(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁心材料は、Ｆｅを主成分とする結晶粒径５０ｎｍ以下の微細な結晶粒がその組織の体積全体の５０％以上を占めるナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心からなり、磁化力の波高値を８００Ａ／ｍとして測定した直流磁気特性における残留磁束密度Ｂｒと飽和磁束密度Ｂｓの比である角型比Ｂｒ／Ｂｓが０．７以下で、かつ磁化力の波高値０．０５Ａ／ｍ、周波数２０ｋＨｚにおける交流比初透磁率μｒｉが１０，０００以上９０，０００以下の巻磁心を少なくとも２ヶ以上用いてノーカットの外鉄型磁心を構成し、当該外鉄型磁心の中脚にセンタータップを持たない１次巻線、または、バイファイラで巻かれた少なくとも１組以上のセンタータップを有する１次巻線と、バイファイラで巻かれた少なくとも１組以上のセンタータップを有する全波整流用２次巻線を施し、前記１次巻線が２次巻線を挟み込むサンドイッチ構造であって、１次巻線とその主たる出力である全波整流用の各２次巻線の２０ｋＨｚにおける２つの結合係数がいずれも０．９９９８以上であり、偏磁の発生を抑制し得ることを特徴とする外鉄型パワートランス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、比較的高い比初透磁率を有する軟磁性合金薄帯巻磁心を用いた偏磁のない小型で高効率のパワートランス、及び同パワートランスを用いた電力変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
パワートランスを用いた絶縁型の電力変換装置の１つとして、図７に示すフルブリッジ型ＤＣ−ＤＣコンバータが用いられている。図７において、１は入力直流電源、２、３、４および５は主スイッチ、６、７、８および９は帰還ダイオード、１０は直流電流を阻止するためのコンデンサ、２０はセンタータップを持たない１次巻線と全波整流出力用の２次巻線を設けたパワートランス、２１は前記パワートランス２０の１次巻線、２２および２３は前記パワートランス２０の全波整流出力用の２次巻線、３１および３２は出力整流ダイオード、３３は出力平滑チョークコイル、３４は出力平滑コンデンサ、３５および３６は出力端子、３７は負荷である。
【０００３】
図７のフルブリッジ型ＤＣ−ＤＣコンバータでは、主スイッチ２と３、および４と５がそれぞれ１組のスイッチになって、これら２組のスイッチが交互にスイッチングすることにより、パワートランス２０の１次巻線２１にはコンデンサ１０を介して図８のｖ21のような電圧が印加され、同パワートランス２０の全波整流出力用の２次巻線２２および２３から、出力整流ダイオード３１および３２、平滑チョークコイル３３、平滑コンデンサ３４を介し、負荷３７に電力が供給される。図８において、主スイッチ２と３がオンの期間がＴon23、主スイッチ４と５がオンの期間がＴon45であり、Ｔpが周期である。
（Ｔon23＋Ｔon45）／Ｔpがオンデューティ比Ｄonであり、入力直流電源１の電圧Ｅの変動や負荷３７の変動に対し、出力電圧Ｖoを一定に保つため、Ｔpを一定としＤonを変化させ制御するＰＷＭ制御（パルス幅変調制御）が一般に用いられている。なお、パワートランス２０の駆動周波数ｆは１／Ｔpで与えられる。
【０００４】
本コンバータにおけるパワートランス２０の動作Ｂ−Ｈループ概念図を図９に示す。図７に示すパワートランス２０の１次巻線２１の黒丸側から電流が流入したときにパワートランス２０に生じる磁界の向きを図９のＨ軸の正極側にとることにする。したがって、主スイッチ２と３がオンの期間Ｔon23には、同パワートランス２０の磁束密度は図９のａ点からｂ点まで２Ｂmだけ変化し、主スイッチ４と５がオンの期間Ｔon45には、パワートランス２０の磁束密度は図９のｂ点からａ点まで−２Ｂmだけ変化する。すなわち、本コンバータにおけるパワートランス２０は、Ｂ−Ｈループの原点に対し対称のマイナーループを描く動作をする。
【０００５】
本コンバータにおけるパワートランス２０では、小型化と低損失化が重要な課題である。パワートランス２０の小型化の一般的な手法として、駆動周波数を高めることが行われている。しかし、パワートランス２０に用いる磁心や主スイッチ２、３、４および５、帰還ダイオード６、７、８、および９、あるいは出力整流ダイオード３１および３２などの素子の高周波特性を考慮しない極端な高周波化は、これらの素子の損失を増加させるばかりでなく、パワートランス２０の損失増加も招き、コンバータの効率低下や過大な温度上昇による信頼性低下を引き起こす。
