JP5219219B2 - トランスおよび該トランスを用いたスイッチング電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、一次コイルと二次コイルの間に導電性を有するシールド部材を配置したトランス、および該トランスを用いたスイッチング電源装置に関する。

スイッチング電源装置に使用される従来のトランスとしては、特許文献１に記載のものが知られている。図３（Ａ）に示すように、従来のトランス１’は、コア１０の中足を挿入するために中空とした円筒状のボビン２と、その周りに順次巻回された第１コイル３、第１絶縁部材４、シールド部材５’、第２絶縁部材６、第２コイル７および第３絶縁部材１１とを備える。

シールド部材５’は、導電性を有する帯状の導電性部材８’であり、第１縁部８ａと第２縁部８ｂとが周方向上で相対向しながら離間している。したがって、導電性部材８’は、第１縁部８ａおよび第２縁部８ｂのいずれか一方を巻き始めとし、他方を巻き終わりとする１ターンのコイルＴとみなすことができる（図３（Ｂ）参照）。

トランス１’は、例えば、図４に示すスイッチング電源装置で使用される。この従来のスイッチング電源装置２０’は、入力端子から入力される交流電圧を整流・平滑等する一次側整流平滑手段２１と、第２コイル（一次コイル）７の一端と基準電位ライン２５（例えば、ＧＮＤライン）の間に接続され、一次側整流平滑手段２１で得られた直流電圧をスイッチングするスイッチング手段２２と、当該スイッチングにより、第１コイル（二次コイル）３に誘起される交流電圧を整流・平滑等する二次側整流平滑手段２３とを備える。二次側整流平滑手段２３で得られた所定の直流電圧は、出力端子から出力される。

図３（Ｂ）および図４を参照して、トランス１’のシールド部材５’である導電性部材８’は、第２縁部８ｂが基準電位ライン２５に電気的に接続されている。第２縁部８ｂと基準電位ライン２５との間には、必要に応じて、コンデンサ２４および抵抗２６が接続されることもある。一方、導電性部材８’の第１縁部８ａは開放状態となっている。

このスイッチング電源装置２０’では、シールド部材５’の電位とスイッチング手段２２の基準電位（例えば、ＧＮＤレベル）とが等しくなる。したがって、スイッチング電源装置２０’によれば、シールド部材５’と二次コイル３との間に生じる電界の強さと、一次コイル７と二次コイル３との間に生じる電界の強さとを均衡させることができ、トランス１’からのコモンモードノイズの発生を抑制することができる。

特許第４１００８８６号公報

しかしながら、トランス１’を用いた従来のスイッチング電源装置２０’では、トランス１’の製造ばらつきにより、スイッチング手段２２のスイッチングに起因するスイッチングノイズ量にばらつきが発生していた。

すなわち、二次コイル３および一次コイル７を巻回する際のテンションおよび密着性の変動や巻きずれにより、シールド部材５’から基準電位ライン２５に流出するスイッチングノイズ量に大きなばらつきが発生していた。ここで、製造工程にて上記テンション等を厳密に管理することが考えられるが、事実上、そのような管理は困難なので、製造工程の改良のみでは上記スイッチングノイズ量のばらつきを抑制することはできない。

そこで、本発明は、コイルを巻回する際にテンションや密着性が変動したり、巻きずれが発生した場合においても、基準電位ラインに流出するスイッチングノイズ量のばらつきを抑制することができるトランスおよび該トランスを用いたスイッチング電源装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るトランスは、一次コイルと二次コイルとを導電性のシールド部材を挟んで所定の巻回軸回りに巻回したトランスであって、前記シールド部材は、巻回軸回りに巻回された第１導電部と、第１導電部に対して巻回軸の径方向外側に巻回された第２導電部と、第１導電部の巻回方向における端部と第２導電部の巻回方向における端部とを電気的に接続する接続部とからなる導電性部材と、第１導電部と第２導電部との間に介装され、第１導電部と第２導電部とを絶縁する絶縁層とを有し、第１導電部と第２導電部との接続方向において、導電性部材の両端部のうち一方端が開放されるとともに、他方端が一次コイル側に設けられたスイッチング手段を有する一次側回路の基準電位ラインに電気的に接続されることを特徴とする。

