磁粉芯在高性能EMI滤波器中的应用

1 引言

铁镍钼合金MPP，高磁通铁镍50％HF合金和铁硅铝合金SUPERMSS等三种不同材料的磁粉芯已被广泛地应用在电源滤波电感之中。特别是在抑制和过滤差模传导EMI的线路滤波（PowerLineFiltering）电路中，上述三种磁粉芯都有独具特色的应用。本文将从滤波电路简介开始，再通过实例说明使用多只电感器在滤波电路中的优点。


  
除此之外，还将对上述三种不同磁粉芯材料所制作的电感器，在一定的工作频率和不同电流下所产生的功率损耗和电感稳定性做逐一对比。对应不同的工作频率，电感器可以得到不同的等效串联电感，等效串联电阻和等效串联阻抗，这些数值反映了绕线分布电容大小和磁粉芯中涡流损耗的大小。


  
2 单级与多级滤波器  

在电力和电子功率变换系统中，滤波器均采用L?C电路。这种滤波器一般为“低通滤波器”。  

滤波器设计非常复杂，需要数学计算，计算机辅助工程和实际经验相结合。



本文考虑两种滤波器，如图1所示，一种是单级（一只电感和一只电容组成），另一种是双级（两只电感和两只电容）。  

接有滤波器的电路具有明显的频率响应特性，但是由于负载和电源的阻尼作用，频率响应又是有限的。在实际应用中，还要考虑电感器绕组电阻，磁粉芯损耗，电容器引线、电极和介质损耗影响。更高频率下的损耗构成附加阻尼有利于滤波器稳定运行。而且寄生参数（如电容器引线电感和电感绕组的分布电容）都会对滤波器性能产生影响。  

寄生参数如图2所示，RS为电感器的等效串联电阻，RC为电容器的等效串联电阻。  


  
用几种型号的美国阿诺公司SUPER－MSS铁硅铝磁粉芯制做单级滤波器和双级滤波器，具体设计参数为：  

（1）单级滤波器电感磁芯采用一只铁硅铝MS－130060－2型(磁导率为60)，电感量为13.2μH，电感绕组导线采用3股18AWG线规漆包线，DC直流电阻值为4.5mΩ，电容器采用一只聚丙烯电容，电容量为15μF。  

（2）双级滤波器两只电感分别采用两只铁硅铝MS－106060－2型（磁导率为60），每只电感量为7.95μH，电感绕组导线也采用与单级滤波器相同的三股18AWG漆包线，圈数为10圈，电感总电阻为5.4mΩ，电容器分别采用两只聚丙烯电容，电容量分别为15μF。由于每只电感所绕的圈数少，所以在同样电流下所产生的直流磁场强度要低14.5％。  

对该二种滤波器的频率响应特性，用HP4194A阻抗/增益－相位分析仪进行测试，实验信号电压0.5Vrms。结果如图3、图4、图5、图6、图7所示。


  
从图3可以看到，两种滤波电路（单级和双级）的等效串联电感量（Ls）和电阻值（Rs）随频率变化的曲线。电感量大的单级滤波器的自振频率在26MHz，电感量小的双级滤波器在40MHz以上时还具有电感特性。或者说电感量小的双级滤波器，其工作频率范围较宽。  

  
  
图4显示了电容器有关数值与频率的关系曲线，即等效并联电容（Cp）和等效并联电阻（Rp）随频率变化的曲线。可以看到，电容器与其引线电感发生谐振的频率大约在250kHz。  

为了说明多级滤波电路的优点，现把单级和双级滤波器的频率响应曲线分别示于图5和图6。测试条件使用了最偏离电源的电路工作参数，输入源阻抗为50Ω，负载阻抗也是50Ω。在典型的电路中，阻抗值是变化的，并不总是匹配的，尤其在低频下，阻抗值会非常低。虽然实验条件与实际应用的电路条件不一样，但是，实验结果表明，用来对单级滤波器和双级滤波器做对比，可以得到许多有用的实验数据。  


  
例如：对于每种滤波器而言，衰减量达到最大（增益达到最小值）的原因都是由于电容器与其引线电感发生谐振所造成的。对于单级滤波器，这一点发生在175kHz。所以尽量缩短电容器引线长度的重要性是非常明显的。随着频率从175kHz增加，衰减又开始减少（增益增加），这是因为引线电感阻碍了每只电容器返回电流的流动。  

另一个重要的结果是，双级滤波器在20kHz频率点下，具有最低的衰减（最高的增益）。从理论计算，双级滤波器应该视同于2个单级滤波器在14.6kHz频率点上的效果，但是由于电容C1，电感L2和电容C3的阻尼效果，所以频率点变到了20kHz。在20kHz频率点，产生了大约30dB的衰减。超过这个频率点之后，双级滤波器的增益衰减在60kHz,比单级滤波器还要低20dB。  



最后还可以注意到，双级滤波器在300kHz到1MHz范围内，增益衰减都比单段滤波器大10dB。附加电感和电容减少了电容引线的电感效果。在美国，因为无线电调幅AM波段是在540kHz到1.6MHz之间，这样对于改善此波段内的滤波器性能，非常有利。

上述滤波器测试条件为，将电容器侧作为输入或参考通道，将电感器侧作为测试通道。通过观察可以看到，频率响应特性在上述测试连接方式和采用电感器侧连接到参考通道，将电容器连接到测试通道的结果是相似的。因此，上述实验结果也适用于电感器输入型电路。