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CN110635663B - 集成磁组合件和将其组装的方法 - Google Patents

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CN110635663B CN201810569143.2A CN201810569143A CN110635663B CN 110635663 B CN110635663 B CN 110635663B CN 201810569143 A CN201810569143 A CN 201810569143A CN 110635663 B CN110635663 B CN 110635663B
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Abstract

集成磁组合件包括具有第一部件和第二部件的磁芯。第一部件包括第一面和从第一面延伸的绕组支腿。绕组支腿包括与第一面间隔开并且大致平行于第一面来定向的顶面。第二部件耦合到第一部件并且具有面向第一面的第二面。第二部件还包括从第二面内凹并且大致平行于第二面来定向的第三面和在第二面和第三面之间延伸的内凹侧壁。集成磁组合件还包括输入绕组和输出绕组，各自电感地耦合到磁芯。第三面和内凹侧壁限定了第二面内的凹槽。另外，在顶面和第三面之间限定了间隙。

Description

集成磁组合件和将其组装的方法
技术领域
本发明一般涉及功率电子器件，并且更具体地涉及供在功率电子器件中使用的集成磁组合件。
背景技术
高密度功率电子电路通常需要为了多种目的而使用多个磁电子部件，所述多种目的包括能量存储、信号隔离、信号滤波、能量转移和功率分配。具体地，这些磁电子部件通常包括沿磁电子部件的磁通路径所定位的空隙。
然而，在至少一些已知的集成磁组合件中，由一个部件所产生的磁通量可能不会对集成结构中的其它部件的操作产生零净影响(zero net effect)。结果，集成部件的有效性和/或效率可能会降低。
另外，在至少一些已知的集成磁组合件中，边缘通量可能对集成磁组合件的操作具有若干有害影响。边缘通量是偏离主磁通量路径的磁通量的分量。边缘通量通常经过电子电路中的其它非有源部件，在此类部件的绕组中感生涡流。这导致绕组中增加的功率损耗和降低的效率。具体地，竖直经过此类部件的绕组层的边缘通量导致绕组中特别大的功率损耗。另外，边缘通量减小了集成磁组合件的电感。因此，当此类集成磁组合件用于功率转换器中时，边缘通量增加纹波电流的幅度，导致更高的功率损耗和降低的效率。
发明内容
在一个方面中，提供了一种集成磁组合件。集成磁组合件包括具有第一部件和第二部件的磁芯。第一部件包括第一面和从第一面延伸的绕组支腿。绕组支腿包括与第一面间隔开并且大致平行于第一面来定向的顶面。第二部件耦合到第一部件并且具有面向第一面的第二面。第二部件还包括从第二面内凹并且大致平行于第二面来定向的第三面和在第二面和第三面之间延伸的内凹侧壁。集成磁组合件还包括输入绕组和输出绕组，各自电感地耦合到磁芯。第三面和内凹侧壁限定了第二面内的凹槽。另外，在顶面和第三面之间限定了间隙。
另一方面，提供了一种用于集成磁组合件的磁芯。磁芯包括第一部件，第一部件包括第一面和从第一面延伸的绕组支腿，绕组支腿包括与第一面间隔开并且大致平行于第一面来定向的顶面。磁芯进一步包括耦合到第一部件的第二部件。第二部件具有面向第一面的第二面。第二部件还包括从第二面内凹并且大致平行于第二面来定向的第三面和在第二面和第三面之间延伸的内凹侧壁。第三面和内凹侧壁限定了第二面内的凹槽。另外，在顶面和第三面之间限定了间隙。
在仍有的另一方面，提供了一种组装集成磁组合件的方法。所述方法包括提供第一部件，第一部件包括第一面和从第一面延伸的绕组支腿。绕组支腿具有与第一面间隔开并且大致平行于第一面来定向的顶面。所述方法还包括将输入绕组电感地耦合到第一部件，使得输入绕组缠绕在绕组支腿周围。所述方法还包括将输出绕组电感地耦合到第一部件，使得输出绕组缠绕在绕组支腿周围。所述方法进一步包括将第二部件耦合到第一部件。第二部件包括第二面和第三面，第三面从第二面内凹并大致平行于第二面来定向。第二部件还具有在第二面和第三面之间延伸的内凹侧壁。第三面和内凹侧壁限定了第二面内的凹槽。
附图说明
图1是包括集成磁组合件的示例性功率转换器的示意图；
图2是适合于在图1的功率转换器中使用的示例性集成磁组合件的分解图；
图3是图2中所示的集成磁组合件的另一分解图，包括具有第一部件和第二部件的磁芯，其中第二部件旋转以展现下侧构造；
图4是图2中所示的集成磁组合件的横截面侧视图；
图5A是图2中所示的第一部件的俯视图；
图5B是图2中所示的第二部件的仰视图；
图6是图2中所示的集成磁组合件的横截面侧视图，包括示意性表示在操作期间集成磁组合件内的通量流的线；
图7A是输入绕组的示意性透视图，其中边缘通量流大致垂直于输入绕组的宽度。
图7B是输入绕组在耦合到图6中所示的磁芯时的示意性透视图，其中边缘通量流大致平行于输入绕组的宽度；
图8是适合于在图1的功率转换器中使用的示例性磁芯的分解图，具有第一部件和第二部件，其中第二部件旋转以展现下侧构造；
图9是图7中所示的磁芯的横截面侧视图；
图10是适合于在图1的功率转换器中使用的示例性磁芯的分解图，包括第一部件和第二部件，其中第二部件旋转以展现下侧构造；
