(57)【要約】      （修正有）【課題】電力伝送用のトランスと、電力伝送トランスの１次コイルまたは２次コイルと等価的に直列接続された共振インダクタとを複合化した複合磁性部品を提供する。【解決手段】複合磁性部品の磁芯は、両端部に配置された第１外部磁脚および第２外部磁脚と、第１内部磁脚および第２内部磁脚とを備える。第１内部磁脚を通過する磁束によって共振インダクタ、第２内部磁脚を通過する磁束によって電力伝送トランスが形成され、電力伝送トランスの１次コイルまたは２次コイルと等価的に直列に前記共振インダクタが接続される。電力伝送トランスの１次コイルまたは２次コイルのうち一方は、少なくとも１ターンのコイルが第１内部磁脚と第２内部磁脚の両方の周囲に渡って巻回されて等価的に共振インダクタとの直列接続回路を形成し、他方は、コイルが第２内部磁脚のみの周囲に巻回される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の磁性材を嵌め合わせて形成される磁芯であって、互いに実質的に平行に位置する一対の底板と、前記底板の両端部に配置された第１外部磁脚、及び第２外部磁脚と、前記第１外部磁脚と第２外部磁脚とから実質的に等距離の位置に並べられた第１内部磁脚と第２内部磁脚とを備え、
前記第１内部磁脚を通過する磁束によって共振インダクタ、前記第２内部磁脚を通過する磁束によって電力伝送トランスが形成され、
前記電力伝送トランスの１次コイルまたは２次コイルと等価的に直列に前記共振インダクタが接続されて成る複合磁性部品において、
前記電力伝送トランスの１次コイルまたは２次コイルのうち一方は、複数ターンのコイルを形成するために直列接続された各ターンのコイルのうち、少なくとも１ターンのコイルが前記第１内部磁脚と第２内部磁脚の両方の周囲に渡って巻回されて等価的に前記共振インダクタとの直列接続回路を形成し、
前記電力伝送トランスの１次コイルまたは２次コイルのうち他方は、コイルが前記第２内部磁脚のみの周囲に巻回される事を特徴とする複合磁性部品。
【請求項２】
前記第１内部磁脚と第２内部磁脚の断面積が異なる事を特徴とする請求項１に記載の複合磁性部品。
【請求項３】
前記第１内部磁脚を経由する磁路に第１ギャップ、及び第２内部磁脚を経由する磁路に第２ギャップが設けられ、かつ前記第１ギャップ、第２ギャップのギャップ長が実質的に等しい事を特徴とする請求項１または請求項２に記載の複合磁性部品。
【請求項４】
前記電力伝送トランスの１次コイルまたは２次コイルのうち、等価的に前記共振インダクタとの直列接続回路が形成されたコイルは、基板パターンによって形成されたプリントコイルである事を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の複合磁性部品。
【請求項５】
前記磁芯は、前記第２内部磁脚を、隙間を隔てて実質的に同一断面積に２分割して形成され、前記２分割した第２内部磁脚のいずれか一方の磁脚の周囲にコイルを１回巻回して、前記電力伝送トランスに実質的に０．５ターンのコイルを形成した事を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の複合磁性部品。
【請求項６】
前記磁芯は、前記第１内部磁脚を、隙間を隔てて実質的に同一断面積に２分割して形成され、前記第１外部磁脚および前記第２外部磁脚のいずれか一方と、前記２分割した前記第１内部磁脚のいずれか一方の磁脚との周囲に渡ってコイルを１回巻回して前記電力伝送トランスに実質的に０．５ターンのコイルを形成した事を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の複合磁性部品。
【請求項７】
前記第１外部磁脚および第２外部磁脚の周囲にそれぞれ同数逆方向に巻回したコイルを直列接続して１次コイルおよび２次コイルを構成し、前記電力伝送トランス、及び共振インダクタから実質的に独立とみなせる信号伝送トランスを構成した事を特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の複合磁性部品。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の複合磁性部品を備え、
前記磁芯は、電力伝送トランスの１次コイルと１次回路、電力伝送トランスの２次コイルと２次回路を接続するために前記第１内部磁脚側に第１の開口面、前記第２内部磁脚側に第２の開口面を備え、
前記複合磁性部品は、前記電力伝送トランスの１次コイルと等価的に共振インダクタが直列接続される場合は、前記第１の開口面を１次回路側、前記第２の開口面を２次回路側に向けて配置されて、前記第１の開口面を介して前記電力伝送トランスの１次コイルと１次回路が接続され、前記第２の開口面を介して前記電力伝送トランスの２次コイルと２次回路が接続され、
逆に前記電力伝送トランスの２次コイルと等価的に共振インダクタが直列接続される場合は、前記第１の開口面を２次回路側、前記第２の開口面を１次回路側に向けて配置されて、前記第１の開口面を介して前記電力伝送トランスの２次コイルと２次回路が接続され、前記第２の開口面を介して前記電力伝送トランスの１次コイルと１次回路が接続された事を特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項９】
請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の複合磁性部品を備え、
