高耐電圧平面トランス
【課題】 高耐電圧領域での長期の絶縁性能に優れた薄型の高耐電圧平面トランスを得る。
【解決手段】 高耐電圧平面トランス１において、第１多層基板７の内部にパターン形成された１次コイル２と、第１多層基板７の両主面の少なくとも一方の面に１次コイル２を覆うようにパターン形成されて１次コイル２と共に１次巻線４を形成するシールド導体３と、第１多層基板７のシールド導体３が形成された面と対向する第２多層基板９の内部にパターン形成されて１次巻線４と絶縁層５ｄを介して対向する２次コイル５と、第１多層基板７および第２多層基板９を貫通して１次巻線４と２次コイル５を磁気結合させる磁気回路を形成するコア６と、第１多層基板７と第２多層基板９とが対向する面を所定の距離隔てる空間１２とを備えた。
【解決手段】 高耐電圧平面トランス１において、第１多層基板７の内部にパターン形成された１次コイル２と、第１多層基板７の両主面の少なくとも一方の面に１次コイル２を覆うようにパターン形成されて１次コイル２と共に１次巻線４を形成するシールド導体３と、第１多層基板７のシールド導体３が形成された面と対向する第２多層基板９の内部にパターン形成されて１次巻線４と絶縁層５ｄを介して対向する２次コイル５と、第１多層基板７および第２多層基板９を貫通して１次巻線４と２次コイル５を磁気結合させる磁気回路を形成するコア６と、第１多層基板７と第２多層基板９とが対向する面を所定の距離隔てる空間１２とを備えた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、高耐電圧パワー半導体素子のゲートドライブ用絶縁トランス等に用いる高耐電圧平面トランスに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の高耐電圧パワー半導体素子のゲートドライブ用絶縁トランスにおいては、プリント基板は、電気絶縁層、２次側パターンコイルが配置される第１導体層、電気絶縁層、１次側パターンコイルが配置される第２導体層、電気絶縁層という順に積層された多層基板で構成されている。これらパターンコイルは、プリント基板に設けられたパターンコイルに近接する貫通穴の両側面から分割コアを装着して一体化したコアにより、電磁結合されている。このような構成により薄型化と耐電圧性能との両立を行っている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、従来の小型携帯機器などの電源モジュールに用いられるシート型トランスにおいては、コイル部と、このコイル部に挿入されたフェライトコアとを備え、コイル部は、１次側回路が形成されたシート型コイル積層体と、このシート型コイル積層体と分離された２次側回路が形成された多層プリント配線板とを有し、１次側回路と２次側回路との間に絶縁シートなどの固体絶縁物を挟み込むことで、これらの間の絶縁を確保している（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２３５４１７号公報（図５および６）
【特許文献２】特開２０００−０９１１３８号公報（図２、６および１１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の高耐電圧パワー半導体素子のゲートドライブ用の絶縁トランスでは、多層基板の電気絶縁層により耐電圧性能を確保しているので、耐電圧性能に限界が有り、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）ゲートドライバー回路基板に用いる場合は、適用範囲が1ｋＶ以下の比較的低電圧に限定されていた。そのため、上記従来の絶縁トランスでは、電車の駆動制御装置等に用いられる１．７ｋＶ〜６．５ｋＶの高耐電圧ＩＧＢＴのゲートドライブ用絶縁トランスを実現できなかった。
【０００６】
さらに詳細に説明すると、電車等の駆動制御装置の高耐電圧ＩＧＢＴのゲートドライブ用絶縁トランスは、ＩＧＢＴモジュール動作時に、それぞれのＩＧＢＴ素子の耐電圧相当の電圧が常時印加される。このように、常時高い電圧が印加されるので、絶縁トランスの高電圧側コイルと低電圧側コイルとの間に絶縁欠陥および電界集中部などの不適切な構造があると部分放電が発生し、数１０年の期待寿命を維持できなくなることがある。そのため、高耐電圧ＩＧＢＴのゲートドライブ用絶縁トランスには、十分な設計裕度をもった部分放電開始電圧が要求される。
【０００７】
例えば、１．７ｋＶ耐電圧のＩＧＢＴ用の絶縁トランスには、最大の実効電圧値１．７ｋＶ／√２に設計裕度１．５倍を考慮した部分放電開始電圧、つまり交流電圧実効値で１．８ｋＶ以上が要求される。同様に、３．３ｋＶ耐電圧のＩＧＢＴ用では３．５ｋＶ以上の、６．５ｋＶ耐電圧のＩＧＢＴ用では６．９ｋＶ以上の部分放電開始電圧がそれぞれ要求される。
【０００８】
一方、従来の小型携帯機器などの電源モジュールに用いられるシート型トランスにおいては、１次側回路と２次側回路を分離し、それらの間に絶縁シートなどの固体絶縁物を挟み込んで絶縁性能を高めている。このような構成においては、絶縁性能は挟み込む固定絶縁物の厚さと共に向上する。然しながら、上記の高耐電圧ＩＧＢＴのゲートドライブ用絶縁トランスに要求される高耐電圧領域では、固定絶縁物の厚さに対する絶縁性能の改善率が小さく、上記高耐電圧領域で必要な絶縁性能を確保するためには固定絶縁物を大幅に厚くする必要があり、絶縁トランスが厚くなり大型化するという問題があった。また、従来の高耐電圧パワー半導体素子のゲートドライブ用の絶縁トランスに用いる場合、固体絶縁物に絶縁欠陥および電界集中部などの不適切な構造があると部分放電が発生して数１０年の期待寿命を維持できなくなるので、一品一品部分放電試験を実施して品質管理をする必要あり、品質管理工程が増えるとともに試験に時間がかかるという問題があった。
【０００９】
この発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、高耐電圧領域での長期の絶縁性能に優れた薄型の高耐電圧平面トランスを得るものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係る高耐電圧平面トランスにおいては、第１多層基板の内部にパターン形成された１次コイルと、第１多層基板の両主面の少なくとも一方の面に１次コイルを覆うようにパターン形成されて１次コイルと共に１次巻線を形成するシールド導体と、第１多層基板のシールド導体が形成された面と対向する第２多層基板の内部にパターン形成されて１次巻線と絶縁層を介して対向する２次コイルと、第１多層基板および第２多層基板を貫通して１次巻線と２次コイルを磁気結合させる磁気回路を形成するコアと、第１多層基板と第２多層基板とが対向する面を所定の距離隔てる空間とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１１】
