專利名稱：一種共模電感、共模濾波器及開關(guān)電源電磁兼容電路的制作方法
一種共模電感、共模濾波器及開關(guān)電源電磁兼容電路技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于電子領(lǐng)域，尤其涉及一種共模電感、共模濾波器及開關(guān)電源電磁兼容電路。
背景技術(shù)：
隨著開關(guān)型電源在工業(yè)和家用電器中越來越多的應(yīng)用，電器之間的相互干擾成為日益嚴重的問題，電磁環(huán)境越來越為人們所關(guān)心。電磁干擾有很多種類，其中在IOK 30MHz之間的共模干擾是非常重要的一類，它們主要以傳導方式傳播，對儀器的安全正常運行造成很大危害，必須加以控制。通常在輸入端附加共模濾波器，以減輕外界共模干擾通過電源線進入用電器，同時防止用電器產(chǎn)生的共模干擾進入電網(wǎng)。
通常采用共模濾波器濾除共模干擾更有效地濾除，而其核心即為共模電感，目前共模電感的磁芯通常選用頻率特性較好、成本較低的鐵氧體材料，如鎳鋅材料和錳鋅材料， 但是由于鎳鋅材料磁導率低，在低頻不能達到高阻抗，因此適用于抑制頻率高于20MHz以上的噪聲，而錳鋅材料雖在低頻時磁導率較高，但在高頻時衰減太快，適用于抑制IOkHz到 50MHz的低頻噪聲，并且鐵氧體材料共模電感溫度特性差、飽和磁感低、磁導率低等特性在應(yīng)用時受到了諸多限制，不利于廣泛推廣。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實施例的目的在于提供一種共模電感，旨在解決現(xiàn)有共模電感飽和磁感低、磁導率低、溫度特性差以及頻 帶窄等問題。
本發(fā)明實施例是這樣實現(xiàn)的，一種共模電感，所述共模電感包括
由非晶態(tài)材料制成的非晶態(tài)磁芯；
第一繞組，所述第一繞組繞制于所述非晶態(tài)磁芯外壁，所述第一繞組的同名端為所述共模電感一輸入端與零線連接，所述第一繞組的異名端為所述共模電感一輸出端；
第二繞組，所述第二繞組與所述第一繞組同向繞制于所述非晶態(tài)磁芯外壁，所述第二繞組的同名端為所述共模電感另一輸入端與火線連接，所述第二繞組的異名端為所述共模電感另一輸出端。
本發(fā)明實施例的另一目的在于提供一種包括上述共模電感的共模濾波器，所述共模濾波器，還包括
電容Cl和電容C2;
所述電容Cl的一端與所述共模電感的一輸出端連接，所述電容Cl的另一端接地， 所述電容C2的一端與所述共模電感的另一輸出端連接，所述電容C2的另一端接地。
本發(fā)明實施例的另一目的在于提供一種包括上述共模濾波器的開關(guān)電源電磁兼容電路。
本發(fā)明實施例采用非晶態(tài)材料制成磁芯，并在非晶態(tài)磁芯外壁纏繞線圈制成共模繞組，將共模電感的飽和磁感應(yīng)強度提高至二倍，增強了噪聲抑制效果，減少了線圈匝數(shù)，并且該共模電感磁導率高，溫度穩(wěn)定性好，頻率特性靈活，頻帶寬，初始磁導率高。
圖1為本發(fā)明一實施例提供的共模濾波器的電路結(jié)構(gòu)圖2為本發(fā)明一實施例提供的共模電感實測的EMI曲線圖3為本發(fā)明一實施例提供的采用鐵氧體材料制成的共模電感實測的EMI曲線圖。
具體實施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
本發(fā)明實施例采用非晶態(tài)材料制成磁芯，并在非晶態(tài)磁芯外壁纏繞線圈制成共模繞組，將共模電感的飽和磁感應(yīng)強度提高至二倍，增強了噪聲抑制效果，減少了線圈匝數(shù)， 提高了溫度穩(wěn)定性和頻帶寬度。
作為本發(fā)明一實施例提供的共模電感可應(yīng)用于任何類型的共模濾波器中，所述共模電感包括
由非晶態(tài)材料制成的非晶態(tài)磁芯；
