JP2014063856A - Composite magnetic component and switching power supply device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、トランスとインダクタを複合化した複合磁性部品に関するものである。 The present invention relates to a composite magnetic component in which a transformer and an inductor are combined.
一対の磁性材を嵌め合わせて形成した磁芯と、磁芯に巻回されたコイルとで実質的に複数の磁性部品を構成する試みは部品コスト、実装コストの低減と、小型化に対して効果が認められ、既に様々な提案が成されている。 Attempts to construct a plurality of magnetic parts substantially by using a magnetic core formed by fitting a pair of magnetic materials and a coil wound around the magnetic core are aimed at reducing the component cost, mounting cost, and downsizing. The effect has been recognized and various proposals have already been made.
図15は、第1従来例である特許第2770750号に示された複合磁性部品である。同図において、1は同一形状の薄層基板2を複数積層してなるコイル本体であり、各薄層基板2には、中央貫通孔3の左右方向に一対の主脚貫通孔4,4aが設けられる。この薄層基板2に共通して、一方の主脚貫通孔4の前方には、導電性の接続部たるめっきスルーホール5,6,7,8が複数設けられ、これに対応して、他方の主脚貫通孔4aの前方に、導電性の接続部たるめっきスルーホール5a,6a,7a,8aが複数設けられる。さらに、各主脚貫通孔4,4aの後方にも、各々接続部たるめっきスルーホール9,9aが複数設けられるとともに、中央貫通孔3の後方にも接続部たるめっきスルーホール10が設けられる。これらの各めっきスルーホール5〜10,5a〜10aにより、外部および薄層基板2間の電気的な接続が図られる。前記コイル本体1は、第1のコイル部11と第2のコイル部11aとにより構成される。すなわち、中央貫通孔3の中央から見て、一方の主脚貫通孔4側に第1のコイル部11が設けられ、他方の主脚貫通孔4a側に第2のコイル部11aが設けられる。これらの第1および第2のコイル部11,11aは、第1の導電パターン12と第2の導電パターン12aとを、共通の薄層基板2に各々形成して構成される。前記第1の導電パターン12は、最終的に第1のトランス13の一次巻線となる一次回路パターン14と、第1のトランス13の二次巻線となる二次回路パターン15との2系統からなり、これらは各々異なる薄層基板2に形成される。また、第2の導電パターン12aも、第2のトランス13aの一次巻線となる一次回路パターン14aと、第2のトランス13aの二次巻線となる二次回路パターン15aとの2系統からなり、これらも各々異なる薄層基板2に形成される。
FIG. 15 shows a composite magnetic component disclosed in Japanese Patent No. 2770750 which is a first conventional example. In the figure,
次に、コイル本体1に装着される磁芯41の構成を説明する。磁芯41は、第1のコイル部11に対応して設けられた第1の磁芯42と、第2のコイル部11aに対応して設けられた第2の磁芯42aとからなる。第1の磁芯42は、側部がいずれもE字型をなす一組の上部磁性材43と下部磁性材44とを突き合わせて構成され、また、第2の磁芯42aも、側部がいずれもE字型をなす一組の上部磁性材43aと下部磁性材44aとを突き合わせて構成される。上部磁性材43および下部磁性材44には、いずれも主脚貫通孔4に挿入される主脚45と、この主脚45の両側に位置する側脚46,47が設けられる。同様に、上部磁性材43aおよび下部磁性材44aにも、主脚貫通孔4aに挿入される主脚45aと、この主脚45aの両側に位置する側脚46a,47aが形成される。上部磁性材43,43aは、各々一方の側脚46,46aを連結することにより、上部磁性材48として一体形成される。また、下部磁性材44,44aも、各々一方の側脚46,46aを連結することにより、下部磁性部材49として一体形成される。この一体化された第1および第2の磁芯42,42aの側脚46,46aが、中央貫通孔3に挿入され、磁芯41をコイル本体1に装着した状態で、各めっきスルーホール5〜10,5a〜10aが、外部および薄層基板2間の電気的な接続のために磁芯41より露出する。第1従来例では、共通の各薄層基板2に第1および第2の導電パターン12,12aを形成し、この薄層基板2を積層して得られた第1および第2のコイル部11,11aに、一組の磁芯41を装着することで、一次側と二次側が各々直列接続された2個の第1および第2のトランス13,13aが製造される。
Next, the configuration of the
図16は、第2従来例である特開2009−189144に示された複合磁性部品である。図16に示すような4個の磁脚を設けた磁芯を備え、この磁芯の内側2本の磁脚の周辺に1次巻線を巻回し、一方の該内側の磁脚の周辺に、第1の2次巻線を巻回し、他方の該内側の磁脚の周辺に第2の2次巻線を巻回してトランスを構成している。磁性材で構成した底板に4個の磁脚を並列に隔に設けてある。内側に設けた2つの磁脚のうち一方の磁脚に第1の2次巻線Ns1を巻回し、他方の磁脚に第2の2次巻線Ns2を巻回してある。また、2次巻線Ns1、Ns2を外側から覆うように1次巻線Npを巻回してある。 FIG. 16 shows a composite magnetic component disclosed in Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2009-189144, which is a second conventional example. A magnetic core provided with four magnetic legs as shown in FIG. 16 is provided, and a primary winding is wound around the two inner magnetic legs of the magnetic core, and around one of the inner magnetic legs. The first secondary winding is wound, and the second secondary winding is wound around the other inner magnetic leg to constitute a transformer. Four magnetic legs are provided in parallel at intervals on a bottom plate made of a magnetic material. The first secondary winding Ns1 is wound around one of the two magnetic legs provided on the inner side, and the second secondary winding Ns2 is wound around the other magnetic leg. Further, the primary winding Np is wound so as to cover the secondary windings Ns1 and Ns2 from the outside.
図17は、第3従来例である特開2000−260639に示された複合磁性部品である。図17のA、B、C、Dは積層された各両面基板の平面図を示しており、各層に基板のパターンでプリントコイルが描かれている。積層基板に設けられた磁芯挿入穴に磁芯6が挿入されている。磁芯6は第1外部磁脚6a、第2の外部磁脚6cと内部磁脚6bの計3個の磁脚を備える。第1のトランスは内部磁脚6bの周囲に1次コイル、2次コイルを渦状に巻回して構成しているのに対して、第2のトランスは第1外部磁脚6a、第2の外部磁脚6cに逆方向、同一巻き数巻回したコイルを直列接続して1次コイル、2次コイルを構成している。このような構成にすると、第1のトランスによる誘起電圧は第2のトランスに出力されず、第2のトランスによる誘起電圧は第1のトランスに出力されない。第1、第2のトランスを見かけ上、互いに独立なトランスとして動作させる事ができる。
FIG. 17 shows a composite magnetic component disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-260639, which is a third conventional example. A, B, C, and D in FIG. 17 are plan views of the stacked double-sided boards, and printed coils are drawn on the respective layers in the pattern of the board. A
第1従来例、及び第2従来例の複合磁性部品で用いられる磁芯は、磁性材で構成された底板の両端面の間に、第1従来例では5脚、第2従来例では4脚の磁脚が一列に並んだ形状をしており、鉄損、銅損の合計が最小になるように設計すると、どうしても細長い形状になってしまう。一方、磁芯に用いられる軟磁性材料として代表的なフェライトは焼成時に収縮するので、細長い形状だと長手方向の磁芯の寸法誤差が大きくなる。例えば、基板のパターンでコイルを描くプリントコイルを用いる場合、基板に設ける磁芯の磁脚挿入穴は、最大寸法の磁芯でも最小寸法の磁芯でも問題なく挿入できる設計を必要とするので、磁芯の寸法誤差が大きいとそれだけ余剰スペースが必要になり、小型化、高効率化の観点において問題となる。また、細長い形状の磁芯は衝撃に対して割れやすい問題がある。 The magnetic core used in the composite magnetic parts of the first conventional example and the second conventional example has five legs in the first conventional example and four legs in the second conventional example between both end surfaces of the bottom plate made of a magnetic material. If the design is made so that the total of the iron loss and the copper loss is minimized, the magnetic leg is inevitably elongated. On the other hand, since a typical ferrite as a soft magnetic material used for a magnetic core contracts during firing, the dimensional error of the magnetic core in the longitudinal direction becomes large if the shape is elongated. For example, when using a printed coil that draws a coil in the pattern of the board, the magnetic leg insertion hole of the magnetic core provided on the board requires a design that can be inserted without any problem with either the maximum core or the minimum core. If the dimensional error of the magnetic core is large, an extra space is required, which is a problem in terms of miniaturization and high efficiency. Also, the elongated magnetic core has a problem that it is easily broken by impact.
