JP6624593B2 - トランス、電気回路ユニット、回路付電源ユニットおよび燃料電池システム - Google Patents

トランス、電気回路ユニット、回路付電源ユニットおよび燃料電池システム Download PDF

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Description

本開示は、トランス、電気回路ユニット、回路付電源ユニットおよび燃料電池システムに関する。
トランスを回路基板に取り付けることが行われている。特許文献１では、トランスの１次側の巻線と回路基板との接続方法について論じられている。
特許５０７１４１７号公報
特許文献１では、１次側の巻線の数が２つである場合については論じられていない。本発明者らは、トランスの巻線と回路基板との接続方法の観点から、１次側の巻線の数が２つであるトランスの改良を目指した。具体的には、１次側の巻線として第１巻線および第２巻線を有し、回路基板に取り付けられたときに第１巻線の両端の一方と第２巻線の両端の一方とが同電位に接続され第１巻線の両端の他方と第２巻線の両端の他方とが同電位に接続されないトランスの改良を目指した。より具体的には、巻線の巻回部から回路基板への熱伝達と回路基板の設計自由度確保との両立に適したトランスを作製することを目指した。
すなわち、本開示は、
回路基板に取り付け可能なトランスであって、
ボビンと、
前記ボビンに装着された鉄心と、
前記ボビンに巻回された巻線セットであって、前記巻線セットは１次側巻線部と２次側巻線部とを有し、前記１次側巻線部は第１巻線および第２巻線を有し、前記２次側巻線部は第３巻線を有し、前記第１巻線は巻き始めの位置から巻き終わりの位置までの部分である第１巻回部を有し、前記第２巻線は巻き始めの位置から巻き終わりの位置までの部分である第２巻回部を有する巻線セットと、を備え、
前記第１巻線の一端は、前記回路基板に差し込み可能な少なくとも１つの第１端子ピンにより前記ボビンに固定され、
前記第２巻線の一端は、前記回路基板に差し込み可能な少なくとも１つの第２端子ピンにより前記ボビンに固定され、
前記第１巻線では、前記第１巻回部の一端と、前記第１巻回部の他端と、前記第１巻線の他端であって前記ボビンに固定されていない他端と、がこの順に並んでおり、
前記第２巻線では、前記第２巻回部の一端と、前記第２巻回部の他端と、前記第２巻線の他端であって前記ボビンに固定されていない他端と、がこの順に並んでおり、
前記第１巻回部の前記一端を通り前記第１巻回部の巻回軸に直交する平面を第１基準平面と定義したとき、前記第１巻回部は、第１回転方向に回転しながら前記第１基準平面から離れていく形状を有し、
前記第２巻回部の前記一端を通り前記第２巻回部の巻回軸に直交する平面を第２基準平面と定義したとき、前記第２巻回部は、第２回転方向に回転しながら前記第２基準平面から離れていく形状を有し、
前記第２回転方向は、前記第１回転方向の反対方向であり、
前記トランスは、前記第１端子ピンと前記第２端子ピンが同電位に接続された状態において、前記第１巻線の前記他端に比べ前記第１巻線の前記一端が高電位になるように前記第１巻線に電圧が印加され一方で前記第２巻線に電圧が印加されないタイミングと、前記第２巻線の前記他端に比べ前記第２巻線の前記一端が高電位になるように前記第２巻線に電圧が印加され一方で前記第１巻線に電圧が印加されないタイミングと、が繰り返しおとずれることで、前記第３巻線に交流電圧が印加されるように構成されており、
前記第１巻線の前記他端を含む前記第１巻線の一部分によって第１引き出し線が構成され、
前記第２巻線の前記他端を含む前記第２巻線の一部分によって第２引き出し線が構成されている、トランスを提供する。
本開示の技術は、トランスの巻線と回路基板との接続方法の観点から、１次側の巻線の数が２つであるトランスを改良することに適している。具体的には、１次側の巻線として第１巻線および第２巻線を有し、回路基板に取り付けられたときに第１巻線の両端の一方と第２巻線の両端の一方とが同電位に接続され第１巻線の両端の他方と第２巻線の両端の他方とが同電位に接続されないトランスの改良に適している。より具体的には、巻線の巻回部から回路基板への熱伝達と回路基板の設計自由度確保との両立に適している。
回路付電源ユニットの構成図 駆動部の構成図 駆動部の構成図 駆動部の構成図 ＭＯＳＦＥＴの一例のオン抵抗を説明するためのグラフ 回路基板に取り付けられたトランスを表す斜視図 回路基板に取り付けられたトランスを上から見たときの図 回路基板に取り付けられたトランスの拡大図 回路基板に取り付けられたトランスの拡大図 回路基板を表す図 巻回軸に平行な断面における巻線の配置を模式的に表した図 巻回軸に平行な断面における巻線の配置を模式的に表した図 巻回軸に平行な断面における巻線の配置を模式的に表した図 巻回軸に垂直な断面における巻線の配置を模式的に表した図 第１巻線の説明図 第２巻線の説明図 トランスの正面図 トランスの側面図 トランスの下面図 ボビンの正面図 ボビンの側面図 ボビンの下面図 実施形態のトランスの利点を説明するための図 実施形態のトランスの利点を説明するための図 実施形態のトランスの利点を説明するための図 実施形態のトランスの利点を説明するための図 ２次側回路の構成図 電流の経路を説明するための図 電流の経路を説明するための図 ２次側回路の構成図 実施形態の電気回路ユニットの利点を説明するための図 実施形態の電気回路ユニットの利点を説明するための図 燃料電池システムの構成図
（本発明者らによる知見）
特許文献１には、１次側の巻線の数が１つである場合に、その巻線の一端側の一部と他端側の一部とを引き出し線として用い、これらの引き出し線を回路基板に接続する技術が記載されている。本発明者らの検討によれば、この技術は、回路基板の設計自由度の確保に適している。引き出し線先端の到達可能範囲は広く、回路基板における引き出し線先端の接続位置が回路基板の設計の制約になり難いためである。しかしながら、本発明者らの検討によれば、この技術は、回路基板を介した巻線からの放熱を制限し易い。絶縁性確保のために引き出し線は被覆材により被覆される必要があり、被覆材は断熱材に近い熱抵抗を有していることが通常であり、この熱抵抗が引き出し線の熱伝達能力を制限するためである。そこで、本発明者らは、１次側の巻線の一端を回路基板に差し込み可能な端子ピンによりボビンに固定し、１次側の巻線の他端を含む一部を引き出し線として用いることを検討した。端子ピンは被覆材で被覆される必要はないので、端子ピンによれば、巻線と回路基板とを低熱抵抗で熱結合させることができる。このため、端子ピンは引き出し線に比べて熱を伝え易い。すなわち、引き出し線および端子ピンの組み合わせは、巻線の巻回部から回路基板への熱伝達と、回路基板の設計自由度確保とを両立させる。
ところで、本発明者らは、トランスを回路基板に取り付けることによって電気回路ユニットを構成することについても検討を進めている。本発明者らは、図１０Ａに示す電気回路ユニット８００を作製した。電気回路ユニット８００では、直流電源８１０、スイッチング素子８４１、スイッチング素子８４２およびトランス８５０が、プッシュプルインバータ回路を構成する。具体的に、電気回路ユニット８００では、スイッチング素子８４１がオンになるタイミングにおいてスイッチング素子８４２がオフになる。また、スイッチング素子８４１がオフになるタイミングにおいてスイッチング素子８４２がオンになる。すなわち、直流電源８１０、スイッチング素子８４１およびスイッチング素子８４２が協働して、トランス８５０の第１巻線８５１と第２巻線８５２とに電圧を交互に印加する。これにより、トランス８５０の第３巻線８５３に交流電圧が印加される。
図１０Ｂに示すように、トランス８５０では、第１巻線８５１、第２巻線８５２および第３巻線８５３のそれぞれは、鉄心８５５の周囲において、矢印の順に巻回されている。第１巻線８５１、第２巻線８５２および第３巻線８５３のそれぞれにおいて、巻き上げられている部分と巻き下げられている部分とが存在し、これらの間には絶縁部８５４が介在している。第１巻線８５１の一端は、端子ピン８５１Ｐｍによりボビンに固定されている。第１巻線８５１の他端は、端子ピン８５１Ｐｎによりボビンに固定されている。第２巻線８５２の一端は、端子ピン８５２Ｐｍによりボビンに固定されている。第２巻線８５２の他端は、端子ピン８５２Ｐｎによりボビンに固定されている。第３巻線８５３の一端は、端子ピン８５３Ｐｍによりボビンに固定されている。第３巻線８５３の他端は、端子ピン８５３Ｐｎによりボビンに固定されている。端子ピン８５１Ｐｍは、図１０Ａの位置８８２に配置される。端子ピン８５１Ｐｎは、位置８８１に配置される。端子ピン８５２Ｐｍは、位置８８３に配置される。端子ピン８５２Ｐｎは、位置８８４に配置される。位置８８１と位置８８３とは、同電位に接続される。位置８８２と位置８８４とは、同電位に接続されない。
本発明者らは、第１巻線８５１および第２巻線８５２の両方に、上述の引き出し線および端子ピンの組み合わせを適用することを検討した。この適用に当たっては、第１巻線８５１および第２巻線８５２から巻き下げられている部分をなくし、第１巻線８５１および第２巻線８５２の一部を引き出して引き出し線とする改変をすればよいとも思われる。すなわち、第１巻線８５１および第２巻線８５２に代えて、図１０Ｃに示す第１巻線８５６および第２巻線８５７を採用し、第１巻線８５６の一端を端子ピン８５６Ｐによりボビンに固定し、第２巻線８５７の一端を端子ピン８５７Ｐによりボビンに固定し、第１巻線８５６における他端側の一部を引き出し線８５６Ｌとして引き出し、第２巻線８５７における他端側の一部を引き出し線８５７Ｌとして引き出せばよいとも思われる。しかしながら、これでは、良好な放熱性は得られない。すなわち、この改変後のトランスを用いる場合、端子ピン８５６Ｐを図１０Ａの位置８８２に配置させ、端子ピン８５７Ｐを位置８８３に配置させることになる。しかし、位置８８２と位置８８３とは、同電位に接続されない。このことは、端子ピン８５６Ｐおよび端子ピン８５７Ｐの両方を回路基板におけるひとまとまりの金属層（ベタパターン等）に接触させることができないことを意味する。これでは良好な放熱性は得られない。なお、引き出し線８５６Ｌは位置８８１に配置されるので、引き出し線８５６Ｌと端子ピン８５７Ｐとを回路基板におけるひとまとまりの金属部に接触させることはできる。しかしながら、このようにしても、良好な放熱性を得ることは難しい。絶縁性確保のために引き出し線は被覆材により被覆される必要があり、被覆材は断熱材に近い熱抵抗を有していることが通常であり、この熱抵抗が引き出し線の熱伝達能力を制限するためである。同じ問題が、トランスが１次側の巻線として第１巻線および第２巻線を有し、トランスが回路基板に取り付けられたときに第１巻線の両端の一方と第２巻線の両端の一方とが同電位に接続され第１巻線の両端の他方と第２巻線の両端の他方とが同電位に接続されない場合に発生する。
以上を踏まえ、本発明者らは、トランスの巻線と回路基板との接続方法の観点から、１次側の巻線の数が２つであるトランスの改良を目指した。具体的には、１次側の巻線として第１巻線および第２巻線を有し、回路基板に取り付けられたときに第１巻線の両端の一方と第２巻線の両端の一方とが同電位に接続され第１巻線の両端の他方と第２巻線の両端の他方とが同電位に接続されないトランスの改良を目指した。より具体的には、巻線の巻回部から回路基板への熱伝達と回路基板の設計自由度確保との両立に適したトランスを作製することを目指した。
すなわち、本開示の第１態様は、
回路基板に取り付け可能なトランスであって、
ボビンと、
前記ボビンに装着された鉄心と、
