JP2010093174A - 多層基板トランス - Google Patents

Abstract

【課題】伝送効率の向上及び損失の低減、更には磁気特性の安定化のために、トランス巻線構成を最適化する。
【解決手段】表面にコイルパターンを備えている基材１０を複数枚、間に絶縁層（プリプレグ）１２を介して積層一体化し、上下に位置するコイルパターン間を選択接続することにより、励磁側の巻線と受電側の巻線を形成することで多層基板トランスを構成する。片面に励磁側のコイルパターンを、反対面に受電側のコイルパターンを、それぞれ備えている基材が、励磁側のコイルパターンと受電側のコイルパターンが交互に位置し、且つ積層中心に対して対称となるように配置する。基材に形成する励磁側のコイルパターン及び受電側のコイルパターンは、いずれも１層当たり１ターン以下とし、励磁側のコイルパターンよりも受電側のコイルパターンの方が、積層方向で多層基板の表面側に位置するようにするのが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、表面にコイルパターンを備えている基材を複数枚、間に絶縁層を介して積層一体化し、コイルパターン間を選択接続することにより励磁側と受電側の巻線を形成した多層基板トランスに関し、更に詳しく述べると、励磁側のコイルパターンと受電側のコイルパターンが交互に位置し、且つ積層中心に対して対称的に配置されている構造の多層基板トランスに関するものである。この技術は、小型・高効率が要求される絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータのトランスなどに有用である。

電子機器の小型化・高性能化に伴って、電源となる絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータには小型・高効率が強く求められている。そのため、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータに使用するトランスにも、小型化、伝送効率の向上、損失の低減が求められる。近年、ＩＣ部品における集積度の増大に伴う動作電圧の低下、大電流化などに対応するため、集中型の給電システムから分散型の給電システムへの移行が進んでいる。分散型の給電システムでは、比較的高い直流電圧からＩＣ部品の動作に必要な高安定の低電圧に変換し、その安定化電圧をＩＣ部品等に供給する。

このような絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータを含む電子機器は、電子部品搭載用の多層基板を用いて組み立てられ、該多層基板を利用してトランスを構成することが行われている。これは、例えば、表面にコイルパターンを形成した基材を複数枚、間にプリプレグを介装して積層一体化し、上下に位置するコイルパターン間を選択接続することにより、励磁側（１次側）の巻線と受電側（２次側）の巻線、更には必要に応じて補助巻線を形成して多層基板トランスとするものである。多層基板トランスについては、例えば特許文献１などに記載がある。

このような構成の多層基板トランスは、本質的に薄型化でき、コイルパターンを印刷技術で形成できるため巻線工数がかからずバラツキを抑えることができる利点がある。しかし、従来の多層基板トランスは、一般に結合があまり良くなく、そのため伝送効率の向上や損失の低減に限界がある。

特開２００５-２２４０６９号公報

本発明が解決しようとする課題は、伝送効率の向上及び損失の低減、更には磁気特性の安定化のために、トランス巻線構成を最適化することである。

本発明は、表面にコイルパターンを備えている基材を複数枚、間に絶縁層を介して積層一体化し、上下に位置するコイルパターン間を選択接続することにより、励磁側の巻線と受電側の巻線を形成する多層基板トランスにおいて、片面に励磁側のコイルパターンを、反対面に受電側のコイルパターンを、それぞれ備えている基材を、励磁側のコイルパターンと受電側のコイルパターンが交互に位置し、且つ積層中心に対して対称となるように配置されていることを特徴とする多層基板トランスである。ここで「受電側」とは、通常の意味での出力側（２次側）のことである。しかし、この種のトランスでは、電源の制御などのために補助巻線を設ける場合があり、この補助巻線は出力側巻線の一種である。そこで本発明では、補助巻線などは含まず、狭義の出力側巻線であることを明らかにするために「受電側」という表現を用いている。従って本発明では、片面に励磁側のコイルパターンを、反対面に受電側のコイルパターンを、それぞれ備えている基材以外の構造の基材が含まれている構成でもよい。

なお本発明では、励磁側のコイルパターンよりも受電側のコイルパターンの方が、積層方向で多層基板の表面側に位置するような向きで積層するのが好ましい。基材に形成する励磁側のコイルパターン及び受電側のコイルパターンは、いずれも１層当たり１ターン以下とする。例えば、トランスの受電側は２巻線からなるセンタータップ形式の場合、受電側のコイルパターンは、共に略Ｕ型で、同じ層に外側と内側に形成する。その内側と外側は、各層で入れ替えるのが好ましい。

