TWI514427B - 電感及包含該電感之開關電路 - Google Patents

電感及包含該電感之開關電路 Download PDF

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TWI514427B TW102138190A TW102138190A TWI514427B TW I514427 B TWI514427 B TW I514427B TW 102138190 A TW102138190 A TW 102138190A TW 102138190 A TW102138190 A TW 102138190A TW I514427 B TWI514427 B TW I514427B
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    • H01F2003/106—Magnetic circuits using combinations of different magnetic materials

Description

電感及包含該電感之開關電路
本發明涉及一種電感及包含該電感之開關電路。
目前，各種電感在各種電路中有著廣泛的應用，如在整流輸入電路和直流逆變電路的直流側和交流側所用的電感，在直流變換電路BuCk電路、Boost電路等開關變換電路中使用的電感等。通常電感使用都要求在額定範圍內儘量保持感量穩定，至少不低於最低感量需求。在使用中發現感量增大可以更好的抑制電流尖峰，減小電流紋波，減少線路的損耗。但是如果從輕載電流到額定電流下都保持大感量會使製作電感的成本增加，體積增大，所以在體積保持不變的情況下，增大輕載電流時的感量並保持額定電流時感量不變成為目前製作電感的一個趨勢。
現有技術中電感由多種製作方法製成。圖1示出了現有技術中的一種普通電感的結構示意圖。該電感包括軛部1和心柱3，所述軛部1和心柱3形成閉合的回路，構成電感的磁芯，該磁芯為EI型結構。該電感還包括繞在所述心柱3上的線圈繞組2，在軛部1和心柱3之間存在氣隙4。該種電感的磁芯也就是心柱和軛部的材料為高磁導率材料，在磁芯中含有氣隙，在額定電流使用範圍內電感 量為線性，但磁場飽和後電感量會極快下降。
為解決該問題，現有技術中提出了另一種電感，如圖2所示。在該電感心柱3的中部包括臺階5，由於臺階的存在使軛部1和心柱3之間的氣隙具有兩個寬度。這種電感會產生非線性電感。但缺點是臺階部分的磁芯一旦飽和會使電感量極快下降，甚至低於普通電感在某個電流下的電感量，反而使電流波形變差，並且該電感的製作複雜。
圖3中示出了現有技術中提出的另一種電感的結構示意圖，該電感使用高磁導率和低磁導率磁芯混合製作。如圖3所示，採用低磁導率材料製成的第二磁芯6填充軛部1和心柱3之間的氣隙。心柱3和軛部1構成的磁芯的磁導率為第二磁芯6的磁導率10倍以上，並且第二磁芯6的磁飽和度較高，要高於450mT。這種電感的缺點是製作中使用的低磁導率磁芯材料的量較多，增加額外的成本。圖3示出的磁芯為EI結構，第二磁芯6在中間部分磁芯的中間部分填充心柱3和軛部1的之間的氣隙。同樣的設計也可以應用在磁芯為UI結構的情況，如圖4所示，第二磁芯6在心柱3的兩端部填充心柱3和軛部1的之間的氣隙。
因此，目前需要一種新型的電感產品的設計，能夠降低線圈損耗，提供非線性電感量並且工藝製造簡單，成本低。
本發明的目的在於提出一種電感，能夠提供非線性電感量，並且可以通過調節高磁導率低飽和磁感應强度材料的厚度和橫截面積改善非線性電感量曲線，同時降低成本，減少線圈中的渦流損耗 。
