JP2004515906A

JP2004515906A - 整流器を一体化した高周波変圧器

Info

Publication number: JP2004515906A
Application number: JP2002514744A
Authority: JP
Inventors: ロシュ，ミシェル
Original assignee: ロシュ，ミシェル
Priority date: 2000-07-21
Filing date: 2001-07-19
Publication date: 2004-05-27
Also published as: ATE400881T1; WO2002009128A1; EP1301932A1; AU2001278543A1; EP1301932B1; US6788184B2; FR2812122A1; US20030151484A1; DE60134745D1; FR2812122B1

Abstract

【課題】整流素子を一体化した高周波変圧器。全ての静的変換器、特にインピーダンスを必要とするスポット溶接機で有利に使用できる。
【解決手段】漏れインダクタンスを減らし、変圧器の動作周波数を上げるために、コアの枝部（１）に平板コイル（２）および／またはスリット付き銅片（３）を一次コイル、二次コイル、一次コイル、二次コイル…のように交互に積重ねる。整流ダイオード（４）は整流器の１つの出力を構成する集電片（１４）と銅片（３）との間に各種構成で配置される。整流器の残りの出力は全ての巻き線（３）の中間点を軸線Δ１に沿って導電スペーサー（５）と一緒に押圧接続させて得られる。

Description

【０００１】
【発明の分野】
本発明は、静的変換器（ｃｏｎｖｅｒｔｉｓｓｅｕｒｓｔａｔｉｑｕｅ）用の変圧器に関するものであり、特に変圧器−整流器組立体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この形式の公知装置では一般に一次コイルと二次コイルとを同軸すなわち半径方向に積み重ねた変圧器が用いられる。コイルはエナメル線か銅板（平坦コイル）で作られている。
【０００３】
コイルを軸線方向に積層した装置も公知で、例えば下記文献に記載されている。
【特許文献１】フランス国特許第１，０２８，９５０Ａ号（Ｃ．ＧＯＳＳＥＬＩＮ）
この文献に記載の変圧器は単相または三相の５０または６０Ｈｚの変圧器で、コアの周りに巻き線を形成するためのスリットを有する銅板を用いている。
下記文献でも打抜き銅板を巻き線としての用いたものが記載されている。この特許ではコアが銅板の周りに複数回巻付けけられている。この変圧器は高周波回路で使用される。
【特許文献２】米国特許第４，９６５，７１２Ａ号（ＤＵＳＰＩＶＡＷＡＬＴＥＲ．Ｓ達）
【０００４】
上記の２つの装置では整流ダイオードが二次コイルのブレードの間に一体化されているが、これらに共通する欠点は漏れインダクタンス（ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅｄｅｆｕｉｔｅ）が高く、使用周波数が制限され、装置の寸法が大きくなり、製造コストが高くなる点にある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記の欠点が無く、高い動作周波数で使用可能な極めて単純で且つ製造コストが安い変圧器を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の対象は、一次コイルおよび／または二次コイルと磁気コアの単一枝部を取り囲んだ伝導片（３）とを有し、さらに下記（ａ）および（ｂ）を特徴とする整流器を一体化した３〜５０ｋＨｚの作動周波数で使用される高周波変圧器にある：
