JP2020068532A - 降圧回路、及び降圧コンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】小型化が可能で、チョークコイルでの損失を低減でき、変換効率を向上できる降圧回路を提供する。【解決手段】入力端子と降圧部と出力端子とを備える降圧回路であって、降圧部はチョークコイルとスイッチング素子とを有し、チョークコイルは軟磁性粉末を含有する圧粉磁心と、圧粉磁心に配置されるコイルとを備え、圧粉磁心の初期比透磁率をμｒ０、磁界１００００Ａ／ｍにおける比透磁率をμｒとするとき、μｒ０が３０以上８０以下、μｒ０に対するμｒの低下率が４０％以下であり、スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦしたときのチョークコイルに流れる電流のリプル成分に対する圧粉磁心の磁束密度の変化量をΔＢ、チョークコイルに流れる電流の直流成分に対する磁束密度をＢとするとき、Ｂに対するΔＢの比率が３０％以下で、且つ、Ｂが０．４Ｔ以上である降圧回路。【選択図】図１

Description

本発明は、降圧回路、及び降圧コンバータに関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車などにおいて、高電圧を低電圧に変換する降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ（以下、単に「降圧コンバータ」と呼ぶ場合がある）が利用されている。降圧コンバータは、例えば、スイッチング素子を用いて、チョークコイルに流れる電流をＯＮ／ＯＦＦ制御することにより、直流の入力電圧を降圧して所定の出力電圧を生成する降圧回路を備える。

特許文献１には、スイッチング素子及びチョークコイルを備え、スイッチング素子がＯＮ／ＯＦＦすることにより、入力された直流電圧を降圧するＤＣ／ＤＣコンバータが記載されている。

特開２０１５−１９８５６６号公報

降圧コンバータ（降圧回路）の小型化と変換効率の向上が求められている。

降圧回路では、チョークコイルが占めるスペースの割合が大きく、降圧回路を小型化するためには、チョークコイルのサイズを小さくすることが有効である。また、降圧回路の変換効率を改善する観点から、チョークコイルの電気−磁気エネルギー変換効率が高く、回路動作時にチョークコイルで発生する損失を低減することが望まれる。

降圧回路に使用されるチョークコイルに求められる性能としては、小型であり、損失が少なく、インダクタンスが高いことが挙げられる。従来、チョークコイルには、通常Ｍｎ−Ｚｎ系のフェライトコアが磁心として多用されているが、フェライトコアは飽和磁束密度が低いため、チョークコイルのサイズが大きくなり、降圧回路を小型化することが難しい。また、フェライトコアの場合は、高温動作時に磁気飽和によって透磁率が低下し、磁心の損失が増大したり、チョークコイルのインダクタンスが低下する現象が起こり易い。インダクタンスの低下は、回路に流れる電流の急増を招く。そのため、フェライトコアでは、磁気飽和を回避するために、磁心の体積（磁路断面積）を大きくしたり、比較的大きなギャップを設ける必要がある。よって、磁心の体積を小さくすることが難しく、更にギャップからの漏れ磁束が増えるなど、磁心損失が増加する。

そこで、小型化が可能で、チョークコイルでの損失を低減でき、変換効率を向上できる降圧回路を提供することを目的の１つとする。また、上記降圧回路を備える降圧コンバータを提供することを別の目的の１つとする。

本開示に係る降圧回路は、
直流の入力電圧が入力される入力端子と、
前記入力電圧を降圧して出力電圧を生成する降圧部と、
前記出力電圧を出力する出力端子と、を備える降圧回路であって、
前記降圧部は、
前記入力端子と前記出力端子の正極間に直列接続されるチョークコイルと、
前記入力端子の正極から前記チョークコイルへ流れる電流をＯＮ／ＯＦＦするスイッチング素子と、を有し、
前記チョークコイルは、
軟磁性粉末を含有する圧粉磁心と、前記圧粉磁心に配置されるコイルとを備え、
前記圧粉磁心の初期比透磁率をμｒ_０、磁界１００００Ａ／ｍにおける比透磁率をμｒとするとき、μｒ_０が３０以上８０以下、μｒ_０に対するμｒの低下率が４０％以下であり、
前記スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦしたときの前記チョークコイルに流れる電流のリプル成分に対する前記圧粉磁心の磁束密度の変化量をΔＢ、前記チョークコイルに流れる電流の直流成分に対する磁束密度をＢとするとき、Ｂに対するΔＢの比率が３０％以下で、且つ、Ｂが０．４Ｔ以上である。

本開示に係る降圧コンバータは、上記本開示に係る降圧回路を備える。

上記降圧回路は、小型化が可能で、チョークコイルでの損失を低減でき、変換効率を向上できる。上記降圧コンバータは、降圧回路の小型化と変換効率の向上を図ることができる。

