《電子技術應用》
您所在的位置:胜负彩有什么规律 > 模擬設計 > 設計應用 > 基于阻抗特性的磁環應用研究
基于阻抗特性的磁環應用研究
2019年電子技術應用第5期
王 會1,萬今明1,曾穎宇1,黃 強2
1.空調設備及系統運行節能國家重點實驗室,廣東 珠海519070;2.珠海格力電器股份有限公司,廣東 珠海519070
摘要: 在簡要介紹磁環的基本特性及其抑制電磁干擾機理的基礎上,分析了磁性材料、尺寸大小及繞線圈數這三個因素對磁環阻抗大小的影響方式。同時,基于某變頻分體壁掛空調外機設計實驗驗證了磁環阻抗特性與其抑制電磁干擾能力的關系,即在不飽和的情況下,磁環在應用場合下的阻抗越大,抑制電磁干擾的能力越強;并且,由于特定應用下的阻抗特性與供應商提供的阻抗特性是不一定相同的,磁環在使用中需要根據實際情況進行評估,從而為電子設備電磁兼容性能整改實驗提供指導。
中圖分類號: TN03
文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.183272
中文引用格式: 王會,萬今明,曾穎宇,等. 基于阻抗特性的磁環應用研究[J].電子技術應用,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

    隨著電力電子技術的飛速發展,電氣系統在功能上越來越智能化、微型化的同時,各種功率開關器件的開關頻率和輸出功率也在不斷提高,這帶來的電磁兼容性(Electromagnetic Compatibility,EMC)問題也日益突出。為滿足國家標準及出口要求,電子設備要在復雜的干擾信號下能正??煽康毓ぷ?;同時,對空間及同電網的其他電器干擾要小,以免在工作中影響其他設備的使用,這就更大程度上限制了電子設備工作時發射的電磁干擾能量。因而,針對不同的電磁干擾應該如何正確選擇電磁干擾抑制元器件就成為大家關注的問題。

    濾波是改善電子電氣系統電磁兼容性能的重要手段之一,與電源電磁干擾濾波器相比,磁環以其結構簡單、使用方便、可靠性高、成本低廉等優點,被廣泛用于家電領域的EMC整改,成為抑制電磁干擾的最簡單且常用的方法之一,但由于磁環生產并沒有統一標準,同一編碼不同廠家的磁環展示的特性參差不一,且在不同應用環境中磁環的特性會有所變化,都將影響整改效率。本文將從理論分析和實驗驗證兩方面闡述磁環在實際工程應用中的阻抗選型問題。

1 磁環的基本特性及其抑制電磁干擾的原理

    磁環的工作狀態一般都是導線單匝或多匝穿過。將磁環套在輸電線纜上,就相當于在線路上串入了一個非線性阻抗,從物理意義上說,它改變了線路的局部高頻電路參數,使其回路阻抗增大,從而增加高頻能量的損耗,阻尼其傳播,對干擾電流起到抑制作用[1]。

    磁環的動態特性比較復雜,一般來說,在效果上可以采用電阻和電感串聯的方法來近似模擬高頻磁環[2-3]。其中,電阻模擬磁環的磁滯、渦流和剩余損耗,電感模擬磁環的飽和特性,等效電路如圖1所示。磁環總的阻抗Z(f)為:

    dzyj4-gs1.gif

dzyj4-t1.gif

    在低頻階段,鐵氧體磁芯呈現出非常低的感性阻抗值,穿過磁環的低頻電流幾乎可以無衰減地通過;而在高頻段,阻抗增大,其感抗分量仍保持很小,電阻分量迅速增加,此時電阻值大于感抗,主要呈電阻性,相當于一個品質因數很低的電感器,所以可在較寬的頻率范圍內保持較高的阻抗,從而提高高頻濾波性能[4]。

