高能量、可扩展、脉冲功率、多模式多线绕电感器的制作方法

高能量、可扩展、脉冲功率、多模式多线绕电感器
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年1月22日递交的题为“high-energy,scalable,pulse power,multimode multifilar-wound inductor”的美国临时专利申请62/964442的优先权。
技术领域
3.实施例总体上涉及用于高效能量转换的磁性结构，诸如电感器。
4.背景
5.电感器被定义为由电感结构的铜(或等效)线以任何方式缠绕的任何磁性材料形式(即圆形、e芯、c芯、d芯等)；其中芯可以是空气或具有磁性的材料，例如铁氧体、叠层铁合金、粉末铁和非晶合金，或这些的任何组合。这也包括纳米晶体材料。
6.电感器是多面的，因为它们也可以与多根导线在各种配置中并联绕制作为多线绕组(multifilar windings)。本文的绕组命名法可以表示为：双线绕电感器可以称为双线(bifilar)；三线绕电感器可以称为三线(trifilar)；四线绕电感器可以称为四线(quadrifilar)，以此类推。此外，命名法可以替代地表示具有两个或更多个绕组的电感器，在本文不同地称为“多线”或诸如可以由两个、三个、四个或更多绕组表示。
7.多线绕电感器的一个新特性是增加电容如何衰减过电压(例如，美国专利号4,358,808)。在又一示例中(例如，美国专利号5,166,869)，应用双线绕组实践来消除电容器，因为这样的绕组内在地增加绕组电容。在又一示例中，应用四线解决方案来解决共模问题(例如，美国专利号4,679,132)。
8.通常，当从高压能源系统转换高电能(即，兆焦耳的规模，mj)时，电流需求可能达到数万安培或更多安培。有时由开关功能s提供到电感器l来对其进行控制。与此同时，电感器的电感l可能与铜线规互斥。例如，特定尺寸的环状芯可以计算20mh为绕制118匝，使得绕组的计算完全独立于用20号(gauge)还是16号铜线(或等效线)绕制。因为较大号的铜线增加了电感器的尺寸、重量、成本和效率；因此，电感器增加了其热和电磁(em)特征，其中em通常涉及整个em谱，包括从elf(极低频)到ir(红外)的近和远电场以及磁场。在许多应用中，必须抑制这些后面的em生成。这种应用可以包括军事用途，例如自主海上航行器。
9.在执行其各自的任务时，军事和民事服务可能会遇到不可预见的并且也许是最后手段的情况，这取决于提供超可靠、高可用性的短时突发的可调节的高能量，以协助和/或防止对生存的潜在威胁。该可调节的高能量可以被转换成一个或更多个有用的电压；然而，不可预见的高能量需求可能进一步以减少任何潜在的或可能的em特征的生成为条件。这种减少在诸如军事海上行动的许多应用中是一个必要的特性。
10.对于最后手段或高可靠性的其他需求，高能量功率系统可以包括电网、微电网和离网隔离的电力和备用应用。例如，独立备用电力，用于高层建筑电力故障以防止电梯滞留(elevator stranding)、用于临时照明和警报系统，以及还用于扩大柴油/天然气发电机的燃料容量，特别是在建筑和恶劣环境(例如极地环境)中。
11.这种超可靠性、高可用性的应用可以通过实施空间和军事高可靠性规范来满足，
其通常过于昂贵且复杂。尽管如此，最小化系统中的部件数量通常确保为了最高可靠性的最佳机会。为了这些目的，通过消除有利于脉冲模式形式的开关模式(即“降压转换器”)的拓扑结构明显地最小化了部件的数量。
12.因此，需要的是高能量的多模式、多线绕电感器，其将兆焦耳规模的能量转换为单个或多个有用电压，同时还将温升最小化，减小em场的生成，并将铜线尺寸最小化，从而减小电感器尺寸、重量、成本和效率，同时主要实现绝热加载。
13.在背景部分中讨论的主题不应被假设为现有技术，而仅仅作为它在背景部分中的提及的结果。类似地，在背景部分中提到的或者与背景部分的主题相关联的问题不应被假设为先前在现有技术中已经被认识到的。背景部分中的主题仅仅代表不同的方法，其中的这些方法本身也可能是发明
14.附图简述
15.在下面的附图中，类似的参考数字指明类似的结构元件。尽管附图描述了各种示例，但本文描述的一个或更多个实施例和实现不限于附图中描绘的示例。
16.图1示出了根据一些实施例的包括用于电感器的铜(或等效物)线在其周围绕制的材料的环状芯。
17.图2示出了图1的环状磁性结构，其中三根线的绕组从起始点围绕环状芯的一部分部分地缠绕。
18.图3示出了图2的完全缠绕的三线电感器，示出了根据一些实施例的起始点和停止点。
19.图4示出了在芯材料中配置有间隙的环状磁芯。
20.图5a示出了根据一些实施例使用多线电感器的脉冲功率拓扑图。
21.图5b示出了根据示例实施例的具有两个功率绕组p1和p2以及t和b绕组的电感器。
22.图6是示出根据一些实施例的多模式多线电感器的绝热梯度和传热散度之间的功率与时间的关系的曲线图的图示。
23.图7示出了根据一些实施例使用多路复用切换矩阵的脉冲功率、多模式、多线电感器电路的开路开关拓扑图。
24.图8示出了根据一些实施例的具有包括转向二极管的抑制电路的图5a的电感器电路。
25.图9是示出了根据一些实施例的具有包括延伸线的包覆(containment)结构的图5a的电感器电路的示意图。
26.图10示出了根据一些实施例的相对于环状电感器定位的图9的em包覆绕组。
27.图11示出了根据一些实施例使用图5a的多线电感器系统的能量变换系统。
28.图12示出了根据一些实施例使用图7的多模式、多线电感器系统的能量变换系统。
29.图13是示出了根据一些实施例的用于配置电感器电路的模式的开关阵列的设置的一组图表。
30.图14示出了根据一些实施例列出对于不同p1切换模式的不同负载的表1400。
31.图15a示出了图7的电路，其中对于绕组p1的特定开关配置对应于图13的1302。
32.图15b示出了图7的电路，其中对于绕组p1的特定开关配置对应于图13的1306。
33.图15c示出了图7的电路，其中对于绕组p1的特定开关配置对应于图13的1310。
34.概述
35.本文公开的实施例涉及脉冲功率、多模式、多线绕电感器的制造、形式和功能。更具体地，涉及一种由多线绕磁芯实现的可扩展的多模式高能量脉冲功率感应部件。
36.所公开的实施例还涉及使用多线绕磁性结构来增强能量转换、提高绝热加载效率和减小反emf。更具体地，一种有效的磁性结构包括多线绕磁芯，以增加能量转换，抑制温升，并最小化瞬态emf。
37.公开了用于消散反emf的磁性结构中的多个绕组的实施例。当在某些实施例中，所述绕组并联缠绕时，这样的绕组可以被表示为“双线”绕，意为两个导体(导线)并联，或者“三线”绕，意为三个导体并联。然而，绕组可以包括多于两根或三根并联的导线。
38.详细描述
39.下面提供了一个或更多个实施例的详细描述以及说明所描述的实施例的原理的附图。尽管结合这些实施例描述了本发明的各个方面，但应当理解，本发明不限于任何一个实施例。相反，范围仅由权利要求限制，并且本发明包括许多替代物、修改和等同物。出于示例的目的，在下面的描述中阐述了许多具体细节，以便提供对所描述的实施例的透彻理解，这些实施例可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下根据权利要求来实践。为了清楚起见，没有详细描述与实施例相关的技术领域中已知的技术材料，以免不必要地模糊所描述的实施例。
40.应当理解，所描述的实施例可以以包括作为过程、装置、系统、较大系统内的设备或部件、方法或制造的物品的多种方式实现。
41.多线电感器
42.作为一种基本的电子部件，磁性结构设计可以包括对某些复杂向量的考虑。这些向量中的一个，即磁通量饱和，磁性结构的介质(材料)的b
sat
可分类为诸如铁氧体、粉末、铁合金等的若干介质类别，每一种介质具有其典型的b
sat
点。在这些材料中，铁氧体的b
sat
可能是最低的。每个类别的磁性材料相比于其他材料都具有一定的优势。例如，尽管铁氧体具有相对较低的b
sat
和居里温度，但铁氧体的某些高效特性可能是期望的。因此，铁氧体可能具有某些优越的参数，但可能具有最低的b
sat
。对于某些高功率/大电流应用，较低b
sat
可以呈现出巨大的b
max
(保持低于b
sat
)限制。脉冲功率、多模式、多线电感器的实施例克服了这些限制中的一些。
43.虽然有可能设计和生产更多的b
sat
耐受材料(即粉末)，其中这种铁氧体设计的b
max
可以超过b
sat
。例如，可以存在优先材料列表，诸如：铁氧体，第一；粉末，第二；等等。在这种情况下，在铁氧体不能承受设计的功率的情况下，设计师可以向下移动到下一个优先材料。本文描述的多线电感器的实施例不限于仅一种这样的磁性介质或材料。
44.用于减轻对于大电流的铁氧体的低b
sat
