CN103021628A - 一种共模电感、共模滤波器及开关电源电磁兼容电路 - Google Patents

Abstract

本发明适用于电子领域，提供了一种共模电感、电磁兼容电路及开关电源电磁兼容电路，所述共模电感包括：由非晶态材料制成的非晶态磁芯；第一绕组，第一绕组绕制于非晶态磁芯外壁，第一绕组的同名端为共模电感一输入端与零线连接，第一绕组的异名端为共模电感一输出端；第二绕组，第二绕组与第一绕组同向绕制于非晶态磁芯外壁，第二绕组的同名端为共模电感另一输入端与火线连接，第二绕组的异名端为共模电感另一输出端。本发明实施例采用采用非晶态材料制成磁芯，并在非晶态磁芯外壁缠绕线圈制成共模绕组，将共模电感的饱和磁感应强度提高至二倍，增强了噪声抑制效果，减少了线圈匝数，提高了温度稳定性和频带宽度。

Description

一种共模电感、共模滤波器及开关电源电磁兼容电路

技术领域

本发明属于电子领域，尤其涉及一种共模电感、共模滤波器及开关电源电磁兼容电路。

背景技术

随着开关型电源在工业和家用电器中越来越多的应用，电器之间的相互干扰成为日益严重的问题，电磁环境越来越为人们所关心。电磁干扰有很多种类，其中在10K～30MHz之间的共模干扰是非常重要的一类，它们主要以传导方式传播，对仪器的安全正常运行造成很大危害，必须加以控制。通常在输入端附加共模滤波器，以减轻外界共模干扰通过电源线进入用电器，同时防止用电器产生的共模干扰进入电网。

通常采用共模滤波器滤除共模干扰更有效地滤除，而其核心即为共模电感，目前共模电感的磁芯通常选用频率特性较好、成本较低的铁氧体材料，如镍锌材料和锰锌材料，但是由于镍锌材料磁导率低，在低频不能达到高阻抗，因此适用于抑制频率高于20MHz以上的噪声，而锰锌材料虽在低频时磁导率较高，但在高频时衰减太快，适用于抑制10kHz到50MHz的低频噪声，并且铁氧体材料共模电感温度特性差、饱和磁感低、磁导率低等特性在应用时受到了诸多限制，不利于广泛推广。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种共模电感，旨在解决现有共模电感饱和磁感低、磁导率低、温度特性差以及频带窄等问题。

本发明实施例是这样实现的，一种共模电感，所述共模电感包括：

由非晶态材料制成的非晶态磁芯；

第一绕组，所述第一绕组绕制于所述非晶态磁芯外壁，所述第一绕组的同名端为所述共模电感一输入端与零线连接，所述第一绕组的异名端为所述共模电感一输出端；

第二绕组，所述第二绕组与所述第一绕组同向绕制于所述非晶态磁芯外壁，所述第二绕组的同名端为所述共模电感另一输入端与火线连接，所述第二绕组的异名端为所述共模电感另一输出端。

本发明实施例的另一目的在于提供一种包括上述共模电感的共模滤波器，所述共模滤波器，还包括：

电容C1和电容C2；

所述电容C1的一端与所述共模电感的一输出端连接，所述电容C1的另一端接地，所述电容C2的一端与所述共模电感的另一输出端连接，所述电容C2的另一端接地。

本发明实施例的另一目的在于提供一种包括上述共模滤波器的开关电源电磁兼容电路。

本发明实施例采用非晶态材料制成磁芯，并在非晶态磁芯外壁缠绕线圈制成共模绕组，将共模电感的饱和磁感应强度提高至二倍，增强了噪声抑制效果，减少了线圈匝数，并且该共模电感磁导率高，温度稳定性好，频率特性灵活，频带宽，初始磁导率高。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的共模滤波器的电路结构图；

