SQ扁線共模電感未能應(yīng)用在變頻冰箱的原因分析及解決方案提出

任國兵 阮兆忠 張寶玉 朱賢 劉玉輝 李良

合肥美的電冰箱有限公司 安徽合肥 230601

0 引言

電子產(chǎn)品必須通過電磁兼容（EMC）測試認證才能夠進入市場銷售，EMC測試是檢驗電子產(chǎn)品的電磁干擾水平（EMI）和電磁抗干擾水平（EMS）。

電源類產(chǎn)品的EMC設(shè)計整改一般會用到共模電感（Common mode Choke）來過濾共模電磁干擾信號。電源用共模電感的兩個繞組分繞磁芯的一邊，之間有相當大的間隙，這樣就會產(chǎn)生磁通泄漏，形成漏感，也叫差模電感。因此，共模電感一般具有一定的差模干擾衰減能力。在濾波器的設(shè)計中，常利用漏感。如在普通的濾波設(shè)計中，僅安裝一個共模電感，利用共模電感的漏感產(chǎn)生適量的差模電感，起到對差模干擾的抑制作用。

現(xiàn)在業(yè)界電視等黑電產(chǎn)品普遍使用SQ扁線共模電感，如圖1所示（左為環(huán)形電感，右為SQ扁線共模電感），外形是方形的，繞組線是扁的，這種電感的優(yōu)點有生產(chǎn)自動化程度高、一致性好、高頻效果好等，但是在冰箱行業(yè)卻一直沒有應(yīng)用，經(jīng)過調(diào)研各電感廠商得知，其原因是SQ扁線共模電感應(yīng)用在變頻冰箱時，騷擾電壓會非常的差，但一直沒有找到原因及解決辦法。

圖1 環(huán)形共模電感和SQ扁線共模電感

把與常用的環(huán)形共模電感的外形尺寸和感值相當?shù)腟Q扁線共模電感安裝在冰箱上進行試驗，在測試騷擾電壓時，150 kHz～500 kHz低頻段曲線有很多尖刺，讀點超標嚴重，如圖2所示，在排除了其他原因之后，認為是共模電感已經(jīng)失效，再次換上常用的環(huán)形共模電感，測試恢復(fù)正常，證實是SQ扁線共模電感失效。鑒于SQ扁線共模電感的優(yōu)點，特別希望將其應(yīng)用在冰箱上，因此，本文旨在分析SQ扁線共模電感應(yīng)用在冰箱產(chǎn)品上失效的原因并提出解決方案。

圖2 冰箱用SQ扁線共模電感的騷擾電壓

1 原因分析

1.1 引起共模電感失效的原因初步分析—差模電流引起飽和

僅更換不同共模電感，冰箱工作狀態(tài)基本相同，共模電感出現(xiàn)失效，其主要原因應(yīng)是共模電感飽和。業(yè)界普遍認為是由于共模電感具有漏感Ldm，那么差模電流很大時就會使磁芯內(nèi)的磁密很大，當超過磁芯的飽和磁密時，便會發(fā)生磁飽和現(xiàn)象，使之基本與無磁芯的電感一樣，失去其良好的濾波性能[1]。

引起電感飽和的電流需要考慮峰值電流，即瞬時值，因為電感的瞬時飽和會存在短時間失效，即失去電感作用，EMI輸出幅值會大幅度提升。

用示波器測量冰箱工作時的L線電流，如圖3（ch1紫色曲線是AC電壓，ch2粉紅色曲線是L線電流），在電壓峰值期間，峰值電流達到4.2 A，而有效值只有1.1 A，這是由于大電解電容的存在，整流橋?qū)〞r間只有周期的1/7左右，即正負半周各有約1.5 ms時間導(dǎo)通。

圖3 測量冰箱的L線電流

根據(jù)公式磁密B=Idmpk×Ldm/(N×Ae)，式中各值為Ae=19.2 mm2，N=48，Idmpk=4.2 A，Ldm=97.5 uH。

可以計算出磁密B=0.44 T，已經(jīng)大于該磁芯的飽和磁密0.40 T，這樣共模電感飽和可以理解。

在L線上串一個10 mH的電抗器，L線峰值電流降為2.4 A，計算出磁密B=0.25 T，遠低于飽和磁密，可是騷擾電壓低頻段仍很高，說明共模電感仍飽和，還有別的原因引起共模電感飽和。

1.2 引起共模電感失效的原因進一步分析―共模電流引起飽和

共模電感飽和除了差模工作電流，還應(yīng)該考慮到共模泄漏電流，一般都認為共模電感很小，不會引起飽和，目前需明確冰箱的共模電流是否足夠引起共模電感飽和。

用示波器測量LN兩根線上的凈電流，相當于PE線上的電流，即共模泄漏電流，如圖4所示（ch1紫色曲線為LN兩根線上的凈電流，ch2粉紅色曲線為AC電壓），峰值達到47.8 mA，有效值為5.4 mA，而且峰值也出現(xiàn)在電壓峰值期間，初看起來這個電流并非是50 Hz的漏電流，用示波器進行FFT分析，如圖5所示（上面部分ch1紫色曲線是LN兩根線上的凈電流，下面部分M4藍色曲線是FFT分析結(jié)果），頻譜主要是由5 kHz基波和其諧波（10 kHz、15 kHz、20 kHz、25 kHz、30 kHz、35 kHz、40 kHz、45 kHz等）組成，而5 kHz基波是變頻電路的載波頻率[2]，并且只有在壓縮機啟動時才會出現(xiàn)共模電感飽和，說明可能是變頻電路產(chǎn)生的泄漏電流形成的共模電流引起了共模電感飽和，這里計算其是否足夠引起飽和。

