JP7050456B2

JP7050456B2 - 複合平滑インダクタおよび平滑化回路

Info

Publication number: JP7050456B2
Application number: JP2017206300A
Authority: JP
Inventors: 三直藤本; 俊幸平尾
Original assignee: Alps Electric Co Ltd; Alps Alpine Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2017-10-25
Filing date: 2017-10-25
Publication date: 2022-04-08
Anticipated expiration: 2037-10-25
Also published as: JP2019079955A

Description

本発明は、複合平滑インダクタ、特にマルチフェーズ式のＤＣ－ＤＣコンバータにおいて用いられる複合平滑インダクタ、およびこの複合平滑インダクタを備える平滑化回路に関する。

情報処理の増大にともない、ＬＳＩ等の半導体装置等の電子機器の所要電流量の増大化が進んできている。これに対しマルチフェーズ式のＤＣ－ＤＣコンバータが用いられるようになってきている。

特許文献１には、そのようなマルチフェーズ式のＤＣ－ＤＣコンバータ等に使用されるカップルドインダクタとして、第１のコイル導体と、第２のコイル導体と、前記第１のコイル導体と第２のコイル導体を挟む第１の磁性体および第２の磁性体とを備え、前記第１の磁性体および第２の磁性体を金属磁性箔の積層体により構成し、かつこの金属磁性箔の積層方向と、前記第１のコイル導体と第２のコイル導体により発生する磁束の方向とを直交させるようにしたカップルドインダクタが記載されている。

特開２００９－１１７６７６号公報

大電流を供給するＤＣ－ＤＣコンバータでは、単出力回路で大電流を供給しようとすると、パワー半導体にかかる負荷が大きくなってしまい、高速動作ができず効率、サイズ面で負の影響が出てしまう。このため多出力回路を並列（位相シフト）接続して単出力あたりの電流値を下げることで、パワー半導体の高速動作を実現し、効率とサイズの改善が考えられてきたが、さらなる改善も求められてきている。

一例として、低電圧大電流出力のＤＣ－ＤＣコンバータで降圧すると、ＤＣ－ＤＣコンバータよりも後段では電流が増加してエネルギーロスが増加する。このため、ＤＣ－ＤＣコンバータはＬＳＩ等の半導体装置の近傍に配置されることが望まれている。それゆえ、ＤＣ－ＤＣコンバータの小型化の要請が高まっている。特許文献１に開示されるようなカップルドインダクタは、この要請に応えるべく、カップリングトランスと平滑用インダクタとを一体化させる構成を基本構成として備えるが、近時のＤＣ－ＤＣコンバータの小型化の要請のさらなる高まりや駆動周波数の高周波数化の要請に対して、カップルドインダクタは本質的に対応できなくなってきている。

図９は、特許文献１に開示されるカップルドインダクタと同様の構造を有するカップルドインダクタの断面図である。図９に示されるカップルドインダクタ６０では、第１のコイル導体６３Ａと第２のコイル導体６３Ｂとが磁気的に結合することによってカップリングトランスとして機能するとともに、第１のコイル導体６３Ａおよび第２のコイル導体６３Ｂのそれぞれが平滑用インダクタのコイルとして機能する。このような構成をカップルドインダクタ６０が備えるため、第１のコイル導体６３Ａおよび第２のコイル導体６３Ｂの一方（例えば第１のコイル導体６３Ａ）に流れた電流により生じた磁界の一部は、不可避的に、第１のコイル導体６３Ａを備える平滑用インダクタとしての第１の磁気回路ＭＣ１のために用いられる。

したがって、カップルドインダクタ６０では、第１のコイル導体６３Ａに流した電流により生じた磁界の一部しか、第２のコイル導体６３Ｂに誘導電流を発生させるための第２の磁気回路ＭＣ２に用いることができない。このことは、カップリングトランスのインダクタンスを高めることにとって本質的な障害となる。カップリングトランスのインダクタンスが低い場合には、第２のコイル導体６３Ｂに生じる誘導電流が低下し、ＤＣ－ＤＣコンバータのリプル電流値が大きくなる。このリプル電流値をある程度の範囲（例えば出力信号の最大値に対して３０％以内）に抑えることはＤＣ－ＤＣコンバータの基本仕様であるから、カップルドインダクタ全体を大きくして平滑用インダクタのインダクタンスを高めることなどの対応が求められ、カップルドインダクタ６０を小型化することが困難となる。

また、電源からのパルス電流により生じた磁界に基づいて、カップリングトランスのための第２の磁気回路ＭＣ２と平滑用インダクタのための第１の磁気回路ＭＣ１とが適切に生じるように、第１のコイル導体６３Ａと第２のコイル導体６３Ｂとの間にエアギャップＡＧを設けて、平滑用インダクタのための第１の磁気回路ＭＣ１の実効透磁率を低下させている。このエアギャップＡＧからの漏れ磁界は、カップリングトランスの小型化の障害となる。特に、駆動周波数が高くなると漏れ磁界に基づく損失が大きくなって、発熱などの問題が顕在化してカップリングトランスをさらに小型化することが不可能となってしまう。

本発明は、かかる現状を鑑み、小型化や駆動周波数の高周波数化などの要請の高まりに応えることが可能な複合平滑インダクタおよびかかる複合平滑インダクタを備える平滑化回路を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための本発明は、一態様において、カップリングトランス、第１平滑用インダクタおよび第２平滑用インダクタを備える複合平滑インダクタであって、前記カップリングトランスは第１方向に貫通する貫通孔を有し磁性材料からなるトランスコアを備え、前記第１平滑用インダクタは貫通孔を有し磁性材料からなる第１コアを備え、前記第２平滑用インダクタは貫通孔を有し磁性材料からなる第２コアを備え、前記複合平滑インダクタは、前記トランスコアの貫通孔の内部を通過するとともに前記第１コアの貫通孔の内部を通過する第１コイルと、前記第１コイルとは絶縁状態を維持しつつ前記トランスコアの貫通孔の内部を通過するとともに、前記第２コアの貫通孔の内部を通過する第２コイルと、を備える複合平滑インダクタを提供する。前記カップリングトランスの相互インダクタンスは、前記第１平滑用インダクタの自己インダクタンスおよび前記第２平滑用インダクタの自己インダクタンスのいずれよりも高くてもよい。

