EMC用电感器及软磁材料
2003-11-26 17:47:07
来源：《国际电子变压器》2003.12
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EMC用电感器及软磁材料
Inductors and Soft Magnetic Materials for EMC
近年来，电子技术，特别是电力电子技术的飞速发展，导致系统和各种元器件向高频化、数字化、高功率化、高集成化和电子线路低压化的方向发展，这进一步导致了电磁干扰（或噪声）问题的发生和一个新的领域即电磁兼容（EMC）领域的出现。目前，对电磁兼容性的较准确的定义是：对于系统、整机、部件和元件来说，“它们所具有的，既不影响周围电磁环境、又不受周围电磁环境的影响、其本身不会发生性能恶化和误动作，而能正常工作的能力”。
电磁干扰（或噪声）抑制技术通常包括以下内容：
（1）传导干扰抑制技术（共模、差模滤波，去耦，隔离技术）
（2）屏蔽技术（电屏蔽，磁屏蔽）
（3）接地技术
（4）噪声补偿技术等
本文重点介绍近年来（1）和（2）项中所使用的软磁材料进展。
对于电子变压器行业来说，在EMC领域中最关心的实用问题是：A. 近年来出现的新的磁性电感元器件及其软磁新材料。B. EMC用滤波电感器的最佳磁芯材料的选择。C. EMC用滤波电感器的设计。
众所周知 ，对于几十MHz以上射频段的干扰的滤波电感器，通常采用镍锌铁氧体等软磁材料，例如，用于抑制数字线电缆及电源线电缆的射频(传导及辐射)干扰等。本文仅介绍该频段以下的涉及传导干扰EMC领域中的问题，工业上用于该频段EMC的电感磁芯软磁材料有：薄硅钢，薄铁镍坡莫合金(Permalloy)，锰锌铁氧体，镍锌铁氧体，铁粉芯，铁硅铝粉芯（Sendust），高磁通铁镍50粉芯(HF)， 铁镍钼粉芯(MPP)等，80年代和90年代又先后出现了非晶（Amorphous）和铁基纳米晶（Nanocrystallion或超微晶）等新型软磁材料，本文重点介绍这些材料磁芯的最新发展尤其是非晶和铁基纳米晶磁芯的进展，并按“传导干扰”和“磁屏蔽”两部分加以叙述。
1.EMC传导干扰及其抑制用软磁材料
EMC传导干扰是从电源导线或信号线进行传播的，EMC传导干扰及其抑制技术包括了三方面的问题：
A.本系统对市电网络的噪音(NOIS) 干扰及其抑制
B.抵抗市电网络的噪音对本系统的干扰及其抑制
C.本系统对下游负载的干扰及其抑制
A，B.两项与通常的“电源线滤波器”有关
电源线滤波器的基本线路
电源线滤波器的作用是抑制共模和差模干扰，共模和差模干扰噪音的来源以及在线路中的流向示于图1，由图可见，抑制这些干扰应采取不同的方法，通常电源线滤波器的基本线路如图2，两级共模滤波电感L1，L2和差模电感L3同相应的共模和差模电容配合，可以达到如图3一例的噪声衰减效果。
按传导干扰噪音的种类分类，可分为以下几种抑制技术：
共模干扰及滤波（AC及DC电源线滤波）
差模干扰及滤波（AC及DC电源线滤波）
尖峰干扰及尖峰抑制器（开关电源尖峰抑制，开关器件di/dt衰减等）
低频浪涌干扰及其抑制器（APFCDENG 1）
载波平滑滤波（变换器直流输出，变频或逆变用载波平滑滤波等）
瞬态干扰（群脉冲滤波及防雷技术）
本文重点按上述干扰噪音的分类（第4项）分别叙述
1.1 共模干扰及其抑制
众所周知，在不同频率范围，其电磁干扰类型、传播机制及其抑制技术是不同的，例如，对于共模干扰来说，在1-10MHz频段，其干扰衰减特性主要与线圈匝间电容等因素有关，在大于10MHz时，其它诸多因素，如漏感、总损耗等开始显现作用，而对于0.01-1MHz频段，电感器磁芯的电感量及其频率特性则起重要作用，下面着重介绍电感器磁芯的特性。
1.1.1共模噪声及共模滤波电感器的工作原理：
图4示出了共模电感器磁芯的工作原理，为了避免电源线间的低频(50Hz) 差模大电流对磁芯的饱和，两组线圈反绕， 使差模电流产生的磁场相互抵消(如左图)，与此同时，磁芯对于高频共模噪音电流流向的磁场则不会抵消(如右图)，要求有高的电感量和阻抗，因此共模电感器磁芯属于高频高磁导率磁芯。
1.1.2 共模电感器对磁芯软磁材料的要求：
● 在重点噪音频段内具有高的初始磁导率μi，可保证共模电感器有高的电感量或在同样电感量时有低的匝数和分布电容，以便达到高的插入损耗。
● 高饱和磁感BS，抵抗高幅值的干扰尖峰不饱和。
● 更宽的μi频率特性。
● 好的温度特性( - 40-+120℃)。
● 实际应用中，要求能在非平衡电流（如漏电或三相负载不均衡等）引起的偏磁情况下，磁芯仍保持高磁导率不饱和。
