JP5785363B2 - トランス及びスイッチング電源 - Google Patents

Description

本発明は、トランス及びスイッチング電源に関する。

近年では、車両の燃費性能及び環境保護性能を向上させる技術の１つとして、車両にエンジンとモータの２つの動力源を搭載し、走行状況に応じて両者を協調制御するハイブリッドシステムの導入が進んでいる。このハイブリッドシステムでは、モータを駆動する場合、高電圧バッテリから出力される直流電圧をインバータによって３相交流電圧に変換してモータに供給することが一般的である。

また、このハイブリッドシステムでは、インバータの入力側に設けられた平滑コンデンサにスイッチング電源を接続し、モータ駆動時に平滑コンデンサに蓄えられた高電圧電力を、スイッチング電源によって低電圧電力に変換して低電圧バッテリに蓄えることにより、エネルギー効率の向上及び感電事故の防止を図っている。

このように車両に搭載されるスイッチング電源には、高い信頼性に加えて高性能化、小型化及び低コスト化が要求されるため、従来から様々な改良技術が提案されている。例えば、スイッチング電源に用いられるトランスの構成に着目した改良技術として、下記特許文献１には、１次コイルと２次コイルとの間、及び１次コイルとコアとの間の絶縁距離を容易に確保可能なトランスの構成が開示されており、また、下記特許文献２には、良好な放熱特性を有するトランスの構成が開示されている。

特開２００１−２６７１５２号公報 特開２００４−３０３８２３号公報

上記特許文献１及び２に開示されたトランスの構成では、トランスの片側に設置されたヒートシンクによって冷却を行っており、それ以上の冷却効率の向上を望めなかった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、冷却効率の向上を図ることが可能なトランス及びスイッチング電源を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明では、トランスに係る第１の解決手段として、対向するように組み合わされた一対のコアを備えるトランスであって、前記一対のコアの両表面と当接された一対の放熱部材を備える、という手段を採用する。
このような構成のトランスによると、トランスの両表面に一対の放熱部材を配置したことにより、従来技術と比べて、冷却効率の向上を図ることが可能となる。

また、本発明では、トランスに係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、複数組の前記一対のコアが隣り合うように配置されており、前記一対の放熱部材は、複数組の前記一対のコアにおける前記両表面に共通配置されている、という手段を採用する。
このような構成のトランスによると、複数組の一対のコアから構成されるトランスであっても、放熱部材は両側のそれぞれで１個ずつで足りるため、コストの削減に寄与する。

一方、本発明では、スイッチング電源に係る解決手段として、上記第１または第２の解決手段を採用するトランスと、このトランスの１次側に接続されたスイッチング回路と、トランスの２次側に接続された整流回路とを備えることを特徴とする。
これにより、冷却効率の高いスイッチング電源を得ることが可能となる。

本発明によれば、冷却効率の向上を図ることが可能なトランス及びスイッチング電源を提供することが可能となる。

本実施形態におけるインダクタ１の分解斜視図及び組立て後の斜視図である。 ２つのインダクタ１を組み合わせて得られる合成インダクタの斜視図及びその等価回路図である。 図２に示す合成インダクタを２つ隣り合うように配置した状態を示す斜視図及びその等価回路図である。 本実施形態におけるトランス１００の分解斜視図、組立て後の斜視図及び等価回路図である。 トランス１００の上下両側に一対のヒートシンク５１、５２を配置した状態を示す図である。 本実施形態におけるスイッチング電源４００の回路構成図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下では、説明の便宜上、本実施形態におけるトランス及びスイッチング電源を説明するに当って、始めにトランスの構成部品であるインダクタについて説明する。
〔インダクタ〕
図１（ａ）は、本実施形態におけるインダクタ１の分解斜視図であり、図１（ｂ）は、組立て後におけるインダクタ１の斜視図である。これらの図に示すように、本実施形態におけるインダクタ１は、コア１０、絶縁ケース２０及び平板状コイル３０から構成されている。

