高頻功率磁技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及展望

吳軍科 ,古書杰 ,付振曉 ,李 強(qiáng) ,李旺昌

(1.桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,廣西 桂林 541004;2.廣東風(fēng)華高新科技股份有限公司 新型電子元器件關(guān)鍵材料與工藝國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 肇慶 526000;3.浙江工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,浙江 杭州 310023)

信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展離不開(kāi)基礎(chǔ)電子元器件的支撐。為加快電子元器件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展,國(guó)家工業(yè)和信息化部于2021 年出臺(tái)了《基礎(chǔ)電子元器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃(2021—2023 年)》,在電路類元器件發(fā)展規(guī)劃中,提出重點(diǎn)發(fā)展微型化、片式化阻容感元件,其中,片式電感元件是微型電子元件的一個(gè)重要分支。當(dāng)前,片式電感元件正朝著小體積、高頻率、低損耗、高品質(zhì)因素的方向發(fā)展。

在信息與通信領(lǐng)域,隨著傳輸帶寬和傳輸容量的增加,對(duì)手機(jī)、適配器、服務(wù)器等電子產(chǎn)品的功率密度要求越來(lái)越高,而磁元件作為信息通信領(lǐng)域的基礎(chǔ)元器件,則面臨新的挑戰(zhàn)。近年來(lái),隨著以氮化鎵為代表的寬禁帶半導(dǎo)體器件的推廣應(yīng)用,開(kāi)關(guān)器件能輕易實(shí)現(xiàn)數(shù)百kHz、MHz 的工作頻率[1-3]。但受限于磁技術(shù),在一些高功率密度場(chǎng)合,電源系統(tǒng)則未必能實(shí)現(xiàn)如此高的工作頻率,磁元件成為功率變換器向高頻化進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸[4]。

磁元件在電路中承擔(dān)儲(chǔ)能、濾波、信號(hào)處理等功能,占據(jù)整個(gè)電子系統(tǒng)較大的體積和重量。據(jù)統(tǒng)計(jì),磁性元件的重量一般占整個(gè)系統(tǒng)的20%～30%,體積則占到30%～40%[5],電力電子技術(shù)向高頻化發(fā)展有利于提升功率密度,能實(shí)現(xiàn)電源的小型化、輕量化,但必須解決由此帶來(lái)的變換效率下降和系統(tǒng)散熱壓力。為提升電源模塊的功率密度,以及滿足便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品對(duì)輕量化的要求,必須對(duì)磁元件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),圖1 給出了磁元件及其模組的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程,材料、工藝、設(shè)計(jì)三者決定了制造方案,材料和工藝是方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),工藝需要設(shè)備支撐,制造出來(lái)的磁元件并不能單獨(dú)工作,需要與其他有源和無(wú)源器件一起集成為一個(gè)功能完整的系統(tǒng)才能工作。磁元件及模組則可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 磁元件及其模組的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程Fig.1 Design and development process of magnetic component and modules

一般而言,磁元件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)需要從磁材選型、磁芯和繞組設(shè)計(jì)、制造工藝和設(shè)備、應(yīng)用場(chǎng)景需求等方面綜合考慮,以便達(dá)到或接近最優(yōu)設(shè)計(jì)。在磁元件單體設(shè)計(jì)層面,可以使用不同的繞組結(jié)構(gòu)優(yōu)化分布參數(shù)、減小電磁泄露;在系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面上,將磁性基板作為載體可以與其他元器件進(jìn)行更好的組合,甚至將不同的磁元件集成在同一基板上以實(shí)現(xiàn)小尺寸、高效率和低成本;也可以采用磁封裝工藝,將PCB 板和電感線圈通過(guò)灌磁膠的形式封裝在一起。設(shè)計(jì)者還可以通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),結(jié)合磁材參數(shù)和制造工藝,對(duì)磁元件進(jìn)行電磁仿真和熱仿真,快速驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性,以縮短開(kāi)發(fā)周期。不同的磁材和不同的制造工藝可以制作性能參數(shù)不同的產(chǎn)品,終端客戶需根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景選擇市場(chǎng)上已有的成熟產(chǎn)品,對(duì)于市場(chǎng)的特殊需求則要開(kāi)展定制化的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

本文結(jié)合高密開(kāi)關(guān)電源的需求和高頻功率磁技術(shù)遇到的挑戰(zhàn),從高頻功率磁性材料、磁元件設(shè)計(jì)、磁元件建模、磁元件應(yīng)用等四大方面系統(tǒng)梳理了技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和研究進(jìn)展,為后續(xù)開(kāi)展更為深入的研究提供借鑒與參考。需要指出的是,本文所述的高頻一般為500 kHz 及以上工作頻率,大多高頻功率磁元件工作在1～10 MHz,少部分達(dá)到20 MHz 甚至100 MHz。