前記共振インダクタが作用するＬＣ共振動作によって、１次回路、もしくは２次回路のスイッチ素子をゼロ電圧スイッチング、もしくはゼロ電流スイッチングする事を特徴とするスイッチング電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トランスとインダクタを複合化した複合磁性部品に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一対の磁性材を嵌め合わせて形成した磁芯と、磁芯に巻回されたコイルとで実質的に複数の磁性部品を構成する試みは部品コスト、実装コストの低減と、小型化に対して効果が認められ、既に様々な提案が成されている。
【０００３】
図１５は、第１従来例である特許第２７７０７５０号に示された複合磁性部品である。同図において、１は同一形状の薄層基板２を複数積層してなるコイル本体であり、各薄層基板２には、中央貫通孔３の左右方向に一対の主脚貫通孔４，４ａが設けられる。この薄層基板２に共通して、一方の主脚貫通孔４の前方には、導電性の接続部たるめっきスルーホール５，６，７，８が複数設けられ、これに対応して、他方の主脚貫通孔４ａの前方に、導電性の接続部たるめっきスルーホール５ａ，６ａ，７ａ，８ａが複数設けられる。さらに、各主脚貫通孔４，４ａの後方にも、各々接続部たるめっきスルーホール９，９ａが複数設けられるとともに、中央貫通孔３の後方にも接続部たるめっきスルーホール10が設けられる。これらの各めっきスルーホール５〜10，５ａ〜10ａにより、外部および薄層基板２間の電気的な接続が図られる。前記コイル本体１は、第１のコイル部11と第２のコイル部11ａとにより構成される。すなわち、中央貫通孔３の中央から見て、一方の主脚貫通孔４側に第１のコイル部11が設けられ、他方の主脚貫通孔４ａ側に第２のコイル部11ａが設けられる。これらの第１および第２のコイル部11，11ａは、第１の導電パターン12と第２の導電パターン12ａとを、共通の薄層基板２に各々形成して構成される。前記第１の導電パターン12は、最終的に第１のトランス13の一次巻線となる一次回路パターン14と、第１のトランス13の二次巻線となる二次回路パターン15との２系統からなり、これらは各々異なる薄層基板２に形成される。また、第２の導電パターン12ａも、第２のトランス13ａの一次巻線となる一次回路パターン14ａと、第２のトランス13ａの二次巻線となる二次回路パターン15ａとの２系統からなり、これらも各々異なる薄層基板２に形成される。
【０００４】
次に、コイル本体１に装着される磁芯41の構成を説明する。磁芯41は、第１のコイル部11に対応して設けられた第１の磁芯42と、第２のコイル部11ａに対応して設けられた第２の磁芯42ａとからなる。第１の磁芯42は、側部がいずれもＥ字型をなす一組の上部磁性材43と下部磁性材44とを突き合わせて構成され、また、第２の磁芯42ａも、側部がいずれもＥ字型をなす一組の上部磁性材43ａと下部磁性材44ａとを突き合わせて構成される。上部磁性材43および下部磁性材44には、いずれも主脚貫通孔４に挿入される主脚45と、この主脚45の両側に位置する側脚46，47が設けられる。同様に、上部磁性材43ａおよび下部磁性材44ａにも、主脚貫通孔４ａに挿入される主脚45ａと、この主脚45ａの両側に位置する側脚46ａ，47ａが形成される。上部磁性材43，43ａは、各々一方の側脚46，46ａを連結することにより、上部磁性材48として一体形成される。また、下部磁性材44，44ａも、各々一方の側脚46，46ａを連結することにより、下部磁性部材49として一体形成される。この一体化された第１および第２の磁芯42，42ａの側脚46，46ａが、中央貫通孔３に挿入され、磁芯41をコイル本体１に装着した状態で、各めっきスルーホール５〜10，５ａ〜10ａが、外部および薄層基板２間の電気的な接続のために磁芯41より露出する。第１従来例では、共通の各薄層基板２に第１および第２の導電パターン12，12ａを形成し、この薄層基板２を積層して得られた第１および第２のコイル部11，11ａに、一組の磁芯41を装着することで、一次側と二次側が各々直列接続された２個の第１および第２のトランス13，13ａが製造される。
【０００５】
図１６は、第２従来例である特開２００９−１８９１４４に示された複合磁性部品である。図１６に示すような４個の磁脚を設けた磁芯を備え、この磁芯の内側２本の磁脚の周辺に１次巻線を巻回し、一方の該内側の磁脚の周辺に、第１の２次巻線を巻回し、他方の該内側の磁脚の周辺に第２の２次巻線を巻回してトランスを構成している。磁性材で構成した底板に４個の磁脚を並列に隔に設けてある。内側に設けた２つの磁脚のうち一方の磁脚に第１の２次巻線Ｎｓ１を巻回し、他方の磁脚に第２の２次巻線Ｎｓ２を巻回してある。また、２次巻線Ｎｓ１、Ｎｓ２を外側から覆うように１次巻線Ｎｐを巻回してある。
【０００６】
図１７は、第３従来例である特開２０００−２６０６３９に示された複合磁性部品である。図１７のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄは積層された各両面基板の平面図を示しており、各層に基板のパターンでプリントコイルが描かれている。積層基板に設けられた磁芯挿入穴に磁芯６が挿入されている。磁芯６は第１外部磁脚６ａ、第２の外部磁脚６ｃと内部磁脚６ｂの計３個の磁脚を備える。第１のトランスは内部磁脚６ｂの周囲に１次コイル、２次コイルを渦状に巻回して構成しているのに対して、第２のトランスは第１外部磁脚６ａ、第２の外部磁脚６ｃに逆方向、同一巻き数巻回したコイルを直列接続して１次コイル、２次コイルを構成している。このような構成にすると、第１のトランスによる誘起電圧は第２のトランスに出力されず、第２のトランスによる誘起電圧は第１のトランスに出力されない。第１、第２のトランスを見かけ上、互いに独立なトランスとして動作させる事ができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第２７７０７５０号
