環(huán)形“感容”單元的三參數(shù)集成濾波器模塊及其在開關(guān)電源中的應(yīng)用

龔 敏，王世山，宋 崢

(江蘇省新能源發(fā)電與電能變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京航空航天大學(xué)，江蘇南京210016)

漏感是由上下層不對稱的共模電感引起，其能量為上層共模繞組輸入到單元又不參與能量傳輸?shù)娜看拍埽溆?jì)算公式為:

環(huán)形“感容”單元的三參數(shù)集成濾波器模塊及其在開關(guān)電源中的應(yīng)用

龔 敏，王世山，宋 崢

(江蘇省新能源發(fā)電與電能變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京航空航天大學(xué)，江蘇南京210016)

“電感”和“電容”的模塊(簡稱“LC單元”)是組成EMI濾波器的核心元件，采用不同的連接方式可實(shí)現(xiàn)不同的參數(shù)集成。本文提出一種新型連接方式的LC單元，實(shí)現(xiàn)了共模電感、差模電感和差模電容的三參數(shù)集成。當(dāng)通入共模(CM)電流時(shí)，由于上下線圈完全對稱，對應(yīng)線匝電位分布相同，則電容效應(yīng)可忽略，LC單元可等效為兩個(gè)平繞線圈;當(dāng)通入差模(DM)電流時(shí)，單位電感的感應(yīng)電動勢相互抵消為零，電感效應(yīng)消失，LC單元等效為一個(gè)電容。本文在分析其耦合方式的基礎(chǔ)上，給出了差、共模電流作用下的等效電路，并采用錯(cuò)位過孔連接技術(shù)完成EMI濾波器的連接，最終將其運(yùn)用于小功率電源PFC電路中，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其有效性和優(yōu)越性。

LC單元;差模電流;共模電流;小功率PFC電路

1 引言

平面EMI濾波器是消除電力電子系統(tǒng)傳導(dǎo)電磁干擾的主要濾波器之一，以其體積小、集成度高具有較大的優(yōu)勢。其核心部件是將“電感”和“電容”集成于一體的“LC單元”［1，2］，結(jié)合適當(dāng)?shù)倪B接方式，則可以組成完整的濾波器，對提高開關(guān)電源的工作性能有很好的參考意義。

早期平面EMI濾波器的概念來源于弗吉尼亞理工大學(xué)(Virginia Tech)提出的矩形LC線圈［3］，該類濾波器適用于高度方向要求低的場合。且改進(jìn)后的環(huán)形EMI濾波器，不但改善了導(dǎo)線內(nèi)電流分布，也增強(qiáng)了抗外界電磁干擾的能力。但兩種平面EMI濾波器共同之處是:其LC單元都是用于實(shí)現(xiàn)共模電感、差模電感和共模電容，而差模電容往往依賴外接大電容來實(shí)現(xiàn)。因此，多片LC單元串聯(lián)產(chǎn)生足夠共模電感的同時(shí)，很大程度上減小了共模電容。

與“平面型EMI濾波器”有異曲同工之處的是“柔性EMI濾波器”［4］，該類濾波器采用柔性介質(zhì)材料完成了“感容”集成，其靈活的連接方式對平面型EMI濾波器的制作具有很好的參考意義。文獻(xiàn)［5］提出了幾種濾波器的集成結(jié)構(gòu)，第一種為共模電感、差模電感和共模電容的集成，主要側(cè)重于共模電感的增大。這種集成方式是集成EMI濾波器中最常用的一種，其實(shí)現(xiàn)需要兩個(gè)薄膜繞制線圈，濾波器體積較大，不利于小型化的實(shí)現(xiàn);第二種集成參數(shù)與第一種類似，區(qū)別僅在于兩個(gè)基本單元的繞向，更有利于差模電感的增加。以上兩種集成方式差模電容由外部分立電容實(shí)現(xiàn)，可取較大值有利于差模干擾的消除;第三種為共模電感、差模電感和差模電容的集成，該方式僅需一個(gè)單元就可實(shí)現(xiàn)，連接方便，且有利于共模噪聲的抑制。但由于差模電容參與集成，對大電容材料提出嚴(yán)苛的要求。相對于柔性多層帶材的濾波器，硬質(zhì)陶瓷材料能很好地改善差模電容不足問題，將第三種結(jié)構(gòu)運(yùn)用于環(huán)形濾波器中，有利于改善濾波效果，提高功率密度。

鑒于如上原因，本文基于環(huán)形LC單元，通過適當(dāng)連接方式實(shí)現(xiàn)“差模電容”、“共模電感”和“差模電感”的集成，本文稱之為“三參數(shù)功能模塊”，并探索該類新型模塊化的參數(shù)組合特性，并將其置于阻抗匹配的小功率變換系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2 三參數(shù)元件(LCM、LDM、CDM)的集成原理