1 高頻功率磁性材料

在高頻功率磁技術(shù)領(lǐng)域,制作磁元件常用的軟磁材料主要有兩類: 軟磁鐵氧體和金屬磁粉芯。

鐵氧體材料被廣泛應(yīng)用于各類磁元件的制作,根據(jù)其燒結(jié)的二價(jià)金屬氧化物不同主要分為NiZn 和MnZn 鐵氧體。磁芯損耗和絕緣電阻是除磁導(dǎo)率之外磁性材料最重要的兩個(gè)參數(shù)。鐵氧體的渦流損耗與電阻率成反比[6],NiZn 鐵氧體具有極高的電阻率,達(dá)104～106Ω·m[7],MnZn 鐵氧體電阻率較低,一般在30 Ω·m 以內(nèi)。雖然MnZn 鐵氧體磁導(dǎo)率比NiZn 鐵氧體更高,但因其電阻率低的缺陷只能用在3 MHz 以下頻段,當(dāng)頻率達(dá)到1 MHz 以上時(shí),NiZn 鐵氧體性能將超過(guò)MnZn 鐵氧體[8]。為滿足不同尺寸磁芯耐熱沖擊性能的需求,NiZn 鐵氧體材料的晶粒尺寸也應(yīng)特別設(shè)計(jì)[11],以匹配高頻磁元件的大功率需求。東磁公司在制備高性能功率鐵氧體的研究領(lǐng)域收獲頗豐,例如高溫低損耗的MnZn 鐵氧體和粒徑較小、具有優(yōu)異的初始磁導(dǎo)率和較高居里溫度的NiCuZn 鐵氧體,該公司生產(chǎn)的鐵氧體材料已經(jīng)能與TDK、日立、飛磁等外國(guó)公司的產(chǎn)品媲美[9-10]。鐵氧體的相對(duì)磁導(dǎo)率雖然很高,通常在數(shù)百以上,但相較于磁粉芯,其飽和磁通密度低且易受溫度影響,往往需要開(kāi)氣隙避免飽和,直流偏置特性偏弱導(dǎo)致通流能力較差。

磁粉芯是由金屬軟磁經(jīng)過(guò)制粉、絕緣處理、粘結(jié)、壓制、熱處理制備而成[6],其中羰基鐵粉、FeSi、FeNi、FeSiCr、FeSiAl 等被廣泛應(yīng)用于功率電感的制作。與金屬軟磁材料相比,經(jīng)絕緣包覆后的軟磁復(fù)合材料具有較高的電阻率,可以有效降低高頻下材料的渦流損耗;與軟磁鐵氧體相比,金屬軟磁復(fù)合材料的磁通密度高、直流偏置性能更好,但是磁導(dǎo)率較低。包覆層的厚度、均勻度和致密程度是金屬軟磁復(fù)合材料包覆面臨的主要問(wèn)題,因?yàn)榘矊犹駮?huì)引起整體磁導(dǎo)率降低,太薄又不能起到降低渦流損耗的作用[6,11-12],從包覆材料和包覆工藝入手有望改善這類問(wèn)題,這也是國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞絕緣包覆研究的主要發(fā)力方向[13]。美磁公司向非晶合金顆粒(Fe、Si、Cr、B)中加入酸溶液進(jìn)行酸化,得到酸化顆粒,然后對(duì)酸化顆粒進(jìn)行鈍化,得到鈍化顆粒,最后對(duì)鈍化顆粒進(jìn)行包覆,得到的非晶磁粉芯具有較高的磁導(dǎo)率和電感,在高頻使用下仍保持低損耗特性[14]。鉑科公司采用氣霧化生產(chǎn)的鐵硅4 代磁粉芯(NPX 系列)具有較高飽和磁通密度的同時(shí),有著與鐵氧體相當(dāng)?shù)膿p耗。

表1 給出了常用軟磁材料的基本特性對(duì)比情況?？梢钥闯?鐵氧體材料具有磁導(dǎo)率高、電阻率大的優(yōu)勢(shì),但存在飽和磁通密度低、直流偏置特性較差的不足;金屬粉芯磁材具有飽和磁通密度高、直流偏置特性較好的優(yōu)點(diǎn),但存在磁導(dǎo)率較低、電阻率低的不足。實(shí)際應(yīng)用中,對(duì)金屬磁粉會(huì)采用絕緣包覆的方式提升電阻率。

表1 軟磁材料屬性比較Tab.1 Property comparison of soft magnetic materials

2 磁元件設(shè)計(jì)技術(shù)

在磁元件指標(biāo)參數(shù)確定后,即可選用合適的磁材開(kāi)展磁元件設(shè)計(jì)。本節(jié)歸納總結(jié)磁元件單體設(shè)計(jì)、模組系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真技術(shù)的研究現(xiàn)狀。單體設(shè)計(jì)針對(duì)單個(gè)磁元件,主要包括繞組設(shè)計(jì)、磁芯設(shè)計(jì),本文重點(diǎn)介紹埋磁設(shè)計(jì)技術(shù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)則需要從整個(gè)功率系統(tǒng)層面來(lái)進(jìn)行考慮,主要分為磁性基板和磁集成及磁封裝技術(shù);最后介紹磁元件仿真技術(shù),仿真能夠快速驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性。

2.1 磁元件單體設(shè)計(jì)

2.1.1 繞組設(shè)計(jì)

在高頻工作條件下,集膚效應(yīng)和臨近效應(yīng)對(duì)繞組損耗影響顯著,在繞組設(shè)計(jì)中減小渦流損耗至關(guān)重要。

高頻下開(kāi)展繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),遠(yuǎn)離磁芯中柱的繞組層電流密度分布極不均勻,受高頻效應(yīng)影響產(chǎn)生較大的損耗。而交叉布置結(jié)構(gòu)中電流密度分布更加均勻[15],部分交叉換位后鄰近效應(yīng)削弱,漏磁場(chǎng)強(qiáng)度和電磁力降低一半,完全交叉換位后鄰近效應(yīng)幾乎全部消除,漏磁場(chǎng)強(qiáng)度和電磁力為無(wú)交叉換位時(shí)的四分之一[16]。而對(duì)稱交叉比完全交叉效果更好,耦合度高,繞組中電流密度分布更加均勻,電流密度小,損耗低,更有利于降低變壓器的整體溫升[15,17]。原副邊繞組交錯(cuò)程度越大,變壓器漏感和繞組內(nèi)分布電容越小,繞組間分布電容越大,在原、副邊繞組之間增加屏蔽層,通過(guò)電屏蔽將原邊產(chǎn)生的高頻干擾信號(hào)與副邊隔離開(kāi),可有效解決這一矛盾[18]。

