TWI333219B - Power inductor with reduced dc current saturation - Google Patents

Description

1333219 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明涉及電感器》特別是具有磁站材料的功率電感器’ 該功率電感器在操作于高直流電流和高工作頻率時具有降低的 飽和度。 【先前技術】 電感器是基於磁場操作的電路元件。磁場源自於運動的電 荷或電流，如果電流隨時間變化，磁場也就隨時間而變化。隨 時間變化的磁場導致電感器的電壓發生變化，如果電流強度不 變，那麼通過理想電感器的電壓爲零，因此對於恒定電流或直 流電流，電感器相當於短路，在電感器中，電壓由下面公式給 出： T di v = L — dt 因此，在電感器中不會有電流的瞬間變化。 電感器可以用在各種電路中，功率電感器可以承受相對高 的直流電流，例如可以高達100安培，也可以用於相對高頻電 路中。例如，參考第一圖，功率電感器20可以用在直流/直流 轉換器24中，它可以反向和/或整流，將一個電壓的直流電從 轉換爲另一個電壓的直流電。 現在參考第二圖，功率電感器20—般包括一匝或多匝穿過 磁芯材料34的導體30。而磁芯材料34例如可以有正方形的外 截面36和正方形的中央空洞38，該空洞可延伸到磁材料34的 長度，導體30穿過中央空洞38，流過導體30的相對高的直流 電流將導致磁芯材料飽和，進而降低功率電感器的性能及與之 4 1333219 結合的裝置的性能。參考第三圖，顯示第一圖及第二圖之功率 電感器20之導體30、磁芯材料34、外截面36以及中央空洞38 的剖視圖。 【發明内容】 根據本發明的一個實施例的功率電感器包括磁芯材料，該 磁芯材料具有第—和第二末端。在磁芯材料中設置有一個令央 空洞，它從第一個末端延伸到第二個末端，一導體穿過該空洞。 在該磁芯材料中還設置有一狹縫氣隙’其位於第一末端與第二 末端之間。 二本發明的另一實施例爲一種包括上述功率電感器的系統， 該系統除其他特徵之外進—步包括—個與該功率電感器相聯的 直流/直流轉換器。 本發明的其他特徵還包括使磁芯材料中的狹縫氣隙被設置 在與導體平行的方向上。在該空洞中設置—種渦流降低材料，· =緊鄭上述狹縫氣隙的内部開口和該狹縫氣隙的外部開口的至 /其中之，其中所述渦流降低材料位於狹縫氣隙和導體之 間。所述渦流降低材料所具有的磁導率比磁芯材料更低；1 在其他特徵中’導體沿著磁芯材料的第一邊穿過空洞，且 在與第-邊相對的磁怎材料的第二邊上設置狹縫氣隙。導體沿 者磁芯，料的第一邊穿過空洞’而在鄰近第一邊的第二邊上設 置狹缝氣隙，沿著第-邊有第二個導體穿過該空洞。在上述導 體和第二個導體之間’磁芯材料的有一凸出部分從第一邊向外 縫氣隙被設置於凸出部分的上方、磁芯材料中與之相 在其他特徵中，在磁芯材料中設置有第二空洞。在上述空 1333219 有所述磁芯材料的中央部分，有第二 上設置ίίί 时洞，在料二翻對的第三邊 上。又置有苐二個狹縫氣隙。 木思 ，在磁芯材料中設置有第二個空洞。在上述 〜同與红空洞之間的磁芯材料中設置有，、 第二個導體穿過與第-邊相鄰㈣ ° 得與第-邊相鄰。而在第二邊上二第一個導被設置 形中央部分-側的第一邊相對，在;==置口位於T 氣隙’它與位於T形中央部分另—側的第有弟二狹縫 隙位於與第—邊㈣的磁 目，。《縫氣 安排在與第二邊相對的第三邊H红個狹縫氣隙被 低材斤述渦流降低材料具有低磁導率，渴流降 ::=1 _包括置於該導體外表面的絕緣 '34出°ρ/刀包括具有比磁芯材料的磁導率更低的材 =:磁=括:末材料，磁芯材料的橫截面』=-狀.