(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211221946.1 (22)申请日 2022.10.08 (71)申请人 西安交通大 学 地址 710049 陕西省西安市碑林区咸宁西 路28号 (72)发明人 任鹏远　陈文洁　黄兴伟　陈钰宣　 党昊炜　王云　孙昰行　苏鼎　 孟鑫　 (74)专利代理 机构 西安通大专利代理有限责任 公司 6120 0 专利代理师 贺小停 (51)Int.Cl. H01F 1/14(2006.01) H01F 41/02(2006.01) G06F 30/23(2020.01) (54)发明名称 一种低损耗的平面电感磁芯及其设计方法 (57)摘要 本发明公开了一种低损耗的平面电感磁芯 及其设计方法， 平面电感磁芯包括上磁轭和下磁 轭、 左边柱、 右边柱以及中柱； 上磁轭和下磁轭、 左边柱、 右边柱以及中柱围成侧面全包围结构， 消除了传统的气隙结构； 所述上磁轭和下磁轭由 第一磁芯材料制成； 左边柱、 右边柱以及中柱由 第二磁芯材料制成； 且第一磁芯材料的磁导率低 于第二磁芯材料的磁导率； 平 面电感磁 芯的磁阻 呈现关于横向对称轴的对称分布。 该磁 芯结构简 单， 易于实施， 可 以显著降低高频功率磁件的高 频铜损， 同时有效解决了现有的针对MMF分布优 化的绕组结构优化方法无法在电感中应用的问 题。 权利要求书1页 说明书7页 附图3页 CN 115440458 A 2022.12.06 CN 115440458 A 1.一种低损耗的平面电感磁芯， 其特征在于： 包括上磁轭、 下磁轭、 电感绕组、 左边柱、 右边柱以及中柱； 上磁轭和下磁轭、 左边柱、 右边柱以及中柱围成侧面全包围结构； 所述电 感绕组穿过中柱， 被上 下磁轭及左右边柱包围； 所述上磁轭和下磁轭由第一磁芯材料制成； 左边柱、 右边柱以及中柱由第二磁芯材料 制成； 且第一磁芯材料 的磁导率低于第二磁芯材料 的磁导率； 平面电感磁芯的磁阻呈现关 于横向对称轴的对称分布。 2.如权利要求1所述的低损耗的平面电感磁芯， 其特征在于： 所述第 一磁芯材料为金属 软磁材料； 磁导率为16～15 0。 3.如权利要求1所述的低损耗的平面电感磁芯， 其特征在于： 所述第 二磁芯材料为功率 铁氧体材 料； 磁导率为600～3000。 4.如权利要求1所述的低损耗的平面电感磁芯， 其特征在于： 所述平面电感磁芯的磁动 势幅值MMF的分布呈现V型横向对称分布。 5.如权利要求1所述的低损耗的平面电感磁芯， 其特征在于： 所述电感绕组置于磁芯横 向对称轴上。 6.如权利要求1所述的低损耗的平面电感磁芯， 其特征在于： 所述电感绕组为基于PCB 的铜箔绕组。 7.如权利要求1所述的低损耗的平面电感磁芯， 其特征在于： 所述左边柱、 右边柱平行 设置， 上磁轭和下磁轭平行设置且与左边柱、 右边柱围成所述侧面全 包围结构。 8.一种如权利要求1至7任一项所述的低损耗的平面电感磁芯的设计方法， 其特征在 于， 包括： 对目标感值为L、 有气隙且完全由高相对磁导率 μrh材料组成的磁芯结构进行设计， 得到 高磁导率值 μrh以及磁芯相关的基本几何参数； 依据磁阻守恒原则， 保证结构及材料变化前后磁芯的总磁阻不变的原则下， 通过如下 方法得到合 适的用于上 下磁轭的低相对磁导 率材料的相对磁导 率 μrl为： 其中δ1和 δ2为上下磁轭的高度； w1和w2为分别为边柱和中柱的宽度； kf1和kf2分别为由于 边缘效应带来的边柱和中柱的面积等效扩大的放大系数； ly为磁芯的宽度； g为气隙长度。 