第1従来例、及び第2従来例の複合磁性部品では、スイッチング電源の動作状態において各磁脚を通過する磁束は均一ではない。例えば、第2従来例では第1の外部磁脚、第1の内部磁脚、第2の内部磁脚、第2の外部磁脚の順に、磁脚が1列に並んでいる構造であるが、第1の内部磁脚から第1、第2の外部磁脚への距離は均等ではなく、同様に第2の内部磁脚から第1、第2の外部磁脚への距離も均等ではない。更に、第1、第2の内部磁脚の周囲に巻回されているコイルを流れる電流が異なるので、結果的に磁束密度は不均一になる。そのため、片方の外部磁脚のみの磁芯損失が大きくなる事や、片方の外部磁脚のみが磁気飽和する事も想定され、設計が難しい。また、第1の内部磁脚−第2の外部磁脚間、及び第2の内部磁脚−第1の外部磁脚間の磁路が長いので、その分、鉄損の増加を招く。 In the composite magnetic parts of the first conventional example and the second conventional example, the magnetic flux passing through each magnetic leg is not uniform in the operating state of the switching power supply. For example, in the second conventional example, the magnetic legs are arranged in a line in the order of the first external magnetic leg, the first internal magnetic leg, the second internal magnetic leg, and the second external magnetic leg. The distance from the first internal magnetic leg to the first and second external magnetic legs is not uniform, and similarly the distance from the second internal magnetic leg to the first and second external magnetic legs is not uniform. . Furthermore, since the currents flowing through the coils wound around the first and second internal magnetic legs are different, the magnetic flux density becomes non-uniform as a result. For this reason, it is assumed that only one of the external magnetic legs has a large magnetic core loss, and only one of the external magnetic legs is magnetically saturated, which is difficult to design. Further, since the magnetic paths between the first internal magnetic leg and the second external magnetic leg and between the second internal magnetic leg and the first external magnetic leg are long, the iron loss is increased correspondingly.
更に、第1、第2の外部磁脚を通過する磁束が均一ならば、第3従来例の特開2000−260639に示されるように第1、第2の外部磁脚に逆方向、同一ターン巻回したコイルを直列接続して1次コイル、2次コイルを構成すれば、電力伝送トランスとは独立とみなせるトランスを構成して、例えば1次−2次間の信号伝送に利用できるが、各磁脚を通過する磁束が不均一な第1、第2従来例の複合磁性部品では構成できない。 Further, if the magnetic flux passing through the first and second external magnetic legs is uniform, the first and second external magnetic legs are turned in the opposite direction in the same direction as shown in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-260639 of the third conventional example. If a wound coil is connected in series to form a primary coil and a secondary coil, a transformer that can be regarded as independent of the power transmission transformer can be configured, and used for signal transmission between the primary and secondary, for example. It cannot be constituted by the composite magnetic parts of the first and second conventional examples in which the magnetic flux passing through each magnetic leg is not uniform.
第1従来例、及び第2従来例の複合磁性部品はそれぞれに適したスイッチング電源のトポロジーがあり、第1従来例では2トランスアクティブクランプコンバータ、第2従来例ではブーストハーフブリッジコンバータへの適用例が紹介されているが、適さない場合もある。例えば、高効率なトポロジーとして知られるLLC共振コンバータにおいては、トランスの励磁インダクタンスLmと共振インダクタのインダクタンスLrの比率Lm/Lrを、3〜10程度に設定するのが一般的である。第1従来例、及び第2従来例においては、2つの内部磁脚の断面積が等しく、かつ各内部磁脚の周囲に巻回するコイルの巻き数も等しく描かれているので各磁性部品のインダクタンスの比率は1にしかならない。 The composite magnetic parts of the first conventional example and the second conventional example have switching power supply topologies suitable for each, and are applied to a two-transactive clamp converter in the first conventional example and a boost half-bridge converter in the second conventional example. Is introduced, but may not be suitable. For example, in an LLC resonant converter known as a high-efficiency topology, the ratio Lm / Lr between the transformer exciting inductance Lm and the resonant inductor inductance Lr is generally set to about 3 to 10. In the first conventional example and the second conventional example, the cross-sectional areas of the two internal magnetic legs are equal, and the number of windings of the coil wound around each internal magnetic leg is also drawn equally. The inductance ratio can only be 1.
本発明に係る複合磁性部品は、一対の磁性材を嵌め合わせて形成される磁芯であって、互いに実質的に平行に位置する一対の底板と、底板の両端部に配置された第1外部磁脚、及び第2外部磁脚と、第1外部磁脚と第2外部磁脚とから実質的に等距離の位置に並べられた第1内部磁脚と第2内部磁脚とを備え、第1内部磁脚を通過する磁束によって共振インダクタ、第2内部磁脚を通過する磁束によって電力伝送トランスを形成する。電力伝送トランスの1次コイルまたは2次コイルと等価的に直列に共振インダクタが接続されて成る複合磁性部品において、電力伝送トランスの1次コイルまたは2次コイルのうち一方は、複数ターンのコイルを形成するために直列接続された各ターンのコイルのうち、少なくとも1ターンのコイルが第1内部磁脚と第2内部磁脚の両方の周囲に渡って巻回されて等価的に共振インダクタとの直列接続回路を形成し、電力伝送トランスの1次コイルまたは2次コイルのうち他方は、コイルが第2内部磁脚のみの周囲に巻回される。 The composite magnetic component according to the present invention is a magnetic core formed by fitting a pair of magnetic materials, a pair of bottom plates positioned substantially parallel to each other, and a first external member disposed at both ends of the bottom plate. A magnetic leg, a second external magnetic leg, and a first internal magnetic leg and a second internal magnetic leg arranged at substantially equal distances from the first external magnetic leg and the second external magnetic leg, A resonance inductor is formed by the magnetic flux passing through the first internal magnetic leg, and a power transmission transformer is formed by the magnetic flux passing through the second internal magnetic leg. In a composite magnetic component in which a resonant inductor is connected in series with a primary coil or a secondary coil of a power transmission transformer, one of the primary coil or the secondary coil of the power transmission transformer is a multi-turn coil. Of the coils of each turn connected in series to form the coil, at least one coil is wound around both the first internal magnetic leg and the second internal magnetic leg so as to be equivalent to the resonant inductor. A series connection circuit is formed, and the other of the primary coil and the secondary coil of the power transmission transformer is wound around only the second internal magnetic leg.
