材料的焦虑正在被日新月异的产业变革放大。

伴随着第三代半导体技术的突破，且今年以来氮化镓和碳化硅成本不断降低，这对推动第三代半导体材料在光储充、新能源汽车、5G通信、AI服务器等新兴领域的快速发展具有重大意义。

产业剧变颠覆了上游磁芯材料的开发与生产方式。在高频、集成化趋势下，磁芯材料始终是掣肘行业发展的难题，而磁芯材料具有非线性的复杂特性，其损耗特性难以评估，影响因素众多，包括磁滞、涡流和剩余损耗等，在高频下尤为明显，导致铁损显著增大。

Big-Bit电子变压器与电感网记者就该痛点话题专访了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，并结合其曾公开演讲中的内容，聚焦于磁芯材料领域，特别是对磁芯材料的要求，探讨如何评价、测量、建模、计算和应用磁芯材料，此为磁芯材料行业痛点，以飨同仁朋友们。

一、高频、集成化趋势下对磁芯材料的要求

在功率变换器和以氮化镓、碳化硅为代表的第三代半导体材料的推动下，磁性元器件行业正朝着高频化、集成化的方向发展。陈为教授表示，随着这些应用的发展，对磁芯提出了几点挑战：

一是磁芯材料快速发展，各种磁芯材料性能出现交叉。以前不同磁芯材料在不同频率段有明确的应用区隔。比如铁氧体适用于几百kHz的高频段、粉芯适用中频段、非晶纳米晶适用低频段。但现在，这些磁芯材料的特性都开始交叉，尤其是磁芯材料现在正迅速朝着高频率发展，这给磁芯材料选择带来了难度。

二是磁芯材料非线性明显，阻抗角很高。磁芯材料在新能源、AI电源领域的应用日益增多，而磁芯材料非线性特性明显，与铁氧体磁芯材料的线性特性形成对比。此外，现在磁芯材料的阻抗角已经很高，如铂科的NPX系列，号称是最好、损耗最低的磁芯材料，其阻抗角达到89.9几度，接近于理想的90度的情况。

三是磁芯材料设计从饱和向损耗、温升发展。现在磁芯材料或者磁性元器件的散热手段主要有水冷板、通风等手段，这些手段使得磁芯材料的功率密度不断提高。磁芯材料的设计就要从考虑饱和到要考虑损耗，再往后考虑温升和热设计，这是很明显的趋势。

四是磁性元器件厂商开始主导变换器频率的设定。过去，磁性元器件厂商往往根据电源厂商的频率要求来设计磁性元器件。现在反过来，电源厂商往往会根据有限的体积空间和损耗对磁性元器件厂商提出设计要求，磁性元器件厂商有机会设计合适的工作频率，从而有机会主导频率的确定，电源厂商则愿意需要配合磁元件厂商选择的频率。

总的来说，功率变换器的广泛应用，使得磁性元器件的高频化、集成化已经成为一个必然的趋势。然而，磁芯材料作为磁性元器件的关键材料，其特性复杂，测量误差很大、建模困难，缺乏直观的选择方法，已经成为磁性元器件实践分析和设计的瓶颈问题。

磁芯材料——来源：龙磁科技

二、磁芯材料特性的测量方法

 基于磁芯材料复杂的特性，其损耗特性难以评估，陈为教授向Big-Bit电子变压器与电感网表示：“磁芯材料损耗测量主要面临两个技术难点，一是高频率下的磁芯材料采用目前的交流功率法测量存在本质上误差大的问题，二是磁芯材料大电流偏磁下的电感特性和损耗测量问题。”

对此，陈为教授介绍了磁芯材料高频损耗测量的两种测量方法——伏安法和量热法。

1、磁芯材料损耗测量技术（伏安法）

磁芯材料损耗的测量归为两大类，一类是基于电压电流的方法，另一类是基于量热测量的量热法，第一类方法在操作上相对简单，其核心原理是电压乘以电流，通过积分得出损耗。或者使用功率分析仪，能够直接测量出损耗，目前市场上有许多设备能够实现这一测量。

交流功率法是通过施加交流信号在测量损耗，得到的公式为P=U·I·cosθ，误差在tg(θ)，也就阻抗角的正确频率和时间差。如前文所述，对于阻抗角接近90度的材料，其tg(θ)非常大，这对磁芯材料测量结果的影响很大。

