JP4162037B2 - 複合トランスおよび絶縁型スイッチング電源装置 - Google Patents

Description

この発明は、複数のトランス部を備えて１次−２次間の電力伝送・電圧変換機能や１次−２次間の信号伝送機能等を備えた複合トランス、およびこれを用いた絶縁型スイッチング電源装置に関するものである。

１対のコアを用いて独立とみなせる複数個のトランス部を構成するものとして特許文献１が開示されている。

図１・図２は特許文献１に係るトランスの構成例を示す図である。図１は多層基板の各層パターンを示す図、図２は図１に示すＸ１−Ｘ１，Ｘ２−Ｘ２，Ｘ３−Ｘ３，Ｘ４−Ｘ４部分でのトランスの側面図である。このトランスは、図１・図２に示すように、第１プリントコイル基板１１、第２プリントコイル基板１２、第３プリントコイル基板１３、第４プリントコイル基板１４、およびこれらのコイルの戻り線を形成する層と合わせて８層の多層基板を備えている。

この８層の多層基板には、Ｅ−Ｅ型、またはＥ−Ｉ型の３本脚コアの２本の外脚６ａ，６ｃと１本の中脚６ｂが貫通する２個の外孔１１ａ，１１ｃと１個の中孔１１ｂを一直線状に配置形成している。前記３本脚の１対のコアで前記多層基板を挟んで嵌め合わせて閉磁路を構成している。

前記３本脚コアにおいて、２本の外脚の断面積および中脚と外脚の距離は均等であり、中脚と各々の外脚が形成する２個の磁路は、その磁気抵抗が等しい。第１プリントコイル基板１１、第３プリントコイル基板１３には、中孔１１ｂの周囲に渦状にコイルを巻回し、第１トランス部の１次コイルと２次コイルを構成している。第２プリントコイル基板１２、第４プリントコイル基板１４には、一方の外孔の周囲に時計方向のコイルを巻回し、他方の外孔の周囲に反時計方向のコイルを同数巻回し、それらを直列接続して第２トランス部の１次コイルと２次コイルを構成している。

第２トランス部において、第１トランス部の動作によって一方の外孔の周囲に巻回されたコイルに誘導される電圧は、他方の外孔の周囲に巻回されたコイルに誘導される逆方向で絶対値が等しい電圧で打ち消されるので、ゼロボルトになる。第２トランス部の動作によって一方の外脚に発生する磁束と他方の外脚に発生する磁束とは、中脚では打ち消しあうので、第２トランス部の動作は第１トランス部に影響を与えない。この原理によって、第１トランス部と第２トランス部は１個のコアを共用しつつ、互いに独立に動作する。
特開２０００−２６０６３９号公報

特許文献１において、互いに逆方向で同数分だけコイルが巻回された外脚は、中脚を挟んで対向した位置に配置されており、互いの距離が離れている。このような配置にすることで次に述べる３つの問題点が生じる。

第１の問題点は、製造上の問題から各々のトランス部が干渉する不具合が発生しやすい点である。特許文献１における第１・第２のトランス部は、１対のコア同士が正常に嵌め合わされると互いに独立に動作するが、いずれかの外脚の接合部にゴミ等が挟まって微小ギャップが生じると、２つの外脚による干渉が生じ、程度によっては、このトランス部を用いる電子機器が誤動作する。中脚を通過した磁束は、並列の磁路のうち、磁気抵抗が小さい磁路をより多く通過するが、微小ギャップが生じた外脚と中脚とが形成する磁路は、他の外脚と中脚とが形成する磁路より磁気抵抗が大きいので、通過する磁束が他の外脚より少ない。従って、微小ギャップが生じた外孔周囲に巻回したコイルに誘導される電圧は、他の外孔周囲に巻回したコイルよりも小さい。このことから、前記第１トランス部の動作によって発生する電圧が完全に打ち消されず、第２トランス部出力にも現れる。一方、第２トランス部の動作によって発生する磁束も、微小ギャップのある外脚より他の外脚で大きくなるので、磁束が中脚で完全に打ち消されず、第２トランス部の動作によって発生する電圧が、第１トランス部出力に現れる。

第２の問題点は、パターン配線に必要な面積が増えることである。外孔周囲に互いに逆方向で同数分だけ巻回されたコイル同士を直列接続するには、それぞれのコイル間に行きと戻りの２本の配線を設ける必要があるが、外脚同士の距離が離れていると、前記２本の配線が長くなり、パターン配線に必要な面積も大きくなる。多層基板において、前記第１トランス部のコイルと第２トランス部のコイルを同一層にパターン配線する場合、外孔周囲に巻回されたコイル同士のパターン配線に必要な面積が増える。その結果、第１トランス部のコイルのパターン面積をその分減らす必要があるので、第１トランス部のコイルが細くなり、抵抗が増加する。特に第１トランス部が大電力を取り扱う場合、コイルの抵抗増加によって損失が増大してしまう。

第３の問題点は、外脚同士の距離が離れることで第２トランス部におけるコアの形成する磁路が長くなり、ＡＬ値（ALvalue：巻数あたりのインダクタンス）が小さくなることである。第２トランス部でパルス信号を伝送させようとする場合、励磁インダクタンスに応じた無効電流が流れるため、励磁インダクタンスが低くなると損失が増加してしまう。

励磁インダクタンスの低下を補うために第２トランス部のコイル巻回数を増やすと、パターン配線に必要な面積が増える。更に第１トランス部と干渉した状態で、第２トランス部の巻回数を増やすと、巻回数に比例して干渉電圧も増加するので、このトランスを用いる電子機器が誤動作しやすくなってしまう。

そこで、この発明の目的は、複数のトランス部同士の干渉の問題、損失増大の問題、およびＡＬ値の低下による問題を解消した複合トランス、およびそれを備えた絶縁型スイッチング電源装置を提供することにある。