点的一种可能的解决方法可以是向磁性结构中插入间隙。更具体地，诸如环状形式的某些磁性结构可以适于间隙实践。本文描述的多线电感器的实施例可以与有间隙或无间隙的磁性结构一起使用。
45.实施例包括将兆焦耳规模的能量转换为单个或多个有用电压的高能量、多模式、多线绕电感器。该电感器特征旨在最小化温升，并减少em场的生成，同时最小化铜绕组线尺寸。这降低了电感器的尺寸、重量、成本和效率，并实现绝热负载。
46.在实施例中，电感器被配置成环状铁氧体电感器l。图1示出了包括诸如铁氧体的
材料的环状芯，铜(或等效物)线缠绕在该材料周围。如图1所示，芯可以是单个整体件，也可以是由两个或更多个堆叠的芯构成的复合单元。对于图1的示例，示出了具有芯101和102的两件堆叠环状芯，但实施例不限于此，根据应用需要和限制，可以堆叠任何实际数量的芯。可以使用已知的连接方法将多个或复合芯101和102连接或固定在一起，或者它们可以只是放置在一起并通过线绕组连接。
47.在实施例中，用多个单独的铜线缠绕环状芯100。绕组可以是双线(两根导线)、三线(三根导线)、四线(四根导线)等等，以产生多线电感器。本文描述的实施例将针对三线电感器，但是应当注意，其他数量的导线也是可能的。图2示出了图1的环状磁性结构100，其中一组三根导线从起始点围绕环状芯的一部分部分地缠绕以形成绕组202。在图304中，三根导线被表示为304、306和308，并且可以具有诸如黄色、绿色和红色的不同的颜色或色度以区分它们自己。它们以交替方式被缠绕，如绿-黄-红-绿-黄-红(或304-306-308-304-306-308......)等等。根据应用需要，导线可以具有统一的量规和厚度，并且在本文将被描述为铜，但也可以使用其他类似的材料。三根导线通常作为单层并且以如虚线方向箭头210所示的规定方向(即顺时针或逆时针)缠绕在芯100上。可以通过用粘合剂、胶带(如所示)或其他类似的固定手段固定导线的一端来开始缠绕。
48.图3示出了根据一些实施例的完全缠绕的三线电感器300。在本实施例中，三根导线在304a、306a和308a表示的起始点处开始。按规定方向(顺时针或逆时针)将导线缠绕在环状芯上，直到到达期望的结束(或停止)点。然后切割导线以产生端部引线304b、306b和308b。两组引线304a-306a-308a和引线304b-306b-308b分别用作电感器在电路中使用时的输入引线和输出引线，诸如下面的图5a所示。
49.单个导线304、306和308之间的线规和间距可以改变。也就是说，它们可以彼此紧挨着或其间有一定量的间距来进行缠绕。它们可以具有相同的量规或不同的量规，并且它们可以是绝缘的或不绝缘的，视情况而定。绕线也可以沿着环状芯尽可能多的延伸。因此，如图3所示，在导线的起始和导线的结束之间存在间距310。根据需要，间距310可以由在导线的起始和结束之间的任何距离形成。对于所示的实施例，提供了诸如沿由环状的面限定的圆的约5到10度的相对较小的间距310。在其他实施例中，可以使用诸如15至20度的更大的间距，或任何其他间距。该间距310最小化了在导线的末端直接邻近或靠着导线的起始部的情况下可能出现的h/b场扰动。根据应用需要和限制，可以改变间距310在其面积与芯的总面积和/或绕组的数量成比例方面的配置。
50.如上所述，铁氧体电感器可能表现出在高电流下的低b
sat
点，并且减轻这种效果的一种方法是在磁性结构中插入间隙。图1的环状磁性结构适于间隙配置。因此，在实施例中，可以使环状芯本身形成间隙，从而在芯的铁氧体主体中打开缺口或槽。这种有间隙的环形线圈代表另一类的感应b/h操作。在这种情况下，饱和曲线被移动了一些，以允许更多的电流流动。该间隙可以具有任何适当的尺寸，但通常，电感随间隙尺寸的增加而减小。因此，间隙越宽，电感越低。此外，对于有间隙的环形线圈，应当注意的是，大部分能量j存储在间隙中。图4示出了配置有间隙的环状磁芯。如图4所示，磁芯14形成有间隙16。间隙16的尺寸可以被设定成优化减轻铁氧体芯的低b
sat
点的有利效果。当以这种方式形成间隙时，应相应地配置绕组304、306和308的取向以及起始引线和结束引线之间的任何间距310，使得如果需要，绕组覆盖间隙或在绕组间距内。
