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JP2008166624A - トランス及びそれを用いた共振型スイッチング電源 - Google Patents

トランス及びそれを用いた共振型スイッチング電源 Download PDF

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秀樹 田村
Tomohiro Ota
智浩 太田
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Abstract

【課題】 トランス及びそれを用いた共振型スイッチング電源において、所望の漏れインダクタンスを取るために、トランス形状が大型になることがなく、また、エアギャップを大きく取る必要がなく、小サイズ化が図れる。
【解決手段】 トランス1は、中脚2aと、その中脚から分岐した側脚2b,2cとからなるコア2と、コア2の中脚2aに設けた1次側巻線3と、側脚2b,2cの少なくとも一方に設けた2次側巻線5,6と、を備える。この構成により、2次側巻線5,6の側脚2b,2cへ巻回する巻数を調整することで、エアギャップを入れることなく、簡単に必要な漏れインダクタンスを確保することが可能となる。
【選択図】図1

Description

本発明は、スイッチング電源装置に用いるトランス、特に共振型スイッチング電源に用いられる漏れインダクタンスを有したトンラスに関する。
一般に、共振型スイッチング電源回路は、図6に示すような構成を有する。直流入力電源101は、例えば、商用電源を整流ダイオードとコンデンサにより整流平滑されたような電源である。この直流入力電源101から、インダクタンス素子102と絶縁コンバータトランス103の1次側巻線と共振用コンデンサ104よりなる直列共振回路に電流が供給される。この電流は、ハーフブリッジ構成されたスイッチングトランジスタ105,106を駆動回路7によりスイッチング制御されている。
絶縁コンバータトランス103の2次側巻線に得られる電圧は、センタータップ方式でダイオード108,109、コンデンサ110により整流平滑された直流電圧出力として負荷111へ供給される。駆動回路107は、例えば出力電圧を監視して制御されており、負荷の変動があっても一定の出力電圧を得る。
共振型スイッチング電源においては、2次側に出力が得られている期間には絶縁コンバータトランス103の1次側巻線は等価的に短絡状態となっており、この期間にはインダクタンス素子102と共振用コンデンサ104による直列共振動作となっている。この例では、インダクタンス素子102に外付けのコイルを使用しているが、絶縁コンバータトランス103に存在する漏れインダクタンスを利用しても同様の動作が可能である。
そこで、この漏れインダクタンスを確保するために、図7に示すように、分割ボビンを用いたトランスを使用し、外付けのインダクタンス素子を省いているものがある(例えば、特許文献1参照)。こうした分割巻トランスの等価回路を図8に示している。なお、図7において、113はコア、114は分割ボビン、114aはボビン分割部分、115は1次側巻線、116は2次側巻線である。
特開2001−237126号公報
上記のように、分割ボビンを利用したトランスの場合、漏れインダクタンス値は、1次側巻線、2次側巻線間の距離や、エアギャップにより確保しており、漏れインダクタンスを大きくするには、巻線間距離を離したり、エアギャップを大きくしたりする必要があった。このため、結果的に、トランス形状が大きくなってしまう。また、エアギャップを大きくすることによる漏れ磁束の増加による損失などの問題があった。
本発明は、上記問題を解消するものであり、所望の漏れインダクタンスを取るために、トランス形状が大型になることがなく、また、エアギャップを大きく取る必要がなく、小サイズ化が図れるトランス及びそれを用いた共振型スイッチング電源を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、請求項1の発明は、磁路を形成する1つの中脚と、その中脚から少なくとも2つに分岐した側脚とからなるコアと、前記コアの中脚に設けた1次側巻線と、前記側脚の少なくとも一方に設けた2次側巻線と、を備えたトランスである。
請求項2の発明は、上記トランスにおいて、前記2次側巻線は前記側脚の一方と中脚に設けたものである。
請求項3の発明は、前記2次側巻線は前記側脚の両方と中脚に設けたものである。
請求項4の発明は、前記中脚にギャップを設けたものである。
