CN103247415B

CN103247415B - 多功能电感器及其制造

Info

Publication number: CN103247415B
Application number: CN201310047386.7A
Authority: CN
Inventors: R.卡塔拉诺
Original assignee: Paradise Power Co
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2012-02-06
Filing date: 2013-02-06
Publication date: 2017-06-13
Anticipated expiration: 2033-02-06
Also published as: US8917524B2; US20130201645A1; CN103247415A

Abstract

本发明涉及多功能电感器及其制造。电感器组件包括第一磁芯和构造成缠绕第一磁芯的至少部分的导电材料。导电材料具有一个或更多个支撑结构，其延伸超过第一磁芯的外边界。

Description

多功能电感器及其制造

技术领域

本申请大致涉及电感器及其制造方法。

背景技术

本部分介绍可能对有助于更好地理解本发明有益的方面。因此，本部分的陈述应从此角度阅读。本部分的陈述不应被理解为关于什么在现有技术中或什么不在现有技术中的承认。

由于功率模块在尺寸方面减小，故功率管理和封装以热管理模块成为愈加困难的任务。尽管散热器可有助于热的移除，但是空间限制使它们的使用愈加不实用。因此，从电气构件移除热的能力可呈现为电路设计限制。

发明内容

本公开的一个实施例是电感器组件。电感器组件包括磁芯和构造成缠绕磁芯的至少部分的导电材料。导电材料具有一个或更多个支撑结构，其延伸超过磁芯的外边界。

另一个实施例是电气电路。电气电路包括：电路板，其具有在其上的电气构件，和位于电路板上并且与电气构件中的至少一个相邻的一个或更多个功率模块。功率模块中的每个包括上述电感器组件。

另一个实施例提供制造电感器组件的方法。该方法包括提供磁芯并且将导电材料缠绕磁芯的至少部分。导电材料具有一个或更多个支撑结构，其延伸超过磁芯的外边界。

附图说明

当与附图一起阅读时，将从后述详细说明更好地理解本公开的实施例。对应或相似的数字或字符指示对应或相似的结构。各种特征可能未按照比例画出，并且可能为了讨论的清晰性而在尺寸方面任意地增大或减小。现在参考结合附图的后述说明，其中：

图1表示本公开的电感器组件的示例实施例的分解透视图；

图2表示图1所示的电感器组件的示例实施例的透视图，该电感器组件处于组装构造，在安装在电路的电路板上之后作为本公开的示例电气电路的部分；

图3表示图2所示的电感器组件的示例实施例的相对侧面的透视图，该电感器组件处于组装构造并且安装在电气电路的电路板上；并且

图4表示制造本公开的电感器组件(诸如图1至图3中描绘的电感器组件中的任何一个)的方法的示例实施例的流程图。

具体实施方式

后述内容仅描述本发明的原理。本领域技术人员将理解设计各种布置的能力，该布置尽管未在本文中明确地说明或示出，但是体现本发明的原理，并且包括在它的范围内。此外，本文中记载的全部示例和条件语言主要意图明白地仅用于教育目的以辅助理解本发明的原理和由(多个)发明人为促进本领域而贡献的构思，并且应解释为不限制于特定地公开的实施例和条件。而且，记载本发明的原理、方面、和实施例的本文中的全部陈述、以及它的特定示例，意图包含它的等同物。另外，术语“或”，如在本文中使用的，表示非排他性的，除非另外有所指。同样，在本文中说明的各种实施例不一定互斥，因为某些实施例可与一个或更多个其他实施例结合以形成新的实施例。

具有可作为用于电气电路的功率模块并且还可作为热移除装置的电感器将是有益的。此种多功能电感器的某些实施例，如在本文中公开的，构造成使用既可传送电流并且还可将热从与电感器接近的电气构件散出的导电材料。导电材料的支撑结构有助于此种热移除。此外，支撑结构提供机械支撑用于电感器，从而允许它被从电路板举离，使得电气构件可放置在电感器的下面，而不增加分离安装硬件。

本公开的一个实施例是电感器组件。图1表示本公开的电感器组件100的示例实施例的分解透视图。图2表示图1所示的电感器组件100的示例实施例的透视图，该电感器组件处于组装构造，在安装在电路200的电路板202(例如印刷线路板)上之后作为示例电气电路200的部分。图3表示图2所示的电感器组件100的示例实施例的相对侧面的透视图，该电感器组件处于组装构造并且安装在电气电路200的电路板202上。

电感器组件100包括磁芯105。组件100还包括导电材料110，其构造成缠绕磁芯105的至少部分。导电材料110具有一个或更多个支撑结构115，其延伸超过磁芯105的外边界117(例如在图1中描绘的磁芯105的边界117)。

