特許 7003421 パルス電源用巻線機器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-01-06

(45)【発行日】2022-01-20

(54)【発明の名称】パルス電源用巻線機器

(51)【国際特許分類】

   H01F 19/04 20060101AFI20220113BHJP

【ＦＩ】

H01F19/04 U

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2017042279

(22)【出願日】2017-03-07

(65)【公開番号】P2018148057

(43)【公開日】2018-09-20

【審査請求日】2019-12-13

(73)【特許権者】

【識別番号】000006105

【氏名又は名称】株式会社明電舎

(74)【代理人】

【識別番号】100086232

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 博通

(74)【代理人】

【識別番号】100092613

【弁理士】

【氏名又は名称】富岡 潔

(74)【代理人】

【識別番号】100104938

【弁理士】

【氏名又は名称】鵜澤 英久

(72)【発明者】

【氏名】長田 俊宏

(72)【発明者】

【氏名】東 征男

【審査官】井上 健一

(56)【参考文献】

【文献】特公昭５１－００９１２７（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】特開２００２－２７０４３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００８／０２６２８１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００１－２６７１５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００９／０２６１８１３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０１５６２０７３（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｆ １９／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

リング状の複数のコアと、
上記複数のコアの中央の穴部を貫通する第１の電線と、
上記コアに巻き付けられた第２の電線と、
上記コアの内周側で上記第１の電線と上記第２の電線とが間隙をもって離間するように上記第１の電線を支持する複数の支持部材と、を有し、
上記支持部材は、電気絶縁性を有し、上記コアの軸方向で当該コアの両側に位置するとともに、複数ある上記コアの間に位置し、上記第１の電線を支持可能な円環状の先端部と、一端側が上記先端部と連続し、他端側がプリント基板に固定される基端部とを有することを特徴とするパルス電源用巻線機器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、トランスの巻線構造に関し、特に、パルストランスを用いたゲート駆動回路におけるトランスの巻線構造に関する。

【背景技術】

【0002】

パルス幅変調式パルス電源としては、ＰＦＬ（ケーブル放電回路）、ＰＥＮ（パルス整形回路）、ブルームラインを使った回路方式等が考えられる。しかしながら、特に立ち上がり／立ち下がり時間が数十ｎｓｅｃと短く、数百ｎｓｅｃまでの短パルス幅出力が求められ、かつ容易にパルス幅変調できるものとしては、スイッチ等で直接負荷に電力供給する方式が有効である。図５は、スイッチ等で直接負荷に電力供給するパルス幅変調式パルス電源の回路構成例を示す。

【0003】

図５に示す回路構成例では、外部からの直流電源Ｖで電力が供給されている。コンデンサＣは、直流電源Ｖの応答性により電圧低下が考えられる場合に挿入されるものである。

【0004】

抵抗Ｒ２、スイッチＳＷ２は、負荷ｌｏａｄが抵抗負荷であれば不要であるが、負荷ｌｏａｄ側にエネルギーが残存し、電圧を立ち下げたい場合には必要となる。

【0005】

抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２は、回路浮遊分のインダクタンスや負荷ｌｏａｄが容量性の場合に振動を抑制するため、必要に応じて挿入されるものである。

【0006】

図６は、図５の負荷ｌｏａｄにエネルギーを供給した際のタイミングチャートである。負荷ｌｏａｄにエネルギーを供給し、負荷ｌｏａｄ側の電圧を立ち上げたい時は、スイッチＳＷ１をＯＮ、スイッチＳＷ２をＯＦＦとする。その後、負荷ｌｏａｄ側の電圧を立ち下げたい場合は、スイッチＳＷ１をＯＦＦ、スイッチＳＷ２をＯＮとする。

【0007】

主に、プラズマ発生用途で使用する場合、負荷ｌｏａｄに印加される電圧は高電圧（例えば、数ｋＶ～数十ｋＶ）となる。スイッチＳＷ１、スイッチＳＷ２は、負荷ｌｏａｄと略同じ電圧が印加されるため、高耐圧なスイッチが必要である。

