TW201327590A - 直流濾波電感器及其製作方法 - Google Patents
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Abstract
一種直流濾波電感器及其製作方法在此揭露,直流濾波電感器包括磁芯、第一繞組與至少一第二繞組,磁芯具有至少一氣隙,第一繞組與第二繞組彼此並聯且分別盤繞該磁芯,其中第一繞組的電感量與第一、第二繞組之互感的差值小於第二繞組的電感量與互感的差值, 第一繞組的直流電阻大於該第二繞組的直流電阻,且第一繞組較該第二繞組靠近該氣隙。
Description
本發明是有關於一種電感器,且特別是有關於一種直流濾波電感器及其製作方法。
在DC-DC開關功率變換場合,開關頻率爲幾十kHz以上,濾波電感往往包含兩部分,一爲直流電流,另一部分爲高頻交流紋波電流。在AC-DC開關功率變換場合,如有源PFC電路,濾波電感的電流也分別爲低頻(<400Hz)交流電流(相比於開關頻率,可近視爲直流),另一部分爲高頻交流紋波電流。由於電感工作中既包含直流分量電流,又包含交流紋波電流,因此這類電感統稱爲「直流濾波電感器」。
直流濾波電感的直流電流將會在磁路上形成大的直流磁勢。對於鐵氧體、矽鋼片、非晶等高導磁材料構成的電感,需要在磁路上增加氣隙磁阻來減小磁路的直流磁通,避免磁芯飽和。如第1圖所示,在結構上,對於單相電感,如一個EE型鐵芯中柱繞有一個繞組L,中柱設置氣隙;對於三相電感,三個鐵芯柱上分別繞有三個繞組,這三個柱都分別設有氣隙。
電感繞組L通過電流會在鐵芯內部及氣隙上建立磁場,同時在繞組內部也會存在磁場,繞組內部的這部分磁場主要由兩部分構成,分別爲氣隙擴散磁場Ha和旁路磁通構成的磁場Hb。因此,在高頻交流電流激勵下,繞組交流損耗包含兩部分:氣隙擴散磁通損耗和旁路磁通損耗。第1圖中採用多股細絞線(Litz線)來實現,可以減小繞組氣隙擴散磁通損耗。但是由於繞組流過電流,因此即使採用Litz線,對於繞組內部的旁路磁通也基本沒有影響,磁場Hb隨著繞組與氣隙之間的距離x增加而線性下降到0,Hb的分布與繞組的形狀結構無關,Litz線繞組內部仍然有交流損耗。
繞組損耗會帶來繞組的溫度上升,如果爲瞭解決繞組散熱問題,一般需要在繞組內部放置金屬散熱元件200,如第2圖所示。由於交流磁場Hb的存在,則金屬散熱元件200會被感應渦流,形成附加的損耗。
由於繞組流過交流電流,會在磁路上形成交流磁勢,而交流磁勢大部分疊加在氣隙兩端。當氣隙不被繞組包圍,將會在電感的周邊形成擴散的磁場,帶來近磁場干擾,如第3圖所示的UU型電感,W1、W2爲繞組,g1、g2爲氣隙。
由此可見,上述現有的電感器,顯然仍存在不便與缺陷,而有待加以進一步改進。為瞭解決上述問題,相關領域莫不費盡心思來謀求解決之道,但長久以來一直未見適用的方式被發展完成。因此,如何能進一步減小繞組損耗,實屬當前重要研發課題之一,亦成爲當前相關領域亟需改進的目標。
直流濾波電感的直流電流將會在磁路上形成大的直流磁勢。對於鐵氧體、矽鋼片、非晶等高導磁材料構成的電感,需要在磁路上增加氣隙磁阻來減小磁路的直流磁通,避免磁芯飽和。如第1圖所示,在結構上,對於單相電感,如一個EE型鐵芯中柱繞有一個繞組L,中柱設置氣隙;對於三相電感,三個鐵芯柱上分別繞有三個繞組,這三個柱都分別設有氣隙。
電感繞組L通過電流會在鐵芯內部及氣隙上建立磁場,同時在繞組內部也會存在磁場,繞組內部的這部分磁場主要由兩部分構成,分別爲氣隙擴散磁場Ha和旁路磁通構成的磁場Hb。因此,在高頻交流電流激勵下,繞組交流損耗包含兩部分:氣隙擴散磁通損耗和旁路磁通損耗。第1圖中採用多股細絞線(Litz線)來實現,可以減小繞組氣隙擴散磁通損耗。但是由於繞組流過電流,因此即使採用Litz線,對於繞組內部的旁路磁通也基本沒有影響,磁場Hb隨著繞組與氣隙之間的距離x增加而線性下降到0,Hb的分布與繞組的形狀結構無關,Litz線繞組內部仍然有交流損耗。
繞組損耗會帶來繞組的溫度上升,如果爲瞭解決繞組散熱問題,一般需要在繞組內部放置金屬散熱元件200,如第2圖所示。由於交流磁場Hb的存在,則金屬散熱元件200會被感應渦流,形成附加的損耗。
由於繞組流過交流電流,會在磁路上形成交流磁勢,而交流磁勢大部分疊加在氣隙兩端。當氣隙不被繞組包圍,將會在電感的周邊形成擴散的磁場,帶來近磁場干擾,如第3圖所示的UU型電感,W1、W2爲繞組,g1、g2爲氣隙。
