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系统并网技术 ★ 4.0

用于集成电压调节器的双磁芯螺旋封装嵌入式电感器的设计与实现

Design and Demonstration of Dual-Core Spiral Package-Embedded Inductors for Integrated Voltage Regulators

作者 Venkatesh Avula · Prahalad Murali · Madhavan Swaminathan
期刊 IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology
出版日期 2025年4月
技术分类 系统并网技术
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 封装嵌入式电感 双芯螺旋拓扑 电感密度 饱和电流 电感计算
语言:

中文摘要

本文介绍了一种采用双磁芯螺旋拓扑结构的新型封装嵌入式电感器,其旨在提升集成供电系统的性能。所提出的电感器具有制造工艺简单的特点,采用带气隙的磁芯以确保在不同工作条件下性能稳定,且相邻层的螺旋绕组相互重叠,可实现高电感密度。该拓扑结构由夹在两层磁芯之间的螺旋形导体绕组层构成。导体层和绝缘介质层将磁芯分隔开,并作为螺旋电感器磁通量的气隙。气隙可提高电感器的饱和电流性能。除了单螺旋绕组,本文还探索了两种先进的螺旋电感器配置,即两个螺旋绕组的串联和并联。为便于设计,本文提供了用于电感计算的物理模型和解析单项式表达式。为评估这些设计的性能,采用两种不同的磁芯材料和气隙制作了三个电感器样品。总体而言,本文展示了封装嵌入式双磁芯螺旋电感器的性能,其在占用 9 $mm^{2}$ 面积的情况下,可实现 115 nH 电感、5 A 饱和电流以及 330 nH 电感、3.5 A 饱和电流,效率范围为 75% 至 80%。

English Abstract

Novel package-embedded inductors utilizing a dual-core spiral topology, designed for improved performance in integrated power delivery systems, are presented in this article. The proposed inductor features a simple fabrication process, gapped magnetic cores for stable performance across varying operating conditions, and overlapping spiral windings in adjacent layers, achieving high inductance density. The proposed topology consists of a spiral-shaped conductor winding layer sandwiched between two magnetic core layers. The conductor and insulating dielectric layers separate the cores and act as an air gap for the magnetic flux of the spiral inductor. The air gap causes an increase in the saturation current performance of the inductor. In addition to the single spiral winding, two advanced spiral inductor configurations, namely, two spiral windings in series and parallel, are explored. To enable design, a physical model and analytical monomial expressions are provided for inductance calculation. To evaluate the performance of these designs, three inductor samples are fabricated with two different magnetic core materials and air gaps. Overall, package-embedded dual-core spiral inductors with a performance of 115-nH inductance with 5-A saturation current and 330-nH inductance with 3.5A saturation current, occupying a 9- mm^2 area and having efficiencies ranging from 75% to 80%, are demonstrated.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项双核螺旋封装电感技术对我们的高功率密度电力电子产品具有重要的应用价值。该技术通过创新的双磁芯夹层结构和气隙设计,在9平方毫米的紧凑空间内实现了115-330nH的电感量和3.5-5A的饱和电流,这与我们在光伏逆变器和储能变流器中追求的小型化、高效化目标高度契合。

在光伏逆变器领域,特别是组串式和户用逆变器产品中,DC-DC变换环节的电感器往往占据较大的PCB面积和体积。该封装嵌入式电感技术可直接集成到基板中,有效降低系统体积,这对于我们开发更紧凑的微型逆变器和功率优化器产品具有直接推动作用。其75-80%的效率表现虽然仍有提升空间,但对于集成式电压调节器应用已属可接受范围。

在储能系统方面,该技术可应用于BMS电源管理模块和多电平变流器的辅助电源设计中,提升功率密度的同时降低散热需求。气隙设计带来的饱和电流稳定性改善,对于应对储能系统宽工况运行特别有利。

技术挑战主要体现在:一是磁芯材料的高频损耗特性需要进一步优化以适应我们产品中常见的20-100kHz开关频率;二是封装工艺的可靠性和成本控制需要与现有制造体系兼容;三是在大功率应用场景下的热管理和EMI特性仍需验证。

建议我们的研发团队关注此技术方向,特别是在微型逆变器、储能一体机等高集成度产品线上进行预研评估,同时考虑与封装供应商开展联合开发,探索定制化磁芯材料和更大电流等级的设计可能性。