JP2010004633A - 直流電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、リーケージインダクタンスを増加させることなく放射ノイズを低減できるトランスを備えた直流電源装置。
【解決手段】直流入力電圧をトランスの１次巻線に接続されるスイッチング素子のオン・オフ動作により高周波電力に変換し、トランスの２次巻線に伝達された高周波電力を直流の出力電圧に変換する直流電源装置において、トランス１は、閉磁路のコア１１の脚１１−１に巻回された１次巻線Ｐ１と１次巻線Ｐ１の外側に巻回された２次巻線Ｓ１とを有する１組のコア巻線と、脚１１−２に巻回された１次巻線Ｐ２と１次巻線Ｐ２の外側に巻回された２次巻線Ｓ２とを有する他の１組のコア巻線とを備え、２組のコア巻線の各々の１次巻線Ｐ１，Ｐ２は、層巻線が複数層に巻回され且つ複数層の層巻線の内の、スイッチング素子に接続された側の層巻線をコア１１に最も近い最下層とした。
【選択図】図２

Description

本発明は、直流電源装置に関し、特に直流電源装置を構成する電力変換用のトランスの技術に関する。

図５は従来の直流電源装置の回路構成図である。図５に示す直流電源装置は、直流電源Ｅの直流入力電圧をオン・オフ動作により断続して高周波電力に変換するＭＯＳＦＥＴ等からなるスイッチング素子Ｑ１と、このスイッチング素子Ｑ１と直流電源Ｅの正極側との間に１次巻線Ｐ１，Ｐ２が接続され、高周波電力を１次側から２次側へ伝達するトランス１ａと、２次側に伝達された高周波電力を直流の出力電圧に変換して負荷へ供給するダイオードＤ１及び平滑コンデンサＣ１からなる整流平滑回路と、直流の出力電圧を検出し検出された電圧と基準電圧とを比較してその誤差信号を出力する出力電圧検出回路３と、出力電圧検出回路３の誤差信号に基づきスイッチング素子Ｑ１のオン・オフ期間を制御する制御回路５とを備え、スイッチング素子Ｑ１をオン・オフ制御することにより負荷に所定の出力電圧を供給するようになっている。

また、３次巻線Ｄに誘起された電圧をダイオードＤ２とコンデンサＣ２とで整流平滑し、整流平滑電圧を制御回路５の電源電圧として供給している。

図６は図５に示す直流電源装置に設けられたトランスの断面構造図、図７は図５に示す直流電源装置に設けられたトランスの巻線構造図である。図８は図５に示すトランスの各巻線間の寄生容量を示す図である。

図５、図６に示すトランス１ａは、磁性材料からなるコア１１ａを挿入したボビン１３を有し、このボビン１３には、内側から順番に第１の１次巻線Ｐ１、２次巻線Ｓ、第２の１次巻線Ｐ２、３次巻線Ｄが巻回されている。なお、ここでは３次巻線Ｄは図示していない。第１の１次巻線Ｐ１は、巻線Ｐ１−１と巻線Ｐ１−２との２層に巻回されている。第２の１次巻線Ｐ２は、巻線Ｐ２−１と巻線Ｐ２−２との２層に巻回されている。

ボビン１３への各巻線の巻き付けは次の手順で行われる。まず、ボビン１３の左端から垂直下方向に巻線Ｐ１−１を巻き始めて、ボビン１３の右端で折り返して巻線Ｐ１−１上に巻線Ｐ１−２を巻回して、第１の１次巻線Ｐ１としている。次に、巻線Ｐ１−２上に２次巻線Ｓを巻回する。巻線Ｐ２−１及び巻線Ｐ２−２の巻き付け方向は巻線Ｐ１−１、巻線Ｐ１−２の巻き付け方向と同一である。

通常ではトランスの製造性が良くなるので、トランス１ａの巻き付け方向を同じにする。また、図５に示すように、第１の１次巻線Ｐ１と第２の１次巻線Ｐ２とは並列に接続されている。さらに、図６及び図７に示すように、第１の１次巻線Ｐ１と第２の１次巻線Ｐ２との間に２次巻線Ｓを配置させ、１次巻線Ｐ１及びＰ２と２次巻線Ｓとの結合度を大きくした構造にしている。この場合、図８に示すように、巻線Ｐ１−１及び巻線Ｐ１−２間には寄生容量Ｃ１_１２が存在し、巻線Ｐ１−２及び２次巻線Ｓ間には寄生容量Ｃ１_２Ｓが存在し、２次巻線Ｓ及び巻線Ｐ２−１間には寄生容量Ｃ２_１Ｓが存在し、巻線Ｐ２−１及び巻線Ｐ２−２間には寄生容量Ｃ２_１２が存在する。

