一種emc濾波電感的製作方法

2023-12-09 10:58:56

專利名稱：一種emc濾波電感的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種EMC ( Electro Magnetic Compatibility,電磁兼容性) 濾波電感。
背景技術：
在傳導高頻段和輻射頻段，共模幹擾常常是主要的千擾源，所以在電 子產品中為了解決共模幹擾問題，常需要用到共模濾波電路，共模濾波電 路的核心就是共模濾波電感和Y電容。Y電容一般用在失效時存在電擊危 險的場合，因此對其電氣和機械可靠性有特殊要求，同時對其容量又有一 定限制以防止能量危險存在，當然其對安全的要求更高；根據其額定電壓 和所能承受的尖峰電壓等級又可分為Yl、 Y2、 Y3和Y4四類。在本專利 申請，我們所說的Y電容是指共模濾波電路輸入各線與大地或機殼等相連 的為濾除共模幹擾而加的輸入各線與大地間的跨接電容，或與此功能相類 的電容。
共模濾波電感常用的有單相、三相和多相等類型，從繞線形式來分， 可分為骨架型和磁環型兩種，無論何種繞線形式，都存在著各種寄生參數， 這些寄生參數對EMC有有利的也有不利的，如寄生的匝間耦合電容，寄 生的X電容等。X電容一般指用在失效時不會存在電擊危險的場合，當跨 線使用電容(相當於差模電容)進行濾波時，因線間存在雷擊、開關浪湧 等，可能會導致電容冒煙或起火，故各國安全規定對此類電容有特殊安全 要求，這類跨線用同時有一定的安全要求的電容，稱之為X電容，根據其 額定電壓和所能承受的尖峰電壓等級又可分為X1、 X2、 X3三類。在本專 利申請，我們所說的X電容是指為濾除輸入線與線間的差模幹擾而加的線 與線間的跨接電容，或與此功能相類的其它電容。但現有的無論何種形式 電感都難以產生寄生Y電容，對於高頻段幹擾，特別是信號高頻幹擾，只 能外加Y電容。在電容工藝水平和安全規定要求下，目前只能生產陶瓷的 片狀Y2電容，該陶瓷的片狀Y2電容成本非常貴，是普通Y2電容的幾十
倍至上百倍，且目前尚未有大規模應用；另外由於加工工藝的複雜性尚無片狀的Y1電容出現，故無法大批量用於實際EMC防護上，而用插件的Y 電容常常因為整個板子都是貼片的器件而無法被接受，或者單板回流焊後 而要進行補焊而額外增加不必要的成本。目前對於一些處於安全電壓以下 的信號電路或電源電路通常採用高壓貼片金膜電容來代替Y電容，但由於 損壞特性的不同，存在較大安全風險。另外對於高頻段EMC幹擾，共模 電感由於匝間砂合產生的寄生並聯電容對其與電感諧振頻率以上頻段的影 響是相當負面的，有時甚至是一個產品的EMC的致命點，所以我們希望 電感的寄生並聯電容越小越好。但由於目前環形電感的特點和繞線工藝水 平的限制，內環導線往往無法稀疏排開，寄生並聯電容就難以減小。 綜上所述，現有的濾波電感存在下述缺點
1. 無法產生寄生的Y電容，對共模濾波十分不利；雖然可以外加Y 電容，Y電容由於安全規定及現在生產工藝問題體積較大，且Y電容目前 尚無大批量生產的片狀Y電容；對於高頻幾十兆到幾百兆的幹擾信號，採 用插件Y電容同樣存在寄生參數的不良影響；
2. 寄生並聯電容Cp較大，對電感的噪聲抑制能力產生十分不利的影響；
3. 寄生X電容容量太小，對差模濾波效果不利。

發明內容
