JP7082267B2 - トランス及びｄｃ－ｄｃコンバータ - Google Patents

Description

本発明は、トランス及びＤＣ－ＤＣコンバータに関する。

絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、トランスの漏れインダクタンスをコンバータのエネルギーの蓄積素子として利用する場合がある。これにより、回路全体の小型化が期待できる。

トランスの漏れインダクタンスを調整するためには、トランスのコアの構造の工夫（特許文献１）や巻線の巻き方の工夫（特許文献２）など、様々な方法がある。

特開２００８－８５００４号公報 特開２０１３－７４１４４号公報

特許文献１に示すようにコアに磁気ギャップを設けて漏れインダクタンスを調整する場合、所望の漏れインダクタンスを実現するため磁気ギャップを大きくとると、コアが大きくなり、装置の大型化を招くことになる。

同様に、特許文献２に示すように、一次コイルと二次コイルを軸方向に並べて配置するとトランスが軸方向に大きくなり、装置の大型化を招くことになる。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、漏れインダクタンスを所定の値に設定すると共に、小型化を可能とする技術の提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のトランスは、一次コイル及び二次コイルが、同軸上に設けられたトランスであって、前記一次コイル及び前記二次コイルが、前記軸と平行な方向又は前記軸と垂直な方向のうち一方の方向に、前記一次コイルを成す巻線又は該巻線のブロックと前記二次コイルを成す巻線又は該巻線のブロックとが隣接するようにして配置され、前記一次コイルを成す巻線同士及び前記二次コイルを成す巻線同士が、前記軸と平行な方向又は前記軸と垂直な方向のうち他方の方向において、非磁性の絶縁体である絶縁バリアによって隔離されていることを特徴とする。

ここで、巻線のブロック、とは一巻き分の巻線ではなく、所定回数巻かれた巻線の単位をいう。このような構成において、絶縁バリアで隔離される巻線間において漏れインダクタンスを発生させるため、該巻線間の距離を調整することで漏れインダクタンスを所定の値に設定でき、チョークとして機能する構成を別途設ける必要が無い。このため、漏れインダクタンスを所望の値に設定しつつ、トランスを小型化する事ができる。

また、一次コイルを成す巻線同士、二次コイルを成す巻線同士が隔離されるため、一次コイルと二次コイルの結合度を低下させずに、近接効果による抵抗の増加を低減させることができる。これにより、損失及び発熱を抑制することができ、効率を高めることができる。

また、前記一次コイル及び前記二次コイルは、前記軸と平行な方向に前記一次コイルを成す巻線又は該巻線のブロックと前記二次コイルを成す巻線又は該巻線のブロックとが隣接するようにして配置され、前記絶縁バリアは、前記軸と垂直な方向に前記一次コイルを成す巻線同士及び前記二次コイルを成す巻線同士を隔離するように設けられていてもよい。これにより、バリアの厚みを調整することで、前記一次コイルの巻線同士の距離及び前記二次コイルの巻線同士の距離をコアからの距離に応じた任意のものに設定することができる。

上記課題を解決するため、本発明のＤＣ－ＤＣコンバータは、前記トランスを備える。

本発明によれば、漏れインダクタンスを所定の値に設定すると共に、小型化を可能とする技術を提供することができる。

図１は、実施例１に係るトランスを用いた双方向ＤＣ－ＤＣコンバータの回路構成図である。 図２は、実施例１に係るトランスの外観斜視図である。 図３は、実施例１に係るトランスの分解斜視図である。 図４は、図２に示されたＡ－Ａ線における断面図である。 図５は、チョークコイルをトランスと別体に備えた従来の構成と実施例１のトランスとを比較した例を示す図である。 図６は、実施例１に係るトランスの変形例の断面図である。 図７は、実施例２に係るトランスの外観斜視図である。 図８は、実施例２に係るトランスの分解斜視図である。 図９は、図７に示されたＡ－Ａ線における断面図である。

＜実施例１＞
以下、本技術を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係るトランスを用いた双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ１の回路構成図である。図１において、双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ１は、トランス３０を挟んで図中左側の一次変換回路部１０と、図中右側の二次変換回路部２０からなる。なお、本実施例では、一次変換回路部１０を高圧側回路、二次変換回路部２０を低圧側回路としている。

