JP2023043973A - 結合インダクタ - Google Patents

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Abstract

【課題】小型の結合インダクタを提供する。【解決手段】結合インダクタが、中心部分と外側部分を有するコアと、前記中心部分の第１の端部と中央部の間において、前記中心部分に巻かれた第１のコイルと、前記中心部分の第１の端部と中央部の間において、前記中心部分に、前記第１のコイルととは逆向きに巻かれた第２のコイルと、前記第１のコイルに接続しており、前記中心部分の第２の端部と中央部の間において、前記中心部分に、前記第１のコイルと同じ向きに巻かれた第３のコイルと、前記第２のコイルに接続しており、前記中心部分の第２の端部と中央部の間において、前記中心部分に、前記第１のコイルとは逆向きに巻かれた第４のコイルと、を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、結合インダクタに関する。
大電力を交流電力から直流電力に効率良く変換するために、車載充電器には、インターリーブ方式のＰＦＣ（力学改善）回路が搭載されている。インターリーブ方式のＰＦＣ回路は、２つのインダクタを用いる必要があり、車載充電器の小型化の要請から、インダクタのさらなる小型化が求められている。
そこで、結合インダクタを用いたインターリーブ方式のＰＦＣ回路が提案されている（例えば、特許文献１）。結合インダクタは、２つのコイルが逆極性でコアに巻かれているため、２つのコイルで発生する磁束が互いに打ち消し合い、コア内の磁束が小さくなる。このため、結合インダクタでは、コアのサイズを小さくすること、つまり、インダクタの小型化が可能である。
特開２０１５－２０１６４２号公報
結合インダクタをＰＦＣ回路に用いた場合、２倍の動作周波数のリプル電流が流れるため、結合インダクタのコアとして、ダスト系コアを用いることができない。このため、ＰＦＣ回路用の結合インダクタでは、通常、フェライトコアが用いられている。フェライトコアの飽和磁束密度は、小さく、ダスト系コアの飽和磁束密度の１／３である。
そこで、特許文献１には、結合インダクタのコアに複数のギャップを設けることで、磁気飽和を避ける技術が開示されている。しかしながら、このような構成の結合インダクタでは、放熱が難しく、また、組付け精度も必要であり、特許文献１に開示された技術は、実用的ではない。
そこで、本発明は、小型の結合インダクタを提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明に係る結合インダクタは、中心部分と外側部分を有するコアと、前記中心部分の第１の端部と中央部の間において、前記中心部分に巻かれた第１のコイルと、前記中心部分の第１の端部と中央部の間において、前記中心部分に、前記第１のコイルとは逆向きに巻かれた第２のコイルと、前記第１のコイルに接続しており、前記中心部分の第２の端部と中央部の間において、前記中心部分に、前記第１のコイルと同じ向きに巻かれた第３のコイルと、前記第２のコイルに接続しており、前記中心部分の第２の端部と中央部の間において、前記中心部分に、前記第１のコイルとは逆向きに巻かれた第４のコイルと、を有する。
本発明により、小型の結合インダクタを提供することが可能になる。
本発明の一実施形態に係る結合インダクタの外観を示す図である。 ２つの外側部分Ｃ２のうちの１つを取り外した状態の結合インダクタを示す図である。 コアの中心部分Ｃ１、外側部分Ｃ２２とコイルＬ１～Ｌ４との関係を示す図である。 コイルＬ１～Ｌ４の接続関係を示す図である。 従来の結合インダクタの例を示す図である。 従来の結合インダクタにおいて、コイルＬＧ１、ＬＧ２の巻き数ＮＧを変化させた際のコアの中心部分Ｃ１の断面積、ギャップＧ１～Ｇ３のサイズの変化を示す図である。 本発明の一実施形態に係る結合インダクタの等価磁気回路を示す図である。 本発明の一実施形態に係る結合インダクタにおいて、第２の巻き数Ｎ２を変化させた際のコアの中心部分Ｃ１の断面積、ギャップＧ１～Ｇ３のサイズの変化を示す図である。