前記ボビンに巻回された巻線セットであって、前記巻線セットは１次側巻線部と２次側巻線部とを有し、前記１次側巻線部は第１巻線および第２巻線を有し、前記２次側巻線部は第３巻線を有し、前記第１巻線は巻き始めの位置から巻き終わりの位置までの部分である第１巻回部を有し、前記第２巻線は巻き始めの位置から巻き終わりの位置までの部分である第２巻回部を有する巻線セットと、を備え、
前記第１巻線の一端は、前記回路基板に差し込み可能な少なくとも１つの第１端子ピンにより前記ボビンに固定され、
前記第２巻線の一端は、前記回路基板に差し込み可能な少なくとも１つの第２端子ピンにより前記ボビンに固定され、
前記第１巻線では、前記第１巻回部の一端と、前記第１巻回部の他端と、前記第１巻線の他端であって前記ボビンに固定されていない他端と、がこの順に並んでおり、
前記第２巻線では、前記第２巻回部の一端と、前記第２巻回部の他端と、前記第２巻線の他端であって前記ボビンに固定されていない他端と、がこの順に並んでおり、
前記第１巻回部の前記一端を通り前記第１巻回部の巻回軸に直交する平面を第１基準平面と定義したとき、前記第１巻回部は、第１回転方向に回転しながら前記第１基準平面から離れていく形状を有し、
前記第２巻回部の前記一端を通り前記第２巻回部の巻回軸に直交する平面を第２基準平面と定義したとき、前記第２巻回部は、第２回転方向に回転しながら前記第２基準平面から離れていく形状を有し、
前記第２回転方向は、前記第１回転方向の反対方向であり、
前記トランスは、前記第１端子ピンと前記第２端子ピンが同電位に接続された状態において、前記第１巻線の前記他端に比べ前記第１巻線の前記一端が高電位になるように前記第１巻線に電圧が印加され一方で前記第２巻線に電圧が印加されないタイミングと、前記第２巻線の前記他端に比べ前記第２巻線の前記一端が高電位になるように前記第２巻線に電圧が印加され一方で前記第１巻線に電圧が印加されないタイミングと、が繰り返しおとずれることで、前記第３巻線に交流電圧が印加されるように構成されており、
前記第１巻線の前記他端を含む前記第１巻線の一部分によって第１引き出し線が構成され、
前記第２巻線の前記他端を含む前記第２巻線の一部分によって第２引き出し線が構成されている、トランスを提供する。
第１態様の技術は、トランスの巻線と回路基板との接続方法の観点から、１次側の巻線の数が２つであるトランスの改良することに適している。具体的には、１次側の巻線として第１巻線および第２巻線を有し、回路基板に取り付けられたときに第１巻線の両端の一方と第２巻線の両端の一方とが同電位に接続され第１巻線の両端の他方と第２巻線の両端の他方とが同電位に接続されないトランスの改良に適している。より具体的には、巻線の巻回部から回路基板への熱伝達と回路基板の設計自由度確保との両立に適している。
本開示の第２態様は、第１態様に加え、
前記第３巻線は巻き始めの位置から巻き終わりの位置までの部分である第３巻回部を有し、
前記第３巻回部は、前記第１巻回部および前記第２巻回部の一方を取り囲むように巻回され、
前記第１巻回部および前記第２巻回部の他方は、前記第３巻回部を取り囲むように巻回されているトランスを提供する。
第２態様によれば、第１巻回部と第３巻回部との間の磁気結合と、第２巻回部と第３巻回部との間の磁気結合とが均一になり易い。
本開示の第３態様は、第１態様または第２態様に加え、
前記トランスは、筒状の絶縁部材を備え、
前記第３巻線の巻数は、前記第１巻線の巻数よりも多く、前記第２巻線の巻数よりも多く、
前記第３巻線の一端は、前記回路基板に差し込み可能な少なくとも１つの一端側端子ピンにより前記ボビンに固定され、
前記第３巻線の他端は、前記回路基板に差し込み可能な少なくとも１つの他端側端子ピンにより前記ボビンに固定され、
前記第３巻線は、前記絶縁部材の内側で巻回された内側部分と、前記絶縁部材の外側で巻回された外側部分と、前記内側部分と前記外側部分とを接続する折り返し部分と、を有するトランスを提供する。
第３態様によれば、第１巻線の巻回部の巻数に対する第３巻線の巻回部の巻数の比率および第２巻線の巻回部の巻数に対する第３巻線の巻回部の巻数の比率を大きくし易い。つまり、変圧比を大きくし易い。
本開示の第４態様は、
第１〜第３態様のいずれか１つのトランスと、
前記回路基板と、を備えた、電気回路ユニットを提供する。
第４態様によれば、第１〜３態様のトランスを活かした電気回路ユニットを提供することができる。
本開示の第５態様は、第４態様に加え、
前記電気回路ユニットは、ひとまとまりの金属部を有し、
前記少なくとも１つの第１端子ピンおよび前記少なくとも１つの第２端子ピンは、前記金属部に接触している電気回路ユニットを提供する。
第５態様のように第１端子ピンおよび第２端子ピンをひとまとまりの金属部に接触させることは、放熱性確保の観点から有利である。
本開示の第６態様は、第５態様に加え、
前記金属部は、前記鉄心と離間しており、
前記回路基板と前記鉄心との間には空隙が形成されている電気回路ユニットを提供する。
第６態様の特徴は、鉄心から金属部への磁気漏れを防ぐ観点から有利である。
本開示の第７態様は、第４〜第６態様のいずれか１つに加え、
１次側回路と、
２次側回路と、を備え、
前記１次側回路と前記トランスとが協働して第１直流電圧から前記第３巻線に印加される交流電圧を生成し、
前記２次側回路は、前記第３巻線の前記交流電圧から第２直流電圧を生成する電気回路ユニットを提供する。
第７態様によれば、トランスを用いた電力変換を行うことができる。
本開示の第８態様は、第７態様に加え、
前記１次側回路は、一対のスイッチング素子を有し、
前記一対のスイッチング素子の一方と前記第１巻線とが直列接続された第１直列回路であって、前記第１直流電圧が印加される第１直列回路が形成され、
前記一対のスイッチング素子の他方と前記第２巻線とが直列接続された第２直列回路であって、前記第１直流電圧が印加される第２直列回路が形成され、
前記一対のスイッチング素子の前記一方は、前記第１直流電圧から前記第１巻線に印加される電圧を生成し、
前記一対のスイッチング素子の前記他方は、前記第１直流電圧から前記第２巻線に印加される電圧を生成する電気回路ユニットを提供する。
第８態様は、プッシュプルインバータ回路の構成に適している。
本開示の第９態様は、第８態様に加え、
前記電気回路ユニットは、第１の電位の部分と第２の電位が部分とが設定されたときに第３の電位の部分が現れる少なくとも１つの駆動部を有し、
前記少なくとも１つの駆動部は、
前記第１の電位に設定される第１の端子と、
前記第２の電位に設定される第２の端子と、
クロック信号を生成するクロック生成器と、
第１のコンデンサと、
前記第３の電位が現れる第２のコンデンサと、
第１のアノードおよび第１のカソードを有する第１のダイオードと、
第２のアノードおよび第２のカソードを有する第２のダイオードと、
第３のアノードおよび第３のカソードを有する第３のダイオードと、
前記第１の電位によって定まる第１出力電位を出力可能な第１出力部を有する第１のスイッチング素子と、
前記第３の電位によって定まる第２出力電位を出力可能な第２出力部を有する第２のスイッチング素子と、を備え、
前記第１出力部の電位が前記第１出力電位となるタイミングと前記第１出力電位ではない電位となるタイミングとは、前記クロック信号によって規定され、
前記第２出力部の電位が前記第２出力電位となるタイミングと前記第２出力電位ではない電位となるタイミングとは、前記クロック信号によって規定され、
前記第１出力部と前記第２のコンデンサとを接続する経路として、前記第１出力部から前記第２のコンデンサに向かって順に、前記第１のコンデンサ、前記第２のアノードおよび第２のカソードを通る経路が存在し、
前記第２の端子と前記第２のコンデンサとを接続する経路として、前記第２の端子から前記第２のコンデンサに向かって順に、前記第１のアノード、前記第１のカソード、前記第２のアノードおよび第２のカソードを通る経路と、前記第２の端子から前記第２のコンデンサに向かって順に、前記第３のアノードおよび前記第３のカソードを通る経路とが存在し、
前記一対のスイッチング素子は、前記少なくとも１つの駆動部によって駆動される電気回路ユニットを提供する。
第９態様によれば、第１の電位と第２の電位とを合算するというアイデアに基づいた
第３の電位を生成することができる。そして、生成された第３の電位を第２のスイッチング素子の出力に反映させることができ、その出力によって一対のスイッチング素子を駆動させることができる。
本開示の第１０態様は、
第７〜第９態様のいずれか１つの電気回路ユニットと、
直流の電源電力を発電する少なくとも１つの電源とを備え、
前記電源電力を利用して、前記第１直流電圧を生成する、回路付電源ユニットを提供する。
第１０態様によれば、第７〜９態様の電気回路ユニットを活かした回路付電源ユニットを提供することができる。
本開示の第１１態様は、
第１０態様の回路付電源ユニットを備え、
前記少なくとも１つの電源は、水素と酸素とから前記電源電力を発電する少なくとも１つの燃料電池である、燃料電池システムを提供する。
第１１態様によれば、第１０態様の回路付電源ユニットを活かした燃料電池システムを提供することができる。
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。
図１は、本実施形態の回路付電源ユニット１００を示す。回路付電源ユニット１００は、電気回路ユニット２００と、電源６００と、を有している。電気回路ユニット２００は、１次側回路３００と、トランス４００と、２次側回路５００と、を有している。電気回路ユニット２００は、電圧を変換する機能を有している。その機能に着目した場合には、電気回路ユニット２００を、電力変換装置と呼ぶことができる。電気回路ユニット２００は回路基板（図５に回路基板の一具体例として回路基板２１０を示す）を有し、回路基板において１次側回路３００および２次側回路５００が形成されている。１次側回路３００は、トランス４００の１次側端子に接続されている。２次側回路５００は、トランス４００の２次側端子に接続されている。
電源６００は、直流の電源電力を発電する。回路付電源ユニット１００は、電源電力を利用して直流電圧（第１直流電圧）Ｖdc1を生成する。１次側回路３００とトランス４００とが協働して、第１直流電圧Ｖdc1から交流電圧（第３巻線４３３に印加される交流電圧）Ｖacを生成する。２次側回路５００は、交流電圧Ｖacから第２直流電圧Ｖdc2を生成する。
図１に示すように、１次側回路３００は、一対のスイッチング素子３５３Ａおよび３５３Ｂを有している。トランス４００は、２つの１次側の巻線（第１巻線４３１および４３２）と、１つの２次側の巻線（第３巻線４３３）と、を有している。一対のスイッチング素子の一方（図１ではスイッチング素子３５３Ａ）と第１巻線４３１とが直列接続された第１直流回路が形成されている。第１直流回路には、第１直流電圧Ｖdc1が印加される。一対のスイッチング素子の他方（図１ではスイッチング素子３５３Ｂ）と第２巻線４３２とが直列接続された第２直列回路が形成されている。第２直列回路には、第１直流電圧Ｖdc1が印加される。一対のスイッチング素子の一方（図１ではスイッチング素子３５３Ａ）は、第１直流電圧Ｖdc1から第１巻線４３１に印加される電圧を生成する。一対のスイッチング素子の他方（図１ではスイッチング素子３５３Ｂ）は、第１直流電圧Ｖdc1から第２巻線４３２に印加される電圧を生成する。スイッチング素子３５３Ａがオンのタイミングにおいてスイッチング素子３５３Ｂはオフとなる。このタイミングでは、第１巻線４３１に電圧が印加され、第３巻線４３３に正電圧が印加される。スイッチング素子３５３Ａがオフのタイミングにおいてスイッチング素子３５３Ｂはオンとなる。このタイミングでは、第２巻線４３２に電圧が印加され、第３巻線４３３に負電圧が印加される。これらのタイミングが繰り返しおとずれることで、第３巻線４３３に交流電圧Ｖacが印加されることとなる。以上の説明から理解されるように、電源６００と、一対のスイッチング素子３５３Ａおよび３５３Ｂと、トランス４００とは、プッシュプルインバータ回路を構成する。交流電圧Ｖacは、２次側回路５００によって第２直流電圧Ｖdc2に変換される。
