CN114783735A - 电感器和电源电路 - Google Patents

Abstract

本申请涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种电感器和电源电路，电感器包括间隔设置的第一线圈和第二线圈；所述第一线圈和第二线圈均被磁芯包覆；其中，位于所述第一线圈和第二线圈之间的磁芯的磁导率小于剩余部分磁芯的磁导率。电源电路包括两路并联连接的功率级电路，功率级电路中的电感被配置为如本申请的电感器。本发明的电感器的磁芯通过采用磁导率不同的两种磁粉芯材料制成，以及在电感器结构上的改进，导致两个线圈之间的磁阻变大，进而导致第一线圈产生的不耦合到第二线圈的磁通量变小，从而提高了电感器的耦合系数。因此，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点，进而具有高度产业利用价值。

Description

电感器和电源电路

技术领域

本申请涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种电感器和电源电路。

背景技术

耦合电感越来越多的运用于电压调节模组(VRM，Voltage Regulator Module)电路中，目前，双路耦合的电感器主要采用图1所示的结构，电感器由铁氧体组装构成，通过调节三个气隙大小来控制电感器的耦合程度，现有电感器存在如下不足：1、由于铁氧体材料的饱和磁通密度比较低，电感器的耦合系数小，电感器的传输功率低；2、电感器在制做过程需要调节上述三个气隙的大小来调节电感器的耦合程度，三个气隙大小均是电感器耦合系数的影响因子，在实际量产中，电感器的耦合系数难以控制，不利于电感器的量产和自动化生产。

申请内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种电感器和电源电路，以解决现有技术中存在的电感器的耦合系数低的技术问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种电感器，包括：间隔设置的第一线圈和第二线圈；

所述第一线圈和第二线圈均被磁芯包覆；其中，位于所述第一线圈和第二线圈之间的磁芯的磁导率小于剩余部分磁芯的磁导率。

在其中一个实施例中，所述磁芯包括：第一组件和两个第二组件；两个所述第二组件对称分布在所述第一组件的两侧，且第一组件与第二组件相互接触；所述第一组件的磁导率小于所述第二组件的磁导率。

在其中一个实施例中，两个所述第二组件分别将两个所述线圈包覆在其内部，并将所述线圈的出头裸露在其外端。

在其中一个实施例中，还包括多个焊盘，所述焊盘的数量与所述线圈出头的数量一致，多个所述焊盘分别与两个所述线圈的出头电性连接。

在其中一个实施例中，所述电感器还包括：覆盖在所述电感器外表面上的一体封装材料。

在其中一个实施例中，所述磁芯由磁粉芯材料制成。

在其中一个实施例中，所述磁芯成型工艺采用烧结组装工艺。

在其中一个实施例中，所述磁芯成型工艺采用一体成型压制工艺。

在其中一个实施例中，所述线圈是叠层线圈。

在其中一个实施例中，所述叠层线圈的匝间通过磁粉芯材料隔开的。

在其中一个实施例中，制成所述第一芯体的磁粉芯材料与制成所述第二芯体的磁粉芯材料相同。

在其中一个实施例中，制成所述第一芯体的磁粉芯材料与制成所述第二芯体的磁粉芯材料不相同。

第二方面，本申请实施例还提供了一种电源电路，所述电路包括两路并联连接的功率级电路，所述功率级电路中的电感被配置为如第一方面所述的电感器。

在其中一个实施例中，所述功率级电路的类型被配置为降压型和升降压型中的其中之一。

相比于相关技术，本申请实施例提供的电感器，包括：磁芯和2个线圈；所述磁芯包括第一芯体和2个第二芯体，2个所述第二芯体以所述第一芯体为对称面呈镜像分布，2个所述线圈分别绕设在2个所述第二芯体上，2个所述第二芯体的两端均与所述第一芯体连接；所述第一芯体的磁导率低于所述第二芯体的磁导率。本发明的电感器的磁芯通过采用磁导率不同的两种磁粉芯材料制成，以及在电感器结构上的改进，导致两个线圈之间的磁阻变大，进而导致第一线圈产生的不耦合到第二线圈的磁通量变小，从而提高了电感器的耦合系数。另一方面，通过不同磁导率的磁芯的设置，可以更加准确和方便的调节电感器的耦合系数，非常有利于电感器的量产。因此，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点，进而具有高度产业利用价值。

