英语原文共 97 页
平面集成磁性元件的建模与设计
Shen Wang
论文提交给了弗吉尼亚理工学院
和州立大学的教师
在一定程度上满足硕士论文的要求
电气工程科学
硕士学位
Dr. Dushan Boroyevich, Co-Chair
Dr. W. G. Odendaal, Co-Chair
Dr. J. D. van Wyk
2003年7月21日
弗吉尼亚州布莱克斯堡
关键词：平面磁场，涡流，有限元分析（FEA），平面励磁，高频（HF）
版权所有2003，shen wang
平面集成磁性元件的建模与设计
Shen Wang著
Dr. Dushan Boroyevich, Co-Chai
Dr. W. G. Odendaal, Co-Chair
电气工程
摘要
由于良好的冷却和易于制造的特性，最近，平面磁技术已广泛应用于电力电子领域。磁性高频操作元件是实现高功率密度和小型化的关键。但是，高平面绕组中的频率，集肤和邻近效应损失变得显着，并且寄生物学不容忽视。这项工作涉及平面集成磁性元件的建模和设计在电力电子的应用。首先，在一些简单的绕组策略中进行一维涡流分析讨论。 定义了两个因子以量化集肤和邻近效应对于频率的函数的作用。对于复杂的结构，采用2D和3D有限元素分析（FEA）来评估模拟结果的准确性而不是精确的分析解决方法。
然后，提出了平面励磁结构。建立了一些定义和指南，它是形成平面绞柱导体的基础。 它可以通过将宽平面导体分成多个纵向绞合线并以与用于构造传统圆形励磁的方式大致相同的方式进行绞合编织这些导线来构建。每个绞线在绕组窗口的任何地方都受到磁场的作用，从而均衡磁链。3D FEA用于研究影响励磁表现的参数，实验结果验证了平面励磁结构可以降低平面绕组在特定频率下的交流电阻范围。
之后，提出了与平面升压电感器设计相关的一些重要问题，包括磁芯选择，绕组配置，损耗估算和热量造型。针对体积优化和卷绕寄生电容最小化分别提供了两个完整的设计实例。
这项工作表明，高频平面磁性元件对于平面绞合导体非常有前景，平面电感器的优化涉及到体积效率和绕组电容低值之间的权衡，在整个过程中，2D和3D FEA对于热和电磁建模是不可或缺的。
第1章 简介
1.1平面磁技术概述
近年来，平面磁技术在高频开关模式电源设计中日益普及。使用更高的切换频率可以使无源元件尺寸减小，从而再电源功率密度实现更高的性能。但是，高频运行的需求在常规磁性结构方面引起了许多限制。例如，由于圆形导体中的集肤和邻近效应导致的损耗增加的问题，特别是在100 kHz以上的频率[1.1]。与传统元件相比，平面磁性元件由于绕组之间的耦合，尺寸，可重复性和热管理等特点而表现出良好的性能。在此之前已经完成了大量的研究工作，以充分利用平面磁场技术。该技术的概述组织如下：
1.平面磁性元件的优点和局限性
2.电源转换器中的应用
3.平面磁性元件设计问题
1.1.1平面磁性元件的优点和局限性
传统和平面磁性元件之间的区别在于绕组层的方向，如图1所示。可以看出绕组中的绕组平面磁性元件具有扁平，宽和矩形的横截面（通常，宽厚比为10：1），平面结构的芯部比传统结构有较低的轮廓。
平面磁性元件优于传统电线元件的主要优点如下，这些包括：
1）薄型结构。一些研究表明，低调的磁性可以有更好的容积效率[1.2]和更高的功率密度[1.3]应用。
2）降低漏感。交错可以很容易地在平面上实现结构，允许最小化和控制内部的漏感绕组[1.4]。
3）降低高频绕组损耗。通过减少皮肤效果最小化导体绕组的厚度为趋肤深度的一倍或两倍[1.5]。
4）更好的热管理。平面磁性元件具有更大的表面面积与体积比，因此更多区域接触散热器。[1.6]表明可以通过使用平面芯获得较小的热阻值来代替传统核心。
5）易于制造。印刷电路板（PCB）的使用给平面绕组的制造提供了一种有效的方法。
6）良好的重复性。组件特性的可重复性非常重要，特别是在共振拓扑中[1.7]。
然而，平面磁性部件的特性并非都是有利的。它们有一些限制，例如：
1）占地面积大。平面格式，虽然改善了热性能，增加足迹面积。
2）增加寄生电容。事实是绕组紧密堆叠通常是增加寄生电容的不良影响。
3）低窗口利用率。如果PCB用于实现平面绕组，由于典型的匝间距为150微米和最小电介质厚度为100微米[1.1]，窗口利用率可能相当低（通常为0.25 - 0.3，而0.4为常规磁性）。
