基于撓性覆銅箔的平面無源集成LC單元設計

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(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(diào)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。
參考文獻[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(zhì)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(zhì)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(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(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。