1引言
鐵鎳鉬合金MPP,,高磁通鐵鎳50%HF合金和鐵硅鋁合金SUPERMSS等三種不同材料的磁粉芯已被廣泛地應(yīng)用在電源濾波電感之中,。特別是在抑制和過(guò)濾差模傳導(dǎo)EMI的線路濾波(PowerLineFiltering)電路中,,上述三種磁粉芯都有獨(dú)具特色的應(yīng)用。本文將從濾波電路簡(jiǎn)介開(kāi)始,,再通過(guò)實(shí)例說(shuō)明使用多只電感器在濾波電路中的優(yōu)點(diǎn),。
除此之外,還將對(duì)上述三種不同磁粉芯材料所制作的電感器,,在一定的工作頻率和不同電流下所產(chǎn)生的功率損耗和電感穩(wěn)定性做逐一對(duì)比,。對(duì)應(yīng)不同的工作頻率,電感器可以得到不同的等效串聯(lián)電感,,等效串聯(lián)電阻和等效串聯(lián)阻抗,,這些數(shù)值反映了繞線分布電容大小和磁粉芯中渦流損耗的大小。
圖1單級(jí)和雙級(jí)濾波器示意圖
(a)單級(jí)濾波器(15A)(b)雙級(jí)濾波器(15A)
2單級(jí)與多級(jí)濾波器
在電力和電子功率變換系統(tǒng)中,,濾波器均采用LC電路,。這種濾波器一般為“低通濾波器”。
濾波器設(shè)計(jì)非常復(fù)雜,,需要數(shù)學(xué)計(jì)算,,計(jì)算機(jī)輔助工程和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合。
本文考慮兩種濾波器,,如圖1所示,,一種是單級(jí)(一只電感和一只電容組成),另一種是雙級(jí)(兩只電感和兩只電容),。
接有濾波器的電路具有明顯的頻率響應(yīng)特性,,但是由于負(fù)載和電源的阻尼作用,頻率響應(yīng)又是有限的,。在實(shí)際應(yīng)用中,,還要考慮電感器繞組電阻,磁粉芯損耗,,電容器引線,、電極和介質(zhì)損耗影響。更高頻率下的損耗構(gòu)成附加阻尼有利于濾波器穩(wěn)定運(yùn)行,。而且寄生參數(shù)(如電容器引線電感和電感繞組的分布電容)都會(huì)對(duì)濾波器性能產(chǎn)生影響,。
寄生參數(shù)如圖2所示,RS為電感器的等效串聯(lián)電阻,,RC為電容器的等效串聯(lián)電阻,。
用幾種型號(hào)的美國(guó)阿諾公司SUPER-MSS鐵硅鋁磁粉芯制做單級(jí)濾波器和雙級(jí)濾波器,具體設(shè)計(jì)參數(shù)為:
圖2單級(jí)濾波器中考慮寄生參數(shù)的電路圖和實(shí)驗(yàn)及源負(fù)載示意圖
圖3等效串聯(lián)電感和電阻與頻率的關(guān)系曲線
圖4等效并聯(lián)電容和電阻與頻率之間的關(guān)系曲線
圖5增益和相位與頻率的關(guān)系曲線(對(duì)單級(jí)濾波器)
圖6增益和相位與頻率的關(guān)系曲線(對(duì)雙級(jí)濾波器電路)
圖7復(fù)合增益和相位與頻率關(guān)系曲線(對(duì)單級(jí)和雙級(jí)濾波器)
(1)單級(jí)濾波器電感磁芯采用一只鐵硅鋁MS-130060-2型(磁導(dǎo)率為60),,電感量為13.2μH,,電感繞組導(dǎo)線采用3股18AWG線規(guī)漆包線,DC直流電阻值為4.5mΩ,,電容器采用一只聚丙烯電容,,電容量為15μF。
(2)雙級(jí)濾波器兩只電感分別采用兩只鐵硅鋁MS-106060-2型(磁導(dǎo)率為60),,每只電感量為7.95μH,,電感繞組導(dǎo)線也采用與單級(jí)濾波器相同的三股18AWG漆包線,圈數(shù)為10圈,,電感總電阻為5.4mΩ,,電容器分別采用兩只聚丙烯電容,電容量分別為15μF,。由于每只電感所繞的圈數(shù)少,,所以在同樣電流下所產(chǎn)生的直流磁場(chǎng)強(qiáng)度要低14.5%。
對(duì)該二種濾波器的頻率響應(yīng)特性,,用HP4194A阻抗/增益-相位分析儀進(jìn)行測(cè)試,,實(shí)驗(yàn)信號(hào)電壓0.5Vrms。結(jié)果如圖3,、圖4,、圖5、圖6,、圖7所示,。