為達此目的，本發明採用以下技術方案：一種電感，至少包括一個繞組，一個磁芯，所述磁芯包括至少一個心柱，還包括用於形成閉合磁路的至少一軛部，所述繞組繞在所述心柱上，至少一個所述心柱的至少一端部與至少一軛部之間設有一間隙，所述間隙中設有一平面磁芯單元，所述平面磁芯單元為高磁導率低飽和磁感應强度材料，所述心柱和軛部為高磁導率高飽和磁感應强度材料，且所述平面磁芯單元的材料的飽和磁感應强度低於所述心柱和軛部的材料的飽和磁感應强度。
其中，所述心柱的兩端與軛部之間皆設有間隙，所述間隙中設有高磁導率低飽和磁感應强度材料的平面磁芯單元。
其中，所述平面磁芯單元的橫截面投影包含所述心柱的端部的橫截面投影。
其中，所述平面磁芯單元的橫截面投影包含所述心柱和繞組的端部的橫截面投影。
其中，所述平面磁芯單元設置在所述氣隙中靠近所述心柱的一端。
其中，所述平面磁芯單元為錳鋅鐵氧體或鎳鋅鐵氧體。
其中，所述間隙中除平面磁芯單元以外的部分由絕緣材料填充。
其中，所述心柱、軛部和平面磁芯材料的相對磁導率大於等於500。
其中，所述心柱和軛部材料的飽和磁感應强度為所述平面磁芯單元的材料的飽和磁感應强度的兩倍或兩倍以上
其中，所述心柱和軛部材料的飽和磁感應强度大於或等於1.2T，所述平面磁芯單元材料的飽和磁感應强度小於或等於0.6T；其中，所述磁芯的結構為EI型或UI型；其中，所述磁芯的結構為三相三柱結構或三相五柱結構；本發明還提供一種包含如前任一所述的電感的開關電路，其中所述電感連接到該開關電路的輸入端或輸出端；其中，所述開關電路包括整流電路、逆變電路或直流變換電路；其中，所述開關電路包括單相電路或三相電路。
與現有技術相比，本發明提出的電感及開關電路，能夠提供非線性電感量，同時降低成本，減少線圈中的渦流損耗。
1、101、201‧‧‧軛部
2、102、202、302‧‧‧線圈繞組
3、103、203、303‧‧‧心柱
4‧‧‧氣隙
5‧‧‧臺階
6‧‧‧第二磁芯
7、107‧‧‧磁力線
104、204、304‧‧‧絕緣板
105、205、305‧‧‧平面磁芯單元
301‧‧‧上軛部
301-1‧‧‧下軛部
301-2‧‧‧旁軛部
L1‧‧‧為實施例一中的電感隨電流變化的曲線
L2‧‧‧普通電感隨電流變化的曲線
L3‧‧‧實施例一種平面磁芯單元的厚度為0.6mM時電感結構的電感量隨電流變化的曲線
L4‧‧‧實施例一種平面磁芯單元的厚度為0.4mm時電感結構的電感量隨電流變化的曲線
圖1為現有技術中一種電感結構的側視示意圖。
圖2為現有技術另一種電感結構的側視示意圖。
圖3為現有技術另一種電感結構的側視示意圖。
圖4為現有技術另一種電感結構的側視示意圖。
圖5為實施例一中的電感結構的側視示意圖。
圖6為實施例一中的電感結構與普通電感結構的電感量隨電流變化的曲線圖。
圖7為實施例一中的不同平面磁芯單元厚度的電感結構的電感量隨電流變化的曲線圖。
圖8為圖4中電感結構的磁力線示意圖。
圖9為圖5中電感結構的磁力線示意圖。
圖10為實施例二中的電感結構的側視示意圖。
圖11為圖10中電感結構的磁力線示意圖。
圖12為實施例二中的另一種電感結構的側視示意圖。
圖13為實施例三中的另一種電感結構的側視示意圖。
下面結合圖式和實施例對本發明作進一步的詳細說明。可以理解的是，此處所描述的具體實施例僅用於解釋本發明，而非對本發明的限定。另外還需要說明的是，為了便於描述，圖式中僅示出了與本發明相關的部分而非全部結構。
實施例一
本實施例提供一種電感，該電感結構的側視示意圖如圖5所示。該電感為UI結構，包括軛部101和心柱103構成的磁芯結構，該軛部101和心柱103形成閉合的磁路。所述心柱為被繞組包裹的磁芯部分，所述的軛部為不被繞組包裹的磁芯部分，這在下述的實施例中也是如此。
