微型電感器的簡化模式設計

摘要：

本文引用地址：http://www.104case.com/article/179890.htm

考慮了制作微型電感器時可能的構造，通過控制坡莫合金磁心的各向異性或者圖樣的準分布間隙，用其調節磁導率來達到要求的電感量值。

1引言

最近，許多文獻中提出了采用薄膜磁性材料制造微型變壓器的方法，使人們看到了有望采用微制造技術使功率變換器實現微型化。采用薄膜微制造技術能夠制造極其精細的圖樣結構，使其控制渦流損耗，從而可以在20MHz以下采用金屬磁性合金。金屬磁性合金一般具有較高的磁通密度、較低的磁滯損耗，通過設計及專門的優化，可以達到很高的效率和較高的功率密度。圖1中示出了針對分布或準分布間隙電感器的一種設計方法，這種電感器可以用于功率變換電路中。選擇脈寬調制（PWM）降壓變換器作為說明的例子，其計算方法也可用在其他變換器結構中。

2簡化模式的定義

　　首先分析端匝，其橫向寬度Slat需靠近磁心，匝間的橫向間隔St可以忽略（見圖1）。第一步，計算出單位面積的損耗和控制的功率。假設窗口區的磁場為水平方向，這樣，在繞組中的交流損耗可以用一維分析來估算，只要根據導體高度hc和穿透深度δe間的比例進行。可以用交流電阻因子Fr（hc/δc）=Rac/Rdc來描述。對電流波形，可以用傅里葉表達式，對于每個重要諧波K，估算Frk因子。

　　如果采用各向異性NiFe合金作磁心，主磁通往往可以參照無滯后的磁化軸方向?？刂茰u流損耗，把疊層磁心淀積成多層膜。對每層和每個磁通密度波形的重要諧波進行損耗估算，并加在一起。作這種估算時，假設磁通密度與各層是平行的。

3簡化模式的磁心優化

圖1平面電感器近似設計法的示意圖（a）和頂視圖（b）

　　可以參考降壓變壓器應用的設計技術條件，選擇：輸入電壓Uin，輸出電壓Uo，直流輸出峰－峰紋波電流Idc，r=△Ipp/Idc，開關頻率ω=2πf。

　　根據后敘式（9），繞組中的功率損耗可以借助于增加導體高度hc而減小。不過，這種改善是忽略了導體大于2倍穿透深度。作近似分析時，hc可以選擇大約1～2個穿透深度。對忽略的因素進行考慮時，可使hc更精確的優化。對于磁心中的功率損耗，層數N的增加幾乎可以忽略?？紤]制造成本，應當優化N，在此，假設某一個層數。這樣磁心的高度可以對最大功率密度予以調節，得出（例如，對該降壓變換器應用）表達式

　　式中，A為“有效的”器件區域，ρs和ρc分別表示磁心和導體的電阻率，D是變換器的占空比，Kcore是計量磁心中諧波損耗的因子，而|a1|=2sin（Dπ）/[π2D（1－D）]是電流波形的第一個傅里葉系數。可變的Bpk為交流磁通密度峰－峰值的一半。對于最佳設計，總的磁通密度峰值應接近（或等于）飽和量級Bsat。因此選擇Bpk=Bsat/（1＋2/r），這樣使Bdc＋Bpr=Bsat，對最大功率密度的表達式（1）作為給定系數的函數。

表1對5MHz零電壓開關降壓變換器的電感器設計實例。