CN104378080A - 一种集成电磁干扰滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成电磁干扰滤波器，包括第一罐型磁芯和第二罐型磁芯扣合，形成环状结构的容纳腔，集成差模电容、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结构和第二共模电感依次套在第一罐型磁芯和第二罐型磁芯的磁芯柱上；第一共模集成LC结构的第一螺旋圈位于第一环状陶瓷板的一侧，第二螺旋圈位于第二环状陶瓷板的另一侧；第一共模电感与第一螺旋线圈通过导线顺向串联，形成第一顺向耦合结构；第二共模集成LC结构与第一共模集成LC结构类似；第二共模电感与第四螺旋线圈通过导线顺向串联，形成第二顺向耦合结构。本发明的滤波器采用环形结构，使得电流在平面螺旋线圈上均匀分布，提高滤波器的性能。

Description

一种集成电磁干扰滤波器

技术领域

本发明涉及滤波技术领域，尤其涉及一种集成电磁干扰滤波器。

背景技术

滤波器按照所采用的元器件可以分为有源滤波器和无源滤波器两种，所述有源滤波器由无源元件和有源器件组成，所述无源滤波器由无源元件组成。无源电磁干扰(Electromagnetic Interference,EMI)滤波器是抑制开关电源中传导电磁干扰的主要手段，而传统无源滤波器是由分立电感器和电容器组成的，具有两方面的缺点，第一、由于分立元件数量多、体积大、形状各异，空间利用率低，影响了电力电子设备体积小型化发展。第二、分立元件组成的滤波器由共模电感、差模电感和电容组成单级或多级滤波网络，其较长的引线造成的分布电感和分布电容使得分立元件存在寄生参数严重影响了滤波器的高频性能。

随着电磁兼容标准的不断完善，对滤波器的体积、性能提出了更高的要求。对小体积、高性能的滤波器的研发越来越受到重视，集成EMI滤波器将EMI滤波器中的差模电感和共模电感集成在一起，减小了体积，同时差模电感和共模电感的集成也改善了由于引线的分布电感和电容造成的滤波器性能下降。目前集成滤波器的研究已经成为电力电子技术中一个新颖的研究突破点。

平面集成EMI滤波器的提出是滤波器制造的一大飞跃，由弗吉尼亚理工大学的YingLin Zhao提出的一种广义传输线理论，较好地从理论上预测了平面LC结构的高频特性,美国virginia大学的陈仁刚将平面磁集成技术用于EMI滤波器中，集成如图1所示的结构，图1是现有技术中的集成EMI滤波器，由平面EI型磁芯、漏磁材料、集成差模电容和集成LC结构组成。集成LC结构是滤波器的基本组成单元，集成LC结构主要是通过在介质基板的两表面上直接喷镀绕组导体形成，两个集成LC结构并联可以实现共模电感和共模电容的集成。但是在现有技术中，由于采用矩形的平面螺旋线圈使得电流在直接拐角处分布很不均匀，严重影响了滤波器的性能。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种集成电磁干扰滤波器，使得电流在平面螺旋线圈上均匀分布，提高滤波器的性能。

本发明提供了一种集成电磁干扰滤波器，包括：第一罐型磁芯、集成差模电容、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；所述第一罐型磁芯和第二罐型磁芯扣合，形成环状结构的容纳腔，所述集成差模电容、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结构和第二共模电感依次套在所述第一罐型磁芯和/或第二罐型磁芯的磁芯柱上；所述第一共模集成LC结构包括第一环状陶瓷板、第一螺旋线圈和第二螺旋线圈，所述第一螺旋圈位于所述第一环状陶瓷板的一侧，所述第二螺旋圈位于所述第二环状陶瓷板的另一侧；所述第一共模电感与所述第一螺旋线圈通过导线顺向串联，形成第一顺向耦合结构；所述第二共模集成LC结构包括第二环状陶瓷板、第三螺旋线圈和第四螺旋线圈，所述第三螺旋圈位于所述第二环状陶瓷板的一侧，所述第四螺旋圈位于所述第二环状陶瓷板的另一侧；所述第二共模电感与所述第四螺旋线圈通过导线顺向串联，形成第二顺向耦合结构。

进一步的，所述集成差模电容包括第一未闭合环状铜板、第二未闭合环状铜板、闭合环状铜板和闭合环状陶瓷板；所述第一未闭合环状铜板作为所述集成差模电容的第一端与所述闭合环状陶瓷板相邻；所述闭合环状铜板与闭合环状陶瓷板交错叠压；所述第二未闭合环状铜板作为所述集成差模电容的第二端与所述闭合环状陶瓷板相邻；所述集成差模电容的中间一层为闭合环状铜板。

