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

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

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）。

特開２００４−３３５７８０号公報

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によるトランスを示す平面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 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る。 トランスの接続構造を示す回路図である。 トランスの接続構造を示す回路図である。 トランスの接続構造を示す回路図である。 トランスの接続構造を示す回路図である。 実施の形態２によるトランスを示す平面図である。 図８のＢ−Ｂ線断面図である。 中央脚一脚型のコアに分割巻線を施したトランスを示す平面図である。 図１０のＣ−Ｃ線断面図である。 実施の形態３によるＤＣ／ＤＣコンバータの構成を示す回路図である。

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。

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

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。

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。

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。

Claims (6)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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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