由此可見,上述現有的電感器,顯然仍存在不便與缺陷,而有待加以進一步改進。為瞭解決上述問題,相關領域莫不費盡心思來謀求解決之道,但長久以來一直未見適用的方式被發展完成。因此,如何能進一步減小繞組損耗,實屬當前重要研發課題之一,亦成爲當前相關領域亟需改進的目標。
爲了進一步減小繞組損耗,關鍵是減小繞組旁路磁通,據此,本發明之一態樣是在提供一種創新的直流濾波電感器及其製作方法。
依據本發明一實施例,一種直流濾波電感器包括磁芯、至少一第一繞組與至少一第二繞組,磁芯具有至少一氣隙,第一繞組與第二繞組彼此並聯且分別盤繞該磁芯,其中第一繞組的電感量與第一、第二繞組之互感的差值小於第二繞組的電感量與互感的差值,第一繞組的直流電阻大於第二繞組的直流電阻,且第一繞組較第二繞組靠近氣隙。
第一繞組的線徑小於第二繞組的線徑。
第一、第二繞組分開盤繞磁芯。
上述之直流濾波電感器更包含一電感元件。電感元件與第一、第二繞組串連或並聯。
第一繞組可全部包圍氣隙或部份包圍氣隙。
第一繞組的電感量與互感的差值小於第二繞組的電感量與互感的差值的1/3。
第一繞組的電感量等於第一、第二繞組之互感。
另一方面,在第一繞組的電感量小於第一、第二繞組之互感時,直流濾波電感器更包含一電感元件。電感元件串接第一繞組,第一繞組及電感元件並聯於第二繞組,第一繞組的電感量加上電感元件的電感量與互感的差值小於第二繞組的電感量與互感的差值。
第一繞組的電感量加上電感元件的電感量與互感的差值小於第二繞組的電感量與互感的差值的1/3。
第一繞組串接電感元件後的直流電阻大於第二繞組的直流電阻。
磁芯可為一EE型鐵芯,EE型鐵芯具有一中柱與兩側柱,中柱具有氣隙,第一繞組於兩側柱之間圍繞中柱,第二繞組於兩側柱之間圍繞第一繞組。
或者,磁芯可為一UU型鐵芯,UU型鐵芯具有兩個匚字形磁柱,匚字形磁柱中之一者的兩末端與另一者的兩末端分別以兩個氣隙相隔,第一繞組的數量為兩個分別包圍兩個氣隙,第二繞組的數量為兩個分別圍繞兩匚字形磁柱。
或者,磁芯可為一EI型鐵芯,EI型鐵芯具有一E型鐵芯部與一I型鐵芯部,E型鐵芯部具有三磁柱,三磁柱之第一端彼此相連而第二端均與I型鐵芯部以氣隙相隔,第一繞組的數量為三個分別圍繞三磁柱,第二繞組的數量為三個分別圍繞三磁柱。
直流濾波電感器可更包含一第一電流檢測元件。第一電流檢測元件串連第一繞組,在使用上,第一電流檢測元件用以檢測第一繞組上的支路電流。
直流濾波電感器可更包含一第二電流檢測元件。第二電流檢測元件串連第二繞組,在使用上,第二電流檢測元件用以檢測第二繞組上的支路電流。
第一繞組為一第一導線或多股線,第二繞組為一第二導線或銅皮繞阻或PCB繞組,其中第一導線比第二導線細。
依據本發明另一實施例,一種直流濾波電感器包括磁芯、至少一第一繞組與至少一第二繞組,第一繞組具有第一端和第二端,第二繞組具有第一端和第二端,其中第一繞組的第一端和第二端分別和第二繞組的第一端和第二端連接,第一繞組的電感量與該第一、第二繞組之互感的差值小於第二繞組的電感量與該互感的差值,第一繞組的直流電阻大於第二繞組的直流電阻。
第一、第二繞組分開盤繞磁芯或併在一起盤繞磁芯。
上述之直流濾波電感器更包含一電感元件。電感元件與第一、第二繞組串連或並聯。
第一繞組的電感量與互感的差值小於第二繞組的電感量與互感的差值的1/3。
第一繞組的電感量等於第一、第二繞組之互感。
另一方面,在第一繞組的電感量小於第一、第二繞組之互感時,直流濾波電感器更包含一電感元件。電感元件串接第一繞組,第一繞組及電感元件並聯於第二繞組,第一繞組的電感量加上電感元件的電感量與互感的差值小於第二繞組的電感量與互感的差值。
第一繞組的電感量加上電感元件的電感量與互感的差值小於第二繞組的電感量與互感的差值的1/3。
第一繞組串接電感元件後的直流電阻大於第二繞組的直流電阻。
直流濾波電感器可更包含一第一電流檢測元件。第一電流檢測元件串連第一繞組,在使用上,第一電流檢測元件用以檢測第一繞組上的支路電流。
直流濾波電感器可更包含一第二電流檢測元件。第二電流檢測元件串連第二繞組,在使用上,第二電流檢測元件用以檢測第二繞組上的支路電流。
第一繞組為一第一導線或多股線,第二繞組為一第二導線或銅皮繞阻或PCB繞組,其中第一導線比第二導線細。
依據本發明另一實施例,一種直流濾波電感器的製作方法包含下列步驟:提供一磁芯;利用至少一第一繞組與至少一第二繞組分別盤繞磁芯,並設計第一繞組的電感量與第一、第二繞組之互感的差值小於第二繞組的電感量與互感的差值,且該第一繞組的直流電阻大於該第二繞組的直流電阻;以及並聯第一繞組與第二繞組。