この発明は、高耐電圧領域での長期の絶縁性能に優れた薄型の高耐電圧平面トランスを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態１を示す高耐電圧平面トランスの上面図である。
【図２】図１の断面Ｃ１―Ｃ１を示す断面図である。
【図３】図１の断面Ｃ２―Ｃ２を示す断面図である。
【図４】従来の平面トランスの第１多層基板と第２多層基板との間の絶縁構成の一例を説明するための断面図である。
【図５】この発明の空間の効果を検証するための簡略化した第１多層基板と第２多層基板との間の絶縁構成を示す断面図である。
【図６】図４および図５の構成における第１多層基板と第２多層基板との距離Ｇに対する最低の部分放電開始電圧Ｖｉの関係を示す説明図である。
【図７】図５の構成における要求される最低の部分放電開始電圧Ｖｉに対する必要な最小の第１多層基板と第２多層基板とを隔離する距離Ｇの関係を示す説明図である。
【図８】この発明の実施の形態２を示す高耐電圧平面トランスの断面図である。
【図９】この発明の実施の形態３を示す高耐電圧平面トランスの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１を示す高耐電圧平面トランス１の上面図である。図２は、図１の断面Ｃ１―Ｃ１を示す断面図である。図３は、図１の断面Ｃ２―Ｃ２を示す断面図である。図１〜３において、高耐電圧平面トランス１は、低圧側の１次コイル２およびシールド導体３にて構成される１次巻線４と、高圧側の２次コイル５とを、距離Ｇを隔てて分離させて積層し、Ｉ型コア６ａとＥ型コア６ｂにて構成されるコア６にてこれら１次巻線４と２次コイル５とを磁気結合させている。
【００１４】
１次コイル２は、例えば、ガラス繊維強化エポキシ樹脂などの板状のベース絶縁層２ｃの両主面に設けられた銅などの導体層をエッチング等の加工でパターン形成した、それぞれ同一方向の渦巻状コイルパターンの１次コイル導体２ａ、２ｂを有している。１次コイル導体２ａ、２ｂは、それぞれの渦巻状コイルパターンの中心側のコイル端部において、ベース絶縁層２ｃに設けたスルーホール（図示せず）にて接続されている。１次コイル導体２ａ、２ｂがベース絶縁層２ｃによって互いに隔離して保持されたベース基板の両主面には、例えばプリプレグシートと金属箔とを積層してヒートプレスすることにより形成された、積層された絶縁層２ｄと表面の導電層とが配置され、これら全体で４層の第１多層基板７となっている。第１多層基板７の両主面には、上記表面の導電層をエッチング等によってパターン成形したシールド導体３ａ、３ｂが配置されている。このシールド導体３ａ、３ｂは、それぞれトランスの１次巻線４の１ターンを形成するように０．１ｍｍ程度のスリット３ｃが設けられている。
【００１５】
第１多層基板７の１次コイル導体２ａ、２ｂのコイル形状の中心側の部位には、Ｅ型コア６ｂの中心脚部が貫通する開口部８ａが設けられている。また、第１多層基板７の１次コイル導体２ａ、２ｂの外側の部位には、Ｅ型コア６ｂの両端脚部が貫通する２つの開口部８ｂが設けられている。シールド導体３ａ、３ｂは、１次コイル２を両主面側から覆うように、１次コイル導体２ａ、２ｂと同様な形状で、開口部８ａを囲むように配置され、１次コイル導体２ａ、２ｂのコイルパターンの外形より外側に広がった外縁部を持ち、且つ１次コイル導体２ａ、２ｂのコイルパターンの内周に対してはその内周が小さくなっている。
【００１６】
このようにシールド導体３ａ、３ｂを配置することで、１次コイル２の導体分布（渦巻状コイルパターンなど）および導体エッジ部などに起因する第１多層基板７表面での不均一な電界分布を均一化することができる。つまり、シールド導体３ａ、３ｂは、第１多層基板７内部構造に起因した表面の電界の不均一をシールドする効果があるといえる。
【００１７】
高耐電圧平面トランス１の２次巻線となる２次コイル５は、板状の別のベース絶縁層５ｃの両主面に金属が貼られた別のベース基板をエッチングすることで形成された２次コイル導体５ａ、５ｂを有しており、１次コイル２と同様に、２次コイル導体５ａ、５ｂは、それぞれの渦巻状コイルパターンの中心側のコイル端部において、別のベース絶縁層５ｃに設けたスルーホール（図示せず）にて接続されている。上記別のベース基板は、両主面をガラスエ繊維強化ポキシ樹脂などの別の積層した絶縁層5ｄで覆われ、これらで第２多層基板９を構成している。第２多層基板９には、第１多層基板７と同様に、Ｅ型コア６ｂの中心脚部が貫通する別の開口部１０が設けられている。
【００１８】
第１多層基板７と第２多層基板９とは、第１多層基板７および第２多層基板９の外側の四隅にそれぞれ設けられた孔に、両端が挿入された導電性のスペーサピン１１で、一定の距離Ｇ隔てて保持されている。つまり、第１多層基板７と第２多層基板９との間には、空間１２が設けられている。また、導電性のスペーサピン１１は、１次巻線４および２次コイル５から離れて配置されている。このスペーサピン１１の一部は、２次コイル５と電気的に接続されて２次コイル５の出力端子を兼ねており、マザーボードとなる第１多層基板７の１次巻線４と電気的に直接接続されていない別の回路と、２次コイル５とを電気的に接続する機能も併せ持っている。
【００１９】
このように、第２多層基板９の２次コイル５の出力をスペーサピン１１にてマザーボードとなる第１多層基板７に接続することで、制御、計測回路およびＩＣなどを第１多層基板７に集約して、第２多層基板９を２次コイル５のみの単純な構成とすることができ、これにより第２次多層基板９の小型化が可能となる。
【００２０】
以上のように、この発明に係る高耐電圧平面トランス１は、第１多層基板７の内部にパターン形成された１次コイル２と、第１多層基板７の両主面に１次コイル２を覆うようにパターン形成されて１次コイル２と共に１次巻線４を形成するシールド導体３と、第２多層基板９の内部にパターン形成されて１次巻線４と絶縁層５ｄを介して対向する２次コイル５と、第１多層基板７および第２多層基板９を貫通して１次巻線４と２次コイル５とを磁気結合させる磁気回路を形成するコア６と、第１多層基板７と第２多層基板９とが対向する面を所定の距離隔てる空間とを備えている。
【００２１】
このように構成されているので、この発明に係る高耐電圧平面トランス１においては、特に第１多層基板７と第２多層基板９との間に空間１２を設けることで、部分放電の発生を有効に抑制でき、長期の絶縁信頼性が高く、耐電圧の高い高耐電圧平面トランスが提供できる。
【００２２】
次に、この発明に係る高耐電圧平面トランス１の空間１２の寸法と部分放電開始電圧の関係について、例えば上記特許文献２で開示されている従来のシート型トランスのように第１多層基板７と第２多層基板９との間に絶縁体シート１３を挿入する場合と比較して、さらに詳細に説明する。
