CN101661825B - 功率转换器的磁性装置 - Google Patents

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Abstract

在开关模式电源中使用的组件中所使用的磁性结构能被结合以节省空间和成本。磁芯部分可以用来形成不止一个组件和/或分离磁芯可以组合成单个磁芯。另外，比磁芯具有更高通量密度饱和点且比磁芯(但高于空气的磁导系数)的磁导系数低的材料层放置在磁芯内的气隙的附近以降低流过围绕磁芯的附近的磁通量来减少EMI。微分模式扼流器和分离的通用模式扼流器可以组合在单个磁芯上。PFC扼流器磁芯的额外支腿可以附加到隔离变压器磁芯以形成单个组合磁芯。一对E-E磁芯结构可以组合成单个磁芯结构以便能用于将一对单独的PFC扼流器结合成一对集成的PFC扼流器。

Description

功率转换器的磁性装置
技术领域
本发明涉及一种磁性装置，具体地说，涉及一种功率转换器的磁性装置。
背景技术
这里提出的是应用于功率转换装置中的各种技术。一般地，功率转换器是一种传送能量到电子装置并且还可以整流以满足装置的特殊需要的电源元件。功率转换器一般应用在消费电子产品例如计算机、便携式电脑、音响设备、蜂窝电话或类似产品中。
一种类型的功率转换器是开关模式电源(SMPS)。SMPS可以包括电源元件和在该电源元件内用来整流的电路。该电路运行特别快速，调节电流来使电路稳定在一个设定电压上，然后该电压直接送给该器件。因为重量、经济和方便因素，SMPS是给多数需要稳定电流和稳定电压的消费电子产品供电的设备。然而，必须认真设计以提供具有可接受的效率和最小的噪声的电能。
为了满足这些要求，功率转换器可包含一个或多个级，所述级包含一个或多个磁性组件，所述磁性组件包括滤波器、变压器、电感器或类似器件。一般地，这里描述的技术致力于改进由转换器使用的各种磁性组件。
发明内容
下述具体实施例和特点结合系统、工具和方法被描述和阐释，所述系统、工具和方法意图为示例性的和图示性的，而不是限定范围。在各个实施例中，一个或多个上述描述的问题被减小或消除，而其它实施例涉及其它改进。
用于电子电路的电感元件被公开。该电感元件包括具有气隙的磁芯组件，该磁芯组件具有总的磁导系数，磁芯组件由用于至少该组件的绝大多数的第一材料组成，该第一材料具有磁通密度饱和点，并具有一层材料，该层材料的磁导系数高于总磁导系数并且磁通密度饱和点高于临近气隙的至少一侧的第一材料的磁通密度饱和点。该元件还包括围绕该磁芯组件周边的至少一部分的由导电材料构成的线圈。
材料层可以包括NiZn。材料层可以包括铁粉。该磁芯组件可以包括E-部分和I-部分。I-部分可包括靠近E-部分的一侧上的材料层。该层可以具有大于300u的磁导系数而磁芯组件的该总磁导系数可以小于300u。该第一材料可以具有小于0.5T的磁通密度饱和点，而材料层可具有大于0.5T的磁通密度饱和点。
也公开了用于电子电路的电感元件，电子电路中的该元件包含具有围绕其设置绕组的三个磁芯支腿的磁芯组件，所述三个磁芯支腿包含第一支腿、第二支腿、第三支腿，其中该第三支腿包含气隙以使得第三支腿被分为两个支腿部分。该元件还包括围绕该第一支腿的第一绕组、围绕该第二支腿的第二绕组和分别围绕第三支腿的两个支腿部分的第三和第四绕组。该第一和第二绕组被用来滤除通用模式噪声而第三和第四绕组用来滤除微分模式噪声。
第一绕组可以和第二绕组具有相同的圈数，第三绕组可以和第四绕组具有相同的圈数。第一支腿、第二支腿和第三支腿的第一末端可以都连接到顶部铁磁芯元件，第一支腿、第二支腿和第三支腿的第二末端可以都连接到底部铁磁芯元件。
