JPH03241801A - 誘導電磁器およびこれを用いたスイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ この発明は、巻線電流の大きさに応じてインダクタンス
が変化する変成器またはチョークのような誘導電磁器に
関するものである。

［従来の技術及び課題］ 一般に、変成器やチ奮−りのような誘導電磁器を作成す
る場合、磁気回路を構成するコアを、透磁率の高い材料
で形成し、このコアに巻線を施すが、コアの性質として
、ある一定の磁束密度までは高透磁率を示すが、それ以
上になると磁気飽和を起し、正常な変成器またはチョー
クとしての機能を発揮できなくなるので、コアは磁気飽
和が起こらない範囲で使用する必要がある。そこで、飽
和磁束密度を越えないようにコアにギャップを設け、磁
気抵抗を増加させることが行われる。このような変成器
またはチョークは、直流酸分が重畳された交流が巻線に
通電される場合に一般に用いられる手段である。

ところで、このようにギャップを設けた誘導電磁器のイ
ンダクタンスを、巻線の電流によって誘起される磁界の
強さに応じて変化させたい場合がある。

たとえば、ギャップが設けられた変成器をスイッチング
電源装置に用いた場合、二次側の負荷電流が大きいとき
は一次側巻線に蓄積されたエネルギは二次側の負荷によ
り有効に消費されるが、二次側の負荷電流が小さくなっ
たとき、−次側に蓄積されたエネルギは行き場を失い、
−次側の電圧の上昇となって現われ、−次側のスイッチ
ング素子の電極に過剰な電圧がかかって、このスイッチ
グ素子を破壊するおそれがある。また、自動発振型のス
イッチング電源装置では、その発振が不安定となること
もある。

そこで従来、スナバ−回路と呼ばれるエネルギ放出回路
を設けて、蓄積するエネルギを放出することが行われて
いる。

しかしながら、このスナバ−回路は、低負荷時にも高負
荷時にもエネルギを無駄に放出するので、スイッチング
電源装置の変換効率を落すことになり、出力電力比で見
た場合、特に低負荷時の変換効率を大きく低下させる原
因となっている。

また、変成器を使用しないで、入力電流をチョークを介
して取り出すタイプのスイッチング電源装置においても
、やはり低負荷時にスイッチング素子に過剰な電圧がか
かって、スイッチング素子が破壊されるるおそれがある
。

そこで、低負荷時のコアのインダクタンスを高めて、低
負荷時に入力側の電流を抑制することが考えられる。こ
れが、前述した「誘導電磁器のインダクタンスを巻線の
電流値に応じて変化させたい場合」の−例である。

また、一般の電気回路において、リップル抑制用として
チョークが使用される。このチョークのリップル抑制効
果は、インダクタンスと、チョークの巻線電流の時間的
変動とに比例する。したがって、巻線に直流が重畳され
た交流が流れる場合、負荷の変動に対してチョークのイ
ンダクタンスが一定であると、直流成分の大小、つまり
負荷の大小にかかわらず、リップル抑制効果は交流成分
の時間的変動にのみ比例することになる。その結果、直
流成分の小さい低負荷時には、電流レベルに対する相対
的なリップル抑制効果が、高負荷時よりも低下する。

そこで、やはり低負荷時にチョークのインダクタンスを
大きくして、低負荷時のリップル抑制効果を高めること
が考えられる。これが、「誘導電磁器のインダクタンス
を磁界の強さに応じて変化させたい場合」のもう一つの
例である。

このように低負荷時のインダクタンスを大きくするため
に、第８図のように、コア６２と同一材料からなるブロ
ック６６を、コア６２のギャップ６５に挿入することが
考えられる。このようなブロック付きにすると、第９図
に示すとおり、ギャップ付き型■と比較して、このブロ
ック付き型■の方が、ブロック６６が磁気飽和するまで
の低負荷時には、インダクタンスが高くなる。

