JP3027048B2 - スイッチング電源用チョークおよびトランス - Google Patents

スイッチング電源用チョークおよびトランス

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JP3027048B2 JP04044187A JP4418792A JP3027048B2 JP 3027048 B2 JP3027048 B2 JP 3027048B2 JP 04044187 A JP04044187 A JP 04044187A JP 4418792 A JP4418792 A JP 4418792A JP 3027048 B2 JP3027048 B2 JP 3027048B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、高周波のスイッチング
電源に好適なもので、低損失化を図ったスイッチング電
源用チョークおよびトランスに関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、小形軽量で、高効率な電源として
スイッチング電源が多く使われている。さらに一層の小
形,軽量化を図るためスイッチング電源の変換周波数の
高周波化が進展している。スイッチング電源の一つであ
るDC−DCコンバータには、内部の高周波リプルを高
品質な直流に変換するため、入出力にフィルタ回路用チ
ョークが用いられている。さらに、コンバータ用トラン
スとしては、最初の半周期でエネルギーを蓄積し、後の
半周期で負荷に電力を供給するフライバックトランス
と、絶縁および電圧変換を主たる目的としたフォワード
タイプトランスの両者がある。また、他のスイッチング
電源形式の一つであるチョッパには、電圧変換の手段と
してチョークが用いられている。
【0003】図5〜図7に代表的な回路形式とその回路
に用いているチョーク、あるいは、トランスに流れる電
流波形を示す。図5はチョークインプット形フィルタ回
路を示す図(a)とチョークに流れる電流波形図
(b)、図6はフライバックコンバータ回路図(a)と
フライバックトランスに流れる電流波形図(b),
(c)、図7は昇圧チョッパ回路図(a)と昇圧チョー
クに流れる電流波形図(b)を、それぞれ示している。
【0004】ここで、21は高周波交流電圧、22はト
ランス、23,24はダイオード、25はチョーク、2
6は平滑コンデンサ、27は直流電源、28は平滑コン
デンサ、29はMOSFET、30はフライバックトラ
ンス、31はダイオード、32は平滑コンデンサ、33
はMOSFET、34はダイオード、35は平滑コンデ
ンサ、36は昇圧チョークである。また、i25はチョ
ーク25に流れる電流波形、ip30はフライバックト
ランス30の1次巻線電流波形、is30はフライバッ
クトランス30の2次巻線電流波形、i36は昇圧チョ
ーク電流波形である。なお、図6(a)のフライバック
コンバータ回路では、電流が連続となる(b)に示すモ
ードと、不連続となる(c)に示すモードがある。Ia
vは各波形の平均値、Ip,Isは各波形のリプル値を
示す。各電流の実効電流Irmsは次式となる。
【0005】 Irms=√D√(Iav2+Ip2/12) ……(1) (1)式において、Dはデューティ比であり、i25,
i36の場合は1であり、図6の(b),(c)の場
合、ip30ではD=τ/T、is30ではD=τ′/
Tとなる。そこで、チョーク25,36あるいはトラン
ス30の各巻線の損失Pは次式で示される。
【0006】 P=RIrms2=RDCDIav2+DRACIp2/12 ……(2) (2)式において、Rは巻線抵抗、RDCは巻線の直流抵
抗、RACは巻線に流れるリプル電流の基本周波数fにお
ける交流抵抗である。ここで、図5(a)のチョーク2
5と図7(a)のチョーク36の電流では、通常リプル
電流Ipと平均電流Iavの比が、Ip/Iav=0.