1.1.3 应用软磁材料（表1）
工业上，共模磁芯通常使用软磁铁氧体环，尽管近年又出现了μ20000-30000的铁氧体新材料，考虑到工作温度，频率特性等综合因素，其主流仍使用μ7000-10000的铁氧体环，但是，近年来铁基纳米晶磁环开始展现其竞争力，一方面，纳米晶磁环μ80000以上的磁导率，-50至130℃的连续工作温度范围和良好的0-1MHz的频率特性使其共模滤波的综合特性大大提高，另一方面，价格也在逐渐降低，到目前为止，在中、大型磁环领域，其性价比已高出高μ铁氧体环，尤其是在一些应用中， 例如，在三相、大功率以及电流不平衡(漏电等)场合， 具有线性磁导率(经特殊工艺处理)的纳米晶磁环就有明显的性能优势，其磁滞回线如图5 各种材料磁芯的性能数据列于表1。
由表1可见，铁基纳米晶WUL型磁芯有以下特点：
（1） 高初始磁导率μi-利于小型化，减少匝数和分布电容，有更好的共模噪声衰减性能。
（2） 高Bs--高抗饱和特性，良好的抗高幅值浪涌和尖峰干扰性能。
（3） 高居里点Tc--连续工作温度可达140℃（铁氧体只有70-80℃）。
（4） 电感温度系数小-- -40℃至120℃范围内，电感变化率小于10%（铁氧体达30%）。
（5） 抗偏磁特性--可耐0.2 Oe 的偏磁场。
（6） WUL磁芯的频率特性如图6---在1MHz以下的频段内，其磁导率均大于μ7000的铁氧体。
通常，用插入损耗来表征电源滤波器的滤波效果，在共模电容和差模元件相同的条件下我们对7K铁氧体和纳米晶WUL磁芯的插入损耗进行了比较，如图7所示，图例表明，在相同工作条件下，选择了较小尺寸的WUL磁芯，在相同铜线匝数时， WUL磁芯的电感量高出6倍，插入损耗在全频段(0.01-100MHz)均高于铁氧体，特别是在低频和较高频段内高出很多。
1.1.4 共模滤波电感器的设计
（1） 导线规格：根据电源滤波器的额定电流，选择合适的电流密度，确定铜线的截面直径规格。
（2） 电感量L的确定：
A） 根据装置的实测传导噪音（传入或发射）值与要求的级别标准值之差，计算出滤波器所需的插入损耗值(通常留出20dB的余量)，然后换算成所需阻抗值，再计算所需电感量。一般来说，由于实际装置的阻抗与标准的两端阻抗(50Ω)差别很大以及寄生电感，电容的影响，计算误差较大。
B） 经验估算：例如，对于开关电源的电源滤波器，其共模电感的经验L值大体如表2。
C） 材料选择：根据电感量L，重点频段范围，对小型化尺寸的要求以及负载的漏电和三相电流不平衡情况，进行磁芯材料的选择。
D） 根据各共模电感生产厂家产品目录中的各种尺寸(环形)磁芯的每匝电感量AL值数据，计算出最少匝数：N min =
E） 根据各厂家产品目录中的各种磁芯的外形的内径尺寸，选择合适的磁芯尺寸规格，使得在4/10的内圆上能够单层绕出N匝合适直径的铜线。
1.1.5 纳米晶磁环与高μ铁氧体磁环的AL值比较如表3。
1.1.6 共模滤波磁芯的应用
共模滤波磁芯的应用领域非常广泛，鉴于电磁兼容规制的强制实行， 共模滤波单元目前已相当普遍，它的主要应用在如下几个方面：
● 开关电源、变换器等AC电源滤波器
● DC电源及信号线共模滤波器，如视频远端传输，安全监控等
● 电力驱动用变频调速，如马达驱动及变频空调等
● UPS
1.2 差模干扰及其抑制
1.2.1差模噪声及差模滤波电感器的工作原理
数字电路、开关电源、电力电子开关产生的方波谐波和尖峰干扰以及电机负载等对电力网的干扰，通常属于差模噪声干扰，差模干扰的抑制方法通常采用差模滤波电感器和差模电容器组成的低通滤波器。
差模滤波电感器的工作原理：当滤波电感线圈上流过电源线的低频峰值电流或DC电流时磁芯不饱和，同时保持足够的增量磁导率和电感量，以保证具有对高频干扰噪声的感抗和阻断作用。
1.2.2 差模电感器对软磁材料的要求
对差模电感器磁芯的基本要求是在所需要的干扰频段内，在额定电流不饱和的前提下，具有尽可能高的电感量，因此对磁芯材料应有以下特性要求：
（1） 恒导磁特性：在额定低频峰值偏流(或直流)安匝数的条件下不饱和，同时具有高的线性增量磁导率和电感量，即良好的交直流叠加特性。
（2） 高的饱和磁感Bs。
（3） 良好的频率特性。
（4） 良好的温度稳定性。
1.2.3 应用软磁材料
常用差模电感器的磁芯材料可分为两类(按高频特性由优→差的顺序排列)
（1） 带气隙的磁芯材料：铁氧体，非晶合金（FG型），坡莫合金（薄）及薄硅钢等。