本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的电感器的结构示意图；

图2为本申请一个实施例的电感器的立体结构示意图；

图3为图2的长轴方向剖视示意图；

图4为图2的短轴方向剖视示意图；

图5为两个线圈的磁通路径示意图；

图6为本申请实施例的电源电路的降压型电路图；

图7为本申请实施例的电源电路的升压型电路图。

附图标记说明：

1、气隙；11、第一气隙；12、第二气隙；13、第三气隙；2、铁氧体磁芯；21、板型芯体；22、E型芯体；3、线圈；31、第三线圈；32、第四线圈；4、磁芯；4a1、第二组件I；4b、第一组件；4a2、第二组件II；5、线圈；51、第一线圈；52、第二线圈；6、焊盘；71、互感磁通路径；72、第二线圈的自感磁通路径；8、电感器；91、第一开关模块；92、第二开关模块。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。

在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。

除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块(单元)的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本申请所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本申请所涉及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。本申请所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。

双路耦合的电感器，在Interleave operation情况下，两个线圈的负耦合特性可以减小电感器的纹波，同时，可以提高电感器的动态特性。由于双路耦合电感器的直流磁通抵消，还能相应的减少电感器的磁性元件的尺寸。因此，双路耦合电感器在VRM电路的应用越来越广泛。

正如背景技术所述，现有技术中的电感器存在耦合系数低的技术问题，经发明人研究发现，出现这种问题的原因在于，首先，现有技术中的电感器的磁芯采用铁氧体材料制成，铁氧体材料本身的存在饱和磁通密度低的缺点，导致电感器的耦合系数低，另外，现有技术中的电感器结构需要通过调节板型芯体21和E型芯体22之间的第一气隙11、第二气隙12和第三气隙13的大小来调节电感器的耦合系数，由于第一气隙11、第二气隙12和第三气隙13的大小难以控制，因此，电感器的耦合系数难以调节，另外，现有技术中的电感器不利于量产和自动化生产。

基于以上原因，本发明提供了一种电感器。在一个实施例中，请参阅图2至图5，图2为本申请一个实施例的电感器的立体结构示意图，图3为图2的长轴方向剖视示意图，图4为图2的短轴方向剖视示意图，图5为两个线圈的磁通路径示意图。

如图2-5所示，在本申请实施例中，提供了一种电感器，包括：间隔设置的第一线圈51和第二线圈52；

在本申请实施例中，线圈可以是叠层线圈也可以是绕线式线圈。叠层线圈是指采用叠层实体制造工艺制成的线圈，是非绕线式的线圈中的一种线圈，采用叠层线圈制成的电感器被称之为叠层电感，叠层电感具有外形尺寸小的优点，叠层电感还具有闭合电路，无交互干扰，适合于高密度安装和无方向性，规范化的自动贴片安装外形以及可焊性和耐焊性优，适合于流焊和再流焊的优点。与绕线式线圈不同的是叠层线圈还具有叠层的散热性更好，ESR值更小，叠层电感的成本比绕线式电感的成本低的优点。

在本申请实施例中，以叠层线圈为例进行阐述，需要说明的是，在实际使用中，可根据实际需要选择线圈的制造工艺，不以本实施例为限。

在本申请实施例中，第一线圈51和第二线圈52均被磁芯包覆；其中，位于第一线圈51和第二线圈52之间的磁芯的磁导率小于剩余部分磁芯的磁导率。

在本申请实施例中，磁芯4包括第一组件4b和两个第二组件4a；两个第二组件4a对称分布在第一组件4b的两侧，且第一组件4b与第二组件4a相互接触；第一组件4b的磁导率小于第二组件4a的磁导率。

