DCバイアステストシステム
6632+シリーズ

磁性部品にDCバイアス電流検出を追加する目的

未磁化のフェライト材料（鉄、ニッケルなど）を通電した銅線のコイル内に入れると、磁場が発生し、変圧器やインダクタの構造に応用されます。回路が動作しているとき、十分に大きな電流がインダクタを通過すると、鉄心の磁場は飽和に達し、この時、インダクタの特性は低下します。

• インダクタの鉄心材料を選定する際には、鉄心の透磁率と磁飽和特性を考慮する必要があります。
• 鉄心を使ったインダクタには磁飽和問題があり、磁路が飽和するとインダクタンスLは低下します。
• 磁飽和特性がインダクタに与える影響として、軽度では発熱、重度では部品が焼損することがあります。

磁気飽和がインダクタに与える影響

スイッチング電源に使用されるインダクタ素子の中で、特にパワーインダクタは欠かせないエネルギー貯蔵素子であり、フィルタリングとスイッチング回路が正常に動作するために重要です。パワーインダクタに使用される磁芯材料には、主に2種類あります。1つはフェライト、もう1つは鉄粉コアで、これらのパワーインダクタの磁気飽和特性は大きく異なります。

フェライトインダクタの特徴は、高い磁芯材料の透磁率を持っており、DC電流レベルや動作温度が一定の範囲に達すると、急激にインダクタンスが低下します。一旦フェライトが飽和状態に達すると、インダクタンスが急激に低下し、それにより発生する高いリップル電流が回路に永続的な損傷を与える可能性があります。

鉄粉コアインダクタは比較的安全な選択肢であり、広範囲のDC電流偏流と温度特性を持っているため、完全飽和状態になることは比較的少ないです。

MICROTEST 6225+6632は、フィルタインダクタの磁気飽和特性を検証するための最適な高周波分析ツールです。

6225+6632は、DCバイアス電流源と高周波インピーダンスアナライザーを搭載しており、周波数応答は100Hz〜30MHz、最大出力電流は20Aまでサポートします。フィルタ回路において、磁気飽和はインダクタが反応できる磁場の限界を意味します。磁場が継続的に増大すると、インダクタはその磁場の変化に反応しなくなります。磁束 = L * I / Nであり、一般にインダクタが大きいほど飽和電流は小さくなります。

アプリケーション事例 - 3CノートパソコンのAC-DC電源

電網におけるEMI（電磁干渉）の問題は、フィルタ回路の設計において重要な課題の一つです。EMIノイズが電子機器に侵入すると、全体の運転が不安定になるため、EMIフィルタがこの問題を解決します。フィルタインダクタの品質が、EMIフィルタモジュール全体の性能を決定します。

 設計方法として、EMIフィルタモジュールは主回路と同じ空間内に設計されており、主回路が熱を発生させると熱エネルギーが伝導し、共模インダクタの磁気飽和問題を引き起こします。さらに、温度上昇はマンガン・亜鉛フェライトコアの磁束密度を低下させ、開回路インダクタンスの比率や漏れインダクタンスがフィルタインダクタの性能に影響を与えることになります。

MICROTEST DCバイアス電流源テストシステムは、磁気飽和電流曲線の描画分析機能を提供します。曲線スキャン結果を通じて、インダクタンスの減少率（%）を迅速に確認することができます。

インダクタ製造業者は、磁気飽和電流（Isat）と定格温度上昇電流（Irms）を定義しています。

回路設計では、インダクタの最大電流瞬間値は飽和電流を超えてはならず、電流の有効値も温度上昇電流を超えてはなりません。一般的には、20%-30%の余裕を確保する必要があります。

インダクタの重要な仕様パラメータである定格電流には、磁気飽和電流（Isat）と温度上昇電流（Irms）が含まれます。

• 磁気飽和電流

インダクタンスが20%-30%減少した状態での電流値

• 温度上昇電流

インダクタが動作中で、自己温度上昇が40°Cを超えない時の電流。多くのインダクタ製造業者は、40°Cの温度上昇時の温度上昇電流値を定義しています。

MICROTEST 直流バイアス電流源テストシステムは、温度上昇電流のグラフ解析を提供します。

MICROTEST 温度上昇スキャン機能の測定方法

この測定方法では、IDC値を電感の温度上昇がTr°Cの時の直流バイアスとして使用します。
銅導線の温度係数は約3,930 ppmとされ、
Tr°Cの温度上昇における抵抗値は次のように計算されます：
RDC_Tr = RDC（1 + 0.00393Tr）
熱抵抗が大きいほど、インダクタが負荷電流を流す際に発生する温度上昇が高くなることを意味します。

