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。     

铁氧体环形电感器寄生电容的提取

铁氧体电感器在较高频率时可等效为"电阻、电感"的串联支路与一寄生电容的并联,该电容的存在对电感器的高频性能有重要影响.建立铁氧体环形电感器2D平行平面场和3D静电场有限元模型,分别计算任意两线匝之间的杂散电容,由此得到其等效电容网络.若在电感器输入和输出线匝间加一单位电流,基于节点电压方程,则可求解得到电感器的容性集中参数——寄生电容.在假定该寄生电容与频率无关时,利用测试电感器的谐振频率,可得到该寄生电容.计算与实验对比显示,电感器的边缘效应在静电场的模型建立中占据非常重要的地位,即包括线匝杂散电容计算在内的静电场分析必须以3D模型进行.若仅考虑相邻3匝间的杂散电容,则电感器等效寄生电容值可达考虑所有线匝间杂散电容时寄生电容的95%以上,寄生电容与铁氧体磁心和导线绝缘材料的介电常数呈线性关系,且绝缘材料的介电常数对寄生电容的影响更大.     

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。     

基于“负参数”理论的EMI滤波器寄生参数的双重消除

EMI滤波器是抑制传导电磁干扰的有效器件,但分立元件的自有寄生参数对其高频段性能有重要影响。本文利用两个同侧耦合电感器等效出"负电感"和在电感器中心处连接电容器等效出"负电容"的方法,消除滤波器中的寄生电感和寄生电容。为有效控制二次寄生参数对消除效果的影响,设计了一种新型平面"消除器"和双线并绕串联结构的电感器,其中前者为上、下交错排列的PCB导线构成的圆形线圈,采用3D有限元法计算了两交错线圈的互感,为设计该类消除器提供了一种数值计算方法;后者通过高耦合度的线圈中间节点与地之间接一4倍于寄生电容的电容器,可有效消除电感器的一次及二次寄生电容。将此类具有消除器的元件应用于EMI共模滤波器,以此消除对应的寄生参数,实验表明滤波器的高频性能得到了明显改善。     

基于阻抗测量的共模扼流圈高频建模

共模扼流圈是EMI滤波器的核心元件,它的高频特征极大地影响了EMI滤波器抑制传导EMI噪声的性能,有必要建立共模扼流圈的高频模型,以便更准确地评估和预测EMI滤波器的性能.本文提出了基于150kHz～30MHz频率范围内的阻抗测量实现的共模扼流圈高频建模方法,并通过一个实例给出了它的高频集总参数模型,该模型包括了共模电感、差模电感、寄生绕组电容和等效的损耗阻抗等参数.最后通过比较共模扼流圈插入损耗的测量结果和仿真结果,证实了本文所提出的共模扼流圈高频建模方法.     

薄介质型集成模块传输线间耦合电容的提取

滤波器是抑制传导干扰的重要元件,平面滤波器以寄生参数小、抗电磁干扰强的优点在电力电子领域有较好的应用前景。提出一种以"桶壁型"感容结构为基础的EMI滤波器,它与平面型滤波器可以统称为薄介质型滤波器,其线匝间部分电容对该类滤波器性能有重要影响。以薄介质型滤波器为研究对象,建立轴对称静电场模型并计算任意线匝间的耦合电容。若分别将正对位置的两线匝看作微型平行板电容器和微型同轴圆柱电容器,则由解析表达式可以计算其耦合电容并与采用有限元法计算的电容值比较,并研究影响二者误差的相关因素。研究发现,在一般工程应用中,解析表达式的精度符合要求,可以不必采用数值计算方法计算匝间耦合电容,为该类滤波器的设计带来极大的方便。     

基于积木式交错并联的平面全集成EMI滤波器

为了减少电磁干扰(EMI)滤波器的体积,提高开关电源的功率密度,提出一种基于积木式交错并联的平面全集成EMI滤波器。根据差、共模噪声的频段分布规律,采用温度稳定性较高的薄膜介质材料进行交错并联来实现共模电容的集成,采用电气性能较稳定的Ⅱ类陶瓷材料X7R来实现差模电容的集成,采用PCB绕组来实现共模电感和差模电感的集成,给出了平面全集成EMI滤波器高频差、共模等效电路及其插入损耗的计算公式。仿真和实验验证了所提出的平面全集成EMI滤波器的有效性及其高频差、共模等效电路和插入损耗公式的正确性。     

