基于柔性多層帶材的電磁集成技術(shù)及其應(yīng)用研究

研究背景

諧波和電磁干擾引起的噪聲污染是逆變系統(tǒng)面臨的重要問題，尤其在SiC和GaN等寬禁帶功率器件廣泛應(yīng)用的背景下，這一問題更加嚴(yán)重。作為噪聲污染的主要治理手段，諧波濾波器和EMI濾波器在逆變系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中不可或缺，但此類濾波器使用大量分立電感和電容無源器件，使系統(tǒng)離散度高、體積和重量顯著增加，限制了系統(tǒng)的集成化和高功率密度設(shè)計(jì)。磁集成技術(shù)可為上述問題提供很好的解決方案，并得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛研究和應(yīng)用，但因其設(shè)計(jì)對象屬性的單一性，磁集成技術(shù)的發(fā)展遭遇瓶頸。以電磁集成為代表的多物理場集成技術(shù)可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電儲能元件和磁儲能元件的集成設(shè)計(jì)，為突破傳統(tǒng)磁集成技術(shù)局限性提供新的研究思路，可為電力電子裝置的高集成度設(shè)計(jì)帶來更大的發(fā)展空間。

成果簡介

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)提出了基于柔性多層帶材（FMLF）的單相逆變系統(tǒng)EMI濾波器與LCL型諧波濾波器電磁集成方法。通過理論分析、仿真驗(yàn)證和樣機(jī)測試相結(jié)合的方式得到了FMLF繞組在不同端口配置方式下的等效電路模型及其參數(shù)量化表達(dá)式。在此基礎(chǔ)上，以EE型磁芯為集成模塊的磁芯單元，選取結(jié)構(gòu)合適的FMLF繞組，通過端口配置模式1或模式1和2相結(jié)合的方式將多個(gè)FMLF繞組有機(jī)組合，實(shí)現(xiàn)了不同集成程度的EMI濾波電路和電磁集成LCL濾波電路。該技術(shù)可適用于不同應(yīng)用場景的逆變系統(tǒng)電磁干擾和諧波抑制（其應(yīng)用也可擴(kuò)展至其它有電磁干擾抑制和諧波衰減需求的電力電子設(shè)備），噪聲抑制效果良好，電路性能穩(wěn)定可靠。且電磁集成濾波電路集成度高，可大幅減小濾波模塊尺寸和重量，為電力電子設(shè)備高集成化設(shè)計(jì)提供新的設(shè)計(jì)思路，具備很好的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用價(jià)值。

基于柔性多層帶材的電磁集成技術(shù)基本原理

常用的FMLF繞組端口配置模式

亮點(diǎn)提煉

（1）以CM濾波電路集成設(shè)計(jì)為前提，以DM電路集成設(shè)計(jì)為導(dǎo)向提出了兩種EMI濾波電路電磁集成結(jié)構(gòu)：

結(jié)構(gòu)I——CM電感&CM電容&DM電感集成設(shè)計(jì)；

結(jié)構(gòu)II——CM電感&CM電容&DM電感&DM電容集成設(shè)計(jì)。

結(jié)構(gòu)I和II均具備良好的CM噪聲抑制能力。結(jié)構(gòu)I的DM噪聲抑制能力雖不及結(jié)構(gòu)II，但其設(shè)計(jì)難度較低?？筛鶕?jù)不同應(yīng)用場景的實(shí)際EMI抑制需求，選用結(jié)構(gòu)I或II，在滿足整改需求的同時(shí)，減小系統(tǒng)尺寸和重量并提升集成度。

EMI濾波電路電磁集成結(jié)構(gòu)I

EMI濾波電路電磁集成結(jié)構(gòu)II

（2）根據(jù)端口配置模式1（Γ-型低通濾波電路基本集成單元）和模式2（CM電感-DM電容基本集成單元）推演出基于EE型磁芯的 L/N 對稱型 EMI 濾波電路全集成結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)II），并采用合理的端口配置方式實(shí)現(xiàn) CM和 DM 濾波元件功能解耦，從而簡化 CM 和 DM 集總等效電路，進(jìn)而簡化其參數(shù)分析、整定和設(shè)計(jì)。

