JP5844766B2 - カップルドインダクタ - Google Patents

Description

本発明は、コアを構成する磁性材料に改良を施したカップルドインダクタに関する。

ＤＣ−ＤＣコンバータなどに使用されるカップルドインダクタは、例えば、特許文献１から３に示すように、１つのコアに２つのコイルを巻回し、２つのコイルから発生する磁束が逆方向になるように、各コイルに電流を流すものである。

この種のカップルドインダクタは、複数のリアクトルを一体化させることができると共に、磁束密度の上昇を抑制できるため、小型化が可能であるという理由から、パソコンなどの電子機器のスイッチング電源用として、広く採用されている。

特開２０００−１４１３６号公報 特開２００２−２９１２４０号公報 特開２０１０−６２４０９号公報

最近、カップルドインダクタをより大電流を必要とする用途、例えば数１０Ａ〜１００Ａ程度の電流が流れる車載用機器のインダクタとして使用する試みがなされている。しかし、大電流の用途では、コアの飽和磁束密度が高いことが要求される。飽和磁束密度が低いと、使用範囲で容易に磁束密度が飽和してインダクタンス値が低下する。インダクタンス値の低下は、リップル電流の増加を招き、それによりリアクトルの損失が大きくなる。

カップルドインダクタのコアとしては、特許文献３に記載されるように、フェライトコアの使用が提案されている。しかし、これらのコアは、次の理由から大電流用途には適さない。

フェライトコアの特徴として、他の金属磁性材料と比較して飽和磁束密度が低いことがある。例えば、純鉄：２Ｔ、センダスト：１．１Ｔ、Ｍｎ−Ｚｎフェライト：０．３〜０．４Ｔである。また、フェライトコアは、ダストコアと比較して透磁率が高い。ダストコア：μ５０〜２００、Ｍｎ−Ｚｎフェライト：μ１０００以上である。飽和磁束密度が低いフェライトコアを大電流用途に対応するためには、コアの断面積を大きくする必要があり、リアクトルの実効透磁率を下げるため大きなギャップを設ける必要がある。

しかし、ギャップが大きくなると、ギャップからの漏洩磁束が巻線やアルミケースなどに鎖交することで渦電流が発生して損失が生じ、効率の低下や発熱を招くおそれが高まる。この大きなギャップを設ける必要性から、初期インダクタンス値（０Ａ時）が低くなってしまい、リップル電流が大きくなる。

ダストコアの場合、素材自体の飽和磁束密度が高く、コアそのものの透磁率は低いため大きなギャップを設ける必要性がないことから、この漏洩磁束と初期インダクタンス値の低下に対する問題を回避することができる。そのため、ダストコアはフェライトコアと比較して良好な材料といえるが、純鉄系のダストコアはコア損失が高く発熱の問題が生じることから、大電流用途には不適である。

リアクトル特性において、最大微分透磁率は無負荷時（０Ａ時）におけるインダクタンス（初期インダクタンス値）を示すが、この最大微分透磁率が低すぎると、初期インダクタンス値が低くなってしまい、電流波形においてリップル電流が大きくなる。リップル電流が大きくなると、実効電流が大きくなることからリアクトルの損失が上がり、他の回路部品に対しても悪影響を及ぼすおそれも高まる。しかし、従来のフェライトコアやダストコアにおいては、最大微分透磁率に関する配慮がなく、これらの問題を解決できなかった。

初期インダクタンスを上げる要素としては、最大微分透磁率の他に、巻数を増やす、コアの断面積を大きくするなどの対策があるが、いずれもリアクトルのサイズを大きくする問題がある。これらの対策では、直流抵抗が大きくなることから損失が上がり、リアクトルにおいてはデメリットとなる。

従来のカップルドインダクタでは、小電流のため発熱の問題が生じにくいことから、コイルとしても、丸線マグネットワイヤが主流であった。しかし、丸線マグネットワイヤは、巻線占積率が低いため大電流用途になるとインダクタの大型化に繋がる。また、マグネットワイヤを何層にも巻回してコイルを形成することから、放熱性が劣る。

本発明の目的は、大電流用途において、飽和磁束密度とリアクトル損失の両方の特性を満たすことのできるカップルドインダクタを提供することにある。本発明の他の目的は、無負荷時における初期インダクタンス値を所定の値に確保してリップル電流を低減し、損失の低下を可能としたカップルドインダクタを提供することにある。

