JP6922131B2 - トランス及びｄｃ−ｄｃコンバータ - Google Patents

Description

本発明は、トランス及びＤＣ−ＤＣコンバータに関する。

絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、トランスの漏れインダクタンスをコンバータのエネルギーの蓄積素子として利用する場合がある。これにより、回路全体の小型化が期待できる。

トランスの漏れインダクタンスを調整するためには、トランスのコアの構造の工夫（特許文献１）や巻線の巻き方の工夫（特許文献２）など、様々な方法がある。

特開２００８−８５００４号公報 特開２０１３−７４１４４号公報

特許文献１に示すようにコアに磁気ギャップを設けて漏れインダクタンスを調整する場合、所望の漏れインダクタンスを実現するために磁気ギャップを大きくとると、コアが大きくなり、装置の大型化を招くことになる。

同様に、特許文献２に示すように、一次コイルと二次コイルを軸方向に並べて配置するとトランスが軸方向に大きくなり、装置の大型化を招くことになる。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、漏れインダクタンスを所定の値に設定すると共に、小型化を可能とする技術の提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のトランスは、
一次コイルと二次コイルとを同軸上に設け、
前記一次コイルが第１の一次コイル部と第２の一次コイル部とを直列に有し、
前記二次コイルが第１の二次コイル部と第２の二次コイル部とを直列に有し、
前記第１の一次コイル部及び前記第１の二次コイル部の外側に、前記第２の一次コイル部及び前記第２の二次コイル部を設け、前記第２の一次コイル部と前記第２の二次コイル部との結合度を前記第１の一次コイル部と前記第１の二次コイル部との結合度よりも低く設定した。

これにより、本発明のトランスは、結合度の低い第２の一次コイル部と前記第２の二次コイル部の巻き数や、第１の一次コイル部に対する第２の一次コイル部の巻き数比及び第１の二次コイル部に対する第２の二次コイル部の巻き数比を調整することにより、漏れインダクタンスを所定の値に設定できる。

また、本発明のトランスは、前記第１の一次コイル部と前記第１の二次コイル部とが積層巻き構造とされ、前記第２の一次コイル部と前記第２の二次コイル部とが分割巻き構造とされてもよい。

これにより、第１の一次コイル部及び第１の二次コイル部が主に電力の伝送を行い、第２の一次コイル部及び第２の二次コイル部が主に漏れインダクタンスを調整する構成としており、電力の伝送に寄与する部分と漏れインダクタンスの調整に寄与する部分とが明確に分かれているため、トランスの設計や漏れインダクタンスの設定が容易となる。

また、上記課題を解決するため、本発明のＤＣ−ＤＣコンバータは、前記トランスを備える。

本発明によれば、漏れインダクタンスを所定の値に設定すると共に、小型化を可能とする技術を提供することができる。

図１は、本発明に係るトランスを用いた双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの回路構成図である。 図２は、トランスの外観斜視図である。 図３は、トランスの分解斜視図である。 図４は、図２に示されたＡ−Ａ線における断面図である。 図５は、チョークコイルをトランスと別体に備えた従来の構成と本実施形態のトランスとを比較した例を示す図である。 図６は、トランスの変形例１を示す図である。 図７は、トランスの変形例２を示す図である。

以下、本技術を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係るトランスを用いた双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１００の回路構成図である。図１において、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１００は、トランス１０を挟んで図中左側の一次変換回路部１１０と、図中右側の二次変換回路部１２０からなる。なお、本実施形態では、一次変換回路部１１０を高圧側回路、二次変換回路部１２０を低圧側回路としている。

一次変換回路部１１０の入出力端である正極１０１と負極１０２の間には、平滑コンデンサＣ１や、スイッチング素子Ｓ１のソースとスイッチング素子Ｓ３のドレインとを接続して成る第１のスイッチングアーム、スイッチング素子Ｓ２のソースとスイッチング素子Ｓ４のドレインとを接続して成る第２のスイッチングアームが並列に接続されている。