【０００６】
本コンバータにおけるパワートランス２０には、一般に、主スイッチ２、３、４および５の高周波特性を考慮して選定される駆動周波数において、最も小型化可能で低損失の磁心を選定する必要がある。
【０００７】
例えば、出力電力が数ｋＷ程度までの比較的小さい場合には、通常、主スイッチ２、３、４および５にパワーＭＯＳ−ＦＥＴが選択され、駆動周波数は５０ｋＨｚ程度以上に選定される。この場合、パワートランス２０の磁心には、従来、主に、室温の飽和磁束密度Ｂｓが０.５Ｔ程度と小さいが、数百ｋＨｚ以上での磁心損失の小さなＭｎ−Ｚｎフェライト磁心が用いられていた。
【０００８】
一方、出力電力が数ｋＷを超える領域では、一般に、主スイッチ２、３、４および５にＩＧＢＴが選択され、駆動周波数は数ｋＨｚから２０ｋＨｚ程度に選定される。
この場合、萩原、斎藤、加茂、豊田、山内、吉沢：「超微結晶合金を鉄心に用いたインバータ用変圧器」、電気学会研究会資料、ＭＡＧ−９０−１９４、１９９０年１２月６日（以下、文献１と呼ぶ）に記載されているように、パワートランス２０の磁心には、室温での飽和磁束密度がＭｎ−Ｚｎフェライト磁心の２倍を超える１Ｔ以上で、２０ｋＨｚでの磁心損失も小さな、特開昭６３−３０２５０４号に記載されるようなＦｅを主成分とし、結晶粒径５０ｎｍ以下の微細な結晶粒がその組織の体積全体の５０％以上を占めるＦｅ基ナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心が優れることが知られている。
【０００９】
前記Ｆｅ基ナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心においては、前記文献１、あるいは福永、古賀、江口、太田、掛橋：「鉄系磁性薄帯を用いたギャップ付カットコアの磁気特性、電気学会研究会資料、ＭＡＧ−８９−２０３、１９８９年１２月１日（以下、文献２と呼ぶ）に記載されているように、同巻磁心を樹脂含浸処理や表面固着処理することによって同巻磁心を構成するナノ結晶軟磁性合金薄帯の層間に樹脂あるいはワニスなどが浸透し、同ナノ結晶軟磁性合金薄帯に応力が加わることによって、その磁心損失が著しく増加することが知られている。
【００１０】
ところで、パワートランス２０用の磁心では、巻線作業を容易にするためカットした磁心が広く用いられている。ナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心をカットするためには、同巻磁心をエポキシ系接着剤などの含浸材で含浸処理し、同巻磁心を構成するナノ結晶軟磁性合金薄帯の各層間を前記含浸材で固着させた後、回転砥石などによりカットする必要がある。また、磁心損失を小さくする観点から、カット後、端面を鏡面研磨することも行われている。しかし、このような手法を用いたナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心をカットした磁心は、上記のように製造工程が複雑となるほか、前記文献１および文献２に記載されているように、その磁心損失が著しく増加してしまう問題もある。
【００１１】
このためナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心を用いカットした磁心の磁心損失を低減するため、吉沢、森、荒川、山内：「Ｆｅ−Ｃｕ−Ｎｂ−Ｓｉ−Ｂ系ナノ結晶合金の高周波磁気特性」、電気学会研究会資料、ＭＡＧ−９４−２０２、１９９４年１１月２２日（以下、文献３と呼ぶ）に記載されるように、その飽和磁歪定数λsが１０−６以下と小さなナノ結晶軟磁性合金薄帯を使用し、同薄帯表面をセラミックスで被覆した層間絶縁処理を行うことが有効である。しかし、前記セラミックで被覆した層間絶縁処理をした磁心の場合、このセラミックの絶縁層の硬度が高いため、カットの工数が著しく増加する問題がある上、含浸やカットをしない通常のナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心の磁心損失の約１.４倍にも達してしまう。
【００１２】
