一种低损耗的平面电感磁芯及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种低损耗的平面电感磁芯及其设计方法，平面电感磁芯包括上磁轭和下磁轭、左边柱、右边柱以及中柱；上磁轭和下磁轭、左边柱、右边柱以及中柱围成侧面全包围结构，消除了传统的气隙结构；所述上磁轭和下磁轭由第一磁芯材料制成；左边柱、右边柱以及中柱由第二磁芯材料制成；且第一磁芯材料的磁导率低于第二磁芯材料的磁导率；平面电感磁芯的磁阻呈现关于横向对称轴的对称分布。该磁芯结构简单，易于实施，可以显著降低高频功率磁件的高频铜损，同时有效解决了现有的针对MMF分布优化的绕组结构优化方法无法在电感中应用的问题。题。题。

【技术实现步骤摘要】
一种低损耗的平面电感磁芯及其设计方法


[0001]本专利技术涉及平面电感优化设计，特别是一种低损耗的平面电感磁芯及其设计方法。

技术介绍

[0002]当下，社会日益增加的电能消耗需求以及电能生产、传输以及消耗的各个环节中，电力电子装置占比的逐渐升高，高频低损耗高功率密度的中小功率等级电力电子变换器的设计和应用变得越来越重要。同时，以碳化硅和氮化镓器件为代表的新一代功率半导体开关器件的出现，也将电力电子变换器装置的开关频率进一步提高，达到几百kHz甚至MHz以上。
[0003]开关频率的提高有助于减小变换器中功率磁件的体积，但频率的提高也使得功率磁件，尤其是功率平面电感绕组的交流损耗更加显著，绕组的交直流电阻之比进一步提高。平面电感中，磁芯及气隙的边缘效应随着频率的提高也变得更加啊严重；同时为了在小体积中达到足够的感量，多层多匝电感的邻近效应也更加显著；边缘效应以及邻近效应的增强，都使得绕组的交流铜损更加显著。损耗增加带来的散热问题，反而制约了平面磁件体积的减小，进而也降低了频率提高带来的体积减小的效益。
[0004]现有的针对磁件的低损耗优化设计方法包括两类：一类是诸如绕组宽度、厚度、匝数的优化以及类利兹线结构、垂直及横向换位等结构的优化，但绕组的优化对于磁场分布以及MMF的优化无能为力，无法从更本质的“场”的角度解决绕组交流损耗的问题；在变压器中广泛采用的交错绕组结构虽然十分有效，但无法在电感中应用。第二类是磁芯结构的优化，目前的磁芯优化都主要集中于气隙的优化，包括准分布式气隙结构以及分布式气隙结构，可以弱化气隙的边缘效应，但气隙仍然存在且无法兼顾MMF的优化，也就无法解决多层电感中临近损耗巨大的问题；同时准分布式气隙的作用依赖于增加气隙的数目同时减小每个气隙的几何尺寸，这对磁芯的加工水平要求较高，导致加工复杂度的上升以及成品率的下降。传统分布式气隙结构中低磁导率部分所占体积较小，因此要求材料的相对磁导率较低，较难找到合适的极低相对磁导率且损耗特性良好的材料，因此在工业界并未得到广泛应用。