また、図５の直流電源装置、図７のトランスの巻線構造図に示すように、２次巻線Ｓと隣り合う第１の１次巻線Ｐ１の巻線Ｐ１−１と第２の１次巻線Ｐ２の巻線Ｐ２−１とがスイッチング素子Ｑ１側になる。

スイッチング素子Ｑ１は常にオン・オフしており、その都度電位が大幅に変動する。この電位の変動はトランス１ａの第１の１次巻線Ｐ１及び第２の１次巻線Ｐ２に印加され、第１の１次巻線Ｐ１の巻線Ｐ１−２と２次巻線Ｓとの寄生容量Ｃ１_２Ｓ及び第２の１次巻線Ｐ２の巻線Ｐ２−１と２次巻線Ｓとの寄生容量Ｃ２_１Ｓを介して高周波の電流が２次側へ流れる。

この高周波の電流は、スイッチング素子Ｑ１で発生した電位の変動により１次巻線Ｐ１，Ｐ２→２次巻線Ｓ→２次側回路→アース→１次側回路−アース間の寄生容量→１次側回路と流れてトランス１ａの１次巻線Ｐ１，Ｐ２へ戻るループで流れる。この高周波の電流がアースに流れることによりコモンモードノイズが発生する。このコモンモードノイズは、直流電源側に漏洩し、また、空中に放射され、他の機器がコモンモードノイズにより悪影響を受ける。

また、安定電位側を基準とした場合に、トランス１ａの１次巻線Ｐ１，Ｐ２には、スイッチング素子Ｑ１がオンすると、直流電源Ｅの直流入力電圧がマイナス側に印加され、スイッチング素子Ｑ１がオフすると、フライバック電圧がプラス側に発生する。即ち、トランス１ａの１次巻線Ｐ１，Ｐ２では、スイッチング素子Ｑ１に繋がった一方の端子部が最も大きく電位が変動し、他方の端子部は安定電位である入力直流電圧に繋がるので、電位の変動は無い。

また、１次巻線Ｐ１，Ｐ２と２次巻線Ｓとの寄生容量は、各巻線間の距離が近いほど大きくなる。このため、１次巻線Ｐ１，Ｐ２と２次巻線Ｓとの間の寄生容量を介して流れる高周波の電流は、スイッチング素子Ｑ１に繋がった一方の端子部が２次巻線Ｓに近いところに配置されると、大きな電流が流れることになる。

図６に示す例では、スイッチング素子Ｑ１に繋がる巻線は、１次巻線Ｐ１及び１次巻線Ｐ２の巻き始め（●で表す）であり、１次巻線Ｐ１の巻き始めである巻線Ｐ１−１は、２次巻線Ｓからは遠い位置に配置されるが、１次巻線Ｐ２の巻き始め（●で表す）である巻線Ｐ２−１は、２次巻線Ｓと隣り合う位置に配置されている。このため、１次巻線Ｐ２に巻き始めから寄生容量Ｃ２_１Ｓを介して２次巻線Ｓに流れる高周波の電流が大きくなる。なお、図５、図８中の⇒は高周波の電流を示し、⇒が太いほど電流が大きいことを示している。

そこで、この高周波の電流によるコモンモードノイズの低減を図った従来の他の例を図９〜図１２に示す。図９は従来の直流変換装置の回路構成図、図１０は図９に示す直流変換装置に設けられたトランスの断面構造図、図１１はトランスの巻線構造図、図１２はトランスの各巻線間の寄生容量を示す図である。ここでは、１次巻線Ｐ２の巻き方が異なっている。

図９、図１０に示すトランス１ｂは、磁性材料からなるコア１１ａを挿入したボビン１３を有し、このボビン１３には、内側から順番に第１の１次巻線Ｐ１、２次巻線Ｓ、第２の１次巻線Ｐ２、３次巻線Ｄが巻回されている。なお、ここでは３次巻線Ｄは図示していない。第１の１次巻線Ｐ１は、巻線Ｐ１−１と巻線Ｐ１−２との２層に巻回されている。第２の１次巻線Ｐ２は、巻線Ｐ２−１と巻線Ｐ２−２との２層に巻回されている。

ボビン１３への各巻線の巻き付けは次の手順で行われる。まず、ボビン１３の左端から垂直下方向に巻線Ｐ１−１を巻き始めて、ボビン１３の右端で折り返して巻線Ｐ１−１上に巻線Ｐ１−２を巻回して、第１の１次巻線Ｐ１としている。次に、巻線Ｐ１−２上に２次巻線Ｓを巻回する。

