KR20020074178A - 자기 코어, 자기 코어를 이용한 코일 부품 및 전원 회로 - Google Patents

자기 코어, 자기 코어를 이용한 코일 부품 및 전원 회로 Download PDF

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KR20020074178A
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테루히코 후지와라
히사오 니시노
토루 이토
타카오 야마다
마사히로 콘도
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Abstract

자기 코어는, 개자로의 자기 코어로서, 상기 개자로에 있어서 지로를 형성하는 연자기 특성을 지닌 자성체의 적어도 한쪽의 자로 단부에 영구 자석이 배치되어 있다. 또한, 코일 부품은, 이 자기 코어를 이용한 코일 부품으로서, 상기 개자로에 있어서 자로를 형성하는 연자기 특성을 지닌 자성체의 적어도 한쪽의 자로 단부에 영구 자석을 배치한 상기 자기 코어에, 적어도 하나 이상이고 1턴 이상의 권선이 감겨져 있다. 전원 회로는, 상기 코일 부품을 포함하고, 상기 코일 부품에 감겨진 상기 권선에 입력 전압이 인가되어 흐르는 여자 전류에 의해 발생하는 상기 연자기 특성의 상기 자성체에 인가되는 자계의 극성과, 상기 영구 자석에 의해 상기 연자기 특성의 상기 자성체에 인가되는 자계의 극성이, 서로 반대 극성이 되도록 구성되어 있다.

Description

자기 코어, 자기 코어를 이용한 코일 부품 및 전원 회로{MAGNETIC CORE, COIL COMPONENT COMPRISING IT, AND POWER SOURCE CIRCUIT}
종래로부터 전원의 소형화와 고효율화를 꾀하기 위해 스위칭 전원화가 시도되어 왔으나, 일반적으로 트랜스포머를 이용한 절연형에서 100W를 훨씬 넘는 출력을 얻기 위해서는, 싱글 엔드 포워드형의 DC-DC 컨버터 회로나 풀 브리지형의 DC-DC 컨버터 회로가 많이 사용되어 왔다.
또한, 최근의 스위칭 전원에서는 상용 전원 입력에 대한 전류, 전압의 왜곡으로 인한 역률의 저하를 배제하는, 소위 고조파 규제에 대응하기 위해, 상용 전원을 종래의 초크 입력 정류시키지 않고, 굳이 정류 후에, 리액터를 스위칭 트랜지스터를 통해서 지락(地絡; ground fault)시키고, 그 오프 후에는, 온 기간 중에 리액터에 축적된 자기 에너지를 출력 콘덴서에 방출하는 형태를 얻은 다음, 주된 기능인 DC-DC 컨버터에 출력하는, 소위 액티브 필터 구성을 취하고 있다.
그러나, 상술한 종래의 기술에 있어서는 공업상, 다음과 같은 중대한 결점이 있었다.
즉, 종래 기술에 있어서, 어느 정도 출력이 큰 DC-DC 컨버터를 사용할 때에는, 트랜스포머의 대형화를 피하기 위해 싱글 엔드 포워드형 컨버터의 구성을 택할 필요가 있으며, 그 결과, 주 트랜지스터의 온 기간, 오프 기간의 전력 전송의 원활화를 얻기 위해, 평활용 초크 코일도 필요하게 되어, 회로의 복잡화와 함께, 경제성도 저해시키고 마는 결과가 된다.
더욱 높은 출력을 얻는 경우에는, 풀 브리지 구성을 택함으로써, 트랜스포머의 B-H 특성의 제 1 사분면(quadrant)과 제 3 사분면을 대상으로 확대 활용함으로써 트랜스포머의 이용률을 높여서 고출력을 얻는 것은 가능하게 되지만, 주 트랜지스터가 4개가 되고, 또한 도통되는 트랜지스터도 똑같이 2개라서, 경제적인 면과 손실의 면에서 공업적인 불이익이 더욱 증대하는 중대한 결점이 있었다.
또한, 종래 기술에 의한 액티브 필터 회로에 있어서도, 리액터의 크기가 후단에 접속되는 DC-DC 컨버터의 출력 트랜스포머와 거의 동일한 크기가 되고, 또한 그 권선에 의한 동손(銅損; copper loss)이 전원 전체의 효율을 저하시키는 결점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은, 스위칭 전원 등에 사용되는 자기 코어나 초크 코일 및 트랜스포머의 소형화, 저손실화, 더 나아가서는 회로의 간소화, 소형화, 고효율화, 자원 절약화, 및 경제적으로 뛰어난 자기 코어를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기 자기 코어를 이용한 코일 부품을 제공하는 데 있다.
더욱이, 본 발명의 또 다른 목적은, 상기 코일 부품을 이용한 전원 회로를 제공하는 데 있다.
본 발명은, 전자기기에 많이 사용되는 자기 코어, 그를 이용한 코일 부품 및 전원 회로에 관한 것으로, 특히 스위칭 전원 등에 사용되는 자기 코어나 초크 코일, 및 트랜스포머의 소형화, 저손실화, 더 나아가서는 회로의 간소화, 고효율화, 자원 절약화에 기여하는 기술에 관한 것이다.
도 1(A)는, 종래 기술에 의한 액티브 필터를 구비한 스위칭 전원의 구성예를 도시하는 회로도;
도 1(B)는, 종래 기술에 의한 액티브 필터에 사용하는 트랜스포머의 구성예를 도시하는 단면도;
도 1(C)는, 종래 기술에 의한 액티브 필터에 사용하는 트랜스포머의 동작 B-H 특성도;
도 2는 종래 기술에 의한 싱글 엔드 포워드형 DC-DC 컨버터의 구성예를 도시하는 회로도;
도 3(A)는 종래 기술에 의한 풀 브리지형 DC-DC 컨버터의 구성예를 도시하는 회로도;
도 3(B)는 도 3(A)의 DC-DC 컨버터의 B-H 특성도;
도 4(A)는 종래 기술에 의한 액티브 필터를 구비한 스위칭 전원 구성도;
도 4(B)는 종래 기술에 의한 액티브 필터에 사용하는 트랜스포머의 단면 구성도;
도 4(C)는 종래 기술에 의한 액티브 필터에 사용하는 트랜스포머의 동작 B-H 특성도;
도 4(D)는 도 4(C)에 있어서의 주요한 동작 파형을 도시하는 파형도;
도 5는 본 발명에 의한 액티브 필터를 구비한 스위칭 전원의 구성예를 도시하는 회로도;
도 6은 본 발명에 의한 자기 코어와 그를 이용한 코일 부품의 구성예를 도시하는 단면도;
도 7은 본 발명에 의한 자기 코어와 그를 이용한 코일 부품의 동작 B-H 특성도;
도 8은 본 발명에 의한 액티브 필터를 구비한 스위칭 전원에 있어서의 주요한 동작 파형도;
도 9는 본 발명에 의한 자기 코어와 그를 이용한 코일 부품의 직류 중첩 인덕턴스 특성도;
도 10(A)는 본 발명에 의한 싱글 엔드 플라이백형 DC-DC 컨버터의 구성예를 도시하는 회로도;
도 10(B)는 도 10(A)의 DC-DC 컨버터의 주요한 동작 파형도;
도 11은 본 발명에 의한 RCC 컨버터의 구성예를 도시하는 회로도;
도 12(A)는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 액티브 필터를 구비한 스위칭 전원의 구성도;
도 12(B)는 도 12(A)의 스위칭 전원의 자기 코어와 그를 이용한 코일 부품의 단면 구성도;
도 12(C)는 도 12(A)의 자기 코어와 그를 이용한 코일 부품의 동작 B-H 특성도;
도 12(D)는 도 12(C)에 있어서의 주요한 동작 파형을 도시하는 파형도;
도 12(E)는 도 12(A)의 자기 코어와 그를 이용한 코일 부품의 직류 중첩 인덕턴스를 설명한 설명도;
도 13(A)는 본 발명의 제 5 실시예에 따른 싱글 엔드 플라이백형 DC-DC 컨버터 구성도;
도 13(B)는 도 13(A)에 있어서의 주요한 동작 파형을 도시하는 파형도;
도 13(C)는 도 13(A)의 자기 코어와 그를 이용한 코일 부품의 동작 B-H 특성도;
도 14(A)는 본 발명의 제 6 실시예에 따른 액티브 필터를 구비한 스위칭 전원의 구성도;
도 14(B)는 도 14(A)에 있어서의 주요한 동작 파형을 도시하는 동작 파형도;
도 15(A)는 본 발명의 제 7 실시예에 따른 자기 코어와 그를 이용한 코일 부품, 및 전원 회로 구성도;
도 15(B)는 도 15(A)에 있어서의 주요한 동작 파형을 도시하는 파형도;
도 16(A)는 본 발명의 제 8 실시예에 따른 액티브 필터를 구비한 스위칭 전원의 구성도;
도 16(B)는 도 16(A)의 자기 코어와 그를 이용한 코일 부품의 단면 구성도;
도 16(C)는 도 16(A)의 자기 코어와 그를 이용한 코일 부품의 동작 B-H 특성도;
도 16(D)는 도 16(C)에 있어서의 주요한 동작 파형을 도시하는 파형도;
도 16(E)는 도 16(A)의 자기 코어와 그를 이용한 코일 부품의 직류 중첩 인덕턴스를 설명하기 위한 도면;
도 17(A)는 본 발명의 제 9 실시예에 따른 싱글 엔드 플라이백형 DC-DC 컨버터 구성도;
도 17(B)는 도 17(A)에 있어서의 주요한 동작 파형을 도시하는 동작 파형도;
도 17(C)는 도 17(A)의 자기 코어와 그를 이용한 코일 부품의 동작 B-H 특성도;
도 18은 본 발명의 제 10 실시예에 따른 자려식 RCC 컨버터 구성도;
도 19(A)는 본 발명의 제 11 실시예에 따른 자기 코어와 그를 이용한 코일 부품, 및 전원 회로 구성도;
도 19(B)는 도 19(A)에 있어서의 주요한 동작 파형을 도시하는 파형도;
도 20(A)는 본 발명의 제 12 실시예에 따른 자기 코어와 그를 이용한 코일 부품, 및 전원 회로 구성도; 및
도 20(B)는 도 20(A)에 있어서의 주요한 동작 파형을 도시하는 파형도이다.
본 발명에 의하면, 개자로(開磁路; open magnetic path)의 자기 코어로서, 상기 개자로에 있어서 자로를 형성하는 연자기 특성을 지닌 자성체의 적어도 한쪽의 자로 단부에 영구 자석이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 코어가 얻어진다.
또한 본 발명에 의하면, 개자로의 자기 코어를 이용한 코일 부품으로서, 상기 개자로에 있어서 자로를 형성하는 연자기 특성을 지닌 자성체의 적어도 한쪽의 자로 단부에 영구 자석을 배치한 상기 자기 코어에, 적어도 하나 이상이고 1턴 이상의 권선이 감겨져 있는 것을 특징으로 하는 코일 부품이 얻어진다.
더욱이, 본 발명에 의하면, 코일 부품을 포함하는 전원 회로에 있어서, 상기 코일 부품은, 개자로에 있어서 자로를 형성하는 연자기 특성을 지닌 자성체의 적어도 한쪽의 자로 단부에 영구 자석을 배치한 자기 코어에, 적어도 하나 이상이고 1턴 이상의 권선을 감은 것으로서, 상기 코일 부품에 감겨진 상기 권선에 입력 전압이 인가되어 흐르는 여자 전류에 의해 발생하는 상기 연자기 특성의 상기 자성체에 인가되는 자계의 극성과, 상기 영구 자석에 의해 상기 연자기 특성의 상기 자성체에 인가되는 자계의 극성이, 서로 반대 극성이 되도록 구성한 것을 특징으로 하는 전원 회로가 얻어진다.
