JP2022161265A - トランスの接続方法および電源装置 - Google Patents

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Abstract

Figure 2022161265000001
【課題】従来よりも導通損失の削減が可能なトランスの接続方法を提供する。
【解決手段】トランス(TRF1)は、第1板状巻線(PW1)の一端によって構成されている第1高周波端子(HFT1)と、第2板状巻線(PW2)の一端によって構成されている第2高周波端子(HFT2)と、第1板状巻線(PW1)の他端と第2板状巻線(PW2)の他端とに接続された直流端子(DCT1)とを備えている。本開示の一態様に係るトランス(TRF1)の接続方法では、第1高周波端子(HFT1)と第2高周波端子(HFT2)とを回路基板(CB1)の面に対して起立するように接続し、トランス(TRF1)と回路基板(CB1)との間から外部へ伸長している直流端子(DCT1)を、部品(例:CO1)または上記部品へ経由する回路基板に接続する。
【選択図】図1

Description

以下の開示は、トランスの接続方法に関する。
電源装置(あるいは電源回路)にはトランス(変圧器)が用いられる。このトランスに流れる電流は、トランスの配線に導通損失を発生させる。特許文献1には、この導通損失削減を目的としたトランスの接続方法が開示されている。
特開2014-93926号公報
但し、このようなトランスの接続方法を用いても、なおも導通損失を削減する余地がある。本開示の一態様は、従来よりも導通損失の削減が可能なトランスの接続方法を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本開示の一態様に係るトランスの接続方法は、
第1板状巻線の一端によって構成されている第1高周波端子と、
第2板状巻線の一端によって構成されている第2高周波端子と、
上記第1板状巻線の他端と上記第2板状巻線の他端とに接続された直流端子と、を備えているトランスの接続方法であって、
上記第1高周波端子と上記第2高周波端子とを回路基板の面に対して起立するように接続し、
上記トランスと上記回路基板との間から外部へ伸長している上記直流端子を、部品または上記部品へ経由する回路基板に接続する。
本開示の一態様によれば、トランスの導通損失を従来よりも削減することが可能となる。
実施形態1のトランスの接続方法について説明する図である。 図1のラインA1における断面図である。 図1のトランス接続方法が適用されたDCDCコンバータを備えた電源装置の構成を示す図である。
〔実施形態1〕
トランスの巻線では、導通損失による発熱が起こる。トランスの高電力密度化には、高周波による小型化と大電流による高電力化とが必要である。トランスにおける直流電流の導通損失削減には、当該トランスの配線を太くすることが有効である。
しかし、高周波電流の導通損失には、表皮効果による影響が大きい。このため、トランスの配線を太くするだけでは、高周波電流の導通損失への対策としては不十分である。
本開示の一態様は、周波数20kHz以上かつ1MHz以下の高周波トランス(以下、単にトランスと称する)を使って、10A以上かつ1000A以下の大電流を流す当該トランスの導通損失削減方法を示す。
実施形態1では、周波数66kHzにおいて160Aの電流をトランスに流すので、導通損失によるトランス巻線の発熱が大きい。この導通損失を低減するために、本開示の一態様に係るトランス接続方法によって改良を行った。
図1は、実施形態1のトランスTRF1の接続方法について説明する図である。具体的には、図1は、トランスTRF1を側面から見た透過図を示している。図2は、図1のラインA1における断面図を示している。
図3は、本開示の一態様に係るトランス接続方法が適用されたDCDCコンバータ100を備えた電源装置200の構成を示す図である。図3に示す通り、DCDCコンバータ100は、トランスTRF1に加え、整流回路20およびスイッチング回路30を備える。
本明細書では、記載の簡潔化のために、例えば「第1板状巻線PW1」を、単に「PW1」とも表記する。また、本明細書において述べる各数値は、単なる一例であることに留意されたい。
(トランスTRF1の概要)