請求項5の発明は、前記巻線は、基板のプリント配線で形成されているものである。
請求項6の発明は、前記2次側巻線は主として前記側脚に設け、その巻数により漏れインダクタンスを制御するものである。
請求項7の発明は、上記いずれかのトランスを用いた共振型スイッチング電源である。
請求項1乃至請求項4の発明によれば、2次側巻線の側脚へ巻回する巻数を調整することで、エアギャップを入れることなく、簡単に必要な漏れインダクタンスを確保することが可能となり、トランス形状を小型化できる。また、漏れインダクタンスを減少させずに、励磁インダクタンスの調整が可能となる。
請求項5の発明によれば、巻線をパターン配線により構成したので、ボビン等が必要でなく、容易に中脚、側脚へコイルを巻回することができる。
請求項6の発明によれば、漏れインダクタンスを低下させることなく所望の漏れインダクタンスを確保することができる。
請求項7の発明によれば、共振型スイッチング電源において、外付け部品を削減できる。
<第1実施形態>
本発明の第1実施形態に係るトランスについて図面を参照して説明する。図1、図2は本実施形態のトランスを示す。トランス1は、閉じた磁路を形成するコア2と、入力側となる1次側巻線3と、出力側となる2次側巻線4,5,6と、を備える。コア2は、1つの中脚2aと、この中脚2aから2つに分岐した側脚2b,2cとからなり、例えば、E型コアとI型コア又はE型コア同士により構成される。
1次側巻線3は、コアの中脚2aに設けられる。2次側巻4,5,6は、中脚2aのみでなく、側脚2b,2cにも設けられている。ここに、2次側巻線4は、中脚2aに巻かれており、2次側巻線5,6は、側脚2b,2cにそれぞれ巻かれている。2次側巻線4の一部と2次側巻線5とで連続した1つのコイルとなり、2次側巻線4の残部と2次側巻線6とで連続したもう1つのコイルとしている。
1次側巻線3には、スイッチング電源からスイッチング動作電流が供給され、これにより1次側巻線3で発生した磁束(矢印で示す)は、中脚2aを通り、側脚2b,2cで各々1/2となる。2次側巻線4,5,6のうち、中脚2aに巻回した2次側巻線4には、1次側巻線3で発生した磁束と同じ量の磁束が鎖交するのに対し、側脚2b,2cに巻回した2次側巻線5,6には1次側巻線3で発生した磁束の1/2の磁束が鎖交することとなる。従って、鎖交しない磁束(巻線を巻回していない側脚を通る磁束)は、1次側の漏れインダクタンスとなる。中脚2aへの2次側巻線4の巻数を減らし、側脚2b,2cへの2次側巻線5,6の巻数を増やすと、漏れインダクタンスは大きくなる。
従って、2次側巻線4,5,6の中脚2a、側脚2b,2cに巻回する巻数を調整することで、エアギャップを入れることなく、簡単に必要な漏れインダクタンスを確保することが可能となる。2次側巻線4,5,6は主として側脚2b,2cに設け、その巻数により漏れインダクタンスを制御するものとしてもよい。図3は、中脚2aの2次側巻線4に対する側脚2b,2cの2次側巻線5,6の巻数比と漏れインダクタンスの関係を示す。同図の横軸は、巻数比(=側脚巻数/中脚巻数)である。中脚巻数に対する側脚巻数が大きくなると、漏れインダクタンスは小さくなる。
また、上記では、2次側巻線を中脚2aと側脚2b,2cの両方に設けたものを示したが、側脚2b,2cの一方と中脚2aに設けたものとしてもよい。その詳細は後述の第3実施形態で説明する。
<第2実施形態>
本発明の第2実施形態に係る基板トランスについて図4、図5を参照して説明する。本実施形態は、プリント配線により巻線を形成したものである。図4(a)(b)(c)(d)は、基板トランスの構成要素であるプリントコイル基板の第1層乃至第4層を、同図(e)はコイルの等価回路を、図5は基板トランスの断面をそれぞれ示す。
プリントコイル基板は、第1の基板10と第2の基板20とから成る。第1の基板10は、その表裏2層、すなわち第1層及び第2層に形成されたプリント巻線31,32から成る1次側巻線3を有し、第2の基板20は、その表裏2層、すなわち第3層及び第4層に形成した中脚側のプリント巻線41,42から成る2次側巻線4、及び一方の側脚側のプリント巻線から成る2次側巻線5、及び他方の側脚側のプリント巻線から成る2次側巻線6を有する。このように、図示の基板トランスは、1次側巻線3及び2次側巻線4,5,6が共に2層で成る。
