TWI320935B - Structure of magnetic device and magnetic core assembly capable of reducing winding loss - Google Patents

Description

九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本案係關於一種磁性元件結構及其磁芯組件，尤指一 種降低銅損（winding loss)之磁性元件結構及其磁芯組 件。 、’ 【先前技術】 以現今的技術，磁性元件被廣泛地應用於各種領域， 在電子電路中常常使用之磁性元件為電感以及變壓器，其 中磁性7L件中更包含磁芯組件，以於磁性元件中提供磁通 閉合路徑。一般使用於磁性元件中的磁芯組件，除了材料 的差異會影響磁性元件性能外，磁芯組件的形狀結構也合 影響磁性元件的性能。 g ▲請參閱第-圖’其係為習知具有多組繞線之磁芯組件 之4壓杰結構示意圖，如第一圖所示，該變壓器i具有磁 芯組件10以及複數個繞線，包括初級繞線u、第二次級 繞線12以及第二次級繞線13。其中，磁芯組件1〇之結構 主要具有第-長板m、第二長板1G2、第—側柱1〇3、第 7二側，104以及第-中柱1Q5，關於提供磁通的閉合路 徑。第一側柱103與第二側柱1〇4係設置於第一長板I" 與第二長板1G2之間，且分別設置於第—長板m與第二 ，板102之兩侧邊。第一中柱1〇5設置於第一側柱M3 ^ 第二側柱104之間，且與第—側柱1〇3與第二側柱刚^ 1320935

/ 之初級繞線11 L磁芯組件10 U D 柱103與第二側柱104上， y之弟—側 先繞於磁芯組件1G1中 似、〜泉11之-部份係 二側柱⑽，之後再:另： 二側柱1〇4或第一側柱1〇3。第—個^主’，如弟 級繞線13分別繞於磁芯組件1〇兩侧了 “及弟一次 二側柱104上，且第-次級域養血々弟…則柱1〇3與苐 扭件If) 有電流變化時’藉由磁芯 :件1〇岐供的磁通路徑’將磁通 :二及弟二次級繞線13，且在第一次級嫩 線13會分職應到。但是傳統 芯組件10結構公差大、氓 。。I不/、磁 以括峙'、大，且繞線的長度較長，所 符合高效#、^^€^_見7產業要求電子產品須 法達到這些要求。條件，故習知變愿器1結構無

