JP7085363B2

JP7085363B2 - トランス及びこれを用いたｌｌｃ共振回路

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Publication number: JP7085363B2
Application number: JP2018033032A
Authority: JP
Inventors: 久嗣加藤
Original assignee: ダイヤゼブラ電機株式会社
Priority date: 2018-02-27
Filing date: 2018-02-27
Publication date: 2022-06-16
Anticipated expiration: 2038-02-27
Also published as: JP2019149443A

Description

本発明は、絶縁型のトランス及びそのトランスを用いたＬＬＣ共振回路に関する。

ＬＬＣ共振回路において、トランスの１次巻線と２次巻線との距離を離して実装することにより得られる漏れインダクタンスを利用して共振動作を行わせる技術が知られている。例えば、特許文献１では、１次巻線と２次巻線とをボビンの長手方向（巻線の巻回方向と直交する方向）に距離を離して巻き付け、そのボビンをコアの中脚部に挿通する技術が開示されている。

特開２００５－３３９３８号公報国際公開第２０１３／４２６７１号

しかしながら、特許文献１のような実装をすると、トランスの巻線に漏れ磁束が鎖交することにより、巻線に渦電流損が誘導される（特許文献２参照）。そうすると、巻線の温度が上昇するという問題がある。近年、高入力電圧及び高周波で動作するトランスが求められており、そうすると、温度上昇の問題が特に顕著に表れる。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、巻線に鎖交する漏れ磁束を著しく低減させたトランスを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係るトランスは、コアと、同心状に巻回された１次巻線及び２次巻線とを有するコイル本体と、前記１次巻線及び前記２次巻線の少なくとも一方に接続された付属コイルとを備え、前記コアは、前記コイル本体が装着される第１脚部及び該第１脚部と閉磁路を形成する第２脚部を有するコア本体と、前記コア本体から分岐され、前記付属コイルが巻回される第３脚部を有する付属コア部と、を備えることを特徴とする。

本形態によると、励磁インダクタンスＬｍを形成するためのコイル本体と、漏れインダクタンスＬｒを形成するための付属コイルとを分けている。そして、コイル本体は、コア本体の第１脚部に装着し、付属コイルは、コア本体から分岐されることで、磁気的に分離された第３脚部に装着している。これにより、従来技術のように、積極的にトランスの漏れインダクタンスを利用して共振動作を行う場合と比較して、トランスの巻線に鎖交する磁束量を著しく低減することができる。そうすることで、１次巻線及び２次巻線に誘起される渦電流が大幅に低減され、巻線温度の上昇を著しく低減させることができる。

上記態様において、前記第１脚部及び前記第３脚部は軸方向の中間位置にエアギャップを有する一方、前記第２脚部は軸方向に連続一体的に形成されていてもよい。

これにより、コイル本体及び付属コイルの相互間における磁気的な分離性を高めることができる。

本発明によると、巻線に鎖交する漏れ磁束を著しく低減させることができるので、トランスが過度に発熱するのを防ぐことができる。

本実施形態に係るトランスを斜め上側から見た斜視図である。コアを斜め上側から見た斜視図である。コアを斜め上側から見た分解斜視図である。図１のＩＶ－ＩＶ線断面図である。本実施形態に係るＬＬＣ共振回路の構成例を示す図である。トランスの印加電圧と温度上昇との関係を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。

本実施形態に係るトランス及びそのトランスを用いたＬＬＣ共振回路は、例えば、太陽光発電装置の発電電力を変換し、商用電源系統に連系したり、負荷に供給したりするパワーコンディショナ等に使用される。

本開示に係るトランスは、（１）励磁インダクタンスを形成するためのコイル（コイル本体に相当）と、漏れインダクタンスを形成するためのコイル（付属コイルに相当）とを物理的に分離していること、及び、（２）上記分離したコイルを単一のコアに装着できるようにコアの形状を工夫していること、に特徴がある。

以下において、具体的に説明する。

－トランスの構成－
図１に示すように、トランス１は、コイル本体２と、付属コイル３と、コイル本体２及び付属コイル３が装着されるコア４とを備える。

コイル本体２は、１次巻線２１及び２次巻線２２と、ボビン２３とを備えている。１次巻線２１及び２次巻線２２は、両巻線の互いの結合の度合いを示す結合係数ｋが高くなるようにボビン２３に巻回されている。具体的に、コイル本体２には、１次巻線２１及び２次巻線２２が同心状に巻回されている。

