【導(dǎo)讀】理想的共模電感流過對稱的電流是不會出現(xiàn)飽和的,但實(shí)際應(yīng)用的共模電感由于其差模分量的存在,在流經(jīng)較大的電流時,仍有可能出現(xiàn)飽和。
一、等效模型
假設(shè)共模電感兩繞組對稱繞制,當(dāng)兩繞組流過大小相等方向相反的電流時,其磁通如下所示:
圖 1 共模電感通過差模電流時的磁通示意圖
對于每個繞組而言,它產(chǎn)生的磁通總可以分成兩部分:
1.沒有耦合到鄰近繞組的磁通,該磁通流經(jīng)磁芯(繞組內(nèi)部)并經(jīng)空氣形成閉環(huán),即漏磁通(差模電感)。
2.通過磁芯耦合到鄰近繞組的磁通。由于兩個繞組所產(chǎn)生的該部分磁通總是大小相等方向相反,因此其總合為0,對自感沒有貢獻(xiàn)。
因此,對于差模磁通而言,可以等效為兩個棒狀電感串聯(lián)。
圖 2 共模電感差模分量的等效模型
從該等效模型我們可以得到:
● 差模電感Ldm為兩個繞組各自的自感;將兩繞組同側(cè)短路,對另一側(cè)端口所測量的電感量Ltest為兩差模電感之和,即Ltest=2Ldm。
● 被線圈覆蓋部分的磁芯總有磁通流過,且有LdmIdm=NØ。
● 兩繞組產(chǎn)生的自感磁通相互“隔離”。兩繞組自感對磁通的貢獻(xiàn)不能相互疊加。
二、共模電感差模分量的計算
1.計算環(huán)形空氣芯的電感量:
2.乘以棒狀電感(半個磁環(huán))的等效磁導(dǎo)率
從圖1可以看出,差模磁通(漏磁通)并不是完全被束縛在磁芯里面,而是有兩部分組成:磁芯里面和磁芯外面。磁路長度為:
其中,θ為繞組在磁芯上所覆蓋的長度對圓心所張開的角度。
圖3 差模電感量磁路長度計算模型
然而漏磁通并不僅僅只存在于磁環(huán)的內(nèi)側(cè),同樣,磁環(huán)的外側(cè)也存在著一部分漏磁通,因此,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對上式修正為:
即
等效相對磁導(dǎo)率是一個與磁芯相對磁導(dǎo)率關(guān)的參數(shù),差模電感的等效相對磁導(dǎo)率是一個只跟磁芯幾何參數(shù)有關(guān)的量。
其中,
le為廠商所提供的環(huán)形磁芯的有效磁路長度;
d為與磁芯有效截面Ae面積相等的圓的直徑;
綜上所述:
共模電感的差模分量可以按下式進(jìn)行估算:
三、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
為了驗(yàn)證上述模型的正確性,進(jìn)行了下述實(shí)驗(yàn):
1.共模電感差模分量的計算
● 測試條件:
(1)磁芯:R7K T25/15/1;
(2)儀器:LCR表;
(3)測試頻率:100KHz;
(4)測試信號幅值:1V;
(5)直流偏置:0A。
● 測試方法: 將共模電感兩繞組的其中一側(cè)短接,然后再對另一側(cè)進(jìn)行測量,由上述模型可知,所測得的電感量為差模電感量的兩倍。
2. 驗(yàn)證差模分量是否會使電感飽和
● 實(shí)驗(yàn)條件:
(1)磁芯:R7K T25/15/7.5;
(2)匝數(shù):50;
(3)儀器:LCR表;
(4)測試頻率:100KHz;
(5)測試信號幅值:1V;
(6)直流偏置:8A。
● 理論計算:
● 測試方法: 將共模電感兩繞組的其中一側(cè)短接,然后再對另一側(cè)進(jìn)行測量:在8A的直流偏置下,不同溫度下的差模電感量如下:
結(jié)果:在110℃,該共模電感流過8A的電流時出現(xiàn)了飽和。
四、結(jié)論
1.共模電感的差模分量所產(chǎn)生的磁通雖然只流經(jīng)磁芯的一部分,但只要該磁通密度足夠大(在高溫大電流下)也會使電感飽和;
2.當(dāng)電感工作的最大磁通密度Bm>0.6Bsat(在60℃時,Bsat約為0.35T)時,磁芯的u值/電感量開始下降。為了保證電感工作在磁芯磁化曲線的“膝部”以下,在設(shè)計時應(yīng)留有充足的裕量。
推薦閱讀: