摘要：  文章介绍一种用于低电压大电流的DC/DC变换器的平面型电感器，其结构由铁氧体和聚酰亚胺复合薄膜叠装组成。铁氧体材料的物理特性为40vol%，平均直径为10μm的Mn-Zn铁氧体颗粒料，制成的复合磁心的相对磁导率低至6；成品平面电感器的尺寸为15×15×1.4(mm3)，包括它们内部的2匝方形螺旋状铜线圈，顶部的350μm厚度的复合磁心，底部的1mm厚度的Ni-Zn铁氧体基片。这种电感器线圈的直流电阻为15mΩ，电感值为140nH。当叠加10A直流电流时，电感量的下降小于4%。这种平面电感器用于同步整流型降压变换器，其开关频率为1MHz，输入电压5V，输出电压1V，电流4A，其最大变换效率为80%。

关键字：  复合膜，平面电感器，铁氧体，聚酰亚胺，变换器

1 引言
近十多年来，随着电力电子技术的发展进步，低电压大电流DC/DC变换器对低压大电流的大规模集成电路的需要量日益增加。对这种变换器用的电感线圈有如下要求：很大的额定电流、尽可能小的直流电阻以及薄的外形；电感器磁心的磁导率要低，以避免产生磁饱和。以低磁导率的铁(Fe)微颗粒/树脂薄膜复合磁心和线圈一起构成的复合型平面电感器就可以达到以上要求。然而，这种电感器的厚度还不够薄，尚有3mm厚。同时，材料中的Fe颗粒要作钝化处理，以避免在磁心的制造过程中发生氧化、影响磁心质量与性能。
铁氧体颗粒/树脂薄膜复合型电感器是采用丝网印刷工艺制造的，其磁心即是Mn-Zn铁氧体/聚酰亚胺厚膜的复合物。
2 低电压大电流降压型DC/DC变换器对所用电感器的要求
在电感器中存在连续电流的条件下，降压型DC/DC变换器的临界电感量LC可用以下表达式(1) 叙述：
LC=Vo(1-Vo/Vi)/2fsIo                                                (1)
式中，Vi为输入电压，Vo是输出电压，Io是输出电流，fs为开关频率。
举例：当Vi=5V，Vo=1V，Io=10A，fs=1MHz时，则临界电感量LC=40nH。在降压型DC/DC变换器使用的电感器要求具有大的额定电流和尽量小的线圈直流电阻。在本课题中，DC/DC变换器用电感器的拟定电感量是100nH。
3 铁氧体/聚酰亚胺膜复合磁心的制造与性能
3.1 复合膜磁心的制造方法
为了获得用于大电流变换器的平面电感器，采用了铁氧体/聚合物复合磁心。大电流情况下必须避免磁饱和，故这种磁心的磁导率要低。
该复合磁心使用多晶Mn-Zn铁氧体粉末和聚酰亚胺薄膜作为初始基础材料。Mn-Zn铁氧体粉末的颗粒度平均直径为7μm，其饱和磁化强度MS(F)≈5K(G)，直流矫顽力HC(dc)=400(e)，直流电导率σdc=0.3(s/m)。聚合物使用的是粘度为800(cp)的聚酰亚胺酸溶液。
将Mn-Zn铁氧体粉末和聚酰亚胺酸溶液按重量比为3∶1的比例混合成浆料。为什么选择3∶1的混合比呢？经过试验，3∶1比例得到的混合浆料很适合丝网印刷使用。然后用丝网印刷工艺淀积成混合膜，接着以572K的温度固化60分钟，固化后，聚酰亚胺酸即变成了聚酰亚胺聚合物，也就是说，混合溶液经固化即成了铁氧体/聚酰亚胺复合膜材料。由于铁氧体粉末是稳定的氧化物材料，故不再需要对Fe粒子采用钝化壳层工艺。
图1所示为150μm厚度的复合磁膜用扫描电镜(SEM)扫描出的显微剖面图像。该图没有显示出其中的铁氧体颗粒状况，但采用X射线微观分析仪进行观测时，可以确认铁氧体颗粒已均匀地分布在聚酰亚胺母材之中，成功地构成了铁氧体/聚酰亚胺复合膜材料。
3.2 铁氧体/聚酰亚胺复合磁心的磁性能
图2给出的是该复合磁性薄膜的静态磁化曲线。图中可见，这种磁膜的饱和磁化强度MS(C)≈2K(G)，即使在2.5K(G)的磁场中仍不会被饱和。采用简单的磁化稀释机制即F=MS(C)/MS(F)计算，可以得出铁氧体的体积百分数F≈40%。
