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特開2023-139567インダクタ及びこれを備えるDCDCコンバータ
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023139567
(43)【公開日】2023-10-04
(54)【発明の名称】インダクタ及びこれを備えるDCDCコンバータ
(51)【国際特許分類】
   H01F 17/04 20060101AFI20230927BHJP
   H01F 27/00 20060101ALI20230927BHJP
   H01F 37/00 20060101ALI20230927BHJP
【FI】
H01F17/04 F
H01F17/04 A
H01F27/00 R
H01F37/00 A
H01F37/00 C
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2022045151
(22)【出願日】2022-03-22
(71)【出願人】
【識別番号】000003067
【氏名又は名称】TDK株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100115738
【弁理士】
【氏名又は名称】鷲頭 光宏
(74)【代理人】
【識別番号】100121681
【弁理士】
【氏名又は名称】緒方 和文
(72)【発明者】
【氏名】黒田 朋史
(72)【発明者】
【氏名】大村 匠
(72)【発明者】
【氏名】関 昭彦
(72)【発明者】
【氏名】相場 遥佳
【テーマコード(参考)】
5E070
【Fターム(参考)】
5E070AA01
5E070AB03
5E070BA11
5E070BA17
5E070BB01
5E070CA07
5E070CA13
(57)【要約】
【課題】コイル導体間の結合がより低減されたインダクタを提供する。
【解決手段】インダクタ10は、複数の軟磁性薄帯131がZ方向に積層されてなる磁性コア100と、磁性コア100をZ方向に貫通し、X方向に配列された第1及び第2貫通孔101,102にそれぞれ挿入された第1及び第2コイル導体110,120とを備える。複数の軟磁性薄帯131のそれぞれは、ギャップGによって複数の小片Pに分割されている。X方向におけるギャップGの平均間隔をa1とし、Y方向におけるギャップGの平均間隔をa2とした場合、a1がa2よりも小さい。これにより、第1コイル導体110と第2コイル導体120の結合係数が低下する。
【選択図】図3
【特許請求の範囲】
【請求項1】
互いに直交する第1及び2方向に延在する複数の軟磁性薄帯が前記第1及び第2方向と直交する第3方向に積層されてなる磁性コアと、
前記磁性コアを前記第3方向に貫通し、前記第1方向に配列された第1及び第2貫通孔にそれぞれ挿入された第1及び第2コイル導体と、を備え、
前記複数の軟磁性薄帯のそれぞれは、ギャップによって複数の小片に分割されており、
前記第1方向における前記ギャップの平均間隔をa1とし、前記第2方向における前記ギャップの平均間隔をa2とした場合、a1がa2よりも小さい、インダクタ。
【請求項2】
前記磁性コアは、前記第3方向に貫通し、前記第1方向に配列された第3及び第4貫通孔をさらに有し、
前記第1及び第3貫通孔は、前記第2方向に配列され、
前記第2及び第4貫通孔は、前記第2方向に配列され、
前記第1コイル導体は、前記第1貫通孔に挿入される区間と前記第3貫通孔に挿入される区間を有し、
前記第2コイル導体は、前記第2貫通孔に挿入される区間と前記第4貫通孔に挿入される区間を有する、請求項1に記載のインダクタ。
【請求項3】
a1/a2の値が0.9以下である、請求項1又は2に記載のインダクタ。
【請求項4】
前記a1/a2の値が0.5以上、0.8以下である、請求項3に記載のインダクタ。
【請求項5】
前記第1及び第2貫通孔の前記第2方向における幅をcとした場合、a2<cを満たす、請求項1乃至4のいずれか一項に記載のインダクタ。
【請求項6】
前記磁性コアの前記第1方向におけるエッジと前記第1及び第2貫通孔の前記エッジに近い方との前記第1方向における距離をdとし、前記第1貫通孔と前記第2貫通孔の前記第1方向における距離を2eとした場合、前記a1/a2の値は、d/eの値の0.9倍以下である、請求項1乃至5のいずれか一項に記載のインダクタ。
【請求項7】
請求項1乃至6のいずれか一項に記載のインダクタを備えるDCDCコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示はインダクタ及びこれを備えるDCDCコンバータに関する。
【背景技術】
【0002】
スイッチング電源の回路トポロジのひとつにマルチフェーズ回路があり、大電流をハンドリングするのに適した電源回路として用いられている。このようなマルチフェーズのスイッチング電源においては、複数個のコイル導体が用いられる。これら複数個のコイル導体は、1つの磁性コアに配置することによってマルチフェーズインダクタを構成すれば、実装面積や体積を小型化することができる。
