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降低平面电感器损耗的结构 摘要：假设磁芯无限电阻率是在导体宽度的函数条件下，用有限差分法分析嵌有磁芯的矩形导体之交流电阻。用磁陛材料填充这种夹层结构中的空隙，证明可有效降低宽／高比大的导体之Rac／Rdc比。然而当计八铁损且其超过铜损之时，在磁路中设置气隙被证明是一种折衷损耗的满意方法，即Q因子可提高，但以增加铜损和降低电感为代价，按照这种方法，研制一个采用NiZn铁氧体的平而电感，它可用来作儿瓦的dc-dc变换器储能电感器 文中还提出了一种降低磁芯涡流损耗的新概念。关键词：磁芯无限电阻率 dc-dc变换器 铜损 1 引言??? 磁性功率器件小型化是减小开关电源尺寸的关键所在 对器件小型化引出的问题是在高频工作时，磁性捌料和导体的损耗增大。与普通的器件相比，在采用小型铁芯或平面铁芯的器件中，导体与磁性材料接触更紧密，因此，导体中的电流分布受磁性材料强烈影响而引起异常铜损．或大的Rac／Rdc比。在这些研究中，铁芯的几何结构由传统结构发展而来。对夹层结构平面电感器．其构成包括一对磁基片和一个纯平面线圈，如导体采用没有重叠的盘绕线罔则适于用光刻制造。虽然螺旋线圈产生单一的偶极磁场，但是本研究中采用的平面线罔可产生恰当定位的磁场。因线圈中的某种周期性，这些磁场仅分布于线圈平面周同。电磁场被限制在夹层结构内，因而实际上不会对电子设备中的其他低能级元件产生电磁干扰fEMI)。??? 首先，我们将对嵌有一双磁基片的单个矩形导体中的电流分布进行数值分析，以此作为 解这种导体交流电阻的基础。其次，计算电感器的电感和交流电阻，在这种电感器中，盘状线圈嵌入到一对磁片中的一个磁基片，并为另一基片所覆盖，在两个基片间留出一定气隙。我们将阐述气隙对铜损与铁损折衷办法以及电感值的控制。第三，讨论用NiZn铁氧体和一个嵌入式盘绕线圈制成的电感器的特性。最后将描述一种“网孔 线圈，利用这种线圈，可以减少磁芯中的涡流损耗。2 电流分布与交流电阻??? 了解各种基本情况下单个矩形导体中的电流分布是理解这种导体交流电阻的基础。因而 针对图1所示的三种情况，用有限差分法(FEM)对这些矩形导体中的电流密度进行2D 分析。在状态(a)，仅示出一个导体，其切面尺寸为：高(趋肤深度)，宽W=105。在状态(b)，相同的导体被嵌八在一对磁基片中，且在状态(c)，(b)中的两个气隙用另一磁性材料填充，其导磁率为 。假定是无损耗磁芯，并给其对称平面施加满足时的矢量电势A这一边界条件，以及给模拟无穷远的外边界施加一个边界条件A=0，这样，对四分之一的区域(右上)进行分析．对状态(a)和(b)，经分析得到的电流密度幅度(非瞬时值)示于图2。图中，对幅度进行了归一化，以便相同数量的直流电流密度可以归一。显然，大的电流密度出现在边缘上。正如对变压器磁化电流进行的FEM 分析所指出的那样 而且，这一现象因磁芯而加强 这可以通过引人一维求解的镜像电流来解释，或者根据在导体中某部分流动的电流特性来解释。在导体中，电流遛遇较小的阻抗或耦合磁通。阿3针对i科I不同宽度绘出了Rac／Rdc对铁芯导磁率的关系曲线。应该注意，仅当时， 这些Rac／Rdc 比才增至它们最大值（w/2)的一半。图4示出了以磁性材料填充导体两侧空隙所造成的影响，图中，填充制料的导磁率从l变化至1000。Rac／Rdc比随增加而增加。值得注意的一点是，超出=100，这一比值进一步变小，这时，导体被相同的磁性材料包围。用磁性材料填充空隙可能并不是一种研制变压器的有用方法，然而，在加宽导体取得大的电流容量与低的Rac／Rdc比这二者存在的兼容性问题 通过填充空隙可获很大程度的改善，如图5所示。这对研制电感器是重要的。如果有人试图用宽的矩形导体增加电流容量，那么必须记住，Rac／Rdc比是磁路连续性的敏感函数。 3 导体嵌人式平面电感器??? 将导体深深埋人磁芯之中，是减小高频磁场影响铜损的一种好方法，但是在研制功率电感器的简单方案中仍存在几个问题。它们是：电感直接取决于导磁率，大电流会使磁芯饱和。而且更重要的是，磁通大幅度变化会引起大的铁损。当然，具有线性B-H 特性．可控导磁率及高电阻率的某种磁性材料可能是解决这些问题的办法，但根据现阶段材料的研究，必须寻找一种实用的解决办法来取代 我们采取的办法是，将导体嵌人一对磁基片之一个之中．然后将另外一个磁基片覆盖其上，在两基片间留有气隙 这种电感器的截面示于图6，假定其采用盘绕线圈[见图l4(b)]。这种嵌入式平面电感器中的气隙所起的作用类似于普通电感器中的气隙，但更加显著。可用该气隙来控制电感值并且对铜损与铁损二者进行调节。在此要指出的重点是，气隙尺寸量级变化。除此之外，嵌人式平面电感器不会因气隙二维分布而引起热点，这不同于具有集总气隙的普通电感器。 ?