磁芯组件、电子设备及制造磁芯组件的方法与流程

1.本发明总体上涉及磁芯组件，并且更具体地涉及磁芯组件，包括该磁芯组件的电感器和变压器及其制造工艺。


背景技术：

2.诸如电感器或变压器的磁性元件被广泛地用于开关模式功率转换器中。近来，存在将高频开关并入功率转换器中的趋势。通过高频开关，对于等效的“on/off”电压和纹波电流，频率
∝
1/电感，可以降低开关模式功率转换器的成本，并可以提高效率。然而，在相关技术的功率转换器中并入高频开关存在若干缺点，这会影响这些设备中的功率密度、效率、损耗和可靠性。


技术实现要素：

3.至少一个示例实施例涉及一种磁芯组件。磁芯组件包括具有至少一个间隙的第一芯和设置在第一芯的至少一个间隙内的至少一个第二芯。第一芯和至少一个第二芯由不同的材料制成。此外，至少一个第二芯占据的空间不大于第一芯的至少一个间隙。
4.至少一个示例实施例涉及一种电子设备。电子设备包括磁芯和缠绕在磁芯上的线圈。磁芯包括具有至少一个间隙的第一芯和设置在第一芯的至少一个间隙内的至少一个第二芯。第一芯和至少一个第二芯由不同的材料制成。此外，至少一个第二芯占据的空间不大于第一芯的至少一个间隙。
5.至少一个示例实施例涉及一种制造磁芯组件的方法。制造磁芯组件的方法：为第一芯提供至少一个间隙，以及将至少一个第二芯定位在第一芯的至少一个间隙内。第一芯和至少一个第二芯由不同的材料制成。此外，至少一个第二芯占据的空间不大于第一芯的至少一个间隙。
附图说明
6.图1是根据本发明的实施例的示出具有铁氧体芯的磁芯和具有铁氧体芯与金属粉末芯结合的磁芯的开路电感(ocl)与饱和电流(isat)曲线的曲线图。
7.图2示出了根据本发明的实施例的具有铁氧体芯的磁芯和具有铁氧体芯与金属粉末芯结合的磁芯的比较表。
8.图3示出了根据本发明的一个实施例的铁氧体芯和板作为间隙与金属粉末材料-npa芯作为间隙的比较。
9.图4a是作为常规耦合输出扼流圈的逆变器的框图。
10.图4b是根据本发明的实施例的作为耦合输出扼流圈的逆变器的框图。
11.图5a是在常规的交错式功率因数转换器(pfc)升压转换器电路中使用的变压器的框图。
12.图5b是根据本发明的实施例的在交错式pfc升压转换器电路中使用的变压器的框
图。
13.图6是根据本发明的实施例的制造磁芯组件的方法的流程图。
具体实施方式
14.将结合磁芯组件、包括其的电感器和变压器及其制造工艺来描述本发明的实施例。用于电感器和变压器的磁芯可以分为两种类型：金属粉末芯和铁氧体芯。金属粉末芯是由粉末型复合金属制成的磁芯。金属粉末芯的磁导率低且电流特性优异，但是价格昂贵。另一方面，铁氧体芯价格便宜，并且在高频特性和损耗特性方面优越，但是磁导率高。用于电感器和变压器的磁芯通常由具有高磁导率的金属制成，并设置在由导线制成的线圈的内部，以帮助形成磁通量或磁场。
15.电感器通常用作高电流输出扼流圈和直流(dc)/dc转换器中的扼流圈，变压器通常用于以连续导通模式(ccm)、不连续导通模式(dcm)和临界导通模式(crcm)工作的交错式功率因数转换器(pfc)升压转换器电路中。使用高频开关时，电感器和变压器的磁芯特性包括定义为500khz至100mhz范围内的频率、高饱和磁通密度(bsat)以避免在高dc偏压下出现饱和，低导磁率以迫使增加匝数并降低交流(ac)磁通密度，很少或没有离散的间隙以减少边缘效应，单层绕组以减少邻近效应损失，涡流损耗低，以及电感随频率和功率线性良好。
16.如上所述，铁氧体芯具有成本效益并且具有低的磁芯功耗。铁氧体的饱和磁通密度低，因此需要气隙和利兹线。在这种情况下，芯的总体积相对较大。用于铁氧体芯的一种铁氧体材料是锰锌(mn-zn)。由于低体电阻率，mn-zn材料在大于1mhz时会失效。而且，mn-zn材料需要离散的间隙以减小有效磁导率(间隙损耗)，具有低的饱和磁通密度(100℃时bsat《0.5t)和温度限制(《100℃)。
