TWI406306B - 高耦合電感器 - Google Patents

Description

高耦合電感器

本發明有關於電感器。更特別的是，本發明有關於高耦合電感器。

耦合電感器已經存在數十年，然而卻不常使用在電路板。隨著更為強大的電腦微處理器在小電路板上需要高電流，此現象現在正逐漸在改變中。耦合電感器能夠用來降低傳統電感器所耗費的電路板空間之總量。已經顯示其明顯地降低漣波電流，並且已容許使用較小的電容器，節省電路板的空間。因此，需要高耦合係數、合理低成本之電感器。

因此，本發明的主要目的、特徵、或者優點乃為改進習知技術之狀態。

本發明的其他目的、特徵、或者優點為提供一種有效的高耦合電感器。

經由以下的說明書與申請專利範圍，本發明這些及/或其他目的、特徵、或者優點其中一者或更多將會是顯而易見的。

根據本發明之一觀點，提出一種高耦合電感器。該電感器包含一第一強磁性平板、一第二強磁性平板、一位於第一強磁性平板與第二強磁性平板之間的薄膜黏著劑、一位於第一平板與第二平板之間的第一傳導體、一位於第一 平板與第二平板之間的第二傳導體、以及一接近於第一傳導體用以增強耦合與減少漏磁通之傳導電磁屏蔽。

根據本發明另一觀點，具有增強耦合效應之多相耦合電感器包含一具有複數個立柱之第一強磁性平板、一第二強磁性平板、複數個傳導體，該複數個傳導體中每一者皆位於第一強磁性平板之複數個立柱中兩個或更多之間。該複數個傳導體中每一者皆置於第一強磁性平板與第二強磁性平板之間。

根據本發明另一觀點，一種製造高耦合電感器之方法包含提供一第一強磁性平板與一第二強磁性平板、將傳導體放置於第一強磁性平板與第二強磁性平板之間、以及使用薄膜黏著劑來連接第一強磁性平板與第二強磁性平板。

本發明提出有效、高耦合係數、低成本之耦合電感器。根據各種不同之實施例，以薄膜黏著劑間隔兩片磁性平板。將傳導體放置於策略的位置上，藉以提供較高之耦合、及/或藉以改變耦合之相位。黏著劑的使用在構件的效力上具有雙重角色。選擇薄膜黏著劑的厚度，藉以提高或者降低部件之電感值。小的黏著劑厚度會產生具有高電感值層級之電感器。厚的黏著劑則會降低部件的電感值，並且會增加高輸入電流之磁飽和電阻。因此，能夠選擇黏著劑的厚度，藉以針對特定的規格，修改部件的電感值。黏著劑的第二個角色為將部件黏結在一起，致使其組件能夠強健於機械負載。

圖1為習知技術的四相耦合電感器之表示圖。電感器10具有以相同方向所繞製並且放置於強磁性立柱20、22、24、26之上的四個線圈12、14、16、18。將所有的立柱20、22、24、26之強磁性上平板28及強磁性下平板30緊束在一起。一高速開關閉合以將脈衝電壓施加至第一線圈12。此電壓會感應出一電流，其產生所示方向之以箭頭32所示的磁通。由於其鄰近關係，第二線圈14之立柱22會接收到最大磁通量。由於離第一線圈12較遠，最後兩線圈16、18的立柱24、26中之磁通會減低。如箭頭36、38所指示之磁通會在每個線圈16、18中以相反於施加電壓之方向感應出電壓。該耦合行為與從第一線圈12所施加的電壓脈衝異相。

儘管目前的耦合電感器會降低漣波電壓，然漏磁通會減少其效應。圖2闡述顯示磁通洩漏之兩相耦合電感器。將一電壓脈衝施加至第一線圈20以感應一磁場。隨著磁通(由箭頭32所指示的)脫離第一線圈20，大部分的磁通會流經第二線圈22之中心腳(箭頭34所指示的)。一部份的磁通將會洩漏於外，並且不會行經第二線圈22，因此不會由第二線圈22感測到。藉由箭頭40、42、44來指示此種漏磁通。漏磁通會降低耦合或者其他傳導體所感測到的電壓之振幅。是故，今日耦合電感器之爭議在於鄰接支柱或者多相耦合電感器支柱之間的低耦合。低耦合會減低電感器降低漣波電流之能力。就兩相或者更多相電感器而言，需要以改進後的耦合所得到的低成本、低DC電阻之 耦合電感器解決方式。

