2023-5612 高周波トランスの巻線構造

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023005612

(43)【公開日】2023-01-18

(54)【発明の名称】高周波トランスの巻線構造

(51)【国際特許分類】

   H01F 30/10 20060101AFI20230111BHJP

   H01F 27/28 20060101ALI20230111BHJP

【ＦＩ】

H01F30/10 C

H01F27/28 147

H01F30/10 R

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021107639

(22)【出願日】2021-06-29

(71)【出願人】

【識別番号】000144393

【氏名又は名称】株式会社三社電機製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110000970

【氏名又は名称】弁理士法人 楓国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】千本 純輝

(72)【発明者】

【氏名】服部 正蔵

【テーマコード（参考）】

5E043

【Ｆターム（参考）】

5E043AA06

(57)【要約】

【課題】二次側巻線の巻回構造を工夫することで、大型化することなく各二次側巻線の電流バランスを良くして高効率化を実現するトランスの巻線構造を提供する。
【解決手段】トランスの巻線構造は、コアの中心から前記積層方向に順に巻回された、第１の二次巻線ＮＳ（１）、第１の一次巻線ＮＰ（１）、第２の二次巻線ＮＳ（２）、第２の一次巻線（ＮＰ２）、第３の二次巻線ＮＳ（３）で構成された巻線を備え、前記第１の二次巻線ＮＳ（１）、前記第２の二次巻線ＮＳ（２）、前記第３の二次巻線ＮＳ（３）は、それぞれ２枚以下の銅平板を２回巻回し、その中央部にセンタータップを設けた構造である。

【選択図】 図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

トランスのコアに一次巻線と低圧大電流が流れる二次巻線とで構成される巻線を積層方向に順次巻回する巻線構造において、
前記巻線は、コアの中心から前記積層方向に順に巻回された、第１の二次巻線ＮＳ（１）、第１の一次巻線ＮＰ（１）、第２の二次巻線ＮＳ（２）、第２の一次巻線（ＮＰ２）、第３の二次巻線ＮＳ（３）で構成され、
前記第１の二次巻線ＮＳ（１）、前記第２の二次巻線ＮＳ（２）、前記第３の二次巻線ＮＳ（３）は、それぞれ２枚以下の銅平板を２回巻回し、その中央部にセンタータップを設けた構造である、トランスの巻線構造。

【請求項2】

前記二次巻線は以下の構成である、請求項１に記載のトランスの巻線構造。
（Ａ）第１の二次巻線ＮＳ（１）は、二次巻線ＮＳ１１と二次巻線ＮＳ２１で構成され、それぞれ１枚の銅平板を２回巻回し、その中央部にセンタータップを設ける。
（Ｂ）第２の二次巻線ＮＳ（２）は、二次巻線ＮＳ１２と二次巻線ＮＳ２２で構成され、それぞれ２枚の銅平板を２回巻回し、その中央部にセンタータップを設ける。
（Ｃ）第３の二次巻線ＮＳ（３）は、二次巻線ＮＳ１３と二次巻線ＮＳ２３で構成され、それぞれ１枚の銅平板を２回巻回し、その中央部にセンタータップを設ける。

【請求項3】

前記二次巻線は以下の構成である、請求項１に記載のトランスの巻線構造。
（Ａ）第１の二次巻線ＮＳ（１）は、二次巻線ＮＳ１１と二次巻線ＮＳ２１で構成され、それぞれ２枚の銅平板を２回巻回し、その中央部にセンタータップを設ける。
（Ｂ）第２の二次巻線ＮＳ（２）は、二次巻線ＮＳ１２と二次巻線ＮＳ２２で構成され、それぞれ２枚の銅平板を２回巻回し、その中央部にセンタータップを設ける。
（Ｃ）第３の二次巻線ＮＳ（３）は、二次巻線ＮＳ１３と二次巻線ＮＳ２３で構成され、それぞれ２枚の銅平板を２回巻回し、その中央部にセンタータップを設ける。