また、トランスが励磁側の巻線と受電側の巻線の他に補助巻線を具備している場合、該補助巻線は、基材の表面に必要ターン数の渦巻き状のコイルパターンを形成した１層構造とし、積層中心付近に配置するのが好ましい。

本発明において磁気コアを装着するには、多層基板のコイルパターン内部と外部とにコア挿入穴を設け、２個の磁気コアの脚部を前記コア挿入穴に挿入し、該磁気コアを多層基板に接着する。

本発明に係る多層基板トランスは、励磁側のコイルパターンと受電側のコイルパターンとが交互に位置しているため、励磁側と受電側の巻線間の交差磁束が増加し、結合が良好となる。そのため、リンギングの発生が抑えられ、内部損失が低減し、効率が向上する。特に受電側がセンタータップ形式の２巻線の場合には、受電側のそれぞれの巻線が磁気コアの実効ギャップ部を挟んで配置されることになり、交差磁束のバランスが良好となる。

受電側の２巻線となる両方のコイルパターンを、同じ層で外側と内側に形成し且つ各層で外側と内側を入れ替えると、励磁側のコイルパターンと受電側のコイルパターンとが交互に位置していることと相俟って全ての巻線間での結合が良好となる。

更に、磁気コア同士の接合部（実効ギャップ部）に漏れ磁束が多いが、磁気コアを多層基板に接着すると、該実効ギャップ部はトランスの中心（積層中心）からずれ易いが、補助巻線を漏れ磁束の多い接合部に近い位置に配置することで、トランスの交差磁束のバランスが良好となる。

図１は、本発明に係る多層基板トランスの典型的な例を示す説明図である。この多層基板トランスは、表面にコイルパターンを備えている基材１０を、複数枚、間にプリプレグ（絶縁層）１２を介して積層一体化し、コイルパターン間を選択接続することにより、励磁側の巻線と受電側の巻線、及び補助巻線を形成する構造である。主たる基材には、片面に励磁側のコイルパターンを、反対面に受電側のコイルパターンを、それぞれ形成する。これらの主たる基材は、励磁側のコイルパターンと受電側のコイルパターンが交互に位置し、且つ積層中心に対して対称となるように配置し積層する。その他、補助巻線のコイルパターンが形成されている従たる基材を積層中心に設ける。これら基材１０は、例えばエポキシ樹脂などの電気絶縁材料からなる板状体であり、その表裏両面もしくは片面に銅箔など導電層が設けられ、該導電層にフォトリソグラフィ技術によって必要なパターニングを施し、エッチングによってコイルパターンなどを形成したものである。積層一体化は、加熱加圧することなどにより行う。コイルパターン間の電気的な接続は、例えばレーザ加工でビア穴を形成し、導電性ペーストを充填することなど公知の手法で行えばよい。

図１において、（Ａ）は積層状況を、（Ｂ）は各コイルパターンの結線状態を、それぞれ示している。この例は、５枚の基材１０を積層することで合計１０層（Ｌ１〜Ｌ１０）のコイルパターンを形成したものである。ここで、励磁側の巻線は５層５ターン、受電側の巻線はセンタータップ形式の２巻線で、それぞれ４層４ターン、補助巻線は１層３ターンである。

ここで、主たる基材が備えている励磁側のコイルパターン及び受電側のコイルパターンは、いずれも１層当たり１ターンである。受電側でセンタータップ２巻線となる両方のコイルパターンは、図２のＡに示すように、略Ｕ型であり、同じ層に外側と内側に形成している（内側のコイルパターンを符号１４で、外側のコイルパターンを符号１６で示す）。このような主たる基材を、２枚ずつ合計４枚、励磁側のコイルパターンよりも受電側のコイルパターンの方が積層方向で多層基板の表面側に位置するように積層する。そして、それらの中央には、片面に励磁側のコイルパターンを、反対面に補助巻線のコイルパターンを、それぞれ備えている従たる基材を配置する。この補助巻線のコイルパターンは１層であり、渦巻き状に必要なターン数（ここでは３ターン）形成されている。これら合計５枚の基材１０が、間にプリプレグ１２を介して積層されることになる。従って、中間の従たる基材に対して、その上下の２枚ずつの主たる基材のコイルパターンは、積層中心に対して対称に位置している。

