具有改进的漏电感控制的耦合电感器

申请号 CN201080045400.4 申请日 2010-08-10 公开(公告)号 CN102576593B 公开(公告)日 2014-12-03
申请人 沃特拉半导体公司; 发明人 亚历山德·伊克拉纳科夫;
摘要 一种M绕组耦合电感器(800)包括第一端部磁元件(802)、第二端部磁元件(804)、M个连接磁元件(902)以及M个绕组。M是大于1的整数。每个连接磁元件(902)均设在第一端部磁元件(802)和第二端部磁元件(804)之间并且连接第一和第二端部磁元件。每个绕组(904)至少部分地绕M个连接磁元件(902)中的相应的一个连接磁元件缠绕。耦合电感器还包括至少一个顶部磁元件(806),其与M个连接磁元件中的至少两个相邻,并且至少部分在M个连接磁元件中的至少两个上延伸,以提供第一和第二端部磁元件之间的磁通量通路。电感器可以包含在M相电源中,并且电源可以至少部分地对计算机处理器供电。
权利要求

1.一种M绕组耦合电感器,M为大于1的整数,所述耦合电感器包括:
第一端部磁元件;
第二端部磁元件;
M个连接磁元件,每个所述连接磁元件设在所述第一端部磁元件和所述第二端部磁元件之间并且连接所述第一和第二端部磁元件;
M个绕组,每个所述绕组至少部分地绕所述M个连接磁元件中的相应的一个连接磁元件缠绕;以及
至少一个顶部磁元件,与所述M个连接磁元件中的至少两个连接磁元件相邻,并且至少部分在所述至少两个连接磁元件上延伸,以提供用于所述第一端部磁元件和所述第二端部磁元件之间的磁通量的通路,
所述至少一个顶部磁元件在所述第一端部磁元件之上延伸并与所述第一端部磁元件隔开第一间隙,所述至少一个顶部磁元件在所述第二端部磁元件之上延伸并与所述第二端部磁元件隔开第二间隙,所述第一间隙和所述第二间隙中的每一个包括各自的间隙材料,所述各自的间隙材料具有比形成所述磁元件的一种或多种磁性材料低的导磁率。
2.如权利要求1所述的耦合电感器,每个所述绕组各自的漏电感值是所述第一间隙的厚度的函数以及所述第二间隙的厚度的函数。
3.如权利要求2所述的耦合电感器,还包括选自胶和非磁性间隔件的非磁性材料,所述非磁性材料将所述至少一个顶部磁元件与所述第一端部磁元件和所述第二端部磁元件隔开。
4.如权利要求2所述的耦合电感器,所述M个绕组中的至少一个充当所述至少一个顶部磁元件与所述第一端部磁元件和所述第二端部磁元件之间的间隔件。
5.如权利要求1所述的耦合电感器,M是大于2的整数。
6.如权利要求1所述的耦合电感器,所述至少一个顶部磁元件包括单独的顶部磁元件。
7.如权利要求1所述的耦合电感器,每个所述绕组均为具有矩形横截面的单层和单绕组。
8.如权利要求1所述的耦合电感器,所述至少一个顶部磁元件形成外表面,所述外表面的至少一部分是平坦的。
9.如权利要求1所述的耦合电感器,每个所述连接磁元件均具有各自的宽度,相邻的连接磁元件之间的分隔距离小于每一相邻的连接磁元件中的各自的宽度的25%。
10.如权利要求1所述的耦合电感器,每个所述连接磁元件具有各自的宽度,相邻的连接磁元件之间的分隔距离小于每一相邻的连接磁元件中的各自的宽度的10%。
11.如权利要求1所述的耦合电感器,所述至少一个顶部磁元件与所述M个连接磁元件的全部相邻并在之上延伸。
12.如权利要求1所述的耦合电感器,所述耦合电感器具有第一侧,所述第一侧与第二侧相对,所述M个绕组中的每一个具有朝所述耦合电感器的所述第一侧延伸的各自第一端,并且所述M个绕组中的每一个具有朝所述耦合电感器的所述第二侧延伸的各自第二端。
13.一种M相电源,M为大于1的整数,所述电源包括:
耦合电感器,包括:
第一端部磁元件,
第二端部磁元件,
M个连接磁元件,每个所述连接磁元件均设在所述第一端部磁元件和所述第二端部磁元件之间并且连接所述第一端部磁元件和所述第二端部磁元件,
M个绕组,每个所述绕组至少部分地绕所述M个连接磁元件的相应的一个连接磁元件缠绕,每个所述绕组均具有各自的第一端、各自的第二端,每个所述第一端与公共第一节点电耦合,以及
至少一个顶部磁元件,与所述M个连接磁元件中的至少两个连接磁元件相邻,并且至少部分在所述至少两个上连接磁元件延伸,以提供用于所述第一端部磁元件和所述第二端部磁元件之间的磁通量的通路,
所述至少一个顶部磁元件在所述第一端部磁元件之上延伸并与所述第一端部磁元件隔开第一间隙,所述至少一个顶部磁元件在所述第二端部磁元件之上延伸并与所述第二端部磁元件隔开第二间隙,所述第一间隙和所述第二间隙中的每一个包括各自的间隙材料,所述各自的间隙材料具有比形成所述磁元件的一种或多种磁性材料低的导磁率,每个所述绕组各自的漏电感值为所述第一间隙的厚度的函数和所述第二间隙的厚度的函数;以及M个切换电路,每个所述切换电路与相应的绕组的第二端电耦合,且被构造为使所述第二端在至少两个不同的电压之间切换。
14.如权利要求13所述的电源,M是大于2的整数。
15.如权利要求13所述的电源,每个所述连接磁元件具有各自的宽度,相邻的连接磁元件之间的分隔距离小于每一相邻的连接磁元件中的各自的宽度的25%。
16.如权利要求13所述的电源,每个切换电路配置为在至少20千赫的频率下使其相应的第二端在至少两个不同的电压之间切换。
17.如权利要求13所述的电源,所述电源配置成作为选自升压型变换器、降压型变换器以及降压-升压型变换器的直流-直流变换器来操作。

