[发明专利]M相耦合的磁元件以及相关的电感结构

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2008年3月14日提交的第61/036,836号美国临时专利申请以及于2008年4月21日提交的第为61/046,736号美国临时专利申请的优先权，上述专利申请的内容均通过引用并入本文。

背景技术

Schultz等人提出的第6,362,986号美国专利(Schultz’986)描述了具有多相耦合电感器拓扑的直流-直流变换器，其公开的内容通过引用并入本文。这种变换器具有的优点包括电感器和切换器中具有减小的波纹电流，这可以减少每相的电感系数，或者减少具有传统多相直流-直流变换器拓扑的变换器的切换频率。因此，与传统多相拓扑相比，具有磁耦合输出电感器的直流-直流变换器具有优异的瞬态响应，并且不损失效率。这使得输出电容显著下降，从而使解决方案的成本更低更小。

如Schultz’986中所描述的，采用耦合电感器的直流-直流变换器的性能受到所耦合的电感器的漏电感的影响。因此，期望根据电感器的应用来定制或调节耦合电感器的漏电感。

已经设计出了一些耦合电感器。例如，图1至3示出了由VolterraSemiconductor Corporation开发的一个耦合电感器100。具体地，图1示出了耦合电感器100的侧视平面图，图2示出了其截面图，以及图3示出了其端视平面图。具有高度106的耦合电感器100包括磁芯102和至少两个绕组104。图4示出了一个绕组104的侧视立体图。

如另一示例，Dong等人在标题为“Twisted Core Coupled Inductorsfor Microprocessor Voltage Regulators”的论文中提出了双相“绞合芯(twisted core)”耦合电感器。然而，该耦合电感器具有容积利用率较低的复合芯。另外，漏电感是由垂直型芯结构之间的距离和这些结构的高度限定的，因此很难控制漏电感。而且，该绞合芯耦合电感器的泄露通道使电感器的设计变得复杂。

此外，Dong等人在标题为“The Short Winding Path CoupledInductor Voltage Regulators”的论文中提出了一种耦合电感器。图5示出了一个耦合电感器500的俯视平面图，示出了Dong的论文中的多相耦合电感器。图5没有示出绕组以更清晰地示出芯502。但是图6示出了包括绕组602的电感器500。

芯502包括用于每相的相应的腿504。每个腿504都具有宽度508，且具有宽度510的窗口506将相邻的腿504分隔开。因此，绕组602具有节距604，如图6和图7所示。窗口的宽度510相对校大并与腿的宽度508相似。需要大的窗口宽度510来提供磁通泄露通道，从而使漏电感足够大。通过改变芯502的几何结构和/或通过改变窗口的宽度510来改变漏电感。窗口506还容纳有相应的绕组连接端(windingtab)，如图6所示。

图7示出了沿着图5中A-A线的电感器500的横截面图。每个区域702相应于对应的腿504，每个区域704相应于对应的窗口506。如图7所示，耦合电感器500的大部分容积未被磁性材料占据。

发明内容

一种M相耦合电感器，包括磁芯和M个绕组，其中M为大于1的整数。所述磁芯由芯材形成，并包括第一外置腿，所述第一外置腿形成第一缝隙。所述第一缝隙包括第一缝隙材料，所述第一缝隙材料具有的导磁率低于所述芯材的导磁率。每个绕组至少部分地缠绕所述磁芯的至少一部分，每个绕组具有各自的漏电感。所述第一缝隙使得所述漏电感大于所述第一外置腿未形成所述第一缝隙时的漏电感。

一种M相电源，包括耦合电感器和M个切换电路，其中M为大于1的整数。所述耦合电感器包括：由芯材形成的磁芯，所述磁芯包括第一外置腿。所述第一外置腿形成第一缝隙，所述第一缝隙包括第一缝隙材料，所述第一缝隙材料具有的导磁率低于所述芯材的导磁率。耦合电感器进一步包括：M个绕组，每个绕组至少部分地缠绕所述磁芯的至少一部分。每个绕组具有各自的第一端、第二端，以及各自的漏电感。每个所述第一端与公共第一节点电耦合，且每个切换电路与相应的绕组的第二端电耦合。每个切换电路被构造和设置以使所述第二端在至少两个不同电压之间切换。所述第一缝隙使得所述漏电感大于所述第一外置腿未形成所述第一缝隙时的漏电感。