超高频功率变换器的3d集成架构的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于功率变换技术领域，特别涉及超高频功率变换器的3D集成架构。
【背景技术】
[0002] 随着GaN、SiC等新型半导体器件的迅速发展，功率变换器正向着小型化和扁平化 发展。传统功率变换器的工作频率一般为几十千到几百千赫兹，动态响应慢，同时储能元件 (如电容、电感）的体积重量相对较大，降低了变换器的功率密度。变换器工作频率的提高 能够有效减小储能元件的体积重量，因此，变换器高频化、高功率密度化是功率变换器的发 展趋势。
[0003]随着变换器工作频率的提高，在超高频（VeryHighFrequency，VHF，30~300MHz) 频率范围内，谐振电感的感值减小到nH级，使得电感不再需要磁芯，即空芯电感。目前的 VHF变换器中，常用的空芯电感分为两种：即空芯螺旋绕线电感和印刷电路板（Printed CircuitBoard，PCB)内嵌式平面空芯电感。空芯螺旋绕线电感的品质因数（Quality Factor，Q= ?L/RAC，其中《 = 2Jrf，f为电感的工作频率，L为电感的感值，RAC为电感的 交流电阻值）相对较高，但是电感本身成为变换器中高度最高的元件，限制了变换器的功 率密度。而PCB内嵌式平面空芯电感虽然将电感集成到PCB板内部，降低了变换器的高度， 提高了功率密度，但是，电感的调试和更换变得不可行，降低了变换器的灵活性。
[0004] 为了对空芯电感进行分析优化，利用AnsoftQ3D有限元软件对空芯螺旋绕线电感 进行了建模和仿真。图1为空芯螺旋绕线电感的3D模型，经仿真发现，空心电感的Q值与 绕组的有效截面积相关。图2给出了电感的Q值随绕组半径R的变化曲线。可以看出，绕 组的有效截面积越大，电感的Q值越大。但是，一味的增加绕组的有效截面积来提高Q值会 使电感高度不断增加，进一步减小变换器的功率密度。因此，在增加绕组截面积的同时需要 将电感放置成磁场方向垂直于PCB板的方向，如图3所示。但这种做法带来了另外一个问 题：空芯电感的磁场与PCB敷铜之间存在干扰，使电感的Q值不断下降。图4为电感的Q值 随电感与PCB板距离的变化曲线，可以看出，电感与PCB板距离越近，Q值越低。
[0005] 同样，随着变换器频率的提高，VHF变换器中的变压器也不再需要磁芯，同时，其 原、副边漏感，甚至激磁电感均参与到变换器的谐振中。与空芯电感相似，PCB内嵌式变压 器也存在不能灵活调节的问题，而外置的空芯变压器绕组和PCB板敷铜之间同样存在磁场 干扰的问题。
[0006] 另外，在VHF变换器中，由布局、引线等带来的寄生参数，其数量级接近电路中的 谐振元件。这些寄生参数，在半导体开关器件的开关瞬间会造成较大的开关损耗和电压、 电流应力。以开关管漏极寄生电感为例，由于关断时电流突降为零，其di/dt很大，根据 v=i_y开关管漏极产生一个较大的压降，可能会造成开关管的误导通。同样的，开关管 漏极寄生电感则会在开关管关断瞬间造成较大的电压尖峰，增大器件的电压应力。另一方 面，这些寄生参数会干扰电路中谐振元件的谐振，影响电路的工作状态。
[0007] 综上所述，如何将平面磁性元件应用到功率变换器中，并尽可能提高元件的Q值， 同时实现系统的小型化、扁平化，尽可能减小线路中的寄生参数，是VHF功率变换中亟待解 决的问题。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适合VHF功率变换的3D集成架 构。
[0009] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0010] 一种超高频功率变换器的3D集成架构，其特征在于：包括PCB电路层和架设于 PCB电路层上面的绕组单元，该绕组单元与PCB电路层通过导线连接，该绕组单元包括形成 于第一绝缘层上的绕组层和形成于第二绝缘层上的第一软磁薄膜层，该第一软磁薄膜层叠 置于绕组层的下面，用以实现绕组层与PCB电路层之间的磁场屏蔽。
[0011] 优选的，所述绕组单元还沿PCB电路层对称增设于PCB电路层的下面。
[0012] 优选的，所述第一软磁薄膜层的下面设有散热层。
[0013] 优选的，所述绕组单元，还包括形成于第三绝缘层上的第二软磁薄膜层，该第二软 磁薄膜层叠置于绕组层的上面，用以保证绕组层的磁场不受外部金属的干扰。