一次変換回路部１０の入出力端である正極１１と負極１２の間には、平滑コンデンサＣ１や、スイッチング素子Ｓ１のソースとスイッチング素子Ｓ３のドレインとを接続して成る第１のスイッチングアーム、スイッチング素子Ｓ２のソースとスイッチング素子Ｓ４のドレインとを接続して成る第２のスイッチングアームが並列に接続されている。

また、スイッチング素子Ｓ１のソースとスイッチング素子Ｓ３のドレインとの接続点と、スイッチング素子Ｓ４のドレインとスイッチング素子Ｓ２のソースとの接続点との間に、トランス３０の一次コイル３１が接続されている。

二次変換回路部２０の入出力端である正極２１と負極２２の間には、平滑コンデンサＣ２が接続されている。また、正極２１と負極２２の間には、スイッチング素子Ｓ５のソースとスイッチング素子Ｓ７のドレインとを接続して成る第１のスイッチングアーム、スイッチング素子Ｓ６のソースとスイッチング素子Ｓ８のドレインとを接続して成る第２のス
イッチングアームが並列に接続されている。

スイッチング素子Ｓ５のソースとスイッチング素子Ｓ７のドレインとの接続点と、スイッチング素子Ｓ８のドレインとスイッチング素子Ｓ６のソースとの接続点との間に、トランス３０の二次コイル３２が接続されている。

本実施例では、スイッチング素子Ｓ１～Ｓ８としてＮ型のＭＯＳＦＥＴを用いたが、本発明のスイッチング素子の種類は、これに限られるものではない。このスイッチング素子の種類は、例えば、Ｐ型のＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、その他トランジスタを採用してもよい。

スイッチング素子Ｓ１～Ｓ８のドレイン－ソース間には、ソース側からドレイン側へ電流を流すように、還流ダイオードＤ１～Ｄ８がそれぞれ接続されている。ここで、還流ダイオードＤ１～Ｄ８としてスイッチング素子Ｓ１～Ｓ８の寄生ダイオード（ボディダイオード）を利用することもできる。スイッチング素子Ｓ１～Ｓ８は、不図示の制御装置によってスイッチング制御される。

図１においてトランス３０内に示したコイル３１０及び３２０は、それぞれ、一次コイル３１、二次コイル３２の漏れインダクタンスの作用を等価回路として示した仮想のものである。本実施例のトランス３０は、この漏れインダクタンスを所定の値に設定することで、チョークコイルのように、エネルギー蓄積要素として機能する。

図２は、本実施例に係るトランス３０の外観斜視図、図３は、トランス３０の分解斜視図、図４は、図２に示されたＡ－Ａ線における断面図である。トランス３０は、一次コイル３１と、二次コイル３２と、コア３３とを備えている。なお、図２～図４は、トランス３０を模式的に示しており、図２～図４における一次コイル３１や二次コイル３２、コア３３の形状が、実際のトランスにおける各部の形状と必ずしも一致するものではない。

コア３３は、断面がＥ字状の第一コア部３３Ａと、断面がＩ字状の第二コア部３３Ｂとを有するＥ―Ｉ型である。第一コア部３３Ａは、中央脚３３１と、その両側を囲む側脚３３２と、中央脚３３１及び左右の側脚３３２とを連結する板状部３３３とを有している。換言すると、左右の側脚３３２と板状部３３３がコの字状に接続され、コの字の内側となる板状部３３３の内壁面の中央に中央脚３３１が接合されている。中央脚３３１は、板状部３３３と接合した底面が円形であり、板状部３３３の内壁面から所定の高さを有した円柱形である。この中央脚３３１に一次コイルと二次コイルとが同軸に巻設される。

そして、左右の側脚３３２と板状部３３３が成すコの字の開口部分にＩ字状の第二コア部３３Ｂが組み付けられることで、閉じた磁気回路が構成される。なお、コア３３の材質は、特に限定されるものではないが、本実施例では、高周波帯域のコアロスを抑えるため、フェライトを用いている。

