共模电感浅谈

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3. 共模电感的寄生参数

共模电感广泛应用于EMI滤波器中，对抑制传导干扰具有重要作用。然而，由于共模电感的寄生参数效应，使得滤波器的高频滤波性能变差，如滤波器的插入损耗减小，可用频带变窄，无法在传导干扰考虑的0.15～30MHz范围内正常工作。共模电感的寄生参数主要有导线和磁芯损耗（磁损），以及绕组的寄生电容。其中磁损由涡流损耗、磁滞损耗以及剩余损耗组成，影响磁损的因素很多，有频率、磁感应强度、温度、波形等，因而磁芯损耗是非线性的；共模电感的寄生电容即为绕组匝与匝、匝与地、匝与磁芯、绕组与绕组间的电容。通过适当简化铁氧体磁芯损耗，将非线性的磁芯损耗用一个与频率相关的电阻元件等效；通过阻抗测量来提取共模电感的寄生电容和共模电感的漏感，可建立了考虑寄生参数的共模电感集中参数模型，如图3-1所示。

RW表示绕组等效电阻，RC为磁心等效电阻；C1 为绕组匝间的寄生电容；C2 为两个绕组间的寄生电容

图3-1 共模电感模型

3.1 寄生电容C1、C2

寄生参数C可以通过阻抗测量的方法获取。图3-2为测量C1的原理图。

图3-2 测量C1的原理图

共模电感P1与P2端短接，P3与P4端短接，如图3-2a所示，测量P1（P2），P3（P4）端的谐振频率

CR211??1，则fr?fr，由于，其中电感值L=LC+LD，因而2C1?。因为L 与22L?2??frL2?2C1L磁芯磁导率?成正比，如果?随频率改变，L也随之变化为非线性电感，因此确定fr下的电感值比较困难。

提取C1参数的另一种方法是用外部并联电容Cext来测量，如图3-2b所示，电路谐振频率为：

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fext?1（3-1）

2?L?2C1?Cext?如果Cext分别为Cext1，Cext2，则电路谐振频率为：

fext1?1（3-2）

2?L?2C1?Cext1?1（3-3）

2?L?2C1?Cext2?fext2?由式（3-2）得：

22fext2Lext2Cext2?fext1Lext1Cext1（3-4） 2C1?22fext1Lext1?fext2Lext2式中：Lext1，Lext2分别为电感在fext1，fext2下的电感值。

如果Cext1，Cext2选择合适，fext1，fext2则比较接近，认为Lext1?Lext2，化简式（3-4）得：

22fext2Cext2?fext1Cext1（3-5） 2C1?22fext1?fext2在P1、P2端并联一个电感，测量P1、P2端的谐振频率，可提取C2参数，其原理图如图3-3a所示。由于LD、C1、C2、RC、RW数值很小，因此可忽略C1、LD、RC、RW影响，近似为两个C2 并联，等效电路如图3-3b所示。

C0为并联电感寄生电容，R0为寄生电阻

图3-3 测量C2原理图

应选用寄生电阻R0尽可能小的并联电感，这样在测量频率内可以忽略R0的影响。测量P1，P2端的谐振频率f0，则得：

2C2?1?C0（3-6） 22?2??f0L0第 10 页，共 15 页 深圳市普联技术有限公司 版权所有

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3.2 电感LLK、LC

假设共模电感和差模电感是独立的，则用分立的差模电感来模拟LLK。将共模电感P3、P4端短路，测量P1、P2端，即可测得共模电感的漏感。铁氧体磁芯的磁导率?随频率变化，因而电感也随之变化为非线性电感。因LLK较小，忽略其随频率变化，共模电感LC的数值一般非常大，需考虑LC随频率变化。

3.3 等效电阻RC、RW

磁性元件的损耗由两部分组成：铜损和磁损。铜损为电流流过线圈所产生的损耗，用电阻RW等效。在高频时由于趋肤效应和临近效应，较低频下损耗有所增加，因等效电阻RW在高频时远小于磁心等效电阻RC，故可忽略绕组等效电阻的影响。磁损指磁性材料的损耗，影响磁损的因素很多，有频率、磁感应强度、温度、波形等。基于等效电路的原理，将磁芯损耗等效为电阻损耗，表示为RC。这样，非线性的磁芯损耗就能用一个线性元件来表示。仅考虑电阻与频率的关系，设其与单变量f 的模型为：