图2为本发明一实施例提供的共模电感实测的EMI曲线图；

图3为本发明一实施例提供的采用铁氧体材料制成的共模电感实测的EMI曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例采用非晶态材料制成磁芯，并在非晶态磁芯外壁缠绕线圈制成共模绕组，将共模电感的饱和磁感应强度提高至二倍，增强了噪声抑制效果，减少了线圈匝数，提高了温度稳定性和频带宽度。

作为本发明一实施例提供的共模电感可应用于任何类型的共模滤波器中，所述共模电感包括：

由非晶态材料制成的非晶态磁芯；

第一绕组，该第一绕组绕制于非晶态磁芯外壁，第一绕组的同名端为共模电感一输入端与零线连接，第一绕组的异名端为共模电感一输出端；

第二绕组，该第二绕组与第一绕组同向绕制于非晶态磁芯外壁，第二绕组的同名端为共模电感另一输入端与火线连接，第二绕组的异名端为共模电感另一输出端。

在本发明实施例中，共模电感由两组匝数相同的第一绕组以及第二绕组构成，两绕组分布在磁环上相对边，第一绕组和第二绕组中的电流产生的磁通大小相等，方向相反，这两个磁通相互抵消使磁芯处于未偏置状态。

作为本发明一实施例，该非晶态材料可以为铁基纳米晶合金，采用单股缠绕，以降低成本。

作为本发明一优选实施例，非晶态磁芯可以采用环形磁芯，以减小磁芯的杂散磁场，使磁力线更为集中，增大磁密，并且由于环形磁芯无气隙，可进一步提高共模电感的磁导通率30％以上，以进一步减少线圈匝数，减少匝间电容，进而展宽频带。

作为本发明一实施例，非晶态磁芯亦可以采用无气隙的P型、PQ型、E型、RM型或EP型磁芯等，以降低线圈成本。

在本发明实施例中，将非晶态磁芯外壁同向、相同匝数地缠绕两个线圈，使近程有序而远程无序的非晶态材料结构特征结合电磁感应后，形成具有诸多优异特性的共模电感。

表1示出了经测试后非晶态磁芯与铁氧体材料磁芯的共模电感的性能参数对比数据，详述如下：

表1

初始磁导率高，在表1中示出，经测试在低磁场下(10KHz)，镍锌材料的磁导率小于20000，锰锌材料的磁导率为15000左右，而铁基纳米晶合金材料(铁基纳米晶合金材料为非晶态材料中的一种)制成的共模电感的初始磁导率可达10万以上，远远高于铁氧体材料的共模电感，因此铁基纳米晶合金材料的非晶态磁芯共模电感在低磁场下具有大的阻抗和插入损耗，以在同等电感量下缩小铁芯的体积，并且对极小泄漏电流的弱干扰具有极好的抑制作用，尤其在某些特定场合，如医疗设备通过对地电容(人体)造成泄漏电流，容易形成共模干扰，而设备本身又对数据要求极为精确，因此采用高导磁率的铁基纳米晶合金材料共模电感则为开关电源电磁兼容电路的最优方案。此外，高导磁率的铁基纳米晶合金材料共模电感还可以减少线圈匝数，进而降低寄生电容等分布参数，提高由分布参数引起的在插入损耗谱上的共振频率，实现增加频带宽度。

损耗小，在表1中示出，经测试在频率为25KHz(千赫兹)、磁感应强度为200mT(毫特斯拉)、温度为100℃的情况下，铁基纳米晶合金材料共模电感的损耗仅为3W/Kg(瓦每千克)，即为铁氧体材料的六分之一至五分之一左右，故可以扩展频宽。

饱和磁感应强度高，在表1中示出，经测试在频率为25KHz(千赫兹)、磁感应强度为200mT(毫特斯拉)、温度为100℃的情况下，铁基纳米晶合金材料共模电感的饱和磁感应强度Bs可以达到1.2T，是铁氧体材料的两倍以上，具有优异的抗饱和性，使得在干扰强度较大的环境(例如大功率变频电机)中，可以避免磁芯因饱和导致电感量下降，增强了噪声抑制效果，扩展了应用范围。

