共模电感的建模方法及验证

文/赵旭东（南京师范大学电气与自动化工程学院）

一、引言

共模电感是由绕在同一高磁导率磁芯上两个匝数和相位相同、绕向相反的独立绕组组成。当共模电流流过共模电感时，由于电流方向相同，会产生同向磁场，磁通相互叠加，对共模电流产生较强的阻尼效果，衰减共模电流，减少共模噪声的干扰；当差模电流流过时，两绕组内电流产生相反方向的磁场，在磁环路内相互抵消，此时正常信号电流主要受线圈电阻和少量漏感产生的阻尼影响[1]。所以共模电感不仅对共模干扰有抑制作用，也对差模干扰有抑制作用。由于共模电感体积小、温升小、使用方便、频率特性灵活，被广泛使用于EMI 传导噪声抑制中[2]。

本文介绍共模电感仿真模型建立的不同方法，分析各种建模方法的难易程度，最后选择最简单的建模方法[3]，并通过仿真数据与参考值对比验证仿真模型建立的准确性，对共模电感的仿真模型建立有着重要参考意义[4]。

二、建模方法

以一个共模电感为分析对象，其磁芯材料是磁导率19000 H/m 的铁氧体，磁芯外径11.8 mm，内径5 mm，高5 mm。线圈材料选择铜材，线圈导线半径为0.4 mm，共有5匝，如图1 所示。

图1 共模电感示意图

共模电感的仿真模型建立有三种方法。

一是在Maxwell 中直接建立共模电感的模型，但Maxwell 中建立复杂3D 模型时操作复杂且难度较大。

二是先在SolidWorks 中建立共模电感3D 模型，然后将建立好的模型导入Maxwell 中并将磁芯和线圈赋予相对应的材料，完成共模电感仿真模型的建立。在SolidWorks 建立共模电感3D 模型的关键是线圈模型的建立，要先建立一个比要求的环形磁芯稍微大点的磁芯，磁芯中间画直线再利用曲面扫描功能，扫描出线圈的轮廓，再沿线圈轮廓扫描出线圈。对共模电感而言，其两组线圈绕制方向相反，因此还需要用相同的方法建立另一组线圈模型后再装成整个共模电感。此种方法建模过程也较为繁琐。

三是在PEmag 中建立共模电感的仿真模型。在PEmag 建立模型时只需要依次设置磁芯、磁芯材料、线圈、线型、绝缘层。图2 为PEmag 中设计完成的共模电感，其中绿色部分为绝缘层，调节绝缘层厚度使两组线圈对称。模型建立完成后，运行有限元分析，建立可直接用于仿真的共模电感模型，如图3 所示，可直接导入Maxwell 中进行仿真。此种方法更加简单、可靠、准确，故选用此方法建模。

图2 PEmag 中共模电感模型

图3 共模电感仿真模型

三、仿真分析与验证

将PEmag 建立的共模电感模型导入Maxwell 中进行仿真，采用Eddy current 求解器、求解频率100kHz、激励电流100mA。仿真分析模型如图4 所示。

图4 共模电感仿真分析

由于仿真采用的磁芯磁导率不随频率变化，是固定的，对应的线圈电感也是不随频率变化。在铁氧体磁导率为19000H/m 时，单个绕组上电感为408.41μH，绕组的寄生电阻为20.5mΩ，仿真结果如图5 所示。共模电感数据表如表1 所示。

图5 共模电感仿真结果

表1 共模电感数据表

建模后用Maxwell 仿真分析表明，绕组电感值和绕组寄生电阻值与给定的共模电感数据表值相差很小，验证了共模电感模型建立的正确性和可靠性。

四、结论

本文分析了共模电感建模的三种方法，并选择其中建模最方便简单的方法对共模电感进行建模，通过Maxwell 仿真结果与给定共模电感数据表的对比可知，绕组上电感为408.41μH 与共模电感数据表上的0.4mH电感值较为吻合。绕组的寄生电阻为20.5mΩ，与数据表上寄生电阻为22 mΩ 较为吻合，验证了在PEmag 中对共模电感建立仿真模型的方法是准确可靠的。