CN103081043A - 多绕组磁结构 - Google Patents

Abstract

公开了多绕组磁结构和制造多绕组磁结构的方法。在一个实施例中，多绕组磁结构包含由磁材料构成的芯和多个绕组。芯包含芯顶、芯底和多个柱。芯顶具有定义该芯顶的形状的外缘。芯顶的中央部分具有定义该芯顶的厚度的基本上恒定的厚度。芯底在芯顶下面，并且具有定义芯底的形状的外缘。芯底的中央部分具有定义该芯底的厚度的基本上恒定的厚度。芯底和芯顶之一的厚度从其中央部分的边缘到其外缘降低。多个柱从芯底向芯顶延伸，并且多个绕组裹绕这些柱。

Description

多绕组磁结构

技术领域

本发明涉及多绕组磁结构。

背景技术

这个部分提供有关本公开内容的、不一定是现有技术的背景信息。

变压器是通过电感耦合的导体将电能从一个电路传送到另一个电路的设备。电感耦合的导体是变压器的线圈或绕组。

在一种形式中，变压器具有两个直流分离线圈。这些线圈通常被称作初级绕组和次级绕组。直流连接到主动控制电气参数的能量源或电路的绕组通常被指定为初级绕组。次级绕组通常是连接到被动响应初级电路的操作的能量接收器或电路的绕组。当然，初级/次级的命名对于变压器自身而言通常是没有意义的，并且只说明这个变压器在整个电路中充当的角色。就变压器的主要原理而言，初级和次级绕组以相同方式工作。对于具有相同初级和次级线圈的变压器，例如，线圈可以互换而不对连接到这个变压器的电路(或多个电路)的操作有任何影响。互换具有不同初级和次级线圈的变压器的线圈将改变电压和电流关系，但是只影响所连接的电路，而变压器自身以相同方式工作。此外，初级和次级绕组可以通过不同于普通变压器的方式被连接、使用等等，使得初级和次级术语无意义(并且可能混淆)。在变压器具有多个绕组，例如包含如本申请中公开的磁结构的情况下，术语变得甚至更混乱。因此，在这里通常针对各种绕组使用数字命名(而不是初级-次级)。

图1图解了通常由附图标记100指示的双绕组变压器，以及变压器100的绕组上的电压V1、V2，和变压器100的绕组上的电流I1、I2。为了提高绕组之间的能量传送，高磁性(高磁导率)材料通常被用作变压器芯102。这个芯102为磁场提供穿过两个绕组的低磁阻路径，使得几乎所有磁场被第一和第二线圈围绕。双绕组变压器(例如，变压器100)中电压和电流之间的关系由第一绕组的匝数N1与第二绕组的匝数N2的比值(即，匝数比)来确定。关系可以数学表示为

$\frac{V1}{V2}=\frac{-I2}{I1}=\frac{N1}{N2}...\left(1\right)$

图2示出了具有超过二个的绕组的变压器200的例子。这样的变压器通常被用于公用线频率应用(50/60赫兹)，以及用于高频开关模式的电源。变压器200包含分别具有N1、N2和N3匝数的第一、第二和第三绕组。第一、第二和第三绕组上的电压分别是V1、V2和V3，并且进入第一、第二和第三绕组的电流分别是I1、I2和I3。变压器200被通称为串联多绕组变压器。

变压器200(和具有两个以上的绕组的其它变压器)的电压和电流之间的关系不同于双绕组变压器(例如，变压器100)的电压和电流之间的关系。变压器200的所有三个绕组上的电压以和双绕组变压器(例如，变压器100)同样的方式与匝数比相关。即，电压关系由下述公式决定：

$\frac{V1}{N1}=\frac{V2}{N2}=\frac{V3}{N3}...\left(2\right)$

然而，公式(1)中表示的双绕组变压器(例如，100)的电流关系在变压器200的情况下无效。已知绕组之一的电流和匝数比不允许确定其它绕组的电流。相反，所有绕组的安培匝数乘积的和必须等于零。数学上这个规则被表示成：

$\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Ik}*\mathrm{Nk}=0...\left(3\right)$

图3示出了并联多绕组变压器300。变压器300包含分别具有N1、N2和N3匝数的第一、第二和第三绕组。第一、第二和第三绕组上的电压分别是V1、V2和V3，并且第一、第二和第三绕组的开始处的电流分别是I1、I2和I3。

并联多绕组变压器300的特征在于任何两个绕组之间的确定性的电流关系：

I1*N1＝I2*N2＝I3*N3    …(4)

然而，并联多绕组变压器300的电压的定律反映了由下式给出的较弱的相互关系：

$\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\mathrm{Vk}}{\mathrm{Nk}}=0...\left(5\right)$

变压器300可以被用于电源，其中输出电流被控制(而不是输出电压)，或其中为进行更准确的操作或应力降低，期望电路的多个分支中有相等的电流分布。

上面例如公式(2)-(5)中呈现的关系表明串联多绕组变压器和并联多绕组变压器之间的差别。由于变压器的各种非理想特性通常与这2个结构之间的差异的说明无关，这些关系不包含变压器的各种非理想特性的影响。

