JP2009038244A - 電流共振電源用トランス及び電流共振電源用トランスを用いたスイッチング電源 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストの安い電流共振電源用トランス及びこの電流共振電源用トランスを用いたスイッチング電源を提供する。
【解決手段】磁性体によって形成されたコア１１と、コア１１の一部が挿入されるボビン１５と、ボビン１５に巻回された１次巻線１３Ａ，１３Ｃ及び２次巻線１３Ｂ，１３Ｄと、ボビン１５の１次巻線１３Ａに漏れ磁束を生じさせる、絶縁テープを巻回して積層した絶縁テープ積層部１２と、を備える。ボビン１５は既存のボビンを使用することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電流共振電源用トランス及びこの電流共振電源用トランスを用いたスイッチング電源に係り、特に絶縁テープを用いて漏れ磁束を生じさせることにより既存のボビンの使用を可能とした電流共振電源用トランス及びこの電流共振電源用トランスを用いたスイッチング電源に関する。

トランスは用途に応じて設計される。この時、用途によっては所定の漏れ磁束（リーケージインダクタンス）を生じさせる必要がある。この場合、１次巻線と２次巻線の間に絶縁体などにより間隔を設ける必要がある。

このような場合、ボビンの１次巻線の巻溝と２次巻線の巻溝との間に所定の間隔を有する巻溝をさらに設ける技術が提案されている（例えば、特許文献１）。
特開平１１−３０７３６４号公報

しかし、特許文献１に記載の技術においては、用途毎に設計されたトランス毎にボビンの構造が異なり、トランスを新規に設計する度に、ボビンを金型から製造しなければならず、製造コストが上昇するという問題点があった。

本発明は上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、製造コストの安い電流共振電源用トランス及びこの電流共振電源用トランスを用いたスイッチング電源を提供することを目的とする。

この目的を達成するために本発明は、磁性体によって形成されたコアと、コアの一部が挿入されるボビンと、ボビンに巻回された１次巻線及び２次巻線と、ボビンの１次巻線と２次巻線の間に、積層された１次巻線と２次巻線の積層厚の厚さと等しいかそれ以上の厚さに絶縁テープを巻回して積層した絶縁テープ積層部と、を備えることを特徴とする電流共振電源用トランスを提供する。

また、本発明は、磁性体によって形成されたコアと、コアの一部が挿入されるボビンと、ボビンに巻回された１次巻線と、ボビンの２次巻線の巻回位置に設けられ、１次巻線の積層厚の厚さと等しいかそれ以上の厚さに絶縁テープを巻回して積層した第１の絶縁テープ積層部と、第１の絶縁テープ積層部に積層して巻回された２次巻線と、１次巻線に積層して巻回され、２次巻線の積層厚の厚さと等しいかそれ以上の厚さに絶縁テープを巻回して積層した第２の絶縁テープ積層部と、を備えることを特徴とする電流共振電源用トランスを提供する。

さらに、本発明は、本発明の提供する電流共振電源用トランスと、複数のダイオードとを用いて形成したブリッジ回路とを含む、電流共振電源用トランスを用いたスイッチング電源を提供する。

本発明によれば、電流共振電源用トランスは既存のボビンを使用でき、製造コストの安い電流共振電源用トランスとスイッチング電源が得られるという効果がある。

以下、本発明による電流共振電源用トランス及びこの電流共振電源用トランスを用いたスイッチング電源の一実施の形態を、図面を用いて詳細に説明する。

＜実施形態の詳細＞
＜電流共振電源用トランスの構成＞
図１は本実施形態の電流共振電源用トランスの斜視図である。図１に示すように、電流共振電源用トランス１０は、磁性体によって形成されたコア１１と、コア１１の一部が挿入されるボビン１５と、ボビン１５に巻回された１次巻線１３Ａ及び２次巻線１３Ｂと、ボビン１５の１次巻線１３Ａに漏れ磁束を生じさせる、絶縁テープを巻回して積層した絶縁テープ積層部１２と、を備える。

