用于電磁干擾濾波器的共模電感器

1、 1 所以共模電感器和差模電感器有很大差異。為防止磁芯飽和,差模電感器磁芯的有效磁導(dǎo)率必須低(間隙鐵氧體或磁粉芯。但是共模電感器可使用高磁導(dǎo)率材料,并可用較小的磁芯獲得非常大的電感。選擇材料開關(guān)電源產(chǎn)生的噪聲主要位于裝置基頻處,并包括高次諧波。也就是說,噪聲頻譜一般包括10kHz 到50MHz 之間的部分。為了提供合適的衰減,電感器的阻抗在此頻帶內(nèi)必須足夠高。共模電感器的總阻抗由兩部分構(gòu)成,一部分是串聯(lián)感抗(Xs,另一部分是串聯(lián)電阻(Rs。在低頻時(shí),電抗是阻抗的主要部分,但隨著頻率升高,磁導(dǎo)率的實(shí)部減小,磁芯損耗增大,如圖 3 所示。這兩個(gè)因素綜合起來有助于在整個(gè)頻譜上實(shí)現(xiàn)可接受的阻抗(Zs。

2、多數(shù)情況下,共模電感器使用鐵氧體。鐵氧體可分為兩類:鎳鋅類和錳鋅類。鎳鋅材料的特點(diǎn)是初始磁導(dǎo)率低(<1000µ,但是它們可在非常高的頻率(>100MHz下保持磁導(dǎo)率不變。Spang & Co.公司公司分部分部圖2. 共模濾波器2相反,錳鋅材料的磁導(dǎo)率可超過 15,000,但是在頻率為 20kHz 時(shí)磁導(dǎo)率就可能開始下降。由于初始磁導(dǎo)率低,鎳鋅材料在低頻時(shí)不能產(chǎn)生高阻抗。噪聲主要部分的頻率大于 10 或 20MHz 時(shí),它們是最常用的材料。但是錳鋅材料在低頻時(shí)磁導(dǎo)率非常大,所以非常適用于抑制 10kHz 到50MHz 范圍內(nèi)的電磁干擾。因此,下文著重討論高磁導(dǎo)率錳鋅

3、鐵氧體。高磁導(dǎo)率鐵氧體可以采用多種形狀:環(huán)形磁芯、E 型磁芯、罐型磁芯、RM 和 EP 磁芯等等,但共模濾波器大多繞制在環(huán)形磁芯上。使用環(huán)形磁芯有兩大原因。第一,環(huán)形磁芯比其他形狀的磁芯便宜,因?yàn)榄h(huán)形磁芯是一整個(gè)零件,而其他形狀磁芯是由兩半構(gòu)成。磁芯由兩半構(gòu)成時(shí),必須研磨這兩半的結(jié)合面,使它們平整光滑,從而使兩半之間的氣隙最小。另外,高磁導(dǎo)率磁芯一般需要額外的研磨程序,使它們更為光滑(產(chǎn)生鏡面般的表面。環(huán)形磁芯不需要上述額外加工過程。第二,環(huán)形磁芯的有效磁導(dǎo)率比其他任何形狀的磁芯都高。如果采用其他形狀的磁芯,就要采用兩半式結(jié)構(gòu),這樣會(huì)在兩半結(jié)構(gòu)之間出現(xiàn)氣隙,從而減小整個(gè)部件的有效磁導(dǎo)率(一般大

4、約減小 30%。研磨可以減小氣隙,但無(wú)法消除氣隙。由于環(huán)形磁芯是整體結(jié)構(gòu),不是由兩半構(gòu)成的,所以沒有氣隙,有效磁導(dǎo)率也不會(huì)減小。但是環(huán)形磁芯也有一大缺點(diǎn),那就是繞制成本很高。其他磁芯繞制可以使用骨架繞制既快速又經(jīng)濟(jì)。環(huán)形磁芯需要專用繞線機(jī),或者必須人工繞制,這使單件繞制成本較高。不過還好,共模電感器匝數(shù)一般很少,所以繞制成本不會(huì)過高。因此,共模電感器最好采用環(huán)形磁芯,下文著重討論環(huán)形磁芯。設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的因素設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的因素設(shè)計(jì)共模電感器所需的基本參數(shù)是輸入電流、阻抗和頻率。輸入電流決定繞組導(dǎo)體尺寸。計(jì)算線徑時(shí),一般采用每平方厘米四百安培的設(shè)計(jì)值,但是根據(jù)電感器可接受的溫升,也可能采用其他