也公开了用于电子电路的电感元件组件，其中该组件包括具有第一磁芯和第一对绕组的第一电感元件和具有第二磁芯和第二对绕组的第二电感元件。第二磁芯连接到第一磁芯，并且由第二电感元件产生的磁通量从第二磁芯到达第一磁芯然通过后回到第二磁芯。
第二电感元件可以形成为E-部分。第一电感元件可以形成为一对E-部分。在第一和第二对绕组中流动的电流可以为同步的以使得峰值电流不会同时流过两对绕组。
也公开了用于电子电路的电感元件组件，其所述组件包括具有第一磁芯和第一对绕组的第一电感元件和具有第二磁芯和第二对绕组的第二电感元件。第一电感元件和第二电感元件具有本质上相同的横截面形状并且两电感元件相互堆叠在一起。
第一电感元件和第二电感元件可以本质上具有相同的横截面尺寸。所述组件还可包含具有第三磁芯和第三对绕组的第三电感元件，其中第三电感元件本质上和第一和第二电感元件具有相同的横截面形状，另外，其中三个电感元件相互堆叠在一起。第一磁芯可以包含E-部分和通用磁芯部分，另外，其中第二磁芯包含E-部分和该通用磁芯部分。该通用磁芯部分可以形成为一对E-部分的形状，该对E-部分和它们相互紧靠的最长纵向部分连接在一起。在第一和第二对绕组中流动的电流可以是同步的以使得峰值电流不会同时流过两对绕组。
除了上述描述的示范性的方面和实施例外，其他方面和实施例通过参照附图和下面的描述例将变得显而易见。
附图说明
图1是表示现有技术的电感磁芯结构；
图2是表示创新的现有技术磁芯结构；
图3是表示可用来滤除通用模式噪声或微分模式噪声的现有技术的扼流器；
图4是表示用来既滤除通用模式噪声又滤除微分模式噪声的单一磁芯上的扼流器；
图5是表示用来形成一对分离的电感元件的一对分离磁芯结构；
图6是表示用来形成一对分离电感元件的集成磁芯结构；
图7是图6的那对电感元件中的电流随时间变化的示意图；
图8是在图6中的集成磁芯结构中流动的磁通量线的示意图；
图9是用于可堆叠在一起的三个分离电感元件的三个分离磁芯结构的示意图；
图10是叠层的电感元件；
图11是两个电感元件的两个分离磁芯的示意图，其中所述两个电感元件被堆叠并集成在一起以使通用于每一个电感元件的磁芯的一部分被共用。
具体实施方式
尽管本发明允许进行各种修改和替代形式，其特定实施例已经通过附图中的例子得以表示并在此予以详细地描述。然而应该意识到，这并非用来限制本发明到公开的特殊形式，相反，本发明覆盖了落入由权利要求限定的本发明的范围和精神内的所有变形、等同物和替代形式。
在此传授的是可以用于优化或改进功率转换器中的磁性装置的各种技术。低功率PFC转换器一般应用升压转换器来提高被整流的AC电源电压到使用临界传导模式(CRM)操作的高压总线。CRM操作的使用降低了转换器的成本；然而，这也需要具有小的电感值的感应器以及在很大频率范围内操作的大的气隙。实际中，大的气隙允许从感应器中逸出非常大的辐射能。大的频率范围可能导致大量的EMI问题，从而导致大量宽带频率EMI从感应器中散入到电路的其它部分并最终从转换器盒子和AC电源软线中散出。辐射的宽带特性需要大的EMI滤波器来阻止噪声离开电源软线。目前技术使用大的EMI滤波器滤除宽带噪声或在PFC感应器上增加屏蔽来阻止噪声从气隙中射出。
在目前PFC感应器中的气隙有时被填充磁导系数相对低的材料(例如铁粉)以在更长的长度上分配气隙并减少通常与气隙相关的功率损失。大的EMI滤波器面临减少适配器或其它功率转换器尺寸的挑战。目前有一种明显减小功率适配器尺寸的趋势。这需要高效率设计从而减小滤波器尺寸。目前减少EMI的方法包括增大EMI滤波器的尺寸或给感应器增加屏蔽。感应器中增加的屏蔽降低了效率。因此，目前方法在减小适配器尺寸方面产生了问题，并且也导致转换器的总的成本增加。
