JP2012204454A - インダクタ及び２相インターリーブ制御方式力率改善コンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】２相インターリーブ制御方式での使用に好適な一体型インダクタおいて、小型化が可能なインダクタを提供することを目的とする。
【解決手段】平行な２面を有するＩ型フェライトコアと、前記Ｉ型フェライトコアの前記２面のそれぞれの両端部分に、２つの同形状のＵ型、またはＣ型コアの２端面が、磁気ギャップを介してそれぞれ接続されているＦｅ基合金圧粉コアと、前記２つのＦｅ基合金圧粉コアに、同方向、同巻数になるように導線を巻回されたコイルと、を備えることを特徴とするインダクタ。
【選択図】 図１

Description

本発明は、２相インターリーブ制御方式での使用に好適な一体型インダクタに関するものである。

各種電子電気機器の高調波対策として、力率改善（ＰＦＣ：Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）コンバータが使用されている。ＰＦＣコンバータとは、機器の電源内における入力電流を入力電圧と同様の波形に制御することにより、無効な電力の発生を抑制するものである。
ＰＦＣコンバータを小型で高効率かつ低価格で実現する手段のひとつに、インターリーブ制御方式がある。インターリーブ制御方式は、電源を複数系統に分けて、各相に位相差をもたせ、リップルなどを互いに打ち消しあう制御方式の１つである。２相のインターリーブ制御方式の場合には、電流位相が１８０度の位相差（逆相）を持つことでリップルが相殺され、ノイズフィルタなどの他の部品の小型化が可能となる。トータルの部品点数は増えるが、個々のインダクタや出力コンデンサ、スイッチング素子などを小型化でき実装面積の小面積化が可能である。

図５にインターリーブ制御方式のＰＦＣコンバータの概略例を示す。インダクタＬ１、スイッチング素子ＳＷ１及びダイオードＤ１からなる回路と、インダクタＬ２、スイッチング素子ＳＷ２及びダイオードＤ２からなる回路とを並列に接続した構成を有している。スイッチング素子はＭＯＳ−ＦＥＴやＩＧＢＴが用いられる。２つのスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２の位相は制御ＩＣにより位相差が１８０度になるように制御される。

２相インターリーブ制御方式では、各相毎にインダクタが１つ必要であるため、合計２つ必要であるが、特許文献１には、２つのインダクタを一体化することによる小型化、実装面積の省面積化について提案されている。

特開２０１０−２５８３９５号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載の構造での一体型インターリーブ制御方式ＰＦＣ用インダクタでは、コアとしてフェライトを使用しているが、フェライトの飽和磁束密度が低いため、小型化に限界があった。

そこで、発明者は、前記問題点を鑑み、２相インターリーブ制御方式での使用に好適な一体型インダクタおいて、小型化が可能なインダクタを提供することを目的とする。

発明者は、前記コアとして、飽和磁束密度の高いＦｅ基合金圧粉コアと、フェライトコアを組み合わせることにより、小型化が可能なインダクタを見出したものである。

つまり、本発明は、
平行な２面を有するＩ型フェライトコアと、
前記Ｉ型フェライトコアの前記２面のそれぞれの両端部分に、
２つの同形状のＵ型、またはＣ型コアの２端面が、磁気ギャップを介してそれぞれ接続されているＦｅ基合金圧粉コアと、
前記２つのＦｅ基合金圧粉コアに、同方向、同巻数になるように導線を巻回されたコイルと、
を備えることを特徴とするインダクタである。
また、本発明は、前記磁気ギャップは、有機フィルムで形成されていることを特徴とするインダクタである。
また、本発明は、前記インダクタは、２相インターリーブ制御方式力率改善コンバータ用であることを特徴するインダクタである。
また、本発明は、前記インダクタを用いたことを特徴とする２相インターリーブ制御方式力率改善コンバータである。

ここで、同方向に導線が巻回されているとは、２つの巻回された導線に、商用周波数を全波整流した電流成分が流れる場合、フェライトコアを介して接続されたＵ型またはＣ型コアに同方向の磁束が発生するように導線が巻回されていることを意味している。