本発明の実施形態１に係る降圧回路の回路構成の一例を示す回路図である。 チョークコイルの一例を示す概略斜視図である。 図２のチョークコイルの圧粉磁心を示す概略正面図である。

本発明者らが、降圧コンバータの小型化と変換効率向上について検討した結果、降圧回路に使用するチョークコイルの特性が降圧回路の性能に影響を及ぼすとの知見を得た。そして、チョークコイルの磁心に所定の磁気特性を満たす圧粉磁心を用いることにより、小型で損失が少なく、インダクタンスが高いチョークコイルを実現でき、降圧回路の小型化と変換効率の向上を図ることが可能となることを見出した。

［本発明の実施形態の説明］
以下、本発明の実施態様を列記して説明する。

（１）本発明の一態様に係る降圧回路は、
直流の入力電圧が入力される入力端子と、
前記入力電圧を降圧して出力電圧を生成する降圧部と、
前記出力電圧を出力する出力端子と、を備える降圧回路であって、
前記降圧部は、
前記入力端子と前記出力端子の正極間に直列接続されるチョークコイルと、
前記入力端子の正極から前記チョークコイルへ流れる電流をＯＮ／ＯＦＦするスイッチング素子と、を有し、
前記チョークコイルは、
軟磁性粉末を含有する圧粉磁心と、前記圧粉磁心に配置されるコイルとを備え、
前記圧粉磁心の初期比透磁率をμｒ_０、磁界１００００Ａ／ｍにおける比透磁率をμｒとするとき、μｒ_０が３０以上８０以下、μｒ_０に対するμｒの低下率が４０％以下であり、
前記スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦしたときの前記チョークコイルに流れる電流のリプル成分に対する前記圧粉磁心の磁束密度の変化量をΔＢ、前記チョークコイルに流れる電流の直流成分に対する磁束密度をＢとするとき、Ｂに対するΔＢの比率が３０％以下で、且つ、Ｂが０．４Ｔ以上である。

上記降圧回路は、チョークコイルの磁心が圧粉磁心であり、圧粉磁心の磁気特性が上記特定の範囲を満たす。一般に、圧粉磁心は、フェライトコアに比較して飽和磁束密度が高いため、チョークコイルを小型化できる。圧粉磁心の初期比透磁率（μｒ_０）が３０以上であることで、透磁率を確保でき、チョークコイルのインダクタンスを高くできる。初期比透磁率（μｒ_０）が８０以下であることで、磁気飽和を起こし難く、磁気飽和による損失の増加やインダクタンスの低下を抑制できる。また、初期比透磁率（μｒ_０）に対する磁界１００００Ａ／ｍにおける比透磁率（μｒ）の低下率（以下、「μｒ低下率」と呼ぶ場合がある）が４０％以下であることで、高電流領域における透磁率の低下が小さい。そのため、回路動作時の磁心の損失を低減できると共にインダクタンスの低下を抑制でき、高いインダクタンスを維持できるので、降圧回路の変換効率を改善できる。「μｒ低下率」は、μｒ_０に対してμｒが低下した割合を百分率（％）で表したものであり、［（μｒ_０−μｒ）／μｒ_０］×１００により求めることができる。

更に、圧粉磁心において、チョークコイルに流れる電流のリプル成分に対する磁束密度の変化量（ΔＢ）と、直流成分に対する磁束密度（Ｂ）との比（即ち、Ｂに対するΔＢの比率。以下、「ΔＢ／Ｂ比」と呼ぶ場合がある）が３０％以下であることから、動作時の磁束密度の変化量（ΔＢ）が小さい。そのため、チョークコイルのインダクタンスの変動を抑制でき、チョークコイルの動作安定性が向上する。加えて、ΔＢ／Ｂ比が小さい方が、動作時の磁心の損失を低減できる。また、直流成分に対する圧粉磁心の磁束密度（Ｂ）が０．４Ｔ以上であることで、磁心の磁束の利用率が高く、チョークコイルを小型化できる。

したがって、上記降圧回路によれば、チョークコイルを小型化でき、且つ、低損失で高インダクタンスのチョークコイルを実現できることから、小型化が可能で、チョークコイルでの損失の低減をでき、変換効率を向上できる。

（２）上記降圧回路の一態様として、前記入力電圧が６０Ｖ以下で、前記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦの周波数が５０ｋＨｚ以上３００ｋＨｚ以下であることが挙げられる。

