一種高性能集成emi濾波器的製作方法
2023-12-02 16:46:01 1
專利名稱：一種高性能集成emi濾波器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種EMI濾波器內部模塊的集成結構，特別涉及一種由筒壁型差模電容構成的濾波器結構。
背景技術：
無源EMI濾波器是抑制開關電源中傳導電磁幹擾的主要手段，而傳統濾波器是由分立電感器和電容器組成的，由於分立元件數量多、形狀各異，空間利用率低，佔整個變換器系統的很大一部分體積，並且分立元件存在的寄生參數嚴重影響了濾波器的高頻性能。因此，為減小EMI濾波器的體積，改善其高頻性能，開展集成EMI濾波器的研究是十分必要的。無源器件集成包括如變壓器、諧振電感與扼流圈、諧振電容與濾波電容等元件的集成，近年來已經成為提高功率密度的研究熱點，也是實現現代開關電源系統「短、小、輕、 薄」技術的重要途徑。對於EMI濾波器，無源器件的集成主要是對電容、電感等元件進行集成。美國電力電子研究中心(CPES)研究的平面集成EMI濾波器在結構上最具代表性，此種結構的EMI濾波器採用平面E型磁芯，由差模電容、共模電感層、共模集成LC結構及漏感層組成，其中集成LC元件為基本單元，是由在陶瓷介質基板的兩側直接噴鍍矩形螺旋繞組而成。禾Ij用一匝或不到一匝的平面LC結構作為差模電容，採用四端點連接方式，以減小串聯寄生電感；利用兩個多匝的平面LC結構，連接成低通濾波器結構，並聯在一起作為共模扼流圈；共模電感層的存在使得共模電感值大大增加，該種結構實現了 EMI電源濾波器的平面磁集成結構，減小了體積，大大提高了功率密度，並且減小了高頻的寄生參數。然而，前述濾波器也有缺陷，其中最嚴重的就是集成差模電容值很難達到理想值， 而克服該缺陷的途徑有兩個一、採用高介電常數陶瓷材料作為集成差模電容模塊的介質板；二、增大差模電容模塊中介質板兩側單匝銅導線繞組的正對面積。由於高介電常數的陶瓷材料存在自身的缺點，相對於大多數的薄膜介質材料來說，它隨頻率和溫度變化時的介電常數穩定性要差很多，途徑一顯然較難實現。途徑二的實現較為簡單，但是銅導線繞組正對面積成倍的增大勢必會使濾波器的平面面積也成倍增加，仍有待改進。有鑑於上述分析，本發明人依此思路進行深入研究，本案由此產生。
發明內容
本發明所要解決的技術問題，是針對前述背景技術中的缺陷和不足，提供一種高性能集成EMI濾波器，其易於實現理想的差模電容值，提升EMI濾波器的高頻濾波性能。本發明為解決以上技術問題，所採用的技術方案是
一種高性能集成EMI濾波器，包括同軸依次設置的第一罐型磁芯、差模電容、第一共模電感、第一共模集成LC結構、漏感層、第二共模集成LC結構、第二共模電感和第二罐型磁芯，第一共模電感與第一共模集成LC結構的一層線圈通過導線順向串聯在一起，形成一個順向耦合結構，第二共模電感與第二共模集成LC結構的一層線圈通過導線順向串聯在一起，形成另一個順向耦合結構；第一、二罐型磁芯相互扣合，將設於二者之間的部件扣合在容置腔內；差模電容由多層帶缺口的筒壁型陶瓷板和銅板交錯疊壓構成，且最內層與最外層均為銅板。上述共模集成LC結構包含筒壁型陶瓷板以及分別設於其內外兩側的內、外層螺旋線圈，且筒壁型陶瓷板由陶瓷材料NPO製成，內、外層螺旋線圈由相同線寬、螺距和匝數的扁平螺旋銅線圈製成。上述差模電容中的筒壁型陶瓷板採用介電常數為2000-7000的陶瓷材料PMN製成。上述第一、二罐型磁芯採用磁導率為2000-5000的鐵氧體材料製成。