正方形、圓形、矩形、橢圓形、和卵形。 曰題細的描述可以看到本發明的進·'步的應用領域將 =而易見的。應該理解的是詳細的描述和特定的例子，僅僅 本發明的較佳實補。舰棒__，同時指示出 【實施方式】 下面的較佳實施例的描述在本質上僅是示例性的，立目的 =不是爲了限制本發明及其應用和❹。爲了清晰，附圖中同 樣的參考編號標識相同的部件。 現在參考第四圖’功率電感器50包括穿過磁芯材料58的 6 1333219 :==Γ 58例如可以具有-正方形的外橫截面6。 卢導央空〉同64，該中央空洞延伸至磁芯材料的長 也可同樣具有正方形的橫戴面。儘管如圖展示出正 方^外橫截面60、正方形的中央空洞64、和正方形的導體 二本領域技術人員將會明白也可以採用其他形狀。正方形的 f正方形的中央空洞64、和導體“的橫截面不必 =相同^長寬比。導體54沿著中央空洞64的—邊穿過該空 5机過導體3G的相對南的直流電流將導致磁芯材料34飽 和’而這會使功率電感器和/或與之相結合的裝置的性能降低。 、根據本發明，磁芯材料58包括狹縫氣隙7Gm於沿著 磁芯材料58㈣向上。狹縫氣隙7Q的方向與導體54平行。對 於給定的直流電流’狹縫氣隙7G可以減少磁芯材料58達到飽 和的可能性。 參考第五圖’磁通量80—i和80—2 (總體稱之爲磁通量8〇) 疋由狹縫氣隙70產生的。磁通量8()_2投射到導體54並在導體 54中感應出渦流。在一個較佳實施财，在導體54和狹縫氣隙 70的底部之間限定足夠的㈣“D”，使得磁通量被顯著降低。 在一個示例性的實施例中，距離D與流過導體的電流、寬度“w” :所希望的最大可接受的渴流相關，其中該寬纟“r是由狹縫 氣隙70限定的，而該渦流是可在導體54中感應出的。 現在參考第六A圖和第六B圖，渦流降低材料84可被安排 在臨近狹縫氣隙70處。該渦流降低材料84所具有的磁 磁芯材料的磁導率低，而比空氣的磁導率高。結果，穿過渦流 严奢低材料84的磁通量多於穿過氣隙的磁通量。舉例來說，渦流 降低材料84可以是某種軟磁材料、粉末金屬、或任何其他適宜 的材料。在第六A圖中，渦流降低材料84橫穿過狹縫氣隙7〇 的底部開口》 1333219 在第” B圖中’㈤流降低材料84’延伸跨過狹縫氣隙的外部 開口。因爲渦流降低材料84,所具有的磁導率比磁芯材料的磁導 率低而比空氣的磁導率高，因此與空氣相比，有更多的磁通量 流過渴流降低㈣。所以，就會有更少由㈣産生的 達導體。 』 、例如，渦流降低材料84可以具有的相對磁導率爲9,而氣 隙中空亂的相對磁導率爲i。於是就會有大約规的磁通量流過 渴流降低材料84 ’而大約1()%的磁通量流過空氣，結果，到達 導體的磁通量就會顯著地降低’從而降低在導體中感應的渴 流。如^所述，具有其他磁導率值的其他材料也可以應用。現 在參考第七圖，也可以增加介於狹縫氣隙的底部和導體54的頂 部之間的距離“D2” ’從而減少導體54中産生的渦流的大小。 現在參考第八圖，其中所示功率電感器1〇〇包括磁芯材料 104，該磁芯材料中形成有第一空洞1〇8和第二空洞11〇。在第 一空洞108和第二空洞11〇中分別設置有第一導體112和第二 導體114。在磁芯材料1〇4的一邊設置有第一氣隙12〇和第二氣 隙122，它們分別對應於導體112和導體114。第一氣隙12〇和 第一氣隙122可減少磁芯材料1 的飽和。在一個實施例中， 互耦Μ處於0.5範圍内。 現參考第九Α圖和第九β圖，在一個或多個狹縫氣隙12〇 和/或122附近設置一種渦流降低材料，以降低由該狹縫氣隙産 生的磁通量，從而降低感應的渦流。