CN104425109A - 电感和包含其的开关电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电感和包含该电感的开关电路。该电感至少包括一个绕组,一个磁芯,所述磁芯包括至少一个心柱,还包括用于形成闭合磁路的至少一轭部,所述绕组绕在所述心柱上,至少一个所述心柱的至少一端部与至少一轭部之间设有一间隙,所述间隙中设有一平面磁芯单元,所述平面磁芯单元为高磁导率低饱和磁感应强度材料,所述心柱和轭部为高磁导率高饱和磁感应强度材料,且所述平面磁芯单元的材料的饱和磁感应强度低于所述心柱和轭部的材料的饱和磁感应强度。本发明提供的电感能够提供非线性电感量,并且可以通过调节高磁导率低饱和材料的厚度和截面积改善非线性感量曲线,同时降低成本,减少线圈中的涡流损耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种电感和包含其的开关电路。
背景技术
目前,各种电感在各种电路中有着广泛的应用,如在整流输入电路和直流逆变电路的直流侧和交流侧所用的电感,在直流变换电路Buck电路、Boost电路等开关变换电路中使用的电感等。通常电感使用都要求在额定范围内尽量保持感量稳定,至少不低于最低感量需求。在使用中发现感量增大可以更好的抑制电流尖峰,减小电流纹波,减少线路的损耗。但是如果从轻载电流到额定电流下都保持大感量会使制作电感的成本增加,体积增大,所以在体积保持不变的情况下,增大轻载电流时的感量并保持额定电流时感量不变成为目前制作电感的一个趋势。
现有技术中电感由多种制作方法制成。图1示出了现有技术中的一种普通电感的结构示意图。该电感包括轭部1和心柱3,所述轭部1和心柱3形成闭合的回路,构成电感的磁芯,该磁芯为EI型结构。该电感还包括绕在所述心柱3上的线圈绕组2,在轭部1和心柱3之间存在气隙4。该种电感的磁芯也就是心柱和轭部的材料为高磁导率材料,在磁芯中含有气隙,在额定电流使用范围内电感量为线性,但磁场饱和后电感量会极快下降。
为解决该问题,现有技术中提出了另一种电感,如图2所示。在该电感心柱3的中部包括台阶5,由于台阶的存在使轭部1和心柱3之间的气隙具有两个宽度。这种电感会产生非线性电感。但缺点是台阶部分的磁芯一旦饱和会使电感量极快下降,甚至低于普通电感在某个电流下的电感量,反而使电流波形变差,并且该电感的制作复杂。
图3中示出了现有技术中提出的另一种电感的结构示意图,该电感使用高磁导率和低磁导率磁芯混合制作。如图3所示,采用低磁导率材料制成的第二磁芯6填充轭部1和心柱3之间的气隙。心柱3和轭部1构成的磁芯的磁导率为第二磁芯6的磁导率10倍以上,并且第二磁芯6的磁饱和度较高,要高于450mT。这种电感的缺点是制作中使用的低磁导率磁芯材料的量较多,增加额外的成本。图3示出的磁芯为EI结构,第二磁芯6在中间部分磁芯的中间部分填充心柱3和轭部1的之间的气隙。同样的设计也可以应用在磁芯为UI结构的情况,如图4所示,第二磁芯6在心柱3的两端部填充心柱3和轭部1的之间的气隙。
因此,目前需要一种新型的电感产品的设计,能够降低线圈损耗,提供非线性电感量并且工艺制造简单,成本低。
发明内容
本发明的目的在于提出一种电感,能够提供非线性电感量,并且可以通过调节高磁导率低饱和磁感应强度材料的厚度和横截面积改善非线性电感量曲线,同时降低成本,减少线圈中的涡流损耗。
为达此目的,本发明采用以下技术方案:
一种电感,至少包括一个绕组,一个磁芯,所述磁芯包括至少一个心柱,还包括用于形成闭合磁路的至少一轭部,所述绕组绕在所述心柱上,至少一个所述心柱的至少一端部与至少一轭部之间设有一间隙,所述间隙中设有一平面磁芯单元,所述平面磁芯单元为高磁导率低饱和磁感应强度材料,所述心柱和轭部为高磁导率高饱和磁感应强度材料,且所述平面磁芯单元的材料的饱和磁感应强度低于所述心柱和轭部的材料的饱和磁感应强度。
其中,所述心柱的两端与轭部之间皆设有间隙,所述间隙中设有高磁导率低饱和磁感应强度材料的平面磁芯单元。
其中,所述平面磁芯单元的横截面投影包含所述心柱的端部的横截面投影。
其中,所述平面磁芯单元的横截面投影包含所述心柱和绕组的端部的横截面投影。
其中,所述平面磁芯单元设置在所述气隙中靠近所述心柱的一端。
其中,所述平面磁芯单元为锰锌铁氧体或镍锌铁氧体。
其中,所述间隙中除平面磁芯单元以外的部分由绝缘材料填充。
其中,所述心柱、轭部和平面磁芯材料的相对磁导率大于等于500。
其中,所述心柱和轭部材料的饱和磁感应强度为所述平面磁芯单元的材料的饱和磁感应强度的两倍或两倍以上
其中,所述心柱和轭部材料的饱和磁感应强度大于或等于1.2T,所述平面磁芯单元材料的饱和磁感应强度小于或等于0.6T;
其中,所述磁芯的结构为EI型或UI型;
其中,所述磁芯的结构为三相三柱结构或三相五柱结构;
本发明还提供一种包含如前任一所述的电感的开关电路,其中所述电感连接到该开关电路的输入端或输出端;
其中,所述开关电路包括整流电路、逆变电路或直流变换电路;
其中,所述开关电路包括单相电路或三相电路。
与现有技术相比,本发明提出的电感及开关电路,能够提供非线性电感量,同时降低成本,减少线圈中的涡流损耗。
附图说明
图1为现有技术中一种电感结构的侧视示意图。
图2为现有技术另一种电感结构的侧视示意图。
图3为现有技术另一种电感结构的侧视示意图。
图4为现有技术另一种电感结构的侧视示意图。
图5为实施例一中的电感结构的侧视示意图。
图6为实施例一中的电感结构与普通电感结构的电感量随电流变化的曲线图。
图7为实施例一中的不同平面磁芯单元厚度的电感结构的电感量随电流变化的曲线图。
图8为图4中电感结构的磁力线示意图。
图9为图5中电感结构的磁力线示意图。
图10为实施例二中的电感结构的侧视示意图。
图11为图10中电感结构的磁力线示意图。
图12为实施例二中的另一种电感结构的侧视示意图。
图13为实施例三中的另一种电感结构的侧视示意图。
其中,附图标记说明如下:
1、101、201、轭部;2、102、202、302、线圈绕组;3、103、203、303、心柱;4、气隙;104、204、304、绝缘板;5、台阶;6、第二磁芯;105、205、305、平面磁芯单元;7、107、磁力线;301、上轭部;301-1、下轭部;301-2、旁轭部;L1、为实施例一中的电感随电流变化的曲线;L2、普通电感随电流变化的曲线;L3、实施例一种平面磁芯单元的厚度为0.6mm时电感结构的电感量随电流变化的曲线;L4、实施例一种平面磁芯单元的厚度为0.4mm时电感结构的电感量随电流变化的曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是,此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明,而非对本发明的限定。另外还需要说明的是,为了便于描述,附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
本实施例提供一种电感,该电感结构的侧视示意图如图5所示。该电感为UI结构,包括轭部101和心柱103构成的磁芯结构,该轭部101和心柱103形成闭合的磁路。所述心柱为被绕组包裹的磁芯部分,所述的轭部为不被绕组包裹的磁芯部分,这在下述的实施例中也是如此。