このため、ナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心の特徴である低磁心損失を有効に活用するためには、同巻磁心を構成するナノ結晶軟磁性合金薄帯に極力応力を加えないように構成する必要がある。そのような構成のナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心としては、ノーカットの同巻磁心をシリコングリスやゲル状のシリコンゴムなどを緩衝材としてプラスチックやセラミック等の絶縁ケース中に収納し、外部からの応力が直接巻磁心に加わり難いようにしたものが広く用いられている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
図７のフルブリッジ型ＤＣ−ＤＣコンバータのように、パワートランス２０の磁束密度が図９に示すようにＢ−Ｈループの原点に対し対称なＢ−Ｈマイナーループを描く動作をする電力変換装置のパワートランス２０において、その動作時のＢ−Ｈマイナーループが図１０のようにＢ−Ｈループの原点に対し非対称な動作をする偏磁により、前記パワートランス２０が磁気飽和し励磁電流が著しく増加するのを抑制し、主スイッチ２、３、４および５の安全動作を確保することが極めて重要である。
【００１４】
パワートランス２０の偏磁は、よく知られているように、主に、主スイッチ２、３、４および５の電気的な特性のバラツキに起因するものであり、励磁電流は回路インピーダンスによってある値で平衡する。しかし、パワートランス２０の偏磁が大きい場合、動作時のＢ−Ｈマイナーループは図１０に示すように一方の飽和領域に達し、励磁電流は著しく増加するため、主スイッチ２、３、４および５の主電極間に過大な電流が流れ、同主スイッチ２、３、４および５は破壊に至る場合があった。特に、入力直流電源１の電圧の急変や負荷３７の急変時には、過渡的にパワートランス２０の動作時の磁束密度の変化量ΔＢが大きくなるため、偏磁による励磁電流の増加量も大きくなり、主スイッチ２、３、４および５が破壊に至る危険性が高かった。
【００１５】
なお、主スイッチ２、３、４および５の主電極間に流れる過電流を抑制する応答速度の速い過電流保護回路が設けられている場合には、著しい偏磁により前記主スイッチ２、３、４および５に過大な電流が流れるのを抑制でき、これらの主スイッチが破壊するのを防止できる。しかし、同過電流保護回路が動作したときには、出力側に十分な電力を供給できなくなるため出力電圧の定電圧精度が確保できなくなるなどの問題があった。
【００１６】
上記パワートランス２０の偏磁を防止するための最も一般的な手法として、同パワートランス２０に、透磁率の小さな磁心を採用するとともに、同磁心の動作磁束密度波高値Ｂｍを同磁心の飽和磁束密度Ｂｓに対して十分小さな値となるように選定することが行われている。上記、透磁率の小さな磁心を得る手法としては、カット磁心にギャップを設けて、その実効的な比透磁率を下げるのが最も簡便な方法である。この手法によれば、ギャップ幅を調整することにより、磁心の実効的な比透磁率を任意に選定できると言う利点もあった。
【００１７】
しかし、ナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心の場合に上記のようにギャップを設けることによって実効的な比透磁率を低下させる手法は、前記文献１から文献３にも記載されているように、カット磁心にすることとギャップを設けることによって、磁心損失が大幅に増加するため、前記パワートランス２０に用いるときの最大の利点である低磁心損失という特徴が損なわれる上、ギャップ部で生じる漏れ磁束の影響により銅損が増加する問題があった。
【００１８】
ナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心において、ギャップを設けることなしに比透磁率を低下させる手法としては、同巻磁心の薄帯幅方向（巻磁心の高さ方向）に磁界を加えながら熱処理する手法、および巻磁心を構成するナノ結晶軟磁性合金薄帯に応力を加える手法がある。しかし、これらの手法により比透磁率と磁心損失に代表される磁気特性のバラツキを押さえつつ効率よく磁心を生産するには多くの問題があった。
【００１９】
すなわち、前者の方法の場合、ナノ結晶軟磁性合金薄帯を形成し得る非晶質軟磁性合金を用いて構成した巻磁心から軟磁気特性に優れたナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心を得るのに必要な最適熱処理温度である５百数十℃程度においてそのバラツキをプラスマイナス３十℃程度に押さえなくてはならないこと、同巻磁心の熱処理時には酸化を避けるため窒素などの不活性なガス雰囲気中で行わなくてはならないこと、さらに同巻磁心の薄帯幅方向に１００ｋＡ／ｍ程度以上の磁化をを加えなくてはならないなどの制約から熱処理装置の構成と工程が複雑になる問題があった。
