使用磁偏置的高功率電感器的製作方法

2023-08-06 19:31:56 1

專利名稱：使用磁偏置的高功率電感器的製作方法
使用磁偏置的高功率電感器相關申請的交叉引用本申請根據美國法典第35卷第119條(35 U. S. § 119)要求享有2007年9月7 日提交的臨時申請序列No. 60/970, 578的優先權，在此引入其全部內容作為參考。
背景技術：
當今，小型(low profile)電感器(通常被定義為具有小於大約IOmm輪廓的電感 器)以位於線圈周圍的壓制鐵粉和具有獨特的幾何尺寸的鐵氧體形式存在。基於鐵氧體的 小型電感器在相對低水平的電流處具有磁飽和的固有局限。當發生磁飽和時，電感值急劇 降低。壓制鐵(pressed iron)電感器比鐵氧體電感器允許更高的輸 入電流，但是具有在 高頻率(例如大於200kHz的頻率)處產生高鐵損的局限。需要一種有效方法來提供在高 頻率處允許高輸入電流的電感。因此，本發明的主要目的、特徵或者優點在於改進現有技術的狀態。本發明的另一目的、特徵或者優點在於提供一種電感器，在小型封裝(thin package)中，所述電感器在高紋波電流(> 5A)和頻率(> 200kHz)處具有較低的鐵損，並 且具有粉末鐵的高飽和電流性能。本發明的另一目的、特徵或者優點在於使用粘合劑薄膜厚度或者磁體顆粒尺寸來 調整電感特性。本發明的另一目的、特徵或者優點在於提高電感器在保持電感的同時有效地處理 更多DC的能力。本發明的這些和/或其它目的、特徵或者優點中的一個或者多個將通過下面對本 發明的描述而變得顯而易見。

發明內容
根據本發明的一方面，一種偏置間隙電感器包括第一鐵磁板、第二鐵磁板、夾置在 所述第一鐵磁板與所述第二鐵磁板之間的導體，以及所述第一鐵磁板與所述第二鐵磁板之 間的粘合劑，所述粘合劑包括機械堅硬的磁粉從而形成至少一個磁間隙。所述粘合劑的厚 度小於500 μ m並且優選小於100 μ m。可以使用所述磁粉尺寸設置部件的電感水平。而且 磁粉的量能夠改變所述部件的特性，以便產生期望的性能。根據本發明的另一方面，一種形成電感器的方法包括提供第一鐵磁板、第二鐵磁 板以及導體，將所述導體放置在所述第一鐵磁板與所述第二鐵磁板之間，利用包括粘合劑 和磁粉的合成物將所述第一鐵磁板粘合到所述第二鐵磁板，以形成磁間隙，以及使所述電 感器磁化。所述合成物的厚度小於500 μ m並且優選小於100 μ m。根據本發明的另一方面，提供一種偏置間隙電感器。所述電感器包括第一鐵磁板 和第二鐵磁板。所述第一鐵磁板與所述第二鐵磁板之間夾置有導體。在所述第一鐵磁板與 所述第二鐵磁板之間具有厚度小於100 μ m的磁性材料，以便形成至少一個磁間隙。可以使用所述厚度限定所述電感器的電感特性。


圖1是沒有通量通道的現有技術電感器的截面圖。圖2是本發明的具有通量通道的電感器的一個實施例的截面圖。圖3示出了 DC電壓與磁滯回線之間的關係以及如何利用偏置間隙增大工作範圍。圖4示出了具有兩個磁間隙的單導體電感器。圖5是電感器的多極配置(multi-poled)的立體圖。
具體實施例方式圖1示出了現有技術設備，其中可以將單個銅條放置在兩個鐵氧體部件之間以生成電感器。儘管這在生成具有低值、高頻電感器方面是有效的，但是其限制了電感器在不 飽和時能夠處理的輸入電流量。飽和的主要原因來自於如下事實由銅感應的所有磁通量 流經窄的截面區域。圖1示出了單個銅條電感器中的通量分布圖(flux pattern) 0在圖1 中，電感器10具有第一鐵磁板12以及第二鐵磁板14。在第一鐵磁板12與第二鐵磁板14 之間存在間隔16。由通過單條銅導體18的電流感應的磁通量在各板12、14之間劃分。輸 入電流20使用表示電流流入頁面的標記示出。箭頭22、24、26、28表示由通過導體18的電 流20感應的磁通量的方向。