在包含例如高频应用的某些应用中重要的变压器的一个非理想特性是漏电感。漏电感表示在不同绕组之间未耦合的、磁场中存储的能量。漏电感自身表现为仿佛有未耦合的电感器与变压器绕组串联设置。这个电感器产生额外阻抗，其可能干扰电路的操作。

已知用于构造具有低漏电感的变压器的各种技术。这些已知技术通常基于芯和绕组的物理布置，其中不同绕组尽可能彼此靠近地定位。用于构造具有低漏电感的变压器的两种技术是交织和多芯绕组。在交织技术中，绕组被分成布置在交变层中的多个部分。在多芯绕组技术中，使用隔离的多股导线在芯上裹绕不止一个绕组。

然而，这些用于构造低漏电感变压器的已知技术通常只适用于串联多绕组变压器，因为这些技术需要把不同绕组物理地设置在芯的相同部分。这种物理接近不能被用于并联多绕组变压器，因为其在结构上不兼容。

发明内容

这个部分提供本公开的一般概述，并且不是其全部范围或其所有特征的全面公开。

根据本公开的一个方面，多绕组磁结构包含磁芯，该磁芯包含第一柱和第二柱。第一柱和第二柱被彼此间隔开，以定义第一柱和第二柱之间的绕组窗口。磁芯包含覆盖第一和第二柱并且定义绕组窗口的顶部的芯顶，和在第一和第二柱下面并且定义绕组窗口的底部的芯底。磁结构包含围绕第一柱定位的第一绕组和围绕第二柱定位的第二绕组。第一绕组包含穿过绕组窗口的多匝绕组材料。第二绕组包含穿过绕组窗口的多匝绕组材料。第一绕组和第二绕组沿相同方向围绕第一和第二柱延伸。第一绕组的多匝与第二绕组的多匝在绕组窗口中沿从芯顶到芯底的方向交替。

根据另一个方面，多绕组磁结构包含磁芯，该磁芯包含第一柱、第二柱和第三柱。第一、第二和第三柱的每一个有中心，第一和第二柱彼此间隔开以定义第一和第二柱之间的第一绕组窗口。第三柱与第一和第二柱之一间隔开以定义第三柱和第一和第二柱的所述之一之间的第二绕组窗口。第一、第二和第三柱相对彼此定位，使得单一直线不会穿过所有三个柱的中心。磁芯包含覆盖第一、第二和第三柱并且定义第一和第二绕组窗口的顶部的芯顶，和在第一、第二和第三柱下面并且定义第一和第二绕组窗口的底部的芯底。磁结构包含围绕第一柱定位的第一绕组，围绕第二柱定位的第二绕组，和围绕第三柱定位的第三绕组。

在本公开的另一个方面，多绕组磁结构包含磁芯，该磁芯包含具有外缘的芯顶和在芯顶下面的芯底。芯顶的中央部分具有基本恒定的厚度。芯底具有外缘。芯底的中央部分具有基本恒定的厚度和边缘。芯底和芯顶之一的厚度从其中央部分的边缘到其外缘降低。磁芯包含在芯底和芯顶之间延伸的多个柱。磁结构包含围绕柱裹绕的多个绕组。

在本公开的另一个方面，多绕组磁结构包含磁芯，该磁芯包含具有宽度的第一柱和具有宽度的第二柱。第二柱被与第一柱间隔开地定位。磁芯包含第一和第二柱之间的、具有由第一和第二柱定义的宽度的绕组窗口。第一柱的宽度和绕组窗口的宽度的第一比值至少是2，并且第二柱的宽度和绕组窗口的宽度的第二比值至少是2。磁结构包含围绕第一柱穿过绕组窗口的第一绕组，和围绕第二柱并且穿过绕组窗口的第二绕组。

下面说明引入这些方面中的一个或更多个的磁结构的某些示例性实施例。根据下面的说明能够理解其它方面和应用领域。应当理解，本公开的各个方面可以单独或结合一或更多个其它方面实现。也应当理解，这里提供的说明和特定例子只出于说明的目的，并没有打算限制本发明的范围。

