電感繞線設計對電磁干擾抑制的應用研究

吳洪清 趙 燕 黃 強

（1.珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070；2.珠海市理工職業技術學校 珠海 519110）

前言

家用空調在近十年里得到高速的增長，根據室內外的環境溫度差，利用變頻技術進行實時控制壓縮機工作頻率，從而調整室內機出風制冷量，達到人體感溫舒適性環境。Boost-PFC（power factor correction）設計常用于解決變頻技術產生的電源諧波問題，并且具有電路結構簡單、輸出電壓高、可靠性高的特點。PFC電路中的電感設計是關鍵，電感量設計需要綜合輸入電壓、輸出電壓、紋波電流、開關頻率等因素，由給定的磁芯材料、結構大小、繞線匝數實現。PFC電感不只有儲能作用，同時也具有濾波作用，能夠抑制負載電路產生的電磁干擾（electronic magnetic interference，EMI）向電源傳導。電感的濾波效果主要受其頻率阻抗大小的影響，因此在電感量一定的情況，分布電容是影響電感抑制電磁干擾的關鍵。文章提出一種降低電感分布電容的方法，可以有效抑制電路產生的高頻電磁干擾，以家用變頻空調為例，介紹PFC電感參數對電路傳導EMI的影響。

1 PFC電感參數特性對傳導EMI的影響

PFC電感的阻抗值隨頻率變化，主要由它的電感量、分布電容、等效阻抗共同決定，并且參數也會隨著頻率變化，不存在確定不變的R、L、C參數擬合的曲線完全擬合實際使用阻抗分析儀測得的頻率阻抗曲線，但可以用圖1所示串聯形式的Foster網絡描述電感參數的頻率特性。電感的阻抗Z(s)滿足：

圖1 描述電感參數頻率特性的Foster網絡

式中：

Ri—等效電阻；

Li—等效電感；

Ci—等效電容；

s—代表復頻域。

根據輸入電壓范圍、輸出功率，計算PFC電感在連續電流工作模式下的電感量：

式中：

V額—工作額定電壓；

D—最低輸入電壓峰值時的最大占空比；

報告在十六大、十七大報告的基礎上，把“全面建設小康社會”提升為“全面建成小康社會”，并進一步提出了全面建成小康社會的新要求，主要體現在五個方面：

f—開關頻率；

I—電感上的紋波電流。

由于PFC的效率、紋波電流受電感量大小的影響，效率會隨著電感量先上升后下降，而紋波電流會隨著電感量增加而減小，綜合體積、成本下電感量設計只能在一定范圍內選取。

由圖2變頻空調控制器部分電路的傳導EMI示意圖可以看出，電源依次通過LISN、濾波器、整流橋、Boost-PFC電路，運用PFC技術對整流橋輸入電流波形進行校正，使之跟隨電壓波形接近成正弦波。PFC過程中IGBT、快速二極管的開關動作、反向恢復特性、輸出負載會產生差模（idm）干擾和共模（icm）干擾，PFC電感的頻率阻抗特性可以在干擾回路中對電磁干擾進行衰減，從而降低電磁干擾傳遞至線性阻抗穩定網絡（liner impedance stabilization network, LISN）。在一定開關頻率下，當電感量取較大值時，低頻的濾波效果較好，但在高頻時電感的分布電容與走線電感發生串聯諧振，諧振引起的低阻頻段會導致濾波失效。若將電感值降低雖然能夠改善高頻濾波效果，但是會影響諧波效率和增大紋波電流，需要增大開關頻率，并且低頻傳導EMI會更差。因此，在電感量設計不變情況下，降低電感的分布電容，使串聯諧振的低阻頻段遠離干擾頻段是最優選擇。

圖2 控制器部分電路的傳導EMI示意圖

2 繞線設計對分布電容的影響

電位不相等的導體之間就會存在電場，因此PFC電感的每一匝線圈可看做一個等勢面，線圈之間具有電容效應，電容的儲能公式（3）和電場能量公式（4）：

式中：

U—工作電壓。

式中：

εr—相對介電常數；

ε0—真空介電常數；

E—鄰近線圈的層間電勢差。

由以上可以看出決定分布電容的大小主要是層間的電勢差。在家用變頻空調應用中，PFC電感的磁導率低，匝數較多，同一層鄰近線圈之間的電勢差很小，所以不考慮匝間的分布電容。并且電感是雙層繞制，主要考慮層間的分布電容影響。

