JP5312201B2 - 高耐圧平面トランス - Google Patents

Description

本発明は高耐圧平面トランスに関するものであり、特に電車の駆動制御装置用の１．７ｋＶ〜６．５ｋＶ耐圧ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のゲートドライブ用絶縁トランス等に用いるのに好適な高耐圧平面トランスに関するものである。

高耐圧ＩＧＢＴのゲートドライブ用絶縁トランスとして、従来はプリント基板で構成されたＩＧＢＴのゲートドライバーボード（回路基板）上に、別途コアとコイルをケースに入れ、全体を樹脂封止した絶縁トランスを搭載していた。比較的低電圧（１．２ｋＶ以下）のＩＧＢＴゲートドライブ用の絶縁トランスとしては、コイルをプリント基板の導体層に形成することが提案されている（例えば特許文献１参照）。また、平面トランスにおいて、積層された一次コイルと２次コイルの間に静電シールドを目的にスリットコイルを設けることも提案されている（例えば特許文献２参照）。

特開２００８−２３５４１７号公報（図５および６） 特開平１０−１４９９２９号公報（図１および２）

従来の高耐圧ＩＧＢＴのゲートドライブ用絶縁トランスは、別個の部品として製造されてドライブ回路基板に実装されるものがあったが、この絶縁トランスは高価で、且つドライブ回路基板の小型化のネックとなっていた。

また、特許文献１に記載のトランスは、プリント基板の絶縁層、第１導体層、絶縁層、第２導体層、絶縁層という順に積層された多層基板において、プリント基板の第２導体層に配置された１次側パターンコイルと、プリント基板の第１導体層に配置された２次側パターンコイルと、両方のパターンコイルを電磁結合するコアとで構成されている。しかしながら、高耐圧平面トランス、特に電車の駆動制御装置等に用いる１．７ｋＶ〜６．５ｋＶの高耐圧ＩＧＢＴのゲート絶縁トランスとして使用できる高耐圧平面トランスとして、十分な絶縁性能を得るための記述は無い。

高耐圧ＩＧＢＴのゲートドライブ用絶縁トランスは、例えば、１．７ｋＶ用で４ｋＶ／１分間、３．３ｋＶ用で６ｋＶ／１分間、６．５ｋＶ用で１０．２ｋＶ／１分間の耐電圧性能が要求される。また、高耐圧ＩＧＢＴの動作時には、それぞれのＩＧＢＴの耐電圧相当の電圧が常時印加され、絶縁トランスの高圧コイルと低圧コイルとの間や、高圧コイルとコアとの間に空隙や不適切な構造があると部分放電の発生原因となり、数１０年の期待寿命を維持できなくなり、平面コイルを用いた絶縁トランスを実現するには絶縁構成の工夫が必須である。

また、特許文献２に記載のトランスは、ベース材が積層されたプリントコイル形トランスであり、ベース材の中央を磁性材料よりなるコアが貫通している。ベース材は１次コイルパターンの層と２次コイルパターンの層とこれら境界に配置したスリットパターンの層から成る。ここで、スリットパターンはコイルパターンの一種で、幅の広い１ターンのコイルパターンが形成されていて、スリットによりコイルパターンが分断されているものである。スリットを備えたパターンを、絶縁を要するコイル境界に配置するため、このスリットパターンはコイル間の電気力線を遮蔽する静電シールドとなる。

特許文献２の構造の目的は１次コイルと２次コイルの静電シールドであり、スリットコイルとすることは、１ターンコイルの短絡防止をするために設けたもので、ごく一般的な方法である。しかしながら、特許文献２には、上述のような高電圧絶縁が必須な高耐圧平面トランスを提供するためのプリント基板のコイルの構造、特に高圧コイルと低圧コイルとの間の構造、および高圧コイルとコアとの間の最適な構造についての記述は無い。