また、スイッチング素子Ｓ１のソースとスイッチング素子Ｓ３のドレインとの接続点と、スイッチング素子Ｓ４のドレインとスイッチング素子Ｓ２のソースとの接続点との間に、トランス１０の一次コイル１１が接続されている。

二次変換回路部１２０の入出力端である正極１０３と負極１０４の間には、平滑コンデンサＣ２が接続されている。また、正極１０３と負極１０４の間には、スイッチング素子Ｓ５のソースとスイッチング素子Ｓ７のドレインとを接続して成る第１のスイッチングアーム、スイッチング素子Ｓ６のソースとスイッチング素子Ｓ８のドレインとを接続して成る第２のスイッチングアームが並列に接続されている。

スイッチング素子Ｓ５のソースとスイッチング素子Ｓ７のドレインとの接続点と、スイッチング素子Ｓ８のドレインとスイッチング素子Ｓ６のソースとの接続点との間に、トランス１０の二次コイル１２が接続されている。

本実施例では、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ８としてＮ型のＭＯＳＦＥＴを用いたが、本発明のスイッチング素子の種類は、これに限られるものではない。このスイッチング素子の種類は、例えば、Ｐ型のＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、その他トランジスタを採用してもよい。

スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ８のドレイン−ソース間には、ソース側からドレイン側へ電流を流すように、還流ダイオードＤ１〜Ｄ８がそれぞれ接続されている。ここで、還流ダイオードＤ１〜Ｄ８としてスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ８の寄生ダイオード（ボディダイオード）を利用することもできる。スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ８は、不図示の制御装置によってスイッチング制御される。

図１においてトランス１０内に示したコイル２１は、一次コイル１１の漏れインダクタンスの作用を等価回路として示した仮想のものである。本実施形態のトランス１０は、この漏れインダクタンスを所定の値に設定することで、チョークコイルのように、エネルギー蓄積要素として機能する。

図２は、トランス１０の外観斜視図、図３は、トランス１０の分解斜視図、図４は、図２に示されたＡ−Ａ線における断面図である。トランス１０は、一次コイル１１と、二次コイル１２と、コア１３とを備えている。なお、図２〜図４は、トランス１０を模式的に示しており、図２〜図４における一次コイル１１や二次コイル１２、コア１３の形状が、実際のトランスにおける各部の形状と必ずしも一致するものではない。

コア１３は、Ｘ−Ｚ断面がＥ字状の第一コア部１３Ａと、Ｘ−Ｚ断面がＩ字状の第二コア部１３Ｂとを有するＥ―Ｉ型である。第一コア部１３Ａは、中央脚１３１と、その両側を囲む側脚１３２と、中央脚１３１及び左右の側脚１３２とを連結する板状部１３３とを有している。換言すると、左右の側脚１３２と板状部１３３がコの字状に接続され、コの字の内側となる板状部１３３の内壁面（Ｙ−Ｘ面）の中央に中央脚１３１が接合されている。中央脚１３１は、板状部１３３と接合した底面が円形であり、板状部１３３の内壁面から所定の高さを有した円柱形である。この中央脚１３１に一次コイルと二次コイルとが同軸に巻設される。この中央脚１３１の板状部１３３側の底面の中心と他の端面の中心を通る直線を中心軸１３９としている（図４）。

そして、左右の側脚１３２と板状部１３３が成すコの字の開口部分にＩ字状の第二コア部１３Ｂが組み付けられることで、閉じた磁気回路が構成される。なお、コア１３の材質は、特に限定されるものではないが、本実施形態では、高周波帯域のコアロスを抑えるため、フェライトを用いている。

一次コイル１１及び二次コイル１２は、銅又は銅合金を絶縁被覆した導線を巻回した断面円形の巻線である。一次コイル１１及び二次コイル１２の材質や形態は、これに限定されるものではなく、平角線や撚線を用いてもよい。

