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公開番号2024163049
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-11-21
出願番号2024074524
出願日2024-05-01
発明の名称インダクタ用の印刷回路基板ベースの巻線構造
出願人台達電子工業股ふん有限公司,DELTA ELECTRONICS, INC.
代理人SK弁理士法人,個人,個人
主分類H01F 37/00 20060101AFI20241114BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】信頼性が高く、ポッティングがなく、部分放電がないPCBベースの中電圧インダクタ及び中電圧インダクタアセンブリを提供する。
【解決手段】一態様では、PCBベースの中電圧インダクタは、スルーホールを有するPCB305と、PCB内に埋め込まれた導電層を含む任意の他の適切な導電材料で構成される巻線310と、磁気コア320と、を含む。各導電層は、スルーホールの周りで渦巻き形状を有するようにパターニングされ、環状半径を有する環状領域内に配置される。導電層は、導電層の環状半径が導電層のうちの最も中央の導電層から導電層のうちの最も外側の導電層に向かって増加するように、千鳥状パターンで配置される。
【選択図】図5A
特許請求の範囲【請求項１】
スルーホールを有するＰＣＢと、
前記ＰＣＢ内に埋め込まれ、互いに積み重ねられた複数の導電層であって、前記複数の導電層は、１つ以上の埋め込みビアを介して互いに電気的に接続されており、前記複数の導電層のそれぞれは、前記スルーホールの周りで渦巻き形状を有するようにパターニングされ、環状半径を有する環状領域内に配置される、複数の導電層と、
前記複数の導電層のうちの最も外側の導電層に電気的に結合された第１端子と、
前記複数の導電層のうちの最も中央の導電層に電気的に結合された第２端子と、
を含み、
前記複数の導電層は千鳥状パターンで配置されている、
ＰＣＢベースの中電圧インダクタ。
続きを表示（約 1,100 文字）【請求項２】
前記千鳥状パターンは凹状の千鳥状パターンであり、前記凹状の千鳥状パターンは、前記複数の導電層の環状半径が前記複数の導電層のうちの前記最も中央の導電層から前記複数の導電層のうちの前記最も外側の導電層に向かって増加するように規定される、請求項１に記載のＰＣＢベースの中電圧インダクタ。
【請求項３】
前記複数の導電層は垂直方向に空間的に分離されている、請求項１に記載のＰＣＢベースの中電圧インダクタ。
【請求項４】
前記複数の導電層に磁気的に結合された磁気コアをさらに含み、前記磁気コアはエアギャップを有する、請求項１に記載のＰＣＢベースの中電圧インダクタ。
【請求項５】
前記磁気コアは、前記第１端子または前記第２端子に電気的に接続される、請求項４に記載のＰＣＢベースの中電圧インダクタ。
【請求項６】
前記磁気コアの表面にコーティングされたコーティング層をさらに含み、前記コーティング層は導電性材料または半導体材料からなり、前記磁気コアは、前記コーティング層を介して前記第１端子に電気的に接続される、請求項５に記載のＰＣＢベースの中電圧インダクタ。
【請求項７】
前記複数の導電層のそれぞれは、水平面上で前記スルーホールの周りで渦巻き形状を有し、複数周を有するようにパターニングされており、前記複数の導電層の対応する周は互いに整列しており、前記複数の導電層の前記対応する周の側面はＶ字形またはＵ字形の千鳥状に配置されている、請求項１に記載のＰＣＢベースの中電圧インダクタ。
【請求項８】
複数の請求項１に記載のＰＣＢベースの中電圧インダクタと、
前記複数のＰＣＢベースの中電圧インダクタを保持するボビン構造と、
前記複数のＰＣＢベースの中電圧インダクタに磁気的に結合された磁気コアアセンブリと、
を含む、
中電圧インダクタアセンブリ。
【請求項９】
前記ボビン構造、前記複数のＰＣＢベースの中電圧インダクタ、および前記磁気コアアセンブリの間にウィンドウ領域が形成され、前記ウィンドウ領域は、複数の導電層から発生する熱を除去するように構成される、請求項８に記載の中電圧インダクタアセンブリ。
【請求項１０】
請求項１に記載のＰＣＢベースの中電圧インダクタを複数含む中電圧インダクタアセンブリであって、
前記複数のＰＣＢベースの中電圧インダクタの前記第１端子は互いに電気的に接続され、
前記複数のＰＣＢベースの中電圧インダクタの前記第２端子は互いに電気的に接続されている、
中電圧インダクタアセンブリ。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、インダクタに使用される印刷回路基板（ＰＣＢ）ベースの平面巻線構造に関する。より具体的には、本開示は、中電圧用途のインダクタに使用されるＰＣＢベースの平面巻線構造に関するものである。
続きを表示（約 2,700 文字）【背景技術】
【０００２】
ワイドバンドギャップ半導体の進歩に伴い、高周波数でのスイッチングが可能な高阻止電圧を備えたパワーエレクトロニクスデバイスは、新たな用途分野を開拓し、業界でますます普遍化している。これらのワイドバンドギャップ半導体ベースのコンバータシステムは、再生可能エネルギーの統合、アクティブフィルタ、陸上から船舶への電力システム、ソリッドステート変圧器を含むがこれらに限定されない電力コンバータに応用されている。ソリッドステート変圧器（ＳＳＴ）は、中電圧ＡＣ（ＭＶａｃ、４．１６ｋＶ／１３．８ｋＶグリッド）段から低電圧ＤＣ（ＬＶｄｃ、４００Ｖ／８００Ｖ）段への直接パワーエレクトロニクスインターフェイスを提供できるため、これらすべての要件を達成するための最も収益性の高いソリューションと考えられている。ＳＳＴの主な利点は、これらのＳＳＴによって、従来の大型の低周波変圧器が不要になり、高周波磁石とパワーエレクトロニクスインターフェイスに置き換えられることである。ＭＶａｃグリッドからパワーエレクトロニクスコンバータシステムへの一般的な接続には、中電圧インダクタインターフェイスが必要である。
