CN101836270A - 使用磁偏置的高功率电感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种偏置间隙电感器以及形成所述电感器的方法，所述电感器包括第一铁磁板、第二铁磁板、夹置在所述第一铁磁板与所述第二铁磁板之间的导体，以及所述第一铁磁板与所述第二铁磁板之间的粘合剂，所述粘合剂包括磁粉从而形成至少一个磁间隙。所述方法包括提供第一铁磁板、第二铁磁板以及导体，将所述导体放置在所述第一铁磁板与所述第二铁磁板之间，利用包括粘合剂和磁粉的合成物将所述第一铁磁板粘合到所述第二铁磁板，以形成磁间隙，以及使所述电感器磁化。

Description

使用磁偏置的高功率电感器
相关申请的交叉引用
本申请根据美国法典第35卷第119条(35 U.S.§119)要求享有2007年9月7日提交的临时申请序列No.60/970,578的优先权，在此引入其全部内容作为参考。
背景技术
当今，小型(low profile)电感器(通常被定义为具有小于大约10mm轮廓的电感器)以位于线圈周围的压制铁粉和具有独特的几何尺寸的铁氧体形式存在。基于铁氧体的小型电感器在相对低水平的电流处具有磁饱和的固有局限。当发生磁饱和时，电感值急剧降低。
压制铁(pressed iron)电感器比铁氧体电感器允许更高的输入电流，但是具有在高频率(例如大于200kHz的频率)处产生高铁损的局限。需要一种有效方法来提供在高频率处允许高输入电流的电感。
因此，本发明的主要目的、特征或者优点在于改进现有技术的状态。
本发明的另一目的、特征或者优点在于提供一种电感器，在小型封装(thin package)中，所述电感器在高纹波电流(＞5A)和频率(＞200kHz)处具有较低的铁损，并且具有粉末铁的高饱和电流性能。
本发明的另一目的、特征或者优点在于使用粘合剂薄膜厚度或者磁体颗粒尺寸来调整电感特性。
本发明的另一目的、特征或者优点在于提高电感器在保持电感的同时有效地处理更多DC的能力。
本发明的这些和/或其它目的、特征或者优点中的一个或者多个将通过下面对本发明的描述而变得显而易见。
发明内容
根据本发明的一方面，一种偏置间隙电感器包括第一铁磁板、第二铁磁板、夹置在所述第一铁磁板与所述第二铁磁板之间的导体，以及所述第一铁磁板与所述第二铁磁板之间的粘合剂，所述粘合剂包括机械坚硬的磁粉从而形成至少一个磁间隙。所述粘合剂的厚度小于500μm并且优选小于100μm。可以使用所述磁粉尺寸设置部件的电感水平。而且磁粉的量能够改变所述部件的特性，以便产生期望的性能。
根据本发明的另一方面，一种形成电感器的方法包括：提供第一铁磁板、第二铁磁板以及导体，将所述导体放置在所述第一铁磁板与所述第二铁磁板之间，利用包括粘合剂和磁粉的合成物将所述第一铁磁板粘合到所述第二铁磁板，以形成磁间隙，以及使所述电感器磁化。所述合成物的厚度小于500μm并且优选小于100μm。
根据本发明的另一方面，提供一种偏置间隙电感器。所述电感器包括第一铁磁板和第二铁磁板。所述第一铁磁板与所述第二铁磁板之间夹置有导体。在所述第一铁磁板与所述第二铁磁板之间具有厚度小于100μm的磁性材料，以便形成至少一个磁间隙。可以使用所述厚度限定所述电感器的电感特性。
附图说明
图1是没有通量通道的现有技术电感器的截面图。
图2是本发明的具有通量通道的电感器的一个实施例的截面图。
图3示出了DC电压与磁滞回线之间的关系以及如何利用偏置间隙增大工作范围。
图4示出了具有两个磁间隙的单导体电感器。
图5是电感器的多极配置(multi-poled)的立体图。
具体实施方式
