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JP2001110647A - High frequency power transformer and power conversion device using the same - Google Patents

High frequency power transformer and power conversion device using the same

Info

Publication number
JP2001110647A
JP2001110647A JP29038599A JP29038599A JP2001110647A JP 2001110647 A JP2001110647 A JP 2001110647A JP 29038599 A JP29038599 A JP 29038599A JP 29038599 A JP29038599 A JP 29038599A JP 2001110647 A JP2001110647 A JP 2001110647A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
frequency power
power transformer
output
core
full
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP29038599A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Susumu Nakajima
晋 中島
Atsushi Fujii
淳 藤井
Shigeru Hasumura
茂 蓮村
Katsuhiro Ogura
克廣 小倉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Proterial Ltd
Original Assignee
Hitachi Metals Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Metals Ltd filed Critical Hitachi Metals Ltd
Priority to JP29038599A priority Critical patent/JP2001110647A/en
Publication of JP2001110647A publication Critical patent/JP2001110647A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Coils Of Transformers For General Uses (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】全波整流出力用のセンタータップ付き2次巻線
を設けた高周波パワートランスおよびこれを用いた高効
率で信頼性の高い電力変換装置を提供すること。 【解決手段】 磁化力の波高値0.05A/m、周波数
20kHzの透磁率が10,000以上30,000以下
であるFeを主成分とし結晶粒径50nm以下の微細な
結晶粒がその組織の体積全体の50%以上を占めるノー
カットのナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心に、センタータ
ップを持たない1次巻線と、少なくとも1組以上の全波
整流出力用の2次巻線を設けた高周波パワートランスに
おいて、前記1次巻線とその主たる出力である全波整流
出力用の各2次巻線の20kHzにおける2つの結合係
数はいづれも0.9998以上、かつ前記主たる出力で
ある全波出力用の各2次巻線の各々を短絡して前記1次
巻線側から測定したリーケージ・インダクタンスのうち
の大なるものを小なるもので割った値が1.1以下であ
る高周波パワートランス。
[PROBLEMS] To provide a high-frequency power transformer having a secondary winding with a center tap for full-wave rectification output, and a highly efficient and highly reliable power conversion device using the same. thing. SOLUTION: Fine crystal grains having a peak value of magnetizing force of 0.05 A / m and a magnetic permeability at a frequency of 20 kHz of not less than 10,000 and not more than 30,000 and having a crystal grain size of not more than 50 nm are formed in the structure. A primary winding without a center tap and at least one set of secondary windings for full-wave rectification output are provided on a non-cut nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon wound core occupying 50% or more of the entire volume. In the high-frequency power transformer, the two coupling coefficients at 20 kHz of the primary winding and the secondary windings for full-wave rectification output, which are the main outputs, are both 0.9999 or more, and the main output is the full-wave A high-frequency power transformer in which each of the output secondary windings is short-circuited and a value obtained by dividing a large one of leakage inductances measured from the primary winding side by a small one is 1.1 or less.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、Feを主成分と
し、結晶粒径50nm以下の微細な結晶粒がその組織の
体積全体の50%以上を占めるノーカットのナノ結晶軟
磁性合金薄帯巻磁心にセンタータップを持たない1次巻
線と、少なくとも1組以上の全波整流出力用の2次巻線
を設けた高周波パワートランスおよびこれを用いた電力
変換装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an uncut nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon core comprising Fe as a main component, wherein fine grains having a grain size of 50 nm or less occupy 50% or more of the entire volume of the structure. And a high-frequency power transformer having at least one set of secondary windings for full-wave rectification output and a power converter using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】高周波パワートランスを用いた絶縁型の
電力変換装置の1つとして、図5に示すフルブリッジ型
DC−DCコンバータが用いられている。図5におい
て、1は入力直流電源、2、3、4および5は主スイッ
チ、6、7、8および9は帰還ダイオード、10は直流
電流を阻止するためのコンデンサ、20はセンタータッ
プを持たない1次巻線と全波整流出力用の2次巻線を設
けた高周波パワートランス、21は前記高周波パワート
ランス20の1次巻線、22および23は前記高周波パ
ワートランス20の全波整流出力用の2次巻線、31お
よび32は出力整流ダイオード、33は出力平滑チョー
クコイル、34は出力平滑コンデンサ、35および36
は出力端子、37は負荷である。
2. Description of the Related Art A full-bridge type DC-DC converter shown in FIG. 5 is used as one of insulated power converters using a high-frequency power transformer. In FIG. 5, 1 is an input DC power supply, 2, 3, 4 and 5 are main switches, 6, 7, 8 and 9 are feedback diodes, 10 is a capacitor for blocking DC current, and 20 has no center tap. A high-frequency power transformer having a primary winding and a secondary winding for full-wave rectification output, 21 is a primary winding of the high-frequency power transformer 20, and 22 and 23 are for full-wave rectification output of the high-frequency power transformer 20. Secondary windings, 31 and 32 are output rectifier diodes, 33 is an output smoothing choke coil, 34 is an output smoothing capacitor, 35 and 36
Is an output terminal, and 37 is a load.

【0003】図5のフルブリッジ型DC−DCコンバー
タでは、主スイッチ2と3、および4と5がそれぞれ1
組のスイッチになって、これら2組のスイッチが交互に
スイッチングすることにより、高周波パワートランス2
0の1次巻線21にはコンデンサ10を介して図6のv
21のような高周波電圧が印可され、同高周波パワートラ
ンス20の全波整流出力用の2次巻線22および23か
ら、出力整流ダイオード31および32、平滑チョーク
コイル33、コンデンサ平滑34を介し、負荷37に電
力が供給される。図6において、主スイッチ2と3がオ
ンの期間がTon23、主スイッチ4と5がオンの期間がT
on45であり、Tpが周期である。(Ton23+Ton45)/
Tpがオンデューティ比Donであり、入力直流電源1の
電圧Eの変動や負荷37の変動に対し、出力電圧Voを
一定に保つため、Tpを一定としDonを変化させ制御す
るPWM制御(パルス幅変調制御)が一般に用いられて
いる。なお、高周波パワートランス20の駆動周波数f
は1/Tpで与えられる。
In the full-bridge type DC-DC converter shown in FIG. 5, main switches 2 and 3 and 4 and 5 each have 1
A pair of switches, these two sets of switches are alternately switched, so that the high-frequency power transformer 2
0 through the capacitor 10 to the primary winding 21 of FIG.
A high-frequency voltage such as 21 is applied, and from the secondary windings 22 and 23 for full-wave rectification output of the high-frequency power transformer 20, loads are output via output rectifier diodes 31 and 32, a smoothing choke coil 33, and a capacitor smoothing 34. Power is supplied to 37. In FIG. 6, the period in which the main switches 2 and 3 are on is Ton23, and the period in which the main switches 4 and 5 are on is Tn.
on45, and Tp is the cycle. (Ton23 + Ton45) /
Tp is an on-duty ratio Don, and PWM control (pulse width) for controlling the output voltage Vo to be constant with respect to the fluctuation of the voltage E of the input DC power supply 1 and the fluctuation of the load 37 by keeping Tp constant and changing Don. Modulation control) is generally used. Note that the driving frequency f of the high-frequency power transformer 20 is
Is given by 1 / Tp.

【0004】本コンバータにおける高周波パワートラン
ス20の動作B−Hループ概念図を図7に示す。図5に
示す高周波パワートランス20の1次巻線21の黒丸側
から電流が流入したときに高周波パワートランス20に
生じる磁界の向きを図7のH軸の正極側にとることにす
る。したがって、主スイッチ2と3がオンの期間Ton23
には、同高周波パワートランス20の磁束密度は図7の
a点からb点まで2Bmだけ変化し、主スイッチ4と5
がオンの期間Ton45には、高周波パワートランス20の
磁束密度は図7のb点からa点まで−2Bmだけ変化す
る。すなわち、本コンバータにおける高周波パワートラ
ンス20は、B−Hループの原点に対し対称のマイナー
ループを描く動作をする。
FIG. 7 is a conceptual diagram of the operation BH loop of the high-frequency power transformer 20 in the present converter. The direction of the magnetic field generated in the high-frequency power transformer 20 when a current flows from the black circle side of the primary winding 21 of the high-frequency power transformer 20 shown in FIG. 5 is set to the positive side of the H-axis in FIG. Therefore, while the main switches 2 and 3 are on, Ton23
7, the magnetic flux density of the high-frequency power transformer 20 changes by 2 Bm from the point a to the point b in FIG.
During the period Ton45 during which the power is on, the magnetic flux density of the high-frequency power transformer 20 changes by -2 Bm from the point b to the point a in FIG. That is, the high-frequency power transformer 20 in the present converter operates to draw a symmetric minor loop with respect to the origin of the BH loop.

