JP2002237421A - スイッチング電源用トランス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 入力容量の小さいスイッチング電源用トラン
スを提供する。 【解決手段】 巻枠１と、この巻枠１の外周に層状に巻
回された１次コイル２，４，１２，１４を含む複数の巻
線とを有するスイッチング電源用トランスであって、巻
線は、少なくとも最内周層と最外周層とが１次コイル
２，４，１２，１４で構成され、かつ最外周層の外周面
の少なくとも一部が絶縁スペーサ１６によって覆われて
おり、１次コイル２，４，１２，１４は、巻始め部２１
が巻枠１の一端に位置し、かつ巻終り部２２が巻枠１の
他端に位置しており、１次コイル２，４，１２，１４の
巻終り部２２は、巻枠１の他端側で纏められ、絶縁スペ
ーサ１６の外面に沿って巻枠１の一端側まで戻された構
成とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、巻枠と、この巻枠
の外周に層状に巻回された１次巻線を含む複数の巻線と
を有するスイッチング電源用トランスに関する。

【０００２】

【従来の技術】商用交流電源から所望の直流電圧を生成
する場合、商用周波トランスを用いて商用交流電圧を適
当な交流電圧に変換した後、整流平滑して直流を得る方
法と、商用交流電圧を一旦直流に変換し、それを高い周
波数の交流に再度変換し、高周波トランスを用いて変圧
した後に整流平滑することにより所望の直流電圧を得る
方法とが知られている。

【０００３】商用周波トランスを用いる方法の場合、５
０Ｈｚあるいは６０Ｈｚの交流を扱うことから、励磁イ
ンピーダンスを大きくするために大型の磁気回路と巻数
の多い１次巻線とを必要とするのに対し、高周波トラン
スを用いる方法の場合、高周波を扱うので小さいインダ
クタンスで大きな励磁インピーダンスを実現できること
から、小型の磁気回路と巻数の少ない１次巻線とでよ
い。したがって、高周波トランスを用いる方法を採用し
たスイッチング電源は、トランス自体はもちろんのこ
と、装置全体を小型・軽量化することができる。

【０００４】商用周波トランスを用いる方法と高周波ト
ランスを用いる方法とのいずれの場合も、一度適切なト
ランスを設計すれば、使用する商用交流電圧が変わって
も、１次巻線の巻数をその電圧に比例して変更するだけ
でよく、その他の巻線の巻数は変更する必要がない。し
かし、１次巻線の巻数が増加した場合、１次巻線と他の
巻線との間、さらには１次巻線の巻始めと巻終りと間の
静電容量が増加することになる。これにより１次側から
みた入力インピーダンスにおいて入力容量が増加する。

【０００５】この入力容量の増加は、商用周波トランス
を用いる場合は周波数が低いので問題とならないが、ス
イッチング電源の場合は周波数が高いことから大きな問
題となってくる。

【０００６】すなわち、入力容量の増加は、スイッチン
グ時の過渡電流すなわち充電電流の増加原因となる。こ
の過渡電流は、トランスのエネルギー伝達に寄与しない
ばかりでなく、スイッチング時のロスおよびノイズ発生
の原因ともなる。

【０００７】図３は、従来のスイッチング電源用トラン
スの要部の断面図である。このように従来のスイッチン
グ電源用トランスは、安全規格上、１次巻線５１と２次
巻線５２との間の沿面距離を確保するため、ボビン５３
の両端にそれぞれバリアテープ５４を設け、それらバリ
アテープ５４，５４間に各巻線５１，５２が巻かれてい
る。１次巻線５１と２次巻線５２との間にはそれぞれ絶
縁テープ５５が巻回されており、２層の２次巻線５２，
５２間にも絶縁テープ５６が巻回されている。ここで、
沿面距離とは、１次巻線５１と２次巻線５２との間の絶
縁テープ５５表面に沿う最短距離のことである。さらに
具体的に述べると、たとえば内周側の１次巻線５１のボ
ビン５３一端側の端から、内周側の絶縁テープ５５の内
周面をボビン５３の軸芯方向に沿って絶縁テープ５５の
一端に至り、さらに絶縁テープ５５の一端面をボビン５
３の半径方向に沿って内周端から外周端に至り、さらに
絶縁テープ５５の外周面をボビン５３の軸芯方向に沿っ
て一端から内周側の２次巻線５２のボビン５３一端側の
端まで至る距離である。また、１次巻線５１と２次巻線
５２との間の絶縁テープ５５は、１次巻線５１と２次巻
線５２との結合度を大きくするため、規格上必要な絶縁
性能が得られる範囲で、極力薄いテープを一重に巻回し
ている。