図４に示すように、コア１３の中央脚１３１の外周に一次コイル１１を成す巻線を二層に巻いて第１の一次コイル部１１Ａとし、この第１の一次コイル部１１Ａの外周に二次コイル１２を成す巻線を二層に巻いて第１の二次コイル部１２Ａとする。図４の例では、中央脚１３１の周囲であって、板状部１３３の内壁と第二コア部１３Ｂの内壁との間の領域に一次コイル１１及び二次コイル１２を設ける構成としている。第１の一次コイル部１１Ａ及び第１の二次コイル部１２Ａは、この領域における中央脚１３１の中心軸１３９方向の幅（以下、巻き幅とも称す）ＷＡの全幅にわたって均一に巻回される。

そして、第１の一次コイル部１１Ａの一端を外部に引き出して引出線１１Ｃ（図３）と
し、他端部を第１の二次コイル部１２Ａの外周における巻き幅ＷＡの一部に巻いて第２の一次コイル部１１Ｂとしている。本実施形態では、第二コア部１３Ｂの内壁と接する位置から巻き始めて間隔を空けずに３回巻き付け、更にその外周に３回巻き付けて第２の一次コイル部１１Ｂを構成した。この第２の一次コイル部１１Ｂを構成した後の巻線の端部、即ち第１の一次コイル部１１Ａとつながっていない端部を外部に引き出して引出線１１Ｄとしている。

同様に、第１の二次コイル部１２Ａの一端を外部に引き出して引出線１２Ｃ（図３）とし、他端部を第１の二次コイル部１２Ａの外周における巻き幅ＷＡの一部に、前記第２の一次コイル部１１Ｂと所定の間隔ＷＢを隔てて巻いて第２の二次コイル部１２Ｂとしている。本実施形態では、板状部１３３の内壁と接する位置から巻き始めて間隔を空けずに３回巻き付け、更にその外周に３回巻き付けて第２の二次コイル部１２Ｂを構成した。この第２の二次コイル部１２Ｂを構成した後の巻線の端部、即ち第１の二次コイル部１２Ａとつながっていない端部を外部に引き出して引出線１２Ｄとしている。

このように第１の一次コイル部１１Ａと第１の二次コイル部１２Ａとを同じ巻き幅ＷＡにわたって同軸に巻設し、積層巻きとしたことにより、第１の一次コイル部１１Ａと第１の二次コイル部１２Ａの結合度を高めている。これにより第１の一次コイル部１１Ａと第１の二次コイル部１２Ａが、主に電力を伝送するように機能する。ここで結合度とは、一次コイル（第１の一次コイル部１１Ａ）と二次コイル（第１の二次コイル部１２Ａ）とがトランスとして働く程度を示す程度であり、例えば自己インダクタンスに対する有効インダクタンスの割合（結合係数）である。この結合度（結合係数）は、例えば、ＪＩＳ Ｃ
５３２１に定められた測定法によって自己インダクタンスと漏れインダクタンスを実測して求める。

そして、第２の一次コイル部１１Ｂと第２の二次コイル部１２Ｂとを中心軸１３９方向に所定距離ＷＢを隔てて巻設し、分割巻きとしたことにより、第２の一次コイル部１１Ｂと第２の二次コイル部１２Ｂの結合度を第１の一次コイル部１１Ａと第１の二次コイル部１２Ａの結合度よりも低く設定している。これにより、漏れインダクタンスを所要の値に設定でき、チョークコイルを備えたように機能する。