次に、２次巻線Ｓ上にボビン１３の垂直方向に巻線Ｐ２−２を巻き始めて、ボビン１３の右端で折り返して巻線Ｐ２−２上に巻線Ｐ２−１を巻回して、第２の１次巻線Ｐ２としている。巻線Ｐ２−１及び巻線Ｐ２−２の巻き付け方向は巻線Ｐ１−１、巻線Ｐ１−２の巻き付け方向と逆である。

図１２に示すように、巻線Ｐ１−１及び巻線Ｐ１−２間には寄生容量Ｃ１_１２が存在し、巻線Ｐ１−２及び２次巻線Ｓ間には寄生容量Ｃ１_２Ｓが存在し、２次巻線Ｓ及び巻線Ｐ２−２間には寄生容量Ｃ２_２Ｓが存在し、巻線Ｐ２−１及び巻線Ｐ２−２間には寄生容量Ｃ２_１２が存在する。

このような構造のトランスにおいて、図９、図１１に示すように、巻線Ｐ１−１の巻き始め(●で表す)と巻線Ｐ２−1の巻き終わりをスイッチング素子Ｑ１に繋ぎ、巻線Ｐ１−２の巻き終わりと巻線Ｐ２−２の巻き始め（●で表す）を安定電位である直流電源Ｅの正極側に繋ぐ。

第１の１次巻線Ｐ１と第２の１次巻線Ｐ２とは、巻き方向が逆であるため、電流を流したときに発生する磁束は同相となり、第１の１次巻線Ｐ１と第２の１次巻線Ｐ２は、並列に接続されたことになる。

このように、スイッチング素子Ｑ１に接続された電圧変化の大きい巻線Ｐ１−１，Ｐ２−１を２次巻線Ｓとの寄生容量が小さい位置（２次巻線Ｓから最も離れた位置）に配置し、安定電位側に接続される電圧変化の小さい巻線Ｐ２−２，Ｐ１−２を寄生容量が大きくなる位置（２次巻線Ｓに最も近い位置）に配置したので、第１の１次巻線Ｐ１及び第２の１次巻線Ｐ２から２次巻線Ｓに流れる高周波の電流は小さくなる。従って、構成が簡単で、コモンモードノイズを低減できるとともに、第１の１次巻線Ｐ１と第２の１次巻線Ｐ２の両者が２次巻線Ｓと接するように構成されているので、リーケージインダクタンスを小さくできる。
特開２００６−０６７７５１号公報

しかしながら、図９、図１１に示すトランスや特許文献１に記載されたトランスのように、電圧変化の大きい巻線Ｐ１−１，Ｐ２−１を２次巻線Ｓとの寄生容量が小さい位置（２次巻線Ｓから最も離れた位置）に配置すると、最外層の巻線がスイッチング素子側の不安定電位となり、寄生容量Ｃａ、Ｃｂを通してここからの放射ノイズの発生が多くなり、周辺の電子機器に多大な支障を来たす。

本発明は、簡単な構成で、リーケージインダクタンスを増加させることなく放射ノイズを低減できるトランスを備えた直流電源装置を提供することにある。

本発明は前記課題を解決するために以下の手段を採用した。請求項１の発明は、直流電源の直流入力電圧をトランスの１次巻線に接続されるスイッチング素子のオン・オフ動作により高周波電力に変換し、前記トランスの２次巻線に伝達された前記高周波電力を整流平滑回路により直流の出力電圧に変換し、前記出力電圧に応じて制御回路により前記スイッチング素子のオン・オフ期間を制御して負荷に所定の出力電圧を供給する直流電源装置において、前記トランスは、閉磁路のコアに巻回された１次巻線とこの１次巻線の外側に巻回された２次巻線とを有する複数組のコア巻線を備え、前記複数組のコア巻線の各々の１次巻線は、層巻線が複数層に巻回され且つ前記複数層の層巻線の内の、前記スイッチング素子に接続された側の層巻線を前記コアに最も近い最下層としたことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載の直流電源装置において、前記複数組のコア巻線の各々の１次巻線は、互いに並列に接続され、前記複数組のコア巻線の各々の２次巻線は、互いに並列に接続されることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１記載の直流電源装置において、前記複数組のコア巻線の各々の１次巻線は、互いに並列に接続され、前記複数組のコア巻線の各々の２次巻線は、互いに直列に接続されることを特徴とする。

