JP2021061647A - コイル部品およびそれを用いたインターリーブ方式のｄｃ−ｄｃコンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】複数の巻線どうしのいずれの結合の組み合わせをとっても所定の結合係数が得られ、その最大差の絶対値が小さいコイル部品と、それを用いたインターリーブ方式のＤＣ−ＤＣコンバータを提供する。【解決手段】互いに対面するように配置された第１板状磁心部５ａ及び第２板状磁心部５ｂと、第１・第２板状磁心部５ａ，５ｂとともに磁路を構成するように、第１・第２板状磁心部５ａ，５ｂの間に配置されたｎ個（ｎは４又は５）の柱状磁心部７と、柱状磁心部７に巻回された巻線９とを有し、巻回された巻線の巻数比は、いずれの組み合わせにおいても１であり、複数の巻線どうしが負結合可能で、複数の巻線どうしのいずれの結合の組み合わせをとっても結合係数が−０．３０〜−０．１５で、結合係数の合計の絶対値が０．６０以上０．９０以下で、結合係数の絶対値の最大差が０．０５以下である。【選択図】図１

Description

本発明は、ハイブリッド車、燃料電池車、電気自動車などで電圧を高電圧あるいは低電圧に変換する電力変換回路に用いられるコイル部品とそれを用いたインターリーブ方式のＤＣ−ＤＣコンバータに関する。

近年急速に普及しつつあるハイブリッド車や電気自動車には大出力の電気モータが設けられており、その駆動に用いる電力変換回路として、スイッチング素子とインダクタを含む複数の昇降圧回路を互いに異なる位相で多相（マルチフェイズ）動作させるインターリーブ方式のＤＣ−ＤＣコンバータが知られている。

特許文献１には、磁気相殺型変圧器と呼ばれる相互に結合可能で４つのインダクタで構成されるコイル部品を用いた４フェイズ型のＤＣ−ＤＣコンバータが開示されている。このＤＣ−ＤＣコンバータは図１２に示すように、キャパシタＣ１、キャパシタＣ２と、並列に接続され互いに結合可能な４つのインダクタＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４を含むコイル部品Ｔｒと、電流の経路を切り替える第１スイッチ手段Ｓ１と第２スイッチ手段Ｓ２とを備え、第一入出力接続端子Ｔ１に印加された電圧を昇圧して第二入出力接続端子Ｔ２へ、又は、第二入出力接続端子Ｔ２に印可された電圧を降圧して第一入出力接続端子Ｔ１へ、双方向に電力を変換する。

昇圧する場合には、電流は第一入出力接続端子Ｔ１を経てコイル部品Ｔｒを通じて第１スイッチ手段Ｓ１又は第２スイッチ手段Ｓ２へと流れる。第１スイッチ手段Ｓ１がＯＦＦ状態である場合には、第２スイッチ手段Ｓ２側に流れる電流によってキャパシタＣ２が充電され、ＯＮ状態であれば第１スイッチ手段Ｓ１に電流が流れ、第２スイッチ手段Ｓ２にはキャパシタＣ２からの逆バイアス電流が流れる。第１スイッチ手段Ｓ１のスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４と第２スイッチ手段Ｓ２のスイッチング素子ＳＷ５，ＳＷ６，ＳＷ７，ＳＷ８を、ＯＮ状態／ＯＦＦ状態のスイッチング周期が重ならないように異なる位相（９０°の位相差）で多相動作させスイッチングすることで、交流電源からの入力電圧Ｖｉｎを所定の出力電圧Ｖｏｕｔ［Ｖｏｕｔ＝（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）／Ｔｏｆｆ×Ｖｉｎ（Ｔｏｎはスイッチング素子をオンしている時間であり、Ｔｏｆｆはオフしている時間である。）］に昇圧して第二入出力接続端子Ｔ２の負荷へ供給する。

特許文献１で示された４フェイズ型のＤＣ−ＤＣコンバータに適用可能なコイル部品の構成例を図１３に示す。このコイル部品は電力変換回路の動作の際に通電され磁束を生じる４つの巻線２００が磁心１５０に巻かれていて、それらは図１２に示した４つのインダクタＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４に対応し、一つのコイル部品として構成する。磁心１５０は、巻線２００が巻き回される４つの磁脚部Ｇと、この磁脚部Ｇを繋ぐ十字形状の２つの基部Ｂを有する。４つの磁脚部Ｇのそれぞれは基部Ｂの４つの端部にあって、中心から等距離の位置に配置されていて、前記磁脚部Ｇと前記基部Ｂとにより複数の閉磁路が形成され、４つの磁脚部Ｇのそれぞれに巻かれた巻線２００によって生じる磁束の磁束方向が、いずれの組合せをとっても互いに打ち消し合うように構成されている。

特開２００９−１７０６２０号公報

図１３に示されたコイル部品を構成する磁心は、基部Ｂの中心に対して等距離の位置に４つの磁脚部Ｇが９０度の回転対称の位置にあって、複数の閉磁路間で磁気抵抗Ｒｍが等しくなるように構成されている。磁気抵抗Ｒｍは磁路長Ｌ，透磁率μ，磁路断面積Ａにより、磁気抵抗Ｒｍ＝１／透磁率μ×磁路長Ｌ／磁路断面積Ａとして表される。このような磁心では、ある一つの磁脚部Ｇに着目すれば、それを共通の経路とする３つの閉磁路が構成される。第１の閉磁路は、対面する位置にある磁脚部Ｇと上下の基部Ｂとで構成される。また第２、第３の閉磁路は、基部Ｂの中心を回転中心として見て回転方向に隣り合う磁脚部Ｇと上下の基部Ｂで構成され、上下の基部ＢでＬ字状に屈曲する経路となっている点で第１の閉磁路と異なる。

