JP4300494B2 - 高周波パワートランスおよびこれを用いた電力変換装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、 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％以上を占めるノーカットの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組以上のセンタータップ付き２次巻線を設けた高周波パワートランスおよびこれ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】
高周波パワートランスを用いた絶縁形の電力変換装置の１つとして、図３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３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、２０はセンタータップを持たない１次巻線とセンタータップ付き２次巻線を設けた高周波パワートランス、２１は前記高周波パワートランス２０の１次巻線、２２および２３は前記高周波パワートランス２０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３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、高周波パワートランス２０の１次巻線２１には図４のｖ21のような高周波電圧が印可され、同高周波パワートランス２０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、コンデンサ平滑３４を介し、負荷３７に電力が供給される。図４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を一定に保つために、Ｔpを一定としＤonを変化させて制御するＰＷＭ制御（パルス幅変調制御）が一般に用いられている。なお、高周波パワートランス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高周波パワートランス２０の動作Ｂ−Ｈループ概念図を図５に示す。図３に示す高周波パワートランス２０の１次巻線２１の黒丸側から電流が流入したときに高周波パワートランス２０に生じる磁界の向きを図５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、同高周波パワートランス２０の磁束密度は図５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、高周波パワートランス２０の磁束密度は図５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高周波パワートランス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高周波パワートランス２０では、小型化と低損失化が重要な課題である。高周波パワートランス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、高周波パワートランス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、高周波パワートランス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高周波パワートランス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、高周波パワートランス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、高周波パワートランス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、高周波パワートランス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、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、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。
【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はあるが、その場合でも、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３のフルブリッジ型ＤＣ−ＤＣコンバータのように、高周波パワートランス２０の磁束密度が図５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高周波パワートランス２０において、その動作時のＢ−Ｈマイナーループが図６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、前記高周波パワートランス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】
高周波パワートランス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、高周波パワートランス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６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２７の急変時には、過渡的に高周波パワートランス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およびと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】
上記高周波パワートランス２０の偏磁を防止するための最も一般的な手法として、同高周波パワートランス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、前記高周波パワートランス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、磁心損失が比較的小さな組成系において、前者の手法を用いて達成できる比透磁率のレベルは５０ｋＨｚにおいて数万にも達し、Ｍｎ−Ｚｎフェライト磁心の数千程度に対し１ケタも大きい値に留まり、偏磁対策に十分なレベルに達しなかった。一方、後者の手法は、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。
【００１９】
このため、図３のフルブリッジ型ＤＣ−ＤＣコンバータのように、高周波パワートランス２０の磁束密度が図５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高周波パワートランス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、極度な偏磁を抑制するために同高周波トランス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り、部品点数が増加する問題があった。
【００２０】
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高周波パワートランス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組以上のセンタータップ付き２次巻線を設けた構成のハーフブリッジ型コンバータなどの他の電力変換装置の高周波パワートランス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。
【００２１】
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組以上のセンタータップ付き２次巻線を設けた高周波パワートランス、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。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、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、５０ｋＨｚにおける比透磁率が２０，０００以上で、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は０．２以下で、ノーカットの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組以上のセンタータップ付き２次巻線を設けた高周波パワートランスにおいて、前記センタータップ付き２次巻線のうちの少なくとも１組は、これを構成する各巻線を前記ナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心に略均等にバイファイラ巻されており、前記２次巻線は前記ナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心に略均等に巻かれた１次巻線によってサンドイッチ巻されていて、かつ２次巻線端の全てを短絡して１次巻線端で測定した５０ｋＨｚにおける漏れインダクタンスの値が０．３μＨ以下であることを特徴とする高周波パワートランスである。
【００２３】
このような構成とすることによって、低磁心損失のノーカットの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組以上のセンタータップ付２次巻線を設けた高周波パワートランスをフルブリッジ型コンバータや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、同高周波パワートランスの損失をより減少させることができ、更に小型化と高効率化が図れ、好ましい。
【００２７】
前記高周波パワートランスにおいて、その駆動周波数を５ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下の範囲に選定した場合には、その選定した周波数において従来の高周波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。
【００２８】
上記本発明による高周波パワートランス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、簡単な回路構成で高周波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。
【００２９】
【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３、仕様が表１で与えられるスイッチング周波数ｆが５０ｋＨｚのフルブリッジ型ＤＣ−ＤＣコンバータの高周波パワートランス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。
【００３０】
図３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、２０はセンタータップを持たない１次巻線とセンタータップ付２次巻線を設けた高周波パワートランス、２１は前記高周波パワートランス２０の１次巻線、２２および２３は前記高周波パワートランス２０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。
【００３１】
【表１】