    當磁環加載到線纜上時,相當于一個衰減濾波器。在干擾源和負載很近時,磁環的插入損耗A近似為:

    dzyj4-gs2.gif

其中,Zf為磁環的阻抗,Zs為源阻抗,ZL為負載阻抗[5]。

    在磁環的使用過程中,有三個主要因素需要考慮,分別是磁性材料、磁環尺寸以及繞線圈數。

1.1 磁性材料的選擇

    常見的磁性材料有鐵氧體、非晶和金屬磁粉芯等。其中,金屬磁粉芯在磁環尺寸上受到較大限制[6],而非晶材料成本略高,因此在對成本把控相對嚴格的家電產業,大多使用鐵氧體作為磁芯材料。

    對電磁干擾起到抑制作用的直觀原因便是在交變磁場下被磁化后磁環所呈現出的高阻抗特性[7]。為表述磁性材料磁化的難易程度,引入磁導率u,它是隨頻率而變化的重要參數。一般來說,u=u′-ju″。其中,u′代表磁化過程中儲能,反映的是磁環的電抗;u″則代表磁性材料在磁化過程中的損耗,反映的是磁環的電阻,決定了EMI被吸收并轉化為熱能消耗掉的能力[8]。

    磁性抑制元件一般使用錳鋅和鎳鋅兩大系列鐵氧體。錳鋅磁環的相對磁導率較高,低頻阻抗較大,高頻阻抗較??;鎳鋅磁環的相對磁導率較低,低頻阻抗較小,高頻阻抗較大[9]。典型錳鋅和典型鎳鋅鐵氧體的磁導率曲線見圖2,其中實線和虛線分別代表復磁導率的實部和虛部。

dzyj4-t2.gif

    根據材料的特性曲線不難看出,錳鋅鐵氧體的u′較高,但代表損耗的u″從某頻點開始迅速下降,因而其抑制電磁干擾的頻率范圍較窄;鎳鋅鐵氧體的磁導率下降速度要比錳鋅材料慢一些,因而應該頻帶更寬,且應用頻段更高。

1.2 磁性尺寸的影響

    選擇單根線穿過磁環作為研究對象,對加載磁環后阻抗Zl進行分析,根據文獻[10]:

dzyj4-gs3.gif

其中,ω為輸入電流的角頻率,Le為導體的外電感,μ為材料的復磁導率,μ0為真空磁導率,l為磁環長度,K為磁環的形狀系數??梢鑰闖?,加載磁環后的阻抗不僅與磁環的材料(磁導率)有關,還與磁環的尺寸和形狀密不可分。

    對磁環尺寸影響程度的研究可以通過仿真來實現。具體來說,在ANSYS的Maxwell中搭建的磁環繞線模型,并將磁環的長度H、內徑R分別作為變量進行參數掃描,仿真模型見圖3。其中,H掃描范圍為13~17.5 mm,R掃描范圍為7.5~12 mm,掃描步長均為0.5 mm,關注阻抗Z隨著H與R變化的趨勢。

dzyj4-t3.gif

    圖4仿真結果中曲線分別代表30 MHz、20 MHz和10 MHz頻率下磁環阻抗隨著磁環長度及內徑變化。

dzyj4-t4.gif

    可以看出,磁環的阻抗隨著磁環長度的加長而變大,隨著內徑的增大而變??;并且,阻抗增加的趨勢隨著頻率的增加而表現愈加明顯,即在更高的頻率,通過增加磁環長度或減小內徑來增加磁環阻抗的效果將更加明顯。總之,磁環在實際使用時,為獲得更大的阻抗,應盡量選用磁環較長、且磁環內經與線徑相近的尺寸。

