CN102203887A - 用于高频率应用的感应器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适合用在高频率切换模式功率变换器中的感应器组件，其中，电压的改变速率可以超过每秒10⁹伏特。感应器由围绕磁芯(140)缠绕的导体带(30)形成，并且还包括位于导体的相邻缠绕之间以提供容性屏蔽的静电屏蔽，其实质上减少从感应器的一端传播到另一端的高频率电压信号。

Description

用于高频率应用的感应器

技术领域

本发明涉及电感应器，尤其是用于高功率、高频率应用的感应器的领域。

背景技术

感应器被应用于多种应用中。本申请描述了一种尤其适合于高功率、高频率应用(例如采用高频率DC-DC开关模式的功率变换器)的感应器。根据本发明的感应器组件在其它应用(例如变压器)中也是有用的。

WO 02/101909中描述了复杂DC-DC功率变换器的示例。图1是如WO 02/101909中描述的DC-DC功率变换器的最基本元件的通用电路图。该功率变换器适合于在高功率应用(例如电车中的功率变换)中使用。在使用中，使用具有可变传号-空号比率的脉宽调制(PMW)驱动信号，使开关S1和S2从不都被接通而是被驱动成一个断开而另一个接通。可见，对于第一阶，当S2接通时，通过感应器L的电流线性增加，当S1接通时，其线性减少，从而电流波形具有含DC分量的不对称锯齿轮廓。输入和输出之间的电压比率简单地由S2被接通的时间与总周期时间的比率确定。然后通过由感应器L和电容器C2形成的无源电路(其用作为针对谐振以上频率进行动作的低通滤波器)对该锯齿电流信号进行滤波，以给出输出端B能够接受的低的电压波动。有利的是，开关工作于最高的实际频率，以使得滤波部件L和C2的大小和成本最小化。

因此，图1中的感应器L必须操作在高频率(例如100kHz)和高功率(1kW至10kW)。理想地，感应器引入系统的损耗应当最小，并且应当体积小、质量轻并且成本低。

发明内容

现在参照在独立权利要求中定义的本发明中的各个方面。在从属权利要求中阐述有利的特征。

附图说明

图1示出双向下转换器的基本元件。

图2是根据现有技术的典型感应器绕组的截面；

图3示出通过缠绕导体带形成的感应器；

图4示出根据本发明用于形成感应器的铜带；

图5示出图1所示的感应器内的电压和电流波形；

图6示出根据本发明的在感应器中使用的线轴的示例；

图7示出内部线圈容性耦合；

图8示出图4所示的导体带，以及在缠绕之前平坦放置的根据本发明的用于形成感应器的其它元件；

图9示出包括根据本发明的感应器的基本双向下转换器；

图10示出包括有根据本发明的感应器的开关模式转换器的另一示例；其中屏蔽经由电阻接地

图11示出用于制造根据本发明的感应器组件的机器；

图12示出用在根据本发明的感应器组件中的导体带的内端；

图13a-图13c示出用在根据本发明的感应器组件中的线轴；

图14a和图14b示出示例的包括空气隙的芯；

图15a-图15d示出根据本发明的感应器，其中示出的不同端接布置。

图16示出包括外部罩的根据本发明的感应器；

图17示出用在根据本发明的感应器组件中的替换绕组布置；

图18示出在图17所示的绕组中用作导电屏蔽的垫圈；

图19示出用于如图20所示的方形绕组的芯组件；

图20示出具有方形拓扑的替换绕组；

图21示出用于具有方形拓扑的替换绕组的片；

图22示出用于具有方形拓扑的替换绕组的另一种片；

图23示出被弯曲超出45度并被挤压的铜带的变形；

图24示出可以被焊接的图23的弯曲的区域；

图25示出用于形成具有方形截面的带状线圈的片材材料图案；

图26示出用于形成具有三角形截面的带状线圈的片材材料图案；

图27示出用于形成具有五边形截面的带状线圈的片材材料图案；

图28示出具有三角形截面的磁芯；

图29示出具有五边形截面的磁芯；

图30示出在圆柱壳体中的完整线圈组件；

图31示出用于接地屏蔽的直接连接的等效电路；以及

图32示出用于接地屏蔽的电容连接的等效电路。

具体实施方式

图1示出如WO 02/101909中描述的DC-DC转换器的元件的基本通用电路图。如描述的那样，图1所示的电路包括通过高频率、高功率信号的感应器L。对感应器的需求有多种，基本需求是感应器是成本低、体积小和效率高。

感应器典型地由通过电流并耦合至磁芯的导体线圈形成。芯典型地由铁氧体形成。通过说明的方式，图2示出工业上标准的“罐形芯”构造的截面。通过大体为圆柱形对称的芯20示出截面。磁环路通过芯20的中心部分，其中，磁通分裂开并经由壁(如这里所示，在截面中位于侧面)返回。电绕组22进入并且离开纸面(截面中示出导体)。

根据本发明的感应器被设计为在高频率和高功率下使用。随着工作频率上升，用于处理给定功率所需的电感下降。对于用于电车中的DC-DC转换器的关注频率和功率，这意味着感应器需要相对较少的匝，即在1与20匝之间。

用以制造感应器的标准加工的铁氧体部件可以有多种形状和的大小，但都寻求以在给定的材料质量或体积的约束下保持尽可能低的总功率损耗(电损耗和磁损耗)的方式将磁路与电路耦合。然而，在给定铁氧体芯周围形成电绕组的方式对功率损耗具有深刻的影响。

