共振型スイッチング電源回路用トランスユニット

【課題】共振型トランスにおいては、渦電流抑制のためにリッツ線を使用した場合には巻線占積率が悪化するため、トランスユニットの体積が大きくなるという課題点があった。
【解決手段】閉磁路磁心および層状に積層巻回した一次巻線１６と二次巻線１７とを有するトランス部１４と、一次巻線１６と直列接続のチョークコイル部１５とを備え、一次巻線１６と二次巻線１７との結合係数は０．９９５以上とした共振型スイッチング電源回路用トランスユニット。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は各種電子機器に使用される共振型スイッチング電源回路用トランスユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
以下、従来の共振型スイッチング電源回路用トランスユニットについて図面を用いて説明する。
【０００３】
図８は従来の共振型スイッチング電源回路用トランスユニットの分解斜視図であり、一次巻線１および二次巻線２を巻回したボビン３に貫通孔４を設けたうえで、Ｅ字形磁心５の中脚６をボビン３の貫通孔４に挿入することにより、閉磁路を有するトランスユニットを構成していた。
【０００４】
なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては例えば特許文献１が知られている。
【特許文献１】特開２００１−２３０１３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のトランスユニットでは、図９に示す共振型スイッチング電源回路において、スイッチング電源の動作周波数を決定するパラメータとして、インダクタンス値Ｌの約１０〜２０％に相当するリーケージインダクタンスＬｌを利用している。そしてこのリーケージインダクタンスＬｌを得るために、トランスユニット７のトランス部８の一次巻線１と二次巻線２との結合を、結合係数の値として０．８０〜０．９５程度の疎結合としていた。ここで、一次巻線１と二次巻線２との結合を疎結合とする場合には、図８に示すボビン３に一次巻線１と二次巻線２とを隔てる隔壁９を設け、一次巻線１と二次巻線２との距離を得るものであった。この形態の場合において、一次巻線１および二次巻線２に電気信号が印加された際の、一次巻線１を例として、これによる磁束発生状態を図１０に示す。図１０に示すように一次巻線１や二次巻線２の巻心部１０に位置する中脚６をはじめとする磁心５を通過する主たる流れである磁束φ１が存在する。これと同時に、二次巻線２の巻心部１０の通過が不完全な状態で導体部１１を横切る、いわば近道を通る流れである漏れ磁束φ２が存在することとなる。
【０００６】
この漏れ磁束φ２は二次巻線２の巻心部１０ではなく導体部１１そのものを横切るため、導体部１１に渦電流１２が発生することとなる。そして、その渦電流１２による損失が発生するため、結果としてその損失による熱がトランスユニット７の温度上昇を招くものであった。この対応手段としては、一次巻線１や二次巻線２に細い線を撚り合わせたリッツ線を使用することで渦電流１２を分断し細分化し、渦電流を低減することで温度上昇を抑制していた。
【０００７】
しかしながら、リッツ線を使用した場合には巻線占積率が悪化するため、トランスユニット７の体積が大きくなるという課題点があった。
【０００８】
そこで本発明は、小型、薄型化が可能な共振型スイッチング電源回路用トランスユニットを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
そしてこの目的を達成するために、
閉磁路磁心および層状に積層巻回した一次巻線と二次巻線とを有するトランス部と、
前記一次巻線と直列接続のチョークコイル部とを備え、
前記一次巻線と前記二次巻線との結合係数は０．９９５以上とした
ことを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、一次巻線や二次巻線の導体部と鎖交する磁束を大幅に低減できるため、巻線にリッツ線を使用しなくても温度上昇を抑制でき、その結果小型、薄型化した共振型スイッチング電源回路用トランスユニットの提供を可能とするものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態におけるトランスユニットを図を用いて説明する。
