JP2000208342A - スイッチングされる電力コンバ―タ用の平面インダクタの磁気統合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ゼロリプル電流を供給するために、負荷に接
続されたフィルタ手段を含むスイッチングされる電力コ
ンバータ用の平面インダクタ（２０）の磁気統合体を提
供する。 【解決手段】 平面インダクタ（２０）はＥ型の標準化
された磁心セクションを有する磁心を含み、このセクシ
ョンの外側脚部には漏れインダクタンス（２１−２）を
得るために磁気的に結合された第１のコイル（２１）お
よび第２のコイル（２２）がそれぞれ巻かれている。し
たがって、コイル（２１）および（２２）の両方によっ
てそれぞれ維持された共通の磁束が、磁心の外側脚部に
よって形成された強磁性回路中に導かれ、そして漏れイ
ンダクタンス（２１−２）に関連した磁束が、１つの外
側脚部および中央脚部中に導かれる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スイッチングされ
る電力供給コンバータで入力および／または出力フィル
タ手段が使用される、エネルギー変換プロセスで使用さ
れる磁気的に統合された平面インダクタに関する。本発
明は、限定はしないが、特に、低電力および低電圧用途
用のスイッチングされる電力コンバータで使用でき、ま
た高いレベルの統合を容易にする。

【０００２】

【従来の技術】２つ以上の結合された巻線を含み、スイ
ッチングが行われるエネルギー変換プロセスで使用され
る複合インダクタは、参照により本特許出願に組み込ま
れる米国特許第ＵＳ−Ａ−５４８１２３８号から知られ
ている。

【０００３】上述の米国特許によって実施された複合イ
ンダクタを含む出力フィルタは、降圧形コンバータや昇
圧形コンバータなど、いくつかのコンバータで使用され
る。

【０００４】その特許で提案された複合インダクタは、
第１の磁心に第１の巻線を有する第１のインダクタと、
第１のインダクタの巻線コイルの外側に第２の磁心を有
する第２のインダクタと、第１の巻線および第２の磁心
のまわりの第２の巻線とを含む。第１の巻線の一方の端
部および第２の巻線の対応する端部は、電気的に接続さ
れる。

【０００５】上述の米国特許に記載されているインダク
タの主要な欠点は、スイッチングされる電力コンバータ
の出力フィルタの適切な電気特性を得るために異なるサ
イズおよび磁気材料の特別な磁心が使用されるために、
製造が複雑になるので、コストが高くなることである。
したがって、製造プロセスは十分に自動化されない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】したがって、十分に自
動化され、標準化された素子が使用される、製造プロセ
スを有するインダクション手段を含むフィルタ手段を開
発する必要がある。

【０００７】その結果、フィルタ手段の全体的なコスト
は削減され、それによって、フィルタ手段が装備される
スイッチングされる電力コンバータの全体的なコストは
削減される。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述の問題を克服するた
めに、電力コンバータ中を流れる電流を平滑化するフィ
ルタ手段を有するいくつかのタイプのスイッチングされ
る電力コンバータで使用される、平面インダクタの磁気
統合体を提案する。そして平面インダクタが本発明の目
的である。

【０００９】本発明の平面インダクタの構成は、負荷に
供給された電流がゼロリプル条件を満足し、さらに、製
造プロセスが、標準化された要子、たとえばＥ型セクシ
ョンを有し、前記プロセス中に特別な機械加工を必要と
しない平面磁心を使用するために、前記インダクタの構
成プロセスを変える。

【００１０】その結果、平面インダクタの電気特性の再
現性が、製造プロセス中に保証され、したがってこの特
性は、前記プロセス中に生じうるわずかな差の影響を受
けない。したがって、出力フィルタの平面インダクタの
コストは、かなり削減され、またコンバータの全体的な
コストも削減される。

【００１１】スイッチングされる電力コンバータは、電
圧源から受け取った電圧を、出力電圧に変換するプロセ
スの高い全体的効率を達成し、さらに、負荷の変化に迅
速に応答し、したがってプロファイルが低く、サイズが
小さい、低電力および低電圧を必要とする用途において
特に使用できる。

