JP6056783B2 - トランス - Google Patents

Description

本発明は、トランスに関するものである。

絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータではトランスを用いており、トランスは１次側巻線と２次側巻線を有する。１次側巻線と２次側巻線を一体化させるための技術が例えば特許文献１に開示されている。特許文献１では、１次側の電圧を通す１次側コイルを含む１次側コイル基板と、１次側コイル基板よりもベースプレートに近い側に配置される第１の２次側コイル部と、１次側コイル基板よりもベースプレートから遠い側に配置され、第１の２次側コイル部とともに、１次側コイル基板を挟み込む第２の２次側コイル部を有する。

特開２０１３−１５０４１４号公報

ところで、絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータにおいてトランスの巻線に対して電流を調整するスイッチング素子を接続する場合、巻線（コイル基板）とスイッチング素子とを接続するためには接続部材である端子やコネクタを用いることになる。この場合、接続部材である端子やコネクタを用いることから部品点数が増えてしまいコストが高くなることが懸念される。

本発明の目的は、巻線とスイッチング素子を容易に組み付けることができるトランスを提供することにある。

請求項１に記載の発明では、１次側巻線および１次側スイッチング素子が実装された第１の基板と、金属板のパターンによる２次側巻線が実装され、前記第１の基板と重ねた状態で配された第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板との間に介在された絶縁シートと、を備え、前記１次側巻線は、断面円形で渦巻き状の線材を含んで構成されており、前記１次側巻線は、引き出し線が前記第１の基板に埋め込まれていて、前記引き出し線の一方は、前記第１の基板の裏面において１次側巻線を構成する導体パターンに接続されていることを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、１次側巻線および１次側スイッチング素子が実装された第１の基板と、金属板のパターンによる２次側巻線が実装された第２の基板とが重ねられているので、１次側巻線と１次側スイッチング素子を容易に組み付けることができる。

請求項２に記載のように、請求項１に記載のトランスにおいて、前記１次側巻線は、引き出し線が前記２次側巻線の外形から離して前記第１の基板に接続されているとよい。

請求項３に記載のように、請求項１または２に記載のトランスにおいて、前記第２の基板は、前記金属板のパターンの形成面とは反対の面に、放熱部材に接続される金属板が設けられているとよい。

請求項４に記載のように、請求項１〜３のいずれか１項に記載のトランスにおいて、前記第１の基板および前記第２の基板にはコアが通る貫通孔が形成され、当該貫通孔には絶
縁性円筒材が嵌め込まれているとよい。

本発明によれば、巻線とスイッチング素子を容易に組み付けることができる。

（ａ）は実施形態での絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータにおけるトランス部分を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での縦断面図。 トランス部分を示す斜視図。 絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータの電気的構成を示す回路図。 トランス部分の分解斜視図。 トランス部分を示す斜視図。 トランス部分を示す平面図。 トランス部分を示す斜視図。 トランス部分を示す平面図。 トランス部分を示す斜視図。 トランス部分を示す平面図。 トランス部分を示す斜視図。 トランス部分を示す平面図。 トランス部分を示す斜視図。 トランス部分を示す平面図。 トランス部分を示す斜視図。 トランス部分を示す平面図。

以下、絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータに具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図３に示すように、絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、フォワード形ＤＣ−ＤＣコンバータであって、トランス１１を備えている。トランス１１は１次側巻線１１ａと２次側巻線１１ｂを備えている。絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は自動車用であり、車両に搭載される。絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、例えば、３００ボルトを入力して１２ボルトに降圧して出力する。

１次側巻線１１ａの一方の端子は入力端子と接続され、入力端子はバッテリ１２の正極端子と接続される。１次側巻線１１ａの他方の端子は１次側スイッチング素子１４を介して接地されている。１次側スイッチング素子１４としてパワーＭＯＳＦＥＴが用いられている。

入力端子とトランス１１の１次側巻線１１ａとの間には平滑コンデンサ１３の正極が接続され、平滑コンデンサ１３の負極は接地されている。平滑コンデンサ１３には電解コンデンサが使用される。平滑コンデンサ１３によりトランス１１の１次側電圧が平滑される。

