陳開(kāi)寶 陳 為
(福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,福州 350108)
環(huán)形共模電感近磁場(chǎng)泄漏分析
陳開(kāi)寶 陳 為
(福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,福州 350108)
為了解決功率變換器引起的EMI問(wèn)題,普遍的做法是使用濾波器。環(huán)形共模電感作為EMI濾波器中重要的器件,既是容易受外界磁場(chǎng)干擾的敏感設(shè)備,也是一個(gè)主要的磁場(chǎng)泄漏源。本文以環(huán)形共模電感為研究對(duì)象,借助有限元分析軟件Ansoft Maxwell分析了環(huán)形電感近磁場(chǎng)泄漏的場(chǎng)分布形式及變化規(guī)律,并分析了兩種繞組方式、磁心材料磁導(dǎo)率、繞組張角、磁性外徑等因素對(duì)共模電感近磁場(chǎng)泄漏的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可用于指導(dǎo)共模電感設(shè)計(jì)以及電路布局。
共模電感;近磁場(chǎng);磁泄漏
功率變換器效率高、體積小、電能處理方便,因此得到廣泛的運(yùn)用。但是鑒于開(kāi)關(guān)器件的高頻通斷,使功率變換器存在較大的電磁干擾[1]。電磁兼容是功率變換器一項(xiàng)重要的指標(biāo),任何商品化的功率變換器都要通過(guò)電磁干擾標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。EMI濾波器作為抑制電磁干擾的有效措施,共模電感是EMI濾波器中重要的器件,它能有效減少?gòu)墓β首儞Q器進(jìn)入電網(wǎng)的共模干擾信號(hào)。
共模電感雖然是用來(lái)抑制共模干擾信號(hào),但是繞組通過(guò)的電流主要是功率電流,由共模電流引起的近磁場(chǎng)泄漏很小,共模電感的近磁場(chǎng)泄漏主要是由功率電流引起的。在高功率密度運(yùn)用場(chǎng)合,EMI濾波器與主電路之間的距離、EMI濾波器內(nèi)部器件之間的距離都比較小,共模電感近磁場(chǎng)泄漏與其他器件耦合,EMI濾波器的高頻衰減特性變差,因此濾波器往往處于過(guò)設(shè)計(jì)[2]。已有研究表明,在濾波器電路結(jié)構(gòu)和器件完全相同的情況下,僅僅調(diào)整濾波器內(nèi)部器件的布局,濾波性能就出現(xiàn)很大的差異,這說(shuō)明磁性元件的泄漏磁場(chǎng)耦合已經(jīng)嚴(yán)重影響到電路的性能。
共模電感近場(chǎng)磁泄漏與磁心形狀、繞組結(jié)構(gòu)、繞組激勵(lì)、周圍環(huán)境等因素相關(guān),泄漏磁場(chǎng)空間分布形式復(fù)雜,一般難以通過(guò)基本電磁場(chǎng)公式獲得理論解,因此研究共模電感近磁場(chǎng)泄漏的文獻(xiàn)資料相對(duì)較少。通常構(gòu)建共模電感高頻模型時(shí)都是借助阻抗分析儀等提取單個(gè)共模電感的寄生參數(shù),并沒(méi)有考慮共模電感與其他器件之間的磁場(chǎng)耦合。如果能很好的控制或者知道共模電感磁場(chǎng)泄漏的形式和規(guī)律,就可以實(shí)現(xiàn)零耦合,提高濾波器的性能[3]。
本文借助有限元仿真軟件Ansoft Maxwell,分析環(huán)形共模電感的近磁場(chǎng)泄漏的場(chǎng)分布形式和規(guī)律,并分析了繞組繞方式、繞組張角、磁心材料磁導(dǎo)率等因素對(duì)共模電感近磁場(chǎng)泄漏的影響。
