TWI611438B - 複合平滑電感器及平滑化電路 - Google Patents

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Abstract

本發明之課題在於提供一種可因應小型化及驅動頻率之高頻率化等要求之提高之複合平滑電感器。 本發明係於基板50上集成具備耦合變壓器20、第1平滑用電感器30、及第2平滑用電感器40之複合平滑電感器10，且2個輸入端子11A、11B之任一者皆連接於耦合變壓器20，耦合變壓器20之一輸出部連接於第1平滑用電感器30，耦合變壓器20之另一輸出部連接於第2平滑用電感器40，第1平滑用電感器30及第2平滑用電感器40之任一者皆連接於輸出端子12，耦合變壓器20之互感高於第1平滑用電感器30之自感及第2平滑用電感器40之自感之任一者。

Description

複合平滑電感器及平滑化電路
本發明係關於複合平滑電感器，尤其是關於多相式DC-DC轉換器中所使用之複合平滑電感器、及具備該複合平滑電感器之平滑化電路。
伴隨著資訊處理之增大，LSI等半導體裝置等電子機器所需電流量之增大化正逐漸發展。對此，使用多相式DC-DC轉換器。
於專利文獻1，作為於此種多相式DC-DC轉換器等使用之耦合電感器，記載有一種耦合電感器，其具備：第1線圈導體、第2線圈導體、及夾住上述第1線圈導體與第2線圈導體之第1磁性體及第2磁性體；由金屬磁性箔之積層體構成上述第1磁性體及第2磁性體，且使該金屬磁性箔之積層方向、與藉由上述第1線圈導體與第2線圈導體產生之磁通方向正交。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2009-117676號公報
於供給大電流之DC-DC轉換器中，若欲以單輸出電路供給大電流，則導致施加於功率半導體之負載增大，無法高速動作從而在效率、尺寸方面產生負影響。因此，考慮以並聯(相移)連接多輸出電路而降低每單輸出之電流值，而實現功率半導體之高速動作，並改善效率與尺寸，但亦尋求 進一步之改善。
作為一例，若以低電壓大電流輸出之DC-DC轉換器進行降壓，則於較DC-DC轉換器更後段，電流增加而能量損失增加。因此，期望DC-DC轉換器配置於LSI等半導體裝置之附近。因此，DC-DC轉換器小型化之要求提高。如專利文獻1所揭示之耦合電感器係為了對應該要求，而具備使耦合變壓器與平滑用電感器一體化之構成作為基本構成，但對於近年來DC-DC轉換器之小型化要求之進一步提高或驅動頻率之高頻化之要求，耦合電感器本質上越來越無法對應。
圖11係顯示具有與專利文獻1所揭示之耦合電感器同樣構造之耦合電感器之剖視圖。於圖11所示之耦合電感器60中，藉由將第1線圈導體63A與第2線圈導體63B磁性耦合而作為耦合變壓器發揮功能，且第1線圈導體63A及第2線圈導體63B各者作為平滑用電感器之線圈發揮功能。由於耦合電感器60具備此種構成，故藉由於第1線圈導體63A與第2線圈導體63B之一者(例如第1線圈導體63A)流通之電流而產生之磁場之一部分無法避免地用於作為具備第1線圈導體63A之平滑用電感器之第1磁路MC1。
因此，於耦合電感器60中，僅藉由於第1線圈導體63A流通之電流產生之磁場之一部分用於用以使第2線圈導體63B產生感應電流之第2磁路MC2。此係對提高耦合電感器之電感而言成為本質性障礙。於耦合電感器之電感較低之情形時，於第2線圈導體63B產生之感應電流降低，且DC-DC轉換器之輸出信號之漣波值(輸出信號之電流變動幅度)增大。由於DC-DC轉換器之基本樣式為將該漣波值抑制在某程度之範圍(例如相對於輸出信號之最大值為30%以內)，故尋求增大耦合電感器整體對應提高平滑用電感器之電感等，故而難以將耦合電感器60小型化。
又，以基於藉由來自電源之脈衝電流而產生之磁場，適當地產生用於耦合變壓器之第2磁路MC2與用於平滑用電感器之第1磁路MC1之方式，於第1線圈導體63A與第2線圈導體63B之間設置氣隙AG，使用於平滑用電感器之第1磁路MC1之實效導磁率降低。來自該氣隙AG之洩漏磁場成為耦合變壓器小型化之障礙。尤其，若提高驅動頻率則基於洩漏磁場之損失增大，發熱等問題顯著化而導致無法進一步將耦合變壓器小型化。
本發明係鑑於上述現狀而完成者，目的在於提供一種可對應小型化或驅動頻率之高頻化等要求之提高的複合平滑電感器及具備上述複合平滑電感器之平滑化電路。
用於解決上述課題之本發明於一態樣中提供一種複合平滑電感器，其特徵在於：其係於1個基板上集成具備：1個耦合變壓器，其具備2個輸入部與2個輸出部；第1平滑用電感器，其具備1個輸入部與1個輸出部；第2平滑用電感器，其具備1個輸入部與1個輸出部；以及2個輸入端子及1個輸出端子；且上述2個輸入端子之一者連接於上述耦合變壓器之2個輸入部之一者，上述2個輸入端子之另一者連接於上述耦合變壓器之2個輸入部之另一者，上述耦合變壓器之2個輸出部之一者連接於上述第1平滑用電感器之輸入部，上述耦合變壓器之2個輸出部之另一者連接於上述第2平滑用電感器之輸入部，上述第1平滑用電感器之輸出部及上述第2平滑用電感器之輸出部之任一者皆連接於上述1個輸出端子，上述耦合變壓器之互感高於上述第1平滑用電感器之自感及上述第2平滑用電感器之自感之任一者。
如此，藉由將1個耦合變壓器與2個平滑用電感器設為獨立體，可個別地追求用以提高作為耦合變壓器之功能之構成、與用以提高作為平滑用 電感器之功能之構成。作為其結果，雖耦合變壓器與平滑用電感器為獨立體，但與使該等一體化之耦合電感器相比，可構成能夠對應小型化或驅動頻率高頻化之要求之提高的複合平滑電感器。此處，藉由以高於上述第1平滑用電感器之自感及上述第2平滑用電感器之自感之任一者之方式設定耦合變壓器之互感，易於減小具備複合平滑電感器之DC-DC轉換器之輸出信號之漣波值。
於上述耦合變壓器中，較佳為上述耦合變壓器之互感Lm相對於上述第1平滑用電感器之自感Lk及上述第2平滑用電感器之自感Lk之比率(Lm/Lk比)超過1且為12以下。藉由Lm/Lk比為上述比率，可有效地抑制來自耦合變壓器之發熱。
較佳為上述耦合變壓器具備：第1變壓器線圈及第2變壓器線圈、以及內包該等線圈之至少一部分之變壓器用磁性構件，上述第1平滑用電感器具備：第1電感器線圈及內包該第1電感器線圈之至少一部分之第1電感器用磁性構件；上述第2平滑用電感器具備：第2電感器線圈及內包該第2電感器線圈之至少一部分之第2電感器用磁性構件；上述變壓器用磁性構件之實效導磁率高於上述第1電感器用磁性構件之實效導磁率及上述第2電感器用磁性構件之實效導磁率之任一者；構成上述變壓器用磁性構件之變壓器用磁性材料之飽和磁通密度，低於構成上述第1電感器用磁性構件之第1電感器用磁性材料之飽和磁通密度及構成上述第2電感器用磁性構件之第2電感器用磁性材料之飽和磁通密度之任一者。
藉由將1個耦合變壓器與2個平滑用電感器設為獨立體，可使耦合變壓器之磁性構件所用之磁性材料與平滑用電感器之磁性構件所用之磁性材料不同，易於對應小型化等要求。
