KR100514955B1

KR100514955B1 - 가포화리액터용자기코어,자기증폭기형다출력스위칭레귤레이터및자기증폭기형다출력스위칭레귤레이터를구비한컴퓨터

Info

Publication number: KR100514955B1
Application number: KR10-1998-0041318A
Authority: KR
Inventors: 신 나카지마; 히로히코 미키; 사다미 쿠보타; 무쯔히토 사카구치
Original assignee: 히다찌긴조꾸가부시끼가이사
Priority date: 1997-09-26
Filing date: 1998-09-26
Publication date: 2005-12-12
Also published as: US6270592B1; US6504737B2; JPH11102827A; CN1215901A; US20010032685A1; CN1139084C; DE19844132B4; KR19990030328A; DE19844132A1; TW405131B

Abstract

필수 합금성분으로서 Fe, Cu, 및 M(여기서, M은 Nb, W, Ta, Zr, Hf, Ti, 및 Mo로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 성분임)을 함유하고, 100nm 이하의 평균 입자크기를 가지는 미세 결정질 입자인 면적비에서 적어도 50%의 합금 구조를 가지는 Fe계 연자성 합금으로 이루어진 가포화 리액터에 사용하기 위한 자기코어가 개시된다. 이 자기코어는 0.12 T 이하의 잔류 동작 자속밀도 △Bb, 2.0T 이상의 총 제어동작 자속밀도 △Br, 및 방정식: Gr=0.8×(△Br-△Bb)/Hr에 의해 계산된 0.10-.20T/(A/m)의 총 제어이득 Gr의 제어 자성을 가지며, 여기서 Hr은 0.8×(△Br-△Bb)+△Bb에 해당하는 제어 자화력으로 정의되는 총 제어자화력이다.

Description

가포화 리액터용 자기 코어, 자기 증폭기형 다출력 스위칭 레귤레이터 및 자기 증폭기형 다출력 스위칭 레귤레이터를 구비한 컴퓨터{MAGNETIC CORE FOR SATURABLE REACTOR, MAGNETIC AMPLIFIER TYPE MULTI-OUTPUT SWITCHING REGULATOR AND COMPUTER HAVING MAGNETIC AMPLIFIER TYPE MULTI-OUTPUT SWITCHING REGULATOR}

본 발명은 가포화 리액터에 사용되는 자기 코어, 자기 증폭기에 의해 출력전압을 제어하는 다출력 스위칭 레귤레이터, 및 이러한 다출력 스위칭 레귤레이터를 구비한 컴퓨터에 관한 것이다.

다출력 스위칭 레귤레이터는 개인용 컴퓨터와 사무용 컴퓨터에 사용되어 왔다. 예를 들면, 가장 전형적인 테스크탑 개인용 컴퓨터인 PC AT-X형 컴퓨터에서, 다섯 개의 출력, 즉 +5V 출력(1.5-20A), +3.3V 출력(0-20A), +12V 출력(0.2-8A), -5V 출력(0-0.3A) 및 -12V 출력(0-0.4A)을 갖는 다출력 스위칭 레귤레이터가 큰 출력용량이 요구될 때 사용된다. 상기 다섯 출력 스위칭 레귤레이터에서, 메인 회로는 단일 스위칭 소자를 구비한 순방향 컨버터(forward converter) 또는 하프 브리지 컨버터(half bridge converter)를 포함한다. 메인 출력(+5V 출력)은 메인 트랜스포머의 1 차측에 위치한 스위칭 소자의 펄스폭 변조에 의해 제어되고, 2차 출력들(+3.3V, +12V, -5V 및 -12V 출력)은 메인 트랜스포머의 2차측에서 제어된다.

메인 트랜스포머의 2차측에서 2차 출력을 제어하기 위한 방법중 하나는 메인 트랜스포머의 2차측에 배열된 자기 증폭기에 의한 제어이다. 자기 증폭기는 기본적으로 메인 부품으로서 가포화 리액터, 다이오드 및 에러 증폭기를 포함한다. 이 방법은 반도체 소자를 사용하는 초퍼 회로(chopper circuit)와 드롭퍼 회로(dropper circuit)를 사용하는 제어에 의해 얻어질 수 없었던 작은 사이즈, 높은 효율, 낮은 소음발생 및 높은 신뢰도를 동시에 얻을 수 있는 장점이 있다. 제어 소자로서 기능하는 가포화 리액터에서의 손실이 부하 전류가 큰 경우라도 초퍼 회로 또는 드롭퍼 회로에서 사용되는 반도체 제어 소자에서의 손실에 비하여 작기 때문에, 특히 고휴율의 관점에서 자기 증폭기에 의한 제어가 저전압 및 큰 부하전류를 갖는 출력을 제어하는 데 장점이 있다는 것은 이 기술분야에서 공지되어 있다. 따라서, PC AT-X형 개인용 컴퓨터용 다출력 스위칭 레귤레이터에 있어서, 자기 증폭기는 큰 부하전류를 갖는 +3.3V 및 +12V 출력을 제어하는 데 널리 사용되고 있다. 본 발명에서는, 자기 증폭기를 이용하는 스위칭 레귤레이터가 자기 증폭기형 스위칭 레귤레이터로 언급된다.

