JP2001250726A - 可飽和リアクトルおよびこれを用いた電力変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高効率、低ノイズかつ信頼性の高い電力変換
装置を提供する。 【解決手段】 軟磁性合金薄帯巻磁心の両端面に設けた
放熱板により磁心損失による温度上昇を低減せしめるよ
うに構成した可飽和リアクトルにおいて、前記軟磁性合
金薄帯巻磁心の両端面と放熱板は熱伝導率の良好な絶縁
材を介して密着されており、かつ前記軟磁性合金薄帯巻
磁心の内径面には同巻磁心の内径面で生じる磁心損失に
よる熱を前記放熱板に伝導するための熱伝導体が配置さ
れていることを特長とする可飽和リアクトル。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電力変換装置で用いら
れる高速ダイオードのリバースリカバリ電流および逆方
向スパイク電圧の抑制や、サイリスタ、ＧＴＯ、ＩＧＢ
Ｔ、ＭＯＳ−ＦＥＴなどの半導体スイッチング素子のス
イッチング損失の抑制、あるいは磁気増幅器、磁気パル
ス圧縮などの目的に使用される可飽和リアクトルおよび
これを用いた電力変換装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電力変換装置においては小型化が重要な
課題であり、小型化を図る一の手法としてスイッチング
周波数を高めることにより、電力変換装置において大き
なスペースを占めるパワートランスや出力平滑チョーク
コイルなどの磁性部品や出力平滑コンデンサを小型化す
る手法が広く採用されている。電力変換装置を高周波化
するためには、スイッチング速度が速くスイッチング損
失の小さな半導体スイッチング素子を採用する必要があ
る。しかし、スイッチング速度が速い半導体スイッチン
グ素子を使用することは、一方で、伝導ノイズや輻射ノ
イズを増加させることにつながる。

【０００３】最も代表的な電力変換装置の１つとして、
図４に示す降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータがある。図４に
おいて、１は入力直流電源、２は半導体スイッチング素
子、３はフライホイールダイオード、４は出力平滑チョ
ークコイル、５は出力平滑コンデンサ、６および７は出
力端子、８は負荷である。

【０００４】図４の降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータにおい
て、出力平滑チョークコイル４を流れる電流が常に零以
上である所謂電流連続の条件を満足していれば、入力直
流電源１の電圧Ｅと出力電圧Ｖoの間には、半導体スイ
ッチング素子２のオンデューティー比をＤonとすれば以
下のような関係にある。 Ｖo＝Ｅ・Ｄon （Ｖ） (1) したがって、通常の降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータでは、
Ｖoを一定に保つため、Ｅの変動や負荷電流の変化に伴
うＤＣ−ＤＣコンバータ内部の電圧降下の変動を、Ｄon
を変化させることによって制御するＰＷＭ制御が行われ
ている。

【０００５】ところで、図４の降圧型ＤＣ−ＤＣコンバ
ータにおいて、半導体スイッチング素子２がターンオン
してから短時間ではあるが、入力直流電源１の正極から
半導体スイッチング素子２、フライホイールダイオード
３、入力直流電源１の負極の経路で、スパイク電流が流
れる。このスパイク電流は、フライホイールダイオード
２に用いているダイオードの整流特性が理想とは異なる
ために生じるものである。

【０００６】理想的なダイオードでは、アノードとカソ
ード間が順バイアスされ順方向電流が流れている状態か
ら逆バイアスされた場合、順方向電流は瞬時に零とな
り、逆バイアスされている期間に電流が流れることはな
い。しかし、実際のダイオードでは、アノードとカソー
ド間が順バイアスされ順方向電流が流れている状態から
逆バイアスされた場合、ｐｎ接合間に蓄積された少数キ
ャリアが消滅するためにある程度の時間がかかることか
ら、この間に逆方向のスパイク電流が流れてしまう。こ
の現象はリバースリカバリと呼ばれており、この間に流
れる逆方向スパイク電流をリバースリカバリ電流と呼ん
でいる。

【０００７】このリバースリカバリ電流によりダイオー
ドのアノードとカソード間には逆方向スパイク電圧が生
じ、このスパイク電圧と前記リバースリカバリ電流の積
がリバースリカバリ損失となるほか、この逆方向スパイ
ク電圧が同ダイオードの逆方向耐電圧を超えて同ダイオ
ードが破壊に至ることもある。また、このダイオードの
リバースリカバリ電流と逆方向スパイク電圧は、ＤＣ−
ＤＣコンバータの雑音端子電圧と輻射雑音の主要因の１
つとなっている。

