JP2016009799A - スイッチング電源用トランス - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング電源用トランスが備える複数の巻線が相互に及ぼす影響を抑制することを目的とする。
【解決手段】１次巻線１８、２次巻線２０および補助巻線２２と、磁性体によって形成された中央コア５８と、磁性体によって形成され、中央コア５８の先端に対向する側面を有し、中央コア５８の先端との間にギャップ６２を形成するＩ形状コア５０とを備える。補助巻線２２は、中央コア５８の先端近傍、または中央コア５８の先端におけるギャップ６２近傍に配置され、１次巻線１８および２次巻線２０は、補助巻線２２の外側に配置されている。１次巻線１８には、スイッチング制御に応じた電流を流す電源部が接続される。２次巻線２０には、負荷回路を含む負荷部が接続される。補助巻線２２には、電源部に対するスイッチング制御を行う制御部が接続される。
【選択図】図２

Description

本発明は、スイッチング電源用トランスに関し、特に、巻線の構造の改良に関する。

スイッチング制御に応じた電力を出力するスイッチング電源装置が広く用いられている。スイッチング電源装置はトランスを備え、トランスの１次巻線に流れる電流をスイッチングすることで、１次巻線に磁気的に結合する２次巻線に誘導起電力を発生させる。これによって、２次巻線に接続された負荷回路に電力が供給される。電流をスイッチングする際のデューティ比を変化させることで、２次巻線に発生する誘導起電力が調整され、負荷回路に供給される電力が調整される。

１次巻線に流れる電流をスイッチングするため、スイッチング電源装置は、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ等のスイッチング素子と、スイッチング素子をオンオフ制御する制御回路を備える。制御回路が動作するためには電源電力が必要である。そこで、２次巻線から出力される電力の一部を制御回路に供給するスイッチング電源装置がある。また、特許文献１に記載されているように、１次巻線に磁気的に結合する補助巻線を設け、補助巻線に発生する誘導起電力に基づいて制御回路に電源電力を供給するスイッチング電源装置がある。

特開２０１３−２２９９９０号公報

特許文献１に記載されているスイッチング電源装置では、負荷回路に流れる電流が変動した場合、１次巻線および２次巻線に鎖交する磁束のみならず、補助巻線に鎖交する磁束も変動する。これによって、制御回路に印加される電源電圧が変動し、制御回路への電気的負担が大きくなる場合がある。

そこで、特許文献１に記載のスイッチング電源装置では、１次巻線が補助巻線と重ならないように配置されている。これによって、補助巻線と１次巻線との磁気的結合が弱められ、制御回路に印加される電源電圧の変動が抑制される。しかし、特許文献１に記載のスイッチング電源装置では、コアの形状や、コアと補助巻線との位置関係によっては、制御回路に印加される電源電圧の変動が十分に抑制されない場合がある。

本発明は、スイッチング電源用トランスが備える１つの巻線が他の巻線に及ぼす影響を抑制することを目的とする。

本発明は、１次巻線、２次巻線および３次巻線と、磁性体によって形成された第１柱状コアと、磁性体によって形成され、前記第１柱状コアの先端に対向する側面を有し、前記第１柱状コアの先端との間にギャップを形成する第２柱状コアと、を備え、前記３次巻線は、前記第１柱状コアの先端近傍、または、前記第１柱状コアの先端におけるギャップ近傍に配置され、前記１次巻線および前記２次巻線は、前記第１柱状コアから見て、前記３次巻線の外側に配置されていることを特徴とする。

望ましくは、スイッチング制御に応じた電力を出力する電源部と、前記電源部に対するスイッチング制御を行う制御部と、負荷回路を含む負荷部と、が接続され、前記１次巻線に前記電源部が接続され、前記２次巻線に前記負荷部が接続され、前記３次巻線に前記制御部が接続される。

望ましくは、前記１次巻線は、前記第１柱状コアから見て、前記３次巻線の外側に配置され、前記２次巻線は、前記第１柱状コアから見て、前記１次巻線の外側に配置されている。

