基于阻抗特性的磁环应用研究

随着电力电子技术的飞速发展，电气系统在功能上越来越智能化和小型化，各种功率开关器件的开关频率和输出功率也越来越高，这带来的电磁兼容（EMC）问题也越来越突出。为了满足国家标准和出口要求，电子设备应在复杂的干扰信号下正常可靠地工作;同时，对空间内和同一电网内其他电器的干扰要小，以免影响其他设备在工作中的使用，从而在更大程度上限制了电子设备在工作时发出的电磁干扰能量。因此，如何针对不同的电磁干扰正确选择电磁干扰抑制元件，成为大家关注的问题。

滤波是提高电子电气系统电磁兼容性能的重要手段之一。成本低等优点，被广泛应用于家电EMC整流领域，已成为抑制电磁干扰最简单、常用的方法之一，但由于没有统一的标准来生产磁环，不同厂家的磁环特性相同，代码不同，并且磁环在不同应用环境下的特性会发生变化，从而影响整流效率。本文将从理论分析和实验验证两个方面阐述磁环在实际工程应用中的阻抗选择。

1 磁环的基本特性及抑制电磁干扰的原理

磁环的工作状态一般是导线的单匝或多匝。在物理意义上，它改变了线路的局部高频电路参数，增加了环路的阻抗，从而增加了高频能量的损耗，阻尼了高频能量的传播，抑制了干扰电流[1]。

磁环的动力学特性很复杂，一般可以采用电阻和电感串联的方法近似高频磁环[2-3]。其中，电阻模拟磁环的滞后、涡流和残余损耗，电感模拟磁环的饱和特性，等效电路如图1所示。磁环的总阻抗Z（f）为：

在低频阶段，铁氧体磁芯呈现出非常低的感应阻抗值，通过磁环的低频电流几乎可以不衰减地通过，而在高频段，阻抗增大，感阻抗分量保持较小，电阻分量迅速增加，此时电阻值大于电感，它主要是电阻性的，相当于一个品质因数非常低的电感器，因此它可以在很宽的频率范围内保持高阻抗，从而提高高频滤波性能[4]。

当磁环加载到电缆上时，它充当衰减滤波器。当干扰源和负载非常接近时，磁环的插入损耗A大约为：

其中Zf是磁环的阻抗，Zs是源阻抗，ZL是负载阻抗[5]。

使用磁环时要考虑三个主要因素，分别是磁性材料、磁环的尺寸和缠绕的线圈数量。

1.1 磁性材料的选择

常见的磁性材料包括铁氧体、非晶和金属粉末磁芯。其中，金属磁粉芯在磁环尺寸上受到很大限制[6]，而非晶材料的成本略高，因此成本控制相对严格的家电行业大多采用铁氧体作为磁芯材料。

这

抑制电磁干扰的直接原因是磁环在交变磁场下磁化时的高阻抗特性[7]。为了表达磁性材料磁化的难度，引入了磁导率u，这是一个随频率变化的重要参数。一般来说，u=u′-ju“。其中，u′代表磁化过程中的能量储存，反映了磁环的电抗，u′代表磁化过程中磁性材料的损耗，反映了磁环的电阻，决定了EMI被吸收转化为热能消耗的能力[8]。

磁抑制元件一般使用锰锌和镍锌两大系列的铁氧体。锰锌磁环相对磁导率高，低频阻抗大，高频阻抗小，而镍锌磁环相对磁导率低，低频阻抗小，高频阻抗大[9]。典型锰锌和典型镍锌铁氧体的磁导率曲线如图2所示，其中实线和虚线分别表示复磁导率的实部和虚部。

根据材料的特性曲线不难看出，锰锌铁氧体的u′较高，但代表损耗的u“从某个频率点开始迅速减小，因此电磁干扰抑制的频率范围较窄，镍锌铁氧体的磁导率比锰锌材料的磁导率下降得更慢，所以它应该有更宽的频段和更高的应用频段。