附图说明

这里描述的附图只出于说明所选择的实施例而不是所有可能的实现的目的，并且没有打算限制本发明的范围。

图1是现有技术双绕组变压器的等距视图。

图2是现有技术串联多绕组变压器的等距视图。

图3是现有技术并联多绕组变压器的等距视图。

图4是根据本公开的各方面的并联多绕组磁结构的示例性芯的等距视图。

图5是包含图4的芯的示例性并联多绕组磁结构的一部分的横截面图。

图6是根据本公开的各方面的示例性并联多绕组磁结构的等距视图。

图7是图6的并联多绕组磁结构的一部分的横截面图。

图8是根据本公开的各方面的示例性并联多绕组磁结构的前视图。

图9是图8的并联多绕组磁结构的一部分的横截面图。

图10是示例性并联多绕组磁结构的一部分的横截面图，其说明根据本公开的、以不同于图9的并联多绕组磁结构中的绕组的方式裹绕的绕组。

图11是示例性并联多绕组磁结构的一部分的横截面图，其说明根据本公开的、以不同于图9和图10的并联多绕组磁结构中的绕组的方式裹绕的绕组。

图12A-12F是根据本公开的并联多绕组磁结构的芯的各种柱配置的顶平面视图。

图13是根据本公开的各方面的示例性并联多绕组磁结构的具有8个柱的芯的等距视图。

图14是包含图15的芯的并联多绕组磁结构的一部分的横截面图。

图15是根据本公开的各方面的并联多绕组磁结构的具有16个柱的示例性芯的等距视图。

图16是包含图15的芯和16个绕组并且移除芯顶部的并联多绕组磁结构的顶平面视图。

图17是芯顶部在适当位置的图16的并联多绕组磁结构的等距视图。

图18是用于根据本公开各方面的并联多绕组磁结构的具有8个柱和有倒角顶部和底部的示例性芯的等距视图。

图19是图18的示例性芯的侧平面视图。

图20是包含图18的芯的并联多绕组磁结构的一部分的横截面图。

具体实施方式

现在参考附图更加全面地描述示例性实施例。

提供示例性实施例以使得公开充分，并且示例性实施例会向本领域的技术人员完整地传达范围。记载了若干特定的细节，例如特定部件、设备和方法的例子，以提供对本公开的实施例的彻底理解。本领域的技术人员会明白，不需要使用特定的细节，示例性实施例可以以许多不同形式体现，而且不应当解释成对公开的范围的限制。在某些示例性实施例中，公知过程、公知设备结构和公知技术未被详细地描述。

这里所使用的术语只为了说明特定示例性实施例的目的，并且没有打算进行限制。如这里所使用的，单数形式的″一″、″一个″和″该″可以用来包含复数形式，除非上下文另外明确指出。术语″包括″、″包含″和″具有″是包含性的，因此指定所记载的特征、整数、步骤、操作、单元和/或部件的存在，但是不排除一或更多个其它特征、整数、步骤、操作、单元、部件和/或其组合的存在或附加。这里所描述的方法步骤、过程和操作不会被解释为需要按所讨论或说明的特定顺序来对其进行执行，除非明确标识出执行的顺序。也要理解，可以使用其它或可选步骤。

当单元或层被认为是″在″另一个单元或层″上″，″接合到″另一个单元或层，″连接到″或″耦合到″另一个单元或层时，其可以直接在该另一个单元或层上，接合到该另一个单元或层，连接或耦合到该另一个单元或层，或可以存在中间单元或层。相对比地，当单元被认为是″直接在″该另一个单元或层″上″，″直接接合到″该另一个单元或层，″直接连接到″或″直接耦合到″另一个单元或层时，可以没有中间单元或层存在。用于描述单元之间的关系的其它词语应当以类似方式解释(例如，″在…之间″而不是″完全在…之间″，″相邻″而不是″完全相邻″等等)。如这里使用的，术语″和/或″包含一或更多个相关列出的项的任意和所有组合。

例如″内部″，″外部″，″下面″，″之下″，″下″，″之上″，″上″等等的空间相对性术语在这里可以用于帮助说明附图所示的一个单元或特征与其它单元或特征的关系。除了附图中描述的取向之外，空间相对性术语可以用来涵盖所使用或操作的设备的不同取向。例如，如果附图中的设备被翻转，描述为在其它单元或特征″之下″或″下面″的单元于是会面向其它单元或特征″之上″。因而，示例性术语″之下″可以涵盖上方和下方两个取向。该设备可以有其它取向(旋转90度或处于其它取向)，并且这里所使用的空间相对性描述符被相应地解释。

尽管术语第一、第二、第三等等可以在这里用于所述各个单元、部件、区域、层和/或部分，但这些单元、部件、区域、层和/或部分不应受这些术语限制。这些术语可以只用于区别一个单元、部件、区域、层或部分和其它区域、层或部分。例如″第一″、″第二″和这里使用的其它数字术语的术语不暗示序列或顺序，除非上下文明确地指出。因而，下面讨论的第一单元、部件、区域、层或部分可以被称作第二单元、部件、区域、层或部分而不偏离示例性实施例的指导。

本公开描述了多绕组并联磁结构及制造和设计这样的结构的方法。这里描述的结构和技术可以被用于多绕组并联变压器、多绕组并联电感器(例如，非隔离磁结构)、扼流圈(例如，用来承载大的直流偏压的电感器)和自耦变压器(例如，通过无隔离的感应耦合来转变电流/电压关系的变压器)。在本公开中，术语多绕组并联磁结构被用来涵盖任意或所有这些结构。这里公开的技术可以单独或任意组合地使用以产生所期望的并联多绕组磁结构。