본 발명의 실시예를 설명하기 전에, 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위해, 종래 기술에 대해, 도 1(A), 도 1(B), 도 1(C), 도 2, 도 3 및 도 4를 참조하면서 설명한다.
종래로부터 전원의 소형화와 고효율화를 꾀하기 위해 스위칭 전원화가 시도되어 왔으나, 일반적으로 트랜스포머를 이용한 절연형에서 100W를 훨씬 넘는 출력을 얻기 위해서는, 도 2에 도시하는 바와 같은 싱글 엔드 포워드형의 DC-DC 컨버터 회로나, 도 3(A)에 도시하는 바와 같은 풀 브리지형의 DC-DC 컨버터 회로가 많이사용되어 왔다.
또한, 최근의 스위칭 전원에서는 상용 전원 입력에 대한 전류, 전압의 왜곡으로 인한 역률의 저하를 배제하는, 소위 고조파 규제에 대응하기 위해, 도 1(A)에 도시하는 바와 같이, 상용 전원을 종래의 초크 입력 정류시키지 않고, 굳이 정류 후에, 리액터(L4)를 스위칭 트랜지스터(Q1)를 통해서 지락시키고, 그 오프 후에는, 온 기간 중에 리액터(L4)에 축적된 자기 에너지를 출력 콘덴서(C1)에 방출하는 형태를 얻은 다음, 주된 기능인 DC-DC 컨버터에 출력하는, 소위 액티브 필터 구성을 취하고 있다.
한편, 제어 회로(Cont.4)는, 리액터(L4)에 흐르는 전류 파형의 피크값이 상용 전원의 다이오드(D1)를 통한 전파(全波; full-wave) 정류 파형 전압에 근사한 값이 되도록 온과 오프의 듀티비(duty ratio)를 조절하여 거의 역률이 1인 전원 특성을 얻고 있다.
그러나, 상술한 바와 같이, 종래의 기술에 있어서는, 공업상, 하기와 같은 중대한 결점이 있었다.
즉, 종래 기술에 있어서, 어느 정도 출력이 큰 DC-DC 컨버터를 사용할 때에는, 트랜스포머의 대형화를 피하기 위해 도 2와 같은 싱글 엔드 포워드형 컨버터의 구성을 택할 필요가 있으며, 그 결과, 주 트랜지스터의 온 기간, 오프 기간의 전력 전송의 원활화를 얻기 위해, 평활용 초크 코일(L5)도 필요하게 되어, 회로의 복잡화와 함께, 경제성도 저해시키고 마는 결과가 된다.
더욱 높은 출력을 얻는 경우에는, 도 3(A)와 같은 풀 브리지 구성을 택함으로써, 도 3(B)와 같이 트랜스포머의 B-H 특성의 제 1 사분면과 제 3 사분면을 대상으로 확대 활용함으로써 트랜스포머의 이용률을 높여서 고출력을 얻는 것은 가능하게 되지만, 주 트랜지스터가 4개가 되고, 또한 도통되는 트랜지스터도 Q61과 Q62혹은 Q63과 Q64로 똑같이 2개라서, 경제적인 면과 손실의 면에서 공업적인 불이익이 더욱 증대하는 중대한 결점이 있었다.
또한, 도 1(A)에 도시한 종래 기술에 의한 액티브 필터 회로에 있어서도, 리액터(L4)의 크기가 후단에 접속되는 DC-DC 컨버터의 출력 트랜스포머와 거의 동일한 크기가 되고, 또한 그 권선에 의한 동손이 전원 전체의 효율을 저하시키는 결점이 있었다.
또한, 종래의 스위칭 전원에서는, 도 4(A)에 도시하는 것도 마찬가지로, 상용 전원(VAcin) 입력에 대한 전류 및 전압의 왜곡으로 인한 역률의 저하를 배제하는, 소위 고조파 규제에 대응하기 위해, 상용 전원(VAcin)을 초크 입력 정류시키지 않고, 굳이 정류 후에 리액터(L5)를 스위칭 소자(주로 트랜지스터)(Q1)를 통해서 지락시키고, 오프 후에는, 온 기간에 리액터(L5)에 축적된 자기 에너지를 출력 콘덴서(C1)에 방출하는 형태를 얻은 다음, 주된 기능인 DC-DC 컨버터에 출력하는, 소위 액티브 필터 구성을 취하고 있다.
한편, 제어 회로(Cont.5)는, 리액터(L5)에 흐르는 전류 파형의 피크값이 상용 전원(VAcin)으로부터 다이오드(D1)를 통한 전파 정류 파형 전압(VCE)에 근사한 값이 되도록 온과 오프의 듀티비를 조정함으로써, 입력의 역률을 거의 1로 하는 전원 특성을 얻고 있다.
도 4(B)에 도시한 액티브 필터 회로에 제공하는 자기 코어(41A, 41B)와, 자기 코어(41A, 41B)를 이용한 리액터(L5)는, 한 쌍의 EE형, 혹은 도가니형의 자기 코어(41A, 41B)의 권선 코어부에 자속이 쇄교하도록 권선(43)을 감고, 또한 대향하는 한 쌍의 자기 코어(41A, 41B)의 대향면 중에서, 안쪽 다리 사이에 갭(45)을 형성하고 있다. 스위칭 소자(Q1)의 도통에 따라 입력측의 다이오드(D1)로부터 흘러 들어오는 코일 전류(iL)에 의해 자기 코어(41A, 41B)에 자계가 형성된다.
그러나, 종래 기술에서는, 공업상 하기와 같은 중대한 결점이 있다. 즉, 도 4(A)에 도시한 종래 기술에 의한 액티브 필터 회로에 있어서는, 리액터(L5)의 크기가, 후단에 접속되는 DC-DC 컨버터의 출력 트랜스포머와 거의 같은 크기가 되고, 게다가 그 권선(43)에 의한 동손이 전원 전체의 효율을 저하시키는 중대한 결점이 있었다.
또한, 어느 정도 출력이 큰 DC-DC 컨버터를 종래 기술에 의해 구성할 때, 구성이 간단하고 경제적으로도 바람직한 싱글 엔드 플라이백 방식에서는, 여자 전류가 톱니파 모양이 되어, 전류 파형의 실효값이 증대하여 트랜스포머의 대형화를 피할 수 없기 때문에, 도 2와 같은 싱글 엔드 포워드형 컨버터의 구성을 어쩔 수 없이 택할 필요가 있었다.
그 결과, 회로 구성을 복잡하게 하여 경제성도 저해시키고 마는 결점을 초래하고 있다.
또한, 더욱 높은 출력을 얻는 경우에는, 도 3(A)와 같은 풀 브리지 컨버터 구성을 택함으로써, 상기 포워드 방식이 도 2(B)와 같은 반파(半波; half-wave) 여자임에 반해, 도 3(B)와 같이, B-H 특성의 제 1 사분면뿐만 아니라, 제 3 사분면까지 대칭으로 확대하여 활용함으로써 트랜스포머(T6)의 이용률을 높여서 고출력 대응을 가능하게 하고 있는데, 이 경우에는, 스위칭 소자(주로 트랜지스터)도 4개 필요로 할뿐만 아니라, 스위칭 동작도 스위칭 소자(Q61)와 스위칭 소자(Q62) 혹은 스위칭 소자(Q63)와 스위칭 소자(Q64)가 동시에 2개 온 오프하기 때문에, 경제적인 면뿐 아니라, 손실 면에서도 공업적으로 커다란 불이익을 초래하는 중대한 결점이 있었다.
그러면, 본 발명의 하나의 발명에 대해 설명한다.
본 발명의 연자기 특성의 자성체로 이루어진 폐자로(閉磁路; closed magnetic path)의 자기 코어로서, 적어도 한쪽의 자로의 단부에 영구 자석이 배치된 자기 코어이다. 이러한 자기 코어로, 자로의 적어도 한 군데 이상에 에어 갭을 가지며, 이 에어 갭에 비저항이 1Ω·㎝ 이상이고 고유 보자력이 5kOe 이상인 영구 자석이 삽입되어 있다. 이 영구 자석은, 상기 자석은, 희토류 자석 분말과 합성수지로 이루어진 바인더로 구성된 본드 자석인 것이 바람직하다.
이 자기 코어에 사용되는 영구 자석에 있어서, 상기 희토류 자석 분말의 입자 크기가 실질적으로 150㎛ 이하인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 코일 부품은, 이 자기 코어에, 적어도 하나 이상이고 1턴 이상의 권선이 감겨진 것이다.
또한, 본 발명의 전원 회로는, 상기 코일 부품을 사용하고 있으며, 이 코일 부품은, 여자 권선에 입력 전압이 인가되어 흐르는 여자 전류에 의해 발생하는 상기 자성체에 인가되는 자계의 극성과, 상기 영구 자석에 의해 상기 자성체에 인가되는 자계의 극성이, 서로 반대 극성을 갖는다.
즉, 본 발명의 전원 회로에서는, 개자로의 자기 코어로서, 상기 자로를 형성하는 연자기 특성의 자성체의 적어도 한쪽의 자로 단부에 영구 자석을 배치한 자기 코어에 대해, 상기 자로에 쇄교하도록 적어도 한 개 이상의 권선을 감은 코일이나 트랜스포머포머 등의 코일 부품을 구성하고, 또한 상기 코일 부품에 감겨진 여자 권선에, 입력 전압이 인가되어 흐르는 여자 전류에 의해 발생하는 상기 연자기 특성의 자성체에 인가되는 자계의 극성과, 상기 영구 자석에 의해 상기 연자기 특성의 자성체에 인가되는 자계의 극성이, 서로 반대 극성이 되도록 구성한 것이다.
이 구성에 의해, 반파 여자의 코일, 혹은 트랜스포머포머인 경우나, 상기 연자기 특성을 지닌 자성체는, 여자 방향이 B-H 특성 곡선의 제 1 사분면 방향인 경우에도, 미리 상기 영구 자석에 의해 제 3 사분면 방향으로 바이어스되어 있기 때문에, 실질적으로 잔류 자속 밀도(Br)도 제 3 사분면으로 시프트되므로, 활용할 수 있는 자속 밀도 폭(ΔB)도 대폭으로 확대시킬 수 있어, 상기 자기 코어에 감는 권선을 대폭으로 줄일 수 있게 되어, 코일 부품의 소형화와 저손실화에 기여할 수 있을 뿐만 아니라, 전술한 종래 기술에서의 스위칭 전원의 고출력화시에 복잡해지는 회로 구성을 대폭으로 간소화시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 자기 코어, 그를 이용한 코일 부품 및 전원 회로에 대해, 다음 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
(제 1 실시예)
도 5를 참조하면, 본 발명의 제 1 구성예에 따른 자기 코어와 코일 부품(L1)을 도 6에 도시한 단면 구조와 같이 구성해서, 액티브 필터를 구비한 스위칭 전원(47)을 구성하였다.
즉, 도 6에 있어서, 본 발명의 액티브 필터 회로에 제공하는 자기 코어와 그를 이용한 코일 부품은, Mn-Zn 페라이트 등의 연자기 특성을 지닌 한 쌍의 EE형 또는 도가니형의 자기 코어(51A, 51B)의 권선 코어부에 자속이 쇄교하도록 권선(53)을 감고, 또한 상기 대향하는 한 쌍의 자기 코어(51A, 51B)의 대향면 중에서 바깥쪽 다리의 접합부에 갭을 형성하여, 도 5에 도시한 주 트랜지스터의 도통에 따라 입력측에서부터 흘러 들어오는 도 8에 도시한 코일 전류(IL)에 의해 상기 자기 코어에 형성하는 자계의 방향과 반대 극성이 되도록 상기 자기 코어의 접합부의 갭에 필름 형상의 영구 자석(55A, 55B)을 배치한 것이다.
