JP2000164436A - High frequency power transformer and power converter using the same - Google Patents

High frequency power transformer and power converter using the same

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JP2000164436A
JP2000164436A JP34009098A JP34009098A JP2000164436A JP 2000164436 A JP2000164436 A JP 2000164436A JP 34009098 A JP34009098 A JP 34009098A JP 34009098 A JP34009098 A JP 34009098A JP 2000164436 A JP2000164436 A JP 2000164436A
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soft magnetic
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high frequency power transformer equipped with a primary coil without any center tap and a secondary coil with at least one set of center taps at a compact no-cut nano crystal soft magnetic alloy thin band coil magnetic core with a low magnetic core loss, and a power converter with high efficiency and high reliability using this high frequency power transformer. SOLUTION: This is a high frequency power transformer which is provided with a primary coil without any center tap and a secondary coil with at least one set of center taps, at a no-cut nano crystal soft magnetic alloy thin band coil magnetic core in which Fe is used as main component, and fine crystal particles whose crystal particle diameter is 50 nm or less occupy 50% or more of the whole volume of the organization. In this high frequency power transformer, the value of a leakage inductance in 50 kHz measured at the edge of the primary coil by short-circuiting the whole edge of the secondary coil is set so as to be 0.3 μH or less, relative permeability at that time is set so as to be 20,000 or more, or a square rate Br/Bs as the rate of residual magnetic flux density Br to saturated magnetic flux density Bs in the DC magnetic characteristics of the nano crystal soft magnetic alloy thin band coil magnetic core is set so as to be 0.2 or less. Then, it is possible to provide a power converter using this high frequency power transfer.

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 crystal grains having a crystal grain size of 50 nm or less occupy 50% or more of the entire volume of the structure. The present invention relates to a high-frequency power transformer provided with a primary winding having no center tap and at least one set of secondary windings having a center tap 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形の
電力変換装置の1つとして、図3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3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、20はセン
タータップを持たない1次巻線と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、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2次巻線、31および3
2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 DC-DC converter shown in FIG. 3 is used as one of insulated power converters using a high-frequency power transformer. In FIG. 3, 1 is an input DC power supply, 2, 3, 4 and 5 are main switches, 6, 7, 8 and 9 are feedback diodes, 20 is a primary winding without a center tap and 2 with a center tap.
A high-frequency power transformer provided with a secondary winding, 21 is a primary winding of the high-frequency power transformer 20, 22 and 23 are secondary windings of the high-frequency power transformer 20, 31 and 3
2 is an output rectifier diode, 33 is an output smoothing choke coil, 34 is an output smoothing capacitor, 35 and 36 are output terminals, and 37 is a load.

【0003】図3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には図4のv21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4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Ton45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を一定に保つために、Tpを一定としDonを変
化させて制御する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. 3, 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 is applied to the primary winding 21 of FIG. 4 and the secondary winding 22 of the high-frequency power transformer 20 is applied.
And 23, output rectifier diodes 31 and 32,
Through a smoothing choke coil 33 and a capacitor smoothing 34,
Electric power is supplied to the load 37. In FIG. 4, the period in which the main switches 2 and 3 are on is Ton23, the period in which the main switches 4 and 5 are on is Ton45, and Tp is the cycle. (Ton23
+ Ton45) / Tp is the on-duty ratio Don. In order to keep the output voltage Vo constant with respect to the fluctuation of the voltage E of the input DC power supply 1 or the fluctuation of the load 37, control is performed by changing Tp while keeping Tp constant. PWM control (pulse width modulation control) is generally used. The high-frequency power transformer 20
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5に示す。図3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5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5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5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. 5 is a conceptual diagram of an 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. 3 is set to the positive side of the H axis in FIG. Therefore, while the main switches 2 and 3 are on, Ton23
The magnetic flux density of the high-frequency power transformer 20 changes by 2 Bm from point a to point b in FIG.
In the period Ton45 during which the power supply is ON, the magnetic flux density of the high-frequency power transformer 20 changes by -2Bm 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を超える領域で
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、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、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。
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, after cutting, the end surface is mirror-polished. But,
A core obtained by cutting a nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon wound core using such a method has a remarkable increase in core loss as described in the above-mentioned Documents 1 and 2.

【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はあるが、その場合でも、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 effective, but even in this case, the core loss of a normal nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon wound core that is not impregnated or cut reaches about 1.4 times the core loss.

【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3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5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6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 type DC-DC converter of FIG. 3, the magnetic flux density of the high-frequency power transformer 20 is symmetrical 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 at the time of the operation performs the 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6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およびと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. 6, and the exciting current increases significantly. 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50
kHzにおいて数万にも達し、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 technique is 50
The frequency reached several tens of thousands at kHz and remained at a value one digit larger than about several thousands of Mn-Zn ferrite cores, and did not reach a level sufficient for countermeasures against magnetic bias. 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3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5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、極度な偏磁を抑制するために同高周波トラ
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
り、部品点数が増加する問題があった。
For this reason, the full bridge type DC-D shown in FIG.
Like a C converter, the high-frequency power transformer 20 of a power converter in which the magnetic flux density of the high-frequency power transformer 20 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 a nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon wound core and exhibit the characteristic of low magnetic core loss, the amount of demagnetization of the high frequency transformer 20 is detected to suppress extreme demagnetization, and this is corrected. Therefore, it is necessary to take measures such as adding a demagnetization suppression circuit capable of independently controlling the on-period of each of the two sets of switches formed by the main switches 2, 3, 4, and 5. There was a problem that the score increased.

【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組以上のセンタータップ付き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 pair of secondary windings having a center tap, and power conversion using the same. There was a completely similar problem with the device.

【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. Provided is a high-frequency power transformer having a primary winding having no center tap and at least one set of secondary windings having a center tap in a band-wound core, and a highly efficient and highly reliable power conversion device using the same. Is to do.

【0022】[0022]

【課題を解決するための手段】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において、2次巻線
端の全てを短絡して1次巻線端で測定した50kHzに
おける漏れインダクタンスの値が0.3μH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。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides an uncut nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon comprising Fe as a main component and having fine crystal grains having a crystal grain size of 50 nm or less occupying 50% or more of the entire volume of the structure. In a high-frequency power transformer provided with a primary winding having no center tap on the winding core and at least one set of secondary windings with a center tap, all of the secondary winding ends are short-circuited to form a primary winding end. The value of the leakage inductance at 50 kHz measured by the method is 0.3 μH or less.

