專利名稱：優(yōu)化的絞合線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種絞合線，更具體地說，涉及一種優(yōu)化的絞合線。
背景技術(shù)：
許多電子元件，例如整流器使用電線或電纜將電壓和/或電流從電路中的一點傳 送到另一點。通常，這些電線由導電材料(例如銅)構(gòu)成，該導電材料對電流具有一定的電 阻，其能導致在電子元件中產(chǎn)生功率損耗(有時被稱作“銅耗”)。因此，希望減小導體功率 損耗以提供更加高效的元件。通常，DC(0赫茲)時導體的電阻取決于它的橫截面積。橫截面積較大的導體具有 比橫截面積較小的導體更低的電阻。對于AC電流，已知的“集膚效應(yīng)”現(xiàn)象使得電阻基本 上隨著電流頻率的增加而增大。集膚效應(yīng)是AC電流在導體內(nèi)部自我分配的一種趨勢，從而使得導體表面附近的 電流密度(即每單位橫截面積上的電流)比中心部分的電流密度大的多。換句話說，電流 傾向于在導體的“表面”流動。集膚效應(yīng)是由于AC電流形成的渦流電流引起的。電流密度 隨著自表面的深度的衰減通常以距離導體表面的距離來量化，在此基礎(chǔ)上電流密度衰減至 其表面處值的Ι/e (或約37% )。該量度通常被稱作“集膚深度”。對于低頻而言，集膚效應(yīng)是可以忽略的。當AC電流的頻率高的足以使集膚深度 比導體的直徑小時，集膚效應(yīng)使得大多數(shù)導通發(fā)生在導體的表面。當頻率足夠高時，大導 體的內(nèi)部不再傳輸任何電流。例如在60Hz時，銅導線的集膚深度約為0.3英寸(8mm)。在 60kHz時，銅的集膚深度約為0. 01英寸(0. 254mm)。在6MHz時，集膚深度約為0. 001英寸 (25.4μπι)?？梢岳斫馐堑?，大于幾個集膚深度的導體在它們的內(nèi)軸附近基本不傳導電流， 從而使得材料無法有效利用。當電流頻率相當高時，如幾千赫茲、幾兆赫茲或更大，可以使用一種被稱作束線或 絞合線(來自德國鋼絞線，編織線)的電纜來減輕集膚效應(yīng)。圖1所示為絞合線10的橫截 面圖。絞合線10包括許多股按圖案(例如扭絞、編織或類似)編織在一起的絕緣線15，因 此整個磁場在所有股上基本相等，并且總電流在他們之間均勻分配。此外，對于特殊應(yīng)用而 言，可將單股半徑選擇為小于集膚深度，這樣單股線就不再有集膚效應(yīng)損耗。單股線通常包 括外部絕緣層16以彼此之間電絕緣，從而使得一束中的各股在一起時不會短路。此外，整 束股線15可包括一外部絕緣層25。絞合線可以應(yīng)用在高頻變壓器的線圈中，以通過減輕集膚效應(yīng)和被稱作“鄰近效 應(yīng)”的另一現(xiàn)象來提高它們的效率，其中該鄰近效應(yīng)是由多個導體之間磁場的相互作而產(chǎn) 生的?？梢赃x擇絞合線的編織方式或扭絞方式，從而使得單根電線之間在電纜的外側(cè)保持 短的間距，以及在電纜的內(nèi)側(cè)保持短的間距，這可以使絞合線的內(nèi)部有助于提高電纜的傳導率。不理想地是，標準的絞合線會減小有效的銅面積(相對于固體導線)，因為每個較 小股電線的絕緣會消耗絞合線凈截面面積的一大部分。此外，彼此相鄰的尺寸相等的圓股
4線的封裝使得相對很大比例的橫截面積被空氣間隔占據(jù)。因此，與具有相同橫截面積的標 準電線相比較，標準絞合線在該電線的橫截面積上會產(chǎn)生相對較小的銅耗。
發(fā)明內(nèi)容