一次コイル３１及び二次コイル３２は、銅又は銅合金を絶縁被覆した導線を巻回した断面円形の巻線である。一次コイル３１及び二次コイル３２の材質や形態は、これに限らず、平角線や撚線であってもよい。

本実施例におけるトランスは、板状部３３３の内壁と第二コア部３３Ｂの内壁との間の領域の、中央脚３３１の中心軸に平行な方向の幅（以下、巻幅ともいう）ＷＡの全幅にわたって、一次コイル３１と二次コイル３２が隣接して配置される。より具体的には、中央脚３３１の外周における巻幅ＷＡの半分に一次コイル３１が巻設され、もう半分に二次コイル３２が巻設される構成となっている。

そして、図４に示す様に、一次コイル３１を成す巻線３１１の一層目３１１Ａと二層目３１１Ｂとが、第１の絶縁バリア３５１によって隔離され、さらに、一次コイル３１を成す巻線３１１の二層目３１１Ｂと三層目３１１Ｃとが、第２の絶縁バリア３５２によって隔離されている。二次コイル３２についても同様に、巻線３２１の一層目３２１Ａと二層目３２１Ｂの間を第１の絶縁バリア３５１によって、二層目３２１Ｂと三層目３２１Ｃの間を第２の絶縁バリア３５２によって、それぞれ隔離される構成となっている。なお、巻線３１１の一層目３１１Ａ、同二層目３１１Ｂ等が「巻線のブロック」に該当する。

そして、一次コイル３１の巻線３１１の一端である一層目３１１Ａの端部を外部に引き出して引出線３１Ａ（図３）とし、巻線３１１の他端である三層目３１１Ｃの端部を外部に引き出して引出線３１Ｂとする構成となっている。二次コイル３２についても同様に、巻線３２１の一端である一層目３２１Ａの端部を外部に引き出して引出線３２Ａとし、三層目３２１Ｃの端部を外部に引き出して引出線３２Ｂとする構成となっている。

このような構成とするには、例えば、まず第１の導線をコア３３の中央脚３３１の外周に、第一コア部３３Ａの板状部３３３の内壁と接する位置から巻き始めて、巻幅ＷＡの半分に達するまで一層分巻き付ける。次に、第２の導線を第二コア部３３Ｂの内壁と接する位置から巻初めて、巻幅ＷＡの半分に達するまで（即ち、第１の導線の一層目の巻き終わりまで）、一層分巻付ける。そして、巻付けられた第１の導線及び第２の導線の一層目の外周に非磁性の絶縁体（例えば絶縁紙など）により第１の絶縁バリア３５１を形成する。その後、第１の絶縁バリア３５１の外側に、第１の導線及び第２の導線を一層目と同じように巻付けて二層目を形成し、その外周に第１の絶縁バリア３５１と同様にして第２の絶縁バリア３５２を形成する。更に、第２の絶縁バリア３５２の外側に、第１の導線及び第２の導線を巻付けて、三層目を形成する。こうして、第１の導線からなる巻線が一次コイル３１の巻線３１１となり、第２の導線からなる巻線が二次コイル３２の巻線３２１となる。

なお、本実施例では各層の第１の導線を巻幅ＷＡの半分まで巻付けるようにしたが（即ち、一次コイル３１と二次コイル３２が巻幅ＷＡの半分ずつを占める構成であるが）、必ずしもこのようにする必要は無く、第１の導線の巻き終わりの位置と第２の導線の巻き終わりの位置が隣接するようになっていればよい。即ち、第１の導線の巻付けを巻幅ＷＡの半分未満の位置までとしてもよいし、逆に半分を超える位置までとしてもよい。

上記のように、一次コイル３１と二次コイル３２の巻線の各層が隣接して配置されることにより、一次コイル３１と二次コイル３２の結合度を高くしている。また、一次コイル３１の巻線３１１同士、及び、二次コイル３２の巻線３２１同士が絶縁バリア３５１、３５２で隔離されているため、近接効果が低減され、これによる効率の低下を抑えることができる。

