JP2779706B2 - プリントコイル形トランス - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は電子機器や電源装置に用いられるトランスや
チョークコイルに用いて好適なコイル構造体に係り、特
にトランスとして用いる場合の磁気結合が良好で、低損
失且つ高周波特性の良好な装置に関する。

背景技術 トランスは、電子機器や電源装置に用いられる磁性部
品で、一次側と二次側との間を絶縁すると共に、二次側
の電圧が一次側の電圧と巻線比に応じて定まる性質を有
する。そして、スイッチング電源用のトランスには、導
線をボビンに巻いて構成する線巻トランスが普及してお
り、特に磁芯たるコアの寸法はJISやIEC等の規格によっ
て標準化されている。

ところで、ボビンを用いないトランスとして、例えば
特開昭63−173308号公報に開示された、単一の多層プリ
ント回路基板に巻線を配設したプリントコイル形トラン
スが知られている。このような構成によれば、巻線が極
めて近接して配置されているので、漏れインダクタンス
を介しての損失が低減する。しかし、本発明者がさらに
詳細な検討を加えたところ、漏れインダクタンス以外の
損失の寄与も大きいため、さらなる低損失化が必要にな
ってきた。

また公表特許平１−503264号公報には、プリントコイ
ル形トランスにはスイッチング電流に起因する一次回路
−二次回路の寄生電流を最小化して低損失かすることが
知られている。しかし、本発明者がさらに詳細な検討を
加えたところ、多層プリント回路基板の積層順序を考慮
しただけでは、低損失化が不充分であることが判明し
た。

本発明はこのような課題を解決したもので、トランス
損失が最小化されるコア形状を有する小型のプリントコ
イル形トランスを提供することを目的とする。

発明の開示 上記の目的を達成する本発明は、複数の同心渦巻き状
のコイルを絶縁性樹脂を用いて厚み方向に積層したコイ
ル積層体40の当該渦巻きの中心にEE形コア若しくはEI形
コアの中足コア33を配置して、当該複数コイル間の磁気
的結合を得る平面形トランスであって、前記コアの断面
積を脚部コア34と連結部コア35で大略一致させ、前記中
足コアの断面積Aeを当該脚部コアの断面積の大略２倍に
し、且つコア体積Veとの関係で次式を充足すると共に、 1.4≦Ve^1/3/Ae^1/2≦1.7 前記コアの中足コアと脚部コアとの間隔ｗと、前記中
足コアの高さｈとの間には次式を充足すること、 0.5≦h/w≦２ を特徴としている。

本発明の構成によれば、コアの断面積を磁路にそって
均一にした磁束密度をほぼ一定に保持しているので、損
失が局所的に増大することがない。また、コアの中足コ
アと脚部コアにより形成される窓部でコイル断面を囲っ
ているが、コア形状を最適化することでコイル抵抗を最
小化することができ、トランスの小型化に寄与する。

図面の簡単な説明 図１は、本発明の一実施例を示す組立状態の構成斜視
図で、一部を破断してある。

図２は、コイル積層体40の断面図である。

図３は、コイル30の形状の詳細を説明する図である。

図４は、トランス損失Plossとコア断面積Aeとの関係
を説明する概念図である。

図５は、本発明の第２の実施例を示す構成斜視図であ
る。

図６は、UU形コアの形状を説明する構成図である。

図７は、図８と図９の実施例との比較において基準と
なるもので、コア窓の寸法比（h/w）が１の場合の構成
図である。

図８は、本発明の第３の実施例を示す構成斜視図であ
る。

図９は、本発明の第４の実施例を示す構成斜視図であ
る。

図10は、本発明の第５の実施例を示す構成斜視図であ
る。

図11は、EE形コアの形状を説明する図である。

図12は、本発明の第６の実施例を示す構成斜視図であ
る。

発明を実施するための最良の形態 以下図面を用いて、本発明を説明する。図１は本発明
の一実施例を示す組立状態の構成斜視図で、コイル積層
体の一部を破断してある。図において、コイル積層体40
は、従来のボビンと導線を一体化したもので、具体的な
詳細構造は例えば本出願人の提案にかかる特開平６−31
0345号公報に開示してある。コイル積層体40の中央には
コア穴41が形成されており、上部コア31と下部コア32の
中足コアが挿入される。端子42はコイル積層体40の上部
コア31と下部コア32の脚部コア34が装着される辺と直交
する他の二辺に埋め込んである。

