JP7142527B2 - Coupled inductors and switching circuits - Google Patents
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Description
本発明は、結合インダクタおよび当該結合インダクタを有するスイッチング回路に関する。 The present invention relates to coupled inductors and switching circuits comprising such coupled inductors.
近年、蓄電池を内蔵した輸送機器(例えばハイブリッドカー、電気自動車、燃料電池車等)や電子機器(例えばスマートフォン、パーソナルコンピュータ等)の電力変換回路は高出力を維持した上で小型軽量化、すなわち高電力密度化が求められている。 In recent years, the power conversion circuits of transportation equipment (e.g. hybrid cars, electric vehicles, fuel cell vehicles, etc.) and electronic equipment (e.g. smartphones, personal computers, etc.) with built-in storage batteries have been made smaller and lighter while maintaining high output. There is a demand for power density.
高電力密度化を実現する回路方式としてインターリーブ方式が注目されている。インターリーブ方式は電源を複数系統に分けて各相に位相差を持たせ、リップルなどを互いに打ち消し合う制御方式である。例えば2相のインターリーブ方式では、電流位相に180°の位相差をもたせてリップルを相殺する。インターリーブ方式を採用することにより、出力平滑コンデンサの小型軽量化やリップルの低減を図ることができる。 The interleave method is drawing attention as a circuit method for achieving high power density. The interleave method is a control method in which a power supply is divided into multiple systems and each phase has a phase difference to cancel out ripples and the like. For example, in the two-phase interleave method, the current phases are given a phase difference of 180° to cancel the ripples. By adopting the interleave method, it is possible to reduce the size and weight of the output smoothing capacitor and to reduce the ripple.
その一方で、インターリーブ方式では、インダクタの部品点数が増加するため、高電力密度化には限界がある。そこで、インターリーブ方式に加えて、各相のインダクタを磁気的に結合して利用する結合インダクタを採用することが検討されている。結合インダクタを使用する事で以下の効果が期待される。 On the other hand, the interleaved method increases the number of parts of the inductor, so there is a limit to how high power density can be achieved. Therefore, in addition to the interleave method, the use of a coupled inductor that magnetically couples inductors of each phase is being considered. The following effects are expected by using coupled inductors.
(1)従来のインターリーブ方式では並列化させた相数に等しい数のインダクタが増加することになるが、結合インダクタを用いることで、各相の巻線を単一の磁性体コアに集約させることができるため、部品点数の削減が可能となる。 (1) In the conventional interleaving method, the number of inductors equal to the number of paralleled phases increases. can reduce the number of parts.
(2)一般的にコアサイズはコア内の最大磁束が大きく関係するが、逆結合で磁気的に結合させた結合インダクタでは、巻線の直流電流から発生する直流磁束を互いに打ち消す一方で、並列化させた回路間で発生する交流磁束を共有できるため、コア内の磁束を低減でき、インダクタのサイズ低減を図ることができる。 (2) In general, the core size is greatly related to the maximum magnetic flux in the core. Since the alternating magnetic flux generated between the integrated circuits can be shared, the magnetic flux in the core can be reduced, and the size of the inductor can be reduced.
以上に述べた結合インダクタの一例として、下記特許文献1に記載されるように、二つのE形状コアと、二つのE形状コアで挟まれ、二つのコイルが巻回されたI形状コアと、一方のE形状コアの中央脚とI形状コアとの間に設けられた第1ギャップと、他方のE形状コアの中央脚とI形状コアとの間に設けられた第2ギャップとを有する2相結合インダクタが知られている。
As an example of the coupled inductor described above, as described in
近年では、特許文献1に記載された2相インターリーブの結合インダクタを3相のインターリーブ回路に応用して利用することが検討されている。3相に拡張することで、2相の場合と比べて、入力電流を分流化できるため更なる大容量化が実現できる。また、出力側平滑コンデンサの容量をさらに低減することも可能となる。
In recent years, it has been studied to apply the two-phase interleaved coupled inductor described in
3相化した結合インダクタとして、下記特許文献2に記載されるように、3つの軸体を相互に直交する3軸に沿うように配置して一体化した3軸コアを使用するものが知られている。
As a three-phase coupled inductor, there is known one that uses a three-axis core in which three shaft bodies are arranged along three mutually orthogonal axes and integrated as described in
しかしながら、3相のインターリーブ回路に適合する結合インダクタの検証は十分に進んでいない。例えば特許文献1に記載の2相結合インダクタのコアに、もう一つの脚を追加したとしても、各相の磁路長や相互インダクタンスを同じにすることができず、磁束の偏りや各相での損失のアンバランスが生じ、対称性を維持することができない。従って、結合リアクタとしての性能が低下する。
However, verification of coupled inductors compatible with three-phase interleaved circuits has not progressed sufficiently. For example, even if another leg is added to the core of the two-phase coupled inductor described in
特許文献2の3軸コアを使用する場合、3軸コアが、共通の中心部から6方向にそれぞれ突出する突出部を備えた形態であるため、コア形状が複雑であり、コアの製作に多大な工数を要する。そのため、結合インダクタの製造コストが高騰する。
When using the triaxial core of
特許文献2は3相化した結合インダクタを開示するものであるが、4相以上に多相化した結合インダクタを開示した文献は見当たらない。
Although
そこで、本発明は、安定した性能を有する、小型で安価な3相以上の多相結合インダクタを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide a small, inexpensive multiphase coupled inductor having three or more phases, which has stable performance.