（ａ）伝導片（３）が銅またはアルミニウムで作られ、２つの伝導片（３）の間にシリコン整流ダイオード（４）が直接圧縮され、このシリコン整流ダイオード（４）は好ましくは裸ディスクの形をしており、
（ｂ）平板コイル（２）および伝導片（３）の好ましくは複数を磁気コアの上記枝部（１）に（２）−（３）交互に積重ねる。
【０００７】
本発明の他の特徴は、整流が、中間点を有する二次コイルと２つのダイオードを有する２相回路（ａ）か、通常のブリッジ（ｂ）か、２つのインダクタンスを有する濾波回路（ｃ）を用いて行われる点にある。
【０００８】
本発明のさらに他の特徴は、整流ダイオード（４）が二次コイルを構成する伝導片（３）と集電片（１４）との間に適当な手段（２４）によって強く押圧されて熱的および電気的に良好な接触が得られるようになっている点にある。
【０００９】
本発明のさらに他の特徴は、集電片（１４）および伝導片（３）がこれらの内部通路（２５）を循環する空気または水によって冷却される点にある。
【００１０】
本発明のさらに他の特徴は、各伝導片（３）が一次コイルとして直接用いられるか、軸線Δ_４およびΔ_５に沿って千鳥状に配置された導電柱（１５）によって直列に配置された状態で用いられる点にある。
【００１１】
本発明の他の特徴は、各伝導片（３）がＵ字形（２０）をした一次コイルとして用いられ、２つの給電片（２２）、（２３）の間に配置された４つのスイッチ（２１）で構成されるブリッジ分割電圧発生器が上記伝導片（３）と接触し、ブリッジを構成する単位は好ましくは複数回繰り返され、Ｕ字形伝導片（２０）は二次コイルとして用いられるコイル（２）または伝導片（３）の間に挿入されている点にある。
【００１２】
本発明のさらに他の特徴は、伝導片（３）が二次コイルであり、全ての中間点を導電柱（５）を用いてΔ_１に沿ってｎ回接続し、ダイオードはΔ_２に沿って積重ね、ダイオードは（１２）または（１３）の位置に配置し、中間点は（１３）または（１２）に配置して整流器（ａ）を形成する点にある。
【００１３】
本発明のさらに他の特徴は、平板コイル（２）が中心で互いに接続された求心型（ｃｅｎｔｒｉｐｅｄ）および遠心型（ｃｅｎｔｒｉｆｕｇｅ）の２つのコイルを積層したエナメル線のコイルであるか、コイル中心が溶接された螺旋状に切断された２枚の銅板である点にある。
【００１４】
本発明のさらに他の特徴は、上記変圧器が電圧を昇圧または降圧するための静的変換器で使用される点にある。
【００１５】
本発明のさらに他の特徴は、本発明装置がスポット溶接機、ＴＩＧ、ＭＩＧ、ＡＲＣ型溶接機等の溶接機またはプラズマ溶射、プラズマ切断機等のプラズマ機器で用いられる点にある。
【００１６】
本発明のさらに他の特徴は、伝導片（３）が平らな伝熱板である点にある。
【００１７】
【実施の形態】
本発明は２つのカテゴリーすなわちインピーダンス低下用変換器およびインピーダンス上昇用変換器として使うことができる。前者の場合には出力電圧が減結合ブリッジ（ｐｏｎｔｄｅｃｅｃｏｕｐａｇｅ）に連続給電される供給電圧よりも低く、後者の場合は高い。
【００１８】
変換器は一般に［図１］に示す基本セルを複数個用いて作られる。各セルの出力はインピーダンスを増加させる場合には直列に接続され（図６ａ）、インピーダンスを低下させる場合には並列に接続され（図６ｂ）、さらに、インピーダンスを最適化するための直列−並列の無数の組合せで接続される。
【００１９】
この基本回路を積層し、一次巻線と一緒にコア（１）の周りに積層することによって一次回路および二次回路の平板コイル（ｇａｌｅｔｔｅ）を交互（一次コイル、二次コイル、一次コイル．．．）に積層することができる。この構造は変換器の能力を低下させる漏れインダクタンスを減らすという観点から変圧器にとって極めて重要である。また、この積層構造は熱的にも極めて有利である。すなわち、変圧器のコイル中に放出された熱を伝導片（３）を介して除くことができる。この伝導片（３）は強制送風される冷却空気、プレート内部を循環する水あるいは伝熱パイプで冷却される。この伝導片（３）は電気的および熱的な導体という点で銅またはアルミニウムで作るのが好ましく、二次コイルだけでなく一次コイルを構成することができ、両方を伝導片（３）で構成することもできる。