功率變換器中的共模干擾信號(hào)在L線、N線和地線構(gòu)成回路,為了抑制該干擾信號(hào),需要在共模信號(hào)回路上串聯(lián)大阻抗的共模電感。共模電感磁心材料的磁導(dǎo)率高、繞組匝數(shù)多,兩個(gè)繞組以相同繞向繞組繞制在一個(gè)磁心上。共模干擾信號(hào)產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互疊加,較小的共模干擾電流就能產(chǎn)生較大的共模磁通。但是兩個(gè)繞組上功率電流產(chǎn)生的磁通方向相反,磁心不易飽和,共模電感比較常見(jiàn)的繞組繞制方式有兩種。圖1(a)所示的繞組繞制方式一,是兩個(gè)繞組分開(kāi)繞制在磁心左右兩側(cè),為了在共模電感集成差模分量,繞組的張角(圖 1中的α)并非180°,并且繞組張角可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。圖1(b)所示的繞組繞制方式二,是兩個(gè)繞組并繞,均勻繞制在磁心上。
圖1 共模電感兩種繞組方式
共模電感近場(chǎng)磁泄漏具有空間三維特征,如果完整表達(dá)共模電感的近場(chǎng)磁泄漏就需進(jìn)行三維仿真。三維仿真不僅對(duì)計(jì)算機(jī)硬件資源要求高,而且難以定量和定性分析近磁場(chǎng)泄漏。以共模電感一匝繞組產(chǎn)生的近場(chǎng)磁泄漏為例,如圖2所示。繞組產(chǎn)生的泄漏磁場(chǎng)可以分為圓周面和上下面磁場(chǎng)泄漏兩部分。上下面產(chǎn)生的近磁場(chǎng)泄漏無(wú)法用簡(jiǎn)單的二維仿真表示,圓周面產(chǎn)生的磁場(chǎng)泄漏與磁心高度無(wú)關(guān),因此可以用簡(jiǎn)單的二維仿真實(shí)現(xiàn),本文僅研究共模電感圓周面產(chǎn)生的近場(chǎng)磁泄漏。
1.1 繞組方式一近磁場(chǎng)泄漏分析
借助有限元仿真軟件Anosft Maxwell構(gòu)建繞組方式一共模電感二維模型如圖3所示。磁心內(nèi)徑ID= 15mm、外徑OD=25mm、磁心相對(duì)磁導(dǎo)率10000,磁心高度采用軟件默認(rèn)值為 1m。左右繞組各為 19匝,線徑為0.9mm的漆包線,繞組張角α=150°,繞組電流激勵(lì)為1A(本文所指的繞組電流激勵(lì)均為共模電感1匝繞組上施加的電流激勵(lì),下文用到的繞組激勵(lì)均為1A)。
圖2 共模電感圓周面和上下面近磁場(chǎng)泄漏
圖3 共模電感繞組方式一仿真模型
圖4 繞組方式一近磁場(chǎng)泄漏磁力線分布
借助有限元仿真軟件Anosft Maxwell構(gòu)建繞組方式一共模電感近磁場(chǎng)泄漏的磁力線分布如圖4所示。兩個(gè)繞組在主功率電流激勵(lì)下產(chǎn)生的磁場(chǎng)在磁心中方向相反,磁力線在磁心上下端經(jīng)空氣構(gòu)成閉合回路,空氣中磁通的路徑有主要兩條(圖4中路徑A和路徑B)。路徑B在電感內(nèi)部,不影響電感對(duì)外的磁場(chǎng)泄漏,磁通路徑A從共模電感上下兩端開(kāi)始經(jīng)電感外圍空間形成回路,經(jīng)過(guò)路徑A的磁通數(shù)量多,磁通擴(kuò)散范圍廣。從電感近磁場(chǎng)泄漏的磁通密度云圖(圖 5)可知,電感的上下端泄漏磁場(chǎng)的磁通密度較大,并且在共模電感四周較大范圍內(nèi)都有較強(qiáng)的磁場(chǎng)泄漏。
圖5 繞組方式一近磁場(chǎng)泄漏磁通密度云圖
1.2 繞組方式二近磁場(chǎng)泄漏分析
構(gòu)建繞組方式二的共模電感二維仿真模型如圖6所示。磁心尺寸、繞組匝數(shù)與圖 3的模型相同,繞組從左右兩側(cè)布置變成雙股并繞。
圖6 繞組方式二仿真模型
共模電感繞組方式二的近磁場(chǎng)泄漏磁力線分布如圖7所示。由于共模電感結(jié)構(gòu)對(duì)稱并且繞組均勻分布,所以磁力線的在電感四周在電感的圓周范圍內(nèi)均勻分布,整體上呈“花朵”狀。靠近磁心區(qū)域磁力線較為密集,遠(yuǎn)離磁心較稀疏。與圖5相同計(jì)算范圍繪制繞組方式二泄漏磁場(chǎng)的磁通密度如圖 8所示。對(duì)比圖 8、圖 5可知,繞組方式二的共模電感近磁場(chǎng)泄漏不僅數(shù)值遠(yuǎn)小于繞組方式一,而且泄漏磁場(chǎng)的影響區(qū)域更小。
