一种混合滤波器电路结构及混合滤波器平面磁集成方法

技术领域

本发明涉及滤波器领域，具体涉及一种混合滤波器电路结构及混合滤波器平面磁集成方法。

背景技术

近年来，随着宽禁带半导体器件的不断发展，用于逆变系统的开关管的开关频率可以达到上百kHz，虽然可以提高系统的效率，但极高的开关频率也带来了严重的电磁干扰问题。针对逆变系统中存在的干扰问题，为维护电网稳定，保护用电设备安全，国际国内对逆变系统的总谐波失真度（THD）和电磁兼容性（EMC）进行了规定，这是设计逆变系统时必须参考的设计指标。因此如何更好地解决逆变系统中的谐波问题和电磁干扰问题是一个必要的研究内容。

现有技术中，一种技术方案为通过磁集成技术，分别把单级EMI滤波器和双级EMI滤波器的电感集成在同一磁芯结构中，其中单级EMI滤波器的集成结构减少了40%的体积，双级EMI滤波器的集成结构具备更好的噪声抑制效果并且减少了4.6%的电感体积。另一种技术方案采用柔性的铜箔代替铜线对磁芯元件实现磁集成，相较于分立器件的滤波器，体积减少了20%以上。

现有技术中，除了无源EMI滤波器，有人提出了体积和重量更小的有源EMI滤波器，但一方面受限于噪声抑制的频段较窄，另一方面难以同时实现对共模(CM)噪声和差模(DM)噪声的抑制。上述方案在EMI抑制和滤波器体积和重量优化方面都做了很大改善，但未同时考虑谐波抑制和EMI抑制，因此，现有技术仅从单一谐波或无源EMI滤波器或有源EMI滤波器进行优化设计，没有综合考虑谐波滤波器与EMI滤波器、有源EMI滤波器与无源EMI滤波器。且现有磁集成方案大多使用漆包线进行设计，未考虑电容的集成设计。

发明内容

本发明提供一种用于解决上述问题的一种混合滤波器电路结构及混合滤波器平面磁集成方法。

本发明一方面提供一种混合滤波器电路结构，所述混合滤波器电路结构包括LCL滤波器、EMI滤波器及两条RC电路路径，所述LCL滤波器包括多个电感单元及磁芯：多个所述电感单元均分为两个电感线圈，两个所述电感线圈对称分布在电路的L线和N线上；多个所述电感单元集成在所述磁芯；EMI滤波器，其与所述LCL滤波器连接，其设有运算放大器；两条RC电路路径，其与所述运算放大器的反馈回路连接。

本发明二方面提供一种混合滤波器平面磁集成方法：

提供一种混合滤波器，采样获取磁芯的边柱的磁阻R

所述通过在LCL滤波器的平面线圈的层与层之间插入介电材料，以得到电容集成；

在所述LCL滤波器外接分立电容C

在所述LCL滤波器连接EMI滤波器；

通过在EMI滤波器的电路L线和N线之间加入介电陶瓷片，以得到所述EMI滤波器所需的滤波电容C

在所述EMI滤波器的CM线圈和感应线圈之间插入屏蔽层；

根据所述磁芯的边柱的磁阻R

与现有技术相比，本发明所选用的谐波滤波器为LCL滤波器，根据干扰传导路径对LCL滤波器进行对称拆分，在保证相同的谐波抑制能力同时提高LCL滤波器的EMI抑制能力；EMI滤波器采用有源和无源EMI滤波器结合的方式来提高整个频段内的EMI抑制能力；采用平面磁集成方式把电感线圈集成到一个磁芯，通过合理设计把有源EMI滤波器的采样线圈集成到同一个磁芯单元；在平面线圈层与层之间插入介电材料进一步完成电容集成；该集成方案能大大减小滤波器的重量和体积、提高逆变系统的功率密度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1为本发明提供的一种混合滤波器电路结构示意图；