并联多绕组磁结构中的低漏电感可以通过减少只与一个绕组关联的磁场部分中存储的能量的量来实现。这可以通过基本上最小化由未耦合磁场占据的空间的体积来实现。

根据本发明的一个方面，为了降低并联多绕组磁结构的漏电感，用于芯的面积和用于绕组的面积之间的比值被基本上最大化。在图4和5中图解了引入这个方面的例子。

在根据这个方面构造的并联多绕组磁结构的实施例中，穿过芯的磁路的磁阻可以大大低于该比值没有最大化的情况下的磁阻。存在于芯中的磁场往往大部分流过芯的其它部分，并且被耦合到其它线圈。在标准变压器中，芯和绕组的面积基本相等并且被优化，使得芯损耗和绕组损耗的和最小。在根据这个方面的并联多绕组磁结构的实施例中，芯的面积和绕组的面积之间的比值被提高到充分耦合的程度。通过将为各个绕组(这里有时称作″柱″)提供磁路的芯部分设计成具有大横截面积，同时各柱之间的绕组的空间(这里有时称作″窗口″或″绕组窗口″)基本上被最小化，来实现这一点。通过这种方式，大部分耦合到一个绕组窗口而不是另一个窗口的磁场所占据的空间的体积被最小化。

在一个实施例中，各个线圈的芯的宽度是绕组窗口的宽度的至少两倍。在另一个实施例中，芯的宽度和绕组窗口的宽度的比值至少是3。在另一个实施例中，芯的宽度和绕组窗口的宽度的比值至少是4。芯的宽度和绕组窗口的宽度的比值不限于这里描述的任何比值，并且可以是任意比值，无论比这里记载的比值高还是低。此外，任何一个线圈的芯和该线圈的绕组窗口的宽度的比值可以与任何其它线圈的芯和绕组窗口的宽度的比值相同或不同。

图4中说明了并联多绕组磁结构的示例性芯402。芯402包含三个柱404A-C(有时被统称作柱404)，和2个绕组窗口406A、406B(有时被统称作绕组窗口406)。柱404部分地定义窗口406。例如，绕组窗口406A的宽度由柱404A和柱404B的相对端之间的距离定义。类似地，绕组窗口406B的宽度由柱404B和柱404C的相对端之间的距离定义。

芯402包含芯顶408和芯底410。芯顶408覆盖绕组柱404，并且定义绕组窗口406的顶部。芯底410在柱404下面，并且定义绕组窗口406的底部。芯顶408和芯底410可以单片地和柱404一起形成，可以是分别形成的、附连到柱404的部分，或二者的组合(例如，芯顶408和芯底410之一可以单片地和柱404一起形成，并且芯顶408和芯底410中的另一个可以分别形成并且附连到柱404)。类似地，芯顶408和芯底410均可以是单个的单片形成的部分，或可以由不止一个部件、层等等构成。

在图4的芯402中，柱404的宽度和绕组窗口406的宽度的比值相对较大。在这个示例性实施例中，比值大约是4(即，每个柱404的宽度大约是每个绕组窗口406的宽度的4倍)。

图5说明了根据另一个示例性实施例的并联多绕组磁结构500的一部分的截面图。结构500包含芯502和绕组512。芯502类似于图4中的芯402，但是具有不同比例。芯502包含柱504A、504B和窗口506A-C。芯顶508覆盖柱504，并且定义绕组窗口506的顶部。芯底510在柱504下面，并且定义绕组窗口506的底部。绕组512A围绕柱504A裹绕，并且穿过绕组窗口506A和506B。绕组512B围绕柱504B裹绕，并且穿过绕组窗口506B和506C。在图5的特定实施例中，柱504的宽度和窗口506的宽度的比值大约是2。

根据本发明的另一个方面，并联多绕组磁结构的相邻线圈的绕组之间的距离应当基本上被最小化。将绕组尽可能彼此接近地定位有助于降低并联多绕组磁结构的漏电感。

根据另一个方面，绕组和芯(柱以及芯顶和芯底)之间的距离应当基本上被最小化。例如，绕组的高度可以覆盖芯柱的高度，其中绕组和芯的顶部和底部之间的空间最小。

后两个方面可以通过只把不同绕组之间和绕组与芯之间的距离保持为适当隔离所需的距离那么大来实现。图6和7说明了引入这后两个方面的示例性实施例。

图6说明了并联多绕组磁结构600的一个例子。并联多绕组磁结构600包含芯602和绕组612A-C。芯包含柱604A-C，芯顶608和芯底610。相对的柱604、芯顶608和芯底610共同地定义绕组窗口606A、606B(统称为绕组窗口606)。例如，相对的柱604A和604B结合芯顶608和芯底610共同定义绕组窗口606A。同样地，每个绕组612A-C围绕柱604A-C之一裹绕，并且穿过至少一个绕组窗口606。

图7说明根据另一个示例性实施例的具有芯702和绕组712的并联多绕组磁结构700的一部分的剖视图。芯702类似于图6中的芯602，但是具有不同数量的绕组窗口(图示了其中的三个)。芯702包含柱704A、704B和绕组窗口706A-C。芯顶708覆盖柱704，并且定义绕组窗口706的顶部。芯底710在704下面，并且定义绕组窗口706的底部。绕组712A围绕柱704A裹绕，并且穿过绕组窗口706A和706B。绕组712B围绕柱704B裹绕，并且穿过绕组窗口706B和706C。