第一繞組，該第一繞組繞制于非晶態(tài)磁芯外壁，第一繞組的同名端為共模電感一輸入端與零線連接，第一繞組的異名端為共模電感一輸出端；
第二繞組，該第二繞組與第一繞組同向繞制于非晶態(tài)磁芯外壁，第二繞組的同名端為共模電感另一輸入端與火線連接，第二繞組的異名端為共模電感另一輸出端。
在本發(fā)明實施例中，共模電感由兩組匝數(shù)相同的第一繞組以及第二繞組構(gòu)成，兩繞組分布在磁環(huán)上相對邊，第一繞組和第二繞組中的電流產(chǎn)生的磁通大小相等，方向相反， 這兩個磁通相互抵消使磁芯處于未偏置狀態(tài)。
作為本發(fā)明一實施例，該非晶態(tài)材料可以為鐵基納米晶合金，采用單股纏繞，以降低成本。
作為本發(fā)明一優(yōu)選實施例，非晶態(tài)磁芯可以采用環(huán)形磁芯，以減小磁芯的雜散磁場，使磁力線更為集中，增大磁密，并且由于環(huán)形磁芯無氣隙，可進一步提高共模電感的磁導通率30%以上，以進一步減少線圈匝數(shù)，減少匝間電容，進而展寬頻帶。
作為本發(fā)明一實施例，非晶態(tài)磁芯亦可以采用無氣隙的P型、PQ型、E型、RM型或 EP型磁芯等，以降低線圈成本。
在本發(fā)明實施例中，將非晶態(tài)磁芯外壁同向、相同匝數(shù)地纏繞兩個線圈，使近程有序而遠程無序的非晶態(tài)材料結(jié)構(gòu)特征結(jié)合電磁感應(yīng)后，形成具有諸多優(yōu)異特性的共模電感。
表I示出了經(jīng)測試后非晶態(tài)磁芯與鐵氧體材料磁芯的共模電感的性能參數(shù)對比數(shù)據(jù)，詳述如下
表I
鎳鋅材料錳鋅材料鐵基納米晶合金材料磁導率(IOKHz)<200001500015000-100000損耗(25KHz、 200mt、100°C )14 W/Kg17 W/Kg3 W/Kg飽和磁感應(yīng)強度0.8T0.48T1.2T居里溫度400 °C220 °C>600 °C顯120 °C<100 °C>120 °C
初始磁導率高，在表I中示出，經(jīng)測試在低磁場下(IOKHz)，鎳鋅材料的磁導率小于20000,猛鋒材料的磁導率為15000左右,而鐵基納米晶合金材料(鐵基納米晶合金材料為非晶態(tài)材料中的一種)制成的共模電感的初始磁導率可達10萬以上，遠遠高于鐵氧體材料的共模電感，因此鐵基納米晶合金材料的非晶態(tài)磁芯共模電感在低磁場下具有大的阻抗和插入損耗，以在同等電感量下縮小鐵芯的體積，并且對極小泄漏電流的弱干擾具有極好的抑制作用，尤其在某些特定場合，如醫(yī)療設(shè)備通過對地電容(人體)造成泄漏電流，容易形成共模干擾，而設(shè)備本身又對數(shù)據(jù)要求極為精確，因此采用高導磁率的鐵基納米晶合金材料共模電感則為開關(guān)電源電磁兼容電路的最優(yōu)方案。此外，高導磁率的鐵基納米晶合金材料共模電感還可以減少線圈匝數(shù)，進而降低寄生電容等分布參數(shù)，提高由分布參數(shù)引起的在插入損耗譜上的共振頻率，實現(xiàn)增加頻帶寬度。
損耗小，在表I中示出，經(jīng)測試在頻率為25KHz (千赫茲)、磁感應(yīng)強度為200mT (毫特斯拉)、溫度為100°c的情況下，鐵基納米晶合金材料共模電感的損耗僅為3W/Kg (瓦每千克)，即為鐵氧體材料的六分之一至五分之一左右，故可以擴展頻寬。
飽和磁感應(yīng)強度高，在表I中示出，經(jīng)測試在頻率為25KHz (千赫茲)、磁感應(yīng)強度為200mT (毫特斯拉) 、溫度為100°C的情況下，鐵基納米晶合金材料共模電感的飽和磁感應(yīng)強度Bs可以達到1. 2T，是鐵氧體材料的兩倍以上，具有優(yōu)異的抗飽和性，使得在干擾強度較大的環(huán)境(例如大功率變頻電機)中，可以避免磁芯因飽和導致電感量下降，增強了噪聲抑制效果，擴展了應(yīng)用范圍。
