一种新型的EMI集成滤波器
2005-07-26 08:51:21
来源：《国际电子变压器》2005年8月刊
1引言
电力电子设备因其高效率、小体积在人类日常生活和工业生产得到了广泛的应用。电力电子设备带来效益提高的同时，因其开关器件的工作频率日益提高，电压电流周期性快速的转换方式产生的噪声谐波也日益严重。噪声谐波不仅通过电源线对电网造成污染，而且对周围的设备甚至是电力电子设备本身也造成影响。日益严重的电磁干扰，引起了国际上众多国家的重视，各国纷纷制定电磁兼容技术标准，控制电力电子设备研发和工业生产中引起的电磁兼容问题。当前，电磁兼容问题已成为电力电子设备研发和工业生产中不容忽视的一项指标，成为影响电力电子技术进一步发展的关键之一。我国在这一领域的研究虽然起步较晚，但随着我国加入世贸组织，我国工业生产和贸易的各项标准向国际标准靠拢，电磁兼容问题的研究在我国也日益受到重视。
电磁兼容问题的一个重要组成部分是电磁干扰问题，电磁干扰问题的干扰机理复杂，影响因素众多，很难找到解决电磁干扰的明确理论依据和实际解决方法。目前，人们在实际工程中解决电力电子电磁干扰问题的手段主要有两种：一种是找出电力电子电路的电磁干扰源，通过研发新型的元器件，设计新的电路拓扑来减小或消除电磁干扰；第二种是采用电磁干扰(EMI)滤波器来有效阻断传导电磁干扰(150KHz-30MHz)的传输途径，这也是目前工程上最普遍、最常用的解决电磁干扰的方法。
随着工作频率的提高，电力电子设备发展趋势是模块化和小型化，需要尽可能的减小电力电子设备内部每一个元器件的体积，传统的EMI滤波器因其元件数量多，体积大，成为电力电子设备体积小型化过程中应着重考虑的部分之一。分立元件组成的滤波器一般由共模电感，差模电感和电容组成单级或多级滤波网络，其较长的引线造成的分布电感和分布电容对高频滤波特性有很大的影响，而电磁兼容标准的不断完善，却对滤波器的体积、性能提出了更高的要求。在这种需求下，对小体积、高性能的滤波器的研发越来越受到重视，集成滤波器将滤波器中的差模电感和共模电感集成在一起，减小了体积，同时差模电感和共模电感的集成也改善了由于引线的分布电感和电容造成的滤波器性能下降。目前集成滤波器的研究已经成为电力电子技术中一个新颖的研究突破点，但由于滤波器的集成中差模电感和共模电感的磁心特性相差甚远，差共模的集成除了结构集成的考虑外，还必须考虑由于集成带来的差模电感和共模电感的相互影响以及由此而带来的调测困难。滤波器的集成绝不是简单的将差模电感和共模电感组合在一起，需要综合考虑滤波器的磁心材料、生产安装等多方面的因素，目前对集成滤波器的研究处于尚未成熟的阶段，对这一领域的研究尚有很大的潜力可挖。
本文的第一部分主要介绍了研究集成滤波器的背景和重要意义，在文章的第二部分介绍了目前国内外对集成滤波器的研究现状，在此基础上，文章的第三部分提出了一种新的集成滤波器方案并分析了其结构和性能的特点，文章的最后用实验验证了新方案的有效性。
2集成滤波器研究的现状
目前对共模差模集成电感的研究，比较典型的主要有以下两种。
