CN105225807A - 一种降低寄生电容的多层电感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低寄生电容的多层电感器，属于电气设备及电气工程技术领域。多层电感器，包括铁芯、骨架、绕制于骨架上的多层绕组，每层绕组于骨架的四个折角处存在四个转折角，其特征在于，所述多层绕组四个转折角处的每两层绕组之间均设置有一个L形的垫片将绕组层隔开，铁芯四面无垫片，绕于其上的绕组层间为空气绝缘。与现有多层电感器设计方法相比，增大了层间间距，减小了绝缘层介电常数，可有效降低电感器的层间寄生电容，提高电感器的高频性能。

Description

一种降低寄生电容的多层电感器

技术领域

本发明公开了一种降低寄生电容的多层电感器，属于电气设备及电气工程技术领域。

背景技术

SiC(碳化硅)功率器件与Si器件相比，有着优异的电气特性，在电力电子变换器中得到越来越广泛的应用。SiC器件的显著优势之一在于其开关速度较高，因此，采用SiC功率器件的电力电子变换器可以在更高的开关频率下工作。这就会使得变换器中电抗元件的体积和重量大幅减小，功率密度提高。

然而，较高的开关速度会产生很大的dv/dt和di/dt。当电感器作为变换器中的储能元件时，在SiC器件开关过程中，高dv/dt会与电感器的寄生电容相互作用，产生一个额外的电流，叠加在功率器件电流中，产生电流尖峰，增大电路损耗。同时，由于自谐振效应，当开关频率接近自谐振频率时，会加剧电感器与其自身寄生电容的振荡，使开关波形畸变，尖峰电流进一步增加，损耗进一步增大，甚至损坏功率器件。因此，在应用SiC器件制作高频电力电子变换器时，需要低寄生电容的电感器。

目前常用的电感器有：多层电感器(图2)，单层电感器(图1)。

多层电感器以图2所示的一般的双层电感器为例，其结构一般包括铁芯1、骨架2、内层绕组4和外层绕组5。其中，铁芯一般为铁氧体或硅钢片材料，骨架一般为电木材料，绕组一般为铜导线或铜箔片。一般的多层电感器的特点是绕组层数为两层甚至更多层，相邻层绕组电流方向相反，以抵消电流带来的电磁干扰。层与层紧密贴合，因此层间电容较大，电感器的寄生电容较高，在频率较高时对电路性能有着不利的影响。

如图1所示的一般的单层电感器，其结构一般包括铁芯1、骨架2和绕组3。其中，铁芯一般为铁氧体或硅钢片材料，骨架一般为电木材料，绕组一般为铜导线或铜箔片。一般的单层电感器的特点是绕组层数为一层，紧密绕在铁芯上。这样的单层电感器，由于只有一层，不存在绕组间的层间电容，因此其寄生电容相对较小。然而，由于单层电感器仅有一层绕组，当变换器中需要较大的感值的电感器时，若采用单个单层电感器，其体积势必较大，而采用多个电感器串联的方式，又增加了变换器的复杂程度和成本。

因此，应用SiC器件制作高频电力电子变换器时需要寻求一种能够降低寄生电容的多层电感器设计方法，提高电感器的高频性能。

发明内容

针对现有技术的不足，提供了一种降低寄生电容的多层电感器的设计方法，不仅感值较大，体积较小，而且寄生电容小，电感器的高频性能好，解决了一般多层电感器寄生电容大的问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：一种降低寄生电容的多层电感器，包括铁芯、骨架、绕制于骨架上的多层绕组，每层绕组于骨架的四个折角处存在四个转折角，所述多层绕组四个转折角处的每两层绕组之间均设置有一个L形的垫片将绕组层隔开。

进一步的，所述垫片的材料包括但不限于PVC(聚氯乙烯)或者电木。

进一步的，所述垫片的长度等于骨架能够绕制绕组导线部分窗口的长度。

进一步的，所述垫片L形的两侧面的宽度相等，且为绕组导线直径的3～7倍。

进一步的，所述垫片的厚度为2-4mm。能满足较低的寄生电容，体积又不会太大。

进一步的，所述骨架上设置有过线槽，所述垫片内外两侧面与绕组导线的接触线处开设有凹槽。方便导线绕制。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)电感器绕组层间采用垫片隔开，可有效增加绕组间距，减小层间电容。

(2)仅在转折角处采用垫片，其余部分为空气绝缘，最大程度降低绝缘材料的介电常数，减小层间电容；具体的，由于空气的相对介电常数ε_r为1，其良好的绝缘性有效降低了电容极板间的绝缘介质的介电常数。即使是在垫片处，由于垫片材料采用PVC材质，其相对介电常数ε_r为3，(垫片材料采用电木，其相对介电常数ε_r为5.5)，也小于一般导线的绝缘表层的相对介电常数，因此有效降低了电感器的寄生电容。

(3)降低寄生电容的方案简单，成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的背景技术中单层电感器结构图。

图2是本发明的背景技术中多层电感器结构图(以双层电感器为例)。

图3是本发明电感器结构示意图。

图4是本发明铁芯结构示意图。

图5是本发明骨架结构示意图。

图6是本发明绕组结构示意图。

图7是本发明垫片结构示意图。

图8是本发明电感器组合方式。

图9是外层绕组和底层绕组局部放大图。

图10是绕组绕制方式示意图。

图中标号说明：a为垫片厚度，w为垫片宽度，l为垫片长度。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。同时在描述本发明实施方式时对各部分器件材料的说明，不应认为限定了本发明中各部分材料的选择，而仅是为了方便阐述本发明的实施方式。

本领域的技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有本发明所属技术领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

