JP2018064009A - 変圧器およびそれを備えた電力変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】コアギャップを２箇所に設けることも無く、簡単な構成によって、コアギャップからの漏れ磁束による巻線の異常発熱を抑止可能な変圧器と、そのような変圧器を備えた電力変換器とを提供する。
【解決手段】トランス１は、磁気回路を形成するとともに、少なくとも一部にギャップが設けられたコアと、このコアに装着されたボビンと、このボビンのギャップに最も近い側に巻かれた層３１ａとこれよりギャップから遠い側に巻かれた層３１ｂとを含む２層以上に分けて巻かれた第１巻線３１と、第１巻線３１側の層３１ａと層３１ｂとの間に巻かれた第２巻線３２側の層３２ａを含み、第１巻線３１とは絶縁されている第２巻線３２とを備え、第１巻線３１の層３１ａと層３１ｂとが直列に接続されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、変圧器（トランス）およびそれを備えた電力変換器に関し、特に、絶縁型コンバータなどの電力変換器に適した巻線構造を有する変圧器およびそれを備えた電力変換器に関する。

高効率な絶縁型コンバータとして、ＬＬＣ電流共振コンバータが実用化されている。近年、太陽光パワーコンディショナーなどのように広い範囲の電圧変動が求められるコンバータにＬＬＣが用いられるケースが出てきた。その場合、広い入出力電圧範囲に対応するために、ＬＬＣの励磁電流が大きくなるように設計する必要がある。励磁電流を大きくするには、トランスの励磁インダクタンスを小さくする必要があり、トランスのギャップが大きくなる傾向があった。

また、リーケージインダクタンスが低く、サージ電圧の発生を抑制でき、ノイズを低減できるトランスが提案されていた（例えば特許文献１を参照）。

さらに、渦電流損を低減し、発熱を低減したトランスも提案されていた（例えば特許文献２を参照）。

特開２０１３− ６２３９９号公報 特開２０１０−２３２２７２号公報

特許文献１に記載されたトランスの巻線構造では、積層された各巻線層が並列で接続されていた。そのため、トランスのコアギャップが大きい場合に、そのギャップからの漏れ磁束によって並列巻線間で電流ばらつきが生じて、一部の巻線が異常発熱するという課題があった。

一方、特許文献２に記載されたトランスでは、２箇所のコアギャップをそれぞれの漏れ磁束が磁気干渉で打ち消しあうような場所に設ける必要があった。

従来技術のこのような課題に鑑み、本発明の目的は、コアギャップを２箇所に設けることも無く、簡単な構成によって、コアギャップからの漏れ磁束による巻線の異常発熱を抑止可能な変圧器と、そのような変圧器を備えた電力変換器とを提供することである。

上記目的を達成するため、本発明の変圧器は、磁気回路を形成するとともに、少なくとも一部に空隙が設けられたコアと、前記コアに装着されたボビンと、前記ボビンの前記空隙に最も近い側に巻かれた第１巻線第１層とこれより前記空隙から遠い側に巻かれた第１巻線第２層とを含む２層以上に分けて巻かれた第１巻線と、前記第１巻線第１層と前記第１巻線第２層との間に巻かれた第２巻線第１層を含み、前記第１巻線とは絶縁されている第２巻線とを備え、前記第１巻線第１層と前記第１巻線第２層とが直列に接続されていることを特徴とする。

ここで、第１巻線は、第１巻線第１層および第１巻線第２層以外の層を含む３層以上であってもよく、第２巻線も、第２巻線第１層以外の層を含む２層以上であってもよい。例えば、コアが２つの外脚および中脚を有しており、この中脚に空隙が設けられている場合、ボビンの最内側の巻線層が第１巻線第１層に該当する。逆に、２つの外脚に空隙がそれぞれ設けられている場合、ボビンの最外側の巻線層が第１巻線第１層に該当する。

