CN102307043A

CN102307043A - 一种高性能集成emi滤波器

Info

Publication number: CN102307043A
Application number: CN201110113897A
Authority: CN
Inventors: 王世山; 朱叶; 石磊磊
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2011-05-04
Filing date: 2011-05-04
Publication date: 2012-01-04
Anticipated expiration: 2031-05-04
Also published as: CN102307043B

Abstract

本发明公开一种高性能集成EMI滤波器，包括同轴依次设置的第一罐型磁芯、差模电容、第一共模电感层、第一共模集成LC结构、漏感层、第二共模集成LC结构、第二共模电感层和第二罐型磁芯，第一共模电感与第一共模集成LC结构的一层线圈通过导线顺向串联在一起，形成一个顺向耦合结构，第二共模电感与第二共模集成LC结构的一层线圈通过导线顺向串联在一起，形成另一个顺向耦合结构；第一、二罐型磁芯相互扣合，将设于二者之间的部件扣合在容置腔内；差模电容由多层带缺口的筒壁型陶瓷板和铜板交错叠压构成，且最内层与最外层均为铜板。此种滤波器结构易于实现理想的差模电容值，提升EMI滤波器的高频滤波性能。

Description

一种高性能集成EMI滤波器

技术领域

本发明涉及一种EMI滤波器内部模块的集成结构，特别涉及一种由筒壁型差模电容构成的滤波器结构。

背景技术

无源EMI滤波器是抑制开关电源中传导电磁干扰的主要手段，而传统滤波器是由分立电感器和电容器组成的，由于分立元件数量多、形状各异，空间利用率低，占整个变换器系统的很大一部分体积，并且分立元件存在的寄生参数严重影响了滤波器的高频性能。因此，为减小EMI滤波器的体积，改善其高频性能，开展集成EMI滤波器的研究是十分必要的。

无源器件集成包括如变压器、谐振电感与扼流圈、谐振电容与滤波电容等元件的集成，近年来已经成为提高功率密度的研究热点，也是实现现代开关电源系统“短、小、轻、薄”技术的重要途径。对于EMI滤波器，无源器件的集成主要是对电容、电感等元件进行集成。美国电力电子研究中心（CPES）研究的平面集成EMI滤波器在结构上最具代表性，此种结构的EMI滤波器采用平面E型磁芯，由差模电容、共模电感层、共模集成LC结构及漏感层组成，其中集成LC元件为基本单元，是由在陶瓷介质基板的两侧直接喷镀矩形螺旋绕组而成。利用一匝或不到一匝的平面LC结构作为差模电容，采用四端点连接方式，以减小串联寄生电感；利用两个多匝的平面LC结构，连接成低通滤波器结构，并联在一起作为共模扼流圈；共模电感层的存在使得共模电感值大大增加，该种结构实现了EMI电源滤波器的平面磁集成结构，减小了体积，大大提高了功率密度，并且减小了高频的寄生参数。

然而，前述滤波器也有缺陷，其中最严重的就是集成差模电容值很难达到理想值，而克服该缺陷的途径有两个：一、采用高介电常数陶瓷材料作为集成差模电容模块的介质板；二、增大差模电容模块中介质板两侧单匝铜导线绕组的正对面积。由于高介电常数的陶瓷材料存在自身的缺点，相对于大多数的薄膜介质材料来说，它随频率和温度变化时的介电常数稳定性要差很多，途径一显然较难实现。途径二的实现较为简单，但是铜导线绕组正对面积成倍的增大势必会使滤波器的平面面积也成倍增加，仍有待改进。

有鉴于上述分析，本发明人依此思路进行深入研究，本案由此产生。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，是针对前述背景技术中的缺陷和不足，提供一种高性能集成EMI滤波器，其易于实现理想的差模电容值，提升EMI滤波器的高频滤波性能。

