JP2016165176A - 絶縁型スイッチング電源 - Google Patents

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Abstract

【課題】小型でスイッチング損失が少ない絶縁型スイッチング電源を低コストで提供する。【解決手段】本発明の絶縁型スイッチング電源は、絶縁トランスＴ１を構成する一次巻線Ｌ１１がパターンで形成された第１回路基板１０と、絶縁トランスＴ１を構成する二次巻線Ｌ２１、Ｌ２２がパターンで形成されており、二次巻線パターン部２２が第１回路基板１０の一次巻線パターン部１２に所定の間隔Ｇをもって対向するように配置された第２回路基板２０と、第１回路基板１０の一次巻線Ｌ１１及び第２回路基板２０の二次巻線Ｌ２１、Ｌ２２に挿通されて絶縁トランスＴ１を構成する磁性体からなるコア３０と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、絶縁型スイッチング電源に関する。
例えばフライバック方式、フォーワード方式、プッシュプル方式、フルブリッジ方式等の絶縁型ＤＣ−ＤＣスイッチング電源、或いは絶縁型ＡＣ−ＤＣスイッチング電源や絶縁型ＤＣ−ＡＣインバータ等、絶縁トランスで入力と出力が電気的に絶縁された絶縁型スイッチング電源が公知である。そして近年の電子機器の小型化に伴い、このような絶縁型スイッチング電源を電源とする電子機器において、その絶縁型スイッチング電源の小型化の要請が高まりつつある。
そのような要請に対応する従来技術の一例として、絶縁トランスとして多層基板トランスを用いた絶縁型スイッチング電源が公知である。多層基板トランスは、例えば表面にコイルパターンが形成された複数の基材が絶縁層を介して積層一体化されたものであり、そのコイルパターンによって一次巻線と二次巻線とが形成されている（例えば特許文献１を参照）。このような多層基板トランスを用いることによって、絶縁トランスを小型化乃至薄型化することができ、それによって絶縁型スイッチング電源の小型化が可能になる。
特開２０１０−０９３１７４号公報
絶縁型スイッチング電源においては、インバータ回路として共振型インバータを採用し、ＬＣ共振を利用したソフトスイッチングを行う場合がある。このソフトスイッチングは、ＬＣ共振を用いて、電流或いは電圧が０になるゼロクロス点でスイッチングを行うことでスイッチング損失を低減させる技術である。ＬＣ共振を利用したソフトスイッチングにおいては、ＬＣ共振回路を構成するコイルとコンデンサの定数を適切な定数に設定することによって、電流或いは電圧が０になるゼロクロス点でのスイッチングを実現することができる。
しかしながらＬＣ共振を利用したソフトスイッチングは、ＬＣ共振回路を構成するコンデンサとコイルがインバータ回路に必要となる。特にＬＣ共振回路のコイルとして用いられるチョークコイルは、一般に寸法が大きくて高価である場合が多く、絶縁型スイッチング電源のコストの増加や大型化といった課題を招来する虞がある。
このような状況に鑑み本発明はなされたものであり、その目的は、小型でスイッチング損失が少ない絶縁型スイッチング電源を低コストで提供することにある。
＜本発明の第１の態様＞
本発明の第１の態様は、絶縁トランスを構成する一次巻線がパターンで形成された第１回路基板と、前記絶縁トランスを構成する二次巻線がパターンで形成されており、前記二次巻線が形成されている部分が前記第１回路基板の前記一次巻線が形成された部分に所定の間隔をもって対向するように配置された第２回路基板と、前記第１回路基板の前記一次巻線及び前記第２回路基板の前記二次巻線に挿通されて前記絶縁トランスを構成する磁性体からなるコアと、を備える、絶縁型スイッチング電源である。