如能够从图6和7中看出的，并联多绕组磁结构600、700的绕组612、712的每个在相邻绕组612A/612B，612B/612C，712A/712B之间具有基本上最小化的距离，并且在绕组612、712和芯602、702之间具有基本上最小化的距离。绕组612、712占据其所穿过的每个绕组窗口606、706的基本上全部的高度。此外，穿过相同绕组窗口(例如，绕组窗口706B)的不同绕组(例如绕组712A和712B)接近在一起(即，表现出绕组712之间的基本上最小化的距离)。

并联多绕组磁结构600、700中上述方面的引入可以通过比较并联多绕组磁结构600、700和例如图4中的变压器300来清楚地看出。在变压器300中，绕组彼此间隔开一段实质上的距离。

根据本发明的另一个方面，并联多绕组磁结构的绕组使用线圈间双线(intercoil bifilar)技术来裹绕。这个新型绕组技术可以降低未耦合磁场中的能量的量，并且因此可以降低并联多绕组磁结构的漏电感。具有多匝的相邻线圈使其绕组以交替方式布置(例如，从绕组窗口的顶到底，从绕组窗口的一侧到另一侧，等等)。使用线圈间双线技术，绕组可以逐匝交替，或可以按不止一匝的组交替。图8-11说明了引入这个方面的并联多绕组磁结构的各个实施例。

在图8中，并联多绕组磁结构900包含芯902和绕组912A-C。芯包含柱904A-C、芯顶908和芯底910。相对的柱904，芯顶908和芯底910共同定义绕组窗口906A、906B。每个绕组912A-C围绕柱裹绕，并且穿过至少一个绕组窗口906。可以发现，每个绕组912逐匝地与另一个绕组912在其共享的绕组窗口906中交替。图9是示出芯902和窗口906A内的绕组912A和912B的并联多绕组磁结构900的一部分的横截面图。图9还说明了通过流过绕组912A的电流产生的两个磁场914。可以发现，线圈间双线绕组可以帮助降低只耦合到一个绕组的磁场所占据的空间的体积。

图10和11说明了根据其它示例性实施例的结构1000、1100的截面部分。并联多绕组磁结构1000、1100示出线圈间双线绕组技术的一些可能变化。在图10中，并联多绕组磁结构1000的绕组1012A、1012B既从绕组窗口1006的顶到底交替，也从绕组窗口1006的一侧到另一侧交替。并联多绕组磁结构1100包含从绕组窗口1106的顶到底以两匝为一组交替的绕组1112A、1112B(而不是在图8和9的并联多绕组磁结构1000中发生的逐匝交替)。

参考三个绕组一般性地说明和讨论了上述示例性并联多绕组磁结构(例如，500、600、700、900、1000、1100)。然而，这里所公开的指导(包含上面和下面描述的那些)可以被用于具有超过三个的绕组的并联多绕组磁结构。参考超过三个的绕组说明和/或讨论此后所描述的本公开的一些其它方面。应当理解，上述各方面和下述各方面的每一个(单独或任意组合地)可以被用于具有任何适当数量的绕组的并联多绕组磁结构。

根据本发明的另一个方面，与水平面中芯的体积相比，绕组所占据的并联多绕组磁结构的体积应当基本上被最小化。

为了实现这一点，可以在各个绕组之间划分水平面上芯的总体面积以使芯面积和绕组面积之间的比值最大。换句话说，对于指定芯面积，绕组的长度应当最小化。在线性排列(所有绕组成行，例如图4-11所示)被替换为将每个绕组定位为紧密接近地所有(或尽可能多的)其它绕组的非线性排列情况下，可以实现这一点。图12A-12F图解了用来说明引入这个方面的配置的若干示例性实施例。图12A-12C中的每个是四绕组并联多绕组磁结构的芯(无芯顶)的顶平面视图。在图12A中，例如，芯是具有上面能够裹绕有绕组的四个正方形柱的正方形芯。类似地，图12B是具有上面可以裹绕有绕组的四个三角柱的正方形芯。图12C是具有四个饼形柱的圆形芯。图12D-12F图解了12绕组并联多绕组磁结构的示例性芯结构。当然，更多或更少的绕组可以用于任何特定应用，并且引入这个方面的配置的其它变化也在本公开的范围内。引入这个方面的其它实施例包含图13的芯1202、图15的芯1402和图18的芯1502。

在引入这个方面的一个示例性多绕组磁结构中，该结构包含磁芯，该磁芯包含第一柱、第二柱和第三柱。第一、第二和第三柱的每个具有中心。第一和第二柱彼此间隔开以定义第一和第二柱之间的第一绕组窗口的第一侧和第二侧。第三柱与第一和第二柱之一间隔开，以定义第三柱和所述第一和第二柱之一之间的第二绕组窗口的第一侧和第二侧。第一、第二和第三柱相对彼此定位，使得单一直线不会穿过所有三个柱的中心。芯包含芯顶，其覆盖第一、第二和第三柱，并且定义第一和第二绕组窗口的顶部。芯还包含芯底，其在第一、第二和第三柱下面，并且定义第一和第二绕组窗口的底部。多绕组磁结构包含围绕第一柱的第一绕组，围绕第二柱的第二绕组，和围绕第三柱的第三绕组。