【００２０】
一方、後者の応力を加える手法は、前記、文献１および２に記載されるように、磁心損失の大幅な上昇を招く問題があった。
【００２１】
このため、図７のフルブリッジ型ＤＣ−ＤＣコンバータのように、パワートランス２０の磁束密度が図９に示すようなＢ−Ｈループの原点に対し対称なＢ−Ｈマイナーループを描く動作をする電力変換装置のパワートランス２０に、ナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心を使用し、低磁心損失という特徴を発揮させるためには、極度な偏磁によりパワートランスが飽和し、主スイッチが破壊することのないように同パワートランス２０の偏磁量を検出するとともに、これを矯正するために主スイッチ２、３、４および５で形成される２組のスイッチの各々のオン期間を独立に制御することの可能な偏磁抑制回路を追加するなどの対策を行う必要があった。
【００２２】
なお、以上の説明ではフルブリッジ型ＤＣ−ＤＣコンバータを例にナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心を用いたパワートランス２０、およびこれを用いた電力変換装置の問題点について説明したが、ナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心にセンタータップを持たない１次巻線と少なくとも1組以上の全波整流出力用の２次巻線を設けた構成のハーフブリッジ型コンバータ、また少なくとも１組以上のセンタータップを有する１次巻線と少なくとも1組以上の全波整流出力用の２次巻線を設けた構成のプッシュプル型コンバータなどの他の電力変換装置のパワートランス２０、およびこれを用いた電力変換装置に対しても、全く同様の問題があった。また磁心にＣｏ基アモルファス薄帯を用いた場合にも同様の問題があった。
【００２３】
本発明の目的は、前記従来技術では、実現困難であった、実用上障害となるレベルの偏磁の発生を防止し得るとともに低磁心損失で小型なノーカットの薄帯巻磁心を用いた外鉄型パワートランス２０、およびこれを用いた高効率で信頼性の高い電力変換装置を提供することにある。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、磁心材料は、Ｆｅを主成分とする結晶粒径５０ｎｍ以下の微細な結晶粒がその組織の体積全体の５０％以上を占めるナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心からなり、磁化力の波高値を８００Ａ／ｍとして測定した直流磁気特性における残留磁束密度Ｂｒと飽和磁束密度Ｂｓの比である角型比Ｂｒ／Ｂｓが０．７以下で、かつ磁化力の波高値０．０５Ａ／ｍ、周波数２０ｋＨｚにおける交流比初透磁率μｒｉが１０，０００以上９０，０００以下の巻磁心を少なくとも２ヶ以上用いてノーカットの外鉄型磁心を構成し、当該外鉄型磁心の中脚にセンタータップを持たない１次巻線、または、バイファイラで巻かれた少なくとも１組以上のセンタータップを有する１次巻線と、バイファイラで巻かれた少なくとも１組以上のセンタータップを有する全波整流用２次巻線を施し、前記１次巻線が２次巻線を挟み込むサンドイッチ構造であって、１次巻線とその主たる出力である全波整流用の各２次巻線の２０ｋＨｚにおける２つの結合係数がいずれも０．９９９８以上であり、偏磁の発生を抑制し得ることを特徴とする外鉄型パワートランスである。
【００２５】
このような構成とすることによって、高透磁率および低磁心損失のノーカットの薄帯巻磁心を用いたパワートランス２０をプッシュプル型コンバータやフルブリッジ型コンバータ、ハーフブリッジ型コンバータなどの電力変換装置に用いる際に問題となっていた偏磁による磁気飽和を複雑な偏磁抑制回路を加えることなしに防止でき好ましい。
【００２６】
前記パワートランス２０において、その主たる出力である全波整流出力用の２次巻線は、前記薄帯巻磁心にバイファイラ巻されており、かつ同２次巻線は前記薄帯巻磁心に巻かれた１次巻線によってサンドイッチ巻されているため、前記１次巻線とその主たる出力である全波整流出力用の２次巻線間の漏れインダクタンスを小さくでき結合係数を高めることができるため、偏磁による励磁電流の増加を一層減少させることができるとともに、漏れ磁束の影響による銅損の増加を押さえることができる。また、動作磁束密度をさらに大きく設定できるため、同パワートランス２０の小型化と高効率化が図れ好ましい。
