JP2006165465A

JP2006165465A - 線輪部品

Info

Publication number: JP2006165465A
Application number: JP2004358523A
Authority: JP
Inventors: Hatsuo Matsumoto; 初男松本
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2004-12-10
Filing date: 2004-12-10
Publication date: 2006-06-22

Abstract

【課題】小型、薄型で、かつ効率良く漏洩磁束を与える構造であって、適用回路においてはリップル電流の低減効果に寄与する線輪部品を得る。
【解決手段】磁芯に４本の巻線１，２，３，４を巻回し、前記巻線同士が互いに閉磁路を形成するように為すと共に、各巻線の片側の端末は結束されて使用される構成の線輪部品において、前記各々巻線１，２，３，４のうちの、少なくとも一つに電流を流した際に、他の全ての巻線には、逆極性の誘起電圧を発生する、逆向き電流が流れるように、前記巻線の巻き方向を配置した線輪部品とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング電源回路に供する磁芯及び線輪部品に係わり、特に低損失で高電力密度な電力変換機に好適な線輪部品に関する。

従来の線輪部品、特にチョークコイル、およびその使用方法について説明する。従来より、降圧あるいは昇圧型のチョッパ回路を用いたＤＣ−ＤＣコンバータには、磁気エネルギーを一時、蓄積して円滑な電力変換を行うためチョークコイルが広く用いられている。その処理電力容量を大幅に増す場合には、チョッパ回路部をＮ並列に多重化し、各々の動作位相を、π／Ｎラジアンずらして動作させるMurti-Phazeコンバータが有効な手段として用いられている。

図７は、従来のチョークコイルの説明図である。ドラム型コア５１に巻線７１が巻かれた、単一の構造である。また、図８は、図７のチョークコイルの適用回路図であり、２−PhazeＤＣ−ＤＣコンバータの構成例である。

図８に示す回路は、図７に示すような個別のチョークコイルＬ１，Ｌ２が用いられており、各phazeのスイッチ１５ａ，１６ｂが交互がオン・オフすることで回路電流を単独のチョッパよりも分担、軽減して高出力化を可能としている。

図９は、従来のチョークコイルの他の例の説明図である。図９に示すチョークコイルは、ドラム型コア５２に、巻線７２が巻かれた、第１のチョークコイルと、ドラム型コア５３に、巻線７３が巻かれた、第２のチョークコイルとを接近させて、漏洩磁束の影響が生じるように配置したチョークコイルである。

図１０は、図９のチョークコイルの適用回路図であり、結合型２−PhazeＤＣ−ＤＣコンバータの構成例である。図１０の適用回路は、互いのチョークコイル間の相互誘導利得を利用する方法であって、それぞれの第１のチョークコイルと、第２のチョークコイル間の相互誘導作用によって、図１０に示すような等価的回路構成の結合型の形態で適用し、図８の適用回路に比較して、リップル電流の低減が実現される。図７に示したように、個別のチョークコイルを用いて、インダクタンスを増やすことなく、リップル電流の低減をはかれる。

図７、図９に示す以外の線輪部品の例として、特許文献１には、第１分割コアと第２分割コアの間に空隙部を有するコイル部品について記載されている。空隙部を有することによって、大電流に対応できるコイル部品となっている。

特開２００１ー１６７９３２号公報

従来の技術による結合型チョークコイルでは、単に近接させるだけの構成であり、相互の磁気結合は高々数％程度と低いため、相互誘導効果に伴うリップル電流の低減効果は殆ど得られないという問題点があった。

従って、本発明の課題は、小型、薄型で、かつ効率良く漏洩磁束を与える構造であって、適用回路においては、リップル電流の低減効果に寄与する線輪部品を提供することである。

従来技術の問題点を解決するため、本発明は、磁芯に複数の巻線が巻回され、前記巻線は相互に同じ閉磁路を形成すると共に、相互に異なる閉磁路を形成する磁路上に巻回され、かつ各巻線（コイル）の片側の端末は結束されて使用される構成の線輪部品において、各々の巻線（コイル）のうちのひとつに（コイル）電流を流した際に、他の全ての巻線（コイル）には逆向き電流が流れる線輪部品である。

更に、前記磁芯は、金属粉末磁性材料等の比透磁率がある程度小さな材料で構成される場合には、当該磁路中には特に空隙を設けずに構成し、また、前記磁芯がフェライトなどの比較的比透磁率の高い軟磁性材料の場合には該該閉磁路に設ける空隙は各コイルに対してそれぞれ２箇所となるように構成した線輪部品である。

即ち、本発明は、磁芯に複数の巻線を巻回し前記巻線は相互に同じ閉磁路を形成すると共に、相互に異なる閉磁路を形成する磁路上に巻回され、かつ各巻線の片側の端末は結束されて使用される構成の線輪部品において、前記各々巻線のうちの、少なくとも一つに電流を流した際に、他の全ての巻線には、逆極性の誘起電圧を発生する、逆向き電流が流れるように、前記巻線の巻き方向を配置した線輪部品である。