采用繞組層間串聯(lián)、“Z”型繞制、增大層間距離或者減小繞組間的正對(duì)面積等方法可以有效減小分布電容的大小,提高磁元件的性能;同時(shí),繞組寬度越小、長(zhǎng)度越大,漏感越大,在滿足絕緣要求的情況下,減小絕緣層厚度可以減小變壓器漏感。

采用多層繞組并聯(lián)可顯著提高繞組的載流能力[17,19]。PCB 繞組可以較為容易實(shí)現(xiàn)奇數(shù)匝排布在兩層PCB 中[20]。但是,受臨近效應(yīng)的影響,通過(guò)減小銅箔厚度、增加并聯(lián)層數(shù)來(lái)降低損耗的辦法不適合于導(dǎo)體厚度遠(yuǎn)小于趨膚深度的場(chǎng)合。

2.1.2 埋磁設(shè)計(jì)

采用先進(jìn)的封裝技術(shù)將磁性器件嵌入在基板中,稱為埋磁設(shè)計(jì)[21]。該設(shè)計(jì)方法具有低高度、低成本、可批量生產(chǎn)以及允許在一個(gè)設(shè)計(jì)中制造多個(gè)磁元件等特點(diǎn),并能減少寄生效應(yīng),對(duì)于低感量的電感意義重大[22-23]。根據(jù)磁芯和繞組的不同組合方式,基板嵌入式電感結(jié)構(gòu)大致分螺旋、螺線管和環(huán)形三類[24]。

(1) 螺旋形電感。相對(duì)于其他兩種電感,螺旋形電感的品質(zhì)因數(shù)較高,且可以有很靈活的設(shè)計(jì),但電磁泄露較明顯[24]。日本信州大學(xué)提出一種埋磁設(shè)計(jì)技術(shù),使用環(huán)氧/磁材料復(fù)合片在疊層內(nèi)部形成封閉磁路的螺旋電感,無(wú)需使用昂貴的磁性薄膜沉積工藝,可應(yīng)用于集成電壓調(diào)節(jié)器(Integrated Voltage Regulators,IVR),結(jié)構(gòu)如圖2 所示。在20 MHz 時(shí),測(cè)試出嵌入式磁芯電感器的電感量和品質(zhì)因數(shù)Q分別約為150 nH 和38。

圖2 嵌入式螺旋形電感的IVR[25]Fig.2 IVR with magnetic core spiral inductor embedded in interposer[25]

(2) 螺線管形電感。螺線管形電感大體呈矩形,該形狀容易做到較高的品質(zhì)因數(shù),但存在磁場(chǎng)外泄[24]。佐治亞理工學(xué)院針對(duì)100 MHz 的IVR 制作出螺旋形電感器,采用NiZn 鐵氧體復(fù)合磁芯材料,該電感器占板面積為13.01 mm2,平均直流電阻為19 mΩ,感量為31 nH,平均交流電阻為2.28 Ω,品質(zhì)因數(shù)Q為8.07[26-27]。該工作頻率在電源領(lǐng)域已經(jīng)是非常高的頻率。

弗吉尼亞理工大學(xué)提出一種用于20 MHz 頻率的IVR 四相集成電感,并將其嵌入PCB 中。螺線管嵌入式電感在5.21 mm×3.36 mm×0.54 mm 的空間下可實(shí)現(xiàn)14.30 nH/mm3的電感密度和2.8 mΩ 的直流電阻[28]。

愛(ài)爾蘭科克大學(xué)在印刷在PCB 上的銅軌上用引線鍵合組裝了螺旋形電感來(lái)完成銅回路,組裝的薄磁膜電感在10 MHz 時(shí),5 匝線圈和1 匝線圈分別有2.4 nH/mΩ 的直流品質(zhì)因數(shù)(Ldc/Rdc)和8.5 的交流品質(zhì)因數(shù)[29]。

科克大學(xué)廷德?tīng)枃?guó)家研究所提出了一種將多層薄膜磁片集成到PCB 中的新方法,用于電源模組應(yīng)用。由多層Co-Zr-Ta-B(CZTB)磁片夾在兩塊不同的PCB板之間形成,每塊PCB 板上有銅軌,構(gòu)成器件的上下繞組。這種新穎的電感結(jié)構(gòu)可以使用約113 g 的銅包圍多層CZTB 磁片,因此具有非常低的直流電阻。制作的螺線管嵌入式電感占板面積為7.25 mm2,電感為52 nH,直流電阻為101 mΩ,在40 MHz 處實(shí)現(xiàn)了23的峰值品質(zhì)因數(shù)[30]。