【００２８】
前記、パワートランスにおいて、当該磁心がＦｅを主成分とする結晶粒径５０ｎｍ以下の微細な結晶粒がその組織の体積全体の５０％以上を占めるナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心により構成されている場合には、その駆動周波数を５ｋＨｚ以上１５０ｋＨｚ以下の範囲に選定した場合において、従来のパワートランスに比べて、より小型化と高効率化が図れ好ましい。
【００２９】
上記本発明による外鉄型パワートランス２０を用いた電力変換装置は、従来の電力変換装置に比べて、小型化と高効率化が図れるとともに、簡単な回路構成でパワートランスの偏磁による励磁電流の増加を抑制できるため主スイッチの安全動作が図れ、信頼性が向上して好ましい。
【００３０】
【実施例】
以下本発明の実施例について詳細に説明する。
（実施例１）
回路構成が図７、仕様が表１で与えられるスイッチング周波数ｆが２０ｋＨｚのフルブリッジ型ＤＣ−ＤＣコンバータのパワートランス２０、および同フルブリッジ型ＤＣ−ＤＣコンバータの性能について検討した。
【００３１】
図７において、１は入力直流電源、２、３、４および５は主スイッチ、６、７、８および９は帰還ダイオード、１０は直流電流を阻止するためのコンデンサ、２０はセンタータップを持たない１次巻線と全波整流出力用の２次巻線を設けたパワートランス、２１は前記パワートランス２０の１次巻線、２２および２３は前記パワートランス２０の全波整流出力用の２次巻線、３１および３２は出力整流ダイオード、３３は出力平滑チョークコイル、３４は出力平滑コンデンサ、３５および３６は出力端子、３７は負荷である。
【００３２】
【表１】
0005004260.tif 000002
【００３３】
なお、本実施例では、パワートランス２０の偏磁の一因である主スイッチ２、３、４、および５のオン期間のバラツキを抑制するため、これら４つの主スイッチにはパワーＭＯＳ−ＦＥＴを用い、ターンオフタイムのバラツキを抑えるためターンオフ時のゲート電流波高値を大きくしてターンオフ時間を極力短くしている。
【００３４】
また、図７の回路において、帰還ダイオード６、７、８および９はパワートランス２０の励磁エネルギーを入力直流電源１に回生することによりコンバータの高効率化を図るとともに同パワートランス２０の偏磁を抑制する機能を有する。
さらに、直流電流を阻止するコンデンサ１０も、直流電流成分が前記パワートランス２０の１次巻線２１に流入することを防止できるため、同パワートランス２０の偏磁を抑制する機能を有する。
【００３５】
パワートランス２０には表２に示す磁心を用いた。表２において、磁心イから磁心トは、いずれも単ロール法で製造されたＦｅを主成分とする非晶質軟磁性合金薄帯を用いて所定の寸法の巻磁心を構成した後、無磁場の窒素雰囲気中で熱処理することにより得られた、結晶粒径５０ｎｍ以下の微細な結晶粒がその組織の体積全体の５０％以上を占めるノーカットのナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心である。非晶質軟磁性合金薄帯の幅は２０ｍｍ、厚みは１８〜２０μｍのものを用いた。
【００３６】
表２の磁心イから磁心トは、いずれもその寸法が図１に示される磁心２ヶを用いて構成されている。ただし各磁心は、幅３２ｍｍ、高さ５１ｍｍ、奥行き１４ｍｍのプラスチック製絶縁ケースに挿入し、応力がかからないように磁心とケースを接着剤により固定し、同プラスチック製絶縁ケースでふたをすることにより構成されたものを用いた。図２に使用した外鉄型磁心のケース詰め後の形状と寸法を示す。磁心の有効断面積は７５ｍｍ２、平均磁路長は１３０ｍｍですべて同一である。
【００３７】
【表２】
0005004260.tif 000003
【００３８】
パワートランス２０の巻線仕様を表３に示す。表３において、本発明Ａから本発明Ｄ、および比較例ｏから比較例ｑのパワートランス２０の構成を図３に示す。図３は、本発明Ａから本発明Ｄ、および比較例ｏから比較例ｑのパワートランス２０の断面図である。
同図において、５０はケースを含む磁心、白抜きの円５１および縦縞の円５２は図７の１次巻線２１、網掛けの円５３および横縞の円５４は各々図７の２次巻線２２と２３に相当する。