（2） 不带气隙的磁芯材料：铁镍钼粉芯(MPP)，恒导磁非晶合金(FJ型，HD型)，铁硅铝粉芯(SENDUST)，高磁通粉芯(HF)，铁粉芯及坡莫恒导磁合金(1J-h型)等。如表4。
表中的非晶电感磁芯是近十来年国际上新出现的一种电感磁芯，他们的特性及应用将在下面分别叙述，目前美国、日本、韩国等许多公司都开发了相应的牌号，例如，Honeywell公司的MICROLITE(100μ、XP和C-CORE系列)，TDK公司的NC和AP系列等，它们都是由铁基非晶制成，大体可分为三种类型：即中小储能的无气隙环形磁芯、较大储能的带气隙环形磁芯和带气隙的C型磁芯。
非晶电感(FG，FCG和FJ)磁芯的一个突出优点是：在保持优良高频特性的同时，还可以通过控制成分和工艺的方法，可连续获得很多种由高到低的线性磁导率以及对应由窄到宽的DC叠加磁场范围的磁芯，与此同时，其价格逐渐下降，这对于滤波电感器设计者来说，增加了许多磁芯种类的选择。
1.2.4 带气隙非晶电感FG型磁芯
FG型带气隙非晶电感磁芯具有如下特点：
● 高饱和磁感Bs(约1.5T)
● 高的线性磁导率(μ100-400)
● 非常好的交直流叠加特性(5-120 A/cm)
● 可通过改变气隙大小灵活调整AL值和工作安匝数
● 很小的矫顽力Hc和磁滞损耗
● 在气隙处有漏磁，
图8为FG50非晶磁芯的磁滞回线，可见FG型非晶磁芯具有良好的线性磁导率和低的矫顽力(约0.1 Oe)以及优良的直流叠加特性，其工作DC偏磁场约为40A/cm。
FG型带气隙非晶电感磁芯通常分为两种类型：
（1） 环型FG非晶电感磁芯系列
FG50非晶电感磁芯： 最大DC叠加磁场Ho为40 A/cm
FG100非晶电感磁芯：最大DC叠加磁场Ho为80 A/cm——主要用于中等电流，中功率的差模，平滑滤波，PFC电感器。
（2） CD-型FCG型非晶电感磁芯系列
如FCG型非晶电感磁芯尺寸参数示于表5，其外形类似于硅钢C形磁芯，值得指出，0.08mm硅钢磁芯最高工作频率fmax约为1-2KHz，而FCG磁芯的fmax可达300KHz，它们主要用于大电流（大于30A）大功率的差模，平滑滤波，PFC，谐振电感器。
FCG型非晶电感磁芯在大电流应用场合，其性价比可以与铁粉芯相比美，表6示出了两者磁芯的应用对比数据，同时，表7列出了两个FCG牌号磁芯的设计参考数据。可见FCG-128的最大饱和安匝数可达5600AT。
1.2.5 新型无气隙FJ型非晶电感磁芯
无气隙非晶电感磁芯系列是近来年出现的一种新型电感材料磁芯，由于消除了切口引起的漏磁干扰、具有优良的交直流叠加和频率特性以及低的铁芯损耗，同时，其磁导率可控制变化在很宽的范围内（μ由120至1200），适合于各种需要低剩磁或交直流叠加场合的电感器件应用：如EMC领域的汽车音响抗干扰，功率因数校正PFC，差模滤波器及平滑输出滤波器等，其性价比优于进口铁镍钼和铁硅铝磁粉芯甚至进口铁粉芯，该系列包括以下四种牌号系列：
（1） FJ10型无气隙非晶磁芯：μ=2500-600
（2） FJ25型无气隙非晶磁芯：μ～350
（3） FJ37型无气隙非晶磁芯：μ～270
（4） CFJ超小型无气隙非晶电感磁芯：
其中FJ10，25，37牌号无气隙非晶磁芯的磁滞回线及叠加特性如图9和图10。
在国外无气隙非晶磁芯已经获得了广泛的工业应用，例如，类似FJ37牌号的磁芯已大量用于各种中小型差模、平滑滤波电感器，表8和表9分别列出了FJ37磁芯和绕线的尺寸电气参数，可供设计参考。
1.3 尖峰及高di/dt的抑制
在电力设备及电子开关线路中，经常发生电流尖峰、高di/dt或电压尖峰导致电路元件受到干扰，失效和烧损的情况，通常，一方面，对于强电流的瞬变前沿，为减小di/dt，常采用不易饱和的高饱和、恒导磁的高频铁心（如FJ，FG或HF粉芯等），例如：电力系统的开关引弧强电流振荡，继电器引起的群脉冲干扰，可控硅，开关管的di/dt保护等。另一方面，对于电子开关线路经常出现的尖峰干扰，通常采用高矩形比、高磁导率（μm）、高频磁芯，其尖峰抑制原理是当磁芯线圈出现反向尖峰时，具有很高的电感量阻断高次谐波和尖峰，相当于磁开关的“关断”，一旦尖峰过后，磁芯达到饱和，电感量近于零，高频损耗很小，相当于磁开关的“开通”，主要在开关电源输出端用于抑制二极管反向恢复电流引起的输出电压尖峰。
在此类磁芯的设计使用中，值得注意的是：根据磁芯所处的线路特点应采用相应不同类型的的磁芯，例如：
单极性线路：—— 应使用高Bs、低Br、高μ、高频特性好的磁芯。
双极性线路：—— 应使用高Br、Hc、高μ、高频特性好的磁芯。