根据另一个方面，存在于并联多绕组磁结构的芯的顶部和底部的磁场应当穿过绕组内的芯的部分。绕组之间和芯的轮廓(例如，周界、外缘等等)外的空间中的磁场应当基本上被最小化。参考图13-17讨论引入这个方面的示例性实施例。

为了实现这一点，通过不允许芯顶和芯底基本上从芯的绕组柱的轮廓伸出，可以使芯的外周界上的磁路磁阻基本上最大化。结果，沿芯的周界的绕组部分(即，围绕周界柱的绕组)未被沿芯的周界的芯顶和芯底覆盖。在一个实施例中，芯顶和芯底从周界绕组伸出小于周界绕组所穿过的绕组窗口的宽度的一半的长度。

图13和14图解了引入这个方面的并联多绕组磁结构1200的示例性实施例。并联多绕组磁结构1200包含具有8个柱1204(图13中有5个可见)的芯1202。芯包含柱1204、芯顶1208和芯底1210。相对的柱1204、芯顶1208和芯底1210共同定义绕组窗口1206。绕组1212围绕每个柱1204裹绕。为了图解其它特征，图13中未示出绕组1212。然而，图14图解了两个绕组1212A、1212B。每个绕组1212围绕柱裹绕，并且穿过至少一个绕组窗口1206。在图14中，可以看出芯顶1208和芯底1210未在并联多绕组磁结构1200的周界处从绕组1212上或下伸出(overhang或underhang)。图14示出由流过绕组1212的电流产生的磁场1214。由于芯顶1208和芯底1210未在绕组1212上/下延伸，所以与在其绕组上/下延伸的芯相比较，并联多绕组磁结构1200的周界上的磁场路径的磁阻可以被提高。这个提高的磁阻改进了绕组1212之间的耦合并且降低结构1200的漏电感。

图15-17示出了另一个示例性并联多绕组磁结构1400。并联多绕组磁结构1400包含具有16个柱1404(图15中有7个可见)的芯1402。芯包含柱1404、芯顶1408和芯底1410。相对的柱1404、芯顶1408和芯底1410共同定义绕组窗口1406。绕组1412围绕每个柱1404裹绕。图15中未示出绕组1412。每个绕组1412围绕柱1404裹绕，并且穿过至少一个绕组窗口1406。在图17中，可以看出芯顶1408和芯底1410未在并联多绕组磁结构1400的周界处从绕组1412伸出。

并联多绕组磁结构的芯顶和/或芯底可以另外或可选地使其边缘有倒角，以帮助最小化芯外的空间中的磁场。

图18-20图解了包含有倒角的芯顶和有倒角的芯底的并联多绕组磁结构1500的示例性实施例。并联多绕组磁结构1500包含具有8个柱1504的芯1502。芯包含柱1504、芯顶1508和芯底1510。相对的柱1504、芯顶1508和芯底1510共同定义绕组窗口1506。绕组1512围绕每个柱1504裹绕。图18和19未示出绕组1512。图20图解了绕组1512A、1512B。每个绕组1512围绕柱1522裹绕，并且穿过至少一个绕组窗口1506。

芯顶1508的中央部分1516具有基本恒定的厚度。中央部分1516的厚度通常定义芯顶1508的厚度。芯顶1508的厚度从中央部分1516的周界1520到芯顶1508的外缘1522降低。

芯底1510具有中央部分1518，其具有基本恒定的厚度。中央部分1518的厚度通常定义芯底1510的厚度。芯底1510的厚度和倒角可以与芯顶1508相同或不同。芯底1510的厚度从中央部分1518的周界1524到芯底1510的外缘1526降低。

图20图解了由流过绕组1512的电流产生的磁场1514。与其它结构相比较，并联多绕组磁结构1500的未耦合磁场1514的体积由于芯顶1508和芯底1510的倒角而降低。并联多绕组磁结构1500的周界的磁场路径的提高的磁阻可以改进绕组1512之间的耦合，并且降低并联多绕组磁结构1500的漏电感。

芯顶和芯底可以用相同角度或不同角度形成倒角。芯顶和芯底形成倒角的角度可以是任何适当角度。在某些实施例中，倒角的角度至少是15度，并且小于大约75度。该角度可以在芯顶和/或芯底的所有侧上相同。可选地，一或更多个芯顶或芯底的侧边可以以不同于一或更多个其它侧边的角度形成倒角。尽管附图中图解了以线性方式降低芯顶/底部的厚度的直倒角，但芯顶和芯底可以以不同轮廓(profile)形成倒角(例如，凸倒角等等)。

这里公开的任何并联多绕组磁结构的芯(例如，402、502、602、702、902、1202、1402、1502)可以由任何适当磁材料，或包含例如铁氧体、铁粉末、非晶体金属、层叠钢、层叠铁、羰基铁、软铁等等的材料构成。芯可以单片地形成(即，芯顶、芯底和柱可以是单个材料片)，或芯可以由两个或更多单独部分、层、材料等等构成。磁材料可以是单一磁材料、复合材料等等。