17.诸如磁粉芯的金属粉末芯是由铁合金粉制成的分布式气隙芯，用于在高频下的低损耗。在整个芯上均匀分布的小气隙会增加在芯饱和之前可通过绕组的直流量。金属粉末芯具有较高的饱和磁通密度(100℃下bsat》0.9t)、分布的气隙，这意味着较低的磁导率而不是离散的气隙，低磁滞和涡流损耗，大于100mhz的有效性且温度限制为(《100℃)。
18.根据本发明的一个实施例，铁氧体芯和金属粉末芯被组合以增强磁芯对于电感器和变压器的益处，如下面更详细地讨论的。
19.诸如铁粉材料芯的金属粉末芯包括但不限于羰基铁、纳米颗粒阵列(npa)硅化铁(fe-si 3.0)粉末芯、钼合金粉末(mpp)ni-fe-mo合金芯、高通量fe-ni合金芯和sendust/fe-si-al合金芯。根据本发明的一个实施例，诸如npa硅化铁(fe-si 3.0)粉末芯、钼合金粉末(mpp)ni-fe-mo合金芯、高通量fe-ni合金芯和sendust/fe-si-al合金芯的铁粉材料使用诸如mn-zn类的材料与铁氧体芯结合在一起。这种组合产生的bsat超过950mt，当单独使用mn-zn材料时，bsat增强了600mt。如图1所示，该组合还提供了增强的饱和电流(isat)(比单独使用的mn-zn材料高20％到30％以上)。
20.图1是示出根据本发明的实施例的具有铁氧体芯的磁芯和具有铁氧体芯与金属粉末芯组合的磁芯的开路电感(ocl)对isat曲线的曲线图。在曲线图100中，纵轴表示以百分比(％)表示的ocl，横轴表示以dc安培数(adc)表示的isat。曲线图100绘制了两个磁芯。标记为磁芯#3的第一磁芯包括mn-zn铁氧体芯，电感为3.8μh，三匝(3ts)。标记为磁芯#10的第
二个磁芯包括mn-zn和铁粉末芯npa组合的铁氧体芯，电感为3.0μh，三匝(3ts)。如曲线图100所示，磁芯#10的isat比磁芯#3增加了20％到30％。
21.图2示出了根据本发明的实施例的具有铁氧体芯的磁芯#3和具有铁氧体芯与金属粉末芯结合的磁磁芯#10的比较表200。表200包括代表实验设计(doe)的列205、代表η-20％负载(20％粉末)的列201、代表η-50％负载(50％粉末)的列215、代表η-100％负载(100％粉末)的列220、代表27a+3a纹波的列225、代表67a+3a纹波的列230、代表133a+3a(最大125mv)纹波的列235。如表200所示，对于η-20％负载、η-50％负载和η-100％负载，磁芯#10仅略小于磁芯#3，这表明两个磁芯的效率基本相同(标准为94％)，而没有改变磁芯的尺寸。此外，如表200所示，对于列225和列230的纹波，磁芯#10小于第3磁芯，而对于列235的纹波，磁芯#10大于磁芯#3。因此，使用磁芯#10时，最大标准值为125mv的133a+3a(102mv)处的纹波问题得到解决，峰值负载问题得以解决，而对于磁芯#3，在133a+3a(133mv)处的纹波问题仍然存在，并且峰值负载问题仍然存在。
22.图3示出了根据本发明的一个实施例的铁氧体芯和板作为间隙与金属粉末材料-npa芯作为间隙的比较。如图所示，金属粉末材料(npa)芯300包括分布式间隙305。mn-zn芯和fr4板340包括离散的气隙。利用分布式间隙305，不需要离散的气隙，这导致解决了磁滞损耗问题并且由于减少了边缘损耗和磁滞损耗而减少了铜损耗。
23.图4a是作为常规耦合输出扼流圈的逆变器的框图。如图4a所示，常规的耦合输出扼流圈400是铁氧体芯405和铜绕组410的组合。铁氧体芯405可以包括例如mn-zn芯。尽管在图4a中未示出，但是铁氧体芯405包括间隙。所述间隙填充有阻挡间隙415，所述阻挡间隙415由与铁氧体芯405相同的材料制成。
