环形“感容”单元的三参数集成滤波器模块及其在开关电源中的应用

龚 敏，王世山，宋 峥

(江苏省新能源发电与电能变换重点实验室，南京航空航天大学，江苏南京210016)

漏感是由上下层不对称的共模电感引起，其能量为上层共模绕组输入到单元又不参与能量传输的全部磁能，其计算公式为:

环形“感容”单元的三参数集成滤波器模块及其在开关电源中的应用

龚 敏，王世山，宋 峥

(江苏省新能源发电与电能变换重点实验室，南京航空航天大学，江苏南京210016)

“电感”和“电容”的模块(简称“LC单元”)是组成EMI滤波器的核心元件，采用不同的连接方式可实现不同的参数集成。本文提出一种新型连接方式的LC单元，实现了共模电感、差模电感和差模电容的三参数集成。当通入共模(CM)电流时，由于上下线圈完全对称，对应线匝电位分布相同，则电容效应可忽略，LC单元可等效为两个平绕线圈;当通入差模(DM)电流时，单位电感的感应电动势相互抵消为零，电感效应消失，LC单元等效为一个电容。本文在分析其耦合方式的基础上，给出了差、共模电流作用下的等效电路，并采用错位过孔连接技术完成EMI滤波器的连接，最终将其运用于小功率电源PFC电路中，通过实验验证其有效性和优越性。

LC单元;差模电流;共模电流;小功率PFC电路

1 引言

平面EMI滤波器是消除电力电子系统传导电磁干扰的主要滤波器之一，以其体积小、集成度高具有较大的优势。其核心部件是将“电感”和“电容”集成于一体的“LC单元”［1，2］，结合适当的连接方式，则可以组成完整的滤波器，对提高开关电源的工作性能有很好的参考意义。

早期平面EMI滤波器的概念来源于弗吉尼亚理工大学(Virginia Tech)提出的矩形LC线圈［3］，该类滤波器适用于高度方向要求低的场合。且改进后的环形EMI滤波器，不但改善了导线内电流分布，也增强了抗外界电磁干扰的能力。但两种平面EMI滤波器共同之处是:其LC单元都是用于实现共模电感、差模电感和共模电容，而差模电容往往依赖外接大电容来实现。因此，多片LC单元串联产生足够共模电感的同时，很大程度上减小了共模电容。

与“平面型EMI滤波器”有异曲同工之处的是“柔性EMI滤波器”［4］，该类滤波器采用柔性介质材料完成了“感容”集成，其灵活的连接方式对平面型EMI滤波器的制作具有很好的参考意义。文献［5］提出了几种滤波器的集成结构，第一种为共模电感、差模电感和共模电容的集成，主要侧重于共模电感的增大。这种集成方式是集成EMI滤波器中最常用的一种，其实现需要两个薄膜绕制线圈，滤波器体积较大，不利于小型化的实现;第二种集成参数与第一种类似，区别仅在于两个基本单元的绕向，更有利于差模电感的增加。以上两种集成方式差模电容由外部分立电容实现，可取较大值有利于差模干扰的消除;第三种为共模电感、差模电感和差模电容的集成，该方式仅需一个单元就可实现，连接方便，且有利于共模噪声的抑制。但由于差模电容参与集成，对大电容材料提出严苛的要求。相对于柔性多层带材的滤波器，硬质陶瓷材料能很好地改善差模电容不足问题，将第三种结构运用于环形滤波器中，有利于改善滤波效果，提高功率密度。

鉴于如上原因，本文基于环形LC单元，通过适当连接方式实现“差模电容”、“共模电感”和“差模电感”的集成，本文称之为“三参数功能模块”，并探索该类新型模块化的参数组合特性，并将其置于阻抗匹配的小功率变换系统中进行实验验证。

2 三参数元件(LCM、LDM、CDM)的集成原理

2.1 环形感容单元(LC)

LC单元是组成环形 EMI滤波器的基本单元［6］，如图1所示，其结构是在高介电常数的陶瓷板两侧镀上均匀的螺旋线，一般有两种结构:正反面螺旋方向相同和正反面螺旋方向相反，采用何种结构根据具体连接要求和实现功能而定。