この様なＬ字状の経路では相対的に外角側よりも内角側の長さが短く、また内角側の経路は第１の閉磁路よりも短いため、第２、第３の閉磁路の方が第１の閉磁路よりも通過する磁束が多くなり易い。そのため回転方向に隣り合った磁脚部Ｇに設けられた巻線どうしの結合は、対面する位置にある磁脚部Ｇに設けられた巻線との結合よりも強くなって、第１の閉磁路と第２、第３の閉磁路の間で結合係数に差が生じる場合がある。このようなコイル部品を回路の一部に使用して構成されたインターリーブ方式のＤＣ−ＤＣコンバータでは、リップル電流の低減効果が小さくなる問題や、各相での電流波形に相違があり、発熱がある相に集中してしまう可能性があった。またコイル部品において、磁気抵抗が大きな経路では発熱が集中して局所的に温度上昇が生じやすく、その放熱対策のためにコイル部品が大型化する問題もあった。

そこで本発明は、インターリーブ方式のＤＣ−ＤＣコンバータ用のコイル部品において、複数の巻線どうしのいずれの結合の組み合わせをとっても所定の結合係数が得られ、その最大差の絶対値が小さいコイル部品と、それを用いてリップル電流が小さいインターリーブ方式のＤＣ−ＤＣコンバータを提供することを目的とする。

第１の発明は、互いに対面するように配置された第１板状磁心部及び第２板状磁心部と、前記第１板状磁心部及び前記第２板状磁心部とともに磁路を構成するように、前記第１板状磁心部と前記第２板状磁心部の間に配置されたｎ個（ｎは４又は５）の柱状磁心部と、前記柱状磁心部のそれぞれに巻回された複数の巻線とを有し、前記柱状磁心部に巻回された巻線の巻数比は、いずれの組み合わせにおいても１であり、前記複数の巻線どうしが負結合可能で、前記複数の巻線どうしのいずれの結合の組み合わせをとっても結合係数が−０．３０〜−０．１５で、前記複数の巻線どうしの結合係数の合計の絶対値が０．６０以上０．９０以下で、前記結合係数の絶対値の最大差が０．０５以下であるインターリーブ方式のＤＣ−ＤＣコンバータ用のコイル部品である。

本発明のコイル部品であって、前記柱状磁心部のそれぞれが、仮想中心に対してｎ回（ｎは柱状磁心部の数）の回転対称となる位置に配置されるのが好ましい。

本発明のコイル部品では、第１板状磁心部及び第２板状磁心部はフェライトの焼結磁心であり、ｎ個（ｎは４又は５）の柱状磁心部はＦｅ基軟磁性合金の圧粉磁心であるのが好ましい。

また本発明のコイル部品では、室温２３℃における前記焼結磁心の初透磁率μｉが５００以上であり、前記圧粉磁心の初透磁率μｉが２００以下であるのが好ましい。

また本発明のコイル部品では、前記柱状磁心のそれぞれの端面が前記第１板状磁心部と前記第２板状磁心部に当接されるのが好ましい。

また本発明のコイル部品では、前記第１板状磁心部と前記第２板状磁心部とは正ｎ角形の形状であって、各角部に前記柱状磁心部が配置されるのが好ましい。

第２の発明は、第１の発明のコイル部品を用いたＤＣ−ＤＣコンバータであって、ＤＣ−ＤＣコンバータの入力端と出力端との間に、前記複数の巻線が並列に接続されるように前記コイル部品が配置され、前記複数の巻線の一端側のそれぞれに、各巻線に流れる電流の経路を切り替えるスイッチング素子が接続され、３６０度／ｎの位相差で各巻線に電圧が印加されるＤＣ−ＤＣコンバータである。

本発明によれば、インターリーブ方式のＤＣ−ＤＣコンバータ用のコイル部品において、複数の巻線どうしのいずれの結合の組み合わせをとっても所定の結合係数が得られ、その最大差の絶対値が小さいコイル部品と、それを用いてリップル電流が非結合方式と比較して小さく、かつ各相の電流波形が同様になるインターリーブ方式のＤＣ−ＤＣコンバータを提供することが出来る。

本発明において、互いに対面する板状磁心部の間にｎ個の柱状磁心部を配置することで、従来の図１３に見られたＬ字状に屈曲する経路がなくなり、所望の性能を得ることができる。