望ましくは、方向を揃えて配列された３本の柱状コアおよび当該３本の柱状コアの各一端を結ぶ基幹柱状コアを含むＥ形状コアを備え、前記第２柱状コアの側面は、前記３本の柱状コアの各開放端に対向する側面を有し、各開放端との間にギャップを形成し、前記第１柱状コアは、前記３本の柱状コアのうちの中央の柱状コアである。

本発明によれば、スイッチング電源用トランスが備える１つの巻線が他の巻線に及ぼす影響を抑制することができる。

本発明の実施形態に係るスイッチング電源装置を示す図である。 トランスの構成を示す図である。 トランスに現れる磁束を示す図である。 トランスに現れる磁束を示す図である。 制御回路に出力される電源電圧と、負荷電流との関係を概念的に示す図である。

図１には、本発明の実施形態に係るスイッチング電源装置が示されている。スイッチング電源装置は、トランス１０、電源部１２、負荷部１４、フィードバック部２６、および制御部１６を備える。電源部１２は、トランス１０の１次巻線１８に接続されている。負荷部１４は、トランス１０の２次巻線２０に接続されている。制御部１６は、トランス１０の３次巻線、すなわち、補助巻線２２に接続されている。

スイッチング電源装置は、１次巻線１８に流れる電流をスイッチングすることで、２次巻線２０および補助巻線２２に誘導起電力を発生させる。２次巻線２０に発生した誘導起電力に基づく電力が、負荷部１４における負荷回路２４に供給され、補助巻線２２に発生した誘導起電力に基づく電力が、制御部１６における制御回路２８に供給される。

制御部１６は、負荷回路２４に印加される負荷電圧に応じてフィードバック制御される。すなわち、フィードバック部２６が、負荷電圧に基づいて制御部１６を制御し、制御部１６は、フィードバック部２６による制御に基づいて電源部１２をスイッチング制御する。これによって、負荷電圧は目標電圧に近付けられ、または、目標電圧に合わせられる。

各部の具体的な構成および動作について説明する。電源部１２は、電源回路３０、およびスイッチング素子としての電界効果トランジスタ３２を備える。電源回路３０の正極端子３４は１次巻線１８の一端に接続されている。１次巻線１８の他端は電界効果トランジスタ３２のドレイン端子Ｄに接続されている。電界効果トランジスタ３２のソース端子Ｓは電源回路３０の負極端子３６に接続されている。電界効果トランジスタ３２のゲート端子Ｇは制御回路２８に接続されている。電界効果トランジスタ３２の代わりに、バイポーラトランジスタ等のその他のスイッチング素子が用いられてもよい。ＮＰＮ型のバイポーラトランジスタが用いられる場合、ドレイン端子Ｄが接続されている箇所にコレクタ端子が接続される。また、ソース端子Ｓが接続されている箇所にエミッタ端子が接続され、ゲート端子Ｇが接続されている箇所にベース端子が接続される。

電源回路３０は、例えば、交流電力を直流電力に変換する交流／直流コンバータ回路を備える。電源回路３０は、商用電源アウトレット３８から出力された交流電圧を直流電圧に変換し、その直流電圧を正極端子３４および負極端子３６から出力する。なお、電源回路３０は、電池を備える直流電源回路であってもよい。

電界効果トランジスタ３２は、制御回路２８からゲート端子Ｇに出力された制御信号に従ってオンオフを繰り返し、ドレイン端子Ｄから流入してソース端子Ｓから流出する電流をスイッチングする。これによって、正極端子３４から１次巻線１８および電界効果トランジスタ３２を通って、負極端子３６に至る電流がスイッチングされる。

電界効果トランジスタ３２によるスイッチングによって、１次巻線１８に流れる電流には交流成分が含まれることとなる。これによって、１次巻線１８に磁気的に結合する２次巻線２０、および１次巻線１８に磁気的に結合する補助巻線２２には誘導起電力が発生する。

負荷部１４は、整流ダイオード４０、平滑コンデンサ４２および負荷回路２４を備える。２次巻線２０の一端には、整流ダイオード４０のアノード端子が接続されている。整流ダイオード４０のカソード端子には負荷回路２４の一端が接続されている。２次巻線２０の他端には負荷回路２４の他端が接続されている。負荷回路２４の両端には、平滑コンデンサ４２が接続されている。負荷回路２４は、例えば、通信機器や産業用ロボット、工作機械等、直流電力によって動作する装置であってもよい。