この漏れインダクタンスは、第２の一次コイル部１１Ｂと第２の二次コイル部１２Ｂの巻き数、或は第１の一次コイル部１１Ａに対する第２の一次コイル部１１Ｂの巻き数比及び第１の二次コイル部１２Ａに対する第２の二次コイル部１２Ｂの巻き数比に比例して増加する。このため、漏れインダクタンスが所要の値となるように前記巻き数、或は前記巻き数比を設定する。特に本実施形態では、第１の一次コイル部１１Ａ及び第１の二次コイル部１２Ａの外側に、第２の一次コイル部１１Ｂ及び第２の二次コイル部１２Ｂを配置したことにより、第２の一次コイル部１１Ｂ及び第２の二次コイル部１２Ｂと中央脚１３１との距離が、第１の一次コイル部１１Ａ及び第１の二次コイル部１２Ａと中央脚１３１との距離よりも長く、漏れインダクタンスを生じやすい構成としている。このため第２の一次コイル部１１Ｂ及び第２の二次コイル部１２Ｂの巻き数或は巻き数比によって、漏れインダクタンスを所定の値に設定するのに有利な構成となっている。

このように本実施形態によれば、トランス１０の漏れインダクタンスを所定の値に設定することにより、チョークコイルを備えた構成と同様の効果が得られるため、チョークコイルを備える必要がなく、チョークコイルを実際に備えた従来の構成と比べて、サイズや重量、損失を抑えることができる。

図５は、チョークコイルをトランスと別体に備えた従来の構成と本実施形態のトランスとを比較した例を示す図である。

図５において、実施例１は、容量を４ｋＷとした図２〜図４の構成のトランス１０を示し、比較例１は容量を４ｋＷとし、チョークコイルをトランスと別体に備えた従来の構成を示した。また、実施例２は、容量を６ｋＷとした図２〜図４の構成のトランス１０を示し、比較例２は容量を６ｋＷとし、チョークコイルをトランスと別体に備えた従来の構成を示した。なお、図５の体積比率、重さ比率、損失比率は何れも比較例１，２を１００％とした場合の実施例１，２の値を示している。

図５に示すように、実施例１は、比較例１と比べて、体積比率が７４．２％、重さ比率が８７．２％、損失比率４８．９％と、何れも低減している。また、実施例２は、比較例２と比べて、体積比率が８２．９％、重さ比率が９５．６％、損失比率４０．９％と、何れも低減している。

また、本実施形態によれば、第２の一次コイル部１１Ｂと第２の二次コイル部１２Ｂとを所定距離ＷＢだけ離間させて設けたことにより、第１の一次コイル部１１Ａ及び第１の二次コイル部１２Ａで生じた熱を離間部から逃がすことができ、発熱の影響を抑えることができる。

更に、本実施形態によれば、第１の一次コイル部１１Ａ及び第１の二次コイル部１２Ａが主に電力の伝送を行い、第２の一次コイル部１１Ｂ及び第２の二次コイル部１２Ｂが主に漏れインダクタンスを調整する構成としており、電力の伝送に寄与する部分と漏れインダクタンスの調整に寄与する部分とが明確に分かれているため、トランスの設計や漏れインダクタンスの設定が容易となる。

特に、本実施形態では、一次コイル１１と二次コイル１２の巻き数を同じとし、シンメトリーに構成したことにより、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１００の設計が容易となる。

<変形例>
図４の例では、内側に第１の一次コイル部１１Ａを巻設し、その外側に第１の二次コイル部１２Ａを巻設した例を示したが、これに限らず、内側に第１の二次コイル部１２Ａを巻設し、その外側に第１の一次コイル部１１Ａを巻設してもよい。

また、図６は、トランス１０の変形例１を示す図である。図６の例では、中央脚１３１の外周に第１の一次コイル部１１Ａを一層巻設し、その外側に第１の二次コイル部１２Ａを二層巻設し、その外側に第１の一次コイル部１１Ａを巻設して、所謂サンドイッチ巻き構造としている。なお、その他の構成は、前述の実施形態と同様である。これにより第１の一次コイル部１１Ａと第１の二次コイル部１２Ａの結合度を更に高めることができる。

