电感绕线设计对电磁干扰抑制的应用研究

吴洪清 赵 燕 黄 强

（1.珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070；2.珠海市理工职业技术学校 珠海 519110）

前言

家用空调在近十年里得到高速的增长，根据室内外的环境温度差，利用变频技术进行实时控制压缩机工作频率，从而调整室内机出风制冷量，达到人体感温舒适性环境。Boost-PFC（power factor correction）设计常用于解决变频技术产生的电源谐波问题，并且具有电路结构简单、输出电压高、可靠性高的特点。PFC电路中的电感设计是关键，电感量设计需要综合输入电压、输出电压、纹波电流、开关频率等因素，由给定的磁芯材料、结构大小、绕线匝数实现。PFC电感不只有储能作用，同时也具有滤波作用，能够抑制负载电路产生的电磁干扰（electronic magnetic interference，EMI）向电源传导。电感的滤波效果主要受其频率阻抗大小的影响，因此在电感量一定的情况，分布电容是影响电感抑制电磁干扰的关键。文章提出一种降低电感分布电容的方法，可以有效抑制电路产生的高频电磁干扰，以家用变频空调为例，介绍PFC电感参数对电路传导EMI的影响。

1 PFC电感参数特性对传导EMI的影响

PFC电感的阻抗值随频率变化，主要由它的电感量、分布电容、等效阻抗共同决定，并且参数也会随着频率变化，不存在确定不变的R、L、C参数拟合的曲线完全拟合实际使用阻抗分析仪测得的频率阻抗曲线，但可以用图1所示串联形式的Foster网络描述电感参数的频率特性。电感的阻抗Z(s)满足：

图1 描述电感参数频率特性的Foster网络

式中：

Ri—等效电阻；

Li—等效电感；

Ci—等效电容；

s—代表复频域。

根据输入电压范围、输出功率，计算PFC电感在连续电流工作模式下的电感量：

式中：

V额—工作额定电压；

D—最低输入电压峰值时的最大占空比；

报告在十六大、十七大报告的基础上，把“全面建设小康社会”提升为“全面建成小康社会”，并进一步提出了全面建成小康社会的新要求，主要体现在五个方面：

f—开关频率；

I—电感上的纹波电流。

由于PFC的效率、纹波电流受电感量大小的影响，效率会随着电感量先上升后下降，而纹波电流会随着电感量增加而减小，综合体积、成本下电感量设计只能在一定范围内选取。

由图2变频空调控制器部分电路的传导EMI示意图可以看出，电源依次通过LISN、滤波器、整流桥、Boost-PFC电路，运用PFC技术对整流桥输入电流波形进行校正，使之跟随电压波形接近成正弦波。PFC过程中IGBT、快速二极管的开关动作、反向恢复特性、输出负载会产生差模（idm）干扰和共模（icm）干扰，PFC电感的频率阻抗特性可以在干扰回路中对电磁干扰进行衰减，从而降低电磁干扰传递至线性阻抗稳定网络（liner impedance stabilization network, LISN）。在一定开关频率下，当电感量取较大值时，低频的滤波效果较好，但在高频时电感的分布电容与走线电感发生串联谐振，谐振引起的低阻频段会导致滤波失效。若将电感值降低虽然能够改善高频滤波效果，但是会影响谐波效率和增大纹波电流，需要增大开关频率，并且低频传导EMI会更差。因此，在电感量设计不变情况下，降低电感的分布电容，使串联谐振的低阻频段远离干扰频段是最优选择。

图2 控制器部分电路的传导EMI示意图

2 绕线设计对分布电容的影响

电位不相等的导体之间就会存在电场，因此PFC电感的每一匝线圈可看做一个等势面，线圈之间具有电容效应，电容的储能公式（3）和电场能量公式（4）：

式中：

U—工作电压。

式中：

εr—相对介电常数；

ε0—真空介电常数；

E—邻近线圈的层间电势差。

由以上可以看出决定分布电容的大小主要是层间的电势差。在家用变频空调应用中，PFC电感的磁导率低，匝数较多，同一层邻近线圈之间的电势差很小，所以不考虑匝间的分布电容。并且电感是双层绕制，主要考虑层间的分布电容影响。

