0 引言

    隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電氣系統(tǒng)在功能上越來越智能化、微型化的同時(shí)，各種功率開關(guān)器件的開關(guān)頻率和輸出功率也在不斷提高，這帶來的電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC）問題也日益突出。為滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及出口要求，電子設(shè)備要在復(fù)雜的干擾信號(hào)下能正?？煽康毓ぷ?；同時(shí)，對(duì)空間及同電網(wǎng)的其他電器干擾要小，以免在工作中影響其他設(shè)備的使用，這就更大程度上限制了電子設(shè)備工作時(shí)發(fā)射的電磁干擾能量。因而，針對(duì)不同的電磁干擾應(yīng)該如何正確選擇電磁干擾抑制元器件就成為大家關(guān)注的問題。

    濾波是改善電子電氣系統(tǒng)電磁兼容性能的重要手段之一，與電源電磁干擾濾波器相比，磁環(huán)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、可靠性高、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于家電領(lǐng)域的EMC整改，成為抑制電磁干擾的最簡(jiǎn)單且常用的方法之一，但由于磁環(huán)生產(chǎn)并沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，同一編碼不同廠家的磁環(huán)展示的特性參差不一，且在不同應(yīng)用環(huán)境中磁環(huán)的特性會(huì)有所變化，都將影響整改效率。本文將從理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證兩方面闡述磁環(huán)在實(shí)際工程應(yīng)用中的阻抗選型問題。

1 磁環(huán)的基本特性及其抑制電磁干擾的原理

    磁環(huán)的工作狀態(tài)一般都是導(dǎo)線單匝或多匝穿過。將磁環(huán)套在輸電線纜上，就相當(dāng)于在線路上串入了一個(gè)非線性阻抗，從物理意義上說，它改變了線路的局部高頻電路參數(shù)，使其回路阻抗增大，從而增加高頻能量的損耗，阻尼其傳播，對(duì)干擾電流起到抑制作用^[1]。

    磁環(huán)的動(dòng)態(tài)特性比較復(fù)雜，一般來說，在效果上可以采用電阻和電感串聯(lián)的方法來近似模擬高頻磁環(huán)^[2-3]。其中，電阻模擬磁環(huán)的磁滯、渦流和剩余損耗，電感模擬磁環(huán)的飽和特性，等效電路如圖1所示。磁環(huán)總的阻抗Z(f)為：

    在低頻階段，鐵氧體磁芯呈現(xiàn)出非常低的感性阻抗值，穿過磁環(huán)的低頻電流幾乎可以無衰減地通過；而在高頻段，阻抗增大，其感抗分量仍保持很小，電阻分量迅速增加，此時(shí)電阻值大于感抗，主要呈電阻性，相當(dāng)于一個(gè)品質(zhì)因數(shù)很低的電感器，所以可在較寬的頻率范圍內(nèi)保持較高的阻抗，從而提高高頻濾波性能^[4]。

    當(dāng)磁環(huán)加載到線纜上時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)衰減濾波器。在干擾源和負(fù)載很近時(shí)，磁環(huán)的插入損耗A近似為：

其中，Z_f為磁環(huán)的阻抗，Z_s為源阻抗，Z_L為負(fù)載阻抗^[5]。

    在磁環(huán)的使用過程中，有三個(gè)主要因素需要考慮，分別是磁性材料、磁環(huán)尺寸以及繞線圈數(shù)。

1.1 磁性材料的選擇

    常見的磁性材料有鐵氧體、非晶和金屬磁粉芯等。其中，金屬磁粉芯在磁環(huán)尺寸上受到較大限制^[6]，而非晶材料成本略高，因此在對(duì)成本把控相對(duì)嚴(yán)格的家電產(chǎn)業(yè)，大多使用鐵氧體作為磁芯材料。

    對(duì)電磁干擾起到抑制作用的直觀原因便是在交變磁場(chǎng)下被磁化后磁環(huán)所呈現(xiàn)出的高阻抗特性^[7]。為表述磁性材料磁化的難易程度，引入磁導(dǎo)率u，它是隨頻率而變化的重要參數(shù)。一般來說，u=u′-ju″。其中，u′代表磁化過程中儲(chǔ)能，反映的是磁環(huán)的電抗；u″則代表磁性材料在磁化過程中的損耗，反映的是磁環(huán)的電阻，決定了EMI被吸收并轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉的能力^[8]。

