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1 第 36 卷 第 9 期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.36 No.9 May 5, 年 5 月 5 日 Proceedings of the CSEE 26 Chin.Soc.for Elec.Eng. DOI:.3334/j pcsee 文 章 编 号 : (26) 中 图 分 类 号 :TN 73 基 于 多 物 理 场 耦 合 特 性 的 集 成 式 母 线 型 EMI 滤 波 器 设 计 周 峰, 王 世 山, 孟 小 利 ( 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 省 南 京 市 26) The Design of Integrated Bus-bar EMI Filter Based on the Coupling Characteristics of Multi-physical Fields ZHOU Feng, WANG Shishan, MENG Xiaoli (Jiangsu Key Laboratory of New Energy Generation and Power Conversion (Nanjing University of Aeronautics and Astronautics), Nanjing 26, Jiangsu Province, China) ABSTRACT: Electromagnetic interference (EMI) filter is an important approach to suppress conducting EMI noise in power electronic systems. Different from traditional discrete EMI filters, integrated EMI filters usually have much smaller size and better high frequency performance, which have brought them a lot of attention. In this paper, a new type integrated EMI filter, bus-bar EMI filter, is presented. The bus-bar EMI filter is the combination of transmission line and EMI filter, which can use skin effect and proximity effect to achieve the separation of work current and EMI noise current, the separated noise current is attenuated by both reflection and dissipation afterwards. With the use of finite elements method (FEM) and taken the multi-physical fields characteristics of bus-bar EMI filter into consideration, this paper has presented the systematic process of designing a bus-bar EMI filter, including choosing materials, designing electrical and structure parameters, testing noise suppression effect and temperature rise. For some important parameters, such as the thickness of nickel and the max current density applying to the filter, this paper has also given the detailed calculation method and the suggesting value. The noise suppression test and the temperature rise test show that bus-bar EMI filter has a promising application value. KEY WORDS: electromagnetic interference (EMI); EMI filter; bus-bar EMI filter; finite elements method (FEM); multi-physical coupled fields 基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 (5777); 台 达 环 境 与 教 育 基 金 会 电 力 电 子 科 教 发 展 计 划 资 助 (DREK234); 航 空 基 金 资 助 ( ) Project Supported by National Natural Science Foundation of China (5777); Education Development Program of Delta Environmental & Educational Foundation (DREK234); Foundation of Graduate Innovation Center in NUAA ( ). 摘 要 : 电 磁 干 扰 (electro magnetic interference,emi) 滤 波 器 是 一 种 抑 制 电 力 电 子 系 统 中 传 导 电 磁 干 扰 的 重 要 手 段, 其 中 集 成 式 EMI 滤 波 器 由 于 体 积 小 高 频 性 能 好 等 优 点 得 到 广 泛 关 注 该 文 介 绍 了 一 种 新 型 集 成 式 母 线 型 EMI 滤 波 器, 这 种 滤 波 器 将 传 输 线 与 滤 波 器 相 结 合, 通 过 金 属 导 体 的 集 肤 与 邻 近 效 应 对 低 频 工 作 电 流 与 高 频 噪 声 电 流 进 行 分 离, 并 对 噪 声 电 流 实 现 反 射 与 耗 散 双 重 衰 减 论 文 采 用 有 限 元 法, 综 合 考 虑 了 母 线 型 EMI 滤 波 器 磁 - 热 - 流 体 多 物 理 耦 合 场 特 性, 从 材 料 选 择 电 气 及 结 构 参 数 设 计 滤 波 性 能 分 析 温 升 特 性 分 析 等 方 面 对 滤 波 器 进 行 了 系 统 性 的 设 计, 对 滤 波 器 镀 层 结 构 及 厚 度 滤 波 器 最 大 工 作 电 流 密 度 等 具 有 工 程 应 用 价 值 的 参 数 进 行 了 详 细 计 算, 并 给 出 了 参 考 数 值 母 线 型 EMI 滤 波 器 滤 波 测 试 效 果 及 温 升 实 验 表 明 滤 波 器 具 有 较 好 的 滤 波 性 能 和 较 强 的 载 流 能 力, 具 有 进 一 步 开 发 并 实 际 应 用 的 前 景 关 键 词 : 电 磁 干 扰 ;EMI 滤 波 器 ; 母 线 型 EMI 滤 波 器 ; 有 限 元 法 ; 多 物 理 耦 合 场 引 言 在 电 力 电 子 功 率 变 换 系 统 中, 电 磁 干 扰 (electro magnetic interference,emi) 滤 波 器 是 一 种 抑 制 系 统 传 导 干 扰 的 有 效 手 段 [-2] 传 统 EMI 滤 波 器 由 无 源 器 件 电 感 电 容 构 成, 往 往 在 功 变 换 器 中 占 据 较 大 空 间, 这 种 现 象 在 大 功 率 变 换 系 统 中 尤 为 突 出, 为 此 国 内 外 很 多 学 者 对 EMI 滤 波 器 的 集 成 技 术 进 行 了 大 量 研 究 弗 吉 尼 亚 理 工 大 学 研 究 团 队 提 出 了 一 种 以 矩 形 感 容 集 成 模 块 为 基 础 模 块 的 平 面 型 滤 波 器, 该 滤 波 器 拥 有 较 好 的 高 频 段 性 能, 同 时 体 积 比 传 统 结 构 减 小 超 过 3% [3-5] 浙 江 大 学 研 究 团 队 对 基 于 柔 性 多 层 带 材 绕 组 的 集 成 EMI 滤 波 器 结 构