【０００８】上記ダイオードのリバースリカバリに起因
するＤＣ−ＤＣコンバータの問題点を対策するため、特
公平６−１７３３号、特公平７−７７１６７号、あるい
は堀内他、「スパイク低減用アモルファス磁心の動特性
とその応用について」電気学会マグネティクス研究会資
料ＭＡＧ−８６−４７（１９８６年）に開示されるよう
にコバルト基非晶質軟磁性合金薄帯巻磁心やナノ結晶軟
磁性合金薄帯巻磁心を用いた可飽和リアクトル９を、例
えば、図２に示す降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータのフライ
ホイールダイオード３に直列に挿入して、リバースリカ
バリ電流の波高値を制限することにより、同フライホイ
ールダイオード３の逆方向スパイク電圧を逆方向耐電圧
以下に抑制して、同フライホイールダイオード３のリバ
ースリカバリ損失を抑制してその安全動作を図るととも
に、同ＤＣ−ＤＣコンバータの雑音端子電圧と輻射雑音
を低減する手法が広く用いられている。

【０００９】図２のＤＣ−ＤＣコンバータにおける可飽
和リアクトル９の動作を図３の可飽和リアクトル９のＢ
−Ｈループ概念図を用いて説明する。図３において破線
で示すのは直流Ｂ−Ｈループの概念図、実線で示すのは
図２のＤＣ−ＤＣコンバータに実装したときの動作Ｂ−
Ｈループ概念図である。なお、以下の説明では、出力平
滑チョークコイル４を流れる電流が常に零以上である所
謂電流連続の条件を満足しており、出力電圧をＶoとす
るようにＰＷＭ制御されているものとする。

【００１０】図２のＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、半
導体スイッチング素子２がオフ、かつフライホイールダ
イオード３がオン状態にあり同フライホイールダイオー
ド３に順方向のフライホイール電流が流れている状態か
ら前記半導体スイッチング素子２がターンオンすると、
入力直流電源１の電源電圧Ｅは半導体スイッチング素子
２を介してフライホイールダイオード３と可飽和リアク
トル９の直列回路に印加される。このとき、前記フライ
ホイールダイオード９はリバースリカバリによりオン状
態にあり、いわゆるリバースリカバリ電流が流れる。こ
のため、可飽和リアクトル９の磁束密度は、図３のａ点
からｂ点を経由してｃ点まで変化するが、可飽和リアク
トル９の磁束密度がｂ点からｃ点まで変化する期間の可
飽和リアクトル９のインダクタンスは極めて高いため、
前記入力直流電源電圧Ｅのほとんどは可飽和リアクトル
９に印加されることになる。

【００１１】ここで、前記フライホイールダイオード３
のリバースリカバリ電流の波高値Ｉrrは、可飽和リアク
トル９の磁束密度が図３の第３象限側で飽和することが
ない限り、図３の磁化力Ｈrrで近似的に求められる下記
の値に制限される。 Ｉrr≒（Ｈrr・ｌe）/Ｎ （Ａ） (2) ｌe：可飽和リアクトル９の平均磁路長（ｍ） Ｎ ：可飽和リアクトル９の巻数 ところで、ダイオードがリカバリ期間に逆方向に放出す
る電荷量はそのダイオードの特性により定まることが知
られている。そこで、前記フライホイールダイオード３
がリバースリカバリ期間に放出する電荷量をＱとする
と、リバースリカバリ時間Ｔrrは前記(2)式で定まるＩr
rにより次式を用いて近似的に求められる。 Ｔrr≒Ｑ／Ｉrr （ｓ） (3) したがって、可飽和リアクトル９の動作磁束密度が図３
のａ点からｂ点を経由してｃ点まで変化するときの変化
量ΔＢは次式を用いて近似的に求めることができる。 ΔＢ≒（Ｅ・Ｔrr）/Ｎ・Ａe （Ｔ） (4) Ａe：可飽和リアクトル９の有効断面積（ｍ^３）

【００１２】フライホイールダイオード３のリバースリ
カバリが終了すると、同ダイオードはオフ状態になり、
入力直流電源電圧Ｅは半導体スイッチング素子２を介し
て出力平滑チョークコイル４、および出力平滑コンデン
サ５と負荷８の並列回路に印加され、負荷８に応じた電
流が出力平滑チョークコイル４に流れる。この期間に出
力平滑チョークコイル４には入力直流電源１の電圧Ｅか
ら出力電圧Ｖoを引いたＥ−Ｖoの電圧が図示黒丸を正極
とする向きに印加される。このオン期間に可飽和リアク
トル９の動作点は図３のｃ点にある。