磁芯具有至少一氣隙,且第一繞組較第二繞組靠近氣隙。
上述之製作方法更包含:將第一繞組可全部包圍氣隙或部份包圍氣隙。
第一繞組的第一端和第二端分別和第二繞組的第一端和第二端連接。
上述之利用第一繞組與第二繞組分別盤繞磁芯之步驟包含:將第一、第二繞組分開盤繞磁芯或併在一起盤繞磁芯。
上述之製作方法更包含:利用一電感元件串連或並聯第一、第二繞組。
上述之設計第一繞組的電感量與第一、第二繞組之互感的差值小於第二繞組的電感量與互感的差值之步驟包含:設計第一繞組的電感量與互感的差值小於第二繞組的電感量與互感的差值的1/3。
上述之製作方法更包含:設計第一繞組的電感量等於第一、第二繞組之互感。
上述之製作方法更包含:在第一繞組的電感量小於第一、第二繞組之互感時,利用一電感元件串接第一繞組,其中第一繞組及電感元件並聯於第二繞組,第一繞組的電感量加上電感元件的電感量與互感的差值小於第二繞組的電感量與互感的差值。
上述之製作方法更包含:設計第一繞組的電感量加上電感元件的電感量與互感的差值小於第二繞組的電感量與互感的差值的1/3。
上述之製作方法更包含:設計第一繞組串接電感元件後的直流電阻大於第二繞組的直流電阻。
上述之製作方法更包含:串連一第一電流檢測元件與第一繞組。
上述之製作方法更包含:串連第二電流檢測元件第二繞組。
綜上所述,本發明之技術方案與現有技術相比具有明顯的優點和有益效果。藉由將繞在相同磁柱上由兩個獨立電感繞組並聯構成,通過耦合實現繞組交、直流電流分離,可達到相當的技術進步,並具有産業上的廣泛利用價值,其至少具有下列優點:
1. 可以降低繞組交流損耗;以及
2. 改善氣隙附近的磁通分布,減小電磁干擾的影響;以及
3. 實現電感繞組的交流電流和直流電流分離,利於電流的檢測。
以下將以實施方式對上述之說明作詳細的描述,並對本發明之技術方案提供更進一步的解釋。
依據本發明一實施例,一種直流濾波電感器包括磁芯、至少一第一繞組與至少一第二繞組,磁芯具有至少一氣隙,第一繞組與第二繞組彼此並聯且分別盤繞該磁芯,其中第一繞組的電感量與第一、第二繞組之互感的差值小於第二繞組的電感量與互感的差值,第一繞組的直流電阻大於第二繞組的直流電阻,且第一繞組較第二繞組靠近氣隙。
第一繞組的線徑小於第二繞組的線徑。
第一、第二繞組分開盤繞磁芯。
上述之直流濾波電感器更包含一電感元件。電感元件與第一、第二繞組串連或並聯。
第一繞組可全部包圍氣隙或部份包圍氣隙。
第一繞組的電感量與互感的差值小於第二繞組的電感量與互感的差值的1/3。
第一繞組的電感量等於第一、第二繞組之互感。
另一方面,在第一繞組的電感量小於第一、第二繞組之互感時,直流濾波電感器更包含一電感元件。電感元件串接第一繞組,第一繞組及電感元件並聯於第二繞組,第一繞組的電感量加上電感元件的電感量與互感的差值小於第二繞組的電感量與互感的差值。
第一繞組的電感量加上電感元件的電感量與互感的差值小於第二繞組的電感量與互感的差值的1/3。
第一繞組串接電感元件後的直流電阻大於第二繞組的直流電阻。
磁芯可為一EE型鐵芯,EE型鐵芯具有一中柱與兩側柱,中柱具有氣隙,第一繞組於兩側柱之間圍繞中柱,第二繞組於兩側柱之間圍繞第一繞組。
或者,磁芯可為一UU型鐵芯,UU型鐵芯具有兩個匚字形磁柱,匚字形磁柱中之一者的兩末端與另一者的兩末端分別以兩個氣隙相隔,第一繞組的數量為兩個分別包圍兩個氣隙,第二繞組的數量為兩個分別圍繞兩匚字形磁柱。
或者,磁芯可為一EI型鐵芯,EI型鐵芯具有一E型鐵芯部與一I型鐵芯部,E型鐵芯部具有三磁柱,三磁柱之第一端彼此相連而第二端均與I型鐵芯部以氣隙相隔,第一繞組的數量為三個分別圍繞三磁柱,第二繞組的數量為三個分別圍繞三磁柱。
直流濾波電感器可更包含一第一電流檢測元件。第一電流檢測元件串連第一繞組,在使用上,第一電流檢測元件用以檢測第一繞組上的支路電流。
直流濾波電感器可更包含一第二電流檢測元件。第二電流檢測元件串連第二繞組,在使用上,第二電流檢測元件用以檢測第二繞組上的支路電流。
第一繞組為一第一導線或多股線,第二繞組為一第二導線或銅皮繞阻或PCB繞組,其中第一導線比第二導線細。
依據本發明另一實施例,一種直流濾波電感器包括磁芯、至少一第一繞組與至少一第二繞組,第一繞組具有第一端和第二端,第二繞組具有第一端和第二端,其中第一繞組的第一端和第二端分別和第二繞組的第一端和第二端連接,第一繞組的電感量與該第一、第二繞組之互感的差值小於第二繞組的電感量與該互感的差值,第一繞組的直流電阻大於第二繞組的直流電阻。