溫度穩(wěn)定性好，在表I中示出，經(jīng)測試鐵氧體共模電感的居里溫度一般在250°C以下，且磁性能變化呈非線性，而鐵基納米晶合金材料共模電感的居里溫度可以高達600°C以上，尤其在在_50°C至130°C的溫度區(qū)間內(nèi)，磁性能的變化率在10%以內(nèi)，即使在有較大溫度波動的情況下，納米晶合金的性能變化率也遠低于鐵氧體，表現(xiàn)出極其穩(wěn)定的溫度特性， 并且，對于耐溫性，鎳鋅材料可以在120°C左右的溫度下穩(wěn)定工作、錳鋅材料可以在100°C 以下的溫度下穩(wěn)定工作，而非晶態(tài)材料可以在高于120°C的溫度下穩(wěn)定工作，因此，納米晶合金的耐溫性更好，為器件設(shè)計提供了寬松的溫度條件。
頻率特性靈活，經(jīng)測試通過不同的制造工藝，鐵基納米晶合金材料的非晶態(tài)磁芯具有不同的頻率特性，在配合纏繞適當匝數(shù)的線圈即可得到不同的阻抗特性，更加靈活地通過調(diào)整工藝來得到所需要的頻率特性，以滿足不同波段的濾波要求，而其阻抗值大大高于鐵氧體材料的共模電感。
本發(fā)明實施例采用非晶態(tài)材料制成磁芯，并在非晶態(tài)磁芯外壁纏繞線圈制成共模繞組，將共模電感的飽和磁感應(yīng)強度提高至二倍，增強了噪聲抑制效果，減少了線圈匝數(shù)， 并且該共模電感磁導率高，溫度穩(wěn)定性好，頻率特性靈活，頻帶寬，初始磁導率高。
以下結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的實現(xiàn)進行詳細說明。
圖1示出了本發(fā)明一實施例提供的共模濾波器的結(jié)構(gòu)，為了便于說明，僅示出了與本發(fā)明實施例相關(guān)的部分。
作為本發(fā)明一實施例提供的共模濾波器可應(yīng)用于任何結(jié)構(gòu)的開關(guān)電源電磁兼容電路中，該共模濾波器包括
共模電感I，該共模電感的輸入端與市電連接；
電容Cl，該電容Cl的一端與共模電感I的一輸出端連接，電容Cl的另一端接地；
電容C2，該電容C2的一端與共模電感I的另一輸出端連接，電容C2的另一端接地。
在本發(fā)明實施例中，開關(guān)電源產(chǎn)生的噪聲頻譜通常IOkHz 30MHz，針對于該頻率對共模電感進行設(shè)計，保證電感阻抗夠高，達到足夠的衰減量。
具體設(shè)計方案詳述如下
設(shè)頻率f = IOkHz，電抗Zs = 1000 Ω，輸入電流I的有效值為3A，電流密度j = 400A/cm2,電感量 Ls = Xs/2 π f。
選擇導線尺寸-Act = I/j = 3/4 = O. 75mm2,其中Aet為導線的截面積,單位為平方毫米，因此選擇線徑d = Imm,截面積Act = O. 785mm2,裸線直徑(I1 =1. 11mm。
計算最小電感=-τ- = 1.59mH。
在本發(fā)明實施例中，以鐵基納米晶合金材料制成的共模電感為例，其電感系數(shù)\ =30000±30%，設(shè)內(nèi)徑D = 8. 65mm±0. 20_，最小內(nèi)經(jīng)Dniin = 8. 45mm，為使兩個線圈間絕緣，每個線圈占據(jù)內(nèi)圓周150° 170°，本方案優(yōu)選160°纏繞線圈(繞組)。
計算內(nèi)圓周和可纏繞的最大阻數(shù)內(nèi)圓周D1 = (Dmin-(I1) = (8.45-1.11)= 23. 05mm，最大匝數(shù) Nniax = (Di/2 31) X (D1M1) = (160。/360。) X (23. 05/1. 11) = 9. 22 匝，取9匝。數(shù)，L為電感量,單位為mH,· Al為電感系數(shù)。