2个第二组件4a以第一组件4b为对称面呈镜像分布。

在本申请实施例中，两个第二组件4a分别将第一线圈51和第二线圈52包覆在其内部，并将第一线圈51和第二线圈52的出头裸露在其外端。

如图2-4所示，在本申请实施例中，磁芯4用于是用来加大电磁线圈磁路的磁通密度(磁通量)降低铜损耗，以增加电磁感应强度，提高转换效率。

在一些实施例中，磁芯4可以是由各种氧化铁混合物组成的一种烧结磁性金属氧化物。例如，锰-锌铁氧体和镍-锌铁氧体是典型的磁芯材料。锰-锌铁氧体具有高磁导率和高磁通密度的特点，且具有较低损耗的特性。镍-锌铁氧体具有极高的阻抗率、不到几百的低磁导率等特性。因此，铁氧体磁芯广泛用于各种电子设备的线圈和变压器中。

在本申请实施例中，第一组件4b和第二组件4a均由镍锌铁氧体材料制成。在另一些实施例中，第一组件4b和第二组件4a均由低磁导率的粉芯材料制成。

在本申请实施例中，磁粉芯材料是将铁磁性粉末与绝缘介质混合压制而成的一种复合软磁材料。磁性粉末包含Fe、Fe-Ni-Mo.Fe-Si-Al金属粉及非晶、纳米晶态合金粉，绝缘包覆剂大体可以分为有机包覆剂(环氧树脂、聚酰胺树脂、硅树脂、聚乙烯醇、酚醛树脂及聚苯乙烯等)和无机包覆剂(云母、水玻璃、氧化物层等)。具有较高的饱和磁感应强度、高电阻、良好的频率特性，高频损耗低，高宽恒导磁和恒导磁等优点，其本身具有比铁氧体高得多的饱和磁通密度和更低的热导率。

由于低磁导率的粉芯材料，其磁介质性质较弱，低磁导率的粉芯材料的内部具有分布式气隙，其磁导率例如是9u～40u。在本发明实施例中，磁粉芯材料的磁导率低，芯体4本身具有超高电阻率的绝缘特性，可以满足线圈5与磁芯4之间的绝缘距离，因此线圈5与磁芯4之间无需通过其他绝缘材料将二者绝缘，省去了互感器骨架，缩小了互感器的体积。

由于第一组件4b的磁导率低于第二组件4a的磁导率，在本申请实施例中，第一组件4b的磁导率低于第二组件4a的磁导率。也就是说第一线圈51和第二线圈52之间设置有一层第一组件4b，第一组件4b磁导率相对于第二组件I 4a1和第二芯体II 4a2的磁导率来说相对较低，第一线圈51对第二线圈52的耦合程度决定于两个线圈互感磁通路径71的磁通占总磁通的比例，两个线圈互感磁通路71和第二线圈52的自感磁通路径72，如图5所示，由于第一芯体4b的磁导率相对较低，第二线圈52的自感磁通路径72的磁阻变大，磁通变小，互感磁通路径71的磁通所占比例显著增加，因此，第一线圈51和第二线圈的耦合系数显著增加，具体的推导如下：

Kcouple＝Ψc/(Ψs+Ψc)

由于Rinter增加，Ψs减小，所以，耦合系数Kcouple增加。

其中，Rinter为两个线圈之间部分的磁阻；

Ψc为第一线圈51产生的耦合到第二线圈52的磁通量(磁流)；

Ψs为第一线圈51产生的不耦合到第二线圈52的磁通量(磁流)。

综上，本申请可以解决现有技术中存在的电感器的耦合系数低的技术问题。

在其中一个实施例中，磁芯成型工艺采用烧结组装工艺，在其他实施例中，磁芯成型工艺采用一体成型压制工艺。

需要说明的是，磁芯的成形工艺包括但不限于上述两种成型工艺，也可以是其他形式的成型工艺，在此不在一一赘述。

作为示例，磁芯4的结构为附图中所示的结构，需要说明的是，在实际使用中，可根据需要设置磁芯4的形状结构不以本实施例为限。

在其中一个实施例中，制成第一芯体的磁粉芯材料与制成第二芯体的磁粉芯材料相同。采用相同的磁粉芯材料但采用不同的制成工艺可以制成不同磁导率的芯体，主要通过调整成型压力以及热处理工艺来改变磁导率，还可以通过改变磁粉芯的粉粒的大小和形状，以及通过改变绝缘介质的含量来调整磁导率。