在第九Α圖中，渦流降低 材料84被設置於狹縫氣隙120的底部開口附近。在第九β圖中， 渴流降低材料被設置於狹縫氣隙12〇和122的頂部開口附近。 可以理解，可將該渦流降低材料設置於其中一個氣隙附近，或 兩個氡隙均設置有該渦流降低材料。磁芯材料的Τ型中央部分 121將第一空洞1〇8和第二空洞HQ分開。 1333219 狹縫氣隙可以位於其他不同的位置。例如參考第十A 可將狹縫氣隙70,設置於磁芯58的其中一邊。狹縫氣隙: ，優選但不是必須位於導體54的頂表面之上。如圖所示，磁通 里在狹縫氣隙70,的底邊處是向内輻射的。因爲狹縫氣隙7〇，位 於導體54的上面，故具有降低磁通量的效果。可以理解，可將 渦流降低材料設置在鄰近狹缝氣隙7〇，處，以 量，如第六A圖和/或第六B圖所示。在第+B圖中威遇^^低 材料84位於接近狹縫氣隙7〇,的外部開口處。渦流降低材料84 也可以位於磁芯材料58的内部。 現在參考第十一 A圖和第十一 B圖，其中所示功率電感器 123包括一種磁芯材料124，該磁芯材料包含被中央部分Mg分 開的第一空洞126和第二空洞128。在第一空洞126和第二空二 128中为別设置有處於空洞一邊的第一導體130和第二導體 132。第一狹縫氣陽：138和第二狹縫氣隙14Μ皮安排在—磁芯材料 的相對的兩側’並各自與導體13〇和導體132的一邊相鄰。狹 縫氣隙138和/或140可以如第十一 Β圖所示與磁芯材钭124的 内側141對齊’也可以如第十一 Α圖所示與内们41之間留有 間隙。可以理解的是，可以使用渦流降低材料進一步降低從一 個或兩個狹縫氣隙發出的磁通量，如第六A圖和/或第六_ 所示。 現在參考第十一圖和第十二圖，其中所示功率電感器⑷ 匕括磁心材料144 ’该磁芯材料包含兩個相連通的第一空洞 和第二空洞丨48。在第一空洞146和第二空洞148中分別設置有 第一導體150和第二導ft 152。磁芯材料144的凸出部分154 從磁芯材料的底邊向上延伸，位於導體15〇和152之間。凸出 部分154是部分地向頂邊延伸，而非完全延伸至與頂邊相接。 在-個較佳實施例中，凸出部分154的&出長度大於導體15〇 1333219 和導體154的高度。可以理解，第十二圖和第十三㈣的凸出 部分154還可以替換爲第十四圖所示的凸出部分155，其由一種 磁導率比磁芯材料低但比空氣磁導率高的材料製成^替㈣ 是’如第十五圖所示，凸出部分和磁芯材料都可以移走。在這 個實施例中，互耦Μ近似1。 在第十二圖中，狹縫氣隙156被設置在磁芯材料144中， 其位置在凸出部分154的上方。狹縫氣隙156所具有的寬度Η =凸出部》154的寬度W2小。在第十三圖中，狹縫氣隙156被 设置在凸出部分154上方的磁芯材料中。狹縫氣隙156所具有 的寬度W3大於或等於凸出部分154 &寬度。可以理解，可以 使用渴流降低材料進一步降低狹縫氣隙156發出的磁通量，如 第=A圖和/或第六B圖所示。在第十二圖至第十四圖所示的一 些實施例中，互耦Μ取值在1以内。 現在參考第十六圖，其中示出功率電感器17〇,它包含磁怒 材料Π2 ’該磁芯材料具有空洞me在磁芯材料172的一邊形 成有狹縫氣隙175。一個或多個絕緣導體176和178穿過空洞 Π4。絕緣導體m和π8包含包裹著内部導體184的外層⑻。 外層182所具有的磁導率比空氣高而比磁芯材料低。該外層材 料182可以顯著降低由狹縫氣隙導致的磁通量和否則的話會在 導體184中感應出的渦流。 現在參考第十七圖，其中所示功率電感器180包括導體184 和-種“c”形的磁芯材料188，該磁芯材料包含空洞⑽，在磁 芯材料188的-邊設置有—個狹縫氣隙192。