功率扼流圈測試儀DPG10系列的脈沖測量方法比其他電感測量方法具有優(yōu)勢。它可用于從小型 PCB 安裝電感器到重達(dá)數(shù)噸的電感器。借助新的測試適配器，與 LCR 表相比，現(xiàn)在可以更輕松、更真實(shí)地測試低至 50 nH、電流高達(dá)數(shù)百 A 的 SMD 電感器。
　　PCB 安裝的 SMD 和 THD 電感器通常仍然在數(shù)據(jù)表中指定，并在 mV 和 μA 范圍內(nèi)（LCR 表）對正弦電壓和電流進(jìn)行小信號測量。這些測量電壓疊加在直流電上，以表征電感的飽和行為。相比之下，功率扼流圈測試儀 DPG10 系列的脈沖方法具有顯著的優(yōu)勢，因?yàn)樗褂门c應(yīng)用相關(guān)的電壓曲線形狀（方波）和幅度（幾 V 到幾百 V）。
　　本文介紹并比較了這兩種測量方法。解釋了測量小電感值 (< 1 μH) 時出現(xiàn)的問題，并介紹了適用于低至 50 nH 的 SMD 電感器的新型測試適配器。

　　

　　圖 1. 圖片由Bodo's Power Systems提供 [PDF]
　　功率扼流圈測試儀DPG10/20系列的脈沖測量原理
　　DPG10 系列的脈沖測量原理采用單個方波電壓脈沖。幅度可以在 < 10 V 至 400 V 的寬范圍內(nèi)設(shè)置。應(yīng)選擇大約與實(shí)際應(yīng)用中電感器上的電壓相對應(yīng)的幅度。

　　

　　圖 2. 功率扼流圈測試儀 DPG10 的測試脈沖 CH3：5V/p CH4：20A/p 時基：2μs/p。圖片由博多電力系統(tǒng)提供.　　
　　這導(dǎo)致測試樣本中出現(xiàn)斜坡形電流曲線。然后，考慮歐姆電阻 R，可以根據(jù)轉(zhuǎn)換速率 di/dt 計(jì)算與電流相關(guān)的差分電感 L diff (i) 和其他幾個變量。
　　當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)電流或預(yù)設(shè)脈沖持續(xù)時間時，測量脈沖再次關(guān)閉。
　　根據(jù)測試樣品上的電流 i(t) 和電壓 v(t) 的曲線，可以使用單個測試脈沖計(jì)算以下變量：
　　微分電感 L diff (i) 和 L diff (∫Udt)
　　幅值電感 L amp (i) 和 L amp (∫Udt)
　　鏈接通量 ψ(i)
　　磁共能 W co (i)
　　磁通密度 B(i)，如果磁芯橫截面和匝數(shù)已知
　　所有磁芯材料的行為或多或少取決于頻率和振幅。由于測試脈沖具有與大多數(shù)電力電子應(yīng)用中相同的矩形曲線形狀以及與實(shí)際應(yīng)用中相同的幅度和頻率或脈沖寬度，因此可以獲得真實(shí)的測量結(jié)果。另一方面，LCR 表的小信號測量基于的測量信號通常與實(shí)際情況不匹配。在這些情況下，結(jié)果意義不大。

　　