자기 증폭기형 다출력 스위칭 레귤레이터의 스위칭 주파수는 일반적으로 약 50-200kHz로 설정된다. 따라서, Co계(Co-based) 비정질 코어는 자기 증폭기의 가포화 리액터용 자기 코어로서 널리 사용되어왔다. 그러나, Co계 비정질 코어를 갖는 가포화 리액터와 결합된 자기 증폭기형 다출력 스위칭 레귤레이터에서는, 자기 증폭기에 의해 제어되는 2차 출력전압은 가포화 리액터용 리셋 전류 Ir가 제로가 되더라도 부하전류가 증가하는 경우에는 가포화 리액터에 의한 전압강하로 인해 기준값보다 낮다. 출력전압강하는 코어의 잔류 동작 자속밀도 △Bb와, 가포화 리액터와 직렬로 연결된 다이오드로부터의 역회복전류 Irr에 의한 가포화 리액터의 리셋에 기인한다.

코어 크기와 가포화 리액터의 권선수가 일정한 경우에 가포화 리액터에 의한 전압강하는 잔류 동작 자속밀도△Bb의 증가와 더불어 증가한다. 또한, 다이오드로부터의 역회복전류 Irr에 의해 설정될 자속밀도 △Br는 코어 크기와 가포화 리액터의 권선수가 일정한 경우에 작은 제어 자화력에 의해 더 큰 제어 자속밀도 △B를 얻는 코어에서 더 크다.

이와 관련하여, 비정질 50%-Ni 퍼멀로이 코어가 작은 잔류 동작 자속밀도 △Bb를 보이며 Co계 비정질 코어에 적용되는 것과 동일한 제어 자화력에 의해 자화된 경우에 작은 제어 자속밀도 △B를 얻기 때문에, 가포화 리액터에 의한 전압강하는 코어크기와 가포화 리액터의 권선수가 동일한 경우에 Co계 비정질 코어를 사용할 때보다 이방성 50%-Ni 퍼멀로이 코어(anisotropic 50%-Ni permalloy core)를 사용할 때에 더 작다. 그러나, 비정질 50%-Ni 퍼멀로이 코어가 큰 주파수 범위에서 큰 코어 손실을 보이기 때문에 스위칭 주파수는 최대 약 20kHz로 제한되며, 이러한 사용은 극히 증가된 권선수를 요구하여 가포화 리액터의 심각한 온도상승을 일으키기 때문에 20 kHz보다 큰 스위칭 주파수에서 비정질 50%-Ni 퍼멀로이 코어를 사용하는 것이 비실용적이라는 것은 이 기술분야에서 알려져 있다. 따라서, 이방성 50%-Ni 퍼멀로이 코어는 자기 증폭기형 다출력 스위칭 레귤레이터의 크기를 감소시킬 수 없으므로 작은 크기를 요하는 개인용 컴퓨터와 같은 용도에는 적합하지 않다.

본 발명에서는, △B, △Bb 및 △Br이 도5에 나타낸 것과 같이 정의되며, 여기서 Br은 잔류 자속밀도이고, H는 제어 자화력이고, H_Lm은 게이트 자화력의 최대값이다.

예들 들면, PC AT-X형 데스크탑 PC에 사용되는 자기 증폭기형 다출력 스위칭 레귤이터에서, 메인 출력(+5V 출력)과 2차 출력(+3.3V 출력)은 +5V 출력과 +3.3V 출력사이의 전위차가 작기 때문에 일반적으로 트랜시포머와 동일한 2차 권선으로 얻어진다. 따라서, +3.3V 출력에서의 전압강하가 +5V 출력용 2차 권선 및 +5V출력용 2차 권선의 권선수보다 큰 권선수를 갖는 +3.3V 출력용 2차 권선을 사용하여 없애질 수 없다는 것은 알려져 있다.

상기 단점을 없애기 위하여, 일본 특허공보 제 2-61177은 직렬연결된 정류 다이오드와 제어 소자를 포함하는 리셋 회로가 가포화 리액터의 양단부에 병렬로 연결되어 제어 소자에 의해 가포화 리액터의 리셋을 제어하는 자기 증폭기를 개시하고 있다. 그러나, 상기 자기 증폭기는 자기 증폭기형 다출력 스위칭 레귤레이터의 적은 수의 회로소자와 같은 장점을 잃게 하는 적어도 4개의 추가 회로 소자를 필요로 한다.

일본 특허 공개공보 제63-56168에는 가포화 리액터가 출력용 메인 권선이외에 단락회로를 형성하기 위한 권선을 가짐으로써 부동시간(dead time) 및 정류 다이오드의 역회복전류 Irr에 의한 가포화 리액터의 리셋에 기인한 출력전압의 강하를 없애는 자기 제어형 스위칭 레귤레이터를 개시하고 있다. 그러나, 이 방법은 부가적인 단락회로용 권선, 단락회로에서 능동 소자 역할을 하는 부가적인 다이오드, 및 부가적인 다이오드로부터의 역회복 전류가 가포화 리액터의 전압강하를 일으키기 때문에 일본 특허공보 제2-61177에 개시된 방법에 비하여 가포화 리액터의 전압 강하를 방지하는 데 불충분하다.

일본 특허공보 제 7-77167에는 필수 성분으로서 Fe, Cu 및 M을 함유하는 Fe계 합금으로 이루어진 자기 코어를 개시하고 있으며, 여기서 M은 Nb, W, Ta, Zr, Hf, Ti, 및 Mo로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 성분이다. 이 자기코어로 만들어진 가포화 리액터는 높은 사각비(squareness ratio)를 가지며 적은 코어 손실 및 높은 자속밀도를 보인다고 기재되어 있다. 그러나, 이 자기코어는 제조공정동안 충격 또는 쇼크로 인한 증가된 △Bb를 보이며, 이러한 문제는 거기에 개시된 제조방법에 의해 없애지지 않았다. 따라서, 이 자기코어로 만들어진 가포화 리액터를 이용하는 자기 증폭기형 다출력 스위칭 레귤레이터는 부하전류가 큰 경우에 기준값보다 낮은 출력전압을 생성한다.