2 第 9 期 周 峰 等 : 基 于 多 物 理 场 耦 合 特 性 的 集 成 式 母 线 型 EMI 滤 波 器 设 计 2495 进 行 了 研 究 [6-8] 西 安 交 通 大 学 研 究 团 对 应 用 于 集 成 模 块 的 有 源 EMI 滤 波 器 进 行 了 相 关 探 索 [9] 本 课 题 组 曾 提 出 一 种 圆 环 形 平 面 EMI 滤 波 器 [-2], 其 原 理 与 文 献 [3-5] 提 出 的 矩 形 模 块 滤 波 器 相 似, 但 在 电 磁 特 性 结 构 强 度 方 面 有 着 更 好 的 表 现 华 中 科 技 大 学 研 究 团 队 为 一 个 三 相 电 机 驱 动 系 统 设 计 了 一 种 直 流 母 线 型 滤 波 器 [3-4], 将 直 流 母 线 和 EMI 滤 波 器 相 结 合, 进 一 步 提 高 了 系 统 功 率 密 度 本 课 题 组 所 研 究 的 母 线 型 EMI 滤 波 器 采 用 了 类 似 于 文 献 [3-4] 中 的 基 本 结 构, 但 在 镀 镍 方 式 和 陶 瓷 材 料 选 择 上 做 了 改 进, 使 得 滤 波 器 有 着 更 好 的 高 频 特 性 目 前, 对 母 线 型 EMI 滤 波 器 开 展 的 研 究 多 集 中 于 滤 波 器 的 材 料 特 性 的 研 究 等 效 电 路 建 模 电 磁 参 数 提 取 等 方 面 [5-6], 对 母 线 型 EMI 滤 波 系 统 性 的 设 计 尚 未 有 人 涉 及 此 外, 集 成 式 滤 波 器 等 电 气 设 备 工 作 性 能 的 好 坏 往 往 是 电 磁 热 流 体 等 多 物 理 场 效 应 综 合 作 用 的 结 果, 传 统 解 析 法 难 以 对 这 类 问 题 进 行 精 确 描 述 有 限 元 法 是 解 决 这 类 多 物 理 场 问 题 的 有 效 手 段 之 一, 已 在 电 气 工 程 领 域 的 电 机 [7-8] 电 力 系 统 [9] 设 备 性 能 分 析 与 设 计 等 方 面 得 到 广 泛 应 用 采 用 有 限 元 法 对 集 成 式 滤 波 器 的 多 物 理 耦 合 场 特 性 进 行 研 究 也 是 本 文 的 主 要 研 究 内 容 之 一 因 此, 本 文 将 以 母 线 型 EMI 滤 波 器 为 研 究 对 象, 基 于 有 限 元 法 的 多 物 理 场 分 析, 系 统 性 地 给 出 母 线 型 EMI 滤 波 器 的 设 计 方 法, 并 将 滤 波 器 理 论 计 算 结 果 与 相 关 实 验 结 果 进 行 比 较 母 线 型 EMI 滤 波 器 基 本 原 理 与 材 料 选 择. 母 线 型 EMI 滤 波 器 基 本 结 构 与 原 理 与 传 统 反 射 式 EMI 滤 波 器 不 同, 母 线 型 EMI 滤 波 器 能 将 功 率 变 换 系 统 中 的 传 导 干 扰 噪 声 电 流 与 工 作 电 流 进 行 分 离, 并 对 噪 声 电 流 进 行 反 射 和 耗 散 双 重 衰 减, 母 线 型 EMI 滤 波 器 的 集 成 母 线 结 构 如 图 所 示 输 入 陶 瓷 ; 耗 散 金 属 层 ; 铜 输 出 图 母 线 型 EMI 滤 波 器 集 成 母 线 结 构 Fig. Integrated structure of bus-bar EMI filter 母 线 型 EMI 滤 波 器 集 成 母 线 由 差 共 模 基 本 单 元 和 载 流 导 体 构 成, 其 中, 基 本 单 元 由 高 介 电 常 数 的 陶 瓷 材 料 两 面 镀 上 耗 散 能 力 较 强 的 金 属 制 成, 载 流 导 体 为 导 电 性 能 良 好 的 铜 条, 铜 条 表 面 同 样 镀 有 与 陶 瓷 表 面 相 同 的 金 属 镀 层, 三 块 差 共 模 基 本 单 元 分 别 位 于 两 根 载 流 导 体 的 上 中 下 位 置, 根 据 其 具 体 功 能 的 不 同 可 以 定 义 为 共 模 (common mode, CM) 模 块 与 差 模 (differential mode,dm) 模 块 当 滤 波 器 接 入 功 率 变 换 系 统 中 后, 电 流 从 载 流 导 体 中 流 通 对 于 远 远 高 于 工 作 频 率 的 共 模 噪 声 电 流, 在 集 肤 效 应 的 作 用 下, 噪 声 电 流 将 会 流 向 铜 条 外 侧 的 高 耗 散 性 能 的 金 属 层 中, 从 而 被 该 金 属 层 耗 散 ; 位 于 滤 波 器 上 下 两 处 的 基 本 单 元 相 当 于 共 模 电 容, 对 高 频 共 模 噪 声 进 行 反 射 对 于 差 模 噪 声 电 流, 在 邻 近 效 应 的 作 用 下, 噪 声 电 流 将 会 流 向 铜 条 内 侧 的 耗 散 金 属 层, 被 金 属 层 耗 散, 同 时 被 位 于 滤 波 器 中 部 的 基 本 单 元 反 射 共 模 与 差 模 噪 声 路 径 如 图 2 所 示 (a) CM (b) DM 图 2 噪 声 路 径 Fig. 2 Noise transmission path 母 线 型 EMI 滤 波 器 对 噪 声 电 流 的 反 射 功 能 是 通 过 差 共 模 单 元 提 供 的 电 容 和 电 感 完 成, 其 中 较 大 电 容 量 的 集 成 相 对 容 易 实 现, 但 母 线 部 分 能 够 提 供 的 电 感 量 非 常 有 限, 因 而 在 应 用 于 中 低 频 场 合 时, 需 要 通 过 共 模 扼 流 圈 进 行 电 感 补 充, 相 关 内 容 将 在 论 文 3..3 节 进 行 阐 述.2 母 线 型 EMI 滤 波 器 的 材 料 选 择 母 线 型 EMI 滤 波 器 的 材 料 选 择 主 要 包 括 陶 瓷 材 料 和 耗 散 金 属 两 部 分 母 线 型 EMI 滤 波 器 为 实 现 对 噪 声 电 流 的 充 分 反 射 需 要 滤 波 器 提 供 较 大 的 电 容 集 成 量 母 线 型 EMI 滤 波 器 中, 差 共 模 基 本 单 元 由 高 介 电 常 数 的 陶 瓷 基 板 上 下 两 面 镀 上 耗 散 金 属 制 成 忽 略 边 缘 效 应, 差 共 模 单 元 可 视 为 平 行 板 电 容 器, 其 值 为 ε S εr C = () h 式 中 :ε 为 真 空 介 电 常 数 ;ε r 为 陶 瓷 基 板 相 对 介 电 常 数 ;S 为 镍 层 有 效 面 积 ;h 为 基 板 厚 度

3 2496 中 国 电 机 工 程 学 报 第 36 卷 因 而, 母 线 型 EMI 滤 波 器 所 用 陶 瓷 材 料 在 保 证 其 具 有 足 够 机 械 强 度 耐 压 性 能 的 前 提 下, 需 拥 有 较 高 的 介 电 常 数, 以 期 在 参 数 要 求 一 定 的 情 况 下, 有 效 减 小 滤 波 器 体 积 钛 酸 钡 陶 瓷 介 电 常 数 高, 随 频 率 变 化 稳 定 性 好, 因 而 本 文 母 线 型 EMI 滤 波 器 陶 瓷 基 板 选 用 钛 酸 钡 材 料 进 行 烧 制 母 线 型 EMI 滤 波 器 对 工 作 电 流 与 噪 声 电 流 的 分 离 是 通 过 集 肤 效 应 与 邻 近 效 应 对 不 同 频 率 电 流 的 选 择 作 用 来 实 现 的 不 同 频 率 的 电 流 在 导 体 中 的 集 肤 深 度 为 d = (2) π f σμ 式 中 :σ 为 导 体 的 电 导 率 ;μ 为 导 体 的 磁 导 率 低 频 的 工 作 电 流 与 数 兆 赫 兹 的 噪 声 电 流, 其 频 率 相 差 6 级, 集 肤 深 度 相 差 3 级, 运 用 这 一 效 应 可 以 实 现 低 频 工 作 电 流 与 高 频 噪 声 电 流 的 分 离 邻 近 效 应 对 工 作 和 噪 声 电 流 的 分 离 作 用 也 随 着 频 率 差 别 的 增 大 而 更 加 明 显 母 线 型 EMI 滤 波 器 镀 层 金 属 对 噪 声 电 流 的 耗 散 能 力 可 以 通 过 其 交 流 电 阻 R ac 来 体 现, 在 集 肤 深 度 d 下 : Rac = (3) 2σ wd 式 中 w 为 导 体 宽 度 由 式 (2) (3) 可 知, 导 体 对 电 流 的 选 择 和 耗 散 能 力 与 导 体 的 电 导 率 σ 及 磁 导 率 μ 相 关 几 种 常 见 金 属 的 体 电 导 率 和 相 对 磁 导 率 如 表 尺 寸 相 关, 且 采 用 了 铜 镍 两 种 金 属 作 为 载 流 导 体, 滤 波 器 电 流 分 布 特 征 损 耗 特 性 及 工 作 温 升 情 况 复 杂, 因 此, 在 滤 波 器 参 数 设 计 之 初 需 要 对 其 磁 热 流 体 多 物 理 耦 合 场 进 行 综 合 分 析, 为 实 际 设 计 提 供 参 考 2. 时 谐 磁 场 有 限 元 分 析 2.. 时 谐 场 有 限 元 模 型 及 边 值 问 题 对 于 本 文 所 研 究 的 电 感 增 强 型 母 线 型 EMI 滤 波 器 而 言, 其 组 成 部 分 包 括 内 部 的 集 成 母 线 部 分 和 外 部 共 模 扼 流 圈 滤 波 增 强 部 分 结 构 上, 滤 波 器 前 后 左 右 对 称, 据 此 可 建 立 其 /4 模 型 以 简 化 分 析 为 充 分 考 虑 端 部 空 气 对 滤 波 器 热 流 体 场 的 影 响, 本 文 建 立 了 包 括 空 气 层 在 内 的 滤 波 器 多 物 理 场 3D 有 限 元 模 型 为 保 证 理 论 计 算 的 准 确 性, 模 型 尺 寸 与 实 物 保 持 一 致, 线 圈 部 分 的 建 模 采 用 的 是 等 体 积 的 铜 块 进 行 等 效 滤 波 器 多 物 理 场 3D 有 限 元 模 型 滤 波 器 3D 有 限 元 网 格 剖 分 分 别 如 图 3 4 所 示 S ( 左 ) S 2( 后 ) S 4( 右 ) S 3( 前 ) 图 3 母 线 型 EMI 滤 波 器 多 物 理 场 有 限 元 模 型 Fig. 3 Multi-physics FEM model of bus-bar EMI filter 表 常 用 导 体 电 导 率 与 相 对 磁 导 率 Tab. Conductivity and relative permeability of several conductors 材 料 σ /( 7 S/m) μ r σμ r /7 银 铜 铁 镍 由 表 可 知, 对 于 某 一 特 定 频 率 电 流, 镍 有 最 大 的 σμ r, 即 最 浅 的 集 肤 深 度, 因 而 具 有 最 强 的 噪 声 电 流 选 择 能 力 同 时, 镍 也 具 有 较 小 的 电 导 率, 能 够 实 现 对 噪 声 电 流 的 有 效 耗 散 综 合 以 上 两 个 因 素, 本 文 选 择 镍 作 为 镀 层 金 属 2 滤 波 器 多 物 理 耦 合 场 有 限 元 模 型 集 成 式 母 线 型 EMI 滤 波 器 电 磁 参 数 与 其 结 构 图 4 母 线 型 EMI 滤 波 器 有 限 元 网 格 剖 分 Fig. 4 Meshing of bus-bar EMI filter 母 线 型 EMI 滤 波 器 中 包 含 铜 镍 金 属 导 体, 进 行 时 谐 磁 场 分 析 时, 必 须 要 考 虑 导 体 中 的 涡 流 效 应, 因 而, 在 考 虑 涡 流 效 应 的 母 线 导 体 区 域 选 择 矢 量 磁 位 A 和 时 间 积 分 电 势 V 作 为 自 由 度 (degree of freedom,dof), 而 对 于 不 考 虑 涡 流 效 应 的 线 圈 区 域 以 及 陶 瓷 空 气 等 非 导 体 区 域 选 择 A 为 DOF 即

4 第 9 期 周 峰 等 : 基 于 多 物 理 场 耦 合 特 性 的 集 成 式 母 线 型 EMI 滤 波 器 设 计 2497 可 对 于 共 模 电 感 而 言, 工 作 电 流 产 生 的 磁 通 相 互 抵 消, 且 噪 声 电 流 幅 值 远 远 小 于 工 作 电 流, 因 此 共 模 电 感 磁 芯 中 的 磁 滞 损 耗 及 涡 流 损 耗 可 以 忽 略 不 计, 故 将 本 文 磁 芯 视 作 理 想 绝 缘 体 进 行 处 理, 同 样 选 择 A 为 DOF 对 于 陶 瓷 空 气 磁 芯 等 非 导 体 区 域, 矢 量 磁 位 A 满 足 拉 普 拉 斯 方 程 : A A A x y z + + = (4) 对 于 线 圈 导 体 区 域, 矢 量 磁 位 A 满 足 泊 松 方 程 : A A A x y z + + = - μj (5) 对 于 其 他 导 体 区 域, 矢 量 磁 位 A 和 时 间 积 分 电 势 V 满 足 : jωμ μ + + = μ s + A A A A J V (6) x y z ρ ρ 式 中 :ω 为 时 谐 磁 场 的 角 频 率 ;ρ 为 导 体 电 阻 率 ; μ 为 导 体 磁 导 率 ; J 为 导 体 区 域 中 的 电 流 密 度 s 对 于 母 线 型 EMI 滤 波 器 中 的 铜 镍 载 流 导 体 部 分, 需 耦 合 导 体 电 流 流 入 端 面 的 V olt 自 由 度, 在 入 端 面 节 点 加 载 总 电 流, 同 时 定 义 电 流 流 出 端 面 V olt 为 ; 对 于 不 流 通 电 流 的 滤 波 器 上 下 镀 镍 层 部 分, 为 计 及 导 体 的 涡 流 效 应, 耦 合 导 体 前 后 端 面 的 V olt 自 由 度 ; 对 于 磁 芯 线 圈 导 体 部 分, 只 需 分 段 加 载 与 实 际 电 流 方 向 一 致 的 电 流 密 度 在 有 限 元 整 体 模 型 外 部, 在 对 称 面 S 上 设 置 磁 力 线 垂 直 边 界 条 件, 在 对 称 面 S 2 上 设 置 磁 力 线 平 行 边 界 条 件 ; 在 远 端 外 部 空 气 S 3 面 上, 令 A x = A y = A z =, 在 无 限 远 单 元 S 4 面 上 设 置 无 限 远 边 界 2..2 导 体 损 耗 求 解 母 线 型 EMI 滤 波 器 镀 层 结 构 厚 度 的 确 定 及 滤 波 器 大 电 流 工 况 下 的 热 流 体 场 的 求 解 均 需 滤 波 器 各 部 分 导 体 损 耗 作 为 分 析 基 础 在 求 解 区 域 内, 通 过 有 限 元 法 求 解 式 (6) 得 到 其 时 谐 磁 场 的 自 由 度 A 和 V, 则 导 体 中 的 涡 流 密 度 为 jω A+ V J e = (7) ρ 涡 流 损 耗 的 功 率 体 密 度 为 p e 2 e s = ρ J (8) 若 导 体 加 载 电 流 为 I s 或 电 流 密 度 J s, 则 加 载 电 流 所 产 生 的 损 耗 为 p dc I s 2 2 = ρ( ) = ρ Js (9) S 对 于 离 散 的 有 限 元 单 元, 可 求 得 每 个 单 元 的 p e + p dc, 则 单 位 长 度 导 体 总 损 耗 为 N N T = T, i = ( e, i + dc, i) i i= i= () P p p p V 式 中 V i 为 每 个 剖 分 单 元 的 体 积 2.2 热 流 体 场 有 限 元 边 值 问 题 母 线 型 EMI 滤 波 器 热 源 来 自 于 各 层 金 属 的 功 率 损 耗 及 磁 芯 电 感 功 率 损 耗, 并 以 传 导 对 流 及 辐 射 3 种 方 式 散 热, 对 其 热 流 体 场 的 求 解 是 滤 波 器 各 部 件 内 以 传 导 换 热, 滤 波 器 各 部 件 表 面 和 周 围 空 气 通 过 自 然 对 流 和 辐 射 换 热 的 流 固 耦 合 计 算 问 题 对 于 无 内 部 热 源 的 区 域, 如 陶 瓷 层 及 空 气 区 域, 满 足 温 控 方 程 : T T T + + = x y z 式 中 T 为 点 (x, y, z) 处 温 度, () 对 于 有 热 源 的 导 体 区 域, 如 铜 镍 导 体 层 和 线 圈 部 分, 满 足 温 控 方 程 : T T T x y z p V = (2) 式 中 p V 为 热 功 率 体 密 度 对 于 母 线 部 分 流 通 工 作 电 流 的 铜 镍 导 体, 热 功 率 体 密 度 p V 包 含 直 流 功 率 体 密 度 p dc 和 涡 流 功 率 体 密 度 p e ; 对 于 不 考 虑 涡 流 损 耗 的 线 圈 部 分, 仅 存 在 直 流 功 率 体 密 度 p dc ; 对 于 未 加 载 工 作 电 流 的 金 属 导 体, 即 滤 波 器 最 上 层 和 最 下 层 镀 镍 层, 仅 有 涡 流 损 耗 体 密 度 p e ; 共 模 电 感 的 磁 芯 部 分 由 于 工 作 电 流 磁 通 相 互 抵 消, 仅 存 在 由 于 漏 磁 而 导 致 的 磁 滞 损 耗 和 涡 流 损 耗, 其 数 值 相 对 于 线 圈 铜 损 而 言 很 小, 本 文 对 这 部 分 损 耗 不 予 考 虑 对 流 传 热 发 生 在 空 气 与 固 体 介 质 的 分 界 面 处, 其 自 由 度 满 足 质 量 守 恒 方 程 动 量 守 恒 方 程 和 能 量 守 恒 方 程, 如 式 (3) (5) v = (3) 式 中 v 为 空 气 速 度 矢 量 P 2 ( v ) v = f + η v (4) ρ

5 2498 中 国 电 机 工 程 学 报 第 36 卷 式 中 :ρ 为 空 气 密 度 ;η 为 空 气 粘 度 系 数 ;P 为 空 气 压 强 ;f 为 空 气 的 质 量 力, 对 于 母 线 型 EMI 滤 波 器, 仅 存 在 y 方 向 的 分 量 ( 设 地 面 垂 直 向 上 为 +y 方 向 ) ρ 2 cv ( T) λ T pv = + (5) 式 中 c 为 空 气 比 热 容 工 程 计 算 中, 辐 射 传 热 和 对 流 传 热 具 有 同 样 的 数 量 级, 因 而 辐 射 传 热 的 作 用 不 可 忽 略 母 线 型 EMI 滤 波 器 表 面 的 热 辐 射 取 决 于 物 体 表 面 温 度 相 对 辐 射 系 数 和 换 热 面 积 其 中, 辐 射 系 数 基 本 恒 定, 在 散 热 面 积 一 定 的 情 况 下, 热 体 向 周 围 空 间 散 热 总 量 为 Q = (6) 4 ( σεti Si) i 式 中 :σ 为 Stefan 常 数 ;ε 为 辐 射 系 数, 对 一 定 材 料 基 本 为 常 数 ;T i 为 辐 射 物 体 表 面 的 绝 对 温 度 ;S i 为 辐 射 物 体 表 面 积 对 于 母 线 型 EMI 滤 波 器, 其 热 流 体 场 边 界 条 件 设 置 如 下 : 左 右 对 称 轴 面 S 上 空 气 流 速 水 平 速 度 分 量 为 ; 前 后 对 称 轴 面 S 2 上 空 气 流 速 Z 方 向 速 度 分 量 为 ; 滤 波 器 表 面 流 体 速 度 为 ; 边 界 面 S 3 和 S 4 上 空 气 相 对 压 力 为, 温 度 为 环 境 温 度 这 里 需 要 说 明 的 是, 在 进 行 热 流 场 分 析 时, 不 包 含 时 谐 场 分 析 中 的 无 限 远 单 元, 因 而 这 里 的 S 3 S 4 面 指 的 是 删 除 无 限 远 单 元 后 剩 余 流 体 单 元 的 对 应 位 置 的 面 2.3 磁 热 流 体 场 耦 合 与 收 敛 判 定 母 线 型 EMI 滤 波 器 中 铜 镍 导 体 的 电 阻 率 会 直 接 影 响 到 滤 波 器 中 的 电 流 分 布 及 损 耗, 电 阻 率 的 大 小 与 金 属 导 体 温 度 有 关 铜 镍 不 同 温 度 下 的 电 阻 率 为 ρ = ρ [ + α ( T 2)] (7) T 2 式 中 :ρ T 为 铜 镍 导 体 在 温 度 为 T 时 的 电 阻 率 ;ρ 2 为 铜 镍 在 2 时 的 电 阻 率 ;α 为 铜 镍 电 阻 温 度 系 数 对 母 线 型 EMI 滤 波 器 温 度 场 进 行 计 算 时, 首 先 根 据 初 始 温 度 计 算 铜 镍 导 体 温 度, 按 照 该 温 度 下 对 应 的 电 阻 率 进 行 磁 场 电 路 计 算, 求 解 滤 波 器 导 体 损 耗, 然 后 将 焦 耳 热 作 为 生 热 率 载 荷 进 行 热 流 场 求 解, 计 算 得 到 滤 波 器 温 度 场 分 布, 按 照 铜 镍 导 体 最 新 温 度 值 分 别 对 其 电 阻 率 进 行 调 整 修 正, 再 次 进 行 磁 场 电 路 温 度 场 流 体 场 耦 合 计 算, 多 次 迭 代, 直 到 满 足 收 敛 约 束 条 件 : T T ε (8) 2 式 中 :T 2 T 分 别 为 相 邻 两 次 温 度 场 流 体 场 计 算 得 到 的 滤 波 器 导 体 最 高 温 度 ;ε 为 容 差 3 滤 波 器 设 计 及 测 试 母 线 型 EMI 滤 波 器 的 设 计 包 括 设 计 指 标 的 获 取 电 气 与 结 构 参 数 设 计 滤 波 器 具 体 实 现 滤 波 效 果 测 试 温 升 计 算 及 测 试 几 大 部 分 3. 母 线 型 EMI 滤 波 器 参 数 设 计 3.. 噪 声 衰 减 目 标 曲 线 及 转 折 频 率 获 取 EMI 滤 波 器 设 计 的 前 提 是 已 知 该 滤 波 器 在 特 定 频 段 内 需 要 达 到 的 噪 声 衰 减 量, 即 噪 声 衰 减 目 标 曲 线, 为 此 首 先 需 对 未 加 滤 波 器 的 被 测 设 备 (equipment under test,eut) 的 共 模 与 差 模 传 导 噪 声 进 行 测 量 传 导 噪 声 测 试 原 理 如 图 5 所 示 V AC 5 Ω EUT 5 Ω LISN 频 谱 仪 图 5 传 导 噪 声 测 试 Fig. 5 Measurement of conductive EMI noise 图 5 中, 线 性 阻 抗 稳 定 网 络 (line impedance stabilizing network,lisn) 的 作 用 为 在 隔 离 电 网 干 扰 的 同 时 为 EUT 的 测 试 端 口 提 供 规 定 频 率 范 围 内 的 5 Ω 额 定 阻 抗 用 未 加 滤 波 器 时 的 噪 声 测 试 结 果 与 相 关 标 准 噪 声 限 值 作 差, 再 在 传 导 干 扰 全 频 段 内 加 上 6 db 的 裕 量, 即 可 获 得 噪 声 衰 减 目 标 曲 线 基 于 差 共 模 噪 声 衰 减 目 标 曲 线, 并 结 合 滤 波 器 的 衰 减 特 性, 便 可 得 到 滤 波 器 的 转 折 频 率 母 线 型 EMI 滤 波 器 就 其 反 射 特 性 而 言, 其 结 构 可 等 效 为 一 个 单 级 L-C 滤 波 器, 故 其 转 折 频 率 之 后 的 衰 减 斜 率 为 4 db/dec, 保 证 该 斜 率 的 直 线 在 噪 声 衰 减 目 标 曲 线 之 上, 所 设 计 的 滤 波 器 理 论 上 就 能 够 满 足 噪 声 衰 减 需 求 获 取 转 折 频 率 f c 的 方 法 为, 将 斜 率 为 4 db/dec 的 直 线 水 平 右 移, 直 至 其 与 噪 声 衰 减 目 标 曲 线 相 切, 此 时 该 直 线 与 横 轴 交 点 所 对 应 的 频 率 即 为 转 折 频 率 f c 共 模 滤 波 器 转 折 频 率 f CM 满 足 : f CM = (9) 2 π 2L C CM Y

6 第 9 期 周 峰 等 : 基 于 多 物 理 场 耦 合 特 性 的 集 成 式 母 线 型 EMI 滤 波 器 设 计 2499 式 中 :L CM 为 共 模 电 感 值 ;C Y 为 单 个 共 模 电 容 的 容 值 共 模 电 容 过 大 会 导 致 较 大 的 漏 电 流, 因 而 其 容 值 一 般 限 定 为 不 超 过 5 nf 差 模 滤 波 器 转 折 频 率 f DM 满 足 : f DM = (2) 2 π L C 式 中 :L DM 为 差 模 电 感 值, 一 般 由 共 模 电 感 的 漏 感 提 供 ;C X 为 差 模 电 容 值 3..2 差 共 模 基 本 单 元 设 计 差 共 模 基 本 单 元 设 计 需 要 确 定 的 量 是 陶 瓷 基 板 尺 寸 确 定 陶 瓷 基 板 尺 寸 所 考 虑 的 首 要 因 素 是 滤 波 器 所 需 电 容 值 差 共 模 基 本 单 元 由 高 介 电 常 数 的 陶 瓷 基 板 上 下 两 面 镀 镍 而 成 由.2 节 式 () 可 知, 在 陶 瓷 材 料 已 经 选 定 的 情 况 下, 改 变 陶 瓷 基 板 面 积 或 厚 度 及 可 获 得 所 需 差 共 模 电 容 值 滤 波 器 陶 瓷 基 板 的 尺 寸 确 定 也 需 考 虑 实 际 加 工 工 艺 的 限 制 陶 瓷 基 板 越 薄, 压 制 过 程 中 越 容 易 发 生 断 裂, 烧 制 过 程 中 也 越 容 易 变 形 现 有 工 艺 下, 当 基 板 厚 度 达 到 mm 及 以 上 时, 烧 制 出 的 陶 瓷 基 板 形 状 比 较 规 整, 能 够 满 足 母 线 型 EMI 滤 波 器 制 作 需 求 3..3 电 感 参 数 确 定 母 线 型 EMI 滤 波 器 集 成 母 线 部 分 由 于 其 结 构 特 点, 其 噪 声 衰 减 效 果 往 往 在 5 Hz 以 上 频 段 效 果 显 著, 文 献 [2] 提 出 了 一 种 单 匝 电 感 的 混 合 母 线 型 EMI 滤 波 器, 其 方 法 为 在 滤 波 器 母 线 外 加 套 磁 芯, 该 方 法 使 得 滤 波 器 的 衰 减 截 止 频 率 有 所 降 低, 但 低 频 段 效 果 改 善 仍 然 有 限 为 进 一 步 满 足 功 率 变 换 系 统 中 低 频 段 噪 声 衰 减 的 要 求, 本 文 所 采 用 的 在 集 成 式 母 线 外 加 上 共 模 扼 流 电 感 是 种 可 行 的 方 法 根 据 3.. 节 中 确 定 的 差 共 模 噪 声 衰 减 噪 声 曲 线 及 转 折 频 率 f, 结 合 3..2 节 中 的 母 线 型 EMI 滤 波 器 基 本 单 元 所 能 提 供 的 电 容 量 C, 即 可 得 所 需 电 感 值 为 L = (2) π f C 3..4 镀 层 设 计 母 线 型 EMI 滤 波 器 除 具 备 与 传 统 EMI 滤 波 器 一 致 的 对 噪 声 反 射 功 能 外, 还 具 有 对 高 频 噪 声 电 流 的 耗 散 功 能 母 线 型 滤 波 器 基 本 结 构 中, 镍 层 位 于 铜 条 上 DM X 下 表 面, 对 高 频 噪 声 进 行 耗 散, 如 图 6(a) 所 示 理 想 情 况 下, 所 有 位 于 5 khz~3 MHz 频 段 内 的 传 导 噪 声 电 流 都 能 在 集 肤 效 应 和 邻 近 效 应 的 作 用 下 进 入 镍 层, 从 而 被 耗 散 (a) 铜 条 上 下 镀 镍 结 构 (b) 5 khz 电 流 密 度 分 布 图 6 铜 条 上 下 镀 镍 结 构 及 对 应 电 流 密 度 分 布 Fig. 6 Ni-Cu-Ni structure and the corresponding current density distribution 此 处 采 用 2. 节 中 所 建 立 的 有 限 元 时 谐 场 模 型, 对 噪 声 电 流 在 滤 波 器 多 导 体 金 属 层 中 的 分 布 情 况 进 行 计 算 选 择 对 集 肤 深 度 最 深 的 5 khz 的 噪 声 电 流 分 布 进 行 分 析, 当 该 频 率 的 噪 声 电 流 能 够 全 部 流 入 镍 层 时, 更 高 频 率 的 噪 声 电 流 也 必 定 能 完 全 进 入 镍 层 被 耗 散, 该 频 率 下 的 电 流 密 度 分 布 如 图 6(b) 所 示 如 图 6 所 示, 当 高 频 噪 声 电 流 流 经 上 下 镀 镍 的 铜 条 时, 电 流 集 中 分 布 于 多 金 属 导 体 外 表 面, 但 最 大 电 流 密 度 处 仍 位 于 铜 层 而 非 位 于 镍 层, 这 种 电 流 分 布 显 然 达 不 到 对 噪 声 的 最 大 耗 散 效 果 为 此, 本 文 提 出 一 种 铜 条 四 周 镀 镍 的 新 结 构, 其 结 构 及 5 khz 噪 声 电 流 密 度 分 布 如 图 7 所 示 从 电 流 密 度 分 布 可 知, 此 时 高 频 噪 声 电 流 均 流 向 了 铜 层 外 表 面 的 镍 层, 噪 声 电 流 耗 散 能 力 得 到 最 大 化 (a) 铜 条 四 周 镀 镍 结 构 (b) 5 khz 电 流 密 度 分 布 图 7 铜 条 四 周 镀 镍 结 构 及 对 应 电 流 密 度 分 布 Fig. 7 Cu-in-Ni structure and the corresponding current density distribution 对 金 属 镀 层 的 设 计 不 仅 包 括 镀 层 结 构 设 计, 还 包 括 镀 层 厚 度 的 设 计 镍 层 电 阻 率 大 于 铜, 因 此 在 工 作 电 流 一 定 的 条 件 下, 过 厚 的 镍 层 会 加 大 滤 波 器 工 频 损 耗, 然 而 过 薄 的 镍 层 又 无 法 保 证 高 频 噪 声 电 流 的 充 分 耗 散, 因 而 需 对 镍 层 厚 度 进 行 确 定 噪 声 电 流 流 通 路 径 包 含 铜 镍 两 种 金 属, 电 流 损 耗 分 布 是 集 肤 效 应 邻 近 效 应 的 综 合 作 用 结 果, 传 统 解 析 法 难 以 求 解, 此 处 同 样 采 用 2. 节 中 所 建 立 的 有 限 元 时 谐 场 模 型 对 5 khz 的 噪 声 电 流 在 滤 波 器 中 的 损 耗 分 布 情 况 进 行 计 算 差 共 模 基 本 单 元 长 宽 尺 寸 由 所 需 电 容 值 确 定, 本 文 所 选 用 载 流 铜 条 厚

7 25 中 国 电 机 工 程 学 报 第 36 卷 度 为 5 μm 宽 为. mm, 在 此 条 件 下, 不 同 厚 度 镍 层 中 噪 声 电 流 功 率 损 耗 占 总 噪 声 损 耗 的 比 值 如 图 8 所 示 8 CM/(dB μv) 损 耗 分 布 /% 6 4 铜 损 比 例 镍 损 比 例 (a) CM 镍 层 厚 度 /μm 图 8 铜 条 与 镍 层 中 5 khz 噪 声 电 流 损 耗 Fig. 8 Noise losses in Cu and Ni under 5 khz 由 图 8 可 知, 当 铜 条 与 陶 瓷 基 板 之 间 镍 层 厚 度 为 5 μm 时, 镍 层 中 的 高 频 噪 声 电 流 损 耗 占 总 噪 声 损 耗 的 48.3%, 主 要 的 高 频 噪 声 电 流 损 耗 仍 发 生 在 铜 条 之 中 随 着 镍 层 厚 度 的 增 加, 镍 层 损 耗 占 总 噪 声 电 流 损 耗 的 比 例 也 随 之 增 加, 当 镍 层 厚 度 为 5 μm 时, 已 能 保 证 绝 大 部 分 的 噪 声 电 流 流 入 镍 层 被 耗 散 我 们 认 定 当 高 频 噪 声 电 流 损 耗 95% 以 上 发 生 于 镍 层 时, 镍 层 