電動車の主要コンポーネントであるパワーインダクタの温度上昇特性は、信頼性検証において非常に重要な要素です

電動車の車載電子機器の安定性において、DC-DCコンバータにおけるパワーインダクタは、コアコンポーネントのICに次ぐ重要な要素です。適切なインダクタを選ぶことで、高い変換効率を得ることができ、特に自動車の信頼性検証において、温度上昇の性能が決定的な要因となります。例えば、車載オーディオシステムや車両用照明、電源管理システムにおいて、パワーインダクタには高い飽和性、低損失、および優れた温度特性が求められます。温度上昇スキャン曲線を通じて、パワーインダクタが動作中に電流によって引き起こされる温度上昇の変化を観測することができ、エンジニアが定格電流の値を検証するのを支援します。これにより、電流不足によって過度の表面温度上昇を避け、効率に悪影響を与えることを防ぎます。

MICROTEST 直流バイアス測定システムを使用して、最適なインダクタを分析し、磁気飽和の測定をより効率的に行います。

このシステムでは、Ls インダクタンス、Q 品質係数、Z インピーダンス、およびDCR 直流抵抗など、重要なパラメータを選択して分析します。周波数信号は100kHz、AC電圧信号は1Vに設定し、測定されたインダクタンス値は2.07μHです。直流バイアス200Aを加えると、インダクタンスは1.02μHに低下するのが観測されます。

アップグレードされた6632Sシリーズは、7種類の等価回路モデルを提供し、寄生パラメータが全体インピーダンスに与える影響を分析します。

実際の生産ラインでは、理想的なインダクタは存在しません。例えば、銅線で巻かれたインダクタでは、銅線上の寄生容量や線間で形成される容量、インダクタに並列に接続された等価インピーダンスなどが、インダクタの全体的な品質に予期しない影響を与える可能性があります。

6632Sシリーズのインピーダンスアナライザーには7種類の等価回路モデルが搭載されており、その中でA、B、Fの3つのモデルは、インダクタの三端子または四端子構成に適用され、等価回路分析を行うことができます。寄生パラメータであるR1、L1、C1を変更し、寄生パラメータが変化した後のインピーダンス曲線をシミュレートし、実際の部品とシミュレーションした曲線を比較することで、エンジニアが製品の検証をより効率的に進める手助けをします。

インダクタの等価回路分析を通じて、自己共振周波数（SRF）において、インダクタと寄生容量が並列共振回路を形成します。この時、並列交流抵抗（R）が支配的な要素となり、SRFはインダクタの最高インピーダンス点となります。SRF周波数を超えると、容量成分が支配的な要素に変わり、インダクタはインダクタンスを失います。

フィルタ回路設計のエンジニアにとっては、6632Sシリーズの等価回路モデルを利用して分析を行うことで、インピーダンスが十分に抵抗によって制御される場合、SRFを超えるインダクタを適切な減衰目標周波数として使用することができます。

エネルギー貯蔵型DC-DCコンバータ回路の設計エンジニアにとっては、破壊的な電流ピークや共振を避けるために、インダクタは自己共振周波数（SRF）を超える周波数で動作し始めないようにする必要があります。等価回路分析を用いて、寄生パラメータが部品の周波数特性に与える影響を確認することができます。

MICROTEST 直流バイアス電流源テストシステムには、透磁率係数の分析および測定機能が内蔵されています。

曲線スキャン分析機能を使用して、異なる周波数で透磁率の虚部（μr''）と実部（μr'）の特性を選択し、インダクタが適切な周波数帯域で動作するための迅速な分析を行います。