图2为图1所示的LCL滤波器电感对称结构；

图3（a）为CM噪声干扰激励下的一种LCL滤波器电路结构示意图；

图3（b）为CM噪声干扰激励下的另一种LCL滤波器电路结构示意图；

图4为混合滤波器电路结构的绕组结构设计示意图；

图5（a）为在图4所示的混合滤波器电路结构的绕组结构里，在CM噪声激励下磁芯中磁通路径分布图；

图5（b）为在图4所示的混合滤波器电路结构的绕组结构里，在DM噪声激励下磁芯中磁通路径分布图；

图6为混合滤波器电路结构的线圈集成结构；

图7（a）为LCL滤波器电感平面线圈层叠结构；

图7（b）为EMI滤波器平面线圈层叠结构；

图8为混合滤波器的平面磁集成结构；

图9为一种混合滤波器平面磁集成方法的步骤示意图；

图10（a）为CM噪声激励下的等效简化磁路模型图；

图10（b）为DM噪声激励下的等效简化磁路模型图；

图11为混合滤波器的磁芯尺寸示意图；

图12为共模噪声激励下共模电感的磁通量分布图；

图13为不同频率谐波激励下L1的磁通分布；

图14为不同频率谐波激励下L2的磁通分布；

图15（a）为分立式EMI滤波器、混合滤波器及分立式LCL滤波器的重量对比图；

图15（b）为分立式EMI滤波器、混合滤波器及分立式LCL滤波器的体积对比图；

图16（a）为分立式LCL滤波器的逆变器侧电流THD分析图；

图16（b）为混合滤波器的网侧电流THD分析图；

图17（a）为混合滤波器CM噪声测量结果；

图17（b）为混合滤波器DM噪声测量结果；

图18（a）为混合滤波器的热成像示意图；

图18（b）为分立式LCL滤波器的热成像示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请同时参阅图1及图2，图1为本发明提供的一种混合滤波器电路结构示意图，图2为图1所示的LCL滤波器电感对称结构。

一种混合滤波器电路结构100，所述混合滤波器电路结构100包括LCL滤波器10、EMI滤波器20及两条RC电路路径30，所述LCL滤波器10包括多个电感单元、磁芯、逆变电路、侧电感L

所述有源滤波器为电流控制电流源反馈滤波器，控制方式采用模拟量控制。CCCS反馈式有源EMI滤波器的放大环节采用运算放大器，将电流互感器采集的CM噪声信号进行反向放大。补偿方式采用两条RC路径，补偿信号注入线路来抑制噪声，所述电流控制电流源反馈滤波器包括多个采样线圈及多个平面线圈，多个所述采样线圈集成到所述磁芯中，多个所述平面线圈间隔设置有介电材料或屏蔽层。

请参阅图3（a），图3（a）为CM噪声干扰激励下的一种LCL滤波器电路结构示意图，图3（b）为CM噪声干扰激励下的另一种LCL滤波器电路结构示意图。

VCM表示共模噪电压，ZLISN,CM表示LISN等效阻抗、ZL1+L2表示侧电感L

；

当抑制CM噪声转换到DM噪声时，应有V1=V2和V*1=V*2。从上述计算公式可以看出，对称结构的LCL滤波器可以抑制CM噪声转换为DM噪声。

请参阅图4，图4为混合滤波器电路结构的绕组结构设计示意图。

其中线路一表示L线、线路二表示N线，所述LCL滤波器采用了对称结构，其还包括逆变电路、侧电感L

所述EMI滤波器还包括无源滤波器，所述无源滤波器的CM电感线圈在所述磁芯的左边柱绕制N

请参阅图5（a），图5（a）为在图4所示的混合滤波器电路结构的绕组结构里，在CM噪声激励下磁芯中磁通路径分布图。CM噪声的传导路径方向在所述L线和所述N线相同的，绕制在所述磁芯左边柱及所述磁芯左边柱上的线圈在CM激励下产生的磁通φ

