第 26 卷第 11 期王世山等圆环线匝构成的平面共模 EMI 滤波器的特性研究 69 LC 线圈来实现 [1], 主要是降低了滤波器的高度 ; 另一种是由浙江大学伍晓峰等提出的基于柔性

Size: px

Start display at page:

Download "第 26 卷第 11 期王世山等圆环线匝构成的平面共模 EMI 滤波器的特性研究 69 LC 线圈来实现 [1], 主要是降低了滤波器的高度 ; 另一种是由浙江大学伍晓峰等提出的基于柔性"

超林
7 years ago
Views:

1 2011 年 11 月电工技术学报 Vol.26 No. 11 第 26 卷第 11 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Nov 圆环线匝构成的平面共模 EMI 滤波器的特性研究王世山朱叶周小林武丽芳 ( 南京航空航天大学自动化学院南京 ) 摘要平面 LC 线圈是组成平面 EMI 滤波器的基本单元, 其匝间寄生电容及所用磁心磁导率的非线性对滤波器的高频性能有重要影响本文首次提出环形平面 LC 线圈结构, 并对矩形和环形平面 LC 线圈进行了 3D 有限元仿真, 通过对比其特性确定了环形 LC 线圈作为组成 EMI 滤波器的基本组成单元, 并基于该结构实现了平面共模 EMI 滤波器考虑了匝间寄生电容相邻导体间的互感及有效磁导率的非线性, 建立了环形 LC 线圈的等效集中参数电路, 利用节点电压法求解了当其连接成低通滤波器时的插入损耗基于环形平面 LC 线圈设计了一台平面共模滤波器样机, 计算与实验对比显示, 匝间寄生电容和磁导率的非线性对滤波器的高频性能有重要影响关键词 : 平面 LC 线圈插入损耗节点电压法中图分类号 :TM713 Characteristics Research for Planar Common Mode EMI Filter Based on Toroidal LC Coil Wang Shishan Zhu Ye Zhou Xiaolin Wu Lifang (Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Nanjing China) Abstract Planar LC coil is the basic unit constituted planar EMI filter, of which stray capacitance and non-linear permeability of magnetic core have important impact on high-frequency performances of filter. A novel passive integrated structure, the toroidal planar LC coil, is presented firstly, and the 3D finite element simulation of the rectangle and toroidal planar LC coil is done. By comparing the characteristics between them, the toroidal planar LC coil is used as the basic unit, and planar common mode(cm) filter is achieved based on this structure. Distributed parameters such a stray capacitance, magnetic coupling between conductors and non-linear characteristics of the magnetic core are all considered, and then the equivalent lumped parameter circuit is built. The insertion loss is achieved through node voltage method based on the equivalent circuit when it is connected as low-pass filter. A prototype of planar CM filter is implemented based on toroidal planar LC coil. Contrasting calculated results and measured one, it is shown that stray capacitance and non-linear permeability of magnetic core have important impact on high-frequency performances of filter. Keywords:Planar LC coil,insertion loss,node voltage method 1 引言平面 EMI 滤波器以其体积小高频性能好等优国家自然科学基金 ( ), 台达电力电子科教发展基金和航空科学基金重点实验室类 ( ) 资助项目收稿日期改稿日期点而在电力电子领域有着较好的应用前景它实现了电感电容等无源元件的集成, 可以明显减少无源元件的数量, 进而减小整个装置的体积目前, 平面 EMI 滤波器主要有两种实现方法, 一种是由弗吉尼亚理工大学 (Virginia Polytechnic Institute and State Universit) 陈仁刚博士提出的基于矩形平面

2 第 26 卷第 11 期王世山等圆环线匝构成的平面共模 EMI 滤波器的特性研究 69 LC 线圈来实现 [1], 主要是降低了滤波器的高度 ; 另一种是由浙江大学伍晓峰等提出的基于柔性带材绕组来实现 [2], 主要是减小了滤波器的占地面积两者均处于研究阶段, 还未实现在功率电路中的应用因此, 平面 EMI 滤波器有着潜在的研究价值, 本文主要针对前者进行研究文献 [1] 中首次将平面 LC 线圈应用于 EMI 滤波器中矩形平面 LC 线圈的结构如图 1a 所示, 它是在介质基板的两表面直接喷镀绕组导体形成的, 加高磁导率的磁心后便可以产生足够大的分布电感和电容, 通过适当的连接可以实现串联谐振并联谐振和低通滤波器等结构 [3] 但随着现代电力电子向高频率方向发展, 电流在导线直角拐角处分布很不均匀, 严重影响滤波器的性能本文类比电力设备中导线的布置和排列, 首次提出了采用具有光滑特性的环形 PCB 导线组成的平面 LC 线圈结构 ( 见图 1b), 使线圈中电流分布更加均匀, 从而提高滤波器的性能同时采用罐形磁心, 导体全部位于磁心内部, 导体利用率高, 且抗外界电磁干扰能力强电容磁心磁导率的非线性及导体之间的磁耦合, 基于节点电压法求解了当其连接成共模滤波器时的插入损耗, 可以更加直观地了解其高频性能 2 平面 LC 线圈的有限元分析为了研究平面 LC 线圈中电流及其所产生的磁密分布情况, 分别以平面 EI 型磁心 PEI43 和罐形磁心 P43 为例, 通过 Maxwell3D 仿真软件建立 3D 有限元模型由于结构的对称性, 只建立 1/2 模型, 选择静磁场求解器, 取计算误差在 1% 以内 2.1 有限元模型的边值问题不同媒质间的交界面满足自然边界条件, 即跨越物体间界面的磁场强度 H 的切向分量和磁感应强 [6] 度 B 的法向分量是连续的, 并满足关系 H t1 =H B n1 = B t2 n2 (1) 式中,H t 为分界面处磁场强度的切向分量,B n 为分界面处磁感应强度的法向分量选择矢量磁位 A 为自由度时, 泛定方程为 2 A = μj (2) (a) 矩形 LC 线圈 (b) 环形 LC 线圈图 1 带磁心的平面 LC 线圈 Fig.1 Planar LC coil with magnetic core 由于集成无源元件的分布参数结构, 使得其设计和分析成为难点文献 [3-4] 中利用广义多导体传输线理论建立了平面集成 LC 线圈的高频模型, 将其等效为标准的直线型传输线, 然后进行级联, 可以得到较为准确的阻抗特性, 然而在平面 EMI 滤波器的设计中, 其性能的主要指标是插入损耗, 阻抗特性不能直观的反映出其高频性能文献 [5] 在集成 EMI 滤波器的设计时, 仅仅计算出了低频时等效的集总电感和电容, 高频时存在很大误差, 造成高频插入损耗不能满足要求文献 [2] 中准确地计算了基于柔性 PCB 集成滤波器的插入损耗, 但该模型不适于平面集成滤波器鉴于以上原因, 本文在分析了基于环形平面 LC 线圈构成的共模 EMI 滤波器结构的基础上, 通过将平面 LC 线圈展开成有限个单元的级联, 建立了集成 LC 线圈的等效集中参数电路, 考虑了匝间寄生式中,μ 为磁导率,J 为电流面密度, 根据导体中施加电流 I 确定同时, 空气外表面近似满足齐次第二类边界条件 A = 0 n (3) 由上述边值问题, 可以剖分整个求解区域, 求解得到各节点的矢量磁位 A, 磁感应强度 B 和磁场强度 H 可以根据式 (4) 得到 B = A, H = B μ (4) 2.2 仿真分析导体中电流密度分布如图 2 所示 (a) 矩形 LC 线圈

3 70 电工技术学报 2011 年 11 月路如图 4 所示, 在共模激励下, 可以等效为两个并联的低通滤波器 (b) 环形 LC 线圈图 2 线圈 PCB 导体的电流面密度分布 Fig.2 Current density distribution in conductor of coil 从图 2 中可以看出, 矩形线圈导体的拐角处, 电流分布很不均匀, 在内角处电流密度很大, 而在外角处电流密度很小, 而环形线圈导体中的电流呈均匀分布平面 LC 线圈产生的磁通密度分布如图 3 所示图 4 分立元件构成的共模 EMI 滤波器及其等效电路 Fig.4 CM filter EMI consisting of discrete components and its equivalent circuit 集成 LC 线圈是一个分布参数结构 ( 见图 5), 对于单个线圈, 当 A 1 D 1 点接输入源,C 1 D 1 点接负载, 可以等效为一个低通滤波器结构 [7] 因此, 平面共模滤波器可以通过两个集成 LC 线圈并联实现 ( 见图 5a), 加磁心后结构如图 1b 所示, 图 5b 为其等效集中参数电路 (a) 矩形 LC 线圈图 5 平面共模滤波器及其等效电路 Fig.5 Planar CM filter and its equivalent circuit 3.2 集中参数等效电路单匝平面 LC 线圈可以直接展开成直线型 ( 见图 6) 其等效集中参数电路由多个电容和耦合电感组成的 π 型电路级联构成, 该电路模型可以用普通传输线理论进行分析 (b) 环形 LC 线圈图 3 不同线圈产生的磁通密度分布 Fig.3 Magnetic flux density distribution in different coils 如图 3 所示, 矩形 LC 线圈中磁通密度主要由磁心内部的导体产生, 大部分磁通流经磁心内部, 磁心外部导体周围的磁通密度几乎为零, 而环形 LC 线圈的导体周围的磁通均匀分布, 均产生较大的磁通密度因此, 提高了导体的利用率 3 平面共模 EMI 滤波器的插入损耗 3.1 平面共模 EMI 滤波器的组成分立元件构成的共模 EMI 滤波器及其等效电图 6 单匝 LC 线圈的展开 Fig.6 Spreading of single -turn for LC coil 线圈为多匝时, 由于穿过磁心的磁通耦合全部线圈 ( 见图 3b), 因此, 必须考虑相邻导体之间的耦合互感为了得到其等效模型, 忽略导体损耗及介质材料的损耗每匝线圈等效为由电容和耦合电感组成的基本单元的级联, 所有的电感单元之间均存在电感耦合 ( 见图 7), 图中只画出了部分互感

4 第 26 卷第 11 期王世山等圆环线匝构成的平面共模 EMI 滤波器的特性研究 71 图 7 多匝平面 LC 线圈的等效模型 Fig.7 Equivalent model of multi-turn for planar LC coil 一个 n 匝集成 LC 线圈连接成低通滤波器结构 ( 见图 8), 输入电压为 U S, 输入源阻抗为 Z in, 输出负载为 Z out, 与测量时线性阻抗稳定网络 (LISN) 的阻抗相一致, 取输入源阻抗和负载阻抗均为 50Ω, 每匝等效为 m 个单元图 10 气隙对有效磁导率的影响实线 3μm 的气隙长度虚线 1μm 的气隙长度 Fig.10 Effective permeability via gap 图 8 低通滤波器连接方式 Fig.8 Connection of low-pass filter 多匝平面 LC 线圈的同层相邻导体之间存在寄生电容, 鉴于介质基板的介电常数非无限大, 该电容不能忽略 [8-9] 因此, 考虑匝间寄生电容 C P 后, 等效模型结构如图 9 所示图 11 电感器的等效模型 Fig.11 Equivalent model of inductor C P 为匝间寄生电容, 该电容可以通过测量得到据图 11 中模型得到的电感器阻抗为 R+ j X R + jωl = = j ωl ( μ j μ ) S S 0 1 j ωcp ( R+ j X) P + + ω P P P 0 ωrc X X C μ ( f ) = [(1 + ω XC ) + ( ωrc ) ] ωl (5) (6) R μ ( f ) = [(1 + ωxc ) + ( ωrc ) ] ωl P P 0 (7) e μ = μ + μ (8) 图 9 考虑匝间寄生电容后的等效模型 Fig.9 Equivalent model considering of parasitic capacitance among turns 3.3 插入损耗特性磁心磁导率的非线性 EMI 滤波器通常使用高磁导率的磁心, 高频时磁导率随频率变化很大因此, 将有效磁导率用复数表示 : & μ e = μ jμ 此外, 罐形磁心分为两部分, 不可避免的会产生气隙, 未经过精密磨光的磁心气隙长度为 3~ 6μm, 很小的气隙就会造成有效磁导率的严重下降, 图 10 表示了气隙对磁导率的影响 [10] 由此可见, 气隙对有效磁导率的影响很大下面采用图 11 所示的等效模型, 利用阻抗测量法得到磁心的有效磁导率 [11] 式中,L 0 为空心线圈时的电感量通过仪器 ( 例如网络分析仪 HP4395A) 测量磁心电感阻抗的实部和虚部, 得磁导率如图 12 所示图 12 磁心的有效磁导率 Fig.12 Effective permeability of magnetic core

5 72 电工技术学报 2011 年 11 月电磁参数每个单元的等效电容 C 为 ε0εr C = S (9) md 式中,S 为 PCB 导体的正对面积 ;d 和 ε r 分别为介质层的厚度和相对介电常数 ;m 为每匝等效单元数每个单元的自感为 μμ 0 eae L = (10) mle 式中,A e 和 l e 分别为磁心的有效磁路面积和有效磁路长度 [12] 任意两导体单元间的互感为 M = k L (11) ij ij 式中,k ij 为导体 i 和 j 间的耦合系数,i=1,2,,n, j=1,2,,n, 且 i j 插入损耗的计算电路模型有多个相同的 π 型单元级联而成 ( 见图 13), 图 13 按规律标明了节点和支路的序号,A 和 Z 分别为电路的关联矩阵和阻抗矩阵平面共模 EMI 滤波器如图 14 所示, 磁心选择罐形磁心 P43, 初始磁导率为 2000, 为了减小滤波器的高度, 将罐形磁心的一半磨成平面结构图 14 平面共模 EMI 滤波器 Fig.14 Prototype of planar CM EMI filter 下表是滤波器相关参数, 插入损耗的测量可以通过网络分析仪 Agilent 4395A 结合 S 参数测试 87511A 实现表平面 CM 滤波器相关材料和参数 Tab. Parameters of planar CM filter 项目说明或数值 PCB 导体材料铜 PCB 导体宽度 /mm 1.5 基板材料 PMN 基板厚度 /mm 0.7 基板相对介电常数 2000 图 13 等效电路拓扑结构 Fig.13 Equivalent topological structure 节点电压方程为式中, Y = AYU, Y = Z k YU = AYU (12) k k T 1 据式 (12) 可以得到节点 k 的电压, 则插入损耗 Uk IL = 20log (13) Uk 式中, Uk = Zout /( Zin + Zout ) US, 为接入滤波器以前节点 k 的电压 4 实验验证基于环形 LC 线圈的等效集中参数电路, 利用节点电压法可以近似预测其插入损耗特性为验证预测的准确性及不同参数对插入损耗的影响程度, 采用两个 3 匝的环形 LC 线圈, 设计了一台平面共模 EMI 滤波器, 测量小信号条件下的插入损耗, 与理论值进行比较 S 考虑磁心的非线性, 据图 8 和图 9 中的模型计算其插入损耗值, 测量与理论值对比如图 15 所示图 15 考虑磁导率非线性时的插入损耗值 Fig.15 Insertion loss considering nonlinear permeability 图 15 显示, 未考虑匝间寄生电容, 超过 0.9MHz 时, 插入损耗的理论值与测量值相比大约有 7dB 的降低 ; 而考虑匝间寄生电容以后, 在传导频率范围内 (0.15~30MHz), 理论值与测量值吻合较好根据图 9 的模型, 在考虑磁心非线性和忽略非线性两种情况下得到的插入损耗值与测量值进行比较, 如图 16 所示图 16 显示未考虑匝间寄生电容, 超过 1MHz

6 第 26 卷第 11 期王世山等圆环线匝构成的平面共模 EMI 滤波器的特性研究 73 图 16 考虑匝间电容时的插入损耗值 Fig.16 Insertion loss considering parasitic capacitance 时, 插入损耗的理论值出现多个谐振点, 与测量值差别较大, 而考虑磁心非线性后, 在传导频率范围内 (0.15~30MHz), 理论值与测量值吻合较好 5 结论本文提出了一种圆环形 LC 线圈结构, 并基于该结构实现了平面共模 EMI 滤波器建立了平面 LC 线圈的等效集中参数电路, 考虑了匝间分布电容相邻导线间的电感耦合及磁心有效磁导率的非线性, 设计制作了一台平面共模 EMI 滤波器, 基于节点电压法求解了其插入损耗, 并通过测量与模型进行了比较, 得到如下三点结论 : (1) 通过 3D 有限元仿真得到, 与矩形 LC 线圈相比, 环形 LC 线圈中电流分布更加均匀, 导体利用率更高 (2) 匝间寄生电容对插入损耗有重要影响, 在建立其等效集中参数电路时必须考虑匝间寄生电容 (3) 磁心的有效磁导率在高频时呈非线性, 使电感也为非线性, 进而对高频时的插入损耗产生重要影响参考文献 [1] Chen Rengang, Wyk J D van, Wang S, et al. Planar electromagnetic integrated technologies for integrated EMI filters[c]. Proceedings of the IEEE Industry Applications Conference, 2003: [2] Wu Xiaofeng, Xu Dehong, Weng Zhiwei, et al. Modeling of integrated EMI filter with fiexible multilayer(fml) foils[c]. Proceedings of the IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, 2009: [3] Zhao Linying, Wyk J D van. Frequency-domain modeling of integrated electromagnetic power passives by a generalized two-conductor transmission structure[j]. IEEE Transactions on Circuits and Systems, 2004, 11(51): [4] Zhao Lingyin, Strydom J T, Wyk J D van. The modeling of planar multi-cell integrated reactive components based on multi-conductor generalized transmission structure theory[c]. Proceedings of the IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, 2002: [5] Chen Rengang, Wang Shuo, et al. Integration of EMI filter for distribution power system(dps) front-end converter[c]. Proceedings of the 34th Annual IEEE Power Electronics Specialist Conference, 2003: [6] 刘国强, 赵凌志, 蒋继娅. Ansoft 工程电磁场有限元分析 [M]. 北京 : 电子工业出版社, [7] Zhao Lingyin, Wyk J D van. Wideband modeling of integrated power passive structures: The series resonator[j]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2004, 19(2): [8] 王世山, 崔永生, 谢少军. 铁氧体环形电感器寄生电容的提取 [J]. 电工技术学报, 2009, 24(4): Wang Shishan, Cui Yongsheng, Xie shaojun. Extraction of parasitic capacitance for toroidal ferrite core inductor[j]. Transactions of China Electrotechnical Societ, 2009, 24(4): [9] Wang Shuo, Lee F C, Chen D Y, et al. Effects of parasitic parameters on the performance of EMI filters[c]. Proceedings of the 34th Annual IEEE Power Electronics Specialist Conference, 2003: [10] Kampczyk V W, RoB E. 铁氧体磁心 [M]. 冯怀函, 译. 北京 : 科学出版社, [11] 阚德鹏, 周洁, 丁高. EMI 滤波电感磁心磁导率的测量方法研究 [J]. 电子质量, 2005, 31(4): Kan Depeng, Zhou Jie, Ding Gao. Research of testing measurement on EMI filtering inductance magnetic core[j]. Electronics Quality, 2005, 31(4): [12] R Paul. 电磁兼容导论 [M]. 闻映红, 译. 北京 : 人民邮电出版社, 作者简介王世山男,1967 年生, 博士, 副教授, 主要从事电磁场数值计算电力电子电磁兼容的研究朱叶男,1988 年生, 硕士, 从事电力电子电磁兼容的研究

说明为了反映教运行的基本状态, 为校和院制定相关政策和进行教建设与改革提供据依据, 校从程资源 ( 开类别开量规模 ) 教师结构程考核等维度, 对 2015 年春季期教运行基

说明为了反映教运行的基本状态, 为校和院制定相关政策和进行教建设与改革提供据依据, 校从程资源 ( 开类别开量规模 ) 教师结构程考核等维度, 对 2015 年春季期教运行基内部资料东北师范大教运行基本状态据报告 2015 年春季期教务处 2015 年 10 月 27 日说明为了反映教运行的基本状态, 为校和院制定相关政策和进行教建设与改革提供据依据, 校从程资源 ( 开类别开量规模 ) 教师结构程考核等维度,

第 26 卷 第 11 期 王 世 山 等 圆 环 线 匝 构 成 的 平 面 共 模 EMI 滤 波 器 的 特 性 研 究 69 LC 线 圈 来 实 现 [1], 主 要 是 降 低 了 滤 波 器 的 高 度 ; 另 一 种 是 由 浙 江 大 学 伍 晓 峰 等 提 出 的 基 于 柔 性

第 26 卷第 11 期王世山等圆环线匝构成的平面共模 EMI 滤波器的特性研究 69 LC 线圈来实现 [1], 主要是降低了滤波器的高度 ; 另一种是由浙江大学伍晓峰等提出的基于柔性