このように、１つのカップリングトランスと２つの平滑用インダクタとを別体とすることにより、カップリングトランスとしての機能を高めるための構成と、平滑用インダクタとしての機能を高めるための構成とを別々に追求することが可能となる。その結果として、カップリングトランスと平滑用インダクタとが別体でありながら、これらを一体化させたカップルドインダクタよりも、小型化や駆動周波数の高周波数化の要請の高まりに対応可能な複合平滑インダクタを構成することが可能となる。ここで、カップリングトランスの相互インダクタンスを、第１平滑用インダクタの自己インダクタンスおよび第２平滑用インダクタの自己インダクタンスのいずれよりも高くなるように設定することにより、複合平滑インダクタを備えるＤＣ－ＤＣコンバータのリプル電流値を小さくすることが容易となる。また、カップリングトランスのコイルと平滑用インダクタ（第１平滑用インダクタ、第２平滑用インダクタ）とを共通化することにより、複合平滑インダクタのさらなる小型化が可能となる。

上記の複合平滑インダクタは、前記第１コアの貫通孔の貫通方向および前記第２コアの貫通孔の貫通方向が前記第１方向に沿うように、前記トランスコア、前記第１コアおよび前記第２コアは配置され、第１コイルは、前記トランスコアの貫通孔を通過する部分および前記第１コアの貫通孔を通過する部分がいずれも前記第１方向に沿うように配置され、第２コイルは、前記トランスコアの貫通孔を通過する部分および前記第２コアの貫通孔を通過する部分がいずれも前記第１方向に沿うように配置されていてもよい。かかる構成を備えることにより、複合平滑インダクタの構造を簡素化することが可能である。構造の簡素化は、複合平滑インダクタの小型化や製造効率の向上に資する。また、このように構造化が簡素化されているが少なくともトランスコアと第１コアおよび第２コアとは別部材から構成されるため、カップリングトランスの相互インダクタンス、第１平滑用インダクタの自己インダクタンス、第２平滑用インダクタの自己インダクタンスを、トランスコア、第１コアおよび第２コアの形状、これらの素材、ならびに第１コイルおよび第２コイルの巻き数などによって自在に調整することが可能である。

この場合において、前記第１コアは、２つの非結合型コアを備えるコア部材の一方の前記非結合型コアであり、前記第２コアは、前記コア部材の他方の前記非結合型コアであれば、部品点数が少なくなって、構造の簡素化がさらに実現される。そして、前記トランスコアと前記コア部材が前記第１方向に並ぶように配置されれば、特に簡素な構造で複合平滑インダクタを構成することが実現される。

上記の複合平滑インダクタは、前記第１コアの貫通孔の貫通方向と前記第２コアの貫通孔の貫通方向とが揃っており、第１コイルは、前記トランスコアの貫通孔の内部を通過する部分と前記第１コアの貫通孔の内部を通過する部分との間に屈曲部を有し、第２コイルは、前記トランスコアの貫通孔の内部を通過する部分と前記第２コアの貫通孔の内部を通過する部分との間に屈曲部を有していてもよい。かかる構成も構造の簡素化の観点から好ましい。この場合において、前記第１コアの貫通孔の貫通方向は前記第１方向と交差する（好ましくは直交する）方向であって、前記トランスコアと前記第１コアとは前記第１方向に並ぶように配置され、前記トランスコアと前記第２コアとは前記第１方向に並ぶように配置されていてもよい。

上記の複合平滑インダクタにおいて、前記第１コイルは、前記トランスコアの貫通孔の内部および前記第１コアの貫通孔の内部を複数回通過する第１巻回部を有し、前記第２コイルは、前記トランスコアの貫通孔の内部および前記第２コアの貫通孔の内部を複数回通過する第２巻回部を有し、前記第１巻回部および前記第２巻回部は、前記トランスコイルにおいて磁気相殺するように巻かれていてもよい。第１巻回部の巻き数および第２巻回部の巻き数を変更することにより、カップリングトランスの相互インダクタンス、第１平滑用インダクタの自己インダクタンス、および第２平滑用インダクタの自己インダクタンスのそれぞれの値を増減させることができる。

上記の複合平滑インダクタにおいて、前記カップリングトランスの相互インダクタンスＬｍの、前記第１平滑用インダクタの自己インダクタンスＬｋおよび前記第２平滑用インダクタの自己インダクタンスＬｋに対する比率（Ｌｍ／Ｌｋ比）は１超１２以下であることが好ましい場合がある。Ｌｍ／Ｌｋ比が上記の比率であることにより、カップリングトランスからの発熱を効率的に抑制することが可能である。

上記の複合平滑インダクタにおいて、前記トランスコアの実効透磁率は前記第１コアの実効透磁率および前記第２コアの実効透磁率のいずれよりも高く、前記トランスコアを構成するトランス用磁性材料の飽和磁束密度は、前記第１コアを構成する第１インダクタ用磁性材料の飽和磁束密度および前記第２コアを構成する第２インダクタ用磁性材料の飽和磁束密度のいずれよりも低いことが好ましい場合がある。

１つのカップリングトランスと２つの平滑用インダクタとを別体とすることにより、カップリングトランスの磁性部材に用いられる磁性材料と平滑用インダクタの磁性部材に用いられる磁性材料とを相違させることが可能となって、小型化などの要請に応えることが容易となる。

具体的には、トランス用磁性部材の実効透磁率を第１インダクタ用磁性部材の実効透磁率および第２インダクタ用磁性部材の実効透磁率のいずれよりも高くすることにより、カップリングトランスの相互インダクタンスを第１平滑用インダクタの自己インダクタンスおよび第２平滑用インダクタの自己インダクタンスのいずれよりも高くすることが容易となる。また、第１インダクタ用磁性材料の飽和磁束密度および第２インダクタ用磁性材料の飽和磁束密度をいずれもトランス用磁性材料の飽和磁束密度よりも高くすることにより、第１平滑用インダクタおよび第２平滑用インダクタへのエネルギー蓄積が容易となり、複合平滑インダクタを備えるＤＣ－ＤＣコンバータのリプル電流値を小さくすることが容易となる。

