CN115440458A - 一种低损耗的平面电感磁芯及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一种低损耗的平面电感磁芯及其设计方法

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

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。

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。

发明内容

为了解决上述问题，本发明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。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

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；

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。

作为本发明的进一步改进，所述第一磁芯材料为金属软磁材料；磁导率为16～150。

作为本发明的进一步改进，所述第二磁芯材料为功率铁氧体材料；磁导率为600～3000。

作为本发明的进一步改进，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。

作为本发明的进一步改进，所述电感绕组置于磁芯横向对称轴上。

作为本发明的进一步改进，所述电感绕组为基于PCB的铜箔绕组。

作为本发明的进一步改进，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。

一种低损耗的平面电感磁芯的设计方法，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；

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：

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。

作为本发明的进一步改进，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：

g≈l_c/μ_rh

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。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

本发明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。

此外，本发明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。

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。

同时，本发明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

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；

图2为本发明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；

图3为本发明平面电感的磁芯结构主视图及相关几何参数；

图4为本发明提出的磁阻横向对称分布的平面电感以及传统有气隙平面电感的MMF分布的有限元仿真结果的对比；

图5为基于有限元仿真分析，(a)为本发明提出的磁阻横向对称分布的平面电感磁芯窗口中磁场强度H的矢量分布；(b)为传统有气隙平面电感磁芯窗口中磁场强度H的矢量分布；

图6为本发明提出的磁阻横向对称分布的平面电感在不同频率下降低绕组交流电阻效果的有限元仿真对比。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图2所示，本发明提供了一种基于两种相对磁导率差异较大的磁芯材料的具有磁阻横向对称分布结构特征的平面电感磁芯结构以及设计概念。所述磁芯结构中消除了传统的气隙结构，具体包括低相对磁导率的上磁轭1、下磁轭5，高相对磁导率的左边柱2、右边柱6及中柱3，位于磁芯中央的多层PCB绕组7。

其中，所提出的磁阻横向对称分布的磁芯结构适用于各类型号的平面电感磁芯，电感绕组为基于PCB的铜箔绕组。

磁芯由两种磁导率差异较大的磁芯材料制成，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一般远低于第二磁芯材料的磁导率。以将传统的EI型电感磁芯改造为磁阻对称分布结构为例：上磁轭1、下磁轭5由金属软磁类材料制成，其相对磁导率较低(通常在16～150之间)；左右边柱及中柱由功率铁氧体类材料制成，相对磁导率较高(通常在600～3000之间)。

磁芯各部位之间紧密结合，构成一个整体，不需要传统的气隙结构9。

PCB电感绕组7穿过中柱3，被上磁轭1、下磁轭5及左边柱2、右边柱6包围，并放置于磁芯横向对称轴上。

磁阻横向对称分布的平面电感磁芯结构的设计原则是磁阻守恒原则，可以对任意传统结构磁芯进行优化改进。

所述功率电感为平面电感，电感的绕组为基于PCB的铜箔绕组7。磁芯中包含两种相对磁导率差异较大的磁芯材料，一种为相对磁导率较低的金属软磁材料；一种为相对磁导率较高的功率铁氧体材料。

金属软磁材料用于上磁轭1、下磁轭5，提供了磁路中的主要磁阻，也即是将磁路的磁阻集中在整体磁芯结构几何体的上下磁轭部分，呈现出横向对称的分布；功率铁氧体材料用于左边柱2、右边柱6及中柱3，磁阻很小。

低相对磁导率制成的上下磁轭替代了传统电感的气隙7来承担磁路中的磁压降，因此所述磁阻横向对称分布的平面功率电感为无气隙的电感。

横向对称分布的磁阻优化了电感绕组上磁动势(MMF)的分布，MMF的幅值呈现“V”型分布，与磁芯磁阻的分布一致；且MMF的最大值减半，降低了绕组的临近损耗。新结构电感中MMF分布不再随层数单调递增，而是呈现出一种“V”型分布；其它条件均相同的条件下，与传统结构电感相比新结构电感中MMF的最大值减半，因此可以有效降低绕组的临近损耗。