24.图4b是根据本发明的实施例的作为耦合输出扼流圈的逆变器的框图。如图4b所示，耦合的输出扼流圈440是铁氧体芯420、金属粉末芯425和铜绕组410的组合。如图4b所示，铁氧体芯420包括在铁氧体芯420的一侧上提供的间隙。放置金属粉末芯425以占据铁氧体芯420的间隙。金属粉末芯425占据的空间不大于铁氧体芯420的间隙。尽管在图中示出了两个金属粉末芯425以容纳在铁氧体芯420的间隙内，但是在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以使用更多或更少的金属粉末芯425来容纳在铁氧体芯420的间隙内。
25.图5a是在常规的交错式pfc升压转换器电路中使用的变压器的框图。如图5a所示，常规的交错式pfc升压转换器电路500是铁氧体芯505，铁氧体磁芯和板510和导线绕组530的组合。铁氧体芯505可以包括例如mn-zn芯。铁氧体芯505包括在其上提供铁氧体芯和板510的间隙，以提供具有铁氧体芯和板520的铁氧体芯。围绕铁氧体芯和板510中的每一个设置导线绕组530，以产生常规的交错式pfc升压转换器电路500。
26.图5b是根据本发明的实施例的在交错式pfc升压转换器电路中使用的变压器的框图。如图5b所示，交错式pfc升压转换器电路580是铁氧体芯505，金属粉末芯560和导线绕组530的组合。如图5b所示，铁氧体芯505包括在铁氧体芯505的一侧上提供的间隙。金属粉末芯560被定位成占据铁氧体芯505中的间隙，以为铁氧体芯提供金属粉末芯565。金属粉末芯560占据的空间不大于铁氧体芯505的间隙。尽管在图中示出了两个金属粉末芯560以容纳在铁氧体芯505的间隙内，但是在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以使用更多或更少的金属粉末芯505定位在铁氧体芯505内的间隙内。导线绕组530设置在每个金属粉末芯560的周围，以产生交错的pfc升压转换器电路580。
27.图6是根据本发明的实施例的制造磁芯组件的方法的流程图。尽管在图6中显示了磁芯组件600的制造方法步骤的一般顺序，但是方法600可以包括更多或更少的步骤，或者可以与图6中所示的步骤不同地布置步骤的顺序。此外，可以将两个或更多个步骤组合为一个步骤。通常，方法600以start操作604开始，以end操作620结束。
28.方法600可以在操作604处开始并且进行到步骤608，在步骤608中，第一芯具有至少一个间隙。在步骤608为第一芯提供至少一个间隙之后，方法600进行到步骤612，在步骤612中，至少一个第二芯位于第一芯的至少一个间隙内。在步骤612中将至少一个第二芯定位在第一芯的至少一个间隙内之后，方法600进行到步骤616，在步骤616中，由不同的材料制成第一芯和至少一个第二芯。在步骤616用不同的材料制成第一芯和至少一个第二芯之后，方法600可以在操作620处结束。
29.本文讨论的任何步骤、功能和操作都可以连续且自动地执行。
30.关于磁芯组件已经描述了本发明的示例性系统和方法。然而，为了避免不必要地混淆本发明，前面的描述省略了许多已知的结构和设备。该省略不应被解释为要求保护的发明内容的范围的限制。阐述了具体细节以提供对本发明的理解。然而，应当理解，可以以除了本文阐述的具体细节之外的各种方式来实践本发明。
31.此外，尽管本文所示的示例性实施例示出了并置的系统的各个部件，但是系统的某些部件可以远程位于分布式网络(例如lan和/或internet)的遥远部分，也可以位于专用系统内。因此，应该理解，系统的部件可以组合成一个或多个设备，例如服务器、通信设备，或并置在诸如模拟和/或数字电信网络、分组交换网络或电路交换网络之类的分布式网络的特定节点上。从前面的描述可以理解，并且出于计算效率的考虑，可以将系统的部件布置在部件的分布式网络内的任何位置，而不会影响系统的运行。
