高壓電驅的共模電感設計現(xiàn)狀 高壓電驅的共模電感建模和仿真設計

作者 |希格斯玻色子 仿真秀專欄作者

首發(fā) | 仿真秀App

導讀：大家好，我是CST電磁兼容性仿真的主編-希格斯玻色子，2023年達索系統(tǒng)全球冠軍計劃成員，資深電子工程師。13年的硬件電路設計的工作經(jīng)驗，曾在三星電子，哈曼汽車系統(tǒng)從事硬件設計研發(fā)的工作，有三項實用新型專利和一項發(fā)明專利。近日我正式入駐仿真秀并認證講師，將在仿真秀平臺帶來CST電磁兼容性仿真文章和技術服務等（以下文章在仿真秀官網(wǎng)搜索查閱）。

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一、高壓電驅的共模電感設計現(xiàn)狀

近年來，新能源汽車蓬勃發(fā)展。與傳統(tǒng)汽車相比，新能源汽車EMC問題更加突出。這是因為新能源汽車動力直接使用電驅動系統(tǒng)，高壓附件的使用會使電磁干擾問題的更為嚴重。要解決電驅動的EMC問題需要用到共模電感。而共模電感(Common mode Choke)，也叫共模扼流圈，常用于電腦的開關電源中過濾共模的電磁干擾信號。在板卡設計中，共模電感也是起EMI濾波的作用，用于抑制高速信號線產(chǎn)生的電磁波向外輻射發(fā)射。

圖1

如圖1某種磁性材料的磁環(huán)上繞上同向的一對線圈，當交變電流通過時，因為電磁感應而在線圈中產(chǎn)生磁通量。對于差模信號，產(chǎn)生的磁通量大小相同、方向相反，兩者相互抵消，因而磁環(huán)產(chǎn)生的差模阻抗非常小;而對于共模信號，產(chǎn)生的磁通量大小和方向均相同，兩者相互疊加從而使磁環(huán)產(chǎn)生了較大的共模阻抗。這一特性使得共模電感對于差模信號的影響較小而對共模噪聲具有很好的濾波性能。

(1)差模電流通過共模線圈，磁力線方向相反，感應磁場削弱，從如下圖磁力線方向可以看出—實線箭頭表示電流方向，虛線表示磁場方向。

(2)共模電流通過共模線圈，磁力線方向相同，感應磁場加強，從如下圖磁力線方向可以看出—實線箭頭表示電流方向，虛線表示磁場方向。

新能源高壓電驅動的電池電壓常常在400V~800V。所以對于高壓共模電感的設計來說，不能使用跟低壓濾波器同樣的方式。必須在考慮電感感值，內(nèi)阻，阻抗，漏感等情況下還要滿足電源銅排的載流能力，濾波器的安裝空間以及銅排溫升的問題。

由于電源銅排需要滿足設計需求的載流能力導致比較大的截面積和濾波器安裝空間的限值，高壓共模電感常常采用電源銅排直接穿過鐵氧體磁環(huán)的設計方式，也就是單匝共模電感。如圖：

二、高壓電驅的共模電感建模

本案例仿真采用的是達索系統(tǒng)的電磁設計分析軟件CST Suite Studio 2022進行建模和仿真

1、 CST 3D建模

本案例采用單匝共模電感，兩個鐵氧體磁環(huán)扣在電源銅排上面形成兩個共模電感串聯(lián)，如圖所示，銅排和磁環(huán)的3D數(shù)模由濾波器供應商提供，直接導入到CST中去，銅排的材料是淬火銅，磁環(huán)的材料為錳鋅鐵氧體。另外建立參考地和離散端口。

2、相對磁導率的擬合

（1）相對磁導率

磁導率是表示磁介質導磁性大小的物理量。常用符號μ表示，μ為介質的磁導率，或稱絕對磁導率。磁導率是表示磁介質導磁性大小的物理量。常用符號μ表示，μ為介質的磁導率，或稱相對磁導率。μ等于磁介質中磁感應強度B與磁場強度H之比，即μ=B/H=μ0×μr，式中μ0為真空磁導率，μr為介質相對磁導率，按μr的大小可將介質分為順磁質(μr>1)、抗磁質(μr<1)和鐵磁質(μr>>1)。

（2）真空磁導率

真空磁導率（μ0），又稱磁場常數(shù)、磁常數(shù)、自由空間磁導率或磁常數(shù)是一物理常數(shù)，指真空中的磁導率。實驗測得這個數(shù)值是一個普適的常數(shù)，聯(lián)系著力學和電磁學的測量。真空磁導率是由運動中的帶電粒子或電流產(chǎn)生磁場的公式中產(chǎn)生，也出現(xiàn)在其他真空中產(chǎn)生磁場的公式中，在國際單位制中，其數(shù)值為

μ0=4π×10-7V·s/(A·m)≈1.2566370614×10-6H/m或N/A2或T·m/A或Wb/(A·m)

（3）磁導率擬合

錳鋅鐵氧體的相對磁導率曲線由供應商提供，如圖：

描點描出數(shù)據(jù)，如圖

將頻率和相對磁導率的實部和虛部保存為txt格式導入到CST材料里面。

生成相對磁導率曲線，因為供應商給出的相對磁導率曲線最大頻率只有1MHz，而我們仿真需要的最大頻率是100MHz，所以用CST軟件進行一個高頻的相對磁導率的預測，如圖：

三、電感理論計算

有了相對磁導率就可以計算出共模電感的參數(shù)。如圖，電感的磁環(huán)是分為兩瓣扣在銅排上的，所以整個磁環(huán)的磁阻分為四部分，兩個氣隙的磁阻，下部底座長方體鐵氧體的磁阻和上面U型鐵氧體的磁阻。

用CST測量出磁環(huán)的各個尺寸，將U型鐵氧體磁路定義為l1,橫截面積為A1，長方體鐵氧體磁路為l2，磁環(huán)橫截面積為A2，氣隙寬度為δ，匝數(shù)N=1，通過如下公式可以計算出電感感值。

上圖L1，L2都可以通過這個公式來計算出電感值，有了電感值就可以計算出共模電感的阻抗來。

看一下仿真得到的共模電感感值曲線和總的阻抗曲線如圖：

最后放上供應商提供的測試數(shù)據(jù)

審核編輯：湯梓紅