JP7109217B2 - トランス及びこれを用いたｌｌｃ共振回路 - Google Patents

Description

本発明は、絶縁型のトランス及びそのトランスを用いたＬＬＣ共振回路に関する。

ＬＬＣ共振回路において、トランスの１次巻線と２次巻線との距離を離して実装することにより得られる漏れインダクタンスを利用して共振動作を行わせる技術が知られている。例えば、特許文献１では、１次巻線と２次巻線とをボビンの長手方向（巻線の巻回方向と直交する方向）に距離を離して巻き付け、そのボビンをコアの中脚部に挿通する技術が開示されている。

特許文献２には、内部に侵入した外部磁界による渦電流を低減することができ、近接効果による損失を抑制することができる電線に関する技術が開示されている。

特開２００５－３３９３８号公報 国際公開第２０１３／４２６７１号

しかしながら、特許文献１のような実装をすると、トランスの巻線に漏れ磁束が鎖交することにより巻線に渦電流損が誘導され、巻線の温度が上昇するという問題がある（特許文献２参照）。近年、高入力電圧及び高周波で動作するトランスが求められており、そうすると、温度上昇の問題が特に顕著に表れる。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、巻線に鎖交する漏れ磁束を著しく低減させたトランスを提供することを目的とする。

本発明の第１態様に係るトランスは、複数の脚部及び前記複数の脚部間を連結する連結部を有し、前記複数の脚部と前記連結部とにより第１閉磁路を形成するコア本体と、前記コア本体の前記脚部に装着されるコイル本体とを備え、前記コイル本体は、径方向に互いに分離させた状態で前記脚部の周りに配置された１次巻線及び２次巻線と、前記１次巻線と前記２次巻線との間に周方向全体にわたって挟み込まれ、前記脚部及び前記連結部と組み合わされて第２閉磁路を形成する追加コアと、を備えることを特徴とする。

本態様によると、１次巻線と２次巻線との間に追加コアを挟み込むことで、両巻線間に磁束を通過させて、必要な漏れインダクタンスを得るための第２閉磁路を形成している。この第２閉磁路を通過する磁束は、１次巻線及び２次巻線とは鎖交しない。すなわち、積極的にトランスの漏れインダクタンスを利用する従来技術と比較して、１次巻線及び２次巻線に鎖交する磁束量を著しく低減することができる。これにより、１次巻線及び２次巻線に誘起される渦電流が大幅に低減され、巻線温度の上昇を著しく低減させることができる。

本発明によると、巻線に鎖交する漏れ磁束を著しく低減させることができるので、トランスが過度に発熱するのを防ぐことができる。

本実施形態に係るトランスを斜め上側から見た斜視図である。 コアを斜め上側から見た分解斜視図である。 トランスを斜め上側から見た分解斜視図である。 図１のＩＶ－ＩＶ線断面図である。 追加コアを斜め上側から見た斜視図である。 本実施形態に係るＬＬＣ共振回路の構成例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。

本実施形態に係るトランス及びそのトランスを用いたＬＬＣ共振回路は、例えば、太陽光発電装置の発電電力を変換し、商用電源系統に連系したり、負荷に供給したりするパワーコンディショナ等に使用される。

本開示に係るトランスは、１次巻線と２次巻線との間に追加コアを挟み込み、両巻線間に磁束を通過させる第２閉磁路を形成することで、そこから漏れインダクタンス成分を得ている点に特徴がある。

以下において、図面を参照しつつ、具体的に説明する。

－トランスの構成－
図１に示すように、トランス１は、コア本体としてのコア４と、コア４に装着されるコイル本体２とを備える。

図２に示すように、コア４は、上下一対のコア部（以下、上コア部４ａ及び下コア部４ｂという）を有する。上コア部４ａと下コア部４ｂとは、図面正面から見た上下方向の中央位置（接合位置）に形成した仮想平面に対して面対称の形状である。すなわち、上コア部４ａ及び下コア部４ｂは、同一形状の共通の部材であり、上下を反転させて使用している。そして、上コア部４ａと下コア部４ｂとが、両コア部４ａ，４ｂの開放側の端面同士、すなわち、中脚部４２、外脚部４３の端面同士を互いに突き合わせた状態で接合されている。

以下の説明では、下コア部４ｂの構成についてのみ説明し、上コア部４ａの構成の説明を省略する。また、以下の説明では、コア４の脚部の軸方向（立設方向）を上下方向と呼ぶものとする。図１～図４では、コア４の上下方向が、図面でも上下方向となるように図示しており、説明の便宜上、図面に従って「上」及び「下」を定義する。

下コア部４ｂは、上下方向と直交する左右方向に延びる略矩形板状の基体４１と、基体４１上に上向きに立設された中脚部４２及び一対の外脚部４３を有する。なお、基体４１のうち、中脚部４２と外脚部４３とを連結する部分が、連結部に相当する。

中脚部４２は、円柱形状であり、基体４１の左右方向の中間位置に一体的に立設される。また、中脚部４２の断面形状は、後述するボビン３の挿通孔３４の開口より若干小さく、中脚部４２の一部または全部が後述するボビン３のボビン本体３２内に収容できるように構成されている。

外脚部４３は、中脚部４２の左右方向の両側に立設されている。中脚部４２と外脚部４３との間隔は、中脚部４２にコイル本体２が装着できるように、コイル本体４０の径方向の厚さよりも若干広く設定される。また、両方の外脚部４３において、他方の外脚部４３との対向する対向方向の内壁は、コイル本体２の形状にあわせて、円弧上に切り欠かれている。

また、図４に示すように、外脚部４３よりも中脚部４２の長さを短くして、上下コアの中脚部４２間に、ギャップＧｍを形成している。ただし、ギャップＧｍの位置は特に限定されず、他の位置（例えば、中脚部４２の上下方向の端部）であってもよい。また、ギャップＧｍを複数箇所に設けてもよく、図４の構成と同様の効果が得られる。

図３及び図４に示すように、コイル本体２は、ボビン３と、ボビン３に対して径方向に互いに分離させた状態で中脚部４２の周りに配置された１次巻線２１及び２次巻線２２と、１次巻線２１と２次巻線２２との間に挟み込まれた追加コア５とを備えている。なお、説明の理解を容易にするために、図３では、追加コア５に斜線のハッチングを付している。同様に、図４では、１次巻線２１に右上がり斜線のハッチングを付し、２次巻線２２に左上がり斜線のハッチングを付している。

ボビン３は、中央に円形状に貫通孔が形成された２つの円板３１が対向配置され、両円板３１間を円筒状のボビン本体３２で連結している。これにより、ボビン３には、コア４の中脚部４２を挿通するための挿通孔３４が形成される。

１次巻線２１及び２次巻線２２は、ボビン本体３２に対して、径方向に互いに分離させた状態で中脚部４２の周りに配置される。換言すると、１次巻線２１及び２次巻線２２は、ボビン本体３２に、同心状に、それぞれ別々に巻回され、径方向の内側と外側とで分離するように配置されている。

図３では、内周側に１次巻線２１が巻回され、外周側に２次巻線２２が巻回された例を示している。より具体的には、ボヒン本体３２の外側に複数の層をなすように１次巻線２１が巻回され、その１次巻線２１の外側を覆うように追加コア５が巻回され、さらにその外側に複数の層をなすように２次巻線２２が巻回されている。

なお、図３では、１次巻線２１が３層構造で、２次巻線２２が２層構造の例を示しているが、両巻線２１，２２の巻数は、必要な特性に応じて任意に設定することができる。また、図３では、ボビン３に対して、内周側に１次巻線２１が巻回され、その外周側に２次巻線２２が巻回されるものとしたが、これに限定されない。例えば、ボビン３に対して、内周側に２次巻線２２、外周側に１次巻線２１がそれぞれ巻回されてもよい。

一般的に、両巻線２１，２２の互いの結合の度合いを示す結合係数ｋを高めるためには、１次巻線２１と２次巻線２２との距離が近い方がよい。したがって、本実施形態のような巻き方をすることにより、特許文献１のように１次巻線と２次巻線とをボビンの長手方向に距離を離して巻き付ける場合と比較して、結合係数ｋを高くすることができる。これにより、１次巻線２１及び２次巻線２２に鎖交する磁束を小さくすることができるので、トランス１（コイル本体２）の発熱を抑える効果が得られる。

なお、１次巻線２１及び２次巻線２２の素線の材質や線径は、特に限定されない。例えば、１次巻線２１及び２次巻線２２は、例えば、銅製であり、素線径が０．０３～０．１ｍｍφのリッツ線である。

１次巻線２１と２次巻線２２との結合係数ｋが高いと、その分、１次巻線２１及び２次巻線２２との相互関係から生じる漏れインダクタンスＬｒは小さくなる。そこで、本実施形態では、中脚部４２、基体４１及び外脚部４３により形成される第１閉磁路８１に加えて、１次巻線２１と２次巻線２２との間に磁束を通過させるための第２閉磁路８２を形成し、そこから漏れインダクタンスＬｒを得るようにしている。

以下において、追加コア５の構成及び閉磁路８１，８２の形成（漏れインダクタンスＬｒの生成）について、より詳細に説明する。

図３及び図４に示すように、追加コア５は、１次巻線２１と２次巻線２２との間に周方向全体にわたって挟み込まれて、その一部又は全部が磁性材料で形成されている。

追加コア５は、例えば、図５に示すように、シート状体であり、磁性材料で形成された矩形状のコア部５１と、コア部５１よりも熱伝導体性の高い矩形状の熱伝導部５２とが、追加コア５の長手方向に交互に配置されている。なお、図５では、説明の理解を容易にするために、コア部５１にハッチングを付している。

コア部５１は、磁性材料で形成された矩形状の薄板を適用することができる。コア部５１の材質は、特に限定されない。例えば、コア４と共通の材料でコア部５１を形成してもよいし、他の磁性体を用いてもよい。

熱伝導部５２は、例えば、シリコンで形成された矩形状の薄板を適用することができる。このように、熱伝導部５２を設けることにより、トランス１の熱伝導性能を高めることができる。

図５は、コア部５１のサイズと熱伝導部５２のサイズとを同じにしている例を示している。すなわち、コア部５１の幅Ｄ５１と熱伝導部５２の幅Ｄ５２とが互いに等しく、それぞれの長さＬを揃えている。

ただし、図５の構成は、一例を示しているにすぎず、これに限定されるものではない。例えば、コア部５１のシート長手方向の幅（以下、単に幅という）及び熱伝導部の幅は、任意に設定することができる。例えば、コア部５１及び熱伝導部５２のそれぞれの幅は、必要な熱伝導性能や磁気性能に応じて設定することができる。また、熱伝導部５２を省いて、追加コア５の全てを磁性材料からなるコア部５１で構成するようにしてもよい。

以上のように、追加コア５を１次巻線２１と２次巻線２２との間に設けた構成にすることにより、図４に仮想線で示すように、１次巻線２１と２次巻線２２との間に磁束を通過させるための第２閉磁路８２を形成することができる。ここで、第２閉磁路８２は、追加コア５、基体４１及び外脚部４３により形成される閉磁路８２ａと、追加コア５、基体４１及び中脚部４２により形成される閉磁路８２ｂとを含む。

－ＬＬＣ共振回路の構成－
図６に示すように、ＬＬＣ共振回路Ａは、電源Ｅからの電源電圧Ｖｉを入力端子ＩＮに受け、交流に変換して出力する共振部６０と、共振部６０の出力を所定の出力電圧Ｖｏに変換して出力端子ＯＵＴから出力する変換部６２と、制御回路７とを備える。なお、以下の説明において、入力端子ＩＮのうち、正極側と負極側とを分けて説明する場合に、符号ＩＮＰ，ＩＮＭを付して説明する場合がある。同様に、出力端子ＯＵＴのうち、正極側と負極側とを分けて説明する場合にそれぞれにＯＵＴＰ，ＯＵＴＭを付して説明する場合がある。

共振部６０は、スイッチング部６１と、共振コンデンサＣ１１，Ｃ１２と、前述のトランス１とを備える。

スイッチング部６１は、正極側の入力端子ＩＮＰと負極側の入力端子ＩＮＭとの間に直列に設けられた第１及び第２スイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２を有する。図６では、第１及び第２スイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２として、Ｎ型のＭＯＳ－ＦＥＴと寄生ダイオードとが並列に接続されたものを用いている例を示している。なお、スイッチング部６１の構成は、図６の構成に限定されず、同様の機能を有する他のスイッチング回路を適用してもよい。

共振コンデンサＣ１１，Ｃ１２は、電流共振用のコンデンサＣ１１及び電圧共振用のコンデンサＣ１２を含む。電圧共振用コンデンサＣ１２は、第１スイッチング素子Ｑ１１に並列に接続される。同様に、電流共振用コンデンサＣ１１と、トランス１の１次巻線２１との直列回路が、第１スイッチング素子Ｑ１１に並列に接続される。

換言すると、正極側の入力端子ＩＮＰが、第１共振コンデンサＣ１１を介して、トランス１の１次巻線２１の一端（例えば、巻始端）に接続される。そして、トランス１の１次巻線２１の他端（例えば、巻終端）が、第２スイッチング素子Ｑ１２を介して負極側の入力端子ＩＮＭに接続される。また、第１スイッチング素子Ｑ１１と、第１共振コンデンサＣ１１と、トランス１の１次巻線２１とにより、閉ループ回路が形成される。

変換部６２は、共振部６０から出力された共振電圧を、所定の出力電圧Ｖｏに変換して出力する回路である。具体的に、変換部６２は、トランス１の２次巻線２２の一端（例えば、巻始端）と正極出力端子ＯＵＴＰとの間に直列接続された第２コンデンサＣ２１とダイオードＤ２２とを備える。ダイオードＤ２２は、トランスＴＲ１の２次巻線２２の一端から正極側の出力端子ＯＵＴＰに向かって順方向に接続される。トランス１の２次巻線２２の他端（例えば、巻終端）は、負極側の出力端子ＯＵＴＭに接続される。

変換部６２は、さらに、第２コンデンサＣ２１とダイオードＤ２２との間の中間ノードＮ６２と負極側の出力端子ＯＵＴＭとの間に、直列に接続された逆流防止ダイオードＤ２を備える。逆流防止ダイオードＤ２１は、上記中間ノードＮ６２から負極側の出力端子ＯＵＴＭに向かう方向に対して逆方向に接続される。また、両出力端子ＯＵＴ間に、出力コンデンサＣ２２が接続される。

制御回路７は、ＬＬＣ共振回路Ａ全体の動作を制御するものであり、例えば、ＩＣ（Integrated Circuit）で実現することができる。制御回路７は、例えば、自回路内にあらかじめ登録されたプログラムやシーケンス等にしたがって動作する。より具体的に、制御回路７は、例えば、スイッチング部７の第１及び第２スイッチング素子Ｑ１１，１２を、それぞれオンオフ制御するための制御信号Ｖｇ１１，Ｖｇ１２を出力する。

なお、本開示において、「接続」との用語には、電気的に接続されるもの全般が含まれるものとする。すなわち、「接続」とは、直接接続されたものに限定されず、例えば、抵抗素子や半導体素子等を介して電気的に接続されるものを含む概念である。

発明者は、本実施形態に係るトランス１を適用したＬＬＣ共振回路Ａ（以下、実施回路Ａという）と、付属コイルを設けない構成に係るＬＬＣ共振回路（以下、比較回路という）と、の１次巻線温度の上昇度合いの比較試験を実施した。具体的な図示は省略するが、比較回路では、ＰＱ型のコアを用いており、コイル本体の１次巻線と２次巻線との巻回位置を軸方向にずらすことで、漏れインダクタンスを生成している。それ以外は、実施回路Ａと比較回路とで共通の構成にしている。

測定方法は、実施回路Ａ及び比較回路ともに、電源電圧Ｖｉとして、２７０Ｖ及び３３０Ｖを印加し、所定時間の経過後に熱電対を用いてトランス１の１次巻線２１の温度変化を測定するものとした。

その結果、比較回路では、電源電圧Ｖｉが２７０Ｖから３３０Ｖに上昇させた際に、約２１度の温度上昇があったのに対し、実施回路Ａでは、約１０度の温度上昇と、温度上昇幅が約半分になり、温度上昇が大幅に低減されることが確認された。

さらに、発明者は、実施回路Ａと比較回路の漏れ磁束を計測した。漏れ磁束の計測方法として、トランス１への通電中に、計測用コイルをトランスに近接させ、その計測用コイルに誘導される誘導電圧を測定した。

その結果、実施回路において、誘導電圧が、比較回路に対して１／４以下になり、実施回路では、トランス１の外部への漏れ磁束も著しく低減されることが確認できた。

以上のように、本実施形態によると、トランス１の１次巻線２１と２次巻線２２との間に追加コア５を設け、両巻線２１，２２間に磁束を通過させる第２閉磁路８２を形成している。これにより、例えば、共振動作に必要な、所望の漏れインダクタンスＬｒを得ることができる。さらに、第２閉磁路８２を通過する磁束は、コイル本体２の１次巻線２１及び２次巻線２２（素線）に鎖交しない。すなわち、従来技術のように、積極的にトランスの漏れインダクタンスを利用して共振動作を行う場合と比較して、トランス１の１次巻線２１及び２次巻線２２に鎖交する磁束量を著しく低減することができる。従来技術では、上記漏れ磁束がトランスの巻線に鎖交することにより、巻線に渦電流損が誘導され、巻線温度が上昇していたが、本実施形態の構成では、漏れ磁束を巻線に鎖交させることなく漏れインダクタンスＬｒが得られるので、そのような温度上昇を著しく低減することができる。

＜その他の実施形態＞
以上、本発明の好ましい実施形態及びその変形例について説明したが、本開示に係る技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え等を行った実施形態にも適用が可能である。また、上記実施形態説明した構成要素や以下において説明する構成要素を組み合わせて、新たな実施形態とすることも可能である。

例えば、上記実施形態では、コア４の中脚部４２にボビン３を装着するものとしたが、これに限定されない。例えば、コア４の外脚部４３に対してボビン３を装着する型式のトランスに対して本実施形態に係る技術を適用してもよく、同様の効果が得られる。

また、例えば、上記実施形態の構成において、コイル本体２は、１次巻線２１及び２次巻線２２が巻回されたボビン３を有するものとしたが、これに限定されない。例えば、ボビン３に巻回されていない１次巻線２１を用意し、その外側を覆うように追加コア５を装着し、さらにその外側に２次巻線２２を巻回するようにしてもよい。そのような構成にしても、図４と同様の第２閉磁路８２が形成され、上記実施形態と同様の効果が得られる。

本発明に係るトランスは、トランスの発熱を大幅に低減することができるので、例えば、家庭やオフィス等で使用される電気機器、電源機器、電力変換装置等に用いるトランスとして極めて有用である。

Ａ ＬＬＣ共振回路
１ トランス
２ コイル本体
４ コア本体
５ 追加コア
２１ １次巻線
２２ ２次巻線
４２ 中脚部
４３ 外脚部

Claims (4)

1. 複数の脚部及び前記複数の脚部間を連結する連結部を有し、前記複数の脚部と前記連結部とにより第１閉磁路を形成するコア本体と、
   前記コア本体の前記脚部に装着されるコイル本体とを備え、
   前記コイル本体は、径方向に互いに分離させた状態で前記脚部の周りに配置された１次巻線及び２次巻線と、前記１次巻線と前記２次巻線との間に周方向全体にわたって挟み込まれ、前記脚部及び前記連結部と組み合わされて第２閉磁路を形成する追加コアと、を備え、
   前記追加コアは、磁性材料で形成されたコア部と、前記コア部よりも熱伝導体性の高い熱伝導部とが巻線の巻回方向に交互に配置されたシート状のコアである
   ことを特徴とするトランス。
2. 請求項１に記載のトランスにおいて、
   前記コア本体の複数の脚部は、前記コイル本体が装着される中脚部と、該中脚部の両側において該中脚部と平行に延びる１対の外脚部とを有する
   ことを特徴とするトランス。
3. 請求項２に記載のトランスにおいて、
   前記コイル本体は、前記１次巻線、前記追加コア及び前記２次巻線が巻回されたボビンを有し、前記ボビンが前記脚部に装着される
   ことを特徴とするトランス。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のトランスと、スイッチング部と、共振コンデンサとを有し、直流入力電圧を前記スイッチング部に受け、該スイッチング部の出力を、前記共振コンデンサを介して前記トランスの１次巻線に与えて共振させる共振部と、
   前記トランスの２次巻線から得られる出力電圧を所定の直流出力電圧に変換して出力する変換部とを備えている
   ことを特徴とするＬＬＣ共振回路。
   

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