この発明は、上記課題を解決するために次のように構成する。
（１）この発明の複合トランスは、中脚と該中脚を介して対向する少なくとも１対の外脚とを備えて閉磁路を構成するコアと、該コアの前記中脚に巻回した少なくとも２つのコイルを組とする第１組のコイルと、前記１対の外脚のうち少なくとも一方の外脚を、コイル配線可能な程度の隙間を空けて２つの外脚部に分離し、当該分離した２つの外脚部のそれぞれに巻回方向が互いに逆方向となるように巻回したコイルを少なくとも２つ含む第２組のコイルと、を備える。

（２）前記１対の外脚の両方を、コイル配線可能な程度の隙間を空けてそれぞれ２つの外脚部に分離し、この１対の外脚の両方にそれぞれ前記第２組のコイルを巻回する。

（３）前記コアの中脚および外脚または外脚部がそれぞれ挿通する貫通孔を有するプリント基板を備え、該プリント基板の貫通孔の周囲に形成した導体パターンで前記コイルを構成する。

（４）前記コアを、前記プリント基板を挟む２つの部材で構成し、当該２つの部材が前記プリント基板を挟んで重なる状態で、２つの部材同士を当該２つの部材同士の接合面で摺り合わせ可能な状態に固定するコア留め金具を設ける。

（５）この発明の絶縁型スイッチング電源装置は、上記複合トランスを用い、直流を入力する入力フィルタと、スイッチング動作によって直流を交流に変換する少なくとも１個の電力スイッチとを１次側回路に備え、交流を直流に変換する少なくとも１つの同期整流器と出力フィルタとを２次側回路に備え、前記複合トランスの前記第１組のコイルを用いたトランス部（電力伝送トランス部）で１次側回路から２次側回路へ交流電力を伝送し、且つ前記トランスの前記第２組のコイルを用いたトランス部（信号伝送トランス部）で前記電力スイッチのオン直前のタイミングを示す第１のパルス信号を１次側回路から２次側回路に伝送するように前記複合トランスを接続し、前記第１のパルス信号を検出して前記同期整流器をターンオフさせる同期整流器ターンオフ制御回路を２次側回路に設ける。

（６）また、この発明の絶縁型スイッチング電源装置は、上記複合トランスを用い、直流を入力する入力フィルタと、スイッチング動作によって直流を交流に変換する少なくとも１個の電力スイッチとを１次側回路に備え、交流を直流に変換する少なくとも１つの同期整流器と出力フィルタとを２次側回路に備え、出力電圧または出力電流を検出する出力検出回路を２次側回路に設け、前記トランスの前記第１組のコイルを用いたトランス部（電力伝送トランス部）で１次側回路から２次側回路へ交流電力を伝送し、且つ前記トランスの前記第２組のコイルを用いたトランス部（信号伝送トランス部）で、前記電力スイッチのオフタイミングを示す第２のパルス信号を２次側回路から１次側回路へ伝送するように前記複合トランスを接続し、前記第２のパルス信号を検出して前記電力スイッチをターンオフさせる電力スイッチターンオフ制御回路を１次側回路に設ける。

この発明によれば、次のような効果を奏する。
（１）前記コイル配線可能な程度に隙間を空けて分離した２つの外脚部は、互いに近接しているので、その２つの外脚部のうちいずれかの外脚部の接合部にゴミが挟まった場合、もう一つの外脚部にまでわたって微小ギャップが生じる。そのため、各々の磁路の磁気抵抗が不均衡になりにくく、第１組・第２組のコイルを用いたトランス間の干渉が生じにくい。

また、前記隙間を空けて分離した２つの外脚部は、互いに近接しているので、１つのコイルをこの２つの外脚部にそれぞれ巻回する際の両巻回部を直列接続する配線が短くなり、パターン配線に必要な面積も小さくなる。また、その分第１組のコイルによる例えば電力伝送トランス部パターンにその分の面積を割り当てることによって低損失化を図れる。

更に、第２組のコイルによるトランスを構成する磁路の磁路長が短くなり、ＡＬ値が大きくなる。そのため、第２組のコイルの巻き数を抑制したままで必要な励磁インダクタンスを確保できるので、励磁電流による導通損失を抑制して低損失化が図れる。

また、第２組のコイルの巻回数と第１組のコイルを用いたトランスによる干渉電圧とは比例関係にあるので、第２組のコイルの巻回数を抑制することによって干渉が効果的に抑制できる。

（２）１対の外脚の両方に前記隙間を空けて２つの外脚部に分離し、２つの外脚の２つの外脚部のそれぞれに第２組のコイルを巻回すれば、互いに独立した３つのトランスとして用いることができる。

（３）コアの外脚または外脚部および中脚がそれぞれ挿通する開口部を備えるプリント基板の該開口部の周囲に形成した導体パターンで前記コイルを構成することによって、プリント基板にコアを組み付けるだけで、複数の独立したトランスが実装できる。

（４）前記コアを、前記プリント基板を挟む２つの部材で構成し、当該２つの部材がプリント基板を挟んで重なる状態で、２つの部材同士を当該２つの部材同士の接合面で摺り合わせ可能な状態に固定するコア留め金具を設けることにより、コアを嵌め合わせた後に、コアの嵌合状態の不具合による励磁インダクタンスの低下や、各トランス間の干渉が検知された際に、コア同士を擦り合わせることで、コアの嵌合状態を改善できるので、不良率の低減が可能となる。

（５）この発明の絶縁型スイッチング電源装置は、電力伝送トランスと同一コアで、１つ以上の信号伝送トランスを確保できることから、電力伝送トランスとは別に１次２次間の信号伝送トランスを用いる構造より、小型・低コスト化が可能である。また、代表的な１次−２次間信号伝送素子であるフォトカプラと比較すると、使用可能な温度範囲が広く、相対電流伝導率（ＣＴＲ）の経年劣化もない点で優れている。