51.如本文所使用的，多线绕组202是指平行的磁性导线，其是指包含至少两个磁性导线的制品，这些磁性导线都局部地彼此平行，该磁性导线可以形成带状，其中每一个导线通过绝缘材料与其他导线电隔离。在一些实施例中，磁性导线可以单独涂覆电绝缘体，也可以不单独涂覆电绝缘体。磁性导线可以平行地嵌入两片绝缘材料之间，也可以不平行地嵌入两片绝缘材料之间，两片绝缘材料被聚集在一起以将导线和绝缘材料结合在一起，从而产生平行结合的磁性导线带。然后，绝缘的磁性导线可以彼此平行地布置，并且可以被结合在一起以形成平行结合的磁性导线带。磁性导线可以主要由金属组成，例如铜或铝、两种或更多种金属的合金，由分层导线组成，分层导线可能包含铝的内层和铜的外层。另一替代分层导线可以包含铜的内层和铝的外层。
52.脉冲功率多模式电路
53.在实施例中，多线(三线)电感器300被用于脉冲功率拓扑结构。图5a示出了根据一些实施例使用多线电感器的脉冲功率拓扑图。在这样的脉冲功率电路500中，电感器l1可以通过开关s1将dc脉冲能量施加到功率绕组p1而在脉冲功率开关单极不接地配置中实现。对于图5a所示的实施例，电感器300(l1)的三个绕组表示为p1(用于功率绕组)、b(用于双线绕组)和t(用于三线绕组)。b绕组用于减少由开关s1传递的功率脉冲的后沿引起的无功部分。t绕组用于消减剩余的无功部分，这种消减也有效地抑制了电感器发出的emf。
54.p1功率绕组表示三线电感器中的第一或唯一的功率绕组。如果使用三个以上的绕组，则可以使用附加的功率线p2、p3等。图5b中示出了这样的示例，其示出了具有两个功率绕组p1和p2以及t和b绕组的电感器510。可以提供如表示为p1到pn的任何数量的功率绕组。
55.在实施例中，铁氧体三线绕环状形式的热阻增加到即使兆焦耳能量通过开关转换到l1也不会引起热传递铜线温升的程度，从而实现一定程度的绝热加载。这是电感器电感μ的结果，其可以在热-变换时间t
t
内。图6是示出根据一些实施例的多模式多线电感器的绝热梯度和传热散度之间的能量(以焦耳为单位)与时间的曲线图。在图6中，x轴(v)表示时间t
t
，y轴(p)表示电流i(就以焦耳为单位的能量而言)。随着t
t
增加，或者随着i增加，p1上的功率朝向等温线移动；或者更好的是，存在更可能的温度变换。在曲线图600中，梯度606将绝热区域602与传热区域604分离。通过在沿时间尺度(x轴)的两个特定点之间的梯度606内定义的曲线610导出做功量608。电感器实施例需要缓解(relief)，使得功率耗散由如下方程式1.0产生：
56.i2r*θja*占空比＝温升
ꢀꢀ
[方程式1.0]
[0057]
图表600中的绝热过程区域602代表其中能量仅作为功从电路500转移而没有热量或质量转移的区域。
[0058]
如图5a所示，电感器l1具有到三个绕组t、p1和b的一组输入端子和来自三个绕组t、p1和b的一组输出端子。这些端子表示为输入端1、2和3和输出端4、5和6。因此，绕组t具有输入引线1和输出引线4，绕组p1具有输入引线2和输出引线5，绕组b具有输入引线3和输出引线6。关于图3的物理电感器300，这些导线引线在输入端上对应如下：304a＝1、306a＝2和308a＝3；在输出端上如下：304b＝4、306b＝5和308b＝6。在实施例中，当在诸如电路500的电路中使用这些不同的输入和输出引线的使用和配置时，其为电感器提供了多模式功能。也就是说，通过在不同的输入引线和输出引线之间切换，可以改变电路内电感的模式。例如，通过将p1绕组从线1切换到线2，可以显著降低占空比。
[0059]
在实施例中，三组绕组之间的切换功能通过多路复用的切换矩阵来实现。图7示出了根据一些实施例使用多路复用的切换矩阵的脉冲功率、多模式、多线电感器电路的开路开关拓扑图。如图7所示，电路700包括一组三个多路复用切换矩阵，在输入侧表示为704a、706a、708a，在输出侧表示为704b、706b和708b。三组中的每一组都有三个开关，表示为s2a、s2b和s2c。下面关于图13和图14更详细地描述不同的切换模式。
[0060]
多模式功能不仅仅是在绕组之间切换p1。例如，实施例可以切换b绕组与p1并联，从而有效地为甚至更高的功率变换提供p1、p2绕组。类似地，可以提供并联的t绕组。
[0061]
尽管实施例描述了单个三线电感器的使用，但通过添加第二三线绕电感器或其他附加多线绕电感器，使得附加的多模式功能成为可能。
[0062]
这为电路700提供了一定程度的可扩展性，其中可能组合的数量仅由绕组和电感器之间排列的可能数量所限制。这提供了重要范围内的功率级的扩展。
[0063]