実施形態1におけるトランスTRF1は、DCDCコンバータ100の構成部品である。TRF1は、トランスコアTRC1を備える。そして、TRF1は、TRC1の内部に1次巻線(図示は省略)および2次巻線を備えている。TRF1は、1次巻線を介して、DCDCコンバータ100における1次側のスイッチング回路30に接続されている。
TRF1の2次巻線は、センタータップを備えた巻線構造を有している。TRF1の2次巻線は、当該2次巻線の端子である第1高周波端子HFT1、第2高周波端子HFT2、および直流端子DCT1を介して、DCDCコンバータ100における2次側の整流回路20に接続されている。
一般的に、トランスの巻線である1次側巻線(1次巻線)および2次側巻線(2次巻線)は、1次側コイルおよび2次側コイルと称される場合もある。但し、実施形態1では、1次側巻線および2次側巻線という呼称を用いる。後述のコイルCO1との混在を避けるためである。
(スイッチング回路30)
スイッチング回路30は、TRF1に交流電圧を印加するために用いられる。実施形態1におけるスイッチング回路30では、フルブリッジ回路が適用されている。但し、LLC、DAB(Dual Active Bridge)、およびプッシュプル回路等の任意のスイッチング回路を、スイッチング回路30に適用することもできる。
(整流回路20)
整流回路20は、TRF1の交流起電力を整流するために用いられる。実施形態1における整流回路20では、センタータップ同期整流回路が適用されている。但し、センタータップ巻線によって動作可能な任意の回路方式を、整流回路20に適用することもできる。
(2次巻線の構造と接続方法)
TRF1におけるセンタータップ巻線は、第1板状巻線PW1と第2板状巻線PW2と直流端子DCT1との3つの銅板によって構成されている。これらの部材はいずれも、3次元構造を有しているため、図1と図2との双方によって各部材の構造が確認できるように、各構造が開示されている。
透過図である図1において、PW1の実線およびPW2の点線のそれぞれの円状部では、線が重なっている。このことは、手前のPW1および奥のPW2のそれぞれのエッジが、同じ位置にあることを示している。
PW1およびPW2はそれぞれ、厚さ1mmかつ幅5mmの銅板によって構成された1ターンのコイルである。PW1およびPW2のそれぞれの面は、DCDCコンバータ100の回路基板CB1の面に対して起立するように(例:垂直に)配置されている。PW1およびPW2のそれぞれの一端を伸ばすことで、66kHzの高周波電流を流す端子が構成されている。
第1高周波端子HFT1は、PW1の一端によって構成されている。第2高周波端子HFT2は、PW2の一端によって構成されている。HFT1およびHFT2はそれぞれ、CB1の面に対して起立するように(例:垂直に)スルーホール接続される。
加えて、HFT1は、DCDCコンバータ100の第1整流素子SR1に、CB1のパターンを介して接続される。同様に、HFT2は、DCDCコンバータ100の第2整流素子SR2に、CB1のパターンを介して接続される。
PW1およびPW2のそれぞれの他端は、DCT1にスルーホール接続される。DCT1は、直流電流を流す直流端子としての役割を担う。
実施形態1におけるDCT1は、板状端子(板状配線)である。具体的には、DCT1は、厚さ1.2mmの銅板によって構成されている。DCT1の一部は、当該DCT1の面がCB1と向き合う状態で、TRF1とCB1との間に配置されている。DCT1は、当該DCT1の先端が伸長されており、DCDCコンバータ100のコイルCO1に接続されている。
(2次巻線の構造と接続方法とによる効果)
高周波電流は、トランスの配線に表皮効果を引き起こす。このため、当該配線を太くするだけでは、高周波電流の導通損失削減が不十分である。そこで、実施形態1では、PW1およびPW2のそれぞれの一端を直接的に回路基板に実装する接続方法が採用されている。このように、他の部材の経由を無くしてトランスの総合配線長を短くすることにより、導通損失を削減できる。
PW1およびPW2のそれぞれの他端は、DCT1に接続される。DCT1には直流電流が流れるため、各配線の断面積を調整することにより導通損失を調整できる。このため、PW1またはPW2と異なる厚さと幅とを有するDCT1を用いることにより、導通損失の削減が可能になる。
