磁性元件及其磁芯 |
|||||||
| 申请号 | CN201610173671.7 | 申请日 | 2016-03-24 | 公开(公告)号 | CN106057401A | 公开(公告)日 | 2016-10-26 |
| 申请人 | 台达电子工业股份有限公司; | 发明人 | 周锦平; 吴睿; 曾剑鸿; 张钰; 周敏; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种 磁性 元件及其磁芯，磁芯包括至少两个磁芯单元，每个所述磁芯单元包括至少一个与其他磁芯共用的共用部分和至少一个不与其他磁芯共用的非共用部分，且所述共用部分的磁阻小于所述非共用部分的磁阻，两个所述磁芯单元在其共用部分的直流磁通方向相反。本发明 实施例 的技术方案可有效缩减多个并联的单颗电感所占用的体积。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种磁芯，其特征在于，包括： |
||||||
| 说明书全文 | 磁性元件及其磁芯技术领域[0001] 本发明涉及一种电源技术，且特别涉及一种磁性元件及其磁芯。 背景技术[0002] 近年来，电源转换器的小型化是一个重要的发展趋势。在电源转换器中，磁性元件在体积和损耗中都占据了一定的比例，因而磁性元件的设计和优化就显得至关重要。 [0003] 在某些应用场合，如大电流的应用场合，电路通常会选用多路交错并联的方式来减小纹波。而每路中的磁性器件都会优化到各自的最优点。通常的磁性器件设计中，为了保证磁材料不饱和以及低损耗，一般需要通过增加磁性器件的体积以降低磁芯中的磁感应强度。因此追求高效率和高功率密度往往成为一对矛盾。 [0004] 因此，如何设计一种磁性元件及其磁芯，以解决上述的问题，乃为此一业界亟待解决的问题。 发明内容[0006] 根据本发明的一个方面，一种磁芯，包括多个磁芯单元，每个所述磁芯单元包括至少一个与相邻磁芯单元共用的共用部分和至少一个不与相邻磁芯单元共用的非共用部分，其中，所述共用部分的磁阻小于所述非共用部分的磁阻，且相邻的两个所述磁芯单元在所述共用部分的直流磁通方向相反。 [0007] 本发明的另一个方面，一种磁性元件，包括本发明所述的磁芯以及多个绕组，所述多个绕组分别绕设于对应磁芯单元的所述非共用部分。 [0008] 应用本发明的优点在于：通过磁性元件中磁芯的设计，可有效缩减磁性元件的体积，使磁性元件的体积小于传统的多个并联的单颗磁芯所占用的总体积；使用本发明磁芯可以简化多路并联电感的制作，同时也利于减小整个并联电感的损耗。附图说明 [0009] 图1为本发明一实施例中，多路并联电源转换器的电路图； [0010] 图2为本发明一实施例中，应用于图1所示多路并联电源转换器中的多路电感的结构原理示意图； [0011] 图3A为本发明一实施例中，图2的多路电感及其部分磁通的示意图； [0012] 图3B为本发明一实施例中，图2的多路电感的等效磁路模型； [0013] 图4为本发明一实施例中，应用于多路并联电源转换器中的磁性元件的示意图； [0014] 图5为本发明一实施例中，应用于多路并联电源转换器中的磁性元件的示意图； [0015] 图6A-6G分别为本发明一实施例中，单一个磁芯单元的示意图； [0016] 图7A-7B分别为本发明一实施例中，磁芯的示意图； [0017] 图8为本发明一实施例中，磁芯的示意图； [0018] 图9为本发明一实施例中，磁芯的示意图； [0019] 图10为本发明一实施例中，磁芯的示意图； [0020] 图11为本发明一实施例中，磁芯的示意图； [0021] 图12为本发明一实施例中，磁芯的示意图； [0022] 图13为本发明一实施例中，磁芯的示意图； [0023] 图14A为本发明一实施例中，磁芯的示意图； [0024] 图14B为图14A的磁芯制作结构的一示意图； [0025] 图15A为本发明一实施例中，磁芯的示意图； [0026] 图15B为图15A的磁芯的制作结构的一实施例示意图； [0027] 图15C为本发明一实施例中，磁芯的示意图； [0028] 图15D为本发明一实施例中，磁芯的示意图； [0029] 图15E为本发明一实施例中，盖板的示意图； [0030] 图15F为本发明一实施例中，磁芯单元的磁路模型； [0031] 图15G为本发明一实施例中，磁芯单元的磁路模型； [0032] 图15H为本发明一实施例中，磁芯单元的磁路模型； [0033] 图15I为本发明一实施例中，磁芯单元的磁路模型； [0034] 图16为本发明一实施例中，六相集成电感的结构示意图； [0035] 图17为本发明一实施例中，另一六相集成电感的结构示意图； [0036] 图18为图16所示的六相集成电感中的部分磁通分布图； [0037] 图19示出图16所示的六相集成电感中，一种电感绕组与磁芯单元关系的结构示意图； [0038] 图20示出图16所示的六相集成电感中，另一种电感绕组与磁芯单元关系的结构示意图； [0039] 图21示出图20中的电感绕组的立体图； [0040] 图22示出图21中的电感绕组的展开图； [0041] 图23为本发明一实施例中，两相集成电感的结构示意图； [0042] 其中，附图标记说明如下： [0043] 1：电源转换器 [0044] 100a-100c：电感 [0045] 16：负载 [0046] 2：磁性元件 [0047] 22：磁芯 [0048] 220a-220c：磁芯单元 [0049] 24a-24c：窗口 [0050] 300a-300c：磁通 [0051] 4：磁性元件 [0052] 400a-400c：磁芯单元 [0053] 44a-44b：共用部分 [0054] 50：磁芯 [0055] 52a-52c：窗口 [0056] 6：磁芯单元 [0057] 600、602、604、606：低磁导率结构 [0058] 700a-700f：磁芯单元 [0059] 72a-72f：窗口 [0060] 722：第一低磁导率结构 [0061] 8：磁芯 [0062] 82a-82f：窗口 [0063] 9：磁芯 [0064] 900a-900f：磁芯单元 [0065] 920：第一低磁导率结构 [0066] 1000a-1000f：磁芯单元 [0067] 1020：第一低磁导率结构 [0068] 1100：磁芯 [0069] 1102：窗口 [0070] 1200：磁芯 [0071] 1202：窗口 [0072] 1300：第二低磁导率结构 [0073] 1400a-1400b：磁芯单元 [0074] 1422a-1422b：第一低磁导率结构 [0075] 1500、1500’、1500”：磁芯 [0076] 1522a-1522f：第一低磁导率结构 [0077] 1541、1542、1543：磁芯 [0078] 10：电感模块 [0080] 18：电容 [0081] 20a-20c：绕组 [0082] 22’：部分磁芯 [0083] 222a-222c：第一低磁导率结构 [0084] 26a-26b：共用部分 [0085] 302：磁通 [0086] 40：磁芯 [0087] 42a-42c：窗口 [0088] 5：磁性元件 [0089] 500a-500c：磁芯单元 [0090] 54a-54b：共用部分 [0091] 60a-60d：磁柱 [0092] 610a-610c：气隙 [0093] 7、7’、7”：磁芯 [0094] 704：共用部分 [0095] 720a-720b：第一低磁导率结构 [0096] 800a-800f：磁芯单元 [0097] 820a-820b：第一低磁导率结构 [0098] 92：窗口 [0099] 1000：磁芯 [0100] 1002：窗口 [0101] 1100a-1100c：磁芯单元 [0102] 1104a-1104b：共用部分 [0103] 1200a-1200c：磁芯单元 [0104] 1204a-1204b：共用部分 [0105] 1400：磁芯 [0106] 1420a-1420b：电感绕组 [0107] 1430：磁芯底座 [0108] 1440：磁芯盖板 [0109] 1500a-1500f：磁芯单元 [0110] 1520a-1520f：电感绕组 [0111] 1530：磁芯底座 [0112] 1540：磁芯盖板 具体实施方式[0113] 本发明中的磁性元件包括本发明的磁芯以及绕组。本发明的磁芯包括多个磁芯单元，通过使相邻的磁芯单元共用同一个共用部分，达到磁性元件直流磁通抵消的效果，减小磁芯中的直流磁感应强度，从而减小磁芯的饱和压力和直流偏置对磁芯损耗的影响，最终达到减小磁芯体积以及磁性元件整体体积的目的。本发明中的磁性元件，通过使用不同类型的绕组即可成为具有不同功能的磁性器件。例如当绕组为变压器绕组时，则本发明磁性元件即可用作变压器；当绕组为电感绕组时，则本发明磁性元件即可用作电感。下面以三路交错并联Buck电路中电感为例详细说明本发明的磁性元件。 [0114] 请参照图1。图1为本发明一实施例中，电源转换器的电路图。直流/直流电源转换器包括一电感模块10、多个开关管12a、12b、12c、14a、14b和14c以及负载16。 [0115] 电感模块10包括多个单相电感100a、100b和100c。各路电感100a-100c的一端直接连接之后作为直流/直流电源转换器中的多路并联输出端Out。因此，电感模块10为直流/直流电源转换器中，对应多路并联输出端Out的输出电感。 [0116] 开关管12a-12c与对应的开关管14a-14c形成多路并联连接的功率转换电路。上述的多路并联输出端Out为功率转换电路的输出端。于本实施例中，如图1所示，各路电感100a-100c的另一端分别电性连接于对应的开关管12a-12c及14a-14c。以电感100a为例，其电性连接于开关管12a及14a。其中，电感100a-100c更通过开关管12a-12c连接至多路并联输入端In。于本实施例中，多路并联输入端In接收输入电压Vin。 [0117] 负载16与电感模块10在多路并联输出端Out电性连接。于一实施例中，直流/直流电源转换器还可包括其他负载元件，例如但不限于图1所示出的电容18，以达到使电路稳定的功效。 [0118] 需注意的是，上述电感模块10在直流/直流电源转换器的配置方式仅为一范例。于其他实施例中，电感模块10可例如直接与多路并联直流输入端In电性连接而成为对应的输入电感，并通过开关管12a-12c及14a-14c与多路并联输出端Out电性连接。但是本发明不限于此。 [0119] 电感模块10可由如图2所示的磁性元件2实现。请参照图2。图2为本发明一实施例中，应用于多路并联电源转换器中的磁性元件2的示意图。磁性元件2包括多个电感绕组20a、20b和20c以及磁芯22。电感绕组20a-20c以及磁芯22集成如图1中所示的电感100a- 100c。 [0120] 电感绕组20a-20c的数目对应于图1中所示的电感模块10包括的电感100a-100c的数目。