电感组件的绕组布置和生产电感组件的绕组布置的方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 虽然可应用于任何电感组件，但是将结合具有高填充因子（fillfactor)的电感 组件来描述本发明。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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S变得越小。针对MHz区域中的频率，趋肤深度S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. 2_(2S)。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。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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，磁芯通量围绕绕组窗口 2a""和2b""，而应力通量（stressedflux)线〇 " 通过绕组窗口 2a""和2b""。线圈&包括①i通量线，而线圈N2包括①2通量线。通量①1 包括全部的磁芯通量①'和应力通量①"的一部分（由①"：表示），而通量①2包括全 部的磁芯通量? '和应力通量? "的一部分（由? i和? " 2表示）。由于应力通量 比应力通量〇 :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1中感应的电压大。
[0011] 在所有绕组线圈Nl、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Nl、N2的感应的电压被相加，因此不会产生均衡电流。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] 除了由于绕组窗口 2a""和2b""中的绕组线圈N1、N2的不同部分而导致的电压 改变，还存在使针对高电流应用的高频操作劣化的其它方面。单独绕组线圈Nl、N2的负载 电流通过创建其自身的磁场来影响同一绕组的其它所有线圈，其中，所述磁场产生在单独 导体相对于磁芯的内侧和外侧上流过的纵向环电流。这些纵向环电流与负载电流相加，使 得负载电流在导体的内侧增加并在导体的外侧减小，该现象被称为邻近效应（proximity effect)。邻近效应的后果是当频率增加时造成更大的欧姆损耗。
[0016] 使用并联的平带导体解决了趋肤和邻近效应，并且同时在有效导电区域维持不变 时允许相同的负载电流流过绕组。具体地，图14示出具有单个导体的绕组的磁芯"'，其中， 所述导体被划分为彼此绝缘且围绕沟隙Gw"的平行平带条Si"和平带条S2"。平行平带条 Si"和平带条S2"在提供接头T1和T2的连接区域3短路以形成如图14所示的单个导体。
[0017] 将单个导体划分为平带条同时解决了填充因子、趋肤效应和邻近效应的问题。到 绕组窗口 2a""和2b""的区域中的通量泄漏不能被去除。通量倾向于流过绕组窗口区域中 的低磁导率的区域（诸如绝缘体或空气），并且部分地通过导体。两个平行导体条&"和 S2"之间的沟隙Gw"呈现允许通量线穿透的区域，这导致了同一导体的单独平行导体 条3 :"和S2 "之间的电压差AV。
[0018] 因此，如图15所示，附加电压造成通过平行导体条Si"和S2"的纵向电流U并且 出现两个连接接头T/'"、T2""。在图15中，示出绕组W"，其具有两个平行导体条51"和S2" 以及在平行导体条Si"和S2"之间的沟隙Gw"，其中，通量①^穿过沟隙Gw"。该电压均衡纵 向电流Iwl被添加到负载电流作为两个共享的和。感应的纵向电流11在平行导体条中是一 个问题，这与由邻近效应引起的问题类似。
[0019] 文献WO2007/136288A1示出一种用于通过将导电材料的条卷绕两个平行绕组中 的磁芯来卷绕高频变压器的方法。
【发明内容】
[0020] 该问题通过独立权利要求的特征解决。
[0021] 因此，本专利申请提供一种针对电感组件的绕组布置，包括：包括至少一个第一绕 组的第一绕组单元，所述至少一个第一绕组包括被配置为第一平带堆叠的至少两个电绝缘 的平行平带导体；包括至少一个第二绕组的第二绕组单元，所述至少一个第二绕组包括被 配置为第二平带堆叠的至少两个电绝缘的平行平带导体；其中，第一绕组单元的平带导体 的第一端在交叉连接中交叉连接到第二绕组单元的平带导体的第一端，使得第一平带堆叠 中的第一电流堆叠顺序与第二平带堆叠中的第二电流堆叠顺序相反；其中，第一绕组单元 的平带导体的第二端至少电连接到第一电抽头中；其中，第二绕组单元的平带导体的第二 端至少电连接到第二电抽头中。
[0022] 一种电变压器，包括：根据本发明的针对电感组件的至少一种绕组布置。
[0023] 一种用于生产针对电感组件的绕组布置的方法，所述方法包括如下步骤：提供包 括至少一个第一绕组的第一绕组单元，所述至少一个第一绕组包括至少两个电绝缘的平行 平带导体，所述第一绕组被配置为平带堆叠；提供包括至少一个第二绕组的第二绕组单元， 所述至少一个第二绕组包括至少两个电绝缘的平行平带导体，所述第二绕组被配置为平带 堆叠；卷绕所述至少一个第一绕组；卷绕所述至少一个第二绕组；将第一绕组单元的平带 导体交叉连接到第二绕组单元的平带导体，使得第一平带堆叠中的第一电流堆叠顺序与第 二平带堆叠中的第二电流堆叠顺序相反；将第一绕组单元的平带导体的第二端至少电连接 到第一电抽头中；将第二绕组单元的平带导体的第二端至少电连接到第二电抽头中。
[0024] 本发明基于应消除通过平行导体条的纵向电流以提高电感器的效率的构思。
[0025] 因此，本发明提供一种针对电感组件的绕组布置，其中，电感器的绕组被划分为两 个单独的绕组单元。此外，单个绕组单元均包括由平带导体的平带堆叠形成的至少一个绕 组。
[0026] 为了有效地去除通过平行导体条的纵向电流，在第一绕组单元的第一平带堆叠和 第二绕组单元的第二平带堆叠之间的连接被布置为交叉连接。此外，第一平带堆叠形成沿 第一方向卷绕的第一绕组，第二平带堆叠形成沿与第一方向相反的第二方向卷绕的第二绕 组。
[0027] 关于本专利申请，"交叉连接"意味着第一绕组单元的平带导体以反向顺序连接到 第二绕组单元的平带导体。这意味着第一绕组单元的第一个平带导体连接到第二绕组单元 的最后一个平带导体，第一绕组单元的第二个平带导体连接到第二绕组单元的倒数第二个 平带导体，以此类推。因此，第一平带堆叠中的第一电流堆叠顺序与第二平带堆叠中的第二 电流堆叠顺序相比被反向。
[0028] 最后，分别从第一绕组单元和第二绕组单元引出的平带导体的端在各个情况下连 接在一起以形成用于与电感器电交互的电抽头。
[0029] 根据本发明的交叉连接很大地减少了平行平带导体中的纵向电流。因此，可以使 用平带导体条，并且绕组窗口的有效交叉区域增加，而DC/AC电阻比减小。每个单独绕组中 的平带条的平行布置允许交叉适应于不同的绕组窗口形状。此外，平带导体的平行布置允 许使平带条变窄，并且从而降低绕组的寄生电容。
[0030] 最后，在根据本发明的电感器中，欧姆损耗减少。结果，可以进一步增加频率且同 时减小尺寸。
[0031]本发明的进一步的实施例涉及从属权利要求和下面参照附图的描述。
[0032]在一个实施例中，所述至少一个第一绕组相对于针对电感组件的绕组布置的虚拟 轴沿第一卷绕方向卷绕，所述至少一个第二绕组相对于针对电感组件的绕组布置的虚拟轴 沿与第一卷绕方向相反的第二卷绕方向卷绕。
[0033]在针对电感组件的绕组