1.3 繞線圈數的確定

    由式(1)可知:

dzyj4-gs4-5.gif

    在式(5)中,μ0為自由空間磁導率,一般取常量4π×10-9 H/cm;N代表磁環繞線圈數;Ae是有效磁路面積;le是有效磁路長度[11-12]。

    所以,磁環的阻抗與繞線圈數N的平方成正比,從理論上來說,在同一個磁芯上,繞制的圈數越多,呈現的阻抗值越高。然而,圈數增加的同時線間寄生電容也會隨之增加,此時,若磁芯材料的電導率較低,整個器件的寄生電容主要由線間寄生電容引起,則其阻抗峰值會向低頻移動,如圖5所示。更嚴重的,由于寄生效應,圈數增加的同時甚至會帶來阻抗的減小(詳見2.1節描述)。

dzyj4-t5.gif

2 磁環阻抗特性與其抑制能力關系的實驗驗證

2.1 實驗背景概述

    認識了磁環抑制電磁干擾的機理后,為了使抑制作用達到滿意效果,人們希望磁環加載到線纜之后引入的阻抗越大越好。然而,在實際使用中,對于磁環的“阻抗”,在同一型號規格及繞制圈數的情況下,不同的線纜長度、型號以及繞制方式等都會使磁環的阻抗不一致。也就是說,同一磁環在不同的應用場合下,所產生的抑制效果很可能是不一致的。所以,從這一角度來說,雖然磁環廠商在提供產品的同時,也會提供磁環的阻抗特性曲線作為參考,但是用戶在使用磁環作為抗EMI器件時,還是要根據實際情況對磁環的阻抗特性進行把握。

    舉例來說,某磁環分別在1~3圈的條件下,在1~100 MHz的阻抗特性曲線如圖6所示。其中,圖(a)曲線由磁環廠商直接提供,圖(b)曲線是在某種應用條件下的測試結果。當應用該磁環對100 MHz的電磁干擾進行濾波時,若根據廠商曲線,在該頻點繞線三圈的阻抗值最高(700 Ω左右),達到的效果最好。然而,在該應用條件下,參考測試曲線得知,3圈的繞線情況下阻抗只有300 Ω左右,2圈的繞線卻能達到500多歐姆,顯然此時由于圈數的增加在100 MHz引入了更大的寄生效應,導致該頻率點圈數的增加反而引起了阻抗的衰減。此時對磁環的圈數應選用2圈,與廠商提供的結果并不一致。

dzyj4-t6.gif

    根據以上分析,對于電子電氣系統,當應用磁環對干擾能量進行濾波時,只有對各種應用場合下的磁環特性充分了解,才能合理利用,從而最有效地解決電磁干擾問題。而磁環生產廠家給出的磁環基本參數均為特定情況下的測試結果,且給出的磁環參數有限,針對某一特定頻段的動態參數一般未能給出,不便于磁環型號選定及應用。綜合以上,有必要在磁環的實際應用中對磁環的阻抗特性進行驗證。

2.2 實驗裝置介紹

    該實驗應用電流卡鉗(頻率范圍為10 kHz~500 MHz)與頻譜分析儀(頻率范圍為9 kHz~3 GHz),測量某變頻分體壁掛空調外機的零火線加裝不同磁環前后150 kHz~100 MHz的電流頻譜。為保證不受外部雜亂信號干擾,實驗在電磁屏蔽室進行,實驗裝置如圖7所示。其采用多種磁環分別防護電源線傳導電流,重點研究電源線加載磁環前后的電流頻譜變化,并將這些變化與磁環自身的特性阻抗對應考慮,找到兩者之間存在的關系。注意,實驗時零火線要一同繞進磁環以避免飽和現象的發生,影響判斷。

dzyj4-t7.gif

    其中,未加磁環時卡鉗卡到的電源線電流頻譜如圖8所示,可以看出,在頻點13.33 MHz處電源線上的傳導電流發射值較高,為84.78 dBμV。在試驗中采用不同阻抗特性的磁環,通過比較13.33 MHz頻點的發射值判斷其電磁干擾抑制能力。