1.1.2电源转换器的应用
由于它提供的优势，平面磁技术已广泛应用于现代直流-直流转换器中，它不同平面结构的特点和应用将在下面讨论。
1.电力变压器
高频开关模式电源转换器中的变压器必须设计成小体积，重量和损失低。此外，所有绕组的良好耦合需要避免寄生振荡。初级和初级之间的耦合电容和次级绕组必须尽可能小，以减少初级绕组和次级绕组之间的EMI的传播。此外，隔离间隙必须满足安全标准。
平面变压器可满足上述大多数要求。通过串联或并联使用多层堆叠的平面绕组，可以容易地增加绕组。交织是一种众所周知的技术，用于减少漏电感并最大限度地减少平面绕组上的高频损耗。 三种采用交织的不同结构如图2所示.SPSP配置具有最小的交流电阻和漏电感，因为初级和次级图层是完全交错的。
然而，平面变压器中的电容效应比传统变压器更严重。此外，应特别注意终止绕组。
2.功率电感器
平面功率电感器的要求可以非常相似或不同于那些平面变压器，取决于应用。当纹波电流很小时，即平均直流电流分量占主导地位，那么高频效应和HF核心损耗可以忽略不计。 平面电感器的设计缩小到选择具有最低电阻的绕组，这基于核心规模和差距的制约。 然后寻求低绕组电阻最大化核心窗口中的铜利用率。存在许多不同的实现绕组的方法，例如冲压和固定绕组[1.10]，折叠铜绕组[1.11]和真正的螺旋绕组[1.1]
当交流纹波电流相对于直流分量较大时，设计一个电感器绕组与变压器绕组非常相似，只是没有次级绕组，可用于减少邻近效应错。大的AC通量分量可能增加磁芯损耗，
如果导体和间隙非常接近，则可能增加涡流损耗。 使用了准分布间隙技术可以促进低交流电阻平面电感器的设计。
3.集成磁学
集成磁性（IM）技术是变压器和电感的单磁芯结构上的动态功率转换电路的功能[1.14]的“混合”。堆叠的“从顶部到底部”和“并排”的多室平面集成磁性（PIM）结构由G.E.Bloom提出。这些方法需要使用具有多个绕组窗口区域的核心结构，并具有在明显的区域各种磁性元件之间的相互作用最小的优点。使用绕组的印刷布线方法可以降低整体的高度轮廓包。该结构还可包括磁性材料的平面“圆盘”来控制结构选定区域的漏电感。
4.集成电磁学
在集成电磁方式中，电磁元件如变压器，电感器和电容器使用连续的平面层构建导电，磁性和介电材料，以形成高度集成的一部分“能源处理”结构[1.15]。在某种意义上说，平面子组件与正常组件不同的地方在于它们不能独立运行，但需要其他组件用于定义其电路子组件的功能。在理论上子组件的构造，可以将平面子组件层叠放在彼此之上。
1.1.3平面磁性元件设计问题
1.电气和磁性设计
以前的大部分工作都是关于电气的优化和磁性设计。许多因素，如材料，缠绕技术，在设计中需要仔细考虑损耗和泄漏。 很多商业软件模拟工具，如Maxwell，InCa和Ansys，是基于数值技术开发的。在整个这项工作中，Maxwell由Ansoft开发[1.16]，事实证明，它在设计优化方面非常强大。
（1）材料：软磁材料被广泛用作电感功率器件的核心材料，如电感器和变压器。 它们很容易被磁化，当移除外场时，不要保持其磁性。理想情况下，平面磁性材料应具有以下特性：
- 高饱和磁通密度;
- 核心损失低;
- 高渗透性;
- 高电阻率。
迄今为止，铁氧体是用于磁性元件的最流行的材料。锰锌和NiZn是两种常见的铁氧体。 MnZn铁氧体的特征在于具有相当高的固有渗透率和电阻率[1.17]。 NiZn铁氧体具有较低的渗透性但比MnZn铁氧体能提供高得多的体积或体积电阻率[1.18]。在核心材料中期望高磁导率以最大化电感并减小磁阻。具有较高体积电阻率的材料更适合用于高频率场合，这对于保持低损耗至关重要。
（2）绕组技术：可以使用几种不同的技术来实现薄型平面绕组，如冲压铜箔，柔性印刷电路（铜 - 卡普顿）和PCB [1.4]。
冲压铜箔技术是实现绕组的低成本手段。每层可以使用任何铜厚度构建。但是，绝缘层需要单独添加，并且必须在外部提供互连。
在柔性电路技术中，使用蚀刻工艺来实现绕组。层绝缘可以由基板自动提供。层层叠叠柔性电路可以层叠在一起，形成类似于PCB的刚性结构，但利用率提高[1.19]。 还有一些适当的折叠方法可用于消除外部互连。然而样本之间的性能一致性不是那么好。PCB绕组技术非常适合大规模生产。好处之一是从样品到样品很容易保持一致的性能。该PCB的缺点是其窗口利用率相对较低。
