JP2019208008A - 磁性素子およびスイッチング電源装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】体積と損耗が低下した磁性素子を提供する。【解決手段】磁性素子は、磁気コアおよび少なくとも3つの巻線Npa、Npb、Npcを備える。磁気コアは、少なくとも3つの巻線柱、少なくとも1つの縁柱および対向して設置される第1カバープレートと第2カバープレートを備える。少なくとも3つの巻線Npa、Npb、Npcは、順に隣接して設置される。第1カバープレートと第2カバープレートは、少なくとも3つの巻線柱および少なくとも1つの縁柱の上方と下方にそれぞれ設置されて閉磁路を形成する。少なくとも3つの巻線Npa、Npb、Npcは、それぞれ少なくとも3つの巻線柱に巻回される。任意の3つの隣接する巻線柱のうち、中央に位置する巻線柱の磁束と、中央巻線柱の両側に位置する2つの巻線柱の磁束は、逆向きである。【選択図】図1A
Description
本発明は、磁性素子およびスイッチング電源装置に関する。
最低電圧大電流出力の応用においては、トランスをアレイ化して複数のサブトランスユニットに分けて組み合わせる必要がある。たとえば、入力が430V、出力が12Vである3kWサーバー電源においては、LLC共振回路におけるトランスの一次・二次巻数比(Np:Ns1:Ns2)が18:1:1であり、3つの6:1:1のサブトランスに分けることができ、かつ一次巻線を直列接続し、二次巻線を並列接続する。このように、一次巻線に同じ電流が流れ、二次巻線が直列接続されて3倍の大電流を出力することができる。複数のサブトランスからなる構成を取ることで、パワーを並列伝送する効果が得られるが、複数のサブトランスを別々に設計する必要があるため構造が複雑になる。そこで、磁気コアの形状を最適化し、磁気コアの体積および損耗(損失)を低減することは磁性素子設計開発の重点と難点になっている。
本発明の一側面において、上記従来技術の不足を解消し、体積と損耗が低下した磁性素子を提供する。
本発明のもう1つの側面において、スイッチング電源装置を提供し、並びに該スイッチング電源装置の磁性素子を最適化することである。
上記目的を実現するために、本発明は、磁気コアを備える磁性素子を提供し、該磁気コアは第1巻線柱、第2巻線柱、第3巻線柱、第1縁柱、第2縁柱、および対向して設置される第1カバープレートと第2カバープレートを有する。前記第2巻線柱は、前記第1巻線柱と前記第3巻線柱との間に位置し、前記第1縁柱および前記第2縁柱は、それぞれ前記第1巻線柱および前記第3巻線柱の外側に位置し、前記第1カバープレートおよび第2カバープレートは、それぞれ前記第1巻線柱、前記第2巻線柱、前記第3巻線柱、前記第1縁柱および前記第2縁柱の上方および下方に設置されて閉磁路を形成する。前記第1巻線柱の磁束と前記第3巻線柱の磁束は第1方向を有し、前記第2巻線柱の磁束は第2方向を有し、前記第1方向と前記第2方向は逆向きであり、前記磁気コアが位置する平面内において、前記第1巻線柱、前記第2巻線柱および前記第3巻線柱に接しまたは貫通する一本の直線が存在する。
本発明に係る一実施形態において、前記磁性素子は、前記第1巻線柱に巻回されている第1巻線と、前記第2巻線柱に巻回されている第2巻線と、前記第3巻線柱に巻回されている第3巻線とをさらに備える。
本発明に係る一実施形態において、前記第1巻線、前記第2巻線および前記第3巻線は、電気的に直列接続される。
本発明に係る一実施形態において、前記第1巻線、前記第2巻線および前記第3巻線は、電気的に並列接続される。
本発明に係る一実施形態において、前記第1巻線を流れる電流と前記第3巻線を流れる電流は、同じ方向を有し、前記第2巻線を流れる電流と前記第1巻線を流れる電流および前記第3巻線を流れる電流は、逆向きである。
本発明に係る一実施形態において、前記第1巻線、前記第2巻線および前記第3巻線を流れる電流は、位相が同じである。
本発明に係る一実施形態において、前記第1巻線柱、前記第2巻線柱および前記第3巻線柱は、1つの水平線に沿って順に配設される。
本発明に係る一実施形態において、前記第1縁柱および前記第2縁柱がそれぞれ前記水平線の両端に設置されている。
本発明に係る一実施形態において、前記第1縁柱および前記第2縁柱が前記水平線の同一側に設置されている。
本発明に係る一実施形態において、前記第1縁柱および前記第2縁柱が前記水平線の反対側に設置されている。
本発明に係る一実施形態において、前記磁気コアは、インダクタンス巻線が巻回されているインダクタンス巻線柱をさらに備える。
本発明に係る一実施形態において、前記インダクタンス巻線は、前記第1巻線、前記第2巻線および前記第3巻線のうち少なくとも1つに直列接続されている。
本発明に係る一実施形態において、前記第1巻線、前記第2巻線および前記第3巻線は、いずれもPCB巻線または3層絶縁巻線である。
本発明に係る一実施形態において、前記第1巻線、前記第2巻線および前記第3巻線は、巻数が同じである。
本発明に係る一実施形態において、前記第1巻線、前記第2巻線および前記第3巻線は、いずれも一次巻線であり、前記第1巻線柱、前記第2巻線柱および前記第3巻線柱の上には、少なくとも1つの二次巻線が巻回されている。
本発明に係る一実施形態において、前記第1巻線、前記第2巻線および前記第3巻線は、いずれも一次巻線であり、前記第1巻線柱、前記第2巻線柱および前記第3巻線柱の上には、少なくとも1つの二次巻線が巻回されている。
本発明に係る一実施形態において、前記二次巻線は、巻数が1である。
本発明に係る一実施形態において、前記二次巻線は、PCB巻線または銅板巻線である。