2.1 環(huán)形感容單元(LC)

LC單元是組成環(huán)形 EMI濾波器的基本單元［6］，如圖1所示，其結(jié)構(gòu)是在高介電常數(shù)的陶瓷板兩側(cè)鍍上均勻的螺旋線，一般有兩種結(jié)構(gòu):正反面螺旋方向相同和正反面螺旋方向相反，采用何種結(jié)構(gòu)根據(jù)具體連接要求和實(shí)現(xiàn)功能而定。

圖1 環(huán)形LC單元Fig．1 Annular LC unit

由于環(huán)形EMI濾波器旋轉(zhuǎn)任意角度均對稱，單元之間的連接可以通過“過孔”實(shí)現(xiàn)交錯(cuò)并聯(lián)［7］，從而不影響其平面性，實(shí)現(xiàn)無縫連接。同時(shí)，可通過某一單元的多片交錯(cuò)連接增加電感和電容值，使其達(dá)到濾波要求。

2.2 “共模電感”LCM+“差模電容”CDM的形成

LC單元中，每一部分的電感之間都存在著耦合。當(dāng)通入共模電流時(shí)，電流分布如圖2所示，設(shè)A、B為輸入，C、D為輸出。

圖2 共模電流分布Fig．2 Distribution of CM current

保持上下繞組的完全對稱。當(dāng)其通入共模電流時(shí)，由于繞組完全對稱，使得每個(gè)單元的電壓降ΔUi完全相同，其分布電容上的兩端電壓為零，不體現(xiàn)充放電的效應(yīng)。故當(dāng)通入共模電流時(shí)，可以忽略LC單元的電容效應(yīng)，只是等效為兩個(gè)互相耦合的平面線圈，如圖3所示。

當(dāng)磁心的相對磁導(dǎo)率非常高時(shí)，平面電感間耦合系數(shù)接近1，圖3的電感相當(dāng)于一個(gè)電感線圈的雙線并繞。因此，其電感值相當(dāng)于單層線圈的“部分”電感之和。

圖3 LC單元共模時(shí)的等效電感模型Fig．3 Equivalent model of LC unit under CM current

當(dāng)其通入差模電流時(shí)，LC單元內(nèi)電流分布如圖4所示。

圖4 差模電流分布Fig．4 Distribution of DM current

則由KCL可得任意電感單元上的電流為:

同時(shí)，根據(jù)KVL可得任意電感單元上的感應(yīng)電動勢為:

若令M=Li(i=1、2、…、n)，則

由于電感的感應(yīng)電動勢為零，所以分析時(shí)可以將分布電感去除，若忽略錯(cuò)位電容間的容值效應(yīng)，當(dāng)通入差模電流時(shí)LC單元可以視為一個(gè)電容如圖5所示，其容值大小為多個(gè)“部分”電容并聯(lián)后的電容值。

圖5 LC單元差模時(shí)的等效電容模型Fig．5 Equivalent model of LC unit under DM current

2.3 差模電感LDM的形成

將LC單元置于罐形磁心中，其截面圖如圖6所示。

圖6 環(huán)形LC單元截面Fig．6 Cross section of annular LC unit

其中，上半平面繞組和下半平面繞組完全對稱，均為N1匝，金屬繞組厚度分別為l1和l3，陶瓷板厚度為l2，螺旋線寬l4，且流過上下繞組的電流分別設(shè)為I1和I2。LC單元本質(zhì)上是一種傳輸線結(jié)構(gòu)［8］，因此環(huán)形線圈的電容、電感分布均勻。

以圖6所示模型為例，上層繞組的金屬層上端為參考零點(diǎn)，罐形磁心的軸向?yàn)閦軸，直徑方向?yàn)閞軸，磁場強(qiáng)度變化方向設(shè)為x軸，且理想的螺旋線其截面為矩形。取單匝線圈截面，可根據(jù)安培環(huán)路定律確定上層線圈，陶瓷基板和下層線圈［9］所對應(yīng)的環(huán)路，如圖7所示。

圖7 單匝線圈環(huán)路Fig．7 Loop of single turn

根據(jù)安培環(huán)路定律:

其中，B垂直于環(huán)路中的bc和ad兩邊，cosθ=0，且LC單元片外B=0。

因此，可得磁場強(qiáng)度分布為:

其余同理，其余兩層的磁場強(qiáng)度為:

推廣至N1匝時(shí)，上下層繞組及其中間的陶瓷基板層的空間儲能分別為Wl1，Wl2和Wl3，則:

式中，l為每匝線圈的平均長度。

漏感是由上下層不對稱的共模電感引起，其能量為上層共模繞組輸入到單元又不參與能量傳輸?shù)娜看拍?，其?jì)算公式為:

3 三參數(shù)集成元件基本連接方式及其運(yùn)用

3.1 三參數(shù)集成的基本連接方式

基于如上原理，本文針對環(huán)形LC單元提出了一種新的集成結(jié)構(gòu)。將兩個(gè)LC基本單元完全置于磁心內(nèi)，其線圈連接方式如圖8所示，采用兩片或多片LC單元相連是為了彌補(bǔ)單片共模電感的不足，共模電容由外接分立元件組成。

圖8 新型結(jié)構(gòu)連接Fig 8 New connection for LC unit

在差模電流下，基本結(jié)構(gòu)的有效匝數(shù)為零，即主磁通為零，僅相當(dāng)于兩個(gè)差模電容，差模電感依靠漏感實(shí)現(xiàn);而在共模電流下，兩者的主磁通相互增強(qiáng)，兩個(gè)基本單元相互耦合，故能形成很大的共模電感。

該結(jié)構(gòu)集成了差模電容和共模電感，其在差模電流和共模電流作用下的分布參數(shù)電路分別如圖9和圖10所示。

圖9 差模電流下參數(shù)的等效模型Fig．9 Equivalent model of DM current

圖10 共模電流下參數(shù)的等效模型Fig．10 Equivalent model of CM current

3.2 三參數(shù)集成結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

針對于如圖11結(jié)構(gòu)的EMI濾波器，前半部分由共模電感和差模電容構(gòu)成，可采用本文提出的新型集成模塊。在共模電流下，上下兩個(gè)LC單元線圈的主磁通相互加強(qiáng)，能形成很大的共模電感。同時(shí)，將共模電感和差模電容的連接作為模塊，通過模塊的級聯(lián)可以同時(shí)增大共模電感和差模電容，使之達(dá)到濾波器的設(shè)計(jì)要求。

圖11 級聯(lián)參數(shù)電路Fig．11 Schematic of cascade parameter circuit

當(dāng)通入電流時(shí)，該濾波器的等效差模電路和共模電路如圖12所示，等效共模電感L'CM為流入共模電流后兩個(gè)共模電感耦合在共模濾波結(jié)構(gòu)中體現(xiàn)的共模電感值，等效差模電感L'DM為流入差模電流后兩個(gè)差模電感耦合在差模濾波結(jié)構(gòu)中體現(xiàn)的差模電感值。

圖12 差、共模結(jié)構(gòu)等效模型Fig．12 Equivalent models of CM and DM structure

其中，新型模塊中，差模電容值為:

其中，n為級聯(lián)的新型單元模塊數(shù);ε0為空氣介電常數(shù);εr為基本單元中陶瓷基板的相對介電常數(shù);l0為繞組總長度;ω為繞組寬度;d為基本單元的陶瓷基板厚度。

當(dāng)流入共模電流時(shí)，單片LC單元上下兩個(gè)繞組產(chǎn)生的磁通量相互疊加，其等效共模電感為:

其中，F(xiàn)為磁動勢;N1為LC單元的匝數(shù);Rm為磁心磁阻;iCM為輸入共模電流。將式(13)、式(14)代入式(12)得:

推廣到n個(gè)單元，則相應(yīng)的共模電感為:

4 集成結(jié)構(gòu)濾波器噪聲抑制

本文以環(huán)形LC單元為例，其結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

表1 LC單元基本參數(shù)Tab．1 Basic parameters of LC unit

采用文中所示的新型連接結(jié)構(gòu)，并將其放置于磁芯中，通過磁心側(cè)面的孔引出導(dǎo)線，采用Agilent4395A網(wǎng)絡(luò)分析儀對其差模電容和共模電感進(jìn)行分析。測試實(shí)驗(yàn)平臺及結(jié)果曲線分別如圖13和圖14所示，保證測試模塊的引線長度較短。

圖13 測試實(shí)物Fig．13 Real EMI filter for test

圖14 LC單元實(shí)測基本參數(shù)Fig．14 Basic parameters of LC unit

其中，三片LC單元通過過孔技術(shù)對應(yīng)端子相連即可達(dá)到差模電容的設(shè)計(jì)要求，共模電感可通過外加PCB板的LC單元串聯(lián)實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)方便快捷。

圖15是對一個(gè)300W的電源中PFC電路噪聲測試，同時(shí)也給出了加入濾波器后的噪聲測量波形，可以看出加入濾波器后噪聲衰減非常明顯。300W的電源PFC電路的測試環(huán)境如圖15所示。