[0014] 优选的，所述绕组单元的绕组层为平面空芯结构，由若干层的PCB敷铜叠置而成， 各层PCB敷铜之间通过过孔连接，用以通过若干层PCB敷铜的层叠结构形成电感的并联连 接，以提高电感的Q值。
[0015] 优选的，所述PCB敷铜的过孔为多个并联，用以减小电感的交流电阻和高频损耗。
[0016] 优选的，所述绕组单元由PCB电路层投影面内间隔分布的两个单元构成，分别为 电感绕组单元和变压器绕组单元，该电感绕组单元的绕组层为方形环状结构；该变压器绕 组单元的绕组层为方形螺旋状结构。
[0017] 优选的，所述绕组单元仅由PCB电路层投影面内的一个单元构成，该绕组单元的 绕组层为方形螺旋状结构。
[0018] 优选的，所述导线为柱形的刚性导线，该刚性导线立于绕组单元与PCB电路层之 间，用以实现绕组单元与PCB电路层的电连接，并将绕组单元架设于PCB电路层之上。
[0019] 优选的，所述导线为可弯曲折叠的柔性导线，该柔性导线连接于绕组单元与PCB 电路层之间。
[0020] 本发明的有益效果包括：
[0021] 1)利用3D集成架构，能够最大程度上减小变换器的体积，提高变换器的功率密 度；
[0022] 2)利用3D集成架构，能够最大程度上减小元器件引线、导线处的连接损耗；
[0023] 3)利用3D集成架构，能够有效减小变换器线路中存在的寄生参数，尤其是寄生电 感，减小半导体开关器件的开关损耗和电压、电流应力；
[0024] 4)利用平面磁性元件，使得变换器中电感和变压器的高度大大减小，保证了系统 的小型化和扁平化；
[0025] 5)利用软磁材料构成磁屏蔽层，解决了平面空芯电感、变压器绕组与PCB敷铜和 外部金属之间的磁场干扰问题；
[0026] 6)利用软磁屏蔽层增大空芯绕组的Q值，减小电感和变压器的交流电阻和高频损 耗，提高变换器的工作效率；
[0027] 7)利用多层PCB空芯电感，可以增大空芯电感的有效截面积，提高电感的Q值，减 小电感的交流电阻和高频损耗，提高变换器的效率；
[0028] 8)磁性元件的温升大大减小，使半导体器件的工作环境得到改善。
【附图说明】
[0029] 图1为现有的空芯螺旋绕线电感的立体示意图；
[0030] 图2为现有的空芯螺旋绕线电感的Q值随有效截面积变化的曲线图；
[0031] 图3为现有的电感磁场方向垂直于PCB板的空芯螺旋绕线电感的立体示意图；
[0032] 图4为现有的空芯螺旋绕线电感的Q值随电感与PCB板之间距离变化的曲线图；
[0033] 图5为本发明第一实施例的超高频功率变换器的3D集成架构的分解立体示意 图；
[0034] 图6为本发明第一实施例的超高频功率变换器的3D集成架构的主视图；
[0035] 图7为本发明第二实施例的超高频功率变换器的3D集成架构的主视图；
[0036] 图8为本发明第三实施例的超高频功率变换器的3D集成架构的主视图；
[0037] 图9为本发明第四实施例的超高频功率变换器的3D集成架构的主视图；
[0038] 图10为本发明第五实施例的超高频功率变换器的3D集成架构的主视图；
[0039] 图11为本发明第六实施例的超高频功率变换器的3D集成架构的主视图；
[0040] 图12为本发明第七实施例的超高频功率变换器的3D集成架构的多层PCB制成的 平面空芯结构的立体示意图；
[0041] 其中，1PCB电路板，2a第一软磁薄膜层，2b第二软磁薄膜层，3a第一绝缘层，3b第 二绝缘层，3c第三绝缘层，4散热片，5a电感绕组，5b变压器绕组，6导线，7PCB敷铜，8过孔。
【具体实施方式】
[0042] 为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，以下将结合附图和具体 实施方式，对本发明的技术方案进行详细说明。
[0043] 第一实施例
[0044]图5给出了本发明第一实施例的超高频功率变换器的3D集成架构的分解立体示 意图，图6为该超高频功率变换器的3D集成架构的主视图。
[0045] 如图5和图6所示，一种超高频功率变换器的3D集成架构，包括PCB电路板1，第 一软磁薄膜层2a，第一绝缘层3a，第二绝缘层3b，散热片4,电感绕组5a，变压器绕组5b，导 线6。绕组层5a、5b和PCB电路板1之间设