線圈繞組102纏繞心柱103而設置，在心柱103和軛部101之間包括靠近軛部部分的絕緣板104和靠近心柱103部分的平面磁芯單元 105。
心柱103和軛部101的材料為高磁導率高飽和磁感應强度材料，可以為矽鋼片、非晶、納米晶等，其相對磁導率大於或等於500。平面磁芯單元105的材料為高磁導率低飽和磁感應强度材料，可以為錳鋅鐵氧體或鎳鋅鐵氧體等，其相對磁導率同樣大於或等於500，但其飽和磁感應强度低於心柱103和軛部101的材料的飽和磁感應强度。在優選的方式中，心柱103和軛部101的高磁導率高飽和磁感應强度材料的飽和磁感應强度為高磁導率低飽和磁感應强度材料的平面磁芯單元105的飽和磁感應强度的兩倍或兩倍以上。在更加優選的方式中，心柱和軛部材料的飽和磁感應强度大於等於1.2T，平面磁芯單元材料的飽和磁感應强度小於或等於0.6T。
如圖5所示，平面磁芯單元105設置在心柱103的兩端部與軛部之間，圖5僅是一種示例，平面磁芯單元105還可以只設置在心柱103的一端部與軛部之間。
平面磁芯單元105與絕緣板104將心柱103的端部與軛部之間的氣隙填滿。在側視方向上平面磁芯單元105的寬度與心柱103端部的寬度相同，並且平面磁芯單元105的橫截面與心柱103端部的橫截面相等。這裏的絕緣板104由不導電不導磁的絕緣材料製成，如玻璃、陶瓷、泡沫材料等，該絕緣材料的相對磁導率為1。絕緣板104起到支撑的作用。圖5示出的心柱103和軛部101構成磁芯的結構為UI型，實際上磁芯結構還可以是EI型，該磁芯的結構可以為三相三柱結構或三相五柱結構，採用高磁導率低飽和磁感應强度材料和絕緣材料以本實施例提供的方式填充滿心柱和軛部之間 的氣隙即可。
首先，本實施例提供的電感結構能夠提供非線性電感量，其原理如下：電感磁路主要由高磁導率高飽和磁芯材料(心柱103和軛部104)，高磁導率低飽和磁芯(平面磁芯單元105)，絕緣板104組成，電感量公式近似為：
公式(1)中各個參數的含義如下：N：繞組匝數；μ0：真空磁導率；μ1：高磁導率高飽和磁芯的相對磁導率；μ2：高磁導率低飽和磁芯的相對磁導率；Ae：磁導率高飽和磁芯的心柱的截面積；k：高磁導率低飽和磁芯截面積相對於高磁導率高飽和磁芯的心柱的截面積的倍數；lgap：絕緣板間隙的磁路長度；llowsat：高磁導率低飽和磁芯的磁路長度； ltotal：電感總磁路長度。
在輕載小電流時，所有磁芯部分都沒有飽和，由於高磁導率磁芯磁阻很小，所以磁壓主要集中在絕緣板處，這時感量表現為：
當電流增大，高磁導率低飽和磁芯開始趨於飽和，高磁導率高飽和磁芯沒飽和時，磁壓主要集中在絕緣板處和高磁導率低飽和磁芯上，這時感量表現為非線性下降，主要影響取決於高磁導率低飽和磁芯的磁導率下降情況，這時感量公式表現為：
當電流繼續增大到額定甚至重載時，高磁導率低飽和磁芯已經飽和，高磁導率高飽和磁芯開始趨於飽和時，所有材料部分都分得不少磁壓，這時感量表現為非線性下降，主要影響取決於高磁導率高飽和磁芯的磁導率下降情況，這時感量公式表現為：
由以上輕載小電流時電感的公式(2)和電流增大時電感的公式(3)以及電流增大到額定甚至重載時的公式(4)的比較可以看出，在輕載小電流時電感量較高，隨著電流的增加，電感量逐漸 下降。
圖6示出了同樣體積下，本實施例中電感與普通電感的電感量隨電流變化電感變化的曲線。圖6中L1為本實施例中的電感結構的電感量隨電流變化的曲線，L2為普通電感結構的電感量隨電流變化的曲線，A區域為輕載小電流區域，B區域為電流增大區域，C區域為電流繼續增大到額定重載區域。
由圖6可以看出在A區域(輕載小電流區，所有磁芯部分都沒有飽和)本實施例中的電感結構的電感量遠高於普通電感結構的電感量。隨著電流增大，在B區域(電流在輕載和重載之間，高磁導率低飽和磁芯開始趨於飽和)本實例中的電感結構的電感量開始下降，但仍然高於普通電感的電感量。隨著電流繼續增大，在C區域(電流在額定區或重載區，高磁導率低飽和磁芯已經飽和，高磁導率高飽和磁芯開始趨於飽和時)，電感曲線L1和L2重合。