本発明によれば、Ｆｅ基合金圧粉コアの飽和磁束密度が大きいので、小型化が可能である。更には、従来の例えばトライダル形状のＦｅ基合金圧粉コアを用いたインダクタを２つ使用する場合に比べて、実装面積を小さくできる。
また、Ｆｅ基合金圧粉コア形状が、Ｕ型、Ｃ型であるため、予めコアにコイルを容易に巻回することができる。従って、インダクタの作製が容易である。

本発明実施例１のインダクタの概略上面図（Ａ）、概略ＸＸ‘断面図（Ｂ）、及び概略ＹＹ’断面図（Ｃ） 本発明のインダクタを同相励磁する場合の磁束方向を説明する図 本発明のインダクタを逆相励磁する場合の磁束方向を説明する図 本発明実施例及び比較例の直流重畳特性図 本発明のインターリーブ制御方式ＰＦＣコンバータの概略例

本発明者は、２相インターリーブ制御方式の使用に好適なインダクタにおいて、Ｆｅ基合金圧粉コアとフェライトコアから構成することにより、作製が容易で、小型化が可能となり、実装面積の低面積化が可能という効果を見出したものである。

（構造）
本発明のインダクタでは、同形状の２つのＵ型またはＣ型コアに、磁気ギャップを介してＩ型フェライトコアが挟まれるように配置されている。前記Ｕ型またはＣ型コアには、それぞれ、同方向、同巻数の導線が巻回されて、２つのインダクタが形成されている。同形状のＣ型コアは、トロイダル形状を２分割することによって得ることができる。

（同相励磁）
前記２つのインダクタには、全波整流された商用周波数成分の電流Ｉが流れる。図２に示すように、２つのＦｅ基合金圧粉コア２の磁束方向が同方向になるように（矢印方向の）磁束が発生する。また、この場合、フェライトコアでは、前記発生した磁束は打ち消す方向であって、相殺される。

（逆相励磁）
他方、前記２つのインダクタには、スイッチングによって発生したリップル成分である高周波成分（数１０ｋＨｚ）Ｉも流れる。図３（Ａ）（Ｂ）に示すように、スイッチングにより、２つのインダクタには、高周波のリップル成分が流れるが、位相差が１８０度であり、２つのＦｅ基合金圧粉コアに発生する磁束は逆方向となる。このため、フェライトコアを磁路とする（矢印方向の）磁束が発生する。また、２つのＦｅ基合金圧粉コアで発生する磁束は、一方が最大となるとき、他方は最小に近くなるため、片側のＦｅ基合金圧粉コアで発生する最大の磁束が、フェライトコアに通る最大の磁束となると考えて良い。

（Ｆｅ基合金圧粉コア）
本発明における、Ｆｅ基合金圧粉コアを構成するＦｅ基合金粉は、Ｆｅ−３％Ｓｉ組成などのＦｅ−Ｓｉ系合金のアトマイズ粉や粉砕粉、または、Ｆｅ基アモルファス合金のアトマイズ粉、Ｆｅ基アモルファス合金薄帯の粉砕粉などを用いることができる。また、アトマイズ粉と粉砕粉を混合して用いても良い。Ｆｅ基合金圧粉コアは、前記Ｆｅ基合金粉をバインダーと混合し、プレス成形により成形し、磁気特性を得るための熱処理（アニール）を行ったものが使用できる。コアとして磁気飽和しにくくするためには、飽和磁束密度Ｂｓｄとして、１Ｔ以上であることが好ましい。

（フェライトコア）
フェライトコア材料としては、Ｍｎ系とＮｉ系、いずれも使用することができる。高周波での損失を少なくするにはＭｎ系が好ましいが、材料の比抵抗が小さいために、必要に応じてコアの表面を絶縁コーティングなどによる絶縁処理を施こす方が好ましい。