降低寄生电容的多层电感器，包括：铁芯、骨架、绕组及垫片。铁芯固定在骨架中，骨架上密绕有绕组，其内部套有铁芯，每层绕组于骨架的四个折角处存在四个转折角，多层绕组四个转折角处的每两层绕组之间均设置有一个L形的垫片将绕组层隔开。铁芯柱外的骨架四面没有垫片，层间只有空气绝缘。

其中：所述铁芯：其形状包括但不限于E型或U型，材料包括但不限于铁氧体；

所述骨架：其形状依据铁芯形状选择，材料包括但不限于阻燃PP，阻燃PBT及阻燃尼龙；

所述绕组：材料包括但不限于铜，形状包括但不限于导线或铜箔。

所述垫片：材料包括但不限于PCV(聚氯乙烯)或者电木。

如图3所示，电感器结构包括铁芯31、骨架32、绕组33及垫片34，其中：

所述铁芯：如图4所示，铁芯包括心柱41和铁轭42。

所述骨架：如图5所示，骨架包括骨架主体51，主体上有过线槽52，骨架底部有金属针脚53。作为优选的实施方式，所述垫片内外两侧面与绕组导线的接触线处开设有凹槽。方便导线绕制。

所述绕组：如图6所示，并排的，非叠放的绕组称为一层绕组。图中以双层绕组作为示例，可推广到多层绕组。底层绕组61与外层绕组62的间距为垫片厚度a。

所述垫片：如图7所示，垫片71为L形结构，长度等于骨架能够绕制绕组导线部分窗口的长度。垫片L形的两侧面的宽度相等，且为绕组导线直径的3～7倍均可。垫片的厚度为2-4mm均可。能满足较低的寄生电容，体积又不会太大。

进一步的，所述降低寄生电容的电感器，主要包括电感器组合方式、绕组绕制方式。

所述电感器组合方式如图8所示，其特征在于：1.铁芯81固定在骨架82中；2.骨架上绕有绕组83，其内部套有铁芯；3.每层绕组于骨架的四个折角处存在四个转折角，所述多层绕组四个转折角处的每两层绕组之间均设置有一个L形的垫片84将绕组层隔开；4.铁芯81四面没有垫片，层间为空气绝缘。

所述绕组绕制方式如图9所示，1.同层绕组紧密绕制2.多层绕组中相邻层的绕组电流方向相反；3.底层绕组91绕制在骨架92上；4.底层绕组与外层绕组93之间有垫片94；5.垫片上绕有外层绕组。

本设计降低寄生电容的原理为：由电容定义式C＝εS/(4πkd)，可知要降低电容的容值，有几个方法，一是减小电容极板的有效面积S，二是减小电容极板间的绝缘介质的介电常数ε，三是增加极板间距d。

针对于电感器绕组间寄生电容来说：

1.减小有效面积S。绕组间寄生电容的有效面积受到绕组匝数，绕组线径的影响。因此可以通过减小绕组匝数，选择直径小的导线等方式，然而，由于对电感器感值及其电流定额的限制，匝数和线径难以减小，因此通过减小有效面积的方式降低寄生电容比较困难。

2.减小电容极板间的绝缘介质的介电常数ε。一般的多层电感器，由于层间紧密绕制，因此绕组间的绝缘介质可以认为是导线的绝缘表层，一般为聚酰亚胺绝缘带，其相对介电常数ε_r为3.9。在本设计中，通过在绕组层间采用垫片的方式使不同层的绕组间增加了绝缘介质空气。由于空气的相对介电常数ε_r为1，其良好的绝缘性有效降低了电容极板间的绝缘介质的介电常数。即使是在垫片处，由于垫片材料采用PVC(聚氯乙烯)材质，其相对介电常数ε_r为3，(垫片材料采用电木，其相对介电常数ε_r为5.5)，也小于一般导线的绝缘表层的相对介电常数，因此有效降低了电感器的寄生电容。

3.增加极板间距d。一般的多层电感器，由于层间紧密绕制，因此层间绕组间距可以认为是导线绝缘层的厚度，一般为0.2mm。而在本设计中，通过在绕组层间采用垫片的方式使不同层的绕组间距增加，垫片厚度a的典型值取为3mm，相比一般的多层电感器，绕组层间间距增加了15倍，因此极大的降低了电感器的寄生电容。

可见，采用本设计的降低电感器寄生电容的设计方法，可以有效降低电感器的寄生电容。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

(1)电感器绕组层间采用垫片隔开，可有效增加绕组间距，减小层间电容；

(2)仅在折角处采用垫片，其余部分为空气绝缘，最大程度降低绝缘材料的介电常数，减小层间电容；

(3)降低寄生电容的方案简单，成本低。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种降低寄生电容的多层电感器，包括铁芯、骨架、绕制于骨架上的多层绕组，每层绕组于骨架的四个折角处存在四个转折角，其特征在于，所述多层绕组四个转折角处的每两层绕组之间均设置有一个L形的垫片将绕组层隔开。

2.根据权利要求1所述的一种降低寄生电容的多层电感器，其特征在于，所述垫片的材料包括但不限于PVC或者电木。

3.根据权利要求1所述的一种降低寄生电容的多层电感器，其特征在于，所述垫片的长度等于骨架能够绕制绕组导线部分窗口的长度。

4.根据权利要求1所述的一种降低寄生电容的多层电感器，其特征在于，所述垫片L形的两侧面的宽度相等，且为绕组导线直径的3～7倍。

5.根据权利要求1所述的一种降低寄生电容的多层电感器，其特征在于，所述垫片的厚度为2-4mm。

6.根据权利要求1所述的一种降低寄生电容的多层电感器，其特征在于，所述骨架上设置有过线槽，所述垫片内外两侧面与绕组导线的接触线处开设有凹槽。