JP5062439B2

JP5062439B2 - インターリーブ用ｐｆｃチョークコイル

Info

Publication number: JP5062439B2
Application number: JP2009110104A
Authority: JP
Inventors: 伸夫北島; 聡司眞保
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2009-04-28
Filing date: 2009-04-28
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2029-04-28
Also published as: JP2010258395A; US8217746B2; US20100271164A1

Description

本発明は、インターリーブ方式のＰＦＣ回路に使用するチョークコイルであって、２つのコイル巻線を有していて、実質的に独立した２つのチョークコイルとして動作できるインターリーブ用ＰＦＣチョークコイルに関する。

近年、電子機器の電源にＰＦＣ回路（力率改善回路）が組み込まれるようになってきており、とくに３００Ｗ以上の用途では、リプル電流の低減、損失の改善を目的としてインターリーブ方式が採用され始めている。インターリーブとは複数の回路を位相をずらして並列に構成することを言う。

図１３はインターリーブ方式のＰＦＣ回路の１例であり、チョークコイルＬ_１、スイッチング素子Ｓ_１及びダイオードＤ_１からなる回路と、チョークコイルＬ_２、スイッチング素子Ｓ_２及びダイオードＤ_２からなる回路とを位相をずらして並列に接続した構成を有している。出力側には負荷Ｒ_ＬＯＡＤと並列にリプル除去用のコンデンサＣ_ＯＵＴが接続されている。入力電圧Ｖ_ＩＮは例えば商用電源であるＡＣ１００Ｖを全波整流した波形である。

図１４は図１３のインターリーブ方式のＰＦＣ回路の各部の動作波形であり、図１４（Ａ）はスイッチング素子Ｓ_１，Ｓ_２のオン、オフのタイミングを示し、（Ｂ）はチョークコイルＬ_１，Ｌ_２に流れる電流ＩＬ_１，ＩＬ_２及び入力電流Ｉ_ＩＮ（ＩＬ_１とＩＬ_２との和）を示し、（Ｃ）はダイオードＤ_１，Ｄ_２に流れる電流Ｉ_１，Ｉ_２を示し、（Ｄ）はコンデンサＣ_ＯＵＴに流れる電流Ｉ_ＣＯＵＴ＝（Ｉ_１＋Ｉ_２）−Ｉ_ＯＵＴ（但し、Ｉ_ＯＵＴ：出力電流）を示す。

図１４（Ｄ）から、インターリーブ方式のＰＦＣ回路では、スイッチング周波数に対して見かけ上リプル電流の周波数が倍になり、リプル電流が低減されることが判る。

上記のインターリーブ方式のＰＦＣ回路では、通常２個の独立したチョークコイルを必要とするが、コストの増加、実装スペースの増加を招いていた。このため、インターリーブ用の２イン１（２in１）構造のチョークコイルが要望されるようになって来ている。

従来、２イン１構造のトランスが下記特許文献１で提案されている。但し、この特許文献１はＰＦＣ回路用ではなく、液晶表示装置のバックライト点灯用の高圧トランスである。

特開２００６−６０１０８号公報この特許文献１では、１つのＥ−Ｉ−Ｅ型の磁気コア組立体に１次及び２次巻線の組を２個組み込んで、実質的に２つの高圧トランスとして機能させている。この場合、一対のＥ型コアの開放面間に配設されたＩ型コアには、２つの１次及び２次巻線の組による磁束が相互に加算される向きに磁束が通るため、Ｉ型コアの断面積は大きく、つまり肉厚が大きくなり、磁気コア組立体の外形も多くならざるを得ない問題がある。

上述のように、インターリーブ方式のＰＦＣ回路において、２個の独立したチョークコイルを用いたのでは、コストや実装スペースの増加を招く問題があり、また、２イン１構造する場合も、複数コアからなる磁気コア組立体の外形寸法の削減に必ずしも繋がらない問題があった。

