用于电磁干扰滤波器的共模电感器.docx

1、用于电磁干扰滤波器的共模电感器 1 所以共模电感器和差模电感器有很大差异。为防止磁芯饱和,差模电感器磁芯的有效磁导率必须低(间隙铁氧体或磁粉芯。但是共模电感器可使用高磁导率材料,并可用较小的磁芯获得非常大的电感。选择材料开关电源产生的噪声主要位于装置基频处,并包括高次谐波。也就是说,噪声频谱一般包括10kHz 到50MHz 之间的部分。为了提供合适的衰减,电感器的阻抗在此频带内必须足够高。共模电感器的总阻抗由两部分构成,一部分是串联感抗(Xs,另一部分是串联电阻(Rs。在低频时,电抗是阻抗的主要部分,但随着频率升高,磁导率的实部减小,磁芯损耗增大,如图 3 所示。这两个因素综合起来有助于在整个

2、频谱上实现可接受的阻抗(Zs。多数情况下,共模电感器使用铁氧体。铁氧体可分为两类:镍锌类和锰锌类。镍锌材料的特点是初始磁导率低(100MHz下保持磁导率不变。Spang & Co.公司公司分部分部图2. 共模滤波器2相反,锰锌材料的磁导率可超过 15,000,但是在频率为 20kHz 时磁导率就可能开始下降。由于初始磁导率低,镍锌材料在低频时不能产生高阻抗。噪声主要部分的频率大于 10 或 20MHz 时,它们是最常用的材料。但是锰锌材料在低频时磁导率非常大,所以非常适用于抑制 10kHz 到50MHz 范围内的电磁干扰。因此,下文着重讨论高磁导率锰锌铁氧体。高磁导率铁氧体可以采用多种形状:环

3、形磁芯、E 型磁芯、罐型磁芯、RM 和 EP 磁芯等等,但共模滤波器大多绕制在环形磁芯上。使用环形磁芯有两大原因。第一,环形磁芯比其他形状的磁芯便宜,因为环形磁芯是一整个零件,而其他形状磁芯是由两半构成。磁芯由两半构成时,必须研磨这两半的结合面,使它们平整光滑,从而使两半之间的气隙最小。另外,高磁导率磁芯一般需要额外的研磨程序,使它们更为光滑(产生镜面般的表面。环形磁芯不需要上述额外加工过程。第二,环形磁芯的有效磁导率比其他任何形状的磁芯都高。如果采用其他形状的磁芯,就要采用两半式结构,这样会在两半结构之间出现气隙,从而减小整个部件的有效磁导率(一般大约减小 30%。研磨可以减小气隙,但无法消

4、除气隙。由于环形磁芯是整体结构,不是由两半构成的,所以没有气隙,有效磁导率也不会减小。但是环形磁芯也有一大缺点,那就是绕制成本很高。其他磁芯绕制可以使用骨架绕制既快速又经济。环形磁芯需要专用绕线机,或者必须人工绕制,这使单件绕制成本较高。不过还好,共模电感器匝数一般很少,所以绕制成本不会过高。因此,共模电感器最好采用环形磁芯,下文着重讨论环形磁芯。设计时需要考虑的因素设计时需要考虑的因素设计共模电感器所需的基本参数是输入电流、阻抗和频率。输入电流决定绕组导体尺寸。计算线径时,一般采用每平方厘米四百安培的设计值,但是根据电感器可接受的温升,也可能采用其他设计值。几乎在所有情况下都采用单股导线,因

5、为它不但最便宜,而且因高频肌肤效应产生的铜损有助于减弱噪声。电感器的阻抗通常取给定频率下的最小值。. 此阻抗与线路阻抗串联,可实现期望的噪声衰减。可惜线路阻抗大多未知,所以设计人员经常要使用 50 线路阻抗稳定网络(LISN测试滤波器。这已经成为测试滤波器性能的标准方法,但是其结果可能和实际情况有很大不同。真正的一阶滤波器在超出转折频率时可使衰减在每个倍频上增加 -6dB。转折频率一般较低,足以使感抗成为阻抗的主要部分,所以可用下式计算电感:Ls=Xs/2f 。知道电感后,余下的设计工作就是选择磁芯和材料,以及计算匝数。设计时第一步常常是选择磁芯尺寸。如果对设计有尺寸要求,那么只要能保证磁芯经