【０００８】なお、図３に示すスイッチング電源用トラ
ンスは、各１次巻線５１を往復巻にしており、それらの
１次巻線５１の巻始め部分５１ａと巻終り部分５１ｂと
を一箇所に纏めているが、往復巻ではなく一方向巻の場
合、１次巻線５１の巻終り部分５１ｂを、ボビン５３の
軸芯方向に沿って直線的に巻始め部分５１ａ側に戻すの
ではなく、１次巻線５１の外周面に螺旋状に巻き付けな
がら巻始め部分５１ａ側に戻していた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来のス
イッチング電源用トランスでは、１次巻線５１の各部
間、特に巻始め部分５１ａと巻終り部分５１ｂとの間の
結合容量が大きいとともに、１次巻線５１と２次巻線５
２との間の結合容量も大きいという課題があった。

【００１０】図４は、スイッチング電源用トランスにお
ける浮遊容量の分布状況の説明図である。図４におい
て、５個のＣａが１次巻線５１の各部間の結合容量であ
り、８個のＣｂが１次巻線５１と２次巻線５２との間の
結合容量である。

【００１１】図５は、スイッチング電源用トランスの無
負荷時における１次側等価回路の回路図である。励磁イ
ンダクタンスＬａには、漏洩インダクタンスＬｂが直列
に接続されているとともに、入力容量Ｃが並列に接続さ
れている。すなわち図５は、図４における結合容量Ｃ
ａ，Ｃｂを集中定数として等価的に表したものである。
漏洩インダクタンスＬｂは励磁インダクタンスＬａに比
べて一般に非常に小さく、無負荷時には使用スイッチン
グ周波数帯では無視できる場合が多い。

【００１２】図６は、スイッチング電源用トランスの無
負荷時における１次側入力インピーダンス特性の説明図
である。図６において、横軸は周波数であり、縦軸はイ
ンピーダンスである。また縦軸は対数目盛である。図６
から明らかなように、容量成分が小さいほど並列共振周
波数が高くなり、より高い周波数まで高インピーダンス
を維持できる。すなわち、入力容量Ｃがある値のとき
に、実線Ａで示すようなインピーダンス特性が得られ、
入力容量Ｃと励磁インダクタンスＬａとの並列共振周波
数がｆａであったとすると、入力容量Ｃがそれよりも小
さな所定の値の場合、実線Ｂで示すようなインピーダン
ス特性が得られ、入力容量Ｃと励磁インダクタンスＬａ
との並列共振周波数ｆｂは、ｆａよりも高い。並列共振
周波数ｆａ，ｆｂよりも左側が誘導性領域であり、右側
が容量性領域である。

【００１３】図７は、スイッチング電源用トランスの無
負荷応答特性を説明するための波形図である。（Ａ）
は、理想的なトランスの場合を示しており、（Ｂ）は、
入力容量Ｃが大きいトランスの場合を示している。実線
ａ，ｂは、１次電圧であり、実線ｃ，ｄは、１次電流で
ある。スイッチングの電圧スペクトルにはかなりの高調
波まで含まれているので、１次インピーダンスが理想的
なインダクタンスである場合には、（Ａ）のようにスイ
ッチング時に急激な電流は流れないが、１次インピーダ
ンスが容量性となる周波数帯にスイッチング電圧のスペ
クトルがあると、（Ｂ）のように充電電流が流れること
になる。もちろん、インピーダンスが小さいほど、充電
電流は大きくなる。