【００３２】
なお、本実施例において、高周波パワートランス２０の偏磁の原因となる主スイッチ２、３、４、および５のオン期間のバラツキを抑制するため、図３の主スイッチ２、３、４および５にはパワーＭＯＳ−ＦＥＴを用い、これらＭＯＳ−ＦＥＴのターンオフタイムのバラツキを抑制するためターンオフ時のゲート電流波高値を大きく取ることのできるゲート駆動回路を採用した。
【００３３】
また、図３の回路において、帰還ダイオード６、７、８および９は高周波パワートランス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高周波パワートランス２０の偏磁を抑制する機能を有する。
【００３４】
高周波パワートランス２０には表２に示す磁心を用いた。表２において、磁心イから磁心チは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％以上を占めるナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心である。このうち磁心チはカットした上で非磁性の絶縁体ギャップを挿入したもの、それ以外はノーカットである。
また、磁心リはノーカットのＦｅ基非晶質軟磁性合金薄帯巻磁心、磁心ヌはノーカットの部分的に結晶質を含むＦｅ基非晶質軟磁性合金薄帯巻磁心、磁心ルはノーカットのＭｎ−Ｚｎフェライト磁心、磁心ヲはカットした上で非磁性の絶縁体のギャップを挿入したＭｎ−Ｚｎフェライト磁心である。
【００３５】
【表２】

【００３６】
表２の磁心のうち磁心イから磁心ヌは、いずれもその寸法が外径４４ｍｍ、内径２４ｍｍ、高さ２０ｍｍのトロイダル形状であり、その寸法が外径４６.５ｍｍ、内径２１.５ｍｍ、高さ２３ｍｍのプラスチック製絶縁ケースに挿入した。また、磁心ルおよび磁心ヲは、表２に示すよう１２０℃の飽和磁束密度Ｂｓは０.３２Ｔしかないため偏磁に対する余裕度をとるとその動作時の磁束密度の変化量ΔＢは０.３５Ｔ程度しか取れない。そこで、磁心ルおよび磁心ヲはいずれも前記磁心イから磁心ヌと同一寸法の磁心を２ヶ重ね、その寸法が外径４６.５ｍｍ、内径２１.５ｍｍ、高さ４４ｍｍのプラスチック製絶縁ケースに挿入した。
【００３７】
高周波パワートランス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Ｇ、および比較例ｍから比較例ｑに適用したサンドイッチ巻と記載されている巻線構造を図１に示す。図１は、本発明Ａから本発明Ｇ、および比較例ｍから比較例ｑの高周波パワートランス２０の径方向断面の１／４周部分を示したものである。同図において、５０はケースを含む磁心、黒で塗りつぶされている円５１および白抜きの円５２は図３の１次巻線２１、網掛けの円５３および斜線の円５４は各々図３の２次巻線２２と２３に相当するものである。
【００３８】
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を６９本用いて構成したリッツ線を２本パラ合計４本を交互に並列にケースで覆われた磁心５０に略均等にバイファイラ巻した。図１ではその１ターン分の巻線の断面図が示されている。
【００３９】
一方、１次巻線は、０.９φの３層絶縁被覆電線を４本パラでその巻数の１／２にあたる８ターンをケースを含む磁心５０に対し略均等に巻いた巻線５１と０.９φの３層絶縁被覆電線を４本パラで残り１／２の巻数にあたる８ターンをケースを含む磁心５０に対し略均等に巻いた巻線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を直列接続することにより１６ターンの１次巻線２１を構成している。なお、図１では、上記１次巻線の約４ターン分の巻線の断面図が示されている。
【００４０】
【表３】

