JP4059396B2 - 薄型大電流トランス - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチング電源等に用いられる薄型大電流トランスに係わり、特に例えば自動車用等に用いられる1kW〜2kW出力のDC−DCコンバータに好適なトランスに関する。
【0002】
【従来の技術】
この種のトランスとして、特許文献1には、一次側コイルを構成する上下の高圧側コイルユニットの間に、二次側の低圧側コイルユニットを挟んで構成したものが開示されている。この特許文献1に記載の高圧側コイルユニットは、コイルをヘリカル状に積層して樹脂によりモールドした構造を有する。また低圧側コイルユニットも樹脂によりモールドした構造を有する。
【0003】
この種の他のトランスとして、特許文献2には、高圧側コイルを巻回したボビンの上下に、それぞれ上下の絶縁性ケースを介して低圧側コイルを重ねたものが開示されている。このトランスの高圧側コイルは断面形状が円形をなし、低圧側コイルは平板状をなす。また、高圧側コイルを巻回したボビンは外周側が開口された構造を有する。そして、このボビンの外周側開口部が上下のケースの外筒部で覆われて、高圧側コイルとコアあるいは低圧側コイルとの間の沿面距離を確保している。
【0004】
【特許文献1】
特開2000−173840号公報
【特許文献2】
特開2001−267152号公報。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
前記特許文献1に記載のトランスは、絶縁被覆された低圧側コイルユニットを、絶縁被覆された2つの高圧側コイルユニットによって挟んだ構造を有するので、高圧側コイルで発生する熱が、比較的放熱性がよい平板状の低圧側コイルに伝わりにくく、放熱性が悪いという問題点がある。また、高圧側、低圧側双方のコイルユニットが絶縁被覆されているので、厚みが増し、薄型化の要求に応じることが難しいという問題点がある。また、高圧側コイルはプリント基板によって構成されるもので、この高圧側コイルユニットが2ユニット必要になるので、トランスのコスト高を招くという問題点がある。
【0006】
また、特許文献2に記載のトランスは、高圧側コイルをボビンに巻回し、さらにこのボビンにケースを重ね、そのケースに低圧側コイルを重ねているので、やはり高圧側コイルで発生した熱を放熱しにくく、放熱性が悪いという問題点がある。また、ボビンとケースとの重ね合わせにより沿面距離を確保している上、高圧側コイルに断面形状が円形の導体を用いているので、全体として厚みが大きくなるという問題点がある。
【0007】
本発明は、上記問題点に鑑み、放熱性が良く、薄型化が可能で、コスト低減が図れる薄型大電流トランスを提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
(1)本発明の薄型大電流トランスは、コイルパターンを形成したシート状導電体が絶縁層により覆われた高圧側コイルと、導体板を打ち抜いて構成される低圧側コイルと、ボビンと、E型コアとを備え、
高圧側コイルは中心に前記E型コアの中足を挿入する円形のコア挿入穴を有し、外周に円形部を有すると共に、外周部から外方向に延出した端子部を有し、
前記低圧側コイルは円環の一部が欠落し、かつ欠落部を挟むように外方向に延出して形成された端子を有すると共に、円環の中途部分から外方向に延出して形成された端子を有し、
前記高圧側コイルの円形外周部の直径は前記低圧側コイルの円形外周部の直径より大きく形成され、
前記高圧側コイルの上下面に低圧側コイルを重ね、上下の低圧側コイルの対応する端子を互いに重ねて各コイルが同心となる1組のコイル部を構成し、
前記ボビンは、板状部の中心に前記E型コアの中足を挿入する内筒部を前記板状部の上下に突出させて設けると共に、低圧側コイルの外周部に外周部より外側に突出させた係止部を係止させて低圧側コイルの浮きを防止する係止片を有し、
前記ボビンの上面側、下面側にそれぞれ前記1組のコイル部を配置し、各内筒部に、少なくとも上方の組のコイル部の下方の低圧側コイルと、下方の組のコイル部の上方の低圧側コイルとをそれぞれ嵌めこんで上下の組のコイル部をボビンに装着し、