如图2至图6，以传统的EI型磁芯为例，所述磁芯结构以EI型磁芯发展而来。具体结构为：整个磁芯由两种不同的磁芯材料制成，磁芯的上磁轭1和下磁轭5由相对磁导率较低的金属软磁材料制成；磁芯的左边柱6、右边柱2以及中柱3由相对磁导率较高的功率铁氧体材料制成。因此，磁芯的磁阻主要集中在上下磁轭中，从而整体上呈现出一种关于磁芯横向对称轴的对称分布，主导着磁芯窗口4中磁动势幅值MMF的分布也呈现出如图4中实线所示的“V”型横向对称分布。

磁芯整体为一个侧面全包围结构，由于上磁轭1、下磁轭5中低相对磁导率材料的使用已经起到了承担磁路中绝大多数磁压降以及防止磁芯饱和的作用，因此不在需要在磁芯中开气隙。此外，为了更充分发挥，应该将PCB绕组7置于磁芯窗口4的中央，以尽量取得在空间上横向对称分布的MMF，即PCB绕组位于磁芯的横向对称轴的位置。

磁阻横向对称分布的磁芯结构的设计方法包括两步：

首先以AP法完成目标感值L的，传统单一材料并包含气隙的磁芯的几何尺寸的设计，具体为对目标感值为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，得到合适的高磁导率值μ_rh以及磁芯相关的如气隙长度g等基本几何参数；如式1和2所示的，得到如气隙长度g等关键的几何参数以及高磁导率材料的相对磁导率μ_rh：

g≈l_c/μ_rh (2)

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。以将传统的EI磁芯转化为磁阻横向对称分布结构磁芯为例，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也即使保证了结构转化前后电感的感值不变设计原则下，以上述通过AP法设计得到的传统单一材料且有气隙的磁芯的基本几何参数作为新结构磁芯的几何尺寸参数。

其次，以上述得到的磁芯几何尺寸作为转化为磁阻横向对称分布结构后新结构的磁芯的基本几何尺寸参数，也即是磁芯的尺寸基本不变，以EI型磁芯的转化为例，消除气隙，将上磁轭1、下磁轭5中的材料替换为相对磁导率为μ_rl的低磁导率金属磁粉芯材料，依据磁阻守恒原则，如式3所示计算μ_rl：

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。

实施例1

本发明中提出的磁阻横向对称分布结构及设计概念适用于各类型号的平面电感的磁芯，以改造传统EI型磁芯实施例进行如下实施说明：

参考图1为传统的EI型电感磁芯，具体包括上磁轭8，气隙结构9以及E型磁件10。将磁阻分布设计为横向对称的设计概念发展自分布式气隙结构的概念：将传统的EI型磁芯转化为如图2所示的本发明提出的横向对称分布结构的平面电感磁芯，其中具体包括：上磁轭1、下磁轭5，左边柱2、右边柱6，中柱3以及磁芯窗口4。

其中，为了使磁芯的磁阻呈现横向对称的分布，需要使用两种相对磁导率差异较大的磁性材料来分别构造磁芯的各个部件。其中，上磁轭1、下磁轭5中需要提供磁路中的主要磁阻，因此需要由相对磁导率较低的材料制成，同时因为对磁芯结构的设计需要注意减小磁芯损耗的增加，因此最终选择了属于金属软磁材料的铁硅金属磁粉芯材料，其在高频激励下其高频损耗略高于铁氧体或与铁氧体相当，同时可以提供16～125之间的一些特定值的相对磁导率，可以满足高频变换器中功率电感的设计需求。而左边柱2和右边柱6以及中柱3仍由相对磁导率较高的功率铁氧体组成。

合适的磁导率的选择，也即是具有磁阻横向对称分布结构的平面电感的磁芯设计方法包括两个步骤：

首先以AP法完成目标感值L的，由单一高相对磁导率材料制成并包含气隙的磁芯的几何尺寸的设计，如式1和2所示的，得到如气隙长度g等关键的几何参数以及高磁导率材料的相对磁导率μ_rh：

g≈l_c/μ_rh (2)