また、本発明は、前記磁芯は高比透磁率の軟磁性材料であり、前記磁芯の閉磁路に空隙が設けられた線輪部品である。

また、本発明は、前記磁芯の閉磁路に設けられ空隙は前記各巻線に対してそれぞれ少なくとも２箇所設けられ線輪部品である。

また、本発明は、前記磁芯の材質はフェライト系磁性材料とする線輪部品である。

また、本発明は、前記磁芯は比透磁率の低い軟磁性材料であり、前記磁芯の閉磁路には、空隙を設けない線輪部品である。

また、本発明は、前記磁芯の材質は金属粉末磁心材料と樹脂材料との混合体である線輪部品である。

本発明による線輪部品によれば、巻線相互間の磁気結合を飛躍的に高めることが可能となる。これをMulti-Phazeコンバータに適用することで小さなインダクタンスにもかかわらずリップル電流を大幅に低減することが可能となる。

小さなインダクタンスで済む点が小型化効果をもたらすのみならず、リップル電流の低減は回路素子の定格低減の他、実効電流の低減に繋がり大幅な銅損の低減化に繋がるため、小型大容量のＤＣ−ＤＣコンバータを高効率に達成することが可能となり、工業的に益するところ極めて大なるものといえる。

従って、本発明によれば、小型、薄型で、かつ効率良く漏洩磁束を与える構造であって、適用回路においてはリップル電流の低減効果に寄与する線輪部品を提供できる。

以下、本発明の線輪部品の実施の形態について図面を参照して説明する。本発明の線輪部品は、磁芯に複数の巻線が巻回され、前記巻線は相互に同じ閉磁路を形成すると共に、相互に異なる閉磁路を形成する磁路上に巻回され、かつ、各巻線の片側の端末は結束されて使用される構成の線輪部品において、前記各々巻線のうちの、少なくとも一つに電流を流した際に、他の全ての巻線には、逆極性の誘起電圧を発生する、逆向き電流が流れるように、前記巻線の巻き方向を配置した構成である。

ここで、前記磁芯は高比透磁率の軟磁性材料であり、例えばフェライト系磁性材料とし、前記磁芯の閉磁路に空隙が設けられている。更に、前記磁芯の閉磁路に設けられ空隙は前記各巻線に対してそれぞれ少なくとも２箇所設けられている。

更に、他の例として、前記磁芯は比透磁率の低い軟磁性材料であり、例えば、金属粉末磁心材料と樹脂材料との混合体であり、この場合には、前記磁芯の閉磁路には、空隙が設けられない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１の線輪部品の説明図である。図１（ａ）は斜視図であり、図１（ｂ）は巻線を透視した上面図であり、図１（ｃ）は磁芯の斜視図である。本発明の線輪部品は、４-phaze型ＤＣ−ＤＣコンバータに使用される。

図１（ａ）に示すように、本発明の線輪部品の構造は、上コア１０、空隙２０、下コア３０の積層構造である。更に、図１（ｃ）に示すように、下コア３０には、溝部３０ａ，３０ｂが設けられており、図１（ｂ）に示すように、前記溝部内に巻線１，２，３，４が巻かれている。

各巻線１，２，３，４には、それぞれ引き出し部ａ、ｂ、およびｃ、ｄ、およびｅ、ｆならびにｇ、ｈが設けられている。即ち、４-phazeの結合型ＤＣ−ＤＣコンバータに対応した巻線が磁芯に巻回され、それぞれの巻線に流れる電流によって生じる磁界に対し、それぞれ互いに閉磁路を形成し、かつ各巻線の片側の端末は結束されて使用される構成において、各々のコイルのうちのひとつにコイル電流を流した際に、他の全てのコイルには逆向き電流が流れるような構成としている。

前記磁芯はフェライト系磁性材料であり、比較的比透磁率の高い軟磁性材料であって、この場合には比較的大きな電流を流すためには磁路中に空隙を必要としている。

図４は、本発明の実施の形態１の線輪部品の一般的模式図である。図４に示すように、それぞれの空隙は各巻線相互間の各コイルに対してそれぞれ２箇所となるように構成している。

なお、他の例として、前記磁芯が金属粉末磁性材料と樹脂との混合体のように、比透磁率がある程度小さな材料で構成される場合には、磁路中には特に空隙を設けずに構成して良い。

図５は、本発明の実施の形態１の線輪部品に関する適用回路図である。即ち、４-phazeの結合型ＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。本発明の線輪部品である４-phaze用の結合型チョークコイルの構成によって、それぞれの巻線に流れる電流による磁界に伴う磁気結合は極めて高く、かつ均等になり、従来技術のチョークコイルでは高々数％の磁気結合が、いずれのphazeに対しても６０％以上の値を得ることが確認された。

