パワーエレクトロニクス・ワールド

第9回 スイッチング電源のエネルギー伝達を支える電子部品

過去の記事を整理・一部リライトして再掲載したものです。 古い技術情報や、 現在、TDKで扱っていない製品情報なども含まれています。

自動車の主役がエンジンであるとすれば、電源の主役はトランス。従来のリニア方式の電源に使われていた重くて大きなトランスは、スイッチング電源においては、軽く小さなものとなりました。また、何よりもエネルギー変換効率においても格段にすぐれるのがスイッチング電源の特長。トランスの設計が電源の性能を左右するといっても過言ではありません。

コンデンサばかりでなくコイルもエネルギーを蓄える

人間が摂取した食物はグリコーゲンや脂肪として体内に蓄えられ、筋肉や脳の活動に使用されます。電子機器においてエネルギーを一時的に蓄える役割を担うのはコンデンサやコイル(インダクタ)です。コンデンサは蓄電器とも呼ばれるように、電荷を蓄えることが基本機能の1つ。複数のコンデンサとICによる簡易なDC-DCコンバータもあります。充電したコンデンサをICのスイッチングでつなぎかえて電圧変換するDC-DCコンバータで、チャージポンプ式と呼ばれます。携帯電話のディスプレイのバックライト用電源などに使われますが、チャージポンプ式は簡易ながら大電流出力は苦手で効率もあまりよくありません。このため、携帯電話などではコイル(パワーコイル、パワーインダクタ)を搭載した小型DC-DCコンバータも多用されています。では、コイルはなぜエネルギーを蓄えることができるのでしょうか?
コンデンサとコイルは正反対の性質をもっています。直流を通さず、交流を通すというのがコンデンサのもう1つの基本機能です。コイルはこれとは逆に、直流をスムーズに流すものの、交流に対しては抵抗のように振る舞います。その原理は電磁誘導です。交流のような変動する電流に対して、コイルはその変動を妨げるように磁束を発生させて起電力(電圧)を生み出します。これを自己誘導現象といい、そのときのコイルの働きの大きさをインダクタンスといいます。
交流に対して抵抗のように使われるコイルは、流れを“ふさぐ・詰まらせる(choke)”という意味からチョークコイルと呼ばれます。蛍光灯の安定器も1種のチョークコイル。スイッチを入れてからグロースタータの接点がOFFとなった瞬間、安定器のコイルは、蓄えたエネルギーをいっきに放出して蛍光管を点灯させます。
コイルのインダクタンスはコイルの巻数とコイルを貫通する磁束に比例します。チョークコイルのコアには、ケイ素鋼やフェライト、センダスト、アモルファス合金などの軟磁性体が使用されます。こうした磁性体はスポンジが周囲の水を吸い込むように、磁束をよく吸収するため、コイルのインダクタンスを高めて小型化することができます。飽和磁束密度はどれだけ多くの磁束を吸い込めるかを表し、透磁率は磁束の吸い込みやすさを表します。

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