具體而言，藉由使變壓器用磁性構件之實效導磁率高於第1電感器用磁性構件之實效導磁率及第2電感器用磁性構件之實效導磁率之任一者，易於使耦合變壓器之互感高於第1平滑用電感器之自感及第2平滑用電感器之自感之任一者。又，藉由使第1電感器用磁性材料之飽和磁通密度及第2電感器用磁性材料之飽和磁通密度皆高於變壓器用磁性材料之飽和磁通密度，易於向第1平滑用電感器及第2平滑用電感器蓄積能量，易於減小具備複合平滑電感器之DC-DC轉換器之輸出信號之漣波值。
於上述構成中，較佳為蓄積於上述耦合變壓器之能量所產生之磁通密度為構成上述變壓器用磁性構件之變壓器用磁性材料之飽和磁通密度之50%以下。藉由使耦合變壓器於此種範圍內動作，可適當地抑制鐵損增大耦合變壓器發熱之可能性。
於上述構成中，較佳為上述變壓器用磁性構件之實效導磁率為1000以上且3500以下，上述第1電感器用磁性構件之實效導磁率及上述第2電感器用磁性構件之實效導磁率為15以上且120以下。藉由各材料之實效導磁率為上述範圍，耦合變壓器及平滑用電感器各者可有效地動作，易於形成良好之平滑化信號。
於上述構成中，較佳為構成上述變壓器用磁性構件之變壓器用磁性材料之飽和磁通密度為380mT以上且520mT以下，構成上述第1電感器用磁性構件之第1電感器用磁性材料之飽和磁通密度及構成上述第2電感器用磁性構件之第2電感器用磁性材料之飽和磁通密度之任一者皆為700mT以上。藉由各材料之飽和磁通密度為上述範圍，可確保材料選定之自由度，且適當地抑制來自複合平滑電感器，尤其是耦合變壓器之發熱。
上述第1變壓器線圈之導體部與上述第2變壓器線圈之導體部可具有 以經由包含絕緣性材料之構件而相接之方式配置之部分，上述第1變壓器線圈及上述第2變壓器線圈之任一者皆包含導體部與覆蓋上述導體部之表面之絕緣部，且可具有以上述第1變壓器線圈之上述絕緣部及上述第2變壓器線圈之絕緣部相接之方式配置之部分。該等構成係基於耦合變壓器之小型化及提高效率之觀點而言較佳，但由於難以形成各個線圈之用於平滑用電感器之磁路，故係難以於將用於耦合變壓器之線圈與用於平滑用電感器之線圈共通化之耦合電感器中採用的構成。
較佳為上述第1變壓器線圈與上述第2變壓器線圈具備於上述變壓器用磁性構件內奇數次交叉之交叉部。藉由具備該構成，於第1變壓器線圈及第2變壓器線圈之一者流通電流時於第1變壓器線圈及第2變壓器線圈之另一者產生之感應電流之方向相反，而易於使耦合變壓器之2個輸入部並排配置，易於將複合平滑電感器小型化。
於上述構成中，由於亦易於使耦合變壓器之2個輸出部並排配置，故若沿著上述基板之主面內方向之一即第1方向並排配置上述第1平滑用電感器與上述第2平滑用電感器，則可將包含上述第1平滑用電感器及上述第2平滑用電感器之一群平滑用電感器與上述耦合變壓器沿著與上述第1方向於上述基板之主面內交叉(較佳係正交)之第2方向並排配置。藉由採用此種構成，易於減小基板之主面面積且使複合平滑電感器小型化。
於上述構成中，基於將複合平滑電感器小型化之觀點，上述第1電感器用磁性構件與上述第2電感器用磁性構件較佳為一體。
於上述構成中，較佳為上述第1電感器線圈及上述第2電感器線圈係以由上述第1電感器線圈中流通之電流所產生之磁場與由上述第2電感器線圈中流通之電流所產生之磁場不磁性耦合之方式配置。作為具體之一例， 列舉採用如於第1電感器線圈與第2電感器線圈之間之區域，使於第1電感器線圈流通之電流而產生之磁場之方向與於第2電感器線圈流通之電流而產生之磁場之方向反向平行之方式配置。藉由設為此種配置，即便將複合平滑電感器小型化，於第1電感器線圈流通之電流而產生之磁場亦難以對第2平滑用電感器造成影響，從而易於使複合平滑電感器之動作穩定。
於上述複合平滑電感器中，較佳為上述第1平滑用電感器不具有氣隙，且較佳為上述第2平滑用電感器不具有氣隙。於具有氣隙之情形時有洩漏磁場影響之擔憂，該影響係複合平滑電感器越小型化，驅動頻率越高頻化而越顯著。
本發明作為另一態樣係一種平滑化電路，其具備第1開關元件、第2開關元件、上述本發明一態樣之複合平滑電感器、及電容器。上述平滑化電路特徵在於：可輸入自上述第1開關元件輸出之脈衝信號地連接於上述複合平滑電感器之2個輸入端子之一者，且可輸入自上述第2開關元件輸出之脈衝信號地連接於上述複合平滑電感器之2個輸入端子之另一者；上述電容器連接於上述複合平滑電感器之1個輸出端子，且可自設置於上述複合平滑電感器之1個輸出端子與上述電容器之間之輸出部輸出平滑信號。藉由使用上述本發明一態樣之複合平滑電感器，適當地抑制DC-DC轉換器之輸出信號之漣波，且易於將平滑化電路小型化或將驅動頻率高頻化。
根據本發明，提供一種可對應小型化或驅動頻率高頻化等要求之複合平滑電感器。又，亦提供一種具備上述複合平滑電感器之平滑化電路。
1‧‧‧平滑化電路
10‧‧‧複合平滑電感器
11A‧‧‧輸入端子
11B‧‧‧輸入端子
12‧‧‧輸出端子
20‧‧‧耦合變壓器
21A‧‧‧耦合變壓器20之輸入部
21B‧‧‧耦合變壓器20之輸入部
22A‧‧‧耦合變壓器20之輸出部
22B‧‧‧耦合變壓器20之輸出部
23A‧‧‧第1變壓器線圈
23B‧‧‧第2變壓器線圈
24‧‧‧變壓器用磁性構件
30‧‧‧第1平滑用電感器
31‧‧‧第1平滑用電感器30之輸入部
32‧‧‧第1平滑用電感器30之輸出部
33‧‧‧第1電感器線圈
34‧‧‧電感器用磁性構件
40‧‧‧第2平滑用電感器
41‧‧‧第2平滑用電感器40之輸入部
42‧‧‧第2平滑用電感器40之輸出部
43‧‧‧第2電感器線圈
50‧‧‧基板
60‧‧‧耦合電感器
61A‧‧‧第1輸入端子
61B‧‧‧第2輸入端子
62A‧‧‧第1輸出端子
62B‧‧‧第2輸出端子
63A‧‧‧第1線圈導體
63B‧‧‧第2線圈導體
64‧‧‧耦合電感器之磁性構件
100‧‧‧電路基板
101‧‧‧配線
102‧‧‧配線
103‧‧‧配線
241‧‧‧變壓器用磁性構件24之蓋部
242‧‧‧變壓器用磁性構件24之箱部
341‧‧‧電感器用磁性構件34之蓋部
342‧‧‧電感器用磁性構件34之箱部
641‧‧‧第1構件
642‧‧‧第2構件
A-A‧‧‧線
AG‧‧‧氣隙
Bm‧‧‧飽和磁通密度
GND‧‧‧接地
Id‧‧‧等效電流
L‧‧‧負載
MC1‧‧‧第1磁路
MC2‧‧‧第2磁路
OUT‧‧‧輸出部
OP11‧‧‧三角波
OP12‧‧‧三角波
OP21‧‧‧三角波
OP22‧‧‧三角波
P1‧‧‧脈衝信號
P2‧‧‧脈衝信號
PP1‧‧‧漣波電流
PP2‧‧‧漣波電流
SC‧‧‧電容器
SW1‧‧‧第1開關元件
SW2‧‧‧第2開關元件
t0‧‧‧時間
t1~t7‧‧‧時間
ta1‧‧‧時間
X1‧‧‧方向
X2‧‧‧方向
Y1‧‧‧方向
Y2‧‧‧方向
△t‧‧‧發送間隔
圖1係本發明一實施形態之平滑化電路之電路圖。
圖2係顯示本發明一實施形態之複合平滑電感器之構成之電路圖。
圖3係顯示本發明一實施形態之複合平滑電感器之構造之自耦合變壓器側之立體圖。
圖4係顯示本發明一實施形態之複合平滑電感器之構造之自平滑用電感器側之立體圖(平滑用電感器之部分為透視圖)。
圖5係概念性顯示本發明一實施形態之複合平滑電感器所具備之4個線圈之配置的圖。
圖6係概念性顯示配置有本發明一實施形態之複合平滑電感器之電路基板之配線構造的圖。