降圧回路の動作条件が上記範囲のとき、上記の特性を有するチョークコイルを設計することで、損失の低減、変換効率の向上を効果的に図ることができる。

（３）上記降圧回路の一態様として、前記軟磁性粉末の平均粒径が４０μｍ以上１００μｍ以下、かつ、最大径／円相当径が１．０以上１．４以下であることが挙げられる。

軟磁性粉末の平均粒径が４０μｍ以上１００μｍ以下であることで、１ｋＨｚ以上の高周波域で使用した場合に渦電流損を効果的に抑制できたり、軟磁性粉末を加圧成形して圧粉磁心を作製する際に軟磁性粉末の充填率を高めたりし易い。軟磁性粉末の最大径／円相当径が１．０以上１．４以下であることで、軟磁性粉末の充填率を高めることができる。また、最大径／円相当径が１．０以上１．４以下であれば、軟磁性粉末の粒子表面に凹凸が少なく、粒子表面に絶縁被膜が被覆されている場合、粒子表面の凹凸によって絶縁被膜が破れることを抑制できる。円相当径とは、軟磁性粉末の粒子の輪郭形状を特定し、その輪郭で囲まれる面積と同一の面積を有する円の径（等面積円相当径）のことであり、最大径とは、前記輪郭形状における粒子の最大長さのことである。最大径／円相当径が１に近いほど粒子が真円（球状）に近いことになる。

（４）上記降圧回路の一態様として、前記軟磁性粉末が、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金、Ｆｅ−Ｓｉ系合金、Ｆｅ−Ｎｉ系合金から選択される鉄基合金、及び鉄系アモルファス合金のうち、少なくとも１種の粉末であることが挙げられる。

軟磁性粉末がＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金、Ｆｅ−Ｓｉ系合金、Ｆｅ−Ｎｉ系合金、及び鉄系アモルファス合金の少なくとも１種からなることで、所定の磁気特性を有する圧粉磁心を得易い。

（５）上記降圧回路の一態様として、前記軟磁性粉末の粒子表面に絶縁被膜が被覆され、前記圧粉磁心における軟磁性粉末の粒子間の最小距離が１００ｎｍ以上であることが挙げられる

軟磁性粉末の粒子表面に絶縁被膜が被覆されていることで、圧粉磁心を構成する軟磁性粉末の粒子間に絶縁被膜が介在して粒子間の電気絶縁性を高めることができ、渦電流損を低減することができる。また、圧粉磁心における軟磁性粉末の粒子間の最小距離が１００ｎｍ以上であることで、渦電流損を抑制できる他、適切な比透磁率や飽和磁束密度を確保し易い。

（６）本発明の一態様に係る降圧コンバータは、上記（１）から（５）のいずれか１つに記載の降圧回路を備える。

上記降圧コンバータは、上記降圧回路を備えることで、降圧回路の小型化と変換効率の向上を図ることができる。

［本発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係る降圧回路の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

［実施形態１］
＜降圧回路＞
図１を参照して、実施形態１に係る降圧回路を説明する。降圧回路１は、降圧コンバータに組み込まれ、入力端子１０と、出力端子２０と、入力電圧を降圧して出力電圧を生成する降圧部４０とを備える。降圧回路１の特徴の１つは、降圧部４０の構成部品であるチョークコイルＬの磁心が圧粉磁心であり、その磁気特性が所定の範囲内である点にある。以下、降圧回路１の回路構成及び構成部品について詳しく説明する。

〈入力端子・出力端子〉
入力端子１０は直流の入力電圧Ｖｉが入力され、出力端子２０は出力電圧Ｖｏを出力する。入力端子１０及び出力端子２０はそれぞれ正極端子（＋）と負極端子（−）とを有する。降圧回路１には、入力端子１０と出力端子２０の正極間を接続する正極ライン３１と、入力端子１０と出力端子２０の負極間を接続する負極ライン３２を有する。入力端子１０には、例えば直流電源（図示せず）が接続され、出力端子２０には、負荷（図示せず）が接続される。入力電圧Ｖｉは、用途にもよるが、例えば６０Ｖ以下であることが挙げられ、入力電圧Ｖｉの下限は、例えば１６Ｖ以上、更に２４Ｖ以上とすることが挙げられる。出力電圧Ｖｏは、必要に応じて、例えば１０Ｖ以上１４Ｖ以下とすることが挙げられる。

〈降圧部〉
降圧部４０は、入力電圧Ｖｉを降圧して出力電圧Ｖｏを生成する。この例では、図１に示すように、入力コンデンサＣｉ、スイッチング素子Ｓ１、スイッチング素子Ｓ２、チョークコイルＬ、出力コンデンサＣｏを有する。以下の説明では、図１に示す降圧部４０において、入力端子１０側を前段側、出力端子２０側を後段側とする。

（入力コンデンサＣｉ）
入力コンデンサＣｉは、前段側の正極ライン３１と負極ライン３２との間に設けられ、入力端子１０と並列接続されている。入力コンデンサＣｉは、主に入力電圧Ｖｉを安定化する。入力コンデンサＣｉには、例えば、電解コンデンサ、セラミックコンデンサなどを用いることができる。

