JP2020167271A - トランス、及び電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】より小型なトランス、及び電力変換装置を提供する。【解決手段】トランス１は、多層基板２の第１の層に配置され、一次巻線４及び二次巻線５のうちの一方の配線を構成すると共に、それぞれが巻線である２つ以上の部分配線と、第１の層とは異なる第２の層に配置され、一方を構成すると共に、巻線である１つ以上の部分配線と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、多層基板を用いたトランス、及びそのトランスを備えた電力変換装置に関する。

通常、電力変換装置、更にはその電力変換装置を搭載させた装置にも、小型化が求められる。その小型化のために、電力変換装置には、多層基板に一次巻線、及び二次巻線の各配線が形成されたトランスが採用されるケースが多くなっている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１６−４９２８号公報

多くの場合、一次巻線、及び二次巻線の各配線は、それぞれ多層基板の異なる層に形成される。そのように各配線を多層基板に形成することにより、トランスは小型化することができる。

一次巻線、及び二次巻線の各配線に必要な面積、言い換えれば多層基板の積層方向と直交する直交方向上の幅は、巻数が多くなるほど、また配線に流す電流量が大きくなるほど、広くなる。トランスをより小型化するには、配線に必要な面積もより小さくする必要がある。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたもので、その目的は、より小型なトランス、及び電力変換装置を提供することにある。

本発明に係るトランスは、多層基板の第１の層に配置され、一次巻線、及び二次巻線のうちの一方の配線を構成すると共に、それぞれが巻線である２つ以上の部分配線と、第１の層とは異なる第２の層に配置され、一方を構成すると共に、巻線である１つ以上の部分配線と、を備える。

本発明に係る電力変換装置は、上記トランスを備える。

本発明によれば、トランス、更にはそのトランスを備えた電力変換装置をより小型化することができる。

本発明の実施の形態１に係るトランスの例を示す図である。 本発明の実施の形態１に係るトランスの外観例を示す斜視図である。 一層に形成された一次巻線の部分配線の例を示す図である。 ２層にそれぞれ形成された一次巻線の部分配線の例を示す図である。 一層に形成された二次巻線の部分配線の例を示す図である。 ２層にそれぞれ形成された二次巻線の部分配線の例を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る電力変換装置の例を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る電力変換装置の例を示す図である。

以下、本発明に係るトランス、及び電力変換装置の実施の形態を、図を参照して説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るトランスの例を示す図である。図２は、本発明の実施の形態１に係るトランスの外観例を示す斜視図である。

トランス１は、図１に示すように、多層基板２、及びコア３を備えている。多層基板２は、例えばガラスエポキシ基板を層６として複数、積層したものである。本実施の形態では、多層基板２は５層構造となっている。また、本実施の形態では、一次巻線４、及び二次巻線５の各配線は、それぞれ２つの層６に形成されている。

コア３は、例えばフェライトを材料として作製されたものであり、２つのコア部品３ａ、３ｂにより構成されている。２つのコア部品３ａ、３ｂは、図１に示すように、側面から見てＥ字型の形状であり、３つの突出した突出部３１〜３３を備える。２つのコア部品３ａ、３ｂは、これら突出部３１〜３３をそれぞれ対向させて配置されている。２つのコア部品３ａ、３ｂを対向配置した状態では、突出部３２間に、磁気飽和を抑制するためのギャップ７が形成される。

２つのコア部品３ａ、３ｂに３つの突出部３１〜３３が設けられていることから、多層基板２は、突出部３１〜３３に接触しない形状に作製されている。一次巻線４、二次巻線５の各配線は、突出部３２を囲むように形成されている。それにより、トランス１は、図２に示すように、多層基板２を挟むように２つのコア部品３ａ、３ｂを配置した外形となっている。

一次巻線４および二次巻線５の各配線は、上記のように、２つの層６に形成させている。言い換えれば、一次巻線４の配線は、それぞれが巻線を形成する複数の部分配線に分割し、一つの層６には２つ以上の部分配線、他の一層６には１つ以上の部分配線をそれぞれ形成させている。これは、二次巻線５でも同様である。

次に、図３〜図６を参照し、一次巻線４および二次巻線５の各配線について具体的に説明する。図３は、一層に形成された一次巻線の部分配線の例を示す図である。図４は、２層にそれぞれ形成された一次巻線の部分配線の例を示す図である。図５は、一層に形成された二次巻線の部分配線の例を示す図である。図６は、２層にそれぞれ形成された二次巻線の部分配線の例を示す図である。