採用上述方案後，本發明與現有技術相比，消除了高頻時矩形螺旋線圈的拐角處電流分布不均帶來的影響；採用了罐型磁芯，大大提高了磁芯有效截面積和磁芯利用率，且使得濾波器各模塊全部位於磁芯內部，雜散磁場很難進入或離開磁芯，抗外界電磁幹擾能力增強；多個集成LC結構並聯的筒壁型差模電容的提出，降低了對差模電容模塊中介質材料的要求，有效增大了差模電容值，提高了集成EMI濾波器的高頻濾波特性。本發明可應用於分布式電源系統的前端變換器中，特別適合應用於對平面面積要求較高而對高度要求不是很嚴格的場合，與分立元件組成的EMI電源濾波器相比，體積明顯減小，並且提高了濾波器的插入損耗，改善了濾波器的高頻性能。通過類比多層疊片式電容的結構，採用多個集成LC結構並聯的筒壁型差模電容模塊，降低了對差模電容模塊中介質材料的要求，可以使用具有較好溫度、頻率敏感性但介電常數偏低的陶瓷材料PMN，此外將差模電容模塊做成筒壁型也可大大增加介質板兩側銅導線繞組的正對面積(代價是增大濾波器的整體高度)，從而很容易實現理想的差模電容值，提升了集成EMI濾波器的高頻濾波性能。
圖IA是本發明的立體結構分解圖； 圖IB是本發明的等效集中參數電路；
圖2A是本發明中集成LC結構的立體示意圖； 圖2B是本發明中集成LC結構的等效集中參數電路； 圖3A是本發明中差模電容的立體結構示意圖； 圖3B是本發明中差模電容的等效集中參數電路； 圖4A是本發明中共模電感的立體結構示意圖； 圖4B是本發明中共模電感的等效電路。
具體實施例方式以下將結合附圖，對本發明的技術方案進行詳細說明。如圖IA所示，本發明提供一種高性能集成EMI濾波器，包括同軸依次設置的第一罐型磁芯301、差模電容302、第一共模電感303、第一集成LC結構304、漏感層305、第二集成LC結構306、第二共模電感307和第二罐型磁芯308，所述的第一、二罐型磁芯301、308可相互扣合併形成容置腔，從而將其餘部件扣合在該容置腔內，且第一、二罐型磁芯301、308均由磁導率為2000-5000的鐵氧體材料製成(本實施例中選用磁導率為2000的鐵氧體材料)，其有效磁路面積為Ae，磁路長度為ζ ,磁導率為/<.。如圖2Α所示，其是第一集成LC結構304 (與第二集成LC結構306相同)的立體示意圖，其包含筒壁型陶瓷板402、內層螺旋線圈403和外層螺旋線圈401，且內、外層螺旋線圈403、401分別設於筒壁型陶瓷板402的內外兩側，其中，筒壁型陶瓷板402採用陶瓷材料NPO製成，而內、外層螺旋線圈403、401分別由相同線寬、螺距和匝數的扁平螺旋銅線圈製成。再請參考圖2Α所示，所述的內層螺旋線圈403具有兩個端點D、B，且端點B與筒壁型陶瓷板402連接，而外層螺旋線圈401具有兩個端點A、C，且端點C與筒壁型陶瓷板402 連接，圖2B是所述集成LC結構的等效集中參數電路圖，其中內、外層螺旋線圈403、401的
匝數都為N.，導線寬度為,筒壁型陶瓷板402的厚度為d:；需要說明的是，由於第
一、二集成LC結構304、306的結構相同，在此統一使用A、B、C、D表示四個端點，而對於單獨的第一、二集成LC結構304、306而言，其4個端點分別為A1_D1、A2_D2。如圖3A所示，是本發明中差模電容302的立體結構示意圖，其由多層帶缺口的筒壁型陶瓷板501和銅板502相互交錯疊壓構成，並確保最內層和最外層均為銅板502，其中陶瓷板501採用介電常數為2000-7000的陶瓷材料PMN製成，本實施例中採用介電常數為 5000的陶瓷材料PMN;圖;3B是差模電容302的等效集中參數電路圖，配合圖3A，設差模電容302的缺口兩側最內層的兩個端點分別為M、P，最外層相對應為N、Q，則其間的等效電路
