JP2004253540A

JP2004253540A - 磁気結合素子

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Publication number: JP2004253540A
Application number: JP2003041159A
Authority: JP
Inventors: Toru Honma; 透本間; Masahiro Gamo; 正浩蒲生
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2003-02-19
Filing date: 2003-02-19
Publication date: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2023-02-19
Also published as: JP4375975B2

Abstract

【課題】結合係数が高く、低電圧大電流の要求に応えることができる磁気結合素子を提供することを目的とする。
【解決手段】板状をなす第１の導電体２と第２の導電体３とを備え、これらは絶縁材４を介して重ねられる。第１の導電体２と第２の導電体３の周囲または上下に磁性体を配置する。第１の導電体２および第２の導電体３の対向する１組の辺にはそれぞれ端子２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｄを備え、少なくとも一方の導電体については同じ側の端子の数を複数とする。第１の導電体２と第２の導電体３の同じ側に位置する端子２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｄどうしを交互に隣り合わせて配置する。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、比較的高周波で動作する大電流出力のスイッチング電源に使用されるトランスやタップインダクタ等の磁気結合素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＦＥＴ等の半導体スイッチング素子の進歩や、ソフトスイッチング等の回路技術の進歩により、スイッチング電源の駆動周波数はますます高周波化されている。このように駆動周波数が高周波化すると、トランスやチョークコイル等に必要とされるインダクタンス値を小さくできる。このため、例えば特許文献１に記載のように、インダクタとして、線状導体を上下の磁性体により挟んだ構造のものも使用可能となる。また、スイッチング電源に含まれる後述のコンバータに用いる磁気結合素子として、前記線状導体を重ねて磁性体で囲んだ構造のものを採用することが考えられる。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−３２３３３６号公報。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、特許文献１に記載のインダクタを応用して磁気結合素子を構成した場合、インダクタンス値が小さくなると、漏れインダクタンスの影響が相対的に大きくなる。このため、下記の（１）式に示される結合係数Ｋが小さくなり、伝送効率が低下するという問題点がある。ただし（１）式において、Ｍは相互インダクタンス値、ｌ_１、ｌ_２はそれぞれ各導電体（コイル）の自己インダクタンス値である。
【０００５】
Ｋ＝Ｍ／（ｌ_１・ｌ_２）^１／２ ……（１）
また、近年、事務機器のスイッチング電源においては、省エネルギー化のため、スイッチング電源の出力電圧を例えば１Ｖ以下にする低電圧化と大電流化の要望がある。
【０００６】
本発明は、上記問題点に鑑み、結合係数が高く、低電圧大電流化の要求に応えることができる磁気結合素子を提供することを目的とする。
【０００７】
また、本発明は、スイッチング時のサージ電圧を低下させ、より耐圧の低いスイッチング素子でも使用を可能とする磁気結合素子を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明による磁気結合素子は、板状をなす第１の導電体と第２の導電体とを備え、
前記第１の導電体および前記第２の導電体は絶縁材を介して重ねられると共に、重ね合わされた導電体の周囲または上下に磁性体を配置し、
前記第１の導電体および前記第２の導電体の対向する１組の辺にはそれぞれ端子を有すると共に、第１の導電体と第２の導電体の同じ側に有する端子の数を、少なくとも一方の導電体については複数とし、
前記第１の導電体と前記第２の導電体の同じ側に位置する端子どうしを交互に隣り合わせて配置したことを特徴とする。
【０００９】
（２）また、本発明の磁気結合素子は、前記第１の導電体および／または第２の導電体の同じ側の複数の端子を、端子の下端部に設けた連絡部により結線したことを特徴とする。
