CN111863410A - 复合电感器、dc-dc功率变流器和制造复合电感器的方法 - Google Patents

Abstract

复合电感器、DC‑DC功率变流器和制造复合电感器的方法。示例复合电感器包括线圈和第一热压磁粉。线圈至少部分地设置在第一热压磁粉内以规定屏蔽芯体。屏蔽芯体规定了穿过第一热压磁粉和线圈的开口。复合电感器还包括中心芯体，该中心芯***于穿过第一热压磁粉和线圈的开口中。中心芯体包括第二磁粉。第二磁粉包括与第一热压磁粉不同的磁性材料。复合电感器还包括与线圈电联结的两个或更多个端子。还描述了制造复合电感器的示例方法。

Description

复合电感器、DC-DC功率变流器和制造复合电感器的方法

技术领域

本公开总体上涉及复合电感器，并且具体来说，涉及包括用于屏蔽芯体和中心芯体的不同磁粉的大电流、高频、低损耗复合电感器。

背景技术

这个部分提供与本公开相关的但未必是现有技术的背景信息。

大电流、高频、低损耗电感器为尺寸更小的电源增加了功率密度，并且为相同尺寸的电源提供更高的功率。对于高频应用，电感器可以具有闭合磁环以减少电磁干扰(EMI)，并且具有指定的磁性材料以降低损耗。

一些高密度电感器利用冷压技术制造以形成模制电感器。通过将磁性胶注入开环电感器来制造一些其它高密度电感器。

发明内容

这个部分提供对本公开的总体概述，但并不是对其完整范围或全部特征的全面公开。

一种示例复合电感器，其包括：线圈和第一热压磁粉。所述线圈至少部分地设置在所述第一热压磁粉内以规定屏蔽芯体。所述屏蔽芯体规定了穿过所述第一热压磁粉和所述线圈的开口。所述复合电感器还包括中心芯体，该中心芯***于穿过所述第一热压磁粉和所述线圈的所述开口中。所述中心芯体包括第二磁粉。所述第二磁粉包括与所述第一热压磁粉不同的磁性材料。所述复合电感器还包括与所述线圈电联结的两个或更多个端子。还描述了制造复合电感器的示例方法。

可应用性的其它方面将从本文所提供的描述中变得明显。该概述中的描述和具体示例仅仅旨在说明的目的，而并不旨在限制本公开内容的范围。

附图说明

本文所述的附图仅为了说明所选择的实施方式而不是所有可能的实现，并且并不旨在限制本公开的范围。

图1A例示了根据本公开示例实施方式的复合电感器的线圈。

图1B例示了包括图1A所示线圈的屏蔽芯体。

图1C例示了复合电感器的中心芯体。

图1D例示了包括图1B所示屏蔽芯体和图1C所示中心芯体的复合电感器。

图2A例示了根据本公开示例实施方式的复合电感器的俯视图。

图2B是图2A所示复合电感器的侧视图。

图2C是图2A所示复合电感器的仰视图。

图2D是图2A所示复合电感器的旋转侧视图。

图2E是图2A所示复合电感器的正交视图。

图3是例示根据本公开示例实施方式的制造复合电感器的方法的流程图。

图4是例示针对图1A至图1D所示复合电感器的中心芯体，以毫微亨(nH)为单位的示例电感与以安培(A)为单位的电流的关系的线状图形。

图5是例示针对图1A至图1D所示复合电感器，以摄氏度(℃)为单位的示例温升与以安培(A)为单位的电流的关系的线状图形。

对应的参考标号在附图的几个图中指代对应(但不一定相同)的零件。

具体实施方式

下面将参照附图更全面描述示例实施方式。

大电流、高频、低损耗电感器为尺寸更小的电源增加了功率密度，并且为相同尺寸的电源提供更高的功率。对于高频应用，电感器可以具有闭合磁环以减少电磁干扰(EMI和指定的磁性材料以降低损耗。

一些高密度电感器利用冷压技术制造以形成模制电感器，而一些其它高密度电感器通过将磁性胶注入开环电感器来制造。但是一些冷压模制电感器有厚度限制，并且可能难以降低直流电阻(DCR)。由于有限的最大相对磁导率(例如，小于15ui等)，注入磁性胶电感器可能具有有限的电感值，并且可能会有很高的成本。

