JP2014017281A

JP2014017281A - トランス及び該トランスを用いた絶縁型スイッチング電源

Info

Publication number: JP2014017281A
Application number: JP2012151565A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Sano; 浩亮佐野; Yasunari Hakoda; 康徳箱田
Original assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2012-07-05
Filing date: 2012-07-05
Publication date: 2014-01-30

Abstract

【課題】分割されたトランスの励磁インダクタンスにバラツキがある場合でも二次側電圧のバラツキを可及的に低減させる。
【解決手段】トランス１は、第１のトランス２と、第２のトランス３と、電圧バランス部４と、を備える。第１のトランス２は、第１の一次巻線２ａと、第１の一次巻線２ａに磁気的に結合された第１の二次巻線２ｂとを有する。第２のトランス３は、第１の一次巻線２ａに直列接続された第２の一次巻線３ａと、第２の一次巻線３ａに磁気的に結合された第２の二次巻線３ｂとを有する。電圧バランス部４は、第１の一次巻線２ａに磁気的に結合された第１の三次巻線４ａと、第２の一次巻線３ａに磁気的に結合された第２の三次巻線４ｂとを有している。第１及び第２の三次巻線４ａ，４ｂの両端は、互いに同極性同士で接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、一次巻線が直列接続された２つ以上のトランスを備えたトランス及び該トランスを用いた絶縁型スイッチング電源に関する。

従来、絶縁型スイッチング電源においては出力電圧が高い（主に１２Ｖ以上）場合、図５に示すように、１つのトランスを一次側巻線が直列接続された第１のトランス１Ｘ及び第２のトランス２Ｘに分割し、第１及び第２のトランス１Ｘ，２Ｘの各々に二次側回路を設けることが一般的である（例えば、特許文献１参照）。これにより出力電圧が分割されるため、二次側回路の整流素子３Ｘ，４Ｘとして高耐圧のものを用いずに済む。

特開平６−１２１５２９号公報

しかしながら、実際には、第１のトランス１Ｘと第２のトランス２ＸのコアのＡＬ値を等しくすることが困難であるため、巻数を同じにしても、第１及び第２のトランス１Ｘ，２Ｘの励磁インダクタンス値にはバラツキが生じる。よって、第１及び第２のトランス１Ｘ，２Ｘの一次側電圧がばらつくことになる。第１及び第２のトランス１Ｘ，２Ｘの一次側電圧V₁及びV₂は、それぞれ次の式（１）及び式（２）で与えられる。
V₁=V_T×L₁/(L₁+L₂) （１）
V₂=V_T×L₂/(L₁+L₂) （２）

ここで、V_Tはトランス全体（第１及び第２のトランス１Ｘ，２Ｘ）の一次側に印加される電圧、L₁は第１のトランス１Ｘの励磁インダクタンス、L₂は第２のトランス２Ｘの励磁インダクタンスである。

励磁インダクタンスL₁，L₂が等しくならないことにより、第１及び第２のトランス１Ｘ，２Ｘの一次側には励磁インダクタンスに比例した異なる電圧が印加される。その結果、第１及び第２のトランス１Ｘ，２Ｘの二次側電圧にもバラツキが生じることになる。このため、従来は、第１及び第２のトランス１Ｘ，２Ｘを用いた絶縁型スイッチング電源を設計する際、二次側回路の整流素子３Ｘ，４Ｘ（あるいはスイッチング素子）として、第１及び第２のトランス１Ｘ，２Ｘの二次側電圧のバラツキを考慮した上で最も高い二次側電圧に対応可能な高耐圧の素子を用いる必要があった。

本発明は、上記の技術的認識に基づいてなされたものであり、分割されたトランスの励磁インダクタンスにバラツキがある場合でも二次側電圧のバラツキを可及的に低減させることの可能なトランス、及び、該トランスを利用することで低耐圧素子を用い、損失を低減可能な絶縁型スイッチング電源を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係るトランスは、
第１から第ｎ（ｎは２以上の整数）のトランスであって、前記第ｉ（ｉは１からｎの整数）のトランスは、第ｉの一次巻線と、前記第ｉの一次巻線に磁気的に結合された第ｉの二次巻線とを有し、前記第１から第ｎの一次巻線は直列接続されている、第１から第ｎのトランスと、
第１から第ｎの三次巻線を有し、前記第ｉの三次巻線は前記第ｉの一次巻線に磁気的に結合され、かつ前記第１から第ｎの三次巻線の両端は互いに同極性同士で接続されている、電圧バランス部と、
を備えることを特徴とする。

