TWI384509B - 具有改進的漏電感之耦合電感器 - Google Patents

具有改進的漏電感之耦合電感器 Download PDF

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Description

具有改進的漏電感之耦合電感器
本發明相關於一種具有改進的漏電感之耦合電感器。
在Shultz等人之美國專利第6,362,986號(Shultz`986專利)揭露具有多相耦合電感器拓撲之直流至直流轉換器，其納入本文以供參考。這些轉換器具有優勢，包括降低電感器和轉換器之紋波電流，相較於具有傳統多相位直流到直流轉換器拓撲結構之轉換器，能減少每相電感或降低轉換頻率。因此，直流到直流轉換器與磁耦合電感實現了卓越的暫態響應，且在效率上相對於傳統的多相拓撲不受影響。這大量減少輸出電容，達成更小、成本更低的解決方案。
如Shultz`986專利所述，利用一耦合電感器之直流到直流轉換器的性能受到耦合電感器的漏電感的影響。因此，它可能需要自訂或調整電感器應用之耦合電感器的漏電感。
此前已提出一些耦合電感器。例如，圖1-3顯示由沃特拉半導體公司研發的一耦合電感器100。特別是，圖1顯示一側面平面圖，圖2顯示一截面視圖，和圖3顯示一耦合電感器100的一末端平面圖。高度106之耦合電感器100包括一磁性核心102和二或更多繞組104。圖4顯示一耦合電感器100之一繞組104之一側面透視圖。
另一個例子是，Dong等人在標題為"Twisted Core Coupled Inductors for Microprocessor Voltage Regulators"之論文中提出一個雙相"twisted core"電感器。不過，這個耦合電感器具有一個較差容量利用率之複雜核心。此外，漏電感是由垂直核心結構間的距離，和這些結構的高度所界定，因此難以控制漏電感。此外，扭曲的核心耦合電感器的漏電路徑，使得電感的設計複雜化。
此外，Dong等人在論文中發表耦合電感器，標題為"The Short Winding Path Coupled Inductor Voltage Regulators"。圖5顯示一耦合電感器500的俯視圖，其顯示這篇Dong論文之多相耦合電感器。圖5未顯示繞組以清楚顯示核心502。然而，圖6顯示包括繞組602之電感器500。
核心502包括每相之個別接腳。每一接腳504有一寬度518，而由一框架506與具有一寬度510之鄰近接腳504分隔。因此，繞組602具有一節距604，如圖6和7所示。框架寬度510相對較大，且依照接腳寬度508的次序。需要較大的框架寬度510以提供空間給漏區段512，其用以提供一路徑給磁流，以使漏電感足夠大。漏電感係因為漏區段512的的大小和/或形狀的變化而變，漏區段512可能需要改變核心502的大小和/或形狀。框架506也分別容納一繞組片，如圖6所示。
圖7顯示沿圖5之線A-A電感器500的一截面圖。每一區域702對應於個別接腳504的區域，而每一區域704對應於一個別的漏區段512的區域。為說明起見，在圖7中，繞組602的厚度被放大。如圖5-7所示，在繞組602之間需要大空間以藉由漏區段512控制漏電感。
本案主張2009年8月10申請的美國專利申請案第12/538,707號之部分連續案，其納入於此以供參照。
在一實施例中，一種M-繞組耦合電感器包括一第一終端磁性元件，一第二終端磁性元件，M個連接磁性元件，和M個繞組。M為一大於1的整數。每一連接磁性元件設置在該第一和第二終端磁性元件間並使該第一和第二終端磁性元件連接。每一繞組至少部分纏繞該M個連接磁性元件之一個別者。該耦合電感器另包含至少一頂部磁性元件，其毗鄰並至少部分延伸超過該M個連接磁性元件之至少二者，以提供該第一和第二終端磁性元件間的磁流的一路徑。
在一實施例中，一M相電源供應器包括一耦合電感器和M個轉換電路。M為一大於1的整數。該耦合電感器包括一第一終端磁性元件，一第二終端磁性元件，M個連接磁性元件，和M個繞組。每一連接磁性元件設置在該第一和第二終端磁性元件間並使該第一和第二終端磁性元件連接。每一繞組至少部分纏繞該M個連接磁性元件之一個別者。每一繞組有一個別的第一終端和一個別的第二終端，要分開，以提供漏區段更多空間，以提昇漏電感。相反地，如上所述，漏電感主要是由頂部磁性元件806和溝槽808產生。事實上，框架寬度1306應儘可能小，以恰足夠大，能防止繞組904短路。例如，在一些實施例中，框架寬度1306小於連接磁性元件寬度1002的50%、25%、或10%。因此，在一些實施例中，連接相鄰磁性元件902被一分開距離(即，一個框架寬度1306)所分開，該分開距離小於任一相鄰連接磁性元件之個別寬度1002的50%、25%或10%。耦合電感器800被配置為使框架寬度1306相對較小，可有利地增加耦合電感器800用於將繞組磁性耦合在一起的部分之容量，討論如下。
例如，繞組904是具有至少實質上矩形截面之單轉、單層繞組，以利於減少繞組阻抗。圖14顯示一繞組904的一側面立體圖，而圖15顯示一繞組904之一部分透視圖。不過，繞組904可以有其他的配置。例如，圖16-18顯示繞組配置其他可能的例子。作為另一個例子，圖19顯示一耦合電感器1900之一俯視圖，這是耦合電感器800的一個三繞組實施例。耦合電感器1900包含繞組1902，例如，由導電材料(如，銅)的一矩形板形成。不見於圖19的俯視圖之繞組1902的邊緣以虛線來表示。此外，在圖19的俯視平面圖被遮蔽的連接磁性元件的邊緣也以虛線顯示。