導體184穿過空洞 190在狹缝氣隙192上設置有一種渦流降低材料84，。在第十 八圖中’所不渦流降低材料84’包括—延伸到狹缝氣隙内的凸出 部分194，它與被狹縫氣隙192所限定的開口相匹配。 現在參考第十九圖’其中所示功率電感器中的磁芯材 1333219 料包，第一空洞206和第二空洞208。第一導體210和第二導體 212分別穿過第一空洞206和第二空洞208。中央部分218位於 上述，一空洞和第二空洞之間。可以理解，中央部分218可以 由磁芯材料和/或—種渴流降低材料製成。可替換地，導體也可 以包括外層。 導體可以用銅製成，不過也可使用金、鋁和/或其他具有低 電阻，合適導電材料。磁&材料可以是鐵氧體，但也可使用其 ^门磁V率和冋電阻率的磁芯材料。在此所使用的鐵氧體指 的是多種磁性物質中的任何―種，包括鐵氧化物與_種❹種 金屬氧化物形成的組合物，其中所述金屬氧化物中的金屬例如 爲猛、錄和/或辞。如果用鐵氧體，可用 適的技術來切割出所述狹縫氣隙。 戈夂、他口 ，儘g上述的一些功率電感器僅展示出具有單匝繞組，對本 領域技術人員而言顯而易見的是可採用更多繞組。雖然一些實 施例僅展示了有-個或兩個空洞的磁芯材料，其中每個空洞有 *：個或兩個導體’但在每個空洞中可以採用更多的導體，和/或 採用更多的空洞和導體’而這並不偏離本發明。同時儘管在各 圖中顯示的電感器的橫截面形狀爲正方形，應認爲其他合適的 形狀’例如矩形 '圓形、印形、橢圓形等也在本發明的考慮之 列。 根據本發明的實施例的功率電感器優選具有可處理最大 100女培（A)直流電流的容量，並具有等於或少於的電 感’例如其典型電感值爲5Q nH。雖然本發明是結合直流/直流 (DC/DC)轉換器進行說明的，本領域技術人員將明白所述功率電 感器可用於廣泛的應用中。 本領域的技術人員可通過前面的說明理解本發明的原理可 以用不同的形式加以運用。因此，雖然本發明已結合具體例子 11 1333219 圍並不受此限制，因爲本領域的技 圖、說明書和申請專利範圍後易於 作了說明，本發明的真實範 術人員在學習了本發明的附 對本發明作進一步改進。 【圖式簡單說明】 由詳細_述和附圖，將可得到對本發明更充分的 其中： 第-圖是根據現有技術，用於示例性直流/直流轉換器卡的 功率電感器的功能性的方框圖和電氣示意圖； 第二圖是顯示根據現有技術的第—圖所示功率電感器的透 視圖； 第三圖是顯示根據現有技術的第—圖和第二圖所示功率電 感器的剖視圖； 第四圖是顯示根據本發明的具有狹縫氣隙的功率 透視圖； ° 第五圖是第四圖所示功率電感器的剖視圖； 一第六A圖和第六B圖是顯示一可替換的實施例的剖視圖， 該實施例具有在狹縫氣隙附近設置的渦流降低材料； 第七圖是顯示-可替換實施例的磁芯的剖視圖，該實施例 具有位於狹縫氣隙和導體頂部之間的額外空間； 第八圖是具有多個空洞的磁芯的橫向剖視圖，其中每個空 洞都具有狹缝氣隙； 二 第九A圖和第九B圖均爲剖視圖，展示出以渦流降低材料 設置於一個或兩個狹縫氣隙附近時的第八圖所示實施例； 第十A圖是-個剖視圖，顯示出可用於安排狹缝氣隙的一 種可替換的側面； 12 UJ3219 第十B圖疋一個剖視圖，顯示出可用於安排狹缝氣隙的一 種可替換的側面； 第十一 A圖和第十一 B圖是具有多個空洞的磁芯的剖視 圖’其中每個空洞各自具有處於側面的狹缝氣隙； 第十二圖是具有多個空洞和中央狭縫氣隙的磁芯的剖視 圖； 第十二圖是具有多個空洞和更大中央狹缝氣隙的磁芯的剖 視圖； 第十四圖是一個磁芯的剖視圖，其中該磁芯帶有多個空 洞、中央狹縫氣隙和一種設置於臨近導體之間的具有較低磁導 率的材料； 第十五圖是帶有多個空洞和中央狹縫氣隙的磁芯的剖視 圖； 第十六圖是帶有一個狹縫氣隙和一個或多個絕緣導體的磁 芯材料的刮視圖； 第十七圖是“C”形磁芯材料和渦流降低材料的剖視圖； 第十八圖是“C”形磁芯材料和渦流降低材料的剖視圖，其 中該渦流降低材料具有匹配的凸出部分； 第十九圖是“C”形的具有多個空洞的磁芯材料和渴流降低 材料的剖視圖。 