コア１０は、例えば平面的に矩形をなすＥ字型のフェライトコアであり、長辺方向の両端部に突出するように形成された外磁脚１１及び１２と、これら外磁脚１１と１２との間の中間位置において並列的に突出するように形成された内磁脚１３とを有している。これら外磁脚１１、１２の頂上面１１ａ、１２ａと、内磁脚１３の頂上面１３ａは平面的に矩形をなし、互いに同一の高さとなるように寸法設定されている。

また、コア１０において、外磁脚１１と内磁脚１３との間には底面１４ａを有する溝部１４が形成され、外磁脚１２と内磁脚１３との間には底面１５ａを有する溝部１５が形成されている。なお、コア１０において、一方のＥ字形状の側面を１０ａ、他方のＥ字形状の側面を１０ｂ、一方の矩形状の側面を１０ｃ、他方の矩形状の側面を１０ｄ、各磁脚頂上面１１ａ、１２ａ及び１３ａに対して反対側の面（裏面）を１０ｅとする。

絶縁ケース２０は、コア１０の各磁脚頂上面１１ａ、１２ａ及び１３ａと裏面１０ｅとが露出し、その他の面が被覆されるように加工形成された絶縁部材である。つまり、この絶縁ケース２０には、コア１０の各磁脚頂上面１１ａ、１２ａ及び１３ａを露出させるための開口部２１、２２、２３と、裏面１０ｅを露出させるための開口部２４とが設けられている。このような絶縁ケース２０をコア１０に装着することで、コア１０の各磁脚頂上面１１ａ、１２ａ、１３ａ及び裏面１０ｅは外部に露出する一方、各溝部底面１４ａ、１５ａ及び各側面１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄを含む他の面は絶縁ケース２０によって被覆された状態となる（図１（ｂ）参照）。

平板状コイル３０は、コア１０の側面１０ａ、１０ｂ、１０ｄ及び溝部底面１４ａ、１５ａを沿うように折り曲げ加工によって形成された平板状配線部材（バスバー）である。つまり、この平板状コイル３０は、コア１０の側面１０ａを沿うように形成された導電路３１と、溝部底面１４ａ、１５ａを沿うように形成された導電路３２、３３と、側面１０ｂを沿うように形成された導電路３４、３５と、側面１０ｄを沿うように形成された導電路３６とを有している。

詳細には、導電路３１は、コア１０の側面１０ａにおいて溝部１４から１５までの区間を沿うように、コア１０の長辺方向と平行に延設されている。導電路３２は、溝部底面１４ａの全区間を沿うように、導電路３１の溝部１４側の端部から屈曲してコア１０の短辺方向と平行に延設されている。導電路３３は、溝部底面１５ａの全区間を沿うように、導電路３１の溝部１５側の端部から屈曲してコア１０の短辺方向と平行に延設されている。

導電路３４は、コア１０の側面１０ｂにおいて溝部１４から側面１０ｄまでの区間を沿うように、導電路３２の側面１０ｂ側の端部から屈曲してコア１０の長辺方向と平行に延設されている。導電路３５は、コア１０の側面１０ｂにおける溝部１５から側面１０ｃまでの区間を沿うように、導電路３３の側面１０ｂ側の端部から屈曲してコア１０の長辺方向と平行に延設されている。導電路３６は、コア１０の側面１０ｄにおいて側面１０ｂから中央位置までの区間を沿うように、導電路３４の側面１０ｄ側の端部から屈曲してコア１０の短辺方向と平行に延設されている。

また、この平板状コイル３０は、導電路３５の端部（導電路３３に対して反対側の端部）からコア１０の短辺方向に屈曲して形成された端子部３７と、導電路３６の端部（導電路３４に対して反対側の端部）からコア１０の長辺方向に屈曲して形成された端子部３８とを有している。これら端子部３７、３８には、それぞれネジ止め固定を可能とする貫通孔３７ａ、３８ａが設けられている。このような平板状コイル３０を、絶縁ケース２０が装着されたコア１０に絶縁ケース２０の上から配置することで、図１（ｂ）に示すインダクタ１が得られる。

