传导性噪声除去用变压器的等效电路分析

一、引 言
由于半导体技术的发展，电气和电子装置趋于小型化、数字化;低电压、小功率工作的装置趋于增加。但是，由于伴随小型化的元器件高密度化和绝缘能力的下降，容易产生噪声，引起装置的误动作或故障。按噪声进入装置的路径可分成: （1）从噪声源通过导体进入装置的传导性噪声，（2）从噪声源发射到空间传播的辐射噪声。其中，通过电源线传播的传导性噪声的防止尤为重要。
为了除去这种通过电源线进入的传导性噪声，作者曾试制了让设置在电源部分的变压器具备噪声除去功能的传导性噪声除去用变压器，讨论了噪声衰减特性[1、2]。进而为了确立传导性噪声除去用变压器的最佳设计方法，用等效电路法计算了常模噪声衰减量的频率特性;与实测值做了比较；讨论了电路参数的变化对特性的影响[3]。
以前，设等效电路参数是不变的，做了计算。然而，由于噪声频率范围很宽，在计算噪声衰减量的频率特性时，应考虑等效电路参数的实际变化。本文中，讨论了等效电路参数的频率特性;根据考虑了频率特性的等效电路计算了噪声衰减特性。另外，还计算了接上负载时的噪声衰减频率特性。

二、试制变压器的构成
图1表示试制变压器的构成。磁芯采用厚0.35mm的定向硅钢C形切片叠合而成。为了减小噪声传播，将初级和次级线圈分别绕在磁芯的两个臂上，减小初级—次级线圈间的分布电容[4、5]。此外，还用铜箔将各线圈包裹起来，将铜箔接地做静电屏蔽。磁芯重量0.670kg，变压器重量1.015kg。表1列出试制变压器的规格; 表2列出了接上额定负载时的变压器特性，负载功率因数为1.0。



图1 磁芯尺寸和变压器示意图
三、等效电路和电路参数
3.1 传导性噪声除去用变压器的等效电容
传导性噪声的传播路径有电源线和接地线两种: 在电源线两导线间传播的噪声叫常模噪声; 在电源线和接地线间传播的噪声叫其换噪声[6]。
图2表示用了计算的常模传导噪声除去用变压器 的等效电路。该电路是考虑了在高频区有影响的分布电容，在通常采用的T型等效电路中加上线圈电容、和线圈间电容构成的。同图中，、线圈电阻，、是漏电感，是等效铁损电阻，是励磁电感。表3列出了这些电路参数值。除分布电容外的电路参数都是在50Hz下用等效电路实验求得的; 分布电容是用阻抗分析仪测得的。


图2 带有分布电容的等效电路
3.2 电路参数的频率特性
以前的等效电路分析中，没有考虑各电路参数的频率特性。但是在成为研究对象的频率范围内，电路参数预料是变化的。因此，本研究中考虑，电路参数的频率特性进行了计算。这次考虑，频率特性的电路参数有6个：、、、、和。
线圈电阻的频率特性，考虑到趋肤效应的影响，将线圈导线近似为直线形圆柱导体。考虑了趋肤效应的导体交流电阻由下式求得:
[Ω] (1)

式中，是导体直流电阻，x是导体的深度，δ是趋肤深度，ρ是电阻率，μ是磁导率。图3表示线圈电阻频率特性的计算结果。由图可知，由于趋肤效应的影响，线圈电阻从100KHz左右开始增大，随频率的升高，影响增大。

图3线圈电阻的频率特性
图4表示用阻抗分析仪测得的分布电容的频率特性。和是线圈和静电屏蔽间的杂散电容; 是初级-次级线圈间的杂散电容。由图可知，分布电容与频率无关，在整个频带内取大致相同的值。因此，在本分析中假设这三个元件与频率无关，为一定值，取图中虚线所示的值。

图4杂散电容的频率特性
图5是是的实测值。图中虚线将所得频率特性分为四个区域，分别用直线近似。是在将次级线圈从磁芯上除去的状态下用阻抗分析仪实测，又以等效电路进行电路参数的分解计算的值。由图可知，随频率升高而下降，约在50KHz给出最小值，在50KHz以上的高频区大致为一定值。其原因可认为是磁芯磁导率下降，通过磁芯中的磁通减少。为了将的频率特性组合进电路分析，采用图5中的直线近似特性。

图5励磁电感的频率特性
上述的变化是磁芯中的铁损和涡流损耗引起的，这也意味着的变化。但在本文分析中，假设不随交链的磁通的分布变化。
3.3 用等效电路分析噪声衰减
在本分析中设噪声衰减量为电压传输量进行计算，即噪声衰减量由下式给出:
(2)
在计算时将等效电路看作是一个四端网络，用四端网络参数进行计算。如果将四端网络行列式用于图2这个等效电路，输入输出电压、电流的关系由下式给出:
(3)
由(3)式得到: 次级开路时， [V];次级接上负载Z时，[V]， 噪声衰减量分别为:
α=-20lg|A| [dB] [4a]
α=-20lg|A+B/Z| [dB] (4b)
用于计算的图2的四端网络参数如下式:

由上列公式计算无负载时和额定负载（Z=200Ω，负载功率因数1.0）时的噪声衰减特性。图6表示常模噪声衰减特性的实测值和由 (4a)、(4b)式的计算值。不管有无负载。在10KHz以下的低频段，噪声衰减量的实测值的计算值相一致。无负载时的衰减特性实测值和计算值的截止频率大致相等。在截止频率以下的低频段，衰减量相同，均为0 dB。在截止频率以上的频段，衰减量增大，在1MHz左右的频段内实测值和计算值均为约为 -26dB。无负载时的截止频率附近，衰减量有最小值，噪声被放大，变得容易传播。然而，在该图中有负载的情况下，衰减量从100Hz左右开始增大，未见噪声被放大的频段，在实际的变压器中是按有负载的，因此可以认为噪声容易传播的频段变得无负载时的窄。在一般的低通滤波器的情况下，截止频率附近的特性由滤波器的Q值决定。如果仍没在本变压器中这一事实也成立，那么，通过改变等效电路中的、、参数来增大Q值，就可能消除噪声衰减量为正值的频段。
比较一下无负载和加额定负载时的实测值，在加额定负载时，在100Hz~1MHz左右的频段内衰减量比无负载时的大。计算值也有同样的倾向;有负载和无负载时的噪声衰减量计算值都在约100KHz左右取最大值，而且大大超过实测值。其原因之一是在本计算中一部分电路参数是在50Hz下测得的一定值，没有考虑所有电路参数的频率特性。在约3MHz以上的高频段，无论有无负载，也无论实测值还是计算值，都未见衰减特性有差异: 在实测值中有负载和无负载时都存在多个共振点; 而计算值中则呈现一定的衰减值。这一差异的原因可认为是用于计算的等效电路是集中参数电路；而变压器在高频段的特征是分布参数电路。因此，实测值和计算值不一致。在3MHz以上的高频段存在多个共振点，噪声衰减量变动较大，对噪声的传播有较大影响。但由于衰减量为负值，因此可认为噪声的传播受到阻碍。另外，在高频段可认为使噪声容易传播。因此，减小能使共振峰的衰减量相对变大。
由上述内容可认为，用本分析方法，在高频段共振区以下的频段（f≤1MHz），可掌握无负载的和有负载时的特性变化。

四、负载对噪声衰减量的影响
通常，传导性噪声除去用变压器是接上负载使用的。如图6所示，噪声特性随负载变化，因此，必须掌握对于各种负载衰减特性的变化情况。但是，因用途不同，负载也各不相同，难以特别指定一种负载。因此，为了将由负载引起的传导性噪声除去功能的变化定量化，进行了负载变化时的衰减特性分析。

图6 变压器的频率特性
图7 表示设负载功率因数为1.0，改变负载大小时的噪声衰减频率特性。为将负载的影响定量化，在额定负载以下的负载电阻值也做了分析。由图可知，截止频率与负载大小成比例变化; 噪声衰减量在整个频段内与负载大小成反比例减小（原文为增减——译注）; 噪声衰减量在截止频率附近有最大值; 当负载电阻增大到约10kΩ以上时，衰减特性与无负载时的几乎没有差别。

图7 不同的负载电阻下计算的a频率特性（负载功率因数1.0）
图8表示将负载电阻设定为额定负载（Z=200Ω），负载的相位角（负载功率因数）改变时的衰减特性。设负载为电感性负载时，噪声衰减特性在高频段减小。另一方面，设负载为电容性负载时，在400Hz附近出现声衰减量的最小值。但在负载相位角为±60°范围内，衰减特性几乎没有变化。

图8 不同负载功率因数下计算的a频率特性（负载电阻Z=200Ω）
五、结 语
用考虑了频率特性的等效电路计算了传导性噪声除去用变压器的衰减特性，分析了负载的影响。结果，在1MHz以下的频段内可用本文提出的方法计算噪声衰减量; 负载阻抗对噪声衰减特性的影响则是负载大小变化所产生的影响比负载功率因数变化产生的影响大。


文 献
1）一丿仓 理，佐々木 茂，秦泉寺 敏正：电気学会マグネテイツク研究会，多贺城，1992，MAG-92-195（电気学会，东京，1992）。
2）家名田 敏昭，松田 隆司，渡边 忠昭，一丿仓 理，秦泉寺 敏正:日本応用磁気学会志，18，pp.585-590（1994）。
3）箕轮 信太郎，家名田 敏昭，一丿仓 理，菊地 新喜:日本応用磁気学会志，22，pp.737-740（1998）
4）家名田 敏昭，松田 隆司，一丿仓 理，秦泉寺 敏正:平成6年电気学会全国大会，东京，1993，1804（电気学会，东京，1993）
5）T.Yanada，T.Matsuda，O.Ichin-okutra and T.Jinzenji:IEEE Trans.Magn.，30，p.4860(1994)
6）伊藤 健一:SCIENCE AND TECHNOLOGY 丿亻ズと电源のはなし，p，76（日刊工业新闻社，东京，1996)
译 自: 日本应用磁学会志，1999，23（4-2）：1485-1488。