上述の目的を実現するため、本発明は磁気コアを備える磁性素子を提供し、該磁気コアは、少なくとも3つの巻線柱、少なくとも1つの縁柱、対向して設置される第1カバープレートと第2カバープレート、およびそれぞれ前記少なくとも3つの巻線柱に巻回されている少なくとも3つの巻線を備える。前記少なくとも3つの巻線柱は、順に隣接して設置され、前記第1カバープレートおよび前記第2カバープレートは、それぞれ前記少なくとも3つの巻線柱および前記少なくとも1つの縁柱の上方および下方に設置されて閉磁路を形成する。前記任意の3つの隣接する巻線柱において、中央に位置する巻線柱の磁束と前記中央巻線柱の両側に位置する2つの巻線柱の磁束は、逆向きである。
本発明のもう1つの実施形態において、前記磁気コアが位置する平面内に、前記少なくとも3つの巻線柱に接し、または貫通する一本の直線が存在する。
本発明のもう1つの実施形態において、前記少なくとも3つの巻線柱は、1つの水平線に沿って順に配設される。
本発明のもう1つの実施形態において、前記少なくとも1つの縁柱は、前記水平線の両端にそれぞれ設置される第1縁柱および第2縁柱を備える。
本発明のもう1つの実施形態において、前記少なくとも1つの縁柱は、前記水平線の同一側に設置する第1縁柱および第2縁柱を備える。前記第1縁柱は、前記少なくとも3つの巻線柱の一端に隣接する巻線柱に対応し、前記第2縁柱は、前記少なくとも3つの巻線柱の他端に隣接する巻線柱に対応する。
本発明のもう1つの実施形態において、前記少なくとも1つの縁柱は、前記水平線の反対側に設置される第1縁柱および第2縁柱を備える。前記第1縁柱は、前記少なくとも3つの巻線柱の一端に隣接する巻線柱に対応し、前記第2縁柱は、前記少なくとも3つの巻線柱の他端に隣接する巻線柱に対応する。
本発明のもう1つの実施形態において、前記少なくとも1つの縁柱は、単独の縁柱であり、前記縁柱は、前記水平線の片側に位置する。
本発明のもう1つの実施形態において、前記磁気コアは、インダクタンス巻線が巻回されているインダクタンス巻線柱をさらに備える。
本発明のもう1つの実施形態において、前記磁性素子は、トランスであり、前記少なくとも3つの巻線は、いずれも一次巻線であり、前記少なくとも3つの巻線柱の各巻線柱に、少なくとも1つの二次巻線がさらに巻回されている。
上述の目的を実現するため、本発明は、入力電圧を受信し、前記入力電圧を一次電圧に変換する一次回路と、前記一次電圧を二次電圧に変換する絶縁変換モジュールとを備えるスイッチング電源装置を提供する。前記絶縁変換モジュールは、第1一次巻線、第1二次巻線および第2二次巻線を有する第1トランスと、第2一次巻線、第3二次巻線および第4二次巻線を有する第2トランスと、第3一次巻線、第5二次巻線および第6二次巻線を有する第3トランスと、前記二次電圧を出力電圧に変換する二次回路とを備える。
前記第1二次巻線と前記第2二次巻線は直列接続され、前記第1二次巻線の第1端は、第1スイッチングチューブを介して第1出力端子に電気的に結合され、前記第2二次巻線の第2端は、第2スイッチングチューブを介して前記第1出力端子に電気的に結合され、前記第1二次巻線の第2端は、前記第2二次巻線の第1端に接続され、第2出力端子に電気的に結合され、前記第3二次巻線と前記第4二次巻線は直列接続され、前記第3二次巻線の第1端は、第3スイッチングチューブを介して前記第1出力端子に接続され、前記第4二次巻線の第2端は、前記第4スイッチングチューブを介して前記第1出力端子に接続され、前記第3二次巻線の第2端は前記第4二次巻線の第1端に接続されかつ前記第2出力端子に電気的に結合され、前記第5二次巻線と前記第6二次巻線は直列接続され、前記第5二次巻線の第1端は、第5スイッチングチューブを介して前記第1出力端子に電気的に結合され、前記第6二次巻線の第2端は、第6スイッチングチューブを介して前記第1出力端子に電気的に結合され、前記第5二次巻線の第2端は、前記第6二次巻線の第1端に接続されかつ前記第2出力端子に電気的に接続され、前記第1一次巻線、前記第1二次巻線、前記第2二次巻線は、上記磁性素子の第1巻線柱に巻回され、前記第2一次巻線、前記第3二次巻線、前記第4二次巻線は、上記磁性素子の第2巻線柱に巻回され、前記第3一次巻線、前記第5二次巻線、前記第6二次巻線は、請求項1に記載の磁性素子の第3巻線柱に巻回されている。
本発明のもう1つの実施形態において、前記第1一次巻線の第1端は、前記一次回路の一端に電気的に結合され、前記第2一次巻線の第1端は、前記第1一次巻線の第2端に電気的に結合され、前記第3一次巻線の第1端は、前記第2一次巻線の第2端に電気的に結合され、前記第3一次巻線の第2端は、前記一次回路の他端に電気的に接続される。
本発明のもう1つの実施形態において、前記第1一次巻線、前記第2一次巻線および前記第3一次巻線は、いずれもPCB巻線または3層絶縁巻線である。
本発明のもう1つの実施形態において、前記第1二次巻線、前記第2二次巻線、前記第3二次巻線、前記第4二次巻線、前記第5二次巻線および前記第6二次巻線は、巻数が1である。
本発明のもう1つの実施形態において、前記第1二次巻線、前記第2二次巻線、前記第3二次巻線、前記第4二次巻線、前記第5二次巻線および前記第6二次巻線は、いずれもPCB巻線または銅板巻線である。
本発明のもう1つの実施形態において、前記入力電圧は、410V〜450Vの範囲である。
本発明のもう1つの実施形態において、前記入力電圧は、36V〜72Vの範囲である。
本発明によると、複数のインダクタンスまたはトランスを1つの磁性素子に集積し、磁気コアの任意の3つの隣接する巻線柱のうち中央に位置する巻線柱の磁束と中央巻線柱の両側に位置する2つの巻線柱の磁束が逆向きであるため、磁性素子の体積と磁気コアの損耗を効果的に低減することができる。