05〜0.3ぐらいであるのに対し、図6の(b)のモ
ードではIp/Iav=0.2〜2程度、(c)のモー
ドではIp/Iav≧2となり、IpがIavに比べて
非常に大きくなる。従来、数kW以上の大容量のスイッ
チング電源はスイッチング用電力半導体素子の関係であ
まり高い周波数が実現できず、せいぜい10kHz程度
であった。そこで、(2)式の2項の交流抵抗RACは直
流抵抗とあまり違いがなかったため、問題とはならなか
った。
【0007】これらの直流抵抗RDCと交流抵抗RACは、
実際には次のようになる。図8に一般的チョークの巻線
構造を示す。なお、ここではコアを省略している。図
中、41はボビン、42は巻線である。通常、大電流を
流す従来のチョークは、直流抵抗を低くするため、占積
率の良好な銅板を用い、多層巻を行っている。図9にチ
ョークの抵抗の周波数特性の一例を交流抵抗の増加率で
示す。測定は、磁心損失を除くため、空心で行った。な
お、図6(a)のフライバックトランス30の特性もほ
ぼ同様な特性を示す。本チョークの周波数特性は、板厚
0.3mm、幅14mm、長さ1.2mの銅板をBEC
90コアボビンに順次多層に巻いていった場合の交流抵
抗を測定したものである。
【0008】図に示すように交流抵抗RACは低い周波数
では直流抵抗RDCと同じであり、周波数が高くなると急
増するが、10kHz程度まではさほど上昇することは
ない。なお、周波数が300Hzのときの抵抗は5.4
5mΩであった。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】ところで、現在、半導
体技術の進展により大容量でかつ周波数が高いスイッチ
ング電源が実現されつつあり、近い将来、数十kWで周
波数fが1MHzを超える電源が実現すると想定されて
いる。そのようになると大電流を流す導体は大きな断面
積を必要とするため、表皮効果,近接効果等により交流
抵抗が急増するため、交流損失が無視できず大きな問題
となる。
【0010】このことは、図9に示したように交流抵抗
ACは低い周波数では、直流抵抗RDCと同じであるが、
周波数が高くなると急増することからも明らかである。
この傾向は、巻線が多層になるほど顕著になる。
【0011】上記の説明は、フィルタ用チョーク,フラ
イバックトランスについて行ったが、昇圧チョッパ用チ
ョーク,フォワードコンバータタイプのトランス等の巻
線損失についても同様に交流損失は無視できない。その
ため、このようなチョーク,トランスをコンバータに適
用すると、コンバータの効率が低下すると共にトラン
ス,チョークの損失が増大するためトランス,チョーク
が小形化できず大形化し、価格も上昇するという問題が
ある。さらに究極的には、現在の自然空冷や強制空冷で
は対処できず、水冷等の新規な放熱技術を採用せざるを
得ず、大幅なコスト増を招くという問題がある。
【0012】そこで、本発明は、このような問題点を解
決するためになされたものであり、その目的は、交流抵
抗を低減し低損失なスイッチング電源用チョークおよび
トランスを提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明のスイッチング電源用チョークおよびトラン
スにおいては、それらを構成している巻線について、同
一巻線数の主巻線と補助巻線を施し、前記主巻線の直流
抵抗を前記補助巻線の直流抵抗より小さくし、前記主巻
線及び前記補助巻線に流れる電流の基本周波数における
前記補助巻線の交流抵抗を前記主巻線の交流抵抗より小
さく設定し、前記主巻線と前記補助巻線をインダクタン
スが消失しない巻方向で並列に接続したことを特徴とし
ている。
【0014】
【作用】本発明のスイッチング電源用チョークおよびト
ランスでは、従来と同様の主巻線に加えて、交流抵抗の
増加が主巻線よりも小さい巻線材でかつ主巻線と同一巻
数の補助巻線を新たに設け、主巻線と補助巻線を並列に
接続し、チョーク,トランスに流れる電流のうち直流成
分は主に主巻線を、交流成分は主に補助巻線を流れるよ
うにする。これにより、高周波で使用する場合の交流抵