如图5a所示，电路500包括包覆结构502和抑制结构504。在图7的多模式实施例中，这些分别对应于包覆部件702和抑制部件701。在实施例中，抑制部件701包括二极管以提供一定程度的emf抑制。
[0064]
图8示出了具有包括转向二极管802的抑制电路的图5a的电感器电路。电路800中的二极管802可以体现为任何适当的二极管器件或其他电流阻断电路。在环状电感器300的通常高电压、高功率应用中，必须始终提供并启用抑制电路或部件。这是因为由emf效应生成的高电压尖峰可能会损坏或破坏系统中的相关电子设备。尽管图8示出了作为抑制电路的二极管器件，但实施例不限于此，并且也可以使用包括半导体电路的其他器件。然而，由于抑制了高杂散电压，半导体转向需要昂贵的部件，但通常不保证成本；因此，转向二极管802通常就足够了。
[0065]
包覆部件702还被配置成提供emf抑制。它通过生成反向磁通实现这一点，使得每个绕组中的emf被抵消，从而消减在脉冲功率占空比过程中生成的em近场和远场。在实施例中，包覆电路包括t绕组增强，该t绕组增强通过缠绕在环形线圈外部的延伸铜线来实现。该导线以圆形方式铺设在环形线圈的顶部，并在与p1、b和t绕组方向相反的分层中。因此，em包覆由扩展的t绕组实现，其被封装或包装为环形线圈结构300的一部分。em包覆绕组可以设置在环形线圈的一侧或两侧上，并通过反向电流抵消无功em传输来工作。图9是示出具有包括延伸导线902的包覆结构的图5a的电感器电路的示意图。如电路900所示，导线902耦合到t绕组的端部引线并延伸到电路和环形线圈本身的上方。
[0066]
图10示出了根据一些实施例的相对于环状电感器定位的图9的em包覆绕组。如图10所示，连接到电感器1000的t绕组的盘绕导线绕组1002沿着电感器的顶部铺设。导线可以放置在电感器的任何一侧上。如所示，附加的em包覆绕组1004也可以设置在电感器的相对侧上。根据电感器设计和应用要求，一个或更多个包覆导线可以具有任何合适的量规、长度和组成。
[0067]
如上所述，抑制部件和包覆部件都有助于减轻或消减反emf效应引起的问题。对于这些emf效应，反emf通常是指与所感应的电流方向相反的感应电动势(emf)，并且对于诸如大型发电机组的高能应用中的电感电路的静态和动态运行都是重要的问题。
[0068]
emf是电磁力或场，也称为电势。当变化的电流被施加到线绕磁性结构上时，在所述开关断开时，由电感器的b场的衰减产生的反emf将在其开关触点上产生瞬态emf。在许多
情况下，这种瞬态emf效应是不希望的，因为它倾向于对连接的和/或其他相邻部件产生不利影响。例如，继电器线圈的瞬态emf作用于其控制磁性结构操作的通断开关，可能会导致其金属触点上的电弧。这种不利的瞬变损害了能量效率。然而，到底有多少能量损失取决于磁性结构的电路拓扑结构和磁性结构的物理配置。更重要的是，ac瞬变遵循一组能量损失计算。dc瞬变遵循另一组能量损失计算。前述dc瞬变能量损失计算的示例实施例是具有包括但不限于粉末或铁氧体材料的芯的某些电感器的示例实施例。此外，这种芯可以以许多几何形式成形。例如但不限于c芯、e芯以及环状形式。
[0069]
通过用环状(环形线圈)绕制芯电感器代替e/c型绕制芯电感器，改进了在某个试验情况下在某几种电感中测量到的效率。与此同时，一个1200v真空继电器s1被600v mosfet开关所代替。显然，作为半导体的mosfet可能比其代替的真空继电器更容易受到瞬态emf异常的影响。这被示出为由导数所示：-l(di/dt)，其中l是电感，i是电流，t是时间。负号(-)表示反emf。为了说明不同的时间范围，被替代的真空继电器触点以毫秒(ms)为单位断开和闭合，而mosfet可以以微秒(μs)为单位来启用和禁用。电磁(em)基本要素类似欧姆定律v＝i
×
r(因此，当s1断开时，电流不变；只有电压一定改变)。因此，很明显，瞬态emf中的v将具有潜在的许多倍的破坏性，或者换句话说，通常随着t变短。
[0070]
改善危险瞬态emf的一种方法是加入缓冲器。然而，缓冲器仅限于特定的电压。也就是说，某些类型的高能量电容器存储需要高电压，诸如：j＝cv2/2，其中j＝以焦耳为单位的能量，v＝电压，c＝电容。这种高电压呈指数下降，例如50％的电压下降相当于其能量的75％(或电压/能量摆动)，从而大大增加了压敏缓冲电路的设计难度。此外，也可以使缓冲电路更高效。缓冲电路不限于二极管。但可以包括金属氧化物压敏电阻(mov)。许多电路设计者用这些部件的组合来制造缓冲器。