以上の課題を解決するため、本発明は、インターリーブ方式の3相以上の多相スイッチング回路に用いられる結合インダクタにおいて、コアと、当該コアの複数箇所に巻回された複数の巻線とでインダクタユニットが形成され、前記インダクタユニットを複数(例えば3相スイッチング回路に使用する場合は3つ)備え、各インダクタユニットの共通のコアに巻回された前記複数の巻線が、前記スイッチング回路の異なる相にそれぞれ接続され、前記スイッチング回路の同じ相に、異なるインダクタユニットの巻線を並列に接続したことを特徴とするものである。 In order to solve the above problems, the present invention provides a coupled inductor for use in an interleaved multiphase switching circuit having three or more phases . A unit is formed comprising a plurality of said inductor units (e.g. three when used in a three-phase switching circuit), said plurality of windings wound on a common core of each inductor unit providing different windings of said switching circuit. The windings of different inductor units are connected in parallel to the same phase of the switching circuit .
このようにコアの複数箇所に複数の巻線を巻回することにより、各インダクタユニットが、複数のインダクタを磁気結合し、等価的に一つのインダクタで構成した形態となる。また、各インダクタユニットの共通のコアに巻回された複数の巻線は、スイッチング回路の異なる相にそれぞれ接続されている。かかる構成において、位相をシフトさせて多相スイッチング回路を駆動することにより、各相のインダクタ電流が相互干渉し、交互に励磁された磁束が他の巻線と鎖交する形態となる。これにより、インダクタ電流波形がスイッチング周波数の、前記相数と一致する倍数(3相スイッチング回路であれば3倍)で駆動しているような状態となる。駆動中は、各インダクタユニットで直流磁束が相互に打ち消し合う一方、交流磁束は、各インダクタユニットのコア内で共有して強め合い、あるいは打消し合いながら各コアに形成された磁束経路を循環する。従って、各インダクタユニットのインダクタンスを大きくして各コアに発生する磁束を減らすことができ、コアを小型化することができる。 By winding a plurality of windings around a plurality of locations of the core in this way, each inductor unit magnetically couples a plurality of inductors, and thus becomes equivalently composed of one inductor. A plurality of windings wound around a common core of each inductor unit are connected to different phases of the switching circuit. In such a configuration, by driving the multiphase switching circuit with a phase shift, the inductor currents of each phase interfere with each other, and alternately excited magnetic fluxes interlink with other windings. As a result, the inductor current waveform is driven at a multiple of the switching frequency that matches the number of phases (three times in the case of a three-phase switching circuit). During operation, the DC magnetic flux cancels each other out in each inductor unit, while the AC magnetic flux circulates in the magnetic flux path formed in each core while sharing and strengthening or canceling each other in the core of each inductor unit. . Therefore, the inductance of each inductor unit can be increased to reduce the magnetic flux generated in each core, and the cores can be miniaturized.
また、上記構成であれば、各インダクタユニットの磁路長や相互インダクタンスを同じ長さや値にすることが容易となる。従って、結合インダクタとしての性能を安定化させることができる。 Further, with the above configuration, it is easy to make the magnetic path length and mutual inductance of each inductor unit the same length and value. Therefore, performance as a coupled inductor can be stabilized.
特に、上記構成であれば、インダクタユニット相互間は、電気的に接続された状態にはあるが、機械的に連結された状態にはなく、相互に分離可能な状態にある。従って、各インダクタユニットの配置位置は自由に選択することができる。そのため、多相結合インダクタの配置態様の自由度を高め、設置スペースに対する制約を少なくすることができる。 In particular, with the above configuration, the inductor units are electrically connected to each other, but not mechanically connected, and are separable from each other. Therefore, the arrangement position of each inductor unit can be freely selected. Therefore, it is possible to increase the degree of freedom in arranging the polyphase coupled inductors and reduce restrictions on the installation space.
かかる構成では、共通のコアに巻回された前記複数の巻線を、当該複数の巻線で生じる磁束の直流成分が当該コアにて打消し会うように接続するのが好ましい。 In such a configuration, the plurality of windings wound around a common core are preferably connected so that the DC components of the magnetic fluxes generated by the plurality of windings cancel each other out at the core.
また、各インダクタユニットのコアは、何れもエアギャップを有しない無端ループ状に形成するのが好ましい。これにより、漏れ磁束を小さくすることができるので、漏れ磁束が巻線に到達して各巻線で渦電流を生じることによる巻線での発熱を抑制することができる。 Moreover, the core of each inductor unit is preferably formed in an endless loop shape without an air gap. As a result, leakage magnetic flux can be reduced, so that heat generation in the windings due to leakage magnetic flux reaching the windings and generating eddy currents in the windings can be suppressed.
