电源学报

滤波器	参数	数值
LCL滤波器	L₁/mH	4
L₂/μH	200
C_f/μF	3
EMI滤波器	L_CM/mH	7.80
L_DM/μH	0.47
C_Y/nF	3.3

滤波器	参数	数值
LCL滤波器	L₁/mH	4
L₂/μH	200
C_f/μF	3
EMI滤波器	L_CM/mH	7.80
L_DM/μH	0.47
C_Y/nF	3.3

器件类型	参数	数值	备注
逆变器侧拆分电感0.5L₁	线圈层数	2
每层匝数	4
网侧拆分电感0.5L₂	线圈层数	2
每层匝数	3
共模电感 L_CM	线圈层数	2
每层匝数	3
共模电容 C_Y	介质厚度/mm	0.2	氧化铝陶瓷片
介质相对介电常数	30
差模电容 C_X	介质厚度/mm	0.4	氧化铝陶瓷片
介质相对介电常数	30
电感线圈	厚度/mm	0.5
宽度/mm	2
间距/mm	0.6
绝缘层	介质厚度/mm	1	FR-4材料
地层	铜层厚度/mm	0.5	面积与共模绕组相同

器件类型	参数	数值	备注
逆变器侧拆分电感0.5L₁	线圈层数	2
每层匝数	4
网侧拆分电感0.5L₂	线圈层数	2
每层匝数	3
共模电感 L_CM	线圈层数	2
每层匝数	3
共模电容 C_Y	介质厚度/mm	0.2	氧化铝陶瓷片
介质相对介电常数	30
差模电容 C_X	介质厚度/mm	0.4	氧化铝陶瓷片
介质相对介电常数	30
电感线圈	厚度/mm	0.5
宽度/mm	2
间距/mm	0.6
绝缘层	介质厚度/mm	1	FR-4材料
地层	铜层厚度/mm	0.5	面积与共模绕组相同

基于交错多地层结构的平面磁集成LCL-EMI滤波器设计与实现

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叶鑫 ¹ , 陆子健 ¹ , 刘艺涛 ²

电源学报 | 电磁干扰与电磁兼容 2025,23(1): 243-250

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电源学报 | 电磁干扰与电磁兼容 2025, 23(1): 243-250

基于交错多地层结构的平面磁集成LCL-EMI滤波器设计与实现

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叶鑫¹, 陆子健¹, 刘艺涛²

作者信息

¹ 深圳大学机电与控制工程学院，深圳 518000

² 深圳大学广东省电磁控制与智能机器人重点实验室，深圳 518000

叶鑫(1996— )，男，硕士。研究方向：高频电力电子变换器建模及磁集成。E-mail：747745189@qq.com。

陆子健(1997— )，男，本科。研究方向：电力电子变换器电磁兼容及磁集成。E-mail：2016110091@email.szu.edu.cn。

通讯作者:

刘艺涛(1986— )，男，中国电源学会高级会员，博士，副教授。研究方向：并网逆变器控制及电磁兼容。E-mail：liuyt@szu.edu.cn。

Design and Implementation of Planar Magnetic Integrated LCL-EMI Filter Based on Interleaved Multi-GND-layer Structure

Xin YE¹, Zijian LU¹, Yitao LIU²

Affiliations

¹ College of Mechatronics and Control Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518000, China

² Guangdong Key Laboratory of Electromagnetic Control and Intelligent Robots, Shenzhen University, Shenzhen 518000, China

出版时间: 2025-01-30 doi: 10.13234/j.issn.2095-2805.2025.1.243

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摘要

收起

谐波和电磁干扰EMI(electromagnetic interference)滤波器是并网逆变器中用于抑制谐波失真和EMI噪声的2个重要输出滤波器。因此，提出1种通过平面磁集成的方法组合谐波和EMI滤波器，实现设备体积和质量的减小。首先，选择合适的磁芯将共模电感和差模电感通过PCB绘制平面线圈的方法集成在同一磁芯上，在PCB板层插入电介质板，合理规划层连接方式集成分立电容，实现EMI滤波器的平面电磁集成；其次，采用对称LCL滤波器拓扑结构，取代传统的磁集成非对称结构，进一步通过设计磁芯中柱的气隙和合理布置平面绕组，将LCL谐波滤波器的电感也集成在同一磁芯单元，形成LCL-EMI型平面磁集成滤波器；最后，通过搭建氮化镓单相逆变器平台，对平面磁集成的LCL-EMI滤波器进行实验分析，验证所提平面磁集成方法的可行性。