【００１０】
（３）また、本発明の磁気結合素子は、前記第１の導電体および前記第２の導電体のうちの少なくとも一方を複数枚備えたことを特徴とする。
【００１１】
（４）また、本発明の磁気結合素子は、前記第１の導電体と前記第２の導電体のうちのいずれか一方の導電体を、絶縁材で被ったことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の磁気結合素子を適用する回路の一例である。この回路は、スイッチング電源用のタップインダクタ方式と呼ばれる降圧形ＤＣ−ＤＣコンバータを構成する回路である。このコンバータは、例えばＤＣ１２ＶからＤＣ１Ｖ前後の出力電圧を得るものである。図１において、Ｅは直流電源、Ｓ１、Ｓ２はＭＯＳＦＥＴ等でなるスイッチング素子、１はタップインダクタであり、該タップインダクタ１は、互いに電磁結合されるコイルＬ１とコイルＬ２とからなる。Ｃはコンデンサ、Ｒは負荷である。
【００１３】
図２は図１の回路の動作波形図であり、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２は交互にオンとされる。スイッチング素子Ｓ１がオンになると、タップインダクタ１を通してコンデンサＣと負荷Ｒへの電流ｉ１が流れる。スイッチング素子Ｓ１がオフとなり、スイッチング素子Ｓ２がオンになると、タップインダクタ１に蓄えられたエネルギーにより、コイルＬ２からコンデンサＣと負荷Ｒへの電流ｉ２が流れる。
【００１４】
このタップインダクタ１を用いた回路は、スイッチング素子Ｓ１がオンとなる時にはコイルＬ１、Ｌ２を通して電流ｉ１が流れるので、コイルＬ２のみからなる従来のコンバータに比較し、この電流ｉ１の値は小さくなる。また、コイルＬ１、Ｌ２の巻数比を調整することにより、従来の降圧形コンバータに比較し、大きな時比率で低電圧出力を得ることができる。
【００１５】
このように、この回路は、タップインダクタ１が１つの素子で出力フィルタと電圧変換の２つの役割を持つ。また、このタップインダクタを用いた降圧形コンバータは、大きな時比率で低電圧出力を得ることができるので、スイッチング素子Ｓ１時のオン時の抵抗による損失が小さくなり、効率が良くなるという利点がある。
【００１６】
また、従来の降圧形コンバータでは、スイッチング素子Ｓ２には入力電圧がそのままかかるため、比較的耐圧の高いものを用いる必要がある。一方、図１の回路では、スイッチング素子Ｓ２には出力電圧に近い電圧がかかるため、低耐圧、低オン抵抗のＭＯＳＦＥＴを用いることができるという利点がある。
【００１７】
図１のコンバータは、伝送効率を上げるためには、コイルＬ１、Ｌ２間の結合係数Ｋを大きくし、かつ低電圧大電流の要求に対応するため、電流容量の大きな構成とする必要がある。
【００１８】
図３はこのような要求に対応して実現された本発明による磁気結合素子の一実施例（実施例１）の斜視図、図４、図５はそれぞれ図３のＸ−Ｘ断面図、Ｙ−Ｙ断面図である。図３〜図５において、２は第１の導電体、３は第２の導電体である。これらの導電体２、３はいずれも四角形をなし、好ましくは銅、アルミニウム等の導電性の高い金属により構成される。
【００１９】
これらの導電体２、３は絶縁材４を介して重ね合わされる。絶縁材４としては、図示のように樹脂製等の絶縁性シートを用いその絶縁材で一方の導電体を被うようにしてもよいが、予め導電体２、３の対向面の少なくとも何れか一方に絶縁材を層状に塗布する等の方法で被うようにしたものでもよい。
【００２０】
５ａ、５ｂはこれらの第１の導電体２と第２の導電体３とを重ね合わせたものの周囲を覆うように設けた磁性体である。本例においては、下側の磁性体５ａをＵ形コアにより構成し、上側の磁性体５ｂをＩ形コアにより構成し、これらを接着する等の方法により組み合わせる。そして両者間に導電体２、３を収容する窓６を形成している。この代わりに、Ｕ形−Ｕ形コアの組み合わせにしてもよい。また、Ｉ形−Ｉ形コアの組み合わせにより、コアの両側を接着する等の方法で組み合わせてもよい。また、５ａ、５ｂが一体をなして管状をなす構造としてもよい。
【００２１】
前記磁性体５ａ、５ｂには、金属磁性体粉の圧粉成形体、表面を絶縁処理した金属磁性体、フェライト等を用いることができる。
【００２２】
前記第１の導電体２の対向する１組の辺、すなわち磁性体５ａ、５ｂの両端より突出した部分には、それぞれ２つの端子２ａ、２ｂおよび２ｃ、２ｄを有する。また、第２の導電体３の対向する１組の辺、すなわち磁性体５ａ、５ｂの両端より突出した部分にも、２本ずつの端子３ａ、３ｂおよび３ｃ、３ｄを有する。これらの端子２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｄは、第１の導電体２の端子２ａ、２ｂ（２ｃ、２ｄ）と、第２の導電体３の端子３ａ、３ｂ（３ｃ、３ｄ）とが交互に隣り合うように構成される。これらの端子２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｄは、磁性体５ａの端面に沿って形成された部分ａと、磁性体５ａの下面に折り曲げられ、不図示のプリント基板に半田付けされる部分ｂとからなる（図４参照）。