［電源６００］
電源６００は、直流の電源電力を発電する。電源６００としては公知の電源を用いることができる。図１では、電源６００は１つの電源であるが、２以上の電源を用いることもできる。すなわち、回路付電源ユニット１００は、少なくとも１つの電源を有していればよい。少なくとも１つの電源は、水素と酸素とから電源電力を発電する少なくとも１つの燃料電池であってもよい。この場合、回路付電源ユニット１００を備えた燃料電池システムを構成することができる（詳細は後述）。
電源６００は、図示しない主ポート、第１ポートおよび第２ポートを有している。主ポートからは、第１直流電圧Ｖdc1が取り出される。第１ポートおよび第２ポートは、第１直流電圧Ｖdc1とは異なる電圧が取り出されるように構成されている。具体的に、第１ポートからは、後述する第１の端子３１１（図２Ａ等）の電位を第１の電位に設定したり、電子部品を制御したりするのに利用される電圧が取り出される。第２ポートからは、第２の端子３１２の電位を第２の電位に設定したり、回路付電源ユニット１００の補機等を制御したりするのに利用される電圧が取り出される。本実施形態では、第１ポートから取り出される電圧は、第２ポートから取り出される電圧よりも低い。なお、本実施形態では、第１のポートおよび第２ポートは、それぞれ有限の電力供給能力を有する。
［１次側回路３００］
上述のように、１次側回路３００は、トランス４００と協働して、第１直流電圧Ｖdc1から交流電圧Ｖacを生成する。本実施形態の１次側回路３００は、図１に示すように、一対のスイッチング素子（第３のスイッチング素子）３５３Ａおよび３５３Ｂと、これらを駆動する少なくとも１つの駆動部と、を有している。
スイッチング素子３５３Ａを駆動する駆動部として、図２Ａに示す駆動部３０１Ａが例示される。駆動部３０１Ａは（電気回路ユニット２００は）、第１の端子３１１と、第２の端子３１２と、第３の端子３１３と、クロック生成器３２０と、第１のコンデンサ３３１と、第２のコンデンサ３３２と、第１のダイオード３４１と、第２のダイオード３４２と、第３のダイオード３４３と、第１のスイッチング素子３５１と、第２のスイッチング素子３５２と、を有している。
第１の端子３１１は、第１の電位に設定される端子である。第２の端子３１２は、第２の電位に設定される端子である。本実施形態では、第２の電位は、第１の電位よりも大きい。
本実施形態の回路付電源ユニット１００では、電源６００の直流の電源電力を利用して、第１の端子３１１の電位を第１の電位に設定する。また、電源６００の直流の電源電力を利用して、第２の端子３１２の電位を第２の電位に設定する。
クロック生成器３２０は、クロック信号を生成する。本実施形態のクロック生成器３２０は、マイクロコントロールユニット（ＭＣＵ）である。本実施形態のクロック信号は、第１の電位と接地電位との電位差を振幅とするパルス波である。図２Ａの例では、クロック生成器３２０は、第１の端子３１１および接地電位に接続されることで、そのようなパルス波を生成可能とされている。
第１のコンデンサ３３１としては、公知のコンデンサを使用することができる。
第２のコンデンサ３３２としては、公知のコンデンサを使用することができる。第２のコンデンサ３３２では、第３の電位が現れる。具体的に、第２のコンデンサ３３２は、第３の電位が現れる一端３３２ｍと、接地電位に接続されている他端３３２ｎとを有している。本実施形態では、第３の電位は、第２の電位よりも大きく、第１の電位よりも大きい。
本実施形態では、第２のコンデンサ３３２の一端３３２ｍの電位を安定させる観点から、第２のコンデンサ３３２の容量を、第１のコンデンサ３３１の容量よりも大きくしている。同観点からは、第１のコンデンサ３３１の容量に対する第２のコンデンサ３３２の容量の比率は、例えば３倍〜２０倍にすることができる。また、第１のコンデンサ３３１の容量を例えば１０μＦ〜１００μＦにし、第２のコンデンサ３３２の容量を例えば３００μＦ〜２０００μＦにすることができる。
第１のダイオード３４１は、第１のアノード３４１ａおよび第１のカソード３４１ｃを有している。第２のダイオード３４２は、第２のアノード３４２ａおよび第２のカソード３４２ｃを有している。第３のダイオード３４３は、第３のアノード３４３ａおよび第３のカソード３４３ｃを有している。第１のダイオード３４１、第２のダイオード３４２および第３のダイオード３４３としては、公知のダイオードを使用することができる。
本実施形態では、第１のカソード３４１ｃと、第２のアノード３４２ａとは、同電位に接続されている。第１のアノード３４１ａと、第３のアノード３４３ａと、第２の端子３１２とは、同電位に接続されている。第２のカソード３４２ｃと、第３のカソード３４３ｃと、第２のコンデンサ３３２（の一端３３２ｍ）とは、同電位に接続されている。
本実施形態の第１のスイッチング素子３５１は、第１入力部３５１ｉと、第１出力部３５１ｏと、第１非接地部３５１ｕと、第１接地部３５１ｇと、を有している。
第１出力部３５１ｏは、第１出力電位を出力可能である。第１出力電位は、第１の電位によって定まる。第１出力部３５１ｏの電位が第１出力電位となるタイミングと第１出力電位ではない電位となるタイミングとは、クロック信号によって規定される。本実施形態では、第１出力部３５１ｏの電位は、第１出力電位と第１出力電位ではない電位との間でパルス状に変化する。具体的には、第１出力電位は、第１の電位である。上記の第１出力電位ではない電位は、本実施形態では第１出力電位よりも低い電位であり、具体的には接地電位である。
図２Ａに示す例では、第１のスイッチング素子３５１の第１入力部３５１ｉは、クロック生成器３２０に接続されている。第１非接地部３５１ｕは、第１の電位に設定されている。第１接地部３５１ｇは、接地電位に設定されている。第１出力部３５１ｏの電位は、第１の電位と接地電位との間で切り替えられる。
図２Ａから理解されるように、第１出力部３５１ｏと第２のコンデンサ３３２とを接続する経路として、１つの経路が存在する。この１つの経路は、第１出力部３５１ｏから第２のコンデンサ３３２に向かって順に、第１のコンデンサ３３１、第２のアノード３４２ａおよび第２のカソード３４２ｃを通る経路（経路Ｘ）である。第２の端子３１２と第２のコンデンサ３３２とを接続する経路として、２つの経路が存在する。２つの経路のうちの１つは、第２の端子３１２から第２のコンデンサ３３２に向かって順に、第１のアノード３４１ａ、第１のカソード３４１ｃ、第２のアノード３４２ａおよび第２のカソード３４２ｃを通る経路（経路Ｙ）である。２つの経路のうちのもう１つは、第２の端子３１２から第２のコンデンサ３３２に向かって順に、第３のアノード３４３ａおよび第３のカソード３４３ｃを通る経路（経路Ｚ）である。
第３の端子３１３は、第２のコンデンサ３３２の一端３３２ｍと同電位に接続されている。第３の端子３１３からは、第３の電位を取り出すことができる。ただし、第３の端子３１３は省略され得る。
第２のスイッチング素子３５２は、第２のコンデンサ３３２（の一端３３２ｍ）に接続されている。第２のスイッチング素子３５２は、第２入力部３５２ｉと、第２出力部３５２ｏと、第２非接地部３５２ｕと、第２接地部３５２ｇと、を有している。
第２出力部３５２ｏは、第２出力電位を出力可能である。第２出力電位は、第３の電位によって定まる。第２出力部３５２ｏの電位が第２出力電位となるタイミングと第２出力電位ではない電位となるタイミングとは、クロック信号によって規定される。本実施形態では、第２出力部３５２ｏの電位は、第２出力電位と第２出力電位ではない電位との間でパルス状に変化する。具体的には、第２出力電位は、第３の電位である。上記の第２出力電位ではない電位は、本実施形態では第２出力電位よりも低い電位であり、具体的には接地電位である。
図２Ａに示す例では、第２のスイッチング素子３５２には、増幅されていないクロック信号が入力される。このため、電気回路ユニット２００は、シンプルに構成され易い。この例では、第２のスイッチング素子３５２は、クロック信号を増幅することによって、第２出力電位（具体的には第３の電位）を生成する。
図２Ａに示す例では、第２のスイッチング素子３５２の第２入力部３５２ｉは、クロック生成器３２０に接続されている。第２非接地部３５２ｕは、第３の電位に設定されている。第２接地部３５２ｇは、接地電位に設定されている。第２出力部３５２ｏの電位は、第３の電位と接地電位との間で切り替えられる。
第３のスイッチング素子３５３Ａ（および３５３Ｂ）は、第２出力部３５２ｏの電位によって駆動される。
本実施形態では、第３のスイッチング素子３５３Ａ（および３５３Ｂ）は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）である。ＭＯＳＦＥＴ３５３Ａ（および３５３Ｂ）は、ゲート３５３ｇと、ドレイン３５３ｄと、ソース３５３ｓとを有している。ゲート３５３ｇは、第２出力部３５２ｏに接続されている。
以下、本実施形態の駆動部３０１Ａの動作について説明する。
第１出力部３５１ｏの電位が第１出力電位よりも低い電位である初期状態において、第１のコンデンサ３３１の他端３３１ｎには、第２の端子３１２から供給された電荷が蓄積されている。第１のコンデンサ３３１の他端３３１ｎの電位は、第２の端子３１２の第２の電位と、第１のダイオード３４１による電圧降下と、に依存した電位である。第２のコンデンサ３３２の一端３３２ｍには、第２の端子３１２から供給された電荷が蓄積されている。第２のコンデンサ３３２の電位は、第２の端子３１２の第２の電位と、経路Ｚに存する第３のダイオード３４３による電圧降下と、に依存した電位である。
次に、第１出力部３５１ｏの電位が第１出力電位に切り替わったときに、第１出力部３５１ｏから（より正確には、第１の端子３１１から）第１のコンデンサ３３１の一端３３１ｍに電荷が供給される。この供給により、第１のコンデンサ３３１の一端３３１ｍおよび他端３３１ｎの電位は、第１出力電位の分だけかさ上げされる。このかさ上げにより、第１のコンデンサ３３１の他端３３１ｎに蓄積されていた電荷が、経路Ｘを通じて第２のコンデンサ３３２の一端３３２ｍに移動する。結果として、一端３３２ｍの電位は、第１出力部３５１ｏの第１出力電位と、第２の端子３１２の第２の電位と、経路Ｘに存する第１のダイオード３４１による電圧降下と、経路Ｘおよび経路Ｙの重複部に存する第２のダイオード３４２による電圧降下と、に依存したものになる。すなわち、一端３３２ｍの電位は、第３の電位となる。
次に、第１出力部３５１ｏの電位が第１出力電位よりも低い電位に切り替わったときに、第２の端子３１２から第１のコンデンサ３３１の他端３３１ｎに電荷が供給される。このとき、第１のコンデンサ３３１の他端３３１ｍに蓄積されていた電荷は、第１出力部３５１ｏおよび第１接地部３５１ｇを通じて放出される。
その後、第１出力部３５１ｏの電位は、第１出力電位と第１出力電位よりも低い電位との間で繰り返し切り替えられる。この繰り返しにより、第１のコンデンサ３３１の他端３３１ｎから第２のコンデンサ３３２の一端３３２ｍへの電荷の移動と、第２の端子３１２から第１のコンデンサ３３１の他端３３１ｎへの電荷の供給とが繰り返される。本実施形態では、第２のコンデンサ３３２の容量は第１のコンデンサ３３１の容量よりも大きい。このため、第１出力部３５１ｏの電位が一旦第１出力電位となった後において第１出力部３５１ｏの電位が第１出力電位よりも低い電位となるタイミングが断続的に現れるが、第２のコンデンサ３３２の電位が第３の電位から大きく低下することはない。つまり、定常状態において、第２のコンデンサ３３２の電位が第３の電位に実質的に維持される。