【主要元件標號說明】 20——功率電感器 24----直流/直流轉換杏 30----導體 34----磁芯材料 13 1333219 36----正方形外截面 3 8----中央空洞 50----功率電感裔 54-…導體 5 8----磁芯材料 6〇----正方形外截面 64----中央空洞 70-…狹缝氣隙 70’…-狹缝氣隙 80----磁通量 80-1…磁通量 80-2---磁通量 84----渴流降低材料 84’----渦流降低材料 100-…功率電感器 104-—磁怒材料 108----第一空洞 110----第二空洞 112…第一導體 114----第二導體 120- …第一氣隙 121- …T型中央部份 122----弟·一氣隙 123-…功率電感器 124----磁怎材料 126— --第一 空洞 128 — -第二 空洞 129-- --中央部份 130-- --第一 導體 132- --第二 導體 138-- --第一 狹縫 氣隙 140-- --第二 狹缝 氣隙 141- --内側 142-- --功率 電感 器 144-- --磁材料 146-- --第一 空洞 148- --第二 空洞 150-- --第一 導體 152-- --第二 導體 154- --凸出 部份 156- --狹縫 氣隙 170- --功率 電感 器 172- —磁怎材料 174-- --空洞 175-- --狹缝 氣隙 176、 178 — --絕緣導體 180-- --功率 電感 器 182- --外層 184-- --導體 188- -磁材料 1333219 190----空洞 192…-狹缝氣隙 194-…凸出部份 200----功率電感器 206----第一空洞 208----第二空洞 210-…第一導體 212----第二導體 218----中央部份 16

Claims (1)

1333219 拾、申請專利範圍： 1. 一種功率電感器，包括： 一磁芯材料，具有一第一末端和一第二末端； 一空洞’從該第一末端延伸到該第二末端設置於該磁芯材料 中； 一導體’穿過該空洞； 一狹縫氣隙’從該第一末端延伸到該第二末端設置於該磁芯 材料中；以及 一渴流降低材料’設置在該空洞中相鄰於該狹縫氣隙的一内 部開口’在該狹縫氣隙與該導體之間； 其中該渦流降低材料具有比該磁芯材料更低的磁導率。 产2如申凊專利範圍第1項所述的功率電感器，其中所述狹縫 氣隙被設置於所述磁芯材料中與所述導體平行的方向上。 &J3·如申請專利範圍第1項所述的功率電感器，其中所述導體 著所述磁4材料的第—邊穿過所述空洞’而所述狹缝氣隙位於 所述磁芯材料的與所述第一邊相對的第二邊。 X 一4 ·如申請專利範圍第1項所述的功率電感器，其中所述導體 者所述磁芯材料的第—邊穿過所述空洞，而所述狹縫氣隙位於 /、所述第一邊相鄰的第二邊。 卜5.如申請專利範圍第3項所述的功率電感器，進一步包含一 第二導體沿著所述第一邊穿過所述空洞。 6·如申請專利範圍第5項所述的功率電感器其進一步包括 所述磁芯材料的凸出部分，該凸出部分處於所述導體和所述第二 17 133*3219 導體之間，從所述第一邊向外延伸。 