따라서, 본 발명의 목적은 감소된 수의 회로 소자로 구성되며 안정된 출력을 제공할 수 있는 높은 신뢰성의 다출력 스위칭 레귤레이터를 제공하는 것이다.

상기 목적에 비추어 집중적인 연구의 결과로서, 본 발명가는 특정 화학조성, 특정 합금구조 및 특정 제어 자성을 갖는 Fe계 합금으로 만들어진 자기 코어를 가지는 가포화 리액터가 리셋전류 Ir가 제로일 경우에 낮은 전압강하를 나타내며 적은 리셋전류 Ir에 의해 큰 제어 자속밀도 △B를 얻는다는 것을 알게 되었다. 이러한 가포화 리액터로, 가포화 리액터의 권선의 권선수가 감소되었고 큰 부하전류 및 무부하에서의 가포화 리액터의 온도상승이 최소화되었다. 이것을 기초로, 발명자는 이러한 가포화 리액터를 갖는 자기 증폭기를 이용하는 다출력 스위칭 레귤레이터가 자기 증폭기에 의해 제어되는 2차 출력전압이 부하전류가 증가하는 경우라도 기준값보다 낮아지는 것을 방지하고, 높은 주파수에서 동작될 수 있어, 작은 크기, 높은 효율 및 높은 신뢰성을 갖는 자기 증폭기형 다출력 스위칭 레귤레이터를 제공한다는 것을 더 알게 되었다.

따라서, 본 발명의 제 1 측면에 따르면, 필수 합금 성분으로서 Fe, Cu 및 M(여기서, M은 Nb, W, Ta, Zr, Hf, Ti 및 Mo로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 성분임)을 함유하고 100nm 이하의 평균 입자크기를 가지는 미세 결정질 입자인 면적비에서 적어도 50%인 합금 구조를 가지는 Fe계 연자성합금(Fe-based soft-magnetic alloy)으로 만들어진 가포화 리액터에 사용하기 위한 자기 코어가 제공되며, 상기 자기코어는 온-듀티 비를 갖는 50kHz의 단극성 장방형 전압(monopolar rectangular voltage)을 사용하여 25℃의 코어온도에서 측정된 경우에. (1) 0.12T 이하의 잔류 동작 자속밀도 △Bb; (2) 2.0T이상의 총 제어동작 자속밀도 △Br; 및 (3) 방정식 Gr=0.8x (△Br-△Bb)/Hr에 의해 계산된 0.10-0.20 T/(Am)의 총 제어 이득 Gr의 제어 자성을 가지며, 상기 Hr은 0.8x (△Br-△Bb)+△Bb에 해당하는 제어 자화력으로 정의되는 총 제어 자화력이다.

본 발명의 제 2 측면에 따르면, 상술한 바와 같이 자기 코어로 구성된 가포화 리액터를 포함하는 자기 증폭기를 구비한 다출력 스위칭 레귤레이터가 제공된다.

본 발명의 자기 코어는 필수 합금성분 Fe, Cu 및 M을 함유하는 Fe계 연자성 합금(Fe-based soft-magnetic alloy)으로 만들어지며, 여기서 M은 Nb, W, Ta, Zr, Hf, Ti 및 Mo로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 성분이고, 합금 구조의 면적비에서 적어도 50%는 100nm 이하의 평균 입자크기를 가지는 미세 결정질 입자이다.

본 발명에 따른 자기 코어용으로 사용되는 Fe계 연자성 합금은 다음의 방정식으로 표현되는 화학조성비를 가진다.

(Fe_1-aX_a)_100-x-y-z-αCu_xSi_yB_zM_αM'_βM''_γ

여기서, X는 Co 및/또는 Ni이고, M은 Nb, W, Ta, Zr, Hf, Ti 및 Mo로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 성분이며, M'은 V, Cr, Mn, At, 백금 그룹원소, Sc, Y, 희토류원소, Au, Zn, Sn 및 Re으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 성분이며, M"는 C, Ge, P, Ga, Sb, In, Be 및 As로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 성분이고, a, x, y, z, α , β 및 γ는 각각 0≤ a≤ 0.5, 0.1≤ x≤ 3, 0 ≤ y ≤ 30, 0≤ z≤ 25, 5≤ y+z ≤ 30, 0.1≤α≤ 30, 0 ≤β≤ 10 및 0 ≤γ≤ 10을 충족한다.

Fe는 최대 a=0.5의 범위내에서 Co 및/또는 Ni로 대체될 수 있다.“ a”가 0.5를 초과하는 경우에는, 자기코어의 제어자성이 떨어진다. 그러나, 낮은 코어손실 및 자기변형(magnetostriction)과 같은 우수한 자성을 가지기 위해서는,“ a”는 바람직하게는 0-0.1 이다. 특히, 낮은 자기변형 합금을 제공하기 위해서는,“ a”의 범위는 바람직하게는 0-0.05 이다.

