TW201310475A - 利用磁性基礎之高能量電感器 - Google Patents

Abstract

一種經偏壓間隙電感器係包含一第一鐵磁性平板、一第二鐵磁性平板、一導體，其係夾層在該第一鐵磁性平板以及該第二鐵磁性平板之間、以及一膠黏劑，其係介於該第一鐵磁性平板以及該第二鐵磁性平板之間，該膠黏劑係包括磁粉以藉此形成至少一個磁性間隙。一種形成一電感器之方法係包含：提供一第一鐵磁性平板與一第二鐵磁性平板以及一導體；將該導體置放在該第一鐵磁性平板以及該第二鐵磁性平板之間；以一複合物將該第一鐵磁性平板附著至該第二鐵磁性平板，其中該複合物係包括一膠黏劑以及一磁粉以形成多個磁性間隙；以及磁化該電感器。

Description

利用磁性基礎之高能量電感器

本發明係關於一高能量電感器，更特別地，係關於一使用磁性基礎的高能量電感器。

本發明係主張美國臨時申請案第60/970,578號(於2007年9月7日提申)之優先權，其之整個內容係以引用方式納入本文中。

通常被定義為具有一小於大約10毫米之外形的薄型(low profile)電感器係以具有獨特之幾何形狀以及環繞一繞組鐵芯之經壓製鐵粉的鐵氧體(ferrites)形式而存在於現今。鐵氧體式薄型電感器係具有在相對低的電流位準下之磁性飽和的固有限制。當磁性飽和發時，電桿數值係戲劇性地減少。

經壓製鐵電感器係容許較鐵氧體電感器高出許多的輸入電流，但是係具有在高頻(諸如大於200千赫茲的頻率)下產生高鐵芯耗損的限制。所需要的係一有效率之手段以在允許高輸入電流之高頻下提供電感。

因此，本發明之首要目的、特色、或是優勢係改善關於現有技術。

本發明之進一步目的、特色、或是優勢係提供一電感器，其係在一薄型封裝中之高漣波(ripple)電流(>5安培)以及頻率(>200千赫茲)下具有較低的鐵芯耗損，然而亦係具有經磨粉鐵之高飽和電流效能。

本發明之另一個目的、特色、或是優勢係使用膠黏劑薄膜厚度或是磁性顆粒尺寸以調整電感特徵。

本發明之另一個目的、特色、或是優勢係增加一電感器之能力以有效地處理更多直流的同時維持電感。

本發明之一個或更多該些目的、特色、或是優勢及/或其它目的、特色、或是優勢係將由於隨後之本發明說明而變為顯明的。

依據本發明一個觀點，一種經偏壓間隙電感器係包含一第一鐵磁性平板、一第二鐵磁性平板、一導體，其係夾層在該第一鐵磁性平板以及該第二鐵磁性平板之間、以及一膠黏劑，其係介於該第一鐵磁性平板以及該第二鐵磁性平板之間，該膠黏劑係包括永久磁性磁粉以藉此形成至少一個磁性間隙。該膠黏劑係具有一少於500微米之厚度並且較佳地為少於100微米。該磁性粉末尺寸係能被用來設定該部件之電感位準。而且，磁粉量係能修改該部件之特徵以產生一希望的效能。

依據本發明另一個觀點，一種形成一電感器之方法係包含：提供一第一鐵磁性平板與一第二鐵磁性平板以及一導體；將該導體置放在該第一鐵磁性平板以及該第二鐵磁性平板之間；以一複合物將該第一鐵磁性平板附著至該第二鐵磁性平板，其中該複合物係包括一膠黏劑以及一磁粉以形成多個磁性間隙；以及磁化該電感器。該複合物係具有一少於500微米之厚度並且較佳地為少於100微米。

依據本發明另一個觀點係提供一種經偏壓間隙電感器。該電感器係包含一第一鐵磁性平板以及一第二鐵磁性平板。一導體係夾層在該第一鐵磁性平板以及該第二鐵磁性平板之間。一具有一少於100微米之厚度的磁性材料係介於該第一鐵磁性平板以及該第二鐵磁性平板之間，以形成至少一個磁性間隙。該厚度係可被用來定義該電感器之電感特徵。