【特許文献２】特開２００９−１８９１４４
【特許文献３】特開２０００−２６０６３９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
第１従来例、及び第２従来例の複合磁性部品で用いられる磁芯は、磁性材で構成された底板の両端面の間に、第１従来例では５脚、第２従来例では４脚の磁脚が一列に並んだ形状をしており、鉄損、銅損の合計が最小になるように設計すると、どうしても細長い形状になってしまう。一方、磁芯に用いられる軟磁性材料として代表的なフェライトは焼成時に収縮するので、細長い形状だと長手方向の磁芯の寸法誤差が大きくなる。例えば、基板のパターンでコイルを描くプリントコイルを用いる場合、基板に設ける磁芯の磁脚挿入穴は、最大寸法の磁芯でも最小寸法の磁芯でも問題なく挿入できる設計を必要とするので、磁芯の寸法誤差が大きいとそれだけ余剰スペースが必要になり、小型化、高効率化の観点において問題となる。また、細長い形状の磁芯は衝撃に対して割れやすい問題がある。
【０００９】
第１従来例、及び第２従来例の複合磁性部品では、スイッチング電源の動作状態において各磁脚を通過する磁束は均一ではない。例えば、第２従来例では第１の外部磁脚、第１の内部磁脚、第２の内部磁脚、第２の外部磁脚の順に、磁脚が１列に並んでいる構造であるが、第１の内部磁脚から第１、第２の外部磁脚への距離は均等ではなく、同様に第２の内部磁脚から第１、第２の外部磁脚への距離も均等ではない。更に、第１、第２の内部磁脚の周囲に巻回されているコイルを流れる電流が異なるので、結果的に磁束密度は不均一になる。そのため、片方の外部磁脚のみの磁芯損失が大きくなる事や、片方の外部磁脚のみが磁気飽和する事も想定され、設計が難しい。また、第１の内部磁脚−第２の外部磁脚間、及び第２の内部磁脚−第１の外部磁脚間の磁路が長いので、その分、鉄損の増加を招く。
【００１０】
更に、第１、第２の外部磁脚を通過する磁束が均一ならば、第３従来例の特開２０００−２６０６３９に示されるように第１、第２の外部磁脚に逆方向、同一ターン巻回したコイルを直列接続して１次コイル、２次コイルを構成すれば、電力伝送トランスとは独立とみなせるトランスを構成して、例えば１次−２次間の信号伝送に利用できるが、各磁脚を通過する磁束が不均一な第１、第２従来例の複合磁性部品では構成できない。
【００１１】
第1従来例、及び第２従来例の複合磁性部品はそれぞれに適したスイッチング電源のトポロジーがあり、第１従来例では２トランスアクティブクランプコンバータ、第２従来例ではブーストハーフブリッジコンバータへの適用例が紹介されているが、適さない場合もある。例えば、高効率なトポロジーとして知られるＬＬＣ共振コンバータにおいては、トランスの励磁インダクタンスＬｍと共振インダクタのインダクタンスＬｒの比率Ｌｍ／Ｌｒを、３〜１０程度に設定するのが一般的である。第1従来例、及び第２従来例においては、２つの内部磁脚の断面積が等しく、かつ各内部磁脚の周囲に巻回するコイルの巻き数も等しく描かれているので各磁性部品のインダクタンスの比率は１にしかならない。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る複合磁性部品は、一対の磁性材を嵌め合わせて形成される磁芯であって、互いに実質的に平行に位置する一対の底板と、底板の両端部に配置された第１外部磁脚、及び第２外部磁脚と、第１外部磁脚と第２外部磁脚とから実質的に等距離の位置に並べられた第１内部磁脚と第２内部磁脚とを備え、第１内部磁脚を通過する磁束によって共振インダクタ、第２内部磁脚を通過する磁束によって電力伝送トランスを形成する。電力伝送トランスの１次コイルまたは２次コイルと等価的に直列に共振インダクタが接続されて成る複合磁性部品において、電力伝送トランスの１次コイルまたは２次コイルのうち一方は、複数ターンのコイルを形成するために直列接続された各ターンのコイルのうち、少なくとも１ターンのコイルが第１内部磁脚と第２内部磁脚の両方の周囲に渡って巻回されて等価的に共振インダクタとの直列接続回路を形成し、電力伝送トランスの１次コイルまたは２次コイルのうち他方は、コイルが第２内部磁脚のみの周囲に巻回される。
【００１３】
また、第１内部磁脚と第２内部磁脚の断面積は共振インダクタ、電力伝送トランスそれぞれに必要とされるインダクタンス値と動作磁束密度に応じて設計するので必ずしも両者が等しい必要はない。また、第１内部磁脚を経由する磁路に設けたギャップと第２内部磁脚を経由する磁路に設けたギャップのギャップ長を等しくすればギャップを１工程で加工できるので加工コストを低減できる。更に、電力伝送トランスの１次コイルまたは２次コイルのうち、等価的にインダクタとの直列接続回路が形成されたコイルを、基板のパターンによるプリントコイルで形成すれば、複雑な巻線構造であっても、ボビン構造や巻線工程の複雑化を招かず、低コスト化が可能である。
【００１４】
また、制御回路やスイッチ駆動回路で使用する最適な電圧を低損失で確保するために、電力伝送トランスに０．５ターンのコイルを必要とする場合は、以下のように構成する。第１の方法として、第２内部磁脚を、隙間を隔てて実質的に同一断面積に２分割し、２分割したいずれか一方の磁脚の周囲にコイルを１回巻回する事で０．５ターンのトランスコイルを形成する。もう一つの方法は、第１内部磁脚を、隙間を隔てて実質的に同一断面積に２分割し、２分割した第１内部磁脚のいずれか一方と、第２外部磁脚のいずれか一方との周囲に渡ってコイルを１回巻回して実質的に０．５ターンのコイルを形成する。
【００１５】