这里传授的技术包括在感应器的气隙中应用相对高的磁导系数的材料(其不易饱和)。高磁导系数材料有效地吸引感应器的逃逸出的辐射重回感应器中。因此在不需要增加EMI滤波或电感屏蔽下减少辐射噪音的数量。也保持了高的感应器效率，因为由消散到屏蔽中的能量引起的损失减小了。
图1到2示出了两个感应器磁芯结构。图1示出了包含一个紧靠一个E-形磁芯24的I-形磁芯22的一种现有技术磁芯结构20。E-型磁芯24包括中心支腿26和两个外部支腿28和30。导体32的线圈缠绕在E-型磁芯24的中心支腿26的周围。可以看到，气隙34形成在E-型磁芯24的中心支腿26和I-型磁芯22的边缘之间。无论用于磁芯22和24材料如何，磁芯结构20的有效磁导系数都会由于气隙34的存在而降低。另外，气隙34导致大量的磁通量通过气隙34内和气隙34的周围附近的空气。这些通量导致可能对附近的电子设备的操作有害的电磁辐射干扰(EMI)。在很多情况下，使用金属(例如，铜)的导电带围绕整个磁芯结构20。
图2示出了相似的感应器磁芯结构，其中I-型磁芯的右边的一部分已经被不容易饱和(例如，镍锌(NiZn))的相对高的磁导系数材料代替。该材料具有和空气相比相对高但和所磁芯的其它部分相比相对低的磁导系数。在这种情况下，磁芯结构40含有I-型磁芯42和E-型磁芯44。E-型磁芯44包含中心支腿46和两个外部支腿48和50。导体52的线圈缠绕在E-型磁芯44的中心支腿46的周围。和磁芯结构20不同，该磁芯结构40还包括夹在I-型磁芯42和E-型磁芯44之间的高磁导系数(相对于空气)材料的层54。在这种情况下气隙56形成在E-型磁芯44的中心支腿46和高磁导系数的层54的边缘之间。应理解到，术语“高磁导系数”是指具有比磁芯结构的总磁导系数高的磁导系数材料。通过将这些较高磁导系数材料放置在I-型磁芯的边缘上，高磁导系数材料充当磁通量的低磁阻通路，其减少了导致不希望的EMI的边缘通量。高磁导系数层的磁导系数不仅高于空气，而且明显低于铁氧体的磁导系数。
因此，该层54提供了多个好处。第一，相对于磁芯结构20，它用于增加磁芯结构40的有效的磁导系数。第二，它为穿过大大降低从磁芯结构40辐射的EMI量的气隙的通量提供更窄和更明确的路径。第三，它可以消除或减少磁芯结构40的EMI滤波或屏蔽的需求。
在一个实施例中，具有大约2200u的磁导系数的铁氧体磁芯被用来形成用于具有包括气隙的大约70u的总磁导系数的感应器的磁芯结构。一片具有大约500-700u的磁导系数的NiZn设置在I-型磁芯的边缘位置。磁芯结构总的磁导系数则为大约150-200u，且该片NiZn大大降低了可能导致不希望的EMI的边缘通量。如果铁氧体被用作该层(与NiZn相对)，磁芯结构总的磁导系数将增加到高于150-200u的数值。因为考虑磁芯中的磁场(B)的饱和是重要的，因此这是不希望的。由于磁芯内的磁场直接和磁芯结构总的磁导系数成比例，因此增加磁芯的总磁导系数将使磁场更容易饱和，这是不希望的。因此，使用NiZn而不是铁氧体。希望使用具有比NiZn更高的通量密度饱和点且还具有合适的磁导系数的其它材料。没有限制，用于该层54的另一合适材料的一个例子是铁粉，其具有0.7-1.5特斯拉的通量密度饱和点，而铁氧体和NiZn在0.3-0.5特斯拉之间。
