有第一软磁薄膜层2a，以实现绕组与PCB电路 板1之间的磁场屏蔽。绕组层5a、5b和第一软磁薄膜层2a之间设有第一绝缘层3a，第一软 磁薄膜层2a和PCB电路板1之间设有第二绝缘层3b，从而保证了绕组、PCB敷铜和磁性材 料之间的电隔离。PCB电路板1和第二绝缘层3b之间设有散热片4,以保证变换器的散热 性能。其中，绕组层5a为电感绕组，绕组层5b为变压器绕组，电感绕组5a、第一绝缘层3a、 第一软磁薄膜层2a、第二绝缘层3b与散热片4构成电感绕组单元；变压器绕组5b、第一绝 缘层3a、第一软磁薄膜层2a、第二绝缘层3b与散热片4构成变压器绕组单元，电感绕组单 元与变压器绕组单元在PCB电路层投影面内间隔分布，电感绕组单元与变压器绕组单元两 个单元统称为绕组单元5。该电感绕组单元的绕组层5a为方形环状结构；该变压器绕组单 元的绕组层5b为方形螺旋状结构。电感绕组5a和变压器绕组5b与PCB电路板1之间通 过导线6连接。其他电路元件（包括电容、半导体器件、控制芯片等）分别焊接在PCB电路 板1的两面。
[0046] 优选的，绕组单元可放置在PCB电路板的两侧，S卩PCB电路板的上方可放置绕组单 元5,PCB电路板的下方可放置绕组单元5'。绕组单元5'的绕组层5c可由PCB电路层投 影面内的一个单元构成，该绕组层5c为方形螺旋状结构。
[0047] 前述的绕组层5a、5b、5c采用平面空芯结构。
[0048] 前述的电容包括变换器的输入、输出滤波电容、谐振电容、隔直电容、解耦电容等。
[0049] 前述的半导体器件包括传统半导体材料Si型开关管和二极管，新型半导体材料 SiC、GaN、GaAs等新型开关管和二极管。
[0050] 前述的导线包括：通过在中间层（包括绝缘层、软磁薄膜层、散热片等）打通孔的 方式，利用直导线连接绕组单元和PCB母板。
[0051] 前述的导线还包括：利用可弯曲折叠的导线，绕过中间层（包括绝缘层、软磁薄膜 层、散热片等）连接绕组单元和PCB母板。
[0052] 第二实施例
[0053] 图7给出了本发明第二实施例的超高频功率变换器的3D集成架构，与第一实施 例的不同之处在于，第二实施例中的绕组单元（包括绕组层以及相应的软磁薄膜层和绝缘 层）仅放置在PCB电路板的单侧，例如仅PCB电路板的上方放置绕组单元。
[0054] 第三实施例
[0055] 图8给出了本发明第三实施例的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，第二软磁薄膜层2b，第一绝缘层3a，第二绝缘层3b，第三绝缘层 3c，散热片4,电感绕组5a，变压器绕组5b，导线6。与第一实施例的不同之处在于，第三实 施例中绕组层5a、5b与外部金属（如机壳等）之间设有第二软磁薄膜层2b，以保证绕组的 磁场不会受到外部金属的干扰。另外，第二软磁薄膜层2b与绕组层5a、5b之间设有第三绝 缘层3c，以保证电隔离。
[0056] 该软磁薄膜层2b利用软磁材料实现绕组单元与PCB敷铜、外部金属之间的磁屏 蔽，解决空芯绕组与金属之间的磁场干扰问题，同时提高绕组的Q值，降低绕组交流损耗。
[0057] 第四实施例
[0058] 图9给出了本发明第四实施例的超高频功率变换器的3D集成架构，与第三实施 例的不同之处在于，第四实施例中的绕组单元（包括绕组层以及相应的软磁薄膜层和绝缘 层）仅放置在PCB电路板单侧，例如仅PCB电路板的上方放置绕组单元。
[0059] 第五实施例
[0060] 图10给出了本发明第五实施例的超高频功率变换器的3D集成架构，与第一实施 例的不同之处在于，第五实施例中去掉了散热片4。由于新型半导体器件（如SiC、GaN等 新型开关管和二极管）的结温较高，可正常工作的环境温度较高，对变换器的散热性能要 求并不是非常高，因此该架构可适用于应用新型半导体器件的VHF变换器中。
[0061]第六实施例
[0062] 图11给出了本发明第六实施例的超高频功率变换器的3D集成架构，与第五实施 例的不同之处在于，第六实施例中的绕组单元（包括绕组层以及相应的软磁薄膜层和绝缘 层）仅放置在PCB母板单侧，例如仅PCB电路板的上方放置绕组单元。
[0063] 第七实施例
[0064] 图12给出了本发明第七实施例的超高频功率变换器的3D集成架构，与第一至六 实施例的不同之处在于，绕组层5a、5b、5c的平面空芯结构由多层PCB制成。该多层PCB制 成的平面空芯绕组结构，包括PCB敷铜7和过孔8。该平面空芯绕组结构利用多层PCB敷铜 7叠置构成，各层PCB敷铜叠置形成一匝带倒角的方形绕线，各层PCB敷铜之间通过过孔8 连接。多层PCB敷铜的过孔8可多个并联，以减小电感的交流电阻和高频损耗，提高电感的 9值。
[0065] PCB敷铜层数为n，则多层PCB空芯电感的匝数为n。该电感既可以集成在多层PCB 板内部，也可以利用多层PCB板单独制作。该多层PCB空芯电感可以增加绕组的有效截面 积，提高电感的Q值，减小电感的交流电阻和高频损耗。
[0066] 以上实施例只是用于帮助理解本发明的方法及核心思想，对本技术领域的普通技 术人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，通过以上描述与举例能自然联想到的其它等 同应用方案，以及对本发明进行的若干改进和修饰，均落入本发明的权利要求书的保护范 围。
【主权项】
1. 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。2. 根据权利要求1所述的超高频功率变换器的3D集成架构，其特征在于：所述绕组单 元还沿PCB电路层对称增设于PCB电路层的下面。3. 根据权利要求1或2所述的超高频功率变换器的3D集成架构，其特征在于：所述第 一软磁薄膜层的下面设有散热层。4. 根据权利要求1或2所述的超高频功率变换器的3D集成架构，其特征在于：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。5. 根据权利要求1至4中任一项所述的超高频功率变换器的3D集成架构，其特征在 于：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。6. 根据权利要求5所述的超高频功率变换器的3D集成架构，其特征在于：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。7. 根据权利要求5所述的超高频功率变换器的3D集成架构，其特征在于：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。8. 根据权利要求5所述的超高频功率变换器的3D集成架构，其特征在于：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。9. 根据权利要求7或8所述的超高频功率变换器的3D集成架构，其特征在于：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。10. 根据权利要求7或8所述的超高频功率变换器的3D集成架构，其特征在于：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。
【专利摘要】一种超高频功率变换器的3D集成架构，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。与现有技术相比，本发明利用3D集成，减小变换器的体积，提高功率密度；并利用软磁材料构成磁屏蔽层，解决了绕组与PCB电路层、绕组与外部金属之间的磁场干扰问题，增大绕组的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；还利用平面磁性元件，保证了产品的小型化和扁平化。且磁性元件的温升大大减小，改善半导体器件的工作环境。
【IPC分类】H01F37/00, H01F27/28
【公开号】CN104934209
【申请号】CN201510353635
【发明人】周嫄, 任小永, 张之梁, 邹学文, 余凤兵
【申请人】广州金升阳科技有限公司, 南京航空航天大学
【公开日】2015年9月23日
【申请日】2015年6月24日