3-D集成式变换器中的磁电热耦合研究

3 dimensional (3-D) layouts are promising design to improve the power density of power electronics systems. Based on magnetic-field-thermal coupling theory, we proposed the optimizing method on winding design for passive substrate in a 3-D converter. We can benefit much from this method. First, the length of interconnection is greatly reduced. Second, the coupling inductors are adopted to improve the performance of a converter, and windings in these coupling inductors are optimized and take the thermal and magnetic field impacts into consideration. Third, the balanced Cuk topology is used to fit a 3-D interconnection design, and the negative impact of parasitic inductance are readily mitigate. Finally, an active layer is divided into several parts in order to achieving an evenly distributed displacement currents. Besides of the aforementioned methods, designers can gain much on the fast one-cycle DC-bias nonlinear-inductor loss calculation method and the balanced winding optimizing method as well. The research topics in this project such as magnetic-field-thermal coupling structure, optimizing model on split winding, fast one-cycle DC-bias nonlinear-inductor loss calculation, application of balanced topologies on 3-D interconnections, and common mode capacitor alleviation and LTCC capacitor realization are all fundamentals of a field-topology coupling design. To the best of our knowledge, this research will bloom 3-D converter designs in the future.

3-D变换器是电力电子界为了提高系统功率密度的全新研究方向。本研究从磁电热耦合的观点出发，提出了磁性无源基板绕组的磁热耦合优化3-D变换器的散热能力的设计思想：采用集成的方式缩短元件间的互联、应用磁场的观点来保证无源基板实现功率耦合电感的性能、采用对称电路、有源基板绕组平面分割以及绕组磁通相消的方法来减小变换器的电磁干扰。同时，快速有直流偏置的非线性电感磁芯损耗密度计算方法，以及逆向对称绕组排布寻优法，为3-D变换器的快速、准确设计提供了理论指导。本项目中有关磁电热耦合结构及其优化研究、拆分绕组的优化函数模型研究、快速有直流偏置非线性电感铁损计算方法研究、对称式拓扑在3-D变换器中的应用研究、共模电容匹配研究以及基板埋容技术研究都将为磁电集成提供理论指导，为电力电子集成领域开拓新的方向。

更高的效率和更大的功率密度，以及更小的体积和更轻的重量是变换器永恒的发展主题。而如何提高变换器的整体散热性能，在现有技术水平下，则成为该发展主题的桎楛。近年来科研机构和生产厂商在器件封装工艺、散热途径优化以及新的散热手段的引入等方面均取得了长足的进展，从而使得电源的功率密度和可靠性大幅提高。可以毫不夸张的说，就单独器件的散热能力而言，其性能在现有技术条件下已达到了一个非常高的水准。但需要进一步提高电源系统的功率密度，则需要重新审视电力电子系统中热平衡的两个因素——热源与散热途径，并需要在电力电子技术大的发展趋势下确立新的设计理念和设计方法。.本研究通过对3-D集成方式，在降低系统中无源元件体积的同时，采用3-D联接，提高系统的功率密度；同时利用3-D磁性元件的非线性特性，实现了电力电子系统中的参数自整定工作方式；另外，利用3-D互联分布参数小、一致性好，以及生产效率高等优势，实现了EMI滤波器的3-D集成。.本项目取得的成果和创新如下.1).提出了3—D磁性元件的优化设计方法.2).提出了采用非线性3—D电感的参数自整定串联谐振变换器的设计方法；.3).提出了3-D方式的LCLC谐振变换器设计方法；.4).提出了3-D集成式EMI滤波器；.5).给出了非线性工况下快速的磁损耗计算方法.本研究取得的成果对于电力电子系统的功率密度进一步提高，具有非常重要的应用价值。