CN204792387U - 超高频功率变换器的3d集成架构 - Google Patents

Abstract

一种超高频功率变换器的3D集成架构，包括PCB电路层和架设于PCB电路层上面的绕组单元，该绕组单元与PCB电路层通过导线连接，该绕组单元包括形成于第一绝缘层上的绕组层和形成于第二绝缘层上的第一软磁薄膜层，该第一软磁薄膜层叠置于绕组层的下面，用以实现绕组层与PCB电路层之间的磁场屏蔽。与现有技术相比，本实用新型利用3D集成，减小变换器的体积，提高功率密度；并利用软磁材料构成磁屏蔽层，解决了绕组与PCB电路层、绕组与外部金属之间的磁场干扰问题，增大绕组的Q值，减小电感和变压器的交流电阻和高频损耗，提高变换器的工作效率；还利用平面磁性元件，保证了产品的小型化和扁平化。且磁性元件的温升大大减小，改善半导体器件的工作环境。

Description

超高频功率变换器的3D集成架构

技术领域

本实用新型属于功率变换技术领域，特别涉及超高频功率变换器的3D集成架构。

背景技术

随着GaN、SiC等新型半导体器件的迅速发展，功率变换器正向着小型化和扁平化发展。传统功率变换器的工作频率一般为几十千到几百千赫兹，动态响应慢，同时储能元件(如电容、电感)的体积重量相对较大，降低了变换器的功率密度。变换器工作频率的提高能够有效减小储能元件的体积重量，因此，变换器高频化、高功率密度化是功率变换器的发展趋势。

随着变换器工作频率的提高，在超高频(VeryHighFrequency，VHF，30～300MHz)频率范围内，谐振电感的感值减小到nH级，使得电感不再需要磁芯，即空芯电感。目前的VHF变换器中，常用的空芯电感分为两种：即空芯螺旋绕线电感和印刷电路板(PrintedCircuitBoard，PCB)内嵌式平面空芯电感。空芯螺旋绕线电感的品质因数(QualityFactor，Q＝ωL/R_AC，其中ω＝2πf，f为电感的工作频率，L为电感的感值，R_AC为电感的交流电阻值)相对较高，但是电感本身成为变换器中高度最高的元件，限制了变换器的功率密度。而PCB内嵌式平面空芯电感虽然将电感集成到PCB板内部，降低了变换器的高度，提高了功率密度，但是，电感的调试和更换变得不可行，降低了变换器的灵活性。

为了对空芯电感进行分析优化，利用AnsoftQ3D有限元软件对空芯螺旋绕线电感进行了建模和仿真。图1为空芯螺旋绕线电感的3D模型，经仿真发现，空心电感的Q值与绕组的有效截面积相关。图2给出了电感的Q值随绕组半径R的变化曲线。可以看出，绕组的有效截面积越大，电感的Q值越大。但是，一味的增加绕组的有效截面积来提高Q值会使电感高度不断增加，进一步减小变换器的功率密度。因此，在增加绕组截面积的同时需要将电感放置成磁场方向垂直于PCB板的方向，如图3所示。但这种做法带来了另外一个问题：空芯电感的磁场与PCB敷铜之间存在干扰，使电感的Q值不断下降。图4为电感的Q值随电感与PCB板距离的变化曲线，可以看出，电感与PCB板距离越近，Q值越低。

同样，随着变换器频率的提高，VHF变换器中的变压器也不再需要磁芯，同时，其原、副边漏感，甚至激磁电感均参与到变换器的谐振中。与空芯电感相似，PCB内嵌式变压器也存在不能灵活调节的问题，而外置的空芯变压器绕组和PCB板敷铜之间同样存在磁场干扰的问题。

另外，在VHF变换器中，由布局、引线等带来的寄生参数，其数量级接近电路中的谐振元件。这些寄生参数，在半导体开关器件的开关瞬间会造成较大的开关损耗和电压、电流应力。以开关管漏极寄生电感为例，由于关断时电流突降为零，其di/dt很大，根据开关管漏极产生一个较大的压降，可能会造成开关管的误导通。同样的，开关管漏极寄生电感则会在开关管关断瞬间造成较大的电压尖峰，增大器件的电压应力。另一方面，这些寄生参数会干扰电路中谐振元件的谐振，影响电路的工作状态。