【００１４】すなわち、上記従来のスイッチング電源用
トランスでは、入力容量が大きく、その結果、スイッチ
ング時の過渡電流すなわち充電電流が大きいことから、
スイッチング時のロスおよびノイズが大きくなるのであ
る。

【００１５】本発明は、このような事情のもとで考え出
されたものであって、入力容量の小さいスイッチング電
源用トランスを提供することを、その課題としている。

【００１６】

【発明の開示】上記の課題を解決するため、本発明で
は、次の技術的手段を講じている。

【００１７】本発明の第１の側面によれば、巻枠と、こ
の巻枠の外周に層状に巻回された１次巻線を含む複数の
巻線とを有するスイッチング電源用トランスであって、
巻線は、少なくとも最内周層と最外周層とが１次巻線で
構成され、かつ最外周層の外周面の少なくとも一部が絶
縁スペーサによって覆われており、各１次巻線は、巻始
め部分が巻枠の一端に位置し、かつ巻終り部分が巻枠の
他端に位置しており、全ての１次巻線の巻終り部分は、
巻枠の他端側で纏められ、絶縁スペーサの外面に沿って
巻枠の一端側まで戻された構成としたことを特徴とす
る、スイッチング電源用トランスが提供される。

【００１８】好ましい実施の形態によれば、１次巻線の
巻終り部分のうち絶縁スペーサの外面に位置する部分
は、巻枠の軸芯方向と平行な直線状である。

【００１９】他の好ましい実施の形態によれば、各１次
巻線は、それぞれ１本の絶縁導線からなり、その絶縁導
線の線径が、巻枠に必要巻数を巻回することにより、巻
枠の一端から他端まで隙間無く巻回される線径である。

【００２０】他の好ましい実施の形態によれば、各１次
巻線は、それぞれ相互に線径の等しい複数本の絶縁導線
からなり、それら各絶縁導線の線径が、それら複数本の
絶縁導線を一重に並べて巻枠に必要巻数を巻回すること
により、巻枠の一端から他端まで隙間無く巻回される線
径である。

【００２１】他の好ましい実施の形態によれば、複数の
巻線は、１次巻線と他の巻線との間が、絶縁デープを二
重以上に巻回することにより絶縁されており、絶縁テー
プは、一重の巻回により規格上必要な絶縁性能を満たす
厚さを有している。

【００２２】他の好ましい実施の形態によれば、巻線
は、１次巻線以外の全ての巻線が、巻枠の両端にそれぞ
れ設置された所定長の絶縁部間に巻回されている。

【００２３】本発明によれば、入力容量の小さいスイッ
チング電源用トランスを提供できる。

【００２４】すなわち、各１次巻線において、巻始め部
分が巻枠の一端に位置し、かつ巻終り部分が巻枠の他端
に位置しているので、１次巻線の巻始め部分および巻終
り部分と他の巻線との間の距離を大きく取ることがで
き、したがって１次巻線の巻始め部分および巻終り部分
と他の巻線との間の結合容量を小さくすることができ
る。また、１次巻線の巻終り部分は、巻枠の他端側で纏
められ、絶縁スペーサの外面に沿って巻枠の一端側まで
戻されているので、１次巻線の巻始め部分と巻終り部分
とが接近する部分を極力少なくすることができ、したが
って１次巻線の巻始め部分と巻終り部分との間の結合容
量を小さくすることができる。

【００２５】本発明のその他の特徴および利点は、添付
図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明
らかとなろう。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施の形
態を、図面を参照して具体的に説明する。