【００２３】
図４は、従来の平面トランス１の第１多層基板７と第２多層基板９との間の絶縁構成の一例を説明するための断面図である。絶縁体シート１３は、その両面でそれぞれ第１多層基板７と第２多層基板９と接着されており、両基板７、９間の絶縁と保持を担っている。絶縁体シート１３のような固体絶縁物を接着する構成では、別途、両基板７、９間を保持する構造を必要とせず、構造が簡略化できる利点がある。しかし、固体絶縁物を用いることで、絶縁体シート１３の内部に残留した空隙(ボイド)Ｆ１、および第１積層基板７もしくは第２積層基板９と絶縁体シート１３との間の接着界面の残留ボイドまたは界面剥離による空隙Ｆ２が、発生することがある。
【００２４】
このような絶縁欠陥Ｆ１、Ｆ２は、動作電圧が低い領域では問題となることは少ないが、例えば、動作電圧が１ｋＶを超える高電圧領域では、絶縁欠陥Ｆ１、Ｆ２において電界集中が発生し、部分放電が発生して絶縁信頼性を著しく低下させる原因となる。また、例えば１ｋＶを超える高電圧領域では低電圧領域と比べて必要な絶縁体シート１３が大幅に厚くなるので、絶縁シート１３内部に空隙が残留する確率が高くなると共に、接着面に生じる残留応力が大きくなり界面剥離が生じやすくなる。その結果、ボイド、界面剥離などの絶縁欠陥Ｆ１、Ｆ２が生じやすくなるので、高電圧領域での絶縁信頼性が大きく損なわれる可能性が高まる。
【００２５】
図５は、この発明の空間の効果を検証するための簡略化した第１多層基板７と第２多層基板９との間の絶縁構成を示す断面図である。図５では、図４の絶縁体シート１３を用いる場合と異なり、第１多層基板７と第２多層基板９との間には空間１２が配置されている。このような構成で得られる、シールド導体３ａと２次コイル導体２ｂとの間の部分放電開始電圧の特性を、絶縁体シート１３を用いる場合と比較して図６に示す。
【００２６】
図６は、図４および図５の構成における第１多層基板７と第２多層基板９との距離Ｇに対する最低の部分放電開始電圧Ｖｉの関係を示す説明図である。実線で空間１２を設けた場合の特性を、破線で絶縁体シート１３を用いた場合の特性を、それぞれ示している。また、同図中、Ｖｉ１は１．７ｋＶ耐電圧のＩＧＢＴ用絶縁トランスで長期の絶縁信頼性を確保するのに必要な最低の部分放電開始電圧Ｖｉを、同様に、Ｖｉ２は３．３ｋＶ耐電圧のＩＧＢＴ用絶縁トランスに必要な最低の部分放電開始電圧Ｖｉを、Ｖｉ３は６．５ｋＶ耐電圧のＩＧＢＴ用絶縁トランスに必要な最低の部分放電開始電圧Ｖｉをそれぞれ示している。
【００２７】
絶縁体シート１３を接着する構成では、ボイド、剥離が存在している場合の最低の部分放電開始電圧Ｖｉ（単位：ｋＶ）は、距離Ｇ（単位：ｍｍ）に対して次式で表現できる。
【００２８】
【数１】
【００２９】
ここで、ｄは、別の積層した絶縁層５ｄの厚さ（単位：ｍｍ）、εは、別の積層した絶縁層５ｄおよび絶縁体シート１３の比誘電率（両者で同一と仮定）である。図６の破線は、ｄ＝０．５ｍｍ、ε＝５として計算した場合を示しており、最低の部分放電開始電圧Ｖｉは、距離Ｇとともには飽和する傾向を示している。
【００３０】
なお、常にこのレベルまで部分放電開始電圧が低下するのではなく、絶縁体シート１３に内在するボイドや接着界面に剥離が無ければ、上記数式１で示される最低の放電開始電圧Ｖｉ以上の特性を示す。絶縁体シート１３のように、誘電率の高い絶縁体を第１多層基板７と第２多層基板９との間に挿入した状態では、ボイドまたは剥離があると、これらの内部電界は絶縁体の比誘電率倍になり、そこにかかる電界が増強され、部分放電開始電圧が大幅に低下する。
【００３１】
つまり、絶縁体シート１３を用いる構造では、製品の出来具合（ボイドまたは剥離の残存状態）で部分放電開始電圧は大きなバラツキを示し、安定した絶縁信頼性を維持することは難しい。従って、高耐電圧平面トランス１の製品の絶縁の信頼性を確保するたには、絶縁体シート１３を用いる場合は、一品一品部分放電試験を実施して品質管理をする必要があり、品質管理工程が増えるという問題とともに試験に時間がかかるという問題がある。
【００３２】
一方、図５に示すように第１多層基板７と第２多層基板９との間に空間１２を設ける構成では、ボイドおよび剥離の問題は発生せず、最低の部分放電開始電圧Ｖｉ（単位：ｋＶ）は、距離Ｇ（単位：ｍｍ）に対して次式で表現できる。
【００３３】
【数２】
【００３４】
ここで、ｄは、別の積層した絶縁層５ｄの厚さ（単位：ｍｍ）、εは、別の積層した絶縁層５ｄの比誘電率である。図６の実線は、ｄ＝０．５ｍｍ、ε＝５として計算した場合を示しており、最低の部分放電開始電圧Ｖｉは、距離Ｇとともに比例して高くなる。
【００３５】
空間１２を設けた絶縁構成では、部分放電開始電圧のバラツキは小さく安定した特性が得られる。従って、要求される部分放電開始電圧に必要な所定の空間１２寸法を設定しておけば、時間のかかる部分放電試験による品質管理工程が不要とすることができる。
【００３６】
また、例えば１．７ｋＶ耐電圧のＩＧＢＴ用絶縁トランスに要求される部分放電開始電圧Ｖｉ１＝１．８ｋＶに対して絶縁体シート１３を用いて構成すると、必要な絶縁体の厚さ（距離Ｇ）は１．８ｍｍとなる。一方、空間１２を用いて構成すると、必要な距離Ｇは０．２ｍｍで良く、絶縁トランスとして用いる高耐電圧平面トランス１を小型化することできる。
【００３７】
また、３．３ｋＶ耐電圧のＩＧＢＴ用絶縁トランスに要求される部分放電開始電圧Ｖｉ２＝３．５ｋＶに対して、絶縁体シート１３を用いて構成すると、絶縁体シート１３の厚さが３ｍｍでも上記Ｖｉ２を達成できないことが分かる。これに対して、空間１２を用いて構成にすると、距離Ｇが０．７５ｍｍで達成でき、一層のトランスの小型化が可能となる。さらに、高電圧の６．５ｋＶ高耐電圧ＩＧＢＴ用絶縁トランスに要求される部分放電開始電圧Ｖｉ３＝６．９ｋＶに対して、絶縁体シート１３を用いて構成する場合、現実的な絶縁体シート１３の厚さ範囲では要求される絶縁性能を達成することが出来ないことが分かる。これに対して、空間１２を用いて構成すると、距離Ｇは２ｍｍで良いことが分かる。
【００３８】
以上より、１ｋＶ以上の最低の部分放電開始電圧Ｖｉが要求される高電圧領域では、従来の絶縁体シート１３を用いる場合に比べて、要求される最低の部分放電開始電圧Ｖｉが高いほどより小型化が可能となるといえる。
【００３９】
空間１２が第１多層基板７と第２多層基板９とを隔離する距離Ｇ（単位：ｍｍ）は、上記数式２を２次関数で近似することで、最低の部分放電開始電圧Ｖｉ（単位：ｋＶ）に対して次式で表現できる。
【００４０】
【数３】
【００４１】
