CN103141021A - 粉状芯材料耦合电感器及相关方法 - Google Patents
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Abstract
一种多相耦合电感器,包括粉状芯材料磁芯和第一、第二、第三和第四端子。该耦合电感器还包括至少部分地嵌入芯中的第一绕组和至少部分地嵌入芯中的第二绕组。第一绕组电耦合于第一和第二端子之间,第二绕组电耦合于第三和第四端子之间。在磁芯内,第二绕组与第一绕组至少部分地物理地分离。多相耦合电感器例如用于电源。
Description
相关申请的交叉引用
本申请为2011年5月13日提交的序列号为13/107,616的美国专利申请的继续申请,该美国专利申请为2011年2月9日提交的序列号为13/024,280美国专利申请的部分继续申请,并为2010年5月24日提交的序列号为12/786,301美国专利申请的部分继续申请。上述申请中的每个申请通过引用并入本文。
背景技术
Schultz等人提出的第6,362,986号美国专利描述了切换具有多相耦合电感器拓扑的直流-直流(DC-DC)变换器,其公开的内容通过引用并入本文。这种变换器具有的优势包括减少电感器和开关中的波纹电流,这能够在具有传统多相DC-DC变换器拓扑的变换器上减少每相的电感和/或降低切换频率。因此,与传统的多相拓扑相比,具有磁耦合电感器的DC-DC变换器具有优异的瞬态响应,并且不损失效率。这使得输出电容显著下降,从而获得更小、成本更低的解决方案。
已经研发了各种耦合电感器以用于多相DC-DC变换器应用。现有的耦合电感器的示例可在Sullivan等的第7,498,920号美国专利中找到,该专利的公开内容通过引用并入本文。
发明内容
在一个实施方式中,耦合电感器包括:由粉状磁性材料形成的整体式磁芯;以及第一、第二、第三和第四端子。耦合电感器还包括第一和第二绕组,第一和第二绕组中的每个至少部分地嵌入整体式磁芯中。第一绕组电耦合于第一和第二端子之间,第二绕组电耦合于第三和第四端子之间。在整体式磁芯中第二绕组与第一绕组至少部分地物理分离。
在一个实施方式中,电源包括印刷电路板,附接至印刷电路板的耦合电感器以及附接至印刷电路板的第一和第二切换电路。耦合电感器包括由粉状磁性材料形成的磁芯,以及第一、第二、第三和第四端子。耦合电感器还包括至少部分地嵌入磁芯的第一绕组和至少部分地嵌入磁芯的第二绕组。第一绕组电连接于第一和第二端子之间,第二绕组电连接于第三和第四端子之间。在磁芯内第二绕组与第一绕组至少部分地物理分离。第一切换电路电耦合至第一端子并且设置为将第一端子在至少两个不同的电压水平之间切换。第二切换电路电耦合至第三端子并且设置为将第三端子在至少两个不同的电压水平之间切换。第二和第四端子电连接在一起。
在一个实施方式中,用于形成耦合电感器的方法包括:(1)将多个绕组定位使得多个绕组中的每个绕组与多个绕组的另一个绕组至少部分地物理分离,(2)至少部分地绕多个绕组形成粉状磁性材料,以及(3)将粉状磁性材料的粘合剂固化。
在一个实施方式中,用于形成耦合电感器的方法包括:(1)将多个绕组定位在模子中使得多个绕组中的每个绕组与多个绕组的另一个绕组至少部分地物理分离,(2)在模子中放置粉状磁性材料,以及(3)将粉状磁性材料的粘合剂固化。
在一个实施方式中,耦合电感器包括N个绕组和由粉状磁性材料形成的整体式磁芯,其中N为大于1的整数。整体式磁芯包括第一和第二端部磁元件和连接第一和第二端部磁元件的N个腿部。N个绕组中的每个绕组绕N个腿部中相应的一个腿部卷绕。
在一个实施方式中,电源包括耦合电感器和N个切换电路,其中N为大于1的整数。耦合电感器包括N个绕组和由粉状磁性材料形成的整体式磁芯。整体式磁芯包括第一和第二端部磁元件和与第一和第二端部磁元件连接的N个腿部。N个绕组中的每个绕组绕N个腿部中相应的一个腿部卷绕。N个切换电路中的每个用于将N个绕组中相应的一个的第二端以至少20千赫的频率在至少两个不同的电压水平之间切换。
在一个实施方式中,耦合电感器包括由粉状磁性材料形成的整体式磁芯和至少部分地嵌入整体式磁芯中的N个绕组。在整体式磁芯内N个绕组彼此物理地分离。整体式磁芯将N个绕组磁耦合并且提供用于漏磁通量的路径,该路径有助于与N个绕组关联的漏电感。N为大于1的整数。
在一个实施方式中,电源包括耦合电感器和N个切换电路,其中N为大于1的整数。耦合电感器包括由粉状磁性材料形成的整体式磁芯和N个绕组,N个绕组中的每个至少部分地嵌入整体式磁芯中。整体式磁芯中N个绕组彼此至少部分地物理分离。整体式磁芯将N个绕组磁耦合,并且提供用于漏磁通量的路径,该路径有助于与N个绕组关联的漏电感。每个绕组具有电耦合至公共节点的第一端。每个切换电路用于将N个绕组中相应的一个的第二端以至少20千赫的频率在至少两个不同的电压水平之间切换。
附图简要说明
图1示出了根据一个实施方式的两相耦合电感器的立体图,图2示出其顶部截面图;
图3示出了与电感器的磁芯分离的、图1和2的耦合电感器的绕组的立体图;
图4示出了DC-DC变换器的示意图;
图5示出了DC-DC变换器应用中可与图1和2的耦合电感器的某些实施方式一起使用的一种印刷电路板布局;
图6示出了根据一个实施方式的另一两相耦合电感器的立体图,图7示出其顶部截面图;
图8示出了与电感器的磁芯分离的、图6和7的耦合电感器的绕组的立体图;
图9示出了DC-DC变换器应用中可与图6和7的耦合电感器的某些实施方式一起使用的一种印刷电路板布局;
图10示出了根据一个实施方式的另一两相耦合电感器的立体图,图11示出其顶部截面图;
图12示出了与电感器的磁芯分离的、图10和11的耦合电感器的绕组的立体图;
图13示出了根据一个实施方式的另一两相耦合电感器的立体图,图14示出其顶部截面图;
图15示出了与电感器的磁芯分离的、图13和14的耦合电感器的绕组的立体图;
图16示出了DC-DC变换器应用中可与图13和14的耦合电感器的某些实施方式一起使用的一种印刷电路板布局;
图17示出了根据一个实施方式的另一两相耦合电感器的立体图,图18示出其顶部截面图;
图19示出了与电感器的磁芯分离的、图17和18的耦合电感器的绕组的立体图;
图20示出了DC-DC变换器应用中可与图17和18的耦合电感器的某些实施方式一起使用的一种印刷电路板布局;
图21示出了根据一个实施方式的另一两相耦合电感器的立体图,图22示出其顶部截面图;
图23示出了根据一个实施方式的另一两相耦合电感器的立体图,图24示出其顶部截面图;
图25示出了根据一个实施方式的另一两相耦合电感器的立体图,图26示出其顶部截面图;
图27示出了根据一个实施方式的另一两相耦合电感器的立体图,图28示出其顶部截面图;
图29示出了根据一个实施方式的另一两相耦合电感器的立体图,图30示出其顶部截面图;
图31示出了图29和30的耦合电感器的绕组的立体图;
图32示出了根据一个实施方式的另一两相耦合电感器的立体图,图33示出其顶部截面图;
图34示出了图32和33的耦合电感器的绕组的立体图;
图35示出了根据一个实施方式的用于形成多相耦合电感器的方法;
图36示出了根据一个实施方式的一种电源;
图37-39分别示出了根据一个实施方式的可伸缩的粉状磁芯耦合电感器的立体图、俯视图和截面图;
图40示出了根据一个实施方式的、与图37-39的电感器类似的可伸缩的粉状磁芯耦合电感器的俯视图,图41示出其截面图,但其中绕组嵌入磁芯中;
图42示出了根据一个实施方式的、与图37-39的电感器类似的但还包括支腿(shuntleg)的可伸缩的粉状磁芯耦合电感器的立体图;
图43-46分别示出了根据一个实施方式的、与图37-39的电感器类似的但还包括顶部磁元件的可伸缩的粉状磁芯耦合电感器的立体图、侧视图、截面图和俯视图;
图47示出了图43-46的耦合电感器的替换实施方式的立体图;
图48示出了根据一个实施方式的、包括由粉状磁性材料形成的矩形形状的整体式磁芯的可伸缩耦合电感的立体图;
图49示出了图48的耦合电感器的截面图;
图50示出了根据一个实施方式的、包括由粉状磁性材料形成的矩形形状的整体式磁芯的另一可伸缩耦合电感的立体图;
图51示出了图50的耦合电感器的截面图;
图52示出了根据一个实施方式的、与图50的电感器类似但具有不同的绕组结构的耦合电感器的立体图;
图53示出了根据一个实施方式的、与图52的电感器类似但包括多匝绕组结构的耦合电感器的立体图;
图54示出了根据一个实施方式的、与图50的电感器类似但包括箔绕组的耦合电感器的立体图。
具体实施方式
本文公开的耦合电感器,除了别的之外,可克服以上提及的问题中的一个或多个。与现有技术的耦合电感器相比,本文公开的耦合电感器的某些实施方式包括至少部分地嵌入由粉状磁性材料(例如,粘合剂内的铁粉)形成的磁芯中的两个或更多个绕组。这些耦合电感器可具有如以下讨论的一种或多种期望特性。在以下的公开内容中,可利用带有括号的数字指示项目的具体示例(例如,切换节点416(1)),而不带括号的数字指示任何该项目(例如,切换节点416)。出于说明性解释的目的,附图中的某些元件没有按照比例示出。
图1示出了耦合电感器的一个示例,该耦合电感器包括至少部分地嵌入由粉状磁性材料形成的磁芯中的两个或更多个绕组。具体地,图1示出了耦合电感器100的立体图,图2示出了沿图1的线A-A截取的耦合电感器100的截面图。电感器100包括磁芯102,绕组104、106,以及电端子108、110、112、114。芯102在图1中被示出为透明的,芯102包括第一侧116和相对的第二侧118。芯102由诸如粘合剂内铁粉的粉状磁性材料形成,并提供用于磁通量的路径以使绕组104、106磁耦合在一起。绕组104、106均形成至少一匝,并且至少部分地嵌入芯102中。通常,绕组104、106大部分或完全嵌入芯102中以利于绕组104、106之间的强磁耦合并利于耦合电感器100的机械鲁棒性。
绕组104电耦合于端子108、110之间,绕组106电耦合于端子112、114之间。因此,端子108、110为绕组104提供电接口,端子112、114为绕组106提供电接口。端子108、112设置得靠近于第一侧116,端子110、114设置得靠近于第二侧118。端子108、110、112、114可表现为图1-3所示的焊片形式,以使得耦合电感器100适于表面安装焊接至印刷电路板(PCB)。这些焊片例如为连接(例如,焊合或焊接)至绕组的分离部件。然而,焊片可替换地从绕组自身形成,例如通过冲压绕组端部来形成焊片。端子108、110、112、114也可具有焊片之外的其它形式,例如通孔销以用于焊接至电镀的PCB通孔。
在某些实施方式中,绕组104、106对齐以使其沿公共轴线120形成至少一匝,其利于绕组104、106之间的强磁耦合。公共轴线120例如设置在芯102的水平面上,如图1所示。绕组104、106例如由线缆或箔形成。图3示出了与芯102分离的绕组104、106的立体图。