1.2 磁性尺寸的影响

一个

根据文献[10]，选取穿过磁环的单线作为研究对象，分析了加载磁环后的阻抗Zl：

其中ω为输入电流的角频率，Le为导体的外感，μ为材料的复磁导率，μ0为真空磁导率，l为磁环长度，K为磁环的形状系数。可以看出，装环后的阻抗不仅与环的材质（磁导率）有关，还与环的尺寸和形状有关。

可以通过仿真来研究对环尺寸的影响程度。具体而言，使用ANSYS内置的磁环模型分别扫描磁环的长度H和内径R作为变量，仿真模型如图3所示。其中，H扫描范围为13~17.5 mm，R扫描范围为7.5~12 mm，扫描步长为0.5 mm，阻抗Z与H和R的趋势有关。

在图4的仿真结果中，曲线分别表示了在30 MHz、20 MHz和10 MHz时环阻抗随环的长度和内径的变化。

可以看出，磁环的阻抗随着磁环长度的增加而增大，随着内径的增加而减小，阻抗增大的趋势随着频率的增加而更加明显，即在较高的频率下，通过增加磁环的长度或减小内径来增加磁环阻抗的效果会更加明显。总之，为了获得更大的阻抗，应尽量选择磁环较长、直径与导线直径相近的磁环尺寸。

1.3 线圈数的确定

从式（1）可以看出：

式（5）中，μ0为自由空间磁导率，常数一般为4π×10-9H/cm，N为周围磁圈数，Ae为有效磁路面积，le为有效磁路长度[11-12]。

因此，磁环的阻抗与缠绕的线圈数的平方成正比，理论上讲，缠绕在同一磁芯上的线圈越多，阻抗值越高。但随着匝数的增加，线间寄生电容也随之增加，如果磁芯材料的电导率较低，则整个器件的寄生电容主要由线间寄生电容引起，阻抗峰值向较低频率移动，如图5所示。更严重的是，由于寄生效应，匝数的增加甚至会导致阻抗的降低（详见第 2.1 节）。

2 磁环阻抗特性与其抑制能力关系的实验验证

2.1 实验背景概述

在了解了磁环抑制电磁干扰的机理后，为了达到令人满意的抑制效果，希望磁环在装入电缆时引入的阻抗尽可能大。但是，在实际使用中，对于磁环的“阻抗”，在型号规格和绕组环数量相同的情况下，不同的电缆长度、型号和绕组方式会使磁环的阻抗不一致。换言之，同一磁环的抑制效果在不同应用中可能不一致。因此，从这个角度来看，虽然磁环厂家在提供产品时也会提供磁环的阻抗特性曲线作为参考，但用户在使用磁环作为抗EMI器件时，仍然需要根据实际情况掌握磁环的阻抗特性。

例如，磁环在1~100 MHz下1~3转条件下的阻抗特性曲线如图6所示。其中，曲线（a）由磁环厂家直接提供，曲线（b）为特定应用条件下的测试结果。当施加磁环以过滤100 MHz的电磁干扰时，如果根据制造商的曲线，在该频率点缠绕的三匝阻抗值最高（约700 Ω），则效果最佳。但是，在应用条件下，参考测试曲线显示，在3匝绕组的情况下阻抗只有300 Ω左右，但2匝绕组可以达到500欧姆以上，显然是由于在时匝数的增加，此时引入了更大的寄生效应，导致该频率点的匝数增加和阻抗衰减。在这种情况下，磁环的匝数应为2匝，这与制造商提供的结果不一致。

根据上述分析，对于电子电气系统来说，当使用磁环过滤干扰能量时，只有磁环在各种应用中的特性才能得到合理的利用，从而最有效地解决电磁干扰问题。磁环厂家给出的磁环基本参数是特定情况下的测试结果，给出的磁环参数有限，一般不给出特定频段的动态参数，不方便磁环模型的选择和应用。综上所述，有必要在磁环的实际应用中验证磁环的阻抗特性。