上述のように、第２出力電位は第３の電位によって定まるものであり、本実施形態では、その第３の電位は第２の電位よりも大きく第１の電位よりも大きいものである。このため、本実施形態によれば、大きい第２出力電位を確保することができる。しかも、本実施形態では、第２のコンデンサ３３２の一端３３２ｍの電位が第３の電位に実質的に維持される。このため、本実施形態によれば、第２出力電位を実質的に同じ大きさに維持することができる。つまり、第２出力部３５２ｏの電位を、振幅が十分に大きくかつ均一であるパルス状とすることができる。そして、そのような電位によって、第３のスイッチング素子３５３Ａは駆動される。
以下、具体例を挙げてさらに説明する。この具体例では、第１出力部３５１ｏの電位が５Ｖ（第１の電位）と０Ｖ（第１の電位よりも低い電位）との間でパルス状に変化し、第１のダイオード３４１による電圧降下が０．８Ｖであり、第２のダイオード３４２による電圧降下が０．８Ｖであり、第３のダイオード３４３による電圧降下が０．８Ｖであるものとする。第２出力電位が第３の電位であるものとする。また、第３のスイッチング素子３５３ＡがＭＯＳＦＥＴ３５３Ａであるものとする。
この具体例では、第１出力部３５１ｏの電位が０Ｖである初期状態において、第１のコンデンサ３３１の他端３３１ｎの電位は、第２の端子３１２の１２Ｖと、第１のダイオード３４１による電圧降下０．８Ｖと、に依存した電位である。すなわち、他端３３１ｎの電位は、１２Ｖ−０．８Ｖ＝１１．２Ｖである。第２のコンデンサ３３２の一端３３２ｍの電位は、第２の端子３１２の１２Ｖと、第３のダイオード３４３による電圧降下０．８Ｖと、に依存した電位である。すなわち、一端３３２ｍの電位は、１２Ｖ−０．８Ｖ＝１１．２Ｖである。
次に、第１出力部３５１ｏの電位が５Ｖに切り替わったときに、第１のコンデンサ３３１の一端３３１ｍおよび他端３３１ｎの電位は５Ｖかさ上げされ、１１．２Ｖ＋５Ｖ＝１６．２Ｖとなる。第２のコンデンサ３３２の一端３３２ｍの電位は、第２の端子３１２の１２Ｖと、第１出力部３５１ｏの５Ｖと、第１のダイオード３４１による電圧降下０．８Ｖと、第２のダイオード３４２による電圧降下０．８Ｖとに依存したものとなる。すなわち、一端３３２ｍの電位は、１２Ｖ＋５Ｖ−０．８Ｖ−０．８Ｖ＝１５．４Ｖとなる。この１５．４Ｖは、第３の電位に対応する。
次に、第１出力部３５１ｏの電位は０Ｖに切り替わる。その後、第１出力部３５１ｏの電位は５Ｖと０Ｖとの間で繰り返し切り替えられる。これにより、第２のコンデンサ３３２の一端３３２ｍの電位が１５．４Ｖに実質的に維持される。
上記の具体例の場合、第２出力部３５２ｏの電位を、０Ｖと１５．４Ｖとの間でパルス状に変化させることができる。このことは、ゲート３５３ｇの電位を０Ｖと１５．４Ｖとの間でパルス状に変化させることができることを意味する。
通常、ＭＯＳＦＥＴをオンにするためのゲート電圧が十分に高くない場合、オン抵抗（ＭＯＳＦＥＴがオンのときのドレイン−ソース間の抵抗）が高くなる。図３に示す一例では、ゲート電圧が５Ｖまたは１２Ｖであるときのオン抵抗は１ｍΩを上回っている。これに対し、ゲート電圧が１５．４Ｖであるときのオン抵抗は１ｍΩを下回っている。このことから、ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧を５Ｖ（第１の電位）と０Ｖとの間でパルス状に変化させたり、１２Ｖ（第２の電位）と０Ｖとの間でパルス状に変化させたりする場合に比べて、１５．４Ｖと０Ｖとの間でパルス状に変化させることが、ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗を下げ、ＭＯＳＦＥＴにおける電力損失を低下させるのに役立つことが理解される。
本実施形態の回路付電源ユニット１００では、スイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ）３５３Ａおよび３５３Ｂをソフトスイッチングさせることが望ましい。具体的には、回路付電源ユニット１００において電流共振回路が構成され、スイッチング素子３５３Ａおよび３５３Ｂは、電流共振現象を利用することによって、自身を流れる電流がゼロまたは十分に小さいときにスイッチングを行うことが望ましい。このようなスイッチングは、ＺＣＳ（Zero Current Switching）と呼ばれる。このようなスイッチングによれば、スイッチングロスを低減することができる。なお、回路付電源ユニット１００を備えた燃料電池システムが構成される場合には、スイッチング素子３５３Ａおよび３５３Ｂに大きな電流が流れ易い。そのような場合にスイッチング素子３５３Ａおよび３５３ＢにＺＣＳを行わせることは、スイッチングロス低減の観点から特に有利である。
また、図２Ａに示す３つのスイッチング素子３５１，３５２および３５３Ａは、全てクロック信号に基づいて動作する。すなわち、本実施形態によれば、スイッチング素子３５１，３５２および３５３Ａの同期をとることもできる。
変形実施形態では、電気回路ユニット２００は、クロック信号を増幅する。第２のスイッチング素子３５２には、増幅されたクロック信号が入力される。このため、第２のスイッチング素子３５２の動作が安定し易い。
変形実施形態の一例を、図２Ｂを参照しながら説明する。図２Ｂに示す駆動部３０２Ａ（３０２Ｂ）は、クロック信号を増幅する増幅器３５５を有している。増幅されたクロック信号は、第２のスイッチング素子３５２（の第２入力部３５２ｉ）に入力される。クロック生成器３２０、増幅器３５５および第２のスイッチング素子３５２は、この順で接続されている。
具体的に、増幅器３５５は、第４のスイッチング素子３５４を有している。第４のスイッチング素子３５４は、第４入力部３５４ｉと、第４出力部３５４ｏと、第４非接地部３５４ｕと、第４接地部３５４ｇと、を有している。第４出力部３５４ｏは、第１の電位によって定まる第４出力電位を出力可能である。第４出力部３５４ｏの電位が第４出力電位となるタイミングと第４出力電位ではない電位となるタイミングとは、クロック信号によって規定される。本実施形態では、第４出力部３５４ｏの電位は、第４出力電位と第４出力電位ではない電位との間でパルス状に変化する。第４出力部３５４ｏの電位は、増幅されたクロック信号として第２のスイッチング素子３５２によって利用される。具体的には、第４出力電位は、第１の電位である。上記の第４出力電位ではない電位は、本実施形態では第１の電位よりも低い電位であり、具体的には接地電位である。
図２Ｂに示す例では、第４のスイッチング素子３５４の第４入力部３５４ｉは、クロック生成器３２０に接続されている。第４非接地部３５４ｕは、第１の電位に設定されている。第４接地部３５４ｇは、接地電位に設定されている。第４出力部３５４ｏの電位は、第１の電位と接地電位との間で切り替えられる。
変形実施形態の別例を、図２Ｃを参照しながら説明する。図２Ｃに示す駆動部３０３Ａ（３０３Ｂ）では、第１のスイッチング素子３５１の第１出力部３５１ｏが、第１のコンデンサ３３１とともに、第２のスイッチング素子３５２（の第２入力部３５２ｉ）に接続されている。第１出力部３５１ｏの電位は、増幅されたクロック信号として第２のスイッチング素子３５２によって利用される。図２Ｃの例によれば、増幅器等の別途の要素を設けずとも第２のスイッチング素子３５２の動作が安定し易くなる。
スイッチング素子３５３Ｂも、駆動部３０１Ａ，３０２Ａまたは３０３Ａと同じ構成を有する駆動部３０１Ｂ，３０２Ｂまたは３０３Ｂによって駆動され得る。すなわち、２つの駆動部により、２つのスイッチング素子３５３Ａおよび３５３Ｂを駆動させることができる。
２つのスイッチング素子３５３Ａおよび３５３Ｂの駆動を、１つの駆動部３０１Ａ，３０２Ａまたは３０３Ａにより実現することもできる。
［トランス４００］
図１から理解されるように、トランス４００は、１次側回路３００と協働して、第１直流電圧Ｖdc1から交流電圧Ｖacを生成する。トランス４００は、回路基板２１０（図４Ａ〜図５参照）に取り付け可能である。以下、図４Ａ〜図１１を参照しながらトランス４００について説明する。なお、図６Ａ〜図６Ｄでは、図面の見易さを考慮して、ボビン４１０を省略している。図６Ｂおよび図６Ｃでは、図面の見易さを考慮して、鉄心４２０を省略している。図６Ｃでは、図面の見易さを考慮して、第１巻線４３１および第２巻線４３２を省略している。図６Ａ〜６Ｄの矢印は、巻き始めの位置から巻き終わりの位置に向かう方向を表している。
トランス４００が取り付けられる回路基板２１０は、平板状の外観を有する。回路基板２１０には、ベタパターンが形成されている。ベタパターンは、ひとまとまりの金属部によって構成される。具体的に、ベタパターンは、厚さが均一で膜状でひとまとまりの金属部によって構成される。本実施形態では、回路基板２１０は、複層構造を有し、複層構造の内層にベタパターンを含むベタパターン層が形成されている。ただし、回路基板２１０の表層にベタパターンを形成することもできる。ベタパターンを構成する金属としては、銅およびアルミが例示される。ベタパターン（ひとまとまりの金属部）の厚さは特に限定されないが、放熱性確保の観点からは、例えば１５μｍ〜１０００μｍである。また、放熱性確保の観点から、ベタパターン層を複数層設けることもできる。
図５は、回路基板２１０をその厚さ方向に沿って見たときの平面図である。一点鎖線で示す領域２１１は、１次側回路３００においてベタパターンが形成されている領域である。略正方形の点線で示す領域４０１は、トランス４００が配置される領域である。図５の例では、領域４０１の半分以上が領域２１１と重複している。領域２１１は、領域４０１とは重複しない位置まで拡がっている。領域２１１の面積は、領域４０１の面積よりも大きい。領域２１１内には、トランス４００の１次側の２つの巻線４３１，４３２の端子ピン４４１，４４２が差し込まれる穴２４１，２４２が存在する。穴２４１および２４２は、端子ピン４４１および４４２をベタパターンに導く。こうして、端子ピン４４１および４４２は、ベタパターンに接触し、１次側回路３００に接続される。２点鎖線で示す領域２２０は、２次側回路５００に対応する領域である。領域２２０内には、２次側の巻線４３３の端子ピン４４３ｍ，４４３ｎが差し込まれる穴２４３ｍ，２４３ｎが存在する。穴２４３ｍ，２４３ｎに差し込まれた状態で、端子ピン４４３ｍ，４４３ｎは２次側回路５００に接続される。
トランス４００は、ボビン４１０（図４Ａ〜図４Ｄおよび図８Ａ〜図９Ｃ参照）と、鉄心４２０（図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｄ、図６Ａ、図６Ｄおよび図８Ａ〜図８Ｃ参照）と、巻線セット４３８（図４Ｂおよび図６Ａ参照）と、を有している。
図９Ａ〜図９Ｃに示すように、本実施形態のボビン４１０は、端子側フランジ部４１１と、引き出し線側フランジ部４１２と、胴体部４１５と、を有している。図８Ｃおよび図９Ｃに示すように、端子側フランジ部４１１には、少なくとも１つ（図の例では複数であり、具体的には４つ）の第１端子ピン４４１、少なくとも１つ（図の例では複数であり、具体的には４つ）の第２端子ピン４４２、少なくとも１つ（図の例では１つ）の一端側端子ピン４４３ｍおよび少なくとも１つ（図の例では１つ）の他端側端子ピン４４３ｎが固定されている。引き出し線側フランジ部４１２は、胴体部４１５から見て端子側フランジ部４１１とは反対側に設けられている。胴体部４１５には、巻線セット４３８が巻回されている。また、ボビン４１０は、鉄心４２０の一部を挿入させるための穴４１９を有している。穴４１９は、胴体部４１５を貫通している。端子ピン４４１，４４２，４４３ｍおよび４４３ｎは、金属製である。端子ピン４４１，４４２，４４３ｍおよび４４３ｎを構成する金属としては、銅が例示される。端子ピン４４１，４４２，４４３ｍおよび４４３ｎは、表面をＳｎ−Ｃｕめっきした鉄線によって構成されていてもよい。