従ってこの発明の目的は、高電圧絶縁性に優れ、且つ薄型化が可能で、大幅なコスト低減が図れる高耐圧平面トランスを提供することである。

本発明によれば、高耐圧平面トランスは、４層プリント基板のうちの２層の内層導体でパターン形成されたコイル導体の１次コイルおよび２次コイルと、４層プリント基板のうちの２層の外層導体でパターン形成され、それぞれ上記１次および２次コイルを両面から覆うシールド導体と、上記シールド導体の外側に重ねられ、上記１次および２次コイルならびにそれぞれの上記シールド導体の開口部を貫通して延びた磁気回路を形成するコアとを備えた平面コイル型トランスにおいて、上記シールド導体がそれぞれ、上記コアと重なる領域の一部に設けられ、上記開口部と外縁部とを連通させるスリットを備えたことを特徴とする高耐圧平面トランスである。

この発明の高耐圧平面トランスは、内層導体を高圧コイルパターンとし、最外層導体をシールド導体として絶縁層と一体成形し、且つシールド導体のスリットをコアと重なる領域内に配置したので、スリット導体端部の電界が緩和され、高電圧絶縁に優れている。

この発明の実施の形態１による高耐圧平面トランスの概略平面図である。 図１の線ＩＩ−ＩＩに沿った高耐圧平面トランスの概略側面断面図である。 図１の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿ってシールド導体のスリット周辺部を示す拡大部分断面図である。 図１の高耐圧平面トランスのシールド導体のスリット端部の電界Ｅとスリット幅Ｌとの関係を示すグラフである。 図１の高耐圧平面トランスのシールド導体のスリット端部の電界ＥとＬ／Ｄの関係を示すグラフである。 図１の高耐圧平面トランスのシールド導体のスリット端部の電界Ｅとシールド導体とコア間寸法Ｇの関係を示すグラフである。 図１の高耐圧平面トランスのシールド導体のスリット端部の電界ＥとＧ／Ｄの関係を示すグラフである。 この発明の実施の形態２による高耐圧平面トランスの図２と同様の概略側面断面図である。

以下、この発明の高耐圧平面トランスの実施の形態について説明する。

実施の形態１．
図１〜３において、高耐圧平面トランスは、低圧側の１次コイル１と、高圧側の２次コイル２とを備えている。これらの１次コイル１および２次コイル２は、ガラス繊維強化エポキシ樹脂の絶縁層３の両面に設けられた銅等の導体層をパターン形成することにより、それぞれ同一方向の渦巻状コイルパターン（図示していない）にエッチング等で加工した１次コイル導体１ａ、１ｂと、２次コイル導体２ａ、２ｂとで構成したものである。１次コイル導体１ａ、１ｂと、２次コイル導体２ａ、２ｂとは互いに隔離して設けられ、それぞれのコイル導体の開口部４に近い中心側のコイル端部にスルーホールを設けて接続（図示していない）され、一次コイル１と、２次コイル２とが構成されている。図１〜３においては、１次コイル導体１ａ、１ｂおよび２次コイル導体２ａ、２ｂも、それらによって構成される１次コイル１および２次コイル２も、いずれも概略的に外郭線だけを描いて示してある。

このように１次コイル導体１ａ、１ｂと、２次コイル導体２ａ、２ｂとが絶縁層３によって互いに隔離し保持された基板の両面には、プリプレグシートと銅箔を積層してヒートプレス成形し、このようにしてできた４層プリント基板の両面にある外層導体をエッチング等によって図１に示す平面形にパターン成形することによって、各面に２枚のシールド導体５が形成されている。ここで、導体厚さが厚い場合は、真空ヒートプレスをすると絶縁層内のボイド（空隙）を低減できるので、高電圧特有の部分放電の発生を抑制できる。

合計４枚のシールド導体５は、１次コイル１および２次コイル２を両主面側から覆うことができるように、１次コイル１および２次コイル２に対してよく似た外形で、１次コイル１および２次コイル２よりも幅が大きく、１次コイル導体１ａ、１ｂおよび２次コイル導体２ａ、２ｂのコイルパターンの外形より外側に広がった外縁部６を持ち、コイル導体１ａ、２ａのコイル中心の開口部４に対して大きさが小さくかつ軸整列した開口部７を持っている。