【請求項4】

前記二次巻線は以下の構成である、請求項１に記載のトランスの巻線構造。
（Ａ）第１の二次巻線ＮＳ（１）は、二次巻線ＮＳ１１と二次巻線ＮＳ２１で構成され、それぞれ１枚の銅平板を２回巻回し、その中央部にセンタータップを設ける。
（Ｂ）第２の二次巻線ＮＳ（２）は、二次巻線ＮＳ１２と二次巻線ＮＳ２２で構成され、それぞれ１枚の銅平板を２回巻回し、その中央部にセンタータップを設ける。
（Ｃ）第３の二次巻線ＮＳ（３）は、二次巻線ＮＳ１３と二次巻線ＮＳ２３で構成され、それぞれ１枚の銅平板を２回巻回し、その中央部にセンタータップを設ける。

【請求項5】

前記二次巻線は以下の構成である、請求項１に記載のトランスの巻線構造。
（Ａ）第１の二次巻線ＮＳ（１）は、二次巻線ＮＳ１１と二次巻線ＮＳ２１で構成され、それぞれ２枚の銅平板を２回巻回し、その中央部にセンタータップを設ける。
（Ｂ）第２の二次巻線ＮＳ（２）は、二次巻線ＮＳ１２と二次巻線ＮＳ２２で構成され、それぞれ１枚の銅平板を２回巻回し、その中央部にセンタータップを設ける。
（Ｃ）第３の二次巻線ＮＳ（３）は、二次巻線ＮＳ１３と二次巻線ＮＳ２３で構成され、それぞれ２枚の銅平板を２回巻回し、その中央部にセンタータップを設ける。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＤＣ－ＤＣコンバータ等に使用され、二次側に低圧大電流が流れる高周波トランスの巻線構造に関する。

【背景技術】

【0002】

ＤＣ－ＤＣコンバータ等に使用されるトランスの損失、特に二次側に低圧大電流が流れる高周波トランスの損失を減少させる事は、回路の高効率化と発熱抑制の見地から重要であり、従来から様々な工夫が施されている。

【0003】

例えば、大電流が流れる二次側巻線を撚り線で構成することで表皮効果や内部近接効果の影響を低減させることが可能である（引用文献２）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００５－１８３８０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、二次側巻線を撚り線で構成すると、巻線間に空隙が形成され全体が大型化してしまう問題がある。さらに、電流の大きさを稼ぐために撚り線の層を複数にすると、層間の内部近接効果による有効断面積の減少を避けられない。

【0006】

そして、上記の表皮効果や内部近接効果による影響を少なくしようとすると、二次巻線の厚みや径を大きくすることで断面積を大きくしたり、発熱対策のために冷却装置を設けることが必要となり、全体が大型化する問題があった。

【0007】

そこで、本発明の目的は、二次側巻線の巻回構造を工夫することで、大型化することなく各二次側巻線の電流バランスを良くして高効率化を実現するトランスの巻線構造を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明のトランスの巻線構造は、
トランスのコアに一次巻線と低圧大電流が流れる二次巻線とで構成される巻線を積層方向に順次巻回する巻線構造において、
前記巻線は、コアの中心から前記積層方向に順に巻回された、第１の二次巻線ＮＳ（１）、第１の一次巻線ＮＰ（１）、第２の二次巻線ＮＳ（２）、第２の一次巻線（ＮＰ２）、第３の二次巻線ＮＳ（３）で構成され、
前記第１の二次巻線ＮＳ（１）、前記第２の二次巻線ＮＳ（２）、前記第３の二次巻線ＮＳ（３）は、それぞれ２枚以下の銅平板を２回巻回し、その中央部にセンタータップを設けた構造である。

【0009】

トランスのコアに、コアの中心から、第１の二次巻線ＮＳ（１）、第１の一次巻線ＮＰ（１）、第２の二次巻線ＮＳ（２）、第２の一次巻線（ＮＰ２）、第３の二次巻線ＮＳ（３）の順に巻回される。各巻線は銅平板で構成され、低圧大電流が流れる二次巻線ＮＳ（１）～ＮＳ（３）は２枚以下の銅平板を２回巻回し、その中央部にセンタータップが設けられた構造である。

【0010】

このような巻線構造であることから、低圧大電流が流れる二次巻線はＮＳ（１）～ＮＳ（３）に分割され、二次電流はＮＳ（１）～ＮＳ（３）に分散されるため、表皮効果による電流密度の低下が抑制され、内部近接効果も小さくなるため、全体として二次巻線ＮＳ（１）～ＮＳ（３）の電流バランスが良くなる。

