用于高频率应用的感应器制造技术

本发明专利技术提供一种适合用在高频率切换模式功率变换器中的感应器组件，其中，电压的改变速率可以超过每秒１０９伏特。感应器由围绕磁芯（１４０）缠绕的导体带（３０）形成，并且还包括位于导体的相邻缠绕之间以提供容性屏蔽的静电屏蔽，其实质上减少从感应器的一端传播到另一端的高频率电压信号。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及电感应器，尤其是用于高功率、高频率应用的感应器的领域。
技术介绍
感应器被应用于多种应用中。本申请描述了一种尤其适合于高功率、高频率应用 (例如采用高频率DC-DC开关模式的功率变换器)的感应器。根据本专利技术的感应器组件在其它应用(例如变压器)中也是有用的。WO 02/101909中描述了复杂DC-DC功率变换器的示例。图1是如WO 02/101909 中描述的DC-DC功率变换器的最基本元件的通用电路图。该功率变换器适合于在高功率应用(例如电车中的功率变换)中使用。在使用中，使用具有可变传号-空号比率的脉宽调制(PMW)驱动信号，使开关Sl和S2从不都被接通而是被驱动成一个断开而另一个接通。 可见，对于第一阶，当S2接通时，通过感应器L的电流线性增加，当Sl接通时，其线性减少， 从而电流波形具有含DC分量的不对称锯齿轮廓。输入和输出之间的电压比率简单地由S2 被接通的时间与总周期时间的比率确定。然后通过由感应器L和电容器C2形成的无源电路(其用作为针对谐振以上频率进行动作的低通滤波器)对该锯齿电流信号进行滤波，以给出输出端B能够接受的低的电压波动。有利的是，开关工作于最高的实际频率，以使得滤波部件L和C2的大小和成本最小化。因此，图1中的感应器L必须操作在高频率(例如100kHz)和高功率(IkW至 IOkff)。理想地，感应器引入系统的损耗应当最小，并且应当体积小、质量轻并且成本低。
技术实现思路
现在参照在独立权利要求中定义的本专利技术中的各个方面。在从属权利要求中阐述有利的特征。附图说明图1示出双向下转换器的基本元件。图2是根据现有技术的典型感应器绕组的截面；图3示出通过缠绕导体带形成的感应器；图4示出根据本专利技术用于形成感应器的铜带；图5示出图1所示的感应器内的电压和电流波形；图6示出根据本专利技术的在感应器中使用的线轴的示例；图7示出内部线圈容性耦合；图8示出图4所示的导体带，以及在缠绕之前平坦放置的根据本专利技术的用于形成感应器的其它元件；图9示出包括根据本专利技术的感应器的基本双向下转换器；图10示出包括有根据本专利技术的感应器的开关模式转换器的另一示例；其中屏蔽经由电阻接地图11示出用于制造根据本专利技术的感应器组件的机器；图12示出用在根据本专利技术的感应器组件中的导体带的内端；图13a-图13c示出用在根据本专利技术的感应器组件中的线轴；图14a和图14b示出示例的包括空气隙的芯；图15a-图15d示出根据本专利技术的感应器，其中示出的不同端接布:图16示出包括外部罩的根据本专利技术的感应器；图17示出用在根据本专利技术的感应器组件中的替换绕组布置；图18示出在图17所示的绕组中用作导电屏蔽的垫圈；图19示出用于如图20所示的方形绕组的芯组件；图20示出具有方形拓扑的替换绕组；图21示出用于具有方形拓扑的替换绕组的片；图22示出用于具有方形拓扑的替换绕组的另一种片；图23示出被弯曲超出45度并被挤压的铜带的变形；图24示出可以被焊接的图23的弯曲的区域；图25示出用于形成具有方形截面的带状线圈的片材材料图案；图26示出用于形成具有三角形截面的带状线圈的片材材料图案；图27示出用于形成具有五边形截面的带状线圈的片材材料图案；图28示出具有三角形截面的磁芯；图29示出具有五边形截面的磁芯；图30示出在圆柱壳体中的完整线圈组件；图31示出用于接地屏蔽的直接连接的等效电路；以及图32示出用于接地屏蔽的电容连接的等效电路。