线圈绕组102缠绕心柱103而设置,在心柱103和轭部101之间包括靠近轭部部分的绝缘板104和靠近心柱103部分的平面磁芯单元105。
心柱103和轭部101的材料为高磁导率高饱和磁感应强度材料,可以为硅钢片、非晶、纳米晶等,其相对磁导率大于或等于500。平面磁芯单元105的材料为高磁导率低饱和磁感应强度材料,可以为锰锌铁氧体或镍锌铁氧体等,其相对磁导率同样大于或等于500,但其饱和磁感应强度低于心柱103和轭部101的材料的饱和磁感应强度。在优选的方式中,心柱103和轭部101的高磁导率高饱和磁感应强度材料的饱和磁感应强度为高磁导率低饱和磁感应强度材料的平面磁芯单元105的饱和磁感应强度的两倍或两倍以上。在更加优选的方式中,心柱和轭部材料的饱和磁感应强度大于等于1.2T,平面磁芯单元材料的饱和磁感应强度小于或等于0.6T。
如图5所示,平面磁芯单元105设置在心柱103的两端部与轭部之间,图5仅是一种示例,平面磁芯单元105还可以只设置在心柱103的一端部与轭部之间。
平面磁芯单元105与绝缘板104将心柱103的端部与轭部之间的气隙填满。在侧视方向上平面磁芯单元105的宽度与心柱103端部的宽度相同,并且平面磁芯单元105的横截面与心柱103端部的横截面相等。这里的绝缘板104由不导电不导磁的绝缘材料制成,如玻璃、陶瓷、泡沫材料等,该绝缘材料的相对磁导率为1。绝缘板104起到支撑的作用。图5示出的心柱103和轭部101构成磁芯的结构为UI型,实际上磁芯结构还可以是EI型,该磁芯的结构可以为三相三柱结构或三相五柱结构,采用高磁导率低饱和磁感应强度材料和绝缘材料以本实施例提供的方式填充满心柱和轭部之间的气隙即可。
首先,本实施例提供的电感结构能够提供非线性电感量,其原理如下:
电感磁路主要由高磁导率高饱和磁芯材料(心柱103和轭部104),高磁导率低饱和磁芯(平面磁芯单元105),绝缘板104组成,电感量公式近似为:
公式(1)中各个参数的含义如下:
N:绕组匝数;
μ0:真空磁导率;
μ1:高磁导率高饱和磁芯的相对磁导率;
μ2:高磁导率低饱和磁芯的相对磁导率;
Ae:高磁导率高饱和磁芯的心柱的截面积;
k:高磁导率低饱和磁芯截面积相对于高磁导率高饱和磁芯的心柱的截面积的倍数;
1gap:绝缘板间隙的磁路长度;
llowsat:高磁导率低饱和磁芯的磁路长度;
ltotal:电感总磁路长度。
在轻载小电流时,所有磁芯部分都没有饱和,由于高磁导率磁芯磁阻很小,所以磁压主要集中在绝缘板处,这时感量表现为:
当电流增大,高磁导率低饱和磁芯开始趋于饱和,高磁导率高饱和磁芯没饱和时,磁压主要集中在绝缘板处和高磁导率低饱和磁芯上,这时感量表现为非线性下降,主要影响取决于高磁导率低饱和磁芯的磁导率μ2下降情况,这时感量公式表现为:
当电流继续增大到额定甚至重载时,高磁导率低饱和磁芯已经饱和,高磁导率高饱和磁芯开始趋于饱和时,所有材料部分都分得不少磁压,这时感量表现为非线性下降,主要影响取决于高磁导率高饱和磁芯的磁导率下降情况,这时感量公式表现为:
由以上轻载小电流时电感的公式(2)和电流增大时电感的公式(3)以及电流增大到额定甚至重载时的公式(4)的比较可以看出,在轻载小电流时电感量较高,随着电流的增加,电感量逐渐下降。
图6示出了同样体积下,本实施例中电感与普通电感的电感量随电流变化电感变化的曲线。图6中L1为本实施例中的电感结构的电感量随电流变化的曲线,L2为普通电感结构的电感量随电流变化的曲线,A区域为轻载小电流区域,B区域为电流增大区域,C区域为电流继续增大到额定重载区域。
