(57)【要約】【課題】小形で高信頼性に優れた磁芯および電源用トランスおよび電源回路を提供する。【解決手段】少なくとも一つ以上の磁芯で少なくとも一つ以上の閉磁路を形成し、前記閉磁路を形成する軟磁気特性を有する磁性体の少なくとも１ヶ所以上の空隙に永久磁石を配置してなる磁芯の巻線を施した電源用トランスであって、前記磁芯は、Ｅ型コア１、Ｉ型コア２、磁気漏洩足３で形成され、前記Ｉ型コア２と磁気漏洩足３は、平行して前記Ｅ型コア１の開口部に配置され、Ｉ型コア２とＥ型コア１との間に永久磁石４が配置され、磁気漏洩足３とＥ型コア１との間には、エアギャップ６が設けられた磁芯である電源用トランスとする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つ以上の磁芯で少なくとも一つ以上の閉磁路を形成し、前記閉磁路を形成する軟磁気特性を有する磁性体の少なくとも１ヶ所以上の空隙に永久磁石を配置してなることを特徴とする磁芯。
【請求項２】
前記磁芯は、コの字型コア、棒状ヨーク、漏洩足ヨークで形成され、前記棒状ヨークと漏洩足ヨークは、平行して前記コの字型コアの開口部に配置され、棒状ヨークとコの字型コアとの間に永久磁石が配置され、漏洩足ヨークとコの字型コアとの間には、空隙が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の磁芯。
【請求項３】
前記磁芯は、コの字型コア、棒状ヨーク、漏洩足ヨークで形成され、前記棒状ヨークと漏洩足ヨークは、平行して前記コの字型コアの開口部に配置され、棒状ヨークと漏洩足ヨークの端面と、コの字型コアとの間には永久磁石が配置されたことを特徴とする請求項１に記載の磁芯。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の磁芯に対し、少なくとも２つ以上で、かつ１ターン以上の巻線が施されたことを特徴とする電源用トランス。
【請求項５】
請求項４に記載の電源用トランスを用いた電源回路であって、前記電源回路は、励磁巻線に入力電圧が印加されて流れる励磁電流によって生じる磁界の極性が、前記永久磁石によって生じる磁界の極性と互いに逆極性を有することを特徴とする電源回路。
【請求項６】
請求項５に記載の電源回路において、前記励磁巻線に入力電圧が印加されて流れる励磁電流の直流成分と、他の巻線を介して流れる負荷電流成分の直流成分とが互いに逆極性となることを特徴とする電源回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子機器に多用される磁芯、磁芯を用いた線輪部品、及び電源回路に関するものであり、特にスイッチング電源等に使用されるのに好適な、磁芯および電源用トランスおよび電源回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常の電源回路では、非安定な入力電圧に対して安定な出力電圧を負荷に供給しているが、その際の小型化と電力変換効率の向上が近年の重要課題となっている。これに対し、電源用トランスとして、磁芯の低損失化や、巻線の損失低減を図る等の改善がとられている。また、電源回路としても、スイッチング損失を低減する対策がとられてきた。従来の低損失電源回路については、非特許文献１にて記載されている。
【０００３】
【非特許文献１】
トランジスタ技術、２００２年１２月号、Ｐ２４５〜Ｐ２５５
【０００４】
図６は、従来の低損失型の電源用トランスの説明図である。図６の従来の電源用トランスは、Ｅ型コア１の開放端部分に、Ｉ型コア２ａと磁気漏洩足３ａとが並設され、かつ前記Ｅ型コア１の開放端部分との間にエアギャップ６ａ，６ｂが設けられ、入力巻線ＬＮ１，出力巻線ＬＮ２，巻線Ｌ１，巻線Ｌ２が巻かれた構造である。ここで、入力巻線ＬＮ１、出力巻線ＬＮ２は、Ｅ型コア１の基台部分に巻かれ、また巻線Ｌ１は、同じくＥ型コア１の基台部分に巻かれ、また巻線Ｌ２は、Ｉ型コア２ａに巻かれている。一方、磁気漏洩足３ａには、全く巻線は巻かれていない。
【０００５】
図９は、従来技術による電源トランス部品を用いた低損失電源回路（  ＤＣ−ＤＣコンバータ）の例であり、以下に、それらの骨子と動作の概要を記述する。
【０００６】
まず、スイッチ素子Ｑ１がｏｎの期間は、スイッチ素子Ｑ２とＱ４はｏｆｆ、スイッチ素子Ｑ３はｏｎであり、この期間には巻線Ｌ１を介して励磁電流が流れると同時に、スイッチ素子Ｑ３と巻線Ｌ２を介し磁芯に蓄えられた磁気エネルギーは負荷側に供給される。
【０００７】
