任國(guó)兵 阮兆忠 張寶玉 朱賢 劉玉輝 李良
合肥美的電冰箱有限公司 安徽合肥 230601
電子產(chǎn)品必須通過(guò)電磁兼容(EMC)測(cè)試認(rèn)證才能夠進(jìn)入市場(chǎng)銷(xiāo)售,EMC測(cè)試是檢驗(yàn)電子產(chǎn)品的電磁干擾水平(EMI)和電磁抗干擾水平(EMS)。
電源類(lèi)產(chǎn)品的EMC設(shè)計(jì)整改一般會(huì)用到共模電感(Common mode Choke)來(lái)過(guò)濾共模電磁干擾信號(hào)。電源用共模電感的兩個(gè)繞組分繞磁芯的一邊,之間有相當(dāng)大的間隙,這樣就會(huì)產(chǎn)生磁通泄漏,形成漏感,也叫差模電感。因此,共模電感一般具有一定的差模干擾衰減能力。在濾波器的設(shè)計(jì)中,常利用漏感。如在普通的濾波設(shè)計(jì)中,僅安裝一個(gè)共模電感,利用共模電感的漏感產(chǎn)生適量的差模電感,起到對(duì)差模干擾的抑制作用。
現(xiàn)在業(yè)界電視等黑電產(chǎn)品普遍使用SQ扁線共模電感,如圖1所示(左為環(huán)形電感,右為SQ扁線共模電感),外形是方形的,繞組線是扁的,這種電感的優(yōu)點(diǎn)有生產(chǎn)自動(dòng)化程度高、一致性好、高頻效果好等,但是在冰箱行業(yè)卻一直沒(méi)有應(yīng)用,經(jīng)過(guò)調(diào)研各電感廠商得知,其原因是SQ扁線共模電感應(yīng)用在變頻冰箱時(shí),騷擾電壓會(huì)非常的差,但一直沒(méi)有找到原因及解決辦法。
圖1 環(huán)形共模電感和SQ扁線共模電感
把與常用的環(huán)形共模電感的外形尺寸和感值相當(dāng)?shù)腟Q扁線共模電感安裝在冰箱上進(jìn)行試驗(yàn),在測(cè)試騷擾電壓時(shí),150 kHz~500 kHz低頻段曲線有很多尖刺,讀點(diǎn)超標(biāo)嚴(yán)重,如圖2所示,在排除了其他原因之后,認(rèn)為是共模電感已經(jīng)失效,再次換上常用的環(huán)形共模電感,測(cè)試恢復(fù)正常,證實(shí)是SQ扁線共模電感失效。鑒于SQ扁線共模電感的優(yōu)點(diǎn),特別希望將其應(yīng)用在冰箱上,因此,本文旨在分析SQ扁線共模電感應(yīng)用在冰箱產(chǎn)品上失效的原因并提出解決方案。
圖2 冰箱用SQ扁線共模電感的騷擾電壓
僅更換不同共模電感,冰箱工作狀態(tài)基本相同,共模電感出現(xiàn)失效,其主要原因應(yīng)是共模電感飽和。業(yè)界普遍認(rèn)為是由于共模電感具有漏感Ldm,那么差模電流很大時(shí)就會(huì)使磁芯內(nèi)的磁密很大,當(dāng)超過(guò)磁芯的飽和磁密時(shí),便會(huì)發(fā)生磁飽和現(xiàn)象,使之基本與無(wú)磁芯的電感一樣,失去其良好的濾波性能[1]。
引起電感飽和的電流需要考慮峰值電流,即瞬時(shí)值,因?yàn)殡姼械乃矔r(shí)飽和會(huì)存在短時(shí)間失效,即失去電感作用,EMI輸出幅值會(huì)大幅度提升。
用示波器測(cè)量冰箱工作時(shí)的L線電流,如圖3(ch1紫色曲線是AC電壓,ch2粉紅色曲線是L線電流),在電壓峰值期間,峰值電流達(dá)到4.2 A,而有效值只有1.1 A,這是由于大電解電容的存在,整流橋?qū)〞r(shí)間只有周期的1/7左右,即正負(fù)半周各有約1.5 ms時(shí)間導(dǎo)通。