圖7係顯示先前技術之耦合電感器之構造的立體圖。
圖8係圖7所示之耦合電感器之俯視圖。
圖9係概念性顯示圖7所示之耦合電感器所具備之2個線圈之配置的圖。
圖10係概念性顯示配置有圖7所示之耦合電感器之電路基板之配線構造之圖。
圖11係圖7所示之耦合電感器之A-A線之剖視圖。
圖12係將模擬結果1之輸出信號與輸入信號一起顯示之圖。
圖13係將模擬結果2之輸出信號與輸入信號一起顯示之圖。
圖14係將模擬結果3之輸出信號與輸入信號一起顯示之圖。
圖15係將模擬結果4之輸出信號與輸入信號一起顯示之圖。
圖16係將模擬結果5之輸出信號與輸入信號一起顯示之圖。
圖17(a)係顯示輸入至第1變壓器線圈側之輸入端子之脈衝信號(實線) 及輸入至第2變壓器線圈側之輸入端子之脈衝信號(虛線)的圖，(b)係顯示於第1平滑用電感器之輸出部流通之電流(實線)及於第2平滑用電感器之輸出部流通之電流(虛線)的圖，及(c)係顯示圖17(b)所示之2個電流之差量(等效電流)之圖。
圖18係顯示表2所示之結果之圖表。
圖19(a)係概念性顯示等效電流交變時之正負平衡均衡之情形之耦合變壓器之B-H曲線的圖表，(b)係概念性顯示等效電流交變時之正負平衡不均衡之情形之耦合變壓器之B-H曲線的圖表。
圖20係顯示等效電流交變時之正負平衡不均衡之情形之具體例的圖，(a)係顯示於第1平滑用電感器之輸出部流通之電流(實線)及於第2平滑用電感器之輸出部流通之電流(虛線)、以及基於對比之目的而顯示之圖17(b)所示之於第2平滑用電感器之輸出部流通之電流(虛線)的圖，及(b)係顯示包含圖19(a)所示之2個電流之差量之等效電流(實線)之圖，且基於對比之目的而顯示之圖17(c)所示之等效電流(虛線)。
以下，一面參照圖式一面對本發明之實施形態進行說明。
圖1係顯示本發明一實施形態之平滑化電路之電路圖。如圖1所示，平滑化電路1具備：第1開關元件SW1、第2開關元件SW2、複合平滑電感器10、及電容器SC。於第1開關元件SW1及第2開關元件SW2輸入來自電源、電晶體等之信號(應被降壓之信號)。且，可將自第1開關元件SW1輸出之脈衝信號輸入地連接於複合平滑電感器10之2個輸入端子之一者，可將自第2開關元件SW2輸出之脈衝信號輸入地連接於複合平滑電感器10之2個輸入端子之另一者。關於複合平滑電感器10之構成、功能等予以後 述。
於複合平滑電感器10之一輸出端子連接有電容器SC，且可自設置於複合平滑電感器10之一輸出端子與電容器SC之間之輸出部OUT輸出平滑信號。於圖1中，顯示於輸出部OUT連接有負載L(虛線部)，且電容器SC及負載L皆接地(接地GND)之狀態。
複合平滑電感器10如圖1所示，具備：耦合變壓器20及2個平滑用電感器(第1平滑用電感器30、第2平滑用電感器40)。例如，當第1開關元件SW1動作，將脈衝信號輸入至複合平滑電感器10時，首先，該信號被輸入至耦合變壓器20，且於包含第2平滑用電感器40之電路流通感應電流。其結果，電流自第1平滑用電感器30及第2平滑用電感器40兩者流出，經平滑化之信號自輸出部OUT輸出。
圖2係顯示本發明一實施形態之複合平滑電感器之構成之電路圖。如圖1及圖2所示，複合平滑電感器10具備：1個耦合變壓器20及2個平滑用電感器(第1平滑用電感器30、第2平滑用電感器40)，且進而具備：2個輸入端子11A、11B及1個輸出端子12。
耦合變壓器20具備：2個輸入部21A、21B與2個輸出部22A、22B。複合平滑電感器10之輸入端子11A與耦合變壓器20之輸入部21A連接，複合平緩電感器10之輸入端子11B與耦合變壓器20之輸入部21B連接。耦合變壓器20於輸入部21A與輸出部22A之間具備第1變壓器線圈23A，於輸入部21B與輸出部22B之間具備第2變壓器線圈23B。
第1變壓器線圈23A與第2變壓器線圈23B可磁性耦合地配置，並將極性設為相互反向。因此，於第1變壓器線圈23A將電流自輸入部21A向輸出部22A側流通時，可使基於該電流於第2變壓器線圈23B產生之感應電流 亦自輸入部21B向輸出部22B側流通。又，於第2變壓器線圈23B將電流自輸入部21B向輸出部22B側流通時，可使基於該電流於第1變壓器線圈23A產生之感應電流亦自輸入部21A向輸出部22A側流通。即，第1開關元件SW1及第2開關元件SW2之任一者接通且電流流入至耦合變壓器20之輸入部21A、21B之任一者，均可實現電流自輸出部22A、22B兩者流出。其中，電流基於第1開關元件SW1或第2開關元件SW2之接通動作而流出之時序、與基於該電流產生之感應電流流出之時序之間產生時間差。
第1平滑用電感器30具備：輸入部31及輸出部32，且於該等之間具備第1電感器線圈33。由於第1平滑用電感器30之輸入部31與耦合變壓器20之輸出部22A連接，故自耦合變壓器20之輸出部22A流出之電流自第1平滑用電感器30之輸入部31向第1電感器線圈33流通而進行能量蓄積。且，若向第1平滑用電感器30之輸入部31流入之電流減少，則蓄積之能量釋放，自第1電感器線圈33流向輸出部32之電流增加，且電流自第1平滑用電感器30之輸出部32向複合平滑電感器10之輸出端子12流通。
第2平滑用電感器40具備：輸入部41及輸出部42，且於該等之間具備第2電感器線圈43。由於第2平滑用電感器40之輸入部41連接於耦合變壓器20之輸出部22B，故自耦合變壓器20之輸出部22B流出之電流自第2平滑用電感器40之輸入部41流向第2電感器線圈43流通而進行能量蓄積。且，若向第2平滑用電感器40之輸入部41流入之電流減少，則蓄積之能量釋放，自第2電感器線圈43流向輸出部42之電流增加，且電流自第2平滑用電感器40之輸出部42向複合平滑電感器10之輸出端子12流通。
如上所述，由於電流基於第1開關元件SW1或第2開關元件SW2之接通動作而流出之時序、與基於該電流產生之感應電流流出之時序之間存在 時間差，故於第1平滑用電感器30之輸出部32流通之電流流出之時序、與於第2平滑用電感器40之輸出部42流通之電流流出的時序之間亦產生時間差。因此，可使於與第1平滑用電感器30之輸出部32及第2平滑用電感器40之輸出部42連接之複合平滑電感器10之輸出端子12流通之電流的流出時序互不相同。因此，可藉由重複第1開關元件SW1之開關動作與第2開關元件SW2之開關動作，而將輸出信號之電流值平滑化。
此處，於耦合變壓器20之互感較高之情形時，由於感應電流變得易於流通，故可提高自複合平滑電感器10輸出之信號之平滑性。具體而言，可使輸出信號之漣波減少。因此，於耦合變壓器20之互感較高而適當地產生感應電流之情形時，可將2個平滑用電感器(第1平滑用電感器30、第2平滑用電感器40)之自感設為相對較低。
如上所述，於本發明一實施形態之複合平滑電感器10中由於耦合變壓器20與2個平滑用電感器(第1平滑用電感器30、第2平滑用電感器40)為獨立體，故對於耦合變壓器20，可以互感提高之方式設定構造上、組成上之構成，對於2個平滑用電感器(第1平滑用電感器30、第2平滑用電感器40)，可設定如與耦合變壓器20完全獨立地調整自感之構成。因此，於耦合變壓器20之互感充分高之情形時，可在2個平滑用電感器(第1平滑用電感器30、第2平滑用電感器40)之自感允許之範圍內，將該等平滑用電感器小型化。
