電力電子裝置EMI濾波器平面集成研究

研究背景

隨著寬禁帶半導(dǎo)體功率器件的廣泛使用，變換器正朝著高頻率、高效率以及高功率密度方向發(fā)展。功率器件開(kāi)關(guān)動(dòng)作的高速化和高頻化會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)電磁干擾問(wèn)題惡化。電磁干擾與兼容（EMI/EMC）問(wèn)題已成為限制變換器功率密度及可靠性的關(guān)鍵因素。EMI濾波器作為干擾抑制的重要手段，磁芯在濾波電感體積和重量中占據(jù)主要分量，多個(gè)分立電感的使用導(dǎo)致磁芯利用率降低，進(jìn)而使得系統(tǒng)功率密度以及成本、體積并沒(méi)有得到充分的優(yōu)化，采用系統(tǒng)集成技術(shù)可以提高電感磁芯的利用率，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的功率密度。

成果簡(jiǎn)介

順應(yīng)逆變器高頻化和集成化發(fā)展，針對(duì)開(kāi)關(guān)頻率提高所帶來(lái)嚴(yán)重的電磁干擾問(wèn)題，采用平面磁集成結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙級(jí)EMI濾波器。在EIE型磁芯上實(shí)現(xiàn)雙級(jí)EMI濾波器所需電感繞組的磁集成，同時(shí)引入介電陶瓷實(shí)現(xiàn)電容集成。平面磁集成的雙級(jí)EMI濾波器相比于分立元件的單級(jí)EMI濾波器具有更大的插入損耗，具備與分立元件雙級(jí)EMI濾波器相同的噪聲抑制效果，并且磁集成方案可以顯著減小濾波器的體積和重量，提升系統(tǒng)的功率密度。

亮點(diǎn)提煉

雙級(jí)EMI濾波器的電感繞組，采用EIE型磁芯進(jìn)行磁集成設(shè)計(jì)，繞組分布和繞制方向如下圖所示。其中，E型磁芯的邊柱繞制CM電感所需繞組，中柱提供CM電感的漏感通路，充當(dāng)DM電感。E型磁芯和I型磁芯間均預(yù)留了合適的氣隙，同時(shí)在中柱和I型磁芯的激勵(lì)磁通方向相反，防止磁芯飽和，并有利于進(jìn)行獨(dú)立的磁路分析。根據(jù)繞組結(jié)構(gòu)，在不同的平面線圈層間插入介電陶瓷片，進(jìn)一步將雙級(jí)EMI濾波器的濾波電容集成在一個(gè)磁芯單元，對(duì)應(yīng)的層疊結(jié)構(gòu)如圖所示，可以有效減小平面線圈間寄生電容參數(shù)的影響。

圖1 雙級(jí)EMI濾波器繞組結(jié)構(gòu)和層疊結(jié)構(gòu)

根據(jù)平面線圈的層疊設(shè)計(jì)，根據(jù)下圖所示平面磁集成結(jié)構(gòu)，通過(guò)平面線圈在磁芯上耦合形成CM電感，并利用結(jié)構(gòu)中的漏感充當(dāng)DM電感，不額外設(shè)置DM電感的平面線圈。同時(shí)在L線平面線圈、N線平面線圈和接地層之間加入介電材料，形成所需的CM電容和DM電容，實(shí)現(xiàn)了電感-電容的全元件平面磁集成結(jié)構(gòu)。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? 圖2?EMI濾波器平面磁集成結(jié)構(gòu)

通過(guò)將平面磁集成結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的分立元件的單級(jí)EMI濾波器和雙級(jí)EMI濾波器進(jìn)行對(duì)比，平面磁集成結(jié)構(gòu)總體積相較于分立元件單級(jí)EMI濾波器減小了約46%，相比于分立元件雙級(jí)EMI濾波器減小了約30%；重量上，則相較于二者分別降低了48%和34%。雙級(jí)EMI濾波器具有更大的插入損耗，采用平面磁集成結(jié)構(gòu)能夠有效減少電感的重量體積，并能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)所需濾波電容的集成，能夠提升系統(tǒng)功率密度。

圖3分立EMI濾波器

圖4平面磁集成雙級(jí)EMI濾波器

前景與應(yīng)用

本研究提出的EMI濾波器磁集成方案不僅為EMI濾波器的磁集成結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)提供了新思路和方案，也進(jìn)一步提升了EMI濾波器的噪聲抑制性能。相比傳統(tǒng)分立型濾波器，所設(shè)計(jì)的磁集成EMI濾波器可以滿足設(shè)計(jì)預(yù)期要求。同時(shí)，進(jìn)一步減小了電力電子系統(tǒng)的體積和重量，提升了系統(tǒng)的功率密度。

審核編輯 ：李倩