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 - Google Patents

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 Download PDF

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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=VT×L1/(L1+L2) (1)
V2=VT×L2/(L1+L2) (2)
ここで、VT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 (5)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
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