JP2014229911A

JP2014229911A - アイソレーションｄｃ・ｄｃスイッチング電源

Info

Publication number: JP2014229911A
Application number: JP2014108347A
Authority: JP
Inventors: ウェイン・シー・ゲーク; C Goeke Wayne; ジョン・シー・ギボンズ; C Gibbons John
Original assignee: Keithley Instruments LLC
Current assignee: Keithley Instruments LLC
Priority date: 2013-05-24
Filing date: 2014-05-26
Publication date: 2014-12-08
Also published as: US9478351B2; US20140347158A1; EP2806435A2; CN104183374B; EP2806435A3; CN104183374A

Abstract

【課題】アイソレーションＤＣ・ＤＣスイッチング電源のノイズを低減する。【解決手段】アイソレーションＤＣ・ＤＣスイッチング電源がアイソレーション・トランスを含み、これは、磁気コアと、磁気コアの周りの第１巻線と、磁気コアの周りの第１巻線シールドと、第１巻線シールド内の第２巻線シールドと、第２巻線シールド内の第２巻線とを含んでいる。第２巻線が第２巻線シールド内に包含され、第２巻線シールドは上記第１巻線シールド内に包含されるので、第１巻線と第２巻線との間に直接に結合がない。【選択図】図１

Description

本発明は、アイソレーションＤＣ・ＤＣスイッチング電源に関し、アイソレーションＤＣ・ＤＣスイッチング電源中のノイズを低減するために、低漏れインダクタンス及び低アイソレーション・キャパシタンスのアイソレーション・トランスを用いたアイソレーションＤＣ・ＤＣスイッチング電源に関する。

スイッチング電源は、電気的ノイズを発生することで悪評が高い。しかし、アイソレーション・スイッチング電源は、アイソレーション・スイッチング電源のアイソレーション・バリアを横断する変位電流を介して電気的ノイズが加わっている。通常、アイソレーション・トランスは、スイッチング電源の入出力間にアイソレーション・バリアを与えるために利用される。しかし、アイソレーション・トランスの設計次第では、スイッチング電源内の電気的ノイズのレベルに大きな影響を与える可能性がある。

アイソレーションＤＣ・ＤＣスイッチング電源の多くは、アイソレーション・トランスを使用しているが、これは、１次巻線及び２次巻線間に静電気巻線シールドを含んでいる。これらトランスの目的は、１次巻線の電圧振幅は１次巻線シールドにのみ結合し、２次巻線の電圧振幅は２次巻線シールドにのみ結合することである。

特開２００７−２８８８５５公報

しかし、現在使用されているトランスは、アイソレーション・バリアを跨ぐ大きな量の電気的ノイズを未だに生成している。１次巻線と２次巻線を分離させると、トランス中の漏れインダクタンスが大きくなるという結果となる。漏れインダクタンスが高いと、多くの場合、スイッチング電源の電気的ノイズが増加することになる。

低漏れインダクタンス・トランスの組み立て方法は、２本巻き技術を用いてトランスを巻き付けるもので、これは、２本のワイヤを隣同士にして同時に巻き付けるものである。ワイヤの対を磁気コアの周りに繰り返し巻き付けると、ワイヤ対の１巻きのそれぞれが他の巻きと結合し、そして前の巻きの上へと重ねらる。この追加的な結合によって、漏れインダクタンス及びアイソレーション・キャパシタンスが変化する。巻き付け工程における小さな変化が、これらの結合を変化させる原因となる。このように、静電結合を上手に制御しないと、アイソレーション・バリアを横断する変位電流を生じさせる。

従って、アイソレーション・トランスには改善すべき点が残っている。理想的なトランスでは、１次巻線と２次巻線間の静電結合は、１次巻線シールドと２次巻線シールド間にのみ存在する。２つの巻線シールドの電圧振幅（voltage swing）は同じであり、それらの間に変位電流はない。１次巻線の電圧振幅は１次巻線シールドにのみ結合し、２次巻線の電圧振幅は２次巻線シールドにのみ結合する。また、理想的なトランスでは、２本巻き１次／２次トランスにおけるように、漏れインダクタンスが低いままであるべきである。