電感的普通繞線方式為順序繞制，即先繞一定圈數第一層，再繞第二層，如圖3所示，這種繞法操作簡便，便于生產。假定理想情況下，電感的繞線均勻，且每一層的繞線匝數相同，電感兩端的電勢差為E，層間的電勢差正比于繞線長度。按照順序繞制的方式，第二層的每一線圈與第一層的鄰近層間線圈的電勢差剛好為E/2，此時電感的分布電容為所有層間電容的總和。

圖3 普通順序繞制結構示意圖

為了降低層間的電勢差，從而減小分布電容，改變電感線圈的繞法如圖4所示,稱為對半繞制結構。繞線順序首先是從左往上繞半圈，然后返回繞半圈，再從右往上繞半圈，最后返回繞半圈。在理想情況下，從左半邊計算電感的第二層與第一層的鄰近層間的電勢差是從0逐漸增加至E/2，右半邊的層間電勢差也是同樣計算，總的電勢差的平均值為原來順序繞制的一半，分布電容的大小應為順序繞制結構的一半。因此在實際應用中，除了調整各層間的繞線匝數，還可以通過調整電感的繞線方式，從而大大減小分布電容。

圖4 對半繞制結構示意圖

3 實驗驗證

3.1 分布電容對電感頻率阻抗的影響

為驗證PFC電感的繞線方式對其頻率阻抗特性的影響，以家用變頻空調的常用PFC電感為實驗對象，電感的額定工作頻率33 kHz、額定電流13 A，電感量大于500 uH。首先測試順序繞制的電感，通過阻抗分析儀測試它的頻率阻抗曲線，用LCR并聯模型擬合曲線，如圖5（a）測得它的等效分布電容為106.91 pF，在11 MHz、33 MHz、59 MHz附近存在分布電容與分布電感串聯諧振的低阻區，且阻抗值小于100 Ω。對比在相同磁芯，相同匝數的條件下，將電感結構從順序繞制改為對半繞制結構，測試它的頻率阻抗曲線并進行參數擬合，如圖5（b）測得等效分布電容只有33.895 pF，且在7 MHz、25 MHz、44 MHz存在的串聯諧振的頻段阻抗值大于100 Ω。

圖5 電感的頻率阻抗測試圖

3.2 電感的分布電容對傳導EMI的影響

由上文可知，不同繞法的PFC電感測得的頻率阻抗差別大，尤其是高頻時相差明顯。假定電感的輸入輸出端為理想阻抗，計算出電感不同繞法結構的插入損耗特性如圖6，對半繞法結構在1 MHz以后插入損耗比順序繞制結構的要好，并且在15 MHz附近電磁抑制效果相差有8 dB。以一套家用變頻空調進行整機傳導EMI測試，在單級Boost-PFC電路中分別使用順序繞制結構和對半繞制結構的電感進行端子騷擾電壓測試。

圖6 電感不同繞法結構的插入損耗

由圖6結果得出，PFC電感的頻率阻抗不改變空調電磁干擾的頻率點，但能改變電磁干擾的幅值，符合圖7插損預測結果，在1 MHz后使用對半繞制結構電感的EMI測試結果更優，對15 MHz附近的干擾峰抑制效果明顯，證明電感的分布電容影響了它的頻率阻抗特性，進而影響其對路端傳導的電磁干擾濾波效果。

圖7 不同結構電感的整機端子騷擾電壓測試結果

4 結論

電感在Boost-PFC電路中不僅作儲能作用，還能抑制電路傳導的電磁干擾。在相同條件下，對半繞制結構電感的等效分布電容較傳統順序繞制結構更小，可以有效提高電感的高頻阻抗，從而增強對通過的電磁干擾的衰減效果。在實際應用中，可以采用類似原理調整繞線結構改變電感的分布電容，從而改善器件的高頻阻抗特性。