基于撓性覆銅箔的平面無(wú)源集成LC單元設(shè)計(jì)

  隨著信息產(chǎn)業(yè)及其帶來(lái)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(lái)巨大的市場(chǎng)，在通信、計(jì)算機(jī)以及各種移動(dòng)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(wú)源器件占據(jù)了變換器很大的體積，提高開(kāi)關(guān)頻率可以減小儲(chǔ)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(guò)電磁作用將電感、電容、變壓器集成為一個(gè)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(guò)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(gè)器件，即為L(zhǎng)C單元。
    VANWYK J D教授在磁元件與電容元件集成方面開(kāi)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(lái)調(diào)節(jié)漏感，整體采用平面結(jié)構(gòu)，可以減小無(wú)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(lái)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(kāi)關(guān)電源的“短、小、輕、薄”的發(fā)展趨勢(shì)。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(cuò)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(cè)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(jì)
1.1 多層交錯(cuò)并聯(lián)集成單元的設(shè)計(jì)
    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(guò)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(cuò)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(shí)得到確定的電感、電容，即通電后既有磁場(chǎng)儲(chǔ)能，也有電場(chǎng)儲(chǔ)能，并通過(guò)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(shí)，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(shí)，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(cuò)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(cuò)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(gè)端子的LC單元結(jié)構(gòu)，可以制作多個(gè)這樣的集成LC單元，按照參考文獻(xiàn)[2]提到的多個(gè)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(duì)多個(gè)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(lái)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(gè)四層交錯(cuò)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(gè)集成LC單元的4個(gè)引腳焊接到電路板上，2個(gè)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(wú)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(shí)，所有集成LC單元電流的方向應(yīng)該是一個(gè)方向，比如每個(gè)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(jì)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(duì)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(cuò)并聯(lián)方式[1]優(yōu)勢(shì)即可顯現(xiàn)出來(lái)，如圖2(b)所示，假如每個(gè)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(jì)算公式：

    同樣在計(jì)算電感時(shí)，先計(jì)算一個(gè)集成LC單元的電感量，根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]，多個(gè)單元根據(jù)需要可通過(guò)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(tái)基于交錯(cuò)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(yáng)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(gè)四層集成LC單元，測(cè)得每個(gè)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(jì)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(jì)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(jì)算出來(lái)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(dòng)電子零件分析儀，可以測(cè)得的最高諧振頻率為200 kHz。所以在實(shí)際測(cè)量時(shí)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(gè)單元電感值為15 μH，電容值為0.75 nF，計(jì)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(cè)量為160 kHz。
    同樣實(shí)驗(yàn)測(cè)量并聯(lián)結(jié)構(gòu)的集成LC中2個(gè)單元的電感值為60 μH，電容值為0.2 nF，計(jì)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(cè)量集成器件的諧振頻率為140 kHz。實(shí)際儀器所測(cè)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(duì)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(cè)量的結(jié)果接近，證明樣機(jī)設(shè)計(jì)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(jí)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(cuò)的多個(gè)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(duì)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(duì)于無(wú)源集成更有現(xiàn)實(shí)意義。通過(guò)對(duì)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(duì)于無(wú)源元件的選值更具有靈活性。
參考文獻(xiàn)
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