上記の構成において、前記カップリングトランスに蓄積されるエネルギーによる磁束密度は、前記トランス用磁性部材を構成するトランス用磁性材料の飽和磁束密度の５０％以下であることが好ましい。このような範囲でカップリングトランスを動作させることにより、鉄損が増大してカップリングトランスが発熱する可能性が適切に抑制される。

上記の構成において、前記トランス用磁性部材の実効透磁率は１５０以上６００以下であって、前記第１インダクタ用磁性部材の実効透磁率および前記第２インダクタ用磁性部材の実効透磁率が１５以上１２０以下であることが好ましい。各材料の実効透磁率が上記の範囲であることにより、カップリングトランスおよび平滑用インダクタのそれぞれが効率的に動作することができ、良好な平滑化信号が形成されやすい。

上記の構成において、前記トランス用磁性部材を構成するトランス用磁性材料の飽和磁束密度は３８０ｍＴ以上５２０ｍＴ以下であって、前記第１インダクタ用磁性部材を構成する第１インダクタ用磁性材料の飽和磁束密度および前記第２インダクタ用磁性部材を構成する第２インダクタ用磁性材料の飽和磁束密度はいずれも７００ｍＴ以上であることが好ましい。各材料の飽和磁束密度が上記の範囲であることにより、材料選定の自由度を確保しつつ、複合平滑インダクタ、特にカップリングトランスからの発熱を適切に抑制することが可能となる。

本発明は、他の一態様として、第１のスイッチ素子と、第２のスイッチ素子と、上記の複合平滑インダクタと、コンデンサとを備える平滑化回路を提供する。かかる平滑化回路は、前記複合平滑インダクタの前記第１コイルの一方の端部に、前記第１のスイッチ素子が、前記第１のスイッチ素子から出力されたパルス信号が入力可能に接続され、前記複合平滑インダクタの前記第２コイルの一方の端部に、前記第２のスイッチ素子が、前記第２のスイッチ素子から出力されたパルス信号が入力可能であるとともに、前記トランスコイルにおいて前記第１コイルと前記第２コイルとが磁気相殺するように接続され、前記第１コイルの他方の端部および前記第２コイルの他方の端部に前記コンデンサが接続され、前記複合平滑インダクタと前記コンデンサとの間に設けられた出力部から平滑信号が出力可能とされることを特徴とする。上記の本発明の一態様に係る複合平滑インダクタを用いることにより、ＤＣ－ＤＣコンバータのリプル電流値を適切に抑制しつつ、平滑化回路を小型化したり駆動周波数を高周波数化したりすることが容易となる。

本発明によれば、小型化や駆動周波数の高周波数化などの要請に応えることが可能な複合平滑インダクタが提供される。また、かかる複合平滑インダクタを備える平滑化回路も提供される。

本発明の一実施形態に係る平滑化回路の回路図である。本発明の一実施形態に係る複合平滑インダクタの構成を示す回路図である。本発明の一実施形態に係る複合平滑インダクタの構造を示す、平滑用インダクタ側からの斜視図である。本発明の一実施形態に係る複合平滑インダクタの構造を示す、カップリングトランス側からの斜視図（平滑用インダクタの部分は透視図である。）である。本発明の一実施形態に係る複合平滑インダクタのＶ１－Ｖ１線による断面図である。本発明の一実施形態に係る複合平滑インダクタの動作を示す、（ａ）平滑用インダクタ側からの平面図、および（ｂ）カップリングトランス側からの平面図である。本発明の他の一実施形態に係る複合平滑インダクタの構造を示す、平滑用インダクタ側からの斜視図である。本発明の他の一実施形態に係る複合平滑インダクタのＶ２－Ｖ２線による断面図である。従来技術に係るカップルドインダクタの構造を示す断面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る平滑化回路の回路図である。図１に示されるように、平滑化回路１は、第１のスイッチ素子ＳＷ１と、第２のスイッチ素子ＳＷ２と、複合平滑インダクタ１０と、コンデンサＳＣとを備える。第１のスイッチ素子ＳＷ１および第２のスイッチ素子ＳＷ２には、電源、トランジスタなどからの信号（降圧されるべき信号）が入力される。そして、複合平滑インダクタ１０の２つの入力端子の一方に第１のスイッチ素子ＳＷ１から出力されたパルス信号が入力可能に接続され、複合平滑インダクタ１０の２つの入力端子の他方に第２のスイッチ素子ＳＷ２から出力されたパルス信号が入力可能に接続される。複合平滑インダクタ１０の構成、機能等については、後述する。

複合平滑インダクタ１０の１つの出力端子にコンデンサＳＣが接続され、複合平滑インダクタ１０の１つの出力端子とコンデンサＳＣとの間に設けられた出力部ＯＵＴから平滑信号が出力可能とされる。図１では、出力部ＯＵＴに負荷Ｌが接続され（点線部）、コンデンサＳＣおよび負荷Ｌがともに接地（グラウンドＧＮＤ）された状態が示されている。

複合平滑インダクタ１０は、図１に示されるように、カップリングトランス２０および２つの平滑用インダクタ（第１平滑用インダクタ３０、第２平滑用インダクタ４０）を備える。例えば第１のスイッチ素子ＳＷ１が動作して、パルス信号が複合平滑インダクタ１０に入力されると、まずその信号はカップリングトランス２０に入力され、第２平滑用インダクタ４０を含む回路に誘導電流が流れる。その結果、第１平滑用インダクタ３０および第２平滑用インダクタ４０の双方から電流が流れ出して、平滑化された信号が出力部ＯＵＴから出力される。

図２は、本発明の一実施形態に係る複合平滑インダクタの構成を示す回路図である。図１および２に示されるように、複合平滑インダクタ１０は、１つのカップリングトランス２０および２つの平滑用インダクタ（第１平滑用インダクタ３０、第２平滑用インダクタ４０）を備え、さらに、２つの入力端子１１Ａ，１１Ｂおよび１つの出力端子１２を備える。

カップリングトランス２０は、２つの入力部２１Ａ，２１Ｂと２つの出力部２２Ａ，２２Ｂとを備える。複合平滑インダクタ１０の入力端子１１Ａはカップリングトランス２０の入力部２１Ａに接続され、複合平滑インダクタ１０の入力端子１１Ｂはカップリングトランス２０の入力部２１Ｂに接続される。カップリングトランス２０は、入力部２１Ａと出力部２２Ａとの間に第１トランスコイル２３Ａを備え、入力部２１Ｂと出力部２２Ｂとの間に第２トランスコイル２３Ｂを備える。

