CN100555482C - 具有降低的直流电流饱和度的功率电感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率电感器，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，其从第一末端延伸到第二末端。一个导体从该空洞中穿过。在磁芯中设置有狭缝气隙，其位于第一末端和第二末端之间。

Description

具有降低的直流电流饱和度的功率电感器

技术领域

本发明涉及电感器，特别是具有磁芯材料的功率电感器，该功率电感器在操作于高直流电流和高工作频率时具有降低的饱和度。

背景技术

电感器是基于磁场操作的电路元件。磁场源自于运动的电荷或电流，如果电流随时间变化，磁场也就随时间而变化。随时间变化的磁场导致电感器的电压发生变化，如果电流强度不变，那么通过理想电感器的电压为零，因此对于恒定电流或直流电流，电感器相当于短路，在电感器中，电压由下面公式给出：

$v=L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}$

因此，在电感器中不会有电流的瞬间变化。

电感器可以用在各种电路中，功率电感器可以承受相对高的直流电流，例如可以高达100安培，也可以用于相对高频电路中。例如，参考图1，功率电感器20可以用在直流/直流转换器24中，它可以反向和/或整流，将一个电压的直流电从转换为另一个电压的直流电。

现在参考图2，功率电感器20一般包括一匝或多匝穿过磁芯材料34的导体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，该空洞可延伸到磁材料34的长度，导体30穿过中央空洞38，流过导体30的相对高的直流电流将导致磁芯材料饱和，进而降低功率电感器的性能及与之结合的装置的性能。

发明内容

根据本发明的一个实施例的功率电感器包括磁芯材料，该磁芯材料具有第一和第二末端。在磁芯材料中设置有一个中央空洞，它从第一个末端延伸到第二个末端，一导体穿过该空洞。在该磁芯材料中还设置有一狭缝气隙，其位于第一末端与第二末端之间。

本发明的另一实施例为一种包括上述功率电感器的系统，该系统除其它特征之外进一步包括一个与该功率电感器相联的直流/直流转换器。

本发明的其它特征还包括使磁芯材料中的狭缝气隙被设置在与导体平行的方向上。在该空洞中设置一种涡流降低材料，其紧邻上述狭缝气隙的内部开口和该狭缝气隙的外部开口的至少其中之一，其中所述涡流降低材料位于狭缝气隙和导体之间。所述涡流降低材料所具有的磁导率比磁芯材料更低。

在其它特征中，导体沿着磁芯材料的第一边穿过空洞，且在与第一边相对的磁芯材料的第二边上设置狭缝气隙。导体沿着磁芯材料的第一边穿过空洞，而在邻近第一边的第二边上设置狭缝气隙，沿着第一边有第二个导体穿过该空洞。在上述导体和第二个导体之间，磁芯材料的有一凸出部分从第一边向外延伸。狭缝气隙被设置于凸出部分的上方、磁芯材料中与之相对的一边。

在其它特征中，在磁芯材料中设置有第二空洞。在上述空洞和第二个空洞之间设置有所述磁芯材料的中央部分，有第二个导体紧靠第一边穿过第二个空洞，在与第二边相对的第三边上设置有第二个狭缝气隙。

在其它特征中，在磁芯材料中设置有第二个空洞。在上述空洞与第二空洞之间的磁芯材料中设置有一个“T”字形中央部分。第二个导体穿过与第一边相邻的第二空洞。第一个导体被设置得与第一边相邻。而在第二边上设置有狭缝气隙，它与位于“T”字形中央部分一侧的第一边相对，在第二边上还设置有第二狭缝气隙，它与位于“T”字形中央部分另一侧的第一边相对。该狭缝气隙位于与第一边相邻的磁芯材料的第二边。第二个狭缝气隙被安排在与第二边相对的第三边。

在其它特征中，所述涡流降低材料具有低磁导率，涡流降低材料包括软磁材料。所述导体包括置于该导体外表面的绝缘材料，所述凸出部分包括具有比磁芯材料的磁导率更低的材料，软磁材料包括粉末材料，磁芯材料的横截面形状是以下一种形状：正方形、圆形、矩形、椭圆形、和卵形。