ボビン２３は、中央に円形状の貫通孔（図示省略）が形成された２つの円板が対向配置され、両円板間を円筒状のボビン本体（図示省略）で連結している。これにより、ボビン２３には、後述するコア４の第１脚部４２を挿通するための挿通孔（図示省略）が形成される。

なお、以下の説明では、ボビン２３のボビン本体の軸方向を上下方向と呼ぶものとする。図１～図４では、ボビン２３の上下方向が、図面でも上下方向となるように図示しており、説明の便宜上、図面にしたがって「上」及び「下」を定義する。

１次巻線２１と２次巻線２２との結合係数ｋは、例えば、０．９以上、１以下であり、より好ましくは０．９７以上、１以下である。なお、結合係数ｋ＝１とは、漏れ磁束がない状態を示している。１次巻線２１と２次巻線２２との結合係数を高くすることにより、１次巻線２１及び２次巻線２２に鎖交する磁束を小さくすることができるので、トランス（コイル本体）の発熱を抑える効果が得られる。

なお、コイル本体２の巻線構造は、結合係数ｋが高い構造であれば、具体的な構造は特に限定されない。一般的に、結合係数ｋを高めるためには、１次巻線２１と２次巻線２２との距離が近い方がよい。例えば、従来から知られている、いわゆるサンドイッチ巻き構造を本態様に適用することができる。サンドイッチ巻き構造とは、一方の巻線（例えば、１次巻線２１）で形成された巻線層と巻線層の間に、他方の巻線（例えば、２次巻線２２）で形成された巻線層を挟み込む構造である。そうすることで、上下方向及び径方向の両方において１次巻線２１と２次巻線２２との距離が近くなり、結果として、結合係数が高くなる。

また、１次巻線２１及び２次巻線２２の素線の材質や線径は、特に限定されない。例えば、１次巻線２１及び２次巻線２２は、例えば、銅製であり、素線径が０．０３～０．１ｍｍφのリッツ線である。

１次巻線２１と２次巻線２２との結合係数を高めると、その分、１次巻線２１及び２次巻線２２との相互関係から生じる漏れインダクタンスＬｒは小さくなる。そこで、本実施形態では、漏れインダクタンスＬｒを別体のコイル（以下、付属コイル３という）で生成する分離構造を採用している。

付属コイル３は、付属ボビン３１と、１次巻線２１及び２次巻線２２の少なくとも一方に配線２４で接続され、付属ボビン３１に巻回された付属巻線３２とを備えている。

付属ボビン３１は、中央に長円状の貫通孔（図示省略）が形成された２つの円板が対向配置され、両円板間を長円筒状のボビン本体（図示省略）で連結した構成である。この構成により、後述するコア４の第３脚部４５が挿通できるようになっている。

図１では、付属巻線３２が１次巻線２１に接続された例、すなわち、付属コイル３がトランス１の１次側に取り付けられた例を示している。なお、付属巻線３２が２次巻線２２に接続される、すなわち、付属コイル３がトランス１の２次側に取り付けられてもよい。また、付属コイル３が、トランス１の１次側及び２次側の両方に、別々に取り付けられてもよい。さらに、１次側の付属コイルと２次側の付属コイルとが結合された結合構造にしてもよい。

なお、付属コイル３の素線の材質や線径は、特に限定されない。例えば、コイル本体２の１次巻線２１及び２次巻線２２と共通であってもよい。また、付属コイル３の巻数は、１次巻線２１及び２次巻線２２の巻数よりも小さい。後述するＬＬＣ共振回路Ａにおいて、漏れインダクタンスＬｒが励磁インダクタンスＬｍよりも小さく設定されるので、本実施形態ではそのように巻数を設定している。

図２及び図３は、コア４の形状を示す斜視図であり、コイル本体２及び付属コイル３の装着前の状態を示している。

図２及び図３に示すように、コア４は、コア本体４０と、コア本体４０から分岐された付属コア部４４とを備える。

コア本体４０は、上下一対のコア部（以下、上コア部４ａ及び下コア部４ｂという）を有する。上コア部４ａと下コア部４ｂとは、図面正面から見た上下方向の中央位置（接合位置）に形成した仮想平面に対して面対称の形状である。すなわち、上コア部４ａ及び下コア部４ｂは、同一形状の共通の部材であり、上下を反転させて使用している。そこで、以下の説明では、下コア部４ｂの構成についてのみ説明し、上コア部４ａの構成の説明を省略する。

図３に示すように、下コア部４ｂは、上下方向と直交する左右方向に延びる略矩形板状の基体４１と、基体４１上に上向きに立設された第１脚部４２及び一対の第２脚部４３を有する。