通過與系統(tǒng)、工具以及方法相結(jié)合，來對本發(fā)明的以下實施例及其方面進行描述 和說明，這些系統(tǒng)、工具以及方法只是示例和說明而已，并不是對范圍的限制。在不同的實 施例中，已經(jīng)減小或消除了上面提到的一個或多個問題，并且其它的實施例旨在進行其它 的改進。根據(jù)第一個方面，提供一種可有效傳輸具有多個頻率分量的電流的傳導電纜。該 傳導電纜包括多根股線，每股包括一內(nèi)導體和一外部絕緣層，其中多股導線中的至少一股 具有與多股導線的其它股不同的橫截面積。根據(jù)第二個方面，披露了一種提供傳導電纜的方法。該方法包括提供第一組包括 內(nèi)部導體和外部絕緣層的一股或多股導線，該內(nèi)部導體具有第一橫截面積，以及提供第二 組包括內(nèi)部導體和外部絕緣層的一股或多股導線，該內(nèi)部導體具有不同于第一橫截面積的 第二橫截面積。該方法還包括將第一組股線和第二組股線的端部耦接在一起以形成傳導電 纜。此外，第一和第二橫截面積的尺寸可以有效地傳輸具有多個頻率分量的電流。根據(jù)第三個方面，提供磁性元件。該磁性元件包括芯，以及圍繞該芯的至少一部分 纏繞的傳導電纜。該傳導電纜包括多根股線，每股包括內(nèi)導體和外部絕緣層，其中該多股中 的至少一股具有不同于該多股中其它股的橫截面積。除了上面描述的示例方面和實施例以外，還可參考附圖和分析以下描述來清楚地 獲知其它的方面和實施例。
圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)中絞合線的橫截視圖；圖2示出了包括電感器的PFC升壓變換器電路的實例，其中電感器可包括優(yōu)化絞 合線；圖3示出了當PFC升壓變換器運行在連續(xù)導電模式(CCM)時，流經(jīng)圖2所示電感 器Ll的電流的時域和頻域圖；圖4示出了當PFC升壓變換器運行在臨界導電模式(CrCM)時，流經(jīng)圖2所示電感 器Ll的電流的時域和頻域圖；圖5示出了示例性優(yōu)化的絞合線的橫截面圖；圖6示出了由具有不同尺寸的多股導線纏繞的繞線管的橫截面圖。
具體實施例方式雖然本發(fā)明允許不同的改變和替換形式，但是這里詳細地描述并借助于附圖中的 實例示出了特定實施例。然而，應(yīng)當理解的是，這并非是要將本發(fā)明限于公開的上述特定形 式，相反，本發(fā)明要覆蓋落入由權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍和精神實質(zhì)內(nèi)的所有修改、 等同方式和替代方式。在以下的討論中，探討了用于提供優(yōu)化絞合線的系統(tǒng)和方法。第一，參照附圖2-4，描述了使用這里描述的特征的PFC升壓變換器。應(yīng)當理解的是，該特定應(yīng)用的討論只用于 示例的目的，且用于提供優(yōu)化絞合線的上述系統(tǒng)和方法還可被用在其它應(yīng)用中。其次，參照 附圖5-6，描述了優(yōu)化絞合線的示例實施例。電子裝置，例如筆記本電腦、臺式電腦、監(jiān)視器等通常從AC電源接收電力。然而， 在大多數(shù)情況下，這些設(shè)備需要DC電來運行，因此從AC電源接收的電力必須被轉(zhuǎn)換為DC 電。完成該轉(zhuǎn)換的最簡單的方法是通過二極管整流電路。在這種電路中，二極管被布置成 使得AC電流沿著一個方向流動，從而使得整流器的輸出端保持非負電壓。該方法通常是成 本最低的AC-DC轉(zhuǎn)換方案，但是它也在AC電網(wǎng)中產(chǎn)生了最多的噪聲或“污染”。這是因為當 功率變換器耦接到非純阻性的負載時(例如包括電容器和電感器的無功負載)，從AC電源 輸出的電流可能與AC電壓異相，這會導致諧波增加。因此，如果大量使用，使用該方法的設(shè) 備將會極大地影響AC電源線路的質(zhì)量。此外，無功負載使得功率變換器的效率下降。無功 負載中儲存的能量導致電流波形和電壓波形之間產(chǎn)生時差。該存儲能量返回至電源并且無 法在負載做功，因此電路的“有功功率”比“視在功率”要小。有功功率與視在功率的比率 通常被稱為電路的功率因數(shù)?？梢岳斫獾氖?，功率因數(shù)低的電路要比功率因數(shù)高的電路需 要汲取更大的電流來傳輸規(guī)定量的有功功率，這將轉(zhuǎn)化為配電系統(tǒng)損耗的增加和能量成本 的增加。因此，通常希望提供不具有這些缺陷的AC-DC功率轉(zhuǎn)換。