基于柔性多層繞組的集成EMI濾波器

摘要：本文提出一種基于柔性多層集成L-C繞組的新型EMI濾波器集成結(jié)構(gòu)。 通過采用此種結(jié)構(gòu)，可以將共模電感，差模電感與共模電容集成為1個(gè)單元。與平面PCB繞組的集成EMI濾波器比較， 具有銅損顯著減小的特點(diǎn)。本文還介紹了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 敘詞：柔性多層繞組 EMI濾波器 無(wú)源集成 平面PCB Abstract：This article introduces a new EMI filter integration structure based on flexible multi-layer L-C wiring. The application of this structure will integrate common-mode choke, differential-mode choke and common- mode capacitance into one unit. Compared with integrated EMI filter based on plane PCB wiring, it greatly lowers the copper loss. This article also presents an experimental sample and experimental results. Keyword：Flexible multi-layer wiring, EMI Filter, Passive integration, Plane PCB
1、簡(jiǎn)介

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[1]~[3]。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(wú)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(wú)源集成結(jié)構(gòu)和混合有源集成結(jié)構(gòu)[4]，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(zhǎng)。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(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)度將比柔性多層帶材繞組長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度上的優(yōu)勢(shì)就越明顯。繞組越長(zhǎng)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(wú)源元件集成的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)。