如此，本發明一實施形態之複合平滑電感器10由於耦合變壓器20與2個平滑用電感器(第1平滑用電感器30、第2平滑用電感器40)為獨立體，故可為了實現作為複合平滑電感器10之小型化而個別地設定該等之構造或材料等。
對此，於專利文獻1等所記載之耦合電感器之情形時，由於將耦合變壓器與平滑用電感器一體化，故有為了推進小型化而要求滿足背道而馳之要求之情形，故稱不上易於進一步之小型化。
例如，如上所述，較佳為耦合變壓器之互感較高，但於耦合電感器之情形時，無法將藉由自外部電源於一線圈流通之電流產生之所有磁場用作用以使另一線圈產生感應電流之磁場。如圖11所示，除了用於耦合變壓器之磁路MC2以外，還必須構成有用於平滑用電感器之磁路MC1。因此，於耦合電感器之情形時，提高耦合變壓器之互感有界限。
圖3係顯示本發明一實施形態之複合平滑電感器之構造之自耦合變壓器側之立體圖，圖4係顯示本發明一實施形態之複合平滑電感器之構造之自平滑用電感器側之立體圖。於圖4中，平滑用電感器之部分為透視圖。圖5係概念性顯示本發明一實施形態之複合平滑電感器10所具備之4個線圈(第1變壓器線圈23A及第2變壓器線圈23B以及第1電感器線圈33及第2電感器線圈43)之配置的圖。
如圖3至圖5所示，於複合平滑電感器10中，將耦合變壓器20及2個平滑用電感器(第1平滑用電感器30、第2平滑用電感器40)集成配置於基板50之一主面上。複合平滑電感器10之一輸入端子11A與耦合變壓器20之一輸入部21A共通，複合平滑電感器10之另一輸入端子11B與耦合變壓器20之另一輸入部21B共通。
耦合變壓器20具備：第1變壓器線圈23A及第2變壓器線圈23B，進而具備：內包該等線圈之至少一部分之變壓器用磁性構件24。圖3及圖4所示之變壓器用磁性構件24包含：蓋部241與箱部242，且於箱部242內配置有構成第1變壓器線圈23A之構件之至少一部分及構成第2變壓器線圈23B 之構件之至少一部分。
第1變壓器線圈23A之位於變壓器用磁性構件24內之部分及第2變壓器線圈23B之位於變壓器用磁性構件24內之部分任一者皆包含：導體及覆蓋該導體之絕緣部，且以第1變壓器線圈23A之絕緣部及第2變壓器線圈23B之絕緣部相接之方式配置。作為導體之組成例示銅、銅合金、鋁、鋁合金等。作為絕緣部之組成例示有樹脂。
藉由如此靠近配置第1變壓器線圈23A與第2變壓器線圈23B，於電流於第1變壓器線圈23A及第2變壓器線圈23B之一者流通時，易於藉由該電流而產生之磁場使第1變壓器線圈23A及第2變壓器線圈23B之另一者產生感應電流。即，可提高耦合變壓器20之互感。此種2個變壓器線圈之接近配置於耦合電感器中無法構成。具體而言，於耦合電感器中由於構成變壓器線圈之構件必須亦作為平滑用電感器之線圈發揮功能，故若使構成變壓器線圈之2個構件過度接近，則平滑用電感器之自感降低，導致難以使用耦合電感器形成平滑信號。
由於耦合變壓器20之第1變壓器線圈23A與第2變壓器線圈23B較佳在維持絕緣狀態下儘可能接近配置，故第1變壓器線圈23A之導體部與第2變壓器線圈23B之導體部可具有以經由包含絕緣性材料之構件相接之方式配置之部分。
耦合變壓器20之第1變壓器線圈23A與第2變壓器線圈23B具備於變壓器用磁性構件24內1次交叉之交叉部。如圖5所示，第1變壓器線圈23A與第2變壓器線圈23B於變壓器用磁性構件24內1次交叉。
作為具備此種交叉部之結果，實現使耦合變壓器20之2個輸入部21A、21B任一者皆位於基板50之X1-X2方向之X1側端部附近，將耦合變 壓器20之2個輸出部22A、22B較輸入部21A、21B更配置於X1-X2方向之X2側。即，於耦合變壓器20中，實現將2個輸入部21A、21B集中在一側(X1-X2方向之X1側)，將2個輸出部22A、22B集中在另一側(X1-X2方向之X2側)。另，X1-X2方向為基板50之面內方向之一，且同樣為與基板50之面內方向之一的YA-Y2方向正交。
藉由此種配置，可使複合平滑電感器10之2個輸入端子11A、11B任一者皆位於X1-X2方向之X1側端部附近，易於使複合平滑電感器10小型化，或使連接有複合平滑電感器10之電路基板之配線構成簡單化。使用圖6說明該點。圖6係概念性顯示配置有本發明一實施形態之複合平滑電感器之電路基板之配線構造的圖。如圖6所示，於本發明一實施形態之複合平滑電感器10中，2個輸入端子11A、11B任一者皆位於X1-X2方向之X1側，且輸出端子12位於X1-X2方向之X2側。因此，於形成有平滑化電路1之電路基板100中，與位於複合平滑電感器10上游之2個開關元件(第1開關元件SW1、第2開關元件SW2)各者之輸出端子電性連接之2條配線101、102任一者皆較複合平滑電感器10配置於X1-X2方向之X1側即可。又，於形成有平滑化電路1之電路基板100中，與位於複合平滑電感器10下游之電容器SC或輸出部OUT電性連接之配線103較複合平滑電感器10配置於X1-X2方向之X2側即可。如此，於使用複合平滑電感器10之情形時，可將平滑化電路1所具備之連接於複合平滑電感器10之電氣元件(第1開關元件SW1、第2開關元件SW2及電容器SC)與複合平滑電感器10之電路基板100上之配線設為非常簡單之構成。
又，由於耦合變壓器20之2個輸出部22A、22B較輸入部21A、21B配置於X1-X2方向之X2側，故可將第1平滑用電感器30及第2平滑用電感器 40任一者較耦合變壓器20配置於X1-X2方向之X2側。藉由此種配置，易於使複合平滑電感器10小型化。
於本發明一實施形態之複合平滑電感器10中，如圖3至圖5所示，將第1平滑用電感器30及第2平滑用電感器40一體化。即，內包第1平滑用電感器30之第1電感器線圈33之至少一部分的第1電感器用磁性構件、與內包第2平滑用電感器40之第2電感器線圈43之至少一部分的第2電感器用磁性構件藉由電感器用磁性構件34成為一體。電感器用磁性構件34包含蓋部341與箱部342，故於箱部342內配置有構成第1電感器線圈33之構件之至少一部分及構成第2電感器線圈43之構件之至少一部分。
於本發明一實施形態之複合平滑電感器10中，由於與耦合變壓器20獨立構成第1平滑用電感器30及第2平滑用電感器40，故可將電感器用磁性構件34所用之磁性材料設為僅對應於平滑用電感器所要求特性的軟磁性材料。由於平滑用電感器為能量蓄積元件，故較佳為飽和磁通密度儘可能高。作為軟磁性材料之一般鐵氧體系軟磁性材料，由於容易獲取且導磁率較高，故原理上可提高平滑用電感器之自感，但由於飽和磁通密度較低，故高導磁率無法直接活用。因此，於使用鐵氧體系軟磁性材料作為電感器用磁性構件34所用之磁性材料之情形時，必須設為於磁路中設置氣隙使實效導磁率降低之構造。氣隙產生洩漏磁場，該洩漏磁場係若驅動頻率提高，則洩漏磁場影響線圈之配線，導致渦電流所致之損失增大。當損失增大時，發熱問題等顯著化，且難以將平滑用電感器小型化。
