磁性材料在逆变电源中的应用 常州坚力电子有限公司 袁跃中 （常州 213015） 磁性材料器件行业协会顾问 仇仪俊 中图分类号：TM27 文献标识码：A 文章编号：1606-7517（2004）12-02-00 随着电子技术的飞速发展，特别是功率电子器件和控制技术的突飞猛进，电源逆变技术得到了长足的发展。目前，PWM逆变电源已广泛应用于各种领域，在节能、提高产品质量和改善系统性能方面起到了不可替代的作用。 但是变频技术在作出巨大贡献的同时，也带来了不可忽视的负效应，特别是电磁干扰以及对电机和传输电缆的破坏作用。 本文通过对逆变电源电磁干扰形成原因和抑制干扰用磁性材料的分析，帮助选择适用于抑制逆变电源EMI的磁性材料。 1PWM逆变电源噪声的形成 逆变电源工作在高频开关方式，开关频率在10kHz左右，通过开关管的高频脉冲电流在输入端产生高频脉冲电压，叠加在输入直流电压上，形成输入端差模噪声（电源引线之间的噪声）。逆变输出的高频PWM开关信号通过电感、电容滤波后变成所需的正弦波电压，但滤波电路在滤除噪声同时也增加了基波的损失，所以滤波器参数不宜取大，因而在输出正弦波电压中仍残留了高频开关信号脉冲成分，成为输出差模噪声的一部分。另一方面，由于线路电感、分布电容的存在，在开关管通断时不可避免地要产生高频衰减的振荡，即振铃响应。这一振铃可通过变压器影响到输出端，若不采取相应措施，其振幅远高于前述高频脉动电压值。同时变压器线圈的匝间分布电容相当于一个微分电容，对脉冲的阶梯正弦信号上升沿有放大作用，形成又一脉冲型噪声电平。三者叠加在输出正弦波上形成不可忽视的差模噪声。 开关电路中突变的电压又可成为共模噪声源，通过各种分布电容的耦合在电源的输入、输出端形成共模噪声（电源线对地的噪声）。机壳间的分布电容，在输入电源线、输出线与地之间产生感应电压，成为输入和输出的共模噪声电压。当逆变电源与实际负载连接时，负载内部电路与地有着密切的联系，负载两端与地之间也存在分布电容，这些分布电容使共模噪声得以构成回路。同时，突变的电流也可通过磁场耦合而在输入、输出端产生共模噪声。 2抑制EMI的滤波措施 滤波是抑制干扰的一种有效措施，尤其是对逆变电源EMI信号的传导干扰和辐射干扰。任何电源线上传导干扰信号，均可用差模和共模信号来表示。差模干扰在两导线之间传输，属于对称性干扰；共模干扰在导线与地（机壳）之间传输，属于非对称干扰。在一般情况下，差模干扰幅度小、频率低，所造成的干扰较小；共模干扰幅度大、频率高，还可以通过导线产生幅射，所造成的干扰较大。因此，欲削弱传导干扰，把EMI信号控制在有关EMC标准规定的极限电平以下，最有效的方法就是在电源输入和输出电路中加装EMI滤波器。PWM逆变电源工作频率约为10kHz左右。EMC很多标准规定的传导干扰电平的极限值都是从10kHz算起。对PWM逆变电源产生的高频段EMI信号，只要选择适当的去耦电路或网络结构较为简单的EMI滤波器，就可得到满意的效果。 3EMI滤波器的结构及工作原理 滤波器是由集中参数元件构成的无源低通网络，图1中L1和L2是绕在同一磁环上的2只独立线圈，称为共模电感。如果把该滤波器一端接入干扰源，负载端接被干扰设备，那么L1和Cx，L2和Cy就分别构成L-E和N-E两对独立端口间的低通滤波器，用来抑制电源上存在的共模EMI信号，使之受到衷减，被控制到很低的电平上。 由于图1电路是无源网络，它具有互易性。当它安装在系统中后，即能有效地抑制电子设备外部的EMI信号传入设备，又能大大衰减设备本身工作时产生的传向电网的EMI信号，起到同时衰减两组共模EMI信号和一组差模EMI信号的作用。 图1中，L1、L2两个线圈所绕匝数相同、绕向相反，使滤波器接入电路后，两只线圈内电流产生的磁通在磁环内相互抵消，不会使磁环达到磁饱和状态，从而使两个线圈中电感值保持不变。但是，由于种种原因，如磁环的材料不可能做到绝对均匀，两个线圈的绕制也不可能完全对称等，使得L1和L2的电感量是不相等的，于是，（L1和L2）形成差模电感，它与Cx电容器又组成L-N独立端口间的一只低通滤波器，用来抑制电源线上存在的差模EMI信号。 在干扰源阻抗和负载阻抗一定时，电感器的阻抗越大，抑制干扰的效果越好。由于电感器的阻抗是频率的函数，所以插入损耗也是频率的函数。抑制元件的阻抗包括感抗和电阻部分，两部分对插入损耗都有贡献。在低频时，铁氧体的μ″的值较小，损耗电阻较小，主要是感抗起作用。在高频端，铁氧体的μ′值开始下降，而μ″值增大，所以损耗起主要作用。低频时，EMI信号被反射而受抑制，在高频端，EMI信号被吸收并转换成热能。 4磁性材料选择 对于一种磁性材料来说，磁导率不是一个常数，它与磁场的大小、频率的高低有关。当铁氧体受到一个外磁场H作用时，例如当电流流经绕在铁氧体磁环上的线圈时，铁氧体磁环被磁化。随着磁场H的增加，磁通密度B增加。当磁场H场加到一定值时，B值趋于平稳，这时称作饱和，如图2。对于软磁材料，饱和磁场H只有十分之几到几个奥斯特。随着饱和的接近，铁氧体的磁导率迅速下降并接近于空气的导磁率（相对磁导率为1）。对于应用共模电感的高磁导率磁性材料，对饱和磁通密度没有特别的要求，可以选择较高磁导率的材料。但对用于差模电感的磁性材料，则希望有较高的饱和磁通密度，这样有利于减小电感器的体积及功耗，因此，在有DC或低频AC偏流情况下，要考虑到抑制性能的下降和饱和，尽量选用磁导率低的材料。 磁导率与频率的关系如图3所示。在一定的频率范围内μ′值（在某一磁场下的磁导率）保持不变，然后随频率的升高磁导率μ′有一最大值。频率再增加时，μ′迅速下降。代表材料损耗的虚部磁导率μ″值在低频时数值较小，随着频率增加，材料的损耗增加，μ″增加。用于共模电感的磁性材料，我们希望它有尽可能宽的频率特性，这样有利于提高对高频干扰噪声的抑制。但是，一般而言，磁导率与截止频率成反比，磁导率越高，截止频率越低，因此，我们在选择磁性材料时要根据需要，综合考虑磁导率和频率特性。 通过上面的分析，根据我们多年来在抑制逆变电源EMI方面的经验，一般应选择磁导率较高的Mn-Zn铁氧体和超微晶作为抑制逆变电源EMI的电感磁心。