強磁性平板能夠由任何一種磁性柔軟材質所製作，諸如而不受限於鐵磁體、鉬透磁合金(MPP)、Sendust、高磁通或者壓縮鐵質。圖3闡述根據本發明的兩相耦合電感器50之一實施例。傳導體52、54之兩平行條片使用於該電感器之中。將正電壓＋V施加至第一傳導體52，以感應一電流。磁通被產生並且環繞著第二傳導體54而流動。某些磁通之洩漏會發生在如箭頭53所指示的傳導體之間。第二傳導體54中所感應的電壓與施加至第一傳導體52之電壓異相。傳導體52、54之間的耦合良好，並且遠好於目前已知的耦合電感器之設計。

將電氣傳導性平板(磁通屏蔽)放置於傳導體之上或者之下，便能夠明顯地增加耦合(另一個傳導體中所感應的電壓)。圖4闡述放置於傳導體52、54下方的磁通屏蔽62。磁通屏蔽62或可放置於傳導體52、54之上方，不然可將磁通屏蔽放置於傳導體52、54之上方以及下方兩者。

在高頻下施加電壓之處，傳導性平板具有在其表面上所感應到的高強度之渦電流。此避免漏磁通在傳導體之間移動，並且有效地迫使磁通流動於傳導體周圍的強磁性部件之中，藉此增加傳導體之間的磁通耦合。

圖5表示一種用於電感器70的新式四相耦合電感器之設計。該電感器具有彼此鄰近的強磁性平板71之多立柱72、74、76、78，以及與每個立柱相結合的傳導體82、84、86、88，藉以形成多電感構件。此增強在電感器構件之間 的有效耦合，並且具有接近相等的磁通分佈。將正電壓施加至傳導體86，藉以產生正輸入電流，而對使用圖5的第一立柱72所形成之第一電感器構件注入能量。此電流會感應流經使用具有幾乎相同強度的第二立柱74、第三立柱78與第四立柱76所形成的電感器之磁場。由於他們鄰近於來源，因此磁通洩漏會最小化，因而其耦合會變得遠好於習知技術之裝置。將一電氣傳導性薄板放置於所有電感器之間，進一步增加其耦合。此特點充當一種磁性屏蔽，其避免漏磁通透過傳導體之間的間隙漏出。圖5中並無顯示的是，結合於所示特徵的上方之第二強磁性平板。藉由改變薄膜黏著劑的厚度，便能夠增加或者減小此種配置的電感。

具有兩相、四相、或者多相耦合電感器的本發明以及各不相同之實施例明顯不同於習知技術的。薄膜黏著劑用來設定決定部件的電感值層級之氣隙，並且用來將強磁性平板結合在一起。用以改善耦合的傳導性電磁屏蔽之使用從來不被用於耦合電感器。特別的是，就兩相之電感器而言，磁通不會流過閉迴路之電感器。磁通會透過走遍彼此周圍而從其中一個傳導體耦合至另一個傳導體。

目前異相的耦合電感器具有以直線性排列的電感性構件，其中以相對於彼此之相當大的距離來放置第一與最後一個的電感器構件。所概述的新式四相電感器具有全部四個彼此鄰近的電感性構件，允許均勻的磁通分佈，及較高的總耦合。藉由於電感性構件之間引進電氣傳導薄板而進 一步改善耦合。該薄板避免磁通之洩漏、並且增強整體的效能。

圖6與圖7闡述根據本發明之一實施例的一種兩相耦合表面架置電感器。在圖6中，顯示兩相耦合表面架置電感器50。兩相耦合表面架置電感器50具有兩個以一距離所組合在一起的強磁性平板56、58，其中的距離則是由一薄膜黏著劑60的厚度來設定之。以縱向的方式來放置平行的傳導體52、54。例如，電流會流經該構件而進入第一傳導體52。使用以拇指指示電流方向之右手定則來產生磁通。右手定則顯示迴路的內部會具有在第二傳導體整個外部中所流動的磁通。每個傳導體52、54會耦合至磁通，並且相應於其磁場而感應出電壓。將覆蓋著傳導體(並無顯示)的絕緣電氣傳導材質之薄板放置於上面、下面或者上下面兩位置處，以藉由渦電流屏蔽來限制漏磁通。強表面渦電流之出現會避免磁通流過薄板。傳導體52、54可捲曲於強磁性平板56、58之一側邊或者兩側邊之上。此允許使用者簡易地將該構件附接於電路板。本發明可具有多終端之配置。