电感绕组20a-20c在经由电流的输入并与磁芯22产生电磁作用互相耦合后，用作为电感100a-100c。于一实施例中，电感绕组20a-20c各包括铜皮、利兹线、PCB绕组、圆导线、多股线或扁平线。 [0121] 于本实施例中，磁芯22包括三个磁芯单元220a、220b和220c。于图2所示的实施方式中，磁芯单元220a-220c可以各具有闭合几何结构以形成三个窗口24a、24b和24c。需要说明的是，虽然在本实施方式中包含三个窗口，但是在其他实施方式中，磁芯单元并非必然是能形成窗口的闭合几何结构，其也可以是开放式结构而不形成窗口。 [0122] 如图2所示，每个磁芯单元220a、220b和220c由四个磁柱围绕成带通孔的四边形，通孔构成用于设置电感绕组的窗口。其中，磁芯单元220a对应于窗口24a，磁芯单元220b对应于窗口24b，磁芯单元220c对应于窗口24c。窗口24a-24c各设置电感绕组20a-20c至少其中之一。例如，窗口24a内设置绕组20a，窗口24b内设置绕组20b，窗口24c内设置绕组20c。 [0123] 相邻的两个磁芯单元，例如磁芯单元220a及220b具有共用部分26a，磁芯单元220b及220c则具有共用部分26b。相邻的两个磁芯单元还具有非共用部分，例如磁芯单元220a具有不与磁芯单元220b共用的非共用部分27a、28a和29a；磁芯单元220b具有不与磁芯单元220a和220c共用的非共用部分27b和29b；磁芯单元220c具有不与磁芯单元220b共用的非共用部分27c、28c和29c。换言之，在该实施例中，磁芯单元220a及220b具有共用部分26a；磁芯单元220b及220c具有共用部分26b。对于磁芯单元220b来说，磁柱26a和磁柱26b均为共用部分的公共磁柱。 [0124] 于图2所示的实施方式中，相邻的两个磁芯单元220a及220b的共用部分26a为一公共磁柱，二者的非共用部分27a、29a和28a分别为第一磁柱、第二磁柱和第三磁柱，其中第一磁柱27a、第二磁柱29a垂直于用作共用部分26a的公共磁柱；第三磁柱28a平行于公共磁柱。每个磁芯单元220a-220c中的共用部分的磁阻小于非共用部分的磁阻，以磁芯单元220a及 220b为例，其共用部分26a的磁阻小于磁芯单元220a及220b的非共用部分27a、28a和29a的磁阻。对应地，为了满足实现共用部分与非共用部分的上述磁阻大小关系，可以分别使用不同磁导率材料来制作共用部分与非共用部分，例如使用高磁导率材料来制作共用部分，使用低磁导率材料来制作非共用部分。其中高磁导率材料其初始磁导率大于50，比如铁氧体，低磁导率材料其初始磁导率大于等于1且小于等于50，例如粉芯类材料。于一实施例中，共用部分26a使用初始磁导率高于非共用部分的材料形成，以使共用部分26a的磁阻小于非共用部分的磁阻。 [0125] 此外，为了满足共用部分与非共用部分的上述磁阻大小关系，也可以使用相同磁导率材料制作共用部分与非共用部分，并在非共用部分上设置磁导率低的磁性部件，该磁性部件可以是磁导率介于1～50的第一低磁导率结构。换言之，虽然共用部分与非共用部分使用相同磁导率的材料，但由于非共用部分设有低磁导率的磁性部件(诸如，一段或多段气隙)，因此仍然可满足共用部分的磁阻小于非共用部分的磁阻。亦即，在非共用部分设置气隙的前提下，共用部分与非共用部分均可采用同一磁导率的材质，从而简化磁芯的制程。 [0126] 例如，于图2所示的实施例中，各磁芯单元220a-220c在非共用部分29a、29b和29c包括磁芯单元220a-220c中磁导率最低的第一低磁导率结构222a、222b和222c，以达到感量要求和防止磁芯单元饱和的目的。于一实施例中，第一低磁导率结构222a-222c的磁导率小于等于50。于一实施例中，第一低磁导率结构222a-222c为气隙。由于共用部分的磁导率很高，而非共用部分中包含第一低磁导率结构，因此共用部分的磁阻会远小于非共用部分的磁阻，通常地，共用部分的磁阻是非共用部分磁阻1/10以下。 [0127] 正是由于共用部分和非共用部分磁阻的这种数量级关系，即非共用部分磁阻远大于共用部分磁阻，使得不同的磁芯单元可以共用磁柱而不影响电路功能，下面从磁通分布的角度详细说明这一点。 [0128] 请同时参照图3A-3B。图3A为本发明一实施例中，图2的多路电感2及其部分磁通的示意图。图3B为本发明一实施例中，图2的多路电感的等效磁路模型。 [0129] 如图3A所示出，窗口24a内设置绕组20a，窗口24b内设置绕组20b，窗口24c内设置绕组20c。各绕组20a、20b和20c中电流包含直流电流分量和交流电流分量，假设各绕组20a、20b和20c中的直流电流分量都是垂直流入纸面。以绕组20a为例，其直流分量在磁芯中产生三个路径的磁通，分别为磁通300a、300b和300c。为了简化讨论，此处仅分析磁芯内部的磁通分布，忽略扩散到空气中的磁通。 [0130] 其中磁通300a为只跟自己耦合的磁通，即漏磁通，对应于漏感，磁通300b和300c分别为绕组20a和其它两个绕组20b和20c耦合的互磁通，分别对应于与各自相应绕组的互感。 [0131] 如图3B等效磁路模型所示，其中，F为绕组20a的磁动势，Ra为磁芯单元220a的非共用部分的总磁阻，主要取决于第一低磁导率结构222a；Rb为磁芯单元220b的非共用部分的总磁阻，主要取决于第一低磁导率结构222b；Rc为磁芯单元220c的非共用部分的总磁阻，主要取决于第一低磁导率结构222c；r12为磁芯单元220a和220b的共用部分的磁阻，r23为磁芯单元220b和220c的共用部分的磁阻。