基于差共模滤波器滤波电感集成的研究
1 引言
目前电源产品都是朝着频率高、体积小、重量轻的方向发展，这就要求尽量减小其内部每一个元器件的体积，因此EMI滤波器必须适应电源产品小型化的发展需求。为此，采用磁集成技术即采用磁件将滤波器中的差共模电感从结构上集成到一起，进而减少磁性元件的数量，减小体积，提高功率密度。
2 改进结构的引入
图1所示即为开关电源EMI滤波器的典型结构，它既可以滤除共模噪声，又可以滤除差模噪声。图中，L1和L2为两个单独的差模电感，其铁心为铁氧体棒或铁粉芯环，电感量一般为几十至几百微亨，C1和C4为差模电容，一般为陶瓷电容或聚乙酯薄膜电容，电容量一般选0.047~0.22微法，L1和L2，及C1和C4组成差模噪声滤波器，滤除差模噪声；L3和L4为共模电感，绕在同一个铁氧体环上，电感量约为几毫亨，C2和C3为共模电容，电容量约为几纳法，L3和L4及C2和C3组成共模噪声滤波器，滤除共模噪声。图2是文献[1]提出的差共模集成滤波器，即将差共模电感集成到一起，其中大环采用的是高磁导率铁氧体材料，小环采用的是低磁导率铁粉芯材料。由于原结构需要两种磁芯材料，并且体积较大，现在将图2所示的结构作一下改进，如图3所示，磁芯材料为铁氧体，中间的闭合磁路磁导率很高，用来抑制共模噪声，两侧的带有气隙的磁路磁导率较低，相当于铁粉芯，用来抑制差模噪声。其中，可以通过改变两侧柱磁芯的长短来改变气隙的大小，进而改变差共模电感量。
3 集成磁件分析
对于共模扼流圈如图4(a)，利用磁路的对偶关系，以及法拉第电磁感应定律可导出如图4(b)所示的等效电路图。
其中N1、N2分别为1、2磁柱上绕组的匝数，R1、R2、R3、R4及F1、F2、F3、F4分别为1、2、3、4磁柱上的磁阻和磁通。由图4(b)可得：
其中
；；
式
由此可得到图4(c)所示的耦合电感模型，由于改进后的模型结构对称，所以有：R1=R2，R3=R4，N1=N2，即有
差模电感利用了共模电感的漏感，通过计算可得：
R3是磁柱3的磁阻，由公式可知Ldm与磁柱3的磁阻有关，因此可以通过调节磁柱3的气隙来调节差模电感的大小，这和前面的分析是一致的。
4 实验结果
插入损耗(I. L)是滤波器的主要技术参数，用分贝值来表示，该值越大，滤波器抑制干扰的能力越强。插入损耗的定义：是电源电路在接入滤波器前后输出电压的变化，测量时主要比较其幅值的变化，U1为未接EMI滤波器时接收机测得信号的输出电压；U2为把EMI滤波器接入到信号源和接收机之间后，接收机测得的输出电压，插入损耗表示为
I. L=20lg(U1/U2)
根据插入损耗的定义，实验设计如下：信号发生器，磁芯采用PHILIPS公司铁氧体材料U10/8/3六个拼接而成，这是比较经济的做法，当然，如果有条件可以开模制作。差模电容C1=C4=68n，共模电容C2=C3=2.7n，差模电感Ldm=19μ，共模电感L1=L2=1.12m，源阻抗和负载阻抗均为50Ω，对这种差、共模集成EMI滤波器的输入端施加约1V交流小信号，频率为1kHz，如图6所示，用示波器观测输出信号的变化，采集的波形如图7所示。
由图7可以看出，两种结构都具有滤波效果，输入波形为1V，在10kHz时就衰减到了480mV，衰减了一半，到200kHz时衰减到了64mV，衰减效果很明显；1MHz时，滤波器峰峰值只有24mV，这时绝大部分干扰已经滤去了；还可以看出，两种结构的滤波器的滤波效果基本相同，而文献[1]中的差共模滤波器体积约为76cm3，改进后的结构还不到4.1cm3，改进后的结构大大减小了滤波器的体积，顺应了目前电源产品的发展方向。
5 结语
本文在文献[1]所提出的差共模集成滤波器的基础上，通过改变磁芯的结构对差共模滤波电感进行集成，减小了滤波器无源器件的体积与高度，提高磁件的利用率，为电力电子的系统集成提供技术支持。文献[1]中的差共模滤波器占用空间约为76cm3，而改进后的结构不到4.1cm3，大大减小了滤波器的体积，顺应了目前电源产品的发展方向，并且改进后的结构只用到一种材料，比文献[1]中的差共模滤波器用到两种材料更节约成本。
参考文献
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作者简介
郝文慧，女，1981年生，硕士研究生，研究方向为EMI滤波器平面无源集成的研究。
杨玉岗，男，1967年生，教授，博士，研究方向为电力电子技术及其平面磁集成技术。
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