本発明はこうした状況を認識してなされたものであり、その目的は、実質的に２個の独立したチョークコイルとして機能する２イン１構造を有し、コスト低減及び外形寸法の小型化を図ることのできるインターリーブ用ＰＦＣチョークコイルを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明のある態様のインターリーブ用ＰＦＣチョークコイルは、中脚部と、前記中脚部の少なくとも両側に位置する外側脚部と、前記中脚部と前記外側脚部とを連絡し且つ前記中脚部と前記外側脚部とが自身から立ち上がる連絡部とを有する第１及び第２の磁気コアと、
前記第１の磁気コアの中脚部の外周に巻回された第１コイル巻線及び前記第２の磁気コアの中脚部に巻回される第２コイル巻線と、
平板状の第３の磁気コアとを備え、
前記第１及び第２の磁気コアは、前記第３の磁気コアを挟んで前記外側脚部が相互に突き合わされ、前記外側脚部が前記第３の磁気コアに当接し、かつ各々の中脚部と前記第３の磁気コアとの間にはギャップが設けられていて、
前記第１コイル巻線と前記第２コイル巻線の電流方向は同一で、各電流に起因する前記第３の磁気コアを通る磁束は互いに逆向きであることを特徴としている。

前記態様において、２つの巻枠部をコア配置空間を隔てて連結部で一体に連結したボビンを有し、一方の巻枠部の外周部に前記第１コイル巻線が、他方の巻枠部の外周部に前記第２コイル巻線がそれぞれ巻回され、一方の巻枠部の内周部に前記第１の磁気コアの中脚部が、他方の巻枠部の内周部に前記第２の磁気コアの中脚部がそれぞれ挿入され、前記コア配置空間に前記第３の磁気コアが配設された構成であってもよい。

また、前記２つの巻枠部の一方又は両方に端子台が形成され、前記端子台に前記第１及び第２コイル巻線の巻線端末を接続する端子が設けられていてもよい。

前記態様において、前記第１及び第２の磁気コアは同一寸法形状であり、前記第３の磁気コアの断面積は、前記中脚部の断面積より小さく、かつ前記中脚部の断面積の１／２以上であるとよい。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法やシステムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明に係るインターリーブ用ＰＦＣチョークコイルによれば、複数コアの組合せからなる磁気コア組立体の外形寸法を削減しつつ、実質的に２個の独立したチョークコイルとして機能する２イン１構造を実現することが可能である。また、磁気コア組立体の小型化によりコスト低減が可能であり、製品外形寸法の小型化を図ることができ、実装スペースも削減可能である。

本発明に係るインターリーブ用ＰＦＣチョークコイルの実施の形態を示す上方よりみた分解斜視図である。下方よりみた分解斜視図である。上方よりみた斜視図である。下方よりみた斜視図である。正面図である。平面図である。底面図である。側面図である。実施の形態の要部構成部分の断面図である。実施の形態における電流と磁束の流れを示す説明図である。一方のコイル巻線のみに電流を流す使用法でも問題ないことを示す説明図である。実施の形態とは電流方向が逆の場合の電流と磁束の流れを示す説明図である。インターリーブ方式のＰＦＣ回路の１例を示す回路図である。図１３の回路の各部の動作波形図である。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を詳述する。なお、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は発明を限定するものではなく例示であり、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１乃至図８に示すように、インターリーブ用ＰＦＣチョークコイルは、第１及び第２の磁気コアとしてのＥ型コア１，２と、第３の磁気コアとしてのＩ型コア３と、２つの巻枠部４１，５１を有するボビン４と、各巻枠部４１，５１に巻回される第１及び第２コイル巻線６１，６２とを備えている。

一対のＥ型コア１，２は、例えばフェライトコアで同一外形寸法であり、Ｅ型コア１は、中脚部１１と、中脚部１１の両側に位置する外側脚部１２と、中脚部１１と外側脚部１２とを連絡す平板状連絡部１３とを有する。同様に、Ｅ型コア２は、中脚部２１と、外側脚部２２と、平板状連絡部２３とを有する。