第一种集成滤波器方案将不同特性的磁心组合在一起，如图1所示。这种集成电感器采用一个高磁导率的UI型磁心作为共模信号通路，一个低磁导率的I型磁心作为差模信号通路，两个绕组通过骨架绕在UI磁心的I型边柱上。共模磁通和差模磁通的磁路如图1中标示，共模磁路由外层的UI磁心构成，差模磁路由I型磁心和部分UI型磁心构成，差模回路和共模回路有一段很长的共同路径。这种集成滤波器的两种磁心均结构简单，但集成滤波器存在几点不足之处：1）I型磁心满足了差模电感对磁心的特性要求，但磁心的固定磁导率使得差模电感的电感值不易调整。即使通过调整I型磁心的气隙可以调整差模电感的感值，因气隙的磁导率要远小于磁心的磁导率，气隙长度通常非常小，在生产工艺上不好控制，产品的一致性不容易实现。2）两种不同磁心的组合，给滤波器的装配带来困难。3）共模电感对磁路的高磁导率有很高的要求，而UI型磁心的装配有两个气隙，气隙的存在很容易影响到共模磁心的高磁导率特性，要保持高磁导率特性就必须尽可能减小气隙，这要求共模磁心的接触面非常光滑，给加工工艺提出很高要求，不利于集成滤波器的大量生产。4）差模电感磁通和共模电感磁通在很长的磁路上共同存在，造成了差模电感和共模电感的相互影响，影响了集成滤波器的滤波特性，这一点在文章的后一部分有详细的分析。
第二种集成滤波器方案由两个圆环磁心组成，如图2所示。外环是高磁导率的共模磁路，内环是低磁导率、高饱和磁感应强度的差模磁路，两个磁路独立且均没有气隙，共模磁通和差模磁通的磁路如图2中标示。这种集成滤波器的不足之处在于：1）内环磁心的固定磁导率和磁心形状使得差模电感的电感值不易调整。2）线圈同时绕制在差模磁心和共模磁心上增大了线圈的长度，线圈通过高频信号时线圈的杂散参数增大，影响滤波器的性能，除此之外，差模和共模电感的调整受到彼此制约。3）两种磁心结构虽然简单，但两个闭合的磁心需采用“穿心式”绕法，并且绕组需要同时绕在两个磁心上，工艺上实现比较难。
差共模滤波器集成的原则是使共模磁路保持高磁导率，差模磁路保持低磁导率、高饱和磁感应强度，防止由于差模回路的直流偏置引起磁路饱和，使差模电感工作在一个较高的但却相对稳定的磁通水平，并且差模电感和共模电感的相互影响最小。除了保证集成滤波器差模电感和共模电感的特性外，滤波器的集成还应考虑滤波器的制造工艺是否简单，绕组的绕制，滤波器的组装是否方便。上述两种差共模集成方案，均采用高磁导率的磁心部分作为共模电感的磁通路径，低磁导率、高饱和磁感应强度的磁心部分作为差模电感的磁通路径，但均存在着结构、工艺上的不足，更重要的是集成滤波器性能上有待提高。在充分考虑结构安装工艺的基础上，本文基于滤波器集成的原则推出一种新型的集成滤波器，该滤波器保持了共模电感和差模电感各自的磁路特性，并且使差模和共模电感的相互影响降至最低。
3新型集成滤波器方案
新的集成滤波器方案如图3所示，该新方案由一个高磁导率的 “曰”字型磁心作为共模磁路，一个低磁导率、高饱和磁感应强度的“曰”型磁心作为差模磁路，两个磁心叠放在一起并且使两个磁心的中柱互相垂直，绕着线圈的两个骨架放置在高磁导率“曰”字型磁心的中柱上，并且处于低磁导率“曰”字型磁心中柱的两侧。“曰”字型磁心是常见的磁心形状，两者叠放后安装很容易实现，同时线圈绕制也很方便。除了制造、安装的方便，该集成滤波器的性能也得到了极大的提高，下面着重分析新的集成滤波器方案如何使滤波器性能得到提高。
新的滤波器集成方案，其线圈的安排如图3所示，共模噪声信号产生的磁通同向穿过两个线圈，在高磁导率的磁心上构成磁通回路，方向如图3所示；差模信号产生的磁通经低磁导率磁心及高磁导率磁心中柱构成磁通回路；差模电感磁通和共模电感磁通共同通过高磁导率的磁心中柱。
