大功率3D集成式三相EMI滤波器

摘要

本发明公开了一种大功率3D集成式三相EMI滤波器。其包括三相平面型共模电感(1)和三个平板型共模电容(2)。电感包括四层平面磁芯(11a，11b，11c，11d)、两组三相水平绕组(12a，12b)、三相竖直绕组(13)和陶瓷基板(14)；水平绕组(12a，12b)分别位于磁芯(11a)上表面和磁芯(11d)下表面，每层磁芯打有两排同心孔，三相竖直绕组(13)位于通孔中；陶瓷基板(14)作为隔离。每个电容包括介质材料(21)、绝缘支撑(22)和冲压式导体层(23)，三个电容结构相同，且叠层贴在电感的侧面形成3D互联架构。本发明与现有技术相比，减小了体积，提高了插损性能，可用于车载电机驱动系统。

权利要求

1.一种大功率3D集成式三相EMI滤波器，包括三相平面型共模电感(1)和三个平板型共模电容(2)，其特征在于：

所述三相平面型共模电感(1)，包括上下重叠的四层平面磁芯(11a，11b，11c，11d)、上下分离的两组三相水平绕组(12a，12b)、三相竖直绕组(13)和陶瓷基板(14)，四层平面磁芯上打有两排同心孔；第一组三相水平绕组(12a)位于第一平面磁芯(11a)的上表面,第二组三相水平绕组(12b)位于第四平面磁芯(11d)的下表面，三相竖直绕组(13)位于四层平面磁芯的通孔中，使得绕组与磁芯相互包围；磁芯与绕组之间、绕组与绕组之间均通过绝缘陶瓷基板(14)隔离；

所述三个平板型共模电容(2)结构相同，每个电容包括介质材料(21)、绝缘支撑(22)和冲压式导体层(23)；介质材料(21)夹在两层冲压式导体层(23)中间，并通过冲压式导体层上的凸起弹片弹性压接，该凸起弹片与介质材料表面喷涂的导电镀层相接触实现电气连接，绝缘支撑(22)置于两层冲压式导体(23)中间，且在绝缘支撑(22)上固定有介质材料(21)；这三个平板型共模电容(2)叠层贴在三相平面型共模电感(1)的侧面，并通过冲压式导体层(23)与三相平面型共模电感(1)实现电气连接，形成3D互联架构。

2.如权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述四层平面磁芯(11a，11b，11c，11d)分别采用具有不同特性的软磁性材料，且各层根据设计需求以任意方式进行排列组合。

3.如权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述上下分离的两组三相水平绕组(12)与所述三相竖直绕组(13)，在第一平面磁芯(11a)上表面和第四平面磁芯(11d)下表面的各个通孔位置处，每一相各自对应进行连接。

4.如权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述的陶瓷基板(14)，包括竖直部分(141)和上下分离的两组水平部分(142a，142b)，竖直部分(141)为套在三相竖直绕组(13)上的管状壳体，第一组水平部分(142a)为开有凹槽的平板型结构，叠层放置于第一平面磁芯(11a)上表面，第一组三相水平绕组(12a)嵌在该凹槽内，第二组水平部分(142b)也为开有凹槽的平板型结构，叠层放置于第四平面磁芯(11d)下表面，第二组三相水平绕组(12b)嵌在该凹槽内。

5.如权利要求1所述的滤波器，其特征在于，每个电容的介质材料(21)均采用介电常数在3000～6000的钛酸钡材料，且在钛酸钡材料表面喷涂有导电镀层。

说明书

大功率3D集成式三相EMI滤波器

技术领域

[0001] 本发明属于电子器件技术领域，尤其涉及一种3D集成式三相交流EMI滤波器，可用于车载电机驱动系统。

背景技术

[0002] 无源三相交流EMI滤波器一般是由分立电感、电容和电阻等元器件组成，可对某一次或多次谐波形成低阻抗通路，以达到抑制高次谐波的作用。

[0003] 传统的无源三相交流EMI滤波器，采用分立式的元器件排布方式，这种排布方式由于受限于各器件之间的耦合，器件的分布参数以及安装位置等因素，存在几何尺寸大、空间利用率低、功率密度低、器件耦合关系复杂且随机性强的劣势。尤其是在数百kW的大功率应用场合中，这些劣势更加明显。

[0004] 为了解决传统无源EMI滤波器不足，进一步提高无源EMI滤波器的功率密度，国内外众多学者对无源EMI滤波器的集成以及3D无源EMI滤波器进行了研究，提出了一些新的结构，其中：

[0005] 弗吉尼亚大学的陈仁刚最先提出一种平面磁集成EMI滤波器结构，即采用矩形平面LC单元线圈结构实现EMI滤波器的平面化，该滤波器拥有较好的高频特性，同时体积比传统结构减小30％，大大提高了功率密度。然而在该滤波器结构中，电流在直角拐角处分布不均匀，致使其导电面积小于横截面积，从而引起高频电阻。由于构成平面LC结构的PCB板采用的是高介电常数的陶瓷材料，其特性随温度和频率会发生变化，导致EMI滤波器性能下降。