第１脚部４２は、円柱形状であり、基体４１の左右方向の中間位置に一体的に立設される。また、第１脚部４２の断面形状は、ボビン２３の挿通孔の開口より若干小さく、第１脚部４２の一部又は全部がボビン２３のボビン本体内に収容できるように構成されている。

第２脚部４３は、第１脚部４２の左右方向の両側に立設されている。第１脚部４２と第２脚部４３との間隔は、第１脚部４２にコイル本体２が装着できるように、コイル本体２の径方向の厚さよりも若干広く設定される。また、両方の第２脚部４３において、他方の第２脚部４３との対向する対向方向の内壁は、コイル本体２の形状にあわせて、円弧状に切り欠かれている。

下コア部４ｂの基体４１は、一方の第２脚部４３（図３では左側の第２脚部４３）よりも外側に突出するように延びていて、その左端には、付属コイル３を装着するための第３脚部４５が立設されている。

第３脚部４５の形状は、第１脚部４２よりも左右方向の幅が狭い断面長円状の柱状体である。すなわち、第３脚部の断面積は、第１脚部の断面積以下である。付属コイルの巻数は、１次巻線及び２次巻線の巻数よりも小さく、必要なインダクタンス値も小さいので、第３脚部をこのような形状にしている。このような構成にすることで、トランスのサイズが小さくなる。なお、第３脚部４５の形状は、断面長円状の柱状体に限定されず、他の形状、例えば、円柱形状であってもよい。

また、図面左側の第２脚部４３と第３脚部４５との間隔は、付属コイル３が装着できるように、付属コイル３の径方向の厚さより若干広く設定される。

なお、本開示における付属コア部４４には、基体４１が第２脚部４３から延出した延出部分と、第３脚部４５とが含まれる。すなわち、本実施形態の構成では、上コア部４ａ及び下コア部４ｂ（以下、まとめて上下コア部４ａ，４ｂという場合がある）において、基体４１が、コア本体４０及び付属コア部４４で共通化されている。

そして、上コア部４ａと下コア部４ｂとが、両コア部４ａ，４ｂの開放側の端面同士、すなわち、第１脚部４２、第２脚部４３及び第３脚部４５の端面同士を互いに突き合わせた状態で接合される。

ここで、第１脚部４２及び第３脚部４５の上下方向の高さは、第２脚部４３の上下方向の高さよりも低い。これにより、上下の第１脚部４２間及び上下の第３脚部４５間に、それぞれ、エアギャップＧｍ，Ｇｒが形成される（図２，図４参照）。

なお、上下コア部４ａ，４ｂの第１脚部４２間に形成されたエアギャップＧｍは、コイル本体２で形成される励磁インダクタンスＬｍ用のエアギャップである。また、上下コア部４ａ，４ｂの第３脚部４５間に形成されたエアギャップＧｒは、付属コイル３で形成される漏れインダクタンスＬｒ用のエアギャップである。また、左右方向両側の第２脚部４３同士は高さが揃えてあり、上下コア部４ａ，４ｂの第２脚部４３間にはエアギャップが形成されないようにしている。これにより、図４の仮想線で示すように磁束が流れて、コイル本体２で形成される励磁インダクタンスＬｍと、付属コイル３で形成される漏れインダクタンスＬｒとが磁気結合しないようにすることができる。

このように、コイル本体２と付属コイル３とを別体のコイルとして構成するとともに、互いを磁気的に分離することで、コイル本体２や付属コイル３の巻線（素線）に対して磁束が鎖交しないようにすることができる。これにより、トランス１が過度に発熱するのを防ぐことができる。

－ＬＬＣ共振回路の構成－
図５に示すように、ＬＬＣ共振回路Ａは、電源Ｅからの電源電圧Ｖｉを入力端子ＩＮに受け、交流に変換して出力する共振部６０と、共振部６０の出力を所定の出力電圧Ｖｏに変換して出力端子ＯＵＴから出力する変換部６２と、制御回路７とを備える。なお、以下の説明において、入力端子ＩＮのうち、正極側と負極側とを分けて説明する場合に、符号ＩＮＰ，ＩＮＭを付して説明する場合がある。同様に、出力端子ＯＵＴのうち、正極側と負極側とを分けて説明する場合にそれぞれにＯＵＴＰ，ＯＵＴＭを付して説明する場合がある。