為了實現(xiàn)該目的，可以使用包括功率因數(shù)校正(PFC)電路的功率變換器。通常， PFC電路具有保持AC電流與AC電壓基本同相的功能，以使得該功率變換器類似于AC電源 的純阻性負載，這減小AC電源線的污染并增加功率變換器的效率。一種類型的PFC電路通 常被稱作無源PFC電路。無源PFC電路只用無源元件，即電感器和電容器就可執(zhí)行功率因數(shù) 校正。無源PFC電路通常是穩(wěn)健的的和行之有效的，但是它經(jīng)常難以將失真降至可接受的 水平。此外，由于無源PFC電路運行在相當?shù)偷木€路頻率(例如通常的AC電源運行在50Hz 或60Hz)，因此需要的電感器和電容器的尺寸可能會很大并且成本會很高。另一類型的PFC電路通常稱作有源PFC電路。有源PFC電路通常具有至少一個開 關(guān)。最常用的有源PFC電路基于升壓變換器，其被包括在圖2所示PFC電路50內(nèi)。PFC電 路50對輸入電流進行整形從而獲得低的失真水平。與無源PFC電路相比，由于使用了相對 較高的開關(guān)頻率(如50kHz-300kHz)，因而所需的相關(guān)無源元件的尺寸顯著減小?，F(xiàn)在參照附圖2來描述有源PFC電路50的結(jié)構(gòu)。如圖所示，AC電源52跨接在全 波橋式整流器D3的輸入端子64、66上。該整流橋D3的第一輸出端子經(jīng)節(jié)點58耦接到電 感器Ll的第一端子。電感器Ll的第二端子耦接到晶體管開關(guān)Ql的漏極和二極管Dl的正 極。二極管Dl的陰極耦接到大容量電容器C3的第一端子，其構(gòu)成PFC輸出節(jié)點56，該節(jié)點 可進一步耦接到負載(如DC-DC變換器)。如所示，整流橋D3的第二輸出端子、晶體管開關(guān) Ql的源極以及電容器C3的第二端子可以耦接到地。此外，PFC控制電路54可通過節(jié)點60 耦接到晶體管開關(guān)Ql的門極，從而控制晶體管開關(guān)Ql導通(即開關(guān)閉合)或關(guān)斷(即開 關(guān)打開)。此外，PFC控制電路54可以檢測功率變換器的各種電壓和電流。例如，PFC控制 電路54可通過節(jié)點62連接到分壓電路(即電阻器Rl和R2)。在運行過程中，電流自整流橋D3流經(jīng)電感器Li，并且當開關(guān)Ql關(guān)閉時，電流也流 經(jīng)開關(guān)Q1。在這種情況下，二極管Dl被電容C3(即PFC輸出節(jié)點56)上的電壓反向偏置。 流經(jīng)電感器Ll的電流以電磁場的形式儲存能量。當開關(guān)Ql打開時，儲存的能量通過流經(jīng)二極管Dl的電流傳送給所述大容量電容器C3，該二極管Dl在這種情況下是正向偏置的。 大容量電容器C3的能量保持PFC輸出節(jié)點56上的電壓，并用于驅(qū)動負載(例如另一電源 能級)?？梢岳斫獾氖?，從AC電源52傳輸?shù)诫娙萜鰿3的能量比率取決于晶體管開關(guān)Ql的 占空比。因此，使用反饋電壓和電流信號，PFC控制電路54可以控制晶體管開關(guān)Ql開關(guān)的 時間，從而使得AC電流和AC電壓基本同相，并且使得PFC輸出節(jié)點56的電壓基本保持在 恒定的DC水平。作為實例，晶體管開關(guān)Ql的開關(guān)頻率可以在10kHZ、50kHZ、250kHZ等的范 圍內(nèi)。PFC變換器電感器Ll可以傳輸諧波源很大的二次諧波頻率分量(如分別是50Hz 和60HzAC電源的IOOHz或120Hz)，但是也可傳輸相對較高的開關(guān)諧波的主要分量(如 20kHz-400kHz或更高)。圖3和4示出了連續(xù)導電模式PFC變換器(圖3)和臨界導電模 式PFC變換器(圖4)的典型的PFC升壓電感電流(時域和頻域)。圖3示出了流經(jīng)電感器 Ll的電流的時域圖80和頻域圖85 (例如時域圖80所示電感電流82)。