因此，如何發展一 降低銅損之磁性元件結 切需要解決之問題。 種可改善上述習知技術缺失之可以 構，貫為相關技術領域者目前所迫 【發明内容】 =之主要目的在於提供—種可崎⑽損之磁性元 構，可以使用於具有複數組繞線之磁性元件，藉由磁 心組件的兩_柱以及至少兩辦柱提高雜元件的使用 效率，使磁性元件結構體積變小、重量變輕，進而減少繞 1320935 線長度，同時可以降低銅損。另外，初級繞線所產生之交 流式磁通變化量以及漏磁也會變小。 為達上述目的，本案之一較佳實施態樣為提供一種磁 性元件結構，其至少包含：磁芯組件以及複數組繞線。其 中，磁芯組件係用於提供磁通閉合路徑，且包括：第一長 板與第二長板；第一側柱與第二側柱，該第一側柱與第二 側柱設置於第一長板與第二長板之間，且分別設置於第一 Φ 長板與第二長板之兩側邊，以用於提供磁通的閉合路徑； 以及至少兩中柱，包括第一中柱與第二中柱，其中第一中 柱與第二中柱係設置於第一側柱與第二側柱之間。另外， 複數組繞線係纏繞於第一中柱與第二中柱上。 為達上述目的，本案之另一較佳實施態樣為提供一種 磁芯組件，應用於磁性元件中，用於纏繞該磁性元件之複 數組繞線，並提供磁通閉合路徑。該磁芯組件至少包含： 第一長板與第二長板；第一側柱與第二側柱，該第一側柱 φ 與第二側柱設置於第一長板與第二長板之間，且分別設置 於第一長板與第二長板之兩側邊；以及至少兩中柱，包括 第一中柱與第二中柱，其中第一中柱與第二中柱係設置於 - 第一側柱與第二側柱之間，以用於纏繞複數組繞線。 【實施方式】 體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說 明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有 各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖 1320935 示在本質上係當作說明之用，而非用以限制本案。 請參閱第二圖，其係為本案較佳實施例之磁性元件之 磁芯組件結構示意圖。如第二圖所示，本案之磁性元件之 磁芯組件20包含第一長板201、第二長板202、第一側柱 203、第二側柱204以及至少兩個中柱，包括第一中柱205 以及第二中柱206。其中，第一側柱203與第二側柱204 設置於第一長板201與第二長板202之間，且分別設置於 φ 第一長板201與第二長板202之兩側邊。第一中柱205與 第二中柱206設置於第一側柱203以及第二側柱204之 間，且與第一側柱203以及第二側柱204以設定間距相分 隔，以用於提供複數組繞線纏繞，且提供磁通的閉合路徑。 第三圖係顯示使用第一種繞線方式於第二圖所示磁芯 組件而構成本案第一較佳實施例之磁性元件結構示意圖。 如第三圖所示，本案之磁性元件2結構主要包括磁芯組件 20以及複數組繞線，包括例如初級繞線21、第一次級繞線 φ 22以及第二次級繞線23。其中，初級繞線21係以第一中 柱205以及第二中柱206為轴心，而同時纏繞於第一中柱 205以及第二中柱206。第一次級繞線22以及第二次級繞 -線23則分別繞於磁芯組件20之第一中柱205以及第二中 柱206，且第一次級繞線22與第二次級繞線23相接於連 接點，亦即d點。當初級繞線21有電流變化時，藉由磁性 元件2之磁芯組件20所提供的磁通路徑，在第一次級繞線 22與第二次級繞線23會分別感應到電壓，由於磁性元件2 之磁芯組件20具有第一中柱205與第二中柱206以及第一 1320935 側柱203與第二側柱204，可以更有效的耦合初級側與次 級側的磁通，相對使漏磁通降低，以及使繞線所造成之銅 損變小。 請參閲第四圖，其係為第三圖所示結構之上視圖。如 第四圖所示，其中第一次級繞線22與第二次級繞線23相 接於d點，由於d點到p點之間沒有交流式的磁通變化量， 只有直流式的磁通量，使漏磁通降低，其繞線所造成的損 φ 失減少，而磁通路徑有第一側柱203與第二側柱204以及 第一中柱205與第二中柱206所構成的磁通閉合路徑，其 磁芯組件20的使用效率相對提升，所以本案之磁性元件2 比習知磁性元件結構之體積變小，當然第一中柱205與第 二中柱2 0 6之間的距離也會變小，進而使第一次級繞線 22，也就是c點到d點間的距離變短，因此繞線所造成的 銅損也會減少。 在相同的磁芯組件結構下，磁性元件可以有多種不同 φ 的繞線方式。請閱第五圖，其係顯示使用第二種繞線方式 於第二圖所示磁芯組件而構成本案第二較佳實施例之磁性 元件結構示意圖。如第五圖所示，磁性元件2同樣具有磁 - 芯組件20以及複數個繞線，包括例如初級繞線21、第一 次級繞線22以及第二次級繞線23。其中，磁性元件2之 初級繞線21係繞於磁芯組件20之第一中柱205以及第二 中柱206上，亦即初級繞線21係先以一部分纏繞於其中一 個中柱，例如第一中柱205或第二中柱206，之後再以另 一部分纏繞另一個中柱，例如第二中柱206或第一中柱 1320935 205。另外，第一次級繞線22與第二次級繞線23則分別纏 繞於第一中柱205以及第二中柱206上，且相連接於連接 點，亦即d點。當初級繞線21有電流變化時，藉由磁性元 件2之磁芯組件20所提供的磁通閉合路徑，在第一次級繞 線22與第二次級繞線23會分別感應到電壓，由於d點到 p點之間沒有交流式的磁通變化量，只有直流式的磁通量， 使繞線造成的銅損變小。 I 請爹閱弟六圖’其係為弟五圖所不結構之上視圖。