[0071]
另一改善瞬态emf的方法是如本文所述的多线磁性结构绕组。多线绕组的应用从电子学诞生之初就已为人所知。其中多线绕组是指平行缠绕的导线。例如，双线变换器被认为是对于最低成本的功率电子变换器的最有前途的候选者，每相只需一个接地参考开关即可实现单极激发，或每相只需两个接地参考开关即可实现双极激发。多种功率变换器拓扑结构可以支持多种双线绕磁性结构。
[0072]
然而，如果并且只有当反emf能够在磁性结构上被抑制或被进一步抑制，那么二极管和mov将更加有效，由此耗散更少的能量，或者甚至不需要耗散能量。因此，抑制瞬态emf的一个更好的方法是抑制磁性结构处的反emf。因此，图5a中的抑制器和包覆结构提供了一种有效的方法来抑制磁性结构处的反emf。应当注意，本文描述的磁性结构包括但不限于任何电感设备，但不包括传统的线圈驱动的机械继电器。
[0073]
描述了示例实施例，其电感器为环状的、不接地的，并且在具有单极激发的dc偏置电平上。这种设备可以与开关或切换矩阵以及高电压(hv)和服务组(service bank)结合使用，诸如在美国专利号9,287,701和9,713,993中所描述的。开关的一侧可以连接到hv组，另一侧可以连接到环状电感器l1。因此，s1可以被断开(启用)设定时段t或以其他方式闭合。因此，当s1被启用时，dc脉冲在l1的高压侧两端提供激发。而l1低压侧连接到sv组。关于某些l1问题，首先，假设铁氧体环状电感器处于可能为100a或更高的大电流i处，电感为1.0h(亨利)，以及下面的方程式2.0：
[0074]
le＝(πod*id)/ln(od/id)
ꢀꢀ
方程式2.0
[0075]
在上面的方程式中，以cm为单位的le等于mpl(磁路长度)，od是环形线圈的外径，id是环形线圈的内径。
[0076]
对于高能量、大电流的应用，任何磁性结构都必须符合下面的方程式3.0施加的限制：
[0077]
h＝(0.4πni)/le
ꢀꢀ
方程式3.0
[0078]
在上面的方程式中，左侧以奥斯特(oe)为单位的h等于源emf。右侧等于以厘米为单位的环形线圈的圆形尺寸le与绕组数量和峰值电流的乘积(n乘以i)之间相除的关系(注：0.4π代表记数系统的mks和cgs之间的转换)。
[0079]
匝数n可以使用若干方法中的一种(诸如通过使用在线电感计算器)获得。对于铜线号
‘
g’，假设对于100a，为10g或8g。因此，匝数决定了导线长度。一旦n被确定，则h可以用上面的方程式确定。
[0080]
例如，如果i＝100a，h可以容易地得出70’s oe左右的结果。这里，铁氧体在15oe左右饱和。某些测试显示，在被认为是峰值电流三倍于b
sat
点的情况下不饱和，但相反，实际的峰值电流结果是在b
sat
点内。
[0081]
曲线200的波形的斜率是能量随时间的积分，其减小到近似于下面的方程式4.0中给出的积分：
[0082][0083]
波形的斜率的峰值电流远小于假设的静态计算指示。因此双线绕电感器(l1)提供了两个属性。首先，它减轻了反emf，其次，当耦合到sv电容器组时，它增加了b
sat
内部的能量转换。
[0084]
某些测试还表明，在电感器的工作过程中，温升很少或没有。首先，在铁氧体铜线绕的环形线圈中，主要电阻来自铜线。数学上，温升等于电流(i)的平方乘以铜线电阻乘以电流穿过电感的时间，再除以电容。因此，如方程式5.0所示：
[0085]
δt＝i2tδt/c
ꢀꢀ
方程式5.0。
[0086]
这种温升效应表示为绝热加载。也就是说，能量转换的时间很短，从而不会引起热耗散。因此，除了上述两个属性外，给定铁氧体具有相对低的居里温度点；提供了绝热加载的第三个并且重要的属性。
[0087]
能量转换系统
[0088]
如上所述，图5a的脉冲功率、可扩展、多模式、多线电感器电路可以被用于能量转换系统，诸如高能量电容转换系统。图11示出了根据一些实施例使用图5a的多线电感器系统的能量转换系统。如图11的图1100所示，监控单元1104设置在高电压(hv)组和服务组(sv)1106之间。hv组有两个组，组a和组b，每个组有许多堆叠的超级电容器单元和两区段切换，以在每个组内部和之间的单元中转换能量。sv组区段1106具有通过负载开关s5耦合到负载1112的sv组存储系统。通过开关s4和s1以及电感器l1来控制向sv组1106的能量传递。在实施例中，l1是三线绕的环状电感器300，并且位于抑制/包覆电路1108中并且对应于图5a中所示的电路。