また、スイッチ素子Ｑ１がｏｆｆの期間には、スイッチ素子Ｑ２とＱ４はｏｎ、スイッチ素子Ｑ３はｏｆｆであるため、巻線ＬＮ１を介して磁芯は逆向きに励磁され、かつ入力巻線ＬＮ１と巻線Ｌ２を介して負荷電流が供給される。
【０００８】
動作概要は以上の通りであるが、スイッチ素子Ｑ１がｏｎの期間の巻線Ｌ１を介した励磁方向は、上記巻線Ｌ２を介した出力電流と相殺方向であるため、磁芯の小型化に寄与できる特長がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した従来技術においては、下記のような問題点がある。つまり、従来技術によるＤＣ−ＤＣコンバータは、基本的には半波励磁であるため、図８に示すように、磁芯のＢ−Ｈ特性の活用範囲が小さく、その小型化が図れないという問題点があり、また、過渡的な負荷変動等に対して磁芯の安定動作領域を超えて磁気飽和に達してスイッチ素子等の永久破損が生じる可能性も高く、高い信頼性の電源回路が得られにくいという問題点があった。
【００１０】
そこで、本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解決し、小形で高信頼性に優れた  磁芯および電源用トランスおよび電源回路を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、少なくとも一つ以上の磁芯で少なくとも一つ以上の閉磁路を形成し、前記閉磁路を形成する軟磁気特性を有する磁性体の少なくとも１ヶ所以上の空隙に永久磁石を配置した磁芯に対して、少なくとも２つ以上で、かつ１ターン以上の巻線が施されていることを特徴とする電源用トランスである。
【００１２】
しかも、前記電源用トランスは、励磁巻線に入力電圧が印加されて流れる励磁電流によって生じる磁界の極性が、前記永久磁石によって生じる磁界の極性と互いに逆極性を有することを特徴とする電源用トランスであって、さらに前記電源用トランスの励磁巻線に入力電圧が印加されて流れる励磁電流の直流成分は、前記電源用トランスに施した他の巻線を介して流れる負荷電流成分の直流成分とが互いに逆極性となることを特徴とする電源回路である。
【００１３】
即ち、本発明は、少なくとも一つ以上の磁芯で少なくとも一つ以上の閉磁路を形成し、前記閉磁路を形成する軟磁気特性を有する磁性体の少なくとも１ヶ所以上の空隙に永久磁石を配置してなることを特徴とする磁芯である。
【００１４】
また、本発明は、前記磁芯は、コの字型コア、棒状ヨーク、漏洩足ヨークで形成され、前記棒状ヨークと漏洩足ヨークは、平行して前記コの字型コアの開口部に配置され、棒状ヨークとコの字型コアとの間に永久磁石が配置され、漏洩足ヨークとコの字型コアとの間には、空隙が設けられた磁芯である。
【００１５】
また、本発明は、前記磁芯は、コの字型コア、棒状ヨーク、漏洩足ヨークで形成され、前記棒状ヨークと漏洩足ヨークは、平行して前記コの字型コアの開口部に配置され、棒状ヨークと漏洩足ヨークの端面と、コの字型コアとの間には永久磁石が配置された磁芯である。
【００１６】
また、本発明は、前記磁芯に対し、少なくとも２つ以上で、かつ１ターン以上の巻線が施された電源用トランスである。
【００１７】
また、本発明は、前記電源用トランスを用いた電源回路であって、前記電源回路は、励磁巻線に入力電圧が印加されて流れる励磁電流によって生じる磁界の極性が、前記永久磁石によって生じる磁界の極性と互いに逆極性を有する電源回路である。
【００１８】
また、本発明は、前記電源回路において、前記励磁巻線に入力電圧が印加されて流れる励磁電流の直流成分と、他の巻線を介して流れる負荷電流成分の直流成分とが互いに逆極性となる電源回路である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態による磁芯および電源用トランスおよび電源回路について、以下に説明する。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による電源用トランスの説明図である。図２は、  図１の電源用トランスを、各方向から見た図であり、図２（ａ）は上面図、図２（ｂ）は、下面図、図２（ｃ）は側面図である。
【００２１】
図１の本発明の電源用トランスは、Ｅ型コア１の開放端部分に、Ｉ型コア２ａと磁気漏洩足３ａとが、並設され、かつ前記Ｅ型コア１の開放端部分との間にエアギャップ６および永久磁石４が設けられた構造である。
【００２２】
