CN112420366A - 一种堆叠式共模电感、滤波器及功率变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种堆叠式共模电感、滤波器及功率变换器，属于电感技术领域，用于解决目前共模电感抗干扰性能差等技术问题，具体结构包括偶数个共模电感，各所述共模电感的磁芯相同，各所述共模电感的绕组依次串联，各所述共模电感上下堆叠。本发明具有高外部磁场抗扰度、高差模电感以及低磁场发射等优点。

Description

一种堆叠式共模电感、滤波器及功率变换器
技术领域
本发明主要涉及电感技术领域，特指一种堆叠式共模电感、滤波器及功率变换器。
背景技术
功率变换器由于具有体积重量小、效率高、性能稳定等优点，在电源中得到广泛应用和快速发展,但其高开关频率特性带来的大量电磁干扰问题不可忽视,尤其随着汽车电子、无人驾驶等技术的发展,电磁干扰已经不仅仅是影响设备性能的问题,甚至涉及到了人身安全。电磁干扰(EMI)滤波器是最有效的EMI抑制器件之一,传统的无源滤波器由电容和电感组成。在电力电子系统中，由于高开关频率和紧凑的设计，EMI滤波器很容易拾取主电源电路发出的近磁场噪声，这显著降低了EMI滤波器的性能。共模电感是EMI滤波器中重要的器件，它能有效减少从功率变换器进入电网的共模干扰信号。由于EMI滤波器与主电路之间的近磁场耦合，共模电感易受到外界磁场的干扰而成为噪声源，进而影响其EMI滤波器对噪声的抑制能力。因此，提高共模电感的抗干扰能力，对于EMI滤波器性能的优化具有重要的意义。
图1(a)示出了时变磁场中的传统共模电感。时变磁场在电感绕组内产生磁链，导致绕组中产生噪声电压，如图1(b)所示，在图1(b)中，vind1和vind2是两个绕组中的感应电压。如果磁场不均匀或共模电感绕组不对称，感应电压Vind1和Vind2将不相等，使得近磁场耦合产生共模和差模噪声。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种高外部磁场抗扰度、高差模电感以及低磁场发射的堆叠式共模电感、滤波器及功率变换器。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种堆叠式共模电感，包括偶数个共模电感，各所述共模电感的磁芯相同，各所述共模电感的绕组依次串联，各所述共模电感上下堆叠。
作为上述技术方案的进一步改进：
相邻所述共模电感之间的绕组方向相反。
各所述共模电感的磁芯同轴设置。
各所述共模电感的绕组同轴设置。
各所述共模电感的绕组匝数相同。
各所述共模电感的绕组均匀绕制于对应的磁芯上。
各所述共模电感的绕组张角为180度。
所述共模电感的数量为两个。
本发明还公开了一种滤波器，包括如上所述的堆叠式共模电感。
本发明还公开了一种功率变换器，包括如上所述的滤波器。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的堆叠式共模电感，通过多个共模电感堆叠的方式，显著提高了共模电感抑制电磁干扰的能力，具有高外部磁场抗扰度、高差模电感以及低磁场发射等优点，显著提升了共模电感的性能。
附图说明
图1为传统共模电感近磁场耦合噪声电压产生机理示意图；其中(a)共模电感暴露在近磁场中；(b)等效电路。
图2为堆叠式共模电感构造过程俯视图。
图3为堆叠式共模电感构造过程侧视图。
图4为堆叠式共模电感等效电路(暴露在均匀外部磁场中)。
图5为传统共模电感差模磁通分布图；其中(a)磁场分布图；(b)侧视图。
图6为堆叠式共模电感差模磁通分布图；其中(a)磁场分布图；(b)堆叠前侧视图；(c)堆叠后侧视图。
图7为共模电感差模磁场分布图(xy平面)；其中(a)传统共模电感磁场分布图；(b)堆叠式共模电感磁场分布图。