【発明の効果】

【0011】

本発明では、二次巻線のＮＳ（１）、ＮＳ（２）、ＮＳ（３）を、それぞれ２枚以下の銅平板を２回巻回し、その中央部にセンタータップを設けた構造としたので、内部近接効果と表皮効果による部分的な電流密度の低下を防止し、各二次巻線の電流バランスを向上することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は本発明の実施形態であるトランスの結線図である。

【図2】図２は同トランスの巻線構造図である。

【図3】図３は一次巻線と二次巻線の巻回状態を模式的に示す図である。

【図4】図４は、二次巻線の各タップの位置Ｄ１～Ｄ４、Ｆ１～Ｆ４で実測した電流実効値比率を示す。

【図5】図５は比較例のトランスの結線図である。

【図6】図６は比較例の巻線構造図である。

【図7】図７は比較例の二次巻線の各タップの位置Ｄ１～Ｄ４、Ｆ１～Ｆ４で実測した電流実効値比率を示す。

【図8】図８は、二次巻線の組み合わせパターン例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0013】

図１は本発明の実施形態であるトランスの結線図であり、図２は同トランスの巻線構造図、図３は一次巻線と二次巻線の巻回状態を模式的に示す図である。

【0014】

トランス１の一次巻線は、ＮＰ１、ＮＰ２で構成され、センタータップｂを有する。ＮＰ１は本発明の第１の一次巻線ＮＰ（１）に対応し、ＮＰ２は本発明の第２の一次巻線ＮＰ（２）に対応している。トランス１の二次巻線は、ＮＳ１１、ＮＳ２１からなる第１の二次巻線ＮＳ（１）と、ＮＳ１２、ＮＳ２２からなる第２の二次巻線ＮＳ（２）と、ＮＳ１３、ＮＳ２３からなる第３の二次巻線ＮＳ（３）で構成されている。ＮＳ（１）～ＮＳ（３）は、外部端子のタップｄ（ｄ１～ｄ３）とタップｆ（ｆ１～ｆ３）と、センタータップｅとを有する。なお、タップｄ（ｄ１～ｄ３）は外部で接続される。同様に、タップｆ（ｆ１～ｆ３）も、外部で接続され、３つのセンタータップｅも外部で接続される。

【0015】

一次巻線のＮＰ１、ＮＰ２は、それぞれ１パラ（１枚の銅平板）・６ターン（６回の巻回）で構成する。

【0016】

二次巻線のＮＳ（１）は、１パラ（１枚の銅平板）・２ターン（２回の巻回）で構成し、センタータップｅを設ける。したがって、ＮＳ（１）は、１パラ・１ターンのＮＳ１１とＮＳ２１で構成される。

【0017】

二次巻線のＮＳ（２）は、２パラ（２枚の銅平板）・２ターン（２回の巻回）で構成し、センタータップｅを設ける。したがって、ＮＳ（２）は、２パラ・１ターンのＮＳ１２とＮＳ２２で構成される。

【0018】

二次巻線のＮＳ（３）は、１パラ（１枚の銅平板）・２ターン（２回の巻回）で構成し、センタータップｅを設ける。したがって、ＮＳ（３）は、１パラ・１ターンのＮＳ１３とＮＳ２３で構成される。

【0019】

なお、各巻線間には巻線同士の絶縁をするための絶縁層（絶縁紙）が挟まれている。

【0020】

図２では、コア３内に設けられているボビン２と、ボビン２にコア３の中心位置から積層方向に向けて巻回されている巻線を示している。同図は、ボビン２の上半分の断面図である。

【0021】

コアの中心位置から周囲に向けて（巻線の積層方向に向けて）、ＮＳ（１）、ＮＰ（１）、ＮＳ（２）、ＮＰ（２）、ＮＳ（３）の順に巻回されている。二次巻線は、ＮＳ（１）では、ＮＳ１１とＮＳ２１が、それぞれ１パラ・１ターン巻回され、ＮＳ（２）では、ＮＳ１２とＮＳ２２が、それぞれ２パラ・１ターン巻回され、ＮＳ（３）では、ＮＳ１３とＮＳ２３が、それぞれ１パラ・１ターン巻回されている。また、一次巻線は、ＮＰ（１）、ＮＰ（２）とも、それぞれ１パラ・６ターン巻回されている。