图11是图9中所示的磁芯的横截面侧视图；以及
图12是适合于在图1的功率转换器中使用的示例性集成磁组合件的透视图。
具体实施方式
在随附说明书和权利要求中，将对多个术语进行引用，其应被定义为具有以下含义。
除非上下文以其它方式明确规定，否则单数形式“一(a/an)”和“所述”包括复数引用。
“可选”或“可选地”意味着随后描述的事件或情境可能或可能不发生，并且描述包括其中事件发生的情形和事件不发生的情形。
如本文在说明书和权利要求中所通篇使用的，“大致平行”意味着在十度或更小范围内平行地定向。例如，大致平行于第二表面来定向的第一表面意味着第一表面具有在十度或更小范围内与第二表面的定向平行的定向。
如本文在说明书和权利要求中所通篇使用的，“大致垂直”意味着在十度或更小范围内垂直地定向。例如，大致垂直于第二表面来定向的第一表面意味着第一表面具有在十度或更小范围内与第二表面的定向垂直的定向。
如本文在说明书和权利要求中所通篇使用的近似语言可以应用于修饰能得到许可地变化而不会导致与其相关的基本功能中的改变的任何定量表示。因此，被一个或多个术语(诸如“约”，“近似”和“基本上”)修饰的值不限于所指定的精确值。在至少一些情形下，近似语言可以对应于用于测量所述值的仪器的精度。这里以及贯穿说明书和权利要求，范围限制可以被组合和/或互换，此类范围被识别并且包括其中所包含的所有子范围，除非上下文或语言以其它方式指示。
集成磁组合件包括具有第一部件和第二部件的磁芯。第一部件包括第一面和从第一面延伸的绕组支腿。绕组支腿包括与第一面间隔开并且大致平行于第一面来定向的顶面。第二部件耦合到第一部件并且具有面向第一面的第二面。第二部件还包括从第二面内凹并且大致平行于第二面来定向的第三面和在第二面和第三面之间延伸的内凹侧壁。集成磁组合件还包括输入绕组和输出绕组，各自电感地耦合到磁芯。第三面和内凹侧壁限定了第二面内的凹槽。另外，在顶面和第三面之间限定了间隙。
图1是以功率转换器100的形式示出的示例性电子电路的示意图，功率转换器100被配置成将输入电压V输入转换为输出电压V输出。功率转换器100包括经由集成磁组合件106而彼此电耦合的输入侧102和输出侧104。
输入侧102包括第一开关装置108、第二开关装置110、第三开关装置112和第四开关装置114。集成磁组合件106的输入绕组115被电耦合在第一开关装置108和第二开关装置110之间，以及在第三开关装置112和第四开关装置114之间。
输出侧104包括第五开关装置116和第六开关装置118。集成磁组合件106的输出绕组117被分别电耦合到第五开关装置116和第六开关装置118。
在操作中，第一开关装置108和第四开关装置114在打开和闭合位置之间被共同切换，并且第二开关装置110和第三开关装置112在相对于第一开关装置108和第四开关装置114的相反相位中的打开和闭合位置之间被共同切换。类似地，第五开关装置116和第六开关装置118在相反相位中的打开和闭合位置之间被切换，以产生输出电压V输出，所述输出电压V输出被供应给负载120。在示例性实施例中，开关装置108、110、112、114、116和118是晶体管开关(具体地，MOSFET)，并且被耦合到一个或多个控制器(未示出)，所述控制器被配置成向每个开关装置108、110、112、114、116和118的栅极侧输出脉冲宽度调制控制信号以在打开和闭合位置之间切换开关装置108、110、112、114、116和118。备选地，开关装置108、110、112、114、116和118可以是使功率转换器100能够如本文所述那样起作用的任何开关装置。
尽管在本文中参考功率转换器100描述了集成磁组合件106，但集成磁组合件106可以以使集成磁组合件106能够如本文所述那样起作用的任何合适的电架构来实现，包括例如回扫转换器(fly back converter)、向前转换器(forward converter)和推挽转换器(push-pull converter)。
图2是适合于在图1的功率转换器100中使用的示例性集成磁组合件200的分解图。图3是图2中所示的集成磁组合件200的另一分解图，包括具有第一部件204和第二部件206的磁芯202，其中第二部件206旋转以展现下侧构造。坐标系12包括X轴、Y轴和Z轴。集成磁组合件200进一步包括输入绕组208和输出绕组210。输入绕组208和输出绕组210被电感地耦合到磁芯202，并且通常是平坦的。
在示例性实施例中，磁芯202具有由第一和第二部件204、206所形成的大致矩形立方体形状。在示例性实施例中，第一部件204包括第一面212和从第一面212延伸的绕组支腿214。第一部件204还包括从第一面212延伸的多个第一非绕组支腿218。换句话说，在示例性实施例中，第一部件204具有E型芯结构。如本文所使用的，术语“绕组支腿”指的是被布置为由输入绕组208和输出绕组210中的至少一个所围绕的磁芯202的支腿。如本文所使用的，术语“非绕组支腿”指的是不被布置为由输入绕组208或输出绕组210所围绕的磁芯202的支腿。如本文所使用的，术语“E型芯”指的是具有位于至少两个非绕组支腿之间的绕组支腿的磁部件。在示例性实施例中，通过绕组支腿214的中心来限定竖直轴201。
