高性能磁環特性分析及其在電快速瞬變脈沖群中的應用

苗潤興，孫明輝，趙旭東，陳澤南，劉守城

1.新華報業傳媒集團，江蘇 南京 210092

2.南京師范大學電氣與自動化工程學院，江蘇 南京 210042

電力電子技術的迅速發展使電氣系統器件越來越智能化、微型化，不同功率器件的開關頻率和輸出功率要求也在不斷提高，因此電磁兼容性問題日益突出。電子設備應滿足國家標準，在復雜的電磁環境下能夠實現可靠工作，同時又不會影響其他設備的使用。如何在不同電磁環境下正確選擇有效抑制電磁干擾的元器件已經成為相關研究人員重點關注的問題。磁環具有結構簡單、價格便宜、使用方便且可靠性高等優點，被廣泛用于改善電氣系統電磁兼容性能，也是抑制電磁干擾最常用的方法之一。

1 磁環的工作原理和阻抗特性

磁環是由高磁導率磁性材料與鎂、鋅、鎳等一種或多種其他金屬混合制成的鐵氧體。不同材料制作的磁環基本特性不同，如鎳鋅磁環低頻阻抗小，高頻阻抗大，相對磁導率低；錳鋅磁環低頻阻抗大，高頻阻抗小，相對磁導率高。磁環一般由單匝或多匝導線穿過。將磁環放置在線纜上，等效于串入一個電阻和一個電感，電阻影響磁環的渦流和剩余損耗，電感影響磁環的飽和特性。低頻時，鐵氧體磁芯呈現極低的阻抗，此時穿過磁環的電流幾乎無衰減通過；高頻時，阻抗增大，感抗分量仍然較小，電阻迅速增加，主要呈電阻性，等效于一個品質因數特別低的電感。在較寬的頻率范圍內保持高阻抗，磁環加到線纜上相當于一個衰減的濾波器，從而提高了磁環的高頻濾波性能。磁環的阻抗值與傳輸信號的頻率有關，當傳輸的信號頻率比較高時，磁環的阻抗值會快速增加，信號容易輻射出去，加上一般情況下周圍環境沒有屏蔽信號，正常信號的傳輸幾乎沒有損耗，但高頻噪聲信號會被抑制。由于鐵氧體在低頻帶時，其阻抗值大小非常低，信號在傳輸的過程中能夠正常通過，當頻率增加至10MHz時，鐵氧磁體的阻抗值大小會急劇增加，主要是實部分量以7倍數的增加，而虛部分量還是保持比較小的值。當高頻能量通過磁性材料時，電阻元件將能量轉換成熱能并將其消散。這樣一來，信號在傳輸的過程中，低頻信號能夠正常通過，高頻噪聲信號則會受到抑制。磁環的阻抗特性圖如圖1所示。其中，Z是阻抗曲線，R是電阻曲線，XL是電抗曲線。

圖1 磁環的阻抗特性曲線圖

式中：Z為阻抗；V為電壓；I為電流；P為功率；L為電感；M為互感；i1和i2分別為繞組上電流。

鐵氧磁體制成的磁環等效模型如圖2所示，由于磁環與線纜之間存在互感，因此導致噪聲電流值降低，輻射能量減少。

圖2 磁環等效模型圖

2 EFT破壞機理建模與危害

（1）生成機理。電氣快速瞬變是由繼電器跳閘、隔離開關切空載變壓器、電機等感應裝置產生的。由于這些感應裝置一般在系統的內部，因此電磁干擾會發生在電力系統的內部。在感性負載電路中，當重復切換時，脈沖組會以相應的時間間隔重復產生。感性負載電路中，切換小電感負載產生的脈沖、繼電器電擊跳躍產生的脈沖、高壓開關器件開關產生的脈沖這三種脈沖一般為電快速瞬變脈沖。電快速瞬變脈沖形成的原理電路如圖3所示。

圖3 電快速瞬變脈沖形成的原理電路

由圖3可知，當切斷開關K時，支路R和L的電流會流向雜散電容C0進行充電，給C0一個反向電壓，其中，R0為導線等效電阻、L0為回路的雜散電感，US為電源，根據電路的基本原理，可以得出如下的二階動態電路方程：

（2）破壞機理和危害。單向三線制的被測電氣電子設備的簡化結構圖如圖4所示，EFT發生器通過50cm長的電纜線傳導耦合噪聲、輻射耦合噪聲以及兩者之間的干擾疊加傳導被測設備。在單向三線制的被測電氣設備中，EFT測試的噪聲來源比較復雜，且噪聲會受到空間的電磁場的耦合影響，這樣就增加了其機理分析的難度。由于電氣電子設備面臨上述的傳導干擾而出現失效的可能性，這樣就直接影響了設備的制作成本預算。

圖4 單向三線制的被測電氣電子設備的簡化結構圖

3 磁環在EFT中應用

（1）產品介紹。某公司生產的紅光和藍光治療儀如圖5所示，其使用窄光譜光源發射冷光，當其照射皮膚時，其能量會轉化成細胞的能量，并且能夠改變細胞的結構，一般會采用高純度、高功率密度照射，即便如此也不會傷到皮膚，因此是比較安全有效的美白皮膚、治療痤瘡的儀器。

圖5 紅藍光治療儀

（2）問題敘述。《電磁兼容試驗和測量技術電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗》（GB/T 17626.4—2008）中相關標準規定的脈沖群測試試驗等級如表1所示。中國醫藥行業使用的測試電壓等級為表1中的2、3等級，電壓的峰值為1kV和 2kV。

表1 脈沖群測試試驗等級

（3）問題診斷與分析。對設備進行原理性分析，首先檢查地線是否正常，然后檢查電源線的情況，最后檢查功率PCB板和控制PCB板。檢查發現電源線使用的是非屏蔽雙絞線，與屏蔽雙絞線對比發現電子信號不是很純凈，對于一些電路敏感的地方沒有做有效的電磁防護措施，PCB板缺少瞬態抑制二極管保護電路，這樣在高頻頻段的電壓信號會對數字部分電路的部分功能失去控制，從而導致設備操作出現故障或者無響應。

（4）整改措施及理論分析。兩個電路共用相同的接地回路的地線共阻抗模型如圖6所示，根據電路的基本原理，可以得到以下方程：

圖6 地線共阻抗模型

由上式可見，增大Ri1、Ri2或者減小RL2、Zg，都可以減小Un值。

串聯共模扼流圈如圖7所示，經過測試可知，文章提出的加磁環方法能夠有效抑制電磁干擾，加磁環前后部分頻點的數據對比如表2所示。

表2 卡磁環前后噪聲對比

圖7 串聯共模扼流圈

選取10MHz、12MHz、15MHz和30MHz4個頻點，可以看出在未加磁環后的初始噪聲值很大，在電源線加磁環后，噪聲降至60dBμV/m以下；在信號線加磁環后，噪聲水平降至35dBμV/m以下，和相關標準相比，均有超過15dBμV/m裕量。因此，文章提出的在電源線和信號線加磁環的方法能有效抑制電磁干擾噪聲。

4 結束語

文章分析了磁環的工作原理和阻抗特性以及EFT的機理和建模，通過對某公司紅光和藍光治療儀的整改分析，驗證了在電源線和信號線上加磁環的方法可以有效抑制電磁干擾噪聲。在不同頻率下，對電源線和信號線加磁環后，電磁干擾噪聲都有了明顯的減小，對以后此類產品的電磁干擾整改有著重要的參考意義。