２次巻線２０の両端からは、誘導起電力に基づく交流電圧が出力される。この交流電圧によって整流ダイオード４０が順方向バイアス状態となる期間においては、整流ダイオード４０が導通し、平滑コンデンサ４２の両端および負荷回路２４の両端に負荷電圧が印加される。これによって、平滑コンデンサ４２が充電されると共に、負荷回路２４に電力が供給される。２次巻線２０の両端から出力される交流電圧によって整流ダイオード４０が逆方向バイアス状態になる期間において整流ダイオード４０は遮断状態となる。この期間において、平滑コンデンサ４２は、充電電荷に基づいて負荷回路２４に電力を供給する。このように、整流ダイオード４０および平滑コンデンサ４２は平滑回路を構成し、この平滑回路の動作によって、平滑化された負荷電圧が負荷回路２４に出力され、負荷回路２４に直流電力が供給される。

制御部１６は、整流ダイオード４４、平滑コンデンサ４６および制御回路２８を備える。補助巻線２２の一端には、整流ダイオード４４のアノード端子が接続されている。整流ダイオード４４のカソード端子には制御回路２８の正極電源端子４５が接続されている。補助巻線２２の他端には制御回路２８の負極電源端子４７が接続されている。制御回路２８の正極電源端子４５と負極電源端子４７との間には、平滑コンデンサ４６が接続されている。

補助巻線２２の両端からは、誘導起電力に基づく交流電圧が出力される。この交流電圧によって整流ダイオード４４が順方向バイアス状態となる期間においては、整流ダイオード４４が導通し、平滑コンデンサ４６の両端、および、制御回路２８の正極電源端子４５と負極電源端子４７との間に電源電圧が印加される。これによって、平滑コンデンサ４６が充電されると共に、制御回路２８に電力が供給される。補助巻線２２の両端から出力される交流電圧によって整流ダイオード４４が逆方向バイアス状態になる期間において整流ダイオードは遮断状態となる。この期間において、平滑コンデンサ４６は、充電電荷に基づいて制御回路２８に電力を供給する。このように、整流ダイオード４４および平滑コンデンサ４６は平滑回路を構成し、この平滑回路の動作によって、平滑化された電源電圧が制御回路２８に出力され、制御回路２８に直流電力が供給される。

フィードバック部２６は、負荷回路２４に出力される負荷電圧を検出する。そして、負荷電圧から目標電圧を減算した制御値を示すフィードバック情報を制御回路２８に出力する。制御回路２８は、制御値を０に近づけるか、または制御値を０に合わせる制御信号を生成し、電界効果トランジスタ３２のゲート端子Ｇに出力する。これによって、制御回路２８は、負荷電圧を目標電圧に近付けるデューティ比、または、負荷電圧を目標電圧に合わせるデューティ比で、電界効果トランジスタ３２をスイッチング制御する。ここで、デューティ比とは、電界効果トランジスタ３２をオンオフする１周期に対する、電界効果トランジスタ３２をオンにする時間の比率として定義される。

スイッチング電源装置によれば、商用電源アウトレット３８から出力された交流電圧が適切な値を有する直流電圧に変換され、その直流電圧が負荷回路２４に出力される。また、目標電圧を変更した上でフィードバック制御を行うことにより、負荷回路２４に出力される直流電圧を調整することができる。

次に、トランス１０の構成について説明する。図２に示されていように、トランス１０は、Ｅ形状コア４８、Ｉ形状コア５０、１次巻線１８、２次巻線２０、補助巻線２２およびボビン６４を備える。各巻線およびボビン６４については断面が示されている。また、各巻線の断面は、当業者において広く用いられている図形によって模式的に表されている。

Ｅ形状コア４８は、基幹コア５６、外側コア５２−１、外側コア５２−２、および中央コア５８によって構成されている。これらのコアは磁性体によって柱状に形成されている。ここでは、これらのコアは四角柱形状であるものとする。基幹コア５６は横方向に伸び、外側コア５２−１、中央コア５８および外側コア５２−２は、縦方向に伸びている。