傳導體不必是間隔於相同平面上之平行條片，如圖6與圖7所闡述的。可替代的設計包含放置於彼此之上或之下的多個傳導體。能夠以多層以及多層堆疊來放置這些傳導體。堆疊電氣絕緣的傳導體會降低DC電阻，並且避免傳導體倘若肩並肩鋪設所會呈現的磁通之洩漏。

已經在引進於設計中的電氣傳導材質之效應上執行了 分析。在傳導體之間沒有屏蔽，則會有高的磁通洩漏。當引進屏蔽時，在大於100kHz的頻率下，會相當程度地降低其洩漏，其明顯地增加傳導體之間的耦合。

圖8與圖9闡述所能夠建構的一種四相表面架置傳導體。四個L形狀的傳導體82、84、86、88設置於強磁性平板71的強磁性立柱72、74、76、78周圍。強磁性立柱彼此相鄰近。所要提及的是，所示的強磁性立柱之排列為一種2x2之配置，然而使用其他的配置亦可。所要提及的是，此排列並非傳統與耦合電感相關的全直線性之排列。導線會彎曲地環繞著強磁性平板之周圍，並被焊接至電路板。能夠將屏蔽放置於立柱之間，藉以減少漏磁通。已經檢查了具有以及不具有傳導屏蔽之磁通密度效應。當沒有屏蔽時，在傳導體之間會有較高漏磁通。因此，屏蔽的使用會減少漏磁通。

因此，已經說明了有效的高耦合電感器。本發明預期可耦合不同數目的電感器、傳導體的導線可以或者可不環繞著強磁性平板之周圍、可使用不同數目的強磁性材質之立柱、以及其他的變化。本發明並不受限於所示的特定實施例。

10‧‧‧電感器

12‧‧‧第一線圈

14‧‧‧第二線圈

16‧‧‧第三線圈

20‧‧‧強磁性立柱(第一線圈)

22‧‧‧強磁性立柱(第二線圈)

24‧‧‧強磁性立柱

26‧‧‧強磁性立柱

28‧‧‧強磁性上平板

30‧‧‧強磁性下平板

32‧‧‧磁通

34‧‧‧磁通

36‧‧‧感應電壓

38‧‧‧感應電壓

40‧‧‧漏磁通

42‧‧‧漏磁通

44‧‧‧漏磁通

50‧‧‧兩相耦合電感器

52‧‧‧傳導體

53‧‧‧洩漏之磁通

54‧‧‧傳導體

56‧‧‧強磁性平板

58‧‧‧強磁性平板

60‧‧‧薄膜黏著劑

62‧‧‧磁通屏蔽

70‧‧‧電感器

71‧‧‧強磁性平板

72‧‧‧第一立柱

74‧‧‧第二立柱

76‧‧‧第四立柱

78‧‧‧第三立柱

82‧‧‧傳導體

84‧‧‧傳導體

86‧‧‧傳導體

88‧‧‧傳導體

圖1為闡述一四相耦合電感器之習知技術。

圖2為闡述一兩相耦合電感器之習知技術。

圖3為一根據本發明一個實施例的兩相耦合電感器。

圖4為一根據本發明另一個實施例具有磁通屏蔽的兩 相耦合電感器。

圖5為一根據本發明一個實施例的四相耦合電感器之俯視圖。

圖6為一種兩相之耦合電感器。

圖7為一種兩相之耦合電感器。

圖8為一種四相之耦合電感器。

圖9為一詳細的四相耦合電感器。

50‧‧‧兩相耦合電感器

52‧‧‧傳導體

53‧‧‧洩漏之磁通

54‧‧‧傳導體

56‧‧‧強磁性平板

58‧‧‧強磁性平板

60‧‧‧薄膜黏著劑

Claims (19)