ボビン１５は絶縁体によって形成される。このボビン１５は、所望の大きさよりもやや大きめの既存のボビンを用いることができる。

図２は、電流共振電源用トランス１０の図１におけるＡＡ線断面図である。図２に示すように、電流共振電源用トランス１０は、磁性体によって形成されたコア１１と、コア１１の一部が挿入されるボビン１５と、ボビン１５に巻回された１次巻線１３Ａ及び２次巻線１３Ｂと、ボビン１５の１次巻線１３Ａと２次巻線１３Ｂの間に、積層された１次巻線１３Ａと２次巻線１３Ｂの積層厚Ｔの厚さと等しいかそれ以上の厚さに絶縁テープを巻回して積層した絶縁テープ積層部１２と、を備える。

ボビン１５のコア１１の挿入方向の長さが所望の長さより長いときには、ボビン１５の巻線を巻く部分の両端又は一端に、積層された１次巻線１３Ａと２次巻線１３Ｂの積層厚Ｔの厚さと等しいかそれ以上の厚さに絶縁テープを巻回して積層したフィラー積層部１４を設けてもよい。

絶縁テープは、例えばポリエステル粘着テープや、エポキシ樹脂を含浸したポリエステル不織布にアクリル系粘着剤を塗布した、いわゆるトランス用バリア絶縁テープなどを用いることができるが、これらに限られるものではない。

絶縁テープ積層部１２のコア１１の挿入方向の幅は、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが望ましい。この場合、漏れ磁束（リーケージインダクタンス）は１０μＨ以上１００μＨとなる。

図３は、本実施形態の電流共振電源用トランスの応用例の斜視図である。また、図４は、電流共振電源用トランス３０の図３におけるＢＢ線断面図である。

図３及び図４に示すように、本応用例の電流共振電源用トランス３０は、磁性体によって形成されたコア１１と、コア１１の一部が挿入されるボビン１５と、ボビン１５に巻回された１次巻線１３Ｃと、ボビン１５の２次巻線１３Ｄの巻回位置に設けられ、１次巻線１３Ｃの積層厚Ｔ１の厚さと等しいかそれ以上の厚さに絶縁テープを巻回して積層した第１の絶縁テープ積層部４１Ｂと、第１の絶縁テープ積層部４１Ｂに積層して巻回された２次巻線１３Ｄと、１次巻線１３Ｃに積層して巻回され、２次巻線１３Ｄの積層厚Ｔ２の厚さと等しいかそれ以上の厚さに絶縁テープを巻回して積層した第２の絶縁テープ積層部４１Ａと、を備える。

このように第２の絶縁テープ積層部４１Ａと第１の絶縁テープ積層部４１Ｂを設けると、漏れ磁束（リーケージインダクタンス）は１０μＨ以上１００μＨとなる。

＜電流共振電源用トランスを用いたスイッチング電源の構成＞
図５は、本実施形態の電流共振電源用トランスＴｒを用いたスイッチング電源の構成の概要を示した図である。図５に示すように、本実施形態のスイッチング電源は、本実施形態の電流共振電源用トランスＴｒと、複数のダイオードＤ１，Ｄ２とを用いて形成したブリッジ回路を含む。

より具体的には、本実施形態のスイッチング電源は、入力電源に並列に接続された有極コンデンサＣ１を備える。この有極コンデンサＣ１は例えばＤＣ３７０Ｖの電源の陽極にプラス側端子が接続され、電源の陰極にマイナス側端子が接続される。

本実施形態のスイッチング電源は、コンデンサＣ１に並列に接続された、直列に接続された第１のスイッチング素子であるハイサイド側スイッチ素子Ｑ１と第２のスイッチング素子であるローサイド側スイッチ素子Ｑ２と、を備える。

ハイサイド側スイッチ素子Ｑ１のドレインは有極コンデンサＣ１のプラス側端子に接続され、ソースはローサイド側スイッチ素子Ｑ２に接続される。ローサイド側スイッチ素子Ｑ２のソースは有極コンデンサＣ１のマイナス側端子に接続される。