トランス１１の２次側巻線１１ｂの一端はダイオード１６およびコイル１８の直列回路を介して出力端子と接続されている。ダイオード１６は、アノードが２次側巻線１１ｂ側、カソードが出力端子側となっている。トランス１１の２次側巻線１１ｂの他端は出力端子と接続されている。また、コンデンサ１９が、コイル１８と出力端子との間と、トランス１１の２次側巻線１１ｂの他端と出力端子との間に接続されている。トランス１１の２次側巻線１１ｂの他端とダイオード１６のカソードとの間にはダイオード１７が設けられている。ダイオード１７は、アノードがトランス１１の２次側巻線１１ｂ側、カソードがダイオード１６のカソード側となっている。

１次側スイッチング素子１４のゲート端子に制御ＩＣ１５が接続されている。制御ＩＣ１５から１次側スイッチング素子１４のゲート端子にパルス信号が出力され、このパルス信号により１次側スイッチング素子１４がスイッチングされる。１次側スイッチング素子１４がオンしているときに１次側の電源からエネルギーを２次側へ供給する。１次側スイッチング素子１４がオフしているときにコイル１８に溜め込んだエネルギーを出力へ放出する。詳しくは、直流電圧が平滑コンデンサ１３を通してトランス１１の１次側巻線１１ａに供給され、制御ＩＣ１５により、１次側スイッチング素子１４がオン／オフ制御され、このオン／オフ動作における、１次側スイッチング素子１４のオン期間において１次側巻線１１ａに１次電流が流れ、トランス１１の起電力で２次電流が流れる。１次側スイッチング素子１４がオフしているときにコイル１８の電流がコイル１８の逆起電力でダイオードＤ１７経由で出力に流れる。

制御ＩＣ１５には検出回路２０が接続され、検出回路２０により出力電圧Ｖｏｕｔが検出される。検出回路２０による出力電圧Ｖｏｕｔの測定結果が制御ＩＣ１５に送られる。制御ＩＣ１５は検出回路２０による出力電圧Ｖｏｕｔの測定結果をフィードバック信号として出力電圧Ｖｏｕｔが所望の一定値となるように１次側スイッチング素子１４のデューティを制御する。

第１の基板２１に、トランス１１の１次側巻線１１ａ、平滑コンデンサ１３、１次側スイッチング素子１４、制御ＩＣ１５、検出回路２０が搭載されている。また、第２の基板２２に、トランス１１の２次側巻線１１ｂ、ダイオード１６，１７、コイル１８、コンデンサ１９が搭載されている。

以下、トランス１１を中心とした具体的構造について説明する。
図１，２および図４に示すように、第１の基板５０（図３の第１の基板２１に相当）と、第２の基板６０（図３の第２の基板２２に相当）と、第１の基板５０と第２の基板６０との間に介在された絶縁シート７０と、を備える。第１の基板５０と第２の基板６０とは重ねた状態で配されている。第１の基板５０には、１次側巻線５２（図３の１次側巻線１１ａに相当）および１次側スイッチング素子５３（図３の１次側スイッチング素子１４に相当）が実装されている。図９，１０に示すように、第２の基板６０には、金属板（銅板）のパターンによる２次側巻線６２（図３の２次側巻線１１ｂに相当）が実装されている。

図１０に示すように、１ターンの２次側巻線６２は、「Ω」字状にパターニングされている。２次側巻線６２に直線部６５が一体的に形成され、直線部６５は２次側巻線６２の円環部の外周面から接線方向に直線的に延びている。図４の１次側巻線５２の引き出し線５２ｃが図１０に示すように２次側巻線６２の外形から離して第１の基板５０に接続されており、これにより２次側巻線６２と重ならないようになっている。また、図４に示すように、１次側巻線５２の引き出し線５２ｃが第１の基板５０に埋め込まれている。

図４に示すように、第２の基板６０は、金属板のパターン（６２）の形成面とは反対の面（上面）に、放熱部材としてのアルミケース３０に接続される金属板６３が設けられている。金属板６３が放熱経路となる。第１の基板５０および第２の基板６０にはコア４０，４１が通る貫通孔５０ａ，６０ａが形成され、貫通孔５０ａ，６０ａには絶縁性円筒材８０が嵌め込まれている。絶縁性円筒材８０は樹脂成形品よりなる。絶縁性円筒材８０には鍔部８１が一体形成され、鍔部８１は絶縁性円筒材８０の外周面から外径側に突設している。鍔部８１は第１の基板５０の上面に位置する。

このようにして、トランスでは１次側巻線５２と２次側巻線６２を別々の基板（５０，６０）に実装し、トランス組み付けの時に重ねる構造としている。つまり、１次側スイッチング素子５３、即ち、１次側パワー回路を搭載した絶縁基板５１に１次側巻線５２を実装するとともに、２次側巻線６２を絶縁基板６１に接着状態にてプレスして接合している。

