JP7021675B2 - コイル部品、回路基板、及び電源装置 - Google Patents
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Description
本出願は、2017年10月25日出願の日本出願第2017-206159号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
二相のトランス結合に利用されるコイル部品であって、
第一コイル及び第二コイルと、
前記第一コイル及び前記第二コイルが配置される磁性コアとを備え、
前記磁性コアは、
前記第一コイルが配置される第一磁脚と、
前記第二コイルが配置される第二磁脚と、
前記第一磁脚と前記第二磁脚との間に介在される中央脚部と、
前記第一磁脚、前記中央脚部、前記第二磁脚を並列状態で連結する一対の連結部と、
前記中央脚部に介在される主ギャップと、
前記第一磁脚に介在される第一ギャップと、
前記第二磁脚に介在される第二ギャップとを備え、
前記第一コイルと前記第二コイルとの結合係数が0.7以上である。
また、本開示の電源装置は、前記本開示の回路基板を備える。
上述の二相のトランス結合に利用されるコイル部品に対して、磁気飽和し難いことが望まれている。
上記のコイル部品は、磁気飽和し難い。上記の回路基板、及び上記の電源装置は、所定の変圧動作を良好に行える。
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
二相のトランス結合に利用されるコイル部品であって、
第一コイル及び第二コイルと、
前記第一コイル及び前記第二コイルが配置される磁性コアとを備え、
前記磁性コアは、
前記第一コイルが配置される第一磁脚と、
前記第二コイルが配置される第二磁脚と、
前記第一磁脚と前記第二磁脚との間に介在される中央脚部と、
前記第一磁脚、前記中央脚部、前記第二磁脚を並列状態で連結する一対の連結部と、
前記中央脚部に介在される主ギャップと、
前記第一磁脚に介在される第一ギャップと、
前記第二磁脚に介在される第二ギャップとを備え、
前記第一コイルと前記第二コイルとの結合係数が0.7以上である。
前記第一ギャップのギャップ長及び前記第二ギャップのギャップ長はそれぞれ、前記主ギャップのギャップ長よりも短い形態が挙げられる。
前記第一ギャップのギャップ長及び前記第二ギャップのギャップ長はそれぞれ、前記主ギャップのギャップ長の10%以下である形態が挙げられる。
上記(1)から(3)のいずれか一つに記載のコイル部品を備える。
上記(4)に記載の回路基板を備える。
以下、図面を適宜参照して、実施形態に係るコイル部品、回路基板、電源装置を具体的に説明する。図中、同一名称物は、同一物を意味する。
図1~図3を参照して、実施形態1のコイル部品4、回路基板5、電源装置6を説明する。図3では、回路基板5の概略を等価回路で示し、コイル部品4を除く主要な回路部品を回路記号で示す。また、図3では、分かり易いようにコイル部品4を基板本体50に対して大きく強調して示す。
実施形態1のコイル部品4は、二相のトランス結合に利用されるものであり、図1に示すように、第一コイル1と、第二コイル2と、第一コイル1及び第二コイル2が配置される磁性コア3とを備える。つまり、コイル部品4は、独立した二つのコイル1,2が一つの磁性コア3に配置される。磁性コア3は、第一コイル1が配置される第一磁脚31と、第二コイル2が配置される第二磁脚32と、第一磁脚31と第二磁脚32との間に介在される中央脚部33と、第一磁脚31、中央脚部33、第二磁脚32を並列状態で連結する一対の連結部34,34とを備える。中央脚部33には、主ギャップ33gが介在される。第二コイル2は、第一コイル1がつくる磁束を打ち消すように第二磁脚32に配置される。
第一コイル1、第二コイル2はいずれも、巻線を螺旋状に巻回してなる筒状の巻回部を備える。巻回部から延びる巻線の各端部には、配線パターンなどを介して、電源51(図3)などが接続される。
磁性コア3は、軟磁性材料を含み、閉磁路を形成する磁性部材である。この磁性コア3は、第一コイル1の巻回部が配置される柱状の第一磁脚31と、第二コイル2の巻回部が配置される柱状の第二磁脚32と、離間して横並びされる両磁脚31,32間に介在される柱状の中央脚部33と、第一磁脚31、中央脚部33、第二磁脚32という順に並べられた状態でこれらを挟み、これらを連結する一対の板状の連結部34,34とを備える。実施形態1のコイル部品4に備えられる磁性コア3は、中央脚部33に介在される主ギャップ33gと、第一磁脚31に介在される第一ギャップ31gと、第二磁脚32に介在される第二ギャップ32gとを備える。この例では、図2に示すように、第一ギャップ31gのギャップ長L 31 及び第二ギャップ32gのギャップ長L 32 はそれぞれ、主ギャップ33gのギャップ長L 33 よりも短い。
