基于柔性金属箔材料的集成EMI滤波器结构及其设计方法

基于柔性金属箔材料的集成emi滤波器结构及其设计方法
技术领域
1.本发明属于滤波器设计技术领域，尤其涉及一种基于柔性金属箔材料的集成emi滤波器结构及其设计方法。


背景技术：

2.在电力电子变换器高频化及小型化发展的驱动下，电磁干扰(electromagnetic interference,emi)问题更加凸显，因此，emi滤波器也成为了电力电子系统的重要组成部分，其优化设计对未来工业应用有着深远的影响。
3.一般而言，无源emi滤波器是一个或数个滤波电感和数个滤波电容的组合，若使用分立元件来构造滤波器，需要较多的器件和占用较大的面积，因此讨论滤波器的高效化集成对滤波器小型化有很强的意义。传统的集成方法主要在于磁集成，将共模电感绕制在高磁导率的磁材上，利用其漏感来作为差模分量来完成差共模感量的集成。这类集成方案的优点是绕制简单，但差共模感量之间难以解耦分析，差模感量作为漏感难以量化控制，其感量大小也往往受到共模感量的限制。近年来，为了便于整个电力电子变换器电路的集成化设计，基于平面线圈和平面磁芯的滤波器集成结构应运而生，这类集成方案结合多层板工艺集成差共模电感和结构电容，结构上较前一种方案更为紧凑，但其平面电感主要是由横向扩张平面线圈来增加电感量，结构电容主要由层间距离和层间介质所影响，刚性材料的弱可塑性使其占板面积随感量的增大而增幅明显。
4.如说明书附图1所示，对于传统的差共模集成方案(方案一)：
5.传统的差共模集成方案利用差共模电流的不同流向来构造磁集成，在环形绕组的两侧绕制等匝的共模绕组，l、n线流入共模电流时，两侧绕组在磁芯中产生的磁通同向，磁通在磁芯中就可以形成回路，能够感应较大的共模感量。l、n线流入差模电流时，两侧绕组在磁芯中产生的磁通相向，磁通从外界空气中形成回路，即以漏感作为了差模感量。这种集成方法只考虑了磁集成，一般差模感量为共模感量的0.5％～2％，差模感量难以定量设计，且很大程度上受到共模感量、共模绕组绕法和张角的影响，电感的一致性较差。
6.如说明书附图2所示，对于现有的平面集成emi滤波器结构(方案二)：
7.平面的集成emi滤波器基于pcb绕组布局、平面磁芯构建差共模电感，利用层间的结构电容构造x电容和y电容，电容的计算公式如下，其中ε0为空气介电常数，εr为pcb绕组间介质的相对介电常数，s为pcb绕组间的正对面积，d为pcb绕组所在的层间的正对距离。
[0008][0009]
在pcb布局中，层间的介质材料一般都为fr4，相对介电常数为4.4，层间的距离受到工艺限制一般为0.1mm以上，pcb绕组间的正对面积又受到平面磁芯和同层绕组的间距限制，多层板的成本和复杂性也降低了这类方案的实用性。因此，这类方法虽然集成了磁场和电场，但由于刚性材料的限制等因素，对于emi滤波器的电场集成度不高。
[0010]
根据之前的分析，方案一存在的主要缺点，一是差模感量和共模感量存在耦合关
系，难以对差模感量定量分析，且差模感量常常受到共模感量及其绕制方法的限制，二是只有磁场的集成，缺少对电场的集成。方案二存在的主要缺点是电场的集成受限于pcb材料、工艺集成度不高，需要多层板构成滤波器也增加了设计的复杂性和制作成本。


技术实现要素：

[0011]