図４Ａ〜図４Ｄ、図６Ａおよび図８Ａ〜図８Ｃに示すように、鉄心４２０は、ボビン４１０に装着されている。鉄心４２０は、ボビン４１０の穴４１９に挿入された部分と、巻線セット４３８を巻回軸の外周側から挟む位置にある一対の部分と、この一対の部分を端子側フランジ部４１１の側で接続する部分と、この一対の部分を引き出し線側フランジ部４１２の側で接続する部分と、を有している。具体的に、鉄心４２０は、ＥＥＲ型の鉄心である。鉄心４２０を構成する材料としては、フェライト、ケイ素鋼およびパーマロイが例示される。
図４Ｂに示すように、巻線セット４３８は、ボビン４１０に巻回されている。図６Ａに示すように、巻線セット４３８は、１次側巻線部４３５と２次側巻線部４３６とを有している。１次側巻線部４３５は、１次側の巻線である第１巻線４３１および第２巻線４３２を有している。２次側巻線部４３６は、２次側の巻線である第３巻線４３３を有している。第１巻線４３１と第３巻線４３３と（第１巻回部４３１ｗと第３巻回部４３３ｗと）は、磁気的に結合している。第２巻線４３２と第３巻線４３３と（第２巻回部４３２ｗと第３巻回部４３３ｗと）は、磁気的に結合している。第１巻線４３１と第３巻線４３３との間（第１巻回部４３１ｗと第３巻回部４３３ｗとの間）には、絶縁部材４８０が介在している。第２巻線４３２と第３巻線４３３との間（第２巻回部４３２ｗと第３巻回部４３３ｗとの間）には、絶縁部材４８０が介在している。絶縁部材４８０は、例えば絶縁テープである。なお、図４Ａ〜図４Ｄに示すように、絶縁部材４８０は、鉄心４２０の外周の一部も覆っている。
第３巻線４３３の巻数は、第１巻線４３１の巻数よりも多く、第２巻線４３２の巻数よりも多い。このため、トランス４００は、１次側回路３００の電圧を昇圧して２次側回路５００に出力することができる。この場合、第１巻線４３１を流れる電流は第３巻線４３３を流れる電流よりも大きく、第２巻線４３２を流れる電流は第３巻線４３３を流れる電流よりも大きくなる。耐電流性確保の観点から、第１巻線４３１の径は第３巻線４３３の径よりも大きい径とされており、第２巻線４３２の径は第３巻線４３３の径よりも大きい径とされている。
図７Ａ、図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃ、図９Ａ、図９Ｂおよび図９Ｃから理解されるように、第１巻線４３１の一端４３１ｍは、回路基板２１０に差し込み可能な少なくとも１つの第１端子ピン４４１によりボビン４１０に固定されている。本実施形態では、第１巻線４３１は複数の線材の束であり、第１巻線４３１を構成する複数の線材の各々は互いに異なる第１端子ピン４４１に接続されている。この例では、この線材の数は４つであり、第１端子ピン４４１の数も４つである。具体的に、この例では、第１巻線４３１は、絶縁スリーブ４９０を通過する前は複数の線材の束の状態で第１端子ピン４４１に近づいていき、絶縁スリーブ４９０を通過した後は束が解かれた状態となって各線材が互いに異なる第１端子ピン４４１に至っている。本実施形態では、第１巻線４３１と第１端子ピン４４１とは半田付けされている。
図４Ｃ、図７Ｂ、図８Ｂ、図８Ｃ、図９Ｂおよび図９Ｃから理解されるように、第２巻線４３２の一端４３２ｍは、回路基板２１０に差し込み可能な少なくとも１つの第２端子ピン４４２によりボビン４１０に固定されている。本実施形態では、第２巻線４３２は複数の線材の束であり、図４Ｃの例では、第２巻線４３２を構成する複数の線材の各々は互いに異なる第２端子ピン４４２に接続されている。図４Ｃの例では、この線材の数は４つであり、第２端子ピン４４２の数も４つである。具体的に、図４Ｃの例では、第２巻線４３２は、絶縁スリーブ４９０を通過する前は複数の線材の束の状態で第２端子ピン４４２に近づいていき、絶縁スリーブ４９０を通過した後は束が解かれた状態となって各線材が互いに異なる第２端子ピン４４２に至っている。本実施形態では、第２巻線４３２と第２端子ピン４４２とは半田付けされている。
図８Ａ、図８Ｃ、図９Ａおよび図９Ｃから理解されるように、第３巻線の４３３の一端４３３ｍは、回路基板２１０に差し込み可能な少なくとも１つの一端側端子ピン４４３ｍによりボビン４１０に固定されている。図４Ｃ、図８Ｃおよび図９Ｃから理解されるように、第３巻線４３３の他端４３３ｎは、回路基板２１０に差し込み可能な少なくとも１つの他端側端子ピン４４３ｎによりボビン４１０に固定されている。
図６Ｂおよび図７Ａに示しているように、第１巻線４３１は巻き始めの位置から巻き終わりの位置までの部分である第１巻回部４３１ｗを有している。本実施形態の第１巻線４３１では、第１巻線４３１の一端４３１ｍと、第１巻回部４３１ｗの一端４３１ｗｍと、第１巻回部４３１ｗの他端４３１ｗｎと、第１巻線４３１の他端４３１ｎであってボビン４１０に固定されていない他端４３１ｎと、がこの順に並んでいる。そして、図７Ａに示しているように、第１巻回部４３１ｗの一端４３１ｗｍを通り第１巻回部４３１ｗの巻回軸４３１ｗｘに直交する平面を第１基準平面４３１ｗｒと定義したとき、第１巻回部４３１ｗは、第１回転方向４３１ｗｄに回転しながら第１基準平面４３１ｗｒから離れていく形状（第１形状）を有している。具体的には、第１形状は螺旋形状である。第１巻回部４３１ｗには、第１回転方向４３１ｗｄに回転しながら第１基準平面４３１ｗｒに近づいていく部分は存在しない。なお、第１回転方向４３１ｗｄは、巻回軸４３１ｗｘを周回する方向である。
図６Ｂおよび図７Ｂに示しているように、第２巻線４３２は巻き始めの位置から巻き終わりの位置までの部分である第２巻回部４３２ｗを有している。本実施形態の第２巻線４３２では、第２巻線４３２の一端４３２ｍと、第２巻回部４３２ｗの一端４３２ｗｍと、第２巻回部４３２ｗの他端４３２ｗｎと、第２巻線４３２の他端４３２ｎであってボビン４１０に固定されていない他端４３２ｎと、がこの順に並んでいる。そして、図７Ｂに示しているように、第２巻回部４３２ｗの一端４３２ｗｍを通り第２巻回部４３２ｗの巻回軸４３２ｗｘに直交する平面を第２基準平面４３２ｗｒと定義したとき、第２巻回部４３２ｗは、第２回転方向４３２ｗｄに回転しながら第２基準平面４３２ｗｒから離れていく形状（第２形状）を有している。具体的には、第２形状は螺旋形状である。第２巻回部４３２ｗには、第２回転方向４３２ｗｄに回転しながら第２基準平面４３２ｗｒに近づいていく部分は存在しない。第２回転方向４３２ｗｄは、巻回軸４３２ｗｘを周回する方向であり、第１回転方向４３１ｗｄの反対方向である。
先に説明した図１０Ｂに示すトランス８５０では、第１巻線８５１の両端および第２巻線８５２の両端が、端子ピンにより位置８８１〜８８４に接続されている。しかし、この手法は、上述のように、回路基板の設計自由度の確保には必ずしも適していない。図１０Ｃに示すように、引き出し線８５６Ｌ，８５７Ｌの採用により設計自由度を確保しようとすると、良好な放熱性が確保されないことも先に述べた通りである。
これに対し、本実施形態のトランス４００の第１巻線４３１では、他端４３１ｎはボビン４１０に固定されていない。このため、第１巻回部４３１ｗの他端４３１ｗｎと第１巻線４３１の他端４３１ｎとの間に部分を、引き出し線４３１Ｌとして利用できる。同様に、第２巻回部４３２ｗの他端４３２ｗｎと第２巻線４３２の他端４３２ｎとの間の部分を、引き出し線４３２Ｌとして利用できる。すなわち、本実施形態のトランス４００は、回路基板の設計自由度の確保の観点から、図１０Ｂに示すトランス８５０よりも有利である。
しかも、本実施形態のトランス４００では、第１巻線４３１の第１巻回部４３１ｗが第１形状を有し、第２巻線４３２の第２巻回部４３２ｗが第２形状を有している。このため、図１を用いて説明したプッシュプルインバータ回路は、第１端子ピン４４１を位置１８１に配置させ、第２端子ピン４４２を位置１８３に配置させることによって実現される。位置１８１と位置１８３とは同電位に接続される。このため、第１端子ピン４４１および第２端子ピン４４２の両方を回路基板２１０におけるひとまとまりの金属部（ベタパターン）に接触させることができる。すなわち、良好な放熱性が確保される。
以上の理由で、本実施形態のトランス４００は、巻線の巻回部から回路基板への熱伝達（放熱性）と回路基板の設計自由度確保との両立に適している。実際に、本実施形態では、少なくとも１つの第１端子ピン４４１を回路基板２１０の穴２４１に差し込み、少なくとも１つの第２端子ピン４４２を回路基板２１０の穴２４２に差し込み、これらの端子ピン４４１，４４２をひとまとまりの金属部（ベタパターン）に接触させることによって放熱性を確保している。また、他端４３１ｗｎと他端４３１ｎとの間の部分を引き出し線４３１Ｌとして利用し、他端４３２ｗｎと他端４３２ｎとの間の部分を引き出し線４３２Ｌとして利用することで、回路基板２１０の設計自由度を確保している。なお、これらの効果は、トランス４００がプッシュプルインバータ回路の構成に用いられる場合以外にも得られる。具体的に、トランス４００が回路基板２１０に取り付けられたときに第１巻線４３１の両端の一方と第２巻線４３２の両端の一方とが同電位に接続され第１巻線４３１の両端の他方と第２巻線４３２の両端の他方とが同電位に接続されない場合には、同じ効果が得られる。
端子ピン４４１，４４２をひとまとまりの金属部（ベタパターン）に接触させつつ巻線４３１，４３２の他端４３１ｎ，４３２ｎを含む一部分を引き出し線４３１Ｌ，４３２Ｌとして利用することには、別のメリットもある。すなわち、本実施形態のトランス４００を採用する場合も、図１０Ｂのトランスを採用する場合も、図１に示す位置１８１および位置１８３と位置１８２との間との絶縁を確保し、位置１８１および位置１８３と位置１８４との間の絶縁を確保し、位置１８３と位置１８４との間の絶縁を確保する必要がある。図１０Ｂに示すように第１巻線８５１の両端および第２巻線８５２の両端を端子ピンを用いて回路基板に接続する場合には、回路基板におけるボビン直下の領域（典型的には、回路基板の厚さ方向に沿っていたときにボビンと重複する領域）という比較的狭い領域内でこれらの絶縁を確保する必要が生じる。これに対し、本実施形態のように引き出し線４３１Ｌ，４３２Ｌを採用する場合には、互いに絶縁されるべき一方の位置と他方の位置との間隔を大きくし易い。このことは、上記の絶縁をとることを容易化する。言うまでもないが、端子ピン４４１，４４２をひとまとまりの金属部（ベタパターン）に接触させていることもまた、絶縁の容易化に寄与している。絶縁の容易化は、回路基板の設計自由度の向上、電気回路ユニット２００の低コストでの実現等にも繋がる。
第１巻回部４３１ｗの他端４３１ｗｎと第１巻線４３１の他端４３１ｎとの間の距離と、第２巻回部４３２ｗの他端４３２ｗｎと第２巻線４３２の他端４３２ｎとの間の距離とは、同じであってもよく、異なっていてもよい。図示の例では、前者の距離が、後者の距離よりも短い。
図４Ａに示す例では、第１巻線４３１の他端４３１ｎには、圧着端子４６１が取り付けられている。圧着端子４６１と回路基板２１０とは、螺子４７１によって固定されている。このようにして、第１巻線４３１の他端４３１ｎは、１次側回路３００に接続されている。第２巻線４３２の他端４３２ｎには、圧着端子４６２が取り付けられている。圧着端子４６２と回路基板２１０とは、螺子４７２によって固定されている。このようにして、第２巻線４３２の他端４３２ｎは、１次側回路３００に接続されている。
本実施形態のトランス４００では、第１巻線４３１の第１巻回部４３１ｗは第１形状を有し、第２巻線４３２の第２巻回部４３２ｗは第２形状を有している。このため、図６Ａ、図６Ｂおよび図６Ｄから理解されるように、第１巻回部４３１ｗを第１巻回部４３１ｗの巻回軸４３１ｗｘに沿って見たとき、第１巻回部４３１ｗを構成する第１巻線４３１の一部と別の一部とが横に並ぶことがない。同様に、第２巻回部４３２ｗを第２巻回部４３２ｗの巻回軸４３２ｗｘに沿って見たとき、第２巻回部４３２ｗを構成する第２巻線４３２の一部と別の一部とが横に並ぶことがない。このため、トランス４００のサイズは大きくなり難い。
