替代日本BH分析仪

　　1 软磁材料的测量

　　磁性元件变压器和电感在开关电源和其他的电子设备里面大量使用。磁性元件主要由采用软磁材料的磁芯和线圈构成。软磁材料的性能决定了变压器和电感的性能。目前常用的电桥只能测量在小信号下的磁性元件的性能：电感量和 Q 值，不能直接反映磁性元件所用的磁性材料的真实性能。

　　目前能够测试磁性材料的全面参数的仪器只有磁化曲线BH分析仪。

　　BH 分析仪可以测试软磁材料在磁化过程中磁感强度B与磁场强度H之间关系的一系列BH曲线。通过分析这些曲线，可以得到磁性材料在不同的激励频率下的磁参数Bm,Hm,Br,Hc, 初始磁导率 ，磁芯损耗Pc，如下图1

　　图 1 BH 曲线

　　BH分析仪是一种昂贵的精密仪器，价格高达数十万元人民币。一般的企业、大学和研 究机构很少拥有BH 分析仪。仪器的缺乏使得这些单位对磁性元件的研究和教学工作停留在书本上的知识，或者用电桥进行简单的测试。

　　因此本文介绍的一种低成本的BH 分析仪具有很大的实用价值，可替代日本BH分析仪。

　　2 数字示波器和宽带功率放大器构成的磁化曲线 BH 分析仪

　　BH 分析仪是由激励信号源，宽带功率功率放大器，被测磁性元件的电压和电流信号处 理电路，对应的 AD 采样和软件处理模块构成。

　　由于目前数字示波器的功能和价格比较实惠，我们不但可以利用它来实现AD 采样， 而且也可以使用数字示波器内部带有的信号源作为激励信号源。这样构成一套 BH 分析仪变得很简单，只有外加一台宽带功率放大器，被测磁性元件的电压和电流信号处理电路和软件处理用PC 即可。如图2 所示的框图

　图 2 BH 分析仪框图

　　图3 BH 分析仪实物构成图

　　图 3 是实物图中，两通道数字示波器我们选择了美国是德(KEYSIGHT)公司的 DSOX1102G，这是一款入门级的示波器，面板上还有一个输出口可以产生20M 的正弦波信号，正好作为激励信号源。

　　由于BH 分析仪测试磁化曲线时，磁性元件需要用高频大电流进行激励才能达到真实的工作条件，所以对宽带功率放大器的功率带宽和输出电压电流能力要求很高。宽带功率放大器我们选择了知用(CYBERTEK)公司的PA3018 功率放大器。它的输出能力可达260VA，功率带宽高达1M，非常适合用来推动磁性元件的测试。

　　被测的磁性元件一般做成一个环形磁芯试样。在磁芯上我们绕两组线圈，分别是原边和副边。两个线圈连接到测试工装的4个接线柱上。被测磁性元件的原边电流 I 和付边电压信号U 使用差分放大后输出到两通道数字示波器。

　　参考示波器厂家提供的编程手册,编写程序通过 USB 接口从示波器读取波形数据。然后根据数学公式，输入被测磁环的物理参数，转换成BH曲线。

　　工作的时候，只要调整信号源的频率和幅值，就可以控制曲线的B 和H 的值，并进一步计算磁环的损耗等指标。

　 3 BH 曲线的计算公式

　　我们设被测磁环的原边匝数 N1,电流 i1，付边匝数N2，电流i2

　　那么H= N1*i1*/L，其中 N1 是输入线圈的匝数;i1 是输入线圈的电流，单位是 A;L 是被测磁环的平均磁路长度，单位是 m;H 的单位是A/m。

　　其中 S 是被测磁环的截面积，单位是m2;N2 是输出线圈的匝数;U2 是输出线圈两端的电压，单位是V;B 的单位是T。

　　Bm是磁通密度，单位是T;Hm 是磁场强度，单位是 A/m。

　　其中μ0是真空磁导率, μ0= 4πx10-7 亨利/米。μa 是初始磁导率。

　　其中Pc是磁芯损耗，单位是W。

　　其中 是i1RMS的i1有效值， U2RMS是U2的有效值，VA 是视在功率，单位是 VA

　　其中θ是相位角，单位是度。

　　4 测试结果

　　为了验证本设计的测试精度，我们采用相同的试样和测试条件，对比本设计和日本IWATSU SY-8232 型BH 分析仪的测试结果。

5 磁化曲线 BH 分析仪的优缺点：

　　(1)性价比很高，也能够达到一定测试精度，可替代日本BH分析仪。

　　(2)示波器采样数据是8 位的。在没有标定的前提下，数据的误差大约是5%以内，对于一般的应用应该足够了。

　　(3)受限于硬件条件，相位精度不够高。当频率比较高的时候(比如超过200KHz)，或者磁环的相位角θ接近 90 度的时候，用这种方法计算的损耗误差相对比较大。