一次巻線４の部分配線は、表層である第１層６ａの表面、及びその第１層６ａの下に位置する第２層６ｂの表面に形成されている。本実施の形態では、第１層６ａ、第２層６ｂにそれぞれ２つの部分配線を形成させている。第１層６ａには、図３及び図４に示すように、部分配線４ａ、４ｂが形成されている。第２層６ｂには、図４に示すように、部分配線４ｃ、４ｄが形成されている。ここでは、説明上、便宜的に、一意に特定できない部分配線には、符号を付さないこととする。本実施の形態において、第１層６ａは第１の層に相当し、第２層６ｂは第２の層に相当する。

計４つの部分配線４ａ〜４ｄは、一次巻線４の一部であることから、全て同じ向きの渦巻き状に形成されている。部分配線４ａの端部４ａ２は、部分配線４ｃの端部４ｃ２とスルーホール、或いはビアにより接続されている。同様に、部分配線４ｂの端部４ｂ２は、部分配線４ｄの端部４ｄ２とスルーホール、或いはビアにより接続されている。図３及び図４では、スルーホール、及びビアは省略している。

２つの層６ａ、６ｂに部分配線４ａ〜４ｄを形成する場合、例え巻数、及び流す電流量が同じであっても、一つの層６に一次巻線４の配線を全て形成させる場合と比較して、一つの層６での配線に要する面積は、より小さくさせることができる。言い換えれば、多層基板２の積層方向と直交する直交方向上の配線に要する幅は、より小さくさせることができる。そのため、トランス１はより小型化させることができる。

一つの層６での配線に要する面積は、より小さくさせることができることから、多層基板２の積層方向と直交する直交方向上、隣接する配線間の距離である配線ピッチはより広くさせることが可能となる。配線ピッチをより広くさせた場合、トランス１をより小型化しつつ、一次巻線４での近接効果による損失をより抑えることもできる。

部分配線４ａ〜４ｄの他方の端部４ａ１〜４ｄ１は、他の部分配線との接続、或いは外部との接続に用いられる。他の部分配線との接続は、部分配線４ａの端部４ａ１と部分配線４ｄの端部４ｄ１との接続、及び部分配線４ｂの端部４ｂ１と部分配線４ｃの端部４ｃ１との接続のうちの何れかにより行われる。この接続は、スルーホール、或いはビアを用いて行われる。

図３および図４に示すように、各部分配線４ａ〜４ｄの巻数は同じとなっている。そのため、外側に位置する端部４ａ１〜４ｄ１のうちの接続させた２つの端部、及びその２つの端部を接続する接続経路は、センタータップとして用いることができる。センタータップを外側、言い換えればコア部品３ａ、３ｂの突出部３２から離れた側に設けた場合、一次巻線４の配線を一つの層６に形成させたような場合とは異なり、センタータップ用の配線を別の層６に設けなくとも済む。このことから、配線設計が容易となる。また、一次巻線４の部分配線４ａ〜４ｄを２つの層６ａ、６ｂに形成しても、必要な層数の増大は回避させることができる。一つの層６に同じ偶数の部分配線を形成した場合、このような利点も得ることができる。

二次巻線５の部分配線は、図５及び図６に示すように、裏側の表層である第５層６ｅの裏面、及びその第５層６ｅの上に位置する第４層６ｄの裏面に形成されている。本実施の形態では、一次巻線４と同様に、第５層６ｅ、第４層６ｄにそれぞれ２つの部分配線を形成させている。第５層６ｅには、図５及び図６に示すように、部分配線５ａ、５ｂが形成されている。第４層６ｄには、図６に示すように、部分配線５ｃ、５ｄが形成されている。ここでも、説明上、便宜的に、一意に特定できない部分配線には、符号を付さないこととする。本実施の形態において、第５層６ｅは第１の層に相当し、第４層６ｄは第２の層に相当する。

計４つの部分配線５ａ〜５ｄは、二次巻線５の一部であることから、全て同じ向きに渦巻き状に形成されている。部分配線５ａの端部５ａ２は、部分配線５ｃの端部５ｃ２とスルーホール、或いはビアにより接続されている。同様に、部分配線５ｂの端部５ｂ２は、部分配線５ｄの端部５ｄ２とスルーホール、或いはビアにより接続されている。図５及び図６でも、スルーホール、及びビアは省略している。

図３及び図４は、上方からの視点で一次巻線４の部分配線４ａ〜４ｄを示している。これに対し、図５及び図６は、下方からの視点で二次巻線５の部分配線５ａ〜５ｄを示している。この視点の相違から、図５及び図６は、二次巻線５の渦巻き状に形成された部分配線５ａ〜５ｄの向きは、一次巻線４の部分配線４ａ〜４ｄとは逆になっていることを示している。