dzyj4-t8.gif

2.3 實驗對象

    磁性材料的種類繁多,每一種材料都具有多種型號且性能各異,該實驗重點研究變頻空調系統常用的10種磁環在電源線傳導電流作用下的響應特性。為便于區別,將該10種磁環分別編碼為01、02、03、04、05、06、07、08、09、10,見圖9。磁環的尺寸信息示意于表1。由于空間限制,各個磁環在電源線上繞線圈數為:07繞線一圈,09繞線3圈,02、05繞線4圈,01、03、04、06、08、10繞線5圈。

dzyj4-t9.gif

dzyj4-b1.gif

    該研究過程中將通過阻抗分析儀(頻率范圍:100 kHz~500 MHz)測量得出針對傳導干擾頻段150 kHz~30 MHz的磁環在所使用繞線圈數下的阻抗特性曲線,為確保結果的可靠性,測試用線纜選用與該變頻分體壁掛空調外機的零火線相同型號(兩根線徑為0.75 mm2的RV90導線),且保證繞線方式為單層均勻繞制,從而與使用情況一致。例如,對于編碼09磁環(三圈),如圖10所示。

dzyj4-t10.gif

    最終,磁環阻抗特性測試結果如圖11所示。m1到m10分別記錄磁環01到磁環10在13.33 MHz的阻抗值??梢鑰吹?,按從大到小順序排列,01、08、06、04、05、02、09、10、03、07磁環在13.33 MHz頻點處在分別繞線圈數下對應的阻抗值依次為(單位:Ω):2 890、2 567、2 060、1 263、1 176、550、490、444、367、129。

dzyj4-t11.gif

    另外,由表1得出,磁環01的體積最大,圈數最多,為鎳鋅材料;對比圖11測試結果,此時磁環01擁有最大的阻抗值。

2.4 實驗結果

    該實驗主要對電源線有無磁環、不同磁環類型、不同磁環圈數3種情況進行了電流卡鉗監測,并分析對比電源零火線上傳導電流頻譜。需要說明的是,各個磁環均分別安置在線纜的中部,每種磁環的數量固定為1個。關注磁環對電源線傳導電流頻譜的影響,將電流卡鉗監測得到的加載磁環前后的電流頻譜作差,得到磁環引起的衰減量,數據如圖12所示。

dzyj4-t12.gif

    由圖12可知,加載前后的電流頻譜的差值均為正,表明磁環對電流發射值具有衰減作用,且不會導致其發射值增大。加載磁環后,電源線上的傳導電流得到了一定程度的抑制。該實驗關注未加磁環時電流幅度最高的13.33 MHz頻點處,磁環引起的衰減量從大到小依次為:01、08、06、04、05、02、09、10、03、07。對應2.2節阻抗測試結果可以看出,各個磁環的阻抗值均與其引起電源線電流的衰減量變化一致。也就是說,磁環抑制效果取決于傳導電流頻率范圍內的阻抗,阻抗越高,引起的衰減量越大,磁環的抑制效果也就越好。值得注意的是,此時需要磁環的阻抗測試條件是盡量保證與實際使用的情況一致的,這樣得到的阻抗值才能與實際衰減量相一致。在EMC整改試驗中可根據磁環的真實阻抗特性曲線對磁環進行選用。

    最后,可以對該變頻空調系統中常用的10種磁環,總結其在各種可能的繞線圈數時的應用頻段,便于設計開發人員對磁環進行綜合評估后選用。

3 磁環濾波設計要點

    電磁干擾現象十分復雜,電路結構也多種多樣,為了滿足各種情況的需求,實現磁環濾波的整體性能,使用過程中還應注意以下幾點,避免“試用”、“亂用”、“錯用”。

    (1)繞線圈數的選擇。在同一個磁環上,當增加繞線圈數N時,理想情況下阻抗增大為原來的N2倍,從而磁環引起的衰減增大。但值得注意的是,增加圈數可以增加低頻阻抗,但由于匝間寄生電容的影響,高頻阻抗反而會減小。因此,在磁環的工程應用中,不要盲目增加圈數以加強磁環干擾抑制能力,當需要抑制干擾頻段較寬時,可在兩個磁環上繞不同的匝數。