如 第六圖所示，第一次級繞線22與第二次級繞線23相接於 d點，雖然由d點到p點之間存有交流式的磁通變化量， 但其磁通變化量以及漏磁相對較小，使其繞線所造成的損 失減少，而磁通路徑係由第一側柱203與第二側柱204以 及第一中柱205與第二中柱206所構成的封閉磁通路徑， 不但比傳統磁性元件結構體積較小，其磁芯組件20的使用 效率也相對提升，當然第一中柱205與第二中柱206之間 φ 的距離也會變小，進而使第一次級繞線22，也就是c點到 d點間的距離變短，相對使繞線所造成的銅損減少。 請參閱第七圖，其係為使用本案磁性元件結構於一示 - 範性之直流-直流電壓轉換器之電路方塊示意圖。如第七圖 所示，該直流-直流電壓轉換器7，例如半橋式直流-直流 電壓轉器，主要包含換流電路71、磁性元件72、整流電路 73以及濾波電路74，其中換流電路71用以將直流輸入電 壓Vin轉換為交流電壓VI。於一些實施例中，換流器71 係由第一開關元件S1、第二開關元件S2、第一電容器C1 1320935 以及第二電容器C2所組成。其中，第一電容器Cl與第二 電容器C2串聯，且串聯之第一電容器C1與第二電容器C2 之兩端分別連接於直流輸入電壓Vin，利用第一電容器C1 與第二電容器C2串聯可將直流輸入電壓Vin分壓，由於第 一電容器C1與第二電容器C2之電容量相同，所以第一電 容器C1與第二電容器C2串聯連接點之電壓值為直流輸入 電壓Vin值的一半，如第八圖所示。請再參閱第七圖，第 φ 一電容器C1與第二電容器C2串聯連接點與磁性元件72的 初級繞線21其中一個端點相連接，且初級繞線21之另外 一個端點則連接於第一開關元件S1與第二開關元件S2之 串聯接點。由於第一開關元件S1與第二開關元件S2串聯 兩端連接於直流輸入電壓V i η，因此可藉由第一開關元件 S1與第二開關元件S2的導通與不導通將直流輸入電壓Vin 轉換為交流電壓VI。 請再參閱第七圖，於一些實施例中，磁性元件72使用 φ 第三圖所示之磁性元件2結構，且具有初級繞線21、第一 次級繞線22以及第二次級繞線23，其中初級繞線21連接 於換流電路71之輸出，第一次級繞線22與第二次級繞線 - 23連接於整流電路73之輸入。當初級繞線21有電流變化 時，藉由磁性元件7 2之磁芯組件所提供的磁通閉合路徑， 在第一次級繞線22與第二次級繞線23會分別感應到電壓。 整流電路73係連接於磁性元件72之第一次級繞線22 以及第二次級繞線23，用以將第一次級繞線22以及第二 次級繞線23之輸出電壓整流為直流電壓。於一些實施例 12 1320935 中，整流電路73由例如第三開關元件S3以及第四開關元 件S4所組成，其中第三開關元件S3的汲極（Draiη)連接於 第一次級繞線22，第四開關元件S4的汲極（Drain)連接於 第二次級繞線23，而第三開關元件S3與第四開關元件S4 的源極（Source)相連接，並與第一次級繞線22及第二次級 繞線23之共接點d為整流電路73之輸出，藉由第三開關 元件S3與第四開關元件S4的導通與不導通，將第一次級 φ 繞線22以及第二次級繞線23之輸出電壓整流為直流電壓。 濾波電路74係用於將整流電路73之輸出電壓之高頻 成份去除，使直流-直流電壓轉換器7或濾波電路74之直 流輸出電壓Vo為穩定直流電壓。於一些實施例中，濾波電 路74係由例如電感器L以及濾波電容器Co所組成，其中 電感器L串接於濾波電路74的輸出與輸入之間，濾波電容 器Co則並聯於濾波電路74的輸出端。 請再參閱第七圖，當第一開關元件S1及第四開關元件 φ S4導通時，第二開關元件S2及第三開關元件S3則不導通， 直流-直流電壓轉器7之輸入電流路徑為第一開關元件 S1、初級繞線21以及第二電容器C2。此時，第二次級繞 -線23會感應到電壓並產生電流，其電流經由第四開關元件 S4輸出到直流-直流電壓轉器7之輸出。相反地，當第二 開關元件S2及第三開關元件S3導通時，第一開關元件S1 ' 及第四開關元件S4則不導通，直流-直流電壓轉器7之輸 入電流路徑為第一電容器C1、初級繞線21以及第二開關 元件S2,此時第一次級繞線22會感應到電壓並產生電流， 13 1320.935 其電流經由第三開關元件S3輸出到直流-直流電壓轉器7 之輸出。 第九圖係顯示使用第三種繞線方式於第二圖所示磁芯 組件而構成本案第三較佳實施例之磁性元件結構示意圖。 如第九圖所不，磁性元件2同樣具有磁芯組件2 0以及複數 個繞線，包括例如初級繞線21、第一次級繞線22以及第 二次級繞線23。其中，初級繞線21繞於磁芯組件20中間 φ 之其中一個中柱上，例如第一中柱205或第二中柱206。 此外，第一次級繞線22與第二次級繞線23同樣地分別纏 繞於第一中柱205與第二中柱206，且相連接於連接點， 亦即d點。當初級繞線21有電流變化時，藉由磁芯組件 20所提供的磁通路徑，在第一次級繞線22與第二次級繞 線23會分別感應到電壓，由於磁芯組件20具有第一側柱 203與第二側柱204以及第一中柱205與第二中柱206，因 此可以更有效的耦合初級側與次級側的磁通，相對地使漏 φ 磁通降低，以及使繞線所造成之銅損變小。 综上所述5本案之磁性元件結構係利用磁芯組件的兩 個側柱以及至少兩個中柱構成磁通閉合路徑，因此，初級 繞線所產生的交流式的磁通變化量以及漏磁變小，進而使 繞線所造成的銅損減少，而兩個中柱之間的距離也會變 小，磁性元件結構相對變小，其磁性元件使用效率提高、 電子裝置的電路密度變高、重量變輕。本案之磁性元件結 構極具產業之價值，且符合各項專利要件，爰依法提出申 請。 14 1320935 本案得由熟知此技術之人士任施匠思而為諸般修飾， 然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