為提高品質(zhì)因數(shù),電子科技大學(xué)將如圖3 所示的螺線管形電感器嵌入到有機(jī)封裝基板中,并同時(shí)使用了固態(tài)垂直互連線和磁性復(fù)合磁芯,顯著降低了單位面積的直流電阻并提升感量[31]。在3.36 mm×1.7 mm 的占板面積下具有41.8 nH 的電感量和60 mΩ 的直流電阻,92.8 MHz 時(shí)峰值品質(zhì)因數(shù)為42.7,是目前螺線管形電感的最高值,電流在3.81 A 時(shí)感量下降10%[31]。

圖3 封裝基板-嵌入式螺線管電感Fig.3 Packaging substrate-embedded solenoid inductor

(3)環(huán)形電感。環(huán)形電感的設(shè)計(jì)靈活性較差,品質(zhì)因數(shù)和電感密度也較低,對(duì)于同一區(qū)域中的給定電感,具有更高的直流和交流電阻,但是閉合的結(jié)構(gòu)讓其幾乎不會(huì)外泄磁場(chǎng)[24]。

愛(ài)爾蘭科克大學(xué)的廷德?tīng)枃?guó)家研究所提出了一種用于2 MHz 負(fù)載點(diǎn)(Point-of-Load,PoL)轉(zhuǎn)換器的面積為110 mm2的PCB 嵌入式環(huán)形電感[21]。其小信號(hào)電感為925 nH,4 A 時(shí)電感降至775 nH,直流電阻為66 mΩ,2 MHz 下交流電阻為340 mΩ,電感密度為9 nH/mm2,電感與直流電阻的比值為11.7 nH/mΩ,電感與交流電阻的比值為2.3 nH/mΩ,在2 MHz 下的小信號(hào)Q值為28.6[21]。

圖4 所示是愛(ài)爾蘭科克大學(xué)廷德?tīng)枃?guó)家研究所使用3M 公司生產(chǎn)的柔性平面磁性材料EM15TF 制作而成的三個(gè)嵌入式PCB 內(nèi)環(huán)形電感器,其使用了5 層EM15TF 的堆棧,以達(dá)到500 μm 的磁芯厚度[32]。制作出的電感密度約為5 nH/mm2,峰值電感與直流電阻之比為27.5 nH/mΩ[32]。

圖4 用3M EM15TF 堆疊制造的PCBFig.4 Fabricated PCBs for use with stacks of 3M EM15TF

佐治亞理工學(xué)院的3D 系統(tǒng)封裝研究中心提出了一種用于多相IVR 的封裝嵌入式電感陣列,每個(gè)電感占板面積為6.25 mm2,直流電阻為22.8 mΩ,銅厚度為28 μm,小信號(hào)電感高達(dá)475 nH[33]。

2.1.3 復(fù)合磁設(shè)計(jì)

鐵氧體磁材有著高磁導(dǎo)率、高電阻率的優(yōu)點(diǎn),但其較低的飽和磁通密度使得應(yīng)用時(shí)往往需要在磁路中開(kāi)氣隙,氣隙周圍的漏磁也會(huì)增加繞組的渦流損耗;磁粉芯特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)讓其具有分布式氣隙,飽和磁通密度較高且為軟飽和特性,但也有磁導(dǎo)率低、電阻率不高的缺陷;將不同磁材組合設(shè)計(jì),可以互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)。

為了讓LLC 變壓器集成有更大的諧振電感,丹麥技術(shù)大學(xué)提出了一種將低磁導(dǎo)的磁分流器(例如磁粉芯)插入平面變壓器以實(shí)現(xiàn)高漏感的新方法,并使用磁并聯(lián)集成變壓器搭建了輸出功率為100 W、諧振頻率為1 MHz 的LLC 諧振轉(zhuǎn)換器[34]。

為了減小平面變壓器的漏感,華為公司將不同相對(duì)磁導(dǎo)率的組件層疊設(shè)置,減小了原邊線圈的漏磁通,提高了原副邊線圈的耦合度[35]。

在一些應(yīng)用場(chǎng)合中,如逆變器的濾波電感,將磁粉芯和鐵氧體分段組合成磁芯,可以在不增加電感體積和數(shù)量的前提下,提高輕載下的電感量以及電感體積利用率,并減小電流諧波。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 磁性基板

基板是制造半導(dǎo)體元件和印制電路板的載體,若基板材料具有磁性,則稱之為磁性基板。磁性基板既可以作為電路走線的載體,又可作為磁性元器件的磁體。由于基板具有磁性,只要在基板內(nèi)部或表面布置電路走線,即可形成磁元件。制造電源模組時(shí),電感組件中的磁性基板采用磁性粉末預(yù)先壓制燒結(jié)成型,因此可以自由選擇合適的磁材料和組合方式,以實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀的磁性能[36]。

為實(shí)現(xiàn)更高的功率密度和更好的噪聲抑制,有學(xué)者提出了一種通過(guò)垂直集成磁性襯底的新技術(shù),磁性基板內(nèi)部集成電感如圖5 所示[37],由頂部鐵氧體層、底部鐵氧體層、銅層和磁性通孔組成。閉環(huán)磁鏈提高了電感密度,磁性基板在4 mm×6 mm×1.0 mm 尺寸下實(shí)現(xiàn)1.8 μH 的電感量、5 A 的飽和電流和50 mΩ 的繞組電阻[37]。