Ｉ型コア３は例えばフェライトコアであって、Ｅ型コア１，２の外側脚部１２，２２と同じ幅以上の平板である。

ボビン４は絶縁樹脂製であって、Ｉ型コア３が挿入されるコア配置空間５が形成されるように２つの巻枠部４１，５１を２箇所の連結部６，７で一体に連結したものである。巻枠部４１，５１は同一形状寸法（但し、対称配置）であり、巻枠部４１は円筒状巻胴部の両側に鍔部４３，４４を形成したものであり、同様に巻枠部５１は円筒状巻胴部の両側に鍔部５３，５４を形成したものである。連結部６，７はコア配置空間５の内壁面を構成する鍔部４４，５４間を連結している。連結部６，７の内側平面もコア配置空間５の内壁面を構成しており、これらにより、Ｉ型コア３をがたつかないように位置決め保持できる。外側の鍔部４３，５３には端子台８，９がそれぞれ形成されており、各端子台８，９には端子ピン４７，５７がそれぞれ設けられている。

一方の巻枠部４１の外周部（つまり鍔部４３，４４間）に第１コイル巻線６１が、他方の巻枠部５１の外周部（つまり鍔部５３，５４間）に第２コイル巻線６２がそれぞれ巻回されている。第１コイル巻線６１の端末は所定の端子ピン４７に接続され、第２コイル巻線６２の端末は所定の端子ピン５７に接続されている。

そして、一方の巻枠部４１の内周部（つまり内側貫通孔）４６にＥ型コア１の中脚部１１が、他方の巻枠部５１の内周部（つまり内側貫通孔）にＥ型コア２の中脚部２１がそれぞれ挿入され、コア配置空間５にＩ型コア３が配設される。

図９のように、第１及び第２コイル巻線６１，６２を施したボビン４に各コア１，２，３を組み付けた状態では、Ｅ型コア１，２はＩ型コア３を挟んで外側脚部１２，２２が相互に突き合わされている。つまり、Ｉ型コア３の一方の面に外側脚部１２が当接、接合し、他方の面に外側脚部２２が当接、接合している。また、各々の中脚部１１，２１とＩ型コア３との間にはギャップＧ１，Ｇ２が設けられている。

なお、各コア１，２，３の一体化は接着剤、接着テープ、締め付け金具等を使用すればよい。

第１コイル巻線６１と第２コイル巻線６２に流れる電流方向は、図１０（Ａ）に示すように、同一方向に設定する。こうすることで同図（Ｂ）のようにコイル分離用コアとして機能するＩ型コア３を通る第１コイル巻線６１による磁束φ１と第２コイル巻線６２による磁束φ２とが逆向きで打ち消し合う関係となり、Ｉ型コア３に磁束が集中することはない。また、Ｅ型コア１，２の両方の中脚部１１，２１を通って大きく回ろうとする磁束はギャップＧ１，Ｇ２が存在するため殆ど発生しない。

本実施の形態において、最も厳しい使用条件は図１１（Ａ）の一方のコイル巻線６１又は６２のみに電流が流れる場合であり、この場合でも、コイル分離用コアであるＩ型コア３の断面積（図１のＳ_２）は、Ｅ型コア１，２の中脚部の断面積（図１のＳ_１）の１／２あれば足りる（中脚部を通過した磁束はＩ型コアの左右に分かれてＩ型コア内を通過するため）。

この結果、第１コイル巻線６１及びその周辺のコア部分で第１のチョークコイル部が、第２コイル巻線６２及びその周辺のコア部分で第２のチョークコイル部が構成されることになり、しかも両者の結合は殆ど無く、実質的に独立した２個のチョークコイルと等価となる。

なお、従来技術である特許文献１のように、コイル巻線６１，６２に逆向きに電流を流すと、共有磁路となるＩ型コア３が強く励磁される。このため、その部分の透磁率が低下し、実質的にギャップ状態となり、チョークコイルとしてのインダクタンスは低下してしまう。この不都合を避けるためにはＩ型コア３の断面積をＥ型コア１，２の中脚部の断面積以上に設定する必要が有り、コア１，２，３からなる磁気コア組立体の外形は小さくできない。

本実施の形態では、図１０のように共有磁路の磁束φ１，φ２は打ち消し合うため、Ｉ型コア３の断面積をＥ型コア１，２の中脚部断面積よりも小さくできることは明らかである。すなわち、Ｅ型コア１，２の中脚部の断面積Ｓ_１とＩ型コア３の断面積Ｓ_２との関係は、前述した通り、
Ｓ_２＝Ｓ_１／２
が小型化の点では最適値であるが、
Ｓ_１＞Ｓ_２≧Ｓ_１／２
の範囲であれば、従来技術よりも小型化できる点で有利となる。