外側コア５２−１の上端は、基幹コア５６の左端の下側面に接続され、外側コア５２−２の上端は、基幹コア５６の右端の下側面に接続されている。また、中央コア５８の上端は、基幹コア５６の中央部の側面に接続されている。すなわち、基幹コア５６の両端からは、下方向に外側コア５２−１および外側コア５２−２が伸び、基幹コア５６の中央部からは、下方向に中央コア５８が伸び、Ｅ形状の磁性体部材が形成されている。

ボビン６４は、第１平板部６６、第２平板部６８、および筒形状部７０を備える。ボビン６４は、プラスチック樹脂等の非磁性体によって形成されている。第１平板部６６および第２平板部６８は、それぞれの板面が対向するように配置され、筒形状部７０によって接合されている。第１平板部６６の下面、第２平板部６８の上面および筒形状部７０の側面によって、各巻線が巻かれる溝が形成されている。第１平板部６６および第２平板部６８には、筒形状部７０の開口と一致する穴が開けられている。各巻線が巻かれた状態で、筒形状部７０の筒穴には中央コア５８が挿入され、筒形状部７０は中央コア５８を囲む。ボビン６４は、外側コア５２−１、基幹コア５６、中央コア５８に囲まれる領域、および、外側コア５２−２、基幹コア５６、中央コア５８に囲まれる領域に収容される。

Ｉ形状コア５０は柱状に形成されている。ここでは、Ｉ形状コア５０は四角柱形状であるものとする。Ｉ形状コア５０は横方向に延伸し、外側コア５２−１、中央コア５８、および外側コア５２−２のそれぞれの先端（開放端）に対向する側面を有する。Ｉ形状コア５０は、外側コア５２−１、中央コア５８および外側コア５２−２のそれぞれの先端との間に、それぞれギャップ６０−１、ギャップ６２およびギャップ６０−２を形成する。コアの先端と、Ｉ形状コア５０との間の距離として定義されるギャップ長を調整することで、コアに巻かれる巻線が伴うインダクタンスが調整される。また、コアの磁気飽和が生じるときの各巻線に流れる電流の大きさである電流閾値が調整される。これによって、トランス１０の設計の自由度が高められる。

補助巻線２２は、筒形状部７０の側面の下方に巻かれている。これによって、補助巻線２２は、中央コア５８の先端近傍、または、ギャップ６２の近傍に位置する。ボビン６４に形成されている溝の領域のうち、補助巻線２２が巻かれた領域よりも上方の領域は、巻線が設けられない隙間領域２３とされる。隙間領域２３には絶縁体が設けられてもよい。この絶縁体は、例えば、筒形状部７０に巻き付けられた絶縁テープによって形成されてもよい。

中央コア５８から見て補助巻線２２および隙間領域２３の外側には、１次巻線１８が巻かれている。さらに、１次巻線１８の外側には、２次巻線２０が巻かれている。図２には、１次巻線１８および２次巻線２０が、上下方向に一様に巻かれた例が示されているが、１次巻線１８または２次巻線２０は、上下方向のいずれかの位置に集中して巻かれてもよい。１次巻線１８または２次巻線２０がいずれかの位置に集中して巻かれた場合、巻線が存在しない隙間領域が生じる。このような隙間領域には絶縁体が設けられてもよい。この絶縁体は、例えば、中央コア５８を中心として巻かれた絶縁テープによって形成されてもよい。

１次巻線１８を形成する導線の両端部はトランス１０から引き出され、上述の電源部１２に接続されている。また、２次巻線２０を形成する導線の両端部はトランス１０から引き出され、上述の負荷部１４に接続されている。そして、補助巻線２２を形成する導線の両端部はトランス１０から引き出され、上述の制御部１６に接続されている。