しかも信号伝送トランスで電力スイッチのオン直前のタイミングを示す第１のパルス信号を１次側回路から２次側回路に伝送すると、同期整流器のターンオフ遅れを防止できるので、高効率な整流動作が可能となる。

（６）また、信号伝送トランスで電力スイッチのオフタイミングを示す第２のパルス信号を２次側から１次側に伝送して、電力スイッチをターンオフさせることによって、前述の問題があるフォトカプラが不要であり、かつ過渡変動に対する高速応答が実現可能である。

特許文献１に示されているトランスにおけるプリント基板のコイルパターンの例を示す図である。 同トランスを側面断面図である。 第１の実施形態に係るトランスにおけるプリント基板の各プリントコイル層の平面図である。 第１の実施形態に係るトランスと、３本脚コアの２本の外脚に第２トランス部を構成した従来のトランスとについて、コア間に挟まるゴミの影響について示す図である。 第２の実施形態に係るトランスにおけるプリント基板の各プリントコイル層の平面図である。 第３の実施形態に係るトランスおよび、コア留め金具の構成を示す図である。 第４の実施形態に係る絶縁型スイッチング電源装置の回路図である。 同絶縁型スイッチング電源装置の主要部の波形図である。

符号の説明

１５−直流入力電源の＋入力
１６−直流入力電源の−入力
１７，２２−平滑コンデンサ
１８−電力スイッチ
１９，２０−同期整流器
２１−チョークコイル
２３−絶縁型スイッチング電源装置の＋出力
２４−絶縁型スイッチング電源装置の−出力
２５−マルチバイブレータ
２９，３０−インバータ
３２−ＡＮＤゲート
３６，３７−ＭＯＳＦＥＴ
４０−ＮＯＲゲート
４１−コンパレータ
４７−基準電圧源
１０１ａ，１０１ｃ−第１プリントコイル配線
１０１ｂ−ビアホール
１０２ａ，１０２ｃ−第２プリントコイル配線
１０２ｂ−ビアホール
１０３ａ，１０３ｃ−第３プリントコイル配線
１０３ｂ−ビアホール
１０４ａ，１０４ｃ−第４プリントコイル配線
１０４ｂ−ビアホール
１０６−コア（Ｅ型コア）
１０６ａ，１０６ｃ−外脚
１０６ｂ−中脚
１０６ａａ，１０６ａｂ−外脚部
１０６ａｓ−隙間
１０７−コア（Ｉ型コア）
１０８−コア留め金具
１０８ｆ−コア留め金具の爪
１０８ｓ−コア側面保持部
１０８ｔ−コア留め金具のバネ部
１０８ｍ−コア留め金具の脚部
１１０−プリント基板
１１１−第１プリントコイル層
１１２−第２プリントコイル層
１１３−第３プリントコイル層
１１４−第４プリントコイル層
１２２ａ，１２２ｃ−第５プリントコイル配線
１２２ｂ−ビアホール
１２３ａ，１２３ｃ−第６プリントコイル配線
１２３ｂ−ビアホール
１３０ａａ，１３０ａｂ−貫通孔
１３０ｃａ，１３０ｃｂ−貫通孔

《第１の実施形態》
第１の実施形態に係るトランスについて、図３・図４に基づいて説明する。
図３の（Ｅ）（Ｆ）はトランスの主要部の断面図である。この図３（Ｅ）（Ｆ）に示すように、主としてプリント基板１１０、Ｅ型コア１０６、およびＩ型コア１０７でトランスを構成している。

図３（Ａ）は積層基板である上記プリント基板１１０の第１プリントコイル層、（Ｂ）はその第２プリントコイル層、（Ｃ）は第３プリントコイル層、（Ｄ）は第４プリントコイル層のそれぞれ平面図をＥ型コア１０６の脚部の断面も含めて示したものである。

この図３に示すように、Ｅ形コア１０６は中脚１０６ｂとそれを介して対向する１対の外脚１０６ａ，１０６ｃを備えている。また、一方の外脚１０６ａには隙間１０６ａｓを空けて、この外脚１０６ａを、１対の外脚（１０６ａ−１０６ｃ）をつなぐ方向に対して直交する方向に分かれた２つの外脚部１０６ａａ，１０６ａｂに分離している。その際、この２つの外脚部１０６ａａ，１０６ａｂを通る磁束が互いに等しくなるように、外脚部１０６ａａ，１０６ａｂの例えば断面積を等しくしている。これにより結局４本脚コアを構成している。他方のＩ形コア１０７は矩形板状を成していて、Ｅ形コア１０６と組み合わせることによっていくつかの閉磁路を構成する。

第１プリントコイル層１１１にはＥ形コア１０６の中脚１０６ｂが貫通する貫通孔１３０ｂの周りに第１プリントコイル配線１０１ａ，１０１ｃを２層に分けて（両面に）形成している。この２層の第１プリントコイル配線１０１ａと１０１ｃはビアホール１０１ｂを介して導通させている。

また、第３プリントコイル層１１３には、同じくＥ形コア１０６の中脚１０６ｂが貫通する貫通孔１３０ｂの周りに第３プリントコイル配線１０３ａ，１０３ｃを２層に分けて（両面に）形成している。この２層の第３プリントコイル配線１０３ａと１０３ｃはビアホール１０３ｂを介して導通させている。

第２プリントコイル層１１２には、Ｅ形コア１０６の外脚部１０６ａａ，１０６ａｂが貫通する貫通孔１３０ａａ，１３０ａｂの周りに第２プリントコイル配線１０２ａ，１０２ｃを２層に分けて（両面に）形成している。この２層のプリントコイル配線１０２ａと１０２ｃはビアホール１０２ｂを介して導通させている。