本発明は、環状のコアに２つのコイルを巻回し、２つのコイルから発生する磁束が逆方向になるように各コイルに電流を流すカップルドインダクタにおいて、前記コアとして、最大微分透磁率が３０以上のセンダストコアを使用したことを特徴とする。前記環状のコアに、１ｍｍ程度のギャップを、１あるいは複数設けることも可能である。コイルは、巻線占積率の高いエッジワイズ巻線を使用することが好ましい。

本発明によれば、センダストコアの使用により飽和磁束密度とコア損失の両方を適切な範囲に収めることが可能になり、カップルドインダクタを大電流用途に使用することが可能になる。最大微分透磁率μをコア単体で３０以上としたので、ギャップが挿入されていなくとも、リアクトルの初期インダクタンス値が大きくなり、リップル電流の抑制が可能となる。その結果、リップル電流抑制のためのコア断面積の大型化や巻線数の増加が不要となり、かつ、ギャップがない若しくはギャップを小さくできるため漏洩磁束による損失増大を抑制できることとなり、大電流用途にもかかわらず、カップルドインダクタの小型化が可能となる。

第１実施形態のカップルドインダクタの斜視図。 第１実施形態のコアを示す斜視図。 第１実施形態に使用するエッジワイズ巻線の斜視図。 本実施形態のセンダストコアの周波数とコア損失の関係を示すグラフ。 センダストコアとフェライトコアの直流重畳特性を比較するグラフ。 センダストコアとフェライトコアのデューティ２９％における電流波形を比較するグラフ。 センダストコアとフェライトコアのデューティ５０％における電流波形を比較するグラフ。

１．第１実施形態
以下、本発明の第１実施形態の構成を図１〜図３に従って具体的に説明する。

（１）構成
本実施形態のカップルドインダクタは、図１に示すように、環状のコア１に２つのコイル２ａ，２ｂを巻回し、２つのコイル２ａ，２ｂから発生する磁束が逆方向になるように、各コイルに電流を流すものである。その場合、２つのコイルによって形成されるカップルドインダクタの結合係数は、０．８以下が好ましい。環状のコア１としては、図２に示すように、２つのＵ字型コア材１ａ，１ｂを環状に組み合わせたものを使用する。Ｕ字型コア材１ａ，１ｂの対向面には、ギャップ３ａ，３ｂを設ける。

コア材２ａ，２ｂとしては、センダストコアを使用する。本実施形態において、このセンダストコアは、平均粒径４０μｍの水アトマイズ粉に対して、シリコン樹脂のバインダと潤滑剤を加えて成型し、焼成したものである。その磁気特性は、最大微分透磁率が３０以上あることが本発明の条件である。一般に、リアクトルの実効透磁率として３０程度が理想的であり、そのため、コア単体の透磁率は最低でも３０以上は必要である。すなわち、コア単体で最大微分透磁率μが３０以上となると、リアクトル側からみれば実効透磁率は最大で３０となり、これにギャップ３ａ，３ｂを設けることで、リアクトルの実効透磁率はより低くなり、理想の値に近付く。

本実施形態のセンダストコアの他の磁気特性としては、コアの体積を１ｍ^３とした場合に、その１５，０００Ａ／ｍにおける飽和磁束密度が０．５Ｔ以上、１０ｋＨｚ・１００ｍＴにおけるコア損失が５０ｋＷ／ｍ^３以下、３０ｋＨｚ・１００ｍＴにおけるコア損失が１８０ｋＷ／ｍ^３以下、５０ｋＨｚ・１００ｍＴにおけるコア損失が３４０ｋＷ／ｍ^３以下である。

図４は、本実施形態のセンダストコアの動作磁束密度１００ｍＴにおける損失と周波数の関係を示すもので、コア損失が図４のグラフを下回ることが好ましい。図４の値は、動作磁束密度１００ｍＴ、コアの体積１ｍ^３時のコア損失の値である。リアクトルのコア損失は、動作磁束密度、コアの体積により変わるので、図４では、動作磁束密度の代表値として１００ｍＴを採用しており、実際のリアクトルではコアの断面積、巻数等により動作磁束密度は変わる。

ギャップ３ａ，３ｂは、本発明において必ずしも不可欠なものではないが、本実施形態では、１ｍｍ程度の厚さのセラミック板から成るスペーサをＵ字型コア材１ａ，１ｂの対向する端面の間に配置することで、適正寸法のギャップ３ａ，３ｂを形成する。前記の様に、このギャップ３ａ，３ｂにより、リアクトルの実効透磁率を使用される回路に対してより適切な値に設定することで、ギャップレスのリアクトルに比較して低減することができる。