＜結合インダクタの構成＞
本発明の一実施形態に係る結合インダクタは、図１～３に示すように、中心部分Ｃ１および２つの外側部分Ｃ２を有するコアと、第１のコイルＬ１と、第２のコイルＬ２と、第３のコイルＬ３と、第４のコイルＬ４と、基板Ｂと、を有する。図１は、結合インダクタの外観を示す図であり、図２は、２つの外側部分Ｃ２のうちの１つを取り外した状態の結合インダクタを示す図であり、図３は、コアの中心部分Ｃ１、外側部分Ｃ２とコイルＬ１～Ｌ４との関係を示す図である。
第１のコイルＬ１の巻き数は、第１の巻き数Ｎ１であり、第１のコイルＬ１は、コアの中心部分Ｃ１の中央部Ｃ１１と第１の端部Ｃ１２との間において、コアの中心部分Ｃ１に巻かれている。
第２のコイルＬ２の巻き数は、第１の巻き数Ｎ１よりも大きい第２の巻き数Ｎ２であり（Ｎ１＜Ｎ２）、第２のコイルＬ２は、コアの中心部分Ｃ１の中央部Ｃ１１と第１の端部Ｃ１２との間において、コアの中心部分Ｃ１に、第１のコイルＬ１とは逆向きで巻かれている。第２のコイルＬ２は、例えば、第１のコイルＬ１と密結合になるように配置される。
第３のコイルＬ３の巻き数は、第２の巻き数Ｎ２であり、第３のコイルＬ３は、コアの中心部分Ｃ１の中央部Ｃ１１と第２の端部Ｃ１３との間において、コアの中心部分Ｃ１に、第１のコイルＬ１と同じ向きで巻かれている。
第４のコイルＬ４は、巻き数が第１の巻き数Ｎ１であり、第４のコイルＬ４は、コアの中心部分Ｃ１の中央部Ｃ１１と第２の端部Ｃ１３との間において、コアの中心部分Ｃ１に、第１のコイルＬ１とは逆向きで巻かれている。第４のコイルＬ４は、例えば、第３のコイルＬ１と密結合になるように配置される。
コアの中心部分Ｃ１と外側部分Ｃ２は、中心部分Ｃ１の中央部Ｃ１１と外側部分Ｃ２の中央部Ｃ２１との間にギャップＧ１が形成され、中心部分Ｃ１の第１の端部Ｃ１２と外側部分Ｃ２の第１の端部Ｃ２２との間にギャップＧ２が形成され、中心部分Ｃ１の第２の端部Ｃ１３と外側部分Ｃ２の第２の端部Ｃ２３との間にギャップＧ３が形成されるように配置される。ギャップＧ２のサイズとギャップＧ３のサイズは、同じである。
外側部分Ｃ２の形状は、図３に示されているように、突起部Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を有したＥ型にすると良い。外側部分Ｃ２がＥ型形状であるならば、中心部分Ｃ１は、例えば、Ｉ型形状にすると良い。突起部Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の各々は、外側部分Ｃ２の代わりに、中央部分Ｃ１が有するようにしても良い。
本実施形態に係る結合インダクタは、例えば、インターリーブ方式のＰＦＣ回路用の結合インダクタであり、コアは、例えば、フェライトコアである。本実施形態に係る結合インダクタでは、図４（Ａ）に示されているように、第１のコイルＬ１と第３のコイルＬ３が接続され、第２のコイルＬ２と第４コイルＬ４が接続される。これにより、本実施形態に係る結合インダクタは、図４（Ｂ）に示されているように、第１のコイルＬ１と第３のコイルＬ３により構成される巻き数Ｎ（＝Ｎ１＋Ｎ２）のインダクタと、第２のコイルＬ２と第４のコイルＬ４により構成される巻き数Ｎのインダクタと、を有する結合インダクタを形成する。
第１のコイルＬ１と第３のコイルＬ３の接続と、第２のコイルＬ２と第４のコイルＬ４の接続は、例えば、基板Ｂを介して行うようにすると良い。基板Ｂは、コイル接続専用の基板であっても良いし、駆動用のＭＯＳＦＥＴなどの他の電子部品が搭載された基板であっても良い。
＜従来の結合インダクタとの比較＞
図５は、従来の結合インダクタの例を示す図である。図５に示した従来の結合インダクタは、本実施形態に係る結合インダクタのコイルＬ１～Ｌ４の代わりに、巻き数ＮＧのコイルＬＧ１が、コアの中心部分Ｃ１の中央部Ｃ１１と第１の端部Ｃ１２との間において、コアの中心部分Ｃ１に巻かれ、コイルＬＣ１と同じ巻き数のコイルＬＧ２が、コアの中心部分Ｃ１の中央部Ｃ１１と第２の端部Ｃ１３との間において、コアの中心部分Ｃ１に、コイルＬＧ１とは逆向きで巻かれている。