绕组104、106在芯102内彼此至少部分地分离,以提供用于泄漏磁通量的通路并从而在耦合电感器100连接至电路时产生漏电感。如现有技术公知的,在DC-DC变换器应用中的耦合电感器必须具有足够大的漏电感,以限制波纹电流振幅。在图1和2的示例中,绕组104、106彼此水平地分离,并且彼此完全物理地分离分隔距离122(参见图2)。漏电感与绕组104、106之间的分隔距离122成比例,因而可在耦合电感器100的设计过程中通过改变分隔距离122来改变漏电感。漏电感还与芯102的粉状磁性材料的导磁率成反比,因而可在耦合电感器100的设计过程中通过改变形成芯102的材料的成分来调整漏电感。在某些实施方式中,绕组104、106之间的至少一些粉状芯磁性材料具有与形成芯102的其它部分的粉状芯磁性材料不同的成分,例如不同的磁特性。这种特质例如可用于在芯102的制造过程中控制绕组104、106的间隔和/或控制绕组104、106之间的区域中控制芯102的导磁率。
如现有技术公知的,耦合电感器绕组必须逆磁耦合以在多相DC-DC变换器中实现耦合电感器相对于多个分立的电感器的上述优势。两相DC-DC变换器400应用中的逆磁耦合可参照图4理解。DC-DC变换器400包括耦合电感器402,耦合电感器402具有两个绕组404、406以及与绕组404、406磁耦合的磁芯408。各绕组404、406的第一端410电耦合至公共节点412,各绕组404、406的第二端414电耦合至各自的切换节点416。各切换电路418还电耦合至每个切换节点416。每个切换电路418将其各自的第二端414在至少两个不同的电压水平之间切换。DC-DC变换器400例如可设置为降压型变换器,其中切换电路418将其各自的第二端414在输入电压与地之间切换,公共节点412为输出节点。在其他示例性实施方式中,DC-DC变换器400被设置为升压型变换器,其中切换电路418将其第二端414在输出节点与地之间切换,公共节点412为输入节点。
耦合电感器402被设置使得其具有在绕组404、406之间具有逆磁耦合。作为这种逆磁耦合的结果,从切换节点416(1)流经绕组404至公共节点412的增大电流诱导从切换节点416(2)流经绕组406至公共节点412的增大电流。类似地,从切换节点416(2)流经绕组406至公共节点412的增大电流因逆耦合而在绕组404中诱导从切换节点416(1)流至公共节点412的增大电流。
在图1和2的耦合电感器100中,绕组104、106设置在芯102中使得从第一端子108流经绕组104至第二端子110的增大电流诱导从第四端子114流经绕组106至第三端子112的增大电流。因此,当第一和第四端子108、114或第二和第三端子110、112连接至各自的切换节点时,在DC-DC变换器应用的耦合电感器100中实现逆耦合。因此,在DC-DC变换器应用中连接至切换节点的耦合电感器100的两个端子必须位于芯102的相对侧以实现逆磁耦合。
图5示出了在DC-DC变换器应用中与耦合电感器100的某些实施方式一起使用的一种PCB布局500。布局500包括焊盘502、504、506、508,用于分别耦合至耦合电感器100的端子108、110、112、114。焊盘502、508通过导电走线(trace)514、516分别耦合至切换节点510和512,切换电路518、520通过导电走线514、516分别耦合至切换节点510和512。焊盘504、506通过导电走线524连接至公共节点522。在图5中仅示出了耦合电感器100的轮廓以示出布局500的细节。在某些实施方式中,布局500形成降压型变换器的一部分,其中公共节点522为输出节点,切换电路518、520分别将切换节点510、512在输入电压与地之间切换。
如上所述,连接至切换节点的耦合电感器100的端子设置在芯102的相对侧,以实现逆磁耦合。因此,切换节点焊盘502、508也设置在耦合电感器100的相对侧上。切换电路518、520也设置在布局500中的耦合电感器100的相对侧上,因为如现有技术公知的,切换电路优选靠近其各自的电感器端子定位以用于有效且可靠的DC-DC变换器操作。
图6示出了另一耦合电感器600的立体图,图7示出了沿图6的线A-A截取的耦合电感器600的截面图。耦合电感器600类似于图1的耦合电感器100、但具有与耦合电感器100不同的绕组设置。耦合电感器600包括磁芯602(在图6中示出为透明的),绕组604、606和电端子608、610、612、614,磁芯602由粉状磁性材料形成,例如粘合剂内的铁粉。端子608、612设置得靠近于芯602的第一侧616、端子610、614设置得靠近于芯602的相对的第二侧618。绕组604电耦合于端子608、610之间,绕组606电耦合于端子612、614之间。图8示出了与芯602分离的绕组604、606的立体图。
绕组604、606在芯602中被设置使得从第一端子608流经绕组604至第二端子610的增大电流在绕组606中诱导从第三端子612流至第四端子614的增大电流。因此,与图1的耦合电感器100不同,当位于芯602的同一侧的端子连接至各自的切换节点时通过耦合电感器600实现逆磁耦合。例如,图9示出了一种PCB布局900,其可与DC-DC变换器应用中的耦合电感器600的某些实施方式一起使用。在图9仅示出了耦合电感器600的轮廓以示出布局900的细节。布局900包括焊盘902、904、906、908,用于分别耦合至耦合电感器600的端子608、610、612、614。焊盘902、906中的每个通过各自的导电走线918、920电耦合至各自的切换节点910、912和各自的切换电流914、916。切换电路904、908通过导电走线924电耦合至公共节点922。在某些实施方式中,布局900形成降压型变换器的一部分,其中公共节点922为输出节点,切换电路914、916分别将切换节点910、912在输入电压与地之间切换。
由于在位于芯602的公共侧上的端子电耦合至相应的切换节点时实现逆磁耦合,因此在布局900中切换焊盘902、906中的每个均设置在耦合电感器600的公共侧926上。这种特性允许每个切换电路914、916也设置于公共侧926上,其例如便于PCB布局并可对于每个切换电路914、916的一个或多个切换装置(例如,晶体管)能够使用公共散热器。此外,公共节点焊盘904、908中的每个也设置在布局900的公共侧928上,从而使公共节点走线924能够短且宽,其利于低阻抗并便于PCB布局。因此,耦合电感器600的绕组设置在某些应用中可优选于耦合电感器100的绕组设置。
图10示出了另一耦合电感器1000的立体图,其类似于耦合电感器100、但具有不同的绕组设置。耦合电感器1000包括芯1002,芯1002在图10中示出为透明的,并由粉状磁性材料形成,例如粘合剂内的铁粉。耦合电感器1000还包括至少部分地嵌入芯1002中的绕组1004、1006、和电端子1008、1010、1012、1014。绕组1004电耦合于端子1008、1010之间,绕组1006电耦合于端子1012、1014之间。端子1008、1012设置得靠近于芯1002的第一侧1016、端子1010、1014设置得靠近于芯1002的第二侧1018。图11沿图10的线A-A截取的耦合电感器1000的截面图,图12示出了与芯1002分离的绕组1004、1006的立体图。
分别与图1中的耦合电感器100和图6中的耦合电感器600不同,绕组1004、1006在芯1002中彼此竖直地移置-即,绕组1004、1006沿竖直轴线1020彼此竖直地移位。在某些实施方式中,绕组1004、1006绕公共轴线1022形成至少一匝以利于绕组1004、1006之间的强磁耦合。轴线1022例如位于芯1002中的竖直面上或平行于竖直轴线1020,如图10所示。类似于耦合电感器100和600,耦合电感器1000在安装在电路时的漏电感与绕组1004、1006之间的物理间隔成比例。绕组1004、1006被设置在芯1002中使得从第一端子1008流经绕组1004至第二端子1010的增大电流诱导从第三端子1012流经绕组1006至第四端子1014的增大电流。因此,当端子1008、1012或1010、1014电耦合至各自的切换节点时,在DC-DC变换器应用中的耦合电感器1000实现逆磁耦合。因此,耦合电感器1000的某些实施方式可与图9的布局900一起使用。
图13-14示出了耦合电感器100的另一变体。具体地,图13示出了耦合电感器1300的立体图,图14示出了沿图13的线A-A截取的耦合电感器1300的截面图。耦合电感器1300类似于耦合电感器100、但包括不同的绕组设置。耦合电感器1300包括芯13002,芯13002在图13中示出为透明的,并由粉状磁性材料形成,例如粘合剂内的铁粉。芯1302包括第一侧1304、第二侧1306、第三侧1308和第四侧1310。第一侧1304与第二侧1306相对,第三侧1308与第四侧1310相对。
耦合电感器1300还包括绕组1312、1314和电端子1316、1318、1320、1322。端子1316设置得靠近于芯1302的第一侧1304,端子1318设置得靠近于芯1302的第二侧1306、端子1320设置得靠近于芯1302的第三侧1308、端子1322设置得靠近于芯1302的第四侧1310。绕组1312电耦合于第一和第二端子1316、1318之间,绕组1314电耦合于第三和第四端子1320、1322之间。绕组1312、1314至少部分地嵌入磁芯1302中,并且类似于耦合电感器1000,绕组1312、1314沿竖直轴线1324彼此竖直地移置。图15示出了与芯1302分离的绕组1312、1314的立体图。
从第一端子1316流经绕组1312至第二端子1318的增大电流诱导绕组1314中从第三端子1320流至第四端子1322的增大电流。因此,例如通过电耦合至各自切换节点的第一和第三端子1316、1320或者第二和第四端子1318、1322,可在DC-DC变换器应用中在绕组1312、1314之间实现逆磁耦合。
例如,图16示出了一种PCB布局1600,其为可与DC-DC变换器应用中的耦合电感器1300的某些实施方式一起使用的PCB布局的一个示例。布局1600包括焊盘1602、1604、1606、1608,用于分别耦合至耦合电感器1300的端子1316、1318、1320、1322。在图16中仅示出了耦合电感器1300的轮廓以示出布局1600的焊盘。导电走线1610将焊盘1602和切换电路1612连接至第一切换节点1614,导电走线1616将焊盘1606和切换电路1618连接至第二切换节点1620。导电走线1622将焊盘1604、1608连接至公共节点1624。应该注意,布局1600中的导电走线1622短且宽,从而利于公共节点1624上的低阻抗。在某些实施方式中,布局1600形成降压型变换器的一部分,其中公共节点1624为输出节点,切换电路1612、1618分别将切换节点1614、1620在输入电压与地之间切换。