说明书全文

具有改进的漏电感控制的耦合电感器

[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请是2009年8月10提交的序号为12/538,707的美国专利申请的继续申请,该美国专利申请的内容均通过引用并入本文。

背景技术

[0003] Schultz等人提出的第6,362,986号美国专利(“Schultz’986”)描述了具有多相耦合电感器拓扑的直流-直流变换器,其公开的内容通过引用并入本文。这种变换器具有的优点包括电感器和切换器中具有减小的波纹电流,这能够在具有传统多相直流-直流变换器拓扑的变换器上减少每相的电感,或者减少切换频率。因此,与传统的多相拓扑相比,具有磁耦合电感器的直流-直流变换器具有优异的瞬态响应,并且不损失效率。这使得输出电容显著下降,从而使解决方案的成本更小更低。
[0004] 如Schultz’986中所描述的,采用耦合电感器的直流-直流变换器的性能受到耦合电感器的漏电感的影响。因此,会期望针对电感器的应用来定制或调节耦合电感器的漏电感。
[0005] 已经提出了一些耦合电感器。例如,图1至3示出了由沃特拉半导体公司(Volterra Semiconductor Corporation)开发的一个耦合电感器100。具体地,图1示出了耦合电感器100的侧视平面图,图2示出了其截面图,以及图3示出了其端视平面图。具有高度106的耦合电感器100包括磁芯102和两个或更多个绕组104。图4示出了耦合电感器100的一个绕组104的侧视立体图。
[0006] 作为另一示例,Dong等人在标题为“Twisted Core Coupled Inductors for Microprocessor Voltage Regulators(用于微处理器稳压器的绞合芯耦合电感器)”的论文中提出了双相“绞合芯”耦合电感器。然而,该耦合电感器具有容积利用率较低的复合芯。另外,漏电感是由垂直型芯结构之间的距离和这些结构的高度限定的,因此很难控制漏电感。而且,该绞合芯耦合电感器的泄漏通路使电感器的设计变得复杂。
[0007] 此外,Dong等人在标题为“The Short Winding Path Coupled Inductor Voltage Regulators(短绕组通路耦合电感器稳压器)”的论文中提出了一种耦合电感器。图5示出了一个耦合电感器500的俯视平面图,示出了Dong的论文中的多相耦合电感器。图5没有示出绕组以更清晰地示出芯502。但是图6示出了包括其绕组602的电感器500。
[0008] 芯502包括用于每相的相应的腿504。每个腿504都具有宽度508,并且相邻的腿504被具有宽度510的窗口506分隔开。因此,绕组602具有节距604,如图6和图7所示。
窗口宽度510相对较大并与腿的宽度508相似。大的窗口宽度510需要提供用于泄漏段
512的空间,其需要提供用于磁通泄漏的通路,从而使漏电感足够大。通过改变泄漏段512的尺寸和/或形状来改变漏电感,这可能需要改变芯502的尺寸和/或形状。窗口506还容纳有相应的绕组突出部,如图6所示。
[0009] 图7示出了沿着图5中A-A线的电感器500的横截面图。每个区域702对应于相应的腿504的区域,每个区域704对应于相应的泄漏段512的区域。图7中的绕组602的厚度被夸大以用于视图清楚。如图5-7所示,绕组602之间较大的空间被要求以控制通过泄漏段512的漏电感。发明内容
[0010] 在一个实施方式中,一种M绕组耦合电感器包括第一端部磁元件、第二端部磁元件、M个连接磁元件以及M个绕组。M是大于1的整数。每个连接磁元件均设在第一端部磁元件和第二端部磁元件之间并且连接第一和第二端部磁元件。每个绕组至少部分地绕M个连接磁元件中的相应的一个连接磁元件缠绕。耦合电感器还包括至少一个顶部磁元件,其与M个连接磁元件中的至少两个连接磁元件相邻并至少部分在所述至少两个连接磁元件上延伸,以提供第一和第二端部磁元件之间的磁通量通路。
[0011] 在一个实施方式中,一种M相电源包括耦合电感器和M个切换电路。M为大于1的整数。耦合电感器包括:第一端部磁元件、第二端部磁元件、M个连接磁元件以及M个绕组。每个连接磁元件均设在第一和第二端部磁元件之间并且连接第一和第二端部磁元件。每个绕组至少部分地绕所述M个连接磁元件的相应的一个连接磁元件缠绕。每个绕组均具有各自的第一端、各自的第二端,每个第一端与公共第一节点电耦合。耦合电感器还包括至少一个顶部磁元件,其与M个连接磁元件中的至少两个连接磁元件相邻,并且至少部分在所述至少两个连接磁元件上延伸,以提供用于第一和第二端部磁元件之间的磁通量的通路。每个切换电路与相应的绕组的第二端电耦合,且被构造为使第二端在至少两个不同的电压之间切换。
附图说明
[0012] 图1示出了一个现有技术多相耦合电感器的侧视平面图;
[0013] 图2示出了图1的现有技术耦合电感器的截面图;
[0014] 图3示出了图1的现有技术耦合电感器的端视平面图;
[0015] 图4示出了图1的现有技术耦合电感器的绕组的侧视立体图;
[0016] 图5示出了没有绕组的现有技术多相耦合电感器的俯视平面图;
[0017] 图6示出了图5的现有技术耦合电感器具有绕组时的俯视平面图;