本発明によると、複数のインダクタンスまたはトランスを1つの磁性素子に集積し、磁気コアの任意の3つの隣接する巻線柱のうち中央に位置する巻線柱の磁束と中央巻線柱の両側に位置する2つの巻線柱の磁束が逆向きであるため、磁性素子の体積と磁気コアの損耗を効果的に低減することができる。
以下、本発明を深く理解できるように本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの内容によって制限されない。
以下、図面を参照しつつ本発明に係る実施形態を詳しく説明する。
本発明の1つの実施形態のスイッチング電源装置の構造模式図であり、なお、該スイッチング電源装置の絶縁変換モジュールにおける複数のトランスの一次巻線は、直接的に直列接続する方式で接続されている。
本発明のもう1つの実施形態のスイッチング電源装置の構造模式図であり、なお、該スイッチング電源装置の絶縁変換モジュールにおける複数のトランスの一次巻線は、間接的に直列接続する方式で接続されている。
本発明のもう1つの実施形態のスイッチング電源装置の構造模式図であり、なお、該スイッチング電源装置の絶縁変換モジュールにおける複数のトランスの一次巻線は、直接的に並列接続する方式で接続されている。
本発明のもう1つの実施形態のスイッチング電源装置の構造模式図であり、なお、該スイッチング電源装置の絶縁変換モジュールにおける複数のトランスの一次巻線は、間接的に並列接続する方式で接続されている。
図1Aの該スイッチング電源装置の絶縁変換モジュールにおける複数のトランスの巻線が接続されている模式図である。
本発明の磁性素子の1つ目の磁気コア構造の立体組立図であり、なお、該磁気コア構造は、第1巻線柱、第2巻線柱、第3巻線柱、第1縁柱、第2縁柱、第1カバープレートおよび第2カバープレートを有する。
図3Aに示す磁気コア構造の立体分解図である。
図3Aに示す磁気コア構造から第1カバープレートが除去された後の立体図である。
図3Cに示す磁気コア構造の俯瞰図である。
本発明の磁性素子の2つ目の磁気コア構造の俯瞰図であり、なお、該磁気コア構造の3つの巻線柱において、前記3つの巻線柱のそれぞれに接するまたは前記3つの巻線柱のそれぞれを貫通する一本の直線が存在する。
図3Dに示す磁気コア構造における3つの巻線柱が対応する電流方向を示している。
図3Dに示す磁気コア構造において一本の巻線が“∞”状に接続されている模式図である。
本発明の磁性素子の3つ目の磁気コア構造の立体図であり、なお、該磁気コア構造の2つの縁柱と3つの巻線柱が同一の水平線に位置せず、2つの縁柱が同一側に位置する。
図4Aに示す磁気コア構造の俯瞰図である。
図4Aに示す磁気コア構造の3つの巻線柱が対応する電流方向を示している。
本発明の磁性素子の4つ目の磁気コア構造の立体図であり、なお、該磁気コア構造の2つの縁柱と3つの巻線柱が同一の水平線に位置せず、2つの縁柱が反対側に位置する。
図5Aに示す磁気コア構造の俯瞰図である。
図5Aに示す磁気コア構造の3つの巻線柱が対応する電流方向を示している。
本発明のもう1つの実施例におけるトランスの構造およびその巻線による接続の模式図であり、なお、巻線柱の数が4つである。
図6Aに示すトランスの磁気コア構造から第1カバープレートが除去された後の立体図である。
図6Bに示す磁気コア構造の俯瞰図である。
図6Bに示す磁気コア構造の4つの巻線柱が対応する電流方向を示している。
図2の構造から1つの磁気柱を増やす磁性素子の模式図である。
図7Aに示す磁性素子の磁気コア構造から第1カバープレートが除去された後の立体図である。
図7Bに示す磁気コア構造の俯瞰図である。
図7Bに示す磁気コア構造の3つの巻線柱が対応する電流方向を示している。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を詳しく説明するが、これらの実施形態は本発明を例示したに過ぎず、本発明はこれらに制限されない点に留意されたい。これらの実施形態を提供することにより、本発明がより完全で分かりやすくなり、その思想を当業者により分かりやすく伝えることができる。以下において、同じまたは類似の構成については同じ符号を付与し、重複説明を省略する。
ここで記載および/または図示する要素/構成部分等を説明する際には、用語「1つ」、「一」、「該」、「前記」および「少なくとも1つ」は、1つまたは複数の要素/構成部分等が存在していることを意味する。用語「含む」、「備える」および「有する」は、開放式で、自分自身が含まれている意味を意味し、列挙した要素/構成部分等以外の要素/構成部分等も含んでいることを意味する。実施形態においては、「上」または「下」のような相対的な用語を用いて1つの部材ともう1つの部材の相対的な関係を説明する。また、符号で示された装置を逆さまにすれば、「上」側の部材が「下」側の部材になる。また、特許請求の範囲における用語「第一」、「第二」等は、記号のみとして用いられ、該対象に対する数の制限ではない。
本明細書に用いられている「電気的に接続する」とは、2つまたは複数の素子が直接的に実体とされるか、電気的に接触するか、または、互いに間接的に実体とされるか、電気的に接触するかを意味する。本明細書に用いられている「電気的に直列接続される」とは、2つまたは複数の素子が直接的に直列接続して実体とされるか、電気的に接触するか、または、互いに間接的に直列接続して実体とされるか、電気的に接触するかを意味する。「電気的に並列接続される」とは、2つまたは複数の素子が直接的に並列接続して実体とされるか、電気的に接触するか、または、互いに間接的に並列接続して実体とされるか、電気的に接触するかを意味する。