关键词

逆变器 / 平面磁集成 / LCL滤波器 / EMI滤波器

Abstract

收起

Harmonic and electromagnetic interference (EMI) filters are two important output filters used to sup-press the harmonic distortion and EMI noise in grid-connected inverters. Harmonic and EMI filters are combined by planar magnetic integration to reduce the volume and weight. Through the selection of an appropriate magnetic core, the common mode and differential mode inductors are integrated into the same core by drawing PCB planar coil. To integrate the discrete capacitors and further realize the planar magnetic integration of EMI filter, the dielectric is inserted into the PCB and the layer connection mode is reasonably planned. A symmetric LCL filter is used to replace the traditional asymmetric structure of magnetic integration. Furthermore, by designing the air gap in the center pillar of the magnetic core and reasonably arranging the planar windings, the inductors of LCL harmonic filter are also integrated into the same magnetic core unit to form an LCL-EMI planar magnetic integrated filter. A gallium nitride single-phase inverter platform was built, and the LCL-EMI filter with planar magnetic integration was experimentally analyzed to verify the feasibility of the planar magnetic integration method.

Key words

Inverter / planar magnetic integration / LCL filter / electromagnetic interference (EMI) filter

引用本文

叶鑫, 陆子健, 刘艺涛. 基于交错多地层结构的平面磁集成LCL-EMI滤波器设计与实现. 电源学报, 2025 , 23 (1) : 243 -250 . DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2025.1.243

Xin YE, Zijian LU, Yitao LIU. Design and Implementation of Planar Magnetic Integrated LCL-EMI Filter Based on Interleaved Multi-GND-layer Structure[J]. Journal of Power Supply, 2025 , 23 (1) : 243 -250 . DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2025.1.243

正文

收起

并网逆变器中的LCL滤波器和EMI滤波器由电感和电容等无源器件组成。无源滤波器中磁性元件的体积通常较大，而高频化和集成化是电力电子装置的发展趋势。磁集成技术将多个实现不同功能的磁性元件绕组集成在同一磁芯结构上，有利于提高系统的功率磁密度^[1-3]。文献[4]提出1种单相和三相逆变器的LCL滤波器磁集成设计，使滤波器 2个电感产生的大部分基波磁通在公共磁芯抵消；文献[5]在传统LCL磁集成滤波器EE型磁芯的中柱上引入耦合绕组，在相同的磁芯数量前提下实现了更好的滤波效果；文献[6]提出在EIE磁芯中的I型磁芯上串联1个去耦绕组，使其并联电容，从而实现更好的谐波抑制效果。

在EMI滤波器磁集成方法上，文献[7-8]采用多级高度集成的平面电磁干扰滤波器设计，通过增加插入损耗曲线斜率及改变环线绕组的方式，大大减小了滤波器体积。利用PCB的覆铜作为电感绕组，实现多个电感的集成，可以大大减小电磁干扰滤波器的体积，但存在分布式的耦合电感^[9-10]。文献[11-12]使用柔性铜箔代替传统的铜线绕组，在铜箔之间加入电介质层形成电容，进一步减小变换器的整体体积，在中小功率变换器领域具有较大的应用前景。

综上所述，本文首先采用对称拆分的电感结构，旨在抑制共模干扰向差模干扰的转化，提高LCL滤波器对电磁干扰的抑制性能。其次，结合交错多地层的平面结构，设计了LCL-EMI滤波器的平面磁集成结构，将滤波器所需电感集成在同一磁芯上，实现分立电容的集成，使其具备更小的体积、质量和更低的功率损耗。最后，通过仿真和基于氮化镓单相逆变器的实验平台，验证采用交错多地层结构的LCL-EMI滤波器的谐波抑制和电磁干扰抑制效果。