また、前記トランスにおいて、
前記第１から第ｎの三次巻線の巻数が等しくてもよい。

また、前記トランスにおいて、
前記第１から第ｎのトランスの巻数比が等しくてもよい。

本発明の一態様に係る絶縁型スイッチング電源は、
上記トランスと、
直流電圧を交流電圧に変換し、前記交流電圧を前記第１から第ｎの一次巻線からなる前記トランスの一次巻線に印加する一次側回路と、
第１から第ｎの二次側回路と、を備え、
前記第ｉの二次側回路は、前記第ｉの二次巻線に発生した二次側電圧を所定の直流電圧に変換して出力する
ことを特徴とする。

また、前記絶縁型スイッチング電源において、
前記第１から第ｎの二次側回路は整流素子またはスイッチング素子を有し、
前記整流素子または前記スイッチング素子の耐圧は、前記第１から第ｎの一次巻線のそれぞれに印加される電圧の平均値に所定のマージンを加えたものであってもよい。

本発明によれば、第１から第ｎの三次巻線を有する電圧バランス部を設け、第ｉの三次巻線は第ｉの一次巻線に磁気的に結合され、第１から第ｎの三次巻線の両端が互いに同極性同士で接続されるようにしている。これにより、第１から第ｎのトランスの励磁インダクタンスのバラツキによらず、第１から第ｎの一次巻線のそれぞれに印加される一次側電圧が等しくなる。よって、分割された第１から第ｎのトランスの励磁インダクタンスにバラツキがある場合でも二次側電圧のバラツキを可及的に低減させることができる。

実施例１に係るトランスの回路図である。実施例２に係る、図１のトランスを用いた絶縁型スイッチング電源の回路図である。実施例２に係る絶縁型スイッチング電源の一次側電圧を示す波形図である。実施例３に係るトランスの回路図である。従来の絶縁型スイッチング電源の回路図である。

以下、本発明に係る各実施例について図面に基づいて説明する。

図１は、実施例１に係るトランス１の回路図である。図１に示すように、トランス１は、第１のトランス２と、第２のトランス３と、電圧バランス部４とを備えている。

第１のトランス２は、第１の一次巻線２ａと、この第１の一次巻線２ａに磁気的に結合された第１の二次巻線２ｂとを有する。

第２のトランス３は、第１の一次巻線２ａに直列接続された第２の一次巻線３ａと、この第２の一次巻線３ａに磁気的に結合された第２の二次巻線３ｂとを有する。

つまり、トランス１は、第１のトランス２と第２のトランス３に分割されている。ここでは、第１の一次巻線２ａの巻数と第２の一次巻線３ａの巻数は等しく、第１のトランス２の巻数比と第２のトランス３の巻数比は等しい。

電圧バランス部４は、第１の一次巻線２ａに磁気的に結合された第１の三次巻線４ａと、第２の一次巻線３ａに磁気的に結合された第２の三次巻線４ｂとを有する。ここでは、第１の三次巻線４ａの巻数と第２の三次巻線４ｂの巻数は等しい。

第１及び第２の三次巻線４ａ，４ｂの両端は、互いに同極性同士で接続されている。即ち、第１及び第２の三次巻線４ａ，４ｂの両端は同極性同士がショートされている。このため、第１の一次巻線２ａに印加された一次側電圧Ｖ１により第１の三次巻線４ａに誘導された電圧と、第２の一次巻線３ａに印加された一次側電圧Ｖ２により第２の三次巻線４ｂに誘導された電圧が等しくなる。

その結果、第１の一次巻線２ａに印加される一次側電圧Ｖ１および第２の一次巻線３ａに印加される一次側電圧Ｖ２は、それらの中間の値、即ち、一次側電圧Ｖ１及び一次側電圧Ｖ２の平均値（＝（Ｖ１＋Ｖ２）／２）となる。

このように本実施例によれば、第１及び第２の三次巻線４ａ，４ｂの両端が互いに同極性同士で接続されているので、第１のトランス２と第２のトランス３の励磁インダクタンスのバラツキによらず、一次側電圧Ｖ１及び一次側電圧Ｖ２が等しくなる。よって、第１のトランス２と第２のトランス３における一次巻線と二次巻線の巻数比を同じにすることで、第１のトランス２と第２のトランス３の二次側電圧を等しくすることができる。