図１の（Ａ）により、上から順に各層のコイルパターンについて説明する。
第１層Ｌ１：受電側のコイルパターン（内側と外側：各１ターン）
第２層Ｌ２：励磁側のコイルパターン（１ターン）
第３層Ｌ３：受電側のコイルパターン（内側と外側：各１ターン）
第４層Ｌ４：励磁側のコイルパターン（１ターン）
第５層Ｌ５：励磁側のコイルパターン（１ターン）
第６層Ｌ６：補助巻線のコイルパターン（３ターン）
第７層Ｌ７：励磁側のコイルパターン（１ターン）
第８層Ｌ８：受電側のコイルパターン（内側と外側：各１ターン）
第９層Ｌ９：励磁側のコイルパターン（１ターン）
第１０層Ｌ１０：受電側のコイルパターン（内側と外側：各１ターン）

次に、図１の（Ｂ）により、各巻線におけるコイルパターンの結線関係について説明する。各巻線は、次の順序で結線する。
・励磁側巻線：第２層Ｌ２のコイルパターン−第４層Ｌ４のコイルパターン−第５層Ｌ５のコイルパターン−第７層Ｌ７のコイルパターン−第９層Ｌ９のコイルパターンで合計５ターン
・受電側第１の巻線：第１層Ｌ１の内側コイルパターン−第３層Ｌ３の外側コイルパターン−第８層Ｌ８の内側コイルパターン−第１０層Ｌ１０の外側コイルパターンで合計４ターン
・受電側第２の巻線：第１層Ｌ１の外側コイルパターン−第３層Ｌ３の内側コイルパターン−第８層Ｌ８の外側コイルパターン−第１０層Ｌ１０の内側コイルパターンで合計４ターン
・補助巻線：第６層Ｌ３の渦巻き状コイルパターンで１層３ターン

そして、第１０層Ｌ１０の外側コイルパターンと第１層Ｌ１の外側コイルパターンを結線し、センタータップを引き出す。図１の（Ａ）の積層状態から分かるように、第６層Ｌ６の補助巻線は、積層中心付近に配置されている。

図２の（Ａ）に示すように、上記のように積層した多層基板のコイルパターンの内部と外部２箇所とにコア挿入穴１８を設ける。そして、図２の（Ｂ）に示すように、２個のＥ型の磁気コア２０の内脚部と外脚部を前記コア挿入穴に挿入して磁路を構成し、該磁気コアを多層基板２２に接着する。

この種のトランスでは、磁気コアの接合部（実効ギャップ部）に漏れ磁束が多く、磁気コアを多層基板に接着固定する際に該接合部がトランスの中心からずれ易いが、上記のように，補助巻線を漏れ磁束の多い接合部に近い側に配置することでトランスの交差磁束のバランスが良好となる。また、励磁側のコイルパターンと受電側のコイルパターンを交互に配置することで、両巻線間の交差磁束が増加し結合が良くなる。その上、上記のように受電側の２巻線のコイルパターンを同じ層に形成し且つ各層で外側と内側を入れ替え、全ての受電側のコイルパターンを励磁側のコイルパターンと交互に配置することで、全ての巻線との結合が更に良くなる。

本発明に係る多層基板トランスの一実施例におけるコイルパターンとその積層順序を図３に示す。また図４は、磁気コアの形状、及び該磁気コアとコイルパターンとの組み合わせ状態を示している。

受電側の巻線となるコイルパターンは、互いに近接するように内側と外側で２重に形成された略Ｕ型であり（内側コイルパターンを符号２６で、外側コイルパターンを符号２８で示す）、それに対して励磁側の巻線となるコイルパターン３０は，１重の略Ｃ型パターンである。受電側のコイルパターン−励磁側のコイルパターン−受電側のコイルパターン−励磁側のコイルパターン−励磁側のコイルパターン−励磁側のコイルパターン−受電側のコイルパターン−励磁側のコイルパターン−受電側のコイルパターンの順に積層する。ここでは補助巻線は設けていない。

図示していないが、実際には、これらのコイルパターンは基材上に形成する。一方の面に受電側のコイルパターンを、他方の面に励磁側のコイルパターンを形成した４枚の基材と、片面に励磁側のコイルパターンを形成した１枚の基材とを用い、それらを間にプリプレグを介在させて、図３に示すコイルパターンの積層状態となるようにし、一体化する。コイルパターンは、プリプレグに形成したビア穴に導電材を充填することで順次接続し、巻線を形成する。

