基于柔性多層帶材的電磁集成技術及其應用研究

研究背景

諧波和電磁干擾引起的噪聲污染是逆變系統面臨的重要問題，尤其在SiC和GaN等寬禁帶功率器件廣泛應用的背景下，這一問題更加嚴重。作為噪聲污染的主要治理手段，諧波濾波器和EMI濾波器在逆變系統的設計中不可或缺，但此類濾波器使用大量分立電感和電容無源器件，使系統離散度高、體積和重量顯著增加，限制了系統的集成化和高功率密度設計。磁集成技術可為上述問題提供很好的解決方案，并得到了學術界和工業界的廣泛研究和應用，但因其設計對象屬性的單一性，磁集成技術的發展遭遇瓶頸。以電磁集成為代表的多物理場集成技術可進一步實現電儲能元件和磁儲能元件的集成設計，為突破傳統磁集成技術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計帶來更大的發展空間。

成果簡介

項目團隊提出了基于柔性多層帶材（FMLF）的單相逆變系統EMI濾波器與LCL型諧波濾波器電磁集成方法。通過理論分析、仿真驗證和樣機測試相結合的方式得到了FMLF繞組在不同端口配置方式下的等效電路模型及其參數量化表達式。在此基礎上，以EE型磁芯為集成模塊的磁芯單元，選取結構合適的FMLF繞組，通過端口配置模式1或模式1和2相結合的方式將多個FMLF繞組有機組合，實現了不同集成程度的EMI濾波電路和電磁集成LCL濾波電路。該技術可適用于不同應用場景的逆變系統電磁干擾和諧波抑制（其應用也可擴展至其它有電磁干擾抑制和諧波衰減需求的電力電子設備），噪聲抑制效果良好，電路性能穩定可靠。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，為電力電子設備高集成化設計提供新的設計思路，具備很好的發展潛力和應用價值。

基于柔性多層帶材的電磁集成技術基本原理

常用的FMLF繞組端口配置模式

亮點提煉

（1）以CM濾波電路集成設計為前提，以DM電路集成設計為導向提出了兩種EMI濾波電路電磁集成結構：

結構I——CM電感&CM電容&DM電感集成設計；

結構II——CM電感&CM電容&DM電感&DM電容集成設計。

結構I和II均具備良好的CM噪聲抑制能力。結構I的DM噪聲抑制能力雖不及結構II，但其設計難度較低?？筛鶕煌瑧脠鼍暗膶嶋HEMI抑制需求，選用結構I或II，在滿足整改需求的同時，減小系統尺寸和重量并提升集成度。

EMI濾波電路電磁集成結構I

EMI濾波電路電磁集成結構II

（2）根據端口配置模式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 濾波電路全集成結構（結構II），并采用合理的端口配置方式實現 CM和 DM 濾波元件功能解耦，從而簡化 CM 和 DM 集總等效電路，進而簡化其參數分析、整定和設計。

（3）結構I中繞組W1、W2和結構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L/N線繞組的電磁屏蔽層；結構II中采用L/N線交錯并聯的繞組結構，可大幅度減小CM電感繞組產生的漏感。上述特性可有效提升集成模塊的抗輻射干擾能力，同時減小電路產生的輻射干擾。

? ? ? ?

（4）根據端口配置模式1推演出基于EE型磁芯的LCL-型諧波濾波器電磁集成結構，并通過在磁芯邊柱上開氣隙的方式實現電感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面影響。

LCL-型諧波濾波電路電磁集成結構

前景與應用?

本研究屬于電氣工程、材料科學與工程等交叉學科的前沿研究領域。利用不同性質柔性帶材所構成的有機疊層設計電感繞組，通過合理利用端口激活方式和導體層的電氣配置，以實現電場和磁場儲能空間的集成，突破了傳統磁集成技術的局限性，擴展了無源集成設計領域的開發空間。研究成果為提升電力電子變換器集成度、促進系統小型化與輕量化設計和改善系統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和應用價值。

完成人與研究團隊介紹

王盼寶

王盼寶，哈爾濱工業大學副教授，博士生導師，IEEE Senior Member，研究方向為變換器集成與優化技術、微電網運行與互聯技術。發表SCI/EI檢索論文60余篇，授權國家發明專利20余項，出版教材1部。主持國家自然科學基金青年項目、國家重點研發計劃子課題、中國博士后特別資助、黑龍江省自然科學基金等縱向課題、企業科技合作項目10余項，獲得中國自動化學會自然科學二等獎1項。擔任IEEE PES可再生能源系統集成技術委員會常務委員、中國自動化學會電氣自動化專業委員會委員、中國電工技術學會電控系統與裝置專業委員會委員。

王衛

王衛，哈爾濱工業大學教授，博士生導師，研究方向為太陽能發電技術、交/直流微電網、弱電網、軟開關變換技術等。先后主持和參與了國家自然科學基金、863項目、省科技攻關、市科技創新、臺達基金、國際合作等項目30余項，發表科研論文100余篇，授權專利30余項。擔任中國儀器儀表學會節能檢測技術專業委員會理事、中國電源學會照明電源專業委員會委員、《電氣技術》雜志編委。

編輯：黃飛

?