隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源的工作頻率越來越高，由此帶來的電磁干擾（EMI）問題也日益嚴(yán)重。為了防止EMI發(fā)射水平超過相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，通常會(huì)采用EMI 濾波器。在一個(gè)前端變換器中，傳統(tǒng)形式的EMI 濾波器通常要占整個(gè)電源體積的15%～20%。由于要求開關(guān)電源的體積將越來越小，EMI 濾波器的尺寸也同樣需要減小。

鑒于此，Van Wyk， J.D.提出一種電磁集成結(jié)構(gòu)的EMI濾波器。通過采用平面PCB繞組電感電容的集成結(jié)構(gòu)，把所有的無源元件均集成到一個(gè)單元中。在這種結(jié)構(gòu)中，需要使用一個(gè)體積較大的磁芯。J. Biela 提出一種無源集成結(jié)構(gòu)和混合有源集成結(jié)構(gòu)，可以減小磁芯的高度和尺寸，但是整個(gè)濾波器的面積大大增加，而且效率降低。

前述的這些集成EMI濾波器的方法均是基于平面PCB集成繞組結(jié)構(gòu)。本文提出一種新型EMI濾波器結(jié)構(gòu)，基于柔性多層帶材繞組的電感電容集成結(jié)構(gòu)。并制作了一個(gè)樣機(jī)，作為1000W，220V/50Hz輸入，DC48V輸出前端變換器的EMI濾波器。給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2、平面PCB繞組與柔性多層帶材繞組比較

平面PCB繞組與柔性多層帶材繞組分別如圖1、圖2所示。他們的基本結(jié)構(gòu)均由兩層導(dǎo)體與中間的介質(zhì)層組成，而把這種繞組繞在磁心上時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)電感電容的集成元件。

圖3為這兩種繞組繞于磁心上時(shí)的頂視圖，其中w是繞組寬度，g為相鄰匝之間的距離，a和b分別為矩形磁心柱截面的邊長。另外，定義n為匝數(shù)，h為繞組的高度。

由此可以得到繞組總長度的計(jì)算公式如下：

在實(shí)際應(yīng)用中，平面PCB繞組的寬度w比高度h要大得多，而對于柔性多層帶材繞組來說，w則遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于h。且由于工藝與絕緣的要求，平面PCB的匝間距離g也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于柔性多層帶材繞組。如果兩種應(yīng)用的磁心相同，繞組匝數(shù)相同，從公式（1）我們可以看出平面PCB繞組的總長度將比柔性多層帶材繞組長度要大得多，而且隨著匝數(shù)n的增加，差距越大。

圖4. 兩種繞組長度比較

通過圖4可以更清楚的看到這一點(diǎn)，這里假設(shè)a=b=10mm，而其他參數(shù)如表1所示。可以看到，隨著匝數(shù)的增加，柔性多層帶材繞組在長度上的優(yōu)勢就越明顯。繞組越長意味著用銅量越大，損耗也越大，可能也導(dǎo)致體積越大。因此，這是柔性多層帶材繞組應(yīng)用于無源元件集成的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)。

3、集成結(jié)構(gòu)

如圖5所示為一種柔性多層帶材的圖形描述，由兩層導(dǎo)體、一層介質(zhì)及一層絕緣組成。當(dāng)把這種帶材繞制在磁心上，就可以同時(shí)得到一定的電感和電容。

我們提出的基于柔性多層帶材繞組的集成EMI結(jié)構(gòu)如圖6所示。采用一組UU（或UI）磁心，在磁心的兩個(gè)柱上分別繞了一個(gè)柔性多層帶材繞組。這樣的一種結(jié)構(gòu)可以把共模電感、差模電感和共模電容集成為一個(gè)元件。按照圖7所示的連接方法，加上外加的差模電容，就可以得到一個(gè)完整的EMI濾波電路。

集成EMI濾波器的等效電路如圖8所示，虛線框中的電路部分為集成元件的等效電路。兩個(gè)柔性繞組通過磁心形成的閉合磁路耦合形成共模電感LCM，每個(gè)繞組中的兩層銅箔與中間的介質(zhì)層形成共模電容CCM，且由于差模電感通常只有共模電感1%大小，所以可以利用兩個(gè)繞組漏感實(shí)現(xiàn)。而如果漏感比所需要的差模電感小時(shí)，可以采用一些增大漏感的方法。

如圖9所示給出了4種增大漏感的方法。圖9（a）在基本結(jié)構(gòu)的頂部增加一個(gè)U形磁心，它的邊柱上分別繞有若干匝導(dǎo)線用于實(shí)現(xiàn)差模電感，它與基本結(jié)構(gòu)的主磁心公用一部分磁路。采用這種方法可以很容易的得到所需的差模電感，代價(jià)是整個(gè)濾波器的高度和體積都有所增加。由于可以利用漏感來實(shí)現(xiàn)DM電感，所以可以采用一些減小兩個(gè)柔性繞組之間的耦合系數(shù)的方法，使得漏感增大。圖9（b）~（d）所示為基于此的不同實(shí)現(xiàn)途徑。如增加低磁導(dǎo)率材料的中柱、增加帶氣隙的中柱或者在兩邊繞組外包裹導(dǎo)磁帶材都可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。