（スイッチング素子Ｓ１）
スイッチング素子Ｓ１は、入力コンデンサＣｉよりも後段側の正極ライン３１上に設けられ、入力端子１０の正極とチョークコイルＬとの間に直列接続されている。スイッチング素子Ｓ１は、制御回路（図示せず）によってＯＮ／ＯＦＦ制御され、入力端子１０の正極からチョークコイルＬへ流れる電流をＯＮ／ＯＦＦする。スイッチング素子Ｓ１には、例えば、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）、ＭＯＳＦＥＴ（メタル・オキサイド・セミコンダクタ電界効果トランジスタ）、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などのトランジスタを用いることができる。

（スイッチング素子Ｓ２）
スイッチング素子Ｓ２は、スイッチング素子Ｓ１よりも後段側の正極ライン３１と負極ライン３２との間に並列接続されており、負極ライン３２から正極ライン３１への電流をＯＮ／ＯＦＦする。スイッチング素子Ｓ２は、制御回路（図示せず）によってＯＮ／ＯＦＦ制御され、スイッチング素子Ｓ１とは反対にＯＮ／ＯＦＦする。つまり、スイッチング素子Ｓ１がＯＮのときはスイッチング素子Ｓ２がＯＦＦ、スイッチング素子Ｓ１がＯＦＦのときはスイッチング素子Ｓ２がＯＮに切り替わる。スイッチング素子Ｓ２には、例えば、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）、ＭＯＳＦＥＴ（メタル・オキサイド・セミコンダクタ電界効果トランジスタ）、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などのトランジスタを用いることができる。スイッチング素子Ｓ２を、負極ライン３２から正極ライン３１へ電流を流すダイオードに置き換えることも可能である。

（チョークコイルＬ）
チョークコイルＬは、スイッチング素子Ｓ２よりも後段側の正極ライン３１上に設けられ、スイッチング素子Ｓ１と出力端子２０の正極との間に直列接続されている。スイッチング素子Ｓ１がＯＮのとき、スイッチング素子Ｓ２がＯＦＦし、入力端子１０からスイッチング素子Ｓ１を介してチョークコイルＬに電流が流れ、出力端子２０へ電流が流れる（図中の破線矢印はスイッチング素子Ｓ１がＯＮのときに流れる電流を示す）。このとき、チョークコイルＬに電流が流れることによって磁束が発生し、電気エネルギーが磁気エネルギーに変換されて蓄積される。一方、スイッチング素子Ｓ１がＯＦＦのとき、スイッチング素子Ｓ２がＯＮし、チョークコイルＬに起電力が発生して、蓄積された磁気エネルギーが電気エネルギーとして放出され、スイッチング素子Ｓ２を通して出力端子２０へ電流が転流される（図中の点線矢印はスイッチング素子Ｓ１がＯＦＦのときに流れる電流を示す）。このように、チョークコイルＬには、スイッチング素子Ｓ１がＯＮのときに入力端子１０からスイッチング素子Ｓ１を介して供給される電流と、ＯＦＦのときにスイッチング素子Ｓ２を通して転流された電流とが交互に流れる。また、チョークコイルＬには、スイッチング素子Ｓ１がＯＮのときに増加し、ＯＦＦのときに減少する電流が流れ、チョークコイルＬに流れる電流は、直流電流に三角波のリプル電流が重畳された波形になる。つまり、チョークコイルＬに流れる電流には、直流成分とリプル成分（交流成分）とが含まれる。チョークコイルＬの具体的な構成については、後述する。

降圧部４０（降圧回路１）では、スイッチング素子Ｓ１のＯＮ／ＯＦＦ周波数（ＯＮ／ＯＦＦ時間）を制御することによって、入力電圧Ｖｉを所定の出力電圧Ｖｏに降圧する。スイッチング素子Ｓ１のＯＮ／ＯＦＦの周波数（スイッチング周波数）は、例えば５０ｋＨｚ以上３００ｋＨｚ以下、更に８０ｋＨｚ以上１５０ｋＨｚ以下であることが挙げられる。

（出力コンデンサＣｏ）
出力コンデンサＣｏは、チョークコイルＬよりも後段側の正極ライン３１と負極ライン３２との間に設けられ、出力端子２０と並列接続されている。出力コンデンサＣｏは、チョークコイルＬから出力された電流を平滑化して、出力電圧Ｖｏを平滑化された直流電圧にする。出力コンデンサＣｏには、例えば、電解コンデンサ、セラミックコンデンサなどを用いることができる。