【０００３】
ＭＶインダクタは、当初から電力システムに使用されてきた。従来、これらのインダクタは高電力用途向けに設計されており、最も重要なのは、低周波用途に広く使用されることである。これらのインダクタは低周波電流に使用されるため、シリコン鋼材料が固体銅巻線ともにコア材料として使用される。ただし、ＳｉＣデバイスでは、磁気部品のサイズを最小限に抑えるために、コンバータは高いスイッチング周波数で動作する。これにより、インダクタに低周波電流が流れるだけでなく、高いスイッチング周波数リップルも発生する。このシナリオでは、従来の中電圧インダクタに障害が発生する。
【０００４】
これらの高周波損失を補償するために、主に低電圧用途（すなわち、＜２ｋＶ）において多くの研究が行われている。リッツ線の使用は、高周波巻線損失を低減するための優れたソリューションを提供し、フェライトやナノ結晶などの様々なコア材料を使用して高周波コア損失を低減することができる。しかし、中電圧インダクタには追加の絶縁が必要であり、部分放電のない動作（信頼性の高い連続動作）が必要である。中電圧絶縁要件とともに、優れた効率と適切な電力密度を達成することは、依然として大きな課題である。また、コストと製造の容易さを考慮すると、ＰＣＢベースのソリューションは、信頼性が高く再現性のある設計を提供するため、通常、従来の巻線ベースのソリューションよりも好まれる。
【０００５】
中電圧インダクタの設計に関して、文献において様々な研究が行われている。高周波中電圧変圧器も、同様の設計基準を持っているため、研究に含まれている。主な焦点は、インダクタ／変圧器の絶縁設計にある。必要な電圧絶縁を達成する最も基本的な方法は、巻線間および層間である程度の距離を設けることである［参考文献１］。［参考文献１］では、巻線とコアの間の中電圧絶縁は、３Ｄプリントされたボビンを使用して実現される。図１Ａは、［参考文献１］の中電圧インダクタの概略斜視図であり、図１Ｂは、平面Ａ－Ａ'に沿った図１の中電圧インダクタの概略断面図である。層間絶縁は、図１Ａと図１Ｂに示すように、層間にスペーサを設けることによって達成される。この場合、電圧ストレスはスペーサだけでなくエアギャップによっても処理される。この方法はシンプルで実装が簡単であるが、より高い電圧に拡張することはできない。また、エアギャップが大きいため、インダクタの体積も増加する。なお、エアギャップの代わりに、層間に絶縁材料を使用して間隔を小さくすることもできる。しかし、このような構造では、巻線間のエアギャップを考慮した部分放電のない動作は実現できない。
【０００６】
磁気設計に通常使用される別の方法は、封止材料を使用したインダクタの封止またはポッティング部分に基づくものである。［参考文献２］および［参考文献３］では、この概念を採用した変圧器／インダクタ設計を提供する。［参考文献４］および［参考文献５］で説明されているように、シールド層をこの封止構造の表面に追加して、封止剤内で電界を確実に制限することができ、その結果、磁気部品が部分放電のない動作を提供することができる。しかし、これらの構造において、部分放電のない動作を達成するには、封止構造の内部に空気のないスペースを設ける必要がある。これは、特に多層巻線構造が使用されている場合に達成するのがかなり難しく、信頼性が低くなる。図２に、これらの構造の一例を示す。
【０００７】
［参考文献６］では、中電圧変圧器は、必要な絶縁を提供するために一次巻線と二次巻線が別々にドライキャストされるように設計されている。この概念は、インダクタ巻線がドライキャストでコアから一定の距離に配置されるインダクタにも使用できる。
【０００８】
別の方法は、［参考文献７］に示されており、中電圧空芯変圧器が実証されている。この概念は空芯インダクタにも拡張できる。絶縁の点では、この構造はコアが存在しないため、巻線からコアの絶縁に対する制限がなくなるため有益であることがわかる。これは絶縁設計の点ではある程度有益であるが、空芯ベースのインダクタは、サイズが大幅に大きくなり、コアがないことによる無指向性の磁界が発生するため、様々な用途で使用することは現実的ではない。また、インダクタンスの値を大きくするために概念を拡大することも現実的ではない。これらの理由により、空芯磁石は通常、ほとんどの用途では好まれない。
【０００９】
［参考文献８］では、中電圧絶縁を備えた高周波平面ＰＣＢ変圧器が実証されている。一次巻線と二次巻線の間の中電圧に耐えるために、高耐圧の誘電体材料が使用されている。巻線の端部からコアへのアーク放電を避けるために、コアはエポキシ材料で封止され、また巻線とコアの間の部分放電を避けるために、コアから離れるようになっている。ただし、この構造では、低電圧巻線と中電圧巻線の界面で部分放電のない動作を提供しない。
【００１０】
通常、これらの構造はオイルに浸漬して必要な部分放電定格を達成できるが、中電圧用途では乾式磁石が好まれるため、磁石をオイルに浸漬することは最も効果的で信頼性の高いソリューションとはならない。
（【００１１】以降は省略されています）

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