コイル部品4は、磁性コア3において両コイル1,2が配置されない中央脚部33に主ギャップ33gを備える。このような磁性コア3は、コイル部品4が二相のトランス結合に用いられた場合に、各コイル1,2に基づく漏れ磁束によって磁気飽和し難い。更に、コイル部品4は、磁性コア3において各コイル1,2が配置される各磁脚31,32にもギャップ31g,32gを備える。このような磁性コア3は、コイル部品4が二相のトランス結合に用いられて、両コイル1,2に流れる電流に差が生じた場合に、この電流差に基づく磁束によって磁気飽和し難い。
実施形態1のコイル部品4は二相のトランス結合に用いられることから、磁性コア3に対して、第一コイル1及び第二コイル2は、通電時に各コイル1,2自身がつくる磁束を互いに打ち消し合うように組み付けられる。また、このような磁束の流れとなるように各コイル1,2に電流が供給される。
実施形態1のコイル部品4は、上述のように磁性コア3が主ギャップ33gに加えて、ギャップ31g,32gを備えるものの、両コイル1,2の結合係数が0.7以上である。そのため、コイル部品4を備える二相のトランス結合型変圧回路などを構築した場合に、リップル電流の増加量が小さく、昇圧や降圧などの変圧動作を長期に亘り安定して行える。結合係数が大きいほど、リップル電流の増加量を小さくし易く、この観点からは、結合係数は0.75以上、更に0.78以上、0.8以上であることが好ましい。結合係数が0.7以上を満たすように、ギャップ長L 31 ,L 32 を調整するとよい。
磁性コア3(ここでは分割コア片3a,3b)には、公知の構成材料で形成された種々の形態のものが利用できる。例えば、フェライトコアなどの焼結体、軟磁性材料の粉末を用いた圧粉成形体、軟磁性材料の粉末と樹脂とを含む複合材料からなる成形体、電磁鋼板などの軟磁性材料の板材を積層した積層体などが挙げられる。
実施形態1のコイル部品4は、二相のトランス結合を行う回路基板5の構成部品の一つに利用される。回路基板5は、二相のトランス結合を行う電源装置6の構成部品の一つに利用される。図3では、回路基板5の一部が電源装置6のケースに収納された状態を部分的に、かつ仮想的に示す。回路基板5の一例として、DC-DCコンバータであって、二相のトランス結合型昇降圧チョッパ回路を構成するものが挙げられる。このような回路基板5を備える電源装置6は、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車、燃料電池自動車といった車両に搭載されるコンバータなどに利用することが挙げられる。
実施形態1の回路基板5は、図3に示すように実施形態1のコイル部品4を備える。代表的には、回路基板5は、コイル部品4を含む各種の回路部品と、これら回路部品を搭載する基板本体50と、基板本体50に設けられ、回路部品が接続される配線パターン(図示せず)とを備える。各回路部品は、回路基板5の用途に応じて備えられ、代表的には配線パターンを介して接続される。コイル部品4では各コイル1,2の巻線の端部が配線パターンに接続される。上記の接続には、半田付けやねじ結合など、公知の接続方法が利用できる。
実施形態1の電源装置6は、実施形態1の回路基板5を備える。図3では、電源装置6が、上述のようにDC-DCコンバータであって、二相のトランス結合型昇降圧チョッパ回路を構成する回路基板5を備えるものを例示する。電源装置6におけるその他の構成については公知の構成を利用でき、詳細な説明を省略する。
実施形態1のコイル部品4は、主ギャップ33gとは別に、各コイル1,2が配置される各磁脚31,32にもギャップ31g,32gを備えるという簡単な構成でありながら、各コイル1,2に流れる電流に大きな差が有っても、この電流差によって磁気飽和し難い。また、実施形態1のコイル部品4は、両コイル1,2の結合係数が0.7以上を満たす範囲でギャップ31g,32gを備えるため、リップル電流の増加量を小さくできる。この効果を以下の試験例で具体的に説明する。
二相のトランス結合に用いられるコイル部品を作製して、結合係数を変化させたときのリップル電流を調べた。その結果を図4に示す。
二相のトランス結合に用いられるコイル部品であって、主ギャップのみを備えるものと、主ギャップと追加ギャップとの双方を備えるものとを作製して、通電電流値を変化させたときの磁気飽和状態を調べた。
試料No.100は、主ギャップのみを備え、追加ギャップを備えていないコイル部品であり、図7に示すコイル部品400に相当する。
両試料における主ギャップのギャップ長は2mmである。
