JP2014127471A - トランス及びこのトランスを適用したdc/dcコンバータ - Google Patents
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Abstract
【課題】トランスの漏れインダクタンスを調整できるとともに、トランスの一次巻線と二次巻線を均等に冷却する。
【解決手段】巻線2においては、コア1の中心から近い順に一次巻線2a、絶縁シートが設けられたギャップ2b、及びギャップ2bの上から巻き付けられた二次巻線2cにより構成され、巻線3においては、コア1の中心から近い順に二次巻線3c、絶縁シートが設けられたギャップ3b、及びギャップ3bの上から巻き付けられた一次巻線3aにより構成され、一次巻線2aと一次巻線3aを一次巻線伝熱経路5により接続するとともに、二次巻線2cと二次巻線3cを二次巻線伝熱経路6により接続し、二次巻線2cと一次巻線3aをヒートシンク4の冷却面に接触させる。
【選択図】図2
【解決手段】巻線2においては、コア1の中心から近い順に一次巻線2a、絶縁シートが設けられたギャップ2b、及びギャップ2bの上から巻き付けられた二次巻線2cにより構成され、巻線3においては、コア1の中心から近い順に二次巻線3c、絶縁シートが設けられたギャップ3b、及びギャップ3bの上から巻き付けられた一次巻線3aにより構成され、一次巻線2aと一次巻線3aを一次巻線伝熱経路5により接続するとともに、二次巻線2cと二次巻線3cを二次巻線伝熱経路6により接続し、二次巻線2cと一次巻線3aをヒートシンク4の冷却面に接触させる。
【選択図】図2
Description
この発明は、巻線部の放熱性を高めることにより温度上昇を抑制できるとともに、漏れインダクタンスを調整することのできるトランス及びこのトランスを適用したDC/DCコンバータに関するものである。
従来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、一次側巻線は、トランスの外面に近接する内部領域に収容され、この外面がヒートシンクに接触するように取り付けられ、更にトランスから引き出されている二次側巻線は、絶縁シートを介してヒートシンクに熱的に接続されるように構成されるものがあった(特許文献1参照)。
従来のトランスは以上のように構成されており、一次巻線、二次巻線ともに同等の損失が発生する場合には均等に冷却されないため、トランスの温度上昇を抑制できないという問題点があった。又コアの軸方向に一次巻線と二次巻線を巻き付ける分割巻線の場合には、一次巻線と二次巻線を絶縁するための分割距離が必要となり巻線の占積率が悪くなるとともに、漏れインダクタンスの微調整が難しいという問題点があった。
この発明は上記のような問題点を解消するためになされたものであって、トランスの漏れインダクタンスを調整できるとともに、トランスの一次巻線と二次巻線を均等に冷却することのできるトランスを提供することを目的とする。
この発明に係るトランスは、コアに対する第1の巻線構造においては、コアの中心から近い順に一次巻線、絶縁シートが設けられた第1のギャップ、及び第1のギャップの上から巻き付けられた二次巻線により構成され、第2の巻線構造においては、コアの中心から近い順に二次巻線、絶縁シートが設けられた第2のギャップ、及び第2のギャップの上から巻き付けられた一次巻線により構成され、第1の巻線構造の一次巻線と第2の巻線構造の一次巻線を一次巻線伝熱経路により接続するとともに、第1の巻線構造の二次巻線と第2の巻線構造の二次巻線を二次巻線伝熱経路により接続し、更に第1の巻線構造の二次巻線と第2の巻線構造の一次巻線をヒートシンクの冷却面に接触させたものである。
上記のように構成されたトランスによれば、トランスの漏れインダクタンスを調整できるとともに、トランスの一次巻線と二次巻線を均等に冷却することができる。
実施の形態1.