また、１次−２次間の絶縁バリアをまたいで、何らかの信号を伝送する必要がある場合には、第１外部磁脚および第の外部磁脚の周囲にそれぞれ同数逆方向に巻回したコイルを直列接続してそれぞれ１次コイルおよび２次コイルを構成する事で、電力伝送トランス、及び共振インダクタから実質的に独立とみなせる信号伝送トランスを得る事が可能である。
【００１６】
複合磁性部品の磁芯は、電力伝送トランスの１次コイルと１次回路、電力伝送トランスの２次コイルと２次回路を接続するために、第１内部磁脚側に第１の開口面、第２内部磁脚側に第２の開口面を備える。複合磁性部品は、電力伝送トランスの１次コイルと等価的に共振インダクタが直列接続される場合は、第１の開口面を１次回路側、第２の開口面を２次回路側に向けて配置されて、第１の開口面を介して電力伝送トランスの１次コイルと１次回路が接続され、第２の開口面を介して電力伝送トランスの２次コイルと２次回路が接続される。逆に電力伝送トランスの２次コイルと等価的に共振インダクタが直列接続される場合は、第１の開口面を２次回路側、第２の開口面を１次回路側に向けて配置されて、第１の開口面を介して電力伝送トランスの２次コイルと２次回路が接続され、第２の開口面を介して電力伝送トランスの１次コイルと１次回路が接続される。このような配置にする事で、複合磁性部品の入出力の配線を短くできるので導通損失を低減できる。
【００１７】
本発明の複合磁性部品をスイッチング電源装置に適用し、第１内部磁脚を通過する磁束によって構成する共振インダクタを用いたＬＣ共振動作によって、１次、もしくは２次回路のスイッチ素子をゼロ電圧スイッチング、もしくはゼロ電流スイッチングしてスイッチング損失の低減と低ノイズ化を実現する。
【発明の効果】
【００１８】
(1)本発明は電力伝送トランスの１次コイルまたは２次コイルと等価的に直列にインダクタが接続されて成る磁性部品を一対の磁性材と複数のコイルとで複合的に構成できるので部品コスト、実装コストの低減と、磁性部品の小型化に対して効果がある。
(2)本発明の複合磁性部品は磁脚が１列に並んだ第１、第２従来例の複合磁性部品よりも、より縦と横の寸法が近い形状で構成できるので、第１、第２従来例よりもフェライト磁芯の寸法誤差が小さく、かつ割れにくく設計する事が可能であり、実装上の制約も少ない。
(3)第１・第２内部磁脚の断面積、及び第１・第２内部磁脚の周囲に巻回するコイルの巻き数、及び第１・第２内部磁脚を経由する磁路に設けたギャップによって、共振インダクタのインダクタンス、電力伝送トランスの励磁インダクタンス、及び共振インダクタと電力伝送トランスとの動作磁束密度を最適に設計可能である。
(4)第１・第２内部磁脚から、第１・第２外部磁脚への距離が短く均等なので鉄損が小さく、磁芯損失や磁気飽和に関する設計が容易であり、また、第１外部磁脚および第２外部磁脚の周囲にそれぞれ同数逆方向に巻回したコイルを直列接続して１次コイルおよび２次コイルを構成する事で、電力伝送トランス、及びインダクタから実質的に独立とみなせる信号伝送トランスを得る事が可能である。
(5)絶縁型スイッチング電源の１次、２次回路の内、電力伝送トランスのコイルと直列にインダクタが接続される側に第１内部磁脚を近づけて配置する事で複合磁性部品の入出力の配線を短くできるので導通損失を低減できる。
(6)本発明で構成するインダクタを共振インダクタとして用いたＬＣ共振動作により、１次、もしくは２次回路のスイッチ素子をゼロ電圧スイッチング、もしくはゼロ電流スイッチングしてスイッチング損失の低減と低ノイズ化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施例における磁芯６１を説明するための図である。図１（ａ１）はＥ型磁性材Ｅ１の正面図であり、図１（ａ２）はＥ型磁性材Ｅ１の平面図である。図１（ｂ１）はＩ型磁性材Ｉ１の正面図であり、図１（ｂ２）はＩ型磁性材Ｉ１の平面図である。図１（ｃ）は磁芯６１の正面図である。
【図２】本発明の第１実施例における多層基板７１である。図２（ａ）は多層基板７１の平面図であり、図２（ｂ）は多層基板７１を分解して示した正面図である。
【図３】多層基板７１のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの各層に形成されるコイルパターンを示すとともに、各層における電流および磁界の向きを示した図である。
【図４】本発明の第１実施例におけるトランスＴ１の等価回路図である。
【図５】本発明の第１実施例における電力変換回路を構成するＬＬＣ共振ハーフブリッジコンバータを示した図である。
【図６】本発明の第２実施例における磁芯６２を説明するための図である。図６（ａ１）は第１のＥ型磁性材Ｅ２Ａの正面図であり、図６（ａ２）は第１のＥ型磁性材Ｅ２Ａの平面図である。図６（ｂ１）は第２のＥ型磁性材Ｅ２Ｂの正面図であり、図６（ｂ２）は第２のＥ型磁性材Ｅ２Ｂの平面図である。図６（ｃ）は磁芯６２の正面図である。
【図７】本発明の第２実施例における多層基板７２である。図７（ａ）は多層基板７２の平面図であり、図７（ｂ）は多層基板７２を分解して示した正面図である。
【図８】多層基板７２のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの各層に形成されるコイルパターンを示すとともに、各層における電流および磁界の向きを示した図である。
【図９】本発明の第２実施例におけるトランスＴ１の等価回路図である。
【図１０】本発明の第２実施例における電力変換回路を構成するアクティブクランプ倍電圧整流コンバータを示した図である。
【図１１】本発明の第３実施例における第１の磁芯６３Ａを説明するための図である。図１１（ａ１）はＥ型磁性材Ｅ３Ａの正面図であり、図１１（ａ２）はＥ型磁性材Ｅ３Ａの平面図である。図１１（ｂ１）はＩ型磁性材Ｉ３の正面図であり、図１１（ｂ２）はＩ型磁性材Ｉ３の平面図である。図１１（ｃ）は磁芯６３Ａの正面図である。