本発明の実施形態の例には、アイソレーションＤＣ・ＤＣスイッチング電源に適したアイソレーション・トランスが含まれる。このとき、１次巻線と２次巻線間の静電結合は、１次巻線の巻線シールドと２次巻線の巻線シールド間においてのみ生じる。

また、本発明の実施形態の例としては、アイソレーションＤＣ・ＤＣスイッチング電源があり、これが、アイソレーション電力トランスを含んでいる。そして、アイソレーション電力トランスは、磁気コアと、磁気コアの周りの第１巻線と、磁気コアの周りの第１巻線シールドと、第１巻線シールド内の第２巻線シールドと、第２巻線シールド内の第２巻線とを含んでいる。

より具体的には、本発明の概念１は、アイソレーションＤＣ・ＤＣスイッチング電源であって、
磁気コアと、
上記磁気コアの周りの第１巻線と、
上記磁気コアの周りの第１巻線シールドと、
上記第１巻線シールド内の第２巻線シールドと、
上記第２巻線シールド内の第２巻線と
を含むアイソレーション電力トランスを具えている。

本発明の概念２は、上記概念１のアイソレーションＤＣ・ＤＣスイッチング電源であって、上記アイソレーション電力トランスがダブル・シールド・ケーブルを更に含み、上記ダブル・シールド・ケーブルが、上記第１巻線シールドを上記ダブル・シールド・ケーブルの外部導体として、上記第２巻線シールドを上記ダブル・シールド・ケーブルの内部導体として、上記第２巻線を上記ダブル・シールド・ケーブルの中心導体として含み、上記第１巻線が上記ダブル・シールド・ケーブルの外部のワイヤであることを特徴としている。

本発明の概念３は、上記概念１のアイソレーションＤＣ・ＤＣスイッチング電源であって、このとき、上記第１巻線シールドが、上記第１巻線シールドと上記第１巻線の一部分であることを特徴としている。

本発明の概念４は、上記概念２のアイソレーションＤＣ・ＤＣスイッチング電源であって、このとき、上記第１巻線シールドが、上記第１巻線シールドと上記第１巻線の一部分であることを特徴としている。

本発明の概念５は、上記概念１のアイソレーションＤＣ・ＤＣスイッチング電源であって、上記第１巻線シールドが、上記第１巻線シールドと上記第１巻線の全体であることを特徴としている。

本発明の概念６は、上記概念２のアイソレーションＤＣ・ＤＣスイッチング電源であって、上記第１巻線シールドが、上記第１巻線シールドと上記第１巻線の全体であることを特徴としている。

本発明の概念７は、上記概念１のアイソレーションＤＣ・ＤＣスイッチング電源であって、このとき、上記第２巻線シールドが、上記第２巻線シールドと上記第２巻線の一部分であることを特徴としている。

本発明の概念８は、上記概念２のアイソレーションＤＣ・ＤＣスイッチング電源であって、このとき、上記第２巻線シールドが、上記第２巻線シールドと上記第２巻線の一部分であることを特徴としている。

本発明の概念９は、上記概念１のアイソレーションＤＣ・ＤＣスイッチング電源であって、このとき、上記第２巻線シールドが、上記第２巻線シールドと上記第２巻線の全体であることを特徴としている。

本発明の概念１０は、上記概念２のアイソレーションＤＣ・ＤＣスイッチング電源であって、このとき、上記第２巻線シールドが、上記第２巻線シールドと上記第２巻線の全体であることを特徴としている。

本発明の概念１１は、上記概念１のアイソレーションＤＣ・ＤＣスイッチング電源であって、上記アイソレーション電力トランスが同軸ケーブルを更に含み、上記同軸ケーブルが、上記第１巻線シールドを上記同軸ケーブルの外部導体として含むと共に、上記同軸ケーブルの中心導体が第２巻線シールド及び第２巻線であり、上記第１巻線が上記同軸ケーブルの外部のワイヤであることを特徴としている。