如图1所描述的，在某些情况下，传导性材料110缠绕的部分是磁芯105的中央部分120。然而，在其他情况下，为有助于热传递，传导性材料110可附加地或者备选地缠绕磁芯105的其他部分，例如芯的外部部分。

如图1还描述的，在某些实施例中，组件100还包括与第一磁芯105相对的第二磁芯125。导电材料110位于第一磁芯105与第二磁芯125之间。在某些实施例中，导电材料构造成缠绕第二磁芯125的至少部分(例如在图1中描绘的第二磁芯125的中央部分120)。

在组件100的某些实施例中，第一磁芯105(或第二磁芯125，当存在时)可包括或者为铁氧体芯，但是如果需要，也可使用其他磁性材料。在某些情况下，第一磁芯105和导电材料110可联接至非磁性材料(例如，大致在与图1至图3中描绘的第二芯125相同的位置上并且与第一磁芯相对的非磁性材料)。在某些实施例中，导电材料110可包括或者为压印或折弯为适当的形状的铜层，但是如果需要，也可使用其他导电材料。在某些实施例中，导电材料110构造为单匝厚铜层(例如，具有大约0.0042英寸的厚度，但是在其他实施例中其他厚度是可能的)。然而，在其他实施例中，导电材料110可构造成具有多匝并且从而多次缠绕第一磁芯105或第二磁芯125的部分(例如中央部分120)。

如图2和图3所描述的，在组件100的某些实施例中，为有助于稳定地安装至电路板202，导电材料110具有四个支撑结构115，支撑结构中的每个延伸超过磁芯105(例如当还存在第二芯125时为与电路板202最近的第一磁芯105)的外边界相等距离210。

例如如图2所示出的，在某些情况下，一个或更多个支撑结构115延伸超过磁芯105的外边界达距离210，其大于电气构件220的高度215，该电气构件220构造成位于电路板202上并且至少部分地直接在电感器组件100的下面。构造支撑结构115使得电气构件220可因此放置于组件100的下面，有助于在电路板202上的空间的有效使用，从而促进电路200的小型化。

公开的电感器组件100与如下电感器相反，该电感器的磁芯构造成直接安装于电路板202或通过电路板202，从而不留空间用于将构件220放置在下方，或者使用辅助装置(例如终端头或架)离开电路板202地安装构件220。然而，因为典型地不存在用于此种头或架结构的机构以从电路板202或者从在电路板202上的构件220向外传导热，所以这些结构可能不作为有效的热导体。公开的电感器组件100还与散热器(例如热管或翅片)至磁芯中的一个的联接相反。虽然此种结构可有助于从电感器100自身的热的移除，但是它们可能对从电路板202或者从在电路板202上的构件220移除热帮助不大。

如图2和图3所描述的，在组件100的某些实施例中，支撑结构115中的两个与磁芯105的一个侧面135分离并且相邻，并且支撑结构115中的另外两个与磁芯105的相对侧面137分离并且相邻。在组件100的某些实施例中，一个或更多个支撑结构115的终端225构造成接触位于电路板202上的对应的一个或更多个放置垫(landing pad)230、310。例如如图2和图3所描绘的，在某些情况下，支撑结构115中的每一个接触放置垫230、310中的不同的一个。

如图1所描绘的，在某些实施例中，第一磁芯105(和第二磁芯125，当存在时)可各自构造为E形结构。例如，在具有均为E形的第一磁芯105和第二磁芯125的实施例中，磁芯105、125中的每个具有结合至基部150的三个分离腿120、140、145。如图1所描绘的，第二磁芯125可布置成与第一磁芯105相对，使得第一磁芯105的腿120、140、145接触第二磁芯125的腿120、140、145中的不同的一个。如还描述出的，在某些实施例中，导电材料110构造成缠绕与第一磁芯105或第二磁芯125的位于中央的腿120中的一个或两者对应的部分。

本领域技术人员将理解的是，磁芯105(或芯105、125)可构造成具有很多不同的形状。例如，非限制性地，第一芯105和第二芯125可各自构造成具有ER、PQ、UU、环形、EP、EPC、HI或EQ形状。基于本公开，本领域技术人员将理解如何适合地构造导电材料110的形状以缠绕具有此种形状的磁芯105、125的部分，并且仍然提供一个或更多个支撑结构115，其延伸超过磁芯105、125中的至少一个的外边界117。

图2和图3描述本公开的另一个实施例，电气电路200。电气电路200包括电路板202，其具有在其上的电气构件220(例如，可作为热源的任何无源或有源构件)。电路200还包括一个或更多个功率模块100，其位于电路板上并且与电气构件220中的至少一个相邻。电路200的实施例包括但不限于负载转换模块的DC-DC点、滤波器模块、对本领域技术人员而言熟悉的其他类型的电感器或变换器。每个功率模块100可包括或者为电感器组件的实施例中的任何一种，其中磁芯105和导电材料110或第二磁芯125(当存在时)，如上面在图1至图3的上下文中讨论地布置。在示例实施例中，如在图1至图3中描绘的，在某些情况下存在四个支撑结构115，支撑结构115中的某些或全部还可作为散热器，并且在某些情况下，支撑结构115中的至少一些可附加地或者备选地作为电引线。

