CN109390131A - 集成磁性组件及组装其的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及集成磁性组件及组装其的方法。具体而言，提供了集成磁性芯(100,300,800)。集成磁性芯包括第一板(102)和第二板(104)。第一板包括从第一板的第一表面(106)向外延伸的多个支柱。该多个支柱包括相对地布置的第一支柱(108)和第二支柱(110)、以及相对地布置的第三支柱(112)和第四支柱(114)。第二板至少联接到第一板的第三支柱和第四支柱。

Description

集成磁性组件及组装其的方法
技术领域
本发明的领域大体上涉及功率电子器件，且更具体而言涉及用于在功率电子器件中使用的集成磁性组件(integrated magnetic assembly)。
背景技术
高密度功率电子电路通常需要使用多个磁性电气构件，以用于多种目的，包括能量存储、信号隔离、信号过滤、能量转移、和功率分配。随着对更高的功率密度电气构件的需求增加，将两个或更多磁性电气构件(诸如功率变压器和激励变压器)集成到相同的芯或结构中变得更加期望。
然而，使用隔离激励变压器设计的已知功率电子电路由于主变压器的定位，在获得从激励变压器至分别的开关装置的信号走线(signal traces)的对称布局方面具有困难。在高频率应用(即，高于800KHZ)，非对称布局可带来电路中的严重问题。随着开关频率(switch frequency)不断变得更高，非对称布局的影响被放大。
发明内容
一方面，提供了集成磁性芯。集成磁性芯包括第一板和第二板。第一板包括从第一板的第一表面向外延伸的多个支柱(leg，有时也称为芯柱)。多个支柱包括相对地布置的第一支柱和第二支柱、以及相对地布置的第三支柱和第四支柱。第二板至少联接到第一板的第三支柱和第四支柱。
另一方面，提供了组装集成磁性组件的方法。该方法包括提供集成磁性芯中的第一板。第一板包括从第一板的第一表面向外延伸的多个支柱。多个支柱包括相对地布置的第一支柱和第二支柱、以及相对地布置的第三支柱和第四支柱，其中第一支柱和第二支柱从第一表面延伸第一长度，且第三支柱和第四支柱从第一表面延伸大于第一长度的第二长度。该方法还包括提供集成磁性芯中的第二板，且将第二板至少联接到第一板的第三支柱和第四支柱。
附图说明
图1是示例性集成磁性组件的侧视图。
图2是图1中所示的集成磁性组件的透视图。
图3是备选集成磁性组件的侧视图。
图4是图3中所示的集成磁性组件的透视图。
图5是包括第一主初级绕组和第二主初级绕组的示例性主变压器的示意图，其可与图1和2中所示的集成磁性组件或图3和4中所示的集成磁性组件一起使用。
图6是包括第一主次级绕组和第二主次级绕组的图5中所示的主变压器的示意图，其可与图1和2中所示的集成磁性组件或图3和4中所示的集成磁性组件一起使用。
图7是包括激励初级绕组和激励次级绕组的激励变压器的示意图，其可与图1和2中所示的集成磁性组件或图3和4中所示的集成磁性组件一起使用。
图8是备选集成磁性组件的顶示意图，示出了激励初级绕组的方向。
图9是图8中所示的集成磁性组件的顶示意图，示出了激励次级绕组的方向。
图10是组装图1中所示的集成磁性组件或图3中所示的集成磁性组件的示例性方法的流程图。
尽管各种实施例的特定特征可在一些附图中示出且在其他附图中未示出，但这仅为了方便。任何附图的任何特征可与任何其他附图的任何特征组合来参考和/或要求保护。
零件列表
100 集成磁性组件
102 第一板
104 第二板
106 第一表面
108 第一支柱
109 第一边缘
110 第二支柱
111 第二边缘
112 第三支柱
113 第三边缘
114 第四支柱
115 第四边缘
116 第五支柱
117 第一边缘
118 第一表面
120 第一间隙
122 第六支柱
123 第二边缘
124 第二间隙
300 集成磁性组件
500 主变压器
502 第一主初级绕组
504 第二主初级绕组
602 第一主次级绕组
604 第二主次级绕组
700 激励变压器
