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)雜的干擾信號下能正?？煽康毓ぷ?；同時(shí)，對空間及同電網(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，對干擾電流起到抑制作用^[1]。

    磁環(huán)的動態(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，因此在對成本把控相對嚴(yán)格的家電產(chǎn)業(yè)，大多使用鐵氧體作為磁芯材料。

    對電磁干擾起到抑制作用的直觀原因便是在交變磁場下被磁化后磁環(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)作為研究對象，對加載磁環(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，掃描步長均為0.5 mm，關(guān)注阻抗Z隨著H與R變化的趨勢。

    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)長度及內(nèi)徑變化。

    可以看出，磁環(huán)的阻抗隨著磁環(huán)長度的加長而變大，隨著內(nèi)徑的增大而變??；并且，阻抗增加的趨勢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、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，則其阻抗峰值會向低頻移動，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，對于磁環(huán)的“阻抗”，在同一型號規(guī)格及繞制圈數(shù)的情況下，不同的線纜長度、型號以及繞制方式等都會使磁環(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)用條件下的測試結(jié)果。當(dāng)應(yīng)用該磁環(huán)對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，對于電子電氣系統(tǒng)，當(dāng)應(yīng)用磁環(huán)對干擾能量進(jìn)行濾波時(shí)，只有對各種應(yīng)用場合下的磁環(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試結(jié)果，且給出的磁環(huán)參數(shù)有限，針對某一特定頻段的動態(tài)參數(shù)一般未能給出，不便于磁環(huán)型號選定及應(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)對象

    磁性材料的種類繁多，每一種材料都具有多種型號且性能各異，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)測量得出針對傳導(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(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，對于編碼09磁環(huán)（三圈），如圖10所示。

    最終，磁環(huán)阻抗特性測試結(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?？梢钥吹剑磸拇蟮叫№樞蚺帕?，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；對比圖11測試結(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，并分析對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)對電源線傳導(dǎo)電流頻譜的影響，將電流卡鉗監(jiān)測得到的加載磁環(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)對電流發(fā)射值具有衰減作用，且不會導(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。對應(yīng)2.2節(jié)阻抗測試結(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)阻抗特性曲線對磁環(huán)進(jìn)行選用。

    最后，可以對該變頻空調(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)人員對磁環(huán)進(jìn)行綜合評估后選用。

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)