现在回到披露EMI滤波器。AC-至-DC电源一般地产生通用模式和微分模式电磁干扰(EMI)，其从AC电源软线传导和辐射出去。对于临界传导模式(CrCM)功率因子转换器的情形，其产生大分量的微分模式噪声(例如，在两个电源线之间的噪声)，该电源常使用通用模式滤波器来滤除通用模式噪声(例如，在两个电源线上都传导的噪声)，以及使用一个微分模式滤波器来滤除微分模式噪声。对于微分模式噪声比较小的情形，通用模式滤波器常有意设计成具有相对高的量的渗漏，从而导致微分模式进行需要的滤波以本质上移除小的微分模式噪声。
在临界传导模式功率因子转换器的情形中，EMI滤波器可能很大，因为它需要大的微分模式滤波器和通用模式滤波器。在微分模式噪声较低和通用模式滤波器被设计为具有大的漏电感的其它AC-至-DC转换器的情形中，通用模式滤波器必须做大以防止饱和，并且由于在将滤波器设计为高渗漏所伴随的权衡滤波器设计，一般转换器需要至少两级通用模式滤波。
这里教导的是微分模式滤波器和通用模式滤波器集成到通用磁芯上。最终的滤波器比使用分离滤波器时要小，其在空间限制的应用中可能是重要的。另外，总的材料减少了，这导致总的价格降低。另外，由于通用模式滤波器可根据通用模式性能而不是高渗漏进行优化，所以总的滤波性能也提高了。
图3示出了现有技术中单个通用模式或微分模式扼流器60，其包括缠绕在矩形环磁芯62周围的两个绕组68和70。可以看到，磁芯62包括一对支腿64和66，其周围分别设置分离的绕组68和70。当实施为通用模式扼流器时，一个绕组可以串连连接到AC电源线的线上，而另一个绕组可以串联连接到该AC电源线的中心。
图4示出了根据一个实施例的组合的通用模式和微分模式扼流器72。磁芯74包括一个外部矩形部分，其具有一对支腿76和78和顶77和底79，以及也连接到顶77和底79的中心支腿部分80。中心支腿部分80包括在上中心支腿84和下中心支腿86之间的小的气隙82。支腿76和78具有分别设置在其上的绕组88和90。中心支腿84和86具有分别设置在其上的绕组92和94。操作中，在外部支腿76和78上的绕组88和90可以用来形成通用模式噪声滤波器，而在中心支腿84和86上的绕组92和94可以用来形成微分模式噪声滤波器。可认识到，较低磁导率的微分模式噪声滤波器和较高磁导率的通用模式噪声滤波器共用磁芯结构的分支。
本公开内容现在回到集成的两级AC-DC转换器磁性元件。提供功率因子校正(PFC)的AC-至-DC转换器一般使用多级转换器，该多级转换器包含升压转换器以将整流的AC源电压升压到高电压总线并且还包括隔离降压转换器以从高压非隔离总线产生隔离的低压DC输出。使用的磁性组件至少包括用于PFC转换器的PFC扼流器和用于降压隔离级的隔离变压器。这两个分离的磁性组件包含被功率转换器占用的大量成本和空间。
这里教导的是将PFC扼流器和隔离变压器集成进单个磁芯结构。现有技术中，如图5所示，隔离变压器和PFC扼流器一般缠绕在分离的E-E磁芯100和102上。在此公开的内容教导PFC扼流器磁芯104能通过增加另外的E磁芯108到隔离变压器(其包括一对E磁芯110和112)的E-E磁芯上而被安装到隔离变压器磁芯106中，如图6和8所示。尽管PFC扼流器的通量的返回路径基本上使用变压器E-E磁芯的支腿，但如图8所示可以看到，一些通量流过不同路径的每一个而返回PFC。这样，隔离变压器的E-E磁芯的至少一部分的尺寸可以稍微增加以容纳由于PFC扼流器和隔离变压器之间的通量共用装置产生的附加通量。