本發明就是為了解決現有EMC濾波電感的上述問題，提出一種新的 EMC濾波電感。
為此，本發明的EMC濾波電感包括由原繞組線繞制而成的原繞組， 其特徵是還包括由絕緣導線與所述原繞組線並繞而成的接地繞組。 優選地，所述接地繞組一端與大地相連，另一端懸空。 與所述原繞組線並繞的絕緣導線有至少兩根。
所述濾波電感是環形共模濾波電感或帶骨架型共模濾波電感或工字形 差模濾波電感或環型差模濾波電感。
所述絕緣導線與共模濾波電感的兩個原繞組同時並繞。
所述絕緣導線與共模濾波電感的兩個原繞組分別並繞。
所述帶骨架型共模濾波電感的每相原繞組內的原繞組線相互錯位，所
述濾波電感的兩相原繞組間的相鄰原繞組線正對。
所述環形濾波電感的磁環內層為至少兩層，所述磁環內層層間設有層 間絕緣層。
所述繞組有一個或多個，分布在一層或多層中，所述繞組間和/或繞組 層間和/或繞組外設有金屬屏蔽地。
還包括絕緣線，所述絕緣線與所述原繞組線、絕緣導線並繞。
與現有技術相比，本發明的有益效果如下
本發明的EMC濾波電感包括由絕緣導線與所述原繞組線並繞而成的 接地繞組，通過這個接地繞組與原繞組間耦合產生寄生Y電容，同時通過 這個接地繞組把原繞組匝間距離增大，通過控制絕緣導線的線徑就可以有 效控制繞組導線各匝間的有效匝間距，由於匝間距的增加就可以有效地減 小寄生的並聯電容Cp;另外由於接地繞組的引入使磁環的窗口利用率的提 高，兩繞組導線間的平均間距減小，同樣可以增加兩繞組間的寄生X電容。
本發明的EMC濾波電感與原繞組線並繞的絕緣導線有至少兩根，這 可以進一步減小電感原繞組的寄生並聯電容Cp。
本發明的環形濾波電感的磁環內層為至少兩層，所述磁環內層層間設 有層間絕緣層，這可進一步減小寄生電感並聯電容Cp。
對於帶骨架型共模濾波電感的每相繞組內的原繞組線相互錯位，兩相 繞組間的原繞組線正對可以減小每相繞組內的上下層間導線產生的電感 並聯寄生電容；增加繞組間的寄生X電容容量。


圖1是一個普通環形共模電感剖面圖2是圖1所示的環形共模電感的各種寄生參數組成的電路模型示意
圖3是單個電感阻抗與電感量、寄生參數的關係圖4是單絕緣導線並繞成一個接地繞組的環形共模電感剖面圖5是單絕緣導線並繞成兩個接地繞組的環形共模電感剖面圖6是圖4的等效電路圖7是圖5的等效電路圖8是單絕緣導線並繞成一個接地繞組的帶骨架型共模電感剖面圖9是雙絕緣導線並繞成一個接地繞組的環形共模電感剖面圖； 圖10是雙絕緣導線並繞成兩個接地繞組的環形共模電感剖面圖； 圖11是雙絕緣導線並繞成一個接地繞組的帶骨架型共模電感剖面圖； 圖12是單絕緣導線並繞成一個接地繞組的環形差模電感剖面圖； 圖13是單絕緣導線並繞成一個接地繞組的工字形差模電感剖面圖； 圖14是是帶有一定共模濾波能力的差模電感的等效電路圖。
具體實施例方式
為了便於下面的描述，下面先對現有的EMC濾波電感的工作原理進 行說明並對其濾波效果進行分析。
如圖l、 2所示， 一種普通環形EMC共模濾波電感的寄生參數中，地 平面的寄生電阻Rsl、 Rs2對抑制差模和共模幹擾都是有益的，當然Rsl、 Rs2對正常輸入電源或信號也同樣有衰減作用，會產生一定的損耗，綜合 應用上是希望Rsl、 Rs2越小越好。寄生並聯電容Cpl、 Cp2對抑制共模和 差模幹擾都是十分不利的，它們對各種頻率的幹擾信號形成了傳輸通道， 使電感L1對幹擾信號的抑制作用大為減弱。另一方面，寄生的X電容Csl 與Cs2對抑制差模幹擾有利，所以我們希望它們越大越好。