【0005】本コンバータにおける高周波パワートラン
ス20では、小型化と低損失化が重要な課題である。高
周波パワートランス20の小型化の一般的な手法とし
て、駆動周波数を高めることが行われている。しかし、
高周波パワートランス20に用いる磁心や主スイッチ
2、3、4および5、帰還ダイオード6、7、8、およ
び9、あるいは出力整流ダイオード31および32など
の素子の高周波特性を考慮しない極端な高周波化は、こ
れらの素子の損失を増加させるばかりでなく、高周波パ
ワートランス20の損失増加も招き、コンバータの効率
低下や過大な温度上昇による信頼性低下を引き起こす。
In the high-frequency power transformer 20 of the present converter, downsizing and low loss are important issues. As a general method of reducing the size of the high-frequency power transformer 20, increasing the driving frequency is performed. But,
Extremely high frequency without considering the high frequency characteristics of elements such as the magnetic core used in the high frequency power transformer 20, the main switches 2, 3, 4, and 5, the feedback diodes 6, 7, 8, and 9, or the output rectifier diodes 31 and 32 This not only increases the loss of these elements, but also increases the loss of the high-frequency power transformer 20, which causes a decrease in converter efficiency and a decrease in reliability due to an excessive rise in temperature.

【0006】本コンバータにおける高周波パワートラン
ス20には、一般に、主スイッチ2、3、4および5の
高周波特性を考慮して選定される駆動周波数において、
最も小型化可能で低損失の磁心を選定する必要がある。
The high-frequency power transformer 20 of the present converter generally has a driving frequency selected in consideration of the high-frequency characteristics of the main switches 2, 3, 4 and 5.
It is necessary to select the most compact and low loss core.

【0007】例えば、出力電力が数kW程度までの比較
的小さい場合には、通常、主スイッチ4および5にパワ
ーMOS−FETが選択され、駆動周波数は50kHz
程度以上に選定される。この場合、高周波パワートラン
ス20の磁心には、従来、主に、室温の飽和磁束密度B
sが0.5T程度と小さいが、数百kHz以上での磁心
損失の小さなMn−Znフェライト磁心が用いられてい
た。
For example, when the output power is relatively small up to about several kW, a power MOS-FET is usually selected for the main switches 4 and 5, and the driving frequency is 50 kHz.
It is selected more than degree. In this case, the magnetic core of the high-frequency power transformer 20 is conventionally mainly provided with a saturation magnetic flux density B at room temperature.
Although the s is as small as about 0.5T, a Mn-Zn ferrite core having a small core loss at several hundred kHz or more has been used.

【0008】一方、出力電力が数kWを越える領域で
は、一般に、主スイッチ2、3、4および5にIGBT
が選択され、駆動周波数は数kHzから20kHz程度
に選定される。この場合、萩原、斎藤、加茂、豊田、山
内、吉沢:「超微結晶合金を鉄心に用いたインバータ用
変圧器」、電気学会研究会資料、MAG−90−19
4、1990年12月6日(以下、文献1と呼ぶ)に記
載されているように、高周波パワートランス20の磁心
には、室温での飽和磁束密度がMn−Znフェライト磁
心の2倍を超える1T以上で、20kHzでの磁心損失
も小さな、特開昭63−302504号に記載されるよ
うなFeを主成分とし、結晶粒径50nm以下の微細な
結晶粒がその組織の体積全体の50%以上を占めるFe
基ナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心が優れることが知られ
ている。
On the other hand, in the region where the output power exceeds several kW, the main switches 2, 3, 4 and 5 are generally connected to the IGBT.
Is selected, and the driving frequency is selected from several kHz to about 20 kHz. In this case, Hagiwara, Saito, Kamo, Toyota, Yamauchi, Yoshizawa: "Inverter transformer using microcrystalline alloy for iron core", IEEJ Technical Report, MAG-90-19
4. As described on December 6, 1990 (hereinafter referred to as Document 1), the magnetic core of the high-frequency power transformer 20 has a saturation magnetic flux density at room temperature exceeding twice that of the Mn-Zn ferrite core. At 1T or more, the core loss at 20 kHz is small, and fine grains having Fe as a main component and having a grain size of 50 nm or less as described in JP-A-63-302504 account for 50% of the entire volume of the structure. Fe accounts for more than
It is known that a base nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon wound core is excellent.

【0009】前記Fe基ナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心
においては、前記文献1、あるいは福永、古賀、江口、
太田、掛橋:「鉄系磁性薄帯を用いたギャップ付カット
コアの磁気特性、電気学会研究会資料、MAG−89−
203、1989年12月1日(以下、文献2と呼ぶ)
に記載されているように、同巻磁心を樹脂含浸処理や表
面固着処理することによって同巻磁心を構成するナノ結
晶軟磁性合金薄帯の層間に樹脂あるいはワニスなどが浸
透し、同ナノ結晶軟磁性合金薄帯に応力が加わることに
よって、その磁心損失が著しく増加することが知られて
いる。
In the above-mentioned Fe-based nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon wound core, the above-mentioned reference 1 or Fukunaga, Koga, Eguchi,
Ota, Kakehashi: "Magnetic properties of cut core with gap using iron-based magnetic ribbon, IEEJ Technical Report, MAG-89-
203, December 1, 1989 (hereinafter referred to as Reference 2)
The resin or varnish penetrates between the layers of the nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon that composes the core by subjecting the core to resin impregnation or surface fixation, as described in It is known that when a stress is applied to a magnetic alloy ribbon, its magnetic core loss is significantly increased.

【0010】ところで、高周波パワートランス20用の
磁心では、巻線作業を容易にするためカットした磁心が
広く用いられている。ナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心を
カットするためには、同巻磁心をエポキシ系接着剤など
の含浸材で含浸処理し、同巻磁心を構成するナノ結晶軟
磁性合金薄帯の各層間を前記含浸材で固着させた後、回
転砥石などによりカットする必要がある。また、磁心損
失を小さくする観点から、カット後、端面を鏡面研磨す
ることも行われている。しかし、このような手法を用い
たナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心をカットした磁心は、
上記のように製造工程が複雑となるほか、前記文献1お
よび文献2に記載されているように、その磁心損失が著
しく増加してしまう問題もある。
By the way, in the magnetic core for the high frequency power transformer 20, a cut magnetic core is widely used in order to facilitate the winding operation. In order to cut the nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon wound core, the wound core is impregnated with an impregnating material such as an epoxy adhesive, and the layers of the nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon constituting the wound core are separated. After fixing with the impregnating material, it is necessary to cut with a rotating grindstone or the like. Also, from the viewpoint of reducing magnetic core loss, after cutting, end faces are also mirror-polished. However, a core obtained by cutting a nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon wound core using such a technique is:
As described above, the manufacturing process becomes complicated, and as described in the above-mentioned documents 1 and 2, there is a problem that the magnetic core loss is significantly increased.

【0011】このためナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心を
用いカットした磁心の磁心損失を低減するため、吉沢、
森、荒川、山内:「Fe−Cu−Nb−Si−B系ナノ
結晶合金の高周波磁気特性」、電気学会研究会資料、M
AG−94−202、1994年11月22日(以下、
文献3と呼ぶ)に記載されるように、その飽和磁歪定数
λsが10−6以下と小さなナノ結晶軟磁性合金薄帯を
使用し、同薄帯表面をセラミックスで被覆した層間絶縁
処理を行うことが有効である。しかし、前記セラミック
で被覆した層間絶縁処理をした磁心の場合、このセラミ
ックの絶縁層の硬度が高いため、カットの工数が著しく
増加する問題がある上、含浸やカットをしない通常のナ
ノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心の磁心損失の約1.4倍に
も達してしまう。
[0011] Therefore, in order to reduce the core loss of the core cut using a nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon wound core, Yoshizawa,
Mori, Arakawa, Yamauchi: "High-frequency magnetic properties of Fe-Cu-Nb-Si-B nanocrystalline alloys", IEICE Technical Meeting, M
AG-94-202, November 22, 1994 (hereinafter referred to as
As described in Literature 3, a nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon whose saturation magnetostriction constant λs is as small as 10 −6 or less is used, and the surface of the ribbon is covered with ceramics to perform an interlayer insulation treatment. Is valid. However, in the case of a magnetic core coated with the above-mentioned ceramic and subjected to interlayer insulation treatment, the hardness of the insulating layer of this ceramic is high, so that the number of cutting steps is significantly increased. It reaches about 1.4 times the core loss of the alloy ribbon wound core.