【図１２】本発明の第３実施例における磁芯６３Ａに巻回するコイルパターンを示した図である。
【図１３】本発明の第３実施例の変形例における磁芯６３Ｂを説明するための図である。図１３（ａ１）はＥ型磁性材Ｅ３Ｂの正面図であり、図１３（ａ２）はＥ型磁性材Ｅ３Ｂの平面図である。図１３（ｂ１）はＩ型磁性材Ｉ３の正面図であり、図１３（ｂ２）はＩ型磁性材Ｉ３の平面図である。図１３（ｃ）は磁芯６３Ｂの正面図である。
【図１４】本発明の第３実施例の変形例における磁芯６３Ｂに巻回するコイルパターンを示した図である。
【図１５】第１従来例を示した図である。
【図１６】第２従来例を示した図である。
【図１７】第３従来例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
《第１実施例》
図１は本発明の第１実施例における磁芯６１を説明するための図である。図１（ａ１）、図１（ａ２）のＥ型磁性材Ｅ１と、図１（ｂ１）、図１（ｂ２）のＩ型磁性材Ｉ１とを嵌め合わせ、接着剤等により固定して形成される図１（ｃ）に示す磁芯６１においては、互いに実質的に平行に位置する一対の底板ＢＳＰ１、ＢＳＰ２と、底板ＢＳＰ１の両端部に配置された第１外部磁脚ＯＬ１、及び第２外部磁脚ＯＬ２と、第１外部磁脚ＯＬ１と第２外部磁脚ＯＬ２とから実質的に等距離の位置に並べられた第１内部磁脚ＩＬ１と第２内部磁脚ＩＬ２とを備えている。
【００２１】
図２は本発明の第１実施例における多層基板７１であり、多層基板７１は複数の磁脚貫通孔を備えている。Ｅ型磁性材Ｅ１の第１・第２の外部磁脚ＯＬ１、ＯＬ２が第１、第２の磁脚貫通孔ＨＯＬＥ１、ＨＯＬＥ２、第１・第２内部磁脚ＩＬ１、ＩＬ２が第３、第４の磁脚貫通孔ＨＯＬＥ３、ＨＯＬＥ４を介して貫通し、Ｉ型磁性材Ｉ１と嵌め合わされる。嵌め合わされた磁芯６１は、第１内部磁脚ＩＬ１側に第１の開口面ＯＦ１、第２内部磁脚ＩＬ２側に第２の開口面ＯＦ２を備える。多層基板７１において、導体のパターンの層はＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの４層で構成される。Ｂ層とＣ層は薄板基板の両面で形成され、Ａ層−Ｂ層間とＣ層−Ｄ層間にはプリプレグＰＰを挟んで、薄板基板とＡ層が形成された基板とＤ層が形成された基板とが積層される。Ｂ層−Ｃ層間を貫通するインナービアホールＩＶＨと全層を貫通するスルーホールＴＨで各層のパターン間を電気的に接続する。各層に形成されたコイルパターンと嵌め合わされた磁芯６１とで複合磁性部品ＩＭＡＧ１が形成される。多層基板７１は、複合磁性部品ＩＭＡＧ１を形成するほかに入力端子、出力端子を備え、かつ、表面と裏面に渡って多くの電子部品が実装されて全体としてスイッチング電源装置８１を構成する。入力端子側に１次回路、出力端子側に２次回路が配置され、複合磁性部品ＩＭＡＧ１は、第１の開口面ＯＦ１を１次回路側、第２の開口面ＯＦ２を２次回路側に向けて配置される。
【００２２】
図３（ａ）〜図３（ｄ）は、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの各層に形成されたコイルパターンを、各層ごとに平面方向から見た図であり、インナービアホールＩＶＨで中間接続されたＢ層とＣ層のコイルパターンが１次コイルＮｐを形成し、スルーホールＴＨで中間タップを形成したＡ層とＤ層のコイルパターンが第１、第２の２次コイルＮｓ１、Ｎｓ２を形成する。
【００２３】
本発明の複合トランスにおいて、例えば、１次コイルＮｐの巻き数は次の様に数える。１次コイルＮｐは第１外部磁脚ＯＬ１と第１内部磁脚ＩＬ１の間を、Ｂ層で２回通過しており、第２外部磁脚ＯＬ２と第１内部磁脚ＩＬ１の間を、Ｂ層で１回、Ｃ層で１回の計２回、前記とは逆方向に通過している。この事から第１内部磁脚ＩＬ１の周囲に１次コイルＮｐは２ターン巻回されている。同様に１次コイルＮｐは第１外部磁脚ＯＬ１と第２内部磁脚ＩＬ２の間を、Ｂ層で３回、Ｃ層で３回の計６回通過しており、第２外部磁脚ＯＬ２と第２内部磁脚ＩＬ２の間を、Ｂ層で３回、Ｃ層で３回の計６回、前記とは逆方向に通過している。この事から第２内部磁脚ＩＬ１の周囲に１次コイルＮｐは６ターン巻回されている。
【００２４】
１次コイルＮｐは、直列接続された６ターンのコイルの内、２ターンのコイルは第１内部磁脚ＩＬ１と第２内部磁脚ＩＬ２の両方の周囲に渡って巻回されており、等価的に共振インダクタとの直列接続回路を形成する。一方で、第１、第２の２次コイルＮｓ１、Ｎｓ２は、第２内部磁脚ＩＬ２のみの周囲に巻回されている。１次コイルＮｐに矢印で示した方向の電流が流れ始めると、右ねじの法則に対応した方向の磁界が発生する。第１、第２の２次コイルＮｓ１、Ｎｓ２が、第２内部磁脚ＩＬ２に生じた磁界の変化を妨げる方向に電流を流すので、第２内部磁脚ＩＬ２がトランスとして作用する。
【００２５】
図３（ａ）〜図３（ｄ）のようにコイルを構成する事で、複合磁性部品ＩＭＡＧ１の等価回路は図４のようになり、励磁インダクタンスＬｍのトランスの１次コイルと直列に共振インダクタＬｒが接続された形となる。トランスの漏れインダクタンスは共振インダクタＬｒと直列に存在するので実質的にＬｒに包含されて動作する。
【００２６】
