一种基于双绕组折叠PCB结构的EMI滤波器制造技术

本发明专利技术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

【技术实现步骤摘要】
一种基于双绕组折叠PCB结构的EMI滤波器


[0001]本专利技术涉及EMI滤波器电磁兼容
，特别是涉及一种基于双绕组折叠PCB结构的EMI滤波器。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。

技术实现思路

[0007]为了改善上述问题，本专利技术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。
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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结构的第一端接结构将各PCB上的同一共模电感进行级联；第二端接结构则为共模耦合电感与外部变换器相连的输入与输出端口。
[0012]作为本专利技术的进一步改进，所述8字形双绕组的两个绕组关于对折线中点中心对称，且两个绕组在对折线处铰接。
[0013]作为本专利技术的进一步改进，所述双绕组折叠PCB结构包括多个单PCB板，各个单PCB板具有若干层，每层若干匝绕组，若干单PCB板的CM耦合绕组交错排布，各匝绕组层内及层间均为串联结构。
[0014]作为本专利技术的进一步改进，根据对于CM或DM平面电感设计需求不同，所述各PCB上绕组绕向可为同向或反向。
[0015]作为本专利技术的进一步改进，所述单PCB板的各匝绕组上设置有交错过孔结构，同一单PCB板上的各层CM耦合绕组通过交错过孔结构实现层间串联。
[0016]作为本专利技术的进一步改进，所述平面共模扼流圈集成共模耦合电感和差模滤波电容；其中各单板PCB上耦合共模电感绕组交错排布，层间通过交错通孔结构连接；折叠后形成的各PCB单板上同一共模电感之间顺向串联，最终构成多PCB板的多层多匝共模耦合电感；差模电容由耦合共模电感L
CM1
和耦合共模电感L
CM2
相邻的正对绕组构成。
[0017]作为本专利技术的进一步改进，所述第一端接结构为各个单PCB板上CM绕组的级联端口；第二端接结构为共模扼流圈的输入、输出端口。
[0018]作为本专利技术的进一步改进，所述FR4基板上打有通孔，绕组上的通孔串联同一PCB板上的各层绕组，端接结构插入端部通孔进行各PCB板间级联或作为与外部变换器的连接端口。
[0019]作为本专利技术的进一步改进，所述磁芯的材料为铁氧体材料。
[0020]作为本专利技术的进一步改进，所述端接结构采用T2紫铜柱。
[0021]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0022]本专利技术提出的基于双绕组折叠PCB结构的EMI滤波器，8字形的双绕组的绕向可根据按照需共模或差模电感而灵活设计，在平面展开状态下绕线相反或同向的双绕组，进行绕y轴的180
°
折叠后，可以分别实现平面共模或差模耦合滤波电感耦合；在更高感值需求以及整体高度约束满足的情况下，折叠PCB板的数量可以进行扩展，可设计性好；采用罐形的封闭磁芯结构及“折叠”后形成的垂直堆叠结构耦合绕组，可以减小绕组漏感，增大耦合系数，实现更高感值的等效耦合共模电感；封闭的罐形磁芯结构还具有良好的EMI屏蔽特性。由于实现了小体积下的高共模感值，在一定程度上可以放松原本对磁芯材料极高相对磁导率的要求；避免了在单一PCB板上制作极高层数来满足高感量的要求；对磁芯材料磁导率要求以及对PCB板制作工艺要求的降低，可以降低生产难度，提高产品的成品率，同时也会显
著降低生产的成本。
[0023]进一步，全交错的共模耦合电感绕组结构，可以明显减小共模激励下耦合共模电感绕组间寄生电容，改善共模滤波电感的高频特性；同时一定程度上增大差模激励下的等效差模滤波电容，为未来实现高频特性良好的耦合共模电感与较大差模电容的集成提供条件。
[0024]进一步，基于T2紫铜柱的端接结构，在在提供稳定可靠的电气连接的同时，还具有一定的散热和机械支撑作用。
附图说明
[0025]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双绕组折叠PCB结构的EMI滤波器，其特征在于，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，边柱的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，且中柱穿过所述PCB绕组结构的中心孔；承载PCB绕组的FR4基板同样设置在所述窗结构内；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；结构中短接结构基于绕组的打有通孔的外延铜皮及T2紫铜柱实现，双绕组折叠PCB结构的第一端接结构将各PCB上的同一共模电感进行级联；第二端接结构则为共模耦合电感与外部变换器相连的输入与输出端口。2.如权利要求1所述的基于双绕组折叠PCB结构的EMI滤波器，其特征在于：所述8字形双绕组的两个绕组关于对折线中点中心对称，且两个绕组在对折线处铰接。3.如权利要求1所述的基于双绕组折叠PCB结构的EMI滤波器，其特征在于：所述双绕组折叠PCB结构包括多个单PCB板，各个单PCB板具有若干层，每层若干匝绕组，若干单PCB板的CM耦合绕组交错排布，各匝绕组层内及层间均为串联结构。4.如权利要求3所述的基于双绕组折叠PCB结构的EMI滤波器...

【专利技术属性】
技术研发人员：任鹏远，陈文洁，陈钰宣，黄兴伟，童道心，周永兴，王云，苏鼎，孟鑫，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：