    磁性抑制元件一般使用錳鋅和鎳鋅兩大系列鐵氧體。錳鋅磁環(huán)的相對(duì)磁導(dǎo)率較高，低頻阻抗較大，高頻阻抗較??；鎳鋅磁環(huán)的相對(duì)磁導(dǎo)率較低，低頻阻抗較小，高頻阻抗較大^[9]。典型錳鋅和典型鎳鋅鐵氧體的磁導(dǎo)率曲線見圖2，其中實(shí)線和虛線分別代表復(fù)磁導(dǎo)率的實(shí)部和虛部。

    根據(jù)材料的特性曲線不難看出，錳鋅鐵氧體的u′較高，但代表損耗的u″從某頻點(diǎn)開始迅速下降，因而其抑制電磁干擾的頻率范圍較窄；鎳鋅鐵氧體的磁導(dǎo)率下降速度要比錳鋅材料慢一些，因而應(yīng)該頻帶更寬，且應(yīng)用頻段更高。

1.2 磁性尺寸的影響

    選擇單根線穿過磁環(huán)作為研究對(duì)象，對(duì)加載磁環(huán)后阻抗Z_l進(jìn)行分析，根據(jù)文獻(xiàn)[10]：

其中，ω為輸入電流的角頻率，L_e為導(dǎo)體的外電感，μ為材料的復(fù)磁導(dǎo)率，μ₀為真空磁導(dǎo)率，l為磁環(huán)長(zhǎng)度，K為磁環(huán)的形狀系數(shù)?？梢钥闯?，加載磁環(huán)后的阻抗不僅與磁環(huán)的材料(磁導(dǎo)率)有關(guān)，還與磁環(huán)的尺寸和形狀密不可分。

    對(duì)磁環(huán)尺寸影響程度的研究可以通過仿真來實(shí)現(xiàn)。具體來說，在ANSYS的Maxwell中搭建的磁環(huán)繞線模型，并將磁環(huán)的長(zhǎng)度H、內(nèi)徑R分別作為變量進(jìn)行參數(shù)掃描，仿真模型見圖3。其中，H掃描范圍為13~17.5 mm，R掃描范圍為7.5~12 mm，掃描步長(zhǎng)均為0.5 mm，關(guān)注阻抗Z隨著H與R變化的趨勢(shì)。

    圖4仿真結(jié)果中曲線分別代表30 MHz、20 MHz和10 MHz頻率下磁環(huán)阻抗隨著磁環(huán)長(zhǎng)度及內(nèi)徑變化。

    可以看出，磁環(huán)的阻抗隨著磁環(huán)長(zhǎng)度的加長(zhǎng)而變大，隨著內(nèi)徑的增大而變?。徊⑶?，阻抗增加的趨勢(shì)隨著頻率的增加而表現(xiàn)愈加明顯，即在更高的頻率，通過增加磁環(huán)長(zhǎng)度或減小內(nèi)徑來增加磁環(huán)阻抗的效果將更加明顯?？傊?，磁環(huán)在實(shí)際使用時(shí)，為獲得更大的阻抗，應(yīng)盡量選用磁環(huán)較長(zhǎng)、且磁環(huán)內(nèi)經(jīng)與線徑相近的尺寸。

1.3 繞線圈數(shù)的確定

    由式(1)可知：

    在式(5)中，μ₀為自由空間磁導(dǎo)率，一般取常量4π×10^-9 H/cm；N代表磁環(huán)繞線圈數(shù)；A_e是有效磁路面積；l_e是有效磁路長(zhǎng)度^[11-12]。

    所以，磁環(huán)的阻抗與繞線圈數(shù)N的平方成正比，從理論上來說，在同一個(gè)磁芯上，繞制的圈數(shù)越多，呈現(xiàn)的阻抗值越高。然而，圈數(shù)增加的同時(shí)線間寄生電容也會(huì)隨之增加，此時(shí)，若磁芯材料的電導(dǎo)率較低，整個(gè)器件的寄生電容主要由線間寄生電容引起，則其阻抗峰值會(huì)向低頻移動(dòng)，如圖5所示。更嚴(yán)重的，由于寄生效應(yīng)，圈數(shù)增加的同時(shí)甚至?xí)碜杩沟臏p小(詳見2.1節(jié)描述)。