絶縁トランスを構成する一次巻線は、第１回路基板にパターンで形成されており、他方、絶縁トランスを構成する二次巻線は、第２回路基板にパターンで形成されている。そして第１回路基板の一次巻線が形成された部分と第２回路基板の二次巻線が形成された部分は、所定の間隔をもって対向するように配置されている。したがって第１回路基板と第２回路基板との間隔を調整することによって、絶縁トランスの一次巻線と二次巻線との結合度（結合係数）を調整することができ、それによって絶縁トランスの漏れインダクタンスを所望の値に調整することができる。
前述したように絶縁型スイッチング電源においては、ＬＣ共振を利用したソフトスイッチングによって、電流或いは電圧が０になるゼロクロス点でのスイッチングによるスイッチング損失の低減を実現することができる。そして本発明は、ＬＣ共振を利用したソフトスイッチングにおいて、この絶縁トランスの漏れインダクタンスを利用することができる。つまりＬＣ共振のインダクタンスとして、あるいはＬＣ共振のインダクタンスの一部として、絶縁トランスの漏れインダクタンスを利用することができる。そして第１回路基板と第２回路基板との間隔を調整することで、絶縁トランスの漏れインダクタンスを所望の値に調整することができるので、ソフトスイッチングのＬＣ共振回路の定数を高精度に適切な定数に設定することができる。
このように本発明に係る絶縁型スイッチング電源は、絶縁トランスの漏れインダクタンスをソフトスイッチングのＬＣ共振に利用することを可能にする。つまり本発明に係る絶縁型スイッチング電源は、一般に寸法が大きくて高価なチョークコイルの実装を不要とし、或いはチョークコイルを従来よりも小型化して、ＬＣ共振を利用したソフトスイッチングを行うことを可能にする。それによって絶縁型スイッチング電源において、ゼロクロス点でのスイッチングによるスイッチング損失の低減を実現しつつ、コストの増加や大型化が生ずる虞を低減することができる。
これにより本発明の第１の態様によれば、小型でスイッチング損失が少ない絶縁型スイッチング電源を低コストで提供できるという作用効果が得られる。
＜本発明の第２の態様＞
本発明の第２の態様は、前述した本発明の第１の態様において、前記第１回路基板はインバータ回路を含み、前記第２回路基板はコンバータ回路を含む、絶縁型スイッチング電源である。
本発明の第２の態様によれば、一次側（入力側）の回路を構成するインバータ回路を第１回路基板に実装し、二次側（出力側）の回路を構成するコンバータ回路を第２回路基板に実装することによって、より効率的な省スペース化が可能になる。それによって絶縁型スイッチング電源のさらなる小型化及び低コスト化を実現することができる。
＜本発明の第３の態様＞
本発明の第３の態様は、前述した本発明の第１の態様又は第２の態様において、前記第１回路基板と前記第２回路基板との間に設けられ、前記第１回路基板の前記一次巻線が形成された部分と前記第２回路基板の前記二次巻線が形成された部分との間隔を所定の間隔に規定する間隔規定部材をさらに備える、絶縁型スイッチング電源である。
本発明の第３の態様によれば、間隔規定部材は、第１回路基板の一次巻線が形成された部分と第２回路基板の二次巻線が形成された部分との間に介在して、その間隔を直接的に規定する。それによって絶縁トランスの漏れインダクタンスをさらに高精度に所望の値に設定することができる。
本発明によれば、小型でスイッチング損失が少ない絶縁型スイッチング電源を低コストで提供できるという作用効果が得られる。
本発明に係る絶縁型スイッチング電源の回路の要部を図示した回路図。 本発明に係る絶縁型スイッチング電源の要部を図示した斜視図。 本発明に係る絶縁型スイッチング電源の要部を図示した分解斜視図。 本発明に係る絶縁型スイッチング電源の要部を図示した正面図。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
尚、本発明は、以下説明する実施例に特に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変形が可能であることは言うまでもない。
図１は、本発明に係る絶縁型スイッチング電源の回路の要部を図示した回路図である。