5、設(shè)計(jì)值。幾乎在所有情況下都采用單股導(dǎo)線,因?yàn)樗坏畋阋?而且因高頻肌膚效應(yīng)產(chǎn)生的銅損有助于減弱噪聲。電感器的阻抗通常取給定頻率下的最小值。. 此阻抗與線路阻抗串聯(lián),可實(shí)現(xiàn)期望的噪聲衰減。可惜線路阻抗大多未知,所以設(shè)計(jì)人員經(jīng)常要使用 50 線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)(LISN測(cè)試濾波器。這已經(jīng)成為測(cè)試濾波器性能的標(biāo)準(zhǔn)方法,但是其結(jié)果可能和實(shí)際情況有很大不同。真正的一階濾波器在超出轉(zhuǎn)折頻率時(shí)可使衰減在每個(gè)倍頻上增加 -6dB。轉(zhuǎn)折頻率一般較低,足以使感抗成為阻抗的主要部分,所以可用下式計(jì)算電感:Ls=Xs/2f 。知道電感后,余下的設(shè)計(jì)工作就是選擇磁芯和材料,以及計(jì)算匝數(shù)。設(shè)計(jì)時(shí)第一步常常是選擇磁芯尺寸。

6、如果對(duì)設(shè)計(jì)有尺寸要求,那么只要能保證磁芯經(jīng)繞制后仍能滿足這些要求,就應(yīng)選擇可滿足要求的最大尺寸磁芯。如果沒有尺寸限制,可以隨意選擇磁芯尺寸。接著是計(jì)算磁芯上要繞制的最大匝數(shù)。共模電感器需要兩個(gè)繞組,通常都是單層,各繞制在磁芯一端,互相隔離。有時(shí)也使用雙層和疊繞繞組,但是這兩種繞組會(huì)使繞組的分布電容增大,從而降低電感器的高頻性能。圖3. 阻抗-頻率曲線圖3因?yàn)榫€徑已經(jīng)由線路電流確定,所以根據(jù)磁芯內(nèi)半徑減去導(dǎo)線半徑所得的值,可計(jì)算出內(nèi)周長(zhǎng)。每個(gè)繞組所占內(nèi)周的長(zhǎng)度除以導(dǎo)線直徑加上絕緣厚度所得的值,就可以計(jì)算出最大匝數(shù)。注:如果在繞組之間隔離,每個(gè)繞組一般占據(jù) 150° 到 170°

7、;的內(nèi)圓周。計(jì)算出最大匝數(shù)后,下一步是選擇材料,以及確定電感。選擇材料時(shí)要考率許多因素,例如工作溫度、頻率范圍和成本。但首先要驗(yàn)證所選磁芯尺寸,其他因素可稍后考慮。所以,應(yīng)選擇具有合適磁導(dǎo)率的材料,然后計(jì)算電感。多數(shù)鐵氧體制造廠家會(huì)給出所生產(chǎn)磁芯的電感系數(shù)(A L值,這樣計(jì)算電感就方便很多。匝數(shù)和電感之間的關(guān)系是:N=1000 (L/A L1/2其中:N = 匝數(shù)L = 電感(毫亨A L = 電感系數(shù),單位是毫亨/1000 匝表 1 列出了典型設(shè)計(jì)資料,并給出使用 A L值進(jìn)行計(jì)算的例子:.對(duì)于該例子:選用 J 材料(5000µ,A L 值是 3020N 為 20 匝,所以:L =

8、1.208 毫亨如果此最小電感對(duì)于設(shè)計(jì)來說太小,可以選擇磁導(dǎo)率更高的材料或更大的磁芯。但是,如果計(jì)算出的電感遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)限制,則可以換成更小的磁芯,使用匝數(shù)更少。設(shè)計(jì)示例設(shè)計(jì)示例:在 10kHz時(shí)需要 100 阻抗。輸入線路電流為3A RMS。1.選擇線徑選擇線徑:電流為 3A,電流密度為 400A/cm²,所以導(dǎo)線截面積是0.0075cm²。選擇 #19 AWG,其導(dǎo)線截面積是 0.007907cm² (直徑為1mm,包括絕緣層。2. 計(jì)算最小電感計(jì)算最小電感:L 最小= 100/2(10,000Hz=1.59 毫亨3. 從表中選擇磁芯尺寸和材料從表中選擇磁芯尺寸