表10列出了钴基非晶磁珠及尖峰抑制磁芯(CB及CKH型)及其与其它材料磁芯的特性对比。近年来，国外已经出现具有很高的矩形比Br/Bs的纳米晶磁芯，例如日立金属公司的FT-1H和VAC公司的。
由上表可知，该材料的特点是：
● 具有很小的矫顽力Hc，高的最大磁导率μm。
● 很高的矩形比Br/Bs(CKH—0.94) 可有效抑制尖峰干扰和具有很小的“死角”。
● 最低的高频损耗。
● 可实现磁芯小型化。
1.4 浪涌干扰及其抑制（PFC）
浪涌的产生及APFC用电感器
1.4.1 线性整流电源浪涌电流的产生
目前，仍有大量电子设备仪器采用50Hz线性整流电路见图11，在负载工作时，电网电流会产生波形畸变，即在正弦波峰处出现尖峰，这是由于在整流过程中，只有当网线电压升高到高于滤波电容电压时，会产生尖的浪涌电流。
如图12所示，其结果会产生很强的高次谐波，成为电磁兼容问题。
1.4.2 功率因数PF与谐波失真系数THD的公式为
其中，THD为谐波失真系数，φ为基波电压和电流的相位角。
由图可见，电流的尖峰浪涌会产生大量的谐波成分，一方面，对电网产生严重电磁污染，使电网线路及设备产生干扰甚至破坏，另一方面，谐波成分流入负载阻抗后，又会产生谐波压降，进一步影响电网的电压畸变，因此，THD和功率因数校正（PFC）已成为近年来EMC领域中热门课题。
1.4.3 PFC电感器的种类：
无源PFC(三相大功率)：用大体积的低频差模电感滤掉谐波电流。
有源PFC-APFC：通常需要各种复杂的高频升压开关控制电路（BOOST）进行功率因数校正（见图13），其中，主要的关键电子元件是滤波电感器和开关器件及其电路，由于开关频率通常为50-80kHz，因此，对APFC滤波电感的高频特性及铁心损耗要求较高。
1.4.4 APFC的基本电路及其对电感器磁芯的要求
由图可见，在滞环控制型APFC电路中，流经滤波电感的电流IL是一个幅度可变的的高频电流(50-100kHz)，但幅度变化脉动周期为50Hz，脉动波峰处高频幅度较大，因此，对电感磁芯的要求是：
● 高饱和磁感Bs，高磁导率。
● 在大电流下有良好的交直流叠加特性。
● 在100kHz左右频段有高电感和低铁心损耗。
由此可见，在该频段下，非晶磁芯有较好的性能优势，通常，FJ型无气隙非晶磁芯适用于小功率场合，在较大功率时（约0.3-3KW），使用环形FG型切口非晶磁芯较为合适，例如FG100系列磁芯，更大功率时应使用CD型FCG牌号非晶磁芯。
1.4.5 常用APFC电感磁芯材料及比较见表4(“常用差模电感的磁芯材料的磁芯特性”)，作为实例，表12示出了一个500W APFC电感的国外设计数据，使用了Honeywell公司的MICROLITE100μ材料(类同FG100磁芯)与美国Sendust-60μ磁粉芯(Kool Mμ)磁芯进行了对比：
设计条件：输出功率:500 W，输入电压：85V-264V，输出电压：380V，开关频率：70KHZ， 空载电感量：430μH，带负载电感量：300μH，峰值电流：9.24A，纹波电流：2A。
2.EMI低频磁屏蔽用软磁材料
2.1 主要使用的软磁材料
为了防止电场波和磁场波的辐射泄露，需要一种切断其传播途径的屏蔽技术，对于近场的磁场波，例如，一些接近低压、大电流的辐射源的场合，特别是对低频磁场波的屏蔽，通常是比较困难的。
实用上，通常使用普炭钢作为外壳屏蔽，但是，在一些高灵敏度系统和要求弱磁场屏蔽的场合，普炭钢，纯铁材料已不能胜任，一般采用表13列出的软磁材料，在实际应用中，除考虑本身的磁特性外，还应考虑以下几个问题：
1） 被屏蔽磁场的强弱，对弱磁场波，需采用初磁导率μ4高的材料。
2） 制成最终形状的成型性及工艺性能，例如刚度、柔性和韧性等。
3） 在成型工艺和应用中，是否受应力的情况以及所选材料的耐应力的能力。
4） 使用环境温度和材料的居里点。
5） 根据被屏蔽电磁场特点，可选择多种屏蔽材料复合。
6） 最终的磁场屏蔽效果，除以上材料因素外，另一个关键问题是屏蔽体的结构设计，例如，尽量减少空洞泄漏等。
2.2 软磁材料的产品
1）软磁薄带：在一些场合，使用成品薄带卷绕成各种形状(圆筒，电缆等)比较方便，此时由于应力导致材料磁性下降，通常以成品带卷形式供货，下表列出了两种材料带卷的规格及磁性。
2）柔性屏蔽软管(编织管及波纹镶套管)
3） 屏蔽罩：通常使用1J50和1J79板冲压和焊接成型，最终进行高温氢气退火而成，如图。
4） 屏幕屏蔽网(编丝网及刻蚀网)。
5） 磁屏蔽室结构材料。
通常使用低碳钢板及其它复合材料，为了提高磁屏蔽效果，国外许多厂家开发出了各种形式的结构材料，例如：由金属化织物，软磁非晶纤维，铜板及导电粘合剂等构成的复合材料板和砖等。■