例如，在某些情况下，导电材料110的一个或更多个支撑结构115延伸超过磁芯105的外边界117达距离210，其大于电气构件220的高度215，该电气构件220至少部分地直接位于电感器组件100的下面。

例如，一个或更多个支撑结构115的终端225可构造成接触位于电路板202上的对应的一个或更多个放置垫230、310。一个或更多个支撑结构115的终端225可软焊(solder)地结合至其接触的具体的放置垫230、310中的对应的一个或更多个。然而，在其他情况下，支撑结构115可使用其它类型的导热材料(诸如Tputty^TM(Laird Technologies, Inc.,Chesterfield, MO)或对本领域技术人员而言熟悉的其他材料)结合至电路板202。这相对于放置于下芯的下面的构件而言可能非常有用。这在后面的0026中被提及，但是当我阅读短文0026时，它主要涉及通过PWB至引线的传导。热还可通过进入芯内的辐射(对流)，或者通过导热材料(例如T-Putty)的使用而传导通过构件的表面。

例如，在某些实施例中，放置垫中的至少一个(例如，图3中所示的垫310中的一个或两者)连接至电路板202上的发热电气构件220。发热电气构件220可为任意有源(例如集成电路)或无源(例如电阻器)构件，其当电路200在操作中时可提供在电路板202上的相对的热点。在某些情况下，为有助于传导性热传递，在电路板上的一个或更多个导热结构(例如金属带或线)形成从电气构件220中的至少一个到支撑结构115所接触的放置垫330的热消散路径。然而，在某些情况下，位于在电路板202上的功率模块100中的一个的下面或附近的电气构件可经由对流性热传递将热辐射进入磁芯105、125中的一个或两者，其又与导电材料110直接接触，从而允许附加的热消散路径。

例如，在某些实施例中，支撑结构115中的至少两个构造成引线，其电连接导电材料110至电气电路200的功率源(未示出)。例如，功率总线(未示出)可连接至放置垫中的至少两个(例如，图2中示出的垫230中的一个或两者)，使得电流通过电材料110，其缠绕第一磁芯105或第二磁芯125的部分120。

例如，在某些实施例中，其中导电材料110具有四个支撑结构115，结构中的两个(例如在第二磁芯125的一个侧面135上的两个结构115)构造成用于电连接的引线，并且其他两个支撑结构(例如在第二磁芯125的其他侧面137上的两个支撑结构115)构造用于到电路板202的机械连接。导电材料110因此既传导通过它的电流作为用作功率模块100的功能的部分，并且又向上通过放置垫230、310和支撑结构115传导由电气构件220和电路板202产生的热。该热辐射出功率模块100外，从而降低模块100和电路200的周围部分的热分布。此外，如上面所讨论的，直接位于功率模块100的下面的电气构件220还可通过对流性热传递将热辐射进入最低的磁芯(例如图2至图3中的第二磁芯125)，并且然后该热可通过辐射性或传导性热传递而从磁芯105(或芯105、125)传递进入导电材料110。

基于本公开，本领域技术人员将理解的是，可包括任意数量的支撑结构115作为导电材料110的部分，并且构造成作为电引线、机械支撑件或热导管而以一个或更多个角色工作。

另外，如果需要，为有助于热传递，在磁芯105(或第二芯125，当存在时)与电路板202或其上的构件220之间的附加的热传导路径可通过对本领域技术人员而言熟悉的各种导热材料的使用而形成。

本公开的另一个实施方式是制造电感器组件100的方法。图4表示制造电感器组件的方法400的示例实施例的流程图，如上面在图1至图3的上下文中讨论的，该电感器组件诸如示例组件100中的任何一种，包括此种组件的功率模块实施例。

继续参考图1至图3，方法400包括提供磁芯105的步骤405、和将导电材料110缠绕磁芯105的至少部分的步骤407，其中，导电材料110具有一个或更多个支撑结构115，其延伸超过磁芯105的外边界。

方法100的某些实施例还包括提供第二磁芯125的步骤410，其中，第二磁芯125与第一磁芯105相对，并且导电材料110在第一磁芯105与第二磁芯125之间。备选地，在某些情况下，在步骤412中可提供非磁性材料，非磁性材料125与第一磁芯105相对，并且导电材料110在磁芯105与非磁性材料125之间。

本领域技术人员将熟悉将磁性材料(例如铁氧体)成形为适合的形状(例如EE、ER、PQ、UU、环形、EP、EPC、HI或EQ形状)以用作用于电感器100的磁芯105、125的步骤。