本発明の概念１２は、上記概念１のアイソレーションＤＣ・ＤＣスイッチング電源であって、上記アイソレーション電力トランスが同軸ケーブルを更に含み、このとき、上記同軸ケーブルの外部導体が上記第１巻線及び上記第１巻線シールドであり、上記同軸ケーブルの中心導体が第２巻線シールド及び第２巻線であることを特徴としている。

本発明の概念１３は、上記概念２のアイソレーションＤＣ・ＤＣスイッチング電源であって、複数のダブル・シールド・ケーブルが上記磁気コアを通して並行に巻かれて互いに接続され、上記第１巻線シールド、第２巻線シールド及び第２巻線を形成することを特徴としている。

本発明の概念１４は、上記概念１１のアイソレーションＤＣ・ＤＣスイッチング電源であって、複数の同軸ケーブルが上記磁気コアを通して並行に巻かれて互いに接続され、上記第１巻線シールド、第２巻線シールド及び第２巻線を形成することを特徴としている。

図１は、本発明の実施形態の例によるアイソレーション・トランスを示す。図２は、図１に示したアイソレーション・トランスのケーブル及び外部ワイヤの断面図である。図３は、本発明の実施形態の別の例によるアイソレーション・トランスを示す。図４は、図３に示したアイソレーション・トランスのケーブル及び外部ワイヤの断面図である。図５は、本発明の実施形態の別の例によるアイソレーション・トランスを示す。図６は、図５に示したアイソレーション・トランスのケーブルの断面図である。図７は、本発明の実施形態の別の例によるアイソレーション・トランスを示す。図８は、本発明の実施形態の例によるアイソレーション・トランスの回路図である。図９は、図５に示した本発明の実施形態の例によるアイソレーション・トランスを示す。

以下の図面においては、縮尺が必ずしも一定ではなく、また、類似又は対応する要素には、同じ符号を付して説明する。

アイソレーションＤＣ・ＤＣスイッチング電源におけるノイズを低減するために、本発明によるアイソレーション・トランスでは、電源のアイソレーション・バリアにかかるノイズを低減する。本発明によるアイソレーション・トランスでは、１次巻線と２次巻線間の結合は、第１巻線シールドと第２巻線シールドの間にのみ存在する。つまり、１次巻線と２次巻線は、互いに完全にアイソレーション（信号や電力は伝達されるが、導体は分離している）されている。

図１は、アイソレーション・トランス１００の例であり、これには、絶縁層１０４で覆われた２つの第１ワイヤ１０２が磁気コア１０６を包み、これが第１巻線として機能する。また、アイソレーション・トランス１００は、磁気コア１０６の周りを包むダブル・シールド・ケーブルも含む。２つの第１ワイヤは、ダブル・シールド・ケーブルの外側にある。ダブル・シールド・ケーブルは、外部絶縁層１０８を含む。外部絶縁層１０８は、外部静電巻線シールド１１０、第１絶縁層１１２、内部静電巻線シールド１１４、２つの第２絶縁層１１６、２つの第２ワイヤ１１８とを内包している。本願では、「静電巻線シールド」のことを、単に「巻線シールド」とも呼ぶことにする。２つの第２ワイヤ１１８は、それぞれ第２絶縁層１１６で覆われる。２つの第２ワイヤ１１８と、第２絶縁層１１６は、内部巻線シールド１１４の内部に配置され、内部巻線シールド１１４は外部巻線シールド１１０の内部に配置される。第１ワイヤ１０２、第２ワイヤ１１８、外部巻線シールド１１０及び内部巻線シールド１１４のそれぞれは、半田付け点１２０において、回路基板に半田付けされる。ダブル・シールド・ケーブルでは、内部巻線シールド１１４及び外部巻線シールド１１０が銅製網状被覆から構成される。