上下のE型コアの中足を前記ボビンの内筒部に挿着すると共に、上下のE型コアの外足の内面部を、前記上下の組のコイル部の高圧側コイルの外周部に配置することにより、各 組の低圧側コイルの内周部とコアの中足間の絶縁距離を確保すると共に低圧側コイルの外周部とコアの外足の内面との間の絶縁距離を確保し、かつ上方のE型コアの端面部の下面、下方のE型コアの端面部の上面と低圧側コイルとの間にそれぞれボビンの上下の係止片に介在させることにより、前記端面部と低圧側コイルとの間の絶縁距離を確保してE型コアをボビンおよびコイル部に組み合わせた
ことを特徴とする。
【0009】
(2)また、本発明の薄型大電流トランスは、前記高圧側コイルのシート状導電体が、
上下2層の渦巻き状に構成されていることを特徴とする。
【0010】
(3)また、本発明の薄型大電流トランスは、前記高圧側コイルの導電体を銅とし、その厚さが200〜500μmの範囲にあることを特徴とする。
【0011】
【発明の実施の形態】
図1は本発明による薄型大電流トランスを説明するための参考例1を示す断面図、図2、図3はそれぞれそのコイル部の分解斜視図と組立状態を示す斜視図である。図1ないし図3において、1はトランスの一次側コイルとなる高圧側コイル、2、3は低圧側コイルである。
【0012】
前記高圧側コイル1は、図4に示すように、ガラスエポキシ基板のような基板4の上下面に銅等の導体でなるコイルパターン5a、5bを有する。図5(A)、(B)の平面透視図に示すように、これらのコイルパターン5a、5bは渦巻き状をなす。これらのコイルパターン5a、5bは内端に設けたスルーホール5cにより接続されている。図4に示すように、コイルパターン5a、5bは樹脂製絶縁層6により覆われている。
【0013】
高圧側コイル1はその外周に円形部を有すると共に、外周部から外方に伸びた端子部1aを有し、端子部1aに、上下のコイルパターン5a、5bの外端部にそれぞれ連通する端子1b、1cを有する。該端子1b、1cの近傍においては、外部回路との接続のため、導体部が露出している。高圧側コイル1の中央部には、E型コア7、8の中足7a、8aを挿入する穴1dを有する。また、高圧側コイル1の周囲の導体パターン5a、5bが形成されていない対角部分に、前記低圧側コイル2、3に設ける突起2a、2bおよび3a、3bをそれぞれ嵌合する位置決め用穴1e、1fを設けている。
【0014】
参考例1では低圧側コイル2、3が並列接続される場合について示しているが、直列接続の場合の低圧側コイルどうしの短絡を防ぐため、他の2個所の対角をなす部分にも低圧側コイル用の位置決め用穴1g、1hを有する。
【0015】
この高圧側コイル1の作製は、次のようにして行うことができる。まず両面銅張プリント基板にスルーホール5cの穴を開け、続いて銅メッキにより層間接続用のスルーホール5cを形成する。次に、エッチングにより、コイルパターン5a、5bを形成する。その後、コイルパターン上下に絶縁層を積層し、さらに端子部1aの接続用スルーホールを形成し、外形加工を行う。もしくはエッチングによりコイルパターンを形成した後、外形加工を行い、端子部1a部分を除き、エポキシ樹脂等の絶縁材料によりコイル部全体をモールドする。
【0016】
一方、低圧側コイル2、3は、銅板やアルミニウム板等の導体板を打ち抜きおよび折り曲げ加工により作製される。参考例1の低圧側コイル2、3は、円環の一部を欠落させ、その欠落部を挟むように、各コイル2、3の両端に外方に延出させて、図3に示すように互いに重ねて電気的、機械的に接続する端子2c、3cおよび2d、3dを設ける。また、円環の中途部分には外方に延出させて端子2e、3eを形成し、これらの端子2e、3 eは、絶縁層(図示せず)を介して金属ベースプレート(図示せず)に固定され、低圧側コイルおよび高圧側コイルで発生した熱を逃がす役割を持つ。
【0017】
図6、図7は高圧側コイル1に対する低圧側コイル2、3の組み合わせ構造を示す図である。図2に示したように、低圧側コイル2、3には対角線上の2点に突起2a、2bおよび3a、3bをそれぞれ有する。これらの突起は導体板の打ち抜き加工と同一工程でハーフパンチ加工により形成されたもので、低圧側コイルの厚みの約半分の突出高さを有する。これらの突起2a、3aを、高圧側コイル1の位置決め用穴1eに上下面より嵌合し、突起2b、3bを位置決め用穴1fに上下面より嵌合して位置決めかつ結合する。