下側コア４０は、長方形の板状をなしている。下側コア４０は、突出部分のないＩ形状コアである。上側コア４１は、長方形の板状をなし、水平方向に延設された本体部４１ａと、本体部４１ａの一方の面（下面）の中央部から突出する中央磁脚４１ｂと、本体部４１ａの一方の面（下面）の端部から突設する両側磁脚４１ｃ，４１ｄとからなる。中央磁脚４１ｂは円柱状をなし、両側磁脚４１ｃ，４１ｄは角柱状をなしている。

図４に示すように、アルミケース３０の上面にはコア嵌合凹部３０ａが形成されている。コア嵌合凹部３０ａに下側コア４０が嵌め込まれる。図１，４に示すように、下側コア４０の上に上側コア４１が配置され、下側コア４０の上面と上側コア４１の中央磁脚４１ｂとが突き合わされる。また、下側コア４０の上面と上側コア４１の両側磁脚４１ｃ，４１ｄとが突き合わされる。

絶縁性円筒材８０は上側コア４１の中央磁脚４１ｂに嵌め込まれる。
アルミケース３０の上に第１の基板５０が配置されている。第１の基板５０の絶縁基板５１には円形の貫通孔５０ａが形成され、貫通孔５０ａに絶縁性円筒材８０が嵌っている。

第１の基板５０は、絶縁基板５１に１次側スイッチング素子５３のリードが貫通する状態ではんだ付けされている。箱型をなす１次側スイッチング素子５３は上面に金属製押え板１０１が配置されている。金属製押え板１０１の一端部を貫通するねじＳｃ４をアルミケース３０に螺入することにより金属製押え板１０１の他端部により１次側スイッチング素子５３がアルミケース３０に押圧および支持されている。

図４，１３，１４に示すように、第１の基板５０の絶縁基板５１の上面に上側巻回部５２ａが配置され、上側巻回部５２ａは、金属の断面円形の線材を渦巻状に成形したものである。この線材の表面は樹脂の絶縁材で被覆されており、絶縁が確保されている。上側巻回部５２ａは貫通孔５０ａの周囲に延設されている。

上側巻回部５２ａの両端が引き出し線５２ｃ，５２ｄであり、引き出し線５２ｃ，５２ｄは、絶縁基板５１を貫通している。絶縁基板５１の下面には、図１５，１６に示すように半円弧状の導体パターン５２ｂが形成されている。これにより半ターン分の巻線が構成されている。導体パターン５２ｂの一端と上側巻回部５２ａの一端の引き出し線５２ｄとがはんだ付けされ、電気的に接続されている。また、導体パターン５２ｂの他端が１次側巻線の引き出し部となっている。これにより、所定のターン数を有する１次側巻線５２が構成されている。

はんだ付けされた１次側スイッチング素子５３と１次側巻線５２とが絶縁基板５１に形成した導体パターン（図示略）により電気的に接続されている。これにより、１次側スイッチング素子５３と１次側巻線５２をつなぐコネクタや接続端子が不要となる。

図４，１１，１２に示すように、第１の基板５０の上には絶縁シート７０が配置されている。絶縁シート７０で上から１次側巻線５２の引き出し線５２ｃ（図１４参照）を含めた上側巻回部５２ａを覆っている。絶縁シート７０には円形の貫通孔７０ａが形成され、貫通孔７０ａに絶縁性円筒材８０が嵌っている。

図４，５，６に示すように、絶縁シート７０の上に第２の基板６０が配置されている。図７，８に示すように、第２の基板６０の絶縁基板６１には円形の貫通孔６０ａが形成され、貫通孔６０ａに絶縁性円筒材８０が嵌っている。

第２の基板６０の絶縁基板６１は、絶縁基板６１を貫通するねじＳｃ３をアルミケース３０に螺入することによりアルミケース３０に支持されている。図９，１０に示すように、絶縁基板６１の下面に２次側巻線６２が接合され、「Ω」字状にパターニングされた２次側巻線６２が貫通孔６０ａの周囲に延設されている。

