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(guān)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(shù)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(jié)構(gòu)(如平面繞組結(jié)構(gòu))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(jié)構(gòu)，電感電容集成結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(guān)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，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(jié)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(jié)論。
1 集成結(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，如圖2(b)。這樣的結(jié)構(gòu)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。