Design optimization for enhancing performances of integrated planar inductor for power electronics applications

Abstract

In this work, the performance of an integrated planar inductor with a square geometric shape using different materials for the substrate: Ni-Fe, Mn-Zn and Ni-Zn have been analyzed and investigated in order to assess the impact of the substrate material on the performance of the integrated planar inductor and to determine the optimal material in the various applications of power modules in power electronics. Methods. To this end, we carried out an in-depth analysis of the geometric dimensions of the integrated planar inductor, by calculating all the geometric parameters of the proposed structure, to establish an equivalent physical model of the integrated planar inductor in order to evaluate its different electrical specifications. The numerical simulation, based on the three-dimensional mathematical model of the system using Maxwell’s equations, was realized by COMSOL Multiphysics software. Results show the importance of the substrate material for the performance of the integrated planar inductor, and specify that the use of Ni-Fe ferrite as a substrate of the integrated planar inductor gives very interesting performance compared to other materials studied. The presented results provide valuable information on the influence of substrate material on the performance of embedded integrated planar inductor and can help to design and optimize these components for use in power electronic systems. Practical value. These results are significant for a wide range of applications, where the integrated planar inductor performance and efficiency can have a significant impact on the overall performance and cost-effectiveness of the power electronic device.

У цій роботі проаналізовано та досліджено характеристики вбудованого планарного індуктора квадратної геометричної форми з використанням різних матеріалів підкладки: Ni-Fe, Mn-Zn та Ni-Zn для оцінки впливу матеріалу підкладки на продуктивність вбудованого планарного індуктора та визначення оптимального матеріалу для різних силових застосувань модулів у силовій електроніці. Методи. З цією метою проведено поглиблений аналіз геометричних розмірів вбудованого планарного індуктора, розраховано всі геометричні параметри запропонованої конструкції для встановлення еквівалентної фізичної моделі вбудованого планарного індуктора та оцінки його електричних характеристик. Чисельне моделювання, що базується на тривимірній математичній моделі системи з використанням рівнянь Максвелла, було реалізовано за допомогою COMSOL Multiphysics. Результати показують важливість матеріалу підкладки для роботи вбудованого планарного індуктора і вказують на те, що використання фериту Ni-Fe у якості підкладки вбудованого планарного індуктора дає дуже цікаві характеристики порівняно з іншими вивченими матеріалами. Представлені результати надають важливу інформацію щодо впливу матеріалу підкладки на характеристики вбудованого планарного індуктора та можуть допомогти спроєктувати та оптимізувати дані компоненти для використання у силових електронних системах. Практична цінність. Отримані результати важливі для широкого спектра застосувань, де продуктивність та ефективність вбудованого планарного індуктора можуть істотно вплинути на загальну продуктивність та економічну ефективність силового електронного пристрою.