相對於此，於耦合變壓器20中，由於與能量蓄積相比，能量傳遞成為主體，故變壓器用磁性構件24所用之磁性材料無須為飽和磁通密度較高者。因此，藉由使用鐵氧體系軟磁性材料作為變壓器用磁性構件24所用之 磁性材料，可直接享用獲取之高容易性及高導磁率。
因此，於本發明一實施形態之複合平滑電感器10中，作為電感器用磁性構件34所用之磁性材料(電感器用磁性材料)係使用飽和磁通密度較高之軟磁性材料。作為此種材料例示非晶質金屬系軟磁性材料、或奈米結晶金屬系軟磁性材料。藉由使用此種材料，易於將構成電感器用磁性構件34之電感器用磁性材料之飽和磁通密度設為700mT以上。藉由將構成電感器用磁性構件34之電感器用磁性材料之飽和磁通密度設為700mT以上，可蓄積於第1平滑用電感器30及第2平滑用電感器40之能量之上限變高，可形成更平滑之信號。
另一方面，耦合變壓器20所用之磁性材料(變壓器用磁性材料)使用飽和磁通密度低於電感器用磁性構件34所用之磁性材料(電感器用磁性材料)的軟磁性材料。此種材料之典型例為鐵氧體系軟磁性材料。鐵氧體系軟磁性材料之飽和磁通密度一般為380mT以上且500mT以下，與上述電感器用磁性材料之飽和磁通密度相比較低。然而，由於耦合變壓器20原理上為不進行能量蓄積之磁性器件，故不特別要求高飽和磁通密度。當然，較為重要的是高實效導磁率。基於該觀點，鐵氧體系軟磁性材料可容易達成1000以上，故而為作為變壓器用磁性材料較佳之材料。
此處，對先前技術之耦合電感器進行說明。圖7係顯示先前技術之耦合電感器之構造之立體圖。圖8係圖7所示之耦合電感器之俯視圖。圖9係概念性顯示圖7所示之耦合電感器所具備之2個線圈之配置的圖。圖10係概念性顯示配置有圖7所示之耦合電感器之電路基板之配線構造的圖。圖11係圖7所示之耦合電感器之A-A線剖視圖。
如圖7所示，先前技術之耦合電感器60由包含第1構件641及第2構件 642之磁性構件64、及2個導電性構件構成。導電性構件之一者包含第1輸入端子61A及第1輸出端子62A以及於該等之間具有位於磁性構件64內之部分的第1線圈導體63A。導電性構件之另一者包含第2輸入端子61B及第2輸出端子62B以及於該等之間具有位於磁性構件64內之部分的第2線圈導體63B。於磁性構件64內，於第1線圈導體63A與第2線圈導體63B之間設置有氣隙AG。
如圖8所示，耦合電感器60之構成係較為簡易，且看起來認為容易小型化之構造。然而，如圖9所示，由於配置於內部之2個線圈極性相等，故於第1線圈導體63A流通之電流方向、與基於於第1線圈導體63A流通之電流產生之磁場而於第2線圈導體63B產生之感應電流之方向為相反方向。因此，於耦合電感器60中，第1輸入端子61A位於X1-X2方向之X1側，但第2輸入端子61B位於位於X1-X2方向之X2側。如此，由於2個輸入端子配置於相互相反側，故第1輸出端子62A及第2輸出端子62B亦配置於相互相反側。具體而言，第1輸出端子62A配置於X1-X2方向之X2側，第2輸出端子62B配置於X1-X2方向之X1側。
如此，由於2個導電性構件之配置為相互相反側，故配置有耦合電感器60之電路基板之配線構成與本發明一實施形態之複合平滑電感器10之情形相比複雜化。具體而言，於形成有平滑化電路1之電路基板100中，若代替複合平滑電感器10而配置耦合電感器60，則如圖10所示，與耦合電感器60之第1輸入端子61A連接之配線101與使用複合平滑電感器10之情形時同樣即可，但與第2輸入端子61B連接之配線102如下配置：自X1-X2方向之X1側迴繞第2輸出端子62B且暫時配置於X1-X2方向之X2側後，向Y1-Y2方向之Y2側彎曲並向可與第2輸入端子61B連接之位置延伸。且， 於形成有平滑化電路1之電路基板100中，與位於複合平滑電感器10下游之電容器SC或輸出部OUT電性連接之配線103必須與位於X1-X2方向之X1側之第2輸出端子62B及位於X1-X2方向之X2側之第1輸出端子62A電性連接，因此如圖10所示具有曲柄狀之部分。如此，導致配線102相對變長，且要求配線103具有複雜形狀。因此，因代替複合平滑電感器10而使用耦合電感器60而導致難以將平滑化電路1小型化。
又，耦合電感器60為將耦合變壓器與平滑用電感器之功能共通化之構成亦成為阻礙小型化之重要原因。如圖11所示，於第1線圈導體63A流通電流時，於該電流周邊產生磁場。其一部分成為僅圍繞第1線圈導體63A周圍之第1磁路MC1，其他一部分成為圍繞第1線圈導體63A及第2線圈導體63B周圍之第2磁路MC2。若自與第1線圈導體63A之距離及磁路之長度考慮，第1磁路MC1之磁阻低於第2磁路MC2之磁阻。因此，第1磁路MC1之磁通密度高於第2磁路MC2之磁通密度。如上所述，自易於減小平滑化電路1之輸出信號之漣波值之觀點而言，期望耦合變壓器之互感較高。為了對應該要求必須提高第2磁路MC2之磁通密度。於耦合電感器60中，藉由以於第1磁路MC1設置氣隙AG使第1磁路MC1之磁阻增大，從而使第2磁路MC2之磁阻相對降低，第2磁路MC2之磁通密度相對提高之方式予以適當調整。
藉由於與平滑用電感器關聯之第1磁路MC1設置氣隙AG，使構成第1磁路MC1之磁性構件之實效導磁率降低。此對於能量蓄積元件即平滑用電感器有利。然而，由於氣隙AG係如上所述般發生洩漏磁場，從而產生損失增大等問題，故藉由氣隙AG使實效導磁率降低而提高平滑用電感器之功能有限度。因此，雖鐵氧體系軟磁性材料具有獲取容易性優異且導磁率 較高之優點，但於使用鐵氧體系軟磁性材料作為耦合電感器60之磁性構件64所用之磁性材料之情形時，為了充分地發揮作為平滑用電感器之能量蓄積元件之功能，鐵氧體系軟磁性材料之飽和磁通密度較低產生主導影響，故而必須擴大構成第1磁路MC1之磁性構件之容積。此係指即便使用獲取容易性優異且導磁率較高之鐵氧體系軟磁性材料作為磁性構件所用之磁性材料，對於將耦合電感器60小型化亦有界限。
如圖4所示，於箱部342中，構成第1電感器線圈33之構件及構成第2電感器線圈43之構件與構成第1平滑用電感器30之輸出部32之構件及構成第2平滑用電感器40之輸出部42之構件一起一體化。於此種構成中，第1平滑用電感器30與第2平滑用電感器40於Y1-Y2方向排列配置。具體而言，第1平滑用電感器30相對位於Y1-Y2方向之Y1側，第2平滑用電感器40相對位於Y1-Y2方向之Y2側。如此，沿著基板50之主面內方向之一即第1方向(Y1-Y2方向)並排配置第1平滑用電感器30及第2平滑用電感器40，並於與第1方向於基板50之主面內交叉之第2方向並排配置包含第1平滑用電感器30及第2平滑用電感器40之一群平滑用電感器與耦合變壓器20，藉此實現複合平滑電感器10之小型化。藉由使第1方向與第2方向正交(具體而言係將第2方向設為X1-X2方向)，尤其可減小複合平滑電感器10之基板50之主面面積。
如圖4所示，於電感器用磁性構件34之箱部342內，第1電感器線圈33及第2電感器線圈43任一者自X1-X2方向觀察皆具有半圓型形狀。且，2個輸入部31、41各自位於排列配置之2個半圓之兩端側，1個輸出部32、42位於2個半圓之間。藉由設為此種配置，一面使第1電感器用磁性構件與第2電感器用磁性構件一體化，一面適當地抑制於第1平滑用電感器30中產 生之磁場與於第2平滑用電感器40中產生之磁場耦合。