技术实现思路

[0005]为了解决上述问题，本专利技术提出了一种低损耗的平面电感磁芯结构及其设计方法，该平面电感磁芯是一种简单且有效的，从磁芯结构优化角度入手的具有横向对称磁阻分布磁芯结构的平面功率电感；并提供了相关关键参数设计以及低磁导率材料的相对磁导率计算设计方法。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种低损耗的平面电感磁芯，包括上磁轭、下磁轭、电感绕组、左边柱、右边柱以及中柱；上磁轭和下磁轭、左边柱、右边柱以及中柱围成侧面全包围结构；所述电感绕组穿过
中柱，被上下磁轭及左右边柱包围；
[0008]所述上磁轭和下磁轭由第一磁芯材料制成；左边柱、右边柱以及中柱由第二磁芯材料制成；且第一磁芯材料的磁导率低于第二磁芯材料的磁导率；平面电感磁芯的磁阻呈现关于横向对称轴的对称分布。
[0009]作为本专利技术的进一步改进，所述第一磁芯材料为金属软磁材料；磁导率为16～150。
[0010]作为本专利技术的进一步改进，所述第二磁芯材料为功率铁氧体材料；磁导率为600～3000。
[0011]作为本专利技术的进一步改进，所述平面电感磁芯的磁动势幅值MMF的分布呈现V型横向对称分布。
[0012]作为本专利技术的进一步改进，所述电感绕组置于磁芯横向对称轴上。
[0013]作为本专利技术的进一步改进，所述电感绕组为基于PCB的铜箔绕组。
[0014]作为本专利技术的进一步改进，所述左边柱、右边柱平行设置，上磁轭和下磁轭平行设置且与左边柱、右边柱围成所述侧面全包围结构。
[0015]一种低损耗的平面电感磁芯的设计方法，包括：
[0016]对目标感值为L、有气隙且完全由高相对磁导率μ
rh
材料组成的磁芯结构进行设计，得到高磁导率值μ
rh
以及磁芯相关的基本几何参数；
[0017]依据磁阻守恒原则，保证结构及材料变化前后磁芯的总磁阻不变的原则下，通过如下方法得到合适的用于上下磁轭的低相对磁导率材料的相对磁导率μ
rl
为：
[0018][0019]其中δ1和δ2为上下磁轭的高度；w1和w2为分别为边柱和中柱的宽度；k
f1
和k
f2
分别为由于边缘效应带来的边柱和中柱的面积等效扩大的放大系数；l
y
为磁芯的宽度；g为气隙长度。
[0020]作为本专利技术的进一步改进，所述得到高磁导率值μ
rh
以及磁芯相关的基本几何参数及关键几何参数如气隙长度g，采用的方法如下：
[0021][0022]g≈l
c
/μ
rh
[0023]其中，B
max
为磁芯材料允许的最大磁密；l
c
为磁芯的有效磁路长度；K
i
为激励电流的波形系数；μ0为真空的磁导率；P
d_max
为磁芯允许的最大散耗功率；k
u
为磁芯窗口利用率；A
w
为磁芯窗口面积；ρ
w
为铜的电导率；MLT为单匝绕组平均长度。
[0024]与现有技术相比，本专利技术具有以下优势：
[0025]本专利技术提出的具有横向对称磁阻分布结构特征的平面电感，其磁芯采用了两种相对磁导率差异较大的导磁材料，通过将其合理分配，使得整个磁芯的磁阻横向对称地集中分布在磁芯的上、下磁轭中。通过这种磁阻横向对称分布的设计，解决了无法通过绕组结构优化来优化电感中MMF分布的困难。该结构的磁芯不仅消除了传统气隙结构，使磁芯窗口中磁场相对于PCB绕组更加平行化，削弱了磁芯的边缘效应；同时还优化了MMF的分布，将其最
大值减小为传统结构中其值的一半，减小了绕组的邻近损耗。
[0026]此外，本专利技术提出的横向对称磁阻分布结构的平面电感不包含传统的气隙结构，因此与有气隙电感相比，电感的边缘效应被极大地削弱了；同时将低磁导率材料置于与PCB绕组平行的上下磁轭的位置，而保留与PCB绕组相互垂直的左右及中心边柱的高相对磁导率材料，这样的材料组合可以优化磁芯窗口中的磁场分布，使其分布更加平行于PCB绕组，同时磁芯拐角处的边缘效应也会得到一定程度的削弱，从而降低绕组的边缘损耗。
[0027]上述横向对称磁阻分布结构的磁芯具有的弱化边缘效应及邻近效应的收益，该收益在一定范围内会随着激励频率的提高而更加明显，因此十分适合用于高频磁件的降损。
[0028]同时，本专利技术提出的磁芯结构优化设计不涉及复杂的几何结构，结构简单，完成设计后易于进行批量的加工生产。同时具有一定的普适性，可以应用到平面电感的各类磁芯中。
附图说明
[0029]图1为传统的带有气隙的EI型磁芯结构的侧视图及相关几何参数；
[0030]图2为本专利技术提出的磁阻横向对称分布的平面电感的磁芯结构的侧视图及相关几何参数；
[0031本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低损耗的平面电感磁芯，其特征在于：包括上磁轭、下磁轭、电感绕组、左边柱、右边柱以及中柱；上磁轭和下磁轭、左边柱、右边柱以及中柱围成侧面全包围结构；所述电感绕组穿过中柱，被上下磁轭及左右边柱包围；所述上磁轭和下磁轭由第一磁芯材料制成；左边柱、右边柱以及中柱由第二磁芯材料制成；且第一磁芯材料的磁导率低于第二磁芯材料的磁导率；平面电感磁芯的磁阻呈现关于横向对称轴的对称分布。2.如权利要求1所述的低损耗的平面电感磁芯，其特征在于：所述第一磁芯材料为金属软磁材料；磁导率为16～150。3.如权利要求1所述的低损耗的平面电感磁芯，其特征在于：所述第二磁芯材料为功率铁氧体材料；磁导率为600～3000。4.如权利要求1所述的低损耗的平面电感磁芯，其特征在于：所述平面电感磁芯的磁动势幅值MMF的分布呈现V型横向对称分布。5.如权利要求1所述的低损耗的平面电感磁芯，其特征在于：所述电感绕组置于磁芯横向对称轴上。6.如权利要求1所述的低损耗的平面电感磁芯，其特征在于：所述电感绕组为基于PCB的铜箔绕组。7.如权利要求1所述的低损耗的平面电感磁芯，其特征在于：所述左边柱、右边柱平行设置，上磁轭和下磁轭平行设置且与左边柱、右边柱围成所述侧面全包围结构。8.一种如权利要求1至7任一项所述的低损耗的平面电感磁芯的设计方法，其特征在于，包括：对目标感值为L、有气隙且完全由高相对磁导率μ
rh
材料组成的磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：任鹏远，陈文洁，黄兴伟，陈钰宣，党昊炜，王云，孙昰行，苏鼎，孟鑫，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：