結合インダクタでは、漏れインダクタンスを利用する必要があるため、結合係数を高くしすぎないことが必要となる。もちろん結合係数が低すぎれば、磁気結合による効果を得ることができない。従って、各インダクタユニットの結合係数は0.3以上、0.85以下であるのが好ましい。 Since the coupled inductor needs to utilize the leakage inductance, it is necessary not to make the coupling coefficient too high. Of course, if the coupling coefficient is too low, the effect of magnetic coupling cannot be obtained. Therefore, the coupling coefficient of each inductor unit is preferably 0.3 or more and 0.85 or less.
前記コアは絶縁被膜付き軟磁性粉末で形成するのが好ましい。これにより、コア材料としてフェライトを使用する場合に比べ、漏れ磁束が発生し易くなる。従って、エアギャップを設けなくても、コア全体で適度の漏れ磁束を発生させることができ、適度の結合係数を得ることが容易となる。また、漏れ磁束が流れる経路を別途設ける必要がない。従って、エアギャップ周辺での漏れ磁束による巻線の発熱を防止しつつ、多相結合インダクタの小型化を図ることができる。絶縁被膜付き軟磁性粉末を用いたコアの初透磁率は30以上、200以下が好ましい。 The core is preferably made of soft magnetic powder with an insulating coating. As a result, leakage magnetic flux is more likely to occur than when ferrite is used as the core material. Therefore, even without providing an air gap, a moderate leakage magnetic flux can be generated in the entire core, making it easy to obtain a moderate coupling coefficient. In addition, there is no need to separately provide a path through which leakage magnetic flux flows. Therefore, it is possible to reduce the size of the multiphase coupled inductor while preventing heat generation in the windings due to leakage flux around the air gap. The initial magnetic permeability of the core using soft magnetic powder with insulating coating is preferably 30 or more and 200 or less.
以上に述べた結合インダクタを使用して、インターリーブ方式の多相スイッチング回路を形成することにより、回路の高電力密度化を達成することができる。 By forming an interleaved multiphase switching circuit using the coupled inductors described above, a high power density of the circuit can be achieved.
本発明によれば、安定した性能を有する、小型で安価な3相以上の多相結合インダクタを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a small and inexpensive multiphase coupled inductor of three or more phases with stable performance.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本実施形態に係る多相結合インダクタ、特に3相結合インダクタ10の斜視図である。
図1に示すように、この3相結合インダクタ10は、3つのインダクタユニット(第一インダクタユニット1、第二インダクタユニット2、第三インダクタユニット3)を備えている。各インダクタユニット1~3は共通の構成を備えており、何れもコア7と、各コア7の二カ所に巻回された複数の巻線8とを有する。
FIG. 1 is a perspective view of a multiphase coupled inductor, particularly a three-phase coupled
As shown in FIG. 1, this three-phase coupled
なお、以下の説明において、コアを表す符号7の後に、各コアが属するインダクタユニットの番号を添え字で付している。すなわち、符号71は第一インダクタユニット1のコアを表し、符号72は第二インダクタユニット2のコアを表し、符号73は第三インダクタユニットのコアを表す。
In the following description, the number of the inductor unit to which each core belongs is attached with a subscript after the
図2に、3つのインダクタユニット1~3のうちの一つである第一インダクタユニット1の斜視図を示す。
図2に示すように、第一インダクタユニット1のコア71は、一対の脚部71と、対をなす脚部71の一端間および他端間に架橋された一対の連結部72とを有する。本実施形態では、一対の脚部71を平行に配置すると共に、連結部72を脚部71から直交する方向に配置して全体を矩形枠状に形成したコア71を例示している。コア71としては、閉ループ状の形態を有する限り任意の形態を採用することができ、矩形枠状以外にも、例えば円環状のコア(トロイダルコア)を採用することもできる。コア71には、エアギャップは設けられていない。
FIG. 2 shows a perspective view of the
As shown in FIG. 2, the
図1に示すように、残りのインダクタユニット(第二インダクタユニット2および第三インダクタユニット3)も、第一インダクタユニット1のコア71と同形状のコア72,73をそれぞれ有する。これらのコア72,73にエアギャップは設けられていない。なお、図1では、第一インダクタユニット1についてのみコア71の脚部71を破線で示し、他のインダクタユニット2,3のコア72,73については、図面の簡略化のため、脚部71の図示を省略している。
As shown in FIG. 1, the remaining inductor units (the
コア71~73は、何れも、金型を用いて軟磁性粉末を圧縮成形した後、圧粉体に焼鈍処理を施すことで製作される。軟磁性粉末としては、純鉄系、アモルファス系、軟磁性合金系(センダスト、パーマロイ等)、ナノ結晶系等からなる軟磁性金属粉末に絶縁被膜をコーティングした絶縁被膜付き軟磁性粉末を使用することができる。絶縁被膜としては、Al2O3、Y2O3、MgO、ZrO2等の金属酸化物あるいは半金属の酸化物、ガラス材料、またはこれらの混合物に、バインダーとしての樹脂材料を配合したものが使用される。焼鈍に伴ってバインダー成分は分解し、ガスとなって揮散する。この絶縁被膜付き軟磁性粉末を用いたコアの初透磁率(磁界0 A/m時の比透磁率を意味する)は、30以上200以下が好ましい。また、脚部71と連結部72は、同じ材料で形成する他、異なる材料で形成することもできる。