使用高电流时的一个主要问题是感应器中的阻抗损耗。电线圈经受正常的“I²R”阻抗损耗，并且可以通过将线圈阻抗保持得尽可能低来使这些损耗最小化。线圈的阻抗与绕组的长度、绕组中使用的导体的截面积以及导体的阻抗性有关。

此外，对于给定的标准铁氧体芯，例如，如图2所示，对于电绕组可用的截面被固定，对于单个匝可用的截面面积与给定设计中所需的匝数成反比。因此，对于给定的可用截面面积，为了允许对于每一匝最大化截面积，绕组的封装密度是重要的。然而，在特定截面内高效地封装少量截面大的匝是困难的。

当在高频率下工作时，还产生“趋肤效应”。众所周知，在高频率交变的电流主要在导体的外层或“表层”中行进，其中电流密度随着距表面的厚度指数地下降。在铜中，在100kHz下，表层厚度是大约0.4mm，因此，在意图主要应用感应器来操作的尺度和频率下，趋肤效应是重要因素。减轻趋肤效应的通用方法是使用一束扭曲在一起以确保均匀空间分布的彼此绝缘的较小引线，而不使用单根较大的引线。然而，这具有降低绕组的总封装效率的缺点。通过使用一束较小的引线而不是单根较大的引线，绕组的DC阻抗增加(因为所要求的绝缘和不理想的封装效率)。与成束的导体相关的另一问题是导体的端接。必须将每根引线剥离开并且整个束要与外部电路并行地端接。当引线的总截面变得大时，这是极为困难的。

图3示意性示出用于根据本发明的感应器的电绕组。如图4中的未缠绕的状态所示，用导体(优选为铜)带形成导体30。带30的整体厚度近似等于工作在期望频率下的表层厚度，但具有相当大的宽度。带被缠绕成带截面的长轴与绕组转轴平行。优选地使用电绝缘体层使导体的相邻匝彼此绝缘。在这种导体中，电流的DC分量将具有沿导体截面的均匀电流密度，电流的高频率分量在表面将具有更高的密度，并且该更高的密度从表面起减少：由于导体中央部近似为从中心起表层厚度的一半，因此电流密度的交变部分的减少不太严重。在实际转换器设计中，如果与感应器中的DC电流比较，电流的高频率分量，即电流波动小，则也减轻这种效应。

导体带30包括两个电端接部分31、32，在导体带30的每一端，端接部分31、32在相对方向上从带30侧向延伸。如将更详细地描述的那样，在带已经被缠绕之后，端接部分可以弯折90度，以允许感应器容易地连接到印刷电路板(PCB)。

导体带30优选地以良好的电气级铜片制成，并且可以使用光刻或任何其它合适的技术来形成导体带30。

使用以此方式缠绕的导体带具有若干优点，尤其对于高功率、高频率应用。

(1)带的使用减轻趋肤效应。通过使用与表层厚度相同量级的厚度的带，保持了贯穿整个带的高的电流密度。

(2)这种类型的带绕组封装密度高于较小的圆形导体的封装密度。

(3)不存在使用导体束所致的附加的体积上的无效性。

当需要非常少量的匝时，优选地使用由通过绝缘层分离、缠绕在一起并且在端接处并行连接的多个带实现的层叠带组件。在保持绕组对于标准形状的芯的正确的宽高比的同时，多个层叠的带能够比相同厚度的单匝更好地减轻趋肤效应。

然而，在高频率功率变换器中，功率电路的节点处电压的改变速率和电路元件中电流的改变速率以伏特/秒和安培/秒为单位分别为10⁹量级。通过示例，这可以是如图5所示的PWM电压波形。图5a示出图1中点A处的电压。图5b示出通过感应器L的电流。图5c示出图1中点B处的电压。在点A处，电压在60ns内从0达到60V。电流将在相似的时间内从流过S1变为流过S2，并且电流变化可以是50安培。因此，1pF寄生耦合电容将传导源自这样大的电压改变速率的1mA量级的传导电流。这与模拟测量和逻辑信号电流的幅度相同的量级，从而可以严重地扰乱容性耦合至功率电路的控制电路。电感也是问题。10mm长度的引线或电路板布线将具有1nH的量级的自电感，因此电流的这些改变速率将生成1V的量级的寄生电压。在任何实际设计中必须解决这些问题。

为此，优选地围绕线轴缠绕导体。图6示出合适的线轴60。带30的宽度比线轴60的宽度稍小。线轴由导体材料(例如黄铜)形成，并且连接到系统地以形成对于外部环境的静电屏蔽。线轴必须与导电绕组的内部匝绝缘。在绕组和线轴的两侧之间还必须存在间隙或绝缘层。

线轴包括贯穿内部管的径向缝61和端表面62、63，以确保线轴不形成“短路匝”。该间隙足够小，从而静电屏蔽的中断和对外部环境的小量容性耦合不明显。

线轴在绕组的内部和各侧提供静电屏蔽。可以在绕组的外部放置附加屏蔽，并且附加屏蔽连接到线轴。与线轴一样，如果附加屏蔽形成导电环，则其将形成“短路匝”。可以如线轴中那样包括有间隙，或者可以在屏蔽的重叠部分之间插入绝缘体。附加外部屏蔽应为线轴的内部尺寸的全宽，但应考虑确保使其不会经由线轴形成短路匝，或者不会将线轴中的缝电桥连接。如果附加屏蔽在线轴中的缝附近被切割得较窄并且相结合地使用连接屏蔽的端部之间的绝缘体，则可以避免短路匝。