ところが、ギャップ付き型■では、ギャップ無し型工と
比較して、インダクタンス曲線が右側へ長く延びた特性
、つまり、磁気抵抗の高いギャップによって、ギャップ
無し型工の限界動作点ＦＯよりも高負荷の限界動作点Ｆ
１まで磁気飽和しない特性が付加されているのに対し、
ブロック付き型■では、ブロック６６の存在により、磁
束の方向Ａから見て、ギャップ６５の一部がなくなって
いるので、ギャップ付き型ＩＩよりもコアの磁気抵抗が
小さくなる結果、磁気飽和点Ｆ３が上記Ｆ１よりも低負
荷側（第９図の左側）ヘシフトし、動作領域が狭くなっ
て、高負荷での作動が不可能になる。また、ギャップの
一部がなくなった形なので、磁化特性。リュアリティを
失い、第９図に示すように、中負荷時にインダクタンス
が急激に低下する結果、中負荷時の効率の良い作動が不
可能になる。しかも、コア６２よりも幅が狭いブロック
６６に大きな磁束集中が起こるので、ヒステリシス損に
起因する過度の発熱により、経時的にブロック６６の温
度がキュリーポイントに近づいて磁性を失い、その結果
、ブロック６６が存在しないのと同じ状態になって、ギ
ャップ付き型Ｉｆと同一の磁化特性となり、低負荷時に
インダクタンスが高くなる特長が失われるという問題も
ある。

この発明は、上記課題を解決し、高負荷での作動を可能
にするというギャップの利点を錐持しながら、インダク
タンスが巻線電流による磁界の強さに応じて適宜変化す
る誘導電磁器を提供することを第１の目的としている。

この発明の第２の目的は、スイッチング電源装置の入力
側に貯まる低負荷時のエネルギ蓄積量を軽減して、スイ
ッチング素子の破壊の防止または変換効率の向上を実現
するとともに、高負荷での正常な変換動作を保証するこ
とにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、この発明の誘導電磁器では
、１種または複数種の軟磁性体の粉末を非磁性の基材内
に分散させた充填材を作成し、この充填材をコアのギャ
ップに挿入している。

このような誘導電磁器は、たとえば、リップル抑制用の
チョーク、またはスイッチング電源装置における変成器
もしくは変換用チョークとし、て使用される。

［作用コ この発明によれば、ギヤー７ブに挿入された充填材中の
軟磁性体の粉末により、誘導電磁器のインダクタンスが
、＠線電流による磁界が弱い低負荷時において、高負荷
時よりも大きくなる。まｔ、軟磁性体の粉末が飽和した
のちは、充填材に含まれた非磁性の基材が大きな磁気抵
抗となるの゛で、高負荷領域まで磁気飽和を起こさない
。

したがって、このような低負荷時のインダクタンスが大
きい誘導電磁器を、す７プル抑制用のチョークとして使
用すると、低負荷時のリップル抑制効果が向上する。

さらに、この発明の誘導電磁器を、変成器または変換用
チョークとしてスイッチング電源刺ｈ゛組み込むと、低
負荷時に入力側の電流が減少するから、それだけ入力側
に蓄積されるエネルギが少なくなる一方で、高負荷領域
まで磁気飽和を起こさないことから、高負荷での正常な
変換動作が保証される。

［実施例］ 以下、この発明の実施例を図面にしたがって説明する。

第１図は第１実施例を示すもので、変成器１１の磁気回
路を形成するフェライト製のコア１２に、−次巻線１３
および二次巻線１４が施されており、上記コア１２の途
中を切断してギャップ１５が設けられている。このギャ
ップ１５には、軟磁性体の粉末を非磁性の基材内に分散
してなる充填材１６が挿入されている。

°この例では、上記軟磁性体の粉末として、コア１２の
材料よりも透磁率の高いフェライトを機械的に粉砕した
粒子を使用し、基材としてエポキシ樹脂を使用しており
、上記フェライトの粒子を液状のエポキシ樹脂中に分散
させ、加熱、固化させて充填材１６を形成している。

ここで、軟磁性体の粉末の材料は、その透磁率がコア１
２と同程度またはこれより低くてもよく、種々の軟磁性
体材料から適宜選択できる。また、基材としては、上記
エポキシ樹脂の外に、シリコン樹脂、フェノール樹脂な
ど、種々の非磁性材料を適宜選択できる。

軟磁性体の粉末の大きさは、　１〜１００←鳳程度が好
ましく、　１００　ｇ　ｍを越えると、構造的に前述の
軟磁性体ブロックに近づくので、軟磁性体ブロックと同
様な欠点が現われ、　１７１ｍ未満では。