【００１２】平面インダクタは、Ｅ型の標準化された磁
心セクションを有する磁心を含み、その外側脚部には、
大きい漏れインダクタンスを生じるように互いに磁気的
に結合された第１のコイルおよび第２のコイルがそれぞ
れ巻かれており、したがって第１のコイルの一方の端部
および第２のコイルの対応する端部は、第２のノードに
おいて電気的に接続される。その結果、両方のコイルに
よってそれぞれ維持された共通の磁束は、磁心の外側脚
部によって形成された強磁性体回路中に導かれ、また漏
れインダクタンスに関連する磁束は、１つの外側脚部お
よび中央脚部によって導かれることになる。

【００１３】本発明のより詳細な説明は、添付の図面に
基づいて以下の説明でなされる。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は、負荷に直接接続されたフ
ィルタ手段１４を組み込んだ、単一出力降圧形コンバー
タを示す。前記手段は、リプルをゼロにして（ゼロリプ
ル条件）、出力電流を平滑化するように構成されてい
る。

【００１５】降圧形コンバータは、単に本発明をよりよ
く説明するために例として使用されるものであり、すべ
て出力または入力フィルタを有しており、同じ結果を達
成する他のタイプのスイッチングされるコンバータを使
用することが可能である。

【００１６】降圧形コンバータは、入力端子１１および
１２を介して電圧源に接続される。入力端子の１つ１２
は前記コンバータの共通の電圧基準を表す。

【００１７】入力端子の１つ１１は、第１のスイッチン
グ手段１３、たとえば電界効果トランジスタ、ＭＯＳＦ
ＥＴ型の第１の端子１３−１に接続される。第２の端子
１３−２は、フィルタ手段１４の入力端子１４−１に接
続される。第１のスイッチング手段は、出力端子１４−
３および１４−４の両端間に調整された出力電圧を生じ
るように、第１のスイッチング手段１３のオンおよびオ
フ期間を調整するために信号が受け取られる第３の端子
（図示せず）を含む。

【００１８】第２の端子１３−２を入力端子１４−１に
接続する導線上に位置している第１のノード１６は、第
２のスイッチング手段１５の第１の端子１５−１に接続
され、第２のスイッチング手段１５の第２の端子１５−
２は、コンバータの共通の電圧基準に接続され、整流器
分岐を形成する。たとえば、第２のスイッチング手段１
５は、ダイオードなど単方向導通装置である。

【００１９】フィルタ手段１４の端子１４−２も、共通
の電圧基準に接続される。フィルタ手段１４は、第１の
スイッチング手段１３のオン期間中に電圧源からエネル
ギーを受け取り、出力端子１４−３および１４−４の両
端間に平滑化された出力電圧と、ゼロに近いリプルの出
力電流を生じる。この電圧と電流は負荷にそれぞれ印加
される。この負荷は通信装置である場合もある。

【００２０】フィルタ手段１４は、端子１４−１を端子
１４−３に接続する導線上に位置する少なくとも１つの
第１のコイル２１を含んでいる平面インダクタ２０を含
んでおり、第２のコイル２２と第２の蓄電コンデンサ２
２−１の直列結合は、端子１４−１と第１のコイル２１
の端部の間に位置する第２のノード２４に接続される。
したがって、この直列結合は、第２のスイッチング手段
１５と並列に接続される。

【００２１】第１の蓄電コンデンサ２１−１は、第１の
コイル２１中を流れる電流を平滑化するために負荷と並
列に接続されており、したがってこの電流の平均値はゼ
ロである。

【００２２】インダクタ２０の２つのコイル２１および
２２は、磁心２３のまわりに巻かれており、互いに磁気
的に結合される。前記コイル２１および２２間の結合係
数は、これらのコイルが異なる巻数を有するので１より
小さい。

【００２３】インダクタ２０は、前記コイル２１および
２２間に大きい漏れインダクタンスを導入するように構
成される。漏れインダクタンスは、第１のコイル２１の
端部および第１のコンデンサ２１−１の端部と直列に接
続される、第３のコイル２１−２によって図１に表され
る。