2 磁環(huán)阻抗特性與其抑制能力關(guān)系的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)背景概述

    認(rèn)識(shí)了磁環(huán)抑制電磁干擾的機(jī)理后，為了使抑制作用達(dá)到滿意效果，人們希望磁環(huán)加載到線纜之后引入的阻抗越大越好。然而，在實(shí)際使用中，對(duì)于磁環(huán)的“阻抗”，在同一型號(hào)規(guī)格及繞制圈數(shù)的情況下，不同的線纜長(zhǎng)度、型號(hào)以及繞制方式等都會(huì)使磁環(huán)的阻抗不一致。也就是說，同一磁環(huán)在不同的應(yīng)用場(chǎng)合下，所產(chǎn)生的抑制效果很可能是不一致的。所以，從這一角度來說，雖然磁環(huán)廠商在提供產(chǎn)品的同時(shí)，也會(huì)提供磁環(huán)的阻抗特性曲線作為參考，但是用戶在使用磁環(huán)作為抗EMI器件時(shí)，還是要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)磁環(huán)的阻抗特性進(jìn)行把握。

    舉例來說，某磁環(huán)分別在1~3圈的條件下，在1~100 MHz的阻抗特性曲線如圖6所示。其中，圖(a)曲線由磁環(huán)廠商直接提供，圖(b)曲線是在某種應(yīng)用條件下的測(cè)試結(jié)果。當(dāng)應(yīng)用該磁環(huán)對(duì)100 MHz的電磁干擾進(jìn)行濾波時(shí)，若根據(jù)廠商曲線，在該頻點(diǎn)繞線三圈的阻抗值最高(700 Ω左右)，達(dá)到的效果最好。然而，在該應(yīng)用條件下，參考測(cè)試曲線得知，3圈的繞線情況下阻抗只有300 Ω左右，2圈的繞線卻能達(dá)到500多歐姆，顯然此時(shí)由于圈數(shù)的增加在100 MHz引入了更大的寄生效應(yīng)，導(dǎo)致該頻率點(diǎn)圈數(shù)的增加反而引起了阻抗的衰減。此時(shí)對(duì)磁環(huán)的圈數(shù)應(yīng)選用2圈，與廠商提供的結(jié)果并不一致。

    根據(jù)以上分析，對(duì)于電子電氣系統(tǒng)，當(dāng)應(yīng)用磁環(huán)對(duì)干擾能量進(jìn)行濾波時(shí)，只有對(duì)各種應(yīng)用場(chǎng)合下的磁環(huán)特性充分了解，才能合理利用，從而最有效地解決電磁干擾問題。而磁環(huán)生產(chǎn)廠家給出的磁環(huán)基本參數(shù)均為特定情況下的測(cè)試結(jié)果，且給出的磁環(huán)參數(shù)有限，針對(duì)某一特定頻段的動(dòng)態(tài)參數(shù)一般未能給出，不便于磁環(huán)型號(hào)選定及應(yīng)用。綜合以上，有必要在磁環(huán)的實(shí)際應(yīng)用中對(duì)磁環(huán)的阻抗特性進(jìn)行驗(yàn)證。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置介紹

    該實(shí)驗(yàn)應(yīng)用電流卡鉗(頻率范圍為10 kHz~500 MHz)與頻譜分析儀(頻率范圍為9 kHz~3 GHz)，測(cè)量某變頻分體壁掛空調(diào)外機(jī)的零火線加裝不同磁環(huán)前后150 kHz~100 MHz的電流頻譜。為保證不受外部雜亂信號(hào)干擾，實(shí)驗(yàn)在電磁屏蔽室進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示。其采用多種磁環(huán)分別防護(hù)電源線傳導(dǎo)電流，重點(diǎn)研究電源線加載磁環(huán)前后的電流頻譜變化，并將這些變化與磁環(huán)自身的特性阻抗對(duì)應(yīng)考慮，找到兩者之間存在的關(guān)系。注意，實(shí)驗(yàn)時(shí)零火線要一同繞進(jìn)磁環(huán)以避免飽和現(xiàn)象的發(fā)生，影響判斷。