[0089]
图11是根据一些实施例的到sv组的监控、切换和电感器连接的框图。如图1100所
示，s4组开关在hv组区段的组a和组b之间选择。该开关设置与来自监控单元1104的控制信号一起控制开关s1的状态，其接合或解耦电感器l1。来自hv组区段的能量通过电感器l1(当开关s1闭合时)馈送到sv组1106，并通过负载需求开关s5馈送到负载1112。例如，如图11所示，sv组具有维持在115v和120v之间的电压。sv组被示出在120v，并且充电的触发点设置在115v。图1100示出了旨在强调将电压控制在117.5v /-2.5v的能力的分离量。
[0090]
诸如图7所示，系统1100的电感器电路1108可以由多模式、多线电感器电路来实现，以提供电感器工作模式的许多选择。图12示出了根据一些实施例使用图7的多模式、多线电感器系统的能量转换系统。如图12所示，系统1200包含三线绕电感器l1，其具有抑制结构和包覆结构，并与切换矩阵结合，如图7所示。这样的电路1208由监控电路使用，以控制通过hv组和sv组到达负载，如上文关于图11所述。
[0091]
切换模式
[0092]
如上所述，实施例包括切换矩阵，该切换矩阵将包含多线电感器的电路设置为几个不同模式中的一个。这些模式被用来扩展电路的占空比，以优化图6中示出的绝热梯度与传热散度。可以在图6中的图600看出，绝热梯度与传热散度的曲线说明，提高占空比或能量接近该梯度，使得绕组可能会引起热吸收。关于图12的切换矩阵和电感器电路1208，这意味着将绕组p1切换到相邻绕组，至少在理论上，占空比明显地减少了一半(实际占空比减少取决于电路和部件的变量)。利用电路1208的三线电感器300，三个绕组允许占空比进一步降低。允许p1绕组在其他绕组(t和b)之间切换减小了占空比，从而允许包括绕组的导体的尺寸减小，并且在电感器上均匀地增加功率。这本质上是一个向量变换。
[0093]
为了进一步扩展该特征，在某些实施例中，电感器绕组上的脉冲功率可以是这样的，对于电流i，可以存在由电感器吸收的热能i2r损失。主要(但不是所有)变量由方程式6.0给出，其中损失(或称为热源)、电感器的热阻和它的热暴露易损性变量可以表示为：
[0094]
i2r x(θ＝δt/p)x dc
ꢀꢀ
方程式6.0
[0095]
在这个方程式中，r是绕组的总电阻；θ＝δt/p表示电感的热阻，dc为占空比。其中脉冲功率的导通时间的占空比＝t
on
/(t
on
t
off
)是其关断时间的比率。一般情况下，dc越低，电感器吸收热能的易损性越小。而dc越高，越可能存在电感器对热能转换的易损性。图6中总结了这些效应，其示出左侧曲线604是绝热负载边界或梯度，右侧曲线602是传热吸收或散度。
[0096]
在使用切换矩阵来使多线绕电感器的功率绕组p1能够在绕组之间切换的实施例中，可以减小占空比，从而进一步保护电感器免受温升的影响。因此，例如，通过将p1切换到相邻的绕组，占空比显然(理论上)减少了一半。因此，图12的实施例允许p1在多线绕组之间的切换在(1)sv组充电周期之间或在(2)功率脉冲之间的这样的周期之间，其表示为r
负载
。这些模式被表示为p1 c(p1 充电)模式，用于在情况(1)中切换，以及p1 r
负载
(p1 脉冲)模式，用于在情况(2)中切换，其中 表示已切换的p1。
[0097]
这两个模式中的每一个可以进一步被子分类为本质上由负载1212控制的功率特征。如果小于满负载(即设计的最大值)，则不需要切换。图14示出了根据一些实施例列出对于不同p1切换模式的不同负载的表1400。如表1400所示，模式如下：模式p1 c为连续满负载；模式p1 c为连续满负载，其中 表示在对sv组充电之间连续切换p1；模式p1 r
负载
是偶尔过载；模式p1 r
负载
是间歇性过载，以及模式p1 p1是最后的手段功率，其并联切换两个
绕组。
[0098]
关于图12，通常，占空比相对于负载1212变化，并且由环状绕组的总电容加上sv组1210来控制。也就是说，每个脉冲转换的能量加上将sv组充电到有用电压所需的脉冲数量。因此，例如，如果sv组大小(以电容计)设置为125v，使得恒定的15kj负载将花费5秒才能放电到114v，那么，7kj负载将花费10秒才能放电到114v。然而，如果短时间内负载需求为30kj，则电路必须每2.5秒启用s1一次。由此可以看出，可以存在大范围的占空比。对于图12的实施例，多模式(或占空比扩展器)机构允许大范围的占空比。