　　圖 3. 差分電感 Ldiff(i) 示意圖。圖片由博多電力系統(tǒng)提供 [PDF]　　
　　脈沖電壓源從充電至所需測量電壓的電容器組獲取脈沖能量。其能量含量通常明顯高于脈沖期間吸收的能量。測試脈沖的電壓則大致恒定，盡管這不是必要條件。由于原理原因，無論測試樣品的類型如何，電容器組的電容都沒有上限。這就是功率扼流圈測試儀 DPG10/20 系列應(yīng)用范圍極其廣泛的原因之一，幾乎適用于所有電感功率元件，從小型 PCB 安裝電感器到 MVA 范圍內(nèi)重達(dá)數(shù)噸的電感器。
　　DPG10/20測量原理的優(yōu)點(diǎn)
　　應(yīng)用范圍極其廣泛
　　非常寬的電流范圍，從 10 mA 到 10 kA
　　脈沖能量范圍為幾 μJ 至 15 kJ
　　適用于 1 MHz 至 < 0.5 Hz 的所有磁芯材料
　　盡管測試電流非常高，但體積小、重量輕且相對便宜
　　使用非常方便，幾秒鐘內(nèi)即可得出測量結(jié)果
　　對測試樣本沒有熱影響
　　應(yīng)用實(shí)例
　　用于開關(guān)模式電源、DC/DC 轉(zhuǎn)換器等的存儲扼流圈
　　UPS、逆變器等的濾波扼流圈
　　PFC等電源扼流圈、換流電感器
　　抑制扼流圈和電流補(bǔ)償扼流圈
　　電磁鐵線圈、閥門執(zhí)行器等
　　用于反激式轉(zhuǎn)換器的變壓器
　　其他變壓器、電機(jī)
　　許多其他感應(yīng)功率元件
　　直流偏置LCR表的小信號測量原理
　　LCR 表使用正弦電壓和電流，可選頻率在 mV 至 μV 和 mA 至 μA 范圍內(nèi)，疊加在可調(diào)直流電上。然后可以根據(jù)通過測試樣本的電壓和電流的幅度和相位角計(jì)算電感、電阻和Q 因子。

　　

　　圖 4.  LCR 表的小信號測量（自動平衡法）。圖片由博多電力系統(tǒng)提供 [PDF]　
　　這種在工作點(diǎn)附近具有微小磁滯曲線的磁芯材料調(diào)制在開關(guān)模式電力電子應(yīng)用中是找不到的。這樣的小信號測量的測試結(jié)果意義不大。這些測量結(jié)果與 DPG10/20 脈沖測量方法之間的差異很大程度上取決于芯材，并且通常不能針對整組材料進(jìn)行說明。在某些情況下，差異相對較小，而在其他情況下，差異可能相當(dāng)大。
　　由于需要大型直流偏置單元，該方法僅限于高達(dá) 250A 的低測量電流，并且需要非常昂貴的測試設(shè)備。
　　必須進(jìn)行多次單獨(dú)測量才能創(chuàng)建完整的測量曲線 L(i)。這需要相對較長的時間，并對測試樣本施加熱負(fù)荷。在過載范圍內(nèi)，這可能會由于過度加熱而無法測量飽和行為。至少該行為不能簡單地在定義的溫度下測量，因?yàn)樽约訜釠Q定了溫度。
　　另一方面，由于脈沖持續(xù)時間短，脈沖測量方法不會導(dǎo)致測試樣本產(chǎn)生任何可測量的加熱。因此，可以在任何所需的溫度下確定該行為，例如在氣候柜中。
　　脈沖測量原理與直流偏置單元小信號測量相比的優(yōu)點(diǎn)
　　現(xiàn)實(shí)的測量原理
　　可以實(shí)現(xiàn)顯著更高的測試電流
　　顯著降低設(shè)備成本
　　由于測量脈沖非常短（μs 至 ms），因此對測試樣本沒有熱影響　
　　用于測量高達(dá) 50 nH 的低電感 SMD 元件的測量適配器
　　無論使用哪種測量設(shè)備和哪種測量原理，對 < 1 μH 的低電感元件進(jìn)行電感測量從根本上來說都是有問題的、容易出錯且計(jì)量要求高。在功率扼流圈測試儀 DPG10 系列的脈沖測量原理中，寄生電感、力線和感測線之間的電感耦合以及采樣率對于獲得準(zhǔn)確的測量結(jié)果非常重要。
　　測試引線的寄生電感以及設(shè)備的寄生內(nèi)部電感與測試樣本一起形成感應(yīng)分壓器。如果這些寄生電感大于或什至遠(yuǎn)大于測試樣本的電感，則只有一小部分測試脈沖電壓會落在測試樣本上。然后，大部分電流會落在寄生電感上。雖然總是進(jìn)行 4 線測量，但這會降低測量精度。在 4 線測量中，通過單獨(dú)的傳感引線直接在測試樣本上分接電壓。
　　為了防止測量結(jié)果不準(zhǔn)確，如果寄生電感上的脈沖電壓下降過多，則必須放棄測量。因此，必須化寄生電感，以測量盡可能的電感值。
　　測試引線在寄生電感中起著重要作用。由高度靈活的測量利茲線制成的理想測試引線，銅截面為 6mm2，長度為 0.6m，其電感已超過 700 nH。與測試樣本上的鱷魚夾的進(jìn)一步寄生電感和設(shè)備的內(nèi)部電感相結(jié)合，這將測量值限制為多 500 nH。
　　為了將 DPG10 系列的使用面積擴(kuò)展至 50nH，ed-k 開發(fā)了用于 SMD 元件的新型無焊開爾文測試適配器，可以直接插入設(shè)備前面板上的插座，而無需使用測試引線。這樣就可以消除測試線的影響。這些測試適配器針對寄生電感進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)合 DPG10 系列的內(nèi)部設(shè)計(jì)和相關(guān)的極低寄生電感，在某些情況下可以進(jìn)行低至 50 nH 的測量。
　　開爾文測試適配器 MABxSMD 直接插入前面板。DPG10 系列的三個測量范圍中的每一個都有一個單獨(dú)的測試適配器（MAB1SMD、MAB2SMD 或 MAB3SMD）。測試適配器可容納底部接觸的 SMD 元件，寬度為 5-25 mm，長度為 5-25 mm，高度可達(dá) 25 mm。定位后，測試樣本由彈簧支架固定到位，這使得操作變得容易?！　?br>　　測量示例
　　圖 5-8 顯示了不同制造商目錄范圍內(nèi)的 SMD 電感器的測量示例。