図２（ａ）は、上述した構成のインダクタ１を２つ使用し、絶縁ケース２０及び平板状コイル３０がそれぞれ付加された状態で、２つのコア１０をそれぞれの各磁脚頂上面１１ａ、１２ａ及び１３ａが対向して当接するように組み合わせた状態を示す斜視図である。なお、図２（ａ）では、２つのインダクタ１を区別するために、一方のインダクタ１及びその構成要素の符号に「Ａ」を付記し、他方のインダクタ１及びその構成要素の符号に「Ｂ」を付記している。また、以下の説明において、必ずしも両者を区別する必要がない場合には、符号に「Ａ」或いは「Ｂ」を付記しない場合がある。

図２（ａ）に示すように、同一構成の２つのインダクタ１Ａ、１Ｂを組み合わせることにより、２つの平板状コイル３０Ａ、３０Ｂの端子部３８Ａ、３８Ｂは、外磁脚１１側の側面１０ｄの中央位置で重なり合って接続し、２つの平板状コイル３０Ａ、３０Ｂの端子部３７Ａ、３７Ｂは、外磁脚１２側の側面１０ｃで離間する。言い換えれば、２つのインダクタ１Ａ、１Ｂを組み合わせた場合に、図２（ａ）に示す状態となるように、平板状コイル３０は加工形成されている。

また、図２（ａ）に示すように、２つのインダクタ１Ａ、１Ｂにおけるコア１０Ａ、１０Ｂが組み合わされることで、両者の外磁脚１１と内磁脚１３との間の溝部１４による空間Ｓ１が形成され、両者の外磁脚１２と内磁脚１３との間の溝部１５による空間Ｓ２が形成される。これらの空間Ｓ１、Ｓ２を利用して１次コイルを巻回することで、後述するような平板状コイル３０Ａ、３０Ｂを２次コイルとして使用するトランス１００を得ることが可能となる。

図２（ｂ）は、図２（ａ）のように組み合わされたインダクタ１Ａ、１Ｂ（以下、合成インダクタと称す）の等価回路図である。この図２（ｂ）に示すように、合成インダクタの等価回路は、コア１０Ａに巻回されて一端を端子部３７Ａ、他端を端子部３８Ａとする平板状コイル３０Ａと、コア１０Ｂに巻回されて一端を端子部３７Ｂ、他端を端子部３８Ｂとする平板状コイル３０Ｂとが直列接続された構成となる。つまり、平板状コイル３０Ａと３０Ｂの接続部分である端子部３８Ａ、３８Ｂは、平板状コイル３０Ａと３０Ｂをトランスの２次コイルとして使用した場合のセンタータップとして利用できる。

図３（ａ）は、図２（ａ）に示す合成インダクタを、さらにもう１組用意して隣り合うように配置した状態を示す斜視図である。なお、図３（ａ）では、追加したもう１組の合成インダクタを構成する一方のインダクタ１及びその構成要素の符号に「Ｃ」を付記し、他方のインダクタ１及びその構成要素の符号に「Ｄ」を付記している。

つまり、等価回路としては、図３（ｂ）に示すように、コア１０Ｃに巻回されて一端を端子部３７Ｃ、他端を端子部３８Ｃとする平板状コイル３０Ｃと、コア１０Ｄに巻回されて一端を端子部３７Ｄ、他端を端子部３８Ｄとする平板状コイル３０Ｄとが直列接続された部分が追加される。この場合、平板状コイル３０Ｃと３０Ｄの接続部分である端子部３８Ｃ、３８Ｄは、平板状コイル３０Ｃと３０Ｄをトランスの２次コイルとして使用した場合のセンタータップとして利用できる。

このように２つの合成インダクタを隣り合うように配置した構成において、２つの合成インダクタのそれぞれに形成される空間Ｓ１、Ｓ２を利用して１次コイルを巻回し、平板状コイル３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄをトランスの２次コイルとして使用すると、後述のような２次側が２系統に分割された分割型のトランス１００を得ることができる。

〔トランス〕
続いて、本実施形態におけるトランス１００について説明する。図４（ａ）は、本実施形態におけるトランス１００の分解斜視図であり、図４（ｂ）は、組立て後におけるトランス１００の斜視図であり、図４（ｃ）は、トランス１００の等価回路図である。なお、本実施形態におけるトランス１００は、図３（ａ）に示した２組の合成インダクタのそれぞれに形成される空間Ｓ１、Ｓ２を利用して１次コイルを巻回し、平板状コイル３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄを２次コイルとして使用した分割型トランスである。