図２は、ダブル・シールド・ケーブルの外部にある第１ワイヤ１０２に沿ったダブル・シールド・ケーブルの層の断面を示す。当業者には、明かなように、第１ワイヤ１０２及び第２ワイヤ１１８は、どちらもトランスの１次巻線又は２次巻線とすることが可能である。説明を簡単にするため、複数の第２ワイヤ１１８をまとめて１次巻線と呼び、複数の第１ワイヤ１０２をまとめて２次巻線と呼ぶことにする。この配置構成においては、内部巻線シールド１１４が１次巻線シールドとして機能し、外部巻線シールド１１０が２次巻線シールドとして機能する。１次巻線は、１次巻線シールド内に完全に入っており、１次巻線シールドは２次巻線シールド内に完全に入っているので、１次巻線と２次巻線間の直接の結合はない。従って、１次巻線の電圧振幅（voltage swing）は、１次巻線シールドにのみ結合し、２次巻線の電圧振幅は、２次巻線シールドにのみ結合する。２つの巻線シールド間のキャパシタンスは、充電されたり又は放電することがない。従って、１次巻線シールドから２次巻線シールドへの電荷の流れもない。

図１に示す実施形態では、第１ワイヤ１０２及び第２ワイヤ１１８の両方のトランスの中心の巻線は、外部巻線シールド１１０及び内部巻線シールド１１４と同じ電圧を有している。この特徴によって、外部巻線シールド１１０、つまり２次巻線シールドは、トランスの２次巻線の中心の巻線として利用でき、内部巻線シールド１１４、つまり、１次巻線シールドは、トランスの１次巻線の中心の巻線として利用できる。

ダブル・シールド・ケーブルではなく、本発明では、同軸ケーブルを用いても良い。同軸ケーブルを用いる場合でも、第１ワイヤ１０２は、同軸ケーブルの外部に配置されることになる。この場合、単一の第１ワイヤ１０２を用いるか、又は、図１に示す２つの第１ワイヤのような２つ以上のワイヤを用いるのが望ましい。同軸ケーブルは、中心導体、内部絶縁層、外部導体及び外部絶縁層を含む。同軸ケーブル内では、中心導体が、第２巻線シールドと第２巻線の両方として機能する。外部導体は、第１巻線シールドとして機能する。

図３は、図１と同様な実施形態を示す。しかし、この実施形態では、アイソレーション・トランス２００内で、３つの第１ワイヤ１０２が、３つの第２ワイヤ１１８に沿って使用される。３つの第１ワイヤ１０２のそれぞれと、３つの第２ワイヤ１１８のそれぞれは、それ自身の絶縁層１０４及び１１６をそれぞれ有している。残りの構成要素は、図１に関して説明した実施形態と同じである。図４は、外部の３つの第１ワイヤ１０２に沿ったダブル・シールド・ケーブルの断面を示す。この実施形態では、簡単のため、再度、３つの第２ワイヤ１１８が１次巻線を構成し、３つの第１ワイヤ１０２が２次巻線を構成するものとする。１次巻線の各巻きが第２ワイヤ１１８である。従って、１次巻線の３つの巻き（３つの第２ワイヤ１１８）は、内部巻線シールド（１次巻線シールドとも呼ぶ）１１４と、外部巻線シールド（２次巻線シールドとも呼ぶ）１１０との内部に完全に包含される。

図３のトランスの構成によれば、１次巻線と２次巻線との間の結合は、１次巻線シールドと２次巻線シールドとの間にのみ生じる。再び、１次巻線と２次巻線との間に直接の結合はなく、１次巻線の電圧振幅は１次巻線シールドにのみ結合し、２次巻線の電圧振幅は２次巻線シールドにのみ結合する。

図５は、別の実施形態を示す。この実施形態では、アイソレーション・トランス３００が、磁気コア１０６の周りの単一の３軸ケーブルを用いて組み立てられる。３軸ケーブルは、磁気コア１０６の周りに１回だけ巻き付けられる。アイソレーション・トランス３００は、２つのアイソレーション２次巻線を有する。３軸ケーブルは、導体２０２、網状被覆２０４、その他の網状被覆２０６を含む。この構成による３軸ケーブルの断面を図６に示す。更に、図５に示すように、これら層のそれぞれは、それらの間に絶縁層２０８及び２１２を含み、その外側に最終絶縁層２１０も含む。３軸ケーブルが含む導体２０２、網状被覆２０４及び２０６の各導体は、トランスの独立した巻線及び巻線シールドとすることができる。従って、例えば、アイソレーション・トランス３００は、１次巻線（導体２０２）と、２つの２次巻線（網状被覆２０４及び２０６、それぞれを第１の２次巻線及び第２の２次巻線とも呼ぶ）を持つと考えることができる。この実施形態例では、３軸ケーブルの外側にワイヤはない。しかしながら、２つの網状被覆２０４及び２０６は、それぞれ１次巻線シールド及び２次巻線シールドとしても機能する。なお、当業者には明かなように、場合によっては、導体２０２を２次巻線としても良く、２つの網状被覆２０４及び２０６を２つの１次巻線としても良い。