雖然每一繞組904被繪示為具有來自電感器800之側邊1204和1206之每一者的一終端延伸(如圖12所及每一第一終端電性耦接至一共同的第一節點。該耦合電感器另包含至少一頂部磁性元件，其毗鄰並至少部分延伸超過該M個連接磁性元件之至少二者，以提供該第一和第二終端磁性元件間的磁流的一路徑。每一轉換電路電性耦接至一個別的繞組的該第二終端，並配置為在至少二不同電壓間切換該第二終端。
應明白，為了清楚說明，圖式的某些元件可能不會按比例繪製。一項目的一具體示例可能會使用一被括號的數字(如，繞組904(1))來提及，而沒有被括號的數字意指任何這樣的項目(如，繞組904)。
圖8顯示一M繞組耦合電感器800之一側面立體圖。耦合電感器800以M等於4顯示。然而，M可以是任何大於1的整數。耦合電感器800包括一第一終端磁性元件802，一第二終端磁性元件804，及一頂部磁性元件806，其每一包含一磁性材料(例如，一鐵氧體材料和/或鐵粉材料)。例如，第一和第二終端磁性元件802和804彼此平行。雖然第二終端磁性元件804和頂部磁性元件806合併成一單一磁性元件來顯示，這些元件可以是分散的磁性元件。在一些實施例中，頂部磁性元件806形成一至少實質上平面的表面814，其可能有助於自動配置耦合電感器800，而在感應器800的頂面上不需要一黏著劑。
頂部磁性元件806提供磁流在第一終端磁性元件802和第二終端磁性元件804之間流動的一路徑。因此，頂部磁性元件806提供漏磁流一路徑，其有助於電感器800的繞組之漏電感值。頂部磁性元件806也形成具有一厚度810的一溝槽808。雖然溝槽808顯示為沿著耦合電感器800的整個長度812延伸，但溝槽808可被配置為只沿著長度812的一部分延長，例如，如果需要非線性漏電感值。
圖9顯示一耦合電感器800的一側視立體圖，其中第二終端磁性元件804和頂部磁性元件806被移除，以顯示連接磁性元件902和繞組904。耦合電感器800包括由磁性材料形成的M個連接磁性元件902，其設置在第一和第二終端磁性元件(802，804)之間，並連接第一和第二終端磁性元件(802，804)。因此，頂部磁性元件806毗鄰並至少部分延伸超過連接磁性元件902的每一者。一個別繞組904(以斜影線顯示)至少部分纏繞周該M個連接磁性元件902之一個別者。圖10顯示一耦合電感器800的一側視立體圖，其中第二終端磁性元件804和頂部磁性元件806和繞組904被移除，以較佳地顯示連接磁性元件902。每一連接磁性元件902具有一個別寬度1002。雖然連接磁性元件902被顯示為矩形且具有同等寬度1002，它們的形狀可能是不同的(例如，圓形的)，每個連接磁性元件902的實例不必有相同的寬度1002。
溝槽808包括(例如，至少以下列物質部分填充)一材料，其具有一相較於形成第一終端802磁性元件、第二終端磁性元件804、頂部磁性元件806和連接磁性元件902之一或多磁性材料來得低的磁導率。例如，溝槽808可能包括一非磁性材料，例如，空氣、絕緣膠帶、塑料、膠水、和/或紙。作為另一示例，溝槽808可以選擇性包含一飽和磁性材料，其在耦合電感800之預計正常操作的期間飽和，以使繞組904有非線性的漏電感值。頂部磁性元件806和溝槽8008通常是每個繞組904之個別漏電感之最重要的來源。因此，漏電感可能因為溝槽808的不同厚度810而變，其中漏電感與厚度810成正比地增加。
圖11顯示從相對於圖8-10之視角觀看的側視立體圖。在圖11中，移除第一終端端磁性元件802。圖12是耦合電感器800的一俯視平面圖，其中虛線表示繞組904的輪廓，其被磁性元件遮蔽。繞組904有一節距1202，例如，它相等於耦合電感器800所安裝之直流到直流轉換器之電源級(power stage)的節距，以儘量減少電路板軌(circuit board trace)長度，及儘量減少直流到直流轉換器的功率密度。雖然級距1202顯示為每一對繞組904皆相同，但節距1202可以在成對繞組中變化，以容納電源級的幾何形狀。
圖13顯示沿圖12之線B-B電感器800的一截面圖。區域1302表示連接磁性元件902的區域，其由具有個別寬度1306的框架1304分隔。區域1308表示頂部磁性元件806的截面。為說明起見，在圖13中，繞組904的厚度被放大。每一框架1304不一定具有相同寬度1306。框架寬度1306可以做得比較小，因為連接磁性元件902並不需示)，繞組904可從電感器800以不同方式延伸或完全不延伸。例如，一或多繞組904之每一終端可以從電感器800之一共同側延長，以容納電源級佈局要求。此外，可修改繞組904以包括或耦合通孔引腳。
可更改頂部磁性元件806的配置。例如，頂部磁性元件806可以被二或更多的頂部級磁性元件替換，如圖20所示。特別是，圖20顯示一耦合電感器2000之一側視立體圖，它是耦合電感器800的一替代性實施例。耦合電感器2000，一第一頂部磁性元件2002從一第一終端磁性元件2004延伸超過連接磁性元件，而一第二頂部磁性元件2006從一第二終端磁性元件2008延伸超過連接磁性元件。頂部磁性元件(2002，2006)形成溝槽2010。
在耦合電感器800的實施例中，其中M相對較大，電感器800的長度812將會比較長，以容納M個連接磁性元件902之每一者。這種相對較長的電感器800之長度812將增加溝槽808和厚度810正交的截面積，從而增加繞組漏電感值904。如果漏電感是不需要大，它可以藉由增加溝槽808的厚度810來減少。因此，當繞組的數目增加，溝槽808的厚度810也增加，以維持理想的漏電感。
也可以變化頂部磁性元件806、第一終端磁性元件802、和/或第二終端磁性元件804之配置，以決定繞組漏電感值。例如，當繞組數量增加時，可在鄰近磁性元件806的一或多終端磁性元件802、804上形成一開口，以維持理想的溝槽截面積(從而保持所需的漏電感值)。圖21-24顯示這種技術的一個例子。