图17示出了耦合电感器1700的立体图,图18示出了沿图17的线A-A截取的电感器1700的截面图。耦合电感器1700类似于图13的耦合电感器1300,但具有不同的绕组设置。耦合电感器1700包括磁芯1702,磁芯1702由诸如粘合剂内铁粉的粉状磁性材料形成。芯1702在图17中示出为透明的,芯1702包括第一侧1704、第二侧1706、第三侧1708和第四侧1710。
耦合电感器1700还包括绕组1712、1714和端子1716、1718、1720、1722。端子1716设置得靠近于第一侧1704,端子1718设置得靠近于第二侧1706,端子1720设置得靠近于第三侧1708,端子1722设置得靠近于第四侧1710。绕组1712电耦合于第一端子1716和第四端子1722之间,绕组1714电耦合于第二端子1718和第三端子1720之间。图19示出了从芯1702分离的绕组1712、1714的立体图。
从第四端子1722流经绕组1712至第一端子1716的增大电流诱导从第三端子1720流经绕组1714至第二端子1718的增大电流。因此,当第一和第二端子1716、1718或第三和第四端子1720、1722电耦合至各自的切换节点时,在DC-DC变换器应用中实现了逆磁耦合。
图20示出了一种PCB布局2000,其可与DC-DC变换器应用中的耦合电感器1700的某些实施方式一起使用。布局2000包括第一、第二、第三和第四焊接焊盘2002、2004、2006、2008,用于分别耦合至耦合电感器1700的端子1716、1718、1720、1722。焊盘2006和切换电路2010通过导电走线2014连接至第一切换节点2012,焊盘2008和第二切换电路2016通过导电走线2020连接至第二切换节点2018。焊盘2002、2004通过导电走线2024电耦合至公共输出节点2022。在图20中仅示出了耦合电感器1700以示出布局2000的焊盘。
图21示出了耦合电感器2100的立体图,图22示出了沿图21的线A-A截取的电感器2100的截面图。耦合电感器2100类似于耦合电感器100(图1),但包括“订书针”型(“staple”style)绕组。耦合电感器2100包括磁芯2102(在图21中示出为透明的),订书针型绕组2104、2106和电端子2108、2110、2112、2114,磁芯2102由诸如粘合剂内铁粉的粉状磁性材料形成。端子2108、2112设置得靠近于芯2102的第一侧2116,端子2110、2114设置得靠近于芯2102的相对的第二侧2118。绕组2104电耦合于端子2108、2110之间,绕组2106电耦合于端子2112、2114之间。
绕组2104、2106在芯2102中被设置使得从第一端子2108流经绕组2104至第二端子2110的增大电流诱导绕组2106中从第四端子2114流至第三端子2112的增大电流。因此,当位于芯2102的相对侧2116、2118上的端子连接至各自的切换节点时,耦合电感器2100实现逆磁耦合。因此,耦合电感器2100的某些实施方式可与PCB布局500(图5)一起使用。
与绕组2104、2106关联的漏电感随绕组2104、2106之间的间隔2120(参见图22)的增加而增加。因此,可在耦合电感器2100的设计过程中仅通过改变间隔2120来改变漏电感,这利于具有不同漏电感值的耦合电感器2100的制造便利性。相反地,一些传统的耦合电感器需要芯几何结构的改变和/或间隙厚度的改变来改变漏电感,可能需要在加工上进行大量改动来改变漏电感。
图23示出了耦合电感器2300的立体图,图24示出了沿图23的线A-A截取的电感器2300的截面图。耦合电感器2300包括芯2302,芯2302在图23中示出为透明的,并由诸如粘合剂内铁粉的粉状磁性材料形成。耦合电感器2300还包括至少部分地嵌入芯2302的绕组2304、2306和电端子2308、2310、2312和2314。绕组2304电耦合于端子2308、2310之间,绕组2306电耦合于端子2312、2314之间。绕组2304在图23和24中以虚线示出,以用于说明性目的(即,有助于分辨附图中的绕组2304和2306)。实际上,绕组2304通常由形成绕组2306的相同材料形成。端子2308、2312设置得靠近于芯2302的第一侧2316,端子2310、2314设置得靠近于芯2302的第二侧2318。
绕组2304、2306的部分2320彼此对齐(例如,彼此至少部分地竖直重叠),以使绕组2304、2306磁耦合(参见图24)。绕组2304、2306彼此越对齐,耦合电感器2300的磁化电感就越大。因此,可在设计耦合电感器的过程中通过改变绕组2304、2306彼此对齐的程度来改变磁化电感。
绕组2304、2306彼此没有对齐的部分有助于与绕组2304、2306关联的漏电感。因此,可在设计耦合电感器2300的过程中通过改变绕组2304、2306彼此没有对齐的程度以及绕组之间的间隔来改变漏电感。
与耦合电感器2100的绕组(图21)不同,绕组2304、2306在磁芯2302中彼此交叉,以使得从第一端子2308流经绕组2304至第二端子2310的增大电流诱导从第三端子2312流经绕组2306至第四端子2314的增大电流。因此,当端子2308、2312或2310、2314电耦合至各自的切换节点时,耦合电感器2300实现逆磁耦合。因此,耦合电感器2300的某些实施方式可与图9的布局900一起使用。
图25示出了耦合电感器2500的立体图,图26示出了沿图25的线A-A截取的电感器2500的截面图。耦合电感器2500包括芯2502在图25中示出为透明的并由诸如粘合剂内铁粉的粉状磁性材料形成。耦合电感器2500还包括至少部分地嵌入芯2502的绕组2504、2506和电端子2508、2510、2512和2514。绕组2504电耦合于端子2508、2510之间,绕组2506电耦合于端子2512、2514之间。绕组2504在图25和26中以虚线示出,以用于说明性目的(即,有助于分辨附图中的绕组2504和2506)。实际上,绕组2504通常由形成绕组2506的相同材料形成。端子2508、2510设置得靠近于芯2502的第一侧2516,端子2512、2514设置得靠近于芯2502的第二侧2518。
绕组2504、2506的中间部分2520彼此对齐,以使绕组2504、2506磁耦合。绕组2504、2506彼此越对齐,耦合电感器2500的磁化电感越大。因此,可在设计耦合电感器2500的过程中通过改变绕组2504、2506彼此对齐的程度来改变磁化电感。
绕组2504、2506彼此没有对齐的部分有助于与绕组2504、2506关联的漏电感。因此,可在设计耦合电感器2500的过程中通过改变绕组2504、2506彼此没有对齐的程度来改变漏电感。
还应该注意,耦合电感器2500可在其设计过程中被设置为具有不均匀的漏电感值-即,使得与绕组2504、2506关联的各自的漏电感值不同。耦合电感器2500包括芯部分2522、2524,芯部分2522、2524在图26中被示出为具有相同的尺寸。部分2522表示芯2502由绕组2504包围的、但在中间部分2520之外的部分。类似地,部分2524表示芯2502由绕组2506包围的、但在中间部分2520之外的部分。由于部分2522、2524具有相同的尺寸,因此与绕组2504、2506关联的各自的漏电感值近似相等。然而,如果耦合电感器2500被修改使得部分2522、2524具有不同的尺寸,则耦合电感器将具有不均匀的漏电感值。例如,如果部分2522被制造得大于部分2524,那么与绕组2504关联的漏电感值将大于与绕组2506关联的漏电感值。
绕组2504、5506在芯2502中被设置使得从第一端子2508流经绕组2504至第二端子2510的增大电流诱导从第三端子2512流经绕组2506至第四端子2514的增大电流。因此,当端子2508、2512或2510、2514电耦合至各自的切换节点时,在DC-DC变换器应用中的耦合电感器2500实现逆磁耦合。
图27示出了耦合电感器2700的立体图,图28示出了沿图27的线A-A截取的电感器2700的截面图。耦合电感器2700包括芯2702,芯2702在图27中示出为透明的并由诸如粘合剂内铁粉的粉状磁性材料形成。耦合电感器2700还包括至少部分地嵌入芯2702的绕组2704、2706和电端子2708、2710、2712和2714。绕组2704电耦合于端子2708、2710之间,绕组2706电耦合于端子2712、2714之间。绕组2704在图27和24中以虚线示出,以用于说明性目的(即,有助于分辨附图中的绕组2704和2706)。实际上,绕组2704通常由形成绕组2706的相同材料形成。绕组2704、2706在磁芯2702中彼此交叉。端子2708、2712设置得靠近于芯2702的第一侧2716,端子2710设置得靠近于芯2702的第二侧2718,端子2714设置得靠近于芯2702的第三侧2720。如图27所示,第二侧2718与第三侧2720相对,第一侧2716位于第二和第三侧2718、2720之间。
绕组2704、2706的中间部分2722彼此对齐,以使绕组2704、2706磁耦合。绕组2704、2706彼此越对齐,耦合电感器2700的磁化电感越大。因此,可在设计耦合电感器2700的过程中通过改变绕组2704、2706彼此对齐的程度来改变磁化电感。
绕组2704、2706彼此没有对齐的部分有助于与绕组2704、2706关联的漏电感。因此,可在设计耦合电感器2700的过程中通过改变绕组2704、2706彼此没有对齐的程度来改变漏电感。
绕组2704、2706在芯2702中被设置使得从第一端子2708流经绕组2704至第二端子2710的增大电流诱导从第三端子2712流经绕组2706至第四端子2714的增大电流。因此,当端子2708、2712或2710、2714电耦合至各自的切换节点时,在DC-DC变换器应用中的耦合电感器2700实现逆磁耦合。
图29示出了耦合电感器2900的立体图,图30示出了沿图29的线A-A截取的电感器2900的截面图。耦合电感器2900类似于耦合电感器2700(图27),但包括形成一个或多个整匝的绕组2902、2904来替换绕组2704、2706。图31示出了彼此分离并与耦合电感器2900分离的绕组2902、2904的立体图。虽然耦合电感器2900被示出为具有形成约一个半整匝的绕组2902、2904,但是一个或多个绕组2902、2904可形成更多的匝(例如,约两个半的匝)。
使用形成多匝的绕组增加了绕组之间的磁耦合,从而增加了磁化电感,这可有利于切换功率变换器应用。例如,在使用耦合电感器的多相DC-DC变换器中,磁化电感的增加通常会减少电感器和开关中的波纹电流。可替换地,增加匝数可在仍保持所需磁化电感值的情况下使芯材料导磁率减少,从而减少芯中的磁通量以及关联的磁芯损耗。