702 激励初级绕组
704 激励次级绕组
800 集成磁性组件
802 主变压器
804 主初级绕组
806 主次级绕组
808 激励变压器
810 激励初级绕组
812 第一定向
814 激励次级绕组
816 第二定向
1000 方法
1002 提供
1004 提供
1006 联接。
具体实施方式
图1是示例性集成磁性组件100的侧视图。图2是集成磁性组件100(图1中所示)的透视图。集成磁性组件100包括第一板102和第二板104。在示例性实施例中，第一板102和第二板104各自具有大体上方形或矩形形状。然而，在其他适合的实施例中，第一板102和第二板104可具有允许集成磁性组件100如本文描述的那样起作用的任何形状。第一板102和第二板104使用磁性材料(诸如铁氧体(ferrite))制造。
集成磁性组件100还包括从第一板102的第一表面106向外延伸的多个支柱。如本文使用的那样，措辞“支柱”限定为形成集成磁性组件的一部分的竖直(vertical)磁性结构。第一表面106是第一板102的顶表面且面对第二板104。多个支柱包括第一支柱108、与第一支柱108相对地布置的第二支柱110、第三支柱112、以及与第三支柱112相对地布置的第四支柱114。更具体地，第一支柱108定位成邻近第一板102的第一表面106的第一边缘109，第二支柱110定位成邻近第二边缘111，第三支柱112定位成邻近第三边缘113，且第四支柱114定位成邻近第四边缘115。第一边缘109和第二边缘111在方形或矩形形状的第一板102中彼此相对，使得它们沿x-y-z坐标框架的x轴线相对于彼此大致平行地延伸。第三边缘113和第四边缘115彼此相对，使得它们沿y轴线相对于彼此大致平行地延伸。因此，第二支柱110与第一支柱108相对地布置且第四支柱114与第三支柱112相对地布置意味着它们定位成邻近第一板102的相对彼此的边缘。
在示例性实施例中，支柱108,110,112和114沿z轴线、或在相对于第一表面106的大致垂直的方向上从第一板102的第一表面106延伸。当沿z轴线查看时，支柱108,110,112和114具有圆形形状的横截面。然而，将理解的是，在其他适合的实施例中，支柱108,110,112和114的横截面可为允许支柱108,110,112和114如本文描述的那样起作用的任何形状，包括但不限于方形、矩形、三角形、椭圆形等等。支柱108,110,112和114使用任何适合的磁性材料、例如铁氧体制造。在示例性实施例中，第一板102以及第一支柱108、第二支柱110、第三支柱112和第四支柱114从磁性材料(例如，铁氧体)的单件(single piece)中加工。备选地，第一板102以及第一支柱108、第二支柱110、第三支柱112和第四支柱114可由单独地制造的多件(multiple pieces)接合在一起。
第一支柱108和第二支柱110从第一表面106延伸第一长度L1，且第三支柱112和第四支柱114从第一表面106延伸第二长度L2。在一种示例性实施例中，第二长度L2大于第一长度L1。
第二板104布置成相对于第一板102，且联接到第三支柱112和第四支柱114。因此，第一板102和第二板104之间的距离等于第二长度L2。
第二板104包括从第二板104的第一表面118向外延伸的第五支柱116和第六支柱122。第一表面118是第二板104的底表面且沿z轴线面对第一板102。第六支柱122与第五支柱116相对地布置。第五支柱116定位成邻近第二板104的第一表面118的第一边缘117，且第六支柱122定位成邻近第二板104的第一表面118的第二边缘123。第一边缘117和第二边缘123在方形或矩形形状的第二板104中彼此相对，使得它们沿x轴线相对于彼此大致平行地延伸。因此，第五支柱116与第六支柱122相对地布置意味着它们定位成邻近第二板104的相对于彼此的边缘。
