TW201426775A - 耦合電感 - Google Patents
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Abstract
一種耦合電感，其包括有一磁蕊、一第一線圈以及一第二線圈。磁蕊具有彼此相對的一頂面以及一底面。第一線圈位於該磁蕊內。一第一線圈輸入端沿一第一軸線並且朝向一第一盤繞方向延伸至一第一線圈輸出端，其中第一軸線通過頂面與底面。一第二線圈位於該磁蕊內與第一線圈呈上與下彼此分離。一第二線圈輸入端以一第二軸線為軸心並且朝向一第二盤繞方向延伸至一第二線圈輸出端，其中第二軸線通過頂面與底面。上述之第一盤繞方向相反於第二盤繞方向，並且第一線圈與第二線圈於頂面的正投影彼此重疊或可部份重疊。
Description
本揭露係關於一種電感，特別是一種耦合電感。
隨著電子產品走向輕、薄、短、小與多功能之趨勢，以及現今許多中央處理器、圖形處理器等晶片的供電是低電壓、大電流，在這種的需求下，使得功率電感器(power inductor)亦朝向縮小體積與多相式電源供應之趨勢發展，因此多相式耦合電感也隨之發展。先前技術提出一種多相電力轉換器，其包含電路及電感器。電感器匹配電路而有不同的繞線及連接方式。電感是由環狀型磁蕊繞兩組線圈，並且電感的次級繞圈作為偶合其他相電感之繞圈且次級繞圈串聯形成一迴路。另一先前技術是將磁蕊做成階梯(ladder-shaped)狀以縮短繞線長度，進而降低繞線之電阻。還有另一先前技術是將磁蕊區分成第一端磁蕊及第二端磁蕊，以M-繞線連接兩端磁蕊而形成氣隙，進而改善漏電感(Leakage inductance)。以上等相關的先前技術在於強調磁蕊材料之塊材形狀以縮短繞線及繞線電阻或者於電感中形成氣隙進而調控改善漏電感等等，對於如何於大電流下提升或維持電感量則未有提及。
一般耦合電感包含磁性材料，並且在磁性材料上繞以銅線以做為線圈。當線圈中之電流增加時，磁性材料內部之磁場會隨之增加；然而當隨電流增加而增加的磁場增加至磁性材料飽和時，電感值則會急速下降，而造成電路上電感器之儲蓄電能不足之問題。因此，需要一種新型的耦合電感結構來改善電流增加所產生
的問題。
本揭露提出一種耦合電感，此耦合電感是單石結構。本揭露是在電感器磁蕊材料內部中，設置上下層互為反方向繞圈之兩個線圈。由於電感內部兩線圈通電流時會產生的兩個彼此反向耦合的磁場，是以經由磁場互相抵消，本揭露可以提高耦合電感於大電流下之電感量，以解決先前技術所遭遇之問題。
根據本揭露實施例所揭露之一種耦合電感，其包括一磁蕊以及位於磁蕊內部的一第一線圈以及一第二線圈。其中磁蕊具有彼此相對的一頂面以及一底面；第一線圈位於磁蕊內，具有一第一線圈輸入端以及一第一線圈輸出端，第一線圈自第一線圈輸入端朝向一第一盤繞方向盤繞該第一軸線並且延伸至第一線圈輸出端，第一軸線通過頂面與底面；第二線圈位於磁蕊內，與第一線圈彼此分離，具有一第二線圈輸入端以及一第二線圈輸出端，第二線圈自第二線圈輸入端朝向一第二線圈方向盤繞第二軸線並且延伸至第二線圈輸出端，第二軸線通過頂面與底面，其中第一盤繞方向相反於第二盤繞方向，並且第一線圈與第二線圈於頂面的正投影彼此重疊或可部份重疊。
基於上述，在本揭露之一種耦合電感中，係於一磁蕊內部設置上下層互為反方相繞圈之第一線圈以及第二線圈，利用第一線圈以及第二線圈在通電流時，內部磁路反向耦合，使磁場互相抵消，進而可提高耦合電感於大電流下之電感量。
以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用
以示範與解釋本揭露之精神與原理，並且提供本揭露之專利申請範圍更進一步之解釋。
