JP2009142088A - 表示装置用ｄｃ−ｄｃコンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】内部に漏れインダクタンスを備える絶縁トランスを用いることなく、信頼性を確保しつつ、基板面積を大きくしないで、部品高さ１０ｍｍ以下を実現可能なＤＣ−ＤＣコンバータを提供する。
【解決手段】表示装置に駆動電力を供給するＤＣ−ＤＣコンバータであって、複数の絶縁トランスと共振コンデンサと、共振コイルを有し、前記複数の絶縁トランスの１次側巻線と前記共振コンデンサと前記共振コイルが直列に接続されて電流共振回路を構成するとともに、前記複数の絶縁トランスの２次側が並列接続される構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、表示装置用ＤＣ−ＤＣコンバータに係り、更に詳しくは、ＤＣ−ＤＣコンバータの薄型化技術に関する。

本発明に関連する技術として、例えば、下記特許文献１及び２がある。

図２は従来の液晶ディスプレイＤＣ−ＤＣコンバータ回路に於いて、絶縁トランスＴ３の内部の漏れインダクタンスと１次側直列共振コンデンサＣ３の容量とによる直列電流共振回路を構成し、電力変換効率を向上させている１例を示したものである。

同図に於いて、Ｑ１〜Ｑ２はスイッチング素子、ＩＣ１は制御・駆動集積回路、Ｔ３は絶縁トランス、Ｄ１〜Ｄ２は２次側整流用ダイオード、Ｃ３は電流共振コンデンサ、Ｃ２は２次側平滑用コンデンサである。絶縁トランスＴ３の内部の漏れインダクタンスと１次側直列共振コンデンサＣ３の容量とにより直列電流共振回路を構成し、電力変換効率を向上させている。

絶縁トランスは１次コイルと２次コイルを疎結合に巻回し、結合係数ｋ＝０．７程度以下を設定し、スイッチング周波数可変範囲を縮小しワイドレンジ対応の構成実現している。

特開２００６−５０６８９号公報 特開２００６−１４９０１６号公報

最近のＴＶは液晶及びプラズマとも薄型化の傾向にあり、それに伴い、高効率を保ちつつＤＣ−ＤＣコンバータ回路基板面積を大きくしないで、部品高さを低くする必要がある。

図２の、内部の漏れインダクタンスを利用する１個の絶縁トランスにおいて、基板面積を大きくしないで絶縁トランス高さを低くした場合、絶縁トランス磁心の鉄損の増加と、トランスコイルの銅損の増加により絶縁トランスのコイル温度及び磁心温度が上昇し絶縁トランスの信頼性確保が難しくなる。

本発明は、上記の点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、内部に漏れインダクタンスを備える絶縁トランスを用いることなく、信頼性を確保しつつ、基板面積を大きくしないで、低背化を実現可能なＤＣ−ＤＣコンバータを提供することにある。

上記目的は、例えば、特許請求の範囲に記載の発明により達成される。本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば次のとおりである。

本発明に従うコンバータは、表示装置に駆動電力を供給するＤＣ−ＤＣコンバータであって、複数の絶縁トランスと、共振コンデンサと、共振コイルとを有する。前記複数の絶縁トランスの１次側巻線と前記共振コンデンサと前記共振コイルが直列に接続されて電流共振回路を構成し、前記複数の絶縁トランスの２次側が並列接続されるように構成する。

本発明によれば、内部に漏れインダクタンスを備える絶縁トランスを用いることなく、信頼性を確保しつつ、基板面積を大きくしないで、低背化可能なＤＣ−ＤＣコンバータを供給することができる。

本発明に従うＤＣ−ＤＣコンバータは、表示装置に駆動電力を供給するＤＣ−ＤＣコンバータであって、複数の絶縁トランスと共振コンデンサと、共振コイルを有し、前記複数の絶縁トランスの１次側巻線と前記共振コンデンサと前記共振コイルが直列に接続されて電流共振回路を構成するとともに、前記複数の絶縁トランスの２次側が並列接続される。