このような構成の変圧器によれば、空隙からの漏れ磁束が第１巻線および第２巻線間に鎖交してもループ電流が発生し得ないので、巻線の異常発熱が抑止される。

本発明の変圧器において、前記第２巻線も２層以上に分けて巻かれ、前記第１巻線の各層と前記第２巻線の各層とが前記ボビンに交互に積層され、前記第１巻線の各層および前記第２巻線の各層がそれぞれ直列に接続されていてもよい。

このような構成の変圧器によれば、積層される層が多いほど、変圧器の第１巻線および第２巻線の結合の度合いを示す結合係数は高くなるので、漏れインダクタンスが低減される。

本発明の変圧器において、前記第１巻線の各層と前記第２巻線の各層とが前記ボビンに交互に積層され、前記第１巻線では、第１巻線特定層およびこれより前記空隙に近い側の各層が直列に接続されるとともに、前記第１巻線特定層およびこれより前記空隙から遠い側の各層が並列に接続され、前記第２巻線でも、第２巻線特定層およびこれより前記空隙に近い側の各層が直列に接続されるとともに、前記第２巻線特定層およびこれより前記空隙から遠い側の各層が並列に接続されていてもよい。

このような構成の変圧器によれば、空隙からの漏れ磁束の影響は低減しつつ、変圧器の結合係数をさらに大きくすることができる。

本発明の変圧器において、前記ボビンには、前記第１巻線または前記第２巻線の各層間の直列接続線を保持する巻線保持部が設けられていることが好ましい。

このような構成の変圧器によれば、別々の巻線とした各層を直列接続するためにはんだなどによる接続が不要となるので、工数およびスペースの削減が可能となる。

本発明の変圧器において、前記第１巻線の各層間の線の出入口と前記第２巻線の各層間の線の出入口とが離れて配置されていることが好ましい。

このような構成の変圧器によれば、第１巻線と第２巻線との間での絶縁破壊を防止できる。

なお、上述したいずれかの変圧器を備えた電力変換器も本発明の範疇である。

本発明の変圧器によれば、空隙からの漏れ磁束が第１巻線および第２巻線間に鎖交してもループ電流が発生し得ないので、巻線の異常発熱が抑止される。

また、本発明の変圧器を備えた電力変換器によれば、広い入出力電圧範囲への対応が可能となる。

本発明の第１実施形態に係るトランス１の概観構成を示す断面図である。 トランス１における巻線部３０の詳細を示す断面図である。 トランス１における第１巻線３１および第２巻線３２の各層間の電気的接続を示す断面図である。 従来のトランス１０１における第１巻線３１および第２巻線３２の各層間の電気的接続を示す断面図である。 トランス１におけるギャップ１１からの漏れ磁束Φを例示する断面図である。 従来のトランス１０１における漏れ磁束Φの影響を例示する断面図である。 トランス１における漏れ磁束Φの影響を例示する断面図である。 トランス１と従来のトランス１０１との動作時の巻線の温度上昇を例示するグラフである。 本発明の第２実施形態に係るトランス１Ａにおける第１巻線３１および第２巻線３２の各層間の電気的接続を示す断面図である。 本発明の第３実施形態に係るトランス１Ｂの概観構成と第１巻線３１および第２巻線３２の各層間の電気的接続を示す断面図である。 本発明の第４実施形態に係るトランス１Ｃの概観構成を示す断面図である。 トランス１Ｃにおける第１巻線３１の各層間の電気的接続を示す断面図である。

以下、本発明のいくつかの実施形態を、図面を参照して説明する。

＜第１実施形態＞
１．１ 概略構成
図１は本発明の第１実施形態に係るトランス１の概観構成を示す断面図である。図２はトランス１における巻線部３０の詳細を示す断面図である。

図１に示すように、トランス１は、磁気回路を形成するとともに、中脚１０ｂにギャップ１１が設けられたコア１０と、このコア１０の中脚１０ｂに装着されるボビン（巻き枠）２０と、このボビン２０に複数層に分けて巻かれた巻線部３０とを備えている。