由于共用部分为高磁导率材料，非共用部分中包含第一低磁导率结构，因此共用部分的磁阻r12和r23会远小于非共用部分磁阻Ra、Rb和Rc。因此绕组20a产生的三部分磁通300a、300b和300c中，漏磁通300a很大，互磁通300b、300c很小。由此可知，虽然磁芯单元220a与220b共用一个共用部分26a，但是这两个磁芯单元之间的耦合是很小的，因此共用磁柱的电感可以达到与分立电感基本相同的电路功能。 [0132] 下面来说明本发明磁芯中相邻磁芯单元具有共用部分带来的好处。请参考图3A，这里将某电流产生的多个磁通中最大的那个磁通定义为主磁通，则绕组20a产生的主磁通为300a。类似地，绕组20b产生的主磁通为302。磁通300a和302的路径中有一部分共用的公共磁柱即共用部分26a，在共用部分26a中，磁通300a和302方向相反，存在抵消的效果。因此共用部分26a中的磁感应强度B会减小，损耗和饱和压力都会减小，因此磁芯体积就可以减小。这样，图3A中所示的电感元件通过使相邻的磁性单元共用具有高磁导率的共用部分，减小整个磁性元件的体积，其中具有高磁导率的共用部分位于各磁芯单元的主磁通的路径中。为了实现一定的感量并防止磁芯的饱和，在各磁芯单元其余的非共用部分的至少一部分上设置了第一低磁导率结构，以提高非共用部分的磁阻。 [0133] 请参照图4。图4为本发明一实施例中，应用于多路并联电源转换器的磁性元件4的示意图。磁性元件4包括多个绕组20a-20c以及磁芯40。 [0134] 于本实施例中，磁芯40包括三个磁芯单元400a-400c以及对应的窗口42a-42c。窗口42a-42c分别对应设置绕组20a-20c。磁芯单元400a-400c可以呈由三个磁柱形成的三角形。相邻的两个磁芯单元，例如磁芯单元400a及400b具有共用部分44a，磁芯单元400b及400c则具有共用部分44b。如同先前的实施例所述，共用部分44a及44b相较其他非共用部分可以具有较高的初始磁导率，从而具有较低的磁阻。在此实施例中，磁芯单元400b中有两个磁柱均为共用部分。 [0135] 请参照图5。图5为本发明一实施例中，应用于多路并联电源转换器的磁性元件5的示意图。磁性元件5包括多个绕组20a-20c以及磁芯50。 [0136] 于本实施例中，磁芯50包括三个磁芯单元500a、500b和500c以及对应的窗口52a、52b和52c。窗口52a-52c分别对应设置绕组20a-20c。磁芯单元500a-500c可以呈由五个磁柱形成的五边形。相邻的两个磁芯单元，例如磁芯单元500a及500b具有共用部分54a。而如磁芯单元500b及500c则具有共用部分54b。如同先前的实施例所述，共用部分54a及54b相较其他未共用部分，由较高的初始磁导率材料形成，因而具有较低的磁阻。 [0137] 于其他实施例中，磁芯的磁芯单元的数目以及磁芯单元的形状均可依实际需求进行调整，不为上述实施例的数目与形状所限制。 [0138] 请参照图6A-6G。图6A-6G分别为本发明一实施例中，单一个磁芯单元6的示意图。 [0139] 于本实施例中，磁芯单元6为四边形，包括四个磁柱60a、60b、60c及60d。于一实施例中，磁柱60c是与其他磁芯单元(未示出)共用的共用部分；磁柱60a、60b及60d为磁芯单元的非共用部分。因此，磁柱60a、60b及60d可设置第一低磁导率结构(诸如气隙)。依不同需求，第一低磁导率结构的配置方式，如数目以及位置等，可进行不同的调整。 [0140] 以图6A为例，第一低磁导率结构600为一气隙，设置在磁柱60a的中央。在图6B中，第一低磁导率结构600设置在磁柱60a靠近磁柱60d的一端。在图6C中，包括单个气隙的第一低磁导率结构600，设置在距磁柱60a一端的四分之一处。 [0141] 于图6D中，各自包括单个气隙的第一低磁导率结构600及602分别设置在磁柱60a以及磁柱60b的中央。于图6E中，各自包括单个气隙的第一低磁导率结构602及604分别设置在磁柱60b以及磁柱60d的中央。于图6F中，各自包括单个气隙的第一低磁导率结构600、602及604分别设置在磁柱60a、60b及60d的中央。 [0142] 以上例举的多个第一低磁导率结构为分布式设置于磁芯单元上的例子。 [0143] 于图6G中，包括三个气隙610a、610b以及610c的低磁导率结构606设置在磁柱60a的中央。在图6G所示的实施例是多个第一低磁导率结构为集中式设置于磁芯单元上的例子。 [0144] 需注意的是，上述各种第一低磁导率结构的位置、数目以及包括的气隙数目均可依情形进行排列组合，不为上述的实施方式所限。当然，第一低磁导率结构所包括的气隙也可填充其他低磁导率材料，如粘结胶等。 [0145] 图7A-7B分别为本发明一实施例中，磁芯7的示意图。于本实施例中，磁芯7包括六个磁芯单元700a、700b、700c、700d、700e和700f以及对应的窗口72a、72b、72c、72d、72e和72f。磁芯单元700a-700f为四边形。在本实施例中，所示磁芯7的各窗口的中心轴是相互平行的。 [0146] 各个磁芯单元700a-700f各自包括第一低磁导率结构。于图7A中，各个磁芯单元700a-700f包括两个具有单一气隙并设置在与共用部分垂直的一对非共用部分一端的第一低磁导率结构，例如对应于磁芯单元700a具有第一低磁导率结构720a及720b。