从以上详细的描述可以看到本发明的进一步的应用领域将是显而易见的。应该理解的是详细的描述和特定的例子，仅仅是为了说明的目的而不是为了局限本发明的范围，同时指示出本发明的优选实施例。

附图说明

由详细的描述和附图，将可得到对本发明更充分的理解，其中：

图1是根据现有技术，用于示例性直流/直流转换器中的功率电感器的功能性的方框图和电气示意图；

图2是显示根据现有技术的图1所示功率电感器的透视图；

图3是显示根据现有技术的图1和图2所示功率电感器的剖视图；

图4是显示根据本发明的具有狭缝气隙的功率电感器的透视图；

图5是图4所示功率电感器的剖视图；

图6A和6B是显示一可替换的实施例的剖视图，该实施例具有在狭缝气隙附近设置的涡流降低材料；

图7是显示一可替换实施例的磁芯的剖视图，该实施例具有位于狭缝气隙和导体顶部之间的额外空间；

图8是具有多个空洞的磁芯的横向剖视图，其中每个空洞都具有狭缝气隙；

图9A和9B均为剖视图，展示出以涡流降低材料设置于一个或两个狭缝气隙附近时的图8所示实施例；

图10A是一个剖视图，显示出可用于安排狭缝气隙的一种可替换的侧面；

图10B是一个剖视图，显示出可用于安排狭缝气隙的一种可替换的侧面；

图11A和图11B是具有多个空洞的磁芯的剖视图，其中每个空洞各自具有处于侧面的狭缝气隙；

图12是具有多个空洞和中央狭缝气隙的磁芯的剖视图；

图13是具有多个空洞和更大中央狭缝气隙的磁芯的剖视图；

图14是一个磁芯的剖视图，其中该磁芯带有多个空洞、中央狭缝气隙和一种设置于临近导体之间的具有较低磁导率的材料；

图15是带有多个空洞和中央狭缝气隙的磁芯的剖视图；

图16是带有一个狭缝气隙和一个或多个绝缘导体的磁芯材料的剖视图；

图17是“C”形磁芯材料和涡流降低材料的剖视图；

图18是“C”形磁芯材料和涡流降低材料的剖视图，其中该涡流降低材料具有匹配的凸出部分；

图19是“C”形的具有多个空洞的磁芯材料和涡流降低材料的剖视图。

具体实施方式

下面的优选实施例的描述在本质上仅是示例性的，其目的决不是为了限制本发明及其应用和使用。为了清晰，附图中同样的参考编号标识相同的部件。

现在参考图4，功率电感器50包括穿过磁芯材料58的导体54。该磁芯材料58例如可以具有一正方形的外横截面60和一个正方形的中央空洞64，该中央空洞延伸至磁芯材料的长度。导体54也可同样具有正方形的横截面。尽管如图展示出正方形的外横截面60、正方形的中央空洞64、和正方形的导体54，本领域技术人员将会明白也可以采用其它形状。正方形的外横截面60、正方形的中央空洞64、和导体54的横截面不必具有相同的长宽比。导体54沿着中央空洞64的一边穿过该空洞64，流过导体30的相对高的直流电流将导致磁芯材料34饱和，而这会使功率电感器和/或与之相结合的装置的性能降低。

根据本发明，磁芯材料58包括狭缝气隙70，它设置于沿着磁芯材料58的纵向上。狭缝气隙70的方向与导体54平行。对于给定的直流电流，狭缝气隙70可以减少磁芯材料58达到饱和的可能性。

参考图5，磁通量80-1和80-2(总体称之为磁通量80)是由狭缝气隙70产生的。磁通量80-2投射到导体54并在导体54中感应出涡流。在一个优选实施例中，在导体54和狭缝气隙70的底部之间限定足够的距离“D”，使得磁通量被显著降低。在一个示例性的实施例中，距离D与流过导体的电流、宽度“W”和所希望的最大可接受的涡流相关，其中该宽度“W”是由狭缝气隙70限定的，而该涡流是可在导体54中感应出的。

