JPH0640741B2 - スイッチング・レギュレータ用変圧器整流器組立体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ．産業上の利用分野 本発明はスイツチング・レギユレータ、より詳細に言え
ば大出力電流に使われる平坦熱伝導冷却式変圧器を含む
スイツチング・レギユレータに関する。

Ｂ．従来の技術 数十キロワツトの電力を処理する出力変圧器を必要とす
る大型データ処理装置に関連した通常の電源装置に使わ
れているスイツチング・レギユレータは非常に大きい出
力電流を持つており、更にＵＬとかＩＥＣなどの種々の
規制の要件を満たす必要がある。このような変圧器の通
常の設計は大きな寸法及び重量を持つた嵩ばつた構造で
あること、漏洩インダクタンスが大きいこと、温度上昇
が高いこと及びそれに関連した冷却の問題に遭遇してい
る。

Ｃ．発明が解決しようとする問題点 従つて、本発明の目的は、物理的にコンパクトな大きさ
で、大電力及び大電流特性を持つスイツチング・レギユ
レータを提供することにある。

本発明の他の目的は変圧器／整流器組立体の漏洩インダ
クタンスを小さくしたスイツチング・レギユレータを提
供することにある。

本発明の他の目的は、一次巻線の損失、二次巻線の損失
及び整流器の損失により生ずる発熱を含み、すべての熱
が、ヒート・シンクに対して設けられた薄くて面積の大
きな熱通過用境界面を介して熱伝導され、これにより熱
放散特性を向上させたスイツチング・レギユレータを提
供することにある。

Ｄ．問題点を解決するための手段 本発明のスイツチング・レギユレータにおいて、変圧器
の一次巻線は二次巻線に接着されており、他方、二次巻
線は、整流器の装着と出力端子の接続とに必要な最小限
の領域を除いて、コアから外れる一方の方向にはみ出し
ている。この構造は二次巻線と整流器の通路における漏
洩インダクタンスを最小にする。本発明の実施例におい
て、二次巻線は平坦状の構造で形成されている。一次巻
線及び整流器中で発生される熱は二次巻線に熱伝導さ
れ、二次巻線の中に拡散される。本発明の実施例におい
て、二次巻線は、二次巻線からの熱伝導を向上させるた
めに、コアから離れる方向に伸長される、即ちはみ出し
ている。一次巻線からはみ出した二次巻線の領域のすべ
ては、電気的良導体で二次巻線を受け入れる平坦面を有
するヒート・シンク上に装着されており、二次巻線とヒ
ート・シンクの間には薄い絶縁体層が置かれている。従
つて、一次巻線の損失、二次巻線の損失及び整流器の損
失により生ずる発熱を含みすべての熱は、薄く且つ面積
の広い熱通過用境界面を介してヒート・シンクへ熱伝導
される。

熱の主要伝導通路が電流の方向に対して垂直なので、ヒ
ート・シンクは電気回路の完全に外側にあり、そして電
気回路からは離隔している。電気的に良導体のヒート・
シンクは、変圧器と整流器間の電流に対応するイメージ
電流を流して、接地面効果（ground plane effect）
を発生することにより、漏洩インダクタンスを減少す
る。このように、整流器や巻線等の発熱による全ての熱
を薄い絶縁体層を介してヒート・シンクに伝導させるの
で、変圧器の二次巻線／整流器の回路周辺、或は一次巻
線と二次巻線の間の離隔等の物理的径路を最短距離にし
ても十分熱を発散させることができるようになり、物理
的にコンパクトな大きさで、大電力及び大電流特性を備
えたスイッチング・レギュレータを実現することができ
る。従って、本発明は小型で且つ漏洩インダクタンスが
小さく且つ秀れた熱発散特性を有するスイツチング・レ
ギユレータを提供する。

Ｅ．実施例 本発明の細部を説明する前に、通常のスイツチング・レ
ギユレータ構造に関連した一般的な問題及び細部の問題
とを考察する。上述したように、大型データ処理装置の
電源装置は高電力で大出力電流を供給しなければならな
い。データ処理装置中の電圧レベルは名目範囲が１乃至
６ボルトの比較的低電圧であるのに反して、電流は数百
アンペアに達する。大電流の分配を最小限に止めるため
に、電源装置を負荷に近接するように配置し、なお且つ
全体の大きさと重量、そしてコストを最小限にすること
は、大型データ処理装置において重要な問題である。そ
の上、このような電源装置は、負荷の間の距離を増加す
ることなく、換言すれば、論理信号の遅延をまねき、シ
ステム全体の性能を劣化させることなく、据付けられね
ばならない。従つて、電源装置の大きさは、最も重要な
パラメータであると言わないまでも、電源の電力レギユ
レータの設計において重要な要素になつている。

スイツチング・レギユレータの分野では、動作周波数が
高いほどスイツチング・レギユレータの大きさ、重量な
どが小さくなることは公知である。変圧器に関連した高
電力、大電流において高い周波数を達成するために、変
圧器巻線と整流器の間で電流のスイツチングを行う関係
上、変圧器と整流器のパツケージの物理的な大きさは出
来るだけ小さくする必要がある。そのような小型化に向
けられた設計においても、スイツチ及び整流器の破壊電
圧値以下の電圧に制限しなければならず、更に、インダ
クタンスを有限値にすることが不可欠である。

低電圧で、大電流で有限値のインダクタンスである条件
の下では、電流のスイツチング、またはコミユテーシヨ
ン（転換）は時間がかかることになる。コミユテーシヨ
ンの時間の増加は電流の大きさに比例して大きくなり、
そして実際的な整流時間は全体のサイクル時間の極く小
部分になる。従つて、電流スイツチング・レギユレータ
の実用周波数の最大値は回路の電流、電圧及びインダク
タンスのパラメータによつて制限されることになる。

主としてコミユテーシヨン時間に影響を及ぼすインダク
タンスは、変圧器／整流器組立体それ自体のインダクタ
ンスに外ならない。このインダクタンスは、変圧器の二
次巻線／整流器の回路周辺の物理的径路を短くすること
により、また、一次巻線と二次巻線の間の離隔及び二次
巻線と二次巻線の間の離隔を最小限にとどめることによ
り、また、巻線内の電流が巻線相互のイメージとなるよ
うに、巻線を平板状に配列し出来るだけ薄い導体を使う
ことによつて小さくすることが出来る。

漏洩インダクタンスを減少させるための上述の方法はす
べて、熱的密度を増加し、且つ効果的に冷却しないと高
温度に上昇する傾向がある。通常の高密度に巻かれた変
圧器における熱伝導は導体及び絶縁体の多数の層を通過
することにより妨げられ、他方、コアを通る熱伝導によ
る冷却は、通常の高周波用コア材料の低い熱伝導率によ
つて大きく妨げられる。熱を導くため、あるいは巻線の
間隔を広げるため、あるいは冷却液を通すためのロツド
とかプレートとかの関連部材を装着することは、スイツ
チング・レギユレータの物理的な大きさと、漏洩インダ
クタンスの大きさの両方を事実上増加させる。上述した
ような状況において、通常のスイツチング・レギユレー
タ組立体の複合した不要なパラメータを除去または実質
的に減少させることに本発明の狙いがある。

第１図を参照すると、一次巻線１１と、平板状の二次巻
線１３と、コア１５とを有する平坦型熱伝導冷却式変圧
器組立体の平面図が示されている。第２図に示された上
部コア半体４５、底部冷却板３５、即ちヒート・シンク
及びそれらを固定する固定部材は、簡略化を計るため第
１図から除かれている。然し、図解する目的で、図面に
は、二本の一次巻線と、ブリツジ型、即ちプツシユプル
・コンバータ構成にされている二次巻線とが示されてい
る。然しながら、単体の一次巻線、または単体の二次巻
線も必要に応じて使うことが出来る。底部冷却板、即ち
シート・シンク３５、出力用ダイオード４７、４９及び
それらの組立部材が第３図の断面図に示されている。二
次巻線１３は薄板状のものである。複数板の二次巻線が
必要な場合、同じような薄板状巻線を、最小限に薄くし
た絶縁体により離隔して重ねられる。

一次巻線は相対的に薄い渦巻状導体で構成されており、
安全基準で許容される範囲内の巻き方と間隔を備えるよ
う最小限必要な誘電体材料で絶縁を施してある。平板状
一次巻線は二次巻線に直接に接着されている。複数のコ
イルから成る二次巻線を有する変圧器の構造は一次巻線
全体を直列接続した２個のコイルに分割して二次巻線を
挟んで対向させた構造である。この方法は変圧器の巻線
構造内で達成しうる最低限の漏洩インダクタンスを与え
る。

