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系统并网技术 DC-DC变换器 ★ 5.0

金属填料改性对封装嵌入式集成电压调节器中环形电感的影响

Effect of metal filler modification on toroidal inductors for package embedded integrated voltage regulators

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中文摘要

随着人工智能和数据中心应用对电力需求的不断增加,直流 - 直流转换器必须靠近小芯片放置,以实现高效供电。这些转换器电路中使用的电感器有着严格的要求,仅通过修改电感器设计无法满足这些要求。需要在磁性材料方面取得进展,以确保转换器电路达到高效率。本研究探讨了由铁 - 6.5 重量百分比硅和双苯并环丁烯(BCB)组成的金属 - 聚合物复合材料(MPC)系统中金属填料的形状、晶体结构和退火处理对磁导率、饱和特性、小信号损耗(<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">$r_{acx}$ </tex-math></inline-formula>)和大信号损耗(<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">$R_{acx}$ </tex-math></inline-formula>)的影响。在 5 兆赫兹下,根据填料的填充量、热处理方式和形状,磁导率达到了 15.4 至 18.67,损耗角正切低至 0.016 至 0.032。所有在聚合物基体中填充量不同、形状各异的样品在直流电流达到 4 安培时都未出现饱和现象。通过测量还得出结论,退火处理有助于降低磁芯的小信号和大信号损耗。本研究结果有助于推动直流 - 直流转换器用磁性材料的创新,且不受转换比的限制。

English Abstract

With the increasing power needs for AI and datacenter applications, dc–dc converters have to be placed close to the chiplets to deliver power efficiently. Inductors used in these converter circuits have stringent requirements that cannot be met only by modifying inductor designs. Advances in magnetic materials are required to ensure the converter circuits meet high efficiencies. This work investigates the effect of shape, crystalline structure, and annealing of metal fillers of a metal-polymer composite (MPC) system comprising Fe-6.5 wt% Si and bisbenzocyclobutene (BCB) on magnetic permeability, saturation, small-signal losses ( r_acx ), and large-signal losses ( R_acx ). Magnetic permeabilities between 15.4 and 18.67 were achieved with a low-loss tangent between 0.016 and 0.032 at 5 MHz depending on the loading, heat treatment, and shape of filler. All the samples with varying loading of the filler shapes in the polymer matrix did not show saturation behavior up to 4-A dc. Through measurements, it was also concluded that annealing can help in the reduction of small- and large-signal losses in the magnetic core. The results presented in this work can help to drive innovation in magnetic materials used in dc–dc converters independent of conversion ratios.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项关于封装嵌入式集成稳压器环形电感器的金属填料改性研究具有重要的战略意义。该技术针对AI和数据中心应用中DC-DC转换器的高功率密度需求,通过优化Fe-6.5wt%Si与BCB聚合物复合材料的金属填料特性,实现了15.4-18.67的磁导率和0.016-0.032的低损耗角正切值(5MHz),这对我们的核心产品线具有多重应用价值。

在光伏逆变器领域,该技术可显著提升DC-DC变换环节的功率密度和效率。当前我们的组串式逆变器和集中式逆变器都面临着小型化与高效率的双重挑战,特别是在MPPT电路和升压电路中。这种低损耗、高磁导率的磁性材料能够减小电感体积,降低开关损耗,对于提升系统级效率至关重要。研究中提到的材料在4A直流电流下不饱和的特性,也为大功率应用提供了可能性。

对于储能系统的PCS(功率转换系统)和DC-DC变换器,该技术的小信号和大信号损耗优化特性尤为关键。储能系统需要频繁进行充放电切换,退火处理能降低磁芯损耗的发现,可直接转化为系统效率提升和热管理优化,延长设备使用寿命。

然而,技术应用仍面临挑战:材料从MHz频段向我们常用的20-100kHz工作频率的性能迁移需要验证;Fe-Si合金的成本控制和规模化生产工艺需要完善;封装嵌入技术与现有制造流程的兼容性也需要深入评估。建议我们的研发团队关注该技术方向,探索与功率器件集成封装的可能性,这将是未来高功率密度新能源装备的关键突破点。