圖21顯示一耦合電感器2100的一側面立體圖，它是耦合電感器800的一個二繞組實施例。耦合電感器2100包括形成一溝槽2108之一第一終端磁性元件2102，一第二終端磁性元件2104，和一頂部磁性元件2106。溝槽2108有一厚度2110，其主要決定電感器繞組之漏電感值。
圖22顯示一耦合電感器2200的一側面立體圖，其係耦合電感器800的一個三繞組選擇性實施例。耦合電感器2200包括一第一終端磁性元件2202，一第二終端磁性元件2204，和一頂部磁性元件2206。第一終端磁性元件2202形成一開口2208，其導致頂部磁性元件2206形成二溝槽2210，其每一具有一個別厚度2212，它相同於電感器2100的溝槽2108的厚度2110(圖21)。選擇開口的大小2208，以使與其厚度2212正交的二溝槽2210之整體截面積大致相同於與其厚度2110正交的溝槽2108之截面積大致相同於。因此，耦合電感器2200具有大約相同於電感器2100者之繞組漏電感值，儘管電感器2200具有較多繞組和與電感器2100相同之溝槽厚度。
圖23顯示一耦合電感器2300的一側面立體圖，這是耦合電感器800的一個四繞組的選擇性實施例，包括一第一終端磁性元件2302、一第二終端磁性元件2304、和一頂部磁性元件2306。耦合電感器2300類似於電感器2200(圖22)。然而，耦合電感器2300包括四繞組，而形成在第一終端磁性元件2302上的一開口2308的大小是選擇為使正交溝槽2310之厚度2312的溝槽2310的整體截面面積相同於正交電感器2100的溝槽2108之厚度2110的溝槽2108的截面面積(圖21)。每個溝槽2310的厚度2312相同於電感器2100的溝槽2108之厚度2110。因此，耦合電感器2300具有大約相同於耦合電感器2100和2200者之繞組漏電感值，儘管耦合電感器2300具有較多繞組和與電感器2100和2200相同之溝槽厚度。
圖24顯示第二終端磁性元件2304和頂部磁性元件2306被移除之電感器2300的一側面立體圖。在圖24上可看見連接磁性元件2402和繞組2404。
因此，如圖21-24所示，當藉由增加在鄰近頂部磁性元件之一終端磁性元件的一開口，增加繞組的數目時，漏電感可以保持在理想值，其中選擇開口大小，以達成所有溝槽之預期的總截面面積，從而達到需要的繞組漏電感。在具有大量繞組的實施例中，開口大小通常稍大於達到一理想溝槽橫截面積之開口大小，因為有些磁流將穿越開口。
當繞組的數目增加時，頂部級磁性元件806的配置也可以變化，以保持理想的溝槽截面積(從而保持所需繞組漏電感值)。圖25-30顯示這種技術的一個例子。
圖25顯示一耦合電感器2500的一側面立體圖，其係耦合電感器800的一個二繞組選擇性實施例(圖8)。圖26顯示耦合電感器2500的一側視圖。耦合電感器2500包括形成一溝槽2508之一第一終端磁性元件2502，一第二終端磁性元件2504，和一頂部磁性元件2506。例如，包含一非磁性材料的一墊片(未顯示)，可以被包含在溝槽2508，以方便在生產電感器2500的過程中控制溝槽2508。溝槽2508跨越耦合電感器2500的一整個長度2510，而溝槽2508有一厚度2602(見圖26)。例如，整個頂部外表面2512是至少實質上平面的，以方便自動化設置耦合電感2500，而在電感器2500的頂部不需要一黏著劑。
圖27顯示一側視立體圖，而圖28顯示一耦合電感2700的一側視平面圖，耦合電感2700是耦合電感器2500的一個三繞組選擇性實施例耦合電感器2700包括形成具有一厚度2802的一溝槽2804之一第一終端磁性元件2702、一第二終端終端磁性元件2704、以及一頂部磁性元件2706，(見圖28)，其中該溝槽2804的厚度2802相同於溝槽2508的厚度2602。然而，相反於耦合電感器2500，溝槽2804並未跨越電感器2700的整個長度2710。相反地，配置頂部磁性元件2706，以使溝槽2804正交其厚度2802的一橫截面面積大約相同於電感器2500的溝槽2508正交其厚度2602的橫截面面積。因此，電感器2700的繞組漏電感值大約相同於電感器2500之繞組漏電感值，儘管電感器2700具有較多繞組和與電感器2500相同之溝槽厚度。
圖29顯示一側視立體圖，而圖30顯示一耦合電感2900的一側視平面圖，其中該耦合電感2900是耦合電感器2500的一個四繞組選擇性實施例。耦合電感器2900包括形成具有一厚度3002的一溝槽3004之一第一終端磁性元件2902、一第二終端終端磁性元件2904、以及一頂部磁性元件2906(見圖30)，其中該溝槽3004的厚度3002相同於溝槽2508的厚度2602。相同於電感器2700(圖27)，配置頂部磁性元件2906，以使溝槽3004正交其厚度3002的一橫截面面積大約相同於電感器2500的溝槽2508正交其厚度2602的橫截面面積(圖25)。因此，電感器2900的繞組漏電感值大約相同於電感器2500和2700之繞組漏電感值，儘管電感器2900具有較多繞組和與電感器2500及2700相同之溝槽厚度。
圖31顯示一耦合電感器3100的一側視立體圖，這是一耦合電感器800(圖8)的一選擇性實施例，並包括兩耦合電感器2300(圖23)和耦合電感器2900(圖29)的一些功能。耦合電感器3100包括一第一終端磁性元件3102、一第二終端磁性元件3104、和一頂部磁性元件3106，其提供磁流在第一終端磁性元件3102和第二終端磁性元件3104間的一路徑。頂部磁性元件3106另形成溝槽3108。頂部磁性元件3106構成一延伸部3110，其延伸至在一第一終端磁性元件3102的一開口3112，但不接觸第一終端磁性元件3102。圖32顯示從相對於圖31之視角觀看的側視立體圖。由於溝槽3108有較大的整體截面積，電感器3100的繞組漏電感值可能會比較大。然而，電感器3100的大量溝槽3108可在決定繞組漏電感值時提供極大的靈活性。