以下、本発明に従うＤＣ−ＤＣコンバータの実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、一実施の形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。

同図１に於いて、Ｑ１〜Ｑ２はスイッチング素子、ＩＣ１は制御・駆動集積回路、Ｔ１及びＴ２は絶縁トランス、Ｄ１〜Ｄ４は２次側整流用ダイオード、Ｃ１は電流共振コンデンサ、Ｃ２は２次側平滑用コンデンサである。絶縁トランスＴ１及びＴ２と共振コンデンサＣ１と共振コイルＬ１が直列に接続され、電流共振回路を構成している。

絶縁トランスは２個であらわしているが、２ヶ以上の複数の絶縁トランスでも実現可能である。複数の絶縁トランスＴ１、Ｔ２の２次側は並列接続されている。

ハイサイドのスイッチング素子Ｑ１とローサイドのスイッチング素子Ｑ２は制御・駆動部ＩＣ１により制御され、ターンオンとターンオフを交互に繰返し、デューティ比は５０％、５０％となっている。２次側コイルは中間でグランド接地し、１次側コイルの正・逆極性の両方のパルスを伝達可能な構成とし変換効率を向上している。

スイッチング素子Ｑ１及びスイッチング素子Ｑ２がターンオン時及びターンオフ時には素子の電流は瞬間に０にはならないため熱的損失が発生し、コンバータとしての効率が低下する。

この改善のために、絶縁トランスＴ１及びＴ２の１次側に共振コイルＬ１と共振コンデンサＣ２直列に接続し、電流共振回路を構成し、絶縁トランスの１次側に流れる電流波形を正弦波にすることにより、ターンオン時及びターンオフ時の熱的損失を低減し、コンバータとしての効率の向上している。

更に、制御・駆動ＩＣ１の制御により、ハイサイドスイッチング素子Ｑ１がターンオンした時点で絶縁トランスＴ１の１次電流の位相がマイナスで、少し遅れてプラスに転じ、ハイサイドスイッチング素子Ｑ１がターンオフする時点で１次電流が立ち下がってきているいわゆる、電圧が零になったことを検地してスイッチングする（ＺＶＳ）ことにより、更に熱的損失を低減しコンバータとしての効率の向上をしている。

図３は、図２に於ける 絶縁トランスの漏れインダクタンスを等価的に表した図である。

絶縁トランスの１次側コイルのインダクタンスをＬ₆、２次側インダクタンスをＬ₇とし１次側から見た漏れインダクタンスをＬι₁とし、２次側から見た漏れインダクタンスをＬι₁とすると、１次側から見た漏れインダクタンスとし、１次側コイルと２次側コイルの結合係数をｋとした場合、それぞれの関係は次式（１）〜（３）で表される。

ｋ＝１−（Ｌι₁／Ｌ₈） ・・・式（１）
Ｌι₁＝Ｌ₈（１−ｋ） ・・・式（２）
Ｌι₂＝Ｌ₉（１−ｋ） ・・・式（３）
但し、（−１≦ｋ≦１）
又、１次側コイルの巻数をＮ₁、２次側コイルの巻数をＮ₂とすると１次側漏れインダクタンスＬι₁は次式（４）で表される。

Ｌι₁＝Ｌι₂（Ｎ₁／Ｎ₂）² ・・・式（４）

結合係数ｋは両コイルの幾何学的位置関係に大きく依存する量である。
内部の漏れインダクタンスは 幾何学的位置関係による構造できまるため、調整範囲が狭い。
絶縁トランスを複数個に直列に接続する場合、１次コイル巻数が接続トランスの個数の逆数に比例するので、漏れインダクタンスが小さくなるため、より調整範囲が狭くなる。
このため、複数個の直列接続の場合は、絶縁トランスの外に共振コイルを設け、自由に調整可能とする構成とする。

