SQ扁线共模电感未能应用在变频冰箱的原因分析及解决方案提出

任国兵 阮兆忠 张宝玉 朱贤 刘玉辉 李良

合肥美的电冰箱有限公司 安徽合肥 230601

0 引言

电子产品必须通过电磁兼容（EMC）测试认证才能够进入市场销售，EMC测试是检验电子产品的电磁干扰水平（EMI）和电磁抗干扰水平（EMS）。

电源类产品的EMC设计整改一般会用到共模电感（Common mode Choke）来过滤共模电磁干扰信号。电源用共模电感的两个绕组分绕磁芯的一边，之间有相当大的间隙，这样就会产生磁通泄漏，形成漏感，也叫差模电感。因此，共模电感一般具有一定的差模干扰衰减能力。在滤波器的设计中，常利用漏感。如在普通的滤波设计中，仅安装一个共模电感，利用共模电感的漏感产生适量的差模电感，起到对差模干扰的抑制作用。

现在业界电视等黑电产品普遍使用SQ扁线共模电感，如图1所示（左为环形电感，右为SQ扁线共模电感），外形是方形的，绕组线是扁的，这种电感的优点有生产自动化程度高、一致性好、高频效果好等，但是在冰箱行业却一直没有应用，经过调研各电感厂商得知，其原因是SQ扁线共模电感应用在变频冰箱时，骚扰电压会非常的差，但一直没有找到原因及解决办法。

图1 环形共模电感和SQ扁线共模电感

把与常用的环形共模电感的外形尺寸和感值相当的SQ扁线共模电感安装在冰箱上进行试验，在测试骚扰电压时，150 kHz～500 kHz低频段曲线有很多尖刺，读点超标严重，如图2所示，在排除了其他原因之后，认为是共模电感已经失效，再次换上常用的环形共模电感，测试恢复正常，证实是SQ扁线共模电感失效。鉴于SQ扁线共模电感的优点，特别希望将其应用在冰箱上，因此，本文旨在分析SQ扁线共模电感应用在冰箱产品上失效的原因并提出解决方案。

图2 冰箱用SQ扁线共模电感的骚扰电压

1 原因分析

1.1 引起共模电感失效的原因初步分析—差模电流引起饱和

仅更换不同共模电感，冰箱工作状态基本相同，共模电感出现失效，其主要原因应是共模电感饱和。业界普遍认为是由于共模电感具有漏感Ldm，那么差模电流很大时就会使磁芯内的磁密很大，当超过磁芯的饱和磁密时，便会发生磁饱和现象，使之基本与无磁芯的电感一样，失去其良好的滤波性能[1]。

引起电感饱和的电流需要考虑峰值电流，即瞬时值，因为电感的瞬时饱和会存在短时间失效，即失去电感作用，EMI输出幅值会大幅度提升。

用示波器测量冰箱工作时的L线电流，如图3（ch1紫色曲线是AC电压，ch2粉红色曲线是L线电流），在电压峰值期间，峰值电流达到4.2 A，而有效值只有1.1 A，这是由于大电解电容的存在，整流桥导通时间只有周期的1/7左右，即正负半周各有约1.5 ms时间导通。

图3 测量冰箱的L线电流

根据公式磁密B=Idmpk×Ldm/(N×Ae)，式中各值为Ae=19.2 mm2，N=48，Idmpk=4.2 A，Ldm=97.5 uH。

可以计算出磁密B=0.44 T，已经大于该磁芯的饱和磁密0.40 T，这样共模电感饱和可以理解。

在L线上串一个10 mH的电抗器，L线峰值电流降为2.4 A，计算出磁密B=0.25 T，远低于饱和磁密，可是骚扰电压低频段仍很高，说明共模电感仍饱和，还有别的原因引起共模电感饱和。

1.2 引起共模电感失效的原因进一步分析―共模电流引起饱和

共模电感饱和除了差模工作电流，还应该考虑到共模泄漏电流，一般都认为共模电感很小，不会引起饱和，目前需明确冰箱的共模电流是否足够引起共模电感饱和。

用示波器测量LN两根线上的净电流，相当于PE线上的电流，即共模泄漏电流，如图4所示（ch1紫色曲线为LN两根线上的净电流，ch2粉红色曲线为AC电压），峰值达到47.8 mA，有效值为5.4 mA，而且峰值也出现在电压峰值期间，初看起来这个电流并非是50 Hz的漏电流，用示波器进行FFT分析，如图5所示（上面部分ch1紫色曲线是LN两根线上的净电流，下面部分M4蓝色曲线是FFT分析结果），频谱主要是由5 kHz基波和其谐波（10 kHz、15 kHz、20 kHz、25 kHz、30 kHz、35 kHz、40 kHz、45 kHz等）组成，而5 kHz基波是变频电路的载波频率[2]，并且只有在压缩机启动时才会出现共模电感饱和，说明可能是变频电路产生的泄漏电流形成的共模电流引起了共模电感饱和，这里计算其是否足够引起饱和。

