JP2501859B2 - スイッチングレギュレ―タ - Google Patents

スイッチングレギュレ―タ

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JP2501859B2
JP2501859B2 JP63061248A JP6124888A JP2501859B2 JP 2501859 B2 JP2501859 B2 JP 2501859B2 JP 63061248 A JP63061248 A JP 63061248A JP 6124888 A JP6124888 A JP 6124888A JP 2501859 B2 JP2501859 B2 JP 2501859B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、各種電子機器等に用いられているスイッチ
ングレギュレータの改良に関する。
[従来の技術] 従来、スイッチングレギュレータには種々の磁性部品
が用いられていた。従来のスイッチングレギュレータの
回路構成例を第1図に示す。この回路構成例は磁気制御
型のスイッチングレギュレータであり、磁性部品として
は、ノーマルモードチョーク,コモンモードチョーク,
メイントランス,ドライブトランス,カレントトラン
ス,可飽和リアクトル,ノイズアブソーバーや平滑チョ
ーク等が用いられている。
これらの磁性部品に用いられる磁性材料は、フェライ
トが主流であり、一部の部品、例えば可飽和リアクトル
にはCo基アモルファスコア、ノーマルモードチョークに
は鉄ダストコアが用いられている。又、平滑チョークは
小型化が要求される用途の場合、Fe基アモルファスコア
やMoパーマロイダストコア、Fe−Al−Si合金ダストコア
も用いられている。コモンモードチョークの場合もフェ
ライトが主流であるが1部アモルファスが使用されてい
る。
このような例は日本応用磁気学会 第37回研究会資料
等に記載されている。
[発明が解決しようとする問題点] しかしながら、上記磁性部品を用いたスイッチングレ
ギュレータは種々の問題点がある。
メイントランスは、フェライトを用いた場合、飽和磁
束密度が低く、コア損失も十分低いとはいえないため、
磁心が大きくなりスイッチングレギュレータ全体が大き
くなるだけでなく、効率も低下する問題点がある。又、
低損失のCo基アモルファスコアを用いた場合、経時変化
が大きくスイッチングレギュレータがうまく動作しなく
なる場合もある。
又、可飽和リアクトル、ノイズアブソーバーは、Co基
のアモルファスコアが主に用いられているが、飽和磁束
密度が低いため、制御磁束を大きく設計したい場合等に
磁心を小型化できず、スイッチングレギュレータが大き
くなってしまう問題点がある。
平滑チョークは、フェライトが価格の点で主に用いら
れているが、小型化の点からFe基のアモルファスコア等
が用いられている。しかしながら、Fe基アモルファスコ
アは、磁歪が大きく、励磁した場合、うなりを生じたり
する場合があり問題がある。また、ギャップを精度良く
形成するために、含浸を行うと磁歪の影響でコア損失が
著しく増加し発熱が激しくなる問題や温度が変化すると
硬化した樹脂によりFe基アモルファス合金の内部応力が
変化し、直流重畳特性が変化する欠点がある。このため
スイッチングレギュレータ設計の際はかなり余裕をもっ
た設計をしなければならなかった。
コモンモードチョークは、フェライトが主に用いられ
ているが、透磁率は低周波側でたかだか1万程度であ
り、特に数100kHz以下の透磁率が不十分で低周波側のノ
イズを十分除去できない問題があり、周囲の電子機器が
誤動作したりする場合があった。
[問題点を解決するた手段] 上記問題点を解決するために、鋭意検討の結果本発明
者等は、 一般式: Fe100−x−y−z−α−β−γCuSiM′
αM″βγ(原子%) (但し、M′はNb,W,Ta,Zr,Hf,Ti及びMoからなる群から
選ばれた少なくとも1種の元素、M″はV,Cr,Mn,白金属
元素、Sc,Y,Au,Zn,Reからなる群から選ばれた少なくと
も1種の元素、XはC,P,Ge,Ga,Sb,In,Be,Asからなる群
から選ばれた少なくとも1種の元素であり、x,y,z,α,
β,及びγはそれぞれ0.1≦x≦3,0≦y≦30,0≦z≦2
5,5≦y+z≦30,0.1≦α≦30,0≦β≦10及び0≦γ≦1
0を満たす。) により表わされる組成を有し、組織の少なくとも50%が
微細な結晶粒からなり、各結晶粒の最大寸法で測定した
粒径の平均が1000Å以下であるFe基合金を磁性部品の1
部又は全部に用いた場合、優れた特性のスイッチングレ
ギュレータを得ることができることを見い出し本発明に
想到した。
本発明に係る合金においてCuは必須の元素であり、そ
の含有量Xは0.1〜3原子%の範囲である。
又、M′は本発明に係る合金において必須の元素であ
り、Cuとの複合添加により結晶粒を微細化する作用を有
するものであり、Nb,W,Ta,Zr,Hf,Ti及びMoからなる群か
