共模電感的建模方法及驗證

文/趙旭東（南京師范大學電氣與自動化工程學院）

一、引言

共模電感是由繞在同一高磁導率磁芯上兩個匝數和相位相同、繞向相反的獨立繞組組成。當共模電流流過共模電感時，由于電流方向相同，會產生同向磁場，磁通相互疊加，對共模電流產生較強的阻尼效果，衰減共模電流，減少共模噪聲的干擾；當差模電流流過時，兩繞組內電流產生相反方向的磁場，在磁環路內相互抵消，此時正常信號電流主要受線圈電阻和少量漏感產生的阻尼影響[1]。所以共模電感不僅對共模干擾有抑制作用，也對差模干擾有抑制作用。由于共模電感體積小、溫升小、使用方便、頻率特性靈活，被廣泛使用于EMI 傳導噪聲抑制中[2]。

本文介紹共模電感仿真模型建立的不同方法，分析各種建模方法的難易程度，最后選擇最簡單的建模方法[3]，并通過仿真數據與參考值對比驗證仿真模型建立的準確性，對共模電感的仿真模型建立有著重要參考意義[4]。

二、建模方法

以一個共模電感為分析對象，其磁芯材料是磁導率19000 H/m 的鐵氧體，磁芯外徑11.8 mm，內徑5 mm，高5 mm。線圈材料選擇銅材，線圈導線半徑為0.4 mm，共有5匝，如圖1 所示。

圖1 共模電感示意圖

共模電感的仿真模型建立有三種方法。

一是在Maxwell 中直接建立共模電感的模型，但Maxwell 中建立復雜3D 模型時操作復雜且難度較大。

二是先在SolidWorks 中建立共模電感3D 模型，然后將建立好的模型導入Maxwell 中并將磁芯和線圈賦予相對應的材料，完成共模電感仿真模型的建立。在SolidWorks 建立共模電感3D 模型的關鍵是線圈模型的建立，要先建立一個比要求的環形磁芯稍微大點的磁芯，磁芯中間畫直線再利用曲面掃描功能，掃描出線圈的輪廓，再沿線圈輪廓掃描出線圈。對共模電感而言，其兩組線圈繞制方向相反，因此還需要用相同的方法建立另一組線圈模型后再裝成整個共模電感。此種方法建模過程也較為繁瑣。

三是在PEmag 中建立共模電感的仿真模型。在PEmag 建立模型時只需要依次設置磁芯、磁芯材料、線圈、線型、絕緣層。圖2 為PEmag 中設計完成的共模電感，其中綠色部分為絕緣層，調節絕緣層厚度使兩組線圈對稱。模型建立完成后，運行有限元分析，建立可直接用于仿真的共模電感模型，如圖3 所示，可直接導入Maxwell 中進行仿真。此種方法更加簡單、可靠、準確，故選用此方法建模。

圖2 PEmag 中共模電感模型

圖3 共模電感仿真模型

三、仿真分析與驗證

將PEmag 建立的共模電感模型導入Maxwell 中進行仿真，采用Eddy current 求解器、求解頻率100kHz、激勵電流100mA。仿真分析模型如圖4 所示。

圖4 共模電感仿真分析

由于仿真采用的磁芯磁導率不隨頻率變化，是固定的，對應的線圈電感也是不隨頻率變化。在鐵氧體磁導率為19000H/m 時，單個繞組上電感為408.41μH，繞組的寄生電阻為20.5mΩ，仿真結果如圖5 所示。共模電感數據表如表1 所示。

圖5 共模電感仿真結果

表1 共模電感數據表

建模后用Maxwell 仿真分析表明，繞組電感值和繞組寄生電阻值與給定的共模電感數據表值相差很小，驗證了共模電感模型建立的正確性和可靠性。

四、結論

本文分析了共模電感建模的三種方法，并選擇其中建模最方便簡單的方法對共模電感進行建模，通過Maxwell 仿真結果與給定共模電感數據表的對比可知，繞組上電感為408.41μH 與共模電感數據表上的0.4mH電感值較為吻合。繞組的寄生電阻為20.5mΩ，與數據表上寄生電阻為22 mΩ 較為吻合，驗證了在PEmag 中對共模電感建立仿真模型的方法是準確可靠的。