以下実施の形態1を図に基づいて説明する。図1は実施の形態1によるトランスを示す平面図、図2は図1のA−A線断面図である。図において、トランスにおいては、U型コア1の一方の脚に巻線2(第1の巻線構造)が巻き付けられるとともに、U型コア1の他方の脚に巻線3(第2の巻線構造)が巻き付けられている。巻線2はU型コア1の中心から近い順に一次巻線2a、トランスの漏れインダクタンスを調整するための一次巻線と二次巻線との間のギャップ(第1のギャップ)2b、ギャップ2bの上から巻き付けられた二次巻線2cにより構成されている。又巻線3はU型コア1の中心から近い順に二次巻線3c、トランスの漏れインダクタンスを調整するために設けられた一次巻線と二次巻線との間のギャップ(第2のギャップ)3b、ギャップ3bの上から巻き付けられた一次巻線3aにより構成されている。尚上記説明においては、コア1の形状としてU型の場合について説明したが、U型以外の形状で構成しても良い。
以下実施の形態1を図に基づいて説明する。図1は実施の形態1によるトランスを示す平面図、図2は図1のA−A線断面図である。図において、トランスにおいては、U型コア1の一方の脚に巻線2(第1の巻線構造)が巻き付けられるとともに、U型コア1の他方の脚に巻線3(第2の巻線構造)が巻き付けられている。巻線2はU型コア1の中心から近い順に一次巻線2a、トランスの漏れインダクタンスを調整するための一次巻線と二次巻線との間のギャップ(第1のギャップ)2b、ギャップ2bの上から巻き付けられた二次巻線2cにより構成されている。又巻線3はU型コア1の中心から近い順に二次巻線3c、トランスの漏れインダクタンスを調整するために設けられた一次巻線と二次巻線との間のギャップ(第2のギャップ)3b、ギャップ3bの上から巻き付けられた一次巻線3aにより構成されている。尚上記説明においては、コア1の形状としてU型の場合について説明したが、U型以外の形状で構成しても良い。
上記ギャップ2b、3bには一次巻線と二次巻線との間の絶縁及び漏れインダクタンスを調整するための絶縁シートが設けられている。巻線2の一次巻線2aと巻線3の一次巻線3aは一次巻線伝熱経路5により電気的に接続されるとともに、熱移動できるように接続され、更に巻線2の二次巻線2cと巻線3の二次巻線3cは二次巻線伝熱経路6により電気的に接続されるとともに、熱移動できるように接続される。ここで一次巻線伝熱経路5及び二次巻線伝熱経路6は一次巻線2a、3a及び二次巻線2c、3cと同じ材料で構成することができ、例えば銅線で構成することができる。巻線2の二次巻線2cと巻線3の一次巻線3aが巻線それぞれの外側に配置されているので、これにヒートシンク4の冷却面を接触させて巻線を冷却する。
次にトランスの漏れインダクタンスについて説明する。トランスにおいては一次巻線と二次巻線の双方に鎖交する主磁束の他に、一次巻線及び二次巻線とだけ鎖交する漏れ磁束がある。そしてこの漏れ磁束は一次側、二次側それぞれの巻線のみしか鎖交しないので、それぞれの巻線のインダクタンスとして作用することになる。このインダクタンスを漏れインダクタンスという。図3はトランスの漏れインダクタンスを説明するためのトランスの構成を示す図であり、漏れインダクタンスLlは次式によって表される。
ここで
Ll:漏れインダクタンス
μ:透磁率
ω:ターン数(このターン数ωは、漏れインダクタンスを一次側換算としているので、一次巻線のみのターン数を示している)
m:1ターンあたりの平均巻線長
δ:一次巻線と二次巻線間のギャップ
Δ1:一次巻線の厚み
Δ2:二次巻線の厚み