【0018】
このように高圧側コイル1と低圧側コイル2、3を重ねた状態では、図3に示すように、低圧側コイル2、3の端子2c、3cは重なり、端子2d、3dは重なる。また、低圧側コイル2、3の円形外周部の直径より高圧側コイル1の円形外周部の直径は大きく形成されるため、高圧側コイル1の円形外周部は低圧側コイル2、3の円形外周部より外側に突出する。
【0019】
E型コア7、8はMn−Zn系フェライトからなる。このコア7、8は、低圧側コイル2、3の中心および高圧側コイル1のコア挿入穴1dに中足7a、8aを挿入し、外足7b、8bを高圧側コイル2の外周に当接させて組み合わせる。
【0020】
このトランスは、上下面のコイルパターン5a、5bがそれぞれ5ターンで合計10ターンであり、低圧側コイル2、3が並列接続されて1ターンであるので、10対1の変圧比で使用される。このトランスは、二次側にセンタータップを必要としない、例えばフォワード方式のコンバータ回路等に適用することができる。そして例えば直流400Vを14Vの直流電圧に変換する回路に適用した場合、70〜100A程度の出力電流を得ることができる。
【0021】
低圧側コイル2、3を直列に接続する場合には、突起2a、3aの接触を防止するため、突起3a、3bは、突起2a、2bを結ぶ対角線に交差する対角線上にあるようにして高圧側コイル1の位置決め用穴1g、1hに嵌合させる。また、端子2d、3dは互いに重ならない反対側の位置に設定し、他方の端子2c、3cは接続可能な位置に設定し、接続する。この場合には、変圧比は10:1:1のセンタータップを持つトランスとして用いることができる。
【0022】
このトランスは、コイルパターン5a、5bの厚みを例えば270μmに設定した場合、高圧側コイル1の厚みは2mm程度(基板4の厚みが約0.5mm、絶縁層6の厚みが約0.5mm)に設定できる。また、低圧側コイル2、3の厚みは約1.5mm程度とするため、高圧側コイル1と低圧側コイル2、3のトータルの厚さは合計約5mmですむ。
【0023】
この参考例1のトランスは、前記特許文献1に記載したように、高圧側コイルユニットをヘリカル状に構成しモールドすると共に、低圧側コイルユニットもモールドしたものに比較してかなり薄型化されたものとなる。また、特許文献2に記載の構成の丸線、ボビンおよびケース使用のものによれば、約10mm程度の厚みとなるので、本参考例1によってこの特許文献のものより半分近く薄型化される。
【0024】
また、高圧側コイル1は低圧側コイル2、3に直接接触するため、高圧側コイルで発生する熱は低圧側コイル2、3および端子2e、3eを介して金属ベースプレート(図示せず)に放熱される。このため、高圧側コイル1の温度上昇を効率良く抑えることができる。また、高価な高圧側コイル1が1枚ですむため、安価に提供できる。
【0025】
なお、本参考例1において、基板4はコイルパターン5a、5bを2層で形成したが、より多くの層、例えば4層等で形成しても十分な薄型化が可能である。しかし層数を増加させると、コスト高になると共に、必要な層間絶縁層の厚さ分だけ厚くなるというデメリットがある。また、コイルの端部の引き出し方法を考えると、2層とするのが最も薄型化できると共に、コストを低減できる。
【0026】
本参考例1と異なり、高圧側コイル1の絶縁のため、高圧側コイル1のコイルパターン5a、5bと低圧側コイル2、3との間に絶縁層6を設けるのではなく、ポリイミドフィルム等の絶縁材料を挟むことで絶縁を確保してもよい。しかしこの場合には、部材が多くなり、組立が煩雑になると共に、コア7、8の中足7a、8aとの絶縁が不十分になることがある。従って、本参考例1のように、高圧側コイル1のコイルパターン5a、5bを絶縁層6でモールドすることにより、組立性を良くし、コア7、8との絶縁を十分にとることができるという効果がある。
【0027】