1次側巻線3は、第1の基板10に貫通形成されたスルーホール14により表裏2つのプリント巻線31,32が接続されることにより形成されている。2次側巻線4は、第2の基板20に貫通形成された複数のスルーホール24により、表裏にそれぞれ設けられたプリント巻線41同士、プリント巻線42同士が接続されてそれぞれが連続したコイルに形成されている。また、各々のプリント巻線の中心部が基板の鉛直方向に重なるように配置されている。この中心部は、基板10,20に設けられた円形の貫通孔15,25(開口)の中心と一致する。
詳細には、1次側巻線3に関して、プリント巻線31は、第1層で最外周から最内周に向けて螺旋状に配線され、プリント巻線32は、第2層で最内周から最外周に向けて螺旋状に配線されている。プリント巻線31,32がこのように構成されていることで、巻き始めから巻き終わりまで磁束方向が一定となる。図4(a)(b)のA−Bが1次側の入力端子となり、本例では、プリント巻線31,32はそれぞれ8ターンとし、合計16ターンとしている。
2次側巻線4に関して、プリント巻線41とプリント巻線42とは、同心で渦巻き状に交互に形成されている。プリント巻線41は、プリント巻線から成る2次側巻線5と、スルーホール及び裏面(第4層)側の繋ぎ線41aを通して連続接続され、プリント巻線42は、プリント巻線から成る2次側巻線6と、スルーホール及び表面(第3層)側の繋ぎ線42aを通して連続接続されている。図4(c)(d)のE−F,G−Hが、2次側の2巻線の端子となる。本例では、中脚のプリント巻線41,42はそれぞれ3ターン、側脚の2次側巻線5,6を成すプリント巻線はそれぞれ1ターンとしている。
また、基板10,20の中心部には、コア挿入用の平面視円形の貫通孔15,25(開口)が設けられ、基板10,20の左右両側部には、平面視長方形の貫通孔16,17及び26,27(開口)が設けられている。各基板10,20は、図5に示すように、絶縁板30を挟んで積層されて接着され、基板組立体35となる。絶縁板30にも、基板の貫通孔と対応する位置に同等の開口が設けられている。そして、フェライト等で成るコア2(E型コアとI型コアから成る)が各開口に挿入され、基板組立体35に組み付けられることにより基板トランス50が構成される。
本実施形態の基板トランス50においては、プリント配線基板の表裏層を用いたパターン配線により各巻線3,4,5,6を形成している。すなわち、基板の第1及び第2層を使用して1次側巻線を形成し、第3及び第4層を使用して2次側巻線を形成しているので、従来に比べて、同一パターン幅の場合、2倍の巻き数を実現でき、また、同じ巻き数であれば、2倍のパターン幅を確保できる。また、巻き数を増やしたい場合は、2層ではなく、それ以上の偶数層(例えば、4層)を使用して巻線を配線して行けば、必要なパターン幅で巻き数を増やすことができる。これにより、簡単に、低背のトランスを構成することができる。
また、前述の第1実施形態においては、中脚用ボビン以外に側脚巻線巻回用のボビンが必要となるが、本実施形態においては、巻線をパターン配線により構成しているので、ボビン等が必要でなくなり、極めて容易に中脚、側脚へのコイル巻回が可能となる。
さらに、巻数も1ターン、2ターンといった整数ターンとするだけでなく、巻線の引き出し位置により、0.5ターンや、0.8ターンといった調整が可能となり、必要な漏れインダクタンスを精度良く実現することが可能となる。
<第3実施形態>
フェライトコアを用いたトランスでは流す電流が大きいと、磁束密度がフェライトの持つ飽和磁束密度を超え、インダクタンス値が急激に低下する現象が発生する。一般的にこの特性を直流重畳特性と言う。この対策として組み合わせる2つのコア間にギャップを設けることで、飽和に至る許容電流値を大きくする。このような、ギャップと電流飽和との関係を図9に示している。
また、コアの鉄損を考慮した場合、使用磁束密度から1次側巻数が決定され、回路上必要なインダクタンス値に対して、大きなインダクタンス値が得られてしまう場合がある。こういった場合にも、ギャップを設けてインダクタンス値を調整する。
ところが、前述のコアの側脚に2次側巻線を巻回し漏れインダクタンスを確保した場合、図10に示すような、E型コア61とI型コア62を用いたトランス1において一般的な中脚・側脚に、共にギャップ63を設けると、図11(a)(b)に示すように、ギャップが大きくなるに連れて、励磁インダクタンスが低下するが、漏れインダクタンス値も同様に低下する。
そこで、本実施形態においては、図12(a)(b)に示すように、ギャップ63を中脚61aにのみ設けたトランス1とする。これにより、励磁インダクタンスのみ低下し、漏れインダクタンスは低下することなく所望の漏れインダクタンス値を確保することができる。