即ち、分割されたトランスの励磁インダクタンスにバラツキがある場合でも二次側電圧のバラツキを可及的に低減させることができる。

なお、第１の一次巻線２ａの巻数と第２の一次巻線３ａの巻数とが異なる場合であっても、第１のトランス２の一次側電圧Ｖ１と第２のトランス３の一次側電圧Ｖ２は等しくなる。

また、第１の三次巻線４ａの巻数と第２の三次巻線４ｂの巻数は同じでなくても、同様に、一次側電圧Ｖ１と一次側電圧Ｖ２は等しくなる。

図２は、実施例１のトランス１を用いた絶縁型スイッチング電源１０の回路図である。図２に示すように、この絶縁型スイッチング電源１０は、実施例１のトランス１と、一次側回路２０と、第１の二次側回路３０と、第２の二次側回路４０と、を備える。この絶縁型スイッチング電源１０はフルブリッジ型として構成されている。

本実施例では、トランス１において、第１の二次巻線２ｂは直列接続された二次巻線２ｂ１と二次巻線２ｂ２から構成され、第２の二次巻線３ｂは直列接続された二次巻線３ｂ１と二次巻線３ｂ２から構成されている。また、電圧バランス部４を、第１及び第２の一次巻線２ａ，３ａ側に記載している。しかし、トランス１の機能は実施例１と同様である。

一次側回路２０は、パワーＭＯＳＦＥＴである４つのスイッチング素子２１〜２４と、コンデンサ２５と、を有する。

２つのスイッチング素子２１，２２は、入力端子Ｔ１と入力端子Ｔ２の間に直列に接続されている。２つのスイッチング素子２１，２２の接続点は、第１及び第２の一次巻線２ａ，３ａからなるトランス１の一次巻線の一端に接続されている。

２つのスイッチング素子２３，２４は、入力端子Ｔ１と入力端子Ｔ２の間に直列に接続されている。２つのスイッチング素子２３，２４の接続点は、第１及び第２の一次巻線２ａ，３ａからなるトランス１の一次巻線の他端に接続されている。

このように、４つのスイッチング素子２１〜２４は、フルブリッジ型に接続されている。コンデンサ２５は、入力端子Ｔ１と入力端子Ｔ２の間に接続されている。

４つのスイッチング素子２１〜２４のスイッチング動作により、一次側回路２０は、入力端子Ｔ１，Ｔ２間に供給された直流電圧である入力電圧Ｖｉを交流電圧に変換し、変換された交流電圧を第１及び第２の一次巻線２ａ，３ａからなるトランス１の一次巻線に印加する。

第１の二次側回路３０は、２つのダイオード（整流素子）３１，３２と、インダクタ３３と、コンデンサ３４と、を有する。

ダイオード３１は、アノードが第１の二次巻線２ｂの一端に接続されている。ダイオード３２は、アノードが第１の二次巻線２ｂの他端に接続され、カソードがダイオード３１のカソードに接続されている。

インダクタ３３は、一端がダイオード３１，３２のカソードに共通に接続され、他端が出力端子Ｔ３に接続されている。コンデンサ３４は、出力端子Ｔ３と出力端子Ｔ４との間に接続されている。出力端子Ｔ４は、二次巻線２ｂ１と二次巻線２ｂ２の接続点に接続されている。出力端子Ｔ３と出力端子Ｔ４との間から、第１の出力電圧Ｖｏ１が出力される。

この構成により、第１の二次側回路３０は、第１の二次巻線２ｂに発生した二次側電圧を直流電圧である第１の出力電圧Ｖｏ１に変換して出力する。

第２の二次側回路４０は、２つのダイオード（整流素子）４１，４２と、インダクタ４３と、コンデンサ４４と、を有する。

ダイオード４１は、アノードが第２の二次巻線３ｂの一端に接続されている。ダイオード４２は、アノードが第２の二次巻線３ｂの他端に接続され、カソードがダイオード４１のカソードに接続されている。

インダクタ４３は、一端がダイオード４１，４２のカソードに共通に接続され、他端が出力端子Ｔ５に接続されている。コンデンサ４４は、出力端子Ｔ５と出力端子Ｔ６との間に接続されている。出力端子Ｔ６は、二次巻線３ｂ１と二次巻線３ｂ２の接続点に接続されている。出力端子Ｔ５と出力端子Ｔ６との間から、第２の出力電圧Ｖｏ２が出力される。

この構成により、第２の二次側回路４０は、第２の二次巻線３ｂに発生した二次側電圧を直流電圧である第２の出力電圧Ｖｏ２に変換して出力する。

ダイオード３１，３２，４１，４２の耐圧は、第１の一次巻線２ａに印加される一次側電圧Ｖ１および第２の一次巻線３ａに印加される一次側電圧Ｖ２の平均値に所定のマージンを加えたものである。