磁芯材料企业为了处理这个问题，首先尝试减小Δt，通过示波器把电压和电流的通道调整到同相位，但这种方法与频率有关，频率变化时Δt也会变化。对于正弦波形，这种方法是可行的，但对于方波、谐波等其他波形则较难实现。

另一种方法是设法把θ降低，即所谓的无功补偿，通过电容进行补偿，或者通过电压抵消，如增加压器来抵消电压抵消。因此，交流测量法存在一个很大的瓶颈问题，即损耗结果的可信度受到质疑。

直流功率法相对容易测量，通过直流源和逆变器产生方波，可以是三电平或两电平，根据DC/AC变换器的拓扑结构，无论是半桥还是全桥都可以。此时输入功率等于被测设备（DUT）加上DC/AC逆变器的损耗，因此需要额外考虑逆变器的损耗。但其测量精度高，因为直流功率测量非常准确，没有相位差的问题。

为了获得励磁电流和DC/AC逆变器损耗，可以通过定标方法去扣除和建模，理论上这相对容易，但实际操作中，由于仪器的限制，做到非常准确并不容易。尽管如此，直流功率法对于评估不同材料，尤其是不同厂家提供的ci'xin材料非常方便，通过比较可以明显看出差异。而且直流元件的励磁容量很小，只有损耗功率进入，无功功率并未进入。

功率阻抗分析仪号称是测量小信号里面最准确的设备，但由于功率不足，需要加一个功率放大器来放大信号，然后衰减送回到阻抗分析仪。阻抗分析仪的原理是平衡电桥法，测量得到的是某个频率和电压/电流下的阻抗，还需要通过乘以电流的平方得到损耗，但不能用于PWM激磁下的损耗，因为磁芯材料的损耗是非线性的，不能简单应用FFT分解的概念。

但是，要实现磁芯材料在高频下的测量，需要高频功放和高频衰减器，这在大功率下很难实现。因此，随着高频低损磁材料的发展，伏安功率测量法存在难以克服的瓶颈，这也是磁芯材料行业面临的一个痛点。

2、磁芯材料损耗测量技术（量热法）

所有形式的能量损耗均会转化为热能，热能测量技术并非新颖事物，其在早期已被广泛用于化学物品的热值分析，例如氧弹量热仪用于测定炸药和煤炭等物质燃烧时释放的热量，这是一种符合国家标准的常规测量设备。

在电池热能测量方面，由于电池在充放电过程中储存而非直接消耗能量，因此无法直接应用功率测量法。能量被存储于电池中，而非被消耗，这就需要采用其他测量技术来评估电池在充放电过程中产生的热量。现有的方法包括绝热法、加速绝热法和等温法等。

绝热量热法的测量原理分为两种形式：一种是被动隔热，即将磁芯材料置于一个密封且隔热的容器中，通过加热，使温升上来，从而获得总热量，用热量除以时间就可以得到功率；另一种是主动隔热，热量传递有两个条件，一个是有热阻，另一个是有温差，只要把温差控制到零，即使有热阻也没有热量的传递，也就实现了绝热隔离，省去了被动隔热种需要真空、镀膜等条件，这种方式也叫加速绝热法。

开放量热法是一种传统的测量技术，将测量物体放在合适的容器里面，气流从容器一端进去，再从另一端出来，这两个气流的温差表示所带走的热量，也就是功率P=C×q×Δt。

第三种办法是较为先进的等温量热法。操作过程是将被测物体（DUT）放在设备上面，中间放置一个加热片，通过给加热片加热产生温升。这时候给DUT加热，温升就会往上走，然后把加热片的功率降低，一边升、一边降，这样总温升就保持不变，也就是说DUT产生的热量完全被加热片所降低的热量平衡掉了，即PDUT等于负的加热片的功率的降低（PDUT=-ΔPH）

但是目前我们缺乏适合的一个商业仪器，因为这项技术属于化学实验，而大家更习惯的是电气试验。尽管如此，量热法很有机会成为将来一种很标准的测量方法。这个方法已经体现在IEC 63300标准里面，现在需要的是一个能够商用的量热法仪器来方便实现在电气领域的应用。

