CN102594284A - 一种多线圈集成lc单元构成的平面emi滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于多线圈集成LC单元构成的平面EMI滤波器，包括罐型磁芯以设置在罐型磁芯内的第一共模集成LC结构、第二共模集成LC结构、第一差模电容、第二差模电容及一个漏感层，所述的漏感层位于所述的两个共模集成LC结构之间，第一差模电容的一个端口作为滤波器输入、第二差模电容的一个端口作为滤波器输出，所述的罐型磁芯具有至少两个磁芯柱，所述的第一共模集成LC结构和第二共模集成LC结构均由陶瓷板以及两对平面螺旋线圈组成，所述的平面螺旋线圈分别套在所述的磁芯柱上，本发明在单板上构成多个共模集成LC单元，可以灵活构成所需的电感电容参数，同时构成多级EMI共模滤波结构，选用特定的罐型磁芯，增加了导体的利用率，且易于安装。

Description

一种多线圈集成LC单元构成的平面EMI滤波器

技术领域

本发明涉及一种EMI电源滤波器的平面磁集成结构，特别是由多线圈集成LC单元构成的平面EMI滤波器。

背景技术

我国加入WTO和实施强制产品EMC认证制度以来，电磁兼容的重要性和必要性已被普遍接受。由功率器件的开关工作引起了极大的电压或电流脉冲，从而引发的严重的电磁干扰(EMI)是电磁兼容问题的重要方面之一。这些干扰经近场和远场耦合形成传到和辐射干扰，严重污染电磁环境和电源系统。对于EMI传导干扰，采用EMI滤波器进行滤波是一种常用及有效的手段。将EMI滤波器适当的接入电网和开关电源之间，即能防止开关电源产生的噪声传导进入电网，也能防止电网中的各种高频噪声通过传导进入开关电源。

传统EMI滤波器采用分立式电感电容组成共模及差模滤波器。但高频时由于分立元件的寄生参数，例如电感的并联寄生电容(EPC)、电容的串联寄生电感(ESL)等，使EMI滤波器在高频时的插入损耗明显降低，严重影响了EMI滤波器的高频性能。同时，由于传统的无源分立元件因其元件数量多、体积大，成为电力电子设备小型化发展过程中的障碍。将平面磁集成技术应用于EMI滤波器，在实现模块化和小型化的同时，可以有效减小其高频寄生参数。

平面集成LC结构是构成平面磁集成EMI滤波器的基本单元，弗吉尼亚理工大学的YingLin Zhao提出了一种广义传输线理论，通过该理论可以较好的预测平面LC结构的高频特性，Rengang Chen设计了应用于开关电源系统的平面EMI滤波器，如图1所示，其中：1、磁芯、2、介质，3、铜箔绕组，A、B、C、D为输入、输出端。随着现代电力电子向高频方向发展，电流在直接拐角处分布很不均匀，严重影响滤波器性能。故由南京航空航天大学本课题组提出环形平面EMI滤波器结构，如图2所示。该滤波器采用罐(P)型磁芯201，差模电容202和210，共模集成LC结构203、204、205、207、208以及209，及漏感层206组成。差模电容作为滤波器的输入，在电路中采用四端点连接方式。共模电感层与集成LC结构顺向串联耦合，两个共模LC结构并联构成共模扼流圈，同时通过漏感层漏感构成差模电感。该结构组成了平面EMI滤波器结构，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。图2所示的集成平面EMI结构是传统EMI滤波器结构。但由于电力电子的发展，现代EMI滤波器在一些情况下需使用多级滤波器，使用上述结构，会导致集成LC结构增多，体积增大。

发明内容

发明目的：

本发明提供一种双层多对线匝的平面EMI滤波器集成结构，可以在单个平面集成LC单元上实现多级共模滤波结构。与现有技术相比，平面集成LC结构由单板多对线圈构成，提高了陶瓷板利用率，同时，在同一集成LC单元上采用共模电感EPC消除技术，改善高频特性。本发明采用特制的罐型磁芯，螺旋线圈全部包含在磁芯内部，提高了导体的利用率，并且易于安装。本发明可应用于开关电源的前端变换器中，与传统的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。同时与现有的环形平面滤波器相比，改善了滤波器的高频性能。