[0018] 图7示出了图5和图6的现有技术耦合电感器的截面图;
[0019] 图8示出了根据实施方式的一个耦合电感器的俯视立体图;
[0020] 图9示出了图8的耦合电感器的侧视立体图,其中磁元件被去除;
[0021] 图10示出了图8的耦合电感器的另一侧视立体图,其中磁元件和绕组被去除;
[0022] 图11示出了图8的耦合电感器的又一侧视立体图,其中磁元件被去除;
[0023] 图12示出了图8的耦合电感器的俯视平面图;
[0024] 图13示出了图12的耦合电感器的侧视截面图;
[0025] 图14-18示出了能够与图8的耦合电感器一起使用的绕组的示例的侧视立体图;
[0026] 图19示出了图8的耦合电感器具有可选的绕组配置时的实施方式的俯视平面图;
[0027] 图20示出了根据实施方式的包括两个顶部磁元件的一个耦合电感器的侧视立体图;
[0028] 图21示出了根据实施方式的一个双绕组耦合电感器的侧视立体图;
[0029] 图22示出了根据实施方式的一个三绕组耦合电感器的端部磁元件形成开口时的侧视立体图;
[0030] 图23示出了根据实施方式的一个四绕组耦合电感器的端部磁元件形成开口时的侧视立体图;
[0031] 图24示出了图23的耦合电感器的侧视立体图,其中磁元件被去除;
[0032] 图25示出了根据实施方式的一个双绕组耦合电感器的侧视立体图;
[0033] 图26示出了图25的耦合电感器的侧视平面图;
[0034] 图27示出了根据实施方式的一个三绕组耦合电感器的侧视立体图;
[0035] 图28示出了图27的耦合电感器的侧视平面图;
[0036] 图29示出了根据实施方式的一个四绕组耦合电感器的侧视立体图;
[0037] 图30示出了图29的耦合电感器的侧视平面图;
[0038] 图31示出了根据实施方式的一个四绕组耦合电感器的侧视立体图;
[0039] 图32示出了图31的耦合电感器的另一侧视立体图;
[0040] 图33示出了图31的耦合电感器的可选实施方式的侧视立体图;
[0041] 图34示出了根据实施方式的一个耦合电感器的俯视立体图;
[0042] 图35示出了图34的耦合电感器的磁芯的俯视立体图,其中顶部磁元件被去除;
[0043] 图36示出了图34的耦合电感器具有透明地示出的磁芯时的俯视立体图;
[0044] 图37示出了图34的耦合电感器的侧视图;
[0045] 图38-40均示出了包括至少一个非磁性间隔件的相应的耦合电感器的俯视立体图;
[0046] 图41示出了图34的耦合电感器的可选实施方式的侧视图;
[0047] 图42示出了根据实施方式的一个电源;
[0048] 图43示出了根据实施方式的包含耦合电感器的一个计算设备。

具体实施方式

[0049] 应当注意,为使视图清楚,附图中某些元件没有按照比例示出。通过使用带有括号的数字来表示项目的具体示例(例如绕组904(1)),而不带括号的数字则表示任意该项目(例如,绕组904)。
[0050] 图8示出了一个M绕组耦合电感器800的俯视立体图。示出的耦合电感器800中M等于四。然而,M可以为大于1的任意整数。耦合电感器800包括第一端部磁元件802、第二端部磁元件804以及顶部磁元件806,它们中的每一个均由磁性材料形成(例如,体材料和/或铁粉材料)。第一和第二端部磁元件802、804例如彼此平行。虽然所示的第二端部磁元件804和顶部磁元件806为组合成单一的磁元件,但是这些磁元件也能够是分立的磁元件。在一些实施方式中,顶部磁元件806形成至少基本平坦的表面814,这会有利于电感器800无需其顶部的粘着剂就可自动地设置。
[0051] 顶部磁元件806提供用于磁通量在第一端部磁元件802与第二端部磁元件804之间行进的通路。因此,顶部磁元件806提供了用于泄漏磁通量的通路,这有助于电感器800的绕组的漏电感值。顶部磁元件806还形成具有厚度810的间隙808。虽然所示的间隙808沿耦合电感器800的整个长度812延伸,但是间隙808也能够配置为仅沿长度812的一部分延伸,例如如果需要非线性的漏电感值。
[0052] 图9示出了耦合电感器800的侧视立体图,其中去除了第二端部磁元件804和顶部磁元件806,以示出连接磁元件902和绕组904。耦合电感器800包括M个由磁性材料形成的连接磁元件902,M个连接磁元件902设置在第一和第二端部磁元件802、804之间并连接第一和第二端部磁元件802、804。因此,顶部磁元件806与连接磁元件902中的每一个相邻,并且至少部分在连接磁元件902中的每一个上延伸。相应的绕组904(用平行阴影线示出)至少部分地绕M个连接磁元件902中的相应的一个连接磁元件缠绕。图10示出了耦合电感器800的侧视立体图,其中去除了第二端部磁元件804、顶部磁元件806以及绕组904,以便更好地示出连接磁元件902。每个连接磁元件902均具有各自的宽度1002。虽然所示的连接磁元件902为矩形并具有相同的宽度1002,但是它们的形状可以改变(例如,圆形的),并且连接磁元件902的每一个示例不需具有等同的宽度1002。