1 LCL-EMI滤波器的平面磁集成结构与分析

收起

1.1 LCL-EMI滤波器的结构分析

本文在LCL滤波器的结构上，将每个电感拆分为2个电感，对称分布在L线和N线上，如图1(a)所示。图1(b)和(c)为共模激励下2种结构的等效模型，其中V₁、V₂和V* 1、V* 2分别为共模噪声在线路阻抗稳定网络LISN(line impedance stabi-lization network)上产生的共模噪声电压。当V* 1=V* 2时，可抑制共模噪声向差模噪声转换，因此对称拆分结构能够抑制共模干扰向差模干扰转换。结合图1(a)的对称拆分结构和EMI滤波器拓扑结构，可以得到如图2所示的LCL-EMI滤波器。由于差模电感可由共模电感的漏感代替，因此对称结构能够对差模干扰产生一定的抑制作用，不需单独的差模电感就减小了滤波器体积。

1.2 平面磁集成LCL-EMI滤波器交错多地层结构

共模电感采用图3(a)的结构，在2层绕组间插入绝缘层以增大相对距离d，减小寄生电容，可表示为

(1)

$C\text{=}\frac{{\epsilon }_{0}{\epsilon }_{\text{r}}S}{d}\text{=}\frac{{\epsilon }_{0}{\epsilon }_{\text{r}}lw}{d}$

式中：ε₀为介质的相对介电常数；ε_r为真空介电常数；d为2层绕组间的距离；S为2层绕组间的相对面积，即绕组等效长度l与绕组宽度w的乘积。

图3(b)中的结构将1个地层均分为2层，分别与2层绕组通过介质形成共模电容，串联后的共模电容容值不变。

LCL-EMI滤波器平面磁集成的绕组结构如图4所示。图4(a)为对称拆分结构LCL滤波器的绕组分布，L线和N线各分布有0.5L₁和0.5L₂，每个拆分后的电感均有2层绕组，并在中间添加绝缘介质。其中1层绕组与地层之间插入陶瓷介质形成共模电容C_Y，最后在L线或N线的拆分电感绕组间插入绝缘介质以减小相互影响。EMI滤波器电感绕组较少，采用如图4(b)所示的基本结构作为EMI 滤波器电感绕组，添加额外的绕组层和介质层作为共模电容C_X。由于需要对谐波电容电流采样进行有源阻尼控制，因此谐波电容采用外接的分立电容。

1.3 LCL-EMI滤波器的平面磁集成结构与分析

结合LCL-EMI滤波器的拓扑结构和平面绕组结构，设计得到的磁集成结构如图5所示。其中，磁芯的2个边柱作为共模电感绕组，L线和N线上各为N₁匝，中柱作为拆分电感的绕组，谐波电感L₁和L₂的拆分电感匝数分别为N₂和N₃。通过调节合适的气隙长度l_gap，防止磁芯饱和，同时调节左右磁柱的耦合程度。

共模噪声激励产生的磁通路径如图6(a)所示，中柱绕组产生的磁通Φ_DM方向相反，互相抵消，呈现低阻抗，对共模噪声几乎无作用；左右边柱绕组产生的磁通Φ_CM方向相同，互相增强，呈现高阻抗，整个结构表现为共模电感。

差模噪声激励产生的磁通路径如图6(b)所示，2个边柱绕组产生的磁通Φ_DM方向相反，因此呈现低阻抗；中柱绕组产生的磁通方向相同，相互加强，呈现高阻抗。此时对称拆分电感实现差模电感，对差模噪声起到抑制作用。

2 LCL-EMI滤波器的平面磁集成设计

收起

选择PC95材质的锰锌铁氧体磁芯，产品型号为PEE58/11/28，25 ℃的初始磁导率为3 300±25%。在共模噪声激励下，对图6(a)所示结构的磁通路径进行分析，得到如图7(a)所示的磁通路径模型，其中R_s、R_y、R_c和R_gap分别代表所选磁芯边柱、磁轭、中柱和气隙的磁阻。当单边柱的磁势作用时，等效简化的磁通路径如图7(b)所示，其中Ф为左磁柱绕组产生的总磁通，Ф₁和Ф₂分别为流经右磁柱和中柱的磁通分量。单个电感线圈的自感磁阻R_s,CM 和2个电感的互感磁阻R_m,CM可分别表示为

