共模電感的建模方法及驗(yàn)證

文/趙旭東（南京師范大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院）

一、引言

共模電感是由繞在同一高磁導(dǎo)率磁芯上兩個(gè)匝數(shù)和相位相同、繞向相反的獨(dú)立繞組組成。當(dāng)共模電流流過(guò)共模電感時(shí)，由于電流方向相同，會(huì)產(chǎn)生同向磁場(chǎng)，磁通相互疊加，對(duì)共模電流產(chǎn)生較強(qiáng)的阻尼效果，衰減共模電流，減少共模噪聲的干擾；當(dāng)差模電流流過(guò)時(shí)，兩繞組內(nèi)電流產(chǎn)生相反方向的磁場(chǎng)，在磁環(huán)路內(nèi)相互抵消，此時(shí)正常信號(hào)電流主要受線圈電阻和少量漏感產(chǎn)生的阻尼影響[1]。所以共模電感不僅對(duì)共模干擾有抑制作用，也對(duì)差模干擾有抑制作用。由于共模電感體積小、溫升小、使用方便、頻率特性靈活，被廣泛使用于EMI 傳導(dǎo)噪聲抑制中[2]。

本文介紹共模電感仿真模型建立的不同方法，分析各種建模方法的難易程度，最后選擇最簡(jiǎn)單的建模方法[3]，并通過(guò)仿真數(shù)據(jù)與參考值對(duì)比驗(yàn)證仿真模型建立的準(zhǔn)確性，對(duì)共模電感的仿真模型建立有著重要參考意義[4]。

二、建模方法

以一個(gè)共模電感為分析對(duì)象，其磁芯材料是磁導(dǎo)率19000 H/m 的鐵氧體，磁芯外徑11.8 mm，內(nèi)徑5 mm，高5 mm。線圈材料選擇銅材，線圈導(dǎo)線半徑為0.4 mm，共有5匝，如圖1 所示。

圖1 共模電感示意圖

共模電感的仿真模型建立有三種方法。

一是在Maxwell 中直接建立共模電感的模型，但Maxwell 中建立復(fù)雜3D 模型時(shí)操作復(fù)雜且難度較大。

二是先在SolidWorks 中建立共模電感3D 模型，然后將建立好的模型導(dǎo)入Maxwell 中并將磁芯和線圈賦予相對(duì)應(yīng)的材料，完成共模電感仿真模型的建立。在SolidWorks 建立共模電感3D 模型的關(guān)鍵是線圈模型的建立，要先建立一個(gè)比要求的環(huán)形磁芯稍微大點(diǎn)的磁芯，磁芯中間畫(huà)直線再利用曲面掃描功能，掃描出線圈的輪廓，再沿線圈輪廓掃描出線圈。對(duì)共模電感而言，其兩組線圈繞制方向相反，因此還需要用相同的方法建立另一組線圈模型后再裝成整個(gè)共模電感。此種方法建模過(guò)程也較為繁瑣。

三是在PEmag 中建立共模電感的仿真模型。在PEmag 建立模型時(shí)只需要依次設(shè)置磁芯、磁芯材料、線圈、線型、絕緣層。圖2 為PEmag 中設(shè)計(jì)完成的共模電感，其中綠色部分為絕緣層，調(diào)節(jié)絕緣層厚度使兩組線圈對(duì)稱(chēng)。模型建立完成后，運(yùn)行有限元分析，建立可直接用于仿真的共模電感模型，如圖3 所示，可直接導(dǎo)入Maxwell 中進(jìn)行仿真。此種方法更加簡(jiǎn)單、可靠、準(zhǔn)確，故選用此方法建模。

圖2 PEmag 中共模電感模型

圖3 共模電感仿真模型

三、仿真分析與驗(yàn)證

將PEmag 建立的共模電感模型導(dǎo)入Maxwell 中進(jìn)行仿真，采用Eddy current 求解器、求解頻率100kHz、激勵(lì)電流100mA。仿真分析模型如圖4 所示。

圖4 共模電感仿真分析

由于仿真采用的磁芯磁導(dǎo)率不隨頻率變化，是固定的，對(duì)應(yīng)的線圈電感也是不隨頻率變化。在鐵氧體磁導(dǎo)率為19000H/m 時(shí)，單個(gè)繞組上電感為408.41μH，繞組的寄生電阻為20.5mΩ，仿真結(jié)果如圖5 所示。共模電感數(shù)據(jù)表如表1 所示。

圖5 共模電感仿真結(jié)果

表1 共模電感數(shù)據(jù)表

建模后用Maxwell 仿真分析表明，繞組電感值和繞組寄生電阻值與給定的共模電感數(shù)據(jù)表值相差很小，驗(yàn)證了共模電感模型建立的正確性和可靠性。

四、結(jié)論

本文分析了共模電感建模的三種方法，并選擇其中建模最方便簡(jiǎn)單的方法對(duì)共模電感進(jìn)行建模，通過(guò)Maxwell 仿真結(jié)果與給定共模電感數(shù)據(jù)表的對(duì)比可知，繞組上電感為408.41μH 與共模電感數(shù)據(jù)表上的0.4mH電感值較為吻合。繞組的寄生電阻為20.5mΩ，與數(shù)據(jù)表上寄生電阻為22 mΩ 較為吻合，驗(yàn)證了在PEmag 中對(duì)共模電感建立仿真模型的方法是準(zhǔn)確可靠的。