具体实施例方式图1示出如WO 02/101909中描述的DC-DC转换器的元件的基本通用电路图。如描述的那样，图1所示的电路包括通过高频率、高功率信号的感应器L。对感应器的需求有多种，基本需求是感应器是成本低、体积小和效率高。感应器典型地由通过电流并耦合至磁芯的导体线圈形成。芯典型地由铁氧体形成。通过说明的方式，图2示出工业上标准的“罐形芯”构造的截面。通过大体为圆柱形对称的芯20示出截面。磁环路通过芯20的中心部分，其中，磁通分裂开并经由壁(如这里所示，在截面中位于侧面)返回。电绕组22进入并且离开纸面(截面中示出导体)。根据本专利技术的感应器被设计为在高频率和高功率下使用。随着工作频率上升，用于处理给定功率所需的电感下降。对于用于电车中的DC-DC转换器的关注频率和功率，这意味着感应器需要相对较少的匝，即在1与20匝之间。用以制造感应器的标准加工的铁氧体部件可以有多种形状和的大小，但都寻求以在给定的材料质量或体积的约束下保持尽可能低的总功率损耗(电损耗和磁损耗)的方式将磁路与电路耦合。然而，在给定铁氧体芯周围形成电绕组的方式对功率损耗具有深刻的影响。使用高电流时的一个主要问题是感应器中的阻抗损耗。电线圈经受正常的“I2R” 阻抗损耗，并且可以通过将线圈阻抗保持得尽可能低来使这些损耗最小化。线圈的阻抗与绕组的长度、绕组中使用的导体的截面积以及导体的阻抗性有关。此外，对于给定的标准铁氧体芯，例如，如图2所示，对于电绕组可用的截面被固定，对于单个匝可用的截面面积与给定设计中所需的匝数成反比。因此，对于给定的可用截面面积，为了允许对于每一匝最大化截面积，绕组的封装密度是重要的。然而，在特定截面内高效地封装少量截面大的匝是困难的。当在高频率下工作时，还产生“趋肤效应”。众所周知，在高频率交变的电流主要在导体的外层或“表层”中行进，其中电流密度随着距表面的厚度指数地下降。在铜中，在 IOOkHz下，表层厚度是大约0. 4mm，因此，在意图主要应用感应器来操作的尺度和频率下， 趋肤效应是重要因素。减轻趋肤效应的通用方法是使用一束扭曲在一起以确保均勻空间分布的彼此绝缘的较小引线，而不使用单根较大的引线。然而，这具有降低绕组的总封装效率的缺点。通过使用一束较小的引线而不是单根较大的引线，绕组的DC阻抗增加(因为所要求的绝缘和不理想的封装效率)。与成束的导体相关的另一问题是导体的端接。必须将每根引线剥离开并且整个束要与外部电路并行地端接。当引线的总截面变得大时，这是极为困难的。图3示意性示出用于根据本专利技术的感应器的电绕组。如图4中的未缠绕的状态所示，用导体(优选为铜)带形成导体30。带30的整体厚度近似等于工作在期望频率下的表层厚度，但具有相当大的宽度。带被缠绕成带截面的长轴与绕组转轴平行。优选地使用电绝缘体层使导体的相邻匝彼此绝缘。在这种导体中，电流的DC分量将具有沿导体截面的均勻电流密度，电流的高频率分量在表面将具有更高的密度，并且该更高的密度从表面起减少 由于导体中央部近似为从中心起表层厚度的一半，因此电流密度的交变部分的减少不太严重。在实际转换器设计中，如果与感应器中的DC电流比较，电流的高频率分量，即电流波动小，则也减轻这种效应。导体带30包括两个电端接部分31、32，在导体带30的每一端，端接部分31、32在相对方向上从带30侧向延伸。如将更详细地描述的那样，在带已经被缠绕之后，端接部分可以弯折90度，以允许感应器容易地连接到印刷电路板(PCB)。