CN204067006U - 功率因素校正器及其电感器 - Google Patents

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汪子鸿
徐皓德
罗世宏
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Abstract

一种功率因素校正器及其电感器，电感器包含一线圈、一铁芯及一辅助铁芯，铁芯包含绕线部，铁芯上形成有二相对端面；辅助铁芯具有一顶面，辅助铁芯设置于其中的一端面并与另一端面相对且相间隔，而于其间形成一气隙，该辅助铁芯的导磁率小于该铁芯的导磁率；线圈分别缠绕覆盖绕线部、气隙及辅助铁芯。辅助磁芯外加电流上升而较铁芯早进入磁饱和状态，并使得通过电感器单位时间内的电流变化量下降。

Description

功率因素校正器及其电感器
技术领域
本实用新型是有关于一种功率因素校正器及其电感器，特别是指一种可以在中载及轻载操作皆维持高效率的功率因素校正器及在中载及轻载分别具有不同磁通密度的电感器。
背景技术
在交流电路中，功率因素定义为实功率(Real Power)与视在功率(Apparent Power)的比值，其主要作用是让电压与电流的相位相同且使负载近似于电阻性。由于现代电子产品对于功率因素的要求越来越严格，因此对于电子产品功率因素校正器的使用率也大幅提升，其主要原因在于功率因素偏低时，谐波的增加及干扰会造成电路的不稳定性，造成供电系统与用电系统品质降低。
在功率因素校正器中，通常利用电感器以进行储能，使得电压与电流的相位相同的。然而，现今一般的电感器在设计上，多会使二铁芯之间具有较大气隙以避免其磁通太快饱和，借以满足中载时的操作效率。然而，过大的气隙使得磁阻增加使得功率因素校正器在轻载时的操作效率降低。
实用新型内容
本实用新型的目的，在于提供一种可以改善在轻载操作时漏感问题的电感器，同时本实用新型还提供一种具有此电感器的功率因素校正电路。
为达前述目的，本实用新型提供一种电感器，包含：一铁芯，包含一绕线部，该铁芯上形成有二相对端面；一辅助铁芯，具有一顶面，该辅助铁芯设置于其中的一端面并与另一端面相对且相间隔，而于其间形成一气隙，该辅助铁芯的导磁率小于该铁芯的导磁率；以及一线圈，缠绕覆盖该绕线部、该气隙及该辅助铁芯，其中，该辅助磁芯外加电流上升而较该铁芯早进入磁饱和状态，并使得通过该电感器单位时间内的电流变化量下降。
上述的电感器，其中该铁芯包含:一第一铁芯，包含一第一主芯部及二第一侧翼部，该等第一侧翼部位于该第一主芯部的相对两侧，该等第一侧翼部及该第一主芯部之间形成一第一容置槽，该第一主芯部具有该端面；一第二铁芯，包含一第二主芯部及二第二侧翼部，该等第二侧翼部位于该第一主芯部的相对两侧，该等第二侧翼部及该第一主芯部之间形成一第二容置槽，该辅助铁芯设置于该第二主芯部，该辅助铁芯具有该顶面，该等第一侧翼部与该等第二侧翼部对应接合，使该第一主芯部的该端面与该辅助铁芯的该顶面相对且相间隔，而于其间形成该气隙，该线圈缠绕覆盖该第一主芯部、该气隙、该辅助铁芯及该第二主芯部上，当该电流导通至该电感器时，该第一铁芯及该第二铁芯感应产生的磁通密度分别大于该辅助铁芯感应产生的磁通密度。
上述的电感器，其中该铁芯可为一环型磁铁。
上述的电感器，其中该等端面的表面积与该顶面的表面积。
本实用新型还提供一种功率因素校正器，电连接于一交/直流转换器及一负载，该交/直流转换器用以输出一直流电力，该功率因素校正器包含：一上述的电感器，该电感器电连接于该交/直流转换器；一二极管，电连接于该电感器及该负载；一开关元件，电连接于该电感器及该二极管；以及一电容器，电连接于该二极管及该开关元件。