Each of the
各コア71~73の脚部71には、それぞれ一つずつ巻線8が装着される。従って、共通のコア71~73に巻回された巻線8は、磁気結合された状態にある。各巻線8の巻き数は同じであり、同じ導電材料で形成され、かつ同じ断面寸法を有する。従って、各巻線8は等しいインダクタンスを有する。また、同じコアに巻回された二つの巻線8は、互いに逆極性となるように接続される。具体的には、同じコアに巻回された二つの巻線8を並列に接続してそれぞれに直流電流を流した際に、各コア71~73に互いに打消し合う方向の磁束φ(図1参照)が生じるように各巻線8が接続される。
One winding 8 is attached to each
各インダクタユニット1~3において共通のコア7に巻回された二つの巻線8は、後で詳細に述べるが、3相(u相、v相、w相)のスイッチング回路のうち異なる2相に接続される。すなわち、第一インダクタユニット1の二つの巻線8のうちの一方がu相に接続されると共に他方がw相に接続され、第二インダクタユニット2の二つの巻線8のうちの一方がu相に接続すると共に他方がv相に接続される。また、第三インダクタユニット3の二つの巻線8のうちの一方がv相に接続されると共に、他方がw相に接続される。図1では、以上に述べた接続態様を、各巻線を表す符号8の後に、接続先の相をかっこ書きで付すことで表している。
Two
以上に述べた結合インダクタ10は、例えば、各インダクタユニット1~3において、一方の連結部72に二つの脚部71の一端部を固定した状態で、予め巻回した巻線8を各脚部71の外周に挿入し、その後、各脚部71の他端部に他方の連結部72を固定することによって製作される。脚部71と連結部72の固定は、例えば接着によって行うことができる。もちろん各コア71~73を一体に成形した後、脚部71に巻線8を巻回しても構わない。
In the coupled
このようにして製作した結合インダクタ10では、漏れインダクタンスを利用する必要があるため、結合係数を高くしすぎないことが必要となる。もちろん結合係数が低すぎれば、磁気結合による効果を得ることができない。以上の観点から、個々のインダクタユニット1~3の結合係数は、0.3~0.85(好ましくは0.3~0.75)の範囲に設定するのが好ましい。上記のとおりコア7の材料として絶縁被膜付き軟磁性粉末を使用することで、結合係数の調整が容易となり、この範囲内の結合係数を容易に得ることが可能となる。各インダクタユニット1~3の結合係数は同じ値にする。なお、ここでの結合係数は、JIS C 5321に規定された開放短絡法に則って、以下の式から求められる。
結合係数k=(1-Lsc/Lop)1/2
ここで、Lscは短絡L値(2線を短絡)であり、Lopは開放L値である。
Since the coupled
Coupling coefficient k = (1-Lsc/Lop) 1/2
where Lsc is the short L value (2 wires shorted) and Lop is the open L value.
以上に述べた結合インダクタ10は、図3に示す、インターリーブ方式を採用した3相(u相、v相、w相)のスイッチング回路に配置される。ここでいうスイッチング回路は、スイッチングに伴って高周波電流が流れる回路を意味する。図3では、スイッチング回路の一例として、電源回路、特にDC-DC昇圧チョッパ回路の概略構成を示している。
The above-described coupled
図3に示すように、電源Eには、結合インダクタ10の各巻線8の一端が並列に接続される。この時、既に述べたように、スイッチング回路の各相(u,v,w)には、異なるインダクタユニット1~3に設けられた、各相同数(2つ)の巻線8が接続される。具体的には、第一インダクタユニット1の二つの巻線8のうち一方8(u1)がu相に接続され、他方8(w2)がw相に接続される。また、第二インダクタユニット2の二つの巻線8のうち一方8(u2)がu相に接続され、他方8(v1)がv相に接続される。さらに、第三インダクタユニット3の二つの巻線8のうち一方8(v2)がv相に接続され、他方8(w1)がw相に接続される。このように、結合インダクタ1の各巻線8は、回路の各相にサイクリックに接続される。また、スイッチング回路の同じ相に接続される二つの巻線(例えば巻線8(u1)と巻線8(u2))は、各相で並列に接続される。
As shown in FIG. 3, the power source E is connected in parallel with one end of each winding 8 of the coupled
u相に接続された二つの巻線8(u1),8(u2)の他端は、第一ダイオードD1のアノードおよび第一スイッチング素子Q1の一端と接続され、v相に接続された二つの巻線8(v1)、8(v2)の他端は、第二ダイオードD2のアノードおよび第二スイッチング素子Q2の一端と接続される。w相に接続された二つの巻線8(w1)、8(w2)の他端は、第三ダイオードD3のアノードおよび第三スイッチング素子Q3の一端と接続される。各スイッチング素子Q1~Q3の他端は接地側に接続される。各スイッチング素子Q1~Q3は、図示しない制御装置からの制御信号により一定周期で開閉動作を繰り返す。この時、各スイッチング素子Q1~Q3は120°ずつ位相をずらして開閉動作を繰り返す。 The other ends of the two windings 8 (u1) and 8 (u2) connected to the u phase are connected to the anode of the first diode D1 and one end of the first switching element Q1, and the two windings connected to the v phase. The other ends of the windings 8(v1) and 8(v2) are connected to the anode of the second diode D2 and one end of the second switching element Q2. The other ends of the two windings 8(w1) and 8(w2) connected to the w-phase are connected to the anode of the third diode D3 and one end of the third switching element Q3. The other end of each switching element Q1-Q3 is connected to the ground side. Each of the switching elements Q1 to Q3 repeats opening and closing operations at regular intervals according to a control signal from a control device (not shown). At this time, each of the switching elements Q1 to Q3 repeats opening and closing operations while shifting the phase by 120°.