图5 LN两根线上的净电流的FFT分析

根据公式B=Icmpk×Lcm/(N×Ae)，式中各值为Ae=19.2 mm2，N=48，Icmpk=47.8 mA，Lcm=10.2 mH。

计算出磁密B=0.52 T，已经大于该磁芯的饱和磁密0.40 T，这种情况下出现共模电感饱和可以理解。

在地线上串接一个102（1 nF）电容后，共模泄漏电流峰值下降到25.5 mA，可以计算出磁密B=0.28 T，小于该磁芯的饱和磁密0.40 T，看似共模电感应该不饱和了，但是实际情况是，共模电感仍然饱和，问题需要进一步探究。

1.3 引起共模电感失效的原因综合分析—差模电流和共模电流共同引起饱和

上文中分别分析了差模电流和共模电流引起饱和，实际上差模电流和共模电流形成磁场和磁密的作用是同时进行的，并且遵守磁场叠加原理。

章节1.1加电抗器后的差模电流的磁密B=0.25 T，章节1.2串102电容后共模电流的磁密B=0.28 T，两个电流产生的磁密根据磁场叠加原理，叠加在一起就是0.53 T，还是大于该磁芯的饱和磁密0.40 T，所以还是会引起共模电感饱和。

再将章节1.2的串102电容（1 nF）减小为331（0.33 nF），共模泄漏电流峰值下降到8.2 mA，根据公式B=Icmpk×Lcm/(N×Ae)，式中各值为Ae=19.2 mm2，N=48，Icmpk=8.2 mA，Lcm=10.2 mH。

可以计算出磁密B=0.09 T，与章节1.1加电抗器后的差模电流的磁密B=0.25 T，两个电流产生的磁密根据磁场叠加原理，合在一起就是0.34 T，已经小于该磁芯的饱和磁密0.40 T，理论上应该不会引起共模电感饱和，而经过测试，结果显示共模电感确实不饱和了。

2 整改对策和效果验证

2.1 加大磁芯截面积来减小磁密

考虑如何让共模电感不饱和，即需要共模电感的B值低于电感磁芯的饱和磁密，可以从两个方面来解决：1）提高磁芯的饱和磁密；2）降低磁芯中的磁密。

一般常用磁芯的饱和磁密接近，不易大幅提高，或大幅提高磁芯的饱和磁密将大幅提高成本。即需要通过降低磁芯中的磁密来使得共模电感不饱和。

根据磁密公式B=u×N×I/le，在磁芯材料磁导率u不变、磁路长度le不能增加（电感高度尺寸受限）、电流不变（冰箱工作需求）的情况下，要减小磁密B就要减小N。

另根据电感公式L=u×N2×Ae/le，在感值不能减小（EMI滤波需求）以及刚才假定u、le不变的情况下，要减小N就要加大Ae。

即可以通过加大截面积Ae、减小匝数N来减小磁芯的磁密，以使得共模电感不饱和。

2.2 实验测试验证

为了方便，采用多个磁芯叠起来的方式来增加整个磁芯的截面积，分别用2个、3个磁芯做了2种共模电感，如图6所示（左边2个磁芯叠绕、右边3个磁芯叠绕），两个共模电感的参数如下：

2个磁芯叠绕共模电感：Lcm=9.7 mH、Ldm=71.9 uH、Ae=38.4 mm2、N=38。

3个磁芯叠绕共模电感：Lcm=9.3 mH、Ldm=57.8 uH、Ae=57.6 mm2、N=32。

分别安装上板测试，测试结果显示2个磁芯叠绕的共模电感会饱和（磁密B=0.54 T，大于0.4 T饱和磁密），3个磁芯叠绕的共模电感不会饱和（磁密B=0.36 T，小于0.4 T饱和磁密），说明增加磁芯截面积的有效性。

3 结论

家电行业内电视等黑电产品普遍应用的SQ扁线共模电感，因为没有解决应用在变频冰箱上易饱和的问题，而一直没有在冰箱行业得到推广应用。根据本文分析，变频冰箱应用SQ扁线共模电感易饱和原因主要有以下几点：

（1）相较于电视等黑电产品，变频冰箱功率更大，会有更大的工作电流（差模电流）；

（2）相较于电视等黑电产品，变频冰箱有很大的变频载波泄漏电流（共模电流），而黑电产品一般没有变频电路，就没有变频载波泄漏电流；

（3）相较于环形共模电感，感值和尺寸相当的SQ共模电感有较小的磁芯截面积；

（4）相较于环形共模电感，感值和尺寸相当的SQ共模电感有更大的漏感。

分析得出：SQ扁线共模电感失效的原因是电感磁芯饱和，可以通过适当增大磁芯截面积，减少绕线匝数，使得变频冰箱产品能够通过骚扰电压测试。