《电子技术应用》
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基于阻抗特性的磁环应用研究
2019年电子技术应用第5期
王 会1,万今明1,曾颖宇1,黄 强2
1.空调设备及系统运行节能国家重点实验室,广东 珠海519070;2.珠海格力电器股份有限公司,广东 珠海519070
摘要: 在简要介绍磁环的基本特性及其抑制电磁干扰机理的基础上,分析了磁性材料、尺寸大小及绕线圈数这三个因素对磁环阻抗大小的影响方式。同时,基于某变频分体壁挂空调外机设计实验验证了磁环阻抗特性与其抑制电磁干扰能力的关系,即在不饱和的情况下,磁环在应用场合下的阻抗越大,抑制电磁干扰的能力越强;并且,由于特定应用下的阻抗特性与供应商提供的阻抗特性是不一定相同的,磁环在使用中需要根据实际情况进行评估,从而为电子设备电磁兼容性能整改实验提供指导。
中图分类号: TN03
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.183272
中文引用格式: 王会,万今明,曾颖宇,等. 基于阻抗特性的磁环应用研究[J].电子技术应用,2019,45(5):105-110.
英文引用格式: Wang Hui,Wan Jinming,Zeng Yingyu,et al. Research on application of magnetic cores based on impedance characteristic[J]. Application of Electronic Technique,2019,45(5):105-110.
Research on application of magnetic cores based on impedance characteristic
Wang Hui1,Wan Jinming1,Zeng Yingyu1,Huang Qiang2
1.State Key Laboratory of GREE Air-conditioning Equipment and System,Zhuhai 519070,China; 2.GREE Electric Appliance Incorporate of Zhuhai Guangdong,Zhuhai 519070,China
Abstract: According to the basic characteristics of inductive components and the mechanism of suppressing electromagnetic interference caused by the magnetic cores, the influence on the impedance of magnetic cores of the material type,core size and the number of turns is introduced in this paper. Meanwhile, an experiment which was based on the outdoor union of an inverter air-conditioner was designed to illustrate the relationship of impedance characteristics of a magnetic toroid and its ability to suppress electromagnetic interference. That is to say, the higher its impedance in the application is, the more it will suppress; furthermore, it needs to be evaluated according to the actual situation in the process of use because of the impedance characteristic difference between the test data and the data supplied by the manufacturer of a magnetic core, which can provide guidance for the rectification of Electromagnetic Compatibility test.
Key words : electromagnetic compatibility;magnetic core;impedance characteristic;interference suppression;inverter air-conditioner

0 引言

    随着电力电子技术的飞速发展,电气系统在功能上越来越智能化、微型化的同时,各种功率开关器件的开关频率和输出功率也在不断提高,这带来的电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility,EMC)问题也日益突出。为满足国家标准及出口要求,电子设备要在复杂的干扰信号下能正常可靠地工作;同时,对空间及同电网的其他电器干扰要小,以免在工作中影响其他设备的使用,这就更大程度上限制了电子设备工作时发射的电磁干扰能量。因而,针对不同的电磁干扰应该如何正确选择电磁干扰抑制元器件就成为大家关注的问题。

    滤波是改善电子电气系统电磁兼容性能的重要手段之一,与电源电磁干扰滤波器相比,磁环以其结构简单、使用方便、可靠性高、成本低廉等优点,被广泛用于家电领域的EMC整改,成为抑制电磁干扰的最简单且常用的方法之一,但由于磁环生产并没有统一标准,同一编码不同厂家的磁环展示的特性参差不一,且在不同应用环境中磁环的特性会有所变化,都将影响整改效率。本文将从理论分析和实验验证两方面阐述磁环在实际工程应用中的阻抗选型问题。

1 磁环的基本特性及其抑制电磁干扰的原理

    磁环的工作状态一般都是导线单匝或多匝穿过。将磁环套在输电线缆上,就相当于在线路上串入了一个非线性阻抗,从物理意义上说,它改变了线路的局部高频电路参数,使其回路阻抗增大,从而增加高频能量的损耗,阻尼其传播,对干扰电流起到抑制作用[1]

    磁环的动态特性比较复杂,一般来说,在效果上可以采用电阻和电感串联的方法来近似模拟高频磁环[2-3]。其中,电阻模拟磁环的磁滞、涡流和剩余损耗,电感模拟磁环的饱和特性,等效电路如图1所示。磁环总的阻抗Z(f)为:

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    在低频阶段,铁氧体磁芯呈现出非常低的感性阻抗值,穿过磁环的低频电流几乎可以无衰减地通过;而在高频段,阻抗增大,其感抗分量仍保持很小,电阻分量迅速增加,此时电阻值大于感抗,主要呈电阻性,相当于一个品质因数很低的电感器,所以可在较宽的频率范围内保持较高的阻抗,从而提高高频滤波性能[4]

    当磁环加载到线缆上时,相当于一个衰减滤波器。在干扰源和负载很近时,磁环的插入损耗A近似为:

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其中,Zf为磁环的阻抗,Zs为源阻抗,ZL为负载阻抗[5]

    在磁环的使用过程中,有三个主要因素需要考虑,分别是磁性材料、磁环尺寸以及绕线圈数。

1.1 磁性材料的选择

    常见的磁性材料有铁氧体、非晶和金属磁粉芯等。其中,金属磁粉芯在磁环尺寸上受到较大限制[6],而非晶材料成本略高,因此在对成本把控相对严格的家电产业,大多使用铁氧体作为磁芯材料。

    对电磁干扰起到抑制作用的直观原因便是在交变磁场下被磁化后磁环所呈现出的高阻抗特性[7]。为表述磁性材料磁化的难易程度,引入磁导率u,它是随频率而变化的重要参数。一般来说,u=u′-ju″。其中,u′代表磁化过程中储能,反映的是磁环的电抗;u″则代表磁性材料在磁化过程中的损耗,反映的是磁环的电阻,决定了EMI被吸收并转化为热能消耗掉的能力[8]

    磁性抑制元件一般使用锰锌和镍锌两大系列铁氧体。锰锌磁环的相对磁导率较高,低频阻抗较大,高频阻抗较小;镍锌磁环的相对磁导率较低,低频阻抗较小,高频阻抗较大[9]。典型锰锌和典型镍锌铁氧体的磁导率曲线见图2,其中实线和虚线分别代表复磁导率的实部和虚部。

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    根据材料的特性曲线不难看出,锰锌铁氧体的u′较高,但代表损耗的u″从某频点开始迅速下降,因而其抑制电磁干扰的频率范围较窄;镍锌铁氧体的磁导率下降速度要比锰锌材料慢一些,因而应该频带更宽,且应用频段更高。

1.2 磁性尺寸的影响

    选择单根线穿过磁环作为研究对象,对加载磁环后阻抗Zl进行分析,根据文献[10]:

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其中,ω为输入电流的角频率,Le为导体的外电感,μ为材料的复磁导率,μ0为真空磁导率,l为磁环长度,K为磁环的形状系数。可以看出,加载磁环后的阻抗不仅与磁环的材料(磁导率)有关,还与磁环的尺寸和形状密不可分。

    对磁环尺寸影响程度的研究可以通过仿真来实现。具体来说,在ANSYS的Maxwell中搭建的磁环绕线模型,并将磁环的长度H、内径R分别作为变量进行参数扫描,仿真模型见图3。其中,H扫描范围为13~17.5 mm,R扫描范围为7.5~12 mm,扫描步长均为0.5 mm,关注阻抗Z随着H与R变化的趋势。

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    图4仿真结果中曲线分别代表30 MHz、20 MHz和10 MHz频率下磁环阻抗随着磁环长度及内径变化。

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    可以看出,磁环的阻抗随着磁环长度的加长而变大,随着内径的增大而变小;并且,阻抗增加的趋势随着频率的增加而表现愈加明显,即在更高的频率,通过增加磁环长度或减小内径来增加磁环阻抗的效果将更加明显。总之,磁环在实际使用时,为获得更大的阻抗,应尽量选用磁环较长、且磁环内经与线径相近的尺寸。

1.3 绕线圈数的确定

    由式(1)可知:

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    在式(5)中,μ0为自由空间磁导率,一般取常量4π×10-9 H/cm;N代表磁环绕线圈数;Ae是有效磁路面积;le是有效磁路长度[11-12]

    所以,磁环的阻抗与绕线圈数N的平方成正比,从理论上来说,在同一个磁芯上,绕制的圈数越多,呈现的阻抗值越高。然而,圈数增加的同时线间寄生电容也会随之增加,此时,若磁芯材料的电导率较低,整个器件的寄生电容主要由线间寄生电容引起,则其阻抗峰值会向低频移动,如图5所示。更严重的,由于寄生效应,圈数增加的同时甚至会带来阻抗的减小(详见2.1节描述)。