【0012】このため、ナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心
の特徴である低磁心損失を有効に活用するためには、同
巻磁心を構成するナノ結晶軟磁性合金薄帯に極力応力を
加えないように構成する必要がある。そのような構成の
ナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心としては、ノーカットの
同巻磁心をシリコングリスやゲル状のシリコンゴムなど
を緩衝材としてプラスチックやセラミック等の絶縁ケー
ス中に収納し、外部からの応力が直接巻磁心に加わり難
いようにしたものが広く用いられている。
Therefore, in order to effectively utilize the low core loss characteristic of the nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon core, stress should not be applied to the nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon constituting the core as much as possible. Must be configured as follows. As a nanocrystalline soft magnetic alloy thin-band wound core with such a configuration, the uncut wound core is housed in an insulating case made of plastic or ceramic, etc., using silicon grease or gel-like silicon rubber as a buffer, and externally. The one in which the stress is hardly applied directly to the wound core is widely used.

【0013】[0013]

【発明が解決しようとする課題】図5のフルブリッジ型
DC−DCコンバータのように、高周波パワートランス
20の磁束密度が図7に示すようにB−Hループの原点
に対し対称なB−Hマイナーループを描く動作をする電
力変換装置の高周波パワートランス20において、その
動作時のB−Hマイナーループが図8のようにB−Hル
ープの原点に対し非対称な動作をする偏磁により、前記
高周波パワートランス20が磁気飽和し励磁電流が著し
く増加するのを抑制し、主スイッチ2、3、4および5
の安全動作を確保することが極めて重要である。
As in the full-bridge DC-DC converter of FIG. 5, the magnetic flux density of the high-frequency power transformer 20 is symmetric with respect to the origin of the BH loop as shown in FIG. In the high-frequency power transformer 20 of the power conversion device that performs an operation of drawing a minor loop, the BH minor loop during the operation performs an asymmetric operation with respect to the origin of the BH loop as shown in FIG. The high frequency power transformer 20 suppresses the magnetic saturation and the exciting current from increasing remarkably, and the main switches 2, 3, 4 and 5
It is extremely important to ensure safe operation of the vehicle.

【0014】高周波パワートランス20の偏磁は、よく
知られているように、主に、主スイッチ2、3、4およ
び5の電気的な特性のバラツキに起因するものであり、
励磁電流は回路インピーダンスによってある値で平衡す
る。しかし、高周波パワートランス20の偏磁が大きい
場合、動作時のB−Hマイナーループは図8に示すよう
に一方の飽和領域に達し、励磁電流は著しく増加するた
め、主スイッチ2、3、4および5の主電極間に過大な
電流が流れ、同主スイッチ2、3、4および5は破壊に
至る場合があった。特に、入力直流電源1の電圧の急変
や負荷27の急変時には、過渡的に高周波パワートラン
ス20の動作時の磁束密度の変化量ΔBが大きくなるた
め、偏磁による励磁電流の増加量も大きくなり、主スイ
ッチ2、3、4および5が破壊に至る危険性が高かっ
た。
As is well known, the magnetic polarization of the high-frequency power transformer 20 is mainly caused by variations in the electrical characteristics of the main switches 2, 3, 4 and 5.
The exciting current is balanced at a certain value by the circuit impedance. However, when the magnetic bias of the high frequency power transformer 20 is large, the BH minor loop during operation reaches one saturation region as shown in FIG. 8 and the exciting current is significantly increased. An excessive current flowed between the main electrodes of the main switches 5 and 5, and the main switches 2, 3, 4 and 5 could be broken. In particular, when the voltage of the input DC power supply 1 suddenly changes or the load 27 suddenly changes, the amount of change ΔB in the magnetic flux density during the operation of the high-frequency power transformer 20 increases transiently, so that the amount of increase in the exciting current due to the magnetization increases. , The main switches 2, 3, 4 and 5 were at high risk of breaking.

【0015】なお、主スイッチ2、3、4および5の主
電極間に流れる過電流を抑制する応答速度の速い過電流
保護回路が設けられている場合には、著しい偏磁により
前記主スイッチ2、3、4および5に過大な電流が流れ
るのを抑制でき、これらの主スイッチが破壊するのを防
止できる。しかし、同過電流保護回路が動作したときに
は、出力側に十分な電力を供給できなくなるため出力電
圧の定電圧精度が確保できなくなるなどの問題があっ
た。
When an overcurrent protection circuit having a fast response speed for suppressing an overcurrent flowing between the main electrodes of the main switches 2, 3, 4 and 5 is provided, the main switch 2 is remarkably demagnetized. An excessive current can be prevented from flowing through 3, 4, and 5, and the main switches can be prevented from being broken. However, when the overcurrent protection circuit operates, there is a problem in that sufficient power cannot be supplied to the output side, and thus the accuracy of constant output voltage cannot be ensured.

【0016】上記高周波パワートランス20の偏磁を防
止するための最も一般的な手法として、同高周波パワー
トランス20に、透磁率の小さな磁心を採用するととも
に、同磁心の動作磁束密度波高値Bmを同磁心の飽和磁
束密度Bsに対して十分小さな値となるように選定する
ことが行われている。上記、透磁率の小さな磁心を得る
手法としては、カット磁心にギャップを設けて、その実
効的な比透磁率を下げるのが最も簡便な方法である。こ
の手法によれば、ギャップ幅を調整することにより、磁
心の実効的な比透磁率を任意に選定できると言う利点も
あった。
As the most general method for preventing the high-frequency power transformer 20 from being demagnetized, a magnetic core having a small magnetic permeability is adopted for the high-frequency power transformer 20, and the operating magnetic flux density peak value Bm of the magnetic core is determined. The selection is made to have a sufficiently small value with respect to the saturation magnetic flux density Bs of the magnetic core. The simplest method for obtaining a magnetic core with a small magnetic permeability is to provide a gap in the cut magnetic core and reduce the effective relative magnetic permeability. According to this method, there is also an advantage that the effective relative permeability of the magnetic core can be arbitrarily selected by adjusting the gap width.

【0017】しかし、ナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心の
場合に上記のようにギャップを設けることによって実効
的な比透磁率を低下させる手法は、前記文献1から文献
3にも記載されているように、カット磁心にすることと
ギャップを設けることによって、磁心損失が大幅に増加
するため、前記高周波パワートランス20に用いるとき
の最大の利点である低磁心損失という特徴が損なわれる
上、ギャップ部で生じる漏れ磁束の影響により銅損が増
加する問題があった。
However, a method of reducing the effective relative permeability by providing a gap as described above in the case of a nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon wound core is also described in the above-mentioned documents 1 to 3. As described above, since the core loss is greatly increased by providing the cut core and providing the gap, the feature of low core loss, which is the greatest advantage when used in the high-frequency power transformer 20, is impaired, and the gap portion is reduced. There is a problem that the copper loss increases due to the influence of the leakage magnetic flux generated in the above.

【0018】ナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心において、
ギャップを設けることなしに比透磁率を低下させる手法
としては、同巻磁心の薄帯幅方向(巻磁心の高さ方向)
に磁界を加えながら熱処理する手法、および巻磁心を構
成するナノ結晶軟磁性合金薄帯に応力を加える手法があ
る。しかし、磁心損失が比較的小さな組成系において、
前者の手法を用いて達成できる比透磁率のレベルは20
kHzにおいて10,000程度以上にも達し、Mn−
Znフェライト磁心の数千程度に対し1ケタも大きい値
に留まり、偏磁対策に十分なレベルに達しなかった。一
方、後者の手法は、前記、文献1および2に記載される
ように、磁心損失の大幅な上昇を招く問題があった。
In the nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon wound core,
As a method of reducing the relative magnetic permeability without providing a gap, the direction of the ribbon width direction of the same wound core (the height direction of the wound core)
And a method of applying stress to the nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon constituting the wound core. However, in a composition system where the core loss is relatively small,
The level of relative permeability achievable using the former method is 20
It reaches about 10,000 or more at kHz, and Mn-
The value was one digit larger than about several thousands of Zn ferrite cores, and did not reach a level sufficient for countermeasures against magnetic polarization. On the other hand, the latter method has a problem that the core loss is significantly increased as described in the above-mentioned documents 1 and 2.

【0019】このため、図5のフルブリッジ型DC−D
Cコンバータのように、高周波パワートランス20の磁
束密度が図7に示すようなB−Hループの原点に対し対
称なB−Hマイナーループを描く動作をする電力変換装
置の高周波パワートランス20に、ナノ結晶軟磁性合金
薄帯巻磁心を使用し、低磁心損失という特徴を発揮させ
るためには、極度な偏磁により高周波パワートランスが
飽和し、主スイッチが破壊することのないように同高周
波トランス20の偏磁量を検出するとともに、これを矯
正するために主スイッチ2、3、4および5で形成され
る2組スイッチの各々のオン期間を独立に制御すること
の可能な偏磁抑制回路を追加するなどの対策を行う必要
があった。
For this reason, the full bridge type DC-D shown in FIG.
Like a C converter, the magnetic flux density of the high-frequency power transformer 20 has a high frequency power transformer 20 that operates to draw a BH minor loop symmetric with respect to the origin of the BH loop as shown in FIG. In order to use the nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon wound core and exhibit the characteristic of low core loss, the high frequency power transformer is saturated by extreme magnetic polarization so that the main switch is not destroyed. 20. A demagnetization suppression circuit capable of detecting the amount of magnetization of 20 and correcting the correction by independently controlling the ON period of each of two sets of switches formed by the main switches 2, 3, 4 and 5. It was necessary to take countermeasures such as adding.