[0053] 间隙808包括(例如至少部分地填充有)这样的材料,其导磁率低于形成第一端部磁元件802、第二端部磁元件804、顶部磁元件806以及连接磁元件902中的一种或多种磁性材料。例如,间隙808可包括非磁性材料,例如空气、绝缘带、塑料、胶和/或纸。作为另一示例,间隙808可以选择性地包括可饱和磁性材料,其在耦合电感器800的预期的正常运行期间饱和,从而使绕组904具有非线性的漏电感值。顶部磁元件806和间隙808通常是每一个绕组904的各自漏电感的最主要来源。因此,通过改变间隙808的厚度810可以改变漏电感,其中漏电感与厚度810成比例地增加。
[0054] 图11示出了与图8-10的侧视立体图相对的电感器800的侧视立体图。在图11中,第一端部磁元件802被去除。图12是耦合电感器800的俯视平面图,其中短划线表示被磁元件遮蔽的绕组904的轮廓。绕组904具有节距1202,节距1202例如等于在其中设置有耦合电感器800的直流-直流变换器的功率级的节距,从而使电路板迹长最小化以及使直流-直流变换器的功率密度最大化。虽然所示的节距1202为每一对绕组904的节距相同,但是节距1202也可以在各对绕组中改变,例如以容纳功率级的几何结构。
[0055] 图13示出了沿图12的线B-B所得的电感器800的截面图。区域1302表示连接磁元件902的区域,连接磁元件902被具有各自的宽度1306的窗口1304分隔。区域1308表示顶部磁元件806的截面。图13中绕组904的厚度被夸大以用于使视图清楚。每一个窗口1304不必具有相同的宽度1306。窗口宽度1306能够变小,因为连接磁元件902无需隔开来提供用于泄漏段的空间以增加漏电感。相反,如以上所讨论的,漏电感主要由顶部磁元件806和间隙808造成。实际上,窗口宽度1306能够尽可能的小,例如仅大到防止绕组904短路。例如,在一些实施方式中,窗口宽度1306小于连接磁元件宽度1002的50%、25%或10%。因此,在一些实施方式中,相邻的连接磁元件902分隔的分隔距离(即,窗口宽度1306)小于其中任一相邻的连接磁元件的各自的宽度1002的50%、25%或10%。构造耦合电感器800使得窗口宽度1306相对较小,可以有利地增加耦合电感器800中用于将绕组有磁性地耦合在一起的容积的部分,如以下所讨论的那样。
[0056] 绕组904例如为具有至少基本矩形横截面的单单层绕组,以有助于使绕组电阻最小化。图14示出了一个绕组904的侧视立体图,图15示出了一个绕组904的部分透明的视图。然而,绕组904能够具有其它构造。例如,图16-18示出了其它可能的绕组构造的示例。作为另一示例,图19示出了一个耦合电感器1900的俯视平面图,其是耦合电感器800的三绕组的实施方式。耦合电感器1900包括绕组1902,绕组1902例如由传导材料(例如,)的矩形片材形成。在图19的俯视平面图中不可视的绕组1902的边缘用虚线画出。
另外,在图19的俯视平面图中无法看到的连接磁元件的边缘也用虚线画出。
[0057] 虽然所示的每一个绕组904均具有从侧面1204和1206之一延伸出的端部(参见图12),但是绕组904能够以不同的方式从电感器800延伸,或者完全不延伸。例如,一个或多个绕组904的每个端部可从电感器800的公共侧伸出,例如以符合功率级的布局要求。另外,绕组904能够改为包括通孔销或耦合于通孔销。
[0058] 顶部磁元件806的构造能够变化。例如,顶部磁元件806能够用两个或更多个顶部磁元件替换,例如图20所示。具体地,图20示出了一个耦合电感器2000的侧视立体图,其是耦合电感器800的可选实施方式。在耦合电感器2000中,第一顶部磁元件2002在连接磁元件之上从第一端部磁元件2004延伸出,而第二顶部磁元件2006在连接磁元件之上从第二端部磁元件2008延伸出。顶部磁元件2002、2006形成间隙2010。
[0059] 在M相对较大的耦合电感器800的实施方式中,电感器800的长度812会相对较长,以容纳M个连接磁元件902中的每一个连接磁元件。电感器800的这种相对长的长度812将增加与厚度810正交的间隙808的截面面积,从而增加绕组904的漏电感值。如果漏电感不期望的大,那么能够通过增加间隙808的厚度810来减小漏电感。因此,当绕组数增加时,间隙808的厚度810可以增加以保持所期望的漏电感。
[0060] 顶部磁元件806、第一端部磁元件802和/或第二端部磁元件804的构造也能够改变,以确定绕组的漏电感值。例如,在邻近于磁元件806的端部磁元件802、804中的一个或者多个中能够形成开口,从而在绕组数增加的情况下保持所需的间隙截面面积(并由此保持所需的漏电感值)。图21-24示出了这种技术的一个示例。
[0061] 图21示出了一个耦合电感器2100的侧视立体图,其是耦合电感器800的双绕组的实施方式。耦合电感器2100包括第一端部磁元件2102、第二端部磁元件2104以及形成间隙2108的顶部磁元件2106。间隙2108具有厚度2110,厚度2110主要确定电感器的绕组的漏电感值。
[0062] 图22示出了一个耦合电感器2200的侧视立体图,其是耦合电感器800的三绕组的可选实施方式。耦合电感器2200包括第一端部磁元件2202、第二端部磁元件2204以及顶部磁元件2206。第一端部磁元件2202形成开口2208,这导致顶部磁元件2206形成两个间隙2210,每个间隙2210均具有各自的厚度2212,厚度2212与电感器2100(图21)的间隙2108的厚度2110相同。选择开口2208的尺寸,以使得与两个间隙2210的厚度2212正交的两个间隙2210的全部截面面积约等于与电感器2100的间隙2108的厚度2110正交的间隙2108的截面面积。因此,尽管电感器2200具有更多的绕组以及与电感器2100相同的间隙厚度,但是耦合电感器2200具有大约与电感器2100相同的绕组漏电感值。
