(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の磁心を貫通して導体を巻きついた構造である小型トランスと、Ｎ型半導体スイッチを２個搭載した半導体チップを集積した構造で構成される昇降圧型の超小型電力変換装置であって、
前記昇降圧型の超小型電力変換装置は、
前記小型トランスの１次側コイル及び２次側コイルを前記磁心に別々に巻いて配置し、且つ、前記１次側コイル及び前記２次側コイルにそれぞれ直列に前記Ｎ型半導体スイッチを接続して該Ｎ型半導体スイッチをグランド基準で動作するよう構成したことを特徴とする超小型電力変換装置。
【請求項２】
前記Ｎ型半導体スイッチの各ソースまたは各エミッタが、前記半導体チップ上で並んで配置されるよう構成した請求項１記載の超小型電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小型磁気素子と半導体チップを集積化して小型化する超小型電力変換装置に関し、特に昇降圧型の超小型電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＤＣ−ＤＣコンバータにその代表例をみる電力変換装置（スイッチング電源装置）において、超小型電力変換装置は、一般に小型磁気素子と半導体チップを集積化して小型化することにより構成される。図８は、超小型電力変換装置に用いられる小型インダクタの構成例を示す図である。このインダクタは、図８の（イ）〜（ハ）に示すように板状の磁心１を貫通して導体２が巻きついた構造であり、ソレノイドコイルを形成している。なお、図８の（イ）は、小型インダクタ１０の平面図であり、磁心１に対し導体２、端子３が設けられており、また図８の（ロ）は、（イ）のａ−ａ’に沿った小型インダクタの断面図であり、磁心１に対する導体２の配置および磁心１の両面にある導体２の接続が示され、また図８の（ハ）は、（イ）のｂ−ｂ’に沿った小型インダクタの断面図であり、磁心１に対する端子３の配置および磁心１の両面にある端子３の接続が示されている。
【０００３】
図９および図１０は、図８に示した小型インダクタ１０を用いた超小型電力変換装置の構成例を示す図である。図９において、小型インダクタ１０と半導体チップ２０とは、端子３が接合部（バンプ）４を介して半導体チップの表面２１に設けられたパッド５に接続される構造となっている。一方、図１０において、小型インダクタ１０と半導体チップ２０とは、端子３がワイヤ６を介して半導体チップの表面２１に設けられたパッド５に接続される構造となっている。図９と図１０とでは、半導体チップ２０の裏面２２が小型インダクタ１０に対し外向きになるか（図９）または内向きになるか（図１０）で構成が異なっている。
【０００４】
下記特許文献１には、図９に示された超小型電力変換装置と同系の超小型電力変換装置の基本構造が開示されている。また下記特許文献２には、図１０に示された超小型電力変換装置と類似の超小型電力変換装置の基本構造が開示されている。また下記特許文献３にはスルーホールを用いて構成された平面トランスが開示されている。そして超小型電力変換装置は、図９、図１０に示すような構造で小型インダクタ１０と半導体チップ２０を集積化することにより、小型化されるものである。
【０００５】
図１１、図１２および図１３は超小型電力変換装置を実現する具体回路例を示す。すなわち図１１の回路例は降圧型コンバータを実現する場合であり、図１２の回路例は昇圧型コンバータを実現する場合であり、図１３の回路例は反転型コンバータを実現する場合であり、いずれも半導体スイッチS1,S2のうち２個あるいは１個を搭載した半導体チップ２０と小型インダクタ１０とで超小型電力変換装置３０が構成される。なお図１１、図１２および図１３に示す回路例には、昇降圧コンバータの例は含まれていない。
【０００６】
上述した従来の小型インダクタ１０と半導体チップとを用いて昇降圧コンバータを実現すると、図１４のような回路構成が想定される。しかしこの回路構成では、以下の理由により超小型電力変換装置を実現することは困難である。すなわち図１４に示された回路構成では、
(１)半導体スイッチS1〜S4の４個必要となる。
(２)降圧動作場合、スイッチのオン抵抗が直列した２つのスイッチS1とS4の合算およびS2とS4の合算となり、昇圧動作の場合、スイッチのオン抵抗が直列した２つのスイッチS1とS3の合算およびS1とS4の合算となるため、効率が悪化する。