存在一种外周长屏蔽的替选，其对于某些情况而言是满足要求的。从图5a和图5c可见，图1的电路中的A点处的电压具有高幅度、高频率成分。相反，在开关频率下，b点处的电压幅度被大幅衰减，而且较高的谐波频率被衰减得更多。因此，如果感应器的内部匝附连到图1中的点A，并且外部匝附连到点B(从而外部匝上的电压波形近似为B点处的电压波形)，则与外部环境的耦合不大会造成问题。

除了与外部环境的容性耦合之外，存在导体的相邻匝之间的容性耦合(在此被称为线圈内容性耦合)的问题。使用导体带带来比使用圆形或成束导体大得多的线圈内容性耦合。图7示出用于线圈各匝间的电容的等效电路。等效电路包括导体10的每一对相邻匝之间的电容器70。实质上，这些电容从一端串联连接至另一端，从而提供通过感应器的容性路径。容性路径非常好地传导高频率信号，这与感应器的主要功能之一(即滤除高频)不符。通过增加相邻匝之间的绝缘体厚度来减少线圈内容性耦合与绕组中对高的体积效率的需求相悖。本发明提供的解决方法是在匝之间使用静电屏蔽箔，屏蔽箔是导体材料并且连接至系统地。

图8示出平坦布置的导体带30以及其它通过缠绕来形成根据本发明的感应器的元件。如先前参照图4描述的那样，导体30包括被形成为在导体30的任一端容易地沿着弯折线弯折成直角的端接部分31、32。利用在长度和宽度上稍大的由绝缘体81形成的层来缠绕导体30。绝缘体81可以由多种材料制成，但优选为玻璃纤维带的形式。带可以是粘性的或非粘性的。绝缘体81确保导体30的相邻匝不相互接触，但却占据非常小的体积。可以提供其它类型的绝缘体，导体的每一匝与下一匝绝缘。相应地，可以简单地在带的相邻匝之间留下空气空间。

还与导体带30缠绕的是至少一个屏蔽箔。在该示例中，使用两个屏蔽箔82、83。可以使用很多屏蔽箔来使衰减增强，但这带来复杂度和额外体积的代价。屏蔽箔82、83与它们自己的绝缘层84、85关联，以防止它们接触导体带30。

图9的电路图示出图1的电路中的感应器中的屏蔽箔82、83的效果。屏蔽箔示出为连接至系统地。

每个屏蔽箔82、83具有形成在其侧面的用于接地的小材料片86、87。还是在利用任一侧的绝缘材料层的情况下，这些片被伸至线轴60侧，然后通过适当的表面清洁和焊接进行端接。可以从铜箔压印或光刻出屏蔽箔82、83。

屏蔽箔82、83优选为对于导体带30的整匝延伸。图8示出用于每一匝的导体的长度，其中，标号T0-T5指示每一匝的起始。很明显，每一匝所需的导体的长度随着线圈的半径增加而增加。如果屏蔽小于一个完全匝，则可以理解，在屏蔽之后，该匝存在如下一部分：穿过该未被屏蔽的部分耦合至下一匝。因此，对匝进行360度屏蔽代表一个匝与下一匝之间的100％的理论上的屏蔽，而更小的任何角度导致与整个360度匝的未被屏蔽的部分直接成比例的不想要的高频耦合。然而，因为已通过360度屏蔽在理论上将耦合减少为零，所以并非单根屏蔽越长就会成比例地越有利。此外，即便按长度屏蔽一匝，也存在使得长屏蔽不利的起作用的另一因素。在点A处具有单一频率正弦波形的情况下，考虑如图1的L和C2形成的滤波器电路中感应器的动作，并且进行进一步简化为C2非常大从而B点电压恒定。正弦电压的幅度按照沿着从点A处的完全幅度到点B处的零的线圈的长度线性减少。通过标准傅立叶分析，可以知道，开关转换器的PWM电压波形包括这些正弦分量。还可以知道，在真实滤波器中，C2是有限的，并且将具有穿过它的电压波形(较低频率成比例地较少衰减)，并且对于系统地，沿绕组的绕组中任一点处的电压随着该点的位置而逐渐改变。因此，不管用什么样的屏蔽，耦合至屏蔽的电压沿着该屏蔽的长度而不同，并且屏蔽越长，这种效应越大。如果情况是能够将屏蔽理想地保持在系统地，则这种效应将是非实质性的，并且在屏蔽长度之下绕组与屏蔽之间的容性耦合的电流将简单地反映出在绕组上的每一点的电压波形。在操作中，在关注的物理尺度和频率下，与关注的最高频率的波长相比，屏蔽的物理尺度较小，因此可以很大程度上忽略这种由于传播速度导致的效应，但电感不能被忽略，尤其是屏蔽上的片与系统地之间的电感。因此，效果可以是电接近于点A处的PWM波形的屏蔽上将具有由于接地电感而产生的、从绕组中的全幅度衰减后的电平的十分尖锐的高频率信号。由于与波长相比屏蔽较小，所以这些尖锐的沿将在整个屏蔽上存在，因此过长屏蔽的效果是将这些沿从绕组的一端耦合到另一端。如果在体积或复杂度上不存在约束，则可以通过具有更多的屏蔽(每个屏蔽使衰减增加)来改进这种情况。也可以将完整匝的单个屏蔽向下划分为两个半匝的屏蔽：这样同样较好地实现以上的完整匝屏蔽，但大幅减少所描述的端到端耦合效应。“理想的”屏蔽系统倾向于连续地通过绕组，使绕组的每个部分与在上面和在下面的匝屏蔽，其中屏蔽被沿着绕组划分为小的独立部分。