於自X1-X2方向之X2側觀察複合平滑電感器10時，於第1平滑用電感器30之第1電感器線圈33中電流自Y1-Y2方向之Y1側向Y1-Y2方向之Y2側流通，於第2平滑用電感器40之第2電感器線圈43中電流自Y1-Y2方向之Y2側向Y1-Y2方向之Y1側流通。因此，藉由於第1平滑用電感器30流通電流而產生之磁場於其輸出部32附近成為朝向X1-X2方向之X2側之迴流磁場。相對於此，藉由於第2平滑用電感器40流通電流而產生之磁場於其輸出部42附近成為朝向X1-X2方向之X1側之迴流磁場。
因此，該等磁場於輸出端子12附近(即，第1平滑用電感器30之輸出部32及第2平滑用電感器40之輸出部42附近)成為相反方向而彼此抵消，從而抑制第1平滑用電感器30中產生之磁場與第2平滑用電感器40中產生之磁場磁性耦合。因此，本發明一實施形態之複合平滑電感器10一面具有將第1電感器用磁性構件與第2電感器用磁性構件一體化之構造，且一面可使第1平滑用電感器30及第2平滑用電感器40兩者之動作穩定化。
於本發明一實施形態之複合平滑電感器10中，設定為變壓器用磁性構件24之實效導磁率高於電感器用磁性構件34之實效導磁率。若列舉具體例，則較佳將變壓器用磁性構件24之實效導磁率設為1000以上且3500以下。較佳將電感器用磁性構件34之實效導磁率設為15以上且120以下。電感器用磁性構件34之實效導磁率相對於變壓器用磁性構件24之實效導磁率之比率較佳為10以上且200以下，進而較佳為20以上且100以下。藉由如此設定，可無需擴大能量蓄積元件即第1平滑用電感器30及第2平滑用電感器40之尺寸而形成漣波較少之平滑信號。即，關於實效導磁率，藉由具備上述之構成可易於將複合平滑電感器10小型化。
相對於此，於耦合電感器60中，由於必須使用氣隙AG提高平滑用電感器之磁路MC1之磁阻，故於小型化或驅動頻率之高頻化要求提高之情形時，因存在氣隙AG所致之不良成為障礙，而如上所述難以適當地對應上述要求。
於本發明一實施形態之複合平滑電感器10中，由於變壓器用磁性構件24與電感器用磁性構件34為不同構件，故可藉由使構成材料不同而將變壓器用磁性構件24之實效導磁率設定為高於電感器用磁性構件34之實效導磁率。因此，於本發明一實施形態之複合平滑電感器10中，對於第1平滑用電感器30及第2平滑用電感器40之任一者皆較佳設為無氣隙之構造。藉由設為上述構造，即便將複合平滑電感器10小型化而將驅動頻率高頻化，亦難以產生因洩漏磁場所致之不良。
以下，顯示模擬結果。於圖1所示之平滑化電路中，為了使輸入電壓5V降壓為1V，而以800kHz之頻率使第1開關元件SW1及第2開關元件SW2交替動作，並將占空比0.21之脈衝信號輸入至複合平滑電感器10。變更第1變壓器線圈23A與第2變壓器線圈23B之互感Lm、以及第1電感器線圈33之自感Lk及第2電感器線圈43之自感Lk，並測定產生之輸出信號。另，第1電感器線圈33之自感Lk與第2電感器線圈43之自感Lk設定為相等。
藉由使互感Lm及自感Lk變化，如表1所示，來自輸出部OUT之輸出信號之電流波形變動。於圖12至圖16中，將結果1至結果5各者之輸出信號(圖中實線)與輸入信號(圖中虛線)一起顯示。作為基本傾向，藉由增大互感Lm，使得電流波形之漣波值(最大值與最小值之差，單位：A)減小。表1之R/P指漣波值/峰值電流值(單位：%)。
Figure TWI611438BD00001
如圖12、圖15及圖16所示，於結果1、結果4及結果5中，獲得於脈衝信號之1個循環中具有2個峰值之電流波形。該等峰值包含直接基於脈衝信號之電流之峰值與基於感應電流之峰值。且，於互感Lm大於自感Lk之情形時(結果1及結果5)，顯示R/P成為30%以下，而進行良好之平滑化。相對於此，如圖13及圖14所示，於互感Lm為0nH之情形時(結果2及結果3)，於輸出信號之電流波形中，未確認到基於感應電流之峰值。
如以上說明般，於本發明一實施形態之複合平滑電感器10中，耦合變壓器20係基於於第1變壓器線圈23A及第2變壓器線圈23B之一者流通之電流，而於第1變壓器線圈23A及第2變壓器線圈23B之另一者流通電流，並使電氣能量蓄積於與耦合變壓器20連接之第1平滑用電感器30及第2平滑用電感器40各者，且電流自第1平滑用電感器30及第2平滑用電感器40各者相位遲滯而流通，藉此進行輸入之脈衝信號之平滑化。因此，理想上不於耦合變壓器20中進行能量蓄積。然而現實則如接著使用圖17說明般，因各種理由而於耦合變壓器20中亦進行能量蓄積。
圖17(a)係顯示輸入至第1變壓器線圈23A側之輸入端子11A之脈衝信號(實線)及輸入至第2變壓器線圈23B側之輸入端子11B之脈衝信號(虛線)的圖。圖17(b)係顯示於第1平滑用電感器30之輸出部32流通之電流(實線) 及於第2平滑用電感器40之輸出部42流通之電流(虛線)的圖。圖17(c)係顯示圖17(b)所示之2個電流之差量之圖。
如圖1等所示，於本發明一實施形態之複合平滑電感器10中，由於具有將平滑用電感器串聯地連接於耦合變壓器20之各個變壓器線圈之構成，故變壓器線圈之互感Lm與平滑用電感器之自感Lk相互作用，故自輸入有脈衝信號之變壓器線圈及平滑用電感器流通之電流波形、與耦合變壓器20內自產生感應電流側之變壓器線圈及平滑用電感器流通之電流波形嚴格來說並不一致。
使用圖17說明該點，若對第1變壓器線圈23A側之輸入端子11A如圖17(a)所示般輸入脈衝信號P1時，經由第1變壓器線圈23A及第1平滑用電感器30流通於第1平滑用電感器30之輸出部32之電流成為圖17(b)所示之三角波OP11之信號。另一方面，於第1變壓器線圈23A流通之脈衝信號P1之感應電流於第2平滑用電感器40流通，成為圖17(b)所示之三角波OP12之信號而自第2平滑用電感器40之輸出部42輸出。三角波OP11之峰值-峰值電流值(漣波電流)PP1與三角波OP12之漣波電流PP2不一致，且漣波電流PP1大於漣波電流PP2。
另一方面，若對第2變壓器線圈23B側之輸入端子11B如圖17(a)所示般輸入脈衝信號P2時，自與直接輸入脈衝信號P2之第2變壓器線圈23B連接之第2平滑用電感器40之輸出部42，輸出具有與三角波OP11同樣之漣波電流PP1之三角波OP21，自第1平滑用電感器30之輸出部32輸出具有與三角波OP12同樣之漣波電流PP2之三角波OP22。
因此，如圖17(a)所示，於將脈衝信號P1與脈衝信號P2等間隔定期地輸入至耦合變壓器20時，如圖17(b)所示，對於第1平滑用電感器30之輸出 部32及第2平滑用電感器40之輸出部42之任一者，皆交替地輸出漣波電流PP1之三角波與漣波電流PP2之三角波。來自第1平滑用電感器30之輸出部32之信號、與來自第2平滑用電感器40之輸出部42之信號，由於該等三角波之重複相位反轉，故結果成為將包含漣波電流PP1之三角波與漣波電流PP2之三角波而合成之三角波，以脈衝信號P1與脈衝信號P2之發送間隔△t自輸出端子12反複輸出。