(３)効率の低下を改善するために半導体スイッチS1〜S4を大きくしなくてはならない。
(４)４個の大きいスイッチS1〜S4を駆動するために、半導体チップ２０’の消費電流が増加する。
(５)上記したことから半導体チップ２０’が大きくなってしまう。
【０００７】
ところで下記特許文献４には、フライバックコンバータを昇降圧手段に用いる例が開示されている。そしてフライバックコンバータを実現する場合の一般的な回路例を図１５に示す。図１５においてスイッチS2をダイオードで置換しても同様に実現可能である。
【特許文献１】特開２００４−７２８１５号公報（図２３，２４，２５）
【特許文献２】特開２００７−８１１４６号公報（図１）
【特許文献３】特開２０００−２４３６３０号公報（図５）
【特許文献４】特開平７−１７７７４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献４に示したフライバックコンバータに用いられているトランスは通常のトランスである。通常のトランスは他の部品に比べて大きく、当然図１４に示した昇降圧コンバータに用いられている小型インダクタ１０より大きい。つまりトランスの大きさは、電源装置の大きさを決める第１の要因となる。したがい、特許文献４および当業者の従来の常識には、図１４の昇降圧コンバータを小型化するために、すなわち昇降圧型の超小型電力変換装置を実現するのに、フライバックコンバータを用いるという思想は全くない。むしろ、フライバックコンバータを用いると、電力変換装置の大きさが大きくなるというのが設計者の常識であった。なお、従来は、上述したように半導体スイッチの数が多くなること、および、効率アップのため半導体スイッチを大きくしなければならない、という設計常識によって半導体チップが大きくなっても、半導体チップよりインダクタやトランスの方がはるかに大きいので、半導体チップそのものの大きさによる電源装置全体への影響は軽微でさほど問題にされなかった。
【０００９】
このような事情から、超小型電力変換装置において昇降圧コンバータを実現しようとする場合、半導体スイッチの数は４つのまま、半導体チップのレイアウトや半導体製造プロセスの工夫で半導体チップを小さくするという発想しかなく、これでは限界があるため今まで実現できないでいた。
【００１０】
これに対し本発明は、図１１〜１３に示す超小型電力変換装置のものより半導体スイッチの数が増加することがなく、また半導体チップの大型化や効率の低下を招くことのない、昇降圧型の超小型電力変換装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の超小型電力変換装置は、板状の磁心を貫通して導体を巻きついた構造である小型トランスと、Ｎ型半導体スイッチを２個搭載した半導体チップを集積した構造で構成される昇降圧型の超小型電力変換装置であって、前記小型トランスの１次側コイル及び２次側コイルを前記磁心に別々に巻いて配置し、且つ、前記１次側コイル及び前記２次側コイルにそれぞれ直列に前記Ｎ型半導体スイッチを接続して該Ｎ型半導体スイッチをグランド基準で動作するよう構成したものである。つまり本発明は、従来の図９、図１０の超小型電力変換装置の構造に対し、上記特許文献３に基本構造が開示されている平面トランスを用いれば、フライバックコンバータを構成しても全体の大きさを従来の図９、図１０に示す超小型電力変換装置と同様の大きさにすることができるということを発案し、昇降圧型の超小型電力変換装置を実現したものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、半導体スイッチの数を増加することによる半導体チップの大型化や効率の低下を招くことなく、昇降圧型の超小型電力変換装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
本発明は、従来の図９、図１０の超小型電力変換装置の構造に対し、上記特許文献３に基本構造が開示されている平面トランスを用いれば、フライバックコンバータを構成しても全体の大きさを従来の図９、図１０に示す超小型電力変換装置と同様の大きさにすることができるという発想のもとに昇降圧型の超小型電力変換装置を実現したものである。
【００１４】