【0020】なお、以上の説明ではフルブリッジ型DC
−DCコンバータを例にナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心
を用いた高周波パワートランス20、およびこれを用い
た電力変換装置の問題点について説明したが、ナノ結晶
軟磁性合金薄帯巻磁心にセンタータップを持たない1次
巻線と少なくとも1組以上の全波整流出力用の2次巻線
を設けた構成のハーフブリッジ型コンバータなどの他の
電力変換装置の高周波パワートランス20、およびこれ
を用いた電力変換装置に対しても、全く同様の問題があ
った。
In the above description, a full-bridge DC
The problems of the high-frequency power transformer 20 using the nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon wound core and the power converter using the same have been described by taking the -DC converter as an example. A high-frequency power transformer 20 of another power converter such as a half-bridge type converter having a primary winding having no tap and at least one set of secondary windings for full-wave rectification output, and using the same. However, the same problem has been encountered in the conventional power converter.

【0021】本発明の目的は、前記従来技術では、実現
困難であった、実用上障害となるレベルの偏磁の発生を
防止し得るとともに低磁心損失で小型なノーカットのナ
ノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心にセンタータップを持たな
い1次巻線と少なくとも1組以上の全波整流出力用のセ
ンタータップ付き2次巻線を設けた高周波パワートラン
ス、およびこれを用いた高効率で信頼性の高い電力変換
装置を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a small-sized uncut nanocrystalline soft magnetic alloy thin film which can prevent the occurrence of a level of demagnetization at a level which is difficult to realize in the prior art, and which can be a practical obstacle. A high-frequency power transformer having a band-wound core having a primary winding having no center tap and at least one set of secondary windings having a center tap for full-wave rectification output, and high efficiency and reliability using the same. It is to provide a high power conversion device.

【0022】[0022]

【課題を解決するための手段】本発明は、磁化力の波高
値0.05A/m、周波数20kHzの透磁率が10,0
00以上30,000以下であるFeを主成分とし結晶
粒径50nm以下の微細な結晶粒がその組織の体積全体
の50%以上を占めるノーカットのナノ結晶軟磁性合金
薄帯巻磁心にセンタータップを持たない1次巻線と、少
なくとも1組以上の全波整流出力用の2次巻線を設けた
高周波パワートランスにおいて、20kHzにおける結
合係数が0.9998以上、かつ前記主たる出力である
全波出力用の各2次巻線の各々を短絡して前記1次巻線
側から測定したリーケージ・インダクタンスのうちの大
なるものを小なるもので割った値が1.1以下であるこ
とを特徴とする高周波パワートランスである。
According to the present invention, the peak value of the magnetizing force is 0.05 A / m, and the permeability at a frequency of 20 kHz is 10,000.
A center tap is applied to the uncut nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon wound core in which fine crystal grains having Fe as a main component of not less than 00 and not more than 30,000 and having a grain size of not more than 50 nm account for 50% or more of the entire volume of the structure. In a high-frequency power transformer provided with a primary winding having no primary winding and at least one set of secondary windings for full-wave rectification output, the coupling coefficient at 20 kHz is 0.9999 or more, and the full-wave output is the main output. And a value obtained by short-circuiting each of the secondary windings and dividing a larger one of the leakage inductances measured from the primary winding side by a smaller one is 1.1 or less. High-frequency power transformer.

【0023】このような構成とすることによって、低磁
心損失のノーカットのナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心に
センタータップを持たない1次巻線と少なくとも1組以
上の全波整流出力用の2次巻線を設けた高周波パワート
ランスをフルブリッジ型コンバータやハーフブリッジ型
コンバータなどの電力変換装置に用いる際に問題となっ
ていた偏磁による磁気飽和を複雑な偏磁抑制回路を加え
ることなしに防止でき好ましい。
With this configuration, a low-loss coreless uncut nanocrystalline soft magnetic alloy thin-film wound core has a primary winding having no center tap and at least one set of a secondary winding for full-wave rectification output. Magnetic saturation due to magnetic demagnetization, which had become a problem when using high-frequency power transformers with secondary windings in power converters such as full-bridge converters and half-bridge converters, without adding complicated demagnetization suppression circuits It is preferable because it can be prevented.

【0024】前記高周波パワートランスにおいて、前記
ナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心の磁化力の波高値を80
0A/mとして測定した直流磁気特性における残留磁束
密度Brと飽和磁束密度Bsの比である角型比Br/B
sを0.2以下とした場合には、偏磁による磁気飽和が
より起こり難いため動作磁束密度の変化量をより大きな
値に設定することが可能となり巻線の巻数を減少でき、
同高周波パワートランスの小型化が可能となり好まし
い。
In the high-frequency power transformer, the peak value of the magnetizing force of the magnetic core of the nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon is set to 80.
Squareness ratio Br / B, which is the ratio of the residual magnetic flux density Br and the saturation magnetic flux density Bs in the DC magnetic characteristics measured as 0 A / m
When s is set to 0.2 or less, the magnetic saturation due to the magnetic bias is less likely to occur, so that the change amount of the operating magnetic flux density can be set to a larger value, and the number of turns of the winding can be reduced.
This is preferable because the high-frequency power transformer can be downsized.

【0025】前記高周波パワートランスにおいて、その
主たる出力である全波整流出力用の2次巻線のうちの少
なくとも1組は、これを構成する各巻線を前記ナノ結晶
軟磁性合金薄帯巻磁心に略均等にバイファイラ巻され、
かつ同2次巻線は前記ナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心に
略均等に巻かれた1次巻線によってサンドイッチ巻され
ている場合には、前記一次巻線とその主たる出力である
全波整流出力用の2次巻線間の漏れインダクタンスを小
さくでき結合係数を容易に高めることができるため、偏
磁による励磁電流の増加を一層減少させることができる
とともに、漏れ磁束の影響による銅損の増加を押さえる
ことができるため、同高周波パワートランスの小型化と
高効率化が図れ好ましい。
In the high-frequency power transformer, at least one set of secondary windings for full-wave rectification output, which is a main output of the transformer, has each of its windings connected to the nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon core. Bifilar wound almost evenly,
When the secondary winding is sandwich-wound by a primary winding wound substantially evenly around the nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon core, the primary winding and its main output, full-wave, Since the leakage inductance between the secondary windings for the rectified output can be reduced and the coupling coefficient can be easily increased, the increase in the excitation current due to the demagnetization can be further reduced, and the copper loss due to the influence of the leakage magnetic flux can be reduced. Since the increase can be suppressed, downsizing and high efficiency of the high frequency power transformer can be achieved, which is preferable.

【0026】前記高周波パワートランスにおいて、その
駆動周波数を5kHz以上150kHz以下の範囲に選
定した場合には、その選定した周波数において従来の高
周波パワートランスに比べて、より小型化と高効率化が
図れ好ましい。
When the driving frequency of the high-frequency power transformer is selected in the range of 5 kHz to 150 kHz, the size and efficiency of the selected high-frequency power transformer can be further reduced as compared with the conventional high-frequency power transformer. .

【0027】上記本発明による高周波パワートランスを
用いた電力変換装置は、従来の電力変換装置に比べて、
小型化と高効率化が図れるとともに、簡単な回路構成で
高周波パワートランスの偏磁による励磁電流の増加を抑
制できるため主スイッチの安全動作が図れ、信頼性が向
上して好ましい。
The power converter using the high-frequency power transformer according to the present invention is different from the conventional power converter.
The size and efficiency can be reduced, and an increase in the exciting current due to the demagnetization of the high-frequency power transformer can be suppressed with a simple circuit configuration.

【0028】[0028]

【発明の実施の形態】以下本発明の実施例について詳細
に説明する。 (実施例)回路構成が図5、仕様が表1で与えられるス
イッチング周波数fが20kHzのフルブリッジ型DC
−DCコンバータの高周波パワートランス20、および
同フルブリッジ型DC−DCコンバータの性能について
検討した。
Embodiments of the present invention will be described below in detail. (Embodiment) A full-bridge type DC having a switching frequency f of 20 kHz with a circuit configuration shown in FIG.
The high-frequency power transformer 20 of the DC converter and the performance of the full-bridge DC-DC converter were examined.

