2024平面磁件如何提高电力电子器件性能白皮书

平面磁件如何提高电力电子器件性能 作者：ClaudiaMalannino, GaetanoRasconà, FilippoBonaccorso 意法半导体 平面磁件的历史 在竞争激烈的当今市场中，可再生能源、储能、电源适配器、电源充电器和数据处理应用需要具有更高功率密度的低成本、高效率解决方案来提高性能，以满足不断增长的电信、汽车、医疗保健和航空航天行业的需求。氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）晶体管等化合物半导体器件限制了高频条 件下的开关损耗，加速了电路越来越小的趋势。事实上，高频操作导致电子电路的收缩，这要归功于减小的磁性器件尺寸和增加的功率密度。这一点对于电子功率转换器非常重要，电子功率转换器包括磁性器件，例如：用于功率传输的变压器和用于能量存储的电感器。 本文解释了平面磁件如何在效率、成本、空间要求以及散热方面显著改善电力电子器件的性能。 2 3 关于平面磁件的最早研究可以追溯到20世纪60年代。然而，此类研究主要出现在20世纪90年代对设计、建模和优化技术的研究中。 最近，由于印刷电路板技术的普及，平面磁技术在世界范围内引起了广泛的兴趣。 平面元件是由平面铜绕组构成的变压器或电感器。平面元件通常是缠绕在刚性或柔性PCB上的扁平铜片，但也可以是混合元件。它们被插入由“软”铁氧体制成的小型磁芯中。其铜走线具有矩形横截面，不同于具有圆形横截面的传统线绕元件。 图1.标准变压器横截面结构图2.平面变压器横截面结构 平面磁件在效率、成本、空间要求以及散热方面显著改善了电力电子器件的性能。 这项技术不仅让解决方案更为紧凑，而且提高了整体系统性能和效率，因此半导体公司和功率转换研究小组对平面磁件产生了越来越大的兴趣。例如，对漏电感进行控制和微调可以提高系统效率。漏电感可以根据大多数系统的要求降低，或者使用适当的技术增加，如谐振电路的情况。这项技术适用于多个领域，从高功率应用磁学到低功率电源电路，均可使用。 然而，将平面磁件应用于任何项目之前，必须考虑到该技术的优点和缺点。以下内容将带您深入了解高效的设计工作流程如何帮助您充分利用平面磁件，同时提供有用的设计建议和应用示例。 优点和缺点 平面磁件技术[1]的主要优势是： ⚫尺寸小：平面磁件的高度仅有传统磁件的一半甚至更小； ⚫优化的热特性：平面磁芯具有更好的热特性，可导热并将器件保持在低于绕线磁芯的温度。平面磁芯具有更好热特性的原因在于它们具有比传统磁芯更高的表面积与体积比，从而与周围环境产生有效的热交换。 为了进行可靠的比较，我们选择了两种变压器设计，一种是常规变压器，另一种是平面变压器。两种变压器设计用于反激式转换器，其技术规格见下表。 D C VIN 12V VOUT 24V 电源 50W 开关频率 100kHz VOUT VIN 表1.反激规格图3.反激式转换器拓扑 我们比较了初级和、体积近似、材料相同条件下具有相同电感值的两个变压器。这些设计具有以下特点。 磁芯类型 E38/8/25 磁芯材料 3C92 体积 8477mm3 窗口填充系数 34.37 磁芯类型 R12/I 磁芯材料 3C92 体积 8264mm3 窗口填充系数 41.69 表2.平面变压器设计规范表3.同心变压器设计规范 4 在平面变压器中耗散348mW的功耗，在同心变压器中耗散434mW的功耗。两者具有相同的限制条件：环境温度20°C，自然热对流及辐射。两者达到的热值不同。 图4.平面与同心温度曲线对比 5 通过添加铝耗散平面，我们获得以下结果。 图5.平面与同心温度曲线对比（带铝板） 与传统的散热平面相比，当应用于平面几何形状时，散热平面进一步改善了散热性能。 其他优点包括： ⚫自动化、易制造和成本低：传统的装配工艺使制造平面磁件具有无可比拟的重复性和准确性。事实上，传统电感器和变压器的缠绕很难实现自动化。