【0022】

図３を参照して、一次巻線と二次巻線の巻回状態をさらに具体的に説明する。

【0023】

コア３に対して、その中心位置からＮＳ１１、ＮＳ１２・・・・ＮＳ２３の順に巻回されている。点線は一次巻線ＮＰ１、ＮＰ２を示し、実線は二次巻線ＮＳ１１～ＮＳ２３を示している。

【0024】

コア３の中心から、二次巻線ＮＳ１１がタップｄ１からセンタータップｅ１まで１パラ・１ターン巻回し、その上に二次巻線ＮＳ２１がセンタータップｅからタップｆ１まで１パラ・１ターン巻回する。

【0025】

一次巻線ＮＰ１がタップａからセンタータップｂまで１パラで６ターン巻回する。

【0026】

二次巻線ＮＳ１２がタップｄ２からセンタータップｅまで２パラで１ターン巻回する。

【0027】

二次巻線ＮＳ２２がセンタータップｅからタップｆ２まで２パラで１ターン巻回する。

【0028】

一次巻線ＮＰ２がセンタータップｂからタップｃまで１パラで６ターン巻回する。

【0029】

二次巻線ＮＳ１３がタップｄ３からセンタータップｅまで１パラで１ターン巻回する。

【0030】

二次巻線ＮＳ２３がセンタータップｅからタップｆ３まで１パラで１ターン巻回する。

【0031】

一次巻線ではセンタータップｂ同士が外部で接続され、二次巻線ではタップｄ１～ｄ３、タップｆ１～ｆ３、センタータップｅがそれぞれ外部で接続される。

【0032】

上記の構成で、ＮＳ（２）（ＮＳ１２とＮＳ２２）は、ＮＰ（１）とＮＰ（２）でサンドイッチされ、ＮＳ（１）（ＮＳ１１とＮＳ２１）はＮＰ（１）に近接して巻回され、ＮＳ（３）（ＮＳ１３とＮＳ２３）はＮＰ（２）に近接して巻回されている。したがって、全ての二次巻線ＮＳ（１）～ＮＳ（３）は、一次巻線ＮＰ（１）又はＮＰ（２）に密結合しているため、トランスの効率の低下はない。

【0033】

また、ＮＳ（１）、ＮＳ（２）、ＮＳ（３）の二次巻線は、いずれも１パラか２パラの１ターンの組み合わせ構造である。このため、二次巻線では内部近接効果による有効断面積の減少が抑制され、電流密度のアンバランスをなくすことが出来る。

【0034】

図４は、二次巻線の各タップの位置Ｄ１～Ｄ４、Ｆ１～Ｆ４（図３参照）で実測した電流実効値比率を示す。同図において、縦軸は波形観測によって求めた電流実効値
比率（％）、横軸は二次巻線の各タップの位置Ｄ１～Ｄ４、Ｆ１～Ｆ４（図３参照）である。

【0035】

図示のように、各巻線あたり（１パラあたり）の電流の大きさのずれの平均は次式から６．５％である。

【0036】

Σ（２５（％）－ａ％）／８（パラ）
上記式において、ａはＤ１～Ｄ４、Ｆ１～Ｆ４の各電流実効値比率で、２５％は、Ｄ１～Ｄ４又はＦ１～Ｆ４の理想的な電流比率である。

【0037】

比較のため、二次巻線全体を一次巻線の間にサンドイッチ状に挟んだ比較例の巻線構造を図５～図７に示す。この比較例は、従来から広く使用されている巻線構造である。

【0038】

図５、図６に示すように、一次巻線ＮＰ（１）とＮＰ（２）は、それぞれ１パラ・６ターンで上記実施形態と同じ構成である。二次巻線ＮＳ（１）とＮＳ（２）は、それぞれ４パラ・１ターンで、図６のように、ＮＳ（１）の上にＮＳ（２）が巻回されている。

【0039】

図７は、二次巻線ＮＳ（１）、ＮＳ（２）の４パラ・１ターンの各巻線の電流バランスを示している。同図において、縦軸は波形観測によって求めた電流実効値比率（％）、横軸は二次巻線の各タップの位置Ｄ１～Ｄ４、Ｆ１～Ｆ４である（図５参照）。