而于图7B中，各个磁芯单元700a-700f则包括集中式分布的多个第一低磁导率结构并设置在同一个与共用部分垂直的非共用部分的中央，例如磁芯单元700a的第一低磁导率结构722包括3个气隙，并且集中设置在同一个非共用部分的中央。换言之，图7B的各个磁芯单元各自的气隙均设置于同一侧。 [0147] 图8为本发明一实施例中，磁芯8的示意图。于本实施例中，磁芯8包括六个磁芯单元800a、800b、800c、800d、800e和800f以及对应的窗口82a、82b、82c、82d、82e和82f。磁芯单元800a-800f为四边形。于本实施例中，每个磁芯单元800a-800f具有两个或两个以上与其邻接的磁芯单元。以磁芯单元800a为例，其与磁芯单元800b及800d相邻接。而磁芯单元800b则与磁芯单元800a、800c及800e邻接。 [0148] 各个磁芯单元800a-800c各包括多个第一低磁导率结构(诸如气隙)，并集中式设置在同侧非共用部分的中央部分，例如对应于磁芯单元800a的第一低磁导率结构820a。而各个磁芯单元800d-800f各包括多个第一低磁导率结构，并集中式设置在同侧非共用部分的中央部分，例如磁芯单元800d的第一低磁导率结构820b包括3个气隙，并且均设置在同一个非共用部分的中央。 [0149] 因此，磁芯8包括的磁芯单元800a-800f彼此间具有更多共用的部分即共用部分，可更有效的缩减整体磁芯8的体积。 [0150] 图9为本发明一实施例中，磁芯9的示意图。于本实施例中，磁芯9包括六个磁芯单元900a、900b、900c、900d、900e和900f以及对应的窗口，例如磁芯单元900a对应的窗口92。磁芯单元900a-900f为四边形。于本实施例中，每个磁芯单元900a-900f具有两个邻接的磁芯单元，以围绕成长方体。以磁芯单元900a为例，其与磁芯单元900b及900f相邻接。而磁芯单元900c则与磁芯单元900b及900d邻接。 [0151] 各个磁芯单元900a-900f各包括多个第一低磁导率结构，并设置在同侧非共用部分的中央部分，例如对应于磁芯单元900a的第一低磁导率结构920。 [0152] 该磁芯9中，各磁芯单元900a-900f的窗口的各中轴线有的相互平行，有的相互垂直。例如，磁芯单元900a和900b的窗口的中轴线相互垂直，磁芯单元900b和900c的窗口的中轴线相互平行，因此，磁芯9的各磁芯单元900a-900f相互连接后可形成长方体的结构，这样可更有效的缩减整体磁芯9的体积。 [0153] 图10为本发明一实施例中，磁芯1000的示意图。于本实施例中，磁芯1000包括六个磁芯单元1000a、1000b、1000c、1000d、1000e和1000f以及对应的窗口，例如磁芯单元1000d对应的窗口1002。磁芯单元1000a-1000f为四边形。于本实施例中，磁芯单元1000a-1000c位于相同的平面上，磁芯单元1000b分别与磁芯单元1000a及1000c邻接。磁芯单元1000d-1000f位于相同的另一平面上，磁芯单元1000e分别与磁芯单元1000b及1000f邻接。磁芯单元1000e及1000f则分别与磁芯单元1000a及1000c邻接。 [0154] 磁芯单元1000a-1000c与磁芯单元1000d-1000f互相垂直，因此磁芯单元1000a-1000c以及磁芯单元1000d-1000f所对应的窗口的中心轴互相垂直，以围绕成立体的不规则形状。 [0155] 在本实施例中，各个磁芯单元1000a-1000f各包括多个第一低磁导率结构。所述多个第一低磁导率结构集中式设置在其中一个非共用部分的中央部分例如图10中，磁芯单元1000d所示的第一低磁导率结构1020。 [0156] 因此，磁芯1000包括的磁芯单元1000a-1000f彼此间亦可视需求结合为不规则的立体形。 [0157] 图11为本发明一实施例中，磁芯1100的示意图。于本实施例中，磁芯1100包括三个磁芯单元1100a-1100c以及对应的窗口，例如磁芯单元1100a对应的窗口1102。磁芯单元1100a-1100c为长方形。于本实施例中，磁芯单元1100a及1100b间的共用部分1104a对于磁芯单元1100a及1100b的非共用部分来说，是部分共用。而磁芯单元1100b及1100c间的共用部分1104b对于磁芯单元1100b的非共用部分来说，是部分共用。也就是说中，在该图11所示的磁芯1100中，共用部分和非共用部分形成于同一个磁柱的不同位置上。 [0158] 进一步地，各个磁芯单元1100a-1100c各包括第一低磁导率结构，第一低磁导率结构可具有多种数目、位置的组合。需注意的是，虽然磁芯单元1100a-1100c中的某些磁柱，包括磁芯单元之间的共用部分1104a及1104b，但是第一低磁导率结构仍可形成于这些磁柱的非共用部分上。 [0159] 因此，磁芯1100中的磁芯单元1100a-1100c可视需求以部分共用的形式形成。 [0160] 图12为本发明一实施例中，磁芯1200的示意图。于本实施例中，磁芯1200包括三个磁芯单元1200a-1200c以及对应的窗口，例如磁芯单元1200a对应的窗口1202。磁芯单元1200a-1200c为长条形。于本实施例中，磁芯单元1200a及1200b间的共用部分1204a对于磁芯单元1200a及1200b的磁柱来说，是部分共用。而磁芯单元1200b及1200c间的共用部分 1204b对于磁芯单元1200b及1200c的磁柱来说，是部分共用。 [0161] 进一步地，各个磁芯单元1200a-1200c各包括第一低磁导率结构可具有多种数目、位置的组合。