【００２０】
本発明の上記積層体は経済的および工業的にも有利である。すなわち、一次コイルおよび二次コイルとして標準的エレメントを無数の直列−並列の組合せで接続することによって広い出力範囲の各種変換器を製造することができる。
【００２１】
伝導片（３）または集電子（１４）にシリコンダイオード（４）を直接接触させる。これによって接続線を無くすことができ、従って、変圧器と整流器との間の結合インダクタンスを減らすことができる。このシリコンダイオード（４）は薄い円盤状のもの（例えばモリブデンへ溶融したもの）が好ましい。必要な場合には多数の基本回路を並列に使用することでさらに結合インダクタンスを低下させることができる。
【００２２】
従って、本発明では変圧器の漏れインダクタンスと接続インダクタンスとの和である減結合ブリッジを含めた寄生インダクタンスを減らすことができる。これによって従来の変圧器の周波数よりも高い周波数で動作が可能になる。その結果、変換器の寸法および重量が減り、最終的にコストが下がる。
本発明では、靴箱に入るような小型の例えば５ｋＨｚで動作する２５０ｋＷの連続電圧を供給可能な変換器を製造することができる。
【００２３】
［図１］に示す変換器の基本セルによって本発明変換器の動作を理解することができよう。この基本セルは圧延した薄い（０．０５〜０．１ｍｍ）フェライトまたはケイ素鉄または非晶質材料の強磁性コア（１）を有し、このコア（１）の周りには下記の（ａ）一次巻線と（ｂ）二次巻線が巻き付けられる：
（ａ）一次巻線（Ｐ）は金属板（３）またはエナメル線を二重螺旋巻きしたコイル（２）で構成することができる。金属板（３）は銅またはアルミニウムで、空気または水で冷却するのが好ましい。
【００２４】
（ｂ）二次巻線（Ｓ）は導電柱（１２）によって互いに接続された２つのプレート（３）の組立体（この場合には一次コイルは二重螺旋巻きコイル（２）である）か、２つの螺旋巻きコイル（この場合には一次コイルはプレート（３）で構成される）で作ることができる。この場合、［図１］に示す回路（ｂ）または（ｃ）で整流を行う時には二重螺旋巻きコイル（２）だけを用いることもでき、場合によっては二次回路をプレート（３）で構成されたコイルで簡単に作り、回路（ｃ）で整流することもできるということは理解できよう。
【００２５】
［図１］に示す基本セルは２つのダイオード（Ｄ）を使用する整流回路で、濾波回路（Ｃ）を有することができる。この濾波回路は各変換器の出力側に配置することができる。換言すれば、全ての基本セルを［図６ａ］に示す並列接続または［図６ｂ］に示す直列接続にし、その後に配置することができる。
【００２６】
本発明の第１の好ましい実施態様では本発明の静的変換器を低電圧で高電流を得るために使用する。この例としてはスポット溶接用に１０Ｖの電圧で１００００Ａを供給する場合を挙げることができる。この電流強度を得るためには［図６ｂ］に従って並列接続する。５つのセルを［図２］の分解図に示すように構成する。すなわち、各セルは２つの銅プレート（３）の二次コイルを有し、これら２つの銅プレート（３）が一つの一次コイル（２）を挟む。この回路は［図３］の断面図でよりよく理解できよう。２つのプレート（３）は［図４］に示してある。各プレート（３）はコア（１）が通る開口部（１０）と、巻き線（ｓｐｉｒｅ）を形成するためのスリット（１１）とを有している。ダイオード（４）は（１２）の位置（この場合、中間点は（１３）にある）にするか、［図２］に示すような（１３）の位置に配置することができる（中間点は（１３））。
