JP2004335780A - トランスの取付け構造 - Google Patents

Abstract

【課題】共振型スイッチング電源において、その漏れインダクタンスが共振回路のＬ成分として利用されるトランスの放熱効率を向上させる。
【解決手段】共振型スイッチング電源において一次側の電力を二次側に伝達するトランス２０は、一次側巻線２１および二次側巻線２２を備える。一次側巻線２１は、トランス２０の外面２５に近接する内部領域に収容されている。トランス２０は、その外面２５がヒートシンク４０に接触するように取り付けられる。トランス２０から引き出されている二次側巻線２２は、絶縁シート４１を介してヒートシンク４０に熱的に接続される。
【選択図】 図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、共振型スイッチング電源において使用されるトランスの取付け構造に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
共振型スイッチング電源は、一般に、一次側（すなわち、入力側）の電力を二次側（すなわち、出力側）に伝達するためのトランス、及びそのトランスの一次側の巻線を励磁するための１または複数のスイッチング素子を備え、さらに各スイッチング素子に対して共振回路が設けられている。そして、これらの共振回路のＬ成分として、上述のトランスの漏れインダクタンスを利用する構成が知られている（例えば、特許文献１、２参照。）。
【０００３】
上記構成の共振型スイッチング電源においては、通常、トランスに大きな電流が流れ、そのトランス自体が発熱する。ここで、トランスにおける発熱量は、電源の仕様によるが、かなりの高温になることが多い。このため、トランスは、しばしば、ヒートシンクに接触するように取り付けられている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−３０７９３３号公報（段落０００２〜０００４）
【０００５】
【特許文献２】
特開２００２−２８１７５６号公報（図２、段落０００２〜０００４）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、共振回路のＬ成分としてトランスの漏れインダクタンスを利用する場合には、その漏れインダクタンスが所定値以上になるように設計する必要がある。しかし、一般に、トランスの漏れインダクタンスを大きくすると、それに伴って交流抵抗が大きくなることにより損失が大きくなってしまい、トランス自体の発熱量が増加してしまう。即ち、漏れインダクタンスを大きくすることと、発熱を抑えることとは、トレードオフの関係にある。このため、トランスの漏れインダクタンスを大きくしようとすると、そのトランスの温度上昇が引き起こされることになる。
【０００７】
なお、トランスのサイズを大きくすれば、上記トレードオフは解消または緩和されると考えられるが、一般に、電源装置の小型・軽量化の要求が強く、望ましい対策とは言えない。
本発明は、共振型スイッチング電源において、その漏れインダクタンスが共振回路のＬ成分として利用されるトランスの放熱効率を向上させることである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、共振型スイッチング電源において入力側の電力を出力側に伝達すると共にその漏れインダクタンスが共振回路のＬ成分として利用されるトランスの取付け構造に係わる。ここで、上記トランスは、第１の巻線、およびその第１の巻線よりも断面積の大きい第２の巻線を含んでいる。また、上記第１の巻線は、上記トランスの第１の外面に近接するようにその内側領域に収容されており、上記第２の巻線は、上記第１の巻線と磁気的に結合するように上記トランスの第１の外面に対向する第２の外面の内側領域に収容されている。そして、上記トランスは、上記第１の外面がヒートシンクに接触するように取り付けられる。
【０００９】
上記取付け構造において、第１の巻線を構成する電線は、第２の巻線と比較してその断面積が小さいので、トランスから外部に引き出されている部分だけでは十分な放熱効果が得られないおそれがあるが、第１の巻線は、ヒートシンクの近くに配置されるので、第１の巻線において発生する熱の大部分は、容易に、ヒートシンクに放出される。一方、第２の巻線は、その断面積が大きいので、トランスから外部に引き出されている部分だけである程度の放熱効果が得られる。よって、共振回路のＬ成分として利用するために上記トランスの漏れインダクタンスを大きくしたときに、トランスにおける発熱量が大きくなっても、そのトランスの温度上昇は抑えられる。