Cu는 필수적인 요소이며, 그 함량“ x”는 0.1-3 원자% 이다. 이것이 0.1 원자% 이하인 경우에는, Cu 첨가의 실질적인 효과를 얻을 수 없다. 한편, 3 원자% 을 초과할 경우에는, 최종 자기코어는 Cu를 함유하지 않은 것에 비하여 열등한 제어 자성을 가진다.

Cu와 Fe는 양의 상호작용 파라미터를 가지기 때문에 그 용해도가 낮다. 따라서, 합금이 비정질인 동안에 가열되면, 철 원자 또는 구리 원자는 모여서 덩어리를 형성하는 경향이 있어서 조성상 변동(compositional fluctuation)을 만든다. 이것은 결정화되기 쉬운 많은 도메인을 만들어서 미세한 결정 입자를 생성하는 핵을 제공한다. 이러한 결정입자는 Fe계이며, Cu가 Fe에서 실질적으로 용해되지 않기 때문에 Cu는 미세 결정입자로부터 방출되어 결정입자부근에서의 Cu 함량이 높아진다. 이것은 아마도 결정입자의 성장을 억제할 것이다. 아주 많은 수의 핵의 생성과 Cu의 첨가에 의한 결정입자의 성장의 억제 때문에, 결정입자는 미세하게 되며, 이 현상은 Nb, W, Ta, Zr, Hf, Ti 및 Mo로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 필수 기본 금속원소 M의 첨가에 의하여 가속된다.

필수적인 기본 금속원소 M은 합금의 결정화 온도를 상승시키는 기능을 한다. 덩어리를 형성하는 기능을 하여 결정화 온도를 낮추는 Cu와 협동하여, M은 석출된 결정입자의 성장을 억제하여 미세화시킨다. M("α ")의 함량은 0.1-30 원자%이다. 필수 기본금속원소의 첨가없이, 결정입자는 완전히 미세하게 되지 않기 때문에 최종 자기코어의 연자성은 열등하다. 30 원자%를 초과하는 함량은 포화 자속밀도의 큰 감소를 일으킨다. 특히, Nb와 Mo은 효과적이며, 특히 Nb는 결정입자를 미세하게 하는 역할을 하여 우수한 연자성을 제공한다.

Si와 B는 특히 합금 구조를 미세하게 하는 원소이다. Fe계 연자성 합금은 통상 Si와 B를 첨가하여 비정질합금을 형성하고 열처리로 미세한 결정입자들을 형성함으로써 만들어진다. 자기 코어는 극히 감소된 포화 자속밀도를 가질 것이기 때문에, Si(“ y”)의 함량과 B(“ z”)의 함량은 0 ≤ y ≤ 30 원자%, 0≤ z≤ 25 원자%, 및 5 ≤ y+z ≤ 30 원자%이다.

V, Cr, Mn, At, 백금 그룹원소, Sc, Y, 희토류원소, Au, Zn, Sn 및 Re로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 성분인 M'는 내부식성 또는 자성을 향상시키고 자기변형을 조절할 목적으로 선택적으로 첨가될 수 있지만, 그 함량은 최대 10 원자%이다. M'의 함량이 10 원자%을 초과하는 경우에는, 포화 자속밀도의 큰 감소가 일어난다.

Fe계 연자성 합금은 C, Ge, P, Ga, Sb, In, Be, 및 As로 이루어진 그룹에서 선택된 10원자% 이하의 적어도 하나의 원소 M"을 함유할 수 있다. 이러한 원소들은 합금을 비정질로 만드는데 효과적이며, Si 및 B와 함께 첨가될 때 그것들은 합금을 비정질화하데 도움을 주며 합금의 자기변형 및 퀴리온도(Curie temperature)를 조절하는 데에도 효과적이다.

본 발명에서 사용된 Fe계 연자성 합금은 광현미경사진으로 판단하였을 경우에 미세 결정입자로 이루어진 면적비에서 적어도 50%인 합금구조를 가진다. 이러한 결정입자는 Si 및 B등이 용해된 bcc구조를 갖는 α -Fe계이다. 이러한 결정 입자는 100nm 이하의 극히 작은 평균입자크기를 가지며, 합금 구조내에 균일하게 분포되어 있다. 덧붙여 말하자면, 결정 입자의 평균 입자크기는 각 입자의 최대 크기를 현미경사진으로 측정하여 그 평균을 취함으로써 결정된다. 평균입자크기가 100nm을 초과하는 경우에는, 우수한 연자성이 얻어질 수 없다. 평균입자크기의 하한은 일반적으로 약 5nm이다. 미세한 결정입자들이외의 합금구조의 나머지 부분은 주로 비정질일 수 있다. 합금구조의 실질적으로 100%을 점유하는 미세한 결정입자라도, Fe계 연자성 합금은 충분히 우수한 자성을 가진다.

본 발명의 Fe계 연자성 합금 및 자기코어는, 예를 들어 다음의 방법으로 제조된다. 먼저, 상기 화학조성을 가지는 합금 용융물을 단일 롤 방법, 트윈 롤 방법 등과 같은 공지된 액상 급냉방법으로 급속냉각시켜 비정질 합금 리본(amorphous alloy ribbons)을 형성한다. 일반적으로 비정질 합금 리본은 5-100㎛의 두께를 가지며, 25㎛ 이하의 두께를 가지는 것은 고주파 사용을 위한 자기코어재로서 특히 적합하다. 비정질합금은 결정상을 포함할 수 있지만, 합금 구조는 후속 열처리에 의한 일정한 미세 결정입자의 형성을 확보하기 위하여 실질적으로 비정질인 것이 바람직하다.