試料No.1において、追加ギャップである第一ギャップのギャップ長及び第二ギャップのギャップ長はそれぞれ、0.13mm(主ギャップの6.5%)である。追加ギャップの合計ギャップ長は0.26mmであり、主ギャップのギャップ長よりも短い。
試料No.1の結合係数は約0.84である。試料No.1において、結合係数が1の場合に比較したリップル電流の増加量は、1.2倍程度以下である。
試料No.100の結合係数は、約0.98である。
例えば、以下の少なくとも一つの変更が可能である。
(1)分割コア片の形状や分割数を変更する。例えば、一方の分割コア片をI字状(直方体状)とし、他方の分割コア片をE字状とする。また、ギャップ長に応じて、E字状のコア片の第一磁脚及び第二磁脚を中央脚部よりも長くして、I字状のコア片と組み付けることで、ギャップ長L 31 ,L 32 が主ギャップのギャップ長L 33 よりも短いコイル部品を構築できる。
(2)第一磁脚31に備える第一ギャップ31gの大きさと、第二磁脚32に備える第二ギャップ32gの大きさとを異ならせる。
(3)第1コイル及び第2コイルと磁性コアとの間に絶縁材料からなる介在部材を備える、又は各コイルを覆う絶縁被覆材を備える、又は磁性コアを覆う絶縁被覆材を備える。これらの場合、各コイルと磁性コア間の絶縁性を高められる。
(4)回路基板や電源装置を、昇圧動作のみを行うものとする、又は降圧動作のみを行うものとする。
磁性コア(3)に第一コイル(1)及び第二コイル(2)が配置され、二相のトランス結合を成す結合インダクタであって、
前記磁性コア(3)は、
前記第一コイル(1)が配置されるコア脚部であって、途中に第一ギャップ(31g)を有する第一磁脚(31)と、
前記第二コイル(2)が配置されるコア脚部であって、途中に第二ギャップ(32g)を有する第二磁脚(32)と、
前記第一磁脚(31)と前記第二磁脚(32)との間に存在し、途中に主ギャップ(33g)を有する中央脚部(33)と、
前記第一磁脚(31)、前記中央脚部(33)、前記第二磁脚(32)を並列状態でそれぞれの両方の脚端部を連結する一対の連結部(34(34a,34b))と、を備え、
前記第一コイル(1)と前記第二コイル(2)との結合係数が0.7以上である結合インダクタである。
2,102 第二コイル
3,300 磁性コア
3a,3b 分割コア片
31,310 第一磁脚
32,320 第二磁脚
33,330 中央脚部
34,34a,34b,340 連結部
31g 第一ギャップ
32g 第二ギャップ
33g 主ギャップ
31a,32a,31b,32b 磁脚片
33a,33b 中央脚片
330g ギャップ
4,400 コイル部品
5 回路基板
50 基板本体
51 電源
52,53,54,55 スイッチ
56 コンデンサ
57 負荷
6 電源装置
Claims (6)
- 二相のトランス結合に利用されるコイル部品であって、
第一コイル及び第二コイルと、
前記第一コイル及び前記第二コイルが配置される磁性コアとを備え、
前記磁性コアは、
前記第一コイルが配置される第一磁脚と、
前記第二コイルが配置される第二磁脚と、
前記第一磁脚と前記第二磁脚との間に介在される中央脚部と、
前記第一磁脚、前記中央脚部、前記第二磁脚を並列状態で連結する一対の連結部と、
前記中央脚部に介在される主ギャップと、
前記第一磁脚に介在される第一ギャップと、
前記第二磁脚に介在される第二ギャップとを備え、
前記第一コイルと前記第二コイルとの結合係数が0.7以上であるコイル部品。 - 前記第一ギャップのギャップ長及び前記第二ギャップのギャップ長はそれぞれ、前記主ギャップのギャップ長よりも短い請求項1に記載のコイル部品。
- 前記第一ギャップのギャップ長及び前記第二ギャップのギャップ長はそれぞれ、前記主ギャップのギャップ長の10%以下である請求項2に記載のコイル部品。
- 請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のコイル部品を備える回路基板。
- 請求項4に記載の回路基板を備える電源装置。
- 磁性コアに第一コイル及び第二コイルが配置され、二相のトランス結合を成すコイル部品であって、
前記磁性コアは、
前記第一コイルが配置されるコア脚部であって、途中に第一ギャップを有する第一磁脚と、
前記第二コイルが配置されるコア脚部であって、途中に第二ギャップを有する第二磁脚と、
前記第一磁脚と前記第二磁脚との間に存在し、途中に主ギャップを有する中央脚部と、
前記第一磁脚、前記中央脚部、前記第二磁脚を並列状態でそれぞれの両方の脚端部を連結する一対の連結部と、を備え、
前記第一コイルと前記第二コイルとの結合係数が0.7以上であるコイル部品。
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