现在参考图6A和图6B，涡流降低材料84可被安排在临近狭缝气隙70处。该涡流降低材料所具有的磁导率比磁芯材料84的磁导率低，而比空气的磁导率高。结果，穿过磁芯材料84的磁通量多于穿过气隙的磁通量。举例来说，磁绝缘材料84可以是某种软磁材料、粉末金属、或任何其他适宜的材料。在图6A中，涡流降低材料84横穿过狭缝气隙70的底部开口。

在图6B中，涡流降低材料84’延伸跨过狭缝气隙的外部开口。因为涡流降低材料84’所具有的磁导率比磁芯材料的磁导率低而比空气的磁导率高，因此与空气相比，有更多的磁通量流过涡流降低材料。所以，就会有更少由气隙产生的磁通量到达导体。

例如，涡流降低材料84可以具有的相对磁导率为9，而气隙中空气的相对磁导率为1。于是就会有大约90％的磁通量流过涡流降低材料84，而大约10％的磁通量流过空气，结果，到达导体的磁通量就会显著地降低，从而降低在导体中感应的涡流。如上所述，具有其它磁导率值的其它材料也可以应用。现在参考图7，也可以增加介于狭缝气隙的底部和导体54的顶部之间的距离“D2”，从而减少导体54中产生的涡流的大小。

现在参考图8，其中所示功率电感器100包括磁芯材料104，该磁芯材料中形成有第一空洞108和第二空洞110。在第一空洞108和第二空洞114中分别设置有第一导体112和第二导体114。在磁芯材料104的一边设置有第一气隙120和第二气隙122，它们分别对应于导体112和导体114。第一气隙120和第二气隙122可减少磁芯材料104的饱和。在一个实施例中，互耦M处于0.5范围内。

现参考图9A和9B，在一个或多个狭缝气隙120和/或122附近设置一种涡流降低材料，以降低由该狭缝气隙产生的磁通量，从而降低感应的涡流。在图9A中，涡流降低材料84被设置于狭缝气隙120的底部开口附近。在图9B中，涡流降低材料被设置于狭缝气隙120和122的顶部开口附近。可以理解，可将该涡流降低材料设置于其中一个气隙附近，或两个气隙均设置有该涡流降低材料。磁芯材料的“T”字形的中央部分123将第一空洞108和第二空洞110分开。

狭缝气隙可以位于其它不同的位置。例如参考图10A，可将狭缝气隙70’设置于磁芯58的其中一边。狭缝气隙70’的底边优选但不是必须位于导体54的顶表面之上。如图所示，磁通量在狭缝气隙70’的底边处是向内辐射的。因为狭缝气隙70’位于导体54的上面，故具有降低磁通量的效果。可以理解，可将涡流降低材料设置在邻近狭缝气隙70’处，以进一步减少磁通量，如图6A和/或6B所示。在图10B中，涡流降低材料84’位于接近狭缝气隙70’的外部开口处。涡流降低材料84也可以位于磁芯材料58的内部。

现在参考图11A和图11B，其中所示功率电感器123包括一种磁芯材料124，该磁芯材料包含被中央部分129分开的第一空洞126和第二空洞128。在第一空洞126和第二空洞128中分别设置有处于空洞一边的第一导体130和第二导体132。第一狭缝气隙138和第二狭缝气隙140被安排在磁芯材料的相对的两侧，并各自与导体130和导体132的一边相邻。狭缝气隙138和/或140可以如图11B所示与磁芯材料124的内侧141对齐，也可以如图11A所示与内侧141之间留有间隙。可以理解的是，可以使用涡流降低材料进一步降低从一个或两个狭缝气隙发出的磁通量，如图6A和/或6B所示。