つまり、図４（ａ）に示すように、本実施形態におけるトランス１００は、コア１０Ａ、絶縁ケース２０Ａ及び平板状コイル（以下、２次コイルと称す）３０Ａからなるインダクタ１Ａと、コア１０Ｂ、絶縁ケース２０Ｂ及び２次コイル３０Ｂからなるインダクタ１Ｂと、コア１０Ｃ、絶縁ケース２０Ｃ及び２次コイル３０Ｃからなるインダクタ１Ｃと、コア１０Ｄ、絶縁ケース２０Ｄ及び２次コイル３０Ｄからなるインダクタ１Ｄと、環状に巻回形成された１次コイル４０とから構成されている。

１次コイル４０は、環状部４１と、該環状部４１の内側に形成された孔部４２と有しており、さらに、１次コイル４０の両端には１次側回路（スイッチング回路）と接続するための１次側接続端子Ｐ１１、Ｐ１２が接続されている。

このような１次コイル４０の孔部４２に対し、インダクタ１Ａにおけるコア１０Ａの内磁脚１３Ａを嵌め込む（同時にコア１０Ａの溝部１４Ａ、１５Ａに１次コイル４０の環状部４１が嵌め込まれる）一方、インダクタ１Ａと対向する側から、インダクタ１Ｂにおけるコア１０Ｂの内磁脚１３Ｂを嵌め込む（同時にコア１０Ｂの溝部１４Ｂ、１５Ｂに１次コイル４０の環状部４１が嵌め込まれる）ことで、インダクタ１Ａと１Ｂを１次コイル４０を挟んで組み合わせ、同様に、インダクタ１Ｃと１Ｄとを１次コイル４０を挟んで組み合わせることにより、図４（ｂ）に示すようなトランス１００が得られる。

なお、図４（ｂ）に示すように、２次コイル３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄの端子部３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃ、３７Ｄには、２次側回路（整流回路）と接続するための２次側接続端子Ｐ２１、Ｐ２２、Ｐ２３、Ｐ２４が接続されている。また、以下では、説明の便宜上、２次コイル３０Ａと３０Ｂの接続部分である端子部３８Ａ、３８ＢをセンタータップＣＴ１と称し、２次コイル３０Ｃと３０Ｄの接続部分である端子部３８Ｃ、３８ＤをセンタータップＣＴ２と称する（図４（ｂ）、（ｃ）参照）。

図４（ｃ）に示すように、トランス１００の等価回路は、図３（ｂ）に示した等価回路に、１次側接続端子Ｐ１１、Ｐ１２が両端に接続された１次コイル４０が追加され、２次側が２系統に分割された構成となる。つまり、１次側接続端子Ｐ１１、Ｐ１２を介して１次コイル４０に１次交流電圧を印加すると、１次コイル４０と２次コイル３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄのそれぞれの巻数比に応じた２次交流電圧が、２次側接続端子Ｐ２１とセンタータップＣＴ１の端子間、２次側接続端子Ｐ２２とセンタータップＣＴ１の端子間、２次側接続端子Ｐ２３とセンタータップＣＴ２の端子間、及び２次側接続端子Ｐ２４とセンタータップＣＴ２の端子間に発生することになる。

さらに、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態におけるトランス１００は、一対のヒートシンク（放熱部材）５１、５２によって上下両側を挟み込まれた構成、言い換えれば、一対のコアの両表面と当接された一対の放熱部材を備えた構成となっている。つまり、一方のヒートシンク５１は、インダクタ１Ｂのコア１０Ｂの裏面１０ｅと、インダクタ１Ｄのコア１０Ｄの裏面１０ｅに当接して共通配置され、他方のヒートシンク５２は、インダクタ１Ａのコア１０Ａの裏面１０ｅと、インダクタ１Ｃのコア１０Ｃの裏面１０ｅに当接して共通配置されている。上記のようにヒートシンク５１、５２がトランス１００に配置された状態で、ヒートシンク５１側からネジ５３を貫通させ、ヒートシンク５２側から不図示のナットを用いてネジ５３を締結することにより、トランス１００にヒートシンク５１、５２を密着固定する。