Inductors and Soft Magnetic Materials for EMC
近年来，电子技术，特别是电力电子技术的飞速发展，导致系统和各种元器件向高频化、数字化、高功率化、高集成化和电子线路低压化的方向发展，这进一步导致了电磁干扰（或噪声）问题的发生和一个新的领域即电磁兼容（EMC）领域的出现。目前，对电磁兼容性的较准确的定义是：对于系统、整机、部件和元件来说，“它们所具有的，既不影响周围电磁环境、又不受周围电磁环境的影响、其本身不会发生性能恶化和误动作，而能正常工作的能力”。
电磁干扰（或噪声）抑制技术通常包括以下内容：
（1）传导干扰抑制技术（共模、差模滤波，去耦，隔离技术）
（2）屏蔽技术（电屏蔽，磁屏蔽）
（3）接地技术
（4）噪声补偿技术等
本文重点介绍近年来（1）和（2）项中所使用的软磁材料进展。
对于电子变压器行业来说，在EMC领域中最关心的实用问题是：A. 近年来出现的新的磁性电感元器件及其软磁新材料。B. EMC用滤波电感器的最佳磁芯材料的选择。C. EMC用滤波电感器的设计。
众所周知 ，对于几十MHz以上射频段的干扰的滤波电感器，通常采用镍锌铁氧体等软磁材料，例如，用于抑制数字线电缆及电源线电缆的射频(传导及辐射)干扰等。本文仅介绍该频段以下的涉及传导干扰EMC领域中的问题，工业上用于该频段EMC的电感磁芯软磁材料有：薄硅钢，薄铁镍坡莫合金(Permalloy)，锰锌铁氧体，镍锌铁氧体，铁粉芯，铁硅铝粉芯（Sendust），高磁通铁镍50粉芯(HF)， 铁镍钼粉芯(MPP)等，80年代和90年代又先后出现了非晶（Amorphous）和铁基纳米晶（Nanocrystallion或超微晶）等新型软磁材料，本文重点介绍这些材料磁芯的最新发展尤其是非晶和铁基纳米晶磁芯的进展，并按“传导干扰”和“磁屏蔽”两部分加以叙述。
1.EMC传导干扰及其抑制用软磁材料
EMC传导干扰是从电源导线或信号线进行传播的，EMC传导干扰及其抑制技术包括了三方面的问题：
A.本系统对市电网络的噪音(NOIS) 干扰及其抑制
B.抵抗市电网络的噪音对本系统的干扰及其抑制
C.本系统对下游负载的干扰及其抑制
A，B.两项与通常的“电源线滤波器”有关
电源线滤波器的基本线路
电源线滤波器的作用是抑制共模和差模干扰，共模和差模干扰噪音的来源以及在线路中的流向示于图1，由图可见，抑制这些干扰应采取不同的方法，通常电源线滤波器的基本线路如图2，两级共模滤波电感L1，L2和差模电感L3同相应的共模和差模电容配合，可以达到如图3一例的噪声衰减效果。
按传导干扰噪音的种类分类，可分为以下几种抑制技术：
共模干扰及滤波（AC及DC电源线滤波）
差模干扰及滤波（AC及DC电源线滤波）
尖峰干扰及尖峰抑制器（开关电源尖峰抑制，开关器件di/dt衰减等）
低频浪涌干扰及其抑制器（APFCDENG 1）
载波平滑滤波（变换器直流输出，变频或逆变用载波平滑滤波等）
瞬态干扰（群脉冲滤波及防雷技术）
本文重点按上述干扰噪音的分类（第4项）分别叙述
1.1 共模干扰及其抑制
众所周知，在不同频率范围，其电磁干扰类型、传播机制及其抑制技术是不同的，例如，对于共模干扰来说，在1-10MHz频段，其干扰衰减特性主要与线圈匝间电容等因素有关，在大于10MHz时，其它诸多因素，如漏感、总损耗等开始显现作用，而对于0.01-1MHz频段，电感器磁芯的电感量及其频率特性则起重要作用，下面着重介绍电感器磁芯的特性。
1.1.1共模噪声及共模滤波电感器的工作原理：
图4示出了共模电感器磁芯的工作原理，为了避免电源线间的低频(50Hz) 差模大电流对磁芯的饱和，两组线圈反绕， 使差模电流产生的磁场相互抵消(如左图)，与此同时，磁芯对于高频共模噪音电流流向的磁场则不会抵消(如右图)，要求有高的电感量和阻抗，因此共模电感器磁芯属于高频高磁导率磁芯。
1.1.2 共模电感器对磁芯软磁材料的要求：
● 在重点噪音频段内具有高的初始磁导率μi，可保证共模电感器有高的电感量或在同样电感量时有低的匝数和分布电容，以便达到高的插入损耗。
● 高饱和磁感BS，抵抗高幅值的干扰尖峰不饱和。
● 更宽的μi频率特性。
● 好的温度特性( - 40-+120℃)。
● 实际应用中，要求能在非平衡电流（如漏电或三相负载不均衡等）引起的偏磁情况下，磁芯仍保持高磁导率不饱和。
1.1.3 应用软磁材料（表1）
