JP2005311155A - スイッチング電源用トランスとこれを用いたスイッチング電源 - Google Patents

Abstract

【課題】０．５回巻をすると電圧変動率が大きかった。
【解決手段】一つの内コア２３ａと、この内コア２３ａと環状に接続して設けられた外コアと２３ｂ、２３ｃと、高周波が入力されるとともに内コア２３ａに巻かれた一次巻線２２と、この一次巻線２２の外側に巻かれた二次巻線２４とから成り、二次巻線２４には、少なくとも２個の外コア２３ｂ、２３ｃに対して夫々一回のみ内コア２３ａと外コア２３ｂ、２３ｃとの間を貫通させ、この貫通させた巻線２４ｄ，２４ｅの同一方向同士を夫々並列に接続した巻線２４ｄ，２４ｅを有するものである。これにより、電圧変動率の少ないスイッチング電源用トランスを得ることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、コアに導電性の線材が端数回巻かれた巻線を有するスイッチング電源用トランスとこれを用いたスイッチング電源に関するものである。

以下、従来のスイッチング電源用トランスとこれを用いたスイッチング電源について説明する。図６は、スイッチング電源の回路図である。図６において、１は電源トランスであり、２は、この電源トランス１のコア３に１０回巻かれた一次巻線である。また、４は、一次巻線２の外側に巻かれた二次巻線である。
５は６０Ｖ直流電源であり、一次巻線２の一方の端子２ａに接続されている。そして、他方の端子２ｂはトランジスタ６のドレイン端子に接続されるとともに、このトランジスタ６のソース端子はグランドに接続されている。
また、７は、４０ＫＨｚの発振信号が入力される入力端子であり、この入力端子７はトランジスタ６のゲートに接続されている。
二次巻線４の始端４ａはグランドに接続されるとともにグランド端子８に接続されている。また、この二次巻線４の途中の端子４ｂは、ダイオード９のアノード側に接続されるとともにこのダイオード９のカソード側は１２Ｖ端子１０に接続されている。また、ダイオード９のカソード側は、コンデンサ１１を介してグランドに接続されている。
また、二次巻線４の途中の端子４ｂからは、０・５回（２分の１回）巻線４ｄを介して終端４ｃに接続されている。そして、この終端４ｃは、ダイオード１２のアノード側に接続されるとともにこのダイオード１２のカソード側は１５Ｖ端子１３に接続されている。また、ダイオード１２のカソード側は、コンデンサ１４を介してグランドに接続されている。
ここで、二次巻線４の始端４ａと途中の端子４ｂとの間には線材が２回巻かれており、と中の端子４ｂと終端４ｃとの間には線材４ｄが０．５回巻かれている。
以上のように構成されたスイッチング電源について、以下にその動作を説明する。電源トランス１の一次側巻線２は１０回線材が巻かれており、この一次巻線に６０Ｖの電圧が印加される。また、この一次巻線２に印加された電源はトランジスタ６で４０ＫＨｚの周波数でオン・オフされる。即ち、４０ＫＨｚの高周波電源に変換される。
このことにより、電磁誘導で２回巻かれた二次巻線４の始端４ａと途中の端子４ｂとの間には１２ボルトのパルス電圧が誘起される。そして、この電圧はダイオード９で半波整流されて、その後コンデンサ１１で平滑されて１２Ｖ端子１０に１２Ｖ直流電源として出力される。
また、二次巻線４の途中の端子４ｂと終端４ｃの間には３Ｖのパルス電圧が誘起される。即ち、始端４ａと終端４ｃとの間には１５ボルトのパルス電圧が誘起されることになる。同様に、この電圧はダイオード１２で半波整流されて、その後コンデンサ１４で平滑されて１５Ｖ端子１３に１５Ｖ直流電源として出力される。
次に、電源トランス１について説明する。図７は、電源トランス１を正面から見た断面図である。図７において、３は軟鉄で形成されたコアであり、このコア３は、内コア３ａと、この内コア３ａと環状に接続されるとともに内コア３ａに対して対称に形成された外コア３ｂ、３ｃから形成されている。
内コア３ａには、先ず、一次巻線２が巻かれ、その両端からは端子２ａ、２ｂが導出（図６参照）されている。そして、この一次巻線２の外側に絶縁層１５を介して、二次巻線４が巻かれている。この二次巻線４は、先ず始端４ａと途中の端子４ｂ間に２回巻かれ、途中の端子４ｂと終端４ｃとの間に０．５回の巻線４ｄが巻かれている。
０．５回の巻線４ｄは、内コア３ａと外コア３ｂとの間を図７に示すように、表から裏側へ貫通している。即ち、図８に示すように、巻線４ｄは内コア３ａと外コア３ｂとの間を貫通しているのみであり、内コア３ａと外コア３ｃとの間は貫通していない。このようにして０．５回巻の巻線４ｄを形成していた。
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２０００−１３４９２６号公報