【００４１】
表３において、比較例ａから比較例ｌに適用した均等巻と記載されている巻線構造を図２に示す。図２は、比較例ａから比較例ｌの高周波パワートランス２０の径方向断面の１／４周部分を示したものである。
同図において、５０はケースを含む磁心、黒で塗りつぶされている円６１は図３の１次巻線２１、網掛けの円６２および斜線の円６３は各々図３の２次巻線２２と２３に相当するものである。
【００４２】
１次巻線６１は、１.４φのテフロンコート絶縁被覆電線を２本パラで磁心５０に対し略均等に１６ターン巻いて構成している。なお、図２では、上記１次巻線６１の約４ターン分の巻線の断面図が示されている。
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６９本用いて構成したリッツ線を２本パラ合計４本を交互にならべた形でケースで覆われた磁心５０に略均等にバイファイラ巻されており、図２ではその１ターン分の巻線の断面図が示されている。
【００４３】
表４に、表３に示す２４種類の高周波パワートランス２０について、２次巻線端全てを短絡して１次巻線で測定した漏れインダクタンス、同高周波パワートランス２０を前記回路構成が図３、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高周波パワートランス２０の偏磁の程度、動作時の磁束密度の変化量ΔＢおよび温度上昇ΔＴを示す。
【００４４】
偏磁については、表１の仕様の範囲において、入力電圧と負荷が急変をしても偏磁による異常がない場合を○、入力電圧と負荷が急変したときのみ偏磁による異常がでた場合を△、定常動作でも偏磁による異常を生じた場合を×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２６０Ｖ、出力電圧４０Ｖ、負荷電流３０Ａの入出力条件のもとで連続通電してその値が飽和した時点で測定した結果である。
【００４５】
【表４】