從圖3可以看到,兩種濾波電路(單級(jí)和雙級(jí))的等效串聯(lián)電感量(Ls)和電阻值(Rs)隨頻率變化的曲線,。電感量大的單級(jí)濾波器的自振頻率在26MHz,,電感量小的雙級(jí)濾波器在40MHz以上時(shí)還具有電感特性?;蛘哒f(shuō)電感量小的雙級(jí)濾波器,,其工作頻率范圍較寬。
圖4顯示了電容器有關(guān)數(shù)值與頻率的關(guān)系曲線,,即等效并聯(lián)電容(Cp)和等效并聯(lián)電阻(Rp)隨頻率變化的曲線,。可以看到,,電容器與其引線電感發(fā)生諧振的頻率大約在250kHz,。
為了說(shuō)明多級(jí)濾波電路的優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)把單級(jí)和雙級(jí)濾波器的頻率響應(yīng)曲線分別示于圖5和圖6,。測(cè)試條件使用了最偏離電源的電路工作參數(shù),,輸入源阻抗為50Ω,負(fù)載阻抗也是50Ω,。在典型的電路中,,阻抗值是變化的,并不總是匹配的,,尤其在低頻下,,阻抗值會(huì)非常低,。雖然實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)際應(yīng)用的電路條件不一樣,但是,,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,,用來(lái)對(duì)單級(jí)濾波器和雙級(jí)濾波器做對(duì)比,可以得到許多有用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),。
例如:對(duì)于每種濾波器而言,,衰減量達(dá)到最大(增益達(dá)到最小值)的原因都是由于電容器與其引線電感發(fā)生諧振所造成的。對(duì)于單級(jí)濾波器,,這一點(diǎn)發(fā)生在175kHz,。所以盡量縮短電容器引線長(zhǎng)度的重要性是非常明顯的。隨著頻率從175kHz增加,,衰減又開(kāi)始減少(增益增加),,這是因?yàn)橐€電感阻礙了每只電容器返回電流的流動(dòng)。
另一個(gè)重要的結(jié)果是,,雙級(jí)濾波器在20kHz頻率點(diǎn)下,,具有最低的衰減(最高的增益)。從理論計(jì)算,,雙級(jí)濾波器應(yīng)該視同于2個(gè)單級(jí)濾波器在14.6kHz頻率點(diǎn)上的效果,,但是由于電容C1,電感L2和電容C3的阻尼效果,,所以頻率點(diǎn)變到了20kHz,。在20kHz頻率點(diǎn),產(chǎn)生了大約30dB的衰減,。超過(guò)這個(gè)頻率點(diǎn)之后,,雙級(jí)濾波器的增益衰減在60kHz,比單級(jí)濾波器還要低20dB。
最后還可以注意到,,雙級(jí)濾波器在300kHz到1MHz范圍內(nèi),,增益衰減都比單段濾波器大10dB。附加電感和電容減少了電容引線的電感效果,。在美國(guó),,因?yàn)闊o(wú)線電調(diào)幅AM波段是在540kHz到1.6MHz之間,這樣對(duì)于改善此波段內(nèi)的濾波器性能,,非常有利,。
上述濾波器測(cè)試條件為,將電容器側(cè)作為輸入或參考通道,,將電感器側(cè)作為測(cè)試通道,。通過(guò)觀察可以看到,頻率響應(yīng)特性在上述測(cè)試連接方式和采用電感器側(cè)連接到參考通道,將電容器連接到測(cè)試通道的結(jié)果是相似的,。因此,,上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果也適用于電感器輸入型電路。
3電源濾波器
濾波器通常用于電路或一部分電路以防止電磁干擾(EMI),。不設(shè)濾波器則無(wú)用的電信號(hào)將會(huì)沿著電源線或共用母線傳導(dǎo)引起EMI,,而傳導(dǎo)干擾也能繼發(fā)射頻干擾(RFI),,這是因?yàn)殡娫淳€對(duì)于高頻則是一天線,。濾波器的作用就是防止在供電的同時(shí)將電噪聲傳導(dǎo)到電力線上。