共振部６０は、スイッチング部６１と、共振コンデンサＣ１１，Ｃ１２と、前述のトランス１とを備える。

スイッチング部６１は、正極側の入力端子ＩＮＰと負極側の入力端子ＩＮＭとの間に直列に設けられた第１及び第２スイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２を有する。図５では、第１及び第２スイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２として、Ｎ型のＭＯＳ－ＦＥＴと寄生ダイオードとを並列接続したものを用いている例を示している。なお、スイッチング部６１の構成は、図５の構成に限定されず、同様の機能を有する他のスイッチング回路を適用してもよい。

共振コンデンサＣ１１，Ｃ１２は、電流共振用のコンデンサＣ１１及び電圧共振用のコンデンサＣ１２を含む。電圧共振用コンデンサＣ１２は、第１スイッチング素子Ｑ１１に並列に接続される。同様に、電流共振用共振コンデンサＣ１１と、付属巻線３２と、トランス１の１次巻線２１との直列回路が、第１スイッチング素子Ｑ１１に並列に接続される。

換言すると、正極側の入力端子ＩＮＰが、第１共振コンデンサＣ１１及び付属巻線３２を介して、トランス１の１次巻線２１の一端（例えば、巻始端）に接続される。そして、トランス１の１次巻線２１の他端（例えば、巻終端）が、第２スイッチング素子Ｑ１２を介して負極側の入力端子ＩＮＭに接続される。また、第１スイッチング素子Ｑ１１と、第１共振コンデンサＣ１１と、トランス１の１次巻線２１とにより、閉ループ回路が形成される。

変換部６２は、共振部６０から出力された共振電圧を、所定の出力電圧Ｖｏに変換して出力する回路である。具体的に、変換部６２は、トランス１の２次巻線２２の一端（例えば、巻始端）と正極出力端子ＯＵＴＰとの間に直列接続された第２コンデンサＣ２１とダイオードＤ２２とを備える。ダイオードＤ２２は、トランス１の２次巻線２２の一端から正極側の出力端子ＯＵＴＰに向かって順方向に接続される。トランス１の２次巻線２２の他端（例えば、巻終端）は、負極側の出力端子ＯＵＴＭに接続される。

変換部６２は、さらに、第２コンデンサＣ２１とダイオードＤ２２との間の中間ノードＮ６２と負極側の出力端子ＯＵＴＭとの間に、直列に接続された逆流防止ダイオードＤ２１を備える。逆流防止ダイオードＤ２１は、上記中間ノードＮ２１から負極側の出力端子ＯＵＴＭに向かう方向に対して逆方向に接続される。また、両出力端子ＯＵＴ間に、出力コンデンサＣ２２が接続される。

制御回路７は、ＬＬＣ共振回路Ａ全体の動作を制御するものであり、例えば、ＩＣ（Integrated Circuit）で実現することができる。制御回路７は、例えば、自回路内にあらかじめ登録されたプログラムやシーケンス等にしたがって動作する。より具体的に、制御回路７は、例えば、スイッチング部６１の第１及び第２スイッチング素子Ｑ１１，１２を、それぞれオンオフ制御するための制御信号Ｖｇ１１，Ｖｇ１２を出力する。

なお、本開示において、「接続」との用語には、電気的に接続されるもの全般が含まれるものとする。すなわち、「接続」とは、直接接続されたものに限定されず、例えば、抵抗素子や半導体素子等を介して電気的に接続されるものを含む概念である。

図６は、本実施形態に係るトランス１を適用したＬＬＣ共振回路（以下、実施回路という）と、付属コイルを設けない構成に係るＬＬＣ共振回路（以下、比較回路という）との１次巻線の温度上昇を比較した図である。図６において、丸印が実施回路の結果であり、三角印が比較回路の結果である。

図６では、電源電圧Ｖｉとして、２７０Ｖ及び３３０Ｖを印加し、所定時間の経過後に熱電対を用いて１次巻線２１の温度を測定している。また、比較回路は、ＰＱ型のコアを用いており、コイル本体の１次巻線と２次巻線との巻回位置を軸方向にずらすことで、漏れインダクタンスを生成しているものである。

図６に示すように、比較回路では、電源電圧が２７０Ｖにおいて１次巻線温度が８９度、３３０Ｖでは同１１０度まで達しているのに対し、実施回路では、２７０Ｖ及び３３０Ｖの両方において、１次巻線温度が６５度程度であり、温度上昇が著しく低減されている。