通過LISN及頻譜分析儀測出300W的PFC電路的差、共模噪聲?；贒elphi語言，本團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)出一套軟件(Filter)用于噪聲標(biāo)準(zhǔn)的選定、電磁干擾的導(dǎo)入及處理，并對最終的EMI濾波器優(yōu)化設(shè)計(jì)具有很好的參考意義。采用Filter軟件處理后，測試噪聲如圖16所示，采用歐盟工業(yè)電磁干擾標(biāo)準(zhǔn)線，可以看出在不加濾波器的情況下，從150kHz～ 1MHz這一頻段內(nèi)，共模噪聲在低頻段超出標(biāo)準(zhǔn)線，而差模噪聲在整個(gè)頻段內(nèi)都符合要求。

圖15 測試環(huán)境Fig．15 Test environment

圖16 未加濾波器噪聲測試結(jié)果Fig．16 Test result without EMI filter

新型連接方式下的EMI濾波器，由于共模電容單獨(dú)由外部接入，可取較大值。當(dāng)僅從參數(shù)優(yōu)化的角度來看，在源阻抗和負(fù)載阻抗一定的條件下，共模電感和共模電容的乘積越大，對共模噪聲的濾波效果越好。

加入EMI濾波器以后，共模噪聲得到了有效的抑制，如圖17所示，幾乎所有頻段的噪聲均符合標(biāo)準(zhǔn)，尤其是共模噪聲得到了很好的抑制。

圖17 加入EMI濾波器后的噪聲測量圖Fig．17 Test result with EMI filter

5 結(jié)論

以LC單元的新型連接方式為研究對象，提出了可同時(shí)改善共模電感和差模電容的方法，從而解決了EMI濾波器設(shè)計(jì)中兩者不足的問題，優(yōu)化了濾波器的性能，具體得到如下結(jié)論:

(1)LC單元是實(shí)現(xiàn)EMI濾波器的重要單元之一，根據(jù)噪聲的不同頻段，采用不同的連接方式連接LC單元，實(shí)現(xiàn)不同的參數(shù)集成，從而改善EMI濾波器的濾波效果。

(2)通過對新型連接方式的分析可知，該種三參數(shù)集成結(jié)構(gòu)很大程度地增加了共模電感值，同時(shí)對差模電容值也有所影響。

(3)采用新型連接方式集成EMI濾波器，運(yùn)用于小功率的電源PFC電路中，對噪聲具有良好的抑制效果。

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［2］王世山，朱葉，周小林，等 (Wang Shishan，Zhu Ye，Zhou Xiaolin，et al．)．圓環(huán)線匝構(gòu)成的平面共模EMI濾波器的特性研究 (Characteristics research for planar CM EMI filter based on toroidal LC coil)［J］．電工技術(shù)學(xué)報(bào) (Transactions of China Electrotechnical Society)，2011，26(11):68-73．

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Application of planar LC unit with integrated three parameters in switching power supply

GONG Min，WANG Shi-shan，SONG Zheng
(Jiangsu Key Laboratory of New Energy Generation and Power Conversion，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China)

The model composed of‘induction’and‘capacitance’(‘LC’unit)is an important component of EMI filter and it can integrate different parameters with different connection modes．In order to improve the characteristics of common mode filter，a new LC unit which realizes the integration of common mode inductor(LCM)，differential mode inductor(LDM)and differential mode capacitor(CDM)is presented in this paper．When the common mode current is entering，the capacitance effect can be ignored since the upper and lower coils are completely symmetrical，and finally the LC unit can be equivalent to two parallel coil;when the differential mode current is ente-ring，the effect of inductance can be ignored since the voltage distribution of the inductor is zero．Similarly，the LC unit can be equivalent to a capacitor．Based on the analysis of the coupling modes，the equivalent circuits are given in this paper．Meantime，the dislocation connection technology is adopted to complete the EMI filter．Finally，the LC unit which is connected by the new way will be used in the low power PFC supply．The effectiveness and the superiority of the new structure are verified by experiment．

LC unit;differential mode current;common mode current;low power PFC circuit

TN713.4

A

1003-3076(2015)09-0050-07

2013-11-13

國家自然科學(xué)基金(51177071)、臺達(dá)環(huán)境與教育基金會《電力電子科教發(fā)展計(jì)劃》(DREK2013004)資助項(xiàng)目

龔 敏(1989-)，女，江蘇籍，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電磁兼容;

王世山(1967-)，男，陜西籍，副教授，博士，研究方向?yàn)殡姶艌鰯?shù)值計(jì)算與電力電子電磁兼容。