圖5 磁性基板與IC 互連Fig.5 Magnetic substrate and IC interconnect

可以通過(guò)多種封裝形式如焊球陣列封裝BAG 和方形扁平無(wú)引腳封裝QFN 等,將含有開(kāi)關(guān)管的功率組件貼裝在磁性基板上[36],能顯著降低功率互連的寄生影響,如在封裝中集成輸入電容和輸出電容,可構(gòu)成一個(gè)高頻噪聲濾除網(wǎng)絡(luò),以有效地濾除高頻噪聲[37]。

為了提高全集成穩(wěn)壓器(Fully Integrated Voltage Regulator,FIVR)的功率密度,英特爾公司與其供應(yīng)商合作設(shè)計(jì)出一種具有更高電感密度的磁電感矩陣(Magnetic Inductor Array,MIA)來(lái)替代空芯電感(Air Core Inductors,ACIs)[38]。MIA 電感模塊結(jié)構(gòu)如圖6所示,這種結(jié)構(gòu)允許相對(duì)簡(jiǎn)單的制造流程,以降低制造成本,通過(guò)允許非常厚的走線來(lái)保持低直流電阻,并有助于實(shí)現(xiàn)所需的電感量和品質(zhì)因數(shù)Q[38]。

2.2.2 磁集成及磁封裝技術(shù)

提高功率變換器的工作頻率可以減小磁元件的體積。磁集成技術(shù)是通過(guò)部分磁通抵消的原理,將多個(gè)磁元件集成到一個(gè)磁芯上,也能達(dá)到減小磁元件體積的目的,磁集成技術(shù)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。

PCB 平面矩陣變壓器具有適合批量生產(chǎn)、外形尺寸小等優(yōu)點(diǎn),可將多個(gè)變壓器集成到單個(gè)平面磁芯中,這類磁芯往往為非標(biāo)準(zhǔn)件[20,39-41],或者用一個(gè)E 型磁芯代替兩個(gè)UI 磁芯也可以制作出矩陣變壓器[42]。

將多個(gè)電感集成到一個(gè)平面磁芯中,與傳統(tǒng)磁芯相比,具有更小的直流電阻和更大的電感密度,在保持較大電感值的同時(shí),可以有效減小磁芯尺寸,提高功率密度[28,43]。圖7 是西南交通大學(xué)提出的一種基于新型八柱磁芯的集成平面電感器。

圖7 八柱磁芯的集成平面電感器[43]Fig.7 Integrated planar inductor with eight-column magnetic core[43]

高頻化讓PCB 繞組的優(yōu)勢(shì)得以體現(xiàn),用PCB 將變壓器和電感的矩陣集成在一個(gè)磁芯結(jié)構(gòu)中,實(shí)現(xiàn)多類型磁器件的組合[44]。通過(guò)改變鐵芯的截面積或氣隙的長(zhǎng)度,可以方便地控制電感值[19,45],也可實(shí)現(xiàn)變壓器漏感值可控[19,46]。因此將變壓器和電感集成非常適合諧振變換器,讓產(chǎn)品具有更緊湊的尺寸。

在電源系統(tǒng)中,EMI 濾波器也會(huì)占據(jù)一定空間。將共模電感和差模電感的印制電路板平面線圈集成在一個(gè)磁芯上,也能實(shí)現(xiàn)平面磁集成。通過(guò)插入電介質(zhì)板,還能集成濾波電容,進(jìn)一步減小EMI 濾波器體積[47]。

為了進(jìn)一步提高集成電感功率系統(tǒng)(Power-System-In-Inductor,PSI2)的功率密度和效率,西安交通大學(xué)將傳統(tǒng)塑封的PSI2進(jìn)行改進(jìn),提出了一種采用磁膠封裝的電源模塊,比目前最先進(jìn)的商用功率模塊具有更高的效率和更好的熱性能,結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

圖8 磁封裝的集成功率模塊[48]Fig.8 Integrated power module with magnetic packaging[48]

2.3 磁仿真技術(shù)

為驗(yàn)證磁元件設(shè)計(jì)方案的合理性和可行性,常借助有限元仿真軟件進(jìn)行電磁分析和熱分析。電磁分析軟件包括: ANSYS Maxwell、CST EM STUDIO、Infolytica MagNet、中望低頻電磁仿真、Simdroid 等;熱仿真軟件包括: ANSYS Workbench、CST MPHYSICS STUDIO、Infolytica ThermNet、ZWMeshWorks、Simdroid 等。上述仿真工具有良好的生態(tài)環(huán)境,借助對(duì)應(yīng)的集成平臺(tái)即可實(shí)現(xiàn)電、磁、熱多場(chǎng)聯(lián)合仿真,大大提高了設(shè)計(jì)效率。圖9給出了一體成型模壓工藝貼片電感的三維仿真模型圖。

圖9 一體成型T-core 模壓電感三維仿真模型Fig.9 3-D simulation model of T-core type molding power inductor

利用仿真軟件對(duì)磁元件進(jìn)行三維或二維建模,可得到不同材料和結(jié)構(gòu)下的磁芯、繞組損耗以及電感感值和線圈電阻的仿真結(jié)果,并得到電磁場(chǎng)分布情況[28,43];在制作工藝允許的情況下,通過(guò)更換不同特性的磁材和線材,改變磁芯的形狀、繞線的圈數(shù)和排列方式,來(lái)優(yōu)化磁元件的損耗和電磁參數(shù)并降低成本[21,30,45];將磁元件的損耗導(dǎo)入相應(yīng)熱仿真軟件,可以判斷磁元件的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)溫升是否滿足工作要求,比如愛(ài)爾蘭科克大學(xué)廷德?tīng)枃?guó)家研究所利用ANSYS對(duì)PCB 埋磁電感進(jìn)行了熱仿真分析[32]。