[0063] 图23示出了一个耦合电感器2300的侧视立体图,其是耦合电感器800的四绕组的实施方式,耦合电感器2300包括第一端部磁元件2302、第二端部磁元件2304以及顶部磁元件2306。耦合电感器2300与耦合电感器2200类似(图22)。但是,耦合电感器2300包括四个绕组,并且第一端部磁元件2302中所形成的开口2308的尺寸被选择,以使得与间隙2310的厚度2312正交的间隙2310的全部截面面积约等于与电感器2100(图21)的间隙2108的厚度2110正交的间隙2108的截面面积。每个间隙2310的厚度2312均与电感器2100的间隙2108的厚度2110相同。因此,尽管耦合电感器2300具有更多的绕组以及与电感器2100和2200相同的间隙厚度,但是耦合电感器2300具有大约与耦合电感器2100和2200相同的绕组漏电感值。
[0064] 图24示出了电感器2300的侧视立体图,其中第二端部磁元件2304和顶部磁元件2306被去除。在图24中可以看见连接磁元件2402和绕组2404。
[0065] 因此,如图21-24所示,通过在与顶部磁元件邻近的端部磁元件中增加开口,能够在绕组数增加时将漏电感保持在期望值处,这里开口的尺寸被选择以实现期望的全部间隙的总截面面积,并因而实现期望的绕组漏电感。在具有大量绕组的实施方式中,开口尺寸通常稍微大于实现期望的间隙截面面积所需的开口尺寸,这是因为一些磁通量将会经过该开口。
[0066] 顶部磁元件806的构造也能够改变,从而在绕组数增加时保持所需的间隙截面面积(并因而保持所需的绕组漏电感值)。图25-30示出了这种技术的一个示例。
[0067] 图25示出了一个耦合电感器2500的侧视立体图,其是耦合电感器800(图8)的双绕组的可选实施方式。图26示出了耦合电感器2500的侧视平面图。耦合电感器2500包括第一端部磁元件2502、第二端部磁元件2504以及形成间隙2508的顶部磁元件2506。例如由非磁性材料形成的间隔件(未示出)可选地包含在间隙2508中,以利于在制造电感器2500期间对间隙2508进行控制。间隙2508跨越耦合电感器2500的全部长度2510,并且间隙2508具有厚度2602(参见图26)。整个顶部外表面2512例如至少为基本平坦的,以利于无需耦合电感器2500顶部的粘着剂就可自动放置电感器2500。
[0068] 图27示出了一个耦合电感器2700的侧视立体图,图28示出了其侧视平面图,耦合电感器2700是耦合电感器2500的三绕组可选实施方式。耦合电感器2700包括第一端部磁元件2702、第二端部磁元件2704以及形成具有厚度2802的间隙2804(参见图28)的顶部磁元件2706,厚度2802与间隙2508的厚度2602相同。然而,与耦合电感器2500相比,间隙2804没有跨越电感器2700的整个长度2710。相反地,顶部磁元件2706被构造使得与间隙2804的厚度2802正交的间隙2804的截面面积约等于与间隙2508的厚度2602正交的电感器2500的间隙2508的截面面积。因此,尽管电感器2700具有更多的绕组以及与电感器2500相同的间隙厚度,但是电感器2700的绕组漏电感值大约与电感器2500相同。
[0069] 图29示出了一个耦合电感器2900的侧视立体图,图30示出了耦合电感器2900的侧视平面图,耦合电感器2900是耦合电感器2500的四绕组可选实施方式。耦合电感器2900包括第一端部磁元件2902、第二端部磁元件2904以及形成具有厚度3002的间隙3004(参见图30)的顶部磁元件2906,厚度3002与间隙2508的厚度2602相同。与电感器2700类似,顶部磁元件2906被构造使得与间隙3004的厚度3002正交的间隙3004的截面面积约等于与电感器2500(图25)的间隙2508的厚度2602正交的间隙2508的截面面积。因此,尽管电感器2900具有更多的绕组以及与电感器2500和2700相同的间隙厚度,但是电感器2900的绕组漏电感值大约与电感器2500和2700相同。
[0070] 图31示出了一个耦合电感器3100的侧视立体图,其是耦合电感器800(图8)的可选实施方式并且包括耦合电感器2300(图23)和耦合电感器2900(图29)的一些特征。耦合电感器3100包括第一端部磁元件3102、第二端部磁元件3104以及顶部磁元件3106,顶部磁元件3106提供用于磁通量在第一端部磁元件3102与第二端部磁元件3104之间行进的通路。顶部磁元件3106还形成间隙3108。顶部磁元件3106形成延伸部3110,延伸部
3110延伸进第一端部磁元件3102中的开口3112,但是不接触第一端部磁元件3102。图32示出了与图31的侧视立体图相对的电感器3100的侧视立体图。由于间隙3108的整个截面面积相对较大,所以电感器3100的绕组漏电感值可能相对较大。然而,电感器3100的大量间隙3108可以提供在确定绕组漏电感值时显著的灵活性。