在示例性实施例中，绕组支腿214进一步包括与第一面212间隔开并且大致平行于第一面212来定向的顶面216和从第一面212延伸至顶面216的绕组支腿侧壁224。具体地，在示例性实施例中绕组支腿214基本上是圆柱形的。在备选实施例中，绕组支腿214具有使集成磁组合件200能够如本文所述那样起作用的任何形状。在示例性实施例中，非绕组支腿218各自包括与第一面212间隔开并且大致平行于第一面212来定向的远端面220。具体地，在示例性实施例中，第一部件204包括各自位于第一部件204的相应角的四个非绕组支腿218。在示例性实施例中，非绕组支腿218各自包括在第一部件204的第一面212与非绕组支腿218的相关远端面220之间延伸的侧壁222。
在示例性实施例中，绕组支腿214与每个非绕组支腿218近似等距地间隔开。具体地，在示例性实施例中，侧壁222各自包括弓形部分223。在示例性实施例中，弓形部分223是弯曲的，使得弓形部分223和绕组支腿侧壁224之间的距离在垂直于绕组支腿侧壁224的方向中基本恒定。在示例性实施例中，侧壁222与绕组支腿侧壁224间隔开足够的距离以在其之间容纳输入绕组208和输出绕组210的一个或多个段。在示例性实施例中，相邻的非绕组支腿218进一步彼此间隔开足够的距离，以在其之间容纳输入绕组208和输出绕组210的一个或多个段。在备选实施例中，非绕组支腿218彼此间隔开使集成磁组合件200能够如本文所述那样起作用的任何距离。
在示例性实施例中，第一部件204经由非绕组支腿218耦合到第二部件206。也就是说，在示例性实施例中，非绕组支腿218的远端面220接触第二部件206。在备选实施例中，印刷电路板(未示出)被定位在第一部件204和第二部件206之间，使得非绕组支腿218的远端面220直接接触印刷电路板。
在示例性实施例中，磁芯202是铁氧体材料。在备选实施例中，磁芯202是使集成磁组合件200能够如本文所述那样起作用的任何合适材料，包括铁氧体聚合物复合材料、粉状铁、铁硅铝层压芯、带绕组芯(tape wound core)、硅钢、镍-铁合金(例如，)、非晶态金属、和它们的组合。在示例性实施例中，第一部件204、非绕组支腿218和绕组支腿214由单件磁材料制成。第二部件206同样由单件磁材料制成并且经由非绕组支腿218耦合到第一部件204。
如在图3中最佳看到的那样，在示例性实施例中，第二部件206包括第二面242。当集成磁组合件200被组装时(在图4和6中示出)，第一和第二面212和242具有彼此面向关系。在示例性实施例中，第二部件206具有I型芯结构。如本文所使用的，术语“I型芯”指的是不具有绕组支腿的磁部件。
在示例性实施例中，第二部件206进一步包括从第二面242内凹并且大致平行于第二面242来定向的第三面244以及在第二面242和第三面244之间延伸的内凹侧壁246。第三面244和内凹侧壁246限定第二面242内的凹槽270。在示例性实施例中，内凹侧壁246限定了凹槽270的周向周边。也就是说，内凹侧壁246是单个环形侧壁。在备选实施例中，第二部件206可以包括多个内凹侧壁。例如，在一个备选实施例中，第二部件206包括四个内凹侧壁，使得矩形形状内凹被限定。在进一步的备选实施例中，第二部件206包括使集成磁组合件200能够如本文所述那样起作用的任何数量的内凹侧壁246。如本文所更详细描述的，内凹侧壁246的配置使与绕组支腿214和输入绕组208和输出绕组210之间的磁通量干扰相关联的功率损耗最小化。
在示例性实施例中，第二部件206还包括从第二面242延伸的第二多个非绕组支腿248。在示例性实施例中，第二非绕组支腿248各自包括与第二面242间隔开并且大致平行于第二面242来定向的远端面250。具体地，在示例性实施例中，第二部件206包括与第一部件204相同数量的非绕组支腿248。因此，在示例性实施例中，第二部件206包括各自从第二面242的相应脚延伸的四个非绕组支腿248。在示例性实施例中，非绕组支腿248各自包括在第二面242和非绕组支腿218的远端面250之间延伸的侧壁252。侧壁252朝向第一部件204的相应非绕组支腿218延伸。当第一和第二部件204、206彼此耦合时，在示例性实施例中，第一多个非绕组支腿218和第二多个非绕组支腿248形成在第一面212和第二面242之间延伸的四个基本上连续的柱。
在示例性实施例中，侧壁252各自包括弓形部分253。在示例性实施例中，弓形部分253是弯曲的，使得弓形部分253和绕组支腿侧壁224之间的距离在磁芯202被组装时在垂直于绕组支腿侧壁224的方向中基本恒定。在示例性实施例中，相邻的非绕组支腿248进一步彼此间隔开足够的距离，以在其之间容纳输入绕组208和输出绕组210的一个或多个段。在备选实施例中，第二非绕组支腿248彼此间隔开使集成磁组合件200能够如本文所述那样起作用的任何距离。
图4是图2中所示的集成磁组合件200的横截面侧视图。在示例性实施例中，第一部件204耦合到第二部件206，其中第一多个非绕组支腿218的远端面220和第二多个非绕组支腿248的远端面250彼此接触。具体地，在示例性实施例中，远端面220、250以彼此面对面的关系接触。在备选实施例中，印刷电路板(未示出)在远端面220、250之间延伸，使得当磁芯202被组装时第一部件204和第二部件206不接触。
在示例性实施例中，一般以D1指示的第一距离被定义为沿着第二面242与第一面212之间的Y轴的距离。一般以D2指示的第二距离被定义为绕组支腿214的顶面216与第一面212之间的距离。一般以D3指示的第三距离被定义为第三面244与第一面212之间的距离。一般以D4指示的第四距离被定义为第一多个非绕组支腿218的高度。一般以D5指示的第五距离被定义为第二多个非绕组支腿248的高度。在示例性实施例中，D1近似为3.7毫米(mm)、D2近似为4mm、D3近似为4.9mm、D4近似为1.85mm、D5近似为1.85mm。在备选实施例中，D1-D5是使磁芯202能够如本文所述那样起作用的任何长度。