本发明为解决以上技术问题，所采用的技术方案是：

一种高性能集成EMI滤波器，包括同轴依次设置的第一罐型磁芯、差模电容、第一共模电感、第一共模集成LC结构、漏感层、第二共模集成LC结构、第二共模电感和第二罐型磁芯，第一共模电感与第一共模集成LC结构的一层线圈通过导线顺向串联在一起，形成一个顺向耦合结构，第二共模电感与第二共模集成LC结构的一层线圈通过导线顺向串联在一起，形成另一个顺向耦合结构；第一、二罐型磁芯相互扣合，将设于二者之间的部件扣合在容置腔内；差模电容由多层带缺口的筒壁型陶瓷板和铜板交错叠压构成，且最内层与最外层均为铜板。

上述共模集成LC结构包含筒壁型陶瓷板以及分别设于其内外两侧的内、外层螺旋线圈，且筒壁型陶瓷板由陶瓷材料NPO制成，内、外层螺旋线圈由相同线宽、螺距和匝数的扁平螺旋铜线圈制成。

上述差模电容中的筒壁型陶瓷板采用介电常数为2000-7000的陶瓷材料PMN制成。

上述第一、二罐型磁芯采用磁导率为2000-5000的铁氧体材料制成。

采用上述方案后，本发明与现有技术相比，消除了高频时矩形螺旋线圈的拐角处电流分布不均带来的影响；采用了罐型磁芯，大大提高了磁芯有效截面积和磁芯利用率，且使得滤波器各模块全部位于磁芯内部，杂散磁场很难进入或离开磁芯，抗外界电磁干扰能力增强；多个集成LC结构并联的筒壁型差模电容的提出，降低了对差模电容模块中介质材料的要求，有效增大了差模电容值，提高了集成EMI滤波器的高频滤波特性。本发明可应用于分布式电源系统的前端变换器中，特别适合应用于对平面面积要求较高而对高度要求不是很严格的场合，与分立元件组成的EMI电源滤波器相比，体积明显减小，并且提高了滤波器的插入损耗，改善了滤波器的高频性能。

通过类比多层叠片式电容的结构，采用多个集成LC结构并联的筒壁型差模电容模块，降低了对差模电容模块中介质材料的要求，可以使用具有较好温度、频率敏感性但介电常数偏低的陶瓷材料PMN，此外将差模电容模块做成筒壁型也可大大增加介质板两侧铜导线绕组的正对面积（代价是增大滤波器的整体高度），从而很容易实现理想的差模电容值，提升了集成EMI滤波器的高频滤波性能。

附图说明

图1A 是本发明的立体结构分解图；

图1B是本发明的等效集中参数电路；

图2A是本发明中集成LC结构的立体示意图；

图2B是本发明中集成LC结构的等效集中参数电路；

图3A是本发明中差模电容的立体结构示意图；

图3B是本发明中差模电容的等效集中参数电路；

图4A是本发明中共模电感的立体结构示意图；

图4B是本发明中共模电感的等效电路。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1A所示，本发明提供一种高性能集成EMI滤波器，包括同轴依次设置的第一罐型磁芯301、差模电容302、第一共模电感303、第一集成LC结构304、漏感层305、第二集成LC结构306、第二共模电感307和第二罐型磁芯308，所述的第一、二罐型磁芯301、308可相互扣合并形成容置腔，从而将其余部件扣合在该容置腔内，且第一、二罐型磁芯301、308均由磁导率为2000-5000的铁氧体材料制成（本实施例中选用磁导率为2000的铁氧体材料），其有效磁路面积为，磁路长度为

，磁导率为

。

如图2A所示，其是第一集成LC结构304（与第二集成LC结构306相同）的立体示意图，其包含筒壁型陶瓷板402、内层螺旋线圈403和外层螺旋线圈401，且内、外层螺旋线圈403、401分别设于筒壁型陶瓷板402的内外两侧，其中，筒壁型陶瓷板402采用陶瓷材料NPO制成，而内、外层螺旋线圈403、401分别由相同线宽、螺距和匝数的扁平螺旋铜线圈制成。

再请参考图2A所示，所述的内层螺旋线圈403具有两个端点D、B，且端点B与筒壁型陶瓷板402连接，而外层螺旋线圈401具有两个端点A、C，且端点C与筒壁型陶瓷板402连接，图2B是所述集成LC结构的等效集中参数电路图，其中内、外层螺旋线圈403、401的匝数都为