第１形状には、コスト面の利点もある。すなわち、図１０Ｂのトランス８５０のように、第１巻線８５１に巻き上げられている部分と巻き下げられている部分とが存在する場合、それらの部分の間に絶縁部材を介在させる必要がある。これに対し、第１形状を採用すれば、そのような絶縁部材を省略することができる。この点は、第２形状についても同様である。
図６Ｃおよび図６Ｄに示すように、第３巻線４３３は巻き始めの位置から巻き終わりの位置までの部分である第３巻回部４３３ｗを有している。図６Ａ、図６Ｂおよび図６Ｄから理解されるように、第３巻回部４３３ｗは、第１巻回部４３１ｗおよび第２巻回部４３２ｗの一方（図６Ａ、図６Ｂおよび図６Ｄでは第２巻回部４３２ｗ）を取り囲むように巻回され、第１巻回部４３１ｗおよび第２巻回部４３２ｗの他方（図６Ａ、図６Ｂおよび図６Ｄでは第１巻回部４３１ｗ）は、第３巻回部４３３ｗを取り囲むように巻回されている。この構成は、磁気結合の観点から有利である。この点について、図１１の構成と対比しながら説明する。図１１の構成は、第２巻線４３２の位置と第３巻線４３３の位置が逆になるように（および付随するピン等の位置が変更されるように）図６Ａの構成を変更したものである。図１１の構成では、第２巻回部４３２ｗが第３巻回部４３３ｗを取り囲み、第１巻回部４３１ｗが第２巻回部４３２ｗを取り囲んでいる。図１１の構成では、第１巻回部４３１ｗと第３巻回部４３３ｗとの間の距離が、第２巻回部４３２ｗと第３巻回部４３３ｗとの間の距離よりも長い。従って、第１巻回部４３１ｗと第３巻回部４３３ｗとの間の磁気結合が、第２巻回部４３２ｗと第３巻回部４３３ｗとの間の磁気結合よりも弱くなり易い。これに対し、図６Ａの構成では、第１巻回部４３１ｗと第３巻回部４３３ｗとの間の距離と、第２巻回部４３２ｗと第３巻回部４３３ｗとの間の距離との差を小さくすることができる。すなわち、図６Ａの構成によれば、第１巻回部４３１ｗと第３巻回部４３３ｗとの間の磁気結合と、第２巻回部４３２ｗと第３巻回部４３３ｗとの間の磁気結合とが均一になり易い。
図６Ｃおよび図６Ｄに示すように、トランス４００は、筒状の絶縁部材４８０ｔ（４８０）を有している。そして、第３巻線４３３は（具体的には、第３巻回部４３３ｗは）、筒状の絶縁部材４８０ｔの内側で巻回された内側部分４３３ｉと、絶縁部材の外側で巻回された外側部分４３３ｏと、内側部分４３３ｉと外側部分４３３ｏとを接続する折り返し部分４３３ｔと、を有している。この特徴によれば、第１巻回部４３１ｗの巻数に対する第３巻回部４３３ｗの巻数の比率および第２巻回部４３２ｗの巻数に対する第３巻回部４３３ｗの巻数の比率を大きくし易い。つまり、変圧比を大きくし易い。本実施形態では、内側部分４３３ｉは、図７Ａで説明した第１形状と同じ形状（具体的には螺旋形状）を有する。外側部分４３３ｏは、図７Ｂで説明した第２形状と同じ形状（具体的には螺旋形状）を有する。ただし、内側部分４３３ｉが第２形状と同じ形状を有し、外側部分４３３ｏが第１形状と同じ形状を有していてもよい。
なお、本実施形態では、巻回軸４３２ｗｘと、巻回軸４３１ｗｘと、第３巻回部４３３ｗの巻回軸とは同じである。すなわち、第１巻回部４３１ｗ、第２巻回部４３２ｗと、第３巻回部４３３ｗの巻回軸とは共通する巻回軸（共通軸）を有している。また、トランス４００が回路基板２１０に取り付けられた状態において、第１巻回部４３１ｗは、共通軸を周回する第１回転方向に回転しながら回路基板２１０から離れていく形状（具体的には螺旋形状）を有している。第２巻回部４３２ｗは、共通軸を周回する第２回転方向（第１回転方向とは反対方向）に回転しながら回路基板２１０から離れていく形状（具体的には螺旋形状）を有している。第３巻回部４３３ｗの内側部分４３３ｉは、共通軸を周回する回転方向（具体的には第１回転方向または第２回転方向）に回転しながら回路基板２１０から離れていく形状（具体的には螺旋形状）を有している。第３巻回部４３３ｗの外側部分４３３ｏは、共通軸を周回する回転方向（具体的には第２回転方向または第１回転方向）に回転しながら回路基板２１０から離れていく形状（具体的には螺旋形状）を有している。
図４Ｄから理解されるように、回路基板２１０の金属部（ベタパターン）は鉄心４２０と離間しており、回路基板２１０と鉄心４２０との間に空隙２３０が形成されている。この特徴は、鉄心４２０から金属部（ベタパターン）への磁気漏れおよび鉄心４２０から回路基板２１０における他の部材への磁気漏れを防ぐ観点から有利である。
［２次側回路５００］
図１２に、電気回路ユニット２００の２次側回路５００を示す。２次側回路５００の２次側端子４０７には、交流電圧Ｖacが印加される。交流電圧Ｖacは、電源６００の電源電力を利用して生成されるものである。２次側回路５００は、交流電圧Ｖacから第２直流電圧Ｖdc2を生成する。なお、２次側端子４０７は、２次側の巻線である第３巻線４３３の両端に存する端子である。同様に、１次側の巻線（第１巻線４３１および第２巻線４３２）の両端に存する端子を１次側端子と呼ぶことができる。
２次側回路５００は、第１のダイオード５３１と、第２のダイオード５３２と、第１の共振コンデンサ５１１と、第２の共振コンデンサ５１２と、整流コンデンサ５２１と、インバータ５８０と、を有している。
第１のダイオード５３１と、第２のダイオード５３２と、第１の共振コンデンサ５１１と、第２の共振コンデンサ５１２と、整流コンデンサ５２１と、が協働して、交流電圧Ｖacから第２直流電圧Ｖdc2を生成する。インバータ５８０が、第２直流電圧Ｖdc2から交流電圧を生成する。
第１のダイオード５３１は、第１のアノード５３１ａおよび第１のカソード５３１ｃを有している。第２のダイオード５３２は、第２のアノード５３２ａおよび第２のカソード５３２ｃを有している。第１のダイオード５３１および第２のダイオード５３２としては、公知のダイオードを使用することができる。
第１の共振コンデンサ５１１および第２の共振コンデンサ５１２は、電流共振を発生させるためのコンデンサである。第１の共振コンデンサ５１１および第２の共振コンデンサ５１２としては、公知のコンデンサを使用することができる。
整流コンデンサ５２１には、第２直流電圧Ｖdc2が印加される。整流コンデンサ５２１としては、公知のコンデンサを使用することができる。
第１の共振コンデンサ５１１の容量は、整流コンデンサ５２１の容量に比べて小さい。第２の共振コンデンサ５１２の容量は、整流コンデンサ５２１の容量に比べて小さい。具体的に、本実施形態では、第１の共振コンデンサ５１１の容量に対する整流コンデンサ５２１の容量の比率は、１０倍以上である。上記比率は、５０倍以上であってもよく、１００倍以上であってもよく、５００倍以上であってもよい。上記比率は、例えば１０００倍以下である。本実施形態では、第２の共振コンデンサ５１２の容量に対する整流コンデンサ５２１の容量の比率は、１０倍以上であり、５０倍以上であってもよく、１００倍以上であってもよく、５００倍以上であってもよい。上記比率は、例えば１０００倍以下である。
特に限定されないが、第１の共振コンデンサ５１１の容量は、例えば０．０１〜５０μＦである。第２の共振コンデンサ５１２の容量は例えば、０．０１〜５０μＦである。整流コンデンサ５２１の容量は、例えば１００〜１００００μＦである。
本実施形態では、第１の共振コンデンサ５１１の容量と、第２の共振コンデンサ５１２の容量は同じである。ただし、第１の共振コンデンサ５１１の容量は、第２の共振コンデンサ５１２の容量と異なっていてもよい。
インバータ５８０は、第２直流電圧Ｖdc2を交流電圧に変換する。インバータ５８０としては、公知のインバータを使用できる。
図１２から理解されるように、トランス４００の２次側端子４０７の一端４０７ｔ１と２次側端子４０７の他端４０７ｔ２とを接続する経路として、４つの経路が存在する。４つの経路のうちの１つ目は、一端４０７ｔ１から他端４０７ｔ２に向かって順に、第１のアノード５３１ａ、第１のカソード５３１ｃおよび第１の共振コンデンサ５１１を通る経路である。２つ目は、一端４０７ｔ１から他端４０７ｔ２に向かって順に、第１のアノード５３１ａ、第１のカソード５３１ｃ、整流コンデンサ５２１および第２の共振コンデンサ５１２を通る経路である。３つ目は、他端４０７ｔ２から一端４０７ｔ１に向かって順に、第２の共振コンデンサ５１２、第２のアノード５３２ａおよび第２のカソード５３２ｃを通る経路である。４つ目は、、他端４０７ｔ２から一端４０７ｔ１に向かって順に、第１の共振コンデンサ５１１、整流コンデンサ５２１、第２のアノード５３２ａおよび第２のカソード５３２ｃを通る経路である。
具体的に、第１の共振コンデンサ５１１の一端５１１ｍと、第１のカソード５３１ｃとは、同電位に接続されている。第２の共振コンデンサ５１２の一端５１２ｍと、第２のアノード５３２ａとは、同電位に接続されている。第１の共振コンデンサ５１１の他端５１１ｎと、第２の共振コンデンサ５１２の他端５１２ｎとは、同電位に接続されている。
上述のように、２次側端子４０７の一端４０７ｔ１と２次側端子４０７の他端４０７ｔ２とを接続する経路として、４つの経路が存在する。これらの経路の存在により、４つの電流経路が構成されることになる。すなわち、図１３Ａに示すように、２次側端子４０７の他端４０７ｔ２の電位に比べて２次側端子４０７の一端４０７ｔ１の電位が高い第１モードにおいて、一端４０７ｔ１から他端４０７ｔ２に至る第１電流経路５５１および第２電流経路５５２が構成される。図１３Ｂに示すように、一端４０７ｔ１の電位に比べ他端４０７ｔ２の電位が高い第２モードにおいて、他端４０７ｔ２から一端４０７ｔ１に至る第３電流経路５５３および第４電流経路５５４が構成される。第１電流経路５５１は、一端４０７ｔ１と、第１のダイオード５３１と、第１の共振コンデンサ５１１と、他端４０７ｔ２とをこの順に電流が流れる電流経路である。第２電流経路５５２は、一端４０７ｔ１と、第１のダイオード５３１と、整流コンデンサ５２１と、第２の共振コンデンサ５１２と、他端４０７ｔ２とをこの順に電流が流れる電流経路である。第３電流経路５５３は、他端４０７ｔと、第２の共振コンデンサ５１２と、第２のダイオード５３２と、一端４０７ｔ１とをこの順に電流が流れる電流経路である。第４電流経路５５４は、他端４０７ｔ２と、第１の共振コンデンサ５１１と、整流コンデンサ５２１と、第２のダイオード５３２と、一端４０７ｔ１とをこの順に電流が流れる電流経路である。
２次側回路５００は、以下で説明する理由で、昇圧および整流の機能、具体的には倍電圧整流の機能を有する。以下の説明では、第１の共振コンデンサ５１１の容量はＣ1であり、第２の共振コンデンサ５１２の容量はＣ2であり、整流コンデンサ５２１の容量はＣ3であり、Ｃ3はＣ1に比べて十分に大きく、Ｃ3はＣ2に比べて十分に大きいこととする。第２電流経路５５２では、整流コンデンサ５２１と第２の共振コンデンサ５１２とが直列に接続されている。Ｃ3はＣ2に比べて十分に大きいことを考慮すると、これらのコンデンサの合成容量Ｃ32に関し、以下の数式が成立する。
１／Ｃ32＝１／Ｃ3／＋１／Ｃ2≒１／Ｃ2
従って合成容量Ｃ32はＣ2に近似される。第１電流経路５５１におけるコンデンサ（第１の共振コンデンサ５１１）と、第２電流経路５５２におけるコンデンサ（整流コンデンサ５２１および第２の共振コンデンサ５１２）とが並列コンデンサ回路を構成している考えることができる。この並列コンデンサ回路の合成容量Ｃxに関し、以下の数式が成立する。
Ｃx＝Ｃ1＋Ｃ32≒Ｃ1＋Ｃ2