また、上述の説明から理解される通り、DCT1は、TRF1とCB1との間から外部に伸長している。これにより、目的に応じて、DCT1を、部品(例:CO1)または上記部品へ経由する回路基板に接続することができる。この場合には、DCT1の厚さと幅とを自由に調整できるため、より柔軟な接続が実施できる。
(直流端子を用いた板状巻線の放熱)
TR1では、PW1およびPW2では高周波電流による発熱が大きい。そこで、TR1では、DCT1が、PW1およびPW2によって生じた熱を放散する役割を担っている。DCT1の厚さは、DCT1とPW1およびPW2との接触面積と関係することで、DCT1とPW1およびPW2との熱接触抵抗に影響する。
DCT1の厚さがPW1およびPW2の厚さの0.5倍未満である場合には、PW1およびPW2の熱がDCT1へ伝達されにくくなる。このため、DCT1の厚さは、PW1およびPW2の厚さの0.5倍以上であることが好ましい。
DCT1が空気中へ放熱を効果的に行うためには、CB1とDCT1との間の間隔が大きい方が好ましい。DCT1の厚さに限定した対策のみでは、DCT1による空気中への放熱効率が低下しうるためである。
具体的には、CB1とDCT1との間の間隔は、DCT1の厚さの2倍以上かつ40倍以下であることが好ましい。上記間隔が大きすぎる場合には、HFT1およびHFT2が長くなることで、導通損失が増加しうるためである。
(高周波端子および直流端子の強制空冷)
PW1およびPW2をより効率的に放熱させるためには、強制空冷が効果的である。強制空冷の風向は、図1および図2に示されている矢印AF1の方向が好ましい。具体的には、TRF1とCB1との間を、HFT1およびHFT2のそれぞれの面に沿って(例:HFT1およびHFT2のそれぞれの面と並行に)、風を流すことが好ましい。風が流れる方向は、AF1と逆方向であってもよい。HFT1およびHFT2のそれぞれの面に沿って風を流すことで、風がスムーズに流れ空冷効果が向上するためである。
(高周波端子および直流端子のセンタータップ同期整流回路への接続)
HFT1およびHFT2は、66kHzにおいて160Aの電流を流す。HFT1およびHFT2に流れる電流が多いため、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)を用いたセンタータップ同期整流回路を、整流回路20に適用することが好ましい。このため、実施形態1では、SR1およびSR2として、MOSFETが使用されている。
センタータップ同期整流回路の構成は、以下の通りである。SR1のドレイン端子はHFT1に接続されており、SR1のソース端子は2次側回路のGND(接地端子)に接続されている。SR2のドレイン端子はHFT2に接続されており、SR2のソース端子は2次側回路のGNDに接続されている。
DCT1には、CO1の一端が直接的にスルーホール接続されている。直接的な接続によれば、回路基板を介した接続よりも低抵抗化を実現できるためである。DCT1の他の接続方法としては、CB1を経由してCO1に接続する方法もある。または、CB1以外の任意の基板(例:回路基板)を経由してCO1へ接続することもできる。この場合には、基板を経由する長さを短く抑えることが必要である。CO1は、本開示の一態様に係る部品の一例である。当該部品は、コンデンサまたは抵抗であってもよい。CO1の他端は、DCDCコンバータ100の出力コンデンサ(不図示)の正極に接続されている。出力コンデンサの負極は、2次側回路のGNDに接続されている。
このように、TRF1の2次側をセンタータップ同期整流回路に接続することによって、DCDCコンバータ100の損失も削減できる。さらに、DCDCコンバータ100を備えた電源装置200の損失も低減できる。
〔まとめ〕
本開示の態様1に係るトランスの接続方法は、
第1板状巻線の一端によって構成されている第1高周波端子と、
第2板状巻線の一端によって構成されている第2高周波端子と、
上記第1板状巻線の他端と上記第2板状巻線の他端とに接続された直流端子と、を備えているトランスの接続方法であって、
上記第1高周波端子と上記第2高周波端子とを回路基板の面に対して起立するように接続し、
上記トランスと上記回路基板との間から外部へ伸長している上記直流端子を、部品または上記部品へ経由する回路基板に接続する。