また、第1内部磁脚と第2内部磁脚の断面積は共振インダクタ、電力伝送トランスそれぞれに必要とされるインダクタンス値と動作磁束密度に応じて設計するので必ずしも両者が等しい必要はない。また、第1内部磁脚を経由する磁路に設けたギャップと第2内部磁脚を経由する磁路に設けたギャップのギャップ長を等しくすればギャップを1工程で加工できるので加工コストを低減できる。更に、電力伝送トランスの1次コイルまたは2次コイルのうち、等価的にインダクタとの直列接続回路が形成されたコイルを、基板のパターンによるプリントコイルで形成すれば、複雑な巻線構造であっても、ボビン構造や巻線工程の複雑化を招かず、低コスト化が可能である。 In addition, since the cross-sectional areas of the first internal magnetic leg and the second internal magnetic leg are designed according to the inductance value and the operating magnetic flux density required for the resonant inductor and the power transmission transformer, they do not necessarily have to be equal. Further, if the gap length of the gap provided in the magnetic path passing through the first internal magnetic leg is equal to the gap length provided in the magnetic path passing through the second internal magnetic leg, the gap can be processed in one process, thereby reducing the processing cost. it can. Furthermore, if a coil in which a series connection circuit with an inductor is equivalently formed of the primary coil or the secondary coil of the power transmission transformer is formed by a printed coil based on the pattern of the board, a complicated winding structure can be obtained. However, the bobbin structure and the winding process are not complicated, and the cost can be reduced.
また、制御回路やスイッチ駆動回路で使用する最適な電圧を低損失で確保するために、電力伝送トランスに0.5ターンのコイルを必要とする場合は、以下のように構成する。第1の方法として、第2内部磁脚を、隙間を隔てて実質的に同一断面積に2分割し、2分割したいずれか一方の磁脚の周囲にコイルを1回巻回する事で0.5ターンのトランスコイルを形成する。もう一つの方法は、第1内部磁脚を、隙間を隔てて実質的に同一断面積に2分割し、2分割した第1内部磁脚のいずれか一方と、第2外部磁脚のいずれか一方との周囲に渡ってコイルを1回巻回して実質的に0.5ターンのコイルを形成する。 Further, when a 0.5-turn coil is required for the power transmission transformer in order to secure an optimum voltage used in the control circuit and the switch driving circuit with low loss, the following configuration is provided. As a first method, the second internal magnetic leg is divided into two substantially in the same cross-sectional area with a gap, and the coil is wound once around one of the two divided magnetic legs. Form a 5-turn transformer coil. Another method is to divide the first internal magnetic leg into two substantially the same cross-sectional area with a gap, and either one of the divided first internal magnetic legs or the second external magnetic legs. The coil is wound once around one side to form a substantially 0.5 turn coil.
また、1次−2次間の絶縁バリアをまたいで、何らかの信号を伝送する必要がある場合には、第1外部磁脚および第の外部磁脚の周囲にそれぞれ同数逆方向に巻回したコイルを直列接続してそれぞれ1次コイルおよび2次コイルを構成する事で、電力伝送トランス、及び共振インダクタから実質的に独立とみなせる信号伝送トランスを得る事が可能である。 When it is necessary to transmit any signal across the primary-secondary insulation barrier, the same number of coils wound around the first external magnetic leg and the first external magnetic leg in the opposite direction. Are connected in series to form a primary coil and a secondary coil, respectively, so that it is possible to obtain a power transmission transformer and a signal transmission transformer that can be regarded as substantially independent from the resonant inductor.
複合磁性部品の磁芯は、電力伝送トランスの1次コイルと1次回路、電力伝送トランスの2次コイルと2次回路を接続するために、第1内部磁脚側に第1の開口面、第2内部磁脚側に第2の開口面を備える。複合磁性部品は、電力伝送トランスの1次コイルと等価的に共振インダクタが直列接続される場合は、第1の開口面を1次回路側、第2の開口面を2次回路側に向けて配置されて、第1の開口面を介して電力伝送トランスの1次コイルと1次回路が接続され、第2の開口面を介して電力伝送トランスの2次コイルと2次回路が接続される。逆に電力伝送トランスの2次コイルと等価的に共振インダクタが直列接続される場合は、第1の開口面を2次回路側、第2の開口面を1次回路側に向けて配置されて、第1の開口面を介して電力伝送トランスの2次コイルと2次回路が接続され、第2の開口面を介して電力伝送トランスの1次コイルと1次回路が接続される。このような配置にする事で、複合磁性部品の入出力の配線を短くできるので導通損失を低減できる。 The magnetic core of the composite magnetic component has a first opening surface on the first internal magnetic leg side to connect the primary coil and primary circuit of the power transmission transformer, and the secondary coil and secondary circuit of the power transmission transformer, A second opening surface is provided on the second internal magnetic leg side. When the resonant inductor is equivalently connected in series with the primary coil of the power transmission transformer, the composite magnetic component is arranged with the first opening surface facing the primary circuit side and the second opening surface facing the secondary circuit side. Thus, the primary coil and the primary circuit of the power transmission transformer are connected via the first opening surface, and the secondary coil and the secondary circuit of the power transmission transformer are connected via the second opening surface. On the contrary, when the resonant inductor is connected in series with the secondary coil of the power transmission transformer, the first opening surface is disposed on the secondary circuit side and the second opening surface is disposed on the primary circuit side. The secondary coil and the secondary circuit of the power transmission transformer are connected through the first opening surface, and the primary coil and the primary circuit of the power transmission transformer are connected through the second opening surface. With this arrangement, the input / output wiring of the composite magnetic component can be shortened, so that conduction loss can be reduced.
本発明の複合磁性部品をスイッチング電源装置に適用し、第1内部磁脚を通過する磁束によって構成する共振インダクタを用いたLC共振動作によって、1次、もしくは2次回路のスイッチ素子をゼロ電圧スイッチング、もしくはゼロ電流スイッチングしてスイッチング損失の低減と低ノイズ化を実現する。 The composite magnetic component of the present invention is applied to a switching power supply apparatus, and zero voltage switching is performed on a switching element of a primary or secondary circuit by LC resonance operation using a resonant inductor constituted by a magnetic flux passing through a first internal magnetic leg. Or, zero current switching is used to reduce switching loss and reduce noise.
(1)本発明は電力伝送トランスの1次コイルまたは2次コイルと等価的に直列にインダクタが接続されて成る磁性部品を一対の磁性材と複数のコイルとで複合的に構成できるので部品コスト、実装コストの低減と、磁性部品の小型化に対して効果がある。
(2)本発明の複合磁性部品は磁脚が1列に並んだ第1、第2従来例の複合磁性部品よりも、より縦と横の寸法が近い形状で構成できるので、第1、第2従来例よりもフェライト磁芯の寸法誤差が小さく、かつ割れにくく設計する事が可能であり、実装上の制約も少ない。
(3)第1・第2内部磁脚の断面積、及び第1・第2内部磁脚の周囲に巻回するコイルの巻き数、及び第1・第2内部磁脚を経由する磁路に設けたギャップによって、共振インダクタのインダクタンス、電力伝送トランスの励磁インダクタンス、及び共振インダクタと電力伝送トランスとの動作磁束密度を最適に設計可能である。
(4)第1・第2内部磁脚から、第1・第2外部磁脚への距離が短く均等なので鉄損が小さく、磁芯損失や磁気飽和に関する設計が容易であり、また、第1外部磁脚および第2外部磁脚の周囲にそれぞれ同数逆方向に巻回したコイルを直列接続して1次コイルおよび2次コイルを構成する事で、電力伝送トランス、及びインダクタから実質的に独立とみなせる信号伝送トランスを得る事が可能である。
(5)絶縁型スイッチング電源の1次、2次回路の内、電力伝送トランスのコイルと直列にインダクタが接続される側に第1内部磁脚を近づけて配置する事で複合磁性部品の入出力の配線を短くできるので導通損失を低減できる。
(6)本発明で構成するインダクタを共振インダクタとして用いたLC共振動作により、1次、もしくは2次回路のスイッチ素子をゼロ電圧スイッチング、もしくはゼロ電流スイッチングしてスイッチング損失の低減と低ノイズ化を実現できる。
(1) In the present invention, since a magnetic component in which an inductor is connected in series with a primary coil or a secondary coil of a power transmission transformer can be composed of a pair of magnetic materials and a plurality of coils, the component cost is reduced. This is effective in reducing mounting costs and downsizing of magnetic components.