以下在實施方式中詳細敘述本揭露之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本揭露之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本揭露相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本揭露之觀點，但非以任何觀點限制本揭露之範疇。
請參考『第1圖』，係為本揭露所揭露之一種耦合電感100的示意圖。本實施例為一耦合電感100，耦合電感100包括有一磁蕊101、一第一線圈111以及一第二線圈112。
如圖所示，磁蕊101具有彼此相對的一頂面1以及一底面2。第一線圈111位於磁蕊101內，具有一第一線圈輸入端11以及一第一線圈輸出端12。第一線圈111自第一線圈輸入端11以一第一軸線Z1為軸心，朝向一第一盤繞方向盤繞第一軸線Z1並且延伸至第一線圈輸出端12，其中第一盤繞方向為一順時針方向，第一軸線Z1通過頂面1與底面2。在本實施例中，第一線圈111被完全包圍在磁蕊101裡。第一線圈111的材質為銀、銅、鎳或其他金屬。
另外，第二線圈112位於磁蕊101內，與第一線圈111彼此分離，具有一第二線圈輸入端21以及一第二線圈輸出端22。第二線圈112自第二線圈輸入端21以一第二軸線Z2為軸心並且朝向
一第二盤繞方向盤繞第二軸線Z2並且延伸至第二線圈輸出端22。第一盤繞方向相反於第二盤繞方向，因此第二盤繞方向為一逆時針方向。在本實施例中，第一軸線Z1與第二軸線Z2重合，及第一軸線Z1等於第二軸線Z2，然而為了解說上的方便，因此特意將第1圖的第一軸線Z1與第二軸線Z2繪製為不同的線條並且使第一軸線Z1不重合於第二軸線Z2。另外，雖然本實施例的第一軸線與第二軸線重合，然而本實施例並非用以限定本揭露。在本揭露的其他實施例中，第一軸線與第二軸線均通過頂面1與底面2但是彼此不重合。並且第一線圈111與第二線圈112於頂面1的正投影彼此重疊或可部份重疊，其中正投影的定義為當光線自無窮遠處照射下，所投射的投影線相互平行而且這些投影線垂直於投影面時，即第一線圈111與第二線圈112於頂面1上的投影。舉例而言，當第一軸線Z1不與第二軸線Z2重合時，即第一軸線Z1不等於第二軸線Z2時，第一軸線Z1與第二軸線Z2之間的距離小於或等於頂面1之長度或是寬度的十分之一。在本實施例中，第二線圈112被完全包圍在磁蕊101裡。第二線圈112的材質為銀、銅、鎳或其他金屬。
此外，如在圖中所示，這裡所使用的相對技術用語，如“下”或“底面”和“上”或“頂面”，用於描述一個元件與另一元件的關係。此處使用技術用語包含了除在圖示中所描述的相對方位之外，亦包含耦合電感100其它不同的方位。例如，如果圖示中的耦合電感100被翻轉，上述被描述為“底面”部份將被定位為的“頂面”部分。
耦合電感100為一種單石結構或可為一燒結結構，其中磁蕊101，磁蕊101的材質可為一鐵氧體。此外，磁蕊101的材質亦可為一鎳銅鋅鐵氧體或一鎳鎂銅鋅鐵氧體等軟磁性材料。其中磁蕊101更具有彼此相對的一第一側面3以及一第二側面4，第一側面3暴露出第一線圈輸入端11以及第二線圈輸入端21，第二側面4暴露出第一線圈輸出端12以及第二線圈輸出端22。耦合電感100中第一側面3配置一第一線圈輸入電極5及一第二線圈輸入電極7，第二側面4配置一第一線圈輸出電極6及一第二線圈輸出電極8，其分別與第一線圈輸入端11、第二線圈輸入端21、第一線圈輸出端12、以及第二線圈輸出端22電性連接。第一線圈輸入電極5、第二線圈輸入電極7、第一線圈輸出電極6及第二線圈輸出電極8的材質例如為銀。習知電感在通大電流時由於在電感內磁場的提高而使得磁束密度容易飽和，而使電感導磁作用下降，電感量也跟著下滑，本揭露之耦合電感100結構，線圈在通電時會產生磁束(flux)，使得兩線圈通大電流時在線圈之磁路上造成的反向磁場，由於第一線圈111以及第二線圈112互為反方向繞圈，使得產生的磁束互相抵消，電感比較不易飽和，進而提高耦合電感於大電流下之電感量。