圖3 測(cè)量冰箱的L線電流
根據(jù)公式磁密B=Idmpk×Ldm/(N×Ae),式中各值為Ae=19.2 mm2,N=48,Idmpk=4.2 A,Ldm=97.5 uH。
可以計(jì)算出磁密B=0.44 T,已經(jīng)大于該磁芯的飽和磁密0.40 T,這樣共模電感飽和可以理解。
在L線上串一個(gè)10 mH的電抗器,L線峰值電流降為2.4 A,計(jì)算出磁密B=0.25 T,遠(yuǎn)低于飽和磁密,可是騷擾電壓低頻段仍很高,說(shuō)明共模電感仍飽和,還有別的原因引起共模電感飽和。
共模電感飽和除了差模工作電流,還應(yīng)該考慮到共模泄漏電流,一般都認(rèn)為共模電感很小,不會(huì)引起飽和,目前需明確冰箱的共模電流是否足夠引起共模電感飽和。
用示波器測(cè)量LN兩根線上的凈電流,相當(dāng)于PE線上的電流,即共模泄漏電流,如圖4所示(ch1紫色曲線為L(zhǎng)N兩根線上的凈電流,ch2粉紅色曲線為AC電壓),峰值達(dá)到47.8 mA,有效值為5.4 mA,而且峰值也出現(xiàn)在電壓峰值期間,初看起來(lái)這個(gè)電流并非是50 Hz的漏電流,用示波器進(jìn)行FFT分析,如圖5所示(上面部分ch1紫色曲線是LN兩根線上的凈電流,下面部分M4藍(lán)色曲線是FFT分析結(jié)果),頻譜主要是由5 kHz基波和其諧波(10 kHz、15 kHz、20 kHz、25 kHz、30 kHz、35 kHz、40 kHz、45 kHz等)組成,而5 kHz基波是變頻電路的載波頻率[2],并且只有在壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)才會(huì)出現(xiàn)共模電感飽和,說(shuō)明可能是變頻電路產(chǎn)生的泄漏電流形成的共模電流引起了共模電感飽和,這里計(jì)算其是否足夠引起飽和。
圖5 LN兩根線上的凈電流的FFT分析
根據(jù)公式B=Icmpk×Lcm/(N×Ae),式中各值為Ae=19.2 mm2,N=48,Icmpk=47.8 mA,Lcm=10.2 mH。
計(jì)算出磁密B=0.52 T,已經(jīng)大于該磁芯的飽和磁密0.40 T,這種情況下出現(xiàn)共模電感飽和可以理解。
在地線上串接一個(gè)102(1 nF)電容后,共模泄漏電流峰值下降到25.5 mA,可以計(jì)算出磁密B=0.28 T,小于該磁芯的飽和磁密0.40 T,看似共模電感應(yīng)該不飽和了,但是實(shí)際情況是,共模電感仍然飽和,問(wèn)題需要進(jìn)一步探究。
上文中分別分析了差模電流和共模電流引起飽和,實(shí)際上差模電流和共模電流形成磁場(chǎng)和磁密的作用是同時(shí)進(jìn)行的,并且遵守磁場(chǎng)疊加原理。
章節(jié)1.1加電抗器后的差模電流的磁密B=0.25 T,章節(jié)1.2串102電容后共模電流的磁密B=0.28 T,兩個(gè)電流產(chǎn)生的磁密根據(jù)磁場(chǎng)疊加原理,疊加在一起就是0.53 T,還是大于該磁芯的飽和磁密0.40 T,所以還是會(huì)引起共模電感飽和。
再將章節(jié)1.2的串102電容(1 nF)減小為331(0.33 nF),共模泄漏電流峰值下降到8.2 mA,根據(jù)公式B=Icmpk×Lcm/(N×Ae),式中各值為Ae=19.2 mm2,N=48,Icmpk=8.2 mA,Lcm=10.2 mH。