この構成によれば、巻回軸回りに巻回された第１導電部の巻回方向における端部と、該第１導電部に対して巻回軸の径方向外側に巻回された第２導電部の巻回方向における端部とが、絶縁層により絶縁されながら接続部を介して接続されているので、第１導電部および第２導電部は互いに逆方向に巻回されたコイルとみなすことができる。このため、第１導電部に発生するノイズ成分と第２導電部に発生するノイズ成分とが打ち消し合い、一次側回路の基準電位ラインに流出するノイズ量が低減され、トランスの一次コイルおよび二次コイルを巻回する際のテンション等の製造要因に基づくスイッチングノイズ量のばらつきを抑制することができる。

上記トランスにおいて、一次コイルとシールド部材との間に介装された第１絶縁部材と、シールド部材と二次コイルとの間に介装された第２絶縁部材とをさらに備え、前記第１絶縁部材および前記第２絶縁部材は、それぞれ、少なくとも２重に巻回された絶縁テープであることが好ましい。

この構成によれば、絶縁テープを薄くしても、一次コイルとシールド部材、およびシールド部材と二次コイルの絶縁耐圧を確保しながら、トランスの大型化（巻き太り）を防ぐことができる。

また、上記課題を解決するために、本発明に係るスイッチング電源装置は、上記トランスと、前記一次側回路と、前記二次コイルに誘起された交流電圧を整流および平滑する手段を有する二次側回路とを備えたことを特徴とする。

この構成によれば、トランスのシールド部材においてスイッチングノイズが相殺されるので、シールド部材から基準電位ラインに流出するスイッチングノイズ量のばらつきを抑制することができる。

上記スイッチング電源装置において、導電性部材の他方端と前記基準電位ラインとの間にコンデンサが直列に接続されていることが好ましい。

この構成によれば、シールド部材から基準電位ラインに流出するスイッチングノイズ量をコンデンサにより調整することで、一次側回路の基準電位ラインに流出するノイズの絶対量を低減することができる。

本発明によれば、トランスのコイルを巻回する際にテンションや密着性が変動したり、巻きずれが発生した場合においても、基準電位ラインに流出するスイッチングノイズ量のばらつきを抑制することができるトランスおよび該トランスを用いたスイッチング電源装置を提供することができる。

本発明に係るトランスに関係する図であって、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は導電性部材の等価回路図である。 本発明に係るスイッチング電源装置の回路図である。 従来のトランスに関係する図であって、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は導電性部材の等価回路図である。 従来のスイッチング電源装置の回路図である。

以下、添付図面を参照して、本発明に係るトランスとスイッチング電源装置の好ましい実施形態について説明する。

［トランス］
図１（Ａ）に、本発明に係るトランスの断面図を示す。この図に示すように、本発明に係るトランス１は、コア１０の中足を挿入するために中空とした円筒状のボビン２と、その周り（巻回軸回り）に順次巻回された第１コイル３、第１絶縁部材４、シールド部材５、第２絶縁部材６、第２コイル７および第３絶縁部材１１とを備えている。この実施形態では、第１コイル３が本発明の「二次コイル」として機能し、第２コイル７が本発明の「一次コイル」として機能する。

シールド部材５は、帯状の導電性部材８と絶縁層９とから構成されている。導電性部材８は、その一方端である第１縁部８ａと、該第１縁部８ａよりも巻回軸に対して径方向外側に位置し、他方端である第２縁部８ｂと、第１縁部８ａと第２縁部８ｂのほぼ中央部分にある折曲部８ｃ（本願の「接続部」に相当）とを有し、この折曲部８ｃにおいてＵ字状に折り曲げられている。また、導電性部材８は、第１縁部８ａを含む第１導電部８ｄ（以下「第１部分」という）と、第２縁部８ｂを含み、第１部分８ｄに対して巻回軸の径方向外側に巻回された第２導電部８ｅ（以下「第２部分」という）とを有し、第１部分８ｄの巻回方向における端部と、第２部分８ｅの巻回方向における端部とが折曲部８ｃによって電気的に接続されている。