【0003】
マルチフェーズインダクタは1つの磁性コアに複数のコイル導体が配置されるため、コイル導体同士が結合するという問題がある。コイル導体間が結合すると、漏れインダクタンスが小さくなるため、インダクタの電流変化、すなわちリップル電流が大きくなってしまう。そのため、コイル導体間の結合を小さくしたマルチフェーズインダクタが求められており、例えば、特許文献1においては、小片に分割された複数の軟磁性薄帯が積層されてなる磁性コアを用いることで、コイル導体間の結合を低減している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2022-026401号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本開示は、コイル導体間の結合がより低減されたインダクタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本開示によるインダクタは、互いに直交する第1及び2方向に延在する複数の軟磁性薄帯が第1及び第2方向と直交する第3方向に積層されてなる磁性コアと、磁性コアを第3方向に貫通し、第1方向に配列された第1及び第2貫通孔にそれぞれ挿入された第1及び第2コイル導体とを備え、複数の軟磁性薄帯のそれぞれは、ギャップによって複数の小片に分割されており、第1方向におけるギャップの平均間隔をa1とし、第2方向におけるギャップの平均間隔をa2とした場合、a1がa2よりも小さい。
【発明の効果】
【0007】
本開示によれば、コイル導体間の結合がより低減されたインダクタを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
図1図1は、本開示の第1の実施形態によるインダクタ10の外観を示す略斜視図である。
図2図2は、磁性コア100の構造を説明するための模式図である。
図3図3は、軟磁性薄帯131の模式的なXY平面図である。
図4図4は、軟磁性薄帯131の一部を拡大して示す略平面図である。
図5図5は、軟磁性薄帯131にギャップGを形成する方法を説明するための模式図である。
図6図6は、本開示の第2の実施形態によるインダクタ20の外観を示す略斜視図である。
図7図7は、インダクタ10又は20を用いたDCDCコンバータ30の回路図である。
図8図8は、実施例の結果を示す表である。
図9図9は、実施例の結果を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、添付図面を参照しながら、本開示の好ましい実施形態について詳細に説明する。
【0010】
図1は、本開示の第1の実施形態によるインダクタ10の外観を示す略斜視図である。
【0011】
図1に示すように、第1の実施形態によるインダクタ10は、第1貫通孔101及び第2貫通孔102を有する磁性コア100と、第1貫通孔101に挿入された第1コイル導体110と、第2貫通孔102に挿入された第2コイル導体120とを備えている。磁性コア100の外形は略直方体形状であり、第1及び第2貫通孔101,102は、磁性コア100を第3方向であるZ方向に貫通する。第1貫通孔101と第2貫通孔102は、第1方向であるX方向に配列されている。第1貫通孔101と第2貫通孔102の第2方向であるY方向における位置は等しく、磁性コア100のY方向における略中央に配置されている。
【0012】
第1コイル導体110及び第2コイル導体120は、いずれも銅(Cu)などの良導体からなり、Z方向における両端が磁性コア100から露出している。第1コイル導体110のZ方向における一端111には端子電極11が設けられ、第2コイル導体120のZ方向における一端121には端子電極12が設けられる。同様に、第1コイル導体110のZ方向における他端112には端子電極13が設けられ、第2コイル導体120のZ方向における他端122には端子電極14が設けられる。端子電極11,13は、第1コイル導体110によって構成される第1インダクタの入力端子及び出力端子として用いられ、端子電極12,14は、第2コイル導体120によって構成される第2インダクタの入力端子及び出力端子として用いられる。
【0013】
磁性コア100は、図2に示すように、XY方向に延在する複数の軟磁性薄帯131が樹脂などの非磁性材料132を介してZ方向に積層された構成を有している。これにより、磁性コア100は、XY平面方向における透磁率が高く、Z方向における透磁率が低くなる。磁性コア100を構成する軟磁性薄帯131は、アモルファス合金やナノ結晶合金などの高透磁率金属材料からなり、XY平面図である図3に示すように、網目状のギャップGによって複数の小片Pに分割されている。ギャップGは、軟磁性薄帯131のXY平面方向における透磁率を調整する役割を果たし、これによりインダクタ10の磁気飽和が防止される。