請參考『第2圖』，係為本揭露所揭露之一種耦合電感100的分解圖。耦合電感100的製作方法是以鎳銅鋅鐵氧體磁蕊粉末與PVB樹脂混合形成漿料後，經刮刀成型法製作為生胚薄片120。生胚薄片120經如『第2圖』的積層由下而上堆疊，生胚薄片120經堆疊後為磁蕊101。『第2圖』由下而上依序說明，首先兩張生
胚薄片120a以及120b為底部，依序堆疊一張生胚薄片120c，並鏤空(挖空)部份之生胚薄片120c，其中被鏤空的部份是對應於第二線圈112四分之一線圈的位置，之後將銀漿網印填入被鏤空的位置。接著，堆疊一張有穿透孔洞的生胚薄片120d，之後將銀漿網印填入此穿透孔洞。接著再堆疊一張生胚薄片120e，鏤空(挖空)部份之生胚薄片120e，其中被鏤空的部份是對應於第二線圈112之剩餘的四分之三線圈的位置，並且上述穿透孔洞內的銀漿將上述的第二線圈112的四分之一線圈電性連接於第二線圈112之剩餘的四分之三線圈。上述部分為一組下線圈，之後再堆疊一上線圈，上下線圈之間堆疊一張生胚薄片120f以隔離上下兩組線圈。上線圈的部分，首先，堆疊一張生胚薄片120g，並鏤空四分之三線圈位置填上第一線圈111，其中被鏤空的部份是對應於第一線圈111四分之三線圈的位置，之後將銀漿網印填入被鏤空的位置。接著再堆疊一張有穿透孔洞生胚薄片120h穿透孔洞填銀貫穿導通。上方再堆疊一張生胚薄片120i，並鏤空四分之一線圈之銀線位置填上第一線圈111，其中被鏤空的部份是對應於第一線圈111四分之一線圈的位置，並且上述穿透孔洞內的銀將上述的第一線圈111的四分之一線圈電性連接於第一線圈111之剩餘的四分之三線圈。接著再依序堆疊兩張生胚薄片120j及120k為上部。積層堆疊後經熱水均壓形成胚體後，經切割為各個耦合電感單體100，後以450℃脫脂，910℃燒結後，於耦合電感100側邊燒附引出銀端的第一線圈輸入電極5、第一線圈輸出電極6、第貳線圈輸入電極7以及第二線圈輸出電極8，以形成單石結構之耦合電感100。
上述知實施例並非用以限定本揭露之線圈的數量，請參考『第3圖』，其係為本揭露所揭露之一種具有多對線圈的多相耦合電感200的示意圖。如為4相耦合電感200有兩組耦合電感100，耦合電感100與上述實施例相同，故在此不再做重複論述。
如圖所示，4相耦合電感200，內部含有兩組線圈，每組線圈包括一第一線圈111以及一第二線圈112，其兩個線圈之間是由鐵氧體間隔開，每組線圈是由上下對齊的兩個線圈堆疊而成。由於4相耦合電感200之每一組線圈的結構類似於『第1圖』所揭露之第一線圈111以及一第二線圈112的結構，於此便不再贅述。此外，『第1圖』以及『第3圖』所述的實施例並非用以限定第一線圈111以及第二線圈112於頂面1的正投影需完全重疊。上述的每一組線圈亦可以由上下錯開一小距離的不對齊的兩個線圈堆疊而成，亦即第一線圈111以及第二線圈112於頂面1的兩正投影部份重疊。
以導磁率250的鎳銅鋅鐵氧體粉末與PVB樹脂混合形成漿料經刮刀成型法製作為生胚薄片，接著生胚薄片網印上銀導線，第一線圈與第二線圈等兩個線圈繞圈方向與堆疊之結構如第2圖方式，積層堆疊後經熱水均壓形成胚體後，經切割為各個耦合電感後，以450℃脫脂，910℃燒結，形成耦合電感後，於耦合電感側邊燒附兩個線圈輸入輸出端的電極，此耦合電感如第1圖，耦合電感外觀尺寸12.0mm×10.0mm×2.0mm。同時製作實施例一之對照