温度稳定性好，在表1中示出，经测试铁氧体共模电感的居里温度一般在250℃以下，且磁性能变化呈非线性，而铁基纳米晶合金材料共模电感的居里温度可以高达600℃以上，尤其在在-50℃至130℃的温度区间内，磁性能的变化率在10％以内，即使在有较大温度波动的情况下，纳米晶合金的性能变化率也远低于铁氧体，表现出极其稳定的温度特性，并且，对于耐温性，镍锌材料可以在120℃左右的温度下稳定工作、锰锌材料可以在100℃以下的温度下稳定工作，而非晶态材料可以在高于120℃的温度下稳定工作，因此，纳米晶合金的耐温性更好，为器件设计提供了宽松的温度条件。

频率特性灵活，经测试通过不同的制造工艺，铁基纳米晶合金材料的非晶态磁芯具有不同的频率特性，在配合缠绕适当匝数的线圈即可得到不同的阻抗特性，更加灵活地通过调整工艺来得到所需要的频率特性，以满足不同波段的滤波要求，而其阻抗值大大高于铁氧体材料的共模电感。

本发明实施例采用非晶态材料制成磁芯，并在非晶态磁芯外壁缠绕线圈制成共模绕组，将共模电感的饱和磁感应强度提高至二倍，增强了噪声抑制效果，减少了线圈匝数，并且该共模电感磁导率高，温度稳定性好，频率特性灵活，频带宽，初始磁导率高。

以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细说明。

图1示出了本发明一实施例提供的共模滤波器的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。

作为本发明一实施例提供的共模滤波器可应用于任何结构的开关电源电磁兼容电路中，该共模滤波器包括：

共模电感1，该共模电感的输入端与市电连接；

电容C1，该电容C1的一端与共模电感1的一输出端连接，电容C1的另一端接地；

电容C2，该电容C2的一端与共模电感1的另一输出端连接，电容C2的另一端接地。

在本发明实施例中，开关电源产生的噪声频谱通常10kHz～30MHz，针对于该频率对共模电感进行设计，保证电感阻抗够高，达到足够的衰减量。

具体设计方案详述如下：

设频率f＝10kHz，电抗Z_S＝1000Ω，输入电流I的有效值为3A，电流密度j＝400A/cm²，电感量L_S＝X_S/2πf。

选择导线尺寸：A_ct＝I/j＝3/4＝0.75mm²，其中A_ct为导线的截面积，单位为平方毫米，因此选择线径d＝1mm，截面积A_ct＝0.785mm²，裸线直径d₁＝1.11mm。

计算最小电感： $L_{\min }=\frac{1000}{2\mathrm{\π}\×{10}^4}=1.59\mathrm{mH}.$

在本发明实施例中，以铁基纳米晶合金材料制成的共模电感为例，其电感系数A_L＝30000±30％，设内径D＝8.65mm±0.20mm，最小内经D_min＝8.45mm，为使两个线圈间绝缘，每个线圈占据内圆周150°～170°，本方案优选160°缠绕线圈(绕组)。

计算内圆周和可缠绕的最大匝数：内圆周D₁＝π(D_min-d₁)＝π(8.45-1.11)＝23.05mm，最大匝数N_max＝(D₁/2π)×(D₁/d₁)＝(160°/360°)×(23.05/1.11)＝9.22匝，取9匝。

计算需要匝数： $N=1000\sqrt{\frac{L}{A_L}}=1000\sqrt{\frac{1.59}{30000\×0.7}}=8.7$ 匝，其中N为匝数，L为电感量，单位为mH，A_L为电感系数。

因此，本发明实施例提供的以铁基纳米晶合金材料制成的共模电感在最小内经为8.45mm的情况下完全可以实现达到1000Ω阻抗而缠绕的线圈匝数，并且线圈匝数少，铜材料用量少，节省成本，并且产生的铜损耗小，转换效率更高，铜发热量低，温升低。

