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功率变换器磁性器件磁场近场效应分析 杨海军 陈 为 卢增艺 福州大学电气工程与自动化学院，福州 350108 Email :songlinnavy@163.com 摘 要 高频化、平面化、集成化和高功率密度已经成为电力电子功率变换器技术的重要发展趋势。高 密度封装和布局导致各元器件之间的距离越来越紧凑致密，使得各元器件之间电场和磁场的耦合效应以及电 磁辐射的影响越来越大。论文重点论述功率变换器磁场近场效应及其带来的危害，以及采用屏蔽，抑制，避 让等技术来消除或减小其害处，并在某些特定场合下利用磁场近场效应改善功率变换器的工作性能。 关键词 功率变换器，磁元件，电磁场，磁场近场 1．引言 按照常规定义：测定点到场源的距离rλ/2π的区域称为近场区[1,2] （其中λ代表电磁波的波长）， 此时场的主要特性是强度与距离一般呈三次方或二次方关系衰减，且没有发生电磁辐射的波现象。 在功率变换器中，各种PCB布线和元器件，尤其是磁性元件，工作在高频的电压和电流激励下，导 体和磁芯存在着电位和磁场分布，从而在其周围不可避免地存在电磁场的泄漏。而在高频情况下， 泄漏的电磁场就会与周围的导电或导磁体产生高频耦合效应。因此近场效应主要是电磁耦合。近场 又可细分为电场近场和磁场近场。在功率变换器中，通常两者都是同时存在的，统称为电磁场近场， 只是在不同的场合可能以某种场为主而有所区别。现代电力电子功率变换器工作频率一般在 20kHz~几MHz之间，并且电源板和元器件的尺度都较小，因此在电源整机结构范围内的电磁现象 一般都可限定在近场区范围内考虑。对于电场近场耦合效应，主要研究集中在近场的分布电容效应 对共模干扰的分析和抑制。在过去几十年的电力电子发展历程中，许多学者已经对功率变换器中存 在的电场近场耦合和磁场近场耦合效应进行了多方面的研究[1-12]。本文将主要论述目前磁场近场耦 合方面的一些研究成果，以及磁场泄漏的屏蔽，抑制和利用，并指明磁场近场研究的意义。 2 ．磁场近场泄漏的危害 电场近场效应主要体现在共模干扰上，而磁场近场效应要比电场近场效应的内容丰富的多。 在功率变换器中，磁场近场效应的危害主要体现在以下几个方面： （1）高次谐波磁场泄漏将产生射频干扰，从而严重影响电力电子装置的RE 电磁兼容性。 （2 ）通过近场磁耦合，使得磁性元件间产生电磁噪声耦合，直接形成空间噪声耦合通道，造 成 CE干扰问题。 （3 ）磁场泄漏会在周围的导电和导磁物体（如外壳，散热器，电容器金属膜等）上产生涡流 效应，造成导体或器件发热，增大损耗，降低工作可靠性。 （4 ）磁场泄漏对器件本身同样也会产生额外的损耗，影响功率变换器的效率。 （5 ）磁场近场效应还会带来元器件分布参数的改变，影响电路的工作性能。 3 ．磁性元件典型磁场近场举例 在功率变换器中，磁性元件的种类很多，结构各异，磁场近场分布模式有很大不同。了解磁性 元件的磁场泄漏模式和磁场方向，对电路元件的位置和朝向布局有很大的参考意义。以下只是列出 四个典型的磁性元件近场泄漏情况。 3.1 共模电感器 共模电感器的基本结构为在一个高磁导率环形铁氧体磁芯上绕制两组对称的绕组而成，考虑到 安规要求，两个绕组必须分开一定的距离。当共模干扰信号通过此电感时，两个绕组产生相同方向 的磁通，叠加在一起呈现较大的电感量，对共模干扰信号有很好的抑制作用。但当差模信号通过时， 由于两线圈产生的磁通相互抵消，则必然在空间中形成磁场分布，造成磁场近场效应。图 1 为共模 电感上通过差模干扰信号时产生的磁场分布图。从图中可看出，其磁力线沿两个线圈的对称轴（即 Y 轴）两侧对称分布，沿 Y 轴方向的磁场相对较弱，而沿 X 轴方向的磁场则较强。 Y X