基于差共模滤波器滤波电感集成的研究

1、基于差共模滤波器滤波电感集成的研究* 基金项目：国家自然科学基金资助项目（50207004）Research on The Filter Inductance Integrated in Common mode and Differential mode Filter郝文慧 杨玉岗李洪珠 曾美艳 辽宁工程技术大学电气与控制工程学院（葫芦岛 125105 ）Hao Wenhui Yang Yugang Li Hongzhu Zeng Meiyan Faculty of Electrical and Control Engineering of Liaoning Technical Univers

2、ity(Hu Ludao 125105) 摘要：本文在文献1所提出的差共模集成滤波器的基础上，通过改变磁芯的结构对差共模集成电感进行集成，减小滤波器无源器件的体积与高度，提高磁件的利用率，为电力电子的系统集成提供技术支持。文中推导出了集成磁件的等效电路，给出了集成磁件的设计结果。最后给出了实验结果，验证了本设计的有效性。关键词：滤波器 磁集成 差模 共模Abstract: Paper illustrates the integration of the common mode and differential mode integrated inductor based on the comm

3、on mode and differential mode integrated filter in reference 1, it can attain the decreasing of the filters volume and height and the increasing of the utilized rate of the magnetic core, then provide the technical support. In this paper, equivalent circuit of integrated magnetic components was gain

4、ed and its design results was given. At last, its experiment results proved this designs validity.Key words: filter integrated magnetic common mode differential mode 1 引言目前电源产品都是朝着频率高、体积小、重量轻的方向发展，这就要求尽量减小其内部每一个元器件的体积，因此EMI滤波器必须适应电源产品小型化的发展需求。为此，采用磁集成技术即采用磁件将滤波器中的差共模电感从结构上集成到一起，进而减少磁性元件的数量，减小体积，提高功率

5、密度。2 改进结构的引入图1所示即为开关电源EMI滤波器的典型结构，它既可以滤除共模噪声，又可以滤除差模噪声。图中，L1和L2为两个单独的差模电感，其铁心为铁氧体棒或铁粉芯环，电感量一般为几十至几百微亨，C1和C4为差模电容，一般为陶瓷电容或聚乙酯薄膜电容，电容量一般选0.0470.22微法，L1和L2，及C1和C4组成差模噪声滤波器，滤除差模噪声；L3和L4为共模电感，绕在同一个铁氧体环上，电感量约为几毫亨, C2和C3为共模电容，电容量约为几纳法，L3和L4 及C2和C3组成共模噪声滤波器，滤除共模噪声。图2是文献1提出的差共模集成滤波器，即将差共模电感集成到一起，其中大环采用的是高磁导率

6、铁氧体材料，小环采用的是低磁导率铁粉芯材料。由于原结构需要两种磁芯材料，并且体积较大，现在将图2所示的结构作一下改进，如图3所示，磁芯材料为铁氧体，中间的闭合磁路磁导率很高，用来抑制共模噪声，两侧的带有气隙的磁路磁导率较低，相当于铁粉芯，用来抑制差模噪声。其中，可以通过改变两侧柱磁芯的长短来改变气隙的大小，进而改变差共模电感量。图1 开关电源EMI滤波器的典型结构 图2 文献1提出的差共模集成滤波器 图3 改进后的结构3 集成磁件分析对于共模扼流圈如图4(a)，利用磁路的对偶关系，以及法拉第电磁感应定律可导出如图4(b)所示的等效电路图。 图4(a) 共模滤波器磁路图 图4(b) 磁路电路对偶

7、变换法后的等效电路图 图4(c) 耦合电感模型其中N1、N2分别为1、2磁柱上绕组的匝数，、及1、2、3、4分别为1、2、3、4磁柱上的磁阻和磁通。由图4(b)可得：其中；上试中由此可得到图4(c)所示的耦合电感模型，由于改进后的模型结构对称，所以有：，即有差模电感利用了共模电感的漏感，通过计算可得：，是磁柱3的磁阻，由公式可知与磁柱3的磁阻有关，因此可以通过调节磁柱3的气隙来调节差模电感的大小，这和前面的分析是一致的。 4 实验结果插入损耗(I.L)是滤波器的主要技术参数，用分贝值来表示，该值越大，滤波器抑制干扰的能力越强。插入损耗的定义：是电源电路在接入滤波器前后输出电压的变化，测量时主要

8、比较其幅值的变化，U1为未接EMI滤波器时接收机测得信号的输出电压; U2为把EMI滤波器接入到信号源和接收机之间后，接收机测得的输出电压，插入损耗表示为I.L=20lg(U1/U2)图5 EMI滤波器插入损耗的测量根据插入损耗的定义，实验设计如下：信号发生器，磁芯采用PHILIPS公司铁氧体材料U10/8/3六个拼接而成，这是比较经济的做法，当然，如果有条件可以开模制作。差模电容C1=C4=68n，共模电容C2=C3=2.7n，差模电感=19u，共模电感L1=L2=1.12m，源阻抗和负载阻抗均为50，对这种差、共模集成EMI滤波器的输入端施加约1V交流小信号，频率为1kHz，如图6所示，用

9、示波器观测输出信号的变化，采集的波形如图7所示。图6 差、共模集成EMI滤波器的输入波形 文献1中结构的输出波形 图3所示结构的输出波形 图7(a) 10KHz时两种结构波形的比较 文献1中结构的输出波形 图3所示结构的输出波形 图7(b) 20KHz时两种结构波形的比较 文献1中结构的输出波形 图3所示结构的输出波形 图7(c) 100KHz时两种结构波形的比较 文献1中结构的输出波形 图3所示结构的输出波形 图7(d) 200KHz时两种结构波形的比较 文献1中结构的输出波形 图3所示结构的输出波形 图7(e) 1MHz时两种结构波形的比较由图7可以看出，两种结构都具有滤波效果，输入波形为

10、1V，在10KHz时就衰减到了480mV，衰减了一半，到200kHz时衰减到了64mV，衰减效果很明显；1MHz时，滤波器峰峰值只有24mV，这时绝大部分干扰已经滤去了；还可以看出，两种结构的滤波器的滤波效果基本相同，而文献1中的差共模滤波器体积约为76cm3 ，改进后的结构还不到4.1cm3，改进后的结构大大减小了滤波器的体积，顺应了目前电源产品的发展方向。 5 结束语本文在文献1所提出的差共模集成滤波器的基础上，通过改变磁芯的结构对差共模滤波电感进行集成，减小了滤波器无源器件的体积与高度，提高磁件的利用率，为电力电子的系统集成提供技术支持。文献1中的差共模滤波器占用空间约为76cm3 ，而

11、改进后的结构不到4.1cm3，大大减小了滤波器的体积，顺应了目前电源产品的发展方向，并且改进后的结构只用到一种材料，比文献1中的差共模滤波器用到两种材料更节约成本。参考文献1 Liu Nan，Yang Yugang，A common mode and differential mode integrated EMI filter，CES/IEEE 5th International power electronics and motion control conference,pp：214-218.2杨玉岗现代电力电子的磁技术北京：科学出版社，20033梁鸿雁，杨玉岗. 利用耦合电感改善EMI电源滤波器高频幅频特性的研究.电力自动化设备.2005.104Rengang Chen ,Shuo Wang .Integration of EMI Filter for Distributed Power System Front end Converter. IEEE trans on Power Electronics.2003.PP296-3005Rengang Chen,F.Chanales ,BoYang.Barhasa,J.D.Integration of Electromegnetic Passive Comp