本発明によれば、複数組のコア巻線の各々の１次巻線は、複数層の層巻線の内の、スイッチング素子に接続された側の層巻線をコアに最も近い最下層としたので、簡単な構成で、リーケージインダクタンスを増加させることなく放射ノイズを低減できる。また、１次巻線と２次巻線とを有する複数組のコア巻線により、１次巻線と２次巻線との接触面を増やすことができ、リーケージインダクタンスを小さくできる。

以下、本発明の直流電源装置の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は実施例１の直流電源装置の回路構成図である。図２は図１に示す直流電源装置に設けられたトランスの断面構造図である。図３は図２に示すＡ部及びＢ部の巻線構造図である。図４は図３のＡ部及びＢ部の各巻線間の寄生容量を示す図である。

図１において、図９に対応する部分には同一の符号を付す。図１及び図２において、トランス１は、Ｕ字コアを組み合わせた閉磁路のコア（鉄心）１１と、コア１１の脚１１−１を挿入したボビン１０と、コア１１の脚１１−２を挿入したボビン１２とを有する。

ボビン１０には、内側から順番に第１の１次巻線Ｐ１、第１の２次巻線Ｓ１が巻回され、１組のコア巻線を構成している。第１の１次巻線Ｐ１は、巻線Ｐ１−１と巻線Ｐ１−１に直列に接続された巻線Ｐ１−２との２層に巻回されている。

ボビン１２には、内側から順番に第２の１次巻線Ｐ２、第２の２次巻線Ｓ２が巻回され、他の１組のコア巻線を構成している。第２の１次巻線Ｐ２は、巻線Ｐ２−１と巻線Ｐ２−１に直列に接続された巻線Ｐ２−２との２層に巻回されている。

１次巻線が第１の１次巻線Ｐ１と第２の１次巻線Ｐ２とに分割され、第１の１次巻線Ｐ１と第２の１次巻線Ｐ２とは、並列に接続されている。２次巻線が第１の２次巻線Ｓ１と第２の２次巻線Ｓ２とに分割され、第１の２次巻線Ｓ１と第２の２次巻線Ｓ２とが並列に接続されている。

また、１次巻線Ｐ１の２層の巻線Ｐ１−１，Ｐ１−２の内の、スイッチング素子Ｑ１に接続された側の巻線Ｐ１−１をコア１１に最も近い最下層とし、１次巻線Ｐ２の２層の巻線Ｐ２−１，Ｐ２−２の内の、スイッチング素子Ｑ１に接続された側の巻線Ｐ２−１をコア１１に最も近い最下層としている。

ボビン１０への各巻線の巻き付けは次の手順で行われる。まず、ボビン１０の左端から垂直下方向に巻線Ｐ１−１を巻き始めて、ボビン１０の右端で折り返して巻線Ｐ１−１上に巻線Ｐ１−２を巻回して、第１の１次巻線Ｐ１としている。次に、巻線Ｐ１−２上に第１の２次巻線Ｓ１を巻回する。

図４（ａ）に示すように、巻線Ｐ１−１及び巻線Ｐ１−２間には寄生容量Ｃ１_１２が存在し、巻線Ｐ１−２及び第１の２次巻線Ｓ１間には寄生容量Ｃ１_２Ｓが存在する。

ボビン１２への各巻線の巻き付けは次の手順で行われる。まず、ボビン１２の左端から垂直下方向に巻線Ｐ２−１を巻き始めて、ボビン１２の右端で折り返して巻線Ｐ２−１上に巻線Ｐ２−２を巻回して、第２の１次巻線Ｐ２としている。次に、巻線Ｐ２−２上に第２の２次巻線Ｓ２を巻回する。

図４（ｂ）に示すように、巻線Ｐ２−１及び巻線Ｐ２−２間には寄生容量Ｃ２_１２が存在し、巻線Ｐ２−２及び第２の２次巻線Ｓ２間には寄生容量Ｃ２_２ｓが存在する。

このような構造のトランス１において、図１、図３に示すように、巻線Ｐ１−１の巻き始め（●で表す。）と巻線Ｐ２−１の巻き始め（●で表す。）とをスイッチング素子Ｑ１に繋ぎ、巻線Ｐ１−２の巻き終りと巻線Ｐ２−２の巻き終わりとを安定電位である直流入力電圧（直流電源Ｅの正極側）へ繋ぐ。