【００２７】
これら２つのプレート（３）の間に板状コイル（１）が配置される。この平板状コイル（１）は各プレート間で中心で接続された互いに積層された２つのエナメル線の巻き線か、［図５］に示すように千鳥状に配置された導電柱によって各プレート間で接続された複数の螺旋プレートの積層体で作ることができる。この型のコイルは厚さが薄いため熱を良好に放熱でき、外部出力が無いので余分な厚みもないという利点がある。
【００２８】
プレート（３）に形成した孔（１２）を通る鋼の棒を用いて銅のスペーサー（５）の軸線Δ_１に沿って締め付けることによって、整流器の出力の１つを構成する一次コイルの中間点の接続が行われる。プレート（３）と（１４）との間にシリコンチップ（４）を軸線Δ_２に沿って直接配置する（フュージョンとよばれる）ことで整流ダイオードが構成される。すなわち、スリット（１１）によって分割された２つのプレート（３）の間の巻き線の両端はこのダイオードを介して集電子の他方の出力を構成する集電板（１４）に接続される。ダイオードと銅のプレートとの接触を抵抗無しの状態にするためにはネジまたはネジ付き鋼ロッドで積層体を軸線Δ_２に沿って強く締め付ける必要がある。
【００２９】
各一次コイルは［図６ｂ］に示すように全て直列接続され、整流セクターの対称減結合ブリッジから給電される。この変圧器は例えば３〜１０ｋＨｚの周波数で使用できる。例えば、ピーク誘導が１Ｔの有効面積５ｃｍ^２のコアを使用し、周波数を５ｋＨｚにした場合、一次コイルは５５の巻き線を必要とする。例えば１１の巻き線を有するコイル（２）を５つ用いて作ることができる。従って、変圧比は５５になる。
プレート（３）および集電子（１４）を水または空気で冷却することによってダイオードおよび変圧器を冷却することができる。
【００３０】
本発明の第２の好ましい実施態様では、本発明の対象である静的変換器を高電圧源（「インピーダンス上昇変換器」ともよばれる）として使用する。この態様も第１の実施態様と同様に単なる例であって、本発明がこれに限定されるものではない。この場合には一次コイルを［図５］に示すようなプレート（３）を用いて構成する。
【００３１】
本発明をより良く理解するために５６００ボルトの電圧を供給する高電圧源としての具体例を示す。コアの断面積が５０ｃｍ^２で、５ｋＨｚの周波数でのピーク誘導を０．２８Ｔとする。一次巻線の数、すなわち一組の接続柱Δ_１およびΔ_２によって直列に接続されるプレート（３）の数は２０である。各プレート（３）の接続は絶縁スペーサーまたは導電のスペーサーを交互に配置した一連のスペーサー（１５）によって行われる。既に述べたように、各プレート（３）はコアを通す開口部（１０）と巻き線を形成するのに必要なスリット（１１）とを有し、スパイラルが同じ方向に巻き付いた巻線を形成するように面Ｆが上、下、上．．．となるように交互に積層される。
【００３２】
二次コイルは上記の「二重巻き線」型のコイル（２）で形成される。［図５］には２つの出力線（１６）、（１７）が逆相の矩形波（ｃｒｅｎｅｕａｕｘｃａｒｒｅｓ）を出すような方向に接続された２つのコイル（２）を用いたセルが示されている。この場合、ダイオード（１８）、（１９）でいわゆる「２相」の整流をすることができる。
【００３３】
全ての基本セルは［図６ｂ］に示すように接続される。一次コイルに１０個のプレート（３）を用いると５つのセルを作ることができ、各コイルは２０の巻きを有することになる。上記の場合と同様に、変圧器の整流はプレート（３）を用いて行うのが有利であり、各プレートは空気または水で冷却することができる。［図６ｂ］では変換器の出力側に配置された濾波回路ＬＣが示されている。
【００３４】
