基于撓性覆銅箔的平面無(wú)源集成LC單元設計

隨著(zhù)信息產(chǎn)業(yè)及其帶來(lái)的消費類(lèi)電子產(chǎn)品的迅速發(fā)展，為電力電子行業(yè)帶來(lái)巨大的市場(chǎng)，在通信、計算機以及各種移動(dòng)設備中，都需要大量的電力電子變流器。大多數電力電子變換器中無(wú)源器件占據了變換器很大的體積，提高開(kāi)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(guò)電磁作用將電感、電容、變壓器集成為一個(gè)模塊可以克服這些缺點(diǎn)。
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實(shí)現部分電路功能。為了增大電感繞組之間的寄生電容，可以通過(guò)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(選用具有較大介電常數的介質(zhì)材料)。電感與電容集成后為一個(gè)器件，即為L(cháng)C單元。
VANWYK J D教授在磁元件與電容元件集成方面開(kāi)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(lái)調節漏感，整體采用平面結構，可以減小無(wú)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，采用介電常數較低、溫度和頻率穩定性好的薄膜電介質(zhì)材料來(lái)實(shí)現電容，克服了增大電容的困難。但所占據空間的體積仍然比較大，不符合現代開(kāi)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(shí)現很大的電感，但磁芯中柱也占據了很大面積。綜合參考文獻[1]和參考文獻[2]的思路，在現有實(shí)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(shí)現了串聯(lián)諧振、并聯(lián)諧振集成，最后測試了樣機的諧振點(diǎn)并與pspice軟件的仿真結果進(jìn)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(guò)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(shí)得到確定的電感、電容，即通電后既有磁場(chǎng)儲能，也有電場(chǎng)儲能，并通過(guò)適當的連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(diǎn)A、D與外電路連接時(shí)，B、C兩端懸空，形成電感、電容的串聯(lián)諧振形式；當端點(diǎn)A、D與外電路連接，B、C兩端直接相連接時(shí)，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。