本発明に係る絶縁型スイッチング電源の一例は、フルブリッジ方式の絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータである。ただし本発明に係る絶縁型スイッチング電源は、フルブリッジ方式の絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータに特に限定されるものではない。例えばフライバック方式、フォーワード方式、プッシュプル方式等の様々な形式の絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて本発明は実施可能であり、さらに絶縁型ＡＣ−ＤＣコンバータ、絶縁型ＤＣ−ＡＣインバータ等においても本発明は実施可能である。
本発明に係る絶縁型スイッチング電源は、インバータ回路１１、コンバータ回路２１及び絶縁トランスＴ１を備える。
インバータ回路１１は、電界効果トランジスタ（Field Effect Transistor：ＦＥＴ）Ｑ１〜Ｑ４、コンデンサＣ１〜Ｃ５を含む。スイッチング素子としての電界効果トランジスタＱ１〜Ｑ４は、公知のフルブリッジインバータ回路を構成する。電界効果トランジスタＱ１〜Ｑ４は、図示していない制御回路が出力するゲート信号によって同時にＯＮ／ＯＦＦされ、電界効果トランジスタＱ１、Ｑ４に対して電界効果トランジスタＱ２、Ｑ３が逆位相となるようにＯＮ／ＯＦＦされる。コンデンサＣ１は、入力＋端子ＶＩＮ＋と入力−端子ＶＩＮ−との間に接続されている。コンデンサＣ２〜Ｃ４は、電界効果トランジスタＱ１〜Ｑ４のそれぞれのソース・ドレイン端子間に並列に接続されており、ソフトスイッチングにおけるＬＣ共振回路を構成する。フルブリッジインバータ回路で発生した交流電流は、絶縁トランスＴ１を介してコンバータ回路２１へ流れる。
尚、コンデンサＣ２〜Ｃ４は、電界効果トランジスタＱ１〜Ｑ４のドレイン−ソース間の寄生容量で構成してもよい。
さらにインバータ回路１１は、漏れインダクタンスＬ１を含む。漏れインダクタンスＬ１は、チョークコイル等の実装された電子部品として存在するものではなく、コイルと等価な成分として絶縁トランスＴ１の一次側に生ずるインダクタンス成分である。漏れインダクタンスＬ１は、コンデンサＣ２〜Ｃ４とともにソフトスイッチングにおけるＬＣ共振回路を構成する。
コンバータ回路２１は、電界効果トランジスタＱ５、Ｑ６、コイルＬ２、コンデンサＣ６を含む。電界効果トランジスタＱ５、Ｑ６は、図示していない制御回路が出力するゲート信号によってＯＮ／ＯＦＦされ、コイルＬ２及びコンデンサＣ６とともに公知の同期整流回路を構成する。この同期整流回路で所定の直流電圧に変換された電力は、出力＋端子ＶＯＵＴ＋と出力−端子ＶＯＵＴ−から出力される。
絶縁トランスＴ１は、一次巻線Ｌ１１、二次巻線Ｌ２１、Ｌ２２、コア３０を含む。一次巻線Ｌ１１は、電界効果トランジスタＱ１のソース端子と電界効果トランジスタＱ２のドレイン端子との接続点に巻き終わり端が接続されており、電界効果トランジスタＱ３のソース端子と電界効果トランジスタＱ４のドレイン端子との接続点に巻き始め端が接続されている。二次巻線Ｌ２１、Ｌ２２は、二次巻線Ｌ２１の巻き終わり端と二次巻線Ｌ２２の巻き始め端とが接続されており、その接続点（センタータップ）がコイルＬ２の一端側に接続されている。二次巻線Ｌ２１の巻き始め端は、電界効果トランジスタＱ６のドレイン端子に接続されている。二次巻線Ｌ２２の巻き終わり端は、電界効果トランジスタＱ５のドレイン端子に接続されている。
図２は、本発明に係る絶縁型スイッチング電源の要部を図示した斜視図であり、図３は、その分解斜視図であり、図４は、その正面図である。
本発明に係る絶縁型スイッチング電源は、第１回路基板１０、第２回路基板２０、コア３０及び複数のスペーサ４１を備える。
