使用u形芯件形成的磁器件以及運用該器件的功率轉換器的製作方法
2023-12-07 23:31:16 2
專利名稱：使用u形芯件形成的磁器件以及運用該器件的功率轉換器的製作方法
技術領域：
本申請總體涉及功率電子器件，並且更具體地涉及可運用於功率轉換器中的磁器件。
背景技術：
開關模式功率轉換器(也稱為「功率轉換器」或「調節器」)是將輸入電壓波形轉換成特定輸出電壓波形的電源或功率處理電路。DC-DC功率轉換器將直流(「dc」)輸入電壓轉換成dc輸出電壓。與功率轉換器相關聯的控制器通過控制在其中運用的功率開關的導通時間段來管理其操作。一般而言，控制器以反饋迴路(也稱為「控制迴路」或「閉合控制迴路」)配置耦合在功率轉換器的輸入和輸出之間。為了生成dc輸出電壓，功率轉換器運用諸如電感器和變壓器之類的磁器件。向磁器件的線圈施加高頻交流(「ac」)電壓，該電壓通常通過磁器件的感應動作被轉換成另一電壓電平。經轉換的電壓電平由二極體或有源半導體器件整流以生成dc輸出電壓。為了產生高水平的功率轉換效率，經常使用在單層中繞制的線圈形成磁器件，以減少由在鄰近線圈匝中流動的高頻電流產生的鄰近效應。鄰近效應導致高頻電流主要僅在導電線圈的部分中流動，從而增加線圈的有效電阻。常規地由諸如「E」和「I」芯件之類的直線芯件構造磁器件，該直線芯件被運用於形成高頻變壓器或電感器。根據實際的製造考慮，這類設計要求在磁芯的「E」部的豎直壁上形成單層線圈。使用該線圈結構的設計並不利用磁芯的「E」或「I」芯件的水平壁，並且相應地引入高水平的功率損耗。因此，本領域所需的是一種磁器件的物理結構和相關方法，其提供一種配置以允許線圈匝的較寬分布以避免現有技術中的缺陷。
發明內容
通過本發明的有利的實施方式，總體上解決了或規避了這些問題和其他一些問題，並且總體上實現了有利的技術優勢，本發明的有利實施方式包括使用U形芯件形成的在功率轉換器中可運用的磁器件以及形成該磁器件的方法。在一個實施方式中，磁器件包括由磁材料形成的直線芯件、定位在該直線芯件上的第一 U形芯件和第二 U形芯件。該磁器件還包括分別圍繞第一 U形芯件和第二 U形芯件形成的第一導電線圈和第二導電線圈。前面的內容已較寬泛地概述了本發明的特徵和技術優勢，這是為了可以更好地理解隨後對本發明的詳細描述。下文中將描述本發明的、形成本發明權利要求主題的附加特徵和優勢。本領域技術人員應該理解，所公開的概念和具體實施方式
可以容易地被利用為用於修改或設計用於執行本發明的相同目的的其他結構或過程的基礎。本領域技術人員還應該意識到，這類等同構造並不偏離如在所附權利要求中闡述的本發明的精神實質和範圍。
為了更為完整地理解本發明，現在結合所附附圖參考下面的描述，在附圖中圖1圖示了根據本發明原理而構造的功率轉換器的實施方式的框圖；圖2至圖4圖示了根據本發明的原理而構造的、在功率轉換器中可運用的示例性功率鏈(power train)的示意圖；以及圖5至圖9圖示了根據本發明的原理而構造的磁器件的實施方式的圖。除非另有指示，在不同的附圖中對應的標號和符號一般指代對應部件，並且為了簡潔起見在第一個實例之後可以不再次描述對應的標號和符號。附圖被繪製成圖示示例性實施方式的相關方面。
具體實施例方式下面詳細論述一些示例性實施方式的製造和使用。然而應該理解，本發明提供許多可以體現在許多具體上下文中的可應用的發明構思。所論述的具體實施方式