導体２０２からなる１次巻線と、網状被覆２０６からなる２次巻線の両方は、網状被覆２０４によって独立した状態となっている。第２の２次巻線（網状被覆２０６）は、１次巻線（導体２０２）に対して直接の結合はない。この実施形態例においても、再び、網状被覆２０４と導体２０６の間にキャパシタンスが存在することとなる。しかし、このキャパシタンスは、充電されることはないし、放電することもない。

この実施形態の別の実施形態（図示せず）としては、図１及び図３に示す例と同様に、複数の外部ワイヤを３軸ケーブルの外側に設け、２次巻線の巻きをもっと増やしても良い。この場合も、２次巻線のこれら外部ワイヤは、網状被覆２０６によって、導体２０２からシールドされることとなる。

この実施形態の更に別の実施形態では、３軸ケーブルの代わりに同軸ケーブルを用いても良い。この構成では、同軸ケーブルの内部導体が第２巻線シールド及び第２巻線の両方として機能することになる。そして、外部導体は、第１巻線シールド及び第１巻線の両方として機能することになる。

別の実施形態では、図５に示す３軸ケーブルを、図７に示すように、磁気コア１０６の周りで２回巻いても良い。従って、アイソレーション・トランス４００では、１次巻線と、２つの２次巻線のそれぞれが２つの巻きを有する。図７に示すように、網状被覆２０６の周りの絶縁層２１０が、３箇所において除去される。網状被覆２０６は、１次巻線として機能し、これら３箇所の半田付け点１２０において半田付けされる。最後に、図５のように、第１の２次巻線（網状被覆２０４）及び第２の２次巻線（導体２０２）も、半田付け点１２０において回路基板に半田付けされる。

図８及び図９に示す別の実施形態では、磁気コアの周りに並行して巻かれる２つの３軸ケーブルを用いたアイソレーション・トランスが示されている。１つの３軸ケーブルは、回路基板の上面に配置され、もう１つの３軸ケーブルは、回路基板の底面に配置される。簡単のため、これら３軸ケーブルを、上面ケーブル及び底面ケーブルと呼ぶことにする。これら２つのケーブルは、磁気コア１０６の周りで巻かれる。更に、３軸ケーブルの外側に４つのワイヤが設けられる。２つのワイヤ３０２（ここでは上面ワイヤとも呼ぶ）は、回路基板の上面上に提供され、２つのワイヤ３０４（ここでは底面ワイヤとも呼ぶ）は、回路基板の底面上に提供される。こうした構成の回路図を図８に示す。図９は、回路基板の上面側のアイソレーション・トランス５００を示す。回路基板の底面側のアイソレーション・トランスは、図９に示す構成と同じ構成としても良い。

図８の回路図からわかるように、１次巻線は、底面導体３０６、上面内部巻線シールド３０８、底面内部巻線シールド３１０及び上面導体３１２を含む４つの巻きから構成される。２次巻線は、第２上面ワイヤ３０２、第１上面ワイヤ３０２、上面外部巻線シールド３１４、底面外部巻線シールド３１６、第１底面ワイヤ３０４及び第２底面ワイヤ３０４を含む６個の巻きから構成される。１次巻線の底面導体３０６及び上面導体３１２は、ＭＯＳＦＥＴスイッチ３１８にそれぞれ接続される。上面内部巻線シールド３０８及び底面内部巻線シールド３１０は、両方共に第１グラウンド（アース・グラウンド）３２０に接続される。２次巻線においては、上面外部巻線シールド３１４及び底面外部巻線シールド３１６が、第２フローティング・グラウンド３２２に接続される。これら構成要素が、図９に示され、更に、半田付け点１２０及び絶縁層３２４が示されている。この構成において、内部巻線シールド３０８及び３１０と、外部巻線シールド３１４及び３１６とは、図４に関して上述したように、巻線及び巻線シールドの両方の巻きとして機能する。