然后，以上述得到的磁芯几何尺寸作为转化为磁阻横向对称分布结构后新结构的磁芯的基本几何尺寸参数，也即是磁芯的尺寸基本不变，以EI型磁芯的转化为例，消除气隙，将上磁轭1、下磁轭5的材料替换为相对磁导率为μ_rl的低磁导率金属磁粉芯材料，依据磁阻守恒原则，如式3所示计算得到合适的μ_rl。

最终，本发明实例中选择了相对磁导率为16的铁硅金属磁粉芯材料以及相对磁导率为900的锰锌铁氧体材料分别为上磁轭1、下磁轭5以及左边柱2和右边柱6和中柱3的组成材料，完成了感值为13μH的平面电感的设计。

由于低磁导率上下磁轭1、5的存在，因此在本发明提出的磁阻横向对称分布结构的平面电感中，传统的气隙结构9被消除了，整体磁芯结构呈现出一种侧面全包围的结构。同时为了最大限度发挥磁阻横向对称分布后，MMF同样横向对称分布且最大值减半带来的减小临近损耗的收益，可以借助一些非导磁材料的填充，使PCB绕组7应尽量位于磁芯窗口4的横向对称轴的位置。

参考图4，为对本发明提出的磁阻横向对称分布结构平面电感与传统磁芯电感中MMF分布的量化的有限元仿真分析结果，可以看出对磁芯磁阻分布的优化设计有效地优化了MMF的分布：从单调递增优化为“V”型分布，其最大值也从约11.3kA/m减小到约6.2kA/m，从而有效减小绕组邻近损耗的大小。

参考图5，为本发明提出的磁阻横向对称分布结构平面电感与传统磁芯电感中磁芯窗口4的左半边中磁场强度H的矢量分布对比；(a)为对称磁阻分布结构磁芯中H的矢量分布，相比于(b)中的传统有气隙电感的H的矢量分布，可以看出H的集中现象得到了明显的改善；同时磁芯拐角处H的畸变明显减少，磁芯窗口4中的磁场分布相对于PCB绕组7更加平行化和均匀化，从而证明了本发明所提出的磁阻横向对称分布结构的削弱边缘效应、改善磁场分布的有效性。

参考图6，为基于有限元仿真的磁阻横向对称分布结构平面电感与传统有气隙电感的绕组交流电阻仿真结果的对比，可以看出当施加的电流激励的频率分别为300kHz、500kHz、800kHz以及1MHz时，新结构磁芯可以分别将绕组的交流电阻降低约40％、47％、52％以及53％。证实了本发明提出的具有磁阻横向对称分布结构特征的平面电感的优化结构降低绕组交流损耗的有效性以及可执行性。

综上所述，本发明的一种具有磁阻横向对称分布的结构特征的平面电感，包括上下磁轭、左右边柱及中柱以及基于PCB铜箔的电感绕组。其中，磁芯部分由两类不同的导磁材料组成，上下磁轭为相对磁导率较低的铁硅金属磁粉芯材料，提供了磁路中的主要磁阻；左右边柱及中柱为相对磁导率较高的锰锌铁氧体材料；磁芯中消除了传统的气隙结构；从而使得整体磁芯的磁阻分布呈现出一种横向的对称分布。磁阻分布的优化可以有效地优化磁芯中绕组上磁动势的分布，使其呈现出类似的“V”型分布，同时MMF幅值的最大值降低了约一半，从而可以有效降低绕组的临近损耗；磁芯低磁导率部件与PCB绕组平行同时高磁导率部件与PCB绕组垂直的组合，还可以优化磁芯窗口中的磁场分布，削弱磁芯的边缘效应，降低绕组的边缘损耗。该优化后的磁芯结构简单，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。

通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

以上内容是对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。

Claims (9)

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；

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：

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。

9.根据权利要求8所述的低损耗的平面电感磁芯的设计方法，其特征在于，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：

g≈l_c/μ_rh

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。

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