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2 磁环阻抗特性与其抑制能力关系的实验验证

2.1 实验背景概述

    认识了磁环抑制电磁干扰的机理后,为了使抑制作用达到满意效果,人们希望磁环加载到线缆之后引入的阻抗越大越好。然而,在实际使用中,对于磁环的“阻抗”,在同一型号规格及绕制圈数的情况下,不同的线缆长度、型号以及绕制方式等都会使磁环的阻抗不一致。也就是说,同一磁环在不同的应用场合下,所产生的抑制效果很可能是不一致的。所以,从这一角度来说,虽然磁环厂商在提供产品的同时,也会提供磁环的阻抗特性曲线作为参考,但是用户在使用磁环作为抗EMI器件时,还是要根据实际情况对磁环的阻抗特性进行把握。

    举例来说,某磁环分别在1~3圈的条件下,在1~100 MHz的阻抗特性曲线如图6所示。其中,图(a)曲线由磁环厂商直接提供,图(b)曲线是在某种应用条件下的测试结果。当应用该磁环对100 MHz的电磁干扰进行滤波时,若根据厂商曲线,在该频点绕线三圈的阻抗值最高(700 Ω左右),达到的效果最好。然而,在该应用条件下,参考测试曲线得知,3圈的绕线情况下阻抗只有300 Ω左右,2圈的绕线却能达到500多欧姆,显然此时由于圈数的增加在100 MHz引入了更大的寄生效应,导致该频率点圈数的增加反而引起了阻抗的衰减。此时对磁环的圈数应选用2圈,与厂商提供的结果并不一致。

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    根据以上分析,对于电子电气系统,当应用磁环对干扰能量进行滤波时,只有对各种应用场合下的磁环特性充分了解,才能合理利用,从而最有效地解决电磁干扰问题。而磁环生产厂家给出的磁环基本参数均为特定情况下的测试结果,且给出的磁环参数有限,针对某一特定频段的动态参数一般未能给出,不便于磁环型号选定及应用。综合以上,有必要在磁环的实际应用中对磁环的阻抗特性进行验证。

2.2 实验装置介绍

    该实验应用电流卡钳(频率范围为10 kHz~500 MHz)与频谱分析仪(频率范围为9 kHz~3 GHz),测量某变频分体壁挂空调外机的零火线加装不同磁环前后150 kHz~100 MHz的电流频谱。为保证不受外部杂乱信号干扰,实验在电磁屏蔽室进行,实验装置如图7所示。其采用多种磁环分别防护电源线传导电流,重点研究电源线加载磁环前后的电流频谱变化,并将这些变化与磁环自身的特性阻抗对应考虑,找到两者之间存在的关系。注意,实验时零火线要一同绕进磁环以避免饱和现象的发生,影响判断。

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    其中,未加磁环时卡钳卡到的电源线电流频谱如图8所示,可以看出,在频点13.33 MHz处电源线上的传导电流发射值较高,为84.78 dBμV。在试验中采用不同阻抗特性的磁环,通过比较13.33 MHz频点的发射值判断其电磁干扰抑制能力。

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2.3 实验对象

    磁性材料的种类繁多,每一种材料都具有多种型号且性能各异,该实验重点研究变频空调系统常用的10种磁环在电源线传导电流作用下的响应特性。为便于区别,将该10种磁环分别编码为01、02、03、04、05、06、07、08、09、10,见图9。磁环的尺寸信息示意于表1。由于空间限制,各个磁环在电源线上绕线圈数为:07绕线一圈,09绕线3圈,02、05绕线4圈,01、03、04、06、08、10绕线5圈。

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    该研究过程中将通过阻抗分析仪(频率范围:100 kHz~500 MHz)测量得出针对传导干扰频段150 kHz~30 MHz的磁环在所使用绕线圈数下的阻抗特性曲线,为确保结果的可靠性,测试用线缆选用与该变频分体壁挂空调外机的零火线相同型号(两根线径为0.75 mm2的RV90导线),且保证绕线方式为单层均匀绕制,从而与使用情况一致。例如,对于编码09磁环(三圈),如图10所示。

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    最终,磁环阻抗特性测试结果如图11所示。m1到m10分别记录磁环01到磁环10在13.33 MHz的阻抗值。可以看到,按从大到小顺序排列,01、08、06、04、05、02、09、10、03、07磁环在13.33 MHz频点处在分别绕线圈数下对应的阻抗值依次为(单位:Ω):2 890、2 567、2 060、1 263、1 176、550、490、444、367、129。