그리고, 비정질 리본은 비정질 리본의 길이방향으로 인장력을 가한 상태에서 환상 형상으로 감는다. 인장력은 리본의 mm폭당 20gf 이하이며, 바람직하게는 mm폭당 12gf 이하이다. 이 범위내에서 인장력을 가함으로써, 비정질 리본에서 생성된 응력은 자기코어의 잔류 동작자속밀도 △Bb가 증가하는 것을 방지하기 위하여 감소된다. 환상으로 감겨진 리본의 두께 공차는 가포화 리액터의 제조동안에 환상 자기 코어로의 충격 또는 쇼크로 인한 잔류 동작 자속밀도 △Bb의 증가를 방지하기 위하여“ 리본의 폭 +0.3mm”의 범위내에 있어야 한다. 상기 범위의 인장력과 상기 범위내의 두께공차의 응용은 자기코어가 본 발명의 제어 자성을 얻는데 중요하다. 세라믹 등으로 만들어진 절연코팅은 절연코팅층을 리본위에 놓고 그것을 함께 감음으로써 인접한 리본층 사이에 개재될 수 있다.

그리고, 환상으로 감긴 리본은 질소 분위기와 같은 불활성 가스 분위기에서 감긴 리본의 자기 경로를 따라 200A/m 이상의 자장을 가하면서 열처리를 받게된다. 온도은 5-15℃/min의 온도상승율로 합금의 화학적 조정에 따라 실온에서 비정질 리본이 결정화되지 않는 온도, 일반적으로 440-480℃로 상승되고, 거기서 10-60 분동안 유지된다. 상기 예열에 의해, 온도상승동안 열처리로에서 생기는 온도 구배가 최소화된다. 예열의 온도는 결정화가 개시되지 않을만큼 높게 하는 것이 바람직하다. 예열한 후에, 온도는 1-5℃/min의 온도상승율로 540-580℃로 상승하고 거기서 0.5-2 시간동안 유지시켜 비정질 리본을 결정화시킨다. 그리고, 온도는 1.5-7.3℃/min의 냉각율로 약 100℃로 낮아지고. 그리고나서 실온으로 되어 외경 6-100mm, 내경 4-80 mm 및 두께 2-25mm를 갖는, 도 2에 도시된 것과 같은, 본 발명의 환상 자기 코어를 얻게 된다.

따라서, 제조된 자기코어는 실리콘 그리스로, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 등으로 만들어진 절연 수지케이스에 배치되며, 적절한 권선수를 갖는 권선이 그 둘레로 감아서 도3에 도시된 가포화 리액터가 얻어진다. 본 발명에서, 감소된 권선수로 고성능이 얻어진다.

상술한 방식으로 제조된 자기코어는 0.5의 온-듀티비(on-duty ratio)로 50kHz의 단극성 사각전압에 의해 동작되는 동안에 25℃의 코어온도에서 측정된 경우에 다음의 제어 자성을 가진다.

잔류 동작 자속밀도 △Bb는 0.12T 이하이며, 바람직하게는 0.08T 이하이다. 0.12T보다 큰 △Bb는 20kHz 이상의 주파수에서 구동될 때 자기 증폭기의 출력의 제어가능한 범위를 더 좁게 만든다. 총 제어동작자속밀도 △Br는 2.0T 이상이며, 바람직하게는 2.0-3.0T이다. 자기 증폭기에서 사용된 가포화 리액터는 20kHz 이상의 주파수에서 구동될 때 증가된 권선수를 필요로 하기 때문에 2.0T 보다 작은 △Br은 바람직하지 않다.

총 제어이득 Gr은 0.10-0.20 T/(A/m)이다. 총 제어 이득 Gr은 다음의 식으로 계산된다:

Gr=0.8× (△Br-△Bb)/Hr

여기서, Hr은 0.8× (△Br-△Bb)+△Bb에 해당하는 제어 자화력으로서 정의된 총 제어 자화력이다. Gr이 상기 범위를 벗어난 경우에는, 자기 증폭기의 가포화 리액터는 극히 큰 제어전력을 필요로 한다.

상기 제어물성은 도 4에 도시된 측정회로를 사용하여 측정하였다. 자기 증폭기에서 사용된 가포화 리액터 SR의 출력권선에 해당하는 권선 N_L은 저항 R_L을 통해 AC 전원 Eg에 연결된다. 권선 Nc는 제어 권선이며, 인덕터 Lc와 저항 Rc을 거쳐서 가변 DC 전원 Ec에 연결된다. 권선 Nv은 △B을 결정하는 권선이다. Q는 스위칭 트랜지스터이다. 부동시간동안에 단자전압 e_v의 적분값은 디지털 오실로스코우프 Os에 의해 결정되고, 권선 Nv의 권선수와 코어의 유효단면적에 의해 나누어져 △B를 얻게 된다. 도 5에 도시된 바와 같이, △Bb는 최대 자속밀도 Bm와 잔류 자속밀도 Br사이의 차이다. △Br은 방정식 △Br=△B-△Bb에 의해 △B와 관련지어진다. 제어 자화력 H는 i_c의 측정값과 권선 Nc의 권선수의 곱을 코어의 평균 자기경로로 나눔으로써 얻어졌다.

도 1에, 본 발명의 가포화 리액터를 구비한 자기 증폭기형 다출력 스위칭 레귤레이터의 바람직한 실시예의 회로가 도시되어 있다. 스위칭 레귤레이터는 메인 트랜스포머(4)의 1 단측의 1차 회로와, 메인 트랜스포머(4)의 2차측의 2차 회로를 포함한다.