【００１３】半導体スイッチング素子２がターンオフす
ると、半導体スイッチング素子２がオンの期間に出力平
滑チョーク４に蓄積されたエネルギにより、同出力平滑
チョークコイル４には図示黒丸を負極とする出力電圧Ｖ
oに等しい電圧が誘起し、出力平滑コンデンサ５と負荷
８の並列回路、および可飽和リアクトル９とフライホイ
ールダイオード３の直列回路にこの電圧が印加される。
このため、フライホイールダイオード３は順バイアスさ
れオン状態となるため、可飽和リアクトル９には図２の
図示黒丸を正極とする電圧が印加される。この結果、可
飽和リアクトル９の磁束密度は図３のｃ点からｄ点に向
かって移動しｄ点で飽和した後、同可飽和リアクトル９
を流れる電流の波高値に対応したａ点までΔＢだけ変化
する。

【００１４】可飽和リアクトル９の磁束密度が図３のｃ
点からｄ点まで動作する期間の可飽和リアクトル９のイ
ンダクタンスは極めて高く、この期間に出力平滑チョー
クコイル４が誘起する電圧のほとんどは同可飽和リアク
トル９に印加されることになる。従って、可飽和リアク
トル９が図３のｃ点からｄ点まで動作するときに阻止す
る時間Ｔb1は、近似的に以下の式によって求めることが
できる。 Ｔb≒（Ｎ・Ａe・ΔＢ）／Ｖo （ｓ） (5)

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】図２のＤＣ−ＤＣコン
バータにおける可飽和リアクトル９においては、磁心の
温度上昇が最大の問題である。金属磁性材料を用いた磁
心の高周波駆動時の磁心損失は、その大半が渦電流損失
によって占められており、この渦電流損失は磁心の動作
磁束密度ΔＢの２乗、および磁化速度ｄＢ/ｄｔの２乗
に比例することが知られている。

【００１６】図２のＤＣ−ＤＣコンバータでは、例え
ば、駆動周波数２０ｋＨｚ、出力電力数十ｋＷ程度の場
合を例に取ると、可飽和リアクトル９の動作磁束密度Δ
Ｂは１Ｔ程度、磁化速度ｄＢ/ｄｔは十Ｔ/μｓ程度に達
する。これらの値を、例えば、駆動周波数と出力電力が
同一のブリッジ型ＤＣ−ＤＣコンバータの高周波パワー
トランスと比較すると、前者はほぼ同程度だが後者は１
ケタ大きい。このため、可飽和リアクトル９の単位体積
あたりの磁心損失はフォワード型ＤＣ−ＤＣコンバータ
の高周波パワートランスに比べて２ケタ程度大きいこと
になり、過大な温度上昇を引き起こす原因となってい
る。

【００１７】この可飽和リアクトル９の磁心には、前記
のようにコバルト基非晶質軟磁性合金薄帯巻磁心やナノ
結晶軟磁性合金薄帯巻磁心が用いられているため、これ
ら巻磁心に外部から直接応力が加わらないようにするた
めと、これに設ける巻線間との絶縁を図るため、これら
巻磁心は、一般にプラスチックケースに収納されたり表
面に樹脂コーティングが施されるなどの形態となってい
る。

【００１８】このため、磁心損失による温度上昇が高す
ぎる場合には、前記プラスチックケースあるいは表面の
樹脂コーティングが焼損することになる。また、コバル
ト基非晶質軟磁性合金薄帯巻磁心を可飽和リアクトル９
に使用した場合には、同巻磁心のキュリー温度が高々二
百数十℃程度にすぎないため、同巻磁心の温度が百数十
℃程度以上に達するとその飽和磁束密度が著しく低下
し、フライホイールダイオード３のリバースリカバリで
可飽和リアクトル９が図３のＢ−Ｈループにおける第３
象限側で飽和してしまい本来の機能を発揮できない問題
もある他、非晶質軟磁性合金薄帯巻磁心の場合には過大
な温度上昇によりその磁気特性が経事変化する問題もあ
る。さらに可飽和リアクトル９の過大な温度上昇は、こ
れに設ける巻線や近接して配置される他の部品に熱的な
ストレスを加える結果にもなり好ましくない。

【００１９】なお、以上の説明では降圧型ＤＣ−ＤＣコ
ンバータを例に同コンバータのフライホイールダイオー
ド３のリバースリカバリ対策に可飽和リアクトル９を用
いた場合の問題点について説明したが、他の回路方式の
電力変換装置におけるダイオードのリバースリカバリ対
策用可飽和リアクトル、各種電力変換装置における半導
体スイッチング素子のスイッチング損失抑制用可飽和リ
アクトル、磁気増幅器や磁気パルス圧縮用可飽和リアク
トルなどでも全く同様の問題があった。

