JP2003234220A - スイッチングトランスとスイッチング電源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スイッチングトランスのリーケージインダク
タンスを正確に調整可能とする。 【解決手段】 １１７ａ、１１７ｂは主となる磁気回路
を構成するＥ型フェライトコア（Ｅコア）、１１９ａ、
１１９ｂはバイパス用の磁気回路を構成するＩ型フェラ
イトコア（パスコア）である。パスコア１１９（ａ、
ｂ）の寸法L2およびT2はそれぞれ、Ｅコアの寸法L1およ
びＥコア外脚からボビン中脚部までの距離T1よりも大き
くしており、バスコア１１９ａ、１１９ｂは２個１組の
Ｅコア１１７ａ、１１７ｂの外脚突き合わせ面（衝合
面）に挟まれる構成となっている。１１８は、巻線を施
すボビンであり、中心部にセパレータ１１８ａを設け
て、１次、２次間の結合を疎にするとともに、パスコア
１１９（ａ、ｂ）を挿入して巻線との絶縁距離を確保で
きる構成としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はスイッチング素子に
よって断続された電流が供給されているスイッチングト
ランスにかかわり、特にこのようなスイッチングトラン
スを電源に採用したスイッチング電源に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年電子機器に用いられる電源システム
においては、機器の低消費電力化のために、共振型スイ
ッチング電源が多く用いられるようになってきている。
図７は一般的な電流共振型スイッチング電源の構成例を
示す。この図において１は直流電源、２および３はMOS
FET等のスイッチ素子、４および５はダンパーダイオー
ド、６は疎結合のスイッチングトランス、７は直列共振
コンデンサ、８および９は２次出力整流ダイオード、１
０は２次出力平滑コンデンサである。

【０００３】このようなスイッチング電源において、１
次コイルと２次コイルが疎結合とされているスイッチン
グトランス６のリーケージインダクタンスをLr、直列共
振コンデンサ７の静電容量をCrとすると、系の共振周波
数は fr=1/(2π(Lr・Cr)1/2) となり、その共振周波数特性と出力電圧の関係は図９に
示すようになる。

【０００４】このような構成の共振型スイッチング電源
を、上述の共振周波数よりも高い周波数範囲で図９のよ
うに制御するアッパーサイド動作の場合、最大出力時の
発振周波数は系の共振周波数となり、スイッチング電源
の出力電圧を制御する動作周波数範囲はこの周波数より
も高い範囲となる。一方、スイッチングトランス６の構
造は原理的には図１０に示すようになり、１次コイルＮ
ｐと・２次コイルＮｓ間の結合係数はスイッチングトラ
ンスの構造によって決定するため、そのリーケージイン
ダクタンスの最大値はスイッチングトランスの形状によ
って制限を受けることになる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の電流共振型コン
バータにおいては、リーケージインダクタンスの値に上
述のような制限があるために、スイッチングトランスの
形状によっては動作周波数を十分に低くすることができ
ず、スイッチ素子２および３や、整流ダイオード８およ
び９の損失が増大して、機器の消費電力が増大してしま
うという欠点があった。

【０００６】これに対して、直列共振のインダクタンス
を増大させるために、リーケージインダクタンスに直列
に外付けインダクタを追加する回路構成としたり、１次
・２次コイル間の距離（２セクションボビンのセパレー
タ）を広げて結合係数を下げる等の対策が従来から考え
られていたが、前者の場合には大型のインダクタによる
機器の大型化や部品コストが大幅に増大するといった欠
点があり、また後者の場合には、スイッチングトランス
が大型化してしまうといった欠点があり、いずれの方法
も十分なものではなかった。

【０００７】なお、図８は１次側と２次側がスイッチン
グトランス６のリーケージインダクタンスに共振するよ
うに構成された複合共振型コンバータの例を示したもの
で、図７と同一機能部分は同一符号とされている。この
ような複合共振型コンバータにおいても、詳細な説明は
省略するがスイッチングトランス６においては上記した
ようなリーケージインダクタンスの問題が生じる。

【０００８】このような問題に対してスイッチングトラ
ンスの主磁気回路に対してバイパス用の磁気回路を追加
することにより、スイッチングトランスの形状を大型化
することなしにリーケージインダクタンスを増大および
制御する方法が考えられている。すなわち、図１１に示
すように第１のＥ型フエライトコア１１（Ｅコアとい
う）と第２のＥ型フエライトコア１２を衝合してその中
央の磁極に１次巻線１５，および２次巻線１６を巻回す
る。１４はコイルを巻回するためのボビンである。１３
はＥ型フエライトコア１４の中央の磁極と外脚の磁極の
間に設けられているＩ型のバイパス用のフエライトコア
（Ｉコアともいう）である。

【０００９】この構成においては、バイパス用の磁気回
路を構成する第１のＥコア１１とIコア１３の間にＥコ
ア外脚コア、Ｉコア、Ｅコア中脚、の２カ所にエアギャ
ップＧが存在するため、リーケージインダクタンスの制
御範囲が十分ではなく、このようなコアを使用したスイ
ッチングトランスでスイッチング電源を構成した場合
に、所定のリーケージインダクタンスを得るためにはI
コア１３の寸法を変更しなければならないという問題が
あった。