図1Aに示すように、本発明は、一次回路11、絶縁変換モジュール12および二次回路13を備えるスイッチング電源装置10を提供する。
該一次回路11は、1つの入力電圧Vinを受信し、該入力電圧Vinを一次電圧に変換する。該一次回路11の回路トポロジは、セミブリッジであっても良く、フルブリッジまたは他のトポロジであっても良い。
該絶縁変換モジュール12は、前記一次電圧を二次電圧に変換し、該絶縁変換モジュール12は、第1トランスTxa、第2トランスTxbおよび第3トランスTxcをさらに備える。なお、第1トランスTxaは、第1一次巻線Npa、第1二次巻線Ns1aおよび第2二次巻線Ns2aを備え、前記第1一次巻線Npaの第1端は、前記一次回路11の一端に電気的に結合され、第2トランスTxbは、第2一次巻線Npb、第3二次巻線Ns1bおよび第4二次巻線Ns2bを備え、前記第2一次巻線Npbの第1端は、前記第1一次巻線Npaの第2端に電気的に結合され、第3トランスTxcは、第3一次巻線Npc、第5二次巻線Ns1cおよび第6二次巻線Ns2cを備え、前記第3一次巻線Npcの第1端は、前記第2一次巻線Npbの第2端に電気的に結合され、前記第3一次巻線Npcの第2端は、前記一次回路11の他端に電気的に接続される。
該二次回路13は、前記二次電圧を出力電圧V0に変換する。
たとえば、図1Aに示す実施例においては、前記第1二次巻線Ns1aと前記第2二次巻線Ns2aは直列接続され、前記第1二次巻線Ns1aの第1端は、第1スイッチングチューブS1を介して第1出力端子P1に電気的に接続し、前記第2二次巻線Ns2aの第2端は、第2スイッチングチューブS2を介して前記第1出力端子P1に電気的に接続し、前記第1二次巻線Ns1aの第2端は、前記第2二次巻線Ns2aの第1端に接続され、第2出力端子P2に電気的に接続する。
前記第3二次巻線Ns1bと前記第4二次巻線Ns2bは直列接続され、前記第3二次巻線Ns1bの第1端は、第3スイッチングチューブS3を介して前記第1出力端子P1に電気的に接続し、前記第4二次巻線Ns2bの第2端は、第4スイッチングチューブS4を介して前記第1出力端子P1に電気的に接続し、前記第3二次巻線Ns1bの第2端は、前記第4二次巻線Ns2bの第1端に接続され、前記第2出力端子P2に電気的に接続する。
前記第5二次巻線Ns1cと前記第6二次巻線Ns2cは直列接続され、前記第5二次巻線Ns1cの第1端は、第5スイッチングチューブS5を介して前記第1出力端子P1に電気的に接続し、前記第6二次巻線Ns2の第2端は、第6スイッチングチューブS6を介して前記第1出力端子P1に電気的に接続し、前記第5二次巻線Ns1cの第2端は、前記第6二次巻線Ns2cの第1端に接続され、前記第2出力端子P2に電気的に接続する。
しかしながら、本発明においては、図1Aに示すように、前記第1一次巻線Npa、前記第2一次巻線Npbおよび前記第3一次巻線Npcの接続方式は、直接的に直列接続しても良く、図1Bに示すように、間接的に直列接続しても良く、図1Cに示すように、直接的に並列接続しても良く、図1Dに示すように、間接的に並列接続しても良く、これらにより本発明が制限されないことを理解されたい。
以下、本発明の磁性素子を説明する。
図2は、本発明の実施例の磁性素子であり、たとえば、図1Aに示すスイッチング電源装置の絶縁変換モジュール12の複数のトランスからなるアレイ式のトランス20の構造およびその巻線が接続されている模式図である。本実施例においては、該トランス20は、第1巻線柱211と、第2巻線柱212と、第3巻線柱213と、第1縁柱214と、第2縁柱215と対向して設置する第1カバープレート216および第2カバープレート217を有する磁気コア21を備える。前記第2巻線柱212は、前記第1巻線柱211と前記第3巻線柱213との間に位置し、前記第1縁柱214および前記第2縁柱215は、それぞれ前記第1巻線柱211および前記第3巻線柱213の外側に位置し、前記第1カバープレート216および前記第2カバープレート217は、それぞれ前記第1巻線柱211、前記第2巻線柱212、前記第3巻線柱213、前記第1縁柱214および前記第2縁柱215の上方および下方に位置することによって、閉磁路を形成する。なお、前記第1巻線柱211の磁束Φaと前記第3巻線柱213の磁束Φcは、第1方向を有し、前記第2巻線柱212のΦbは、第2方向を有し、前記第1方向および前記第2方向は逆向きである。たとえば、図2においては、巻線Npa、巻線N pbおよび巻線Npcは直列接続され、電流ipが巻線を流れる際、前記第1巻線柱211および前記第3巻線柱213の磁束方向が同じであり、対応する図面の磁束ΦaとΦcの磁束方向が全て下に向かい、前記第2巻線柱212の磁束Φbの磁束方向が逆であり、対応する図面の磁束Φbの磁束方向が上に向かう。
図1Aに示すように、第1一次巻線Npa、第1二次巻線Ns1aおよび第2二次巻線Ns2aは、前記第1巻線柱211に巻回されていることによって、前記第1トランスTxaを構成する。第2一次巻線Npb、第3二次巻線Ns1b、第4二次巻線Ns2bは、前記第2巻線柱212に巻回されていることによって、前記第2トランスTxbを構成する。第3一次巻線Npc、第5二次巻線Ns1c、第6二次巻線Ns2cは、前記第3巻線柱213に巻回されていることによって、前記第3トランスTxcを構成する。また、前記第1一次巻線Npa、前記第2一次巻線Npbおよび前記第3一次巻線Npcは、直列接続する。前記第1一次巻線Npa、前記第2一次巻線Npbおよび前記第3一次巻線Npcを流れる電流の大きさおよび位相は、全て同じであることが好ましい。なお、図2においては、二次巻線が示されていない。他の実施形態においては、巻線柱には、二次巻線がなくても良く、インダクタンスとして用いられても良い。