同様に第４プリントコイル層１１４には、Ｅ形コア１０６の外脚部１０６ａａ，１０６ａｂが貫通する貫通孔１３０ａａ，１３０ａｂの周りに第４プリントコイル配線１０４ａ，１０４ｃを２層に分けて（両面に）形成している。この２層のプリントコイル配線１０４ａと１０４ｃはビアホール１０４ｂを介して導通させている。

上記第１プリントコイル配線１０１ａ，１０１ｃは１次コイルとして作用し、第３プリントコイル配線１０３ａ，１０３ｃは２次コイルとして作用する。この第１プリントコイル配線１０１ａ，１０１ｃと第３プリントコイル配線１０３ａ，１０３ｃとによって第１組のコイルを構成している。

また、第２プリントコイル配線１０２ａ，１０２ｃは１次コイルとして作用し、第４プリントコイル配線１０４ａ，１０４ｃは２次コイルとして作用する。この第２プリントコイル配線１０２ａ，１０２ｃと第４プリントコイル配線１０４ａ，１０４ｃとによって第２組のコイルを構成している。

第１〜第４のプリントコイル層１１１〜１１４には、Ｅ形コア１０６の外脚部１０６ｃが貫通する貫通孔１３０ｃを設けて居る。

図３（Ｅ）の図中のループ状の矢印はＥ形コア１０６とＩ形コア１０７と上記第１組のコイルとによって構成されるトランスの磁路を表している。この図３に示した例では、第１プリントコイル配線１０１ａ，１０１ｃによって３ターン（３Ｔ）のコイル、第３プリントコイル配線１０３ａ，１０３ｃによって２ターン（２Ｔ）のコイルを構成していて、巻数比３：２の電力伝送トランス部として用いる。

また、図３（Ｆ）の図中のループ状の矢印は、Ｅ形コア１０６とＩ形コア１０７と上記第２組のコイルとによって構成されるトランスの磁路を表している。この図３に示した例では、第２プリントコイル配線１０２ａ，１０２ｃによってそれぞれ１ターン（１Ｔ）の２つのコイル、第４プリントコイル配線１０４ａ，１０４ｃによってそれぞれ１ターン（１Ｔ）の２つのコイルを構成していて、巻数比１：１の信号伝送トランス部として用いる。

図３（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、プリント基板１１０にはスルーホールａ〜ｍを設けていて、各トランスの入出力端子を構成している。すなわち、第１プリントコイル配線１０１ａの一端をスルーホールｅに接続し、第１プリントコイル配線１０１ｃの一端をスルーホールｆに接続し、第３プリントコイル配線１０３ａの一端をスルーホールｇに接続し、第３プリントコイル配線１０３ｃの一端をスルーホールｈに接続している。そのため、スルーホールｅ−ｆを電力伝送トランス部の１次側の端子、スルーホールｇ−ｈをその２次側の端子として用いる。

同様に、第２プリントコイル配線１０２ａの一端をスルーホールａに接続し、第２プリントコイル配線１０２ｃの一端をスルーホールｂに接続し、第４プリントコイル配線１０４ａの一端をスルーホールｃに接続し、第４プリントコイル配線１０４ｃの一端をスルーホールｄに接続している。そのため、スルーホールａ−ｂを信号伝送トランス部の１次側の端子、スルーホールｃ−ｄをその２次側の端子として用いる。

信号伝送トランス部について考えると、スルーホールａを使う端子からスルーホールｂを使う端子の方向に１次側のコイルを見たとき、外脚部１０６ａａの周囲に反時計方向、外脚部１０６ａｂに時計方向に巻回されていて、スルーホールｃを使う端子からスルーホールｄを使う端子方向に２次側のコイルを見たとき、外脚部１０６ａａの周囲に反時計方向、外脚部１０６ａｂの周囲に時計方向に巻回されていている。結局、外脚部１０６ａａには１次・２次のコイルがともに反時計方向に巻回されていて、外脚部１０６ａｂには１次・２次のコイルがともに時計方向に巻回されていることになる。

上記電力伝送トランス部を動作させると、図３（Ｅ）に示したように中脚１０６ｂから各々の外脚１０６ａ，１０６ｃを経由する磁束が発生する。このように外脚１０６ａに磁束が通過しても、中脚１０６ｂと一方の外脚部１０６ａａとで構成する磁路と、中脚１０６ｂと他方の外脚部１０６ａｂとで構成する磁路とは磁気抵抗が互いに等しいので、両者を通過する磁束量が等しくなる。従って、電力伝送トランス部の発生する磁束により外脚部１０６ａａが貫通する貫通孔１３０ａａの周囲に巻回されたコイルに誘起される電圧と、外脚部１０６ａｂが貫通する貫通孔１３０ａｂの周囲に巻回されたコイルに誘起される電圧とは絶対値が等しく極性が逆であるので互いに相殺されて、この信号伝送トランス部の１次側端子の両端電圧と２次側端子の両端電圧は共にゼロボルトになる。

一方、上記信号伝送トランス部を動作させると、図３（Ｆ）に示す様に、２つの外脚部１０６ａａ，１０６ａｂを経由する磁束が発生する。この２つの外脚部１０６ａａ，１０６ａｂは互いに近接していて、且つ中脚部１０６ｂから遠く離れているので、外脚部１０６ａａ，１０６ａｂを経由する磁束は中脚１０６ｂを殆ど通過することがない。また通過するとしても、一方の外脚部１０６ａａで発生する磁束と他方の外脚部１０６ａｂで発生する磁束とは磁束量が等しく且つ逆方向であるので、その磁束は相殺される。

この原理により、電力伝送トランス部と信号伝送トランス部とは互いに影響を及ぼさず、見かけ上独立なトランスとして作用する。

図４は、この第１の実施形態に係るトランスと、３本脚コアの２本の外脚に第２トランス部を構成した従来のトランスとについて、コア間に挟まるゴミの影響について示す図である。図４（Ａ）は第１の実施形態に係るトランスの信号伝送トランス部磁路を示している。また、図４（Ｂ）は３本脚コアを用いた従来のトランスの信号伝送トランス部および電力伝送トランス部の磁路を示している。