因此，屏蔽实际上是折衷，其中，完整匝或稍长的屏蔽实际上十分有效。两个屏蔽实际上远远比一个好。由于其它因素和实际结果指示两个屏蔽是优化的实际解决方案，因此发现将一个放在具有较高信号的一端，以承受高频率耦合输出的冲击，并且将一个放在另一端，以移除尽可能多的残余运作良好。

静电屏蔽箔将信号容性地耦合至地。由于屏蔽箔由高电导率材料形成并且连接至地，因此电流将流动到地，而不产生明显的电压。相应地，从屏蔽箔到另一侧上的匝的耦合较小。

如上所述，即使是从屏蔽箔到地的连接长度短，也会具有一定的电感。对于下一匝的屏蔽的电容以及到地的电感形成调谐电路。该情况的效应是，当图1中点A处的电压波形的单个尖锐沿耦合到屏蔽箔时，其激励高频率振荡，然后屏蔽箔将其耦合到绕组中的后续匝。该效应在最接近图1的点A处的屏蔽箔中最显著。

为了缓解这一问题，屏蔽箔82、83的片86、87可以经由计算为接近用于由屏蔽箔和接地所形成的调谐电路的临界阻尼的值的一个或多个电阻器连接到地。这不仅具有阻碍振荡的效应，而且还可以被看作限制任何在返回电流路径中流动并在电路中的其它位置激励寄生电压的电流。图10示出这种情况。

由于远离驱动点的屏蔽83将与高频分量被很大程度地减少的低幅度电压耦合，因此将激励较小的电流，从而可以使用较小值的电阻，通过屏蔽箔给出较大衰减而不会激发振荡。应当理解，对于每个屏蔽而言屏蔽到绕组的电容大体上相同，而在两个屏蔽之间，激励出振荡的频率和能够实际地通过电阻值选择来应用的阻尼因子可能明显不同，因此电阻值可能明显不同。用于电阻器100、101的示例值分别是10欧姆和3欧姆。对于给定感应器设计根据经验适当地确定所需电阻值。

当根据本发明的感应器不用在图1所示的初级位置而用在电压信号的高频分量已经被衰减的次级滤波器中时，在不用电阻的情况下将屏蔽箔直接端接至地以获得最大屏蔽通常是可以接受的。

通常，优选使用某种胶(例如环氧树脂)将绕组、绝缘物和屏蔽箔粘接在一起。这可以通过例如，在缠绕期间应用胶或者在缠绕之后真空注入来实现。

当将具有图8的部件的线圈缠绕在线轴上时，相对少的匝、相对硬的带(即便如此其关于趋肤效应在电气上是“薄”的)、以及加入屏蔽及其额外绝缘层使得尤其难以通过让最终匝在正确的位置结束以便容易地进行端接的方式来缠绕线圈。然而，使用例如图11所示的专门构造的机器可以使这种缠绕容易地进行。这种机器具有通过计算机或其它数字控制技术连接的两个主机构。机器具有使安装台111行进的直线导轨机构110，从而台被定位成仅能够在一个轴(在此为X轴)上滑动，但在Y轴和Z轴上固定。由步进电机或其它受控旋转设备113转动的导螺杆112控制在X轴上的位置。在安装台上放置有可以与图4和图8的切割带中的小孔34啮合的箝位设备114。

第二主机构是在旋转轴在Z轴上的轴承118中运转的可旋转杆115。该杆被限制为不能沿Z轴移动。杆115的直径比线轴60的内径小。在杆的一端有一对可移除的颊件116、117，其还形成在杆115和线轴60的内径之间的套筒，并将线轴保持在适当位置。杆115的另一端被通过锯齿带轮120和锯齿带121耦合到杆115的步进电机或类似的旋转设备119驱动。

可以在缠绕操作开始时正确地定位安装台111，并且可以在杆115上安装线轴，并且可以应用绝缘的内层。带30的外端现在可以定位在安装台111上的夹钳114中，内端可以形成为图12的形状，其中，图8的带的片31沿着折叠线弯折90度，以沿着线轴颊的内侧平放(并且如上所述绝缘)。带30通过形成颊件116、117的一部分、穿过线轴60的颊中的对应孔64并进入形成在绕组带30的端的孔33、35的销钉固定在线轴60中的位置中。然后可以重新定位安装台111以获得绕组中的正确起始张力。

这种机构的动作是在步进电机113、119的数字或计算机控制下使杆转动并且移动安装台，从而在所有时间在绕组带30中保持所需的张力。如果类似的步进电机或旋转设备均用于控制安装台111的位置和杆115的旋转位置，则由于导螺杆的节距通常远小于线轴的半径，因此将需要导螺杆步进电机113的若干步进，以用于杆电机119的每一步进。使用电子表单或类似的计算方法，可以根据材料厚度和位置计算杆转动和对应导螺杆转动的准确数量的表，进行正确的限定从而把准确匹配杆的步进所需的任意部分的步进内插到后续步进，并且该表可以被经验地调整。在手动操作的机器中可以采用脚开关或类似装置，以允许操作者开始并且停止运动，从而屏蔽及其绝缘层可以被放置到绕组带的平坦部分上，以便当机器重新启动时，它们将缠绕到正确的位置。在完全自动化的机器中，类似的控制将允许这些物件的自动放置。

计算安装台和杆电机中的每一个的步进总数，从而准确地在正确位置处由绕组的外端形成最终匝。通过附加至可移除颊件116、117来放置箝位件(未示出)以将线轴以及绕组的两端相对于彼此保持在正确的位置。现在可以移除线轴、颊件和箝位件，以允许粘合或封装处理从而将组件保持在一起。通过使用若干组颊件和箝位件，可以随后按批次或者连续工艺进行另一缠绕。在设置好粘接或封装之后，颊件和箝位件可以被移除、清理并且重新使用。

