共模電感材料選擇

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。圖2. 共模濾波器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)

2、現(xiàn)可接受的阻抗（Zs）。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。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)率錳鋅鐵氧體。高磁導(dǎo)率鐵氧體可以采用多種形

3、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（一般大約減小 30）。研磨可以減小

4、氣隙，但無法消除氣隙。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 情況有很大不同。 圖3. 阻抗-頻率曲線圖 繞制成本不會過高。 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)倍頻上因此，共模電感器最好采用增加 -6dB。轉(zhuǎn)折頻率一般較低，環(huán)形磁芯，下文著重討論環(huán)形磁足以使感抗成為阻抗的主要部芯。 分，所以可用下式計(jì)算電感： Ls=Xs/2f 。 設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的因素

5、設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的因素 知道電感后，余下的設(shè)計(jì)工設(shè)計(jì)共模電感器所需的基本作就是選擇磁芯和材料，以及計(jì)參數(shù)是輸入電流、阻抗和頻率。算匝數(shù)。 輸入電流決定繞組導(dǎo)體尺寸。計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)第一步常常是選擇磁算線徑時(shí)，一般采用每平方厘米芯尺寸。如果對設(shè)計(jì)有尺寸要求，四百安培的設(shè)計(jì)值，但是根據(jù)電那么只要能保證磁芯經(jīng)繞制后仍感器可接受的溫升，也可能采用能滿足這些要求，就應(yīng)選擇可滿其他設(shè)計(jì)值。幾乎在所有情況下足要求的最大尺寸磁芯。如果沒都采用單股導(dǎo)線，因?yàn)樗坏钣谐叽缦拗?，可以隨意選擇磁芯便宜，而且因高頻肌膚效應(yīng)產(chǎn)生尺寸。 的銅損有助于減弱噪聲。 接著是計(jì)算磁芯上要繞制的電感器的阻抗通常取給定頻最大匝數(shù)。共模電感器需

6、要兩個(gè)率下的最小值。. 此阻抗與線路阻繞組，通常都是單層，各繞制在抗串聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)期望的噪聲衰減。磁芯一端，互相隔離。有時(shí)也使可惜線路阻抗大多未知，所以設(shè)用雙層和疊繞繞組，但是這兩種計(jì)人員經(jīng)常要使用 50 線路阻繞組會使繞組的分布電容增大，抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（LISN）測試濾波器。從而降低電感器的高頻性能。這已經(jīng)成為測試濾波器性能的標(biāo)準(zhǔn)方法，但是其結(jié)果可能和實(shí)際3給出使用 AL 值進(jìn)行計(jì)算的例子：.對于該例子： 4. 計(jì)算內(nèi)周長 (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)： 選用 J 材料（5000µ），AL 值是 3020 I.C. = （磁芯直徑導(dǎo)線直徑）N 為 20 匝，

7、所以：I.C. = (13.34mm - 1 mm)L = 1.208 毫亨 I.C. = 38.76mm最大匝數(shù) = (160°/360°) * 如果此最小電感對于設(shè)計(jì)來(38.76mm)/(1mm/匝) 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I.C. = 17.2 匝，或 17 匝 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。5. 計(jì)算 計(jì)算 17 匝時(shí)的最小電感：匝時(shí)的最小電感：AL = 3020 ±20% 設(shè)計(jì)示例：設(shè)計(jì)示例：在 10kHz 時(shí)需要 100 阻抗。輸1/2N = 1000 (L/AL)入線路電流為 3A

8、 RMS。17 = 1000 (L/3020 - 20%)1/2 1. 選擇線徑：選擇線徑：L = 0.698 毫亨（最小）電流為 3A，電流密度為 400這個(gè)值遠(yuǎn)低于所需的 1.59 毫A/cm²，所以導(dǎo)線截面積是 N = 匝數(shù) 亨，所以必須進(jìn)行修改?？筛淖兊?.0075cm²。 參數(shù)是磁芯尺寸、材料磁導(dǎo)率和線L = 電感（毫亨） 選擇 #19 AWG，其導(dǎo)線截面積 徑。磁芯越大，內(nèi)徑就越大，因而 是 0.007907cm² （直徑為1 可在磁芯上繞制更多匝（磁芯越大 AL = 電感系數(shù)，單位是毫亨/1000 mm），包括絕緣層。 AL 值也越大）。材料磁導(dǎo)率越