図３は、実施例２に係る絶縁型スイッチング電源１０の一次側電圧Ｖ１，Ｖ２を示す波形図である。図３に示すように、実施例１のトランス１を用いることにより、第１のトランス２と第２のトランス３の励磁インダクタンスのバラツキによらず、一次側電圧Ｖ１と一次側電圧Ｖ２は等しくなる。従って、第１及び第２のトランス２，３の二次側電圧のバラツキが殆どなくなる。

本実施例によれば、第１及び第２のトランス２，３の二次側電圧のバラツキが殆どなくなるので、第１及び第２の二次側回路３０，４０のダイオード３１，３２，４１，４２の耐圧マージンを過剰に確保する必要がなくなり、従来よりも低耐圧の素子を選定することができる。例えば、ダイオード３１，３２，４１，４２として、一次側電圧Ｖ１及び一次側電圧Ｖ２の平均値に所定のマージンを加えた耐圧のものを使用することができる。一般的に低耐圧の素子は抵抗が小さいため、スイッチング電源の損失を低減する効果が得られる。

なお、第１及び第２の二次側回路３０，４０は、パワーＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子を有する回路構成としてもよい。この場合のスイッチング素子の耐圧も、以上の説明と同様に設定すればよい。

また、絶縁型スイッチング電源の方式としては、図３に示すフルブリッジ型に限らず、例えばハーフブリッジ型やフォワード型など公知の他の方式を採用してもよい。
また、スイッチング素子２１〜２４として、ＩＧＢＴなどの他のスイッチング素子を用いてもよい。

トランスの分割数は２つに限らず、３つ以上であってもよい。実施例３では、トランスの分割数は３つである一例について説明する。

図４は、実施例３に係るトランス１Ａの回路図である。図４に示すように、トランス１Ａは、第１のトランス２と、第２のトランス３と、第３のトランス５と、電圧バランス部４Ａとを備えている。第１のトランス２と第２のトランス３の構成は、図１の実施例１と同一であるため、同一の要素に同一の符号を付して説明を省略する。

第３のトランス５は、第２の一次巻線３ａに直列接続された第３の一次巻線５ａと、この第３の一次巻線５ａに磁気的に結合された第３の二次巻線５ｂとを有する。

電圧バランス部４Ａは、実施例１の電圧バランス部４の構成に加え、第３の一次巻線５ａに磁気的に結合された第３の三次巻線４ｃをさらに有する。ここでは、第１の三次巻線４ａの巻数と、第２の三次巻線４ｂの巻数と、第３の三次巻線４ｃの巻数は等しい。

第３の三次巻線４ｃの両端は、第１及び第２の三次巻線４ａ，４ｂの両端と同極性同士で接続されている。即ち、第１、第２及び第３の三次巻線４ａ，４ｂ，４ｃの両端は同極性同士がショートされている。このため、第１の一次巻線２ａに印加された一次側電圧Ｖ１により第１の三次巻線４ａに誘導された電圧と、第２の一次巻線３ａに印加された一次側電圧Ｖ２により第２の三次巻線４ｂに誘導された電圧と、第３の一次巻線５ａに印加された一次側電圧Ｖ３により第３の三次巻線４ｃに誘導された電圧とが等しくなる。

その結果、第１の一次巻線２ａに印加される一次側電圧Ｖ１と、第２の一次巻線３ａに印加される一次側電圧Ｖ２と、第３の一次巻線５ａに印加される一次側電圧Ｖ３は、それらの中間の値、即ち、一次側電圧Ｖ１、一次側電圧Ｖ２及び一次側電圧Ｖ３の平均値（＝（Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３）／３）となる。

このように本実施例によれば、電圧バランス部４Ａを設けたことにより、実施例１と同様に、第１、第２及び第３のトランス２，３，５の励磁インダクタンスのバラツキによらず、３つの一次側電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３が等しくなる。よって、第１、第２及び第３のトランス２，３，５における一次巻線と二次巻線の巻数比を同じにすることで、第１、第２及び第３のトランス２，３，５の二次側電圧を等しくすることができる。

なお、実施例１と同様に、第１の一次巻線２ａの巻数と第２の一次巻線３ａの巻数と第３の一次巻線５ａの巻数とが異なる場合であっても、３つの一次側電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３は等しくなる。

また、実施例１と同様に、第１の三次巻線４ａの巻数と第２の三次巻線４ｂの巻数と第３の三次巻線４ｃの巻数は同じでなくても、３つの一次側電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３は等しくなる。