3、关于量热法的思考与探讨

对于磁性元器件，我们是否也可以模拟化学燃烧和电池呢？磁性元器件具有较大的比热容，可能需要加热半个小时甚至一小时还没稳定，这是磁性元器件的特点。此外，磁性元器件形状各异，而且功率大小差异很大，需要定制夹具，而标准的DUT则相对简单，所以这是现在磁芯材料使用量热法测量存在的问题。

“我们也在跟一些厂家联系，争取用一个低成本的方案开发出适合应用的量热法的设备。”

陈为教授及其团队做了两个尝试，第一个是用等温量热法来测量，这套设备几十万，以及还要考虑电池爆炸的因素，因此并不实用。该方法的标准夹具是18650的电磁壳，将被测电阻灌封在18650电池壳中，把它当成是一个电池放在里面做测量。

得到了三个测量结果：0.05W、0.19W、0.76W，对应算出来的功率分别为0.03W、0.12W、0.46W。这里产生的差异是因为电磁壳里面的比热容吸收了热量，把热量留在里面了，但不需要关注这点，而是关注其磁芯材料的线性度。测量到50毫瓦的时候，该方法还能保持较好的精度，这个比例值可以通过定标去克服它。

第二个尝试是用了一个低成本的氧弹量热仪，该设备有一个罐子，原本设计是往里面放水，但陈为教授的团队将其改为放油，然后将待测物体放入其中，并用搅拌器进行搅拌。

“我们做了这样一组实验，从0.5W一直测到8W，得到的曲线结果是比较合理的。在低功率时，误差可能会稍大，但对于低功率的测量，我们可以使用更小的量热灌来提高。我们现在用一个电阻加直流来定标，因此输入的功率的准确性是有保证的。”

测量时间花了10分钟，温升在零点几度左右，使用传感器能够达到0.001度的精度，因此能够灵敏地检测到温差的变化。

4、测量结果

即磁芯材料的有效参数（Be、He、Pcv损耗密度、等效μe）。

测量用的是一个磁环，磁环的电感量如何算？因为磁环的内外径不一样，磁场强度H的分布与半径R的导数成正比，可以根据log的公式计算出电感值。

这时候，按照电感等效原则来确定等效参数，包括单匝伏秒积、磁势、功耗、单匝感量。这些参数经过等效转换后，分别表示为Be、He、Pcv和μe。随后，通过Ae、Le、μe的运算，进行等效参数的变化，这时候就决定了这三个参数是怎么定义的，结果就不一样。

现在有三种办法：第一种是IEC 60205标准，这是大多数磁芯材料企业所接受的方法。第二种是IEC-63182-2标准，这是磁芯材料企业所接受的方法，但尚未完全统一。第三种方法是通过视在面积和平均长度来定义Ae和Le，这可能导致Ae和Le的结果不同，进而导致结果不同。

例如，Ae的Pcv是损耗除以体积，选择体积较大的磁环会使得损耗密度较小，得出来的结果差异较大。虽然Pcv看似小，但实际上并没有减小。此外，如果磁环的内外径相差较大，参数的偏差也会相应增大。

“这正是我们强调统一标准的重要性，希望磁芯材料企业能够统一标准，以便进行公平的比较，”陈为教授说道。

就商业价值而言，他认为目前直流功率测量法具有更高的商业化价值，直流功率测量法仪器相对简单，实用方便，价格相对便宜，而且可以适用于PWM激励波形的应用，尤其是对于电感损耗的评估和比对非常实用。

量热法也是很有商业化潜力的损耗测量方法，量热法在化工行业早已广泛应用，只是操作比较麻烦，目前有关量热法仪器的企业正在开发适用于磁性元件行业应用的量热法仪器，希望早日推出。

三、磁芯材料损耗特性的建模

有测量结果了，如何去计算？

第一种方法是采用SE方程。根据测量结果，会发现磁芯材料的测量结果在对数坐标系下都是线性的，那就用指数函数去模拟和近似这些数据。对于铁氧体的温度特性曲线，采用二次函数进行模拟，基于结果的数学拟合，从而得出相应的系数。

这种方法只能适合正弦波，而且α、β系数不一样，没有考虑偏磁的影响，同时也没有考虑实际的励磁波形，因此不适用于三电平和两电平的情况。尽管如此，这种方法仍然是基于测试结果构建数学模型拟合的一个有效手段。