【００３９】
２次巻線５３および５４は各々０.２３φのポリウレタン絶縁被覆電線１４本で構成したリッツ線を磁心５０にバイファイラ巻した。
一方、１次巻線は、１.０φの３層絶縁被覆電線を２本パラで３２ターンをケースを含む磁心５０に巻いた巻線５１と１.０φの３層絶縁被覆電線を２本パラで３２ターンを磁心５０に巻いた巻線５２で、前記２次巻線５３および５４を挟み込むと同時に、前記巻線５１と巻線５２をパラ接続することで４本パラで３２ターンの１次巻線２１を構成し、所謂サンドイッチ巻構成としている。
【００４０】
表３において、参考例Ｅから参考例Ｈ、および比較例ｒから比較例ｔのパワートランス２０の構成を図４に示す。図４は、本発明Ｅから本発明Ｈ、および比較例ｒから比較例ｔのパワートランス２０の断面図である。同図において、５０はケースを含む磁心、白抜きの円６１は図７の１次巻線２１、網掛けの円６２および横縞の円６３は各々図７の２次巻線２２と２３に相当する。
【００４１】
１次巻線６１は、１.０φの３層絶縁被覆電線を４本パラで磁心５０に３２ターン巻いた。一方、２次巻線６２および６３は、０.２３φのポリウレタン絶縁被覆電線を１４０本用い構成したリッツ線を、各々磁心５０にバイファイラ巻した。
【００４２】
表３において、比較例ａから比較例ｇのパワートランス２０の構成を図５に示す。図５は、比較例ａから比較例ｇのパワートランス２０の断面図である。
同図において、５０はケースを含む磁心、白抜きの円５１と縦縞の円５２は図７の１次巻線２１、網掛けの円５３および横縞の円５４は各々図７の２次巻線２２と２３に相当する。
【００４３】
【表３】
0005004260.tif 000004
【００４４】
２次巻線６２および６３は、０.２３φのポリウレタン絶縁被覆電線を１４０本用い構成したリッツ線を、各々磁心５０に整列巻した。
一方、１次巻線は、１.０φの３層絶縁被覆電線を２本パラで３２ターンをケースを含む磁心５０に巻いた巻線５１と１.０φの３層絶縁被覆電線を２本パラで３２ターンを磁心５０に巻いた巻線５２で、前記２次巻線５３および５４をサンドイッチ状に挟み込むと同時に、前記巻線５１と巻線５２をパラ接続することにより４本パラで３２ターンの１次巻線２１を構成している。
【００４５】
表３において、比較例ｈから比較例ｎのパワートランス２０の構成を図６に示す。図６は、比較例ｈから比較例ｎのパワートランス２０の断面図である。
同図において、５０はケースを含む磁心、白抜きの円６１は図７の１次巻線２１、網掛けの円６２および横縞の円６３は各々図７の２次巻線２２と２３に相当する。
【００４６】
１次巻線６１は、１.０φの３層絶縁被覆電線を４本パラで磁心５０に３２ターン巻いた。一方、２次巻線６２および６３は、各々０.２３φのポリウレタン絶縁被覆電線を１４０本用いて構成したリッツ線を磁心５０に整列巻した。
【００４７】
表４に、表３に示す２８種類のパワートランス２０の周波数２０ｋＨｚにおける１次巻線と２次巻線間の各結合係数ｋ1、ｋ2、前記回路構成が図７、仕様が表１のフルブリッジ型ＤＣ−ＤＣコンバータに実装したときの同パワートランス２０の偏磁の有無、動作時の磁束密度の変化量ΔＢおよび温度上昇ΔＴを示す。
なお、前記結合係数ｋ1とｋ2は、１次巻線２１のインダクタンスをＬp、および各２次巻線２２と２３の各々1つのみを短絡して前記１次巻線側から測定した周波数２０ｋＨｚにおけるリーケージ・インダクタンスＬl1とＬl2から、それぞれ次式によって求めることができる。
ｋ1＝（１−（Ｌl1／Ｌp））0.5              (1)
ｋ2＝（１−（Ｌl2／Ｌp））0.5              (2)
【００４８】
偏磁については、表１の仕様の範囲において、負荷を２から２５Ａに急変させても偏磁によるパワートランスの飽和が生じない場合を○、負荷を２から２５Ａに急変させたときもしくは入力電圧定常動作のいずれかにおいて偏磁によりパワートランスが飽和した場合を×とした。
また、動作時の磁束密度の変化量ΔＢおよび温度上昇ΔＴは、周囲温度２５℃において入力電圧２００Ｖ、出力電圧４８Ｖ、負荷電流２５Ａの入出力条件のもとで連続通電してパワートランスの温度が飽和した時点で測定した結果である。
【００４９】