１次コイル１および２次コイル２は磁気回路を形成するコア８によって磁気的に結合されている。すなわち、コア８は、２本の継鉄部８ａと２本の脚部８ｂとで構成された全体が口字型形状の磁性体部材であって、１次コイル１および２次コイル２の開口部４と、シールド導体５の開口部７とには、コア８の脚部８ｂが貫通して挿入されていて、開口部７から外側に出た脚部８ｂの両端には継鉄部８ａが接続されている。コア８の継鉄部８ａは僅かな間隙Ｇ（図３）を間においてシールド導体５に対向して重なる部分を持っており、シールド導体５のこの部分、すなわちコア８の継鉄部８ａと重なる領域９内にはスリット１０が設けられている。

このスリット１０は、シールド導体５の外縁部６から開口部７にまで連通した切れ目であり、シールド導体５に短絡電流が流れるのを防ぐためであり、このシールド導体５は静電遮蔽体の作用をする。なお、１次コイル導体１ａ、１ｂと２次コイル導体２ａ、２ｂとの間にも、またこれらコイル導体とシールド導体５との間にもガラス繊維強化エポキシ樹脂の絶縁層３が設けられていて、こうして形成された多層の構造体の外表面上にはソルダーレジスト樹脂層１１が設けられている。

このように構成された高耐圧平面トランスは、４層プリント基板の２層の内層導体でパターン形成された１次コイル導体１ａ、１ｂと２次コイル導体２ａ、２ｂで形成された１次コイル１および２次コイル２と、４層プリント基板の２層の外層導体でパターン形成され、１次コイル１および２次コイル２をそれぞれ両面から覆う合計４枚のシールド導体５と、シールド導体５の外側に重ねられ、１次コイル１および２次コイル２ならびにそれぞれのシールド導体５の開口部７を貫通して延びた磁気回路を形成するコア８とを備えており、シールド導体５がそれぞれ、コア８と重なる領域９の一部に設けられ、開口部７と外縁部６とを連通させるスリット１０を備えている。また、シールド導体５のスリット１０を含む表面はソルダーレジスト樹脂層１１によってコーティングされている。

このため、この発明の高耐圧平面トランスにおいては、特にシールド端部での部分放電の発生を抑制でき、絶縁信頼性が高く、耐電圧の高い高耐圧平面トランスが提供できる。

特に、シールド導体５の最大電界を示すスリット端部の電界について検討するために、着目する電界を図３におけるスリット１０の端部Ａの電界をＥとし、スリット１０の幅をＬとし、高圧側２次コイル２とシールド導体５との間の樹脂層である絶縁層３の厚さをＤとし、シールド導体５とコア８と間の厚さ方向寸法（間隙の大きさ）をＧとして、これらをパラメータとして計算した。計算条件としては、３．３ｋＶ耐圧のＩＧＢＴ用の高耐圧平面トランスを考慮して、２次コイル２とシールド導体５との間の絶縁層３の厚さＤを０．５ｍｍとして計算した。

この結果を図４のグラフに示す。図４においてシールド導体５の端部Ａの電界Ｅの大きさ（相対値）と、スリット１０の幅Ｌとの関係が、シールド導体５とコア８との間の絶縁層３の厚さ寸法Ｇをパラメータとして示されている。シールド導体５とコア８と間の寸法Ｇが１ｍｍを超えると端部Ａの電界Ｅは殆ど変化がない。Ｇを小さくするとＡの電界Ｅは低下してゆく。従って、スリット１０の位置はコア８と重なる領域９内（対面する領域の一部）に配置するのが高耐圧平面トランスでは必須である。さらに、電界の最も高いシールド導体５の端部Ａにソルダーレジスト用の絶縁層３を施せば、電界の高い端部Ａで発生する部分放電をさらに抑制でき、高電圧絶縁がさらに優れた高耐圧平面トランスが提供できる。

また、図４のグラフからは、シールド導体５のスリット１０の幅Ｌ（ｍｍ）が小さくなるに従い電界Ｅが低くなることがわかる。スリット端部Ａの電界Ｅは、スリット１０の幅Ｌと２次コイル２およびシールド導体５間の寸法Ｄとの比で決まるので、図５のグラフにＬ／Ｄの変化に対する端部Ａの電界Ｅの変化を示す。端部Ａの電界ＥはＬ／Ｄが１以下になると急激に低下する（たとえば、Ｇ＝０．２ｍｍのグラフ）ので、スリット１０の幅Ｌは２次コイル２とシールド導体５との間の寸法Ｄ以下（Ｌ／Ｄ≦１）にすることが望ましい。

