电磁兼容与电磁场 陈为
01-陈为-功率变换器电磁兼容与磁性元件
TX L+TX 电网
功率变换器电磁干扰问题
RE
RE接收天线 EMI接收机
滤波器
电源输入线
近场耦合
负载输出线
Filter
电网
LISN
共模噪声CM-CE 差模噪声DM-CE
Vds Cds ip
ip
Lk
n:1
Cp Lm
反激电路DCM工作下各波形与变压器参数的关系
Cds
功率变换器电磁干扰问题的重要性
开关频率提高 开关速度加快 功率密度提高 环境友好要求
噪音源基波和谐波频率提高 噪音源高频谐波分量增多 元器件之间近场耦合作用加强 EMI标准更严格
4
电磁干扰传输途径—磁性元件杂散参数
7
i噪声电流 R U干扰电压 L jM*i
干扰元件
C
被干扰元件
谢 谢！ Q&A
16
1
太阳能光伏系统的功率磁元件
Flyback Push-pull LLC，… L LC LCL
DC/DC
DC/AC
滤波器
电流电压检测
电网
DSP控制
微逆变器
尺寸和重量 形状/高度 工作频率较高 功率损耗 制造成本 温升 各项性能
同步信号检测
大功率逆变器
X-3 6-7
1-X
设计2
设计1
有内部屏蔽铜箔变压器绕组电场分布
LISN
x
有内部屏蔽铜箔
V(x)
Cps
Vp Qsh Qps
陈为老师 开关电源变压器模型与设计-20110715
电压
Vi+Vo*n Vi
ON OFF DCM
电流
DCM
实际波形 理想波形
8
4
Vi+Vo*n Vi
DCM下波形与变压器参数
Lk Cp Lm
Vds Cds
Lk Cp Lm
ip
Lk
Cp Lm
Cds
Vds Cds
ip
Lk
n:1
Cp Lm
Cds
9
Vi+Vo*n
CCM下波形与变压器参数
Lk Cp Lm
Vds Cds
13
降低变压器的绕组损耗--基本结构考虑
简单结构
Leakage flux
Main flux
三明治结构
Leakage flux
交错结构
Leakage flux
MMF(x) Ip
x
MMF(x) Ip
x
MMF(x) Ip
x
H(x), MMF
4*Ip
H(x), MMF
2*Ip
x
H(x), MMF
x
1*Ip
x 14
6
铜箔导体的涡流损耗特性
H1
0
i(t)
H2 x
∇2H (x) − jωσμH (x) = 0
With H(x=0) = H1 H(x=D) = H2
H (x) = H1 sinh[ k (D − x)] + H 2 sinh( kx) sinh( kD)
J (x) = k ⋅ H1 cosh[ k (D − x)] − H 2 cosh( kx) sinh( kD)
0 2A
2A
E Total
= U 2 C0 2A
陈为-开关电源高频磁集成技术
模块化
集成化
微型化
合成化 3Biblioteka 磁集成技术的基本概念4
什么是磁集成技术
研究如何利用各磁性元件磁路中的磁通分布特点以及各个绕组间的 研究如何利用各磁性元件磁路中的磁通分布特点以及各个绕组间的 磁通耦合关系，将各种功能的磁性元件集成在一个复杂磁芯结构上。 磁通耦合关系，将各种功能的磁性元件集成在一个复杂磁芯结构上。 研究如何有效地、巧妙地利用磁性元件的杂散参数 研究如何有效地、巧妙地利用磁性元件的杂散参数 设计如何在产品上实现集成磁件的最佳应用，工艺制程，参数控制 设计如何在产品上实现集成磁件的最佳应用，工艺制程，参数控制 以及品质检测方法。 以及品质检测方法。
开关电源高频磁集成技术
陈 为 博士 (chw@)
福州大学电气工程与自动化学院 教授, 博导 主任 中国电源学会变压器与电感器专委会 台达能源技术(上海)有限公司
技术主任
2007电源网电源工程师交流会 深圳, 2007年11月24-25日
1
主要內容
一、磁集成技术的基本概念 二、磁集成的基本分析方法 三、磁集成技术的应用实例
TX * Lm * Lk *
TX with large leakage (Lk+TX)
TX *
Coupled Inductor L+L => 3L
*
L1 M L1-M L2-M
*
L2 Decoupling M
8
差、共模滤波器的集成 (LCM+LDM)