需注意的是，虽然磁芯单元1200a-1200c中的某些磁柱包括磁芯单元之间的共用部分1204a及1204b，但是第一低磁导率结构仍可形成于这些磁柱的非共用部分上。 [0162] 因此，磁芯1200包括的磁芯单元1200a-1200c可视需求以部分共用的形式形成。 [0163] 图13为本发明一实施例中，磁芯7”的示意图。 [0164] 于本实施例中，磁芯7”包括六个磁芯单元700a、700b、700c、700d、700e和700f以及对应的窗口72a-72f。磁芯单元700a-700f为四边形。且各个磁芯单元700a-700f包括第一低磁导率结构，该第一低磁导率结构包括两个具有单一气隙并分别设置在与共用部分垂直的一对非共用部分的一端，例如磁芯单元700a具有设置在与共用部分704垂直的两个非共用部分一端的第一低磁导率结构720a及720b。 [0165] 然而于本实施例中，以磁芯单元700a及700b间的共用部分704为例，该共用部分704包括一第二低磁导率结构1300。因此，于一实施例中，非公用部分中第一低磁导率结构 720a的磁导率为U1，磁芯单元700a其他非公用部分的磁导率为U3，其中U3大于U1，而共用部分中第二低磁导率结构1300的磁导率为U2，共用部分其他部分的磁导率为U4，其中U4大于U2。如磁芯单元700a在非共用部分的截面积为S1且长度为L1，而共用部分704的截面积为S2且长度为L2。在U3远大于U1的条件下，则非共用部分的磁阻Rm1约为(2*L1)/(U1*S1)；在U4远大于U2的条件下，共用部分704的磁阻Rm2约为L2/(U2*S2)。在经过长度L1与L2以及截面积为S1与S2的调整后，亦可使共用部分704的磁阻Rm2小于非共用部分的磁阻Rm1。 [0166] 请参见图14A和图14B，图14A为本发明一实施例中，磁芯1400的示意图，图14B为图14A的磁芯1400的制作结构的一实施例示意图。 [0167] 于图14A所示实施例中，磁芯1400包括两个磁芯单元1400a-1400b以及对应的窗口，并分别包括对应的电感绕组1420a及1420b。磁芯单元1400a-1400b各包括第一低磁导率结构1422a及1422b，且第一低磁导率结构1422a及1422b分别设置于与共用部分平行的非共用部分上，电感绕组1420a及1420b分别绕设于与共用部分垂直的非共用部分上。 [0168] 图14A的磁芯1400在制成的实现上，是分别制作图14B中磁芯底座1430和磁芯盖板1440而实现。其中磁芯盖板1440可以是I型磁芯，底座1430可以是一E形磁芯，底座1430包括一个中柱、两个边柱和分别连接中柱与边柱的连接部。E型磁芯中间的磁柱为共用部分，两侧的磁柱以及连接中间和两侧磁柱的连接部以及磁芯盖板为非共用部分。第一低磁导率结构1422a及1422b分别设于E型磁芯的两侧的边柱上，电感绕组1420a及1420b分别绕设于E型磁芯的连接部。 [0169] 如图14B所示，底座1430的两侧的边柱距磁芯盖板的垂直距离分别为H1和H2，为了保证两路电感的感量尽量相等，需要尽量使H1＝H2。由于边柱的上表面和中柱的上表面不在同一平面内，两侧边柱的研磨需要分两次进行，通常容易导致磁芯制成会有公差导致H1和H2的不等，需要后续再去研磨边柱的上表面以减小H1和H2的差异。因此，图14A和图14B所示的磁芯1400可以在保证高功率基础上减小体积，但在制作加工上有较高的要求。 [0170] 请参见图15A和图15B，图15A为本发明一实施例中，磁芯1500的示意图，图15B为图15A的磁芯1500的制作结构的一实施例示意图。 [0171] 于图15A所示的实施例中，磁芯1500包括两个磁芯单元1500a、1500b及两个电感绕组1520a及1520b。两个磁芯单元1500a、1500b具有共用部分1510a，其可以是一公共磁柱；两个磁芯单元1500a、1500b还具有非共用部分1511a、1512a、1513a、1511b、1512b和1513b，这些非共用部分各自可由一磁柱形成。磁芯单元1500a、1500b各包括至少一磁导率介于1～50的磁性部件，例如第一低磁导率结构。于图15A示出的磁芯1500中，磁芯单元1500a、1500b各包括第一低磁导率结构1522a及1522b，且第一低磁导率结构1522a及1522b分别设置于与共用部分垂直的非共用部分上，电感绕组1520a及1520b分别绕设于与共用部分垂直的非共用部分上。 [0172] 图15A的磁芯在制成上是分别制作图15B中的磁芯盖板1540和磁芯底座1530而实现。其中磁芯盖板1540可以是I型磁芯，底座1530可以是一E形磁芯，底座1530包括一个中柱、两个边柱和分别连接中柱与边柱的连接部。E型磁芯中间的磁柱为共用部分，两侧的磁柱以及连接中间和两侧磁柱的连接部以及磁芯盖板为非共用部分。第一低磁导率结构1522a及1522b设于磁芯盖板1540上，电感绕组1520a及1520b分别绕设于E型磁芯的连接部。 [0173] 如图15B所示，磁芯底座1530的边柱和中柱需要高度相等，通常磁芯制成中产生的不等高，后续只需将这三个面一起同时研磨即可保证高度相等。而磁芯盖板1540则是通过将磁芯1541、1542和1543通过粘结剂粘合起来实现的，粘结剂即形成第一低磁导率结构1522a及1522b。而为了保证两路电感的感量尽量相等，需要控制磁芯盖板1540中的两个第一低磁导率结构1522a和1522b的宽度D1和D2，使D1和D2尽量相等。