总之，可以采用相同的磁粉芯材料制成不同磁导率的两种磁芯，具体的，将磁导率相对较低的磁芯用作第一芯体4b，将磁导率相对较高的磁芯用作第二芯体I 4a1和第二芯体II 4a2。

需要说明的是，磁粉芯的粉粒组分不受限，只要采用相同的磁粉芯材料制成不同磁导率的磁芯的情况均可，在此不再一一赘述。

在其他实施例中，制成所述第一芯体的磁粉芯材料与制成所述第二芯体的磁粉芯材料不相同。采用不同的磁粉芯材料制成不同磁导率的芯体。磁粉芯材料的磁导率主要取决于粉粒材料的导磁率，采用粉粒材料导磁率高的磁粉芯材料制成的芯体分别用作第二芯体I 4a1和第二芯体II 4a2，采用粉粒材料导磁率相对较低的磁粉芯材料制成的芯体用作第一芯体4b。

在其中一个实施例中，电感器还包括：覆盖在电感器外表面上的一体封装材料。

在本申请实施例中，封装材料将电感器一体封装，封装后的电感器具有安全和可靠的优点，其中，封装材料可以是环氧树脂等绝缘材料，封装后的电感器具有更高的可靠性。

在其中一个实施例中，线圈5是叠层线圈，叠层线圈的匝间通过磁粉芯材料隔开的，磁粉芯材料磁导率低，具有很好的绝缘性。具体的，在叠层线圈的匝间铺上磁粉芯材料，磁粉芯材料的厚度约10um左右，叠层线圈的匝间就可以相互缘材，能实现叠层线圈的匝间绝缘。在此不对磁粉芯材料的粉芯组分不做限定，任意能实现叠层线圈匝间绝缘设置的方式均适用于本申请。

在其中一个实施例中，电感器还包括多个焊盘6，焊盘6的数量与线圈5出头的数量一致，多个焊盘6分别与线圈5的出头电性连接。焊盘6用于将电感器通过焊接的方式连接在电路板上，焊盘还具有散热的功能，将第一线圈51、第二线圈52上产生的热量通过焊盘散出。

在本申请实施例中，焊盘6的数量是4个，需要说明的是，焊盘6的形状不受限制，在本申请中，焊盘6的形状如附图所示，只要能将电感器通过焊接6连接在电路板上的情况均可，在此不再一一赘述。

综上所述，本发明提供一种电感器，电感器包括间隔设置的第一线圈和第二线圈；第一线圈和第二线圈均被磁芯包覆；其中，位于第一线圈和第二线圈之间的磁芯的磁导率小于剩余部分磁芯的磁导率。本发明的电感器的磁芯通过采用磁导率不同的两种磁粉芯材料制成，以及在电感器结构上的改进，导致两个线圈之间的磁阻变大，进而导致第一线圈产生的不耦合到第二线圈的磁通量变小，从而提高了电感器的耦合系数。因此，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点，进而具有高度产业利用价值。

如图6所示，图6为本申请实施例的电源电路的降压型电路图。

具体的，电源电路包括电感器8、第一开关模块91、第二开关模块92和电容Cout。

在本实施例中，第一开关模块91包括第一开关S11和第二开关S12；第一开关模块91中第一开关S11的第一端接收输入电压Vin，第一开关S11的第二端连接电感器8中第一线圈51的第一端；第一线圈51的第二端连接电容Cout的上极板；电容Cout的下极板接地；第一开关模块91中第二开关S12的第一端连接第一开关S11与第一线圈51的连接节点，第一开关模块91中第二开关S12的第二端接地；第一开关模块91中，在第一开关S11处于导通状态时则第二开关S12处于断开状态，对应的，在第一开关S11处于断关状态时则第二开关S12处于导通状态。

相应的，第一开关模块92包括第三开关S11和第二开关S12；第二开关模块92包括第三开关S21和第四开关S22；第二开关模块92中第三开关S21的第一端接收输入电压Vin，第二开关模块92中第三开关S21的第二端连接电感器8中第二线圈52的第一端；第二线圈52的第二端连接输出电容Cout的上极板；第二开关模块92中第四开关S22的第一端连接第三开关S21与第二线圈52的连接节点，第二开关模块92中第四开关S22的第二端接地；第二开关模块92中，在第三开关S21处于导通状态时则第四开关S22处于断关状态，对应的，在第三开关S21处于断关状态时则第四开关S22处于导通状态。