2.2 实验装置介绍

本实验采用电流卡尺（频率范围为10 kHz~500 MHz）和频谱分析仪（频率范围为9 kHz~3 GHz）测量变频分体式壁挂式空调中性线安装不同磁环前后的150 kHz~100 MHz电流频谱。为了保证它不受外部杂波信号的干扰，实验在电磁屏蔽室中进行，实验设置如图7所示。它使用各种磁环来保护电源线的传导电流，重点关注电力线加载磁环前后的电流谱变化，并考虑这些变化与磁环本身的特性阻抗相对应，并找出两者之间的关系。需要注意的是，在实验过程中，应将零火丝一起缠绕在磁环中，以避免饱和的发生而影响判断。

如图8所示，13.33 MHz时电源线的传导电流发射值为84.78 dBμV。在测试中，使用具有不同阻抗特性的磁环来比较13.33 MHz的发射值，以判断其电磁干扰抑制能力。

2.3 测试对象

磁性材料种类繁多，每种磁性材料都有多种型号和不同的性能，实验重点研究了变频空调系统中常用的10种磁环在电力线传导电流作用下的响应特性。为了便于区分，将10种磁环分别编码为01、02、03、04、05、06、07、08、09和10，如图9所示。磁环的尺寸信息如表1所示。由于空间限制，电源线上每个磁环缠绕的线圈数为：07绕组1匝，09绕组3匝，02、05绕组4匝，01、03、04、06、08、10绕组5匝。

为了保证结果的可靠性，测试电缆选择与变频分体式壁挂空调零带线（两根直径为0.75 mm2的RV90线）相同型号，并保证绕组方式为单层均匀绕组，以符合用例。例如，对于编码的 09 磁环（三圈），如图 10 所示。

最后，磁环阻抗特性的结果如图11所示。磁环01至10在13.33 MHz的阻抗值分别记录在m1至m10之间。可以看出，在13.33 MHz处，01、08、06、04、05、02、09、10、03、07磁环线圈数对应的阻抗值依次为（单位：Ω）：2 890、2 567、2 060、1 263、1 176、550、490、444、367和129。

此外，从表1可以看出，磁环01的体积最大，匝数最大，属于镍锌材料，与图11中的测试结果相比，磁环01此时的阻抗值最大。

2.4 实验结果

本实验对电流卡钳进行3种情况监测：电源线是否有磁环、不同类型磁环、不同数量的磁环，以及电源中性带电线路上的导通电流谱进行分析和比较。需要注意的是，每个磁环分别放置在电缆的中间，每种磁环的数量固定在一个。注意磁环对电力线传导电流谱的影响，区分电流卡钳监测的磁环加载前后的电流谱，得到磁环引起的衰减，如图12所示。

从图12可以看出，加载前后的电流谱差为正，表明磁环对电流发射值有衰减作用，不会导致其发射值增加。当磁环加载时，电源线上的导通电流受到一定程度的抑制。本实验中，磁环在不施加磁环时电流幅值最高的频率点引起的衰减分别为01、08、06、04、05、02、09、10、03、07。从相应的2.2节阻抗测试结果可以看出，每个磁环的阻抗值与其引起的电源线电流衰减量的变化是一致的。也就是说，磁环的抑制效果取决于导通电流频率范围内的阻抗，阻抗越高，引起的衰减越大，磁环的抑制效果越好。值得注意的是，磁环的阻抗测试条件尽可能与实际使用一致，这样得到的阻抗值才能与实际衰减一致。在EMC整流测试中，可以根据磁环的实际阻抗特性曲线来选择磁环。

