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[導(dǎo)讀] 提出一種基于多層撓性覆銅箔薄膜的平面集成多個電感和電容(LC)單元的結(jié)構(gòu)。多個集成LC單元疊放到CI型磁芯里,通過不同端子的連接方式可實(shí)現(xiàn)串/并聯(lián)諧振、低通濾波器等結(jié)構(gòu),以及不同大小的電感值和電容值。仿真結(jié)果表明,交錯并聯(lián)結(jié)構(gòu)可以增大集成LC單元的電容,進(jìn)一步提高功率密度。

  隨著信息產(chǎn)業(yè)及其帶來的消費(fèi)類電子產(chǎn)品的迅速發(fā)展,為電力電子行業(yè)帶來巨大的市場,在通信、計算機(jī)以及各種移動設(shè)備中,都需要大量的電力電子變流器。大多數(shù)電力電子變換器中無源器件占據(jù)了變換器很大的體積,提高開關(guān)頻率可以減小儲能元件的體積。分立型的電感電容通常體積大,元件較多,空間利用率不高,阻礙了功率密度的提高。通過電磁作用將電感、電容、變壓器集成為一個模塊可以克服這些缺點(diǎn)。
    電感器與電容器集成技術(shù)是利用電感繞組之間的寄生電容作為部分電路參數(shù)實(shí)現(xiàn)部分電路功能。為了增大電感繞組之間的寄生電容,可以通過特殊結(jié)構(gòu)(如平面繞組結(jié)構(gòu))或者增大介質(zhì)材料的介電常數(shù)(選用具有較大介電常數(shù)的介質(zhì)材料)。電感與電容集成后為一個器件,即為LC單元。
    VANWYK J D教授在磁元件與電容元件集成方面開展了大量的工作,提出電感器-電感器-電容器-變壓器(L-L-C-T)集成結(jié)構(gòu),電感電容集成結(jié)構(gòu)作為原邊繞組,銅箔作為副邊繞組。為了增大變壓器漏感作為諧振電感,在原邊繞組和副邊繞組之間加入一層低磁導(dǎo)率的磁性材料作為“漏感層”來調(diào)節(jié)漏感,整體采用平面結(jié)構(gòu),可以減小無源元件的總體積和高度,提高變流器功率密度。這種結(jié)構(gòu)采用的是EI型磁芯。
    參考文獻(xiàn)[1]中提出了基于柔性多層帶材繞組的集成EMI濾波器結(jié)構(gòu),采用介電常數(shù)較低、溫度和頻率穩(wěn)定性好的薄膜電介質(zhì)材料來實(shí)現(xiàn)電容,克服了增大電容的困難。但所占據(jù)空間的體積仍然比較大,不符合現(xiàn)代開關(guān)電源的“短、小、輕、薄”的發(fā)展趨勢。參考文獻(xiàn)[2]中的平面PCB繞組電感電容集成結(jié)構(gòu),雖然可以減小磁芯的高度和尺寸,繞在EI型磁芯上可以實(shí)現(xiàn)很大的電感,但磁芯中柱也占據(jù)了很大面積。綜合參考文獻(xiàn)[1]和參考文獻(xiàn)[2]的思路,在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下,本文提出了一種基于多層撓性覆銅箔交錯并聯(lián)的平面集成LC結(jié)構(gòu),采用CI型磁芯,實(shí)現(xiàn)了串聯(lián)諧振、并聯(lián)諧振集成,最后測試了樣機(jī)的諧振點(diǎn)并與pspice軟件的仿真結(jié)果進(jìn)行了比較,得出集成的平面LC單元有效性和可行性的結(jié)論。
1 集成結(jié)構(gòu)的設(shè)計
1.1 多層交錯并聯(lián)集成單元的設(shè)計