第４電流経路５５４では、第１の共振コンデンサ５１１と整流コンデンサ５２１とが直列に接続されている。Ｃ3はＣ1に比べて十分に大きいことを考慮すると、これらのコンデンサの合成容量Ｃ31に関し、以下の数式が成立する。
１／Ｃ31＝１／Ｃ3／＋１／Ｃ1≒１／Ｃ1
従って合成容量Ｃ31はＣ1に近似される。第３電流経路５５３におけるコンデンサ（第２の共振コンデンサ５１２）と、第４電流経路５５４におけるコンデンサ（第１の共振コンデンサ５１１および整流コンデンサ５２１）とが並列コンデンサ回路を構成している考えることができる。この並列コンデンサ回路の合成容量Ｃyに関し、以下の数式が成立する。
Ｃy＝Ｃ2＋Ｃ31≒Ｃ2＋Ｃ1
すなわち、第１モードにおける合成容量Ｃxと第２モードにおけるＣyとは実質的に同じであると考えることができる。このため、第１モードにおいても、第２モードにおいても、整流コンデンサ５２１の一端５２１ｍの電位が他端５２１ｎの電位に比べて高くなるように、整流コンデンサ５２１が実質的に同様に充電される。このようにして、２次側回路５００における昇圧および整流の機能、具体的には倍電圧整流の機能が実現される。これにより、整流コンデンサ５２１に第２直流電圧Ｖdc2が印加される。
２次側回路５００は、以下で説明する理由で、電流共振の機能を有する。すなわち、トランス４００の２次側端子４０７は、周波数Ｆの交流電圧を出力する。そして、第１モードにおいて、トランス４００のリーケージインダクタンス（１次側のリーケージインダクタンス）と、第１電流経路５５１における容量成分および誘導成分とが、周波数Ｆを共振周波数とする第１の直列共振回路を構成する。第２モードにおいて、トランス４００のリーケージインダクタンスと、第３電流経路５５３における容量成分および誘導成分とが、周波数Ｆを共振周波数とする第２の直列共振回路を構成する。このようにして、電流共振回路の機能が実現される。
本実施形態の２次側回路５００の利点を、図１５および１６に示す構成と対比しながら説明する。
図１５に示す構成も、電流共振回路および整流回路の両方の機能を有する。図１５の電源７１０は、直流電圧を生成する。この直流電圧は、電気回路ユニット７０５に供給される。具体的に、４つのスイッチング素子７２０は、直流電圧を交流電圧（１次側の交流電圧）に変換する。トランス７３７は、１次側の交流電圧を昇圧し、２次側の交流電圧を生成する。トランス７３７のリーケージインダクタンスおよび共振コンデンサ７４０により、電流共振が発生する。４つのダイオード７４１および整流コンデンサ７０４により、２次側の交流電圧が整流される。整流により得られた直流電圧は、インバータ７８０に供給される。
電気回路ユニット７０５では、トランス７３７のみが昇圧を担う。このため、電気回路ユニット７０５では、トランス７３７の１次側の巻線と２次側の巻線の巻線比が大きくなり易い。大きい巻線比は、電圧変換効率の低下と、トランスの高コスト化と、トランスの大型化と、を招き易い。
上記の問題点を解決するには、トランスのみに昇圧機能を担わせるのではなく、他の機構に昇圧機能を分担させることが考えられる。具体的には、図１６に示すようにトランスおよび２次側の構成を変更することが考えられる。
図１６において、トランス８３７は、巻線比がトランス７３７の巻線比の半分であるトランスである（図１６では、トランス８３７の１次側の巻線は省略されている）。トランス８３７の２次側の巻線の一端８３８ｔ１の電位が同巻線の他端８３８ｔ２の電位よりも高い第１モードにおいて、一端８３８ｔ１、ダイオード８４１Ａ、整流コンデンサ８０４Ａ、共振コンデンサ８４０および他端８３８ｔ２を電流がこの順で流れる第１電流経路が構成される。トランス８３７の２次側の巻線の一端８３８ｔ１の電位が同巻線の他端８３８ｔ２の電位よりも低い第２モードにおいて、他端８３８ｔ２、共振コンデンサ８４０、整流コンデンサ８０４Ｂ、ダイオード８４１Ｂおよび一端８３８ｔ１を電流がこの順で流れる第２電流経路が構成される。
整流コンデンサ８０４Ａ，８０４Ｂの容量に比べて共振コンデンサ８４０の容量は十分に小さい。このため、第１電流経路における整流コンデンサ８０４Ａおよび共振コンデンサ８４０の合成容量は実質的に共振コンデンサ８４０の容量と同じとなり、第１モードではトランス８３７のリーケージインダクタンスおよび共振コンデンサ８４０の容量に基づく直列共振回路が構成されると考えることができる。第２モードでもトランス８３７のリーケージインダクタンスおよび共振コンデンサ８４０の容量に基づく直列共振回路が構成されると考えることができる。すなわち、第１モードおよび第２モードの両方において、電流共振が実現される。
第１モードにおいて整流コンデンサ８０４Ａが充電され、第２モードにおいて整流コンデンサ８０４Ｂが充電される。整流コンデンサ８０４Ａと整流コンデンサ８０４Ｂとは、直列接続されることによって、直列回路を構成している。この直列回路の両端に昇圧された直流電圧が現れる。こうして、倍電圧整流が実現される。
以上のように、図１６の構成によれば、電流共振および倍電圧整流が実現される。トランス８３７の巻線比はトランス７３７の巻線比の半分であるが、倍電圧整流は電圧を２倍にする。従って、図１６の構成によれば、図１５の構成を採用する場合と同じ電合をインバータ７８０に供給することができる。しかも、トランス８３７の巻線比はトランス７３７の巻線比よりも小さいので、トランス８３７は、トランス７３７に比べて、高い電圧変換効率を得易いものであり、低コストで実現し易いものであり、かつ小型にし易いものである。
しかしながら、図１６の構成は、２つの整流コンデンサ８０４Ａ，８０４Ｂを必須とする。共振コンデンサに比べ、整流コンデンサは、容量が大きいことが通常である。従って、共振コンデンサに比べ、整流コンデンサは、高価となり易く、大型となり易い。
これに対し、本実施形態の技術によれば、コンデンサの価格およびサイズの問題を緩和できる。この点について、具体例を用いて説明する。この具体例では、第１の共振コンデンサ５１１の容量は２．５μＦであり、第２の共振コンデンサ５１２の容量は２．５μＦであり、整流コンデンサ５２１の容量は２５０μＦであるとする。この具体例の２次側回路５００と同様の昇圧機能、電流共振機能および整流機能を図１６の２次側回路に持たせるには、共振コンデンサ８４０の容量を５μＦとし、整流コンデンサ８０４Ａの容量を５００μＦとし、整流コンデンサ８０４Ｂの容量を５００μＦとする必要がある。２次側回路５００の各コンデンサの容量は、図１６の各コンデンサの容量の半分でよい。しかも、２つの整流コンデンサを必須とする図１６の２次側回路とは異なり、２次側回路５００では１つの整流コンデンサで足りる。以上の説明から、図１６の２次側回路に比べ、本実施形態の２次側回路５００が、小サイズ化および低コスト化の観点から有利であることが定量的に理解される。
なお、念のために断っておくが、本開示の１次側回路３００、トランス４００等の技術は、図１５または図１６に示す構成と組み合わせて利用することもできる。
本実施形態では、整流コンデンサ５２１の容量の半分の容量を基準容量と定義し、第１電流経路５５１、第２電流経路５５２、第３電流経路５５３および第４電流経路５５４の少なくとも１つが占める領域を領域Ｒと定義したとき、領域Ｒにおいて、基準容量よりも小さい容量のコンデンサの数は、基準容量よりも大きい容量のコンデンサの数よりも多い。具体的に、領域Ｒにおける基準容量よりも大きい容量のコンデンサは整流コンデンサ５２１のみである。これらの特徴は、２次側回路５００のサイズおよび価格を小さくするのに有利である。
図１２に示す例では、電気回路ユニット２００（２次側回路５００）は、第１の接続経路５７１と、第２の接続経路５７２とを有している。第１の接続経路５７１は、第１の共振コンデンサ５１１の他端５１１ｎと第２の共振コンデンサ５１２の他端５１２ｎとを接続する。第２の接続経路５７２は、第１の接続経路５７１と２次側端子４０７の他端４０７ｔ２とを接続する。本実施形態では、第２の接続経路５７２は、コンデンサを有しない。このことは、低コストで電気回路ユニット２００を実現するのに有利である。具体的には、本実施形態では、第１の共振コンデンサ５１１の他端５１１ｎと、第２の共振コンデンサ５１２の他端５１２ｎと、２次側端子４０７の他端４０７ｔ２とが同電位に接続されている。より具体的には、第１の接続経路５７１および第２の接続経路５７２は電線によって構成されている。
ただし、第２の接続経路５７２は、コンデンサを有していてもよい。図１４に示す変形実施形態では、第２の接続経路５７２は、設計余裕度を改善するためのコンデンサ５６０を有している。なお、設計余裕度は、電気回路ユニット２００が所望の動作を行うために、電気回路ユニット２００における抵抗成分、容量成分、誘導成分等が設計値からどの程度の誤差範囲に収まっていればよいのかを表す指標である。具体的に、寄生抵抗、寄生容量、寄生インダクタンス等が誤差の要因となり得る。コンデンサ５６０によれば、上記誤差が原因で電流共振が発生しなくなる事態を回避し易くなる。この例では、コンデンサ５６０の容量は、第１の共振コンデンサ５１１の容量よりも小さく、かつ、第２の共振コンデンサ５１２の容量よりも小さい。コンデンサ５６０の容量は小さいので、コンデンサ５６０の追加は、２次側回路５００の大幅な大型化を招いたり大幅なコスト増を招いたりし難い。コンデンサ５６０の容量は、例えば、第１の共振コンデンサ５１１または第２の共振コンデンサ５１２の容量の半分以下であり、１／５以下であってもよい。
［燃料電池システムへの応用］
回路付電源ユニット１００を含む燃料電池システムを構成することができる。図１７に、そのような燃料電池システムの例を示す。図１７に示す燃料電池システム９００は、家庭用の燃料電池コージェネレーションシステムである。ただし、回路付電源ユニット１００を含む燃料電池システムの用途は家庭用に限定されない。また、回路付電源ユニット１００を含む燃料電池システムは、コージェネレーションシステムを構成していなくてもよい。
燃料電池システム９００は、燃料電池ユニット９２０と、貯湯ユニット９３０と、を有している。
燃料電池ユニット９２０は、燃料処理器９２１と、セルスタック９２２と、電力変換部９２３と、熱交換器９２７と、を有している。
燃料処理器９２１は、燃料ガス９５１から水素９５３を生成する。燃料ガス９５１としては、都市ガス、液化石油ガス（ＬＰガス）および灯油が例示される。
セルスタック９２２は、酸素９５２および水素９５３から直流電力９６１を生成する。直流電力９６１の生成の際に、排熱９７１が生成される。
電力変換機部９２３は、直流電力９６１を交流電力９６２に変換する。交流電力９６２は、負荷において利用される。
貯湯ユニット９３０は、貯湯タンク９３１と、バックアップ給湯器９３２と、を有している。
貯湯ユニット９３０の冷水９８１は、燃料電池ユニット９２０の熱交換器９２７に供給される。熱交換器９２７では、排熱９７１により、冷水９８１から温水９８２が生成される。生成された温水９８２は、貯湯タンク９３１に蓄えられる。貯湯タンク９３１に蓄えられた温水９８２は、必要なときに取り出される。
バックアップ給湯器９３２は、温水９８２が不足しているときに冷水９８１から温水９８２を生成する。
セルスタック９２２は、燃料電池を構成する。セルスタック９２２は、図１の電源６００として利用できる。電力変換部９２３として、図１の電気回路ユニット２００を利用できる。すなわち、図１７に示す燃料電池システム９００は、水素９５３と酸素９５２とから電源電力を発電する燃料電池を電源６００とする回路付電源ユニット１００を含んでいる。
以下、燃料電池システム９００において電気回路ユニット２００を用いることの利点を、従来技術に触れつつ説明する。