そして、一次コイル３１の巻線３１１同士、及び、二次コイル３２の巻線３２１同士を絶縁バリア３５１、３５２で任意の距離に隔離することで、漏れインダクタンスを所要の値に設定でき、あたかもチョークコイルを備えたように機能させることができる。即ち、漏れインダクタンスの調整を、トランスのコアの大きさ変更などで行うのではなく、絶縁バリアを用いて、一次コイルの巻線同士、二次コイルの巻線同士の距離を調整することによって行う事ができる。また、このように、巻線の線間距離によって漏れインダクタンスを調整するため、コイルの巻数比は自由に設定することができる。

以上述べたように、本実施例のＤＣ－ＤＣコンバータ１によれば、トランス３０の漏れインダクタンスを所定の値に設定することにより、チョークコイルを備えた構成と同様の
効果が得られる。このため、チョークコイルを別途備える必要がなく、チョークコイルを実際に備えた従来の構成と比べて、サイズや重量、損失を抑えることができる。また、このように効率が向上することで、トランスから発生する熱が抑制され、これによって放熱のための構成、処理を削減することができる。

図５は、チョークコイルをトランスと別体に備えた従来の構成と本実施例のトランスとを比較した例を示す表である。図５において実験例は、容量を６ｋＷとした図２～図４の構成のトランス３０を示し、比較例は容量を６ｋＷとし、チョークコイルをトランスと別体に備えた従来の構成のものを示している。なお、図５の体積比率、重さ比率、損失比率はいずれも比較例を１００％とした場合の実験例の値を示している。

図５に示すように、実験例は比較例と比べて、体積比率が８２．７％、重さ比率が８８．３％、損失比率が３５．８％と、何れも低減しており、本実施例に係るＤＣ－ＤＣコンバータ１が、サイズ、重量、効率のいずれにおいても、従来の構成のものより優れていることが分かる。

＜変形例＞
上記実施例１では、一次コイル３１と二次コイル３２が隣接して配置されており、一次コイル３１の巻線３１１の一層目３１１Ａと、二次コイル３２の巻線３１１の一層目３２１Ａとが隣接する、という構造となっていた。即ち、一次コイル３１を成す巻線のブロックと二次コイル３２を成す巻線のブロックとが隣接する構成であったが、これに限らず、例えば次に示す様な構成となっていてもよい。

図６はトランス３０の他の構成例の断面図を表している。図６に示すように、本変形例に係るトランス３０は、一次コイル３１を成す巻線３１１と、二次コイル３２を成す巻線３２１とが、中央脚３３１の中心軸に平行な方向に互い違いに配置される構成となっている。即ち、一次コイル３１を成す巻線３１１と、二次コイル３２を成す巻線３２１とが一巻き毎に隣接するように配置されるのであってもよい。このような構成とすることによって、一次コイル３１と二次コイル３２の結合度をより高くすることができる。

＜実施例２＞
続けて、本発明の第２の実施例について説明する。なお、本実施例は実施例１と比べてトランス３０におけるコイルの巻線及び絶縁バリアの配置が異なっており、双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ１の回路構成、コア３３の形状等については実施例１と同様であるため、そのような部分については実施例１と同一の符号を用いて詳細な説明を省略する。

図７は本実施例に係るトランスの外観斜視図であり、図８は本実施例に係るトランスの分解斜視図であり、図９は、図７に示されたＡ－Ａ線における断面図である。実施例１では、トランス３０はコアの中央脚３３１と平行な方向に一次コイル３１と二次コイル３２が隣接して配置され、巻線の各層を隔てるように絶縁バリアが配置される構成となっていたが、本実施例では、これと異なり、以下のように構成される。

図８及び図９に示す様に、本実施例に係るトランス３０は、一次コイル３７の外周に二次コイル３８が配置されるように巻設され、各絶縁バリアは中央脚３３１の中心軸に平行な方向において、一次コイル３７の巻線３７１同士、及び二次コイル３８の巻線３８１同士を隔離する構成となっている。