6、绕制后仍能满足这些要求,就应选择可满足要求的最大尺寸磁芯。如果没有尺寸限制,可以随意选择磁芯尺寸。接着是计算磁芯上要绕制的最大匝数。共模电感器需要两个绕组,通常都是单层,各绕制在磁芯一端,互相隔离。有时也使用双层和叠绕绕组,但是这两种绕组会使绕组的分布电容增大,从而降低电感器的高频性能。图3. 阻抗-频率曲线圖3因为线径已经由线路电流确定,所以根据磁芯内半径减去导线半径所得的值,可计算出内周长。每个绕组所占内周的长度除以导线直径加上绝缘厚度所得的值,就可以计算出最大匝数。注:如果在绕组之间隔离,每个绕组一般占据 150 到 170的内圆周。计算出最大匝数后,下一步是选择材料,以及确定电感。选择

7、材料时要考率许多因素,例如工作温度、频率范围和成本。但首先要验证所选磁芯尺寸,其他因素可稍后考虑。所以,应选择具有合适磁导率的材料,然后计算电感。多数铁氧体制造厂家会给出所生产磁芯的电感系数(A L值,这样计算电感就方便很多。匝数和电感之间的关系是:N=1000 (L/A L1/2其中:N = 匝数L = 电感(毫亨A L = 电感系数,单位是毫亨/1000 匝表 1 列出了典型设计资料,并给出使用 A L值进行计算的例子:.对于该例子:选用 J 材料(5000,A L 值是 3020N 为 20 匝,所以:L = 1.208 毫亨如果此最小电感对于设计来说太小,可以选择磁导率更高的材料或更大

8、的磁芯。但是,如果计算出的电感远高于设计限制,则可以换成更小的磁芯,使用匝数更少。设计示例设计示例:在 10kHz时需要 100 阻抗。输入线路电流为3A RMS。1.选择线径选择线径:电流为 3A,电流密度为 400A/cm,所以导线截面积是0.0075cm。选择 #19 AWG,其导线截面积是 0.007907cm (直径为1mm,包括绝缘层。2. 计算最小电感计算最小电感:L 最小= 100/2(10,000Hz=1.59 毫亨3. 从表中选择磁芯尺寸和材料从表中选择磁芯尺寸和材料:选择 J-42206-TCA L= 302020%内径= 13.72mm0.38mm = 13.34mm(

9、最小4. 计算内周长(I.C. 和可能实和可能实现的最大匝数现的最大匝数:I.C. =(磁芯直径-导线直径I.C. =(13.34mm - 1 mmI.C. = 38.76mm最大匝数= (160/360 *(38.76mm/(1mm/匝I.C. = 17.2 匝,或 17 匝5. 计算计算 17 匝时的最小电感匝时的最小电感:A L = 3020 20%N = 1000 (L/A L1/217 = 1000 (L/3020 - 20%1/2L = 0.698 毫亨(最小这个值远低于所需的 1.59 毫亨,所以必须进行修改。可改变的参数是磁芯尺寸、材料磁导率和线径。磁芯越大,内径就越大,因而可

10、在磁芯上绕制更多匝(磁芯越大A L值也越大。材料磁导率越高,电感就越大,并且线径越小,可绕制的匝数就越多。(但这也会增加铜损继续上面的例子,如果要保持42206-TC 的尺寸,就要为每种材料重新计算匝数。表 1 列出了典型设计资料和使用 A L 值的计算例子。磁芯类型 外径(mm内径(mm 高度(mmA L (毫亨/1000 匝l e (cm A e (cm V e (cmJ 20% (5000W 30%(10,000H 30%(15,00042206-TC 22.1 13.72 6.35 3020 6040 9060 5.42 0.250 1.364J 材料 (5000:N = 1000 (

11、1.59 毫亨/3020-20% = 25.6匝W 材料 (10,000:N = 1000 (1.59 毫亨/6040-30% = 19.4 匝H 材料(15,000:N = 1000(1.59毫亨/9060-30% = 15.8匝如果使用 J 材料,那么肯定要使用较小的线径,而原来的线径很适合 H 材料。W 材料所需的匝数只比以上第 4 步计算出的最大匝数(17 匝稍大一点。应在此磁芯上绕制试验性的绕组,看看是否需要更小的线径。上述选择磁芯的步骤可能非常费时。为加快选择过程,在图 5 中给出“磁芯选择图”。使用方法很简单,只需用RMS 线路电流乘以所需电感(单位毫亨,然后在横坐标轴上找出相应