综上所述，如何将平面磁性元件应用到功率变换器中，并尽可能提高元件的Q值，同时实现系统的小型化、扁平化，尽可能减小线路中的寄生参数，是VHF功率变换中亟待解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适合VHF功率变换的3D集成架构。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种超高频功率变换器的3D集成架构，其特征在于：包括PCB电路层和架设于PCB电路层上面的绕组单元，该绕组单元与PCB电路层通过导线连接，该绕组单元包括形成于第一绝缘层上的绕组层和形成于第二绝缘层上的第一软磁薄膜层，该第一软磁薄膜层叠置于绕组层的下面，用以实现绕组层与PCB电路层之间的磁场屏蔽。

优选的，所述绕组单元还沿PCB电路层对称增设于PCB电路层的下面。

优选的，所述第一软磁薄膜层的下面设有散热层。

优选的，所述绕组单元，还包括形成于第三绝缘层上的第二软磁薄膜层，该第二软磁薄膜层叠置于绕组层的上面，用以保证绕组层的磁场不受外部金属的干扰。

优选的，所述绕组单元的绕组层为平面空芯结构，由若干层的PCB敷铜叠置而成，各层PCB敷铜之间通过过孔连接，用以通过若干层PCB敷铜的层叠结构形成电感的并联连接，以提高电感的Q值。

优选的，所述PCB敷铜的过孔为多个并联，用以减小电感的交流电阻和高频损耗。

优选的，所述绕组单元由PCB电路层投影面内间隔分布的两个单元构成，分别为电感绕组单元和变压器绕组单元，该电感绕组单元的绕组层为方形环状结构；该变压器绕组单元的绕组层为方形螺旋状结构。

优选的，所述绕组单元仅由PCB电路层投影面内的一个单元构成，该绕组单元的绕组层为方形螺旋状结构。

优选的，所述导线为柱形的刚性导线，该刚性导线立于绕组单元与PCB电路层之间，用以实现绕组单元与PCB电路层的电连接，并将绕组单元架设于PCB电路层之上。

优选的，所述导线为可弯曲折叠的柔性导线，该柔性导线连接于绕组单元与PCB电路层之间。

本实用新型的有益效果包括：

1)利用3D集成架构，能够最大程度上减小变换器的体积，提高变换器的功率密度；

2)利用3D集成架构，能够最大程度上减小元器件引线、导线处的连接损耗；

3)利用3D集成架构，能够有效减小变换器线路中存在的寄生参数，尤其是寄生电感，减小半导体开关器件的开关损耗和电压、电流应力；

4)利用平面磁性元件，使得变换器中电感和变压器的高度大大减小，保证了系统的小型化和扁平化；

5)利用软磁材料构成磁屏蔽层，解决了平面空芯电感、变压器绕组与PCB敷铜和外部金属之间的磁场干扰问题；

6)利用软磁屏蔽层增大空芯绕组的Q值，减小电感和变压器的交流电阻和高频损耗，提高变换器的工作效率；

7)利用多层PCB空芯电感，可以增大空芯电感的有效截面积，提高电感的Q值，减小电感的交流电阻和高频损耗，提高变换器的效率；

8)磁性元件的温升大大减小，使半导体器件的工作环境得到改善。

附图说明

图1为现有的空芯螺旋绕线电感的立体示意图；

图2为现有的空芯螺旋绕线电感的Q值随有效截面积变化的曲线图；

图3为现有的电感磁场方向垂直于PCB板的空芯螺旋绕线电感的立体示意图；

图4为现有的空芯螺旋绕线电感的Q值随电感与PCB板之间距离变化的曲线图；

图5为本实用新型第一实施例的超高频功率变换器的3D集成架构的分解立体示意图；

图6为本实用新型第一实施例的超高频功率变换器的3D集成架构的主视图；

图7为本实用新型第二实施例的超高频功率变换器的3D集成架构的主视图；

图8为本实用新型第三实施例的超高频功率变换器的3D集成架构的主视图；

图9为本实用新型第四实施例的超高频功率变换器的3D集成架构的主视图；

图10为本实用新型第五实施例的超高频功率变换器的3D集成架构的主视图；

图11为本实用新型第六实施例的超高频功率变换器的3D集成架构的主视图；

图12为本实用新型第七实施例的超高频功率变换器的3D集成架构的多层PCB制成的平面空芯结构的立体示意图；

其中，1PCB电路板，2a第一软磁薄膜层，2b第二软磁薄膜层，3a第一绝缘层，3b第二绝缘层，3c第三绝缘层，4散热片，5a电感绕组，5b变压器绕组，6导线，7PCB敷铜，8过孔。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，以下将结合附图和具体实施方式，对本实用新型的技术方案进行详细说明。