【００２０】本発明の目的は、前記従来技術で問題とな
っていた電力変換装置で用いられる高速ダイオードのリ
バースリカバリ電流の抑制や、サイリスタ、ＧＴＯ、Ｉ
ＧＢＴ、ＭＯＳ−ＦＥＴなどの半導体スイッチング素子
のスイッチング損失の抑制、あるいは磁気増幅器、磁気
パルス圧縮などの目的に使用される可飽和リアクトルの
温度上昇を実用上問題ない水準に抑制した可飽和リアク
トルおよび同可飽和リアクトルを使用した高効率、低ノ
イズかつ信頼性の高い電力変換装置を提供することにあ
る。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明は、軟磁性合金薄
帯巻磁心の両端面に設けた放熱板により磁心損失による
温度上昇を低減せしめるように構成した可飽和リアクト
ルにおいて、前記軟磁性合金薄帯巻磁心の両端面と放熱
板は、熱伝導率の良好な絶縁材を介して密着されてお
り、かつ前記軟磁性合金薄帯巻磁心の内径面には、同巻
磁心の内径面で生じる磁心損失による熱を前記放熱板に
伝導するための熱伝導体が配置されていることを特長と
する可飽和リアクトルである。

【００２２】軟磁性合金薄帯巻磁心の両端面に熱伝導率
の良好な絶縁材を介して放熱板を密着させることによ
り、巻磁心の端面部に放熱板を直接密着させる場合に生
じる同巻磁心の端面部で同巻磁心を構成する軟磁性合金
薄帯の層間短絡による磁心損失の増加を防止できる。ま
た、巻磁心の内径面に配置された熱伝導体を介して同巻
磁心の内径面で生じる磁心損失による熱を放熱板に逃が
す構造にすることにより、巻磁心の変形および変形に伴
う磁気特性の変化を防止できるとともに、磁心損失によ
る温度上昇が最も大きな磁心内径面の冷却が図れ好まし
い。

【００２３】本発明の可飽和リアクトルにおいて、前記
軟磁性合金薄帯巻磁心の外周側に同巻磁心の変形および
変形に伴う磁気特性の変化を防止するための絶縁コーテ
ィングあるいは絶縁帯リングが配置されている場合に
は、同巻磁心の外周面に外部から応力が加えられた際に
同巻磁心を構成する軟磁性合金薄帯が剥離したり、同巻
磁心を構成する軟磁性合金薄帯が腐食するのを防止する
ことができる。

【００２４】本発明の可飽和リアクトルにおいて、同可
飽和リアクトルの巻磁心として、結晶粒径５０ｎｍ以下
の微細ナノ結晶粒が組織の少なくとも体積全体の５０％
を占めるナノ結晶軟磁性合金薄帯で構成したものを使用
した場合には、同可飽和リアクトルを組み立てる際に、
機械的強度が小さなナノ結晶軟磁性合金薄帯に大きな応
力が加わらない構成のため、同ナノ結晶軟磁性合金薄帯
巻磁心の変形や変形に伴う磁気特性の劣化を来すことが
なく好ましい。

【００２５】本発明の可飽和リアクトルにおいて、同可
飽和リアクトルの巻磁心として、コバルト基非晶質軟磁
性合金薄帯で構成したものを使用した場合には、本発明
の放熱構造により温度上昇を大幅に低減できるため、キ
ュリー温度が高々二百数十℃程度しかなく、経時変化を
考慮した場合に実用上の使用上現温度が１２０℃程度に
制限されるため使用できる用途が制限されていたされて
いたコバルト基非晶質軟磁性合金薄帯巻磁心を用いた可
飽和リアクトルの用途が大幅に広がり好ましい。

【００２６】本発明の可飽和リアクトルにおいて、同可
飽和リアクトルに軟磁性合金薄帯の各層間に絶縁材を介
在させて巻回して構成した巻磁心を用いた場合には、同
巻磁心の径方向の熱伝導率が層間に介在させた絶縁材の
影響で大幅に低下する。このため、効率よく放熱するに
は同巻磁心の端面部を冷却する必要がある。本発明の構
成による可飽和リアクトルではこの条件を満足する構造
となっているため、効率よく可飽和リアクトルの放熱が
可能となり好ましい。

【００２７】本発明の可飽和リアクトルにおいて、前記
軟磁性合金薄帯巻磁心の両端面に設けた放熱板に密着し
て、別の放熱板を設けた場合には、放熱板の熱抵抗を減
少させることができるため温度上昇をさらに低下させる
ことだでき好ましい。

【００２８】本発明の可飽和リアクトルにおいて、同可
飽和リアクトルを実装したときに、同可飽和リアクトル
に設けられた放熱板の下部から上部に向かって冷媒を対
流させるための流路が設けられている場合には、放熱効
率が向上するため同可飽和リアクトルの温度上昇をさら
に低減することができ好ましい。

【００２９】本発明の可飽和リアクトルを用いた電力変
換装置は、ダイオードのリバースリカバリ、あるいは半
導体スイッチング素子のスイッチング損失を抑制するこ
とができるとともに、従来問題であった可飽和リアクト
ルの過大な温度上昇も抑制することができるため、高効
率かつ高信頼性が得られ好ましい。