【0014】
図4は、軟磁性薄帯131の一部を拡大して示す略平面図である。
【0015】
図4に示すように、軟磁性薄帯131に設けられたギャップGはランダムではなく、主に、略X方向に延在するギャップGxと、略Y方向に延在するギャップGyによって構成されている。そして、X方向に隣接するギャップGyのX方向における間隔をa1とし、Y方向に隣接するギャップGxのY方向における間隔をa2とした場合、a1<a2である。つまり、ギャップGyのX方向における間隔よりも、ギャップGxのY方向における間隔の方が広い。好ましくはa1/a2の値が0.9以下であり、より好ましくはa1/a2の値が0.5以上、0.8以下である。a1の値は50~160μmの範囲であることが好ましく、a2の値は63~200μmの範囲であることが好ましい。
【0016】
ここで、a1,a2の値が一定ではない場合、平均値を用いても構わない。つまり、a1としては、X方向に隣接するギャップGyのX方向における平均間隔とし、a2としては、Y方向に隣接するギャップGxのY方向における平均間隔としても構わない。X方向に隣接するギャップGyのX方向における平均間隔a1及びY方向に隣接するギャップGxのY方向における平均間隔a2は、軟磁性薄帯131のXY平面を撮像した画像から求めることができる。一例として、図4に示すように、軟磁性薄帯131のXY平面を撮像した画像に任意の判定領域131Aを設定するとともに、この判定領域131A内にX方向に延在する仮想線LxとY方向に延在する仮想線Lyを設定し、仮想線Lxと交差するギャップGyの数と、仮想線Lyと交差するギャップGxの数に基づいて、a1,a2の値を決定することができる。図4に示す例では、仮想線Lxと交差するギャップGyの数は10個であり、仮想線Lyと交差するギャップGxの数は7個であることから、判定領域131AのX方向における幅をWx、判定領域131AのY方向における幅をWyとした場合、a1=Wx/10、a2=Wy/7となる。仮想線Lx,Lyは、それぞれ複数本設定しても構わない。また、判定領域131Aを複数設定しても構わないし、そのサイズも特に限定されない。判定領域131Aを設定する位置についても特に限定されないが、第1貫通孔101と第2貫通孔102の間に設定することが好ましい。
【0017】
このような形状を有するギャップGを形成する方法としては、図5に示すように、複数のネジ山を有するローラー15に軟磁性薄帯131を押し当てることによって、ネジ山に沿った略平行なギャップGを形成した後、軟磁性薄帯131を90°回転させた状態で同様の工程を行う方法が挙げられる。この場合、ネジ山のピッチ、ローラー15に押し当てる順序などによって、a1,a2の値を調整することができる。
【0018】
このように、本実施形態においては、軟磁性薄帯131に設けられたギャップGがa1<a2の条件を満たしていることから、透磁率に異方性が生じる。つまり、Y方向における透磁率よりもX方向における透磁率の方が低くなる。これにより、軟磁性薄帯131の透磁率に異方性がない場合と比べて、X方向に配列される第1コイル導体110と第2コイル導体120の結合を低下させることが可能となる。第1コイル導体110と第2コイル導体120の結合係数は、一般的にはゼロに近いほど望ましいと考えられているが、DCDCコンバータ用のインダクタとして用いる場合には、ある程度の結合係数を有していた方が出力電圧の変動が小さくなる。具体的には、第1コイル導体110と第2コイル導体120の結合係数は、0.05~0.1の範囲であることが好ましい。
【0019】
また、図3に示すように、第1及び第2貫通孔101,102のY方向における幅をcとした場合、a2<cを満たしていることが好ましい。これによれば、第1及び第2貫通孔101,102のX方向における端面近傍においてギャップGxの存在しない領域が形成されず、第1及び第2貫通孔101,102のX方向における端面近傍に少なくとも一つのギャップGxが存在することになる。このため、第1及び第2貫通孔101,102のX方向における端面近傍における透磁率が局所的に高くなることがなく、所望の透磁率を得ることが可能となる。なお、図3は貫通孔形状が四角形の場合を示しているが、円形や楕円形などの場合にはY方向の最大幅をcとする。
【0020】
さらに、図3に示すように、磁性コア100のX方向におけるエッジEと第1及び第2貫通孔101,102のエッジEに近い方とのX方向における距離をdとし、第1貫通孔101と第2貫通孔102のX方向における距離を2eとした場合、上述したa1/a2の値は、d/eの値の0.9倍以下であることが好ましい。ここで、距離dを固定しつつ磁性コア100のX方向におけるサイズを小型化するためには、距離2eを小さくする必要があり、この場合、d/eの値は大きくなる。しかしながら、距離2eを小さくすると第1コイル導体110と第2コイル導体120の結合が強くなる。そして、第1コイル導体110と第2コイル導体120の結合を0.1以下に抑えつつ、磁性コア100のX方向におけるサイズを小型化するためには、a1/a2の値をd/eの値の0.9倍以下とすればよい。つまり、a1/a2の値を十分に小さくすることにより、第1コイル導体110と第2コイル導体120の結合を0.1以下に抑えつつ、磁性コア100のX方向におけるサイズを小型化することが可能となる。