図２はコイル積層体40の断面図で、図１の２−２方向
断面を示している。ここでは二次側コイル45が中程に二
層あり、その上下各１層を一次側コイル44で挟んでい
る。コア穴41に近い位置に、上下各１層の一次側コイル
44を連絡する内部連絡端子43aと、全ての一次側コイル4
4と二次側コイル45を連絡する内部連絡端子43bが設けら
れている。また、コイル積層体40の両側には端子42が設
けられているが、一方は上下各１層の一次側コイル44を
連絡する一次側端子42aであり、他方は二層の二次側コ
イル45を連絡する二次側端子42bとなっている。コイル
の巻数については、一次側コイル44の各一層については
３ターン、二次側コイル44の各一層については２ターン
となっている。コイルの各層間は絶縁性樹脂で充填され
ているので、各種の安全規格取得に必要とされる離隔距
離が0.6mmと薄いので、トランスの更なる小型化が可能
になる。

図３はコア30の形状の詳細を説明する図で、（Ａ）は
上部コア31と下部コア32を組み立てた状態の正面図、
（Ｂ）はコアの平面図、（Ｃ）はコアの断面積を説明す
る斜視図である。中足コア33の直径はＤで表され、この
直径Ｄは脚部コア34の幅Ｃと同一値になっている（Ｄ＝
Ｃ）。連結部コア35の長さはＡであり、脚部コア34の内
側側面の間隔はＥになっており、脚部コア34の厚さはｂ
としている。また、脚部コア34の内側側面と中足コア33
の対抗する周面との間隔はｗとなっている。そこで、次
の関係が成立している。

Ａ＝Ｅ＋2b＝（Ｄ＋2w）＋2b （１） 更に、上部コア31と下部コア32を組み立てた状態での
連絡部コア35の高さはＨであり、連絡部コア35の対向す
る間隔はｈになっている。また、連絡部コア35の厚さは
ｔであるが、次の関係が成立している。

Ｈ＝ｈ＋2t （２） そして、連絡部コア34の断面積Ae35、脚部コア34の断
面積Ae34並びに中足コア33の磁束方向の断面積Ae33は、
連結部コア35→脚部コア34→中足コア33を通る磁束線１
本当たりの断面積に対してほぼ等しい値に定め、磁束密
度が局所的に高まって損失が増大するのを防止してい
る。ここで中足コア33については２本の磁束線が通過す
ることから断面積Ae33は、他のコアの断面積Ae35、Ae34
の２倍になっており、コア断面積Aeを中足コア33の断面
積Ae33と定義すると、次のようになっている。

Ae≒2Ae35（＝Ｃ・ｔ） ≒2Ae34（＝Ｃ・ｂ） ＝Ae33（＝π・D²/4） （３） ここで、厚さt,bは次の関係を充足している。

ｔ＝ｂ＝π・D/8 （４） また、連結部コア35の体積Ve35、脚部コア34の体積Ve
34並びに中足コア33の磁束方向の体積Ve33を合計したも
のとして、コア体積Veが表されるから、次式が成立して
いる。

Ve＝2Ve35＋2Ve34＋Ve33 ＝2CAt＋2Cbh＋πｈ・D²/4 ＝Ae（Ａ＋2h） ＝Ae（2w＋Ｄ＋2b＋2h） ＝Ae｛２（ｈ＋ｗ）＋（１＋π/4）Ｄ｝ （５） ここでコア体積Veとコア断面積Aeとの比率を、次式で
定義される無次元化した係数ｋであらわす。

ｋ＝Ve^1/3/Ae^1/2 ＝（π/4）^−1/6｛２（ｈ＋ｗ）/D＋（１＋π/
4）｝^1/3 （６） 次に、コイルの鉄損ＰFeと銅損ＰCuの関係式を説明す
る。ここで、鉄損とは時変磁化力により磁気鉄心で消費
される電力をいい、ヒステリシス損と渦電流損がある。
鉄損ＰFeは次式により表される。

ＰFe＝C1VeB²fsw （７） ここで、C1はコイルの形状や材料により定まる定数、
Ｂは磁束密度、ｆswはスイッチング周波数である。磁束
密度Ｂとスイッチング周波数ｆswが一定であれば、鉄損
ＰFeはコア体積Veに比例する。

銅損とは負荷損失のことで、巻線における渦電流と負
荷によるI²R損失、漏れ電流による漂遊損失、並列巻線
における循環電流等によって生ずる損失が含まれる。銅
損ＰCuは次式により表される。