由图6可以看出在A区域(轻载小电流区,所有磁芯部分都没有饱和)本实施例中的电感结构的电感量远高于普通电感结构的电感量。随着电流增大,在B区域(电流在轻载和重载之间,高磁导率低饱和磁芯开始趋于饱和)本实例中的电感结构的电感量开始下降,但仍然高于普通电感的电感量。随着电流继续增大,在C区域(电流在额定区或重载区,高磁导率低饱和磁芯已经饱和,高磁导率高饱和磁芯开始趋于饱和时),电感曲线L1和L2重合。
因此可以看出本实施的电感结构在保持体积不变时,在轻载电流条件下呈现高感量的表现,使轻载电源系统表现更好,即使达到额定甚至重载条件下也不低于普通电感的表现。
另外,在本实施例中电感中,平面磁芯单元105的厚度可以调整,在优选的方式中平面磁芯单元105的厚度介于心柱103与轭部101之间间隙距离的1/4-1/2之间。
图7中示出的不同平面磁芯单元厚度下本实施的电感结构的电感量随电流变化的曲线图。L3为平面磁芯单元105的厚度为0.6mm时电感结构的电感量随电流变化的曲线,L4为平面磁芯单元105的厚度为0.4mm时电感结构的电感量随电流变化的曲线。由图7可以看出平面磁芯单元105的厚度越厚,所得到的电感在轻载小电流下的电感量越高。可以根据这一规律为满足不同的电感需要调整平面磁芯单元105的厚度。
此外,本实施例提供的电感结构还能够降低线圈中的涡流损耗。图8为图4所示的普通电感结构的磁力线分布示意图,图9为图5所示的本实施的电感结构的磁力线分布示意图。
比较图8和图9可以看出,在图8中第二磁芯6处(也就是轭柱1和心柱3之间的间隙处)的磁力线会向外扩散并流入到线圈绕组2中(如图8中附图标记7所示),这样会增大线圈绕组2中的涡流损耗。而在图9中可以看出,在绝缘板104和平面磁芯单元105处(也就是轭柱101和心柱103之间的间隙处)的磁力线相对于图8来说大部分都汇聚到平面磁芯单元105中,并且流入到心柱103中,仅有少部分磁力线流入到线圈绕组102中,这样可以有效地降低轻载时线圈中的涡流损耗。
本实施例提供的电感结构在心柱和轭部之间设置平面磁芯单元,能够提供非线性的电感量,在电感体积不变的情况下提高轻负载时的电感量,并且可以通过调整平面磁芯单元的厚度调整所需的电感量,同时能够降低线圈绕组中的涡流损耗。
实施例二
本实施例提供了另一种电感结构,该电感结构的侧视示意图如图10所示。
该电感为UI结构,包括轭部201和心柱203构成的磁芯结构,该轭部201和心柱203形成闭合的磁路。线圈绕组202缠绕心柱203而设置,在心柱203和轭部201之间包括靠近轭部部分的绝缘板204和靠近心柱203部分的平面磁芯单元205。
心柱203和轭部201构成的磁芯的材料为高磁导率高饱和磁感应强度材料,可以为硅钢片、非晶、纳米晶等,其相对磁导率大于或等于500。平面磁芯单元205的材料为高磁导率低饱和磁感应强度材料,可以为锰锌铁氧体或镍锌铁氧体等,其相对磁导率同样大于或等于500,但其饱和磁感应强度低于心柱203和轭部201构成的磁芯的材料的饱和磁感应强度。在优选的方式中,心柱203和轭部201构成的磁芯的材料的饱和磁感应强度为平面磁芯单元205的材料的饱和磁感应强度的两倍或两倍以上。在更加优选的方式中,心柱203和轭部201构成的磁芯的材料的饱和磁感应强度大于等于1.2T,平面磁芯单元205的材料的饱和磁感应强度小于或等于0.6T。
如图10所示,平面磁芯单元205设置在心柱203的两端部与轭部之间,图10仅是一种示例,平面磁芯单元205还可以只设置在心柱203的一端部与轭部之间。
平面磁芯单元205与绝缘板204将心柱203的端部与轭部之间的气隙填满。这里的绝缘板204由不导电不导磁的绝缘材料制成,如玻璃、陶瓷、泡沫材料等,该绝缘材料的相对磁导率为1。绝缘板204起到支撑的作用。