进一步的，所述集成差模电容的闭合环状陶瓷板的材质为以锆镁酸铅为主要材料的铁电体，所述闭合环状陶瓷板的介电常数为2000-7000。

进一步的，所述第一螺旋线圈、所述第二螺旋线圈、所述第三螺旋线圈和所述第四螺旋线圈为相同线宽、相同螺距和相同匝数的扁平螺旋铜线圈。

进一步的，所述第一罐型磁芯和第二罐型磁芯均采用磁导率为2000-5000的铁氧体材料制成。

本发明提供的一种集成电磁干扰滤波器，通过所述第一罐型磁芯和第二罐型磁芯扣合，形成环状结构的容纳腔，所述集成差模电容、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结构和第二共模电感依次套在所述第一罐型磁芯和/或第二罐型磁芯的磁芯柱上；所述集成差模电容、共模电感和所述共模集成LC结构均采用环状结构；这使得平面线圈上的电流分布均匀，解决了矩形线圈所引起的电路分布不均匀的问题，大大提高了集成电磁干扰滤波器的高频滤波性能。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是现有技术的集成EMI滤波器；

图2a是本发明实施例一提供的一种集成EMI滤波器的装置图；

图2b是本发明实施例一提供的一种集成EMI滤波器的等效集中参数电路图；

图3是本发明实施例一提供的一种共模集成LC结构的示意图；

图4是本发明实施例一提供的一种集成差模电容的示意图；

图5是本发明实施例二提供的所述第一共模集成LC结构的等效集中参数电路图；

图6是本发明实施例二提供的所述第一共模电感的示意图；

图7a是本发明实施例二提供的集成差模电容的等效集中参数电路图；

图7b是本发明实施例二提供的集成差模电容的简化电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

实施例一

本发明实施例一提供一种集成EMI滤波器。本发明实施例提供的集成EMI滤波器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，图2a是本发明实施例一提供的一种集成EMI滤波器的装置图，图2b是本发明实施例一提供的一种集成EMI滤波器的等效集中参数电路图。如图2a所示，所述装置包括：第一罐型磁芯201、集成差模电容202、第一共模电感203、第一共模集成LC结构204、漏感层205、第二共模集成LC结构206、第二共模电感207和第二罐型磁芯208；

所述第一罐型磁芯201和第二罐型磁芯208扣合，形成环状结构的容纳腔，所述集成差模电容202、第一共模电感203、第一共模集成LC结构204、漏感层205、第二共模集成LC结构206和第二共模电感207依次套在所述第一罐型磁芯201和/或第二罐形磁芯208的磁芯柱上；本发明实施例采用所述第一罐型磁芯201和第二罐型磁芯208扣合，形成环状结构的容纳腔的方式，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，且所述集成差模电容202、第一共模电感203、第一共模集成LC结构204、漏感层205、第二共模集成LC结构206和第二共模电感207依次套在所述第一罐型磁芯201和/或第二罐型磁芯208的磁芯柱上，增加了磁芯有效截面积和磁芯利用率。

所述第一共模集成LC结构204包括第一环状陶瓷板、第一螺旋线圈和第二螺旋线圈，所述第一螺旋圈位于所述第一环状陶瓷板的一侧，所述第二螺旋圈位于所述第二环状陶瓷板的另一侧；所述第一共模电感203与所述第一螺旋线圈通过导线顺向串联，形成第一顺向耦合结构；所述第二共模集成LC结构206(如图3所示)包括第二环状陶瓷板602、第三螺旋线圈601和第四螺旋线圈603，所述第三螺旋圈601位于所述第二环状陶瓷板602的一侧，所述第四螺旋圈603位于所述第二环状陶瓷板602的另一侧；所述第二共模电感207与所述第四螺旋线圈603通过导线顺向串联，形成第二顺向耦合结构。

本发明实施例一提供的一种集成EMI滤波器，通过集成差模电容202、共模电感和共模集成LC结构均采用环状结构且采用罐型磁芯；使得电流分布均匀，解决了现有技术中矩形线圈所引起的电路分布不均匀的问题，大大提高了集成EMI滤波器的高频滤波性能。

在上述方案中，所述集成差模电容202(如图4所示)包括第一未闭合环状铜板、第二未闭合环状铜板、闭合环状铜板和闭合环状陶瓷板；所述第一未闭合环状铜板作为所述集成差模电容202的第一端与所述闭合环状陶瓷板相邻；所述闭合环状铜板与闭合环状陶瓷板交错叠压；所述第二未闭合环状铜板作为所述集成差模电容202的第二端与所述闭合环状陶瓷板相邻；所述集成差模电容202的中间一层为闭合环状铜板。所述集成差模电容202的闭合环状陶瓷板的材质为以锆镁酸铅为主要材料的铁电体，所述闭合环状陶瓷板的介电常数为2000-7000。