圖33顯示一耦合電感器3300的一側面立體圖，其係耦合電感器3100的一選擇性實施例(圖33)。耦合電感器3300類似於耦合電感器3100。然而，相對於耦合電感器3100，耦合電感器3300的一頂部磁性元件3302並不延伸超過所有連接磁性元件3304，從而減少溝槽的截面面積。因此，相較於耦合電感器3100之類似實施例，耦合電感器3300一般具有較小的漏電感值。
相較於其他耦合電感器，耦合電感器800可能有許多潛在的優勢。一潛在優點是耦合電感器800可能有比其他具有類似電感和電流容量特性之耦合電感器小的底面積。特別是，漏電感主要是通過頂部元件806和溝槽808來產生和控制。因此，不需要用以增加常增加電感器底面積大小的漏電感之其他特徵。例如，在耦合電感器800不需要添加到電感器終端的溝槽外接腳，或在繞組間的漏區段(請見，例如，圖5-7電感器500)，其中該等繞組係用於在其他耦合電感器，以增加漏電感值。
此外，如上所述，漏電感是可藉由改變溝槽808的厚度810來調整的。因此，很容易調整漏電感，例如，藉由磨薄頂部磁性元件806。相反地，必須改變核心幾何和/或漏區段，以適應耦合電感器100(圖1-3)或耦合電感器500(圖5-7)之漏電感。
此外，耦合電感器800在繞組之間不需要有較寬的框架寬度1306，從而有利於最大化能夠磁性地耦接繞組之核心截面。例如，在圖13中，截面積的大部分是被耦合繞組904的一磁性材料佔用，只有框架1304不包括磁性材料。因此，電感器800可有相較於其他具有相似繞組節距的電感器來得較大的磁化電感，從而在繞組之間增加磁耦合，在繞組之間增加漏電感與磁化電感的均勻度，增加來自繞組電流不匹配之抗飽和度，和/或降低核心損失。此外，由耦合電感器800的一些實施例提供的較大的磁耦合可允許使用低滲透核心材料，從而減少核心損失。
相反地，在一些其他耦合電感器中，例如，耦合電感器100(圖1-3)或耦合電感器500(圖5-7)，電感器容量的一重要部分不被用來磁耦合繞組。這些事實可以藉由比較圖7和圖13來了解，其中耦合電感器800所包括的用以耦合繞組的磁性核心材料，相較於相同繞組節距的耦合電感器500多上許多。
此外，耦合電感器800的一些實施例使得繞組904具有一較短長度和一較寬寬度，從而減少繞組電阻和相關的功率損耗。相反地，一些習知技藝的耦合電感器需要較長的繞組，例如，耦合電感器100的繞組104的長度般(見圖4)。
此外，耦合電感器800的一些實施例不需要薄磁性核心，從而有利於機械強度、製造、運輸、處理和/或組裝。相反地，一些其他耦合電感器核需要超薄核心組件，而這是脆弱的，並且難以製造、運輸、處理和/或組裝。例如，耦合電感器100(圖一)的核心102可能需要一薄頂組件和一薄底組件。
圖34顯示一M繞組耦合電感器3400的俯視立體圖。耦合電感器3400以M等於4顯示。然而，M可以是任何大於1的整數。耦合電感器3400類似於耦合電感器800，但包括二溝槽，其與它的主要漏流路徑串流。具體來說，耦合電感器3400包括一磁性核心3402，其包括第一和第二終端磁性元件3404和3406，和一頂部磁性元件3408。第一溝槽3410從第一終端磁性元件3404分隔頂部磁性元件3408，而一第二溝槽3412從第二終端磁性元件3406分隔頂部磁性元件3408第一和第二溝槽(3410，3412)之每一者包含一個別的溝槽材料(如，空氣、絕緣膠帶、塑料、膠水、和/或紙張)，其相較於形成磁性核心3402的一或多磁性材料具有較低磁導率。頂部磁性元件3408形成一外部或頂部表面3422，並在某些特定實施例中，至少部分表面3422是至少實質上平面的。
圖35顯示一移除頂部磁性元件3408的核心3402的俯視立體圖。核心3502包括M個連接磁性元件3414，其設置在第一和第二終端磁性元件(3404，3406)之間，並連接第一和第二終端磁性元件(3404，3406)。因此，頂部磁性元件3408毗鄰並至少部分延伸超過連接磁性元件3414的每一者。例如，第一和第二終端磁性元件(3404，3406)相互平行，以使核心3402形成一梯狀核心。雖然核心3402的磁性元件被繪示為結合後可形成核心3402之獨立的磁性元件，然而一或更多的磁性元件可以合併成一個單一磁性元件(例如，連接磁性元件3414和第一終端磁性元件3404可以合併到一單一磁性元件)。
耦合電感器3400還包括一個別的繞組3416，其至少部分纏繞每一連接磁性元件3414。圖36顯示耦合電感器3400的俯視立體圖，其中磁性核心3402被繪示為透明以顯示繞組3416。繞組3416的配置可以變化，例如，圖16-18的例子中的繞組。圖37顯示耦合電感器3400的側邊3418。
一非磁性材料3708(圖37)(例如，膠、環氧樹脂)，和/或一或多非磁性墊片，通常被設置在頂部磁性元件3408和核心3402的一或多其他元件(例如，第一和第二終端磁性元件(3404，3406))之間，來從第一和第二終端磁性元件(3404，3406)分隔頂部磁性元件，從而產生第一和第二溝槽(3410，3412)。磁性墊片可以選擇性地膠合，在這種情況下，至少部分固定頂部磁性元件3408至第一和第二終端磁性元件(3404，3406)。黏膠也可用於至少部分固定頂部磁性元件3408至第一和第二終端磁性元件(3404，3406)。圖38-40分別顯示耦合電感器(3800，3900和4000)的俯視立體圖，其每一是耦合電感器3400的一實施例，包括一或多非磁性墊片3802，其從第一和第二終端磁性元件(3404，3406)分開頂部磁性元件3408。在圖38-40中，核心3402被繪示為透明，以顯示非磁性墊片3802。