【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
上のセンタータップ付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 such a configuration, the uncut nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon wound core having a low magnetic core loss has at least one set of a primary winding having no center tap and at least one set of secondary windings having a center tap. Can be prevented without adding a complicated demagnetization suppression circuit, which is a problem when using a high-frequency power transformer provided with a power converter such as a full-bridge type converter or a half-bridge type converter. .

【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50kHzにおける比
透磁率を20,000以上とした場合には、偏磁による
磁気飽和を防止しつつ、同高周波パワートランスの損失
をより減少させることができ好ましい。
In the high-frequency power transformer, when the relative permeability at 50 kHz of the nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon core is 20,000 or more, the high-frequency power transformer is prevented while preventing magnetic saturation due to magnetic polarization. Loss can be further reduced.

【0025】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 squareness ratio Br / Bs, which is the ratio of the residual magnetic flux density Br to the saturation magnetic flux density Bs in the DC magnetic properties of the nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon core, is set to 0.2 or less. In this case, 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, the number of windings can be reduced, and the high-frequency power transformer can be downsized. .

【0026】前記高周波パワートランスにおいて、前記
センタータップ付き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ており、前記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した構成とし
た場合には、漏れインダクタンスを容易に減少させるこ
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 the secondary windings with the center tap is formed by winding each winding constituting the windings approximately bifilarly on the nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon core. And said 2
When the secondary winding is configured to be sandwich-wound with a primary winding wound substantially evenly on the nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon core, the leakage inductance can be easily reduced. In addition, it is possible to further reduce the increase in the exciting current due to the above, and also to suppress the increase in the copper loss due to the influence of the leakage magnetic flux.

【0027】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100kHz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。
In the high-frequency power transformer, when the driving frequency is selected in the range of 5 kHz to 100 kHz, the size and efficiency can be further improved at the selected frequency as compared with the conventional high-frequency power transformer. .

【0028】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 in that
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.

【0029】[0029]

【実施例】以下本発明の実施例について詳細に説明す
る。 (実施例1)回路構成が図3、仕様が表1で与えられる
スイッチング周波数fが50kHzのフルブリッジ型D
C−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 1) Full-bridge type D having a switching frequency f of 50 kHz and a circuit configuration shown in FIG.
The performance of the high-frequency power transformer 20 of the C-DC converter and the performance of the full-bridge DC-DC converter were examined.

【0030】図3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、20はセンタータップを持たない1次巻
線とセンタータップ付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
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. 3, 1 is an input DC power supply,
3, 4, and 5 are main switches, 6, 7, 8, and 9 are feedback diodes, 20 is a high-frequency power transformer having a primary winding without a center tap and a secondary winding with a center tap, and 21 is the high-frequency power transformer. A primary winding of the power transformer 20, 22 and 23 are secondary windings 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 a load.

【0031】[0031]

【表1】 [Table 1]

【0032】なお、本実施例において、高周波パワート
ランス20の偏磁の原因となる主スイッチ2、3、4、
および5のオン期間のバラツキを抑制するため、図3の
主スイッチ2、3、4および5にはパワーMOS−FE
Tを用い、これらMOS−FETのターンオフタイムの
バラツキを抑制するためターンオフ時のゲート電流波高
値を大きく取ることのできるゲート駆動回路を採用し
た。
In this embodiment, the main switches 2, 3, 4,
The main switches 2, 3, 4 and 5 of FIG.
In order to suppress the variation of the turn-off time of these MOS-FETs using T, a gate drive circuit which can take a large gate current peak value at the time of turn-off is adopted.

【0033】また、図3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。
In the circuit of FIG. 3, 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 increase the efficiency of the converter and to improve the efficiency of the converter. 20 has the function of suppressing the magnetization.

【0034】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、磁心イから磁心チは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%以上を占めるナノ結晶軟磁性
合金薄帯巻磁心である。このうち磁心チはカットした上
で非磁性の絶縁体ギャップを挿入したもの、それ以外は
ノーカットである。また、磁心リはノーカットのFe基
非晶質軟磁性合金薄帯巻磁心、磁心ヌはノーカットの部
分的に結晶質を含むFe基非晶質軟磁性合金薄帯巻磁
心、磁心ルはノーカットのMn−Znフェライト磁心、
磁心ヲはカットした上で非磁性の絶縁体のギャップを挿
入したMn−Znフェライト磁心である。
The magnetic core shown in Table 2 was used for the high frequency power transformer 20. In Table 2, the magnetic core A to the magnetic core H are Fe
Is a nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon wound core whose main component is fine crystal grains having a crystal grain size of 50 nm or less occupying 50% or more of the entire volume of the structure. Of these, the magnetic core was cut and a non-magnetic insulator gap was inserted, and the rest was uncut. In addition, the core R is an uncut Fe-based amorphous soft magnetic alloy thin-wire wound core, the magnetic core N is an uncut Fe-based amorphous soft magnetic alloy thin-wire wound core containing partially crystalline, and the magnetic core L is an uncut. Mn-Zn ferrite core,
The magnetic core ヲ is a Mn—Zn ferrite core in which a gap of a nonmagnetic insulator is inserted after being cut.

【0035】[0035]

【表2】 [Table 2]

【0036】表2の磁心のうち磁心イから磁心ヌは、い
ずれもその寸法が外径44mm、内径24mm、高さ2
0mmのトロイダル形状であり、その寸法が外径46.
5mm、内径21.5mm、高さ23mmのプラスチッ
ク製絶縁ケースに挿入した。また、磁心ルおよび磁心ヲ
は、表2に示すよう120℃の飽和磁束密度Bsは0.
32Tしかないため偏磁に対する余裕度をとるとその動
作時の磁束密度の変化量ΔBは0.35T程度しか取れ
ない。そこで、磁心ルおよび磁心ヲはいずれも前記磁心
イから磁心ヌと同一寸法の磁心を2ヶ重ね、その寸法が
外径46.5mm、内径21.5mm、高さ44mmのプ
ラスチック製絶縁ケースに挿入した。
Of the magnetic cores shown in Table 2, each of the magnetic cores a to 44 has an outer diameter of 44 mm, an inner diameter of 24 mm, and a height of 2 mm.
It has a toroidal shape of 0 mm and an outer diameter of 46.
It was inserted into a plastic insulating case having a size of 5 mm, an inner diameter of 21.5 mm and a height of 23 mm. Further, as shown in Table 2, the saturation flux density Bs at 120 ° C.
Since there is only 32T, if the allowance for the demagnetization is taken, the change amount ΔB of the magnetic flux density during the operation can be only about 0.35T. Therefore, each of the magnetic core お よ び and the magnetic core 重 ね is overlapped with two magnetic cores having the same size as the magnetic core イ from the magnetic core イ and inserted into a plastic insulating case having an outer diameter of 46.5 mm, an inner diameter of 21.5 mm and a height of 44 mm. did.