[0071] 图33是一个耦合电感器3300的侧视立体图,其是耦合电感器3100(图33)的可选实施方式。耦合电感器3300与耦合电感器3100类似。然而,与耦合电感器3100相比,耦合电感器3300的顶部磁元件3302没有在全部连接磁元件3304上延伸,从而减少了间隙截面面积。因此,耦合电感器3300通常具有比类似的实施方式的耦合电感器3100更小的漏电感值。
[0072] 耦合电感器800与其它耦合电感器相比可具有一些潜在优势。一个潜在优势在于耦合电感器800与具有类似的电感以及电流容量特性的其它耦合电感器相比可具有更小的占重面积(footprint)。具体地,漏电感主要通过顶部元件806和间隙808产生并控制。因此,无需用于增加漏电感的其它特征,这些特征通常会增加电感器的占重面积大小。例如,在耦合电感器800中不需要电感器的端部或者绕组之间的泄漏段中所添加的具有间隙的外置腿(例如,参见图5-7的电感器500),这些外置腿被用在其它耦合电感器中以增加漏电感值。
[0073] 另外,如上所述,漏电感能够通过改变间隙808的厚度810来调节。因此,可容易地调节漏电感,例如通过仅对顶部磁元件806进行磨压。相反地,必须改变磁芯几何结构和/或泄漏段来调节耦合电感器100(图1-3)或耦合电感器500(图5-7)的漏电感。
[0074] 此外,耦合电感器800无需具有绕组之间的宽窗口宽度1306,从而有助于使对于磁性地耦合绕组可用的磁芯截面的一部分最大化。例如,在图13中,大部分的截面被使绕组904耦合在一起的磁性材料占据一仅窗口1304没有包括磁性材料。因此,电感器800可具有比具有类似的绕组节距的其它电感器更大的磁化电感,这增加了绕组之间的磁耦合、增加了漏电感的均匀性以及绕组之间的磁化电感、增加了对由于绕组电流失配而引起饱和的抗性和/或减少了磁芯损耗。另外,耦合电感器800的一些实施方式提供的大量磁耦合可采用导磁率较低的芯材,从而减少磁芯损耗。
[0075] 相反地,在一些其它的耦合电感器中,例如耦合电感器100(图1-3)或耦合电感器500(图5-7),电感器容积的大部分不用于将绕组磁性耦合在一起。通过对比图7和图13可以理解这样的事实,与相同的绕组节距的耦合电感器500相比,耦合电感器800包括明显更多的将绕组磁性耦合在一起的磁性芯材。
[0076] 另外,耦合电感器800的某些实施方式允许绕组904具有较短的长度和较宽的宽度,从而减小绕组电阻以及相关的功率损耗。相反地,一些现有技术的耦合电感器需要长得多的绕组,例如耦合电感器100的绕组104的长度所示的那样(参见图4)。
[0077] 而且,耦合电感器800的一些实施方式不需要薄的磁芯片,从而利于机械强度、制造、运输、处理和/或组装。相反地,一些其它的耦合电感器需要薄的磁芯片,这些薄的磁芯片易碎且难于制造、运输、处理和/或组装。例如,耦合电感器100(图1)的芯102可能需要薄的顶片和薄的底片。
[0078] 图34示出了一个M绕组耦合电感器3400的俯视立体图。所示的耦合电感器3400中的M等于四。然而,M可以是大于1的任意整数。耦合电感器3400与耦合电感器800类似,但包括与其主要的泄漏通量通路相连的两个间隙。具体地,耦合电感器3400包括磁芯3402,磁芯3402包括第一和第二端部磁元件3404和3406以及顶部磁元件3408。第一间隙
3410将顶部磁元件3408与第一端部磁元件3404隔开,而第二间隙3412将顶部磁元件3408与第二端部磁元件3406隔开。第一和第二间隙3410、3412均包括各自的间隙材料(例如,空气、绝缘带、塑料、胶和/或纸),这些间隙材料具有比形成磁芯3402的一种或多种磁性材料更低的导磁率。顶部磁元件3408形成外表面或上表面3422,并且在某些实施方式中,至少一部分的表面3422至少为基本平坦的。
[0079] 图35示出了芯3402的俯视立体图,其中顶部磁元件3408被去除。芯3502包括设在第一和第二端部磁元件3404、3406之间并连接第一和第二端部磁元件3404、3406的M个连接磁元件3414。因此,顶部磁元件3408与连接磁元件3414中的每一个相邻,并且至少部分在连接磁元件3414中的每一个之上延伸。第一和第二端部磁元件3404、3406例如彼此平行,以使得磁芯3402形成梯状芯。虽然所示的芯3402的磁元件为接合以形成磁芯3402的分立磁元件,但是磁元件中的一个或多个能够组合成单独的磁元件(例如,连接磁元件3414和第一端部磁元件3404能够组合成单独的磁元件)。
[0080] 耦合电感器3400还包括至少部分绕每一个连接磁元件3414缠绕的相应的绕组3416。图36示出了耦合电感器3400的俯视立体图,其中所示的磁芯3402为透明的以示出绕组3416。绕组3416的构造可以改变为,例如类似于图16-18的示例中的那些。图37示出了耦合电感器3400的侧部3418的视图。
[0081] 非磁性材料3708(图37),例如,胶、环氧树脂和/或一个或多个非磁性间隔件通常设置在磁性3402的顶部磁元件3408与一个或多个其它元件之间(例如,第一和第二端部磁元件3404、3406),以将顶部磁元件3408与第一和第二端部磁元件3404、3406隔开,从而产生第一和第二间隙3410、3412。磁性间隔件可选地为粘合剂,并且在这种情况下,将顶部磁元件3408至少部分地固定至第一和第二端部磁元件3404、3406。也可以使用胶将顶部磁元件3408至少部分地固定至第一和第二端部磁元件3404、3406。图38-40分别示出了耦合电感器3800、3900以及4000的俯视立体图,其中的每一个均为耦合电感器3400的实施方式,其包括将顶部磁元件3408与第一和第二端部磁元件3404、3406隔开的一个或多个非磁性间隔件3802。图38-40中所示的芯3402为透明的,以示出非磁性间隔件3802。