第１トランスコイル２３Ａと第２トランスコイル２３Ｂとは磁気的に結合可能に配置され、極性が互いに反対向きとされている。このため、第１トランスコイル２３Ａに入力部２１Ａから出力部２２Ａ側へと電流を流したときに、この電流に基づいて第２トランスコイル２３Ｂに生じる誘導電流も、入力部２１Ｂから出力部２２Ｂ側へと流れることができる。また、第２トランスコイル２３Ｂに入力部２１Ｂから出力部２２Ｂ側へと電流を流したときに、この電流に基づいて第１トランスコイル２３Ａに生じる誘導電流も、入力部２１Ａから出力部２２Ａ側へと流れることができる。すなわち、第１のスイッチ素子ＳＷ１および第２のスイッチ素子ＳＷ２のいずれがオンとなって電流がカップリングトランス２０の入力部２１Ａ，２１Ｂのいずれかに流れ込んでも、出力部２２Ａ，２２Ｂの双方から電流が流れ出すことが実現される。ただし、第１のスイッチ素子ＳＷ１または第２のスイッチ素子ＳＷ２のオン動作に基づいて電流が流れ出すタイミングと、その電流に基づいて生じる誘導電流が流れ出すタイミングとの間には、時間ずれが生じることになる。

第１平滑用インダクタ３０は、入力部３１および出力部３２を備え、これらの間に第１インダクタコイル３３を備える。第１平滑用インダクタ３０の入力部３１はカップリングトランス２０の出力部２２Ａに接続されているため、カップリングトランス２０の出力部２２Ａから流れ出した電流は第１平滑用インダクタ３０の入力部３１から第１インダクタコイル３３へと流れ、エネルギー蓄積が行われる。そして、第１平滑用インダクタ３０の入力部３１への電流の流れ込みが減少すると、蓄積されたエネルギーが解放されて、第１インダクタコイル３３から出力部３２への電流が増加し、第１平滑用インダクタ３０の出力部３２から複合平滑インダクタ１０の出力端子１２へと電流が流れる。

第２平滑用インダクタ４０は、入力部４１および出力部４２を備え、これらの間に第２インダクタコイル４３を備える。第２平滑用インダクタ４０の入力部４１はカップリングトランス２０の出力部２２Ｂに接続されているため、カップリングトランス２０の出力部２２Ｂから流れ出した電流は第２平滑用インダクタ４０の入力部４１から第２インダクタコイル４３へと流れ、エネルギー蓄積が行われる。そして、第２平滑用インダクタ４０の入力部４１への電流の流れ込みが減少すると、蓄積されたエネルギーが解放されて、第２インダクタコイル４３から出力部４２への電流が増加し、第２平滑用インダクタ４０の出力部４２から複合平滑インダクタ１０の出力端子１２へと電流が流れる。

上記のように、第１のスイッチ素子ＳＷ１または第２のスイッチ素子ＳＷ２のオン動作に基づいて電流が流れ出すタイミングとその電流に基づいて生じる誘導電流が流れ出すタイミングとの間には時間ずれが存在することから、第１平滑用インダクタ３０の出力部３２を流れる電流が流れ出すタイミングと第２平滑用インダクタ４０の出力部４２を流れる電流が流れ出すタイミングとの間にも時間ずれが生じる。したがって、第１平滑用インダクタ３０の出力部３２および第２平滑用インダクタ４０の出力部４２に接続する複合平滑インダクタ１０の出力端子１２に流れる電流の流れ出しタイミングを互いに異ならせることができる。それゆえ、第１のスイッチ素子ＳＷ１におけるスイッチング動作と第２のスイッチ素子ＳＷ２におけるスイッチング動作とを繰り返すことにより、出力信号の電流値を平滑化することが可能となる。

ここで、カップリングトランス２０の相互インダクタンスが高い場合には、誘導電流が流れやすくなるため、複合平滑インダクタ１０から出力される信号の平滑性を高めることが可能となる。具体的には、ＤＣ－ＤＣコンバータのリプル電流値を低減させることができる。したがって、カップリングトランス２０の相互インダクタンスが高く誘導電流が適切に生じる場合には、２つの平滑用インダクタ（第１平滑用インダクタ３０、第２平滑用インダクタ４０）の自己インダクタンスを比較的低くすることができる。

本発明の一実施形態に係る複合平滑インダクタ１０ではカップリングトランス２０と２つの平滑用インダクタ（第１平滑用インダクタ３０、第２平滑用インダクタ４０）とは別体であるから、カップリングトランス２０については相互インダクタンスが高くなるように構造上・組成上の構成を設定しつつ、２つの平滑用インダクタ（第１平滑用インダクタ３０、第２平滑用インダクタ４０）についてはカップリングトランス２０とは全く独立に自己インダクタンスを調整するような構成の設定が可能である。したがって、カップリングトランス２０の相互インダクタンスが十分高い場合には、２つの平滑用インダクタ（第１平滑用インダクタ３０、第２平滑用インダクタ４０）の自己インダクタンスが許容される範囲で、これらの平滑用インダクタを小型化することができる。

このように、本発明の一実施形態に係る複合平滑インダクタ１０は、カップリングトランス２０と２つの平滑用インダクタ（第１平滑用インダクタ３０、第２平滑用インダクタ４０）とが別体であることから、複合平滑インダクタ１０としての小型化を実現するために、これらの構造や材料などを個別に設定することができる。

これに対し、特許文献１などに記載されるカップルドインダクタの場合には、カップリングトランスと平滑用インダクタとが一体化しているため、小型化を進めるためには相反する要求を満たすことが求められる場合があり、さらなる小型化が容易とはいえない。

例えば、前述のようにカップリングトランスの相互インダクタンスは高いことが好ましいが、カップルドインダクタの場合には、外部電源から一方のコイルに流れた電流により生じた磁界の全てを他方のコイルに誘導電流を生じさせるための磁界として用いることができない。図９に示されるように、カップリングトランスのための磁気回路ＭＣ２に加えて、平滑用インダクタのための磁気回路ＭＣ１が構成されるようにしなければならない。したがって、カップルドインダクタの場合にはカップリングトランスの相互インダクタンスを高めることに限界がある。

