PCB导线分裂技术在平面EMI滤波器中的应用

EMI滤波器以其抑制开关电源中传导电磁干扰的有效性而得到越来越多的重视。相比于分立元件构成的滤波器,平面EMI滤波器拥有整体体积小、高频性能好等优点。然而,该类滤波器对电感的等效并联电容(EPC)和等效串联电阻(ESR)有其特殊要求。本文基于EMI滤波器的基本原理,分析其PCB导线截面设计对共模电感工作性能的影响;在现有技术条件下,提出一种基于分股并联结构的平面集成LC单元;分析了分股并联结构LC单元共模电感部分的EPC和ESR特性,并与单股导线结构的对应性能进行了比较。     

圆环线匝构成的平面共模EMI滤波器的特性研究

平面LC线圈是组成平面EMI滤波器的基本单元,其匝间寄生电容及所用磁心磁导率的非线性对滤波器的高频性能有重要影响。本文首次提出环形平面LC线圈结构,并对矩形和环形平面LC线圈进行了3D有限元仿真,通过对比其特性确定了环形LC线圈作为组成EMI滤波器的基本组成单元,并基于该结构实现了平面共模EMI滤波器。考虑了匝间寄生电容、相邻导体间的互感及有效磁导率的非线性,建立了环形LC线圈的等效集中参数电路,利用节点电压法求解了当其连接成低通滤波器时的插入损耗。基于环形平面LC线圈设计了一台平面共模滤波器样机,计算与实验对比显示,匝间寄生电容和磁导率的非线性对滤波器的高频性能有重要影响。     

椭圆形平面无源集成EMI滤波器的特性研究

为了减小开关电源的体积,提高功率密度,提出一种椭圆形平面LC线圈结构的平面无源集成电磁干扰EMI(electromagnetic interference)滤波器。通过对矩形、椭圆形平面LC线圈进行有限元仿真,对比其综合因素确定了椭圆形平面LC线圈作为EMI滤波器的基本组成单元,并基于该结构实现了无源集成EMI滤波器。在考虑共模电感的寄生电容和共模电容的寄生电感以及它们的等效电阻情况下,建立了平面无源集成EMI滤波器的高频等效电路模型;利用二端口网络A参数矩阵推导了插入损耗的计算公式。仿真和实验表明了该结构的有效性,以及高频模型和插入损耗公式的正确性。     

平面集成滤波器LC单元的阻抗特性

集成LC结构利用电感箔式绕组层间分布电容实现了电感与电容的集成,是构成平面磁集成EMI滤波器的基本单元,建立该单元的高频模型为准确评估EMI滤波器的高频特性具有重要意义。本文讨论了传输线结构在电路中两种不同连接方式下电场和磁场的分布情况,分析了其等效电路。基于广义传输线理论建立了集成LC线圈的高频模型,将其看作一个二端口网络,利用模量转换法推导了阻抗矩阵。计算了模型中单位长度的电磁参数,最后分别将集成LC线圈连接成串联谐振和并联谐振结构,在有磁芯和无磁芯两种情况下测量出其阻抗特性,与计算值进行了比较,验证了模型的准确性。     

构成平面EMI滤波器元件电磁参数的提取

平面型电磁干扰(electromagnetic interference,EMI)滤波器因其易于进行磁集成、寄生参数小、抗电磁干扰强等优点在航空领域具有很好的应用前景。论文提出一种以"圆环型"结构为基础的EMI共模、差模模块,其中,前者通过将"电感和电容"(LC单元)集成于一体构成,后者利用前者泄漏的磁场而形成的漏感和一个独立的差模电容器构成。提取这些模块单位长度的电磁参数是分析各模块甚至整个滤波器特性的基础。论文建立LC单元的轴对称静电场模型,提取各线匝之间的部分电容;建立LC单元线匝系统的时谐磁场模型,在计及线匝导体集肤效应、邻近效应、磁芯损耗的基础上,提取了各线匝电感、电阻;建立LC单元形成漏感的时谐场模型,并提取该漏感,该漏感即为差模电感;差模电容可以直接采用平行板的近似表达式求得。结合适当的边界条件,利用所建立模块的分布参数模型对其阻抗的频率特性进行了测试,验证了提取参数方法的正确性和数值的准确性。     

