[发明专利]电感组件的绕组布置和生产电感组件的绕组布置的方法

说明书

技术领域

本发明涉及针对电感组件的绕组布置和用于生产针对电感组件的绕组布置的方法。

背景技术

虽然可应用于任何电感组件，但是将结合具有高填充因子(fill factor)的电感组件来描述本发明。

在现代的电器件和电子器件中，针对电感组件的绕组布置是重要组成。电感器尤其用于如降压转换器和升压转换器的功率转换装置。

为了减少这种功率转换装置的尺寸，所述装置的工作频率变得更高。对于高至10V的小型功率转换器，工作频率已经升高至MHz的范围。对于高至200V的中型功率转换器以及高至500V的高功率转换器，目标频率在大约300kHz至1MHz。

在这种功率转换装置中，电感组件(电感器或变压器)是与损耗和尺寸相关的重要因素。尤其是，电感组件的尺寸应该尽可能地小，形状应该是正方形，且AC/DC电阻比应该在所期望的工作频率上尽可能地低。

一般的电感元件(如图16所示)包括环形磁芯TC，以利兹线或多股线SW环绕磁芯TC。如图16所示的电感器具有良好的AC/DC电流比，但是这种导体相对大并且填充因子小，尤其是在需要附加绝缘以在变压器应用中实现第二绕组时。此外，这种电感组件的形状不便于在现代功率转换装置中使用。

随着这种功率转换装置的工作频率的持续增加，在设计功率转换装置时所谓的“趋肤效应”变得越来越普遍。趋肤效应导致在导体的表面区域中传导电流，其中，频率越高，趋肤深度δ变得越小。针对MHz区域中的频率，趋肤深度δ为大约0.1mm或更小。因此，这种如图13所示的一般电感元件的导体的厚度被限制为0.2mm(2δ)。结果，工作频率的增加导致导体更薄。环绕交叉的导体的厚度越薄，利兹线或多股线中需要用来传导负载电流的利兹线的数量越大。大数量的利兹线导致这种电感器的更糟糕的填充因子。

电感器还可包括平带导体而非利兹线。这种电感器分别在图13和图14中示出。

图13示出具有磁芯1””的电感器，其中，磁芯1””具有两个绕组窗口2a””和2b””。图13还示出在这种电感器中形成的通量线。

特定百分比的通量线不可避免地通过绕组窗口2a””和2b””，其影响在于：不是所有的绕组线圈(turn)都包括相同的通量，造成在单独线圈中感应的电压不同。具体地，如图13所示，磁芯通量Φ′围绕绕组窗口2a””和2b””，而应力通量(stressed flux)线Φ″通过绕组窗口2a””和2b””。线圈N₁包括Φ₁通量线，而线圈N₂包括Φ₂通量线。通量Φ₁包括全部的磁芯通量Φ′和应力通量Φ″的一部分(由Φ″₁表示)，而通量Φ₂包括全部的磁芯通量Φ′和应力通量Φ″的一部分(由Φ″₁和Φ″₂表示)。由于应力通量Φ₂比应力通量Φ₁高，因此，随着时间的经过，更多的通量线被包括，导致通量的改变增加，并且在线圈N₂中感应的电压比在线圈N₁中感应的电压大。

在所有绕组线圈N1、N2串联的情况下(这通常用于电感组件的绕组)，在绕组窗口2a””和2b””中的不同位置中的绕组线圈的感应的电压的差异不会造成负面影响，这是因为所有绕组线圈N1、N2的感应的电压被相加，因此不会产生均衡电流。

为了减少由于高频电流造成的欧姆损耗，对于使导体厚度变薄的需要急剧增加。环绕交叉的导体的厚度变薄导致多股线中的利兹线数量增加以能够传导负载电流。利兹线越薄，这种绕组的填充因子越差。使正方形交叉平板导体变薄限制了最大可能负载电流。可通过扩大绕组窗口来增加负载电流，这仅可用于由于外部电感器尺寸比而设置的特定限制。将单独平板导体条划分为更多导体条是不可行的，因为不能实现在利兹多股线导体中常用的交错。

然而，平板线实现比利兹线好得多的填充因子，因为平板线的优点在于其可以通过增加单独导体的宽度来补偿导体的薄型化。绕组窗口2a””和2b””的长度的同时增加仅在特定限制内可行，因此在这种多层绕组中并联以形成单个绕组的单个平带导体提供一种可行的方案。

不管利兹线或多股线中的均衡电流是否可以忽略，填充因子使针对高电流应用的高频操作劣化，因为频率增加，绝缘体/导体比也增加。