CN114255976A

CN114255976A - 一种集成电感及集成电路

Info

Publication number: CN114255976A
Application number: CN202010992671.6A
Authority: CN
Inventors: 杨鹏; 秦健; 周围; 王鸿; 杨运东; 程爽
Original assignee: ZTE Corp
Current assignee: ZTE Corp
Priority date: 2020-09-21
Filing date: 2020-09-21
Publication date: 2022-03-29

Abstract

本发明公开一种集成电感及集成电路，其中集成电感包括磁芯和绕组，磁芯包括磁芯中柱、第一边柱、第二边柱、上磁芯底板和下磁芯底板；绕组包括绕制在第一边柱上的第一电感绕组，以及绕制在第二边柱上的第二电感绕组；第一电感绕组产生的磁通方向与第二电感绕组产生的磁通方向相反；第一电感绕组产生的磁通密度和第二电感绕组所产生的磁通密度不同；第一边柱和第二边柱上均设置有气隙，第一边柱的气隙和第二边柱的气隙不同。本发明实现了根据实际铜损和铁损的所占比重进行灵活调整，减小磁芯体积，减小磁芯损耗，提高电路效率。同时，本发明还针对散热和效率考虑进行差异化设计，进行磁损和铜损的折衷，使得磁性元件线圈及磁芯能最大限度利用。

Description

一种集成电感及集成电路

技术领域

本发明涉及电路设计领域，尤其涉及一种集成电感及集成电路。

背景技术

随着功率半导体技术的发展，高效率、高功率密度、小体积是现代电力电子发展方向；这促使研究人员将开关频率向更高的方向去应用。然而开关频率的提高必然引起一系列的挑战，如：磁芯利用率降低，磁芯损耗的增加，低效率；功率电感、变压器是电力电子变换器中重要组成部分。随着磁元件相关技术的日益成熟，如何将磁元件做到集成化、小型化、高效率、高利用率的同时兼顾其散热是众多研究者们研究的热点。

发明内容

本发明实施例的其中一个目的在于提供一种集成电感，该集成电感用于解决现有技术中磁芯利用率低以及效率低下的问题，同时解决实际电感散热差异的问题。

为达到上述目的，本发明实施例提供的集成电感，包括磁芯和绕组，磁芯包括磁芯中柱、第一边柱、第二边柱、上磁芯底板和下磁芯底板；

绕组包括绕制在第一边柱上的第一电感绕组，以及绕制在第二边柱上的第二电感绕组；

第一电感绕组产生的磁通方向与第二电感绕组产生的磁通方向相反；

第一电感绕组产生的磁通密度和第二电感绕组所产生的磁通密度不同；

第一边柱和第二边柱上均设置有气隙，第一边柱的气隙和第二边柱的气隙不同。

为达到上述目的，本发明实施例还提供一种集成电路，包括上述集成电感。

本发明实施例的集成电感，通过第一边柱的绕组的匝数与第二边柱的绕组的匝数的不同，或，第一边柱的气隙与第二边柱的气隙的不同，以及第一电感绕组与第二电感绕组二者的磁通方向相反的设计，这样，使得两个边柱的磁通不一样，通过中柱相互减弱，使得磁性元件线圈及磁芯能充分的利用；由于两个边柱绕组的匝数不同，实现了，可以根据实际铜损和铁损所占比重进行灵活调整边柱绕组的匝数；同时由于可以灵活调整两个边柱绕组的匝数差异，也可以做到根据散热需求的不同进行对应的优化。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为根据本发明实施例的集成电感的结构组成及原理示意图；

图2为根据本发明实施例的集成电感一个实施例与匝数相同的电感磁芯损耗对比示意图；

图3为根据本发明实施例的集成电感应用于交错boost变换器中一个实施例示意图；

图4为根据本发明实施例的集成电感应用于交错无桥图腾变换器中一个实施例示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

本发明所说集成电感，是通过第一边柱的绕组的匝数与第二边柱的绕组的匝数的不同，或，第一边柱的气隙与第二边柱的气隙的不同；两个边柱绕组产生磁通方向相反，达到二者产生的磁通在中柱上互相减弱的目的。

实施例1

图1为根据本发明实施例的集成电感的结构组成及原理示意图，如图1所示，A、B分别代表A、B两个方向侧的电流的来向，本发明实施例的集成电感，包括，磁芯和绕组，磁芯包括磁芯中柱101、第一边柱102、第二边柱103、上磁芯104、下磁芯105；第一边柱绕组106、第二边柱绕组107；第一边柱气隙108以及第二边柱气隙109，其中，