15 1320935 【圖式簡單說明】 第一圖：其係為習知具有多組繞線之磁芯組件之變壓器結 構示意圖。 第二圖：其係為本案較佳實施例之磁性元件之磁芯組件結 構示意圖。 第三圖：其係顯示使用第一種繞線方式於第二圖所示磁芯 組件而構成本案第一較佳實施例之磁性元件結構示意圖。 • 第四圖：其係為第三圖所示結構之上視圖。 第五圖：其係顯示使用第二種繞線方式於第二圖所示磁芯 組件而構成本案第二較佳實施例之磁性元件結構示意圖。 第六圖：其係為第五圖所示結構之上視圖。 第七圖：其係為使用本案磁性元件結構於一示範性之直流-直流電壓轉換器之電路方塊示意圖。 第八圖：其係為第七圖所示換流電路之輸出電壓波形圖。 Φ 第九圖：其係顯示使用第三種繞線方式於第二圖所示磁芯 組件而構成本案第三較佳實施例之磁性元件結構示意圖。 16 1320935

【主要元件符號說明】 I :變壓器 II :初級繞線 13 :第二次級繞線 102 :第二長板 104 :第二側板 2:磁性元件 21 :初級繞線 23 :第二次級繞線 202 :第二長板 204 :第二側板 206 :第二中柱 7 :直流-直流電壓轉換器 72 :磁性元件 74 :濾波電路 S2 :第二開關元件 S4 :第四開關元件 C2 :第二電容器 L ·電感為