图1 环形LC单元Fig．1 Annular LC unit

由于环形EMI滤波器旋转任意角度均对称，单元之间的连接可以通过“过孔”实现交错并联［7］，从而不影响其平面性，实现无缝连接。同时，可通过某一单元的多片交错连接增加电感和电容值，使其达到滤波要求。

2.2 “共模电感”LCM+“差模电容”CDM的形成

LC单元中，每一部分的电感之间都存在着耦合。当通入共模电流时，电流分布如图2所示，设A、B为输入，C、D为输出。

图2 共模电流分布Fig．2 Distribution of CM current

保持上下绕组的完全对称。当其通入共模电流时，由于绕组完全对称，使得每个单元的电压降ΔUi完全相同，其分布电容上的两端电压为零，不体现充放电的效应。故当通入共模电流时，可以忽略LC单元的电容效应，只是等效为两个互相耦合的平面线圈，如图3所示。

当磁心的相对磁导率非常高时，平面电感间耦合系数接近1，图3的电感相当于一个电感线圈的双线并绕。因此，其电感值相当于单层线圈的“部分”电感之和。

图3 LC单元共模时的等效电感模型Fig．3 Equivalent model of LC unit under CM current

当其通入差模电流时，LC单元内电流分布如图4所示。

图4 差模电流分布Fig．4 Distribution of DM current

则由KCL可得任意电感单元上的电流为:

同时，根据KVL可得任意电感单元上的感应电动势为:

若令M=Li(i=1、2、…、n)，则

由于电感的感应电动势为零，所以分析时可以将分布电感去除，若忽略错位电容间的容值效应，当通入差模电流时LC单元可以视为一个电容如图5所示，其容值大小为多个“部分”电容并联后的电容值。

图5 LC单元差模时的等效电容模型Fig．5 Equivalent model of LC unit under DM current

2.3 差模电感LDM的形成

将LC单元置于罐形磁心中，其截面图如图6所示。

图6 环形LC单元截面Fig．6 Cross section of annular LC unit

其中，上半平面绕组和下半平面绕组完全对称，均为N1匝，金属绕组厚度分别为l1和l3，陶瓷板厚度为l2，螺旋线宽l4，且流过上下绕组的电流分别设为I1和I2。LC单元本质上是一种传输线结构［8］，因此环形线圈的电容、电感分布均匀。

以图6所示模型为例，上层绕组的金属层上端为参考零点，罐形磁心的轴向为z轴，直径方向为r轴，磁场强度变化方向设为x轴，且理想的螺旋线其截面为矩形。取单匝线圈截面，可根据安培环路定律确定上层线圈，陶瓷基板和下层线圈［9］所对应的环路，如图7所示。

图7 单匝线圈环路Fig．7 Loop of single turn

根据安培环路定律:

其中，B垂直于环路中的bc和ad两边，cosθ=0，且LC单元片外B=0。

因此，可得磁场强度分布为:

其余同理，其余两层的磁场强度为:

推广至N1匝时，上下层绕组及其中间的陶瓷基板层的空间储能分别为Wl1，Wl2和Wl3，则:

式中，l为每匝线圈的平均长度。

漏感是由上下层不对称的共模电感引起，其能量为上层共模绕组输入到单元又不参与能量传输的全部磁能，其计算公式为:

3 三参数集成元件基本连接方式及其运用

3.1 三参数集成的基本连接方式

基于如上原理，本文针对环形LC单元提出了一种新的集成结构。将两个LC基本单元完全置于磁心内，其线圈连接方式如图8所示，采用两片或多片LC单元相连是为了弥补单片共模电感的不足，共模电容由外接分立元件组成。

图8 新型结构连接Fig 8 New connection for LC unit

在差模电流下，基本结构的有效匝数为零，即主磁通为零，仅相当于两个差模电容，差模电感依靠漏感实现;而在共模电流下，两者的主磁通相互增强，两个基本单元相互耦合，故能形成很大的共模电感。