上述したようにフライバックコンバータは、その回路例を図１５に示したように２個の半導体スイッチS1，S2とトランスにより昇降圧動作を実現し得る。このことを説明すると、一般に、フライバックコンバータの電圧変換効率Ｍ(＝出力電圧／入力電圧)は、
Ｍ＝Ｄ／（ｎ（１−Ｄ））    ・・・（１）
（但し、ＤはスイッチS1のオン時比率、ｎはトランスの１次巻線と２次巻線の巻線数比）と表される。
【００１５】
上記（１）式でスイッチS1のオン時比率Ｄ＝０→１と変化させると、フライバックコンバータの電圧変換効率Ｍ＝０→∞  と変化し、スイッチS1のオン時比率Ｄによって昇降圧動作を実現することができる。
【００１６】
そこで本発明の実施形態に係る超小型電力変換装置では、図１に示す回路構成にする。すなわち図１において本発明の実施形態に係る超小型電力変換装置３００は、上述した平面トランスにより構成される小型トランス１００と、半導体スイッチS1，S2およびこれを制御する制御回路を含む半導体チップ２００とで構成される。このように構成した超小型電力変換装置は、図１４に示した昇降圧コンバータ回路例における４個のスイッチを必要とせず、２個の半導体スイッチでフライバックコンバータを構成することにより図１４に示した回路例の諸問題を解決した昇降圧型の超小型電力変換装置を実現し得るものである。
【００１７】
ここで半導体スイッチS1，S2をグランド基準(接地電位基準)で動作させることにより、半導体スイッチS1，S2の駆動が容易となり、半導体チップ２００の構成を簡単化できる。また、Ｐ型の半導体スイッチと比較して高速スイッチングが可能なＮチャネルMOSFET(metal-oxide-semiconductor field effect transistor)に代表されるＮ型の半導体スイッチやＮＰＮトランジスタなどで２つの半導体スイッチS1，S2を構成することができるため、高速でスイッチング動作することができ、装置の小型化が容易になる。
【００１８】
なお、図１に示した半導体スイッチS2は効率の低下を気にしなければダイオードで置き換え可能であるが、本発明の実施形態では、ダイオード利用による効率ロスを問題としてトランジスタ（Ｎ型半導体スイッチ（MOSFETもしくはバイポーラトランジスタもしくはIGBT(insulated gate bipolar transistor)））を用いて回路を実現している。ダイオード利用による効率ロスを除けば、半導体スイッチS2がダイオードであろうが半導体スイッチであろうが動作は同じで、スイッチS1とスイッチS2を相補的にオンオフ（一方がオンなら他方がオフ）する制御を施せば実現できる。但し、インダクタ電流が負極性となる状況を避ける場合は、スイッチS1とスイッチS2の両方がオフとなる状態も加える制御を行う。
【００１９】
図２および図３は、図１の超小型電力変換装置３００に用いる小型トランス１００のコイルパターンを示す図である。図２は、図１の小型トランス１００の１次側コイル（t1-t1’）と図１の小型トランス１００の２次側コイル（t2-t2’）を１巻きごとに交互に巻いたコイルパターンである。ここで複数巻きごとに交互に巻いてもよい。そして図２(ａ)に示すトランス例１はコイルの端子（ａ,ｂ,ｃ,ｄ）を磁心の一辺に配置した場合である。また図２(ｂ)に示すトランス例２の端子ａとｄを図中の上辺に配置しているが、これを図中の左右の辺に配置してもよい。端子ｂとｃも同様である。
【００２０】
図３は、図１の小型トランス１００の１次側コイル（t1-t1’）と図１の小型トランス１００の２次側コイル（t2-t2’）を別々に巻いたコイルパターンである。そして図３(ａ)に示すトランス例３はコイルの端子（ａ,ｃ,ｂ,ｄ）を磁心の一辺に配置した場合である。また図３(ｂ)に示すトランス例４の端子ａとｄを図中の上辺に配置しているが、これを図中の左右の辺に配置してもよい。図３(ｃ)に示すトランス例５の端子ａとｄも同様に図中の左右の辺に配置してもよい。
【００２１】
図４および図５は、図１の超小型電力変換装置３００に用いる半導体チップ２００中のスイッチS1とスイッチS2の配置例を示す図である。図４および図５においてスイッチS1とスイッチS2の端子をアルファベットのA，C、B，D、E，F，Gで示している。なお図５は、スイッチS1とスイッチS2の低電位側の端子を共通のグランド(接地電位)に接続することを想定し、端子Gを共通にしたため、図４に示す端子数より少なくなっている。図４および図５のスイッチ配置例では左側のスイッチをS1と決めたが、図６、図７に示す内容により整合を取らなければならない場合にはスイッチS1とスイッチS2の配置を入れ替えてもよい。
