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电动汽车驱动
★ 4.0
具有集成屏蔽的PCB电感器以抑制开关电场并降低共模噪声
PCB Inductor With Integrated Shielding to Contain Switching Electric Field and Reduce CM Noise
| 作者 | Tyler McGrew · Xingyu Chen · Qiang Li |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2024年9月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 功率半导体 开关噪声 电磁干扰 屏蔽 功率因数校正转换器 |
语言:
中文摘要
功率半导体技术的持续改进使得电源能够日益小型化和集成化。然而，必须谨慎操作，以确保转换器的开关噪声不会干扰其传感电路、栅极驱动器或电磁干扰（EMI）滤波器。先前的研究已表明，开关噪声如何通过电容耦合到 EMI 滤波器并显著增加传导共模（CM）噪声。本文旨在通过在开关和印制电路板（PCB）绕线电感器周围集成导电屏蔽层，来抑制前端功率因数校正（PFC）转换器的开关电场。本文提出了一种新型平面电感器结构，可在不显著增加涡流损耗的情况下屏蔽电感器的电场。所提出的屏蔽层能有效抑制基于氮化镓（GaN）的图腾柱 PFC 转换器的开关电场，将其共模噪声降低多达 28 dB，且对转换器损耗的影响极小（$\Delta \eta$ = 0.06%）。本文基于使用三维有限元分析（FEA）仿真工具进行的参数研究，为所提出的电感器屏蔽层提供了详细的设计流程。
English Abstract
Continued improvements in power semiconductor technology have allowed power supplies to become increasingly miniaturized and integrated. However, care must be taken to ensure the converter's switching noise does not interfere with its sensing circuitry, gate drivers, or electromagnetic interference (EMI) filter. Prior works have shown how switching noise can capacitively couple to the EMI filter and significantly increase conducted common mode (CM) noise. This article aims to contain the switching electric field of a front-end power factor correction (PFC) converter by integrating conductive shielding around the switches and PCB-winding inductor. A novel planar inductor structure is proposed to shield the inductor's electric field without adding significant eddy losses. The proposed shielding effectively contains the switching electric field of a GaN-based totem-pole PFC converter, which reduces its CM noise up to 28 dB with minimal impact on converter loss ( = 0.06%). A detailed design procedure is provided for the proposed inductor shielding based on parametric studies with 3-D finite element analysis (FEA) simulation tools.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项PCB集成屏蔽电感技术对我们的光伏逆变器和储能系统产品具有重要应用价值。该技术针对功率因数校正（PFC）变换器中的共模（CM）噪声问题，通过在开关器件和PCB绕组电感周围集成导电屏蔽层，有效抑制开关电场的耦合干扰，在GaN基图腾柱PFC拓扑中实现了高达28dB的CM噪声降低，且效率损失仅0.06%。
对于阳光电源而言，这项技术的价值体现在多个维度。首先，随着我们逆变器产品向高功率密度、高频化方向发展，特别是采用SiC和GaN等宽禁带半导体后，开关频率显著提升导致EMI问题更加突出。该屏蔽技术能够在不牺牲效率的前提下大幅降低传导干扰，有助于简化EMI滤波器设计，减小系统体积和成本。其次，PCB平面电感结构与我们追求的高集成度、模块化设计理念高度契合，可应用于组串式逆变器和储能变流器的前端PFC电路，提升产品的电磁兼容性能。
从技术成熟度评估，该方案基于3D有限元仿真工具提供了详细的设计流程，具备较强的工程可实现性。主要挑战在于PCB多层板的制造成本控制、屏蔽层与散热设计的协同优化，以及在大功率应用场景下的涡流损耗管理。建议我们的研发团队重点关注该技术在1500V高压系统中的适配性验证，以及与现有磁集成技术的结合可能性。这项技术为阳光电源在高频化、小型化产品路线上提供了有效的EMI抑制解决方案，值得进行深入的技术跟踪和应用评估。