別々に設置する3つのトランスに比べ、3つのトランスを同一の磁性素子に集積することによって、磁気コアの体積を有効的に減らすことができる。また、磁気コアの任意の3つの隣接する巻線柱について、中央に位置する巻線柱の磁束と中央巻線柱の両側に位置する2つの巻線柱の磁束は、逆向きであるように設置することによって、磁気コアの損耗を有効的に減らすことができる。
開示する実施例により、前記第1一次巻線Npa、前記第2一次巻線Npbおよび前記第3一次巻線Npcは、たとえば、いずれもPCB巻線または3層絶縁巻線である。一次巻線は、巻数が同じであることが好ましい。
開示する実施例により、前記第1二次巻線Ns1a、前記第2二次巻線Ns2a、
前記第3二次巻線Ns1b、前記第4二次巻線Ns2b、前記第5二次巻線Ns1cおよび前記第6二次巻線Ns2cは、たとえば、いずれもPCB巻線または銅板巻線である。それぞれの二次巻線は、たとえば、巻数が全て1であることが好ましい。
前記第3二次巻線Ns1b、前記第4二次巻線Ns2b、前記第5二次巻線Ns1cおよび前記第6二次巻線Ns2cは、たとえば、いずれもPCB巻線または銅板巻線である。それぞれの二次巻線は、たとえば、巻数が全て1であることが好ましい。
図3A〜図3Gに示すように、図3Aは、本発明の1つ目の磁気コア構造の立体構造模式図であり、図3Bは、図3Aに示す磁気コア構造の分解模式図である。図3A〜図3Bに示すように、本発明の磁気コア構造30は、磁気コア31を備え、該磁気コア31は、第1巻線柱311、第2巻線柱312、第3巻線柱313、第1縁柱314、第2縁柱315を備える他、対向して設置される第1カバープレート316および第2カバープレート317をさらに備える。前記第1カバープレート316および前記第2カバープレート317は、それぞれ前記第1巻線柱311、前記第2巻線柱312、前記第3巻線柱313、前記第1縁柱314および前記第2縁柱315の上方および下方に設置されて閉磁路を形成する。
3つの巻線柱および2つの縁柱を比較的に分かりやすく示すために、図3Cは、図3Aに示す磁気コア構造において第1カバープレートが隠された後の立体構造模式図である。図3Dは、図3Cに示す磁気コア構造の俯瞰図である。該磁気コア構造の3つの巻線柱については、たとえば、前記第1巻線柱311、前記第2巻線柱312、前記第3巻線柱313が1つの水平線に沿って順に配列され、前記第1縁柱314および前記第2縁柱315がそれぞれ前記水平線の両端に設置されることが好ましい。開示する他の実施例により、磁気コア構造30は、前記水平線の片側に位置する1つの縁柱のみを含んでも良い。
図3Eは、本発明の2つ目の磁気コア構造の俯瞰図であり、図3Dに示す磁気コア構造との違いが次の通りである。前記第1巻線柱311、前記第2巻線柱312および前記第3巻線柱313に関する相対的な位置は、ある程度の位置ずれがあり、該3つの巻線柱のそれぞれに接するまたは該3つの巻線柱のそれぞれを貫通する一本の直線が存在し、たとえば、図面における破線Lで表されている。つまり、前記第1巻線柱311、前記第2巻線柱312および前記第3巻線柱313は、水平線の長手方向に向けてオーバーラップするように配置されている。
図3Fは、図3Dに示す磁気コア構造の巻線の電流方向を示している。なお、該3つの巻線柱が対応する巻線の電流方向については、第1巻線柱311および第3巻線柱313が対応する巻線の電流方向I1およびI3がいずれも時計回り方向であり、第2巻線柱312が対応する巻線の電流方向I2が反時計回り方向である。
図3Gは、図3Dに示す磁気コア構造の一次巻線が1つの巻線のみから構成されていることを示し、示されている一次巻線が「∞字形状」に巻回されている。また、巻線の電流方向Iは、巻線が第1巻線柱311および第3巻線柱313を囲むときに時計回り方向であり、巻線が第2巻線柱312を囲むときに反時計回り方向である。
図4A、図4B、図4Cに示すように、図4Aは、本発明の3つ目の磁気コア構造40の立体構造模式図である。前記磁気コア構造40は、第1巻線柱411、第2巻線柱412、第3巻線柱413、第1縁柱414、第2縁柱415を備える他、対向して設置される第1カバープレート(図示せず)および第2カバープレート417をさらに備える。前記第1カバープレートおよび前記第2カバープレート417は、それぞれ前記第1巻線柱411、前記第2巻線柱412、前記第3巻線柱413、前記第1縁柱414および前記第2縁柱415の上方および下方に位置することによって、閉磁路を形成する。図4Aは、磁気コア構造40において第1カバープレートが隠された後の立体構造模式図である。図4Bは、図4Aに示す磁気コア構造の俯瞰図である。なお、前記磁気コア構造の3つの巻線柱については、たとえば、前記第1巻線柱411、前記第2巻線柱412、前記第3巻線柱413が1つの水平線に沿って順に配列され、前記第1縁柱414および前記第2縁柱415がそれぞれ前記水平線の同一側に設置されている。図4Cは、図4Aに示す磁気コア構造の巻線の電流方向を示している。該3つの巻線柱が対応する巻線の電流方向については、前記第1巻線柱411および前記第3巻線柱413が対応する巻線の電流方向I1およびI3は、いずれも時計回り方向であり、前記第2巻線柱412が対応する巻線の電流方向I2は、反時計回り方向である。
