降低平面電感器損耗的結(jié)構(gòu)

1、降低平面電感器損耗的結(jié)構(gòu)摘要：假設(shè)磁芯無限電阻率是在導(dǎo)體寬度的函數(shù)條件下，用有限差分法分析嵌有磁芯的矩形導(dǎo)體之交流電阻。用磁陛材料填充這種夾層結(jié)構(gòu)中的空隙，證明可有效降低寬高比大的導(dǎo)體之RacRdc比。然而當(dāng)計(jì)八鐵損且其超過銅損之時(shí)，在磁路中設(shè)置氣隙被證明是一種折衷損耗的滿意方法，即Q因子可提高，但以增加銅損和降低電感為代價(jià)，按照這種方法，研制一個(gè)采用NiZn鐵氧體的平而電感，它可用來作兒瓦的dc-dc變換器儲(chǔ)能電感器 文中還提出了一種降低磁芯渦流損耗的新概念。關(guān)鍵詞：磁芯無限電阻率 dc-dc變換器 銅損1 引言    磁性功率器件小型化是減小開關(guān)電源尺寸的關(guān)鍵

2、所在 對(duì)器件小型化引出的問題是在高頻工作時(shí)，磁性捌料和導(dǎo)體的損耗增大。與普通的器件相比，在采用小型鐵芯或平面鐵芯的器件中，導(dǎo)體與磁性材料接觸更緊密，因此，導(dǎo)體中的電流分布受磁性材料強(qiáng)烈影響而引起異常銅損或大的RacRdc比。在這些研究中，鐵芯的幾何結(jié)構(gòu)由傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展而來。對(duì)夾層結(jié)構(gòu)平面電感器其構(gòu)成包括一對(duì)磁基片和一個(gè)純平面線圈，如導(dǎo)體采用沒有重疊的盤繞線罔則適于用光刻制造。雖然螺旋線圈產(chǎn)生單一的偶極磁場，但是本研究中采用的平面線罔可產(chǎn)生恰當(dāng)定位的磁場。因線圈中的某種周期性，這些磁場僅分布于線圈平面周同。電磁場被限制在夾層結(jié)構(gòu)內(nèi)，因而實(shí)際上不會(huì)對(duì)電子設(shè)備中的其他低能級(jí)元件產(chǎn)生電磁干擾fEMI)。

3、    首先，我們將對(duì)嵌有一雙磁基片的單個(gè)矩形導(dǎo)體中的電流分布進(jìn)行數(shù)值分析，以此作為 解這種導(dǎo)體交流電阻的基礎(chǔ)。其次，計(jì)算電感器的電感和交流電阻，在這種電感器中，盤狀線圈嵌入到一對(duì)磁片中的一個(gè)磁基片，并為另一基片所覆蓋，在兩個(gè)基片間留出一定氣隙。我們將闡述氣隙對(duì)銅損與鐵損折衷辦法以及電感值的控制。第三，討論用NiZn鐵氧體和一個(gè)嵌入式盤繞線圈制成的電感器的特性。最后將描述一種“網(wǎng)孔 線圈，利用這種線圈，可以減少磁芯中的渦流損耗。2 電流分布與交流電阻    了解各種基本情況下單個(gè)矩形導(dǎo)體中的電流分布是理解這種導(dǎo)體交流電阻的基礎(chǔ)。因而

4、針對(duì)圖1所示的三種情況，用有限差分法(FEM)對(duì)這些矩形導(dǎo)體中的電流密度進(jìn)行2D 分析。在狀態(tài)(a)，僅示出一個(gè)導(dǎo)體，其切面尺寸為：高(趨膚深度)，寬W=105。在狀態(tài)(b)，相同的導(dǎo)體被嵌八在一對(duì)磁基片中，且在狀態(tài)(c)，(b)中的兩個(gè)氣隙用另一磁性材料填充，其導(dǎo)磁率為 。假定是無損耗磁芯，并給其對(duì)稱平面施加滿足時(shí)的矢量電勢(shì)A這一邊界條件，以及給模擬無窮遠(yuǎn)的外邊界施加一個(gè)邊界條件A=0，這樣，對(duì)四分之一的區(qū)域(右上)進(jìn)行分析對(duì)狀態(tài)(a)和(b)，經(jīng)分析得到的電流密度幅度(非瞬時(shí)值)示于圖2。圖中，對(duì)幅度進(jìn)行了歸一化，以便相同數(shù)量的直流電流密度可以歸一。顯然，大的電流密度出現(xiàn)在邊緣上。正如對(duì)變