図７は、上記数式３より求めた、要求される最低の部分放電開始電圧Ｖｉに対する必要最小の第１多層基板７と第２多層基板９とを隔離する距離Ｇの関係を示す説明図である。図７では、例えば距離Ｇ＝３ｍｍ以上設ければ、最小の部分放電開始電圧Ｖｉを１０ｋＶまで高めることが分かる。これは、上述のＩＧＢＴの耐電圧クラスに換算すると９．４３ｋＶとなり、空間１２を用いた絶縁構成は、今後のＩＧＢＴの耐電圧クラスの向上にも十分対応可能な構成であるといえる。
【００４２】
なお、高耐電圧平面トランス１を薄くする観点からは第１多層基板７と第２多層基板９とを隔離する距離を出来るだけ距離Ｇに近づけることが好ましいが、組立性、製造誤差などを考慮して、実際には距離Ｇより大きくなることがある。その場合においても、上記隔離する距離を大きくし過ぎると、トランスとしての１次巻線４と２次コイル５の電磁結合が悪くなり効率低下を招くため、上記隔離する距離は数式３で得られる距離Ｇの１．５倍以内とすることがより好ましい。
【００４３】
以上より、この発明に係る高耐電圧平面トランス１では、第１多層基板７と第２多層基板９との間の絶縁構成として、敢えて、気体より材料自体の持つ破壊電圧が高い絶縁体シート１３などの固体絶縁物を使用せず、空間１２にて構成することで必要な絶縁寸法が縮小できるので、高耐電圧領域での絶縁性能に優れた薄型の高耐電圧平面トランスを得ることができる。
【００４４】
また、従来の絶縁体シート１３を用いる構成では得ることが困難であった、１ｋＶ以上の高耐電圧領域での長期の高い絶縁信頼性を実現できるので、例えば、電車等の駆動制御装置の高耐電圧ＩＧＢＴのゲートドライブ用絶縁トランスのように、長期の高い絶縁信頼性が要求される分野において、薄型の平面トランスを提供することが可能となる。
【００４５】
また、空間１２を設けた絶縁構成では、部分放電開始電圧のバラツキが小さく安定した特性が得られるので、部分放電に関連した品質管理工程を削減することができる。
【００４６】
実施の形態２．
図８は、この発明の実施の形態２を示す高耐電圧平面トランス１の断面図であり、図２に相当する部分の断面を示している。この実施の形態では、第２多層基板９と対向しない第１多層基板７の面にシールド導体３ｂを設けていないこと以外は、実施の形態１と同様であるので以下において説明を省略する。
【００４７】
このようにシールド導体３を第１多層基板７が第２多層基板９と対向する側の面のみに設ける構成では、第１多層基板７の両面に設ける場合と比較して、第２多層基板９と対向しない第１多層基板７の面での電界分布がより不均一となり、その影響で電界が高い上記対向する側の面の電界分布が悪化することがある。しかしながら、上記対向する側のシールド導体３ａを、１次コイル２を覆うように、１次コイル導体２ａ、２ｂと同様な形状で、開口部８ａを囲むように配置し、１次コイル導体２ａ、２ｂのコイルパターンの外形より外側に広がった外縁部を持ち、且つ１次コイル導体２ａ、２ｂのコイルパターンの内周に対してはその内周が小さく構成することで、上記電界分布の悪化をシールド導体３ａのシールド効果により軽微なものとすることができる。
【００４８】
さらに、シールド導体３ｂを設けないことで、第１多層基板７の層を減らすことができ、その分、高耐電圧平面トランスを薄くできる。
【００４９】
実施の形態３．
図９は、この発明の実施の形態３を示す高耐電圧平面トランス１の断面図であり、図２に相当する部分の断面を示している。この実施の形態では、コア６をＵ型コア６ｃとＩ形コア６ａとで構成したこと、および１次コイル２の第２多層基板９と反対側の積層した絶縁層２ｄを設けていないこと以外は、実施の形態２と同様であるので以下において説明を省略する。
【００５０】
このように積層した絶縁層２ｄを設けない構成では、第１多層基板７の１次コイル導体２ｂ側の面で誘電体層を配置することによる表面の電界緩和効果が得られず、その影響で、積層した絶縁層２ｄを有する場合と比較して、第１多層基板７の第２多層基板９と対向する側の面の電界分布が悪化することがある。しかしながら、上記対向する側のシールド導体３ａを、１次コイル２を覆うように、１次コイル導体２ａ、２ｂと同様な形状で、開口部８ａを囲むように配置し、１次コイル導体２ａ、２ｂのコイルパターンの外形より外側に広がった外縁部を持ち、且つ１次コイル導体２ａ、２ｂのコイルパターンの内周に対してはその内周が小さく構成することで、上記対向する側の面の電界分布の悪化をシールド導体３ａのシールド効果により軽減することができる。
【００５１】
さらに、１次コイル２の第２多層基板９と反対側の積層した絶縁層２ｄを設けないことで、第１多層基板７の層を減らすことができ、その分、高耐電圧平面トランスを薄くできる。
【００５２】
また、上述では、主にＩＧＢＴのゲートドライブ用絶縁トランスを例示して説明したが、他の高電圧トランスにも適用可能である。
【００５３】
また、上述では、第２多層基板９が２次巻線となる２次コイル５のみを有する場合について説明したが、第２多層基板９に２次巻線に加えて３次巻線を積層して形成しても良い。
【符号の説明】
【００５４】
１ 高耐電圧平面トランス、２ １次コイル、２ａ、２ｂ １次コイル導体、２ｃ ベース絶縁層、２ｄ 積層した絶縁層、３、３ａ、３ｂ シールド導体、３ｃ スリット、４ １次巻線、５ ２次コイル、５ａ、５ｂ ２次コイル導体、５ｃ 別のベース絶縁層、５ｄ 別の積層した絶縁層、６ コア、６ａ Ｉ型コア、６ｂ Ｅ型コア、６ｃ Ｕ型コア、７ 第１多層基板、８ａ、８ｂ 開口部、９ 第２多層基板、１０ 別の開口部、１１ スペーサピン、１２ 空間、１３ 絶縁体シート。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、高耐電圧パワー半導体素子のゲートドライブ用絶縁トランス等に用いる高耐電圧平面トランスに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の高耐電圧パワー半導体素子のゲートドライブ用絶縁トランスにおいては、プリント基板は、電気絶縁層、２次側パターンコイルが配置される第１導体層、電気絶縁層、１次側パターンコイルが配置される第２導体層、電気絶縁層という順に積層された多層基板で構成されている。これらパターンコイルは、プリント基板に設けられたパターンコイルに近接する貫通穴の両側面から分割コアを装着して一体化したコアにより、電磁結合されている。このような構成により薄型化と耐電圧性能との両立を行っている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、従来の小型携帯機器などの電源モジュールに用いられるシート型トランスにおいては、コイル部と、このコイル部に挿入されたフェライトコアとを備え、コイル部は、１次側回路が形成されたシート型コイル積層体と、このシート型コイル積層体と分離された２次側回路が形成された多層プリント配線板とを有し、１次側回路と２次側回路との間に絶縁シートなどの固体絶縁物を挟み込むことで、これらの間の絶縁を確保している（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２３５４１７号公報（図５および６）
