摘要：  注入直流(DC)电流到功率电感器的新方法使得设计师们可以在测量这些器件时避免因疏忽造成的共性失误，这样就可以使测量误差减到最小。

关键字：  变压器，直流(DC)偏置电流，功率电感器

1 引言
在电源中，DC-DC变换器和许多其它功率电子电路、扼流圈和变压器是形成滤波网以提供小纹波直流功率所必需的部件。在许多设计中，诸如前向变换器、主要的输出平滑扼流圈也是完成开关变换器设计拓扑必需的部件。根据这些情况，在开关变换器所有可能的工作点上，平滑扼流圈表现的可预测的变换器全部性能、可靠性和效率都是不可缺少的。
在这种关键性元件制造过程中，它们可能产生的制造误差，或者设计的公差配合，致使生产出来的扼流圈在电路中可能产生不能令人满意的结果。所以，在扼流圈装配到功率电路之前进行性能测试是共同的作法。
在功率电路设计期间，其设计师要借助测量超频率范围得到的电感系数(Q)、交流(ac)电阻值和匝数比率来确定设计计算的结果和安全系数，并依靠增加变压器或扼流圈饱和点的直流(DC)偏置电流，降落在电感上，以检测确定电路的超负荷能力。另外，在制造过程中，现场测量是利用直接的磁心材料和空气隙参数对已正确地装配的元件进行认证，如像用规定的导线绕制恰当的匝数一样。
无论是在元件的研发还是在电源的研发过程中，都会存在一定的陷阱，工程师们必须在测试功率电感器的时候给予避免。这些陷阱包括所采用的通用测试方法，它们可能产生大范围的不准确结果或者需要使用很麻烦的测试装置。这里所描述的多用途的测试方法，能够帮助设计师们避免诸如此类的陷阱，并得到非常高精度的电感值。
2 关于直流(DC)扼流圈的测试
携带直流(dc)电流的电感器之通常实例是前向变换器所用的输出存储扼流圈（见图1）。在这个例子中，在输出扼流圈中的电流(IL)由两部分组成：直流(dc)负载电流和锯齿波电流(iL)，这个电流(iL)由跨接在电感器L上的电压V1和电感量L决定，即：

直流电流经常是IL最有意义的部分。
根据扼流圈磁心的B-H磁滞回线，这意味着磁路的磁通密度(B)也是随围绕“零点”的常态磁滞回线而变化的（见图2）。扼流圈的磁路设计师必须确保它们具有足够的磁通密度裕度，以避免因为外加直流偏置电流而造成磁心饱和。
为了避免磁心被高电平的直流偏置电流导致饱和，人们通常在设计这种类型的扼流圈时将气隙引入到磁心中，实际上使用的有铁氧体磁心或磁粉磁心。更进一步的设计将增加额外的复杂性，这样，在工作点上就要求进行综合测试。就此而言，扼流圈必须针对工作频率提出期望的电感值，并对直流电流提供尽量低的阻抗。
在工作点上测量电感值经常不同于没有偏置电流时测量电感值，因为B-H磁滞回线斜率的变化超出了H值的范围。为了在最大比率的直流电流出现时校正电感值，所以，测量工作点上的电感值是很重要的（见表1）。
在这种设计环境中，设计工程师确信自己设计计算是正确的，而该部件将工作在规定的状态。最终的测试是研究电路中部件的特性——检查波形、功率损耗和总的电路性能——但是，在通常情况下，首先要使测量工作能节省时间。
在表1中附加提出的测试描述，工程师应该提出如表2的测试提纲。
3 外加的直流(DC)偏置电流
用来测量电感值的LCR表或者阻抗表是被跨接在扼流圈上的（见图3）。在要求的频率上，仪表外加一个交流电压，并明确其与末端的阻抗虚部并联。电感值(L)等于XL/(2πf)。如果直流偏置电流是使用常规的实验台用电源或者是由均匀的电池供电，则它们的阻抗必将大大地高于扼流圈被测量出的值。但遗憾的是，对于简单的电源而言，从来不会有这样的情况发生（见图4）。
电源的输出电容量能够控制阻抗的测量结果并给出荒唐的不准确的结果。例如，假如扼流圈的电感值是100μH和它工作的频率是100kHz，则它具有的阻抗XL是：
XL=2π f L=2π×100×10-6×100×103=62.83Ω
假如电源的输出电容量是10000μF，则其阻抗是：

用LCR仪表测量的阻抗是与电源电容器和扼流圈阻抗并联的，并且阻抗的测量结果不依靠电容器发生作用。因此，测量结果百分之百不准确。
对于这个问题通常的解决方案，恰如大多数工业用的装置一样，是经由耦合电感器馈送直流电源到扼流圈（见图5）。由于仪表呈现出电源负载的情况，为了减小测试时产生误差，具有代表性的解决方案是采用10倍于扼流圈电感值的耦合电感器。但是，对于测量不同的扼流圈量值，数个不同的耦合电感器必须装备在直流偏置电源的内部，并用继电器开关连接到电源电路。这样所得到的测量结果将相当准确，测量误差约为10%。
在最佳的条件下，这个解决方案可以提供合适的测量结果，但是，它们因为使用了继电器开关，其测量工作量是巨大的、麻烦的并且经常是不可靠的。从实际的尺寸，特别是从自谐振频率考虑，在可以测量的精度和最高工作频率两个项目上，限制了这种解决方法的性能。
4 一种新的直流偏置电源拓扑
在使用晶体管仪表测试的时候，从电源供应恒电流到扼流圈是一种更好的方法。在电源中，如你期望的类似恒电压的器件在晶体管仪表中没有被使用，但被安放在了输出平滑的电容器(C)之后，其工作情况如下。
为了给出基本电流的量值，理想的双极型晶体管呈现出如下性能。只要晶体管具有足够电流增益(B=IC/IB)，及其饱和电压低于集电极—发射极之间的电压(VCE)，则集电极电流(IC)对任何VCE的值都是恒定的。作为一种理想的晶体管，其性能的斜率为零：
ΔIC /ΔVCE=0
偏置电源的阻抗由LCR仪表可以读出，而扼流圈的阻抗由下式给出：

换句话说，这种电路采用了理想的晶体管，对LCR仪表提供了无穷大的阻抗，并且对记录的测量结果没有产生影响。事实上，该斜率并不为零，而IC随着VCE存在一些变化：
IC=B×IB+VCE×S
式中的S是以“1A/V”为单位的斜率。这表明，在偏置电路中，1/S=1kΩ的阻抗。因为谨慎地使用交流电流的反馈和补偿，这个值可以更进一步地从1kΩ增大到100kΩ或更大。典型的情况是，这个阻抗将引起测量结果的误差，不过它低于LCR仪表自身的误差。事实上，作为技术原因，其所引起的测量数据误差仅仅为0.1%或者更低。
用Voltech'S DC 100直流偏置供电，这种拓扑的利用为用户提供了小型、耐用和便于使用的电源，避免了所有常规测试方法描述的早期失效。在DC1000内部，微处理器控制为用户提供了简单的手控操作旋转度盘来调整电流，或者经由RS232进行综合的遥控。扫描软件是为偏置电流增加电平时测量电感值提供的，以便于确认在测试时的部件饱和点。
每个DC1000可以供应的电流达到25A，并且，如果需要，10个单元被并联时，可以供给250A的电流。DC1000'S拓扑的关键特性是如何很好地确认误差和使用LCR仪表测试阻抗。这表明这种电源可以使用有信誉的任何制造厂商生产的LCR仪表。

（编译自www.powerelectronics.com/power electronics technology/september 2006）