【００１０】
なお、上記発明では、第２の巻線と比較して第１の巻線を構成する電線の断面積の方が小さいことを前提としているが、第２の巻線と比較して第１の巻線を構成する電線の巻き数の方が多い場合にも、同様の作用により同様の効果が得られる。
【００１１】
また、上記発明において、上記トランスから引き出されている上記第２の巻線の端部が、熱伝導性の高い絶縁部材を介して上記ヒートシンクに熱的に接続されるようにしてもよい。この構造によれば、第２の巻線に対する放熱効果が向上する。
【００１２】
さらに、上記発明において、上記第１の巻線が、電線を複数回リング状に巻くことにより実現され、上記第２の巻線が、板状の導体をリング形状に成型することにより実現されるようにしてもよい。この構造によれば、二次側巻線を容易に熱的にヒートシンクに接続できる。
【００１３】
本発明の共振型スイッチング電源は、第１の巻線およびその第１の巻線よりも断面積の大きい第２の巻線を含み入力側の電力を出力側に伝達するトランス、上記トランスの上記第１の巻線を励磁するスイッチング素子、上記スイッチング素子に対して設けられ上記トランスの漏れインダクタンスをＬ成分として利用する共振回路を備える。ここで、上記第１の巻線は、上記トランスの第１の外面に近接するようにその内側領域に収容され、上記第２の巻線は、上記第１の巻線と磁気的に結合するように上記トランスの第１の外面に対向する第２の外面の内側領域に収容される。そして、上記トランスは、上記第１の外面がヒートシンクに接触するように取り付けられる。
【００１４】
上記共振型スイッチング電源では、上述した本発明のトランスの取付け構造を導入しているので、放熱効率が高く、共振回路のＬ成分として利用するためにその漏れインダクタンスを大きくしても、温度上昇は抑えられる。すなわち、トランスの温度上昇を回避しながら、その漏れインダクタンスを大きくできる。したがって、共振回路のＬ成分として別途インダクタンス素子を設ける必要がなく、電源全体として小型・軽量化が図れる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係わる共振型スイッチング電源の一例の回路図である。ここでは、共振型スイッチング電源の一例として降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータを採り上げる。なお、この共振型スイッチング電源の入力側には、バッテリ１０１が接続されており、出力側には、バッテリ１０１よりも低電圧のバッテリ１０２が接続されているものとする。
【００１６】
スイッチ回路１０は、Ｈブリッジ状に接続された４個のスイッチング素子１１ａ〜１１ｄを含み、また、各スイッチング素子１１ａ〜１１ｄには、それぞれ共振回路を構成するための共振用コンデンサ１２ａ〜１２ｄが接続されている。ここで、スイッチング素子１１ａ〜１１ｄは、制御部３０からの制御信号によってオン状態／オフ状態が制御される。そして、この制御により、トランス２０の一次側巻線は、所定の周期で繰り返し励磁される。
【００１７】
トランス２０は、一次側巻線２１および二次側巻線２２を含み、一次側の電力を二次側に伝達する。ただし、一次側の電力のうちの一部は、二次側に伝達されることなく、いわゆる「漏れインダクタンス」を生成する。そして、この漏れインダクタンスは、共振用コンデンサ１２ａ〜１２ｄと結合することにより、ＬＣ共振を行う共振回路のＬ成分として利用される。また、二次側巻線２２は、互いに直列に接続された巻線２２ａおよび巻線２２ｂから構成されている。そして、巻線２２ａ、２２ｂの中点は、グラウンド端子（または、センタータップ）として引き出されており、負荷（ここでは、バッテリ１０２）のグラウンド側端子に接続されている。なお、トランス２０の出力は、ダイオードＤ１、Ｄ２によりＯＲ結合され、さらに出力コンデンサＣｏｕｔ により平滑化されて、バッテリ１０２に供給される。
【００１８】
制御部３０は、この共振型スイッチング電源の出力をモニタし、バッテリ１０２に供給する電圧を所定の値に保持するための制御信号を生成してスイッチング素子１１ａ〜１１ｄに与える。