【0029】図5において、1は入力直流電源、2、
3、4および5は主スイッチ、6、7、8および9は帰
還ダイオード、10は直流電流を阻止するためのコンデ
ンサ、20はセンタータップを持たない1次巻線と全波
整流出力用の2次巻線を設けた高周波パワートランス、
21は前記高周波パワートランス20の1次巻線、22
および23は前記高周波パワートランス20の全波整流
出力用の2次巻線、31および32は出力整流ダイオー
ド、33は出力平滑チョークコイル、34は出力平滑コ
ンデンサ、35および36は出力端子、37は負荷であ
る。
In FIG. 5, reference numeral 1 denotes an input DC power supply;
3, 4 and 5 are main switches, 6, 7, 8 and 9 are feedback diodes, 10 is a capacitor for blocking DC current, 20 is a primary winding having no center tap and 2 for a full-wave rectified output. High frequency power transformer with secondary winding,
21 is a primary winding of the high-frequency power transformer 20;
And 23 are secondary windings for full-wave rectified output of the high-frequency power transformer 20, 31 and 32 are output rectifier diodes, 33 is an output smoothing choke coil, 34 is an output smoothing capacitor, 35 and 36 are output terminals, and 37 is an output terminal. It is a load.

【0030】[0030]

【表1】 [Table 1]

【0031】なお、本実施例では、高周波パワートラン
ス20の偏磁の一因である主スイッチ2、3、4、およ
び5のオン期間のバラツキを抑制するため、これら4つ
の主スイッチにはパワーMOS−FETを用い、特に、
ターンオフタイムのバラツキを抑えるためターンオフ時
のゲート電流波高値を大きくしてターンオフ時間を極力
短くしている。
In this embodiment, in order to suppress variations in the ON periods of the main switches 2, 3, 4, and 5, which are one of the causes of the magnetic bias of the high-frequency power transformer 20, these four main switches are provided with power. Using a MOS-FET,
In order to suppress variations in the turn-off time, the gate current peak value at the time of the turn-off is increased to shorten the turn-off time as much as possible.

【0032】また、図5の回路において、帰還ダイオー
ド6、7、8および9は高周波パワートランス20の励
磁エネルギーを入力直流電源1に回生することによりコ
ンバータの高効率化を図るとともに同高周波パワートラ
ンス20の偏磁を抑制する機能を有する。さらに、直流
電流を阻止するコンデンサ10も、直流電流成分が前記
高周波パワートランス20の1次巻線21に流入するこ
とを防止できるため、同高周波パワートランス20の偏
磁を抑制する機能を有する。
In the circuit of FIG. 5, the feedback diodes 6, 7, 8 and 9 regenerate the excitation energy of the high-frequency power transformer 20 to the input DC power supply 1 to improve the efficiency of the converter and to increase the efficiency of the converter. 20 has the function of suppressing the magnetization. Further, the capacitor 10 for blocking the DC current can also prevent the DC current component from flowing into the primary winding 21 of the high-frequency power transformer 20, and thus has the function of suppressing the magnetization of the high-frequency power transformer 20.

【0033】高周波パワートランス20には表2に示す
磁心を用いた。表2において、磁心イから磁心ヘは、い
づれもFeを主成分とし結晶粒径50nm以下の微細な
結晶粒がその組織の体積全体の50%以上を占めるノー
カットのナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心である。
The magnetic core shown in Table 2 was used for the high frequency power transformer 20. In Table 2, from core A to core, uncut nanocrystalline soft magnetic alloy ribbons each containing Fe as a main component and fine crystal grains having a crystal grain size of 50 nm or less occupying 50% or more of the entire volume of the structure. It is a magnetic core.

【0034】[0034]

【表2】 [Table 2]

【0035】表2の磁心は、いづれもその寸法が外径4
4mm、内径24mm、高さ20mmのトロイダル形
で、その寸法が外径49mm、内径21mm、高さ25
mmのプラスチック製絶縁ケースに挿入した。また各磁
心のの有効断面積は142.5mm、平均磁路長は1
06.8mmで同一である。
Each of the magnetic cores in Table 2 has an outer diameter of 4
4 mm, inner diameter 24 mm, height 20 mm in toroidal shape with dimensions of outer diameter 49 mm, inner diameter 21 mm, height 25
mm in a plastic insulating case. The effective sectional area of each core is 142.5 mm 2 , and the average magnetic path length is 1
It is the same at 06.8 mm.

【0036】高周波パワートランス20の巻線仕様を表
3に示す。表3において、本発明Aから本発明D、およ
び比較例sと比較例tの高周波パワートランス20の構
成を図1に示す。図1は、本発明Aから本発明D、およ
び比較例sと比較例tの高周波パワートランス20の径
方向断面図である。同図において、50はケースを含む
磁心、黒で塗りつぶされている円51および白抜きの円
52は図5の1次巻線21、網掛けの円53および斜線
の円54は各々図5の2次巻線22と23に相当する。
Table 3 shows the winding specifications of the high-frequency power transformer 20. In Table 3, the configurations of the high-frequency power transformers 20 of the present invention A to the present invention D and the comparative examples s and t are shown in FIG. FIG. 1 is a radial cross-sectional view of a high-frequency power transformer 20 of the present invention A to the present invention D, and comparative examples s and t. 5. In FIG. 5, reference numeral 50 denotes a magnetic core including a case, black circles 51 and white circles 52 represent primary windings 21 in FIG. 5, shaded circles 53 and hatched circles 54 in FIG. They correspond to the secondary windings 22 and 23.

【0037】2次巻線53および54は各々0.23φ
のポリウレタン絶縁被覆電線105本で構成したリッツ
線を磁心50に略均等にバイファイラ巻した。一方、1
次巻線は、1.0φの3層絶縁被覆電線を2本パラで2
0ターンをケースを含む磁心50に対し略均等に巻いた
巻線51と1.0φの3層絶縁被覆電線を2本パラ20
ターンを磁心50に対し略均等に巻いた巻線52で、前
記2次巻線53および54を挟み込むと同時に、前記巻
線51と巻線52をパラ接続することで4本パラで20
ターンの1次巻線21を構成し、所謂サンドイッチ巻構
成としている。
The secondary windings 53 and 54 are each 0.23φ.
The litz wire composed of 105 pieces of the polyurethane insulated wire was wound around the magnetic core 50 substantially bifilar. Meanwhile, 1
The next winding is a 2-layer, 1.0φ three-layer insulated wire.
A winding 51 wound substantially evenly around a magnetic core 50 including a case and a three-layer, 1.0φ three-layer insulated wire 20
The secondary windings 53 and 54 are sandwiched by windings 52 in which the turns are wound substantially evenly around the magnetic core 50, and at the same time, the windings 51 and 52 are connected in parallel to form four parallel windings.
The primary winding 21 of the turn is configured, and is a so-called sandwich winding configuration.

【0038】表3において、比較例aから比較例fの高
周波パワートランス20の構成を図2に示す。図2は、
比較例aから比較例fの高周波パワートランス20の径
方向断面図である。同図において、50はケースを含む
磁心、黒塗りの円61は図5の1次巻線21、網掛けの
円62および斜線の円63は各々図5の2次巻線22と
23に相当する。
In Table 3, the configurations of the high-frequency power transformers 20 of Comparative Examples a to f are shown in FIG. FIG.
FIG. 9 is a radial cross-sectional view of the high-frequency power transformer 20 of Comparative Example a to Comparative Example f. In the same figure, 50 is a magnetic core including a case, black circle 61 is the primary winding 21 in FIG. 5, shaded circle 62 and hatched circle 63 are the secondary windings 22 and 23 in FIG. 5, respectively. I do.

【0039】1次巻線61は、1.0φの3層絶縁被覆
電線を4本パラで磁心50に対し略均等に20ターン巻
いた。一方、2次巻線62および63は、0.23φの
ポリウレタン絶縁被覆電線を105本用い構成したリッ
ツ線を、各々磁心50に略均等に整列巻した。
The primary winding 61 is formed by winding three turns of a 1.0-φ three-layer insulated wire around the magnetic core 50 substantially four times in four paras. On the other hand, for the secondary windings 62 and 63, litz wires composed of 105 0.23φ polyurethane insulated wires were substantially uniformly aligned and wound around the magnetic core 50, respectively.

【0040】表3において、比較例gから比較例lの高
周波パワートランス20の構成を図3に示す。図3は、
比較例gから比較例lの高周波パワートランス20の径
方向断面図である。同図において、50はケースを含む
磁心、黒塗りの円61は図5の1次巻線21、網掛けの
円62および斜線の円63は各々図5の2次巻線22と
23に相当する。
In Table 3, the configurations of the high-frequency power transformers 20 of Comparative Examples g to l are shown in FIG. FIG.
It is a radial cross-sectional view of the high frequency power transformer 20 of Comparative Example g to Comparative Example l. In the same figure, 50 is a magnetic core including a case, black circle 61 is the primary winding 21 in FIG. 5, shaded circle 62 and hatched circle 63 are the secondary windings 22 and 23 in FIG. 5, respectively. I do.