集成差模电容202通过采用上述的结构方式，可以降低所述集成差模电容202对材料的要求，现有技术中，差模电容通常需要采用高介电常数的陶瓷材料，在本发明实施例中，集成差模电容202可以采用具有较好温度、频率敏感性高但介电常数偏低的锆镁酸铅(PMN)为主要材料的铁电体材料。优选的，采用介电常数为5000的PMN材料。集成差模电容202采用上述结构方式也可以增加闭合环状陶瓷板的两侧闭合环状铜板的正对面积，实现理想的差模电容值，提升集成EMI滤波器的高频滤波性能。所述第一未闭合环状铜板作为所述集成差模电容202的第一端和所述第二未闭合环状铜板作为所述集成差模电容202的第二端的目的是提供集成差模电容202的输出端口和输入端口。

在上述方案中，所述第一螺旋线圈、所述第二螺旋线圈、所述第三螺旋线圈和所述第四螺旋线圈，优选的采用相同线宽、相同螺距和相同匝数的扁平螺旋铜线圈。所述第一罐型磁芯201和第二罐型磁芯均采用磁导率为2000-5000的铁氧体材料制成，优选的采用磁导率为2000的铁氧体材料。

实施例二

图5是本发明实施例二提供的所述第一共模集成LC结构的等效集中参数电路图，第二共模集成LC结构的等效集中参数电路图参考图5。图6是本发明实施例二提供的所述第一共模电感的示意图，第一共模电感示意图参考图6。

共模集成LC结构层的共模电容值为：

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

其中，l₁为集成LC结构单层线圈导线的总长度，ε₀为空气介电常数。

第一共模电感203与第一共模集成LC结构204组成的第一顺向耦合结构的电感值为：

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

其中，N₂为第一共模电感203的绕组匝数，μ₀为空气磁导率。罐型磁芯的有效磁路面积为A_e，磁路长度为l_e，磁导率为μ_r。第一螺旋线圈的匝数都为N₁，螺旋线圈的导线宽度为t₁，环状陶瓷板的厚度为d₁。第二顺向耦合结构的电感值的计算方法上述参考公式。

图7a是本发明实施例二提供的集成差模电容的等效集中参数电路图，如图7所示，假设第一未闭合的环状铜板的未闭合端口的两个端点作为集成差模电容202的第一输入端口N和第一输出端口Q,第二未闭合的环状铜板的未闭合端口的两个端点作为集成差模电容202的第二输入端口M和第一输出端口P。图7b是本发明实施例二提供的集成差模电容的简化电路图。

集成差模电容202的电容值为：

$C_{\mathrm{DM}}=n\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r{t}_2{l}_2}{d_2}$

式中，l₂为闭合环状铜板的总长度，n为集成差模电容202中闭合环状陶瓷板的层数。闭合环状铜板的导线宽度为t₂，闭合环状陶瓷板的厚度为d₂，介电常数为ε_r。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (5)

1.一种集成电磁干扰滤波器，其特征在于，包括：第一罐型磁芯、集成差模电容、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；

所述第一罐型磁芯和第二罐型磁芯扣合，形成环状结构的容纳腔，所述集成差模电容、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结构和第二共模电感依次套在所述第一罐型磁芯和/或第二罐型磁芯的磁芯柱上；

所述第一共模集成LC结构包括第一环状陶瓷板、第一螺旋线圈和第二螺旋线圈，所述第一螺旋圈位于所述第一环状陶瓷板的一侧，所述第二螺旋圈位于所述第二环状陶瓷板的另一侧；

所述第一共模电感与所述第一螺旋线圈通过导线顺向串联，形成第一顺向耦合结构；

所述第二共模集成LC结构包括第二环状陶瓷板、第三螺旋线圈和第四螺旋线圈，所述第三螺旋圈位于所述第二环状陶瓷板的一侧，所述第四螺旋圈位于所述第二环状陶瓷板的另一侧；

所述第二共模电感与所述第四螺旋线圈通过导线顺向串联，形成第二顺向耦合结构。

2.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述集成差模电容包括第一未闭合环状铜板、第二未闭合环状铜板、闭合环状铜板和闭合环状陶瓷板；

所述第一未闭合环状铜板作为所述集成差模电容的第一端与所述闭合环状陶瓷板相邻；

所述闭合环状铜板与闭合环状陶瓷板交错叠压；

所述第二未闭合环状铜板作为所述集成差模电容的第二端与所述闭合环状陶瓷板相邻；

所述集成差模电容的中间一层为闭合环状铜板。

3.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述集成差模电容的闭合环状陶瓷板的材质为以锆镁酸铅为主要材料的铁电体，所述闭合环状陶瓷板的介电常数为2000-7000。

4.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述第一螺旋线圈、所述第二螺旋线圈、所述第三螺旋线圈和所述第四螺旋线圈为相同线宽、相同螺距和相同匝数的扁平螺旋铜线圈。

5.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述第一罐型磁芯和第二罐型磁芯均采用磁导率为2000-5000的铁氧体材料制成。