JP2009059995A

JP2009059995A - 複合磁気部品

Info

Publication number: JP2009059995A
Application number: JP2007227468A
Authority: JP
Inventors: Kazuaki Mino; 和明三野
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2007-09-03
Filing date: 2007-09-03
Publication date: 2009-03-19

Abstract

【課題】従来よりも一層の小形化、低コスト化を可能にし、しかもコイルのインダクタンス値を容易に設計可能とした複合磁気部品を提供する。
【解決手段】変圧器７を構成する磁性体の一部（Ｅ形コア４１の中央脚部４１Ａ）を主巻線巻装部とし、この主巻線巻装部に、変圧器７の一次巻線７１、二次巻線７２等を巻装すると共に、変圧器７を構成する磁性体の他の部分（Ｉ形コア４２）を延長巻線巻装部とし、この延長巻線巻装部に、例えば一次巻線７１を延長してなる延長巻線７１ａを巻装し、一次巻線７１に電流を流したときに延長巻線７１ａを流れる電流によって発生する磁束により、一次巻線７１に直列に接続されるコイル５を等価的に構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、共通の磁性体を用いて変圧器及びコイルを構成することにより、磁気部品の集積化を図った複合磁気部品に関するものである。

図３は、変圧器及びコイルを使用したＤＣ−ＤＣコンバータの回路図であり、特許文献１に記載されているものである。
図３において、１は直流電源、２，３は直流電源１の両端に直列接続された半導体スイッチング素子、４はコンデンサ、５はコンデンサ４と共に共振回路を構成する直列コイル、７は一次巻線７１、二次巻線７２及び三次巻線７３からなる変圧器、６は並列コイル、８，９は二次巻線７２、三次巻線７３の各一端にアノードがそれぞれ接続され、かつカソード同士が接続されたダイオード、１０は前記カソードと二次巻線７２、三次巻線７３の接続点との間に接続された負荷、１１は負荷１０の両端に接続されたコンデンサである。

この従来技術は絶縁形のＤＣ−ＤＣコンバータであり、スイッチング素子２，３のオンオフにより直流電源１の電圧を変圧器７により絶縁して出力させ、ダイオード８，９により整流して得た直流電圧を負荷１１に印加している。ここで、コンデンサ４、コイル５等の共振動作によってスイッチング素子２，３及びダイオード８，９はソフトスイッチング動作を行うことができるため、スイッチング損失が低減される。

このように、図３のＤＣ−ＤＣコンバータでは、変圧器７の一次巻線７１に直列コイル５を接続することによって高効率な変換回路を実現可能であるが、部品点数が多いという問題がある。
そこで、特許文献１には、変圧器７及びコイル５を集積化して複合磁気部品を構成することにより、部品点数を少なくする技術が開示されている。

図４は、変圧器７及びコイル５を集積化した複合磁気部品の構成を示している。この例では、２個のＥ形コア２１，２２の間に１個のＩ形コア２４が接合されており、一方のＥ形コア２１の中央脚部２１Ａに変圧器７の一次巻線７１、二次巻線７２、三次巻線７３が巻かれていると共に、他方のＥ形コア２２の中央脚部２２Ａに前記一次巻線７１の延長巻線７１ａが巻かれている。

上記のように変圧器７の一次巻線７１、二次巻線７２、三次巻線７３を同一の中央脚部２１Ａに巻くことにより、これらの巻線が磁気結合し、変圧器として動作する。ここで、一次巻線７１に電圧を印加して図の矢印方向に電流ｉを流した時に発生する変圧器７としての磁束を１０１，１０２とする。
更に、一次巻線７１の延長巻線７１ａを他方のＥ形コア２２の中央脚部２２Ａに巻くことにより、上記電流ｉによって二次巻線７２や三次巻線７３とは鎖交しない磁束１０３，１０４が発生する。これらの磁束１０３，１０４によるインダクタンス成分は、等価的に一次巻線７１に直列に接続されるため、図３におけるコイル５が構成されることになる。

この場合、Ｉ形コア２４の内部では、磁束１０１と１０３、磁束１０２と１０４がそれぞれ逆方向になって打ち消し合うことになり、磁束密度が減少して鉄損も低減される。
よって、図４のような構成の複合磁気部品によれば、図３に示した変圧器７及びコイル５を一つの部品として集積化し、ＤＣ−ＤＣコンバータの小形化、低コスト化を図ることができる。

Yanjun Zhang, Dehong Xu, Kazuaki Mino, Kiyoaki Sasagawa, "1MHz-1kW LLC Resonant Converter with Integrated Magnetics", IEEE APEC 2006