工业上，共模磁芯通常使用软磁铁氧体环，尽管近年又出现了μ20000-30000的铁氧体新材料，考虑到工作温度，频率特性等综合因素，其主流仍使用μ7000-10000的铁氧体环，但是，近年来铁基纳米晶磁环开始展现其竞争力，一方面，纳米晶磁环μ80000以上的磁导率，-50至130℃的连续工作温度范围和良好的0-1MHz的频率特性使其共模滤波的综合特性大大提高，另一方面，价格也在逐渐降低，到目前为止，在中、大型磁环领域，其性价比已高出高μ铁氧体环，尤其是在一些应用中， 例如，在三相、大功率以及电流不平衡(漏电等)场合， 具有线性磁导率(经特殊工艺处理)的纳米晶磁环就有明显的性能优势，其磁滞回线如图5 各种材料磁芯的性能数据列于表1。
由表1可见，铁基纳米晶WUL型磁芯有以下特点：
（1） 高初始磁导率μi-利于小型化，减少匝数和分布电容，有更好的共模噪声衰减性能。
（2） 高Bs--高抗饱和特性，良好的抗高幅值浪涌和尖峰干扰性能。
（3） 高居里点Tc--连续工作温度可达140℃（铁氧体只有70-80℃）。
（4） 电感温度系数小-- -40℃至120℃范围内，电感变化率小于10%（铁氧体达30%）。
（5） 抗偏磁特性--可耐0.2 Oe 的偏磁场。
（6） WUL磁芯的频率特性如图6---在1MHz以下的频段内，其磁导率均大于μ7000的铁氧体。
通常，用插入损耗来表征电源滤波器的滤波效果，在共模电容和差模元件相同的条件下我们对7K铁氧体和纳米晶WUL磁芯的插入损耗进行了比较，如图7所示，图例表明，在相同工作条件下，选择了较小尺寸的WUL磁芯，在相同铜线匝数时， WUL磁芯的电感量高出6倍，插入损耗在全频段(0.01-100MHz)均高于铁氧体，特别是在低频和较高频段内高出很多。
1.1.4 共模滤波电感器的设计
（1） 导线规格：根据电源滤波器的额定电流，选择合适的电流密度，确定铜线的截面直径规格。
（2） 电感量L的确定：
A） 根据装置的实测传导噪音（传入或发射）值与要求的级别标准值之差，计算出滤波器所需的插入损耗值(通常留出20dB的余量)，然后换算成所需阻抗值，再计算所需电感量。一般来说，由于实际装置的阻抗与标准的两端阻抗(50Ω)差别很大以及寄生电感，电容的影响，计算误差较大。
B） 经验估算：例如，对于开关电源的电源滤波器，其共模电感的经验L值大体如表2。
C） 材料选择：根据电感量L，重点频段范围，对小型化尺寸的要求以及负载的漏电和三相电流不平衡情况，进行磁芯材料的选择。
D） 根据各共模电感生产厂家产品目录中的各种尺寸(环形)磁芯的每匝电感量AL值数据，计算出最少匝数：N min =
E） 根据各厂家产品目录中的各种磁芯的外形的内径尺寸，选择合适的磁芯尺寸规格，使得在4/10的内圆上能够单层绕出N匝合适直径的铜线。
1.1.5 纳米晶磁环与高μ铁氧体磁环的AL值比较如表3。
1.1.6 共模滤波磁芯的应用
共模滤波磁芯的应用领域非常广泛，鉴于电磁兼容规制的强制实行， 共模滤波单元目前已相当普遍，它的主要应用在如下几个方面：
● 开关电源、变换器等AC电源滤波器
● DC电源及信号线共模滤波器，如视频远端传输，安全监控等
● 电力驱动用变频调速，如马达驱动及变频空调等
● UPS
1.2 差模干扰及其抑制
1.2.1差模噪声及差模滤波电感器的工作原理
数字电路、开关电源、电力电子开关产生的方波谐波和尖峰干扰以及电机负载等对电力网的干扰，通常属于差模噪声干扰，差模干扰的抑制方法通常采用差模滤波电感器和差模电容器组成的低通滤波器。
差模滤波电感器的工作原理：当滤波电感线圈上流过电源线的低频峰值电流或DC电流时磁芯不饱和，同时保持足够的增量磁导率和电感量，以保证具有对高频干扰噪声的感抗和阻断作用。
1.2.2 差模电感器对软磁材料的要求
对差模电感器磁芯的基本要求是在所需要的干扰频段内，在额定电流不饱和的前提下，具有尽可能高的电感量，因此对磁芯材料应有以下特性要求：
（1） 恒导磁特性：在额定低频峰值偏流(或直流)安匝数的条件下不饱和，同时具有高的线性增量磁导率和电感量，即良好的交直流叠加特性。
（2） 高的饱和磁感Bs。
（3） 良好的频率特性。
（4） 良好的温度稳定性。
1.2.3 应用软磁材料
常用差模电感器的磁芯材料可分为两类(按高频特性由优→差的顺序排列)
（1） 带气隙的磁芯材料：铁氧体，非晶合金（FG型），坡莫合金（薄）及薄硅钢等。
（2） 不带气隙的磁芯材料：铁镍钼粉芯(MPP)，恒导磁非晶合金(FJ型，HD型)，铁硅铝粉芯(SENDUST)，高磁通粉芯(HF)，铁粉芯及坡莫恒导磁合金(1J-h型)等。如表4。