比較例同向耦合電感來作比較，即以同樣材料、同樣製造方法，同樣架構，僅是第一線圈與第二線圈是同方向繞圈之耦合電感即是同方向耦合電感，以如『第4圖』之大電流下電感量測試架構示意圖，測量本實施例一之反向耦合電感與實施例一對照比較例之同向耦合電感於大電流下電感量之變化，測試結果如第一表。
請參考『第4圖』，係為本揭露所揭露之一種耦合電感大電流下電感量測試裝置400的示意圖。其中hp4284A為一LCRmeter(Inductance(L),Capacitance(C),and Resistance(R)meter)，其與hp42841A電源供應器串接，且hp42841A之測量治具hp42842B接於耦合電感100之第一線圈，提供耦合電感100測試電流(0~20A)。Hp6642A為另一電源供應器，接於耦合電感100之第二線圈以提供測試電流(0~10A)，反之(第一線圈與第二線圈對調)亦可，接著兩電源供應器同時對兩線圈通以電流，如第二線圈通0安培(A)時第一線圈通0~15安培(A)所測量之電感量，第二線圈通1安培(A)時第一線圈通0~15安培(A)所測量之電感量，第二線圈通5安培(A)時第一線圈通0~15安培(A)所測量之電感量，第二線圈通10安培(A)時第一線圈通0~15安培(A)所測量之電感量，依此方式測量耦合電感在通以不同電流時電感量。
實施例一反向耦合電感與實施例一對照例同向耦合電感測試結果如表一所示，其中I1代表對第一線圈所通之電流，I2代表對第二線圈所通之電流。
請參考『第5A圖』、『第5B圖』，係為本揭露實施例一以導磁率250的鎳銅鋅鐵氧體磁蕊材料經如上所述製程所製作之反向偶合電感100與同向偶合電感之大電流電感測試圖結果，其為在『第4圖』的測試架構所量得。趨勢線A為偶合電感100之一線圈未通電流下，另一線圈通0-15安培(A)的電流，測得之電感量。接著趨勢線B為偶合電感100之一線圈通1安培(A)電流下，另一線圈通0-15安培(A)的電流，測得之電感量。趨勢線C為偶合電感100之一線圈通5安培(A)電流下，另一線圈通0-15安培(A)的
電流，測得之電感量。趨勢線D為偶合電感100之一線圈通10安培(A)電流下，另一線圈通0-15安培(A)的電流，測得之電感量。趨勢線A’為同向偶合電感之一線圈未通電流下，另一線圈通0-15安培(A)的電流，測得之電感量。接著趨勢線B’為同向偶合電感之一線圈通1安培(A)電流下，另一線圈通0-15安培(A)的電流，測得之電感量。趨勢線C’為同向偶合電感之一線圈通5安培(A)電流下，另一線圈通0-15安培(A)的電流，測得之電感量。趨勢線D’為同向偶合電感之一線圈通10安培(A)電流下，另一線圈通0-15安培(A)的電流，測得之電感量。測量結果偶合電感100之一線圈通10安培(A)電流(即表一之I1等於10A)時，偶合之另一線圈通0安培(A)電流(即表一之I2等於0A)下，電感量是0.074(uH)，通10安培(A)電流(即表一之I2等於10A)是0.1435(uH)，兩相比照，電感值在一線圈通10安培(A)時提升194%。此外，請參照表一，若同時將實施例一與實施例一對照比較例來作比較，測量結果顯示當實施例一反向耦合電感100之一線圈通10安培(A)電流(即表一之I1等於10A)時，耦合電感100之另一線圈通通10安培(A)電流(即表一之I2等於10A)時，電感量是0.1435(uH)。而在實施例一對照比較例中，同向耦合電感之一線圈通10安培(A)電流時，同向耦合電感之另一線圈通10安培(A)電流時，電感量是0.0527(uH)。兩相比照，電感值在兩線圈同時各通10安培(A)時提升272%。