5、壓器磁化電流進(jìn)行的FEM 分析所指出的那樣 而且，這一現(xiàn)象因磁芯而加強(qiáng) 這可以通過引人一維求解的鏡像電流來解釋，或者根據(jù)在導(dǎo)體中某部分流動(dòng)的電流特性來解釋。在導(dǎo)體中，電流遛遇較小的阻抗或耦合磁通。阿3針對(duì)i科I不同寬度繪出了RacRdc對(duì)鐵芯導(dǎo)磁率的關(guān)系曲線。應(yīng)該注意，僅當(dāng)時(shí)， 這些RacRdc 比才增至它們最大值（w/2)的一半。圖4示出了以磁性材料填充導(dǎo)體兩側(cè)空隙所造成的影響，圖中，填充制料的導(dǎo)磁率從l變化至1000。RacRdc比隨增加而增加。值得注意的一點(diǎn)是，超出=100，這一比值進(jìn)一步變小，這時(shí)，導(dǎo)體被相同的磁性材料包圍。用磁性材料填充空隙可能并不是一種研制變壓器的有用方法，然而，在

6、加寬導(dǎo)體取得大的電流容量與低的RacRdc比這二者存在的兼容性問題 通過填充空隙可獲很大程度的改善，如圖5所示。這對(duì)研制電感器是重要的。如果有人試圖用寬的矩形導(dǎo)體增加電流容量，那么必須記住，RacRdc比是磁路連續(xù)性的敏感函數(shù)。3 導(dǎo)體嵌人式平面電感器    將導(dǎo)體深深埋人磁芯之中，是減小高頻磁場影響銅損的一種好方法，但是在研制功率電感器的簡單方案中仍存在幾個(gè)問題。它們是：電感直接取決于導(dǎo)磁率，大電流會(huì)使磁芯飽和。而且更重要的是，磁通大幅度變化會(huì)引起大的鐵損。當(dāng)然，具有線性B-H 特性可控導(dǎo)磁率及高電阻率的某種磁性材料可能是解決這些問題的辦法，但根據(jù)現(xiàn)階段材料的研

7、究，必須尋找一種實(shí)用的解決辦法來取代 我們采取的辦法是，將導(dǎo)體嵌人一對(duì)磁基片之一個(gè)之中然后將另外一個(gè)磁基片覆蓋其上，在兩基片間留有氣隙 這種電感器的截面示于圖6，假定其采用盤繞線圈見圖l4(b)。這種嵌入式平面電感器中的氣隙所起的作用類似于普通電感器中的氣隙，但更加顯著。可用該氣隙來控制電感值并且對(duì)銅損與鐵損二者進(jìn)行調(diào)節(jié)。在此要指出的重點(diǎn)是，氣隙尺寸量級(jí)變化。除此之外，嵌人式平面電感器不會(huì)因氣隙二維分布而引起熱點(diǎn)，這不同于具有集總氣隙的普通電感器。    假定采用盤繞線圈的無耗磁芯，我們用FDM 對(duì)圖6所示的電感器進(jìn)行數(shù)值分析。圖7示出了盤繞線圈的主要部分及其有關(guān)

8、電流與磁通。如果我們采用如網(wǎng)所示的周期性，那么僅分析導(dǎo)體的一個(gè)部分就足夠了， 而且邊界條件與前一節(jié)所用的完全相同。以電感和RacRdc比作為間隙高度hg的函數(shù)計(jì)算出來的結(jié)果示于圖8。在這種情況下，采用了一組特殊的參數(shù)(銅導(dǎo)體，寬度：，高度：，線和間隔：2002000， 導(dǎo)磁率：；同時(shí)定性關(guān)系可以擴(kuò)展到具有類似參數(shù)的其他電感器。盡管因磁通密度減小而導(dǎo)致RaeRdc比從間隙高度6處開始減小，但電感和Rac/Rdc比相對(duì)于間隙高度而表現(xiàn)出來的特性是相反的，如圖8所示。還針對(duì)導(dǎo)體電流為lA，間隙高度為7.5(這一尺寸與下節(jié)描述的制造條件相一致)這些條件分析了這類電感器的磁通密度。對(duì)重直分量(峰值)的分

9、析結(jié)果示于圖9。此時(shí)，X軸位于下基片(見圖6)表面，其原點(diǎn)在嵌人導(dǎo)體的中心?？梢?，在相鄰導(dǎo)體之間麗非導(dǎo)體附近，磁通密度的分布是十分均勻的。在激勵(lì)電流給定的情況下，該電感器的磁通密度電感成正比。磁性材料的鐵損可近似表達(dá)為K(bm)n，式中bm 是磁通密度的幅度，n(n1.602.0)和K 是常數(shù)。所以，可以理解，增加間隙高度可以減少鐵損，當(dāng)然，這要以增大銅損為代價(jià)，如圖8所示。4 實(shí)驗(yàn)性平面電感器    用NiZn鐵氧體基片制作了前節(jié)所述的平面電感器。首先用金剛石鋸片將厚度為2ram 的大電阻率NiZn 鐵氧體基片進(jìn)行機(jī)械開槽，然后在基片上噴鍍銅，以填充這些槽子；最