図４（Ｂ）において、Ｅ型コア２０６の一方の外脚２０６ａとＩ型コア２０７との間にゴミＤが挟まった場合、この外脚２０６ａとＩ型コア２０７との間にギャップが生じるが、他方の外脚２０６ｃとＩ型コア２０７との間には殆どギャップが生じない。そのため、電力伝送トランス部の磁路Ｌａ，Ｌｂを通る磁束密度に差が生じる。その結果、電力伝送トランス部の磁路Ｌａ，Ｌｂを通る磁束と信号伝送トランス部の磁路Ｌｃを通る磁束との間で結合が生じてしまう。すなわち、電力伝送トランス部と信号伝送トランス部とが干渉してしまう。

一方、図４（Ａ）において、Ｅ型コア１０６の一方の外脚部１０６ａａとＩ型コア１０７との間にゴミＤが挟まった場合、この外脚部１０６ａａとＩ型コア１０７との間のギャップが生じるが、この外脚部１０６ａａと他方の外脚部１０６ａｂとは互いに近接しているので、他方の外脚部１０６ａｂとＩ型コア１０７との間にもほぼ同様のギャップが生じる。そのため、２つの外脚部１０６ａａ，１０６ａｂの両方を通る電力伝送トランス部の磁路Ｌｅの磁束密度は平衡したままである。したがって、電力伝送トランス部の磁路Ｌｅを通る磁束と信号伝送トランス部の磁路Ｌｓを通る磁束との間で結合が生じない。

このように、この発明のトランスによれば、電力伝送トランス部と信号伝送トランス部との干渉が生じにくい。

なお、図３に示したように、外脚１０６ａに隙間１０６ａｓを設けることによって２つの外脚部１０６ａａ，１０６ａｂが近接配置した構造にしたことにより、トランス部の巻枠が小さくなり、大電力を扱う必要のない信号伝送に適したトランスとして作用する。

また、信号伝送トランス部のコイルを１つのＥ型コア１０６の１つの外脚の周囲に構成しているので、Ｅ形コア１０６の中脚１０６ｂが貫通する貫通孔１３０ｂの周囲には、信号伝送トランス部に比較してコイル形成スペース（巻枠）が大きく確保できる。また電力伝送トランスのコイルの導通損失を抑制でき、電力伝送および電圧変換の損失を低減できる。

《第２の実施形態》
次に、第２の実施形態に係るトランスについて図５を参照して説明する。
図５は、第２の実施形態に係るトランスで用いるプリント基板に形成する配線の例を示す図である。但し、図３のように４つの層に分けずにここでは便宜上２層に分けて図示している。第１の実施形態では、４本脚コアを用いたが、この第２の実施形態では５本脚コアを用い、１つの電力伝送トランス部と２つの信号伝送トランス部を備えている。

このトランス全体の断面構造は第１の実施形態で示したものと略同様であるのでここでは図示を省略し、第１の実施形態とは異なる部分についてのみ説明する。

Ｅ形コア１０６は、その中脚１０６ｂと、この中脚１０６ｂを介して対向する１対の外脚１０６ａ，１０６ｃを備えていて、一方の外脚１０６ａには隙間１０６ａｓを空けて、外脚１０６ａを、１対の外脚（１０６ａ−１０６ｃ）をつなぐ方向に対して直交する方向に分かれた２つの外脚部１０６ａａ，１０６ａｂに分離している。その際、この２つの外脚部１０６ａａ，１０６ａｂを通る磁束が互いに等しくなるように、外脚部１０６ａａ，１０６ａｂの例えば断面積を等しくしている。同様に他方の外脚１０６ｃも隙間１０６ｃｓを空けて、外脚１０６ｃを、１対の外脚（１０６ａ−１０６ｃ）をつなぐ方向に対して直交する方向に分かれた２つの外脚部１０６ｃａ，１０６ｃｂに分離している。その際、この２つの外脚部１０６ｃａ，１０６ｃｂを通る磁束が互いに等しくなるように、外脚部１０６ｃａ，１０６ｃｂの例えば断面積を等しくしている。そして上記外脚部１０６ａａ，１０６ａｂに第２プリントコイル配線１０２ａ，１０２ｃと第４プリントコイル配線１０４ａ，１０４ｃを巻回し、外脚部１０６ｃａ，１０６ｃｂに第５プリントコイル配線１２２ａ，１２２ｃと第６プリントコイル配線１２３ａ，１２３ｃをそれぞれ巻回している。

なお、第５プリントコイル配線１２２ａ，１２２ｃは２層に分けて形成していて、両者をビアホール１２２ｂを介して導通させている。同様に第６プリントコイル配線１２３ａ，１２３ｃは２層に分けて形成していて、両者をビアホール１２３ｂを介して導通させている。

《第３の実施形態》
次に、第３の実施形態に係るトランスについて図６を参照して説明する。
図３の（Ｅ），（Ｆ）ではＥ形コア１０６とＩ形コア１０７とでプリント基板１１０を挟み込んだ構成を示したが、この第３の実施形態は、上記Ｅ形コア１０６とＩ形コア１０７とを接合状態に保つための具体的な構造を示すものである。

図６の（Ａ）はプリント基板１１０と共に構成したトランスの平面図、（Ｂ）はその右側面図、（Ｃ）は正面図である。

Ｅ形コア１０６とＩ形コア１０７とはコア留め金具１０８によって両者を嵌め合わせる。この留め金具１０８は、Ｅ形コア１０６の周辺部の４箇所に掛ける４つの爪部１０８ｆ、Ｉ形コアの２つの長辺の中央部を保持するコア側面保持部１０８ｓ、バネ部１０８ｔ、４本の脚部１０８ｍを備えている。プリント基板１１０には外脚部（図５に示したコアの外脚１０６ａａ，１０６ａｂ，１０６ｃａ，１０６ｃｂに相当する部分）がそれぞれ貫通する貫通孔１３０ａａ，１３０ａｂ，１３０ｃａ，１３０ｃｂを形成している。