コア１０は、１つの中脚１０ｂとこの中脚１０ｂから２つに分岐した外脚１０ａ、１０ｃ（必要な場合にはそれぞれ左脚１０ａ、右脚１０ｃと呼んで区別する）とを有しており、これらのうちで中脚１０ｂにギャップ１１が設けられている。このギャップ１１は、コア１０の磁気飽和を防いだり、トランス１の励磁インダクタンスを調整するために設けられるが、必ずしも中脚１０ｂに設けなくてもよい。

コア１０は、例えば２つのＥ型コアを組み合わせて構成できるが、中脚に対応する部分をギャップ１１の間隔Ｇに相当する長さだけ短くしておく必要がある。その場合、例えば、両方のＥ型コアの外脚に対応する部分をギャップ間隔Ｇの１／２に相当する長さずつそれぞれ短くしてもよいし、一方のＥ型コアの外脚に対応する部分だけをギャップ間隔Ｇに相当する長さ短くしてもよい。なお、コア１０の材質は一般的なものでよい。

図２に示すように、ボビン２０には、電気的に絶縁された第１巻線３１の各層と第２巻線３２の各層とが交互に積層するように巻かれている。具体的には、ボビン２０の内側（ギャップ１１に近い側）から次の順で巻かれている。

１）第１巻線３１の層３１ａ
２）第２巻線３２の層３２ａ
３）第１巻線３１の層３１ｂ
４）第２巻線３２の層３２ｂ
５）第１巻線３１の層３１ｃ
ただし、第１巻線３１が３層、第２巻線３２が２層の計５層に限るわけではない。なお、この場合は、ギャップ１１に近い順で、第１巻線３１については、層３１ａが本発明の「第１巻線第１層」に、層３１ｂが「第１巻線第２層」にそれぞれ該当する。第２巻線３２については、層３２ａが「第２巻線第１層」に該当する。また、第１巻線３１および第２巻線３２は、例えば、電力変換器の一次側／二次側もしくは二次側／一次側に対応する。

また、第１巻線３１および第２巻線３２の各層間には、絶縁破壊を防ぐための絶縁テープ（絶縁部材）４１が貼られており、各層の巻線両端にも隣接する層との絶縁破壊を防止するためのバリアテープ（絶縁部材）４２が貼られている。これらの絶縁テープ４１およびバリアテープ４２は、実際には別物を用いるが、同一テープを用いてもよい。

トランス１の第１巻線３１および第２巻線３２の結合の度合いは、０〜１の値をとる結合係数で示され、漏れ磁束が少なければ少ないほど１に近づく。第１巻線３１および第２巻線３２の各層を交互に巻くことで、同じ巻線間で発生する近接効果を低減し、巻線に発生する損失を低減できる。また、このような構成によって、トランス１の結合係数が高く（漏れインダクタンスが小さく）なることで、このトランス１を使用した電力変換器の回路構成によっては、高効率化につながる。

１．２ 第１巻線３１および第２巻線３２の電気的接続
図３はトランス１における第１巻線３１および第２巻線３２の各層間の電気的接続を示す断面図である。図４は従来のトランス１０１における第１巻線３１および第２巻線３２の各層間の電気的接続を示す断面図である。

図３に示すように、トランス１では、第１巻線３１の各層（層３１ａ、層３１ｂおよび層３１ｃ）が直列に接続され（図３の右側を参照）、第２巻線３２の各層（層３２ａおよび層３２ｂ）も直列に接続されている（図３の左側を参照）。

具体的には、第１巻線３１については、層３１ａの一端（図３では上端）と層３１ｂの一端（図３では上端）とが第１巻線側の接続線３３ａによって接続されるとともに、層３１ｂの他端（図３では下端）と層３１ｃの一端（図３では下端）とが接続線３３ｂによって接続されている。第２巻線３２については、層３２ａの一端（図３では上端）と層３２ｂの一端（図３では上端）とが第２巻線側の接続線３４ａによって接続されている。