[0099]
图13是示出根据一些实施例的开关阵列的设置以配置电感器电路的模式的一组图表。在图13中，s21、s22和s23表示图7的图700所示的三个多模式开关。这些开关的各个引脚分配是图13的识别的图表1302、1306和1310。这些图表中的每一个根据相应的电路图1304、1308和1310切换p1绕组与抑制电路和包覆电路之间的连接。因此，图表1302示出针对电路1304的开关s21a、s22a和s23a的引脚分配，图表1306示出针对电路1308的开关s21b、s22b和s23b的引脚分配，且图表1310示出针对电路1312的开关s21c、s22c和s23c的引脚分配。如图8所示，抑制绕组被短路并且可以可选地通过转向二极管连接。此外，如上所述，包覆绕组在环形线圈的顶部和环形线圈的下面以圆形模式延伸，并且是可选的。对于噪声电平中的值，诸如大约40dbm，可以体现双倍或甚至三倍叠加。
[0100]
切换矩阵允许p1绕组在三个绕组t、b和p之间切换。目标是切换p1，使得如果p处的#1绕组在绝热负载和传热温升之间推动图6中每个图表600所示的边界。
[0101]
图15a、图15b和图15c示出了图7的电路700，其具有用于绕组p1的特定开关配置，与图13的相应图表1302、1306和1310相对应。对于这些图，所有开关都是3个中的1个并且显示在断开位置中。
[0102]
图15a示出了具有对应于图13的1302的针对绕组p1的特定开关配置的图7的电路。该电路示出了绕组p1与电路800的引脚1至4的连接。
[0103]
图15b示出了具有对应于图13的1306的针对绕组p1的特定开关配置的图7的电路。该电路示出了绕组p1与电路800的引脚2至5的连接。
[0104]
图15c示出了具有对应于图13的1310的针对绕组p1的特定开关配置的图7的电路。该电路示出了绕组p1与电路800的引脚3至6的连接。
[0105]
图15a-图15c的切换配置仅作为示例提供，并且根据其他实施例，其他切换电路和配置也可能实现多线环状电感器300的绕组切换。
[0106]
在实施例中，温度传感器可以被包括或与每个绕组相关联。温度传感器可以体现为热敏电阻rtd(电阻温度检测器)。这种传感器用于测量温度，并且可以由围绕芯(例如陶瓷或玻璃)缠绕的细纯金属线(例如镍、铜、铂)组成。它测量温度作为电阻的函数。在实施例中，温度传感器还可以实现为广角热感相机来覆盖环形线圈的内部区域。多个热敏电阻也可以放置在外部绕组之间。内部绕组之间的放置也是可能的，但由于内部绕组紧密的可能的正弦效应，外部绕组之间通常有更大空间。温度传感器检测在电感器使用期间温度增加超过定义阈值。任何这样的温度增加一定是p1绕组的结果，但识别准确的绕组是不必要的。只需检测整个电感器中的特定温升。这样的温度增加可以用来触发p1的切换。
[0107]
尽管对于某些示例配置和部件已经描述并示出了某些实施例，但应当理解，实施例并不限于此，并且任何实际配置、组成、操作范围或部件的选择都是可能的。同样，本文提
供了某些特定的值和操作参数。这些示例仅用于说明，实施例并不限于此。本领域普通技术人员可以使用任何适当的替代方案来实现所描述的功能。
[0108]
为了清楚起见，本文的过程和方法已经用特定的流程来说明，但是应当理解，在不脱离本发明的精神的情况下，其他顺序也是可能的，并且一些过程和方法可以并行执行。此外，步骤可以被细分或组合。
[0109]
除非上下文另有要求，否则描述和权利要求中，“包括(comprise)”、“包括(comprising)”等词语应以包括的意义来解释，而不是排他性或穷尽性的意义；也就是说，在某种意义上“包括，但不限于此”。使用单数或复数的词语也分别包括复数或单数。附加地，“本文”、“下文”、“上面”、“下面”以及类似含义的词语是指本技术的整体，而不是指本技术的任何特定部分。当词语“或”被用于参考两个或更多个项目的列表时，该词涵盖对该词的下列所有解释：列表中的任何项目、列表中的所有项目以及列表中项目的任何组合。
[0110]
本文引用的所有参考通过引用而并入。虽然已经通过示例的方式并根据特定实施例描述了一个或更多个实现，但应理解，一个或更多个实现不限于所公开的实施例。相反，本发明旨在涵盖对本领域技术人员明显的各种修改和类似布置。因此，应对所附权利要求的范围做出最宽泛的解释，以便包括所有此类修改和类似布置。