耗 散 目 的 就 已 达 到, 故 理 论 上 镍 层 总 厚 度 达 到 5 μm 即 可 需 要 说 明 的 一 点 是, 母 线 型 EMI 滤 波 器 镀 镍 部 分 包 括 基 本 差 共 模 单 元 两 面 所 镀 镍 层 以 及 铜 条 四 周 所 镀 镍 层 两 部 分, 两 部 分 所 镀 镍 层 厚 度 相 当, 在 滤 波 器 装 配 中, 这 两 部 分 紧 密 贴 合 在 一 起 文 中 所 述 镍 层 厚 度 是 指 陶 瓷 与 铜 条 之 间 的 镍 层 总 厚 度, 为 基 本 单 元 镍 层 厚 度 与 铜 条 镍 层 厚 度 之 和 镍 层 厚 度 通 过 控 制 镀 镍 时 间 长 度 来 进 行 控 制, 受 镀 镍 化 学 溶 剂 温 度 浓 度 等 多 种 因 素 影 响, 一 定 时 间 下, 所 镀 镍 层 厚 度 存 在 一 定 波 动, 其 值 为 一 范 围 值 本 文 所 镀 镍 层 总 厚 度 为 5~2 μm 3.2 母 线 型 EMI 滤 波 器 噪 声 抑 制 本 文 以 一 台 35 W 开 关 电 源 为 对 象, 采 用 母 线 型 EMI 滤 波 器 对 其 差 共 模 传 导 电 磁 噪 声 进 行 抑 制 对 变 换 器 原 始 差 共 模 噪 声 进 行 测 量, 采 用 EN5522A 标 准, 得 到 差 共 模 原 始 噪 声 及 噪 声 衰 减 目 标 曲 线 如 图 9 所 示 由 图 中 共 模 与 差 模 噪 声 衰 减 目 标 曲 线 可 以 确 定 CM 转 折 频 率 f CM = khz,dm 转 折 频 率 f DM = khz, 据 此 设 计 母 线 型 EMI 滤 波 器, 所 选 锰 锌 铁 氧 体 磁 芯 型 号 为 TN36/, 其 余 相 关 电 气 参 数 及 基 本 模 块 结 构 参 数 如 表 2 3 所 示 DM/(dB μv) CM/(dB μv) DM/(dB μv) (b) DM 图 9 原 始 噪 声 Fig. 9 Bare noise (a) CM (b) DM 图 噪 声 衰 减 目 标 Fig. Needed attenuation of EMI noise 根 据 表 2 及 表 3 的 电 气 和 结 构 参 数 设 计 母 线 型 EMI 滤 波 器 样 机, 如 图, 并 将 其 应 用 于 前 文 所 述 的 开 关 电 源 进 行 噪 声 抑 制 实 验, 共 模 噪 声 和 差 模 噪

8 第 9 期 周 峰 等 : 基 于 多 物 理 场 耦 合 特 性 的 集 成 式 母 线 型 EMI 滤 波 器 设 计 25 表 2 母 线 型 EMI 滤 波 器 电 气 参 数 Tab. 2 Electrical parameters of bus-bar EMI filter 滤 波 器 电 磁 参 数 数 值 CM 电 感 /mh 3.7 CM 电 容 /nf 4.2 DM 电 感 /μh 5.4 DM 电 容 /nf 4.2 表 3 母 线 型 EMI 滤 波 器 尺 寸 参 数 Tab. 3 Geometry parameters of bus-bar EMI filter 材 料 参 数 尺 寸 /mm 长 l 6. 陶 瓷 基 板 宽 w.4 厚 d.5 镍 厚 d 2.5~.2 铜 厚 d 3.5 图 母 线 型 EMI 滤 波 器 样 机 Fig. Prototype of bus-bar EMI filter 声 抑 制 效 果 分 别 如 图 2(a) (b) 所 示 由 图 2 所 示, 对 于 共 模 干 扰 而 言, 母 线 型 EMI 滤 波 器 在 整 个 传 导 干 扰 频 段 内 都 能 够 提 供 较 高 的 噪 声 衰 减, 共 模 传 导 干 扰 符 合 EN5522A 噪 声 标 准 对 于 差 模 干 扰, 在 7~3 MHz 的 中 高 频 段 内, 噪 声 幅 值 能 够 满 足 噪 声 标 准, 而 在 低 频 段, 差 模 抑 制 效 果 还 有 待 改 善 改 善 滤 波 器 差 模 低 频 段 插 入 损 耗 的 措 施 主 要 在 于 提 高 母 线 型 EMI 滤 波 器 差 模 电 容 的 集 成 量 本 9 CM/(dB μv) (a) CM DM/(dB μv) (b) DM 图 2 噪 声 抑 制 效 果 Fig. 2 Effect of noise suppression 文 选 用 的 陶 瓷 基 板 材 料 为 钛 酸 钡 陶 瓷, 其 相 对 介 电 常 数 在 2 左 右, 本 课 题 组 目 前 还 在 开 发 一 种 钛 酸 铜 钙 陶 瓷 基 板, 其 相 对 介 电 常 数 能 够 达 到 以 上, 运 用 该 材 料 能 够 实 现 较 大 的 差 模 电 容 的 集 成, 可 有 效 改 善 母 线 型 EMI 滤 波 器 的 低 频 特 性, 但 其 耐 压 等 性 能 有 待 测 试 3.3 大 电 流 温 升 有 限 元 数 值 计 算 及 测 试 母 线 型 EMI 滤 波 器 是 一 种 集 反 射 与 耗 散 功 能 为 一 体 的 集 成 式 滤 波 器, 其 中 的 损 耗 涉 及 铜 镍 两 种 金 属, 热 源 包 括 母 线 部 分 的 铜 镍 导 体 和 外 部 线 圈, 温 升 情 况 复 杂, 因 而 需 要 对 滤 波 器 在 不 同 工 作 电 流 下 的 温 升 特 性 进 行 研 究 对 滤 波 器 的 稳 态 温 度 场 计 算 流 程 包 括 损 耗 提 取 热 流 体 场 求 解 以 及 两 者 之 间 的 双 向 间 接 耦 合 迭 代, 相 关 内 容 已 在 本 文 节 给 出 在 滤 波 器 的 母 线 导 体 部 分, 存 在 铜 镍 两 种 导 体, 在 进 行 磁 热 流 体 场 分 析 时, 在 该 部 分 施 加 的 是 总 的 工 作 电 流 有 效 值 I 在 线 圈 部 分, 不 考 虑 涡 流 效 应, 在 该 部 分 施 加 的 是 电 流 密 度 J s : J 4I = (22) π d s 2 式 中 :I 为 通 入 滤 波 器 的 工 作 电 流 有 效 值 ;d 为 外 部 线 圈 导 线 的 线 径 自 然 对 流 散 热 环 境 温 度 为 2.9 条 件 下, 对 滤 波 器 工 作 电 流 为 2 A 时 的 稳 态 温 度 场 进 行 计 算, 滤 波 器 及 周 围 空 气 稳 态 温 度 场 流 体 速 度 矢 量 场 求 解 结 果 如 图 3(a) (b) 所 示 滤 波 器 本 体 稳 态 温 度 场 求 解 结 果 如 图 4 所 示 由 计 算 结 果 可 知 : ) 滤 波 器 在 热 稳 态 下, 温 度 分 布 不 均 匀, 最 高 温 度 位 于 热 源 相 对 集 中 的 外 部 线 圈 部 分, 母 线 温 度 远 低 于 线 圈 温 度 ;