【００３０】

【実施例】以下、本発明の実施例について詳細に説明す
る。回路構成が図２、仕様が表１で与えられるスイッチ
ング周波数ｆが２０ｋＨｚの降圧型ＤＣ−ＤＣコンバー
タの可飽和リアクトル９、および同降圧型ＤＣ−ＤＣコ
ンバータの性能について検討した。

【００３１】

【表１】

【００３２】図１において、１は入力直流電源、２は半
導体スイッチング素子、３はフライホイールダイオー
ド、４は出力平滑チョークコイル、５は出力平滑コンデ
ンサ、６および７は出力端子、８は負荷、９は可飽和リ
アクトルである。なお、本実施例では、半導体スイッチ
ング素子２としてＩＧＢＴ、フライホイールダイオード
３としてピーク繰り返し逆電圧の最大定格６００Ｖのフ
ァーストリカバリダイオードを使用した。

【００３３】可飽和リアクトル９には表２に示す磁心を
用いた。表２において、磁心イは片ロール法で製造され
た鉄を主成分とする非晶質軟磁性合金薄帯を用いて所定
の寸法の巻磁心を構成した後、磁路方向に磁界をを加え
ながら窒素雰囲気中で結晶化温度以上の温度で熱処理す
ることにより製作した結晶粒径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り、その外周面にエポキシ
樹脂をコーティングすることにより、この外周面に応力
が加えられた際に同巻磁心を構成する軟磁性合金薄帯が
剥離したり、同巻磁心を構成する軟磁性合金薄帯が腐食
するのを防止できるようにしてある。

【００３４】

【表２】

【００３５】磁心ロは片ロール法で製造されたコバルト
を主成分とする非晶質軟磁性合金薄帯を用いて所定の寸
法の巻磁心を構成した後、磁路方向に磁界をを加えなが
ら窒素雰囲気中で結晶化温度未満の温度で熱処理するこ
とにより製作したコバルト基非晶質軟磁性合金薄帯巻磁
心であり、その外周面にエポキシ樹脂をコーティングす
ることにより、この外周面に応力が加えられた際に同巻
磁心を構成する軟磁性合金薄帯が剥離したり、同巻磁心
を構成する軟磁性合金薄帯が腐食するのを防止できるよ
うにしてある。

【００３６】磁心ハは前記磁心イと同一組成で同一の製
法により作成された鉄を主成分とする非晶質軟磁性合金
薄帯の表面ににシリカの絶縁膜を設けた後、所定の寸法
の巻磁心を構成し、これに磁路方向に磁界をを加えなが
ら窒素雰囲気中で結晶化温度以上の温度で熱処理するこ
とにより製作した結晶粒径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り、その外周面にエポキシ樹脂
をコーティングすることにより、この外周面に応力が加
えられた際に同巻磁心を構成する軟磁性合金薄帯が剥離
したり、同巻磁心を構成する軟磁性合金薄帯が腐食する
のを防止できるようにしてある。

【００３７】磁心ニは前記磁心ロと同一組成で同一の製
法により作成されたコバルトを主成分とする非晶質軟磁
性合金薄帯の表面ににシリカの絶縁膜を設けた後、所定
の寸法の巻磁心を構成し、これに磁路方向に磁界をを加
えながら窒素雰囲気中で結晶化温度未満の温度で熱処理
することにより製作したコバルト基非晶質軟磁性合金薄
帯巻磁心であり、その外周面にエポキシ樹脂をコーティ
ングすることにより、この外周面に応力が加えられた際
に同巻磁心を構成する軟磁性合金薄帯が剥離したり、同
巻磁心を構成する軟磁性合金薄帯が腐食するのを防止で
きるようにしてある。

【００３８】表２の磁心イから磁心二は、いずれもその
寸法が外径６０ｍｍ、内径４５ｍｍ、高さ１０ｍｍのト
ロイダル形であり、有効断面積は６０ｍｍ^２、平均磁路
長は１６５ｍｍである。

【００３９】本発明Ａ、本発明Ｂ、本発明Ｃおよび本発
明Ｄの可飽和リアクトル９の巻線部を除く構造を図１に
示す。図１の可飽和リアクトル９では、８ヶの巻磁心１
０１と９枚の放熱板１０４を円筒管１０２に交互に挿入
してこれらを密着させて配置し、さらにこの９枚の放熱
板１０４の両端に別の放熱板１０７を２枚接続した構成
となっている。ここで、本発明Ａでは図１の可飽和リア
クトル９の８ヶの巻磁心１０４に前記表２の巻磁心イ、
本発明Ｂでは図１の可飽和リアクトル９の８ヶの巻磁心
１０４に前記表２の巻磁心ロ、本発明Ｃでは図１の可飽
和リアクトル９の８ヶの巻磁心１０４に前記表２の巻磁
心ハ、本発明Ｄでは図１の可飽和リアクトル９の８ヶの
巻磁心１０４に前記表２の巻磁心ニを用いた。