磁芯中柱101、第一边柱102、第二边柱103、上磁芯104、下磁芯105，为一体成型。

第一边柱绕组106设置在第一边柱102上，形成第一电感。

第二边柱绕组107设置在第二边柱103上，形成第二电感。

第一边柱绕组106和第二边柱绕组107的绕线匝数不同。

第一边柱102中间设置有第一边柱气隙108。

第二边柱103中间设置有第二边柱气隙109。

第一边柱气隙108与第二边柱气隙109不同，磁芯中柱101没有气隙。

本发明实施例中，第一边柱气隙108、第二边柱气隙109可为单段气隙或多段气隙；

第一边柱绕组106和第二边柱绕组107产生磁通方向相反，二者在中柱上互相减弱，又由于第一边柱与第二边柱二者的绕组匝数不同、二者的气隙不一致，磁通密度不一样，即，第一边柱与第二边柱的磁通不一样，经中柱相互减弱并非相互抵消，使得一部分磁通走了磁芯中柱，这样使得磁性元件线圈及磁芯中柱能充分的利用。

本发明实施例中两个边柱中间所开气隙不相同，是由于两个边柱在所绕匝数不同，电感量相同条件下，所表现出来的必然特征。该特征同时还有两个边柱所产生的磁通也不相同。因此在中柱上并未完全抵消，而是互相减弱，可以在电流大小相同、磁通方向相反的时候使部分磁通走中间磁柱，使磁芯充分利用。

使得电流在第一电感绕组产生的磁通Φ1与在第二电感绕组产生的磁通Φ2也不相等，并且方向相反，Φ1与Φ2在磁芯中柱101上达到互相减弱的效果，从而减小中柱截面积，进而减小磁芯体积，减小磁芯损耗，可提高电路效率。

在本发明实施例中，上磁芯104与下磁芯105为相同的多边形磁芯。

在本发明实施例中，第一边柱102与第二边柱103为圆柱体或椭圆柱体或多棱柱结构。

在本发明实施例中，磁芯为铁氧体、非晶体、硅钢或磁粉芯。

在本发明实施例中，利用磁性材料的集成结构，在两个边柱上绕线，使得电流在两个边柱上产生方向相反的磁通，并且由于两个边柱上均开有不同气隙，中柱上没有气隙，从而使两个边柱的磁通在中柱上相互减弱，从而能减小中柱截面积，进而减小磁芯体积，减小磁芯损耗，提高电路效率。

实施例2

在本发明实施例中，上磁芯、下磁芯可以共同采用六边形或者其他相同形状的多边形磁芯。

在本发明实施例中，第一边柱与第二边柱可以同为圆柱体、椭圆柱体或多棱柱。

在本发明实施例中，第一边柱与第二边柱均开有一个或多个气隙，并且第一边柱的气隙与第二边柱的气隙不同。

在本发明实施例中，第一边柱与第二边柱共用磁芯中柱的磁路，但是，两个边柱所产生的磁路互不影响。

在本发明实施例中，第一边柱上绕组匝数与第二边柱上绕组匝数不同。

在本发明实施例中，磁芯材料为铁氧体、非晶体、硅钢或磁粉芯。

实施例3

图2为根据本发明的集成电感一个实施例与匝数相同的电感磁芯损耗对比示意图；如图2所示，在本示意图中，横坐标为时间轴，即若干开关周期，纵坐标为损耗轴。随着时间的增加，带来横坐标的延伸；随着纵坐标的延伸，代表损耗的增加。

当两个边柱的绕组相同时（例如为25：25时，如图2所示），在同一时间的磁芯损耗远远高于同一集成电感在两个边柱绕组不同时（例如为35：25时，如图2所示）的磁芯损耗。

如上述示意图可以看出，采用线圈匝数相同（同为25匝）时，磁损比较大，效率受到影响，考虑到有一组线圈散热较差，因此增加另外一组散热效果良好的线圈的匝数（例如增加到35匝），损耗明显下降，提升了效率同时兼顾了散热。

在本发明实施例中，可以在实际设计中根据实际情况进行相应线圈绕组匝数的调整，当增加某一边绕组匝数时，带来的效果是：铜损增加，磁损减小，气隙增大；当减小某一边绕组匝数时，带来的效果是：铜损减小，磁损增加，气隙减小。这样，在实际应用中可根据实际铜损和铁损所占比重进行灵活调整，提高效率。