注意到，由銅導體18中的電流感應的所有磁通量流經窄的截 面22、26區域，從而成為飽和的主要原因。本發明提供一種低成本的方法，其能夠使電感器將其工作範圍延伸高達兩倍(a factor of two)。本發明在鐵磁片之間的間隙中引入了填充有磁粉的粘合劑。圖2示出了 本發明的一個實施例。所示出的電感器30由第一鐵磁板12和第二鐵磁板14形成。第一鐵 磁板12和第二鐵磁板14通過合成物32機械地結合，合成物32包括粘合劑以及磁粉。箭 頭22、26、38、40表示由通過導體18的電流20感應的磁通量的方向。箭頭34、36、42、44表 示磁體感應的「反」通量的方向。合成物32可以由以預定比例混合的環氧樹脂和磁粉構成。使用具有磁粉的粘合 劑在感應部件的組件中具有雙重作用。改變磁顆粒尺寸增加或者降低部件的電感。小的磁 粉尺寸產生具有高電感水平的薄間隙電感器。大的磁粉增加了間隙尺寸，導致部件電感的 降低。因此，可以選擇磁粉顆粒尺寸以調整針對具體應用的部件的電感。換句話說，可以使 用磁粉尺寸來設置部件的電感水平。而且，所使用的磁粉量能夠改變部件的特性以產生期 望的性能。粘合劑的第二作用在於將部件永久粘合到一起，使得組件對於機械負載穩健。在 優選實施例中，磁顆粒層的厚度在大約O到100 μ m之間。也可以使用大約0和500之間的 較大磁偏置厚度。磁粉可以由球形或者不規則形狀的材料構成。陶瓷磁粉可以用作所述磁粉。優選 的材料是球形稀土磁性材料，例如但不限於釹-鐵-硼或者釤_鈷磁粉。一個原因是球形 顆粒在實現板間特定距離時更一致。第二個原因在於稀土磁體具有足夠高的本徵矯頑力 (intrinsic coercive force)以抵抗應用中的去磁。鐵磁板可以由軟磁材料製成，例如但不限於鐵氧體、鉬坡莫合金(MPP)、鐵矽鋁，Hi Flux或者壓制鐵。儘管可以使用其它材料，但是由於鐵氧體在高頻率處具有低鐵損耗並且通常比其它替代物便宜，因此優選材料是鐵氧體。鐵氧體具有低的磁飽和阻抗並且因而從 引入磁偏置中受益。本發明提出了將填充了磁粉的粘合劑添加到鐵磁板之間。一旦粘合劑完全固化， 部件被磁化，使得磁性材料施加其方向與承載電流的導體感應的方向相反的穩態磁通場。圖2示出了靜態磁通量以及來自導體的感應磁通量。圖3是軟鐵磁鐵氧體板的假 定磁滯回線。在導體的零輸入DC處，鐵磁材料被極化或者偏置，使得其通量場接近最大負 飽和點。當施加DC時，該負通量場逐漸降低，直到鐵磁 材料中的磁通密度為零。當進一步 增加DC時，磁通場開始變為正，直到發生磁飽和。因而，在間隙中引入磁性材料增加了鐵磁 材料承受飽和的能力，從而顯著增加了其範圍，諸如增加了兩倍。圖4是具有兩個磁間隙的單導體電感器50的立體圖。在圖4中，將兩個鐵磁板 52、53組合到一起，二者間隔開由磁顆粒的尺寸設置的距離。磁粉和環氧樹脂的混合物形成 合成物56，可以將合成物56絲網印刷到鐵磁板的一個側面，如圖4中所示的鐵磁板52上。 在施加有合成物56的每一區域中生成磁間隙。將第二鐵磁板53放置到第一個上並且使粘 合劑加熱固化以永久地將組件結合到一起。一旦部件被固化，然後使其磁化。圖4示出了 磁性材料的極性，使得位於兩個鐵磁板之間的隨後通量場添加到彼此磁通量方向。將磁體 感應通量的極性設置為與由輸入到導體中的直流電流產生的磁感應通量的方向相反。圖5是一個實施例的立體圖，其中存在三個磁間隙，每一磁間隙由包含磁粉以及 優選諸如環氧樹脂的粘合劑的混合物形成。可以通過絲網印刷沉積所述混合物並且由於所 述混合物包括施加在三個分隔開的位置70A、70B、70C中的磁粉而可以將其看作是磁薄膜。 所示出的配置是多極配置。外側磁薄膜70A、70B在相同方向上被極化而中央70C在相反方 向上被極化。執行該過程以形成對於所有三個磁薄膜累加的磁場。電感器60包括第一鐵 磁板62和第二鐵磁板64。鐵磁板62中切割有溝槽63。溝槽63從鐵磁板62的一側延伸 到鐵磁板62的相對側。示出了導體65。