现在参考图12和13，其中所示功率电感器142包括磁芯材料144，该磁芯材料包含两个相连通的第一空洞146和第二空洞148。在第一空洞146和第二空洞148中分别设置有第一导体150和第二导体152。磁芯材料144的凸出部分154从磁芯材料的底边向上延伸，位于导体150和152之间。凸出部分154是部分地向顶边延伸，而非完全延伸至与顶边相接。在一个优选实施例中，凸出部分154的凸出长度大于导体150和导体154的高度。可以理解，图12和13中的凸出部分154还可以替换为图14所示的凸出部分155，其由一种磁导率比磁芯材料低但比空气磁导率高的材料制成。可替换的是，如图15所示，凸出部分和磁芯材料都可以移走。在这个实施例中，互耦M近似等于1。

在图12中，狭缝气隙156被设置在磁芯材料144中，其位置在凸出部分154的上方。狭缝气隙156所具有的宽度W1比凸出部分154的宽度W2小。在图13中，狭缝气隙156’被设置在凸出部分154上方的磁芯材料中。狭缝气隙156所具有的宽度W3大于或等于凸出部分154的宽度W2。可以理解，可以使用涡流降低材料进一步降低狭缝气隙156和/或156’发出的磁通量，如图6A和/或6B所示。在图12-14所示的一些实施例中，互耦M取值在1以内。

现在参考图16，其中示出功率电感器170，它包含磁芯材料172，该磁芯材料具有空洞174。在磁芯材料172的一边形成有狭缝气隙175。一个或多个绝缘导体176和178穿过空洞174。绝缘导体176和178包含包裹着内部导体184的外层182。外层182所具有的磁导率比空气高而比磁芯材料低。该外层材料182可以显著降低由狭缝气隙导致的磁通量和否则的话会在导体184中感应出的涡流。

现在参考图17，其中所示功率电感器180包括导体184和一种“C”形的磁芯材料188，该磁芯材料包含空洞190，在磁芯材料188的一边设置有一个狭缝气隙192。导体184穿过空洞190。在狭缝气隙192上设置有一种涡流降低材料84’。在图18中，所示涡流降低材料84’包括一延伸到狭缝气隙内的凸出部分194，它与被狭缝气隙192所限定的开口相匹配。

现在参考图19，其中所示功率电感器200中的磁芯材料包含第一空洞206和第二空洞208。第一导体210和第二导体212分别穿过第一空洞206和第二空洞208。中央部分218位于上述第一空洞和第二空洞之间。可以理解，中央部分218可以由磁芯材料和/或一种涡流降低材料制成。可替换地，导体也可以包括外层。

导体可以用铜制成，不过也可使用金、铝和/或其它具有低电阻的合适导电材料。磁芯材料可以是铁氧体，但也可使用其它有高磁导率和高电阻率的磁芯材料。在此所使用的铁氧体指的是多种磁性物质中的任何一种，包括铁氧化物与一种或多种金属氧化物形成的组合物，其中所述金属氧化物中的金属例如为锰、镍和/或锌。如果用铁氧体，可用金刚石切刀或以其他合适的技术来切割出所述狭缝气隙。

尽管上述的一些功率电感器仅展示出具有单匝绕组，对本领域技术人员而言显而易见的是可采用更多绕组。虽然一些实施例仅展示了有一个或两个空洞的磁芯材料，其中每个空洞有一个或两个导体，但在每个空洞中可以采用更多的导体，和/或采用更多的空洞和导体，而这并不偏离本发明。同时尽管在各图中显示的电感器的横截面形状为正方形，应认为其它合适的形状，例如矩形、圆形、卵形、椭圆形等也在本发明的考虑之列。

根据本发明的实施例的功率电感器优选具有可处理最大100安培(A)直流电流的容量，并具有等于或少于500nH的电感，例如其典型电感值为50nH。虽然本发明是结合直流/直流(DC/DC)转换器进行说明的，本领域技术人员将明白所述功率电感器可用于广泛的应用中。