なお、上記共振型スイッチング電源は、ＺＣＳ（Ｚｅｒｏ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）型またはＺＶＳ（Ｚｅｒｏ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）型のいずれのタイプにも適用可能である。また、スイッチ回路１０は、図１に示すようなＨブリッジ（フルブリッジ）型に限定されることはなく、ハーフブリッジ型、プッシュプル型、１素子型であってもよい。さらに、駆動方式は、図１に示すような他励式に限定されることはなく、自励式であってもよい。さらに、共振方式は、準共振型、部分共振型、復号共振型であってもよい。
【００１９】
図２は、トランス２０の外観斜視図である。また、図３は、トランス２０の分解斜視図である。
トランス２０は、図２および図３に示すように、一次側巻線２１、二次側巻線２２（２２ａ、２２ｂ）、および１組のコア部材２３、２４から構成される。ここで、一次側巻線２１は、比較的細い電線を複数回リング状に巻くことにより形成されている。また、二次側巻線２２を構成する巻線２２ａおよび２２ｂは、それぞれ、例えば、銅板をリング状に打ち抜くことにより形成されており、その断面積は、一次側巻線２１の電線のそれと比較して十分に大きくなっている。すなわち、巻線２２ａ、２２ｂは、電流の流れる方向に垂直な面の断面積が大きい。このため、電流の流れる方向に引き出されている端部へ熱が伝わって放出されやすい。
【００２０】
コア部材２３、２４は、例えばフェライトにより形成されており、それぞれ、突起部２３ａ、２４ａを有している。そして、トランス２０を組立てる際には、これらの突起部２３ａ、２４ａが一次側巻線２１および二次側巻線２２を貫通するようにしてコア部材２３、２４が接合される。これにより、一次側巻線２１および二次側巻線２２は、フェライトコアを介して磁気的に結合される。
【００２１】
なお、図３では、二次側巻線２２を構成する巻線２２ａ、２２ｂの間に一次巻線２１が挟まれるようにして配置されたトランスが示されているが、一次側／二次側巻線の構成および配置は、他にも様々な形態が適用可能である。
ところで、図１に示す共振型スイッチング電源では、各共振回路のＬ成分としてトランス２０の漏れインダクタンスが利用される。このため、十分な共振動作を得るためには、トランス２０の漏れインダクタンスは所定値以上に設計される必要がある。
【００２２】
図４（ａ）は、一次側／二次側巻線の配置と漏れインダクタンスの関係を示す図である。ここで、「Ｐ」は一次側巻線を表し、「Ｓ」は二次側巻線を表す。すなわち、ＰＳＳＰ型は、図４（ｃ）に示すように、一次側巻線２１が２つのコイル部分から構成されており、それら２つのコイル部分の間に二次側巻線２２（２２ａ、２２ｂ）が挟まれた形態である。ＳＰＳ型は、図４（ｄ）に示すように、二次側巻線２２を構成する巻線２２ａ、２２ｂの間に一次巻線２１が挟まれた形態である。なお、図３に示すトランスはＳＰＳ型に相当する。ＰＳＰＳ型は、図４（ｅ）に示すように、一次側巻線２１が２つのコイル部分から構成されており、これら２つのコイル部分および二次側巻線２２を構成する巻線２２ａ、２２ｂが交互に配置された形態である。ＰＳＳ型は、図４（ｆ）に示すように、一次側巻線２１と二次側巻線２２（２２ａ、２２ｂ）とが互いに分離されて配置された形態である。
【００２３】
トランス２０の漏れインダクタンスは、図４（ａ）に示すように、一次側／二次側巻線の配置をＰＳＳ型にしたときに大きくなる。このため、トランス２０のサイズを大きくすることなく効率的に漏れインダクタンスを得るためには、図４（ｆ）に示すＰＳＳ型のトランスを使用することが望ましい。ところが、トランスの漏れインダクタンスを大きくすると、図４（ｂ）に示すように（或いは、当業者に知られているように）、そのトランスの巻線における交流抵抗が大きくなることにより損失が増大し、この結果、トランスの温度上昇の問題が発生してしまう。
【００２４】
そこで、実施形態の共振型スイッチング電源では、効率的に漏れインダクタンスが得られるＰＳＳ型のトランスを使用しつつ、放熱効率の高い取付け構造を導入している。
図５は、実施形態におけるトランスの取付け構造を示す図である。ここで、図５（ａ）は、トランスの断面を示しており、図５（ｂ）は、トランスから引き出されている二次側巻線の端部の構造を示している。
【００２５】