しかしながらこのような従来のスイッチング電源用トランスでは、０・５回巻の巻線４ｄは内コア３ａと外コア３ｂとの間を貫通しているのみであり、内コア３ａと外コア３ｃとの間は貫通おらず、均衡が保たれていないことになる。即ち、図７において、内コア３ａと外コア３ｂとの間を流れる磁力線１６ａと、内コア３ａと外コア３ｃとの間を流れる磁力線１６ｂにおいて、負荷にアンバランスが生じて、その結果、二次巻線４に誘起する電圧が負荷の大きさによって変動するという問題があった。
これを解決する手段として、二次巻線４の４ｄのような０，５回という端数回巻きを止めて、一回巻くことも考えられる。しかし、このような手段を採った場合には、トランスにおける電圧と巻線の関係は正比例するので、一次巻線２と二次巻線４の巻数を共に倍の巻数にしなければならない。即ち、このときトランス１が大きくなってしまうという問題が新たに発生する。
そこで本発明はこのような問題を解決したもので、形状は略そのままで電圧変動の少ないスイッチング電源用トランスを提供することを目的としたものである。

この目的を達成するために本発明のスイッチング電源用トランスは、二次巻線には、少なくとも複数個の外コアの全てに対して夫々一回のみ内コアと前記外コアとの間を貫通させ、この貫通させた巻線の同一方向同士を夫々並列に接続した巻線を有するものである。これにより、形状は略そのままで電圧変動の少ないスイッチング電源用トランスを得ることができる。

本発明の請求項１に記載の発明は、コアに導電性の線材が端数回巻かれた巻線を有するトランスであって、前記トランスは、一つの内コアと、この内コアと環状に接続して設けられた複数個の外コアと、高周波が入力されるとともに前記内コアに巻かれた一次巻線と、この一次巻線の外側或いは内側或いは分割して巻かれた二次巻線とから成り、前記二次巻線には、少なくとも前記複数個の外コアの全てに対して夫々一回のみ前記内コアと前記外コアとの間を貫通させ、この貫通させた巻線の同一方向同士を夫々並列に接続した巻線を有するスイッチング電源用トランスであり、二次巻線には、少なくとも複数個の外コアの全てに対して夫々一回のみ内コアと外コアとの間を貫通させているので、全ての外コアを流れる磁力線に対する負荷は同一になり、負荷のバランスが保たれることになる。従って、負荷の変動に対しても電圧変動が少なく安定度の良いスイッチング電源用トランスを得ることができる。

また、貫通させた巻線の同一方向同士を夫々並列に接続しているので、出力される電圧は、一つの貫通させた巻線に誘起する電圧と同じことになる。即ち、一次巻線と二次巻線の巻数を複数倍する必要はなく、端数巻をするので、他の巻線の巻数はそのままで良く、電源トランスの小型化を実現することができる。更に、軽量化・低価格化を図ることもできる。

請求項２に記載の発明は、外コアの数を２として、２分の１回巻を有した請求項１に記載のスイッチング電源用トランスであり、小型でしかも電圧変動が少なく安定度の良い、２分の１回巻を有するスイッチング電源用トランスを得ることができる。

請求項３に記載の発明は、外コアの数を３として、３分の１回巻を有した請求項１に記載のスイッチング電源用トランスであり、小型でしかも電圧変動が少なく安定度の良い、３分の１回巻を有するスイッチング電源用トランスを得ることができる。