在示例性实施例中，非绕组支腿218、248，第一面212和第二面242共同限定开口256(如图3中所示)。具体地，开口256的尺寸被设定为允许输入绕组208和输出绕组210中的至少一个穿过其中。
在示例性实施例中，绕组支腿214延伸到限定在第二面242内的凹槽270中，使得绕组支腿214的顶面216位于第二面242和第三面244之间。换句话说，在示例性实施例中，第二距离D2大于第一距离D1并小于第三距离D3。在备选实施例中，第一距离D1大于第二距离D2。
在示例性实施例中，第一多个非绕组支腿218的高度D4基本上等于第二多个非绕组支腿248的高度D5。因此，在示例性实施例中，第二距离D2大于非绕组支腿218的高度D4的两倍。在备选实施例中，第一多个非绕组支腿218和第二多个非绕组支腿248的尺寸被设定为使得第四距离D4不同于第五距离D5。例如，在一些实施例中，第一多个非绕组支腿218和第二多个非绕组支腿248的尺寸被设定为使得第四距离D4小于第五距离D5。
在示例性实施例中，绕组支腿214的顶面216与第三面244间隔开，使得在顶面216和第三面244之间限定空隙268。空隙268有助于为磁芯202提供期望的电感和/或饱和电流，如本文中所详细描述的。
图5A是图2中1所示的第一部件204的俯视图。图5B是图2中所示的第二部件206的仰视图。竖直轴201延伸通过绕组支腿中心260。竖直轴201还延伸通过第三面中心262。在示例性实施例中，当第一部件204耦合到第二部件206时，第三面244的中心点262与绕组支腿中心260对齐。
在示例性实施例中，第三面244具有基本上圆形的形状。在备选实施例中，当绕组支腿214例如具有矩形形状时，第三面244也具有基本上矩形的形状。在进一步的备选实施例中，第三面244具有使集成磁组合件200能够如本文所述那样起作用的任何形状。在示例性实施例中，以R1指示的第一半径被定义为从第三面中心点262到内凹侧壁246的半径。以R2指示的第二半径被定义为从绕组支腿中心260到弓形部分223的半径。以R3指示的第三半径被定义为从绕组支腿中心260到外部绕组周边258的半径。在示例性实施例中，外部绕组周边258是输入绕组208和输出绕组210的环形部分的外部周边。
在示例性实施例中，第一半径R1小于第二半径R2。此外，在示例性实施例中，第一半径R1大于第三半径R3。在备选实施例中，第三面244的尺寸被设定为使得第一半径R1大于第二半径R2。在进一步的备选实施例中，第一半径R1小于第三半径R3。
图6是图2中所示的集成磁组合件200的横截面侧视图，包括示意性地表示在操作期间集成磁组合件200内的主磁通量路径267和边缘通量269的线。具体地，在示例性实施例中，当输入绕组208耦合到电流时，磁通量沿着主磁通量路径267流动，如所示。此外，在示例性实施例中，至少部分由于空隙268的存在，边缘通量269从绕组支腿侧壁224向外流动。
在示例性实施例中，在凹槽270内提供空隙268有助于引导由输入绕组208和输出绕组210所生成的边缘通量269。具体地，在凹槽270内提供空隙268有助于变更相对于输入绕组208和输出绕组210的边缘通量269的流的定向。因此，在示例性实施例中，边缘通量269从绕组支腿214通过输入绕组208和输出绕组210在大致垂直于绕组支腿侧壁224的方向中流动。也就是说，在示例性实施例中，边缘通量269从绕组支腿214通过输入绕组208和输出绕组210在大致平行于输入绕组208和输出绕组210的方向上径向向外流动。此配置使与输入绕组208和输出绕组210之间的磁通量干扰相关联的功率损耗最小化。具体地，如将相对于图7A和图7B更详细描述的，平行边缘通量269减小了由来自边缘通量269的输入绕组208和输出绕组210内的感生的涡流所引起的功率损耗。
磁结构中的功率损耗可以作为磁芯202的交流系数(AC系数)或备选地涡流损耗系数来测量。磁结构的AC系数是以给定频率来操作的交流变压器中的功率损耗的数字表示。具体地，给定磁芯202的功率损耗可被确定为AC系数乘以电路中的电阻并乘以电流的平方的函数。因此，磁芯的AC系数越大，给定电流和电阻的绕组损耗将越大。在示例性实施例中，当磁芯202被电感地耦合到功率转换器100时，磁芯202具有至少小于5的AC系数。具体地，在示例性实施例中，磁芯202的AC系数是2.63。
在示例性实施例中，功率转换器100(图1中所示)中使用的磁芯202是降压-升压电感器。具体地，在示例性实施例中，输入电压V输入近似等于380伏。输出电压V输出近似等于28伏。此外，在示例性实施例中，交流以600kHz/sec的频率振荡。
图7A是输入绕组208的示意性透视图，其中边缘通量269大致垂直于输入绕组208的宽度(以W指示)来流动。图7B是当耦合到示例性磁芯202(图6中所示)时输入绕组208的示意性透视图，其中边缘通量269大致平行于输入绕组208的宽度W来流动。在示例性实施例中，输入绕组208具有以L指示的长度，其在示意图中示为引伸的。具体地，长度L对应于绕组支腿214(图2中所示)周围缠绕的输入绕组208的总长度。输入绕组208进一步包括以H指示的高度。