，导线宽度为

，筒壁型陶瓷板402的厚度为

；需要说明的是，由于第一、二集成LC结构304、306的结构相同，在此统一使用A、B、C、D表示四个端点，而对于单独的第一、二集成LC结构304、306而言，其4个端点分别为A1-D1、A2-D2。

如图3A所示，是本发明中差模电容302的立体结构示意图，其由多层带缺口的筒壁型陶瓷板501和铜板502相互交错叠压构成，并确保最内层和最外层均为铜板502，其中陶瓷板501采用介电常数为2000-7000的陶瓷材料PMN制成，本实施例中采用介电常数为5000的陶瓷材料PMN；图3B是差模电容302的等效集中参数电路图，配合图3A，设差模电容302的缺口两侧最内层的两个端点分别为M、P，最外层相对应为N、Q，则其间的等效电路图如图3B，其中匝数为1，导线宽度为

，陶瓷板501的厚度为

，介电常数为

。

如图4A所示，是本发明中第一共模电感303（与第二共模电感307结构相同）的立体示意图，其为螺旋形构造，两个端点分别为E、F，此处与图2A中表示相同，也即第一共模电感303的两个端点分别为E1、F1，第二共模电感307的两个端点分别为E2、F2。图4B是共模电感的等效电路图，在此不再赘述。

配合图1B所示，是本发明一种高性能集成EMI滤波器的等效集中参数电路图，其中，A1-D1分别对应图2A中第一集成LC结构304的4个端点，A2-D2则分别对应第二集成LC结构306的4个端点，在连接时，将D1和D2接地，而B1和B2点均悬空；漏感层305设置在第一、二集成LC结构304、306之间；第一集成LC结构304的C1点接差模电容302的M点（配合图3A），第二集成LC结构306的C2点接差模电容302的B点；第一共模电感303（配合图3A）的E1点和第二共模电感307的E2点作为滤波器的输入端口；而第一共模电感303的F1点接第一集成LC结构304的A1点，第一共模电感303及第一集成LC结构304的线圈形成顺向耦合串联结构，第二共模电感307的F2点接第二集成LC结构306的A2点，第二共模电感307及第二集成LC结构306的线圈形成顺向耦合串联结构；差模电容302的C点和D点作为滤波器的输出端口。

一个共模电感与集成LC结构的顺向耦合串联构成共电感，其大小为：

其中，

为共模电感的绕组匝数，

为空气磁导率。

集成LC结构层间电容作为共模电容：

式中，

为集成LC结构单层线圈导线的总长度，

为空气介电常数。

多个集成LC结构并联构成的差模电容：

式中，

为单匝集成LC结构线圈的总长度，

为集成差模电容模块中陶瓷板的层数。显然多个集成LC结构并联构成的筒壁型集成差模电容值得到大大的提高。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims

1.一种高性能集成EMI滤波器，其特征在于：包括同轴依次设置的第一罐型磁芯、差模电容、第一共模电感、第一共模集成LC结构、漏感层、第二共模集成LC结构、第二共模电感和第二罐型磁芯，第一共模电感与第一共模集成LC结构的一层线圈通过导线顺向串联在一起，形成一个顺向耦合结构，第二共模电感与第二共模集成LC结构的一层线圈通过导线顺向串联在一起，形成另一个顺向耦合结构；第一、二罐型磁芯相互扣合，将设于二者之间的部件扣合在容置腔内；差模电容由多层带缺口的筒壁型陶瓷板和铜板交错叠压构成，且最内层与最外层均为铜板。

2.如权利要求1所述的一种高性能集成EMI滤波器，其特征在于：所述共模集成LC结构包含筒壁型陶瓷板以及分别设于其内外两侧的内、外层螺旋线圈，且筒壁型陶瓷板由陶瓷材料NPO制成，内、外层螺旋线圈由相同线宽、螺距和匝数的扁平螺旋铜线圈制成。

3.如权利要求1所述的一种高性能集成EMI滤波器，其特征在于：所述差模电容中的筒壁型陶瓷板采用介电常数为2000-7000的陶瓷材料PMN制成。

4.如权利要求1所述的一种高性能集成EMI滤波器，其特征在于：所述第一、二罐型磁芯采用磁导率为2000-5000的铁氧体材料制成。