請求項４に記載の発明は、外コアの数をｎとして、ｎ分の１回巻を有した請求項１に記載のスイッチング電源用トランスであり、小型でしかも電圧変動が少なく安定度の良い、ｎ分の１回巻を有するスイッチング電源用トランスを得ることができる。

請求項５に記載の発明は、複数個の外コアの断面形状を全て同一とした請求項１に記載のスイッチング電源用トランスであり、外コアの断面形状を全て同一であるので、磁気抵抗が全て等しくなり、負荷変動に対して出力が安定する。

請求項６に記載の発明は、内コアの断面積は、全ての外コアの断面積の和以上とした請求項１に記載のスイッチング電源用トランスであり、内コアと外コアの磁束密度が等しくなるので、磁気抵抗が等しくなり、負荷変動に対して出力が安定する。

請求項７に記載の発明は、請求項１に記載のスイッチング電源用トランスを用いたスイッチング電源であり、本発明の電源トランスを用いているので、負荷の変動に対して電圧変動が少なく安定度の良いスイッチング電源を得ることができる。

また、電源トランスが小型化されるので、スイッチング電源としても小型化を実現することができる。更に、軽量化・低価格化を図ることもできる。

以上のように本発明によれば、二次巻線には、少なくとも複数個の外コアの全てに対して夫々一回のみ内コアと外コアとの間を貫通させているので、全ての外コアを流れる磁力線に対する負荷は同一になり、負荷のバランスがとれることになる。従って、負荷の変動に対しても電圧変動が少なく安定度の良いスイッチング電源用トランスを得ることができる。