图13a示出允许方便地实现上述所有特征的替选线轴130。在该结构中，内管131由导体材料(例如黄铜)制成，并且仍然具有贯穿该管的实际的缝，以避免产生短路匝。线轴的端部颊板132、133由标准印刷电路板材料制成，例如通常使用的FR4级玻璃纤维基板。优选地在标准双侧印刷电路板上进行“贯通板孔”工艺，并且这允许通过焊接将内部黄铜管附连至PCB材料。PCB的外表面上具有在该表面上蚀刻的图13b的铜图案，从而外表面被较大程度地金属化，以提供等同于图6的线轴的屏蔽。内管中的缝与铜箔中蚀刻的间隙134对齐，并且需要有如图13c所示的颊板中的那样长度实际的缝138，以断开PCB中的孔中的“贯通板”金属化以及其周围的铜焊接区。

颊板顶部的矩形片135被设计成适合通过屏蔽的顶部并能够允许屏蔽之间的焊接，并且在屏蔽之后使颊板的顶部已被放置在适当位置。还可以提供“过孔”，以进行系统地附连和颊板两侧上的金属化之间的连接。

因此，颊板顶部上的金属化135经由屏蔽所能提供的非常低的电感路径连接到系统地，如以下进一步解释。

颊板的内表面也金属化为图13c所示的图案。设置有焊盘137，其上可以焊接屏蔽上的片，并且这些片连接至电阻安装焊盘136，然后为了前述目的通过这些电阻安装焊盘将屏蔽经由电阻139或导电链路接至系统地。所描述的颊板在每一端板上示出所有这些电阻器。实际上，优选以此方式制成所有颊板，作为标准化的部分。根据使用的情况，可以在特定的感应器组件中使用一些或所有可用的连接。

外部颊板也可以设置有焊盘以允许电阻或导电链路的连接，从而线轴直接通过导电链路或通过电阻接至系统地，以类似于针对屏蔽所作的解释的方式来减少由于使用用于屏蔽的轴线金属化而导致的任何振荡。

还存在针对感应器中使用的芯的设计考虑。铁氧体材料优选地用于形成芯。铁氧体材料被设计为在非常高的频率下工作，但这导致当与变压器铁比较时峰值操作磁通量密度非常低的代价。然而，由于在使用铁氧体的情况下可用的工作频率的增加远大于峰值通量密度的减少，因此在使用铁氧体组分的情况下可以控制或者转换的功率高得多(质量对比质量)。

相应地，由于饱和的电路不再表现电感，因此对感应器设计的约束之一是电路不应承载导致磁路饱和的电流。添加空气间隙(或者等效地使用用于磁路的全部或一部分的较低相对磁导率的磁材料)通过增加磁“阻抗”(其为耦合到磁路的每单位长度的安培匝的数量对于生成的通量密度的比率)提供一定的控制。这允许感应器处理更多的安培匝，即更高的电流和或更大数量的绕组匝。图14a示出在中心极142和侧壁143这两者中具有空气间隙141的芯140的截面。实际上，这可以简单地是由切割成型的稳定片材材料分隔成两半的两个标准芯。可选地，如图14b所示，通过高度上减小的中心极制成一些“标准”芯。在此情况下，仅在中心极145之间形成间隙144。

然而，对于使用空气间隙所能提供的安培匝的增加存在实际限制。首先，随着间隙变大，空气间隙中的磁场将趋于外边缘，并且在内部与导体耦合并接近感应器，由于涡流和热量的生成而产生损耗。因此，必须限制空气间隙的大小，通常限制为芯壁厚度尺寸的较小的一部分。

其次，随着间隙增加，对于给定的匝数，电感将减少。通常存在电路所需的给定程度的电感，以满足其目的：在任何给定间隙处电感与匝数的平方成正比，因此，可以增加间隙，增加电流处理能力，并且增加匝数，从而保持给定电感，但这以减少的导体截面面积、总绕组电阻的增加以及由于电流和绕组阻抗的增加而使阻抗性损耗增加的代价。

因此，设计目标典型地选择在实际上尽可能高的安培匝乘积的情况下对于用途来说足够的铁氧体芯，并且将匝数布置为适合电路应用，而不导致导体中的过度阻抗性损耗。

优选地使用PCB兼容安装尖头布置将感应器安装到PCB上是通常需要。如参照图4描述的那样，导体带在每一端包括端接部分。端接部分的形状是这样的，通过以90度弯折以允许端接至导体绕组的内端。如果对导体铜进行适当地热处理，并且弯折具有合适的半径，则弯折保持整体强度和导电性。当折叠时端接部分必须与绕组和线轴绝缘。

图15a示出在线轴60之下具有用于直接端接至PCB的结构的布置的感应器组件。图15b示出类似的结构，其可以通过将带30上的尖头弯折90度以给出图15a所示的定向，在完成的感应器的边缘用作表面安装的PCB连接或传统的“通孔”PCB端接(这对于放置其它部件或检查是方便的)。图15c和图15d示出利用自由或附连螺栓的螺旋固定151、152的方便端接。图15c示出径向端接，而图15d示出轴向端接。可见，图6所示的线轴在端板的顶部和底部边缘上具有“平边”。底部边缘的平边便于在图15b所示的端接中形成第二弯曲。

PCB允许使用表面接地面(该面实质上为电路地电势的连续面)，即优选地在PCB上侧上的铜。在此情况下，可以进一步通过使用如图16所示的放置在整个线圈之上的传统屏蔽壳来改进屏蔽。这种壳可以通过对薄黄铜或铜片材进行光刻或压印、折叠、并且熔接或者对折叠缝进行点焊来制成，并且在电子工业中通用。