第一、第二繞組分開盤繞磁芯或併在一起盤繞磁芯。
上述之直流濾波電感器更包含一電感元件。電感元件與第一、第二繞組串連或並聯。
第一繞組的電感量與互感的差值小於第二繞組的電感量與互感的差值的1/3。
第一繞組的電感量等於第一、第二繞組之互感。
另一方面,在第一繞組的電感量小於第一、第二繞組之互感時,直流濾波電感器更包含一電感元件。電感元件串接第一繞組,第一繞組及電感元件並聯於第二繞組,第一繞組的電感量加上電感元件的電感量與互感的差值小於第二繞組的電感量與互感的差值。
第一繞組的電感量加上電感元件的電感量與互感的差值小於第二繞組的電感量與互感的差值的1/3。
第一繞組串接電感元件後的直流電阻大於第二繞組的直流電阻。
直流濾波電感器可更包含一第一電流檢測元件。第一電流檢測元件串連第一繞組,在使用上,第一電流檢測元件用以檢測第一繞組上的支路電流。
直流濾波電感器可更包含一第二電流檢測元件。第二電流檢測元件串連第二繞組,在使用上,第二電流檢測元件用以檢測第二繞組上的支路電流。
第一繞組為一第一導線或多股線,第二繞組為一第二導線或銅皮繞阻或PCB繞組,其中第一導線比第二導線細。
依據本發明另一實施例,一種直流濾波電感器的製作方法包含下列步驟:提供一磁芯;利用至少一第一繞組與至少一第二繞組分別盤繞磁芯,並設計第一繞組的電感量與第一、第二繞組之互感的差值小於第二繞組的電感量與互感的差值,且該第一繞組的直流電阻大於該第二繞組的直流電阻;以及並聯第一繞組與第二繞組。
磁芯具有至少一氣隙,且第一繞組較第二繞組靠近氣隙。
上述之製作方法更包含:將第一繞組可全部包圍氣隙或部份包圍氣隙。
第一繞組的第一端和第二端分別和第二繞組的第一端和第二端連接。
上述之利用第一繞組與第二繞組分別盤繞磁芯之步驟包含:將第一、第二繞組分開盤繞磁芯或併在一起盤繞磁芯。
上述之製作方法更包含:利用一電感元件串連或並聯第一、第二繞組。
上述之設計第一繞組的電感量與第一、第二繞組之互感的差值小於第二繞組的電感量與互感的差值之步驟包含:設計第一繞組的電感量與互感的差值小於第二繞組的電感量與互感的差值的1/3。
上述之製作方法更包含:設計第一繞組的電感量等於第一、第二繞組之互感。
上述之製作方法更包含:在第一繞組的電感量小於第一、第二繞組之互感時,利用一電感元件串接第一繞組,其中第一繞組及電感元件並聯於第二繞組,第一繞組的電感量加上電感元件的電感量與互感的差值小於第二繞組的電感量與互感的差值。
上述之製作方法更包含:設計第一繞組的電感量加上電感元件的電感量與互感的差值小於第二繞組的電感量與互感的差值的1/3。
上述之製作方法更包含:設計第一繞組串接電感元件後的直流電阻大於第二繞組的直流電阻。
上述之製作方法更包含:串連一第一電流檢測元件與第一繞組。
上述之製作方法更包含:串連第二電流檢測元件第二繞組。
綜上所述,本發明之技術方案與現有技術相比具有明顯的優點和有益效果。藉由將繞在相同磁柱上由兩個獨立電感繞組並聯構成,通過耦合實現繞組交、直流電流分離,可達到相當的技術進步,並具有産業上的廣泛利用價值,其至少具有下列優點:
1. 可以降低繞組交流損耗;以及
2. 改善氣隙附近的磁通分布,減小電磁干擾的影響;以及
3. 實現電感繞組的交流電流和直流電流分離,利於電流的檢測。
以下將以實施方式對上述之說明作詳細的描述,並對本發明之技術方案提供更進一步的解釋。
為了使本發明之敘述更加詳盡與完備,可參照所附之圖式及以下所述各種實施例,圖式中相同之號碼代表相同或相似之元件。另一方面,眾所週知的元件與步驟並未描述於實施例中,以避免對本發明造成不必要的限制。
於實施方式與申請專利範圍中,除非內文中對於冠詞有所特別限定,否則『一』與『該』可泛指單一個或複數個。
本文中所使用之『約』、『大約』或『大致』係用以修飾任何可些微變化的數量,但這種些微變化並不會改變其本質。於實施方式中若無特別說明,則代表以『約』、『大約』或『大致』所修飾之數值的誤差範圍一般是容許在百分之二十以內,較佳地是於百分之十以內,而更佳地則是於百分五之以內。
本發明提出將電感由兩個獨立的第一繞組L1和第二繞組L2並聯構成,如第4圖所示。第一繞組L1繞組採用陰影圓圈表示,第二繞組L2採用空白圓圈表示。磁芯400具有至少一氣隙g,第一繞組L1與第二繞組L2分別盤繞磁芯400,第一繞組L1較第二繞組L2靠近該氣隙。