実施形態の共振型スイッチング電源において使用されるトランスは、上述したように、ＰＳＳ型であり、一次側巻線２１および二次側巻線２２（２２ａ、２２ｂ）が互いに分離されるように収容されている。具体的には、図５（ａ）に示す例では、一次側巻線２１がトランス２０の外面（第１の外面）２５に近接するようにその内側領域に収容されると共に、二次側巻線２２（２２ａ、２２ｂ）は、外面２５に対向する外面（第２の外面）２６の内側領域に収容されている。そして、このトランス２０は、外面２５がヒートシンク４０に接触するように取り付けられる。
【００２６】
このように、実施形態の取付け構造では、一次側巻線２１が外面２５の近傍領域に収容されており、さらにその外面２５がヒートシンク４０に接触しているので、一次側巻線２１において発生する熱の大部分は、比較的容易にヒートシンク４０へ放出されることになる。
【００２７】
一方、二次側巻線２２は、一次側巻線２１と比較すると、上述したように、その断面積が大きく且つ巻き数が少なくなっている。このため、二次側巻線２２において発生する熱は、トランス２０のから外部に引き出されている端部領域において外気に放出される。さらに、トランス２０のから外部に引き出されている二次側巻線２２の端部は、図５（ｂ）に示すように、絶縁シート（絶縁部材）４１および放熱ブロック４２を介してヒートシンク４０に熱的に接続される。このため、二次側巻線２２において発生する熱は、ヒートシンク４０へも放出される。ここで、絶縁シート４１は、熱伝導性の高い絶縁材料により形成されており、放熱ブロック４２は、例えばアルミブロックである。なお、放熱ブロック４２は、ヒートシンク４０の一部として形成されてもよい。また、放熱ブロック４２を設けることなく、二次側巻線２２を絶縁シート４１のみを介してヒートシンク４０に熱的に接続するようにしてもよい。
【００２８】
このように、実施形態の取付け構造によれば、一次側巻線２１がヒートシンク４０の近くに配置されているので、そこで発生する熱の大部分は容易にヒートシンク４０へ放出される。したがって、一次側巻線２１は、その巻線を構成する電線自体が細く且つその巻き数が多いために、そこで発生した熱は外気へ放出されにくいが、実施形態の取付け構造を導入することにより、効率的な放熱が可能になる。
【００２９】
一方、二次側巻線２２は、一次側巻線２１と比べると、ヒートシンク４０から離れた位置に配置されているので、そこで発生した熱は、トランス２０のコア部材２３、２４を介して効率的にヒートシンク４０へ放出されるとはいえない。しかし、二次側巻線２２は、その巻線を構成する電線（実施例では、リング状に形成された銅板）自体の断面積が大きく且つその巻き数が少ないので、そこで発生した熱は、トランス２０から引き出された端部領域において外気へ放出されやすく、さらに、絶縁シート４１を介してヒートシンク４０へも放出されるので、良好な放熱が可能になる。
【００３０】
この結果、トランス２０の温度上昇が抑えられる。なお、トランス２０の温度上昇が抑えられると、絶縁の信頼性が向上するとともに、巻線自体の抵抗値の増大が抑えられるので、トランス全体として損失が減少する。
また、実施形態の取付け構造を導入することにより、トランス２０の温度上昇を抑えながら漏れインダクタンスを大きくできるので、共振型スイッチング電源において、トランス２０の漏れインダクタンスを利用して共振回路のＬ成分を実現できる。よって、共振回路のために別途インダクタンス素子を設ける必要がなく、全体として共振型スイッチング電源の小型化、低コスト化が図れる。
【００３１】
なお、上述の実施形態では、共振型スイッチング電源の一例として降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータを取り上げたが、本発明はこの構成に限定されるものではなく、例えば、昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータにも適用可能である。ただし、降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータでは、トランスの二次側よりも一次側の電流が小さくなるので、二次側巻線２２と比べて一次側巻線２１を構成する電線の方が細く且つその巻き数が多くなっているが、昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータでは、トランスの一次側よりも二次側の電流が小さくなるので、一次側巻線と比べて二次側巻線を構成する電線の方が細く且つその巻き数が多くなる。