【００２４】出力電流のゼロリプル条件に応じるため
に、電流リプルが、第３のコイル２１−２の両端間の電
圧降下の大きさとそのインダクタンスの値との比の関数
であるので、第３のコイル２１−２のインダクタンスの
大きさは、高い値に達しなければならない。したがっ
て、このインダクタンスの値はできるだけ高くなければ
ならない。

【００２５】インダクタンス２１−２に見られる電圧
は、第２のコンデンサ２２−１の電圧と第１のコンデン
サ２１−１の電圧との間の電圧の差である。

【００２６】図３は、本発明で望まれる結果に達するた
めに、インダクタ２０の構成に使用される磁心２３の好
ましい実施形態を示す。磁心２３は、少なくとも２つの
標準化された磁心セクションを含み、このセクションの
少なくとも１つはＥ型、すなわち三脚磁心である。

【００２７】図２は、Ｅ型セクションの外側脚部のまわ
りにそれぞれ巻かれている各コイル２１および２２を示
し、第１のコイル２１の一方の端部および第２のコイル
２２の対応する端部は、第２のノード２４において電気
的に接続される。

【００２８】インダクタ２０の製造プロセスを簡単にす
るために、各コイル２１および２２の巻きはプリント回
路板上に置かれ、多層型である場合もある。したがっ
て、本発明の平面インダクタ２０の製造プロセスは公差
に比較的鈍感であり、前記プロセスの高度の再現性を保
証する。

【００２９】降圧形コンバータの動作は以下のように説
明される。第１のスイッチング手段１３が導通している
期間中に、入力端子１１および１２の両端間に印加され
るのと同じ電力が、フィルタ手段１４の入力端子１４−
１および１４−２に印加される。これらの電力は、出力
端子１４−３および１４−４の両端間に存在する電圧よ
り大きい。

【００３０】その結果、コンデンサ２１−１および２２
−１を充電する端子１１および１２から流れる増大する
電流が生じる。インダクタ２０は充電し始め、一定量の
エネルギーを蓄積し、電流を負荷に供給する。この時間
間隔中に、入力から出力への電力の直接伝達が生じる。

【００３１】第１のスイッチング手段１３がオフになっ
た瞬間には、フィルタ手段１４に入ってくる電流を急に
遮断することはできない。そのために、第２のスイッチ
ング手段１５が導通し始める。

【００３２】この瞬間に、フィルタ手段１４の入力に印
加された電圧は、端子１４−３および１４−４に印加さ
れた電圧より低い。したがって、フィルタ手段１４中を
流れる電流は以前と同じ方向であるが、減少している。
第１のスイッチング手段１３が導通を再開した瞬間に、
第２のスイッチング手段１５は導通するのをやめ、サイ
クルが再び開始される。

【００３３】平面インダクタ２０の磁気統合体の主要な
目的は、フィルタ手段１４によって受け取られた交流電
流（ＡＣ）を、第２のコイル２２に分流することであ
る。したがって、第１のコイル２１は、直流電流（Ｄ
Ｃ）のみを受け取り、それによって出力電圧はより容易
に平滑化される。その結果、第２のコイル２２と第２の
コンデンサ２２−１の直列結合は、平均値がゼロに等し
いＡＣ電流のみを受け取る。したがって、出力電流はゼ
ロリプル条件を満足する。

【００３４】フィルタ手段１４の電気的特性は、上述の
直列結合を組み込むことによって変化しない。したがっ
て、インダクタ２０は、２つのコイル２１および２２に
よってそれぞれ維持された共通の磁束を、磁心２３の外
側脚部によって形成された強磁性体回路中に閉じ込める
ように構成される。そして、第３のコイル２１−２によ
って維持された磁束は、中央脚部と第１のコイル２１が
巻かれている外側脚部とによって形成された強磁性体回
路中に導かれる。中央脚部は、この磁束の大きさを制限
するために所定のエアギャップ２３−１を有する。

【００３５】同様に、外側脚部は、共通の磁束の大きさ
を制限するために、中央脚部の第１のエアギャップ２３
−１よりはるかに小さい第２のエアギャップを有してお
り、磁心２３が飽和するのを防ぐ。

【００３６】図４は、昇圧形のスイッチングされる電力
コンバータ中の本発明のフィルタ手段１４を示す。その
動作は、降圧形コンバータの動作と同じなのでここでは
説明しない。

