大功率3D集成式三相共模EMI滤波器研究

发布时间：2020-10-27 21:03

　　 高度电气化是在人们日益增长的需求下汽车技术进步的必然,也是汽车技术在很长时间内的发展趋势和研究热点。相较传统内燃机汽车,电气电子设备的急速增加使得多种类型电气电磁设备集中在车体内部。车辆控制、通信系统和导航等设备都通过电气设备连接在一起,电磁环境极其复杂。汽车内部各个系统间和汽车与外部环境间的电磁兼容性对于汽车的安全运行和外部环境中其他电子设备的正常工作意义重大。电力电子装置的植入化在为系统性能带来提升的同时,作为电磁噪声源,使得整个系统级别的电磁兼容问题变得复杂起来。基于GaN和SiC材料的大功率宽禁带半导体开关器件商用化,功率器件的开关速度得以大幅提升,开关频率也更高,使得电磁干扰问题更为严重,噪声频谱更宽,同时在大功率场合噪声频谱的幅值也更高。电磁干扰会导致轴承磨损加剧,干扰控制或测量系统。应用无源EMI滤波器是最简单、最有效的EMI抑制方法。传统的无源EMI滤波器由分立元件构成,体积大,功率密度小,尤其在大功率场合,这些劣势更加明显。寄生参数会降低电磁干扰滤波器的性能,而手工制作的器件如共模电感,参数一致性难以保证,会使这种情况恶化,且在大功率场合下线缆直径较粗难以绕制。因此有必要在电力电子技术大的发展趋势下确立新的无源EMI滤波器的设计理念和方法。为有效减小EMI滤波器体积并提高其性能,本文提出了一种适用于车载系统的大功率3D集成式三相共模EMI滤波器设计方法,并对其进行了研究。集成化是电力电子系统的发展趋势;3D打印技术在机械制造方面展现出了优异的性能,可以非常容易地制造出内腔复杂的机械零件;而多喷头技术则能以更多种类的材质来完成最终的设计,这些快速制造技术的飞速发展,可以为电子系统的生产提供很好的技术支持。本文首先对课题的研究背景进行了介绍,包括目前的研究现状以及选题的目的和意义;其次针对系统的高频电磁干扰的产生机理进行了分析,确立设计指标;再次提出了本课题的设计方案以及优化设计分析,重点介绍了一种大功率3D集成式EMI滤波器结构和优势。该EMI滤波器由平面型共模电感和平板型电容集成,平面型的结构有利于提高空间利用率,从而提高其功率密度。3D的互联工艺,可以较为容易的实现复杂的电磁结构,在给定的体积下提高电感性能;通过磁芯叠层排布的方式,可以实现不同磁性材料性能的互补,使得插入损耗在很宽的频带内维持在较高的水准。同时,平板型电容采用冲压式导体层结构作为引出端子,该压接联接方式具有良好的导电性能,而且可以减弱因震动带来的机械冲击,同时减小电容的等效串联电感ESL,展宽滤波器的插损频带,进一步提高EMI滤波器的性能。最后通过仿真和样机搭建验证了设计的可行性。本研究所设计的3D集成式EMI滤波器,相比传统大功率EMI滤波器,体积减小,功率密度增大,插入损耗性能提高,高插损工作频段展宽,且易于实现工业化生产,产品参数一致性好,寄生参数可控。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN713;U463.6
【部分图文】：

以瑞士 SCHURTER 公司的型号为 FMCC-H93E-S052 的产品为例，其功率等级为 520V/560kW，电感电容均采用分布式元件，总重达 34kg，体积较大如图 1.6 所示。图1.6 型号为 FMCC-H93E-S052 的 EMI 滤波器外型尺寸图

在大功率场合下，线圈直径较粗难以绕制，同时参数一致性也较难保证，因此该种结构下自动化生产难以实现。由于磁芯生产的限制进一步加大了批量化生产的难度。图1.7 传统电感结构（3）寄生参数影响寄生参数会降低电磁干扰滤波器的性能，然而实际的电感器和电容器均是非理想的，而手工制作的器件如共模电感，参数一致性难以保证，会使这种情况进一步恶化[12]。实际的电感器除了电感量这个参数还有寄生电容和寄生电阻，寄生电阻来自于绕制电感线圈的导线电阻，通常非常小而且不随频率变化，可忽略不计。电感绕制时多匝线圈之间存在匝间电容，寄生电容由此产生。因此实际电感器等效电路如图 1.8 所示，其阻抗的频率特性如图 1.9 所示。理想电感的阻抗随频率的升高成正比增加，因而对串联电路的高频电流干扰信号衰减较大。然而由于匝间电容的存在

其插入损耗特性分别如图 1.13 所示，对比其 CM 插入损耗，可以看出，随着功率的提高，共模插损的幅值变低，同时高幅值滤波频带也变窄，高频滤波性能变差。图1.13 不同功率等级 EMI 滤波器插入损耗性能对比1.2 国内外研究现状传统的无源 EMI 滤波器由体积笨重的电感和电容元件构成，分立排布不仅体积大，而且空间利用率低，功率密度小，尤其在大功率场合，这些劣势更加明显。因此众多研究者提出集成的方式来减小 EMI 滤波器的体积和重量，从而提高滤波器的功率密度。同时，寄生参数会降低电磁干扰滤波器的性能，而手工制作的器件如共模电感，参数一致性难以保证，会使这种情况恶化，且在大功率场合下线缆直径较粗难以绕制。而 3D 的加工方式可以很好地解决该问题，不仅可以控制寄生参数的一致性，frFrequency/HzMagnitude/dB-60-40dB/decEPCESL02MHz
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本文编号：2859062