1차 회로는 기본적으로 각각 직렬로 연결된 입력 DC 전원(1), 스위칭 소자(2)(MOS-FET:metal oxide semiconductor-field effect transistor) 및 1차 권선(5)을 포함한다. 다이오드(3)와 다른 하나의 1차 권선(6)이 도 1에 도시된 바와 같이 1 차 회로에 결합된다.

2차 회로는 스위칭 소자(2)의 펄스폭 제어 기능에 의해 (출력 단자(16과 25)사이의) 메인 출력 V1을 제어 및 안정화시키기 위한 메인 출력회로와, 2차 출력회로를 포함한다. 도 1에 도시된 메인 출력회로는 단일 스위칭 소자를 구비한 순방향 컨버터(forward converter)이며 기본적으로 입력 DC 전원(1), 스위칭 소자(2), 트랜스포머(4), 다이오드(21,22), 평활 초우크 코일(23), 및 평활 캐패시터(12)를 포함한다. 2차 출력회로는 (출력단자(16과 15)사이의) 2차 출력 V2을 제어 및 안정화하기 위한 자기 증폭기, 다이오드(9,10,14), 평활 초우크 코일(11), 및 평활 캐패시터(12)를 포함한다. 도 1에 도시된 자기 증폭기는 라메이의 급속-응답 형(Ramey's quick-response type)이며 가포화 리액터(8), 다이오드(9), 다이오드(14) 및 에러 증폭기(13)를 포함한다. 다이오드(9)의 애노우드 부분은 가포화 리액터(8)에 연결되고, 다이오드(14)의 캐소우드 부분은 가포화 리액터(8)와 다이오드(9) 사이의 노드에 분류배열(shunt configuration)로 연결되며, 그의 애노우드 부분은 에러 증폭기(13)를 통해 출력 터미널(16)에 연결된다.

본 발명의 자기 증폭기형 다출력 스위칭 레귤레이터의 바람직한 실시예에서, 메인 출력회로와 2차 출력회로는 각각 2차 권선(7)의 동일한 단에 연결된다. 이러한 구조로, 자기 증폭기에 의해 제어되는 2차 출력의 전압강하는 2차 출력의 부하 전류가 증가하는 경우에 일본 특허공보 제 2-61177과 일본 특허공개번호 제 63-56168와 같은 공지기술에서 제안된 부가적인 소자 또는 회로를 사용하지 않고 효과적으로 방지될 수 있어, 고효율, 고신뢰성을 갖는 소형 자기 증폭기형 다출력 스위칭 레귤레이터를 얻을 수 있다.

2차 출력의 부하전류가 증가하는 경우라도 2차 출력전압은 +3.135V의 기준값보다 낮아지는 것을 방지할 수 있기 때문에, 메인 출력회로의 출력전압이 +5V이고 2차 출력회로의 출력전압이 +3.3V인 경우에 크기의 감소와 효율 및 신뢰성의 개선을 얻을 수 있다.

자기 증폭기형 다출력 스위칭 레귤레이터의 스위칭 주파수는 고효율과 고신뢰성을 갖는 소형 가포화 리액터를 얻는다는 관점에서 바람직하게는 30-150 kHz이다. 또한, 상기 스위칭 주파수범위는 CISPR(Comite' International Special des Perturbations Radioelectriques) Pub. 11에 의해 규제되는 주파수 범위보다 낮기 때문에, 노이즈 단자전압은 쉽게 피할 수 있다.

본 발명의 다양한 바람직한 실시예로 고려되어야 하는 다음의 예를 참조하여 본 발명이 기술될 것이다.

예 1

표 1에 나타낸 각각의 화학 조성을 가지는 각각의 용융은 5mm의 폭과 20㎛의 두께를 가지는 리본으로 형성된다. 각 리본의 X-선 회절 및 투사 전자현미경 사진에는 최종 리본이 실질적으로 비정질이라는 것을 보여준다.

다음, 비정질 리본은 리본의 길이 방향으로 인장력을 가하면서 환상 권취 리본으로 형성된다. 권취 리본의 인장력과 두께의 공차가 표 1에 나타나 있다.

그리고, 환상 권취 리본은 권취 리본의 자기 경로 방향으로 200 A/m의 자기장을 가하면서 질소 분위기내에서 열처리를 받게된다. 특히, 환상 권취 리본은 1시간 동안 상온에서 470℃까지 가열되고 30분 동안 470℃를 유지한다. 그리고 나서, 온도는 30분간 470℃에서 표 1에 나타낸 온도로 상승하고 비정질 리본을 결정화시키기 위하여 1시간동안 이를 유지한다. 이와같이 처리된 환상 권취 리본은 3시간에 걸쳐 540℃에서 100℃까지 냉각되고, 공기중에서 실온으로 냉각되어, 각각의 환상 자기코어를 얻게된다. 또한, 다른 자기 코어들은 비정질 리본(비교예 15-17) 또는 퍼말로이 리본(비교예 18-19)을 권취하여 제조한다.

이렇게 제조된 자기 코어의 사이즈는 내경 10mm, 외경 13mm, 두께 5mm이었다.

자기 코어의 제어 자기 특성(△Br, △Bb, Hr 및 Gr)은 도 4에 도시된 측정회로를 사용하여 측정하였다. 그 결과가 표 2에 나타나 있다.