上記Ｅ形コア１０６とＩ形コア１０７をプリント基板１１０に取り付ける際、Ｅ形コア１０６とＩ形コア１０７でプリント基板１１０を挟み込み、Ｉ型コア１０７側からコア留め金具１０８を被せ、コア留め金具１０８の爪部１０８ｆおよび脚部１０８ｍを貫通孔１３０ａａ，１３０ａｂ，１３０ｃａ，１３０ｃｂを通し、爪部１０８ｆをＥ形コアの短辺部の４箇所に係止する。

このように４つの脚部１０８ｍとＩ形コア１０７の側面保持部１０８ｓとはＩ形コア１０７を固定する固定部として機能する。脚部１０８ｍは上記貫通孔１３０ａａ，１３０ａｂ，１３０ｃａ，１３０ｃｂより幅（図６における左右方向の幅）が狭く、その差分だけ幅方向（図６おける左右方向）にスライド可能である。

そのため、留め金具１０８のコア側面保持部１０８ｓでＩ型コア１０７を固定した状態で、脚部１０８ｍの左右の側面が貫通孔１３０ａａ，１３０ａｂ，１３０ｃａ，１３０ｃｂの左右の側面に接触するまでの範囲でＩ型コア１０７をスライドさせると、Ｅ型コア１０６とＩ型コア１０７との接合面が擦り合わせられる。

トランス製造時のコア嵌め合わせ工程において、Ｅ型コア１０６とＩ型コア１０７との接合部が密着せずに励磁インダクタンスの低下やトランス部同士の干渉が発生した場合でも、コア同士の接合面を擦り合わせた後、Ｉコア１０７と留め金具１０８をＥ型コア１０６の中央の位置に戻す製造方法を適用すると、大半の不良は改善可能である。

《第４の実施形態》
次に、第４の実施形態に係る絶縁型スイッチング電源装置について図７・図８を参照して説明する。
図７は絶縁型スイッチング電源装置の回路図、図８はその各部の波形図である。

この絶縁型スイッチング電源装置には第２の実施形態で示した構造のトランスを用いる。このトランスによって、図７に示す第１の信号伝送トランス部７、第２の信号伝送トランス部８、電力伝送トランス部９を構成している。第１の信号伝送トランス部７は1次コイル７ｐと２次コイル７ｓを含み、第２の信号伝送トランス部８は１次コイル８ｐと２次コイル８ｓを含み、電力伝送トランス部９は１次コイル９ｐ、２次コイル９ｓ、および補助巻線９ｔを含んでいる。

ここで、直流入力電源の＋入力１５、直流入力電源の−入力１６、平滑コンデンサ１７，２２、電力スイッチ１８、同期整流器１９，２０、チョークコイル２１、絶縁型スイッチング電源の＋出力２３、絶縁型スイッチング電源の−出力２４によって電力変換回路を構成している。

また、マルチバイブレータ２５、抵抗２６，２８，３５，４２，４６，４８，４９、ダイオード２７，３３，３４，３９，４４、インバータ２９，３０、コンデンサ３１，３８，４３，４５、ＡＮＤゲート３２、ＭＯＳＦＥＴ３６，３７、ＮＯＲゲート４０、コンパレータ４１、基準電圧源４７によって制御回路を構成している。

この絶縁型スイッチング電源は、一石共振リセットフォワードコンバータである。＋入力１５，−入力１６の間に加わる直流入力電圧を、平滑コンデンサ１７で平滑した後、電力伝送トランス部９の１次コイル９ｐを介して接続した電力スイッチ１８でスイッチングさせて交流に変換する。

図７において、転流用の同期整流器２０を制御するための構成（補助巻線９ｔ、ＭＯＳＦＥＴ３７、パルストランス７，ダイオード３３）は特開２０００−２６２０５１に開示されているように公知である。これは転流用の同期整流器２０をオフさせるためのＦＥＴ３７を制御する信号の伝送にパルストランスを１つ用いるものであり、ここでは第１の信号伝送トランス部７をパルストランスとして用いている。

なお、電力伝送トランス部９は、１次コイル９ｐ、２次コイル９ｓ以外に補助コイル９ｔを備えているが、この補助コイル９ｔは、例えば図５に示した第１プリントコイル配線１０１ａ，１０１ｃ、第２プリントコイル配線１０２ａ，１０２ｃ以外に、これらと同様にして第３のプリントコイル配線を設けたものである。

ところで、１次側のスイッチング素子（図７では電力スイッチ１８）のオン・オフ制御は１次側に設けた制御回路で行う。この際の出力電圧の検出および制御方法には、トランスに設けた補助巻線の電圧を利用する間接制御型や２次側に出力電圧検出回路を設けてフォトカプラを介して１次側にフィードバックする直接制御型がある。間接制御型は出力電圧の検出精度が良くないという問題がある。直接制御型はフォトカプラを使うので使用温度条件が限られるという問題がある。さらに両者ともに、出力電圧の変動に対する応答性が悪いという問題がある。

一方、応答性の良いスイッチング電源装置としてリップル検出型のスイッチング電源装置（リップルコンバータ）がある。

リップルコンバータは出力電圧のリップルを検出する関係から２次側に制御回路を備える必要があるが、２次側に電圧の発生していない起動時にその制御回路を動作させる電源が別途必要になるという問題がある。