圖5 LN兩根線上的凈電流的FFT分析

根據(jù)公式B=Icmpk×Lcm/(N×Ae)，式中各值為Ae=19.2 mm2，N=48，Icmpk=47.8 mA，Lcm=10.2 mH。

計算出磁密B=0.52 T，已經(jīng)大于該磁芯的飽和磁密0.40 T，這種情況下出現(xiàn)共模電感飽和可以理解。

在地線上串接一個102（1 nF）電容后，共模泄漏電流峰值下降到25.5 mA，可以計算出磁密B=0.28 T，小于該磁芯的飽和磁密0.40 T，看似共模電感應(yīng)該不飽和了，但是實際情況是，共模電感仍然飽和，問題需要進一步探究。

1.3 引起共模電感失效的原因綜合分析—差模電流和共模電流共同引起飽和

上文中分別分析了差模電流和共模電流引起飽和，實際上差模電流和共模電流形成磁場和磁密的作用是同時進行的，并且遵守磁場疊加原理。

章節(jié)1.1加電抗器后的差模電流的磁密B=0.25 T，章節(jié)1.2串102電容后共模電流的磁密B=0.28 T，兩個電流產(chǎn)生的磁密根據(jù)磁場疊加原理，疊加在一起就是0.53 T，還是大于該磁芯的飽和磁密0.40 T，所以還是會引起共模電感飽和。

再將章節(jié)1.2的串102電容（1 nF）減小為331（0.33 nF），共模泄漏電流峰值下降到8.2 mA，根據(jù)公式B=Icmpk×Lcm/(N×Ae)，式中各值為Ae=19.2 mm2，N=48，Icmpk=8.2 mA，Lcm=10.2 mH。

可以計算出磁密B=0.09 T，與章節(jié)1.1加電抗器后的差模電流的磁密B=0.25 T，兩個電流產(chǎn)生的磁密根據(jù)磁場疊加原理，合在一起就是0.34 T，已經(jīng)小于該磁芯的飽和磁密0.40 T，理論上應(yīng)該不會引起共模電感飽和，而經(jīng)過測試，結(jié)果顯示共模電感確實不飽和了。

2 整改對策和效果驗證

2.1 加大磁芯截面積來減小磁密

考慮如何讓共模電感不飽和，即需要共模電感的B值低于電感磁芯的飽和磁密，可以從兩個方面來解決：1）提高磁芯的飽和磁密；2）降低磁芯中的磁密。

一般常用磁芯的飽和磁密接近，不易大幅提高，或大幅提高磁芯的飽和磁密將大幅提高成本。即需要通過降低磁芯中的磁密來使得共模電感不飽和。

根據(jù)磁密公式B=u×N×I/le，在磁芯材料磁導(dǎo)率u不變、磁路長度le不能增加（電感高度尺寸受限）、電流不變（冰箱工作需求）的情況下，要減小磁密B就要減小N。

另根據(jù)電感公式L=u×N2×Ae/le，在感值不能減小（EMI濾波需求）以及剛才假定u、le不變的情況下，要減小N就要加大Ae。

即可以通過加大截面積Ae、減小匝數(shù)N來減小磁芯的磁密，以使得共模電感不飽和。

2.2 實驗測試驗證

為了方便，采用多個磁芯疊起來的方式來增加整個磁芯的截面積，分別用2個、3個磁芯做了2種共模電感，如圖6所示（左邊2個磁芯疊繞、右邊3個磁芯疊繞），兩個共模電感的參數(shù)如下：

2個磁芯疊繞共模電感：Lcm=9.7 mH、Ldm=71.9 uH、Ae=38.4 mm2、N=38。

3個磁芯疊繞共模電感：Lcm=9.3 mH、Ldm=57.8 uH、Ae=57.6 mm2、N=32。

分別安裝上板測試，測試結(jié)果顯示2個磁芯疊繞的共模電感會飽和（磁密B=0.54 T，大于0.4 T飽和磁密），3個磁芯疊繞的共模電感不會飽和（磁密B=0.36 T，小于0.4 T飽和磁密），說明增加磁芯截面積的有效性。

3 結(jié)論

家電行業(yè)內(nèi)電視等黑電產(chǎn)品普遍應(yīng)用的SQ扁線共模電感，因為沒有解決應(yīng)用在變頻冰箱上易飽和的問題，而一直沒有在冰箱行業(yè)得到推廣應(yīng)用。根據(jù)本文分析，變頻冰箱應(yīng)用SQ扁線共模電感易飽和原因主要有以下幾點：

（1）相較于電視等黑電產(chǎn)品，變頻冰箱功率更大，會有更大的工作電流（差模電流）；

（2）相較于電視等黑電產(chǎn)品，變頻冰箱有很大的變頻載波泄漏電流（共模電流），而黑電產(chǎn)品一般沒有變頻電路，就沒有變頻載波泄漏電流；

（3）相較于環(huán)形共模電感，感值和尺寸相當?shù)腟Q共模電感有較小的磁芯截面積；

（4）相較于環(huán)形共模電感，感值和尺寸相當?shù)腟Q共模電感有更大的漏感。

分析得出：SQ扁線共模電感失效的原因是電感磁芯飽和，可以通過適當增大磁芯截面積，減少繞線匝數(shù)，使得變頻冰箱產(chǎn)品能夠通過騷擾電壓測試。