表中的非晶电感磁芯是近十来年国际上新出现的一种电感磁芯，他们的特性及应用将在下面分别叙述，目前美国、日本、韩国等许多公司都开发了相应的牌号，例如，Honeywell公司的MICROLITE(100μ、XP和C-CORE系列)，TDK公司的NC和AP系列等，它们都是由铁基非晶制成，大体可分为三种类型：即中小储能的无气隙环形磁芯、较大储能的带气隙环形磁芯和带气隙的C型磁芯。
非晶电感(FG，FCG和FJ)磁芯的一个突出优点是：在保持优良高频特性的同时，还可以通过控制成分和工艺的方法，可连续获得很多种由高到低的线性磁导率以及对应由窄到宽的DC叠加磁场范围的磁芯，与此同时，其价格逐渐下降，这对于滤波电感器设计者来说，增加了许多磁芯种类的选择。
1.2.4 带气隙非晶电感FG型磁芯
FG型带气隙非晶电感磁芯具有如下特点：
● 高饱和磁感Bs(约1.5T)
● 高的线性磁导率(μ100-400)
● 非常好的交直流叠加特性(5-120 A/cm)
● 可通过改变气隙大小灵活调整AL值和工作安匝数
● 很小的矫顽力Hc和磁滞损耗
● 在气隙处有漏磁，
图8为FG50非晶磁芯的磁滞回线，可见FG型非晶磁芯具有良好的线性磁导率和低的矫顽力(约0.1 Oe)以及优良的直流叠加特性，其工作DC偏磁场约为40A/cm。
FG型带气隙非晶电感磁芯通常分为两种类型：
（1） 环型FG非晶电感磁芯系列
FG50非晶电感磁芯： 最大DC叠加磁场Ho为40 A/cm
FG100非晶电感磁芯：最大DC叠加磁场Ho为80 A/cm——主要用于中等电流，中功率的差模，平滑滤波，PFC电感器。
（2） CD-型FCG型非晶电感磁芯系列
如FCG型非晶电感磁芯尺寸参数示于表5，其外形类似于硅钢C形磁芯，值得指出，0.08mm硅钢磁芯最高工作频率fmax约为1-2KHz，而FCG磁芯的fmax可达300KHz，它们主要用于大电流（大于30A）大功率的差模，平滑滤波，PFC，谐振电感器。
FCG型非晶电感磁芯在大电流应用场合，其性价比可以与铁粉芯相比美，表6示出了两者磁芯的应用对比数据，同时，表7列出了两个FCG牌号磁芯的设计参考数据。可见FCG-128的最大饱和安匝数可达5600AT。
1.2.5 新型无气隙FJ型非晶电感磁芯
无气隙非晶电感磁芯系列是近来年出现的一种新型电感材料磁芯，由于消除了切口引起的漏磁干扰、具有优良的交直流叠加和频率特性以及低的铁芯损耗，同时，其磁导率可控制变化在很宽的范围内（μ由120至1200），适合于各种需要低剩磁或交直流叠加场合的电感器件应用：如EMC领域的汽车音响抗干扰，功率因数校正PFC，差模滤波器及平滑输出滤波器等，其性价比优于进口铁镍钼和铁硅铝磁粉芯甚至进口铁粉芯，该系列包括以下四种牌号系列：
（1） FJ10型无气隙非晶磁芯：μ=2500-600
（2） FJ25型无气隙非晶磁芯：μ～350
（3） FJ37型无气隙非晶磁芯：μ～270
（4） CFJ超小型无气隙非晶电感磁芯：
其中FJ10，25，37牌号无气隙非晶磁芯的磁滞回线及叠加特性如图9和图10。
在国外无气隙非晶磁芯已经获得了广泛的工业应用，例如，类似FJ37牌号的磁芯已大量用于各种中小型差模、平滑滤波电感器，表8和表9分别列出了FJ37磁芯和绕线的尺寸电气参数，可供设计参考。
1.3 尖峰及高di/dt的抑制
在电力设备及电子开关线路中，经常发生电流尖峰、高di/dt或电压尖峰导致电路元件受到干扰，失效和烧损的情况，通常，一方面，对于强电流的瞬变前沿，为减小di/dt，常采用不易饱和的高饱和、恒导磁的高频铁心（如FJ，FG或HF粉芯等），例如：电力系统的开关引弧强电流振荡，继电器引起的群脉冲干扰，可控硅，开关管的di/dt保护等。另一方面，对于电子开关线路经常出现的尖峰干扰，通常采用高矩形比、高磁导率（μm）、高频磁芯，其尖峰抑制原理是当磁芯线圈出现反向尖峰时，具有很高的电感量阻断高次谐波和尖峰，相当于磁开关的“关断”，一旦尖峰过后，磁芯达到饱和，电感量近于零，高频损耗很小，相当于磁开关的“开通”，主要在开关电源输出端用于抑制二极管反向恢复电流引起的输出电压尖峰。
在此类磁芯的设计使用中，值得注意的是：根据磁芯所处的线路特点应采用相应不同类型的的磁芯，例如：
单极性线路：—— 应使用高Bs、低Br、高μ、高频特性好的磁芯。
双极性线路：—— 应使用高Br、Hc、高μ、高频特性好的磁芯。
表10列出了钴基非晶磁珠及尖峰抑制磁芯(CB及CKH型)及其与其它材料磁芯的特性对比。近年来，国外已经出现具有很高的矩形比Br/Bs的纳米晶磁芯，例如日立金属公司的FT-1H和VAC公司的。
由上表可知，该材料的特点是：