本発明の一実施例に係るインターリーブ方式のＤＣ−ＤＣコンバータ用のコイル部品の斜視図である。 本発明の一実施例に係るコイル部品の磁心構成を説明するための斜視図である。 本発明の一実施例に係るコイル部品での柱状磁心の配置を説明するための平面図である。 本発明の一実施例に係るコイル部品の電磁場解析ソフトウエアの解析用の計算モデル図である。 解析に用いたＤＣ−ＤＣコンバータの回路モデル図である。 本発明の一実施例に係るコイル部品に用いる磁性材料の直流印加磁界と増分透磁率との関係を示す図である。 ５フェイズ型のＤＣ−ＤＣコンバータに適用可能なコイル部品の構成例を示す斜視図である。 ４フェイズ型のＤＣ−ＤＣコンバータでコイル部品を動作させた場合のインダクタ電流の実波形図である。 ４フェイズ型のＤＣ−ＤＣコンバータでコイル部品を動作させた場合のインダクタ電流の解析波形図である。 ４フェイズ型のＤＣ−ＤＣコンバータでコイル部品を他の条件で動作させた場合のインダクタ電流の解析波形図である。 電磁場解析ソフトウエアによるコイル部品の磁心に生じる磁束分布を示す図である。 マルチフェイズＤＣ−ＤＣコンバータの構成例を説明するための回路図である。 ４フェイズ型のＤＣ−ＤＣコンバータに適用可能な従来のコイル部品の構成例を示す斜視図である。

以下、図面を参照して本発明に係るコイル部品とそれを用いたインターリーブ方式のＤＣ−ＤＣコンバータについて説明する。ただし、本発明はそれらの実施の形態には限定されず、発明の技術思想に応じた変更を含み、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶものである。

図１に本発明の一実施形態に係るコイル部品の斜視図を示す。図示した構成例は４フェイズ型のＤＣ−ＤＣコンバータに適用可能なコイル部品１である。コイル部品１は、２つの板状磁心部５ａ，５ｂと４つの柱状磁心部（図示せず）と、樹脂ケース６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄに収められた４つの巻線９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄとを有する。なお以降の説明では、各部を示す符号でアルファベットを省略し、板状磁心部５、柱状磁心部７、樹脂ケース６、巻線９とする場合がある。図２は図１のコイル部品で樹脂ケース６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ及び巻線９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄを省略した斜視図である。互いが対面する第１板状磁心部５ａと第２板状磁心部５ｂとの間を繋ぐように４つの柱状磁心部７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄが４ヶ所に分散して配置される。樹脂ケース６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄに収められる４つの巻線９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄは柱状磁心７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄに配置される。柱状磁心部７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄの両端面を板状磁心部５ａ，５ｂに突き合わせ（当接させ）、接着剤、粘着テープ、金具等で固定されて一体化される。

柱状磁心部７の端面と板状磁心部５とは、間に何も介在させずに当接させて金具等で固定される場合のほか、接着剤や粘着テープを間に介在させて固定される場合もある。接着剤や粘着テープは厚みとしてはごく薄いものであり、かかる場合においても柱状磁心部７の端面と板状磁心部５とは当接した状態であると定義する。また、接着剤や粘着テープは当接させる端面ではなくて、柱状磁心部７の端面の周囲に使用して固定するようにしてもよい。

図示した複数の柱状磁心部７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄはその伸長方向と直交する断面が方形の角柱状であるが、それに限らず断面形状が円形状や多角形状であっても良い。また柱状磁心部７や板状磁心部５の寸法や形状、巻線９の巻数は、必要なインダクタンス値や結合係数等に応じて適宜設定することが出来る。なおインダクタンス値は主に、ＤＣ−ＤＣコンバータの設計において設定されるインダクタリップル電流によって設定される。

図３は柱状磁心部の配置を説明するためのコイル部品を板状磁心側から見た平面図である。なお図３では図１で示した板状磁心部５ｂ、樹脂ケース６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ及び巻線９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄは省略し図示していない。板状磁心部５ａ，５ｂの間に配置される各柱状磁心部７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄは、仮想中心ｏに対し、３６０度／ｎ（ただしｎは柱状磁心の数）の回転対称となる位置にあって、ｚ方向に見て仮想中心ｏと各中心ｐ，ｑ，ｒ，ｓとが等距離に有るのが好ましい。図示した例では柱状磁心部７が４つであるので、それぞれ３６０度／４（９０度）ずれた位置に仮想中心ｏに対して回転対称となるように配置される。柱状磁心部が５つであれば、それぞれ３６０度／５（７２度）ずれた位置となる。詳細は後述するが、巻線どうしのいずれの結合の組み合わせをとっても結合係数が負となる条件で、所定の結合係数が得られて、その絶対値の最大差が所定の値以下となる関係が生じる範囲であれば、柱状磁心部の位置は数学的な回転対称となる位置と異なっていても良い。例えば、中心ｐ−ｑ間、ｑ−ｒ間、ｒ−ｓ間、ｓ−ｐ間の距離を一部又は全部異ならせても良い。また中心ｐ−ｒ間、ｑ−ｓ間の距離を異ならせても良い。ただし、中心ｐ−ｒ間、ｑ−ｓ間の距離は中心ｐ−ｑ間、ｑ−ｒ間、ｒ−ｓ間、ｓ−ｐ間の距離よりも長くなるように設定される。なお柱状磁心の数が増えるに従い結合係数の絶対値が低下するため、本発明のコイル部品においては柱状磁心部の数は４または５であるのが好ましく、より好ましくは４である。

図３において、板状磁心部５ａ（５ｂも同様）の辺は、近接して対向する柱状磁心部７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄの断面形状の辺と平行な状態で配置されている。また、板状磁心部５の辺と柱状磁心部７の辺の間隔は、いずれの場所においても同じになるように配置されている。ただし、本発明は、これに限定されるものではなく、板状磁心部５の辺と柱状磁心部７の辺が平行ではなく傾斜していてもよい。板状磁心部５の辺と柱状磁心部７の辺の間隔は、場所により異なっていてもよい。板状磁心部５ａと板状磁心部５ｂは、同じ大きさで同じ形状を有しているが、これを異ならせてもよい。