図5A、図5B、図5Cに示すように、図5Aは、本発明の4つ目の磁気コア構造40の立体構造模式図である。前記磁気コア構造50は、第1巻線柱511、第2巻線柱512、第3巻線柱513、第1縁柱514、第2縁柱515を備える他、対向して設置される第1カバープレート(図示せず)および第2カバープレート517をさらに備える。前記第1カバープレートおよび前記第2カバープレート517は、それぞれ前記第1巻線柱511、前記第2巻線柱512、前記第3巻線柱513、前記第1縁柱514および前記第2縁柱515の上方および下方に位置することによって、閉磁路を形成する。図5Aは、磁気コア構造において第1カバープレートが隠された後の立体構造模式図である。図5Bは、図5Aに示す磁気コア構造の俯瞰図である。なお、前記磁気コア構造の3つの巻線柱については、たとえば、前記第1巻線柱511、前記第2巻線柱512、前記第3巻線柱513が1つの水平線に沿って順に配列され、前記第1縁柱514および前記第2縁柱515がそれぞれ前記水平線の反対側に設置されている。図5Cは、図5Aに示す磁気コア構造の巻線の電流方向を示している。該3つの巻線柱が対応する巻線の電流方向については、第1巻線柱511および第3巻線柱513が対応する巻線の電流方向I1およびI3は、いずれも時計回り方向であり、第2巻線柱512が対応する巻線の電流方向I2は、反時計回り方向である。
本発明に係る一実施形態において、たとえば、図3A〜3G、図4A〜4C、図5A〜5Cに示す磁気コア構造により図2に示す磁性素子を形成することができ、すなわち、トランス集積磁性素子(たとえば、アレイ式トランス)であり、その中の一次巻線がPCB、三層絶縁線または他の種類の巻線であっても良く、二次巻線がPCB、銅板または他の種類の巻線であっても良い。また、図2に示す磁性素子のそれぞれの巻線柱の上には、2つの二次巻線が巻回されているが、本発明は、これに限らず、他の実施例においては、それぞれの巻線柱の上には、1つの二次巻線のみが含まれても良い。
本発明の他の実施例においては、図2に示すトランス20は、二次巻線がなくても良く、この場合、インダクタンスとして用いられることができ、すなわち、インダクタンス集積磁性素子を形成する。
図2は、3つのサブトランスが1つの鉄芯に集積されてなるトランス集積磁性素子のみを示しているが、本発明は、他のものであっても良く、たとえば、より多いサブトランスが集積されてなるトランス集積磁性素子であっても良く、複数の一次巻線(すなわち、二次巻線がない)のみが集積されてなるインダクタンス集積磁性素子であっても良く、本発明がこれらに制限されないと理解されたい。
図6A、図6B、図6C、図6Dは、図2の構造から、複数のサブトランスが1つの鉄芯に集積されてなる構造になることを示している。たとえば、図6Aは、4つのサブトランスからなるトランス集積磁性素子60を示し、該トランス集積磁性素子60は、順に隣接して設置する第1縁柱615、第1巻線柱611、第2巻線柱612、第3巻線柱613、第4巻線柱614および第2縁柱616を備え、対向して設置される第1カバープレート617および第2カバープレート618をさらに備える磁気コア61を備える。前記第1カバープレート617および前記第2カバープレート618は、それぞれ前記第1巻線柱611、前記第2巻線柱612、前記第3巻線柱613、前記第4巻線柱614、前記第1縁柱615および前記第2縁柱616の上方および下方に設置されて閉磁路を形成する。なお、任意の3つの隣接する巻線柱については、中央に位置する巻線柱の磁束と前記中央巻線柱の両側に位置する2つの巻線柱の磁束は、逆向きである。たとえば、隣接する第1巻線柱611、第2巻線柱612、第3巻線柱613については、中央に位置する巻線柱(すなわち、第2巻線柱612)の磁束Φbの磁束方向は、両側に位置する前記第1巻線柱611および前記第3巻線柱613の磁束Φaと磁束Φcの磁束方向と逆であるが、隣接する第2巻線柱612、第3巻線柱613、第4巻線柱614については、中央に位置する巻線柱(すなわち、第3巻線柱613)の磁束Φcの磁束方向は、両側に位置する第2巻線柱612および第4巻線柱614の磁束ΦbとΦdの磁束方向と逆である。
図6Bは、磁気コア構造において第1カバープレートが隠された後の立体構造模式図である。図6Cは、図6Bに示す磁気コア構造の俯瞰図である。該磁気コア61の4つの巻線柱については、たとえば、前記第1巻線柱611、前記第2巻線柱612、前記第3巻線柱613および前記第4巻線柱614は、1つの水平線に沿って順に配列し、前記第1縁柱615および前記第2縁柱616は、それぞれ前記水平線の両端に設置されている。図6Dは、図6Bに示す磁気コア構造の巻線の電流方向を示している。なお、該4つの巻線柱が対応する巻線の電流方向については、第1巻線柱611および第3巻線柱613が対応する巻線の電流方向I1およびI3は、いずれも反時計回り方向であり、第2巻線柱612および第4巻線柱614が対応する巻線の電流方向I2およびI4は、いずれも時計回り方向である。同じく、図6A〜図6Dに示す実施例においては、一次巻線は、PCBまたは三層絶縁線または他のタイプの巻線であっても良く、二次巻線は、PCBまたは銅板または他のタイプの巻線であっても良い。二次巻線がなくても良く、この場合、インダクタンスとして用いられても良い。