差共模噪声相互转化机理及在平面EMI滤波器设计中的应用

EMI滤波器是抑制传导干扰的重要元件。论文对差、共模混合噪声电路在"阻抗失配"的基础上,可以分离为两部分独立的等效通道。对两个通道各自加载差模和共模噪声,求解电路网络,在负载端可以得到差、共模干扰噪声。由此,可以得到由于支路阻抗的不对称而引起的差、共模噪声之间的相互转化。基于环形结构的平面EMI滤波器是本课题组提出的一种新型结构,但是仍然存在对应支路阻抗不对称问题引起噪声相互转化的问题。为此,本文提出一种单面完全覆金属的"感容"集成模块(LC单元),与双面均为螺旋型LC单元进行比较表明,所提出的模块具有良好对称性,能更好地抑制平面滤波器差、共模噪声之间的相互转化。     

矩阵变换器的阻尼输入滤波器设计

在输入侧将矩阵变换器等效为一个buck型PWM整流器,推导出了采用LC滤波器的矩阵变换器输入电流与输出电流及输入电压之间的传递函数关系。给出了输入滤波器中的电感及电容参数选择方法。分析表明若输入滤波器仅采用LC电路将导致谐振频率附近输入电流振荡,引起系统不稳定。给出了一种带阻尼的输入滤波器的设计方法并进行了仿真验证。同时分析了矩阵变换器的电磁传导发射EMI特性,指出工业化的矩阵变换器需要加装EMI波器。     

一种结构对称型电磁集成电磁干扰滤波器分析与设计

针对电力电子变换器高频化发展趋势下电磁干扰（EMI）问题及其给高功率密度化设计带来的挑战,该文利用柔性多层带材（FMLF）技术,提出一种结构对称型EMI滤波器电磁集成设计方案。此方案通过共模（CM）电容-线电感和差模（DM）电容-CM电感基本集成单元推演出基于UU型磁心的L/N对称型EMI滤波器全集成结构,并采用合理的端口配置方式实现CM和DM滤波元件功能解耦,从而简化CM和DM集总等效电路,进而简化其参数分析、整定和设计。以一台输出功率为500W的SiC-MOSFET高频电压源逆变器为实验平台,在利用Maxwell软件进行合理性验证的前提下,分别设计分立型、磁集成型和电磁集成型EMI滤波器样机并进行对比实验,验证了所提方案的可行性和有效性。实验结果表明,在CM和DM插入损耗设计目标相同的情况下,所提电磁集成方案可有效减小体积和质量,有助于提升系统功率密度。     

一种新型的平面无源集成EMI滤波器结构

为了减小电磁干扰(EMI)滤波器的体积,提高开关电源的功率密度,提出一种堆积式交错并联平面无源集成EMI滤波器结构,将滤波器的共模电感、差模电感、共模电容和差模电容集成为一个单元模块,解决了现有结构难于集成大电容的问题,减小了集成电容的等效串联电阻(ESR)和等效串联电感(ESL);在考虑共模电感的等效并联电容(EPC)和共模电容的ESL以及它们的ESR情况下,建立了平面无源集成EMI滤波器的高频共模等效电路模型;利用二端口网络的A参数矩阵推导了插入损耗的计算公式。仿真和实验表明了该结构的有效性,以及高频模型和插损公式的正确性。     

计及混合噪声的集成式EMI滤波器设计

噪声测量是EMI滤波器设计的基础,噪声测量中由于噪声电流的不平衡,一种形成机理类似于共模(CM)噪声却通过差模(DM)模块进行抑制的噪声被称为"混合(MM)噪声",该噪声对滤波器的设计具有重要的影响。通过分析MM噪声的产生机理,将其区别与传统的DM噪声与CM噪声;探索了DM模块在MM噪声抑制中的作用,DM模块的功能由利用阻抗不匹配原理对噪声进行抑制变为利用阻抗不匹配以及阻抗平衡分别对传统DM噪声和MM噪声进行抑制。以集成式EMI滤波器中的平面型EMI滤波器和母线型EMI滤波器为例,研究了MM噪声对该类滤波器设计的影响,并阐述了考虑MM噪声后对集成式EMI滤波器的制作、材料等方面的影响;基于传统噪声理论及MM噪声理论分别设计了一台EMI滤波器。研究表明,计及MM噪声后设计的EMI滤波器性能更优良。