冯 达1 梁锦聪1 许志钦1* 罗 勋1 许分明1 廖媛敏1

摘 要 本文针对热泵产品的电磁兼容传导骚扰测试，分析研究采用铁氧体磁环抑制高频骚扰的措施，为解决热泵电磁干扰提出合理的解决方案。通过比较热泵电源线处有无磁环情况下的传导骚扰的测试差别，验证了铁氧体磁环能够明显改善热泵产品的电磁兼容效果。

关键词 铁氧体磁环；传导骚扰；感抗；插入损耗；磁导率

 Application of Ferrite Magnetic Ring in EMC Rectification of Heat Pump

FENG Da1  LIANG Jin-Cong1  XU Zhi-Qin1*  LUO Xun1  XU Fen-Ming1  LIAO Yuan-Min1

Abstract In this paper, based on the electromagnetic compatibility conducted emission measurement of heat pump products, the authors analyzed the measures to suppress high-frequency conducted emission using ferrite magnetic ring, aiming to find a solution to solve the electromagnetic interference. By comparing the test difference of conduction disturbance with or without magnetic ring in the heat pump power line, it is verified that ferrite magnetic ring can significantly improve the EMC effect of heat pump products.

Keywords Ferrite magnetic ring; conducted emission; inductive impedance; insertion loss; magnetic permeability

在热泵产品中，普遍采用变频技术，以提高性能，降低能耗。但同时也导致了其内部印制电路板元器件越来越密集，电磁兼容干扰测试频率范围更宽更高频，继而导致热泵电磁兼容问题越来越复杂。热泵产品的干扰源主要来自开关电源电路和变频电路，本文研究采用铁氧体磁环抑制热泵传导骚扰的方法。

铁氧体磁环是一种抑制通过导线不需要的高频骚扰的器件，当电流流经导线穿过磁环时，在磁环附近的一段导线将具有单扼流圈的特性，低频时阻抗较小，随着流经电流频率的升高阻抗增大，但在较宽的高频带内，能够保持适中的高阻抗，以抑制高频电流的通过^[1]。因此，采用铁氧体磁环的作用相当于低通滤波器^[2]。在磁环作用下，使正常有用的信号顺利通过，又能很好地抑制高频干扰信号通过。磁环抑制电磁噪声能量的原理，是作为高阻抗的磁环既可以存储噪声能量，又可以消耗噪声能量^[3]，具备“反射”和“耗散”的双重功能。

采用铁氧体磁环被认为是解决电源线、信号线和连接器的高频骚扰抑制问题的好方法，但应该根据磁环的性能参数合理选取。

1  铁氧体磁环抑制导线高频骚扰工作原理

1.1 插入损耗

磁环的效果与电路阻抗有关，电路的阻抗越低，则磁环的滤波效果越好^[4]。因此，在铁氧体材料的产品手册中，并不给出铁氧体材料的插入损耗，而是给出铁氧体材料的阻抗，铁氧体材料的阻抗越大，滤波效果越好。

插入损耗表示加载磁环后能量的损耗，即磁环加载前负载上所接收到的功率与磁环加载后负载上所接收到的功率比值。当磁环加载到线缆上时，相当于加载了一个衰减滤波器，磁环的插入损耗A近似为^[5]：

             （1）

其中，Z（f）为磁环阻抗，Z_S为加载磁环前阻抗，Z_L为负载阻抗。

因此，磁环的插入损耗除了与磁环阻抗相关外，还与加载磁环前的阻抗和负载阻抗有关。当加载磁环前阻抗和负载阻抗在一定范围内独立变化时, 通过计算目标频率点的最小插入损耗值，即可实现对磁环选型的操作。

1.2 等效电路

磁环的等效电路可以认为是电阻和电感的串联^[6]，其等效电路如图1所示。

图1  磁环等效电路

Fig.1  Magnetic ring equivalent circuit

根据等效电路，磁环阻抗在输入电流频率为f时，总阻抗用复数形式表示为：

                    （2）

由公式（2）可得，磁环的总阻抗与频率f有关，在低频段，铁氧体磁芯表现出的感性阻抗分量很小，穿过磁环的低频电流衰减很少；而当输入电流频率升高，阻性阻抗分量保持不变，依然与低频段表现出的阻性阻抗一致，但感性阻抗分量会随着频率升高快速变大，因此可以在较高的频率范围内保持高阻抗，从而对高频干扰电流起到限流作用。