iDM iCM iCM iDM LCM LCM LDM
TX
6
磁性元件与PCB的集成
Magnetics PCB
Transformer secondary
电力电子与高频磁技术
ΔP ΔU ΔI = + + tg (θ ) ⋅ f ⋅ Δ t P U I
200 200 160 tan⎜ θ ⋅
如: 磁件近场耦合问题
⎛ ⎝
⎞ ⎟ 180 ⎠
π 0
120 80 40 0 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90
阻抗角θ
磁性元件的平面化技术
高频磁性元件/磁技术已经成为功率变换器进一步发展的瓶颈 磁技术的应用/专利/设计已经成为当前开关电源主要竞争内容
二、高频磁技术的发展趋势
高频化 平面化 阵列化 模块化 磁磁(M-M)集成化 磁电(M-C)集成化 磁硅(M-S)合成化
开关电源高频磁技术的发展
High freq. High freq.
A B
C A D D A D
A
C D
磁硅(M-S)合成化/微制造磁性元件技术
Enpirion POL Converter:
10W maximum output power Built in choke 5MHz operating frequency Up to 90% efficient Superior noise immunity of controller and power circuits
Planar Planar
Matrix Matrix
Module Module
Integrated Integrated
Micro-fabricated Micro-fabricated
Hybrid Hybrid
高频化技术是降低体积的重要手段
TX CMC DMC PFC L
D2A
SR
L
陈为 磁性器件
− 32
Hk
90
Hdc=13.85A/m, Pc=526 (kw/m3)
0.37 0.37 0.27
0.17
Bk 0.075
0.023
0.12 − 0.22 0.22 32 1.5 29 59.5 90
− 32
Hk
90
Hdc=34.62A/m,Pc=647 ( kw/m3)
13
永磁体预偏磁的应用
加永磁体后
D2D
Isolated DC/DC Converter
隔离/变压/稳压
5.0V 1.2V 0.8-1.8V
2.5V 1.8V 12V
2
功率密度
AC/DC变换器性能发展趋势-高效率
[W/in3]
40 35 30 25 20 15 10
5 1
Server/telecom front end (single output for DPA)
1982.02: 毕业于福州大学电机系
1990.11: 在福州大学获得工学博士学位
1996.12-1998.11: 在美国电力电子系统中心(CPES)从事高 级访问学者研究两年
1999.07-2008.03: 兼职台达上海电力电子研发中心和台达 零组件上海研发中心，历任高级经理，副主任和技术主任
1996 1998 2000 2002 2004
330 400 500 700 700 200 200 200 250 350
100 150 150 200 50 100 120 50
2006
800 400 300 150 66
2008
800 600 400 200 100
晶片开关电源-超高频高密度
家用电器的电磁兼容性问题探讨陈卉
家用电器的电磁兼容性问题探讨陈卉发布时间：2021-07-27T14:59:52.507Z 来源：《基层建设》2021年第14期作者：陈卉[导读] 随着近现代科技和工业水平的快速提升促使制造业的现代化和智能化程度得到了大幅提升，电子化和电气化设备在各个领域得到了十分广泛地广东产品质量监督检验研究院广东广州 510000摘要：随着近现代科技和工业水平的快速提升促使制造业的现代化和智能化程度得到了大幅提升，电子化和电气化设备在各个领域得到了十分广泛地应用，其中家用电器是人们日常生活中应用十分普遍和频繁接触的电子化和电气化设备。