図３は、本発明の一実施形態に係る複合平滑インダクタの構造を示す、平滑用インダクタ側からの斜視図である。図４は、本発明の一実施形態に係る複合平滑インダクタの構造を示す、カップリングトランス側からの斜視図（平滑用インダクタの部分は透視図である。）である。図５は、本発明の一実施形態に係る複合平滑インダクタのＶ１－Ｖ１線による断面図である。図６（ａ）は、本発明の一実施形態に係る複合平滑インダクタの動作を示す平滑用インダクタ側からの平面図であり、図６（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る複合平滑インダクタの動作を示すカップリングトランス側からの平面図である。

図３から図６に示されるように、複合平滑インダクタ１０では、カップリングトランス２０、第１平滑用インダクタ３０および第２平滑用インダクタ４０が集積されている。

カップリングトランス２０は第１方向（Ｚ１－Ｚ２方向）に貫通する貫通孔（トランス貫通孔）２０Ｈを有し磁性材料からなるコア（トランスコア）２４を備える。カップリングトランス２０では、エネルギー蓄積よりもエネルギー伝達が主体となるため、トランスコア２４に用いられる磁性材料は、特に高い飽和磁束密度は必要とされない。したがって、トランスコア２４に用いられる磁性材料としてフェライト系軟磁性材料を用いることにより、その入手容易性の高さおよび透磁率の高さ（具体的には１０００から３５００を例示することができる。）をそのまま享受できる。

複合平滑インダクタ１０では、トランスコア２４と第１方向に並ぶよう（トランスコア２４に対してＺ１－Ｚ２方向Ｚ１側）に磁性材料からなるコア部材３４が配置され、コア部材３４はトランスコア２４に対して接着などによって固定されている。コア部材３４は、いずれも第１方向（Ｚ１－Ｚ２方向）に貫通する２つの貫通孔（第１貫通孔３０Ｈ、第２貫通孔４０Ｈ）を備え、これらの貫通孔により、コア部材３４には、機能的には、２つの非結合型コア（第１コア３４１、第２コア３４２）が形成されている（図６参照。）。具体的には、第１貫通孔３０Ｈを有する第１コア３４１がコア部材３４のＸ１－Ｘ２方向Ｘ１側に位置し、第２貫通孔４０Ｈを有する第２コア３４２がコア部材３４のＸ１－Ｘ２方向Ｘ２側に位置する。すなわち、複合平滑インダクタ１０では、第１コア３４１の第１貫通孔３０Ｈの貫通方向および第２コア３４２の第２貫通孔４０Ｈの貫通方向が第１方向（Ｚ１－Ｚ２方向）に沿うように、トランスコア２４、ならびに第１コア３４１および第２コア３４２を備えるコア部材３４は配置されている。

平滑用インダクタはエネルギー蓄積素子であるから、飽和磁束密度が可能な限り高いことが好ましい。軟磁性材料として一般的なフェライト系軟磁性材料は、入手が容易である上に透磁率が高いため、原理的には平滑用インダクタの自己インダクタンスを高めることができるが、飽和磁束密度が低いため、高い透磁率をそのまま活かすことができない。このため、コア部材３４に用いられる磁性材料としてフェライト系軟磁性材料を用いた場合には、磁気回路中にエアギャップを設けて実効透磁率を低下させた構造としなければならない。エアギャップは漏れ磁界を生じさせ、この漏れ磁界は駆動周波数が高まると、漏れ磁界がコイルの配線に影響し、渦電流による損失の増大をもたらす。損失が大きくなると、発熱の問題などが顕在化して、平滑用インダクタを小型化することが困難となる。

そこで、本発明の一実施形態に係る複合平滑インダクタ１０では、コア部材３４に用いられる磁性材料（インダクタ用磁性材料）として、飽和磁束密度が高い軟磁性材料を用いる。そのような材料として、アモルファス金属系軟磁性材料や、ナノ結晶金属系軟磁性材料が例示される。そのような材料を用いることにより、コア部材３４を構成するインダクタ用磁性材料の飽和磁束密度を７００ｍＴ以上とすることが容易となる。コア部材３４を構成するインダクタ用磁性材料の飽和磁束密度を７００ｍＴ以上とすることにより、第１平滑用インダクタ３０および第２平滑用インダクタ４０に蓄積できるエネルギーの上限が高くなり、より平滑な信号を形成することが可能となる。

これに対し、トランスコア２４に用いられる磁性材料（トランス用磁性材料）はコア部材３４に用いられる磁性材料（インダクタ用磁性材料）よりも飽和磁束密度が低い軟磁性材料を用いる。そのような材料の典型例は上記のようにフェライト系軟磁性材料である。フェライト系軟磁性材料の飽和磁束密度は、一般的に３８０ｍＴ以上５００ｍＴ以下であり、上記のインダクタ用磁性材料の飽和磁束密度に比べると低い。しかしながら、カップリングトランス２０は、原理的にはエネルギー蓄積を行わない磁性デバイスであるから、飽和磁束密度が高いことは特に求められない。むしろ、実効透磁率が高いことが重要である。この観点からすると、フェライト系軟磁性材料は１０００以上を容易に達成することが可能であり、トランス用磁性材料として好適な材料である。

本発明の一実施形態に係る複合平滑インダクタ１０では、トランスコア２４のトランス貫通孔２０ＨのＸ１－Ｘ２方向Ｘ１側の内部を通過するとともに第１コア３４１の第１貫通孔３０Ｈの内部を通過する第１コイルＣ１と、第１コイルＣ１とは絶縁状態を維持しつつトランスコア２４のトランス貫通孔２０ＨのＸ１－Ｘ２方向Ｘ２側の内部を通過するとともに、第２コア３４２の第２貫通孔４０Ｈの内部を通過する第２コイルＣ２と、を備える。複合平滑インダクタ１０において、第１コイルＣ１は、トランスコア２４のトランス貫通孔２０Ｈの内部を通過する部分および第１コア３４１の第１貫通孔３０Ｈの内部を通過する部分がいずれも第１方向（Ｘ１－Ｘ２方向）に沿うように配置され、第２コイルＣ２は、トランスコア２４のトランス貫通孔２０Ｈの内部を通過する部分および第２コア３４２の第２貫通孔４０Ｈの内部を通過する部分がいずれも第１方向（Ｘ１－Ｘ２方向）に沿うように配置される。

