FeMO 薄膜电感器的三维磁场分析

概述:高频磁性器件用磁性材料最好采用具有高饱和磁感应和低损耗特性的高电阻软磁性薄膜。为有助于这种磁性薄膜电感器的设计，本文介绍了这种电感器的三维磁场分析结果。

1 前言
为了达到小型、轻量、携带方便以及工作时间长的目的，以手机为主的信息通信设备正在飞速普及。可以设想，今后这种发展趋势将会更加明显，而且随之对电子设备的电源小型化、轻量化的要求将会越来越高。在这种背景下，开关电源储能元件--薄膜电感器以及薄膜变压器的研究正引起人们高度的重视。近年来，超小型DC/DC变换器正处于开发实用化阶段。目前，这些DC/DC变换器的驱动频率为数MHz，所以，随着高频化，磁性元件的铁损成为一个问题。减少铁损的方法之一，就是提高铁心材料的电阻，抑制涡流损耗。
我们建议采用Fe（CoFe）（M=Hf，Zr希土类）薄膜作为高频磁性器件用高电阻软磁材料。这种磁性薄膜是一种具有1T以上高饱和磁感应以及比原先的合金系软磁性薄膜高数倍到10倍以上电阻率的材料，它在100MHz以上的高频范围内呈现高磁导率和低损耗特性。因此，这些高电阻软磁性薄膜是具有适合高频开关变换器用薄膜性元件的铁心的特性。但是，决定薄膜电感器特性的因素不仅是材料特性，它与结构参数也有很大的关系。如果不能选取最佳参数，就无法获得良好的元件特性。
根据以上观点，本文通过三维有限要素法，对磁场进行了分析，并阐述了与高电阻软磁性薄膜电感器设计有关的情况。
2 分析结果
2.1 分析条件

图1所示为薄膜电感器的基本结构
如图所示，导体形状呈螺旋型，通过导体上下形成的绝缘层构成铁心（磁性薄膜）。以下介绍各种参数的分析结果，表1所示为本研究中所采用的分析数据。
表中，导体宽度Lw=60μm，导体间隔Ls=25μm，匝数为N=6，另外，分析条件为电流一定，激磁电流的振幅为Iep-p=0.3A。

2．2 磁性薄膜的间隔
图2（a）~（d）所示为上下磁性薄膜间隔tgap变化时等效电感L、等效损耗电阻R、品质因数Q以及磁性薄膜内最大磁感应强度Bmax与频率的关系。
由图2（a）可知，随着磁性薄膜间隔tgap的增加，等效电感L下降。其原因如图（d）的磁感应强度可知，它与等效电感的情况相同，由于磁性薄膜内的磁感应强度下降，导致磁性薄膜内涡流减小。由图2（c）可知，随着磁性薄膜间隔tgap的增加，品质因数Q的最大值增大，在tgap =84μm、频率f=5MHz附近的品质因数的最大值Qmax=6.6。

图2 各种性能与间隔的关系
2.3 磁性薄膜的电阻率
图3（a）~（d）所示为磁性薄膜的电阻率变化时等效电感L、等效损耗电阻R以及品质因数Q与频率的关系。

图3 磁性薄膜各种性能与电阻率的关系
图3（d）为磁性薄膜的等效损耗电阻Rmag 。图中，磁性薄膜间隔tgap =70μm，这是假定线圈导体厚度tco= 40μm，并根据导体厚度和绝缘层膜厚所获得的数值。由图3（a）可知，当频率f≤MHz时，等效电感L与无关，是个定值。法f＞1MHz时，电感逐渐减小，而且，磁性薄膜的电阻率越低，其变化越显著，这主要是因为电阻率越低，磁性薄膜的涡流越大，流过导体的电流抵消了磁性薄膜内产生的磁通的缘故。由图3（b）可知，在频率f≥1MHz的范围内，电阻率越高，等效电阻R的增加趋势越缓慢。这样，由于提高了磁性膜的电阻率，就能抑制铁心的铁损，减少高频下的损失。这种情况也可以图3（d）所示磁性薄膜的等效损耗电阻pmag的变化中看出。由图3（c）所示品质因数可知，当电阻率≥1500μΩ.cm时，品质因数Q≥10。另外，随着电阻率的增加，品质因数最大值的增加比较缓慢。
2.4 线圈导体的厚度
图4（a）~（c）所示为线圈导体的厚度tco变化时等效电感L、等效损耗电阻R以及品质因数Q与频率的关系。

