[发明专利]一种基于双绕组折叠PCB结构的EMI滤波器

说明书

本发明公开了一种基于双绕组折叠PCB结构的EMI滤波器，包括磁芯、共模耦合绕组和端接结构；共模耦合绕组为采用基于FR4基板的PCB绕组结构，所述PCB绕组结构设置在上下磁轭之间及边柱的全封闭结构内，且中柱穿过所述PCB绕组结构的中心孔；所述PCB绕组结构包括若干垂直堆叠的双绕组折叠PCB结构，双绕组折叠PCB结构是将8字形双绕组沿对折线180°折叠形成垂直堆叠结构的平面共模扼流圈；双绕组折叠PCB基板上的绕组通过第一端接结构进行级联，实现各PCB板上共模耦合电感匝数的串联；第二端接结构为共模耦合绕组的输入与输出端口，与外部变换器功率母线连接。多PCB垂直堆叠的级联结构有效解决了平面耦合共模电感在采用铁氧体磁芯时面临的小体积和高感值的矛盾。

技术领域

本发明涉及EMI滤波器电磁兼容技术领域，特别是涉及一种基于双绕组折叠PCB结构的EMI滤波器。

背景技术

目前，高效高频高密成为了中小功率等级电力电子变换器的发展和追求目标。同时，随着新一代半导体器件的出现，以碳化硅和氮化镓器件为代表的半导体MOS器件，将开关电源的工作频率推高至百kHz甚至MHz以上。开关频率提高带来电源模块体积减小、功率密度提高等诸多益处的同时，也带来了开关器件更高速开关的瞬态，会产生极快的电压和电流突变，而高变化率的电压和电流将成为变换器中的电磁干扰(EMI)噪声源，在变换器输入或输出端产生严重的电磁干扰问题。严重的电磁干扰会对附近电子设备产生影响甚至一定程度的损坏。

为了抑制开关电源中电磁干扰，使其满足国内国际的相关标准，在电源及前级变换器之间往往需要加入无源的EMI滤波器，来抑制EMI噪声向电源方向的流动。虽然近年来有源滤波器在噪声抑制方面也有了一定的发展和进步，但无源EMI滤波器仍然是变换器前端不可或缺的一部分，因此对其特性的改良是十分必要的。

传统的EMI滤波器由分立的耦合共模电感、共模电容、差模电感和差模电容组成，其体积往往占到整个变换器体积的1/4～1/3，不利于变换器功率密度的提高；传统绕线式电感也存在着耦合系数难以控制，无法达到很高；绕组间寄生电容效应明显，电感高频特性差；元件特性容易受到近场耦合影响；产品一致性低，高频特性难以控制等问题。

近年来，相关学者已经展开了对EMI滤波器平面化的研究，提出了相关感容单元集成方法，并借助高介电常数陶瓷基板实现了平面PCB电感与共模和差模电容的集成；同时还对平面EMI滤波器尤其是其中的耦合共模电感高频特性改良展开了研究，提出了减小绕组正对面积，采用空气介质等方法来较小绕组间寄生电容等改善平面EMI滤波器高频特性的方法。

但相关研究中对于小体积、高感值耦合共模电感的设计较少提及，现有的相关设计中多以增大平面面积或使用高层数PCB的方法来增大匝数，无法满足高功率密度变换器的需求，同时会导致产品加工成本较高；使用非晶或纳米晶磁芯材料、高层数单PCB板来增加感值，成本较高；高层数单PCB板要求的加工工艺也较高，成品率及产品的可靠性都有所降低。

发明内容

为了改善上述问题，本发明提出了一种基于双绕组折叠PCB结构的EMI滤波器，该EMI滤波器能够在保证小体积以及良好高频特性的同时，有效增大耦合共模电感的感值，降低耦合共模电感绕组内寄生电容。

一种基于双绕组折叠PCB结构的EMI滤波器，包括磁芯、共模耦合绕组和端接结构；

其中，所述磁芯采用罐形结构，磁芯的上下磁轭及中柱为实心圆柱，边柱由空心圆柱围成，边柱上在端接部位开有窗结构，其余四周及与上下磁轭连接部位均为全封闭结构；

共模耦合绕组为采用具有FR4基板的PCB绕组结构，所述PCB绕组结构设置在上下磁轭之间及边柱的全封闭结构内，中柱穿过所述PCB绕组结构的中心孔；FR4基板设置在所述窗结构内；