家用电器在有效改善人们生活质量的同时使得家用电器电磁环境变得越来越复杂，因此，家用电器的电磁兼容问题逐渐显现出来，基于此，本文对家用电器的电磁兼容性相关问题进行阐述和探讨。
关键词：家用电器；电磁环境；电磁兼容性；电磁干扰；设计1 家用电器的电磁兼容性概述、家用电器在内的所有电子和电气设备在工作时设备的电源线、信号线、数据线等均会向空间中辐射不同频率和波段的电磁波，这些电磁波在空间中相互叠加导致电子和电气设备的电磁环境十分复杂，不但会对处在电磁环境中其他电子和电气设备产生干扰，也会对人们的身体健康造成不良影响。
家用电器电磁兼容性就是对处在相同电磁环境下不同种类的家用电器设备进行研究，消除各种家用电器设备相互之间产生的干扰从而确保各种家用电器设备能够正常工作的一项工作。
家用电器电磁兼容性研究的重点内容是家用电器能够抵抗复杂的电磁环境下电磁波的干扰，保证家用电器性能等级的正常发挥，同时家用电器设备在工作时不会对其他电子和电气设备造成干扰，也不会人们的身体健康造成不良影响。
家用电器电磁兼容性研究的目的是保证家用电器功能和质量得以实现，因此，电磁兼容性应当成为评价家用电器质量的一项十分重要的指标。
2 家用电器电磁干扰的成因目前家用电器设备的种类变得十分多样，家用电器设备电磁干扰主要来源于以下几个方面：第一，冰箱、空调等带有制冷作用的家用电器的制冷系统在启动时会造成电压波动从而引起电磁干扰；第二，电饭锅、电烤箱、电饭煲、电熨斗、吹风机、吸尘器等家用电器的电机在执行开关动作时，由于电路通断原因会产生火花，产生的火花和换向器接触就产生电磁波和电磁干扰；第三，电风扇等带有晶闸管电子元器件的家用电器在工作时，晶闸管电子元器件会产生高次谐波形成电磁干扰；第四，电脑等配置有微处理器、模糊控制器和遥控装置的家用电器由于静电放电和电压跌落等现象的存在会形成电磁波和电磁干扰。
02陈为-磁性元件与磁性材料
磁性材料的分类
软磁材料 B
μr大，易磁化、易退磁（起始磁化率大）。饱和磁 感应强度大，矫顽力(Hc)小，磁滞回线的面积窄而 长，损耗小（HdB面积小）。 导磁作用，用于继电器、电机、以及各种功率变换 器高频磁件的磁芯。
− Hc Hc
H
硬磁材料
B
− Hc
Hc
B 矩磁材料
H
矫顽力(Hc)大（>102A/m)，剩磁Br大，磁滞回线的 面积大，损耗大。 偏磁作用，磁电式电表、扬声器和永磁电机中永 磁铁。
( B k +1 − B k ) 2 1 ∑ t −t − B min ) k k +1 k
⋅ Bac ⋅ (Ct 0 + Ct1 ⋅ T + Ct 2 ⋅ T 2 ) ⋅Ve
β
π
2
∑ (B
k
B k +1 − B k 2 1 ) ⋅ t k +1 − t k max − B min
Pc = f s ⋅ Cm ⋅ fsin
1.5
29 Hk
59.5
90 90
32
1.5
29 Hk
59.5
90 90
− 32
− 32
− 32
Hdc=20.77A/m, Pc=584 ( kw/m3 )
Hdc=27.69A/m, Pc=605 (kw/m3)
Hdc=34.62A/m,Pc=647 ( kw/m3)
铁粉芯的老化问题
铁芯损耗随时间的变化曲线
− Hc
Br接近BS ，Hc小，磁滞回线呈矩形，损耗小。
H
Hc
用于两态记忆元件，+/-脉冲H>HC/H<-HC，使得 磁芯呈+B/-B态，可做为二进制的两个态。 做磁放大器(Magamp)磁芯。
磁性元件电磁兼容仿真模型参数的提取方法
磁性元件电磁兼容仿真模型参数的提取方法
张煜;陈为;陈庆彬
【期刊名称】《低压电器》
【年(卷),期】2017(000)021
【摘要】磁性元件是开关电源传导EMI的重要影响因素之一,其电磁兼容模型也是最复杂的.模型的准确与否以及频带宽度是电磁兼容仿真精度的关键因素.传统采用LCR等单端口阻抗测量仪器测量的电磁参数无法有效表征磁性元件的电磁兼容特性,同时磁性元件结构复杂,难以通过简单的理论计算准确得到.以变压器共模噪声电磁兼容模型的理论分析为基础,深入分析了提取磁性元件电磁兼容共模噪声模型参数的理论方法和所采用的仿真分析方法.试验结果与理论分析及仿真的一致性验证了理论分析方法和仿真分析方法的正确性和可行性.