图4 导体厚度的影响
计算时，磁性膜的间隔tgap=70μm，磁性膜的电阻率 =1000μΩ·cm。由图4（a）可知，等效电感L与导体厚度无关，几乎呈一定的趋势。由图4（b）可知，当频率f=100KHz时，除了直流电阻不同出现差别外，随着频率的增加，导体厚度越厚，等效损耗电阻R将会急剧增加。这主要是因为：与导体交链的磁通，在导体内产生的涡流损耗与导体厚度成正比增加。由图4（c）可知，在频率f=1MHz~3MHz范围内，当tco=50μm时，可获得最高品质因数。但是，当频率f≥5MHz时，在tco=30μm时，相对于导体厚度的品质因数Q值没有很大的差异。因此，当频率f≥5MHz时，增加导体的厚度，能够控制直流电阻，但并不有助于减少等效电阻。
2.5 磁性薄膜的厚度
图5所示为等效电感L、等效损耗电阻R以及品质因数Q与磁性薄膜厚度的关系。
图中设定频率f=5MHz，线圈导体厚度tco=40μm。另外，对于实际磁性材料的磁性能来说，提高电阻率，就要降低磁导率。计算时，将磁性薄膜的电阻率设定为=350，1000，2000μΩ.cm，将难磁化轴的磁导率设定为600，900，1200，1800。图5-1（a）~（c）所示为等效损耗电感L与膜的关系。

图5-1 等效电感L
图中=0μm表示空心线圈。由图可知，在磁性薄膜厚度≤6μm范围内，随着磁性薄膜厚度的增加，等效电感L增大。图5-2（a）~（c）所示为等效损耗电阻R与薄膜的关系。

图5-2 等效损耗电阻R
由图可知，电阻率越低，相对于磁性膜厚度的等效损耗电阻的倾斜越大。另外，导磁率μ′h越高，等效损耗电阻越大。这主要是因为磁性膜内的磁感应强度高使涡流损耗增加的缘故。
图5-3所示为品质因数Q。
在图5-3（a）图所示电阻率=350μΩ·cm 的场合，只有磁导率μ′h =600时，能够获得比空心电感高的品质因数，电感被限制在较小范围内。由图5-3（b）可知，当电阻率 =100μΩ·cm时，磁性膜厚≤6μm时，可获得Q≥10的品质因数。这是因为磁性薄膜具有高电阻率至使铁损降低的缘故。另外，无论何种磁导率，在磁性膜厚 =1.5μm附近，品质因数最大。由图5-3（c）可知，当电阻率 =2000μΩ·cm时，磁性膜厚 ≤6μm时，品质因数Q＞10。根据上述情况可知，提高磁性薄膜的电阻率，可以控制涡流，减少等效损耗电阻。另外，本报告至少确认在磁性薄膜电阻率 =2000μΩ·cm时，仍具有高阻特性。

图5-3 磁性薄膜厚度的影响
3、 结束语
以上为采用高电阻FeMO膜的薄膜电感的三维磁场分析的研究结果。根据这些结果可知，高频范围内的薄膜电感损耗，并不是导体的损耗，而是磁性材料的涡流损耗较大。因此，提高磁性薄膜的电阻率，可以控制涡流损耗，减少等效损耗电阻，获得较高的品质因数。另外，通过分析可知，当频率f=5MHz时，可获得Qmax=13.1的品质因数。随着磁性薄膜间隔的增加，等效电阻降低，磁性薄膜内的最大磁感应强度降低。所以，还有待于改善直流重叠特性。但是，由于电感本身的下降，所以必须抑制涡流，增加磁性膜厚度。关于导体的等效损耗电阻，增加导体的厚度，能够降低直流电阻。但是，在高频范围内，过渡磁通所产生的损耗影响比较显著。另外，由于采用了高电阻率薄膜后，磁性薄膜的损耗电阻大大降低，因此，在整个损耗中，导体的等效损耗电阻所占的比例高。有关如何降低导体厚度增加时导体所产生的交流损耗，有待于今后探讨。
（原文参考文献4篇略）