第二种方法是基于物理损耗机理，磁芯材料的损耗跟磁通的变化率有关。具体来说，把dB、dt二次方或者α次方，同时还跟dB、dt这段时间占总周期的百分比多少加权，对公式进行修正，得到MSE/iGSE模型，这是基于磁芯损耗物理概念的建模修正方法。

第三类方法是AI方法。由于磁芯材料的损耗受多种因素影响，包括频率、交流磁密、直流磁密、温度、占空比、波形和材质等，使用传统的数学模型进行建模变得非常困难。而AI特别适合处理非线性多元变量的建模问题，因此需要从传统的精确数学模型转向模糊的人工智能方法。

四、磁芯材料的充分高效应用

变压器用磁芯材料的选择依据

现在选磁芯材料大多是对比择优，但是这个磁芯材料能否尽限设计无法判断。那么f×b曲线就可以给出一个很直观的认识。

比如说3C96材料，工作在200kHz、300kHz的时候是最好的，再往后这个材料就撑不住了，它的功耗就会超过500，说明这个材料最适合工作在200K情况下，再提高就可以选择不同的磁芯材料。

对此，陈为教授及其团队对一些磁芯材料做了测量，发现的确是存在这样的关系，这种曲线对尽限利用提供了一个很好的手段。也就是知道磁芯材料在哪里用到充足了，运用到最高点就充足了，再往后损耗就不行了。

“所以我们还希望能够提出一个所谓的比损耗磁能因子，把f×b是传递磁能的能力，再除以损耗值，就等于电感的q值，即在单位损耗下能够传递的容量。这才是真正的磁芯材料性能比拼，可以更客观地衡量材料。”

然而，目前的磁芯材料的损耗模型无法表达出抛物线特性，无论是SE模型、MSE模型还是GS模型，都无法表现出抛物线特性，只表现出线性特性，而AI可以完全表达出任何形状，只要数据测量足够，都可以被AI模型捕捉和表达出来。此外，f×b只考虑了能量传递，而没有考虑损耗。

他继续说道：“我们希望未来能有相应的标准来推动这一领域的发展，尽管这是一个涉及整个产业的问题，实现起来并不容易。”

电感器用磁芯材料的选择设计（直流/交流电感）

如果选择的是电感材料，那么如何去判断？

铁芯的体积可以通过公式Ae×le来确定，其中Ae和le由特定的公式决定,通过将这些公式带入计算，可以推导出所需的参数。

为了使体积最小化，需要最大化大的μΔ·H²dc。通过绘制这个曲线，可以发现这个最大化点。这里引用了美磁的数据作为参考。

如果已知L·I²，可以预定体积Ve，就可以得到μΔ·H²dc。在曲线上，a点横向有多个曲线与之相交，选择H最小的那个，体积就会最小，这里特指磁芯。

反之，如果已经确定了使用XFLux-26材料，H应选择多大呢？在XFLux-26分子的地方——b点就是设计点，这样认识就变得非常清晰和直观。前提是数据必须准确，否则一切努力都是徒劳，因此必须解决数据准确性这个痛点。

进一步地，我们可以将损耗作为分母放入公式中，在一定的功耗下，μ²就是L·I²dc这样的参数去衡量也是可以的，这就把损耗因子考虑进去了。这种方法同样适用于交流电感的计算和设计。

结语

在探讨完以上内容后，也给我们带来几点思考：

一是在功率变换器高频、高功率的发展趋势下，磁芯材料的作用变得尤为关键，尤其是在AI电源领域，其匝数通常仅为一匝，这使得磁芯材料的选择变得尤为重要，甚至可能成为功率变换器设计中的主导因素，从而影响整个系统的频率选择。

二是对磁芯材料的测试涉及到精确测量磁芯材料参数、磁芯材料损耗特性以及磁芯材料在实际工作条件下的性能表现，这是磁芯材料行业的痛点，需要磁芯材料行业共同努力来解决

三是人工智能技术为磁芯材料的建模提供了新的机会，尤其是在处理非线性多元变量的建模问题时。我们希望磁芯材料和磁性元器件的制造商能够与AI技术相结合，共同开发出适合磁芯材料的模型，也希望国内磁芯材料企业能有自己的人工智能平台，以利用国内的数据资源。

四是磁芯材料的优选需要理论指导，以帮助磁芯材料行业从业者了解在不同应用场景下磁芯材料的最佳选择。