對(duì)于那些連接到公用電上的電子,、電器設(shè)備而言,,各國(guó)政府機(jī)構(gòu)都對(duì)特定的頻率范圍內(nèi)所允許的最大傳導(dǎo)噪聲電壓有具體的規(guī)定。比如,,美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)(FCC)就規(guī)定,,在450kHz到30MHz頻段內(nèi)的無(wú)線電射頻干擾,應(yīng)限制在48dBμV(250μV)以下,。這種規(guī)定的目的就是要防止射頻干擾對(duì)公共電子設(shè)施,,如無(wú)線電、電視機(jī),、電話機(jī)等的干擾,。
在電子系統(tǒng)中對(duì)電源輸出端噪聲的限制,要由其負(fù)載的需要決定,。在大多數(shù)情況下,,噪聲的濾除是由前述的濾波元件(電感器和電容器)來(lái)完成的,由它們抑制輸出電壓的脈動(dòng),。為了抑制電源輸出端的EMI,,有時(shí)設(shè)計(jì)二級(jí)濾波。
在含有開(kāi)關(guān)器件的設(shè)備中,,比如開(kāi)關(guān)電源的功率晶體管和二極管,,都需要在電源輸入端加裝EMI濾波器。在電路中電流的突然變化會(huì)導(dǎo)致電壓的短暫升高(或稱電壓尖峰),,這個(gè)電壓尖峰既施加在輸入導(dǎo)體之間,,也施加在導(dǎo)體與地線之間。
在輸入導(dǎo)線之間的EMI電壓稱之為差模噪聲,。導(dǎo)線對(duì)接地端的噪聲稱之為共模噪聲,。對(duì)于抑制共模噪聲的電感器,需要在一個(gè)磁芯上繞制兩組電流方向相反的導(dǎo)線,,并使用高磁導(dǎo)率的磁芯,。
相反,對(duì)于抑制差模噪聲的電感器,則要求磁芯材料在偏磁場(chǎng)下仍然能夠保持磁導(dǎo)率指標(biāo),。圖8中,,標(biāo)出了流經(jīng)電感器的電流I,電壓V和磁芯中的磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線,,并且畫(huà)出了差模濾波器和共模濾波器在開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用線路圖,。在輸入端,可以是交流輸入(如市電),,也可以是電池供電(如48V,,用于電信設(shè)備中)。當(dāng)電池供電時(shí),,磁化電流是恒定的直流電,。對(duì)于高功率因數(shù)的交流電系統(tǒng),磁化電流接近正弦波波形,。而低功率因數(shù)的交流電系統(tǒng),,其磁化電流則由一系列的交變脈沖疊加組成。
三種磁粉芯材料(鐵鎳鉬MPP,,鐵鎳HF和鐵硅鋁SUPERMSS)最適合用于差模濾波器中的電感(有時(shí)這種電感也稱之為“串模電感”或“扼流圈”),。原因是這三種磁粉芯材料在偏磁場(chǎng)下具有極好的電感量保持能力。鐵鎳50%HF高磁通磁粉芯(美國(guó)阿諾公司注冊(cè)商標(biāo)Hi-FluxTM),,特別適合用于高磁通密度工作條件,。為了便于比較,圖9標(biāo)明了三種不同材料磁粉芯在直流偏磁場(chǎng)下的磁導(dǎo)率變化曲線,。
圖8典型的EMI濾波器電路配置和差模電感器上的電壓,,電流以及磁滯回線
(a)電路(b)磁滯回線(c)電感器上電壓、電流
圖9磁導(dǎo)率與DC直流偏磁關(guān)系曲線
圖10磁芯損耗與磁通密度關(guān)系曲線
圖9中的曲線是對(duì)三種不同材料的磁粉芯,,在相同尺寸,,相同磁導(dǎo)率,單級(jí)濾波器電路中測(cè)試得到的數(shù)據(jù)而繪出的,。磁芯分別為鐵鎳鉬MPP磁粉芯(A-291061-2),;鐵鎳50%HF合金(HF-130060-2);和鐵硅鋁SUPERMSS合金(MS-130060-2),,尺寸均為外徑33.02mm×內(nèi)徑19.94mm×高度10.67mm,,磁導(dǎo)率相同(60)。由圖9可知三種材料的磁導(dǎo)率隨直流偏磁的增大而減小,。
所謂“完全繞線磁芯”,,指繞線后的磁芯,漆包線繞線厚度正好達(dá)到磁芯原來(lái)內(nèi)徑的一半位置,。通常,,在生產(chǎn)工藝中,需要考慮使繞線機(jī)上的線鉤或線梭在繞制最后一圈漆包線時(shí),還可以有足夠的空間,。在本實(shí)例中,,電感量為1.9mH,這個(gè)電感量數(shù)值是典型的線路濾波所需要的電感量,。一般而言,,濾波電感的電感量選擇范圍在幾個(gè)μH到幾個(gè)mH之間。