図7A、図7Bは、本発明のもう1つの実施例における他の種類の磁性素子70の構造を示している。該構造は、図2の構造から、第1縁柱の左側に対して1つのインダクタンス巻線柱を増やしてなる実施例であり、また、該インダクタンス巻線柱には、インダクタンスNrを巻くことによって、図1AにおけるLLC回路の共振インダクタンスLrを構成し、該実施例では、共振インダクタンスとトランスが縁柱を共用する磁気集積方法が用いられている。本実施例においては、該磁性素子70は、順に隣接して設置するインダクタンス巻線柱718、第1縁柱714、第1巻線柱711、第2巻線柱712、第3巻線柱713および第2縁柱715を備え、対向して設置される第1カバープレート716および第2カバープレート717をさらに備える磁気コア71を備える。前記第1カバープレート716および前記第2カバープレート717は、それぞれ前記第1巻線柱711、前記第2巻線柱712、前記第3巻線柱713、前記インダクタンス巻線柱718、前記第1縁柱714および前記第2縁柱715の上方および下方に設置されて閉磁路を形成する。また、第1巻線柱711および第3巻線柱713の磁束ΦaとΦcの磁束方向は、全て下に向かい、第2巻線柱712の磁束Φbの磁束方向は、上に向かうが、インダクタンス巻線柱718の磁束方向は、上に向かっても良く、下に向かっても良い。図7Bは、磁気コア構造において第1カバープレートが隠された後の立体構造模式図であり、図7Cは、図7Bに示す磁気コア構造の俯瞰図である。該磁気コア71の3つの巻線柱については、たとえば、前記第1巻線柱711、前記第2巻線柱712、前記第3巻線柱713が1つの水平線に沿って順に配列され、前記第1縁柱714および前記第2縁柱715がそれぞれ前記水平線の両端に設置され、前記インダクタンス巻線柱718が前記第1縁柱714の一端の外側に位置する。もう1つの実施例においては、前記インダクタンス巻線柱718は、前記第2縁柱715の一端の外側に位置しても良い。図7Dは、図7Bに示す磁気コア構造の巻線の電流方向を示している。なお、該3つの巻線柱が対応する巻線の電流方向については、第1巻線柱711および第3巻線柱713が対応する巻線の電流方向I1およびI3は、いずれも時計回り方向であり、第2巻線柱712が対応する巻線の電流方向I2が反時計回り方向であり、インダクタンス巻線柱が対応する巻線の電流方向が時計回り方向であっても良く、反時計回り方向であっても良い。同じく、図7A〜図7Dに示す実施例においては、一次巻線は、PCBまたは三層絶縁線または他のタイプの巻線であっても良く、二次巻線は、PCBまたは銅板または他のタイプの巻線であっても良い。二次巻線がなくても良く、この場合、インダクタンスとして用いられても良い。
本発明においては、複数のインダクタンスまたはトランスを同一の磁性素子に集積することによって、磁性素子の体積を有効的に減らすことができる。また、磁気コアの任意の3つの隣接する巻線柱については、中央に位置する巻線柱の磁束と中央巻線柱の両側に位置する2つの巻線柱の磁束は、逆向きであるように設置することによって、磁気コアの損耗を有効的に減らすことができる。
本発明においては、図示した以上の全ての巻線柱の形状は、図示している円柱形状に限らず、たとえば、多角形、トラック形状、楕円形等の様々な形状であっても良い。また、本発明においては、これらの巻線柱の断面積がほぼ同じであるということは、その違いが5%以内であり、特に、3%以内であることを意味するが、磁束が同じであるということは、その磁束の違いが5%より小さく、特に、3%より小さいことを意味する。
また、本発明においては、前記第1縁柱と前記第2縁柱の内側面には、対応する巻線柱のアウトラインに対応するためのアウトライン対応部(図示せず)がさらに設けられても良く、たとえば、円柱状の巻線柱のアウトラインに対応する孤形状の凹み部である。前記第1縁柱または前記第2縁柱の外側面には、対応するインダクタンス巻線柱のアウトラインに対応するためのインダクタンスアウトライン対応部(たとえば、図7B、図7C参照)がさらに設けられても良い。
以上において本発明に係る実施形態を詳しく説明したが、これらは本発明を例示したに過ぎず、本発明の主旨や特許請求の範囲から逸脱しない前提で本発明について変化や変更、変種を施すことができ、これらの変化や変更、変種も本発明の範囲内に含まれる。
Claims (24)
- 第1巻線柱、第2巻線柱、第3巻線柱、第1縁柱、第2縁柱、および対向して設置される第1カバープレートと第2カバープレートを有する磁気コアを備え、
前記第2巻線柱が前記第1巻線柱と前記第3巻線柱との間に位置し、前記第1縁柱および前記第2縁柱がそれぞれ前記第1巻線柱および前記第3巻線柱の外側に位置し、前記第1カバープレートおよび第2カバープレートが、それぞれ前記第1巻線柱、前記第2巻線柱、前記第3巻線柱、前記第1縁柱および前記第2縁柱の上方および下方に設置されて閉磁路を形成し、
前記第1巻線柱の磁束と前記第3巻線柱の磁束が第1方向を有し、前記第2巻線柱の磁束が第2方向を有し、前記第1方向と前記第2方向が逆向きであり、
前記磁気コアが位置する平面において、前記第1巻線柱、前記第2巻線柱および前記第3巻線柱を同時に接しまたは貫通する一本の直線が存在することを特徴とする、磁性素子。 - 前記第1巻線柱に巻回されている第1巻線、前記第2巻線柱に巻回されている第2巻線、および前記第3巻線柱に巻回されている第3巻線をさらに備える、請求項1に記載の磁性素子。
- 前記第1巻線、前記第2巻線および前記第3巻線は、電気的に直列に結合されている、請求項2に記載の磁性素子。
- 前記第1巻線、前記第2巻線および前記第3巻線は、電気的に並列に結合されている、請求項2に記載の磁性素子。
- 前記第1巻線を流れる電流と前記第3巻線を流れる電流は、同じ方向を有し、前記第2巻線を流れる電流と前記第1巻線を流れる電流および前記第3巻線を流れる電流は、逆向きである、請求項2に記載の磁性素子。
- 前記第1巻線、前記第2巻線および前記第3巻線を流れる電流は、位相が同じである、請求項5に記載の磁性素子。
- 前記第1巻線柱、前記第2巻線柱および前記第3巻線柱は、1つの水平線に沿って順に配設される、請求項1に記載の磁性素子。
