[发明专利]磁性元件及磁性元件的装配方法

说明书

技术领域

本发明涉及开关电源技术领域，尤其涉及开关电源中的磁性元件，例如电感元件。

背景技术

随着半导体工艺和封装技术的发展，芯片业务处理能力逐步增加，芯片与功能单元对电源功率/电流的需求也越来越多。通常，在开关电源中通过多个MOS开关并联或多个电感并联来实现电源功率/电流的提升。这种并联交错电源，器件用量增加，尤其是功率转换核心器件—电感用量的增加，导致电源在电路板上的占板面积大幅增加。

减小电感的面积/体积，对于提升电源功率密度，节省电源布板面积非常有益。因此，在保证电感和电源性能的前提下，如何设计一种小型化且结构简单的磁性元件为业界亟待解决的问题。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种磁性元件和磁性元件的装配方法，能够实现各相电感单元之间解耦，保证各相电感单元之间的独立工作，同时可以实现磁性元件体积小型化的设计。

第一方面，本发明实施例提供了一种磁性元件，包括磁芯和至少两个电极，所述磁性元件成至少两相电感单元，相邻的所述电感单元共用部分所述磁芯；每相所述电感单元均包括材料不同的第一磁芯段和第二磁芯段，所述第一磁芯段和所述第二磁芯段相接共同包围形成四面封闭两端开口的筒状架构，所述筒状架构内的包围空间为电极槽；每一相所述电感单元的所述电极槽内均设置所述至少两个电极中的一个；所有的所述电感单元中的所述第一磁芯段和所述第二磁芯段共同构成所述磁芯；通过所述第一磁芯段和所述第二磁芯段的材料的不同，形成所述第一磁芯段和所述第二磁芯段的磁导率的差异，以得到预定的各相所述电感单元之间的耦合系数。

本发明实施例在磁芯不开任何气隙的情况下，通过至少两相电感单元中的磁芯材料的不同，即：材料不同的第一磁芯段和第二磁芯段，改变各相电感单元之间的耦合关系，本发明实施例能够实现弱耦合或强耦合，甚至可以实现电感单元之间的解耦，使得各相电感单元能够独立工作。因此，本发明实施例通过集成至少两相电感单元在一个磁性元件中，而至少两相电感单元又可以独立工作，相当于独立的器件，相较现有技术中独立器件的安装和配置，本发明具有体积小、结合简单的优势。在每个电感单元中，所述第一磁芯段和所述第二磁芯段首尾相接共同包围形成无气隙的封闭筒状架构，本发明不但可以简化多路并联电感的制作，同时也利于减少整个磁性元件并联电感的损耗。

一种实施方式中，所述电感单元的相数为大于等于3的奇数项。也就是说，本发明实施例子通过第一磁芯段和第二磁芯段的材料不同，能够实现三相集成电感元件、五相电感集成元件、甚至更多的奇数项，而且各相电感单元之间耦合系数可以根据需要设定，电感单元相数越多，越可以体现本发明实施例结构简单体积小的优势，因为现有技术中若实现多相，特别是奇数相电感单元之间的耦合，要么通过开气隙的方式，要么就是将其尺寸设计的足够大，通过结构实现隔离，而本发明实施例子是通过磁性材料不同的磁芯结合在一起，就可以用简单的结构实现电感单元之间的耦合关系。

一种实施方式中，所述第一磁芯段的磁导率是所述第二磁芯段的磁导率的9倍或9倍以上。本实施方式，通过第一磁芯段和第二磁芯段磁导率比值的倍数大于等于9，能够实现任何相数的电感单元的弱耦合特性，因此，各相电感单元之间相当于分立电感元件，应用在电源中，对每个并联支路的开关信号没有相位差要求。例如，在一实施例中，不同的并联电路之间开关信号是同步的，在另一实施例中，不同的并联支路之间的开关信号可以有一定的延迟。

一种实施方式中，所述第一磁芯段的材料为铁氧体材料，所述第二磁芯段的材料为金属材料。金属材料晶粒尺寸大，气孔率高，内部形成分布式气隙，磁导率低，饱和特性好，满足通流特性，体积可以做小，但是损耗大。铁氧体材料晶粒尺寸小，气孔率低，磁导率高，损耗低，但是饱和特性相对差，应用频率相对高。本实施方式中，通过金属材料和铁氧体材料组合使用，综合二者损耗和饱和特性，可以实现高频大电流领域电感优化设计。利于金属材料内部物理气隙特性，可以实现不在磁性元件的磁芯上开结构气隙，就能够实现任意相数电感集成的弱耦合特性。一种实施方式中，在每个电感单元内，第一磁芯段的体积占比大于第二磁芯段的体积占比，具体而言，第一磁芯段的体积至少为第二磁芯段体积的1.5倍。

一种实施方式中，各相所述电感单元之间的耦合系数低于0.1，一种实施方式中，各相所述电感单元之间的耦合系数低于0.05。