圖7 繞組方式二近磁場(chǎng)泄漏磁力線分布
圖8 繞組方式二近磁場(chǎng)泄漏磁通密度云圖
為了定量分析、比較共模電感兩種繞組方式磁場(chǎng)泄漏,在磁場(chǎng)泄漏較強(qiáng)的上下端從距離繞組表面1mm開(kāi)始沿磁心半徑方向向外做一條20mm的直線(圖3的Line1、圖6的Line2),計(jì)算兩條直線上的磁通密度如圖9所示。從圖可知,繞組方式一近磁場(chǎng)泄漏的磁通密度在計(jì)算范圍內(nèi)均大于方式二,而且磁通密度減小比較緩慢。
圖9 兩種繞組方式近磁場(chǎng)泄漏磁通密度對(duì)比
共模電感繞組方式二雖然近磁場(chǎng)泄漏較小,但是繞組并繞寄生參數(shù)大,高頻特性差,差模分量小,需配合差模電感使用,實(shí)際中運(yùn)用較少。下文繼續(xù)研究繞組方式一共模電感磁場(chǎng)泄漏的影響因素。
2.1 磁心磁導(dǎo)率對(duì)共模電感近磁場(chǎng)泄漏影響分析
共模電感的磁心為高磁導(dǎo)率的錳鋅或鎳鋅,不同的材料配比,磁導(dǎo)率存在一些差異,可能會(huì)影響共模電感近磁場(chǎng)泄漏。改變圖3仿真模型的磁心相對(duì)磁導(dǎo)率分別為3000、7000、10000、15000,仿真后計(jì)算圖3中Line1線上泄漏磁場(chǎng)的磁通密度如圖10所示。從圖可知,4個(gè)磁導(dǎo)率下泄漏磁場(chǎng)的磁通密度變化曲線重合。共模電感繞組的功率電流產(chǎn)生的泄漏磁通經(jīng)過(guò)空氣形成回路,空氣路徑長(zhǎng),磁阻大,共模磁心的相對(duì)磁導(dǎo)率最小也有幾千,磁心磁阻基本可以忽略,因此磁心的磁導(dǎo)率對(duì)共模電感近磁場(chǎng)的泄漏的影響并不是很明顯。
圖10 不同磁心磁導(dǎo)率泄漏磁場(chǎng)磁通密度對(duì)比
2.2 共模電感繞組張角對(duì)近磁場(chǎng)泄漏影響分析
共模電感通過(guò)調(diào)整繞組張角α,保持共模分量不變就能獲得不同的差模分量。但是調(diào)整繞組張角會(huì)導(dǎo)致共模電感泄漏磁場(chǎng)數(shù)值大小、影響范圍發(fā)生變化。以圖3的模型為例,保持繞組匝數(shù)不變,改變繞組的張角分別為 80°、90°、120°、150°,4種結(jié)構(gòu)如圖11所示,在磁心厚度為1m條件下得到差模電感見(jiàn)表 1,繞組張角越小差模分量越大。同1.2節(jié)的處理方法,計(jì)算磁心表面1mm開(kāi)始沿半徑朝外 20mm直線上泄漏磁場(chǎng)的磁通密度如圖 12所示。從圖可知,繞組張角越大,靠近電感兩端泄漏磁場(chǎng)越大,隨著距離的增加,不同張角下近磁場(chǎng)泄漏情況基本一致。從4種繞組張角共模電感的近磁場(chǎng)泄漏的磁通密度云圖(圖13)可知,繞組張角越小,近磁場(chǎng)泄漏影響的范圍越大。
圖11 不同繞組張角的共模電感
表1 共模電感不同繞組張角的差模分量
圖12 不同繞組張角泄漏磁場(chǎng)對(duì)比
圖13 不同繞組張角泄漏磁場(chǎng)磁通密度云圖
2.3 磁心外徑對(duì)共模電感近磁場(chǎng)泄漏的影響分析
共模電感泄漏磁場(chǎng)通過(guò)空氣形成回路,磁心外徑OD不同泄漏磁場(chǎng)磁通路徑長(zhǎng)度不同,泄漏磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生變化。在磁心內(nèi)徑、繞組匝數(shù)、繞組張角相同(ID=15mm,繞組19匝,α=150°)的條件下改變外徑分別為OD=20mm、OD=25mm、OD=30mm、OD=35mm,4種電感結(jié)構(gòu)如圖14所示。仿真后計(jì)算電感上端從距離磁心表面 1mm開(kāi)始沿磁心半徑朝外 20mm直線上的泄漏磁場(chǎng)的磁通密度如圖 15所示。