通常の変圧器は、Ｅ形コアを２個、またはＥ形コア１個とＩ形コア１個を使って構成することができる。しかし、図４に示した従来の複合磁気部品は、変圧器とコイルとを複合化することができるものの、磁性体としてＥ形コアを２個、Ｉ形コアを１個使用しているので、装置が大形化すると共にコスト高になる。また、変圧器７の漏れインダクタンスは等価的にコイル５に相当するが、巻線間の磁気結合状態で決定される漏れインダクタンス値を正確に設定することは困難である。更に、共振動作となるＤＣ−ＤＣコンバータのインダクタンスには大きな値が必要であり、上記のように漏れインダクタンスによって構成するには限界がある。

そこで、本発明の解決課題は、従来技術よりも一層の小形化、低コスト化を可能にし、しかもコイルのインダクタンス値を容易に設計可能とした複合磁気部品を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、変圧器を構成する磁性体の一部を主巻線巻装部とし、この主巻線巻装部に、複数の変圧器用巻線（一次巻線、二次巻線、三次巻線等）を巻装すると共に、前記変圧器を構成する磁性体の他の部分を延長巻線巻装部とし、この延長巻線巻装部に、前記複数の変圧器用巻線のうち何れかの巻線を延長してなる延長巻線を巻装し、
前記変圧器用巻線に電流を流したときに前記延長巻線を流れる電流によって発生する磁束により、前記変圧器用巻線に接続されるコイルを等価的に構成するものである。

請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した複合磁気部品において、
前記主巻線巻装部をＥ形コアの中央脚部により構成し、
前記延長巻線巻装部を、前記Ｅ形コアの中央脚部及び両端脚部の端面に接合されたＩ形コアまたは別のＥ形コアにより構成したものである。

請求項３に記載した発明は、請求項１に記載した複合磁気部品において、
前記主巻線巻装部の断面積に対して、前記延長巻線巻装部の断面積を異ならせたものである。

本発明によれば、変圧器用巻線の延長巻線を流れる電流によって磁束を発生させ、この磁束を利用して等価的にコイルを構成することにより、変圧器及びコイルを集積化した複合磁気部品を少ない部品点数、材料を用いて構成することができ、装置の小形化、低コスト化を図ることができる。また、上記コイルのインダクタンス値も延長巻線の巻数等によって調整可能であり、インダクタンス値の設計が容易になる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。まず、図１は本発明の第１実施形態を示す構成図であり、請求項１，２に係る発明の実施形態に相当する。
図１（ａ）において、４１はＥ形コアであり、主巻線巻装部としての中央脚部４１Ａには、図４と同様に図３における変圧器７の一次巻線７１、二次巻線７２、三次巻線７３が巻かれている。なお、４１Ｂ，４１ＣはＥ形コア４１の両端脚部である。
更に、４２は上記中央脚部４１Ａ及び両端脚部４１Ｂ，４１Ｃの端面に接合された延長巻線巻装部としてのＩ形コアであり、このＩ形コア４２には、一次巻線７１の延長巻線７１ａが図示のように巻かれている。
ここで、上記延長巻線７１ａは、その一部または全部を両端脚部４１Ｂ，４１Ｃに巻いても良い。

いま、一次巻線７１に電圧を印加して図の矢印方向に電流ｉを流した時の磁束を１０５，１０６とすると、これらの磁束１０５，１０６により一次巻線７１、二次巻線７２、三次巻線７３が磁気的に結合する。このように、各巻線７１〜７３を同一の中央脚部４１Ａに巻装することによって各巻線が磁気結合するので、変圧器として動作する。

また、この実施形態では、一次巻線７１の延長巻線７１ａが図示の方向でＩ形コア４２に巻かれているため、Ｉ形コア４２及びＥ形コア４１を通る磁束１０７，１０８が発生する。これらの磁束１０７，１０８は、中央脚部４１Ａでは互いに逆向きになるため打ち消し合うので、等価的には、図１（ｂ）に示すようにＥ形コア４１の外側とＩ形コア４２とを通過する磁束のみとなる。

よって、延長巻線７１ａによって発生する磁束１０７，１０８は二次巻線７２、三次巻線７３と結合することなく、インダクタンス成分として動作する。ここで、延長巻線７１ａによって発生したインダクタンス成分は一次巻線７１と直列に接続されているので、等価的には、上記インダクタンス成分が図３に示したコイル５を構成する。
従って本実施形態によれば、図３におけるコイル５と変圧器７とを集積化した複合磁気部品を、各１個のＥ形コア４１及びＩ形コア４２、並びに巻線７１〜７３，７１ａによって構成することができる。