在某些選擇性實施例中，耦合電感器的繞組之至少一者被用作介於頂部磁性元件和核心的一或多其他元件之間的一墊片。例如，圖41繪示一耦合電感器4100的側視圖，它是耦合電感器3400的一選擇性實施例，其中繞組4102(類似於繞組3416)有利於從第一和第二終端磁性元件(4106，4108)分開一頂部磁性元件4104一粘合劑材料(未顯示，如，膠或環氧樹脂)通常用於固定頂部磁性元件4104至耦合電感器4100的其餘部分。這種粘合材料通常也有利於使頂部磁性元件4104從終端磁性元件(4106，4108)分開。使用繞組4102作為頂部磁性元件4104和終端磁性元件(4106，4108)之間的墊片可利於精確地控制溝槽厚度(4110，4112)。
頂部磁性元件3408提供磁流在第一終端磁性元件3404和第二終端磁性元件3406之間流動的一路徑。因此，頂部磁性元件3408提供一路徑給漏磁流，以及第一和第二溝槽(3410，3412)之每一者串聯於頂部磁性元件3408的漏磁路徑。因此，頂部磁性元件3408和第一和第二溝槽(3410，3412)通常是每個繞組3416之個別漏電感之最重要的來源。因此，漏電感可藉由改變第一溝槽3410的厚度3702和/或第二溝槽3412的厚度3704來改變(見圖37)，其中漏電感的增加與厚度(3702，3704)成正比。由於耦合電感器3400包括在它的漏流路徑的二溝槽(3410，3412)，溝槽(3410，3412)通常薄於在一電感器的漏流路徑的一溝槽，該電感器在它的漏流路徑只包含一單一溝槽。
雖然厚度(3702，3794)被繪示為相同於圖37，厚度3702不一定相同於厚度3704。此外，儘管第一和第二溝槽(3410，3412)之每一者被繪示沿著耦合電感器3400的整個長度3420延伸，一或多第一和第二溝槽(3410，3412)可被修改，以只沿著長度3420的部分延伸。此外，第一和第二溝槽(3410，3412)的一或多者可能有一厚度(3702，3704)，它沿著寬度3420和/或沿著耦合電感器3400的深度3706是不均勻的，以產生一非線性漏電感值。此外，除了在頂部磁性元件3408的漏流路徑之第一和第二溝槽(3410，3412)之外，所耦合的耦合電感器3400可被修改，以包括一或多溝槽。
耦合電感器3400的特定實施例具有相似於上述關於耦合電感器800的優點，例如，相較於一些具有相同電感和電流容量特性的其他耦合電感器來得較小的底面積，能夠方便地調節漏電感，能夠使相鄰繞組更緊密地放在一起，並且能夠使用較短和/或較寬的繞組。此外，如下文所述，耦合電感器3400的實施例所具有的額外優點不一定藉由耦合電感器800的特定實施例來實現。
例如，在耦合電感器3400的特定實施例中，頂部表面3422的至少一部份沒有溝槽並且是實質上平坦的(溝槽(3410，3412)是位在表面3422的側邊)，從而有可能允許在表面3422上拾取和放置組件而無需使用一籤條或遮蓋。由於不需要使用籤條或遮蓋，可能有利於減少材料和勞力成本，減少耦合電感器3400的高度3424，和/或促進熱量從頂部表面3422轉移到電感器的環境。
另一個例子是，耦合電感器3400的一些實施例包括一核心，其由一組簡單形狀(例如，實質上長方形)的磁性元件所形成，從而有利於降低核心成本和製造。這種磁性元件可能是對稱的，從而減少形成核心3402所需的磁性元件的數量。例如，在某些實施例中，第一和第二終端磁性元件(3404，3406)互換，從而減少堆疊以形成核心3402之不同磁性元件的數量。
作為另一個例子，溝槽厚度(3702，3704)取決於頂部磁性元件3408相對於第一和第二終端磁性元件(3404，3406)的位置之事實可以允許相對容易控制溝槽厚度。例如，在某些實施例，溝槽厚度主要是由將頂部磁性元件3408從第一和第二終端磁性元件(3404，3406)分開的非磁性墊片和/或黏膠的厚度所控制。
另一個例子是，使用二溝槽(3410，3412)，而不是一單一溝槽可減少從耦合電感器3400發出的的雜散磁場。特別是，如上所述，溝槽(3410，3412)一般厚度小於在一電感器的漏流路徑的一溝槽，該電感器在它的漏流路徑只包含一單一溝槽。這種較小的溝槽可減少雜散磁場，從而可以減少來自耦合電感器3400的電磁干擾。減少的雜散磁場也可減少因為由雜散磁場在金屬部分所引致的電流所導致的相鄰於金屬部分的損失。
本文以電源供應器(例如，在直流至直流轉換器中)揭示耦合電感器的一種可能的應用。因此，本文所揭露之用以形成耦合電感器的磁性核心之磁性材料通常是一在高轉換頻率(例如，至少20千赫)具有相對低核心損失之材料(如，鐵氧體材料或鐵粉材料)，這些常見於轉換電源供應器。
圖41繪示一電源供應器4200，它是本文所述耦合電感器的一種可能應用。雖然所示的電源供應器4200具有三相，電源供應器4200可以有大於1之任意數量的相。
電源供應器4200包括一耦合電感器4202，它是，例如，本文所述耦合電感器之一者的一個三繞組實施例(例如，一耦合電感器(800，1900，2000，2100，2200，2300，2500，2700，2900，3100，3300，3400或4100)的一個三繞組實施例)。耦合電感器4202包括一磁性核心4204和三繞組4206。每一繞組4206具有一第一終端4210，其電性耦接一共同的第一節點4212。每一第一終端4210選擇性地從一電感器4202之一共同側延伸(例如，圖12的側邊1204)。每一繞組4206還包括一第二終端4208，其電性耦合到一個別的轉換電路4214。每一第二終端4208可選擇性地從電感器4202的另一共同側延伸(例如，圖12的側邊1206)。繞組4206纏繞核心4204，以使從它的第二終端4206流到它的第一終端4210之一電流在每一其他繞組4206引致從它的第二終端4208流到它的第一終端4210之一電流。轉換電路4214被配置和安排為在至少二不同電壓間轉換它們個別的繞組4206的第二終端4208。控制器4218控制轉換電路4214，而控制器4218選擇性地包括一反饋連接4220，例如，第一節點4212。第一節點4212選擇性包含一過濾器4216。