其中一种方式可以通过在粘结剂中掺入非导电、非导磁且直径为D1的球状固体颗粒，这样就固定两片磁芯粘合处的间距，从而提高各路感量的一致性。 [0174] 遵循本发明中磁柱共用的原则，第一低磁导率结构的位置可以任意出现在非共用磁芯处，因此多个磁芯单元共用磁柱后会形成不同的磁芯形状。结合图14B，图14A中第一低磁导率结构1422a及1422b位于磁芯1400的磁芯盖板1440与磁芯底座1430的边柱结合处。而图15A中，第一低磁导率结构1522a及1522b位于磁芯1500的磁芯盖板1540上。虽然这两个磁芯从磁路的角度上看是等效的，但是制成的实现方面却是有比较大的区别。因此类似于图15A，第一低磁导率结构1522a和1522b位于磁芯盖板1540的磁芯1500，其在感量控制精度和制成的方便性上均优于类似于图14A中第一低磁导率结构1422a和1422b位于两侧边柱的磁芯1400。 [0175] 此外，对磁芯窗口中的绕组来说，第一低磁导率结构通常会有磁场的扩散，磁场扩散的结果是电感绕组损耗的增加，且距离第一低磁导率结构越近，电感绕组损耗越大。假设图14A和图15A中，磁芯只是第一低磁导率结构有所不同，其余尺寸均相同，图14A中电感绕组1420b距离第一低磁导率结构1422b的垂直距离为Hw1，图15A中电感绕组1520b距离第一低磁导率结构1522b的垂直距离为Hw2，显然Hw2>Hw1，因此图15A所示实施例中电感绕组的损耗更小。 [0176] 同时在磁芯的扩展性上，由于受到第一低磁导率结构设置于非共用部分的限制，图14A所示的磁芯1400无法在水平维度方向上扩展为应用于三路电感或三路电感以上的磁芯，只能在垂直于水平维度方向上进行扩展，且每增加一路，在制程上就得多增加一次研磨工序，对应地会增加磁芯制成的复杂度和增加感量控制一致性的难度。 [0177] 而图15A的两路电感共用磁芯的不但可以在垂直于水平维度方向上进行扩展，而且还可以在水平维度方向上再增加一个或一个以上磁芯单元，很容易地扩展成三路电感或三路电感以上的磁芯。 [0178] 图15C为本发明一实施例中，磁芯1500’的示意图。磁芯1500’即为图15A中的磁芯1500在水平维度扩展应用于三路电感的磁芯，包括磁芯单元1500a-1500c以及对应的窗口，并分别包括对应的电感绕组1520a-1520c，且磁芯单元1500a-1500b各包括第一低磁导率结构1522a-1522c。这种水平维度方向上的扩展非常灵活方便，对整个磁芯的制成工艺也不需要额外调整。 [0179] 图15D为本发明一实施例中，磁芯1500”的示意图。磁芯1500”为在图15C的磁芯1500’结构的基础上，在垂直于水平维度方向上进行镜像扩展，以包括磁芯单元1500a- 1500f以及对应的窗口，并分别包括对应的电感绕组1520a-1520f，且磁芯单元1500a-1500f各包括第一低磁导率结构1522a-1522f。图15D所示的磁芯相比于图15C，电路的路数增加一倍，只需增加一次研磨工序，制作起来也更加简单。 [0180] 另外需要指出的是：在x维度方向上扩展为应用于三路电感或三路电感以上磁芯时(以三路电感为例，如图15C所示)，其上盖板如图15E所示，其中D31为磁芯单元1500a中第一低磁导率结构1522a的长度，D32为磁芯单元1500b中第一低磁导率结构1522b的长度，D33为磁芯单元1500c中第一低磁导率结构1522c的长度，通常的做法是尽量把D31、D32和D33做成一样。忽略各种公差的影响，理想情况下，由结构的对称性可知，磁芯单元1500a和磁芯单元1500c的感量是一样，而磁芯1500b跟它们不是完全对称的，因此磁芯单元1500b的感量Lb与磁芯单元1500a的感量La不完全相等。 [0181] 图15F为磁芯单元1500a的磁路模型，其总磁阻Za为Port 1看进去的总阻抗(如图15G)。同理，图15H为磁芯单元1500b的磁路模型，其总磁阻Zb为Port 2看进去的总阻抗(如图15I)，从磁路的串并联关系可以得到：Za>Zb。而磁芯单元的感量反比于磁路的总磁阻，因此La [0182] 当然，在其他实施例中，也可以通过采用一个磁芯单元中的第一低磁导率结构的材料的磁导率小于另一磁芯单元中的第一低磁导率结构的材料的磁导率来实现一磁芯单元中第一低磁导率结构的磁阻大于另一磁芯单元中的第一低磁导率结构的磁阻。 [0183] 应用本发明的优点在于通过磁芯的设计，大幅缩减多个并联的磁性元件的体积，也利于减小多路并联电感的损耗，也利于多路并联电感的制作。 [0184] 下面对多相集成电感的电感绕组实现做说明。 [0185] 参见图16，图16为六相集成电感的一具体实施例，该集成电感包括集成磁芯和电感绕组。其中六相集成磁芯的结构类似于图7B所示磁芯，包括6个沿同一维度排列的磁芯单元，相邻两个磁芯单元共用具有高磁导率的共用部分1502，第一低磁导率结构1504为气隙，位于与共用部分1502垂直的非共用部分上，且所有气隙1504均位于磁芯同一侧。该集成磁芯的每个窗口中还包含相应的电感绕组1505，各电感绕组1505分别围绕在各自对应磁芯单元的不带气隙的非共用部分上。 [0186] 该集成电感的磁芯可以由一个I型磁芯盖板1503和磁芯底座1501组合而成。I型磁芯盖板上设有多段气隙，以形成多个第一低磁导率结构1504。该磁芯底座1501包括一基板以及基板上的7个磁柱，其中2个为非共用部分，5个为共用部分。在一实施例中，磁芯底座1501可以由6个U型磁芯拼接而成。