また、本参考例1においては、高圧側コイル1がモールドされる絶縁樹脂は、通常のプリント基板で使用されるガラス布基材エポキシ樹脂材料を用いているが、これを違った材料、例えば、ポリブチレンテレフタレート等の熱可塑性材料としても良く、使用する材料は限定されない。
【0028】
1kW〜2kW程度の大電流出力のスイッチング電源装置においては、周波数が低いとトランスやチョークコイル等に用いる磁性体が大きくなり、また周波数が高いと電源全体の配線の損失が大きくなるので、100kHz前後の周波数で動作させることが多い。そこで、この参考例1のトランスにおいて、100kHz時の高圧側コイル側から見た交流抵抗値と高圧側コイルの導体厚さの関係を、有限要素法による磁場解析を用いて解析したところ、図8の結果を得た。
【0029】
この図8は、前記特許文献2で説明した従来例の解析結果との比で示している。また、高圧側、低圧側共に導体は銅とし、低圧側コイルの厚さは1.5mmとした。また、従来例の高圧側コイルは断面の直径が1.3mmの丸線であり、巻数も同一である。また、本参考例1と従来例のモデルは軸対称近似したものを用いている。
【0030】
図8から分かるように、コイルパターン5a、5bの導体の厚さを270μmにした場合、従来例と同程度の交流抵抗値を示しており、薄型でありながら従来品と同程度の損失となる。
【0031】
図8から分かるように、約500μm以上の導体厚さにおいては、交流抵抗値はほとんど変化しないため、これ以上導体を厚くしても意味がない。また、200μmより薄いと急激に交流抵抗値が上昇するので、高圧側コイル1のコイルパターン5a、5bの厚さは200〜500μmとすることが、低損失と薄型化を両立させる意味において好ましい。
【0032】
図9は本発明による薄型大電流トランスの一実施例のコイル部を示す分解斜視図、図10はその組立工程図、図11はその断面図である。この実施例は、図1〜図7で示した参考例1の2組のコイル部を絶縁材であるボビン9により組み合わせたものである。図中1、1Aは高圧側コイル、2、3、2A、3Aは低圧側コイルである。
【0033】
本実施例においては、参考例1で示した高圧側コイル1および互いに並列接続される低圧側コイル2、3からなるコイル部11と、高圧側コイル1Aを実施例1と同様に互いに並列接続される低圧側コイル2A、3Aで挟んだコイル部12とを備える。
【0034】
この例では低圧側コイルを二次側とし、二次側にセンタータップを持つトランスとして構成した場合を示す。すなわち低圧側コイル2、3の一方の端子2d、3dは二次側回路の一方のダイオードに接続され、他方の2c、3cは金属ベースプレートに接続され、センタータップとなる。また、低圧側コイル2A、3Aの一方の端子2g、3gは二次側回路の他方のダイオードに接続され、他方の端子2f、3fは、2c、3cと同様に金属ベースプレートに接続され、センタータップとなる。2j、3jは前記端子2e、3eと同様に、絶縁層を介して金属ベースプレートに固定され、低圧側コイルおよび高圧側コイルで発生した熱を逃がす役割を持つ。
【0035】
前記ボビン9は、板状部9xの中央に、コア7、8の中足7a、8aを挿入する穴9aを有し、さらに、該挿入穴9aの周囲に上下に突出して設けた内筒部9bを設ける。板状部9xの外周部には、上下に突出しかつ半径方向に対向する部分が欠落した互いに対向する2つの弧状外筒部9cを有する。外筒部9cの各一端部には低圧側コイル2の外周部に突出させて設けた係止部2h、2iを係止させる係止片9dとを有する。低圧側コイル3、2A、3Aも同様な係止部を有する。
【0036】
図10(A)、(B)に示すように、コイル部11、12をボビン9により結合する。この結合は図12に示すように行われる。図12に示すように、高圧側コイル1(1Aも同様)の円形外周部の直径は低圧側コイル2、3の円形外周部の直径より大きく、これらのコイルを組み合わせたときには、高圧側コイル1の円形外周部が低圧側コイル2、3の円形外周部より外方に突出する。高圧側コイル1の内周部は低圧側コイル2、3の内周部より内方に突出し、ボビン9の内筒部9bの上端部に当接する。コイル部11のボビン9への固定は、図12(A)に示す(なお図中、低圧側コイル3上に低圧側コイル2が重なるため、下側の低圧側コイル3は図12(A)、(B)では表わされていない。)ように、低圧側コイル3の内周部をボビン9の内筒部9bに嵌合し、かつ低圧側コイル3の円形外周部がボビン9の外筒部9cに接するように装着し、矢印Rで示すように回すことにより、図12(B)に示すように、低圧側コイル2の係止部2h、2iをボビン9の係止片9dに係止して浮きを防止した構造で固定する。コイル部12についても同様に構成され、かつボビン9に固定される。