一方、従来のトランス１０１では、図４に示すように、第１巻線３１の各層が第１巻線側の接続線１３３ａおよび接続線１３３ｂによって並列に接続され（図４の右側を参照）、第２巻線３２の各層も第２巻線側の接続線１３４ａおよび接続線１３４ｂによって並列に接続されていた（図４の左側を参照）。

ただし、トランス１における第１巻線３１全体の電気抵抗値および第２巻線３２全体の電気抵抗値は、従来のトランス１０１と同程度にすることが好ましい。そのため、例えば、トランス１における第１巻線３１および第２巻線３２に、より太い線材を用いてもよい。具体的には、３層から成る第１巻線３１には単位長さ辺りの電気抵抗値が１／３の線材を用い、２層から成る第２巻線３２には単位長さ辺りの電気抵抗値が１／２の線材を用いてもよい。

１．３ ギャップ１１からの漏れ磁束Φの影響
図５はトランス１におけるギャップ１１からの漏れ磁束Φを例示する断面図である。図６は従来のトランス１０１における漏れ磁束Φの影響を例示する断面図である。図７はトランス１における漏れ磁束Φの影響を例示する断面図である。図８はトランス１と従来のトランス１０１との動作時の巻線の温度上昇を例示するグラフである。なお、図６および図７では、第２巻線３２の図示を省略している。

図５に示すように、トランス１が動作した場合に、コア１０に設けられたギャップ（エアギャップ）１１からは漏れ磁束Φが発生する。このギャップ１１が大きいときには漏れ磁束Φが第１巻線３１や第２巻線３２巻線まで到達し、これらの巻線の層間に磁束変動が生じることとなる。

従来のトランス１０１では、第１巻線３１および第２巻線３２の各層がそれぞれ並列に接続されているので、図６に示すように、漏れ磁束Φが並列のループ内を鎖交すると、そのループ内に誘導起電力が発生してループ電流Ｉが流れる。このループ電流Ｉによって、本来均一な電流が流れるべき各層間で電流のばらつきが発生し、一部の巻線で過剰電流による発熱が生じる。

一方、第１実施形態に係るトランス１では、第１巻線３１および第２巻線３２の各層がそれぞれ直列に接続されているので、図７に示すように、たとえ各層間に漏れ磁束Φが鎖交しても、もともとループが存在しないためループ電流Ｉも発生し得ない。その結果、ループ電流Ｉによる過剰電流が無く、巻線の異常発熱の発生が防止される。

実際に試作したトランス１と従来のトランス１０１との各巻線の温度上昇を同一動作条件で比較したところ、図８に示すように、従来のトランス１０１では５５．１℃（図８の左側）だったが、トランス１では３１．４℃（図８の右側）に留まった。つまり、トランス１の第１巻線３１および第２巻線３２を直列積層構造とすることで、温度上昇を大幅に抑制できることが確認された。

以上で説明した第１実施形態によれば、ギャップ１１からの漏れ磁束Φが第１巻線３１および第２巻線３２間に鎖交してもループ電流Ｉが発生し得ないので、ループ電流Ｉによる過剰電流が無く、第１巻線３１や第２巻線３２の異常発熱が抑止される。

＜第２実施形態＞
図９は本発明の第２実施形態に係るトランス１Ａにおける第１巻線３１および第２巻線３２の各層間の電気的接続を示す断面図である。なお、第１実施形態と同一の構成部材には同一の参照符号を付し、以下では主として相違点について説明する。

図９に示すように、トランス１Ａでは、第１巻線３１の層３１ａと層３１ｂとが直列に接続され、層３１ｂと層３１ｃとは並列に接続されている。つまり、第１巻線３１の特定層（ここでは層３１ｂ）およびこれより内側（ギャップ１１に近い側）の各層（ここでは層３１ａのみ）が直列に接続され、その特定層（層３１ｂ）およびこれより外側（ギャップ１１から遠い側）の各層（ここでは層３１ｃのみ）が並列に接続されている。