以下に、本実施形態の詳細について、図13(a)(b)を参照して説明する。図13(a)は一般のトランス100を、(b)は本実施形態のトランス1を示す。トランス100は、中脚・側脚にギャップ63があり、本実施形態のトランス1は、中脚のみにギャップ63がある。
これらトランスにおいて、中脚61aに巻回した1次側コイル3で発生した主磁束M1によって、同じ中脚61aに巻回した2次巻線4に電流が流れて、主磁束を相殺する磁束M2が発生する。1次側主磁束M1が相殺された状態で側脚61cに巻回した2次巻線5には、中脚61aに巻回している2次巻線4で発生した電流が流れる。なお、2次巻線4,5は前述実施形態と同様に連続接続されている。この電流に応じた磁束M3が側脚61cに発生する。この結果、中脚61aでは、1次巻線3及び2次巻線4により磁束が相殺されているので、磁束は弱くなり、結果的に、側脚61b,61cだけを通る磁束のループが漏れインダクタンスとなる。
ここに、図13(a)に示した中脚・側脚ともにギャップ63を設けたトランス100の場合には、側脚61b,61cを通る磁束ループにギャップがあることで(A部分)、漏れインダクタンスが減少してしまう。
一方、図13(b)に示した中脚61aにのみギャップ63を設けたトランス1の場合には、側脚61b,61cを通る磁束ループにはギャップがない状態となるので(A部分)、漏れインダクタンスは、減少することがない。この様子を図14(a)(b)に示している。
本発明は、上記実施形態の構成に限られず、発明の趣旨を変形しない範囲で種々の変形が可能である。また、上記いずれかのトランスを用いた共振型スイッチング電源においては、外付け部品を削減できる等の効果が得られる。
本発明の第1実施形態に係るトランスの断面図。 同トランスの横断面図。 同トランスの中脚の2次側巻線に対する側脚の2次側巻線の巻数比と漏れインダクタンスとの関係図。 (a)(b)(c)(d)は、本発明の第2実施形態に係る基板トランスの構成要素であるプリントコイル基板の第1層乃至第4層を示す図、(e)はコイルの等価回路図。 同基板トランスの断面図。 一般の共振型スイッチング電源回路図。 一般の分割巻トランスの断面図。 一般の分割巻トランスの等価回路図。 一般のトランスのギャップと電流飽和との関係図。 本発明の第3実施形態の前提となる、コアの側脚に2次側巻線を巻回し、中脚・側脚にギャップを設けて成るトランスの断面図。 (a)は上記トランスにおけるギャップと励磁インダクタンスの関係図、(b)はギャップと漏れインダクタンスの関係図。 (a)(b)は本発明の第3実施形態に係るトランスの断面図。 (a)は一般のトランスの動作説明図、(b)は第3実施形態のトランスの動作説明図。 (a)は第3実施形態に係るトランスのギャップと励磁インダクタンスの関係図、(b)はギャップと漏れインダクタンスの関係図。
符号の説明
1 トランス
2 コア
2a 中脚
2b,2c 側脚
3 1次側巻線
31,32 プリント巻線
4 2次側巻線
41,42 プリント巻線
5,6 2次側巻線
10 第1の基板
20 第2の基板
35 基板組立体
50 基板トランス
61 E型コア
61a 中脚
61b,61c 側脚
62 I型コア
63 ギャップ

Claims (7)

  1. 磁路を形成する1つの中脚と、その中脚から少なくとも2つに分岐した側脚とからなるコアと、
    前記コアの中脚に設けた1次側巻線と、
    前記側脚の少なくとも一方に設けた2次側巻線と、を備えたことを特徴とするトランス。
  2. 前記2次側巻線は前記側脚の一方と中脚に設けたことを特徴とする請求項1に記載のトランス。
  3. 前記2次側巻線は前記側脚の両方と中脚に設けたことを特徴とする請求項1に記載のトランス。
  4. 前記中脚にギャップを設けたことを特徴とする請求項2又は請求項3に記載のトランス。
  5. 前記巻線は、基板のプリント配線で形成されていることを特徴とする請求項1に記載のトランス。
  6. 前記2次側巻線は主として前記側脚に設け、その巻数により漏れインダクタンスを制御するようにしたことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のトランス。
  7. 請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載のトランスを用いた共振型スイッチング電源。
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