본 발명에 의한 자기 코어와 코일 부품을 사용하면, 도 7에 도시한 바와 같이, 자기 코어는 미리 권선에 흐르는 전류에 의해 형성되는 자계 방향과는 반대 방향의 제 3 사분면 측에 상기 필름 형상의 영구 자석에 의해 미리 바이어스가 ΔH만큼 인가되는 성능이 형성되기 때문에, 권선에 인가되는 전압, 전류에 의해 발생하는 자속 밀도의 동작 허용 폭(ΔB)값을 확대시킬 수 있는 동시에, 도 9에 도시한 권선을 흐르는 여자 전류에 대한 직류 중첩 인덕턴스 특성과 같이, 점선으로 표시한 종래 기술의 코일 부품의 특성과 비교해 동일한 유도 계수(AL)의 자기 코어끼리라면, 화살표 (1)과 같이, 단순히 인덕턴스를 동일하게 해서, 전류 중첩값을 비약적으로 늘릴 수 있고, 반대로 화살표 (2)와 같이 갭을 좁혀서 상기 AL값을 높였을 경우에도, 비약적으로 인덕턴스를 높여서 종래 기술에 의한 코일 부품의 중첩 전류 허용값을 확보할 수도 있다.
즉, 상기 본 발명의 제 1 실시예에 나타낸 자기 코어 및 코일 부품을 액티브 필터인 L1에 적용함으로써, 액티브 필터의 승압에 기여하는 출력 전력(P(W))은, 동작 주파수를 f, 권선을 흐르는 전류의 피크값을 도 8에 도시한 바와 같이 ΔIp라고 하면,
P = (1/2)L(ΔIp)2·f …(1)
로 정의되기 때문에, ΔIp, 즉 상술한 여자 권선에 허용하는 전류 중첩 확대에 대한 제곱의 효과에 의해, 동일 자기 코어의 크기와 주파수로 최대 4배까지 출력 전력을 높일 수 있게 된다.
또한, 자기 코어의 실효 체적을 Ve, 비례 정수를 k라고 해서, 상기 식 (1)을 변형하면,
P = (k/2)(ΔB)2·Ve·f …(2)
가 되기 때문에, 분명히 자기 코어의 소형화를 꾀하고, 또한 높은 ΔB 설계값을 허용함으로써, 권선의 권회수를 낮춘 동손 감소 효과에 의해, 소형, 고효율의 액티브 필터를 구비하는 스위칭 전원을 제공할 수 있게 됨은 명백하다.
(제 2 실시예)
도 10(A)를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 자기 코어, 그를 이용한 코일 부품 및 전원 회로는, 싱글 엔드 플라이백형 DC-DC 컨버터에 적용되고 있다.
도 10(B)는, 그 주요한 회로 동작 파형을 도시하고 있다.
출력 트랜스포머(T2)는, 상기 제 1 실시예에서 나타낸 도 6의 자기 코어와 동일한 구성이며, 권선부는 출력 권선(1, 2)과 출력 권선(3, 4)으로 이루어져 있다.
그러므로, 주 트랜지스터(Q1)가 도통되면 도 10(B)와 같이 여자 권선에 톱니파 모양의 전류가 흐르는 동시에 자기 에너지를 충전하여, 다이오드(D1)가 차단됨과 동시에 출력 권선(3, 4)과 다이오드(D2)를 통해서 출력측에 전력이 전달되는 동작을 제어 회로(Cont.2)의 지령에 따라 반복한다.
따라서, 이 경우도 전술한 본 발명에 의한 자기 코어와 그를 이용한 코일 부품(T2)을 사용하고 있기 때문에, 도 10(A)에 도시한 DC-DC 컨버터의 경우에도 출력전력(P0(W))은, 식 (1)로부터, P0=(1/2)L(ΔIp)2·f 및 식 (2)로부터, P0=(k/2)(ΔB)2·Ve·f로 표시되기 때문에, 도 3(A) 및 도 3(B)에 도시한 종래 기술에 의한 비교적 큰 출력의 DC-DC 컨버터에 대해서도, 회로 구성이 복잡한 싱글 엔드 포워드 방식를 택해 초크 코일(L5)까지 구비하여 경제성과 소형화를 저해시키지 않고, 간소한 구성으로, 소형, 고효율로 제공할 수 있다.
더욱 대용량이 되었을 경우에도 도 3에 도시한 바와 같은 종래 기술의 풀 브리지 구성으로 해서, 회로의 복잡성을 더 초래하지 않고, 동일한 트랜스포머 자기 코어의 이용률로 극히 간소하고 저손실로 소형의 DC-DC 컨버터를 제공할 수 있다.
(제 3 실시예)
도 11을 참조하면, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 자기 코어와 그를 이용한 코일 부품 및 전원 회로를 자려식 RCC 컨버터에 적용하고 있다. 출력 트랜스포머(T3)에, 마찬가지로 여자 권선(1, 2)에 흐르는 전류에 의해 형성되는 자계와 반대 방향으로 도 6에 도시하는 시트 형상의 영구 자석에 의한 바이어스가 인가되어 있기 때문에, 출력 권선(3, 4)으로부터의 출력은 도 10(B)와 마찬가지로 점선으로 표시한 종래 기술에 의한 자기 코어 및 코일 부품과 비교하여 대폭으로 부하측에 전달되어, 소형, 대용량, 저손실화를 달성할 수 있다.
게다가, 상술한 본 발명에 의한 자기 코어, 그를 이용한 코일 부품 및 전원 회로에 있어서는, 직류 중첩 특성과 함께 뛰어난 철손(core loss) 특성을 갖는 자기 코어를 용이하고 경제적으로 제공하는 것이 필수이며, 또한 그를 위해서는 상기 시트 형상 영구 자석의 특성이 중요하다고 할 수 있다.
다시 말해, 우선 안정된 동작을 위해서는 고유 보자력이 5kOe(395A/m) 이하에서는, Mn-Zn 페라이트 등의 연자기 특성의 자성체에 인가될 수 있는 직류 자계에 의해서 보자력이 소실되기 때문에, 그 이상의 보자력의 영구 자석 재료, 예컨대 SmCo계 자석 재료가 유효하며, 현안인 철손 증대 방지 대책을 위해서는, 와전류 인자를 배제하기 위해 상기 자석 재료의 분체와 열 가소성 수지를 혼련시킨 후, 시트 형상으로 성형하여 얻어지는 본드 자석의 형태로 할 필요가 있는데, 또한 그 때, 비저항은 1Ω·㎝ 이상, 또한 분말의 최대 입자 크기는 150㎛ 이하로 하고 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 제 1 내지 제 3 실시예에 따른 자기 코어, 그를 이용한 코일 부품 및 전원 회로를 사용하면, 스위칭 전원 등에 사용되는 자기 코어나 초크 코일, 트랜스포머 등의 코일 부품의 소형화, 저손실화를 크게 도모할 수 있고, 더 나아가서는 전원 회로의 간소화, 고효율화, 자원 절약화에 대해 비약적으로 기여할 수 있으므로, 공업적으로 유익한 바가 매우 큰 것이다.
다음으로 본 발명의 또 하나의 발명에 대해 구체적으로 설명한다.
본 발명의 자기 코어는, 개자로의 자기 코어로서, 상기 개자로에 있어서 자로를 형성하는 연자기 특성을 지닌 자성체의 적어도 한쪽의 자로 단부에 영구 자석이 배치되어 있는 구성이다.
또한, 본 발명의 코일 부품은, 개자로의 자기 코어를 이용한 코일 부품으로서, 상기 개자로에 있어서 자로를 형성하는 연자기 특성을 지닌 자성체의 적어도한쪽의 자로 단부에 영구 자석을 배치한 상기 자기 코어에, 적어도 하나 이상이고 1턴 이상의 권선이 감겨져 있는 구성이다.
더욱이, 본 발명의 코일 부품을 포함하는 전원 회로에 있어서는, 상기 코일 부품은, 개자로에 있어서 자로를 형성하는 연자기 특성을 지닌 자성체의 적어도 한쪽의 자로 단부에 영구 자석을 배치한 자기 코어에, 적어도 하나 이상이고 1턴 이상의 권선을 감은 것으로서, 상기 코일 부품에 감겨진 상기 권선에 입력 전압이 인가되어 흐르는 여자 전류에 의해 발생하는 상기 연자기 특성의 상기 자성체에 인가되는 자계의 극성과, 상기 영구 자석에 의해 상기 연자기 특성의 상기 자성체에 인가되는 자계의 극성이, 서로 반대 극성이 되도록 구성한 것이다.
본 발명에서는, 개자로의 자기 코어로서, 자로를 형성하는 연자기 특성의 자성체의, 적어도 한쪽의 자로 단부에 영구 자석을 배치한 자기 코어에 대해, 자로에 쇄교하도록 적어도 한 개 이상의 권선을 감은 코일 부품을 구성하고, 또한 코일 부품에 감겨진 권선에, 입력 전압이 인가되어 흐르는 여자 전류에 의해 발생하는 연자기 특성의 자성체에 인가되는 자계의 특성이 영구 자석에 의해 자성체에 인가되는 자계의 자성과 서로 반대 특성이 되도록 한다.
이에 따라, 반파 여자의 코일, 또는 트랜스포머포머인 경우나, 연자기 특성을 지닌 자성체는 여자 방향이 B-H 특성 곡선의 제 1 사분면 방향인 경우에도, 미리, 영구 자석에 의해 제 3 사분면 방향으로 바이어스되어 있기 때문에, 실질적으로 잔류 자속 밀도(Br)도 제 3 사분면으로 시프트되므로, 활용할 수 있는 자속 밀도 폭(ΔB)도 대폭으로 확대시킬 수 있기 때문에, 자기 코어에 감는 권선을 대폭으로 줄일 수 있게 되어, 코일 부품의 소형화와 저손실화에 기여할 수 있다.
게다가, 본 발명에 의한 자기 코어, 자기 코어를 이용한 코일 부품에 있어서는, 상술한 바이어스 효과에 의해 반파 여자 회로에 대해서도 B-H 루프의 제 1 사분면뿐만 아니라 제 3 사분면까지 충분히 넓게 활용할 수 있기 때문에, 구성이 가장 간단한 싱글 엔드 플라이백 방식을 택해도, 전류 파형을 전술한 종래 기술에서의 톱니파 모양으로 하지 않고 사다리꼴 파형으로 설계할 수 있게 되므로, 권선 전류의 실효값은, 전술한 구성이 복잡한 포워드 컨버터나 풀 브리지 컨버터와 완전 동일한 레벨까지 줄일 수 있기 때문에, 스위칭 전원의 고출력화를, 회로 구성을 복잡하게 하지 않고 대폭으로 간소화시킬 수 있다.
이에 덧붙여, 전원 회로, 즉 스위칭 소자의 턴 온 전류의 지연용으로서 새로 설치한 매우 소형의 자기 코어에 적어도 한 개 이상의 권선을 감고, 상기 입력 전압에 대해, 여자 권선과 스위칭 소자 사이에 직렬로 자기 코어의 권선의 양쪽 단말을 각각 접속함과 동시에, 스위칭 소자에는, 적어도 턴 오프시의 병렬 공진용 콘덴서를 포함하는 회로가 병렬로 접속된 전원 회로로 함으로써, 스위칭 소자의 턴 온, 턴 오프 기간일 때의 전류, 전압의 크로스에 수반된 스위칭 손실을 대폭으로 줄이는 전원 회로를 간소한 구성인 채로 실현한다.
이하, 본 발명의 자기 코어와 그를 이용한 코일 부품 및 전원 회로에 대해, 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
(제 4 실시예)
도 12(B)에 있어서, Mn-Zn 페라이트 등의 연자기 특성을 지닌 한 쌍의 EE형,혹은 도가니형의 자기 코어(65A, 65B)의 권선 코어부에 자속이 쇄교하도록 권선(69)을 감고, 또한 대향하는 한 쌍의 자기 코어(65A, 65B)의 대향면 중에서, 바깥쪽 다리의 접합부에 갭을 형성하고 있다.
