小型化低温共烧陶瓷DC/DC变换器研究
发布时间：2021-04-12 00:04
电源作为所有电子产品的必要模块,对其的设计要求也日渐拔高。为了解决开关电源中磁性元件占据大部分体积的问题,各类新型材料和封装技术层出不穷。低温共烧陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic Technology,LTCC）作为一种新型的材料技术,不仅具有良好的温度特性和高频特性、良好的散热性而且还有损耗低、体积小、高度低、集成灵活等优点,因此在磁性器件设计中被广泛地应用于削减高度。本文以LTCC和多种三维电感结构为基础,设计并实现了四款新型小型化低温共烧陶瓷DC/DC变换器。进一步验证了LTCC集成技术在微型电源装置设计中的可行性。本文首先基于LTCC工艺流程完成了基板摸底实验并验证了用于变换器设计的LTCC铁氧体基板材料的可靠性。随后从DC/DC变换器的拓扑结构、DC/DC变换器的调制模式和DC/DC变换器的工作模式三个方面构建了DC/DC变换器,并列出了衡量变换器性能的主要参数。紧接着本论文利用两种非隔离型变换器拓扑结构设计了三款降压型DC/DC变换器和一款升压型变换器。经不断测试评估,实现了四款变换器的主控芯片微型化,较近年相关变换器中的芯片占位,节约...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
内埋置无源器件的LTCC模型
第二章低温共烧陶瓷及变换器的理论基础92.2.3LTCC基板材料选择与摸底实验通常在LTCC微波毫米波电路的设计中，为了保证后续实验的结果的准确性，往往要对基板磁性材料进行摸底实验。基板材料摸底实验，即跟踪完成除印刷导体电路外的一整套加工流程并评估材料的机械性能和电气性能是否符合设计要求。因此为了保证设计的完整性，基板磁性材料摸底实验是十分有必要的。用于LTCC基板设计的软磁铁氧体材料有MnZn铁氧体、NiZn铁氧体、LiZn铁氧体三种。由于MnZn铁氧体和LiZn铁氧体的电阻率均低于NiZn铁氧体，因此在开关变换器常见的工作频率MHz级别下损耗较高，并不适合用于变换器设计。本课题选用本课题组自制的NiCuZn铁氧体粉末，加入Cu元素能有效地降低烧结温度，由此更加符合LTCC的技术要求。当铁氧体磁介质基板体积恒定时，绕组电感耐电流能力随铁氧体材料磁导率的升高而下降。而小功率变换器中一般都会有大电流通过，因此对电感的耐电流能力有一定的要求。本课题选择了初始磁导率相对较低的铁氧体粉末。但是也不能盲目的追求低磁导率的磁料粉末，因为低磁导率将会进一步减少绕组电感值。这样就需要在保证电感平面尺寸不变的情况下，增加电感绕组的层数这样会使电感的等效串联电阻DCR值增大，电感的直流损耗增加的同时变换器效率却降低了。NiO、Fe2O3、ZnO和CuO粉末经一次球磨后，在空气中煅烧，煅烧温度为800℃。随后将作为助烧剂的Bi2O3加入并再次球磨烘干，以此得到了用于变换器设计的基板材料。测试磁环如图2-3所示：图2-3基板测试磁环由前期相关研究成果已知，铁氧体的磁导率与密度和晶粒成正比。铁氧体样品的SEM图如图2-4所示。根据阿基米德排水法可知磁环的密度为5.14g/cm3，验证了材料的致密性符合LTCC基板材料要求。
电子科技大学硕士学位论文10图2-4铁氧体基板的SEM图由于绝大多数的变换器工作频率不超过10MHz，因此在0.5MHz-30MHz的频率范围内扫描得到了磁谱曲线如图2-5所示：51015202530020406080100120permeabilityFrequency(MHz)μ图2-5铁氧体基板的磁谱曲线图本课题实现的四款变换器工作频率范围为1.5MHz-4MHz，由铁氧体基板的磁谱曲线可知，在此频率范围内，曲线走势平稳。初始磁导率为70，符合相关设计规定。由于变换器中有大电流流过，因此铁氧体基板材料必须具有良好的偏置能力。如图2-6所示，随着直流偏置叠加磁场增加，增量磁导率会呈下降趋势。已有前期研究表明，初始磁导率越高，增量磁导率下降的速率越快。因此选择高磁导率初始值基板材料虽能提升电感值，但也有致命缺陷为磁基板也更易饱和。图2-6已表明本课题实现的NiCuZn铁氧体地增量磁导率下降速率较缓，这是因为材料的高矫顽力Hc能产生一定的退磁场以此抵消一部分外磁场的影响。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于LTCC技术的DC-DC变换器基板设计[J]. 李元勋,叶剑,李颉,陈鑫华,苏桦,张怀武. 电子科技大学学报. 2017(03)
[2]A digitally controlled PWM/PSM dual-mode DC/DC converter[J]. 甄少伟,张波,罗萍,侯思剑,叶璟欣,马骁. 半导体学报. 2011(11)
[3]基于电压/电流控制模式的组合式三相逆变器[J]. 李立,黄松柏,汪洪亮. 电机与控制学报. 2011(02)
[4]配电网高低压综合电压/无功优化方法[J]. 焦明明,杨仁刚,牛焕娜. 电力系统保护与控制. 2010(24)
[5]电流纹波率分析与输出滤波电感的优化设计[J]. 伍健,何礼高,付国清. 电力电子技术. 2010(05)
[6]一种精确控制初级反馈AC/DC转换器输出电压的方法[J]. 李海松,刘佑宝. 南开大学学报(自然科学版). 2009(05)