图10示出的心柱203和轭部201构成磁芯的结构为UI型,实际上磁芯结构还可以是EI型,该磁芯的结构可以为三相三柱结构或三相五柱结构,采用高磁导率低饱和磁感应强度材料和绝缘材料以本实施例提供的方式填充满心柱和轭部之间的气隙即可。
与实施一不同的是,本实施例提供的电感结构在侧视方向上平面磁芯单元205的宽度大于心柱203端部的宽度,并且平面磁芯单元205的横截面面积大于心柱203端部的横截面面积,也就是平面磁芯单元205的横截面投影包含所述心柱203端部的横截面投影,这样的电感结构除了与实施例一中的电感结构一样能够提供非线性电感量(具体原理与实施例一中所述的相同)之外,还能够进一步减少线圈绕组中的涡流损耗。
图11为本实施的电感结构的磁力线分布示意图。由图11可以看出由于平面磁芯单元205的横截面面积大于心柱203的端部的横截面面积,所以在绝缘板204和平面磁芯单元205处(也就是轭柱201和心柱203之间的间隙处)的磁力线基本都汇聚到平面磁芯单元205中,并且流入到心柱203中,仅有极少部分磁力线流入到线圈绕组202中,这样可以更有效地降低轻载时线圈中的涡流损耗。
在另一种优选的方式中,如图12所示,可以设置平面磁芯单元的横截面投影大于心柱和绕心柱设置的线圈绕组的横截面投影,也就是说平面磁芯单元205的横截面投影包含所述心柱203端部和绕心柱缠绕设置的线圈绕组202的横截面投影,这样能够更有效的避免磁力线流入到线圈绕组202中,更有效地降低轻载时线圈中的涡流损耗。
本实施例提供的电感结构在心柱和轭部之间设置平面磁芯单元,能够提供非线性的电感量,在电感体积不变的情况下提高轻负载时的电感量,并且可以通过调整平面磁芯单元的厚度调整所需的电感量,而且平面磁芯单元的横截面投影包含心柱端部的横截面投影,能够更有效地降低线圈绕组中的涡流损耗。
实施例三
本实施例提供了另一种电感结构,该电感结构的侧视示意图如图13所示。
该电感为三相五柱结构,包括至少一轭部和心柱构成的磁芯结构,该至少一轭部和心柱形成闭合的磁路,所述至少一轭部包括上轭部301、下轭部301-1和旁轭部301-2。
线圈绕组302缠绕心柱303而设置,在心柱303与上轭部301和下轭部301-1之间包括靠近轭部部分的绝缘板304和靠近心柱303部分的平面磁芯单元305,本实施例的磁芯结构包括三个心柱,心柱303为其中的一个心柱。每个心柱的上端部都与上轭部之间具有平面磁芯单元305,并且每个心柱的下端部与下轭部之间具有平面磁芯单元305。
心柱和轭部构成的磁芯的材料为高磁导率高饱和磁感应强度材料,可以为硅钢片、非晶、纳米晶等,其相对磁导率大于或等于500。平面磁芯单元305的材料为高磁导率低饱和磁感应强度材料,可以为锰锌铁氧体或镍锌铁氧体等,其相对磁导率同样大于或等于500,但其饱和磁感应强度低于心柱和轭部构成的磁芯的材料的饱和磁感应强度。在优选的方式中,心柱和轭部构成的磁芯的材料的饱和磁感应强度为平面磁芯单元305的材料的饱和磁感应强度的两倍或两倍以上。在更加优选的方式中,心柱303和轭部构成的磁芯的材料的饱和磁感应强度大于等于1.2T,平面磁芯单元305的材料的饱和磁感应强度小于或等于0.6T。
如图13所示,平面磁芯单元305设置在三个心柱的上下端部与上下轭部之间,图13仅是一种示例,平面磁芯单元305还可以只设置一个或两个心柱的两端部与上下轭部之间,或者平面磁芯单元305还可以只设置在心柱的一端部与上下轭部中的任一轭部之间,例如平面磁芯单元305只设置在心柱的上端部与上轭部之间;或者平面磁芯单元305只设置在心柱的下端部与下轭部之间。