各ダイオードD1~D3のカソードから出力された電圧および電流は平滑用コンデンサCにより平滑化され、負荷Rにより消費される。 The voltage and current output from the cathode of each diode D1-D3 are smoothed by a smoothing capacitor C and consumed by a load R.
昇圧チョッパ回路を単体(1相)で構成するシングルフェーズ方式の場合、出力側の平滑用コンデンサに送られる電流が断続的となるため、平滑用コンデンサは激しい充電と放電を繰り返す。そのため、平滑用コンデンサに大きな容量が必要となり、平滑用コンデンサが大型化する。これに対し、回路を並列化して動作させる図3のインターリーブ方式(マルチフェーズ方式)では、各相を交互にスイッチングさせるように制御を行うため、平滑用コンデンサCの蓄積電荷変動が低減され、平滑用コンデンサCの小型化を達成することができる。 In the case of a single-phase system in which the boost chopper circuit is composed of a single unit (one phase), the current sent to the smoothing capacitor on the output side is intermittent, so the smoothing capacitor repeats vigorous charging and discharging. Therefore, a large capacity is required for the smoothing capacitor, and the size of the smoothing capacitor is increased. On the other hand, in the interleave method (multiphase method) shown in FIG. 3, in which circuits are operated in parallel, each phase is controlled to alternately switch. The miniaturization of the capacitor C can be achieved.
加えて、インターリーブ回路を3相に拡張しているので、2相のインターリーブ回路と比べて、入力電流を分流化できるため更なる大容量化が実現できる。また、出力側平滑コンデンサの容量をさらに低減することも可能となる。 In addition, since the interleaved circuit is extended to three phases, the input current can be split compared to a two-phase interleaved circuit, so that a further increase in capacity can be achieved. Also, it is possible to further reduce the capacity of the smoothing capacitor on the output side.
本実施形態の3相結合インダクタ1では、各インダクタユニット1~3が、二つのインダクタを磁気結合し、等価的に一つのインダクタで構成した形態になっている。また、各インダクタユニット1~3の共通のコアに巻回された二つの巻線(例えば8(u1)と8(w2))は、スイッチング回路の異なる二つの相(例えばu相とw相)にそれぞれ接続されている。つまり、異なる相に接続された二つの巻線が磁気結合されることになる。かかる構成において、電流位相をシフトさせて3相インターリーブ方式の昇圧チョッパ回路を駆動することにより、各相のインダクタ電流Iu,Iv,Iwが相互干渉し、交互に励磁された磁束が他の巻線と鎖交する形態となる。これにより、インダクタ電流波形がスイッチング周波数の3倍で駆動しているような状態となる。
In the three-phase coupled
図1に示すように、結合インダクタ10の動作中は、各インダクタユニット1~3でインダクタ平均電流から発生する直流磁束φが相互に打ち消し合う。その一方で、交流磁束は、各インダクタユニット1~3のコア内で共有して強め合い、あるいは打消し合いながら各コア71~73に形成された無端ループ状の磁束経路を循環する。このように、直流磁束を互いに打消し合うことでコア内磁束を低減できる一方で、交流成分の磁束が循環する磁束経路が形成されるため、各インダクタユニット1~3のインダクタンスが大きくなる。従って、コア71~73に発生する磁束を減らしてコア71~73を小型化することができ、リプル幅が小さく、重畳特性を良化した小型の結合インダクタ10を提供することが可能となる。
As shown in FIG. 1, during the operation of the coupled
また、本実施形態の結合インダクタ10では、各インダクタユニット1~3が同一構造で形成されるので、各インダクタユニット1~3の磁路長や相互インダクタンスを同じ値にすることができる。従って、結合インダクタ10としての性能を安定化させることが可能となる。
Further, in the coupled
さらに、各コア71~73の磁束経路にエアギャップが形成されておらず、各コア71~73が閉磁路を形成するため、漏れ磁束が小さくなる。従って、漏れ磁束が各巻線8に到達し、各巻線で渦電流を生じることによる巻線8の発熱を防止することができる。またインダクタンスの低下も防止することができる。これにより小型でありながら巻線8での発熱の小さい3相結合インダクタ10を提供することが可能となる。
Furthermore, no air gap is formed in the magnetic flux paths of the