相反，平面磁件制造中使用的生产和装配过程与创新的技术工具相结合，简化了自动化。尤其是PCB技术适合全球制造； ⚫PCB模块化：无需额外连接件即可组装。不同的内核形状和PCB结构会产生不同的外形尺寸； ⚫可预测的寄生效应：平面绕组布局易于控制并实现交错解决方案，这意味着更低的泄漏效应和更低的绕组电容。在线绕元件中，实现这一目标要复杂得多，而且并非始终可行。 平面技术的主要缺点是: ⚫占用空间大：其占用空间比传统器件的占用空间大，但高度较低； ⚫铜填充系数低：如果PCB用于平面绕组，铜填充系数通常较低。这是由于PCB技术存在一些结构限制；即，最小内匝间距是铜厚度的两倍加上50µm和层间最小介电厚度（相当于标准板约100µm）； ⚫匝数有限：设计必须使用有限的匝数，因为匝数的增加会导致更多的PCB层，从而提高PCB制造成本。可减小绕组宽度以获得更多空间，但会导致直流电阻升高，电流能力降低； ⚫绕组间电容高：PCB工艺制绕组在结构上堆积，比传统绕组占用更多空间，增加了寄生效应电容； ⚫缺乏典型结构的精确分析模型； ⚫平均匝长（MLT）更长，因此由于磁芯形状，直流电阻更高； ⚫对于线圈部分位于磁芯外部的一些结构，应评估EMI，因为这可能会对周围的设备产生噪声。 平面元件的设计需要深入了解电磁定律、电力电子用磁性材料、磁件损耗、趋肤效应和邻近效应等磁性现象、气隙边缘效应、漏电感、杂散电容等。 有必要从分析方法开始，掌握设计背后的理论并使用设计验证工具。验证工具可提供不同的复杂程度，通过定义磁模型的材料、创建区域、指定限制条件、激励、参数和网格，帮助设计者确定要使用的正确解算器，并促进磁模型的创建。此类工具还可以帮助设计者决定如何最好地设置解决方案，定义所需的后处理，并以用户友好的方式解释结果。 6 所需知识 ⚫电磁学定律 ⚫电力电子器件磁性材料 ⚫磁件损耗 ⚫趋肤效应 ⚫邻近效应 ⚫气隙 ⚫气隙周围的边缘效应 ⚫泄漏电感 ⚫杂散电容 必要时进行设计检查和修正 电磁原理 分析建模 FEA分析EM模拟工具 ⚫处理问题，选择最合适的工具 ⚫选择正确的求解器 ⚫创建模型与分配材料 ⚫激励与参数分配 ⚫网格划分与解决方案设置 ⚫结果后处理与解释 分析方法 ⚫公式和规则 图6.掌握平面磁件的设计 平面磁件设计 本节描述了反激式转换器耦合电感器的简单设计工作流程，该电感器在初级和次级电感之间进行隔离操作。为了更深入地理解磁方程和参数的技术概念，请阅读专业书籍，例如[2]。 磁性器件的特征在于其磁化或初级电感、磁芯形状和材料、匝数，对于基于多层PCB的平面器件，还在于PCB叠层上的铜走线尺寸和位置。 一旦功率转换器（在本例中为反激式）的特性已固定（功率、电压和电流额定值、工作频率和占空比、磁性设备允许的最高温度等），根据材料和尺寸选择一个候选磁芯。在此阶段，设计师的经验发挥着重要作用，通常要参考磁芯制造商提供的设计指南。 根据以下公式，磁芯选择会影响磁化电感（或反激式转换器的初级电感）： 其中µr芯材的相对磁导率，Np是初级侧的匝数，Ae磁芯横截面积，le磁芯磁路长度。 当确定了磁芯形状、尺寸和材料时，制造商数据表可以提供附加的磁性参数，即电感系数Al，通常指无间隙磁芯（有时，为相同磁芯在不同间隙处的可用变体提供Al）。一旦建立了电感，该值允许通过还原(1)的最后一项来设置初级绕组所需的最小匝数： 然后，选定的磁芯几何形状必须满足能处理所需能量的磁芯产品面积与磁芯材料特性之间的关系。以下公式可用于此目的： 其中Aw为磁芯窗口面积，Kw为窗口因子，IPRI,PK为原边峰值电流，IPRI,RMS为原边RMS电流，BMAX为峰值磁通密度，J为铜线电流密度。 然后根据电感系数Al和转换器开关频率来选择磁芯材料。 由于磁芯是磁件最重要的部件之一，其温度在整个工作温度中起着重要作用。[3]报告了平面E形磁芯的一些公式，该公式允许将估计的变压器温升作为磁芯中磁通密度的函数。