第五支柱116和第六支柱122各自在与支柱108,110,112和114相反的方向上沿z轴线从第二板104大致垂直地、或竖直地延伸。第五支柱116沿z轴线与第一支柱108轴向地对准，使得第一支柱108和第五支柱116协同地在其之间限定第一间隙120。第六支柱122沿z轴线与第二支柱110轴向地对准，使得第二支柱110和第六支柱122协同地在其之间限定第二间隙124。第五支柱116和第六支柱122从第二板104延伸的距离与第一支柱108和第二支柱110从第一板102延伸的距离相同，该距离为第一长度L1。
当沿z轴线查看时，第五支柱116和第六支柱122具有圆形形状的横截面。然而，将理解的是，在其他适合的实施例中，第五支柱116和第六支柱122的横截面可为允许第五支柱116和第六支柱122如本文描述的那样起作用的任何形状，包括但不限于方形、矩形、三角形、椭圆形等等。第五支柱116和第六支柱122使用任何适合的磁性材料、例如铁氧体制造。在一些适合的实施例中，第二板104以及第五支柱116和第六支柱122从磁性材料(例如，铁氧体)的单件中加工。备选地，第二板104以及第五支柱116和第六支柱122可由单独地制造的多件接合在一起。在一些适合的实施例中，第三支柱112和第四支柱114可形成为第二板104而非第一板102的部分。
图3是示例性的集成磁性组件300的侧视图。图4是集成磁性组件300(图3中所示)的透视图。在示例性实施例中，集成磁性组件300大致类似于集成磁性组件100(图1和2中所示)，除了集成磁性组件300排除第五支柱116和第六支柱122且直接地在第一支柱108和第二支柱110以及第二板104之间限定第一间隙120和第二间隙124。因此，集成磁性组件300的与集成磁性组件100的构件相同的构件在图3和4中利用如在图1和2中使用的相同的参照标号标识。
在示例性实施例中，集成磁性组件300包括第一板102、第二板104、以及从第一板102的第一表面106向外延伸的多个支柱。多个支柱包括第一支柱108、与第一支柱108相对地布置的第二支柱110、第三支柱112、以及与第三支柱112相对地布置的第四支柱114。在示例性实施例中，一个或多个支柱108,110,112和114可从第一板102的边缘偏移。
第一支柱108和第二支柱110从第一表面106延伸第一长度L1，且第三支柱112和第四支柱114从第一表面106延伸第二长度L2。在一种示例性实施例中，第二长度L2大于第一长度L1。
第二板104布置成相对于第一板102，且联接到第三支柱112和第四支柱114。因此，第一板102和第二板104之间的距离等于第二长度L2。第一支柱108和第二支柱110的第一长度L1不一直延伸至第二板104。因此，第一支柱108和第二板104限定第一间隙120，且第二支柱110和第二板104限定第二间隙124。
图5是包括第一主初级绕组502和第二主初级主绕组504的示例性主变压器500的示意图，其可与集成磁性组件100(图1和2中所示)或集成磁性组件300(图3和4中所示)一起使用。
图6是包括第一主次级绕组602和第二主次级绕组604的主变压器500的示意图，其可与集成磁性组件100(图1和2中所示)或集成磁性组件300(图3和4中所示)一起使用。
图7是包括激励初级绕组702和激励次级绕组704的激励变压器700的示意图，其可与集成磁性组件100(图1和2中所示)或集成磁性组件300(图3和4中所示)一起使用。
在示例性实施例中，集成磁性组件100,300实施在高密度功率变换器(highdensity power converter)中。备选地，集成磁性组件100,300可实施在反激式变换器(flyback converter)、正激式变换器(forward converter)、推挽式变换器(push-pullconverter)，或允许集成磁性组件100,300如本文描述的那样起作用的任何其他电气构造中。尽管主变压器500显示为具有印刷电路板类型的绕组，但不限于其且可使用本领域中已知的任何其他类型的绕组。
