JP2002353045A - パワートランス及びこれを用いた電力変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、小型、高効率のパワートランス、
及びこれを用いた小型、高効率、低ノイズで信頼性の高
い電力変換装置を提供する。 【解決手段】 軟磁性合金薄帯を巻回してなる巻磁心と
板状導体巻線からなるパワートランスにおいて、軟磁性
合金薄帯からなる巻磁心はノーカット、閉磁路の枠形状
であり、１次巻線及び２次巻線は略コ字型の板状導体を
交互に積層しながらそれぞれを接続するものであり、前
記略コ字型板状導体は、巻磁心の内方を通過する板状導
体の導体幅に比べ、巻磁心外方における前記と同一であ
る板状導体の導体幅を小さくし、積層する略コ字型の板
状導体を結ぶ直線型板状導体の導体幅も同様に略コ字型
板状導体の巻磁心内方における導体幅より小さくして、
巻線に起因する所要体積を抑制したことを特徴とするパ
ワートランス。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、各種インバータ、
ＤＣ−ＤＣコンバータ、スイッチング電源に用いられる
大電流用のトランスに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、大電流用のパワートランスには、
分割組み合わせするカット磁心がその磁心として広く使
用されている。前記カット磁心に組み込む巻線は、カッ
ト磁心とは別工程で作業が行えるため、作業効率の優れ
たものであった。しかし、金属磁性薄帯巻磁心からなる
カット磁心を用いた場合には、一対をなす磁心の接合部
が精度良く合わさるようにカット面を鏡面研磨する必要
があり、その面で隣接する薄帯間に絶縁破壊が生じるこ
とにより渦電流が発生し、磁心損失が増加することにな
る。さらに、磁心接合部より発生した漏れ磁束により巻
線の銅損が増加し、パワートランスの損失を増加させる
ことになる。それらの損失による発熱を低減するために
は、パワートランスを大型化させる必要があった。ま
た、可聴周波数で上記パワートランスを使用した場合、
磁心接合部での振動により騒音が発生する問題もあっ
た。

【０００３】上記の分割組み合わせのカット磁心での問
題を解決する方法として、パワートランス用の磁心とし
てノーカット磁心を用いる方法がある。ノーカット磁心
は、それに用いる磁性材料が有する本来の軟磁気特性を
十分発揮することができるため、高飽和磁束密度，低損
失，高透磁率を特徴とする非晶質軟磁性合金等からなる
薄帯巻磁心を用いることで、パワートランスの小型化が
可能となる。

【０００４】しかし、磁心が閉じられた構造であるた
め、カット磁心などの分割組み合わせの磁心に比べ巻線
構造が複雑になる問題があった。従来のノーカットの磁
心に対する巻線としては、 磁心に対する巻回作業が比較的容易な細線を多本数撚
り合わせたリッツ線により巻線を構成する。 特許第２５７８１６０号に記載されるように略コ字型
の銅板を絶縁物を介層しながら積層し巻線を構成する。 等の方法があるが、の方法の場合、幾ら細線を用いた
ものであっても、電流容量が増加するに従い細線数を増
加、或いは線径を太くする必要があり作業効率の低下を
招いていた。また磁心の巻枠に対する巻線占積率（巻枠
面積に対する巻線の占める割合）が低下するため、磁心
を更に大きくする必要が有りパワートランスの大型化を
招く問題があった。

【０００５】一方、特許第２５７８１６０号に開示され
た略コ字型板状導体を用いた巻線は、磁心の巻枠に対す
る巻線の占積率が高く、パワートランスの小型化を可能
とするものである。