圖1係說明一先前技術元件，其中一單一銅片係能被置放在兩個鐵氧體部件之間以建立一電感器。儘管此在建立低數值高頻率電感器上係有效的，然而其係限制該電感器能處理之輸入電流量而沒有飽和。該飽和的主要原因係來自於由銅所感應之所有磁性通量流過狹窄的橫斷面區域之事實。圖1係說明在一單一銅片電感器的通量樣式。在圖1中，一電感器10係具有一第一鐵磁性平板12以及一第二鐵磁性平板14。在該第一鐵磁性平板12以及該第二鐵磁性平板14之間係具有一間隔16。由一流過該單一片狀銅質導體18之電流所感應的磁性通量係在每一個平板12、14之間被劃分。輸入電流20係使用記號而被顯示，以指示該電流係流入該頁面。箭頭22、24、26、28係指示由流過該導體18之電流20所感應的磁性通量之方向。要注意的是：所有由在該銅質導體18中之電流所感應的磁性通量係流過狹窄之橫截面22、26區域，藉此變為該飽和的主要要因。

本發明係提供一低成本方法，其係使多個電感器能夠 延伸其之操作範圍至一兩倍因數。本發明係在兩個鐵磁性器件之間的該等間隙中引入由磁粉所填滿的膠黏劑。圖2係說明本發明一個實施例。所顯示之一電感器30係自一第一鐵磁性平板12以及一第二鐵磁性平板14而被形成。該第一鐵磁性平板12以及該第二鐵磁性平板14之間係透過一複合物32而被機械性地結合，該複合物32係包含一膠黏劑以及一磁粉。箭頭22、26、38、40係指示由流過該導體18之電流20所感應的磁性通量之方向。箭頭34、36、42、44係指示該磁感應「逆向」通量的方向。

該複合物32係可由以一預定比例所混合之環氧類樹脂(epoxy)以及磁粉來組成。該膠黏劑與該磁粉之使用係在一感應性構件的組裝中具有一雙極點。變化該磁微粒之尺寸係提升或是減低該部件的電感。微小的磁粉尺寸係建立一具有一高電感位準的薄隙電感器。一大型磁粉係增加該間隙尺寸，其係造成一部件之一降低的電感。因此，該磁粉微粒尺寸係能被挑選以使一部件之電感適合對於一特定應用。換句話說，該磁粉尺寸係能被用來設定該部件之電感位準。而且，該所使用的磁粉量係能修改該部件之特徵以產生一希望的效能。該膠黏劑的第二角色係永久地將該等部件束縛一起，以使該組件係強固於機械性負載。在一較佳實施例中，該磁微粒層之厚度係介於大約0微米至100微米之間。介於大約0微米至500微米之間的大型磁性偏壓厚度係亦可被使用。

該磁粉係能由一球形或是不規則形狀之材料所組成。 陶瓷磁粉係能被用作為該磁粉。該等較佳材料係為球形的稀土金屬磁性材料，其諸如但不限制於銣鐵硼(Neodymium-Iron-Boron)或是釤鈷(Samarium-Cobalt)磁粉。一個理由係球形微粒在達成介於平板之間的特定距離上較為一致的。該第二理由係稀土金屬磁體具有足夠高之固有矯頑磁力(coercive forces)，以抵抗在應用上的消磁作用(demagnetization)。

鐵磁性平板係能由一暫時磁性材料來製造，其諸如而沒有限制鐵氧體、含鉬高導磁合金(molypermalloy，MPP)、鋁矽鐵粉(Sendust)、高通量(Hi Flux)、或是經壓製鐵。儘管其它材料可被使用，然而一較佳材料係為鐵氧體，因為其係在高頻率處具有低鐵芯耗損並且一般係比其他替代物較不昂貴。鐵氧體係具有低磁性飽和抵抗並且係因而利於引入一磁性偏壓。

本發明係提供在鐵磁性平板之間添加充滿磁粉的膠黏劑。一旦該膠黏劑完全地硬化，則該構件係被磁化，使得該磁性材料係應用一與自一載流電感器所感應之方向相反的穩態磁性通量。

