JP4504426B2 - 平面高電圧変圧器デバイス - Google Patents

Description

本発明は平面高電圧変圧器に関する。特に、原則的には変圧器の２次コイルが設けられて、周知の望ましくない電気特性、例えば寄生する静電容量、寄生するインダクタンス及び所謂表皮効果並びに近接効果を抑える又は相当程度まで減ずる平面高電圧変圧器に関する。

実用上及び安全上の理由のため、電気エネルギーは通常消費者に比較的低電圧で供給される。数キロワット（ｋＷ）程度の高電圧電気エネルギーの必要性がある場合は通常、局所的に供給電圧を必要電圧に変圧することが一般的である。例えば、静電気フィルタによって、数百ワットから数十キロワットの電力が、１０キロボルト（ｋＶ）以上の電圧のために必要とされる。

先行技術によれば、従来のシリコンの豊富な層状の鉄板の芯を有する高電圧変圧器が、電圧を上げるために使用される。この高電圧変圧器は、典型的な５０又は６０ヘルツ（Ｈｚ）といった通常のグリッド周波数での使用に適している。

この種の高電圧変圧器は比較的大きく重い。その主な理由は、鉄芯が飽和状態に達するまで限られた磁束しか取ることができないということである。従って、高電圧変圧器の供給可能な電力量は鉄芯の断面積によって決まることとなる。比較的大きな芯であれば、高電圧変圧器の巻線はより長く、そして大きくなる。これにより、かなり多量の抵抗の電力ロスが生じることになる。従って、巻線ワイヤの直径を大きくせざるを得ず、高電圧変圧器の重量と容量は更に増大する。

変圧器の芯中の磁束は定式によって与えられる。

変圧器の芯中の磁束は周波数に反比例するということが定式からわかる。

この事実に基づいて、鉄芯を備えた変圧器は開発され、そして高周波数で動かすことによって、主要な周波数で動いている高圧変圧器と比較して高い性能／効率を示す。性能／効率が良くなるのは、周波数が増加する場合には、鉄芯の容量が減るからである。

比較的高い周波数を変圧器に供給する方法には、所謂ＳＭＰＣ（スイッチモード電源）という技術がある。この技術によると、供給された電力は望ましくは方形波高周波数入力電圧に高電圧変圧器で変圧される。

既知の設計の高電圧変圧器は、その運転方法のために、その二次巻線に比較的高い巻数を有している。これは比較的薄い巻線ワイヤで多層にした巻線が、より大きな直径の巻線ワイヤを持つ変圧器の巻線よりも空けられる間隔の平均が小さいという点で、二次側の静電容量が大きくなることになる。

比較的大きな二次コイルと、大きな変圧器の芯と、必要とされる絶縁ギャップを備えることで、特に二次コイルに関して、比較的高い結合インダクタンスを有するこの種の高電圧変圧器となる。その理由は、一次巻線と二次巻線の間の距離が相当大きいとその間の電磁結合が弱くなるからである。

二次側の静電容量と同じ様に、また二次側の静電容量と組み合わせて、この不要な寄生する結合インダクタンスは、変圧器中の電流に基本的には不可避的に影響することとなる。インダクタンスは高周波の電流を減少させるので、一次巻線と二次巻線の間の電流を減少させることとなる。このようにこの種の高圧変圧器は比較的狭いバンド幅、つまり高圧変圧器が運転可能な最も高い駆動周波数を示す。

ＳＭＰＳは、1ｋＶまでの変圧には高い効果を持つ周知の技術である。高電圧の場合は、電圧増倍や、高圧変圧器を連結することや、層状に巻回する技術や共鳴スイッチといった周知技術を利用して変圧器を改造し高電圧変圧器の比較的狭いバンド幅を補うことが必要となる。