【００２３】
第１の導電体２の同じ側の端子２ａと２ｂ、２ｃと２ｄは、それぞれ不図示のプリント基板のランドに半田付け等により共通に接続される。第２の導電体３の同じ側の端子３ａと３ｂ、３ｃと３ｄも、それぞれ不図示のプリント基板のランドに半田付け等により共通に接続される。第１の導電体２および第２の導電体３のいずれか一方が図１のコイルＬ１を構成し、他方がコイルＬ２を構成する。
【００２４】
このように、この磁気結合素子は、第１の導電体２および第２の導電体３が板状をなして重ね合わされる上、端子２ａ、２ｂと３ａ、３ｂおよび２ｃ、２ｄと３ｃ、３ｄが磁性体５ａ、５ｂの端面において交互に隣なり合うので、大きな結合係数が得られ、かつ板状をなすことで大電流を流すことができる。また、結合係数が大きいため、図１のコンバータの磁気結合素子１として使用した場合、漏れ磁束が原因となるスイッチング時のサージ電圧が低くなり、より耐圧の低いスイッチング素子Ｓ１を使用することができる。
【００２５】
図６は本発明による磁気結合素子の他の実施例（実施例２）を示す斜視図であり、前記磁性体５ａ、５ｂを省略して示す。本実施例においては、第１の導電体２の同じ側の端子２ａと２ｂ、２ｃと２ｄとをそれぞれこれらの端子と一体をなす連絡部２ｅ、２ｆにより結線している。また、第２の導電体３の同じ側の端子３ａと３ｂ、３ｃと３ｄともそれぞれ連絡部３ｅ、３ｆにより結線する。
【００２６】
図６の実施例によれば、連絡部２ｅ、２ｆ、３ｅ、３ｆを設けたため、プリント基板において端子間を接続するためのパターンを設ける必要がなくなり、プリント基板側の導体パターンの設計が容易となる。
【００２７】
図７は本発明による磁気結合素子の他の実施例（実施例３）を示す斜視図であり、前記磁性体５ａ、５ｂを省略して示す。本実施例は、第２の導電体３の両端にそれぞれ２本ずつ端子３ｇ、３ｈおよび３ｉ、３ｊを形成し、第１の導電体２の両端には１本ずつ端子２ｇ、２ｈを形成し、第１の導電体３の端子３ｇと３ｈとの間、および３ｉと３ｊとの間にそれぞれ第１の導電体２の端子２ｇ、２ｈを配置したものである。
【００２８】
図８は本発明による磁気結合素子の他の実施例（実施例４）を示す斜視図である。本実施例は、図７の実施例における前記端子３ｇと３ｈ、３ｉと３ｊとをそれぞれ連絡部３ｋ、３ｍにより結線したものである。本実施例によれば、図６について述べたプリント基板の配線パターンの設計を容易化できるという効果が得られる。
【００２９】
図９は本発明の磁気結合素子の他の実施例（実施例５）を示す斜視図であり、前記磁性体５ａ、５ｂを省略して示す。本実施例は、第１の導電体２の上下に、第２の導電体３０、３１を絶縁材４を介して重ね合わせ、導電体３０の両端に端子３ｎ、３ｐを設け、導電体３１の両端に端子３ｑ、３ｒを設ける。また、同じ側の第２の導電体３０、３１の端子３ｎと３ｑ、３ｐと３ｒとの間に第１の導電体２の端子２ｇ、２ｈを配置したものである。図９の実施例によれば、より大きな電流に対応することができる。
【００３０】
図１０は比較例１であり、前記磁性体５ａ、５ｂを省略して示す。この比較例１は、第１の導電体２と第２の導電体３とを絶縁材４を介して重ね合わせ、第１の導電体２および第２の導電体３の同じ側にそれぞれ１本ずつの端子２ｘと３ｘ、２ｙと３ｙを設けて隣なり合わせたものである。
【００３１】
図１１は比較例２であり、前記磁性体５ａ、５ｂを省略して示す。この比較例２は、第１の導電体２０と第２の導電体３２とを絶縁材４０を介して横並びに接合し、第１の導電体２０および第２の導電体３２の同じ側にそれぞれ１本ずつの端子２ｘと３ｘ、２ｙと３ｙを設けて隣り合わせたものである。
【００３２】
本発明による結合係数増大の効果を確認するため、１ＭＨｚにおけるシミュレーション演算（有限要素法による磁場解析）により前記各実施の形態および比較例の結合係数と、第１の導電体２のインダクタンス値を求めた。この演算においては、磁性体５ａ、５ｂにより構成されるコアの長さ（図４における左右の長さ）を１１ｍｍ、幅（図５における左右の長さ）を１２ｍｍとし、厚み（図４、図５の上下方向の寸法）を５ｍｍとし、窓６の上下幅を１ｍｍ、磁性体５ａの厚みおよび磁性体５ｂの底板部の厚みを２ｍｍとした。また、磁性体５ａ、５ｂの透磁率を３０とした。また、図３〜図８および図１０の比較例１における第１の導電体２および第２の導電体３の幅を７．６ｍｍ、厚みを０．３ｍｍとし、図９の第１の導電体２および第２の導電体３０、３１の厚みを０．２ｍｍとし、図１１の比較例２の第１の導電体２０、３２の厚みを０．７ｍｍとした。
【００３３】
【表１】