【特許文献２】特開２０００−０９１１３８号公報（図２、６および１１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の高耐電圧パワー半導体素子のゲートドライブ用の絶縁トランスでは、多層基板の電気絶縁層により耐電圧性能を確保しているので、耐電圧性能に限界が有り、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）ゲートドライバー回路基板に用いる場合は、適用範囲が1ｋＶ以下の比較的低電圧に限定されていた。そのため、上記従来の絶縁トランスでは、電車の駆動制御装置等に用いられる１．７ｋＶ〜６．５ｋＶの高耐電圧ＩＧＢＴのゲートドライブ用絶縁トランスを実現できなかった。
【０００６】
さらに詳細に説明すると、電車等の駆動制御装置の高耐電圧ＩＧＢＴのゲートドライブ用絶縁トランスは、ＩＧＢＴモジュール動作時に、それぞれのＩＧＢＴ素子の耐電圧相当の電圧が常時印加される。このように、常時高い電圧が印加されるので、絶縁トランスの高電圧側コイルと低電圧側コイルとの間に絶縁欠陥および電界集中部などの不適切な構造があると部分放電が発生し、数１０年の期待寿命を維持できなくなることがある。そのため、高耐電圧ＩＧＢＴのゲートドライブ用絶縁トランスには、十分な設計裕度をもった部分放電開始電圧が要求される。
【０００７】
例えば、１．７ｋＶ耐電圧のＩＧＢＴ用の絶縁トランスには、最大の実効電圧値１．７ｋＶ／√２に設計裕度１．５倍を考慮した部分放電開始電圧、つまり交流電圧実効値で１．８ｋＶ以上が要求される。同様に、３．３ｋＶ耐電圧のＩＧＢＴ用では３．５ｋＶ以上の、６．５ｋＶ耐電圧のＩＧＢＴ用では６．９ｋＶ以上の部分放電開始電圧がそれぞれ要求される。
【０００８】
一方、従来の小型携帯機器などの電源モジュールに用いられるシート型トランスにおいては、１次側回路と２次側回路を分離し、それらの間に絶縁シートなどの固体絶縁物を挟み込んで絶縁性能を高めている。このような構成においては、絶縁性能は挟み込む固定絶縁物の厚さと共に向上する。然しながら、上記の高耐電圧ＩＧＢＴのゲートドライブ用絶縁トランスに要求される高耐電圧領域では、固定絶縁物の厚さに対する絶縁性能の改善率が小さく、上記高耐電圧領域で必要な絶縁性能を確保するためには固定絶縁物を大幅に厚くする必要があり、絶縁トランスが厚くなり大型化するという問題があった。また、従来の高耐電圧パワー半導体素子のゲートドライブ用の絶縁トランスに用いる場合、固体絶縁物に絶縁欠陥および電界集中部などの不適切な構造があると部分放電が発生して数１０年の期待寿命を維持できなくなるので、一品一品部分放電試験を実施して品質管理をする必要あり、品質管理工程が増えるとともに試験に時間がかかるという問題があった。
【０００９】
この発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、高耐電圧領域での長期の絶縁性能に優れた薄型の高耐電圧平面トランスを得るものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係る高耐電圧平面トランスにおいては、第１多層基板の内部にパターン形成された１次コイルと、第１多層基板の両主面の少なくとも一方の面に１次コイルを覆うようにパターン形成されて１次コイルと共に１次巻線を形成するシールド導体と、第１多層基板のシールド導体が形成された面と対向する第２多層基板の内部にパターン形成されて１次巻線と絶縁層を介して対向する２次コイルと、第１多層基板および第２多層基板を貫通して１次巻線と２次コイルを磁気結合させる磁気回路を形成するコアと、第１多層基板と第２多層基板とが対向する面を所定の距離隔てる空間とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１１】
この発明は、高耐電圧領域での長期の絶縁性能に優れた薄型の高耐電圧平面トランスを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態１を示す高耐電圧平面トランスの上面図である。
【図２】図１の断面Ｃ１―Ｃ１を示す断面図である。
【図３】図１の断面Ｃ２―Ｃ２を示す断面図である。
【図４】従来の平面トランスの第１多層基板と第２多層基板との間の絶縁構成の一例を説明するための断面図である。
【図５】この発明の空間の効果を検証するための簡略化した第１多層基板と第２多層基板との間の絶縁構成を示す断面図である。
【図６】図４および図５の構成における第１多層基板と第２多層基板との距離Ｇに対する最低の部分放電開始電圧Ｖｉの関係を示す説明図である。
【図７】図５の構成における要求される最低の部分放電開始電圧Ｖｉに対する必要な最小の第１多層基板と第２多層基板とを隔離する距離Ｇの関係を示す説明図である。
【図８】この発明の実施の形態２を示す高耐電圧平面トランスの断面図である。
【図９】この発明の実施の形態３を示す高耐電圧平面トランスの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１を示す高耐電圧平面トランス１の上面図である。図２は、図１の断面Ｃ１―Ｃ１を示す断面図である。図３は、図１の断面Ｃ２―Ｃ２を示す断面図である。図１〜３において、高耐電圧平面トランス１は、低圧側の１次コイル２およびシールド導体３にて構成される１次巻線４と、高圧側の２次コイル５とを、距離Ｇを隔てて分離させて積層し、Ｉ型コア６ａとＥ型コア６ｂにて構成されるコア６にてこれら１次巻線４と２次コイル５とを磁気結合させている。
【００１４】
１次コイル２は、例えば、ガラス繊維強化エポキシ樹脂などの板状のベース絶縁層２ｃの両主面に設けられた銅などの導体層をエッチング等の加工でパターン形成した、それぞれ同一方向の渦巻状コイルパターンの１次コイル導体２ａ、２ｂを有している。１次コイル導体２ａ、２ｂは、それぞれの渦巻状コイルパターンの中心側のコイル端部において、ベース絶縁層２ｃに設けたスルーホール（図示せず）にて接続されている。１次コイル導体２ａ、２ｂがベース絶縁層２ｃによって互いに隔離して保持されたベース基板の両主面には、例えばプリプレグシートと金属箔とを積層してヒートプレスすることにより形成された、積層された絶縁層２ｄと表面の導電層とが配置され、これら全体で４層の第１多層基板７となっている。第１多層基板７の両主面には、上記表面の導電層をエッチング等によってパターン成形したシールド導体３ａ、３ｂが配置されている。このシールド導体３ａ、３ｂは、それぞれトランスの１次巻線４の１ターンを形成するように０．１ｍｍ程度のスリット３ｃが設けられている。