【0037】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G、およ
び比較例mから比較例qに適用したサンドイッチ巻と記
載されている巻線構造を図1に示す。図1は、本発明A
から本発明G、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の径方向断面の1/4周部分を示した
ものである。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3の1次巻線21、網掛けの円53および斜線の円5
4は各々図3の2次巻線22と23に相当するものであ
る。
Table 3 shows the winding specifications of the high-frequency power transformer 20. FIG. 1 shows a winding structure described in Table 3 as a sandwich winding applied to the present invention A to the present invention G and the comparative examples m to q. FIG. 1 shows the present invention A
3 shows a 周 circumferential portion of a radial cross section of the high-frequency power transformer 20 of the present invention G and comparative examples m to q. In the figure, 50 is a magnetic core including a case,
The circle 51 and the white circle 52 that are painted black are the primary winding 21, the shaded circle 53, and the hatched circle 5 in FIG.
Numeral 4 corresponds to the secondary windings 22 and 23 in FIG.

【0038】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を69本用いて構成したリ
ッツ線を2本パラ合計4本を交互に並列にケースで覆わ
れた磁心50に略均等にバイファイラ巻した。図1では
その1ターン分の巻線の断面図が示されている。
The secondary windings 53 and 54 are each 0.23φ.
Litz wire composed of 69 pieces of the polyurethane insulated wire was wound around a magnetic core 50 covered with a case in a bifilar manner in parallel with two paras of four in total. FIG. 1 shows a cross-sectional view of the winding for one turn.

【0039】一方、1次巻線は、0.9φの3層絶縁被
覆電線を4本パラでその巻数の1/2にあたる8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0.9φの3層絶縁被覆電線を4本パラで残り1/2
の巻数にあたる8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52で、前記2次巻線53および5
4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を直列接続することにより16ターンの1次
巻線21を構成している。なお、図1では、上記1次巻
線の約4ターン分の巻線の断面図が示されている。
On the other hand, the primary winding is a winding 51 in which four turns of a 0.9-diameter three-layer insulated wire are wound substantially evenly around a magnetic core 50 including a case, eight turns corresponding to a half of the number of turns.
And 0.9φ φ three-layer insulated wire
Are wound around the magnetic core 50 including the case approximately eight turns corresponding to the number of turns of the secondary windings 53 and 5
4 in a sandwich shape and at the same time
And the winding 52 are connected in series to form a 16-turn primary winding 21. FIG. 1 shows a cross-sectional view of a winding of about four turns of the primary winding.

【0040】[0040]

【表3】 [Table 3]

【0041】表3において、比較例aから比較例lに適
用した均等巻と記載されている巻線構造を図2に示す。
図2は、比較例aから比較例lの高周波パワートランス
20の径方向断面の1/4周部分を示したものである。
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61は図3の1次巻線21、網掛けの円6
2および斜線の円63は各々図3の2次巻線22と23
に相当するものである。
FIG. 2 shows a winding structure described in Table 3 as a uniform winding applied to Comparative Examples a to l.
FIG. 2 shows a 周 circumferential portion of a radial cross section of the high-frequency power transformer 20 of Comparative Examples a to l.
In the same figure, 50 is a magnetic core including a case, a circle 61 painted black is a primary winding 21 of FIG.
2 and the hatched circles 63 respectively represent the secondary windings 22 and 23 in FIG.
Is equivalent to

【0042】1次巻線61は、1.4φのテフロンコー
ト絶縁被覆電線を2本パラで磁心50に対し略均等に1
6ターン巻いて構成している。なお、図2では、上記1
次巻線61の約4ターン分の巻線の断面図が示されてい
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69本用いて構成したリ
ッツ線を2本パラ合計4本を交互にならべた形でケース
で覆われた磁心50に略均等にバイファイラ巻されてお
り、図2ではその1ターン分の巻線の断面図が示されて
いる。
The primary winding 61 is composed of two Teflon-coated insulated wires each having a diameter of 1.4φ, and is substantially uniformly wound around the magnetic core 50 with two paras.
It consists of 6 turns. Note that in FIG.
A cross-sectional view of a winding of about four turns of the next winding 61 is shown. On the other hand, the secondary windings 62 and 63 are each 0.23φ.
2 is a bifilar winding of a litz wire composed of 69 pieces of polyurethane insulated wire, which is almost evenly wound around a magnetic core 50 covered with a case in a form in which two litz wires are alternately arranged. A cross-sectional view of a winding for a turn is shown.

【0043】表4に、表3に示す24種類の高周波パワ
ートランス20について、2次巻線端全てを短絡して1
次巻線で測定した漏れインダクタンス、同高周波パワー
トランス20を前記回路構成が図3、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。
Table 4 shows that 24 types of high-frequency power transformers 20 shown in Table 3 were obtained by short-circuiting all secondary winding ends.
The leakage inductance measured in the next winding, the degree of the magnetization of the high-frequency power transformer 20 when the same high-frequency power transformer 20 is mounted on the full-bridge DC-DC converter whose circuit configuration is shown in FIG. The change amount ΔB of the magnetic flux density during operation and the temperature rise ΔT are shown.

【0044】偏磁については、表1の仕様の範囲におい
て、入力電圧と負荷が急変をしても偏磁による異常がな
い場合を○、入力電圧と負荷が急変したときのみ偏磁に
よる異常がでた場合を△、定常動作でも偏磁による異常
を生じた場合を×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260V、出力電圧40V、負荷電流30A
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 there is no abnormality due to the magnetic polarization even when the input voltage and the load change suddenly is 、, and the abnormality due to the magnetic polarization is only when the input voltage and the load change suddenly. Was given as Δ, and x was given when abnormalities occurred due to magnetic demagnetization even in steady operation. The change amount ΔB and the temperature rise ΔT of the magnetic flux density during operation are as follows: at an ambient temperature of 25 ° C., an input voltage of 260 V, an output voltage of 40 V, and a load current of 30 A.
These are the results measured at the time when the value was saturated by continuous energization under the input / output conditions described above.