如此，由於自輸入脈衝信號之變壓器線圈及平滑用電感器流通之電流波形、與耦合變壓器20內自產生感應電流之側之變壓器線圈及平滑用電感器流通之電流波形不同，故相當於該等電流波形之差量電流之能量蓄積於耦合變壓器20內。圖17(c)係顯示自第1變壓器線圈23A減去第2變壓器線圈23B獲得之差量電流之圖。圖17(a)至圖17(c)之時間關係係藉由一點鏈線加以顯示。於本說明書中，亦將上述差量電流稱為「等效電流Id」。
如圖17(a)及圖17(b)所示，若於某時間t0開始輸入脈衝信號P1，則於自此經過特定時間之時間t1，於第1平滑用電感器30之輸出部32流通之電流(實線)與於第2平滑用電感器40之輸出部42流通之電流(虛線)相等，且如圖17(c)所示之等效電流Id為0A。於時間t1至脈衝信號P1停止之時間t2，於第1平滑用電感器30之輸出部32流通之電流(實線)超過第2平滑用電感器40之輸出部42(虛線)，且等效電流Id以正值增加。其後，於開始向第2變壓器線圈23B輸入脈衝信號P2之時間t3之前，維持時間t2之等效電流Id。
於第2變壓器線圈23B於開始輸入脈衝信號P2之時間t3以後，由於第2變壓器線圈23B側為有源電路，第1變壓器線圈23A側為無源電路，故與第2變壓器線圈23B電性連接之第2平滑用電感器40之輸出部42之電流增大相 對顯著，於時間t4，於第1平滑用電感器30之輸出部32流通之電流(實線)與於第2平滑用電感器40之輸出部42流通之電流(實線)相等。其後，於脈衝信號P2停止之時間t5之前，由於於第2平滑用電感器40之輸出部42流通之電流(虛線)超過於第1平滑用電感器30之輸出部32流通之電流(實線)，故等效電流Id以負值增加。其後，於向第1變壓器線圈23A輸入脈衝信號P1之時間t6之前，維持時間t5之的等效電流Id。於向第1變壓器線圈23A輸入脈衝信號P1之時間t6以後，由於第1變壓器線圈23A側為有源電路，第2變壓器線圈23B側為無源電路，故與第1變壓器線圈23A電性連接之第1平滑用電感器30之輸出部32之電流增大相對顯著，於時間t7，於第1平滑用電感器30之輸出部32流通之電流(實線)與於第2平滑用電感器40之輸出部42流通之電流(實線)相等。該狀態由於與時間t1之狀態相同，故以後重複產生時間t1至時間t7之現象。
其結果，如圖17(c)所示，等效電流Id具有梯形正負交變之波形，即，為交變電流，且根據於該耦合變壓器20交變而流通之等效電流Id產生感應磁場，且該能量成為鐵損而成為耦合變壓器20之發熱原因。
以研究降低耦合變壓器20發熱之方法為目的，使耦合變壓器20之互感Lm與第1平滑用電感器30及第2平滑用電感器40之自感Lk(該等係設為相等之值)變化而進行模擬。於表2顯示其結果。另，模擬之設定條件係如下所示。
輸入電壓：12V
輸出電壓：3.0V
脈衝信號之占空比：25%
各相之最大電流：35A
耦合變壓器之耦合係數：0.996
Figure TWI611438BD00002
如表2以將該結果圖表化之圖18所示，若耦合變壓器20之互感Lm相對於第1平滑用電感器30及第2平滑用電感器40之自感Lk的比(Lm/Lk)增大，則耦合變壓器20之蓄積能量Em(單位：μJ)有降低之傾向。若詳細確認，則Lm/Lk比為10左右之前，隨著Lm/Lk比之增加，耦合變壓器20之蓄積能量Em大幅減少。因此，Lm/Lk比較佳超過1，進而較佳為2以上，更佳為5以上，尤其佳為8以上。
另一方面，Lm/Lk比為10左右以後耦合變壓器20之蓄積能量Em之減少程度減小，於Lm/Lk比為15左右以上之情形時，Lm/Lk比增加對使耦合變壓器20之蓄積能量Em降低之影響程度減少。又，若Lm/Lk比增加，則耦合變壓器20之洩漏成分(漏感)大致單調地增大。耦合變壓器20之洩漏成分(漏感)之增大使得耦合變壓器20向無源電路側之能量傳遞率降低，結果使得鐵損增大。因此，基於抑制耦合變壓器20發熱之觀點而言，Lm/Lk比 過度增加並不佳。因此，Lm/Lk比較佳為15以下，進而較佳12以下。
於以上說明中，對等效電流Id之交變時之正負平衡均衡之情形進行了說明。於該情形時，如圖19(a)所示，因等效電流Id產生之磁場以零磁場為中心正負變動。如圖19(a)係概念性顯示等效電流Id交變時之正負平衡均衡時之耦合變壓器20之B-H曲線的圖表。基於等效電流Id之交變，於B-H曲線之以粗線雙箭頭顯示之範圍產生磁場。如上所述，變壓器用磁性構件24所用之磁性材料所要求之主要特性係導磁率較高，故基於該觀點而言較佳為鐵氧體。如圖19(a)所示，於因交變之等效電流Id產生之磁場以零磁場為中心正負變動之情形時，即便為如鐵氧體系材料之飽和磁通密度相對較低之材料亦難以產生問題。
然而，現實上，交變之等效電流Id係交變之中心不為0A，而多為偏移至正向或負向之情形。其理由各種各樣，但作為具體例列舉以下：耦合變壓器20內之第1變壓器線圈23A與第2變壓器線圈23B之直流電阻成分不同、第1平滑用電感器30與第2平滑用電感器40之直流電阻成分不同、及與複合平滑電感器10之輸入端子11A連接之電路和與輸入端子11B連接之電路在製造公差之範圍內等電阻成分等存在差異。
圖20係顯示等效電流Id交變時之正負平衡不均衡之情形之具體例的圖。圖20(a)係顯示於第1平滑用電感器30之輸出部32流通之電流(實線)及於第2平滑用電感器40之輸出部42流通之電流(虛線)、以及基於對比之目的而顯示之圖17(b)所示之於第2平滑用電感器40之輸出部42流通之電流(點線)的圖。圖20(b)係顯示包含圖20(a)所示之2個電流之差量之等效電流Id(實線)之圖，且基於對比之目的，以點線顯示圖17(c)所示之等效電流Id。
如圖20(a)所示，於第2平滑用電感器40之輸出部42流通之電流(虛線)因若干理由(列舉有將本來無用之電阻成分串聯連接等理由)而比於第1平滑用電感器30之輸出部32流通之電流(實線)低1A之情形時，於第1平滑用電感器30之輸出部32流通之電流(實線)之電流值與於第2平滑用電感器40之輸出部42流通之電流(虛線)的電流值相等且等效電流Id之值變為0A之時間ta1早於圖17(c)所示之等效電流Id之值變為0A之時間t1(接近脈衝信號P1之開始時間t0)。因此，如圖20(b)所示，等效電流Id之波形整體偏移至正側。其結果，於圖17(c)所示之等效電流Id中電流值之絕對值之最大值為0.6A左右，相對於此，等效電流之絕對值之最大值增大至0.9A左右。
如此之等效電流Id之範圍變化作為藉由等效電流Id而產生之磁場之範圍變化而顯著化。即，如上所述，於等效電流Id整體偏移至正側時，於耦合變壓器20產生之磁場範圍偏移至B-H曲線之第1象限側。圖18(b)係概念性顯示等效電流Id之交變時之正負平衡不均衡之情形(具體而言係偏移至正側之情形)之耦合變壓器20之B-H曲線的圖表。如圖18(b)之粗線雙箭頭所示，因等效電流Id產生之磁場抵達至接近構成變壓器用磁性構件24(其構成耦合變壓器20)之變壓器用磁性材料(列舉鐵氧體系材料作為具體例)的飽和磁通密度Bm之區域。若發展至此種狀態，則耦合變壓器20之鐵損增大，來自耦合變壓器20之發熱顯著。因此，交變之等效電流Id之中心值較佳儘可能地接近0A。
