毎日使っている、あるいはいつも広告で目にしている電気製品について考えてみましょう。より少ないスペースで、より強力なものに対する需要は絶え間なく高まっています。これにより、関連するコンポーネントは堅牢でありながらコンパクトでなければならないため、電源にいくつかの興味深い課題が生じます。現在、市場に出回っているほとんどのパワーインダクタはフェライトを使用していますが、新しい素材の方がより強力な性能を発揮する可能性があります。この記事では、 太陽誘電 の金属パワーインダクタ技術が、今日のアプリケーションの動的な課題にどのように対応しているかについて説明します。
パワーインダクタは、多くの信号および電力調整アプリケーションでエネルギーを減衰、ブロック、フィルタリング、または保存するために使用される基本コンポーネントです。今日の電源回路で使用される高電力とスイッチング周波数の増加は、材料とパッケージングの両方のレベルで部品メーカーに市場の課題を課しており、ますます小型化するフォームファクタに適合しながら、パワーインダクタの定格電流を大幅に高めることを推進しています。これは材料レベルとパッケージングレベルの両方での課題であり、コンポーネント設計者は、従来のフェライトコア材料から逸脱するとともに、インダクタンスやDCRなどの他のパラメータを低下させることなくこれらのデバイスを小型化するためにインダクタ構造を革新する必要があります。
この記事では、金属ベースのパワーインダクタの改良が、パワーインダクタに対する今日の変化する市場要件をどのように満たすかについて説明します。
パワーインダクタは何に使用されますか?
インダクタは通常、インダクタンス値、電流定格、DC抵抗 (DCR)、動作温度範囲、シールドの有無に基づいて選択されます。これらのパラメータはすべて、使用されるアプリケーション回路に基づいて最適化する必要があります。これは、電源のAC入力でのEMIのフィルタリングから、スイッチング電源の出力でのリップル電圧と電流の両方を低減するDCフィルタ チョークとしての使用まで多岐にわたります。インダクタの自己誘導特性により、これらのデバイスはDC-DCコンバータに電力を蓄えることもできます。スイッチング要素がオフになると、インダクタは蓄えられた電流を放電します。あらゆるタイプの電圧調整回路 (DC-DCコンバータ、電源など) では、ほとんどの場合、パワーインダクタが使用されます。
適切なインダクタの選択
インダクタンス値は最終的にDC-DCコンバータのリップル電流に影響を与えます。インダクタンス値が大きいとコンバータのリップル電流が減少しますが、アプリケーションのコストとサイズにも影響します。名前が示すように、インダクタのDCRは、DC電流がインダクタを通過するときの抵抗です。DCRが低くなると損失が減り、電源回路の効率が向上します。飽和電流 (Isat) は、インダクタが磁気飽和状態になりインダクタンスの低下が見られるようになる前に許容される最大電流です。高電流アプリケーションでは、Isatの高いパワーインダクタを使用することが重要ですが、これによりコンポーネントがかなり大きくなる可能性もあります。
小型フォームファクタ、高電流パワーインダクタの必要性
チップ設計技術の進歩に伴い、半導体電源が3.3ボルトの高電圧レールと低電流から、高電流と低電圧 (1.0 Vレールと1.2 Vレール) を必要とするものへと移行しており、高電流処理パワーインダクタの必要性がますます高まっています (図1)。さらに、電子部品の小型化や筐体の薄型化を実現する実装技術の進歩により、パワーインダクタを含むすべての内部電子部品の小型化の要求が高まっています。
ただし、一般的に、パワーインダクタの場合、高電流能力とサイズの間にはトレードオフがあります。通常、より大きな電流に耐えるためには、ケース サイズが大きい場合、ランド パターンを変更する必要があります。さらに、サイズが小さいと、一般的にインダクタンスや飽和電流が不十分になります。LxEU巻線パワーインダクタの独自の金属合金と、LxCN積層パワーインダクタの材料と特許取得済みの構造の組み合わせにより、設計者は小さなケースサイズで高い飽和電流とインダクタンスの両方を実現できます (図2)。
パワーインダクタのさまざまな構造
これらの各コンポーネントの利点を理解するには、巻線型および積層型パワーインダクタの従来のレイアウトに注目することが重要です (図3)。多層インダクタは、フェライトを含んだセラミックシートにパターンを印刷して作成されます。その後、シートは積層され、焼成されます。最後に完成品を組み立て、圧着、焼成し、端部に外部電極を形成します。一般的に、高透磁率の材料を使用することで高いインダクタンスが形成されます。