また、トランスの分割数は４つ以上であっても、実施例３と同様な構成とすることで同様の効果が得られる。つまり、トランスは、第１から第ｎ（ｎは２以上の整数）のトランスと、第１から第ｎの三次巻線を有する電圧バランス部と、を備えていてもよい。この場合、第１から第ｎのトランスのうち、第ｉ（ｉは１からｎの整数）のトランスは、第ｉの一次巻線と、第ｉの一次巻線に磁気的に結合された第ｉの二次巻線とを有し、第１から第ｎの一次巻線は直列接続されている。第１から第ｎの三次巻線のうち第ｉの三次巻線は第ｉの一次巻線に磁気的に結合され、かつ第１から第ｎの三次巻線の両端は互いに同極性同士で接続されている。

このようなトランスを用いて実施例２のような絶縁型スイッチング電源を構成する場合、一次側回路は、直流電圧を交流電圧に変換し、この交流電圧を第１から第ｎの一次巻線からなるトランスの一次巻線に印加すればよい。また、絶縁型スイッチング電源は第１から第ｎの二次側回路を備えればよく、これらのうち第ｉの二次側回路は、第ｉの二次巻線に発生した二次側電圧を所定の直流電圧に変換して出力すればよい。また、第１から第ｎの二次側回路における整流素子またはスイッチング素子の耐圧は、第１から第ｎの一次巻線のそれぞれに印加される電圧の平均値に所定のマージンを加えたものであればよい。これにより、実施例２と同様の効果が得られる。

また、実施例２では、第１の二次巻線２ｂは２つの二次巻線２ｂ１，２ｂ２に分割され、第２の二次巻線３ｂは２つの二次巻線３ｂ１，３ｂ２に分割されている一例について説明したが、これに限られない。第１から第ｎの二次巻線は、それぞれ３つ以上に分割されてもよい。

上記の記載に基づいて、当業者であれば、本発明の追加の効果や種々の変形を想到できるかもしれないが、本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではない。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。特許請求の範囲に規定された内容及びその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更及び部分的削除が可能である。

１，１Ａトランス
２第１のトランス
２ａ第１の一次巻線
２ｂ第１の二次巻線
３第２のトランス
３ａ第２の一次巻線
３ｂ第２の二次巻線
４，４Ａ電圧バランス部
４ａ第１の三次巻線
４ｂ第２の三次巻線
４ｃ第３の三次巻線
５第３のトランス
５ａ第３の一次巻線
５ｂ第３の二次巻線
１０絶縁型スイッチング電源
２０一次側回路
２１，２２，２３，２４スイッチング素子
２５コンデンサ
３０第１の二次側回路
４０第２の二次側回路
３１，３２，４１，４２ダイオード（整流素子）
３３，４３インダクタ
３４，４４コンデンサ

Claims

第１から第ｎ（ｎは２以上の整数）のトランスであって、前記第ｉ（ｉは１からｎの整数）のトランスは、第ｉの一次巻線と、前記第ｉの一次巻線に磁気的に結合された第ｉの二次巻線とを有し、前記第１から第ｎの一次巻線は直列接続されている、第１から第ｎのトランスと、
第１から第ｎの三次巻線を有し、前記第ｉの三次巻線は前記第ｉの一次巻線に磁気的に結合され、かつ前記第１から第ｎの三次巻線の両端は互いに同極性同士で接続されている、電圧バランス部と、
を備えることを特徴とするトランス。
前記第１から第ｎの三次巻線の巻数が等しいことを特徴とする請求項１に記載のトランス。
前記第１から第ｎのトランスの巻数比が等しいことを特徴とする請求項１又は２に記載のトランス。
請求項１〜３のいずれかに記載のトランスと、
直流電圧を交流電圧に変換し、前記交流電圧を前記第１から第ｎの一次巻線からなる前記トランスの一次巻線に印加する一次側回路と、
第１から第ｎの二次側回路と、を備え、
前記第ｉの二次側回路は、前記第ｉの二次巻線に発生した二次側電圧を所定の直流電圧に変換して出力する
ことを特徴とする絶縁型スイッチング電源。
前記第１から第ｎの二次側回路は整流素子またはスイッチング素子を有し、
前記整流素子または前記スイッチング素子の耐圧は、前記第１から第ｎの一次巻線のそれぞれに印加される電圧の平均値に所定のマージンを加えたものである
ことを特徴とする請求項４に記載の絶縁型スイッチング電源。