(2)

$\left\{\begin{array}{l}{R}_{\text{s,CM}}=\frac{F}{\Phi }={R}_{1}+{R}_{1}\parallel {R}_{2}\\ {R}_{\text{m,CM}}=\frac{F}{{\Phi }_{1}}=\frac{F}{\Phi {R}_{2}/({R}_{1}+{R}_{2})}=\frac{{R}_{1}({R}_{1}+2{R}_{2})}{{R}_{2}}\\ {R}_{\text{gap}}=\frac{{l}_{\text{gap}}}{{\mu }_{0}{A}_{\text{c}}}\\ {R}_{1}\text{=}{R}_{\text{s}}+2{R}_{\text{y}}\\ {R}_{2}={R}_{\text{gap}}+2{R}_{\text{c}}\end{array}\right.$

式中：F为总磁动势；${\mu }_{0}$为真空磁导率；${A}_{\text{c}}$为气隙磁通路径的横截面积。

电感匝数N₁的计算公式为

(3)

$\left\{\begin{array}{l}{L}_{\text{CM}}=(2+2{K}_{\text{m,CM}})\frac{{N}_{1}^{2}}{{R}_{\text{s,CM}}}\text{=}\frac{2{N}_{1}^{2}}{{R}_{1}}\\ {K}_{\text{m,CM}}\text{=}\frac{{R}_{\text{s,CM}}}{{R}_{\text{m,CM}}}=\frac{{R}_{2}}{{R}_{1}+{R}_{2}}\end{array}\right.$

式中，K_m,CM为耦合系数。

在差模噪声激励下，对图6(b)的结构磁通路径进行分析，得到如图7(c)所示的磁路模型，磁通路径如图7(d)所示。在L线和N线上的拆分电感间存在耦合，忽略漏感前提下的耦合系数为1。拆分谐波电感的匝数N₂和N₃的计算公式为

(4)

$\left\{\begin{array}{l}{L}_{1}^{\text{*}}\text{=}\frac{{L}_{1}}{2}=\frac{2({N}_{3}^{2}+{N}_{3}{N}_{2})}{{R}_{\text{s,DM}}}\\ {L}_{2}^{*}=\frac{{L}_{2}}{2}=\frac{2({N}_{2}^{2}+{N}_{2}{N}_{3})}{{R}_{\text{s,DM}}}\\ {R}_{\text{s,DM}}\text{=}{R}_{1}\text{||}{R}_{1}\text{+}{R}_{2}\text{=0.5}{R}_{1}+{R}_{2}\end{array}\right.$

根据搭建的实验平台参数，通过计算得到的LCL-EMI滤波器的元件参数见表1。结合滤波器的参数，设计磁芯的结构和物理参数。磁芯中柱的气隙长度决定了左右磁柱共模电感绕组的耦合程度。为了平衡共模电感绕组匝数与LCL滤波器的电感匝数，选择耦合系数K_m,CM=0.95，并根据气隙长度与耦合系统的关系，选择气隙长度l_gap= 0.62 mm。将气隙长度与共模电感L_CM=7.8 mH代入式(3)，得到N₁和气隙长度的关系，取N₁=6。同理，将谐波电感L₁=4 mH和L₂=200 μH代入式(4)，计算得到N₂=6，N₃=8。

3 仿真和实验验证

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通过PLECS电力电子仿真软件对LCL-EMI滤波器结构进行验证，以搭建的氮化镓单相逆变器为实验平台。逆变器侧的输出电流波形如图8(a)所示，各频率处的谐波幅值如图8(b)所示，此时的THD=7.45%，不能满足并网逆变器谐波失真标准。接入滤波器后，网侧输出电流如图8(c)所示，得到的各次谐波频谱如图8(d)所示，此时THD=1.26%，满足标准。