盡管目前以ANSYS 公司為代表的國(guó)外商用仿真軟件占據(jù)該領(lǐng)域的大部分市場(chǎng),國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)與其還有一定差距,但近年來(lái)國(guó)內(nèi)的中望、EastWave 等公司也推出了相關(guān)的電磁仿真軟件,相信不久的將來(lái)這個(gè)差距會(huì)越來(lái)越小。

3 磁元件建模技術(shù)

3.1 磁元件等效電路模型

貼片電感一般由內(nèi)部導(dǎo)體線圈和外部包裹的磁體兩個(gè)主要部分構(gòu)成。本文提出一種適用于高頻功率電感的等效電路模型,如圖10 所示。線圈與線圈之間、電感兩個(gè)外部端子之間存在寄生電容Cp,線圈電阻引起的交直流繞組損耗可以用模型中的Rs表征,磁芯損耗用模型中的Rc表征,Ls表示電感的本征感量,儀器設(shè)備無(wú)法直接測(cè)得該值。電感元件在電路中,實(shí)際上是以圖10 所示的等效電路模型接入,由于存在繞組損耗、磁芯損耗以及寄生參數(shù),因此電感元件并不會(huì)直接以本征電感Ls的形式呈現(xiàn)在電路中。

圖10 貼片功率電感等效電路模型Fig.10 Equivalent circuit model of high frequency chip power inductor

根據(jù)貼片功率電感的等效電路模型,得到其阻抗表達(dá)式為:

其中等效電阻為:

電感的感量表達(dá)式為:

需要指出的是,L是儀器設(shè)備測(cè)得的電感量,也是在實(shí)際應(yīng)用中元件呈現(xiàn)的電感量。根據(jù)上述等效電路模型,可以分析匝間電容增大時(shí),電感的諧振峰發(fā)生的變化,如圖11 所示。

圖11 匝間電容增大導(dǎo)致諧振峰發(fā)生變化Fig.11 The increase of inter-turn capacitor leads to the change of resonance peak

當(dāng)磁體的絕緣特性受到損壞時(shí),感量隨頻率變化的穩(wěn)定性變差,導(dǎo)致最高工作頻率下降,如圖12 所示,因此需要在生產(chǎn)制造時(shí)管控磁體的絕緣電阻。具體而言,對(duì)于金屬軟磁類的貼片電感,比如采用羰基鐵粉、FeSi、FeSiCr、FeSiAl 等磁粉制作的電感,需要做好磁粉的絕緣包覆和產(chǎn)品表面的絕緣包覆,從而滿足產(chǎn)品應(yīng)用時(shí)能夠耐受鹽霧腐蝕等可靠性方面的要求。

圖12 磁體絕緣受損導(dǎo)致感量穩(wěn)定性變差Fig.12 Magnet insulation damage leads to poor stability of inductance

3.2 磁元件損耗模型

3.2.1 繞組損耗

早在1989 年就有研究人員對(duì)高頻變壓器繞組損耗的一維模型進(jìn)行了比較和評(píng)價(jià)[49]。目前Dowell 及其改進(jìn)模型被廣泛應(yīng)用于研究高頻繞組損耗[50-52]。

根據(jù)Dowell 方程式[53]來(lái)計(jì)算繞組中的渦流損耗。為了得到PCB 繞組的交流電阻,首先需測(cè)試出直流電阻RDC,并以每匝直流電阻相等為優(yōu)化目標(biāo),然后根據(jù)繞組布局計(jì)算交流電阻系數(shù)FR[54]。

式中:M′和D′分別是M和D的虛部;m為繞組移植的整層數(shù);ω為角頻率;N為每層匝數(shù);a為每匝繞組寬度;b為繞組總面積寬度。

最后,PCB 繞組的交流電阻表達(dá)式為:

但是這種一維解析法在面對(duì)具有二維和三維特點(diǎn)的磁場(chǎng)中存在較大誤差[54-55]。有限元(Finite-Element Method,FEM)仿真雖然可以獲得很高的精度,但其仿真結(jié)果缺乏通用性且仿真耗時(shí)較長(zhǎng)。因此,諸多學(xué)者基于一維或二維解析模型提出了修正方法[51-52,56-57],在不犧牲大量計(jì)算時(shí)間的同時(shí)可以提高數(shù)學(xué)模型的精確性,但往往只針對(duì)某種特定條件下的磁元件模型,存在局限性。Dowell 和Ferreira 方程都無(wú)法在高頻下準(zhǔn)確近似利茲線的交流電阻,于是伍爾特公司提出了一種改進(jìn)的Ferreira 計(jì)算無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)(Wireless Power Transfer System,WPTS) 線圈交流電阻的方法[51]。為了解決傳統(tǒng)的繞組損耗一維計(jì)算模型無(wú)法反映邊緣效應(yīng)的問(wèn)題,福州大學(xué)提出了一種能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)二維邊緣效應(yīng)的箔式繞組高頻損耗模型[56]。為了克服Dowell 一維模型在計(jì)算平面電感高頻損耗時(shí)精度較低的問(wèn)題,有研究人員提出了基于基本電磁場(chǎng)求解并結(jié)合二維磁場(chǎng)邊界值的二維模型,并將該模型應(yīng)用于多層空芯PCB 平面電感[57-58]。此外,也有學(xué)者對(duì)利茲線繞組高頻損耗的一維和二維解析模型進(jìn)行研究[59]。