ら選ばれた少なくとも1種の元素である。
本発明に係る合金は、前記組成の非晶質合金を単ロー
ル法や双ロール法等の液体急冷法により得る工程と、こ
れを加熱し超微細な結晶粒を形成する熱処理工程によっ
て通常得ることができる。
熱処理により形成される結晶粒は主にbcc Fe固溶体か
らなり、1000Å以下の粒径の超微細なほぼ均一に分布し
た結晶粒からなるが優れた軟磁性は、500Å以下の粒径
の場合が多い。特に優れた軟磁性を示す合金のばあいは
その平均粒径が20〜200Åの場合が多い。合金組成のう
ち微結晶以外の部分は主に非晶質である。尚、微細結晶
粒の割合が実質的に100%になっても本発明に係る合金
は十分優れた特性を示し、この合金からなる磁性部品を
用いたスイッチングレギュレータは小型高効率化するこ
とができる。
Si,Bは合金の微細化及び磁歪調整、軟磁気特性の改善
等に有用な元素である。本発明に係る合金は、好ましく
は、一旦Si,B添加硬化により非晶質合金とした後に熱処
理により微細結晶粒を形成することにより得られる。
好ましいSi含有量y、Bの含有量zは、0≦y≦30,0
≦z≦25,5≦y+z≦30である。M″はV,Cr,Mn,白金属
元素,Sc,Y,Au,Zn,Reからなる群から選ばれた少なくとも
1種の元素であり、耐蝕性を改善したり、磁気特性を調
整する効果を有するものでその含有量βは、0≦β≦10
である。
XはC,P,Ge,Ga,Sb,In,Be,Asからなる群から選ばれた
少なくとも1種の元素であり、その含有量γは、0≦γ
≦10である。
これらの元素は磁歪や磁気特性を調整したり、結晶粒
を微細化する効果を有する。
本発明に係る磁性部品は前述の合金から形成されたも
のでスイッチングレギュレータに用いられるあらゆる磁
性部品に適用できるものであるが、可飽和リアクトル、
主変圧器、平滑チョーク、コモンモードチョーク等に適
用しスイッチングレギュレータを構成した場合、特に優
れたものが得られる。
[実施例] 以下、本発明を実施例に従った説明するが本発明はこ
れらに限定されるものではない。
実施例1 第2図に磁気制御型スイッチングレギュレータの回路
の一例を示す。
図において1はスイッチング素子、2は主トランス、
3;4は主トランス2の1次巻線及び2次巻線である。5
は可飽和リアクトル、6は整流回路、7は定電圧制御回
路、8a;8bは直流出力端子である。
次にこの回路の動作を説明する。
直流電圧が印加された1次巻線3に接続されたスイッ
チング素子1のON−OFFにより主トランス2の2次巻線
4にパルス状の電圧が誘起される。この電圧は可飽和リ
アクトル5を通って、整流回路を介し、出力端子8a;8b
に直流電圧となって現われる。この時、正パルス電流i1
による可飽和リアクトル5は第4図aの飽和点Aまで達
し、i1が零になった時Br点に戻る。負パルス電流i2は制
御電流であり、この値が大きくなれば、リセットされる
動作点はB点→C点へと次第に移ってゆく。i2が大きく
なりC点→A点の間での動作を繰り返した時が可飽和リ
アクトルのインピーダンスは最大であり、電圧降下も最
大となる。このように制御電流i2により可飽和リアクト
ルによる電圧降下を変化させ、出力電圧を一定にする方
式が磁気増幅器方式である。
本方式の設計上の重要な問題は、可飽和リアクトル材
料の選択である。材料性能としては、(1)B−H曲線
の角形比が大きいこと、(2)保磁力Hcが小さいこと、
(3)できるだけ薄い板であること等が要求される。こ
れまでは、前記性能を満足するものとして、主に50%Ni
系のパーマロイが主流であった。
第3図に示すように、約25μ程度の薄板を渦巻状に巻
き込んだトロイダル状の形状である。
この種の磁心は飽和磁束密度が大きく角形比も高く可
飽和リアクトルに適するが高周波、特に数10kHz以上の
周波数で駆動するスイッチングレギュレータの場合、磁
心損失が大きく激しい温度上昇を招き効率も低下し使用
できない。そのため近年は低損失のCo基アモルファス材
からなる可飽和リアクトルが使用されているが高価格で
あり飽和磁束密度Bsが低いため数100kHz以下の周波数帯
の場合、Bsで制約を受け磁心が大きくなりスイッチング
しレギュレータが大型化してしまう場合がある。
そこで、第2図に示したような回路の磁気制御型スイ
ッチングレギュレータにFe73.5Cu1Nb3Si13.5B9(原子
%)の組成で表わされる前記合金からなる可飽和リアク
トルを作製し、5に示す可飽和リアクトルとして使用し
た。この場合は、他の磁性部品は全てフェライトとし
た。
コアの温度上昇及び出力電圧、スイッチングレギュレ
ータの効率を測定した結果を第4図に示すスイッチング
レギュレータの駆動周波数は100kHz、出力12V 4V(マグ
アンプ制御)である。
比較のためパーマロイ磁心を可飽和リアクトルとして
用いた従来のスイッチングレギュレータの結果も示す。
本発明スイッチングレギュレータの場合は従来のスイ
ッチングレギュレータよりコアの温度上昇が小さくスイ