本实用新型通过辅助铁芯来调整形成在辅助铁芯与铁芯之间的线性气隙，让电感器可依流经的电流量大小选择适当的磁阻回路来调整其电感值，以承受不同范围的电流变化。
附图说明
图1为本实用新型第一实施方式的第一铁芯、第二铁芯及辅助铁芯的立体分解图；
图2为本实用新型第一实施方式的第一铁芯、第二铁芯及辅助铁芯的组合剖视图；
图3为本实用新型第一实施方式的电感器的剖视图；
图4为功率因素校正模块的电路图；
图5所示本实用新型的电感器在静态测试下所对应的电感值-电流特性曲线图；
图6所示本实用新型的功率因素校正器在动态测试下所对应的负载-效率特性曲线图。
图7为本实用新型第二实施方式的电感器的俯视图。
其中，附图标记：
1、1a电感器                        10第一铁芯
100第一主芯部                      102第一侧翼部
104第一基板                        106第一容置槽
108、112、128端面                  11铁芯
110绕线部                          12第二铁芯
120第二主芯部                      122第二侧翼部
124第二基板                        126第二容置槽
13、14辅助铁芯                     130、140顶面
142底面                            15、18线圈
16胶材                             17、22气隙
C电容器                            D二极管
S开关元件
具体实施方式
请参考附图，本新型揭示内容的以上及额外目的、特征及优点将透过本揭示内容的较佳实施例的以下阐释性及非限制性详细描叙予以更好地理解。
配合参阅图1及图2，分别为本实用新型的第一铁芯、第二铁芯及辅助铁芯的立体分解图及剖视图。电感器1包含一第一铁芯10、一第二铁芯12及一辅助铁芯14。
第一铁芯10包含第一主芯部100及第一侧翼部102，第一侧翼部102位于第一主芯部100的相对两侧，第一主芯部100、第一侧翼部102及第一基板104配合形成第一容置槽106，使第一铁芯10的外型E形；其中第一基板104、第一主芯部100及第一侧翼部102可例如使用铁氧体材料制作而成，且第一基板104、第一主芯部100及第一侧翼部102为一体成型。
第一主芯部100的侧面概呈圆柱状，使其具有圆形的端面108，端面108位于第一主芯部100远离第一基板104的一侧，端面108概呈水平面。
第二铁芯12包含第二主芯部120及第二侧翼部122，第二侧翼部122位于第二主芯部120的相对两侧，第二主芯部120、第二侧翼部122及第二基板124配合形成第二容置槽126，使第二铁芯12的外型呈E形；其中第二基板124、第二主芯部120及第二侧翼部122可例如使用铁氧体材料制作而成，且第二基板124、第二主芯部120及第二侧翼部122为一体成型。值得一提的是，第一铁芯10及第二铁芯12是使用相同的材料制作而成；此外第一铁芯10及第二铁芯12可以是两个相互分离的个体，或者第一铁芯10及第二铁芯12也可以是一体成型而为单一个铁芯。
第二主芯部120的侧面概呈圆柱状，使其具有圆形的端面128，端面128位于第二主芯部120远离第二基板124的一侧，端面128概呈水平面。