總之,設(shè)計(jì)者需要根據(jù)具體條件來(lái)選擇合適的繞組損耗計(jì)算模型,目前的建模方法還無(wú)法同時(shí)滿足精度、速度和通用性的要求。

3.2.2 磁芯損耗

磁芯損耗模型可以大致分為物理模型、損耗分離模型和基于Steinmetz 公式的模型三類?；诖判静牧系奈锢硖匦运O(shè)計(jì)構(gòu)建的磁滯模型具有很高準(zhǔn)確性,如Jiles-Atherton 模型[60]和Preisach 模型[61],但是需要復(fù)雜的測(cè)量和計(jì)算[62-64]。損耗分離法是Bertoti 根據(jù)損耗產(chǎn)生的原理出發(fā),將磁芯損耗分為磁滯損耗、渦流損耗和剩余損耗三個(gè)組成部分[65],精度和復(fù)雜度在這三類模型之間。Steinmetz 模型[66]把磁芯損耗的三部分損耗整合在一個(gè)公式里,參數(shù)較少,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,在很大程度上優(yōu)化了磁芯損耗的計(jì)算過(guò)程,以下是原始Steinmetz 方程(Original Steinmetz Equation,OSE):

式中:Pcv是單位體積的磁芯損耗;f是正弦激勵(lì)頻率;Bm是峰值磁通密度;k,α和β是通過(guò)擬合曲線得到的Steinmetz 參數(shù)。

但是OSE 僅對(duì)正弦激勵(lì)有效,而大多數(shù)電力電子應(yīng)用中都是如矩形波的非正弦激勵(lì)。為了克服這些限制,許多研究人員做了大量的研究,提出了實(shí)用且準(zhǔn)確的任意激勵(lì)波形磁芯損耗模型,例如改進(jìn)的Steinmetz 方程(Modified Steinmetz Equation,MSE)[62]和改進(jìn)的廣義Steinmetz 方程(Improved Generalized Steinmetz Equation,IGSE)[63]。阿根廷布宜諾斯艾利斯大學(xué)提出基于Steinmetz 方程的簡(jiǎn)易修正公式,僅使用正弦激勵(lì)的數(shù)據(jù),就可以估計(jì)磁芯損耗[67]。為了解決Steinmetz 方程在如環(huán)形磁芯中因磁密分布不均勻?qū)е碌恼`差,浙江大學(xué)提出了新的擬合方法和改進(jìn)公式[68]。為了進(jìn)一步提高IGSE 的精度,英國(guó)諾丁漢大學(xué)提出了基于修正曲線擬合的IGSE(iGSE Using Modified Curve Fit,IGSEMCF)[69]。目前磁芯損耗建模技術(shù)仍在不斷發(fā)展中。

4 功率磁元件的應(yīng)用

高頻功率磁元件的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括便攜式電子設(shè)備、汽車電子、服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心等。應(yīng)用功率磁元件的消費(fèi)級(jí)電子設(shè)備包括電源適配器、手機(jī)芯片供電模組,以DC-DC 變換電路為主,還包括近年來(lái)處于研究熱點(diǎn)的無(wú)線充電技術(shù)。電動(dòng)汽車和服務(wù)器等大功率設(shè)備中往往需要LLC 諧振變換器和多相Buck 電路,其中少不了磁元件的支撐。

4.1 消費(fèi)電子

消費(fèi)級(jí)電子往往功率較小,對(duì)便攜性和小型化要求較高,因此對(duì)磁元件的空間利用率或功率密度比較關(guān)注。在5G 智能手機(jī)中,微小型貼片電感需求量較大,包括射頻電感和功率電感均較4G 手機(jī)有大幅度增長(zhǎng)。射頻電感主要采用陶瓷作為固定線圈的材料,微型功率電感則采用鐵氧體或金屬軟磁材料。5G 智能手機(jī)中的功率電感主要采用的是一體成型模壓電感。

韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)使用由85%Fe-9%Si-6%Al 混合片狀粉末和三元乙丙橡膠單體組成的復(fù)合薄膜構(gòu)建嵌入式柔性電感,并將該電感應(yīng)用于柔性印刷電路板上且開(kāi)關(guān)頻率固定為1.2 MHz 的DC -DC 升壓變換器,如圖13 所示,其有望應(yīng)用于當(dāng)下火熱的折疊屏手機(jī)中[70]。

圖13 柔性電感和柔性電路板Fig.13 Flexible inductor and flexible board

隨著芯片核心面積縮小導(dǎo)致電流密度增加,移動(dòng)處理器轉(zhuǎn)向更薄的封裝,英特爾將部分ACI 替換為超薄MIA 模塊,可以顯著提升中央處理器(Central Processing Unit,CPU)的性能,首次用于十代酷睿微處理器,芯片截面結(jié)構(gòu)如圖14 所示。

圖14 用于十代酷睿微處理器的MIA 模塊[38]Fig.14 MIA module for 10th generation Intel? CoreTM SoCs[38]