发明内容：

本发明为实现上述发明目的，采用如下技术方案：

一种基于多线圈集成LC单元构成的平面EMI滤波器，包括罐型磁芯以设置在罐型磁芯内的第一共模集成LC结构、第二共模集成LC结构、第一差模电容、第二差模电容及一个漏感层，所述的漏感层位于所述的的两个共模集成LC结构之间，第一差模电容的一个端口作为滤波器输入、第二差模电容的一个端口作为滤波器输出，其特征在于：所述的罐型磁芯具有至少两个磁芯柱，所述的第一共模集成LC结构和第二共模集成LC结构均由陶瓷板以及两对平面螺旋线圈组成，所述的平面螺旋线圈分别套在所述的磁芯柱上，所述的成对平面螺旋线圈对称的设置在陶瓷板的上下层平面上，所述的上层平面上的线圈顺向串联耦合，所述下层平面上的线圈一点接地，所述的第一差模电容的第一输出端连接第一共模集成LC结构的输入端，第一差模电容的第二输出端连接第二共模集成LC结构的输入端，第一共模集成LC结构和第二共模集成LC结构的输出端分别连接第二差模电容的第一输入端和第二输入端。

在所述的陶瓷板的上下层表面上均设置有四个线圈。

所述的差模电容由双面PCB板构成，上下两面除磁芯所需过孔外全部喷镀PCB导线，且上下两层完全对称。

所述的PCB板的板材采用介电常数为10000-20000的陶瓷材料铌镁酸铅。

所述的漏感层采用高分子铁氧体复合磁材料。

本发明包含一个罐型磁芯、两个集成的差模电容、两个平面集成LC结构及一个漏感层组成。差模电容有单匝集成LC单元构成。共模扼流圈及共模电容由两个平面集成LC单元构成。每个平面集成LC单元有四对线圈，由陶瓷板上直接喷镀平面线圈导体形成。上下两层线圈完全对称。差模电容及其它平面集成LC结构采用陶瓷板都具有高介电常数，以增加差模及共模电容值，使其符合EMI滤波器设计要求。共模扼流圈与共模电容可以根据EMI滤波器设计要求，灵活采用四个平面线圈串并联形成共模滤波结构，并采用共模电感EPC消除方法。

如上所述，本发明采用圆形的平面集成LC结构作为集成EMI滤波器的基本组成单元。在单板上构成多个LC单元，可以灵活构成所需的电感电容参数，同时构成多级EMI共模滤波结构，选用特定的罐型磁芯，增加了导体的利用率，且易于安装。

附图说明

图1是基于矩形平面集成LC结构的集成EMI滤波器。

图2是基于圆形平面集成LC结构的集成EMI滤波器。

图3是基于单板多线圈平面集成LC结构的集成EMI滤波器。

图4是图3的等效电路图。

图5是单板多板多线圈平面集成LC结构。

图6是平面集成LC结构的中单对线圈的等效集中参数电路。

图7是集成的差模电容。

图8是集成差模电容的等效集中参数电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

如图3、图4所示的实例，本发明提供的一种单片多线圈构成的平面EMI滤波器集成结构包括一个罐型磁芯301，两个差模电容302和306，两个集成LC结构303和304，一个漏感层305。其中罐型磁芯301包括P型磁性的基础上出去原来结构中的中柱，取代中柱的则是四个磁芯柱，并把差模电容和集成LC结构套在四个芯柱上，共模集成LC结构包括由陶瓷板和喷镀在陶瓷板上下层表面的各至少两个线圈组成，在本实施例中，单层表面上的线圈为四个，所以芯柱也是4个。差模电容以及共模集成LC结构的连接电路图如图4所示。

图6为图5中单对集成LC结构的等效电路图，I、II两个线圈的匝数为N₁、N₂，III、IV两个线圈匝数为N₃、N₄，导线宽度为t₁，陶瓷板厚度为d₁，图5B为图5A的等效电路图，匝数为1，导线宽度为t₃，PCB板厚度为d₃，罐型磁芯的每个磁路面积相等为A_e，磁路长度为l_e，磁导率为μ_r。