（Ｆｅ基合金圧粉コアとフェライトコアの断面積）
フェライトコアの飽和磁束密度Ｂｓｆは０．４〜０．５Ｔであり、前記Ｆｅ基合金圧粉コアの飽和磁束密度Ｂｓｄが約１Ｔであることより、ＢｓｆはＢｓｄに比べて約半分である。従って、Ｆｅ基合金圧粉コアに発生する磁束で、フェライトコアが磁気飽和しないようにするためには、Ｆｅ基合金圧粉コア端面の面積をＳｄ、Ｉ型フェライトコアの長手方向中央部の長手方向に垂直な断面の面積をＳｆとすると、Ｓｆ×Ｂｓｆ≧Ｓｄ×Ｂｓｄの関係を満たすことが必要である。
しかし、実際の使用において、Ｆｅ基合金圧粉コアが飽和磁束密度Ｂｓｄに達するような使用はされない。つまり、Ｆｅ基合金圧粉コアの端面での発生する最大の磁束の数を、Ｉ型フェライトコアの、長手方向中央部の長手方向に垂直な断面面積で除した値が、フェライトの飽和磁束密度Ｂｓｆ以下であれば良い。
Ｆｅ基合金圧粉コアの形状としては、トロイダル形状のコアを２分割することによるＣ型形状や、矩形のコアを２分割することによるＵ型（コの字）形状を採用できる。
上記コアの構造やコアの形状、コア材料の仕様については、所望とする外形、磁気特性に応じて適宜設計、選択されるものである。

（磁気ギャップ）
一般に直流重畳特性を向上させるために、磁路の一部に磁気ギャップを設けることが行われる。本発明においては、Ｕ型またはＣ型のＦｅ基合金圧粉コアの端面と接続されているフェライトコアの間に設けるのが容易であり、好ましい。磁気ギャップはポリエチレンナフタレートフィルムやポリイミドフィルムなどの有機フィルムをコアの間に挟むことにより容易に形成することができ、好ましい。

本発明は、
平行な２面を有するＩ型フェライトコアと、
前記Ｉ型フェライトコアの前記２面のそれぞれの両端部分に、
２つの同形状のＵ型、またはＣ型コアの２端面が、磁気ギャップを介してそれぞれ接続されているＦｅ基合金圧粉コアと、
前記２つのＦｅ基合金圧粉コアに、同方向、同巻数になるように導線を巻回されたコイルと、
を備えることを特徴とするインダクタである。
また、本発明は、前記磁気ギャップは、有機フィルムで形成されていることを特徴とするインダクタである。
また、本発明は、前記インダクタは、２相インターリーブ制御方式力率改善コンバータ用であることを特徴するインダクタである。
また、本発明は、前記インダクタを用いたことを特徴とする２相インターリーブ制御方式力率改善コンバータである。

以下、本発明を実施例に基づいて詳細に述べる。
（実施例）
設計条件として、（１）入力電圧：ＡＣ２００Ｖ、（２）入力電流：１０Ａ、（３）出力電圧：ＤＣ３６０Ｖ、（４）力率：０．９８、（５）周波数：２５ｋＨｚのＰＦＣコンバータに搭載するものとし、１５Ａにおけるインダクタンス値を１５０μＨとしてインダクタを設計、作製した。
以下にＦｅ基合金圧粉コアの作製方法を記す。日立金属株式会社製Ｆｅ基アモルファス合金薄帯Ｍｅｔｇｌａｓ（Ｒ）２６０５ＳＡ１を窒素雰囲気中３６０℃で２時間加熱し、脆化させた後、株式会社ダルトン製のインパクトミルで粉砕する。前記粉砕粉に、無機バインダーとしてフェニルメチルシリコーンを粉砕粉質量に対して２質量％、及び有機バインダーとしてアクリル系樹脂を同様に２質量％加えて混合し、造粒する。得られた造粒粉を圧力２ＧＰａ、保持時間２秒でプレス成形し、更に、前記成形体を４００℃、１時間の熱処理を行うことでＦｅ基合金圧粉コア作製することができる。
２つの同形状のＦｅ基合金圧粉コアは、外径４０ｍｍ、内径２２ｍｍ、高さ１３ｍｍのトロイダル形状を作製したのち、２分割し、Ｃ型としたものを使用した。端面（分割面）の形状は、図１の（Ｃ）に示すように、径方向の長さが９ｍｍ、高さが１３ｍｍとなる。
前記、コイルが形成された２つのＣ型Ｆｅ基合金圧粉コアの全ての端面に、端面形状と同じサイズ（９ｍｍ×１３ｍｍ）で０．２ｍｍ厚さのポリエチレンナフタレートフィルムを接着した。前記０．２ｍｍ厚さのポリエチレンナフタレートフィルムは磁気ギャップとして機能するものである。
２つのＣ型Ｆｅ基合金圧粉コアのそれぞれに、直径１．５ｍｍのＡＩＷ線を５０回巻回し、コイルを形成した。５０回巻回すると、少なくとも内径側は２重（２層）に巻回される。
フェライトコアには日立金属株式会社製のＭｎＺｎフェライトＭＬ２４Ｄ材を使用した。Ｉ型フェライトコアは、焼成、加工後の形状を、長さ４２ｍｍ、幅１５ｍｍ、高さ２０ｍｍとしたものを使用した。
前記、２つのＣ型Ｆｅ基合金圧粉コアのポリエチレンナフタレートフィルムの９ｍｍ×１３ｍｍの大きさの面が露出した面を、Ｉ型フェライトコアのサイズが４２ｍｍ×１５ｍｍの平行な２面の両端部分に、それぞれ接着剤で接着、固定し接続した。
固定する位置は、図１（Ｃ）に示すように、前記フェライトコア面の長手方向両端から中央側に、Ｃ型Ｆｅ基合金圧粉コアのポリエチレンナフタレートフィルムの露出面（大きさ９ｍｍ×１３ｍｍ）の２面が等しい距離になるようにし、かつ、前記フェライトコア面の長手方向の中心線に前記露出面の中心が位置するように、固定、接続した。
以上によりインダクタを作製した。