巻線９が配置される柱状磁心部７は磁束が集中する部分であるため、磁性材料としてキュリー温度Ｔｃが高く、飽和磁束密度が大きい金属系磁性材料を用いるのが好ましい。より好ましくは、飽和磁束密度が０．８Ｔ以上のＦｅ系軟磁性合金であって、Ｆｅ−Ｎｉ系合金、Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃｒ系合金、Ｆｅ−Ｂ−Ｓｉ−Ｃ系アモルファス合金、Ｆｅ−Ｂ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｎｂ系ナノ結晶合金等が挙げられる。これ等の磁性体材料を単独、あるいは混合されて複数含む粉末として、前記粉末を高圧でプレス成形して圧粉磁心として用いるのが好ましい。圧粉磁心は微視的には多数の磁気ギャップを介して磁性体が連続する分散ギャップ構造であって、大きなギャップ空間（磁気ギャップ）を設けることなく柱状磁心７の磁気飽和を防ぐことができる。また、磁気ギャップで発生する漏れ磁束が巻線９と鎖交することが低減するので、誘導加熱による発熱を防ぎ損失増加を抑える。また絶縁処理された粉末であれば、渦電流損失を低減して高周波での磁心損失を低減する磁心として構成できる。図示した例では柱状磁心部７を四角形（正方形あるいは長方形）としたが円形、楕円形、三角形、五角形以上の多角形でも良い。

巻線間で所定の結合係数が得られて、その絶対値の最大差を小さくするのに、板状磁心部５に用いる磁性材料として、圧粉磁心と比べて磁心損失が小さく安価なソフトフェライトを用いるのが好ましい。ソフトフェライトの中でも低磁心損失であるＭｎ系フェライトを用いるのが好ましい。Ｍｎ系フェライトは室温２３℃における飽和磁束密度が０．４５Ｔ以上であり、室温２３℃、磁束密度２００ｍＴ、周波数１００ｋＨｚにおける磁心損失Ｐｃｖが４５０ｋＷ／ｍ^３以下であるのが好ましい。高温環境下での磁心損失Ｐｃｖが小さくて８０℃〜１２０℃の間にて磁心損失Ｐｃｖが最小となる磁気特性を有するのがより好ましい。図示した例では板状磁心部５を四角形（正方形あるいは長方形）としたが、円形、五角形以上の多角形でも良い。

柱状磁心部７との突き合せ部の近辺での磁気飽和が生じないように、板状磁心部５の外周縁よりも内側に柱状磁心部７を配置するのが好ましい。一方で柱状磁心部７よりも外側となる板状磁心部５の領域が増えると、漏洩磁束の増加によって巻線９間の結合係数が低下するため、板状磁心部５や柱状磁心部７の各部の寸法や、板状磁心部５と柱状磁心部７の配置関係、あるいは板状磁心部５間の距離等の事項は、巻線９間の結合係数を考慮しつつ、磁気回路で磁気飽和が生じないように設定することが必要である。またインターリーブ方式のＤＣ−ＤＣコンバータの各昇圧回路の対称性を考慮すれば、図３に示すように、コイル部品は板状磁心５の中心ｏに対して柱状磁心部７を回転対称の位置とするのが好ましい。

巻線９は、導線（例えば、銅線にポリアミドイミドを被覆したエナメル線）を巻回して構成する。巻線９を形成する導線は円形状、長方形状等の種々の断面形状のものを用いることができるが、幅と厚さの比が５以上の長方形状断面の導線（平角線）を用いればコイルの占積率を高めることができるので好ましい。図示した例では平角線をエッジワイズ巻きにしたエッジワイズコイルを用いている。巻線９の巻数は、要求されるインダクタンス値に基づいて適宜設定され、また線径も通電される電流により適宜選択される。また巻線９を収める樹脂ケース６は、巻線９と板状磁心部５や柱状磁心部７との間の絶縁を得られるものであって、絶縁性能を満足すれば使用する樹脂材料に特に限定するものではないが、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、液晶ポリマー等の樹脂であって、射出成形等の公知の成形法にて得ることができるものが好ましい。絶縁性能として１０ｋＶ／ｍｍ以上であるのが望ましい。柱状磁心部７に巻回された巻線９の巻数比は、いずれの組み合わせにおいても１であり、それぞれ同一の巻線９、同一の樹脂ケース６を使用することが出来る。または、樹脂ケース６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄを１つに統合することで組み立て時の工数を削減しても良い。

図１に示したコイル部品は４フェイズ型のＤＣ−ＤＣコンバータに用いられ、その４つの電流経路には４つの巻線９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄがそれぞれ配置される。前述の図１２のＤＣ−ＤＣコンバータであれば、４つの巻線９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄはインダクタＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４に対応する。巻線９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄの巻数比は、いずれの組み合わせにおいても１であるのが好ましい。本発明ではＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、コイル部品１の巻線９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄの夫々は、複数の巻線どうしが負結合するように使用され、巻線どうしのいずれの結合の組み合わせをとっても結合係数が−０．３０以上−０．１５以下で、前記結合係数の絶対値の最大差が０．０５以下であるのが好ましい。さらに好ましくは、前記結合係数の絶対値の最大差が０．０３以下である。複数の巻線どうしが負結合するとは、互いに結合する４つの巻線９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄの夫々の一端に電流が流入する場合に互いに磁束を弱め合う状態であって、その結合係数は負として示される。なおコイル部品や、それを用いた回路の動的な解析にはＪＭＡＧ（登録商標）などの電磁界解析ソフトを用いることができる。