图32示出了耦合电感器3200的立体图,图33示出了沿图32的线A-A截取的电感器3200的截面图。耦合电感器3200包括芯3202,芯3202在图32中示出为透明的并由诸如粘合剂内铁粉的粉状磁性材料形成。耦合电感器3200还包括至少部分地嵌入芯3202中的绕组3212、3214和电端子3206、3208和3210。绕组3212电耦合于端子3206、3210之间,而绕组3214电耦合于端子3208、3210之间。在某些实施方式中,绕组3212、3214由沿其长度耦合至端子3210的线3204的公共段形成。在绕组3212、3214为公共线3204的一部分的某些实施方式中,线3204的一部分变平以形成端子3210。图34示出了自身分离且与耦合电感器3200分离的绕组3212、3214的立体图。端子3206、3208设置得靠近于芯3202的第一侧3216,端子3210设置得靠近于芯3202的第二侧3218。
绕组3212、3214的中间部分3220彼此对齐,以使绕组3212、3214磁耦合。绕组3212、3214彼此没有对齐的部分有助于与绕组3212、3214关联的漏电感。可在设计耦合电感器3200的过程中改变形成绕组3212、3214的匝数和/或绕组3212、3214的形状,以控制漏电感和/或磁化电感。例如,绕组3212、3214可被修改为形成附加的匝或者根本不形成匝。增加绕组3212、3214对齐的部分来增加磁化电感,增加绕组3212、3214没有对齐的部分来增加漏电感。
如上所述,在某些实施方式中,绕组3212、3214由公共线形成。这种设置利于耦合电感器3200的低成本,因为制造单绕组电感器通常比制造多绕组电感器更便宜和/或更容易。此外,绕组3212、3214均连接至公共端子3210可利于绕组3212、3214精确地相对定位,从而利于紧密(tight)漏电感和磁化电感容差。
绕组3212、3214在芯3202中被设置使得从第一端子3206流经绕组3212至第三端子3210的增大电流诱导从第二端子3208流经绕组3214至第三端子3210的增大电流。因此,当端子3206、3208电耦合至各自的切换节点时,在DC-DC变换器应用中的耦合电感器3200实现逆磁耦合。
本文公开的某些实施方式的粉状磁芯耦合电感器可具有一个或多个所需的特性。例如,由于某些实施方式的耦合电感器的绕组至少部分地嵌入磁芯中,因此绕组不一定需要卷绕穿过磁芯的通路,从而利于低成本和可制造性,尤其在每个绕组具有多匝和/或复杂形状的绕组的实施方式中。作为另一示例,本文公开的耦合电感器的某些实施方式可具有特别的机械鲁棒性,因为其绕组嵌入磁芯,并从而被磁芯保护。在又一示例性实施方式中,本文公开的某些实施方式的耦合电感器的漏电感可在设计阶段仅通过调整磁芯中绕组之间的间隔来调整。
虽然以上示例中的一些示出了每个绕组一匝,但是应该理解,本文讨论的耦合电感器的某些替换实施方式将形成每绕组两匝或更多匝。此外,虽然在本文所讨论的大多数示例中绕组在磁芯内彼此电隔离,但是在某些替换的实施方式中,两个或更多个绕组电耦合在一起,或者两个或更多个绕组的端部连接至单个端子。这些替换的实施方式可在两个或更多个绕组的各自的端部均连接至公共节点(例如,降压型变换器输出节点或升压型变换器输入节点)的应用中有用处。例如,在耦合电感器600(图6)的替换实施方式中,绕组604电耦合于第一和第二端子608、610之间,绕组606电耦合于第三和第二端子612、610之间,第四端子614可省去。另外,如上所述,可改变电端子的设置(例如,焊片可由通孔销替换)。
对于本文来说,术语粘合剂(binder)包括,但不限于使粉状磁性材料结合的合成高分子(例如,热塑性或热固性材料)、合成或天然橡胶、胶质物、树胶、或树脂。
如上所述,可用于形成本文所公开的耦合电感器的粉状芯磁性材料的一个示例为粘合剂内的铁,例如高分子粘合剂内的铁。然而,应该预期,在某些实施方式中,可使用其他磁性材料,诸如镍、钴和/或稀土金属合金来替换或与铁一起使用。在一些实施方式中,磁性材料与其他磁性和/或非磁性材料成合金。例如,在某些实施方式中,粉状芯磁性材料包括粘合剂内的铁合金,诸如粘合剂内与钴、碳、镍和/或钼合金的铁。
在某些实施方式中,粉状芯磁性材料是可模塑的,例如磁芯可在模子中固化以形成“模塑的”磁芯。
应该领会,与由数个分立的磁性元件形成的磁芯不同,本文所讨论的粉状磁性材料磁芯为整体式(即,单件式)的磁芯。此外,应该领会,本文所讨论的粉状磁芯材料磁芯与铁氧体磁芯不同,铁氧体磁芯由烧结的陶瓷材料形成。
图35示出了用于形成粉状磁芯耦合电感器的方法3500。方法3500可用于形成本文所讨论的、具有嵌入磁芯中绕组的耦合电感器的某些实施方式。然而,方法3500不限于形成这些实施方式,并且本文讨论的实施方式可由方法3500之外的方法形成。
方法3500包括将多个绕组定位使得多个绕组中的每个至少部分地与多个绕组中的每一其他绕组物理地分离的步骤3502。步骤3502的一个示例为将图1中的绕组104、106定位使得其彼此分离。步骤3502的另一示例是将绕组104、106定位于模子使得它们彼此至少部分地物理分离。绕组例如完全物理地分离和/或对齐以绕公共轴线形成至少一匝,例如图1所示。在步骤3504中,至少部分地绕在步骤3502中定位的多个绕组形成粉状磁性材料。步骤3504的一个示例是绕图1的绕组104、106形成包括铁粉或类似磁粉的粉状磁性材料。步骤3504的另一示例是在定位有绕组104、106的绕组的模子中放置包括粘合剂的粉状磁性材料。在步骤3506中,将在步骤3504中形成的粉状磁性材料的粘合剂固化(例如,加热、加压和/或经受一种或多种化学品),从而形成其中嵌入绕组的整体式磁芯。步骤3506的一个示例是将绕图1的绕组104、106形成的粉状磁性材料烧结来形成磁芯102。步骤3506的另一示例为对放置在模子中且在绕组104、106周围的、包括与环氧树脂或热固性粘合剂结合的粉状磁性材料的合成材料通过化学反应进行固化(例如,催化固化)。
如上所述,本文公开的耦合电感器的一种可能的用途为开关电源,例如切换DC-DC变换器。因此,用于形成磁芯的磁性材料通常为在开关电源中常见的高切换频率(例如,至少20KHz)处展示出相对低的磁芯损耗的材料。
图36示意性示出了一个电源3600,其为本文所讨论的电感器的一种可能应用。电源3600包括PCB3602,PCB3602用于支持并电连接电源3600的组件。PCB3602能够可选地由多个分离的、但电互连的PCB替换。
电源3600被示出为包括两相3604,其中每相均包括各自的切换电路3606和两相耦合电感器3610的绕组3608。然而,电源3600的替换实施方式可具有不同数量的相3604,例如四个相,其中第一对相使用第一两相耦合电感器的绕组,第二对相使用第二两相耦合电感器的绕组。两相耦合电感器3610的示例包括耦合电感器100(图1)、耦合电感器600(图6)、耦合电感器1000(图10)、耦合电感器1300(图13)、耦合电感器1700(图17)、耦合电感器2100(图21)、耦合电感器2300(图23)、耦合电感器2500(图25)、耦合电感器2700(图27)、耦合电感器2900(图29)、耦合电感器3200(图32)、耦合电感器3700的两个绕组实施方式(图37)、耦合电感器4000的两个绕组实施方式(图40)、耦合电感器4200的两个绕组实施方式(图42)、耦合电感器4300的两个绕组实施方式(图43)、耦合电感器4700的两个绕组实施方式(图47)、耦合电感器4800的两个绕组实施方式(图48)、耦合电感器5000的两个绕组实施方式(图50)、耦合电感器5200的两个绕组实施方式(图52)、耦合电感器5300的两个绕组实施方式(图53)和耦合电感器5400的两个绕组实施方式(图54)。此外,具有三相或更多相3604的替换实施方式可使用以下讨论的可伸缩的(scalable)耦合电感器3700、4000、4200、4300、4700、4800、5000、5200、5300或5400之一作为三相或更多相耦合电感器。
各绕组3608具有各自的第一端3612和各自的第二端3614。第一和第二端3612、3614例如形成适于表面安装焊接至PCB3602的表面安装的焊片。例如,在耦合电感器3610为耦合电感器100(图1)的实施方式中,第一端3612(1)表示端子110、第二端3614(1)表示端子108、第一端3612(2)表示端子112,第二端3614(2)表示端子114。各第一端3612诸如通过PCB走线3618电连接至公共第一节点3616。
各第二端3614例如通过各自的PCB走线3620电连接至各自的切换电路3606。切换电路3606被设置为将其各自的绕组3608的第二端3614在至少两个不同的电压水平之间切换。控制器3622控制切换电路3606、并且控制器3622可选地包括反馈连接3624,例如至第一节点3616。第一节点3616可选地包括滤波器3626。
电源3600通常具有至少约20kHz的切换频率,切换电路3606在该频率进行切换使得切换所产生的声音超出人能感知的频率范围。以高切换频率(例如,至少20kHz)而不以较低切换频率操作切换电源3600还可提供以下优势,诸如(1)使用更小的能量存储组件(例如,耦合电感器3610和滤波电容器)的能力,(2)更小的波纹电流和波纹电压振幅和/或(3)更快的变换器瞬时响应。为了能够在高切换频率有效地操作,形成耦合电感器3610的磁芯3628的一种或多种磁性材料通常为在高频率操作具有相对低的磁芯损耗的材料。
在一些实施方式中,控制器3622控制切换电路3606使得各切换电路3606与另一切换电路3606异相地操作。换言之,在这些实施方式中,各切换电路3606提供至其各自第二端子3614的切换波形相对于另一切换电路3606提供至其各自第二端子3614的切换波形存在相移。例如,在电源3600的某些实施方式中,切换电路3606(1)提供至第二端子3614(1)的切换波形与切换电路3606(2)提供至第二端子3614(2)的切换波形约180度异相。
在电源3600为DC-DC变换器的实施方式中,电源3600可使用以上讨论的PCB布局之一,例如PCB布局500(图5)、900(图9)、1600(图16)或2000(图20)。例如,如果电源3600为使用电感器600及PCB布局900的DC-DC变换器,布局900的切换电路914、916对应于电源3600的切换电路3606(1)、3606(2),布局900的切换节点走线918、920对应于电源2200的走线3620(1)、3620(2)。
电源3600可设置为具有多种构造。例如,切换电路3606可将其各自的第二端3614在输入电压节点(未示出)与接地之间切换,以使电源3600被构造为降压型变换器,第一节点3616为输出电压节点,滤波器3626为输出滤波器。在该示例中,各切换电路3606均包括至少一个高压侧切换装置和至少一个环流二极管(catch diode),或者至少一个高压侧切换装置和至少一个低压侧切换装置。在该文件的文本中,切换装置包括但不限于双极结型晶体管,场效应晶体管(例如,N沟道或P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管、结型场效应晶体管或金属半导体场效应晶体管)、绝缘栅双极结型晶体管、晶闸管或可控硅整流器。