【0037】
次に図10(B)、(C)に示すように、ボビン9により結合したコイル部11、12に対し、コア7、8を下記のように装着する。上下のE型コア7、8の中足7a、8aを上下の組のコイル部11、12の高圧側コイル1、1Aのコア挿入穴1d(図2、図4、図5参照)と、ボビン9の内筒部9bに挿着する。また、上下のE型コア7、8の外足7b、8bの内面部を、上下の高圧側コイル1、1Aの外周部とボビン9の外筒部9cの外周部に位置させる。各コイル部11、12の低圧側コイル2、3および2A、3Aの各端子はそれぞれ重ねられ、結合されるので、これらの低圧側コイル2、3および2A、3Aは同心である。また、低圧側コイル2、3および2A、3Aは高圧側コイル1、1Aとも同心である。これにより、各組の低圧側コイル2、3および2A、3Aの内周部とコア7、8の中足7a、8aとの間に絶縁距離G1(図12(B)参照)が確保される。また、各組の低圧側コイル2、3および2A、3Aの外周部とコア7、8の外足7b、8bの内面との間に絶縁距離G2(図12(B)参照)が確保される。また、上下の係止片9d、9dをコイル部11、12とコア7、8の端面部7c、8cとの間に介在させることにより、コア7、8の端面部7c、8cと低圧側コイル2、3Aとの間に絶縁距離G3(図11参照)を確保してE型コアをボビンおよびコイル部に組み合わせる。このようにトランスを構成すれば、E型コア7、8の中足7a、8aおよび外足7b、8bと低圧側コイル2、3、2A、3Aの内周部、外周部との絶縁距離G1、G2と、上下方向の絶縁距離G3を確実に確保することができる。
【0038】
図10において、13、14は高圧側コイル1、1Aを並列に接続すると共に、外部回路への接続のために前記端子1b、1cの穴に挿入し固定する端子である。
【0039】
この実施例によれば、コイル部の厚さは従来例と同様程度となるものの、巻線の交流抵抗値が従来例または参考例1に対して半減すると共に、放熱性も向上するため、従来と同程度の大きさでありながら、出力電流容量を大幅に増大させることができる。なお、高圧側コイル1、1Aは直列接続する構成にしてもよい。
【0040】
図13は本発明による薄型大電流トランスの他の参考例(参考例2)であり、図3に示した参考例1の高圧側コイル1と低圧側コイル2、3からなるコイル部の上下にさらに高圧側コイル1B、1Cを設けたものである。この構成によれば交流抵抗値を前記実施例と同様に低下させることができる。
【0041】
図14は本発明による薄型大電流トランスの他の参考例(参考例3)であり、図3に示した参考例1による2組のコイル部11、12の間にさらに高圧側コイル1Dを設けたものである。この構成によれば前記実施例と同様に交流抵抗値を低下させることができる。
【0042】
図15は前記特許文献2に記載の従来例と参考例1〜3と実施例の交流抵抗値を、コイルパターン5a、5bの厚さを270μmにした場合について対比して示す図である。図示のように、高圧側コイル1を複数枚設けることにより、交流抵抗値を低減することができる。実施例、参考例2、3の場合は、従来のトランスに比較してそれぞれ50%、50%、65%の交流抵抗値が軽減されるため、従来の1.4〜1.7倍の電流を流すことができる。
【0043】
【発明の効果】
本発明のトランスは、コイルパターンを形成したシート状導電体と絶縁層とを一体に設けてなる高圧側コイルの上下に、導体板を打ち抜いた低圧側コイルを重ねて構成したので、放熱性が良く、薄型化が可能で、コスト低減が図れる薄型大電流トランスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による薄型大電流トランスの参考例1を示す断面図である。