図６は、本発明の実施の形態１の適用回路での動作電流波形と従来の適用回路の動作電流波形との比較図である。４-phazeの結合型ＤＣ−ＤＣコンバータに搭載した際のリップル電流の結果は、従来技術によるチョークコイルの場合に比べて、本発明による結合型チョークコイルの場合は、それぞれのphaze間の相互誘導による階段状の電流軌跡も明白であり、大幅なリップル電流値の低減効果が得られていることがわかる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の第２の実施の形態の線輪部品の説明図である。図２（ａ）は、斜視図であり、図２（ｂ）は巻線を透視した上面図である。図２（ａ）に示すように、本発明の線輪部品の構造は、上コア１００、下コア３００の積層構造である。更に、下コア３００には、溝部が設けられており、図２（ｂ）に示すように、前記溝部内に巻線１ａ，２ａ，３ａが巻かれている。各巻線１ａ，２ａ，３ａには、それぞれ引き出し部ａ，ｂ、およびｃ，ｄならびにｅ，ｆが設けられている。

図２は、本発明による線輪部品であって、３-phaze用の結合型チョークコイルであり、この場合も実施の形態１にて説明した４-phaze用の結合型チョークコイルと同様の思想で構成されており、それぞれの巻線に流れる電流による磁界に伴う磁気結合は極めて高く、かつ均等である。

（実施の形態３）
図３は、本発明の第３の実施の形態の線輪部品の説明図である。図３（ａ）は斜視図であり、図３（ｂ）は巻線を透視した上面図である。図３（ａ）に示すように、本発明の線輪部品の構造は、上コア４００、下コア５００の積層構造である。更に、下コア５００には溝部が設けられており、図３（ｂ）に示すように、前記溝部内に、巻線１ｂ，２ｂが巻かれている。各巻線１ｂ，２ｂには、それぞれ引き出し部ａ，ｂ、およびｃ，ｄが設けられている。このように、図３は本発明による２-phaze用の結合型チョークコイルの例であって、それぞれの巻線に流れる電流による磁界に伴う磁気結合は極めて高く、かつ均等である。

本発明の実施の形態１の線輪部品の説明図。図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は巻線を透視した上面図、図１（ｃ）は磁芯の斜視図。本発明の実施の形態２の線輪部品の説明図。図２（ａ）は斜視図、図２（ｂ）は巻線を透視した上面図。本発明の実施の形態３の線輪部品の説明図。図３（ａ）は斜視図、図３（ｂ）は巻線を透視した上面図。本発明の実施の形態の線輪部品の一般的模式図。本発明の実施の形態１の線輪部品に関する適用回路図。本発明の実施の形態１の適用回路での動作電流波形と従来の適用回路の動作電流波形との比較図。従来のチョークコイルの説明図。図７のチョークコイルの適用回路図。従来のチョークコイルの他の例の説明図。図９のチョークコイルの適用回路図。

符号の説明

１，２，３，４，７，７１，７２，７３巻線
１ａ，２ａ，３ａ巻線
１ｂ，２ｂ巻線
ａ１，ｂ１，ｃ１，ｄ１，ｅ１，ｆ１，ｇ１，ｈ１巻線の引き出し部
５磁芯
６，２０空隙
１０，１００，４００上コア
１５，１６，１７，１８，１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂスイッチ
３０，３００，５００下コア
３０ａ，３０ｂ溝部
５１，５２，５３ドラム型コア
ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈ引き出し部

Claims

磁芯に複数の巻線が巻回され、前記巻線は相互に同じ閉磁路を形成すると共に、相互に異なる閉磁路を形成する磁路上に巻回され、かつ各巻線の片側の端末は結束されて使用される構成の線輪部品において、前記各々巻線のうちの、少なくとも一つに電流を流した際に、他の全ての巻線には、逆極性の誘起電圧を発生する、逆向き電流が流れるように前記巻線の巻き方向を配置したことを特徴とする線輪部品。
前記磁芯は、高比透磁率の軟磁性材料であり、前記磁芯の閉磁路に、空隙が設けられたことを特徴とする請求項１の記載の線輪部品。
前記磁芯の閉磁路に設けられた空隙は、前記各巻線に対してそれぞれ少なくとも２箇所設けられたことを特徴とする請求項２に記載の線輪部品。
前記磁芯の材質は、フェライト系磁性材料とすることを特徴とする請求項２または３のいずれかに記載の線輪部品。
前記磁芯は比透磁率の低い軟磁性材料であり、前記磁芯の閉磁路には、空隙を設けないことを特徴とする請求項１の記載の線輪部品。
前記磁芯の材質は、金属粉末磁心材料と樹脂材料との混合体であることを特徴とする請求項２または３のいずれかに記載の線輪部品。