ッチングレギュレータの効率ηも高く出力電圧もほとん
ど変化しないため優れている。
実施例2 Fe78.8Cu1.2Si8B9Nb3(原子%)の組成で表わされる
前記合金薄帯からなるギャップ付きの平滑チョークコイ
ルを作製し、第5図10の平滑チョークコイルに使用した
100kHzで駆動するスイッチングレギュレータを作製し、
温度上昇及びスイッチングレギュレータの効率を測定し
た。
比較のためFe78Si9B13アモルファス合金(原子%)か
ら作製した平滑チョークコイルを用いたスイッチングレ
ギュレータを作製した。
効率は2%本発明回路の方が高く、チョークコイルの
温度上昇も6℃低かった。
実施例3 第6図(a)(b)(c)(d)に可飽和リアクトル
SRに前記合金を餅した300kHz駆動の本発明スイッチング
レギュレータの回路例を示す。
どのスイッチングレギュレータも効率が0.5〜3%程
度パーマロイ磁心を用いた従来のスイッチングレギュレ
ータより向上しており、本発明スイッチングレギュレー
タの優位性が確認された。
実施例4 第7図に示す500kHzの共振型スイッチングレギュレー
タの主変圧器TRにFe75.5Cu1Nb2.5Si13.5B7Ga0.5(原子
%)の組成を有する前記合金薄帯からなる巻磁心を使用
しスイッチングレギュレータ及び主変圧器の温度上昇及
びスイッチングレギュレータの効率を測定した。
効率は83%、温度上昇は31℃であり、Fe基アモルファ
ス合金からなる主変圧器を用いたスイッチングレギュレ
ータより効率で2%、温度上昇で7℃優れていた。
実施例5 第1図に示す回路構成の100kHzの駆動スイッチングレ
ギュレータのAC入力側のコモンモードチョークにFe72.5
Cu1Nb3Cr0.5Si13.5B9Ge0.5(原子%)の組成を有する合
金を用いたコモンモードチョークを用いスイッチングレ
ギュレータを構成した。次にこのAC入力漏洩雑音端子電
圧を測定した。
得られた結果を第8図に示す。
本発明スイッチングレギュレータは駆動周波数である
100kHzより高い高周波のノイズレベルが従来のスイッチ
ングレギュレータより低くなっており、周囲の電子機器
への悪影響が減少し好ましい。
[発明の効果] 本発明によれば高効率で磁性部品の温度上昇が小さく
小型で高信頼性のスイッチングレギュレータを得ること
ができるためその効果は著しいものがある。
【図面の簡単な説明】
第1図はスイッチングレギュレータの回路構成例を示し
た図、第2図は磁気制御型スイッチングレギュレータの
回路の一例を示した図、第3図は可飽和リアクトルに用
いられる巻磁心の形状例を示した図、第4図は本発明ス
イッチングレギュレータと従来のスイッチングレギュレ
ータの出力電圧、効率η、コアケース表面温度△Tの負
荷電流依存性を示した図、第5図,第6図,第7図は本
発明スイッチングレギュレータの回路例を示した図、第
8図は本発明スイッチングレギュレータのAC入力漏洩雑
音端子電圧を示した図である。

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】一般式: Fe100−x−y−z−α−β−γCuSiM′
    αM″βγ(原子%) (但し、M′はNb,W,Ta,Zr,Hf,Ti及びMoからなる群から
    選ばれた少なくとも1種の元素、M″はV,Cr,Mn,白金属
    元素,Sc,Y,Au,Zn,Reからなる群から選ばれた少なくとも
    1種の元素、XはC,P,Ge,Ga,Sb,In,Be,Asからなる群か
    ら選ばれた少なくとも1種の元素であり、x,y,z,α,
    β,及びγはそれぞれ0.1≦x≦3,0≦y≦30,0≦z≦2
    5,5≦y+z≦30,0.1≦α≦30,0≦β≦10及び0≦γ≦1
    0を満たす。)により表わされる組成を有し、組織の少
    なくとも50%が微細な結晶粒からなり、各結晶粒の最大
    寸法で測定した粒径の平均が1000Å以下であるFe基合金
    を磁性部品の1部又は全部に用いたことを特徴とするス
    イッチングレギュレータ。
  2. 【請求項2】前記磁性部品が可飽和リアクトルであるこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載のスイッチ
    ングレギュレータ。
  3. 【請求項3】前記磁性部品が主変圧器であることを特徴
    とする特許請求の範囲第1項に記載のスイッチングレギ
    ュレータ。
  4. 【請求項4】前記磁性部品が平滑チョークであることを
    特徴とする特許請求の範囲第1項に記載のスイッチング
    レギュレータ。
  5. 【請求項5】前記磁性部品がコモンモードチョークであ
    ることを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載のスイ
    ッチングレギュレータ。
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