[0082] 在某些可选的实施方式中,耦合电感器的绕组中的至少一个绕组充当芯的顶部磁元件与一个或多个其它元件之间的间隔件。例如,图41示出了耦合电感器4100的侧视图,其是耦合电感器3400的可选实施方式,其中绕组4102(类似于绕组3416)有助于使顶部磁元件4104与第一和第二端部磁元件4106、4108隔开。例如胶或环氧树脂的粘合材料(未示出)通常被用于将顶部磁元件4104保持在耦合电感器4100的剩余部。这种粘合材料通常也有助于使顶部磁元件4104与端部磁元件4106、4108隔开。使用绕组4102作为顶部磁元件4104与端部磁元件4106、4108之间的间隔件可以有助于精确地控制间隙厚度4110、4112。
[0083] 顶部磁元件3408提供用于磁通量在第一端部磁元件3404与第二端磁元件3406之间行进的通路。因此,顶部磁元件3408提供用于泄漏磁通量的通路,并且第一和第二间隙3410、3412均与顶部磁元件3408的泄漏通量通路相连。因此,顶部磁元件3408以及第一和第二间隙3410、3412通常是每个绕组3416的各自的漏电感的最主要来源。因此,可以通过改变第一间隙3410的厚度3702和/或第二间隙3412的厚度3704(参见图37)改变漏电感,这里漏电感与厚度3702、3704成比例地增加。由于耦合电感器3400在其泄漏通量通路中包括两个间隙3410、3412,所以间隙3410、3412通常会比在其泄漏通量通路中仅包括单个间隙的电感器的泄漏通量通路更薄。
[0084] 虽然所示的厚度3702、3704与图37相同,但是厚度3702不必与厚度3704相同。此外,虽然所示的第一和第二间隙3410、3412中的每一个均沿耦合电感器3400的整个长度3420延伸,但是第一和第二间隙3410、3412中的一个或多个可改为仅沿部分长度3420延伸。另外,第一和第二间隙3410、3412中的一个或多个可具有沿耦合电感器3400的宽度
3420和/或沿其深度3706不均匀的厚度3702、3704,例如以产生非线性的漏电感值。另外,电感器3400耦合改为在顶部磁元件3408的泄漏通量通路中包括除第一和第二间隙3410、
3412之外的一个或多个间隙。
[0085] 耦合电感器3400的某些实施方式具有与以上关于耦合电感器800所讨论的那些类似的优势,例如,比具有类似的电感以及电流容量特性的一些其它耦合电感器更小的占重面积、容易调节漏电感的能、将相邻的绕组紧密放置在一起的能力以及使用较短和/或较宽的绕组的能力。另外,如以下将讨论的,耦合电感器3400的某些实施方式具有未必通过耦合电感器800的某些实施方式实现的其它优势。
[0086] 例如,在耦合电感器3400的某些实施方式中,至少一部分的顶部表面3422没有间隙而且是基本平坦的(间隙3410、3412位于表面3422的侧面),从而潜在地使得无需在表面3422上使用标签或者覆盖件就能够取放组件。不必使用标签或者覆盖件可以有利地降低材料和劳动力成本、降低耦合电感器3400的高度3424和/或促进热量从顶部表面3422传送到电感器的外界。
[0087] 作为另一实施例,耦合电感器3400的某些实施方式包括由若干简单成型(例如,基本上矩形)的磁元件所形成的芯,由此促进低磁芯成本和可制造性。这种磁元件可以是对称的,从而减少形成芯3402所需的磁元件的数量。例如,在某些实施方式中,第一和第二端部磁元件3404、3406是可互换的,从而减少贮备以形成磁芯3402的不同磁元件的数量。
[0088] 作为又一实施例,间隙厚度3702、3704由顶部磁元件3408相对于第一和第二端部磁元件3404、3406的位置而确定的事实使得能够相对简单地控制间隙厚度。例如,在某些实施方式中,间隙厚度主要由将顶部磁元件3408与第一和第二端部磁元件3404、3406隔开的非磁性间隔件和/或胶的厚度来控制。
[0089] 作为另一实施例,使用两个间隙3410、3412而不是单个间隙可以减少从耦合电感器3400发出的杂散磁场。具体地,如以上所讨论的,间隙3410、3412通常比在电感器的泄漏通量通路中仅包括单个间隙的电感器的泄漏通量通路的间隙更薄。这种更小的间隙可以减少杂散磁场,进而可减少来自耦合电感器3400的电磁干扰。杂散磁场的减少还可以减少因杂散磁场在金属部件中诱导的电流所引起的相邻金属部件中的损失。
[0090] 本文所公开的耦合电感器的一种可能应用是电源,例如直流-直流变换器。因此,用于形成本文所公开的耦合电感器的磁芯的磁性材料通常是在切换电源时常见的高切换频率(例如,至少20KHz)展示相对较低的磁芯损耗的材料(例如,铁氧体材料或铁粉材料)。
[0091] 图41示意性地示出了一个电源4200,其是本文所讨论的耦合电感器的一种可能应用。虽然所示的电源4200具有三相,但是电源4200能够具有大于1的任意数量的相数。