对差模电感来说，其磁通回路主要有三个部分组成：差模低磁导率磁心部分，气隙部分和高磁导率磁心中柱部分。由于磁心的磁导率要远远高于空气的磁导率，磁势主要降落在气隙部分，气隙的大小对差模电感的电感值造成了主要的影响，其它部分的影响相对气隙影响来说，可以忽略不计。这样，就可以通过调整低磁导率磁心和高磁导率磁心之间的距离来调整差模电感的感值，距离的调整可以在两个磁心间加合适的垫片来实现，调整非常的方便(在图3中，为了更清楚的显示差模磁通路径和共模磁通路径而夸大了两个磁心间的间隙)。
众所周知，作为抑制线路共模信号的共模电感对磁心有着特别的要求，共模电感磁心的磁导率要远远高于一般磁心的磁导率，其饱和特性要好，在很小的磁场强度下能迅速饱和，达到抑制共模噪声信号的目的。图4是磁心生产厂家TDK公司生产的用来做共模抑制扼流圈的HS10磁心在不同温度下的B-H曲线，其有效磁导率达10000，由磁心的B-H曲线可知，当磁心内的磁场强度增至50A/m，其磁导率减小至少了几百倍。因此，对共模磁心来讲，磁心内的磁场强度增加较多时，对共模滤波器的工作状态影响较大。
对集成滤波器来说，差模电感常常工作于直流偏置状态，差模磁通一般保持在相对稳定的较高的磁通水平，在差模电感和共模电感的共同路径内，共模磁通和差模磁通的叠加，使得共模磁心的工作状态发生了改变，工作点明显的向饱和点靠拢，其有效磁导率大大降低，直接的后果是共模电感值降低。在上一节介绍的滤波器集成方案中，差模和共模的共同磁路很长，约占共模磁路的2/3多，共模电感值明显下降，严重影响了共模电感的滤波特性。新的滤波器集成方案差、共模的共同磁通路径仅集中在高磁导率磁心中柱上的一半，长度约占整个共模磁路的1/8左右，大大减轻了共模电感所受到的共同路径的影响，使滤波器的性能尤其是共模抑制性能相对于前一节介绍的滤波器集成方案得到了明显的改善。
4实验结果
为了验证集成滤波器的有效性，我们对新的滤波器方
电力电子设备因其高效率、小体积在人类日常生活和工业生产得到了广泛的应用。电力电子设备带来效益提高的同时，因其开关器件的工作频率日益提高，电压电流周期性快速的转换方式产生的噪声谐波也日益严重。噪声谐波不仅通过电源线对电网造成污染，而且对周围的设备甚至是电力电子设备本身也造成影响。日益严重的电磁干扰，引起了国际上众多国家的重视，各国纷纷制定电磁兼容技术标准，控制电力电子设备研发和工业生产中引起的电磁兼容问题。当前，电磁兼容问题已成为电力电子设备研发和工业生产中不容忽视的一项指标，成为影响电力电子技术进一步发展的关键之一。我国在这一领域的研究虽然起步较晚，但随着我国加入世贸组织，我国工业生产和贸易的各项标准向国际标准靠拢，电磁兼容问题的研究在我国也日益受到重视。
电磁兼容问题的一个重要组成部分是电磁干扰问题，电磁干扰问题的干扰机理复杂，影响因素众多，很难找到解决电磁干扰的明确理论依据和实际解决方法。目前，人们在实际工程中解决电力电子电磁干扰问题的手段主要有两种：一种是找出电力电子电路的电磁干扰源，通过研发新型的元器件，设计新的电路拓扑来减小或消除电磁干扰；第二种是采用电磁干扰(EMI)滤波器来有效阻断传导电磁干扰(150KHz-30MHz)的传输途径，这也是目前工程上最普遍、最常用的解决电磁干扰的方法。