圖14 四中不同外徑的共模電感
圖15 不同磁心外徑泄漏磁場(chǎng)對(duì)比
從圖15可知,在靠近共模電感區(qū)域,磁心外徑越小,空氣磁通路徑較短,磁阻較小,產(chǎn)生的泄漏磁場(chǎng)的磁通密度越大。距離電感一定距離后,氣隙磁通路徑已經(jīng)較長(zhǎng),磁心外徑不同對(duì)磁路磁阻的影響很小,4種情況的泄漏磁場(chǎng)基本相同。
2.4 磁心中插入鐵氧體對(duì)共模電感近磁場(chǎng)泄漏的影響分析
調(diào)整共模電感的差模分量除了調(diào)整繞組張角,還可以在磁心中插入鐵氧體等軟磁材料,降低差模磁通路徑的磁阻。保持與圖3相同的磁心、繞組結(jié)構(gòu),在磁心中插入厚度 2mm的鐵氧體薄片如圖 16所示,通過(guò)仿真計(jì)算添加鐵氧體前后兩種電感上端距離磁心表面1mm開(kāi)始沿半徑往外20mm直線上泄漏磁場(chǎng)的磁通密度,如圖17所示。從圖可知,添加鐵氧體后泄漏磁場(chǎng)沒(méi)有發(fā)生明顯的改變,在磁心厚度為1m時(shí)差模電感顯著提高,從604μH變成2202μH。
圖16 添加鐵氧體的共模電感模型
圖17 添加鐵氧體后磁場(chǎng)泄漏的磁通密度
本文借助有限元仿真軟件研究環(huán)形共模電感的近磁場(chǎng)泄漏,雖然不同的仿真模型得到的近磁場(chǎng)泄漏數(shù)值與本文存在差異,但是研究得到的結(jié)論和規(guī)律是相同的,具體包括如下。
1)共模電感兩種繞組方式的近磁場(chǎng)泄漏的空間分布和數(shù)值大小差異比較大,繞組并繞方式近磁場(chǎng)泄漏遠(yuǎn)小于繞組分開(kāi)繞制的方式,在共模電感高頻特性滿足的情況下使用繞組并繞方式,能夠減少共模電感磁場(chǎng)泄漏對(duì)其他敏感器件的影響。
2)共模磁心磁導(dǎo)率在一定范圍內(nèi)變化并不影響共模電感的近磁場(chǎng)泄漏,因此較高磁導(dǎo)率的共模磁心,減少繞組匝數(shù),降低主功率電流激磁安匝引起的磁場(chǎng)泄漏。
3)共模電感繞組張角越小,泄漏磁場(chǎng)的最大值越小,但是泄漏磁場(chǎng)影響范圍擴(kuò)大,如果共模電感的缺口位置有敏感設(shè)備,就可以通過(guò)減小共模電感的繞組張角,降低二者之間的磁場(chǎng)耦合。
4)共模電感的泄漏磁通經(jīng)過(guò)空氣形成回路,磁心外徑越小,泄漏磁場(chǎng)的最大值越大。共模電感設(shè)計(jì)選用外徑較大的磁心不僅能夠減少繞組匝數(shù),而且降低繞組損耗同時(shí)還能降低共模電感自身的近磁場(chǎng)泄漏。
5)在共模電感中插入鐵氧體薄片可以提高差模分量,并且不改變?cè)瓉?lái)近磁場(chǎng)的泄漏。使用鐵氧體薄片代替角度調(diào)整改變差模分量的方式,對(duì)共模電感近磁場(chǎng)泄漏改善具有明顯效果。
[1]陳為,何建農(nóng).電力電子高頻磁技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)[J].電工電能新技術(shù),2000,19(2):30-34.
[2]鄭寶堂.PFC 電源近場(chǎng)輻射效應(yīng)與模型的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2007.
[3]陳恒林,錢照明,Zeng Zhaohui,等.布局對(duì)EMI濾波器性能影響的研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2008,23(8):7-12,35.
[4]和軍平,陳為,姜建國(guó).功率因數(shù)校正電路雜散磁場(chǎng)對(duì)傳導(dǎo)干擾發(fā)射作用的分析研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2005,25(14):151-157.