h:巻線幅
41:一次巻線
42:二次巻線
Ll:漏れインダクタンス
μ:透磁率
ω:ターン数(このターン数ωは、漏れインダクタンスを一次側換算としているので、一次巻線のみのターン数を示している)
m:1ターンあたりの平均巻線長
δ:一次巻線と二次巻線間のギャップ
Δ1:一次巻線の厚み
Δ2:二次巻線の厚み
h:巻線幅
41:一次巻線
42:二次巻線
トランスの漏れインダクタンスLlを大きくするには、一次巻線41と二次巻線42の間のギャップδを大きくする必要があるが、ギャップδを大きくすると、ギャップには一般に熱伝導性が良好ではない絶縁物が設置され、更には巻線の表面は平坦ではないため絶縁物が巻線との隙間を完全に埋めることができず、巻線と絶縁物との間に熱伝導性が良くない空気が介在してしまうこととなり、ギャップδを経由してU型コア1の内側に巻かれた巻線の熱を放熱させることが難しくなる。
そこで図4に示すように、トランスの一次巻線2a、3aを直列に接続することにより、一次巻線2aの漏れインダクタンスL2aと一次巻線3aの漏れインダクタンスL3aを直列に接続して、漏れインダクタンスを増やすことにより、ギャップδを小さくする。更に一次巻線2aと一次巻線3a間で熱移動することができるので、熱伝導性を良好にすることができる。尚トランスにおける漏れインダクタンスは一次側あるいは二次側で換算して表すことができるが、図4では一次側に換算した例を示している。
そしてU型コア1の内側に巻き付ける一次巻線2aをU型コア1の外側に巻き付ける一次巻線3aに一次巻線伝熱経路5を介して接続すると共に、一次巻線3aをヒートシンク4に接触させ、更にU型コア1の内側に巻き付ける二次巻線3cをU型コア1の外側に巻き付ける二次巻線2cに二次巻線伝熱経路6を介して接続すると共に、二次巻線2cをヒートシンク4に接触させるように構成したので、U型コア1の内側にこもる巻線熱を、ヒートシンク4の冷却面に面した巻線に伝熱させて放熱することができ、トランスの温度上昇を抑制することができる。トランスの二次側を図5のように並列に接続すると、二次巻線伝熱経路6が2本設けられることとなるので、二次巻線間の熱伝導性が向上してヒートシンク4の冷却面に面した巻線から放熱され、トランスの温度上昇を抑制することができる。
又図6に示すように、一次巻線2a、3aを一次巻線伝熱経路5により並列に接続すれば、直列に接続した場合と比べて異なった合成インダクタンスの値を採ることができる。更に伝熱経路が増えるためU型コア1の内側に巻かれた一次巻線2aとU型コア1の外側に巻かれた一次巻線3a間の熱伝導性がよくなり、より効果的に巻線熱を放熱し、トランスの温度上昇を抑制することができる。更に図7に示すように、トランスの2次側巻線2c、3cも二次巻線伝熱経路6によって並列に接続すると二次巻線2c、3c間の熱伝導性が向上して有効にトランスを冷却することができ、トランスの温度上昇を抑制することができる。
以上のように構成することにより、トランスの漏れインダクタンスを調整するために一次巻線にギャップを設けてその上に二次巻線を巻き付ける構造においても、一次巻線の熱が熱伝導率の低いギャップ部に閉じこめられ、トランスの温度が上昇してしまうということがなくなる。そして巻線熱の放熱性を改善し温度上昇を抑えることにより、温度に対して正特性をもった巻線抵抗値の上昇を抑えることができるので、巻線において発生する電気的損失を抑えることができる。更に絶縁の信頼性が向上するとともに、トランスの局所的な温度上昇を抑え、冷却構造を簡素化することができる。
実施の形態2.