【０００６】図７のフルブリッジ方式のＤＣ−ＤＣコン
バータに使用されるパワートランスにおいて、前記特許
第２５７８１６０号に示される手法に基づき製作される
パワートランスの巻線例としては、その断面図を図８お
よび図９に示す構造のものがある。ここで、図７におけ
るＥは入力直流電源、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４は主スイ
ッチ、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４は帰還ダイオード、Ｃ１
は直流電流を阻止するためのコンデンサ、Ｔはパワート
ランス、Ｎｐは前記パワートランスＴの入力端子１及び
２を有す１次巻線、Ｎｓ１、Ｎｓ２は前記パワートラン
スＴの出力端子３、５及びセンタータップ４を有する全
波整流出力用の２次巻線、ＳＲ１、ＳＲ２はダイオード
のリバースリカバリ電流を抑制し、ダイオードの逆方向
スパイク電圧を吸収するための可飽和リアクトル、Ｄ
５、Ｄ６は出力整流ダイオード、Ｌは出力平滑チョーク
コイル、Ｃ２は出力平滑コンデンサ、Ｒは負荷である。

【０００７】図８のパワートランスは、絶縁ケース５２
中に挿入されたノーカット磁心５１を用い、１次巻線は
積層された６つの略コ字型板状導体５３とこれらを結ぶ
５つの直線型板状導体５４により巻数６ターンとして構
成され、２次巻線は前記積層された１次巻線をなす略コ
字型板状導体間の５つの空間中の４つの空間に４つの略
コ字型板状導体５５を挿入し、これらの２つずつをそれ
ぞれ１つの直線型板状導体５６で結び２ターンとした２
組の巻線をＴ字型板状導体５７でシリーズ接続すること
により構成したパワートランスである。

【０００８】図９のパワートランスは、絶縁ケース６２
中に挿入されたノーカット磁心６１を用い、２次巻線は
４つの略コ字型板状導体６５の２つずつをそれぞれ１つ
の直線型板状導体６６で結び２ターンとした２組の巻線
をＴ字型板状導体６７でシリーズ接続することにより構
成され、１次巻線は６つの略コ字型板状導体６３の３つ
ずつをそれぞれ２つの直線型板状導体６４で結び３ター
ンとした２組の巻線で２次巻線を挟み込み、これら２組
の巻線をシリーズ接続用板状導体６８で接続することに
より６ターンを構成したパワートランスである。なお、
図８及び図９に示される入力端子１、２、出力端子３、
５及びセンタータップ４は、いずれも図７に示されるパ
ワートランスＴの端子番号に一致するものである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記パワート
ランスの巻線構造では、以下説明するようにパワートラ
ンスとしての小型化は不十分であった。図８のパワート
ランスの巻線構造では、トランスとしての高さを抑制し
ようとした場合、巻線構成部品として用いる略コ字型板
状導体５３、５５とそれらを結ぶ直線型板状導体５４、
５６の導体幅を広くすることにより対応できるが、図８
における略コ字型板状導体５３と直線型板状導体５６、
および略コ字型板状導体５５と直線型板状導体５４が隣
り合う部分では、他の箇所に比べて導体幅の増加による
寸法的影響が大きく、パワートランスの小型化が図れな
かった。

【００１０】また、図９のパワートランスは、積層する
１次巻線及び２次巻線に無駄な隙間があるため、磁心の
巻枠に対する巻線占有率が低く、パワートランスが大型
化する問題があった。本発明は、上記で説明したそれぞ
れの問題点を対策することにより、より小型のパワート
ランスを提供することを目的とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、軟磁性合金薄
帯を巻回してなる巻磁心と板状導体巻線からなるパワー
トランスにおいて、軟磁性合金薄帯からなる巻磁心はノ
ーカット、閉磁路の枠形状であり、１次巻線及び２次巻
線は略コ字型の板状導体を交互に積層しながらそれぞれ
を接続するものであり、前記略コ字型板状導体は、巻磁
心の内方を通過する板状導体の導体幅に比べ、巻磁心外
方における前記と同一である板状導体の導体幅を小さく
して巻線に起因する所要体積を抑制したパワートランス
である。

【００１２】また本発明は、上記の積層する略コ字型の
板状導体を結ぶ直線型板状導体が、略コ字型板状導体の
巻磁心内方における導体幅より小さい導体幅とするパワ
ートランスである。