抗による損失を低減している。
【0015】
【実施例】以下、本発明の実施例を、図面を参照して詳
細に説明する。
【0016】図1は本発明の第1の実施例を示す図であ
る。ここで、(a−1),(a−2)は、回路図を示
し、、(a−1)は、チョークのような用途の主巻線が
1巻線に本発明を適用したときの実施例であり、(a−
2)はフライバックトランスや通常のトランスのような
用途の主巻線が複数巻線の場合に本発明を適用した時の
実施例である。(b−1),(b−2)はそれぞれ(a
−1),(a−2)の等価回路図を示している。ここ
で、1はチョーク、2は主巻線、3は主巻線2の補助巻
線、4はトランス、5は第2の主巻線、6は第2の主巻
線の補助巻線、(b−1),(b−2)の等価回路のL
はインダクタンス、Rは抵抗であり、L,Rにつけた数
字の添字は、(a−1),(a−2)に示した巻線に対
応する。また(a−1),(a−2)の巻線の黒丸印
は、巻き始めを示す。
【0017】主巻線2と補助巻線3の巻数は等しく、ま
た第2の主巻線5と補助巻線6の巻数は等しい。また、
主巻線2,5の直流抵抗を補助巻線3,6の直流抵抗よ
りそれぞれ小さくし、これら主巻線と補助巻線に流れる
電流の基本周波数における補助巻線3,6の交流抵抗を
主巻線2,5より小さく設定する。主巻線と補助巻線
は、巻き方向と巻数を同様にして並列に接続し、それぞ
れ主巻線と補助巻線をインダクタンスが損失しないよう
にする。これにより、チョークあるいはトランスの機能
をはたすとともに、主巻線とそれと並列に接続する補助
巻線のインダクタンスがほぼ等しくなり、補助巻線を追
加したことによるインダクタンスの低下が無い。また、
インダクタンス値と巻数が同じであるため、同一コア内
の巻線間の循環電流は小さく、悪影響をおよぼさない。
【0018】図2に主巻線2と補助巻線3のインダクタ
ンス,抵抗特性を示す。なお、第2の主巻線5と第2の
補助巻線6のインダクタンス,抵抗特性も本図で説明す
る特性と同様であり、効果も同じである。図中、(A)
は銅板の特性曲線、(B)はリッツ線の特性曲線、
(C)はこれらの銅板とリッツ線を並列接続した特性曲
線を示す。
【0019】図3(a)に本特性を得たチョークの構造
図を示す。ここで10は主巻線、11は補助巻線、12
はコア、13はボビンである。本図では、主巻線仕様は
0.3mm厚×24mm幅×1.2mの銅板8ターンの
8層巻であり、補助巻線仕様は、0.1mmφ×28本
×7本×7本(1372本)×118cmのリッツ線8
ターンである。主巻線10に用いる銅板は他の線材に比
べ占積率が高いことから板厚の厚い板を使用すると直流
抵抗を小さくすることができるが、巻線が多層になるた
め、表皮効果,近接効果により交流抵抗は、図2の
(A)に示すように急増する。補助巻線11には、巻線
の層数が少なくでき、交流抵抗の増加が小さい線径の細
いリッツ線を使用する。リッツ線は占積率が悪いため、
直流抵抗が銅板に比べて大きいが、交流抵抗の増加が小
さい。又、両者とも同じ巻数であるので、ほぼ同じイン
ダクタンス値(コア入りで404μH)が得られる。図
3(b)の略図には、主巻線10と補助巻線11を並列
に接続した時のインダクタンス,抵抗特性も併せて示
す。図3(b)に示すように従来の主巻線のみの構成に
比べて本発明の実施例では周波数100kHzにおいて
約1/2以下の抵抗が得られ、かつチョークを2個並列
に接続した時のようにインダクタンスが1/2に減少す
るのではなく、同じインダクタンス値が得られる。
【0020】このように本実施例は、従来問題であった
交流抵抗の増加による損失の増大を低減できることによ
り、スイッチング電源の高効率化できるというチョー
ク,トランスの温度上昇が小さくなることから信頼性の
向上および特別な放熱対策を施さなくても、スイッチン
グ電源の高周波化,小形化が図れるという効果がある。
【0021】図4(a)〜(k)は、本発明の他の実施
例の構造図を示している。各図中、10は主巻線、11
は補助巻線、12はコア、13はボビンである。(a)
は補助巻線11に一般的な線材を使用したものである。