圖3是單個電感阻抗與電感量、寄生參數的關係圖。從圖3可知，如 果電感量不變的情況下，當寄生並聯電容Cp容量越大，電感的諧振頻率 點就越小，阻抗最大點就下移，諧振頻率點後的阻抗值隨之下降，對幹擾 源的抑制能力隨之下降。Rs越大，阻抗起點就越高，對幹擾源的抑制能力 就越強。下面我們對一個電感中影響寄生電容的各要素進行分析，我們以 一個環形電感為例，假設電感的環形磁芯截面是圓形的，根據電容的原理 我們就可以知道，寄生電容的容量主要與下面幾個參數有關環形磁芯圓 柱體的直徑、繞線線徑、匝間距、介質材料特性等。其中介質材料特性與 空氣、導線漆皮或其它導線外的絕緣材料特性有關， 一般是固定的，繞線 線徑與流過電感的電流有關，也應是固定的；環形磁芯圓柱體的直徑在磁 芯材料、電感量和繞線線徑確定後也是確定的，所以我們可以改變的只有 匝間距。在其它條件一定情況下，寄生電容的大小與環形磁芯圓柱體的直
徑的關係是環形磁芯圓柱體的直徑越大，寄生電容容量的也越大；在其 它條件一定情況下，寄生電容的大小與繞線線徑的關係是繞線線徑越大， 寄生電容容量的也越大；在其它條件一定情況下，寄生電容的大小與匝間距的關係是匝間距越小，寄生電容容量的越大。另外兩個繞組間間距遠
大於匝間距，故寄生電容Cp也同樣遠大於Cs，這不是我們所希望的。另 一方面，上面的寄生電容中也沒有我們希望的寄生Y電容存在，這對共模
濾波電感的共模濾波效果是不利的。
下面用幾個具體實施方式
介紹本發明在現有EMC濾波電感基礎上的 改進型EMC濾波電感，如圖4、 5所示，其主要改進點在於在EMC濾 波電感的原原繞組線1上並繞有絕緣導線2繞成的接地繞組。通過這個接 地繞組與原繞組間耦合產生寄生Y電容，同時這個接地繞組使原繞組匝間 距離增大，通過控制絕緣導線的線徑就可以有效控制繞組導線各匝間的有 效匝間距，由於匝間距的增加就可以有效地減小寄生的並聯電容Cp;另外 由於接地繞組的引入使磁環的窗口利用率的提高，對於共模EMC濾波電 感而言使兩繞組導線間的平均間距減小，可以增加兩繞組間的寄生X電容。
上述接地繞組可用單根導線繞制而成，也可以用雙根或更多根導線進 行繞制，以進一步減小電感原繞組的寄生並聯電容Cp。
對於共模EMC濾波電感，接地繞組的引入有兩種方法， 一種是用一 個接地繞組同時與共模電感的兩原繞組並繞，接地繞組的一端通過電感引 腳接地，另一端可直接懸空或通過電感引腳後再懸空；另一種是用兩個接 地繞組分別與共模電感的兩原繞組並繞，兩接地繞組的一個同名端短接後 通過電感引腳接地，另一同名端可直接懸空或通過電感引腳後再懸空；如 果磁環內層一層無法繞下時，可以疊繞，兩層間的原繞組線儘量相錯開， 以減小原繞組線間互相耦合而產生的寄生電感並聯電容Cp的大小。為增 加效果也可以在疊繞時在兩層間加入一定厚度的層間絕緣層4，進一步減 小寄生電感並聯電容Cp。
如圖6、 7所示，我們對電感結構進行分析可知，新等效電路圖中增加 了我們所希望的寄生Y電容Cya、 Cyb、 Cyc、 Cyd;同時由於寄生Y電 容的存在和電感兩原繞組間平均距離的減小使我們希望增加的寄生X電容 Csa、 Csb增加了，同時由於繞組匝間距離大幅增加(增加距離大小與所加 絕緣導線的絕緣厚度等有關)，寄生的電感並聯電容大為減小。這樣就達到 了我們所希望的結果增加了共模電感對共模噪聲的抑制效果。