　　

　　圖 5. 額定電感 200 nH，熱額定電流 92 ARMS。圖片由博多電力系統(tǒng)提供 [PDF]　
　　圖 5 顯示了使用功率扼流圈測試儀 DPG10-1000B 和開爾文測試適配器 MAB1SMD 測定的具有 EP 鐵氧體磁芯和氣隙的電感器的差分電感 L diff (i)。根據(jù)數(shù)據(jù)表，電感下降 20% 時的飽和電流為 113 A，熱允許 RMS 電流為 92 A。根據(jù)數(shù)據(jù)表，200 nH 的額定電感尚未完全實(shí)現(xiàn) (194 nH)。然而，飽和電流明顯高于規(guī)定值（約 150A）。
　　造成這些差異的原因有幾個。
　　首先，測量方法不同。如前所述，功率扼流圈測試儀 DPG10 系列采用面向應(yīng)用的方波大信號測量脈沖，其幅度與實(shí)際應(yīng)用中的幅度相同。根據(jù)磁芯材料的不同，使用 μV 或 mV 范圍內(nèi)的正弦電壓和 μA 或 mA 范圍內(nèi)的電流對磁芯材料進(jìn)行小信號調(diào)制可提供不同的結(jié)果。
　　然而，由于電感值如此之小，即使測試裝置的幾何形狀中的差異也會發(fā)揮不可忽視的作用。即使元件上的測試點(diǎn)或電流饋電類型（例如，平面或點(diǎn)狀）的微小偏差也可能導(dǎo)致不同的測量結(jié)果。為了獲得可重復(fù)的測試結(jié)果，測試裝置的幾何形狀必須始終相同。如果沒有特殊的測試適配器，很難保證這一點(diǎn)，并且不僅適用于脈沖測量原理，而且同樣適用于 LCR 表的小信號測量。
　　但并非不重要的一點(diǎn)是，還必須考慮高達(dá) 10% 的樣本散射。
　　圖 6 中的電感器采用 5050 封裝，由具有分布式氣隙的粉芯材料組成。一開始就超出了標(biāo)稱值 220nH (280 nH)。熱允許 RMS 電流指定為 66 A，電感下降 20% 時的飽和電流指定為 68 A。
　　脈沖測量和數(shù)據(jù)表規(guī)格之間的差異的原因與前面的示例相同。如果沒有特殊的測試適配器，則無法使用 LCR 表再現(xiàn)L 0 （220 nH @ 100 kHz，0.25 V）的數(shù)據(jù)表規(guī)格。即使使用仔細(xì)校準(zhǔn)的測試適配器，這也是困難的。實(shí)際的初始電感 L 0似乎系統(tǒng)地大于指定值，這一點(diǎn)通過功率扼流圈測試儀 DPG10 的測量得到證實(shí)。