因此可以看出本實施的電感結構在保持體積不變時，在輕載電流條件下呈現高感量的表現，使輕載電源系統表現更好，即使達到額定甚至重載條件下也不低於普通電感的表現。
另外，在本實施例中電感中，平面磁芯單元105的厚度可以調整，在優選的方式中平面磁芯單元105的厚度介於心柱103與軛部101之間間隙距離的1/4-1/2之間。
圖7中示出的不同平面磁芯單元厚度下本實施的電感結構的電感量隨電流變化的曲線圖。L3為平面磁芯單元105的厚度為0.6mm時電感結構的電感量隨電流變化的曲線，L4為平面磁芯單元105的厚度為0.4mm時電感結構的電感量隨電流變化的曲線。由圖7可以 看出平面磁芯單元105的厚度越厚，所得到的電感在輕載小電流下的電感量越高。可以根據這一規律為滿足不同的電感需要調整平面磁芯單元105的厚度。
此外，本實施例提供的電感結構還能夠降低線圈中的渦流損耗。圖8為圖4所示的普通電感結構的磁力線分布示意圖，圖9為圖5所示的本實施的電感結構的磁力線分布示意圖。
比較圖8和圖9可以看出，在圖8中第二磁芯6處(也就是軛柱1和心柱3之間的間隙處)的磁力線會向外擴散並流入到線圈繞組2中(如圖8中圖式標記7所示)，這樣會增大線圈繞組2中的渦流損耗。而在圖9中可以看出，在絕緣板104和平面磁芯單元105處(也就是軛柱101和心柱103之間的間隙處)的磁力線相對於圖8來說大部分都彙聚到平面磁芯單元105中，並且流入到心柱103中，僅有少部分磁力線流入到線圈繞組102中，這樣可以有效地降低輕載時線圈中的渦流損耗。
本實施例提供的電感結構在心柱和軛部之間設置平面磁芯單元，能夠提供非線性的電感量，在電感體積不變的情況下提高輕負載時的電感量，並且可以通過調整平面磁芯單元的厚度調整所需的電感量，同時能夠降低線圈繞組中的渦流損耗。
實施例二
本實施例提供了另一種電感結構，該電感結構的側視示意圖如圖10所示。
該電感為UI結構，包括軛部201和心柱203構成的磁芯結構，該軛部201和心柱203形成閉合的磁路。線圈繞組202纏繞心柱203而設 置，在心柱203和軛部201之間包括靠近軛部部分的絕緣板204和靠近心柱203部分的平面磁芯單元205。
心柱203和軛部201構成的磁芯的材料為高磁導率高飽和磁感應强度材料，可以為矽鋼片、非晶、納米晶等，其相對磁導率大於或等於500。平面磁芯單元205的材料為高磁導率低飽和磁感應强度材料，可以為錳鋅鐵氧體或鎳鋅鐵氧體等，其相對磁導率同樣大於或等於500，但其飽和磁感應强度低於心柱203和軛部201構成的磁芯的材料的飽和磁感應强度。在優選的方式中，心柱203和軛部201構成的磁芯的材料的飽和磁感應强度為平面磁芯單元205的材料的飽和磁感應强度的兩倍或兩倍以上。在更加優選的方式中，心柱203和軛部201構成的磁芯的材料的飽和磁感應强度大於等於1.2T，平面磁芯單元205的材料的飽和磁感應强度小於或等於0.6T。
如圖10所示，平面磁芯單元205設置在心柱203的兩端部與軛部之間，圖10僅是一種示例，平面磁芯單元205還可以只設置在心柱203的一端部與軛部之間。
平面磁芯單元205與絕緣板204將心柱203的端部與軛部之間的氣隙填滿。這裏的絕緣板204由不導電不導磁的絕緣材料製成，如玻璃、陶瓷、泡沫材料等，該絕緣材料的相對磁導率為1。絕緣板204起到支撑的作用。
圖10示出的心柱203和軛部201構成磁芯的結構為UI型，實際上磁芯結構還可以是EI型，該磁芯的結構可以為三相三柱結構或三相五柱結構，採用高磁導率低飽和磁感應强度材料和絕緣材料以本 實施例提供的方式填充滿心柱和軛部之間的氣隙即可。