如圖8所示，對於磁芯骨架型的電感，我們同樣可以採用上面的兩種 方法進行繞制電感，每個電感原繞組1並繞絕緣導線2形成接地繞組，接
地繞組的也有兩種方法， 一種是用一個接地繞組同時與共模電感的兩原繞
組並繞，接地繞組的一端通過電感引腳接地，另一端直接懸空；另一種是 用兩個接地繞組分別與共模電感的兩原繞組並繞，兩接地繞組的一個同名 端短接後通過電感引腳接地，另一同名端可直接懸空。當一個電感原繞組 需要繞制兩層及以上時，相臨上下層原繞組導線相互錯開，以減小上下層 間導線產生的電感並聯寄生電容；電感兩原繞組間相臨上下間正對，以增 加繞組間的寄生X電容。
下面我們對改進後電感進行詳細分析
首先對電感並聯寄生電容Cpa、 Cpb進行分析，未改進前繞組導線的 相鄰兩匝匝間距一般為導線的漆皮厚度的兩倍，例如一根0.4mm導線，漆 皮最小厚度一般為0.015mm，導線中心距約為0.05mm左右，如果我們採 用改進後方法，用一根同樣線徑的絕緣線作為隔離間距用，導線中心距約 為0.5mm左右，導線中心距是原來的IO倍左右，在同樣的磁環或磁芯條 件下，Cpa、 Cpb寄生電容容量就是原來的1/5 1/10左右，可見改進後對 電感寄生並聯電容有了很大的改觀。對於寄生的Y電容，導線與銅皮間的 間距為一至兩層絕緣膠帶的厚度， 一般情況下為0.05mm 0.1mm左右，產 生的寄生Y電容與未改進前的電感並聯寄生電容相當，如果採用同樣線徑 的漆包線作地平面，則產生的寄生Y電容與未改進前的電感並聯寄生電容 的兩倍以上。對於寄生X電容，由於兩繞組導線間的平均間距變小，X電 容相應會增加，另外由於寄生Y電容的存在，兩繞組間的寄生Y電容串聯 後相當於另一類型的寄生X電容，這同樣也相當於增加了 X電容容量。對 於地平面的寄生電阻Rsc、 Rs的阻值為毫歐級的，經過寄生電阻的只有部 分從寄生Y電容上流過的共模幹擾電流，寄生電阻對EMC的影響可以忽 略不計。綜上所述，改進後電感各寄生參數均朝著有利EMC方向改變， 這正是我們希望的。
具體實施方式
一
如圖9所示， 一種環形共模濾波電感包括原繞組線1、由原繞組線1 繞成的L相繞組和N相繞組、位於繞組層間的繞組層間絕緣層4、位於L 相繞組和N相繞組間的繞組間絕緣層3和一個採用雙絕緣導線與L相繞組 和N相繞組並繞的接地繞組2。
具體實施方式
二
如圖10所示， 一種環形共模濾波電感包括原繞組線1、由原繞組線l
繞成的L相繞組和N相繞組、位於繞組層間的繞組層間絕緣層4、位於L 相繞組和N相繞組間的繞組間絕緣層3和兩個採用雙絕緣導線分別與L相 繞組和N相繞組並繞的接地繞組2。
具體實施方式
三
如圖11所示， 一種帶骨架型共模濾波電感，包括骨架6，由原繞組線 1繞在骨架6上形成的L相繞組la和N相繞組lb，位於L相繞組la和N 相繞組lb內的繞組層間絕緣層4，位於L相繞組la和N相繞組lb間的 繞組間絕緣層3，位於整個原繞組線包外的線包外層絕緣層5和兩個採用 雙絕緣導線分別與L相繞組la和N相繞組lb並繞的接地繞組2。
具體實施方式
四
我們可以將上述用在共模電感裡的方法轉移到差模電感中去，產生一 種帶有一定共模濾波能力的差模電感。