図６のグラフは、図４のグラフの表現を変えて、シールド導体５とコア８の間の寸法Ｇと端部Ａの電界Ｅとの関係を示している。さらに、図７のグラフには、端部Ａの電界Ｅは、２次コイル２とシールド導体５との間の寸法Ｄに影響するので規格化した指標Ｇ／Ｄで整理した結果を示す。端部Ａの電界ＥはＧ／Ｄが０．５以下になると急激に低下するので、シールド導体５とコア８との間の厚さ方向寸法Ｇは、２次コイル２とシールド導体５との間の絶縁層３の厚さ寸法Ｄに対して、１／２以下（Ｇ／Ｄ≦１／２）にすることが望ましい。

実施の形態２．
また、高耐圧平面トランスは、１次コイル１および２次コイル２を含む４層プリント基板とコア８を、図１に示した構造に組み合わせるが、互いを固定するためにスペーサとして、図８に示すようにゴム等の弾性シート１２を挿入すると、振動に対する信頼性が向上する。弾性シート１２として、導電性を付与した導電性ゴムシート１２を用いると、図７に示すシールド導体５とコア８との間の寸法Ｇを小さくできるという効果を示し、スリット端部Ａの電界Ｅを飛躍的に低下させることができる。

以上に説明した実施の形態の高耐圧平面トランスによれば、ゲートドライバーボード（回路基板）の製造プロセスでコイルを形成できて個別にトランスを実装していた従来法に対して、大幅なコスト低減が図れ、薄型化が可能で、しかも高電圧絶縁性が優れている。

以上に図示して説明した高耐圧平面トランスは単なる例であって様々な変形が可能であり、またそれぞれの具体例の特徴を全てあるいは選択的に組み合わせて用いることもできる。

この発明は高耐圧平面トランスに利用できるものである。

１ 一次コイル、１ａ、１ｂ １次コイル導体、２ 二次コイル、２ａ、２ｂ ２次コイル導体、３ 絶縁層、４、７ 開口部、５ シールド導体、６ 外縁部、８ コア、８ａ 継鉄部、８ｂ 脚部、９ 領域、１０ スリット、１１ ソルダーレジスト樹脂層、１２ 弾性シート。

Claims (6)

1. ４層プリント基板のうちの２層の内層導体でパターン形成されたコイル導体で形成され、開口部を有する１次コイルおよび２次コイルと、
   上記４層プリント基板のうちの２層の外層導体でパターン形成され、それぞれ対応する上記１次および２次コイルを両面から覆うように各面に２枚設けられたシールド導体と、
   磁気回路を形成するコアとを備えた高耐圧平面トランスであって、
   上記シールド導体はそれぞれ、対応する上記１次および２次コイルの外形よりも大きく広がった外縁部と、対応する上記１次および２次コイルの上記開口部と整列する開口部とを有しており、
   上記コアは、上記両面の上記シールド導体のさらに外側に重ねられ、且つ、上記１次および２次コイルの上記開口部及び上記シールド導体の開口部を貫通して延び、
   上記シールド導体それぞれには、上記コアと対面する領域内に設けられて且つ上記シールド導体の上記開口部と上記外縁部とを連通するように延びた、スリットが形成されていることを特徴とする高耐圧平面トランス。
2. 上記シールド導体の上記スリットを含む表面にソルダーレジスト樹脂がコーティングされていることを特徴とする請求項１に記載の高耐圧平面トランス。
3. 上記シールド導体の上記スリットの幅が、コイル導体とシールド導体との間の絶縁層の厚さ以下であることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の高耐圧平面トランス。
4. 上記シールド導体と上記コアとの間の厚さ方向寸法が、上記コイル導体とシールド導体との間の絶縁層の厚さの１／２以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の高耐圧平面トランス。
5. 上記シールド導体と上記コアとの間に弾性シートを挿入したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の高耐圧平面トランス。
6. 上記弾性シートは導電性ゴムシートであることを特徴とする請求項５に記載の高耐圧平面トランス。

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