また、この折り曲げ加工を行う際に、折曲部８ｃよって区分けされた導電性部材８の第１部分８ｄおよび第２部分８ｅの間に、絶縁層９が介装される。これにより、導電性部材８の第１部分８ｄと第２部分８ｅとが絶縁される。

図１（Ａ）に示すように、シールド部材５は、導電性部材８の第１縁部８ａ（一方端）および第２縁部８ｂ（他方端）のそれぞれが、周方向上で折曲部８ｃに対向するように配置されている。また、第１縁部８ａおよび第２縁部８ｂのそれぞれと折曲部８ｃとは、ショートしない程度に周方向上で僅かに離間している。

第１絶縁部材４、第２絶縁部材６、第３絶縁部材１１、およびシールド部材５を構成する絶縁層９としては、種々の絶縁性材料が適用可能であるが、本実施形態では、一例として厚さが０．０２５ｍｍのポリエステルフィルムテープ（寺岡製作所製「６３０Ｆ ＃２５」、住友３Ｍ製「１３５０Ｆ−１」等）を使用している。

また、第１絶縁部材４、第２絶縁部材６および第３絶縁部材１１はそれぞれ３重に巻回され、これにより、破れ等が発生した場合においても確実に所定の絶縁耐圧基準（例えば３０００[Ｖ]）を満たすことができるようになっている。すなわち、２重である場合には、１枚の絶縁部材で所定の絶縁耐圧基準を満たさなければならないため、絶縁部材上に視認できない微細な孔が存在した場合にも問題となることから、３重以上に重ねることが好ましい。なお、絶縁耐圧を向上させるという観点からは、各絶縁部材４、６、１１を４重、５重・・・と重ねて巻回するのが好ましいが、極端に巻数を増やすと、トランス１が大形化（巻き太り）するとともに、第１コイル３と第２コイル７の磁気結合が悪化し、スイッチング時のサージ電圧が増加するという不都合が生じる。したがって、各絶縁部材４、６、１１の巻数は、これらの利点、欠点のバランスを考慮して適宜決定すればよい。

前記の通り、導電性部材８の第１部分８ｄと第２部分８ｅとは、これらの間に挟み込まれた絶縁層９によって絶縁されている。したがって、導電性部材８は、互いに逆方向に巻回された２つの１ターンのコイルＴ１（第１部分８ｄに相当）、Ｔ２（第２部分８ｅに相当）を折曲部８ｃにおいて直列接続したものとみなすことができる（図１（Ｂ）参照）。後述するが、導電性部材８の第２縁部８ｂは、スイッチング電源装置（より具体的には、一次コイル側に設けられたスイッチング手段を有する一次側回路）の基準電位ラインに電気的に接続される。一方、導電性部材８の第１縁部８ａは開放状態とされる。当然ながら、第１縁部８ａを基準電位ラインに接続し、第２縁部８ｂを開放状態とすることもできる。

以上のように、本発明に係るトランス１では、第１コイル３と第２コイル７との間に、同一巻数で逆方向に巻回され、かつ直列に接続された２つのコイルＴ１、Ｔ２が配置されている。したがって、本発明に係るトランス１によれば、コイルＴ１に発生するノイズ成分とコイルＴ２に発生するノイズ成分とが打ち消し合う。このため、一次側回路の基準電位ラインに流出するノイズ量を低減し、トランスの第１コイル（二次コイル）３および第２コイル（一次コイル）７を巻回する際のテンション等の製造要因に基づくスイッチングノイズ量のばらつきを抑制することができる。

［スイッチング電源装置］
図２は、本発明に係るトランス１を用いたスイッチング電源装置である。このスイッチング電源装置２０は、入力端子から入力される交流電圧を整流・平滑等する一次側整流平滑手段２１と、第２コイル（一次コイル）７の一端と基準電位ライン２５（この実施形態では、一次側回路のＧＮＤライン）の間に接続され、一次側整流平滑手段２１で得られた直流電圧をスイッチングするスイッチング手段２２と、当該スイッチングにより、第１コイル（二次コイル）３に誘起される交流電圧を整流・平滑等する二次側整流平滑手段２３とを備えている。二次側整流平滑手段２３で得られた所定の直流電圧は、出力端子から出力される。このように、この実施形態では、一次側整流平滑手段２１とスイッチング手段２２とにより本発明の「一次側回路」が構成され、二次側整流平滑手段２３が本発明の「二次側回路」に相当する。