（チョークコイルの構成）
図２、図３を参照して、チョークコイルＬの具体例を説明する。ここでは、チョークコイルＬの一例として、磁心の形状がＥＥ型のチョークコイルを説明する。チョークコイルＬは、図２に示すように、磁心１１０と、磁心１１０に配置されるコイル１２０とを備え、磁心１１０は軟磁性粉末を含有する圧粉磁心である。磁心１１０は、図３に示すように、２つのＥ型コア１１１、１１２を組み合わせてなり、各Ｅ型コア１１１、１１２が軟磁性粉末を含有する圧粉磁心で形成されている。磁心１１０（Ｅ型コア１１１、１１２）には、コイル１２０が配置される中央脚部１１５を有する。コイル１２０は、平角線や丸線などの導体の外周に絶縁被覆を有する被覆電線を巻回することによって形成されており、図２では、銅の平角線にエナメルの絶縁被覆が施された被覆平角線をエッジワイズ巻きして形成されている。コイル１２０のターン数によってインダクタンスなどの特性を調整することができる。コイル１２０のターン数は、降圧回路の動作条件などの仕様に基づいて、所望のインダクタンスが得られるように適宜設定すればよい。チョークコイルＬの磁心の形状は、特に限定されるものではなく、チョークコイルＬの磁心には、ＥＥ型の他、例えば、リング状のトロイダル型コア、Ｅ型コアとＩ型コアとを組み合わせてなるＥＩ型コアなどを用いることができる。

（圧粉磁心の構成）
圧粉磁心は、軟磁性粉末を加圧成形した成形体である。軟磁性粉末は、軟磁性材料の粉末であり、複数の粒子からなる。軟磁性材料としては、例えば、純鉄（純度９９質量％以上）や、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金（センダスト）、Ｆｅ−Ｓｉ系合金（ケイ素鋼）、Ｆｅ−Ｎｉ系合金（パーマロイ）などの鉄基合金、及び鉄系アモルファス合金が挙げられる。このような鉄系軟磁性粉末を加圧成形した圧粉磁心は、飽和磁束密度がフェライトコアに比較して高く、小型化することが可能である。中でも、軟磁性粉末は、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金、Ｆｅ−Ｓｉ系合金、Ｆｅ−Ｎｉ系合金、及び鉄系アモルファス合金のうち、少なくとも１種の粉末であることが好ましい。

軟磁性粉末は、水アトマイズ法やガスアトマイズ法、ガス−水アトマイズ法などのアトマイズ法で製造されたアトマイズ粉であることが好ましい。アトマイズ法によれば、粒子形状が球状に近い疑似球状の粉末を得ることができる。水アトマイズ法で得られた水アトマイズ粉は、粒子表面に凹凸が比較的多いため、その凹凸の噛合いにより高強度の圧粉磁心を得易い。一方、ガスアトマイズ法やガス−水アトマイズ法で得られたガスアトマイズ粉及びガス−水アトマイズ粉は、粒子表面の凹凸が比較的少なく、粒子形状が球状により近いため、加圧成形する際に軟磁性粉末の充填率を高め易く、成形圧力を高くしなくても高密度の圧粉磁心を得易い。また、粒子形状がほぼ球状の粉末であれば、後述するように粒子表面に絶縁被膜が被覆されている場合、粒子表面の凹凸によって絶縁被膜が破れることが少ない。

軟磁性粉末の粒子表面に絶縁被膜が被覆されていてもよい。これにより、圧粉磁心を構成する軟磁性粉末の粒子間に絶縁被膜が介在し、粒子間の電気絶縁性を高めることができるので、渦電流損を低減することができる。絶縁被膜としては、例えば、リン酸塩被膜、シリカ被膜などが挙げられる。絶縁被膜の厚さは、例えば２０ｎｍ以上１μｍ以下とすることが挙げられる。

圧粉磁心では、軟磁性粉末の材質や含有量を変えることによって、比透磁率などの磁気特性を調整することが可能である。例えば、比透磁率や飽和磁束密度の高い軟磁性粉末を用いることで、比透磁率や飽和磁束密度の高い圧粉磁心を得ることができる。軟磁性粉末の含有量を減らすと、比透磁率や飽和磁束密度を低くすることができる。軟磁性粉末の含有量は、例えば７０体積％以上９０体積％以下、更に７５体積％以上８５体積％以下とすることが挙げられる。軟磁性粉末の含有量を調整する方法としては、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂などの熱硬化性樹脂を加えたり、アルミナやシリカなどのセラミックの非磁性粉末を加えることが挙げられる。その他、軟磁性粉末を加圧成形する際の成形圧力を変えたり、成形後に熱処理するなど製造条件を変えることによっても、磁気特性を調整することができる。例えば、成形圧力を高くして、圧粉磁心の成形密度（相対密度）を高くすることで、比透磁率や飽和磁束密度を高くすることができる。成形後に熱処理することで、熱処理によって軟磁性粉末に導入された歪みを除去することができ、磁気特性を改善できる。その他、軟磁性粉末を加圧成形する際に、軟磁性粉末と金型、並びに軟磁性粉末の粒子同士の摩擦を低減する目的で、軟磁性粉末に潤滑剤を添加してもよい。潤滑剤には、脂肪酸アミドや金属石鹸などの固体潤滑剤を利用できる。脂肪酸アミドとしては、例えば、ステアリン酸アミドやエチレンビスステアリン酸アミドなどの脂肪酸アミド、金属石鹸としては、ステアリン酸Ｚｎやステアリン酸Ｌｉなどのステアリン酸金属塩が挙げられる。