本文公开了复合电感器的示例性实施方式和制造复合电感器的方法，其可以提供更高的电感值，可以提供较低的DCR(例如，与具有相同绕组匝数的其它电感器等相比)，由于电感器中使用的复合材料而可以具有改善的滚降(roll-off)曲线等。

例如，复合电感器可以包括线圈和第一热压磁粉。所述线圈至少部分地设置在所述第一热压磁粉内以规定屏蔽芯体。所述屏蔽芯体规定了穿过所述第一热压磁粉和所述线圈的开口。

该示例复合电感器还包括中心芯体，该中心芯***于穿过第一热压磁粉和该线圈的开口中。所述中心芯体包括第二磁粉(例如，第二热压磁粉、第二冷压磁粉等)。所述第二磁粉包括与所述第一热压磁粉不同的磁性材料。所述复合电感器还包括与所述线圈电联结的两个或更多个端子。

因此，本文公开的示例性实施方式可以包括复合电感器，该复合电感器包括热压芯体，该热压芯体具有被填充的孔或开口，和/或其位于用与热压芯体不同的材料形成的另一芯体中。

本文还描述了制造复合电感器的示例方法。例如，可以使用热压模制以采用羰基(carbonyl)铁粉(CIP)、其它磁粉等模制线圈，以形成屏蔽电感器。在形成屏蔽电感器时，可以去除电感器的一部分(例如，中心部分、开口等)。在热压模制等期间，可以利用专门设计的工具装置去除该部分。

另一种磁粉(如硅铁(FeSi)粉末、硅铁铝(FeSiAl)粉末、硅化镍(NiSi)粉末等)被形成(例如，热压模制、冷压模制等)为R形芯体。R形芯体可以包括任何合适的芯体形状，如具有圆形横截面、方形横截面、带圆角方形横截面的圆柱形或杆等。

然后可以通过将该R形芯体***屏蔽电感器的被去除的部分中来组装屏蔽电感器和R形芯体。可以涂敷粘合剂或胶水以将屏蔽电感器和R形芯体彼此粘合，并且接着可以将该组装件加以固化，端子与线圈(例如，与线圈的暴露端部，作为线圈的端部的整体部分等)电联结。

与其它一些类型的电感器相比，本文所述的示例复合电感器可以提供至少50％(或更好)的相对磁导率(ui)和相同或更好的饱和磁通密度。例如，冷压模制电感器可以具有25ui的最大相对磁导率和1000毫特斯拉(mT)的饱和磁通密度，感应磁性胶电感器可以具有15ui的最大相对磁导率和1000mT的饱和磁通密度。本文的一些示例实施方式可以提供高达34μ(或更高)的相对磁导率和高达1200mT(或更高)的饱和磁通密度。

在一些实施方式中，热压模制技术可以使得边缘厚度为0.6mm(甚至更薄)，这比需要边缘厚度至少为0.8mm的冷压模制技术至少薄0.2mm。本文的一些示例实施方式的减小的边缘厚度可以允许增大的线圈(例如，铜等)宽度和高度以降低DCR，从而减少功率损耗。

与将磁性胶注入开环电感器相比，一些示例实施方式在组装期间可以具有较低或最低应力效应，因此，R形芯体的性能不受影响。R形芯体的相对磁导率可达160ui甚至更高，这提供了更高的电感和改善的饱和磁通密度。

参照附图，图1A至图1D例示了根据本公开的一些方面的复合电感器100。如图1A中所示，复合电感器100包括具有端部102的线圈104。

如图1B中所示，复合电感器100包括第一热压磁粉106。线圈104至少部分地设置在第一热压磁粉106内，以规定屏蔽芯体108(例如，屏蔽电感器等)。屏蔽芯体108规定了穿过第一热压磁粉106和线圈104的开口110。

复合电感器100还包括位于开口110中的中心芯体112，该开口110穿过第一热压磁粉106和线圈104。中心芯体112包括第二磁粉114(例如，第二热压磁粉、第二冷压磁粉等)。第二磁粉114包括与第一热压磁粉106不同的磁性材料。复合电感器100还包括与线圈104电联结的两个或更多个端子116。

