[发明专利]组件间小磁耦合的单片式集成滤波器模块

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于开关电源的单片式集成滤波器模块。本发明还涉及一种所属的开关电源。

背景技术

对于小功率范围(＜100W，特别是＜10W)的供电，目前几乎仅采用开关电源。其相对于过时的50Hz变压器来说具有体积和重量方面的显著优点。

在开关电源中不是将50Hz输入电压直接转换为较低的电压水平，而是首先整流并且使其平滑，然后以kHz至MHz范围的频率高频地切换(斩波)并且借助变压器转换到输出电压，该输出电压大于、小于、等于未调节的输入电压或与未调节的输入电压极性相反。与在电网频率(50Hz)下直接变换相比，在此较高频率下允许使用明显更小的变压器。然而在这些高频的开关过程中产生具有比开关频率明显更高频率的高次谐波。

因为通过提出的标准，在供电网方向上的干扰电压应该受到限制，所以在开关单元内部需要低通滤波器，该低通滤波器对在设备中产生的干扰有效地滤波并且由此抑制该干扰馈入到供电网中。此外在供电设备的输入端需要用于储能的组件，该组件存储在供电电压的一个周期内加载的能量。在按照现有技术的开关电源中，储能器实施为电解电容器。它们同时是输入滤波器的部分，其通过一个或多个离散的电感组件扩展为π型或双π型滤波器。这样的滤波器在图1中示出。

在开关电源的次级侧(低压侧或者说输出侧)同样需要用于使所转换的和整流的电压平滑的装置。首先同样采用滤波器，以保持输出电压或输出电流的小的波动。在此如在输入滤波器的情况下那样通常也几乎仅采用电解电容器，然而电解电容器同样由于其相对大的串联电阻而仅能部分地滤除输出电压的或输出电流的波动。

虽然过去对半导体组件能够实现组件的进一步的小型化，但是对无源的组件的小型化仍停滞不前。在小功率供电设备中除转换器变压器外这些无源组件占据绝对最大的体积并且由此阻碍了整个供电设备的小型化。

因为滤波器由多个组件组成，所以在开关电源中此外还需要用于连接到每个单个组件的接头的空间。还有制造过程，该制造过程需要装配多个组件，具有对应的故障和错误可能性。通常使用的电解电容器的另一个缺陷是其高的串联电阻(ESR)，该串联电阻对滤波功能有负面影响。

在电感组件领域公知在铁氧体上印刷的线圈。然而在此通常仅达到小的电感值，该电感值对于功率应用来说是不够的。此外电感的导电性通常仅是非常小的。

为了实现组件的小型化，组件可以由陶瓷构造。对于电容组件，存在对于陶瓷多层叠电容器的制造的标准过程；相应的材料参数可供使用。缺陷是对于这些材料的1300℃的高的烧结温度(Sintemperatur)，其一方面阻碍了对低成本的银金属化(Silbermetallisierung)的采用并且另一方面阻碍了与其他陶瓷组件的集成。

此外存在所谓的低温共烧的陶瓷(Low-Temperature-Cofired Ceramics，LTCC)的材料系统。在此提供有在900℃就可烧结的相应材料并且由此可以使用低成本的银金属化。然而对于LTCC技术可供使用的材料就其材料参数来说通常不满足对于电力电子的组件产生的要求。现有的介电常数和磁导率在低于100的范围变动，从而不能达到对于电容和电感的与对于电力电子的组件所需的那样的高的值。

然而在由电容和电感组成的组件的小型化中，产生如下效应，即，使用的组件由于小型化而在空间上明显互相靠近地布置。由此产生滤波器组件的电磁场的耦合，其导致期望的滤波衰减的降低。这点可能导致，不能实现对开关电源的高频干扰实施符合标准的抑制。

发明内容

由此本发明要解决的技术问题是，提供一种对于开关电源的尽可能简单的和低成本的滤波器模块，其允许滤波器的小型化，以及具有足够的滤波衰减。

上述技术问题通过独立权利要求1的内容解决。本发明的优选扩展是从属权利要求的内容

本发明基于如下思路，即，将所有必须的滤波器组件集成到一个滤波器模块中，以便实现该组件的小型化。然后通过电容器和电感器的合适的布置来最小化由于小型化而加强的磁耦合。

此外，这样选择滤波器组件的材料，使得可以进行共同的烧结。例如匹配不同陶瓷材料的收缩特性，以便允许低温烧结处理。通过低温烧结处理，可以使用银金属化，而不使用昂贵的银钯金属化。

按照本发明的优选实施方式，对于开关电源设置单片式集成滤波器模块。滤波器模块具有集成到滤波器模块的多层的结构中的多个电感器和电容器。电容器和电感器在此这样布置在滤波器模块中，使得其相互的磁耦合最小化。通过减小的磁耦合，提高了滤波器模块的滤波衰减。