【００４６】
表４からわかるように、サンドイッチ巻構造の低漏れインダクタンスのノーカットのナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心を用いた本発明ＡからＧの高周波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５０℃以下に押さえることができる。
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℃と動作時のＤＣ−ＤＣコンバータケース内部の温度上昇想定上限値を３０℃を足した７０℃をＥ種絶縁の許容温度である１２０℃から差し引いて５０℃以下とした。
【００４７】
一方、漏れインダクタンスが大きなノーカットのナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心を用いた比較例ａからｇ、ノーカットのＦｅ基非晶質軟磁性合金薄帯巻磁心を用いた比較例ｉあるいはノーカットのＭｎ−Ｚｎフェライト磁心を用いた比較例ｋの高周波パワートランス２０では、偏磁の影響により最大出力を安定に取り出せず、温度上昇ΔＴの測定が不可能であった。
【００４８】
また、ギャップを設けたナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心チ、ノーカットの部分的に結晶質を含むＦｅ基非晶質軟磁性合金薄帯巻磁心ヌおよびギャップを設けたＭｎ−Ｚｎフェライト磁心ヲを用いた漏れインダクタンスが大きい比較例ｈ、ｊおよびｌの高周波パワートランス２０は偏磁の影響を押さえることができるが、温度上昇ΔＴが実用上要求される５０℃を超えるため問題となることがわかる。
【００４９】
ギャップ付のナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心チ、ノーカットのＦｅ基非晶質軟磁性合金薄帯巻磁心リ、ノーカットの部分的に結晶質を含むＦｅ基非晶質軟磁性合金薄帯巻磁心ヌ、ノーカットのＭｎ−Ｚｎフェライト磁心ルおよびギャップを用いたＭｎ−Ｚｎフェライト磁心ヲを用い、サンドイッチ巻構造として低漏れインダクタンスとした比較例ｍからｑの高周波パワートランス２０においては偏磁の影響を押さえることができるが、比較例ｐを除きその温度上昇ΔＴが５０℃を超えるため問題となることがわかる。
【００５０】
一方、比較例ｐでは偏磁の影響を押さえられると同時に温度上昇ΔＴも５０℃以内に押さえることができるが、Ｍｎ−Ｚｎフェライト磁心ヲを用いているためその飽和磁束密度の制約からΔＢをナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心イからチおよびＦｅ基非晶質軟磁性合金薄帯巻磁心リとヌを用いた場合に比べ約１／２に選定しなくてはならず前記のように磁心体積を２倍としているため高周波パワートランス２０の体積も約２倍になるという問題があることがわかる。
【００５１】
なお、本実施例で得られた結果に基づき詳細に検討した結果、ノーカットの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次巻線とセンタータップ付き２次巻線を設けた高周波パワートランス２０において、２次巻線端の全てを短絡して１次巻線端で測定した５０ｋＨｚにおける漏れインダクタンスの値が０.３μＨ以下であれば、実用上、偏磁の影響で図３の回路構成と表１の仕様のフルブリッジ型ＤＣ−ＤＣコンバータの動作に支障をきたすことはないことがわかった。
【００５２】
また、本発明ＡからＧについて比較すると５０ｋＨｚにおける比透磁率μr(50kHz)が２０,０００を超えるナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心を用いた本発明ＡからＤの場合には、その温度上昇ΔＴが実用上の上限である５０℃に対し１０％以上のマージンを持つ４５℃未満とすることができるため、信頼性が高く高性能な高周波パワートランスと電力変換装置を実現できることがわかる。
【００５３】
（実施例２）
前記実施例１と全く同様の回路構成と仕様において、スイッチング周波数ｆを５０ｋＨｚから２０ｋＨｚに変更したフルブリッジ型ＤＣ−ＤＣコンバータの高周波パワートランス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。
【００５４】
高周波パワートランス２０の巻線仕様を表５に示す。なお、比較例ｒ、ｓ、ｔおよびｕを除き、前記実施例１の表２に記載される磁心を用いた表３の巻線仕様のものを使用した。
また、表５において、比較例ｒから比較例ｕについて記載されるサンドイッチ巻と均一巻の構成は、前記実施例１における図１および図２と同様の構成のものである。
【００５５】
【表５】

【００５６】
比較例ｒ、ｓ、ｔおよびｕで用いた磁心の直流磁気特性と５０ｋＨｚにおける比透磁率μr(50kHz)を表６に示す。表６の磁心ワはノーカットのＭｎ−Ｚｎフェライト磁心、磁心カはカットした上で非磁性の絶縁体ギャップを挿入したＭｎ−Ｚｎフェライト磁心である。
また、磁心ワおよび磁心カは、表６に示すように１２０℃の飽和磁束密度Ｂｓが前記表２に示される磁心イから磁心ヌの１／４程度しかないため、それぞれ前記磁心イから磁心ヌと同一寸法の磁心を４ヶ重ねて、その寸法が外径４６.５ｍｍ、内径２１.５ｍｍ、高さ８４ｍｍのプラスチック製絶縁ケースに挿入した。
【００５７】
【表６】

【００５８】
表７に、表５に示す２４種類の高周波パワートランス２０について、２次巻線端全てを短絡して１次巻線で測定した漏れインダクタンス、同高周波パワートランス２０を前記回路構成が図３、仕様が表１のフルブリッジ型ＤＣ−ＤＣコンバータの高周波パワートランス２０に実装したときの偏磁の程度、動作時の磁束密度の変化量ΔＢおよび同高周波パワートランス２０の温度上昇ΔＴを示す。
【００５９】
偏磁については、表１の仕様の範囲において、入力電圧と負荷が急変をしても偏磁による異常がない場合を○、入力電圧と負荷が急変したときのみ偏磁による異常がでた場合を△、定常動作でも偏磁による異常を生じた場合を×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２６０Ｖ、出力電圧４０Ｖ、負荷電流３０Ａの入出力条件のもとで連続通電してその値が飽和した時点で測定した結果である。
【００６０】
【表７】