また、図１（Ｂ）に示すように、トランス１の導電性部材８は、第２縁部８ｂ（他方端）が基準電位ライン２５に電気的に接続され、シールド部材５の電位とスイッチング手段２２の基準電位とが等しくなるようになっている。一方、導電性部材８の第１縁部８ａ（一方端）は開放状態とされる。

第２縁部８ｂ（他方端）と基準電位ライン２５との間には、必要に応じて、コンデンサ２４を直列に接続することが好ましい。この構成によれば、シールド部材５から基準電位ライン２５に流出するスイッチングノイズ量をコンデンサ２４により調整することで、基準電位ライン２５に流出するノイズの絶対量を低減することができる。

本発明に係るスイッチング電源装置２０によれば、シールド部材５と二次コイル３との間に生じる電界の強さと、一次コイル７と二次コイル３との間に生じる電界の強さとを均衡させることができ、トランス１からのコモンモードノイズの発生を抑制することができる。

また、本発明に係るスイッチング電源装置２０によれば、トランス１のシールド部材５が、逆方向に巻回され、かつ直列に接続された同一巻数のコイルＴ１、Ｔ２から構成されているので、基準電位ライン２５に流出するスイッチングノイズ量のばらつきを抑制することができる。

［効果確認実験］
続いて、本発明に係るトランス１を用いたスイッチング電源装置（以下、実施例１という）、および従来のトランス１’を用いたスイッチング電源装置（以下、従来例）の雑音端子電圧を測定した実験結果について説明する。なお、雑音端子電圧はスイッチングノイズ量に依存しており、スイッチングノイズ量がばらつくと雑音端子電圧もばらつく。

スイッチング電源装置としては図２および図４に示すものを使用し、コンデンサ２４や抵抗２５を使用することなく、シールド部材５（５’）と基準電位ライン２５とを直接接続した。また、トランスの製造ばらつきが雑音端子電圧に顕著に現れるようにするために、一次側整流平滑手段２１には、特にノイズフィルタ回路を設けていない。

その他の測定条件は、入力交流電圧：ＡＣ１００Ｖ、出力電圧：４．６Ｖ（０．２Ａ）、スイッチング手段２２の発振周波数：３００ｋＨｚとした。また、測定周波数は、トランスの違いが最も顕著に現れる３００ｋＨｚ（＝発振周波数）とし、ＶＣＣＩクラスＢの規格値に対するマージンというかたちで測定を行った。

この測定条件で、実施例１に係るスイッチング電源装置と従来例に係るスイッチング電源装置、各５台について測定を行った結果を以下に示す。

表１の結果から明らかなように、実施例１に係るスイッチング電源装置では、トランス１の製造ばらつきによって測定結果が大きく変動することがなく、２．０ｄＢ〜４．０ｄＢの範囲に収まっている。これに対して、従来例に係るスイッチング電源装置では、測定結果が−１．６ｄＢ（規格割れ）〜２１．２ｄＢと大きく変動した。

実施例１に係るスイッチング電源装置に、２２０ｐＦのコンデンサ２４を付加したスイッチング電源装置（以下、実施例２という）、５台についても測定を行った。その結果を以下に示す。

表２の結果から明らかなように、２２０ｐＦのコンデンサ２４をシールド部材５と基準電位ライン２５との間に直列接続することで、雑音端子電圧の絶対量が低減され、規格値に対するマージンが大きく改善した。また、測定結果は１６．８ｄＢ〜１８．５ｄＢの範囲に収まっており、実施例１と同様に、トランス１の製造ばらつきに起因する雑音端子電圧のばらつきを低減することもできた。