図７は、トランス１０の変形例２を示す図である。図６の例では、中央脚１３１の外周に第１の一次コイル部１１Ａを一層巻設し、その外側に第１の二次コイル部１２Ａを一層巻設して、所謂サンドイッチ巻き構造としている。更に、この第１の二次コイル部１２Ａの外側に第１の一次コイル部１１Ａを巻設し、その外側に第１の二次コイル部１２Ａを一層巻設している。その他の構成は、前述の実施形態と同様である。なお、図７の例では、第１の一次コイル部１１Ａを最も内側として第１の一次コイル部１１Ａと第１の二次コイル部１２Ａを交互に設けたが、これに限らず、第１の二次コイル部１２Ａを最も内側として第１の二次コイル部１２Ａと第１の一次コイル部１１Ａを交互に設けてもよい。

本実施形態において、積層巻きとは、第１の一次コイル部１１Ａと、第１の二次コイル部１２Ａの巻線をそれぞれ、巻き幅ＷＡの全幅にわたって同軸に巻くことであり、これにより本実施形態の第１の一次コイル部１１Ａと第１の二次コイル部１２Ａは、中央脚１３
１を中心として層状に重ねて設けられている。なお、本実施形態では、図６、図７に示したサンドイッチ巻きも積層巻きの一形態である。

本実施形態で例示したトランス及びＤＣ−ＤＣコンバータ等は、実施形態での説明に限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲内で、適宜その構成や動作及び動作方法等を変更することができる。

本実施形態では、一次変換回路部側を高圧、二次変換回路部側を低圧とした例を示したが、これに限らず、一次変換回路部側を低圧、二次変換回路部側を高圧としてもよい。即ち、一次変換回路部の入出力端における直流電力を昇圧して二次変換回路部における入出力端から出力させ、また、二次変換回路部の入出力端における直流電力を降圧して一次変換回路部における入出力端から出力させる構成としてもよい。

更に、本実施形態では、双方向のＤＣ−ＤＣコンバータ１００の例を示したが、これに限らず、本発明のＤＣ−ＤＣコンバータは、一方向に電圧を変換する構成であってもよい。また、本実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータ１００は、フルブリッジ方式としたが、これに限らず、ハーフブリッジ方式や、プッシュプル方式、ＲＣＣ（Ringing Choke Converter）方式などであってもよい。なおトランスは、必要に応じて、第１の一次コイル部や第
１の二次コイル部に中点タップを設けてもよい。

また、本発明のトランスは、ＤＣ−ＤＣコンバータに限らず、電源回路や、インバータ、溶接機の安定器など他の機器に利用することができる。

１０ トランス
１１ 一次コイル
１１Ａ 第１の一次コイル部
１１Ｂ 第２の一次コイル部
１２ 二次コイル
１２Ａ 第１の二次コイル部
１２Ｂ 第２の二次コイル部
１３ コア
１３Ａ 第一コア部
１３Ｂ 第二コア部
２１，２２ コイル
１００ ＤＣ−ＤＣコンバータ

Claims (2)

1. 一次コイルと二次コイルとを同軸上に設けたトランスであって、
   前記一次コイルが第１の一次コイル部と第２の一次コイル部とを直列に有し、
   前記二次コイルが第１の二次コイル部と第２の二次コイル部とを直列に有し、
   前記第１の一次コイル部と前記第１の二次コイル部とを積層巻き構造とし、前記第１の一次コイル部及び前記第１の二次コイル部の外側に、前記第２の一次コイル部及び前記第２の二次コイル部を設け、前記第２の一次コイル部と前記第２の二次コイル部とを分割巻き構造とすることで、前記第２の一次コイル部と前記第２の二次コイル部との結合度を前記第１の一次コイル部と前記第１の二次コイル部との結合度よりも低く設定したトランス。
2. 請求項１に記載のトランスを備えるＤＣ−ＤＣコンバータ。

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