しかし、これらの技術に共通するのは欠点が限られた程度までしか改善されず、また同時に複雑になるので完全な高圧変圧器のコストを増大させることになる。

いわゆる平面変圧器は低圧変圧器として使用される割合も高くなっている。平面変圧器は一般的には少なくとも１つのプリント回路基板を有し、その回路基板は回路基板の銅層に巻線がエッチング処理され、一般にフェライト芯がその巻線で囲まれる。回路基板の平面状巻線を使用することでこの種のフェライト芯は比較的低く細長い形状となり、よって平面芯と称される。

平面変圧器は、製造が容易で、巻線が比較的密接して配置されるので寄生する結合インダクタンスがほとんどないという良好な特徴を示す。平面巻回は一般的に寄生する静電容量が少ない。よって、平面変圧器は一般に非常に良好なバンド幅を示す。

平面高電圧変圧器は、二次巻線の巻数を比較的多くしなければならない。この二次巻線がすべて１つの回路基板に配置される場合、巻線に必要な面積が比較的大きくなってしまう。生産技術的な条件により、フェライト芯のサイズは限られる。したがって、二次巻線をいくつかの層に順に分割することが必要となる。そのような解決策では、相当量の二次側に寄生する静電容量が発生し平面変圧器を高電圧の変圧器として実用化することが不可能となる。

本発明の目的は先行技術の欠点の少なくとも1つを改善又は軽減することである。

この目的は、以下の明細書及び請求項に記載の特徴によって達成される。

従来のＳＭＰＳを駆動する高周波数で高圧変圧器として平面変圧器を使用するためには、二次側に寄生する静電容量を相当程度まで減らす必要がある。

周知の電子理論から、連結される静電容量の全静電容量は以下の式で示される。

静電容量がすべて等しい場合、数式は以下のように単純になる。

例えば、４０の導体が上下５層の中に、各層に８ずつの導体が置かれる場合、各層の全静電容量を１ｎＦとして、対面する各導体間では１／８ｎＦとなり、全静電容量は以下の数式で表される。

しかしながら、同数の回路基板の導体が２つずつ２０の層へ分配されれば、各層間の静電容量は２*１／８＝１／４ｎＦとなる。

全静電容量は次式で表される。
Ｃ_Ｔ＝１／４／１９＝１／７６ｎＦ
すなわち、４層の場合よりも１９倍減少される。例において、２つの例の導体が異なる長さであってもよいことは考慮に入れられていない。

他の高台上に位置する回路基板の多くは、スペースの不足のため平面変圧器で使用することは困難だろう。

二次コイルに関しては、相当数多くの層をそれぞれの巻数は少なくして平面変圧器の中の一次巻線と平行な面に配置される細いコイルとすることで平面変圧器の幾何学上の問題は解決される。１層当たり巻線の数に対する層数は、少なくとも１であり、５以上であることが好ましい。

いわゆる表皮効果および近接効果の認定された計算方法は、P.L.Powel著「Effects of eddy currents in transformer windings」PROC. IEE, 1996年8月No.8 Vol.113を参照して、層数がいわゆる抵抗因子に著しく影響し、高い駆動周波数での巻線の抵抗が不要に増加してしまうことを示す。抵抗因子は層数の２乗に影響され増加させられる。

発明の試験中に驚くべきことに、この理論は上述した種類の二次コイルに関しては適用されず、また多層にもかかわらず提案する二次コイルの設計は表皮効果と近接効果に関して良好な値が得られて比較的抵抗因子が小さくなることが分かった。

好ましい実施形態では、二次巻線が、導体および中間絶縁材で出来た比較的狭い巻線として形成され、平面変圧器の一次巻線に平行な面に位置する。このように構成することにより少なくとも１層当たりの巻数を少なくした狭いコイルと同様に寄生する二次側の静電容量が減少した。

例えば、一次コイルは、少なくとも1本の回路基板の配線、いわゆるリッツ導体巻線あるいは一般的なワニス配線、若しくはその組み合わせとして形成してもよい。従来リッツ導体は多くの個々に絶縁された導体よりなる。

本発明による装置によって、高圧変圧器の不要な電気現象は克服されるかかなり軽減される。その結果、高電圧変圧器は先行技術に比べてバンド幅が相当に改善されたものとなる。こうして変圧器は、いわゆるＨＶ−ＳＭＰＳ（高圧スイッチモード電源供給）操作に非常に適したものとなる。