该结构集成了差模电容和共模电感，其在差模电流和共模电流作用下的分布参数电路分别如图9和图10所示。

图9 差模电流下参数的等效模型Fig．9 Equivalent model of DM current

图10 共模电流下参数的等效模型Fig．10 Equivalent model of CM current

3.2 三参数集成结构的应用

针对于如图11结构的EMI滤波器，前半部分由共模电感和差模电容构成，可采用本文提出的新型集成模块。在共模电流下，上下两个LC单元线圈的主磁通相互加强，能形成很大的共模电感。同时，将共模电感和差模电容的连接作为模块，通过模块的级联可以同时增大共模电感和差模电容，使之达到滤波器的设计要求。

图11 级联参数电路Fig．11 Schematic of cascade parameter circuit

当通入电流时，该滤波器的等效差模电路和共模电路如图12所示，等效共模电感L'CM为流入共模电流后两个共模电感耦合在共模滤波结构中体现的共模电感值，等效差模电感L'DM为流入差模电流后两个差模电感耦合在差模滤波结构中体现的差模电感值。

图12 差、共模结构等效模型Fig．12 Equivalent models of CM and DM structure

其中，新型模块中，差模电容值为:

其中，n为级联的新型单元模块数;ε0为空气介电常数;εr为基本单元中陶瓷基板的相对介电常数;l0为绕组总长度;ω为绕组宽度;d为基本单元的陶瓷基板厚度。

当流入共模电流时，单片LC单元上下两个绕组产生的磁通量相互叠加，其等效共模电感为:

其中，F为磁动势;N1为LC单元的匝数;Rm为磁心磁阻;iCM为输入共模电流。将式(13)、式(14)代入式(12)得:

推广到n个单元，则相应的共模电感为:

4 集成结构滤波器噪声抑制

本文以环形LC单元为例，其结构尺寸如表1所示。

表1 LC单元基本参数Tab．1 Basic parameters of LC unit

采用文中所示的新型连接结构，并将其放置于磁芯中，通过磁心侧面的孔引出导线，采用Agilent4395A网络分析仪对其差模电容和共模电感进行分析。测试实验平台及结果曲线分别如图13和图14所示，保证测试模块的引线长度较短。

图13 测试实物Fig．13 Real EMI filter for test

图14 LC单元实测基本参数Fig．14 Basic parameters of LC unit

其中，三片LC单元通过过孔技术对应端子相连即可达到差模电容的设计要求，共模电感可通过外加PCB板的LC单元串联实现，设计方便快捷。

图15是对一个300W的电源中PFC电路噪声测试，同时也给出了加入滤波器后的噪声测量波形，可以看出加入滤波器后噪声衰减非常明显。300W的电源PFC电路的测试环境如图15所示。

通过LISN及频谱分析仪测出300W的PFC电路的差、共模噪声。基于Delphi语言，本团队自主研发出一套软件(Filter)用于噪声标准的选定、电磁干扰的导入及处理，并对最终的EMI滤波器优化设计具有很好的参考意义。采用Filter软件处理后，测试噪声如图16所示，采用欧盟工业电磁干扰标准线，可以看出在不加滤波器的情况下，从150kHz～ 1MHz这一频段内，共模噪声在低频段超出标准线，而差模噪声在整个频段内都符合要求。

图15 测试环境Fig．15 Test environment

图16 未加滤波器噪声测试结果Fig．16 Test result without EMI filter

新型连接方式下的EMI滤波器，由于共模电容单独由外部接入，可取较大值。当仅从参数优化的角度来看，在源阻抗和负载阻抗一定的条件下，共模电感和共模电容的乘积越大，对共模噪声的滤波效果越好。

加入EMI滤波器以后，共模噪声得到了有效的抑制，如图17所示，几乎所有频段的噪声均符合标准，尤其是共模噪声得到了很好的抑制。

图17 加入EMI滤波器后的噪声测量图Fig．17 Test result with EMI filter

5 结论

以LC单元的新型连接方式为研究对象，提出了可同时改善共模电感和差模电容的方法，从而解决了EMI滤波器设计中两者不足的问题，优化了滤波器的性能，具体得到如下结论:

(1)LC单元是实现EMI滤波器的重要单元之一，根据噪声的不同频段，采用不同的连接方式连接LC单元，实现不同的参数集成，从而改善EMI滤波器的滤波效果。

(2)通过对新型连接方式的分析可知，该种三参数集成结构很大程度地增加了共模电感值，同时对差模电容值也有所影响。

(3)采用新型连接方式集成EMI滤波器，运用于小功率的电源PFC电路中，对噪声具有良好的抑制效果。

［1］钱照明，程肇基 (Qian Zhaoming，Cheng Zhaoji)．电力电子系统电磁兼容设计基础及干扰抑制技术 (EMC design and interference suppression technology in power electronic system)［M］．杭州:浙江大学出版社 (Hangzhou:Zhejiang University Press)，2000．

［2］王世山，朱叶，周小林，等 (Wang Shishan，Zhu Ye，Zhou Xiaolin，et al．)．圆环线匝构成的平面共模EMI滤波器的特性研究 (Characteristics research for planar CM EMI filter based on toroidal LC coil)［J］．电工技术学报 (Transactions of China Electrotechnical Society)，2011，26(11):68-73．

［3］R Chen，J D van Wyk，S Wang，et al．Planar electromagnetic integrated technologies for integrated EMI filters［A］．Industry Applications Conference，38th IAS Annual Meeting［C］．2003．3:1582-1588．

［4］陈谦，胡长生，邓成，等 (Chen Qian，Hu Changsheng，Deng Cheng，et al．)．基于多层柔性带材3kW全集成EMI滤波器 (3kW completely-integrated EMI filter based on flexible multi-layer foil) ［J］．电源学报(Journal of Power Supply)，2012，(2):76-83．

［5］温志伟 (Wen Zhiwei)．基于柔性带材的集成EMI滤波器设计 (Design of the integrated EMI filter based on flexible multi-layer foil)［D］．杭州:浙江大学 (Hangzhou:Zhejiang University)，2010．

［6］王世山，朱叶，沈湛 (Wang Shishan，Zhu Ye，Shen Zhan)．构成平面EMI滤波器元件电磁参数的提取(Extraction of magnetic parameters for elements consisting of planar EMI filters) ［J］．中国电机工程学报 (Proceedings of the CSEE)，2012，32(21):146-152．

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［8］Rengang Chen．Integrated EMI filters for switch mode power supplies［D］．Blacksburg，Virginia:Virginia Polytechnic Institute and State University，2004．

［9］朱叶，王世山 (Zhu Ye，Wang Shishan)．环形平面EMI滤波器差模电感的提取与实现 (Extraction and implementation of differential mode inductor in annular EMI filter)［J］．电工电能新技术 (Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy)，2012，31 (3):40-44．

Application of planar LC unit with integrated three parameters in switching power supply

GONG Min，WANG Shi-shan，SONG Zheng
(Jiangsu Key Laboratory of New Energy Generation and Power Conversion，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China)

The model composed of‘induction’and‘capacitance’(‘LC’unit)is an important component of EMI filter and it can integrate different parameters with different connection modes．In order to improve the characteristics of common mode filter，a new LC unit which realizes the integration of common mode inductor(LCM)，differential mode inductor(LDM)and differential mode capacitor(CDM)is presented in this paper．When the common mode current is entering，the capacitance effect can be ignored since the upper and lower coils are completely symmetrical，and finally the LC unit can be equivalent to two parallel coil;when the differential mode current is ente-ring，the effect of inductance can be ignored since the voltage distribution of the inductor is zero．Similarly，the LC unit can be equivalent to a capacitor．Based on the analysis of the coupling modes，the equivalent circuits are given in this paper．Meantime，the dislocation connection technology is adopted to complete the EMI filter．Finally，the LC unit which is connected by the new way will be used in the low power PFC supply．The effectiveness and the superiority of the new structure are verified by experiment．

LC unit;differential mode current;common mode current;low power PFC circuit

TN713.4

A

1003-3076(2015)09-0050-07

2013-11-13

国家自然科学基金(51177071)、台达环境与教育基金会《电力电子科教发展计划》(DREK2013004)资助项目

龚 敏(1989-)，女，江苏籍，硕士研究生，研究方向为电力电子与电磁兼容;

王世山(1967-)，男，陕西籍，副教授，博士，研究方向为电磁场数值计算与电力电子电磁兼容。