ＰCu＝C2N²/wh （８） ここで、C2は定数、Ｎは巻数である。他方、磁束密度
Ｂと巻数Ｎとの間には次の関係が成立している。

Ｂ＝C3/（N Aefsw） （９） ここで、C3は定数である。（９）式を（８）式の巻数
Ｎに代入すると、次式が得られる。

ＰCu＝C2｛C3/（B Aefsw）｝²/wh ＝｛C2・C3/（Bfsw）｝²/（Ae²wh） ＝C4/（Ae²wh） （10） 即ち、銅損ＰCuはコア断面積Aeの２乗に反比例する。

図４はトランス損失Plossとコア断面積Aeとの関係を
説明する概念図である。トランス損失Plossは、コイル
の鉄損ＰFeと銅損ＰCuの和で定義される。（７）式で表
したように、鉄損ＰFeはコア断面積Aeの増大と共に増加
する傾向がある。他方、銅損ＰCuはコアは断面積Aeの増
大と共に減少する傾向がある。そこで、両者の和で表現
されるトランス損失Plossでは、損失を最小化させる最
適のコア断面積Aeが存在することになる。

そこで、トランス損失Plossを最小にするコア形状
を、図３を参照して決定することが問題になる。いま、
銅損ＰCuに関係するコア形状whを一定とすると、鉄損Ｐ
Feは（５）式よりｈ＝ｗのとき最小値をとる。コア窓幅
Ｅを与件とすると、コイル通過断面幅ｗは（１）式より
次のようになる。

ｗ＝（Ｅ−Ｄ）/2 （11） ｈ＝ｗとして、（10）式に代入すると銅損ＰCuは次式
であらわされる。

ＰCu＝C4/［Ae²｛（Ｅ−Ｄ）/2｝^２］ ＝C5/｛（Ｅ−Ｄ）²D⁴｝ （12） トランス損失を最小にするには、（12）式が最小にな
ればよい。（12）式の値を最小化するのは、次の条件が
成り立つときである。

Ｄ＝4w （13） 次に、コア幅Ａを与件とすると、コイル通過断面幅ｗ
は（１）式と（４）式より次のようになる。

ｗ＝｛Ａ−（１＋π/4）｝/2 （14） ｈ＝ｗとして、（10）式に代入すると銅損ＰCuは次式
であらわされる。

ＰCu＝C4/［Ae²・｛Ａ−（１＋π/4）｝²4］ ＝C5/｛｛Ａ−（１＋π/4）｝²D⁴｝ （15） トランス損失を最小にするには、（15）式が最小にな
ればよい。（15）式の値を最小化するのは、次の条件が
成り立つときである。

（１＋π/4）Ｄ＝4w （16） 今度は、上述したコア窓幅Ｅとコア幅Ａの範囲内で、
トランス損失を最小にするコア形状は（13）式と（16）
式から次の範囲となる。

１≦２（ｈ＋ｗ）/D≦（１＋π/4） （17） このとき、（６）式より係数ｋは次の範囲にある。

1.5≦ｋ≦1.6 （18） 図５は本発明の第２の実施例を示す構成斜視図で、
（Ａ）はUU形コアをコイル積層体に装着した状態、
（Ｂ）はコイル積層体単体を示している。Ｕ形コアは連
結部コア37とこの両端に設けられた２本の脚部コア36を
有している。二穴形コイル積層体50は、２個のコア穴51
a,51bを有するもので、詳細な構造は、例えば本出願人
の提案にかかる特開平６−333759号公報に開示されてい
る。端子52は二穴形コイル積層体50のコアを装着する方
向に沿って、両側の縁に１列づつ設けられている。二穴
形コイル積層体50には、UU形コア若しくはUI形コアが装
着されて閉磁路を形成する。

図６はUU形コアの形状を説明する構成図で、（Ａ）は
UU形コアを組み立てた状態の正面図、（Ｂ）はＵ形コア
の平面図である。説明の便宜上図６では、図３と同一の
符号を用いているが、図６特有の値を持っている。脚部
コア36の直径はＤで表される。連結部コア37の長さは
Ａ、厚さはｔ、幅はＣであり、脚部コア36の内側周面の
間隔は2wとしている。そこで、コア体積Veとコア断面積
Aeについて次式が成立している。

Ve＝Ae｛２（ｈ＋ｗ）＋2D｝ （19） Ae＝π・D²/4 （20） 従って、係数ｋは次のようになっている。

ｋ＝（π/4）^−1/6｛２（ｈ＋ｗ）/D＋２）^1/3（21） そこで、トランス損失Plossを最小にするコア形状
を、図６を参照して決定することが問題になる。いま、
銅損ＰCuに関係するコア形状whを一定とすると、鉄損Ｐ
Feは（19）式よりｈ＝ｗのとき最小値をとる。コア窓幅
Ｅを与件とすると、コイル通過断面幅ｗは図６（Ｂ）よ
り次のようになる。