上記各問題の解決策として、１次側のスイッチング素子のオンと起動時などの最低限のオフ制御を１次側で行い、通常動作時はリップル変動に基づいたスイッチング素子のオフタイミングの信号を、２次側からパルストランスを介して１次側に伝達してスイッチング素子をオフするという制御方法（このオン・オフの関係が逆の場合もある。）を本願出願人は特願２００５−２３３５０７にて出願している。これはリップルコンバータであるために応答性が良く、しかもスイッチング素子の制御回路が基本的に１次側にある（起動時は２次側からの信号がなくても動作する）ので２次側に制御回路の起動時用の電源が不要になる。

図７に示す例では、２次側からリップル変動に基づいた電力スイッチ１８のオフタイミング信号を第２の信号伝送トランス部８を介して１次側に伝達するように構成している。

図８において、（ａ）は電力スイッチ１８のドレイン電圧、（ｂ）は電力スイッチ１８のドレイン電流、（ｃ）は電力スイッチ１８のゲート電圧、（ｄ）はマルチバイブレータ２５の出力電圧、（ｅ）は第２信号伝送トランス部８の１次コイル８ｐの電圧、（ｆ）はＡＮＤゲート３２の出力電圧、（ｇ）は第１信号伝送トランス部７の２次コイル７ｓの電圧、（ｈ）は同期整流器２０のゲート電圧、（ｉ）はコンパレータ４１の一方の入力電圧、（ｊ）はコンパレータ４１の他方の入力電圧である。

以下、この図８も参照して回路動作について説明する。
電力スイッチ１８のオン期間に、前記交流を電力伝送トランス部９が、その１次コイル９ｐから２次コイル９ｓへ伝送し、整流側同期整流器１９、転流側同期整流器２０で整流した後、チョークコイル２１、平滑コンデンサ２２で構成する出力フィルタで平滑することで、交流を再度直流に変換して、＋出力２３，−出力２４から直流電圧を出力する。

電力スイッチ１８のオフ後、電力伝送トランス部９の励磁インダクタンスと電力スイッチ１８の等価的な並列寄生容量とがＬＣ共振してトランスがリセットされる（図８（ａ）（ｂ）参照)。

トランスのリセット完了後の電力スイッチ１８のオフ期間においては、トランス励磁電流が電力伝送トランス部９の２次コイル９ｓ→同期整流器２０→同期整流器１９の寄生ダイオードのループで還流するので、電力伝送トランス部９の両端電圧がゼロボルトにクランプされ、電力スイッチ１８のドレイン電圧は入力電圧にクランプされる。
上記のサイクルで電力変換を行う。

上記制御回路内のマルチバイブレータ２５は固定周波数で発振動作する（図８（ｄ）参照）。マルチバイブレータ２５のオンタイミングにはＭＯＳＦＥＴ３６のドレイン電圧もハイレベルであることから、マルチバイブレータ２５のオンと同時にＡＮＤゲート３２の出力もハイレベルとなる（図８（ｆ）参照）。

ＡＮＤゲート３２がオンすると、第１の信号伝送トランス部７の１次コイル７ｐを通して電力スイッチ１８のゲートが充電される（図８（ｃ）参照）。このとき発生するパルス信号が第１の信号伝送トランス部７の１次コイル７ｐから２次コイル７ｓに伝送されＭＯＳＦＥＴ３７がオンする（図８（ｇ）参照)。ＭＯＳＦＥＴ３７がオンすると、転流側同期整流器２０のゲート蓄積電荷が放電されてオフする（図８（ｈ）参照)。

電力スイッチ１８は、そのゲート充電経路に第１の信号伝送トランス部７の１次コイル７ｐがあることで、一定時間の遅れをともなってオンする。この動作により、電力スイッチ１８のオン直前に転流側同期整流器２０がオフするので、転流側同期整流器２０のターンオフ遅れを原因とする短絡電流が発生せず、高効率の電力変換動作が可能になる。

上記制御回路は、入力電圧、出力電流の過渡変化に対して高速応答させるために、伝統的な誤差アンプを用いたフィードバック制御ではなく、コンパレータによる制御を行う。

コンパレータ４１の反転入力には出力電圧を抵抗４８，４９で分圧した電圧を入力し、その非反転入力には、基準電圧源４７の電圧を抵抗４６を介して入力している。コンパレータ４１はこの両者を比較する。

出力電圧にはリップル電圧が重畳されていて、コンパレータ４１の非反転入力に入力する電圧には抵抗４２，４６、コンデンサ４５によって、上記リップル電圧とは逆の傾きのランプ電圧が重畳されている（図８（ｉ）参照）。

電力スイッチ１８のオン期間の途中でコンパレータ４１の反転入力電圧が非反転入力電圧を上回ると、コンパレータ４１の出力電圧がローレベルになり、ＮＯＲゲート４０に入力される（図８（ｊ）参照）。

ＮＯＲゲート４０のもう一方の入力は電力スイッチ１８のオン期間にローレベルになるので、ＮＯＲゲート４０の出力はローレベルからハイレベルになり、コンデンサ３８を介して第２の信号伝送トランス部８の１次コイル８ｐに電流が流れてパルス信号が発生する。このパルス信号は第２の信号伝送トランス部８の１次コイル８ｐから２次コイル８ｓに伝送され、ＭＯＳＦＥＴ３６がオンする（図８（ｅ）参照)。

ＭＯＳＦＥＴ３６のドレインには、インバータ２９のオン期間（マルチバイブレータ２５のオフ期間）にダイオード３４、抵抗３５を通して電荷が蓄積されているが、ＭＯＳＦＥＴ３６のオンによって、ＭＯＳＦＥＴ３６のドレインはハイレベルからローレベルになる。ＭＯＳＦＥＴ３６のドレインがローレベルになると、ＡＮＤゲート３２の出力もローレベルになり、ダイオード３３を介して電力スイッチ１８のゲート蓄積電荷が放電されて電力スイッチ１８がオフする。