第１コイルＣ１および第２コイルＣ２を構成する材料は一般的なコイル用線材であればよい。第１コイルＣ１は、トランスコア２４のトランス貫通孔２０Ｈの内部および第１コア３４１の第１貫通孔３０Ｈの内部を複数回通過する第１巻回部を有し、一方の端部が入力端子１１Ａとなっている。第２コイルＣ２は、トランスコア２４のトランス貫通孔２０Ｈの内部および第２コアの第２貫通孔４０Ｈの内部を複数回通過する第２巻回部を有し、一方の端部が入力端子１１Ｂとなっている。第１コイルＣ１の他方の端部と第２コイルＣ２の他方の端部とはいずれも出力端子１２に接続されている。第１コイルＣ１の第１巻回部および第２コイルＣ２の第２巻回部はいずれも巻回軸がＹ１－Ｙ２方向に沿っている。なお、図５および図６では、入力端子１１Ａ、入力端子１１Ｂおよび出力端子１２につながる配線の表示を省略している。

ここで、第１コイルＣ１の第１巻回部および第２コイルＣ２の第２巻回部は、トランスコア２４において磁気相殺するように巻かれている。このように巻かれることによって、図１や図２に示されるような回路の具現化が可能となる。磁気相殺を適切に生じさせる観点から、第１コイルＣ１の第１巻回部の巻き数と第２コイルＣ２の第２巻回部の巻き数とは等しいことが好ましい場合がある。

このように第１コイルＣ１および第２コイルＣ２を配置することにより、カップリングトランス２０のためのコイルと第１平滑用インダクタ３０のためのコイルとを第１コイルＣ１によって共通化することが可能であり、カップリングトランス２０のためのコイルと第２平滑用インダクタ４０のためのコイルとを第２コイルＣ２によって共通化することが可能である。こうしたコイルの共通化は、複合平滑インダクタの小型化に寄与する。

図６（ａ）に示されるように、第１平滑用インダクタ３０では、第１コア３４１に対して配置された第１コイルＣ１によって、Ｚ１－Ｚ２方向に沿う中心軸を中心として周回する磁路ＬＩ１が、コア部材３４のＸ１－Ｘ２方向Ｘ１側に形成され、第２平滑用インダクタ４０では、第２コア３４２に対して配置された第２コイルＣ２によって、Ｚ１－Ｚ２方向に沿う中心軸を中心として周回する磁路ＬＩ２が、コア部材３４のＸ１－Ｘ２方向Ｘ２側に形成される。磁路ＬＩ１および磁路ＬＩ２のいずれについても、必要に応じコア部材３４にギャップを設けることにより、第１平滑用インダクタ３０および第２平滑用インダクタ４０の実効透磁率を調整することができる。

一方、図６（ｂ）に示されるように、カップリングトランス２０では、トランスコア２４に対して磁気相殺するように配置された第１コイルＣ１および第２コイルＣ２によって、Ｚ１－Ｚ２方向に沿う中心軸を中心として周回する磁路ＬＴがトランスコア２４に形成される。磁路ＬＴについて、必要に応じトランスコア２４にギャップを設けることにより、カップリングトランス２０の実効透磁率を調整することができる。

第１平滑用インダクタ３０および第２平滑用インダクタ４０に関し、材料選択やギャップの設定によって実効透磁率を調整することができる。コア部材３４のＺ１－Ｚ２方向の長さの設定によってコイルの断面積を調整することができる。コア部材３４のＹ１－Ｙ２方向の長さの設定によってコイルの長さを設定することができる。したがって、本発明の一実施形態に係る複合平滑インダクタ１０では、第１平滑用インダクタ３０および第２平滑用インダクタ４０の自己インダクタンスの設計自由度が高い。同様に、トランスコア２４の材料や形状を適切に設定することにより、第１平滑用インダクタ３０および第２平滑用インダクタ４０の自己インダクタンスの設計自由度を高く維持しつつ、カップリングトランス２０の相互インダクタンスの設計自由度を高くすることが可能である。

本発明の一実施形態に係る複合平滑インダクタ１０では、好ましい一形態として、カップリングトランス２０の相互インダクタンスＬｍは、第１平滑用インダクタ３０の自己インダクタンスＬｋおよび第２平滑用インダクタの自己インダクタンスＬｋのいずれよりも高い。カップリングトランス２０の相互インダクタンスＬｍの第１平滑用インダクタ３０および第２平滑用インダクタ４０の自己インダクタンスＬｋに対する比（Ｌｍ／Ｌｋ比）が大きくなると、カップリングトランス２０の蓄積エネルギーＥｍ（単位：μＪ）は低下する傾向がある。詳しく確認すると、Ｌｍ／Ｌｋ比が１０程度までは、Ｌｍ／Ｌｋ比の増加に合わせてカップリングトランス２０の蓄積エネルギーＥｍは大きく減少する。したがって、Ｌｍ／Ｌｋ比は、１超であることが好ましく、２以上であることがより好ましく、５以上であることがさらに好ましく、８以上であることが特に好ましい。

一方、Ｌｍ／Ｌｋ比が１０程度以降はカップリングトランス２０の蓄積エネルギーＥｍの減少の程度が小さくなり、Ｌｍ／Ｌｋ比が１５程度以上の場合には、Ｌｍ／Ｌｋ比を増加させることがカップリングトランス２０の蓄積エネルギーＥｍを低減させることに与える影響の程度は、少なくなる。また、Ｌｍ／Ｌｋ比が増加すると、ほぼ単調増加でカップリングトランス２０の漏れ成分（リーケージインダクタンス）は増大する。カップリングトランス２０の漏れ成分（リーケージインダクタンス）の増大はカップリングトランス２０の受動回路側へのエネルギー伝達率の低下をもたらし、結果的には鉄損の増大をもたらす。したがって、Ｌｍ／Ｌｋ比を過度に増加させることはカップリングトランス２０の発熱を抑制する観点から、好ましいことではない。したがって、Ｌｍ／Ｌｋ比は、１５以下とすることが好ましく、１２以下とすることがより好ましい。

