意法半導(dǎo)體：2024平面磁件如何提高電力電子器件性能白皮書

ll·fe.augmentedGaetanoGaetanoRasconà,2在競爭激烈的當(dāng)今市場中，可再生能源、儲(chǔ)能、電源適配器、電源充電器和數(shù)據(jù)處理應(yīng)用需要具有更高功率密度的低成本、高效率解決方案來提高氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）晶體管等化合物半導(dǎo)體器件限制了高頻條件下的開關(guān)損耗，加速了電路越來越小的趨勢。事實(shí)上，高頻操作導(dǎo)致電子電路的收縮，這要?dú)w功于減小的磁性器件尺寸和增加的功率密度。這一點(diǎn)對于電子功率轉(zhuǎn)換器非常重要，電子功率轉(zhuǎn)換器包括磁性器件，例如：本文解釋了平面磁件如何在效率、成本、空間要求以及散熱方面顯著改善關(guān)于平面磁件的最早研究可以追溯到關(guān)于平面磁件的最早研究可以追溯到20世紀(jì)60年代。然而，此類研究主要出最近，由于印刷電路板技術(shù)的普及，平面磁技術(shù)在世界范圍內(nèi)引起了廣泛的平面元件是由平面銅繞組構(gòu)成的變壓器或電感器。平面元件通常是纏繞在剛體制成的小型磁芯中。其銅走線具有矩形橫截面，不同于具有圓形橫截面的圖1.標(biāo)準(zhǔn)變壓器橫截面結(jié)構(gòu)圖1.標(biāo)準(zhǔn)變壓器橫截面結(jié)構(gòu)3然而，將平面磁件應(yīng)用于任何項(xiàng)目之前，必須考慮到該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。以下內(nèi)容將帶您深入了解高效的設(shè)計(jì)工作流程如何幫4●優(yōu)化的熱特性：平面磁芯具有更好的熱特性，為了進(jìn)行可靠的比較，我們選擇了兩種變壓器設(shè)計(jì)，一種是常規(guī)變壓器，另一種是平面變壓器。兩種變壓器設(shè)計(jì)用于反激式轉(zhuǎn)換VINVOUTDC表1.反激規(guī)格我們比較了初級(jí)L表2.平面變壓器設(shè)計(jì)規(guī)范55●自動(dòng)化、易制造和成本低：傳統(tǒng)的裝配工藝使制纏繞很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。相反，平面磁件制造中使用的生產(chǎn)和裝配過程與創(chuàng)新的技術(shù)工具相結(jié)合，簡化了自動(dòng)化。尤其是PCB技●可預(yù)測的寄生效應(yīng)：平面繞組布局易于控制并實(shí)現(xiàn)交錯(cuò)解決方案，這意味著更低的泄漏效應(yīng)和更低的繞組電容。在線繞元件厚度的兩倍加上50μm和層間最小介電厚度（相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)平面元件的設(shè)計(jì)需要深入了解電磁定律、電力電子用磁性材料、磁件損耗、趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)等磁性現(xiàn)象、氣隙邊緣效應(yīng)、漏有必要從分析方法開始，掌握設(shè)計(jì)背后的理論并使用設(shè)計(jì)驗(yàn)證工具。驗(yàn)證工具可提供不同的復(fù)雜程度，通過定義磁模型的材料、創(chuàng)建區(qū)域、指定限制條件、激勵(lì)、參數(shù)和網(wǎng)格，幫助設(shè)計(jì)者確定要使用的正確解算器，并促進(jìn)磁模型的創(chuàng)建。此類工具還可以幫66分析建模FEA分析EM模擬工具分析建模FEA分析EM模擬工具7本節(jié)描述了反激式轉(zhuǎn)換器耦合電感器的簡單設(shè)計(jì)工作流程，該電感器在初級(jí)和次級(jí)電感之間進(jìn)行隔離操作。為了更深入地理解磁磁性器件的特征在于其磁化或初級(jí)電感、磁芯形狀和材料、匝數(shù)，對于基于多層PCB的平面器件，還在于PCB疊層上的銅走線尺一旦功率轉(zhuǎn)換器（在本例中為反激式）的特性已固定（功率、電壓和電流額定值、工作頻率和占空比、磁性設(shè)備允許的最高溫度等根據(jù)材料和尺寸選擇一個(gè)候選磁芯。在此階段）：當(dāng)確定了磁芯形狀、尺寸和材料時(shí)，制造商數(shù)據(jù)表可以提供附加的磁性參數(shù)，即電感系數(shù)Al，通常指無間隙磁芯（有時(shí)，為相同Kw為窗口因子，IPRI,PK為原邊峰值電流，IPRI,RMS為原邊RMS電流，BMAX為峰值磁通密度，J為銅線電流密由于磁芯是磁件最重要的部件之一，其溫度在整個(gè)工作溫度中起著重要作用。