【总页数】6页(P35-39,43)
【作者】张煜;陈为;陈庆彬
【作者单位】国网福建省电力有限公司检修分公司,福建福州350013;福州大学电气工程与自动化学院,福建福州 350108;福州大学电气工程与自动化学院,福建福州350108
【正文语种】中文
【中图分类】TM46
【相关文献】
1.磁性元件电磁兼容仿真模型参数的提取方法 [J], 张煜;陈为;陈庆彬;;;
2.NPT型IGBT电热仿真模型参数提取方法综述 [J], 徐铭伟;周雒维;杜雄;沈刚;杨旭
3.LED驱动电源磁性元件电参数测量系统的硬件设计 [J], 储萍;李伟;田相鹏
4.电磁兼容图片测试曲线的数据提取方法研究 [J], 郭慧;苏东林;刘焱;付永庆
5.电子设备电磁兼容仿真模型的研究 [J], 李文虎
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L
N 2 Ae
le
P T ( ) 0.833 S
1
8 6
4
2
0
2 10
4
4 10
4
6 10
4
8 10
4
电磁场的类型
似稳电磁场
在导电介质 在空间
当时变时
电荷Q 电场强度E 电通密度D
在介电材料
电流密度JC 位移电流JD
辐射电磁场
在空间
在导磁介质
磁场强度H
磁通密度B
在空间
此培训资料来源于德州仪器（TI）和中国电源学会 （世纪电源网）合作举办的“TI 现场培训”课程， 世纪电源网同意在 TI 网站上分享这些文档。
第一讲 电磁场基本概念与电磁兼容
主讲：陈为 博士
福州大学电气工程与自动化学院 教授 中国电源学会常务理事、磁技术专业委员会主任委员
功率变换器磁元件技术系列讲座 2015年3月
高频磁性元件/磁技术已经成为功率变换器进一步发展的瓶颈 磁技术的应用/专利/设计已经成为当前开关电源主要竞争内容
绿色电源要求
(IEEE519－1992) i(t)
谐波电流要求 电磁兼容要求 环境保护要求
环保节能
空载损耗要求 负载效率要求
效率 80%
加州综合效率
25 50 75 100
负载（%）
内部参数 外部参数
电气模型
损耗模型
高频模型
EMI模型
电感阻抗特性
磁场泄漏耦合 电场感应耦合
磁路及其基本定律
i
0
1 2
对各个磁路节点
磁通连续性定理
N
i u
u
d d dB N N Ae dt dt dt
对各个绕组
法拉第定律
t
t0
u (t ) dt N Ae [ B (t ) B (t0 )] N Ae B |( t t0 )
VoltSecond N Ae B
le la N2 i2 N1 i1
i N U
m
H le
对各个磁回路
安培环路定律
i1 N1 i2 N2 H m lm H a la
恒定（低频）磁场的屏蔽
Bo
r=1
r=10
r=100
r=1000
微分形式
H J D t
H J
积分形式
物理定律
安培环路定律 法拉第定律 磁通连续性定理
B0
E B t
D
E B t
B 0
H dl I dB E dl dt dS B dS 0
屏蔽材料磁导率越高，屏蔽效果越好 屏蔽材料厚度越厚，屏蔽效果越好
恒定（低频）磁场的局部减弱
Bo
Bo
高频磁场的屏蔽方式
Air
铁氧体
电感量增加 重量大 损耗不增加很大
良导体(铜、铝)
电感量降低 重量轻 损耗增加很大
电场的屏蔽
良导体 C12 V1 0 V2 C20 0 V1 C10 V2 C20
电场
电流场
磁芯损耗
磁场耦合---互感
互感的定义： 1
i1