図５はＬＬＣ共振ハーフブリッジコンバータのトポロジーを用いた第１実施例の電力変換回路の回路図であり、Ｖｉｎは直流入力電源、Ｃｆ１、Ｃｆ２は平滑コンデンサ、Ｑ１、Ｑ２はスイッチ素子、Ｃｒ１は共振コンデンサ、Ｌｒは共振インダクタ、Ｔ１は第１のトランスで、Ｎｐは１次コイル、Ｎｓ１、Ｎｓ２は第１、第２の２次コイルであり、ＩＭＡＧ１は共振インダクタＬｒと第１のトランスＴ１が複合化された複合磁性部品である。ＳＲ１、ＳＲ２は同期整流素子、Ｌｏａｄは負荷装置で出力電圧Ｖｏｕｔが出力される。Ｒ１、Ｒ２は抵抗、ＡＭＰ１は誤差アンプ、Ｖｒｅf１は基準電圧、ＩＳＯはフォトカプラ等で構成する絶縁信号伝送素子でフィードバックループが形成されている。ＣＮＴＰ、ＣＮＴＳは１次、２次制御回路である。電力変換動作の説明は割愛するが、ＬＬＣ共振コンバータでは、高効率な電力変換のためにトランスの１次コイルＮｐと直列に共振インダクタＬｒを必要とする。本発明ではトランスと共振インダクタとを１つの複合磁性部品ＩＭＡＧ１として構成可能である。ＬＬＣ共振コンバータにおいては、トランスの励磁インダクタンスＬｍと共振インダクタのインダクタンスＬｒの比率Ｌｍ／Ｌｒを、３〜１０程度に設定するのが一般的であるが、本発明では第１・第２内部磁脚の断面積、及び第１・第２内部磁脚の周囲に巻回するコイルの巻き数、及び第１・第２内部磁脚を経由する磁路に設けたギャップによって、共振インダクタのインダクタンスＬｒ、電力伝送トランスの励磁インダクタンスＬｍ、及び共振インダクタと電力伝送トランスとの動作磁束密度を最適に設計可能である。第１実施例では、Ｅ型磁性材Ｅ１の第１内部磁脚ＩＬ１、及び第２内部磁脚ＩＬ２が、第１外部磁脚ＯＬ１、及び第２外部磁脚ＯＬ２より短く加工されており、Ｅ型磁性材Ｅ１とＩ型磁性材Ｉ１との接合部にギャップが構成されている。
【００２７】
《第２実施例》
図６は本発明の第２実施例における磁芯６２を説明するための図である。図６（ａ１）、図６（ａ２）の第１のＥ型磁性材Ｅ２Ａと、図６（ｂ１）、図６（ｂ２）の第２のＥ型磁性材Ｅ２Ｂとを嵌め合わせ、接着剤等により固定して形成される図６（ｃ）に示す磁芯６２においては、互いに実質的に平行に位置する一対の底板ＢＳＰ１、ＢＳＰ２と、底板ＢＳＰ１、ＢＳＰ２の両端部に配置された第１外部磁脚ＯＬ１、及び第２外部磁脚ＯＬ２と、第１外部磁脚ＯＬ１と第２外部磁脚ＯＬ２とから実質的に等距離の位置に並べられた第１内部磁脚ＩＬ１と第２内部磁脚ＩＬ２とを備えている。第１実施例と異なり、第２内部磁脚ＩＬ２が円柱状に形成され、第１外部磁脚ＯＬ１、及び第２外部磁脚ＯＬ２は第２内部磁脚ＩＬ２に沿って湾曲している。これは、第２内部磁脚ＩＬ２の断面積に対して、周回するコイルの長さを短くするための処理である。また、両方の磁性材が同一のＥ型形状なので磁性材を製造するための金型が１種類で済む利点がある。
【００２８】
図７は本発明の第２実施例における多層基板７２であり、多層基板７２は複数の磁脚貫通孔を備えている。第１、第２のＥ型磁性材Ｅ２Ａ、Ｅ２Ｂの第１・第２外部磁脚ＯＬ１、ＯＬ２が第１、第２の磁脚貫通孔ＨＯＬＥ１、ＨＯＬＥ２を介して貫通し、第１・第２内部磁脚ＩＬ１、ＩＬ２が第３、第４の磁脚貫通孔ＨＯＬＥ３、ＨＯＬＥ４を介して貫通し、互いに嵌め合わされる。嵌め合わされた磁芯６２は、第１内部磁脚ＩＬ１側に第１の開口面ＯＦ１、第２内部磁脚ＩＬ２側に第２の開口面ＯＦ２を備える。多層基板７２はＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの４層で構成され、Ｂ層とＣ層は薄板基板の両面で形成され、Ａ層−Ｂ層間とＣ層−Ｄ層間にはプリプレグＰＰを挟んで積層される。Ｂ層−Ｃ層間を貫通するインナービアホールＩＶＨと全層を貫通するスルーホールＴＨで各層のパターン間を電気的に接続する。各層に形成されたコイルパターンと嵌め合わされた磁芯６２とで複合磁性部品ＩＭＡＧ２が形成される。多層基板７２は、複合磁性部品ＩＭＡＧ２を形成するほかに入力端子、出力端子を備え、かつ、表面と裏面に渡って多くの電子部品を実装して全体としてスイッチング電源装置８２を構成し、入力端子側に１次回路、出力端子側に２次回路が配置される。トランスの２次コイルと直列に共振インダクタを接続する回路構成であるため、第１実施例とは逆に、複合磁性部品ＩＭＡＧ２は第１の開口面ＯＦ１を１次回路側、第２の開口面ＯＦ２を２次回路側に向けて配置しており、入出力配線の短縮が図られている。
【００２９】
図８（ａ）〜図８（ｄ）は、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの各層に形成されたコイルパターンを、各層ごとに平面方向から見た図であり、スルーホールＴＨで接続されたＡ層とＤ層のコイルパターンが第１のトランスの１次コイルＮｐ１を形成し、インナービアホールＩＶＨで中間接続されたＢ層とＣ層のコイルパターンが第１のトランスの２次コイルＮｓ１を形成する。第１のトランスの１次コイルＮｐ１は、第２内部磁脚ＩＬ２のみの周囲に４ターン巻回されている。第１のトランスの２次コイルＮｓ１は、直列接続された４ターンのコイルの内、１ターンのコイルは第１内部磁脚ＩＬ１と第２内部磁脚ＩＬ２の両方の周囲に渡って巻回されており、等価的に共振インダクタとの直列接続回路を形成する。第１のトランスの１次コイルＮｐに矢印で示した方向の電流が流れ始めると、右ねじの法則に対応した方向の磁界が発生する。第１のトランスの２次コイルＮｓ１が、第２内部磁脚ＩＬ２に生じた磁界の変化を妨げる方向に電流を流すので、第２内部磁脚ＩＬ２がトランスとして作用する。
【００３０】
また、第２実施例の複合磁性部品ＩＭＡＧ２は、１次−２次間で電力を伝送する第１のトランスＴ１の他に、１次−２次間で信号を伝送する第２のトランスＴ２を備えており、かつ、両者は実質的に独立に動作する。第２のトランスＴ２の１次コイルＮｐ２、２次コイルＮｓ２は第１外部磁脚ＯＬ１、第２外部磁脚ＯＬ２に逆方向、同一巻き数巻回したコイルを直列接続して構成されており、第１のトランスＴ１による起電力はキャンセルされるので第２のトランスＴ２に出力しない。第２のトランスＴ２は第１・第２外部磁脚ＯＬ１、ＯＬ２と第１、第２の底板ＢＳＰ１、ＢＳＰ２で構成するＵ字形磁芯を利用しているとみなせる。第２のトランスＴ２の１次コイルＮｐ２はＡ層に描かれており、ジャンパーチップ抵抗ＪＰ１を用いて交差する配線部分を形成している。第２のトランスＴ２の２次コイルＮｓ２はＢ層に描かれており、インナービアホールＩＶＨを用いて交差する配線部分をＣ層に形成している。