如图7所示，图7为本申请实施例的电源电路的升压型电路图。

具体的，电源电路包括电感器8、第一开关模块91、第二开关模块92和电容Cout。

在本实施例中，第一开关模块91包括第一开关S11和第二开关S12；电感器8中第一线圈51的第一端接收输入电压Vin，第一线圈51的第二端连接第一开关模块91中第二开关S12的第一端，第一开关模块91中第二开关S12的第二端接地；第一开关模块91中第一开关S11的第一端连接第二开关S11与第一线圈51的连接节点，第一开关模块91中第一开关S11的第二端连接电容Cout的上极板，电容Cout的下极板接地。第一开关模块91中，在第一开关S11处于导通状态时则第二开关S12处于断开状态，对应的，在第一开关S11处于断关状态时则第二开关S12处于导通状态。

相应的，第二开关模块92包括第三开关S21和第四开关S22；电感器8中第二线圈52的第一端接收输入电压Vin，第二线圈52的第二端连接第二开关模块92中第三开关S21的第一端，第二开关模块92中第四开关S22的第二端接地；第二开关模块92中第三开关S21的第一端连接第四开关S22与第二线圈52的连接节点，第二开关模块92中第三开关S21的第二端连接电容Cout的上极板，电容Cout的下极板接地。第二开关模块92中，在第三开关S21处于导通状态时则第四开关S22处于断开状态，对应的，在第三开关S21处于断关状态时则第四开关S22处于导通状态。

采用依据本发明实施例的电感器的电源电路，由于电感器的耦合系数高，大大提高了电感器的传输功率，提高了转换效率，降低了功率损耗。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (14)

1.一种电感器，其特征在于，包括：

间隔设置的第一线圈和第二线圈；

所述第一线圈和第二线圈均被磁芯包覆；

其中，位于所述第一线圈和第二线圈之间的磁芯的磁导率小于剩余部分磁芯的磁导率。

2.根据权利要求1所述的电感器，其特征在于，所述磁芯包括：第一组件和两个第二组件；

两个所述第二组件对称分布在所述第一组件的两侧，且第一组件与第二组件相互接触；

所述第一组件的磁导率小于所述第二组件的磁导率。

3.根据权利要求2所述的电感器，其特征在于，两个所述第二组件分别将两个所述线圈包覆在其内部，并将所述线圈的出头裸露在其外端。

4.根据权利要求1或3所述的电感器，其特征在于，还包括多个焊盘，所述焊盘的数量与所述线圈出头的数量一致，多个所述焊盘分别与两个所述线圈的出头电性连接。

5.根据权利要求1所述的电感器，其特征在于，还包括：覆盖在所述电感器外表面上的一体封装材料。

6.根据权利要求1所述的电感器，其特征在于，所述磁芯由磁粉芯材料制成。

7.根据权利要求6所述的电感器，其特征在于，所述磁芯成型工艺采用烧结组装工艺。

8.根据权利要求6所述的电感器，其特征在于，所述磁芯成型工艺采用一体成型压制工艺。

9.根据权利要求6所述的电感器，其特征在于，制成所述第一芯体的磁粉芯材料与制成所述第二芯体的磁粉芯材料相同。

10.根据权利要求6所述的电感器，其特征在于，制成所述第一芯体的磁粉芯材料与制成所述第二芯体的磁粉芯材料不相同。

11.根据权利要求1所述的电感器，其特征在于，所述线圈是叠层线圈。

12.根据权利要求11所述的电感器，其特征在于，所述叠层线圈的匝间通过磁粉芯材料隔开的。

13.一种电源电路，包括两路并联连接的功率级电路，其中，所述功率级电路中的电感被配置为如权利要求1-12中任意一项所述的电感器。

14.根据权利要求13所述的电路，其特征在于，所述功率级电路的类型被配置为降压型和升降压型中的其中之一。

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