ｗ＝（Ｅ−Ｄ）/2 （22） ｈ＝ｗとして、（10）式に代入すると銅損ＰCuは前出
の（12）式と同一になるから、（12）式の値を最小化す
る値も、前出の（13）式の場合がトランス損失Plossを
最小にする。

Ｄ＝4w （13） 次に、コア幅Ａを与件とすると、コイル通過断面幅ｗ
は図６（Ｂ）より次のようになる。

ｗ＝｛Ａ−2D｝/2 （23） ｈ＝ｗとして、（10）式に代入すると銅損ＰCuは次式
であらわされる。

ＰCu＝C4/［Ae²・｛Ａ−2D｝²/4］ ＝C5/｛（Ａ−2D）²D⁴｝ （24） トランス損失を最小にするには、（24）式が最小にな
ればよい。（24）式の値を最小化するのは、次の条件が
成り立つときである。

2D＝4w （25） 今度は、上述したコア窓幅Ｅとコア幅Ａの範囲内で、
トランス損失を最小にするコア形状は（13）式と（25）
式から次の範囲となる。

１≦２（ｈ＋ｗ）/D≦２ （26） このとき、（６）式より係数ｋは次の範囲にある。

1.5≦ｋ≦1.7 （27） 今度は、hw＝一定という条件を充足しつつ、ｈ≠ｗの
場合を考察する。図７は図８と図９の実施例に対して基
準となるもので、コア窓の寸法比（h/w）が１の場合の
構成図であり、（Ａ）はEEコアをコイル積層体に装着し
た状態の平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ断面図で、実
質的に図１の装置を組立た後の状態を示している。（1
1）式のところで述べたように、鉄損ＰFeはｈ＝ｗのと
き最小値をとる。

図８は本発明の第３の実施例を示す構成図で、コア窓
の寸法比（h/w）が1/2の場合の構成図であり、（Ａ）は
EEコアをコイル積層体に装着した状態の平面図、（Ｂ）
は（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。h/w＝1/2の場合にトラ
ンス損失を最小にする係数ｋは、前出の（11）〜（18）
式と同様の手順で計算をすると、次の範囲になる。

1.4≦ｋ≦1.5 （28） 鉄損ＰFeはh/w＝１の時に比較して５％程度増大す
る。しかし、トランスとしての実用上では差し支えない
程度と考えられている。

他方、このようにコア窓の寸法が偏平の場合には、コ
イル積層体40の断面を偏平にすることができ、導体を更
に偏平にできる。そこで、銅損に関係する交流抵抗は、
表皮効果から導体表面積が多いほど低減できるという性
質により、銅損が減少するから、実質的なトランス損失
の増大は５％より小さい物となる。

図９は本発明の第４の実施例を示す構成図で、コア窓
の寸法比（h/w）が２の場合の構成図であり、（Ａ）はE
Eコアをコイル積層体に装着した状態の平面図、（Ｂ）
は（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。h/w＝２の場合にトラ
ンス損失を最小にする係数ｋは、前出の（11）〜（18）
式と同様の手順で計算をすると、次の範囲になる。

1.5≦ｋ≦1.7 （29） 鉄損ＰFeはh/w＝１の時に比較して５％程度増大す
る。しかし、トランスとしての実用上では差し支えない
程度と考えられている。

他方、このようにコア窓の寸法が縦長の場合には、コ
イル積層体40の断面を縦長にすることができる。その結
果、コイル積層体40の平面寸法が小さくなり、トランス
実装面積が少なくて済む。例えば、図９と図７を比較す
ると、トランス実装面積は縦長にすると等倍の場合の1/
2で済む。そこで、高密度実装が要求される分野のよう
に、トランス実装面積が少なくて済むことが利点となる
用途に適している。

以上の実施例１〜４で説明してきたように、コア窓の
寸法比（h/w）が1/2〜２の範囲で、トランス損失を最小
とするトランス形状は、（18）、（27）、（28）並びに
（29）式で説明したように係数ｋが次の範囲にあればよ
い。

1.4≦ｋ≦1.7（1/2≦h/w≦２） （30） 今度は、JISFEER25.5を用いた従来型トランスと実施
例１に相当する本発明品との比較を説明する。表１は従
来型トランスと本発明品（係数ｋ＝1.61）の特性比較図
で、上６項目はコア形状に関するものであり、下２項目
はトランス損失に関するものである。

