高性能磁环特性分析及其在电快速瞬变脉冲群中的应用

苗润兴，孙明辉，赵旭东，陈泽南，刘守城

1.新华报业传媒集团，江苏 南京 210092

2.南京师范大学电气与自动化工程学院，江苏 南京 210042

电力电子技术的迅速发展使电气系统器件越来越智能化、微型化，不同功率器件的开关频率和输出功率要求也在不断提高，因此电磁兼容性问题日益突出。电子设备应满足国家标准，在复杂的电磁环境下能够实现可靠工作，同时又不会影响其他设备的使用。如何在不同电磁环境下正确选择有效抑制电磁干扰的元器件已经成为相关研究人员重点关注的问题。磁环具有结构简单、价格便宜、使用方便且可靠性高等优点，被广泛用于改善电气系统电磁兼容性能，也是抑制电磁干扰最常用的方法之一。

1 磁环的工作原理和阻抗特性

磁环是由高磁导率磁性材料与镁、锌、镍等一种或多种其他金属混合制成的铁氧体。不同材料制作的磁环基本特性不同，如镍锌磁环低频阻抗小，高频阻抗大，相对磁导率低；锰锌磁环低频阻抗大，高频阻抗小，相对磁导率高。磁环一般由单匝或多匝导线穿过。将磁环放置在线缆上，等效于串入一个电阻和一个电感，电阻影响磁环的涡流和剩余损耗，电感影响磁环的饱和特性。低频时，铁氧体磁芯呈现极低的阻抗，此时穿过磁环的电流几乎无衰减通过；高频时，阻抗增大，感抗分量仍然较小，电阻迅速增加，主要呈电阻性，等效于一个品质因数特别低的电感。在较宽的频率范围内保持高阻抗，磁环加到线缆上相当于一个衰减的滤波器，从而提高了磁环的高频滤波性能。磁环的阻抗值与传输信号的频率有关，当传输的信号频率比较高时，磁环的阻抗值会快速增加，信号容易辐射出去，加上一般情况下周围环境没有屏蔽信号，正常信号的传输几乎没有损耗，但高频噪声信号会被抑制。由于铁氧体在低频带时，其阻抗值大小非常低，信号在传输的过程中能够正常通过，当频率增加至10MHz时，铁氧磁体的阻抗值大小会急剧增加，主要是实部分量以7倍数的增加，而虚部分量还是保持比较小的值。当高频能量通过磁性材料时，电阻元件将能量转换成热能并将其消散。这样一来，信号在传输的过程中，低频信号能够正常通过，高频噪声信号则会受到抑制。磁环的阻抗特性图如图1所示。其中，Z是阻抗曲线，R是电阻曲线，XL是电抗曲线。

图1 磁环的阻抗特性曲线图

式中：Z为阻抗；V为电压；I为电流；P为功率；L为电感；M为互感；i1和i2分别为绕组上电流。

铁氧磁体制成的磁环等效模型如图2所示，由于磁环与线缆之间存在互感，因此导致噪声电流值降低，辐射能量减少。

图2 磁环等效模型图

2 EFT破坏机理建模与危害

（1）生成机理。电气快速瞬变是由继电器跳闸、隔离开关切空载变压器、电机等感应装置产生的。由于这些感应装置一般在系统的内部，因此电磁干扰会发生在电力系统的内部。在感性负载电路中，当重复切换时，脉冲组会以相应的时间间隔重复产生。感性负载电路中，切换小电感负载产生的脉冲、继电器电击跳跃产生的脉冲、高压开关器件开关产生的脉冲这三种脉冲一般为电快速瞬变脉冲。电快速瞬变脉冲形成的原理电路如图3所示。

图3 电快速瞬变脉冲形成的原理电路

由图3可知，当切断开关K时，支路R和L的电流会流向杂散电容C0进行充电，给C0一个反向电压，其中，R0为导线等效电阻、L0为回路的杂散电感，US为电源，根据电路的基本原理，可以得出如下的二阶动态电路方程：

（2）破坏机理和危害。单向三线制的被测电气电子设备的简化结构图如图4所示，EFT发生器通过50cm长的电缆线传导耦合噪声、辐射耦合噪声以及两者之间的干扰叠加传导被测设备。在单向三线制的被测电气设备中，EFT测试的噪声来源比较复杂，且噪声会受到空间的电磁场的耦合影响，这样就增加了其机理分析的难度。由于电气电子设备面临上述的传导干扰而出现失效的可能性，这样就直接影响了设备的制作成本预算。

图4 单向三线制的被测电气电子设备的简化结构图

3 磁环在EFT中应用

（1）产品介绍。某公司生产的红光和蓝光治疗仪如图5所示，其使用窄光谱光源发射冷光，当其照射皮肤时，其能量会转化成细胞的能量，并且能够改变细胞的结构，一般会采用高纯度、高功率密度照射，即便如此也不会伤到皮肤，因此是比较安全有效的美白皮肤、治疗痤疮的仪器。

图5 红蓝光治疗仪

（2）问题叙述。《电磁兼容试验和测量技术电快速瞬变脉冲群抗扰度试验》（GB/T 17626.4—2008）中相关标准规定的脉冲群测试试验等级如表1所示。中国医药行业使用的测试电压等级为表1中的2、3等级，电压的峰值为1kV和 2kV。

表1 脉冲群测试试验等级

（3）问题诊断与分析。对设备进行原理性分析，首先检查地线是否正常，然后检查电源线的情况，最后检查功率PCB板和控制PCB板。检查发现电源线使用的是非屏蔽双绞线，与屏蔽双绞线对比发现电子信号不是很纯净，对于一些电路敏感的地方没有做有效的电磁防护措施，PCB板缺少瞬态抑制二极管保护电路，这样在高频频段的电压信号会对数字部分电路的部分功能失去控制，从而导致设备操作出现故障或者无响应。

（4）整改措施及理论分析。两个电路共用相同的接地回路的地线共阻抗模型如图6所示，根据电路的基本原理，可以得到以下方程：

图6 地线共阻抗模型

由上式可见，增大Ri1、Ri2或者减小RL2、Zg，都可以减小Un值。

串联共模扼流圈如图7所示，经过测试可知，文章提出的加磁环方法能够有效抑制电磁干扰，加磁环前后部分频点的数据对比如表2所示。

表2 卡磁环前后噪声对比

图7 串联共模扼流圈

选取10MHz、12MHz、15MHz和30MHz4个频点，可以看出在未加磁环后的初始噪声值很大，在电源线加磁环后，噪声降至60dBµV/m以下；在信号线加磁环后，噪声水平降至35dBµV/m以下，和相关标准相比，均有超过15dBµV/m裕量。因此，文章提出的在电源线和信号线加磁环的方法能有效抑制电磁干扰噪声。

4 结束语

文章分析了磁环的工作原理和阻抗特性以及EFT的机理和建模，通过对某公司红光和蓝光治疗仪的整改分析，验证了在电源线和信号线上加磁环的方法可以有效抑制电磁干扰噪声。在不同频率下，对电源线和信号线加磁环后，电磁干扰噪声都有了明显的减小，对以后此类产品的电磁干扰整改有着重要的参考意义。