一种基于GaN的DC-DC转换器的磁集成系统的制作方法

本发明涉及一种磁集成系统，具体涉及一种基于gan的dc-dc转换器的磁集成系统。

背景技术：

高效率、高功率密度和小型化是数据中心调压模块的发展趋势。通常，这些dc-dc转换器直接紧挨着负载搭建在主板上，因此也被称为负载点(pol)转换器。为了实现目标，可以同时采用两种方法来减小变换器的体积。第一种方法是大幅提高开关频率以减小无源元件的尺寸。另一种是集成无源元件，其基本原理是将离散的电感绕组集成在一个磁芯上。

宽禁带功率半导体器件氮化镓晶体管(gan)是一种很有前途的pol变换器器件，它具有高电子迁移率，为高频功率变换提供了潜在的优势。再加上先进的铁氧体材料技术的出现，采用pcb平面变压器和电感成为了可能，平面电感和变压器由于低轮廓的优势可以实现vrms更大的功率密度。与此同时，pcb平面电感和变压器更容易实现自动化生产，由于传统变压器和电感需要手工绕制线圈，需要大量的人工干预。这也突出了pcb平面电感和变压器的优势。在vrms领域，磁件占有比较高比重的体积。同时数据中心服务器母板上面给电压模块的空间很有限。集成磁件是一种必要的选择。

目前来说，vrms中12v转1.xv多相buck是比较认可的方案，李泽元教授提出了反向耦合多相buck电路的电感磁集成方案。相比分立电感，这种反向耦合电感不仅有效减少了磁芯的体积，而且提高了效率。这也是目前比较受欢迎的磁集成方案。

虽然反向耦合是目前普遍认可的磁集成方法，但其应用场合仅限于交错运行的场合，例如多相buck电路，不是所有的dc-dc变换器或者其他方向都能被应用。因此一种适用范围更广的分立电感集成方案有待提出。

参考图1，对于48v-1.xv的pol变换器，传统降压型变换器的占空比极低，限制了其发展。hosseinardi等人提出了一种结构简单、降压增益高的新型变换器，是48v转1.xv变换器的理想拓扑。这种拓扑由一两个电容，两个电感及四个有源器件组成。所述拓扑输入电源的正极经第四开关管与第一电感的一端及第一开关管的一端相连接，第一开关管的另一端与第三开关管的一端及第一电容的负端相连接，第一电容的正端与第二电感的一端及第二开关管的一端相连接，第二电容的正端与第二电感的另一端、第一电感的另一端及负载的正端相连接，第二电容的负端与第二开关管的另一端、第三开关管的另一端及负载的负端相连接。上述拓扑的两个电感电流并不是交错运行的，且电感值不一致。因此传统的反向耦合磁集成方法会增大铁芯磁损耗。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于gan的dc-dc转换器的磁集成系统，该系统能够通过分立电感进行解耦集成，以增大变换器的功率密度。

为达到上述目的，本发明所述的基于gan的dc-dc转换器的磁集成系统包括第一平面磁柱、第二平面磁柱、第三平面磁柱、第四平面磁柱、第一平面电感线圈及第二平面电感线圈；

第一平面磁柱、第二平面磁柱、第三平面磁柱及第四平面磁柱依次位于正方形四个角的位置处，第一平面电感线圈及第二平面电感线圈均为己字形结构，且第一平面电感线圈的中部穿过第一平面磁柱与第四平面磁柱之间以及第二平面磁柱与第三平面磁柱之间，且第二平面磁柱位于第一平面电感线圈一侧的开口位置处，第四平面磁柱位于第二平面电感线圈另一侧的开口位置处，第二平面电感线圈的中部穿过第一平面磁柱与第二平面磁柱之间以及第三平面磁柱与第四平面磁柱之间，且第三平面磁柱位于第二平面电感线圈一侧的开口位置处，第一平面磁柱位于第二平面电感线圈另一侧的开口位置处。