9、和材料:選擇 J-42206-TCA L= 3020±20%內(nèi)徑= 13.72mm±0.38mm = 13.34mm(最小4. 計(jì)算內(nèi)周長(zhǎng)(I.C. 和可能實(shí)和可能實(shí)現(xiàn)的最大匝數(shù)現(xiàn)的最大匝數(shù):I.C. =(磁芯直徑-導(dǎo)線直徑I.C. =(13.34mm - 1 mmI.C. = 38.76mm最大匝數(shù)= (160°/360° *(38.76mm/(1mm/匝I.C. = 17.2 匝,或 17 匝5. 計(jì)算計(jì)算 17 匝時(shí)的最小電感匝時(shí)的最小電感:A L = 3020 ±20%N = 1000 (L/A L1/217 = 1000 (L/302

10、0 - 20%1/2L = 0.698 毫亨(最小這個(gè)值遠(yuǎn)低于所需的 1.59 毫亨,所以必須進(jìn)行修改?？筛淖兊膮?shù)是磁芯尺寸、材料磁導(dǎo)率和線徑。磁芯越大,內(nèi)徑就越大,因而可在磁芯上繞制更多匝(磁芯越大A L值也越大。材料磁導(dǎo)率越高,電感就越大,并且線徑越小,可繞制的匝數(shù)就越多。(但這也會(huì)增加銅損繼續(xù)上面的例子,如果要保持42206-TC 的尺寸,就要為每種材料重新計(jì)算匝數(shù)。表 1 列出了典型設(shè)計(jì)資料和使用 A L 值的計(jì)算例子。磁芯類型 外徑(mm內(nèi)徑(mm 高度(mmA L (毫亨/1000 匝l e (cm A e (cm² V e (cm³J 20% (5000&#

11、181;W 30%(10,000µH 30%(15,000µ42206-TC 22.1 13.72 6.35 3020 6040 9060 5.42 0.250 1.364J 材料 (5000µ:N = 1000 (1.59 毫亨/3020-20% ½ = 25.6匝W 材料 (10,000µ:N = 1000 (1.59 毫亨/6040-30%½ = 19.4 匝H 材料(15,000µ:N = 1000(1.59毫亨/9060-30% ½ = 15.8匝如果使用 J 材料,那么肯定要使用較小的線徑,而原來的線徑

12、很適合 H 材料。W 材料所需的匝數(shù)只比以上第 4 步計(jì)算出的最大匝數(shù)(17 匝稍大一點(diǎn)。應(yīng)在此磁芯上繞制試驗(yàn)性的繞組,看看是否需要更小的線徑。上述選擇磁芯的步驟可能非常費(fèi)時(shí)。為加快選擇過程,在圖 5 中給出“磁芯選擇圖”。使用方法很簡(jiǎn)單,只需用RMS 線路電流乘以所需電感(單位毫亨,然后在橫坐標(biāo)軸上找出相應(yīng)點(diǎn)。沿此圖向上移動(dòng),一直到和適當(dāng)?shù)牟牧蠈?duì)角線相交,然后繼續(xù)向上移動(dòng),一直到剛好到達(dá)下一條水平“磁芯的尺寸線”。這條線相應(yīng)于圖中縱坐標(biāo)軸上的某一磁芯尺寸。圖中包括了 J、W 和 H 材料。顯然使用 H 材料時(shí)磁芯尺寸最小。在此圖中,假設(shè)電流密度是 400 A/cm²,磁芯為單層繞組