在本发明的另一实施例中，电感器在实际应用中，无论是自然散热还是风冷散热的环境中，都有进风道面和背风道面，亦或是近热源或者远离热源。都可根据实际情况进行差异化最优设计，如近风道面，散热效果较好的情况下，可以适当增加匝数，来降低磁损；再或者，远风道面，散热效果不佳的情况，可以减小绕线匝数，来降低铜损。

在这种情况下，针对散热和效率考虑进行差异化设计，进行磁损和铜损的折衷，使得磁性元件线圈及磁芯能最大限度利用。

实施例4

图3为根据本发明的集成电感应用于交错boost变换器中一个实施例示意图，如图3所示，功率开关管开通时，电感进行储能；功率开关管关断后，电感上的能量通过二极管进行释放。

如图3所示的方案中，若集成电感为普通分立电感，则会出现多个磁件相互独立，所占面积较大的问题，以至于影响电路板（PCB）上其他元件的布局，而且无法根据实际情况，进行磁元件的磁芯损耗和绕组铜损的差异化设计。

采用本发明的集成电感，通过第一边柱的绕组的匝数与第二边柱的绕组的匝数的不同，或，第一边柱的气隙与第二边柱的气隙的不同，以及第一电感绕组与第二电感绕组二者的磁通方向相反的设计，这样，使得两个边柱的磁通不一样，通过中柱相互减弱，使得磁性元件线圈及磁芯能最大限度利用。另外，由于两个边柱绕组的匝数不同，可以根据实际铜损和铁损所占比重进行灵活调整；同时由于可以灵活调整两个边柱绕组的匝数比重，可以做到根据散热需求的不同进行对应的优化。

实施例5

图4为根据本发明的集成电感应用于交错无桥图腾变换器中一个实施例示意图，如图4所示，当输入电压正半周时，功率开关管S6保持常开，两支路S1(S3)、S2(S4)高频动作，同理输入电压负半周时，S5保持常开，两支路S1(S3)、S2(S4)高频动作。通过一系列控制算法使得输入电流跟随输入电压变化，达到功率因数校正并传递能量的目的。

如图4所示的方案中，若集成电感为普通分立电感，亦会出现多个磁件相互独立，所占面积较大的问题，以至于影响电路板（PCB）上其他元件的布局，而且无法根据实际情况，进行磁元件的磁芯损耗和绕组铜损的差异化设计。

若采用本发明的集成电感，通过第一边柱的绕组的匝数与第二边柱的绕组的匝数的不同，或，第一边柱的气隙与第二边柱的气隙的不同，以及第一电感绕组与第二电感绕组二者的磁通方向相反的设计，这样，使得两个边柱的磁通不一样，通过中柱相互减弱，使得磁性元件线圈及磁芯能最大限度利用。另外，由于两个边柱绕组的匝数不同，可以根据实际铜损和铁损所占比重进行灵活调整；同时由于可以灵活调整两个边柱绕组的匝数比重，可以做到根据散热需求的不同进行对应的优化。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims

1.一种集成电感，其特征在于，包括磁芯和绕组，所述磁芯包括磁芯中柱、第一边柱、第二边柱、上磁芯底板和下磁芯底板；

所述绕组包括绕制在所述第一边柱上的第一电感绕组，以及绕制在所述第二边柱上的第二电感绕组；

所述第一电感绕组产生的磁通方向与所述第二电感绕组产生的磁通方向相反；

所述第一电感绕组产生的磁通密度和所述第二电感绕组所产生的磁通密度不同；

所述第一边柱和所述第二边柱上均设置有气隙，所述第一边柱的气隙和所述第二边柱的气隙不同。

2.如权利要求1所述的电感，其特征在于，所述第一电感绕组与所述第二电感绕组匝数不同。

3.如权利要求1所述的电感，其特征在于，所述第一边柱的气隙和所述第二边柱的气隙为单段气隙或多段气隙。

4.如权利要求1所述的电感，其特征在于，所述磁芯中柱没有气隙。

5.如权利要求1-4任意一项所述的电感，其特征在于，所述上磁芯底板、所述下磁芯底板、所述磁芯中柱、所述第一边柱以及所述第二边柱为一体化设计。

6.如权利要求5所述的电感，其特征在于，所述上磁芯底板、所述下磁芯底板为多边形磁芯。

7.如权利要求5所述的电感，其特征在于，所述第一边柱、所述第二边柱为圆柱体或椭圆柱体或多棱柱。

8.如权利要求7所述的电感，其特征在于，所述磁芯为铁氧体、非晶体、硅钢或磁粉芯。

9.一种集成电路，其特征在于，包括：权利要求1-8任意一项所述的集成电感。