RC?f??c0?c1f?c2f2（3-7）

多项式的次数选择二次，太低不足以描述其内部规律，太高易引起数值振荡。待定系数C0，C1，C2的获取分为两个步骤：短接P1、P2和P3、P4，测量不同频率下P1、P4端的阻抗Rs和电抗Xs；

由于LLK<

RS??1??L?2C?????2C?R2222C11RC2（3-8）

CXS?式中：??2?f。

?LC1??2LC?2C1???2C1?RC2LC?1??L2?C?2C1??2??2?2C1?RC22?（3-9）

再用回归分析计算出待定系数C0，C1，C2。

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4. 磁芯材料与共模电感磁芯选型

常见的磁芯材料有铁氧体磁芯、磁粉芯和高磁通磁粉芯，其中常用的磁粉芯有铁粉芯、坡莫合金粉芯和铁硅铝粉芯。

4.1 铁氧体磁芯

铁氧体磁芯是由致密匀质的陶瓷结构非金属磁性材料制成。它由氧化铁（Fe2O3）和一种或几种其他金属（例如锰、锌、镍、镁）的氧化物或碳酸盐化合物组成。铁氧体原料通过压制，后经1300℃高温烧结，最后通过机器加工制成满足应用需求的成品磁芯。

铁氧体磁芯分为锰锌类和镍锌类。镍锌类的特点是：初始磁导率低（小于1000），但是可以工作在比较高的频率（大于100MHz）下，保持磁导率不变。由于镍锌系磁芯有很低的初磁导率，所以在低频时，不可产生高阻抗特性。而锰锌系则恰恰相反，其具有很高的初始磁导率，但在频率很低（20KHz）时，磁导率会衰减。锰锌系磁芯在低频时，能提供非常高的阻抗特性，非常适用于减小10KHz到50MHz的电磁干扰。

4.2 磁粉芯与高磁通磁粉芯

磁粉芯是由铁磁性粉粒与绝缘介质混合压制而成的一种软磁材料。磁粉芯具有均匀分布式气隙，因而拥有高电阻、低磁滞、低涡流损耗和软饱和等许多优秀的磁特性，以及在直流和交流条件下极佳的电感稳定性。由于铁磁性颗粒很小（高频下使用的为0.5～5um），又被非磁性电绝缘膜物质隔开；因此，一方面可以隔绝涡流，适用于较高频率；另一方面由于颗粒之间的间隙效应，导致材料具有低磁导率及恒导磁特性；又由于颗粒尺寸小，基本上不发生驱肤现象，磁导率随频率的变化也就较为稳定，主要用于高频电感。磁粉芯的磁电性能主要取决于粉粒材料的导磁率、粉粒的大小和形状、它们的填充系数、绝缘介质的含量、成型压力及热处理工艺等。

铁粉芯是一种常用的软磁类磁粉芯，由碳基铁磁粉及树脂碳基铁磁粉构成，在粉芯中价格最低。饱和磁感应强度值在1.4T左右，磁导率范围从22～100，初始磁导率随频率的变化稳定性好，直流电流叠加性能好，但高频下损耗高。

铁粉芯被广泛用于RF应用上。由于铁粉芯中固有的分布式气隙特性，因此铁粉芯常用于储能式电感中。此外，用铁粉芯来替代坡莫合金磁芯、高磁通量磁芯或铁硅铝磁芯是一种高性价比设计。

相对铁粉芯而言，铁硅铝磁芯的磁芯损耗低的多；铁硅铝磁芯的磁致伸缩接近于零，非常适用于消除滤波电感中的音频噪音；铁硅铝磁芯在制造时没有使用有机粘结剂，因此没有任何热老化的问题；最后，铁硅铝磁芯能在200℃下连续操作，而铁粉芯只能工作于130℃以下。

而坡莫合金磁芯的磁芯损耗比铁硅铝磁芯的更低，当然价格也更高。对于要求损耗极低的电感器，应使用坡莫合金磁芯。需要在低成本下具备合理的低磁损和高饱和度，则应该使用铁硅铝磁粉芯，因为成本符合经济效益。对于直流偏置为主导，且要求尺寸小的设计，应当使用具有最高的磁通量的高磁通磁芯。

上述几种磁芯材料性能对比详见右边文档错误！未指定主题。

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