【００２２】
図６は、図１中のスイッチS1の端子s1,s1’、スイッチS2の端子s2,s2’と、図４および図５中のスイッチS1の端子A，C；E，G、スイッチS2の端子B，D；F，Gとに係る３通りの端子対応（対応１〜対応３）を示す対応表である。
【００２３】
図７は、図１中の１次側コイル（t1-t1’）のトランス端子t1,t1’、２次側コイル（t2-t2’）のトランス端子t2,t2’と、図２および図３中のトランス端子a，b，c，dとの対応を示す対応表である。
【００２４】
図６および図７に示す対応にしたがい、図１中の小型トランス１００と半導体チップ２００の端子間を、上述した図９に示す接合部（バンプ）４及びパッド５を使用した構成で接続または図１０に示すワイヤ６及びパッド５を使用した構成で接続することにより、一層小型化した構成にすることができる。なお図２、図３に示すトランスの配置例は、図１０に示すワイヤ６及びパッド５を使用した構成をとることを前提に配置を決めているが、もし図９に示す接合部４及びパッド５を使用した構成にする場合には、図２、図３に示すトランスまたは図４、図５に示す半導体チップのいずれかを左右反転させた構成のものを採用することにより実現する。
【００２５】
ここで、図６および図７に示す対応表について補足すると、図７の「スイッチの端子対応２」の「トランス例３」の上側の配置は、小型トランス１００（トランス例３）の外側のａ，ｄ端子を半導体チップ２００の内側のC，D端子に接続し、小型トランス１００の内側のｃ，ｂ端子は図３（ａ）の裏面（裏面にも端子が設けられている）から接続するようにしている。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態に係る超小型電力変換装置を実現するための回路構成を示す図である。
【図２】図１の超小型電力変換装置に用いる小型トランスの第１のコイルパターンを示す図である。
【図３】図１の超小型電力変換装置に用いる小型トランスの第２のコイルパターンを示す図である。
【図４】図１の超小型電力変換装置に用いる半導体チップの中のスイッチS1とスイッチS2の第１の配置例を示す図である。
【図５】図１の超小型電力変換装置に用いる半導体チップの中のスイッチS1とスイッチS2の第２の配置例を示す図である。
【図６】図１中のスイッチS1の端子s1,s1’、スイッチS2の端子s2,s2’と、図４および図５中のスイッチS1の端子A，C；E，G、スイッチS2の端子B，D；F，Gとの対応を示す対応表である。
【図７】図１中のトランス端子t1,t1’、t2,t2’と、図２および図３中のトランス端子a，b，c，dとの対応を示す対応表である。
【図８】超小型電力変換装置に用いられる従来の小型インダクタの構成例を示す図である。
【図９】図８に示した小型インダクタを用いた超小型電力変換装置の第１の構成例を示す図である。
【図１０】図８に示した小型インダクタを用いた超小型電力変換装置の第２の構成例を示す図である。
【図１１】超小型電力変換装置を実現する従来の第１の具体回路例を示す図である。
【図１２】超小型電力変換装置を実現する従来の第２の具体回路例を示す図である。
【図１３】超小型電力変換装置を実現する従来の第３の具体回路例を示す図である。
【図１４】昇降圧型超小型電力変換装置を実現するために想定される回路例を示す図である。
【図１５】フライバックコンバータを実現する従来の回路例を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１      磁心
２      導体
３      端子
４      接合部（バンプ）
５      パッド
６      ワイヤ
１０      小型インダクタ
２０、２０’      半導体チップ
２１      半導体チップの表面
２２      半導体チップの裏面
３０      超小型電力変換装置
１００      小型トランス
２００      半導体チップ
３００      超小型電力変換装置
【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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