[0006] 荷兰代尔夫特理工大学的Ferreira教授也提出了3-D的EMI滤波器。通过采用相同高度的元件，使得EMI滤波器的元件可以层层叠加起来，充分利用了其空间。这种结构减小了元器件之间的耦合，寄生参数小，高频特性得到了提高。但是该种结构依然采用的是分立式元器件，且采用的是表贴式元器件，不能应用于大功率系统中。

[0007] 辽宁工程技术大学的杨玉岗教授也提出了一种新型的堆积式交错并联平面无源集成EMI滤波器结构，采用高性能覆铜箔层压板实现EMI滤波器的集成。实验表明，这种新型的集成EMI滤波器虽然比传统分立元件组成的EMI滤波器体积减小了53％。但此滤波器的滤波性能并没有得到较大改善，不能在较宽频段内维持较高的插入损耗。

[0008] 以上对平面集成EMI滤波器的研究多是针对小功率系统，目前对于大功率电源系统电磁干扰的抑制，主要有如下两种手段：

[0009] 一是采用在环形共模磁芯上绕线的方式来增大共模电感量，对共模干扰进行抑制。这种共模电感由于采用手工绕制的方式进行实现，将导致器件的寄生参数难以控制，且针对大功率场合，线缆直径非常大，绕制困难。

[0010] 二是采用在线缆上套接无限个滤波磁环的方式来增大电感量，从而提升滤波器的插入损耗。这种方式会增大了滤波器的体积，导致功率密度低，同时散热困难，磁环发热严重。

发明内容

[0011] 本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种大功率3D集成式三相EMI滤波器，以提升大功率滤波器的插入损耗性能，减小滤波器的体积，减小器件间的耦合，提高参数的一致性，提高滤波器的散热能力。

[0012] 为实现上述目的，本发明的大功率3D集成式三相EMI滤波器，包括三相平面型共模电感1和三个平板型共模电容2，其特征在于：

[0013] 所述三相平面型共模电感1，包括上下重叠的四层平面磁芯(11a，11b，11c，11d)、上下分离的两组三相水平绕组(12a，12b)、三相竖直绕组(13)和陶瓷基板(14)，四层平面磁芯上打有两排同心孔；第一组三相水平绕组(12a)位于第一平面磁芯(11a)的上表面,第二组三相水平绕组(12b)位于第四平面磁芯(11d)的下表面，三相竖直绕组(13)位于四层平面磁芯的通孔中，使得绕组与磁芯相互包围；磁芯与绕组之间、绕组与绕组之间均通过绝缘陶瓷基板(14)隔离。

[0014] 所述三个平板型共模电容2结构相同，每个电容包括介质材料21、绝缘支撑22和冲压式导体层23；这三个平板型共模电容2叠层贴在三相平面型共模电感1的侧面，并通过冲压式导体层23与三相平面型共模电感1实现电气连接，形成3D互联架构。

[0015] 进一步，所述四层平面磁芯11a，11b，11c，11d分别采用具有不同特性的软磁性材料，且各层根据设计需求以任意方式进行排列组合。

[0016] 进一步，所述三相水平绕组12与所述三相竖直绕组13，在第一平面磁芯11a上表面和第四平面磁芯11d下表面的各个通孔位置处，每一相各自对应进行连接。

[0017] 进一步，所述的陶瓷基板14，包括竖直部分141和上下分离的两组水平部分142a，142b，竖直部分141为套在三相竖直绕组13上的管状壳体，第一组水平部分142a为开有凹槽的平板型结构，叠层放置于第一平面磁芯11a上表面，第一组三相水平绕组12a嵌在该凹槽内，第二组水平部分142b也为开有凹槽的平板型结构，叠层放置于第四平面磁芯11d下表面，第二组三相水平绕组12b嵌在该凹槽内。

[0018] 进一步，每个电容的介质材料21均采用介电常数在3000～6000的钛酸钡材料，且在钛酸钡材料表面喷涂有导电镀层。

[0019] 进一步，介质材料21夹在两层冲压式导体23中间，并通过冲压式导体层上的凸起弹片弹性压接，该凸起弹片与介质材料表面喷涂的导电镀层相接触实现电气连接。

[0020] 本发明与现有技术相比，具有如下优点：

[0021] 1.本发明由于对三相平面型共模电感的上下重叠的四层平面磁芯采用具有不同特性的软磁性材料以任意方式进行排列组合，使得在很宽的频带内，磁导率能保持在理想的范围，增大了共模电感量，展宽了高插入损耗的频段。

[0022] 2.本发明由于在四层平面磁芯上打有两排同心孔，且将三相水平绕组位于第一平面磁芯的上表面和第四平面磁芯的下表面，将三相竖直绕组位于四层平面磁芯的通孔中，使得绕组与磁芯相互包围，不仅可在保证散热能力的同时提高磁路设计的灵活性，而且可在有限空间内实现电感量的倍增，减小了EMI滤波器的体积。