また、図５，６に示すように、絶縁基板６１の上面には、下面の金属板（６２，６５）に対応するように金属板６３，６６，６７が接合されている。これは、プレス時に絶縁基板６１の下面側だけ金属板（銅板）があると撓んでしまい金属板の接着性能が劣るためであり、絶縁基板６１の上下両面に金属板を配した状態でプレスにて接着することにより接着性が確保できる。金属板６３は２次側巻線６２の円環部に対応する部位６３ａと、直線部６５に対応する部位６３ｂを有する。金属板６６，６７は、２次側巻線６２の直線部に対応しており、直線的に延びている。

図４に示すように、第２の基板６０の上に、金属板６３と同様な形状の絶縁シート９０が配置され、絶縁シート９０および金属板６３を貫通するねじＳｃ２をアルミケース３０に螺入することにより絶縁シート９０および金属板６３がアルミケース３０に支持されている。

図１，２，４に示すように、絶縁シート９０の上には上側コア４１が配置されている。上側コア４１の上面に金属製押え板１００が配置されている。金属製押え板１００の一端部を貫通するねじＳｃ１をアルミケース３０に螺入することにより金属製押え板１００の他端部によりコア４０，４１等がアルミケース３０に押圧および支持されている。

なお、アルミケース３０と下側コア４０、アルミケース３０と第１の基板５０、および、アルミケース３０と金属板６３とは図示しないシートにて絶縁されるとともに放熱可能となっている。

次に、組み付け工程について説明する。
図４に示すようにアルミケース３０を用意する。アルミケース３０の上面には下側コア４０が嵌るコア嵌合凹部３０ａが形成されている。そして、図１３，１４に示すように、アルミケース３０のコア嵌合凹部３０ａに下側コア４０を嵌め込む。また、下側コア４０の上に第１の基板５０を配置する。さらに、第１の基板５０の貫通孔５０ａに絶縁性円筒材８０を嵌め込む。

さらに、ねじＳｃ４をアルミケース３０に螺入して１次側スイッチング素子５３を固定する。第１の基板５０の上面には断面円形の金属の線材を渦巻状に成形した上側巻回部５２ａが配置されるとともに上側巻回部５２ａの両端の引き出し線５２ｃ，５２ｄが絶縁基板５１を貫通している。

このとき、上側巻回部５２ａ（線材）の両端の引き出し線５２ｃ，５２ｄが絶縁基板５１を貫通して固定されているので、線材が浮くことが防止できる。また、絶縁基板５１の下面には図１５，１６に示すように半円弧状の導体パターン５２ｂが形成され、導体パターン５２ｂの一端と上側巻回部５２ａの引き出し線５２ｄとが電気的に接続されている。これにより、所定のターン数を有する１次側巻線５２が構成されている。また、第１の基板５０には１次側スイッチング素子５３が実装され、１次側スイッチング素子５３と１次側巻線５２とが絶縁基板５１に形成した導体パターン（図示略）により電気的に接続されている。

引き続き、図１１，１２に示すように、絶縁性円筒材８０に絶縁シート７０の貫通孔７０ａを嵌め込む。
さらに、図５，６に示すように、絶縁性円筒材８０に第２の基板６０の貫通孔６０ａを嵌め込み、ねじＳｃ３をアルミケース３０に螺入して第２の基板６０を固定する。この第２の基板６０においては、図７，８に示す絶縁基板６１の下面に図９，１０に示すように２次側巻線６２、即ち、パターニングした金属板が接合されている。また、図５，６に示すように、絶縁基板６１の上面には金属板６３，６６，６７が接合されている。

このように、下側コア４０、絶縁性円筒材８０により位置決めが容易な状態で２枚の基板（５０，６０）を重ねて配置でき、これによりトランスを容易に構成できる。また、絶縁シート７０により、第１の基板５０と第２の基板６０とが絶縁される。

そして、第２の基板６０の上に絶縁シート９０を配置してねじＳｃ２をアルミケース３０に螺入して絶縁シート９０および第２の基板６０の金属板６３をアルミケース３０に固定する。これにより金属板６３とアルミケース３０とが熱的に結合される。

その後、図１，２に示すように、絶縁シート９０の上に上側コア４１を配置する。このとき、上側コア４１の中央磁脚４１ｂを絶縁性円筒材８０に嵌め込む。さらに、上側コア４１の上に金属製押え板１００を配置し、ねじＳｃ１をアルミケース３０に螺入して金属製押え板１００によりコア４０，４１等を押さえて固定する。

このようにして、絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータにおけるトランス部分が組み立てられる。
次に、作用について説明する。