v12
2 * L1
M
i2
3 * L2
v34
4
互感模型 互感的测量：
L1 L1 2M
L1
L1
i1
M L2
2
v2
M v2 i1
L2
电场耦合---部分电容
C12 V1 0 C10 V2 C20
磁性元件仿真模型复杂层次 磁性元件
当时变时
静电场
恒定电流场
静磁场
涡流场
电磁波
I
一个有气隙电感器的磁场分布
线圈 磁芯
线圈 磁芯 铝散热片
L
理想电感器
一个带散热片电感器的磁场和电流密度分布
线圈 磁芯 铝散热片
高频涡流效应：
损耗效应：使得高频损耗增加 去磁效应：使得高频感量减小
散热器中电流分布
工程电磁场基本方程
Maxwell 电磁场基本方程组
谢谢! Q&A
RE noise
无线充电
CE noise
传统箔状电场屏蔽体会影响某些磁件的磁性参数，不适用于一些对 磁性杂散参数有特殊要求的场合。
梳状电屏蔽体
梳状电场屏蔽体的原理结构： 由若干根金属导线组成梳状或网状； 在每根导体上各取一个点连接起来，且不 构成电回路。
梳状电场屏蔽体可能的连接结构：
只屏蔽电场,不屏蔽磁场,即对磁场分布/磁性参数没有影响
V1 + 0 - - --
+ + + ++
-- V2 0
+ + + V1 + +
-
V2
电场的屏蔽
E0 E0
r=100
仅屏蔽电场而不屏蔽磁场的方法
磁性元件由于体积大，其对地电场耦合较 大。—般采用法拉第电场屏蔽技术。
优点：有效屏蔽电场 缺点： ① 高频磁场也被屏蔽，从而改变磁件磁性参数； ② 由于箔状导体涡流效应，产生较大的损耗。 差模电感 谐振电感
主要内容
功率变换器中的磁性元件及其重要性 电磁场基础及磁元件电磁场特性 电、磁场的耦合效应 电、磁的屏蔽方法
功率变换器中的磁性元件
变压器
TX CMC DMC PFC
SR
L
电感器
D2A
TX
滤波器
磁性元件的重要性和所面临的挑战
INPUT OUTPUT
Power converter Magnetics Magneticsare arecritical criticalfor: for: Size Sizeand andweight weight Form Formfactor factor Power Powerloss loss Manufacture Manufacturecost cost Temperature Temperaturerise rise Performance Performance EMI, EMI,RFI, RFI,Cross-regulation, Cross-regulation, Acoustic Acousticnoise, noise,Control, Control,etc etc
磁元件对变换器效率特性的影响
控制芯片
开关器件
二极管
PCB
电容
磁元件
100
效率%
绕组损耗∝I2
磁芯损耗∝I0
90
80
磁元件(磁芯+绕组)
功率%
20 70 40 60 80 100
磁元件损耗特性对变换器效率和节能规范具有重要影响
磁性元件的全面设计考虑
结构设计
电气设计
杂散参数
损耗设计
温升设计
EMI设计
D E
B H J E
B H J E
变压器电磁场分布特性与等效电路参数
3
原、副 边电荷 漏磁 通 副边 电荷
4
磁芯损耗
原边 电荷
激磁 磁通
绕组损耗
1 2 电场分布
磁场分布
ip
1 Np Ns 2
im
is
3
理想变压器
4
电感器中的电磁场分布与集总参数
集中磁路磁场 开放磁路磁场