一种新型电磁干扰滤波器电磁集成设计

近年来，在电力开关管高频化发展趋势下，电磁干扰（Electromagnetic Interference， EMI）问题的解决已成为开关电源、电驱系统、逆变系统等电力电子变换器设计过程中的一个重要挑战。过高的EMI水平不仅会直接影响该系统自身的工作性能和使用寿命，还会间接干扰周围电气设备的正常运行，尤其是与干扰源共地的设备。因此，许多国际权威机构提出了相应的电磁兼容（Electromagnetic Compatibility， EMC）标准，如欧盟EN系列和国际电工委员会CISPR系列标准。这些标准均对电气设备在150kHz～30MHz频率范围内的传导EMI噪声幅值提出了限制要求。

由于产生和影响EMI的因素非常多，很难通过消除干扰源的方法从根本上解决EMI问题。因此，采用EMI滤波器一直以来都是抑制电力电子变换器传导EMI最基本和最重要的方法。无源EMI滤波器（Passive EMI Filter， PEF）不仅性能稳定、易于设计，而且成本较低，因此被广泛应用于工业领域。EMI滤波器已成为电力电子变换器中体积和质量来源的主要功能模块之一。

相关文献指出，EMI滤波器的体积和质量占比有时可高达整个系统的50%，这是提升系统功率密度的一个主要障碍。因此，如何设计有效的紧凑型、轻量型EMI滤波器是电力电子系统高频化发展面临的一个关键问题，有待进一步研究。利用无源集成技术一直以来都是减小功率滤波电路体积和质量最典型的方法。根据集成对象性质，无源集成技术主要分为以下两种类型：（1）磁集成技术：感性元件的集成设计；（2）电磁集成技术（Electromagnetic Integration Technique， EMIT）：容性和感性元件的集成设计。

磁集成技术旨在利用合理的磁心结构，采用磁耦合或解耦的方式实现不同功能磁性元件的集成设计，在电力电子变换器中被广泛运用。但由于集成对象类型的单一化，其发展有很大的局限性。相比之下，新兴的电磁集成技术则具有更好的发展和应用前景。现行电磁集成技术包括平面电磁集成和基于柔性多层带材（Flexible Multi-Layer Foil， FMLF）的电磁集成两种类型，相比于前者，后者具有减小绕组总长度、缩减使用面积和减少涡流损耗等优势。

目前，在电力电子相关领域还未建立成熟的FMLF技术应用体系，许多研究人员正致力于这一技术的深入开发，包括其在谐振变换器、多级变换器、谐波滤波器和EMI滤波器优化设计等方面的研究。

针对电力电子变换器高频化发展趋势下电磁干扰（EMI）问题及其给高功率密度化设计带来的挑战，哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院的江师齐、王卫、王盼宝、徐殿国，在2022年第22期《电工技术学报》上撰文，利用柔性多层带材（FMLF）技术，提出一种结构对称型EMI滤波器电磁集成设计方案。该方案利用UU型磁心和柔性多层带材绕组将EMI滤波器的感性和容性滤波元件集成在一个磁心单元，并同时实现CM和DM元件的功能解耦。

图1 结构对称型电磁集成EMI滤波器样机

研究人员指出，该结构包含4个FMLF绕组，两个单层绕组作为CM电容和DM电感集成单元，两个多层绕组作为CM电感和DM电容集成单元。另外，通过合理的端口配置方式，可实现CM和DM滤波电路功能解耦，进而可简化滤波器的CM和DM等效电路，便于参数分析和设计。

他们以一台输出功率为500W的SiC-MOSFET高频电压源逆变器为实验平台，在利用Maxwell软件进行合理性验证的前提下，分别设计分立型、磁集成型和电磁集成型EMI滤波器样机，通过实验测试和对比分析来验证该方案的可行性。

实验结果表明，在保持设计参数基本一致的情况下，较之传统分立型和磁集成EMI滤波器，该电磁集成滤波器不仅具备相似的EMI抑制能力，而且其质量和体积明显减小，有助于提升系统功率密度。新方案可为解决高频电力电子变换器EMI问题提供新思路，使之更好地顺应高功率密度发展趋势。

研究人员表示，本次课题暂未具体考虑柔性带材绕组寄生参数的产生机理及其抑制方法，同时对柔性带材绕组在缓解辐射干扰问题上的潜在优势未做深入讨论，后续工作将重点对上述问题展开分析和研究。

编辑：黄飞