１次巻線１８に流れる電流がスイッチングされることにより、Ｅ形状コア４８およびＩ形状コア５０によって形成される磁路には、大きさが時間変化する磁束が発生する。すなわち、中央コア５８からギャップ６２を通って、Ｉ形状コア５０の左側部分を通り、さらに、ギャップ６０−１、外側コア５２−１、および基幹コア５６の左側部分を通って中央コア５８に戻る磁路に大きさが時間変化する磁束が発生する。また、中央コア５８からギャップ６２を通って、Ｉ形状コア５０の右側部分を通り、さらに、ギャップ６０−２、外側コア５２−２、および基幹コア５６の右側部分を通って中央コア５８に戻る磁路に大きさが時間変化する磁束が発生する。ここで、磁束（Ｗｂ）は、磁路の透磁率および磁路の断面積を磁界（Ａ／ｍ）に乗じた値として定義される。

各磁路を通る磁束は、２次巻線２０および補助巻線２２に鎖交し、２次巻線２０および補助巻線２２に誘導起電力を発生させる。２次巻線２０は、誘導起電力に基づく交流電圧を負荷部１４に出力し、補助巻線２２は、誘導起電力に基づく交流電圧を制御部１６に出力する。

一般に、磁気的に結合する複数の巻線を有するトランスにおいては、１つの巻線に流れる電流が変動した場合、他の巻線に鎖交する磁束が変動し、他の巻線から出力される電圧が変動する。これによって、１つの巻線に流れる電流が急激に変化した場合には、他の巻線に接続された電気回路に過大な電圧が印加される等、他の巻線に接続された電気回路の電気負担が大きくなることがある。

本実施形態に係るトランス１０の構造によれば、次に説明する原理によって、補助巻線２２から出力される電圧の変動が抑制される。

図３および図４には、トランス１０と共に、磁束Φが破線によって示されている。各図には、補助巻線２２の他、補助巻線２２の仮想的な巻き位置Ａおよび巻き位置Ｂが破線によって示されている。また、以下の説明では、本実施形態に係る補助巻線２２の巻き位置をＣとする。図３には、２次巻線２０に流れる電流が十分小さく、Ｅ形状コア４８の各開放端の近傍で生じる漏れ磁束がほとんど認められない場合の磁束Φが示されている。図４は、２次巻線２０および負荷部１４に流れる負荷電流が大きくなって、Ｅ形状コア４８の各開放端の近傍で漏れ磁束が生じた場合の磁束Φが示されている。

図３に示されているように、２次巻線２０に流れる電流が十分小さい場合には、補助巻線２２が、巻き位置Ａ、巻き位置Ｂおよび巻き位置Ｃのいずれにある場合であっても、補助巻線２２に鎖交する磁束の大きさに大きな違いはない。しかし、負荷部１４に流れる電流が大きくなり、Ｅ形状コア４８およびＩ形状５０を通る磁界が大きくなると、Ｅ形状コア４８を構成する外側コア５２−１、中央コア５８および外側コア５２−２のそれぞれの開放端の近傍において磁気飽和が生じる。これによって、各開放端の近傍において透磁率が低下し、各開放端の近傍での漏れ磁束が大きくなる。

漏れ磁束が大きい巻き位置Ｃに補助巻線２２を配置した場合、漏れ磁束が小さい巻き位置Ａまたは巻き位置Ｂに補助巻線２２を配置した場合に比べて、補助巻線２２に鎖交する磁束は小さくなる。したがって、本実施形態においては、漏れ磁束が発生する程度に負荷電流が増加した場合には、補助巻線２２を巻き位置Ａまたは巻き位置Ｂに配置した場合に比べて、負荷電流の変動に対する、補助巻線２２から出力される電圧の変動が小さくなる。

図５には、巻き位置Ａ、巻き位置Ｂおよび巻き位置Ｃのそれぞれについて、制御回路２８に出力される電源電圧と、負荷電流との関係が概念的に示されている。横軸は負荷電流を示し、縦軸は制御回路２８に対する電源電圧を示している。負荷電流が飽和閾値Ｉｃを超えると、Ｅ形状コア４８の各開放端近傍で磁気飽和が始まり、漏れ磁束が大きくなる。負荷電流が、飽和閾値Ｉｃ以下である場合には、巻き位置Ａ、巻き位置Ｂおよび巻き位置Ｃについて、負荷電流の変動に対する電源電圧の変動に大きな相違は見られない。負荷電流が、飽和閾値Ｉｃを超えた場合には、補助巻線２２を巻き位置Ｃに配置した方が、補助巻線２２を巻き位置Ａまたは巻き位置Ｂに配置した場合よりも傾きが小さくなり、負荷電流の変動に対する電源電圧の変動が小さくなる。