(2) Since the composite magnetic component of the present invention can be formed in a shape closer to the vertical and horizontal dimensions than the composite magnetic components of the first and second conventional examples in which the magnetic legs are arranged in a row, the first and second (2) The dimensional error of the ferrite core is smaller than that of the conventional example, and it can be designed to be hard to break, and there are few restrictions on mounting.
(3) The cross-sectional area of the first and second internal magnetic legs, the number of turns of the coil wound around the first and second internal magnetic legs, and the magnetic path via the first and second internal magnetic legs Depending on the gap provided, the inductance of the resonant inductor, the excitation inductance of the power transmission transformer, and the operating magnetic flux density between the resonant inductor and the power transmission transformer can be optimally designed.
(4) Since the distance from the first and second internal magnetic legs to the first and second external magnetic legs is short and uniform, the iron loss is small, the design relating to the core loss and magnetic saturation is easy, and the first A primary coil and a secondary coil are formed by connecting in series the same number of coils wound in the opposite direction around the external magnetic leg and the second external magnetic leg, thereby substantially independent of the power transmission transformer and the inductor. It is possible to obtain a signal transmission transformer that can be regarded as “a”.
(5) Input / output of composite magnetic parts by placing the first internal magnetic leg close to the side where the inductor is connected in series with the coil of the power transmission transformer in the primary and secondary circuits of the isolated switching power supply Therefore, the conduction loss can be reduced.
(6) The LC resonance operation using the inductor constituted by the present invention as a resonant inductor reduces the switching loss and noise by switching the primary or secondary circuit switch element to zero voltage or zero current. realizable.
《第1実施例》
図1は本発明の第1実施例における磁芯61を説明するための図である。図1(a1)、図1(a2)のE型磁性材E1と、図1(b1)、図1(b2)のI型磁性材I1とを嵌め合わせ、接着剤等により固定して形成される図1(c)に示す磁芯61においては、互いに実質的に平行に位置する一対の底板BSP1、BSP2と、底板BSP1の両端部に配置された第1外部磁脚OL1、及び第2外部磁脚OL2と、第1外部磁脚OL1と第2外部磁脚OL2とから実質的に等距離の位置に並べられた第1内部磁脚IL1と第2内部磁脚IL2とを備えている。
<< First Example >>
FIG. 1 is a view for explaining a
図2は本発明の第1実施例における多層基板71であり、多層基板71は複数の磁脚貫通孔を備えている。E型磁性材E1の第1・第2の外部磁脚OL1、OL2が第1、第2の磁脚貫通孔HOLE1、HOLE2、第1・第2内部磁脚IL1、IL2が第3、第4の磁脚貫通孔HOLE3、HOLE4を介して貫通し、I型磁性材I1と嵌め合わされる。嵌め合わされた磁芯61は、第1内部磁脚IL1側に第1の開口面OF1、第2内部磁脚IL2側に第2の開口面OF2を備える。多層基板71において、導体のパターンの層はA、B、C、Dの4層で構成される。B層とC層は薄板基板の両面で形成され、A層−B層間とC層−D層間にはプリプレグPPを挟んで、薄板基板とA層が形成された基板とD層が形成された基板とが積層される。B層−C層間を貫通するインナービアホールIVHと全層を貫通するスルーホールTHで各層のパターン間を電気的に接続する。各層に形成されたコイルパターンと嵌め合わされた磁芯61とで複合磁性部品IMAG1が形成される。多層基板71は、複合磁性部品IMAG1を形成するほかに入力端子、出力端子を備え、かつ、表面と裏面に渡って多くの電子部品が実装されて全体としてスイッチング電源装置81を構成する。入力端子側に1次回路、出力端子側に2次回路が配置され、複合磁性部品IMAG1は、第1の開口面OF1を1次回路側、第2の開口面OF2を2次回路側に向けて配置される。
FIG. 2 shows a
図3(a)〜図3(d)は、A、B、C、Dの各層に形成されたコイルパターンを、各層ごとに平面方向から見た図であり、インナービアホールIVHで中間接続されたB層とC層のコイルパターンが1次コイルNpを形成し、スルーホールTHで中間タップを形成したA層とD層のコイルパターンが第1、第2の2次コイルNs1、Ns2を形成する。 FIGS. 3A to 3D are views of coil patterns formed on the layers A, B, C, and D as viewed from the plane direction for each layer, and are intermediately connected by the inner via hole IVH. The coil patterns of the B layer and the C layer form the primary coil Np, and the coil patterns of the A layer and the D layer in which the intermediate tap is formed by the through hole TH form the first and second secondary coils Ns1, Ns2. .
本発明の複合トランスにおいて、例えば、1次コイルNpの巻き数は次の様に数える。1次コイルNpは第1外部磁脚OL1と第1内部磁脚IL1の間を、B層で2回通過しており、第2外部磁脚OL2と第1内部磁脚IL1の間を、B層で1回、C層で1回の計2回、前記とは逆方向に通過している。この事から第1内部磁脚IL1の周囲に1次コイルNpは2ターン巻回されている。同様に1次コイルNpは第1外部磁脚OL1と第2内部磁脚IL2の間を、B層で3回、C層で3回の計6回通過しており、第2外部磁脚OL2と第2内部磁脚IL2の間を、B層で3回、C層で3回の計6回、前記とは逆方向に通過している。この事から第2内部磁脚IL1の周囲に1次コイルNpは6ターン巻回されている。 In the composite transformer of the present invention, for example, the number of turns of the primary coil Np is counted as follows. The primary coil Np passes through the B layer twice between the first external magnetic leg OL1 and the first internal magnetic leg IL1, and between the second external magnetic leg OL2 and the first internal magnetic leg IL1, B It passes twice in total, once in the layer and once in the C layer. For this reason, the primary coil Np is wound around the first internal magnetic leg IL1 by two turns. Similarly, the primary coil Np passes between the first external magnetic leg OL1 and the second internal magnetic leg IL2 for a total of 6 times, 3 times for the B layer and 3 times for the C layer. The second external magnetic leg OL2 And the second internal magnetic leg IL2 pass through the B layer three times and the C layer three times in total, six times in the opposite direction. Therefore, the primary coil Np is wound around the second internal magnetic leg IL1 for 6 turns.
1次コイルNpは、直列接続された6ターンのコイルの内、2ターンのコイルは第1内部磁脚IL1と第2内部磁脚IL2の両方の周囲に渡って巻回されており、等価的に共振インダクタとの直列接続回路を形成する。一方で、第1、第2の2次コイルNs1、Ns2は、第2内部磁脚IL2のみの周囲に巻回されている。1次コイルNpに矢印で示した方向の電流が流れ始めると、右ねじの法則に対応した方向の磁界が発生する。第1、第2の2次コイルNs1、Ns2が、第2内部磁脚IL2に生じた磁界の変化を妨げる方向に電流を流すので、第2内部磁脚IL2がトランスとして作用する。 The primary coil Np is a 6-turn coil connected in series, and a 2-turn coil is wound around both the first internal magnetic leg IL1 and the second internal magnetic leg IL2, and is equivalent to the primary coil Np. A series connection circuit with a resonant inductor is formed. On the other hand, the first and second secondary coils Ns1, Ns2 are wound around only the second internal magnetic leg IL2. When a current in the direction indicated by the arrow starts to flow through the primary coil Np, a magnetic field in a direction corresponding to the right-handed screw law is generated. Since the first and second secondary coils Ns1 and Ns2 flow current in a direction that prevents a change in the magnetic field generated in the second internal magnetic leg IL2, the second internal magnetic leg IL2 acts as a transformer.