请参阅图5（b），图5（b）为在图4所示的混合滤波器电路结构的绕组结构里，在DM噪声激励下磁芯中磁通路径分布图。

在DM噪声激励下，在所述磁芯的中柱上对称的所述逆变器的所述侧电感L

请参考图6，图6为混合滤波器电路结构的线圈集成结构。所述混合滤波器电路结构的线圈集成结构由所述LCL滤波器的线圈和所述EMI滤波器的线圈集成。

请参阅图7（a），图7（a）为LCL滤波器电感平面线圈层叠结构。在所述LCL滤波器的平面线圈层与层之间插入介电材料，用于实现电容集成。在所述LCL滤波器的所述磁芯上部分绕制侧电感L

请参阅图7（b），图7（b）为EMI滤波器平面线圈层叠结构。通过在EMI滤波器的电路L线和N线之间加入介电陶瓷片，以得到所述EMI滤波器所需的滤波电容CX和CY，在所述EMI滤波器的CM线圈和感应线圈之间插入屏蔽层，减少绕组间的寄生参数，提高有源滤波部分的噪声提取能力，保持良好的噪声抑制效果。

请参阅图8，图8为混合滤波器的平面磁集成结构。所述混合滤波器的平面磁集成结构由所述混合滤波器的线圈集成结构及所述混合滤波器的平面线圈的层叠结构组成。所述LCL滤波器采用对称结构的所述侧电感L

请参阅图9，图9为一种混合滤波器平面磁集成方法的步骤示意图。

一种混合滤波器平面磁集成方法，包括如下方法步骤，

S1、提供一种混合滤波器，采样获取磁芯的边柱的磁阻R

S2、所述通过在LCL滤波器的平面线圈的层与层之间插入介电材料，以得到电容集成；

S3、在所述LCL滤波器外接分立电容C

S4、在所述LCL滤波器连接EMI滤波器；

S5、通过在EMI滤波器的电路L线和N线之间加入介电陶瓷片，以得到所述EMI滤波器所需的滤波电容C

S6、在所述EMI滤波器的CM线圈和感应线圈之间插入屏蔽层；

S7、根据所述磁芯的边柱的磁阻R

请参阅图10（a），图10（a）为CM噪声激励下的等效简化磁路模型图。所述磁芯的边柱R

可以理解的是，根据磁通路径，相应线圈的自感磁阻R

计算所述R1等效磁阻及所述R2等效磁阻的公式如下所示：

R1=Rs+2Ry；

R2=Rc+2Rgc。

需要说明的是，在上述模型中，一般认为左右两列磁通的耦合系数为1，即左右两列完全耦合，但实际上可能有漏磁通Φ2流向中间列。漏磁通Φ2的大小与所述磁芯的中柱气隙有关。随着所述气隙的增大，所述R2等效磁阻增大，左右两列磁通之间的磁耦合程度增大，趋近于理想状态。但当所述磁芯的中柱气隙过大时，所述磁芯的中柱磁阻的增加会进一步导致所述磁芯的中柱电感线圈匝数增加，增加绕组设计成本和损耗。因此需要根据所述磁芯的中柱气隙的设计计算左右侧柱的磁耦合系数Kh，得到所述混合滤波器CM线圈与对应共模电感线圈匝数N1的关系如式所示。其中，Kh表示左右侧柱的磁耦合系数，LCM表示共模电感值，N1表示共模电感匝数：

请参阅图10（b），图10（b）为DM噪声激励下的等效简化磁路模型图。在上述模型中，所述LCL滤波器的所述侧电感L

请参阅图11，图11为混合滤波器的磁芯尺寸示意图。搭建实验平台对上述方法进行验证，在ANSYS Maxwell软件中采用有限元法对绕组结构进行仿真。通过上述计算公式，选择l

。

请同时参阅图12、图13及图14，图12为共模噪声激励下共模电感的磁通量分布图，图13为不同频率谐波激励下L1的磁通分布，图14为不同频率谐波激励下L2的磁通分布。