【0045】[0045]

【表4】 [Table 4]

【0046】表4からわかるように、サンドイッチ巻構
造の低漏れインダクタンス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本発明AからG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50℃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3
0℃を足した70℃をE種絶縁の許容温度である120
℃から差し引いて50℃以下とした。
As can be seen from Table 4, according to the high frequency power transformers A to G of the present invention using the uncut nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon core having a low leakage inductance of a sandwich winding structure, the magnetic polarization is practically used. The temperature rise ΔT can be suppressed to a level that does not cause any problem, and the temperature rise ΔT can be suppressed to 50 ° C. or less, which is an allowable value that does not hinder practical use. Here, the allowable value of the temperature rise ΔT is shown in Table 1.
40 ℃ which is the upper limit of the ambient temperature during operation and DC during operation
-The assumed upper limit of temperature rise inside the DC converter case is 3
70 ° C, which is the sum of 0 ° C, is the allowable temperature for class E insulation, 120
It was subtracted from 50 ° C to 50 ° C or less.

【0047】一方、漏れインダクタンスが大きなノーカ
ットのナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心を用いた比較例a
からg、ノーカットのFe基非晶質軟磁性合金薄帯巻磁
心を用いた比較例iあるいはノーカットのMn−Znフ
ェライト磁心を用いた比較例k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, Comparative Example a using a non-cut nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon wound core having a large leakage inductance
To g, the high-frequency power transformer 20 of Comparative Example i using the uncut Fe-based amorphous soft magnetic alloy ribbon wound core or Comparative Example k using the uncut Mn-Zn ferrite core has a maximum value due to the influence of the magnetic polarization. The output could not be taken out stably, and measurement of the temperature rise ΔT was impossible.

【0048】また、ギャップを設けたナノ結晶軟磁性合
金薄帯巻磁心チ、ノーカットの部分的に結晶質を含むF
e基非晶質軟磁性合金薄帯巻磁心ヌおよびギャップを設
けたMn−Znフェライト磁心ヲを用いた漏れインダク
タンスが大きい比較例h、jおよびlの高周波パワート
ランス20は偏磁の影響を押さえることができるが、温
度上昇ΔTが実用上要求される50℃を超えるため問題
となることがわかる。
Also, a nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon wound core having a gap, and an uncut partially crystalline F
The high frequency power transformers 20 of Comparative Examples h, j and l using the e-based amorphous soft magnetic alloy thin ribbon wound core and the Mn-Zn ferrite core ギ ャ ッ プ having a gap and having a large leakage inductance suppress the influence of the magnetic polarization. However, it can be seen that the temperature rise ΔT is problematic because it exceeds 50 ° C. which is required for practical use.

【0049】ギャップ付のナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁
心チ、ノーカットのFe基非晶質軟磁性合金薄帯巻磁心
リ、ノーカットの部分的に結晶質を含むFe基非晶質軟
磁性合金薄帯巻磁心ヌ、ノーカットのMn−Znフェラ
イト磁心ルおよびギャップを用いたMn−Znフェライ
ト磁心ヲを用い、サンドイッチ巻構造として低漏れイン
ダクタンスとした比較例mからqの高周波パワートラン
ス20においては偏磁の影響を押さえることができる
が、比較例pを除きその温度上昇ΔTが50℃を超える
ため問題となることがわかる。
Gap-attached nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon wound core H, uncut Fe-based amorphous soft magnetic alloy ribbon wound core, uncut Fe-based amorphous soft magnetic alloy containing partially crystalline material The high frequency power transformers 20 of Comparative Examples m to q using a thin wound core, an uncut Mn-Zn ferrite core お よ び and a Mn-Zn ferrite core ギ ャ ッ プ using a gap, and having a low leakage inductance as a sandwich wound structure. Although the influence of magnetism can be suppressed, it can be seen that a problem arises because the temperature rise ΔT exceeds 50 ° C. except for Comparative Example p.

【0050】一方、比較例pでは偏磁の影響を押さえら
れると同時に温度上昇ΔTも50℃以内に押さえること
ができるが、Mn−Znフェライト磁心ヲを用いている
ためその飽和磁束密度の制約からΔBをナノ結晶軟磁性
合金薄帯巻磁心イからチおよびFe基非晶質軟磁性合金
薄帯巻磁心リとヌを用いた場合に比べ約1/2に選定し
なくてはならず前記のように磁心体積を2倍としている
ため高周波パワートランス20の体積も約2倍になると
いう問題があることがわかる。
On the other hand, in the comparative example p, the temperature rise ΔT can be suppressed within 50 ° C. at the same time as the influence of the magnetic declination can be suppressed. However, since the Mn—Zn ferrite core ヲ is used, the saturation magnetic flux density is limited. ΔB must be selected to be about one-half as compared to the case where the nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon wound cores A and H and the Fe-based amorphous soft magnetic alloy ribbon wound cores are used. As described above, since the core volume is doubled, there is a problem that the volume of the high-frequency power transformer 20 is also approximately doubled.

【0051】なお、本実施例で得られた結果に基づき詳
細に検討した結果、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2
0において、2次巻線端の全てを短絡して1次巻線端で
測定した50kHzにおける漏れインダクタンスの値が
0.3μH以下であれば、実用上、偏磁の影響で図3の
回路構成と表1の仕様のフルブリッジ型DC−DCコン
バータの動作に支障をきたすことはないことがわかっ
た。
As a result of a detailed study based on the results obtained in the present embodiment, a primary winding without a center tap and a secondary winding with a center tap on a non-cut nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon wound core are shown. -Frequency power transformer 2 provided with
At 0, if the value of the leakage inductance at 50 kHz measured at the primary winding end after shorting all the secondary winding ends is 0.3 μH or less, the circuit configuration of FIG. It was found that the operation of the full-bridge DC-DC converter having the specifications shown in Table 1 was not hindered.

【0052】また、本発明AからGについて比較すると
50kHzにおける比透磁率μr(50kHz)が20,000
を超えるナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心を用いた本発明
AからDの場合には、その温度上昇ΔTが実用上の上限
である50℃に対し10%以上のマージンを持つ45℃
未満とすることができるため、信頼性が高く高性能な高
周波パワートランスと電力変換装置を実現できることが
わかる。
Further, when comparing the present inventions A to G, the relative magnetic permeability μr (50 kHz) at 50 kHz is 20,000.
In the case of the present invention A to D using a nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon wound core exceeding 45 ° C., the temperature rise ΔT is 45 ° C. having a margin of 10% or more with respect to 50 ° C. which is a practical upper limit.
It can be understood that the high-frequency power transformer and the power conversion device having high reliability and high performance can be realized.