従来型トランスに比較して本発明品では、EE形コアの
高さＨが低く、また長さＡも10％程度短くなっている。
そこで、コア体積Veは20％程度小さくなっており、逆に
コア断面積Aeは30％程度大きくなっている。コア体積Ve
が小さくなれば、磁性材料の使用量が少なくてすむか
ら、軽量且つ安価に製造できることになる。コア窓の寸
法比は、従来型トランスがh/w≒1/2と偏平であるのに対
して、本発明品ではh/w≒1.5と縦長になっている。そし
て、トランス損失は銅損が40％小さくなり、鉄損も18％
小さくなっているから、トランスとしての性能は良好に
なっていることが判る。

図10は本発明の第５の実施例を示す構成斜視図で、
（Ａ）はEE形コアをコイル積層体に装着した状態、
（Ｂ）はコイル積層体単体を示している。図11はEE形コ
アの形状を説明する構成図で、（Ａ）はEE形コアを組み
立てた状態の正面図、（Ｂ）はＥ形コアの平面図であ
る。この実施例５は図３の実施例の変形であって、図３
の実施例の場合は、中足コア33の直径Ｄと連結部コア35
の幅Ｃが等しかったが、ここではＤ＜Ｃに選定されてい
る。このように構成すると、脚部コアの厚さｂを薄くす
ることができ、コア窓の寸法h,wを大きくとれるからコ
ア窓面積hwを増加させることができる。その結果、更に
トランスの小型化と薄型化ができるという効果がある。

図12は本発明の第６の実施例を示す構成斜視図で、
（Ａ）はEI形コアをコイル積層体に装着した状態、
（Ｂ）はコイル積層体単体、（Ｃ）はEI形コアを組み立
てる状態の説明図である。この実施例６は図３の実施例
の変形であって、コア30をEE形コアに代えてEI形コアと
したものである。このようにしても実質的に同一のコア
窓形状h,wとすることで実施例１と同一の効果が得られ
る。

以上説明したように、本発明によれば、コア窓の寸法
比（h/w）を0.5から２の範囲にすると共に、コアの形状
を表す係数ｋ（＝Ve^1/3/Ae^1/2）を1.4から1.7の範囲に
あるように選定しているので、銅損と鉄損から定まるト
ランス損失が最小化されるという効果がある。また、従
来のJISFEER25.5等に規定されたトランスに比較して、
トランス形状が小型化されるという効果もある。

この場合、コイル積層体には１穴形40と二穴形50とが
あり、装着されるコアもそれぞれEE形とUU形が選定され
るので、このコア形状に応じてコア窓の寸法比と係数ｋ
が30式で定義される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−192704（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−75034（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−157913（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭60−25123（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭44−28828（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01F 30/00 H01F 27/24

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の同心渦巻き状のコイルを絶縁性樹脂
   を用いて厚み方向に積層したコイル積層体（40）の当該
   渦巻きの中心にEE形コア若しくはEI形コアの中足コア
   （33）を配置して、当該複数コイル間の磁気的結合を得
   る平面形トランスであって、 前記コアの断面積を脚部コア（34）と連結部コア（35）
   で大略一致させ、前記中足コアの断面積（Ae）を当該脚
   部コアの断面積の大略２倍にし、且つコア体積（Ve）と
   の関係で次式を充足すると共に、 1.4≦Ve^1/3/Ae^1/2≦1.7 前記コアの中足コアと脚部コアとの間隔（ｗ）と、前記
   中足コアの高さ（ｈ）との間には次式を充足すること、 0.5≦h/w≦２ を特徴とするプリントコイル形トランス。
2. 【請求項２】複数の同心渦巻き状のコイルを絶縁性樹脂
   を用いて厚み方向に積層し、当該渦巻きの中心を複数有
   する２穴形コイル積層体（50）にUU形コア若しくはUI形
   コアの脚部コア（36）を配置して、当該複数コイル間の
   磁気的結合を得る平面形トランスであって、 前記脚部コアの断面積（Ae）を連結部コア（37）の断面
   積と大略一致させ、且つコア体積（Ve）との関係で次式
   を充足すると共に、 1.4≦Ve^1/3/Ae^1/2≦1.7 前記脚部コアの内周面相互の間隔（2w）と、前記脚部コ
   アの高さ（ｈ）との間には次式を充足すること、 0.5≦h/w≦２ を特徴とするプリントコイル形トランス。