13、。如果采用其他電流密度,需要作些推測(cè)(Jµ 在 200A/cm² 時(shí)可使用 Wµ 線。此圖僅僅是為了方便選擇磁芯,最終設(shè)計(jì)可能會(huì)稍大些或稍小些。頻率特性通過上述設(shè)計(jì)方法可獲得磁芯尺寸和材料,但是沒有涉及太多其他必須考慮的細(xì)節(jié)。例如,共模濾波器的工作頻率范圍非常寬(有關(guān)電磁干擾的政府法規(guī)可達(dá) 30MHz,所以必須了解超出轉(zhuǎn)折頻率的材料性能。 圖4。環(huán)形磁芯內(nèi)圓周錳鋅鐵氧體在低頻(<500kHz時(shí)磁導(dǎo)率較高,但隨著頻率增大磁導(dǎo)率減小。磁導(dǎo)率越高,開始下降處的頻率越低。但還好,這些材料在高頻時(shí)(超過100MHz損耗也變得很大,這些電阻損耗使電感器的總阻抗較高。圖

14、6 和7 說明三種高磁導(dǎo)率材料(J、W 和H的串聯(lián)感抗(Xs和串聯(lián)電阻(Rs如何隨頻率變化。圖8 是每種材料的總阻抗-頻率特性。所示測(cè)量結(jié)果是在繞了10個(gè)線匝的42206-TC 磁芯上取得的。從圖中可看出,H 材料在低頻時(shí)明顯比W 和J 材料優(yōu)越。但是在100kHz 到200kHz 之間,H材料的磁導(dǎo)率降低很多,使總阻抗遠(yuǎn)低于W 材料的阻抗。 5所以達(dá)到 2MHz 之前W 材料阻 抗最高,而 2MHz 之后J 材料阻 抗最高.如果噪聲頻譜已知,此 類曲線就能幫助設(shè)計(jì)人員選擇適 當(dāng)材料. 頻率 MHz 圖 6. 串聯(lián)電抗-溫度. 頻率 MHz 圖 7. 串聯(lián)電阻-頻率. 多數(shù)鐵氧體材料性能受溫度

15、 影響.共模扼流圈設(shè)計(jì)人員主要 關(guān)注對(duì)磁導(dǎo)率和磁感應(yīng)強(qiáng)度的影 響.隨著溫度升高,多數(shù)材料磁 導(dǎo)率增大.圖 9 是 W 材料的曲 線.同樣,溫度低于 25°C 時(shí)預(yù) 計(jì)磁導(dǎo)率會(huì)下降.設(shè)計(jì)最小濾波 器電感時(shí),必須考慮到最壞情況 的磁導(dǎo)率波動(dòng).溫度還影響飽和 磁感應(yīng)強(qiáng)度.圖 10 說明 W 材 料的磁感應(yīng)強(qiáng)度一般隨著溫度升 高而減小.可用磁感應(yīng)強(qiáng)度減小 使磁芯更容易飽和. 另外,所有磁性材料都有居 里溫度,在此溫度下材料失去磁 性.高磁導(dǎo)率鐵氧體的居里溫度 通常在 120°C 到 175°C 之間. 必須知道居里點(diǎn)在哪里,必須使 磁芯工作溫度低于居里溫度.鐵 氧體不會(huì)因

16、超過居里溫度而損壞 (例如在焊接期間,但是如果 在工作期間達(dá)到居里溫度,鐵氧 體會(huì)失去磁性. 最后,鐵氧體環(huán)形磁芯通常 涂有絕緣涂層(即聚對(duì)二甲苯或 環(huán)氧樹脂等,使磁芯和繞組互 相絕緣.這些涂層有自己的額定 溫度,可能因受熱或接觸裝配期 間使用的強(qiáng)洗滌劑而受損.查找 有關(guān)磁芯涂層的資料,以及前面 提到的其他材料性質(zhì)時(shí)應(yīng)注意參 考的制造廠家的數(shù)據(jù)手冊(cè). 鐵氧體材料容易產(chǎn)生機(jī)械應(yīng) 力,包括壓應(yīng)力和張應(yīng)力.在合 適的應(yīng)力作用下,高磁導(dǎo)率材料 特別容易受影響,而且磁導(dǎo)率可 能產(chǎn)生嚴(yán)重的有害變化.磁芯應(yīng) 力有兩大原因:密封劑和繞組. 如果密封劑的熱膨脹系數(shù)和 鐵氧體不同,就會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力. 頻率 MHz 圖