随着工作频率的提高，电力电子设备发展趋势是模块化和小型化，需要尽可能的减小电力电子设备内部每一个元器件的体积，传统的EMI滤波器因其元件数量多，体积大，成为电力电子设备体积小型化过程中应着重考虑的部分之一。分立元件组成的滤波器一般由共模电感，差模电感和电容组成单级或多级滤波网络，其较长的引线造成的分布电感和分布电容对高频滤波特性有很大的影响，而电磁兼容标准的不断完善，却对滤波器的体积、性能提出了更高的要求。在这种需求下，对小体积、高性能的滤波器的研发越来越受到重视，集成滤波器将滤波器中的差模电感和共模电感集成在一起，减小了体积，同时差模电感和共模电感的集成也改善了由于引线的分布电感和电容造成的滤波器性能下降。目前集成滤波器的研究已经成为电力电子技术中一个新颖的研究突破点，但由于滤波器的集成中差模电感和共模电感的磁心特性相差甚远，差共模的集成除了结构集成的考虑外，还必须考虑由于集成带来的差模电感和共模电感的相互影响以及由此而带来的调测困难。滤波器的集成绝不是简单的将差模电感和共模电感组合在一起，需要综合考虑滤波器的磁心材料、生产安装等多方面的因素，目前对集成滤波器的研究处于尚未成熟的阶段，对这一领域的研究尚有很大的潜力可挖。
本文的第一部分主要介绍了研究集成滤波器的背景和重要意义，在文章的第二部分介绍了目前国内外对集成滤波器的研究现状，在此基础上，文章的第三部分提出了一种新的集成滤波器方案并分析了其结构和性能的特点，文章的最后用实验验证了新方案的有效性。
2集成滤波器研究的现状
目前对共模差模集成电感的研究，比较典型的主要有以下两种。
第一种集成滤波器方案将不同特性的磁心组合在一起，如图1所示。这种集成电感器采用一个高磁导率的UI型磁心作为共模信号通路，一个低磁导率的I型磁心作为差模信号通路，两个绕组通过骨架绕在UI磁心的I型边柱上。共模磁通和差模磁通的磁路如图1中标示，共模磁路由外层的UI磁心构成，差模磁路由I型磁心和部分UI型磁心构成，差模回路和共模回路有一段很长的共同路径。这种集成滤波器的两种磁心均结构简单，但集成滤波器存在几点不足之处：1）I型磁心满足了差模电感对磁心的特性要求，但磁心的固定磁导率使得差模电感的电感值不易调整。即使通过调整I型磁心的气隙可以调整差模电感的感值，因气隙的磁导率要远小于磁心的磁导率，气隙长度通常非常小，在生产工艺上不好控制，产品的一致性不容易实现。2）两种不同磁心的组合，给滤波器的装配带来困难。3）共模电感对磁路的高磁导率有很高的要求，而UI型磁心的装配有两个气隙，气隙的存在很容易影响到共模磁心的高磁导率特性，要保持高磁导率特性就必须尽可能减小气隙，这要求共模磁心的接触面非常光滑，给加工工艺提出很高要求，不利于集成滤波器的大量生产。4）差模电感磁通和共模电感磁通在很长的磁路上共同存在，造成了差模电感和共模电感的相互影响，影响了集成滤波器的滤波特性，这一点在文章的后一部分有详细的分析。
第二种集成滤波器方案由两个圆环磁心组成，如图2所示。外环是高磁导率的共模磁路，内环是低磁导率、高饱和磁感应强度的差模磁路，两个磁路独立且均没有气隙，共模磁通和差模磁通的磁路如图2中标示。这种集成滤波器的不足之处在于：1）内环磁心的固定磁导率和磁心形状使得差模电感的电感值不易调整。2）线圈同时绕制在差模磁心和共模磁心上增大了线圈的长度，线圈通过高频信号时线圈的杂散参数增大，影响滤波器的性能，除此之外，差模和共模电感的调整受到彼此制约。3）两种磁心结构虽然简单，但两个闭合的磁心需采用“穿心式”绕法，并且绕组需要同时绕在两个磁心上，工艺上实现比较难。