图1示出了现有技术设备，其中可以将单个铜条放置在两个铁氧体部件之间以生成电感器。尽管这在生成具有低值、高频电感器方面是有效的，但是其限制了电感器在不饱和时能够处理的输入电流量。饱和的主要原因来自于如下事实：由铜感应的所有磁通量流经窄的截面区域。图1示出了单个铜条电感器中的通量分布图(flux pattern)。在图1中，电感器10具有第一铁磁板12以及第二铁磁板14。在第一铁磁板12与第二铁磁板14之间存在间隔16。由通过单条铜导体18的电流感应的磁通量在各板12、14之间划分。输入电流20使用表示电流流入页面的标记示出。箭头22、24、26、28表示由通过导体18的电流20感应的磁通量的方向。注意到，由铜导体18中的电流感应的所有磁通量流经窄的截面22、26区域，从而成为饱和的主要原因。
本发明提供一种低成本的方法，其能够使电感器将其工作范围延伸高达两倍(a factor of two)。本发明在铁磁片之间的间隙中引入了填充有磁粉的粘合剂。图2示出了本发明的一个实施例。所示出的电感器30由第一铁磁板12和第二铁磁板14形成。第一铁磁板12和第二铁磁板14通过合成物32机械地结合，合成物32包括粘合剂以及磁粉。箭头22、26、38、40表示由通过导体18的电流20感应的磁通量的方向。箭头34、36、42、44表示磁体感应的“反”通量的方向。
合成物32可以由以预定比例混合的环氧树脂和磁粉构成。使用具有磁粉的粘合剂在感应部件的组件中具有双重作用。改变磁颗粒尺寸增加或者降低部件的电感。小的磁粉尺寸产生具有高电感水平的薄间隙电感器。大的磁粉增加了间隙尺寸，导致部件电感的降低。因此，可以选择磁粉颗粒尺寸以调整针对具体应用的部件的电感。换句话说，可以使用磁粉尺寸来设置部件的电感水平。而且，所使用的磁粉量能够改变部件的特性以产生期望的性能。粘合剂的第二作用在于将部件永久粘合到一起，使得组件对于机械负载稳健。在优选实施例中，磁颗粒层的厚度在大约0到100μm之间。也可以使用大约0和500之间的较大磁偏置厚度。
磁粉可以由球形或者不规则形状的材料构成。陶瓷磁粉可以用作所述磁粉。优选的材料是球形稀土磁性材料，例如但不限于钕-铁-硼或者钐-钴磁粉。一个原因是球形颗粒在实现板间特定距离时更一致。第二个原因在于稀土磁体具有足够高的本征矫顽力(intrinsic coercive force)以抵抗应用中的去磁。
铁磁板可以由软磁材料制成，例如但不限于铁氧体、钼坡莫合金(MPP)、铁硅铝，Hi Flux或者压制铁。尽管可以使用其它材料，但是由于铁氧体在高频率处具有低铁损耗并且通常比其它替代物便宜，因此优选材料是铁氧体。铁氧体具有低的磁饱和阻抗并且因而从引入磁偏置中受益。
本发明提出了将填充了磁粉的粘合剂添加到铁磁板之间。一旦粘合剂完全固化，部件被磁化，使得磁性材料施加其方向与承载电流的导体感应的方向相反的稳态磁通场。
图2示出了静态磁通量以及来自导体的感应磁通量。图3是软铁磁铁氧体板的假定磁滞回线。在导体的零输入DC处，铁磁材料被极化或者偏置，使得其通量场接近最大负饱和点。当施加DC时，该负通量场逐渐降低，直到铁磁材料中的磁通密度为零。当进一步增加DC时，磁通场开始变为正，直到发生磁饱和。因而，在间隙中引入磁性材料增加了铁磁材料承受饱和的能力，从而显著增加了其范围，诸如增加了两倍。
图4是具有两个磁间隙的单导体电感器50的立体图。在图4中，将两个铁磁板52、53组合到一起，二者间隔开由磁颗粒的尺寸设置的距离。磁粉和环氧树脂的混合物形成合成物56，可以将合成物56丝网印刷到铁磁板的一个侧面，如图4中所示的铁磁板52上。在施加有合成物56的每一区域中生成磁间隙。将第二铁磁板53放置到第一个上并且使粘合剂加热固化以永久地将组件结合到一起。一旦部件被固化，然后使其磁化。图4示出了磁性材料的极性，使得位于两个铁磁板之间的随后通量场添加到彼此磁通量方向。将磁体感应通量的极性设置为与由输入到导体中的直流电流产生的磁感应通量的方向相反。