インターリーブ方式のＤＣ−ＤＣコンバータでは、単純には、シングル方式と比べてチョッパ回路の数に応じて部品点数が増え、コストの増加、回路の大型化を招いてしまう。特にコイル部品は磁心や巻線等で構成され、それらはスイッチング素子等の半導体部品と比べると、回路に占める体積が非常に大きいが、チョッパ回路に応じた複数のインダクタを構成するコイル部品を一つのコイル部品として複合化することで、部品点数の低下、回路の大型化を防ぐことが出来るとともに、リップル電流を低減することが出来る。

４フェイズ型のＤＣ−ＤＣコンバータに用いられるコイル部品の好適な形状や磁心を構成する磁性材料について、図４に示した計算モデルで電磁場解析ソフトウエア（ＪＭＡＧ−Ｄｅｓｉｇｎｅｒ（株式会社ＪＳＯＬ製）を使用し解析した。

コイル部品の解析で用いたモデルの各部の寸法と、磁性材料、そして巻線の寸法等の条件を纏めて表１に示す。

また表２に磁性材料の代表的な磁気特性として、磁束密度Ｂｍと初透磁率μｉを材質名とともに示す。磁性材料としてＭｎ系フェライトやＦｅ基軟磁性アモルファス合金を選択した。それらの磁性材料は日立金属株式会社にて磁心として供給されている。ＨＬＭ５０はＦｅ基軟磁性アモルファス合金のフレークを用いた圧粉磁心として提供され、その他のＭＬ２９Ｄ，ＭＬ９１Ｓ，ＭＢ１９ＤはＭｎ系フェライトを用いた焼結磁心として提供されるものである。

また各磁性材料を使用した磁心の１００℃における増分透磁率μΔを図６に示す。増分透磁率μΔは直流磁界に交流磁界が重畳したときの透磁率である。表２からも分かるように、環境温度が２３℃における焼結磁心の初透磁率μｉが５００以上であり、圧粉磁心の初透磁率μｉが２００以下となる素材が選択されている。また、圧粉磁心は図６に示す通り、環境温度が高温であっても直流印加磁界に対する増分透磁率μΔの変化が小さく、また１０００Ａ／ｍの直流磁界印加の下でも焼結磁心であるＭＬ２９Ｄ、ＭＢ１９Ｄ、ＭＬ９１Ｓと比較して高い増分透磁率μΔが得られる。

電磁場解析では、Ｖｉｎ＝５０．５Ｖ、Ｖｏｕｔ＝１４．８Ｖ、最大電流３００Ａの降圧４フェイズＤＣ−ＤＣコンバータ用のコイル部品の基本仕様として、動作周波数１００ＫＨｚ、目標インダクタンスをＤＣ６０Ａ重畳時１０μＨ以上となるように磁心寸法やコイル仕様等を設定した。コイル部品の基本仕様としたものが表１中の実施例１と対応し、板状磁心部はＭｎ系フェライトを使用した焼結磁心（ＭＬ２９Ｄ）であり、柱状磁心部はＦｅ基軟磁性アモルファス合金のフレークを用いた圧粉磁心（ＨＬＭ５０）としている。

実施例１から実施例８までは、板状磁心部の磁性材料の材質はＭＬ２９Ｄ、柱状磁心部の磁性材料の材質はＨＬＭ５０という組み合わせである。第１、第２板状磁心部はいずれも正方形であり、４つの柱状磁心部も断面形状は正方形とした。比較例１から比較例５および実施例９は、材質の組み合わせを実施例とは異ならせている。比較例６，７は、材質の組み合わせは実施例と同じであるが、実施例１，２，３と比べて、柱状磁心部のサイズ及び配置は変えずに、板状磁心部のサイズのみが大きくなった構成である。すなわち、板状磁心部の辺と柱状磁心部の辺の間隔が実施例１，２，３よりも大きく設定されている。巻線のターン数は実施例と比較例のいずれも７であり、巻線比はいずれの組み合わせにおいても１となっている。

ＪＭＡＧ Ｄｅｓｉｇｎｅｒを使用した、コイル部品の磁界解析モデルでの解析結果をＤＣ−ＤＣコンバータの回路モデルに反映させて、動作時の動特性を解析した。巻線９ａ〜９ｄのうち、巻線９ａ〜９ｃの３つの巻線に流れる電流を等しく一定として、残る巻線９ｄの巻線に流れる直流重畳電流を巻線９ａ〜９ｃから１Ａのステップで２００Ａまで変化させ、その際の鎖交磁束の変化を用いてインダクタンスを得て、直流重畳特性および結合係数を評価した。結合係数は、巻線９ａ，９ｂ，９ｃのそれぞれに相互に鎖交する磁束の変化量を相互インダクタンスとして得て、巻線９ａ〜９ｃの自己インダクタンスで除算することで求めている。