圖2係說明該靜態磁性通量以及來自該導體所感應的磁性通量。圖3係一暫時鐵磁性鐵氧體平板之一假設B-H迴路。在零輸入直流至該導體內，該鐵磁性材料係被極化或是被偏壓，使得其之通量場係接近該最大負飽和點。當直流被施加時，此負通量場係逐漸地減少直到在該鐵磁性材料中之磁性通量密度係為零。在進一步增加直流時，該 磁性通量場係開始走向正的直到磁性飽和係發生。在該間隙中引入磁性材料係因而增加該鐵磁性材料之能力來反抗飽和，藉此顯著地增加其之範圍，諸如相差兩倍。

圖4係顯示一具有兩個磁性間隙之一單一導體電感器50的透視圖。在圖4中，兩個鐵磁性平板52、54係由該磁性微粒之尺寸所設定的一距離而被結合在一起。磁粉以及環氧類樹脂之一混合係形成該複合物56，其係被網版印刷(screen printed)在該等鐵磁性平板之該等側邊中一個側邊，鐵磁性平板52係如圖4中所示。一第二鐵磁性平板54係被置放在該第一鐵磁性平板52上面，並且該膠黏劑係被熱硬化子永久地將該組件結合在一起。一旦該等部件被硬化，它們接著係被磁化。圖4係說明該磁性材料之極性，使得將在該等兩個鐵磁性平板之間的後續通量場添加至每一個其它磁性通量方向。該磁感應通量之極性係在該相反方向上被設定至由將直流輸入至該導體內所造成之任何磁感應通量。

圖5係其中係有三個磁性間隙之一個實施例的一透視圖，該等磁性間隙中每一者係為一混合物，其係含有磁粉以及較佳地一諸如環氧類樹脂之膠黏劑。能藉由網版印刷而被沉積並且能在包含一磁粉時被視為一磁性薄膜之混合物係被施加在三個分離的地方70A、70B、70C。所示之組態係為一多重極點組態。該等外部磁性薄膜70A、70B係在相同方向中被極化，然而該中心70C係在一相反方向中被極化。此係被實行以為形成一磁場，其對於所有三個磁性 薄膜係將為附加的。該電感器60係包含一第一鐵磁性平板62以及一第二鐵磁性平板64。係有凹槽63被切削在鐵磁性平板62中。該等凹槽63係自該鐵磁性平板62之一個側邊延伸至該鐵磁性平板62之一相反側邊。一導體65係被顯示。在該第二鐵磁性平板64之側邊上包含節段66、68的導體65係被彎曲環繞著該第二鐵磁性平板64，以形成每一個接附該磁性薄膜之三個表面70A、70B、70C。在該等鐵磁性平板62、64被置放一起後，該膠黏劑接著係可被熱硬化，而接著該元件60係可被磁化。當該等外部磁性薄膜在相同方向中被極化而該中心在一相反方向中被極化時，圖5係提供一多重極點組態。此係被作成以形成一對於所有三個磁性薄膜係將為附加的磁場。該磁感應通量之極性係在該相反方向上被設定至由將直流輸入至該導體內所造成之任何磁感應通量。

因此，應該要顯明的是：本發明係提供經改良電感器與其之製造方法。本發明係仔細考慮在所使用之材料類型上的眾多變化，所施加之製造技術，以及於本發明之精神與範疇內的其他變化。