ここで、入力巻線ＬＮ１、出力巻線ＬＮ２は、Ｅ型コア１の基台部分に巻かれ、また巻線Ｌ１は、同じくＥ型コア１の基台部分に巻かれ、また巻線Ｌ２は、Ｉ型コア２ａに巻かれている。一方、磁気漏洩足３ａには、全く巻線は巻かれていない。
【００２３】
図９は、本発明による電源トランス部品を用いた低損失電源回路（  ＤＣ−ＤＣコンバータ）の例であり、以下に、それらの骨子と動作の概要を記述する。
【００２４】
まず、スイッチ素子Ｑ１がｏｎの期間は、スイッチ素子Ｑ２とＱ４はｏｆｆ、スイッチ素子Ｑ３はｏｎであり、この期間には巻線Ｌ１を介して励磁電流が流れると同時に、スイッチ素子Ｑ３と巻線Ｌ２を介し磁芯に蓄えられた磁気エネルギーは負荷側に供給される。
【００２５】
また、スイッチ素子Ｑ１がｏｆｆの期間には、スイッチ素子Ｑ２とＱ４はｏｎ、スイッチ素子Ｑ３はｏｆｆであるため、巻線ＬＮ１を介して磁芯は逆向きに励磁され、かつ入力巻線ＬＮ１と出力巻線Ｌ２を介して負荷電流が供給される。動作概要は以上の通りであるが、スイッチ素子Ｑ１がｏｎの期間の巻線Ｌ１を介した励磁方向は、上記巻線Ｌ２を介した出力電流と相殺方向であるため、磁芯の小型化に寄与できる特長がある。
【００２６】
図３は、本発明の実施の形態１による電源用トランスでの磁芯のＢ−Ｈ特性を示す図である。図３（ａ）は、励磁範囲が約半分の場合を示し、図３（ｂ）は、励磁範囲が１００％励磁の場合を示す。
【００２７】
ここで、本発明は、少なくとも一つ以上の磁芯で少なくとも一つ以上の閉磁路を形成し、前記閉磁路を形成する軟磁気特性を有する磁性体の少なくとも１ヶ所以上の空隙に永久磁石を配置した磁芯であって、前記磁芯に少なくとも２つ以上で、かつ１ターン以上の巻線が施されてた電源用トランスである。前記電源用トランスでは、励磁巻線に入力電圧が印加されて流れる励磁電流によって生じる磁界の極性と永久磁石によって生じる磁界の極性が互いに逆特性となるようにするため、半波励磁であっても、軟磁気特性を有する磁性体は励磁方向がＢ−Ｈ特性の第１象限方向で、予め、永久磁石によって第３象限方向にバイアスされているため、実質的に残留磁束密度Ｂｒも第３象限にシフトする。そのため、活用できる磁束密度幅ΔＢも大幅に拡大できる。
【００２８】
これによって、磁芯に施す巻線を大幅に低減できることが可能となり、電源用トランスの小型化と低損失化に寄与できる。しかも、本発明による磁芯、磁芯を用いた電源用トランスにおいては、上述した永久磁石によるバイアス効果によって半波励磁回路においてもＢ−Ｈループの第１象限のみならず第３象限までも幅広く活用できる。そして、スイッチング電源の高出力化を、回路構成を煩雑化することなく、簡素に、かつ小形に実現できる。
【００２９】
加えて、前記電源回路、すなわちスイッチ素子がｏｎの期間に励磁巻線に流れる電流の方向とその間に出力巻線に流れる電流とが互いに相殺するように構成する電源回路に上記マグネットバイアス構成をとることによって生じる従来技術における動作領域不足に起因する過渡的な磁気飽和も充分回避できるため、極めて高信頼性の電源にすることもできる。
【００３０】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２による電源用トランスの説明図である。図４の本発明の電源用トランスは、Ｅ型コア１の開放端部分に、Ｉ型コア２ａと磁気漏洩足３ａとが並設され、かつ前記Ｅ型コア１の開放端部分との間に永久磁石４ａが設けられた構造である。
【００３１】
ここで、入力巻線ＬＮ１、出力巻線ＬＮ２は、Ｅ型コア１の基台部分に巻かれ、また巻線Ｌ１は、同じくＥ型コア１の基台部分に巻かれ、また巻線Ｌ２は、Ｉ型コア２ａに巻かれている。一方、磁気漏洩足３ａには、全く巻線は巻かれていない。
【００３２】
図９は、本発明による電源トランス部品を用いた低損失電源回路ＤＣ−ＤＣコンバータの例を示し、以下に、それらの骨子と動作の概要を記述する。
【００３３】
まず、スイッチ素子Ｑ１がｏｎの期間は、スイッチ素子Ｑ２とＱ４はｏｆｆ、スイッチ素子Ｑ３はｏｎであり、この期間には巻線Ｌ１を介して励磁電流が流れると同時に、スイッチ素子Ｑ３と巻線Ｌ２を介し磁芯に蓄えられた磁気エネルギーは負荷側に供給される。
【００３４】
また、スイッチ素子Ｑ１がｏｆｆの期間には、スイッチ素子Ｑ２とＱ４はｏｎ、スイッチ素子Ｑ３はｏｆｆであるため、入力巻線ＬＮ１を介して磁芯は逆向きに励磁され、かつ入力巻線ＬＮ１と巻線Ｌ２を介して負荷電流が供給される。
【００３５】