【0053】(実施例2)前記実施例1と全く同様の回
路構成と仕様において、スイッチング周波数fを50k
Hzから20kHzに変更したフルブリッジ型DC−D
C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。
(Embodiment 2) The switching frequency f is set to 50 k and the circuit configuration and specifications are completely the same as those of Embodiment 1.
Full-bridge DC-D changed from 20 Hz to 20 kHz
The performance of the high frequency power transformer 20 of the C converter and the performance of the full bridge type DC-DC converter were examined.

【0054】高周波パワートランス20の巻線仕様を表
5に示す。なお、比較例r、s、tおよびuを除き、前
記実施例1の表2に記載される磁心を用いた表3の巻線
仕様のものを使用した。また、表5において、比較例r
から比較例uについて記載されるサンドイッチ巻と均一
巻の構成は、前記実施例1における図1および図2と同
様の構成のものである。
Table 5 shows the winding specifications of the high-frequency power transformer 20. Except for Comparative Examples r, s, t and u, those having the winding specifications shown in Table 3 using the magnetic cores described in Table 2 of Example 1 were used. In Table 5, in Comparative Example r
The structure of the sandwich winding and the uniform winding described in Comparative Example u are the same as those in FIGS. 1 and 2 in the first embodiment.

【0055】[0055]

【表5】 [Table 5]

【0056】比較例r、s、tおよびuで用いた磁心の
直流磁気特性と50kHzにおける比透磁率μr(50kHz)
を表6に示す。表6の磁心ワはノーカットのMn−Zn
フェライト磁心、磁心カはカットした上で非磁性の絶縁
体ギャップを挿入したMn−Znフェライト磁心であ
る。また、磁心ワおよび磁心カは、表6に示すように1
20℃の飽和磁束密度Bsが前記表2に示される磁心イ
から磁心ヌの1/4程度しかないため、それぞれ前記磁
心イから磁心ヌと同一寸法の磁心を4ヶ重ねて、その寸
法が外径46.5mm、内径21.5mm、高さ84mm
のプラスチック製絶縁ケースに挿入した。
Comparative Examples The DC magnetic characteristics of the magnetic cores used in r, s, t and u and the relative permeability μr (50 kHz) at 50 kHz
Are shown in Table 6. The magnetic cores in Table 6 are uncut Mn-Zn.
The ferrite core and the magnetic core are Mn-Zn ferrite cores in which a nonmagnetic insulator gap is inserted after being cut. Further, as shown in Table 6, the magnetic core was
Since the saturation magnetic flux density Bs at 20 ° C. is only about one-fourth of the magnetic core from the magnetic core shown in Table 2 above, four magnetic cores each having the same size as the magnetic core from the magnetic core are superimposed on each other, and Diameter 46.5mm, inside diameter 21.5mm, height 84mm
Into a plastic insulation case.

【0057】[0057]

【表6】 [Table 6]

【0058】表7に、表5に示す24種類の高周波パワ
ートランス20について、2次巻線端全てを短絡して1
次巻線で測定した漏れインダクタンス、同高周波パワー
トランス20を前記回路構成が図3、仕様が表1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に実装したときの偏磁の程度、動作時の磁束密度
の変化量ΔBおよび同高周波パワートランス20の温度
上昇ΔTを示す。
Table 7 shows that the 24 types of high-frequency power transformers 20 shown in Table 5 were obtained by short-circuiting all secondary winding ends.
The leakage inductance measured in the next winding, the degree of magnetic declination and operation when the high-frequency power transformer 20 is mounted on the high-frequency power transformer 20 of the full-bridge DC-DC converter whose specifications are shown in FIG. And the temperature rise ΔT of the high-frequency power transformer 20.

【0059】偏磁については、表1の仕様の範囲におい
て、入力電圧と負荷が急変をしても偏磁による異常がな
い場合を○、入力電圧と負荷が急変したときのみ偏磁に
よる異常がでた場合を△、定常動作でも偏磁による異常
を生じた場合を×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260V、出力電圧40V、負荷電流30A
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, within the range of the specifications in Table 1, the case where there is no abnormality due to the magnetic polarization even when the input voltage and the load change suddenly is 、, and the abnormality due to the magnetic polarization is only when the input voltage and the load change suddenly. Was given as Δ, and x was given when abnormalities occurred due to magnetic demagnetization even in steady operation. The change amount ΔB and the temperature rise ΔT of the magnetic flux density during operation are as follows: at an ambient temperature of 25 ° C., an input voltage of 260 V, an output voltage of 40 V, and a load current of 30 A.
These are the results measured at the time when the value was saturated by continuous energization under the input / output conditions described above.

【0060】[0060]

【表7】 [Table 7]

【0061】表7からわかるように、サンドイッチ巻構
造の低漏れインダクタンス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本発明AからGの高周波パワ
ートランス20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50℃以下に押さえることができ
る。
As can be seen from Table 7, according to the high-frequency power transformers 20 of the inventions A to G using the uncut nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon wound core having a low leakage inductance of a sandwich winding structure, the magnetic polarization is practically used. And the temperature rise ΔT
Can be suppressed to 50 ° C. or less which does not hinder practical use.

【0062】これに対し、漏れインダクタンスが大きな
ノーカットのナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心を用いた比
較例aからg、ノーカットのFe基非晶質軟磁性合金薄
帯巻磁心を用いた比較例iおよびノーカットのMn−Z
nフェライト磁心を用いた比較例rの高周波パワートラ
ンスでは、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, Comparative Examples a to g using an uncut nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon wound core having a large leakage inductance, and Comparative Examples using an uncut Fe-based amorphous soft magnetic alloy ribbon wound core. i and uncut Mn-Z
In the high frequency power transformer of Comparative Example r using the n ferrite core, the maximum output could not be taken out stably due to the influence of the magnetic polarization, and the measurement of the temperature rise ΔT was impossible.

【0063】また、ギャップを設けたナノ結晶軟磁性合
金薄帯巻磁心チ、ノーカットの部分的に結晶質を含むF
e基非晶質軟磁性合金薄帯巻磁心ヌおよびギャップを用
いたMn−Znフェライト磁心カを用いた漏れインダク
タンスが大きい比較例h、jおよびsの高周波パワート
ランス20は偏磁の影響を押さえることができるが、温
度上昇ΔTが実用上要求される50℃を超えるため問題
となることがわかる。
Further, a nanocrystalline soft magnetic alloy thin-film wound magnetic core having a gap, and an uncut partially crystalline F
The high-frequency power transformers 20 of Comparative Examples h, j and s, which have a large leakage inductance using a Mn-Zn ferrite core using an e-based amorphous soft magnetic alloy ribbon core and a gap, suppress the influence of magnetic polarization. However, it can be seen that the temperature rise ΔT is problematic because it exceeds 50 ° C. which is required for practical use.