[7]高频开关电源主要磁性元件的设计[J]. 吴晓民,赵大风. 电源技术应用. 2009(07)
[8]线性电源的EMC设计依据[J]. 林传骝. 国外电子测量技术. 1998(05)
硕士论文
[1]基于LTCC技术的DC/DC开关电源模块小型化的研究[D]. 王嵩.电子科技大学 2013
[2]高频磁性元器件损耗分析及电感温升电流测量装置的研究[D]. 刘国伟.福州大学 2011
[3]开关电源技术[D]. 岑远军.电子科技大学 2009
本文编号：3132210
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
内埋置无源器件的LTCC模型
第二章低温共烧陶瓷及变换器的理论基础92.2.3LTCC基板材料选择与摸底实验通常在LTCC微波毫米波电路的设计中，为了保证后续实验的结果的准确性，往往要对基板磁性材料进行摸底实验。基板材料摸底实验，即跟踪完成除印刷导体电路外的一整套加工流程并评估材料的机械性能和电气性能是否符合设计要求。因此为了保证设计的完整性，基板磁性材料摸底实验是十分有必要的。用于LTCC基板设计的软磁铁氧体材料有MnZn铁氧体、NiZn铁氧体、LiZn铁氧体三种。由于MnZn铁氧体和LiZn铁氧体的电阻率均低于NiZn铁氧体，因此在开关变换器常见的工作频率MHz级别下损耗较高，并不适合用于变换器设计。本课题选用本课题组自制的NiCuZn铁氧体粉末，加入Cu元素能有效地降低烧结温度，由此更加符合LTCC的技术要求。当铁氧体磁介质基板体积恒定时，绕组电感耐电流能力随铁氧体材料磁导率的升高而下降。而小功率变换器中一般都会有大电流通过，因此对电感的耐电流能力有一定的要求。本课题选择了初始磁导率相对较低的铁氧体粉末。但是也不能盲目的追求低磁导率的磁料粉末，因为低磁导率将会进一步减少绕组电感值。这样就需要在保证电感平面尺寸不变的情况下，增加电感绕组的层数这样会使电感的等效串联电阻DCR值增大，电感的直流损耗增加的同时变换器效率却降低了。NiO、Fe2O3、ZnO和CuO粉末经一次球磨后，在空气中煅烧，煅烧温度为800℃。随后将作为助烧剂的Bi2O3加入并再次球磨烘干，以此得到了用于变换器设计的基板材料。测试磁环如图2-3所示：图2-3基板测试磁环由前期相关研究成果已知，铁氧体的磁导率与密度和晶粒成正比。铁氧体样品的SEM图如图2-4所示。根据阿基米德排水法可知磁环的密度为5.14g/cm3，验证了材料的致密性符合LTCC基板材料要求。
电子科技大学硕士学位论文10图2-4铁氧体基板的SEM图由于绝大多数的变换器工作频率不超过10MHz，因此在0.5MHz-30MHz的频率范围内扫描得到了磁谱曲线如图2-5所示：51015202530020406080100120permeabilityFrequency(MHz)μ图2-5铁氧体基板的磁谱曲线图本课题实现的四款变换器工作频率范围为1.5MHz-4MHz，由铁氧体基板的磁谱曲线可知，在此频率范围内，曲线走势平稳。初始磁导率为70，符合相关设计规定。由于变换器中有大电流流过，因此铁氧体基板材料必须具有良好的偏置能力。如图2-6所示，随着直流偏置叠加磁场增加，增量磁导率会呈下降趋势。已有前期研究表明，初始磁导率越高，增量磁导率下降的速率越快。因此选择高磁导率初始值基板材料虽能提升电感值，但也有致命缺陷为磁基板也更易饱和。图2-6已表明本课题实现的NiCuZn铁氧体地增量磁导率下降速率较缓，这是因为材料的高矫顽力Hc能产生一定的退磁场以此抵消一部分外磁场的影响。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于LTCC技术的DC-DC变换器基板设计[J]. 李元勋,叶剑,李颉,陈鑫华,苏桦,张怀武. 电子科技大学学报. 2017(03)
[2]A digitally controlled PWM/PSM dual-mode DC/DC converter[J]. 甄少伟,张波,罗萍,侯思剑,叶璟欣,马骁. 半导体学报. 2011(11)
[3]基于电压/电流控制模式的组合式三相逆变器[J]. 李立,黄松柏,汪洪亮. 电机与控制学报. 2011(02)
[4]配电网高低压综合电压/无功优化方法[J]. 焦明明,杨仁刚,牛焕娜. 电力系统保护与控制. 2010(24)
[5]电流纹波率分析与输出滤波电感的优化设计[J]. 伍健,何礼高,付国清. 电力电子技术. 2010(05)
[6]一种精确控制初级反馈AC/DC转换器输出电压的方法[J]. 李海松,刘佑宝. 南开大学学报(自然科学版). 2009(05)
[7]高频开关电源主要磁性元件的设计[J]. 吴晓民,赵大风. 电源技术应用. 2009(07)
[8]线性电源的EMC设计依据[J]. 林传骝. 国外电子测量技术. 1998(05)
硕士论文
[1]基于LTCC技术的DC/DC开关电源模块小型化的研究[D]. 王嵩.电子科技大学 2013
[2]高频磁性元器件损耗分析及电感温升电流测量装置的研究[D]. 刘国伟.福州大学 2011
[3]开关电源技术[D]. 岑远军.电子科技大学 2009
本文编号：3132210
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