图8为共模电感差模磁场分布图(xz平面)；其中(a)传统共模电感磁场分布图；(b)堆叠式共模电感磁场分布图。
图9为共模电感差模磁场分布图(yz平面)；其中(a)传统共模电感磁场分布图；(b)堆叠式共模电感磁场分布图。
图例说明：1、磁芯；2、绕组。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图2和图3所示，本实施例的堆叠式共模电感，包括两个共模电感，两个共模电感的磁芯相同，两个共模电感的绕组依次串联且匝数相同，两个共模电感上下堆叠在一起；其中两个共模电感的磁芯同轴设置；两个共模电感之间的绕组方向相反。当然，在其它实施例中，也可以设置为四个或更多偶数个共模电感。
进一步地，各共模电感的磁芯同轴设置，且各共模电感的绕组也同轴设置。各共模电感的绕组均匀绕制于对应的磁芯上，且各共模电感的绕组匝数相同。另外各共模电感的绕组张角为180度。
图2和图3示出了该堆叠式共模电感的堆叠过程及最终的堆叠式电感侧视图。在堆叠时，使用两根导线绕制在两个相同的磁环上，形成两个相串联的共模电感，这两个共模电感绕组匝数相同但绕组方向相反；然后，将一个共模电感以图2中的虚线箭头所示的方式堆叠在另一个共模电感上，图3示出了最终的堆叠式共模电感侧视图。
与传统共模电感相比，该堆叠式电感具有三大优势：1)更好的外部磁场抗扰度；2)更大的差模电感；3)更低的磁场发射。
本发明还公开了一种滤波器，包括如上所述的堆叠式共模电感，同样具有如上堆叠式共模电感所具有的优点。
本发明进一步公开了一种功率变换器，包括如上所述的滤波器，同样具有如上堆叠式共模电感所具有的优点。
下面详细介绍该种堆叠式共模电感的工作原理：
A、电压消除原理
在图3中，两个电感每侧的两个相应绕组非常接近。因此，当它们暴露在均匀的外部磁场中时，由外部磁场引起的两个绕组的磁通链将是相似的。因此，均匀外部磁场中的两个电感两侧的两个相应绕组中的感应噪声电压幅值相同，但极性相反。因为这两个感应电压是电串联的，所以它们相互抵消，如图4所示。在图4中，vind1，vind2和-vind1，-vind2是两个共模电感的绕组内的感应噪声电压。感应共模和差模噪声电压被抵消。在实际条件下，均匀的外部磁场可能来自不同的方向，但结论仍然存在。
B、差模电感增大原理
除了磁场抗扰度之外，堆叠共模电感具有比传统共模电感更大的差模电感。共模电感的漏感通常用作差模电感来滤除差模噪声。图5示出了在传统共模电感的两个绕组上施加差模电流激励后的磁通分布。对于具有差模电流激励的共模电感，差模(泄漏)磁通量定义为由一个绕组产生但不耦合到另一个绕组的磁通量。在图5(a)中，B1和B9分别表示电感上方和下方从右到左的差模磁通量，B0，B4和B8表示沿着电感顶部和底部的差模磁通量。B2和B5表示铁芯内的差模磁通量。B3表示铁芯的内表面内的差模磁通量。B6表示沿电感侧面的的差模磁通量(图中仅示出了前侧的磁通量)。B7表示通过电感前方从右侧到左侧的差模磁通量(图中仅示出了前侧的磁通量)。图5(b)示出了磁通分布的侧视图(仅示出了电感外部的磁通量)。磁通分布关于中心平面对称且平行。等效差模电感L差模由下列公式得出，其中LW是每个绕组的自感，MW是两个绕组的互感；
LDM＝2LW-2MW
图6示出了第二种堆叠电感的分解图(堆叠共模电感每个磁芯的高度为传统共模电感的一半，堆叠后的体积与传统共模电感相同)。堆叠前，每个电感具有类似于图5的差模磁通量分布。堆叠后，一个电感的磁芯为另一个电感的差模磁通量提供低磁阻路径。这增加了两个电感的差模(泄漏)电感。然而，两个电感的差模磁通方向在磁芯内是相同的。例如，B'0，B'1和B'4与上层磁芯的B2和B5的方向相同。图6(b)示出了每个单独电感的差模磁通量分布侧视图。此处未显示电感前面的磁通量。两个电感产生的磁场暴露在空气中，堆叠电感的侧视图由图6示出。如图6(b)和(c)所示，两个电感堆叠后，由于每个电感上方和下方的磁通量具有不同的方向，因此堆叠电感上方及下方的磁通密度降低。磁通量垂直于中心平面，因为xy平面上的磁通量相互抵消，并且图6相反绕组方向中心平面z方向上的磁通量增加。差模电感量LDM-P由下式给出，其中，LDM-P是堆叠电感的总差模电感，LDM1是每个电感的差模电感，M是两个共模电感之间的互感。它比图5中的传统电感大4M。