【0021】
なお、距離dには、磁性コア100のX方向における一方(正側)のエッジEと一方のエッジEに近い方である第2貫通孔102とのX方向における距離dと、磁性コア100のX方向における他方(負側)のエッジEと他方のエッジEに近い方である第1貫通孔101とのX方向における距離dがあり、これらは互いに等しくなるように設定される。但し、製造ばらつきによる誤差は等しい範囲に含まれるものとする。また、第1貫通孔101と第2貫通孔102のX方向における距離2eは、第1貫通孔101の第2貫通孔102側の縁から第2貫通孔102の第1貫通孔101側の縁までの距離である。
【0022】
図6は、本開示の第2の実施形態によるインダクタ20の外観を示す略斜視図である。
【0023】
図6に示すように、第2の実施形態によるインダクタ20は、第1~第4貫通孔101~104を有する磁性コア100と、第1及び第3貫通孔101,103に挿入された第1コイル導体210と、第2及び第4貫通孔102,104に挿入された第2コイル導体220とを備えている。第1~第4貫通孔101~104は、いずれも磁性コア100をZ方向に貫通する。第1貫通孔101と第2貫通孔102はX方向に配列され、第3貫通孔103と第4貫通孔104はX方向に配列され、第1貫通孔101と第3貫通孔103はY方向に配列され、第2貫通孔102と第4貫通孔104はY方向に配列されている。
【0024】
第1コイル導体210は、第1貫通孔101に挿入される区間211と、第3貫通孔103に挿入される区間212と、区間211,212を接続する区間213とを有している。第1コイル導体210は、区間211、区間213、区間212が連続して接続されることにより1ターンのコイルが構成される。同様に、第2コイル導体220は、第2貫通孔102に挿入される区間221と、第4貫通孔104に挿入される区間222と、区間221,222を接続する区間223とを有している。第2コイル導体220は、区間221、区間223、区間222が連続して接続されることにより1ターンのコイルが構成される。そして、磁性コア100から突出する区間211,212のZ方向における先端は、第1コイル導体210によって構成される第1インダクタの入力端子及び出力端子として用いられ、磁性コア100から突出する区間221,222のZ方向における先端は、第2コイル導体220によって構成される第2インダクタの入力端子及び出力端子として用いられる。なお、磁性コア100から突出する区間211,212,221,222のZ方向における先端は、XY平面の面内方向に沿って延在する区間をさらに備えていてもよい。これにより、インダクタ20を基板に実装する際の基板のパッドに対して接続し易くなる。
【0025】
本実施形態においても、第1の実施形態と同様、磁性コア100を構成する軟磁性薄帯131に設けられたギャップGがa1<a2の関係を満たすことにより、第1コイル導体210と第2コイル導体220の結合を抑えることが可能となる。
【0026】
本実施形態によるインダクタ20が例示するように、各コイル導体は、複数の貫通孔に挿入された形状を有していても構わない。また、コイル導体の断面や貫通孔の断面が矩形である必要はなく、図6に示すように円形であっても構わない。
【0027】
図7は、インダクタ10又は20を用いたDCDCコンバータ30の回路図である。
【0028】
図7に示すDCDCコンバータ30は、一対の入力端子51,52と、一対の出力端子53,54と、入力端子51と出力端子53の間に直列にこの順に接続されたスイッチングトランジスタSW1及びインダクタL1と、入力端子51と出力端子53の間に直列にこの順に接続されたスイッチングトランジスタSW2及びインダクタL2と、出力端子53,54間に接続されたキャパシタC1とを備えている。スイッチングトランジスタSW1とインダクタL1からなる回路と、スイッチングトランジスタSW2とインダクタL2からなる回路は、入力端子51と出力端子53の間に並列に接続される。入力端子52と出力端子54はグランドラインを構成する。スイッチングトランジスタSW1及びインダクタL1の接続点とグランドラインの間にはダイオードD1が逆方向に接続され、スイッチングトランジスタSW2及びインダクタL2の接続点とグランドラインの間にはダイオードD2が逆方向に接続される。スイッチングトランジスタSW1,SW2は、図示しない制御回路によって交互にオンオフし、これにより、入力電圧Vinを降圧した出力電圧Voutが生成される。
【0029】