従来、燃料電池を含む燃料電池システムが用いられている。燃料電池は１ｋＷクラスの直流電力と、１０〜４０Ｖの電圧と、大電流（セルスタックのセル数に反比例する大電流）と、を生成するものである。典型的には、１０〜４０Ｖの電圧は、４００Ｖまで昇圧される。この昇圧のために、トランスが用いられる。１０〜４０Ｖの直流電圧を４００Ｖの直流電圧に変換するには、トランスの１次側の巻線の巻数に対する２次側の巻線の巻数の比（巻線比）を大きくする必要がある。しかし、大きい巻線比は、トランスの大型化と、電圧変換効率の低下とを招く。しかも、近年においては、燃料電池のコスト削減を目的にセルスタックの積層数を減らす傾向にあり、従って燃料電池が生成する電圧は低下傾向にある。以上の理由で、図１５を用いて説明した問題点は、近年の燃料電池システムにおいて顕在化し易い。また、図１６の構成を用いてこの問題を解決することも考えられるが、図１６の構成にも課題があることは既に述べたとおりである。すなわち、燃料電池システム９００内に、電流共振および整流を行う電気回路ユニットであって電圧変換効率が高く、低コストで実現でき、かつ小型とし得る電気回路ユニットを含ませることには、大きな利点がある。
本実施形態の燃料電池システム９００は、燃料電池システム９００の電子部品の制御に用いられる電圧を取り出す第１ポート（図示せず）と、燃料電池システム９００の補機の制御に用いられる電圧を取り出す第２ポート（図示せず）と、を備えるものであってもよい。この場合、燃料電池システム９００は、第１ポートを利用して第１の端子３１１（図２Ａ〜図２Ｃ参照）の電位を第１の電位に設定し、第２ポートを利用して第２の端子３１２の電位を第２の電位に設定するものとすることができる。なお、燃料電池システム９００の電子部品は、図２Ａのクロック生成器３２０等である。燃料電池システム９００の補機は、ポンプ、弁等である。
また、改めて断るまでもないが、燃料電池システム９００は、図４Ａ〜図１１を用いて説明したトランス４００の利点も享受し得るものである。
本明細書に開示された技術は、燃料電池システム等に適用可能である。
１００ 回路付電源ユニット
１８１〜１８４ 位置
２００，７０５，８００ 電気回路ユニット
２１０ 回路基板
２１１，２２０，４０１ 領域
２３０ 空隙
２４１，２４２，２４３ｍ，２４３ｎ，４１９ 穴
３００ １次側回路
３０１Ａ，３０１Ｂ，３０２Ａ，３０２Ｂ，３０３Ａ，３０３Ｂ 駆動部
３１１，３１２，３１３ 端子
３２０ クロック生成器
３３１，３３２，５１１，５１２，５２１，５６０，７０４，７４０，８０４Ａ，８０４Ｂ，８４０ コンデンサ
３４１，３４２，３４３，５３１，５３２，７４１，８４１Ａ，８４１Ｂ ダイオード
３５１，３５２，３５３Ａ，３５３Ｂ，３５４，７２０ スイッチング素子
３５５ 増幅器
４００，７３７，８３７，８５０ トランス
４０７ ２次側端子
４１０ ボビン
４１１ 端子側フランジ部
４１２ 引き出し線側フランジ部
４２０，８５５ 鉄心
４３１，４３２，４３３，８５１，８５２，８５３，８５６，８５７ 巻線
４３１Ｌ，４３２Ｌ，８５６Ｌ，８５７Ｌ 引き出し線
４３１ｗ，４３２ｗ，４３３ｗ 巻回部
４３１ｗｄ，４３２ｗｄ 回転方向
４３１ｗｒ，４３２ｗｒ 基準平面
４３１ｗｘ，４３２ｗｘ 巻回軸
４３３ｉ 内側部分
４３３ｏ 外側部分
４３３ｔ 折り返し部分
４３５，４３６ 巻線部
４３８ 巻線セット
４４１，４４２，４４３ｍ，４４３ｎ，８５１Ｐｍ，８５１Ｐｎ，８５２Ｐｍ，８５２Ｐｎ，８５３Ｐｍ，８５３Ｐｎ，８５６Ｐ，８５７Ｐ 端子ピン
４６１，４６２ 圧着端子
４７１，４７２ 螺子
４８０，４８０ｔ，８５４ 絶縁部材
４９０ 絶縁スリーブ
５００ ２次側回路
５５１，５５２，５５３，５５４ 電流経路
５７１，５７２ 接続経路
５８０，７８０ インバータ
６００，７１０ 電源
９００ 燃料電池システム
９２０ 燃料電池ユニット
９２１ 燃料処理器
９２２ セルスタック
９２３ 電力変換部
９２７ 熱交換器
９３０ 貯湯ユニット
９３１ 貯湯タンク
９３２ バックアップ給湯器
９５１ 燃料ガス
９５２ 酸素
９５３ 水素
９６１ 直流電力
９６２ 交流電力
９６３ 余剰電力
９７１ 排熱
９８１ 冷水
９８２ 温水

Claims (11)

  1. 回路基板に取り付け可能なトランスであって、
    ボビンと、
    前記ボビンに装着された鉄心と、
    前記ボビンに巻回された巻線セットであって、前記巻線セットは１次側巻線部と２次側巻線部とを有し、前記１次側巻線部は第１巻線および第２巻線を有し、前記２次側巻線部は第３巻線を有し、前記第１巻線は巻き始めの位置から巻き終わりの位置までの部分である第１巻回部を有し、前記第２巻線は巻き始めの位置から巻き終わりの位置までの部分である第２巻回部を有する巻線セットと、を備え、
    前記第１巻線の一端は、前記回路基板に差し込み可能な少なくとも１つの第１端子ピンにより前記ボビンに固定され、
    前記第２巻線の一端は、前記回路基板に差し込み可能な少なくとも１つの第２端子ピンにより前記ボビンに固定され、
    前記第１巻線では、前記第１巻回部の一端と、前記第１巻回部の他端と、前記第１巻線の他端であって前記ボビンに固定されていない他端と、がこの順に並んでおり、
    前記第２巻線では、前記第２巻回部の一端と、前記第２巻回部の他端と、前記第２巻線の他端であって前記ボビンに固定されていない他端と、がこの順に並んでおり、
    前記第１巻回部の前記一端を通り前記第１巻回部の巻回軸に直交する平面を第１基準平面と定義したとき、前記第１巻回部は、第１回転方向に回転しながら前記第１基準平面から離れていく形状を有し、
    前記第２巻回部の前記一端を通り前記第２巻回部の巻回軸に直交する平面を第２基準平面と定義したとき、前記第２巻回部は、第２回転方向に回転しながら前記第２基準平面から離れていく形状を有し、
    前記第２回転方向は、前記第１回転方向の反対方向であり、
    前記トランスは、前記第１端子ピンと前記第２端子ピンが同電位に接続された状態において、前記第１巻線の前記他端に比べ前記第１巻線の前記一端が高電位になるように前記第１巻線に電圧が印加され一方で前記第２巻線に電圧が印加されないタイミングと、前記第２巻線の前記他端に比べ前記第２巻線の前記一端が高電位になるように前記第２巻線に電圧が印加され一方で前記第１巻線に電圧が印加されないタイミングと、が繰り返しおとずれることで、前記第３巻線に交流電圧が印加されるように構成されており、
    前記第１巻線の前記他端を含む前記第１巻線の一部分によって第１引き出し線が構成され、
    前記第２巻線の前記他端を含む前記第２巻線の一部分によって第２引き出し線が構成されている、トランス。
  2. 前記第３巻線は巻き始めの位置から巻き終わりの位置までの部分である第３巻回部を有し、
    前記第３巻回部は、前記第１巻回部および前記第２巻回部の一方を取り囲むように巻回され、
    前記第１巻回部および前記第２巻回部の他方は、前記第３巻回部を取り囲むように巻回されている、請求項１に記載のトランス。
  3. 前記トランスは、筒状の絶縁部材を備え、
    前記第３巻線の巻数は、前記第１巻線の巻数よりも多く、前記第２巻線の巻数よりも多く、
    前記第３巻線の一端は、前記回路基板に差し込み可能な少なくとも１つの一端側端子ピンにより前記ボビンに固定され、
    前記第３巻線の他端は、前記回路基板に差し込み可能な少なくとも１つの他端側端子ピンにより前記ボビンに固定され、
    前記第３巻線は、前記絶縁部材の内側で巻回された内側部分と、前記絶縁部材の外側で巻回された外側部分と、前記内側部分と前記外側部分とを接続する折り返し部分と、を有する、請求項１または２に記載のトランス。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のトランスと、
    前記回路基板と、を備えた、電気回路ユニット。
  5. 前記電気回路ユニットは、ひとまとまりの金属部を有し、
    前記少なくとも１つの第１端子ピンおよび前記少なくとも１つの第２端子ピンは、前記金属部に接触している、請求項４に記載の電気回路ユニット。
  6. 前記金属部は、前記鉄心と離間しており、
    前記回路基板と前記鉄心との間には空隙が形成されている、請求項５に記載の電気回路ユニット。
  7. １次側回路と、
    ２次側回路と、を備え、
    前記１次側回路と前記トランスとが協働して第１直流電圧から前記第３巻線に印加される交流電圧を生成し、
    前記２次側回路は、前記第３巻線の前記交流電圧から第２直流電圧を生成する、請求項４〜６のいずれか１項に記載の電気回路ユニット。
  8. 前記１次側回路は、一対のスイッチング素子を有し、
    前記一対のスイッチング素子の一方と前記第１巻線とが直列接続された第１直列回路であって、前記第１直流電圧が印加される第１直列回路が形成され、
    前記一対のスイッチング素子の他方と前記第２巻線とが直列接続された第２直列回路であって、前記第１直流電圧が印加される第２直列回路が形成され、
    前記一対のスイッチング素子の前記一方は、前記第１直流電圧から前記第１巻線に印加される電圧を生成し、
    前記一対のスイッチング素子の前記他方は、前記第１直流電圧から前記第２巻線に印加される電圧を生成する、請求項７に記載の電気回路ユニット。
  9. 前記電気回路ユニットは、第１の電位の部分と第２の電位が部分とが設定されたときに第３の電位の部分が現れる少なくとも１つの駆動部を有し、
    前記少なくとも１つの駆動部は、
    前記第１の電位に設定される第１の端子と、
    前記第２の電位に設定される第２の端子と、
    クロック信号を生成するクロック生成器と、
    第１のコンデンサと、
    前記第３の電位が現れる第２のコンデンサと、
    第１のアノードおよび第１のカソードを有する第１のダイオードと、
    第２のアノードおよび第２のカソードを有する第２のダイオードと、
    第３のアノードおよび第３のカソードを有する第３のダイオードと、
    前記第１の電位によって定まる第１出力電位を出力可能な第１出力部を有する第１のスイッチング素子と、
    前記第３の電位によって定まる第２出力電位を出力可能な第２出力部を有する第２のスイッチング素子と、を備え、
    前記第１出力部の電位が前記第１出力電位となるタイミングと前記第１出力電位ではない電位となるタイミングとは、前記クロック信号によって規定され、
    前記第２出力部の電位が前記第２出力電位となるタイミングと前記第２出力電位ではない電位となるタイミングとは、前記クロック信号によって規定され、
    前記第１出力部と前記第２のコンデンサとを接続する経路として、前記第１出力部から前記第２のコンデンサに向かって順に、前記第１のコンデンサ、前記第２のアノードおよび第２のカソードを通る経路が存在し、
    前記第２の端子と前記第２のコンデンサとを接続する経路として、前記第２の端子から前記第２のコンデンサに向かって順に、前記第１のアノード、前記第１のカソード、前記第２のアノードおよび第２のカソードを通る経路と、前記第２の端子から前記第２のコンデンサに向かって順に、前記第３のアノードおよび前記第３のカソードを通る経路とが存在し、
    前記一対のスイッチング素子は、前記少なくとも１つの駆動部によって駆動される、請求項８に記載の電気回路ユニット。
  10. 請求項７〜９のいずれか１項に記載の電気回路ユニットと、
    直流の電源電力を発電する少なくとも１つの電源とを備え、
    前記電源電力を利用して、前記第１直流電圧を生成する、回路付電源ユニット。
  11. 請求項１０に記載の回路付電源ユニットを備え、
    前記少なくとも１つの電源は、水素と酸素とから前記電源電力を発電する少なくとも１つの燃料電池である、燃料電池システム。
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