本発明の一実施形態に係る複合平滑インダクタ１０では、トランスコア２４の実効透磁率はコア部材３４の実効透磁率よりも高く設定されている。具体例を挙げれば、トランスコア２４の実効透磁率は１５０以上１０００以下とすることが好ましい。前述のように、トランスコア２４を構成する磁性材料の典型例であるフェライトの透磁率は例えば１０００から３５００である。したがって、フェライトをトランスコア２４の構成材料として用いる場合には、エアギャップを設けて実効透磁率を上記の範囲に低下させればよい。トランスコア２４の構成材料（フェライトなど）の透磁率よりも実効透磁率を低下させることにより、カップリングトランス２０の使用時にトランスコア２４の最大磁束密度Ｂｍをトランスコア２４の構成材料の飽和磁束密度Ｂｓよりも十分に低い値とすることができ、カップリングトランス２０の動作安定性を高めることができる。一方、トランスコア２４の実効透磁率が過度に低い場合にはカップリングトランス２０の相互インダクタンスＬｍを所定の値に高めるためには第１コイルＣ１や第２コイルＣ２の巻き数を増やすことが求められる場合があり、このような場合には直流抵抗成分ＤＣＲが高くなってコイル（第１コイルＣ１、第２コイルＣ２）からの発熱の問題が顕在化することが懸念される。最大磁束密度ＢｍとＤＣＲ設定のトレードオフの兼ね合いはトランスコア２４にエアギャップを用い透磁率を低下させる方向の設定により行うことができる。これにより、トランスコア２４の実効透磁率は１５０以上１０００以下とすることが好ましい。一方、コア部材３４の実効透磁率を１５以上１２０以下とすることが好ましい。トランスコア２４の実効透磁率のコア部材３４の実効透磁率に対する比率は、１０以上２００以下であることが好ましく、２０以上１００以下であることがより好ましい。このように設定することにより、エネルギー蓄積素子である第１平滑用インダクタ３０および第２平滑用インダクタ４０のサイズを大きくすることなく、ＤＣ－ＤＣコンバータのリプル電流値を小さくすることが可能となる。すなわち、実効透磁率に関し上記の構成を備えることにより、複合平滑インダクタ１０を小型化することが容易となる。なお、コア部材３４を構成する材料の透磁率の範囲が上記の実効透磁率の範囲と異なり高い場合には、コア部材３４にエアギャップを適宜設けることにより、コア部材３４の実効透磁率を所望の範囲に設定することができる。

複合平滑インダクタ１０の製造方法は限定されない。第１コイルＣ１および第２コイルＣ２を与える２つの空芯コイルを用意し、カップリングトランス２０を与える２つの部分コアおよびコア部材３４を与える２つの部分コアによってこれらの空芯コイルを挟み込むことが、製造方法の一例として挙げられる。この際、２つの部分コアを密着させて固定すれば、ギャップのないカップリングトランス２０およびコア部材３４が形成され、２つの部分コアに隙間を設けて固定すれば、ギャップを有するカップリングトランス２０およびコア部材３４が形成される。

次に、図７および図８を用いて、本発明の他の一実施形態に係る複合平滑インダクタについて説明する。図７は、本発明の他の一実施形態に係る複合平滑インダクタの構造を示す、平滑用インダクタ側からの斜視図である。図８は、本発明の他の一実施形態に係る複合平滑インダクタのＶ２－Ｖ２線による断面図である。図８では、図５および図６と同様に、コイルから端子につながる配線の表示を省略している。

図７および図８に示されるように、本発明の他の一実施形態に係る複合平滑インダクタ１０１では、複合平滑インダクタ１０との対比で、第１平滑用インダクタ３０の第１貫通孔３０Ｈの貫通方向および第２平滑用インダクタの第２貫通孔４０Ｈの貫通方向が、カップリングトランス２０のトランス貫通孔２０Ｈの貫通方向と異なっている点が相違する。

第１平滑用インダクタ３０の第１貫通孔３０Ｈの貫通方向は、第２平滑用インダクタの第２貫通孔４０Ｈの貫通方向と揃っていて、いずれも、Ｘ１－Ｘ２方向に沿っている。また、第１平滑用インダクタ３０の第１コア３４１を構成する第１部材３４Ａと、第２平滑用インダクタ４０の第２コア３４２を構成する第２部材３４Ｂとは別の部材からなり、第１部材３４Ａはトランスコア２４のＺ１－Ｚ２方向Ｚ１側であってＸ１－Ｘ２方向Ｘ１側に配置され、第２部材３４Ｂはトランスコア２４のＺ１－Ｚ２方向Ｚ１側であってＸ１－Ｘ２方向Ｘ２側に配置されている。すなわち、第１コア３４１（第１部材３４Ａ）の第１貫通孔３０Ｈの内部とトランスコア２４のトランス貫通孔２０Ｈの内部とは交差し（具体的には、直交し）、第２コア３４２（第２部材３４Ｂ）の第２貫通孔４０Ｈの内部とトランスコア２４のトランス貫通孔２０Ｈの内部とは交差する（具体的には、直交する）。

このため、第１コイルＣ１は、トランスコア２４のトランス貫通孔２０Ｈの内部を通過する部分と第１コア３４１（第１部材３４Ａ）の第１貫通孔３０Ｈの内部を通過する部分との間に屈曲部ＢＰを有する。また、第２コイルＣ２は、トランスコア２４のトランス貫通孔２０Ｈの内部を通過する部分と第２コア３４２（第２部材３４Ｂ）の第２貫通孔４０Ｈの内部を通過する部分との間に屈曲部ＢＰを有する。このような構造を有することにより、複合平滑インダクタ１０１の大きさを複合平滑インダクタ１０よりも小型化することが可能となる場合がある。