1.3 电感量和磁导率

铁氧体材料由氧化铁及镍、锰、锌、钴二价金属制成，通常由一个以上的上述金属构成，具有很高的磁导率^[7]。铁氧体材料的主要性能参数包括磁导率、磁阻、饱和磁通密度、通频带宽等^[8]。常用的铁氧体磁环分为镍锌铁氧体磁环和锰锌铁氧体磁环两种类型，镍锌铁氧体磁环适合抑制高频段的电磁干扰，锰锌铁氧体磁环适合抑制低频段的电磁干扰。

磁环的几何尺寸，包括外半径R，内半径r，高度h，如图2。

图2  磁环剖面图

Fig.2  Magnetic loop profile

表示磁环横截面积，则：

                   （3）

表示平均有效磁路长度，即磁环的周长，则：

                 （4）

表示电感量,其表达式如下：

      （5）

其中N表示匝数，表示相对磁导率。

由公式5可见，对于加长磁环或者将几个磁环同时穿入导线，实际上是使磁环高度h增大，电感量与磁环高度成正比关系，会随着磁环高度的增加而增大。另外，如果将导线绕几匝穿过磁环，总电感量与匝数的平方成正比例关系。但需要注意，匝数增加，匝间分布电容也随之增加，引入容性分量后，会导致等效电感量下降，高频抑制作用随之下降，因此并非匝数越多抑制效果越好。

磁导率表示软磁材料对外磁场响应的灵敏度，锰锌铁氧体磁环中的相对磁导率μ典型值在300～5000范围内，镍锌铁氧体磁环中的相对磁导率μ典型值在10～1000范围内。当磁环形状相同时，磁导率越大，抑制效果越好。

在实际工程应用中，磁导率的取值比较复杂，除了相对磁导率，还分为起始磁导率、最大磁导率、振幅磁导率、有效磁导率等。在本文中锰锌铁氧体相对磁导率取值2400、3500、4500，镍锌铁氧体相对磁导率取值500、600、700。通过计算得到不同尺寸的磁环电感量见表1。由此可见，影响磁环电感量的主要因素包括磁环高度、磁导率、匝数，磁环内半径和外半径起到的作用相对较小。

表1  磁环电感量

Table 1  Inductance of magnetic ring

此外，磁导率与频率有关，在50/60 Hz频率段使用的。如果频率提高到几千至几兆赫兹，铁氧体磁环中的相对磁导率μ数值是有变化的，因此随着频率提高，磁环电感量是增加的。

如果生产商目录中给出铁氧体磁环的尺寸和材料的电感系数。这里表示一匝（穿过一次）的电感量，单位是钠亨，由磁环大小和磁导率决定，则N匝时电感量： 

                          （6）

由此可见，电感量与电感系数和匝数成正比。在实际应用中，匝数N一般取值为2、4、6、8等，对应的电感量为4、16、36、64倍的电感系数。式中是理论上的理想情况，通常是不会碰到的，除非电流趋近于零，更实际的情况是：

                     （7）

通过公式5和公式6推导，可得电感系数

   （8）

1.4 磁饱和状态

使用铁氧体磁环时要注意，当磁芯材料处于饱和状态时，电感的阻抗达到上限值，此时寄生电容会使阻抗下降。因此必须保证通过磁环的电流不会使铁氧体材料达到磁饱和状态，从而避免磁环抑制高频骚扰出现性能下降^[9]。磁环饱和电流和最大磁通的计算如下：

表示磁芯中的磁通：

                      （9）

电感为L的铁氧体磁环，饱和电流为：

      （10）

其中，最大磁通的典型值为：

                 （11）

当电流增加时，磁场也同时增加，电感感抗开始减小，同时纯阻性电阻也会减小。一般来说，对于小型或中型体积的铁氧体磁环，这种由电流引起的电感感抗和纯阻性阻抗的下降开始于安培级的电流，引起总的阻抗减小一半的电流值大约为几安培的电流。阻抗与频率曲线的上限区域是由纯阻性阻抗决定的，电磁干扰频谱的上限频率分量转化为热量消耗掉^[10]。