10,30,60‧‧‧電感器

12,52,62‧‧‧第一鐵磁性平板

14,54,64‧‧‧第二鐵磁性平板

16‧‧‧間隔

18‧‧‧片狀銅質導體

20‧‧‧輸入電流

22,24,26,28,38,40‧‧‧所感應磁性通量之方向

32,56‧‧‧複合物

34,36,42,44‧‧‧磁感應「逆向」通量的方向

63‧‧‧凹槽

65‧‧‧導體

66,68‧‧‧導體65之節段

70A,70B,70C‧‧‧磁性薄膜所附著之表面

圖1係顯示一沒有通量穿隧效應之一先前技術電感器的一剖面圖。

圖2係顯示一本發明一經通量穿隧電感器之一個實施例的剖面圖。

圖3係說明一介於直流電壓以及一BH迴路之間的關係 並且操作範圍係如何地隨著該經偏壓間隙而增加。

圖4係顯示一具有兩個磁性間隙之單一導體電感器。

圖5係顯示一電感器之一多重極點組態的一透視圖。

12‧‧‧第一鐵磁性平板

14‧‧‧第二鐵磁性平板

18‧‧‧片狀銅質導體

20‧‧‧輸入電流

22,26,38,40‧‧‧所感應磁性通量之方向

30‧‧‧電感器

32‧‧‧複合物

34,36,42,44‧‧‧磁感應「逆向」通量的方向

Claims (13)

1. 一種經偏壓間隙電感器，其係包括：一第一鐵磁性平板；一第二鐵磁性平板；一導體，其係夾層在該第一鐵磁性平板以及該第二鐵磁性平板之間；一膠黏劑，其係介於該第一鐵磁性平板以及該第二鐵磁性平板之間，該膠黏劑係包括磁粉以藉此形成至少一個磁性間隙，該膠黏劑係將該第一鐵磁性平板和該第二鐵磁性平板結合一起，並且在與將直流輸入至該導體內所造成之一磁感應通量的相反方向上提供一感應通量集合，從而增加經偏壓間隙電感器之操作範圍。
2. 如申請專利範圍第1項之經偏壓間隙電感器，其中該膠黏劑係為環氧類樹脂。
3. 如申請專利範圍第1項之經偏壓間隙電感器，其中該磁粉係包括球形之稀土金屬磁性微粒。
4. 如申請專利範圍第3項之經偏壓間隙電感器，其中該球形之稀土金屬磁性微粒係包括一銣鐵硼合金。
5. 如申請專利範圍第3項之經偏壓間隙電感器，其中該球形之稀土金屬磁性微粒係包括一釤鈷合金。
6. 如申請專利範圍第1項之經偏壓間隙電感器，其中該第一鐵磁性平板以及該第二鐵磁性平板中每一者係包括鐵氧體。
7. 如申請專利範圍第1項之經偏壓間隙電感器，其中該 導體係包括銅。
8. 如申請專利範圍第1項之經偏壓間隙電感器，其中該導體係以一多重迴路配置而被組態。
9. 如申請專利範圍第1項之經偏壓間隙電感器，其中該膠黏劑係包括一膠黏薄膜，其係介於該第一鐵磁性平板以及該第二鐵磁性平板之間，並且該厚度係被用來定義該經偏壓間隙電感器之電感特徵。
10. 如申請專利範圍第1項之經偏壓間隙電感器，其中該厚度係為少於100微米。
11. 如申請專利範圍第1項之經偏壓間隙電感器，其中該傳導體係經彎曲於該第二強磁性平板之底表面周圍。
12. 一種經偏壓間隙電感器，其係包括：一第一鐵磁性平板；一第二鐵磁性平板；一導體，其係夾層在該第一鐵磁性平板以及該第二鐵磁性平板之間；一磁性材料，其係具有少於100微米之一厚度，該磁性材料係介於該第一鐵磁性平板以及該第二鐵磁性平板之間，以形成至少一個磁性間隙，其中該厚度係被用來定義該經偏壓間隙電感器之電感特徵。
13. 一種經偏壓間隙電感器，其係包括：一第一鐵磁性平板；一第二鐵磁性平板；一導體，其係夾層在該第一鐵磁性平板以及該第二鐵 磁性平板之間，並且經彎曲於該第二強磁性平板之一前表面周圍，而向下朝著該第二強磁性平板之一底表面；一膠黏劑，其係介於該第一鐵磁性平板以及該第二鐵磁性平板之間，該膠黏劑係包括磁粉，從而在該導體的相反側邊上形成一第一磁性間隙和一第二磁性間隙，該膠黏劑係將該第一鐵磁性平板以及該第二鐵磁性平板結合一起，該膠黏劑係具有少於500微米之一厚度；以及其中該膠黏劑經過磁化，使得該磁粉係施加一穩態磁性通量。