図3(a)〜図3(d)のようにコイルを構成する事で、複合磁性部品IMAG1の等価回路は図4のようになり、励磁インダクタンスLmのトランスの1次コイルと直列に共振インダクタLrが接続された形となる。トランスの漏れインダクタンスは共振インダクタLrと直列に存在するので実質的にLrに包含されて動作する。 By configuring the coils as shown in FIGS. 3A to 3D, the equivalent circuit of the composite magnetic component IMAG1 becomes as shown in FIG. 4, and the resonant inductor is connected in series with the primary coil of the transformer having the exciting inductance Lm. Lr is connected. Since the leakage inductance of the transformer exists in series with the resonant inductor Lr, the transformer leakage inductance is substantially included in the operation.
図5はLLC共振ハーフブリッジコンバータのトポロジーを用いた第1実施例の電力変換回路の回路図であり、Vinは直流入力電源、Cf1、Cf2は平滑コンデンサ、Q1、Q2はスイッチ素子、Cr1は共振コンデンサ、Lrは共振インダクタ、T1は第1のトランスで、Npは1次コイル、Ns1、Ns2は第1、第2の2次コイルであり、IMAG1は共振インダクタLrと第1のトランスT1が複合化された複合磁性部品である。SR1、SR2は同期整流素子、Loadは負荷装置で出力電圧Voutが出力される。R1、R2は抵抗、AMP1は誤差アンプ、Vref1は基準電圧、ISOはフォトカプラ等で構成する絶縁信号伝送素子でフィードバックループが形成されている。CNTP、CNTSは1次、2次制御回路である。電力変換動作の説明は割愛するが、LLC共振コンバータでは、高効率な電力変換のためにトランスの1次コイルNpと直列に共振インダクタLrを必要とする。本発明ではトランスと共振インダクタとを1つの複合磁性部品IMAG1として構成可能である。LLC共振コンバータにおいては、トランスの励磁インダクタンスLmと共振インダクタのインダクタンスLrの比率Lm/Lrを、3〜10程度に設定するのが一般的であるが、本発明では第1・第2内部磁脚の断面積、及び第1・第2内部磁脚の周囲に巻回するコイルの巻き数、及び第1・第2内部磁脚を経由する磁路に設けたギャップによって、共振インダクタのインダクタンスLr、電力伝送トランスの励磁インダクタンスLm、及び共振インダクタと電力伝送トランスとの動作磁束密度を最適に設計可能である。第1実施例では、E型磁性材E1の第1内部磁脚IL1、及び第2内部磁脚IL2が、第1外部磁脚OL1、及び第2外部磁脚OL2より短く加工されており、E型磁性材E1とI型磁性材I1との接合部にギャップが構成されている。 FIG. 5 is a circuit diagram of the power conversion circuit of the first embodiment using the topology of the LLC resonant half-bridge converter, where Vin is a DC input power source, Cf1 and Cf2 are smoothing capacitors, Q1 and Q2 are switch elements, and Cr1 is a resonance. Capacitor, Lr is a resonant inductor, T1 is a first transformer, Np is a primary coil, Ns1, Ns2 are first and second secondary coils, and IMAG1 is a composite of a resonant inductor Lr and a first transformer T1 Composite magnetic component. SR1 and SR2 are synchronous rectifiers, and Load is a load device that outputs an output voltage Vout. R1 and R2 are resistors, AMP1 is an error amplifier, Vref1 is a reference voltage, and ISO is an isolated signal transmission element formed of a photocoupler or the like to form a feedback loop. CNTP and CNTS are primary and secondary control circuits. Although the description of the power conversion operation is omitted, the LLC resonant converter requires a resonant inductor Lr in series with the primary coil Np of the transformer for highly efficient power conversion. In the present invention, the transformer and the resonant inductor can be configured as one composite magnetic component IMAG1. In the LLC resonant converter, the ratio Lm / Lr of the exciting inductance Lm of the transformer and the inductance Lr of the resonant inductor is generally set to about 3 to 10, but in the present invention, the first and second internal magnetic legs are set. , The number of turns of the coil wound around the first and second internal magnetic legs, and the gap provided in the magnetic path passing through the first and second internal magnetic legs, the inductance Lr of the resonant inductor, The excitation inductance Lm of the power transmission transformer and the operating magnetic flux density between the resonant inductor and the power transmission transformer can be optimally designed. In the first embodiment, the first internal magnetic leg IL1 and the second internal magnetic leg IL2 of the E-type magnetic material E1 are processed to be shorter than the first external magnetic leg OL1 and the second external magnetic leg OL2. A gap is formed at the junction between the type magnetic material E1 and the type I magnetic material I1.
《第2実施例》
図6は本発明の第2実施例における磁芯62を説明するための図である。図6(a1)、図6(a2)の第1のE型磁性材E2Aと、図6(b1)、図6(b2)の第2のE型磁性材E2Bとを嵌め合わせ、接着剤等により固定して形成される図6(c)に示す磁芯62においては、互いに実質的に平行に位置する一対の底板BSP1、BSP2と、底板BSP1、BSP2の両端部に配置された第1外部磁脚OL1、及び第2外部磁脚OL2と、第1外部磁脚OL1と第2外部磁脚OL2とから実質的に等距離の位置に並べられた第1内部磁脚IL1と第2内部磁脚IL2とを備えている。第1実施例と異なり、第2内部磁脚IL2が円柱状に形成され、第1外部磁脚OL1、及び第2外部磁脚OL2は第2内部磁脚IL2に沿って湾曲している。これは、第2内部磁脚IL2の断面積に対して、周回するコイルの長さを短くするための処理である。また、両方の磁性材が同一のE型形状なので磁性材を製造するための金型が1種類で済む利点がある。
<< Second Embodiment >>
FIG. 6 is a view for explaining the
図7は本発明の第2実施例における多層基板72であり、多層基板72は複数の磁脚貫通孔を備えている。第1、第2のE型磁性材E2A、E2Bの第1・第2外部磁脚OL1、OL2が第1、第2の磁脚貫通孔HOLE1、HOLE2を介して貫通し、第1・第2内部磁脚IL1、IL2が第3、第4の磁脚貫通孔HOLE3、HOLE4を介して貫通し、互いに嵌め合わされる。嵌め合わされた磁芯62は、第1内部磁脚IL1側に第1の開口面OF1、第2内部磁脚IL2側に第2の開口面OF2を備える。多層基板72はA、B、C、Dの4層で構成され、B層とC層は薄板基板の両面で形成され、A層−B層間とC層−D層間にはプリプレグPPを挟んで積層される。B層−C層間を貫通するインナービアホールIVHと全層を貫通するスルーホールTHで各層のパターン間を電気的に接続する。各層に形成されたコイルパターンと嵌め合わされた磁芯62とで複合磁性部品IMAG2が形成される。多層基板72は、複合磁性部品IMAG2を形成するほかに入力端子、出力端子を備え、かつ、表面と裏面に渡って多くの電子部品を実装して全体としてスイッチング電源装置82を構成し、入力端子側に1次回路、出力端子側に2次回路が配置される。トランスの2次コイルと直列に共振インダクタを接続する回路構成であるため、第1実施例とは逆に、複合磁性部品IMAG2は第1の開口面OF1を1次回路側、第2の開口面OF2を2次回路側に向けて配置しており、入出力配線の短縮が図られている。
FIG. 7 shows a
図8(a)〜図8(d)は、A、B、C、Dの各層に形成されたコイルパターンを、各層ごとに平面方向から見た図であり、スルーホールTHで接続されたA層とD層のコイルパターンが第1のトランスの1次コイルNp1を形成し、インナービアホールIVHで中間接続されたB層とC層のコイルパターンが第1のトランスの2次コイルNs1を形成する。第1のトランスの1次コイルNp1は、第2内部磁脚IL2のみの周囲に4ターン巻回されている。第1のトランスの2次コイルNs1は、直列接続された4ターンのコイルの内、1ターンのコイルは第1内部磁脚IL1と第2内部磁脚IL2の両方の周囲に渡って巻回されており、等価的に共振インダクタとの直列接続回路を形成する。第1のトランスの1次コイルNpに矢印で示した方向の電流が流れ始めると、右ねじの法則に対応した方向の磁界が発生する。第1のトランスの2次コイルNs1が、第2内部磁脚IL2に生じた磁界の変化を妨げる方向に電流を流すので、第2内部磁脚IL2がトランスとして作用する。 FIG. 8A to FIG. 8D are views of the coil patterns formed in the layers A, B, C, and D as seen from the plane direction for each layer, and A connected by the through hole TH. The coil pattern of the layer and the D layer forms the primary coil Np1 of the first transformer, and the coil pattern of the B layer and the C layer intermediately connected by the inner via hole IVH forms the secondary coil Ns1 of the first transformer. . The primary coil Np1 of the first transformer is wound four turns around only the second internal magnetic leg IL2. The secondary coil Ns1 of the first transformer is wound around both the first internal magnetic leg IL1 and the second internal magnetic leg IL2 among the 4-turn coils connected in series. Equivalently, a series connection circuit with a resonant inductor is formed. When a current in the direction indicated by the arrow begins to flow through the primary coil Np of the first transformer, a magnetic field in a direction corresponding to the right-handed screw law is generated. Since the secondary coil Ns1 of the first transformer passes a current in a direction that prevents a change in the magnetic field generated in the second internal magnetic leg IL2, the second internal magnetic leg IL2 acts as a transformer.