(b)は銅板の主巻線10の下層に、(c)は上層に、
(d)は上下層に、(e)は中間層に、それぞれ線材の
補助巻線11を巻いたものである。また、(f)は幅広
の銅板を主巻線10とし、幅細の銅板を補助巻線11と
して並列に巻いたものであり、(g),(h)は、厚い
銅板を主巻線10とし薄い銅板を補助巻線11として、
重ね巻きとしたもの(g)と、上下層に分けて巻いたも
の(h)である。さらに、(i),(j),(k)は、
太線を主巻線10とし細線を補助巻線11として、補助
巻線11を主巻線10の上層(i)に、あるいはその中
間層(j)に、あるいは下層(k)に巻いたものであ
る。
【0022】本発明の第1の実施例の説明では、銅板と
リッツ線の組合せで説明したが、図4に示したように、
一般的に使用されている線材の組合せでもよい。また、
補助巻線を主巻線の下層,中間層,上層のいずれに配置
しても良い。さらに、巻線の巻き方は、サンドイッチ
巻,バイファイラ巻,重ね巻のいずれでも同様な効果を
得ることができる。なお、トランスのように一次側,二
次側の複数巻線になっても、全部またはその一部の巻線
について同様な構成を主巻線と補助巻線の間で行うこと
により、同様な効果が得られることは明らかである。こ
のように本発明は、その主旨に沿って種々に応用され、
種々の実施態様を取り得るものである。
【0023】
【発明の効果】以上、説明したように、本発明のスイッ
チング電源用チョークおよびトランスは、巻線の交流抵
抗を低減できるので、スイッチング電源の高効率化,高
周波化,小形化,軽量化が実現できる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a−1),(b−1)は本発明の第1の実施
例を示す回路図、(a−2),(b−2)はその等価回
路図
【図2】上記第1の実施例の巻線構造の交流抵抗の実測
例を示す図
【図3】(a)は上記第1の実施例によるチョークの構
造図、(b)はその抵抗特性の略図
【図4】(a),(b),(c),(d),(e),
(f),(g),(h),(i),(j),(k)は本
発明の他の実施例を示す構造図
【図5】(a)は従来のチョークインプット形フィルタ
回路を示す図、(b)はそのチョークに流れる電流波形
【図6】(a)は従来のフライバックコンバータ回路
図、(b),(c)はそのフライバックトランスに流れ
る電流波形図
【図7】(a)は従来の昇圧チョッパ回路図、(b)は
その昇圧チョークに流れる電流波形図
【図8】従来の一般的なチョークの巻線構造図
【図9】上記従来の一般的なチョークにおける銅板の多
層巻の交流抵抗増加率を示す図
【符号の説明】
1…チョーク、2…主巻線、3…補助巻線、4…トラン
ス、5…第2の主巻線、6…第2の主巻線の補助巻線、
10…主巻線、11…補助巻線、12…コア、13…ボ
ビン。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 同一巻線数の主巻線と補助巻線を施し、
    前記主巻線の直流抵抗を前記補助巻線の直流抵抗より小
    さくし、前記主巻線及び前記補助巻線に流れる電流の基
    本周波数における前記補助巻線の交流抵抗を前記主巻線
    の交流抵抗より小さく設定し、前記主巻線と前記補助巻
    線をインダクタンスが消失しない巻方向で並列に接続し
    たことを特徴とするスイッチング電源用チョーク。
  2. 【請求項2】 一次側巻線と二次側巻線の両方または片
    方について、同一巻線数の主巻線と補助巻線を施し、前
    記主巻線の直流抵抗を前記補助巻線の直流抵抗より小さ
    くし、前記主巻線及び前記補助巻線に流れる電流の基本
    周波数における前記補助巻線の交流抵抗を前記主巻線の
    交流抵抗より小さく設定し、前記主巻線と前記補助巻線
    をインダクタンスが消失しない巻方向で並列に接続した
    ことを特徴とするスイッチング電源用トランス。
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