　　

　　圖 6. 額定電感 220 nH，額定熱電流 66 ARMS，5050 封裝。圖片由博多電力系統(tǒng)提供 [PDF]
　　
　　磁粉磁芯材料的飽和曲線比帶氣隙的鐵氧體磁芯的飽和曲線要柔和得多。因此，當(dāng)發(fā)生故障時電流遠(yuǎn)高于額定電流時，這種磁芯材料在開關(guān)模式應(yīng)用中使用時問題較少。即使在 200 A 電流下，該樣本的電感仍然超過 140 nH。

　　這些陳述也同樣適用于圖 7 中的電感器。它的額定電感為 470 nH，熱允許 RMS 電流為 30 ARMS，采用 4040 封裝 (10 x 10 x 4 mm3)，并由相同的磁芯材料組成。

　　　　圖 7. 額定電感 470 nH，額定熱電流 30 ARMS，4040 封裝。圖片由博多電力系統(tǒng)提供　
　　圖 8 中的一個測量示例是尺寸為 8 x 8 x 4 mm3 的小型 SMD 電感器。它也是具有分布?xì)庀兜拇欧坌尽Ｔ谶@種情況下，由于元件分散，測量值與數(shù)據(jù)表規(guī)格略有偏差（3.2 A 時的電感為 28.6 μH，數(shù)據(jù)表規(guī)格為 26.4 μH）。測量如此大的電感值并不那么重要，也不太容易出錯?！?br>　　正確選擇測量參數(shù)

　　當(dāng)電感值非常低時，測試電流和測試電壓這兩個測量參數(shù)都不能再自由選擇。這是由于電源扼流圈測試儀 DPG10 系列的脈沖持續(xù)時間為 3 μs。測試脈沖持續(xù)時間可以使用以下公式粗略估計(jì)：Δt = L d i f f * Δ電壓/電流　　公式表明，電感越小，測試電流越小，測量電壓越大，脈沖持續(xù)時間越短。當(dāng)電感值非常低時，測試電壓必須盡可能低，測試電流必須盡可能高。的可預(yù)設(shè)測試電壓為 10 V，但由于較高電流下的寄生電壓降，有效測試電壓可低至 6-8 V。

　　圖 8. 額定電感 33 μH，熱額定電流 3.1 ARMS，3232 封裝。圖片由博多電力系統(tǒng)提供 [PDF]　　
　　對于給定的電感，這會產(chǎn)生以下所需的測試電流：
　　100 nH => 大約。
　　150 A 1 μH => 約。20A
　　10 μH => 約。3A
　　然而，通?？梢酝ㄟ^選擇相應(yīng)較高的測試電流來測量額定電流明顯較低的組件，直到可以進(jìn)行測量為止。由于測試脈沖極短，倍數(shù)倍的額定電流不會導(dǎo)致元件發(fā)熱或損壞。
　　
　　脈沖測量方法的要點(diǎn)
　　對 < 1 μH 的低電感元件進(jìn)行電感測量從根本上來說是有問題的、容易出錯且計(jì)量要求高。
　　與 LCR 表相比，使用新的測試適配器可以更輕松、更真實(shí)地測量低至 50 nH 的 SMD 電感器的電感 L(i)。
　　脈沖測量方法可顯著降低測量設(shè)備的成本，特別是對于 20 A 以上的電流。
　　希望仍然經(jīng)常用于 PCB 安裝電感器的小信號測量方法將被使用脈沖測量方法的更實(shí)際的規(guī)范所取代，該方法使用幅度接近應(yīng)用的方波脈沖。