また、貫通させた巻線の同一方向同士を夫々並列に接続しているので、出力される電圧は、一つの貫通させた巻線に誘起する電圧と同じことになる。即ち、一次巻線と二次巻線の巻数を複数倍する必要はなく、端数巻をするので、他の巻線の巻数はそのままで良く、電源トランスの小型化を実現することができる。更に、軽量化・低価格化を図ることもできる。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。図２は実施の形態１におけるスイッチング電源の回路図である。図２において、２１は電源トランスである。２２は、この電源トランス２１のコア２３に巻かれた一次巻線であり、銅線が１０回巻かれている。また、２４は、一次巻線２２の外側に巻かれた二次巻線である。なお、この二次巻線２４は、一次巻線２２の内側に巻回しても良い。
２５は６０Ｖ直流電源であり、一次巻線２２の一方の端子２２ａに接続されている。そして、他方の端子２２ｂはトランジスタ２６のドレイン端子に接続されるとともに、このトランジスタ２６のソース端子はグランドに接続されている。
また、２７は、４０ＫＨｚの発振信号が入力される入力端子であり、この入力端子２７はトランジスタ２６のゲートに接続されている。ここで、発振周波数は１Ｋ〜５００ＫＨｚ程度の周波数を使用することができるが、ここでは、そのうち４０ＫＨｚとした。
二次巻線２４の始端２４ａはグランドに接続されるとともにグランド端子２８に接続されている。また、この二次巻線２４の途中の端子２４ｂは、ダイオード２９のアノード側に接続されるとともにこのダイオード２９のカソード側は１２Ｖ端子３０に接続されている。また、ダイオード２９のカソード側は、コンデンサ３１を介してグランドにも接続されている。
また、二次巻線２４の途中の端子２４ｂからは０．５回（２分の１回）巻線２４ｄと２４ｅが並列に接続されて終端２４ｃに接続されている。そして、この終端２４ｃは、ダイオード３２のアノード側に接続されるとともにこのダイオード３２のカソード側は１５Ｖ端子３３に接続されている。また、ダイオード３２のカソード側は、コンデンサ３４を介してグランドにも接続されている。
ここで、二次巻線２４の始端２４ａと途中の端子２４ｂとの間には線材（銅線）が２回巻かれており、途中の端子２４ｂと終端２４ｃとの間には線材（銅線）２４ｄと２４ｅが夫々０．５回巻かれて並列に接続されている。
以上のように構成されたスイッチング電源について、以下にその動作を説明する。トランス２１の一次側巻線２２は１０回線材が巻かれており、この一次巻線に６０Ｖの電圧が印加される。また、この一次巻線２２に印加された電源はトランジスタ２６で４０ＫＨｚの周波数でオン・オフされる。即ち、４０ＫＨｚの高周波電源に変換される。なお、２０ＫＨｚ〜５００ＫＨｚ程度の高周波になると、１０回巻程度の巻線でも十分なインピーダンスを得ることができる。
このことにより、トランス２１の電圧は巻数に正比例するので、電磁誘導で２回巻かれた二次巻線２４の始端２４ａと途中の端子２４ｂとの間には１２ボルトのパルス電圧が誘起される。そして、この電圧はダイオード２９で半波整流されて、その後コンデンサ３１で平滑されて１２Ｖ端子３０に１２Ｖの直流電源として出力される。
また、二次巻線２４の途中の端子２４ｂと終端２４ｃの間には巻線２４ｄと２４ｅが夫々０．５回巻かれているので、３Ｖのパルス電圧が誘起される。即ち、始端２４ａと終端２４ｃとの間では１５ボルトのパルス電圧が誘起されることになる。そして、この電圧はダイオード３２で半波整流されて、その後コンデンサ３４で平滑されて１５Ｖ端子３３に１５Ｖの直流電源として出力される。
次に、トランス２１について説明する。図３は、トランス２１を正面から見た断面図である。図３において、２３は軟鉄で形成されたコアであり、このコア２３は内コア２３ａと、この内コア２３ａと環状に接続されて形成された外コア２３ｂ、２３ｃから形成されている。この外コア２３ｂ、２３ｃは、内コア２３ａに対して対称（１８０度異なる方向）に設けられている。
内コア２３ａには、先ず、一次巻線２２が巻かれ、その両端からは端子２２ａ、２２ｂが導出（図２参照）されている。そして、この一次巻線２２の外側に絶縁層３５を介して、二次巻線２４が巻かれている。この二次巻線２４は、先ず始端２４ａと途中の端子２４ｂに２回巻かれ、途中の端子２４ｂと終端２４ｃとの間に０．５回巻の２本の巻線２４ｄと２４ｅとが並列に接続されている。
０．５回の巻線２４ｄと２４ｅは、図１と図３に示すように、内コア２３ａと外コア２３ｂとの間に巻線２４ｄが巻かれ、内コア２３ａと外コア２３ｃとの間に巻線２４ｅが巻かれている。そして、巻線２４ｄの巻き始めと巻線２４ｅの巻き始めがコア２３の外部で導体３６で接続されるとともに端子２４ｂに導出されている。また、巻線２４ｄの巻き終わりと巻線２４ｅの巻き終わりがコア２３の外部で導体３７で接続されるとともに端子２４ｃに導出されている。
このように、０．５回の巻線２４ｄは、コア２３の表から裏側へ貫通するとともに、０．５回の巻線２４ｅは、コア２３の裏から表側へ貫通している。即ち、巻線２４ｄは、内コア２３ａと外コア２３ｂとの間を貫通しており、巻線２４ｅは、内コア２３ａと外コア２３ｃとの間を貫通している。そして、これらの巻線２４ｄ、２４ｅは同一方向同士が並列に接続されている。従って、誘起する電圧は同一であり、それが並列に接続されていることになる。
このことにより、途中の端子２４ｂと終端２４ｃの間に誘起する電圧は巻線０．５回巻分であり、図３における磁力線３８ａ側にも磁力線３８ｂ側にも同じようにバランス良く影響を与えるものである。このように磁力線３８ａ、３８ｂのバランスが保たれるので、出力の電圧変動率が向上する。
図４は、出力電流に対する出力電圧の特性曲線図である。図４において、横軸４１は出力電流（Ａ）であり、縦軸４２は出力電圧（Ｖ）である。４３は、本発明の特性曲線であり、４４は従来のトランス１を用いた特性曲線である。この特性曲線が示すように、従来のものは、２Ａ負荷のとき１４．２Ｖであり、無負荷時の１５．７Ｖに比べて、略９．６％電圧が降下するのに対して、本実施の形態では、２Ａ負荷のとき１５．３Ｖであり、無負荷時の１５．６Ｖに比べて、略２．０％の電圧降下であり、電圧変動率が非常に小さくなっていることが解かる。
なお、０．５回巻の代りに１回巻き（２倍）にしても、磁力線３８ａ、３８ｂのバランスが保てるので、電圧変動率は本実施の形態程度に少なくなる。しかし、この場合は、一次巻線２２、二次巻線２４共に電圧は巻線数に正比例するので、２倍巻かなくてはならなくなる。即ち、一次巻線２２の端子２２ａと端子２２ｂ間の巻数は２０回巻く必要があり、二次巻線２４の始端２４ａと途中の端子２４ｂ間には４回巻かなければならない。従って、電源トランス２１が大型化するとともに重量も重くなる。