7.如申請專利範圍第6項所述的功率電感器，其中所述狹縫 氣隙位於所述凸出部分上方的所述磁芯材料的相對& 8·如申請專利範圍第4項所述的功率電感器，進一步包括： 一第二空洞，設置於該磁芯材料中； 該磁芯材料的一中央部分，位於該空洞和該第二允洞之間； 一第二導體，穿過該第二空洞且相鄰於該… 邊，ίΰΛ及 一第二狹縫氣隙，設置於與該第二邊相對的—第三邊。 9.如申請專利範圍第4項所述的功率電感器，進一步包括·· 一第二空洞，設置於該磁芯材料中； 在該空洞和該第二 一 Τ形中央部分，設置於該磁芯材料中 空洞之間；以及 鄰，其中該導 一第一導體，穿過該第二空洞而與該第一邊相 體設置與該第一邊相鄰。 10·如申請專利範圍第9項所述的功率電感器，其 縫氣隙位於第二邊’處於所述7形中央部分—側的所述第一 對面；且有第二狹縫氣隙位於所述第二邊，處於所述τ形中 分另一側的所述第一邊的對面。 、 11·如中請專利圍第9項所述的功率電感器，1 氣隙位於所述所述祕材料的第二邊，該第二邊與所述第相 鄰，並且其中所述第二狹缝氣隙位於所述第二邊對面的第三邊。 12如申請專利範圍第1項所述的功率電感器，其中所述渦 18 1333219 .流降低材料包括軟磁材料。 L如巾請專職㈣丨項所述的功率電能，其中所述導 體e_>括位於其外表面的絕緣材料。 出上:專利範圍第6項所述的功率電感器，其中所述凸 。「刀種具有的磁導率比所述磁芯材料更低的—材料。 15·如申請專利範圍第14項所述的 料包括軟磁物質。 〃甲所边材 16·如申請專利範圍第i項所述的功率電感器，其中 :材料的橫截面是方形、圓形、矩形、橢圓形和印圓形的其中之 磁材==範圍第12™率電感器，其中所述軟 M·如申請專利範圍帛15項所述的功率電感器， 磁材料包括粉末金屬。 ，、甲所4軟 19 . 一種包含申請專利範圍第！項所述之功率電感器的 統，進一步包括與該功率電感器相連的一直流/直流轉=器系 1333219 /6 2

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081 1333219 伍、 中文發明摘要： 本發明公開了一種功率電感器，其包括具有第一末端和第二 末端的磁芯材料。在磁芯材料的内部有内部空洞’其從第一末端 延伸到第二末端。一個導體從該空洞中穿過。在磁芯中設置有狹 縫氣隙，其位於第一末端和第二末端之間。 陸、 英文發明摘要： A power inductor includes a magnetic core material having first and second ends. An inner cavity arranged in the magnetic core material extends from the first end to the second end. A conductor passes through the cavity. A slotted air gap arranged in the magnetic core material extends from the first end to the second end. 柒、 指定代表圖： (一） 本案指定代表圖為··第（四）圖。 (二) 本代表圖之元件代表符號簡單說明： 50—功率電感器 54導體 58…-磁芯材料 60-…正方形外截面 64----中央空洞 70…-狹縫氣隙 荆、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：