第１回路基板１０は、インバータ回路１１が実装されている。より具体的には第１回路基板１０は、インバータ回路１１を構成する電界効果トランジスタＱ１〜Ｑ４が実装されている。また第１回路基板１０は、インバータ回路１１を構成するコンデンサＣ１〜Ｃ５が実装されている（図２〜図４においては図示省略）。さらに第１回路基板１０は、多層基板であり、絶縁トランスＴ１を構成する一次巻線Ｌ１１がパターンで形成されている。
第２回路基板２０は、コンバータ回路２１が実装されている。より具体的には第２回路基板２０は、コンバータ回路２１を構成する電界効果トランジスタＱ５、Ｑ６が実装されている。また第２回路基板２０は、コンバータ回路２１を構成するコイルＬ２及びコンデンサＣ６が実装されている（図２〜図４においては図示省略）。さらに第２回路基板２０は、多層基板であり、絶縁トランスＴ１を構成する二次巻線Ｌ２１、Ｌ２２がパターンで形成されている。
第１回路基板１０と第２回路基板２０は、第１回路基板１０の一次巻線Ｌ１１がパターンで形成された部分１２（以下、「一次巻線パターン部１２」という。）と第２回路基板２０の二次巻線Ｌ２１、Ｌ２２がパターンで形成された部分２２（以下、「二次巻線パターン部２２」という。）が所定の間隔Ｇをもって対向するように配置されている。第１回路基板１０の一次巻線パターン部１２は、一次巻線Ｌ１１の内側に対応する部分に矩形形状の挿通孔１３が形成されている。第２回路基板２０の二次巻線パターン部２２は、二次巻線Ｌ２１、Ｌ２２の内側に対応する部分に、第１回路基板１０の挿通孔１３と同じ形状で同じ大きさの挿通孔２３が形成されている。
コア３０は、絶縁トランスＴ１を構成する磁性体で形成された部材であり、第１コア部３１と第２コア部３２とで構成されている。第１コア部３１は、矩形柱体形状の突部３１１が中央に形成されている。コア３０は、第１回路基板１０の挿通孔１３及び第２回路基板２０の挿通孔２３に、第１コア部３１の突部３１１が挿通された状態で配置されている。
「間隔規定部材」としての複数のスペーサ４１は、第１回路基板１０と第２回路基板２０との間に設けられている。複数のスペーサ４１は、第１回路基板１０の一次巻線Ｌ１１が形成された一次巻線パターン部１２と第２回路基板２０の二次巻線Ｌ２１、Ｌ２２が形成された二次巻線パターン部２２との間隔を所定の間隔Ｇに規定する部材である。第１回路基板１０と第２回路基板２０は、この複数のスペーサ４１にそれぞれネジ止め固定されて連結されている。
尚、「間隔規定部材」としては、特にスペーサ４１に限定されないのは言うまでもなく、第１回路基板１０と第２回路基板２０との間隔を所定の間隔Ｇに規定できる部材であれば、どのような部材でもよく、例えば第１回路基板１０と第２回路基板２０との間に絶縁シート等を介在させるようにしてもよい。
以上説明した本発明に係る絶縁型スイッチング電源において、絶縁トランスＴ１を構成する一次巻線Ｌ１１は、第１回路基板１０にパターンで形成されており、他方、絶縁トランスＴ１を構成する二次巻線Ｌ２１、Ｌ２２は、第２回路基板２０にパターンで形成されている。そして第１回路基板１０の一次巻線Ｌ１１が形成された一次巻線パターン部１２と第２回路基板２０の二次巻線Ｌ２１、Ｌ２２が形成された二次巻線パターン部２２は、所定の間隔Ｇをもって対向するように配置されている。
したがって第１回路基板１０と第２回路基板２０との間隔Ｇを調整することによって、絶縁トランスＴ１の一次巻線Ｌ１１と二次巻線Ｌ２１、Ｌ２２との結合度（結合係数）を調整することができ、それによって絶縁トランスＴ１の漏れインダクタンスＬ１を所望の値に調整することができる。より具体的には、例えば複数のスペーサ４１の長さを調節することによって、その間隔Ｇを調整することができる。また複数のスペーサ４１は、第１回路基板１０の一次巻線パターン部１２と第２回路基板２０の二次巻線パターン部２２との間に介在して、その間隔Ｇを直接的に規定する。それによって絶縁トランスＴ１の漏れインダクタンスＬ１をさらに高精度に所望の値に設定することができる。