【００２７】図１は、本発明に係るスイッチング電源用
トランスの要部の断面図である。図２は、本発明に係る
スイッチング電源用トランスの一部切欠正面図である。
巻枠１は、円筒状の本体部１ａと、この本体部１ａの両
端からそれぞれ半径方向外方に突出した円環状の鍔部１
ｂとにより構成されている。本体部１ａの外周面には、
１次コイル２が巻回されており、その１次コイル２の外
周面には、絶縁テープ３が巻回されている。絶縁テープ
３の外周面には、１次コイル４が巻回されている。１次
コイル４の外周面には、絶縁テープ５が２重に巻回され
ている。絶縁テープ５の外周面には、軸芯方向両端部
に、それぞれ絶縁部としてのバリアテープ６が巻回され
ている。また、絶縁テープ５の外周面には、バリアテー
プ６，６間に２次コイル７が巻回されている。２次コイ
ル７の外周面には、絶縁テープ８が巻回されている。バ
リアテープ６の外周面には、それぞれ絶縁部としてのバ
リアテープ９が巻回されている。また、絶縁テープ８の
外周面には、バリアテープ９，９間に２次コイル１０が
巻回されている。バリアテープ９および２次コイル１０
の外周面には、絶縁テープ１１が２重に巻回されてい
る。絶縁テープ１１の外周面には、１次コイル１２が巻
回されている。１次コイル１２の外周面には、絶縁テー
プ１３が巻回されている。絶縁テープ１３の外周面に
は、１次コイル１４が巻回されている。１次コイル１４
の外周面には、絶縁テープ１５が２重に巻回されてい
る。絶縁テープ１５の外周面には、円周方向所定幅の絶
縁スペーサ１６が軸芯方向全長にわたって設けられてい
る。絶縁テープ１５および絶縁スペーサ１６の外周面に
は、絶縁テープ１７が巻回されている。

【００２８】１次コイル２，４，１２，１４は、それぞ
れ１本のエナメル線などの絶縁導線によって構成されて
おり、巻枠１の本体部１ａの一端から他端までのほぼ全
長にわたって巻回されている。１次コイル２，４，１
２，１４を構成する絶縁導線の線径は、巻枠１の本体部
１ａに必要巻数を巻回することにより、本体部１ａの一
端から他端までほぼ隙間無く巻回される太さに設定され
ている。１次コイル２，４，１２，１４の巻始め部２１
は、巻枠１の一端側の鍔部１ｂに形成された孔から巻枠
１の外部に導出されている。１次コイル２，４，１２，
１４の巻終り部２２は、巻枠１の他端側の鍔部１ｂ近傍
で１箇所に纏められ、絶縁スペーサ１６と絶縁テープ１
７との間を通って巻枠１の一端側の鍔部１ｂまで戻さ
れ、鍔部１ｂに形成された孔から巻枠１の外部に導出さ
れている。１次コイル２，４，１２，１４の巻終り部２
２は、絶縁スペーサ１６の外周面において、巻枠１の軸
芯方向に沿う直線状に配線されている。これら１次コイ
ル２，４，１２，１４は、両端をそれぞれ図外の端子に
結線され、相互に並列に接続される。

【００２９】バリアテープ６は、１次コイル４と２次コ
イル７との間の沿面距離を確保するためのものであっ
て、巻枠１の軸芯方向に沿う長さがたとえば６ｍｍであ
る。バリアテープ９は、２次コイル１０と１次コイル１
２との間の沿面距離を確保するためのものであって、巻
枠１の軸芯方向に沿う長さがたとえば６ｍｍである。す
なわち、図３に示す従来のスイッチング電源用トランス
の場合、１次巻線５１の端と２次巻線５２の端とがボビ
ン５３の軸芯方向においてほぼ同一の位置であったの
で、たとえば３ｍｍの長さのバリアテープ５４によって
ほぼ６ｍｍの沿面距離を確保できたが、本実施形態にお
いては、１次コイル４，１２の端が巻枠１の本体部１ａ
の端に位置しているので、６ｍｍの長さのバリアテープ
６，９によってほぼ６ｍｍの沿面距離を確保している。

【００３０】１次コイル４と２次コイル７との間の絶縁
テープ５、および２次コイル１０と１次コイル１２との
間の絶縁テープ１１は、１重の巻回で規格上必要な絶縁
性能を確保できる厚さを有しているのであるが、１次コ
イル４と２次コイル７との間、および２次コイル１０と
１次コイル１２との間の距離を大きくするために、２重
に巻回している。