【００１０】また、Ｉコア１３の製造誤差によって、図
１２に示すＬの矢印のようにＩコア１３の寸法が小さく
なった場合には、Ｅコア１１とＩコア１３間のエアギャ
ップの拡大によって所定のリーケージインダクタンスを
得られないという問題や、逆にＩコアの寸法が大きくな
った場合には、Ｉコア１３を挿入できなくなるという問
題が発生していた。

【００１１】さらに、Ｅコア１１の外脚と中脚の間に挿
入すべきＩコア１３が、組み立て時の誤差によりボビン
内でずれた場合には、バイパス用の磁気回路を通る磁束
は減少し、所定のリーケージインダクタンスを得られな
いという問題が発生していた。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明のスイッチングト
ランスはかかる問題点を解消するためになされたもの
で、第１のＥ型コアと第２のＥ型コアを衝合する位置に
Ｉ型のコアを挿入し、該挿入されたＩ型のコアによって
前記第１、または第２のＥ型コアの中央の磁極と外脚の
磁極間がバイパスされるように構成したことを特徴とす
るものである。

【００１３】また、本発明のスイッチング電源は中央の
磁極に１次コイルと２次コイルを巻回した第１のＥ型コ
アと第２のＥ型コアの磁極を衝合すると共に、前記衝合
する位置に前記Ｅ型コアの中央磁極と外脚磁極間をバイ
パスするようにＩ型のコアを装着する。そして、前記少
なくとも１次コイルに対してスイッチング素子により断
続する電流が供給されるように構成すると共に、前記２
次コイルから交番出力電圧が得られるようにしたことを
特徴とするものである。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明は、上記のような課題に対
して、リーケージインダクタンスの制御および精度の向
上を容易にし、先に考案されたスイッチングトランスの
性能を向上することを目的としている。図１、図２、お
よび図３に本発明によるスイッチングトランスの構成例
を示す。これらの図において、図１はスイッチングトラ
ンスのボビンおよびコアの組み立て例、図２は図１のＡ
−Ａ’における断面図である。また、図３は組み立て後
の正面図を示す。

【００１５】図１および図２において、１１７ａ、１１
７ｂは主となる中央磁極と外脚の磁極によって磁気回路
を構成するＥ型フェライトコア（Ｅコア）、１１９ａ、
１１９ｂはＥ型フエライトコア１１７（ａ、ｂ）の外脚
の磁極が衝合する位置に挿入され、バイパス用の磁気回
路を構成するＩ型フェライトコア（パスコアともいう）
である。パスコア１１９（ａ、ｂ）の寸法L2およびT2は
それぞれ、Ｅコアの寸法L1およびＥコア外脚からボビン
中脚部までの距離T1よりも大きくしており、バスコア１
１９ａ、１１９ｂは２個１組のＥコア１１７ａ、１１７
ｂの外脚突き合わせ面（衝合面）に挟まれる構成となっ
ている。１１８は、巻線を施すボビンであり、中心部に
セパレータ１１８ａを設けて、その上下に１次コイル１
１６ａと２次コイル１１６ｂを巻回し、１次、２次間の
結合を疎にするとともに、パスコア１１９（ａ、ｂ）を
挿入して巻線との絶縁距離を確保できる構成としてい
る。

【００１６】このような構成のスイッチングトランスに
おいて、バイパス用の磁気回路を構成するＥコアとＩコ
アの間には、図３に示すようにＩコアとＥコア中央の磁
極間のみにしかエアギャップが存在しないように組み立
てることができるため、先に示したスイッチングトラン
スに比べて大きなリーケージインダクタンスを得ること
が可能となる。

【００１７】また、上記ＩコアをＥ型コアの衝合点の中
で左右の方向に移動させてバイパス用の磁気回路のエア
ギャップを増減する事により、リーケージインダクタン
スを調整することができる。すなわち、図６に示すよう
にエアギャップ長を大きくするとリーケージインダクタ
ンスの値が小さくなるように制御することが可能とな
り、Ｉコアの寸法を変更することなく所望のリーケージ
インダクタンスを得ることが可能となる。

【００１８】また、本発明によれば、Ｉ型フェライトコ
ア１１９（ａ、ｂ）の寸法L2およびT2は、図２に示した
挿入するべき位置の寸法（Ｅ型コアの外脚部の衝合面
積）L1およびT1よりも大きくしてあるため、Ｅ型フェラ
イトコアおよびＩ型フェライトコアの製造誤差やＩ型フ
ェライトコアの挿入誤差によって、Ｉ型フェライトコア
が本来挿入すべき位置からずれてしまった場合でも、所
定のリーケージインダクタンスを得ることが可能となっ
ている。

【００１９】このように、本発明によれば、従来のスイ
ッチングトランスに対して、リーケージインダクタンス
の制御範囲の増大および精度の向上が可能となるため、
スイッチングトランスの生産性の向上を図ることが可能
になるとともに、電流共振型スイッチング電源の動作周
波数を最適にして、各スイッチング素子の損失を極小化
し、機器の損失を低減することが可能となる。