在其他示例性实施方式中,电源3600被设置为升压型变换器使得第一节点3616为输入功率节点,切换电路3606将其各自的第二端3614在输出电压节点(未示出)与接地之间切换。可选地,电源3600例如可设置为降压-升压型变换器,使得第一节点3616为公共节点,切换电路3606件将其各自的第二端3614在输出电压节点(未示出)与输入电压节点(未示出)之间切换。
另外,在又一个示例中,电源3600可形成独立的拓扑。例如,各切换电路3606可包括变压器、与变压器的主绕组电耦合的至少一个切换装置以及整流电路,该整流电路耦合在变压器的次级绕组和切换电路的各自第二端3614之间。该整流电路可选地包括至少一个切换装置以通过避免二极管中常见的向前传导压降来提高效率。
图37-47示出了为可伸缩的耦合电感器中的粉状磁性材料磁芯,可伸缩的耦合电感器意味着它们可适于包括N个磁性耦合绕组,其中N为大于1的整数。图37-39分别示出了粉状磁芯耦合电感器3700的立体图、俯视图和截面图,其中图39的截面图是沿图38的线A-A截取的。
耦合电感器3700包括整体式磁芯3702,整体式磁芯3702由诸如可固化粘合剂(如高分子粘合剂)内铁粉的粉状磁性材料形成。磁芯3702包括端部磁元件3704、3706以及成排设置的N个腿部3708,其中N为大于1的整数。各腿部3708均连接端部磁元件3704、3706。因此,磁芯3702具有“梯状”设置,其中端部磁元件3704、3706类比于梯栏,腿部3708类比于梯级。图37和38中的虚线从端部磁元件3704、3706描绘腿部3708仅用于帮助观看者分辨这些元件。这些虚线不表示磁芯3702的不连续性,因为芯3702为单件式粉状磁性材料芯。
耦合电感器3700还包括N个绕组3710,N个绕组3710的相应绕组绕每个腿部3708卷绕。磁芯3702提供用于磁通量耦合绕组3710的路径。绕组3710为端部形成端子3712的单匝或多匝绕组(参见图39)。出于说明性清楚的目的,在图39中仅标示了一些端子3712。绕组3710在其端子3712处可选地包括连接器,诸如焊片或通孔销(未示出)。在某些实施方式中,绕组3710为箔绕组(即,具有矩形截面的绕组)以利于低绕组阻抗。
各绕组3710绕其各自的腿部3708的外表面3714卷绕。然而,在替换的实施方式中,至少一个绕组3710至少部分地嵌入其各自的腿部3708中。如上所述,使绕组3710嵌入腿部3708可便于形成多匝绕组。此外,使绕组3710嵌入腿部3708可增加与绕组3710关联的漏电感值,如以下所讨论的那样。
图40示出了耦合电感器4000的俯视图,其类似于耦合电感器3700,但包括嵌入腿部4008中的绕组4010。腿部4008和端部磁元件4004、4006共同地形成整体式磁芯4002,整体式磁芯4002由诸如粘合剂内铁粉的粉状磁性材料形成。绕组4010在图40的俯视图中不可见,因为其嵌入腿部4008中。然而,图41示出了沿图40的线A-A截取的电感器4000的截面图并示出了绕组4010。腿部4008在绕组4010内具有非零值的截面区域4116,在绕组4010外具有非零值的截面区域4118。腿部4008的截面区域4116有助于绕组4010的磁耦合。然而,腿部4008的截面区域4118对绕组4010的磁耦合没有帮助;而截面区域4118有助于与绕组4010关联的漏电感值。因此,假设其它所有都相等,耦合电感器4000中与绕组4010关联的漏电感值将大于耦合电感器3700中的。
可在设计耦合电感器4000的过程中通过改变截面区域4116和/或4118的尺寸和/或设置来改变绕组4010的磁化电感和/或漏电感值。例如,增加截面区域4116的尺寸使磁化电感增加,增加截面区域4118的尺寸使漏电感增加。在替换的实施方式中,绕组4010在腿部4008的外表面附近嵌入,以使得腿部4008中没有被绕组4010包围的芯材料的截面区域4118可以忽略。
在替换的实施方式中,截面区域4116和/或4118在腿部4008的示例中变化,以使耦合电感器4000具有不均匀的漏电感值。例如,在一些实施方式中,腿部4008(1)的截面区域4118(1)大于剩余腿部4008的截面区域4118,以使得与绕组4010(1)关联的漏电感大于与剩余绕组4010关联的漏电感。
可向耦合电感器3700添加额外特征以增加绕组3710的漏电感。例如,图42示出了耦合电感器4200的立体图,其类似于耦合电感器3700,但附加地包括外腿4220、4222。耦合电感器4200包括整体式磁芯4202,整体式磁芯4202由诸如粘合剂内铁粉的粉状磁性材料形成。芯4202包括端部磁元件4204、4206,与端部磁元件4204、4206连接的N个腿部4208以及外腿4220、4222,其中N为大于1的整数。腿部4208和外腿4220、422成排设置,腿部4208设置于外腿4220、4222之间。耦合电感器4200还包括N个绕组4210,N个绕组4210中的相应绕组至少部分地绕每个腿部4208卷绕。在替换的实施方式中,绕组4210至少部分地嵌入腿部4208和/或为多匝绕组。出于说明性的目的,图42中的虚线描绘了磁芯元件,但不表示磁芯4202中的不连续性,因为芯4202为单件式芯。
外腿4220、4222连接端部磁元件4204、4206,但与腿部4208不同,外腿4220、4222通常不包括绕组。而外腿4220、4222在端部磁元件4204、4206之间提供用于磁通量的路径,从而提供用于漏磁通量的路径,其有助于与N个绕组4210关联的漏电感。外腿4220、4222通常不包括间隙,因为可在电感器4200的设计过程中通过改变形成芯4202的粉状磁性材料的成分来控制漏电感。外腿4220、4222中的每个都无需一定具有相同的设置。例如,在某些实施方式中,外腿4220具有比外腿4222更大的截面面积,或者外腿4220、4222之一被省略,以使耦合电感器4200具有不均匀的漏电感特性。
图43示出了耦合电感器4300的立体图,其类似于耦合电感器3700,但额外地包括顶部磁元件4324。图44示出了耦合电感器4300的一侧4326的俯视图,图45示出了沿图43的线A-A截取的截面图。图46示出了沿图44的线A-A截取的电感器4300的截面图。
耦合电感器4300包括整体式磁芯4302,整体式磁芯4302由诸如粘合剂内铁粉的粉状磁性材料形成。芯4302包括端部磁元件4304、4306,成排设置且连接端部磁元件4304、4306的N个腿部4308,以及顶部磁元件4324,其中N为大于1的整数。耦合电感器4300还包括N个绕组4310,N个绕组4310中的相应绕组至少部分地绕每个腿部4308卷绕。在替换的实施方式中,绕组4310至少部分地嵌入腿部4308和/或为多匝绕组。图43-45中的虚线从端部磁元件4304、4306描绘了顶部磁元件4324仅用于帮助观看者识别顶部磁元件4324。虚线不表示磁芯4302的不连续性,因为芯4302为单个单位芯。
顶部磁元件4324靠近于腿部4308并越过腿部4308中的至少两个延伸并连接端部磁元件4304、4306。因此,顶部磁元件4324在端部磁元件4304、4306之间提供用于磁通量的路径,从而提供用于漏磁通量的路径,其有助于与N个绕组4310关联的漏电感。顶部磁元件4324通常不包括间隙,因为可在电感器4300的设计过程中通过改变形成芯4302的粉状磁性材料的成分来控制漏电感。在替换的实施方式中,单个顶部磁元件4324由两个或更多个单独的顶部磁性元件替换,两个或更多个单独的顶部磁性元件在端部磁元件4304、4306之间提供用于磁通量的路径。顶部磁元件4324的设置可改变,例如仅沿耦合电感器4300的长度4328的一部分延伸。例如,图47示出了耦合电感器4700的立体图,其类似于耦合电感器4300,但包括具有顶部磁元件4724的粉状磁性材料芯4702,顶部磁元件4724靠近于腿部4308并仅在腿部4308中的两个之上延伸。
此外,可伸缩的耦合电感器可由缺乏视觉可辨别的磁芯分段的粉状磁性材料磁芯形成,但无论怎样均具有与图37-47的电感器类似的磁通量路径。例如,图48示出了耦合电感器4800的立体图,其包括矩形形状的整体式磁芯4802,整体式磁芯4802由诸如粘合剂内铁粉的粉状磁性材料形成。图49示出了沿图48的线A-A截取的耦合电感器4800的截面图。耦合电感器4800还包括N个绕组4804,每个绕组至少部分地嵌入磁芯4802中,其中N为大于1的整数并且在图48的实施方式中等于4。在图48中仅示出芯4802的轮廓以使绕组4804可见。各绕组4804具有形成各自端子4806的两个端部,仅标示了其中的一些以利于说明性清楚。绕组4804在其端子4806处可选地包括连接器,诸如焊片或通孔销(未示出)。芯4802中的绕组4804通常彼此至少部分地物理分离,而在一些实施方式中,彼此完全物理地分离。
与耦合电感器4200(图42)不同,磁芯4802缺少视觉可辨别的磁性子元件,诸如端部磁性元件、腿部或外腿,因为磁芯4802为矩形形状的整体式磁芯。不过,耦合电感器4800具有与电感器4200类似的磁通路。磁芯4802可被认为具有至少三个功能部分-中间部分4808和两个外部部分4810、4812,在图48中以虚线描绘。然而,应该领会,图48和49中的虚线仅帮助观看者分辨磁芯4802的功能部分,并不表示芯4802的不连续性,因为芯4802为单件式芯。将外部部分4810、4812分离的、芯4802的中间部分4808与绕组4804磁耦合,并因而类似于耦合电感器4200的端部磁元件4204、4206和腿部4208。相反地,外部部分4810、4812提供用于漏磁通量的通路,该漏磁通量为没有联接其它绕组4804的给定的绕组4804产生的磁通量。因此,外部部分4810、4812分别类似于电感器4200的外腿4220、4222。漏磁通量有助于与N个绕组4804关联的漏电感,并且如上所述,DC-DC变换器应用中的漏电感必须足够大以限制波纹电流振幅。此外,中间部分4808在绕组4804之间的子部分4920也提供用于漏磁通量的路径,因为子部分4920没有与绕组4804磁耦合。在替换的实施方式中,外部部分4810、4812具有不同的设置,例如不同的尺寸,以使耦合电感器4800具有不均的漏电感特性。
图50示出了耦合电感器5000,其包括矩形形状的整体式磁芯5002,整体式磁芯5002由诸如粘合剂内铁粉的粉状磁性材料形成。图51示出了沿图50的线A-A截取的电感器5000的截面图。耦合电感器5000还包括N个绕组5004,每个绕组至少部分地嵌入磁芯5002中,其中N为大于1的整数并且在图50的实施方式中等于4。在图50中仅示出芯5002的轮廓以使绕组5004可见。各绕组5004具有形成各自端子5006的两个端部,仅标示了其中的一些以利于说明性清楚。绕组5004在其端子5006处可选地包括连接器,诸如焊片或通孔销(未示出)。芯5002中的绕组5004通常彼此至少部分地物理分离,而在一些实施方式中,彼此完全物理地分离。