第一实施例

图5给出了本实用新型第一实施例的超高频功率变换器的3D集成架构的分解立体示意图，图6为该超高频功率变换器的3D集成架构的主视图。

如图5和图6所示，一种超高频功率变换器的3D集成架构，包括PCB电路板1，第一软磁薄膜层2a，第一绝缘层3a，第二绝缘层3b，散热片4，电感绕组5a，变压器绕组5b，导线6。绕组层5a、5b和PCB电路板1之间设有第一软磁薄膜层2a，以实现绕组与PCB电路板1之间的磁场屏蔽。绕组层5a、5b和第一软磁薄膜层2a之间设有第一绝缘层3a，第一软磁薄膜层2a和PCB电路板1之间设有第二绝缘层3b，从而保证了绕组、PCB敷铜和磁性材料之间的电隔离。PCB电路板1和第二绝缘层3b之间设有散热片4，以保证变换器的散热性能。其中，绕组层5a为电感绕组，绕组层5b为变压器绕组，电感绕组5a、第一绝缘层3a、第一软磁薄膜层2a、第二绝缘层3b与散热片4构成电感绕组单元；变压器绕组5b、第一绝缘层3a、第一软磁薄膜层2a、第二绝缘层3b与散热片4构成变压器绕组单元，电感绕组单元与变压器绕组单元在PCB电路层投影面内间隔分布，电感绕组单元与变压器绕组单元两个单元统称为绕组单元5。该电感绕组单元的绕组层5a为方形环状结构；该变压器绕组单元的绕组层5b为方形螺旋状结构。电感绕组5a和变压器绕组5b与PCB电路板1之间通过导线6连接。其他电路元件(包括电容、半导体器件、控制芯片等)分别焊接在PCB电路板1的两面。

优选的，绕组单元可放置在PCB电路板的两侧，即PCB电路板的上方可放置绕组单元5，PCB电路板的下方可放置绕组单元5’。绕组单元5’的绕组层5c可由PCB电路层投影面内的一个单元构成，该绕组层5c为方形螺旋状结构。

前述的绕组层5a、5b、5c采用平面空芯结构。

前述的电容包括变换器的输入、输出滤波电容、谐振电容、隔直电容、解耦电容等。

前述的半导体器件包括传统半导体材料Si型开关管和二极管，新型半导体材料SiC、GaN、GaAs等新型开关管和二极管。

前述的导线包括：通过在中间层(包括绝缘层、软磁薄膜层、散热片等)打通孔的方式，利用直导线连接绕组单元和PCB母板。

前述的导线还包括：利用可弯曲折叠的导线，绕过中间层(包括绝缘层、软磁薄膜层、散热片等)连接绕组单元和PCB母板。

第二实施例

图7给出了本实用新型第二实施例的超高频功率变换器的3D集成架构，与第一实施例的不同之处在于，第二实施例中的绕组单元(包括绕组层以及相应的软磁薄膜层和绝缘层)仅放置在PCB电路板的单侧，例如仅PCB电路板的上方放置绕组单元。

第三实施例

图8给出了本实用新型第三实施例的超高频功率变换器的3D集成架构，包括PCB电路板1，第一软磁薄膜层2a，第二软磁薄膜层2b，第一绝缘层3a，第二绝缘层3b，第三绝缘层3c，散热片4，电感绕组5a，变压器绕组5b，导线6。与第一实施例的不同之处在于，第三实施例中绕组层5a、5b与外部金属(如机壳等)之间设有第二软磁薄膜层2b，以保证绕组的磁场不会受到外部金属的干扰。另外，第二软磁薄膜层2b与绕组层5a、5b之间设有第三绝缘层3c，以保证电隔离。

该软磁薄膜层2b利用软磁材料实现绕组单元与PCB敷铜、外部金属之间的磁屏蔽，解决空芯绕组与金属之间的磁场干扰问题，同时提高绕组的Q值，降低绕组交流损耗。

第四实施例

图9给出了本实用新型第四实施例的超高频功率变换器的3D集成架构，与第三实施例的不同之处在于，第四实施例中的绕组单元(包括绕组层以及相应的软磁薄膜层和绝缘层)仅放置在PCB电路板单侧，例如仅PCB电路板的上方放置绕组单元。

第五实施例

图10给出了本实用新型第五实施例的超高频功率变换器的3D集成架构，与第一实施例的不同之处在于，第五实施例中去掉了散热片4。由于新型半导体器件(如SiC、GaN等新型开关管和二极管)的结温较高，可正常工作的环境温度较高，对变换器的散热性能要求并不是非常高，因此该架构可适用于应用新型半导体器件的VHF变换器中。