导体带30优选地以良好的电气级铜片制成，并且可以使用光刻或任何其它合适的技术来形成导体带30。使用以此方式缠绕的导体带具有若干优点，尤其对于高功率、高频率应用。(1)带的使用减轻趋肤效应。通过使用与表层厚度相同量级的厚度的带，保持了贯穿整个带的高的电流密度。(本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种适合在功率变换电路中使用的感应器组件，包括：磁芯；导体带，其围绕所述芯缠绕以形成线圈，其中，所述线圈的相邻匝彼此绝缘；以及至少一个静电屏蔽，位于所述线圈的相邻匝之间并且与所述线圈电绝缘，其中，所述静电屏蔽连接至电气地。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】GB0817973.12008年10月1日1.一种适合在功率变换电路中使用的感应器组件，包括磁芯；导体带，其围绕所述芯缠绕以形成线圈，其中，所述线圈的相邻匝彼此绝缘；以及至少一个静电屏蔽，位于所述线圈的相邻匝之间并且与所述线圈电绝缘，其中，所述静电屏蔽连接至电气地。2.如权利要求1所述的感应器组件，其中，经由一个或多个电阻进行所述静电屏蔽到电气地的连接。3.如权利要求1或权利要求2所述的感应器组件，包括多个分离的静电屏蔽，每个静电屏蔽连接至地。4.如权利要求3所述的感应器组件，其中，所述静电屏蔽中的一个或多个经由电阻连接至地。5.如前述权利要求中任意一项所述的感应器组件，其中，所述导体带围绕铁氧体芯缠绕。6.如前述权利要求中任意一项所述的感应器组件，还包括包围所述线圈的外部静电屏蔽，所述外部静电屏蔽连接至地。7.如权利要求6所述的感应器组件，其中，所述外部静电屏蔽包括导电线轴，围绕所述导电线轴缠绕所述导体带，其中，所述线轴与所述导体带电绝缘，并且其中所述线轴被构造成不提供围绕所述芯的完整周长的导电路径。8.如权利要求7所述的感应器组件，其中，所述线轴包括中心管，由导体材料制成，围绕所述中心管缠绕所述导体带，其中，所述管被构造成不提供围绕所述芯的完整周长的导电路径；以及颊板，位于所述中心管的每一端，所述颊板由印刷电路板(PCB)材料形成。9.如权利要求8所述的感应器组件，其中，所述颊板的至少一个表面被导体材料部分地或完全地覆盖，所述导体材料被构造成不提供围绕所述芯的完整周长的导电路径。10.如权利要求8或9所述的感应器组件，其中，在至少一个颊板上安装电阻，并且其中所述静电屏蔽经由所述电阻连接至电气地。11.如权利要求6至10中任意一项所述的感应器组件，其中，在外部外部静电屏蔽中包括导体片材，所述导体片材围绕所述线圈的外周长延伸并连接至所述线轴，但被构造成使得所述组件没有任何部分提供围绕所述芯的完整周长的导电路径。12.如前述权利要求中任意一项所述的感应器组件，其中，所述导体带是导体组件的一部分，所述导体组件包括多个层叠的带，每个带与所述线圈中的其它带绝缘但在外部并联连接。13.如前述权利要求中任意一项所述的感应器组件，其中，所述导体带具有截面长轴和截面短轴，其中，围绕绕组轴缠绕所述带，并且其中，所述带被缠绕成使得所述带的截面长轴与所述绕组轴平行。14.如权利要求13所述的感应器组件，其中，所述导体带包括在所述带的任一端的端接部分，所述端接部分相对于所述带的纵向尺度在横向上延伸。15.如权利要求1至12中任意一项所述的感应器组件，其中，所述导体带具有截面长轴和...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒂莫西·理查德·克罗克，
申请(专利权)人：三DI动力有限公司，
类型：发明
国别省市：GB