辅助铁芯14的侧面概呈圆柱状，且具有圆形的顶面140及底面142，顶面140及底面142概呈水平面，底面140的表面积相同于端面128的表面积。辅助铁芯14可例如使用铁氧体材料制作而成，但辅助铁芯14的制作材料不同于第一铁芯12及第二铁芯14的制作材料。第一铁芯10及第二铁芯12的导磁率(Permeability)分别大于辅助铁芯14的导磁率。
辅助铁心14设置于第二主芯部120，底面142贴设于第二主芯部120的端面128。电感器1还可以包含一胶材16，胶材16设置于第二主芯部120及辅助铁芯14之间，用以结合辅助铁芯14及第二主芯部120。
第一铁芯10的第一侧翼部102及第二铁芯12的第二侧翼部122对应接合，使第一主芯部100的端面108与设置在第二主芯部120上的辅助铁芯14的顶面140相对且相间隔，并于端面108与顶面140之间形成一气隙(air gap)22。由于第一主芯部100的端面108为平面，且辅助铁芯14的顶面140为平面，故气隙22为线性气隙。
电感器1还包含一线圈18，如图3所示，线圈18缠绕覆盖在第一主芯部100、第二主芯部120、辅助铁芯14及气隙22配合构成的绕线部上。电感器1也可以包含一绕线架20，绕线架20呈圆筒状并套设在绕线部上，线圈18绕设在绕线架20上。
此外，该电感器1可以与二极管D、开关元件S及电容器C配合构成功率因素校正器，如图4所示。功率因素校正器是通过控制开关元件S的导通与截止，从而控制流经电感器1的电流，迫使输入电流的波形及相位与输入电压的波形及相位趋于一致。功率因素校正器1具有电源输入端Vi及电源输出端Vo，电源输入端Vi供连接到交/直流转换器，以接收通过整流后的正弦脉动直流电力；交/直流转换器可例如为桥式整流器。电源输出端Vo供连接至负载，所述负载可例如是直流/直流电源转换器，此直流/直流电源转换器接收通过功率因素校正器的电力。功率因素校正器具有稳定输入电压及提升输入电压准位的功能。
电感器1电连接于电源输入端Vi及二极管D的阳极，开关元件S电连接于电感器1、二极管D的阳极及电源输出端Vi。电容器C并联电源输出端Vo，同时电连接于二极管D的阴极。开关元件S可例如(但不限定)是金属氧化物半导体场效应晶体管。
当开关元件S导通时，交/直流转换器输出的一直流电压与电感器1、开关元件S形成回路，电感器1充电。开关元件S截止时，电感器L经由二极管D对放电，电容器C充电；其中，开关元件S截止时，二极管D可以防止反向电流流进电感器1。
所述电感器1在实际操作时，因辅助铁芯14的制作材料不同于第一铁芯10及第二铁芯12，且辅助铁芯14的设置使得第一主芯部100及第二主芯部102之间的气隙22小于传统电感器的气隙。
图5所示为电感器1在静态测试下所对应的电感值-电流特性曲线图。其中图5所示曲线A为对应本实用新型的电感器的电感值-电流特性曲线；当功率因素校正器操作在轻载(电流概约6安培以下)时，电感器1具有初始电感值。当导通至功率因素校正器的电流逐渐增加并使得功率因素校正器进入中载操作(电流概约介于6至12安培)时，辅助铁芯14的磁通密度因电流增加而上升，并较第一铁芯10及第二铁芯12早进入磁饱和状态。
此外，因电感器1的电感值相当于电感器1上的跨压与单位时间内电流量变化的乘积，即L＝V.(dI/dt)。当辅助铁芯14进入磁饱和状态时，电感器1的气隙22因辅助磁芯14的磁阻提高而视为增加，故于该电感器1中单位时间内的电流变化降低，并使得电感器1的电感值随的下降。
简言之，本实用新型的电感器1通过轻载操作具有较大的电感值，在中载操作时具有较低的电感值，借以有效地使输入电流的波形及相位与输入电压的波形及相位不论在轻载操作或中载操作时都趋于一致，以达到极佳的操作效率。
图5所示曲线B为对应传统电感器的电感值-电流特性曲线，由曲线B可以得知，不论电感器操作在低电流(轻载)或高电流(中载)，其电感值几乎维持在恒定值，故当具有此特性曲线的电感器被应用在功率因素校正器中，会使得其轻载效率低。