図５に示した従来の結合インダクタでは、リプル電流などの電気的性能を関わるパラメータを保ちつつ、コイルＬＧ１、ＬＧ２のサイズ（つまり、コアの中心部分Ｃ１の断面積）を小さくするためには、コイルＬＧ１、ＬＧ２の巻き数を増やす必要がある。コイルＬＧ１、ＬＧ２のサイズを小さくし、コイルＬＧ１、ＬＧ２の巻き数を増やすと、コアを通る磁束の磁束密度が急激に増加する。このとき、コアを通る磁束の磁束密度が、コアの飽和磁束密度を超えないようにするためには、ギャップＧ１～Ｇ３のサイズを大きくし、ギャップＧ１～Ｇ３の磁気抵抗を大きくする必要がある。つまり、従来の結合インダクタでは、コアの中心部分Ｃ１の断面積を小さくする際に、ギャップＧ１～Ｇ３のサイズを大きくする必要がある。結果、従来の結合インダクタでは、結合インダクタ全体の小型化が難しい。
リプル電流などの電気的性能を関わるパラメータを決定し、簡略化のため、すべてのギャップＧ１～Ｇ３のサイズを同じにする。この条件で、コイルＬＧ１、ＬＧ２の巻き数ＮＧを変化させると、従来の結合インダクタでは、図６に示すように、コアの中心部分Ｃ１の断面積、ギャップＧ１～Ｇ３のサイズが変化する。図６において、丸が、コアの中心部分Ｃ１の断面積の変化を示しており、四角が、ギャップＧ１～Ｇ３のサイズの変化を示している。また、図７には、コアの中心部分Ｃ１の断面積として、コイルＬＧ１、ＬＧ２の巻き数ＮＧが４０であるときのコアの中心部分Ｃ１の断面積で正規化した値を示しており、ギャップＧ１～Ｇ３のサイズとして、コイルＬＧ１、ＬＧ２の巻き数ＮＧが４０であるときのギャップＧ１～Ｇ３のサイズで正規化した値を示している。
従来の結合インダクタでは、図６に示されているように、コイルＬＧの巻き数ＮＧが大きくなるにつれ、中心部分Ｃ１の断面積は、指数関数的に減少し、ギャップＧ１～Ｇ３の大きさは、線形に大きくなっていく。従来の結合インダクタでは、コイルＬＧの巻き数ＮＧが２０であるときに、ギャップＧ１～Ｇ３の大きさが、コイルＬＧ１、ＬＧ２の巻き数ＮＧが４０であるときのギャップＧ１～Ｇ３のサイズの半分（０．５倍）になり、巻き数が２０のときの中心部分Ｃ１の大きさは、コイルＬＧ１、ＬＧ２の巻き数ＮＧが４０であるときのコアの中心部分Ｃ１の断面積の２倍になる。
一方、本実施形態に係る結合インダクタは、２つのインダクタの各々が、２つのコイルにより構成され、２つのコイルの各々が、他方のインダクタのコイルと磁気結合している。このため、本実施形態に係る結合インダクタでは、２つのインダクタの各々の巻き数Ｎ（＝Ｎ１＋Ｎ２）を変えることなく、インダクタを構成する２つのコイルの巻き数の比Ｎ１：Ｎ２を変えることで、コアを通過する磁束を調整することが可能である。
図７は、本実施形態に係る結合インダクタの等価磁気回路を示す図である。第１のコイルＬ１と第２のコイルＬ２の結合が密であり、第３のコイルＬ３と第４のコイルＬ４の結合が密であるならば、ギャップＧ１の磁気抵抗をＲｌｋとし、ギャップＧ２の磁気抵抗Ｒｍｔとし、コイルＬ１～Ｌ４を流れる電流をＩとすると、ギャップＧ１の磁気抵抗を通過する磁束φｃ、ギャップＧ２、Ｇ３の磁気抵抗を通過する磁束φｗ、つまり、コア内の磁束の直流成分は、次のようになる。
Figure 2023043973000002
つまり、本実施形態に係る結合インダクタでは、ギャップＧ１～Ｇ３の磁気抵抗を大きくすることなく、つまり、ギャップＧ１～Ｇ３のサイズを大きくすることなく、第２の巻き数Ｎ２を小さくすることで、コア内の磁束を小さくすることができる。つまり、本実施形態に係る結合インダクタでは、ギャップＧ１～Ｇ３のサイズを大きくすることなく、インダクタを構成する２つのコイルの巻き数の比Ｎ１：Ｎ２を調整することで、コア内の磁束を小さくすることが可能であり、従来の結合インダクタに比べ、インダクタを小型化することが可能である。