（比較例）
比較例として、外径４０ｍｍ、内径２２ｍｍ、高さ１３ｍｍのトロイダル形状のＦｅ基合金圧粉コアを２つ作製した。前記２つのトロイダル形状圧粉コアのそれぞれに、直径１．５ｍｍのＡＩＷ線を５０回巻回し、コイルを形成し、２つのインダクタを作製した。

（インダクタサイズ及び実装面積）
実施例では、Ｉ型フェライトの長手方向の長さが４５ｍｍ、前記方向に対して垂直方向の長さが、６０ｍｍであり、高さが２５ｍｍであった。実装面積として、Ｉ型フェライトの長手方向を垂直にして実装するため、６０ｍｍ×２５ｍｍ＝１５００ｍｍ^２＝１５ｃｍ^２となった。
比較例では直径４５ｍｍ、高さ２５ｍｍであった。１つのインダクタの、実装面積として、トロイダル形状の径方向を垂直にして実装するため、４５ｍｍ×２３ｍｍ＝１０３５ｍｍ^２＝１０．３５ｃｍ^２となり、２つのインダクタでは２倍の２０．７ｃｍ^２となった。
以上より、実施例は比較例に比べて、約２７％小さい値であった。

（直流重畳特性）
作製したインダクタの直流重畳特性を測定した結果を図４に示す。実施例と比較例で同等の特性であることが分かる。

（コンバータ特性）
作製したインダクタを２相インターリーブ制御方式力率改善コンバータに搭載して、コンバータ効率を測定したところ、実施例と比較例で共に９８％であり、同等であった。

１ インダクタ
２ Ｆｅ基合金圧粉コア
３ フェライトコア
４ 導線
５ コイル

Claims (4)

1. 平行な２面を有するＩ型フェライトコアと、
   前記Ｉ型フェライトコアの前記２面のそれぞれの両端部分に、
   ２つの同形状のＵ型、またはＣ型コアの２端面が、磁気ギャップを介してそれぞれ接続されているＦｅ基合金圧粉コアと、
   前記２つのＦｅ基合金圧粉コアに、同方向、同巻数になるように導線を巻回されたコイルと、
   を備えることを特徴とするインダクタ。
2. 請求項１に記載の磁気ギャップは、有機フィルムで形成されていることを特徴とするインダクタ。
3. 請求項１または２に記載のインダクタは、２相インターリーブ制御方式力率改善コンバータ用であることを特徴するインダクタ。
4. 請求項１または２に記載のインダクタを用いたことを特徴とする２相インターリーブ制御方式力率改善コンバータ。

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