コア71~73の材料として一般的なフェライトで形成した場合、フェライトの初透磁率が高い(2300程度)ため、漏れ磁束が少なくなる。そのため、インダクタを大型化しないとリプル幅を抑制できず、小型化の要請に応えることができない。漏れ磁束を多くするためには磁束経路にエアギャップを設けるのが有効であるが、これでは既に述べたように巻線8での発熱の問題を生じる。これに対し、本実施形態のように、絶縁被膜付き軟磁性粉末を使用して初透磁率30~200のコア71~73を形成することにより、エアギャップを設けない場合でも適度の結合係数(0.30~0.85)を得ることができる。そのため、エアギャップを設けた場合に問題となる巻線8での発熱を防止しつつ、安定したリプル抑制効果および直流電流重畳特性を有する小型の結合インダクタ10を提供することができる。
When the
本実施形態の結合インダクタ1においては、各インダクタユニット1~3が、配線を通じて電気的な接続状態にあるが、機械的に連結された状態にはない。つまり、個々のインダクタユニット1~3は分離可能な状態にある。そのため、各インダクタユニット1~3を任意の位置に配置することができる。例えば、図1に示すように、各インダクタユニット1~3を巻線軸方向から見た平面視で三角形の各頂点位置に配置する形態を採用することもできるし、あるいは図4に示すように、各インダクタユニット1~3を一列に展開し、各巻線軸が同一平面上に位置するように平面的に配置する形態を採用することもできる。さらに、一つのインダクタユニットを、他の二つのインダクタユニットから離れた位置に配置することも可能となる。従って、3相結合インダクタ10の配置態様の自由度を高めて、設置スペースに対する制約を少なくすることができる。
In the coupled
特に図4に示す配置態様であれば、回路基板等に設けたインダクタ設置面(100:図7参照)に対し、結合インダクタ10を、各巻線軸が当該インダクタ設置面と平行な同一平面上に位置するように配置することが可能となる。この場合、各巻線8からインダクタ設置面までの距離が均一化されるため、各巻線8の放熱性を均一化することができる。従って、各巻線8の温度上昇幅を均一化し、各巻線8における磁気特性のばらつきを抑えることができる。また、放熱用の別部品の設置が不要となるので、結合インダクタ10全体の体格を小型化することができる。
In particular, in the arrangement shown in FIG. 4, each winding axis of the coupled
また、コア71~73としては、U-U形コアやトロイダルコアといった無端ループ状の簡素な形態の既存コアを採用することができる。従って、特許文献2に記載のような複雑で立体的な構造のコアを準備する必要がなく、コア71~73の製造コストを低廉化することができる。
As the
次に本実施形態に係る結合インダクタ10について、その効果を確認する確認試験を行ったので、その詳細および結果を説明する。
Next, confirmation tests were conducted to confirm the effect of the coupled
この確認試験では、図1に示す結合インダクタ10を図3に示す3相インターリーブ方式の昇圧チョッパ回路に使用し、デューティ比を変化させた時の出力電圧を測定している。各巻線8のインダクタンスは200μH、各インダクタユニット1~3の結合係数は0.7、入力電圧はDC400Vとしている。また、各相間の位相ずれは120°であり、50kHzでスイッチングさせている。
In this confirmation test, the coupled
図5に示す試験結果から明らかなように、本実施形態によれば、デューティ比の増加に応じて出力電圧が増加している。従って、本実施形態の結合インダクタ1を使用した場合でも、昇圧回路として問題なく動作することが確認された。
As is clear from the test results shown in FIG. 5, according to this embodiment, the output voltage increases as the duty ratio increases. Therefore, it was confirmed that even when the coupled
図6は、図3に示すスイッチング回路において、u相の電流Iuと、u相に接続した巻線8(u1)の電流Iu1と、u相に接続した巻線8(u2)の電流Iu2を測定した結果を示すものである(結合係数を0.5、周波数を55kHz、デューティ比を0.65としている)。 FIG. 6 shows, in the switching circuit shown in FIG. The results of measuring Iu2 are shown (coupling coefficient is 0.5, frequency is 55 kHz, and duty ratio is 0.65).
図6から明らかなように、Iuに対し、各巻線の平均電流および各巻線電流のリプル幅がそれぞれ半分となっている。また、各巻線電流には、傾斜の緩い領域X,Yが生じており、巻線8(u1),8(u2)が磁気結合された影響を見ることができる。 As is clear from FIG. 6, the average current of each winding and the ripple width of each winding current are halved with respect to Iu . In each winding current, gentle slope regions X and Y are generated, and the influence of the magnetic coupling of the windings 8(u1) and 8(u2) can be seen.