图5是一个实施例的立体图，其中存在三个磁间隙，每一磁间隙由包含磁粉以及优选诸如环氧树脂的粘合剂的混合物形成。可以通过丝网印刷沉积所述混合物并且由于所述混合物包括施加在三个分隔开的位置70A、70B、70C中的磁粉而可以将其看作是磁薄膜。所示出的配置是多极配置。外侧磁薄膜70A、70B在相同方向上被极化而中央70C在相反方向上被极化。执行该过程以形成对于所有三个磁薄膜累加的磁场。电感器60包括第一铁磁板62和第二铁磁板64。铁磁板62中切割有沟槽63。沟槽63从铁磁板62的一侧延伸到铁磁板62的相对侧。示出了导体65。在第二铁磁板64的一侧上包括部分66、68的导体65在第二铁磁板64周围被弯曲以形成三个表面70A、70B、70C，在每一个表面上粘结有磁薄膜。在将铁磁板62、64放置到一起之后，可以加热固化粘合剂，然后使设备60磁化。图5提供了多极配置，其中外侧磁薄膜在相同方向上被极化而中央则在相反方向上被磁化。如此形成对于三个磁薄膜累加的磁场。以与由输入到导体中的直流电流产生的任何磁感应通量的方向相反的方向设置磁体感应通量的极性。
因此，本发明提供了改进的电感器及其制造方法是显然的。本发明设想在所使用的材料类型、所应用的制造技术方面存在各种变型以及在本发明的精神和范围内存在各种变型。

Claims (19)

1.一种偏置间隙电感器，包括：
第一铁磁板；
第二铁磁板；
夹置在所述第一铁磁板与所述第二铁磁板之间的导体；
所述第一铁磁板与所述第二铁磁板之间的粘合剂，所述粘合剂包括磁粉，从而形成至少一个磁间隙；并且其中所述粘合剂的厚度小于500μm。
2.如权利要求1所述的偏置间隙电感器，其中，所述粘合剂为环氧树脂。
3.如权利要求1所述的偏置间隙电感器，其中，所述磁粉包括球形稀土磁颗粒。
4.如权利要求3所述的偏置间隙电感器，其中，所述球形稀土磁颗粒包括钕-铁-硼合金。
5.如权利要求3所述的偏置间隙电感器，其中，所述球形稀土磁颗粒包括钐-钴合金。
6.如权利要求1所述的偏置间隙电感器，其中，所述第一铁磁板和所述第二铁磁板中的每一个包括铁氧体。
7.如权利要求1所述的偏置间隙电感器，其中，所述导体包括铜。
8.如权利要求1所述的偏置间隙电感器，其中，所述导体被配置为多回路配置。
9.如权利要求1所述的偏置间隙电感器，其中，所述粘合剂包括所述第一铁磁板与所述第二铁磁板之间的粘合剂薄膜，并且使用厚度来限定所述电感器的电感特性。
10.如权利要求1所述的偏置间隙电感器，其中，所述厚度小于100μm。
11.一种形成电感器的方法，包括：
提供第一铁磁板、第二铁磁板以及导体；
将所述导体放置在所述第一铁磁板与所述第二铁磁板之间；
利用包括粘合剂和磁粉的合成物将所述第一铁磁板粘合到所述第二铁磁板，以形成磁间隙；
使所述电感器磁化；以及
其中，所述合成物厚度小于500μm。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述粘合的步骤包括固化所述粘合剂。
13.如权利要求11所述的方法，其中，所述粘合剂为环氧树脂。
14.如权利要求11所述的方法，其中，所述磁粉包括球形稀土磁颗粒。
15.如权利要求11所述的方法，其中，所述磁粉包括球形陶瓷颗粒。
16.如权利要求11所述的方法，还包括基于对所述电感器的期望属性来确定磁粉类型，其中所述类型包括所述磁粉的颗粒尺寸。
17.如权利要求11所述的方法，其中，所述粘合的步骤包括丝网印刷所述合成物。
18.如权利要求11所述的方法，其中，所述厚度小于100μm。
19.一种偏置间隙电感器，包括：
第一铁磁板；
第二铁磁板；
夹置在所述第一铁磁板与所述第二铁磁板之间的导体；
所述第一铁磁板与所述第二铁磁板之间的厚度小于100μm的用于形成至少一个磁间隙的磁性材料，其中，使用所述厚度限定所述电感器的电感特性。
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