【0041】[0041]

【表3】 [Table 3]

【0042】1次巻線61は、1.0φの3層絶縁被覆
電線を4本パラで磁心50に対し略均等に20ターン巻
いて構成している。一方、2次巻線62および63は、
各々0.23φのポリウレタン絶縁被覆電線を105本
用いて構成したリッツ線を磁心50に略均等にバイファ
イラ巻した。
The primary winding 61 is formed by winding three turns of a 1.0-diameter three-layer insulated wire around the magnetic core 50 substantially four times in four paras. On the other hand, the secondary windings 62 and 63
A litz wire composed of 105 polyurethane-insulated wires each having a diameter of 0.23φ was bifilar wound around the magnetic core 50 substantially uniformly.

【0043】表3において、比較例mから比較例rの高
周波パワートランス20の構成を図4に示す。図4は、
比較例mから比較例rの高周波パワートランス20の径
方向断面図である。同図において、50はケースを含む
磁心、黒で塗りつぶされている円51および白抜きの円
52は図5の1次巻線21、網掛けの円53および斜線
の円54は各々図5の2次巻線22と23に相当する。
In Table 3, the configurations of the high frequency power transformers 20 of Comparative Examples m to r are shown in FIG. FIG.
It is a radial cross section of the high frequency power transformer 20 of the comparative example m to the comparative example r. 5. In FIG. 5, reference numeral 50 denotes a magnetic core including a case, black circles 51 and white circles 52 represent primary windings 21 in FIG. 5, shaded circles 53 and hatched circles 54 in FIG. They correspond to the secondary windings 22 and 23.

【0044】2次巻線62および63は、0.23φの
ポリウレタン絶縁被覆電線を105本用い構成したリッ
ツ線を、各々磁心50に略均等に整列巻した。一方、1
次巻線は、1.0φの3層絶縁被覆電線を2本パラで2
0ターンをケースを含む磁心50に対し略均等に巻いた
巻線51と1.0φの3層絶縁被覆電線を2本パラ20
ターンを磁心50に対し略均等に巻いた巻線52で、前
記2次巻線53および54をサンドイッチ状に挟み込む
と同時に、前記巻線51と巻線52をパラ接続すること
により4本パラで21ターンの1次巻線21を構成して
いる。
For the secondary windings 62 and 63, litz wires composed of 105 0.23φ polyurethane insulated wires were wound around the magnetic core 50 almost uniformly. Meanwhile, 1
The next winding is a 2-layer, 1.0φ three-layer insulated wire.
A winding 51 wound substantially evenly around a magnetic core 50 including a case and a three-layer, 1.0φ three-layer insulated wire 20
At the same time, the secondary windings 53 and 54 are sandwiched between the windings 52 in which the turns are wound substantially evenly around the magnetic core 50, and at the same time, the windings 51 and 52 are connected in parallel to form four parallel windings. The primary winding 21 has 21 turns.

【0045】表4に、表3に示す24種類の高周波パワ
ートランス20の周波数20kHzにおける1次巻線と
一方の2次巻線間の結合係数のうち小なるものをk1、
大なるものをk2、前記各2次巻線の各々1つのみを短絡
して前記1次巻線側から測定した周波数20kHzにおけ
るリーケージ・インダクタンスのうち大なるものLl1を
小なるものLl2で割ったリーケージ・インダクタンスの
比Ll1/Ll2、前記回路構成が図5、仕様が表1のフル
ブリッジ型DC−DCコンバータに実装したときの同高
周波パワートランス20の偏磁の程度、動作時の磁束密
度の変化量ΔBおよび温度上昇ΔTを示す。なお、前記
結合係数k1とk2は、1次巻線のインダクタンスをL
p、および前記リーケージインダクタンスLl1とLl2か
ら、それぞれ次式によって求めることができる。 k1=(1−(Ll1/Lp))0.5 (1) k2=(1−(Ll2/Lp))0.5 (2)
Table 4 shows that among the coupling coefficients between the primary winding and one of the secondary windings at a frequency of 20 kHz of the 24 types of high-frequency power transformers 20 shown in Table 3, k1 is the smaller one.
The larger one was k2, and only one of each of the secondary windings was short-circuited, and the larger one of the leakage inductances at the frequency 20 kHz measured from the primary winding side was divided by the smaller one Ll2. The ratio of leakage inductance Ll1 / Ll2, the circuit configuration is shown in FIG. 5, the degree of demagnetization of the high-frequency power transformer 20 when mounted on the full-bridge type DC-DC converter shown in Table 1 and the magnetic flux density during operation. The change amount ΔB and the temperature rise ΔT are shown. Note that the coupling coefficients k1 and k2 correspond to the inductance of the primary winding L.
p and the leakage inductances Ll1 and Ll2 can be obtained by the following equations. k1 = (1- (L11 / Lp)) 0.5 (1) k2 = (1- (L12 / Lp)) 0.5 (2)

【0046】偏磁については、表1の仕様の範囲におい
て、負荷を2から25Aに急変させても偏磁による高周
波パワートランスの飽和が生じない場合を○、負荷を2
から25Aに急変させたときにのみ偏磁により高周波パ
ワートランスが飽和した場合を△、入力電圧定常動作で
も偏磁により高周波パワートランスが飽和した場合を×
とした。また、動作時の磁束密度の変化量ΔBおよび温
度上昇ΔTは、周囲温度25℃において入力電圧200
V、出力電圧40V、負荷電流25Aの入出力条件のも
とで連続通電してその値が飽和した時点で測定した結果
である。
Regarding the magnetic polarization, in the range of the specifications in Table 1, the case where the saturation of the high frequency power transformer does not occur due to the magnetic polarization even when the load is suddenly changed from 2 to 25 A, and the load is 2
The case where the high frequency power transformer is saturated due to the magnetic polarization only when the voltage is suddenly changed from 25 to 25A is indicated by Δ.
And Further, the change amount ΔB of the magnetic flux density and the temperature rise ΔT during the operation are the same as those of the input voltage 200 at an ambient temperature of 25 ° C.
It is a result measured at the time when the value is saturated by continuous energization under the input / output conditions of V, output voltage 40V, and load current 25A.

【0047】表4からわかるように、20kHz、磁化
力の波高値0.05A/mのときの透磁率が10,000
以上30,000以下のノーカットのナノ結晶軟磁性合
金薄帯巻磁心を用い、結合係数k1およびk2がいづれも
0.9998以上、かつリーケージ・インダクタンスの比
Ll1/Ll2が1.1以下である本発明Aから本発明Dの
高周波パワートランスによれば、偏磁を実用上問題のな
いレベルに押さえることができるとともに、その温度上
昇ΔTも実用上支障のない許容値である60℃以下に押
さえることができる。なお、ここで温度上昇ΔTの許容
値は、表1の動作時の周囲温度の上限である40℃と動
作時のDC−DCコンバータケース内部の温度上昇想定
上限値を20℃を足した60℃をE種絶縁の許容温度で
ある120℃から差し引いて60℃以下とした。
As can be seen from Table 4, the magnetic permeability was 10,000 at 20 kHz and the peak value of the magnetizing force was 0.05 A / m.
An uncut nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon wound core of not more than 30,000 or less, a coupling core k1 and k2 of 0.9999 or more, and a leakage inductance ratio Ll1 / Ll2 of 1.1 or less. According to the high-frequency power transformers of the inventions A to D, the magnetic polarization can be suppressed to a level that does not cause any practical problem, and the temperature rise ΔT is also suppressed to 60 ° C. or less, which is an allowable value that does not hinder practical use. Can be. Here, the allowable value of the temperature rise ΔT is 60 ° C. which is obtained by adding 20 ° C. to 40 ° C. which is the upper limit of the ambient temperature during the operation in Table 1 and the assumed upper limit of the temperature rise inside the DC-DC converter case during the operation. Was subtracted from the allowable temperature of class E insulation, 120 ° C., to obtain 60 ° C. or less.

【0048】一方、リーケージ・インダクタンスの比Ll
1/Ll2が1.1を超える比較例aから比較例e、および
比較例mから比較例qの高周波パワートランス20で
は、偏磁の影響により最大出力を安定に取り出せず、温
度上昇ΔTの測定が不可能であった。
On the other hand, the leakage inductance ratio Ll
In the high-frequency power transformers 20 of Comparative Examples a to e and 1 to Lq in which 1 / L12 exceeds 1.1, the maximum output cannot be taken out stably due to the influence of the magnetic polarization, and the temperature rise ΔT is measured. Was impossible.