1. 一種高耦合電感器，包含：一第一強磁性平板；一第二強磁性平板；一薄膜黏著劑，其經施加於該第一強磁性平板與該第二強磁性平板之間；一第一傳導體，其經放置於該第一強磁性平板與該第二強磁性平板之間；一第二傳導體，其經放置以與該第一傳導體相距一距離且經放置於該第一強磁性平板與該第二強磁性平板之間；以及一第一傳導電磁屏蔽，其經佈置於該第一強磁性平板和該第二強磁性平板中的一者與該第一傳導體和該第二傳導體兩者之間，用以增強磁性耦合與減少漏磁通。
2. 如申請專利範圍第1項之高耦合電感器，進一步包含一第二傳導電磁屏蔽，其經夾設於該第一強磁性平板和該第二強磁性平板中的另一者與該第一傳導體和該第二傳導體兩者之間，用以減少漏磁通。
3. 如申請專利範圍第2項之高耦合電感器，其中該第一傳導電磁屏蔽位於該第一傳導體與該第二傳導體之上方，而且其中該第二傳導電磁屏蔽位於該第一傳導體與該第二傳導體之下方。
4. 如申請專利範圍第1項之高耦合電感器，其中該第一傳導體平行於該第二傳導體。
5. 如申請專利範圍第1項之高耦合電感器，其中以該第一傳導體位於一第一強磁性立柱以及一第二、一第三與一第四強磁性立柱之間，來配置該第一強磁性平板以提供四個強磁性立柱。
6. 如申請專利範圍第5項之高耦合電感器，其中該第二傳導體位於該第二強磁性立柱以及該第一、該第三與該第四強磁性立柱之間。
7. 如申請專利範圍第6項之高耦合電感器，進一步包含一第三傳導體，其位於該第三強磁性立柱以及該第一、該第二與該第四強磁性立柱之間。
8. 如申請專利範圍第7項之高耦合電感器，進一步包含一第四傳導體，其位於該第四強磁性立柱以及該第一、該第二與該第三強磁性立柱之間。
9. 如申請專利範圍第8項之高耦合電感器，其中該第一傳導電磁屏蔽由一電氣傳導薄板所形成，該電氣傳導薄板經佈置於該等強磁性立柱中至少兩者之間，用以增強耦合與減少磁通之洩漏。
10. 如申請專利範圍第8項之高耦合電感器，其中的每個傳導體為L形狀。
11. 如申請專利範圍第10項之高耦合電感器，其中每個傳導體進一步包含彎曲於該第二強磁性平板周圍之末端，藉以提供連接終端。
12. 一種具有增強耦合效應之多相耦合電感器，包含：一第一強磁性平板，其具有複數個立柱； 一第二強磁性平板；複數個傳導體，該複數個傳導體中每個皆經放置於該第一強磁性平板之複數個立柱中的兩個或更多之間；以及一傳導電磁屏蔽，其經佈置於該第一強磁性平板之複數個立柱中的任兩個與該複數個傳導體中相鄰的至少一者之間；其中該複數個傳導體中每個皆設置於該第一強磁性平板與該第二強磁性平板之間，用以增強磁性耦合與減少漏磁通。
13. 如申請專利範圍第12項之多相耦合電感器，其中該傳導電磁屏蔽由一電氣傳導薄板所形成，該電氣傳導薄板經佈置於該複數個強磁性立柱中至少兩個之間，用以增強耦合與減少磁通之洩漏。
14. 如申請專利範圍第12項之多相耦合電感器，其中該複數個立柱之配置為一種2x2陣列。
15. 如申請專利範圍第12項之多相耦合電感器，其中每個傳導體大致上為L形狀。
16. 如申請專利範圍第15項之多相耦合電感器，其中每個傳導體進一步包含彎曲於該第一強磁性平板及該第二強磁性平板中一者之周圍的末端，藉以提供連接之終端。
17. 如申請專利範圍第12項之多相耦合電感器，進一步包含一位於第一強磁性平板與第二強磁性平板之間的薄膜黏著劑。
18. 一種製造高耦合電感器構件之方法，包含： 提供一第一強磁性平板與一第二強磁性平板；將多個傳導體放置於該第一強磁性平板與該第二強磁性平板之間，該等傳導體各者經放置以與另一傳導體相距一距離；使用一薄膜黏著劑來連接該第一強磁性平板與該第二強磁性平板；以及將至少一傳導電磁屏蔽放置於該第一強磁性平板和該第二強磁性平板中的一者與該等傳導體之間，用以增強磁性耦合與減少漏磁通。
19. 如申請專利範圍第18項之方法，進一步包含將至少一個電氣傳導性平板放置於該等傳導體以及該第一強磁性平板或該第二強磁性平板中的一者之間，以提供屏蔽。如申請專利範圍第18項之方法，其中該第一強磁性平板包含複數個立柱，及每個傳導體皆位於該複數個立柱中至少兩個之間。