每个U型磁芯具有两个磁柱和连接两个磁柱的连接部，位于首尾两端部的两个U型磁芯的外侧磁柱为非共用部分，其余磁柱、各U型磁芯的连接部以及盖板均形成非共用部分。在其他实施例中，磁芯底座1501也可以由3个E型磁芯拼接而成，或者由U型磁芯E型磁芯共同拼接而成。 [0187] 本发明集成电感可设置于一电源转换器的多路并联输入端或多路并联输出端。流经集成电感的多个绕组中的直流电流方向相同，交流电流存在预设相位差。 [0188] 参见图17，图17为六相集成电感的另一实施例，该集成电感包括集成磁芯和电感绕组。与图16所示的六相集成电感类似，集成磁芯包括I型磁芯盖板1603和磁芯底座1601，磁芯底座1601包括2个非共用部分和5个共用部分，磁芯盖板1603上设有多个用作第一低磁导率结构1604的气隙。与图16所示的六相集成电感的不同之处在于：各电感绕组1605分别围绕在带有气隙的磁芯盖板1603上。相比于图16所示的实施例，该实施例可以显着减小各磁芯单元的漏磁通，从而改善电磁干扰性能，同时还可以降低各磁芯单元之间的耦合。 [0189] 请参考图18，图18为图16所示的六相集成电感中第一相电感绕组1505考虑扩散到空气中的互磁通之后的磁通分布图。如图16所示，电感绕组1505产生的磁通可以分成六部分，其中Φ11为只跟自己电感绕组耦合的漏磁通，对应漏电感；Φ12、Φ13、Φ14、Φ15和Φ16分别为电感绕组1505和其他电感绕组耦合的互磁通，分别对应于与相应电感绕组的互感(请参考图3A，根据之前的分析，磁芯中的互磁通非常小，为了简化，此处做了忽略)；虽然相邻的磁芯单元的共用部分已经是高磁导率的磁柱了，但是由于各相磁芯单元的气隙没有被电感绕组包围，互磁通仍然很大，导致耦合不可忽略；特别是在频率较高，电感体积很小，相与相之间的距离变得很近时，相邻两相之间的耦合系数甚至可以达到0.2-0.5的范围。对于图17所示的结构，由于各气隙被电感绕组包围，漏磁通就很小，耦合系数可以减小到0-0.15的范围，例如耦合系数为0.12、0.10、0.08、0.06等等，此时对电路的影响就很小了，可以达到跟分立电感相同的效果。 [0190] 参见图19，图19示出图16所示的六相集成电感中，一种电感绕组与磁芯单元关系的结构示意图。在一六相集成电感中，如图16(图17)所示的六相集成电感中，电感绕组1605为扁平线，该扁平线横截面为矩形，宽度为w，厚度为h，w>h,如图19所示。使用扁平线状的电感绕组1605的好处在于：当导体弯折成电感绕组后可以直接形成两个焊盘1606(见图17)，能直接与PCB焊接。 [0191] 在图16、图17所示的六相集成电感中，电感绕组的两个焊盘都是朝电感内侧弯折。在另一实施例中，电感绕组焊盘也可以朝电感外侧弯折。电感绕组包围气隙时(见图17)，气隙的扩散磁通可能会在电感绕组上引入额外的损耗，本实施例中采取了三个措施来减小这部分损耗： [0192] 一是使电感绕组的宽度W所在方向与第一低磁导率结构即气隙所在的磁柱(非共用部分)平行，因为高频电流会分布在靠近气隙的导体表面，当导体宽度所在平面面对第一低磁导率结构时可以增加高频电流的导电面积，降低损耗。 [0193] 二是使电感绕组与第一低磁导率结构即气隙之间保持适当的距离s1，如图19所示。较优的，距离s1与电感绕组的宽度w的关系满足s1>w/5，此时气隙的扩散磁通带来的损耗通常可以忽略不计。 [0194] 三是利用带凹槽的扁平线来做电感绕组，如图20、21所示，图21示出图20中的电感绕组的立体图。用作电感绕组1605的扁平线上设有凹槽1801。凹槽可以呈U形，其深度为s2，深度为s2与电感绕组的宽度w的关系满足s2>w/5，此时气隙的扩散磁通带来的损耗通常可以忽略不计。凹槽1801的形状不限于U形，其还可以是弧形等其他形状。凹槽1801的宽度w1可以大于气隙的宽度。利用带凹槽的扁平线来做电感绕组的优点是：当组装绕组和磁芯时，可以将绕组抵靠到气隙所在的磁柱进行组装，从而可以很容易地控制绕组与具有第一低磁导率结构的磁柱即具有气隙的磁柱之间的距离，从而方便组装。 [0195] 参见图22，图22示出图21中的电感绕组的展开图。为了得到图21所示的绕组结构，可以将一段带凹槽的平直的扁平线通过弯折而成，为了方便弯折，减小变形，还可以进一步在带凹槽的平直扁平线上开设缺口例如一V型口1802。在一实施方式中，该V型口1802可以是90°，当然本发明不限于此，该V型口的大小可根据需要任意增减，并且该缺口也不限于V型，其还可以呈弧形等其他形状。 [0196] 参见图23，图23为本发明一实施例中，两相集成电感的结构示意图。该两相集成电感中磁芯2101包含两个磁芯单元，两个磁芯单元分别具有一气隙2102，两个气隙2102分别位于两个磁芯单元中与公共磁柱平行的非公共磁柱的正中间位置。两个电感绕组2103和2104均为扁平线，分别绕设于带气隙的非公共磁柱上。电感绕组的宽度W的方向与气隙所在非公共磁柱的平行。本发明的集成电感可以应用于多路并联的降压电路(buck circuit)，也可以应用于多路并联的升压电路(boost circuit)，或者与这两者类似的其他应用场合。 由于该集成电感相与相之间的耦合很弱，相当于分立电感，因此对每个并联支路的开关信号并没有相位差的要求。例如在一实施例中，不同的并联支路之间开关信号是同步的；在另一实施例中，不同的并联支路之间开关信号有一定的延迟，例如延迟时间等于T/N，其中，T为开关周期，N为并联的路数。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