【図2】本参考例1のコイル部の分解斜視図である。
【図3】本参考例1のコイル部の組立状態を示す斜視図である。
【図4】本参考例1の高圧側コイルの断面図である。
【図5】(A)、(B)はそれぞれ本参考例1の高圧側コイルの上面、下面のコイルパターンを示す透視平面図である。
【図6】本参考例1の高圧側コイルと低圧側コイルとの相対的な位置決め構造を組立前の状態で示す側面図である。
【図7】図6の組立後の状態を示す側面図である。
【図8】本参考例1の高圧側コイルの導電体厚さを種々に変化させた場合の交流抵抗値を示す図である。
【図9】本発明の一実施例のコイル部を示す分解斜視図である。
【図10】(A)〜(C)は図9の実施例の組立工程を示す斜視図である。
【図11】図9の実施例の断面図である。
【図12】(A)、(B)は図9の実施例のボビンへの組付け工程を示す部分断面平面図である。
【図13】本発明の参考例2を示す断面図である。
【図14】本発明の参考例3を示す断面図である。
【図15】本発明の参考例、実施例の交流抵抗値を従来例と対比して示す図である。
【符号の説明】
1、1A〜1D:高圧側コイル、2、2A:低圧側コイル、3、3A:低圧側コイル、4:基板、5a、5b:コイルパターン、6:絶縁層、7、8:コア、7a、8a:中足、 7b、8b:外足、7c、8c:端面部、9:ボビン、11、12:コイル部、13、14:端子
Claims (3)
- コイルパターンを形成したシート状導電体が絶縁層により覆われた高圧側コイルと、導体板を打ち抜いて構成される低圧側コイルと、ボビンと、E型コアとを備え、
高圧側コイルは中心に前記E型コアの中足を挿入する円形のコア挿入穴を有し、外周に円形部を有すると共に、外周部から外方向に延出した端子部を有し、
前記低圧側コイルは円環の一部が欠落し、かつ欠落部を挟むように外方向に延出して形成された端子を有すると共に、円環の中途部分から外方向に延出して形成された端子を有し、
前記高圧側コイルの円形外周部の直径は前記低圧側コイルの円形外周部の直径より大きく形成され、
前記高圧側コイルの上下面に低圧側コイルを重ね、上下の低圧側コイルの対応する端子を互いに重ねて各コイルが同心となる1組のコイル部を構成し、
前記ボビンは、板状部の中心に前記E型コアの中足を挿入する内筒部を前記板状部の上下に突出させて設けると共に、低圧側コイルの外周部に外周部より外側に突出させた係止部を係止させて低圧側コイルの浮きを防止する係止片を有し、
前記ボビンの上面側、下面側にそれぞれ前記1組のコイル部を配置し、各内筒部に、少なくとも上方の組のコイル部の下方の低圧側コイルと、下方の組のコイル部の上方の低圧側コイルとをそれぞれ嵌めこんで上下の組のコイル部をボビンに装着し、
上下のE型コアの中足を前記ボビンの内筒部に挿着すると共に、上下のE型コアの外足の内面部を、前記上下の組のコイル部の高圧側コイルの外周部に配置することにより、各組の低圧側コイルの内周部とコアの中足間の絶縁距離を確保すると共に低圧側コイルの外周部とコアの外足の内面との間の絶縁距離を確保し、かつ上方のE型コアの端面部の下面、下方のE型コアの端面部の上面と低圧側コイルとの間にそれぞれボビンの上下の係止片に介在させることにより、前記端面部と低圧側コイルとの間の絶縁距離を確保してE型コアをボビンおよびコイル部に組み合わせた
ことを特徴とする薄型大電流トランス。 - 請求項1に記載の薄型大電流トランスにおいて、
前記高圧側コイルのシート状導電体が、上下2層にかつ渦巻き状に構成されていることを特徴とする薄型大電流トランス。 - 請求項1または2に記載の薄型大電流トランスにおいて、
前記高圧側コイルの導電体を銅とし、その厚さが200〜500μmの範囲にあることを特徴とする薄型大電流トランス。
Priority Applications (1)
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JP2003093332A JP4059396B2 (ja) | 2003-03-31 | 2003-03-31 | 薄型大電流トランス |
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