図8は実施の形態2によるトランスを示す平面図、図9は図8のB−B線断面図である。図において、U型をしたコア1の2脚に巻線12をそれぞれ取り付けたものであり、巻線12はU型コア1の同一脚の軸方向に2つに分割されており、分割巻線12a(第1の巻線構造)及び分割巻線12b(第2の巻線構造)からなる。分割巻線12aはコア1に近い側から一次巻線22a、漏れインダクタンス調整用の一次巻線と二次巻線との間のギャップ(第1のギャップ)22b、ギャップ22bの上に巻き付けられた二次巻線22cから構成されている。又分割巻線12bはU型コア1に近い側から二次巻線23c、漏れインダクタンスを調整するための1次巻線と二次巻線との間のギャップ(第2のギャップ)23b、ギャップ23bの上に巻き付けられた一次巻線23aから構成されている。
図8は実施の形態2によるトランスを示す平面図、図9は図8のB−B線断面図である。図において、U型をしたコア1の2脚に巻線12をそれぞれ取り付けたものであり、巻線12はU型コア1の同一脚の軸方向に2つに分割されており、分割巻線12a(第1の巻線構造)及び分割巻線12b(第2の巻線構造)からなる。分割巻線12aはコア1に近い側から一次巻線22a、漏れインダクタンス調整用の一次巻線と二次巻線との間のギャップ(第1のギャップ)22b、ギャップ22bの上に巻き付けられた二次巻線22cから構成されている。又分割巻線12bはU型コア1に近い側から二次巻線23c、漏れインダクタンスを調整するための1次巻線と二次巻線との間のギャップ(第2のギャップ)23b、ギャップ23bの上に巻き付けられた一次巻線23aから構成されている。
また分割巻線12aの一次巻線22aと分割巻線12bの一次巻線23aは一次巻線伝熱経路24により接続され、分割巻線12aの二次巻線22cと分割巻線12bの二次巻線23cは二次巻線伝熱経路25により接続される。分割巻線12aの二次巻線22cと分割巻線12bの一次巻線23aが巻線それぞれの巻線外側に配置されているので、これをヒートシンク4の冷却面に接触させて巻線を冷却する。
上記実施の形態1では、U型コア1の一方の脚に巻線2(第1の巻線構造)が巻き付けられるとともに、U型コア1の他方の脚に巻線3(第2の巻線構造)が巻き付けられ、一次巻線伝熱経路5及び二次巻線伝熱経路6が巻線2と巻線3間を接続してU型コア1の脚間をまたいでいるので伝熱経路が長かったが、実施の形態2では一次巻線伝熱経路24、二次巻線伝熱経路25が同一脚内で接続できるため経路が短く、熱抵抗が小さいため、U型コア1の内側に巻き付けた巻線の熱を外側に巻き付けた巻線に対し、多くの熱を伝えることができ、冷却効果を高めることができる。またU型コア1の2脚に同じ巻線12を巻き付けるので、実施の形態1と異なり巻線の品種が一つで済むため生産性の向上も期待できる。
更には上記実施の形態1と同様に、一次巻線同士又は二次巻線同士を接続しているので、漏れインダクタンスを調整することができる。尚接続方法については図4〜図7に示すように、直列、並列による様々な接続の組み合わせを行うことができる。更にU型コア1の内側に巻かれた巻線熱をU型コア1の外側に巻かれた巻線に伝熱することができるので、一次巻線と二次巻線を均等に冷却することができ、巻線熱を放熱して巻線に発生する損失を抑制することができる。
本実施の形態では巻線を2つに分割した例を示したが、3つ以上に分割しても同様の効果がある。また上記においては、トランスのコア形状がU型である場合について説明したが、図10、11に示すように中央脚一脚型のコアを用いてもよい。図10は中央脚一脚型のコアの脚部の軸方向に分割巻線12a(第1の巻線構造)及び分割巻線12b(第2の巻線構造)を施したトランスを示す平面図、図11は図10のC−C線断面図である。
実施の形態3.