9 252 中 国 电 机 工 程 学 报 第 36 卷 Fig. 3 (a) 温 度 (b) 流 体 速 度 矢 量 图 3 热 流 体 场 分 布 Distribution of thermal-liquid coupling field for filter 合 的 温 升 计 算 精 度 是 可 以 接 受 的 总 体 来 讲, 采 用 三 维 有 限 元 法 对 母 线 型 EMI 滤 波 器 稳 态 温 度 场 进 行 求 解 能 够 获 得 与 实 测 较 为 接 近 的 结 果, 有 着 较 好 的 精 度, 能 够 为 滤 波 器 设 计 提 供 相 应 参 考 根 据 滤 波 器 温 升 计 算 结 果, 可 以 确 定 某 一 额 定 温 度 下 滤 波 器 最 大 工 作 电 流 密 度 在 电 力 电 子 系 统 中, 室 温 条 件 下, 一 般 磁 芯 最 大 工 作 温 升 建 议 不 超 过 5, 过 高 的 温 度 会 对 导 线 的 绝 缘 磁 芯 的 饱 和 磁 密 等 产 生 影 响 对 于 绕 制 共 模 电 感 的 锰 锌 铁 氧 体 而 言, 其 最 佳 工 作 温 度 在 8 左 右, 根 据 有 限 元 计 算 的 滤 波 器 温 升 结 果, 可 以 求 出 在 自 然 对 流 散 热 条 件 下, 其 对 应 的 最 大 工 作 电 流 密 度 约 为 5 A/mm 2, 因 而 滤 波 器 最 大 工 作 电 流 密 度 建 议 不 要 超 过 该 值, 设 计 者 可 以 据 此 对 滤 波 器 线 径 等 参 数 进 行 设 计 选 择 4 结 论 图 4 滤 波 器 本 体 稳 态 温 度 Fig. 4 Temperature of bus-bar EMI filter 2) 受 母 线 外 部 线 圈 磁 芯 的 存 在 以 及 线 圈 温 度 影 响, 母 线 中 段 温 度 略 高 于 母 线 端 部 温 度 为 验 证 温 升 计 算 的 准 确 性, 对 滤 波 器 在 不 同 工 作 电 流 下 的 温 升 情 况 进 行 试 验 实 验 中 采 用 K 型 热 电 偶 对 电 感 线 圈 部 分 的 热 点 进 行 测 试, 在 滤 波 器 外 部 连 接 所 用 铜 条 表 面 外 贴 隔 热 泡 棉, 以 减 少 滤 波 器 外 部 连 接 件 对 滤 波 器 散 热 造 成 的 影 响, 尽 量 使 实 验 条 件 贴 近 理 论 计 算 施 加 的 边 界 条 件 环 境 温 度 为 2.9 时, 不 同 工 作 电 流 下 理 论 与 实 验 温 升 如 表 4 所 示 表 4 母 线 型 EMI 滤 波 器 理 论 与 测 试 温 升 Tab. 4 Calculated and tested temperature of bus-bar EMI filter 电 流 /A 温 度 T/ 温 升 ΔT/ 温 升 计 算 测 量 计 算 测 量 误 差 /% 由 表 4 结 果 可 知, 当 滤 波 工 作 电 流 较 低 时, 滤 波 器 理 论 与 测 试 温 升 误 差 较 小, 而 随 着 工 作 电 流 的 增 大, 理 论 与 测 试 温 升 误 差 有 所 增 大, 这 主 要 是 等 效 建 模 中 采 用 等 体 积 铜 块 代 替 实 际 线 圈 所 带 来 的 模 型 固 有 误 差 因 为 电 力 电 子 器 件 工 作 最 大 温 度 一 般 不 超 过, 故 本 文 所 用 等 效 模 型 在 中 低 温 场 本 文 以 集 成 式 母 线 EMI 滤 波 器 为 研 究 对 象, 结 合 有 限 元 法, 给 出 了 基 于 多 物 理 耦 合 场 的 母 线 型 EMI 滤 波 器 详 细 设 计 流 程, 初 步 探 索 了 其 实 际 应 用, 对 其 滤 波 及 温 升 特 性 进 行 了 相 关 研 究, 得 到 结 论 : ) 母 线 型 EMI 滤 波 器 利 用 导 体 的 集 肤 效 应 与 邻 近 效 应 实 现 对 低 频 工 作 电 流 与 高 频 噪 声 电 流 的 分 离, 从 而 实 现 对 噪 声 电 流 的 耗 散 与 反 射 双 重 衰 减 ; 2) 提 出 了 一 种 导 体 四 周 镀 镍 的 新 型 镀 镍 结 构, 通 过 对 不 同 厚 度 下 镍 层 高 频 电 流 损 耗 百 分 比 的 计 算, 给 出 了 镍 层 厚 度 参 考 值 ; 对 滤 波 器 电 容 电 感 等 其 余 电 气 参 数 设 计 给 出 了 详 细 的 设 计 流 程 ; 3) 将 母 线 型 EMI 滤 波 器 应 用 于 功 率 变 换 器 传 导 噪 声 的 抑 制, 实 验 结 果 表 明, 母 线 型 EMI 滤 波 器 对 共 模 噪 声 全 频 段 和 差 模 噪 声 中 高 频 段 具 有 较 好 的 噪 声 抑 制 效 果 ; 4) 完 成 了 基 于 有 限 元 法 的 滤 波 器 磁 热 流 体 耦 合 场 计 算, 对 滤 波 器 稳 态 温 度 场 进 行 了 求 解, 对 滤 波 器 温 度 分 布 情 况 进 行 了 分 析, 实 验 结 果 验 证 了 理 论 计 算 的 准 确 性 ; 给 出 了 母 线 型 EMI 滤 波 器 最 大 工 作 电 流 密 度 参 考 值, 为 滤 波 器 设 计 初 期 参 数 选 择 提 供 了 参 考 目 前, 母 线 型 EMI 滤 波 器 的 研 究 尚 处 于 起 步 阶 段, 本 文 所 提 出 的 母 线 型 EMI 滤 波 器 设 计 方 法 综 合 考 虑 了 滤 波 器 的 滤 波 效 果 和 温 升 表 现, 能 够 系 统 地

10 第 9 期 周 峰 等 : 基 于 多 物 理 场 耦 合 特 性 的 集 成 式 母 线 型 EMI 滤 波 器 设 计 253 对 滤 波 器 各 项 参 数 进 行 设 计 下 一 步, 将 在 材 料 性 能 提 高 全 频 段 的 滤 波 性 能 改 善 与 传 统 分 立 式 滤 波 器 相 结 合 的 混 合 式 滤 波 应 用 等 方 面 进 行 深 入 研 究, 为 母 线 型 EMI 滤 波 器 的 实 际 工 程 应 用 做 进 一 步 探 索 参 考 文 献 [] Paul C R. 电 磁 兼 容 导 论 [M]. 闻 映 红, 译. 北 京 : 机 械 工 业 出 版 社,26: Paul C R.Introduction to electromagnetic compatibility [M].Wen Yinghong,Translated.Beijing,China:Machine Press,26:258-27(in Chinese). [2] 马 伟 明, 张 磊, 孟 进. 独 立 电 力 系 统 及 其 电 力 电 子 装 置 的 电 磁 兼 容 [M]. 北 京 : 科 学 出 版 社,27: Ma Weiming,Zhang Lei,MengJin.The electromagnetic compatibility in isolated power system and its power electronic devices[m].beijing:science Press,27: 32-75(in Chinese). [3] Chen Rengang,Jacobus D V W,Wang Shuo.Improving the characteristics of integrated EMI filter by embedded conductive layers[j].ieee Trans. on Power Electronics, 25,3(2):6-68. [4] Zhao Lingyin.Generalized frequency plane model of integrated electromagnetic power passive structure:the series resonator[d].blacksburg,virginia,usa:virginia Polytechnic Institute and State University,24. [5] Chen Rengang.Integrated EMI filters for switch mode power supplies[d].blacksburg,virginia,usa:virginia Polytechnic Institute and State University,24. [6] Wu Xiaofeng,Xu Dehong,Wen Zhiwei,et al.design, modeling,and improvement of integrated EMI filter with flexible multilayer foils[j]. IEEE Trans. on Power Electronics,2,26(5): [7] Wu Xiaofeng,Wen Zhiwei,Xu Dehong,et al.design and experiment research of integrated EMI filter based on flexible multi-layer foils[c]//ieee Power Electronics Conference(IPEC). Sapporo, Japan : IEEE, 2 : [8] 伍 晓 峰. 