僅是說明製造和使用本發明的特定方式，並且並非是對本發明範圍的限制。將參照在具體上下文中的一些示例性實施方式描述本發明，即包括U形芯件的磁器件以及形成該磁器件的方法。包括U形芯件的磁器件通過為繞其形成的導電材料的單層線圈的匝供應較大的物理空間來提供改進的功率轉換效率。雖然將在用於功率轉換器的磁器件的環境中描述本發明的原理，但是受益於該磁器件的任何應用(諸如功率放大器或電機控制器)都在本發明的廣泛的範圍內。首先參見圖1，圖示了包括根據本發明的原理而構造的磁器件的功率轉換器的一個實施方式的框圖。功率轉換器耦合到諸如ac電源之類的電力源，該電力源由提供輸入電壓Vin的ac電源表示。功率轉換器包括由控制器110控制的功率鏈105。控制器110 —般測量功率轉換器的操作特性(諸如輸出電壓V。)，並且響應於所測量的操作特性控制功率轉換器中的一個或多個功率開關的佔空比D以調節該特性。功率轉換器可以形成電源的一個部分並且可以提供功率給該電源的另一子系統，諸如耦合到電源輸出的、向負載提供經調節的電壓的隔離的dc-dc功率轉換器。功率鏈105可以運用本文描述的升壓拓撲。功率轉換器的功率鏈105可以包括耦合到磁器件以提供功率轉換功能的多個功率開關。現在參見圖2，圖示了在根據本發明的原理而構造的功率轉換器中可運用的示例性功率鏈(包括升壓拓撲)201的示意圖。功率轉換器的功率鏈201在其輸入處接收來自諸如ac電源之類的電力源的輸入電壓Vin(例如未經調節的ac輸入電壓)，並且在功率轉換器的輸出端子205、206處提供經調節的輸出電壓\。根據升壓拓撲的原理，輸出電壓\ 一般高於輸入電壓Vin，從而使得功率轉換器的開關操作可以調節輸出電壓V。。主功率開關 S1Hf^n, N溝道金屬氧化物半導體(「NM0S」)有源開關或開關)通過柵極驅動信號⑶啟用，以導通持續主間隔(primary interval)，並且該主功率開關S1將輸入電壓Vin通過整流電橋203耦合到升壓電感器Lb。。st。在主間隔D期間，輸入電流iin增加並且流過升壓電感器到本地電路地。通常使用單層線圈形成升壓電感器Lb。。st以減少鄰近效應，從而增加功率轉換器的效率。根據下式，功率鏈201在穩態中的佔空比取決於相應輸入電壓Vin和輸出電壓Vc 的比率
權利要求
1.一種磁器件，包括 由磁性材料形成的直線芯件；定位在所述直線芯件上的第一 U形芯件和第二 U形芯件；以及分別圍繞所述第一 U形芯件和所述第二 U形芯件形成的第一導電線圈和第二導電線圈。
2.根據權利要求1的磁器件，其中所述第一導電線圈和所述第二導電線圈分別在所述第一 U形芯件和所述第二 U形芯件的基本整個彎曲長度之上形成。
3.根據權利要求1的磁器件，其中所述第一U形芯件和所述第二 U形芯件定位在所述直線芯件的公共表面上。
4.根據權利要求1的磁器件，還包括定位在所述第一U形芯件和所述第二 U形芯件中至少之一與所述直線芯件的表面之間的非磁性間隔件。
5.根據權利要求1的磁器件，還包括圍繞所述直線芯件形成的第三導電線圈。
6.根據權利要求5的磁器件，其中所述第三導電線圈形成為U字形。
7.根據權利要求5的磁器件，其中所述第三導電線圈電耦合到所述第一導電線圈和所述第二導電線圈。
8.根據權利要求1的磁器件，其中所述直線芯件被形成為具有分布式間隙。
9.根據權利要求1的磁器件，其中所述直線芯件的相對磁導率基本上低於所述第一U 形芯件和所述第二 U形芯件的相對磁導率。
10.根據權利要求1的磁器件，其中所述第一U形芯件和所述第二U形芯件均形成為環形芯的一部分。