【００１３】また本発明は、軟磁性合金薄帯を巻回して
なる巻磁心と板状導体巻線からなるパワートランスにお
いて、軟磁性合金薄帯からなる巻磁心はノーカット、閉
磁路の枠形状であり、１次巻線及び２次巻線は略コ字型
の板状導体をそれぞれ積層して、１次巻線或いは２次巻
線で他方を挟むサンドイッチ構造であり、積層する略コ
字型板状導体を結ぶ直線型板状導体は、略コ字型板状導
体との接続面の裏面が前記略コ字型板状導体接続面とほ
ぼ同じ切欠がなされ、略コ字型板状導体の前記直線型板
状導体との接続部は、導体を切欠した部分で直線型板状
導体と接続して、巻線に起因する所要体積を抑制したパ
ワートランスである。

【００１４】上記に示すパワートランスを用いた電力変
換装置は、より小型化が図れ好ましい。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について図
面を参照して説明する。 （実施例１）図７のフルブリッジ方式のＤＣ−ＤＣコン
バータを用いて、本発明のパワートランスと従来技術に
より作成したパワートランスの性能について比較した。
表１に図７のＤＣ−ＤＣコンバータの仕様を示す。

【００１６】

【表１】

【００１７】本発明及び比較例に使用したパワートラン
スＴの磁心材料、およびその磁気特性を表２に示す。表
２のナノ結晶材はＦｅを主成分とし、結晶粒径５０ｎｍ
以下の微細な結晶粒がその組織の体積全体の５０％以上
を占めるナノ結晶軟磁性合金薄帯である。薄帯の厚みは
１８〜２０μｍのものを用いた。

【００１８】

【表２】

【００１９】磁心形状は、上記ナノ結晶材の合金薄帯２
５ｍｍ幅を用いた表３に示す寸法の四角枠形状であり、
これを単位磁心とした。本実施例に用いた磁心は、前記
単位磁心を筒状に２個つなげて、プラスチックケースに
収納したものを、図１に示すように日字形に配置した日
字形磁心である。ケース挿入後の磁心寸法は表４の通り
である。なお、本発明の磁心形状は日字形に限るもので
はなく、ノーカットの閉磁路磁心であればどの様な形状
でもよく、また本発明の説明では２個の単位磁心を連ね
て１個の磁心としているが、これを１個さらには３個以
上の単位磁心で構成しても良いのは勿論である。

【００２０】

【表３】

【００２１】

【表４】

【００２２】本発明のパワートランスの斜視図を図１
に、その断面図を図２に示す。なお、比較例は従来技術
の図８の巻線構造とした。本発明及び比較例共に、１次
巻線は６ターン、２次巻線はセンタータップ方式よる２
ターンでそれぞれを構成した。

【００２３】本発明のコ字型板状導体１４は、図３に示
すように日字形磁心１３の巻枠内を通る導体部１４ａに
比べて、日字形磁心１３の外部に位置する導体部１４ｂ
の導体幅を小さくしている。また、積層する略コ字型板
状導体１４を接続する直線型板状導体１５の導体幅も日
字形磁心１３の巻枠内を通る導板部１４ａより小さい導
体幅とした。

【００２４】また２次巻線は、上記１次巻線構成時に合
わせて日字形磁心１３に積層構成する。略コ字型板状導
体１６は、１次側の略コ字型板状導体１４間に積層配置
し、積層する略コ字型板状導体１６を直線型板状導体１
７で接続して２次巻線を構成する。２次巻線も１次巻線
と同様に図３に説明する略コ字型板状導体と直線型板状
導体の形状とした。また、入力端子１、２、及び出力端
子３、５は、略コ字型板状導体を延伸して形成し、セン
タータップ４はＴ字型板状導体１８で２組の２次巻線を
シリーズ接続することにより形成した。なお、図示はし
ていないが、本発明に係る略コ字型板状導体或いはそれ
らを接続する直線型板状導体は、接続部以外を予め絶縁
物で被覆し、導体物の可動によって発生する絶縁不良を
未然に防止することができるようにした。