9、高，匝 電感就越大，并且線徑越小，可繞2. 計(jì)算最小電感：計(jì)算最小電感： 制的匝數(shù)就越多。（但這也會增加 銅損） L 最小 = 100/2（10,000Hz） 繼續(xù)上面的例子，如果要保持 =1.59 毫亨 42206-TC 的尺寸，就要為每種材料重新計(jì)算匝數(shù)。3. 從表中選擇磁芯尺寸和材料：從表中選擇磁芯尺寸和材料：選擇 J-42206-TC AL= 3020±20%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。每個(gè)繞組所占內(nèi)周的長度除以導(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°

10、; 到 170° 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)鐵氧體制造廠家會給出所生產(chǎn)磁芯的電感系數(shù)（AL）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/AL)1/2 其中：表 1 列出了典型設(shè)計(jì)資料，并內(nèi)徑 = 13.72mm±0.38mm = 13.34mm（最小）表 1 列出了典型設(shè)計(jì)資料和使用 AL 值的計(jì)算例子。磁芯類型 外徑 (mm)內(nèi)徑 (mm) 高度 (mm)A

11、 L (毫亨/1000 匝)J 20% (5000µ)42206-TC22.113.726.353020W 30% (10,000µ) 6040H 30% (15,000µ) 90605.420.2501.36le (cm)Ae (cm) Ve (cm)²³J 材料 (5000µ):N = 1000 (1.59 毫亨/3020-20%) ½ = 25.6 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)算出的最大匝圖 4。環(huán)形磁芯內(nèi)圓周 數(shù)（17 匝）稍大一

12、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。 錳鋅鐵氧體在低頻 （<500kHz）時(shí)磁導(dǎo)率較高，但隨上述選擇磁芯的步驟可能非常著頻率增大磁導(dǎo)率減小。磁導(dǎo)率越費(fèi)時(shí)。為加快選擇過程，在圖 5 中高，開始下降處的頻率越低。但還 給出“磁芯選擇圖”。使用方法很簡單，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，一直到和適當(dāng)?shù)牟牧蠈蔷€相交，然后繼續(xù)向上移動，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 4

13、00 A/cm²，磁芯為單層繞組。如果采用其他電流密度，需要作些推測（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)可能會稍大些或稍小些。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 6 和 7 說明三種高磁導(dǎo)率材料（J、

14、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。所示測量結(jié)果是在繞了 10 個(gè)線匝的 42206TC 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。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。所以達(dá)到 2MHz 之前W 材料阻類曲線就能幫助設(shè)計(jì)人員選擇適抗最高，

15、而 2MHz 之后J 材料阻當(dāng)材料。 抗最高。如果噪聲頻譜已知，此圖 6. 串聯(lián)電抗溫度。 圖 7. 串聯(lián)電阻頻率。圖 8. 總阻抗頻率。多數(shù)鐵氧體材料性能受溫度影響。共模扼流圈設(shè)計(jì)人員主要關(guān)注對磁導(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。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?？捎么鸥袘?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

16、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。鐵氧體不會因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。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

17、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，就會導(dǎo)致應(yīng)力。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 -55ºC 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

18、幾度，防止對鐵氧體產(chǎn)生熱沖擊（裂解）。在此過程中，銅線會膨脹和收縮，從而消除施加在磁芯上的力。為說明應(yīng)力對鐵氧體的作用，對磁導(dǎo)率不同的四個(gè)環(huán)形磁芯（3000µ、5000µ、10,000µ、15,000µ）施加張力，并測量它們的電感。圖 11 中是測量結(jié)果，以占初始磁導(dǎo)率的百分比對應(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，而 3,000 磁導(dǎo)率圖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。其他人4,5已經(jīng)

19、證明一部分差模磁通經(jīng)繞組離開了磁芯。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（µ）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，同樣也會使共模噪聲通過（圖 12）。另外，正如前面提到的，工作溫度高會降低飽和磁感應(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。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