表４からわかるように、２０ｋＨｚ、磁化力の波高値０.０５Ａ／ｍのときの透磁率が１０,０００を超え９０，０００以下となる同形状のノーカットのナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心を２ヶ用い、結合係数ｋ1およびｋ2がいづれも０.９９９７以上である本発明Ａから本発明Ｈのパワートランスによれば、偏磁を実用上問題のないレベルに押さえることができるとともに、その温度上昇ΔＴも実用上支障のない許容値である６０℃以下に押さえることができた。
なお、ここで温度上昇ΔＴの許容値は、表１の動作時の周囲温度の上限である４０℃に動作時のＤＣ−ＤＣコンバータケース内部の温度上昇想定上限値２０℃を足した６０℃をＥ種絶縁の許容温度である１２０℃から差し引いて６０℃以下とした。
【００５０】
結合係数ｋ1またはｋ2が０.９９９７未満の比較例ａから比較例ｏおよび比較例ｒでは、入力電圧定常動作でも偏磁によりパワートランスが飽和した。また、比較例ｑおよび比較例ｔでは、本発明Ｃおよび本発明Ｇと同程度の透磁率、結合係数であるにもかかわらず、角形比Ｂｒ／Ｂｓが０.７３と大きいため、入力電圧定常動作でも偏磁によりパワートランスが飽和した。この結果より角形比Ｂｒ／Ｂｓは０．７以下であることが好ましいことが分かった。
【００５１】
【表４】
0005004260.tif 000005
【００５２】
比較例ｐおよび比較例ｓは、結合係数ｋ1とｋ2とも０.９９９８以上あり、温度上昇ΔＴも許容値以下であるが、２０ｋＨｚ、磁化力の波高値が０.０５Ａ／ｍで測定したときの透磁率が９０,０００を超えるために、負荷急変時に偏磁の影響によってパワートランスが飽和した。
【００５３】
以上のように、２０ｋＨｚ、磁化力の波高値０．０５Ａ／ｍのときの透磁率が１０，０００を超え９０，０００以下のノーカットのナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心を用い、結合係数ｋ１およびｋ２がいずれも０．９９９７以上である本発明Ａから参考例Ｈのパワートランスによれば、偏磁を実用上問題のないレベルに押さえることができるとともに、その温度上昇ΔＴも実用上支障のない許容値である６０℃以下に押さえることができる。また、この時の動作磁束密度波高値ΔＢ／２は、パワートランス動作時の温度における飽和磁束密度Ｂｓの８０％に相当し、ナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心のもつ高飽和磁束密度を有効に活用することができるため、信頼性が高く、高効率なパワートランスが得られるとともに、高効率、高信頼性の電力変換装置を実現できることがわかる。
【００５４】
次に、本発明Ａから参考例Ｈおよび比較例ａからｔを用いて、回路構成が図７の仕様を出力電圧を５３Ｖ、負荷電流を２〜２３Ａに変更することにより動作磁束密度ΔＢを２．０６Ｔとしたときのフルブリッジ型ＤＣ−ＤＣコンバータのパワートランス２０、および同フルブリッジ型ＤＣ−ＤＣコンバータの性能について検討したところ、１次巻線が２次巻線を挟み込むサンドイッチ構造とすることにより、結合係数がいずれも０．９９９８以上となる前記本発明Ａから本発明Ｄでは偏磁は確認されず、温度上昇ΔＴも６０℃以下となった。しかし結合係数がいずれも０．９９９８以下または片方の結合係数が０．９９９８以下となるパワートランスでは偏磁が確認された。
【００５５】
以上のように、２０ｋＨｚ、磁化力の波高値０.０５Ａ／ｍのときの透磁率が１０,０００を超え９０，０００以下、かつ角形比Ｂｒ／Ｂｓが０．７以下のノーカットのナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心を用い、結合係数ｋ1およびｋ2がいずれも０.９９９８以上である本発明Ａから本発明Ｄのパワートランスによれば、さらに動作磁束密度を大きく設定できるためパワートランスをより小型化できることが分かった。
【００５６】
前記、巻線構造および透磁率の違いによる結合係数と角形比Ｂｒ／Ｂｓの値から、磁心にＣｏ基アモルファスを用い、同方法による偏磁の有無を確認したところ、前記ナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心を用いたときと同様の結果が得られた。
【００５７】