如標記88和90所 示，流經(jīng)PFC電感器Ll的大部分電流為低頻，如IOOHz和200Hz (或者對于60Hz AC電源而 言是120Hz和240Hz)。然而，在PFC升壓電感器Ll中仍然有相當高比例的開關(guān)頻率電流 (如50kHz-500kHz)，用附圖標記92高亮表示。類似地，附圖4示出了流經(jīng)電感器Ll的電流的時域圖100和頻域圖110 (例如時 域圖100中所示的電感器電路102)。如附圖標記112和114所示，流經(jīng)PFC電感器Ll的大 部分電流為低頻，如IOOHz和200Hz (或?qū)τ?0Hz AC電源而言為120Hz和240Hz)。然而， 在PFC升壓電感器Ll中仍然存在相當高比例的開關(guān)頻率電流(如50kHz-500kHz)，用附圖 標記116高亮表示圖5示出了可用于PFC電感器(如電感器Li)的線圈或可傳輸多次諧波的其它應(yīng) 用中的優(yōu)化絞合線130的橫截面。電線130可包括位于中央相對較大的導電股線134以及 圍繞該較大導電股線134設(shè)置的多根股線136和138。導電股線134、136和138中的任一 個可包括由任何合適的導電材料(例如銅、銀或類似材料)制成的內(nèi)導體。此外，每根單股 線通過外絕緣層(例如外絕緣層142)彼此之間電絕緣，外絕緣層可由任意合適的材料構(gòu) 成，如尼龍、玻璃纖維、陶瓷、塑料等。此外，整個線130可包括外部絕緣層132?？梢岳斫獾?是，由于各種股線(例如股線134、136和138)都具有圓形橫截面，絞合線130的整個橫截 面可包括多個空隙140。通過使用具有不同橫截面積(或尺寸)的多根股線，每個尺寸的電線可被設(shè)計和 選定來傳輸PFC電感電流的一個或多個特定的諧波電流。從這一點上，不同尺寸的電線會 使得單根絞合線束的數(shù)量顯著減少，并由此相對于電線130的整體橫截面積而言具有較少 的絕緣。該結(jié)構(gòu)還可增加包括導體的電線130的橫截面積的比例。此外，通過降低電線130 橫截面內(nèi)的空氣間隔(如空隙140)的值，不同的電線尺寸利用橫截面積的效果要好于均等 電線尺寸的情況。在圖5所示的示例實施例中，位于中央的大導電線束134可傳輸二次諧波的AC源 頻率電流(對于50Hz和60Hz電源而言通常分別為IOOHz或120Hz)，距離電線130的外側(cè)較 近的中等股線138可傳輸AC源電流的較高頻率諧波(例如4次諧波、6次諧波等)，位于絞 合線130外邊緣的最小尺寸的股線136可傳輸開關(guān)頻率的電流(例如大約50kHz-500kHz)。 此外，通過使用不同尺寸的電線，導體可以利用導線130更多的橫截面積，這使得電線130
7能夠比使用與單一尺寸電線的尺寸相當?shù)慕g合線傳輸更大的電流。作為示例，導體可占絞 合線130的整體橫截面積的80%以上、90%以上或更高比例。可以理解的是，電線130各股 線的所選尺寸取決于所要應(yīng)用的電流的頻率和量級。在一個實施例中，中心股線134可占 電線130的導體總橫截面積的至少50%。此外，要理解到，可使用其它數(shù)量的不同尺寸的電 線(例如兩種不同尺寸的電線，4種不同尺寸的電線等)。此外，多股不同尺寸的電線可以排列成適當型式。例如，股線134、136和138可以 各種方式扭絞在一起(例如每英尺12捻)。此外，也可以使用其它方式，例如編織。圖6示出了包括主軸部分152和邊緣部分154和156的繞線管150的橫截面圖。 該繞線管150可與芯(如EE芯)一起構(gòu)成磁性元件，例如電感器或變壓器。在這個實施例 中，具有多種橫截面積(不同尺寸)的三根線束158、160和162繞著繞線管150的主軸纏 繞。每根線束158、160和162的端部耦接在一起，從而使得這多根線束彼此之間平行排列。 從這一點上，較小直徑的電線162可用于傳輸較高頻率的諧波(例如開關(guān)頻率電流)，而較 大直徑的160和158可分別用于傳輸中等頻率和較低頻率的諧波(如AC源頻率諧波)?？?