还包括衬底，其中，第一平面磁柱、第二平面磁柱、第三平面磁柱及第四平面磁柱均位于衬底上。

第一平面电感线圈位于第二平面电感线圈与衬底之间。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的基于gan的dc-dc转换器的磁集成系统在具体操作时，第一平面磁柱、第二平面磁柱、第三平面磁柱及第四平面磁柱依次位于正方形四个角的位置处，第一平面电感线圈的中部穿过第一平面磁柱与第四平面磁柱之间以及第二平面磁柱与第三平面磁柱之间，且第二平面磁柱位于第一平面电感线圈一侧的开口位置处，第四平面磁柱位于第二平面电感线圈另一侧的开口位置处，第二平面电感线圈的中部穿过第一平面磁柱与第二平面磁柱之间以及第三平面磁柱与第四平面磁柱之间，且第三平面磁柱位于第二平面电感线圈一侧的开口位置处，第一平面磁柱位于第二平面电感线圈另一侧的开口位置处，根据电感磁通分布可知，第一平面电感线圈与第二平面电感线圈的磁通方向呈正交关系，以实现解耦，继而增大变换器的功率密度，扩大其应用范围，避免铁芯磁损耗的增加，并且针对48v转1.xv的变换器更加适用本发明，有利于减少变换器的器件数目，增大功率密度，减小体积，同时与绕制线圈相比，节省了人力物力，更有利于大规模生产。

附图说明

图1为48v-1.xv的vrms变换器的拓扑图；

图2为本发明的结构示意图；

图3a为第一平面电感线圈l1的分布图；

图3b为第二平面电感线圈l2的分布图；

图4a为第一平面电感线圈l1的磁通分布图；

图4b为第二平面电感线圈l2的磁通分布图；

图5a为第一平面电感线圈l1的解耦磁阻模型图；

图5b第二平面电感线圈l2的解耦磁阻模型图；

图6为本发明的耦合系数仿真结果图；

图7为epc2020的lga封装图。

其中，1为第一平面磁柱、2为第二平面磁柱、3为第三平面磁柱、4为第四平面磁柱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图2，本发明所述的基于gan的dc-dc转换器的磁集成系统包括第一平面磁柱1、第二平面磁柱2、第三平面磁柱3、第四平面磁柱4、第一平面电感线圈l1及第二平面电感线圈l2；第一平面磁柱1、第二平面磁柱2、第三平面磁柱3及第四平面磁柱4依次位于正方形四个角的位置处，第一平面电感线圈l1及第二平面电感线圈l2均为己字形结构，且第一平面电感线圈l1的中部穿过第一平面磁柱1与第四平面磁柱4之间以及第二平面磁柱2与第三平面磁柱3之间，且第二平面磁柱2位于第一平面电感线圈l1一侧的开口位置处，第四平面磁柱4位于第二平面电感线圈l2另一侧的开口位置处，第二平面电感线圈l2的中部穿过第一平面磁柱1与第二平面磁柱2之间以及第三平面磁柱3与第四平面磁柱4之间，且第三平面磁柱3位于第二平面电感线圈l2一侧的开口位置处，第一平面磁柱1位于第二平面电感线圈l2另一侧的开口位置处。

本发明还包括衬底，其中，第一平面磁柱1、第二平面磁柱2、第三平面磁柱3及第四平面磁柱4均位于衬底上，第一平面电感线圈l1位于第二平面电感线圈l2与衬底之间。

参考图3，第一平面磁柱1位于三维直角坐标系的坐标原点，所述第二平面磁柱2位于x轴正半轴，所述第四平面磁柱4位于y轴正半轴，距第一平面磁柱1为同一适当固定距离，所述第三平面磁柱3位于xy平面的第一象限，所述第一平面电感线圈l1和第二平面电感线圈l2的绕制方式如图2、图3a及图3b所示。

参考图4a及图4b，根据电感磁通分布可知，第一平面电感线圈l1与第二平面电感线圈l2的磁通方向呈正交关系，因而可以实现解耦。

本发明分别对第一平面电感线圈l1和第二平面电感线圈l2的等效电感进行建模，建模结果如图5a及图5b所示。

参考图6，对上述磁解耦结构进行有限元仿真结果，需要注意的是，第一平面电感线圈l1和第二平面电感线圈l2的磁矢量正交，耦合系数为0.0128，证明解耦结构的正确性和有效性。

一个60w48v-1.xv，基于gan器件的运行在1mhz开关频率的样机将被建立和测试，以进一步验证提出的磁结构，gan器件采用epc2020作为电源开关，参考图7，飞磁公司的铁氧体3f4将被用作提出的磁性结构的材料。

最后需要说明的是，本发明可以应用到lcl滤波器两个电感集成、多相buck的集成以及任何两个分立电感的磁集成中，可以大大增大变换器的功率密度。