また、第2実施例の複合磁性部品IMAG2は、1次−2次間で電力を伝送する第1のトランスT1の他に、1次−2次間で信号を伝送する第2のトランスT2を備えており、かつ、両者は実質的に独立に動作する。第2のトランスT2の1次コイルNp2、2次コイルNs2は第1外部磁脚OL1、第2外部磁脚OL2に逆方向、同一巻き数巻回したコイルを直列接続して構成されており、第1のトランスT1による起電力はキャンセルされるので第2のトランスT2に出力しない。第2のトランスT2は第1・第2外部磁脚OL1、OL2と第1、第2の底板BSP1、BSP2で構成するU字形磁芯を利用しているとみなせる。第2のトランスT2の1次コイルNp2はA層に描かれており、ジャンパーチップ抵抗JP1を用いて交差する配線部分を形成している。第2のトランスT2の2次コイルNs2はB層に描かれており、インナービアホールIVHを用いて交差する配線部分をC層に形成している。 Further, the composite magnetic component IMAG2 of the second embodiment includes a second transformer T2 that transmits a signal between the primary and the secondary in addition to the first transformer T1 that transmits the power between the primary and the secondary. And both operate substantially independently. The primary coil Np2 and the secondary coil Ns2 of the second transformer T2 are configured by connecting in series a coil having the same number of turns in the reverse direction to the first external magnetic leg OL1 and the second external magnetic leg OL2, Since the electromotive force generated by the first transformer T1 is canceled, it is not output to the second transformer T2. The second transformer T2 can be regarded as using a U-shaped magnetic core composed of the first and second external magnetic legs OL1, OL2 and the first and second bottom plates BSP1, BSP2. The primary coil Np2 of the second transformer T2 is drawn in the A layer, and forms a wiring portion that intersects with the jumper chip resistor JP1. The secondary coil Ns2 of the second transformer T2 is drawn in the B layer, and the wiring portion intersecting with the inner via hole IVH is formed in the C layer.
図8(a)〜図8(d)のようにコイルを構成する事で、複合磁性部品IMAG2の等価回路は図9のようになり、励磁インダクタンスLmのトランスの2次コイルと直列に共振インダクタが接続された形となる。等価回路では、2次側の共振インダクタLrを1次側に換算するために係数の(Np/Ns)2を掛けて示した。共振インダクタと直列に存在するトランスの漏れインダクタンスは実質的に共振インダクタに包含されて動作する。 By configuring the coils as shown in FIGS. 8A to 8D, the equivalent circuit of the composite magnetic component IMAG2 is as shown in FIG. 9, and the resonant inductor is connected in series with the secondary coil of the transformer having the exciting inductance Lm. Will be connected. In the equivalent circuit, the secondary resonance inductor Lr is multiplied by a coefficient (Np / Ns) 2 in order to convert it to the primary side. The transformer leakage inductance present in series with the resonant inductor is substantially contained in the resonant inductor.
図10は1次側にアクティブクランプ、2次側に倍電圧整流を用いた第2実施例の電力変換回路の回路図であり、Vinは直流入力電源、Cacはクランプコンデンサ、Cf2、Cf3、Cf4は平滑コンデンサ、Q1、Q2はスイッチ素子、Lrは共振インダクタ、T1は第1のトランスで、Np1は1次コイル、Ns1は2次コイルである。T2は第2のトランスでNp2は1次コイル、Ns2は2次コイルである。SR1、SR2は同期整流素子、Lf1は出力フィルタインダクタ、Loadは負荷装置で出力電圧Voutが出力される。R1、R2は抵抗で、図示を省略したフィードバックループを有する。CNTP、CNTSは1次、2次制御回路である。電力変換動作の説明は割愛するが、本トポロジーにおいては、ゼロ電圧スイッチングを実現するために第1のトランスT1の1次コイルNp1、もしくは2次コイルNs1と直列に共振インダクタLrを必要とし、第2実施例では2次コイルNs1と直列に接続している。本発明では第1のトランスT1と第2のトランスT2と共振インダクタとを1つの複合磁性部品IMAG2として構成可能である。第1のトランスT1と共通の磁芯を用いて構成した第2のトランスT2は、1次制御回路CNTPと2次制御回路CNTSの間の信号伝送に用いられ、例えば、同期整流素子SR1、SR2の駆動タイミングの伝送に利用する事ができる。 FIG. 10 is a circuit diagram of the power conversion circuit of the second embodiment using an active clamp on the primary side and a voltage doubler rectification on the secondary side, Vin is a DC input power source, Cac is a clamp capacitor, Cf2, Cf3, Cf4 Is a smoothing capacitor, Q1 and Q2 are switch elements, Lr is a resonant inductor, T1 is a first transformer, Np1 is a primary coil, and Ns1 is a secondary coil. T2 is a second transformer, Np2 is a primary coil, and Ns2 is a secondary coil. SR1 and SR2 are synchronous rectifiers, Lf1 is an output filter inductor, and Load is a load device that outputs an output voltage Vout. R1 and R2 are resistors and have a feedback loop (not shown). CNTP and CNTS are primary and secondary control circuits. Although description of the power conversion operation is omitted, in this topology, a resonant inductor Lr is required in series with the primary coil Np1 or the secondary coil Ns1 of the first transformer T1 in order to realize zero voltage switching. In the second embodiment, the secondary coil Ns1 is connected in series. In the present invention, the first transformer T1, the second transformer T2, and the resonant inductor can be configured as one composite magnetic component IMAG2. The second transformer T2 configured using a common magnetic core with the first transformer T1 is used for signal transmission between the primary control circuit CNTP and the secondary control circuit CNTS. For example, the synchronous rectifier elements SR1 and SR2 Can be used for transmission of drive timing.