複数個の直列続の場合の外付けの共振コイルのインダクタンスＬ１と１次インダクタンスの比は１：５〜１：１２の範囲で調整する。

絶縁トランスの複数個（ｎ）直列接続の場合、１次側コイルのピーク電圧が１／ｎに低減されるため絶縁トランスからの、輻射ノイズが（１／ｎ）²に低減される構成となっている。

図７において、絶縁トランスの１次側コイルの自己インダクタンスをＬ₁₀、２次側のコイルの自己インダクタンスをＬ₁₁としそれぞれ有する回路（Ａ）、（Ｂ）が相互インダクタンスＭで結合された回路の電流をそれぞれＩ₁、Ｉ₂とする回路（Ａ）、（Ｂ）ではそれぞれ下式の関係が成立つ。

（Ｒ₁＋ωＬ₁₀）Ｉ₁＋ｊωＭＩ₂＝Ｅ−−−− 式（５）
ｊωＭＩ₂＋（Ｒ₂＋ｊωＬ₁₁）Ｉ₂＝０−−−− 式（６）
（但し、ωは角周波数を示す。 ω＝ ２πｆ ）
上式により、回路の電流Ｉ₁及びＩ₂を求めると下式のように表される。

回路（Ａ）の絶縁トランスの結合係数がある場合の損失をＰ_(A)とすると下記式が成り立つ。

Ｐ_(A)＝（Ｉ₁−Ｉ₂）²＊Ｒ１−−−− 式（１０）
回路（Ｂ）で必要な電力を供給しようとする場合、結合係数が小さくなると、上式（１０）の損失が増加するので、結合係数を０．９５以上に上げ損失を少なくし、絶縁トランスのコイル温度を低減する必要がある。

図５は、絶縁トランスの内部に漏れインダクタンスを設けるように構成したトランス断面を示した図である。１次コイルＮ₁と２次コイルＮ_2-1，Ｎ_2-2の間にコイルボビンに溝を設け、コイル間の距離（Ｇ）を離すことにより、漏れインダクタンスを構成している。

図４は、絶縁トランスの１次側コイルＮ₁と２次側コイルＮ_2-1，Ｎ_2-2を磁心の同心円上に重ねて巻回して、１次側コイルと２次側コイルの結合度を０．９５以上に上げ損失を少なくしたトランスの一例を示した図である。
重ねて巻回することにより、絶縁トランスのコイル温度を８〜１１℃低減することが可能である。

図６−ｂは、絶縁トランスの２次コイルＮ_2-1-2と逆極性の同一巻数の２次コイルＮ_2-2-2をコイルボビン３にバイファイラーに巻回した一例を示した図である。
両極性のコイルと並列巻分のコイルの４本を同時にコイルボビン１に巻回することにより、２次側コイルを１層で巻回可能とし、絶縁トランス高さを１０ｍｍ以下にすることを可能にしている。

又、バイファイラー巻により、２次コイル間の結合度を０．９８以上に上げ、コイルによる出力電圧の差を低減し、バランスをとり、リップル電流の低減を図っている。

図６−ａは、絶縁トランスの１次コイルＮ₁をコイルボビン１巻回した一例を示した図である。
１次側コイルに使用する線材は３層絶縁線を使用することにより、１次側コイルと２次側コイル間の絶縁システム強化し、絶縁トランスの高さを１０ｍｍ以下にすることを可能にしている。

図６−ａ，図６−ｂは、絶縁トランスの１次コイルと２次コイルをコイルボビン１に１方向に巻回し、途中で折り返しの無い一例を示した図である。
２次側コイルの中間接続部は基板パターンにより接続し、途中折り返しをコイルボビン上では行わないことにより、絶縁トランス高さ１０ｍｍ以下にすることを可能にしている。