於第4圖中,磁芯400可為EE型鐵芯,EE型鐵芯具有中柱410與兩側柱420,中柱410具有氣隙g,第一繞組於L1兩側柱420之間圍繞中柱410,第二繞組L2於兩側柱之間420圍繞第一繞組L1。
根據磁場的分佈特徵,第一繞組L1靠近氣隙,L1在單位電流激勵下匝鏈的磁場包含鐵芯400的中柱410磁通、氣隙擴散磁通、第一繞組L1內部磁通;繞組L2遠離氣隙g,單位電流激勵下繞組匝鏈的磁場除了L1匝鏈的所有磁通外,還進一步包含有第二繞組L2內部磁通;因此L2的電感量大於L1的電感量。L1和L2繞在同一個磁柱410上,存在著互感M。M可以通過測量繞組的順串電感Ls和反串電感Ld來獲得,如式(1)。
(1)
第5圖表示爲第4圖的等效電路圖。直流電感電流iL包含直流分量Idc和交流分量Iac。對應於並聯繞組L1和L2的電流分別為iL1和iL2,iL1包含直流分量Idc 1和交流分量Iac 1, iL2包含直流分量Idc 2和交流分量Iac 2。兩并聯繞組的直流電流分配是根據繞組的直流電阻決定的,如L1的直流電阻爲R1,L2的直流電阻爲R2,則直流電流分配爲
於實施方式與申請專利範圍中,除非內文中對於冠詞有所特別限定,否則『一』與『該』可泛指單一個或複數個。
本文中所使用之『約』、『大約』或『大致』係用以修飾任何可些微變化的數量,但這種些微變化並不會改變其本質。於實施方式中若無特別說明,則代表以『約』、『大約』或『大致』所修飾之數值的誤差範圍一般是容許在百分之二十以內,較佳地是於百分之十以內,而更佳地則是於百分五之以內。
本發明提出將電感由兩個獨立的第一繞組L1和第二繞組L2並聯構成,如第4圖所示。第一繞組L1繞組採用陰影圓圈表示,第二繞組L2採用空白圓圈表示。磁芯400具有至少一氣隙g,第一繞組L1與第二繞組L2分別盤繞磁芯400,第一繞組L1較第二繞組L2靠近該氣隙。
於第4圖中,磁芯400可為EE型鐵芯,EE型鐵芯具有中柱410與兩側柱420,中柱410具有氣隙g,第一繞組於L1兩側柱420之間圍繞中柱410,第二繞組L2於兩側柱之間420圍繞第一繞組L1。
根據磁場的分佈特徵,第一繞組L1靠近氣隙,L1在單位電流激勵下匝鏈的磁場包含鐵芯400的中柱410磁通、氣隙擴散磁通、第一繞組L1內部磁通;繞組L2遠離氣隙g,單位電流激勵下繞組匝鏈的磁場除了L1匝鏈的所有磁通外,還進一步包含有第二繞組L2內部磁通;因此L2的電感量大於L1的電感量。L1和L2繞在同一個磁柱410上,存在著互感M。M可以通過測量繞組的順串電感Ls和反串電感Ld來獲得,如式(1)。
(1)
第5圖表示爲第4圖的等效電路圖。直流電感電流iL包含直流分量Idc和交流分量Iac。對應於並聯繞組L1和L2的電流分別為iL1和iL2,iL1包含直流分量Idc 1和交流分量Iac 1, iL2包含直流分量Idc 2和交流分量Iac 2。兩并聯繞組的直流電流分配是根據繞組的直流電阻決定的,如L1的直流電阻爲R1,L2的直流電阻爲R2,則直流電流分配爲
並聯支路的交流電流分別爲Iac1和Iac2,第一繞組L1的交流電流
(2)
第二繞組L2的交流電流
(3)
當L1=M,繞組電流波形圖如第6圖所示,則Iac2=0,Iac1=Iac,即電流L2的交流電流轉移到L1,繞組L2交流電流爲0,L1流過全部交流電流Iac,這樣氣隙引起的擴散磁場只存在於氣隙以及繞組L1範圍內,如第4圖所示之Ha。由於在L2交流電流爲0,對應繞組內部也不會有交流磁通,L2構成的交流磁場分布如第4圖所示之Hb,L2包含了L1繞組內部的交流磁場Ha,但在L2繞組內部形成的交流旁路磁場為0。因此,即使L2內部有附加金屬散熱元件也不會引起附加渦流損耗。
一般情況下,認爲繞組交流電流iac1的電流值遠大於iac2,即iac1約大於3倍的iac2。所以,只需保證L1的電感量與互感M的差值小於L2和互感M差值的1/3,如式(4),這樣即可認爲總的繞組端部輸入交流電流Iac大多流過L1。
(4)
第一繞組L1靠近氣隙g,並流過絕大多數的交流電流,這樣把交流磁勢形成的氣隙磁通和旁路磁通控制在氣隙g附近,但容易受到磁通引起的渦流損耗。在一實施例中,第一繞組L1可以採用導線線徑小的繞組進行并聯,如細導線、多股線或Litz線,其中對於多股線或Litz線其導線線徑為每一根導線的線徑,這樣減小了氣隙磁通和旁路磁通帶來的渦流損耗。第二繞組L2主要流過直流電流,基本上沒有交流電流流過。於一實施例,為了讓第二繞組L2流過更多的直流電流,需要設計其繞組直流電阻的關係為R1>R2,這樣也降低了第二繞組L2的直流損耗。在一實施中, 第二繞組L2可以採用填充率較高、線徑粗的導線(如第4圖)或銅皮繞組(如第7圖) 或印刷電路板(PCB)繞組。