【００１５】
第１多層基板７の１次コイル導体２ａ、２ｂのコイル形状の中心側の部位には、Ｅ型コア６ｂの中心脚部が貫通する開口部８ａが設けられている。また、第１多層基板７の１次コイル導体２ａ、２ｂの外側の部位には、Ｅ型コア６ｂの両端脚部が貫通する２つの開口部８ｂが設けられている。シールド導体３ａ、３ｂは、１次コイル２を両主面側から覆うように、１次コイル導体２ａ、２ｂと同様な形状で、開口部８ａを囲むように配置され、１次コイル導体２ａ、２ｂのコイルパターンの外形より外側に広がった外縁部を持ち、且つ１次コイル導体２ａ、２ｂのコイルパターンの内周に対してはその内周が小さくなっている。
【００１６】
このようにシールド導体３ａ、３ｂを配置することで、１次コイル２の導体分布（渦巻状コイルパターンなど）および導体エッジ部などに起因する第１多層基板７表面での不均一な電界分布を均一化することができる。つまり、シールド導体３ａ、３ｂは、第１多層基板７内部構造に起因した表面の電界の不均一をシールドする効果があるといえる。
【００１７】
高耐電圧平面トランス１の２次巻線となる２次コイル５は、板状の別のベース絶縁層５ｃの両主面に金属が貼られた別のベース基板をエッチングすることで形成された２次コイル導体５ａ、５ｂを有しており、１次コイル２と同様に、２次コイル導体５ａ、５ｂは、それぞれの渦巻状コイルパターンの中心側のコイル端部において、別のベース絶縁層５ｃに設けたスルーホール（図示せず）にて接続されている。上記別のベース基板は、両主面をガラスエ繊維強化ポキシ樹脂などの別の積層した絶縁層5ｄで覆われ、これらで第２多層基板９を構成している。第２多層基板９には、第１多層基板７と同様に、Ｅ型コア６ｂの中心脚部が貫通する別の開口部１０が設けられている。
【００１８】
第１多層基板７と第２多層基板９とは、第１多層基板７および第２多層基板９の外側の四隅にそれぞれ設けられた孔に、両端が挿入された導電性のスペーサピン１１で、一定の距離Ｇ隔てて保持されている。つまり、第１多層基板７と第２多層基板９との間には、空間１２が設けられている。また、導電性のスペーサピン１１は、１次巻線４および２次コイル５から離れて配置されている。このスペーサピン１１の一部は、２次コイル５と電気的に接続されて２次コイル５の出力端子を兼ねており、マザーボードとなる第１多層基板７の１次巻線４と電気的に直接接続されていない別の回路と、２次コイル５とを電気的に接続する機能も併せ持っている。
【００１９】
このように、第２多層基板９の２次コイル５の出力をスペーサピン１１にてマザーボードとなる第１多層基板７に接続することで、制御、計測回路およびＩＣなどを第１多層基板７に集約して、第２多層基板９を２次コイル５のみの単純な構成とすることができ、これにより第２次多層基板９の小型化が可能となる。
【００２０】
以上のように、この発明に係る高耐電圧平面トランス１は、第１多層基板７の内部にパターン形成された１次コイル２と、第１多層基板７の両主面に１次コイル２を覆うようにパターン形成されて１次コイル２と共に１次巻線４を形成するシールド導体３と、第２多層基板９の内部にパターン形成されて１次巻線４と絶縁層５ｄを介して対向する２次コイル５と、第１多層基板７および第２多層基板９を貫通して１次巻線４と２次コイル５とを磁気結合させる磁気回路を形成するコア６と、第１多層基板７と第２多層基板９とが対向する面を所定の距離隔てる空間とを備えている。
【００２１】
このように構成されているので、この発明に係る高耐電圧平面トランス１においては、特に第１多層基板７と第２多層基板９との間に空間１２を設けることで、部分放電の発生を有効に抑制でき、長期の絶縁信頼性が高く、耐電圧の高い高耐電圧平面トランスが提供できる。
【００２２】
次に、この発明に係る高耐電圧平面トランス１の空間１２の寸法と部分放電開始電圧の関係について、例えば上記特許文献２で開示されている従来のシート型トランスのように第１多層基板７と第２多層基板９との間に絶縁体シート１３を挿入する場合と比較して、さらに詳細に説明する。
【００２３】
図４は、従来の平面トランス１の第１多層基板７と第２多層基板９との間の絶縁構成の一例を説明するための断面図である。絶縁体シート１３は、その両面でそれぞれ第１多層基板７と第２多層基板９と接着されており、両基板７、９間の絶縁と保持を担っている。絶縁体シート１３のような固体絶縁物を接着する構成では、別途、両基板７、９間を保持する構造を必要とせず、構造が簡略化できる利点がある。しかし、固体絶縁物を用いることで、絶縁体シート１３の内部に残留した空隙(ボイド)Ｆ１、および第１積層基板７もしくは第２積層基板９と絶縁体シート１３との間の接着界面の残留ボイドまたは界面剥離による空隙Ｆ２が、発生することがある。
【００２４】
このような絶縁欠陥Ｆ１、Ｆ２は、動作電圧が低い領域では問題となることは少ないが、例えば、動作電圧が１ｋＶを超える高電圧領域では、絶縁欠陥Ｆ１、Ｆ２において電界集中が発生し、部分放電が発生して絶縁信頼性を著しく低下させる原因となる。また、例えば１ｋＶを超える高電圧領域では低電圧領域と比べて必要な絶縁体シート１３が大幅に厚くなるので、絶縁シート１３内部に空隙が残留する確率が高くなると共に、接着面に生じる残留応力が大きくなり界面剥離が生じやすくなる。その結果、ボイド、界面剥離などの絶縁欠陥Ｆ１、Ｆ２が生じやすくなるので、高電圧領域での絶縁信頼性が大きく損なわれる可能性が高まる。
【００２５】
図５は、この発明の空間の効果を検証するための簡略化した第１多層基板７と第２多層基板９との間の絶縁構成を示す断面図である。図５では、図４の絶縁体シート１３を用いる場合と異なり、第１多層基板７と第２多層基板９との間には空間１２が配置されている。このような構成で得られる、シールド導体３ａと２次コイル導体２ｂとの間の部分放電開始電圧の特性を、絶縁体シート１３を用いる場合と比較して図６に示す。
【００２６】
図６は、図４および図５の構成における第１多層基板７と第２多層基板９との距離Ｇに対する最低の部分放電開始電圧Ｖｉの関係を示す説明図である。実線で空間１２を設けた場合の特性を、破線で絶縁体シート１３を用いた場合の特性を、それぞれ示している。また、同図中、Ｖｉ１は１．７ｋＶ耐電圧のＩＧＢＴ用絶縁トランスで長期の絶縁信頼性を確保するのに必要な最低の部分放電開始電圧Ｖｉを、同様に、Ｖｉ２は３．３ｋＶ耐電圧のＩＧＢＴ用絶縁トランスに必要な最低の部分放電開始電圧Ｖｉを、Ｖｉ３は６．５ｋＶ耐電圧のＩＧＢＴ用絶縁トランスに必要な最低の部分放電開始電圧Ｖｉをそれぞれ示している。
【００２７】