3  铁氧体磁环在热泵整改中的应用

本文列举两个热泵传导骚扰整改的典型案例，按照EN55014进行电源输入线传导骚扰测试，测试目的是测量热泵通过交流电源端口对公共电网的骚扰大小，火线和零线都需要测试，测试设备主要包括接收机和人工电源网络，测试的频率范围是150kHz～30MHz。

案例1：在某型号热泵传导骚扰测试过程中，如图3所示，在工作状态频率3MHz～15MHz频率范围内，传导骚扰测试数据超标严重，其平均值最大超出15 dBuV。经分析该骚扰主要为电源线、变频控制电路板的输入和输出线引入，由于所处频率较低，需要选用在低频处阻抗参数更好的铁氧体磁环。磁环应用在热泵电源线上，应尽量将位置靠近电路板的电源输入端口处和电源输出端口处，这样可以抑制电源与电路板之间的高频干扰，也可以抑制电路板之间的互相串扰。

加磁环整改后曲线图如图4所示，对比两组测试曲线发现，引入磁环后3MHz～15MHz频率范围的骚扰得到改善，整体骚扰降低到限值要求以下，最高点在10 MHz频率点的平均值裕量大于3 dBuV，完全能够满足EN55014标准的要求。

通过反复验证，最终整改合格后磁环布置如图5，在电源线、变频控制电路板的输入和输出都加载了磁环，在接地线也加载了磁环。

案例2：在某型号热泵传导骚扰测试过程中，如图6和表2所示，在工作状态频率5MHz频率点附近，传导骚扰测试数据虽然没有超标，但是其平均值裕量只有1.61 dBuV，裕量不足，有可能导致产品在装配、性能、功能、认证测试等方面不合格或者不可靠，因此必须进行整改。

已尝试过的整改方案包括增大差模电感和增大共模电感，改善效果不明显。经分析，该骚扰主要为电源线引入，尝试将磁环施加于热泵电源线上，经过反复试验，最终解决了裕量不足的问题。

图3  传导骚扰初始扫描曲线图

Fig.3  Initial scan curve of conducted emission

图4  传导骚扰加磁环整改后曲线图

Fig.4  Curves of conducting disturbance and magnetic ring after correction

图5  施加磁环后整改合格布置图

Fig.5  Qualified layout of rectification after the magnetic ring is applied

表2  裕量不足的频率点数值

Table 2  Frequency point values of insufficient margin

加磁环整改后曲线变化如图7所示，对比两组测试曲线发现，引入磁环后5 MHz处频率点的骚扰改善了。最高点在5 MHz频率点的平均值裕量9.22 dBuV，完全能够满足标准的要求。

表3  裕量充足的频率点数值

Table 3  Frequency point values with sufficient margin

通过反复验证，最终整改合格后磁环布置如图8，在电源线输入加载了磁环，在不更改电路板元器件的条件下，提高平均值裕量约7 dBuV。由于不用重新设计电路板，仅仅增加了磁环，因此节约了整改成本，缩短整改周期。

图6  传导骚扰初始扫描曲线图

Fig.6  Initial scan curve of conducted emission

图7  传导骚扰加磁环整改后曲线图

Fig.7  Curve of conducting disturbance and magnetic ring after correction

图8  施加磁环后整改合格布置图

Fig.8  Qualified layout of rectification after the magnetic ring is applied

4  结论

铁氧体磁环是解决电磁干扰的主要器件，主要用于吸收由开关瞬态或者电路中的寄生响应所产生的高频振荡，也可以用于抑制输入、输出的高频骚扰。当所抑制的信号频率超过1 MHz时，抑制电磁干扰的效果相当明显。本文通过在热泵中应用铁氧体磁环，有效解决了传导骚扰超标的问题，为经常遇到的热泵电磁干扰问题提出了解决方案，有利于热泵企业缩短产品研发周期，提高产品质量，从而顺利通过国外认证。

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（文章类别：CPST-C）