도 12(A)에 도시한 액티브 필터 회로에 있어서, L1은 코일 부품, Q1은 스위칭 소자(주로 트랜지스터), Cont.1은 제어 회로, D1, D2는 다이오드, C1은 콘덴서, RL, R1은 저항이다.
액티브 필터 회로에 제공하는 자기 코어(65A, 65B)와 그를 이용한 코일 부품(L1)은, 스위칭 소자(주로 트랜지스터)(Q1)의 도통에 따라서 입력측(1)으로부터 흘러 들어오는 코일 전류(iL)에 의해 자기 코어(65A, 65B)에 형성하는 자계의 방향과 반대 극성이 되도록 자기 코어(65A, 65B)의 접합부의 갭에 필름 형상의 영구 자석(67A, 67B)이 배치되어 있다. 즉, 개자로에 있어서 자로를 형성하는 연자기 특성을 지닌 자성체의 적어도 한쪽의 자로 단부에 영구 자석(67A, 67B)을 배치한 자기 코어(65A, 65B)에, 적어도 한 개 이상이고 1턴 이상의 권선(69)이 감겨져 있다.
본 발명에 의한 자기 코어(65A, 65B)와 코일 부품(L1)을 사용하면, 도 12(C)에 도시하는 바와 같이, 자기 코어(65A, 65B)는, 미리 권선에 흐르는 전류에 의해 형성되는 자계 방향과 반대 방향의 제 3 사분면 측에 필름 형상의 영구 자석(67A, 67B)에 의해 미리 바이어스가 ΔH만큼 인가되는 상태가 형성되기 때문에, 권선에 인가되는 전압, 전류에 의해 발생하는 자속 밀도의 동작 허용 폭(ΔB)값을 도면에도시한 바와 같이 확대시킬 수 있는 동시에, 도 12(E)에 도시하는 권선을 흐르는 여자 전류에 대한 직류 중첩 인덕턴스 특성과 같이 점선으로 표시한 종래 기술의 코일 부품의 특성과 비교하여, 같은 유도 계수(AL)의 자기 코어(65A, 65B)끼리라면, 도 12(E)에 도시한 화살표 (1)과 같이, 단순히 인덕턴스를 동일하게 하여, 전류 중첩값을 비약적으로 늘릴 수 있다. 반대로, 도 12(E)에 도시한 화살표 (2)와 같이 갭을 좁혀서 AL값을 높였을 경우에도, 비약적으로 인덕턴스를 높여서 종래 기술에 의한 코일 부품의 중첩 전류 허용값을 확보할 수도 있다.
즉, 본 발명의 제 4 실시예에 나타낸 자기 코어 및 코일 부품(63)을 액티브 필터의 코일 부품(L1)에 적용함으로써, 액티브 필터의 승압에 기여하는 출력 전력(P0(W))은, 동작 주파수를 f, 권선 전류의 피크값을 도 12(D)에 도시하는 ip, ir이라고 하면,
P0=(1/2)×L×((ip)2-(ir)2)×f … (3)에 의해 정의되기 때문에, 상술한 여자 권선에 허용하는 전류 중첩값 확대에 대한 제곱의 효과에 의해, 동일 자기 코어(65A, 65B)의 크기와 주파수로 최대 4배까지 출력 전력을 높일 수 있게 된다.
또한, 자기 코어(65A, 65B)의 실효 체적을 Ve, 비례정수를 k, 여진 자속 폭을 ΔBmax라고 해서 상기 식 (3)을 변형하면, P0=(k/2)×(ΔBmax)2×Ve×f가 되기 때문에, 분명히 자기 코어의 소형화를 꾀하며, 또한 높은 ΔB 설계값을 허용함으로써, 권선의 권회수를 낮춘 동손 감소 효과에 의해, 소형, 고효율의 액티브 필터를 구비하는 스위칭 전원을 제공할 수 있게 됨은 명백하다.
(제 5 실시예)
도 13(A)를 참조하면, 본 발명의 제 5 실시예에 따른 자기 코어와 그를 이용한 코일 부품(트랜스포머) 및 전원 회로를 싱글 엔드 플라이백형의 DC-DC 컨버터(71)에 적용하고 있다. 도 13(A)에 있어서, T2는 트랜스포머, Q1은 스위칭 소자(주로 트랜지스터), Cont.2는 제어 회로, D2는 다이오드, C1, C2는 콘덴서, RL은 저항이다.
트랜스포머(T2)는, 제 4 실시예에서 나타낸 도 12(B)의 자기 코어와 동일한 구성이며 권선부는 출력 권선(1, 2)과 출력 권선(3, 4)으로 이루어져 있다. 따라서, 여자 권선의 인덕턴스는 충분히 높은 값을 확보할 수 있기 때문에, 스위칭 소자(Q1)가 도통되면, 도 13(B)에 도시한 바와 같이, 여자 권선에 사다리꼴 파형의 전류가 흐르는 동시에 자기 에너지를 충전시켜, 스위칭 소자(Q1)가 차단되는 동시에 출력 권선(3, 4)과 다이오드(D2)를 통해서, 역시 사다리꼴 파형의 출력 전류가 흘러서 전력을 전달하는 동작을 제어 회로(Cont.2)의 지령에 따라 반복한다.
따라서, 이 도 13(A)에 도시한 싱글 엔드 플라이백형의 DC-DC 컨버터(71)의 경우에도 출력 전력(P0(W))은, 제 4 실시예의 경우와 마찬가지로,
P0=(1/2)×L×((ip)2-(ir)2)×f, P0=(k/2)×(ΔBmax)2×Ve×f로 표시되고, 큰 출력의 DC-DC 컨버터에 대해서도, 굳이 회로 구성이 복잡한 종래 기술의 싱글 엔드 포워드 방식이나, 풀 브리지 구성을 택하지 않아도, 트랜스포머(T2)의 이용률을 높이고, 권선의 실효 전류값도 충분히 낮출 수 있는 싱글 엔드 플라이백형 컨버터를, 경제성과 소형화를 저해시키지 않고 간소한 구성으로 소형, 고효율로 제공할 수 있다.
(제 6 실시예)
도 14(A)를 참조하면, 본 발명의 제 6 실시예에 따른 자기 코어와 그를 이용한 코일 부품(리액터), 및 전원 회로를, 제 4 실시예에 기재한 액티브 필터 회로(73)에 대해 적용하고 있다. 본 예에 있어서는, 스위칭 소자의 손실을 대폭으로 줄이고 있으며, 그 주요한 파형은, 도 14(B)에 도시되어 있다.
도 14(A)에 있어서, L1은 리액터, Q1은 스위칭 소자(주로 트랜지스터). Cont.3은 제어 회로, D1, D2, D3은 다이오드, Cr, C1은 콘덴서, RL, R31, R32는 저항, Ld는 가포화 코일이다.
전원으로서 고출력화시키기 위해 스위칭 소자에 흐르는 전류를 톱니 모양에서 사다리꼴 파형으로 하면, 리액터의 권선 전류의 실효값은 감소하여 손실도 줄어들지만, 스위칭 소자 자체의 횡류(cross current) 손실은 턴 온을 축에 증대시키기 때문에, 우선, 스위칭 소자(Q1)의 턴 온 기간에 대해서는, 지연용으로서 새로 설치한 매우 소형의 자기 코어에 약간의 권선(x, y)을 감아, 트랜스포머의 여자 권선과 스위칭 소자(Q1)와의 사이에 직렬로 가포화 리액터(Ld)로서 접속한다. 그리고, 스위칭 소자(Q1)의 턴 오프 기간용으로서, 스위칭 소자(Q1)와 병렬 공진하도록 콘덴서(Cr)를 설치하고 있다.
즉, 스위칭 소자(Q1)의 턴 온 기간은, 상기 가포화 코일(Ld)이 아직 비포화 상태이고 스위칭 소자(Q1)에는 그 여자 전류가 흐르며, 포화에 이른 시점에서 리액터(L1)에 여자 전류를 도통시키기 때문에, 문제의 횡류 손실은 매우 적게 할 수 있다.
또한, 스위칭 소자(Q1)의 턴 오프 기간에 대해서도, 리액터(L1)와 가포화 코일(Ld)을 합친 인덕턴스와, 콘덴서(Cr)가 다이오드(D3)를 통해서 병렬 공진을 시작하기 때문에, 스위칭 소자(Q1)의 전압은, 고유 진동 주파수(1/((L1+Ld)×Cr)1/2에 구속되어 상승하기 때문에, 마찬가지로 횡류 손실은 매우 적게 할 수 있다.
다이오드(D3)에 대해서는, 상기 병렬 공진 동작 사이에 개재시킴과 동시에, 스위칭 소자(Q1)가 턴 온될 때, 콘덴서(Cr)에 충전(charge up)된 전하를 순식간에 방전시켜 횡류 손실을 증대시키지 않도록 저항(R31)과 병렬로 구성하고 있다.
한편, 이와 같은 상용 전원(VAcin) 입력에 제공하는 액티브 필터의 경우에는,다이오드(D2)로 고속 회복 다이오드(Fast Recovery Diode; FRD)를 사용하지 않을 수 없는데, 종래 기술의 구성의 경우에는, 스위칭 소자(Q1)를 턴 온함과 동시에 다이오드(D2)의 회복 기간과 겹치기 때문에, 커다란 관통 전류가 출력에서부터 스위칭 소자(Q1)로 역류하여 효율을 떨어뜨리는 동시에, 커다란 EMI 장해를 초래하고 있는데, 상술한 본 발명의 구성에 따르면 가포화 코일(Ld)이 상기 관통 전류도 저지할 수 있기 때문에, 더욱 고효율과 저 노이즈의 액티브 필터를 제공할 수 있게 되는 점도 공업적으로 유익한 바가 매우 크다고 할 수 있다.
(제 7 실시예)
도 15(A)를 참조하면, 본 발명의 제 7 실시예에 따른 자기 코어와 그를 이용한 코일 부품(트랜스포머), 및 전원 회로를, 제 4 실시예에 기재한 싱글 엔드 플라이백 컨버터 회로(75)에 대해 적용하고 있다. 이 회로에 있어서, 스위칭 소자의 손실은 대폭으로 감소되어 있고, 그 주요한 파형은 도 15(B)에 도시되어 있다.
도 15(A)에 있어서, T4는 트랜스포머, Q1은 스위칭 소자(주로 트랜지스터), Cont.4는 제어 회로, D2, D3은 다이오드, Cr, C1, C2는 콘덴서, RL, R31, R32는 저항, Ld는 가포화 코일이다.
상술한 제 6 실시예의 경우와 마찬가지로, 고출력화시키기 위해 트랜스포머의 권선 전류를 사다리꼴 파형으로 해도, 지연용 가포화 코일(Ld)과, 병렬 공진용콘덴서(Cr)를 설치하고 있기 때문에 스위칭 소자(Q1) 자체의 횡류 손실을 마찬가지로 대폭 줄일 수 있다.
따라서, 본 발명에 의한 자기 코어와 그를 이용한 트랜스포머(T4)에 의해 싱글 엔드 플라이백 컨버터를 형성하면, 상술한 바와 같이 넓은 자속 밀도의 동작 폭에 있어서, 여자 권선의 인덕턴스도 충분히 높은 값을 확보할 수 있기 때문에, 큰 출력의 DC-DC 컨버터를 구성할 때에도, 굳이 회로 구성이 복잡한 종래 기술의 싱글 엔드 포워드 방식이나, 풀 브리지 구성을 택하지 않아도, 트랜스포머의 이용률을 높이고, 또한 권선의 실효 전류값도 충분히 감소시킬 수 있는 싱글 엔드 플라이백형 컨버터를, 경제성과 소형화를 저해시키지 않고 간소한 구성으로 소형, 고효율로 제공할 수 있음은 명백하다.