32.此外，应当理解，连接元件的各种链路可以是有线或无线链路，或它们的任何组合，或者能够向所连接的元件提供数据和/或从所连接的元件提供数据的任何其他已知的或以后开发的元件。这些有线或无线链路也可以是安全链路，并且可以传递加密的信息。例如，用作链路的传输媒体可以是任何适合电信号的载体，包括同轴电缆、铜线和光纤，并且可能采用声波或光波的形式，例如在无线电波和红外数据通信期间生成的声波或光波。
33.尽管已经针对特定事件顺序讨论和说明了流程图，但是应当理解，在不实质影响所公开的实施例、配置和方面的操作的情况下，可以改变、增加和省略该顺序。
34.可以使用本发明的许多变型和修改。可以提供本发明的一些特征而无需提供其他特征。
35.在又一实施例中，可以结合专用计算机、编程的微处理器或微控制器以及外围集成电路元件、asic或其他集成电路、数字信号处理器、硬连线的电子或逻辑电路、例如分立元件电路，可编程逻辑器件或门阵列，例如pld、pla、fpga、pal、专用计算机，任何可比较的装置等来实现本发明的系统和方法。通常，能够实现本文所示的方法的任何设备或装置都可以用于实现本发明的各个方面。可以用于本发明的示例性硬件包括计算机、手持式设备、电话(例如蜂窝、启用因特网、数字、模拟、混合以及其他)，以及本领域已知的其他硬件。这些设备中的一些包括处理器(例如，单个或多个微处理器)、存储器、非易失性存储器、输入设备和输出设备。此外，还可构造替代软件实现方式，包括但不限于分布式处理或组件/对象分布式处理，并行处理或虚拟机处理，以实现本文所述的方法。
36.在各种实施例、配置和方面中，本发明包括基本上如本文所描绘和描述的部件、方法、过程、系统和/或装置，包括各种实施例、其子组合及其子集。在理解本发明之后，本领域技术人员将理解如何制造和使用本文公开的系统和方法。在各种实施例、配置和方面中，本发明包括在缺少本文未描绘和/或描述的项目或本文的各种实施例、配置或方面的情况下提供装置和过程，包括在不存在先前设备或过程中可能使用的项目的情况下，例如，用于提高性能、简化操作和/或降低实施成本。
37.已经出于说明和描述的目的呈现了本发明的前述讨论。前述内容并非旨在将本发明限制为本文公开的一种或多种形式。例如，在前述的详细描述中，出于简化本发明的目的，在一个或多个实施例、配置或方面中将本发明的各种特征组合在一起。可以将本发明的实施例、配置或方面的特征组合在除了以上讨论的那些以外的替代实施例、配置或方面中。本发明的方法不应被解释为反映了这样一种意图，即所要求保护的公开需要比每个权利要求中明确叙述的特征更多的特征。而是，如以下权利要求所反映的，发明方面在于少于单个前述公开的实施例、构造或方面的所有特征。因此，以下权利要求据此结合到该详细描述中，其中每个权利要求独立地作为本发明的单独的优选实施例。
38.而且，尽管本发明的描述已经包括对一个或多个实施例、配置或方面以及某些变型和修改的描述，但是在理解本发明之后，其他变型、组合和修改在本发明的范围内，例如，如可能在本领域技术人员的技术和知识之内。旨在获得权利，其中包括在允许的范围内的替代实施例、配置或方面，包括与所主张权利的替代、互换和/或等效结构、功能、范围或步骤，无论是否在此公开了这种替代、互换和/或等效的结构、功能，范围或步骤，而无意公开致力于任何可获专利的主题。
39.实施例包括磁芯组件。磁芯组件包括具有至少一个间隙的第一芯和设置在第一芯的至少一个间隙内的至少一个第二芯。第一芯和至少一个第二芯由不同的材料制成。此外，至少一个第二芯占据的空间不大于第一芯的至少一个间隙。
40.上述磁芯组件的各方面包括至少一个第二芯，该第二芯由金属粉末材料制成。
41.上述磁芯组件的各方面包括第一芯，该第一芯由铁氧体材料制成。
42.上述磁芯组件的各方面包括至少一个第二芯，该至少一个第二芯由选自以下的铁粉材料制成：羰基铁、fe-si型、fe-ni型、ni-fe-mo型和fe-si-al型。
43.上述磁芯组件的各方面包括第一芯，该第一芯由mn-zn型制成。
44.上述磁芯组件的各方面包括以至少94％的效率运行的磁芯组件。