上記の構成によれば、板状巻線の一端によって構成された高周波端子を、回路基板まで短く接続できる。このため、高周波電流による導通損失が削減できる。そして、直流端子によって、部品までの配線の太さを任意の太さに変換してから接続できるので、低抵抗化を実現できる。
本開示の態様2に係るトランスの接続方法では、
上記直流端子は、板状端子であり、
上記直流端子の厚さは上記第1板状巻線の厚さの0.5倍以上であり、
上記直流端子の面と上記回路基板との面が向い合って配置されており、
上記直流端子と上記回路基板との間隔は、上記直流端子の厚さの2倍以上かつ40倍以下である。
上記の構成によれば、直流端子の厚さを、板状巻線の厚さよりも0.5倍以上に設定することで、板状巻線と直流端子との接触面積が大きく確保できて、直流端子へ効率的に熱を伝達できる。加えて、直流端子において吸収した板状巻線の熱を、直流端子の厚さの2倍以上の間隔から効率的に放熱できる。また、間隔が直流端子の厚さの40倍以下であるので、高周波端子が長くなることを抑制し、高周波端子の導通損失を低減できる。
本開示の態様3に係るトランスの接続方法では、
上記第1高周波端子と上記直流端子とを冷却する風が、上記トランスと上記回路基板との間を、上記第1高周波端子の面に沿って流れる。
上記の構成によれば、高周波端子と直流端子とを効率的に冷却できる。
本開示の態様4に係る電源装置は、
上記トランスを有するDCDCコンバータを備えている電源装置であって、
上記DCDCコンバータは、第1整流素子と第2整流素子とコイルとを備えており、
態様1に記載のトランスの接続方法を用いて、
上記第1高周波端子に上記第1整流素子が接続されており、
上記第2高周波端子に上記第2整流素子が接続されており、
上記直流端子に上記コイルが接続されている。
上記の構成によれば、電源装置のDCDCコンバータにおけるトランスの温度上昇を抑制できる。
〔付記事項〕
本開示の一態様は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても、本開示の一態様の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成できる。
TRF1 トランス
PW1 第1板状巻線
PW2 第2板状巻線
HFT1 第1高周波端子
HFT2 第2高周波端子
DCT1 直流端子
CB1 回路基板
SR1 第1整流素子
SR2 第2整流素子
CO1 コイル(部品)
100 DCDCコンバータ
200 電源装置

Claims (5)

  1. 第1板状巻線の一端によって構成されている第1高周波端子と、
    第2板状巻線の一端によって構成されている第2高周波端子と、
    上記第1板状巻線の他端と上記第2板状巻線の他端とに接続された直流端子と、を備えているトランスの接続方法であって、
    上記第1高周波端子と上記第2高周波端子とを回路基板の面に対して起立するように接続し、
    上記トランスと上記回路基板との間から外部へ伸長している上記直流端子を、部品または上記部品へ経由する回路基板に接続する、トランスの接続方法。
  2. 上記直流端子は、板状端子であり、
    上記直流端子の厚さは、上記第1板状巻線の厚さの0.5倍以上であり、
    上記直流端子の面と上記回路基板の面とが向い合って配置されており、
    上記直流端子と上記回路基板との間隔は、上記直流端子の厚さの2倍以上かつ40倍以下である、請求項1に記載のトランスの接続方法。
  3. 上記第1高周波端子と上記直流端子とを冷却する風が、上記トランスと上記回路基板との間を、上記第1高周波端子の面に沿って流れる、請求項1に記載のトランスの接続方法。
  4. 上記第1高周波端子と上記直流端子とを冷却する風が、上記トランスと上記回路基板との間を、上記第1高周波端子の面に沿って流れる、請求項2に記載のトランスの接続方法。
  5. 上記トランスを有するDCDCコンバータを備えている電源装置であって、
    上記DCDCコンバータは、第1整流素子と第2整流素子とコイルとを備えており、
    請求項1に記載のトランスの接続方法を用いて、
    上記第1高周波端子に上記第1整流素子が接続されており、
    上記第2高周波端子に上記第2整流素子が接続されており、
    上記直流端子に上記コイルが接続されている、電源装置。
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