図６と同じ条件において、インダクタの巻き数Ｎ（＝Ｎ１＋Ｎ２）を一定としたまま、インダクタを構成する２つのコイルの巻き数の比Ｎ１：Ｎ２を変化させると、本実施形態に係る結合インダクタでは、図８に示すように、コアの中心部分Ｃ１の断面積、ギャップＧ１～Ｇ３のサイズが変化する。図８において、丸が、第２の巻き数Ｎ２を変化させたときのコアの中心部分Ｃ１の断面積の変化を示しており、四角が、第２の巻き数Ｎ２を変化させたときのギャップＧ１～Ｇ３のサイズの変化を示している。また、図７、コアの中心部分Ｃ１の断面積として、第２の巻き数Ｎ２が４０であるとき（つまり、第１の巻き数Ｎ１がゼロであり、２つのインダクタの各々が１つのコイルで構成された従来の結合インダクタと同じ構成であるとき）のコアの中心部分Ｃ１の断面積で正規化した値を示しており、ギャップＧ１～Ｇ３のサイズとして、第２の巻き数Ｎ２が４０であるときのギャップＧ１～Ｇ３のサイズで正規化した値を示している。
本実施形態に係る結合インダクタでは、図８に示されているように、第２の巻き数Ｎ２を小さくすることで、ギャップＧ１～Ｇ３のサイズを小さくすることができる。また、本実施形態に係る結合インダクタでは、第２の巻き数Ｎ２を小さくしたとしても、コアの中心部分Ｃ１の断面積が微増するだけである。図８の例では、ギャップＧ１～Ｇ３の大きさが、第２の巻き数Ｎ２が３０であるときに、第２の巻き数Ｎ２が４０であるときのギャップＧ１～Ｇ３のサイズの半分（０．５倍）になるが、このときのコアの中心部分Ｃ１の大きさは、第２の巻き数Ｎ２が４０であるときのコアの中心部分Ｃ１の断面積の１．１５倍にしかならない。つまり、本実施形態に係る結合インダクタは、従来の結合インダクタに比べ、インダクタを小型化することができる。
以上、本発明の好適な実施の形態により本発明を説明した。ここでは特定の具体例を示して本発明を説明したが、特許請求の範囲に記載した本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、これら具体例に様々な修正および変更が可能である。
Ｃ１ コアの中心部分
Ｃ１１ コアの中心部分Ｃ１の中央部
Ｃ１２ コアの中心部分Ｃ１の第１の端部
Ｃ１３ コアの中心部分Ｃ１の第２の端部
Ｃ２ コアの外側部分
Ｃ２１ コアの外側部分Ｃ２の中央部
Ｃ２２ コアの外側部分Ｃ２の第１の端部
Ｃ２３ コアの外側部分Ｃ２の第２の端部
Ｌ１ 第１のコイル
Ｌ２ 第２のコイル
Ｌ３ 第３のコイル
Ｌ４ 第４のコイル
Ｇ１～Ｇ３ ギャップ
Ｂ 基板

Claims (7)

  1. 中心部分と外側部分を有するコアと、
    前記中心部分の第１の端部と中央部の間において、前記中心部分に巻かれた第１のコイルと、
    前記中心部分の第１の端部と中央部の間において、前記中心部分に、前記第１のコイルとは逆向きに巻かれた第２のコイルと、
    前記第１のコイルに接続しており、前記中心部分の第２の端部と中央部の間において、前記中心部分に、前記第１のコイルと同じ向きに巻かれた第３のコイルと、
    前記第２のコイルに接続しており、前記中心部分の第２の端部と中央部の間において、前記中心部分に、前記第１のコイルとは逆向きに巻かれた第４のコイルと、を有する結合インダクタ。
  2. 前記中心部分と前記外側部分は、前記中心部分の中央部と前記外側部分の中央部との間にギャップが形成され、前記中心部分の第１の端部と前記外側部分の第１の端部との間にギャップが形成され、前記中心部分の第２の端部と前記外側部分の第２の端部との間にギャップが形成されるように配置される、請求項１に記載の結合インダクタ。
  3. 前記中心部分は、Ｉ型形状であり、前記外側部分は、Ｅ型形状である、請求項２に記載の結合インダクタ。
  4. 前記第１のコイルと前記第３のコイルとの接続と、前記第２のコイルと前記第４のコイルとの接続は、基板を介して行われる、請求項１から３のいずれか一項に記載の結合インダクタ。
  5. 前記結合インダクタは、インターリーブ方式のＰＦＣ回路用の結合インダクタであり、前記コアは、フェライトコアである、請求項１から４のいずれか一項に記載の結合インダクタ。
  6. 前記第１のコイルと前記第２のコイルの結合は密結合である、請求項１から５のいずれか一項に記載の結合インダクタ。
  7. 前記第３のコイルと前記第４のコイルの結合は密結合である、請求項１から６のいずれか一項に記載の結合インダクタ。
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