軟磁性粉末の平均粒径は、例えば４０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。軟磁性粉末の平均粒径が４０〜１００μｍの範囲であれば、１ｋＨｚ以上の高周波域で使用した場合に渦電流損を効果的に抑制できたり、軟磁性粉末の充填率を高めたりし易い。用意する軟磁性粉末は、ふるいなどを用いて、粒径が４０〜１００μｍの範囲となるように分級することが好ましい。更に、軟磁性粉末は、最大径／円相当径が１．０以上１．４以下の粉末であることが好ましい。最大径／円相当径が１．０〜１．４の疑似球状の粉末であれば、軟磁性粉末の充填率を高めることができる他、軟磁性粉末の粒子表面に絶縁被膜が被覆されている場合、粒子表面の凹凸によって絶縁被膜が破れることが少ない。

軟磁性粉末の粒子間の最小距離が１００ｎｍ以上であることが好ましい。これにより、渦電流損を抑制できる他、適切な比透磁率や飽和磁束密度を確保し易い。粒子間の最小距離とは、隣り合う粒子の粒子間距離（表面間距離）のうち、最短のものをいう。粒子間の最小距離は、上述した絶縁被膜の厚さによって調整することが可能である。粒子間の最小距離が大きくなり過ぎると、圧粉磁心に占める軟磁性粉末の割合が減り、比透磁率や飽和磁束密度が大幅に低下する虞があることから、粒子間の最小距離の上限は、例えば２００ｎｍ未満、更に１５０ｎｍ以下であることが好ましい。

軟磁性粉末の平均粒径は、圧粉磁心の断面を顕微鏡で観察し、１０００個以上の粒子について各粒子の断面の面積から円相当径を測定して、その平均値を算出することで求めることができる。軟磁性粉末の最大径／円相当径は、圧粉磁心の断面を顕微鏡で観察し、１０００個以上の粒子について各粒子の断面の最大径及び円相当径を測定して、最大径／円相当径の平均値を算出することで求めることができる。軟磁性粉末の平均粒径、並びに最大径／円相当径は、加圧成形の前後でほぼ同じである。

軟磁性粉末の粒子間の最小距離は、圧粉磁心の断面を顕微鏡で観察し、１つの粒子を選んで当該粒子と隣り合う全ての粒子の各々との粒子間距離を測定して最小距離を求める。そして、１０００個以上の異なる粒子について同様にそれぞれの最小距離を求め、その平均値を算出することで求めることができる。

（圧粉磁心の磁気特性）
チョークコイルＬの圧粉磁心は、以下の磁気特性を満たす。
（１）圧粉磁心の初期比透磁率をμｒ_０、磁界１００００Ａ／ｍにおける比透磁率をμｒとするとき、μｒ_０が３０以上８０以下、μｒ_０に対するμｒの低下率（μｒ低下率）が４０％以下。
（２）スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦしたときのチョークコイルＬに流れる電流のリプル成分に対する圧粉磁心の磁束密度の変化量をΔＢ、チョークコイルに流れる電流の直流成分に対する磁束密度をＢとするとき、Ｂに対するΔＢの比率（ΔＢ／Ｂ比）が３０％以下で、且つ、Ｂが０．４Ｔ以上。

・初期比透磁率μｒ_０
初期比透磁率μｒ_０が３０以上であることで、透磁率を確保でき、チョークコイルＬのインダクタンスを高くできる。μｒ_０が８０以下であることで、磁気飽和を起こし難く、磁気飽和による損失の増加やインダクタンスの低下を抑制できる。初期比透磁率μｒ_０は、好ましくは、例えば４０以上７０以下である。

・μｒ低下率
また、初期比透磁率μｒ_０に対する磁界１００００Ａ／ｍにおける比透磁率μｒの低下率（μｒ低下率）が４０％以下であることで、高電流領域における透磁率の低下が小さく、高透磁率を保つことができる。そのため、回路動作時の磁心の損失を低減できると共にインダクタンスの低下を抑制できる。高いインダクタンスを維持できることから、降圧回路１の変換効率を改善できる。μｒ低下率は、小さいほど好ましく、例えば３５％以下とすることが挙げられる。

・磁束密度Ｂ
チョークコイルＬに流れる電流の直流成分に対する磁束密度Ｂが０．４Ｔ以上であることで、磁心の磁束の利用率が高く、チョークコイルを小型化できる。磁束密度Ｂは、高いほど好ましく、例えば０．５Ｔ以上、更に０．６Ｔ以上とすることが挙げられる。磁束密度Ｂの上限は、飽和磁束密度によって決まり、例えば０．８Ｔ程度とすることが挙げられる。

