1铁氧体磁环在广州地铁项目电磁兼容性中的应用【摘要摘要】论述电磁兼容（EMC）设计干扰抑制器件的基本原 理，介绍该器件在广州地铁项目静止逆变器电磁兼容设 计中的应用 关关键词键词 电磁兼容（EMC）、铁氧体、铁氧体磁环、轨道车 辆 SIV 逆变器 1 引言引言 电磁兼容（EMC）设计是一个复杂的系统工程，根据轨道 车辆设计及生产特点,应包括两大方面的设计内容：一为车辆 设计部分，又分为结构设计,电气设计及生产工艺设计三个方 面；二为电气部件部分只有这两个方面的密切结合,才能最 终完成整个车辆的电磁兼容工作在电磁兼容设计方法中， 滤波是抑制干扰和防止干扰的一项重要措施而铁氧体磁环 是电气设备电磁兼容性设计中抑制干扰非常实用的滤波器 件本文结合广州地铁项目讨论了干扰抑制器件铁氧体磁环 在电磁兼容设计中的原理和应用 2 铁铁氧体抗干氧体抗干扰扰磁磁环环 铁氧体抗干扰磁环是一种新型的干扰抑制器件，其作用 相当于低通滤波器，较好地解决了电源线、信号线和连接器 的射频干扰抑制问题，而且具有使用简单、方便、有效（使用 时只要把铁氧体磁环套在被保护线路上，无需接地，利用铁 氧体磁环所对高频干扰所反映出来的阻抗，使高频干扰得到 有效抑制）等一系列优点，从而在电磁兼容设计中获得了广 泛的应用。
铁氧体是铁的氧化物和多种其他粉末状金属（通常是锰、 锌、镍和钴）放在一起，经挤压和一定时间的高温烧结后形成 的陶瓷晶体铁氧体材料的电磁性能与添加的金属成份，以 及烧结过程中的时间、温度等有关23、 、铁铁氧体抗干氧体抗干扰扰磁磁环环的基本工作原理的基本工作原理 铁氧体材料的阻抗由两部分组成：感抗和电阻,两者都与 频率有关,图 1 为其等效电路 （a）等效阻抗 （b）阻抗矢量图 图 1 铁氧体抑制元件的等效电路铁氧体阻抗 Z(f)=R(f)+jwL(f) ； 损耗电阻 R 和感抗 jwL 都是频率 f 的函数在低频 段,铁氧体磁环的阻抗主要是感抗，它与材料的导磁率有关， 不影响数据线或信号线上有用信号的传输随频率升高，导 磁率迅速下降，平抑了感抗增长势头（甚至出现了感抗减少 的情况）但高频下铁损明显增加，使总阻抗 Z（f）继续增大， 但此时铁损 R(f)成为阻抗主要成份当有高频能量穿过磁性 材料时,电阻性分量就会把这些能量转化为热能耗散掉这样 就构成一个低通滤波器,使高频噪音信号有大的衰减,而对低 频有用信号的阻抗可以忽略,不影响电路的正常工作图 2 铁氧体抑制元件应用电路铁氧体应用时的等效电路如图 2 所示。
图中Ｚ为抑制元 件的阻抗,ZS和 ZL分别为源阻抗和负载阻抗,Z 为铁氧体抑制 元件的阻抗通常用插入损耗表示抑制元件对 EMI 信号的3衰减能力器件的插入损耗越大,表示器件对 EMI 噪音抑制 能力越强若磁环使用前后在 ZL上的电压分别为 E1和 E2,则 磁环对噪声的衰减作用为: A=20lg(E1/E2)= 20lg(ZS+Z+ZL)/(ZS+ZL) 由上式可知：信号源内阻 ZS与负载阻抗 ZL之和越小,铁 氧体的等效阻抗 Z 越大,则对高频干扰的抑制作用越好 4、 、铁铁氧体磁氧体磁环环的的应应用用 牵引系统牵引逆变器、SIV 静止逆变器是地铁车辆上电 磁骚扰发射最严重的两个设备，这两个设备的电磁兼容性能 最直接的影响车辆电磁兼容性能在广州四、五号线地铁车 辆项目中，最初两个逆变器的电磁兼容性能不能满足 EN50121-3-2 标准的骚扰发射要求，导致车辆上信号系统应 答天线受到干扰，致使列车自动驾驶系统不能正常工作；此 外，列车的整车电磁兼容性能不能通过 EN50121-3-1 标准规 定限值下面通过该项目 SIV 逆变器电磁兼容改造前后测试 结果说明铁氧体磁环的具体应用 SIV 静止逆变器的输入电压为 DC1500V,输出为 AC380V 和 DC110V,其电路原理见下图 3。