第一热压磁粉106可以包括能够围绕线圈104热压的任何合适的磁性材料(例如，金属合金粉末等)，以形成屏蔽芯体108。例如，在一些实施方式中，第一热压磁粉106可以包括羰基铁粉(CIP)。

如上提到，第二磁粉114的材料与第一热压磁粉106的材料不同。第二磁粉114可以包括能够被形成(例如，热压、冷压等)为R形芯体的任何合适的磁粉。例如，第二磁粉114可以包括硅铁(FeSi)、硅铁铝(FeSiAl)、硅化镍(NiSi)等。

对屏蔽芯体108使用与用于中心芯体112的材料不同的用材料可以允许使用更适合于围绕线圈104的第一磁粉106，而使用第二磁粉114更适合于在复合电感器100的中心芯体112中提供改善的电气特性。

如图1B和图1D所示，线圈104位于第一热压磁粉106内，以形成屏蔽芯体108。线圈104可以位于复合电感器100中形成闭合磁环。

线圈104和端部102可以包括用于在复合电感器100中传导电流的任何合适的导线、导体等。例如，线圈104可以包括铜，可以是扁平的、圆的等。在一些实施方式中，线圈104可以是漆包的(例如，包括介电涂层等)，以在线圈104与第一热压磁粉106之间提供电绝缘等。

图1C例示了中心芯体112作为具有圆形横截面的圆柱形杆，其可以被视为R形芯体。在其它实施方式中，R形芯体可以具有方形横截面、带圆角方形横截面或任何其它合适的芯体形状。

如图1D所示，中心芯体112***屏蔽芯体108的开口110中。因此，中心芯体112在由线圈104规定的内部穿过第一热压磁粉106，但中心芯体112不一定必需位于热压磁粉106的中心、通过线圈104规定的开口的中心等。

端子116与线圈104电联结，以允许线圈104与其它电路组件等连接。端子116可以与线圈104成一体，如图1D所示，可以经由焊料与线圈104连接，可以接触线圈104的端部等。

在图1B和图1D所示的示例实施方式中，当形成屏蔽芯体108时，线圈104的端部102延伸出第一热压磁粉106。然后，线圈104的延伸的端部102围绕屏蔽芯体108的外表面弯曲，以形成端子116。

图2A例示了复合电感器100的俯视图。复合电感器100被例示为近似正方形(例如，约6.60毫米×6.75毫米等)，但是其它实施方式可以具有其它合适的形状和尺寸。参照图2B，复合电感器100可具有大约3.30mm的高度(例如，厚度等)，但是其它实施方式可以具有其它合适的高度。

如上所述，复合电感器100包括彼此间隔开的两个端子116。参照图2C和图2D，端子116彼此间隔2.70mm±0.20mm，并且每个端子在复合电感器100的底侧上具有5.50mm±0.15mm的长度。

端子116与复合电感器的边缘间隔大约0.45mm，端子116的宽度为1.2mm±0.10mm，并且端子116的厚度大约为0.25mm。提供这些尺寸作为示例，并且其它实施方式可以包括具有不同长度、宽度、厚度、间距位置、公差等的更多或更少的端子。

图2C和图2E例示了端子116位于屏蔽芯体108的底部和侧面，并且可以从一个或更多个开口离开屏蔽芯体108(例如，与线圈104电连接等)。端子116可以在屏蔽芯体108的侧面上达到不同的高度，如图2E所示。

图3例示了根据本公开示例实施方式的用于制造复合电感器的方法301的流程图。方法301包括以下步骤：围绕预缠绕线圈放置第一磁粉，同时保持穿过第一磁粉和该线圈的开口。

然后，在305，热压第一磁粉以形成屏蔽芯体，该屏蔽芯体包括线圈以及穿过第一磁粉和该线圈的开口。

热压可以包括利用热压形成模制电感器的任何合适技术。例如，利用介于60摄氏度(℃)与200℃之间的加热温度可以帮助模制更高密度、更高磁导率、更高磁通密度等的磁粉。与使用常温模制并且在压制过程中不发热的冷压相比，热压可以避免超高温固化。