・ΔＢ／Ｂ比
チョークコイルＬに流れる電流のリプル成分に対する磁束密度の変化量ΔＢと、直流成分に対する磁束密度Ｂとの比（ΔＢ／Ｂ比）が３０％以下であることで、動作時の磁束密度の変化量ΔＢが直流成分の磁束密度Ｂに対して相対的に小さい。そのため、インダクタンスの変動を抑制でき、チョークコイルＬの動作安定性が向上する。また、ΔＢ／Ｂ比が小さいほうが、磁心の損失を低減できる。ΔＢ／Ｂ比は、小さいほど好ましく、例えば２０％以下、更に１５％以下とすることが挙げられる。ΔＢ／Ｂ比は、磁心の磁気特性とコイルのターン数によって決まり、コイルのターン数を変えることで、ΔＢ／Ｂ比を調整することができる。コイルのターン数は、例えば３〜６ターンの範囲で設定することが挙げられる。

＜降圧回路の効果＞
上述した実施形態１の降圧回路１は、チョークコイルＬの磁心が圧粉磁心であることで、チョークコイルＬを小型化できる。また、圧粉磁心の磁気特性が上記特定の範囲を満たすことで、低損失で高インダクタンスのチョークコイルを実現できる。したがって、降圧回路１は、小型化が可能で、チョークコイルでの損失の低減をでき、変換効率を改善できる。また、降圧回路１を備える降圧コンバータは、降圧回路の小型化と変換効率の向上を図ることができる。

＜降圧回路の用途＞
実施形態１の降圧回路１は、降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータなどの電力変換装置に好適に利用できる。

［試験例］
ＥＥ型の圧粉磁心を用いたチョークコイル（図２を参照）を設計、作製した。軟磁性粉末として、６．５質量％のＳｉと残部Ｆｅ及び不可避的不純物とを含む組成であり、平均粒径が８０μｍ、最大径／円相当径が１．０〜１．４である疑似球状のＦｅ−６．５Ｓｉ合金粉末を用意した。この軟磁性粉末を８００〜１０００℃の不活性雰囲気中で８時間熱処理した後、絶縁剤を２．０質量％加えて混合撹拌し、軟磁性粉末の粒子表面に絶縁剤を被覆する処理を行った。絶縁剤には、シリコーン樹脂を用いた。次に、被覆処理した軟磁性粉末に固体潤滑剤を添加混合した後、所定形状の金型内に充填し、１５００ＭＰａの成形圧力で加圧成形して成形体を得た。そして、得られた成形体を７００℃の窒素雰囲気中で１時間熱処理して圧粉磁心を作製した。この圧粉磁心をＮｏ．１とする。更に、絶縁剤の配合量を１．５質量％及び０．５質量％に変えて、磁気特性の異なる圧粉磁心Ｎｏ．２及びＮｏ．３を作製した。各圧粉磁心の断面を顕微鏡で観察したところ、軟磁性粉末の粒子表面にシリカを含有するシリカ被膜が被覆され、粒子間に絶縁被膜が介在していた。各圧粉磁心の断面観察像から軟磁性粉末の粒子間の最小距離を求めたところ、各圧粉磁心における粒子間の最小距離はそれぞれ、Ｎｏ．１では２００ｎｍ、Ｎｏ．２では１００ｎｍ、Ｎｏ．３では１０ｎｍであった。

各圧粉磁心の体積は６ｃｍ^３で同じとした。各圧粉磁心の初期比透磁率μｒ_０、及びμｒ低下率を表１に示す。

それぞれの圧粉磁心Ｎｏ．１〜３にコイルを取り付けて、チョークコイルを作製した。ここでは、ターン数が３ターンと４ターンの各コイルを用意し、コイルのターン数が異なるチョークコイルをそれぞれ作製した。

作製した各チョークコイルを用いて実施形態１で説明した降圧回路（図１を参照）を構成し、それぞれの降圧回路について、以下に示す動作条件で動作させた。
〈動作条件〉
入力電圧Ｖｉ：４０Ｖ
スイッチング周波数：１００ｋＨｚ

圧粉磁心Ｎｏ．１〜３の各チョークコイルを用いたそれぞれの降圧回路を動作させたときの各圧粉磁心の磁束密度Ｂ、及びΔＢ／Ｂ比を表１に示す。

磁束密度Ｂ及び変化量ΔＢは、チョークコイルに流れる電流の直流成分（Ｉ_ｄｃ）及びリプル成分（ΔＩ）を測定し、次の式（１）及び式（２）から算出することができる。
Ｂ＝（Ｉ_ｄｃ×Ｌ）／（Ｎ×Ｓ） …（１）
ΔＢ＝（ΔＩ×Ｌ）／（Ｎ×Ｓ） …（２）
（Ｌ：インダクタンス、Ｎ：ターン数、Ｓ：磁路断面積）
ここで、インダクタンスＬは、次の式（３）により求めることができる。
Ｌ＝μ×Ｎ^２×Ｓ／ｌ …（３）
（ｌ：磁路長）