磁芯5002不具有视觉可辨别的磁性子元件,因为芯5002为矩形形状的整体式磁芯。不过,耦合电感器5000具有与耦合电感器5000(图43)类似的磁通量路径。磁芯5002可被认为具有至少两个功能部分-底部部分5008和顶部部分5010。底部部分5008与绕组5004磁耦合并因而类似于耦合电感器4300的端部磁元件4304、4306和腿部4308。另一方面,顶部部分5010提供漏磁通量的路径,其有助于与N个绕组5004关联的漏电感。因此,顶部部分5010类似于耦合电感器4300的顶部磁元件4324。底部部分5008中的、位于绕组5004之间的子部分5122也提供用于漏磁通量的路径,因为这些子部分没有与绕组5004磁耦合。
应该期望,耦合电感器4800和5000的磁芯通常不包括分离的间隙,因为形成芯的粉状磁性材料通常具有分布式间隙。不过,磁芯4802、5002中的一个或多个可以可选地形成分离间隙(例如,气隙)以增加电感器能量存储能力。另外,形成磁芯4802、5002的粉状磁性材料可选地异质,以使芯的不同部分具有不同的磁特性。例如,在某些实施方式中,芯4802的外部部分4810、4812具有与中间部分4808不同的导磁率,以在漏电感和磁化电感之间实现所需的平衡。
可改变绕组4804、5004的设置。例如,虽然图48和50示出了存在用于通孔安装的芯底部4814、5014的绕组4804、5004,但是绕组可设置为支持其他连接技术,例如表面安装焊接。例如,图52示出了耦合电感器5200,其类似于耦合电感器5000,但包括具有端子5206的绕组5204,端子5206沿底部芯表面5214延伸以支持表面安装焊接。仅一些端子5206被标示以利于说明性清楚。在替换的实施方式中,绕组4804、5004为多匝绕组,例如图53所示的那样,图53示出了具有两匝绕组5304的耦合电感器5300。耦合电感器5300在其他方面类似于耦合电感器5000。
耦合电感器4800、5000的绕组例如为具有圆形截面、方形截面或矩形截面的绕组。例如,图54示出了耦合电感器5400,其类似于耦合电感器5000,但包括箔绕组5404,箔绕组5404形成焊片5416以用于表面安装焊接至印刷电路板。为了说明性清楚,仅标示了一些焊片5416。
图48-54的电感器的芯可替换地具有矩形之外的形状。例如,芯边缘可以为圆的和/或外表面可以为非平面的。
图48-54的耦合电感器可以比传统可伸缩的耦合电感器更简单和/或更经济地制造。例如,如上关于图35所述,图48-54的耦合电感器的某些实施方式可通过相对简单的过程来制造,该过程包括将绕组放置在模子中、在模子中放置粉状磁性材料、以及将粉状磁性材料的粘合剂固化。相反地,传统可伸缩的耦合电感器通常通过更复杂的过程来制造,这些复杂过程包括制造形状复杂的磁芯,然后在形状复杂的磁芯上安装绕组。传统可伸缩的耦合电感器通常需要形状复杂的磁芯以在多个绕组之间提供必要的磁耦合,而图48-54的耦合电感器通过单件式磁芯在绕组之间实现必要的磁耦合。
特征的组合
以上描述的特征以及所附权利要求保护的那些特征可以任何方式组合而不偏离其范围。以下示例示出了一些可能的组合:
(al)电源可包括耦合电感器、第一切换电路和第二切换电路。耦合电感器可包括:由粉状磁性材料形成的整体式磁芯;第一、第二、第三和第四端子;第一绕组,其至少部分地嵌入整体式磁芯中并且电耦合于第一和第二端子之间;以及第二绕组,其至少部分地嵌入整体式磁芯中并且电耦合于第三和第四端子之间,在整体式磁芯中该第二绕组与第一绕组至少部分地物理分离。第一切换电路可电耦合至第一端子并且用于将第一端子以至少20千赫的频率在至少两个不同的电压水平之间切换。第二切换电路可电耦合至第三端子并且用于将第三端子以至少20千赫的频率在至少两个不同的电压水平之间切换。
(a2)在由(a1)指示的电源中,在整体式磁芯内第一绕组可与第二绕组电隔离。
(a3)在由(a1)或(a2)指示的电源中,粉状磁性材料可包括高分子粘合剂内的磁性材料。
(a4)在由(a3)指示的电源中,磁性材料可包括铁粉。
(a5)在由(a1)至(a4)指示的电源的任一个中,第一和第三端子可设置得靠近于整体式磁芯的第一侧,第二和第四端子可设置得靠近于整体式磁芯的第二侧,第二侧与第一侧相对。
(a6)在由(a1)至(a5)指示的电源的任一个中,第一和第二绕组可被设置使得从第一端子流经第一绕组至第二端子的增大电流诱导从第三端子流经第二绕组至第四端子的增大电流。
(a7)在由(a1)至(a5)指示的电源的任一个中,第一和第二绕组可被设置使得从第一端子流经第一绕组至第二端子的增大电流诱导从第四端子流经第二绕组至第三端子的增大电流。
(a8)在由(a1)至(a7)指示的电源的任一个中,第一和第二绕组可为订书针型绕组。
(a9)在由(a1)至(a4)或(a8)指示的电源的任一个中,第一和第二端子可设置得靠近于整体式磁芯的第一侧,第三和第四端子可设置得靠近于整体式磁芯的第二侧,第二侧与第一侧相对,以及第一和第二绕组可被设置使得从第一端子流经第一绕组至第二端子的增大电流诱导从第三端子流经第二绕组至第四端子的增大电流。
(a10)在由(a1)至(a4)或(a8)指示的电源的任一个中,第一和第三端子可设置得靠近于整体式磁芯的第一侧,第二端子可设置得靠近于整体式磁芯的第二侧,第四端子可设置得靠近于整体式磁芯的第三侧,第三侧与第二侧相对,第一侧设置于第二侧和第三侧之间,以及第一和第二绕组可被设置使得从第一端子流经第一绕组至第二端子的增大电流诱导从第三端子流经第二绕组至第四端子的增大电流。
(a11)在由(a1)至(a4)指示的电源的任一个中,第二和第四端子可为公共端子的一部分,第一和第三端子可设置得靠近整体式磁芯的第一侧,公共端子可设置得靠近整体式磁芯的第二侧,第二侧与第一侧相对,第一和第二绕组可设置使得从第一端子流经第一绕组至公共端子的增大电流诱导从第三端子流经第二绕组至公共端子的增大电流。
(a12)在由(a1)至(a4)指示的电源的任一个中:整体式磁芯可包括第一侧、第二侧、第三侧和第四侧,第一侧与第二侧相对,第三侧与第四侧相对;第一、第二、第三和第四端子可分别设置得靠近整体式磁芯的第一侧、第二侧、第三侧和第四侧;以及第一和第二绕组在芯中可被设置使得从第一端子流经第一绕组至第二端子的增大电流诱导从第三端子流经第二绕组至第四端子的增大电流。
(a13)在由(a1)至(a4)指示的电源的任一个中,整体式磁芯可包括第一侧、第二侧、第三侧和第四侧,第一侧与第二侧相对,第三侧与第四侧相对;第一、第二、第三和第四端子可分别设置得靠近芯的第三侧、第一侧、第四侧和第二侧;以及第一和第二绕组在芯中可被设置使得从第一端子流经第一绕组至第二端子的增大电流诱导从第三端子流经第二绕组至第四端子的增大电流。
(a14)在由(a1)至(a13)指示的电源的任一个中,第一和第二绕组中的每个可绕公共轴线形成至少一匝。
(a15)在由(a1)至(a4)或(a8)指示的电源的任一个中,整体式磁芯可包括:第一和第二端部磁元件,以及第一和第二腿部,第一和第二腿部连接第一和第二端部磁元件;其中第一绕组可至少部分地嵌入第一腿部中;以及第二绕组可至少部分地嵌入第二腿部中。
(a16)在由(a51)指示的电源的任一个中,整体式磁芯还可包括第一和第二外腿,第一和第二外腿均连接至第一和第二端部磁元件,并且在第一端部磁元件与第二端部磁元件之间提供用于磁通量的路径,第一和第二腿部成排设置在第一外腿与第二外腿之间。
(a17)在由(a15)指示的电源的任一个中,整体式磁芯还可包括第三腿部和第三绕组,第三腿部连接端部磁元件并且与第一和第二腿部成排设置在第一外腿与第二外腿之间,第三绕组至少部分地嵌入第三腿部中;以及电源还可包括第三切换电路,第三切换电路用于将第三绕组的端部以至少20千赫的频率在至少两个不同的电压水平之间切换。
(a18)在由(a5)指示的电源的任一个中,整体式磁芯还可包括顶部磁元件,顶部磁元件与第一和第二腿部相邻并且在第一和第二腿部之上延伸以在第一端部磁元件与第二端部磁元件之间提供用于磁通量的路径。
(a19)在由(a15)至(a18)指示的电源的任一个中,整体式磁芯还可包括第三腿部和第三绕组,第三腿部连接端部磁元件并且与第一和第二腿部成排设置,第三绕组至少部分地嵌入第三腿部中;以及电源还可包括第三切换电路,第三切换电路用于将第三绕组的端部以至少20千赫的频率在至少两个不同的电压水平之间切换。
(a20)在由(a1)至(a5)、(a8)、(a14)或(a15)至(a19)指示的电源的任一个中,第二和第四端子可为公共端子的一部分。
(a21)在由(a1)至(a4)、(a8)或(a14)指示的电源的任一个中,耦合电感器还可包括第五和第六端子,和第三绕组,第三绕组至少部分地嵌入整体式磁芯中并且在整体式磁芯内与第一和第二绕组至少部分地物理分离,第三绕组电耦合于第五端子与第六端子之间;以及电源还可包括第三切换电路,第三切换电路电耦合至第五端子并且用于将第五端子以至少20千赫的频率在至少两个不同的电压水平之间切换。
(a22)在由(a1)至(a4)或(a20)至(a21)指示的电源的任一个中,整体式磁芯的第一部分可将第一和第二绕组磁耦合,整体式磁芯的第二部分可提供用于漏磁通量的路径,第一部分不同于第二部分。
(a23)在由(a22)指示的电源的任一个中,第一部分可具有与第二部分不同的磁特性。
(a24)在由(a23)指示的电源的任一个中,整体式磁芯的第三部分可提供用于漏磁通量的路径,第一部分将第二部分与第三部分隔开。
(b1)一种耦合电感器可包括:整体式磁芯,由粉状磁性材料形成;第一、第二、第三和第四端子;第一绕组,第一绕组至少部分地嵌入整体式磁芯中并且电耦合于第一和第二端子之间;以及第二绕组,第二绕组至少部分地嵌入整体式磁芯中并且电耦合于第三和第四端子之间,在整体式磁芯内第二绕组与第一绕组至少部分地物理分离。
(b2)在由(b1)指示的耦合电感器中,在整体式磁芯内第一绕组可与第二绕组电隔离。
(b3)在由(b1)或(b2)指示的耦合电感器中,粉状磁性材料可包括高分子粘合剂内的磁性材料。
(b4)在由(b3)指示的耦合电感器中,磁性材料可包括铁粉。
(b5)在由(b1)至(b4)指示的耦合电感器的任一个中,第一和第三端子可设置得靠近于整体式磁芯的第一侧,第二和第四端子可设置得靠近于整体式磁芯的第二侧,第二侧与第一侧相对。
(b6)在由(b1)至(b5)指示的耦合电感器的任一个中,第一和第二绕组可被设置使得从第一端子流经第一绕组至第二端子的增大电流诱导从第三端子流经第二绕组至第四端子的增大电流。
(b7)在由(b1)至(b5)指示的耦合电感器的任一个中,第一和第二绕组可被设置使得从第一端子流经第一绕组至第二端子的增大电流诱导从第四端子流经第二绕组至第三端子的增大电流。