このような構成を有するDCDCコンバータ30において、上述したインダクタ10又は20がインダクタL1,L2として用いられる。例えば、第1コイル導体110,210が一方のインダクタL1を構成し、第2コイル導体120,220が他方のインダクタL2を構成する。これにより、DCDCコンバータ30を構成する部品点数を削減することが可能となる。
【0030】
以上、本開示の好ましい実施形態について説明したが、本開示は、上記の実施形態に限定されることなく、本開示の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本開示の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【0031】
本開示に係る技術には、以下の構成例が含まれるが、これに限定されるものではない。
【0032】
本開示によるインダクタは、互いに直交する第1及び2方向に延在する複数の軟磁性薄帯が第1及び第2方向と直交する第3方向に積層されてなる磁性コアと、磁性コアを第3方向に貫通し、第1方向に配列された第1及び第2貫通孔にそれぞれ挿入された第1及び第2コイル導体とを備え、複数の軟磁性薄帯のそれぞれは、ギャップによって複数の小片に分割されており、第1方向におけるギャップの平均間隔をa1とし、第2方向におけるギャップの平均間隔をa2とした場合、a1がa2よりも小さい。これによれば、コイル導体間の結合がより低減された複合インダクタを提供することが可能となる。
【0033】
磁性コアは、第3方向に貫通し、第1方向に配列された第3及び第4貫通孔をさらに有し、第1及び第3貫通孔は第2方向に配列され、第2及び第4貫通孔は第2方向に配列され、第1コイル導体は、第1貫通孔に挿入される区間と第3貫通孔に挿入される区間を有し、第2コイル導体は、第2貫通孔に挿入される区間と第4貫通孔に挿入される区間を有していても構わない。これによれば、より高いインダクタンスを得ることが可能となる。
【0034】
a1/a2の値は、0.9以下であっても構わない。これによれば、コイル導体間の結合係数が0.1以下である複合インダクタを提供することが可能となる。
【0035】
a1/a2の値は、0.5以上、0.8以下であっても構わない。これによれば、コイル導体間の結合係数を0.05~0.1の範囲とすることが可能となる。
【0036】
第1及び第2貫通孔の第2方向における幅をcとした場合、a2<cを満たしていても構わない。これによれば、第1及び第2貫通孔の第1方向における端面近傍における透磁率が局所的に高くなることがなく、所望の透磁率を得ることが可能となる。
【0037】
磁性コアの第1方向におけるエッジと第1及び第2貫通孔のエッジに近い方との第1方向における距離をdとし、第1貫通孔と第2貫通孔の第1方向における距離を2eとした場合、a1/a2の値は、d/eの値の0.9倍以下であっても構わない。これによれば、第1コイル導体と第2コイル導体の結合を0.1以下に抑えつつ、磁性コアの第1方向におけるサイズを小型化することが可能となる。
【0038】
本開示によるDCDCコンバータは、上記のインダクタを備えている。これによれば、コイル導体間の結合係数が0.1以下である複合インダクタを用いたDCDCコンバータを提供することが可能となる。
【実施例0039】
ギャップGの構造が互いに異なる複数の軟磁性薄帯131を用意し、図1に示すインダクタ10と同じ構造を有するサンプルを実際に作製した。そして、各サンプルについて、第1コイル導体110と第2コイル導体120の結合係数Kを測定した。各サンプルとも、磁性コア100のX方向おけるサイズは6mm、磁性コア100のY方向おけるサイズは4.5mm、距離dは0.5mm、距離2eは1mmに固定した。結果を図8に示す。
【0040】
図8に示すように、a1/a2の値が小さくなるほど、結合係数Kが低下することが分かる。また、a1/a2の値と結合係数Kの関係を示すグラフである図9に示すように、a1/a2の値が0.9以下であれば、結合係数Kが0.1以下となった。また、a1/a2の値が0.5以上、0.8以下であれば、結合係数Kが0.05~0.1の範囲となった。
【符号の説明】
【0041】
10,20 インダクタ
11~14 端子電極
15 ローラー
30 DCDCコンバータ
51 入力端子
51,52 入力端子
53,54 出力端子
100 磁性コア
101 第1貫通孔
102 第2貫通孔
103 第3貫通孔
104 第4貫通孔
110 第1コイル導体
111 第1コイル導体の一端
112 第1コイル導体の他端
120 第2コイル導体
121 第2コイル導体の一端
122 第2コイル導体の他端
131 軟磁性薄帯
131A 判定領域
132 非磁性材料
210 第1コイル導体
211~213 区間
220 第2コイル導体
221~223 区間
C1 キャパシタ
D1,D2 ダイオード
E エッジ
G,Gx,Gy ギャップ
L1,L2 インダクタ
Lx,Ly 仮想線
P 小片
SW1,SW2 スイッチングトランジスタ
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9