本领域的技术人员可通过前面的说明理解本发明的原理可以用不同的形式加以运用。因此，虽然本发明已结合具体例子作了说明，本发明的真实范围并不受此限制，因为本领域的技术人员在学习了本发明的附图、说明书和权利要求书后易于对本发明作进一步改进。

Claims (20)

1.一种功率电感器，其包括：

具有第一和第二末端的磁芯材料；

一内部空洞，其被设置于所述磁芯材料中，从所述第一末端延伸到所述第二末端；

一第一导体，该导体穿过所述空洞；

一狭缝气隙，其位于所述磁芯材料中，从所述第一末端延伸到所述第二末端；和

一种涡流降低材料，该涡流降低材料在所述空洞中被设置得相邻于所述狭缝气隙的内部开口，其中所述涡流降低材料处于所述狭缝气隙和所述第一导体之间，其中所述涡流降低材料具有比所述磁芯材料更低的磁导率。

2.根据权利要求1所述的功率电感器，其中所述狭缝气隙被设置于所述磁芯材料中与所述第一导体平行的方向上。

3.根据权利要求1所述的功率电感器，其中所述第一导体沿着所述磁芯材料的第一边穿过所述空洞，而所述狭缝气隙位于所述磁芯材料的与所述第一边相对的第二边。

4.根据权利要求1所述的功率电感器，其中所述第一导体沿着所述磁芯材料的第一边穿过所述空洞，而所述狭缝气隙位于与所述第一边相邻的第二边。

5.根据权利要求3所述的功率电感器，其中第二导体沿着所述第一边穿过所述空洞。

6.根据权利要求5所述的功率电感器，其进一步包括所述磁芯材料的凸出部分，该凸出部分处于所述第一导体和所述第二导体之间，从所述第一边向内延伸。

7.根据权利要求6所述的功率电感器，其中所述狭缝气隙位于所述凸出部分上方。

8.根据权利要求4所述的功率电感器，其进一步包括：

被设置于所述磁芯材料中的第二空洞；

位于所述空洞和所述第二空洞之间的所述磁芯材料的中央部分；

相邻于所述第一边穿过所述第二空洞的第二导体；和

位于第三边的第二狭缝气隙，该第三边位于所述第二边的对面。

9.根据权利要求1所述的功率电感器，其进一步包括：

被设置于所述磁芯材料中的第二空洞；

位于所述空洞和所述第二空洞之间的所述磁芯材料中的“T”字形中央部分；和

与所述第一边相邻而穿过所述第二空洞的第二导体，而其中所述第一导体被设置得与所述第一边相邻。

10.根据权利要求9所述的功率电感器，其中所述狭缝气隙位于第二边，处于所述“T”字形中央部分一侧的所述第一边的对面；且有第二狭缝气隙位于所述第二边，处于所述“T”字形中央部分另一侧的所述第一边的对面。

11.根据权利要求9所述的功率电感器，其中所述狭缝气隙位于所述磁芯材料的第二边，该第二边与所述第一边相邻，并且其中所述第二狭缝气隙位于所述第二边对面的第三边。

12.根据权利要求1所述的功率电感器，其中所述涡流降低材料具有低磁导率。

13.根据权利要求12所述的功率电感器，其中所述涡流降低材料包括软磁材料。

14.根据权利要求1所述的功率电感器，其中所述导体包括位于其外表面的绝缘材料。

15.根据权利要求6所述的功率电感器，其中所述凸出部分包含一种具有的磁导率比所述磁芯材料更低的材料。

16.根据权利要求15所述的功率电感器，其中所述材料包括软磁材料。

17.根据权利要求1所述的功率电感器，其中所述磁芯材料的横截面是方形、圆形、矩形、椭圆形和卵圆形的其中之一。

18.根据权利要求13所述的功率电感器，其中所述软磁材料包括粉末金属。

19.根据权利要求16所述的功率电感器，其中所述软磁材料包括粉末金属。

20.一种包括根据权利要求1所述的功率电感器的系统，其进一步包括直流/直流转换器，该直流/直流转换器与所述功率电感器相连。

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