複合平滑インダクタ１０１では、第１コア３４１を構成する部材（第１部材３４Ａ）と第２コア３４２を構成する部材（第２部材３４Ｂ）とが別の部材からなるため、第１部材３４Ａを構成する材料（第１インダクタ用磁性材料）と第２部材３４Ｂを構成する材料（第１インダクタ用磁性材料）とを別の材料としてもよい。この場合であっても、第１インダクタ用磁性材料の飽和磁束密度および第２インダクタ用磁性材料の飽和磁束密度をいずれもトランス用磁性材料の飽和磁束密度よりも高くすることが好ましく、いずれも７００ｍＴ以上であることが好ましい。この場合において、トランスコア２４を構成するトランス用磁性材料の飽和磁束密度は３８０ｍＴ以上５２０ｍＴ以下であることが好ましい。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。例えば、複合平滑インダクタ１０１において、第１コア３４１を構成する部材と第２コア３４２を構成する部材とは一体であってもよい。

本発明の一実施形態に係る平滑用インダクタを備える平滑化回路は、ＤＣ－ＤＣコンバータの部分回路として好適に使用されうる。また、降圧コンバータだけではなく、昇圧コンバータ、マルチフェーズで動作する絶縁型コンバータの出力平滑回路、カレントダブラー方式の整流回路などにも好適に使用しうる。

１：平滑化回路
１０、１０１：複合平滑インダクタ
１１Ａ：入力端子
１１Ｂ：入力端子
１２：出力端子
２０：カップリングトランス
２１Ａ：入力部
２１Ｂ：入力部
２２Ａ：出力部
２２Ｂ：出力部
２３Ａ：第１トランスコイル
２３Ｂ：第２トランスコイル
３０：第１平滑用インダクタ
３１：入力部
３２：出力部
３３：第１インダクタコイル
４０：第２平滑用インダクタ
４１：入力部
４２：出力部
４３：第２インダクタコイル
６０：カップルドインダクタ
６３Ａ：第１のコイル導体
６３Ｂ：第２のコイル導体
ＡＧ：エアギャップ
ＧＮＤ：グラウンド
Ｌ：負荷
ＭＣ１：第１の磁気回路
ＭＣ２：第２の磁気回路
ＯＵＴ：出力部
ＳＣ：コンデンサ
ＳＷ１：第１のスイッチ素子
ＳＷ２：第２のスイッチ素子
２４：トランスコア
２０Ｈ：トランス貫通孔
３４：コア部材
３０Ｈ：第１貫通孔
４０Ｈ：第２貫通孔
３４１：第１コア
３４２：第２コア
３４Ａ：第１部材
３４Ｂ：第２部材
Ｃ１：第１コイル
Ｃ２：第２コイル
ＬＩ１：磁路
ＬＩ２：磁路
ＬＴ：磁路
ＢＰ：屈曲部

Claims

カップリングトランス、第１平滑用インダクタおよび第２平滑用インダクタを備える複合平滑インダクタであって、
前記カップリングトランスは第１方向に貫通する貫通孔を有し磁性材料からなるトランスコアを備え、
前記第１平滑用インダクタは貫通孔を有し磁性材料からなる第１コアを備え、
前記第２平滑用インダクタは貫通孔を有し磁性材料からなる第２コアを備え、
前記複合平滑インダクタは、
前記トランスコアの貫通孔の内部を通過するとともに前記第１コアの貫通孔の内部を通過する第１コイルと、
前記第１コイルとは絶縁状態を維持しつつ前記トランスコアの貫通孔の内部を通過するとともに、前記第２コアの貫通孔の内部を通過する第２コイルと、を備え、
前記第１コアの貫通孔の貫通方向と前記第２コアの貫通孔の貫通方向とは揃っており、
第１コイルは、前記トランスコアの貫通孔の内部を通過する部分と前記第１コアの貫通孔の内部を通過する部分との間に屈曲部を有し、
第２コイルは、前記トランスコアの貫通孔の内部を通過する部分と前記第２コアの貫通孔の内部を通過する部分との間に屈曲部を有し、
前記第１コアの貫通孔の開口と前記第２コアの貫通孔の開口とが向かい合うように、前記第１コアと前記第２コアとは並んで配置されること
を特徴とする複合平滑インダクタ。
前記第１コアの貫通孔の貫通方向は前記第１方向と交差する方向であって、
前記トランスコアと前記第１コアとは前記第１方向に並ぶように配置され、
前記トランスコアと前記第２コアとは前記第１方向に並ぶように配置される、
請求項１に記載の複合平滑インダクタ。
前記第１コイルは、前記トランスコアの貫通孔および前記第１コアの貫通孔を複数回通過する第１巻回部を有し、
前記第２コイルは、前記トランスコアの貫通孔および前記第２コアの貫通孔を複数回通過する第２巻回部を有し、
前記第１巻回部および前記第２巻回部は、前記トランスコアにおいて磁気相殺するように巻かれている、
請求項１または請求項２に記載の複合平滑インダクタ。
前記カップリングトランスの相互インダクタンスの、前記第１平滑用インダクタの自己インダクタンスおよび前記第２平滑用インダクタの自己インダクタンスに対する比率は１超１２以下である、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の複合平滑インダクタ。
前記トランスコアの実効透磁率は前記第１コアの実効透磁率および前記第２コアの実効透磁率のいずれよりも高く、
前記トランスコアを構成するトランス用磁性材料の飽和磁束密度は、前記第１コアを構成する第１インダクタ用磁性材料の飽和磁束密度および前記第２コアを構成する第２インダクタ用磁性材料の飽和磁束密度のいずれよりも低い、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の複合平滑インダクタ。
前記トランスコアの効透磁率は１５０以上１０００以下であって、前記第１コアの実効透磁率および前記第２コアの実効透磁率が１５以上１２０以下である、請求項５に記載の複合平滑インダクタ。
第１のスイッチ素子と、第２のスイッチ素子と、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載される複合平滑インダクタと、コンデンサとを備える平滑化回路であって、
前記複合平滑インダクタの前記第１コイルの一方の端部に、前記第１のスイッチ素子が、前記第１のスイッチ素子から出力されたパルス信号が入力可能に接続され、
前記複合平滑インダクタの前記第２コイルの一方の端部に、前記第２のスイッチ素子が、前記第２のスイッチ素子から出力されたパルス信号が入力可能であるとともに、前記トランスコアにおいて前記第１コイルと前記第２コイルとが磁気相殺するように接続され、
前記第１コイルの他方の端部および前記第２コイルの他方の端部に前記コンデンサが接続され、前記複合平滑インダクタと前記コンデンサとの間に設けられた出力部から平滑信号が出力可能とされること
を特徴とする平滑化回路。