第２巻線３２の各層（層３２ａ、層３２ｂ）はすべて並列に接続されている。なお、第２巻線３２が３層以上を有する場合には、第１巻線３１と同様に、特定層およびこれより内側の各層が直列に接続されるとともに、その特定層およびこれより外側の各層が並列に接続されてもよい。

以上で説明した第２実施形態によれば、ギャップ１１からの漏れ磁束Φの影響を受けやすい内側層（ギャップ１１に近い層）のみが他の層と直列に接続されている。全ての層を直列接続（例えば図３を参照）するよりも簡便な構成によって、漏れ磁束Φの影響を回避しつつ、トランス１Ａの結合係数をさらに大きくすることができる。

＜第３実施形態＞
図１０は本発明の第３実施形態に係るトランス１Ｂの概観構成と第１巻線３１および第２巻線３２の各層間の電気的接続を示す断面図である。なお、第１実施形態や第２実施形態と同一の構成部材には同一の参照符号を付し、以下では主として相違点について説明する。

巻線を直列に接続する際、層毎に別々の巻線を巻いて、その端を直列になるようにはんだなどで接続する方法も考えられるが、その場合は接続作業のための工数が必要となる。

そこで、各層間を直列接続するための接続線を保持する構造として、接続線保持部２１がボビン２０上にそれぞれ設けられている。例えば、接続線が入るような溝がボビン２０上に掘ってあってもよい。

さらに、第１巻線３１の層間の線の出入口と第２巻線３２の層間の線の出入口とが離れて（この図では左側と右側とに分けて）配置されており、それぞれに対応する接続線保持部２１も離れた箇所に配置されるので、第１巻線３１と第２巻線３２との間での絶縁破壊を防止可能である。

以上で説明した第３実施形態によれば、一本の巻線で簡便に安定して交互に直列に巻くことができる。また、接続線間で接触することによる絶縁破壊なども防止可能である。

＜第４実施形態＞
図１１は本発明の第４実施形態に係るトランス１Ｃの概観構成を示す断面図である。図１２はトランス１Ｃにおける第１巻線３１の各層間の電気的接続を示す断面図である。なお、図１２では第２巻線３２の図示を省略した。第１実施形態〜第３実施形態と同一の構成部材には同一の参照符号を付し、以下では主として相違点について説明する。

図１１に示すように、トランス１Ｃは、磁気回路を形成するとともに、２つの外脚１０Ｃａ、１０Ｃｃにギャップ１１Ｃがそれぞれ設けられたコア１０Ｃと、このコア１０Ｃの中脚１０Ｃｂに装着されるボビン２０と、このボビン２０に複数層に分けて巻かれた巻線部３０とを備えている。

また、図１２に示すように、トランス１Ｃでは、第１巻線３１の各層（層３１ａ、層３１ｂおよび層３１ｃ）が直列に接続されている。具体的には、層３１ａの一端（図１２では上端）と層３１ｂの一端（図１２では上端）とが接続線３３ａによって接続されるとともに、層３１ｂの他端（図１２では下端）と層３１ｃの一端（図１２では下端）とが接続線３３ｂによって接続されている。

以上で説明した第４実施形態によれば、外脚１０Ｃａ、１０Ｃｃの各ギャップ１１Ｃからの漏れ磁束Φが第１巻線３１間に鎖交してもループ電流が発生し得ないので、ループ電流による過剰電流が無く、第１巻線３１の異常発熱が抑止される。第２巻線３２についても同様である。

＜第４実施形態の変形例＞
また、第２実施形態と同様に、例えば、第１巻線３１について、各ギャップ１１Ｃからの漏れ磁束Φの影響を受けやすいギャップ１１Ｃに近い層（ここでは外側層）のみを他の層と直列に接続してもよい。なお、この場合は、ギャップ１１Ｃに近い順で、層３１ｃが「第１巻線第１層」に、層３１ｂが「第１巻線第２層」にそれぞれ該当する。

