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使用FeBN薄膜电感器的兆赫开关直流变换器

2003-06-24 11:07:08 来源:国际电子变压器 点击:1001
使用FeBN薄膜电感器的兆赫开关直流变换器
A Megahertz Switching DC/DC Converter Vsing FeBN Thin Film Inductor

1 前言
磁性元器件正面临着进一步小型化和提高工作频率的强烈要求。要满足这些要求,只有用薄膜磁性元器件来代替现有的立体元器件。例如,平面电感元器件的高频性能大大优于现有的立体元器件,因此平面电感元器件在电力电子装置(例如开关变换器和逆变器)中的应用,可以促进电子产品的小型化和效率的提高。但是,电力电子装置中电感器和变换器的技术性能强烈依赖于磁芯材料。因此,迫切需要开发高频性良好的高电感磁性薄膜,并制成优质磁性器件以满足强烈的要求。
为了检验薄膜电感器在电力电子装置中的适用性,本文介绍一种电力混合集成直流变换器。其中,电感器为双螺线夹层式薄膜电感器,采用类似光刻的微加工工艺制成。FeBN用作电感器的磁芯材料;改变FeBN膜的沉积参数,以提高其高频性能指标。使用这种薄膜电感器,制成电压箝位零电压开关电压(ZVS-CV)降压型变换器。在1~10MHz频率范围,对ZVS-CV降压变换器性能进行评估。
2 电感器的制作及参数测试

图1是制得的矩形双螺线电感器结构图。器件运用热氧化和等离子体氧体化法制作在Si-(~1μm)晶片上;如图中所示,它包括磁性层(FeBN)/绝缘层(聚酰胺)/螺旋线圈(Cu)/绝缘层(聚酰胺)/磁性层(FeBN)。平面电感器的尺寸是5×5(mm),包括Si基片在内,厚度约为26μm。
用氮气反应射频磁控溅射的沉积态FeBN薄膜(厚~3μm),用作电感器的上、下磁层。在磁性薄膜的沉积期间,用磁棒产生外加磁场,以控制膜的各向异性方向。结果,磁层的难磁化轴就垂直取向于线圈导体电流的方向(见图1)。为了沉积Cu导体线圈,先用射频磁控溅射法淀积Cr(200A)粒晶层;其后加15μm厚光刻胶,制作线圈图形。给图形加掩模之后,有选择地电镀Cu线圈,导体厚~10μm。镀Cu用的电解液,由和蒸馏水组成。去掉光刻胶后,再用刻蚀法消除粒晶层。用作绝缘层的聚酰胺,被旋涂在磁性层和Cu线圈之间。用反应离子刻蚀法,去除电极上的聚酰胺。使用振动样品磁强计和HP4396型网络分析仪,分别测量磁性薄膜的饱和磁化强度()和有效磁导率()。用HP4192A型阻抗分析仪,测1~10MHz内器件的电感量。
3 结果与讨论

如图2所示,随着氮气分压()的变化,值和矫顽力()分别处于16.7~20.8KG和0.2~30Oe(16~2400A/m)以内。在=3.5%时,Hc显示最低临界点。图3指明,磁导率与频率的关系维持在100~500MHz之间。特别是=3.5%)膜,磁性能已达到:~18KG(1.8T)和~13Oe(1040A/m);其电阻率 ~100μΩ·cm,为膜的2倍。这种高电阻率和磁各向异性,可以改进高频特性。另外,铁磁共振(FMR)表示高频段自旋运动会产生损耗,也希望它能改善高频特性。铁磁共振频率用下式表达:

式中,γ——旋磁比,(若频谱分裂g因子的值为2,则γ/2π~2.8MHz/Oe);——平面内磁各向异性。(=3.5%)膜和(=6.5%)膜铁磁共振频率的计算值分别是~0.7GHz和1.3GHz。
如前所述,沉积态纳米晶FeBN膜同FeXN(X=Hf,Al,Ti等)膜比较,显示出更好的软磁性能和高频特性。为了保证器件的技术性能,这里选用了(=6.5%)膜作电感器的磁芯材料。用这种磁膜,获得了所期望的电感量和品质因素(Q)。图4表示FeBN薄膜电感器电感量和品质因素与频率的关系。从中看出了线圈宽120μm、气隙20μm、导体厚10μm和线圈匝数为5的薄膜电感器,在8MHz的性能达到:L~1μH,Q~5,Rcoil~1Ω。
用上述薄膜电感器设计出混合集成直流变换器,——ZVS-CV降压变换器,用ZVS防止效率下降。图5是这种变换器的电路拓朴,虚线圈起来的电路部分是薄膜电感器。

图6是采用片式电感元件和薄膜电感元件的两种直流变换器照片。薄膜电感器用引线接合接到电路板上的。开关频率1.8MHz,把输入电压3.6V降至2.7V;最大功率1.5W。测量ZVS-CV降压变换器的效率,最大值约为80%;直到负载电流300mA,效率都保持这个值。



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