基材への分散密度を上げようとすると粘土が上り過ぎて
、充填材１６の製造が容易でなくなる。

また、充填材１６の製造方法としては、エポキシ系樹脂
のような熱硬化性樹脂の単量体に、上記フェライトのよ
うな軟磁性体の粉末を分散させて液状の充填材を作り、
これをギャップ１５内に挿入したのち、加熱して重合反
応により樹脂を硬化させ、固形の充填材１６を得る方法
もある。

上記充填材１６がギヤー７プ１５に挿入されたこの発明
のコア１２と、第２図に示す従来の変成器２１における
充填材の無いギャップ付きコア２２の磁化特性を第３図
に示す。

第３図において、従来のギャップ付き型■１は、ギャッ
プ無し型Ｉよりも勾配の緩やかな磁化特性を示し、した
がって、ギャップ無し型工の限界動作点ＦＯよりも高負
荷の限界動作点Ｆ１まで飽和を起こさない利点を宥する
が、その磁化曲線Ｍ２２の勾配が一定であることかられ
かるように、インダクタンス（上記勾配に比例）は、巻
線電流が作る磁界の変化、つまり負荷の変化にかかわら
ず一定である。これに対し、充填材付きコア１２は、そ
の磁化曲線Ｍ１の勾配が低負荷動作点ＦＬにおいて大き
くなっていることかられかるように、低負荷動作点ＦＬ
でのインダクタンスが高くなっており、他方、高負荷動
作点ＦＨでは、磁化曲線Ｍ１の勾配は低下し、高負荷で
のインダクタンスは、ギャップ付き型■と同程度になる
。したがって、充填材付きコア１２が飽和する限界動作
点Ｆ２は、従来のギャップ付きコア２２が飽和する限界
動作点Ｆ１よりも若干高負荷側に移る。

上記従来のギャップ付き型ＩＩのコア２２と、この第１
実施例に係る充填材付きコア１２のインダクタンスを第
４ａ図に示す。

第４ａ図において、従来のギャップ付き型■は、前述の
とおり、巻線電流が作る磁界の変化。

つまり負荷の変化にかかわらず、はぼ一定のインダクタ
ンスを示し、かつ高負荷の限界動作点Ｆ１まで飽和を起
こさないインダクタンス曲線Ｐ２２を有している。これ
に対し、この実施例に係る充填材付きコア１２は、低負
荷時にインダクタンスが高く、かつ低負荷時に飽和を起
こす充填材１６のインダクタンス曲線Ｐ１６と、上記ギ
ャップ付き型Ｈのコア２２のインダクタンス曲線Ｐ２２
とを合成したものに相当するインダクタンス曲線Ｐ１を
有する。

つまり、巻線電流による磁界が弱い低負荷時には、充填
材１６中の軟磁性体の粉末により、高いインダクタンス
を示す、ここで、軟磁性体の粉末は充填材中に分散して
いるから、第８図で説明したブロック６６とは異なり、
磁束の集中が起きないので、過熱によって軟磁性体の粉
末が磁性を失うおそれはなく、したがって、上記した低
負荷時の大きなインダクタンスが保証される。

他方、上記磁界が強くなると、充填材１６に含まれた磁
性体の粉末の体積がコア１２よりも小さいために、この
粉末がコア１２よりも先に磁気飽和を起こすが、充填材
１６に含まれた非磁性の基材が、大きな磁気抵抗となる
ので、結局、高負荷時には、従来のギャップ付き型■の
インダクタンス曲ｆｉＰ２２とほぼ同一の磁気特性を示
し、その限界動作点Ｆ１を若干越える限界動作点Ｆ２ま
で磁気飽和を起こさない。

このように、上記構成によれば、充填材１６中の軟磁性
体の粉末により、変成器１１のインダクタンスが５巻線
電流による磁界が弱い低負荷時に、高負荷時よりも大き
くなる。また、上記軟磁性体の粉末が飽和したのちは、
充填材に含まれた非磁性の基材が、大きな磁気抵抗とな
るので、コアはギャップが存在するのと同様な磁気特性
を示し、高負荷領域まで磁気飽和を起こさないから、高
負荷での使用が可能になる。