２つの層６ｄ、６ｅに部分配線５ａ〜５ｄを形成する場合、例え巻数、及び流す電流量が同じであっても、一つの層６に二次巻線５の配線を全て形成させる場合と比較して、一つの層６での配線に要する面積は、より小さくさせることができる。多層基板２の積層方向と直交する直交方向上の配線に要する幅は、より小さくさせることができる。そのため、トランス１はより小型化させることができる。また、配線ピッチをより広くさせた場合、トランス１をより小型化しつつ、二次巻線５での近接効果による損失をより抑えることもできる。

部分配線５ａ〜５ｄの他方の端部５ａ１〜５ｄ１は、他の部分配線との接続、或いは外部との接続に用いられる。他の部分配線との接続は、部分配線５ａの端部５ａ１と部分配線５ｄの端部５ｄ１との接続、及び部分配線５ｂの端部５ｂ１と部分配線５ｃの端部５ｃ１との接続のうちの何れかにより行われる。この接続は、スルーホール、或いはビアを用いて行われる。

図５および図６に示すように、各部分配線５ａ〜５ｄの巻数も同じとなっている。そのため、外側に位置する端部５ａ１〜５ｄ１のうちの接続させた２つの端部、及びその２つの端部を接続する接続経路は、二次巻線５のセンタータップとして用いることができる。センタータップを外側、言い換えればコア部品３ａ、３ｂの突出部３２から離れた側に設けた場合、一次巻線４と同様の利点が得られる。つまり、トランス１における配線設計が容易となり、必要な層数の増大も回避させることができる。

なお、本実施の形態では、一次巻線４および二次巻線５の各配線を共に２つの層６に形成しているが、それらのうちの少なくとも一方を３つ以上の層６に形成させるようにしても良い。巻数によっては、一次巻線４および二次巻線５の各配線のうちの一方を一つの層６に形成させるようにしても良い。一つの層６に形成する部分配線の数は、３以上とさせても良い。各部分配線の巻数は、全て同じにしなくとも良い。

実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２に係る電力変換装置の例を示す図である。この電力変換装置は、プッシュプル方式を採用した電力変換装置であり、上記実施の形態１によるトランス１を備えている。図７に示すように、一次側には、直流電源１１、２つのスイッチング素子１８、１９が接続されている。２つのスイッチング素子１８、１９は、Ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）であり、ゲートに接続された制御回路１７によってオン／オフ駆動される。なお、２つのスイッチング素子１８、１９の種類は、特に限定されない。

一方、二次側は、２つのダイオード１３、１４、コンデンサ１２、及び負荷１５が接続されている。検出回路１６は、負荷１５の両端に印加される電圧の検出用である。

トランス１の一次巻線４は、部分配線４ｂの端部４ｂ１と部分配線４ｃの端部４ｃ１とが接続されている。それにより、この２つの端部４ｂ１、４ｃ１、及びそれらを接続する接続経路は、センタータップ２０ａとなっている。この結果、一次巻線４は、センタータップ２０ａにより、部分配線４ａ、４ｃと、部分配線４ｂ、４ｄとに分けて使用されている。

トランス１の二次巻線５は、部分配線５ｂの端部５ｂ１と部分配線５ｃの端部５ｃ１とが接続されている。それにより、この２つの端部５ｂ１、５ｃ１、及びそれらを接続する接続経路は、センタータップ２０ｂとなっている。この結果、二次巻線５は、センタータップ２０ｂにより、部分配線５ａ、５ｃと、部分配線５ｂ、５ｄとに分けて使用されている。

制御回路１７は、２つのスイッチング素子１８、１９を交互にオン駆動する。スイッチング素子１８がオン駆動された場合、直流電源１１からの電流は、破線で示す経路Ｉ１ａに沿って流れる。つまり、直流電源１１からの電流は、直流電源１１→部分配線４ａ、４ｃ→スイッチング素子１８→直流電源１１、の経路Ｉ１ａで流れる。

二次側では、部分配線５ｂ、５ｄに誘起された電流は、破線で示す経路Ｉ２ａに沿って電流が流れる。つまり、電流は、部分配線５ｂ、５ｄ→ダイオード１４→負荷１５→部分配線５ｂ、５ｄ、の経路Ｉ２ａで流れる。負荷１５の両端間に接続されたコンデンサ１２は、流れる電流の高周波成分を除去する。

スイッチング素子１９がオン駆動された場合、一次側では、直流電源１１からの電流は、実線で示す経路Ｉ１ｂに沿って流れる。つまり、直流電源１１からの電流は、直流電源１１→部分配線４ｂ、４ｄ→スイッチング素子１９→直流電源１１、の経路Ｉ１ｂで流れる。

二次側では、部分配線５ａ、５ｃに誘起された電流は、実線で示す経路Ｉ２ｂに沿って流れる。つまり、電流は、部分配線５ａ、５ｃ→ダイオード１３→負荷１５→部分配線５ａ、５ｃ、の経路Ｉ２ｂで流れる。