[0092] 电源4200包括耦合电感器4202,其例如为本文所讨论的耦合电感器之一的三个绕组的实施方式(例如,耦合电感器800、1900、2000、2100、2200、2300、2500、2700、2900、3100、3300、3400或者4100中的一个耦合电感器的三个绕组的实施方式)。耦合电感器4202包括磁芯4204和三个绕组4206。每个绕组4206具有第一端4210,第一端4210与公共第一节点4212电耦合。每个第一端4210可选地从电感器4202的一个公共侧延伸(例如,图
12中的侧1204)。每个绕组4206还包括第二端4208,第二端4208与相应的切换电路4214电耦合。每个第二端4208可选地从电感器4202的另一公共侧延伸(例如,图12中的侧
1206)。绕组4206缠绕在磁芯4204上,以使得从绕组4206第二端4208经过绕组4206流到绕组4206第一端4210的电流在每一其他绕组4206中诱导从其第二端4208流到其第一端4210的电流。切换电路4214被构造和设置为使它们各自的绕组4206的第二端4208在至少两个不同的电压之间进行切换。控制器4218控制切换电路4214,并且控制器4218可选地包括反馈连接器4220,例如至第一节点4212。第一节点4212可选地包括滤波器4216。
[0093] 电源4200通常具有至少约20k Hz的切换频率,切换电路4214在该频率进行切换,以使得因切换电流而导致的部件移动产生的声音高于人能够感知频率范围。在高切换频率(例如,至少20kHz)而不是低切换频率操作切换电源4200还可以利于(1)能量存储部件(例如,耦合电感器4202和滤波电容器)的尺寸的减少,(2)涟波电流和涟波电压幅值的减少和/或(3)改进的变换器瞬变响应。为了能够在高切换频率进行有效的操作,形成耦合电感器4202的磁芯4204的一种或多种磁性材料通常是在高频率操作下具有相对低的磁芯损耗的材料。
[0094] 在一些实施方式中,控制器4218控制切换电路4214,以使得每一个切换电路4214与另一个切换电路4214异相地操作。以不同的方式说明,在这些实施方式中,每个切换电路4214提供到其相应的第二端4208的切换波形相对于另一个切换电路4214提供到其相应的第二端4208的切换波形是相位移动的。例如,在电源4200的某些实施方式中,切换电路4214(1)提供到第二端4208(1)的切换波形相对于切换电路4214(2)提供到第二端4208(2)的切换波形以及切换电路4214(3)提供到第二端4208(3)的切换波形均为120度异相。
[0095] 电源4200能够被构造和设置成具有不同的构造。例如,切换电路4214可使它们各自的绕组4206的第二端4208在输入电压节点(未示出)和接地之间切换,从而使电源4200构造为降压型变换器,第一节点4212为输出电压节点,且滤波器4216是输出滤波器。在该示例中,每个切换电路4214包括至少一个高侧切换装置和至少一个环流二极管(catch diode),或者包括至少一个高侧切换装置和至少一个低侧切换装置。在本文的上下文中,切换装置包括但不限于双极结晶体管、场效应晶体管(例如N沟道或P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管、结型场效应晶体管或金属半导体场效应晶体管)、绝缘栅极双极结晶体管、晶体闸流管或者可控整流器
[0096] 作为另一个示例,电源4200可被构造为升压型变换器,以使节点4212为输入电源节点,并且切换电路4214使它们各自的绕组4206的第二端4208在输出电压节点(未示出)和接地之间切换。另外,电源4200例如可被构造为降压-升压型变换器,使得节点4212为公共节点,且切换电路4214使它们各自的绕组4206的第二端4208在输出电压节点(未示出)和输入电压节点(未示出)之间切换。
[0097] 另外,作为又一个示例,电源4200可形成独立的拓扑。例如,每个切换电路4214可包括变压器、与变压器的主绕组电耦合的至少一个切换装置以及整流电路,该整流电路耦合在变压器的次级绕组和相应绕组4206的第二端4208之间。该整流电路可选地包括至少一个切换装置以提高效率。
[0098] 电源4200的一种可能应用是计算设备,例如图43所示的计算设备4300。计算设备4300例如是个人计算机或服务器主板、服务器处理板、具有计算能力的移动电话,或者个人数字助理。电源4302是电源4200的一个实施方式,其至少部分地为处理器4304供电。电源4302包括耦合电感器4306,耦合电感器4306例如是本文所讨论的耦合电感器中的一个耦合电感器的实施方式(例如,耦合电感器800、1900、2000、2100、2200、2300、2500、2700、
2900、3100、3300、3400或者4100中的一个耦合电感器的实施方式)。
[0099] 可以对以上方法和系统进行修改而不脱离本发明范围。因此应注意,以上描述中包含的以及附图中示出的主题应理解为示例性的,而不是限制的意思。所附的权利要求书旨在覆盖本文所描述的一般的和具体的特征,以及本方法和系统的全部保护范围,作为主题可认为落入一般的和具体的特征之间。
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