【００３７】以上の説明から、本発明のフィルタ手段１
４を含むスイッチングされる電力コンバータは、統合さ
れた平面磁気装置とともに好ましくは実施され、この装
置のコイルは、プリント回路板上に置かれ、標準化され
た素子の使用によって自動化できる製造プロセス中に生
じる変化に対する感度をほとんど示さないことが推論で
きる。当該のコンバータは、サイズがコンパクトで、プ
ロファイルが低く、低電力と低電圧の両方を必要とす
る、すなわち、端部負荷に電力を供給する用途において
特に有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による降圧形コンバータの回路図であ
る。

【図２】降圧形コンバータの構成で使用されるインダク
タ磁心の正面図で、本発明による磁束の分布を示す図で
ある。

【図３】本発明による降圧形コンバータの構成で使用さ
れるインダクタ磁心の好ましい実施形態を示す図であ
る。

【図４】本発明による昇圧形コンバータの他の回路図で
ある。

【符号の説明】

１１、１２、１４−１、１４−２ 入力端子 １６ 第１のノード １３ 第１のスイッチング手段 １３−１、１５−１ 第１の端子 １３−２、１５−２ 第２の端子 １４ フィルタ手段 １４−３、１４−４ 出力端子 １５ 第２のスイッチング手段 ２０ 平面インダクタ ２１ 第１のコイル ２１−１ 第１のコンデンサ ２１−２ 漏れインダクタンス ２２ 第２のコイル ２２−１ 第２のコンデンサ ２３ 磁心 ２３−１、２３−２ エアギャップ ２４ 第２のノード

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ゼロリプルを有する電流を負荷に供給す
   るために負荷に直接接続されたフィルタ手段（１４）を
   含むスイッチングされる電力コンバータ用の平面インダ
   クタ（２０）の磁気統合体であって、前記平面インダク
   タ（２０）が、Ｅ型の標準化された磁心の少なくとも１
   つのセクションによって形成された磁心（２３）と、漏
   れインダクタンス（２１−２）を得るために互いに磁気
   的に結合された第１のコイル（２１）および第２のコイ
   ル（２２）とを含み、前記第１のコイル（２１）の一方
   の端部および前記第２のコイル（２２）の対応する端部
   が、共通の第２のノード（２４）において電気的に接続
   され、前記第１のコイル（２１）および前記第２のコイ
   ル（２２）の各々が、前記標準化された磁心セクション
   の第１および第２の外側脚部のまわりにそれぞれ巻かれ
   ており、前記第１のコイル（２１）および前記第２のコ
   イル（２２）の両方によってそれぞれ維持された共通の
   磁束を、前記磁心（２３）の前記外側脚部によって形成
   された強磁性体回路中に導くことを特徴とする平面イン
   ダクタ（２０）の磁気統合体。
2. 【請求項２】 前記第１のコイル（２１）が、前記第２
   のコイル（２２）の巻数とは異なる巻数を有することを
   特徴とする請求項１に記載の平面インダクタ（２０）の
   磁気統合体。
3. 【請求項３】 前記漏れインダクタンス（２１−２）に
   よって維持された磁束が、中央脚部と前記第１のコイル
   （２１）が巻かれている外側脚部とによって形成された
   強磁性体回路中に導かれることを特徴とする請求項１ま
   たは２に記載の平面インダクタ（２０）の磁気統合体。
4. 【請求項４】 前記漏れインダクタンス（２１−２）の
   大きさが、前記磁心（２３）の中央脚部に位置する所定
   の第１のエアギャップ（２３−１）によって制限される
   ことを特徴とする請求項３に記載の平面インダクタ（２
   ０）の磁気統合体。
5. 【請求項５】 前記第１のコイル（２１）および前記第
   ２のコイル（２２）によってそれぞれ維持された磁束の
   大きさが、前記磁心（２３）の前記外側脚部にそれぞれ
   位置する第２のエアギャップによって制限され、第２の
   エアギャップの値が、前記第１のエアギャップ（２３−
   １）の値より小さい値であることを特徴とする請求項１
   に記載の平面インダクタ（２０）の磁気統合体。