LDM-P＝2LDM1+2M＝LDM+4M
C、磁场发射减小原理
基于先前的分析，堆叠电感上方和下方的磁通密度比传统共模电感更小。这里不讨论由共模电流产生的磁场，因为大部分共模磁通量由于其高磁导率而被限制在磁芯内。图7示出了在电感上方61.25mm的xy平面上的Ansys Maxwell 3-D中的仿真差模磁通量分布。在仿真中，磁芯为相对磁导率为1000的铁氧体。磁芯的外径为56mm，芯的内径为24mm。单芯的厚度为6.5mm。仿真中的差模电流为1A。由仿真得出，在电感上方61.25mm的xy平面上，传统共模电感的最大磁通密度为4.8E-05T，堆叠式共模电感的最大磁通密度为2.4E-05T,堆叠式共模电感将磁通密度减小了一半。
在堆叠电感附近，左右两侧的磁通密度增大了，这是因为，在堆叠电感附近，两个电感的磁通量的z分量大于x分量和y分量。然而，随着距离增加，堆叠电感发射的磁通密度小于传统的磁通密度，因为z分量变得小于x分量和y分量。图8显示了在xz平面上模拟的距堆叠电感172mm的差模磁通量分布。由仿真得出，传统共模电感的最大磁通密度为5E-06，堆叠式共模电感的最大磁通密度为7.4914E-08,堆叠式共模电感将磁通密度减小了近95％。
图9示出了距离电感168mm在yz平面上的Ansys Maxwell 3-D中的模拟磁通量分布，仿真结果表明传统共模电感的最大磁通密度为2E-06，堆叠式共模电感的最大磁通密度为3.3E-07，堆叠式共模电感将磁通密度减小了近84％。
本发明的堆叠式共模电感，与传统共模电感相比，该电感显著增强了外部磁场抗扰度，将差模噪声降低了高达40％；其次，其差模电感增加了136％；此外，该电感发射的近磁通密度减少了2/3。另外也可以采用磁芯相同，绕组方向相同且绕组匝数相同的堆叠式共模电感器，该种共模电感器也能在一定程度上提高共模电感的性能，但其电磁干扰(EMI)衰减效果不如本发明提出的共模电感显著。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种堆叠式共模电感，其特征在于，包括偶数个共模电感，各所述共模电感的磁芯相同，各所述共模电感的绕组依次串联，各所述共模电感上下堆叠。
2.根据权利要求1所述的堆叠式共模电感，其特征在于，相邻所述共模电感之间的绕组方向相反。
3.根据权利要求1所述的堆叠式共模电感，其特征在于，各所述共模电感的磁芯同轴设置。
4.根据权利要求3所述的堆叠式共模电感，其特征在于，各所述共模电感的绕组同轴设置。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述的堆叠式共模电感，其特征在于，各所述共模电感的绕组匝数相同。
6.根据权利要求1～4中任意一项所述的堆叠式共模电感，其特征在于，各所述共模电感的绕组均匀绕制于对应的磁芯上。
7.根据权利要求1～4中任意一项所述的堆叠式共模电感，其特征在于，各所述共模电感的绕组张角为180度。
8.根据权利要求1～4中任意一项所述的堆叠式共模电感，其特征在于，所述共模电感的数量为两个。
9.一种滤波器，其特征在于，包括如权利要求1～8中任意一项所述的堆叠式共模电感。
10.一种功率变换器，其特征在于，包括如权利要求9所述的滤波器。
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