Vo :直流輸出電壓 10 .磁芯組件 12 :第一次級繞線 101 :第一長板 103 :第一側板 105 :第一中柱 20 .磁芯組件 22 :第一次級繞線 201 :第一長板 203 :第一側板 205 :第一中柱 71 :換流電路 73 :整流電路 S1 :第一開關元件 S3 :第三開關元件 C1 :第一電容器 Co :濾波電容器 Vin :直流輸入電壓 VI :換流電路之輸出電壓 17

Claims (1)

1320935 %年"月4曰修(見、正替換頁p/卜扣 十、申請專利範圍： 1. 一種磁性元件結構，至少包含： 一磁芯組件，用於提供磁通閉合路徑，且包括： 一第一長板與一第二長板； 一第一側柱與一第二側柱，該第一侧柱與該第二侧 柱設置於該第一長板與該第二長板之間，且分別設置 於該第一長板與該第二長板之兩側邊；以及 至少兩中柱，包括一第一中枉與一第二中柱，其中 該第一中柱與該第二中柱係設置於該第一側柱與該第 二側柱之間；以及 複數組繞線，其纏繞於該第一中柱與該第二中柱上，且 該複數組繞線包含一第一次級繞線以及一第二次級繞 線，該第一次級繞線與該第二次級繞線分別纏繞於該第 一中柱與該第二中柱上，且該第一次級繞線與該第二次 級繞線相連接於該第一中柱與該第二中柱之間之一連接 點。 2. 如申請專利範圍第1項所述之磁性元件結構，其中該複 數組繞線包含一初級繞線、該第一次級繞線以及該第二 次級繞線。 3. 如申請專利範圍第2項所述之磁性元件結構，其中該初 級繞線以該第一中柱及該第二中柱為中心而同時纏繞於 該第一中柱與該第二中柱上。 4. 如申請專利範圍第2項所述之磁性元件結構，其中該初 18 1320935 級繞線之至少一部份纏繞於該第一令柱上，且該初級繞 線之至少另一部分纏繞於該第二中柱上。 5. 如申請專利範圍第2項所述之磁性元件結構，其中該初 級繞線纏繞於該第一中柱與該第二中柱其中之一。 6. —種磁芯組件，應用於一磁性元件中，用於纏繞該磁性 元件之複數組繞線，並提供磁通閉合路徑，該複數組繞 線包含一第一次級繞線以及一第二次級繞線，該磁芯組 件至少包含： 一第一長板與一第二長板； 一第一側柱與一第二側柱，該第一側柱與該第二侧 柱設置於該第一長板與該第二長板之間，且分別設置於 該第一長板與該第二長板之兩側邊；以及 至少兩中柱，包括一第一中柱與一第二中柱，其中 該第一中柱與該第二中柱係設置於該第一側柱與該第二 側柱之間，該複數組繞線纏繞於該第一中柱與該第二中 柱，該第一次級繞線與該第二次級繞線係分別纏繞於該 第一中柱與該第二中柱上，且該第一次級繞線與該第二 次級繞線相連接於該第一中柱與該第二中柱之間之一連 接點。 7. 如申請專利範圍第6項所述之磁芯組件，其中該複數組 繞線包含一初級繞線、該第一次級繞線以及該第二次級 繞線。 8. 如申請專利範圍第7項所述之磁芯組件，其中該初級繞 線以該第一中柱及該第二中柱為中心而同時纏繞於該 19 L320935 第一中柱與該第二中柱上。 9. 如申請專利範圍第7項所述之磁芯組件，其中該初級繞 線之至少一部份纏繞於該第一中柱上，且該初級繞線之 至少另一部分纏繞於該第二中柱上。 10. 如申請專利範圍第7項所述之磁芯組件，其中該初級繞 線纏繞於該第一 _柱與該第二中柱其中之一。