【００３１】１次コイル２と１次コイル４との間の絶縁
テープ３、２次コイル７と２次コイル１０との間の絶縁
テープ８、および１次コイル１２と１次コイル１４との
間の絶縁テープ１３は、必ずしも必要なものではない
が、１次コイル４、２次コイル１０、および１次コイル
１４の巻回作業が容易になることから、絶縁テープ３，
８，１３を設けている。

【００３２】このように、１次コイル２，４，１２，１
４において、巻始め部２１が巻枠１の一端側の鍔部１ｂ
近傍に位置し、かつ巻終り部２２が巻枠１の他端側の鍔
部１ｂ近傍に位置しているので、１次コイル２，４，１
２，１４の巻始め部２１および巻終り部２２と２次コイ
ル７，１０との間の距離を大きく取ることができ、した
がって巻始め部２１および巻終り部２２と２次コイル
７，１０との間の結合容量を小さくすることができる。

【００３３】また、１次コイル２，４，１２，１４の巻
終り部２２は、巻枠１の他端側の鍔部１ｂ近傍で１箇所
に纏められ、絶縁スペーサ１６の外面に沿って巻枠１の
一端側の鍔部１ｂまで戻されているので、１次コイル
２，４，１２，１４の巻始め部２１と巻終り部２２とが
接近する部分を極力少なくすることができ、したがって
巻始め部２１と巻終り部２２との間の結合容量を小さく
することができる。

【００３４】この結果、スイッチング電源用トランスの
入力容量を良好に低減でき、高い周波数領域まで誘導性
インピーダンスを維持できることから、スイッチング時
の過渡電流を極力小さくでき、スイッチング時のロスお
よびノイズの発生が抑制される。

【００３５】また、絶縁スペーサ１６の外周面におい
て、１次コイル２，４，１２，１４の巻終り部２２が、
巻枠１の巻枠の軸芯方向と平行な直線状であるので、１
次コイル２，４，１２，１４の巻終り部２２と１次コイ
ル２，４，１２，１４の他の部分との結合容量を小さく
でき、このことからも入力容量を小さくできる。

【００３６】また、絶縁テープ５，１１を２重に巻回し
たので、１次コイル４と２次コイル７との間、および２
次コイル１０と１次コイル１２との間の距離を大きくで
き、したがって１次コイル２，４，１２，１４と２次コ
イル７，１０との間の結合容量を小さくできるので、こ
のことからも入力容量を小さくできる。

【００３７】また、巻枠１の軸芯方向の長さが長いバリ
アテープ６，９によって１次コイル２，４，１２，１４
と２次コイル７，１０との間の沿面距離を確保したの
で、１次コイル２，４，１２，１４と２次コイル７，１
０との対向面の面積を小さくでき、したがって１次コイ
ル２，４，１２，１４と２次コイル７，１０との間の結
合容量を小さくできるので、このことからも入力容量を
小さくできる。

【００３８】なお、上記実施形態においては、１次コイ
ル２，４，１２，１４を構成する絶縁導線の線径を、巻
枠１の本体部１ａに必要巻数を巻回することにより、本
体部１ａの一端から他端までほぼ隙間無く巻回されるよ
うな線径に設定したが、この線径の１／ｎ倍の線径に設
定してもよい。ただし、ｎは２以上の整数である。すな
わち、ｎ本の絶縁導線を一重に並べて巻枠１の本体部１
ａに必要巻数を巻回することにより、本体部１ａの一端
から他端までほぼ隙間無く巻回される線径に設定するの
である。このようにすれば、絶縁導線の線径を細くでき
るので、表皮効果の影響を低減できる。

【００３９】また、上記実施形態においては、最内周層
および最外周層に１次コイル２，４および１次コイル１
２，１４を設けることにより、それぞれ１次コイルを２
層にしたが、これらはそれぞれ１層であってもよいし、
それぞれ３層以上であってもよい。ただし、複数層に設
けた場合、１次コイル全体の抵抗値を小さくすることが
できる。