【００１２】
（実施の形態１）
図１は本発明の第一の実施形態における共振型スイッチング電源回路におけるトランスユニットの回路図である。ここでトランスユニットは、トランス部１４とチョークコイル部１５とを分離したデバイスによって構成している。
【００１３】
図２は上述のトランス部１４の分解斜視図であり、トランスユニットのトランス部１４は一次巻線１６と二次巻線１７を巻回し、貫通孔１８を備えたボビン１９と、貫通孔１８の両側から磁心２０の中脚２１を挿入し、それぞれの中脚２１を突き合せて閉磁路を形成することにより構成している。このとき、磁心２０はそれぞれ磁気ギャップを形成せずに突き合せた状態、もしくは微小な磁気ギャップを介して突き合せた状態で閉磁路を形成している。当然ながら中脚２１が磁気ギャップを形成しない状態、もしくは微小な磁気ギャップを介して突き合せた状態を構成している。
【００１４】
また、図３はトランスユニットのチョークコイル部１５であり、貫通孔２２を有したボビン２３に巻線部２４を巻回し、磁心２５の磁脚２６を貫通孔２２に挿入することにより閉磁路を形成している。
【００１５】
そして図１に示すトランス部１４は、この回路が共振型スイッチング電源回路で、エネルギーを蓄えては放出するフライバック型ではないことから、一次巻線１６と二次巻線１７とは和動動作となる巻線仕様となる巻回方向、もしくは接続としている。
【００１６】
また、図２のトランス部は磁気ギャップを有さないか、もしくは０．１〜０．２ｍｍ程度の微小磁気ギャップによりインダクタンス値を調整する構成としており磁気飽和に関しては大きな考慮をしなくて良い設計としていると同時に、一次巻線１６と二次巻線１７との結合係数は０．９９５以上としている。また更に、図４に示すように一次巻線１６と二次巻線１７とは、ボビン１９の同一の巻溝２７の中に、分割することや隔離することなく層状に重ねて積層巻回している。そして同時に一次巻線１６の一次側巻回端部１６ａと、二次巻線１７の二次側巻回端部１７ａとはほぼ一致させた位置としている。つまり、巻心部２８の軸方向の一次巻線１６と二次巻線１７との長さ寸法をほぼ同等としている。
【００１７】
この構成としたうえで、一次巻線１６と二次巻線１７との結合係数を０．９９５以上とすることで、一次巻線１６および二次巻線１７に電気信号が印加された際に、一次巻線１６や二次巻線１７で発生する磁束は概ね全てが、巻心部２８に位置する中脚２１をはじめとする磁心２０を有効な磁路として通過する磁束φ３となる。そして、その磁束φ３は一次巻線１６や二次巻線１７と鎖交することとなる。つまり、導体２９を横切る漏れ磁束φ４を激減することができる。
【００１８】
これにより、一次巻線１６や二次巻線１７の導体２９で発生する渦電流が非常に小さくなることから、一次巻線１６や二次巻線１７の導体２９にリッツ線を使用しない場合においても温度上昇を抑制する構成を可能とするものである。
【００１９】
従って、単線の使用によってボビン１９における、一次巻線１６や二次巻線１７の占積率を大きくすることが可能となり、トランスの小型化、薄型化を可能とするものでもある。
【００２０】
さらに、上述のようにトランス部１４は漏れ磁束の発生が極めて少ないことから、図１の回路を設けるセット（図示せず）のシャーシやキャビネット等をはじめとする金属に接近、あるいは装着した場合においても、そのシャーシやキャビネットに発熱を起こし難くエネルギー損失は低く抑えることができるものでもある。同時に周囲の電気回路に対しても影響を及ぼしにくくすることができるものでもある。よって、実装などに関する空間的制約もなくすことが可能である。
【００２１】
ここで先述した、０．９９５以上の結合係数に関して説明する。図４のトランス部１４で一次巻線１６および二次巻線１７に単線を利用した場合の一次巻線１６と二次巻線１７との結合係数と、一次巻線１６および二次巻線１７の温度上昇との関係を示したものが図５である。
【００２２】