由于所述磁芯的边柱上没有气隙，需要验证CM噪声信号是否会导致磁饱和，仿真结果如图12所示。可以理解的是，PWM控制逆变器的输出电流谐波主要集中在开关整数倍频率处。当开关频率较高时，会引起所述磁芯的饱和。请参阅图13，通过PLECS仿真得到谐波电流幅值，在一实验中，设置输出电压频率f=50Hz，电流为2.45A，通过有限元仿真得到所述L1在谐波电流激励下的磁通分布。在另一实验中，设置输出电压频率f=200Hz，电流为0.24A，通过有限元仿真得到所述L1在谐波电流激励下的磁通分布。请参阅图14，通过PLECS仿真得到谐波电流幅值，在一实验中，设置输出电压频率f=50Hz，电流为2.45A，通过有限元仿真得到所述L2在谐波电流激励下的磁通分布。在另一实验中，设置输出电压频率f=200Hz，电流为0.24A，通过有限元仿真得到所述L2在谐波电流激励下的磁通分布。CM噪声激励和谐波电流激励产生的磁通量在工作频率和开关频率下均小于所述磁芯的饱和磁通密度Bm=530mT，不足以使所述磁芯饱和。

请参阅图15（a）及图15（b），图15（a）为分立式EMI滤波器、混合滤波器及分立式LCL滤波器的重量对比图，图15（b）为分立式EMI滤波器、混合滤波器及分立式LCL滤波器的体积对比图。所述混合滤波器的平面磁集成结构相比分立式EMI滤波器及分立式LCL滤波器的结构体积和重量分别减少了40.90%和52.44%，所述混合滤波器的平面磁集成结构更有利于逆变器体积和重量的减小。

请同时参阅图16（a）及图16（b），图16（a）为分立式LCL滤波器的逆变器侧电流THD分析图，图16（b）为混合滤波器的网侧电流THD分析图。逆变输出电流中含有大量谐波，为验证所述混合滤波器的谐波抑制效果，如图16（a）所示，谐波主要集中在开关频率及其整数倍频率处，逆变器侧电流THD=7.54%，不符合并网谐波标准。如图16（b）所示，经过所述混合滤波器后，网侧电流THD=1.62%，谐波得到显着抑制，能够满足并网谐波标准的要求，验证了所述混合滤波器的平面磁集成的谐波抑制效果。

请结合参阅图17（a）及图17（b），图17（a）为混合滤波器CM噪声测量结果，图17（b）为混合滤波器DM噪声测量结果。逆变器接入所述混合滤波器的平面磁集成结构后，测得对CM噪声低频抑制效果较好，高频减弱，能满足要求。对DM噪声在中频段具有良好的抑制性能，总体可以满足要求，验证了所述混合滤波器抑制传导电磁干扰的能力。

请结合参阅图18（a）及图18（b），图18（a）为混合滤波器的热成像示意图，图18（b）为分立式LCL滤波器的热成像示意图。

为进一步验证所述混合滤波器的可靠性，将所述混合滤波器接入逆变电路，以额定功率运行10分钟，可以看出，在背景温度为23℃的室内环境中，得益于所述混合滤波器的平面磁集成的结构优良的散热性能，所述混合滤波器的温升从23.6℃升至27.7℃，平均温度为25.3℃，最高温度为27.7℃，比分立LCL滤波器升温更低，且平均温度及最高温度比分立LCL滤波器更低。温度测试结果验证了所述混合滤波器的平面磁集成结构的稳定性，也间接验证了集成电感的损耗小，有助于提高逆变系统的功率密度。

与现有技术相比，本发明所选用的谐波滤波器为LCL滤波器，根据干扰传导路径对LCL滤波器进行对称拆分，在保证相同的谐波抑制能力同时提高LCL滤波器的EMI抑制能力；EMI滤波器采用有源和无源EMI滤波器结合的方式来提高整个频段内的EMI抑制能力；采用平面磁集成方式把电感线圈集成到一个磁芯，通过合理设计把有源EMI滤波器的采样线圈集成到同一个磁芯单元；在平面线圈层与层之间插入介电材料进一步完成电容集成；该集成方案能大大减小滤波器的重量和体积、提高逆变系统的功率密度。

以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。