平面磁芯单元305与绝缘板304将心柱303的端部与上下轭部之间的气隙填满。这里的绝缘板304由不导电不导磁的绝缘材料制成,如玻璃、陶瓷、泡沫材料等,该绝缘材料的相对磁导率为1。绝缘板304起到支撑的作用。
图13示出的心柱和轭部构成磁芯的结构为三相五柱结构,该磁芯的结构还可以为三相三柱结构,采用高磁导率低饱和磁感应强度材料和绝缘材料以本实施例提供的方式充满心柱和轭部之间的气隙即可。
实施例四
本实施例提供一种开关电路,将前述实施例中的任一电感接入到该开关电路的输入端或输出端,该开关电路可以包括整流电路、逆变电路或直流变换电路,并且开关电路可以为单相电路或三相电路。
注意,上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解,本发明不限于这里所述的特定实施例,对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此,虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明,但是本发明不仅仅限于以上实施例,在不脱离本发明构思的情况下,还可以包括更多其他等效实施例,而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (15)
1.一种电感,至少包括一个绕组,一个磁芯,所述磁芯包括至少一个心柱,还包括用于形成闭合磁路的至少一轭部,所述绕组绕在所述心柱上,其特征在于,至少一个所述心柱的至少一端部与至少一轭部之间设有一间隙,所述间隙中设有一平面磁芯单元,所述平面磁芯单元为高磁导率低饱和磁感应强度材料,所述心柱和轭部为高磁导率高饱和磁感应强度材料,且所述平面磁芯单元的材料的饱和磁感应强度低于所述心柱和轭部的材料的饱和磁感应强度。
2.如权利要求1所述电感,其特征在于,所述心柱的两端与轭部之间皆设有间隙,所述间隙中设有高磁导率低饱和磁感应强度材料的平面磁芯单元。
3.如权利要求1所述电感,其特征在于,所述平面磁芯单元的横截面投影包含所述心柱的端部的横截面投影。
4.如权利要求1所述电感,其特征在于,所述平面磁芯单元的横截面投影包含所述心柱和绕组的端部的横截面投影。
5.如权利要求1所述电感,其特征在于,所述平面磁芯单元设置在所述间隙中靠近所述心柱的一端。
6.如权利要求1所述电感,其特征在于,所述平面磁芯单元为锰锌铁氧体或镍锌铁氧体。
7.如权利要求1所述电感,其特征在于,所述间隙中除平面磁芯单元以外的部分由绝缘材料填充。
8.如权利要求1所述的电感,其特征在于,所述心柱、轭部和平面磁芯材料的相对磁导率大于等于500。
9.如权利要求1所述的电感,其特征在于,所述心柱和轭部材料的饱和磁感应强度为所述平面磁芯单元的材料的饱和磁感应强度的两倍或两倍以上。
10.如权利要求9所述的电感,其特征在于,所述心柱和轭部材料的饱和磁感应强度大于或等于1.2T,所述平面磁芯单元材料的饱和磁感应强度小于或等于0.6T。
11.如权利要求1-10中任一所述的电感,其特征在于所述磁芯的结构为EI型或UI型。
12.如权利要求1-10中任一所述的电感,其特征在于所述磁芯的结构为三相三柱结构或三相五柱结构。
13.一种包含如权利要求1所述的电感的开关电路,其特征在于所述电感连接到该开关电路的输入端或输出端。
14.如权利要求13所述的开关电路,其特征在于所述开关电路包括整流电路、逆变电路或直流变换电路。
15.如权利要求13所述的开关电路,其特征在于所述开关电路包括单相电路或三相电路。
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