圖如圖3B，其中匝數為1，導線寬度為t2，陶瓷板501的厚度為d2 ,介電常數為εr。如圖4Α所示，是本發明中第一共模電感303 (與第二共模電感307結構相同)的立體示意圖，其為螺旋形構造，兩個端點分別為Ε、F，此處與圖2Α中表示相同，也即第一共模電感303的兩個端點分別為E1、F1，第二共模電感307的兩個端點分別為E2、F2。圖4B是共模電感的等效電路圖，在此不再贅述。配合圖IB所示，是本發明一種高性能集成EMI濾波器的等效集中參數電路圖，其中，Al-Dl分別對應圖2A中第一集成LC結構304的4個端點，A2-D2則分別對應第二集成 LC結構306的4個端點，在連接時，將Dl和D2接地，而Bl和B2點均懸空；漏感層305設置在第一、二集成LC結構304、306之間；第一集成LC結構304的Cl點接差模電容302的 M點(配合圖3A)，第二集成LC結構306的C2點接差模電容302的B點；第一共模電感303 (配合圖3A)的El點和第二共模電感307的E2點作為濾波器的輸入埠 ；而第一共模電感 303的Fl點接第一集成LC結構304的Al點，第一共模電感303及第一集成LC結構304的線圈形成順向耦合串聯結構，第二共模電感307的F2點接第二集成LC結構306的A2點， 第二共模電感307及第二集成LC結構306的線圈形成順向耦合串聯結構；差模電容302的 C點和D點作為濾波器的輸出埠。一個共模電感與集成LC結構的順向耦合串聯構成共電感，其大小為
權利要求
1.一種高性能集成EMI濾波器，其特徵在於包括同軸依次設置的第一罐型磁芯、差模電容、第一共模電感、第一共模集成LC結構、漏感層、第二共模集成LC結構、第二共模電感和第二罐型磁芯，第一共模電感與第一共模集成LC結構的一層線圈通過導線順向串聯在一起，形成一個順向耦合結構，第二共模電感與第二共模集成LC結構的一層線圈通過導線順向串聯在一起，形成另一個順向耦合結構；第一、二罐型磁芯相互扣合，將設於二者之間的部件扣合在容置腔內；差模電容由多層帶缺口的筒壁型陶瓷板和銅板交錯疊壓構成，且最內層與最外層均為銅板。
2.如權利要求1所述的一種高性能集成EMI濾波器，其特徵在於所述共模集成LC結構包含筒壁型陶瓷板以及分別設於其內外兩側的內、外層螺旋線圈，且筒壁型陶瓷板由陶瓷材料NPO製成，內、外層螺旋線圈由相同線寬、螺距和匝數的扁平螺旋銅線圈製成。
3.如權利要求1所述的一種高性能集成EMI濾波器，其特徵在於所述差模電容中的筒壁型陶瓷板採用介電常數為2000-7000的陶瓷材料PMN製成。
4.如權利要求1所述的一種高性能集成EMI濾波器，其特徵在於所述第一、二罐型磁芯採用磁導率為2000-5000的鐵氧體材料製成。
全文摘要
本發明公開一種高性能集成EMI濾波器，包括同軸依次設置的第一罐型磁芯、差模電容、第一共模電感層、第一共模集成LC結構、漏感層、第二共模集成LC結構、第二共模電感層和第二罐型磁芯，第一共模電感與第一共模集成LC結構的一層線圈通過導線順向串聯在一起，形成一個順向耦合結構，第二共模電感與第二共模集成LC結構的一層線圈通過導線順向串聯在一起，形成另一個順向耦合結構；第一、二罐型磁芯相互扣合，將設於二者之間的部件扣合在容置腔內；差模電容由多層帶缺口的筒壁型陶瓷板和銅板交錯疊壓構成，且最內層與最外層均為銅板。此種濾波器結構易於實現理想的差模電容值，提升EMI濾波器的高頻濾波性能。
文檔編號H03H9/46GK102307043SQ20111011389
公開日2012年1月4日 申請日期2011年5月4日 優先權日2011年5月4日
發明者朱葉, 王世山, 石磊磊 申請人:南京航空航天大學