在提供PFC的低功率AC-至-DC转换器中，PFC转换器一般使用临界传导模式来操作，其导致PFC转换部分的操作频率范围较宽。由于隔离级一般在固定频率附近操作，对准用于采用了临界传导模式PFC转换器的AC-至-DC转换器的两个转换级之间的电流是不现实的。然而，在较高功率AC-至-DC转换器中，PFC转换级一般在固定频率或基本固定的频率下进行操作。这些情形中，在基本固定的频率操作PFC级及后面的隔离级并以PFC扼流器中的通量的返回路径加上最近的E-E磁芯支腿中的通量的路径为最小的方式使两个级同步是可行的。如果转换器的级以这种方式同步，E-E磁芯的尺寸可以缩小以使用于集成磁性结构的E-E磁芯不大于用于隔离变压器磁芯中的E-E磁芯。这种同步的例子在图7中示出。可以看到，通过PFC扼流器的电流的计时被控制以使其峰值和通过隔离变压器的电流的谷值对准。如所示，通过PFC扼流器和隔离变压器的电流的频率可以是相互为倍数(包括相同的频率)，以使一个电流的峰值与另一个谷值对准(或至少两个电流的峰值从不重合)。在这一点上，变压器和PFC扼流器共用的E-磁芯的尺寸被最小化。也就是说，E-磁芯不需要设计为处理在同一时间来自PFC扼流器和隔离变压器二者的最大通量的总和。
上述实施方式减少了组件数量，降低了总的成本和减小了最终的功率转换器的尺寸。两个转换级的同步在磁芯尺寸和成本的降低方面提供了进一步的好处。
本公开的内容现在转到可堆叠的转换器磁性元件。AC-至-DC转换器一般包含至少两个转换级和用于每一个转换器的多个部分。典型的例子是提供功率因子校正的AC-至-DC转换器。提供功率因子校正(PFC)的AC-至-DC转换器一般使用多级转换器，该多级转换器包括将整流AC源电压升压转换到高电压总线的升压转换器，并且还包括从高压非隔离总线产生隔离低压DC输出的隔离降压转换器。使用的磁性组件至少包括用于PFC转换器的PFC扼流器和用于降压隔离级的隔离变压器。这两个磁性组件包含被功率转换器占用的大量成本和空间。
AC-至-DC转换器一般包括耦合到AC电源的EMI滤波器。EMI滤波器通常包括两个通用模式扼流器或一个通用模式和一个微分模式扼流器。另外，隔离降压转换器一般包含至少一个感应器，大滤波感应器或共振感应器。如上所述，AC-至-DC转换器一般包含大量独立磁性组件。这些磁性组件有助于任何功率转换器使用的大量成本和空间。
如在此所述，两个或多个磁性元件以两个相邻组件共用磁芯的一侧的方式堆叠。共用的磁芯边缘可以比其代替的两个磁芯边缘的组合稍小，故磁芯材料的总体积减小。另外，组件数量和被磁性元件利用的总空间都被减少。在一些情形中，磁芯体积可以大幅度减小。而且，下面描述的特定情形中，转换器可以以这种方式操作从而进一步减小应用该技术获得的磁芯体积。
图9示出了两个分离的磁性组件结构块200和204，它们可层叠到整个功率转换器的单个堆叠组件202中。每一个磁性组件200和204被缠绕在具有预定机械横截面的磁芯上。磁芯区域通过改变磁芯壁(被表示为图9中的水平尺寸)的厚度得以控制。每一个磁性组件在顶部和底部之外的至少一面包含磁芯壁，而一些在两侧上都包含磁芯壁(例如200)。在组件202的情形中，可以看到组件结构块200为202的中心部分，而组件结构块204可用在组件202的任一端。当然，组件结构块在被用于组件202的右手侧之前翻转。如图9所示，磁芯可以互相堆叠因为它们都具有相同的机械横截面和相似的尺寸。每部分的磁芯壁为该部分和相邻部分提供通量路径。叠层中的末端部分在两侧上而不仅仅是在一侧上包含磁芯壁，因为末端部分仅仅具有一部分临近它们。
如图9所示磁性结构可以包含AC-至-DC转换器中的任意磁性元件，这些磁性元件包括但不局限于EMI滤波扼流器、PFC升压感应器、隔离变压器、共振感应器、输出滤波扼流器或类似器件。在一个实施例中，元件可堆叠成使得位于变压器的原边上的磁性元件设在叠层的一端，使得位于变压器的副边上的磁性元件设在叠层的另一端，以及使得隔离变压器位于原边和副边的磁性组件之间。为方便设计，较少量的磁性元件也可以堆叠。磁性元件的堆叠和相关的优点的一些特定情形在下面描述。