二次巻線１３は、整流器の装着と出力端子の接続とに必
要な最小限の領域を除いて、コア１５から外れる一方の
方向に伸長している。複数枚の二次巻線を使う場合、二
次巻線１３の上側延長部と下側延長部とは、整流器の装
着と両立させて可能な限り広い部分を被つて、最小限の
絶縁体により重ねられて保持される。この構造は二次巻
線／整流器通路の漏洩インダクタンスを最小にする。一
次巻線１１及び出力整流器４７、４９中で発生される熱
は二次巻線で熱伝導され、二次巻線中で拡散した後、底
部冷却板３５（第２図）に熱伝導される。

本発明の１実施例において、二次巻線は、コア１５から
反対方向に延びる一対の重ねられた平坦な板で構成され
ている。一次巻線１１を越えた二次巻線１３の領域全体
は平坦な二次巻線１３とヒート・シンク、即ち底部冷却
板３５との間の絶縁領域３７を介して電気的良導体のヒ
ート・シンク３５（第２図）上に装着される。一次巻線
の損失、二次巻線の損失及び整流器の損失により発生さ
れるすべての熱量は、この薄く且つ面積の大きい熱通過
界面を通してヒート・シンクへ伝導される。従つて、熱
の主要な伝導路は電流の方向に対して垂直方向であり、
ヒート・シンクが電気回路からは完全に外側であり、し
かも電気回路とは分離することを可能とする。更に、熱
的な抵抗は、熱伝導路が短く且つ大面積であることによ
つて最小限にされる。

本発明の平坦型熱伝導冷却式変圧器において、一次巻線
が二次巻線の平板状導体に一たび接着されたのちは、必
要な組立作業は部品を順番に積み上げるだけである。第
２図及び第３図を参照すると、図示されていないが複数
個のスタツドを底部冷却板３５に設けることによつて、
後に組み込まれる積層部材の整列用ピンとして、それら
のスタツドを利用することが出来る。下部コア半体４３
が底部冷却板３５の凹部に嵌み込まれ、他方、絶縁体３
７、二次巻線２４、絶縁体３１、二次巻線のセンタ・タ
ツプ短絡用シム５９そして二次巻線１３が順番に組み込
まれる。次に、上部コア半体４５が載せられ、適当な固
定部材（図示せず）により固定される。二次巻線の平坦
導体は、二次巻線相互間の電気的短絡や、二次巻線と底
部冷却板との電気的短絡を防止するために、固定用ボル
トの取付け孔に絶縁ブツシユを必要とする。

第３図を参照すると、スイツチング・レギユレータの整
流部分の細部が示されており、出力ダイオード４７及び
４９が二次巻線２４及び１３の延長部分に置かれる。次
に、絶縁体５３、熱伝導用ブロツク５５及び絶縁体５７
が順番に置かれる。次に出力用ダイオード４７及び４９
が出力バス５１に接続されて、スイツチング・レギユレ
ータの出力を与える。次に、組立体全体は図示していな
いがナツト・ねじ、その他通常の装着部材によつて固定
される。本発明のスイツチング・レギユレータは、部品
の調達とか棚卸の手間を省いて最終的な組立体を直ちに
得るための自動組立装置（産業用ロボツト）に用いるこ
とが出来る。

Ｆ．発明の効果 以上説明したように、本発明は変圧器／整流器組立体の
漏洩インダクタンスを減少し、且つ熱放散効率を向上し
たスイツチング・レギユレータを提供する。

【図面の簡単な説明】

第一図は平坦熱伝導冷却式変圧器組立体の一部を示す平
面図、第２図は第１図の２−２線に沿つて切断した平坦
熱伝導冷却式変圧器の断面図、第３図は第１図の３−３
線に沿つて切断した平坦熱伝導冷却式変圧器の断面図で
ある。 １１……一次巻線、１３、２４……二次巻線、１５……
コア、３１、３７……絶縁体、３５……シート・シン
ク、４７、４９……出力用ダイオード。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】整流器と、一次及び二次巻線と磁気材料の
   コアをもつ変圧器を有するスイッチング・レギュレータ
   用変圧器整流器組立体であって、 上記一次巻線は上記コアのまわりに形成されて上記二次
   巻線に接着され、 上記二次巻線は平坦な形状をもち、 上記平坦な形状は上記コアから第１の方向に延出する平
   坦面をもち、 上記整流器はこうして形成された第１の延出部上に取付
   られ、 冷却媒体上に取付られ、以て上記一次及び二次巻線と上
   記整流器によって発生された熱が上記冷却媒体に伝導さ
   れて発散されるようにしたことを特徴とする、 スイッチング・レギュレータ用変圧器整流器組立体。