【意法半导体】2024平面磁件如何提高电力电子器件性能白皮书_20页_1mb

平面磁件如何提高电力电子器件性能总结

核心内容

平面磁件是一种基于印刷电路板（PCB）技术的磁性元件，主要包括平面变压器和电感器。它们通过使用扁平铜走线和小型磁芯，显著提高了电力电子器件在效率、成本、空间占用和散热性能方面的表现。随着高频电力电子器件的发展，如氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）晶体管，平面磁件成为实现更高功率密度和更小尺寸的关键技术。

主要观点

• 平面磁件通过其独特的结构设计，使得磁性元件更加紧凑，同时在高频操作下具备更高的效率。
• 平面磁件的热特性优于传统磁件，其较高的表面积与体积比有助于更有效的散热。
• 平面磁件制造过程高度自动化，适合全球生产，从而降低了成本并提高了制造精度。
• 平面磁件在设计时需考虑多个因素，包括磁芯材料、尺寸、绕组布局、寄生效应、EMI等。
• 与传统磁件相比，平面磁件在某些方面存在局限，如占用空间较大、铜填充系数较低、匝数受限等。

关键信息

平面磁件的优点

• 尺寸小：平面磁件的高度通常只有传统磁件的一半甚至更小。
• 优化热特性：具有更高的表面积与体积比，能够更有效地散热。
• 自动化制造：适合大规模生产，提高了制造效率和一致性。
• 模块化设计：便于集成到PCB中，无需额外连接件。
• 可预测的寄生效应：平面绕组布局便于控制，降低泄漏电感和杂散电容。

平面磁件的缺点

• 占用空间大：尽管高度较低，但整体尺寸可能比传统磁件更大。
• 铜填充系数低：受PCB结构限制，导致铜走线空间有限。
• 匝数有限：增加匝数会导致更多PCB层，增加制造成本。
• 绕组间电容高：结构紧凑可能导致寄生电容增加。
• 缺乏精确模型：某些结构缺乏标准分析模型。
• EMI问题：部分设计中绕组位于磁芯外部，可能对周围设备造成电磁干扰。

平面磁件设计要点

• 磁芯选择：需根据功率、电压、电流等参数选择合适的磁芯材料和尺寸。
• 电感计算：利用公式 $L_m = \mu_0 \mu_r N_p^2 \frac{A_e}{l_e}$ 计算磁化电感。
• 绕组匝数确定：根据公式 $N_{p, MIN} \geq \sqrt{\frac{L_m}{A_l}}$ 设置最小匝数。
• 温升控制：需考虑电流密度和铜走线尺寸，确保温升在允许范围内。
• 趋肤效应与邻近效应：高频操作下，趋肤效应和邻近效应显著影响绕组电阻和损耗，需合理设计走线宽度和厚度。

设计流程与工具

• 设计/预处理：从设计草图或布局模型开始，使用Ansys工具生成2D或3D模型。
• 参数识别：通过Maxwell进行频率扫描，生成阻抗矩阵和电容矩阵。
• 低频电磁分析：使用涡流求解器进行正弦激励下的损耗分析。
• 耦合场分析：结合Ansys Maxwell、Icepak和Mechanical进行电磁-热耦合分析。
• 系统仿真：使用Simplorer和Twin Builder进行系统级仿真，考虑寄生效应和电路交互。

应用示例

• 反激式转换器：用于3W至150W功率范围，具有高效率和紧凑设计。
• Iso-buck拓扑：结合反激和同步降压拓扑优点，实现高效、低成本的隔离式DC-DC转换。
• LLC拓扑：适用于谐振转换器，实现高效率和宽软开关频率范围。

结论

平面磁件技术在提高电力电子器件性能方面具有显著优势，尤其适用于高频、高功率密度的应用。结合先进的设计工具如Ansys Maxwell，可以实现高效的参数识别、电磁分析和热管理，从而优化设计流程。尽管存在一些局限，但通过合理设计和优化，平面磁件仍能为现代电子系统提供理想的解决方案。

文献与资源

• [1] Advances in Planar and Integrated Magnetics, Ziwei Ouyang
• [2] Transformers and Inductors for Power Electronics: Theory, Design and Applications, W.G. Hurley and W.H. Wolfe, Wiley
• [3] Ferroxcube, “Design of Planar Power Transformer”, Application Note
• [4] Vijaya Kumar N, Subhransu Satpathy, Lakshminarasamma N, “Analysis and Design Methodology for Planar Transformer with Low Self-Capacitance used in High Voltage Flyback Charging Circuit”, IEEE PEDES 2016

其他资源

• 电源设计工具：eDesignSuite
• 碳化硅器件：STPOWER MOSFET和二极管
• L6986I同步等降压转换器：产品页面
• 应用页面：电源和转换器、工业电机控制、HEV/EV牵引逆变器