在第二鐵磁板64的一側上包括部分66、68的導體 65在第二鐵磁板64周圍被彎曲以形成三個表面70A、70B、70C，在每一個表面上粘結有磁薄 膜。在將鐵磁板62、64放置到一起之後，可以加熱固化粘合劑，然後使設備60磁化。圖5 提供了多極配置，其中外側磁薄膜在相同方向上被極化而中央則在相反方向上被磁化。如 此形成對於三個磁薄膜累加的磁場。以與由輸入到導體中的直流電流產生的任何磁感應通 量的方向相反的方向設置磁體感應通量的極性。因此，本發明提供了改進的電感器及其製造方法是顯然的。本發明設想在所使用 的材料類型、所應用的製造技術方面存在各種變型以及在本發明的精神和範圍內存在各種變型。
權利要求
一種偏置間隙電感器，包括第一鐵磁板；第二鐵磁板；夾置在所述第一鐵磁板與所述第二鐵磁板之間的導體；所述第一鐵磁板與所述第二鐵磁板之間的粘合劑，所述粘合劑包括磁粉，從而形成至少一個磁間隙；並且其中所述粘合劑的厚度小於500μm。
2.如權利要求1所述的偏置間隙電感器，其中，所述粘合劑為環氧樹脂。
3.如權利要求1所述的偏置間隙電感器，其中，所述磁粉包括球形稀土磁顆粒。
4.如權利要求3所述的偏置間隙電感器，其中，所述球形稀土磁顆粒包括釹-鐵-硼合金。
5.如權利要求3所述的偏置間隙電感器，其中，所述球形稀土磁顆粒包括釤_鈷合金。
6.如權利要求1所述的偏置間隙電感器，其中，所述第一鐵磁板和所述第二鐵磁板中 的每一個包括鐵氧體。
7.如權利要求1所述的偏置間隙電感器，其中，所述導體包括銅。
8.如權利要求1所述的偏置間隙電感器，其中，所述導體被配置為多迴路配置。
9.如權利要求1所述的偏置間隙電感器，其中，所述粘合劑包括所述第一鐵磁板與所 述第二鐵磁板之間的粘合劑薄膜，並且使用厚度來限定所述電感器的電感特性。
10.如權利要求1所述的偏置間隙電感器，其中，所述厚度小於lOOym。
11.一種形成電感器的方法，包括 提供第一鐵磁板、第二鐵磁板以及導體；將所述導體放置在所述第一鐵磁板與所述第二鐵磁板之間；利用包括粘合劑和磁粉的合成物將所述第一鐵磁板粘合到所述第二鐵磁板，以形成磁 間隙；使所述電感器磁化；以及其中，所述合成物厚度小於500 u m。
12.如權利要求11所述的方法，其中，所述粘合的步驟包括固化所述粘合劑。
13.如權利要求11所述的方法，其中，所述粘合劑為環氧樹脂。
14.如權利要求11所述的方法，其中，所述磁粉包括球形稀土磁顆粒。
15.如權利要求11所述的方法，其中，所述磁粉包括球形陶瓷顆粒。
16.如權利要求11所述的方法，還包括基於對所述電感器的期望屬性來確定磁粉類 型，其中所述類型包括所述磁粉的顆粒尺寸。
17.如權利要求11所述的方法，其中，所述粘合的步驟包括絲網印刷所述合成物。
18.如權利要求11所述的方法，其中，所述厚度小於100ym。
19.一種偏置間隙電感器，包括 第一鐵磁板；第二鐵磁板；夾置在所述第一鐵磁板與所述第二鐵磁板之間的導體；所述第一鐵磁板與所述第二鐵磁板之間的厚度小於100 ym的用於形成至少一個磁間 隙的磁性材料，其中，使用所述厚度限定所述電感器的電感特性。
全文摘要
本發明公開了一種偏置間隙電感器以及形成所述電感器的方法，所述電感器包括第一鐵磁板、第二鐵磁板、夾置在所述第一鐵磁板與所述第二鐵磁板之間的導體，以及所述第一鐵磁板與所述第二鐵磁板之間的粘合劑，所述粘合劑包括磁粉從而形成至少一個磁間隙。所述方法包括提供第一鐵磁板、第二鐵磁板以及導體，將所述導體放置在所述第一鐵磁板與所述第二鐵磁板之間，利用包括粘合劑和磁粉的合成物將所述第一鐵磁板粘合到所述第二鐵磁板，以形成磁間隙，以及使所述電感器磁化。
文檔編號H01F3/10GK101836270SQ200880105791
公開日2010年9月15日 申請日期2008年6月9日 優先權日2007年9月7日
發明者T·T·漢森 申請人:韋沙戴爾電子公司