図４の（Ａ）は磁気コアの平面を、（Ｂ）は２個の磁気コアを組み合わせた状態を、それぞれ示している。磁気コア４０は、基本的にＥ型コアであり、長円形状の内脚部４０ａと細長矩形状の外脚部４０ｂを有し、それらが平板状の腹部４０ｃで連続している構造である。積層したコイルパターンは、図４の（Ｃ）に示すように、磁気コア４０の内脚部４０ａを取り囲むように組み立てられる。

図５に、漏れインダクタンスのシミュレーション結果を示す。これは、コイル位置（ここでは図５の（Ａ）で示すように、最下層のコイルパターンＬ１０と磁気コア腹部との間隔ｓで表す）に対する漏れインダクタンス比率の変化をプロットしたものである。ここではプリプレグ厚を一定とし、多層基板と磁気コアとの相対的な位置（上下方向の位置）を変えて漏れインダクタンス比率を求めている。（Ｂ）は、励磁側の巻線Ｎ１と受電側の巻線Ｎ２１及び励磁側の巻線Ｎ１と受電側の巻線Ｎ２２との間（即ちＮ１−Ｎ２１間及びＮ１−Ｎ２２間）の漏れインダクタンス比率を求めたものであり、（Ｃ）は、励磁側の巻線Ｎ１と受電側の２巻線を結線した状態Ｎ２１＋Ｎ２２との間（即ちＮ１−（Ｎ２１＋Ｎ２２）間）の漏れインダクタンス比率を求めたものである。

（Ｂ）の結果から、Ｎ１−Ｎ２１間及びＮ１−Ｎ２２間の漏れインダクタンス比率は、コイル位置に依存せず、しかも両者ともほぼ同一である。また（Ｃ）の結果から、コイル位置に対するＮ１−（Ｎ２１＋Ｎ２２）間の漏れインダクタンス比率もほぼ一定である。これは、受電側の一つの巻線（例えばＮ２１巻線）が磁気コア接合部を挟んで配置されているため、積層中心が磁気コア接合部からずれたとしても減少と増加で相殺され、漏れインダクタンスの変動が小さくなるためと考えられる。これらのことから、トランスの交差磁束のバランスが良いことが分かり、コイル位置が多少変動しても磁気特性に大きな影響を与えないため、過度に厳密な組立精度が要求されず、接着による組立作業性は良好となる。

本発明に係る多層基板トランスの典型的な例を示す説明図。 そのコイルパターンと磁気コアとの説明図。 本発明の一実施例におけるコイルパターンの積層状態を示す説明図。 その磁気コア形状とコイルパターンとの組立状態を示す説明図。 コイル位置と漏れインダクタンス比率との関係を示す説明図。

符号の説明

１０ 基材
１２ 絶縁層（プリプレグ）
Ｌ１〜Ｌ１０ コイルパターン

Claims (6)

1. 表面にコイルパターンを備えている基材を複数枚、間に絶縁層を介して積層一体化し、上下に位置するコイルパターン間を選択接続することにより、励磁側の巻線と受電側の巻線を形成する多層基板トランスにおいて、
   片面に励磁側のコイルパターンを、反対面に受電側のコイルパターンを、それぞれ備えている基材が、励磁側のコイルパターンと受電側のコイルパターンが交互に位置し、且つ積層中心に対して対称となるように配置されていることを特徴とする多層基板トランス。
2. 励磁側のコイルパターンよりも受電側のコイルパターンの方が、積層方向で多層基板の表面側に位置するようにした請求項１記載の多層基板トランス。
3. 基材に形成する励磁側のコイルパターン及び受電側のコイルパターンは、いずれも１層当たり１ターン以下である請求項１又は２記載の多層基板トランス。
4. トランスの受電側は２巻線からなるセンタータップ形式であり、受電側の両方のコイルパターンは、共に略Ｕ型で、同じ層に外側と内側に形成されている請求項３記載の多層基板トランス。
5. トランスは励磁側の巻線と受電側の巻線の他に補助巻線を具備するものであり、該補助巻線は、基材の表面に必要ターン数の渦巻き状のコイルパターンを形成した１層構造であって、積層中心付近に配置されている請求項１乃至４のいずれかに記載の多層基板トランス。
6. 多層基板のコイルパターン内部と外部とにコア挿入穴を設け、２個の磁気コアの脚部を前記コア挿入穴に挿入し、該磁気コアを多層基板に接着した請求項１乃至５のいずれかに記載の多層基板トランス。

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