上記のように、トランス１のセンタータップは、一次巻線４側、及び二次巻線５側ともに、容易に設けることができる。トランス１は、より小型化することができる。これらのことから、電力変換装置は、製造コストを抑えつつ、より小型化させることができる。

なお、電力変換装置では、電力変換装置を構成するスイッチング素子１８、１９等の部品の実装に多層基板２を用いても良い。多層基板２に実装する部品は、電力変換装置を搭載した装置の部品であっても良い。

実施の形態３．
図８は、本発明の実施の形態３に係る電力変換装置の例を示す図である。この電力変換装置は、フルブリッジ方式を採用した電力変換装置である。この電力変換装置には、上記実施の形態１によるトランス１、或いはその変形例のトランス１を備えている。変形例のトランス１は、例えば部分配線が部分配線４ａ、４ｂのみとし、端部４ａ２と端部４ｂ２とを接続させたものである。その変形例のトランス１は、一次巻線４の配線を部分配線に分けることなく一つの層６に形成させたものであっても良い。図８では、変形例のトランス１は、前者と想定している。本実施の形態でも、上記実施の形態２と同様に、製造コストを抑えつつ、より小型化させた電力変換装置を実現させることができる。

本実施の形態では、一次側には、直流電源１１の両端間に、スイッチング素子１８、２２を直列に接続させたハーフブリッジ回路、およびスイッチング素子２１、１９を直列に接続させたハーフブリッジ回路が並列に接続されている。スイッチング素子１８、２１は、上アームであり、スイッチング素子１９、２２は、下アームである。それにより、一次側は、フルブリッジ回路により、一次巻線４に電流を供給するようになっている。二次側は、上記実施の形態２と同じ回路構成である。

制御回路１７は、ゲートに供給する信号により、スイッチング素子１８、１９、２１、２２をオン／オフ駆動する。制御回路１７は、一方のハーフブリッジ回路の上アーム、および他方のハーフブリッジ回路の下アームを共にオン駆動させる。それにより、スイッチング素子２１、２２がオン駆動された場合、直流電源１１からの電流は、破線で示す経路Ｉ３ａに沿って流れる。つまり、直流電源１１からの電流は、直流電源１１→スイッチング素子２１→部分配線４ａ、４ｂ→スイッチング素子２２→直流電源１１、の経路Ｉ３ａで流れる。

二次側では、部分配線５ａ、５ｃに誘起された電流は、破線で示す経路Ｉ４ａに沿って流れる。つまり、電流は、部分配線５ａ、５ｃ→ダイオード１３→負荷１５→部分配線５ａ、５ｃ、の経路Ｉ４ａで流れる。

スイッチング素子１８、１９がオン駆動された場合、直流電源１１からの電流は、実線で示す経路Ｉ３ｂに沿って流れる。つまり、直流電源１１からの電流は、直流電源１１→スイッチング素子１８→部分配線４ａ、４ｂ→スイッチング素子１９→直流電源１１、の経路Ｉ３ｂで流れる。

二次側では、部分配線５ｂ、５ｄに誘起された電流は、実線で示す経路Ｉ４ｂに沿って流れる。つまり、電流は、部分配線５ｂ、５ｄ→ダイオード１４→負荷１５→部分配線５ｂ、５ｄ、の経路Ｉ４ｂで流れる。

なお、本実施の形態２、３では、プッシュプル方式、ハーフブリッジ方式をそれぞれ採用しているが、方式はそれらに限定されない。電力変換装置は、スイッチング素子を用いない種類であっても良い。電力変換装置は、トランス１のセンタータップを用いない種類であっても良い。

１ トランス、２ 多層基板、３ コア、３ａ、３ｂ コア部品、４ 一次巻線、４ａ〜４ｄ 部分配線、４ａ１〜４ｄ２ 端部、５ 二次巻線、５ａ〜５ｄ 部分配線、５ａ１〜５ｄ２ 端部、６ 層、２０ａ、２０ｂ センタータップ。

Claims (5)

1. 多層基板の第１の層に配置され、一次巻線、及び二次巻線のうちの一方の配線を構成すると共に、それぞれが巻線である２つ以上の部分配線と、
   前記第１の層とは異なる第２の層に配置され、前記一方を構成すると共に、前記巻線である１つ以上の部分配線と、
   を備えるトランス。
2. 前記一方は、前記一次巻線であり、前記２つ以上の部分配線が２つ以上の層に形成されている、
   請求項１に記載のトランス。
3. 前記一方は、前記二次巻線であり、前記２つ以上の部分配線が２つ以上の層に形成されている、
   請求項１または２に記載のトランス。
4. 前記２つ以上の部分配線は、２以上の偶数の部分配線である、
   請求項１〜３の何れか１項に記載のトランス。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載のトランス、
   を備える電力変換装置。

Images