【００２５】本発明及び比較例の巻線の仕様は表５の通
りである。表５における（）内の数値は、磁心の巻枠外
における略コ字型板状導体の導体幅である。なお、導体
の材質には銅を用いた。

【００２６】

【表５】

【００２７】上記の条件により作製したパワートランス
は表６の通りである。Ｖはパワートランスの体積（但
し、入力及び出力、センタータップの各端子引出部は含
めず）を表し、Ｈはパワートランスの高さ寸法である。
本発明は日字形磁心の巻枠外方における巻線を構成する
板状導体の導体幅を小さくすることによりパワートラン
スの体積を低減することができた。しかし、その影響に
より直流抵抗は高くなった。

【００２８】

【表６】

【００２９】本発明及び比較例の静的特性、及び図７の
電源実装による動的特性について評価を行った。測定周
波数或いはスイッチング周波数は、２０ｋＨｚと５０ｋ
Ｈｚの２点である。表７に２０ｋＨｚ、表８に５０ｋＨ
ｚにおける測定結果を示す。なお、インダクタンス及び
漏れインダクタンスは、インピーダンスアナライザ４１
９４Ａ（日本ＨＰ製）により測定し、結合係数はそれら
の値より算出した値である。

【００３０】

【表７】

【００３１】

【表８】

【００３２】表７及び表８に示すように、本発明及び比
較例共に同じ磁心、同じ巻数であるため、１次巻線Ｎｐ
の励磁インダクタンスは同じ値を示したが、漏れインダ
クタンスは明らかに本発明が低く、巻線の結合度は高く
なった。これは、巻線において磁心に対する巻線導体の
位置が影響したものであって、本発明は比較例に比べて
巻線が磁心に近くその影響で漏れインダクタンスが減少
したためである。

【００３３】表７及び表８から分かるように、本発明は
比較例に比べて１次巻線両端間に発生するサージ電圧、
またパワートランスの温度上昇が共に低く、特に周波数
が５０ｋＨｚの時にそれらの差が顕著に表れている。比
較例は、本発明に比べて体積も大きく、しかも巻線の直
流抵抗が小さいにもかかわらず、本発明よりサージ電圧
が大きく、温度上昇も高い。これは静的特性の結果に一
致するものであり、漏れインダクタンスにより銅損が増
加したことが原因である。前記サージ電圧の抑制には図
７に示される回路の主スイッチＳ１〜Ｓ４の主電極間に
接続するスナバ回路が有効であるが、サージ電圧の増加
は前記スナバ回路の損失増加を招き、電源の効率を低下
させることになる。さらに、前記サージ電圧が主スイッ
チＳ１〜Ｓ４の耐圧を越える場合には、これを抑制する
ために、より容量の大きなコンデンサが必要となり、そ
の形状が大きくなることにより、スナバ回路の大型化を
招くとともに、スナバ回路の損失も増加し、電源効率が
低下することになる。

【００３４】また、漏れインダクタンスは、電源の輻射
ノイズの発生原因にもなるため、本発明のパワートラン
スは低ノイズという特徴も有する。

【００３５】（実施例２）実施例２も実施例１と同様に
図７の回路構成で表１に示される仕様のフルブリッジ方
式のＤＣ−ＤＣコンバータを用いて、本発明のパワート
ランスと従来技術により作製した比較例のパワートラン
スについて比較した。

【００３６】本発明及び比較例共に同一の磁心材料及び
磁心の形状とした。磁心材料は実施例１と同じナノ結晶
材を使用し、磁気特性は表２の通りである。

【００３７】磁心形状は、表９に示す四角枠形状とし、
これを単位磁心として、２つ薄帯幅方向に並べて５０ｍ
ｍ長さを１組の磁心とした。前記磁心は絶縁のためプラ
スチック製ケースに収納した。ケース挿入後の磁心寸法
は表１０の通りである。なお、本実施例に用いた磁心
は、前記プラスチックケースに収納したものを、図１に
示すように日字形に配置した日字形磁心である。