(b8)在由(b1)至(b7)指示的耦合电感器的任一个中,第一和第二绕组可为订书针型绕组。
(b9)在由(b1)至(b4)或(b8)指示的耦合电感器的任一个中,第一和第二端子可设置得靠近于整体式磁芯的第一侧;第三和第四端子可设置得靠近于整体式磁芯的第二侧,第二侧与第一侧相对;以及第一和第二绕组可被设置使得从第一端子流经第一绕组至第二端子的增大电流诱导从第三端子流经第二绕组至第四端子的增大电流。
(b10)在由(b1)至(b4)或(b8)指示的耦合电感器的任一个中,第一和第三端子可设置得靠近于整体式磁芯的第一侧;第二端子可设置得靠近于整体式磁芯的第二侧;第四端子可设置得靠近于整体式磁芯的第三侧,第三侧与第二侧相对,第一侧设置于第二侧和第三侧之间;以及第一和第二绕组可被设置使得从第一端子流经第一绕组至第二端子的增大电流诱导从第三端子流经第二绕组至第四端子的增大电流。
(b11)在由(b1)至(b4)指示的耦合电感器的任一个中,第二和第四端子可为公共端子的一部分;第一和第三端子可设置得靠近整体式磁芯的第一侧,公共端子可设置得靠近整体式磁芯的第二侧,第二侧与第一侧相对;第一和第二绕组可设置使得从第一端子流经第一绕组至公共端子的增大电流诱导从第三端子流经第二绕组至公共端子的增大电流。
(b12)在由(b1)至(b4)指示的耦合电感器的任一个中,整体式磁芯可包括第一侧、第二侧、第三侧和第四侧,第一侧与第二侧相对,第三侧与第四侧相对;第一、第二、第三和第四端子可分别设置得靠近整体式磁芯的第一侧、第二侧、第三侧和第四侧;以及第一和第二绕组在芯中可被设置使得从第一端子流经第一绕组至第二端子的增大电流在第二绕组中诱导从第三端子流至第四端子的增大电流。
(b13)在由(b1)至(b4)指示的耦合电感器的任一个中,整体式磁芯可包括第一侧、第二侧、第三侧和第四侧,第一侧与第二侧相对,第三侧与第四侧相对;第一、第二、第三和第四端子可分别设置得靠近芯的第三侧、第一侧、第四侧和第二侧;以及第一和第二绕组在芯中可被设置使得从第一端子流经第一绕组至第二端子的增大电流在第二绕组中诱导从第三端子流至第四端子的增大电流。
(b14)在由(b1)至(b13)指示的耦合电感器的任一个中,第一和第二绕组中的每个可绕公共轴线形成至少一匝。
(b15)在由(b1)至(b4)或(b8)指示的耦合电感器的任一个中,整体式磁芯可包括:第一和第二端部磁元件,以及第一和第二腿部,第一和第二腿部连接第一和第二端部磁元件;第一绕组可至少部分地嵌入第一腿部中;以及第二绕组可至少部分地嵌入第二腿部中。
(b16)在由(b15)指示的耦合电感器的任一个中,整体式磁芯还可包括第一和第二外腿,第一和第二外腿均连接至第一和第二端部磁元件,并且在第一端部磁元件与第二端部磁元件之间提供用于磁通量的路径,第一和第二腿部成排设置在第一外腿与第二外腿之间。
(b17)在由(b16)指示的耦合电感器的任一个中,还可包括第三腿部和第三绕组,第三腿部连接端部磁元件并且与第一和第二腿部成排设置在第一外腿与第二外腿之间,第三绕组可至少部分地嵌入第三腿部中。
(b18)在由(b15)指示的耦合电感器的任一个中,整体式磁芯还可包括顶部磁元件,顶部磁元件与第一和第二腿部相邻并且在第一和第二腿部之上延伸以在第一端部磁元件与第二端部磁元件之间提供用于磁通量的路径。
(b19)在由(b18)指示的耦合电感器的任一个中,还可包括第三腿部和第三绕组,第三腿部连接端部磁元件并且与第一和第二腿部成排设置,第三绕组可至少部分地嵌入第三腿部中。
(b20)在由(b19)指示的耦合电感器的任一个中,顶部磁元件可与第一、第二和第三腿部的每个相邻并且在第一、第二和第三腿部中的每个之上延伸。
(b21)在由(b1)至(b20)指示的耦合电感器的任一个中,第一和第二绕组中的每个可形成多匝。
(b22)在由(b1)至(b5)、(b8)、(b14)或(b15)至(b19)指示的耦合电感器的任一个中,第二和第四端子可为公共端子的一部分。
(b23)在由(b1)至(b5)、(b8)或(b14)指示的耦合电感器的任一个中,还可包括第五和第六端子,以及第三绕组,第三绕组至少部分地嵌入整体式磁芯中并且在整体式磁芯内与第一和第二绕组至少部分地物理分离,第三绕组电耦合于第五端子与第六端子之间。
(b24)在由(b1)至(b14)或(b21)至(b23)指示的耦合电感器的任一个中,整体式磁芯的第一部分可将第一和第二绕组磁耦合,整体式磁芯的第二部分可提供用于漏磁通量的路径,第一部分不同于第二部分。
(b25)在由(b24)指示的耦合电感器的任一个中,第一部分可具有与第二部分不同的磁特性。
(b26)在由(b24)或(b25)指示的耦合电感器的任一个中,整体式磁芯的第三部分可提供用于漏磁通量的路径,第一部分将第二部分与第三部分隔开。
(c1)一种耦合电感器可包括:整体式磁芯,整体式磁芯由粉状磁性材料形成并且包括:第一和第二端部磁元件和N个腿部,N个腿部将第一和第二端部磁元件连接,N为大于1的整数;以及N个绕组,每个绕组绕N个腿部中相应的腿部卷绕。
(c2)在由(c1)指示的耦合电感器中,粉状磁性材料可包括高分子粘合剂内的磁性材料。
(c3)在由(c2)指示的耦合电感器中,磁性材料可包括铁粉。
(c4)在由(c1)至(c3)指示的耦合电感器的任一个中,整体式磁芯还可包括第一和第二外腿,第一和第二外腿均连接至第一和第二端部磁元件,并且在第一端部磁元件与第二端部磁元件之间提供用于磁通量的路径,N个腿部成排设置在第一外腿与第二外腿之间。
(c5)在由(c1)至(c4)指示的耦合电感器的任一个中,整体式磁芯还可包括顶部磁元件,顶部磁元件与N个腿部的至少两个腿部相邻并且在所述至少两个腿部之上延伸,以在第一端部磁元件与第二端部磁元件之间提供用于磁通量的路径。
(c6)在由(c5)指示的耦合电感器的任一个中,顶部磁元件可与N个腿部中的每个腿部相邻并且在N个腿部中的每个腿部之上延伸。
(d1)一种用于形成耦合电感器的方法可包括:将多个绕组定位使得多个绕组中的每个绕组与多个绕组的另一个绕组至少部分地物理分离;至少部分地绕多个绕组形成粉状磁性材料;以及将粉状磁性材料的粘合剂固化。
(d2)在由(d1)指示的方法中,定位的步骤可包括将多个绕组定位于模子中,形成的步骤包括将粉状磁性材料放置在模子中。
(d3)在由(d1)或(d2)指示的方法的任一个中,在至少部分地绕多个绕组形成粉状磁性材料的步骤前,还可包括将多个绕组对齐使得多个绕组中的每个绕组绕公共轴线形成至少一匝。
(d4)在由(d1)至(d3)指示的方法的任一个中,粉状磁性材料可包括高分子粘合剂内的铁粉。
可以对以上方法和系统进行修改而不脱离本发明范围。例如,虽然以上的耦合电感器的示例具体示出了矩形形状的磁芯,但是磁芯形状可改变。作为另一示例,每个电感器的绕组数量和/或每个绕组的匝数可改变。因而应该注意,以上描述中包含的以及附图中示出的主题应理解为示例性的,而不是限制的意思。所附的权利要求书旨在覆盖本文所描述的一般的和具体的特征,以及本方法和系统的全部保护范围,作为主题可认为落入一般的和具体的特征之间。
Claims (60)
1.一种电源,包括:
耦合电感器,所述耦合电感器包括:
整体式磁芯,由粉状磁性材料形成,
第一、第二、第三和第四端子,
第一绕组,所述第一绕组至少部分地嵌入所述整体式磁芯中并且电耦合于所述第一和第二端子之间,以及
第二绕组,所述第二绕组至少部分地嵌入所述整体式磁芯中并且电耦合于所述第三和第四端子之间,在所述整体式磁芯内所述第二端子与所述第一绕组至少部分地物理分离;
第一切换电路,所述第一切换电路电耦合至所述第一端子并且用于将所述第一端子以至少20千赫的频率在至少两个不同的电压水平之间切换;以及
第二切换电路,所述第二切换电路电耦合至所述第三端子并且用于将所述第三端子以至少20千赫的频率在至少两个不同的电压水平之间切换。
2.如权利要求1所述的电源,在所述整体式磁芯内所述第一绕组与所述第二绕组电隔离。
3.如权利要求2所述的电源,其中,所述粉状磁性材料包括高分子粘合剂内的磁性材料。
4.如权利要求3所述的电源,其中,所述磁性材料包括铁粉。
5.如权利要求1或4所述的电源,其中:
所述第一和第三端子设置得靠近于所述整体式磁芯的第一侧;以及
所述第二和第四端子设置得靠近于所述整体式磁芯的第二侧,所述第二侧与所述第一侧相对。
6.如权利要求5所述的电源,所述第一和第二绕组被设置使得从所述第一端子流经所述第一绕组至所述第二端子的增大电流诱导从所述第三端子流经所述第二绕组至所述第四端子的增大电流。
7.如权利要求5所述的电源,所述第一和第二绕组被设置使得从所述第一端子流经所述第一绕组至所述第二端子的增大电流诱导从所述第四端子流经所述第二绕组至所述第三端子的增大电流。
8.如权利要求5所述的电源,所述第一和第二绕组为订书针型绕组。
9.如权利要求1或4所述的电源,其中:
所述第一和第二端子设置得靠近于所述整体式磁芯的第一侧;
所述第三和第四端子设置得靠近于所述整体式磁芯的第二侧,所述第二侧与所述第一侧相对;以及
所述第一和第二绕组被设置使得从所述第一端子流经所述第一绕组至所述第二端子的增大电流诱导从所述第三端子流经所述第二绕组至所述第四端子的增大电流。
10.如权利要求1或4所述的电源,其中:
所述第一和第三端子设置得靠近于所述整体式磁芯的第一侧;
所述第二端子设置得靠近于所述整体式磁芯的第二侧;
所述第四端子设置得靠近于所述整体式磁芯的第三侧,所述第三侧与所述第二侧相对,所述第一侧设置于所述第二侧和第三侧之间;以及
所述第一和第二绕组被设置使得从所述第一端子流经所述第一绕组至所述第二端子的增大电流诱导从所述第三端子流经所述第二绕组至所述第四端子的增大电流。
11.如权利要求1或4所述的电源,其中:
所述第二和第四端子为公共端子的一部分;
所述第一和第三端子设置得靠近所述整体式磁芯的第一侧,所述公共端子设置得靠近所述整体式磁芯的第二侧,所述第二侧与所述第一侧相对;
所述第一和第二绕组被设置使得从所述第一端子流经所述第一绕组至所述公共端子的增大电流诱导从所述第三端子流经所述第二绕组至所述公共端子的增大电流。
12.如权利要求1或4所述的电源,其中:
所述整体式磁芯包括第一侧、第二侧、第三侧和第四侧,所述第一侧与所述第二侧相对,所述第三侧与所述第四侧相对;
所述第一、第二、第三和第四端子分别设置得靠近所述整体式磁芯的所述第一侧、第二侧、第三侧和第四侧;以及
所述第一和第二绕组在所述芯中被设置使得从所述第一端子流经所述第一绕组至所述第二端子的增大电流诱导从所述第三端子流经所述第二绕组至所述第四端子的增大电流。
13.如权利要求1或4所述的电源,其中:
所述整体式磁芯包括第一侧、第二侧、第三侧和第四侧,所述第一侧与所述第二侧相对,所述第三侧与所述第四侧相对;
所述第一、第二、第三和第四端子分别设置得靠近所述芯的所述第三侧、第一侧、第四侧和第二侧;以及
所述第一和第二绕组在所述芯中被设置使得从所述第一端子流经所述第一绕组至所述第二端子的增大电流诱导从所述第三端子流经所述第二绕组至所述第四端子的增大电流。