さらに、発明者は、実施回路と比較回路の漏れ磁束を計測した。漏れ磁束の計測方法として、トランスへの通電中に、計測用コイルをトランスに近接させ、その計測用コイルに誘導される誘導電圧を測定した。その結果、誘導電圧が、比較回路に対して１／９程度になり、実施回路では、トランス外部への漏れ磁束も著しく低減されることが確認できた。

以上のように、本実施形態によると、励磁インダクタンスＬｍを形成するためのコイル本体２と、漏れインダクタンスＬｒを形成するための付属コイル３とを分けている。そして、コイル本体２は、コア本体４０の第１脚部４２に装着するとともに、付属コイル３は、コア本体４０とは磁気的に分離された第３脚部４５に装着している。このような構成にすることで、従来技術のように、積極的にトランスの漏れインダクタンスを利用して共振動作を行う場合と比較して、トランス１の巻線に鎖交する磁束量を著しく低減することができる。従来技術では、上記漏れ磁束がトランスの巻線に鎖交することにより、巻線に渦電流損が誘導され、巻線温度が上昇していたが、本実施形態の構成では、漏れ磁束を巻線に鎖交させることなく漏れインダクタンスが得られるので、そのような温度上昇を著しく低減することができる。

＜その他の実施形態＞
以上、本発明の好ましい実施形態及びその変形例について説明したが、本開示に係る技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え等を行った実施形態にも適用が可能である。また、上記実施形態説明した構成要素や以下において説明する構成要素を組み合わせて、新たな実施形態とすることも可能である。

例えば、上記実施形態では、エアギャップＧｍは、上下コア部４ａ，４ｂの第１脚部４２間に形成される、すなわち、トランス１の上下方向の中間位置に形成されるものとしたが、これに限定されない。例えば、エアギャップＧｍが、基体４１と、上コア部４ａ又は下コア部４ｂとの境界部分に形成されていてもよい。エアギャップＧｒについても同様であり、エアギャップＧｒが、トランス１の上下方向の中間位置に代えて、基体４１と、上コア部４ａ又は下コア部４ｂとの境界部分に形成されていてもよい。

本発明に係るトランスは、トランスの発熱を大幅に低減することができるので、例えば、家庭やオフィス等で使用される電気機器、電源機器、電力変換装置等に用いるトランスとして極めて有用である。

ＡＬＬＣ共振回路
１トランス
２コイル本体
３付属コイル
４コア
２１１次巻線
２２２次巻線
４０コア本体
４２第１脚部
４３第２脚部
４４付属コア部
４５第３脚部

Claims

コアと、
同心状に巻回された１次巻線及び２次巻線とを有する上面視で円形状のコイル本体と、
前記１次巻線及び前記２次巻線の少なくとも一方に接続された付属コイルとを備え、
前記コアは、前記コイル本体が装着される第１脚部及び該第１脚部と閉磁路を形成する第２脚部を有するコア本体と、前記コア本体から分岐され、前記付属コイルが装着される第３脚部を有する付属コア部と、を備え、
前記第１脚部、前記第２脚部及び前記第３脚部の各脚部は、上端同士及び下端同士が板状の基体で接続され、
前記第２脚部は、前記第１脚部と前記第３脚部との間に設けられた中脚部を含み、
前記中脚部は、前記コイル本体と対向する壁面が前記コイル本体の外形に沿うように円弧状に凹み、
前記付属コイルの巻数は、前記１次巻線及び前記２次巻線の巻数よりも小さく、
前記第３脚部は、前記各脚部の並び方向の幅が前記第１脚部よりも狭いことを特徴とするトランス。
請求項１に記載のトランスにおいて、
前記第３脚部は、前記並び方向に直交する前後方向の幅が前記第１脚部よりも広い
ことを特徴とするトランス。
請求項１に記載のトランスにおいて、
前記第１脚部及び前記第３脚部は軸方向の中間位置にエアギャップを有する一方、前記第２脚部は軸方向に連続一体的に形成されている
ことを特徴とするトランス。
請求項１または２に記載のトランスにおいて、
前記第３脚部の断面積は、前記第１脚部の断面積以下である
ことを特徴とするトランス。
請求項１から４のいずれか１項に記載のトランスと、スイッチング部と、共振コンデンサとを有し、直流入力電圧を前記スイッチング部に受け、該スイッチング部の出力を、前記共振コンデンサを介して前記トランスの１次巻線に与えて共振させる共振部と、
前記トランスの２次巻線から得られる出力電圧を所定の直流出力電圧に変換して出力する変換部とを備えている
ことを特徴とするＬＬＣ共振回路。