然而，有利的是，使用这种罩作为感应器组件的集成部分，尤其是用于屏蔽箔的端接。

因为外部屏蔽壳将在很多位置被熔接到PCB地平面，所以用于屏蔽箔的端接片与外部壳的连接(直接地或者经由电阻)允许对于对地平面的电感非常低的情况下的非常短的物理连接。这是因为，任何通过壳流至地的电流将在所有可能的路径上展开，并且磁通量线将非常长或者被抵消。图16示出最终感应器组件的示例，其中，经由一端为标准引线的电阻161实现从屏蔽箔(由线轴的顶部制成)到壳180的端接。

优选地，壳160填充有高导热材料，例如聚亚安酯化合物。这将热量传递到壳的外部并且分散机械负载。当在承受振动和高加速度的环境中使用感应器时，分散机械负载是重要的。

也可以通过与上述相同的特征(即类似截面的平坦带和对地端接的匝间屏蔽)但利用径向方向上截面的长轴(即带的宽度)来缠绕线圈。

在最简单的几何形式中，这种形式的绕组具有平坦的螺旋部分，每一匝与下一匝通过绝缘层分离，绝缘层可以方便地制成为其中具有切口的垫圈的形式。匝间屏蔽也是类似垫圈的，并且以与前述精确地相同的方式端接到地。由于屏蔽必须在匝之间，因此屏蔽在拓扑上连续是不可能的，因为在某些点处两个端点将位于单独匝的相对侧。由于单个屏蔽不可能形成“短路匝”，所以这种拓扑条件是有用的。为了改进屏蔽，可以使得屏蔽的径向厚度比螺旋绕组的径向厚度更宽，尽管这受到绕组自身的截面最大化的需要、以及铁氧体芯内部的绕组空间的有限径向厚度的限制。图17示出采用这种形式的绕组170，图18示出绝缘垫圈180和屏蔽垫圈181，后者示出形成两个端点的切口以及相对侧的连接片，可以通过该连接片端接至地：图18是说明性的，切口和端接点的相对位置应被详细设计。每一屏蔽将再次通过分离垫圈的形式需要额外的绝缘层，以确保不会连接至导电绕组。

可见，如果从片材材料切割而不进一步变形，则各个屏蔽可以最多屏蔽用于整个360度匝的导电绕组，然而，通过其它制造技术，可以形成覆盖多于360度的屏蔽。使用的屏蔽的数量和角度覆盖仍应针对特定应用而被详细设计。通常使用的屏蔽越多，越会降低穿过感应器的高频率耦合，但构造的复杂度将更大，绕组穿过用于导体的截面孔的比例更小。

屏蔽和匝间绝缘体可以简单地由铜片材材料切割或者压印而成。然而，由于导体绕组通常多于一个匝并且需要以纯螺旋形式连续，因此可以仅通过变形工艺使铜引线形成为平坦截面而制成，并且这是昂贵的技术。

然而，在绕组感应器和变压器中，通常使用具有方形截面的铁氧体或铁磁路径，图19示出通常可用的制成为“E”芯截面191和“I”芯截面192的芯对190。如上所述，完全优化的芯尽可能紧密地交连磁路和电路并且针对给定量的磁性材料和导体材料具有最大的截面。在方形截面磁路具有增加铜绕组长度的效应的情况下，这将是相对小的因素，考虑到这对于设计的其它方面的有利点，因此通常是可接受的。

通过切割并弯折导电片材材料(例如铜片材)，存在允许通过截面的径向长轴构建导电绕组的一组几何形状，并且还存在针对使得被浪费材料的比例最小化优选特定形状。

图20示出理论上的具有方形几何形状的绕组形状200。然而，不可能从片材材料切割出该绕组。图21示出可以从片材材料切割出的形状210。标识出通过在该形状中弯折45度角来产生具有基本上与图20相同的拓扑的绕组的位置211。也可以通过将图21的形状扩展为图22的形状并且在线221上进行简单的方形折叠来实现基本上相同的结果。这使用稍多的材料，并且在不采用如下所述的焊接工艺的情况下，使得传导路径稍长。为了实现这种描述，可以考虑两种等同的折叠方法。

在图21的绕组中，可以看出每三个转角需要折叠一次，因此，看到折叠的角位置对于每一相邻匝后向行进(即在与所感觉的绕组方向相对的方向上)。在简单折叠的情况下，被折叠的材料将是绕组厚度的两倍，并且这将添加到整个线圈的轴长度，但因为折叠的位置后向行进，所以该额外厚度均匀地分布在绕组的顶点周围。可见，对于以此方式形成的每三个完整匝，存在在每个顶点处厚度加倍的四个位置，因此，轴长度比图20的绕组的等效轴长度长三分之一。在很多实际设计中，这是可以接受的，特别是对于薄的片材材料，在薄的片材材料的情况下，绝缘材料的厚度占据整个轴向长度的较高的比例而且该绝缘材料的厚度一定程度地在机械上是一致的。

然而，可以使用压制工艺来改变材料的形状，从而在每一折叠处获得基本恒定的厚度。铜是用于导体的优选的材料，并且如果正确地热处理则非常易于延展并且容易以此方式形变。图23示出45度弯折230和可预计的形变，由于确切的形状取决于使用的方法，所以这种形变是示例性的。压制工艺可以与修剪工艺结合，剪除材料231(图23中阴影所示)，以将绕组还原成理论形状。然后，还可以进一步使用熔接或焊接工艺来接合折叠间的材料(图24中的阴影面积241)。这具有减轻由于形变工艺中使材料薄化所导致的在每处弯折电阻增加的效果。