考虑到基于柔性金属箔材料的emi滤波器集成方案能够同时集成电场和磁场，又在灵活性和可塑性上强于平面集成方案，在emi滤波器集成中更具高效性，本发明的目的在于提供一种基于柔性金属箔材料的集成emi滤波器结构及其设计方法，首先是在方案一的基础上提高emi滤波器中差共模电感磁集成的高效性，使其能够解耦分析，提高差模感量的可设计性和感量。其次是在方案二的基础上深入优化电场的集成，在简化设计和降低成本的基础上，利用柔性材料的优势增大结构电容。同时，发挥柔性材料的灵活性，拓宽相同emi滤波器集成结构的适用性，通过不同的接线形式使其能够满足lc型、τ型、π型、t型滤波器等不同的需求。
[0012]
本发明具体采用以下技术方案：
[0013]
一种基于柔性金属箔材料的集成emi滤波器结构，其特征在于：采用三绕柱结构的ee型磁芯，边柱利用常规绕组绕制形成共模绕组，中柱利用柔性金属箔绕制形成差模绕组同时集成y电容；所述柔性金属箔绕组的基本单元由l、n、g三线组成，其中l线、gnd线和n线之间通过介质层绝缘。
[0014]
进一步地，流入共模电流时边柱l、n线产生的共模磁通同向，中柱l、n线产生的共模磁通相互抵消，流入差模电流时边柱l、n线产生的差模磁通相互抵消，中柱l、n线产生的差模磁通同向。
[0015]
进一步地，在emi滤波器的实际应用场合，根据阻抗失配原则确定emi滤波器的结构。
[0016]
进一步地，设所述共模绕组的第一绕组的接头包括l1、l2、n1、n2，第二绕组的接头包括l3、l4、n3、n4；设所述差模绕组的第三绕组的接头包括l5、l6、n5、n6，第四绕组的接头包括l7、l8、n7、n8；通过各接头不同的连接方式，构造获得不同结构的滤波器。
[0017]
进一步地，以共模电流的流向为主导，以l1、n1作为输入接口，l2与l3、n2与n3相接，l4与l5、n4与n6相接，l6与l7、n5与n8相接，l8、n7作为输出接口，构造获得lc或τ型滤波器。
[0018]
进一步地，以共模电流的流向为主导，以l5、n6作为输入接口，l6与l1、n5与n1相接，l2与l3、n2与n3相接，l4与l7、n4与n8相接，l8、n7作为输出接口，构造获得π型滤波器。
[0019]
进一步地，以共模电流的流向为主导，以l1、n1作为输入接口，l2与l5、n2与n6相接，l6与l7、n5与n8相接，l8与l3、n7与n3相接，l4、n4作为输出接口，构造获得t型滤波器。
[0020]
进一步地，在磁芯选型时考虑磁芯的窗口大小，并以此作出初步的结构电容估计，估计的依据如下：
[0021]
1、根据所需设计的结构电容值，所用的绝缘层材料介电常数、绝缘层的厚度，预估所需要的柔性金属箔面积；
[0022]
2、首先根据柔性金属箔绕组基本单元的厚度τ，计算磁芯窗口能够绕下的柔性金属箔匝数，且计算时需要考虑边柱绕共模绕组所需要的余量宽度；
[0023]
3、根据绕制的柔性金属箔匝数、磁芯中柱的参数，估算绕制所需的柔性金属箔长度，根据磁芯的高度，给定柔性金属箔的宽度，计算长度乘宽度，得到结构电容的正对面积，再由这些得到的预估参数反算结构电容值是否满足要求，若不满足则继续选型直到得到合适的磁芯。
[0024]
进一步地，在绕组匝数和气隙设计中，一方面要考虑磁芯选型中所确定的差模匝数限制，另一方面要考虑在流入差模电流不能使磁芯饱和；差模感量的计算公式和最大磁密的约束公式：
[0025][0026][0027]
其中，n
dm
为差模绕组匝数，u0为空气磁导率，ae为所用磁芯的中柱有效横截面积，l
qx
为所开气隙的长度，i
pk
为电路中的峰值电流，l
dm
和bm为差模感量和最大磁密，bs为磁芯的饱和磁密。
[0028]