図８−ａ，図８−ｂは、本発明の絶縁トランスの外形寸法の一例を示した図である。
絶縁トランスの高さ寸法は１０ｍｍ以下５ｍｍ以上で、縦寸法は２０ｍｍ以上５０ｍｍ以下、横寸法は３０ｍｍ以上７０ｍｍ以下としている。

絶縁トランスの１個あたりの出力電力は５０Ｗ〜８０Ｗとすることにより、トランスの１個あたりの発熱を分散し、コイル温度、磁心の温度を１０５度以下にすることを可能にしている。

図８は、絶縁トランスのコイルボビンの端子装着部台座２に、１次側端子５と２次側端子４、間に絶縁と実装時の位置決めを兼ねた突起３を設け、回路基板面積の大きくしない方法をとっている。

図８−ａ，図８−ｂは、本発明の共振トランスの外形寸法の一例を示した図である。
絶縁トランスの高さ寸法は１０ｍｍ以下５ｍｍ以上で、縦寸法は２０ｍｍ以上５０ｍｍ以下、横寸法は３０ｍｍ以上７０ｍｍ以下としている。

図９−ａ，図９−ｂにおいて、２次側端子の一方に２次側コイルを巻回し、コイルボビン内で接続されている他方の端子は平板形状にして面実装可能な構成としている。
コイルを複数個使用することで、個々の重量を低減し、ピン端子に加わる重量を低減することで、面実装を実現可能にしている。

図１０は、共振トランスを複数の絶縁トランスのうちいずれかに隣接して配置されている一例を示した図である。
絶縁トランスの一つと他方の絶縁トランスを９０°に配置し、その内側に、絶縁トランスの一方に共振トランスを配置して配置面積を最小にしながら、各トランス間の距離を短くして、大電流によるパターン損失を減らし、スイッチングによるノイズの発振源とならないようにしている。

以上、本発明に従う表示装置用ＤＣ−ＤＣコンバータの実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の改良や変形を行うことができる。

上記実施の形態で説明したように、本発明に従うDC-DCコンバータは、複数の絶縁トランスと共振コンデンサと、共振コイルを有し、前述複数の絶縁トランスの１次側巻線と前記共振コンデンサと前記共振コイルが直列に接続されて電流共振回路を構成するとともに、前記複数の絶縁トランスの２次側が並列接続することにより、内部に漏れインダクタンスを備える絶縁トランスを用いることなく、信頼性が確保され、基板面積を大きくしないでも部品高さを10mm以下にすることができる。

本発明の実施例に係る表示装置に駆動電圧を供給するＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。 従来の絶縁トランスの漏れインダクタンスを共振に利用した公知の回路図である。 従来の絶縁トランスの漏れインダクタンスを等価的に表した回路図である。 絶縁トランス（分かつコンバータトランス（重ね巻方式）の断面の一例を示した図である。 絶縁トランス（分割巻方式）の断面の一例を示した図である。 絶縁コンバータトランスの１次側を巻回した一例示した図である。 絶縁コンバータトランスの２１側を巻回した一例示した図である。 絶縁コンバータトランスの相互インダクタンス有する等価回路図である。 本発明の実施例の絶縁コンバータトランスの外形図の一例を示した図である。 図８−ａ のＡ方向から見た図の一例を示した図である。 本発明の実施例の共振トランスの外形図の一例を示した図である。 図９−ａのＢ方向から見た図の一例を示した図である。 本発明の絶縁トランス及び共振トランスの基板実装の配置の例を示した図である。