上記実施例では１種類の軟磁性体の粉末を使用したが、
これとは異なり、複数種類の軟磁性体の粉末を混入して
もよい、たとえば、センダスト、マンガン亜鉛系フェラ
イトおよびニッケルマンガン系フェライトの各粉末を用
意し、これらを適当な比率で、非磁性の基材内に分散さ
せて充填材１６を形成し、この充填材１６を第１図のギ
ャッ７’１５に挿入する。こうすると、第４ｂ図に示す
ように、上記各粉末のインダクタンス曲線Ｐ１６ａ。

Ｐ　１ｆ３ｂ、Ｐ　１ｌｌｌｃと、ギャップ付き型■の
インダクタンス曲ｆｉＰ２２とを合成したものに相当す
るインダクタンス曲線Ｐ２が得られる。この曲線Ｐ２は
、曲線Ｐ１と比べて、中負荷時のインダクタンスが増大
したスムースな形状になっている。軟磁性体の材料は、
一般に、種類が異なれば透磁率と飽和特性が異なるので
、これら粉末を適当な比率で混入することにより、各粉
末が寄与するインダクタンスの大きさと、飽和による限
界動作点の位置。

つまり飽和を超こす磁界または負荷の大きさとを適宜調
節して、インダクタンス曲線Ｐ２を目的に合致した最適
な形状に近づけることができる。

つぎに、上記充填材付きコア１２を有する変成器１１を
、自励発振フライバック型のスイッチング電源装置の変
成器として使用した場合の一例を第５図に示す。

第５図の変成器１１は、−次巻線１３および二次巻線１
４に加えて、自動発振のための信号帰還用巻線３１を備
えている。直流電源３２は、たとえば商用電源からの入
力を整流した電源であり、この直流電源３２に変成器１
１が接続されている。また、変成器１１には、トランジ
スタからなる第１のスイッチング素子３３が直列接続さ
れており、この第１のスイッチング素子３３のコレクタ
に、ダイオード３４．抵抗体３５およびコンデンサ３６
からなるスナバ−回路と呼ばれるエネルギ放出回路３７
が接続されている。自動発振回路３８は、上記信号帰還
用巻線３１、定電圧素子３９、抵抗体４０．コンデンサ
４１および第２のスイッチング素子４２からなり、この
自励発振回路３８と分圧用の抵抗体４３とで分圧された
電圧が、第１のスイッチング素子３３のベースに印加さ
れている。変成器１１の二次巻線１４からは、ダイオー
ド４５と、平滑用のコンデンサ４６とを介して、出力端
子４７．４７から直流出力電圧が取り出され、負荷４８
に供給される。

上記構成において、変成器１１は、低負荷時のインダク
タンスが高くなっているから、低負荷時に一次巻線１３
に流れる電流が減少するので、それだけ−次側に蓄積さ
れるエネルギが少なくなる。したがって、第１のスイッ
チング素子３３のコレクタの電圧が過大となるのが防止
されるので、エネルギ放出回路３７によって放出される
エネルギが少なくなる結果、スイッチング電源装置の変
換効率が向上する。なお、エネルギ放出回路３７を有し
ない装置では、上記第１のスイッチング素子３３のコレ
クタ電圧が過大となるのが防止される結果、第１のスイ
ッチング素子３３の破壊が防止される。

また、過大なコレクタ電圧が発生しないことから、自励
発振動作が安定化される。

さらに、前述のように、変成器１１のコア１２は、その
充填材１６中の軟磁性体の粉末が飽和したのち、非磁性
体の基材が大きなｍ気抵抗となるので、ギャップが存在
するのと同様な磁気特性を示し、高負荷領域まで磁気飽
和を超こさないので、高負荷時の正常な変換動作が保証
される。

なお、上記第５図は自助発振フライバック型であったが
、この発明の変成器１１は、他動発振フライバック型に
使用しても、自動発振動作が安定化される効果を除いて
、全く同一の効果が得られる。

つぎに、この充填材１６付きコア１２を、第６図に示す
ようなチョーク５１として使用する場合について説明す
る。コア１２に巻線５２を施したチョーク５１を、す７
プル抑制用として電気回路に組み込むと、巻線５２を流
れる電流によって誘起される磁界が弱い低負荷時に、チ
ョーク５１のインダクタンスが大きくなるから、負荷の
大小にかかわらすインダクタンスが一定な従来のチョー
クと比較して、低負荷時のリップル抑制効果が向上する
。