【００３１】
図８（ａ）〜図８（ｄ）のようにコイルを構成する事で、複合磁性部品ＩＭＡＧ２の等価回路は図９のようになり、励磁インダクタンスＬｍのトランスの２次コイルと直列に共振インダクタが接続された形となる。等価回路では、２次側の共振インダクタＬｒを１次側に換算するために係数の（Ｎｐ／Ｎｓ）2を掛けて示した。共振インダクタと直列に存在するトランスの漏れインダクタンスは実質的に共振インダクタに包含されて動作する。
【００３２】
図１０は１次側にアクティブクランプ、２次側に倍電圧整流を用いた第２実施例の電力変換回路の回路図であり、Ｖｉｎは直流入力電源、Ｃａｃはクランプコンデンサ、Ｃｆ２、Ｃｆ３、Ｃｆ４は平滑コンデンサ、Ｑ１、Ｑ２はスイッチ素子、Ｌｒは共振インダクタ、Ｔ１は第１のトランスで、Ｎｐ１は１次コイル、Ｎｓ１は２次コイルである。Ｔ２は第２のトランスでＮｐ２は１次コイル、Ｎｓ２は２次コイルである。ＳＲ１、ＳＲ２は同期整流素子、Ｌｆ１は出力フィルタインダクタ、Ｌｏａｄは負荷装置で出力電圧Ｖｏｕｔが出力される。Ｒ１、Ｒ２は抵抗で、図示を省略したフィードバックループを有する。ＣＮＴＰ、ＣＮＴＳは１次、２次制御回路である。電力変換動作の説明は割愛するが、本トポロジーにおいては、ゼロ電圧スイッチングを実現するために第１のトランスＴ１の１次コイルＮｐ１、もしくは２次コイルＮｓ１と直列に共振インダクタＬｒを必要とし、第２実施例では２次コイルＮｓ１と直列に接続している。本発明では第１のトランスＴ１と第２のトランスＴ２と共振インダクタとを１つの複合磁性部品ＩＭＡＧ２として構成可能である。第１のトランスＴ１と共通の磁芯を用いて構成した第２のトランスＴ２は、１次制御回路ＣＮＴＰと２次制御回路ＣＮＴＳの間の信号伝送に用いられ、例えば、同期整流素子ＳＲ１、ＳＲ２の駆動タイミングの伝送に利用する事ができる。
【００３３】
《第３実施例》
本発明の複合磁性部品を適用するスイッチング電源装置においては、一般的に制御回路やスイッチング素子の駆動回路で１０Ｖ前後の直流電圧を必要とするが、設計条件によっては第２内部磁脚ＩＬ２の周囲に１ターン巻回したコイルを整流平滑しただけでも２０Ｖ超の直流電圧が得られる場合があり、より適した直流電圧を得るためにトランスに０．５ターンのコイルを設ける応用例が考えられる。第３実施例では比較的小電力用途の直流電源を得るために、トランスに０．５ターンのコイルを設ける方法について２通りの例を示している。
【００３４】
図１１は本発明の第３実施例における磁芯６３Ａを説明するための図である。図１１（ａ１）、図１１（ａ２）のＥ型磁性材Ｅ３Ａと、図１１（ｂ１）、図１１（ｂ２）のＩ型磁性材Ｉ３とを嵌め合わせて形成される図１１（ｃ）に示す磁芯６３Ａにおいては、互いに実質的に平行に位置する一対の底板ＢＳＰ１、ＢＳＰ２と、底板ＢＳＰ１の両端部に配置された第１外部磁脚ＯＬ１、及び第２外部磁脚ＯＬ２と、第１外部磁脚ＯＬ１と第２外部磁脚ＯＬ２とから実質的に等距離の位置に並べられた第１内部磁脚ＩＬ１と第２内部磁脚ＩＬ２とを備えており、第２内部磁脚ＩＬ２を、隙間を隔てて実質的に同一断面積の磁脚ＩＬ２−１、ＩＬ２−２に２分割して形成している。第３実施例では、Ｅ型磁性材Ｅ３Ａの第１内部磁脚ＩＬ１、及び第２内部磁脚ＩＬ２が、第１外部磁脚ＯＬ１、及び第２外部磁脚ＯＬ２より短く加工されており、Ｅ型磁性材Ｅ３ＡとＩ型磁性材Ｉ３との接合部にギャップが構成されている。
【００３５】
図１２（ａ）、図１２（ｂ）は、図１１の第３実施例における磁芯６３Ａを用いてトランスに０．５ターンのコイルを構成する方法を示しており、１ターンのコイルが磁脚ＩＬ２−１とＩＬ２−２とで構成する第２内部磁脚ＩＬ２の周囲に巻回しているのに対して、０．５ターンのコイルは磁脚ＩＬ２−１のみの周囲に巻回しており、通過する磁束量が１／２になる事から０．５ターンに相当する電圧が得られる。
【００３６】
図１３は本発明の第３実施例の変形例における磁芯６３Ｂを説明するための図である。図１３（ａ１）、図１３（ａ２）のＥ型磁性材Ｅ３Ｂと、図１３（ｂ１）、図１３（ｂ２）のＩ型磁性材Ｉ３とを嵌め合わせて形成される図１３（ｃ）に示す磁芯６３Ｂにおいては、互いに実質的に平行に位置する一対の底板ＢＳＰ１、ＢＳＰ２と、底板ＢＳＰ１の両端部に配置された第１外部磁脚ＯＬ１、及び第２外部磁脚ＯＬ２と、第１外部磁脚ＯＬ１と第２外部磁脚ＯＬ２とから実質的に等距離の位置に並べられた第１内部磁脚ＩＬ１と第２内部磁脚ＩＬ２とを備えており、第１内部磁脚ＩＬ１を、隙間を隔てて実質的に同一断面積の磁脚ＩＬ１−１、ＩＬ１−２に２分割して形成している。
【００３７】
図１４（ａ）、図１４（ｂ）は、図１３の第３実施例の変形例における磁芯６３Ｂを用いてトランスに０．５ターンのコイルを構成する方法を示しており、１ターンのコイルが第２内部磁脚ＩＬ２の周囲に巻回しているのに対して、０．５ターンのコイルは第１外部磁脚ＯＬ１と、磁脚ＩＬ１−１との周囲に渡って１回巻回する事で、第２内部磁脚ＩＬ２を通過する磁束の１／２の磁束量を得ており、０．５ターンに相当する電圧が得られる。
【００３８】
なお、本発明は前述した以外にも多くの応用例に展開可能である。例えば、磁芯の形状を各実施例に示した以外の形状で設計しても良いし、複合磁性部品の各コイルを基板のパターンで形成したプリントコイルではなく、巻き線機を用いてボビンに銅線を巻回して各コイルを構成しても良い。各実施例に示した以外のトポロジーの絶縁型スイッチング電源にも適用可能であり、例えば、インバータ等にも適用可能である。