    其中，未加磁環(huán)時(shí)卡鉗卡到的電源線電流頻譜如圖8所示，可以看出，在頻點(diǎn)13.33 MHz處電源線上的傳導(dǎo)電流發(fā)射值較高，為84.78 dBμV。在試驗(yàn)中采用不同阻抗特性的磁環(huán)，通過比較13.33 MHz頻點(diǎn)的發(fā)射值判斷其電磁干擾抑制能力。

2.3 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

    磁性材料的種類繁多，每一種材料都具有多種型號(hào)且性能各異，該實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)研究變頻空調(diào)系統(tǒng)常用的10種磁環(huán)在電源線傳導(dǎo)電流作用下的響應(yīng)特性。為便于區(qū)別，將該10種磁環(huán)分別編碼為01、02、03、04、05、06、07、08、09、10，見圖9。磁環(huán)的尺寸信息示意于表1。由于空間限制，各個(gè)磁環(huán)在電源線上繞線圈數(shù)為：07繞線一圈，09繞線3圈，02、05繞線4圈，01、03、04、06、08、10繞線5圈。

    該研究過程中將通過阻抗分析儀(頻率范圍：100 kHz~500 MHz)測(cè)量得出針對(duì)傳導(dǎo)干擾頻段150 kHz~30 MHz的磁環(huán)在所使用繞線圈數(shù)下的阻抗特性曲線，為確保結(jié)果的可靠性，測(cè)試用線纜選用與該變頻分體壁掛空調(diào)外機(jī)的零火線相同型號(hào)(兩根線徑為0.75 mm²的RV90導(dǎo)線)，且保證繞線方式為單層均勻繞制，從而與使用情況一致。例如，對(duì)于編碼09磁環(huán)（三圈），如圖10所示。

    最終，磁環(huán)阻抗特性測(cè)試結(jié)果如圖11所示。m1到m10分別記錄磁環(huán)01到磁環(huán)10在13.33 MHz的阻抗值?？梢钥吹?，按從大到小順序排列，01、08、06、04、05、02、09、10、03、07磁環(huán)在13.33 MHz頻點(diǎn)處在分別繞線圈數(shù)下對(duì)應(yīng)的阻抗值依次為(單位：Ω)：2 890、2 567、2 060、1 263、1 176、550、490、444、367、129。

    另外，由表1得出，磁環(huán)01的體積最大，圈數(shù)最多，為鎳鋅材料；對(duì)比圖11測(cè)試結(jié)果，此時(shí)磁環(huán)01擁有最大的阻抗值。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    該實(shí)驗(yàn)主要對(duì)電源線有無磁環(huán)、不同磁環(huán)類型、不同磁環(huán)圈數(shù)3種情況進(jìn)行了電流卡鉗監(jiān)測(cè)，并分析對(duì)比電源零火線上傳導(dǎo)電流頻譜。需要說明的是，各個(gè)磁環(huán)均分別安置在線纜的中部，每種磁環(huán)的數(shù)量固定為1個(gè)。關(guān)注磁環(huán)對(duì)電源線傳導(dǎo)電流頻譜的影響，將電流卡鉗監(jiān)測(cè)得到的加載磁環(huán)前后的電流頻譜作差，得到磁環(huán)引起的衰減量，數(shù)據(jù)如圖12所示。

    由圖12可知，加載前后的電流頻譜的差值均為正，表明磁環(huán)對(duì)電流發(fā)射值具有衰減作用，且不會(huì)導(dǎo)致其發(fā)射值增大。加載磁環(huán)后，電源線上的傳導(dǎo)電流得到了一定程度的抑制。該實(shí)驗(yàn)關(guān)注未加磁環(huán)時(shí)電流幅度最高的13.33 MHz頻點(diǎn)處，磁環(huán)引起的衰減量從大到小依次為：01、08、06、04、05、02、09、10、03、07。對(duì)應(yīng)2.2節(jié)阻抗測(cè)試結(jié)果可以看出，各個(gè)磁環(huán)的阻抗值均與其引起電源線電流的衰減量變化一致。也就是說，磁環(huán)抑制效果取決于傳導(dǎo)電流頻率范圍內(nèi)的阻抗，阻抗越高，引起的衰減量越大，磁環(huán)的抑制效果也就越好。值得注意的是，此時(shí)需要磁環(huán)的阻抗測(cè)試條件是盡量保證與實(shí)際使用的情況一致的，這樣得到的阻抗值才能與實(shí)際衰減量相一致。在EMC整改試驗(yàn)中可根據(jù)磁環(huán)的真實(shí)阻抗特性曲線對(duì)磁環(huán)進(jìn)行選用。