無(wú)線充電領(lǐng)域中也會(huì)用到高頻磁元件。在過(guò)去的十六年中,磁共振(Magnetic Resonance,MR)作為這種靈活無(wú)線充電場(chǎng)景的關(guān)鍵使能技術(shù)得到了廣泛的研究。然而,到目前為止,工作在6.78 MHz 的磁共振技術(shù)由于系統(tǒng)效率、復(fù)雜性和實(shí)際系統(tǒng)的成本等問(wèn)題尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。為了解決這些缺點(diǎn),Quanten 公司開(kāi)發(fā)了一種使用專有受控磁共振(Controlled Magnetic Resonance,CMR)電源架構(gòu)的模塊化技術(shù),可在6.78 MHz 的傳輸頻率下對(duì)智能手機(jī)、智能手表、筆記本電腦和平板電腦等消費(fèi)類電子產(chǎn)品進(jìn)行高效率的無(wú)線充電[71]。

4.2 大功率設(shè)備

服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心和電動(dòng)汽車等大功率電力設(shè)備通常需要更高性能的磁元件,才能滿足其惡劣工作環(huán)境的供電需求。

服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心中的典型CPU 和芯片系統(tǒng)(System-of-Chip,SoC)分組在由48 V 電源軌供電的機(jī)架中,然后下變頻至0.6～1.2 V 以供應(yīng)SoC[72-73]。如圖15 所示為內(nèi)置電感的IVR 封裝,這種轉(zhuǎn)換通常通過(guò)幾個(gè)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn),包括48～12 V、12～1.7 V 和1.7～1 V[72]。弗吉尼亞理工大學(xué)電力電子中心通過(guò)磁集成技術(shù)優(yōu)化了LLC 諧振變換器的磁器件,可用在服務(wù)器電源、通信電源等大功率設(shè)備中[20,39]。

圖15 封裝IVR 的異構(gòu)集成Fig.15 Heterogeneous integration of package IVR

針對(duì)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器電源和電動(dòng)汽車充電等需要高降壓、大輸出電流的變換器,麻省理工學(xué)院提出了一種小型化的分?jǐn)?shù)匝變壓器,它利用了矩陣變壓器中使用多相并聯(lián)優(yōu)勢(shì),并與相對(duì)較新的可變逆變/整流變壓器(Variable Inverter/Rectifier Transformer,VIRT)架構(gòu)相關(guān)的銅損大幅降低[74]。

隨著電動(dòng)汽車的普及,車載DC-DC 變換器需求大幅度增加。由于EMI 噪聲問(wèn)題,開(kāi)關(guān)頻率需要提升到1.8～2.2 MHz 以避開(kāi)調(diào)幅(Amplitude Modulation,AM)頻段,如圖16 所示。這要求車規(guī)級(jí)磁元件必須適應(yīng)更高的開(kāi)關(guān)頻率,隨之帶來(lái)的損耗和發(fā)熱問(wèn)題值得進(jìn)一步研究。

圖16 車載電源開(kāi)關(guān)頻率提升到避開(kāi)AM 頻段的區(qū)域Fig.16 The vehicle power supply rises to the switching frequency that avoids the AM frequency

在實(shí)際應(yīng)用中,高頻功率磁件還存在一些亟需研究的技術(shù)問(wèn)題,如電磁干擾、磁元件體積過(guò)大、元件發(fā)熱、電感量不穩(wěn)定、磁芯開(kāi)裂、磁粉芯材質(zhì)銹化等。

5 結(jié)論及展望

為有效支撐5G 通信技術(shù)、智能穿戴、智能手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、高端醫(yī)療設(shè)備對(duì)小型化和高功率密度的需求,高頻功率磁技術(shù)近些年得到了快速發(fā)展與進(jìn)步。國(guó)家層面支持片式阻容感元器件小型化,高端貼片電感迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。以GaN 為代表的寬禁帶半導(dǎo)體器件逐漸得到推廣應(yīng)用,促進(jìn)了電力電子技術(shù)朝高頻化方向發(fā)展。然而,目前的高頻磁技術(shù)還不能完全匹配寬禁帶半導(dǎo)體器件對(duì)高頻化的要求,論文梳理了高頻功率磁技術(shù)的最新研究進(jìn)展,從材料特性、理論建模、應(yīng)用領(lǐng)域等方面進(jìn)行了介紹,以期找到下一步努力方向。下面將國(guó)內(nèi)外研究成果和發(fā)展趨勢(shì)總結(jié)如下:

(1) 高功率密度應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)超薄小型化大電流磁元件的需求仍然強(qiáng)烈。5G 智能手機(jī)中貼片功率電感的需求數(shù)量較多,是微小型貼片功率電感的主要應(yīng)用市場(chǎng)。隨著寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,以及大型數(shù)據(jù)中心、汽車電子和XPU 技術(shù)的發(fā)展,對(duì)小型化低壓大電流的磁元件需求將持續(xù)增加。

(2) 降損提效仍然是高頻功率磁技術(shù)關(guān)注的重點(diǎn)。MHz 及以上高頻應(yīng)用領(lǐng)域?qū)τ诖牌帘蔚蔫F氧體貼片電感而言,繞組損耗是主要發(fā)展瓶頸,對(duì)于金屬?gòu)?fù)合磁材類貼片電感而言,磁芯損耗是主要發(fā)展瓶頸。

(3) 磁集成、磁封裝、磁性基板及有源無(wú)源系統(tǒng)集成等新技術(shù)支撐著磁元件和高頻電源朝著高功率密度方向發(fā)展,是高頻磁技術(shù)領(lǐng)域的幾個(gè)研究熱點(diǎn)和重要發(fā)展方向。