【符号の説明】
【００３９】
６１、６２、６３Ａ、６３Ｂ・・・磁芯（magnetic core）
７１、７２・・・多層基板（multilayer PCB）
８１、８２・・・スイッチング電源装置（switching power supply apparatus）
Ｅ１、Ｅ２Ａ、Ｅ２Ｂ、Ｅ３Ａ、Ｅ３Ｂ・・・Ｅ型磁性材（E type core member）
Ｉ１、Ｉ３・・・Ｉ型磁性材（I type core member）
ＢＳＰ１・・・磁性材の第１の底板（first base plate of the magnetic core）
ＢＳＰ２・・・磁性材の第２の底板（second base plate of the magnetic core）
ＯＬ１・・・磁性材の第１外部磁脚（first outer leg of the magnetic core）
ＯＬ２・・・磁性材の第２外部磁脚（second outer leg of the magnetic core）
ＩＬ１・・・磁性材の第１内部磁脚（共振インダクタを構成する磁脚）（first inner leg of the magnetic core）
ＩＬ１−１、ＩＬ１−２・・・第１内部磁脚ＩＬ１を、隙間を隔てて実質的に同一断面積に２分割した磁脚（first inner legs of the magnetic core which are separated into 2 portions with a spacing）
ＩＬ２・・・磁性材の第２内部磁脚（第１のトランスを構成する磁脚）（second inner leg of the magnetic core）
ＩＬ２−１、ＩＬ２−２・・・第２内部磁脚ＩＬ２を、隙間を隔てて実質的に同一断面積に２分割した磁脚（second inner legs of the magnetic core which are separated into 2 portions with a spacing）
ＨＯＬＥ１・・・多層基板に設けられた第１の磁脚貫通孔（第１外部磁脚が貫通）（first through-hole for the magnetic core）
ＨＯＬＥ２・・・多層基板に設けられた第２の磁脚貫通孔（第２外部磁脚が貫通）（second through-hole for the magnetic core）
ＨＯＬＥ３・・・多層基板に設けられた第３の磁脚貫通孔（第１内部磁脚が貫通）（third through-hole for the magnetic core）
ＨＯＬＥ４・・・多層基板に設けられた第４の磁脚貫通孔（第２内部磁脚が貫通）（fourth through-hole for the magnetic core）
Ａ層、Ｂ層、Ｃ層、Ｄ層・・・多層基板の各導体層（layer-A、layer-B、layer-C、layer-D）
ＰＰ・・・プリプレグ（prepreg）
ＩＶＨ・・・インナービアホール（薄板両面基板のみを貫通）（inner via hole）
ＴＨ・・・スルーホール（全層を貫通）（through-hole）
ＪＰ１・・・ジャンパーチップ抵抗（jumper-wire-resistor）
ＯＦ１・・・複合磁性部品の第１内部磁脚ＩＬ１側に面する第１の開口面
ＯＦ２・・・複合磁性部品の第２内部磁脚ＩＬ２側に面する第２の開口面
Ｌｒ・・・共振インダクタ（resonant inductor）
Ｌｆ１・・・出力フィルタインダクタ（output-filter inductor）
Ｔ１・・・第１のトランス（電力伝送用）（first transformer）
ＩＭＡＧ１、ＩＭＡＧ２・・・複合磁性部品（integrated magnetic component）
Ｌｍ・・・第１のトランスの励磁インダクタンス（magnetizing inductance of the first transformer）
Ｔ２・・・第２のトランス（信号伝送用）（second transformer）
Ｎｐ、Ｎｐ１、Ｎｐ２・・・１次コイル（primary coil）
Ｎｓ、Ｎｓ１、Ｎｓ２・・・２次コイル（secondary coil）
Ｖｉｎ・・・直流入力電源、直流入力電圧（DC-input power supply, DC-input voltage）
Ｖｏｕｔ・・・直流出力電圧（DC-output voltage）
Ｃｆ１、Ｃｆ２、Ｃｆ３、Ｃｆ４・・・平滑コンデンサ
Ｃｒ・・・共振コンデンサ（resonant capacitor）
Ｃａｃ・・・クランプコンデンサ（clamp capacitor）
Ｑ１、Ｑ２・・・スイッチ素子（switching element）
ＳＲ１、ＳＲ２・・・同期整流素子（synchronous rectifier）
Ｌｏａｄ・・・負荷装置（load apparatus）
Ｒ１、Ｒ２・・・抵抗（resistor）
ＡＭＰ１・・・誤差アンプ（error amplifier）
Ｖｒｅｆ１・・・基準電圧源（reference voltage source）
ＩＳＯ・・・絶縁信号伝送素子（フォトカプラ等）（isolated signal transmission element）
ＣＮＴＰ・・・１次制御回路（primary control circuit）
ＣＮＴＳ・・・２次制御回路（secondary control circuit）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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