    最后，可以對(duì)該變頻空調(diào)系統(tǒng)中常用的10種磁環(huán)，總結(jié)其在各種可能的繞線圈數(shù)時(shí)的應(yīng)用頻段，便于設(shè)計(jì)開發(fā)人員對(duì)磁環(huán)進(jìn)行綜合評(píng)估后選用。

3 磁環(huán)濾波設(shè)計(jì)要點(diǎn)

    電磁干擾現(xiàn)象十分復(fù)雜，電路結(jié)構(gòu)也多種多樣，為了滿足各種情況的需求，實(shí)現(xiàn)磁環(huán)濾波的整體性能，使用過程中還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)，避免“試用”、“亂用”、“錯(cuò)用”。

    （1）繞線圈數(shù)的選擇。在同一個(gè)磁環(huán)上，當(dāng)增加繞線圈數(shù)N時(shí)，理想情況下阻抗增大為原來的N²倍，從而磁環(huán)引起的衰減增大。但值得注意的是，增加圈數(shù)可以增加低頻阻抗，但由于匝間寄生電容的影響，高頻阻抗反而會(huì)減小。因此，在磁環(huán)的工程應(yīng)用中，不要盲目增加圈數(shù)以加強(qiáng)磁環(huán)干擾抑制能力，當(dāng)需要抑制干擾頻段較寬時(shí)，可在兩個(gè)磁環(huán)上繞不同的匝數(shù)。

    （2）回路阻抗的影響。當(dāng)磁環(huán)用在高阻抗電路中幾乎不起作用。從式（2）中可以看出，假設(shè)某磁環(huán)在某頻點(diǎn)阻抗值達(dá)到300 Ω，此時(shí)電路中ZS和ZL為150 Ω，則該磁環(huán)可達(dá)到的衰減為6 dB；若ZS和ZL均為300 Ω，則用該磁環(huán)達(dá)到的衰減僅為3.5 dB。此時(shí)，需要選擇更高阻抗的磁環(huán)以匹配高阻抗回路，或者采用其他抑制電磁干擾的方式。

    （3）磁環(huán)的安裝位置。當(dāng)需要解決電磁干擾問題時(shí)，一般盡量靠近干擾源；當(dāng)需要解決電磁抗擾度問題時(shí)，一般盡量靠近敏感源。

    （4）磁環(huán)使用的時(shí)候，正確選取阻抗值高的磁環(huán)是一方面，另一方面也要找到干擾源，在有干擾的線纜上繞磁環(huán)才是有意義的。另外，有時(shí)在整改過程中套上磁環(huán)后，干擾并沒有明顯的改善，這并不一定是磁環(huán)未起作用，而可能是除了這根線纜外，還有其他干擾源。

4 結(jié)論

    磁環(huán)在抑制電磁干擾中占有重要的位置。文中分析了磁環(huán)抑制電磁干擾的機(jī)理，并就一系列常用磁環(huán)進(jìn)行了實(shí)際阻抗測(cè)試及分析，基于某變頻分體壁掛空調(diào)驗(yàn)證了磁環(huán)阻抗越高，抑制干擾能力越強(qiáng)。在實(shí)際的EMC整改實(shí)驗(yàn)中，可以根據(jù)磁環(huán)實(shí)際工作的阻抗特性曲線來選用磁環(huán)及調(diào)整匝數(shù)，以求快速準(zhǔn)確地對(duì)磁環(huán)進(jìn)行選型，從而引導(dǎo)整改，提高整改效率，降低產(chǎn)品開發(fā)周期。最后，就磁環(huán)濾波設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了提煉，避免實(shí)際使用中的盲目性。

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作者信息:

王  會(huì)1，萬今明1，曾穎宇1，黃  強(qiáng)2

（1.空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 珠海519070；2.珠海格力電器股份有限公司，廣東 珠海519070)