【００４０】図１において、１０１は巻磁心、１０２は
巻磁心１０１の内径面に密着して配置され巻磁心１０１
で生じる磁心損失による熱を放熱板１０４に伝導するた
めのステンレス製円筒管、１０３は巻磁心１０１と放熱
板１０４を電気的に絶縁しつつしかも巻磁心１０１で生
じる磁心損失による熱を効率よく放熱板１０４に伝える
ためのボロン・ナイトライド粉末をシリコン樹脂に混合
させて製作された熱伝導性絶縁シート、１０４はアルミ
合金製の放熱板、１０５はその径方向にはステンレス製
円筒管１０２を固定するためのセットボルトが設けられ
たステンレス製円筒リング、１０６はステンレス製リン
グ１０５を放熱板１０４に固定するためのステンレス製
ボルト、１０７は可飽和リアクトル９本体を固定するた
めの取り付け部１１０を有するアルミ合金製放熱板、１
０８はアルミ製放熱板１０４とアルミ製放熱板１０７を
電気的に絶縁した状態で接続するためのポリカーボネイ
ト製ボルト、１０９はアルミ製放熱板１０４とアルミ製
放熱板１０７を電気的に絶縁するとともにアルミ製放熱
板１０４の熱を効率よくアルミ製放熱板１０７に伝導す
るためのボロン・ナイトライド粉末をシリコン樹脂に混
合させて製作された熱伝導性絶縁シート、１１０は可飽
和リアクトル１０９本体を固定するための取り付け部で
ある。

【００４１】本構成の可飽和リアクトル９では、ステン
レス製円筒管１０２、放熱板１０４および放熱板１０７
が電気的に接続されと、ショートリングが構成され可飽
和リアクトル９として機能しなくなる。このため、本発
明の図１の可飽和リアクトル９では、上記で説明したよ
うに、ポリカーボネイト製ボルト１０８とボロン・ナイ
トライド粉末をシリコン樹脂に混合させて製作された熱
伝導性絶縁シート１０９を用いて放熱板１０４と放熱板
１０７を電気的に絶縁させた状態で接続し、ショートリ
ングが構成されるのを防止している。

【００４２】２０１、２０２および２０３は冷媒の取り
出し口と取り入れ口であり、巻磁心１０１、放熱板１０
４および放熱板１０７の熱は、可飽和リアクトル９の下
部に設けた２０２と２０３から取り込まれ２０１を経由
して可飽和リアクトル９の上部に流れる冷媒により効率
よく冷却される。３０１は、可飽和リアクトル９の巻線
を通すための空洞であり、０.２３φのポリウレタン絶
縁被覆電線を２７５本用いて構成したリッツ線を２本並
列接続したものの表面をポリオレフィン製絶縁チューブ
で絶縁強化して構成した電線を、この空洞３０１に１タ
ーン貫通させている。

【００４３】表３に本発明Ａ、本発明Ｂ、本発明Ｃおよ
び本発明Ｄの可飽和リアクトル９を回路構成が図２、仕
様が表１で与えられる降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの可
飽和リアクトル９として実装、試験した結果を従来例と
の比較で示す。ここで測定は入力電圧Ｅ＝３００Ｖ、出
力電圧Ｖo＝１００Ｖ、負荷電流Ｉo＝２００Ａ、ＤＣ−
ＤＣコンバータ動作時の周囲温度２５℃の条件で行っ
た。周囲温度２５℃で上記測定条件で本ＤＣ−ＤＣコン
バータを連続運転した場合、ＤＣ−ＤＣコンバータのケ
ース内部の温度は約５０℃となるため、可飽和リアクト
ル９表面の温度上昇ΔＴは周囲に配置される部品への影
響も考慮して５０℃以下とする必要がある。また、可飽
和リアクトル９を構成する８ヶの巻磁心１０１の局部的
な温度上昇の最大値ΔＴmaxについては、これを構成す
る軟磁性合金薄帯の材質によっても異なるが、特に、非
晶質軟磁性合金薄帯を使用する場合には、経時変化の問
題から使用時の最大温度を１２０℃程度に抑える必要が
あり、本例の場合このΔＴmaxは７０℃以下にする必要
がある。