在示例性实施例中，边缘通量269在输入绕组208中感生涡流272。具体而言，边缘通量269在第一方向中流动，并且涡流272在垂直于第一方向的平面中围绕边缘通量流动。在输入绕组208内，涡流272在流动区域274中流动。
如图7A中所示，边缘通量269的第一方向大致垂直于宽度W。因此，涡流272在沿宽度W和长度L的平面中流动。在示例性实施例中，涡流272的流动区域274在宽度W的不同端处分离并且不重叠。
相反，如图7B中所示，边缘通量269的第一方向大致平行于宽度W。因此，涡流272在沿着长度L和高度H的第二方向中流动。在此实施例中，流动区域274彼此重叠。这是因为输入绕组208的宽度W大于高度H。具体地说，在示例性实施例中，涡流272的流动区域274具有趋肤深度276。趋肤深度276是输入绕组208中的涡流电流272的深度。在示例性实施例中，图7B中的趋肤深度276近似为0.085mm。也就是说，当涡流272沿着输入绕组208的长度L流动时，涡流272沿着大于高度H的一半的深度流动。结果，涡流电流272将在一般以278指示的重叠区域处重叠。因此，在示例性实施例中，由于重叠，当涡流272流过输入绕组208时，涡流272将部分地将其自身消除，从而减少功率损耗。在备选实施例中，涡流272的趋肤深度276可以小于高度H的一半。因此，在示例性实施例中，如图7B中所示，其中边缘通量269在大致平行于宽度W的方向中流动，与已知的磁芯相比，由输入绕组208内的感生的涡流272所导致的输入绕组208中的功率损耗更低，其中边缘通量269的方向大致垂直于宽度W。
图8是适合于在图1的功率转换器100中使用的备选示例性磁芯302的分解图，具有第一部件304和第二部件306，其中第二部件306旋转以展现下侧构造。图9是图8中所示的磁芯302的横截面侧视图。
在示例性实施例中，当组装时，磁芯302具有由第一和第二部件304、306所形成的大致矩形立方体形状。在示例性实施例中，第一部件304包括第一面312和从第一面312延伸的绕组支腿314。第一部件304还包括从第一面312延伸的第一多个非绕组支腿318。换句话说，在示例性实施例中，第一部件304具有E型芯结构。也就是说，在示例性实施例中，除了绕组支腿314和非绕组支腿318之间的比较高度(如下面详细讨论的)，第一部件304具有与第一部件204(图2-6中所示)大致相同的构造。
在示例性实施例中，第二部件306包括第二面342。当组装磁芯302时(如图8中所示)，第一和第二面312、342面向彼此。在示例性实施例中，第二部件306具有I型芯结构。
在示例性实施例中，第二部件306还包括从第二面342内凹并且大致平行于第二面342来定向的第三面344和在第二面342和第三面344之间延伸的内凹侧壁346。第三面344和内凹侧壁346限定第二面342内的凹槽370。在示例性实施例中，内凹侧壁346限定凹槽370的周向周边。也就是说，内凹侧壁346是单个环形侧壁。在备选实施例中，第二部件306可以包括多个内凹侧壁。例如，在一个备选实施例中，第二部件306包括四个内凹侧壁，使得矩形形状的凹槽被限定。在进一步的备选实施例中，第二部件306包括使磁芯302能够如本文所述那样起作用的任何数量的内凹侧壁346。如本文中所更详细描述的，内凹侧壁346的配置使与集成在磁芯302上的不同部件之间的磁通量干扰相关联的功率损耗最小化。
在示例性实施例中，一般以D1指示的第一距离被定义为沿着第二面342与第一面312之间的Y轴的距离。一般以D2指示的第二距离被定义为绕组支腿314的顶面316与第一面312之间的距离。一般以D3指示的第三距离被定义为第三面344与第一面312之间的距离。一般以D4指示的第四距离被定义为第三面344与第二面342之间的距离。在示例性实施例中，D1近似为3.7mm、D2近似为4mm、D3近似为4.9mm、并且D4近似为1.2mm。在备选实施例中，D1-D4是使磁芯302能够如本文所述那样起作用的任何长度。
在示例性实施例中，除了内凹侧壁346和第三面344之外，第二面342延伸为基本上不间断的平面。换言之，在示例性实施例中，第二部件306不包括从第二面342延伸的任何非绕组支腿。因此，在示例性实施例中，当组装磁芯302时，非绕组支腿318接触第二面342。具体地，在示例性实施例中，第二面342和非绕组支腿318的远端面320以彼此面对面的关系接触。在备选实施例中，印刷电路板(未示出)在第二面342和非绕组支腿318的远端面320之间延伸，使得当磁芯302被组装时第一部件304和第二部件306不接触。在进一步的备选实施例中，第一部件304和第二部件306以使磁芯302能够如本文所述那样起作用的任何方式来耦合。
在示例性实施例中，第一距离D1大于第二距离D2的一半。具体地，在示例性实施例中，第一距离D1近似为第二距离D2的75％。在备选实施例中，第一距离D1小于第二距离D2的50％。此外，在示例性实施例中，第一部件304和第二部件306的尺寸被设定为使得第三距离D3大于第二距离D2。因此，在示例性实施例中，绕组支腿314的顶面316与第三面344间隔开，使得在磁芯302内提供空隙368。具体地，当输入绕组和输出绕组电感地耦合到绕组支腿314时，在凹槽370内提供空隙368有助于变更类似于上面相对于图6所描述的边缘通量的流动。因此，当输入绕组和输出绕组耦合到绕组支腿314时，边缘通量(图6中所示)从绕组支腿314在大致垂直于绕组支腿侧壁324的方向中流动，由此减少了由输入绕组和输出绕组内的感生的涡流所引起的功率损耗。