14.如权利要求1或4所述的电源,所述第一和第二绕组中的每个绕公共轴线形成至少一匝。
15.如权利要求1或4所述的电源,其中:
所述整体式磁芯包括:
第一和第二端部磁元件,以及
第一和第二腿部,所述第一和第二腿部连接所述第一和第二端部磁元件;
所述第一绕组至少部分地嵌入所述第一腿部中;以及
所述第二绕组至少部分地嵌入所述第二腿部中。
16.如权利要求15所述的电源,所述整体式磁芯还包括第一和第二外腿,所述第一和第二外腿均连接至所述第一和第二端部磁元件,并且在所述第一端部磁元件与第二端部磁元件之间提供用于磁通量的路径,所述第一和第二腿部成排设置在所述第一外腿与第二外腿之间。
17.如权利要求16所述的电源,其中:
所述整体式磁芯还包括第三腿部和第三绕组,所述第三腿部连接所述端部磁元件并且与所述第一和第二腿部成排设置在所述第一外腿与第二外腿之间,所述第三绕组至少部分地嵌入所述第三腿部中;以及
所述电源还包括第三切换电路,所述第三切换电路用于将所述第三绕组的端部以至少20千赫的频率在至少两个不同的电压水平之间切换。
18.如权利要求15所述的电源,所述整体式磁芯还包括顶部磁元件,所述顶部磁元件与所述第一和第二腿部相邻并且在所述第一和第二腿部之上延伸以在所述第一端部磁元件与第二端部磁元件之间提供用于磁通量的路径。
19.如权利要求18所述的电源,其中:
所述整体式磁芯还包括第三腿部和第三绕组,所述第三腿部连接所述端部磁元件并且与所述第一和第二腿部成排设置,所述第三绕组至少部分地嵌入所述第三腿部中;以及
所述电源还包括第三切换电路,所述第三切换电路用于将所述第三绕组的端部以至少20千赫的频率在至少两个不同的电压水平之间切换。
20.如权利要求1或4所述的电源,其中,所述第二和第四端子为公共端子的一部分。
21.如权利要求1或4所述的电源,其中:
所述耦合电感器还包括:
第五和第六端子,和
第三绕组,所述第三绕组至少部分地嵌入所述整体式磁芯中并且在所述整体式磁芯内与所述第一和第二绕组至少部分地物理分离,所述第三绕组电耦合于所述第五端子与第六端子之间;以及
所述电源还包括第三切换电路,所述第三切换电路电耦合至所述第五端子并且用于将所述第五端子以至少20千赫的频率在至少两个不同的电压水平之间切换。
22.如权利要求1或4所述的电源,所述整体式磁芯的第一部分将所述第一和第二绕组磁耦合,所述整体式磁芯的第二部分提供用于漏磁通量的路径,所述第一部分不同于所述第二部分。
23.如权利要求22所述的电源,所述第一部分具有与所述第二部分不同的磁特性。
24.如权利要求22所述的电源,所述整体式磁芯的第三部分提供用于漏磁通量的路径,所述第一部分将所述第二部分与第三部分隔开。
25.一种耦合电感器,包括:
整体式磁芯,由粉状磁性材料形成,
第一、第二、第三和第四端子,
第一绕组,所述第一绕组至少部分地嵌入所述整体式磁芯中并且电耦合于所述第一和第二端子之间,以及
第二绕组,所述第二绕组至少部分地嵌入所述整体式磁芯中并且电耦合于所述第三和第四端子之间,在所述整体式磁芯内所述第二绕组与所述第一绕组至少部分地物理分离。
26.如权利要求25所述的耦合电感器,在所述整体式磁芯内所述第一绕组与所述第二绕组电隔离。
27.如权利要求26所述的耦合电感器,其中,所述粉状磁性材料包括高分子粘合剂内的磁性材料。
28.如权利要求27所述的耦合电感器,其中,所述磁性材料包括铁粉。
29.如权利要求25或28所述的耦合电感器,其中:
所述第一和第三端子设置得靠近于所述整体式磁芯的第一侧;以及
所述第二和第四端子设置得靠近于所述整体式磁芯的第二侧,所述第二侧与所述第一侧相对。
30.如权利要求29所述的耦合电感器,所述第一和第二绕组被设置使得从所述第一端子流经所述第一绕组至所述第二端子的增大电流诱导从所述第三端子流经所述第二绕组至所述第四端子的增大电流。
31.如权利要求29所述的耦合电感器,所述第一和第二绕组被设置使得从所述第一端子流经所述第一绕组至所述第二端子的增大电流诱导从所述第四端子流经所述第二绕组至所述第三端子的增大电流。
32.如权利要求29所述的耦合电感器,所述第一和第二绕组为订书针型绕组。
33.如权利要求25或28所述的耦合电感器,其中,所述第一和第二端子设置得靠近于所述整体式磁芯的第一侧;
所述第三和第四端子设置得靠近于所述整体式磁芯的第二侧,所述第二侧与所述第一侧相对;以及
所述第一和第二绕组被设置使得从所述第一端子流经所述第一绕组至所述第二端子的增大电流诱导从所述第三端子流经所述第二绕组至所述第四端子的增大电流。
34.如权利要求25或28所述的耦合电感器,其中:
所述第一和第三端子设置得靠近于所述整体式磁芯的第一侧;
所述第二端子设置得靠近于所述整体式磁芯的第二侧;
所述第四端子设置得靠近于所述整体式磁芯的第三侧,所述第三侧与所述第二侧相对,所述第一侧设置于所述第二侧和第三侧之间;以及
所述第一和第二绕组被设置使得从所述第一端子流经所述第一绕组至所述第二端子的增大电流诱导从所述第三端子流经所述第二绕组至所述第四端子的增大电流。
35.如权利要求25或28所述的耦合电感器,其中:
所述第二和第四端子为公共端子的一部分;
所述第一和第三端子设置得靠近所述整体式磁芯的第一侧,所述公共端子设置得靠近所述整体式磁芯的第二侧,所述第二侧与所述第一侧相对;
所述第一和第二绕组设置使得从所述第一端子流经所述第一绕组至所述公共端子的增大电流诱导从所述第三端子流经所述第二绕组至所述公共端子的增大电流。
36.如权利要求25或28所述的耦合电感器,其中:
所述整体式磁芯包括第一侧、第二侧、第三侧和第四侧,所述第一侧与所述第二侧相对,所述第三侧与所述第四侧相对;
所述第一、第二、第三和第四端子分别设置得靠近所述整体式磁芯的所述第一侧、第二侧、第三侧和第四侧;以及
所述第一和第二绕组在所述芯中被设置使得从所述第一端子流经所述第一绕组至所述第二端子的增大电流在所述第二绕组中诱导从所述第三端子流至所述第四端子的增大电流。
37.如权利要求25或28所述的耦合电感器,其中:
所述整体式磁芯包括第一侧、第二侧、第三侧和第四侧,所述第一侧与所述第二侧相对,所述第三侧与所述第四侧相对;
所述第一、第二、第三和第四端子分别设置得靠近所述芯的所述第三侧、第一侧、第四侧和第二侧;以及
所述第一和第二绕组在所述芯中被设置使得从所述第一端子流经所述第一绕组至所述第二端子的增大电流在所述第二绕组中诱导从所述第三端子流至所述第四端子的增大电流。
38.如权利要求25或28所述的耦合电感器,所述第一和第二绕组中的每个绕公共轴线形成至少一匝。
39.如权利要求25或28所述的耦合电感器,其中:
所述整体式磁芯包括:
第一和第二端部磁元件,以及
第一和第二腿部,所述第一和第二腿部连接所述第一和第二端部磁元件;
所述第一绕组至少部分地嵌入所述第一腿部中;以及
所述第二绕组至少部分地嵌入所述第二腿部中。
40.如权利要求39所述的耦合电感器,所述整体式磁芯还包括第一和第二外腿,所述第一和第二外腿均连接至所述第一和第二端部磁元件,并且在所述第一端部磁元件与第二端部磁元件之间提供用于磁通量的路径,所述第一和第二腿部成排设置在所述第一外腿与第二外腿之间。
41.如权利要求40所述的耦合电感器,还包括第三腿部和第三绕组,所述第三腿部连接所述端部磁元件并且与所述第一和第二腿部成排设置在所述第一外腿与第二外腿之间,所述第三绕组至少部分地嵌入所述第三腿部中。
42.如权利要求39所述的耦合电感器,所述整体式磁芯还包括顶部磁元件,所述顶部磁元件与所述第一和第二腿部相邻并且在所述第一和第二腿部之上延伸以在所述第一端部磁元件与第二端部磁元件之间提供用于磁通量的路径。
43.如权利要求42所述的耦合电感器,还包括第三腿部和第三绕组,所述第三腿部连接所述端部磁元件并且与所述第一和第二腿部成排设置,所述第三绕组至少部分地嵌入所述第三腿部中。
44.如权利要求43所述的耦合电感器,所述顶部磁元件与所述第一、第二和第三腿部的每个相邻并且在所述第一、第二和第三腿部中的每个之上延伸。
45.如权利要求25或28所述的耦合电感器,所述第一和第二绕组中的每个形成多匝。
46.如权利要求25或28所述的耦合电感器,其中,所述第二和第四端子为公共端子的一部分。
47.如权利要求25或28所述的耦合电感器,还包括
第五和第六端子,以及
第三绕组,所述第三绕组至少部分地嵌入所述整体式磁芯中并且在所述整体式磁芯内与所述第一和第二绕组至少部分地物理分离,所述第三绕组电耦合于所述第五端子与第六端子之间。
48.如权利要求25或28所述的耦合电感器,所述整体式磁芯的第一部分将所述第一和第二绕组磁耦合,所述整体式磁芯的第二部分提供用于漏磁通量的路径,所述第一部分不同于所述第二部分。
49.如权利要求48所述的耦合电感器,所述第一部分具有与所述第二部分不同的磁特性。
50.如权利要求48所述的耦合电感器,所述整体式磁芯的第三部分提供用于漏磁通量的路径,所述第一部分将所述第二部分与第三部分隔开。
51.一种耦合电感器,包括:
整体式磁芯,所述整体式磁芯由粉状磁性材料形成并且包括:
第一和第二端部磁元件,和
N个腿部,所述N个腿部将所述第一和第二端部磁元件连接,N为大于1的整数;以及
N个绕组,每个绕组绕所述N个腿部中各自的腿部卷绕。
52.如权利要求51所述的耦合电感器,其中,所述粉状磁性材料包括高分子粘合剂内的磁性材料。
53.如权利要求52所述的耦合电感器,其中,所述磁性材料包括铁粉。
54.如权利要求51或53所述的耦合电感器,所述整体式磁芯还包括第一和第二外腿,所述第一和第二外腿均连接至所述第一和第二端部磁元件,并且在所述第一端部磁元件与第二端部磁元件之间提供用于磁通量的路径,所述N个腿部成排设置在所述第一外腿与第二外腿之间。
55.如权利要求51或53所述的耦合电感器,所述整体式磁芯还包括顶部磁元件,所述顶部磁元件与所述N个腿部中的至少两个腿部相邻并且在所述N个腿部中的所述至少两个腿部之上延伸,以在所述第一端部磁元件与第二端部磁元件之间提供用于磁通量的路径。
56.如权利要求55所述的耦合电感器,所述顶部磁元件与所述N个腿部中的每个腿部相邻并且在所述N个腿部中的每个腿部之上延伸。
57.一种用于形成耦合电感器的方法,包括:
将多个绕组定位为使得所述多个绕组中的每个绕组均与所述多个绕组的每个其他绕组至少部分地物理分离;
至少部分地绕所述多个绕组形成粉状磁性材料;以及
将所述粉状磁性材料的粘合剂固化。
58.如权利要求57所述的方法,所述定位的步骤包括将所述多个绕组定位于模子中,所述形成的步骤包括将所述粉状磁性材料放置在所述模子中。
59.如权利要求57或58所述的方法,在至少部分地绕所述多个绕组形成粉状磁性材料的步骤前,还包括将所述多个绕组对齐使得所述多个绕组中的每个绕组绕公共轴线形成至少一匝。
60.如权利要求57或58所述的方法,所述粉状磁性材料包括高分子粘合剂内的铁粉。
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