在307，使用(例如，热压、冷压等)第二磁粉形成中心芯体。第二磁粉包括与第一磁粉不同的磁性材料。在309，将中心芯体***穿过第一磁粉和线圈的开口中。

在一些示例性实施方式中热压第一磁粉和/或第二磁粉可以产生热压残留物(例如，热压第一磁粉的残留物、第二磁粉的残留物等)。热压残留物可以与中心芯体和/或屏蔽芯体一起定位、位于中心芯体和/或屏蔽芯体的外部等，并且可以指示中心芯体和/或屏蔽芯体是利用热压技术形成的。

方法301可以包括在中心芯体与屏蔽芯体之间涂敷粘合剂或胶水，并固化粘合剂或胶水以将中心芯体固定至屏蔽芯体。可以将两个或更多个端子与线圈连接，线圈可以包括从该线圈延伸出的一个或更多个导线部分以规定端子等。在组装后，可以涂覆复合电感器以使外观一致等。

在一些实施方式中，第一磁粉包括羰基铁粉，并且第二磁粉包括硅铁(FeSi)、硅铁铝(FeSiAl)以及硅化镍(NiSi)中的至少一种。预缠绕线圈可以包括扁铜线或圆铜线，并且为了电绝缘该铜线被漆包。在其它实施方式中，可以使用其它磁粉材料，可以使用其它线圈构造等。

在方法301中，中心芯体可以具有任何合适的形状，如R形芯体(例如，杆形芯体等)。R形芯体可以是圆柱形的，可以具有圆形横截面、方形横截面、带圆角方形横截面等。

图4例示了针对复合电感器100的中心芯体112的电感411和滚降413与DC电流(Idc)的关系的测试数据。对于图4中所示的测试数据，中心芯体112的相对磁导率为40μi。

如图4所示，在Idc值为零安培(A)时，电感仅从553.5nH下降，而在Idc值为30A时降低至414nH(即，零A电感值的25.2％的滚降)以及在Idc值为35A时降低至386nH(即，零A电感值的30.26％的滚降)。与一些其它电感器相比，复合电感器100可以使得在发生30％的滚降值之前高出20.69％的Idc值。

用于测试的复合电感器100可以具有2.53mΩ的DCR值(但是其它实施方式中的复合电感器可以具有更高或更低的DCR值)。与一些其它电感器相比，复合电感器100可以允许DCR降低15.94％。

用于测试的复合电感器100可以具有大约6.36mm乘以6.34mm乘以2.30mm的尺寸(但是其它实施方式中的复合电感器可以具有不同的尺寸)。与一些其它电感器相比，复合电感器100可以允许高度降低23％。

图5例示了针对复合电感器100的温升与DC电流(Idc)的关系的测试数据。如图5中的415所示，复合电感器100中的温升达到大约20摄氏度(℃)，Idc值约为27A。与一些其它电感器相比，复合电感器100可以达到20℃的温升，Idc值高10A，对应于58.8％的改善(但是其它实施方式中的复合电感器可以具有不同的温升特性)。

复合电感器100中的温升达到大约40摄氏度(℃)，Idc值约为32A。与一些其它电感器相比，复合电感器100可以达到40℃的温升，Idc值高5A，对应于22.73％的改善。

下面的表1例示了复合电感器100的测试参数。提供这些测试参数仅用于例示的目的，并且其它实施方式中的复合电感器可以具有其它电气参数。

电气规格@25℃

电气特性	MIN	NOM	MAX
				OCL@100khz,0.1V(nH)	448	560	672
DCR(mΩ)	-	2.5	3.0
				*温升电流Irms(A)	-	32	-
饱和电流Isat(A)	-	35	-

表1

本文所述示例实施方式可以提供以下优点中的一个或更多个(或没有)：更高的电流、更高的电感、改善的DC偏压性能、更低的DCR(例如，更低的功率损耗)、更少的线圈匝数、线圈中更宽的铜宽度、高达160ui或更高的中心芯体相对磁导率、高达35ui或更高的屏蔽芯体相对磁导率等。该复合电感器可以被用于任何合适的应用，如DC-DC功率变流器等。