以上の説明では、3相化した結合インダクタ10を例示したが、同様の構成を採用することにより、4相以上に多相化した結合インダクタを提供することもできる。
In the above description, the three-phase coupled
この多相結合インダクタにおいては、「相数×(相数-1)/2」個のコアおよびインダクタユニットが使用される。例えば3相であれば3個、4相であれば6個、5相であれば10個、6相であれば15個、7相であれば21個のコアおよびインダクタユニットが使用される。また、各コアには、2つの巻線8が装着されるため、結合インダクタ全体の巻線数はコアの数の2倍となる。
In this multiphase coupled inductor, “number of phases×(number of phases−1)/2” cores and inductor units are used. For example, 3 cores and inductor units are used for 3 phases, 6 for 4 phases, 10 for 5 phases, 15 for 6 phases, and 21 for 7 phases. Also, since two
図7に、多相結合インダクタの一例として4相結合インダクタ11を示す。この結合インダクタ11は、第一~第六インダクタユニット1~6を備える。各インダクタユニット1~6は、既に述べた3相結合インダクタ10で説明したインダクタユニット1~3と同じ構成を有し、それぞれコア7(71~76)と、コア7の180°対向位置に配置した二つの巻線8とを有する。なお、図7では、各コア7としてトロイダルコアを使用した場合を例示している。
FIG. 7 shows a four-phase coupled
図8に、上記の4相結合インダクタ11を使用した、インターリーブ方式の4相スイッチング回路を示す。図8に示すように、4相(a相、b相、c相,d相)の各相には、それぞれ3つの巻線8が並列に接続される。すなわち、a相には巻線8(a1),8(a2),8(a3)が接続され、b相には巻線8(b1),8(b2),8(b3)が接続される。c相には巻線8(c1),8(c2),8(c3)が接続され、d相には巻線8(d1),8(d2),8(d3)が接続される。
FIG. 8 shows an interleaved four-phase switching circuit using the four-phase coupled
なお、多相スイッチング回路のスイッチング素子Q1~Q4は、360°を相数で割った角度分だけ電流位相がずれるように開閉動作を行う。従って、4相スイッチング回路では、各スイッチング素子Q1~Q4は90°ずつ位相をずらして開閉動作を繰り返す。 The switching elements Q1 to Q4 of the polyphase switching circuit perform switching operations so that the current phases are shifted by an angle obtained by dividing 360° by the number of phases. Therefore, in the four-phase switching circuit, the switching elements Q1 to Q4 repeat opening and closing operations while shifting the phase by 90°.
3相結合インダクタと同様に、4相結合インダクタにおいても、共通のコア7に巻回された二つの巻線8(例えば8(a1)と8(b1))は、4相のスイッチング回路のうち異なる2相(a相、b相)に接続される。逆にいえば、図8に示す12個の巻線8のうち、異なる相に接続された二つの巻線が共通のコア7に巻回することにより磁気結合される。例えば、以下に列挙した組み合わせの二つの巻線が、共通のコア7に装着することで磁気結合される(図7参照)。
・巻線8(a1)と巻線8(b1)
・巻線8(a2)と巻線8(c1)
・巻線8(a3)と巻線8(d1)
・巻線8(b2)と巻線8(c2)
・巻線8(b3)と巻線8(d2)
・巻線8(c3)と巻線8(d3)
As with the three-phase coupled inductor, also in the four-phase coupled inductor, two windings 8 (e.g., 8(a1) and 8(b1)) wound on a
・Winding 8 (a1) and winding 8 (b1)
・Winding 8 (a2) and winding 8 (c1)
・Winding 8 (a3) and winding 8 (d1)
・Winding 8 (b2) and winding 8 (c2)
・Winding 8 (b3) and winding 8 (d2)
・Winding 8 (c3) and winding 8 (d3)
図9は、図8に示すスイッチング回路において、a相の電流Iaと、a相に接続した巻線8(a1)の電流Ia1と、a相に接続した巻線8(a2)の電流Ia2と、a相に接続した巻線8(a3)の電流Ia3とを測定した結果を示すものである(結合係数を0.5、周波数を55kHz、デューティ比を0.65としている)。 FIG. 9 shows, in the switching circuit shown in FIG. It shows the result of measuring I a2 and the current I a3 of the winding 8 (a3) connected to the a-phase (coupling coefficient is 0.5, frequency is 55 kHz, and duty ratio is 0.65). .
図9から明らかなように、Iaに対し、各巻線の平均電流および各巻線電流のリプル幅がそれぞれ1/3となっている。また、各巻線電流には、3相化した場合と同様に、傾斜の緩い領域が生じており、巻線8(a1),8(a2),8(a3)が磁気結合された影響を見ることができる。 As is clear from FIG. 9, the average current of each winding and the ripple width of each winding current are each 1/3 of Ia . In addition, each winding current has a region with a gentle slope as in the case of three phases, and the effect of magnetic coupling of the windings 8 (a1), 8 (a2), and 8 (a3) can be seen. be able to.
このように4相化した結合インダクタ11においても、既に述べた3相結合インダクタ10と同様の作用効果を得ることができる。5相以上に多相化した場合も、共通のコア7に巻回された二つの巻線8を異なる2相に接続することにより、同様の作用効果を得ることができる。
In the coupled
図10は、多相結合インダクタにおいて、相数を変化させた時の各種特性の変化をまとめた表である。 FIG. 10 is a table summarizing changes in various characteristics when the number of phases is changed in a multiphase coupled inductor.