图10是适合于在图1的功率转换器100中使用的备选示例性磁芯402的分解图，包括第一部件404和第二部件406，其中第二部件406旋转以展现下侧构造。图11是图10中所示的磁芯402的横截面侧视图。
在示例性实施例中，第一部件404具有包括六个侧和两个绕组支腿414、415的“U型芯结构”。如本文所使用的，术语“U型芯”指的是供在具有至少两个绕组支腿并且不具有非绕组支腿的磁芯中使用的磁部件。第一部件404的六个侧包括第一侧430、相对的第二侧432、以及在第一侧430和第二侧432之间延伸的第一和第二相对端434和436。第一部件404还包括第一面412，其大致在第一侧430、第二侧432、第一端434和第二端436之间延伸并垂直于第一侧430、第二侧432、第一端434和第二端436来定向。在示例性实施例中，绕组支腿414、415包括从第一面412延伸的第一绕组支腿414和第二绕组支腿415。在备选实施例中，第一部件404包括使磁芯402能够如本文所述那样起作用的任何数量的绕组支腿414、415。
在示例性实施例中，第一和第二绕组支腿414和415各自包括与第一面412间隔开并且大致平行于第一面412来定向的相应顶面416和417。第一和第二绕组支腿414和415各自还包括从第一面412延伸到顶面416和417的相应绕组支腿侧壁424和425。在示例性实施例中，绕组支腿414和415具有与上述绕组支腿214基本相同的形状。
在示例性实施例中，第一绕组支腿414以第一端434和第二端436之间的近似中间的距离被定位相邻于第一侧430。第二绕组支腿415以第一端434和第二端436之间的近似中间的距离被定位相邻于第二侧432。因此，在示例性实施例中，第一绕组支腿414和第二绕组支腿415对齐。在备选实施例中，第一绕组支腿414和第二绕组支腿415以使磁芯402能够如本文所述那样起作用的任何方式来定位。
在示例性实施例中，第二部件406具有大致矩形的形状，其具有六个侧。具体而言，在示例性实施例中，第二部件406具有I型芯结构。第二部件406的六个侧包括第三侧431、相对的第四侧433、以及在第三侧431和第四侧433之间延伸的第三和第四相对端435和437。第二部件406还包括第二面442，其在第三侧431、第四侧433、第三端435和第四端437之间延伸并大致正交于第三侧431、第四侧433、第三端435和第四端437来定位。当组装磁芯402(图11中所示)时，第一和第二面412和442面向彼此。
在示例性实施例中，第二部件406还包括第三面444和第四面445。在示例性实施例中，第三面444和第四面445从第二面442内凹并大致平行于第二面442来定向。在示例性实施例中，第二部件406包括在第二面442和第三面444之间延伸的第一内凹侧壁446。第二部件406还包括在第二面442和第四面445之间延伸的第二内凹侧壁447。第三面444和第一内凹侧壁446限定了第二面442内的第一凹槽470。第四面445和第二内凹侧壁447限定了第二面442内的第二凹槽471。在示例性实施例中，第三面444和445被定位在基本相等的深度。具体地，在示例性实施例中，第三面444和第四面彼此基本共平面。在备选实施例中，第三面444、445定位在不同深度。
在示例性实施例中，内凹侧壁446和447各自限定了在第二面442内限定的相应凹槽470和471的周向周边。也就是说，内凹侧壁446和447每个都是单个环形侧壁。在备选实施例中，第二部件406包括使磁芯402能够如本文所述那样起作用的任何数量的内凹侧壁446和447。
在示例性实施例中，第一部件404经由布置成将第二部件406支撑在第一部件404上方某个距离的印刷电路板(未示出)来耦合到第二部件406，如图11中所示。具体地，在示例性实施例中，磁芯402耦合到印刷电路板，使得印刷电路板支撑第二部件406，同时阻止第一部件404和第二部件406之间的接触。
在示例性实施例中，除了内凹侧壁446和447以及第三面444和445之外，第二面442延伸为在侧431和433以及端435和437之间的基本上不间断的平面。换句话说，在示例性实施例中，第二部件406不包括从第二面442延伸的任何非绕组支腿。
在示例性实施例中，一般以D1指示的第一距离被定义为第二面442与第一面412之间的距离。一般以D2指示的第二距离被定义为相应绕组支腿414和415的顶面416和417与第一面412之间的距离。在示例性实施例中，第二距离D2与第一绕组支腿414和第二绕组支腿415基本上相同。在备选实施例中，绕组支腿414和415从第一面412延伸不同距离，使得第二距离D2与每个绕组支腿414和415不同。一般以D3指示的第三距离被定义为每个第三面444和445与第一面412之间的距离。在示例性实施例中，D1近似为3mm、D2近似为3.5mm、D3近似为4mm。在备选实施例中，D1-D3是使磁芯402能够如本文所述那样起作用的任何长度。
在示例性实施例中，绕组支腿414和415、第一面412和第二面442共同限定了通道456。具体地，通道456的尺寸设置成允许输入绕组(类似于如图2中所示的输入绕组208)和输出绕组(类似于如图2中所示的输出绕组210)中的至少一个穿过其。在示例性实施例中，当输入绕组和输出绕组耦合到绕组支腿414和415时，主磁通量路径(未示出)通过绕组支腿414和415在第一部件404和第二部件406之间流动。