提供示例实施方式旨在使本公开将彻底并且将向本领域技术人员充分传达本公开的范围。阐述许多具体细节(例如，特定组件、装置和方法的示例)以提供对本公开的实施方式的彻底理解。对于本领域技术人员而言将显而易见的是，无需采用所述具体细节，示例实施方式可以按照许多不同的形式实施，不应被解释为限制本公开的范围。在一些示例实施方式中，没有详细描述公知的处理、公知的装置结构以及公知的技术。另外，通过本公开的一个或更多个示例性实施方式可以实现的优点和改善仅为了说明而提供，并不限制本公开的范围，因为本文公开的示例性实施方式可提供所有上述优点和改善或不提供上述优点和改善，而仍落入本公开的范围内。

本文公开的具体尺寸、具体材料和/或具体形状本质上是示例性的，并不限制本公开的范围。本文针对给定参数的特定值和特定值范围的公开不排除本文公开的一个或更多个示例中可能有用的其它值或值范围。而且，可预见，本文所述的具体参数的任何两个具体的值均可规定可适于给定参数的值范围的端点(即，对于给定参数的第一值和第二值的公开可被解释为公开了也能被用于给定参数的第一值到第二值之间的任何值)。例如，如果本文中参数X被举例为具有值A，并且还被举例为具有值Z，则可预见，参数X可具有从大约A至大约Z的值范围。类似地，可预见，参数的两个或更多个值范围的公开(无论这些范围是否嵌套、交叠或截然不同)包含利用所公开的范围的端点可要求保护的值范围的所有可能组合。例如，如果本文中参数X被举例为具有1-10或2-9或3-8的范围中的值，也可预见，参数X可具有包括1-9、1-8、1-3、1-2、2-10、2-8、2-3、3-10和3-9在内的其它值范围。

术语“大约”在应用于值时表示计算或测量允许值的一些微小的不精确性(值接近精确；大约近似或合理近似；差不多)。否则，如果出于某种理由，由“大约”所提供的不精确在本领域中不能以这种普通含义来理解，那么，如在此使用的“大约”至少指示可以由测量或利用这种参数的普通方法所产生的变化。例如，术语“大致”、“大约”和“基本上”在本文中可用来表示在制造公差内。

本文使用的术语仅是用来描述特定的示例实施方式，并非旨在进行限制。如本文所用，除非上下文另外明确指示，否则单数形式的描述可旨在包括复数形式。术语“包括”、“包含”和“具有”仅指含有，因此表明存在所述的特征、要件、步骤、操作、部件和/或组件，但不排除存在或增加一个或更多个其它特征、要件、步骤、操作、部件、组件和/或其组合。本文描述的方法步骤、处理和操作不一定要按照本文所讨论或示出的特定顺序执行，除非具体指明执行顺序。还将理解的是，可采用附加的或另选的步骤。当一部件或层被称为“处于另一部件或层上”、“接合至”、“连接至”或“联结至”另一部件或层时，

其可以直接处于该另一部件或层上、接合、连接或联结至该另一部件或层，或者可以存在***部件或层。相反，当部件被称为“直接在……上”、“直接接合到”、“直接连接到”、或“直接联结到”另一部件或层时，可不存在中间部件或层。用于描述部件之间的关系的其它词语也应按此解释(例如，“之间”与“直接在……之间”、“相邻”与“直接相邻”)等。如本文所用，术语“和/或”包括任何一个或更多个相关条目及其所有组合。

尽管本文中可能使用术语第一、第二、第三等来描述各种部件、组件、区域、层和/或部分，这些部件、组件、区域、层和/或部分不应受这些术语限制。这些术语可仅用来区分一个部件、组件、区域、层或部分与另一区域、层或部分。除非上下文清楚指示，否则本文所使用的诸如“第一”、“第二”以及其它数字术语的术语不暗示次序或顺序。因此，在不脱离示例实施方式的教导的情况下，下面讨论的第一部件、组件、区域、层或部分也可称为第二部件、组件、区域、层或部分。

