電感繞線設(shè)計(jì)對電磁干擾抑制的應(yīng)用研究

吳洪清 趙 燕 黃 強(qiáng)

（1.珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070；2.珠海市理工職業(yè)技術(shù)學(xué)校 珠海 519110）

前言

家用空調(diào)在近十年里得到高速的增長，根據(jù)室內(nèi)外的環(huán)境溫度差，利用變頻技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制壓縮機(jī)工作頻率，從而調(diào)整室內(nèi)機(jī)出風(fēng)制冷量，達(dá)到人體感溫舒適性環(huán)境。Boost-PFC（power factor correction）設(shè)計(jì)常用于解決變頻技術(shù)產(chǎn)生的電源諧波問題，并且具有電路結(jié)構(gòu)簡單、輸出電壓高、可靠性高的特點(diǎn)。PFC電路中的電感設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，電感量設(shè)計(jì)需要綜合輸入電壓、輸出電壓、紋波電流、開關(guān)頻率等因素，由給定的磁芯材料、結(jié)構(gòu)大小、繞線匝數(shù)實(shí)現(xiàn)。PFC電感不只有儲(chǔ)能作用，同時(shí)也具有濾波作用，能夠抑制負(fù)載電路產(chǎn)生的電磁干擾（electronic magnetic interference，EMI）向電源傳導(dǎo)。電感的濾波效果主要受其頻率阻抗大小的影響，因此在電感量一定的情況，分布電容是影響電感抑制電磁干擾的關(guān)鍵。文章提出一種降低電感分布電容的方法，可以有效抑制電路產(chǎn)生的高頻電磁干擾，以家用變頻空調(diào)為例，介紹PFC電感參數(shù)對電路傳導(dǎo)EMI的影響。

1 PFC電感參數(shù)特性對傳導(dǎo)EMI的影響

PFC電感的阻抗值隨頻率變化，主要由它的電感量、分布電容、等效阻抗共同決定，并且參數(shù)也會(huì)隨著頻率變化，不存在確定不變的R、L、C參數(shù)擬合的曲線完全擬合實(shí)際使用阻抗分析儀測得的頻率阻抗曲線，但可以用圖1所示串聯(lián)形式的Foster網(wǎng)絡(luò)描述電感參數(shù)的頻率特性。電感的阻抗Z(s)滿足：

圖1 描述電感參數(shù)頻率特性的Foster網(wǎng)絡(luò)

式中：

Ri—等效電阻；

Li—等效電感；

Ci—等效電容；

s—代表復(fù)頻域。

根據(jù)輸入電壓范圍、輸出功率，計(jì)算PFC電感在連續(xù)電流工作模式下的電感量：

式中：

V額—工作額定電壓；

D—最低輸入電壓峰值時(shí)的最大占空比；

報(bào)告在十六大、十七大報(bào)告的基礎(chǔ)上，把“全面建設(shè)小康社會(huì)”提升為“全面建成小康社會(huì)”，并進(jìn)一步提出了全面建成小康社會(huì)的新要求，主要體現(xiàn)在五個(gè)方面：

f—開關(guān)頻率；

I—電感上的紋波電流。

由于PFC的效率、紋波電流受電感量大小的影響，效率會(huì)隨著電感量先上升后下降，而紋波電流會(huì)隨著電感量增加而減小，綜合體積、成本下電感量設(shè)計(jì)只能在一定范圍內(nèi)選取。

由圖2變頻空調(diào)控制器部分電路的傳導(dǎo)EMI示意圖可以看出，電源依次通過LISN、濾波器、整流橋、Boost-PFC電路，運(yùn)用PFC技術(shù)對整流橋輸入電流波形進(jìn)行校正，使之跟隨電壓波形接近成正弦波。PFC過程中IGBT、快速二極管的開關(guān)動(dòng)作、反向恢復(fù)特性、輸出負(fù)載會(huì)產(chǎn)生差模（idm）干擾和共模（icm）干擾，PFC電感的頻率阻抗特性可以在干擾回路中對電磁干擾進(jìn)行衰減，從而降低電磁干擾傳遞至線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（liner impedance stabilization network, LISN）。在一定開關(guān)頻率下，當(dāng)電感量取較大值時(shí)，低頻的濾波效果較好，但在高頻時(shí)電感的分布電容與走線電感發(fā)生串聯(lián)諧振，諧振引起的低阻頻段會(huì)導(dǎo)致濾波失效。若將電感值降低雖然能夠改善高頻濾波效果，但是會(huì)影響諧波效率和增大紋波電流，需要增大開關(guān)頻率，并且低頻傳導(dǎo)EMI會(huì)更差。因此，在電感量設(shè)計(jì)不變情況下，降低電感的分布電容，使串聯(lián)諧振的低阻頻段遠(yuǎn)離干擾頻段是最優(yōu)選擇。

圖2 控制器部分電路的傳導(dǎo)EMI示意圖

2 繞線設(shè)計(jì)對分布電容的影響

電位不相等的導(dǎo)體之間就會(huì)存在電場，因此PFC電感的每一匝線圈可看做一個(gè)等勢面，線圈之間具有電容效應(yīng)，電容的儲(chǔ)能公式（3）和電場能量公式（4）：