（3）损耗：磁芯损耗可分为a）磁滞损耗和b）涡流损耗。滞后损耗是特征B-H中包含的面积的函数列。核心材料中的涡流损耗在高频下是显著的。铜损是由绕组频率配置决定的。
到目前为止，大多数用于计算绕组损耗的分析模型而发表的文章可以追溯到道威尔的一维模型[1.20]。但是，在许多情况下，不能使用一维解决方案。因此，经常使用二维和三维有限元分析方法来估算绕组损耗，尽管它们可能会耗费大量的计算时间。
（4）泄漏：在核心窗口内，高漏磁通接近高MMF的绕组会导致过度损失。各种间隙技术[1.21]可用于控制泄漏场。然而，这会增加核心外部的泄漏场从而引起外部噪音问题。 在低矮的平面设计中，窗户高度显著减少，窗口横截面增加。这可能会导致窗口“缺口”不能与缺口相媲美，因此增加交流 - 直流电阻比[1.22]。
2. 热设计
随着工作频率的增加，热管理成为平面磁性元件设计的一个越来越重要的方面，并且器件的整体尺寸缩小。在靠近散热器或基板的地方使用扁平芯可以改善冷却。平面结构显然是合适的，因为它们可以具有相对大的表面积用于散热。添加热接触（润滑脂，垫，胶，......）也有助于设计散热[1.23]。
温度对大多数铁氧体材料特性有影响。随着温度的升高，大多数材料的渗透性增加。铁氧体的居里温度通常在140~300℃的数量级，在此温度下发生磁化特性的突然丧失。因此，重要的是要知道居里点的位置并将核心工作温度保持在该极限以下。铁氧体材料通常针对60~110°C的工作温度进行优化。用于确定传统核心设计中温度升高的一些经验公式可能对平面结构无效。
3. 制造业考虑
平面装置可以作为分立元件或作为基板集成元件引入制造设备中。 独立组件既可以现货供应，也可以定制。 然而，互连可能导致额外的损失。通过将电子组件的主基板用作平面磁性部件的组成部分，基板集成部件克服了这个问题。 衬底集成组件的缺点是该组件不容易作为单独的实体测试。[1.1]
1.2本研究的目的
在高频时，平面电感器或变压器绕组中引起的涡流损耗严重限制了磁性元件的性能。 由于皮肤和邻近效应，电流在平坦的，宽的（或平面的）绕组上非常不均匀地分布。 使用2D和3D FEM软件[1.24]分析和建模高频箔片的损耗机制。 根据简单结构的精确分析解决方案评估FEM软件的精度。 进一步研究了先前提出的用于降低平面导体的交流电阻的平面绞合结构。已经进行了许多模拟工作以研究不同绕组配置中的场分布。 通过对实验原型的测量也验证了平面绞合线绕组的性能。 最后，平面升压电感设计是作为一个例子描述了平面磁性元件设计中的一些重要问题。
1.2.1第2章：涡流分析
为了研究平面导体上的皮肤和邻近效应损失，必须了解场分布。首先回顾了一些基本的电磁场原理和方程。基于一些假设，根据麦克斯韦方程推导出简单结构的一维解析解。定义两个因子，Lambda;F和Lambda;G，以量化作为频率函数的绕组损耗的趋肤和邻近效应。
1.2.2第3章：有限元建模
实际电磁问题的数学解决方案总是非常复杂。事实证明，FEM技术在最大限度地降低解决方案的复杂性方面非常有价值。 Maxwell 2D和3D仿真工具用于分析箔片中的皮肤和接近涡流效应。发现在解决有限元问题时，网格非常关键。如果网格太细，那么模拟需要很长时间。如果网格太粗糙，那么结果的准确性将不够好。
1.2.3第4章：平面励磁结构
平面绞合导体可以通过将宽平面导体分成多个纵向绞合线并以与用于构造传统圆形绞合线的方式非常相同的方式编织这些绞合线来构造。每个绞合线在绕组窗口的任何地方都经受磁场，从而均衡磁链。对一些简单模型执行3D FE建模，给出了平面绞合导体的一些定义和指导。仿真结果表明，平面绞柱导体可以导致比在特定频率范围内的实心导体所实现的更低的AC电阻。平面励磁导体概念也通过实验验证。
1.2.4第5章：平面升压电感设计
作为示例，提出了1kVA，400kHz PFC升压电感器设计。讨论了一些重要问题，如磁芯选择，绕组配置，损耗估算，热建模和寄生电容。优化的目标是面向应用，可以是体积或寄生效应。
在最后一章中，将提供结论和未来的工作。
第2章 涡流分析
2.1简介
在高频转换器中，由于涡流的影响，绕组导体中的功率损耗显着增加。特定的导体涡流机制称为趋肤效应和邻近效应。这些效应改变磁绕组
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