第六实施例

图11给出了本实用新型第六实施例的超高频功率变换器的3D集成架构，与第五实施例的不同之处在于，第六实施例中的绕组单元(包括绕组层以及相应的软磁薄膜层和绝缘层)仅放置在PCB母板单侧，例如仅PCB电路板的上方放置绕组单元。

第七实施例

图12给出了本实用新型第七实施例的超高频功率变换器的3D集成架构，与第一至六实施例的不同之处在于，绕组层5a、5b、5c的平面空芯结构由多层PCB制成。该多层PCB制成的平面空芯绕组结构，包括PCB敷铜7和过孔8。该平面空芯绕组结构利用多层PCB敷铜7叠置构成，各层PCB敷铜叠置形成一匝带倒角的方形绕线，各层PCB敷铜之间通过过孔8连接。多层PCB敷铜的过孔8可多个并联，以减小电感的交流电阻和高频损耗，提高电感的Q值。

PCB敷铜层数为n，则多层PCB空芯电感的匝数为n。该电感既可以集成在多层PCB板内部，也可以利用多层PCB板单独制作。该多层PCB空芯电感可以增加绕组的有效截面积，提高电感的Q值，减小电感的交流电阻和高频损耗。

以上实施例只是用于帮助理解本实用新型的方法及核心思想，对本技术领域的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型原理的前提下，通过以上描述与举例能自然联想到的其它等同应用方案，以及对本实用新型进行的若干改进和修饰，均落入本实用新型的权利要求书的保护范围。

Claims (12)

1.一种超高频功率变换器的3D集成架构，其特征在于：包括PCB电路层和架设于PCB电路层上面的绕组单元，该绕组单元与PCB电路层通过导线连接，该绕组单元包括形成于第一绝缘层上的绕组层和形成于第二绝缘层上的第一软磁薄膜层，该第一软磁薄膜层叠置于绕组层的下面，用以实现绕组层与PCB电路层之间的磁场屏蔽。

2.根据权利要求1所述的超高频功率变换器的3D集成架构，其特征在于：所述第一软磁薄膜层的下面设有散热层。

3.根据权利要求1所述的超高频功率变换器的3D集成架构，其特征在于：所述绕组单元，还包括形成于第三绝缘层上的第二软磁薄膜层，该第二软磁薄膜层叠置于绕组层的上面，用以保证绕组层的磁场不受外部金属的干扰。

4.根据权利要求1所述的超高频功率变换器的3D集成架构，其特征在于：所述绕组单元还沿PCB电路层对称增设于PCB电路层的下面。

5.根据权利要求4所述的超高频功率变换器的3D集成架构，其特征在于：所述第一软磁薄膜层的下面设有散热层。

6.根据权利要求4所述的超高频功率变换器的3D集成架构，其特征在于：所述绕组单元，还包括形成于第三绝缘层上的第二软磁薄膜层，该第二软磁薄膜层叠置于绕组层的上面，用以保证绕组层的磁场不受外部金属的干扰。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的超高频功率变换器的3D集成架构，其特征在于：所述绕组单元的绕组层为平面空芯结构，由若干层的PCB敷铜叠置而成，各层PCB敷铜之间通过过孔连接，用以通过若干层PCB敷铜的层叠结构形成电感的并联连接，以提高电感的Q值。

8.根据权利要求7所述的超高频功率变换器的3D集成架构，其特征在于：所述PCB敷铜的过孔为多个并联，用以减小电感的交流电阻和高频损耗。

9.根据权利要求7所述的超高频功率变换器的3D集成架构，其特征在于：所述绕组单元由PCB电路层投影面内间隔分布的两个单元构成，分别为电感绕组单元和变压器绕组单元，该电感绕组单元的绕组层为方形环状结构；该变压器绕组单元的绕组层为方形螺旋状结构。

10.根据权利要求7所述的超高频功率变换器的3D集成架构，其特征在于：所述绕组单元仅由PCB电路层投影面内的一个单元构成，该绕组单元的绕组层为方形螺旋状结构。

11.根据权利要求9或10所述的超高频功率变换器的3D集成架构，其特征在于：所述导线为柱形的刚性导线，该刚性导线立于绕组单元与PCB电路层之间，用以实现绕组单元与PCB电路层的电连接，并将绕组单元架设于PCB电路层之上。

12.根据权利要求9或10所述的超高频功率变换器的3D集成架构，其特征在于：所述导线为可弯曲折叠的柔性导线，该柔性导线连接于绕组单元与PCB电路层之间。