對iac2而言,當L1<M時,會導致L2電流iac2與總交流電流iac反向。在總電流iac不變的前提下,L1和L2的交流電流均會增加,繞組損耗增加。爲了避免電流反向,因此提出本發明實施例三,如第8圖所示。在L1支路上串聯額外的電感元件Lc來控制兩並聯支路的耦合關係,電感元件Lc串接第一繞組L1,第一繞組L1及電感元件Lc並聯於第二繞組L2,並且串聯Lc不會影響兩並聯支路間的互感值。這種情況下,流過L1的交流電流iac1爲
(5)
流過L2的交流電流iac2爲
(6)
類似地,爲了使iac1的電流遠大於iac2,即iac1約大於3倍的iac2。只需保證L1與Lc串聯構成的支路電感量與互感M的差值小於L2和互感M差值的1/3,如式(7),這樣即可認爲總的繞組端部輸入交流電流Iac大多流過L1。
(7)
類似地,爲了讓直流電流更多地流過L2支路,需要保證繞組L1與Lc串聯後的直流電阻大於L2。
參照第9圖,磁芯為一UU型鐵芯,UU型鐵芯具有兩匚字形磁柱910、920,匚字形磁柱910、920中之一者的兩末端與另一者的兩末端分別以兩個氣隙g1、g2相隔,兩個第一繞組Wa1、Wa2分別包圍兩個氣隙g1、g2,兩個第二繞組W1、W2分別圍繞兩匚字形磁柱910、920。
於本實施例中,爲了改善第3圖的擴散磁通現象,藉由以第一繞組Wa1、Wa2與第二繞組W1、W2並聯,並分別包圍氣隙g1、g2。將原來流過W1、W2的交流電流轉移到W1a、W1b,可以有效地控制磁場在氣隙附近,避免磁場泄露,減低電磁干擾並減小繞組損耗。其中第一繞組Wa1、Wa2與第二繞組W1、W2的耦合關係及設計原則和圖4、圖5中的實施例相同,在此不再重複描述。
將本發明的單相電感應用推廣到三相電感,如第10圖,磁芯為一EI型鐵芯,EI型鐵芯具有E型鐵芯部1010與I型鐵芯部1020,E型鐵芯部具有三磁柱A、B、C,三磁柱A、B、C之第一端彼此相連而第二端分別與I型鐵芯部1020以氣隙gA、gB、gC相隔,三個第一繞組WA1、WB1、WC1分別圍繞三磁柱A、B、C,第二繞組WA2、WB2、WC2分別圍繞三磁柱A、B、C。以磁柱A爲例,繞組分別爲WA1和WA2並聯,WA1繞於氣隙gA附近,而WA2遠離氣隙gA以減小電磁干擾的影響; WA1爲導線線徑小的細導線、多股線或Litz線以減小氣隙磁通和旁路磁通帶來的渦流損耗;而WA2爲線徑粗的銅皮繞組,也可為粗導線或PCB繞組以減小繞組直流電阻損耗。WA1和WA2的耦合關係可分別如式(4)或式(7)。其中第一繞組WA1、WB1、WC1與第二繞組WA2、WB2、WC2的耦合關係及設計原則和圖4、圖5中的實施例相同,在此不再描述。
根據實際應用的需求,本發明的磁芯可爲任何磁芯,諸如,包含氣隙的磁芯,不包含氣隙的磁芯,任何形狀的磁芯等等。
對於任何磁芯,第一繞組的電感量與第二繞組的電感量的耦合關係如式(4)或式(7)。本發明實現了直流電感的交、直流電流分離,如圖6的電流波形。為了檢測電流,參照第11圖,以第一電流檢測元件S1串連第一繞組L1,第二電流檢測元件S2串連第二繞組L2。這樣通過串聯電流檢測元件S1、S2分別檢測繞組L1、L2的支路電流,用於電路控制。舉例來說,檢測元件S1、S2可以是電阻、霍爾感測器或其他電流感測器。
在濾波器的實現方式上,可以在本發明實施例的耦合參數示意圖(第5圖)的基礎上增加一串聯耦合繞組Le,如圖12所示,可以增強電感值,並且仍具備繞組交、直流電流分離的功效。本發明之直流濾波電感也可以并聯更多個繞組來實,如第13圖所示,增加L3至Ln個繞組。
對於本發明實施方式中兩並聯的繞組可以採用兩繞組分別盤繞磁芯的繞線方式,也可採用兩繞組並在一起盤繞磁芯的繞線方式。
雖然本發明已以實施方式揭露如上,然其並非用以限定本發明,任何熟習此技藝者,在不脫離本發明之精神和範圍內,當可作各種之更動與潤飾,因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
200...金屬散熱元件
400...磁芯
410...中柱
420...側柱
910、920...匚字形磁柱
1010...E型鐵芯部
1020...I型鐵芯部
g、g1、g2、gA、gB、gC...氣隙
Ha、Hb...磁場
L...繞組
L1...第一繞組
L2...第二繞組
Lc...電感元件