    集成LC單元材料選用撓性覆銅箔聚酯薄膜。撓性覆銅箔薄膜[3]是一種由金屬導(dǎo)體材料和介電基片,通過膠粘劑經(jīng)熱壓粘結(jié)的復(fù)合材料。這種產(chǎn)品可以隨意卷繞,撓性覆銅箔材質(zhì)比較薄,適合多層交錯并聯(lián)結(jié)構(gòu)。本文采用的是聚酯薄膜撓性覆銅箔材料。如圖1所示的撓性覆銅箔材質(zhì),其上層為50 μm的銅箔,中間為25 μm的粘膠劑,下層為50μm電介質(zhì)材料,該電介質(zhì)材料是聚酯薄膜,介電常數(shù)為3。

    圖2為單層集成結(jié)構(gòu)及其串/并聯(lián)等效電路圖,將聚酯薄膜裁剪成如圖2(a)形狀,兩片緊壓疊放。上下兩面銅箔形成電感,位于中間的介質(zhì)材料與上下兩面的銅箔形成電容,因此形成了電感和電容的集成結(jié)構(gòu),如圖2(b)。這樣的結(jié)構(gòu)可以同時得到確定的電感、電容,即通電后既有磁場儲能,也有電場儲能,并通過適當(dāng)?shù)倪B接方式與外電路相連,可以等效為串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振電路。當(dāng)把端點(diǎn)A、D與外電路連接時,B、C兩端懸空,形成電感、電容的串聯(lián)諧振形式;當(dāng)端點(diǎn)A、D與外電路連接,B、C兩端直接相連接時,即形成了電感、電容的并聯(lián)諧振形式,其等效電路如圖2(c)所示。

    本文提出了一種基于多層撓性覆銅箔交錯并聯(lián)的平面集成LC結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了串/并聯(lián)諧振的集成。如同圖2制作方式一樣,共裁剪8片這樣的形狀,把它們層疊、緊壓,能夠?qū)崿F(xiàn)交錯并聯(lián)集成的LC單元結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)能靈活增大電容,如圖3(a)所示,其等效電路如圖3(b)所示。同樣也是4個端子的LC單元結(jié)構(gòu),可以制作多個這樣的集成LC單元,按照參考文獻(xiàn)[2]提到的多個單元連接結(jié)構(gòu)還可以根據(jù)不同電感值和電容值的需要,對多個單元進(jìn)行大電感大電容、大電感小電容、小電感大電容、小電感小電容的串/并聯(lián)連接來實(shí)現(xiàn)。進(jìn)一步增加了集成電感值和電容值的靈活性。

    本文先制作2個四層交錯并聯(lián)集成的LC單元。采用CI型磁芯,節(jié)省了EI型磁芯的磁芯中柱,增大了電容面積。將與CI型磁芯相應(yīng)的電路板挖空,然后把每個集成LC單元的4個引腳焊接到電路板上,2個單元之間的引線可以從電路板上走線,磁芯扣在LC單元上,既可以節(jié)省整體無源器件所占空間體積,還可以增大磁芯的散熱面積。若想增大電感值,當(dāng)給集成LC單元通電時,所有集成LC單元電流的方向應(yīng)該是一個方向,比如每個集成LC單元都從A、D端輸入,從B、C端輸出,連接方式可以在電路板上實(shí)現(xiàn);而若想減小電感值,可以使若干集成LC單元電流流向相反,即從B、C端輸入,從A、D端輸出。結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

1.2 電容的計算

    由式(1)可以看出,如果需要增加更大的電容C,有3種途徑:(1)增大電介質(zhì)材料的相對介電常數(shù) ?著r;(2)增大平面繞組的銅箔面積 w;(3)減少電介質(zhì)材料的厚度d。
    若增加更大的電容,采用交錯并聯(lián)方式[1]優(yōu)勢即可顯現(xiàn)出來,如圖2(b)所示,假如每個單元由n片這樣的結(jié)構(gòu)疊加成圖3(a)的結(jié)構(gòu),可以推導(dǎo)出電容C的計算公式:

    同樣在計算電感時,先計算一個集成LC單元的電感量,根據(jù)參考文獻(xiàn)[2],多個單元根據(jù)需要可通過不同的連接方式得到不同的電感值。
2 仿真和實(shí)驗(yàn)
    本文制作了一臺基于交錯并聯(lián)撓性覆銅箔材料的集成諧振LC單元樣機(jī),如圖5所示。該樣機(jī)選用天通公司的CI14/13磁芯;集成LC單元的材料選用咸陽眾鑫電子材料有限公司的撓性覆銅箔聚酯薄膜。具體參數(shù)如表1所示。