电感的普通绕线方式为顺序绕制，即先绕一定圈数第一层，再绕第二层，如图3所示，这种绕法操作简便，便于生产。假定理想情况下，电感的绕线均匀，且每一层的绕线匝数相同，电感两端的电势差为E，层间的电势差正比于绕线长度。按照顺序绕制的方式，第二层的每一线圈与第一层的邻近层间线圈的电势差刚好为E/2，此时电感的分布电容为所有层间电容的总和。

图3 普通顺序绕制结构示意图

为了降低层间的电势差，从而减小分布电容，改变电感线圈的绕法如图4所示,称为对半绕制结构。绕线顺序首先是从左往上绕半圈，然后返回绕半圈，再从右往上绕半圈，最后返回绕半圈。在理想情况下，从左半边计算电感的第二层与第一层的邻近层间的电势差是从0逐渐增加至E/2，右半边的层间电势差也是同样计算，总的电势差的平均值为原来顺序绕制的一半，分布电容的大小应为顺序绕制结构的一半。因此在实际应用中，除了调整各层间的绕线匝数，还可以通过调整电感的绕线方式，从而大大减小分布电容。

图4 对半绕制结构示意图

3 实验验证

3.1 分布电容对电感频率阻抗的影响

为验证PFC电感的绕线方式对其频率阻抗特性的影响，以家用变频空调的常用PFC电感为实验对象，电感的额定工作频率33 kHz、额定电流13 A，电感量大于500 uH。首先测试顺序绕制的电感，通过阻抗分析仪测试它的频率阻抗曲线，用LCR并联模型拟合曲线，如图5（a）测得它的等效分布电容为106.91 pF，在11 MHz、33 MHz、59 MHz附近存在分布电容与分布电感串联谐振的低阻区，且阻抗值小于100 Ω。对比在相同磁芯，相同匝数的条件下，将电感结构从顺序绕制改为对半绕制结构，测试它的频率阻抗曲线并进行参数拟合，如图5（b）测得等效分布电容只有33.895 pF，且在7 MHz、25 MHz、44 MHz存在的串联谐振的频段阻抗值大于100 Ω。

图5 电感的频率阻抗测试图

3.2 电感的分布电容对传导EMI的影响

由上文可知，不同绕法的PFC电感测得的频率阻抗差别大，尤其是高频时相差明显。假定电感的输入输出端为理想阻抗，计算出电感不同绕法结构的插入损耗特性如图6，对半绕法结构在1 MHz以后插入损耗比顺序绕制结构的要好，并且在15 MHz附近电磁抑制效果相差有8 dB。以一套家用变频空调进行整机传导EMI测试，在单级Boost-PFC电路中分别使用顺序绕制结构和对半绕制结构的电感进行端子骚扰电压测试。

图6 电感不同绕法结构的插入损耗

由图6结果得出，PFC电感的频率阻抗不改变空调电磁干扰的频率点，但能改变电磁干扰的幅值，符合图7插损预测结果，在1 MHz后使用对半绕制结构电感的EMI测试结果更优，对15 MHz附近的干扰峰抑制效果明显，证明电感的分布电容影响了它的频率阻抗特性，进而影响其对路端传导的电磁干扰滤波效果。

图7 不同结构电感的整机端子骚扰电压测试结果

4 结论

电感在Boost-PFC电路中不仅作储能作用，还能抑制电路传导的电磁干扰。在相同条件下，对半绕制结构电感的等效分布电容较传统顺序绕制结构更小，可以有效提高电感的高频阻抗，从而增强对通过的电磁干扰的衰减效果。在实际应用中，可以采用类似原理调整绕线结构改变电感的分布电容，从而改善器件的高频阻抗特性。