【００３４】
表１から分かるように、本発明によれば、比較例１、２とほぼ同等のインダクタンス値が得られる。また、本発明の実施例によれば、比較例１、２に比較し、大きな結合係数が得られ、端子部における結合が結合係数の増大に寄与していることが分かる。本発明の磁気結合素子は、０．５ＭＨｚ以上の駆動周波数で好適に用いられる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、結合係数の高い磁気結合素子が得られ、伝送効率を上げることができる。また、第１の導電体、第２の導電体が板状をなすので、抵抗値が小さく、大電流に対応が可能である。さらに、漏れインダクタンスが小さいので、スイッチング電源に用いた場合、漏れ磁束のエネルギーが原因となるスイッチング時のサージ電圧が小さくなり、より耐圧の低いスイッチング素子を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による磁気結合素子を適用するスイッチング電源の一例を示す回路図である。
【図２】図１の回路の動作を説明する波形図である。
【図３】本発明による磁気結合素子の一実施例を示す斜視図である。
【図４】図３のＸ−Ｘ断面図である。
【図５】図３のＹ−Ｙ断面図である。
【図６】本発明による磁気結合素子の他の実施例を磁性体を省略して示す斜視図である。
【図７】本発明による磁気結合素子の他の実施例を磁性体を省略して示す斜視図である。
【図８】本発明による磁気結合素子の他の実施例を示す斜視図である。
【図９】本発明による磁気結合素子の他の実施例を磁性体を省略して示す斜視図である。
【図１０】磁気結合素子の比較例を磁性体を省略して示す斜視図である。
【図１１】磁気結合素子の比較例を磁性体を省略して示す斜視図である。
【符号の説明】
１：磁気結合素子、２：第１の導電体、２ａ〜２ｄ、２ｇ、２ｈ：端子、２ｅ、２ｆ：連絡部、３、３０、３１：第２の導電体、３ａ〜３ｄ、３ｇ〜３ｊ、３ｎ、３ｐ、３ｑ、３ｒ：端子、３ｅ、３ｆ、３ｋ、３ｍ：連絡部、４：絶縁材、５ａ、５ｂ：磁性体、６：窓

Claims

板状をなす第１の導電体と第２の導電体とを備え、
前記第１の導電体および前記第２の導電体は絶縁材を介して重ねられると共に、重ね合わされた導電体の周囲または上下に磁性体を配置し、
前記第１の導電体および前記第２の導電体の対向する１組の辺にはそれぞれ端子を有すると共に、第１の導電体と第２の導電体の同じ側に有する端子の数を、少なくとも一方の導電体については複数とし、
前記第１の導電体と前記第２の導電体の同じ側に位置する端子どうしを交互に隣り合わせて配置したことを特徴とする磁気結合素子。
請求項１に記載の磁気結合素子において、
前記第１の導電体および／または第２の導電体の同じ側の複数の端子を、端子の下端部に設けた連絡部により結線したことを特徴とする磁気結合素子。
請求項１または２に記載の磁気結合素子において、
前記第１の導電体および前記第２の導電体のうちの少なくとも一方を複数枚備えたことを特徴とする磁気結合素子。
請求項３の磁気結合素子において、
前記第１の導電体と前記第２の導電体のうちのいずれか一方の導電体を絶縁材で被ったことを特徴とする磁気結合素子。