ここで、巻線以外について見れば、図４の従来技術では２個のＥ形コア２１，２２と１個のＩ形コア２４とを必要としていたのに対し、本実施形態によれば、コアの部品点数を削減して小形化、低コスト化を図ることができる。また、図３におけるコイル５のインダクタンス値は、延長巻線７１ａの巻数を調整することによって容易に調整可能である。

図示されていないが、一次巻線を延長してＩ形コアに巻くのではなく、二次巻線や三次巻線を延長してＩ形コアに巻いても、前記と同様な原理によって変圧器の二次側や三次側にコイルのインダクタンスを形成することができる。二次側や三次側に形成されたインダクタンスは、巻数比を２乗倍することによって一次側のインダクタンスと等価になるので、二次巻線や三次巻線を延長して延長巻線を構成しても同様な効果が得られる。
更に、この実施形態では、変圧器のコアをＥ形コア４１及びＩ形コア４２により構成した例を説明したが、２個のＥ形コアの脚部を突き合わせれば、図１（ａ）に示したように全体の形状が「日」形のコアを形成することができる。すなわち、本発明は、各１個のＥ形コア及びＩ形コアを組み合わせるＥＩタイプだけでなく、２個のＥ形コアからなるＥＥタイプのコアを用いた磁気部品に適用可能である。

なお、図１において、Ｅ形コア４１及びＩ形コア４２の左側では、変圧器として発生した磁束１０５と延長巻線７１ａにより発生した磁束１０７とが打ち消し合うため、磁束密度が低下する。
しかし、Ｅ形コア４１及びＩ形コア４２の右側では、磁束１０６と延長巻線７１ａにより発生した磁束１０８とが同一の向きで加わるので、磁束密度が増加する。

このため、コアの磁気飽和を防ぐためには、図２に示す本発明の第２実施形態のように、コアの右側と左側とで断面積を変化させることが望ましい。なお、この第２実施形態は請求項３に係る発明の実施形態に相当する。

図２の第２実施形態では、形状が異なる２個の枠状のコア部材４３ａ，４３ｂと１個のコ字型のコア部材４３ｃとを重ね合わせることにより、一つのコアが構成されている。
図２のように、磁束密度が低い箇所のコアの断面積を小さくし、磁束密度が高い箇所の断面積を大きくすることにより、磁気部品を磁気飽和させずに動作させることができる。また、図２の構造によれば、例えばコア部材４３ａ，４３ｂの厚さを加えた厚さを有する平板状の磁性体を用いる場合と同体積の磁性体によって構成可能であるから、材料費が高くなる心配もない。

なお、本発明は、変圧器やコイルを用いる電力変換回路、例えば図３に示したようなＤＣ−ＤＣコンバータを始めとして、各種の電力変換回路に適用可能である。

本発明の第１実施形態を示す構成図である。本発明の第２実施形態の主要部を示す構成図である。ＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。図３の回路に用いられる従来の複合磁気部品の構成図である。

符号の説明

１：直流電源
２，３：半導体スイッチング素子
４，１１：コンデンサ
５：直列コイル
６：並列コイル
７：変圧器
７１：一次巻線
７１ａ：延長巻線
７２：二次巻線
７３：三次巻線
８，９：ダイオード
１０：負荷
２１，２２：Ｅ形コア
２４：Ｉ形コア
３１，３２：磁束
４１：Ｅ形コア
４１Ａ：中央脚部
４１Ｂ，４１Ｃ：両端脚部
４２：Ｉ形コア
４３ａ，４３ｂ，４３ｃ：コア部材
１０１〜１０８：磁束

Claims

変圧器を構成する磁性体の一部を主巻線巻装部とし、この主巻線巻装部に、複数の変圧器用巻線を巻装すると共に、前記変圧器を構成する磁性体の他の部分を延長巻線巻装部とし、この延長巻線巻装部に、前記複数の変圧器用巻線のうち何れかの巻線を延長してなる延長巻線を巻装し、
前記変圧器用巻線に電流を流したときに前記延長巻線を流れる電流によって発生する磁束により、前記変圧器用巻線に接続されるコイルを等価的に構成することを特徴とする複合磁気部品。
請求項１に記載した複合磁気部品において、
前記主巻線巻装部をＥ形コアの中央脚部により構成し、
前記延長巻線巻装部を、前記Ｅ形コアの中央脚部及び両端脚部の端面に接合されたＩ形コアまたは別のＥ形コアにより構成したことを特徴とする複合磁気部品。
請求項１に記載した複合磁気部品において、
前記主巻線巻装部の断面積に対して、前記延長巻線巻装部の断面積を異ならせたことを特徴とする複合磁気部品。