（3）結(jié)構(gòu)I中繞組W1、W2和結(jié)構(gòu)II中繞組W-C、W-D的接地層在工作中除了作為CM電容的接地端，還可充當(dāng)L/N線繞組的電磁屏蔽層；結(jié)構(gòu)II中采用L/N線交錯并聯(lián)的繞組結(jié)構(gòu)，可大幅度減小CM電感繞組產(chǎn)生的漏感。上述特性可有效提升集成模塊的抗輻射干擾能力，同時(shí)減小電路產(chǎn)生的輻射干擾。

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（4）根據(jù)端口配置模式1推演出基于EE型磁芯的LCL-型諧波濾波器電磁集成結(jié)構(gòu)，并通過在磁芯邊柱上開氣隙的方式實(shí)現(xiàn)電感L1和L2的解耦，從而可避免磁耦合給濾波器諧波抑制性能造成的負(fù)面影響。

LCL-型諧波濾波電路電磁集成結(jié)構(gòu)

前景與應(yīng)用?

本研究屬于電氣工程、材料科學(xué)與工程等交叉學(xué)科的前沿研究領(lǐng)域。利用不同性質(zhì)柔性帶材所構(gòu)成的有機(jī)疊層設(shè)計(jì)電感繞組，通過合理利用端口激活方式和導(dǎo)體層的電氣配置，以實(shí)現(xiàn)電場和磁場儲能空間的集成，突破了傳統(tǒng)磁集成技術(shù)的局限性，擴(kuò)展了無源集成設(shè)計(jì)領(lǐng)域的開發(fā)空間。研究成果為提升電力電子變換器集成度、促進(jìn)系統(tǒng)小型化與輕量化設(shè)計(jì)和改善系統(tǒng)EMC提供了有效解決方案，在航空航天、軌道交通等對于空間敏感的用電場合中具有較高的開發(fā)和應(yīng)用價(jià)值。

完成人與研究團(tuán)隊(duì)介紹

王盼寶

王盼寶，哈爾濱工業(yè)大學(xué)副教授，博士生導(dǎo)師，IEEE Senior Member，研究方向?yàn)樽儞Q器集成與優(yōu)化技術(shù)、微電網(wǎng)運(yùn)行與互聯(lián)技術(shù)。發(fā)表SCI/EI檢索論文60余篇，授權(quán)國家發(fā)明專利20余項(xiàng)，出版教材1部。主持國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題、中國博士后特別資助、黑龍江省自然科學(xué)基金等縱向課題、企業(yè)科技合作項(xiàng)目10余項(xiàng)，獲得中國自動化學(xué)會自然科學(xué)二等獎1項(xiàng)。擔(dān)任IEEE PES可再生能源系統(tǒng)集成技術(shù)委員會常務(wù)委員、中國自動化學(xué)會電氣自動化專業(yè)委員會委員、中國電工技術(shù)學(xué)會電控系統(tǒng)與裝置專業(yè)委員會委員。

王衛(wèi)

王衛(wèi)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樘柲馨l(fā)電技術(shù)、交/直流微電網(wǎng)、弱電網(wǎng)、軟開關(guān)變換技術(shù)等。先后主持和參與了國家自然科學(xué)基金、863項(xiàng)目、省科技攻關(guān)、市科技創(chuàng)新、臺達(dá)基金、國際合作等項(xiàng)目30余項(xiàng)，發(fā)表科研論文100余篇，授權(quán)專利30余項(xiàng)。擔(dān)任中國儀器儀表學(xué)會節(jié)能檢測技術(shù)專業(yè)委員會理事、中國電源學(xué)會照明電源專業(yè)委員會委員、《電氣技術(shù)》雜志編委。

編輯：黃飛

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