図５に示すＤＣ−ＤＣコンバータの回路モデルを作成し、上記の方法によって得られた情報をもとに回路シミュレーションを実施してリップル電流を導出した。入出力の条件としては、入力電圧Ｖｉｎ＝５０．５Ｖ、出力電圧Ｖｏｕｔ＝１４．８Ｖ、入力段のコンデンサ容量３３０μＦ、出力段のコンデンサ容量７５０μＦとした。また、図５に示すＳＷ１〜８のスイッチには４０ナノ秒のデッドタイムを設けている。例えば、図５に示す回路モデルにおいて、降圧コンバータで動作させる場合、ＳＷ５のＯＦＦ指令からＳＷ６のＯＮ指令には４０ナノ秒の間隔を空けるということである。

得られたコイル部品の巻線間の結合係数を表３に示す。結合係数Ｋａｂは巻線９ａ，９ｂ間の結合係数であり、結合係数Ｋａｃは巻線９ａ，９ｃ間の結合係数であり、結合係数Ｋａｄは巻線９ａ，９ｄ間の結合係数である。｜Ｋａｂ＋Ｋａｃ＋Ｋａｄ｜は複数の巻線どうしの結合係数の合計の絶対値であり、Δｋは結合係数の絶対値の最大差である。また表４に環境温度が２３℃と１００℃での、直流重畳電流が０Ａ（初期）と６０Ａ（重畳時）での自己インダクタンスを示す。

実施例１から９のコイル部品では、いずれも巻線間の結合係数Ｋａｂ，Ｋａｃ，Ｋａｄが−０．３〜−０．１５の範囲のあるとともに、結合係数の絶対値の最大差Δｋが０．０５以下で、結合係数の合計の絶対値｜Ｋａｂ＋Ｋａｃ＋Ｋａｄ｜が０．６０以上０．９以下であった。

一方、板状磁心部を圧粉磁心（ＨＬＭ５０）とし、柱状磁心部を焼結磁心（ＭＬ２９Ｄ）として、実施例１の構成と磁性材料を入れ替えた比較例１では、対向して配置された巻線９ａと巻線９ｃとの間の結合が弱く結合係数Ｋａｃが−０．１３であって、結合係数Ｋａｂ，Ｋａｃ，Ｋａｄのうちの結合係数の絶対値の最大差Δｋも０．１６と大きかった。また、板状磁心部と柱状磁心部とをともにＨＬＭ５０の圧粉磁心で構成した比較例２ではいずれの巻線間も結合が弱くて、結合係数Ｋａｂ，Ｋａｃ，Ｋａｄが−０．１５を超えた。また自己インダクタンスが１０μＨ未満であった。

また板状磁心部と柱状磁心部とをＭｎ系フェライトの焼結磁心で構成した比較例３〜５では、隣り合って配置された巻線９ａと巻線９ｂとの間の結合、巻線９ａと巻線９ｄとの間の結合がともに強くて、結合係数が−０．３０未満となった。また漏れインダクタンスが小さく結合係数の合計の絶対値が０．９９と大きい。

また板状磁心部と柱状磁心部の磁性材料の選択は実施例１と同じだが、板状磁心部の寸法を異ならせ柱状磁心部の位置に対して板状磁心部を大きくして漏れインダクタンスが大きくなるように構成した比較例６，７のコイル部品では、比較例６で結合が弱く結合係数Ｋａｂ，Ｋａｃ，Ｋａｄが−０．１４であり、比較例６，７ともに結合係数の合計の絶対値が０．６０未満であった。そして、直流重畳電流が６０Ａの条件で板状磁心の磁気飽和が生じて、磁気回路として機能しない場合があった。

得られた結果のうち、実施例１、比較例１〜５の結果を基に、回路シミュレーションを実施してリップル電流を評価した。得られた結果を表５に示す。

表５に示すように、実施例１に示す構成ではインダクタＬ１〜Ｌ４の間のリップル電流の最大差（Ｌｍａｘ−Ｌｍｉｎ）は１Ａ未満で小さい。このようにリップル電流差が小さいと、コイル部品の放熱設計においてリップル電流が大きい経路を集中的に冷却する必要がなく設計を簡単化することが出来る。比較例１、２では実施例１と比べて自己インダクタンスが小さいにも係らず、実施例１よりもインダクタＬ１〜Ｌ４のリップル電流が大きい。このような構成では実施例１と比べてコイル部品の損失の増加を招く場合がある。また比較例３〜５のコイル部品はリップル電流が大きく、リップル電流の差は３Ａを超えて大きい。

実施例９のコイル部品は、板状磁心部と柱状磁心部をともに焼結磁心（ＭＬ２９Ｄ）とし、板状磁心部間の中間位置で柱状磁心部に磁気ギャップを形成している。柱状磁心部のそれぞれは２つに分かれていて、それらの間に０．５ｍｍのギャップが形成される構成である。他の実施例と比べてギャップ部分での漏洩磁束によってコイル部品の損失の増加を招き易いが、巻線間の結合係数Ｋａｂ，Ｋａｃ，Ｋａｄが−０．２７で、最大値と最小値との絶対値の差Δｋが０．００であり、結合係数の合計の絶対値｜Ｋａｂ＋Ｋａｃ＋Ｋａｄ｜が０．８１となった。