9.根据权利要求8所述的低损耗的平面电感磁芯的设计方法， 其特征在于， 所述得到 高 磁导率值 μrh以及磁芯相关的基本几何参数及关键几何参数如气隙长度g， 采用的方法如下： g≈lc/ μrh 其中， Bmax为磁芯材料允许的最大磁密； lc为磁芯的有效磁路长度； Ki为激励电流的波形 系数； μ0为真空的磁 导率； Pd_max为磁芯允许的最 大散耗功率； ku为磁芯窗口利用率； Aw为磁芯 窗口面积； ρw为铜的电导 率； MLT为单匝绕组平均长度。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115440458 A 2一种低损耗的平面电感磁芯及其设计方 法 技术领域 [0001]本发明涉及平面电感优化设计， 特别是一种低损耗的平面电感磁芯及其设计方 法。 背景技术 [0002]当下， 社会日益增加的电能消耗需求以及电能生产、 传输以及消耗的各个环节中， 电力电子装置占比的逐渐升高， 高频低损耗高功 率密度的中小功率等级电力电子变换器的 设计和应用变得越来越重要。 同时， 以碳化硅和氮化镓器件为代表的新一代功率半导体开 关器件的出现， 也将电力电子变换器装置的开关频率进一步提高， 达到几百kHz甚至MHz以 上。 [0003]开关频率的提高有助于减小变换器中功率磁件的体积， 但频率的提高也使得功率 磁件， 尤其是功 率平面电感 绕组的交流损耗更加显著， 绕组的交直流电阻之比进一步提高。 平面电感中， 磁芯及气隙的边缘效应随着频率的提高也变得更加啊严重； 同时为了在小体 积中达到足够的感量， 多层多匝电感的邻近效应也更加显著； 边缘效应以及邻近效应的增 强， 都使得绕组的交流铜损更加显著。 损耗增加带来的散热问题， 反而制约了平面磁件体积 的减小， 进 而也降低了频率 提高带来的体积减小的效益。 [0004]现有的针对磁件的低损耗优化设计方法包括两类： 一类是诸如绕组宽度、 厚度、 匝 数的优化以及类利兹线结构、 垂直及横向换位等结构的优化， 但绕组的优化对于磁场分布 以及MMF的优化无能为力， 无法从更本质的 “场”的角度解决绕组交流损耗的问题； 在变压器 中广泛采用的交错绕组结构虽然十分有效， 但无法在电感中应用。 第二类是磁芯结构的优 化， 目前的磁芯优化都主要集中于气隙的优化， 包括准分布式气隙结构以及分布式气隙结 构， 可以弱化气隙的边缘效应， 但气隙仍然存在且无法兼顾MMF的优化， 也就无法解决多层 电感中临近损耗巨大的问题； 同时准分布式气隙的作用依赖于增加气隙的数目同时减小每 个气隙的几何尺寸， 这对磁芯的加工水平要求较高， 导致加工复杂度的上升以及成品率的 下降。 传统分布式气隙结构 中低磁导率部分所占体积较小， 因此要求材料 的相对磁导率较 低， 较难找到合适的极低相对磁导率且损耗特性良好的材料， 因此在工业界并未得到广泛 应用。 发明内容 [0005]为了解决上述问题， 本发明提出了一种低损耗的平面电感磁芯结构及其设计方 法， 该平面电感磁芯是一种简单且有效的， 从磁芯结构优化角度入手的具有横向对称磁阻 分布磁芯结构的平面功 率电感； 并提供了相关关键参数设计以及低磁导率材料的相对磁导 率计算设计方法。 [0006]为实现上述目的， 本发明采用如下技 术方案： [0007]一种低损耗的平面电感磁芯， 包括上磁轭、 下磁轭、 电感绕组、 左边柱、 右边柱以及 中柱； 上磁轭和下磁轭、 左边柱、 右边柱以及中柱围成侧 面全包围结构； 所述电感绕组穿过说　明　书 1/7 页 3 CN 115440458 A 3