12、点。沿此图向上移动,一直到和适当的材料对角线相交,然后继续向上移动,一直到刚好到达下一条水平“磁芯的尺寸线”。这条线相应于图中纵坐标轴上的某一磁芯尺寸。图中包括了 J、W 和 H 材料。显然使用 H 材料时磁芯尺寸最小。在此图中,假设电流密度是 400 A/cm,磁芯为单层绕组。如果采用其他电流密度,需要作些推测(J 在 200A/cm 时可使用 W 线。此图仅仅是为了方便选择磁芯,最终设计可能会稍大些或稍小些。频率特性通过上述设计方法可获得磁芯尺寸和材料,但是没有涉及太多其他必须考虑的细节。例如,共模滤波器的工作频率范围非常宽(有关电磁干扰的政府法规可达 30MHz,所以必须了解超出转折频率

13、的材料性能。 图4。环形磁芯内圆周锰锌铁氧体在低频(500kHz时磁导率较高,但随着频率增大磁导率减小。磁导率越高,开始下降处的频率越低。但还好,这些材料在高频时(超过100MHz损耗也变得很大,这些电阻损耗使电感器的总阻抗较高。图 6 和7 说明三种高磁导率材料(J、W 和H的串联感抗(Xs和串联电阻(Rs如何随频率变化。图8 是每种材料的总阻抗-频率特性。所示测量结果是在绕了10个线匝的42206-TC 磁芯上取得的。从图中可看出,H 材料在低频时明显比W 和J 材料优越。但是在100kHz 到200kHz 之间,H材料的磁导率降低很多,使总阻抗远低于W 材料的阻抗。 5所以达到 2MHz

14、 之前W 材料阻 抗最高,而 2MHz 之后J 材料阻 抗最高.如果噪声频谱已知,此 类曲线就能帮助设计人员选择适 当材料. 频率 MHz 图 6. 串联电抗-温度. 频率 MHz 图 7. 串联电阻-频率. 多数铁氧体材料性能受温度 影响.共模扼流圈设计人员主要 关注对磁导率和磁感应强度的影 响.随着温度升高,多数材料磁 导率增大.图 9 是 W 材料的曲 线.同样,温度低于 25C 时预 计磁导率会下降.设计最小滤波 器电感时,必须考虑到最坏情况 的磁导率波动.温度还影响饱和 磁感应强度.图 10 说明 W 材 料的磁感应强度一般随着温度升 高而减小.可用磁感应强度减小 使磁芯更容易饱和.

15、 另外,所有磁性材料都有居 里温度,在此温度下材料失去磁 性.高磁导率铁氧体的居里温度 通常在 120C 到 175C 之间. 必须知道居里点在哪里,必须使 磁芯工作温度低于居里温度.铁 氧体不会因超过居里温度而损坏 (例如在焊接期间,但是如果 在工作期间达到居里温度,铁氧 体会失去磁性. 最后,铁氧体环形磁芯通常 涂有绝缘涂层(即聚对二甲苯或 环氧树脂等,使磁芯和绕组互 相绝缘.这些涂层有自己的额定 温度,可能因受热或接触装配期 间使用的强洗涤剂而受损.查找 有关磁芯涂层的资料,以及前面 提到的其他材料性质时应注意参 考的制造厂家的数据手册. 铁氧体材料容易产生机械应 力,包括压应力和张应力

16、.在合 适的应力作用下,高磁导率材料 特别容易受影响,而且磁导率可 能产生严重的有害变化.磁芯应 力有两大原因:密封剂和绕组. 如果密封剂的热膨胀系数和 铁氧体不同,就会导致应力. 频率 MHz 图 8. 总阻抗-频率. 6 所选密封剂的热膨胀系数应尽可 能和铁氧体接近,即使很小的差别 也可能引发问题.所以,可以使用 一种补救措施,就是在封装磁芯之 前,在磁芯上加一层 RTV 之类的 弹性材料.温度波动期间密封剂产 生应力时,这种弹性涂层可以分散 一些应力. 在磁芯上绕制导线时会产生 绕组应力.共模电感器通常绕有相 当重的导线,这些导线必须拉紧才 能很好地缠绕在磁芯上.因此产生 的应力可能非常