絶縁体シート１３を接着する構成では、ボイド、剥離が存在している場合の最低の部分放電開始電圧Ｖｉ（単位：ｋＶ）は、距離Ｇ（単位：ｍｍ）に対して次式で表現できる。
【００２８】
【数１】
【００２９】
ここで、ｄは、別の積層した絶縁層５ｄの厚さ（単位：ｍｍ）、εは、別の積層した絶縁層５ｄおよび絶縁体シート１３の比誘電率（両者で同一と仮定）である。図６の破線は、ｄ＝０．５ｍｍ、ε＝５として計算した場合を示しており、最低の部分放電開始電圧Ｖｉは、距離Ｇとともには飽和する傾向を示している。
【００３０】
なお、常にこのレベルまで部分放電開始電圧が低下するのではなく、絶縁体シート１３に内在するボイドや接着界面に剥離が無ければ、上記数式１で示される最低の放電開始電圧Ｖｉ以上の特性を示す。絶縁体シート１３のように、誘電率の高い絶縁体を第１多層基板７と第２多層基板９との間に挿入した状態では、ボイドまたは剥離があると、これらの内部電界は絶縁体の比誘電率倍になり、そこにかかる電界が増強され、部分放電開始電圧が大幅に低下する。
【００３１】
つまり、絶縁体シート１３を用いる構造では、製品の出来具合（ボイドまたは剥離の残存状態）で部分放電開始電圧は大きなバラツキを示し、安定した絶縁信頼性を維持することは難しい。従って、高耐電圧平面トランス１の製品の絶縁の信頼性を確保するたには、絶縁体シート１３を用いる場合は、一品一品部分放電試験を実施して品質管理をする必要があり、品質管理工程が増えるという問題とともに試験に時間がかかるという問題がある。
【００３２】
一方、図５に示すように第１多層基板７と第２多層基板９との間に空間１２を設ける構成では、ボイドおよび剥離の問題は発生せず、最低の部分放電開始電圧Ｖｉ（単位：ｋＶ）は、距離Ｇ（単位：ｍｍ）に対して次式で表現できる。
【００３３】
【数２】
【００３４】
ここで、ｄは、別の積層した絶縁層５ｄの厚さ（単位：ｍｍ）、εは、別の積層した絶縁層５ｄの比誘電率である。図６の実線は、ｄ＝０．５ｍｍ、ε＝５として計算した場合を示しており、最低の部分放電開始電圧Ｖｉは、距離Ｇとともに比例して高くなる。
【００３５】
空間１２を設けた絶縁構成では、部分放電開始電圧のバラツキは小さく安定した特性が得られる。従って、要求される部分放電開始電圧に必要な所定の空間１２寸法を設定しておけば、時間のかかる部分放電試験による品質管理工程が不要とすることができる。
【００３６】
また、例えば１．７ｋＶ耐電圧のＩＧＢＴ用絶縁トランスに要求される部分放電開始電圧Ｖｉ１＝１．８ｋＶに対して絶縁体シート１３を用いて構成すると、必要な絶縁体の厚さ（距離Ｇ）は１．８ｍｍとなる。一方、空間１２を用いて構成すると、必要な距離Ｇは０．２ｍｍで良く、絶縁トランスとして用いる高耐電圧平面トランス１を小型化することできる。
【００３７】
また、３．３ｋＶ耐電圧のＩＧＢＴ用絶縁トランスに要求される部分放電開始電圧Ｖｉ２＝３．５ｋＶに対して、絶縁体シート１３を用いて構成すると、絶縁体シート１３の厚さが３ｍｍでも上記Ｖｉ２を達成できないことが分かる。これに対して、空間１２を用いて構成にすると、距離Ｇが０．７５ｍｍで達成でき、一層のトランスの小型化が可能となる。さらに、高電圧の６．５ｋＶ高耐電圧ＩＧＢＴ用絶縁トランスに要求される部分放電開始電圧Ｖｉ３＝６．９ｋＶに対して、絶縁体シート１３を用いて構成する場合、現実的な絶縁体シート１３の厚さ範囲では要求される絶縁性能を達成することが出来ないことが分かる。これに対して、空間１２を用いて構成すると、距離Ｇは２ｍｍで良いことが分かる。
【００３８】
以上より、１ｋＶ以上の最低の部分放電開始電圧Ｖｉが要求される高電圧領域では、従来の絶縁体シート１３を用いる場合に比べて、要求される最低の部分放電開始電圧Ｖｉが高いほどより小型化が可能となるといえる。
【００３９】
空間１２が第１多層基板７と第２多層基板９とを隔離する距離Ｇ（単位：ｍｍ）は、上記数式２を２次関数で近似することで、最低の部分放電開始電圧Ｖｉ（単位：ｋＶ）に対して次式で表現できる。
【００４０】
【数３】
【００４１】
図７は、上記数式３より求めた、要求される最低の部分放電開始電圧Ｖｉに対する必要最小の第１多層基板７と第２多層基板９とを隔離する距離Ｇの関係を示す説明図である。図７では、例えば距離Ｇ＝３ｍｍ以上設ければ、最小の部分放電開始電圧Ｖｉを１０ｋＶまで高めることが分かる。これは、上述のＩＧＢＴの耐電圧クラスに換算すると９．４３ｋＶとなり、空間１２を用いた絶縁構成は、今後のＩＧＢＴの耐電圧クラスの向上にも十分対応可能な構成であるといえる。
【００４２】
なお、高耐電圧平面トランス１を薄くする観点からは第１多層基板７と第２多層基板９とを隔離する距離を出来るだけ距離Ｇに近づけることが好ましいが、組立性、製造誤差などを考慮して、実際には距離Ｇより大きくなることがある。その場合においても、上記隔離する距離を大きくし過ぎると、トランスとしての１次巻線４と２次コイル５の電磁結合が悪くなり効率低下を招くため、上記隔離する距離は数式３で得られる距離Ｇの１．５倍以内とすることがより好ましい。
【００４３】
以上より、この発明に係る高耐電圧平面トランス１では、第１多層基板７と第２多層基板９との間の絶縁構成として、敢えて、気体より材料自体の持つ破壊電圧が高い絶縁体シート１３などの固体絶縁物を使用せず、空間１２にて構成することで必要な絶縁寸法が縮小できるので、高耐電圧領域での絶縁性能に優れた薄型の高耐電圧平面トランスを得ることができる。
【００４４】
また、従来の絶縁体シート１３を用いる構成では得ることが困難であった、１ｋＶ以上の高耐電圧領域での長期の高い絶縁信頼性を実現できるので、例えば、電車等の駆動制御装置の高耐電圧ＩＧＢＴのゲートドライブ用絶縁トランスのように、長期の高い絶縁信頼性が要求される分野において、薄型の平面トランスを提供することが可能となる。
【００４５】
また、空間１２を設けた絶縁構成では、部分放電開始電圧のバラツキが小さく安定した特性が得られるので、部分放電に関連した品質管理工程を削減することができる。
【００４６】
実施の形態２．
図８は、この発明の実施の形態２を示す高耐電圧平面トランス１の断面図であり、図２に相当する部分の断面を示している。この実施の形態では、第２多層基板９と対向しない第１多層基板７の面にシールド導体３ｂを設けていないこと以外は、実施の形態１と同様であるので以下において説明を省略する。
【００４７】
このようにシールド導体３を第１多層基板７が第２多層基板９と対向する側の面のみに設ける構成では、第１多層基板７の両面に設ける場合と比較して、第２多層基板９と対向しない第１多層基板７の面での電界分布がより不均一となり、その影響で電界が高い上記対向する側の面の電界分布が悪化することがある。しかしながら、上記対向する側のシールド導体３ａを、１次コイル２を覆うように、１次コイル導体２ａ、２ｂと同様な形状で、開口部８ａを囲むように配置し、１次コイル導体２ａ、２ｂのコイルパターンの外形より外側に広がった外縁部を持ち、且つ１次コイル導体２ａ、２ｂのコイルパターンの内周に対してはその内周が小さく構成することで、上記電界分布の悪化をシールド導体３ａのシールド効果により軽微なものとすることができる。