本実施の形態によれば、下記の効果を奏することができる。

(1) Ｅ型コア１，２及びＩ型コア３の組合せからなる磁気コア組立体の外形寸法を削減しつつ、実質的に２個の独立したチョークコイルとして機能する２イン１構造を実現することが可能である。

(2) 前記磁気コア組立体の小型化によりコスト低減が可能であり、製品外形寸法の小型化を図ることができ、実装スペースも削減可能である。

(3) ２つの巻枠部４１，５１をコア配置空間５を隔てて連結部６，７で一体に連結したボビン４を用いており、両巻枠部４１，５１に対する巻線作業を同一工程で行うことができ、作業性が良く、またボビン４を用いることで、Ｅ型コア１，２及びＩ型コア３の位置合わせが容易で、組み立て作業性が良好である。

以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、実施の形態の各構成要素や各処理プロセスには請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは当業者に理解されるところである。以下、変形例について触れる。

上記実施の形態で用いた一対のＥ型コアの代わりに、一対のＰＱコア（中脚部とその両側の外側脚部を持つが外側脚部の幅が中脚部よりも広いもの）、一対のポットコア（外側脚部が中脚部を囲むもの）等も使用可能である。

上記実施の形態では、ボビンの外側の両側鍔部にそれぞれ端子台が形成されて、コアの中脚部の軸方向と実装面とが平行な横型チョークコイルを示しているが、ボビンの外側の一方の鍔部のみに一対の端子台を形成して、コアの中脚部の軸方向と実装面とが垂直な縦型チョークコイルを構成してもよい。

１，２Ｅ型コア
３Ｉ型コア
４ボビン
５コア配置空間
６，７連結部
８，９端子台
１１，２１中脚部
１２，２２外側脚部
１３，２３連絡部
４１，５１巻枠部
４７，５７端子ピン
６１，６２コイル巻線
Ｇ１，Ｇ２ギャップ

Claims

中脚部と、前記中脚部の少なくとも両側に位置する外側脚部と、前記中脚部と前記外側脚部とを連絡し且つ前記中脚部と前記外側脚部とが自身から立ち上がる連絡部とを有する第１及び第２の磁気コアと、
前記第１の磁気コアの中脚部の外周に巻回された第１コイル巻線及び前記第２の磁気コアの中脚部に巻回される第２コイル巻線と、
平板状の第３の磁気コアとを備え、
前記第１及び第２の磁気コアは、前記第３の磁気コアを挟んで前記外側脚部が相互に突き合わされ、前記外側脚部が前記第３の磁気コアに当接し、かつ各々の中脚部と前記第３の磁気コアとの間にはギャップが設けられていて、
前記第１コイル巻線と前記第２コイル巻線の電流方向は同一で、各電流に起因する前記第３の磁気コアを通る磁束は互いに逆向きである、インターリーブ用ＰＦＣチョークコイル。
請求項１に記載のインターリーブ用ＰＦＣチョークコイルにおいて、２つの巻枠部をコア配置空間を隔てて連結部で一体に連結したボビンを有し、一方の巻枠部の外周部に前記第１コイル巻線が、他方の巻枠部の外周部に前記第２コイル巻線がそれぞれ巻回され、一方の巻枠部の内周部に前記第１の磁気コアの中脚部が、他方の巻枠部の内周部に前記第２の磁気コアの中脚部がそれぞれ挿入され、前記コア配置空間に前記第３の磁気コアが配設されている、インターリーブ用ＰＦＣチョークコイル。
請求項２に記載のインターリーブ用ＰＦＣチョークコイルにおいて、前記２つの巻枠部の一方又は両方に端子台が形成され、前記端子台に前記第１及び第２コイル巻線の巻線端末を接続する端子が設けられている、インターリーブ用ＰＦＣチョークコイル。
請求項１乃至３のいずれかに記載のインターリーブ用ＰＦＣチョークコイルにおいて、前記第１及び第２の磁気コアは同一寸法形状であり、前記第３の磁気コアの断面積は、前記中脚部の断面積より小さく、かつ前記中脚部の断面積の１／２以上である、インターリーブ用ＰＦＣチョークコイル。