11.一種用於形成磁器件的方法，包括 提供為磁材料的直線芯件；將第一 U形芯件和第二 U形芯件定位在所述直線芯件上；以及形成分別圍繞所述第一 U形芯件和所述第二 U形芯件的第一導電線圈和第二導電線圈。
12.根據權利要求11的方法，其中所述第一導線線圈和所述第二導電線圈分別在所述第一 U形芯件和所述第二 U形芯件的基本整個彎曲長度之上形成。
13.根據權利要求11的方法，其中所述第一U形芯件和所述第二 U形芯件定位在所述直線芯件的公共表面上。
14.根據權利要求11的方法，還包括將非磁性間隔件定位在所述第一U形芯件和所述第二U形芯件中至少之一與所述直線芯件的表面之間。
15.根據權利要求11的方法，還包括形成圍繞所述直線芯件的第三導電線圈。
16.根據權利要求15的方法，其中所述第三導電線圈形成為U字形。
17.根據權利要求15的方法，其中所述第三導電線圈電耦合到所述第一導電線圈和所述第二導電線圈。
18.根據權利要求11的方法，其中所述直線芯件被形成為具有分布式間隙。
19.根據權利要求11的方法，其中所述直線芯件的相對磁導率基本上低於所述第一U 形芯件和所述第二 U形芯件的相對磁導率。
20.根據權利要求11的方法，其中所述第一U形芯件和所述第二 U形芯件均形成為環形芯的一部分。
21.—種功率轉換器，包括 磁器件，包括由磁性材料形成的直線芯件；定位在所述直線芯件上的第一 U形芯件和第二 U形芯件；以及分別圍繞所述第一 U形芯件和所述第二 U形芯件形成的第一導電線圈和第二導電線圈；耦合到所述第一導電線圈的第一功率開關；耦合到所述第二導電線圈的第二功率開關；以及配置成提供控制信號給所述第一功率開關和所述第二功率開關的控制器。
22.根據權利要求21的功率轉換器，其中所述第一導電線圈和所述第二導電線圈分別在所述第一 U形芯件和所述第二 U形芯件的基本整個彎曲長度之上形成。
23.根據權利要求21的功率轉換器，其中所述第一U形芯件和所述第二 U形芯件定位在所述直線芯件的公共表面上。
24.根據權利要求21的功率轉換器，其中所述磁器件還包括定位在所述第一U形芯件和所述第二 U形芯件中至少之一與所述直線芯件的表面之間的非磁性間隔件。
25.根據權利要求21的功率轉換器，其中所述磁器件還包括圍繞所述直線芯件形成的第三導電線圈。
26.根據權利要求25的功率轉換器，其中所述第三導電線圈形成為U字形。
27.根據權利要求25的功率轉換器，其中所述第三導電線圈電耦合到所述第一導電線圈和所述第二導電線圈。
28.根據權利要求21的功率轉換器，其中所述直線芯件被形成為具有分布式間隙。
29.根據權利要求21的功率轉換器，其中所述直線芯件的相對磁導率基本上低於所述第一 U形芯件和所述第二 U形芯件的相對磁導率。
30.根據權利要求21的功率轉換器，其中所述第一U形芯件和所述第二 U形芯件均形成為環形芯的一部分。
全文摘要
一種使用U形芯件形成的、在功率轉換器中可運用的磁器件及用於形成該磁器件的方法。在一個實施方式中，磁器件包括由磁材料形成的直線芯件(701)、定位在直線芯件(701)上的第一U形芯件(702)和第二U形芯件(703)。該磁器件還包括分別圍繞第一U形芯件(702)和第二U形芯件(703)形成的第一導電線圈(NS1)和第二導電線圈(NS2)。
文檔編號H01F27/24GK102356438SQ201080012450
公開日2012年2月15日 申請日期2010年3月31日 優先權日2009年3月31日
發明者S·錢德拉塞卡蘭 申請人:偉創力國際美國公司