【0064】さらに、ギャップ付のナノ結晶軟磁性合金
薄帯巻磁心チ、ノーカットのFe基非晶質軟磁性合金薄
帯巻磁心リ、ノーカットの部分的に結晶質を含むFe基
非晶質軟磁性合金薄帯巻磁心ヌ、ノーカットのMn−Z
nフェライト磁心ワおよびギャップを用いたMn−Zn
フェライト磁心カを用い、サンドイッチ巻構造として低
漏れインダクタンスとした比較例m、n、o、t、uの
高周波パワートランスにおいては、偏磁の影響を押さえ
ることができるが、比較例tとuを除き、その温度上昇
ΔTが50℃を超えるため問題となることがわかる。
Further, a nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon wound core with a gap, an uncut Fe-based amorphous soft magnetic alloy ribbon wound core, an uncut Fe-based amorphous soft Magnetic alloy ribbon wound core, uncut Mn-Z
Mn-Zn using n ferrite core wire and gap
In the high frequency power transformers of Comparative Examples m, n, o, t and u in which a ferrite core was used and the leakage winding inductance was low as a sandwich winding structure, the influence of the magnetic bias could be suppressed. Except for that, the temperature rise ΔT exceeds 50 ° C., which is a problem.

【0065】一方、比較例tおよびuでは偏磁の影響を
実用上十分なレベルに押さえられると同時に温度上昇Δ
Tも50℃以内に押さえることができる。しかし、Mn
−Znフェライト磁心ヲを用いているため120℃の飽
和磁束密度の制約からΔBを0.38Tと、ナノ結晶軟
磁性合金薄帯巻磁心イからチおよびFe基非晶質軟磁性
合金薄帯巻磁心リとヌを用いた場合の1/4以下に選定
しなくてはならないため、前記のように磁心体積を4倍
にしているため高周波パワートランス20の体積も約4
倍以上になるという問題があることがわかる。
On the other hand, in Comparative Examples t and u, the influence of the magnetic bias was suppressed to a practically sufficient level, and the temperature rise Δ
T can also be suppressed within 50 ° C. However, Mn
-Zn ferrite core ヲ is used, ΔB is 0.38T due to the restriction of the saturation magnetic flux density at 120 ° C, and the nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon wound core and the Fe based amorphous soft magnetic alloy ribbon wound Since the core volume must be selected to be 1/4 or less of that when the magnetic core and the core are used, the volume of the high-frequency power transformer 20 is also reduced to about 4 because the core volume is quadrupled as described above.
It can be seen that there is a problem of doubling or more.

【0066】なお、本実施例で得られた結果に基づき詳
細に検討した結果、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2
0において、2次巻線端の全てを短絡して1次巻線端で
測定した50kHzにおける漏れインダクタンスの値が
0.3μH以下であれば、実用上、偏磁による影響で図
3の回路構成と表1の仕様の駆動周波数20kHzのフ
ルブリッジ型DC−DCコンバータの動作に支障が生じ
ることはないことがわかった。
As a result of a detailed study based on the results obtained in the present example, a primary winding without a center tap and a secondary winding with a center tap on the uncut nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon wound core were obtained. -Frequency power transformer 2 provided with
At 0, if the value of the leakage inductance at 50 kHz measured at the primary winding end after shorting all the secondary winding ends is 0.3 μH or less, the circuit configuration of FIG. It has been found that the operation of the full-bridge DC-DC converter having a driving frequency of 20 kHz according to the specifications shown in Table 1 will not be affected.

【0067】また、本発明AからGについて比較すると
50kHzにおける比透磁率μr(50kHz)が20,000
を超えるナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心を用いた本発明
AからDの場合には、その温度上昇ΔTが実用上の上限
である50℃に対し20%以上のマージンを持つ40℃
未満とすることができるため、信頼性が高く高性能な高
周波パワートランス20およびこれを用いた電力変換装
置を実現できることがわかる。
Further, when the present inventions A to G are compared, the relative permeability μr (50 kHz) at 50 kHz is 20,000.
In the case of the present inventions A to D using a nanocrystalline soft magnetic alloy thin-film wound core exceeding 40 ° C., the temperature rise ΔT is 40 ° C. which has a margin of 20% or more with respect to 50 ° C. which is a practical upper limit.
It can be seen that the high-frequency power transformer 20 having high reliability and high performance and a power conversion device using the same can be realized.

【0068】さらに、本発明C、DおよびEのように直
流磁気特性における残留磁束密度Brと飽和磁束密度B
sの比である角型比Br/Bsが0.2以下の場合に
は、動作時の磁束密度の変化量ΔBを表7に示す1.6
9Tの約1.1倍の1.86Tまで大きくしても偏磁の影
響による本DC−DCコンバータの安定動作に支障がな
いことが確認された。
Further, as in the inventions C, D and E, the residual magnetic flux density Br and the saturation magnetic flux density B
When the squareness ratio Br / Bs, which is the ratio of s, is 0.2 or less, the change amount ΔB of the magnetic flux density during operation is 1.6 in Table 7.
It has been confirmed that even if the DC-DC converter is increased to 1.86T which is about 1.1 times 9T, there is no problem in the stable operation of the DC-DC converter due to the influence of the magnetic bias.

【0069】この結果、高周波パワートランス20の1
次巻線21の巻数を1ターン減少させることが可能とな
るが、本実施例では、入力電圧と出力電圧の関系から1
次巻線と2次巻線の巻数比を4:1とする必要があり、
巻数を変更することは得策でない。そこで、巻線仕様を
同一としたままで、磁心ハ、ニおよびホの断面積を10
%減じることによりΔBを1.86Tに増加し、磁心お
よび高周波パワートランスの体積を小型化して動作を確
認した結果、偏磁の影響による問題もなく、その温度上
昇ΔTも50℃未満のより小型軽量の高周波パワートラ
ンス20が得られた。
As a result, one of the high-frequency power transformers 20
Although the number of turns of the secondary winding 21 can be reduced by one turn, in the present embodiment, the number of turns is reduced by 1 from the relation between the input voltage and the output voltage.
The turn ratio between the secondary winding and the secondary winding needs to be 4: 1,
It is not advisable to change the number of turns. Therefore, while keeping the winding specifications the same, the cross-sectional areas of
%, The ΔB was increased to 1.86T, and the operation was confirmed by reducing the volume of the magnetic core and the high-frequency power transformer. As a result, there was no problem due to the influence of the magnetic polarization, and the temperature rise ΔT was smaller than 50 ° C. A lightweight high-frequency power transformer 20 was obtained.