本発明の第３の実施態様では、電圧発生器（ｇｅｎｅｒａｔｅｕｒ）と変圧器との間の接続インダクタンスを減らすために少し形の異なる伝導片（２０）を一次コイルとして使用し、これら伝導片（２０）の間にブリッジによって構成される一連の電圧発生器を変圧器と一体化してある。しかし、これは単なる例で、本発明がこれに限定されるものではない。この場合、既に述べた２つのインダクタンス（漏れインダクタンスと整流器の接続インダクタンス）にこのインダクタンスが加わる。
【００３５】
［図７］はこの電圧発生器を示している。この電圧発生器も上記と同様に複数のセルで構成され、本発明の基礎を成す一次コイル−二次コイルの交互配置を可能にしていることは理解できよう。この［図７］では平らなケースを有するトランジスタ（２１）（例えばＳ２４７等）を用いた２つのブリッジが示されている。これらのトランジスタはＭＯＳまたはＩＧＢＴにするのが有利である。各トランジスタには極性が＋の給電板（２２）と極性が−の給電板（２３）との間に従来のブリッジ結合に従って接続されている。コンデンサ（Ｃ）は給電板（２２）と（２３）の間のできるだけトランジスタ（２１）に近い所に配置されている。二次コイルは上記と同様に分割され、整流器と一緒に一体化されている。この分割は単一コイルの場合と同様に行うことができ、この場合には平板コイル（２）か、導電柱（１５）を用いて直列に接続された一巻きの伝導板（３）を互いに直列接続すればよい。
【００３６】
本発明の第４の実施態様では、線図（ｃ）に従って整流を行う。これも単なる例示で、本発明がこれに限定されるものではない。この場合にはダイオード（４）は二次コイル（３）と集電板（１４）との間に軸線Δ_６およびΔ_７に沿って積層される（［図１１］参照）。［図１２］に示すように整流器と出力との間に２つのコア（２５）を配置し、プレート（３）を延長してインダクタンスＬを作ることもできる。
本発明を実施する上で重要な技術的観点の１つはダイオードを締め付けることにある。膨張差があっても一定圧力で確実に接触が行われるようにしなければならない。ダイオード全面での接触を維持するためには伝導片（３）および（１４）を完全に平らにする必要がある。締付けは弾性限界の高い少なくとも４本のネジ（２４）で確実に行う。
【００３７】
本発明の他の重要な技術的観点は伝導片（３）および（１４）だけでなく、スポット溶接機で高い出力密度を出すことができるダイオード（４）を冷却して、変圧器のコイルの熱を確実に排除することにある。この冷却は伝導片（３）および（１４）の表面を十分に大きくし、空気を強制循環して簡単に実施できる。より強力に冷却するためには冷却液（水、グリコール、クーラノル、フレオン、油等）を用いる必要がある。
【００３８】
これらの伝導片は２枚の銅板で作られ、一方の銅板に水路を彫り（［図１０］参照）、他方の銅板をその上にハンダ付けして銅板の厚み部分を液体が循環できるようにする。液体は例えば入口（２６）から導入され、出口（２７）から抜き出される。適当な中空防水スペーサー（図示せず）を用いる。この方法でダイオードの位置まで液体を導くことができる。
【００３９】
本発明は静的変換器を必要とする全ての用途で用いることができる。本発明の用途の例としては下記のものが挙げられる：
（１）スポット溶接機に取付られる極めて低インピーダンスの電圧発生器、
（２）ＭＩＧまたはＴＩＧ型の溶接トーチおよび切断トーチに給電すための低インピーダンスの電圧発生器、
（３）高電圧発生器、
（４）コンデンサの充電器、電池の充電・放電器。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）、（ｂ）または（ｃ）型の整流回路を備えた変圧器の電子回路の原理図。
【図２】インピーダンス低下用変圧器とそれと組合された整流器の分解組立図。
【図３】（ａ）型の整流器の場合の二次コイルの中間点の接続を示す［図２］の変換器の断面図。
【図４】［図３］の変換器の二次コイルを形成する伝導板（３）の図。