在工頻下,,要求磁芯損耗低,,以便充分發(fā)揮磁芯材料的高飽和磁通密度性能。圖10是對(duì)高磁通鐵鎳50HF磁粉芯測(cè)試結(jié)果而繪制的曲線,。由于高磁通鐵鎳50HF磁粉芯有高的損耗,,所以可以用在工作條件最?lèi)毫拥那闆r,。在400Hz,,9000Gs磁通密度下,它的磁芯損耗為200mW/cm3,。在50Hz或60Hz下工作,,磁通密度的使用上限要根據(jù)磁芯磁導(dǎo)率變化的大小確定,具體可參見(jiàn)圖11,。
另外一個(gè)需要重點(diǎn)考慮的因素是,,電感量會(huì)隨頻率變化而變化。圖12,,圖13和圖14所示的是,,三種不同磁粉芯材料(MPP,HF和SUPERMSS)繞制的電感器(采用單層繞線,,電感量為60μH),,它們各自的等效電感、等效串聯(lián)電阻,、等效阻抗與頻率的關(guān)系曲線,。
從圖12可看到,高磁通鐵鎳HF磁粉芯的等效串聯(lián)電感值隨頻率增加而跌落,,這是由于其磁導(dǎo)率下
圖11磁通密度與磁導(dǎo)率的關(guān)系曲線
圖12等效串聯(lián)電感和頻率的關(guān)系曲線(單層繞線條件下)
圖13等效串聯(lián)電阻與頻率的關(guān)系曲線(單層繞線條件下)
圖14阻抗與頻率的關(guān)系曲線(單層繞線條件下)
圖15等效串聯(lián)電感/電阻和頻率的關(guān)系曲線(100kHz1MHz)
圖16阻抗與頻率的關(guān)系曲線(100kHz1MHz)
圖17單層和完全繞線設(shè)計(jì)情況下等效串聯(lián)
圖18單層和完全繞線設(shè)計(jì)情況下阻抗與頻率的關(guān)系曲線
降所致,。其根本原因在于頻率增高后渦流損耗隨之增大所造成的。正如前所述,,在高頻下的損耗對(duì)濾波器來(lái)說(shuō)是一個(gè)優(yōu)點(diǎn),,這是因?yàn)檫@個(gè)損耗對(duì)阻尼衰減提供了附加的穩(wěn)定因素。圖15是對(duì)圖12和圖13,、圖16是對(duì)圖14在100kHz到1MHz范圍內(nèi)的曲線進(jìn)行的局部放大圖,,以便更清楚地看到三種磁粉芯的串聯(lián)等效電感和等效電阻及等效阻抗隨頻率變化的趨勢(shì)。可以很明顯地看到,,鐵硅鋁SUPERMSS在高頻下的渦流損耗是最低的,,所以它的電感量(磁導(dǎo)率)和電阻都是變化最小的或基本不變的。
最后,,看一下電感器的分布電容(對(duì)單層和多層繞線做比較)與頻率的關(guān)系曲線,,見(jiàn)圖17和圖18。從圖中看到,,超過(guò)1.6MHz之后,,這個(gè)雜散電容確實(shí)使成本高的多層電感器的阻抗比成本較低的單層電感器的阻抗要低。
4結(jié)語(yǔ)
三種磁粉芯材料都非常適合用于電源濾波,。高磁通鐵鎳50%HF磁粉芯的性能最好,,因?yàn)樗诟唢柡痛磐芏认戮哂斜3蛛姼辛康哪芰Γ瑫r(shí)它還提供在高頻下所需要的阻尼衰減功能,。
另外一個(gè)需要重點(diǎn)考慮的因素是,,由于磁性材料本身所具有的磁致伸縮所產(chǎn)生的音頻噪聲。而高磁通HF鐵鎳50%磁粉芯在50Hz或60Hz下,,會(huì)產(chǎn)生音頻噪聲(嗡嗡聲),。當(dāng)然,直流磁化電流不會(huì)產(chǎn)生音頻噪聲,,所以它最適合用作電池供電的電源系統(tǒng)中輸入濾波電感,。
鐵鎳鉬MPP磁粉芯和鐵硅鋁SUPERMSS磁粉芯都具有特別低的磁致伸縮系數(shù),它們都不會(huì)產(chǎn)生音頻噪聲,。鐵鎳鉬MPP磁粉芯在直流偏磁場(chǎng)下的磁導(dǎo)率變化量最小,,這是它的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。由于50Hz或60Hz交流電與音頻頻率相比幾乎可以認(rèn)為是近似直流,,所以可以用在直流偏磁下三種磁粉芯磁導(dǎo)率變化曲線,,來(lái)推測(cè)50Hz或60Hz電流偏磁場(chǎng)下的磁導(dǎo)率變化趨勢(shì)。鐵硅鋁SUPERMSS磁粉芯的單位體積制造成本(價(jià)格)最低,,最適合用于一般電源濾波電感,,具有很高的性能價(jià)格比。而鐵鎳鉬MPP和高磁通鐵鎳50%HF磁粉芯的價(jià)格水平差不多,,鐵鎳鉬MPP磁粉芯最高,。