このようにして、電力スイッチ１８をオフさせるパルス信号のタイミングを制御することで、電力スイッチ１８のオン期間を制御する。電力スイッチ１８のオフ期間の長さは、マルチバイブレータ２５の発振周期から電力スイッチ１８のオン期間を引いた値になるので、実質的に２次側の回路が主導してＰＷＭ制御が行われ、出力電圧が安定化される。この制御方法は伝統的な誤差アンプを用いたフィードバック制御のような位相遅れがなく、入力電圧、出力電流の過渡変動に起因する出力電圧変動に対して、変動が発生した周期に直ちに応答するパルスバイパルス動作が可能となる。

なお、フォトカプラは絶対最大定格温度が通常１００℃程度で高い周囲温度での使用が困難であり、かつ相対電流伝導率（ＣＴＲ）の経時変化の問題があるが、上記信号伝送トランス部７，８にはそのような問題がなく、高い信頼性も確保できる。

なお、この発明は以上に示した実施形態に限らず様々な実施形態を採り得る。例えば、各実施形態では中脚、外脚の断面を共に長方形としたが、円形や楕円形など他の形状でもよい。

また、各実施形態では、４本脚または５本脚コアと平板コアを組み合わせたＥ−Ｉ形状としたが、４本脚または５本脚コアを２個組み合わせるＥ−Ｅ形状としてもよい。

また、中脚の接合部に磁気ギャップを設けて直流重畳特性を改善してもよい。

また、第３の実施形態では、コア留め金具で１対のコアの嵌め合わせを行ったが、プラスチック等、他の材質でコア留め用部品を形成してもよく、接着剤によるコア同士の接合も可能である。

また、外脚の対については１対に限るものではない。すなわち特許文献１の図８に示されているように、互いに直交する二対の外脚を備えるものでもよい。この場合は最大４つのパルストランスを形成できる。さらに、この発明は例えば特許文献１の図７に示されているように対になっていない外脚を備えたものにも適用できる。

また、この発明のトランスの各実施形態では、プリント基板にコイルの導体パターンを形成したが、この発明のトランスはプリント基板を用いるものに限らない。巻線を用いる場合も、所定の外脚をコイル配線可能な程度の隙間を空けて２つの外脚部に分離し、その隙間に巻線が通るようにコイルを巻回すればよい。

また、この発明の絶縁型スイッチング電源において、信号伝送トランス部は、同期整流器の駆動や、出力電圧、電流の制御だけでなく、例えば出力過電圧保護、出力低電圧保護、過熱保護等の各種保護回路での利用など、他の用途にも応用可能である。

さらにこの発明の絶縁型スイッチング電源においては、この発明のトランスを適用したが、この発明のトランス自体は、電力伝送用トランスや信号電力用トランス（パルストランス）という用途に限定されるものではない。

Claims (6)

1. 中脚と、該中脚を介して対向する少なくとも１対の外脚とを備えて閉磁路を構成するコアと、
   該コアの前記中脚に巻回した少なくとも２つのコイルを組とする第１組のコイルと、
   前記１対の外脚のうち少なくとも一方の外脚を、コイル配線可能な程度の隙間を空けて２つの外脚部に分離し、当該分離した２つの外脚部のそれぞれに巻回方向が互いに逆方向となるように巻回したコイルを少なくとも２つ含む第２組のコイルと、
   を備えた複合トランス。
2. 前記１対の外脚の両方を、コイル配線可能な程度の隙間を空けてそれぞれ２つの外脚部に分離し、前記１対の外脚の両方にそれぞれ前記第２組のコイルを巻回した請求項１に記載の複合トランス。
3. 前記コアの中脚および外脚または外脚部がそれぞれ挿通する貫通孔を有するプリント基板を備え、該プリント基板の貫通孔の周囲に形成した導体パターンで前記コイルを構成した請求項１または２に記載の複合トランス。
4. 前記コアを、前記プリント基板を挟む２つの部材で構成し、当該２つの部材が前記プリント基板を挟んで重なる状態で、２つの部材同士を当該２つの部材同士の接合面で摺り合わせ可能な状態に固定するコア留め金具を設けた請求項３に記載の複合トランス。
5. 請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の複合トランスを用いた絶縁型スイッチング電源装置であって、
   直流を入力する入力フィルタと、スイッチング動作によって直流を交流に変換する少なくとも１個の電力スイッチとを１次側回路に備え、交流を直流に変換する少なくとも１つの同期整流器と出力フィルタとを２次側回路に備え、
   前記複合トランスの前記第１組のコイルを用いたトランス部で１次側回路から２次側回路へ交流電力を伝送し、且つ前記複合トランスの前記第２組のコイルを用いたトランス部で前記電力スイッチのオン直前のタイミングを示す第１のパルス信号を１次側回路から２次側回路に伝送するように前記複合トランスを接続し、
   前記第１のパルス信号を検出して前記同期整流器をターンオフさせる同期整流器ターンオフ制御回路を２次側回路に設けたことを特徴とする絶縁型スイッチング電源装置。
6. 請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の複合トランスを用いた絶縁型スイッチング電源装置であって、
   直流を入力する入力フィルタと、スイッチング動作によって直流を交流に変換する少なくとも１個の電力スイッチとを１次側回路に備え、交流を直流に変換する少なくとも１つの同期整流器と出力フィルタとを２次側回路に備え、
   出力電圧または出力電流を検出する出力検出回路を２次側回路に設け、
   前記複合トランスの前記第１組のコイルを用いたトランス部で１次側回路から２次側回路へ交流電力を伝送し、且つ前記複合トランスの前記第２組のコイルを用いたトランス部で、前記電力スイッチのオフタイミングを示す第２のパルス信号を２次側回路から１次側回路へ伝送するように前記複合トランスを接続し、
   前記第２のパルス信号を検出して前記電力スイッチをターンオフさせる電力スイッチターンオフ制御回路を１次側回路に設けたことを特徴とする絶縁型スイッチング電源装置。

Images