有必要对V(t)和I(t)波形以及B-H回线的图形进行实时监控。
4、对目前常用的几种功耗测量系统的评价
测量功耗大体有二类方法：
热学方法：此方法从功耗发热引起的温度变化测量功耗。此法测量用时长，无法满足自动化连续测量的要求。同时因功耗本身随温度而变化，因此要获得准确的测量结果并非易事。
电路方法:磁芯中损耗的能量来自激励电路，因此磁芯的功耗必定在电路的有关物理量中有所反应。用此法测量功耗依据以下二个公式：
磁芯损耗功率 P = Vrms * Irms * Cosθ(4)
或
磁芯损耗功率 P =∮V(t)I(t)dt / T (5)
以上二式中V是磁芯绕组两端的电压，I是磁芯绕组中通过的电流，T是激励周期，∮表示对一个时间周期积分。
依据公式(4)测量功耗的方法有所谓"三电压法"和"倒相法"二种。公式(4)仅当V(t)和I(t)波形同时为标准正弦波形时才成立。而实际情况是，由于磁芯磁化的非线性特征(这种非线性特征在测量功耗的激励水平上是非常显著的)，V(t)和I(t)同时为正弦波是根本不可能的。因此使用公式(4)测量功耗的方法有本质上的欠缺。
公式(5)是关于一段无源两端电路功率的普遍表达式，对任意形状的V(t)和I(t) 波形都成立。但是当用于测量磁芯功耗时，V(t)和I(t)波形就必须满足上一节提出的要求。
实现公式(5)的典型方法有以下几种:
（1）．VAW法：258
258用运算放大器构成一个乘积响应电路，其输出为V(t)和I(t)乘积的瞬时值，再 通过积分电路得到功耗。
（2）．VAW法：2330
2330与258不同之处是采用了双通道采样技术，然后通过简单的乘法和加法运算得到功耗值。
以上二种方法都没有波形监视措施，并且必须使用公式Vrms=2πfNAeB^/√2来设定激励强度。而此式又是一个仅适合于正弦波形的公式，是功耗测量误差的一个来源。
（3）．高采样率双通道数字采样法
此法以SY-8232和Philips公司的EMMA系统为代表。根据产品样本公布的技术指标，后者的测量误差略优于前者。为了弥补采样精度的不足，可借助离散傅利叶变换或快速傅利叶变换，将采样获得的时间域数据转换到频率域计算功耗，进一步提高了功耗测量的准确性。SY-8232和EMMA系统在测量功耗的同时，都显示了测量过程中的波形曲线以及相应的磁滞回线图形。
由于近年来高速数字采样技术获得了长足发展，此法现今已成为测量磁芯功耗的主流方法。
5、研发中的软磁材料磁性测量分析平台
我们在研究软磁铁氧体材料的成分和工艺—显微结构—最终磁性之间关系的过程中逐渐形成了以下认识：
（1）．磁滞回线是软磁材料交流磁性的集中反映。对软磁磁性的测量应该以磁滞回线的测量为基础。
（2）．磁滞回线中蕴含着大量尚未被充分认识的、对软磁材料研发和应用极有价值的信息。因此，通过系统的(而非孤立的或个别的) 磁滞回线测量，为软磁磁芯建立完整的磁滞回线数据库，可以获得关于磁芯显微结构以及产生该显微结构的工艺和成分的有用信息。另一方面，比起电感量、磁导率这样的简化物理量，磁滞回线更完整地记录了软磁材料的响应对激励的滞后性和非线性。这些信息对现代电子电路设计是必不可少的。
（3）．有必要研制一台精度达到一定要求的磁滞回线自动测量和分析系统，而且应该为系统开发并配置一个功能强大的、专为磁性材料和器件研发工作者使用的数据库软件。
（4）．这个系统还应该是一个充分尊重用户的个性和创造力的开放式平台。在这个平台上，用户可以方便地增删自行开发的测量和分析应用程序，灵活应对未来软磁材料和器件的新发展。
根据以上构想设计的软磁铁氧体磁性测量分析平台(暂名)目前尚处于研发过程之中，阶段性成果如下：
（1）．基本测量项目
中等激励水平下的B-H磁滞回线以及下列相关参数
P、Pv、Pm、B^、H^、Br、Hc、μa
强激励下的饱和磁滞回线以及下列相关参数：
Hm、Bs和Ms、Br和Mr、Hc
以及以上各量对温度T、频率f和激励强度B^和H^的曲线和图表。
（2）．选择测量项目
性能因子PF100、PF200对频率f的曲线低激励水平下的测量：
Ls、Rs、Lp、Rp、Z、θ、δm、μi、μ′、μ＂、tanδm、tanδm/μ′
以及以上各量对温度T、频率f和激励强度B^和H^的曲线和图表。
（3）．可测量范围
频率：
中等激励水平 10kHz ~ 500kHz
强激励水平 10kHz点频
低激励水平 10kHz ~ 1MHz
磁芯有效尺寸
Ae(max) 70mm
Le(max) 90mm
（4）．测量设定条件选择
除温度和频率外，可根据需要选择设定下列诸量之一：
B^、H^；Pv、P、V^、I^
（5）．功耗测量误差 < ±5%
（6）．测量自动化程度(目前)
测量操作 手动
数据处理 全自动
我们的软磁铁氧体磁性测量分析平台目前尚处于研发和完善之中，距设想的最终目标还有很长路要走。因此我们真诚期待同业内同仁开展有益的探讨和合作。
6、软磁铁氧体磁性测量分析平台若干测量实例
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