参照图5-7，在示例性实施例中，主变压器500联接到磁性组件100,300的第一支柱108和第二支柱110上。更具体地，主变压器500包括联接到第一支柱108的第一主初级绕组502(图5)和第一主次级绕组602(图6)，以及联接到第二支柱110的第二主初级绕组504(图5)和第二主次级绕组604(图5)。在示例性实施例中，第一主初级绕组502和第一主次级绕组602各自具有相应的定向，且分别的定向具有关于彼此的大致相反的极性(polarity)。此外，第二主初级绕组504和第二主次级绕组604各自具有相应的定向，且分别的定向具有关于彼此的大致相反的极性。
激励变压器700联接到第三支柱112和第四支柱114。更具体地，激励变压器700包括分别联接到第三支柱112和第四支柱114的激励初级绕组702和激励次级绕组704。激励初级绕组702和激励次级绕组704各自具有相应的定向，且分别的定向具有关于彼此的大致相反的极性。
激励变压器700中感应的磁通量由主变压器500抵消。更具体地，由主变压器500感应的磁通量在激励初级绕组702和激励次级绕组704中大致抵消。即，由主变压器500感应的磁通量将不影响激励变压器700的操作。
如果激励初级绕组702和激励次级绕组704仅在一个支柱上缠绕且主支柱(即，从第一支柱108至第二支柱110)不具有间隙，则然后通过忽略空气中的漏通量(leakageflux)，激励转移比(driver transfer ratio)可处理为： 匝数比=
。
φ是由激励初级绕组702产生的通量，φ2是至激励次级绕组704的耦合通量(coupled flux)。R1是从第三支柱112至第一支柱108限定的环路的磁阻，R2是从第三支柱112至第四支柱114限定的环路的磁阻(magnetic reluctance)，且R3是从第三支柱112至第二支柱110限定的环路的磁阻。
如果从第一支柱108至第二支柱110的主通量支柱具有第一间隙120和第二间隙124，则R1和R3将远大于R2，且匝数比(turn ratio)非常接近N。然而，如果从第一支柱108至第二支柱110的主通量支柱不包括第一间隙120和第二间隙124，则R1,R3和R2是在相同的数量级上，且匝数比将减小。
匝数比对激励变压器700非常重要。如果匝数比减小，则可导致不足够的激励电压。同时，通量φ1和φ3将影响主变压器500的通量，不仅通过给主支柱带来更多芯损耗(core loss)，而且通过可影响主变压器功能。
图8是备选集成磁性组件800的顶示意图，示出了激励初级绕组的方向。图9是集成磁性组件800的顶示意图，示出了激励次级绕组的方向。除非规定，备选集成磁性组件800大致类似于集成磁性组件100(图1中所示)。
在集成磁性组件800中，主变压器800包括联接到第一支柱108的主初级绕组804、以及联接到第二支柱110的主次级绕组806。在主变压器802中不设有间隙。
为了避免由不具有间隙引起的激励变压器808中的转移比减小，激励变压器808包括以第一定向812联接到第三支柱112和第四支柱114两者的激励初级绕组810，如图8中所示。此外，激励变压器808包括以第二定向816联接到第三支柱112和第四支柱114两者的激励次级绕组814，如图9中所示。第一定向812和第二定向816可为相同的或彼此相反。由激励变压器808生成的磁通量在主变压器802中大致抵消。更具体地，由激励初级绕组810和激励次级绕组814生成的磁通量在主初级绕组804和主次级绕组806中大致抵消。
例如，对于缠绕在两个支柱(例如，如图8中所示的第三支柱112和第四支柱114)上的激励初级绕组810：φp1是由缠绕在第一芯支柱(第四支柱114)上的激励初级绕组810生成的通量；φp2是由缠绕在第二芯支柱(第三支柱112)上的激励初级绕组810生成的通量；φp11、φp12、φp13是φp1至第一支柱108、第四支柱114和第二支柱110的耦合通量。φp21、φp22、φp23是φp2至第一支柱108、第四支柱114和第二支柱110的耦合通量。激励初级绕组810在芯支柱(第三支柱112和第四支柱114)上的匝数是相同的。激励次级绕组814在芯支柱上的匝数是相同的。