また、５フェイズ型のＤＣ−ＤＣコンバータ用として、板状磁心部を正五角形とし、その柱状磁心部を正四角形としたコイル部品の磁界解析モデルを図７に示す。なお図７では板状磁心部５ａに対する柱状磁心部７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅの配置構造を示すように他方の板状磁心部を省略して示している。柱状磁心部７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅは実施例１と同じ寸法、同じ磁性材料の圧粉磁心（ＨＬＭ５０）とした。板状磁心部５ａは焼結磁心（ＭＬ２９Ｄ）であって、その中心から各頂点の距離が４０ｍｍであり、一辺の長さは４７．０２ｍｍとしている。板状磁心部５ａと対になる他方の板状磁心も同様である。各柱状磁心部７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅの中心が、板状磁心部５ａの中心と頂点を結ぶ線上にあって、中心から２５ｍｍの位置に配置される。実施例１と同じ条件で巻線（図示せず）を巻いた解析モデルで、電磁場解析ソフトウエア（ＪＭＡＧ−Ｄｅｓｉｇｎｅｒ）で解析して結合係数を確認した結果を表６に示す。５フェイズ型のＤＣ−ＤＣコンバータに用いられるコイル部品においても、いずれの組み合わせにおいても 結合係数が一致している。

このような解析を基にして実施例１で示したコイル部品を作製した。柱状磁心部の圧粉磁心は図２と同様に矩形状であって、外形１０ｍｍ×１０ｍｍ×１５．４ｍｍとした。磁性材料として、Ｆｅ基アモルファス軟磁性合金（Ｍｅｔｇｌａｓ，Ｉｎｃ．製、２６０５ＳＡ１）のリボン粉砕粉を使用したＨＬＭ５０を用いた。リボン粉砕粉には絶縁のためＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）処理によってシリコン酸化物被膜が形成されていている。リボン粉砕粉とバインダとなるシリコン樹脂との混合物を金型に充填して加圧成形し、得られた成形体をＦｅ基アモルファス軟磁性合金の結晶化温度よりも低い４００℃で焼鈍して、外形１０ｍｍ×１０ｍｍ×１５．４ｍｍの柱状磁心部を得た。

板状磁心部の焼結磁心は図２に示したような正方形状であって、外形５０ｍｍ×５０ｍｍ×５ｍｍとした。磁性材料は日立金属株式会社製のＭｎ系フェライトであるＭＬ２９Ｄを用いた。

ポリエチレンテレフタレートで形成された樹脂ケースに柱状磁心部を通し、幅７ｍｍ、厚み１ｍｍの平角導線を７ターン巻回した同じ構成の４つの巻線（エッジワイズコイル）を図１に示すように各柱状磁心部の周囲に配置した。柱状磁心部に巻回された巻線の巻数比は、いずれの組み合わせにおいても１である。樹脂ケース６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄは巻線の内周側と外周側を囲うように配置された壁部と、前記壁部を繋ぐ底部で構成されている。外周側の壁部の一部は巻線の両端ｔ１、ｔ２を引き出すように欠かれていて、樹脂ケース６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄに収容された巻線９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄは、その両端ｔ１、ｔ２と樹脂ケースの外周側の壁部とで位置決め保持可能としている。

組立治具を使い、板状磁心部の平坦面上に、柱状磁心部の中心から実質的に均等距離で、且つ９０度の回転対称の位置に、柱状磁心部をその角部が板状磁心の角部と向かうように配置し、柱状磁心部の端部を当接させ接着固定した。次に柱状磁心部の夫々に樹脂ケースに収められた巻線を配置し、更に柱状磁心部のもう一方の端部を覆うように板状磁心部を接着固定した。更に柱状磁心部を跨ぐように粘着固定テープを巻きまわし固定して、コイル部品を得た。組立治具を使うことで、複数の部材で構成されるコイル部品の組み合わせが容易で、部材間に位置ずれが生じるのを低減している。

得られたコイル部品について、ヒューレットパッカード社製ＬＣＲメータ４２８４Ａを用いて、周波数１００ｋＨｚ，ＡＣ１Ｖｐ−ｐで２３℃にて初期、及び直流電流が重畳する条件でインダクタンスを測定した。その結果、直流重畳特性は初期（２３℃）で４つのインダクタの平均は１５．８２μＨ（１５．８８μＨ、１４．０７μＨ、１６．３８μＨ、１６．９６μＨ）μＨであり、磁界解析モデルでの解析結果の初期インダクタンス１６．４μＨと同等のレベルであった。

前記コイル部品を、図５に示す回路モデルで実機にて同様の動作確認を行った。動作確認には４８Ｖ〜１２Ｖ双方向コンバータの評価モジュールであるテキサス・インスルツメンツ社製のＬＭ５１７０ＥＶＭ−ＢＩＤＩＲを用いて、４フェイズ型のＤＣ−ＤＣコンバータを作成した。コイル部品の接続は、互いに向き合う巻線が磁束を相殺するように接続して、巻線どうしのいずれの結合の組み合わせをとっても結合係数が負となる負結合となるようにしている。Ｖｉｎ＝５０．５Ｖ、Ｖｏｕｔ＝１４．８８Ｖ、Ｉｏｕｔ＝８０Ａ、駆動デューティ０．２８である場合の動作時において観察される、コイル部品の対角に配置されたインダクタＬ１とインダクタＬ３の電流波形を図８に示す。各組み合わせでの結合差が小さいため、インダクタＬ１、インダクタＬ３のインダクタ電流の波形は同一であり、リップル電流は各経路のインダクタンスによりばらつきが見られるが、ほぼ同じ値となっている。また回路解析モデルにて同じ動作条件とした場合のインダクタＬ１とインダクタＬ３の電流波形を図９に示す。ややリップル電流の振幅が異なるが、ほぼ同じ電流波形を得られていることが分かる。