この実施形態の別の実施形態では、３以上のトランスを磁気コア１０６の周りに巻くようにもできる。更に、この実施形態の更に別の実施形態では、３軸ケーブルの代わりに同軸ケーブルを用いても良い。

上述してきた１次巻線と２次巻線との間に直接の結合のない種々のアイソレーション・トランスは、従来使われていたアイソレーション・トランスに比較して、アイソレーション・バリアにおけるノイズの大きさを小さくできる。

これら実施形態のそれぞれにおいて、磁気コア１０６は、例えば、フェライトとしても良い。しかし、既知の任意の形式の磁気コアを利用しても良い。更に、３軸ケーブル及びダブル・シールド・ケーブルの網状被覆は、最高品質のものとすべきである。もし網状被覆を最高品質のものから構成しないと、１次巻線及び２次巻線が巻線シールドを介して直接結合してしまう可能性があり、電気的ノイズを生じてしまう。網状被覆の品質が良ければ良いだけ、アイソレーション・トランスによって生じる電気的ノイズが減少する。

好ましい実施形態を用いて本発明の原理を説明及び図示してきたが、当然ながら、本発明の原理を離れることなく、構成や詳細な部分を変更可能である。

１００アイソレーション・トランス
１０２第１ワイヤ
１０４絶縁層
１０６磁気コア
１０８外部絶縁層
１１０外部静電巻線シールド
１１２第１絶縁層
１１４内部静電巻線シールド
１１６第２絶縁層
１１８第２ワイヤ
１２０半田付け点
２００アイソレーション・トランス
２０２導体
２０４網状被覆
２０６その他の網状被覆
２０８絶縁層
２１０最終絶縁層
２１２絶縁層
３００アイソレーション・トランス
３０２上面ワイヤ
３０４底面ワイヤ
３０６底面導体
３０８上面内部巻線シールド
３１０底面内部巻線シールド
３１２上面導体
３１４上面外部巻線シールド
３１６底面外部巻線シールド
３１８ＭＯＳＦＥＴスイッチ
３２０第１グラウンド（アース・グラウンド）
３２２第２グラウンド（フローティング・グラウンド）
３２４絶縁層
４００アイソレーション・トランス
５００アイソレーション・トランス

Claims

磁気コアと、
上記磁気コアの周りの第１巻線と、
上記磁気コアの周りの第１巻線シールドと、
上記第１巻線シールド内の第２巻線シールドと、
上記第２巻線シールド内の第２巻線と
を含むアイソレーション電力トランスを具えるアイソレーションＤＣ・ＤＣスイッチング電源。
上記アイソレーション電力トランスがダブル・シールド・ケーブルを更に含み、
上記ダブル・シールド・ケーブルが、上記第１巻線シールドを上記ダブル・シールド・ケーブルの外部導体として、上記第２巻線シールドを上記ダブル・シールド・ケーブルの内部導体として、上記第２巻線を上記ダブル・シールド・ケーブルの中心導体として含み、
上記第１巻線が上記ダブル・シールド・ケーブルの外部のワイヤであることを特徴とする請求項１記載のアイソレーションＤＣ・ＤＣスイッチング電源。
上記アイソレーション電力トランスが同軸ケーブルを更に含み、
上記同軸ケーブルが、上記第１巻線シールドを上記同軸ケーブルの外部導体として含むと共に、上記同軸ケーブルの中心導体が第２巻線シールド及び第２巻線であり、上記第１巻線が上記同軸ケーブルの外部のワイヤであることを特徴とする請求項１記載のアイソレーションＤＣ・ＤＣスイッチング電源。
上記アイソレーション電力トランスが同軸ケーブルを更に含み、
上記同軸ケーブルの外部導体が上記第１巻線及び上記第１巻線シールドであり、
上記同軸ケーブルの中心導体が第２巻線シールド及び第２巻線であることを特徴とする請求項１記載のアイソレーションＤＣ・ＤＣスイッチング電源。