又，基於降低於耦合變壓器20產生之磁場之觀點而言，當然，交變之等效電流Id之變動幅度較小較佳。具體而言，蓄積於耦合變壓器20之能量所致之磁通密度之最大值，即於耦合變壓器20產生之等效電流Id之感應 磁場之絕對值之最大值較佳為構成耦合變壓器20之變壓器用磁性構件24之飽和磁通密度的50%以下，進而較佳為40%以下，尤其較佳為30%以下。若將飽和磁通密度為380Tm左右至500Tm左右之鐵氧體設為具體例，則於耦合變壓器20產生之等效電流Id之感應磁場之絕對值之最大值較佳為250Tm以下，進而較佳為200mT以下，尤其較佳為140Tm以下。
以上說明之實施形態係為了易於理解本發明而記載者，並非用以限定本發明而記載者。因此，上述實施形態所揭示之各要素旨在亦包含屬於本發明之技術範圍之所有設計變更或均等物。
例如，於上述本發明一實施形態之複合平滑電感器10中，第1變壓器線圈23A與第2變壓器線圈23B重疊之方向(交叉軸之方向)係沿著基板50之厚度方向，但亦可沿著基板50之主面面內方向。
又，將第1平滑用電感器30之第1電感器用磁性構件與第2平滑用電感器40之第2電感器用磁性構件一體化而成為電感器用磁性構件34，但該等磁性構件亦可為獨立體。於該情形時，構成第1電感器用磁性構件之第1電感器用磁性材料與構成第2電感器用磁性構件之第2電感器用磁性材料可為共通之材料，亦可為不同之材料。基於抑制自耦合變壓器20之發熱之觀點，而有較好該等材料為共通之材料，且第1電感器用磁性構件之磁氣特性與第2電感器用磁性構件之磁氣特性大致相等的情形。
[產業之可利用性]
具備本發明一實施形態之平滑用電感器之平滑化電路可較佳地作為DC-DC轉換器之部分電路使用。又，不僅是降壓轉換器，亦可較佳地使用於升壓轉換器、以多相動作之絕緣型轉換器之輸出平滑電路、倍流方式之整流電路等。
10‧‧‧複合平滑電感器
11A‧‧‧輸入端子
11B‧‧‧輸入端子
12‧‧‧輸出端子
20‧‧‧耦合變壓器
21A‧‧‧輸入部
21B‧‧‧輸入部
22A‧‧‧輸出部
22B‧‧‧輸出部
23A‧‧‧第1變壓器線圈
23B‧‧‧第2變壓器線圈
24‧‧‧蓋部
30‧‧‧第1平滑用電感器
31‧‧‧輸入部
32‧‧‧輸出部
33‧‧‧第1電感器線圈
34‧‧‧電感器用磁性構件
40‧‧‧第2平滑用電感器
41‧‧‧輸入部
42‧‧‧輸出部
43‧‧‧第2電感器線圈
50‧‧‧基板
X1‧‧‧方向
X2‧‧‧方向
Y1‧‧‧方向
Y2‧‧‧方向

Claims (15)

  1. 一種複合平滑電感器，其特徵在於，其係於1個基板上集成具備：1個耦合變壓器，其具備2個輸入部與2個輸出部；第1平滑用電感器，其具備1個輸入部與1個輸出部；第2平滑用電感器，其具備1個輸入部與1個輸出部；以及2個輸入端子及1個輸出端子；且 上述2個輸入端子之一者連接於上述耦合變壓器之2個輸入部之一者，上述2個輸入端子之另一者連接於上述耦合變壓器之2個輸入部之另一者， 上述耦合變壓器之2個輸出部之一者連接於上述第1平滑用電感器之輸入部，上述耦合變壓器之2個輸出部之另一者連接於上述第2平滑用電感器之輸入部， 上述第1平滑用電感器之輸出部及上述第2平滑用電感器之輸出部之任一者皆連接於上述1個輸出端子， 上述耦合變壓器之互感高於上述第1平滑用電感器之自感及上述第2平滑用電感器之自感之任一者。
  2. 如請求項1之複合平滑電感器，其中上述耦合變壓器之互感相對於上述第1平滑用電感器之自感及上述第2平滑用電感器之自感之比率超過1且為12以下。
  3. 如請求項1或2之複合平滑電感器，其中上述耦合變壓器具備：第1變壓器線圈及第2變壓器線圈、以及內包該等線圈之至少一部分之變壓器用磁性構件， 上述第1平滑用電感器具備：第1電感器線圈及內包該第1電感器線圈之至少一部分之第1電感器用磁性構件； 上述第2平滑用電感器具備：第2電感器線圈及內包該第2電感器線圈之至少一部分之第2電感器用磁性構件； 上述變壓器用磁性構件之實效導磁率高於上述第1電感器用磁性構件之實效導磁率及上述第2電感器用磁性構件之實效導磁率之任一者， 構成上述變壓器用磁性構件之變壓器用磁性材料之飽和磁通密度，低於構成上述第1電感器用磁性構件之第1電感器用磁性材料之飽和磁通密度及構成上述第2電感器用磁性構件之第2電感器用磁性材料之飽和磁通密度之任一者。
  4. 如請求項3之複合平滑電感器，其中蓄積於上述耦合變壓器之能量所產生之磁通密度為構成上述變壓器用磁性構件之變壓器用磁性材料之飽和磁通密度之50%以下。
  5. 如請求項3之複合平滑電感器，其中上述變壓器用磁性構件之實效導磁率為1000以上且3500以下，上述第1電感器用磁性構件之實效導磁率及上述第2電感器用磁性構件之實效導磁率為15以上且120以下。
  6. 如請求項3之複合平滑電感器，其中構成上述變壓器用磁性構件之變壓器用磁性材料之飽和磁通密度為380 mT以上且520 mT以下，上述第1電感器用磁性材料之飽和磁通密度及上述第2電感器用磁性材料之飽和磁通密度之任一者皆為700 mT以上。
  7. 如請求項3之複合平滑電感器，其中上述第1變壓器線圈之導體部與上述第2變壓器線圈之導體部具有以經由包含絕緣性材料之構件而相接之方式配置的部分。
  8. 如請求項3之複合平滑電感器，其中上述第1變壓器線圈及上述第2變壓器線圈之任一者皆包含導體部與覆蓋上述導體部表面之絕緣部，且具有以上述第1變壓器線圈之上述絕緣部及上述第2變壓器線圈之絕緣部相接之方式配置之部分。
  9. 如請求項3之複合平滑電感器，其中上述第1變壓器線圈與上述第2變壓器線圈具備於上述變壓器用磁性構件內交叉奇數次之交叉部。
  10. 如請求項9之複合平滑電感器，其中上述第1平滑用電感器與上述第2平滑用電感器係沿著上述基板之主面內方向之一即第1方向並排配置， 包含上述第1平滑用電感器與上述第2平滑用電感器之一群平滑用電感器與上述耦合變壓器係沿著與上述第1方向於上述基板之主面內交叉之第2方向並排配置。
  11. 如請求項10之複合平滑電感器，其中上述第1電感器用磁性構件與上述第2電感器用磁性構件為一體。
  12. 如請求項11之複合平滑電感器，其中上述第1電感器線圈及上述第2電感器線圈係以由上述第1電感器線圈中流通之電流所產生之磁場與由上述第2電感器線圈中流通之電流所產生之磁場不磁性耦合之方式配置。
  13. 如請求項1之複合平滑電感器，其中上述第1平滑用電感器不具有氣隙。
  14. 如請求項1之複合平滑電感器，其中上述第2平滑用電感器不具有氣隙。
  15. 一種平滑化電路，其特徵在於具備：第1開關元件、第2開關元件、請求項1之複合平滑電感器、及電容器，且 可輸入自上述第1開關元件輸出之脈衝信號地連接於上述複合平滑電感器之2個輸入端子之一者，且可輸入自上述第2開關元件輸出之脈衝信號地連接於上述複合平滑電感器之2個輸入端子之另一者； 上述電容器連接於上述複合平滑電感器之1個輸出端子，且可自設置於上述複合平滑電感器之1個輸出端子與上述電容器之間之輸出部輸出平滑信號。
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