在emi滤波器的集成化发展中，原有的磁集成方法在难以量化设计差模电感的感量，电集成方法又受限于刚性材料的可塑性问题而导致集成度不高，为了解决这些问题，本发明及其优选方案提出的基于柔性金属箔材料的集成emi滤波器结构，磁集成上通过绕组设计实现差共模电感的解耦，同时又有利于增大差模感量，电集成上充分发挥柔性材料的强可塑性，以更紧凑的结构和更灵活的接线方式，实现了滤波器的高度集成与强适用性。
附图说明
[0029]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
[0030]
图1为现有技术传统的差共模集成方案示意图(方案一)；
[0031]
图2为现有技术平面集成emi滤波器结构示意图(方案二)；
[0032]
图3为本发明实施例基于柔性金属箔的emi滤波器结构示意图；
[0033]
图4为本发明实施例柔性金属箔绕组的基本单元结构和等效电路示意图；
[0034]
图5为本发明实施例基于柔性金属箔的emi滤波器接线口示意图；
[0035]
图6为本发明实施例构造lc或τ型滤波器等效电路结构示意图；
[0036]
图7为本发明实施例构造π型滤波器等效电路结构示意图；
[0037]
图8为本发明实施例构造t型滤波器等效电路结构示意图；
[0038]
图9为本发明实施例柔性金属箔绕组基本单元的厚度示意图；
[0039]
图10为本发明实施例设计时相关尺寸示意图。
具体实施方式
[0040]
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
[0041]
如图3-图10所示，本实施例设计的基于柔性金属箔的emi滤波器具体包括以下技术内容：
[0042]
结合方案一的差共模磁集成方法，方案二的电场集成方法，提出柔性金属箔的emi
滤波器集成方法。在一般emi滤波器的设计中，y电容常常在nf量级易于集成，x电容则常常在uf量级难以集成，因此如图3所示，本实施例在三绕柱结构的磁芯中，边柱利用常规绕组绕制共模绕组，中柱利用柔性金属箔绕制差模绕组同时集成y电容，柔性金属箔绕组的基本单元由l、n、g三线组成，其结构和等效电路如图4所示。
[0043]
本实施例方案在方案一的结构基础上加入了磁芯中柱，可以看到流入共模电流时边柱l、n线产生的共模磁通同向，中柱l、n线产生的共模磁通相互抵消，流入差模电流时边柱l、n线产生的差模磁通相互抵消，中柱l、n线产生的差模磁通同向。这样一方面解耦了差共模电感，使差模电感感量可以通过中柱气隙长度和绕组匝数来进行设计，另一方面也为差模磁通提供了高磁导率的通路以增大差模电感的感量。同时结合了方案二的结构电容构造思路，通过差模电感柔性金属箔绕组的正对来构造y电容，柔性金属箔相对于pcb绕组有几个优势，一是可以充分利用磁芯内的空间以构造更大的正对面积(更大的s)，二是在绝缘介质材料及其厚度上有更多的选择(更大的εr和更小的d)，三是在成本和复杂性上远低于多层板的规划和布局。
[0044]
在emi滤波器的实际应用场合，要根据“阻抗失配原则”来确定emi滤波器的结构，常见的一阶滤波器结构包括：lc型、τ型、π型、t型。此方案可以根据接线方式的不同组成不同结构的共模滤波器，接线口如图5所示(l1-l8，n1-n8)：
[0045]
如要构造lc或τ型滤波器，以共模电流的流向为主导，从l1、n1作为输入接口，l2与l3、n2与n3相接，l4与l5、n4与n6相接，l6与l7、n5与n8相接，l8、n7作为输出接口，此时的等效电路结构如图6所示。
[0046]
如要构造π型滤波器，以共模电流的流向为主导，从l5、n6作为输入接口，l6与l1、n5与n1相接，l2与l3、n2与n3相接，l4与l7、n4与n8相接，l8、n7作为输出接口，此时的等效电路结构如图7所示。