[3]報(bào)告了平面E形磁芯的一些公式，該公式允許將估計(jì)的變壓器溫升作為磁芯中磁通密度的函數(shù)。后者需要最大化，以平衡有限的可用繞組空間（基于多層PCB的平面磁件固有特88要確定構(gòu)成初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的PCB銅走線的橫截面積，假設(shè)初級(jí)電流、次級(jí)電流的RMS值以及電流密度值的規(guī)格已知，適用確定如何在預(yù)先分配數(shù)量的PCB層之間分配初級(jí)線圈和次級(jí)線圈非常重要。影響這一選擇的兩個(gè)主要因素：PCB走線上電流引起另一個(gè)基本設(shè)計(jì)約束條件是，通過策略性地堆疊初級(jí)和次級(jí)層（交錯(cuò)技術(shù)），降低繞組電流的鄰近效應(yīng)（這將極大地影響交流電另一個(gè)重要方面是遵守特定的標(biāo)準(zhǔn)。例如，安全標(biāo)準(zhǔn)IEC一旦規(guī)定了PCB銅厚度，繞組的走線寬度取決于（9）。當(dāng)主機(jī)應(yīng)用預(yù)先建立PCB堆疊且平面器件必須集成在電生這種情況。匝間距s受PCB生產(chǎn)力和成本的影響。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，厚度為35μm的銅層，走線寬度和間距>150μm，厚度為70μm的銅對于特定的繞組寬度Ww，一旦給出了每層匝數(shù)NPL和間距s，便可以通過簡單的公式得到走線寬度Tw：一旦計(jì)算出銅走線厚度和寬度，RMS電流給出的允許溫升（作為第一近似值）可遵循IPC-2221標(biāo)準(zhǔn)來確定。然而，應(yīng)考慮此類指示是指直流電流，在功率轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，高頻交流電流會(huì)產(chǎn)生渦流效應(yīng)，可細(xì)分為眾所周知的趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)。這些效應(yīng)會(huì)那么趨膚深度δ取決于材料特性，如：導(dǎo)電性和滲透性。其與頻率的平方根成反比。當(dāng)走線寬度Tw小于2δ時(shí)，趨膚效應(yīng)可忽略不一旦完成了平面磁件的設(shè)計(jì)，便可通過有限元分析(FEA)對其進(jìn)行建模和驗(yàn)證。設(shè)計(jì)過程中可使用二維和三維FEA模擬，以確保設(shè)計(jì)要求和規(guī)范相匹配。此外，還能準(zhǔn)確地評(píng)估漏電感和自電容。分析法可近似計(jì)算這些參數(shù)。假設(shè)將電流和電壓的電波形提供給），99電子變壓器類器件的虛擬樣機(jī)對于優(yōu)化、高效的設(shè)計(jì)工作流程越來越重要。而這需要設(shè)計(jì)和建模技能，以及使用多種解算器和工Ansys機(jī)械熱Mawell2D/3DIcepak熱與空氣流動(dòng)簡單系統(tǒng)分析模型生成耦合場解Ansys機(jī)械熱Mawell2D/3DIcepak熱與空氣流動(dòng)簡單系統(tǒng)分析模型生成耦合場解模型訂單縮減聯(lián)合模擬模型創(chuàng)建電子變壓器套件Q3DRLCG母線寄生效應(yīng)在每個(gè)階段為用戶提供不同的選項(xiàng)。為了簡化工作流程，我們將其分我們建議依靠AnsysMaxwell場仿真功能，在頻域中進(jìn)行精確的參數(shù)識(shí)別并生成等也考慮了周圍電路元件和寄生效應(yīng)的影響。此外，系統(tǒng)方法更好地捕捉具有陡峭導(dǎo)數(shù)波形的挑戰(zhàn)性行為，這是這類組件的典型特設(shè)計(jì)/預(yù)處理Ansys發(fā)現(xiàn)Spaceclaim直鏈Maxwell內(nèi)置建模器PExprt/PEmag模型創(chuàng)建如果已經(jīng)根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)和材料定義了設(shè)計(jì)，可以通過下圖所示的Ansys工具生成2D或3D模型，其中推薦的輸入源標(biāo)有綠色復(fù)選標(biāo)Ansys發(fā)現(xiàn)Spaceclaim直鏈Maxwell內(nèi)置建模器PExprt/PEmag模型創(chuàng)建Ansys工作臺(tái)模型創(chuàng)建ETK電子變壓器套件Maxwell3DETK電子變壓器套件Maxwell3DCAD文件導(dǎo)入如果設(shè)計(jì)尚不存在，您可以通過AnsysPExprt工具構(gòu)建基于分析的首個(gè)PExprt是一款分析工具，用于設(shè)計(jì)電力電子應(yīng)用中小型轉(zhuǎn)換器的不同拓?fù)洹Ｔ摴ぞ甙判?