以上のような構成を採用した本実施形態におけるトランス１００によれば、トランス１００の上下両側に放熱部材であるヒートシンク５１、５２を配置したことにより、従来技術と比べて、冷却効率の向上を図ることが可能となる。

〔スイッチング電源〕
続いて、本実施形態におけるスイッチング電源４００について説明する。図６は、本実施形態におけるスイッチング電源４００の回路構成図である。この図６に示すように、本実施形態におけるスイッチング電源４００は、上述したトランス１００と、トランス１００の１次側に接続されたスイッチング回路２００と、トランス１００の２次側に接続された整流回路３００とから構成されている。

トランス１００は、図４（ｃ）と同様に、１次側接続端子Ｐ１１、Ｐ１２が両端に接続された１次コイル４０と、一端が２次側接続端子Ｐ２１に接続され、他端がセンタータップＣＴ１に接続された２次コイル３０Ａと、一端が２次側接続端子Ｐ２２に接続され、他端がセンタータップＣＴ１に接続された２次コイル３０Ｂと、一端が２次側接続端子Ｐ２３に接続され、他端がセンタータップＣＴ２に接続された２次コイル３０Ｃと、一端が２次側接続端子Ｐ２４に接続され、他端がセンタータップＣＴ２に接続された２次コイル３０Ｄとから構成されている。

スイッチング回路２００は、外部から入力される直流電圧を、スイッチング動作によって１次交流電圧に変換してトランス１００の１次側に出力する回路であり、直流電圧を入力するための正極入力端子２０１及び負極入力端子２０２と、４つのトランジスタ２０３、２０４、２０５、２０６と、４つのスナバダイオード２０７、２０８、２０９、２１０と、共振コイル２１１とから構成されている。

各トランジスタ２０３、２０４、２０５、２０６は、例えばｎ型の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transister）である。トランジスタ２０３と２０５のドレイン端子は正極入力端子２０１と接続され、トランジスタ２０４と２０６のソース端子は負極入力端子２０２と接続されている。そして、トランジスタ２０３のソース端子とトランジスタ２０４のドレイン端子が接続され、トランジスタ２０５のソース端子とトランジスタ２０６のドレイン端子が接続されている。なお、トランジスタ２０６のドレイン端子（トランジスタ２０５のソース端子）は、トランス１００の１次側接続端子Ｐ１２と接続されている。

また、図６では図示を省略しているが、各トランジスタ２０３、２０４、２０５、２０６のゲート端子はＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御回路と接続されている。つまり、各トランジスタ２０３、２０４、２０５、２０６のオン／オフ動作（スイッチング動作）は、ＰＷＭ制御回路から各ゲート端子に入力されるＰＷＭ信号によって制御されている。

スナバダイオード２０７は、トランジスタ２０３のドレイン−ソース端子間に並列接続されている。スナバダイオード２０８は、トランジスタ２０４のドレイン−ソース端子間に並列接続されている。スナバダイオード２０９は、トランジスタ２０５のドレイン−ソース端子間に並列接続されている。スナバダイオード２１０は、トランジスタ２０６のドレイン−ソース端子間に並列接続されている。共振コイル２１１の一端はトランジスタ２０３のソース端子（トランジスタ２０４のドレイン端子）と接続され、他端はトランス１００の１次側接続端子Ｐ１１と接続されている。

一方、整流回路３００は、トランス１００から出力される２次交流電圧を、整流作用によって直流電圧に変換して外部に出力する回路であり、４つの整流ダイオード３０１、３０２、３０３、３０４と、２つの平滑コイル３０５、３０６と、３つの平滑コンデンサ３０７、３０８、３０９と、出力端子３１０とから構成されている。