《第3実施例》
本発明の複合磁性部品を適用するスイッチング電源装置においては、一般的に制御回路やスイッチング素子の駆動回路で10V前後の直流電圧を必要とするが、設計条件によっては第2内部磁脚IL2の周囲に1ターン巻回したコイルを整流平滑しただけでも20V超の直流電圧が得られる場合があり、より適した直流電圧を得るためにトランスに0.5ターンのコイルを設ける応用例が考えられる。第3実施例では比較的小電力用途の直流電源を得るために、トランスに0.5ターンのコイルを設ける方法について2通りの例を示している。
<< Third embodiment >>
In a switching power supply apparatus to which the composite magnetic component of the present invention is applied, a DC voltage of about 10 V is generally required for a control circuit or a drive circuit for a switching element, but depending on design conditions, the surroundings of the second internal magnetic leg IL2 In some cases, a DC voltage of more than 20V may be obtained simply by rectifying and smoothing a coil wound for one turn, and in order to obtain a more suitable DC voltage, an application example in which a coil of 0.5 turns is provided in a transformer can be considered. In the third embodiment, in order to obtain a DC power source for comparatively low power use, two examples of a method of providing a 0.5-turn coil in the transformer are shown.
図11は本発明の第3実施例における磁芯63Aを説明するための図である。図11(a1)、図11(a2)のE型磁性材E3Aと、図11(b1)、図11(b2)のI型磁性材I3とを嵌め合わせて形成される図11(c)に示す磁芯63Aにおいては、互いに実質的に平行に位置する一対の底板BSP1、BSP2と、底板BSP1の両端部に配置された第1外部磁脚OL1、及び第2外部磁脚OL2と、第1外部磁脚OL1と第2外部磁脚OL2とから実質的に等距離の位置に並べられた第1内部磁脚IL1と第2内部磁脚IL2とを備えており、第2内部磁脚IL2を、隙間を隔てて実質的に同一断面積の磁脚IL2−1、IL2−2に2分割して形成している。第3実施例では、E型磁性材E3Aの第1内部磁脚IL1、及び第2内部磁脚IL2が、第1外部磁脚OL1、及び第2外部磁脚OL2より短く加工されており、E型磁性材E3AとI型磁性材I3との接合部にギャップが構成されている。
FIG. 11 is a view for explaining the
図12(a)、図12(b)は、図11の第3実施例における磁芯63Aを用いてトランスに0.5ターンのコイルを構成する方法を示しており、1ターンのコイルが磁脚IL2−1とIL2−2とで構成する第2内部磁脚IL2の周囲に巻回しているのに対して、0.5ターンのコイルは磁脚IL2−1のみの周囲に巻回しており、通過する磁束量が1/2になる事から0.5ターンに相当する電圧が得られる。
FIGS. 12A and 12B show a method of forming a 0.5-turn coil in the transformer using the
図13は本発明の第3実施例の変形例における磁芯63Bを説明するための図である。図13(a1)、図13(a2)のE型磁性材E3Bと、図13(b1)、図13(b2)のI型磁性材I3とを嵌め合わせて形成される図13(c)に示す磁芯63Bにおいては、互いに実質的に平行に位置する一対の底板BSP1、BSP2と、底板BSP1の両端部に配置された第1外部磁脚OL1、及び第2外部磁脚OL2と、第1外部磁脚OL1と第2外部磁脚OL2とから実質的に等距離の位置に並べられた第1内部磁脚IL1と第2内部磁脚IL2とを備えており、第1内部磁脚IL1を、隙間を隔てて実質的に同一断面積の磁脚IL1−1、IL1−2に2分割して形成している。
FIG. 13 is a view for explaining a
図14(a)、図14(b)は、図13の第3実施例の変形例における磁芯63Bを用いてトランスに0.5ターンのコイルを構成する方法を示しており、1ターンのコイルが第2内部磁脚IL2の周囲に巻回しているのに対して、0.5ターンのコイルは第1外部磁脚OL1と、磁脚IL1−1との周囲に渡って1回巻回する事で、第2内部磁脚IL2を通過する磁束の1/2の磁束量を得ており、0.5ターンに相当する電圧が得られる。
14 (a) and 14 (b) show a method of forming a 0.5 turn coil in the transformer using the
なお、本発明は前述した以外にも多くの応用例に展開可能である。例えば、磁芯の形状を各実施例に示した以外の形状で設計しても良いし、複合磁性部品の各コイルを基板のパターンで形成したプリントコイルではなく、巻き線機を用いてボビンに銅線を巻回して各コイルを構成しても良い。各実施例に示した以外のトポロジーの絶縁型スイッチング電源にも適用可能であり、例えば、インバータ等にも適用可能である。 It should be noted that the present invention can be applied to many applications other than those described above. For example, the shape of the magnetic core may be designed in a shape other than that shown in each embodiment, and each coil of the composite magnetic component is not a printed coil formed by a substrate pattern, but a bobbin using a winding machine. Each coil may be formed by winding a copper wire. The present invention can be applied to an insulation type switching power supply having a topology other than that shown in each embodiment, for example, an inverter.
61、62、63A、63B・・・磁芯(magnetic core)
71、72・・・多層基板(multilayer PCB)
81、82・・・スイッチング電源装置(switching power supply apparatus)
E1、E2A、E2B、E3A、E3B・・・E型磁性材(E type core member)
I1、I3・・・I型磁性材(I type core member)
BSP1・・・磁性材の第1の底板(first base plate of the magnetic core)
BSP2・・・磁性材の第2の底板(second base plate of the magnetic core)
OL1・・・磁性材の第1外部磁脚(first outer leg of the magnetic core)
OL2・・・磁性材の第2外部磁脚(second outer leg of the magnetic core)
IL1・・・磁性材の第1内部磁脚(共振インダクタを構成する磁脚)(first inner leg of the magnetic core)
IL1−1、IL1−2・・・第1内部磁脚IL1を、隙間を隔てて実質的に同一断面積に2分割した磁脚(first inner legs of the magnetic core which are separated into 2 portions with a spacing)
IL2・・・磁性材の第2内部磁脚(第1のトランスを構成する磁脚)(second inner leg of the magnetic core)
IL2−1、IL2−2・・・第2内部磁脚IL2を、隙間を隔てて実質的に同一断面積に2分割した磁脚(second inner legs of the magnetic core which are separated into 2 portions with a spacing)
HOLE1・・・多層基板に設けられた第1の磁脚貫通孔(第1外部磁脚が貫通)(first through-hole for the magnetic core)
HOLE2・・・多層基板に設けられた第2の磁脚貫通孔(第2外部磁脚が貫通)(second through-hole for the magnetic core)
HOLE3・・・多層基板に設けられた第3の磁脚貫通孔(第1内部磁脚が貫通)(third through-hole for the magnetic core)
HOLE4・・・多層基板に設けられた第4の磁脚貫通孔(第2内部磁脚が貫通)(fourth through-hole for the magnetic core)
A層、B層、C層、D層・・・多層基板の各導体層(layer-A、layer-B、layer-C、layer-D)
PP・・・プリプレグ(prepreg)
IVH・・・インナービアホール(薄板両面基板のみを貫通)(inner via hole)
TH・・・スルーホール(全層を貫通)(through-hole)
JP1・・・ジャンパーチップ抵抗(jumper-wire-resistor)
OF1・・・複合磁性部品の第1内部磁脚IL1側に面する第1の開口面
OF2・・・複合磁性部品の第2内部磁脚IL2側に面する第2の開口面
Lr・・・共振インダクタ(resonant inductor)
Lf1・・・出力フィルタインダクタ(output-filter inductor)
T1・・・第1のトランス(電力伝送用)(first transformer)
IMAG1、IMAG2・・・複合磁性部品(integrated magnetic component)
Lm・・・第1のトランスの励磁インダクタンス(magnetizing inductance of the first transformer)
T2・・・第2のトランス(信号伝送用)(second transformer)
Np、Np1、Np2・・・1次コイル(primary coil)
Ns、Ns1、Ns2・・・2次コイル(secondary coil)
Vin・・・直流入力電源、直流入力電圧(DC-input power supply, DC-input voltage)
Vout・・・直流出力電圧(DC-output voltage)
Cf1、Cf2、Cf3、Cf4・・・平滑コンデンサ
Cr・・・共振コンデンサ(resonant capacitor)
Cac・・・クランプコンデンサ(clamp capacitor)
Q1、Q2・・・スイッチ素子(switching element)
SR1、SR2・・・同期整流素子(synchronous rectifier)
Load・・・負荷装置(load apparatus)
R1、R2・・・抵抗(resistor)
AMP1・・・誤差アンプ(error amplifier)
Vref1・・・基準電圧源(reference voltage source)
ISO・・・絶縁信号伝送素子(フォトカプラ等)(isolated signal transmission element)
CNTP・・・1次制御回路(primary control circuit)
CNTS・・・2次制御回路(secondary control circuit)
61, 62, 63A, 63B ... magnetic core
71, 72 ... multilayer PCB
81, 82 ... switching power supply apparatus
E1, E2A, E2B, E3A, E3B ... E type core member
I1, I3 ... I type core member
BSP1 ... First base plate of the magnetic core
BSP2 ... second base plate of the magnetic core
OL1 ... first outer leg of the magnetic core
OL2 ... second outer leg of the magnetic core
IL1 ... 1st inner leg of the magnetic material (the first inner leg of the magnetic core)
IL1-1, IL1-2 ... The first inner legs of the magnetic core which are separated into 2 portions with a spacing)