    集成LC單元的制作方式如圖3所示,制作的2個四層集成LC單元,測得每個集成LC單元的電感值為3.6 ?滋H,電容值為0.37 nF,按照參考文獻(xiàn)[2]中大電感大電容的串聯(lián)方式連接計算得到電感為14.3μH、電容為0.83 nF。按照大電感大電容的并聯(lián)方式連接得到電感值為57.1 μH、電容為0.21 nF,樣機(jī)計算的參數(shù)如表2所示。

    由于介電常數(shù)較小、集成的電容值小,但所集成的器件計算出來的諧振頻率比較大,頻率達(dá)到幾MHz以上。實(shí)驗(yàn)用的儀器為洤華儀器有限公司的3 255自動電子零件分析儀,可以測得的最高諧振頻率為200 kHz。所以在實(shí)際測量時需要額外增加輔助電感和電容使它們的諧振頻率在200 kHz以下。附加的電感和電容如圖6(a)所示,串聯(lián)結(jié)構(gòu)的集成LC中2個單元電感值為15 μH,電容值為0.75 nF,計算集成器件的諧振頻率是1.52 MHz。在集成LC單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)中附加串聯(lián)了80 μH電感和10 nF的電容后,集成器件的諧振頻率實(shí)際測量為160 kHz。
    同樣實(shí)驗(yàn)測量并聯(lián)結(jié)構(gòu)的集成LC中2個單元的電感值為60 μH,電容值為0.2 nF,計算集成器件的諧振頻率是1.45 MHz,如圖6(b)在集成LC單元并聯(lián)結(jié)構(gòu)中附加并聯(lián)了22 nF的電容后,實(shí)際測量集成器件的諧振頻率為140 kHz。實(shí)際儀器所測量的加了輔助電感、電容的串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振的諧振點(diǎn)的值如表2所示。

    對附加后的串聯(lián)集成結(jié)構(gòu)和并聯(lián)集成結(jié)構(gòu)進(jìn)行了PSPICE仿真,仿真曲線如圖7所示,串聯(lián)諧振頻率為166.725 kHz,并聯(lián)諧振頻率為137.088 kHz。所得的結(jié)果與實(shí)際測量的結(jié)果接近,證明樣機(jī)設(shè)計比較符合預(yù)期效果。如果選用比較高的介電常數(shù),如Y5V、X7R等材料,能夠得到幾百nF甚至?滋F級別以上的電容值,可以不用再附加電感和電容。

    本文提出的一種新型的集成LC結(jié)構(gòu),是基于撓性覆銅箔多層交錯的多個單元的集成結(jié)構(gòu),并且可以放到CI型磁芯里。制作了樣機(jī)并對其參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此實(shí)現(xiàn)方法的有效性。這種結(jié)構(gòu)可以放到各種諧振變換器的電路中作為諧振部分。如果選用高磁導(dǎo)率的CI型磁芯或選用大的CI型磁芯,可進(jìn)一步提高電感值,選用比較高的介電常數(shù),可進(jìn)一步提高電容值,這兩方面的提高對于無源集成更有現(xiàn)實(shí)意義。通過對層數(shù)和單元數(shù)的調(diào)整,以及不同單元的連接方式,可以得到不同的電感值和電容值,對于無源元件的選值更具有靈活性。
參考文獻(xiàn)
[1] 伍曉峰,溫志偉,徐德鴻.一種基于柔性多層帶材繞組的集成EMI濾波器結(jié)構(gòu)[C].第三屆中國高校電力電子與
電力傳動學(xué)術(shù)年會,2009.
[2] ZHAO L.Generalized frequency plane model of integrated  electromagnetic power passives[M].Doctor of Philosophy in  Electrical Engineering,2004.
[3] 辜信實(shí).印刷電路用覆銅箔層壓[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.

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