また、それぞれの降圧回路を動作させたときのチョークコイルの性能を評価した。評価は、圧粉磁心の体積、磁心損失、及びチョークコイルのインダクタンスについて評価した。その結果を表１に示す。

磁心損失Ｗは、次の式（４）に示すように、ヒステリシス損Ｗｈと渦電流損Ｗｅとの和で表すことができる。
Ｗ＝Ｗｈ＋Ｗｅ＝［ｋ_１×ΔＢ^ａ×ｆ］＋［ｋ_２×ΔＢ^ｂ×ｆ^２］ …（４）
（ｋ_１、ｋ_２：係数、ａ、ｂ：指数、ｆ：周波数）

Ｎｏ．２の圧粉磁心を用いたチョークコイルの降圧回路は、圧粉磁心の初期比透磁率μｒ_０が３０以上８０以下でμｒ低下率が４０％以下であり、かつ、磁束密度Ｂが０．４Ｔ以上で、ΔＢ／Ｂ比が３０％以下を満たす。表１に示す結果から、Ｎｏ．２の圧粉磁心を用いたチョークコイルは、ターン数が異なる各コイルでの磁心損失が６Ｗ以下で十分に低く、また、Ｎｏ．１又はＮｏ．３の圧粉磁心を用いたチョークコイルと同じターン数のコイルでそれぞれ比較した場合、インダクタンスが高いことが分かる。

また、Ｎｏ．１〜３の圧粉磁心を用いた各チョークコイルについて、コイルのターン数が異なるもの同士で比較した場合、磁束密度Ｂが高く、ΔＢ／Ｂ比が小さい方が、磁心損失を低減でき、高いインダクタンスを確保できることが分かる。

Ｎｏ．２の圧粉磁心を用いたチョークコイルは、小型で損失が少なく、高インダクタンスを実現できることから、降圧回路において、チョークコイルでの損失の低減をでき、変換効率を向上できると考えられる。

１ 降圧回路
１０ 入力端子
２０ 出力端子
３１ 正極ライン
３２ 負極ライン
４０ 降圧部
Ｌ チョークコイル
Ｓ１ スイッチング素子
Ｓ２ スイッチング素子
Ｃｉ 入力コンデンサ
Ｃｏ 出力コンデンサ
１１０ 磁心（圧粉磁心）
１１１、１１２ Ｅ型コア
１１５ 中央脚部
１２０ コイル

Claims (6)

1. 直流の入力電圧が入力される入力端子と、
   前記入力電圧を降圧して出力電圧を生成する降圧部と、
   前記出力電圧を出力する出力端子と、を備える降圧回路であって、
   前記降圧部は、
   前記入力端子と前記出力端子の正極間に直列接続されるチョークコイルと、
   前記入力端子の正極から前記チョークコイルへ流れる電流をＯＮ／ＯＦＦするスイッチング素子と、を有し、
   前記チョークコイルは、
   軟磁性粉末を含有する圧粉磁心と、前記圧粉磁心に配置されるコイルとを備え、
   前記圧粉磁心の初期比透磁率をμｒ_０、磁界１００００Ａ／ｍにおける比透磁率をμｒとするとき、μｒ_０が３０以上８０以下、μｒ_０に対するμｒの低下率が４０％以下であり、
   前記スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦしたときの前記チョークコイルに流れる電流のリプル成分に対する前記圧粉磁心の磁束密度の変化量をΔＢ、前記チョークコイルに流れる電流の直流成分に対する磁束密度をＢとするとき、Ｂに対するΔＢの比率が３０％以下で、且つ、Ｂが０．４Ｔ以上である降圧回路。
2. 前記入力電圧が６０Ｖ以下で、
   前記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦの周波数が５０ｋＨｚ以上３００ｋＨｚ以下である請求項１に記載の降圧回路。
3. 前記軟磁性粉末の平均粒径が４０μｍ以上１００μｍ以下、かつ、最大径／円相当径が１．０以上１．４以下である請求項１又は請求項２に記載の降圧回路。
4. 前記軟磁性粉末が、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金、Ｆｅ−Ｓｉ系合金、Ｆｅ−Ｎｉ系合金から選択される鉄基合金、及び鉄系アモルファス合金のうち、少なくとも１種の粉末である請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の降圧回路。
5. 前記軟磁性粉末の粒子表面に絶縁被膜が被覆され、前記圧粉磁心における軟磁性粉末の粒子間の最小距離が１００ｎｍ以上である請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の降圧回路。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の降圧回路を備える降圧コンバータ。

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