可以計(jì)算出磁密B=0.09 T,與章節(jié)1.1加電抗器后的差模電流的磁密B=0.25 T,兩個(gè)電流產(chǎn)生的磁密根據(jù)磁場(chǎng)疊加原理,合在一起就是0.34 T,已經(jīng)小于該磁芯的飽和磁密0.40 T,理論上應(yīng)該不會(huì)引起共模電感飽和,而經(jīng)過(guò)測(cè)試,結(jié)果顯示共模電感確實(shí)不飽和了。
考慮如何讓共模電感不飽和,即需要共模電感的B值低于電感磁芯的飽和磁密,可以從兩個(gè)方面來(lái)解決:1)提高磁芯的飽和磁密;2)降低磁芯中的磁密。
一般常用磁芯的飽和磁密接近,不易大幅提高,或大幅提高磁芯的飽和磁密將大幅提高成本。即需要通過(guò)降低磁芯中的磁密來(lái)使得共模電感不飽和。
根據(jù)磁密公式B=u×N×I/le,在磁芯材料磁導(dǎo)率u不變、磁路長(zhǎng)度le不能增加(電感高度尺寸受限)、電流不變(冰箱工作需求)的情況下,要減小磁密B就要減小N。
另根據(jù)電感公式L=u×N2×Ae/le,在感值不能減?。‥MI濾波需求)以及剛才假定u、le不變的情況下,要減小N就要加大Ae。
即可以通過(guò)加大截面積Ae、減小匝數(shù)N來(lái)減小磁芯的磁密,以使得共模電感不飽和。
為了方便,采用多個(gè)磁芯疊起來(lái)的方式來(lái)增加整個(gè)磁芯的截面積,分別用2個(gè)、3個(gè)磁芯做了2種共模電感,如圖6所示(左邊2個(gè)磁芯疊繞、右邊3個(gè)磁芯疊繞),兩個(gè)共模電感的參數(shù)如下:
2個(gè)磁芯疊繞共模電感:Lcm=9.7 mH、Ldm=71.9 uH、Ae=38.4 mm2、N=38。
3個(gè)磁芯疊繞共模電感:Lcm=9.3 mH、Ldm=57.8 uH、Ae=57.6 mm2、N=32。
分別安裝上板測(cè)試,測(cè)試結(jié)果顯示2個(gè)磁芯疊繞的共模電感會(huì)飽和(磁密B=0.54 T,大于0.4 T飽和磁密),3個(gè)磁芯疊繞的共模電感不會(huì)飽和(磁密B=0.36 T,小于0.4 T飽和磁密),說(shuō)明增加磁芯截面積的有效性。
家電行業(yè)內(nèi)電視等黑電產(chǎn)品普遍應(yīng)用的SQ扁線共模電感,因?yàn)闆](méi)有解決應(yīng)用在變頻冰箱上易飽和的問(wèn)題,而一直沒(méi)有在冰箱行業(yè)得到推廣應(yīng)用。根據(jù)本文分析,變頻冰箱應(yīng)用SQ扁線共模電感易飽和原因主要有以下幾點(diǎn):
(1)相較于電視等黑電產(chǎn)品,變頻冰箱功率更大,會(huì)有更大的工作電流(差模電流);
(2)相較于電視等黑電產(chǎn)品,變頻冰箱有很大的變頻載波泄漏電流(共模電流),而黑電產(chǎn)品一般沒(méi)有變頻電路,就沒(méi)有變頻載波泄漏電流;
(3)相較于環(huán)形共模電感,感值和尺寸相當(dāng)?shù)腟Q共模電感有較小的磁芯截面積;
(4)相較于環(huán)形共模電感,感值和尺寸相當(dāng)?shù)腟Q共模電感有更大的漏感。
分析得出:SQ扁線共模電感失效的原因是電感磁芯飽和,可以通過(guò)適當(dāng)增大磁芯截面積,減少繞線匝數(shù),使得變頻冰箱產(chǎn)品能夠通過(guò)騷擾電壓測(cè)試。