基 于 柔 性 多 层 带 材 的 集 成 EMI 滤 波 器 [D]. 杭 州 : 浙 江 大 学,2. Wu Xiaofeng. Integrated EMI filter with flexible multi-layer foils[d].hangzhou:zhejiang University, 2(in Chinese). [9] 陈 文 洁, 杨 旭, 王 兆 安. 集 成 模 块 用 有 源 电 磁 干 扰 滤 波 器 的 设 计 [J]. 中 国 电 机 工 程 学 报,25,25(2):5-55. Cheng Wenjie,Yang Xu,Wang Zhaoan.A study on design of an active EMI filter for integrated power electronics modules[j].proceedings of the CSEE,25,25(2): 5-55(in Chinese). [] 王 世 山, 朱 叶, 沈 湛. 构 成 平 面 EMI 滤 波 器 元 件 电 磁 参 数 的 提 取 [J]. 中 国 电 机 工 程 学 报,22,32(24): Wang Shishan, Zhu Ye, Shen Zhan. Extraction of magnetic parameters for planar EMI filter elements[j]. Proceedings of the CSEE,22,32(24):46-52(in Chinese). [] 王 世 山, 朱 叶, 石 磊 磊. 基 于 环 形 感 容 集 成 结 构 单 元 的 平 面 EMI 滤 波 器 设 计 理 论 及 实 施 [J]. 电 工 技 术 学 报,23,28(): Wang Shishan,Zhu Ye,Shi Leilei.Design theory and implementation of planar EMI filter based on annular integrated inductor-capacitor unit[j]. Transactions of China Electrotechnical Society,23,28():26-35(in Chinese). [2] Wang Shishan, Xu Chenchen. Design theory and implementation of planar EMI filter based on annular integrated inductor-capacitor unit[j]. IEEE Trans. on Power Electronics,23,28(3): [3] Luo Fang,Andrew C B,Dushan B,et al.an improved design for transmission line busbar EMI filter[c]//energy Conversion Congress and Exposition(ECCE).Atlanta, USA:IEEE,2: [4] 罗 昉. 三 相 电 机 驱 动 系 统 中 电 磁 干 扰 及 其 高 功 率 密 度 滤 波 方 案 研 究 [D]. 武 汉 : 华 中 科 技 大 学,2. Luo Fang.Investigations in high power density EMI filter solutions for DC-fed three phase motor drive systems[d]. Wuhan:Huazhong University of Science and Technology, 2(in Chinese). [5] 徐 晨 琛. 母 线 型 EMI 滤 波 器 基 础 研 究 [D]. 南 京 : 南 京 航 空 航 天 大 学,24. Xu Chenchen.The fundamental research on bus-bar EMI filter[d].nanjing:nanjing University of Aeronautics and Astronautics,24(in Chinese). [6] 徐 晨 琛, 王 世 山. 将 工 作 与 噪 声 电 流 分 离 的 母 线 型 滤 波 器 单 元 开 发 [J]. 南 京 航 空 航 天 大 学 学 报,24,46(): 9-4. Xu Chenchen,Wang Shishan.Development of bus-bar EMI filter unit with function of seprating working and noise current[j]. Journal of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,24,46():9-4(in Chinese). [7] 芦 小 龙, 张 建 辉, 赵 淳 生. 行 波 型 旋 转 超 声 电 机 温 度 场 分 析 方 法 [J]. 中 国 电 机 工 程 学 报,2,3(8): Lu Xiaolong, Zhang Jianhui, Zhao Chunsheng. Temperature field analysis for travelling-wave rotary

11 254 中 国 电 机 工 程 学 报 第 36 卷 ultrasonic motor[j].proceedings of the CSEE,2, 3(8):33-39(in Chinese). [8] 曹 君 慈, 李 伟 力, 程 树 康, 等. 复 合 笼 条 转 子 感 应 电 动 机 温 度 场 计 算 及 相 关 分 析 [J]. 中 国 电 机 工 程 学 报,28, 28(3):96-3. Cao Junci,Li Weili,Cheng Shukang,et al.temperature calculation and associated factor analysis of induction motor with compound cage rotor[j].proceedings of the CSEE,28,28(3):96-3(in Chinese). [9] 吴 晓 文, 舒 乃 秋, 李 洪 涛, 等. 基 于 流 体 多 组 分 传 输 的 气 体 绝 缘 母 线 温 度 场 数 值 计 算 与 分 析 [J]. 中 国 电 机 工 程 学 报,22,32(33):4-47. Wu Xiaowen,Shu Naiqiu,Li Hongtao,et al.thermal field calculation and analysis of gas insulated busbars based on fluid multiple species transport[j].proceedings of the CSEE,22,32(33):4-47(in Chinese). [2] Luo Fang,Andrew C B,Dushan B,et al.design of a hybrid busbar filter combining a transmission-line busbar filter and a one-turn inductor for DC-fed three phase motor drive systems[j]. IEEE Trans. on Power Electronics,23,28(2): 收 稿 日 期 : 作 者 简 介 : 周 峰 (989), 男, 硕 士 研 究 生, 研 究 方 向 为 电 力 电 子 系 统 的 电 磁 兼 王 世 山 (967), 男, 博 士, 副 教 授, 研 周 峰 究 方 向 为 电 力 电 子 系 统 的 电 磁 兼 容 电 气 设 备 的 多 物 理 场 仿 真 技 术,wangshishan@ nuaa.edu.cn ( 编 辑 李 蕊 )