【００４０】また、上記実施形態においては、最内周層
および最外周層に１次コイル２，４および１次コイル１
２，１４を設けたが、さらに中間層にも１次コイルを設
けてもよい。このようにすれば、１次コイルと他のコイ
ルとの間の磁気的結合度を増加させることができる。た
だしこの場合、１次コイルと他のコイルとの間の結合容
量も増加するので、磁気的結合度の増加によるメリット
と結合容量の増加によるデメリットとのバランスを考慮
する必要がある。

【００４１】また、上記実施形態においては、絶縁テー
プ５，１１を２重に巻回したが、もちろん３重以上に巻
回してもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るスイッチング電源用トランスの要
部の断面図である。

【図２】本発明に係るスイッチング電源用トランスの一
部切欠正面図である。

【図３】従来のスイッチング電源用トランスの要部の断
面図である。

【図４】スイッチング電源用トランスにおける浮遊容量
の分布状況の説明図である。

【図５】スイッチング電源用トランスの無負荷時におけ
る１次側等価回路の回路図である。

【図６】スイッチング電源用トランスの無負荷時におけ
る１次側入力インピーダンス特性の説明図である。

【図７】スイッチング電源用トランスの無負荷応答特性
を説明するための波形図である。

【符号の説明】

１ 巻枠 １ａ 本体部 １ｂ 鍔部 ２ １次コイル ３ 絶縁テープ ４ １次コイル ５ 絶縁テープ ６ バリアテープ ７ ２次コイル ８ 絶縁テープ ９ バリアテープ １０ ２次コイル １１ 絶縁テープ １２ １次コイル １３ 絶縁テープ １４ １次コイル １５ 絶縁テープ １６ 絶縁スペーサ １７ 絶縁テープ ２１ 巻始め部 ２２ 巻終り部

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 巻枠と、この巻枠の外周に層状に巻回さ
   れた１次巻線を含む複数の巻線とを有するスイッチング
   電源用トランスであって、 前記巻線は、少なくとも最内周層と最外周層とが１次巻
   線で構成され、かつ最外周層の外周面の少なくとも一部
   が絶縁スペーサによって覆われており、 前記各１次巻線は、巻始め部分が前記巻枠の一端に位置
   し、かつ巻終り部分が前記巻枠の他端に位置しており、 全ての前記１次巻線の前記巻終り部分は、前記巻枠の他
   端側で纏められ、前記絶縁スペーサの外面に沿って前記
   巻枠の一端側まで戻された構成としたことを特徴とす
   る、スイッチング電源用トランス。
2. 【請求項２】 前記１次巻線の前記巻終り部分のうち前
   記絶縁スペーサの外面に位置する部分は、前記巻枠の軸
   芯方向と平行な直線状である、請求項１に記載のスイッ
   チング電源用トランス。
3. 【請求項３】 前記各１次巻線は、それぞれ１本の絶縁
   導線からなり、その絶縁導線の線径が、前記巻枠に必要
   巻数を巻回することにより、前記巻枠の一端から他端ま
   で隙間無く巻回される線径である、請求項１または２に
   記載のスイッチング電源用トランス。
4. 【請求項４】 前記各１次巻線は、それぞれ相互に線径
   の等しい複数本の絶縁導線からなり、それら各絶縁導線
   の線径が、それら複数本の絶縁導線を一重に並べて前記
   巻枠に必要巻数を巻回することにより、前記巻枠の一端
   から他端まで隙間無く巻回される線径である、請求項１
   または２に記載のスイッチング電源用トランス。
5. 【請求項５】 前記複数の巻線は、前記１次巻線と他の
   巻線との間が、絶縁デープを二重以上に巻回することに
   より絶縁されており、 前記絶縁テープは、一重の巻回により規格上必要な絶縁
   性能を満たす厚さを有している、請求項１ないし４のい
   ずれかに記載のスイッチング電源用トランス。
6. 【請求項６】 前記巻線は、前記１次巻線以外の全ての
   巻線が、前記巻枠の両端にそれぞれ設置された所定長の
   絶縁部間に巻回されている、請求項１ないし５のいずれ
   かに記載のスイッチング電源用トランス。