共振转换器设计中的常见做法是将变压器的寄生泄漏电感用作共振感应器。这种作法可通过非最优的变压器构造来获得高电感值限制设计。通过使用可堆叠磁性元件的方法，可以将共振感应器和隔离变压器集成在一起，因此允许优化变压器设计和允许容易改变共振感应器值。图10示出了最终磁结构可能的形状。
较高功率PFC转换器有时分成两个相同的平行的、操作相位相差180度的PFC转换器。两个相同的PFC转换器共用通用输入电压和通用输出电容。通过使半导体开关的门驱动器的相位彼此相差180度，两个转换器组合的感应器脉动电流与每一个单独的转换器的电流相比实质上减少了。
在两个PFC扼流器中的通量也是相位彼此相差180度。因此当以这里描述的方式堆叠磁芯时，在通用磁芯边缘内的通量充分抵消。因此可以通过堆叠这样两个磁芯和消除通用边缘实现本质上减少总的磁性材料。图11示出了两个磁芯250和252如何在大量减少总的磁芯体积的情况下组合成单个磁芯254。磁芯250和252的每一个包含一对相互面对的E型磁芯元件。磁芯254包含一对E型磁芯元件256和258，二者之间夹着唯一形状的通用磁芯元件260。通用磁芯元件260形状如同一对E-部分，通过他们面向外的各个支腿连接在一起，且它们各自纵向部分毗邻。
还应理解，可以应用各种技术使整个堆叠转换器磁性结构的需要的体积最小化。例如，单独组件的每一个的计时和操作可以被分析以确定每个组件中的叠层中的优化位置从而使所需体积最小化。另外，如上讨论，不同组件中的电流可以互相同步来减小通过磁芯结构任一部分的最大瞬时通量。
另外，堆叠的磁性组件可以具有不同磁芯区域和不同磁芯尺寸(例如，将较小的3个壁的磁芯堆叠到大的磁芯上来形成最终的4个壁)以希望实现特殊应用的特殊组件。
虽然本发明结合附图和前述描述被详细阐释和描述，该阐释和描述被认为是示例性的但不是限定特征。例如，上面描述的特定实施例可以和其它描述的实施例和/或以其它方式安排的(例如，过程元件可以以其它顺序进行)相组合。相应地，应理解到，仅仅优选的实施例和其变形被示出和描述，以及理解到，而在本发明的精神内的所有变化和调整是希望得到保护的。
本申请在35 U.S.C.119下要求于2008年5月28日提交的名称为“功率转换技术”的美国临时申请号为61/056,706的优先权，其内容全部被并入于此。

Claims (6)

1.一种用于电子电路的电感元件，该电感元件包括：
包括E形部分和I形部分的磁芯组件，该磁芯组件具有总的磁导系数，该磁芯组件包括用于至少大部分组件的第一材料，该第一材料具有磁导系数，该磁芯组件具有一层材料，该层材料的磁导系数高于总的磁导系数且低于所述第一材料的磁导系数，该层材料夹在所述E形部分和所述I形部分之间且临近形成在所述E形部分的中心支腿和该层材料的边缘之间的气隙的至少一侧；以及
轴向围绕至少一部分磁芯组件的由导电材料构成的线圈。
2.如权利要求1所述的电感元件，其中该层材料包括NiZn。
3.如权利要求1所述的电感元件，其中该层材料包括铁粉。
4.如权利要求1所述的电感元件，其中该层材料具有大于300u的磁导系数且所述磁芯组件的总磁导系数小于300u。
5.如权利要求1所述的电感元件，其中所述第一材料具有大于2000u的磁导系数且该层材料具有小于1000u的磁导系数。
6.如权利要求1所述的电感元件，其中该层材料相对于所述I形部分的宽度是薄的。
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