17、大.通过温度循环 一般能消除大部分绕组应力.温度 循环范围应为 -55C 到 + 150C, 在每一端温度下都要保持 30 分 钟到 1 小时.变化速度应仅为每 分钟几度,防止对铁氧体产生热冲 击(裂解.在此过程中,铜线会 膨胀和收缩,从而消除施加在磁芯 上的力. 为说明应力对铁氧体的作用, 对磁导率不同的四个环形磁芯 (3000,5000,10,000, 15,000施加张力,并测量它们 的电感.图 11 中是测量结果,以 占初始磁导率的百分比对应每单 位磁芯截面积上的力的形式给出. 不出所料,15,000 磁导率材料的 磁导率减小最多, 3,000 磁导率 而 图 10. 磁通密度-温度

18、材料的磁导率减小最少. 磁芯饱和 一般认为共模电感器不会饱和, 磁芯中的差模磁通抵消掉了,而共 模磁通因为非常少可以忽略.但这 并不完全对. 其他人4,5已经证明一 部分差模磁通经绕组离开了磁芯. 这种漏磁通和导线中的电流以及 绕组的漏感成比例.漏磁通离开磁 芯而没有抵消掉,所以漏磁通有可 能在导线电流很大时使磁芯材料 饱和, 或至少使工作点从 BH 回路 的原点偏移至磁导率增量(较 小的点.磁导率减小导致串联感抗 (XS成比例减小,还会导致有害 的噪声通过滤波器. 磁芯饱和问题在不含校正功 第三个 10 匝绕组放在磁芯上, 率因数的开关电源中会加剧.电 并和电感分析仪相连. 容器充电电流较高

19、,而且振幅因 数比 RMS 电流大 3 到 4 倍 时,很容易使磁芯饱和,同样也 会使共模噪声通过(图 12.另 外,正如前面提到的,工作温度 高会降低饱和磁感应强度,从而 加剧这些问题. 为说明磁芯饱和的影响, 将 三个磁芯(J,W 和 H 三种材 料各一个磁芯绕制成共模滤波 器形式.每个磁芯都有两个 15 匝绕组,导线采用 #18 AWG. 7 然后将共模绕组串联起来, 于是通 过它们的任何电流都会产生相反 磁通.接着,将这些绕组接到直流 电源上.在直流电流从 0 增大到 15A 过程中, 测量 10 匝绕组的电 感. 直流电流模拟通过共模电感器 的瞬间线路电流.如图 13 所示, 随着电

20、流增大, 所有磁芯电感都减 小.J 和 W 材料在 10 安和 15 安时减小的百分比相同(分别为 10% 和 24%,而 H 材料减小 的 稍 多 一 些 ( 分 别 为 15 % 和 35%. 这些结果说明共模电感受漏 感影响,而且在峰值电流下磁芯 可能饱和.如果发现电感器出现 局部磁芯饱和现象,就可能需要 换用磁导率更高的材料.由于磁 导率更高,因而可通过增大起始 电感来抵消磁芯饱和的影响,如 图 13 所示,或者通过减小匝数 而降低饱和度,从而减小漏感. 采用不同磁芯尺寸和绕制技术也 可以减小漏感. 参考文献 1. MAGNETICS 技术公报, FC-S2,1994. 2. MAGN

21、ETICS 铁氧体磁芯 产品目录,FC-601,1994. 图 11. 电感-张力强度. 3. Srebranig , Steven 和 Leonard Crane, 共模滤波器设 计指南,Coilcraft Publication 出版公司,1985. 4. Nave,Mark,共模电感器建 模,出版商和日期未知. 5. Nave,Mark,一种用于诊断 传导干扰的新式差模 抑制 网络,IEEE,1989. 6. Crane, Leonard 和 Steven 图 12. 因大的振幅因数导致的磁芯饱和 B-H 曲线. Srebranig,共模滤波电感器 分析, Coilcraft Publication 出版公司,1985. 7. Knurek,D.F., 减少开关电 源中的电磁干扰 , IEEE, 1988. 1995,摘自 PCIM 杂志(1995 年 7 月刊重印. 图 13. 电感-导线电流. 8 FC - S5 1 0 D