如圖12所示，一種環形差模濾波電感包括由原繞組線1繞制而成的原 繞組、採用單絕緣導線與原繞組並繞的接地繞組2。
如圖13所示， 一種工字形差模濾波電感，包括工字型磁芯7、繞在工 字型磁芯7上的原繞組線1 ，採用單絕緣導線與原繞組並繞的接地繞組2。
對於上述帶有一定共模濾波能力的差模電感，其帶有各種寄生參數的 電感等效電路圖如圖14。
具體實施方式
五
本具體實施方式
與以上具體實施方式
的不同之處在於EMC濾波電感 的原繞組有一個或多個，分布在一層或多層中，原繞組間和/或原繞組層間 和/或原繞組外設有金屬屏蔽地。通過地平面與繞組間耦合產生寄生Y電 容，從而進一步增大寄生Y電容。
具體實施方式
六
本具體實施方式
與以上具體實施方式
的不同之處在於EMC濾波電感 還包括與原繞組線、絕緣導線並繞的絕緣線。通過控制絕緣線的線徑就可 以有效控制繞組導線各匝間的有效匝間距，由於匝間距的增加就可以有效 地減小寄生的並聯電容Cp。
權利要求
1.一種EMC濾波電感，包括由原繞組線繞制而成的原繞組，其特徵是還包括由絕緣導線與所述原繞組線並繞而成的接地繞組。
2. 根據權利要求1所述的EMC濾波電感，其特徵是所述接地繞組一端與大地相連，另一端懸空。
3. 根據權利要求1或2所述的EMC濾波電感，其特徵是 與所述原繞組線並繞的絕緣導線有至少兩根。
4. 根據權利要求3所述的EMC濾波電感，其特徵是所述濾波電感是環形共模濾波電感或帶骨架型共模濾波電感或工字形 差模濾波電感或環型差模濾波電感。
5. 根據權利要求4所述的EMC濾波電感，其特徵是 所述絕緣導線與共模濾波電感的兩個原繞組同時並繞。
6. 根據權利要求4所述的EMC濾波電感，其特徵是所述絕緣導線與共模濾波電感的兩個原繞組分別並繞。
7.根據權利要求4所述的EMC濾波電感，其特徵是所述帶骨架型共模濾波電感的每相原繞組內的原繞組線相互錯位，所 述濾波電感的兩相原繞組間的相鄰原繞組線正對。
8. 根據權利要求4所述的EMC濾波電感，其特徵是所述環形濾波電感的磁環內層為至少兩層，所述磁環內層層間設有層 間絕緣層。
9. 根據權利要求1或2所述的EMC濾波電感，其特徵是所述原繞組有一個或多個，分布在一層或多層中，所述原繞組間和/ 或原繞組層間和/或原繞組外設有金屬屏蔽地。
10. 根據權利要求1或2所述的EMC濾波電感，其特徵是 還包括與所述原繞組線、絕緣導線並繞的絕緣線。
全文摘要
本發明公開了一種EMC濾波電感，包括由原繞組線繞制而成的原繞組，還包括由絕緣導線與所述原繞組線並繞而成的接地繞組。本發明的EMC濾波電感包括由絕緣導線與所述原繞組線並繞而成的接地繞組，通過這個接地繞組與原繞組間耦合產生寄生Y電容，同時通過這個接地繞組把原繞組匝間距離增大，通過控制絕緣導線的線徑就可以有效控制繞組導線各匝間的有效匝間距，由於匝間距的增加就可以有效地減小寄生的並聯電容Cp；另外由於接地繞組的引入使磁環的窗口利用率的提高，兩繞組導線間的平均間距減小，同樣可以增加兩繞組間的寄生X電容。
文檔編號H01F17/00GK101202150SQ20061016854
公開日2008年6月18日 申請日期2006年12月13日 優先權日2006年12月13日
發明者吳連日 申請人:艾默生網絡能源系統有限公司