这里公开的任何并联多绕组磁结构的绕组(例如，500、600、700、900、1000、1100、1200、1400、1500)可以由任何适当材料构成。例如，绕组可以由金属线或由金属片(通过例如切割，压模等等)制成。导线或片的金属可以是任何适当金属或金属的组合，所述金属包含例如铜。绕组也可以被形成为印制电路板或柔性电路上的迹线。为了在PCB上产生绕组中的不止一个的匝，多个层可以和恰当地连接相邻层上的迹线的导电通孔结合使用。

同样对于这里公开的所有并联多绕组磁结构(例如，500、600、700、900、1000、1100、1200、1400、1500)，各个绕组的面积可以相同或不同。各个绕组的匝数可以相同或可以不同。各个绕组可以连接到分立的电路，或可以按照各种组合彼此连接。

在包含未沿结构的芯(例如图15-17中的并联多绕组磁结构1400)的周界定位的柱的实施例中，到围绕内部柱的绕组的输入/输出连接可以通过芯顶、芯底或两者中的通孔进行。

这里描述的并联多绕组磁结构(例如，500、600、700、900、1000、1100、1200、1400、1500)可以被用于隔离和非隔离应用。它们也可以用于主要涉及转换能量(例如，变压器)、能量存储(例如，电感器)或两者的应用。其也可以被设计成在大的直流偏压下工作(例如，充当扼流圈)。并联多绕组磁结构可以包含磁路中的间隙，或可以省略间隙。

前面为了图解和说明提供了对实施例的描述。没有打算详尽列出或限制该公开的内容。特定实施例的各个单元或特征通常不限于那些特定实施例，而是在适用的地方可互换，并且可以用于所选择的实施例，即使未明确示出或描述。特定实施例的各个单元或特征也可以以许多方式改变。这些变化不会被认为是偏离该公开的范围，并且所有这些修改旨在包含在该公开的范围内。

Claims (37)

1.一种多绕组磁结构，包括：

磁芯，包含

第一柱、第二柱和第三柱，所述第一柱和所述第二柱彼此间隔开以定义所述第一柱和所述第二柱之间的绕组窗口，

芯顶，其覆盖所述第一、第二和第三柱，并且定义所述绕组窗口的顶部，和

芯底，其在所述第一、第二和第三柱下面，并且定义所述绕组窗口的底部；

第一绕组，其围绕所述第一柱定位，所述第一绕组包含多匝绕组材料，所述第一绕组的所述多匝穿过所述绕组窗口；和

第二绕组，其围绕所述第二柱定位，所述第二绕组包含多匝绕组材料，所述第二绕组的所述多匝穿过所述绕组窗口；

第三绕组，其围绕所述第三柱定位；

所述第一绕组和第二绕组围绕所述第一和第二柱沿相同方向延伸，所述第一绕组的所述多匝在所述绕组窗口中沿从所述芯顶到所述芯底的方向与所述第二绕组的所述多匝交替。

2.如权利要求1所述的多绕组磁结构，其中所述第一绕组的所述多匝被分组成多个组，所述第二绕组的所述多匝被分组成多个组，所述第一绕组的所述多匝按组与所述第二绕组的所述多匝交替。

3.如权利要求2所述的多绕组磁结构，其中每个组包括不止一匝。

4.如权利要求1所述的多绕组磁结构，其中所述绕组窗口包含第一侧和第二侧，并且所述第一绕组的所述多匝与所述第二绕组的所述多匝沿从所述绕组窗口的第一侧到所述绕组窗口的第二侧的方向交替。

5.如权利要求1所述的多绕组磁结构，其中所述芯顶、所述芯底、所述第一柱和所述第二柱全部由同种磁材料形成。

6.如权利要求5所述的多绕组磁结构，其中所述芯顶、所述芯底、所述第一柱和所述第二柱单片地形成。

7.如权利要求1所述的多绕组磁结构，其中所述第一和第二绕组是印制电路板上的迹线。

8.一种功率变换器，包含如权利要求1所述的多绕组磁结构。

9.如权利要求1所述的多绕组磁结构，其中所述第二柱和所述第三柱彼此间隔开，以定义所述第二柱和所述第三柱之间的第二绕组窗口，所述第二绕组的所述多匝穿过所述第二绕组窗口，所述第三绕组包含多匝绕组材料，所述第三绕组的所述多匝穿过所述绕组窗口，所述第二绕组和所述第三绕组围绕所述第二和第三柱沿相同方向延伸，所述第二绕组的所述多匝与所述第三绕组的所述多匝在所述第二绕组窗口中沿从所述芯顶到所述芯底的方向交替。

10.一种多绕组磁结构，包括：

磁芯，包含

第一柱、第二柱和第三柱，每一个所述第一、第二和第三柱具有中心，所述第一和第二柱彼此间隔开以定义所述第一和第二柱之间的第一绕组窗口，所述第三柱与所述第一和第二柱之一间隔开，以定义所述第三柱和所述第一和第二柱的所述之一之间的第二绕组窗口，所述第一、第二和第三柱被相对彼此定位，使得单一直线不会穿过所有三个柱的中心；