動作概要は以上の通りであるが、スイッチ素子Ｑ１がｏｎの期間の巻線Ｌ１を介した励磁方向は、上記巻線Ｌ２を介した出力電流と相殺方向であるため、磁芯の小型化に寄与できる特長がある。
【００３６】
図３は、本発明の実施の形態２による電源用トランスでの磁芯のヒステリシスカーブを示す図である。図３（ａ）は、励磁が約半分の場合を示し、図３（ｂ）は、励磁が１００％励磁の場合を示す。
【００３７】
ここで、本発明では、少なくとも一つ以上の磁芯で少なくとも一つ以上の閉磁路を形成し、前記閉磁路を形成する軟磁気特性を有する磁性体の少なくとも１ヶ所以上の空隙に永久磁石を配置した磁芯であって、少なくとも２つ以上で、かつ１ターン以上の巻線が施された電源用トランスである。前記電源用トランスでは、励磁巻線に入力電圧が印加されて流れる励磁電流によって生じる磁界の極性と永久磁石によって生じる磁界の極性が互いに逆特性となるようにするため、半波励磁であっても、軟磁気特性を有する磁性体は励磁方向がＢ−Ｈ特性曲線の第１象限方向であっても、予め、永久磁石によって第３象限方向にバイアスされているため、実質的に残留磁束密度Ｂｒも第３象限にシフトするので、活用できる磁束密度幅ΔＢも大幅に拡大できる。
【００３８】
これによって、磁芯に施す巻線を大幅に低減できることが可能となり、電源用トランスの小型化と低損失化に寄与できる。しかも、本発明による磁芯、磁芯を用いた線輸部品においては、上述した永久磁石によるバイアス効果によって半波励磁回路においてもＢ−Ｈループの第１象限のみならず第３象限までも幅広く活用できる。そのため、スイッチング電源の高出力化を、回路構成を煩雑化することなく簡素に、かつ小形に実現できる。
【００３９】
加えて、前記電源回路、すなわちスイッチ素子がｏｎの期間に励磁巻線に流れる電流の方向とその間に出力巻線に流れる電流とが互いに相殺する様に構成する電源回路に上記マグネットバイアス構成をとることによって生じる従来技術における動作領域不足に起因する過渡的な磁気飽和も充分回避できるため、極めて高信頼性の電源にすることもできる。
【００４０】
【発明の効果】
以上、記述した通り、本発明による磁芯、磁芯を用いた線輸部品、及び電源回路を用いれば、スイッチング電源などに用いられる磁芯やトランス、チョークコイル等の線輸部品の小型化・低損失化が図れるとともに、更に電源回路の簡素化、小型化、高効率化、省資源化、高信頼性に対して飛躍的に寄与することができるため、工業的に益するところ極めて大なるものである。従って、本発明によれば、小形で高信頼性に優れた磁芯および電源用トランスおよび電源回路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１による電源用トランスの説明図。
【図２】図１の電源用トランスを各方向から見た図。図２（ａ）は上面図、図２（ｂ）は下面図、図２（ｃ）は側面図。
【図３】本発明の実施の形態１および実施の形態２による電源用トランスの磁芯のＢ−Ｈ特性を示す図。図３（ａ）は、励磁が約半分の場合を示す図、図３（ｂ）は、励磁が１００％励磁の場合を示す図。
【図４】本発明の実施の形態２による電源用トランスの説明図。
【図５】図４の電源用トランスを各方向から見た図。図５（ａ）は上面図、図５（ｂ）は下面図、図５（ｃ）は側面図。
【図６】従来の電源用トランスの説明図。
【図７】図６の電源用トランスを、各方向から見た図。図７（ａ）は上面図、図７（ｂ）は下面図、図７（ｃ）は側面図。
【図８】従来の電源用トランスの磁芯のＢ−Ｈ特性を示す図。
【図９】本発明および従来の共通の低損失電源回路（テスラコンバータ）の回路図。
【符号の説明】
１    Ｅ型コア
２，２ａ    Ｉ型コア
３，３ａ    磁気漏洩足
４，４ａ    永久磁石
５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ    巻線
６，６ａ，６ｂ    エアギャップ
Ｌ１，Ｌ２    巻線
ＬＮ１    入力巻線
ＬＮ２    出力巻線
Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４    スイッチ素子
【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】
2005056947.tif 000009
【図８】
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【図９】
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