若采用两级共模滤波器，采用图3A中I、II两个LC集成结构，每个平面线圈构成一级电感，每个集成电容构成一级共模电容：

$L_{\mathrm{CM}1}={N_1}^2\frac{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_r{A}_e}{l_e}$ $L_{\mathrm{CM}2}={N_2}^2\frac{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_r{A}_e}{l_e}$

集成LC结构层间电容作为共模电容：

$C_{\mathrm{CM}1}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r{t}_1{l}_1}{d_1}$ $C_{\mathrm{CM}2}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r{t}_1{l}_2}{d_1}$

线圈III、IV的电感和层间电容作为补充，

式中，l₁、l₂、l₃、l₄为集成LC结构单层I、II、III、IV四个线圈各自导线的总长度。

单匝的集成LC结构作为差模电容：

$C_{\mathrm{DM}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r{S}_c}{d_2}$

式中，S_c为单匝集成LC结构铜导线的总面积。

根据多级EMI滤波器的设计，合理调整各参数，并选择是否使用线圈III、IV。若不使用，将差模电容302中A1、B1作为滤波去输入，C1连接共模集成LC单元303中线圈I的A点。线圈I、II顺向串联耦合。其中线圈I、II的E、F点接地。漏感层位于集成LC结构303和304之间，漏磁能量产生的漏感作为差模电感。差模电容306、LC结构304连接方式相同，其中差模电容306的C2、D2作为滤波器输出。如若EMI滤波效果不理想，可以灵活加入线圈III、IV，组成更多级的EMI滤波结构。

上面详细描述了本发明的一个具体实例，但是应当理解，本发明的实施方式并不仅限于此，此实例仅用于帮助理解本发明。对本发明所作的各种变化实例，都应包含在本发明的范围内。本发明的专利保护范围应当有所附的权利要求书限定。

Claims (5)

1.一种基于多线圈集成LC单元构成的平面EMI滤波器，包括罐型磁芯（301）以设置在罐型磁芯（301）内的第一共模集成LC结构（303）、第二共模集成LC结构（304）、第一差模电容（302）、第二差模电容（306）及一个漏感层（305），所述的漏感层（305）位于所述的的两个共模集成LC结构之间，第一差模电容（302）的一个端口作为滤波器输入、第二差模电容（306）的一个端口作为滤波器输出，其特征在于：所述的罐型磁芯（301）具有至少两个磁芯柱，所述的第一共模集成LC结构和第二共模集成LC结构均由陶瓷板以及两对平面螺旋线圈组成，所述的平面螺旋线圈分别套在所述的磁芯柱上，所述的成对平面螺旋线圈对称的设置在陶瓷板的上下层平面上，所述的上层平面上的线圈顺向串联耦合，所述下层平面上的线圈一点接地，所述的第一差模电容（302）的第一输出端连接第一共模集成LC结构的输入端，第一差模电容（302）的第二输出端连接第二共模集成LC结构的输入端，第一共模集成LC结构和第二共模集成LC结构的输出端分别连接第二差模电容（306）的第一输入端和第二输入端。

2.根据权利要求书1所述的基于多线圈集成LC单元构成的平面EMI滤波器，其特征在于：在所述的陶瓷板的上下层表面上均设置有四个线圈。

3.根据权利要求书1或2所述的基于多线圈集成LC单元构成的平面EMI滤波器，其特征在于：所述的差模电容由双面PCB板构成，上下两面除磁芯所需过孔外全部喷镀PCB导线，且上下两层完全对称。

4.根据权利要求3所述的基于多线圈集成LC单元构成的平面EMI滤波器，其特征在于：所述的PCB板（502）的板材采用介电常数为10000-20000的陶瓷材料铌镁酸铅。

5.根据权利要求书1所述的基于多线圈集成LC单元构成的平面EMI滤波器，其特征在于：所述的漏感层（306）采用高分子铁氧体复合磁材料。

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