一般的なトランスの温度クラスは、Ｅ種（巻線最高許容温度≦１０５℃）であるために、トランス周囲の温度を５０℃と仮定した場合においては、トランス自身の温度上昇に対する許容値は５５Ｋ以下とする必要がある。よって、この５５Ｋという値を図５から読み取ると、結合係数は０．９９５以上が該当する領域となる。
【００２３】
つまり、結合係数を極めて高い値にすることにより、より温度上昇を抑制することができるため、使用する導体径も小さくすることが可能となり、トランスの小型化、薄型化も可能となる。
【００２４】
また、図４に示すように一次巻線１６および二次巻線１７を密着させたうえで重ねて巻回した場合において、一次巻線１６と二次巻線１７との近接状態に対して絶縁性を強化させる手段としては、単線の導体２９に三層絶縁電線を用いるのがよい。これにより、密着度をより強化した際においても絶縁性が維持できることから、トランス部１４のさらなる小型化や薄型化が可能となる。
【００２５】
（実施の形態２）
また、結合係数を更に高くし、漏れ磁束の低減を行うものが第二の実施形態である。図６および図７に示すようにトランス部１４の一次巻線１６および二次巻線１７を、バイファイラ巻きとして一次巻線１６と二次巻線１７とを隣接して配置することにより、一次巻線１６と二次巻線１７との対向面積を大きくすることが可能となる。そして、一次巻線１６の一次側積層端部１６ｂと二次巻線１７の二次側積層端部１７ｂとは、ほぼ一致させた位置としている。つまり、巻心部２８の軸方向の一次巻線１６と二次巻線１７との長さ寸法をほぼ同等としている。これにより、一次巻線１６と二次巻線１７との結合係数を飛躍的に大きくでき、温度上昇を大幅に低減することができる。
【００２６】
また、磁心２０を偏平形状として上下方向から、すなわち実装面３０に対して垂直方向に中脚２１を組み込むことにより薄型化を図ることができる。これはさらに、一次巻線１６と二次巻線１７とから発生した熱がボビン１９や磁心２０を介することで、大きな面積でかつ短い距離で実装面３０へ伝わり易くできるため、漏れ磁束を低減すると同時に放熱性の向上を図ることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明のトランスユニットは、トランス部における一次側巻線と二次側巻線との結合度を大きくすることで漏れ磁束を低減し、小型化や薄型化が可能となる効果を有し、各種電子機器において有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第一の実施形態における共振型スイッチング電源の回路図
【図２】本発明の第一の実施形態におけるトランス部の分解斜視図
【図３】本発明の第一の実施形態におけるチョークコイル部の分解斜視図
【図４】本発明の第一の実施形態におけるトランス部の断面図
【図５】本発明の第一の実施形態におけるトランス部の結合係数と温度上昇との関係図
【図６】本発明の第二の実施形態におけるトランス部と実装面との断面図
【図７】本発明の第二の実施形態におけるトランス部の分解斜視図
【図８】従来のトランスの分解斜視図
【図９】従来のトランスを使用した共振型スイッチング電源の回路図
【図１０】従来のトランスの断面図
【符号の説明】
【００２９】
１４トランス部
１５チョークコイル部
１６一次巻線
１７二次巻線
１８貫通孔
１９ボビン
２０磁心
２１中脚

【特許請求の範囲】
【請求項１】
閉磁路磁心および層状に積層巻回した一次巻線と二次巻線とを有するトランス部と、
前記一次巻線と直列接続のチョークコイル部とを備え、
前記一次巻線と前記二次巻線との結合係数を０．９９５以上とした
共振型スイッチング電源回路用トランスユニット。
【請求項２】
一次巻線と二次巻線とは和動極性とした
請求項１に記載の共振型スイッチング電源回路用トランスユニット。
【請求項３】
トランス部の閉磁路磁心には磁気ギャップを非形成とした
請求項１に記載の共振型スイッチング電源回路用トランスユニット。
【請求項４】
一次巻線と二次巻線の少なくともいずれか一方は三層絶縁電線を使用した
請求項１に記載の共振型スイッチング電源回路用トランスユニット。
【請求項５】
一次巻線と二次巻線とをバイファイラ巻線とした
請求項１に記載の共振型スイッチング電源回路用トランスユニット。

【図１】