【００４４】

【表３】

【００４５】表３における従来例１は表２の磁心イを８
ヶ密着して積み重ね、これに０.２３φのポリウレタン
絶縁被覆電線を２７５本用いて構成したリッツ線を２本
並列接続したものの表面をポリオレフィン製絶縁チュー
ブで絶縁強化して構成した電線を１ターン貫通させた可
飽和リアクトル９である。また、従来例２、従来例３お
よび従来例４は、それぞれ表２の磁心ロ、磁心ハおよび
磁心ニを８ヶ密着して積み重ね、前記従来例１と同様の
巻線構造の可飽和リアクトル９である。

【００４６】表３から分かるように、本発明Ａおよび本
発明Ｂでは、フライホイールダイオード３のリバースリ
カバリ電流波高値Ｉrrを２０Ａ程度、アノードとカソー
ド間の逆方向電圧波高値−ＶAKをの逆方向をピーク繰り
返し逆電圧最大定格６００Ｖの８０％以下である４６０
Ｖないし４７０Ｖに抑制できた。また、同可飽和リアク
トル９の表面の温度上昇ΔＴも４０℃程度と許容値５０
℃を満足していることがわかる。さらに可飽和リアクト
ル９を構成する巻磁心１０１の局部的な温度上昇の最大
値ΔＴmaxも４５℃前後に抑えることができ、実用に際
し問題ないこともわかった。

【００４７】これに対して、本発明Ａと同一の磁心イを
用いその構造が異なる従来例１では、フライホイールダ
イオード３のＩrrと−ＶAKは本発明Ａおよび本発明Ｂと
同程度に抑制できたが、そのΔＴおよびΔＴmaxはそれ
ぞれ許容温度上昇の２倍程度にも達するため問題がある
ことが分かる。

【００４８】また、本発明Ｂと同一の磁心ロを用いその
構造が異なる従来例２では、これに用いている磁心ロの
キュリー温度が２１０℃と低いため磁心損失による温度
上昇によってその飽和磁束密度Ｂsが低下するため動作
磁束密度ΔＢも本発明Ｂの場合に比べて大幅に低下して
しまう。このため、従来例２では、フライホイール・ダ
イオード３のリバースリカバリー電流によってＢ−Ｈル
ープの第３象限側で飽和するため、フライホイールダイ
オード３のＩrrおよび−ＶAKはいずれも十分に抑制され
ていない。さらに、フライホイール・ダイオード３のＩ
rrと−ＶAKが時間の経過とともに加速度的に増加し、巻
磁心１０１のΔＴmaxも１３０℃を超え熱暴走を引き起
こしたため、それぞれの値が定常値となる前に測定を中
止した。このように、キュリー温度がナノ結晶軟磁性合
金薄帯巻磁心である磁心イに比べて低いコバルト基非晶
質軟磁性合金薄帯巻磁心である磁心ロを用いた可飽和リ
アクトル９では、そのΔＴおよびΔＴmaxが許容値にで
きないばかりでなく、フライホイール・ダイオード３の
Ｉrrと−ＶAKを抑制するという本来の機能も十分発揮で
きなくなることがわかる。

【００４９】本発明Ｃと本発明Ｄで使用している磁心ロ
および磁心ハは、これを構成する軟磁性合金薄帯の表面
ににシリカの絶縁膜を設けて巻回した所謂層間絶縁巻磁
心であるため、前記本発明Ａおよび本発明Ｂで用いた磁
心イおよび磁心ロに比べて高周波駆動時に磁気特性を劣
化させる主要因である渦電流損失を減少させることがで
きる。このため、本発明Ｃおよび本発明Ｄではそれぞれ
前記本発明Ａおよび本発明Ｂに比べて、Ｉrrおよび−Ｖ
AKとも抑制することができることがわかる。

【００５０】また、層間絶縁巻磁心では、層間絶縁を施
していない巻磁心に比べて、同巻磁心の径方向への熱伝
導率が低下するため、同巻磁心の端面部を効率よく冷却
しないと、従来例３に示すように、巻磁心そのものの高
周波駆動時の磁心損失が低下しているにもかかわらず層
間絶縁をしない巻磁心よりもΔＴおよびΔＴmaxが大き
くなってしまう。従来例４でも前記従来例２と同様に可
飽和リアクトル９の巻磁心１０１が熱暴走を引き起こし
たため測定の途中で降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの動作
を停止させ測定を中止したが、測定開始から中止するま
での時間は、前記従来例２の場合よりも短く、その原因
は前記従来例３の場合と同様である。

【００５１】しかし、本発明Ｃおよび本発明Ｄでは、図
１に示すように巻磁心１０１の端面部を効率よく冷却す
るための放熱板が設けられていることと、巻磁心１０１
の内径側に密着して前記放熱板１０４に発熱を効率よく
伝導するためステンレス製円筒管１０２が設けられてい
るため、そのΔＴとΔＴmaxも前記本発明Ａおよび本発
明Ｂよりも一層低減することができ優れていることがわ
かる。

