磁粉芯在高性能EMI濾波器中的應(yīng)用

摘要：介紹了用鐵硅鋁磁粉芯制作的單級(jí)和雙級(jí)濾波器的頻率響應(yīng)特性。對(duì)應(yīng)用三種不同磁粉芯材料（鐵鎳鉬合金、50％鐵鎳合金、鐵硅鋁合金）所制成的濾波器的性能進(jìn)行了測(cè)試，并給出相關(guān)的特性曲線。

　　1引言

鐵鎳鉬合金MPP，高磁通鐵鎳50％HF合金和鐵硅鋁合金SUPERMSS等三種不同材料的磁粉芯已被廣泛地應(yīng)用在電源濾波電感之中。特別是在抑制和過濾差模傳導(dǎo)EMI的線路濾波（PowerLineFiltering）電路中，上述三種磁粉芯都有獨(dú)具特色的應(yīng)用。本文將從濾波電路簡(jiǎn)介開始，再通過實(shí)例說明使用多只電感器在濾波電路中的優(yōu)點(diǎn)。

除此之外，還將對(duì)上述三種不同磁粉芯材料所制作的電感器，在一定的工作頻率和不同電流下所產(chǎn)生的功率損耗和電感穩(wěn)定性做逐一對(duì)比。對(duì)應(yīng)不同的工作頻率，電感器可以得到不同的等效串聯(lián)電感，等效串聯(lián)電阻和等效串聯(lián)阻抗，這些數(shù)值反映了繞線分布電容大小和磁粉芯中渦流損耗的大小。

圖1單級(jí)和雙級(jí)濾波器示意圖

(a)單級(jí)濾波器（15A）(b)雙級(jí)濾波器（15A）

2單級(jí)與多級(jí)濾波器

在電力和電子功率變換系統(tǒng)中，濾波器均采用LC電路。這種濾波器一般為“低通濾波器”。

濾波器設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，需要數(shù)學(xué)計(jì)算，計(jì)算機(jī)輔助工程和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合。

本文考慮兩種濾波器，如圖1所示，一種是單級(jí)（一只電感和一只電容組成），另一種是雙級(jí)（兩只電感和兩只電容）。

接有濾波器的電路具有明顯的頻率響應(yīng)特性，但是由于負(fù)載和電源的阻尼作用，頻率響應(yīng)又是有限的。在實(shí)際應(yīng)用中，還要考慮電感器繞組電阻，磁粉芯損耗，電容器引線、電極和介質(zhì)損耗影響。更高頻率下的損耗構(gòu)成附加阻尼有利于濾波器穩(wěn)定運(yùn)行。而且寄生參數(shù)（如電容器引線電感和電感繞組的分布電容）都會(huì)對(duì)濾波器性能產(chǎn)生影響。

寄生參數(shù)如圖2所示，RS為電感器的等效串聯(lián)電阻，RC為電容器的等效串聯(lián)電阻。

用幾種型號(hào)的美國(guó)阿諾公司SUPER－MSS鐵硅鋁磁粉芯制做單級(jí)濾波器和雙級(jí)濾波器，具體設(shè)計(jì)參數(shù)為：

圖2單級(jí)濾波器中考慮寄生參數(shù)的電路圖和實(shí)驗(yàn)及源負(fù)載示意圖

圖3等效串聯(lián)電感和電阻與頻率的關(guān)系曲線

圖4等效并聯(lián)電容和電阻與頻率之間的關(guān)系曲線

圖5增益和相位與頻率的關(guān)系曲線（對(duì)單級(jí)濾波器）

圖6增益和相位與頻率的關(guān)系曲線（對(duì)雙級(jí)濾波器電路）

圖7復(fù)合增益和相位與頻率關(guān)系曲線（對(duì)單級(jí)和雙級(jí)濾波器）

（1）單級(jí)濾波器電感磁芯采用一只鐵硅鋁MS－130060－2型(磁導(dǎo)率為60)，電感量為13.2μH，電感繞組導(dǎo)線采用3股18AWG線規(guī)漆包線，DC直流電阻值為4.5mΩ，電容器采用一只聚丙烯電容，電容量為15μF。

（2）雙級(jí)濾波器兩只電感分別采用兩只鐵硅鋁MS－106060－2型（磁導(dǎo)率為60），每只電感量為7.95μH，電感繞組導(dǎo)線也采用與單級(jí)濾波器相同的三股18AWG漆包線，圈數(shù)為10圈，電感總電阻為5.4mΩ，電容器分別采用兩只聚丙烯電容，電容量分別為15μF。由于每只電感所繞的圈數(shù)少，所以在同樣電流下所產(chǎn)生的直流磁場(chǎng)強(qiáng)度要低14.5％。

　　對(duì)該二種濾波器的頻率響應(yīng)特性，用HP4194A阻抗/增益－相位分析儀進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)信號(hào)電壓0.5Vrms。結(jié)果如圖3、圖4、圖5、圖6、圖7所示。

從圖3可以看到，兩種濾波電路（單級(jí)和雙級(jí)）的等效串聯(lián)電感量（Ls）和電阻值（Rs）隨頻率變化的曲線。電感量大的單級(jí)濾波器的自振頻率在26MHz，電感量小的雙級(jí)濾波器在40MHz以上時(shí)還具有電感特性?；蛘哒f電感量小的雙級(jí)濾波器，其工作頻率范圍較寬。

圖4顯示了電容器有關(guān)數(shù)值與頻率的關(guān)系曲線，即等效并聯(lián)電容（Cp）和等效并聯(lián)電阻（Rp）隨頻率變化的曲線。可以看到，電容器與其引線電感發(fā)生諧振的頻率大約在250kHz。

為了說明多級(jí)濾波電路的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)把單級(jí)和雙級(jí)濾波器的頻率響應(yīng)曲線分別示于圖5和圖6。測(cè)試條件使用了最偏離電源的電路工作參數(shù)，輸入源阻抗為50Ω，負(fù)載阻抗也是50Ω。在典型的電路中，阻抗值是變化的，并不總是匹配的，尤其在低頻下，阻抗值會(huì)非常低。雖然實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)際應(yīng)用的電路條件不一樣，但是，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用來對(duì)單級(jí)濾波器和雙級(jí)濾波器做對(duì)比，可以得到許多有用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。