为了验证磁芯在工作条件下是否会发生磁饱和，在ANSYS Maxwell软件中对绕组结构进行有限元仿真。PWM控制的逆变器输出电流谐波主要集中在频率为开关倍数的整数倍频率，当开关频率较高时，必须考虑是否会导致磁芯饱和。通过在PLECS仿真中得到倍频处的谐波电流幅值，可以得到谐波电感L₁在谐波电流激励下的磁通分布，如图9所示。可以看出，各频率的谐波激励产生的磁通均小于所选磁芯的饱和磁通密度B_m=530 mT，不足以令本文选用的磁芯饱和。

对本文所设计LCL-EMI滤波器的平面磁集成结构进行实验验证，滤波器物理参数见表2。根据上文分析，得到分立式LCL谐波滤波器、分立式EMI滤波器和平面磁集成LCL-EMI滤波器，分别如图10(a)、(b)和(c)所示，3种结构的体积与质量对比如图11(a)和(b)所示。可见，LCL-EMI集成结构相比于分立结构，体积减少了48.9%，质量减少了93%，证明了本文所设计的平面磁集成结构更有利于减小逆变器的体积和质量。

为了验证LCL-EMI滤波器的谐波抑制效果，实验得到逆变器输出电流i_inv、网侧输出电流i_g和网侧输出电压v_g的波形，如图12所示。可见：与仿真分析相同，逆变器侧电流THD=8.46%，不满足并网谐波标准；经过LCL-EMI滤波器后，网侧电流THD=1.28%，谐波得到了明显抑制，符合所需并网谐波标准，验证了本文所设计平面磁集成LCL-EMI滤波器的谐波抑制效果。

为了验证滤波器的电磁干扰抑制效果，实验得到的插入损耗如图13所示。可以看出，滤波器在10 MHz内均有较高的插入损耗。虽未设计独立的差模电感，但在拆分结构的谐波电感及共模电感的作用下，插入损耗最高仍可达-73 dB。共模电感虽受到寄生参数的影响，但在整个频段上插入损耗较高，最高可达-68 dB，滤波器的插入损耗能够满足需求。

将平面磁集成的LCL-EMI滤波器接入逆变器后，测量得到共模和差模传导电磁干扰分别如图14(a)和(b)所示，整体上均满足欧洲电工标准委员会关于电磁兼容性的标准EN 55022。其中，共模滤波器在低频段抑制效果较好，在高频段有所减弱，但仍能满足需求；差模滤波器在中频段抑制效果较好，虽然高频段插入损耗较低，但是高频段的差模噪声较小，也足以满足需求，验证了本文设计滤波器对传导电磁干扰的抑制能力。

4 结语

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本文针对单相逆变器的谐波问题，对LCL型谐波滤波器的结构与性能进行分析。首先，为了改善LCL滤波器对电磁干扰的抑制性能，采用对称拆分结构的LCL电感，抑制了共模干扰向差模干扰的转化，同时便于与EMI滤波器的磁集成。然后，结合交错结构平面绕组和多地层平面绕组的优点，设计了交错多地层平面绕组结构及LCL-EMI滤波器的平面磁集成结构。最后，通过仿真和实验验证了本文所设计结构的谐波抑制效果和电磁干扰效果，相较于分立式的LCL滤波器和EMI滤波器，本文设计的平面磁集成LCL-EMI滤波器具有更小的体积和质量，功率损耗也更低。

基金

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国家自然科学基金资助项目(52007122)

参考文献

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文献

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参考文献引证文献

排序方式：

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2025年第23卷第1期

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388

150

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doi: 10.13234/j.issn.2095-2805.2025.1.243

接收时间：2022-02-22
首发时间：2025-07-09
出版时间：2025-01-30

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出版历史

收稿日期：2022-02-22
修回日期：2022-07-11
录用日期：2022-07-13

基金

National Natural Science Foundation of China(52007122)

国家自然科学基金资助项目(52007122)

作者信息

¹ 深圳大学机电与控制工程学院，深圳 518000

² 深圳大学广东省电磁控制与智能机器人重点实验室，深圳 518000

通讯作者:

刘艺涛(1986— )，男，中国电源学会高级会员，博士，副教授。研究方向：并网逆变器控制及电磁兼容。E-mail：liuyt@szu.edu.cn。

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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