17、 8. 總阻抗-頻率. 6 所選密封劑的熱膨脹系數(shù)應(yīng)盡可 能和鐵氧體接近,即使很小的差別 也可能引發(fā)問題.所以,可以使用 一種補(bǔ)救措施,就是在封裝磁芯之 前,在磁芯上加一層 RTV 之類的 彈性材料.溫度波動(dòng)期間密封劑產(chǎn) 生應(yīng)力時(shí),這種彈性涂層可以分散 一些應(yīng)力. 在磁芯上繞制導(dǎo)線時(shí)會(huì)產(chǎn)生 繞組應(yīng)力.共模電感器通常繞有相 當(dāng)重的導(dǎo)線,這些導(dǎo)線必須拉緊才 能很好地纏繞在磁芯上.因此產(chǎn)生 的應(yīng)力可能非常大.通過溫度循環(huán) 一般能消除大部分繞組應(yīng)力.溫度 循環(huán)范圍應(yīng)為 -55C 到 + 150°C, 在每一端溫度下都要保持 30 分 鐘到 1 小時(shí).變化速度應(yīng)僅為每 分鐘幾度,防止對(duì)鐵氧體產(chǎn)

18、生熱沖 擊(裂解.在此過程中,銅線會(huì) 膨脹和收縮,從而消除施加在磁芯 上的力. 為說明應(yīng)力對(duì)鐵氧體的作用, 對(duì)磁導(dǎo)率不同的四個(gè)環(huán)形磁芯 (3000,5000,10,000, 15,000施加張力,并測(cè)量它們 的電感.圖 11 中是測(cè)量結(jié)果,以 占初始磁導(dǎo)率的百分比對(duì)應(yīng)每單 位磁芯截面積上的力的形式給出. 不出所料,15,000 磁導(dǎo)率材料的 磁導(dǎo)率減小最多, 3,000 磁導(dǎo)率 而 圖 10. 磁通密度-溫度 材料的磁導(dǎo)率減小最少. 磁芯飽和 一般認(rèn)為共模電感器不會(huì)飽和, 磁芯中的差模磁通抵消掉了,而共 模磁通因?yàn)榉浅Ｉ倏梢院雎?但這 并不完全對(duì). 其他人4,5已經(jīng)證明一 部分差模磁通經(jīng)繞組離

19、開了磁芯. 這種漏磁通和導(dǎo)線中的電流以及 繞組的漏感成比例.漏磁通離開磁 芯而沒有抵消掉,所以漏磁通有可 能在導(dǎo)線電流很大時(shí)使磁芯材料 飽和, 或至少使工作點(diǎn)從 BH 回路 的原點(diǎn)偏移至磁導(dǎo)率增量(較 小的點(diǎn).磁導(dǎo)率減小導(dǎo)致串聯(lián)感抗 (XS成比例減小,還會(huì)導(dǎo)致有害 的噪聲通過濾波器. 磁芯飽和問題在不含校正功 第三個(gè) 10 匝繞組放在磁芯上, 率因數(shù)的開關(guān)電源中會(huì)加劇.電 并和電感分析儀相連. 容器充電電流較高,而且振幅因 數(shù)比 RMS 電流大 3 到 4 倍 時(shí),很容易使磁芯飽和,同樣也 會(huì)使共模噪聲通過(圖 12.另 外,正如前面提到的,工作溫度 高會(huì)降低飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度,從而 加劇這些問題. 為說明磁芯飽和的影響, 將 三個(gè)磁芯(J,W 和 H 三種材 料各一個(gè)磁芯繞制成共模濾波 器形式.每個(gè)磁芯都有兩個(gè) 15 匝繞組,導(dǎo)線采用 #18 AWG. 7 然后將共模繞組串聯(lián)起來, 于是通 過它們的任何電流都會(huì)產(chǎn)生相反 磁通.接著,將這些繞組接到直流 電源上.在直流電流從 0 增大到 15A 過程中, 測(cè)量 10 匝繞組的電 感. 直流電流模擬通過共模電感器 的瞬間線路電流.如圖 13 所示, 隨著電流增大, 所有磁芯電感都減 小.J 和 W 材料在 10 安和 15 安時(shí)減小的百分比相同(分別為 10% 和 24%,