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    另外,由表1得出,磁环01的体积最大,圈数最多,为镍锌材料;对比图11测试结果,此时磁环01拥有最大的阻抗值。

2.4 实验结果

    该实验主要对电源线有无磁环、不同磁环类型、不同磁环圈数3种情况进行了电流卡钳监测,并分析对比电源零火线上传导电流频谱。需要说明的是,各个磁环均分别安置在线缆的中部,每种磁环的数量固定为1个。关注磁环对电源线传导电流频谱的影响,将电流卡钳监测得到的加载磁环前后的电流频谱作差,得到磁环引起的衰减量,数据如图12所示。

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    由图12可知,加载前后的电流频谱的差值均为正,表明磁环对电流发射值具有衰减作用,且不会导致其发射值增大。加载磁环后,电源线上的传导电流得到了一定程度的抑制。该实验关注未加磁环时电流幅度最高的13.33 MHz频点处,磁环引起的衰减量从大到小依次为:01、08、06、04、05、02、09、10、03、07。对应2.2节阻抗测试结果可以看出,各个磁环的阻抗值均与其引起电源线电流的衰减量变化一致。也就是说,磁环抑制效果取决于传导电流频率范围内的阻抗,阻抗越高,引起的衰减量越大,磁环的抑制效果也就越好。值得注意的是,此时需要磁环的阻抗测试条件是尽量保证与实际使用的情况一致的,这样得到的阻抗值才能与实际衰减量相一致。在EMC整改试验中可根据磁环的真实阻抗特性曲线对磁环进行选用。

    最后,可以对该变频空调系统中常用的10种磁环,总结其在各种可能的绕线圈数时的应用频段,便于设计开发人员对磁环进行综合评估后选用。

3 磁环滤波设计要点

    电磁干扰现象十分复杂,电路结构也多种多样,为了满足各种情况的需求,实现磁环滤波的整体性能,使用过程中还应注意以下几点,避免“试用”、“乱用”、“错用”。

    (1)绕线圈数的选择。在同一个磁环上,当增加绕线圈数N时,理想情况下阻抗增大为原来的N2倍,从而磁环引起的衰减增大。但值得注意的是,增加圈数可以增加低频阻抗,但由于匝间寄生电容的影响,高频阻抗反而会减小。因此,在磁环的工程应用中,不要盲目增加圈数以加强磁环干扰抑制能力,当需要抑制干扰频段较宽时,可在两个磁环上绕不同的匝数。

    (2)回路阻抗的影响。当磁环用在高阻抗电路中几乎不起作用。从式(2)中可以看出,假设某磁环在某频点阻抗值达到300 Ω,此时电路中ZS和ZL为150 Ω,则该磁环可达到的衰减为6 dB;若ZS和ZL均为300 Ω,则用该磁环达到的衰减仅为3.5 dB。此时,需要选择更高阻抗的磁环以匹配高阻抗回路,或者采用其他抑制电磁干扰的方式。

    (3)磁环的安装位置。当需要解决电磁干扰问题时,一般尽量靠近干扰源;当需要解决电磁抗扰度问题时,一般尽量靠近敏感源。

    (4)磁环使用的时候,正确选取阻抗值高的磁环是一方面,另一方面也要找到干扰源,在有干扰的线缆上绕磁环才是有意义的。另外,有时在整改过程中套上磁环后,干扰并没有明显的改善,这并不一定是磁环未起作用,而可能是除了这根线缆外,还有其他干扰源。

4 结论

    磁环在抑制电磁干扰中占有重要的位置。文中分析了磁环抑制电磁干扰的机理,并就一系列常用磁环进行了实际阻抗测试及分析,基于某变频分体壁挂空调验证了磁环阻抗越高,抑制干扰能力越强。在实际的EMC整改实验中,可以根据磁环实际工作的阻抗特性曲线来选用磁环及调整匝数,以求快速准确地对磁环进行选型,从而引导整改,提高整改效率,降低产品开发周期。最后,就磁环滤波设计要点进行了提炼,避免实际使用中的盲目性。

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作者信息:

王  会1,万今明1,曾颖宇1,黄  强2

(1.空调设备及系统运行节能国家重点实验室,广东 珠海519070;2.珠海格力电器股份有限公司,广东 珠海519070)