3.3 复数磁导率
图3所示为复合磁膜的复数相对磁导率μr"(μr'-jμr")。从图中可见，在MHz频段，复合磁膜呈现出了低至6左右的磁导率μr'和很小的磁损耗μr"。由于复合材料的电阻率是铁氧体材料的104倍，故其高频涡流损耗极小。而且，直到100MHz时，其磁导率μr'都近似为一个常数，图中曲线相对平直。
4 平面电感器的结构、性能分析
4.1 平面复合膜电感器的结构
在本文中，我们研究和阐述了两种结构形式的平面电感器。第一种形式是将置于内部的方形螺旋线圈夹在顶层和底层复合膜磁心之间；第二种形式是把同样的螺旋线圈夹在顶层复合膜磁心和底部的厚度为1mm的Ni-Zn铁氧体基片之间。该基片的相对磁导率为100，饱和磁化强度为2K(G)。表1列出了这两种平面电感器的技术规格。
图4是两种类型平面电感器的结构简图。图中的复合膜磁心是用丝网印刷技术制造的，螺旋铜线圈采用光刻和湿式蚀刻法制作，线圈厚度45μm，直流电阻值近似15mΩ。
4.2 复合膜磁心厚度与电感值的关系
为了预测复合膜厚度与电感量之关系特性，可采用三维(3D)有限元法计算出电感值。
图5给出的是，叠加了10A直流电流时的复合膜厚度与电感量(L)之间的关系曲线。图中的黑点表示该电感器的测量值，它和计算得出的电感量十分吻合。在第一种类型的电感器中，薄膜厚度超过300μm时，电感量的增加达到饱和值。但第二种类型的电感器即使在复合膜较厚时，电感量仍随着膜厚的增加而升高，其原因是使用了高磁导的Ni-Zn铁氧体作为电感器的基片。通过实验我们还观察到，即使叠加的直流电流达到10A，磁心也没有饱和。在第二种类型的电感器中，高磁导率的Ni-Zn铁氧体基片的磁通密度仅为其饱和值[2K(G)]的1/5。
根据复合磁膜厚度——电感量特性曲线可见，第二种类型电感器顶部的复合磁膜磁心厚度超过200μm，即可满足其100nH的目标电感值。[#page#]
4.3 复合膜平面电感器电性能的测量
图6所示为第二种类型电感器的顶层膜磁心为350μm时，其电感量L、品质因数Q值与频率的关系曲线。由图可见，虽然电感值随着频率的升高逐步减小，但其仍然具有空心电感器4倍以上的电感值。在频率为4MHz左右，第二种类型的电感器的品质因数Q值最大约为30。
图7示出了第二种类型电感器的直流叠加特性。图中可以看到，即使叠加的直流电流达到10A，电感值下降幅度也低于4%。这种优异的直流叠加特性源于顶部的复合磁心的磁导率低至6。第二种类型电感器在叠加直流电流至10A时的电感量L，近似地和传统的Fe基粉末复合磁心电感器的电感值相等。由于本文研究的复合膜平面电感器是平面型结构，所以其散热性能优良。
5 复合膜磁心在降压型DC/DC变换器中的应用
为了满足输入电压为5V，输出电压为1V的大电流DC/DC降压变换器的使用要求，选择了以第二种类型制作的平面电感器，因为这种平面电感器与传统的Fe基粉末复合磁心电感器具有近似的技术性能，即磁心的磁导率低至6，在叠加直流电流至10A仍不饱和。
图8所示为开关频率为1MHz的降压型DC/DC变换器(Vi=5V， Vo=1V)的变换效率与输出电流的关系曲线。该变换器由PWM控制器，作为主开关/整流器的MOSFET开关（采用Volttera公司的VT1001模块）和10μF输入/输出电容器组成。其输出电流为4A时具有最大的变换效率，即达80%；变换效率与电流的关系曲线也与采用传统的Fe基粉末复合磁心电感器的同类型变换器电路极为接近。
6 小结
介绍了一种低电压大电流DC/DC降压变换器使用的铁氧体/聚酰亚胺膜复合磁心平面电感器。其高度仅为1.4mm，系薄型器件，故散热性能优良。同时，该电感器基片的背面可以用来制作电路板，故DC/DC变换器也可成为薄型模块。

参考文献
[1] Kowase. et al.， IEEE Trans. Magn.， 2005， 41(10): 3991~3993.