【0049】また、20kHz、磁化力の波高値0.0
5A/mで測定した透磁率が10,000未満の磁心へ
を用いた場合には、比較例fおよび比較例rに示すよう
に、リーケージ・インダクタンスの比Ll1/Ll2が1.1
を超えても定常状態では偏磁の影響がなかったが、負荷
急変時に偏磁が生じたほか、温度上昇も80℃以上にも
達する問題があった。
Also, at 20 kHz, the peak value of the magnetizing force is 0.0.
When a magnetic core having a magnetic permeability of less than 10,000 measured at 5 A / m was used, as shown in Comparative Examples f and r, the ratio L11 / L12 of leakage inductance was 1.1.
Even when the load exceeds the limit, there was no influence of the magnetic polarization in the steady state, but there was a problem that the magnetic polarization was generated when the load suddenly changed, and the temperature rose to 80 ° C. or more.

【0050】[0050]

【表4】 [Table 4]

【0051】リーケージ・インダクタンスの比Ll1/Ll
2が1.1以下であるが、結合係数k1およびk2が0.9
998未満の比較例gから比較例jでは、定常状態では
偏磁の影響が見られなかったが、負荷急変時に偏磁が生
じる問題があった。また、比較例gから比較例jでは、
本発明Aから本発明Dと同じ磁心イから磁心ニを用いて
いるにもかかわらず、温度上昇ΔTも高いことがわか
る。
Leakage inductance ratio L1 / L1
2 is 1.1 or less, but the coupling coefficients k1 and k2 are 0.9.
In Comparative Examples g to j of less than 998, the influence of the magnetic declination was not observed in the steady state, but there was a problem that the magnetic demagnetization occurred when the load suddenly changed. In Comparative Examples g to j,
It can be seen that the temperature rise ΔT is high even though the same magnetic cores a to d are used as in the present inventions A to D.

【0052】比較例kおよび比較例tは、リーケージ・
インダクタンスの比Ll1/Ll2が1.1以下、かつ結合
係数k1とk2とも0.9998以上あり、温度上昇ΔT
も許容値以下であるが、20kHz、磁化力の波高値が
0.05A/mで測定したときの透磁率が30,000を
超えるために、負荷急変時に偏磁の影響によって高周波
パワートランスが飽和する問題があった。
The comparative examples k and t show the leakage
The inductance ratio L11 / L12 is 1.1 or less, the coupling coefficients k1 and k2 are 0.9999 or more, and the temperature rise ΔT
Is less than the allowable value, but since the magnetic permeability measured at 20 kHz and the peak value of the magnetizing force exceeds 30,000, the high-frequency power transformer is saturated due to the influence of the magnetic polarization at the time of a sudden change in load. There was a problem to do.

【0053】20kHz、磁化力の波高値0.05A/
mで測定した透磁率が10,000未満の磁心へを用い
た比較例lおよび比較例tでは、リーケージ・インダク
タンスの比Ll1/Ll2が1.1以下、かつ結合係数k1お
よびk2が0.9998未満であるにもかかわらず負荷を
急変させても偏磁の影響により同高周波パワートランス
が飽和することはなかったが、温度上昇ΔTが70℃以
上にも達することがわかる。
20 kHz, peak value of magnetizing force 0.05 A /
In Comparative Examples 1 and t using magnetic cores having a magnetic permeability of less than 10,000 measured in m, the ratio of leakage inductance Ll1 / Ll2 is 1.1 or less and the coupling coefficients k1 and k2 are 0.9998. Even if the load is less than 1, even if the load is suddenly changed, the high frequency power transformer does not saturate due to the influence of the magnetic polarization, but the temperature rise ΔT reaches 70 ° C. or more.

【0054】以上説明したようにのように、20kH
z、磁化力の波高値0.05A/mのときの透磁率が1
0,000以上30,000以下のノーカットのナノ結
晶軟磁性合金薄帯巻磁心を用い、結合係数k1およびk2
がいづれも0.9998以上、かつリーケージ・インダク
タンスの比Ll1/Ll2が1.1以下である本発明Aから
本発明Dの高周波パワートランスによれば、偏磁を実用
上問題のないレベルに押さえることができるとともに、
その温度上昇ΔTも実用上支障のない許容値である60
℃以下に押さえることができ、信頼性が高く、高効率な
高周波パワートランスが得られるとともに、高効率、高
信頼性の電力変換装置を実現できることがわかる。
As described above, 20 kHz
z, the magnetic permeability is 1 when the peak value of the magnetizing force is 0.05 A / m.
Using uncut nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon wound cores of not less than 0000 and not more than 30,000, coupling coefficients k1 and k2
In any case, according to the high frequency power transformers of the present invention A to D of the present invention in which the leakage inductance ratio Ll1 / Ll2 is 1.1 or less and the leakage inductance ratio is 0.9999 or more, the magnetic demagnetization can be suppressed to a practically acceptable level. While being able to
The temperature rise ΔT is also an allowable value which does not hinder practical use.
It can be seen that a high-efficiency, high-efficiency, high-frequency power transformer can be obtained that can be suppressed to below ℃, and a highly efficient and highly reliable power converter can be realized.

【0055】なお、本実施例に示す本発明Aから本発明
Dでは、既に説明したように負荷を2Aから25Aに急
変させても偏磁による高周波パワートランスの飽和は全
く認められなかった。しかし、磁化力の波高値0.05
A/m、周波数20kHzにおける透磁率が10,00
0以上30,000以下であって、磁化力の波高値を8
00A/mとして測定した直流磁気特性における残留磁
束密度Brと飽和磁束密度Bsの比である角型比Br/
Bsが0.20を超えるFeを主成分とし結晶粒50n
m以下の微細な結晶がその組織の50%以上を占めるノ
ーカットのナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心を用いて前記
本発明Aから本発明Dと同様の巻線構造とした高周波パ
ワートランスでは、前記負荷急変時に偏磁による高周波
パワートランスの飽和が若干認められた。したがって、
より安定な動作をさせるためには、本発明Aから本発明
Dで用いた磁心のように前記角型比Br/Bsが0.2
0以下のほうがより好ましいこともわかった。
In the present invention A to D according to the present embodiment, even when the load was suddenly changed from 2 A to 25 A as described above, no saturation of the high frequency power transformer due to the magnetization was recognized at all. However, the peak value of the magnetizing force was 0.05.
A / m, permeability at a frequency of 20 kHz is 10,000
0 to 30,000 and the peak value of the magnetizing force is 8
The squareness ratio Br /, which is the ratio of the residual magnetic flux density Br and the saturation magnetic flux density Bs in the DC magnetic characteristics measured as 00 A / m.
Fe having a Bs of more than 0.20 as a main component and a crystal grain of 50 n
m, a high-frequency power transformer having a winding structure similar to that of the present invention A to D using an uncut nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon wound core in which fine crystals of 50% or more occupy 50% or more of the structure. Saturation of the high-frequency power transformer due to magnetization was slightly observed when the load suddenly changed. Therefore,
In order to perform a more stable operation, the squareness ratio Br / Bs is set to 0.2 like the magnetic core used in the present invention A to the present invention D.
It was also found that a value of 0 or less was more preferable.

【0056】さらに、回路構成が図5、仕様が表1で与
えられるDC−DCコンバータについて、その駆動周波
数を変えたときに、本発明によるノーカットのナノ結晶
軟磁性合金薄帯巻磁心を用いた高周波パワートランス、
Mn−Znフェライト磁心を用いた高周波パワートラン
ス、およびFe基アモルファス軟磁性合金薄帯巻磁心を
用いた高周波パワートランスについて、温度上昇ΔTが
60℃以下で、偏磁による異常動作を生じない条件を満
足する製品サイズを比較検討した。その結果、Fe基ア
モルファス軟磁性合金薄帯巻磁心を用いた高周波パワー
トランスは駆動周波数が5kHz未満で最も小型化で
き、Mn−Znフェライト磁心を用いた高周波パワート
ランスは駆動周波数150kHzを超える場合に最も小
型化できた。これらに対し、本発明によるノーカットの
ナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心を用いた高周波パワート
ランスは駆動周波数が5kHz以上150kHz以下の
範囲で最も小型化できることもわかった。
Further, for a DC-DC converter whose circuit configuration is shown in FIG. 5 and whose specifications are given in Table 1, when the driving frequency was changed, the uncut nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon wound core according to the present invention was used. High frequency power transformer,
For a high-frequency power transformer using a Mn-Zn ferrite core and a high-frequency power transformer using a Fe-based amorphous soft magnetic alloy thin-film wound core, the conditions under which the temperature rise ΔT is 60 ° C or less and no abnormal operation due to magnetic demagnetization will occur. Satisfactory product sizes were compared and studied. As a result, the high-frequency power transformer using the Fe-based amorphous soft magnetic alloy thin-film wound core can be most miniaturized when the driving frequency is less than 5 kHz, and the high-frequency power transformer using the Mn-Zn ferrite core can be used when the driving frequency exceeds 150 kHz. Most compact. On the other hand, it was also found that the high-frequency power transformer using the uncut nanocrystalline soft magnetic alloy thin-film wound core according to the present invention can be most miniaturized when the driving frequency is in the range of 5 kHz to 150 kHz.