電源供應器4200通常具有一轉換頻率，轉換電路4214轉換的頻率至少大約20千赫，使得因為電流轉換造成元件移動所產生的聲音高於人類所能接收的一頻率範圍。在高轉換頻率(例如，至少20千赫)而不是在低轉換頻率操作的電源供應器4200也可有利帶(1)減少儲能元件(例如，耦合電感器4202和濾波電容器)的大小，(2)降低紋波電流和紋波電壓的大小，和/或(3)提高轉換器暫態響應。為了有效地以高轉換頻率操作，形成耦合電感器4204的一磁核心4204的一或多磁性材料通常是在高頻操作時具有相對較低核心損耗之材料。
在一些實施例中，控制器4218控制轉換電路4214，以使每一轉換電路4214在每一其他轉換電路4214之相位之外操作。不同的是，在這種實施例中，由每一轉換電路4214提供到它個別的第二終端4208之轉換波形相對於由每一其他轉換電路4214提供給它個別的第二終端4208之轉換波形是相移的(phase shifted)。例如，在電源供應器4200的某些實施例中，轉換電路4214(1)提供一轉換波形給第二終端4208(1)，它大約與由轉換電路4214(2)提供給第二終端4208(2)的轉換波形及與由轉換電路4214(3)提供給第二終端4208(3)的轉換波形相差120度。
電源供應器4200可以配置和安排成各種不同的配置。例如，轉換電路4214可以切換介於輸入電壓節點(未顯示)和接地間的個別繞組4206之第二終端4208，以使電源供應器4200配置為一降壓轉換器，第一節點4212是一輸出電壓節點，和過濾器4216是一個輸出過濾器。在這個例子中，每一轉換電路4214包括至少一高邊轉換裝置和至少一箝位二極體，或至少一高邊轉換裝置和至少一低邊轉換裝置。在本文的內容中，轉換裝置包括但不限於：一雙極接面電晶體、一場效電晶體(例如，一N通道或P通道金屬氧化物半導體場效電晶體、一接面場效電晶體、一金屬半導體場效電晶體)，一絕緣柵雙極接面電晶體、一半導體閘流管、或一矽控整流器。
另一個例子是，電源供應器4200可配置為一升壓轉換器，使得節點4212是一輸入功率節點，而轉換電路4214在一輸出電壓節點(未顯示)和接地之間轉換個別繞組4206的第二終端4208。此外，例如，電源供應器4200可配置為一升壓轉換器，使得節點4212是一共同節點，而轉換電路4214在一輸出電壓節點(未顯示)和一輸入電壓節點(未顯示)之間轉換個別繞組4206的第二終端4208。
此外，作為另一例子，電源供應器4200可能會形成一個孤立的拓撲。例如，每一轉換電路4214可包括：一變壓器，至少一轉換裝置電耦合到該變壓器的主要繞組；及一整流電路，其在變壓器的輔助繞組和一個別繞組4206的第二終端4208之間耦接。整流電路可選擇性地包括至少一切換裝置，以提高效率。
電源供應器4200的一種可能的應用是一計算裝置，例如，圖43的計算設備4300。例如，計算設備4300是一個人電腦或伺服器主機板、一伺服器處理板、具有計算能力的一行動電話、或一個人數字助理。電源供應器4200的一實施例之電源供應器4302至少部分供應處理器4304電力。電源供應器4302包括一耦合電感器4306，它是，例如，本文所述耦合電感器之一者的一實施例(例如，一耦合電感器(800，1900，2000，2100，2200，2300，2500，2700，2900，3100，3300，3400或4100)的一實施例)。
可以在不背離其範疇的情況下改變上述方法和系統。應明白，在上文中所闡述者和在附圖中所繪示者只作為例示而非限制。下文之申請專利範圍意在涵蓋本文所述之上位和特定特徵，而本發明之方法和系統之範疇的所有敘述可視為被其涵蓋。
100．．．耦合電感器
102．．．核心
104．．．繞組
106．．．高度
500．．．耦合電感器
502．．．核心
504．．．接腳
506．．．框架
508．．．寬度
510．．．寬度
512．．．漏區段
602．．．繞組
604．．．節距
702．．．區域
704．．．區域
800．．．耦合電感器
802．．．終端磁性元件
804．．．終端磁性元件
806．．．頂部磁性元件
808．．．溝槽
810．．．厚度
812．．．長度
814．．．表面
902．．．連接磁性元件
904．．．繞組
1002．．．寬度
1202．．．節距
1204．．．側邊
1206．．．側邊
1302．．．區域
1304．．．框架
1306．．．寬度
1308．．．區域
1900．．．耦合電感器
1902．．．繞組
2000．．．耦合電感器
2002．．．頂部磁性元件
2004．．．終端磁性元件
2006．．．頂部磁性元件
2008．．．終端磁性元件
2010．．．溝槽
2100．．．耦合電感器
2102．．．終端磁性元件
2104．．．終端磁性元件
2106．．．頂部磁性元件
2108．．．溝槽
2110．．．厚度
2200．．．耦合電感器
2202．．．終端磁性元件
2204．．．終端磁性元件
2206．．．頂部磁性元件
2208．．．開口
2210．．．溝槽
2212．．．厚度
2300．．．耦合電感器
2302．．．終端磁性元件
2304．．．終端磁性元件
2306．．．頂部磁性元件
2308．．．開口
2310．．．溝槽
2312．．．厚度
2402．．．連接磁性元件
2404．．．繞組
2500．．．耦合電感器
2502．．．終端磁性元件
2504．．．終端磁性元件
2506．．．頂部磁性元件
2508．．．溝槽
2510．．．長度