【図５】インピーダンス上昇用変換器の分解組立図。
【図６】整流素子の２つの接続モードすなわち並列接続（６ａ）と直列接続（６ｂ）を示す図。
【図７】一次コイル（２０）に接続可能な、変圧器構造と一体化された減結合ブリッジ電圧発生器の図。
【図８】［図７］の電圧発生器が接触する一次コイル（２０）の巻き線の図。ブリッジの枝を構成するトランジスタ（２１）が乗っている。
【図９】ダイオードの積層体を締付けるための手段（２４）を示す図。
【図１０】伝導板（３）および集電板（１４）の冷却通路を示す図。
【図１１】（ｃ）型の整流回路を用いたシステムを示す図。
【図１２】コア（２５）を横断する巻き線を用いてインダクタンスが作られる上記システムの断面図。
【参照記号】
１磁気コアの枝部
２コイル
３導電板
４整流ダイオード
５導電スペーサー
１１スリット
１４集電板

Claims

一次コイルおよび／または二次コイルと磁気コアの単一枝部（１）を取り囲んだ伝導片（３）とを有し、さらに下記（ａ）および（ｂ）を特徴とする整流器を一体化した３〜５０ｋＨｚの作動周波数で使用される高周波変圧器：
（ａ）伝導片（３）が銅またはアルミニウムで作られ、２つの伝導片（３）の間にシリコン整流ダイオード（４）が直接圧縮され、このシリコン整流ダイオード（４）は好ましくは裸ディスクの形をしており、
（ｂ）平板コイル（２）および伝導片（３）の好ましくは複数を磁気コアの上記枝部（１）に（２）−（３）の交互に積重ねる。
整流を、中間点を有する二次コイルと２つのダイオードを有する２相回路（ａ）か、通常のブリッジ（ｂ）か、２つのインダクタンスを有する濾波回路（ｃ）を用いて行う請求項１に記載の変圧器。
整流ダイオード（４）が二次コイルを構成する伝導片（３）と集電片（１４）との間に適当な手段（２４）によって強く押圧されて熱的および電気的に良好な接触が得られるようになっている請求項２に記載の変圧器。
集電片（１４）および伝導片（３）がこれらの内部通路（２５）を循環する空気または水によって冷却される請求項３に記載の変圧器。
各伝導片（３）が一次コイルとして直接用いられるか、軸線Δ_４およびΔ_５に沿って千鳥状に配置された小さな導電柱（１５）によって直列に配置された状態で用いられる請求項１〜４のいずれか一項に記載の変圧器。
各伝導片（３）がＵ字形（２０）をした一次コイルとして用いられ、２つの給電片（２２）、（２３）の間に配置された４つのスイッチ（２１）で構成されるブリッジ分割電圧発生器が上記伝導片（３）と接触し、ブリッジを構成する単位は好ましくは複数回繰り返され、Ｕ字形伝導片（２０）は二次コイルとして用いられるコイル（２）または伝導片（３）の間に挿入されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の変圧器。
伝導片（３）が二次コイルであり、全ての中間点を導電柱（５）を用いてΔ_１に沿ってｎ回接続し、ダイオードはΔ_２に沿って積重ね、ダイオードは（１２）または（１３）の位置に配置し、中間点は（１３）または（１２）に配置して整流器（ａ）を形成する請求項１〜６のいずれか一項に記載の変圧器。
平板コイル（２）が中心で互いに接続された求心型（ｃｅｎｔｒｉｐｅｄ）および遠心型（ｃｅｎｔｒｉｆｕｇｅ）の２つのコイルを積層したエナメル線のコイルであるか、コイル中心が溶接された螺旋状に切断された２枚の銅板である請求項１〜７のいずれか一項に記載の変圧器。
電圧を昇圧または降圧するための静的変換器で使用される請求項１〜８のいずれか一項に記載の変圧器。
スポット溶接機、ＴＩＧ、ＭＩＧ、ＡＲＣ型溶接機等の溶接機またはプラズマ溶射、プラズマ切断機等のプラズマ機器で用いられる請求項１〜８のいずれか一項に記載の変圧器。
伝導片（３）が平らな伝熱板である請求項１〜１０のいずれか一項に記載の変圧器。