M...互感
W1、W2...繞組
WA1、WB1、WC1...第一繞組
WA2、WB2、WC2...第二繞組
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂,所附圖式之說明如下:
第1圖表示現有直流電感磁通分布示意圖;
第2圖表示爲現有電感採用金屬散熱元件;
第3圖表示爲現有UU型直流電感的擴散磁通示意圖;
第4圖表示本發明實施例一的直流濾波電感器;
第5圖表示本發明實施例一的耦合參數示意圖;
第6圖表示本發明實施例一的電流波形;
第7圖表示本發明實施例二的直流濾波電感器;
第8圖表示本發明實施例三,在靠近氣隙的繞組L1上串聯額外的電感元件Lc;
第9圖表示本發明實施例四的直流濾波電感器;
第10圖表示本發明實施例五,在三相電感的應用;
第11圖表示本發明實施例六的電流檢測元件;
第12圖表示本發明一實施例的濾波器的示意圖;以及
第13圖表示本發明另一實施例的濾波器的示意圖。
第1圖表示現有直流電感磁通分布示意圖;
第2圖表示爲現有電感採用金屬散熱元件;
第3圖表示爲現有UU型直流電感的擴散磁通示意圖;
第4圖表示本發明實施例一的直流濾波電感器;
第5圖表示本發明實施例一的耦合參數示意圖;
第6圖表示本發明實施例一的電流波形;
第7圖表示本發明實施例二的直流濾波電感器;
第8圖表示本發明實施例三,在靠近氣隙的繞組L1上串聯額外的電感元件Lc;
第9圖表示本發明實施例四的直流濾波電感器;
第10圖表示本發明實施例五,在三相電感的應用;
第11圖表示本發明實施例六的電流檢測元件;
第12圖表示本發明一實施例的濾波器的示意圖;以及
第13圖表示本發明另一實施例的濾波器的示意圖。
400...磁芯
410...中柱
420...側柱
g...氣隙
Ha、Hb...磁場
L1...第一繞組
L2...第二繞組
Claims (40)
- 一種直流濾波電感器,包含:
一磁芯,具有至少一氣隙;以及
至少一第一繞組與至少一第二繞組,彼此並聯且分別盤繞該磁芯,其中該第一繞組的電感量與該第一、第二繞組之互感的差值小於第二繞組的電感量與該互感的差值,
該第一繞組的直流電阻大於該第二繞組的直流電阻,且该第一繞組較該第二繞組靠近該氣隙。 - 如請求項1所述之直流濾波電感器,其中該第一繞組的線徑小於該第二繞組的線徑。
- 如請求項1所述之直流濾波電感器,其中該第一、第二繞組分開盤繞該磁芯。
- 如請求項1所述之直流濾波電感器,更包含:
一電感元件,與該第一、第二繞組串連或並聯。 - 如請求項1所述之直流濾波電感器,其中該第一繞組可全部包圍該氣隙或部份包圍該氣隙。
- 如請求項1所述之直流濾波電感器,其中該第一繞組的電感量與該互感的差值小於該第二繞組的電感量與該互感的差值的1/3。
- 如請求項1所述之直流濾波電感器,其中該第一繞組的電感量等於該第一、第二繞組之互感。
- 如請求項1所述之直流濾波電感器,在該第一繞組的電感量小於該第一、第二繞組之互感時,更包含:
一電感元件,串接該第一繞組,其中該第一繞組及該電感元件並聯於該第二繞組,該第一繞組的電感量加上該電感元件的電感量與該互感的差值小於該第二繞組的電感量與該互感的差值。 - 如請求項8所述之直流濾波電感器,其中該第一繞組的電感量加上該電感元件的電感量與該互感的差值小於該第二繞組的電感量與該互感的差值的1/3。
- 如請求項8所述之直流濾波電感器,其中該第一繞組串接該電感元件後的直流電阻大於該第二繞組的直流電阻。
- 如請求項1所述之直流濾波電感器,其中該磁芯為一EE型鐵芯,該EE型鐵芯具有一中柱與兩側柱,該中柱具有該氣隙,該第一繞組於該兩側柱之間圍繞該中柱,該第二繞組於該兩側柱之間圍繞該第一繞組。
- 如請求項1所述之直流濾波電感器,其中該磁芯為一UU型鐵芯,該UU型鐵芯具有兩匚字形磁柱,該匚字形磁柱中之一者的兩末端與另一者的兩末端分別以兩個該氣隙相隔,該第一繞組的數量為兩個分別包圍兩個該氣隙,該第二繞組的數量為兩個分別圍繞該兩匚字形磁柱。
- 如請求項1所述之直流濾波電感器,其中該磁芯為一EI型鐵芯,該EI型鐵芯具有一E型鐵芯部與一I型鐵芯部,該E型鐵芯部具有三磁柱,該三磁柱之第一端彼此相連而第二端均與I型鐵芯部以該氣隙相隔,該第一繞組的數量為三個分別圍繞該三磁柱,該第二繞組的數量為三個分別圍繞該三磁柱。
- 如請求項1所述之直流濾波電感器,更包含:
一第一電流檢測元件,串連該第一繞組,用以檢測該第一繞組上的支路電流。 - 如請求項14所述之直流濾波電感器,更包含:
一第二電流檢測元件,串連該第二繞組,用以檢測該第二繞組上的支路電流。 - 如請求項1所述之直流濾波電感器,其中該第一繞組為一第一導線或多股線,第二繞組為一第二導線或銅皮繞阻或PCB繞組,其中該第一導線比該第二導線細。
- 一種直流濾波電感器,包含:
一磁芯;以及
至少一第一繞組,具有第一端和第二端;
至少一第二繞組,具有第一端和第二端,其中第一繞組的第一端和第二端分別和第二繞組的第一端和第二端連接;
其中,第一繞組的電感量與該第一、第二繞組之互感的差值小於第二繞組的電感量與該互感的差值,且該第一繞組的直流電阻大於該第二繞組的直流電阻。 - 如請求項17所述之直流濾波電感器,其中該第一、第二繞組分開盤繞該磁芯或併在一起盤繞該磁芯。
- 如請求項17所述之直流濾波電感器,更包含:
一電感元件,與該第一、第二繞組串連或並聯。 - 如請求項17所述之直流濾波電感器,其中該第一繞組的電感量與該互感的差值小於該第二繞組的電感量與該互感的差值的1/3。
- 如請求項17所述之直流濾波電感器,其中該第一繞組的電感量等於該第一、第二繞組之互感。
- 如請求項17所述之直流濾波電感器,在該第一繞組的電感量小於該第一、第二繞組之互感時,更包含:
一電感元件,串接該第一繞組,其中該第一繞組及該電感元件並聯於該第二繞組,該第一繞組的電感量加上該電感元件的電感量與該互感的差值小於該第二繞組的電感量與該互感的差值。 - 如請求項22所述之直流濾波電感器,其中該第一繞組的電感量加上該電感元件的電感量與該互感的差值小於該第二繞組的電感量與該互感的差值的1/3。
- 如請求項22所述之直流濾波電感器,其中該第一繞組串接該電感元件後的直流電阻大於該第二繞組的直流電阻。
- 如請求項17所述之直流濾波電感器,更包含:
一第一電流檢測元件,串連該第一繞組,用以檢測該第一繞組上的支路電流。 - 如請求項25所述之直流濾波電感器,更包含:
一第二電流檢測元件,串連該第二繞組,用以檢測該第二繞組上的支路電流。 - 如請求項17所述之直流濾波電感器,其中該第一繞組為一第一導線或多股線,第二繞組為一第二導線或銅皮繞阻或PCB繞組,其中該第一導線比該第二導線細。
- 一種直流濾波電感器的製作方法,該製作方法包含:
提供一磁芯;
利用至少一第一繞組與至少一第二繞組分別盤繞該磁芯,並設計該第一繞組的電感量與該第一、第二繞組之互感的差值小於第二繞組的電感量與該互感的差值,該第一繞組的直流電阻大於該第二繞組的直流電阻;以及
並聯該第一繞組與該第二繞組。 - 如請求項28所述之製作方法,其中該磁芯具有至少一氣隙,且第一繞組較該第二繞組靠近該氣隙。
- 如請求項29所述之製作方法,更包含:
將該第一繞組可全部包圍該氣隙或部份包圍該氣隙。 - 如請求項28所述之製作方法,其中該第一繞組的第一端和第二端分別和該第二繞組的第一端和第二端連接。
- 如請求項28所述之製作方法,其中利用該第一繞組與該第二繞組分別盤繞該磁芯之步驟包含將該第一、第二繞組分開盤繞該磁芯或併在一起盤繞該磁芯。
- 如請求項28所述之製作方法,更包含:利用一電感元件串連或並聯該第一、第二繞組。
- 如請求項28所述之製作方法,其中設計該第一繞組的電感量與該第一、第二繞組之互感的差值小於第二繞組的電感量與該互感的差值之步驟包含:
設計該第一繞組的電感量與該互感的差值小於該第二繞組的電感量與該互感的差值的1/3。 - 如請求項28所述之製作方法,更包含:
設計該第一繞組的電感量等於該第一、第二繞組之互感。 - 如請求項28所述之製作方法,更包含:
在該第一繞組的電感量小於該第一、第二繞組之互感時,利用一電感元件串接該第一繞組,其中該第一繞組及該電感元件並聯於該第二繞組,該第一繞組的電感量加上該電感元件的電感量與該互感的差值小於該第二繞組的電感量與該互感的差值。 - 如請求項36所述之製作方法,更包含:
設計該第一繞組的電感量加上該電感元件的電感量與該互感的差值小於該第二繞組的電感量與該互感的差值的1/3。 - 如請求項36所述之製作方法,更包含:
設計該第一繞組串接該電感元件後的直流電阻大於該第二繞組的直流電阻。 - 如請求項28所述之製作方法,更包含:
串連一第一電流檢測元件與該第一繞組。 - 如請求項39所述之製作方法,更包含:
串連一第二電流檢測元件與該第二繞組。
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