與實施一不同的是，本實施例提供的電感結構在側視方向上平面磁芯單元205的寬度大於心柱203端部的寬度，並且平面磁芯單元205的橫截面面積大於心柱203端部的橫截面面積，也就是平面磁芯單元205的橫截面投影包含所述心柱203端部的橫截面投影，這樣的電感結構除了與實施例一中的電感結構一樣能夠提供非線性電感量(具體原理與實施例一中所述的相同)之外，還能夠進一步減少線圈繞組中的渦流損耗。
圖11為本實施的電感結構的磁力線分布示意圖。由圖11可以看出由於平面磁芯單元205的橫截面面積大於心柱203的端部的橫截面面積，所以在絕緣板204和平面磁芯單元205處(也就是軛柱201和心柱203之間的間隙處)的磁力線基本都彙聚到平面磁芯單元205中，並且流入到心柱203中，僅有極少部分磁力線流入到線圈繞組202中，這樣可以更有效地降低輕載時線圈中的渦流損耗。
在另一種優選的方式中，如圖12所示，可以設置平面磁芯單元的橫截面投影大於心柱和繞心柱設置的線圈繞組的橫截面投影，也就是說平面磁芯單元205的橫截面投影包含所述心柱203端部和繞心柱纏繞設置的線圈繞組202的橫截面投影，這樣能夠更有效的避免磁力線流入到線圈繞組202中，更有效地降低輕載時線圈中的渦流損耗。
本實施例提供的電感結構在心柱和軛部之間設置平面磁芯單元，能夠提供非線性的電感量，在電感體積不變的情況下提高輕負載時的電感量，並且可以通過調整平面磁芯單元的厚度調整所需的 電感量，而且平面磁芯單元的橫截面投影包含心柱端部的橫截面投影，能夠更有效地降低線圈繞組中的渦流損耗。
實施例三
本實施例提供了另一種電感結構，該電感結構的側視示意圖如圖13所示。
該電感為三相五柱結構，包括至少一軛部和心柱構成的磁芯結構，該至少一軛部和心柱形成閉合的磁路，所述至少一軛部包括上軛部301、下軛部301-1和旁軛部301-2。
線圈繞組302纏繞心柱303而設置，在心柱303與上軛部301和下軛部301-1之間包括靠近軛部部分的絕緣板304和靠近心柱303部分的平面磁芯單元305，本實施例的磁芯結構包括三個心柱，心柱303為其中的一個心柱。每個心柱的上端部都與上軛部之間具有平面磁芯單元305，並且每個心柱的下端部與下軛部之間具有平面磁芯單元305。
心柱和軛部構成的磁芯的材料為高磁導率高飽和磁感應强度材料，可以為矽鋼片、非晶、奈米晶等，其相對磁導率大於或等於500。平面磁芯單元305的材料為高磁導率低飽和磁感應强度材料，可以為錳鋅鐵氧體或鎳鋅鐵氧體等，其相對磁導率同樣大於或等於500，但其飽和磁感應强度低於心柱和軛部構成的磁芯的材料的飽和磁感應强度。在優選的方式中，心柱和軛部構成的磁芯的材料的飽和磁感應强度為平面磁芯單元305的材料的飽和磁感應强度的兩倍或兩倍以上。在更加優選的方式中，心柱303和軛部構成的磁芯的材料的飽和磁感應强度大於等於1.2T，平面磁芯 單元305的材料的飽和磁感應强度小於或等於0.6T。
如圖13所示，平面磁芯單元305設置在三個心柱的上下端部與上下軛部之間，圖13僅是一種示例，平面磁芯單元305還可以只設置一個或兩個心柱的兩端部與上下軛部之間，或者平面磁芯單元305還可以只設置在心柱的一端部與上下軛部中的任一軛部之間，例如平面磁芯單元305只設置在心柱的上端部與上軛部之間；或者平面磁芯單元305只設置在心柱的下端部與下軛部之間。
平面磁芯單元305與絕緣板304將心柱303的端部與上下軛部之間的氣隙填滿。這裏的絕緣板304由不導電不導磁的絕緣材料製成，如玻璃、陶瓷、泡沫材料等，該絕緣材料的相對磁導率為1。絕緣板304起到支撑的作用。