【００６１】
表７からわかるように、サンドイッチ巻構造の低漏れインダクタンスのノーカットのナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心を用いた本発明ＡからＧの高周波パワートランス２０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５０℃以下に押さえることができる。
【００６２】
これに対し、漏れインダクタンスが大きなノーカットのナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心を用いた比較例ａからｇ、ノーカットのＦｅ基非晶質軟磁性合金薄帯巻磁心を用いた比較例ｉおよびノーカットのＭｎ−Ｚｎフェライト磁心を用いた比較例ｒの高周波パワートランスでは、偏磁の影響により最大出力を安定に取り出せず、温度上昇ΔＴの測定が不可能であった。
【００６３】
また、ギャップを設けたナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心チ、ノーカットの部分的に結晶質を含むＦｅ基非晶質軟磁性合金薄帯巻磁心ヌおよびギャップを用いたＭｎ−Ｚｎフェライト磁心カを用いた漏れインダクタンスが大きい比較例ｈ、ｊおよびｓの高周波パワートランス２０は偏磁の影響を押さえることができるが、温度上昇ΔＴが実用上要求される５０℃を超えるため問題となることがわかる。
【００６４】
さらに、ギャップ付のナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心チ、ノーカットのＦｅ基非晶質軟磁性合金薄帯巻磁心リ、ノーカットの部分的に結晶質を含むＦｅ基非晶質軟磁性合金薄帯巻磁心ヌ、ノーカットのＭｎ−Ｚｎフェライト磁心ワおよびギャップを用いたＭｎ−Ｚｎフェライト磁心カを用い、サンドイッチ巻構造として低漏れインダクタンスとした比較例ｍ、ｎ、ｏ、ｔ、ｕの高周波パワートランスにおいては、偏磁の影響を押さえることができるが、比較例ｔとｕを除き、その温度上昇ΔＴが５０℃を超えるため問題となることがわかる。
【００６５】
一方、比較例ｔおよびｕでは偏磁の影響を実用上十分なレベルに押さえられると同時に温度上昇ΔＴも５０℃以内に押さえることができる。しかし、Ｍｎ−Ｚｎフェライト磁心ヲを用いているため１２０℃の飽和磁束密度の制約からΔＢを０.３８Ｔと、ナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心イからチおよびＦｅ基非晶質軟磁性合金薄帯巻磁心リとヌを用いた場合の１／４以下に選定しなくてはならないため、前記のように磁心体積を４倍にしているため高周波パワートランス２０の体積も約４倍以上になるという問題があることがわかる。
【００６６】
なお、本実施例で得られた結果に基づき詳細に検討した結果、ノーカットの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次巻線とセンタータップ付き２次巻線を設けた高周波パワートランス２０において、２次巻線端の全てを短絡して１次巻線端で測定した５０ｋＨｚにおける漏れインダクタンスの値が０.３μＨ以下であれば、実用上、偏磁による影響で図３の回路構成と表１の仕様の駆動周波数２０ｋＨｚのフルブリッジ型ＤＣ−ＤＣコンバータの動作に支障が生じることはないことがわかった。
【００６７】
また、本発明ＡからＧについて比較すると５０ｋＨｚにおける比透磁率μr(50kHz)が２０,０００を超えるナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心を用いた本発明ＡからＤの場合には、その温度上昇ΔＴが実用上の上限である５０℃に対し２０％以上のマージンを持つ４０℃未満とすることができるため、信頼性が高く高性能な高周波パワートランス２０およびこれを用いた電力変換装置を実現できることがわかる。
【００６８】
さらに、本発明Ｃ、ＤおよびＥのように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０.２以下の場合には、動作時の磁束密度の変化量ΔＢを表７に示す１.６９Ｔの約１.１倍の１.８６Ｔまで大きくしても偏磁の影響による本ＤＣ−ＤＣコンバータの安定動作に支障がないことが確認された。
【００６９】
この結果、高周波パワートランス２０の１次巻線２１の巻数を１ターン減少させることが可能となるが、本実施例では、入力電圧と出力電圧の関系から１次巻線と２次巻線の巻数比を４：１とする必要があり、巻数を変更することは得策でない。
そこで、巻線仕様を同一としたままで、磁心ハ、ニおよびホの断面積を１０％減じることによりΔＢを１.８６Ｔに増加し、磁心および高周波パワートランスの体積を小型化して動作を確認した結果、偏磁の影響による問題もなく、その温度上昇ΔＴも５０℃未満のより小型軽量の高周波パワートランス２０が得られた。
【００７０】
（実施例３）
同一磁心寸法の高周波パワートランスを前記図３の回路構成のフルブリッジ型ＤＣ−ＤＣコンバータに実装し、入力電圧ＤＣ２６０Ｖ、出力電圧４０Ｖ、周囲温度２５℃での同高周波パワートランスの温度上昇が５０℃のときに、出力できる最大電力を、駆動周波数を２ｋＨｚから２００ｋＨｚまで変えて測定した。
【００７１】
本実施例で使用した高周波パワートランス２０の巻線仕様を表８から表１４に示す。表８は駆動周波数２ｋＨｚ、表９は５ｋＨｚ、表１０は１０ｋＨｚ、表１１は２０ｋＨｚ、表１２は５０ｋＨｚ、表１３は１００ｋＨｚおよび表１４は２００ｋＨｚでの検討に用いたものである。上記表８から表１４の高周波パワートランス２０の磁心には、前記表２の磁心イから磁心ヌ、および表１５に示す磁気特性の磁心ヨおよび磁心タを使用した。表１５の磁心ヨはノーカットのＭｎ−Ｚｎフェライト磁心、磁心タはカットした上で非磁性の絶縁体ギャップを挿入したＭｎ−Ｚｎフェライト磁心である。
【００７２】
なお、表８から表１４に記載される巻線構造におけるサンドイッチ巻と均等巻は前記実施例１および実施例２の場合と同様の巻線構造を意味する。また、表８から表１４に示すように高周波パワートランス２０の巻線の巻数が駆動周波数により異なるのは、それぞれの駆動周波数で最も大きな出力電力を取り出せるように決定したためである。
【００７３】
前記表８から表１４の高周波パワートランス２０を前記図３の回路構成のフルブリッジ型ＤＣ−ＤＣコンバータに実装し、入力電圧ＤＣ２６０Ｖ、出力電圧４０Ｖ、周囲温度２５℃の同高周波パワートランスの温度上昇が５０℃のとき、出力できる最大電力を駆動周波数を２ｋＨｚから２００ｋＨｚまで変えて測定した結果を表１６に示す。
表１６において、−は偏磁などの影響で測定ができなかったことを示す。また、()内に示すのはその最大出力電力が得られた高周波パワートランス２０の巻線構造を示すもので、表８から表１４に対応している。
【００７４】
【表８】