    (2)回路阻抗的影響。當磁環用在高阻抗電路中幾乎不起作用。從式(2)中可以看出,假設某磁環在某頻點阻抗值達到300 Ω,此時電路中ZS和ZL為150 Ω,則該磁環可達到的衰減為6 dB;若ZS和ZL均為300 Ω,則用該磁環達到的衰減僅為3.5 dB。此時,需要選擇更高阻抗的磁環以匹配高阻抗回路,或者采用其他抑制電磁干擾的方式。

    (3)磁環的安裝位置。當需要解決電磁干擾問題時,一般盡量靠近干擾源;當需要解決電磁抗擾度問題時,一般盡量靠近敏感源。

    (4)磁環使用的時候,正確選取阻抗值高的磁環是一方面,另一方面也要找到干擾源,在有干擾的線纜上繞磁環才是有意義的。另外,有時在整改過程中套上磁環后,干擾并沒有明顯的改善,這并不一定是磁環未起作用,而可能是除了這根線纜外,還有其他干擾源。

4 結論

    磁環在抑制電磁干擾中占有重要的位置。文中分析了磁環抑制電磁干擾的機理,并就一系列常用磁環進行了實際阻抗測試及分析,基于某變頻分體壁掛空調驗證了磁環阻抗越高,抑制干擾能力越強。在實際的EMC整改實驗中,可以根據磁環實際工作的阻抗特性曲線來選用磁環及調整匝數,以求快速準確地對磁環進行選型,從而引導整改,提高整改效率,降低產品開發周期。最后,就磁環濾波設計要點進行了提煉,避免實際使用中的盲目性。

參考文獻

[1] 薛家祥,李麗妮,廖天發,等.非隔離光伏并網逆變器共模干擾抑制方法研究[J].電子技術應用,2014(8):68-71.

[2] 孟慶黨,雷春明,李博,等.220 kV線路接地故障引起發變組高壓側斷路器誤跳閘原因分析及處理[J].電力建設,2011,32(8):78-82.

[3] 黎凡森,曹太強,陳顯東,等.基于全通濾波器的比例復數積分控制分析[J].電子技術應用,2017(3):127-131.

[4] 吳航.開關電源的EMI濾波器設計與實現[D].成都:電子科技大學,2017.

[5] Li Qingmin,Wu Minglei.Simulation method for the applications of ferromagnetic materials in suppressing high frequency transients within GIS[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2017,22(3):1628-1632.

[6] 孫玉坤,李冬云,鄒杰,等.我國磁性材料領域標準現狀分析[J].磁性材料及器件,2016(1):67-71.

[7] 張德光,胡鋒.高導鐵氧體寬頻高阻抗共模電感設計[J].磁性材料及器件,2018(2):44-46.

[8] 陳林.電力電子變換中磁性元件磁芯損耗的研究[D].武漢:華中科技大學,2012.

[9] 干喆淵,王延海,張建功,等.應用磁環抑制輸電線路短波頻段無源干擾[J].高電壓技術,2017(5):1722-1728.

[10] 金鑫,王群,唐章宏.結構分隔金屬軟磁材料的性能[J].安全與電磁兼容,2018(2):69-73.

[11] JITOH Y,FUJII K,MATSUMOTO Y,et al.Insertion loss measurement of a ferrite clamp used in the CISPR 22 radiated emission measurements[C].IEEE International Symp. on Electromagnetic Compatibility,Minneapolis,2013:6-11.

[12] URABE J,FUJII K,MATSUMOTO Y,et al.A study of EMI suppression characteristics of ferrite cores[C].IEEE 17th International Symp. on Electromagnetic Compatibility,Zurich,2016:622-625.



作者信息:

王  會1,萬今明1,曾穎宇1,黃  強2

(1.空調設備及系統運行節能國家重點實驗室,廣東 珠海519070;2.珠海格力電器股份有限公司,廣東 珠海519070)