通过组合这些工艺可以看出，可以从片材导体材料(例如电气级铜片材)产生具有图20的基本特性的线圈。然而，图21的形状非常浪费导体材料。图25通过示出在切割和折叠之前片材上的线圈250的布局来表示出这种情况。片材上的线圈之间的最小间隔是图案的整体宽度，从而面积251被浪费掉。

存在允许在片材上“堆叠”线圈的形状。图26和图27分别示出可以制造三角形和五边形线圈的形状。可见，利用三角形和五边形形状(仅限制为顶点的可选修剪)实质上消除了导体材料的浪费。也可以使用具有更多数量的边的多边形。然而，仅有一些形状(例如三角形和五边形)允许折叠的位置围绕绕组行进。

可以进一步修剪这些形状，以便用于具有圆形磁路径截面的磁芯，尽管这当然会在片材导体材料的使用中重新引入浪费因素。

一种替代方式是使用为利用这些绕组形状而设计的磁芯，例如三角形截面的芯或五边形截面的芯。图28和图29示出适合该目的的磁芯截面。图28示出三角形芯280的部分，图29示出五边形芯290的部分。

然而，在用于上述目的的芯的实际设计中的另一因素是需要有效地消除绕组中产生的热量。图26和图27中的线圈的顶点使得要使用的导体材料把热量有效地传递到设备的边缘。因此，使用由图26所示的导体带形成的绕组的图28的形状是优选的，因为芯和绕组的轮廓形状是紧凑的并且结合了材料的有效使用，并且来自绕组的热传递是有效的。

这些线圈的端接可以选择前面所描述的方式。

应当理解，以上述任意方式形成的、绕组截面的长轴为轴向或径向的线圈可以优选地集成到圆柱罩中，其中感应器的端接被引出到圆柱的端面上。

图30示出在圆柱罩300中的完整的线圈组件，圆柱罩300为铝合金、黄铜、或金属涂覆的塑料，并具有线圈两端的轴向端接。为清楚起见透明地示出罩。所示的线圈组件与图15d所示的相同。圆柱也可以用于容纳其它电路元件，例如电容器301。导电圆柱可以直接或电容地连接到地，以使得电屏蔽有效。在圆柱导体材料被设计为具有足够导电性的情况下，其还可以成为在线圈绕组中受控制的电流的地返回路径，产生具有图31和图32的等效电路的共轴四端网络(图31和图32分别示出直接屏蔽连接和容性屏蔽连接)。

整个组件可以被装入到电绝缘但导热的化合物(例如导热聚亚安酯化合物)中。如果绕组是具有径向对准的截面的长轴折叠形式，则绕组的顶点与圆柱的内表面之间的间隙必须被布置为满足在线圈的工作电压下电绝缘的需要。外圆柱表面对于机械安装和到环境或冷却系统的热量传递应非常有效。罩可以被进一步修改成满足整体电路的其它需要，尤其是集成形成滤波器电路的另一主要元件的分流连接的电容器。罩还可以使得在轴向定向的间隙302中从圆柱的一端到另一端传送电控制信号，从而允许线圈集成至较大电路的子组件中，同时保留用于机械安装和热量传递的外圆柱表面。这些信号可以在由一端或两端端接至圆柱或外部电路的导体材料所制成的管中行进，从而使得对源于来自线圈的电流的电耦合的信号的屏蔽有效。还可以利用沿圆柱外表面行进的一个或多个轴向对准的绝缘间隙来构造外部圆柱，这是为了中断由来自磁芯的泄漏通量所引起的外部环路电流流动。

如上所述的利用材料在径向或轴向方向上的长轴，使用导体材料带缠绕线圈的方法还可以优选地用于具有两个或更多个耦合至单个磁芯分离的绕组的变压器，其中，这些绕组中的一个或多个具有相对少的匝，并且开关的频率和运转功率高，并且其中，如上所述，趋肤效应还会使得高频率损耗不可接受。需要这种类型的变压器的电路的示例是公知的“回扫”转换器、或由Woods提出的电路(US 3,986,097)。这些电路使用两个分离的绕组。这些转换器可以使用主电路与次电路之间的匝数比率在输入电压与输出电压之间实现该比率。在这种电压一个低(例如24伏特)并且另一个高(例如600伏特)的情况下，24伏特绕组可能使用相对较少的匝和带绕组，而600伏特的电路可以使用传统引线。可以理解，由于电压较高，与低电压绕组相比，高电压绕组在以相同比率低于低电压绕组的电流下工作。趋肤效应是依赖于频率的效应，因此表层厚度对于两个绕组相同，然而，由于高电压绕组将具有更多的匝，因此高电压绕组的截面将成比例地更小，因此，由于引线的直径将与表层厚度相近或者小于表层厚度，所以在绕组比率大的情况下，使用圆形引线将不会是不利的。在匝比率较小的情况下，初级线圈和次级线圈可以均由带绕组制成。

次级线圈可以接近初级线圈缠绕或围绕初级线圈周围缠绕。在任一种情况下，初级线圈和次级线圈必须彼此绝缘。

Claims (33)