２つのコイル２ａ，２ｂとしては、図３に示すようなエッジワイズ巻線（平角巻線とも呼ばれる）を使用する。リアクトルでは、コア付近の導線に大きな発熱が起こるが、従来の丸線では、多層に巻かれた導線と、導線間の不要な隙間によって内部の発熱が逃げにくいので、温度上昇が大きくなる。そのため内径側導線と外周側導線では温度差が大きくなる。一方、エッジワイズ巻線は、断面が角の為、巻線断面積が大きく占積率が向上し、抵抗値が低減される。特に、エッジワイズ巻線は、コア内径に対し一層構造になっているため、温度差は同断面内で発生する。その結果、銅の熱伝導に従い遮断されことなく外側へ分散されるため放熱性能が良く、温度上昇が小幅である。

（２）作用効果
本実施形態のセンダストコアを使用したリアクトルと、コアの材質以外は同一条件とした純鉄系ダストコア及びフェライトコアを使用したリアクトルの飽和磁束密度及びコア損失を比較すると次の通りである。なお、表１では、純鉄系ダストコアの値を基準値「１」として、他のコアとの相対比較を行った。表１から分かるように、飽和磁束密度とコア損失の両方を満たすのはセンダストコアであり、大電流用途として最適である。

同様に、同じ形状、寸法、同じコイルを巻回したリアクトルについて、周波数３０ｋＨｚ、動作磁束密度１６８ｍＴの条件下で、フェライトコアとセンダストコアの特性比較を行った結果は、次の通りである。

この表２から分かるように、リップル電流に対しては、電流値が低いセンダストコアが良好な結果である。損失に対しては、損失が低い方が良好な結果となり、センダストコアについてはフェライトコアと比較して鉄損は高いが、リップル電流が低くギャップ寸法が０ｍｍであることから、銅損が低い値を示し、結果として、合計損失はセンダストコアの方が低い結果となる。熱特性に対しては、低い方が良好な結果であり、損失がセンダストの方が低いため、熱特性も同様の結果となっている。

図５に、表２に示したフェライトコアとセンダストコアの片側重畳特性を示す。このグラフから分かるように、センダストコアは、ギャップを設けない状態でも、２ギャップのフェライトコアよりも優れた特性を示す。

図６及び図７に、表２に示したフェライトコアとセンダストコアの電流波形比較を示す。図６はデューティ２９％、図７はデューティ５０％の電流波形であり、カップルドインダクタの一方のコイル２ａ，２ｂのいずれかに流れる電流波形である。この図６と図７から分かるように、本実施形態のセンダストコアは、デューティの変化にも関わらず、電流波形の変化が少なく、電流のリップル分が少ない。

２．他の実施形態
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、下記に示す他の実施形態も包含する。

（１）環状コアとしては、２つのＵ字型コアの組み合わせ以外に、環状コア全体を１部材で構成したものや、２つのＵ字型コアの間に１つあるいは複数のＩ字型コアを設けたもの、２つのＥ字型コアを組み合わせたものでも良い。

（２）ギャップは、図示のように左右の脚部に１つずつ設けても良いし、ギャップレスとしても良い。更に、多くのギャップを設けることも可能である。

（３）コイルは、エッジワイズ巻線が好ましいが、丸線を使用することもできる。環状のコアの左右の脚部にそれぞれコイルを巻回しても、一方の脚部に２つのコイルを巻回しても良い。銅製のコイルに限らず、アルミニウム製のコイルの使用も可能である。

１…環状コア
１ａ，１ｂ…Ｕ字型コア
２ａ，２ｂ…コイル
３ａ，３ｂ…ギャップ

Claims (4)

1. 環状のコアに２つのコイルを巻回し、２つのコイルから発生する磁束が逆方向になるように、各コイルに電流を流すカップルドインダクタにおいて、
   前記コアとして、最大微分透磁率が３０以上のセンダストコアを使用したことを特徴とするカップルドインダクタ。
2. 前記環状のコアが、２つのＵ字形コアを突き合わせて構成されていることを特徴とする請求項１に記載のカップルドインダクタ。
3. 前記２つのＵ字形コアの対向する端面の間に、ギャップが形成されていることを特徴とする請求項２に記載のカップルドインダクタ。
4. 前記コイルが、エッジワイズ巻線から構成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のカップルドインダクタ。