因此，本發(fā)明實施例提供的以鐵基納米晶合金材料制成的共模電感在最小內(nèi)經(jīng)為 8. 45mm的情況下完全可以實現(xiàn)達到1000 Ω阻抗而纏繞的線圈匝數(shù)，并且線圈匝數(shù)少，銅材料用量少，節(jié)省成本，并且產(chǎn)生的銅損耗小，轉(zhuǎn)換效率更高，銅發(fā)熱量低，溫升低。
下面以鐵氧體材料為例進行對比，其電感系數(shù)\ = 60000±30%，設(shè)內(nèi)徑D = 13. 47mm±0. 30mm,最小內(nèi)經(jīng)Dmin = 13. 17mm,每個線圈占據(jù)內(nèi)圓周160°。
計算內(nèi)圓周和可纏繞的最大阻數(shù)內(nèi)圓周D1 = (Dmin-(I1) = Ti (13. 17-1. 11)= 37. 87mm，最大匝數(shù) Nniax = ( ,/2 η ) X (D1Zd1) = (160。/360。) X (37. 87/1. 11) = 15.162^· X10匝，取15匝。
而計算需要匝數(shù)
權(quán)利要求
1.一種共模電感，其特征在于，所述共模電感包括 由非晶態(tài)材料制成的非晶態(tài)磁芯； 第一繞組，所述第一繞組繞制于所述非晶態(tài)磁芯外壁，所述第一繞組的同名端為所述共模電感一輸入端與零線連接，所述第一繞組的異名端為所述共模電感一輸出端； 第二繞組，所述第二繞組與所述第一繞組同向繞制于所述非晶態(tài)磁芯外壁，所述第二繞組的同名端為所述共模電感另一輸入端與火線連接，所述第二繞組的異名端為所述共模電感另一輸出端。
2.如權(quán)利要求1所述的共模電感，其特征在于，所述非晶態(tài)材料為鐵基納米晶合金。
3.如權(quán)利要求1所述的共模電感，其特征在于，所述非晶態(tài)磁芯為環(huán)形磁芯。
4.如權(quán)利要求1所述的共模電感，其特征在于，所述非晶態(tài)磁芯為P型、PQ型、E型、RM型或EP型磁芯。
5.一種共模濾波器，其特征在于，所述共模濾波器包括如權(quán)利要求1至4任一項所述的共模電感，還包括 電容Cl，所述電容Cl的一端與所述共模電感的一輸出端連接，所述電容Cl的另一端接地； 電容C2，所述電容C2的一端與所述共模電感的另一輸出端連接，所述電容C2的另一端接地。
6.一種開關(guān)電源電磁兼容電路，其特征在于，所述開關(guān)電源電磁兼容電路包括如權(quán)利要求5所述的共模濾波器，所述共模濾波器包括所述的共模電感，還包括 電容Cl，所述電容Cl的一端與所述共模電感的一輸出端連接，所述電容Cl的另一端接地； 電容C2，所述電容C2的一端與所述共模電感的另一輸出端連接，所述電容C2的另一端接地。
全文摘要
本發(fā)明適用于電子領(lǐng)域，提供了一種共模電感、電磁兼容電路及開關(guān)電源電磁兼容電路，所述共模電感包括由非晶態(tài)材料制成的非晶態(tài)磁芯；第一繞組，第一繞組繞制于非晶態(tài)磁芯外壁，第一繞組的同名端為共模電感一輸入端與零線連接，第一繞組的異名端為共模電感一輸出端；第二繞組，第二繞組與第一繞組同向繞制于非晶態(tài)磁芯外壁，第二繞組的同名端為共模電感另一輸入端與火線連接，第二繞組的異名端為共模電感另一輸出端。本發(fā)明實施例采用采用非晶態(tài)材料制成磁芯，并在非晶態(tài)磁芯外壁纏繞線圈制成共模繞組，將共模電感的飽和磁感應(yīng)強度提高至二倍，增強了噪聲抑制效果，減少了線圈匝數(shù)，提高了溫度穩(wěn)定性和頻帶寬度。
文檔編號H01F1/153GK103021628SQ20111028146
公開日2013年4月3日 申請日期2011年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月21日
發(fā)明者茍霜, 于吉永, 李偉平, 黃昌賓 申請人:中國長城計算機深圳股份有限公司