このように、図１に示すような構造のトランス１は、スイッチング素子Ｑ１に接続された電圧変化の大きい巻線Ｐ１−１，Ｐ２−１を２次巻線Ｓ１との寄生容量が小さい位置（２次巻線Ｓ１，Ｓ２から最も離れた位置）に配置し、安定電位側に接続される電圧変化の小さい巻線Ｐ２−２，Ｐ１−２を寄生容量が大きくなる位置（２次巻線Ｓ１，Ｓ２に最も近い位置）に配置したので、第１の１次巻線Ｐ１及び第２の１次巻線Ｐ２から２次巻線Ｓ１，Ｓ２に流れる高周波の電流は小さくなる。

従って、電圧変化の大きい巻線Ｐ１−１，Ｐ２−１を２次巻線Ｓ１，Ｓ２より内側の最下層に配置したので、構成が簡単で、放射ノイズを低減できる。

また、１次巻線Ｐ１と２次巻線Ｓ１、１次巻線Ｐ２と２次巻線Ｓ２との２組のコア巻線により、１次巻線Ｐ１，Ｐ２と２次巻線Ｓ１，Ｓ２との接触面を増やすことができ、リーケージインダクタンスを小さくできる。さらに、巻線の層の厚さを薄くすることができる。

なお、本発明は、上記実施例１の直流変換装置に限定されるものではない。実施例１では、２組の２次巻線Ｓ１，Ｓ２は、互いに並列に接続されたが、２組の２次巻線Ｓ１，Ｓ２は、互いに直列に接続することもできる。また、実施例では、１次巻線Ｐと２次巻線Ｓとを有するコア巻線は、２組としたが、これに限定されることなく、３組以上のコア巻線であっても良い。また、巻線は、板状の導体であっても良い。

本発明は、ＤＣ−ＤＣコンバータ、ＡＣ−ＤＣコンバータ等の電源装置に適用可能である。

実施例１の直流電源装置の回路構成図である。 図１に示す直流電源装置に設けられたトランスの断面構造図である。 図２に示すＡ部及びＢ部の巻線構造図である。 図３のＡ部及びＢ部の各巻線間の寄生容量を示す図である。 従来の直流電源装置の回路構成図である。 図５に示す直流電源装置に設けられたトランスの断面構造図である。 図５に示す直流電源装置に設けられたトランスの巻線構造図である。 図５に示すトランスの各巻線間の寄生容量を示す図である。 従来の直流変換装置の回路構成図である。 図９に示す直流変換装置に設けられたトランスの断面構造図である。 図９に示す直流変換装置に設けられたトランスの巻線構造図である。 図９に示す直流変換装置に設けられたトランスの各巻線間の寄生容量を示す図である。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ トランス
３ 出力電圧検出回路
５ 制御回路
１１,１１ａ コア
１０，１２ ボビン
Ｑ１ スイッチング素子
Ｐ１ 第１の１次巻線
Ｐ２ 第２の１次巻線
Ｐ１−１，Ｐ１−２，Ｐ２−１，Ｐ２−２ 巻線
Ｓ，Ｓ１，Ｓ２ ２次巻線
Ｄ ３次巻線
Ｅ 直流電源
Ｄ１，Ｄ２ ダイオード
Ｃ１ 平滑コンデンサ
Ｃ２〜Ｃ５ コンデンサ
Ｃ１_１２，Ｃ１_２Ｓ，Ｃ２_１２，Ｃ２_２Ｓ，Ｃ２_１Ｓ 寄生容量

Claims (3)

1. 直流電源の直流入力電圧をトランスの１次巻線に接続されるスイッチング素子のオン・オフ動作により高周波電力に変換し、前記トランスの２次巻線に伝達された前記高周波電力を整流平滑回路により直流の出力電圧に変換し、前記出力電圧に応じて制御回路により前記スイッチング素子のオン・オフ期間を制御して負荷に所定の出力電圧を供給する直流電源装置において、
   前記トランスは、閉磁路のコアに巻回された１次巻線とこの１次巻線の外側に巻回された２次巻線とを有する複数組のコア巻線を備え、
   前記複数組のコア巻線の各々の１次巻線は、層巻線が複数層に巻回され且つ前記複数層の層巻線の内の、前記スイッチング素子に接続された側の層巻線を前記コアに最も近い最下層としたことを特徴とする直流電源装置。
2. 前記複数組のコア巻線の各々の１次巻線は、互いに並列に接続され、前記複数組のコア巻線の各々の２次巻線は、互いに並列に接続されることを特徴とする請求項１記載の直流電源装置。
3. 前記複数組のコア巻線の各々の１次巻線は、互いに並列に接続され、前記複数組のコア巻線の各々の２次巻線は、互いに直列に接続されることを特徴とする請求項１記載の直流電源装置。

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