[5]姬海寧,蘭中文,余忠,等.開(kāi)關(guān)電源變壓器磁心磁場(chǎng)與漏磁場(chǎng)的3D仿真研究[J].低壓電器,2006(10):6-7,11.
[6]Hoene E,Lissner A,Guttowski S.Prediction of EMI behaviour in terms of passive component placement[C]// Electromagnetic Compatibility,2007.EMC Zurich 2007.18th International Zurich Symposium on,2007:49-52.
[8]Wang R,Blanchette H F,Mu M,et al.Influence of High-Frequency Near-Field coupling between magnetic components on EMI filter design[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2013,28(10):4568-4579.
[9]Wang R,Boroyevich D,Blanchette H F,et al.High power density EMI filter design with consideration of self-parasitic[C]//Applied Power Electronics Conference and Exposition,2012:2285-2289.
The Analysis of Near Magnetic Field Leakage of Toroidal Common Mode Inductance
Chen Kaibao Chen Wei
(College of Electrical Engineering and Automatic,Fuzhou University,Fuzhou 350108)
In order to solve the EMI problem caused by the power converter,the common approach is to use EMI filter.Toroidal common mode inductor as an important component in EMI filter,not only susceptible to external magnetic field interference,but also a major source of magnetic field leakage.In this paper,the distribution and change rule of the near field leakage of the toroidal common mode inductor are analyzed by means of the FEA software Maxwell Ansoft.The paper also analyzed the winding strategies ,permeability of core materials,winding angle,the outer diameter of the magnetic for the influence on common mode inductance near magnetic field leakage.The experimental results can be used to guide the design of common mode inductor and circuit layout.
common mode inductance;near magnetic field;magnetic leakage
陳開(kāi)寶(1990-),男,福建三明人,碩士研究生,研究方向?yàn)殡娏﹄娮痈哳l磁技術(shù)。