【００３８】

【表９】

【００３９】

【表１０】

【００４０】本発明のパワートランスの斜視図を図４
に、その断面図を図５に示す。なお、比較例は従来技術
の図９の巻線構造とした。本発明及び比較例共に、１次
巻線は６ターン、２次巻線はセンタータップ方式よる２
ターンでそれぞれを構成した。

【００４１】本発明は、略コ字型板状導体２６と積層す
る略コ字型板状導体２６を結ぶ直線型板状導体２７によ
り２次巻線を構成し、一方、１次巻線は、前記２次巻線
を分割して挟むサンドイッチ構造とし、分割積層する略
コ字型板状導体２４を直線型板状導体２５によりそれぞ
れ接続し、分割積層した２つの１次巻線をシリーズ接続
用板状導体２９により接続してなるパワートランスであ
る。なお、入力端子１、２、及び出力端子３、５は、略
コ字型板状導体を延伸して形成したものであるが、セン
タータップ４はＴ字型板状導体を用いて形成したもので
ある。

【００４２】本発明のパワートランスは図６に示すよう
に、略コ字型板状導体２４と直線型板状導体２５が重な
り合って接続する部分の厚みを、予め半分程度に除去し
た状態とし、しかも接続方法は、略コ字型板状導体２４
の除去部分と直線型板状導体２５の除去部分の反対面と
が接続するようにしたものである。また、２次巻線も同
様に図６に示す構造の略コ字型板状導体と直線型板状導
体を用いて構成した。この構造により図５で示す断面図
の通り積層する導体間の隙間を最小限に抑えることがで
きた。なお、本発明のパワートランスに使用した略コ字
型板状導体２４及び直線型板状導体２５は、それらの接
続面を除去して構成したものであるが、それらの接続面
が除去された状態となるように複数枚の板状導体を組み
合わせて構成しても良いことは勿論である。

【００４３】本発明及び比較例の巻線仕様は表１１の通
りである。表１１における（）内の数値は、略コ字型板
状導体、或いは直線型板状導体の接続部の板厚である。
なお、本発明及び比較例に使用した板状導体は、磁心の
巻線可能な巻枠面積を最大限に活用することのできる厚
みとした。また、導体の材質には実施例１と同様銅を用
いた。

【００４４】

【表１１】

【００４５】上記の条件により作製したパワートランス
の仕様を表１２に示す。Ｖはパワートランスの体積（但
し、入力及び出力、センタータップの各端子引出部は含
めず）を表し、Ｈはパワートランスの高さ寸法である。
本発明はコ字型板状導体及び直線型板状導体の接続部に
切欠を設けて接続し巻線を構成したため、磁心の巻線可
能な巻枠面積を最大限に活用することができ、比較例よ
りも直流抵抗を著しく低減できた。

【００４６】

【表１２】

【００４７】実施例２における本発明及び比較例の静的
特性、及び動的特性の測定結果を表１３に示す。比較例
は、積層する巻線の間に隙間が多く、その隙間部分で漏
れインダクタンスが発生しやすく、そのために１次巻線
両端間に発生するサージ電圧が高くなってしまう。な
お、本実施例では、本発明及び比較例の結合係数に差が
見られなかったため、それらの値を表に記載していな
い。

【００４８】

【表１３】

【００４９】本発明のパワートランスは、漏れインダク
タンスが低いことにより、それに起因するサージ電圧を
低くすることができるため、電源のノイズ対策と効率の
改善に有効である。また、同じ容積のトランスであって
も本発明のパワートランスは、巻線の導体断面積を従来
例より大きくできる構造のため、その直流抵抗を小さく
でき、パワートランスの温度上昇の低減が図れる。

【００５０】本発明のパワートランスを使用した電力変
換装置は、従来例のパワートランスを使用したものと比
較して小型化が可能であり、しかも漏れインダクタンス
を抑制することができるため、ノイズ対策にも有効で、
効率の優れた電力変換装置の製作が可能となる。なお、
本実施例では巻線の材質に銅を用いたが、他にアルミニ
ウム等でも良く、銅に限定されることはない。また、磁
心材質はナノ結晶材以外に巻磁心であればどの様な材質
のものを用いても良いことは勿論である。