本発明に係るスイッチング電源装置によれば、中央コア５８の先端近傍、または、ギャップ６２の近傍に補助巻線２２を配置することで、補助巻線２２から制御部１６に出力される電圧が負荷電流の変動に基づいて変動する度合いを小さくすることができる。これによって、制御部１６に対する電気的負担を軽減することができる。また、制御部１６には、電源電圧の変動を抑制するためのダンピング抵抗器や、安定化電源回路等を必ずしも設けなくてもよいため、制御部１６の構成が単純化される。

このように、本発明に係るスイッチング電源用のトランス１０によれば、コアにギャップを設けて設計の自由度を高めると共に、ギャップ近傍の磁束に対する特性を積極的に利用して、補助巻線２２から制御部１６に出力される電圧の変動を抑制するという効果が得られる。

上記では、補助巻線２２の外側に１次巻線１８を配置し、１次巻線１８の外側に２次巻線２０を配置した実施形態について説明した。このような構成の他、補助巻線２２の外側に２次巻線２０を配置し、２次巻線２０の外側に１次巻線１８を配置した構成を採用してもよい。

１０ トランス、１２ 電源部、１４ 負荷部、１６ 制御部、１８ １次巻線、２０ ２次巻線、２２ 補助巻線、２３ 隙間領域、２４ 負荷回路、２６ フィードバック部、２８ 制御回路、３０ 電源回路、３２ 電界効果トランジスタ、３４ 正極端子、３６ 負極端子、３８ 商用電源アウトレット、４０，４４ 整流ダイオード、４２，４６ 平滑コンデンサ、４５ 正極電源端子、４７ 負極電源端子、４８ Ｅ形状コア、５０ Ｉ形状コア、５２−１，５２−２ 外側コア、５６ 基幹コア、５８ 中央コア、６０−１，６０−２，６２ ギャップ、６４ ボビン、６６ 第１平板部、６８ 第２平板部、７０ 筒形状部。

Claims (4)

1. １次巻線、２次巻線および３次巻線と、
   磁性体によって形成された第１柱状コアと、
   磁性体によって形成され、前記第１柱状コアの先端に対向する側面を有し、前記第１柱状コアの先端との間にギャップを形成する第２柱状コアと、を備え、
   前記３次巻線は、前記第１柱状コアの先端近傍、または、前記第１柱状コアの先端におけるギャップ近傍に配置され、
   前記１次巻線および前記２次巻線は、前記第１柱状コアから見て、前記３次巻線の外側に配置されていることを特徴とするスイッチング電源用トランス。
2. スイッチング制御に応じた電力を出力する電源部と、
   前記電源部に対するスイッチング制御を行う制御部と、
   負荷回路を含む負荷部と、が接続される、
   請求項１に記載のスイッチング電源用トランスにおいて、
   前記１次巻線に前記電源部が接続され、前記２次巻線に前記負荷部が接続され、前記３次巻線に前記制御部が接続されることを特徴とするスイッチング電源用トランス。
3. 請求項２に記載のスイッチング電源用トランスにおいて、
   前記１次巻線は、前記第１柱状コアから見て、前記３次巻線の外側に配置され、
   前記２次巻線は、前記第１柱状コアから見て、前記１次巻線の外側に配置されていることを特徴とするスイッチング電源用トランス。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のスイッチング電源用トランスにおいて、
   方向を揃えて配列された３本の柱状コアおよび当該３本の柱状コアの各一端を結ぶ基幹柱状コアを含むＥ形状コアを備え、
   前記第２柱状コアの側面は、前記３本の柱状コアの各開放端に対向する側面を有し、各開放端との間にギャップを形成し、
   前記第１柱状コアは、前記３本の柱状コアのうちの中央の柱状コアであることを特徴とするスイッチング電源用トランス。
   

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