在示例性实施例中，绕组支腿414和415各自延伸到限定在第二面442内的相应凹槽470和471中，使得绕组支腿414和415的顶面416和417各自位于第二面442和相应的第三面444和445之间。换句话说，在示例性实施例中，第二距离D2大于第一距离D1并小于第三距离D3。在备选实施例中，第一距离D1大于第二距离D2。
在示例性实施例中，绕组支腿414和415的顶面416和417与第三面444和445间隔开，使得空隙468和469在磁芯402内被分别提供。空隙468和469向磁芯402提供期望的电感和/或饱和电流。
在示例性实施例中，第三面444和445相对于相应绕组支腿414和415来设置尺寸。此外，第三面444和445也被成形以对应于绕组支腿414和415的形状。具体地，第三面444和445的尺寸被设置为具有一般以R1指示的第一半径。此外，绕组支腿顶面416和417具有一般以R2指示的第二半径。在示例性实施例中，第三面444和445具有与绕组支腿414和415的大致圆形形状对齐的大致半圆形形状。在备选实施例中，当绕组支腿414和415例如具有矩形形状(未示出)时，第三面444和445也具有对应的矩形形状。在进一步的备选实施例中，第三面444和445具有使磁芯402能够如本文所述那样起作用的任何形状。
图12是适合于在图1的功率转换器100中使用的集成磁组合件500的透视图。在示例性实施例中，集成磁组合件500包括多个第一部件504、第二部件506和位于第一部件504和第二部件506之间的印刷电路板572。
在示例性实施例中，多个第一部件504中的每一个具有与第一部件304(图8中所示)相同的E型芯结构。另外，在示例性实施例中，第二部件506具有与耦合在一起的多个第二部件306(图6中所示)相同的结构，其中每个第三面544分别位于第一部件504的每个绕组支腿514上方。换句话说，在示例性实施例中，第二部件506包括每个第一部件504的对应第三面544和内凹侧壁546。另外，在示例性实施例中，第二部件506不包括非绕组支腿。也就是说，在示例性实施例中，第二部件506是单个一体形成的I型芯磁部件，具有多个第三面544和内凹侧壁546。在备选实施例中，第二部件506还包括多个第二非绕组支腿。
在示例性实施例中，第一部件504以矩阵形式来布置。矩阵形式包括布置成行(一般以574指示)和列(一般以576指示)的第一部件504。在示例性实施例中，布置行574和列576，使得多个第一部件中的每个第一部件504基本上等距地与相邻第一部件504间隔开。在备选实施例中，行574和列576以使集成磁组合件500能够如本文所述那样起作用的任何方式来布置。在示例性实施例中，每个行574包括四个第一部件504。此外，每个列576包括四个第一部件504。因此，在示例性实施例中，多个第一部件504包括十六个第一部件504。另外，在示例性实施例中，第二部件506包括与每个第一部件504相对应的十六个第三面544和十六个内凹侧壁546。在备选实施例中，集成磁组合件500包括使集成磁组合件500能够如本文所述那样起作用的任何数量的第一部件504以及任何数量的相应第三面244和内凹侧壁546。
本文描述的方法、系统和设备的示例性技术效果包括以下中的至少一个：(a)减少在集成磁组合件的操作期间由导电绕组中生成的涡流所导致的功率损耗；(b)降低制造功率高效磁组合件的成本；以及(c)减少AC损耗导致的集成磁组合件的故障率。
以上详细描述了集成磁组合件及组装其的方法的示例性实施例。集成磁组合件和方法不限于本文中描述的特定实施例，而是集成磁组合件的部件和/或方法的操作可以与本文中描述的其它部件和/或操作独立且分离地利用。此外，所描述的部件和/或操作还可以被限定在其它系统、方法和/或装置中或者与其它系统、方法和/或装置组合使用，并且不限于仅用本文中描述的集成磁组合件和设备来实践。
除非以其它方式规定，否则本文中所示出和描述的本公开的实施例中的操作的运行或执行的顺序不是必需的。也就是说，除非以其它方式规定，否则操作可以以任何顺序执行，并且本公开的实施例可以包括比本文所公开的那些操作更多或更少的操作。例如，设想的是，在另一操作之前、同时或之后运行或执行具体操作在本公开的方面的范畴内。
虽然本公开的各种实施例的具体特征可以在一些附图中示出而不在其它附图中示出，但这仅仅是为了方便。根据本公开的原理，附图的任何特征可以与任何其它附图的任何特征组合来引用和/或要求保护。
本书面描述使用示例来公开本公开(包括最佳模式)，并且还使本领域的任何技术人员能够实践本公开，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本公开的可申请专利范畴由权利要求来限定，并且可以包括本领域技术人员所想到的其它示例。如果此类其它示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质区别的等同结构要素，则这些其它示例意图在权利要求的范畴内。
部件列表

Claims (19)

1.一种集成磁组合件，包括：
磁芯，包括：
第一部件，包括第一面和从所述第一面延伸的绕组支腿，所述绕组支腿包括与所述第一面间隔开并且大致平行于所述第一面来定向的顶面；
耦合到所述第一部件的第二部件，所述第二部件包括(i)面向所述第一面的远端面，(ii)从所述远端面内凹的第二面，(iii)从所述第二面内凹并且大致平行于所述第二面来定向的第三面和(iv)在所述第二面和所述第三面之间延伸的内凹侧壁，其中所述第三面和所述内凹侧壁限定所述第二面内的凹槽，且其中在所述顶面和所述第三面之间限定间隙；