下面以铁氧体材料为例进行对比，其电感系数A_L＝60000±30％，设内径D＝13.47mm±0.30mm，最小内经D_min＝13.17mm，每个线圈占据内圆周160°。

计算内圆周和可缠绕的最大匝数：内圆周D₁＝π(D_min-d₁)＝π(13.17-1.11)＝37.87mm，最大匝数N_max＝(D₁/2π)×(D₁/d₁)＝(160°/360°)×(37.87/1.11)＝15.16匝，取15匝。

而计算需要匝数： $N=1000\sqrt{\frac{L}{A_L}}=1000\sqrt{\frac{1.59}{60000\×0.7}}=19.4$ 匝，大于该磁芯可缠绕的最大匝数15匝，因此在此条件下，铁氧体材料的共模电感无法达到足够的阻抗，实现完全抑制干扰信号。

在本发明实施例中，图2示出了采用非晶态材料制成的共模电感实测的电磁干扰(EMI，Electronic Magnetic Interference)曲线，图中从上至下分别为国际电工委(IEC，International Electrotechnical Commission)EN55022CLASS-B标准限值线EN55022Q、EN55022A以及非晶态材料制成的共模电感实测的EMI曲线，图3示出了采用铁氧体材料制成的共模电感实测的EMI曲线，图中从上至下分别为图中从上至下分别为国际电工委(IEC，International ElectrotechnicalCommission)EN55022CLASS-B标准限值线EN55022Q、EN55022A以及铁氧体材料制成的共模电感实测的EMI曲线。

对比后，可知，非晶态材料制成的共模电感实测的EMI曲线比铁氧体材料制成的共模电感实测的EMI曲线更远低于各项行业标准，因此非晶态材料制成的共模电感的EMI性能优于铁氧体材料制成的共模电感，即非晶态材料制成的共模电感的抗干扰性能更好。

本发明实施例采用非晶态材料制成磁芯，并在非晶态磁芯外壁缠绕线圈制成共模绕组，将共模电感的饱和磁感应强度提高至二倍，增强了噪声抑制效果，减少了线圈匝数，降低了铜阻，提高了电源整机效率，节省了共模电感的制作成本，该共模电感磁导率高，温度稳定性好，频率特性灵活，频带宽，初始磁导率高，对极小泄漏电流的弱干扰具有极好的抑制作用。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种共模电感，其特征在于，所述共模电感包括：

由非晶态材料制成的非晶态磁芯；

第一绕组，所述第一绕组绕制于所述非晶态磁芯外壁，所述第一绕组的同名端为所述共模电感一输入端与零线连接，所述第一绕组的异名端为所述共模电感一输出端；

第二绕组，所述第二绕组与所述第一绕组同向绕制于所述非晶态磁芯外壁，所述第二绕组的同名端为所述共模电感另一输入端与火线连接，所述第二绕组的异名端为所述共模电感另一输出端。

2.如权利要求1所述的共模电感，其特征在于，所述非晶态材料为铁基纳米晶合金。

3.如权利要求1所述的共模电感，其特征在于，所述非晶态磁芯为环形磁芯。

4.如权利要求1所述的共模电感，其特征在于，所述非晶态磁芯为P型、PQ型、E型、RM型或EP型磁芯。

5.一种共模滤波器，其特征在于，所述共模滤波器包括如权利要求1至4任一项所述的共模电感，还包括：

电容C1，所述电容C1的一端与所述共模电感的一输出端连接，所述电容C1的另一端接地；

电容C2，所述电容C2的一端与所述共模电感的另一输出端连接，所述电容C2的另一端接地。

6.一种开关电源电磁兼容电路，其特征在于，所述开关电源电磁兼容电路包括如权利要求5所述的共模滤波器，所述共模滤波器包括所述的共模电感，还包括：

电容C1，所述电容C1的一端与所述共模电感的一输出端连接，所述电容C1的另一端接地；

电容C2，所述电容C2的一端与所述共模电感的另一输出端连接，所述电容C2的另一端接地。

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