整流ダイオード３０１のアノード端子はトランス１００の２次側接続端子Ｐ２１に接続され、カソード端子は平滑コイル３０５の一端と接続されている。整流ダイオード３０２のアノード端子はトランス１００の２次側接続端子Ｐ２２に接続され、カソード端子は平滑コイル３０５の一端と接続されている。整流ダイオード３０３のアノード端子はトランス１００の２次側接続端子Ｐ２３に接続され、カソード端子は平滑コイル３０６の一端と接続されている。整流ダイオード３０４のアノード端子はトランス１００の２次側接続端子Ｐ２４に接続され、カソード端子は平滑コイル３０６の一端と接続されている。

平滑コイル３０５の他端は、平滑コンデンサ３０７、３０９の一端及び出力端子３１０と接続されている。平滑コイル３０６の他端は、平滑コンデンサ３０８、３０９の一端及び出力端子３１０と接続されている。平滑コンデンサ３０７、３０８及び３０９の他端は共通のグランドラインに接続されており、その内、平滑コンデンサ３０７の他端はトランス１００のセンタータップＣＴ１にも接続され、平滑コンデンサ３０８の他端はトランス１００のセンタータップＣＴ２にも接続されている。つまり、トランス１００のセンタータップＣＴ１及びＣＴ２は、整流回路３００内において共通のグランドラインと接続されている。

このように、本実施形態におけるトランス１００をスイッチング電源４００のメイントランスとして利用する構成を採用することにより、放熱効率の高いスイッチング電源４００を得ることが可能となる。

〔変形例〕
なお、本発明は上記実施形態に限定されず、以下のような変形例が挙げられる。
（１）上記実施形態では、図１に示したような形状を有する平板状コイル（２次コイル）３０を例示したが、この平板状コイル３０は、少なくともコア１０の側面１０ａ、１０ｂと溝部底面１４ａ、１５ａを沿うような形状をしていれば良く、端子部３７、３８の有無や位置は特に限定されない。

（２）上記実施形態では、図４に示したように、トランス１００として合成インダクタ（インダクタ１が２つ組み合わされたもの）を２組使用する分散型トランスを例示して説明したが、本発明に係るトランスはこれに限定されず、合成インダクタを１組、或いは３組以上の複数組使用するトランスを構成しても良い。また、複数組の合成インダクタを用いる場合、図５に示したように、一対のヒートシンク５１、５２をトランス１００の両側で共通配置しても良いし、各組の合成インダクタンス毎に個別に配置しても良い。

（３）上記実施形態では、図５に示したように、一対のヒートシンク５１、５２が完全に分離された状態を例示して説明したが、放熱効果を高めるために、ヒートシンク５１と５２とを機械的に結合して熱結合させるような構成を採用しても良い。

（４）上記実施形態では、図６に示したような回路構成のスイッチング回路２００と整流回路３００を有するスイッチング電源４００を例示して説明したが、これらの回路構成はあくまで一例であり、スイッチング電源４００に要求される性能や仕様、或いはトランス１００の構成に応じて、スイッチング回路２００と整流回路３００の回路構成を適宜変更しても良い。

１…インダクタ、１０…コア、２０…絶縁ケース、３０…平板状コイル（２次コイル）、４０…１次コイル、５１、５２…ヒートシンク（放熱部材）、１００…トランス、２００…スイッチング回路、３００…整流回路、４００…スイッチング電源

Claims (3)

1. 両端部に形成された外磁脚と該外磁脚間に形成された内磁脚とを有する一対のコアを、前記外磁脚及び前記内磁脚が対向するように組み合わせたコア部材と、
   前記外磁脚と前記内磁脚とによって形成される空間を利用して、前記コア部材の前記内磁脚の周囲に巻回された１次コイルと、
   前記コアの側面及び前記外磁脚と前記内磁脚との間の溝部底面を沿うように前記コア部材に設けられており、前記外磁脚と前記内磁脚とによって形成される空間において前記１次コイルを挟み込むようにされている２次コイルと、
   前記コア部材の両表面と当接された一対の放熱部材と、
   を備えることを特徴とするトランス。
2. 複数の前記コア部材が隣り合うように配置されており、
   前記一対の放熱部材は、複数の前記コア部材における前記両表面に共通配置されてい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、
   前記トランスの１次側に接続されたスイッチング回路と、
   前記トランスの２次側に接続された整流回路と、
   を備えることを特徴とするスイッチング電源。

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