电感地耦合到所述磁芯的输入绕组，所述输入绕组缠绕在所述绕组支腿周围；以及
电感地耦合到所述磁芯的输出绕组，所述输出绕组缠绕在所述绕组支腿周围，
其中所述输入绕组和所述输出绕组限定了外部绕组周边，其中所述绕组支腿的中心点和所述外部绕组周边之间的径向距离小于所述第三面的中心点和所述内凹侧壁之间的径向距离，
其中所述第一部件和所述第二部件耦合并限定主磁通量路径，当所述输入绕组耦合到电流时，磁通量沿着所述主磁通量路径流动，以及
其中至少部分由于所述间隙的存在，边缘通量经引导以在大体上平行于所述输入绕组和所述输出绕组的方向上流动。
2.根据权利要求1所述的集成磁组合件，其中所述顶面位于所述第二面和所述第三面之间。
3.根据权利要求1所述的集成磁组合件，其中所述第二面从所述第一面偏移第一距离，其中所述顶面从所述第一面偏移第二距离，并且其中所述第一距离小于所述第二距离。
4.根据权利要求1所述的集成磁组合件，其中所述内凹侧壁是环形侧壁。
5.根据权利要求1所述的集成磁组合件，其中所述第一部件还包括从所述第一面延伸的第一非绕组支腿，所述第一非绕组支腿包括与所述第一面间隔开并且大致平行于所述第一面来定向的第一远端面。
6.根据权利要求5所述的集成磁组合件，其中所述第一部件还包括从所述第一面朝向所述第二面延伸的第二非绕组支腿，所述第二非绕组支腿包括与所述第一远端面共平面的第二远端面。
7.根据权利要求5所述的集成磁组合件，还包括在所述第一面和所述第一远端面之间延伸的非绕组支腿侧壁，其中所述第三面的中心点和所述内凹侧壁之间的所述径向距离小于所述绕组支腿的中心点与所述非绕组支腿侧壁之间的径向距离。
8.根据权利要求1所述的集成磁组合件，其中所述磁芯是铁氧体。
9.一种用于集成磁组合件的磁芯，所述磁芯包括：
第一部件，包括第一面和从所述第一面延伸的绕组支腿，所述绕组支腿包括与所述第一面间隔开并且大致平行于所述第一面来定向的顶面；以及
耦合到所述第一部件的第二部件，所述第二部件包括(i)面向所述第一面的第二面，(ii)从所述第二面内凹并且大致平行于所述第二面来定向的第三面和(iii)在所述第二面和所述第三面之间延伸的内凹侧壁，
其中所述第三面和所述内凹侧壁限定了所述第二面内的凹槽；并且
其中在所述顶面和所述第三面之间限定了间隙，
其中所述第一部件和所述第二部件耦合并限定主磁通量路径，当耦合到所述磁芯的输入绕组耦合到电流时，磁通量沿着所述主磁通量路径流动，
其中至少部分由于所述间隙的存在，边缘通量经引导以在从所述绕组支腿的侧壁延伸且大体上垂直于所述绕组支腿的所述侧壁的方向上流动，且其中限定重叠区域，在所述重叠区域中，由所述边缘通量产生的涡流在相反的方向上重叠和流动，从而部分地将其自身消除。
10.根据权利要求9所述的磁芯，其中所述顶面位于所述第二面和所述第三面之间。
11.根据权利要求9所述的磁芯，其中所述第二面从所述第一面偏移第一距离，其中所述顶面从所述第一面偏移第二距离，并且其中所述第一距离小于所述第二距离。
12.根据权利要求9所述的磁芯，其中所述内凹侧壁是环形侧壁。
13.根据权利要求9所述的磁芯，还包括从所述第一面延伸的第一非绕组支腿，所述第一非绕组支腿包括与所述第一面间隔开并且大致平行于所述第一面来定向的第一远端面。
14.根据权利要求13所述的磁芯，还包括从所述第一面延伸的第二非绕组支腿，所述第二非绕组支腿包括与所述第一远端面共平面的第二远端面。
15.根据权利要求9所述的磁芯，其进一步包括从所述第一面延伸的第二绕组支腿。
16.根据权利要求9所述的磁芯，其中所述第二部件进一步包括与所述第三面共面的额外第三面。
17.一种组装集成磁组合件的方法，所述方法包括：
将输入绕组缠绕在第一部件的绕组支腿周围，使得所述输入绕组被电感耦合到所述第一部件，其中所述第一部件包括第一面，其中所述绕组支腿从所述第一面延伸，且其中所述绕组支腿包括与所述第一面间隔开并且大致平行于所述第一面来定向的顶面；
将输出绕组缠绕在所述第一部件的所述绕组支腿周围，使得所述输出绕组被电感耦合到所述第一部件；以及
将第二部件耦合到所述第一部件，所述第二部件包括(i)第二面，(ii)从所述第二面内凹并且大致平行于所述第二面来定向的第三面，和(iii)在所述第二面和所述第三面之间延伸的内凹侧壁，其中所述第三面和所述内凹侧壁限定了所述第二面内的凹槽，
其中在所述顶面和所述第三面之间限定间隙，
其中所述第一部件和所述第二部件耦合并限定主磁通量路径，当所述输入绕组耦合到电流时，磁通量沿着所述主磁通量路径流动，
其中至少部分由于所述间隙的存在，边缘通量经引导以在大体上平行于所述输入绕组和所述输出绕组的方向上流动，其中限定重叠区域，在所述重叠区域中，由所述边缘通量产生的涡流在相反的方向上重叠和流动，从而部分地将其自身消除。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括将印刷电路板耦合到所述第二部件，使得所述印刷电路板定位在所述第一部件和所述第二部件之间并且将所述第一部件耦合到所述第二部件。
19.根据权利要求17所述的方法，其中将所述第二部件耦合到所述第一部件包括将所述顶面定位在所述第二面和所述第三面之间。
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