本実施形態のスイッチング電源は、ローサイド側スイッチ素子Ｑ２に並列に接続された、コンデンサＣ３を１次巻線に直列に接続した本実施形態の電流共振電源用トランスＴｒを備える。ローサイド側スイッチ素子Ｑ２のドレインは電流共振電源用トランスＴｒの１次巻線の一端に接続され、コンデンサＣ３は電流共振電源用トランスＴｒの１次巻線の他端に接続される。コンデンサＣ３はローサイド側スイッチ素子Ｑ２のソースは有極コンデンサＣ１のマイナス側端子に接続される。

本実施形態のスイッチング電源は、電流共振電源用トランスＴｒの２次巻線に直列にブリッジ回路を形成するように接続された複数のダイオードＤ１，Ｄ２と、複数のダイオードＤ１，Ｄ２に並列に接続された有極コンデンサＣ２と、を備える。

電流共振電源用トランスＴｒは、２次巻線の一端にダイオードＤ１のアノードが、他端にダイオードＤ２のアノードが接続され、２次巻線の中間部に設けられた引き出し線は有極コンデンサＣ２のマイナス側端子が接続される。ダイオードＤ１，Ｄ２のカソードは有極コンデンサＣ２のプラス側端子に接続される。有極コンデンサＣ２の両端子は出力端子が接続される。出力は例えばＤＣ２４Ｖとなる。

スイッチング素子は、例えば電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いることができる。図５に示すように、本実施形態のスイッチング電源は、たとえば３７０ＶのＤＣ電源を２４ＶのＤＣ電源に降圧するのに適している。なお、破線は漏れ磁束Ｌｒがあることを表している。

＜本実施形態のスイッチング電源の作用＞
ローサイド側スイッチ素子Ｑ２がオフし、ハイサイド側スイッチ素子Ｑ１がオンすると、電流共振電源用トランスＴｒの１次巻線から共振コンデンサであるコンデンサＣ３に電流が流れる。この時、電流の変化率はトランスＴｒの１次巻線のインダクタンスＬｐによって決まり、電流共振周期は漏れ磁束Ｌｒの大きさとコンデンサＣ３の容量によって決まる。

図６は、ハイサイド側スイッチ素子Ｑ１における、ドレインソース間電圧とドレイン電流とを示したグラフである。実線はドレインソース間電圧を、破線はドレイン電流を示す。横軸が時間、縦軸が電流及び電圧である。スイッチング素子にＮ型のＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ＦＥＴ）を用いている。周期的にゲートに電圧をかけるとドレイン電流が周期的に流れる。ここで、ドレイン電流の周期はゲート電圧のスイッチング周期の２倍になっている。

次に、ハイサイド側スイッチ素子Ｑ１がオフし、ローサイド側スイッチ素子Ｑ２がオンすると、コンデンサＣ３に蓄積された電荷が電流共振電源用トランスＴｒの１次巻線を通って流れる。この時も、電流の変化率はトランスＴｒの１次巻線のインダクタンスＬｐによって決まり、電流共振周期は漏れ磁束Ｌｒの大きさとコンデンサＣ３の容量によって決まる。

図７は、ダイオードＤ１における、電圧と電流とを示したグラフである。実線は電圧を、破線は電流を示す。横軸が時間、縦軸が電流及び電圧である。なお、縦軸は図６の５倍の解像度にて示してある。ダイオードD１の電流の周期はダイオードD１の電圧周期の２分の１となっている。

このように、ハイサイド側スイッチ素子Ｑ１とローサイド側スイッチ素子Ｑ２が交互にオンとオフを繰り返すたびに、電流共振電源用トランスＴｒの２次巻線側にエネルギーが伝達され、整流ダイオードであるダイオードＤ１，Ｄ２によって整流され、平滑コンデンサであるコンデンサＣ２によって平滑され、ＤＣ電圧が得られる。