后者需要最大化，以平衡有限的可用绕组空间（基于多层PCB的平面磁件固有特性）。 7 假设磁芯占平面变压器总损耗的一半，则可将最大磁芯损耗密度Pcore表示为最大允许T的函数： 其中Ve为有效磁芯体积。 磁芯损耗密度可通过Steinmetz方程[4]执行近似计算： 其中所有参数x、y、Cm、CT取决于磁芯制造商提供的铁氧体材料。从等式（5）中，BMAX可以表示为Pcore的函数： 通过在关系式（6）中替换（4）中计算的Pcore，可估计给定温度T下B的最大值。 初级绕组的实际匝数Np取决于给定磁芯截面积[3]的初级电感、峰值电流和峰值磁通密度： 如果匝数比n由应用约束给出，则可以轻松确定次级绕组匝数： 8 对于Np和NS的实际值，通常假设最接近的整数为最佳选择。 要确定构成初级线圈和次级线圈的PCB铜走线的横截面积，假设初级电流、次级电流的RMS值以及电流密度值的规格已知，适用以下公式： 确定如何在预先分配数量的PCB层之间分配初级线圈和次级线圈非常重要。影响这一选择的两个主要因素：PCB走线上电流引起的温升和可用的绕组窗口宽度。后者取决于所选择的磁芯几何形状。 另一个基本设计约束条件是，通过策略性地堆叠初级和次级层（交错技术），降低绕组电流的邻近效应（这将极大地影响交流电阻）。根据目标PCB堆叠，铜走线厚度和宽度的选择通常受到主机应用和磁芯尺寸的限制。 另一个重要方面是遵守特定的标准。例如，安全标准IEC950要求通过PCB材料(FR4)的主、次级绕组之间的电源绝缘为400µm。 一旦规定了PCB铜厚度，绕组的走线宽度取决于（9）。当主机应用预先建立PCB堆叠且平面器件必须集成在电路板中时，就会发生这种情况。匝间距s受PCB生产力和成本的影响。根据经验，厚度为35µm的铜层，走线宽度和间距>150µm，厚度为70µm的铜层，走线宽度和间距>200µm[2]。 对于特定的绕组宽度Ww，一旦给出了每层匝数NPL和间距s，便可以通过简单的公式得到走线宽度Tw： 该计算是为了适应给定绕组宽度下每层的最大匝数。 一旦计算出铜走线厚度和宽度，RMS电流给出的允许温升（作为第一近似值）可遵循IPC-2221标准来确定。然而，应考虑此类指示是指直流电流，在功率转换器应用中，高频交流电流会产生涡流效应，可细分为众所周知的趋肤效应和邻近效应。这些效应会对实际绕组电阻、损耗和实际温升产生显著影响。 那么趋肤深度δ取决于材料特性，如：导电性和渗透性。其与频率的平方根成反比。当走线宽度Tw小于2δ时，趋肤效应可忽略不计。如果需要更宽的走线，解决方案可以是将其分割成平行走线。 附近其他导体产生的磁场会产生邻近效应。当初级层和次级层交错时，这种效应明显减弱。 一旦完成了平面磁件的设计，便可通过有限元分析(FEA)对其进行建模和验证。设计过程中可使用二维和三维FEA模拟，以确保设计要求和规范相匹配。此外，还能准确地评估漏电感和自电容。分析法可近似计算这些参数。假设将电流和电压的电波形提供给元件端子（瞬态分析），那么这些工具也可以执行热剖析。 9 以下部分介绍Ansys磁件设计专用工具。该工具可有效支持整个开发周期，包括设计和验证。 用于设计和验证的 Ansys平面工作流程 电子变压器类器件的虚拟样机对于优化、高效的设计工作流程越来越重要。而这需要设计和建模技能，以及使用多种解算器和工具来处理不同物理领域的所有相关现象。 Ansys产品组合为多绕组电子变压器的磁性、多物理场和系统分析提供了完整的工作流程，如下图所示。 PEXprt 模型创建 Mawell2D/3D 电磁 Ansys 机械热 模型生成 ETK 电子变压器套件 Q3D RLCG母线寄生效应 简单系统分析 Icepak热与空气流动 耦合场解 模型订单缩减 联合模拟 图7.电力电子磁件的Ansys工作流程 在每个阶段为用户提供不同的选项。为了简化工作流程，我们将其分为以下几个阶段: ⚫设计/预