図12は上記実施の形態1、2に示したトランスを用いたDC/DCコンバータの構成を示す回路図である。直流電源100の直流電圧を交流電圧に変換するインバータ200は半導体素子201〜204で構成され、それぞれのドレイン−ソース間に共振コンデンサ201a〜204aが接続されている。インバータ200の交流出力側に上記実施の形態1、2に示したトランスと同じように構成されたトランス300が設けられ、トランス300には漏れインダクタンス300aが存在している。
図12は上記実施の形態1、2に示したトランスを用いたDC/DCコンバータの構成を示す回路図である。直流電源100の直流電圧を交流電圧に変換するインバータ200は半導体素子201〜204で構成され、それぞれのドレイン−ソース間に共振コンデンサ201a〜204aが接続されている。インバータ200の交流出力側に上記実施の形態1、2に示したトランスと同じように構成されたトランス300が設けられ、トランス300には漏れインダクタンス300aが存在している。
トランス300の二次側はブリッジダイオード400に接続され、ブリッジダイオード400は整流素子401〜404で構成され、トランス300からの交流電圧が直流電圧に変換される。ブリッジダイオード400の出力は、平滑リアクトル500の一端に接続されるとともに、平滑リアクトル500の他端は平滑コンデンサ600の一端に接続される。そして平滑コンデンサ600の他端はブリッジダイオード400に接続される。
このようなDC/DCコンバータにおいては、共振コンデンサ201a〜204aとトランスの漏れインダクタンス300aとの間で共振電流が流れ、トランスの電流実効値が大きく巻線部の発熱が大きくなる。そこでこのような回路構成においても上記実施の形態1、2に示したトランスを用いることにより、トランスの放熱性を向上させることができる。尚本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
1 コア、2a,3a 一次巻線、2b,3b ギャップ、2c,3c 二次巻線、
4 ヒートシンク、5 一次巻線伝熱経路、6 二次巻線伝熱経路、
12a,12b 分割巻線。
4 ヒートシンク、5 一次巻線伝熱経路、6 二次巻線伝熱経路、
12a,12b 分割巻線。
Claims (6)
- トランスのコアに対する巻線構造において、
第1の巻線構造においては、上記コアの中心から近い順に一次巻線、絶縁シートが設けられた第1のギャップ、及び上記第1のギャップの上から巻き付けられた二次巻線により構成され、
第2の巻線構造においては、上記コアの中心から近い順に二次巻線、絶縁シートが設けられた第2のギャップ、及び上記第2のギャップの上から巻き付けられた一次巻線により構成され、
上記第1の巻線構造の上記一次巻線と上記第2の巻線構造の一次巻線を一次巻線伝熱経路により接続するとともに、
上記第1の巻線構造の二次巻線と上記第2の巻線構造の二次巻線を二次巻線伝熱経路により接続し、
更に上記第1の巻線構造の二次巻線と上記第2の巻線構造の一次巻線をヒートシンクの冷却面に接触させたことを特徴とするトランス。 - 上記コアをU型に構成するとともに、上記U型コアの一方の脚に上記第1の巻線構造を構成し、上記U型コアの他方の脚に上記第2の巻線構造を構成したことを特徴とする請求項1に記載のトランス。
- 上記コアをU型に構成するとともに、上記第1の巻線構造と上記第2の巻線構造は上記U型コアの同一脚において軸方向に分割された分割巻線として構成されたことを特徴とする請求項1に記載のトランス。
- 上記コアを中央脚一脚型に構成するとともに、上記第1の巻線構造と上記第2の巻線構造は上記中央脚一脚型のコアの一脚において軸方向に分割された分割巻線として構成されたことを特徴とする請求項1に記載のトランス。
- 上記一次巻線同士の接続方法は直列接続か並列接続のうちのいずれかであり、上記二次巻線同士の接続方法は直列接続か並列接続のうちのいずれかであることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のトランス。
- 請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のトランスを適用したことを特徴とするDC/DCコンバータ。
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JP2012280463A JP2014127471A (ja) | 2012-12-25 | 2012-12-25 | トランス及びこのトランスを適用したdc/dcコンバータ |
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2012
- 2012-12-25 JP JP2012280463A patent/JP2014127471A/ja active Pending
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