具体的には、第１巻線３１の層３１ｃと層３１ｂとを直列に接続し、層３１ｂと層３１ａとを並列に接続する。つまり、第１巻線３１の特定層（ここでは層３１ｂ）およびこれよりギャップ１１Ｃに近い側の各層（ここでは層３１ｃのみ）を直列に接続し、その特定層（層３１ｂ）およびこれよりギャップ１１Ｃから遠い側の各層（ここでは層３１ａのみ）を並列に接続する。

以上で説明した第４実施形態の変形例によれば、ギャップ１１Ｃからの漏れ磁束Φの影響を受けやすいギャップ１１Ｃに近い層（外側層）のみが他の層と直列に接続されている。全ての層を直列接続するよりも簡便な構成によって、漏れ磁束Φの影響を回避しつつ、トランス１Ｃの結合係数をさらに大きくすることができる。

＜その他の実施形態＞
上述したトランス１、トランス１Ａ、トランス１Ｂ、またはトランス１Ｃのいずれかを絶縁型コンバータなどの電力変換器に適用してもよい。このような電力変換器は、広い入出力電圧範囲への対応が可能となる。

なお、本発明は、その主旨または主要な特徴から逸脱すること無く、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の各実施形態や各実施例はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文にはなんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

１ トランス
１Ａ トランス
１Ｂ トランス
１Ｃ トランス
１０ コア
１０ａ 外脚（左脚）
１０ｂ 中脚
１０ｃ 外脚（右脚）
１０Ｃ コア
１１ ギャップ
１１Ｃ ギャップ
２０ ボビン
２１ 接続線保持部
３０ 巻線部
３１ 第１巻線
３２ 第２巻線
３３ａ 接続線
３３ｂ 接続線
３４ａ 接続線
４１ 絶縁テープ
４２ バリアテープ
１０１ トランス（従来技術）

Claims (6)

1. 磁気回路を形成するとともに、少なくとも一部に空隙が設けられたコアと、
   前記コアに装着されたボビンと、
   前記ボビンの前記空隙に最も近い側に巻かれた第１巻線第１層とこれより前記空隙から遠い側に巻かれた第１巻線第２層とを含む２層以上に分けて巻かれた第１巻線と、
   前記第１巻線第１層と前記第１巻線第２層との間に巻かれた第２巻線第１層を含み、前記第１巻線とは絶縁されている第２巻線と
   を備え、
   前記第１巻線第１層と前記第１巻線第２層とが直列に接続されていることを特徴とする変圧器。
2. 請求項１に記載の変圧器において、
   前記第２巻線も２層以上に分けて巻かれ、
   前記第１巻線の各層と前記第２巻線の各層とが前記ボビンに交互に積層され、
   前記第１巻線の各層および前記第２巻線の各層がそれぞれ直列に接続されていることを特徴とする変圧器。
3. 請求項２に記載の変圧器において、
   前記第１巻線の各層と前記第２巻線の各層とが前記ボビンに交互に積層され、
   前記第１巻線では、第１巻線特定層およびこれより前記空隙に近い側の各層が直列に接続されるとともに、前記第１巻線特定層およびこれより前記空隙から遠い側の各層が並列に接続され、
   前記第２巻線でも、第２巻線特定層およびこれより前記空隙に近い側の各層が直列に接続されるとともに、前記第２巻線特定層およびこれより前記空隙から遠い側の各層が並列に接続されていることを特徴とする変圧器。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の変圧器において、
   前記ボビンには、前記第１巻線または前記第２巻線の各層間の直列接続線を保持する巻線保持部が設けられていることを特徴とする変圧器。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の変圧器において、
   前記第１巻線の各層間の線の出入口と前記第２巻線の各層間の線の出入口とが離れて配置されていることを特徴とする変圧器。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の変圧器を備えた電力変換器。

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