高压电驱的共模电感设计现状 高压电驱的共模电感建模和仿真设计

作者 |希格斯玻色子 仿真秀专栏作者

首发 | 仿真秀App

导读：大家好，我是CST电磁兼容性仿真的主编-希格斯玻色子，2023年达索系统全球冠军计划成员，资深电子工程师。13年的硬件电路设计的工作经验，曾在三星电子，哈曼汽车系统从事硬件设计研发的工作，有三项实用新型专利和一项发明专利。近日我正式入驻仿真秀并认证讲师，将在仿真秀平台带来CST电磁兼容性仿真文章和技术服务等（以下文章在仿真秀官网搜索查阅）。

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一、高压电驱的共模电感设计现状

近年来，新能源汽车蓬勃发展。与传统汽车相比，新能源汽车EMC问题更加突出。这是因为新能源汽车动力直接使用电驱动系统，高压附件的使用会使电磁干扰问题的更为严重。要解决电驱动的EMC问题需要用到共模电感。而共模电感(Common mode Choke)，也叫共模扼流圈，常用于电脑的开关电源中过滤共模的电磁干扰信号。在板卡设计中，共模电感也是起EMI滤波的作用，用于抑制高速信号线产生的电磁波向外辐射发射。

图1

如图1某种磁性材料的磁环上绕上同向的一对线圈，当交变电流通过时，因为电磁感应而在线圈中产生磁通量。对于差模信号，产生的磁通量大小相同、方向相反，两者相互抵消，因而磁环产生的差模阻抗非常小;而对于共模信号，产生的磁通量大小和方向均相同，两者相互叠加从而使磁环产生了较大的共模阻抗。这一特性使得共模电感对于差模信号的影响较小而对共模噪声具有很好的滤波性能。

(1)差模电流通过共模线圈，磁力线方向相反，感应磁场削弱，从如下图磁力线方向可以看出—实线箭头表示电流方向，虚线表示磁场方向。

(2)共模电流通过共模线圈，磁力线方向相同，感应磁场加强，从如下图磁力线方向可以看出—实线箭头表示电流方向，虚线表示磁场方向。

新能源高压电驱动的电池电压常常在400V~800V。所以对于高压共模电感的设计来说，不能使用跟低压滤波器同样的方式。必须在考虑电感感值，内阻，阻抗，漏感等情况下还要满足电源铜排的载流能力，滤波器的安装空间以及铜排温升的问题。

由于电源铜排需要满足设计需求的载流能力导致比较大的截面积和滤波器安装空间的限值，高压共模电感常常采用电源铜排直接穿过铁氧体磁环的设计方式，也就是单匝共模电感。如图：

二、高压电驱的共模电感建模

本案例仿真采用的是达索系统的电磁设计分析软件CST Suite Studio 2022进行建模和仿真

1、 CST 3D建模

本案例采用单匝共模电感，两个铁氧体磁环扣在电源铜排上面形成两个共模电感串联，如图所示，铜排和磁环的3D数模由滤波器供应商提供，直接导入到CST中去，铜排的材料是淬火铜，磁环的材料为锰锌铁氧体。另外建立参考地和离散端口。

2、相对磁导率的拟合

（1）相对磁导率

磁导率是表示磁介质导磁性大小的物理量。常用符号μ表示，μ为介质的磁导率，或称绝对磁导率。磁导率是表示磁介质导磁性大小的物理量。常用符号μ表示，μ为介质的磁导率，或称相对磁导率。μ等于磁介质中磁感应强度B与磁场强度H之比，即μ=B/H=μ0×μr，式中μ0为真空磁导率，μr为介质相对磁导率，按μr的大小可将介质分为顺磁质(μr>1)、抗磁质(μr<1)和铁磁质(μr>>1)。

（2）真空磁导率

真空磁导率（µ0），又称磁场常数、磁常数、自由空间磁导率或磁常数是一物理常数，指真空中的磁导率。实验测得这个数值是一个普适的常数，联系着力学和电磁学的测量。真空磁导率是由运动中的带电粒子或电流产生磁场的公式中产生，也出现在其他真空中产生磁场的公式中，在国际单位制中，其数值为

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

（3）磁导率拟合

锰锌铁氧体的相对磁导率曲线由供应商提供，如图：

描点描出数据，如图

将频率和相对磁导率的实部和虚部保存为txt格式导入到CST材料里面。

生成相对磁导率曲线，因为供应商给出的相对磁导率曲线最大频率只有1MHz，而我们仿真需要的最大频率是100MHz，所以用CST软件进行一个高频的相对磁导率的预测，如图：

三、电感理论计算

有了相对磁导率就可以计算出共模电感的参数。如图，电感的磁环是分为两瓣扣在铜排上的，所以整个磁环的磁阻分为四部分，两个气隙的磁阻，下部底座长方体铁氧体的磁阻和上面U型铁氧体的磁阻。

用CST测量出磁环的各个尺寸，将U型铁氧体磁路定义为l1,横截面积为A1，长方体铁氧体磁路为l2，磁环横截面积为A2，气隙宽度为δ，匝数N=1，通过如下公式可以计算出电感感值。

上图L1，L2都可以通过这个公式来计算出电感值，有了电感值就可以计算出共模电感的阻抗来。

看一下仿真得到的共模电感感值曲线和总的阻抗曲线如图：

最后放上供应商提供的测试数据

审核编辑：汤梓红