差共模滤波器集成的原则是使共模磁路保持高磁导率，差模磁路保持低磁导率、高饱和磁感应强度，防止由于差模回路的直流偏置引起磁路饱和，使差模电感工作在一个较高的但却相对稳定的磁通水平，并且差模电感和共模电感的相互影响最小。除了保证集成滤波器差模电感和共模电感的特性外，滤波器的集成还应考虑滤波器的制造工艺是否简单，绕组的绕制，滤波器的组装是否方便。上述两种差共模集成方案，均采用高磁导率的磁心部分作为共模电感的磁通路径，低磁导率、高饱和磁感应强度的磁心部分作为差模电感的磁通路径，但均存在着结构、工艺上的不足，更重要的是集成滤波器性能上有待提高。在充分考虑结构安装工艺的基础上，本文基于滤波器集成的原则推出一种新型的集成滤波器，该滤波器保持了共模电感和差模电感各自的磁路特性，并且使差模和共模电感的相互影响降至最低。
3新型集成滤波器方案
新的集成滤波器方案如图3所示，该新方案由一个高磁导率的 “曰”字型磁心作为共模磁路，一个低磁导率、高饱和磁感应强度的“曰”型磁心作为差模磁路，两个磁心叠放在一起并且使两个磁心的中柱互相垂直，绕着线圈的两个骨架放置在高磁导率“曰”字型磁心的中柱上，并且处于低磁导率“曰”字型磁心中柱的两侧。“曰”字型磁心是常见的磁心形状，两者叠放后安装很容易实现，同时线圈绕制也很方便。除了制造、安装的方便，该集成滤波器的性能也得到了极大的提高，下面着重分析新的集成滤波器方案如何使滤波器性能得到提高。
新的滤波器集成方案，其线圈的安排如图3所示，共模噪声信号产生的磁通同向穿过两个线圈，在高磁导率的磁心上构成磁通回路，方向如图3所示；差模信号产生的磁通经低磁导率磁心及高磁导率磁心中柱构成磁通回路；差模电感磁通和共模电感磁通共同通过高磁导率的磁心中柱。
对差模电感来说，其磁通回路主要有三个部分组成：差模低磁导率磁心部分，气隙部分和高磁导率磁心中柱部分。由于磁心的磁导率要远远高于空气的磁导率，磁势主要降落在气隙部分，气隙的大小对差模电感的电感值造成了主要的影响，其它部分的影响相对气隙影响来说，可以忽略不计。这样，就可以通过调整低磁导率磁心和高磁导率磁心之间的距离来调整差模电感的感值，距离的调整可以在两个磁心间加合适的垫片来实现，调整非常的方便(在图3中，为了更清楚的显示差模磁通路径和共模磁通路径而夸大了两个磁心间的间隙)。
众所周知，作为抑制线路共模信号的共模电感对磁心有着特别的要求，共模电感磁心的磁导率要远远高于一般磁心的磁导率，其饱和特性要好，在很小的磁场强度下能迅速饱和，达到抑制共模噪声信号的目的。图4是磁心生产厂家TDK公司生产的用来做共模抑制扼流圈的HS10磁心在不同温度下的B-H曲线，其有效磁导率达10000，由磁心的B-H曲线可知，当磁心内的磁场强度增至50A/m，其磁导率减小至少了几百倍。因此，对共模磁心来讲，磁心内的磁场强度增加较多时，对共模滤波器的工作状态影响较大。
对集成滤波器来说，差模电感常常工作于直流偏置状态，差模磁通一般保持在相对稳定的较高的磁通水平，在差模电感和共模电感的共同路径内，共模磁通和差模磁通的叠加，使得共模磁心的工作状态发生了改变，工作点明显的向饱和点靠拢，其有效磁导率大大降低，直接的后果是共模电感值降低。在上一节介绍的滤波器集成方案中，差模和共模的共同磁路很长，约占共模磁路的2/3多，共模电感值明显下降，严重影响了共模电感的滤波特性。新的滤波器集成方案差、共模的共同磁通路径仅集中在高磁导率磁心中柱上的一半，长度约占整个共模磁路的1/8左右，大大减轻了共模电感所受到的共同路径的影响，使滤波器的性能尤其是共模抑制性能相对于前一节介绍的滤波器集成方案得到了明显的改善。
4实验结果
为了验证集成滤波器的有效性，我们对新的滤波器方
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