機器内蔵の透磁率係数（μr' / μr''）測定により、異なる磁性材料の透磁特性を迅速に分析できます。

鉄心とフェライト鉄心の飽和特性は大きく異なります。その鍵となるパラメータは透磁特性です。フェライト鉄心の透磁率は急激に低下する一方、鉄粉コアは徐々に低下します。

一般的に高周波インダクタに使用されるのはフェライト鉄心です。

フェライト鉄心は、ニッケル・亜鉛（NiZn）やマンガン・亜鉛（MnZn）を含むフェライト化合物で、矯頑磁力（コエルシビティ）が低いソフトマグネット型の磁性材料に分類されます。マンガン・亜鉛およびニッケル・亜鉛フェライトはそれぞれ、約1500～15000および100～1000の相対透磁率（μr）を持ちます。
その利点は、高い透磁特性により、一定の体積内で高いインダクタンスを得られることです。欠点としては、耐飽和電流が低く、鉄心が飽和すると磁導率が急激に低下する点です。

粉末鉄心はソフトマグネット型の鉄磁性材料です。

粉末鉄心は、異なる素材の鉄粉合金または純鉄粉から作られ、配合には粒子サイズの異なる非導磁材料が含まれているため、飽和特性のカーブは比較的緩やかに表現されます。粉末鉄心は主にトロイダル（環状）形状で、よく見られる粉末鉄心には、鉄シリコンアルミ合金（Sendust）、鉄ニッケルモリブデン合金（MPP）、鉄ニッケル合金（High Flux）、および鉄粉コア（Iron Powder）などがあります。

• 鉄ニッケルモリブデン合金は、略してMPPと呼ばれます。

MPPは「モリペルマロイ粉末（Molypermalloy powder）」の略で、相対透磁率は約14～500、飽和磁束密度は約7500ガウス（Gauss）です。これは鉄酸化物の飽和磁束密度（約4000～5000ガウス）よりも大幅に高いです。

MPPは粉末鉄心の中で最小の鉄損を持ち、温度安定性が最も優れています。外部直流電流が飽和電流ISATに達すると、インダクタンスは緩やかに低下し、急激な減衰は起こりません。この特性により、通常は電源コンバータのパワーインダクタやEMIフィルタに使用されます。

• 鉄シリコンアルミ合金鉄心

鉄シリコンアルミ合金鉄心は、鉄、シリコン、およびアルミニウムを組み合わせた合金鉄心で、相対透磁率は約26～125です。鉄損は鉄粉コアとMPPおよび鉄ニッケル合金の間に位置します。飽和磁束密度はMPPよりも高く、約10,500ガウスです。

温度安定性と飽和電流特性はMPPおよび鉄ニッケル合金に比べて若干劣りますが、鉄粉コアやフェライト鉄心よりは優れています。主にEMIフィルタ、力率補正（PFC）回路、及びスイッチング電源コンバータのパワーインダクタに広く使用されます。

• 鉄ニッケル合金鉄心

鉄ニッケル合金鉄心は、鉄とニッケルを組み合わせたもので、相対透磁率は約14～200です。鉄損と温度安定性は、MPPおよび鉄シリコンアルミ合金の間に位置します。

鉄ニッケル合金鉄心は飽和磁束密度が最も高く、約15,000ガウスです。また、直流バイアス電流にも高い耐性を持ち、DCバイアス特性に優れています。主に力率補正（PFC）、エネルギー貯蔵インダクタ、フィルタインダクタ、高周波変圧器のバックコンバータなどに使用されます。

• 鉄粉コア

鉄粉コアは、非常に小さく、お互いに絶縁された高純度の鉄粉粒子から作られており、製造過程で分散したギャップを持つ特性を持っています。鉄粉コアの相対透磁率は約10～75で、約15,000ガウスの高飽和磁束密度を持ちます。

粉末鉄心の中で、鉄粉コアは最も高い鉄損を持っていますが、その分コストは最も低いです。

複数ステップテスト機能（リストモード）を選択すると、最初に感応コイルのインダクタンスを測定し、次に直流バイアス電流源を追加して、DCバイアス後のインダクタンス測定を行うことができます。

標準付属品

電源コード
DIP テストフィクスチャ-DC バイアス電流  (F6210)

オプション付属品

PCリンクソフトウェア
SMD テストフィクスチャ-DC バイアス電流 (F6220)
BNC+BNC ケーブル