基于撓性覆銅箔的平面無源集成LC單元設計

于寶青，楊玉崗

(遼寧工程技術大學電氣工程學院，遼寧葫蘆島125105)

隨著信息產(chǎn)業(yè)及其帶來的消費類電子產(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、計算機以及各種移動設備中，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。

電感器與電容器集成技術是利用電感繞組之間的寄生電容作為部分電路參數(shù)實現(xiàn)部分電路功能。為了增大電感繞組之間的寄生電容，可以通過特殊結構(如平面繞組結構)或者增大介質材料的介電常數(shù)(選用具有較大介電常數(shù)的介質材料)。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)集成結構，電感電容集成結構作為原邊繞組，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率的磁性材料作為“漏感層”來調節(jié)漏感，整體采用平面結構，可以減小無源元件的總體積和高度，提高變流器功率密度。這種結構采用的是EI型磁芯。

[1]中提出了基于柔性多層帶材繞組的集成EMI濾波器結構，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材料來實現(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)代開關電源的“短、小、輕、薄”的發(fā)展趨勢。參考文獻[2]中的平面PCB繞組電感電容集成結構，雖然可以減小磁芯的高度和尺寸，繞在EI型磁芯上可以實現(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[1]和參考文獻[2]的思路，在現(xiàn)有實驗條件下，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結構，采用CI型磁芯，實現(xiàn)了串聯(lián)諧振、并聯(lián)諧振集成，最后測試了樣機的諧振點并與pspice軟件的仿真結果進行了比較，得出集成的平面LC單元有效性和可行性的結論。

1 集成結構的設計

1.1 多層交錯并聯(lián)集成單元的設計

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]是一種由金屬導體材料和介電基片，通過膠粘劑經(jīng)熱壓粘結的復合材料。這種產(chǎn)品可以隨意卷繞，撓性覆銅箔材質比較薄，適合多層交錯并聯(lián)結構。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，其上層為50 μm的銅箔，中間為25 μm的粘膠劑，下層為50 μm電介質材料，該電介質材料是聚酯薄膜，介電常數(shù)為3。

圖2為單層集成結構及其串/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構，如圖2(b)。這樣的結構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?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。當把端點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；當端點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結構，實現(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，能夠實現(xiàn)交錯并聯(lián)集成的LC單元結構，這種結構能靈活增大電容，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單元結構，可以制作多個這樣的集成LC單元，按照參考文獻[2]提到的多個單元連接結構還可以根據(jù)不同電感值和電容值的需要，對多個單元進行大電感大電容、大電感小電容、小電感大電容、小電感小電容的串/并聯(lián)連接來實現(xiàn)。進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，當給集成LC單元通電時，所有集成LC單元電流的方向應該是一個方向，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。結構示意圖如圖4所示。

1.2 電容的計算

式中，ε0為真空中的介電常數(shù)(8.854×10-12F/m)，εr為介質相對介電常數(shù)，w為銅箔的面積(m2)，d為介質的厚度(m)。

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)增大電介質材料的相對介電常數(shù)εr；(2)增大平面繞組的銅箔面積w；(3)減少電介質材料的厚度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片這樣的結構疊加成圖3(a)的結構，可以推導出電容C的計算公式:

計算電容時，先計算一個集成LC單元的電容量，根據(jù)參考文獻[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容值。

1.3 電感的計算

式中，μ0為真空中的磁導率(4π×10-7N/A2)，μeff為磁芯的有效相對磁導率，Ae為磁芯的有效截面積(mm2)，Le為磁芯的有效磁路長度(m)，Lg為磁芯的空氣隙(m)。

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[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 仿真和實驗

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，如圖5所示。該樣機選用天通公司的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。

表1 樣機的材料和參數(shù)

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 μH，電容值為0.37 nF，按照參考文獻[2]中大電感大電容的串聯(lián)方式連接計算得到電感為14.3 μH、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，樣機計算的參數(shù)如表2所示。

表2 樣機的計算測量及實驗結果

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，頻率達到幾MHz以上。實驗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)結構的集成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)結構中附加串聯(lián)了80 μH電感和10 nF的電容后，集成器件的諧振頻率實際測量為160 kHz。

同樣實驗測量并聯(lián)結構的集成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)結構中附加并聯(lián)了22 nF的電容后，實際測量集成器件的諧振頻率為140 kHz。實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)諧振的諧振點的值如表2所示。

對附加后的串聯(lián)集成結構和并聯(lián)集成結構進行了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。所得的結果與實際測量的結果接近，證明樣機設計比較符合預期效果。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μF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結構，是基于撓性覆銅箔多層交錯的多個單元的集成結構，并且可以放到CI型磁芯里。制作了樣機并對其參數(shù)進行了實驗驗證，實驗結果表明此實現(xiàn)方法的有效性。這種結構可以放到各種諧振變換器的電路中作為諧振部分。如果選用高磁導率的CI型磁芯或選用大的CI型磁芯，可進一步提高電感值，選用比較高的介電常數(shù)，可進一步提高電容值，這兩方面的提高對于無源集成更有現(xiàn)實意義。通過對層數(shù)和單元數(shù)的調整，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

[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濾波器結構[C].第三屆中國高校電力電子與電力傳動學術年會，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.印刷電路用覆銅箔層壓[M].北京:化學工業(yè)出版社，2002.