SiC逆变器高频脉冲电压对Hairpin绕组绝缘安全的影响分析

针对碳化硅(SiC)逆变器高频高dv/dt脉冲激励下的Hairpin绕组高电应力容易造成绝缘损伤的问题,该文对一台电动汽车用Hairpin绕组永磁同步电机进行了绕组匝间绝缘的电压应力计算与安全分析.首先,提出考虑双导体边耦合效应的Hairpin绕组单匝线圈高频等效电路模型,提取电机绕组的高频分布参数,并基于场路耦合有限元方法建立Hairpin绕组的匝间电压计算模型;然后,得到SiC逆变器驱动下的绕组匝间绝缘电压应力,利用绕组匝间电压测试平台验证了模型与分析方法的正确性;最后,分析了不同匝间电压幅值、绝缘厚度、材料相对介电常数、匝间气隙长度等对气隙电场分布线的影响规律,以气隙电场分布线与Paschen曲线的关系为判据,给出了一种判断绕组绝缘是否发生放电的方法.     

计及寄生参数效应的铁氧体共模扼流圈二端口网络的建立

共模扼流圈的寄生参数在高频时对滤波器的性能有重要影响,准确建立其对应的差模和共模二端口模型对设计电磁兼容滤波器以及改善其性能具有重要意义。对差模电路,通过建立静电场模型并计算匝间部分电容可得到等效寄生电容,进而获得二端口内各支路的电容参数;测量其谐振频率,可得到差模漏电感。对共模电路,通过建立时谐磁场模型,采用类比有限元法可求解磁心等效电感和电阻;测量其谐振频率,可得到考虑环境因素后的寄生电容。测量扼流圈二端口在输入、输出匹配状态下的散射参数,间接得到滤波器差、共模电路对应的二端口网络各支路的阻抗或导纳。散射参数法的测试与"谐振频率+有限元法"建立的阻抗取得较好的一致,说明模型的准确性和测试方法的合理性。     

LLC谐振变换器的变压器绕组优化设计

针对LLC谐振变换器工作在高频条件下对平面变压器寄生电容较为敏感的问题,采用磁集成技术对变压器的二次绕组进行优化设计,使得变压器寄生电容和绕组涡流损耗的综合效果最优。该文对平面变压器层间寄生电容的影响因素进行了具体分析,在极坐标系下建立变压器寄生电容的数学模型,并归纳出各影响因素在不同电流情况下的作用效果。该文提出了两种绕组形状的优化设计方案,从减小绕组正对面积的角度改善变压器的寄生电容。利用有限元仿真软件Maxwell,搭建变压器的3D仿真模型,根据仿真结果对比了采用不同优化方案时寄生电容的改善效果,验证了理论分析的可靠性。为了兼顾变换器的寄生电容和涡流损耗,给出了绕组面积设计的优化范围,并确定了最终的优化方案。最后,采用改良后的磁集成平面变压器,搭建了一台500W的样机,效率最高可达97.53%。     

利用耦合电感改善EMI电源滤波器高频幅频特性的研究

高频开关电源的传导性电磁干扰EMI（ElectroMagnetic Interference）是电力电子装置应用的主要障碍之一,EMI电源滤波器能有效抑制其干扰传导。在高频状态下．EMI电源滤波器的电容器和电感器所带有的等效寄生参数会影响EMI高频性能,基于此提出了利用高频元器件的等效寄生参数间的互感耦合改善滤波器高频性能的措施,考虑了差模电感与电容器的寄生串联电感之间存在互感耦合以及2个串联支路的串联电感之间存在耦合电感2种情况。在分析带有寄生参数的差模等效电路的基础上,进行了仿真研究。结果表明,利用寄生参数的互感耦合使得EMI电源滤波器的高频性能有所改善。     

尖脉冲干扰滤波器设计的关键问题

提出了用磁芯电感器与穿心电容器相结合的尖脉冲干扰滤波器设计方案.论述了磁芯电感器滤波原理,给出并分析了该滤波器设计中的关键问题:采用LC滤波器,其中L为分布电容可以忽略的高磁导率磁芯电感器,C为寄生电感很小的穿心电容器;尖脉冲干扰滤波器放在低压电源滤波电解电容器之后;选择无气隙环形高磁导率铁氧体材料的磁芯;按所提出的计算方法确定线圈匝数和磁芯截面积.该方案能保证所设计的滤波器是经济、实用的.     

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。     

车用大功率DC/DC变换器集成滤波器设计

提出了一种新型的适用于大功率场合的EMI集成滤波器。采取基于有限元方法有效提取滤波电感器的寄生参数,消除了寄生参数对滤波电感器的高频影响。运用有限元仿真方法,对滤波器进行仿真分析,并结合电动汽车实际要求设计了集成EMI滤波器。新型集成EMI滤波器不仅能够有效抑制电磁干扰影响,而且能实现滤波器体积的优化与功率密度的提高,具有较高的工程实际意义。