本方法的某些实施例还包括将导电材料110缠绕第二磁芯125的至少部分的步骤415。在某些情况下，导电材料110构造成缠绕磁芯105(并且在某些情况下为第二磁芯125)的至少部分120。

方法400的某些实施例还包括成形传导性材料110的步骤420。在某些情况下，步骤420中的成形可包括压印导电材料110的层(例如厚铜层)以形成开口(例如开口160，图1)，其允许磁芯105的部分120(或第二芯125的部分120，当存在时)配合在开口160内，并且从而提供围绕部分120的绕组。在某些情况下，步骤420中的成形可包括折弯导电材料110的层(例如在压印以形成开口160后的厚铜层)为一个或者更多个支撑结构115的形状。

方法400的某些实施例还包括将第一磁芯105、导电材料110和第二磁芯125联接在一起的步骤430。例如，可使用带、环氧树脂或其他类型的胶、夹子或其他机械紧固件、或对本领域技术人员而言熟知的其他工序以将这些结构联接在一起。

备选地，在某些实施例中，方法400还包括将磁芯105、导电材料110和非磁性材料125联接在一起的步骤435。在步骤430中将第一磁芯105、第二磁芯125、和导电材料110联接在一起的工序中的任何一个也可以用在步骤435中。

尽管详细地说明了实施例，但本领域技术人员应该理解的是，他们在本文中可进行各种变化、替换和变更，而不脱离本公开的范围。

Claims

1.一种电感器组件，其包括：

磁芯；和

导电材料，其构造成缠绕所述磁芯的至少部分；

其中，所述导电材料具有一个或更多个用于为电感器提供机械支撑的支撑结构，其延伸超过所述磁芯与电路板相交的侧面外边界。

2.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，还包括与所述磁芯相对的第二磁芯，其中，所述导电材料位于所述磁芯与所述第二磁芯之间。

3.根据权利要求2所述的组件，其特征在于，所述导电材料构造成缠绕所述第二磁芯的至少部分。

4.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述导电材料多次缠绕所述磁芯的部分。

5.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述导电材料具有所述支撑结构中的四个，所述支撑结构中的每个延伸超过所述磁芯的外边界相等距离。

6.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述一个或更多个支撑结构延伸超过所述磁芯的外边界达大于电气构件的高度的距离，所述电气构件构造成位于电路板上并且至少部分直接在所述电感器组件的下面。

7.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述支撑结构中的两个与所述磁芯的一个侧面分离并且相邻，并且所述支撑结构中的另外两个与所述磁芯的相对侧面分离并且相邻。

8.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述一个或更多个支撑结构的终端构造成接触位于电路板上的对应的一个或更多个放置垫。

9.一种电气电路，其包括：

电路板，其具有在其上的电气构件；和

一个或更多个功率模块，其位于所述电路板上并且与所述电气构件中的至少一个相邻，所述功率模块中的每个包括电感器组件，其具有：

磁芯；和

导电材料，其构造成缠绕所述磁芯的至少部分；

10.根据权利要求9所述的电路，其特征在于，所述电感器组件还包括与所述磁芯相对的第二磁芯，其中，所述导电材料位于所述磁芯与所述第二磁芯之间。

11.根据权利要求10所述的电路，其特征在于，所述导电材料构造成缠绕所述第二磁芯的至少部分。

12.根据权利要求9所述的电路，其特征在于，所述一个或更多个支撑结构延伸超过所述磁芯的外边界达大于所述电气构件的高度的距离，所述电气构件至少部分直接位于电感器组件的下面。

13.根据权利要求9所述的电路，其特征在于，所述一个或更多个支撑结构的终端构造成接触位于所述电路板上的对应的一个或更多个放置垫。

14.根据权利要求13所述的电路，其特征在于，所述一个或更多个支撑结构的终端软焊地结合至所述对应的一个或更多个放置垫。

15.根据权利要求13所述的电路，其特征在于，放置垫中的至少一个连接至在所述电路板上的发热电气构件。

16.根据权利要求9所述的电路，其特征在于，还包括：

所述支撑结构中的至少两个构造成引线，其电连接所述导电材料至所述电气电路的功率源。

17.一种制造用于电气电路的电感器组件的方法，其包括：

提供磁芯；并且

将导电材料缠绕所述磁芯的至少部分，其中，所述导电材料具有一个或更多个用于为电感器提供机械支撑的支撑结构，其延伸超过所述磁芯与电路板相交的侧面外边界。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括提供第二磁芯，其中，所述第二磁芯与所述磁芯相对，并且所述导电材料位于所述磁芯与所述第二磁芯之间。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括将所述导电材料缠绕所述第二磁芯的至少部分。

20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括将所述磁芯、所述导电材料和所述第二磁芯联接在一起。