【００７５】
【表９】

【００７６】
【表１０】

【００７７】
【表１１】

【００７８】
【表１２】

【００７９】
【表１３】

【００８０】
【表１４】

【００８１】
【表１５】

【００８２】
表１６からわかるように、本発明によれば５ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下駆動周波数範囲において、偏磁の影響による不安定な動作をすることなしに、同一磁心体積で比較例よりも大きな出力電力を安定に供給しうる高周波パワートランス２０が得られる。
【００８３】
また、表１６に示す本発明の高周波パワートランス２０について、２次巻線端の全てを短絡して１次巻線端で測定した５０ｋＨｚにおける漏れインダクタンスは、いずれも０.３μＨ以下の値を示した。
一方、同表に示す比較例のうちノーカットのナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心である磁心イから磁心トに均等巻の巻線構造とした高周波パワートランス２０において、同様にして測定した漏れインダクタンスはいずれも０.３μＨを超えており、このためこれらの高周波パワートランス２０では偏磁の影響により不安定な動作を引き起こし、安定して出力を取り出せなかったこともわかった。
【００８４】
以上から、ノーカットの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次巻線とセンタータップ付きの２次巻線を設けた高周波パワートランス２０においては、その２次巻線端の全てを短絡して１次巻線端で測定した５０ｋＨｚにおける漏れインダクタンスの値が０.３μＨ以下であれば、実用上偏磁の影響による不安定な動作を示すことなしに安定に出力電力を取り出すことができ、信頼性の高い高周波パワートランス２０およびこれを用いた高効率で高信頼性のフルブリッジ型ＤＣ−ＤＣコンバータが得られることがわかった。
【００８５】
【表１６】