図１，２，４において、１次側スイッチング素子５３（図３の１次側スイッチング素子１４に相当）のスイッチング動作に伴いトランスの１次側巻線５２、２次側巻線６２に電流が流れて１次側巻線５２、２次側巻線６２が発熱する。１次側巻線５２に発生する熱は第２の基板６０の金属板６３に至り、金属板６３からアルミケース３０に伝わり、アルミケース３０から大気に逃がされる。また、２次側巻線６２に発生する熱は第２の基板６０の金属板６３に至り、金属板６３からアルミケース３０に伝わり、アルミケース３０から大気に逃がされる。また、金属板６３は絶縁されており、２次側巻線６２に電流が流れた時に金属板６３には渦電流が流れない。

さらに、基板５０，６０の貫通孔５０ａ，６０ａには絶縁性円筒材８０が嵌め込まれており、この絶縁性円筒材８０により絶縁基板５１の表面に沿う沿面距離について１次側巻線５２からコア４０，４１への沿面距離を長くすることができ、これにより絶縁距離を確保している。

このようにして、トランスの１次側巻線５２、２次側巻線６２の放熱性が確保されるとともに絶縁距離が確保されている。
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。

（１）トランスの構成として、１次側巻線５２および１次側スイッチング素子５３が実装された第１の基板５０と、金属板のパターンによる２次側巻線６２が実装され、第１の基板５０と重ねた状態で配された第２の基板６０と、第１の基板５０と第２の基板６０との間に介在された絶縁シート７０と、を備える。よって、１次側巻線５２および１次側スイッチング素子５３が実装された第１の基板５０と、金属板のパターンによる２次側巻線６２が実装された第２の基板６０とが重ねられているので、１次側巻線５２と１次側スイッチング素子５３を容易に組み付けることができる。

（２）１次側巻線５２は、引き出し線５２ｃが２次側巻線６２の外形から離して第１の基板５０に接続されており、２次側巻線６２と重ならない。
（３）１次側巻線５２は、引き出し線５２ｃが第１の基板５０に埋め込まれているので、１次側巻線５２が浮きにくい。

（４）第２の基板６０は、金属板のパターン（６２）の形成面とは反対の面に、アルミケース３０に接続される金属板６３が設けられている。よって、トランスの巻線の放熱性に優れている。

（５）第１の基板５０および第２の基板６０にはコア４０，４１が通る貫通孔５０ａ，６０ａが形成され、貫通孔５０ａ，６０ａには絶縁性円筒材８０が嵌め込まれている。よって、絶縁距離を確保することができる。

（６）２枚の基板（５０，６０）がそれぞれ独立してアルミケース３０に固定され、絶縁シート７０が振動を吸収するので振動に対する耐久性に優れている。
（７）１次側巻線５２を固定することができる。具体的には、第２の基板６０等を第１の基板５０に重ねて配置・固定したため、第１の基板５０に実装されている１次側巻線５２を上下から押えて固定することができる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・１次側スイッチング素子としてパワーＭＯＳＦＥＴ以外にも、例えばＩＧＢＴ等を用いてもよい。

・ＤＣ−ＤＣコンバータに限ることなく他の機器のトランスに適用してもよい。

３０…アルミケース、４０…下側コア、４１…上側コア、５０…第１の基板、５０ａ…貫通孔、５２…１次側巻線、５２ｃ…引き出し線、５３…１次側スイッチング素子、６０…第２の基板、６０ａ…貫通孔、６２…２次側巻線、６３…金属板、７０…絶縁シート、８０…絶縁性円筒材。

Claims (4)

1. １次側巻線および１次側スイッチング素子が実装された第１の基板と、
   金属板のパターンによる２次側巻線が実装され、前記第１の基板と重ねた状態で配された第２の基板と、
   前記第１の基板と前記第２の基板との間に介在された絶縁シートと、
   を備え、前記１次側巻線は、断面円形で渦巻き状の線材を含んで構成されており、
   前記１次側巻線は、引き出し線が前記第１の基板に埋め込まれていて、前記引き出し線の一方は、前記第１の基板の裏面において１次側巻線を構成する導体パターンに接続されていることを特徴とするトランス。
2. 前記１次側巻線は、引き出し線が前記２次側巻線の外形から離して前記第１の基板に接続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. 前記第２の基板は、前記金属板のパターンの形成面とは反対の面に、放熱部材に接続される金属板が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のトランス。
4. 前記第１の基板および前記第２の基板にはコアが通る貫通孔が形成され、当該貫通孔には絶縁性円筒材が嵌め込まれていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のトランス。