【００４８】
さらに、シールド導体３ｂを設けないことで、第１多層基板７の層を減らすことができ、その分、高耐電圧平面トランスを薄くできる。
【００４９】
実施の形態３．
図９は、この発明の実施の形態３を示す高耐電圧平面トランス１の断面図であり、図２に相当する部分の断面を示している。この実施の形態では、コア６をＵ型コア６ｃとＩ形コア６ａとで構成したこと、および１次コイル２の第２多層基板９と反対側の積層した絶縁層２ｄを設けていないこと以外は、実施の形態２と同様であるので以下において説明を省略する。
【００５０】
このように積層した絶縁層２ｄを設けない構成では、第１多層基板７の１次コイル導体２ｂ側の面で誘電体層を配置することによる表面の電界緩和効果が得られず、その影響で、積層した絶縁層２ｄを有する場合と比較して、第１多層基板７の第２多層基板９と対向する側の面の電界分布が悪化することがある。しかしながら、上記対向する側のシールド導体３ａを、１次コイル２を覆うように、１次コイル導体２ａ、２ｂと同様な形状で、開口部８ａを囲むように配置し、１次コイル導体２ａ、２ｂのコイルパターンの外形より外側に広がった外縁部を持ち、且つ１次コイル導体２ａ、２ｂのコイルパターンの内周に対してはその内周が小さく構成することで、上記対向する側の面の電界分布の悪化をシールド導体３ａのシールド効果により軽減することができる。
【００５１】
さらに、１次コイル２の第２多層基板９と反対側の積層した絶縁層２ｄを設けないことで、第１多層基板７の層を減らすことができ、その分、高耐電圧平面トランスを薄くできる。
【００５２】
また、上述では、主にＩＧＢＴのゲートドライブ用絶縁トランスを例示して説明したが、他の高電圧トランスにも適用可能である。
【００５３】
また、上述では、第２多層基板９が２次巻線となる２次コイル５のみを有する場合について説明したが、第２多層基板９に２次巻線に加えて３次巻線を積層して形成しても良い。
【符号の説明】
【００５４】
１ 高耐電圧平面トランス、２ １次コイル、２ａ、２ｂ １次コイル導体、２ｃ ベース絶縁層、２ｄ 積層した絶縁層、３、３ａ、３ｂ シールド導体、３ｃ スリット、４ １次巻線、５ ２次コイル、５ａ、５ｂ ２次コイル導体、５ｃ 別のベース絶縁層、５ｄ 別の積層した絶縁層、６ コア、６ａ Ｉ型コア、６ｂ Ｅ型コア、６ｃ Ｕ型コア、７ 第１多層基板、８ａ、８ｂ 開口部、９ 第２多層基板、１０ 別の開口部、１１ スペーサピン、１２ 空間、１３ 絶縁体シート。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１多層基板の内部にパターン形成された１次コイルと、
上記第１多層基板の両主面の少なくとも一方の面に上記１次コイルを覆うようにパターン形成されて上記１次コイルと共に１次巻線を形成するシールド導体と、
上記第１多層基板の上記シールド導体が形成された面と対向する第２多層基板の内部に、パターン形成されて上記１次巻線と絶縁層を介して対向する２次コイルと、
上記第１多層基板と上記第２多層基板とを貫通して上記１次巻線と上記２次コイルとを磁気結合させる磁気回路を形成するコアと、
上記第１多層基板と上記第２多層基板とが対向する面を所定の距離隔てる空間とを備えたことを特徴とする高耐電圧平面トランス。
【請求項２】
シールド導体は、第１多層基板の両主面に設けられたことを特徴とする請求項１記載の高耐電圧平面トランス。
【請求項３】
空間は、高耐電圧平面トランスに要求される部分放電開始電圧Ｖｉ（単位：ｋＡ）に対して
【数１】
で規定される距離Ｇ（単位：ｍｍ）以上、第１多層基板と第２多層基板とを隔てることを特徴とする請求項２に記載の高耐電圧平面トランス。
【請求項４】
空間は、第１多層基板と第２多層基板との間に設けたスペーサピンにて一定に保持されており、
上記第１多層基板は、上記第１多層基板の内で１次巻線と電気的に接続されていない別の回路を有し、
上記スペーサピンは、２次コイルの出力端子と上記別の回路を電気的に接続することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の高耐電圧平面トランス。
【請求項１】
第１多層基板の内部にパターン形成された１次コイルと、
上記第１多層基板の両主面の少なくとも一方の面に上記１次コイルを覆うようにパターン形成されて上記１次コイルと共に１次巻線を形成するシールド導体と、
上記第１多層基板の上記シールド導体が形成された面と対向する第２多層基板の内部に、パターン形成されて上記１次巻線と絶縁層を介して対向する２次コイルと、
上記第１多層基板と上記第２多層基板とを貫通して上記１次巻線と上記２次コイルとを磁気結合させる磁気回路を形成するコアと、
上記第１多層基板と上記第２多層基板とが対向する面を所定の距離隔てる空間とを備えたことを特徴とする高耐電圧平面トランス。
【請求項２】
シールド導体は、第１多層基板の両主面に設けられたことを特徴とする請求項１記載の高耐電圧平面トランス。
【請求項３】
空間は、高耐電圧平面トランスに要求される部分放電開始電圧Ｖｉ（単位：ｋＡ）に対して
【数１】
で規定される距離Ｇ（単位：ｍｍ）以上、第１多層基板と第２多層基板とを隔てることを特徴とする請求項２に記載の高耐電圧平面トランス。
【請求項４】
空間は、第１多層基板と第２多層基板との間に設けたスペーサピンにて一定に保持されており、
上記第１多層基板は、上記第１多層基板の内で１次巻線と電気的に接続されていない別の回路を有し、
上記スペーサピンは、２次コイルの出力端子と上記別の回路を電気的に接続することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の高耐電圧平面トランス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−２５８８７６（Ｐ２０１１−２５８８７６Ａ）
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１３４０８６（Ｐ２０１０−１３４０８６）
【出願日】平成２２年６月１１日（２０１０．６．１１）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月１１日（２０１０．６．１１）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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