【００２０】図４は本発明のスイッチングトランスを分
解したときの模式図を示しており、図１と同一部分は同
一の符号とされている。しかしこの実施例の場合はボビ
ン１２２の中間に空間部分（スペース部分）１２１が設
けられ、このスペース部分１２１にＩ型コア１１９ａ、
１１９ｂが矢印方向から狭着されるようになされている
と共に、トランスの引き出し用のリード足が端子板１２
０によって下方に出力されるように構成されている。

【００２１】本実施例の形態では、電流共振型スイッチ
ング電源を例にあげて説明したが、電圧共振型スイッチ
ング電源、１次側に電圧共振回路２次側に電圧共振ある
いは電流共振回路を持つ複合共振型スイッチング電源
等、リーケージインダクタンスが特性に影響を及ぼすス
イッチング電源すべてに対して有効な技術であることは
いうまでもない。

【００２２】また、本実施例では、EE型フェライトコア
とＩ型フェライトコアを組み合わせた構成を例にあげて
説明したが、EER型フェライトコアとＩ型フェライトコ
アを使用することも可能である。また、図５に示すよう
にU型フェライトコア１２３ａ、１２３ｂ２個をそれぞ
れつきあわせ、その一方の突き合わせ面（衝合面）に１
個のＩ型フェライトコア１１９を狭着させてバイパス用
の磁気回路を構成するようにすることもできる。なお、
この図において１１８はボビン、１１８ａは１次巻線と
２次巻線を区画するためのセパレータである。

【００２３】

【発明の効果】本発明のスイッチングトランス、及びス
イッチング電源は、Ｉ型のフェライトコアの位置を変更
することのみで、スイッチングトランスのリーケージイ
ンダクタンスの制御範囲の増大および精度の向上が可能
なため、 （１）共振型コンバータの動作周波数を容易に最適化で
き、スイッチ素子の損失を極小化することによって機器
の消費電力削減が可能となる （２）スイッチ素子の損失が少なくなるため、機器の小
型化が可能となる （３）スイッチングトランスの生産性が向上する （４）部品コストの低減が可能となる （５）リーケージインダクタンスの調整が容易であり、
特にリーケージインダクタンスの精度を高くすることが
できる 等の効果を奏することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のスイッチングトランスの組み立て図を
説明するための説明図である。

【図２】 図１のＡ−Ａ’線の断面を説明する断面図で
ある。

【図３】 本発明のスイッチングトランスを組み上げた
正面図である。

【図４】 本発明のスイッチングトランスの一例を示す
分解斜視図である。

【図５】 主磁極にＵ型コアを使用した本発明の他の実
施例を示す側面図である。

【図６】 Ｉ型コアとＥ型コアの接触部のギャップ長と
リーケージインダクタンスの関係を示すグラフである。

【図７】 電流共振型のスイッチング電源の回路例を示
す回路図である。

【図８】 複合型共振コンバータの回路例を示す回路図
である。

【図９】 共振周波数とスイッチング出力の関係を示す
制御特性図である。

【図１０】 スイッチングトランスの従来例を示す斜視
図である。

【図１１】 スイッチングトランスに対してリーケージ
インダクタンスを持たせる場合の原理図である。

【図１２】 スイッチングトランスのリーケージに変化
を説明するための参考図である。

【符号の説明】

１１７ａ、１１７ｂ Ｅ型フェライトコア（Ｅコア）、 １１９ａ、１１９ｂ Ｉ型フェライトコア（パスコ
ア）、 １１８ ボビン、 １１８ａ セパレータ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１のＥ型コアと第２のＥ型コアの外脚
   磁極を衝合する位置にＩ型のコアを挿入し、該挿入され
   たＩ型のコアによって前記第１または第２のＥ型コアの
   中央の磁極と外脚の磁極間がバイパスされるように構成
   したことを特徴とするスイッチングトランス。
2. 【請求項２】 第１のＵ型コアと第２のＵ型コアの磁極
   が衝合する一方の位置にＩ型コアを挿入し、該挿入され
   たＩ型コアによって前記第１と第２のＵ型コアの衝合磁
   極間が磁気的にバイパスされるように構成されているこ
   とを特徴とするスイッチングトランス。
3. 【請求項３】 上記Ｉ型コアは上記衝合している磁極間
   の面積より大きい接触面によって構成されていることを
   特徴とする請求項１，又は２に記載のスイッチングトラ
   ンス。
4. 【請求項４】 中央の磁極に１次コイルと２次コイルを
   巻回した第１のＥ型コアと第２のＥ型コアを衝合すると
   共に、前記衝合する位置に前記Ｅ型コアの中央磁極と外
   脚磁極間をバイパスするようにＩ型のコアを装着し、 前記少なくとも１次コイルに対してスイッチング素子に
   より断続する電流が供給されるように構成すると共に、
   前記２次コイルから交番出力電圧が得られるようにした
   ことを特徴とするスイッチング電源。