IL2: second inner leg of the magnetic core (second inner leg of the magnetic core)
IL2-1, IL2-2 ... second inner legs of the magnetic core which are separated into 2 portions with a spacing)
HOLE1... First through-hole for the magnetic core (first through-hole for the magnetic core)
HOLE2 ... second through-hole for the magnetic core (second through-hole for the magnetic core)
HOLE3... Third through-hole for the magnetic core (third through-hole for the magnetic core)
HOLE4: Fourth through-hole for the magnetic core (fourth through-hole for the magnetic core)
A layer, B layer, C layer, D layer ... each conductor layer of multilayer board (layer-A, layer-B, layer-C, layer-D)
PP ... prepreg
IVH ... Inner via hole (through only thin double-sided board)
TH ... through-hole (through-hole)
JP1 ... Jumper chip resistor (jumper-wire-resistor)
OF1... First aperture surface OF2 facing the first internal magnetic leg IL1 side of the composite magnetic component... Second aperture surface Lr facing the second internal magnetic leg IL2 side of the composite magnetic component. Resonant inductor
Lf1 ... output-filter inductor
T1: First transformer (for power transmission) (first transformer)
IMAG1, IMAG2 ... Integrated magnetic component
Lm ... magnetizing inductance of the first transformer
T2 ... Second transformer (for signal transmission) (second transformer)
Np, Np1, Np2 ... Primary coil
Ns, Ns1, Ns2 ... secondary coil
Vin: DC input power supply, DC-input power supply
Vout ・ ・ ・ DC-output voltage
Cf1, Cf2, Cf3, Cf4: Smoothing capacitor Cr: Resonant capacitor
Cac ・ ・ ・ Clamp capacitor
Q1, Q2 ... switching element
SR1, SR2 ... Synchronous rectifier
Load ... load apparatus
R1, R2 ... resistors
AMP1... Error amplifier
Vref1 ... reference voltage source
ISO ・ ・ ・ Insulated signal transmission element (photocoupler, etc.)
CNTP ... Primary control circuit
CNTS ... secondary control circuit
Claims (9)
前記第1内部磁脚を通過する磁束によって共振インダクタ、前記第2内部磁脚を通過する磁束によって電力伝送トランスが形成され、
前記電力伝送トランスの1次コイルまたは2次コイルと等価的に直列に前記共振インダクタが接続されて成る複合磁性部品において、
前記電力伝送トランスの1次コイルまたは2次コイルのうち一方は、複数ターンのコイルを形成するために直列接続された各ターンのコイルのうち、少なくとも1ターンのコイルが前記第1内部磁脚と第2内部磁脚の両方の周囲に渡って巻回されて等価的に前記共振インダクタとの直列接続回路を形成し、
前記電力伝送トランスの1次コイルまたは2次コイルのうち他方は、コイルが前記第2内部磁脚のみの周囲に巻回される事を特徴とする複合磁性部品。 A magnetic core formed by fitting a pair of magnetic materials, a pair of bottom plates positioned substantially parallel to each other, a first external magnetic leg disposed at both ends of the bottom plate, and a second external magnet A first internal magnetic leg and a second internal magnetic leg arranged substantially equidistant from the first external magnetic leg and the second external magnetic leg;
A resonance inductor is formed by the magnetic flux passing through the first internal magnetic leg, and a power transmission transformer is formed by the magnetic flux passing through the second internal magnetic leg,
In the composite magnetic component comprising the resonance inductor connected in series with the primary coil or the secondary coil of the power transmission transformer,
One of the primary coil and the secondary coil of the power transmission transformer is a coil of at least one turn among the coils of each turn connected in series to form a coil of a plurality of turns. Wound around both of the second internal magnetic legs to equivalently form a series connection circuit with the resonant inductor;
The other of the primary coil and the secondary coil of the power transmission transformer is a composite magnetic component in which the coil is wound around only the second internal magnetic leg.
前記磁芯は、電力伝送トランスの1次コイルと1次回路、電力伝送トランスの2次コイルと2次回路を接続するために前記第1内部磁脚側に第1の開口面、前記第2内部磁脚側に第2の開口面を備え、
前記複合磁性部品は、前記電力伝送トランスの1次コイルと等価的に共振インダクタが直列接続される場合は、前記第1の開口面を1次回路側、前記第2の開口面を2次回路側に向けて配置されて、前記第1の開口面を介して前記電力伝送トランスの1次コイルと1次回路が接続され、前記第2の開口面を介して前記電力伝送トランスの2次コイルと2次回路が接続され、
逆に前記電力伝送トランスの2次コイルと等価的に共振インダクタが直列接続される場合は、前記第1の開口面を2次回路側、前記第2の開口面を1次回路側に向けて配置されて、前記第1の開口面を介して前記電力伝送トランスの2次コイルと2次回路が接続され、前記第2の開口面を介して前記電力伝送トランスの1次コイルと1次回路が接続された事を特徴とするスイッチング電源装置。 A composite magnetic component according to any one of claims 1 to 7,
The magnetic core includes a first opening surface on the first internal magnetic leg side to connect the primary coil and the primary circuit of the power transmission transformer, the secondary coil and the secondary circuit of the power transmission transformer, and the second A second opening surface is provided on the inner magnetic leg side,
In the composite magnetic component, when a resonant inductor is connected in series with the primary coil of the power transmission transformer, the first opening surface is on the primary circuit side, and the second opening surface is on the secondary circuit side. And the primary coil of the power transmission transformer and the primary circuit are connected via the first opening surface, and the secondary coil and 2 of the power transmission transformer are connected via the second opening surface. The next circuit is connected,
On the other hand, when a resonant inductor is connected in series with the secondary coil of the power transmission transformer, the first opening surface is disposed on the secondary circuit side and the second opening surface is disposed on the primary circuit side. The secondary coil and the secondary circuit of the power transmission transformer are connected through the first opening surface, and the primary coil and the primary circuit of the power transmission transformer are connected through the second opening surface. Switching power supply device characterized by that.
前記共振インダクタが作用するLC共振動作によって、1次回路、もしくは2次回路のスイッチ素子をゼロ電圧スイッチング、もしくはゼロ電流スイッチングする事を特徴とするスイッチング電源装置。 A composite magnetic component according to any one of claims 1 to 7,
A switching power supply device characterized in that a switching element of a primary circuit or a secondary circuit is subjected to zero voltage switching or zero current switching by an LC resonance operation in which the resonant inductor acts.
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