2512．．．頂部外表面
2602．．．厚度
2700．．．電感器
2702．．．終端磁性元件
2704．．．終端磁性元件
2706．．．頂部磁性元件
2710．．．長度
2802．．．厚度
2804．．．溝槽
2900．．．耦合電感
2902．．．終端磁性元件
2904．．．終端磁性元件
2906．．．頂部磁性元件
3002．．．厚度
3004．．．溝槽
3100．．．耦合電感器
3102．．．終端磁性元件
3104．．．終端磁性元件
3106．．．頂部磁性元件
3108．．．溝槽
3110．．．延伸部
3112．．．開口
3300．．．耦合電感器
3302．．．頂部磁性元件
3304．．．連接磁性元件
3400．．．耦合電感器
3402．．．磁性核心
3404．．．終端磁性元件
3406．．．終端磁性元件
3408．．．頂部磁性元件
3410．．．溝槽
3412．．．溝槽
3414．．．連接磁性元件
3416．．．繞組
3418．．．側邊
3420．．．長度
3422．．．頂部表面
3424．．．高度
3702．．．溝槽厚度
3704．．．溝槽厚度
3706．．．深度
3708．．．非磁性材料
3800．．．耦合電感器
3802．．．非磁性墊片
3900．．．耦合電感器
4000．．．耦合電感器
4100．．．耦合電感器
4102．．．繞組
4104．．．頂部磁性元件
4106．．．終端磁性元件
4108．．．終端磁性元件
4110．．．溝槽厚度
4112．．．溝槽厚度
4200．．．電源供應器
4202．．．耦合電感器
4204．．．磁性核心
4206．．．繞組
4208．．．終端
4210．．．終端
4212．．．節點
4214．．．轉換電路
4216．．．過濾器
4218．．．控制器
4300．．．計算設備
4302．．．電源供應器
4304．．．處理器
4306．．．耦合電感器
圖1顯示習知技藝的多相耦合電感器的一側面圖。
圖2顯示圖1習知技藝耦合電感器的一截面圖。
圖3顯示圖1習知技藝耦合電感器的一末端平面視圖。
圖4顯示圖1習知技藝耦合電感器的一繞組之一側視立體圖。
圖5顯示沒有繞組的習知技藝的多相耦合電感器的一俯視圖。
圖6顯示有繞組的之圖5習知技藝耦合電感器的一俯視圖。
圖7顯示圖5和6習知技藝耦合電感器的一截面圖。
圖8顯示依據一實施例一耦合電感器的一側視立體圖。
圖9顯示磁性元件被移除的圖8耦合電感器的一側視立體圖。
圖10顯示磁性元件和繞組被移除的圖8耦合電感器的另一側視立體圖。
圖11顯示一磁性元件被移除的圖8耦合電感器的又一側視立體圖。
圖12顯示圖8耦合電感器的一俯視圖。
圖13顯示圖12耦合電感器的一截面圖。
圖14-18顯示可用於圖8耦合電感器的繞組之示例的一側面立體圖。
圖19顯示具有一選擇性繞組配置的之圖8耦合電感器的一實施例之一俯視圖。
圖20顯示依據一實施例，包含二磁性元件之一耦合電感器的一側視立體圖。
圖21顯示依據一實施例一個二繞組耦合電感器的一側視立體圖。
圖22顯示根據一實施例，一個三繞組耦合電感器的一側視立體圖，其中一終端磁性元件形成一開口。
圖23顯示根據一實施例，一個四繞組耦合電感器的一側視立體圖，其中一終端磁性元件形成一開口。
圖24顯示磁性元件被移除的圖23耦合電感器的一側視立體圖。
圖25顯示依據一實施例一二繞組耦合電感器的一側視立體圖。
圖26顯示圖25耦合電感器的一側視平面圖。
圖27顯示依據一實施例一個三繞組耦合電感器的一側視立體圖。
圖28顯示圖27耦合電感器的一側視平面圖。
圖29顯示依據一實施例一個四繞組耦合電感器的一側視立體圖。
圖30顯示圖29耦合電感器的一側視平面圖。
圖31顯示依據一實施例一個四繞組耦合電感器的一側視立體圖。
圖32顯示圖31耦合電感器的另一側視立體圖。
圖33顯示圖31耦合電感器的選擇性實施例之另一側視立體圖。
圖34顯示依據一實施例，一耦合電感器的一俯視立體圖。
圖35顯示頂部磁性元件被移除之圖34耦合電感器之磁性核心的一俯視立體圖。
圖36顯示磁性核心顯示為透明的圖34耦合電感器的一俯視立體圖。
圖37顯示圖34耦合電感器的一側視圖。
圖38-40之每一者顯示包含至少一非磁性墊片之一個別的耦合電感之一俯視立體圖。
圖41顯示圖34耦合電感器的一選擇性實施例之一側視圖。
圖42顯示根據一實施例之一電源供應器。
圖43顯示依據一實施例，使用一耦合電感器的一計算裝置。
800．．．耦合電感器
802．．．終端磁性元件
804．．．終端磁性元件
806．．．頂部磁性元件
808．．．溝槽
810．．．厚度
812．．．長度
814．．．表面

Claims (25)

  1. 一種M-繞組耦合電感器，M為一大於1的整數，該耦合電感器包括：一第一終端磁性元件；一第二終端磁性元件；M個連接磁性元件，每一連接磁性元件設置在該第一和第二終端磁性元件間並使該第一和第二終端磁性元件連接；M個繞組，每一繞組至少部分纏繞該M個連接磁性元件之一個別者；及至少一頂部磁性元件，其毗鄰並至少部分延伸超過該M個連接磁性元件之至少二者，以提供該第一和第二終端磁性元件間的磁流的一路徑。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之耦合電感器，其中該至少一頂部磁性元件被一第一溝槽從該第一終端元件分開，該至少一頂部磁性元件被一第二溝槽從該第二終端元件分開，該第一和第二溝槽的每一者包括一個別的溝槽材料，其具有一相較於形成該磁性元件之一或多磁性材料來得低的磁導率。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之耦合電感器，其中每一繞組具有一個別的漏電感值，其係該第一溝槽的一厚度的一函數和該第二溝槽的一厚度的一函數。