式中：

U—工作電壓。

式中：

εr—相對介電常數(shù)；

ε0—真空介電常數(shù)；

E—鄰近線圈的層間電勢差。

由以上可以看出決定分布電容的大小主要是層間的電勢差。在家用變頻空調(diào)應(yīng)用中，PFC電感的磁導(dǎo)率低，匝數(shù)較多，同一層鄰近線圈之間的電勢差很小，所以不考慮匝間的分布電容。并且電感是雙層繞制，主要考慮層間的分布電容影響。

電感的普通繞線方式為順序繞制，即先繞一定圈數(shù)第一層，再繞第二層，如圖3所示，這種繞法操作簡便，便于生產(chǎn)。假定理想情況下，電感的繞線均勻，且每一層的繞線匝數(shù)相同，電感兩端的電勢差為E，層間的電勢差正比于繞線長度。按照順序繞制的方式，第二層的每一線圈與第一層的鄰近層間線圈的電勢差剛好為E/2，此時(shí)電感的分布電容為所有層間電容的總和。

圖3 普通順序繞制結(jié)構(gòu)示意圖

為了降低層間的電勢差，從而減小分布電容，改變電感線圈的繞法如圖4所示,稱為對半繞制結(jié)構(gòu)。繞線順序首先是從左往上繞半圈，然后返回繞半圈，再從右往上繞半圈，最后返回繞半圈。在理想情況下，從左半邊計(jì)算電感的第二層與第一層的鄰近層間的電勢差是從0逐漸增加至E/2，右半邊的層間電勢差也是同樣計(jì)算，總的電勢差的平均值為原來順序繞制的一半，分布電容的大小應(yīng)為順序繞制結(jié)構(gòu)的一半。因此在實(shí)際應(yīng)用中，除了調(diào)整各層間的繞線匝數(shù)，還可以通過調(diào)整電感的繞線方式，從而大大減小分布電容。

圖4 對半繞制結(jié)構(gòu)示意圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 分布電容對電感頻率阻抗的影響

為驗(yàn)證PFC電感的繞線方式對其頻率阻抗特性的影響，以家用變頻空調(diào)的常用PFC電感為實(shí)驗(yàn)對象，電感的額定工作頻率33 kHz、額定電流13 A，電感量大于500 uH。首先測試順序繞制的電感，通過阻抗分析儀測試它的頻率阻抗曲線，用LCR并聯(lián)模型擬合曲線，如圖5（a）測得它的等效分布電容為106.91 pF，在11 MHz、33 MHz、59 MHz附近存在分布電容與分布電感串聯(lián)諧振的低阻區(qū)，且阻抗值小于100 Ω。對比在相同磁芯，相同匝數(shù)的條件下，將電感結(jié)構(gòu)從順序繞制改為對半繞制結(jié)構(gòu)，測試它的頻率阻抗曲線并進(jìn)行參數(shù)擬合，如圖5（b）測得等效分布電容只有33.895 pF，且在7 MHz、25 MHz、44 MHz存在的串聯(lián)諧振的頻段阻抗值大于100 Ω。

圖5 電感的頻率阻抗測試圖

3.2 電感的分布電容對傳導(dǎo)EMI的影響

由上文可知，不同繞法的PFC電感測得的頻率阻抗差別大，尤其是高頻時(shí)相差明顯。假定電感的輸入輸出端為理想阻抗，計(jì)算出電感不同繞法結(jié)構(gòu)的插入損耗特性如圖6，對半繞法結(jié)構(gòu)在1 MHz以后插入損耗比順序繞制結(jié)構(gòu)的要好，并且在15 MHz附近電磁抑制效果相差有8 dB。以一套家用變頻空調(diào)進(jìn)行整機(jī)傳導(dǎo)EMI測試，在單級Boost-PFC電路中分別使用順序繞制結(jié)構(gòu)和對半繞制結(jié)構(gòu)的電感進(jìn)行端子騷擾電壓測試。

圖6 電感不同繞法結(jié)構(gòu)的插入損耗

由圖6結(jié)果得出，PFC電感的頻率阻抗不改變空調(diào)電磁干擾的頻率點(diǎn)，但能改變電磁干擾的幅值，符合圖7插損預(yù)測結(jié)果，在1 MHz后使用對半繞制結(jié)構(gòu)電感的EMI測試結(jié)果更優(yōu)，對15 MHz附近的干擾峰抑制效果明顯，證明電感的分布電容影響了它的頻率阻抗特性，進(jìn)而影響其對路端傳導(dǎo)的電磁干擾濾波效果。

圖7 不同結(jié)構(gòu)電感的整機(jī)端子騷擾電壓測試結(jié)果

4 結(jié)論

電感在Boost-PFC電路中不僅作儲(chǔ)能作用，還能抑制電路傳導(dǎo)的電磁干擾。在相同條件下，對半繞制結(jié)構(gòu)電感的等效分布電容較傳統(tǒng)順序繞制結(jié)構(gòu)更小，可以有效提高電感的高頻阻抗，從而增強(qiáng)對通過的電磁干擾的衰減效果。在實(shí)際應(yīng)用中，可以采用類似原理調(diào)整繞線結(jié)構(gòu)改變電感的分布電容，從而改善器件的高頻阻抗特性。