ここで、外コア２３ｂ、２３ｃの断面形状を全て同一とておくことが望ましい。こうすることにより、磁気抵抗が全て等しくなり、負荷変動に対して出力が安定するからである。

また、内コア２３ａの断面積３９ａは、外コア２３ｂの断面積３９ｂと、外コア２３ｃの断面積３９ｃの和以上にしておくことが望ましい。こうすることによって、内コア２３ａと外コア２３ｂ、２３ｃの磁束密度が等しくなるので、磁気抵抗が等しくなり、負荷変動に対して出力が安定する。

（実施の形態２）
以下、図５を用いて実施の形態２を説明する。実施の形態２では、３分の１巻線を実現している。即ち、この技術によれば、本来一次巻線、二次巻線とも３倍必要なところを、本技術を用いることにより、３分の１の巻数で良いことになり、電源トランスの小型化・軽量化に寄与することができる。しかも、従来の１回巻と同程度の電圧安定度を得ることができるものである。
図５において、５１は、軟鉄で形成されたコアであり、５１ａは内コアである。また、５１ｂは、この内コア５１ａに環状接続された外コアである。また、５１ｃは、内コア５１ａに環状接続された外コアである。同様に５１ｄは、内コア５１ａに環状接続された外コアである。そして、これらの外コア５１ｂ、５１ｃ、５１ｄは互いに３６０度を３等分（１２０度）した位置に配列されている。
そして、実施の形態１と同様、この内コア５１ａに一次巻線と、この一次巻線の外側に絶縁体を挟んで二次巻線が巻かれている。なお、逆に二次巻線の外側に一次巻線を巻回しても良い。ここでは、実施の形態１で説明した端数巻の巻線である端子２４ｂ端子２４ｄ間の巻線に該当する分だけについて説明する。その他の関係は、実施の形態１と同様であるので、異なるところのみ説明することにしている。
以後、３分の１の端数巻について説明する。図５において、二次巻線５２ａは、内コア５１ａと外コア５１ｂを貫通する。また、二次巻線５２ｂは、内コア５１ａと外コア５１ｃを貫通する。同様に、二次巻線５２ｃは、内コア５１ａと外コア５１ｄを貫通する。
そして、二次巻線５２ｂの巻き始めは、二次巻線５２ｃの巻き始めと、二次巻線５２ａの巻き始めをコア５１の外側で接続して端子５３ｂに接続している。この端子５３ｂは実施の形態１における端子２４ｂに相当する。
同様に、二次巻線５２ａの巻き終わりは、二次巻線５２ｂの巻き終わりと二次巻線５２ｃの巻き終わりをコア５１の外側で接続して端子５３ｃに接続している。この端子５３ｃは実施の形態１における端子２４ｃに相当する。
このように、３分の１回の巻線５２ａは、内コア５１ａと外コア５１ｂとの間を貫通しており、巻線５２ｂは、内コア５１ａと外コア５１ｃとの間を貫通している。また、巻線５２ｃは、内コア５１ａと外コア５１ｄとの間を貫通している。そして、これらの巻線５２ａ、５２ｂ、５２ｃは同一方向同士が並列に接続されている。従って、誘起する電圧は同一であり、それが並列に接続されていることになる。
このことにより、端子５３ｂと端子５３ｃの間に誘起する電圧は３分の１回巻分であり、内コア５１ａと外コア５１ｂとの磁力線５４ａと、内コア５１ａと外コア５１ｃとの磁力線５４ｂと、内コア５１ａと外コア５１ｄとの磁力線５４ｃとが等しくなる。このように磁力線５４ａ、５４ｂ、５４ｃのバランスが保たれるので、出力の電圧変動率が向上する。
なお、３分の１回巻の代りに１回巻き（３倍）にしても、磁力線５４ａ、５４ｂ、６４ｃのバランスが保てるので、電圧変動率は本実施の形態程度に少なくなる。しかし、この場合は、一次巻線、二次巻線共に３倍巻かなくてはならない。従って、トランスが大型化するとともに重量も重くなる。