上記したように、平面変圧器ではフェライト芯を使用することが一般的である。しかし、望ましくはシートメタルまたは箔状の強磁性材製の芯を使用してもよい。生産技術的な理由でシートメタル芯は通常にＥ形状に形成され箔芯は２個のＣ形状部材よりなる。

例えば、比較的高い結合インダクタンスを得るために、一次巻線と二次巻線は大きく芯の間隔を空けることが望ましい。

以下に好ましい実施例を添付の図面を用いて説明するがこの例に限定されることはない。

図面において、符号１は平面高電圧変圧器であり、一次コイル４、二次コイル６を有する回路基板２と、芯上半部８及び芯下半部１０を含む。

回路基板２には中心を貫通する開口１２が設けられているので、Ｅ形状の芯半部8と10が回路基板２及びコイル４、６を囲むこととなる。

回路基板２は更に一次コイル４への電力供給接続部１４を２箇所備える。二次コイル6にも接続部が二箇所あるが、図示されていない。

二次コイル6は、コイル状の金属箔、好ましくは銅製の金属箔の導体１６で形成され、導電箔１６の各層はその隣接する導電箔層１６と絶縁箔１８によって絶縁される。更に、二次コイル６は絶縁材２０によって一次コイル４と芯半部８及び１０から絶縁される。

導体箔１６の各層は、二次コイル6のコイル層を形成する。

二次コイル６の高さつまり銅箔１６の幅は、相当小さいほうがよく、好ましくは巻回方向における二次コイルの幅の５分の１未満であることが好ましい。

二次コイル６は、巻回方向が一次コイル４の平面と原則的には平行になるよう配置される。

一般的な記述部分で述べたとおり、導電層１６の数を相当多くすることにより２次インダクタンスを比較的小さくすることができる。しかし、平面変圧器のコンパクトな構成であるという特性は高電圧変圧器１における結合インダクタンスの大幅な減少に繋がり、高いバンド幅と運転頻度の比較的高いＳＭＰＳを使用することが可能になる。

他の実施例として、図４のように、二次コイル６は絶縁ワニスの導体／ワイヤ２２、あるいはリッツ導体の巻回によって形成される。図４では４本のワイヤ２２がそれぞれ相当多くのコイル層２４中に巻回されている。説明のために最も遠くのコイル層２４は他のコイル層２４と反対方向にハッチングしている。コイル層２４は、互いに接触して、基本的には一次コイル４の平面と同じ方角へ巻きつけられる。

近接効果が大きくなりすぎないようコイル層２４の数と、各コイル層２４中の導体２２の数の比率は、５より上にするべきである。

この実施例は、図の実施例ほど二次側の静電容量に関して良い結果を示さないが、実際条件を満たすものである。

平面変圧器の一部断面図とした平面図である。 図１のＩ−Ｉ部断面図である。 図２の一部拡大図である。 他の実施例を示す。

Claims (4)

1. 低圧側の一次コイル（４）、高圧側の二次コイル（６）及び芯（８、１０）を含み、
   前記一次コイル（４）が、回路基板（２）の銅シート、リッツ導体巻線およびワニス配線の少なくとも一つを含んで構成され、
   該二次コイル（６）のコイル層（１６）が金属箔で形成されて重ねて巻回され、層間の層の面方向に絶縁箔（１８）を有し、
   前記二次コイル（６）の高さは、前記コイル層（１６）の巻回方向における前記二次コイル（６）の幅の５分の１未満であることを特徴とする平面高電圧変圧器デバイス。
2. 前記一次コイル（４）は前記銅シートで形成されることを特徴とする請求項１記載のデバイス。
3. 前記芯（８、１０）が芯上部（８）と芯下部（１０）とより成ることを特徴とする請求項１記載のデバイス。
4. 前記芯（８、１０）が強磁性体で作られていることを特徴とする請求項１記載のデバイス。

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