基于柔性多层带材（FMLF）的单相逆变系统EMI滤波器

基于柔性多层带材的电磁集成技术及其应用研究

研究背景

谐波和电磁干扰引起的噪声污染是逆变系统面临的重要问题，尤其在SiC和GaN等宽禁带功率器件广泛应用的背景下，这一问题更加严重。作为噪声污染的主要治理手段，谐波滤波器和EMI滤波器在逆变系统的设计中不可或缺，但此类滤波器使用大量分立电感和电容无源器件，使系统离散度高、体积和重量显著增加，限制了系统的集成化和高功率密度设计。磁集成技术可为上述问题提供很好的解决方案，并得到了学术界和工业界的广泛研究和应用，但因其设计对象属性的单一性，磁集成技术的发展遭遇瓶颈。以电磁集成为代表的多物理场集成技术可进一步实现电储能元件和磁储能元件的集成设计，为突破传统磁集成技术局限性提供新的研究思路，可为电力电子装置的高集成度设计带来更大的发展空间。

成果简介

项目团队提出了基于柔性多层带材（FMLF）的单相逆变系统EMI滤波器与LCL型谐波滤波器电磁集成方法。通过理论分析、仿真验证和样机测试相结合的方式得到了FMLF绕组在不同端口配置方式下的等效电路模型及其参数量化表达式。在此基础上，以EE型磁芯为集成模块的磁芯单元，选取结构合适的FMLF绕组，通过端口配置模式1或模式1和2相结合的方式将多个FMLF绕组有机组合，实现了不同集成程度的EMI滤波电路和电磁集成LCL滤波电路。该技术可适用于不同应用场景的逆变系统电磁干扰和谐波抑制（其应用也可扩展至其它有电磁干扰抑制和谐波衰减需求的电力电子设备），噪声抑制效果良好，电路性能稳定可靠。且电磁集成滤波电路集成度高，可大幅减小滤波模块尺寸和重量，为电力电子设备高集成化设计提供新的设计思路，具备很好的发展潜力和应用价值。

基于柔性多层带材的电磁集成技术基本原理

常用的FMLF绕组端口配置模式

亮点提炼

（1）以CM滤波电路集成设计为前提，以DM电路集成设计为导向提出了两种EMI滤波电路电磁集成结构：

结构I——CM电感&CM电容&DM电感集成设计；

结构II——CM电感&CM电容&DM电感&DM电容集成设计。

结构I和II均具备良好的CM噪声抑制能力。结构I的DM噪声抑制能力虽不及结构II，但其设计难度较低。可根据不同应用场景的实际EMI抑制需求，选用结构I或II，在满足整改需求的同时，减小系统尺寸和重量并提升集成度。

EMI滤波电路电磁集成结构I

EMI滤波电路电磁集成结构II

（2）根据端口配置模式1（Γ-型低通滤波电路基本集成单元）和模式2（CM电感-DM电容基本集成单元）推演出基于EE型磁芯的 L/N 对称型 EMI 滤波电路全集成结构（结构II），并采用合理的端口配置方式实现 CM和 DM 滤波元件功能解耦，从而简化 CM 和 DM 集总等效电路，进而简化其参数分析、整定和设计。

（3）结构I中绕组W1、W2和结构II中绕组W-C、W-D的接地层在工作中除了作为CM电容的接地端，还可充当L/N线绕组的电磁屏蔽层；结构II中采用L/N线交错并联的绕组结构，可大幅度减小CM电感绕组产生的漏感。上述特性可有效提升集成模块的抗辐射干扰能力，同时减小电路产生的辐射干扰。

       

（4）根据端口配置模式1推演出基于EE型磁芯的LCL-型谐波滤波器电磁集成结构，并通过在磁芯边柱上开气隙的方式实现电感L1和L2的解耦，从而可避免磁耦合给滤波器谐波抑制性能造成的负面影响。

LCL-型谐波滤波电路电磁集成结构

前景与应用 

本研究属于电气工程、材料科学与工程等交叉学科的前沿研究领域。利用不同性质柔性带材所构成的有机叠层设计电感绕组，通过合理利用端口激活方式和导体层的电气配置，以实现电场和磁场储能空间的集成，突破了传统磁集成技术的局限性，扩展了无源集成设计领域的开发空间。研究成果为提升电力电子变换器集成度、促进系统小型化与轻量化设计和改善系统EMC提供了有效解决方案，在航空航天、轨道交通等对于空间敏感的用电场合中具有较高的开发和应用价值。

完成人与研究团队介绍

王盼宝

王盼宝，哈尔滨工业大学副教授，博士生导师，IEEE Senior Member，研究方向为变换器集成与优化技术、微电网运行与互联技术。发表SCI/EI检索论文60余篇，授权国家发明专利20余项，出版教材1部。主持国家自然科学基金青年项目、国家重点研发计划子课题、中国博士后特别资助、黑龙江省自然科学基金等纵向课题、企业科技合作项目10余项，获得中国自动化学会自然科学二等奖1项。担任IEEE PES可再生能源系统集成技术委员会常务委员、中国自动化学会电气自动化专业委员会委员、中国电工技术学会电控系统与装置专业委员会委员。

王卫

王卫，哈尔滨工业大学教授，博士生导师，研究方向为太阳能发电技术、交/直流微电网、弱电网、软开关变换技术等。先后主持和参与了国家自然科学基金、863项目、省科技攻关、市科技创新、台达基金、国际合作等项目30余项，发表科研论文100余篇，授权专利30余项。担任中国仪器仪表学会节能检测技术专业委员会理事、中国电源学会照明电源专业委员会委员、《电气技术》杂志编委。

编辑：黄飞