ここで、外コア５１ｂ、５１ｃ、５１ｄの断面形状を全て同一とておくことが望ましい。こうすることにより、磁気抵抗が全て等しくなり、負荷変動に対して出力が安定するからである。

また、内コア５１ａの断面積は、外コア５１ｂの断面積と、外コア５１ｃの断面積と、外コア５１ｄの断面積の和以上にしておくことが望ましい。こうすることによって、内コア５１ａと外コア５１ｂ、５１ｃ、５１ｄの磁束密度が等しくなるので、磁気抵抗が等しくなり、負荷変動に対して出力が安定するからである。

（実施の形態３）
実施の形態３は、端数が４分の１以下であっても、実施の形態１或いは実施の形態２と同様である。一般に二次巻線の端数がｎ分の１のときには、実施の形態２において、３をｎと読み替えることにとり説明される。

（実施の形態４）
実施の形態４は、このような端数巻のトランス２１等をスイッチング電源に用いたものであり、実施の形態１における図２で説明した通りのものである。従って、スイッチング電源用のトランス２１等の特徴がそのままスイッチング電源の特徴にも適用される。

なお今までの説明は、一次巻線と二次巻線が内側と外側に巻かれる積層巻きのトランスを例に説明したが、一次巻線と二次巻線が分割して巻かれた分割巻きのトランスに対しても本発明の実施の形態1から４はそのまま適用可能である。

本発明にかかるスイッチング電源用トランスは、二次側の電圧変動率が少ないので、スイッチング電源に用いることができる。

本発明の実施の形態１におけるスイッチング電源用トランスを上面から見た要部断面図 同、スイッチング電源の回路図 同、スイッチング電源用トランスを正面から見た断面図 同、特性曲線図 本発明の実施の形態２におけるスイッチング電源用トランスを上面から見た要部断面図 従来のスイッチング電源の回路図 同、スイッチング電源用トランスを正面から見た断面図 同、スイッチング電源用トランスを上面から見た要部断面図

符号の説明

２１ トランス
２２ 一次巻線
２３ コア
２３ａ 内コア
２３ｂ 外コア
２３ｃ 外コア
２４ 二次巻線
２４ｄ ０．５回巻
２４ｅ ０．５回巻

Claims (7)

1. コアに導電性の線材が端数回巻かれた巻線を有するトランスであって、前記トランスは、一つの内コアと、この内コアと環状に接続して設けられた複数個の外コアと、高周波が入力されるとともに前記内コアに巻かれた一次巻線と、この一次巻線の外側或いは内側或いは分割に巻かれた二次巻線とから成り、前記二次巻線には、少なくとも前記複数個の外コアの全てに対して夫々一回のみ前記内コアと前記外コアとの間を貫通させ、この貫通させた巻線の同一方向同士を夫々並列に接続した巻線を有するスイッチング電源用トランス。
2. 外コアの数を２として、２分の１回巻を有した請求項１に記載のスイッチング電源用トランス。
3. 外コアの数を３として、３分の１回巻を有した請求項１に記載のスイッチング電源用トランス。
4. 外コアの数をｎとして、ｎ分の１回巻を有した請求項１に記載のスイッチング電源用トランス。
5. 複数個の外コアの断面形状を全て同一とした請求項１に記載のスイッチング電源用トランス。
6. 内コアの断面積は、全ての外コアの断面積の和以上とした請求項１に記載のスイッチング電源用トランス。
7. 請求項１に記載のスイッチング電源用トランスを用いたスイッチング電源。

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