10、后將表面拋光，并用激光切除導(dǎo)體不需要的連接部分，而形成具有三個(gè)發(fā)夾形(構(gòu)成圖7中的六個(gè)平行的導(dǎo)體)的盤繞線圈圖形。圖8中粗線表示的鄰接表面，二者都被拋光形成鏡面 導(dǎo)體的尺寸約為寬210，深25。盤繞線圈的面積為1.17×1.12cm2 ，線和間隔比約為0.211.99。通過在磁基片間插人一聚酰亞胺薄膜(uPILEXR)，引入了7.5 的氣隙。在本研究中，使用了兩種NiZn鐵氧體，#1鐵氧體在頻率為IMHz時(shí)具有高的相對(duì)導(dǎo)磁率 =1650。#2鐵氧體在頻率為IMHz具有低的相對(duì)導(dǎo)磁率=210。嵌入導(dǎo)體的總長度約8.4cm。     如此制作出的電

11、感器，在小信號(hào)情況下用HP4194A型阻抗分析儀測(cè)量其特性，在大信號(hào)情況下用如圖10所示的一種簡單方法測(cè)量，圖中，電壓V1和V2 的相位和幅度用具有8位分辨率的數(shù)字示波器溯量。 #2電感器的小信號(hào)特性示于圖11，分別對(duì)應(yīng)于無間隙的和間隙高度為7.5 的兩種情況。從圖1 1（a）可知，無聞隙電感器的電感在1MHz時(shí)為8.4，與單獨(dú)的盤繞線圈的50nH相比，增加了163倍。在引入間隙(7.5)后，因鐵損減少(在1.5MHz時(shí)Qmax =69)，Q 因子和中心頻率變換到較高的值。用2MHz激勵(lì)，以前一節(jié)描述的參數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。得到的電感為43.3m，RacRdc 比為1.49。據(jù)此，通過乘以0.08

12、443.4，得到3.6 。這一值與從圖11(b)中得到的電感讀數(shù)3. 10之間的偏差較小，可以接受。     采用串聯(lián)等效電感和電阻，根據(jù)V 1和V2 的波形計(jì)算得到的相對(duì)于激勵(lì)電流的大信號(hào)特性示于圖12。在這種情況下，在IMHz 頻率上測(cè)試#1 電感器(hg=7.5 )， 在2MHz頻率上測(cè)試#2電感器。與#1電感器相比，#2電感器損耗較小，但隨著頻率增加，其Q 因子的減小比例大。這是#2鐵氧體T1較大的直接反映。圖13示出了在直流電流疊加情況下的那些特性，圖中激勵(lì)電流保持在從該圖可知它對(duì)直流電流的依賴關(guān)系。由V 1和V2 波形測(cè)量而得的阻抗略小，用H

13、P4194A(示波器電平=0.1V)測(cè)得L3=3.1，而用這種簡單方法測(cè)得L=2.6 ，二者測(cè)量頻率都為2MHz，這可能是由于相位角測(cè)量的分辨率低和波形失真造成的。由于這一原因，在此測(cè)量中，Q因子可能稍有降低。假定磁通密度在盤繞線圈的有效面積(s)上均勻分布，則可估算磁通密度。對(duì)于并令S=線圈長度(8.4cm)×0.2cm(沿導(dǎo)體方向的磁通分布有效寬度)=1.68cm2 ，可得均方根值B=92(G)。5 磁芯渦流剖析    本節(jié)捕述一種產(chǎn)生激勵(lì)的新概念，用它能夠減少宏觀渦流損耗。金屬磁芯中的渦流損耗隨磁芯的磁特性改進(jìn)而改善。以激勵(lì)線圈的幾何結(jié)構(gòu)為著眼點(diǎn)，

14、也可以解決渦流損耗問題。其基本思想是，用一專門設(shè)計(jì)的平面線圈切斷磁芯中的宏觀渦流路徑，以便渦流可以承受更高的電阻并流過更遠(yuǎn)的路徑。圖14(a)示出了一種新型平面線圈的形狀(網(wǎng)格線圈)。圖14(b)示出的是一種盤繞線圈形狀，已用于平面電感器。磁芯中渦流路徑示于圖I5。圖中，針對(duì)兩種線圈畫出了平面內(nèi)渦流和沿a-a 線的截面渦流 網(wǎng)格線圈中的渦流路徑畫得更加精細(xì)。假定集總參數(shù)電路有磁芯中的渦流，那么，對(duì)于平面的分量，渦流損耗之比由近似給出，而對(duì)于截面分量，由給出式中，a是盤繞線圈的相鄰導(dǎo)體間的間距(因此為網(wǎng)格單元的邊長)。是磁芯的趨膚深度。盡管網(wǎng)格線圈的導(dǎo)體長度比盤繞線圈長倍，但是網(wǎng)格線圈的交流電阻并不比盤繞線圈大倍。原因在于接近網(wǎng)格線圈消隱點(diǎn)的導(dǎo)體承受較弱的磁場，因?yàn)樵谶@些點(diǎn)附近，磁化磁場相互對(duì)消 在預(yù)計(jì)磁芯渦流損耗大于銅損的情況下， 網(wǎng)格線圈可以本質(zhì)上減少總的損耗 在用鉆基非晶磁芯進(jìn)行的初步試驗(yàn)中，借助網(wǎng)格線圈取得了更好的頻率特性。6 總結(jié)    我們討論了磁基導(dǎo)體磁