한편, 상술한 본 발명에 의한 자기 코어와 그를 이용한 코일 부품, 및 전원 회로에 있어서는, 직류 중첩 특성과 함께 뛰어난 철손 특성을 지닌 자기 코어(65A, 65B)를 용이하고 경제적으로 제공하는 것이 필수이며, 또한 그를 위해서는 시트 형상의 영구 자석(67A, 67B)의 특성이 중요하다고 할 수 있다.
따라서, 자기 코어(65A, 65B)에는, 자로의 적어도 한 군데 이상에 에어 갭을 가지며, 에어 갭에 비저항이 1Ω·㎝ 이상이며 고유 보자력이 395kA/m 이상인 영구 자석(67A, 67B)을 배치한다.
다시 말해, 우선 안정된 동작을 위해서는 고유 보자력이 395kA/m 이하에서는 Mn-Zn 페라이트 등의 연자성 자성체에 인가될 수 있는 직류 자계에 의해 보자력이소실되기 때문에 그 이상의 보자력의 영구 자석 재료, 예컨대 SmCo계 자석 재료가 유효하며, 현안인 철손 방지 대책을 위해서는, 와전류 인자를 배제하기 위해 상기 자석 재료의 분체와 열 가소성 수지를 혼련시킨 후 시트 형상으로 성형하여 얻어지는 본드 자석의 형태로 할 필요가 있는데, 또한 그 때, 비저항은 1Ω·㎝ 이상, 또한 분말의 최대 입자 크기는 150㎛ 이하로 하고 있다.
따라서, 영구 자석(67A, 67B)은, 희토류 자석 분말과 합성수지로 이루어진 바인더로 구성되어 있는 본드 자석으로 하고, 본드 자석에 사용하는 희토류 자석 분말의 입자 크기는 실질적으로 150㎛ 이하로 한다.
이상, 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 제 4 내지 제 7 실시예에 따른 자기 코어, 자기 코어를 이용한 코일 부품, 및 전원 회로에 따르면, 개자로의 자기 코어로서, 자로를 형성하는 연자기 특성의 자성체의, 적어도 한쪽의 자로 단부에 영구 자석을 배치한 자기 코어에 대해, 자로에 쇄교하도록 적어도 한 개 이상의 권선을 감은 코일이나 트랜스포머포머 등의 코일 부품을 구성하고, 또한 코일 부품에 감겨진 여자 권선에, 입력 전압이 인가되어 흐르는 여자 전류에 의해 발생하는 연자기 특성의 자성체에 인가되는 자계의 특성이, 영구 자석에 의해 연자기 특성의 자성체에 인가되는 자계의 자성과 서로 반대 특성이 되도록 한 것을 특징으로 한 전원 회로이다.
이것에 의해, 반파 여자의 코일, 혹은 트랜스포머포머인 경우나, 연자기 특성을 지닌 자성체는 여자 방향이 B-H 특성 곡선의 제 1 사분면 방향인 경우에도, 미리 영구 자석에 의해 제 3 사분면 방향으로 바이어스되어 있기 때문에, 실질적으로 잔류 자속 밀도(Br)도 제 3 사분면으로 시프트되므로, 활용할 수 있는 자속 밀도 폭(ΔB)도 대폭으로 확대시킬 수 있기 때문에, 자기 코어에 감는 권선을 대폭으로 줄일 수 있게 되어, 코일 부품의 소형화와 저손실화에 기여할 수 있다.
게다가, 본 발명에 의한 자기 코어, 자기 코어를 이용한 코일 부품에 있어서는, 상술한 바이어스 효과에 의해 반파 여자 회로에 대해서도 B-H 루프의 제 1 사분면뿐만 아니라 제 3 사분면까지도 충분히 넓게 활용할 수 있기 때문에, 구성이 가장 간단한 싱글 엔드 플라이백 방식을 택해도, 전류 파형을 전술한 종래 기술에서의 톱니파 모양으로 하지 않고 사다리꼴 파형으로 설계할 수 있게 되므로, 권선 전류의 실효값은, 전술한 구성이 복잡한 포워드 컨버터나 풀 브리지 컨버터와 완전 동일한 레벨까지 줄일 수 있기 때문에, 스위칭 전원의 고출력화를, 회로 구성을 복잡하게 하지 않고 대폭으로 간소화시킬 수 있다.
이에 덧붙여, 전원 회로를, 스위칭 소자의 턴 온 전류의 지연용으로서 새로 설치한 매우 소형의 자기 코어에 적어도 한 개 이상의 권선을 감고, 상기 입력 전압에 대해, 여자 권선과 스위칭 소자 사이에 직렬로 자기 코어의 권선의 양쪽 단말을 각각 접속함과 동시에, 스위칭 소자에는, 적어도 턴 오프시의 병렬 공진용 콘덴서를 포함한 회로가 병렬로 접속된 전원 회로로 함으로써, 스위칭 소자의 턴 온, 턴 오프 기간일 때의 전류, 전압의 크로스에 수반된 스위칭 손실을 대폭으로 줄이는 전원 회로를 간소한 구성인 채로 실현할 수 있다.
따라서, 본 발명의 제 4 내지 제 7 실시예에 따르면, 스위칭 전원 등에 사용되는 자기 코어나 초크 코일, 트랜스포머 등의 코일 부품의 소형화, 저손실화를 꾀할 수 있고, 더욱이, 전원 회로의 간소화, 고효율화, 자원 절약화에 대해 비약적으로 기여할 수 있기 때문에, 공업적으로 유익한 바가 매우 크다.
그러면, 본 발명의 또 다른 발명에 대해 더욱 구체적으로 설명한다.
본 발명의 자기 코어는, 폐자로의 자기 코어로서, 상기 폐자로에 있어서 자로를 형성하는 연자기 특성을 지닌 자성체의 적어도 한 군데 이상의 갭에 영구 자석을 배치한 자기 코어이다.
또한, 본 발명의 코일 부품은, 폐자로의 자기 코어를 이용한 코일 부품으로서, 상기 폐자로에 있어서 자로를 형성하는 연자기 특성을 지닌 자성체의 적어도 한 군데 이상의 갭에 영구 자석을 배치하고, 적어도 한 개 이상이고 1턴 이상의 권선이 감겨져 있는 코일 부품이다.
더욱이, 본 발명의 전원 회로는, 상기 코일 부품을 이용한 전원 회로로서, 상기 코일 부품은, 여자 권선에 입력 전압이 인가되어 흐르는 여자 전류에 의해 발생하는 자계의 극성과, 상기 영구 자석에 의해 발생하는 자계의 극성이, 서로 반대 극성을 갖는 전원 회로이다.
여기에서, 본 발명의 인덕턴스 부품은, 영구 자석이 폴리아미드이미드수지, 폴리이미드수지, 에폭시수지, 폴리페닐렌설파이드수지, 실리콘수지, 폴리에스테르수지, 방향족계 폴리아미드수지, 액정 폴리머 중에서 선택된 적어도 한 종류의 수지에, 고유 보자력이 790kA/m(10kOe) 이상, Tc가 500℃ 이상, 분말 입자 크기가 2.5∼25㎛이고 최대 입자 크기가 50㎛인 희토류 자석 분말이 분산되어 있고, 상기 자석 분말을 Zn, Al, Bi, Ga, In, Mg, Pb, Sb 및 Sn 중에서 적어도 한 종류의 금속또는 그 합금에 의해 피복하여, 비저항을 0.1Ω㎝ 이상으로 높이며, 수지 함유량이 체적비로 30% 이상으로서, 이 영구 자석을 장착한 인덕턴스 부품이다.
여기에서, 상기 희토류 자석 분말의 조성은 Sm(Cobal,Fe0.15-0.25Cu0.05-0.06Zr0.02-0.03)7.0-8.5인 것이 바람직하다.
또한, 상기 희토류 자석 분말은 연화점이 220℃ 이상 550℃ 이하의 무기 유리로 피복되어 있어도 좋고, 상기한 Zn 등의 금속 피복층이 적어도 300℃ 이상의 융점을 갖는 비금속의 무기 화합물로 피복되어 있어도 된다.
게다가, 그 피복층의 양, 즉, 금속 또는 합금, 혹은 무기 유리, 혹은 금속과 비금속의 첨가량은 체적비로 0.1∼10% 함유되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 자석 분말은 그 제작시에 희토류 자석 분말이 자기장 중에서 두께 방향으로 배향됨으로써 이방성화되어 있어도 된다.
또한, 영구 자석은, 그 착자 자기장이 2.5T 이상일 것, 중심선 평균 조도(Ra)가 10㎛ 이하인 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 대해서 더욱 상세히 설명한다. 본 발명에서는, 폐자로의 자기 코어로서, 자로를 형성하는 연자기 특성의 자성체의, 적어도 한 군데 이상의 갭에 영구 자석을 배치한 자기 코어에 대해, 자로에 쇄교하도록 적어도 한 개 이상의 권선을 감은 코일 부품을 구성하고, 또한 코일 부품에 감겨진 권선에, 입력 전압이 인가되어 흐르는 여자 전류에 의해 발생하는 자계의 극성과, 영구 자석에 의해 발생하는 자계의 극성이, 서로 반대 특성이 되도록 한다.
이것에 의해, 반파 여자의 코일, 또는 트랜스포머포머인 경우나, 연자기 특성을 지닌 자성체는 여자 방향이 B-H 특성 곡선의 제 1 사분면 방향인 경우에도, 미리 영구 자석에 의해 제 3 사분면 방향으로 바이어스되어 있기 때문에, 실질적으로 잔류 자속 밀도(Br)도 제 3 사분면으로 시프트되므로, 활용할 수 있는 자속 밀도 폭(ΔB)도 대폭으로 확대시킬 수 있기 때문에, 자기 코어에 감는 권선을 대폭으로 줄일 수 있게 되어, 코일 부품의 소형화와 저손실화에 기여할 수 있다.
게다가, 본 발명에 의한 자기 코어, 및 자기 코어를 이용한 코일 부품에 있어서는, 상술한 바이어스 효과에 의해서 반파 여자 회로에 대해서도 B-H 루프의 제 1 사분면뿐만 아니라 제 3 사분면까지도 폭넓게 활용할 수 있기 때문에, 구성이 가장 간단한 싱글 엔드 플라이백 방식을 택해도, 전류 파형을 전술한 종래 기술에서의 톱니 모양으로 하지 않고 사다리꼴 모양으로 설계할 수 있게 되므로, 권선 전류의 실효값은, 전술한 구성이 복잡한 포워드 컨버터나 풀 브리지 컨버터와 완전 동일한 레벨까지 감소시킬 수 있으므로, 스위칭 전원의 고출력화를, 회로 구성을 복잡하게 하지 않고 대폭으로 간소화시킬 수 있다.
이에 덧붙여, 본 발명의 전원 회로, 즉 스위칭 소자의 턴 온 전류의 지연용으로서 새로 설치한 매우 소형의 자기 코어에 적어도 한 개 이상의 권선을 감고, 상기 입력 전압에 대해, 여자 권선과 스위칭 소자 사이에 직렬로 자기 코어의 권선의 양쪽 단말을 각각 접속함과 동시에, 스위칭 소자에는, 적어도 턴 오프시의 병렬 공진용 콘덴서를 포함하는 회로가 병렬로 접속된 것을 특징으로 하는 전원 회로로 함으로써, 스위칭 소자의 턴 온, 턴 오프 기간일 때의 전류, 전압의 크로스에 수반된 스위칭 손실을 대폭으로 줄이는 전원 회로를 간소한 구성인 채로 실현한다.