提供以上描述的实施方式是为了说明和描述。其并非旨在穷尽或限制本公开。特定实施方式的各个部件、旨在或所述的用途、或特征通常不限于该特定实施方式，而是在适用的情况下可以互换，并且可用在选定的实施方式中(即使没有具体示出或描述)。这些实施方式还可以按照许多方式变化。这些变化不应视作脱离本公开，所有这些修改均旨在被包括在本公开的范围内。

Claims (17)

1.一种复合电感器，该复合电感器包括：

线圈；

第一热压磁粉，所述线圈至少部分地设置在所述第一热压磁粉内以规定屏蔽芯体，所述屏蔽芯体规定了穿过所述第一热压磁粉和所述线圈的开口；

中心芯体，该中心芯***于穿过所述第一热压磁粉和所述线圈的所述开口中，所述中心芯体包括第二磁粉，所述第二磁粉包括与所述第一热压磁粉不同的磁性材料；以及

两个或更多个端子，所述两个或更多个端子与所述线圈电联结。

2.根据权利要求1所述的复合电感器，其中：

所述第一热压磁粉包括羰基铁粉；并且

所述第二磁粉包括硅铁FeSi粉末、硅铁铝FeSiAl粉末以及硅化镍NiSi粉末中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的复合电感器，其中，所述线圈位于所述第一热压磁粉内以规定闭合磁环。

4.根据权利要求1所述的复合电感器，其中：

所述线圈包括扁铜线或圆铜线；且/或

为了电绝缘，所述线圈被漆包。

5.根据权利要求1所述的复合电感器，其中，所述中心芯体包括R形芯体，该R形芯体具有圆形横截面、方形横截面或带圆角方形横截面。

6.根据权利要求1所述的复合电感器，其中，所述第一热压磁粉的边缘厚度小于或等于0.6毫米。

7.根据权利要求1所述的复合电感器，其中：

所述中心芯体具有达160ui或更高的相对磁导率，且/或

所述屏蔽芯体具有达35ui或更高的相对磁导率，且/或

所述复合电感器具有达1200毫特斯拉或更高的饱和磁通密度。

8.根据权利要求1所述的复合电感器，其中，所述中心芯体经由固化粘合剂粘附至所述屏蔽芯体。

9.根据权利要求1所述的复合电感器，其中，所述屏蔽芯体包括热压残留物。

10.根据权利要求1所述的复合电感器，其中，所述屏蔽芯体的所述第二磁粉包括第二热压磁粉或第二冷压磁粉。

11.一种DC-DC功率变流器，该DC-DC功率变流器包括根据前述权利要求中的任一项所述的复合电感器。

12.一种制造复合电感器的方法，该方法包括以下步骤：

围绕预缠绕线圈放置第一磁粉，同时保持穿过所述第一磁粉和所述线圈的开口；

热压所述第一磁粉以形成屏蔽芯体，该屏蔽芯体包括所述线圈以及穿过所述第一磁粉和所述线圈的所述开口；

使用第二磁粉形成中心芯体，所述第二磁粉包括与所述第一磁粉不同的磁性材料；以及

将所述中心芯体***穿过所述第一磁粉和所述线圈的所述开口中。

13.根据权利要求12所述的方法，所述方法还包括以下步骤：

在所述中心芯体与所述屏蔽芯体之间涂敷粘合剂；以及

固化所述粘合剂以将所述中心芯体固定至所述屏蔽芯体。

14.根据权利要求12所述的方法，所述方法还包括以下步骤：将两个或更多个端子与所述线圈电连接。

15.根据权利要求12所述的方法，其中：

所述线圈包括扁铜线或圆铜线，并且为了电绝缘，所述铜线被漆包；且/或

所述中心芯体包括R形芯体，该R形芯体具有圆形横截面、方形横截面或带圆角方形横截面。

16.根据权利要求12所述的方法，其中，使用第二磁粉形成中心芯体的步骤包括：热压或冷压所述第二磁粉以形成所述中心芯体。

17.根据权利要求12至16中的任一项所述的方法，其中：

所述第一磁粉包括羰基铁粉；并且

所述第二磁粉包括硅铁FeSi粉末、硅铁铝FeSiAl粉末以及硅化镍NiSi粉末中的至少一种。

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