【００５１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
軟磁性合金薄帯の優れた磁気特性を最大限に発揮させる
ことのできるノーカット、閉磁路の磁心を用いて、小
型、低損失、低輻射ノイズのパワートランスが得られ、
これを用いた小型、高効率、低ノイズで信頼性の高い電
力変換装置を製作できるため、その効果は極めて大き
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のパワートランスの第１の実施形態の斜
視図。

【図２】本発明のパワートランスの第１の実施形態の断
面図。

【図３】本発明のパワートランスに係る巻線部材の斜視
図。

【図４】本発明のパワートランスの第２の実施形態の斜
視図。

【図５】本発明のパワートランスの第２の実施形態の断
面図。

【図６】本発明のパワートランスに係る積層巻線の接続
方法説明図。

【図７】動的特性評価に使用したフルブリッジ方式のＤ
Ｃ−ＤＣコンバータ主回路図。

【図８】比較例のパワートランスの断面図。

【図９】他の比較例のパワートランスの断面図。

【符号の説明】

１，２ 入力端子 ３，５ 出力端子 ４ センタータップ １１ 単位磁心 １２ 絶縁ケース １３ 日字型磁心 １４ 略コ字型板状導体 １４ａ 内方に位置する導体部 １４ｂ 外方に位置する導体部 １５ 直線型板状導体 １６ 略コ字型板状導体 １７ 直線型板状導体 １８ Ｔ字型板状導体 ２４ 略コ字型板状導体 ２５ 直線型板状導体 ２６ 略コ字型板状導体 ２７ 直線型板状導体 ２８ Ｔ字型板状導体 ２９ シリーズ接続用板状導体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０２Ｍ 3/28 Ｈ０１Ｆ 31/00 Ａ 27/24 Ｂ (72)発明者 小倉 克廣 鳥取県鳥取市南栄町26番地１日立フェライ ト電子株式会社内 Ｆターム(参考） 5E043 AA06 AB02 BA01 5E062 DD04 5H730 AA14 AA15 AS01 BB27 BB57 EE03 EE08 ZZ16

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 軟磁性合金薄帯を巻回してなる巻磁心と
   板状導体巻線からなるパワートランスにおいて、軟磁性
   合金薄帯からなる巻磁心はノーカット、閉磁路の枠形状
   であり、１次巻線及び２次巻線は略コ字型の板状導体を
   交互に積層しながらそれぞれを接続するものであり、前
   記略コ字型板状導体は、巻磁心の内方を通過する板状導
   体の導体幅に比べ、巻磁心外方における前記と同一であ
   る板状導体の導体幅を小さくして巻線に起因する所要体
   積を抑制したことを特徴とするパワートランス。
2. 【請求項２】 積層する略コ字型の板状導体を結ぶ直線
   型板状導体は、略コ字型板状導体の巻磁心内方における
   導体幅より小さい導体幅とすることを特徴とする請求項
   １記載のパワートランス。
3. 【請求項３】 軟磁性合金薄帯を巻回してなる巻磁心と
   板状導体巻線からなるパワートランスにおいて、軟磁性
   合金薄帯からなる巻磁心はノーカット、閉磁路の枠形状
   であり、１次巻線及び２次巻線は略コ字型の板状導体を
   それぞれ積層して、１次巻線或いは２次巻線で他方を挟
   むサンドイッチ構造であり、積層する略コ字型板状導体
   を結ぶ直線型板状導体は、略コ字型板状導体との接続面
   の裏面が前記略コ字型板状導体接続面とほぼ同じ切欠が
   なされ、略コ字型板状導体の前記直線型板状導体との接
   続部は、導体を切欠した部分で直線型板状導体と接続し
   て、巻線に起因する所要体積を抑制したことを特徴とす
   るパワートランス。
4. 【請求項４】 請求項１から請求項３に記載のパワート
   ランスを用いたことを特徴とする電力変換装置。