このような構成とするには、例えば、まず中央脚３３１上に絶縁材料（例えばエポキシ樹脂）で形成された、絶縁バリアを三つ等間隔に配置する。ここで、各絶縁バリアは、例えば外径がコア３３の左右の側脚３３２の間の距離よりもやや小さい値であるドーナツ形
状の板部材であり、コイルの巻線となる導線１本分のスリットを備えている。

そして、第１の導線をコア３３の中央脚３３１の外周に、第一コア部３３Ａの板状部３３３の内壁と接する位置から巻回して三層分積層巻きにする。続けて絶縁バリアに設けられたスリットから第１の絶縁バリア３５５と第２の絶縁バリア３５６の間に前記導線を通し、そこで該導線を三層分巻回して積層巻きに巻設する。さらに続けて第２の絶縁バリア３５６と第３の絶縁バリア３５７の間に前記導線を通し、以降同様にして巻幅ＷＡの全てに亘って導線を巻設して、一次コイル３７を形成する。その後、第２の導線を、一次コイル３７の外周に対して、一次コイル３７と同様の手順で巻設し、二次コイル３８を形成するとよい。

＜その他＞
上記で例示したトランス及びＤＣ－ＤＣコンバータ等は、上記各例での説明に限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲内で、適宜その構成や動作及び動作方法等を変更することができる。

例えば、上記各例では、トランスにおける絶縁バリアは、一次コイルを成す巻線同士及び二次コイルを成す巻線同士を、一巻き毎、或いは一層毎に隔離する構成となっていたが、これに限らず、複数の巻線の纏まりの単位で巻線を隔離するのであってもよい。また、隔離される巻線の本数が、絶縁バリアによって区切られる領域毎に異なる構成となっていてもよい。さらに、絶縁バリアの幅（即ち、隔離する距離）についても、全て同一である必要はなく、それぞれの絶縁バリアが異なる幅となっていてもよい。

また、一次コイルと二次コイルの巻線の巻数は同じである必要は無く、また巻線を構成する導線の太さも同じである必要はない。これらは条件に応じて任意に設定可能である。

また、上記各例では、一次変換回路部側を高圧、二次変換回路部側を低圧とした例を示したが、これに限らず、一次変換回路部側を低圧、二次変換回路部側を高圧としてもよい。即ち、一次変換回路部の入出力端における直流電力を昇圧して二次変換回路部における入出力端から出力させ、また、二次変換回路部の入出力端における直流電力を降圧して一次変換回路部における入出力端から出力させる構成としてもよい。

また、上記の各例では、双方向のＤＣ－ＤＣコンバータの例を示したが、これに限らず、本発明のＤＣ－ＤＣコンバータは、一方向に電圧を変換する構成であってもよい。また、上記の各例のＤＣ－ＤＣコンバータは、フルブリッジ方式としたが、これに限らず、ハーフブリッジ方式や、プッシュプル方式などであってもよい。

また、本発明のトランスは、ＤＣ－ＤＣコンバータに限らず、電源回路や、インバータ、溶接機の安定器など他の機器に利用することができる。

１・・・ ＤＣ－ＤＣコンバータ
３０・・・ トランス
３１、３７・・・ 一次コイル
３２、３８・・・ 二次コイル
３３・・・ コア
３３Ａ・・・ 第一コア部
３３Ｂ・・・ 第二コア部
３１０・・・ コイル
３５１、３５２、３５５、３５６、３５７・・・絶縁バリア

Claims (3)

1. 一次コイル及び二次コイルが、同軸上に設けられたトランスであって、
   前記一次コイル及び前記二次コイルが、前記軸と平行な方向に、前記一次コイルを成す巻線又は該巻線のブロックと前記二次コイルを成す巻線又は該巻線のブロックとが隣接するようにして配置され、
   前記一次コイルを成す巻線同士及び前記二次コイルを成す巻線同士が、前記軸と垂直な方向において、非磁性の絶縁体である絶縁バリアによって隔離されている
   ことを特徴とする、トランス。
2. 前記一次コイルを成す巻線と前記二次コイルを成す巻線とが、前記軸と平行な方向に、一巻き毎に隣接するように互い違いに配置されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のトランス。
3. 請求項１又は２に記載のトランスを備えるＤＣ－ＤＣコンバータ。

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