【0070】(実施例3)同一磁心寸法の高周波パワー
トランスを前記図3の回路構成のフルブリッジ型DC−
DCコンバータに実装し、入力電圧DC260V、出力
電圧40V、周囲温度25℃での同高周波パワートラン
スの温度上昇が50℃のときに、出力できる最大電力
を、駆動周波数を2kHzから200kHzまで変えて
測定した。
(Embodiment 3) A high-frequency power transformer having the same magnetic core size is connected to a full-bridge DC-
Mounted on a DC converter and measures the maximum power that can be output when the temperature rise of the high-frequency power transformer at an input voltage of DC 260V, an output voltage of 40V and an ambient temperature of 25 ° C is 50 ° C, changing the drive frequency from 2kHz to 200kHz. did.

【0071】本実施例で使用した高周波パワートランス
20の巻線仕様を表8から表14に示す。表8は駆動周
波数2kHz、表9は5kHz、表10は10kHz、
表11は20kHz、表12は50kHz、表13は1
00kHzおよび表14は200kHzでの検討に用い
たものである。上記表8から表14の高周波パワートラ
ンス20の磁心には、前記表2の磁心イから磁心ヌ、お
よび表15に示す磁気特性の磁心ヨおよび磁心タを使用
した。表15の磁心ヨはノーカットのMn−Znフェラ
イト磁心、磁心タはカットした上で非磁性の絶縁体ギャ
ップを挿入したMn−Znフェライト磁心である。
Tables 8 to 14 show the winding specifications of the high-frequency power transformer 20 used in this embodiment. Table 8 shows a driving frequency of 2 kHz, Table 9 shows a frequency of 5 kHz, Table 10 shows a frequency of 10 kHz,
Table 11 is 20 kHz, Table 12 is 50 kHz, Table 13 is 1 kHz.
00 kHz and Table 14 were used for the study at 200 kHz. As the magnetic cores of the high-frequency power transformers 20 in Tables 8 to 14, the magnetic cores A to Y in Table 2 and the magnetic cores Y and Y having the magnetic characteristics shown in Table 15 were used. The magnetic core in Table 15 is an uncut Mn-Zn ferrite core, and the magnetic core is a Mn-Zn ferrite core in which a nonmagnetic insulator gap is inserted after cutting.

【0072】なお、表8から表14に記載される巻線構
造におけるサンドイッチ巻と均等巻は前記実施例1およ
び実施例2の場合と同様の巻線構造を意味する。また、
表8から表14に示すように高周波パワートランス20
の巻線の巻数が駆動周波数により異なるのは、それぞれ
の駆動周波数で最も大きな出力電力を取り出せるように
決定したためである。
The sandwich winding and the equal winding in the winding structures shown in Tables 8 to 14 mean the same winding structures as in the first and second embodiments. Also,
As shown in Tables 8 to 14, the high-frequency power transformer 20
The number of turns of the windings differs depending on the drive frequency because the maximum output power is determined at each drive frequency.

【0073】前記表8から表14の高周波パワートラン
ス20を前記図3の回路構成のフルブリッジ型DC−D
Cコンバータに実装し、入力電圧DC260V、出力電
圧40V、周囲温度25℃の同高周波パワートランスの
温度上昇が50℃のとき、出力できる最大電力を駆動周
波数を2kHzから200kHzまで変えて測定した結
果を表16に示す。表16において、−は偏磁などの影
響で測定ができなかったことを示す。また、()内に示す
のはその最大出力電力が得られた高周波パワートランス
20の巻線構造を示すもので、表8から表14に対応し
ている。
The high-frequency power transformer 20 shown in Tables 8 to 14 was replaced with a full-bridge DC-D having the circuit configuration shown in FIG.
When the temperature rise of the high-frequency power transformer mounted on a C converter and having an input voltage of DC 260V, an output voltage of 40V and an ambient temperature of 25 ° C is 50 ° C, the maximum output power was measured by changing the drive frequency from 2kHz to 200kHz. It is shown in Table 16. In Table 16, "-" indicates that measurement could not be performed due to the influence of magnetic demagnetization or the like. The parenthesized parentheses show the winding structure of the high-frequency power transformer 20 at which the maximum output power was obtained, and correspond to Tables 8 to 14.

【0074】[0074]

【表8】 [Table 8]

【0075】[0075]

【表9】 [Table 9]

【0076】[0076]

【表10】 [Table 10]

【0077】[0077]

【表11】 [Table 11]

【0078】[0078]

【表12】 [Table 12]

【0079】[0079]

【表13】 [Table 13]

【0080】[0080]

【表14】 [Table 14]

【0081】[0081]

【表15】 [Table 15]

【0082】表16からわかるように、本発明によれば
5kHz以上100kHz以下駆動周波数範囲におい
て、偏磁の影響による不安定な動作をすることなしに、
同一磁心体積で比較例よりも大きな出力電力を安定に供
給しうる高周波パワートランス20が得られる。
As can be seen from Table 16, according to the present invention, in the driving frequency range of 5 kHz or more and 100 kHz or less, without performing an unstable operation due to the influence of the magnetic bias,
A high-frequency power transformer 20 that can stably supply a larger output power than the comparative example with the same core volume can be obtained.

【0083】また、表16に示す本発明の高周波パワー
トランス20について、2次巻線端の全てを短絡して1
次巻線端で測定した50kHzにおける漏れインダクタ
ンスは、いずれも0.3μH以下の値を示した。一方、
同表に示す比較例のうちノーカットのナノ結晶軟磁性合
金薄帯巻磁心である磁心イから磁心トに均等巻の巻線構
造とした高周波パワートランス20において、同様にし
て測定した漏れインダクタンスはいずれも0.3μHを
超えており、このためこれらの高周波パワートランス2
0では偏磁の影響により不安定な動作を引き起こし、安
定して出力を取り出せなかったこともわかった。
In the high-frequency power transformer 20 of the present invention shown in Table 16, all of the secondary winding ends were short-circuited.
The leakage inductance at 50 kHz measured at the end of the next winding showed a value of 0.3 μH or less. on the other hand,
Of the comparative examples shown in the same table, in the high-frequency power transformer 20 having the winding structure of the uniform winding from the core A, which is the uncut nanocrystalline soft magnetic alloy thin ribbon core, the leakage inductance measured in the same manner Also exceeds 0.3 μH, so that these high-frequency power transformers 2
At 0, it was found that an unstable operation was caused by the influence of the magnetic polarization, and the output could not be taken out stably.