なお、前記実施例で用いた磁心は、図２より磁心のケース詰め後の中足の幅Ｗが１８ｍｍ、奥行きがＤ１４ｍｍであり、その比Ｄ／Ｗは０.８８であった。この値が大きくなるように磁心および磁心を収納するケースを選定することにより、図３および図４に示す巻線構造のパワートランスにおいては結合係数が高くなることが分かった。しかしあまりＤ／Ｗの値を大きくしすぎると、パワートランスを自然空冷で使用する際には、熱がパワートランス内側こもるため好ましくないが、強制空冷用の冷却ファンにより、パワートランス内側の熱を吹き出す方法を用いることにより問題は解決する。
【００５８】
さらに、回路構成が図７、仕様が表１で与えられるＤＣ−ＤＣコンバータについて、その駆動周波数を変えたときに、本発明によるノーカットのナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心を用いたパワートランス、Ｍｎ−Ｚｎフェライト磁心を用いたパワートランス、およびＦｅ基アモルファス軟磁性合金薄帯巻磁心を用いたパワートランスについて、温度上昇ΔＴが６０℃以下で、偏磁による異常動作を生じない条件を満足する製品サイズを比較検討した。その結果、Ｆｅ基アモルファス軟磁性合金薄帯巻磁心を用いたパワートランスは駆動周波数が５ｋＨｚ未満で最も小型化でき、Ｍｎ−Ｚｎフェライト磁心を用いたパワートランスは駆動周波数１５０ｋＨｚを超える場合に最も小型化できた。これらに対し、本発明によるノーカットのナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心を用いたパワートランスは駆動周波数が５ｋＨｚ以上１５０ｋＨｚ以下の範囲で最も小型化できることもわかった。
【００５９】
なお、前記実施例においては、磁心形状を長方形として、また寸法を図１および図２にて例示したが、本考案はこれに限らずレーストラック形、円形等どのような形状および寸法のものを用いても良い。また、前記実施例では、巻き磁心と磁心ケースからなる磁心を２ヶ用いて例示したが、磁心ケースが２ヶ以上の磁心を挿入できる構造のものを用いても良いことは勿論である。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、特に複雑な偏磁抑制回路を設けることなしに実用上障害となる偏磁の発生を抑制し得るとともにノーカットのナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心を用いた場合には、磁心のもつ高飽和磁束密度、高透磁率を有効に活用でき、小型で温度上昇が小さく高効率のパワートランス２０、およびこれを用いた高効率で信頼性の高い電力変換装置が得られる。さらに、磁心を外鉄型とすることにより、磁心そのものを直接冷却することができるため、冷却効率も改善されることになる。
なお、前記実施例では、パワートランスを用いた代表的な電力変換装置としてフルブリッジ型ＤＣ−ＤＣコンバータへの応用例について詳細に説明したが、本発明はハーフブリッジ型コンバータを始めとするセンタータップを持たない１次巻線と、少なくとも1組以上のセンタータップ付き２次巻線を設けたパワートランス２０全般、またプッシュプル型コンバータを始めとする少なくとも1組以上のセンタータップ付き１次巻線と、少なくとも1組以上のセンタータップ付き２次巻線を設けたパワートランス２０全般、および同パワートランス２０を用いた電力変換装置全般に適用され、同様に有効な効果を発揮し、その効果は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例で使用した磁心の形状と寸法を示した図。
【図２】本発明の実施例で使用した外鉄型磁心のケース詰め後の寸法を示した図。
【図３】本発明による、パワートランス２０の１実施例の巻線構造断面の概念図。
【図４】参考例による、パワートランス２０の１実施例の巻線構造断面の概念図。
【図５】比較例であるパワートランスの巻線構造断面の概念図。
【図６】比較例であるパワートランスの巻線構造断面の概念図。
【図７】フルブリッジ型ＤＣ−ＤＣコンバータの回路構成ブロック図。
【図８】図７のフルブリッジ型ＤＣ−ＤＣコンバータにおけるパワートランス２０の１次巻線２１の端子電圧概念図。
【図９】偏磁がない場合の図７のフルブリッジ型ＤＣ−ＤＣコンバータのパワートランス２０の動作Ｂ−Ｈループ概念図。
【図１０】偏磁により磁心が飽和したときの図７のフルブリッジ型ＤＣ−ＤＣコンバータのパワートランス２０の動作Ｂ−Ｈループ概念図。
【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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