更に、入力電圧Ｖｉｎ＝５０．５Ｖ、Ｖｏｕｔ＝１４．８８Ｖ、Ｉｏｕｔ＝３００Ａ、駆動デューティ０．２８である場合の動作時におけるインダクタＬ１からインダクタＬ４の電流波形を図１０に示す。図１０の電流波形においても、図８、図９同様に各相の波形は同様であり、良好な結果を得ることができた。このように実動作においても４フェイズ型のＤＣ−ＤＣコンバータ用のコイル部品として正常に動作し、かつ磁界解析・回路解析モデルとの一致性も良好であることが分かった。

インダクタ電流の解析波形図（図１０）において、インダクタＬ１のインダクタ電流のピークが３μｓ、１３μｓで現れる。そのピーク時での磁束分布を図１１に示す。円錐状に示される図形は磁界の大きさと方向を表し、濃淡は磁束密度を表している。柱状磁心部７ａには他の柱状磁心部７ｂ〜７ｄや板状磁心部５ａ、５ｂと比べて磁束が集中している。また板状磁心部５ａ、５ｂにおいては、磁束が相殺されて柱状磁心部７ａ〜７ｄと比較して磁界は小さくなっていることが分かる。同様に、インダクタＬ２のインダクタ電流のピーク時においては、柱状磁心部７ｂに磁束が集中し、インダクタＬ３のインダクタ電流のピーク時においては、柱状磁心部７ｃに磁束が集中し、インダクタＬ３のインダクタ電流のピーク時においては、柱状磁心部７ｄに磁束が集中するが、いずれの場合も板状磁心部５ａ、５ｂの磁界は柱状磁心部７ａ〜７ｄと比較して小さくなる。

このように、磁束が集中する柱状磁心部を、大きな直流磁界印加の下でも磁気飽和しない圧粉磁心や磁気ギャップを設けた焼結磁心で構成し、柱状磁心部よりも磁界が小さい板状磁心部を初透磁率μｉが大きい焼結磁心で構成することで、複数の巻線どうしのいずれの結合の組み合わせをとっても、所定の結合係数が得られ、その最大差の絶対値が小さいコイル部品とすることが出来る。

１ コイル部品
５ 板状磁心部
７ 柱状磁心部
９ 巻線

Claims (7)

1. 互いに対面するように配置された第１板状磁心部及び第２板状磁心部と、
   前記第１板状磁心部及び前記第２板状磁心部とともに磁路を構成するように、前記第１板状磁心部と前記第２板状磁心部の間に配置されたｎ個（ｎは４又は５）の柱状磁心部と、前記柱状磁心部のそれぞれに巻回された複数の巻線とを有し、
   前記柱状磁心部に巻回された巻線の巻数比は、いずれの組み合わせにおいても１であり、
   前記複数の巻線どうしが負結合可能で、前記複数の巻線どうしのいずれの結合の組み合わせをとっても結合係数が−０．３０〜−０．１５で、前記複数の巻線どうしの結合係数の合計の絶対値が０．６０以上０．９０以下で、前記結合係数の絶対値の最大差が０．０５以下であるインターリーブ方式のＤＣ−ＤＣコンバータ用のコイル部品。
2. 請求項１に記載のコイル部品であって、
   前記柱状磁心部のそれぞれが、仮想中心に対してｎ回（ｎは柱状磁心部の数）の回転対称となる位置に配置された、コイル部品。
3. 請求項１または２に記載のコイル部品であって、
   第１板状磁心部及び第２板状磁心部はフェライトの焼結磁心であり、ｎ個（ｎは４又は５）の柱状磁心部はＦｅ基軟磁性合金の圧粉磁心である、コイル部品。
4. 請求項３に記載のコイル部品であって、
   室温２３℃における前記焼結磁心の初透磁率μｉが５００以上であり、前記圧粉磁心の初透磁率μｉが２００以下であるコイル部品。
5. 請求項１から４のいずれかに記載のコイル部品であって、
   前記柱状磁心部のそれぞれの一方の端面が前記第１板状磁心部と当接し、他方の端面が前記第２板状磁心部に当接されたコイル部品。
6. 請求項１から５のいずれかに記載のコイル部品であって、
   前記第１板状磁心部と前記第２板状磁心部とは正ｎ角形（ｎは４又は５）の形状であって、各角部に前記柱状磁心部が配置されたコイル部品。
7. 請求項１から６のいずれかに記載のコイル部品を用いたインターリーブ方式のＤＣ−ＤＣコンバータであって、
   ＤＣ−ＤＣコンバータの入力端と出力端との間に、前記複数の巻線が並列に接続されるように前記コイル部品が配置され、
   前記複数の巻線の一端側のそれぞれに、各巻線に流れる電流の経路を切り替えるスイッチング素子が接続され、３６０度／ｎの位相差で各巻線に電圧が印加されるインターリーブ方式のＤＣ−ＤＣコンバータ。

Images