- 前記第1縁柱と前記第2縁柱は、それぞれ前記水平線の両端に設置されている、請求項7に記載の磁性素子。
- 前記第1縁柱と前記第2縁柱は、前記水平線の同一側に設置されている、請求項7に記載の磁性素子。
- 前記第1縁柱と前記第2縁柱は、それぞれ前記水平線の反対側に設置されている、請求項7に記載の磁性素子。
- 前記磁気コアは、インダクタンス巻線が巻回されているインダクタンス巻線柱をさらに備える、請求項1に記載の磁性素子。
- 前記インダクタンス巻線は、第1巻線、第2巻線および第3巻線のうち少なくとも1つに直列接続されている、請求項11に記載の磁性素子。
- 前記第1巻線、前記第2巻線および前記第3巻線は、いずれも一次巻線であり、かつ前記第1巻線柱、前記第2巻線柱および前記第3巻線柱は、それぞれ少なくとも1つの二次巻線によって巻回されている、請求項2に記載の磁性素子。
- 少なくとも3つの巻線柱、少なくとも1つの縁柱、および対向して設置される第1カバープレートと第2カバープレートを有する磁気コアと、
それぞれ前記少なくとも3つの巻線柱に巻回されている少なくとも3つの巻線とを備え、
前記少なくとも3つの巻線柱が順に隣接して設置され、前記第1カバープレートおよび前記第2カバープレートがそれぞれ前記少なくとも3つの巻線柱および前記少なくとも1つの縁柱の上方および下方に位置されて閉磁路を形成し、
任意の3つの隣接する巻線柱のうち、中間に位置する巻線柱の磁束と中央巻線柱の両側に位置する2つの巻線柱の磁束は、逆向きであることを特徴とする、磁性素子。 - 前記磁気コアが位置する平面内において、前記少なくとも3つの巻線柱を同時に接しまたは貫通する一本の直線が存在する、請求項14に記載の磁性素子。
- 前記少なくとも3つの巻線柱は、1つの水平線に沿って順に配設される、請求項14に記載の磁性素子。
- 前記少なくとも1つの縁柱は、前記水平線の両端にそれぞれ設置される第1縁柱および第2縁柱を備える、請求項16に記載の磁性素子。
- 前記少なくとも1つの縁柱は、前記水平線の同一側に設置されている第1縁柱および第2縁柱を備え、かつ前記第1縁柱は、前記少なくとも3つの巻線柱の一端に隣接する巻線柱に対応し、前記第2縁柱は、前記少なくとも3つの巻線柱の他端に隣接する巻線柱に対応する、請求項16に記載の磁性素子。
- 前記少なくとも1つの縁柱は、それぞれ前記水平線の反対側に設置する第1縁柱および第2縁柱を備え、前記第1縁柱は、前記少なくとも3つの巻線柱の一端に隣接する巻線柱に対応し、前記第2縁柱は、前記少なくとも3つの巻線柱の他端に隣接する巻線柱に対応する、請求項16に記載の磁性素子。
- 前記少なくとも1つの縁柱は、単独の縁柱であり、前記縁柱は、前記水平線の片側に位置する、請求項16に記載の磁性素子。
- 前記磁気コアは、インダクタンス巻線が巻回されているインダクタンス巻線柱をさらに備える、請求項14に記載の磁性素子。
- 磁性素子は、トランスであり、前記少なくとも3つの巻線は、いずれも一次巻線であり、前記少なくとも3つの巻線柱の各巻線柱には、さらに少なくとも1つの二次巻線が巻回されている、請求項14に記載の磁性素子。
- 入力電圧を受信し、前記入力電圧を一次電圧に変換する一次回路と、
前記一次電圧を二次電圧に変換する絶縁変換モジュールと、を備え、
前記絶縁変換モジュールは、第1一次巻線、第1二次巻線および第2二次巻線を有する第1トランスと、第2一次巻線、第3二次巻線および第4二次巻線を有する第2トランスと、第3一次巻線、第5二次巻線および第6二次巻線を有する第3トランスと、前記二次電圧を出力電圧に変換する二次回路とを備え、
前記第1二次巻線と前記第2二次巻線は直列接続され、前記第1二次巻線の第1端は、第1スイッチングチューブを介して第1出力端子に電気的に結合され、前記第2二次巻線の第2端は、第2スイッチングチューブを介して前記第1出力端子に電気的に結合され、前記第1二次巻線の第2端は、前記第2二次巻線の第1端に接続されかつ第2出力端子に電気的に結合され、前記第3二次巻線と前記第4二次巻線は直列接続され、前記第3二次巻線の第1端は、第3スイッチングチューブを介して前記第1出力端子に電気的に結合され、前記第4二次巻線の第2端は、第4スイッチングチューブを介して前記第1出力端子に電気的に結合され、前記第3二次巻線の第2端は、前記第4二次巻線の第1端に接続されかつ前記第2出力端子に電気的に結合され、前記第5二次巻線と前記第6二次巻線は直列接続され、前記第5二次巻線の第1端は、第5スイッチングチューブを介して前記第1出力端子に電気的に結合され、前記第6二次巻線の第2端は、第6スイッチングチューブを介して前記第1出力端子に電気的に結合され、前記第5二次巻線の第2端は、前記第6二次巻線の第1端に接続されかつ前記第2出力端子に電気的に結合され、
前記第1一次巻線、前記第1二次巻線および前記第2二次巻線は、請求項1に記載の磁性素子の前記第1巻線柱に巻回され、前記第2一次巻線、前記第3二次巻線および前記第4二次巻線は、請求項1に記載の磁性素子の前記第2巻線柱に巻回され、前記第3一次巻線、前記第5二次巻線および前記第6二次巻線は、請求項1に記載の磁性素子の前記第3巻線柱に巻回されていることを特徴とする、スイッチング電源装置。 - 前記第1一次巻線の第1端は、前記一次回路の一端に電気的に結合され、
前記第2一次巻線の第1端は、前記第1一次巻線の第2端に電気的に結合され、
前記第3一次巻線の第1端は、前記第2一次巻線の第2端に電気的に結合され、前記第3一次巻線の第2端は、一次巻線の他端に電気的に結合されている、請求項23に記載のスイッチング電源装置。
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