最后，将变频空调系统中常用的10种磁环总结为各种可能的线圈数的应用频段，方便设计人员和开发人员在对磁环进行综合评估后进行选择。

3 磁环滤波器设计要点

为了满足各种情况的需要，实现磁环滤波的整体性能，在使用过程中应注意以下几点，避免“试用”、“乱用”和“误用”。

（1）线圈数量的选择。在同一磁环上，当线圈数N增加时，阻抗理想情况下会增加原来阻抗的N2倍，从而导致磁环引起的衰减增加。但值得注意的是，增加匝数可以增加低频阻抗，但由于匝间寄生电容的影响，高频阻抗会降低。因此，在磁环的工程应用中，不要盲目增加匝数来加强磁环的干扰抑制能力，当需要抑制的干扰频带较宽时，可以在两个磁环上缠绕不同的匝数。

（2）环路阻抗的影响。当磁环用于高阻抗电路时，它们几乎无法工作。从公式（2）可以看出，假设磁环的阻抗值在一定频率下达到300 Ω，电路中的ZS和ZL为150 Ω，则磁环的衰减可以为6 dB，如果ZS和ZL均为300 Ω，则使用磁环实现的衰减仅为3.5 dB。在这种情况下，需要选择阻抗更高的磁环来匹配高阻抗环路，或者使用其他方法来抑制电磁干扰。

（3）磁环的安装位置。当需要解决电磁干扰问题时，一般是尽可能靠近干扰源，而当需要解决电磁抗扰度问题时，一般是尽可能靠近敏感源。

（4）使用磁环时，正确选择阻抗值高的磁环是一回事，另一方面要找到干扰源，将磁环缠绕在有干扰的电缆上是有意义的。另外，有时在整流过程中施加磁环后干扰没有明显改善，这并不一定是磁环不工作，而是除了这种电缆之外可能还有其他干扰源。

4 结论

磁环在抑制电磁干扰方面起着重要作用。本文分析了磁环抑制电磁干扰的机理，并对一系列常用磁环进行了实际阻抗测试和分析，磁环阻抗越高，基于变频分体式壁挂空调的抗干扰能力越强。在实际的EMC整流实验中，可以根据实际工作磁环的阻抗特性曲线选择磁环，调整匝数，从而快速准确地选择磁环，从而引导整流，提高整流效率，缩短产品开发周期。最后，对磁环滤波器设计的关键点进行细化，避免在实际使用中出现盲目现象。

引用

[1] 薛家祥，李丽妮，廖天发，等. 非隔离光伏并网逆变器共模干扰抑制方法研究[J].电子技术应用，2014（8）：68-71

[2] 孟庆党，雷春明，李波，等.220 kV线路接地故障导致变压器组高压侧断路器误跳闸原因分析与处理[J].电力建设，2011,32（8）：78-82

[3] 李文森，曹泰强，陈先东，等.基于全通滤波的比例复积分控制分析[J].电子技术应用，2017（3）：127-131

[4] 开关电源EMI滤波器的吴 Hang. 与实现[D].成都：电子科技大学，2017].

[5] 李，吴 . 高GIS应用[J].IEEE电源，2017,22（3）：1628-1632.

[6] 孙玉坤，李东云，邹杰，等. 我国磁性材料领域标准现状分析[J].磁性材料与器件，2016（1）：67-71

[7] 张德光，高磁导率铁氧体宽带与高阻抗共模电感胡 Feng.[J].磁性材料与器件，2018（2）：44-46

[8] 陈林.电力电子变换中磁性元件磁芯损耗研究[D].武汉：华中科技大学，2012

[9] 甘哲远，王彦海，张建功，等.磁环在输电线路短波频段无源干扰抑制中的应用[J].高电压技术，2017（5）：1722-1728

[10] 金鑫，王群，唐章红.金属软磁材料结构分离性能[J].安全与电磁兼容性，2018（2）：69-73

[11] JITOH Y，FUJII K，Y，et al. CISPR 22 中使用的夹具丢失 [C].IEEE会议，2013：6-11.

[12] 浦部 J，藤井 K，Y 等.磁芯EMI研究[C].IEEE第17届会议，，2016：622-625。

作者信息：

王辉1，万锦明1，曾英玉1，黄强2