표 2에서 알 수 있듯이, 순번 9, 11 및 14는 폭 20gf/mm보다 큰 인장력으로 인하여 본 발명에서 요구되는 제어 자기 특성에 못미치는 것으로 나타났다. 두께 공차가 0.3mm 보다 크기 때문에, 순번 8과 13도 본 발명의 요구를 충족하지 못한다. 또한, 결정화 온도가 590℃이기 때문에, 순번 7, 10 및 12도 본 발명의 요구를 충족시키지 못한다.

전도성 와이어는 도 3에 도시된 각각의 가포화 리액터를 제조하기 위하여 표 4에 나타낸 권선수를 가지도록 그것을 수지 케이스내에 침지한 후에 각각의 자기 코어의 둘레에 감는다. 도 1에 도시된 바와 같이 각각의 자기 증폭기형 2-출력 스위칭 레귤레이터는 상기와 같이 제조된 가포화 리액터를 사용하여 구성되고, 무부하에서 제어성능, 온도상승 및 리셋 전류가 측정되었다. 스위칭 레귤레이터는 다음의 조건하에서 50 kHz의 스위칭 주파수에서 작동되었다.

온도상승(△T)은 냉각 팬이 정지된 채로 가포화 리액터를 공기냉각하면서 작동을 개시한 후 1시간을 가포화 리액터의 표면에서 측정하였다. 제어성능은 2차 출력 V2의 출력 전압이 +3.135V 내지 +3.465V인 경우에 "양호"하였고 그 외에는 "불량'하였다.

주변온도는 일반적으로 스위칭 레귤레이터의 만족한 동작을 위하여 약 50℃ 이하로 제어된다. 주변 온도가 50℃일 경우에는, 실온에서의 주변 분위기의 온도 상승은 약 20℃이다. 따라서, 스위칭 레귤레이터의 일부를 구성하는 절연재의 절연등급 E(JIS C 4003)을 고려하면, 가포화 리액터 표면의 온도상승 △T은 40℃ 이하로 조정되어야 한다. JIS C 4003의 절연등급 E는 120℃의 온도를 충분히 견디는 절연을 의미한다.

표 4에서 알 수 있듯이, 모든 비교 가포화 리액터(순번 7-19)는 불량한 제어성능 및/또는 높은 온도상승을 나타낸다. 따라서, 비교 가포화 리액터에서 사용되는 코어의 크기는 스위칭 레귤레이터의 만족한 동작을 보장하도록 증가되어야 하며, 이로써 장치의 크기가 커지지 않게 된다.

한편, 본 발명의 가포화 리액터를 사용하는 스위칭 레귤레이터는 양호한 제어성능과 40℃ 이하의 온도상승(△T)을 나타내었으며, 반면에 권선수는 적어지고 자기코어의 치수도 작아져 이로써 장치의 치수에 있어 바람직하지 않은 증가를 초래한다.

또한, 이 결과에서는 본 발명의 리셋 전류가 무부하에서 최소한 42mA를 나타내었다. 이는 소비하는 제어전력이 낮기 때문에 스위칭 레귤레이터의 효율을 향상시킨다.

예 2

스위칭 주파수를 100KHz로 변경하는 것을 제외하고 무부하에서 제어성능, 온도상승 및 리셋 전류는 상기와 같은 방식으로 측정된다.

표 5에서 알 수 있듯이, 모든 비교 가포화 리액터(순번 7-19)는 불량한 제어성능 및/또는 높은 온도상승을 나타낸다. 특히, 측정치는 과도한 온도상승으로 인하여 순번 15와 18에서 실행될 수 없었다. 따라서, 비교 가포화 리액터에서 사용되는 코어의 치수는 스위칭 레귤레이터의 만족한 동작을 확보하기 위하여 증가되어야 하며, 이로써 장치의 치수에 있어 바람직하지 않은 증가를 초래한다.

한편, 본 발명의 가포화 리액터를 사용하는 스위칭 레귤레이터는 양호한 제어성능과 40℃ 이하의 온도상승(△T)을 나타내며, 반면에 권선수는 작아지고 자기코어의 치수도 작아져 스위칭 레귤레이터의 치수를 줄일 수 있다. 또한, 이 결과에서는 본 발명에서의 리셋 전류가 무부하에서 최소한 56mA를 나타낸다. 이는 소비하는 제어전력이 낮기 때문에 스위칭 레귤레이터의 효율을 향상시킨다.

예 3

스위칭 주파수를 150KHz로 변경한 것을 제외하고 무부하에서 제어성능, 온도상승 및 리셋전류는 상기와 같은 방식으로 측정된다.

표 6에서 알 수 있듯이, 모든 비교 가포화 리액터(순번 7-19)는 불량한 제어성능 및/또는 높은 온도상승을 나타낸다. 특히, 측정치는 과도한 온도상승으로 인하여 순번 15 및 18에서는 실행가능하지 않았다. 따라서, 비교 가포화 리액터에 사용되는 코어의 크기는 스위칭 레귤레이터의 만족한 동작을 보증하기 위하여 증가되어야 하며, 이로써 장치의 크기에 있어 바람직하지 않은 증가를 초래한다.

한편, 본 발명의 가포화 리액터를 사용하는 스위칭 레귤레이터는 양호한 제어 성능과 40℃이하의 온도상승 △T을 나타내며, 반면에 권선수는 작아지고 자기코어의 치수도 작아짐으로써, 스위칭 레귤레이터의 치수를 줄일 수 있다. 또한, 이 결과에서는 본 발명에서의 리셋 전류가 무부하에서 최소한 97mA를 나타내었다. 이는 소비되는 제어전력이 낮기때문에 스위칭 레귤레이터의 효율을 향상시킨다.