[0047]
如要构造t型滤波器，以共模电流的流向为主导，从l1、n1作为输入接口，l2与l5、n2与n6相接，l6与l7、n5与n8相接，l8与l3、n7与n3相接，l4、n4作为输出接口，此时的等效电路结构如图8所示。
[0048]
总体来说，本实施例主要利用了柔性材料的灵活性，通过磁芯和绕组设计首先实现差共模解耦，提高了磁集成的效果，其次通过柔性材料对磁芯空间更高的利用率及介质材料选择的多样性，提高了电集成的效果，同时柔性金属箔材料本身成本不高，便于控制成本。
[0049]
针对本实施例基于柔性金属箔材料的emi滤波器，主要的设计流程包括：滤波器结构和参数设计、磁芯选型、绕组设计和气隙设计、滤波器性能验证。具体的方法如下：
[0050]
1.滤波器结构和参数设计
[0051]
emi滤波器的结构根据“阻抗失配原则”来确定，为了得到更高的插入损耗特性，对应电路噪声路径高阻抗的端口优先接入滤波器的低阻元件(滤波电容)，对应噪声路径低阻抗的端口优先接入滤波器的高阻元件(滤波电感)，一般地，单阶滤波器就有四种常见的结构：lc型、τ型、π型、t型。emi滤波器的参数设计主要依赖于电路背景的实际噪声情况，根据实际电路的噪声情况，和标准线进行对比，电路噪声超出标准线的部分即需要的emi滤波器插损需求，此时根据所需要的插损曲线和滤波器结构，计算和选择所需要的滤波电感感量和滤波电容容值。
[0052]
2.磁芯选型
[0053]
与传统磁芯选型所用的ap法不同，本发明提出的集成emi滤波器在磁芯选型时主要考虑所需要的结构电容值，选型时主要考虑磁芯的窗口大小，并以此作出初步的结构电容估计，估计的依据如下：
[0054]
a)根据所需设计的结构电容值，所用的绝缘层材料介电常数、绝缘层的厚度，预估所需要的柔性金属箔面积。
[0055]
b)具体计算中，首先根据柔性金属箔绕组基本单元的厚度τ，参见图9，计算磁芯窗口能够绕下的柔性金属箔匝数，且计算时需要考虑边柱绕共模绕组所需要的余量宽度。
[0056]
c)其次根据绕制的柔性金属箔匝数、磁芯中柱的参数，估算绕制所需的柔性金属箔长度，根据磁芯的高度，给定柔性金属箔的宽度，计算长度乘宽度，即可得到结构电容的正对面积，如图10所示，再由这些得到的预估参数反算结构电容值是否满足要求，若不满足则继续选型直到得到合适的磁芯。
[0057]
3.绕组设计和气隙设计
[0058]
根据上述的差共模解耦设计思路绕制绕组，要求差共模磁通在流入差共模电流时能够根据需求相互抵消或叠加，再依据所需要的滤波器结构，确定接线方式。在绕组匝数和气隙设计中，一方面要考虑磁芯选型中所确定的差模匝数限制，另一方面要考虑在流入差模电流不能使磁芯饱和。差模感量的计算公式和最大磁密的约束公式：
[0059][0060][0061]
其中，n
dm
为差模绕组匝数，u0为空气磁导率，ae为所用磁芯的中柱有效横截面积，l
qx
为所开气隙的长度，i
pk
为电路中的峰值电流，l
dm
和bm为差模感量和最大磁密，bs为磁芯的饱和磁密。
[0062]
4.滤波器性能验证
[0063]
绕制得到集成emi滤波器之后，实际测量插入损耗或接入电路中验证滤波器的性能是否已满足设计要求，若不满足则重新设计直到满足要求为止。
[0064]
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的基于柔性金属箔材料的集成emi滤波器结构及其设计方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。