SQ扁線共模電感未能應用在變頻冰箱的原因分析及解決方案提出

任國兵 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

0 引言

電子產品必須通過電磁兼容（EMC）測試認證才能夠進入市場銷售，EMC測試是檢驗電子產品的電磁干擾水平（EMI）和電磁抗干擾水平（EMS）。

電源類產品的EMC設計整改一般會用到共模電感（Common mode Choke）來過濾共模電磁干擾信號。電源用共模電感的兩個繞組分繞磁芯的一邊，之間有相當大的間隙，這樣就會產生磁通泄漏，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。在濾波器的設計中，常利用漏感。如在普通的濾波設計中，僅安裝一個共模電感，利用共模電感的漏感產生適量的差模電感，起到對差模干擾的抑制作用。

現在業界電視等黑電產品普遍使用SQ扁線共模電感，如圖1所示（左為環形電感，右為SQ扁線共模電感），外形是方形的，繞組線是扁的，這種電感的優點有生產自動化程度高、一致性好、高頻效果好等，但是在冰箱行業卻一直沒有應用，經過調研各電感廠商得知，其原因是SQ扁線共模電感應用在變頻冰箱時，騷擾電壓會非常的差，但一直沒有找到原因及解決辦法。

圖1 環形共模電感和SQ扁線共模電感

把與常用的環形共模電感的外形尺寸和感值相當的SQ扁線共模電感安裝在冰箱上進行試驗，在測試騷擾電壓時，150 kHz～500 kHz低頻段曲線有很多尖刺，讀點超標嚴重，如圖2所示，在排除了其他原因之后，認為是共模電感已經失效，再次換上常用的環形共模電感，測試恢復正常，證實是SQ扁線共模電感失效。鑒于SQ扁線共模電感的優點，特別希望將其應用在冰箱上，因此，本文旨在分析SQ扁線共模電感應用在冰箱產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

1 原因分析

1.1 引起共模電感失效的原因初步分析—差模電流引起飽和

僅更換不同共模電感，冰箱工作狀態基本相同，共模電感出現失效，其主要原因應是共模電感飽和。業界普遍認為是由于共模電感具有漏感Ldm，那么差模電流很大時就會使磁芯內的磁密很大，當超過磁芯的飽和磁密時，便會發生磁飽和現象，使之基本與無磁芯的電感一樣，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，即瞬時值，因為電感的瞬時飽和會存在短時間失效，即失去電感作用，EMI輸出幅值會大幅度提升。

用示波器測量冰箱工作時的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，整流橋導通時間只有周期的1/7左右，即正負半周各有約1.5 ms時間導通。

圖3 測量冰箱的L線電流

根據公式磁密B=Idmpk×Ldm/(N×Ae)，式中各值為Ae=19.2 mm2，N=48，Idmpk=4.2 A，Ldm=97.5 uH。

可以計算出磁密B=0.44 T，已經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10 mH的電抗器，L線峰值電流降為2.4 A，計算出磁密B=0.25 T，遠低于飽和磁密，可是騷擾電壓低頻段仍很高，說明共模電感仍飽和，還有別的原因引起共模電感飽和。

1.2 引起共模電感失效的原因進一步分析―共模電流引起飽和

共模電感飽和除了差模工作電流，還應該考慮到共模泄漏電流，一般都認為共模電感很小，不會引起飽和，目前需明確冰箱的共模電流是否足夠引起共模電感飽和。

用示波器測量LN兩根線上的凈電流，相當于PE線上的電流，即共模泄漏電流，如圖4所示（ch1紫色曲線為LN兩根線上的凈電流，ch2粉紅色曲線為AC電壓），峰值達到47.8 mA，有效值為5.4 mA，而且峰值也出現在電壓峰值期間，初看起來這個電流并非是50 Hz的漏電流，用示波器進行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藍色曲線是FFT分析結果），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]，并且只有在壓縮機啟動時才會出現共模電感飽和，說明可能是變頻電路產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。

計算出磁密B=0.52 T，已經大于該磁芯的飽和磁密0.40 T，這種情況下出現共模電感飽和可以理解。

在地線上串接一個102（1 nF）電容后，共模泄漏電流峰值下降到25.5 mA，可以計算出磁密B=0.28 T，小于該磁芯的飽和磁密0.40 T，看似共模電感應該不飽和了，但是實際情況是，共模電感仍然飽和，問題需要進一步探究。

1.3 引起共模電感失效的原因綜合分析—差模電流和共模電流共同引起飽和

上文中分別分析了差模電流和共模電流引起飽和，實際上差模電流和共模電流形成磁場和磁密的作用是同時進行的，并且遵守磁場疊加原理。

章節1.1加電抗器后的差模電流的磁密B=0.25 T，章節1.2串102電容后共模電流的磁密B=0.28 T，兩個電流產生的磁密根據磁場疊加原理，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，所以還是會引起共模電感飽和。

再將章節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。

可以計算出磁密B=0.09 T，與章節1.1加電抗器后的差模電流的磁密B=0.25 T，兩個電流產生的磁密根據磁場疊加原理，合在一起就是0.34 T，已經小于該磁芯的飽和磁密0.40 T，理論上應該不會引起共模電感飽和，而經過測試，結果顯示共模電感確實不飽和了。

2 整改對策和效果驗證

2.1 加大磁芯截面積來減小磁密

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，可以從兩個方面來解決：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。即需要通過降低磁芯中的磁密來使得共模電感不飽和。

根據磁密公式B=u×N×I/le，在磁芯材料磁導率u不變、磁路長度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。

另根據電感公式L=u×N2×Ae/le，在感值不能減小（EMI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。

即可以通過加大截面積Ae、減小匝數N來減小磁芯的磁密，以使得共模電感不飽和。

2.2 實驗測試驗證

為了方便，采用多個磁芯疊起來的方式來增加整個磁芯的截面積，分別用2個、3個磁芯做了2種共模電感，如圖6所示（左邊2個磁芯疊繞、右邊3個磁芯疊繞），兩個共模電感的參數如下：

2個磁芯疊繞共模電感：Lcm=9.7 mH、Ldm=71.9 uH、Ae=38.4 mm2、N=38。

3個磁芯疊繞共模電感：Lcm=9.3 mH、Ldm=57.8 uH、Ae=57.6 mm2、N=32。

分別安裝上板測試，測試結果顯示2個磁芯疊繞的共模電感會飽和（磁密B=0.54 T，大于0.4 T飽和磁密），3個磁芯疊繞的共模電感不會飽和（磁密B=0.36 T，小于0.4 T飽和磁密），說明增加磁芯截面積的有效性。

3 結論

家電行業內電視等黑電產品普遍應用的SQ扁線共模電感，因為沒有解決應用在變頻冰箱上易飽和的問題，而一直沒有在冰箱行業得到推廣應用。根據本文分析，變頻冰箱應用SQ扁線共模電感易飽和原因主要有以下幾點：

（1）相較于電視等黑電產品，變頻冰箱功率更大，會有更大的工作電流（差模電流）；

（2）相較于電視等黑電產品，變頻冰箱有很大的變頻載波泄漏電流（共模電流），而黑電產品一般沒有變頻電路，就沒有變頻載波泄漏電流；

（3）相較于環形共模電感，感值和尺寸相當的SQ共模電感有較小的磁芯截面積；

（4）相較于環形共模電感，感值和尺寸相當的SQ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，可以通過適當增大磁芯截面積，減少繞線匝數，使得變頻冰箱產品能夠通過騷擾電壓測試。