選擇地，絕緣層164、166可設(shè)置在線束158、160和162之間以提供進一步的電隔離效果。在圖6所示的例子中，主軸152和繞線管150的邊緣154、156構(gòu)成一個“窗口 ”(該 面積由箭頭A和B表示)，用于纏繞線圈。應(yīng)當理解的是，通過使用具有不同尺寸的多種線 束，用來傳輸各種頻率電流的所述窗口部分可在之前設(shè)計的基礎(chǔ)上加以改進，所述的之前 設(shè)計使用相同尺寸的多根線。此外，一般而言，此處描述的特征通過減小具有非常低的電流 密度(由于集膚效應(yīng))的導體部分，通過減小不同尺寸的多根股線之間的間隙以及通過減 小單股線的絕緣層所占總橫截面積的比例來降低損耗。應(yīng)當理解的是，此處描述的特征也 可具有其它優(yōu)點。雖然根據(jù)附圖和在前描述已經(jīng)對本發(fā)明進行了詳細的說明和描述，這些說明和描 述應(yīng)被看作是示例性的，而并非是限制性的特征。例如，上文描述的特定實施例可以與其它 描述的實施例結(jié)合，和/或以其它方式排列(例如過程元件可以按其它順序布置)。因此， 應(yīng)當知道的是，這里僅示出和描述了優(yōu)選的實施例和變體，凡是落入本發(fā)明精神實質(zhì)范圍 內(nèi)的所有變化和變形都將會得到保護。相關(guān)申請的交叉引用本申請要求按照35U.S.C119于2008年5月28日提交的美國臨時申請?zhí)枮?No. 61/056706、名稱為“功率轉(zhuǎn)換技術(shù)”的專利申請的優(yōu)先權(quán)，其內(nèi)容在這里被全文結(jié)合引 入。
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權(quán)利要求
一種可有效傳導具有多個頻率分量的電流的傳導電纜，該傳導電纜包括多根股線，每根股線都包括內(nèi)導體和外絕緣層，其中所述多根股線中的至少一根具有不同于所述多根股線中其它股線的橫截面積。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的傳導電纜，其中只有一根股線具有大于所述多根股線中其它股線 的橫截面積，所述其它股線彼此之間具有相同的橫截面積。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的傳導電纜，其中所述一根股線設(shè)置在所述傳導電纜的中心附近， 以及其中所述多根股線中的所述其它股線遠離所述傳導電纜的中心布置。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的傳導電纜，其中所述一根股線的橫截面積至少是所述傳導電纜總 橫截面積的50%。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的傳導電纜，其中所述多根股線中所述其它股線的橫截面積被選定 為圍繞所述一根股線的股線的整數(shù)倍。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的傳導電纜，其中所述內(nèi)導體的橫截面積的總和大于所述傳導電纜 總橫截面積的85%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的傳導電纜，其中所述多根股線包括三種不同橫截面積的股線。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的傳導電纜，其中所述傳導電纜包括相同數(shù)量的具有第一橫截面積 和第二橫截面積的股線，其中所述第一橫截面積和所述第二橫截面積不同。
