滤波电感在电源抗干扰中的应用

时间：07-08 来源：EDN 点击：

通过上式把磁学参数与电学参数直接联系起来。它表示磁性材料的磁性参数在电路中充当的角色。式(1)表述电路中的电感直接与磁材料的弹性磁导率μ′有关，表示器件的储能大小与频率无关的纯电感性。而电路中电阻R与磁性材料复数磁导率的虚数部分μ″有关。式(2)则既与材料的涡流损耗、磁滞损耗及剩余损耗等有关，并且与频率也有关。反映在电学上就相当于等效电阻R。最后都转变成器件的热能散发到空间，而EMI滤波器中的电感能够滤去干扰信号就是利用了磁性材料的这一特征。从另一个角度看，EMI滤波电感发热是正常的，只要不影响电路的正常工作就行了。图2是滤波器电感在串联等效电路中R与频率关系曲线。相当于电感的插入损耗曲线。在低频段即f〈f1时，电感在电路中阻抗R小得可以不计，电流风乎无损耗的流过。在此阶段电感磁世间本身耗能很少，主要是线圈发热为主（I2R）。只有大电流工作环境下才考虑这一部分能量转换的热量。如在大功率晶闸管调光灯电路中的抗干扰电感，因为电流高达20A～50A，甚至更高，即使线绕电阻很小，但能量与电流的平方成正比，所以线圈的发热量很大。这时只有增加铜线的线径（单股或多股），才可使线圈温度大幅度下降。当频率在f1～fc频段时，由阴抗曲线可以看出等效电阻R随频率提高而逐渐增大。这说明电路电感储能的功能随频率的升高而降低，损耗随频率而增加。在fc点附近等效电阻R迅速增加，从磁学的观点看，磁性材料吸收了电路中的高频能量转变成材料内部损耗，如磁畴壁的运动及其引起的微涡流效应等微观损耗。在fc点附近不再具有贮能作用。而fc的高低与磁性材料性能有关。一般来说铁氧体材料fc高，金属磁性材料fc；较低。但对同一种材料可改变制作工艺材料的成分，人为地调节fc的高低。当频率超过fc以后阻抗开始下降，而到f2时双出现小的峰值，这是在高频下寄生电容Cw引起的谐振吸收。这个峰值的频率高低与电感分布参数有关，与材料的性能关系不大。实际上EMI滤波电感的抗干扰作用就是利用磁性材料这个特征。

EMI滤波器可分为共模抗干扰滤波器和差模抗干扰滤波器。因此对滤波电感的磁性能要求完全不同。现简述如下：

（1）共模滤波电感材料的选择共模电感线圈如图1中Lc1Lc2是绕在磁环上的两只独立的线圈，所绕圈数相同，绕向相反。使EMI滤波器接入电路后，两只线圈产生的磁通在磁芯中相互抵消，不会使磁芯饱和。由于干扰信号比较弱，所以磁芯一般工作在低磁场的区域，选用磁性材料要求具有较高的初始磁导率μ0的材料做共模滤波电感。但也不是初始磁导率愈高愈好，还要考虑磁性材料在电路中的电特性。为了说明，下面选择不同类型高μ0的软磁材料在同样条件下测其频率与阻抗关系曲线，反映出电感磁芯的插入损耗变化趋势，其性能如表2及图3所示。

曲线IV是外国专门用于抗共模干扰用的电感磁芯（Mn－Zn铁氧体），与国产铁氧体相比较，在低频段100Hz～10000Hz，由于材料本身电阻率高，交流等效电阻小，说明在这个频段干扰信号损耗很小，电流中主要以感抗起主要作用，可见铁氧体材料对低频干扰信号没有一点抑制作用，而超微晶和1J851材料由于材料电阻率比较低，随频率的增加损耗也增加，可以看出磁芯涡流损耗引起的等效电阻R比铁氧体大得多。在10kHz～100kHz的频段R不断增加，对该频段的干扰信号的抑制也不断增强，其中1J851和超微晶材料对干扰信号抑制衰减最大而铁氧体则很小。这对于线性滤波器来说，工作频率在 50Hz～60Hz或400Hz～800Hz的电源要消除或衰减频率小于10kHz的干扰信号，最好选用金属磁性材料（或非晶超微晶)。而铁氧体在这个频段对干扰信号的吸收显然没有金属磁性材料好。当在频段100kHz～1MHz附近，铁氧体材料R急增而金属磁性材料和超微晶仍然平稳上升，在1MHz时进口铁氧体达到峰值，R最大，1J851次之。而国产铁氧体居第3位超微晶其峰值则在7MHz附近，变化却比较平缓。从曲线变化可以看出铁氧体虽然吸收的峰值在1MHz附近，但吸收区比较狭窄，而金属磁性材料吸收区比较宽，故不同材料对不同频率的吸收敏感性不一样。所以制造共模滤波器时选用的电感材料一定要根据电路要求的抑制频段范围来选择电感材料，这是非常重要的。同时从表2与图3曲线对比说明并不是电感量越高越好，而应考虑它的电参数，更不能用增加线圈匝数来增加电感。因为这样会增加高频寄生电容。

（2）差模滤波电感材料的选择与共模滤波电感完全不同，因为电感与负载是串联，输入电流或输出电流直接通过电感磁芯，其交流（直流）电流很大，当然不能用高磁导率的材料。为了适应差模抗干扰滤波器的电感磁芯的需要，最初采用铁氧体或金属磁性材料开气隙增加退磁场方法，降低磁导率，增加磁芯抗饱和能力。但这对用于电源输入端的交变电流抗干扰滤波显然是很不恰当的。不仅在开气隙处有很强的交变漏磁场引起的很大辐射干扰外，还在气隙断口处产生局部的损耗而发热，导致铁氧体磁性恶化甚至消失。因为铁氧体居里温度为200℃，在此温度附近μ0降低至零，此时已失去滤波作用。再者由于磁致伸缩在气隙处产生新的机械噪声，污染环境。为此人们采用新颖的复合磁粉芯。这是目前最理想的滤波电感材料，它是将金属软磁粉末经绝缘包裹压制退火而成，它相当于把一集中的气隙分散成微小孔穴均匀分布在磁芯中，不但材料的抗饱和强度增加，而且磁芯的电阻率比原来增加几个数量级且各向同性，改变了金属磁性材料不能在高频下使用的缺点。这就是在国外所有差模滤波电感都是用磁粉芯，而不用开口铁氧体磁芯的原因。

这里选取各种性能的磁粉芯测量频率－阻抗变化曲线（见图4）。

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