图6所示本实用新型的功率因素校正器在动态测试下所对应的负载-效率特性曲线图。其中位于图6曲线C为对应本实用新型的功率因素校正器的负载-效率特性曲线，曲线D则对应传统功率因素校正器的负载-效率特性曲线。由曲线C可以得知，在负载50％以下，本实用新型的功率因素校正器的效率明显高于传统的功率因素校正器。
综上所述，本实用新型是通过辅助铁芯14来调整形成在辅助铁芯14与第一主芯部100之间线性气隙22，让电感器1可依流经的电流量大小选择适当的磁阻回路来调整其电感值，以承受不同范围的电流变化。
图7为本实用新型第二实施方式的电感器的俯视图。电感器1a包含铁芯11、辅助铁芯13及线圈15，铁芯11包含一绕线部110，铁芯11上形成有二相对端面112。在本实施方式中，铁芯11为环状磁铁，端面112概呈水平面。
辅助铁芯13的导磁率小于该铁芯11的导磁率，故当外加电流上升时，辅助磁芯13较该铁芯11早进入磁饱和状态，并使得通过该电感器1a单位时间内的电流变化量下降。辅助铁芯13具有顶面130，顶面130概呈水平面。辅助铁芯13设置于其中的一端面112并与另一端面112相对且相间隔，而于其间形成气隙17，气隙17为线性气隙。线圈15缠绕覆盖绕线部110、气隙17及辅助铁芯13。
电感器1a可配合与二极管、开关元件及电容器构成一如图4所示的功率因素校正器，其功能及相同说明相同于第一实施方式的电感器1，在此不予赘述。
然以上所述者，仅为本新型的较佳实施方式，当不能限定本新型实施的范围，即凡依本新型申请专利范围所作的均等变化与修饰等，皆应仍属本新型的专利涵盖范围意图保护的范畴。

Claims (5)

1.一种电感器，其特征在于，包含：
一铁芯，包含一绕线部，该铁芯上形成有二相对端面；
一辅助铁芯，具有一顶面，该辅助铁芯设置于其中的一端面并与另一端面相对且相间隔，而于其间形成一气隙，该辅助铁芯的导磁率小于该铁芯的导磁率；以及
一线圈，缠绕覆盖该绕线部、该气隙及该辅助铁芯；
其中，该辅助磁芯外加电流上升而较该铁芯早进入磁饱和状态，并使得通过该电感器单位时间内的电流变化量下降。
2.权利要求1所述的电感器，其特征在于，其中该铁芯包含:
一第一铁芯，包含一第一主芯部及二第一侧翼部，该等第一侧翼部位于该第一主芯部的相对两侧，该等第一侧翼部及该第一主芯部之间形成一第一容置槽，该第一主芯部具有该端面；
一第二铁芯，包含一第二主芯部及二第二侧翼部，该等第二侧翼部位于该第一主芯部的相对两侧，该等第二侧翼部及该第一主芯部之间形成一第二容置槽，该辅助铁芯设置于该第二主芯部，该辅助铁芯具有该顶面，该等第一侧翼部与该等第二侧翼部对应接合，使该第一主芯部的该端面与该辅助铁芯的该顶面相对且相间隔，而于其间形成该气隙，该线圈缠绕覆盖该第一主芯部、该气隙、该辅助铁芯及该第二主芯部上，当该电流导通至该电感器时，该第一铁芯及该第二铁芯感应产生的磁通密度分别大于该辅助铁芯感应产生的磁通密度。
3.权利要求1所述的电感器，其特征在于，其中该铁芯可为一环型磁铁。
4.权利要求1所述的电感器，其特征在于，其中该等端面的表面积与该顶面的表面积。
5.一种功率因素校正器，其特征在于，电连接于一交/直流转换器及一负载，该交/直流转换器用以输出一直流电力，该功率因素校正器包含：
一如权利要求1至4所述的任一电感器，该电感器电连接于该交/直流转换器；
一二极管，电连接于该电感器及该负载；
一开关元件，电连接于该电感器及该二极管；以及
一电容器，电连接于该二极管及该开关元件。
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