＜本実施形態の効果＞
以上述べたように、本実施形態の電流共振電源用トランスは、磁性体によって形成されたコアと、コアの一部が挿入されるボビンと、ボビンに巻回された１次巻線及び２次巻線と、ボビンの１次巻線に漏れ磁束を生じさせる、絶縁テープを巻回して積層した絶縁テープ積層部と、を備える。このため、本実施形態の電流共振電源用トランスは、既存のボビンを使用でき、製造コストの安い電流共振電源用トランスとスイッチング電源が得られるという効果がある。

＜本発明の具体化における可能性＞
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本実施形態の電流共振電源用トランスの斜視図である。 電流共振電源用トランスの図１におけるＡＡ線断面図である。 本実施形態の電流共振電源用トランスの応用例の斜視図である。 応用例の電流共振電源用トランスの図３におけるＢＢ線断面図である。 本実施形態の電流共振電源用トランスを用いたスイッチング電源の構成の概要を示した図である。 ハイサイド側スイッチ素子Ｑ１における、ドレインソース間電圧とドレイン電流とを示したグラフである。 ダイオードＤ１における、電圧と電流とを示したグラフである。

符号の説明

１１：コア、
１２：絶縁テープ積層部、
１３Ａ，１３Ｃ：１次巻線、
１３Ｂ，１３Ｄ：２次巻線、
１４：フィラー積層部、
１５：ボビン、
４１Ａ：第２の絶縁テープ積層部、
４１Ｂ：第１の絶縁テープ積層部、
Ｔｒ：電流共振電源用トランス。

Claims (6)

1. 磁性体によって形成されたコアと、
   前記コアの一部が挿入されるボビンと、
   前記ボビンに巻回された１次巻線及び２次巻線と、
   前記ボビンの前記１次巻線に漏れ磁束を生じさせる、絶縁テープを巻回して積層した絶縁テープ積層部と、
   を備えることを特徴とする電流共振電源用トランス。
2. 磁性体によって形成されたコアと、
   前記コアの一部が挿入されるボビンと、
   前記ボビンに巻回された１次巻線及び２次巻線と、
   前記ボビンの前記１次巻線と前記２次巻線の間に、積層された前記１次巻線と前記２次巻線の積層厚の厚さと等しいかそれ以上の厚さに絶縁テープを巻回して積層した絶縁テープ積層部と、
   を備えることを特徴とする電流共振電源用トランス。
3. 前記絶縁テープ積層部の前記コアの挿入方向の幅が、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の電流共振電源用トランス。
4. 磁性体によって形成されたコアと、
   前記コアの一部が挿入されるボビンと、
   前記ボビンに巻回された１次巻線と、
   前記ボビンの２次巻線の巻回位置に設けられ、前記１次巻線の積層厚の厚さと等しいかそれ以上の厚さに絶縁テープを巻回して積層した第１の絶縁テープ積層部と、
   前記第１の絶縁テープ積層部に積層して巻回された２次巻線と、
   前記１次巻線に積層して巻回され、前記２次巻線の積層厚の厚さと等しいかそれ以上の厚さに絶縁テープを巻回して積層した第２の絶縁テープ積層部と、
   を備えることを特徴とする電流共振電源用トランス。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の電流共振電源用トランスと、複数のダイオードとを用いて形成したブリッジ回路とを含む、電流共振電源用トランスを用いたスイッチング電源。
6. 入力電源に並列に接続された有極コンデンサと、
   前記コンデンサに並列に接続された、直列に接続された第１のスイッチング素子であるハイサイド側スイッチ素子と第２のスイッチング素子であるローサイド側スイッチ素子と、
   前記ローサイド側スイッチ素子に並列に接続された、コンデンサを前記１次巻線に直列に接続した請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電流共振電源用トランスと、
   前記電流共振電源用トランスに直列にブリッジ回路を形成するように接続された複数のダイオードと、
   前記複数のダイオードに並列に接続された有極コンデンサと、
   を備える、電流共振電源用トランスを用いたスイッチング電源。

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