巻線インダクタは、フェライトなどの磁性体の内側（または表面）にコイルが形成されています。コイルは、所定の回数だけ内側のコアの周りに巻かれ、外側のコアが内側のコアを包みます。巻数が多いほどインダクタンスは大きくなり、巻数が少ないほど直流抵抗 (DCR) は低くなります。コイルは動作温度を上げるために絶縁樹脂でコーティングされています。コイルの両端に銀ペーストや導電性金属片などで外部電極を取り付け、インダクタの下端部に塗布します。
内部コアは、一般的に圧縮粉末磁気コアまたはフェライトコアです。これらのコアの作成は、磁性合金粒子を結合し、元素の混合を可能にする結合剤を分解するために、圧縮成形や焼結、熱処理などが必要となる複雑なプロセスです。最近のプロセスでは、従来のフェライトよりも金属磁性合金が好まれることが多く、これはフェライトに比べて利点があるためです。
巻線インダクタの改良
太陽誘電は、金属材料の使用により、巻線型および積層型の両方のパワーインダクタの機能強化を提供します。巻き線パワーインダクタの場合、同じインダクタンスと電流定格を持つフェライトベースの巻き線パワーインダクタよりもケースサイズがはるかに小さくなります。下の表1に、同じ4 mm角のケース サイズを持つフェライト ベースのLxXNシリーズと金属ベースのLxDPシリーズを比較した例を示します。大幅な改善により、これらのインダクタ内で使用される材料の革新に貢献しました。
太陽誘電は、小型構造でこの高性能を実現するために、熱的に安定した酸化物でコーティングされた鉄系アモルファス合金をコア材料に適用しています。鉄 (Fe)、シリコン (Si)、および鉄よりも酸化されやすい金属元素 (通常はクロム (Cr)、チタン (Ti)、アルミニウム (Al) など) からなる混合系があります。シリコン含有量が多いほど、コアの絶縁抵抗と透磁率が向上します。シリコン含有量が低いほど、コアの成形性が高まります。
Crなどの金属は、熱処理中に不活性状態を形成して過度の酸化を防ぎ、強度と絶縁抵抗を高めますが、多すぎるとコアの磁気特性、ひいてはパワーインダクタの特性に影響を与える可能性があります。パワーインダクタのコアを形成する際には、これらの材料の間で微妙なバランスが保たれており、コアの化学組成を確認するには走査型電子顕微鏡 (SEM) でのみ分析できます。
パワーインダクタに使用される合金に金属を導入すると、定格電流が増加し、インダクタのDCRが低減するとともに、インダクタ パッケージのフットプリントも縮小されます。金属磁性合金はフェライトよりも高い飽和磁束密度 (Bsat) を達成できるため、より高い電流での動作が可能になります。DCRが低いほど、より効率的な電源設計が可能になります。
これらの改良は、小型化された金属巻線EUシリーズに見られ、1 mm未満のケース サイズなどの小さなフットプリントで高電流と低DCRを実現します。LxDN/LODPシリーズの金属巻線インダクタは、高電流、薄型、改善されたDCバイアス特性を特長としており、設計者は従来のフェライトベースのLxXNシリーズのフットプリントを使用することができます。図6に、太陽誘電の巻線型および積層型パワーインダクタの両方の製品が示されており、相対的なケース サイズと電流定格が明確に示されています。
積層インダクタの改良
LxCNシリーズ積層インダクタは、磁性材料と積層構造を組み合わせることで、高性能化と超小型化を実現しました。LxON内の熱処理された鉄粉は、薄い結晶酸化物膜によって絶縁性を確保します (図7)。多層構造により、鉄の材質特性を最大限に活かすとともに、金属材料の大電流、高効率、高耐熱性も活かします。
太陽誘電の小型で強力なパワーインダクタ
太陽誘電のパワーインダクタは、磁性合金の独自の組み合わせと独自の構造により、インダクタの体積を大幅に削減しながら、コンポーネントの電流とDCRを向上させます。これらの改善は、それを実装する電源回路に直接影響を及ぼし、パワーインダクタを使用する際に設計者が通常直面する電流とサイズのトレードオフを排除します。太陽誘電は、インダクタの材料研究、開発、製造において継続的な実績を誇り、過去世代の製品を着実に改良し、現代のパワーエレクトロニクスのニーズに応える最先端のインダクタのポートフォリオを生み出しています。太陽誘電は、現代の電力供給ネットワークのサイズ、プロファイル、電力制約を満たす最先端のパワーインダクタを提供することができます。