【００８６】
また、表１６において、５０ｋＨｚにおける比透磁率μr(50kHz)が２０,０００以上の値を示すノーカットのナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心である磁心イから磁心ニにセンタータップを持たない１次巻線とセンタータップ付きの２次巻線を設けた本発明の高周波パワートランス２０は高周波領域での磁心損失が小さいため、２０ｋHz以上を超える高周波において、より大きな出力電力を取り出すことができ、特に高周波での仕様に適することがわかる。
【００８７】
さらに、表１６において、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０.２以下のノーカットのナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心である磁心ハから磁心トにセンタータップを持たない１次巻線とセンタータップ付きの２次巻線を設けた本発明の高周波パワートランス２０は、１０ｋHz以下の周波数で動作時の磁束密度の変化量を大きく取ることができ表８、表９および表１０のように巻数を少なくできるため、より大きな出力電力を取り出すことができることがわかる。
【００８８】
【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低磁心損失で小型のノーカットのナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心を用いた小型で温度上昇が小さく高効率の高周波パワートランス、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。
なお、前記実施例では、高周波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次巻線を設けた高周波パワートランス全般、および同高周波パワートランス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】本発明による、高周波パワートランス２０の１実施例の巻線構造断面の概念図。
【図２】比較例である高周波パワートランスの巻線構造断面の概念図。
【図３】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４】図３のフルブリッジ型ＤＣ−ＤＣコンバータの高周波パワートランス１０の１次巻線２１の端子電圧概念図。
【図５】偏磁がない場合の図３のフルブリッジ型ＤＣ−ＤＣコンバータの高周波パワートランス２０の動作Ｂ−Ｈループ概念図。
【図６】偏磁により磁心が飽和したときの図３のフルブリッジ型ＤＣ−ＤＣコンバータの高周波パワートランス２０の動作Ｂ−Ｈループ概念図。
【符号の説明】
１：入力直流電源
２、３、４、５：主スイッチ素子
６、７、８、９：帰還ダイオード
２０：高周波パワートランス
２１：高周波パワートランス２０の１次巻線
２３：高周波パワートランス２０の２次巻線
３１、３２：出力整流ダイオード
３３：出力平滑チョークコイル
３４：出力平滑コンデンサ
３５、３６：出力端子
３７：負荷

Claims (3)

1. 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、５０ｋＨｚにおける比透磁率が２０，０００以上で、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は０．２以下で、ノーカットの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組以上のセンタータップ付き２次巻線を設けた高周波パワートランスにおいて、前記センタータップ付き２次巻線のうちの少なくとも１組は、これを構成する各巻線を前記ナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心に略均等にバイファイラ巻されており、前記２次巻線は前記ナノ結晶軟磁性合金薄帯巻磁心に略均等に巻かれた１次巻線によってサンドイッチ巻されていて、かつ２次巻線端の全てを短絡して１次巻線端で測定した５０ｋＨｚにおける漏れインダクタンスの値が０．３μＨ以下であることを特徴とする高周波パワートランス。
2. 請求項１に記載の高周波パワートランスにおいて、その駆動周波数は５ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下の範囲にあることを特徴とする高周波パワートランス。
3. 請求項１又は２に記載の高周波パワートランスを用いたことを特徴とする電力変換装置。

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