1.一种适合在功率变换电路中使用的感应器组件，包括：

磁芯；

导体带，其围绕所述芯缠绕以形成线圈，其中，所述线圈的相邻匝彼此绝缘；以及

至少一个静电屏蔽，位于所述线圈的相邻匝之间并且与所述线圈电绝缘，其中，所述静电屏蔽连接至电气地。

2.如权利要求1所述的感应器组件，其中，经由一个或多个电阻进行所述静电屏蔽到电气地的连接。

3.如权利要求1或权利要求2所述的感应器组件，包括：多个分离的静电屏蔽，每个静电屏蔽连接至地。

4.如权利要求3所述的感应器组件，其中，所述静电屏蔽中的一个或多个经由电阻连接至地。

5.如前述权利要求中任意一项所述的感应器组件，其中，所述导体带围绕铁氧体芯缠绕。

6.如前述权利要求中任意一项所述的感应器组件，还包括包围所述线圈的外部静电屏蔽，所述外部静电屏蔽连接至地。

7.如权利要求6所述的感应器组件，其中，所述外部静电屏蔽包括导电线轴，围绕所述导电线轴缠绕所述导体带，其中，所述线轴与所述导体带电绝缘，并且其中所述线轴被构造成不提供围绕所述芯的完整周长的导电路径。

8.如权利要求7所述的感应器组件，其中，所述线轴包括：

中心管，由导体材料制成，围绕所述中心管缠绕所述导体带，其中，所述管被构造成不提供围绕所述芯的完整周长的导电路径；以及

颊板，位于所述中心管的每一端，所述颊板由印刷电路板(PCB)材料形成。

9.如权利要求8所述的感应器组件，其中，所述颊板的至少一个表面被导体材料部分地或完全地覆盖，所述导体材料被构造成不提供围绕所述芯的完整周长的导电路径。

10.如权利要求8或9所述的感应器组件，其中，在至少一个颊板上安装电阻，并且其中所述静电屏蔽经由所述电阻连接至电气地。

11.如权利要求6至10中任意一项所述的感应器组件，其中，在外部外部静电屏蔽中包括导体片材，所述导体片材围绕所述线圈的外周长延伸并连接至所述线轴，但被构造成使得所述组件没有任何部分提供围绕所述芯的完整周长的导电路径。

12.如前述权利要求中任意一项所述的感应器组件，其中，所述导体带是导体组件的一部分，所述导体组件包括多个层叠的带，每个带与所述线圈中的其它带绝缘但在外部并联连接。

13.如前述权利要求中任意一项所述的感应器组件，其中，所述导体带具有截面长轴和截面短轴，其中，围绕绕组轴缠绕所述带，并且其中，所述带被缠绕成使得所述带的截面长轴与所述绕组轴平行。

14.如权利要求13所述的感应器组件，其中，所述导体带包括在所述带的任一端的端接部分，所述端接部分相对于所述带的纵向尺度在横向上延伸。

15.如权利要求1至12中任意一项所述的感应器组件，其中，所述导体带具有截面长轴和截面短轴，其中，围绕绕组轴缠绕所述带，并且其中，所述带被缠绕成使得所述导体带的截面长轴在所述绕组轴的径向上。

16.如权利要求15所述的感应器组件，其中，所述线的沿所述绕组轴观看到的截面为方形、三角形、五边形、六边形或圆形。

17.如权利要求15或16所述的感应器组件，其中，由折叠的导体带形成所述线圈。

18.如前述权利要求中任意一项所述的感应器组件，其中，所述芯由磁性材料形成，并且包括空气间隙，或者全部或部分地由相对磁导率小的材料构成。

19.如前述权利要求中任意一项所述的感应器组件，其中，所述磁芯具有方形、三角形、五边形、六边形或圆形的截面。

20.如前述权利要求中任意一项所述的感应器组件，还包括由导体材料形成的外部壳体，其中，所述静电屏蔽经由所述外部壳体连接至地。

21.如前述权利要求中任意一项所述的感应器组件，还包括由导体材料形成的实质上为圆柱形的外部壳体，其中，所述静电屏蔽经由所述外部壳体连接至地；并且还包括经由所述壳体的圆柱形端部上的柱或片到所述线圈的两个端部之一的连接。

22.如权利要求21所述的感应器组件，其中，转换器的其它电路元件被集成到所述壳体中。

23.如权利要求21或22所述的感应器组件，其中，所述壳体形成通过所述感应器组件的电流的电返回路径。

24.一种功率变换电路，包括如前述权利要求中任意一项所述的感应器组件。

25.一种形成感应器组件的方法，包括以下步骤：

围绕线轴将导电带、绝缘体带、至少一个静电屏蔽以及与所述屏蔽关联的绝缘体缠绕在一起。

26.如权利要求25所述的形成感应器组件的方法，其中，缠绕步骤包括：将所述带的一端附连到所述线轴，并且将所述带的另一端附连到张力控制装置，并且使用旋转驱动装置旋转所述线轴，其中，彼此关联地控制所述旋转驱动装置和所述张力控制装置，以确保缠绕期间所述带的期望张力和位置。

27.如权利要求26所述的方法，其中，所述旋转驱动装置和所述张力控制装置由共同的控制器控制。

28.一种形成感应器组件的方法，包括以下步骤：

将导体带折叠成线圈；

在所述线圈的相邻匝之间设置绝缘层；以及

在所述线圈的两个相邻匝之间设置至少一个静电屏蔽。

29.如权利要求28所述的方法，还包括步骤：从导体片材压印、切割或蚀刻出所述导体带。

30.如权利要求25至29中任意一项所述的方法，其中，所述感应器组件形成变压器的一部分。

31.一种变压器组件，包括：

磁芯；

第一线圈，围绕所述磁芯缠绕所述第一线圈，由导体带形成并具有一个或多个匝；

第二线圈，围绕所述磁芯分离地缠绕所述第二线圈，具有一个或多个匝并与所述第一线圈电绝缘。

32.一种实质上为在此参照附图描述的感应器组件。

33.一种形成实质上为在此参照附图描述的感应器组件的方法。

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