如果第四支柱114和第三支柱112相对于第一支柱108和第二支柱110具有对称的位置，那么K1(第四支柱114至第一支柱108)、K2(第三支柱112至第一支柱108)是相同的，φp1=φp2，因此φp21=φp11
。
由于没有由激励初级绕组810生成的在第一支柱108和第二支柱110中的额外通量，通量在第一支柱108中抵消。忽略空气中的漏通量，由激励初级绕组810生成的穿过第四支柱114的通量将全部直接地耦合至缠绕在第四支柱114上的激励次级绕组814。关于第三支柱112，对于由激励初级绕组810生成的穿过激励次级绕组814的所有通量，匝数比将不减小地维持。
图10是组装集成磁性组件(诸如集成磁性组件100(图1中所示)或集成磁性组件300(图3中所示))的示例性方法1000的流程图。提供1002第一板(诸如第一板102)。第一板包括从第一板的第一表面向外延伸的多个支柱，其包括相对地布置的第一支柱和第二支柱、以及相对地布置的第三支柱和第四支柱。第一支柱和第二支柱从第一表面延伸第一长度，且第三支柱和第四支柱从第一表面延伸大于第一长度的第二长度。提供1004第二板(诸如第二板104)。第一板和第二板包括在集成磁性芯中。第二板至少联接1006到第一板的第三支柱和第四支柱。
集成磁性组件的示例性实施例在本文中描述。集成磁性芯包括第一板和第二板。第一板包括从第一板的顶表面向外延伸的多个支柱。多个支柱包括相对地布置的第一支柱和第二支柱、以及相对地布置的第三支柱和第四支柱。第二板至少联接到第一板的第三支柱和第四支柱。
相比于至少一些集成磁性组件，在本文描述的系统和方法中，集成磁性组件使用分开支柱(split leg)以用于在相同的组件中包括主变压器和激励变压器两者。这允许从激励变压器到开关的信号走线在隔离激励变压器设计中具有对称布局。集成磁性组件减少印刷电路板面积，从而使功率损耗最小化且增加集成磁性组件的效率。
本文示出和描述的本发明的实施例中的操作的运行或执行的顺序不是必要的，除非另外规定。即，操作可以以任何顺序执行，除非另外规定，且本发明的实施例可包括相比于本文公开的那些实施例附加的或较少的操作。例如，构想的是，在另一个操作之前、同时、或之后运行或执行具体操作是在本发明的方面的范围内。
尽管本发明的各种实施例的特定特征可在一些附图中示出且在其他附图中未示出，但这仅为了方便。根据本发明的原理，附图的任何特征可与任何其他附图的任何特征组合来参考和/或要求保护。
此书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使任何本领域的技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包含的方法。本发明可申请专利的范围由权利要求限定，且可包括本领域的技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有不与权利要求的字面语言不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构要素，则意在使这些其它示例处于权利要求的范围内。

Claims (20)

1. 一种集成磁性组件，包括：
第一板，其包含从所述第一板的第一表面向外延伸的多个支柱，所述多个支柱包括相对地布置的第一支柱和第二支柱、以及相对地布置的第三支柱和第四支柱；和
第二板，其至少联接到所述第一板的第三支柱和第四支柱。
2.根据权利要求1所述的集成磁性组件，其特征在于，所述第一支柱和所述第二支柱从所述第一表面延伸第一长度，且所述第三支柱和所述第四支柱从所述第一表面延伸大于所述第一长度的第二长度。
3. 根据权利要求2所述的集成磁性组件，其特征在于，所述第二板包含：
第五支柱，其从所述第二板的第一表面向外延伸，所述第五支柱与所述第一支柱轴向地对准，使得所述第一支柱和所述第五支柱协同地在其之间限定第一间隙；和
第六支柱，其与所述第五支柱相对地布置且从所述第二板的第一表面向外延伸，所述第六支柱与所述第二支柱轴向地对准，使得所述第二支柱和所述第六支柱协同地在其之间限定第二间隙。