● 具有很小的矫顽力Hc，高的最大磁导率μm。
● 很高的矩形比Br/Bs(CKH—0.94) 可有效抑制尖峰干扰和具有很小的“死角”。
● 最低的高频损耗。
● 可实现磁芯小型化。
1.4 浪涌干扰及其抑制（PFC）
浪涌的产生及APFC用电感器
1.4.1 线性整流电源浪涌电流的产生
目前，仍有大量电子设备仪器采用50Hz线性整流电路见图11，在负载工作时，电网电流会产生波形畸变，即在正弦波峰处出现尖峰，这是由于在整流过程中，只有当网线电压升高到高于滤波电容电压时，会产生尖的浪涌电流。
如图12所示，其结果会产生很强的高次谐波，成为电磁兼容问题。
1.4.2 功率因数PF与谐波失真系数THD的公式为
其中，THD为谐波失真系数，φ为基波电压和电流的相位角。
由图可见，电流的尖峰浪涌会产生大量的谐波成分，一方面，对电网产生严重电磁污染，使电网线路及设备产生干扰甚至破坏，另一方面，谐波成分流入负载阻抗后，又会产生谐波压降，进一步影响电网的电压畸变，因此，THD和功率因数校正（PFC）已成为近年来EMC领域中热门课题。
1.4.3 PFC电感器的种类：
无源PFC(三相大功率)：用大体积的低频差模电感滤掉谐波电流。
有源PFC-APFC：通常需要各种复杂的高频升压开关控制电路（BOOST）进行功率因数校正（见图13），其中，主要的关键电子元件是滤波电感器和开关器件及其电路，由于开关频率通常为50-80kHz，因此，对APFC滤波电感的高频特性及铁心损耗要求较高。
1.4.4 APFC的基本电路及其对电感器磁芯的要求
由图可见，在滞环控制型APFC电路中，流经滤波电感的电流IL是一个幅度可变的的高频电流(50-100kHz)，但幅度变化脉动周期为50Hz，脉动波峰处高频幅度较大，因此，对电感磁芯的要求是：
● 高饱和磁感Bs，高磁导率。
● 在大电流下有良好的交直流叠加特性。
● 在100kHz左右频段有高电感和低铁心损耗。
由此可见，在该频段下，非晶磁芯有较好的性能优势，通常，FJ型无气隙非晶磁芯适用于小功率场合，在较大功率时（约0.3-3KW），使用环形FG型切口非晶磁芯较为合适，例如FG100系列磁芯，更大功率时应使用CD型FCG牌号非晶磁芯。
1.4.5 常用APFC电感磁芯材料及比较见表4(“常用差模电感的磁芯材料的磁芯特性”)，作为实例，表12示出了一个500W APFC电感的国外设计数据，使用了Honeywell公司的MICROLITE100μ材料(类同FG100磁芯)与美国Sendust-60μ磁粉芯(Kool Mμ)磁芯进行了对比：
设计条件：输出功率:500 W，输入电压：85V-264V，输出电压：380V，开关频率：70KHZ， 空载电感量：430μH，带负载电感量：300μH，峰值电流：9.24A，纹波电流：2A。
2.EMI低频磁屏蔽用软磁材料
2.1 主要使用的软磁材料
为了防止电场波和磁场波的辐射泄露，需要一种切断其传播途径的屏蔽技术，对于近场的磁场波，例如，一些接近低压、大电流的辐射源的场合，特别是对低频磁场波的屏蔽，通常是比较困难的。
实用上，通常使用普炭钢作为外壳屏蔽，但是，在一些高灵敏度系统和要求弱磁场屏蔽的场合，普炭钢，纯铁材料已不能胜任，一般采用表13列出的软磁材料，在实际应用中，除考虑本身的磁特性外，还应考虑以下几个问题：
1） 被屏蔽磁场的强弱，对弱磁场波，需采用初磁导率μ4高的材料。
2） 制成最终形状的成型性及工艺性能，例如刚度、柔性和韧性等。
3） 在成型工艺和应用中，是否受应力的情况以及所选材料的耐应力的能力。
4） 使用环境温度和材料的居里点。
5） 根据被屏蔽电磁场特点，可选择多种屏蔽材料复合。
6） 最终的磁场屏蔽效果，除以上材料因素外，另一个关键问题是屏蔽体的结构设计，例如，尽量减少空洞泄漏等。
2.2 软磁材料的产品
1）软磁薄带：在一些场合，使用成品薄带卷绕成各种形状(圆筒，电缆等)比较方便，此时由于应力导致材料磁性下降，通常以成品带卷形式供货，下表列出了两种材料带卷的规格及磁性。
2）柔性屏蔽软管(编织管及波纹镶套管)
3） 屏蔽罩：通常使用1J50和1J79板冲压和焊接成型，最终进行高温氢气退火而成，如图。
4） 屏幕屏蔽网(编丝网及刻蚀网)。
5） 磁屏蔽室结构材料。
通常使用低碳钢板及其它复合材料，为了提高磁屏蔽效果，国外许多厂家开发出了各种形式的结构材料，例如：由金属化织物，软磁非晶纤维，铜板及导电粘合剂等构成的复合材料板和砖等。■
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