したがって、昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータにおいては、図５に示した取付け構造と異なり、二次側巻線がヒートシンク４０に近い位置（すなわち、下側）に配置されるようにトランスが取り付けられ、そのトランスから引き出された一次側巻線の端部が絶縁シートを介してヒートシンクに熱的に接続されることになる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、入力電力を出力側に伝達するためのトランスの漏れインダクタンスを共振回路のＬ成分として利用する共振型スイッチング電源において、その漏れインダクタンスを大きくしつつ、トランスの温度上昇を抑えることが可能になる。さらに、これにより、共振型スイッチング電源の小型化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる共振型スイッチング電源の一例の回路図である。
【図２】トランスの外観斜視図である。
【図３】トランスの分解斜視図である。
【図４】（ａ）はコイル配置と漏れインダクタンスの関係を示す図、（ｂ）はコイル配置と交流抵抗の関係を示す図、（ｃ）〜（ｆ）はトランスのコイル配置の例を示す図である。
【図５】実施形態におけるトランスの取付け構造を示す図である。
【符号の説明】
１０ スイッチ回路
１１ａ〜１１ｄ スイッチング素子
１２ａ〜１２ｄ 共振用コンデンサ
２０ トランス
２１ 一次側巻線
２２ 二次側巻線
２５ 外面（第１の該面）
２６ 外面（第２の該面）
４０ ヒートシンク

Claims (5)

1. 共振型スイッチング電源において入力側の電力を出力側に伝達すると共にその漏れインダクタンスが共振回路のＬ成分として利用されるトランスの取付け構造であって、
   上記トランスが、第１の巻線、およびその第１の巻線よりも断面積の大きい第２の巻線を含んでおり、
   上記第１の巻線が、上記トランスの第１の外面に近接するようにその内側領域に収容されるとともに、上記第２の巻線が、上記第１の巻線と磁気的に結合するように上記トランスの第１の外面に対向する第２の外面の内側領域に収容されており、
   上記トランスは、上記第１の外面がヒートシンクに接触するように取り付けられる
   ことを特徴とするトランスの取付け構造。
2. 共振型スイッチング電源において入力側の電力を出力側に伝達すると共にその漏れインダクタンスが共振回路のＬ成分として利用されるトランスの取付け構造であって、
   上記トランスが、第１の巻線、およびその第１の巻線よりも巻き数の少ない第２の巻線を含んでおり、
   上記第１の巻線が、上記トランスの第１の外面に近接するようにその内側領域に収容されるとともに、上記第２の巻線が、上記第１の巻線と磁気的に結合するように上記トランスの第１の外面に対向する第２の外面の内側領域に収容されており、
   上記トランスは、上記第１の外面がヒートシンクに接触するように取り付けられる
   ことを特徴とするトランスの取付け構造。
3. 請求項１または２に記載のトランスの取付け構造であって、
   上記トランスから引き出されている上記第２の巻線の端部は、熱伝導性の高い絶縁部材を介して上記ヒートシンクに熱的に接続されている
   ことを特徴とするトランスの取付け構造。
4. 請求項１または２に記載のトランスの取付け構造であって、
   上記第１の巻線は、電線を複数回リング状に巻くことにより実現されており、上記第２の巻線は、板状の導体をリング形状に成型することにより実現されている
   ことを特徴とするトランスの取付け構造。
5. 第１の巻線、およびその第１の巻線よりも断面積の大きい第２の巻線を含み、入力側の電力を出力側に伝達するトランスと、
   上記トランスの上記第１の巻線を励磁するスイッチング素子と、
   上記スイッチング素子に対して設けられ、上記トランスの漏れインダクタンスをＬ成分として利用する共振回路を備え、
   上記第１の巻線が、上記トランスの第１の外面に近接するようにその内側領域に収容されるとともに、上記第２の巻線が、上記第１の巻線と磁気的に結合するように上記トランスの第１の外面に対向する第２の外面の内側領域に収容されており、
   上記トランスは、上記第１の外面がヒートシンクに接触するように取り付けられる
   ことを特徴とする共振型スイッチング電源。

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