45.上述磁芯组件的各方面包括：第一芯占据的体积大于至少一个第二芯的体积。
46.实施例包括电子设备。电子设备包括磁芯和缠绕在磁芯上的线圈。磁芯包括具有至少一个间隙的第一芯和设置在第一芯的至少一个间隙内的至少一个第二芯。第一芯和至少一个第二芯由不同的材料制成。此外，至少一个第二芯占据的空间不大于第一芯的至少一个间隙。
47.上述电子设备的各方面包括至少一个第二芯，该第二芯由金属粉末材料制成。
48.上述电子设备的各方面包括第一芯，该第一芯由铁氧体材料制成。
49.上述电子设备的各方面包括至少一个第二芯，该至少一个第二芯由选自以下的铁粉材料制成：羰基铁、fe-si型、fe-ni型、ni-fe-mo型和fe-si-al型。
50.上述电子设备的各方面包括第一芯，该第一芯由mn-zn型材料制成。
51.上述电子设备的各方面包括以至少94％的效率运行的磁芯组件。
52.上述电子设备的各方面包括第一芯占据的体积大于至少一个第二芯的体积。
53.上述电子设备的各方面包括该电子设备是电感器。
54.上述电子设备的各方面包括该电子设备是变压器。
55.实施例包括制造磁芯组件的方法。制造磁芯组件的方法包括：为第一芯提供至少一个间隙，以及将至少一个第二芯定位在第一芯的至少一个间隙内。第一芯和至少一个第二芯由不同的材料制成。此外，至少一个第二芯占据的空间不大于第一芯的至少一个间隙。
56.制造磁芯组件的方法的各方面包括至少一个第二芯，该至少一个第二芯由选自以下的铁粉材料制成：羰基铁、fe-si型、fe-ni型、ni-fe-mo型和fe-si-al型。
57.上述制造磁芯组件的方法的各方面包括第一芯由mn-zn型材料制成。
58.上述制造磁芯组件的方法的各方面包括第一芯占据的体积大于至少一个第二芯的体积。
59.如本文基本发明的任何一个或多个方面/实施方式可选地与如本文基本发明的任何一个或多个其他方面/实施方式组合。
60.短语“至少一个”、“一个或多个”，“或”和“和/或”是开放式表达，在操作中既可以是连接词也可以是反意连接词。例如，表达式“a、b和c中的至少一个”、“a、b或c中的至少一个”、“a、b和c中的一个或多个”“a、b或c中的一个或多个”、“a、b和/或c”、“a，b或c”中的每一个是指单独的a、单独的b、单独的c、a和b一起、a和c一起、b和c一起或a、b和c一起。
61.术语“一”或“一个”实体是指该实体中的一个或多个。这样，术语“一”(或“一个”)、“一个或多个”和“至少一个”在本文中可以互换使用。还应注意，术语“包括”、“包含”和“具有”可以互换使用。
62.本发明的各方面可以采取完全是硬件的实施例、完全是软件的实施例(包括固件、驻留软件、微代码等)、或结合了软件和硬件方面的实施例的形式，这些在本文中通常都统称为“电路”、“模块”或“系统”。可以利用一个或多个计算机可读介质的任何组合。该计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或计算机可读存储介质。
63.计算机可读存储介质可以是，例如但不限于，电、磁、光、电磁、红外或半导体系统、装置或设备，或前述的任何合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的示例(非详尽列表)将包括以下内容：具有一根或多根电线的电气连接、便携式计算机软盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦可编程只读存储器(eprom或闪存)、光纤、便携式光盘只读存储器(cd-rom)、光学存储设备、磁性存储设备或上述的任意合适组合。在本文的上下文中，计算机可读存储介质可以是任何有形介质，其可以包含或存储供指令执行系统、装置或设备使用或与其结合使用的程序。
64.本文所使用的术语“确定”、“计算”及其变体可互换使用，并且包括任何类型的方法、过程、数学运算或技术。