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之耦合電感器，另包含一非磁性材料，其由下列所組成的群組中選出：膠水和一非磁性墊片，該非磁性材料使該至少一頂部磁性元件從該第一和該第二終端磁性元件分開。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之耦合電感器，其中該M個繞組之至少一者用作介於該至少一頂部磁性元件和該第一和第二終端磁性元件間的一墊片。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之耦合電感器，其中該至少一頂部磁性元件形成一溝槽，其包括一溝槽材料，該溝槽材料具有一比形成該磁性元件的一或多磁性材料來得低的磁導率。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之耦合電感器，其中每一繞組有一個別的漏電感值，其是該溝槽的一厚度之一函數。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之耦合電感器，其中M為大於2的一整數。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之耦合電感器，其中該第一和第二終端磁性元件的至少一者形成一開口，其毗鄰該至少一頂部磁性元件。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之耦合電感器，其中至少一頂部磁性元件包含在其中形成一溝槽的一第一和一第二頂部磁性元件
  11. 如申請專利範圍第1項所述之耦合電感器，其中該至少一頂部磁性元件包含一單一頂部磁性元件。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之耦合電感器，其中每一繞組是一單層和一單轉繞組具有矩形截面。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之耦合電感器，其中該至少一頂部磁性元件形成一外表面，該外表面的至少一部分是平面的。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之耦合電感器，其中每一連接磁性元件具有一個別的寬度，毗鄰的連接磁性元件被一分隔距離分開，該分隔距離小於任一毗鄰的連接磁性元件的該個別的寬度之25%。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之耦合電感器，其中每一連接磁性元件具有一個別的寬度，毗鄰的連接磁性元件被一分隔距離分開，該分隔距離小於任一毗鄰的連接磁性元件的該個別的寬度之10%。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之耦合電感器，其中該至少一頂部磁性元件毗鄰並延伸超過所有的該M個連接磁性元件。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之耦合電感器，其中該至少一頂部磁性元件毗鄰並延伸超過部分的該M個連接磁性元件。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之耦合電感器，其中該第一和第二終端磁性元件的至少一者形成一開口，其毗鄰該至少一頂部磁性元件。
  19. 一種M-相電源供應器，M為一大於1的整數，該電源供應器包括：一耦合電感器，包括：一第一終端磁性元件；一第二終端磁性元件；M個連接磁性元件，每一連接磁性元件設置在該第一和第二終端磁性元件間並使該第一和第二終端磁性元件連接；M個繞組，每一繞組至少部分纏繞該M個連接磁性元件之一個別者，每一繞組有一個別的第一終端和一個別的第二終端，每一第一終端電性耦接至一共同的第一節點，及至少一頂部磁性元件，其毗鄰並至少部分延伸超過該M個連接磁性元件之至少二者，以提供該第一和第二終端磁性元件間的磁流的一路徑；及M個轉換電路，每一轉換電路電性耦接至一個別的繞組的該第二終端，並配置為在至少二不同電壓間切換該第二終端。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之電源供應器，其中M為大於2的一整數。
  21. 如申請專利範圍第19項所述之電源供應器，其中該至少一頂部磁性元件被一第一溝槽從該第一終端磁性元件分開來，該至少一頂部磁性元件被一第二溝槽從該第二終端磁性元件分開來，該第一和第二溝槽之每一者包含一個別的溝槽材料，其具有一相較於形成該磁性元件之一或多磁性材料來得低的磁導率，每一繞組具有一個別的漏電感值，其係該第一溝槽的一厚度的一函數和該第二溝槽的一厚度的一函數。
  22. 如申請專利範圍第19項所述之電源供應器，其中該至少一頂部磁性元件形成一溝槽，其包括一溝槽材料，該溝槽材料具有一比形成該磁性元件的一或多磁性材料來得低的磁導率，及每一繞組有一個別的漏電感值，其是該溝槽的一厚度之一函數。
  23. 如申請專利範圍第19項所述之電源供應器，其中每一連接磁性元件具有一個別的寬度，毗鄰的連接磁性元件被一分隔距離分開，該分隔距離小於任一毗鄰的連接磁性元件的該個別的寬度之25%。
  24. 如申請專利範圍第19項所述之電源供應器，每一轉換電路被配置為在至少有二不同電壓間以至少20千赫的一頻率切換它個別的第二終端。
  25. 如申請專利範圍第19項所述之電源供應器，該電源供應器被配置為作為選自由下列組成的群組的一直流至直流轉換器來運作：一降壓轉換器、一升壓轉換器和一降壓升壓轉換器。
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