또한, 본 발명에서는, 영구 자석에는 Tc(퀴리 온도)가 높고, iHc(보자력)이 높은 SmCo계 자석 분말을 사용함으로써, 리플로 납땜(reflow soldering) 공정에서의 가열 상태에 놓여도, 열 감자(熱減磁; thermal demagnetization)를 일으키지 않는 동시에, 과대 전류로 인한 직류 자계가 인가되어도, 보자력이 소실되어 감자되지 않아 초기 특성을 유지할 수 있다.
이에 덧붙여, 영구 자석에 사용하는 자석 분말의 표면을 Zn 등의 금속으로 코팅함으로써, 경시적인 산화의 진행으로 인한 영구 감자를 일으키지 않는다.
더욱이, 자석 분말을 수지와 체적비 30% 이상으로 혼련시킴으로써, 비저항을 높일 수 있게 되어, 영구 자석의 와전류 손실을 대폭으로 줄일 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 대해 도면에 근거하여 상세히 설명한다.
(제 8 실시예)
도 16(B)에 있어서, Mn-Zn 페라이트 등의 연자기 특성을 지닌 한 쌍의 EE형 자기 코어(83A, 83B)의 권선 코어부에 자속이 쇄교하도록 권선(85)을 감고, 또한 대향하는 한 쌍의 자기 코어(83A, 83B)의 대향면 중에서, 안쪽 다리의 접합부에 갭을 형성하고 있다.
도 16(A)에 도시한 액티브 필터 회로에 있어서, L11은 코일 부품, Q11은 스위칭 소자(주로 트랜지스터), Cont.1은 제어 회로, D11, D12는 다이오드, C11은 콘덴서, RL, R11은 저항이다.
액티브 필터 회로에 제공하는 자기 코어(83A, 83B)와 그를 이용한 코일 부품(81(L11))은, 스위칭 소자(주로 트랜지스터)(Q11)의 도통에 따라 입력측(1)에서부터 흘러 들어오는 코일 전류(iL)에 의해 자기 코어(83A, 83B)에 형성하는 자계의 방향과 반대 극성이 되도록 자기 코어(83A, 83B)의 접합부의 갭에 영구 자석(91)을 배치한 자기 코어(83A, 83B)에, 적어도 한 개 이상이고 1턴 이상의 권선(85)이 감겨져 있다.
본 발명에 의한 자기 코어(83A, 83B)와 코일 부품(20(L11))을 사용하면, 도 16(C)에 도시한 바와 같이, 자기 코어(83A, 83B)는 미리 권선에 흐르는 전류에 의해 형성되는 자계 방향과는 반대 방향의 제 3 사분면 측에 영구 자석(91)에 의해 미리 바이어스가 ΔH만큼 인가되는 상태가 형성되기 때문에, 권선에 인가되는 전압, 전류에 의해 발생하는 자속 밀도의 동작 허용 폭(ΔB)값을 도면에 도시한 바와 같이 확대시킬 수 있는 동시에, 도 16(E)에 도시한 권선을 흐르는 여자 전류에 대한 직류 중첩 인덕턴스 특성과 같이 점선으로 표시한 종래 기술의 코일 부품의 특성과 비교하여 동일한 AL값의 자기 코어(83A, 83B)끼리이면, 도 16(E)에 도시한 화살표 (1)과 같이, 단순히 인덕턴스를 동일하게 해서, 전류 중첩값을 비약적으로 늘릴 수 있다. 반대로, 도 16(E)에 도시한 화살표 (2)와 같이 갭을 좁혀서 AL값을 높였을 경우에도, 비약적으로 인덕턴스를 높여서 종래 기술에 의한 코일 부품의 중첩 전류 허용값을 확보할 수도 있다.
즉, 본 발명의 제 8 실시예에 나타낸 자기 코어 및 코일 부품(20)을 액티브 필터의 코일 부품(L11)에 적용함으로써, 액티브 필터의 승압에 기여하는 출력 전력(P0[W])은, 동작 주파수를 f, 권선 전류의 피크값을 도 17(D)에 도시하는 ip, ir이라고 하면, 하기 수식 (4)에 의해 정의되기 때문에, 상술한 여자 권선에 허용하는 전류 중첩값 확대에 대한 제곱의 효과에 의해, 동일한 자기 코어(83A, 83B)의 크기와 주파수를 최대 4배까지 출력 전력을 높일 수 있다.
P0=(1/2)×L×((ip)2-(ir)2)×f …(4)
또한, 자기 코어(83A, 83B)의 실효 체적을 Ve, 비례 정수를 k, 자속 밀도 폭을 ΔBmax라고 해서 상기 식 1을 변형하면, P0=(k/2)×(ΔBmax)2×Ve×f가 되기 때문에, 분명히 자기 코어의 소형화를 꾀하며, 또한 높은 ΔB의 설계값을 허용함으로써, 권선의 권회수를 낮춘 동손 감소 효과에 의해, 소형, 고효율의 액티브 필터를 구비하는 스위칭 전원을 제공할 수 있게 됨은 명백하다.
(제 9 실시예)
도 17(A)에 있어서, T21은 트랜스포머, Q21은 스위칭 소자(주로 트랜지스터), Cont.2는 제어 회로, D21은 다이오드, C21, C22는 콘덴서, RL은 저항이다.
트랜스포머(T21)는, 제 8 실시예에서 나타낸 도 16(B)의 자기 코어와 동일한 구성이며, 권선부는 입력 권선(1, 2)과 출력 권선(3, 4)으로 이루어져 있다. 따라서, 여자 권선의 인덕턴스는 충분히 높은 값을 확보할 수 있기 때문에, 스위칭 소자(Q1)가 도통되면, 도 17(B)에 도시한 바와 같이 여자 권선에 사다리꼴 파형의 전류가 흐르는 동시에 자기 에너지를 충전시켜, 스위칭 소자(Q1)가 차단되는 동시에 출력 권선(3, 4)과 다이오드(D21)를 통해서, 역시 사다리꼴 파형의 출력 전류가 흘러서 전력을 전달하는 동작을 제어 회로(Cont.2)의 지령에 따라 반복한다.
따라서, 도 17(A)에 도시한 싱글 엔드 플라이백 DC-DC 컨버터의 경우에도 출력 전력(P0[W])은, 제 1 실시예와 마찬가지로, P0=(1/2)×L×((ip)2-(ir)2)×f, P0=(k/2)×(ΔBmax)2×Ve×f로 표시되고, 큰 출력의 DC-DC 컨버터에 대해서도, 굳이 회로 구성이 복잡한 종래 기술의 싱글 엔드 포워드 방식이나 풀 브리지 구성을 택하지 않아도, 트랜스포머(T21)의 이용률을 높이고, 또한 권선의 실효 전류값도 충분히 감소시킬 수 있는 싱글 엔드 플라이백형 컨버터를, 경제성과 소형화를 저해시키지 않고 간소한 구성으로 소형, 고효율로 제공할 수 있다.
(제 10 실시예)
도 18에 있어서, T31은 트랜스포머, Q31은 스위칭 소자(주로 트랜지스터), D31, D32, D33은 다이오드, C31, C32, C33은 콘덴서, R31, R32, RL은 저항이다.
트랜스포머(T31)는, 제 7 실시예에서 나타낸 도 17(B)의 자기 코어와 동일한 구성이며, 권선부는 입력 권선(1, 2)과 출력 권선(3, 4), 보조 권선(5, 6)으로 이루어져 있다.
출력 트랜스포머(T31)가 여자 권선(1, 2)에 흐르는 전류에 의해 형성되는 자계와 반대 방향으로 바이어스 자계가 인가되도록 영구 자석을 배치하고 있기 때문에, 출력 권선(3, 4)으로부터의 출력은 종래 기술에 의한 자기 코어 및 코일 부품과 비교하여 대폭으로 부하측으로 전달되어, 소형, 대용량, 저손실로 구성할 수 있다.
(제 11 실시예)
도 19(A)에 있어서, L41은 리액터, Q41은 스위칭 소자(주로 트랜지스터), Cont.4는 제어 회로, D41, D42, D43은 다이오드, Cr, C41은 콘덴서, RL, R41, R42는 저항, Ld는 가포화 코일이다.
전원으로서 고출력화시키기 위해 스위칭 소자에 흐르는 전류를 톱니 모양에서 사다리꼴 모양으로 하면, 리액터의 권선 전류의 실효값은 감소해 손실도 줄어드는데, 스위칭 소자 자체의 횡류 손실은 턴 온을 축으로 증대하기 때문에, 먼저 스위칭 소자(Q41)의 턴 온 기간에 대해서도, 지연용으로 새로 설치한 매우 소형의 자기 코어에 약간의 권선(x, y)을 감아, 트랜스포머의 여자 권선과 스위칭 소자(Q41) 사이에 직렬로 가포화 코일(Ld)로서 접속한다. 그리고, 스위칭 소자(Q41)의 턴 오프 기간용으로서는, 스위칭 소자(Q41)와 병렬로 공진하도록 콘덴서(Cr)를 설치하고 있다.
즉, 스위칭 소자(Q41)의 턴 온 기간은, 상기 가포화 코일(Ld)이 아직 비포화 상태이고 스위칭 소자(Q41)에는, 그 여자 전류가 흘러, 포화에 이른 시점에서 리액터(L41)로 여자 전류를 도통시키기 때문에, 문제의 횡류 손실은 매우 작게 할 수 있다.
또한, 스위칭 소자(Q41)의 턴 오프 기간에 대해서도, 리액터(L41)와 가포화 코일(Ld)을 합친 인덕턴스와, 콘덴서(Cr)가 다이오드(D43)를 통해서 병렬 공진을 시작하기 때문에, 스위칭 소자(Q41)의 전압은 고유 진동 주파수 1/((L41+Ld)×Cr)1/2로 구속되어 상승하기 때문에, 마찬가지로 횡류 손실은 매우 작게 할 수 있다.
다이오드(D43)에 대해서는, 상기 병렬 공진 동작 사이에 개재시킴과 동시에, 스위칭 소자(Q41)가 턴 온할 때 콘덴서(Cr)에 충전된 전하를 순식간에 방전시켜 횡류 손실을 늘리지 않도록 저항(R42)과 병렬로 구성하고 있다.
한편, 이와 같은 상용 전원(VAcin) 입력에 제공하는 액티브 필터의 경우에는, 다이오드(D42)로 고속 회복 다이오드를 사용하지 않으면 안되는데, 종래 기술의 구성의 경우에는, 스위칭 소자(Q41)를 턴 온함과 동시에 다이오드(D42)의 회복 기간과 겹치기 때문에, 커다란 관통 전류가 출력에서부터 스위칭 소자(Q41)로 역류하여 효율을 저하시키는 동시에, 커다란 EMI 장해를 일으키고 있는데, 상술한 본 발명의구성에 따르면 가포화 리액터(Ld)이 상기 관통 전류도 저해할 수 있으므로, 더욱 고효율과 저노이즈의 액티브 필터를 제공할 수 있게 되는 점도 공업적으로 유익한 바가 매우 크다고 할 수 있다.
(제 12 실시예)
도 20(A)에 있어서, T51은 트랜스포머, Q51은 스위칭 소자(주로 트랜지스터), Cont.5는 제어 회로, D51, D52는 다이오드, Cr, C51, C52는 콘덴서, RL, R51, R52는 저항, Ld는 가포화 코일이다.
상술한 제 11 실시예의 경우와 마찬가지로, 제 12 실시예에 있어서, 고출력화시키기 위해서 트랜스포머의 권선 전류를 사다리꼴 모양으로 해도, 지연용 가포화 코일(Ld)과, 병렬 공진용 콘덴서(Cr)를 설치하고 있기 때문에, 스위칭 소자(Q51) 자체의 횡류 손실을 마찬가지로 대폭으로 줄일 수 있다.