そして本発明に係る絶縁型スイッチング電源は、ＬＣ共振を利用したソフトスイッチングにおいて、この絶縁トランスＴ１の一次側の漏れインダクタンスＬ１を利用することができる。つまりＬＣ共振のインダクタンスとして、あるいはＬＣ共振のインダクタンスの一部として、絶縁トランスＴ１の一次側の漏れインダクタンスＬ１を利用することができる。第１回路基板１０と第２回路基板１０との間隔Ｇを調整することで、絶縁トランスＴ１の一次側の漏れインダクタンスＬ１を所望の値に調整することができるので、ソフトスイッチングのＬＣ共振回路の定数を高精度に適切な定数に設定することができる。
このように本発明に係る絶縁型スイッチング電源は、絶縁トランスＴ１の一次側の漏れインダクタンスＬ１をソフトスイッチングのＬＣ共振に利用することを可能にする。つまり本発明に係る絶縁型スイッチング電源は、一般に寸法が大きくて高価なチョークコイルの実装を不要とし、或いはチョークコイルを従来よりも小型化して、ＬＣ共振を利用したソフトスイッチングを行うことを可能にする。それによって絶縁型スイッチング電源において、ゼロクロス点でのスイッチングによるスイッチング損失の低減を実現しつつ、コストの増加や大型化が生ずる虞を低減することができる。よって本発明によれば、小型でスイッチング損失が少ない絶縁型スイッチング電源を低コストで提供することができる。
また本発明においては、上記説明した実施例のように、一次側（入力側）の回路を構成するインバータ回路１１を第１回路基板１０に実装し、二次側（出力側）の回路を構成するコンバータ回路２１を第２回路基板２０に実装するのが好ましい。それによって、より効率的な省スペース化が可能になるので、絶縁型スイッチング電源のさらなる小型化及び低コスト化を実現することができる。
さらに本発明によれば、絶縁トランスＴ１を構成する一次巻線Ｌ１１と二次巻線Ｌ２１、Ｌ２２が、第１回路基板１０と第２回路基板２０にそれぞれ設けられて分離されているので、絶縁トランスＴ１で発生する熱を効率的に放熱することができる。それによって絶縁トランスＴ１の放熱部品の小型化等が可能になるので、絶縁型スイッチング電源のコストをさらに低減することが可能になる。また上記のような構成を採用することによって、一次巻線Ｌ１１と二次巻線Ｌ２１、Ｌ２２のパターンの厚みや形状等を個別に設定することが可能になり、設計の自由度を向上させることができる。さらに上記のような構成を採用することによって、多層基板で絶縁トランスＴ１を構成する上で、層数が比較的少ない多層基板を用いることが可能になるので、多層基板による絶縁トランスＴ１の製造コストを大幅に低減することができる。
１０ 回路基板
１１ インバータ回路
２０ 回路基板
２１ コンバータ回路
３０ コア
４１ スペーサ
Ｃ１〜Ｃ６ コンデンサ
Ｌ１ 漏れインダクタンス
Ｌ２ コイル
Ｌ１１ 一次巻線
Ｌ２１、Ｌ２２ 二次巻線
Ｑ１〜Ｑ６ 電界効果トランジスタ
Ｔ１ 絶縁トランス

Claims (3)

  1. 絶縁トランスを構成する一次巻線がパターンで形成された第１回路基板と、
    前記絶縁トランスを構成する二次巻線がパターンで形成されており、前記二次巻線が形成されている部分が前記第１回路基板の前記一次巻線が形成された部分に所定の間隔をもって対向するように配置された第２回路基板と、
    前記第１回路基板の前記一次巻線及び前記第２回路基板の前記二次巻線に挿通されて前記絶縁トランスを構成する磁性体からなるコアと、を備える、絶縁型スイッチング電源。
  2. 請求項１に記載の絶縁型スイッチング電源において、前記第１回路基板はインバータ回路を含み、前記第２回路基板はコンバータ回路を含む、絶縁型スイッチング電源。
  3. 請求項１又は２に記載の絶縁型スイッチング電源において、前記第１回路基板と前記第２回路基板との間に設けられ、前記第１回路基板の前記一次巻線が形成された部分と前記第２回路基板の前記二次巻線が形成された部分との間隔を所定の間隔に規定する間隔規定部材をさらに備える、絶縁型スイッチング電源。
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