、電線、線軸、絕緣體和材料標(biāo)準(zhǔn)庫。其為不同類型的器件（如：電感、多繞組變壓器和反激式轉(zhuǎn)換器）創(chuàng)建了可以自動(dòng)可用模板的完整列表如圖9所示。設(shè)計(jì)選用的轉(zhuǎn)換器可基于波形，也可基PExprt還包括PEmag模塊，該模塊允許對所選設(shè)計(jì)產(chǎn)生的器件布局進(jìn)行設(shè)備參數(shù)識(shí)別/等效電路●通過在渦流求解器中運(yùn)行的頻率掃描FEM模擬得到所有必要的頻率點(diǎn)阻抗矩陣（這種情況下，直接鏈接到Ansyssimpllorer/AnsysTwinBuilder，具有良好的參數(shù)擬合質(zhì)量）Sec_3t_topPri_IC_topPriSec_3t_topPri_IC_topPri_IC_bot Pri_topPri_bot正激轉(zhuǎn)換器AM4AMaxwell3D-AM3lATR探頭TR探頭ROMSec_3t_正激轉(zhuǎn)換器AM4AMaxwell3D-AM3lATR探頭TR探頭ROMSec_3t_botSec_2t_topSec_2t_botGRDWM3WM2L2AWWW24V +WWM2L2AWWW24VEQUMOSFET2EQUD3C2TR探頭TRTR探頭探頭C1GAIN1探頭C1GAINPWMGAINPWM對于電子變壓器應(yīng)用（mW-W功率需要在較寬的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行分析（DC-MHz主要使通過渦流求解器，可提取上述器件阻抗矩陣與頻率的關(guān)系。通過模擬，在適當(dāng)?shù)募?lì)設(shè)置下，還可評(píng)估正弦激勵(lì)產(chǎn)生的損耗。此類器件挑戰(zhàn)還包括非線性材料、渦流、鄰近效應(yīng)和磁場的時(shí)間擴(kuò)散。因此，為了對電子變壓器進(jìn)行完整而精確的研究，我們建議●短路分析：初級(jí)繞組在額定條件下饋電，次級(jí)繞組短路（在極?。?；），）；）：●靜磁運(yùn)行可用于評(píng)估空載時(shí)芯材料B-H曲線上的工作點(diǎn)。通常，良好的設(shè)計(jì)應(yīng)能防止工作點(diǎn)在B-H曲線的非線性區(qū)域，且能使●在非正弦激勵(lì)的情況下，使用瞬態(tài)運(yùn)行來研究損耗；根據(jù)幾何布局，該模擬可以在2D或3D中執(zhí)行。在瞬態(tài)情況下，也有可能Ansys電子桌面平臺(tái)（AEDT）也可以進(jìn)行多物理場分析。對電子變壓器最有用的分析是耦合電磁-熱模擬，其利用了AEDT模型創(chuàng)建EMtolcepakACTEMtolcepakACT模型創(chuàng)建模型創(chuàng)建模型創(chuàng)建Mawell3D模型創(chuàng)建場解在示例中，在示例中，Maxwell渦流可用于模擬正弦頻率下的損耗。然后，EM-to-Icepak應(yīng)用定制工具包（ACT）可用于創(chuàng)建和自動(dòng)求解平面變壓器和電感器是高效SMPS應(yīng)用的理想解決方案。下文顯示了一些應(yīng)用示例：反在功率晶體管導(dǎo)通期間，一些能量存儲(chǔ)在變壓器中，而輸出電容為負(fù)載供電。當(dāng)晶體管關(guān)斷時(shí)，存儲(chǔ)在變壓器中的能量給負(fù)載和D 987654321D 987654321 電源YCL VO-XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX5517676XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX88轉(zhuǎn)換器由12VDC供電，輸出為+18/-5伏，總功率為3瓦，工作頻率為400kHz。所用磁芯為Ferroxcube的E14/3.5/因此，總層數(shù)為六層。所用銅的厚度為35μm。Iso-buck拓?fù)涓綦x降壓拓?fù)洌╥so-buck）成為低功耗隔離DC-DC應(yīng)用中非常受歡迎的解圖16所示的iso-buck轉(zhuǎn)換器基于意法半導(dǎo)體的L6986I同步iso-buckVV OVC2562563819CR7V圖16.裝配L6986I控制器的Is變壓器是iso-buck的關(guān)鍵元件。它確保了所需的隔離，并允許能量傳輸?shù)酱渭?jí)側(cè)，從而產(chǎn)生次級(jí)隔離輸因此，總層數(shù)為六層。所用銅的厚度為35μm。所用磁芯為Ferroxube的E14/3.5/5+I1LLCLLC轉(zhuǎn)換器+