图 3 AC380V 输出回路（已改造增加铁氧体磁环）4图 4 DC110V 输出回路（已改造增加铁氧体磁环）在对 SIV 逆变器使用电容（见附图 3、4 中 0.22uf 电 容）进行滤波后，虽然电磁兼容性能有所改善，但仍旧不能满 足 EN50121-3-2 标准规定的限值要求测试时，未使用铁氧 体磁环，AC380V 输出电压传导噪声发射明显超出限值要求， 见下图 5在频率为 7MHz 时，超出标准规定限值约 20dB图 5 使用铁氧体磁环前 AC380V 输出电压噪声从下图 6 可以看出，未使用铁氧体磁环时 DC110V 输出 电压传导噪声发射也明显超出标准规定的限值要求，在 1.5MHz 处超出标准规定限值大约 20dB5图 6 使用铁氧体磁环前 DC110V 输出电压噪声经过分析，在增加铁氧体前 SIV 的 AC380V 输出电源线 （铜排和零线）、DC110V 输出电源线（铜排和负线）之间存在 共模干扰，因此考虑在 AC380V 输出线 UK2、VK2、WK2、O 线增加 2 个铁氧体，在 110V 直流输出 的正负线也加 2 个铁氧体，见下图 7图 7 AC380V 和 DC110V 输出电源线增加铁氧体在使用铁氧体后，测试结果如下图 8 和图 9。
6图 8 使用铁氧体磁环后 AC380V 输出电压噪声图 9 使用铁氧体磁环后 DC110V 输出电压噪声通过图 8 和图 9 可以看出通过使用铁氧体，有效地抑制 了 SIV 电源输出电路的骚扰发射增加铁氧体后，SIV 的电 磁兼容射频传导发射完全满足了 EN50121-3-2 标准限值要 求这为广州地铁项目车辆能够顺利通过 EN50121-3-1 标准 规定的整车电磁兼容性能提供了必要的保障 5、 、铁铁氧体磁氧体磁环选择环选择 铁氧体抑制元件有多种材料和各种形状、尺寸供选择 为选择合适的抑制元件，使对噪音的抑制更有效，设计者必 须知道需要抑制的 EMI 信号的频率和强度，要求抑制的效7果，以及允许占用的空间包括内径、外径和长度等尺寸不 同的铁氧体抑制材料，有不同的最佳抑制频率范围，与磁导 率有关通常材料的磁导率越高，适用抑制的频率就越低 值得注意的是，在电源线上应用铁氧体元件时有 DC 偏流存 在铁氧体的阻抗和铁损随着 DC 偏流的增加而减少当偏 流增加到一定值时，铁氧体抑制元件会出现饱和现象在 EMC 设计时要考虑饱和或插入损耗降低的问题铁氧体的 磁导率越低，插入损耗受 DC 偏流的影响越小，越不易饱和。
所以用在电源线上的铁氧体抑制元件，要选择磁导率低的材 料和横截面积大的元件当偏流较大时，可将电源的出线 （AC 的火线，DC 的正线）与负线（AC 的中线，DC 的地线）同 时穿入一个磁环这样可避免饱和，但这种方法只抑制共模 噪音，从图 3 和图 4 可以看出本文案例 SIV 改造方案中 SIV 输出电源线即采用的此种使用方法 结结束束语语 本文对铁氧体磁环器件抑制干扰的基本原理进行了详 细说明，并结合广州地铁项目车辆 SIV 逆变器 EMC 改造的 实际应用进行了说明铁氧体磁环在电气电子产品设备的电 源线、信号线等射频干扰抑制设计中具有广泛的应用参考文献：1. 周志敏，纪爱华 电磁兼容技术屏蔽.滤波.接地.浪涌.工程应用 电子工业出版社，20072. 钱振宇，史建华 电气、电子产品的电磁兼容技术及设计实例 电子工业出版社，2008。