【0084】以上から、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次巻線とセ
ンタータップ付きの2次巻線を設けた高周波パワートラ
ンス20においては、その2次巻線端の全てを短絡して
1次巻線端で測定した50kHzにおける漏れインダク
タンスの値が0.3μH以下であれば、実用上偏磁の影
響による不安定な動作を示すことなしに安定に出力電力
を取り出すことができ、信頼性の高い高周波パワートラ
ンス20およびこれを用いた高効率で高信頼性のフルブ
リッジ型DC−DCコンバータが得られることがわかっ
た。
As described above, in the high-frequency power transformer 20 in which the uncut nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon wound core is provided with the primary winding having no center tap and the secondary winding with the center tap, the secondary winding is provided. If the value of the leakage inductance at 50 kHz measured at the primary winding end with all the wire ends short-circuited is 0.3 μH or less, the output is stable without practically exhibiting unstable operation due to the influence of magnetic bias. It has been found that electric power can be taken out and a highly reliable high-frequency power transformer 20 and a highly efficient and highly reliable full-bridge DC-DC converter using the same can be obtained.

【0085】[0085]

【表16】 [Table 16]

【0086】また、表16において、50kHzにおけ
る比透磁率μr(50kHz)が20,000以上の値を示すノ
ーカットのナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心である磁心イ
から磁心ニにセンタータップを持たない1次巻線とセン
タータップ付きの2次巻線を設けた本発明の高周波パワ
ートランス20は高周波領域での磁心損失が小さいた
め、20kHz以上を超える高周波において、より大きな
出力電力を取り出すことができ、特に高周波での仕様に
適することがわかる。
Further, in Table 16, a center tap is provided from the core A, which is a non-cut nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon wound core having a relative magnetic permeability μr (50 kHz) at 50 kHz of 20,000 or more, to the core D. Since the high-frequency power transformer 20 of the present invention provided with a non-primary winding and a secondary winding with a center tap has a small core loss in a high-frequency region, it can extract larger output power at a high frequency exceeding 20 kHz or more. It can be seen that it is suitable for high frequency specifications.

【0087】さらに、表16において、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0.2以下のノーカットのナノ結晶
軟磁性合金薄帯巻磁心である磁心ハから磁心トにセンタ
ータップを持たない1次巻線とセンタータップ付きの2
次巻線を設けた本発明の高周波パワートランス20は、
10kHz以下の周波数で動作時の磁束密度の変化量を大
きく取ることができ表8、表9および表10のように巻
数を少なくできるため、より大きな出力電力を取り出す
ことができることがわかる。
Further, in Table 16, in the uncut nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon core having a squareness ratio Br / Bs, which is the ratio of the residual magnetic flux density Br to the saturation magnetic flux density Bs in the DC magnetic characteristics, is 0.2 or less. A primary winding without a center tap from a magnetic core to a magnetic core, and 2 with a center tap
The high-frequency power transformer 20 of the present invention provided with a secondary winding is:
It can be seen that since the amount of change in magnetic flux density during operation at a frequency of 10 kHz or less can be large and the number of turns can be reduced as shown in Tables 8, 9 and 10, larger output power can be obtained.

【0088】[0088]

【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、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全般、および同高周波パワートラン
ス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. Thus, a high-efficiency high-frequency power transformer 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. Applicable to all high-frequency power transformers provided with a primary winding having no tap and at least one or more sets of secondary windings having a center tap, and to all power conversion devices using the high-frequency power transformer, which are also effective. It exerts an 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】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. 3 is a circuit configuration block diagram of a full-bridge DC-DC converter.

【図4】図3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。
FIG. 4 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5】偏磁がない場合の図3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. 5 shows a full-bridge DC- of FIG.
Operation B- of high frequency power transformer 20 of DC converter
H loop conceptual diagram.

【図6】偏磁により磁心が飽和したときの図3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. 6 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. 3 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 6、7、8、9:帰還ダイオード 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 6, 7, 8, 9: feedback diode 20: high-frequency power transformer 21: primary winding of high-frequency power transformer 20 23: high-frequency power transformer 20-2 Next winding 31, 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 (72)発明者 蓮村 茂 群馬県多野郡吉井町多比良2977番地日立金 属機工株式会社内 (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) 5E058 BB19 5H730 AA15 AA19 BB27 DD04 EE03 EE08 ZZ16 Continued on the front page (72) Inventor Shigeru Hasumura 2977 Tahira, Yoshii-cho, Tano-gun, Gunma Prefecture Inside Hitachi Kinki Kiko Co., Ltd. F-term in the factory (reference) 5E058 BB19 5H730 AA15 AA19 BB27 DD04 EE03 EE08 ZZ16

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 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
トランスにおいて、2次巻線端の全てを短絡して1次巻
線端で測定した50kHzにおける漏れインダクタンス
の値が0.3μH以下であることを特徴とする高周波パ
ワートランス。
1. An uncut nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon wound core having Fe as a main component and having fine crystal grains having a crystal grain size of 50 nm or less occupying 50% or more of the entire volume of the structure has no center tap. In a high-frequency power transformer provided with a primary winding and at least one or more sets of secondary windings with a center tap, all of the secondary winding ends are short-circuited and the leakage inductance at 50 kHz measured at the primary winding end. A high-frequency power transformer having a value of 0.3 μH or less.
【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5
0kHzにおける比透磁率は20,000以上であるこ
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 said nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon wound core has
A high-frequency power transformer, wherein the relative magnetic permeability at 0 kHz is 20,000 or more.
【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、前記ナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心
の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。
3. The high frequency power transformer according to claim 1, wherein the squareness ratio Br is a ratio of a residual magnetic flux density Br to a saturation magnetic flux density Bs in a DC magnetic characteristic of the nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon core. A high-frequency power transformer characterized in that / Bs is 0.2 or less.
【請求項4】 請求項1から3に記載の高周波パワート
ランスにおいて、前記センタータップ付き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
されており、前記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。
4. The high-frequency power transformer according to claim 1, wherein at least one set of said center-tapped secondary windings is formed by winding each of said windings comprising said nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon. A bifilar coil wound substantially evenly around a magnetic core, and the secondary winding is sandwich-wound with a primary winding wound substantially evenly around the nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon core. Power transformer.
【請求項5】 請求項1から4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100
kHz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。
5. The high-frequency power transformer according to claim 1, wherein the driving frequency is 5 kHz or more and 100% or more.
A high-frequency power transformer characterized by being in the range of kHz or less.
【請求項6】 請求項1から5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。
6. A power converter using the high-frequency power transformer according to claim 1.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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