계속해서, 상술한 본 발명에 의한 자기 코어, 자기 코어를 이용한 코일 부품, 및 전원 회로에 사용하는 바이어스용 영구 자석에 관한 실시예를 이하에 기술한다.
(제 13 실시예)
종래 기술의 문제점에 기재한 열 감자에 대해서는, 다음과 같은 방책을 실시하고 있다. 즉, 리플로 납땜 공정에서의 열에 견디기 위해, 자석 분말로는 Tc가 높은 SmCo계 자석 분말을 사용함으로써, 열 감자를 일으키게 하지 않을 방책을 실시하고 있다.
제 8 실시예에 사용한 구성에, 제 8 실시예에서 사용한 Tc가 770℃인 영구 자석을 장착한 것과, 종래 기술에서 사용되고 있던 Tc가 450℃로 낮은 Ba 페라이트 자석을 장착한 것을, 리플로 로(reflow furnace)의 조건인 270℃의 항온조에서 1시간 유지시켜 상온까지 냉각시킨 후 직류 중첩 인덕턴스 특성을 측정한 결과를 하기 표 1에 나타낸다.
표 1
리플로 전 L(at 3A) 리플로 후 L(at 3A)
본 발명예 8(Tc 770℃) 11.5(μH) 11.4(μH)
Ba 페라이트(Tc 450℃) 11.5(μH) 7.0(μH)
본 발명에 있어서의 Tc가 높은 재료를 사용한 인덕턴스 부품은 리플로 전후로, 직류 중첩 인덕턴스 특성의 변화가 없음에 반해, Tc가 450℃로 낮은 Ba 페라이트 자석의 경우, 열에 의해 불가역 감자가 일어나, 직류 중첩 인덕턴스 특성의 열화가 발생했다.
따라서, 리플로 납땜 공정에 의한 가열 등에 견디기 위해서는, Tc가 500℃ 이상의 자석 분말을 사용할 필요가 있다.
더욱이 SmCo계 자석 분말 중에서도, 조성이 Sm(Cobal,Fe0.15-0.25Cu0.05-0.06Zr0.02-0.03)7.0-8.5인 흔히 제 3세대 Sm2Co17자석이라고 불리는 조성의 자석 분말을 사용함으로써, 열로 인한 감자는 더욱 억제된다.
제 8 실시예에서 사용한 구성에, 제 8 실시예에서 사용한 조성이, Sm(Co0.742Fe0.20Cu0.055Zr0.029)7.7인 영구 자석을 장착한 것과, 조성이 Sm(Co0.78Fe0.11Cu0.10Zr0.01)7.7인 영구 자석을 장착한 것을 리플로 로의 조건인 270℃의 항온조에서 1시간 유지시켜, 상온까지 냉각시킨 후 직류 중첩 인덕턴스 특성을 측정한 결과를 하기 표 2에 나타낸다.
표 2
리플로 전 L(at 3A) 리플로 후 L(at 3A)
본 발명예 8Sm(Co0.742Fe0.20Cu0.055Zr0.029)7.7 11.5(μH) 11.4(μH)
본 발명예 8의 자석Sm(Co0.78Fe0.11Cu0.10Zr0.01)7.7 11.2(μH) 7.0(μH)
본 발명에 있어서의 조성이 제 3세대인 Sm(Cobal,Fe0.15-0.25Cu0.05-0.06Zr0.02-0.03)7.0-8.5를 이용한 인덕턴스 부품은 리플로 전후로, 직류 중첩 인덕턴스 특성의 변화가 없음에 반해, 흔히 제 2세대 Sm2Co17로 불리는 것의 자석 분말을 이용한 것은, 직류 중첩 인덕턴스 특성의 열화가 일어났다.
따라서, 리플로 납땜 공정에 의한 가열 등에 견디기 위해서는, 청구항 6에 나타내는 바와 같은 조성이 제 3세대인 Sm(Cobal,Fe0.15-0.25Cu0.05-0.06Zr0.02-0.03)7.0-8.5를 사용할 필요가 있다.
(제 14 실시예)
종래 기술의 문제점에 기재한 과대 전류로 인한 감자(減磁)에 대해서는 다음과 같은 방책을 실시하고 있다. 즉, 과대 전류에 수반된 직류 자계에 의해, 영구 자석의 보자력이 소실되지 않도록, iHc가 높은 SmCo계 자석 분말을 사용하는 방책을 실시하고 있다.
제 8 실시예에서 사용한 구성에, 제 8 실시예에서 사용한 보자력이 20kOe(1.58MA/m)의 영구 자석을 장착한 것과, 종래 기술에서 사용되었던 보자력이 20kOe(158kA/m)인 자석을 장착한 것에 300A·50㎲의 과대 전류를 인가한 후, 직류 중첩 인덕턴스 특성을 측정한 결과를 하기 표 3에 나타낸다.
표 3
전류 인가 전 L(at 3A) 전류 인가 후 L(at 3A)
본 발명예 8(보자력 20kOe;1.58MA/m) 11.5(μH) 11.4(μH)
Ba 페라이트 자석(보자력 2kOe;158kA/m) 11.5(μH) 8.0(μH)
본 발명에 있어서의 iHc가 높은 재료를 이용한 인덕턴스 부품은, 과대 전류 인가 전후로, 직류 중첩 인덕턴스 특성의 변화가 없음에 반해, 보자력이 2kOe(158kA/m)밖에 없는 Ba 페라이트 자석의 경우, 자석에 인가되는 반대 방향의 자계에 의한 감자가 일어나, 직류 중첩 인덕턴스 특성이 저하되었다.
따라서, 과대 전류로 인한 직류 자계에 견디기 위해서는, 고유 보자력이 10kOe(790kA/m) 이상의 자석 분말을 사용할 필요가 있다.
(제 15 실시예)
종래 기술의 문제점에 기재한 경시적인 산화의 진행으로 인한 영구 감자에대해서는 다음과 같이 실시하고 있다. 즉, 자석 분말이 산화를 일으키지 않도록 금속이나 합금에 의한 코팅을 하는 방책을 실시하고 있다.
제 8 실시예에서 사용한 구성에, 제 8 실시예에서 사용한 Zn을 피복한 영구 자석을 장착한 것과, Zn을 피복하지 않은 영구 자석을 장착한 것을, 소금물에 담근 후, 200시간 자연 방치하여, 직류 중첩 인덕턴스 특성을 측정한 결과를 하기 표 4에 나타낸다.
표 4
자연방치 전 L(at 3A) 자연방치 후 L(at 3A)
본 발명예 8(Zn 코팅 있음) 11.5(μH) 11.4(μH)
본 발명예 8의 자석분말(Zn 코팅 없음) 11.5(μH) 10.3(μH)
본 발명에 있어서의 코팅을 실시한 인덕턴스 부품은 PCT 전후로, 직류 중첩 인덕턴스 특성의 변화가 없음에 반해, Zn 코팅이 없는 자석 분말은, 경시적인 산화의 진행으로 인한 감자가 일어나, 직류 중첩 인덕턴스 특성의 열화가 발생했다.
따라서, 산화의 진행으로 인한 영구 감자를 억제하기 위해서는, Zn, Al, Bi, Ga, In, Mg, Pb, Sb 및 Sn 등의 자석 분말을 코팅할 필요가 있다.
이에 덧붙여, 분말 평균 입자 크기를 2.5∼25㎛로 하고 최대 입자 크기를 50㎛로 함으로써, 제작 공정 중의 산화도 억제할 수 있게 된다.
제 8 실시예에서 사용한 구성에, 제 8 실시예에서 사용한 평균 입자 크기가 5㎛이고 최대 입자 크기가 45㎛인 자석 분말을 이용한 영구 자석을 장착한 것과, 평균 입자 크기를 2㎛로 한 영구 자석을 장착한 것에 의해, 직류 중첩 인덕턴스 특성을 측정한 결과를 하기 표 5에 나타낸다.
표 5
인덕턴스값(at 3A)
본 발명예 8평균입자크기 5㎛ 최대입자크기 45㎛ 11.5(μH)
자석분말평균입자크기 2㎛ 최대입자크기 45㎛ 8.35(μH)
본 발명에 있어서의 입자 크기를 이용한 인덕턴스 부품은, 자기 바이어스에 의한 직류 중첩 인덕턴스 특성의 향상이 50%임에 반해, 평균 입자 크기를 2㎛로 한 것은 15%밖에 늘지 않았다.
따라서, 제작 공정 중의 산화를 억제시키기 위해서는, 분말 평균 입자 크기를 2.5∼25㎛, 최대 입자 크기를 50㎛로 할 필요가 있다.
(제 16 실시예)
종래 기술의 문제점에 기재한 비저항이 낮음으로써 철손이 증가하는 것에 대해서는 다음과 같이 실시하고 있다. 즉, 비저항을 높게 하기 위해서, 수지량을 체적비로 30% 이상으로 하는 방책을 실시하고 있다.
제 8 실시예에서 사용한 구성에, 제 8 실시예에서 사용한 수지량을 40Vol%로 하고, 비저항을 0.5Ω㎝로 한 영구 자석을 장착한 것과, 수지량을 20Vol%로 하고 비저항을 0.05Ω㎝로 한 영구 자석을 장착한 것, 및 수지량을 30Vol%로 하고 비저항을 0.1Ω㎝로 한 영구 자석을 장착한 것에 의해, 철손을 측정한 결과를 하기 표 6에 나타낸다.
표 6
비저항(Ω·㎝) 철손(㎾/㎥)(at 300㎑, 100mT)
본 발명예 8(수지량 40vol%) 0.5 515
본 발명예 8에 사용한 자석 분말(수지량 20vol%) 0.05 1230
본 발명예 8에 사용한 자석 분말(수지량 30vol%) 0.1 530
본 발명에 있어서의 수지량을 30Vol% 이상으로 한 인덕턴스 부품의 철손에 대해, 수지량을 체적비로 20%로 하고 비저항이 0.05Ω㎝로 낮은 것은, 와전류가 흐름으로써 손실이 일어나, 철손이 악화되어 있다. 또한, 수지량을 체적비로 30%로 하고 비저항을 0.1Ω㎝로 한 것은, 제 1 실시예에 사용한, 수지량을 체적비로 40%로 하고 비저항을 0.5Ω㎝로 한 것과 동일한 정도의 철손을 나타내고 있다.
따라서, 비저항의 저하에 따른 철손의 증가를 억제시키기 위해서는, 수지량은 체적비로 30% 이상으로 하고, 비저항은 0.1Ω㎝ 이상일 필요가 있다.
이상, 설명한 바와 같이, 본 발명의 제 8 내지 제 16 실시예에 따른 자기 코어, 자기 코어를 이용한 코일 부품, 및 전원 회로를 사용하면, 스위칭 전원 등에 사용되는 자기 코어나 트랜스포머, 초크 코일 등의 코일 부품의 소형화 및 저손실화를 꾀할 수 있는 동시에, 더욱이 전원 회로의 간소화, 소형화, 고효율화, 자원 절약화, 높은 신뢰성에 대해 비약적으로 기여할 수 있기 때문에, 공업적으로 유익한 바가 매우 큰 것이다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 자기 코어 및 그를 이용한 코일 부품 및 전원회로는, 스위칭 전원 등에 사용되는 자기 코어나 초크 코일 및 트랜스포머나 전원 회로의 고효율화, 자원 절약화, 간소화에 가장 적합하다.