【0040】

図示のように、各巻線の電流の大きさのずれの平均は次式から１６％である。

【0041】

Σ（２５（％）－ａ％）／８（パラ）
上記式において、ａはＤ１～Ｄ４、Ｆ１～Ｆ４の各電流実効値比率で、２５％は、Ｄ１～Ｄ４又はＦ１～Ｆ４の理想的な電流比率である。

【0042】

図７に示すように、二次巻線ＮＳ（１）、ＮＳ（２）の４パラ・１ターンの巻線構造では、ＮＳ（１）の内側の２枚の巻線（Ｄ２、Ｄ３が対応）とＮＳ（２）の内側の２枚の巻線（Ｆ２、Ｆ３が対応）は、内部近接効果が大きいために電流実効値比率は非常に小さく、ずれの平均が１６％と大きくなっている。このためＮＳ（１）、ＮＳ（２）の電流バランスは非常に悪い。

【0043】

これに対して、本願発明の実施形態では、図４に示すように、二次巻線を、ＮＳ（１）、ＮＳ（２）、ＮＳ（３）に分割し、それぞれを１パラ・１ターンか２パラ・１ターンの組み合わせで構成しているため、内部近接効果による有効断面積の減少が抑制され、電流密度のアンバランスを大きく改善出来ている。

【0044】

このように、二次巻線を、２パラ以下の２ターンの巻線に分割して、各分割巻線にセンタータップを設けることで、各分割巻線において内部近接効果による有効断面積の減少が抑制され、電流密度のアンバランスを大きく改善出来る。

【0045】

図８は、二次巻線の組み合わせパターン例（１）～（４）を示している。

【0046】

組み合わせパターン例（１）は、図２に示す巻線構造である。

【0047】

組み合わせパターン例（２）は、以下の巻線構造である。

【0048】

ＮＳ（１）では、ＮＳ１１とＮＳ２１が、それぞれ２パラ・１ターン巻回され、ＮＳ（２）では、ＮＳ１２とＮＳ２２が、それぞれ２パラ・１ターン巻回され、ＮＳ（３）では、ＮＳ１３とＮＳ２３が、それぞれ２パラ・１ターン巻回されている。また、一次巻線は、ＮＰ（１）、ＮＰ（２）とも、それぞれ１パラ・６ターン巻回されている。

【0049】

組み合わせパターン例（３）は、以下の巻線構造である。

【0050】

ＮＳ（１）では、ＮＳ１１とＮＳ２１が、それぞれ１パラ・１ターン巻回され、ＮＳ（２）では、ＮＳ１２とＮＳ２２が、それぞれ１パラ・１ターン巻回され、ＮＳ（３）では、ＮＳ１３とＮＳ２３が、それぞれ１パラ・１ターン巻回されている。また、一次巻線は、ＮＰ（１）、ＮＰ（２）とも、それぞれ１パラ・６ターン巻回されている。

【0051】

組み合わせパターン例（４）は、以下の巻線構造である。

【0052】

ＮＳ（１）では、ＮＳ１１とＮＳ２１が、それぞれ２パラ・１ターン巻回され、ＮＳ（２）では、ＮＳ１２とＮＳ２２が、それぞれ１パラ・１ターン巻回され、ＮＳ（３）では、ＮＳ１３とＮＳ２３が、それぞれ２パラ・１ターン巻回されている。また、一次巻線は、ＮＰ（１）、ＮＰ（２）とも、それぞれ１パラ・６ターン巻回されている。

【0053】

上記いずれの組み合わせパターンも、ＮＳ（１）～ＮＳ（３）は、それぞれ２パラ以下の銅平板を２ターン巻回し、その中央部にセンタータップを設けた構造である。また、銅平板の枚数（パラ数）と巻線構造は、巻線の積層方向中心から上下に対称である。

【符号の説明】

【0054】

１：トランス
２：ボビン
３：コア
ＮＰ（１）：一次巻線
ＮＰ（２）：一次巻線
ＮＳ（１）：二次巻線
ＮＳ（２）：二次巻線
ＮＳ（３）：二次巻線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】