以導磁率400的鎳銅鋅鐵氧體粉末與PVB樹脂混合形成漿料，之後經刮刀成型法將漿料製作為生胚薄片，生胚薄片網印上
銀導線。第一線圈與第二線圈等兩個線圈是由銀導線所構成，並且第一線圈與第二線圈的繞圈方向與堆疊之結構如第2圖方式，在此便不再重複敘述。積層堆疊後的堆疊結構經熱水均壓形成胚體後，經切割為各個耦合電感後，以450℃脫脂，910℃燒結，以形成耦合電感。接著，於耦合電感側邊燒附兩個線圈輸入輸出端的電極，以形成如第一圖的耦合電感。耦合電感之外觀尺寸為12.0mm×10.0mm×1.9mm。同時製作實施例二之對照比較例同向耦合電感來作比較，即以同樣材料、同樣製造方法，同樣架構，僅是第一線圈與第二線圈是同方向繞圈之耦合電感即是同方向耦合電感。接著以『第4圖』之大電流下電感量測試架構來測量本實施例二之反向耦合電感與實施例二對照比較例之同向耦合電感於大電流下電感量之變化，其測試結果如表二，其中I1代表對第一線圈所通之電流，I2代表對第二線圈所通之電流。
請參考『第6A圖』、『第6B圖』，係為本揭露實施例二以導磁率400的鎳銅鋅鐵氧體磁蕊粉末與聚乙烯醇縮丁醛(PVB)樹脂混合形成之偶合電感100之大電流電感測試圖結果，其為在『第4圖』的測試架構所量得。趨勢線E為偶合電感100之一線圈未通電流下，另一線圈通0-15安培(A)的電流，測得之電感量。接著趨勢線F為偶合電感100之一線圈通1安培(A)電流下，另一線圈通0-15安培(A)的電流，測得之電感量。趨勢線G為偶合電感100之一線圈通5安培(A)電流下，另一線圈通0-15安培(A)的電流，測得之電感量。趨勢線H為偶合電感100之一線圈通10安培(A)電流下，另一線圈通0-15安培(A)的電流，測得之電感量。趨勢線E’為同向偶合電感之一線圈未通電流下，另一線圈通0-15安培(A)的電流，測得之電感量。接著趨勢線F’為同向偶合電感之一線圈通1安培(A)電流下，另一線圈通0-15安培(A)的電流，測得之電感量。趨勢線G’為同向偶合電感之一線圈通5安培(A)電流下，另一線圈通0-15安培(A)的電流，測得之電感量。趨勢線H’為同向偶合電感之一線圈通10安培(A)電流下，另一線圈通0-15安培(A)
的電流，測得之電感量。測量結果偶合電感100之一線圈通10安培(A)電流時，偶合之另一線圈通0安培(A)電流下，電感量是0.075(uH)，通10安培(A)電流是0.172(uH)，兩相比照，電感值在一線圈通10安培(A)時提升229%。同時將實施例二與實施例二對照比較例來作比較，測量結果實施例二反向耦合電感100之一線圈通10安培(A)電流時，偶合之另一線圈通以10安培(A)電流時，電感量是0.172(uH)，而實施例二對照比較例，同向耦合電感之一線圈通10安培(A)電流時，偶合之另一線圈通10安培(A)電流時電感量是0.057(uH)，兩相比照，電感值在兩線圈同時各通10安培(A)時提升301%。
本揭露之一種耦合電感中，係設置上下層互為反方向繞圈之第一線圈以及第二線圈，利用第一線圈以及第二線圈在通電流時，內部磁路反向耦合，使磁場互相抵消，進而可提高耦合電感於大電流下之電感量。
雖然本揭露以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露。在不脫離本揭露之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本揭露之專利保護範圍。關於本揭露所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。
100‧‧‧耦合電感
101‧‧‧磁蕊
111‧‧‧第一線圈
112‧‧‧第二線圈
1‧‧‧頂面
2‧‧‧底面