圖13示出的心柱和軛部構成磁芯的結構為三相五柱結構，該磁芯的結構還可以為三相三柱結構，採用高磁導率低飽和磁感應强度材料和絕緣材料以本實施例提供的方式充滿心柱和軛部之間的氣隙即可。
實施例四
本實施例提供一種開關電路，將前述實施例中的任一電感接入到該開關電路的輸入端或輸出端，該開關電路可以包括整流電路、逆變電路或直流變換電路，並且開關電路可以為單相電路或三相電路。
注意，上述僅為本發明的較佳實施例及所運用技術原理。本發明所屬領域中具有通常知識者可理解，本發明不限於此所述的特定實施例，對發明所屬領域中具有通常知識者來說能夠進行各種明 顯的變化、重新調整和替代而不會脫離本發明的保護範圍。因此，雖然通過以上實施例對本發明進行了較為詳細的說明，但是本發明不僅僅限於以上實施例，在不脫離本發明構思的情況下，還可以包括更多其他等效實施例，而本發明的範圍由所附的申請專利範圍範圍決定。
101‧‧‧軛部
102‧‧‧線圈繞組
103‧‧‧心柱
104‧‧‧絕緣板
105‧‧‧平面磁芯單元

Claims (11)

  1. 一種電感，至少包括一個繞組，一個磁芯，該磁芯包括至少一個心柱，還包括用於形成閉合磁路的至少一軛部，該繞組繞在該心柱上，其特徵在於，至少一個該心柱的至少一端部與至少一軛部之間設有一間隙，該間隙中設有一平面磁芯單元，該平面磁芯單元為高磁導率低飽和磁感應强度材料，該心柱和軛部為高磁導率高飽和磁感應强度材料，且該平面磁芯單元的材料的飽和磁感應强度低於該心柱和軛部的材料的飽和磁感應强度；其中，該高磁導率是大於或等於500的磁導率，該高飽和磁感應強度是大於或等於1.2T的飽和磁感應強度，該低飽和磁感應強度為小於或等於0.6T的飽和磁感應強度；其中，該間隙中除平面磁芯單元以外的部分由絕緣材料填充。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電感，其特徵在於，該心柱的兩端與軛部之間皆設有間隙，該間隙中設有高磁導率低飽和磁感應强度材料的平面磁芯單元。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電感，其特徵在於，該平面磁芯單元的橫截面投影包含該心柱的端部的橫截面投影。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電感，其特徵在於，該平面磁芯單元的橫截面投影包含該心柱和繞組的端部的橫截面投影。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電感，其特徵在於，該平面磁芯單元設置在該間隙中靠近該心柱的一端。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之電感，其特徵在於，該平面磁芯單元為錳鋅鐵氧體或鎳鋅鐵氧體。
  7. 如申請專利範圍第1項至第6項中任一項所述之電感，其特徵在於該磁芯的結構為EI型或UI型。
  8. 如申請專利範圍第1項至第6項中任一項所述之電感，其特徵在於該磁芯的結構為三相三柱結構或三相五柱結構。
  9. 一種包含如申請專利範圍第1項所述之電感之開關電路，其特徵在於該電感連接到該開關電路的輸入端或輸出端。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之開關電路，其特徵在於該開關電路包括整流電路、逆變電路或直流變換電路。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之開關電路，其特徵在於該開關電路包括單相電路或三相電路。
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