芯顶，其覆盖所述第一、第二和第三柱，并且定义所述第一和第二绕组窗口的顶部；和

芯底，其在所述第一、第二和第三柱下面，并且定义所述第一和第二绕组窗口的底部；

第一绕组，其围绕所述第一柱定位；

第二绕组，其围绕所述第二柱定位；和

第三绕组，其围绕所述第三柱定位。

11.如权利要求10所述的多绕组磁结构，其中所述第一、第二和第三绕组均包含多匝绕组材料。

12.如权利要求11所述的多绕组磁结构，其中所述第一和第二绕组的所述多匝穿过所述第一绕组窗口。

13.如权利要求12所述的多绕组磁结构，其中所述第三绕组的所述多匝穿过所述第二绕组窗口。

14.如权利要求13所述的多绕组磁结构，其中所述第一和第二绕组之一的所述多匝还穿过所述第二绕组窗口。

15.如权利要求10所述的多绕组磁结构，其中所述第一、第二和第三绕组围绕所述第一、第二和第三柱沿相同方向延伸。

16.如权利要求9所述的多绕组磁结构，其中所述芯顶、所述芯底、所述第一柱、所述第二柱和第三柱全部由同种磁材料构造。

17.如权利要求16所述的多绕组磁结构，其中所述芯顶、所述芯底、所述第一柱、所述第二柱和所述第三柱被单片地形成。

18.如权利要求9所述的多绕组磁结构，其中所述第一、第二和第三绕组是印制电路板上的迹线。

19.一种功率变换器，包含如权利要求9所述的多绕组磁结构。

20.一种多绕组磁结构，包括：

磁芯，所述芯包含

芯顶，其具有外缘，所述芯顶的中央部分具有基本恒定的厚度和边缘；

芯底，在所述芯顶下面，所述芯底具有外缘，所述芯底的中央部分具有基本恒定的厚度和边缘，所述芯底和芯顶之一的厚度从其中央部分的边缘到其外缘降低；

至少三个柱，在所述芯底和所述芯顶之间延伸；和

至少三个绕组，所述至少三个绕组中的不同绕组围绕所述至少三个柱的每一个裹绕。

21.如权利要求20所述的多绕组磁结构，其中所述芯底的厚度从其中央部分的边缘到所述芯底的外缘降低，并且所述芯顶的厚度从其中央部分的边缘到所述芯顶的外缘降低。

22.如权利要求21所述的多绕组磁结构，其中所述芯顶的中央部分大于所述芯顶的面积的大约50％，并且所述芯底的中央部分大于所述芯底的面积的大约50％。

23.如权利要求21所述的多绕组磁结构，其中所述芯顶和所述芯底的厚度的降低是厚度的线性降低。

24.如权利要求21所述的多绕组磁结构，其中所述芯顶和芯底未延伸超出沿所述芯顶和芯底的外缘定位的任何柱的边缘。

25.如权利要求21所述的多绕组磁结构，其中所述芯顶、所述芯底、和所述至少三个柱全部由同种磁材料构造。

26.如权利要求25所述的多绕组磁结构，其中所述芯顶、所述芯底、和所述至少三个柱被单片地形成。

27.如权利要求21所述的多绕组磁结构，其中所述至少三个绕组是印制电路板上的迹线。

28.一种功率变换器，包含如权利要求21所述的多绕组磁结构。

29.一种多绕组磁结构，包括：

磁芯，包含

第一柱，

第二柱，

第三柱，

所述第一和第二柱之间的绕组窗口，所述绕组窗口具有由所述第一和第二柱定义的宽度，所述第一柱的宽度和所述绕组窗口的宽度的第一比值至少是2，并且所述第二柱的宽度和所述绕组窗口的宽度的第二比值至少是2，

围绕所述第一柱的第一绕组，穿过所述绕组窗口；和

围绕所述第二柱并且穿过所述绕组窗口的第二绕组；

第三绕组，其围绕所述第三柱。

30.如权利要求29所述的多绕组磁结构，其中所述第一比值和所述第二比值基本相同。

31.如权利要求29所述的多绕组磁结构，其中所述第一比值和所述第二比值均至少是3。

32.如权利要求29所述的多绕组磁结构，其中所述第一比值和所述第二比值均至少是4。

33.如权利要求29所述的多绕组磁结构，其中所述磁芯包含覆盖所述第一、第二和第三柱的芯顶，和在所述第一、第二和第三柱下面的芯底，所述绕组窗口具有由所述芯顶和所述芯底定义的高度，并且其中穿过所述绕组窗口的所述第一绕组和所述第二绕组的部分共同地占据基本上所述高度的全部和基本上绕组窗口的宽度的全部。

34.如权利要求29所述的多绕组磁结构，其中所述芯顶、所述芯底、所述第一柱、所述第二柱和第三柱全部由同种磁材料构造。

35.如权利要求34所述的多绕组磁结构，其中所述芯顶、所述芯底、所述第一柱、所述第二柱和所述第三柱被单片地形成。

36.如权利要求29所述的多绕组磁结构，其中所述第一、第二和第三绕组是印制电路板上的迹线。

37.一种功率变换器，包含如权利要求29所述的多绕组磁结构。

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