11‧‧‧第一線圈輸入端
12‧‧‧第一線圈輸出端
21‧‧‧第二線圈輸入端
22‧‧‧第二線圈輸出端
3‧‧‧第一側面
4‧‧‧第二側面
5‧‧‧第一線圈輸入電極
6‧‧‧第一線圈輸出電極
7‧‧‧第二線圈輸入電極
8‧‧‧第二線圈輸出電極
120‧‧‧生胚薄片
120a~120k‧‧‧生胚薄片
200‧‧‧多層耦合電感
400‧‧‧耦合電感測試裝置
Z1‧‧‧第一軸線
Z2‧‧‧第二軸線
第1圖，係為本揭露所揭露之耦合電感之示意圖。
第2圖，係為本揭露所揭露之耦合電感之分解圖。
第3圖，係為本揭露所揭露之一種4相耦合電感之示意圖。
第4圖，係為本揭露所揭露之一種耦合電感測試裝置的示意圖。
第5A圖，係為本揭露實施例一導磁率250反向偶合電感之大電流電感測試圖。
第5B圖，係為本揭露實施例一對照比較例導磁率250同向偶合電感之大電流電感測試圖。
第6A圖，係為本揭露實施例二導磁率400反向偶合電感之大電流電感測試圖。
第6B圖，係為本揭露實施例二對照比較例導磁率400同向偶合電感之大電流電感測試圖。
100‧‧‧耦合電感
101‧‧‧磁蕊
111‧‧‧第一線圈
112‧‧‧第二線圈
1‧‧‧頂面
2‧‧‧底面
11‧‧‧第一線圈輸入端
12‧‧‧第一線圈輸出端
21‧‧‧第二線圈輸入端
22‧‧‧第二線圈輸出端
3‧‧‧第一側面
4‧‧‧第二側面
5‧‧‧第一線圈輸入電極
6‧‧‧第一線圈輸出電極
7‧‧‧第二線圈輸入電極
8‧‧‧第二線圈輸出電極
Z1‧‧‧第一軸線
Z2‧‧‧第二軸線
Claims (11)
- 一種耦合電感，其包括：一磁蕊，具有彼此相對的一頂面以及一底面；一第一線圈(coil)，位於該磁蕊內，具有一第一線圈輸入端以及一第一線圈輸出端，該第一線圈自該第一線圈輸入端以一第一軸線為軸心、朝向一第一盤繞方向盤繞該第一軸線並且延伸至該第一線圈輸出端，該第一軸線通過該頂面與該底面；以及一第二線圈，位於該磁蕊內，與該第一線圈彼此分離，具有一第二線圈輸入端以及一第二線圈輸出端，該第二線圈自該第二線圈輸入端以一第二軸線為軸心、朝向一第二盤繞方向盤繞該第二軸線並且延伸至該第二線圈輸出端，該第二軸線通過該頂面與該底面，其中該第一盤繞方向相反於該第二盤繞方向，並且該第一線圈於該頂面的正投影至少部份重疊於該第二線圈於該頂面的正投影。
- 如請求項1所述之耦合電感，其中該第一軸線等於該第二軸線。
- 如請求項1所述之耦合電感，其中該第一軸線不等於該第二軸線。
- 如請求項1所述之耦合電感，其中該耦合電感為一單石結構，該第一線圈與該第二線圈被包圍在該磁蕊裡面。
- 如請求項4所述之耦合電感，更包括一第一線圈輸入電極、一第一線圈輸出電極、一第二線圈輸入電極以及一第二線圈輸出電極，其分別與該第一線圈輸入端、該第一線圈輸出端、該第 二線圈輸入端以及該第二線圈輸出端電性連接，並且延伸至該頂面。
- 如請求項1所述之耦合電感，其中該第一線圈以及該第二線圈的材質為銀、銅、鎳。
- 如請求項1所述之耦合電感，其中該磁蕊更具有彼此相對的一第一側面以及一第二側面，該第一側面暴露出該第一線圈輸入端以及該第二線圈輸入端，該第二側面暴露出該第一線圈輸出端以及該第二線圈輸出端。
- 如請求項1所述之耦合電感，其中該第一線圈於該頂面的正投影完全重疊於該第二線圈於該頂面的正投影。
- 如請求項8所述之耦合電感，其中該磁蕊為一鎳銅鋅鐵氧體或一鎳鎂銅鋅鐵氧體。
- 如請求項1所述之耦合電感，其中該第一線圈於該頂面的正投影部份重疊於該第二線圈於該頂面的正投影。
- 如請求項1所述之耦合電感，其中該磁蕊的材質為一軟磁性材料。
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