圖9. 增加差模電感的方法

下面將給出一些重要的公式和限制條件。基于這些公式，可以根據(jù)選定的參數(shù)設(shè)計(jì)合適的集成EMI濾波器。

共模電感計(jì)算：

這里μeff磁心的等效相對磁導(dǎo)率，n為匝數(shù)，Ae磁心有效截面積，le為等效磁路長度。

差模電感由繞組間的漏感實(shí)現(xiàn)。由于差模電流磁通在主磁路中絕大部分互相抵銷，因此磁通密度的限定值由DM電感和電流峰值決定：

這里B為DM電感形成的磁通密度。它必須小于磁心材料的飽和磁通密度以防止磁心飽和。

共模電容：

這里εr為介質(zhì)的相對介電常熟，l為繞組的總長度，w為導(dǎo)體寬度，d為介質(zhì)的厚度。

介質(zhì)的厚度必須要滿足其擊穿電壓大于最大電源電壓的限制條件。

繞組總長度計(jì)算公式為：

這里a和b為磁心柱截面的邊長，d為繞組厚度，n為繞組的匝數(shù)。

柔性繞組的厚度d和寬度w要滿足如下的限制條件：

d wcore/2n （6）

這里wcore 是磁心窗口寬度；

w hcore （7）

這里 hcore 是磁心窗口高度。

4、磁心材料非線性的影響

根據(jù)如圖10所示的一種鐵氧體磁心材料的復(fù)磁導(dǎo)率曲線，磁導(dǎo)率的實(shí)部表示電感元件的阻性部分也就是損耗，虛部代表感性部分。可以看到隨著頻率的增加，磁導(dǎo)率的實(shí)部和虛部并不是一根直線，存在著與頻率有關(guān)的非線性。

鐵氧體磁心材料的復(fù)磁導(dǎo)率計(jì)算公式如下：

L0表示當(dāng)相對磁導(dǎo)率為1時(shí)的電感值：

圖11. 共模電感理論與測試阻抗曲線

由于EMI濾波器的有效工作頻率為150kHz～30MHz，必須考慮磁心材料的非線性特性。否則對于集成EMI濾波器的模型分析在高頻時(shí)將與實(shí)際情況差別較大，也就失去了分析的意義。圖11中給出了CM電感的計(jì)算與測試阻抗曲線，其中分別給出了考慮磁心非線性和不考慮磁心非線性的阻抗曲線。可以看到，考慮磁心非線性的模型在高頻段與測試曲線吻合的更好。

5、實(shí)驗(yàn)

根據(jù)前面提出的集成結(jié)構(gòu)與方法，設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)集成EMI濾波器的樣機(jī)，圖12中給出了它的照片。磁心選用的為東磁的UF33，材料為R10K，初始磁導(dǎo)率為10000。在磁心的兩個(gè)邊柱上分別繞制了一個(gè)柔性多層帶材繞組，匝數(shù)為19匝。此繞組由4層帶材結(jié)構(gòu)組成：

⑴　絕緣層，厚度60um；

⑵　銅箔層，厚度70um;

⑶　介質(zhì)層，厚度23um；

⑷　銅箔層，厚度18um。

繞組的總長度為1160mm。銅箔寬度為8mm。采用的介質(zhì)材料為聚丙烯。采用的絕緣材料為聚酰亞胺。

圖13用網(wǎng)絡(luò)/頻譜分析儀測量得到集成EMI濾波器的共模插入損耗，圖14為集成EMI濾波器的差模插入損耗。在開關(guān)電源中通常共模干擾占主導(dǎo)。集成EMI濾波器的共模插入曲線在150kHz~30MHz范圍內(nèi)具有較好的衰減性能，不過在4MHz~6MHz處有一個(gè)反向的尖峰可能對性能造成影響。

為了檢驗(yàn)樣機(jī)的濾波特性，采用了一臺(tái)單相的前端變換器產(chǎn)品，把集成EMI濾波器嵌入其中，如圖15所示。

傳導(dǎo)EMI測試結(jié)果如圖16所示。基本上滿足了CISPR-22 Class A 的標(biāo)準(zhǔn)，除了文中提到到的4MHz～6MHz范圍內(nèi)的性能有待提高，與圖13中的插入損耗曲線是相對應(yīng)的。

樣機(jī)的溫升曲線如圖17所示（環(huán)境溫度為攝氏16℃）。在滿載工作30min條件下，集成繞組的溫度不超過32℃，遠(yuǎn)低于介質(zhì)材料的最高安全工作溫度90℃。集成EMI濾波器的效率曲線如圖18所示，在各種負(fù)載條件下效率均高于99%。

6、總結(jié)

本文提出了一種新型的集成EMI濾波器，它是基于柔性多層帶材繞組這樣一種新型的集成繞組實(shí)現(xiàn)的。它把所有共模電感、差模電感與共模電容集成在同一個(gè)元件中。制作了樣機(jī)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此實(shí)現(xiàn)方法的有效性。

7、致謝

本文作者衷心感謝日本富士電機(jī)系統(tǒng)有限公司對本項(xiàng)目的支持。

責(zé)任編輯：gt