【００５２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電力変換装置で用いられる高速ダイオードのリバースリ
カバリ電流および逆方向スパイク電圧の抑制や、サイリ
スタ、ＧＴＯ、ＩＧＢＴ、あるいはＭＯＳ−ＦＥＴなど
の半導体スイッチング素子のスイッチング損失の抑制、
あるいは磁気増幅器、磁気パルス圧縮などの目的で使用
される可飽和リアクトルで問題となっていた磁心損失に
起因する同可飽和リアクトルの温度上昇を効率よく低減
した可飽和リアクトル、およびこれを用いた高効率、低
ノイズかつ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、本発明の代表例として降圧型ＤＣ
−ＤＣコンバータにおけるフライホイールダイオードの
リバースリカバリ電流および逆方向スパイク電圧抑制用
の可飽和リアクトルとしての応用例について詳細に説明
したが、本発明は昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ、昇降圧
型ＤＣ−ＤＣコンバータなどの各種ＤＣ−ＤＣコンバー
タや各種インバータなどの電力変換装置で使用される高
速ダイオードのリバースリカバリ電流と逆方向スパイク
電圧抑制用、あるいはこれらで使用される半導体スイッ
チング素子のスイッチング損失の抑制用の可飽和リアク
トル、およびこれを用いた前記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。また、これらの電力変換装置で用いられる磁気増
幅器用の可飽和リアクトル、あるいは磁気パルス圧縮回
路用の可飽和リアクトルおよびこれを用いた電力変換装
置にも適用され、同様に有効な効果を発揮し、その効果
は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による、可飽和リアクトル９の巻線部を
除いた構造図。

【図２】可飽和リアクトル９を用いた降圧型ＤＣ−ＤＣ
コンバータの回路構成ブロック図。

【図３】可飽和リアクトル９のＢ−Ｈループ概念図。

【図４】可飽和リアクトル９を用いない降圧型ＤＣ−Ｄ
Ｃコンバータの回路構成ブロック図。

【符号の説明】

１：入力直流電源 ２：半導体スイッチング素子 ３：フライホイールダイオード ４：出力平滑チョークコイル ５：出力平滑コンデンサ ６、７：出力端子 ８：負荷 ９：可飽和リアクトル

───────────────────────────────────────────────────── 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） Ｈ０１Ｆ 27/24 Ｂ Ｋ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 軟磁性合金薄帯巻磁心の両端面に設けた
   放熱板により磁心損失による温度上昇を低減せしめるよ
   うに構成した可飽和リアクトルにおいて、前記軟磁性合
   金薄帯巻磁心の両端面と放熱板は熱伝導率の良好な絶縁
   材を介して密着されており、かつ前記軟磁性合金薄帯巻
   磁心の内径面には同巻磁心の内径面で生じる磁心損失に
   よる熱を前記放熱板に伝導するための熱伝導体が配置さ
   れていることを特長とする可飽和リアクトル。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の可飽和リアクトルにお
   いて、前記軟磁性合金薄帯巻磁心の外周側には同巻磁心
   の変形および変形に伴う磁気特性の変化を防止するため
   の絶縁コーティングあるいは絶縁体リングが配置されて
   いることを特長とする可飽和リアクトル。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載の可飽和
   リアクトルにおいて、前記軟磁性合金薄帯巻磁心は結晶
   粒径５０ｎｍ以下の微細ナノ結晶粒が組織の少なくとも
   体積全体の５０％を占めるナノ結晶軟磁性合金薄帯で構
   成されていることを特長とする可飽和リアクトル。
4. 【請求項４】 請求項１または請求項２に記載の可飽和
   リアクトルにおいて、前記軟磁性合金薄帯巻磁心はコバ
   ルト基非晶質軟磁性合金薄帯で構成されていることを特
   長とする可飽和リアクトル。
5. 【請求項５】 請求項１から請求項４に記載の可飽和リ
   アクトルにおいて、前記軟磁性合金薄帯巻磁心はその各
   層間に絶縁材が介在された層間絶縁構造巻磁心であるこ
   とを特長とする可飽和リアクトル。
6. 【請求項６】 請求項１から請求項５に記載の可飽和リ
   アクトルにおいて、前記軟磁性合金薄帯巻磁心の両端面
   に設けた放熱板に密着した少なくとも１つ以上の別の放
   熱板が設けられたことを特長とする可飽和リアクトル。
7. 【請求項７】 請求項１から請求項６に記載の可飽和リ
   アクトルにおいて、前記可飽和リアクトルの放熱板に
   は、同可飽和リアクトル実装時に同放熱板の下部から上
   部に向かって冷媒を対流させるための流路が設けられて
   いることを特長とする可飽和リアクトル。
8. 【請求項８】 請求項１から８に記載の可飽和リアクト
   ルを用いたことを特徴とする電力変換装置。