なお、コンデンサ２４の容量は、基準電位ライン２５に流出するスイッチングノイズ量に応じて実験的に決定されるが、従来例に係るスイッチング電源装置では、このノイズ量がばらついているので、最適な容量値を決定するのが困難である。例えば、Ｎｏ．４のトランス１’を用いた従来例に係るスイッチング電源装置においてコンデンサ２４の容量値を最適化しても、その容量値がＮｏ．５のトランス１’を用いた従来例に係るスイッチング電源装置に適しているとは限らない。この点、実施例１に係るスイッチング電源装置では、スイッチングノイズ量が安定しているので、コンデンサ２４の容量値を決定するのが容易である。

以上、本発明に係るトランスおよびスイッチング電源装置の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記構成に限定されるものではない。

例えば、図２に示すスイッチング電源装置２０では、トランスの第１コイル３を二次コイル、第２コイル７を一次コイルとしたが、これを逆にすることもできる。要は、コイルの直流抵抗成分による損失が小さくなるようにコイルを配置すればよい。例えば、一次コイルに比べて二次コイルの方が直流抵抗成分による損失が大きい場合には、二次コイルを一次コイルに対してトランス内側に配置してコイル長を短くして抵抗成分の増加を抑制すればよい。一方で、一次コイルの抵抗成分を優先する場合には、二次コイルに対してトランス内側に一次コイルを配置すればよい。
また、図１に示すトランス１では、隙間を設けることによって導電性部材８の第１縁部８ａおよび第２縁部８ｂと折曲部８ｃとのショートを防いでいるが、第１縁部８ａおよび第２縁部８ｂを折曲部８ｃにオーバーラップさせ、間に絶縁テープ等を挟み込むようにしてもよい。ただし、この場合は、巻き太りに注意が必要である。
また、本発明に係るトランス１は、図２に示すタイプのスイッチング電源装置だけでなく、様々な種類のスイッチング電源装置に適用することができる。

１ トランス
２ ボビン
３ 第１コイル（二次コイル）
４ 第１絶縁部材
５ シールド部材
６ 第２絶縁部材
７ 第２コイル（一次コイル）
８ 導電性部材
８ａ 第１縁部
８ｂ 第２縁部
８ｃ 折曲部（接続部）
８ｄ 第１部分（第１導電部）
８ｅ 第２部分（第２導電部）
９ 絶縁層
１０ コア
１１ 第３絶縁部材
２０ スイッチング電源装置
２１ 一次側整流平滑手段
２２ スイッチング手段
２３ 二次側整流平滑手段
２４ コンデンサ
２５ 基準電位ライン

Claims (4)

1. 一次コイルと二次コイルとをシールド部材を挟んで所定の巻回軸回りに巻回したトランスであって、
   前記シールド部材は、
   前記巻回軸回りに巻回された第１導電部と、
   前記第１導電部に対して前記巻回軸の径方向外側に巻回された第２導電部と、
   前記第１導電部の巻回方向における端部と前記第２導電部の巻回方向における端部とを電気的に接続する接続部と
   からなる導電性部材と、
   前記第１導電部と前記第２導電部との間に介装され、前記第１導電部と前記第２導電部とを絶縁する絶縁層と
   を有し、
   前記第１導電部と前記第２導電部との接続方向において、前記導電性部材の両端部のうち一方端が開放されるとともに、他方端が前記一次コイル側に設けられたスイッチング手段を有する一次側回路の基準電位ラインに電気的に接続されることを特徴とするトランス。
2. 前記一次コイルと前記シールド部材との間に介装された第１絶縁部材と、
   前記シールド部材と前記二次コイルとの間に介装された第２絶縁部材と
   をさらに備え、 前記第１絶縁部材および前記第２絶縁部材は、それぞれ、少なくとも２重に巻回された絶縁テープであることを特徴とする請求項１に記載のトランス。
3. 請求項１または２に記載のトランスと、
   前記一次側回路と、
   前記二次コイルに誘起された交流電圧を整流および平滑する手段を有する二次側回路と
   を備えたことを特徴とするスイッチング電源装置。
4. 前記導電性部材の他方端と前記基準電位ラインとの間にコンデンサが直列に接続されていることを特徴とする請求項３に記載のスイッチング電源装置。

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