4. 根据权利要求2所述的集成磁性组件，其特征在于：
所述第一支柱和所述第二板在其之间限定第一间隙，且
所述第二支柱和所述第二板在其之间限定第二间隙。
5. 根据权利要求1所述的集成磁性组件，其特征在于，所述集成磁性组件还包含：
主变压器，其联接到所述第一支柱和所述第二支柱；和
激励变压器，其联接到所述第三支柱和所述第四支柱。
6. 根据权利要求5所述的集成磁性组件，其特征在于，所述主变压器包含：
第一主初级绕组，其联接到所述第一支柱；和
第一主次级绕组，其联接到所述第一支柱。
7.根据权利要求6所述的集成磁性组件，其特征在于，所述第一主初级绕组和所述第一主次级绕组各自具有相应的定向，且所述分别的定向具有关于彼此大致相反的极性。
8. 根据权利要求5所述的集成磁性组件，其特征在于，
第二主初级绕组联接到所述第二支柱；且
第二主次级绕组联接到所述第二支柱。
9.根据权利要求8所述的集成磁性组件，其特征在于，所述第二主初级绕组和所述第二主次级绕组各自具有相应的定向，且所述分别的定向具有关于彼此大致相反的极性。
10.根据权利要求5所述的集成磁性组件，其特征在于，所述激励变压器中感应的磁通量由所述主变压器抵消。
11. 根据权利要求5所述的集成磁性组件，其特征在于，所述激励变压器包括：
激励初级绕组，其联接到所述第三支柱；和
激励次级绕组，其联接到所述第四支柱。
12.根据权利要求11所述的集成磁性组件，其特征在于，所述激励初级绕组和所述激励次级绕组各自具有相应的定向，且所述分别的定向具有关于彼此大致相反的极性。
13.根据权利要求11所述的集成磁性组件，其特征在于，由所述主变压器感应的磁通量在所述激励初级绕组和所述激励次级绕组中大致抵消。
14.根据权利要求5所述的集成磁性组件，其特征在于：
所述主变压器包含：
主初级绕组，其联接到所述第一支柱；和
主次级绕组，其联接到所述第二支柱；并且
所述激励变压器包含：
激励初级绕组，其联接到所述第三支柱和所述第四支柱；和
激励次级绕组，其联接到所述第三支柱和所述第四支柱。
15.根据权利要求14所述的集成磁性组件，其特征在于，由所述激励变压器生成的磁通量在所述主变压器中大致抵消。
16.根据权利要求15所述的集成磁性组件，其特征在于，由所述激励初级绕组和激励次级绕组生成的磁通量在所述主初级绕组和主次级绕组中大致抵消。
17.一种组装集成磁性组件的方法，所述方法包含：
提供集成磁性芯中的第一板，所述第一板包括从所述第一板的第一表面向外延伸的多个支柱，所述多个支柱包括相对地布置的第一支柱和第二支柱、以及相对地布置的第三支柱和第四支柱，其中所述第一支柱和所述第二支柱从所述第一表面延伸第一长度，且所述第三支柱和所述第四支柱从所述第一表面延伸大于所述第一长度的第二长度；
提供所述集成磁性芯中的第二板；并且
将所述第二板至少联接到所述第一板的第三支柱和第四支柱。
18. 根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述第二板包括多个支柱，所述多个支柱包括第五支柱和第六支柱，且将所述第二板至少联接到所述第三支柱和所述第四支柱包含：
将所述第五支柱与所述第一支柱轴向地对准，使得所述第一支柱和所述第五支柱协同地在其之间限定第一间隙；以及
将所述第六支柱与所述第二支柱轴向地对准，使得所述第二支柱和所述第六支柱协同地在其之间限定第二间隙。
19. 根据权利要求17所述的方法，其特征在于，将所述第二板至少联接到所述第三支柱和所述第四支柱包含：
在所述第一支柱和所述第二板之间限定第一间隙；以及
在所述第二支柱和所述第二板之间限定第二间隙。
20. 根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法还包含：
将主变压器联接到所述第一支柱和所述第二支柱；以及
将激励变压器联接到所述第三支柱和所述第四支柱。
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