예 4

무부하에서 스위칭 주파수에 의한 권선수, 제어성능, 최대 온도 상승 △Tmax 및 리셋 전류의 의존도는 자기코어 2, 5, 8, 10, 14 및 16-18을 사용하여 예 1에서와 같은 방식으로 구해진다.

이 결과에서 알 수 있듯이, 본 발명의 스위칭 레귤레이터는 30KHz에서 150KHz의 범위에 걸쳐 스위칭 주파수에서 양호한 제어성능 및 40℃ 이하의 최대 온도상승 △Tmax의 요구를 동시에 만족한다. 이러한 동시 만족은 비교 자기코어를 사용함으로써 얻을 수 없다는 것이 명백하다.

즉, 스위칭 주파수를 CISPER Pub. 11에 의해 제어되는 주파수 범위의 하한보다 낮은 30-150 KHz 범위로 설정한 경우에, 본 발명의 자기코어는 작은 치수, 고효율 및 고신뢰성의 가포화 리액터와 스위칭 레귤레이터를 제조하는데 있어 비교 자기 코어보다 장점이 있다. 또한, 권선수는 30-150KHz의 넓은 스위칭 주파수에서 스위칭 레귤레이터의 성능을 낮추지 않고 본 발명의 자기 코어를 사용하여 감소시킬 수 있다. 이는 생산성을 향상시킨다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 자기코어는 부하전류가 큰 경우라도 종래기술에서 요구되는 부가적인 회로 성분을 사용하지 않지 낮은 전압강하를 가지며, 높은 주파수에서 동작되더라도 낮은 온도를 가지는 가포화 리액터를 제공한다. 본 발명의 자기코어를 구비한 가포화 리액터에 의해 구성된 자기 증폭기형 다출력 스위칭 레귤레이터는 부하 전류가 크더라도 양호한 제어성능, 낮은 온도상승, 작은 치수, 고효율, 제조에 요구되는 감소된 부품의 수, 노이즈 종단 전압의 용이한 제어 등과 같은 다양한 장점을 가지고 있다. 이러한 장점으로, 낮은 전압과 큰 부하전류가 필요한 컴퓨터에 사용하기 위한 스위칭 레귤레이터로서 특히 적용가능한 고신뢰성 스위칭 장치를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 자기 증폭기형 다출력 스위칭 레귤레이터의 회로를 나타낸 도면.

도 2는 본 발명의 자기 코어를 나타낸 도면.

도 3은 본 발명의 가포화 리액터를 나타낸 도면.

도 4는 제어 자성을 측정하는데 사용되는 측정회로를 나타낸 도면.

도 5는 제어 자성의 정의들을 보여주는 동작 히스테리시스 루프.

Claims

필수 합금 성분으로서 Fe, Cu 및 M을 포함하고, 상기 M은 Nb, W, Ta, Zr, Hf, Ti 및 Mo로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소이며, 100nm 이하의 평균 입자 크기를 가지는 미세 결정 입자인 면적비에서 적어도 50%의 합금 구조를 가지는 Fe계 연자성 합금으로 제조된, 가포화 리액터에서 사용하기 위한 자기코어로서, 상기 자기코어는, 0.5의 듀티비로 50KHz의 단극 구형전압을 사용하여 25℃의 코어 온도에서 측정된 경우에:

0.12 T 이하의 잔류 동작 자속밀도 △Bb;

2.0 T 이상의 전체 제어 동작 자속밀도 △Br; 및

방정식 Gr=0.8x(△Br-△Bb)/Hr에 의해 계산된 0.10-0.20 T/(A/m)의 전체 제어 이득 Gr의 제어 자기 특성을 가지며,

상기 Hr은 0.8x(△Br-△Bb)+△Bb에 해당하는 제어 자력으로서 정의된 전체 제어 자력인 것을 특징으로 하는 자기코어.
가포화 리액터를 포함하는 자기 증폭기를 구비한 다출력 스위칭 레귤레이터로서, 상기 가포화 리액터는 제 1항에 기술된 자기코어를 구비한 다출력 스위칭 레귤레이터.
제 2 항에 있어서,

상기 다출력 스위칭 레귤레이터는:

입력 전원, 스위칭 소자 및 메인 트랜스포머의 일차 권선을 포함하는 일차 회로; 및

상기 스위칭 소자의 펄스-폭 제어 동작에 의한 메인출력을 제어하는 메인 출력 회로와, 2차 출력을 제어하는 상기 자기 증폭기를 포함하는 이차 출력 회로를 포함하는 이차 회로를 포함하고,

상기 메인 출력회로와 상기 이차 출력회로가 상기 메인 트랜스포머의 같은 이차 권선에 각각 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 다출력 스위칭 레귤레이터.
제 3항에 있어서, 상기 메인 출력의 출력전압은 +5V 이고 상기 이차 출력의 출력전압은 +3.3V 인 것을 특징으로 하는 다출력 스위칭 레귤레이터.
제 2항 내지 4항중 어느 한 항에 있어서, 상기 스위칭 주파수는 30-150 KHz인 것을 특징으로 하는 다출력 스위칭 레귤레이터.
제 2항에 따른 다출력 스위칭 레귤레이터를 구비한 컴퓨터.