9.一種用于提供傳導電纜的方法，該方法包括如下步驟提供第一組包括內(nèi)導體和外絕緣層的一根或多根股線，該內(nèi)導體具有第一橫截面積；提供第二組包括內(nèi)導體和外絕緣層的一根或多根股線，該內(nèi)導體具有不同于所述第一 橫截面積的第二橫截面積；以及將所述第一組股線的端部與所述第二組股線的端部耦合在一起以形成傳導電纜；其中所述第一和第二橫截面積的尺寸被設(shè)計成可以有效地傳導具有多個頻率分量的 電流。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中所述第一組股線只包括一根股線，其中該一根股線的 橫截面積大于第二組股線的橫截面積，所述第二組股線全部具有相同的橫截面積。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中所述第一組股線的所述一根股線位于所述傳導電纜 的中心附近，其中所述第二組股線的股線遠離所述傳導電纜的中心布置。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中所述第一組股線的所述一根股線的橫截面積為該傳 導電纜總橫截面積的至少50%。
13.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，還包括圍繞至少一部分或一芯部纏繞所述所述傳導電纜以形成磁性元件。
14.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中所有內(nèi)導體橫截面積的總和大于所述傳導電纜總橫 截面積的85%。
15.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，進一步包括提供第三組由內(nèi)導體和外絕緣層構(gòu)成的一根或多根股線，所述內(nèi)導體具有不同于所述 第一和第二橫截面積的第三橫截面積；以及將第一組股線、第二組股線和第三組股線的端部耦接在一起以形成所述傳導電纜，其中所述第一、二和三橫截面積的尺寸被設(shè)計為能夠有效地傳輸具有多個頻率分量的 電流。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中所述第一組股線與第二和三組股線中的至少一個具 有相等數(shù)量的股線。
17.一種磁性元件包括 芯部；和繞著芯部的至少一部分纏繞的傳導電纜，該傳導電纜包括多根股線，每股包括內(nèi)導體 和外絕緣層，其中所述多根股線中的至少一股的橫截面積具有不同于所述多根股線中其它 股橫截面積的橫截面積。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的磁性元件，其中只有一股的橫截面積大于所述多根股線中的所 述其它股，而所述其它股的橫截面積都相等。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的磁性元件，其中該磁性元件為變壓器或電感器。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的磁性元件，其中該磁性元件為功率變換器電路的一部分。
全文摘要
一種用于降低元件如電感器和變壓器中功率損耗的傳導電纜。該傳導電纜包括多根股線，每股包括內(nèi)導體和外絕緣層。該傳導電纜包括多根具有多個橫截面積(多個尺寸)的股線，這樣即可降低與集膚效應(yīng)有關(guān)的功率損耗。該傳導電纜的多股線的橫截面積可根據(jù)它們要傳輸?shù)碾娏鞯念l率分量來選擇。在PFC升壓變換器的情況下，可以選擇不同橫截面積的股線來傳輸AC電源的諧波，以及由與PFC升壓變換器有關(guān)的開關(guān)引起的較高頻率的電流。
文檔編號H01F27/28GK101901641SQ20091016396
公開日2010年12月1日 申請日期2009年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月31日
發(fā)明者尼爾·蓋爾, 阿圖羅·西爾瓦 申請人:弗萊克斯電子有限責任公司