また、このチョーク５１は、変成器を使用しないスイッ
チング電源装置の変換用チョークとしても使用できる。

すなわち、第７図に示すように、電源３２かもの入力電
流が、スイッチング素子５３およびダイオード５５を介
して変換用のチョーク５１に供給され、フィードバック
型制御回路５７によって動作が制御される上記スイッチ
ング素子５３のスイッチング動作により、所望の比率に
変換された出力が平滑用コンデンサ５６を通して取り出
され、出力端子４７．４７から負荷４８に供給される。

この第７図の実施例によれば、第５図で説明した場合と
同様に、チョーク５１は低負荷時のインダクタンスが大
きいから、低負荷時にチョーク５１の巻線５２に流れる
電流が減少するので、それだけ入力側に蓄積されるエネ
ルギが少なくなる。その結果、スイッチング素子５３の
電極電圧が過大となるのが防止されて、スイッチング素
子５３の破壊が防止される。勿論、上記チョーク５１は
高負荷領域まで磁気飽和を起こさないので、高負荷時の
正常な変換動作が保証される。

なお、上記第７図のスイッチング電源装置はフィードバ
ック型であったが、この発明をフォワード型のスイッチ
ング電源装置のチョークに適用しても、上記と同一の効
果が得られる。

〔発明の効果〕

上述のとおり、この発明によれば、ギャップに挿入され
た充填材中の軟磁性体の粉末により、変成器またはチョ
ークのような誘導電磁器のインダクタンスを、巻線電流
による磁界が弱い低負荷時に大きくなるよう変化させる
ことができる。ここで、軟磁性体の粉末は充填材中に分
散されているので、この粉末が磁束集中による加熱によ
って経時的に磁性を失うおそれはなく、したがって、低
負荷時に大きなインダクタンスを持つ上記特性が保証さ
れる。

また、上記軟磁性体の粉末が磁気飽和を起こしたのちは
、充填材中の非磁性体の基材が、大きな磁気抵抗を示す
から、高負荷領域まで磁気飽和を起こさないので、高負
荷でも使用できる。

さらに、低負荷時のインダクタンスを高くした誘導電磁
器を、変成器または変換用チョークとしてスイッチング
電源装置に組み込むと、低負荷時に入力側の電流が減少
するから、それだけ入力側に蓄積されるエネルギが少な
くなる。その結果、エネルギ放出回路を有する場合には
、無駄に放出されるエネルギが少なくなって、変換効率
が向上し、エネルギ放出回路を有しない場合には、スイ
ッチング素子の破壊が防止される。しかも、充填材中の
基材の作用により、高負荷での正常な変換動作が保証さ
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の誘導電磁器の一実施例を示す変成器
の斜視図、第２図は従来例を示す変成器の斜視図、第３
図は磁化の強さを示す特性図、第４ａ図および第４ｂ図
はインダクタンスを示す特性図、第５図は第１図の変成
器を用いたスイッチング電源装置の一例を示す回路図、
第６図はこの発明の他の実施例を示すチョークの正面図
、第７図は第６図のチョークを用いたスイッチング電源
装置の一例を示す回路図、第８図は従来のブロック付き
誘導電磁器を示す正面図、第９図は従来の誘導電磁器の
インダクタンスを示す特性図である。 １１・・・変成器、１２・・・・コア、１３，１４．５
２・・・巻線、１５・・・ギャップ、１６・・・充填材
、３３・・・スイッチング素子、３７・・・エネルギ放
出回路、４８・・・負荷。 ５１・・・チョーク。 第４０図 第 図 ＬＦＯ Ｈ ＩＦ２ 征Ｒ（爽希） 第４ｂ図 徹 芥（貞薊） 征芥 （＊両） 第 図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）巻線が施されて磁気回路を形成するコアにギャッ
   プを設け、このギャップに、１種または複数種の軟磁性
   体の粉末が非磁性の基材内に分散されてなる充填材を挿
   入した誘導電磁器。
2. （２）変成器またはチョークの入力側にスイッチング素
   子が接続され、このスイッチング素子のスイッチング動
   作により、上記誘導電磁器から変換された出力を取り出
   すスイッチング電源装置において、上記変成器またはチ
   ョークとして、請求項１に記載の誘導電磁器を用いたこ
   とを特徴とするスイッチング電源装置。