パワー系インダクタ：メタルコンポジットタイプの優れた特性

インダクタの基本特性

インダクタは、以下の基本特性を持っています。

1. 電流が流れると磁界が発生し、逆に磁界が変化すると電流が流れる。
2. 電気エネルギーを磁気エネルギーに変化させ蓄える。
3. 直流は通すが交流は通しにくく、周波数が高いほど通しにくくなる。

①と②は関連する特性です。インダクタに電流を流すと磁界が発生し、この磁束は電流を止めてもそのまま残ります。これは、インダクタが磁化するためです。つまり、インダクタは電気エネルギーを磁気エネルギーとして蓄えることができます。

③の特性は、直流を印加した場合は単に導線として電流が流れますが、交流の場合は周波数が高いほど電流が流れにくくなります。これは、インダクタのインピーダンスに起因するものです。

この式から、周波数fが高くなるとインピーダンスが大きくなり、電流が流れにくくなることがわかります。また、インダクタンスLが大きくなっても同様に電流が流れにくくなります。

インダクタの基本構造とインダクタンス

最も基本的なインダクタは、導線をコイル状に巻いたもので、導線の両端が外部端子になっています。近年は、コアを利用したコアに導線を巻いたものが大半を占めています。

インダクタのインダクタンスは、以下の式で求められます。

この式からインダクタンスは、1)断面積Sを大きくする、2)巻数Nを増やす、3)コアを入れて透磁率を増す、ことで大きくなることがわかります。

インダクタの主な働き

実際にインダクタはどのような働きをするのか、先に示したインダクタの基本特性①、②、③を基に具体例を示します。

インダクタの主要スペック

インダクタの仕様や性能を示す主要なスペックを示します。規定条件がメーカーや商品によって異なりますので、データシートの注記などをよく確認する必要があります。

インダクタの種類

インダクタには様々な種類があります。また、分類の仕方も観点によっていろいろです。下の図は、用途を信号系とパワー系として、それぞれを磁性体(コア)材料と工法によって分類したものです。
この中でパワー系インダクタは、近年の電源に対する大容量化、効率向上、小型化という市場要求に対して、キーアイテムの1つになっています。パワー系インダクタの磁性体(コア)材料はフェライトがポピュラーですが、近年のパワー系アプリケーションの課題に対するソリューションとして、コアに金属磁性体を使用したメタルコンポジットタイプのパワーインダクタが注目されています。

メタルコンポジットタイプの特長

パナソニックのMCタイプのパワーインダクタは、独自の金属磁性材と一体成形構造の採用により、フェライトタイプに対し小型化と大電流化を可能にしながら、車載対応の高い信頼性を実現しています。

下の比較表が示すとおりフェライトタイプに比べ、インダクタの重要特性である磁気飽和特性、熱安定性、耐熱性、耐振性、ACR(交流抵抗)、振動うなり音量が優れていることが特長です。

磁気飽和特性と熱安定性

MCタイプとフェライトタイプの磁気飽和特性(＝直流重畳特性)を、それぞれ25℃、100℃、125℃、150℃の条件別にプロットしたデータの一例を示します。磁気飽和特性は、インダクタに直流を印加した場合、ある電流値で磁気飽和が発生し急激にインダクタンスが低下する特性で、先の「主要スペック」でも示した重要特性の一つです。

一般的にフェライトタイプは、顕著な飽和特性を持っていることがよく知られており、グラフが示すとおりDCバイアスを大きくすると急激にインダクタンスが低下し、また温度によっても飽和特性は変動します。それに対してパナソニックのMCタイプは、飽和と見られる急激なインダクタンスの低下は発生せず、温度に対してもほとんど変動がありません。これは周囲温度の変動はもちろん、発熱をともなうパワー系インダクタでは重要なポイントです。

交流抵抗(ACR)

導線に流す電流の周波数を高くすると表皮効果や近接効果によって電流は導線の表面部分に集まり、中心部分は低密度に、表面部分は高密度になります。これにより、高周波において抵抗成分は大きくなり、インダクタにおいてはこの増加した抵抗成分を交流抵抗(ACR)と呼びます。
下のグラフはMCタイプとフェライトタイプの交流抵抗(ACR)比較です。周波数が上がりACRが増加すると、交流損失が増加し発熱が大きくなります。グラフが示すように、MCタイプのACRの増加はフェライトタイプより小さく、よって高周波数でも損失＝発熱が小さいことがわかります。

振動うなり音量

インダクタは条件や構造によって、機械的な振動うなり音を発する場合があります。フェライトコアは、コアの急激な飽和を緩和するために構造にエアギャップを設けている場合が多く、このエアギャップが振動うなり音の大きい要因になっています。パナソニックのMCタイプは、一体成形構造のためエアギャップが存在せず(「メタルコンポジットタイプの特長」の構造図参照)、振動うなり音は小さくなっております。フェライトのタイプとの比較においては約20dB＝1/10になっています。

メタルコンポジットタイプのアプリケーションと今後

MCタイプは、前述のように優れた特性と高い信頼性を持つことから、車載アプリケーションに広く採用されています。基本的に様々なECUの、電源回路のDC/DC変換部や入力フィルタに使用されています。

パナソニックでは今後、MCタイプのバリエーションを拡充し、他の車載アプリケーションに展開していく予定です。