図10の各項目のうち、「並列数」は各相に並列接続すべき巻線の数である。「I(相)」は各相の電流値を表し、「I(巻線)」は各巻線の電流値を表す。「R」は巻線の抵抗値の和を表し、「P(銅)」は1コアあたりの巻線の放熱量(銅損)を表す。Lは、各相数で必要とされるインダクタンス値を表し、「銅線径」は「P(銅)」の値から必要とされる、巻線を形成する銅線の径寸法を表す。「H」は、H=N×I/l(lは磁路長、Nは巻数、Iは電流値)で表され、この値が小さいほど直流重畳特性が良化することを意味する。「ΔI」は各コアにおけるリプル幅を表し、ΔBは磁束密度の変化量(ΔB=μ×H)を表す。「P(鉄)」は結合インダクタ全体のコアの放熱量(鉄損)を表す。なお、図10では、各項目の1相スイッチング回路での値を1としている。 Among the items in FIG. 10, "parallel number" is the number of windings to be connected in parallel to each phase. "I (phase)" represents the current value of each phase, and "I (winding)" represents the current value of each winding. "R" represents the sum of the resistance values of the windings, and "P (copper)" represents the heat radiation amount (copper loss) of the windings per core. L represents the inductance value required for each phase number, and "copper wire diameter" represents the diameter dimension of the copper wire forming the winding required from the value of "P (copper)". “H” is represented by H=N×I/l (l is the magnetic path length, N is the number of turns, and I is the current value), and the smaller this value, the better the DC superimposition characteristics. “ΔI” represents the ripple width in each core, and ΔB represents the amount of change in magnetic flux density (ΔB=μ×H). "P (iron)" represents the heat radiation amount (iron loss) of the core of the entire coupled inductor. In FIG. 10, the value of each item is 1 for a one-phase switching circuit.
図10の「銅S」の値から、多相結合インダクタにおいては、相数が増すほど銅線径を小さくできることが理解できる。従って、相数が増えるほど、巻線製作が容易となり、低コスト化を達成することが可能となる。また、「H」の値から、相数が増えるほど重畳磁化力が低下し、直流重畳特性が良化することも理解できる。さらに、「L」の値から、相数が増えるほど必要L値が増加すること、「ΔB」および「P鉄」の値から、相数が増えるほど鉄損を低減できること、も理解できる。また、「P(銅)」の結果から、相数が増えるほど個々のコア7での銅損(巻線の放熱量)が減少する。従って、結合インダクタ全体の放熱量を分散させて、熱管理を容易化することもできる。
From the value of "copper S" in FIG. 10, it can be understood that the copper wire diameter can be made smaller as the number of phases increases in the multiphase coupled inductor. Therefore, as the number of phases increases, it becomes easier to manufacture windings, and it becomes possible to achieve cost reduction. It can also be understood from the value of "H" that the superimposed magnetizing force decreases as the number of phases increases, and the DC superimposition characteristics improve. Furthermore, from the value of "L", it can be understood that the required L value increases as the number of phases increases, and from the values of "ΔB" and "P-iron", it can be understood that the iron loss can be reduced as the number of phases increases. Moreover, from the result of "P (copper)", the copper loss (the amount of heat radiation of the winding) in each
なお、図7では、各インダクタユニット(1~6)を、各巻線軸が同一平面上に位置するように平面的に配置している。そのため、各インダクタユニット(1~6)をインダクタ設置面100上に配置した際には、各巻線8からインダクタ設置面100までの距離が均一化される。従って、各巻線8の放熱性を均一化することができ、各巻線8の温度上昇幅を均一化して各巻線8における磁気特性のばらつきを抑えることができる。また、結合インダクタ11が平面的な形態となるため、高さ寸法を小さくすることもできる。
In FIG. 7, each inductor unit (1 to 6) is planarly arranged so that each winding axis is positioned on the same plane. Therefore, when the inductor units (1 to 6) are arranged on the
図11に示すように、各インダクタユニット(1~6)はインダクタ設置面100上で一列に配置することもできる。このように本実施形態の多相結合インダクタは、各インダクタユニット(1~6)が分離可能な状態にあるため、形状自由度が高いという利点を有する。
As shown in FIG. 11, each inductor unit (1-6) can also be arranged in a line on the
以上の説明では、結合インダクタ10,11を昇圧チョッパ回路に配置する場合を例示したが、以上に述べた結合インダクタ10,11は、インターリーブ方式の多相のスイッチング回路を有するものであれば任意の回路に使用できる。例えば、PFC(power factor correction)回路、コンバータ回路、インバータ回路等における変圧用途(降圧、昇圧を問わない)、インバータ用途、コンバータ用途等に使用することができる。
In the above description, the case where the coupled
1 第一インダクタユニット
2 第二インダクタユニット
3 第三インダクタユニット
4 第四インダクタユニット
5 第五インダクタユニット
6 第六インダクタユニット
7 コア
8 巻線
10 結合インダクタ(3相)
11 結合インダクタ(4相)
71 脚部
72 連結部
1
11 Coupled inductor (4-phase)
71
Claims (8)
コアと、当該コアの複数箇所に巻回された複数の巻線とでインダクタユニットが形成され、
前記インダクタユニットを複数備え、
各インダクタユニットの共通のコアに巻回された前記複数の巻線が、前記スイッチング回路の異なる相にそれぞれ接続され、
前記スイッチング回路の同じ相に、異なるインダクタユニットの巻線を並列に接続したことを特徴とする結合インダクタ。 In a coupled inductor used in an interleaved three or more phase multiphase switching circuit,
an inductor unit is formed by a core and a plurality of windings wound around a plurality of locations of the core;
comprising a plurality of the inductor units,
the plurality of windings wound around a common core of each inductor unit are respectively connected to different phases of the switching circuit;
A coupled inductor characterized in that windings of different inductor units are connected in parallel to the same phase of the switching circuit .
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