[0023] 3.本发明由于在磁芯与绕组之间、绕组与绕组之间均采用陶瓷基板隔离，进一步提高了滤波器的散热能力。

[0024] 4.本发明由于每个电容由介质材料、绝缘支撑和冲压式导体层组成，所以对介质材料起到了缓冲和保护的作用。

[0025] 5.本发明由于三个平板型共模电容叠层贴在三相平面型共模电感的侧面，并通过冲压式导体层与三相平面型共模电感实现电气连接，形成3D互联式架构，减小了器件间的耦合，进一步提高了滤波器的插入损耗。

[0026] 6.本发明由于采用平面磁芯和平板型电容以及水平和竖直部分的绕组对EMI滤波器进行集成，便于机械化生产，进而可以控制滤波器中的分布参数，提高产品参数一致性。

附图说明

[0027] 图1是本发明的电路原理图；

[0028] 图2是本发明的整体结构图；

[0029] 图3是本发明图2的爆炸视图；

[0030] 图4是本发明中磁芯叠层及三相绕组的绕制结构图；

[0031] 图5是本发明中三相平面型共模电感的整体结构图；

[0032] 图6是本发明中每个平板型电容的集成模型图；

[0033] 图7是本发明中三个平板型共模电容与三相平面型共模电感的相对位置图。

具体实施方式

[0034] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述。

[0035] 参照图1，本发明的大功率3D集成式三相EMI滤波器电路，包括三相平面型共模电感1和三个平板型共模电容2，三相平面型共模电感1的每一相自感LCM串联接入主电路中，各相对应的平面型共模电容CY接在主电路和地之间，LCM与CY构成反Γ型的低通滤波器，对噪声信号形成低阻抗通路，当噪声信号从U、V、W三相线上流经该滤波器时，通过该低阻抗通路被滤除，而不会传输到U’、V’、W’相线侧。

[0036] 参照图2和图3，所述发明的三相平面型共模电感1包括上下重叠的四层平面磁芯11a，11b，11c，11d、上下分离的两组三相水平绕组12a，12b、三相竖直绕组13和陶瓷基板14。
其中陶瓷基板14包括竖直部分陶瓷基板141和两组水平部分陶瓷基板142a，142b。整个三相平面型共模电感1的结构关系自上而下为：第一组三相水平绕组12a、第一组水平部分陶瓷基板142a、上下重叠的四层平面磁芯11a，11b，11c，11d、第二组水平部分陶瓷基板142b、三相竖直绕组13、竖直部分陶瓷基板141、第二组三相水平绕组12b。

[0037] 所述三个平板型共模电容2自左向右包括对应U、V、W三相上的三个电容，每个电容包括介质材料21、绝缘支撑22和冲压式导体层23。

[0038] 参照图4，所述上下重叠的四层平面磁芯11a，11b，11c，11d采用不同特性的软磁性材料，其中第一平面磁芯11a采用锰锌铁氧体材料，第二平面磁芯11b采用镍锌铁氧体材料，第三平面磁芯11c和第四平面磁芯11d都采用纳米晶材料，四层平面磁芯上打有两排同心孔；第一组三相水平绕组12a位于第一平面磁芯11a的上表面,第二组三相水平绕组12b位于第四平面磁芯11d的下表面，三相竖直绕组13位于四层平面磁芯的通孔中，使得绕组与磁芯相互包围。所述第一组三相水平绕组12a的每一相与所述三相竖直绕组13的每一相顶端在第一平面磁芯11a上表面的各个通孔位置处对应进行连接；所述第二组三相水平绕组12b的每一相与所述三相竖直绕组13的每一相底端在第四平面磁芯11d下表面的各个通孔位置处对应进行连接。

[0039] 参照图5，在磁芯与绕组之间、绕组与绕组之间均通过绝缘陶瓷基板14隔离。其中绝缘陶瓷基板的竖直部分141为套在三相竖直绕组13上的管状壳体外，绝缘陶瓷基板的第一组水平部分142a为开有凹槽的平板型结构，叠层放置于第一平面磁芯11a的上表面，第一组三相水平绕组12a嵌在该凹槽内；绝缘陶瓷基板的第二组水平部分142b也为开有凹槽的平板型结构，叠层放置于第四平面磁芯11d的下表面，第二组三相水平绕组12b嵌在该凹槽内。第一组三相水平绕组12a上设有引出端子B。

[0040] 参照图6，每个平板型电容的介质材料21采用介电常数在3000～6000的钛酸钡材料，且在钛酸钡材料表面喷涂银浆料作为导电镀层。平板型电容的每个冲压式导体层23上有凸起的弹片，介质材料21夹在两层冲压式导体23中间，并通过冲压式导体层上的凸起弹片弹性压接，通过凸起弹片与介质材料表面喷涂的导电镀层相接触实现电气连接，任意一层的冲压式导体层23上设有引出端子A。

[0041] 参照图7，三个平板型共模电容2叠层贴在三相平面型共模电感1的侧面，并通过冲压式导体层23的引出端子A与第一组三相水平绕组12a的引出端子B相连，实现电气连接，形成3D互联架构。

[0042] 以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。