【0057】[0057]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
特に複雑な偏磁抑制回路を設けることなしに実用上障害
となる偏磁の発生を抑制し得るとともに低磁心損失で小
型のノーカットのナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心を用い
た小型で温度上昇が小さく高効率の高周波パワートラン
ス20、およびこれを用いた高効率で信頼性の高い電力
変換装置が得られる。なお、前記実施例では、高周波パ
ワートランスを用いた代表的な電力変換装置としてフル
ブリッジ型DC−DCコンバータへの応用例について詳
細に説明したが、本発明はハーフブリッジ型コンバータ
を始めとするセンタータップを持たない1次巻線と、少
なくとも1組以上のセンタータップ付き2次巻線を設け
た高周波パワートランス20全般、および同高周波パワ
ートランス20を用いた電力変換装置全般に適用され、
同様に有効な効果を発揮し、その効果は極めて大きい。
As described above, according to the present invention,
In particular, it is possible to suppress the occurrence of demagnetization, which is a practical obstacle, without providing a complicated demagnetization suppression circuit, and to use a small, uncut nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon wound core with low core loss and a small core to increase the temperature. A high-efficiency high-frequency power transformer 20 having a small size and a highly efficient and highly reliable power converter using the same can be obtained. In the above embodiment, an application example to a full-bridge DC-DC converter as a typical power converter using a high-frequency power transformer has been described in detail. Applied to all high-frequency power transformers 20 provided with a primary winding having no tap and at least one set or more of secondary windings having a center tap, and to all power converters using the high-frequency power transformer 20;
Similarly, it exerts an effective effect, and the effect is extremely large.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明による、高周波パワートランス20の1
実施例の巻線構造断面の概念図。
FIG. 1 shows a high-frequency power transformer 1 according to the present invention.
The conceptual diagram of the winding structure cross section of an Example.

【図2】比較例である高周波パワートランスの巻線構造
断面の概念図。
FIG. 2 is a conceptual diagram of a winding structure cross section of a high-frequency power transformer as a comparative example.

【図3】比較例である高周波パワートランスの巻線構造
断面の概念図。
FIG. 3 is a conceptual diagram of a winding structure cross section of a high-frequency power transformer as a comparative example.

【図4】比較例である高周波パワートランスの巻線構造
断面の概念図。
FIG. 4 is a conceptual diagram of a winding structure cross section of a high-frequency power transformer as a comparative example.

【図5】フルブリッジ型DC−DCコンバータの回路構
成ブロック図。
FIG. 5 is a circuit configuration block diagram of a full-bridge DC-DC converter.

【図6】図5のフルブリッジ型DC−DCコンバータの
高周波パワートランス10の1次巻線21の端子電圧概
念図。
6 is a conceptual diagram of a terminal voltage of a primary winding 21 of the high-frequency power transformer 10 of the full-bridge DC-DC converter of FIG.

【図7】偏磁がない場合の図5のフルブリッジ型DC−
DCコンバータの高周波パワートランス20の動作B−
Hループ概念図。
FIG. 7 shows a full-bridge type DC-
Operation B- of high frequency power transformer 20 of DC converter
H loop conceptual diagram.

【図8】偏磁により磁心が飽和したときの図8のフルブ
リッジ型DC−DCコンバータの高周波パワートランス
20の動作B−Hループ概念図。
FIG. 8 is a conceptual diagram of an operation BH loop of the high-frequency power transformer 20 of the full-bridge DC-DC converter of FIG. 8 when the magnetic core is saturated due to the magnetization.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1:入力直流電源 2、3、4、5:主スイッチ素子 7、8、9:帰還ダイオード 10:直流電流を阻止するためのコンデンサ 20:高周波パワートランス 21:高周波パワートランス20の1次巻線 23:高周波パワートランス20の2次巻線 31、32:出力整流ダイオード 33:出力平滑チョークコイル 34:出力平滑コンデンサ 35、36:出力端子 37:負荷 1: Input DC power supply 2, 3, 4, 5: Main switch element 7, 8, 9: Feedback diode 10: Capacitor for blocking DC current 20: High frequency power transformer 21: Primary winding of high frequency power transformer 20 23: Secondary winding 31, 32 of the high-frequency power transformer 20, 32: Output rectifier diode 33: Output smoothing choke coil 34: Output smoothing capacitor 35, 36: Output terminal 37: Load

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H02M 3/335 H01F 31/00 M (72)発明者 小倉 克廣 鳥取県鳥取市南栄町33番地12号日立金属株 式会社鳥取工場内 Fターム(参考) 5E043 BA01 5H730 AA14 AA19 BB27 EE03 EE72 ZZ15 ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) H02M 3/335 H01F 31/00 M (72) Inventor Katsuhiro Ogura 33-12 Minamisakaemachi, Tottori City, Tottori Prefecture Hitachi F-term in the Tottori Plant of Metal Corporation (reference) 5E043 BA01 5H730 AA14 AA19 BB27 EE03 EE72 ZZ15

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 磁化力の波高値0.05A/m、周波数
20kHzの透磁率が10,000以上30,000以下
であるFeを主成分とし結晶粒径50nm以下の微細な
結晶粒がその組織の体積全体の50%以上を占めるノー
カットのナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心に、センタータ
ップを持たない1次巻線と、少なくとも1組以上の全波
整流出力用の2次巻線を設けた高周波パワートランスに
おいて、前記1次巻線とその主たる出力である全波整流
出力用の各2次巻線の20kHzにおける2つの結合係
数はいづれも0.9998以上、かつ前記主たる出力で
ある全波出力用の各2次巻線の各々を短絡して前記1次
巻線側から測定したリーケージ・インダクタンスのうち
の大なるものを小なるもので割った値が1.1以下であ
ることを特徴とする高周波パワートランス。
1. Microstructure having a peak value of magnetizing force of 0.05 A / m, Fe having a magnetic permeability of 10,000 to 30,000 at a frequency of 20 kHz and a crystal grain size of 50 nm or less as a main component. A primary winding without a center tap and at least one set of secondary windings for full-wave rectification output are provided on a non-cut nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon wound core occupying 50% or more of the whole volume In the high-frequency power transformer, the two coupling coefficients at 20 kHz of the primary winding and each of the secondary windings for full-wave rectification output, which are the main outputs, are all 0.9999 or more, and the primary output is the total output. The value obtained by short-circuiting each of the secondary windings for wave output and dividing the larger one of the leakage inductances measured from the primary winding side by the smaller one is 1.1 or less. Characteristic high circumference Power transformer.
【請求項2】 請求項1に記載される高周波パワートラ
ンスにおいて、前記ナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心の磁
化力の波高値を800A/mとして測定した直流磁気特
性における残留磁束密度Brと飽和磁束密度Bsの比で
ある角型比Br/Bsは0.2以下であることを特徴と
する高周波パワートランス。
2. The high-frequency power transformer according to claim 1, wherein a residual magnetic flux density Br and a saturation in a DC magnetic characteristic measured by setting a peak value of a magnetizing force of the nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon core to 800 A / m. A high-frequency power transformer, wherein a squareness ratio Br / Bs, which is a ratio of magnetic flux density Bs, is 0.2 or less.
【請求項3】 請求項1または2に記載の高周波パワー
トランスにおいて、その主たる出力である全波整流出力
用の2次巻線は、これを構成する各巻線が前記ナノ結晶
軟磁性合金薄帯巻磁心に略均等にバイファイラ巻されて
おり、かつ同2次巻線は前記ナノ結晶軟磁性合金薄帯巻
磁心に略均等に巻かれた1次巻線によってサンドイッチ
巻されていることを特徴とする高周波パワートランス。
3. The high-frequency power transformer according to claim 1, wherein the secondary winding for full-wave rectification output, which is the main output, has each of the windings constituting the nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon. The secondary winding is sandwiched by a primary winding that is wound substantially evenly around the nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon winding core. High frequency power transformer.
【請求項4】 請求項1から3のいずれかに記載の高周
波パワートランスにおいて、その駆動周波数は5kHz
以上150kHz以下の範囲にあることを特徴とする高
周波パワートランス。
4. The high-frequency power transformer according to claim 1, wherein the driving frequency is 5 kHz.
A high-frequency power transformer characterized by being in the range from 150 kHz to 150 kHz.
【請求項5】 請求項1から4のいずれかに記載の高周
波パワートランスを用いたことを特徴とする電力変換装
置。
5. A power converter using the high-frequency power transformer according to any one of claims 1 to 4.
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