符号の説明

１：磁心
２：コイルボビン
３：位置決め用突起
４：２次コイル用端子
５：１次コイル用端子
６：基板
７ａ：絶縁トランスａ
７ｂ：絶縁トランスｂ
８：共振トランス
９：共振コンデンサ
１０：絶縁用層間紙
Ｑ１：スイッチング素子１
Ｑ２：スイッチング゛素子２
ＩＣ１：制御・駆動部１
Ｔ１：絶縁トランス１
Ｔ２：絶縁トランス２
Ｔ３：絶縁トランス３
Ｌ₁：共振トランス
Ｌ₂：１次側インダクタンス（ハイサイド）
Ｌ₃：１次側インダクタンス（ロウサイド）
Ｌ₄：２次側インダクタンス（ハイサイド）
Ｌ₅：２次側インダクタンス（ロウサイド）
Ｌ₆：１次側インダクタンス
Ｌ₇：２次側インダクタンス
Ｌ₈：１次側インダクタンス
Ｌ₉：２次側インダクタンス
Ｌι₁： １次側漏れインダクタンス
Ｌι₂： ２次側漏れインダクタンス
Ｃ１：共振コンデンサ
Ｃ２：整流平滑コンデンサ
Ｄ１：整流ダイオード１
Ｄ２：整流ダイオード２
Ｄ３：整流ダイオード３
Ｄ４：整流ダイオード４
Ｎ₁：１次側巻数
Ｎ₂：２次側巻数
Ｎ_2-1：２次側巻数（正）
Ｎ_2-2：２次側巻数（逆）
Ｎ_2-1-1：２次側巻数（正）並列巻１
Ｎ_2-1-2：２次側巻数（正）並列巻２
Ｎ_2-1-1：２次側巻数（逆）並列巻１
Ｎ_2-1-2：２次側巻数（逆）並列巻２

Claims (11)

1. 表示装置に駆動電力を供給するＤＣ−ＤＣコンバータであって、
   複数の絶縁トランスと、
   共振コンデンサと、
   共振コイルとを有し、
   前記複数の絶縁トランスの１次側巻線と前記共振コンデンサと前記共振コイルが直列に接続されて電流共振回路を構成し、前記複数の絶縁トランスの２次側が並列接続されることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
2. 請求項１記載のＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、前記絶縁トランスは、その１次コイルと２次コイルを磁心同軸上に重ねて巻き回した形態であるとともに、前記絶縁トランスの１次コイルと２次コイル間の結合係数は０．９以上であることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
3. 請求項１のＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、前記絶縁トランスは、その２次コイルと逆極性の同一巻数の２次コイルをバイファイラーに巻き回した形態であるともに、前記絶縁トランスの２次コイル間の結合係数は０．９８以上であることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
4. 請求項１のＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、前記絶縁トランスは、その１次コイルと２次コイルを磁心と同軸上に配置したボビンの１方向に巻き回し、途中で折り返りの無いことを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
5. 請求項１のＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、前記絶縁トランスは、そのコイルのうち少なくとも１次側は３層絶縁線を用いて巻き回されることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
6. 請求項１のＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、前記絶縁トランスは、その外形寸法のうち高さを５ｍｍ以上１０ｍｍ以下であるとともに、縦寸法を２０ｍｍ以上５０ｍｍ以下とし、横寸法を３０ｍｍ以上７０ｍｍ以下とすること特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
7. 請求項１のＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、前記絶縁トランスは、その出力電力が１個あたり５０Ｗ〜８０Ｗとすることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
8. 請求項１のＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、前記絶縁トランスの縦寸法が横寸法よりも短く、縦の辺に１次側端子と２次側端子の対を有するとともに端子間に絶縁と実装時の位置決めを兼ねた突起を有することを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
9. 請求項１のＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、絶縁トランスの縦寸法が横寸法よりも短く、縦の辺に１次側端子と２次側コの字端子の対を有するとともに、絶縁トランスの基板への面実装が可能であることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
10. 請求項１のＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、前記共振トランスは、その外形寸法のうち高さが５ｍｍ以上１０ｍｍ以下であり、前記絶縁トランスの高さと略同一であることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
11. 請求項１のＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、前記共振トランスは、前記複数の絶縁トランスのうちいずれかに隣接して配置されることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。

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