Claims (48)

  1. 개자로의 자기 코어로서, 상기 개자로에 있어서 자로를 형성하는 연자기 특성을 지닌 자성체의 적어도 한쪽의 자로 단부에 영구 자석이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 코어.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 자로의 적어도 한 군데 이상에 에어 갭을 가지며, 이 에어 갭에 비저항이 1Ω·㎝ 이상이고 고유 보자력이 395kA/m 이상인 상기 영구 자석이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 코어.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 영구 자석은 희토류 자석 분말과 합성수지로 이루어진 바인더로 구성되어 있는 본드 자석임을 특징으로 하는 자기 코어.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 본드 자석에 사용하는 희토류 자석 분말의 입자 크기가 실질적으로 150㎛ 이하임을 특징으로 하는 자기 코어.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 희토류 자석 분말은, 고유 보자력이 790kA/m 이상, Tc가 500℃ 이상, 분말 평균 입자 크기가 2.5∼25㎛임을 특징으로 하는 자기 코어.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 희토류 자석 분말의 조성은, Sm(Cobal,Fe0.15-0.25Cu0.05-0.06Zr0.02-0.03)7.0-8.5임을 특징으로 하는 자기 코어.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 영구 자석은, 상기 합성수지의 함유량이 체적비로 30% 이상임을 특징으로 하는 자기 코어.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 합성수지는, 폴리아미드이미드수지, 폴리이미드수지, 에폭시수지, 폴리페닐렌설파이드수지, 실리콘수지, 폴리에스테르수지, 방향족계 폴리아미드수지, 액정 폴리머 중에서 선택된 적어도 하나임을 특징으로 하는 자기 코어.
  9. 제 3 항에 있어서,
    상기 희토류 자석 분말은, Zn, Al, Bi, Ga, In, Mg, Pb, Sb 및 Sn 중에서 적어도 한 종류의 금속 또는 그 합금으로 피복된 것으로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기 코어.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 희토류 자석 분말에 있어서, 분말에 피복된 금속 또는 합금은, 또한 적어도 300℃ 이상의 융점을 갖는 비금속의 무기 화합물로 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 코어.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 희토류 자석 분말의 피복층으로서의 금속 혹은 합금, 또는 무기 유리, 또는 금속 혹은 합금과 300℃ 이상의 융점을 갖는 비금속의 무기 화합물의 첨가량은, 체적비로 0.1∼10%임을 특징으로 하는 자기 코어.
  12. 제 3 항에 있어서,
    상기 희토류 자석 분말을, 연화점이 220℃ 이상 550℃ 이하인 무기 유리로 피복한 것을 특징으로 하는 자기 코어.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 희토류 자석 분말의 피복층으로서의 금속 혹은 합금, 또는 무기 유리, 또는 금속 혹은 합금과 300℃ 이상의 융점을 갖는 비금속의 무기 화합물의 첨가량은, 체적비로 0.1∼10%임을 특징으로 하는 자기 코어.
  14. 제 3 항에 있어서,
    상기 영구 자석의 제작시에 희토류 자석 분말이 자기장 중에서, 해당 자기 코어의 두께 방향으로 배향됨으로써 자기적으로 이방성화되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 코어.
  15. 제 2 항에 있어서,
    상기 영구 자석의 착자 자기장이 2.5T 이상임을 특징으로 하는 자기 코어.
  16. 제 2 항에 있어서,
    상기 영구 자석에 있어서 중심선 평균 조도(Ra)가 10㎛ 이하임을 특징으로 하는 자기 코어.
  17. 개자로의 자기 코어를 이용한 코일 부품으로서, 상기 개자로에 있어서 자로를 형성하는 연자기 특성을 지닌 자성체의 적어도 한쪽의 자로 단부에 영구 자석을 배치한 상기 자기 코어에, 적어도 하나 이상이고 1턴 이상의 권선이 감겨져 있는 것을 특징으로 하는 코일 부품.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 자로의 적어도 한 군데 이상에 에어 갭을 가지며, 이 에어 갭에 비저항이 1Ω·㎝ 이상이고 고유 보자력이 395kA/m 이상인 상기 영구 자석이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 코일 부품.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 영구 자석은 희토류 자석 분말과 합성수지로 이루어진 바인더로 구성되어 있는 본드 자석임을 특징으로 하는 코일 부품.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 본드 자석에 사용하는 희토류 자석 분말의 입자 크기가 실질적으로 150㎛ 이하임을 특징으로 하는 코일 부품.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 희토류 자석 분말은, 고유 보자력이 790kA/m 이상, Tc가 500℃ 이상, 분말 평균 입자 크기가 2.5∼25㎛임을 특징으로 하는 코일 부품.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 희토류 자석 분말의 조성은, Sm(Cobal,Fe0.15-0.25Cu0.05-0.06Zr0.02-0.03)7.0-8.5임을 특징으로 하는 코일 부품.
  23. 제 19 항에 있어서,
    상기 영구 자석은, 상기 합성수지의 함유량이 체적비로 30% 이상임을 특징으로 하는 코일 부품.
  24. 제 19 항에 있어서,
    상기 합성수지는, 폴리아미드이미드수지, 폴리이미드수지, 에폭시수지, 폴리페닐렌설파이드수지, 실리콘수지, 폴리에스테르수지, 방향족계 폴리아미드수지, 액정 폴리머 중에서 선택된 적어도 하나임을 특징으로 하는 코일 부품.
  25. 제 19 항에 있어서,
    상기 희토류 자석 분말은, Zn, Al, Bi, Ga, In, Mg, Pb, Sb 및 Sn 중에서 적어도 한 종류의 금속 또는 그 합금으로 피복된 것으로 이루어진 것을 특징으로 하는 코일 부품.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 희토류 자석 분말에 있어서, 분말에 피복된 금속 또는 합금은, 또한 적어도 300℃ 이상의 융점을 갖는 비금속의 무기 화합물로 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 코일 부품.
  27. 제 25 항에 있어서,
    상기 희토류 자석 분말의 피복층으로서의 금속 혹은 합금, 또는 무기 유리, 또는 금속 혹은 합금과 300℃ 이상의 융점을 갖는 비금속의 무기 화합물의 첨가량은, 체적비로 0.1∼10%임을 특징으로 하는 코일 부품.
  28. 제 19 항에 있어서,
    상기 희토류 자석 분말을, 연화점이 220℃ 이상 550℃ 이하인 무기 유리로 피복한 것을 특징으로 하는 코일 부품.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 희토류 자석 분말의 피복층으로서의 금속 혹은 합금, 또는 무기 유리, 또는 금속 혹은 합금과 300℃ 이상의 융점을 갖는 비금속의 무기 화합물의 첨가량은, 체적비로 0.1∼10%임을 특징으로 하는 코일 부품.
  30. 제 18 항에 있어서,
    상기 영구 자석의 제작시에 희토류 자석 분말이 자기장 중에서, 해당 자기 코어의 두께 방향으로 배향됨으로써 자기적으로 이방성화되어 있는 것을 특징으로 하는 코일 부품.
  31. 제 18 항에 있어서,
    상기 영구 자석의 착자 자기장이 2.5T 이상임을 특징으로 하는 코일 부품.
  32. 제 18 항에 있어서,
    상기 영구 자석에 있어서 중심선 평균 조도(Ra)가 10㎛ 이하임을 특징으로 하는 코일 부품.
  33. 코일 부품을 포함하는 전원 회로에 있어서, 상기 코일 부품은, 개자로에 있어서 자로를 형성하는 연자기 특성을 지닌 자성체의 적어도 한쪽의 자로 단부에 영구 자석을 배치한 자기 코어에, 적어도 하나 이상이고 1턴 이상의 권선을 감은 것으로, 상기 코일 부품에 감겨진 상기 권선에 입력 전압이 인가되어 흐르는 여자 전류에 의해 발생하는 상기 연자기 특성의 상기 자성체에 인가되는 자계의 극성과, 상기 영구 자석에 의해 상기 연자기 특성의 상기 자성체에 인가되는 자계의 극성이, 서로 반대 극성이 되도록 구성한 것을 특징으로 하는 전원 회로.
  34. 제 33 항에 있어서,
    적어도 하나 이상의 자기 코어를 더 구비하고, 상기 적어도 한 개 이상의 상기 자기 코어에 적어도 한 개 이상의 권선을 감고, 상기 입력 전압에 대해 상기 권선과 스위칭 소자 사이에 직렬로 상기 적어도 한 개 이상의 자기 코어의 권선의 양쪽 단말을 각각 접속함과 동시에, 상기 스위칭 소자에는, 적어도 콘덴서를 포함하는 회로가 병렬로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 전원 회로.
  35. 제 33 항에 있어서,
    상기 자로의 적어도 한 군데 이상에 에어 갭을 가지며, 이 에어 갭에 비저항이 1Ω·㎝ 이상이고 고유 보자력이 395kA/m 이상인 상기 영구 자석이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 전원 회로.
  36. 제 35 항에 있어서,
    상기 영구 자석은 희토류 자석 분말과 합성수지로 이루어진 바인더로 구성되어 있는 본드 자석임을 특징으로 하는 전원 회로.
  37. 제 36 항에 있어서,
    상기 본드 자석에 사용하는 희토류 자석 분말의 입자 크기가 실질적으로 150㎛ 이하임을 특징으로 하는 전원 회로.
  38. 제 35 항에 있어서,
    상기 영구 자석은, 합성 수지에 고유 보자력이 790kA/m 이상, Tc가 500℃ 이상, 분말 평균 입자 크기가 2.5∼25㎛인 희토류 자석 분말이 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 전원 회로.
  39. 제 36 항에 있어서,
    상기 희토류 자석 분말의 조성은, Sm(Cobal,Fe0.15-0.25Cu0.05-0.06Zr0.02-0.03)7.0-8.5임을 특징으로 하는 전원 회로.
  40. 제 36 항에 있어서,
    상기 영구 자석은, 상기 합성수지의 함유량이 체적비로 30% 이상이며, 상기 합성수지는 폴리아미드이미드수지, 폴리이미드수지, 에폭시수지, 폴리페닐렌설파이드수지, 실리콘수지, 폴리에스테르수지, 방향족계 폴리아미드수지, 액정 폴리머 중에서 선택된 적어도 하나임을 특징으로 하는 전원 회로.
  41. 제 36 항에 있어서,
    상기 희토류 자석 분말은, Zn, Al, Bi, Ga, In, Mg, Pb, Sb 및 Sn 중에서 적어도 한 종류의 금속 또는 그 합금으로 피복된 것으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전원 회로.
  42. 제 41 항에 있어서,
    상기 희토류 자석 분말에 있어서, 분말에 피복된 금속 또는 합금은, 또한 적어도 300℃ 이상의 융점을 갖는 비금속의 무기 화합물로 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 전원 회로.
  43. 제 41 항에 있어서,
    상기 희토류 자석 분말의 피복층으로서의 금속 혹은 합금, 또는 무기 유리, 또는 금속 혹은 합금과 300℃ 이상의 융점을 갖는 비금속의 무기 화합물의 첨가량은, 체적비로 0.1∼10%임을 특징으로 하는 전원 회로.
  44. 제 36 항에 있어서,
    상기 희토류 자석 분말을, 연화점이 220℃ 이상 550℃ 이하인 무기 유리로 피복한 것을 특징으로 하는 전원 회로.
  45. 제 44 항에 있어서,
    상기 희토류 자석 분말의 피복층으로서의 금속 혹은 합금, 또는 무기 유리, 또는 금속 혹은 합금과 300℃ 이상의 융점을 갖는 비금속의 무기 화합물의 첨가량은, 체적비로 0.1∼10%임을 특징으로 하는 전원 회로.
  46. 제 35 항에 있어서,
    상기 영구 자석의 제작시에 희토류 자석 분말이 자기장 중에서, 해당 자기 코어의 두께 방향으로 배향됨으로써 자기적으로 이방성화되어 있는 것을 특징으로 하는 전원 회로.
  47. 제 35 항에 있어서,
    상기 영구 자석의 착자 자기장이 2.5T 이상임을 특징으로 하는 전원 회로.
  48. 제 35 항에 있어서,
    상기 영구 자석에 있어서 중심선 평균 조도(Ra)가 10㎛ 이하임을 특징으로 하는 전원 회로.
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