【0008】

スイッチＳＷ１、ＳＷ２に使用される半導体スイッチング素子としては、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）の適用が考えられる。しかしながら、印加電圧が数十ｋＶクラスで、かつ数十ｎｓｅｃで動作するスイッチは単体ではないため、ディスクリート型半導体デバイスを直列接続して使用するのが一般的である。直列接続してスイッチを動作させる方式は様々あるが、よりシンプルな方式としてパルストランスによるダイレクトに各スイッチを同時にＯＮさせる方式がある。

【0009】

図７は、パルストランスによるゲートドライブの回路構成例を示している。この図７は、スイッチＳＷ１、スイッチＳＷ２として３つの素子が直列に接続された例である。

【0010】

パルストランスに漏れインダクタンスが多いと、入力波形が方形波であっても、出力側波形には漏れインダクタンスによる電圧降下が生じ波形が歪む。そのため、パルストランスにおける漏れインダクタンスは、小さいことが望ましい。

【0011】

図７においては、パルストランス１次側にＯＮしたい時間だけ、各スイッチ（ＳＷｎ、ＳＷｎ－１、ＳＷ０）に、ゲート電圧を印加する。各段のスイッチ（ＳＷｎ、ＳＷｎ－１、ＳＷ０）のＯＮタイミング調整が必要となる場合は、各段のトランス２次側とスイッチとの間にＯＮ、ＯＦＦタイミング用の微調整回路（Ｃｎ、Ｃｎ－１、Ｃ０）を追加する。

【0012】

ここで、絶縁性であるパルストランスの方式では、トランス１次側と２次側の間に、高電圧がそのまま印加される。そのため、トランス１次－２次間巻線の絶縁構造が重要となる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0013】

【文献】特開平７－３７４７７号公報

【文献】特開２００１－２６７１５７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0014】

絶縁距離を稼ぐため、パルストランスの内径が大きいものを使用すると外形が大きくなる。ここでは、リング状のコアを用いることで絶縁（電気的な絶縁）と漏れインダクタンス低減を実現する。パルストランスに使用するコアは、２次側と１次側巻線の絶縁距離を稼ぎつつ、漏れインダクタンスを低減するため内径をなるべく小さくする必要がある。

【0015】

本発明の目的は、ゲート回路における信号と信号電力を伝送するパルストランスにおいて、電気的な絶縁能力の確保と漏れインダクタンスを低減する技術を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0016】

本発明のパルス電源用巻線機器は、リング状のコアと、上記コアの中央の穴部を貫通する第１の電線と、上記コアに巻き付けられた第２の電線と、上記コアの内周側で上記第１の電線と上記第２の電線とが間隙をもって離間するように上記第１の電線を支持する支持部材と、を有することを特徴としている。

【0017】

上記支持部材は、電気絶縁性を有して上記コアを貫通する管状かつ蛇腹状の部材であって、上記第１の電線が内側を貫通し、蛇腹の山部が上記コアの内周側で支持され、蛇腹の谷部が上記第１の電線を支持するものであってもよい。

【0018】

また、上記支持部材は、電気絶縁性を有し、上記コアの軸方向で当該コアの両側に位置するものであってもよい。

【発明の効果】

【0019】

本発明のパルス電源用巻線機器は、支持部材によってリング状のコアの内周側における第１の電線と第２の電線との間隔を安定的に確保できるので、絶縁破壊を抑制できるとともに、漏れインダクタンスを低減できる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の第１実施例に係るパルストランスを模式的に示した説明図。

【図2】本発明の第１実施例に係るパルストランスを模式的に示した説明図。

【図3】本発明の第２実施例に係るパルストランスを模式的に示した説明図。

【図4】本発明の第２実施例に係るパルストランスを模式的に示した説明図。

【図5】パルス幅変調式パルス電源の回路構成の一例を示す回路図。

【図6】図５の負荷ｌｏａｄにエネルギーを供給した際のタイミングチャート。

【図7】パルストランスによるゲートドライブの回路構成の一例を示す回路図。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明に係る各実施例のおけるパルス電源用巻線機器は、上述した図７に示したようなゲートドライブ回路に適用可能なものである。但し、本発明に係る各実施例のおけるパルス電源用巻線機器は、ゲートドライブ回路に適用するものに限定されるものではなく、様々なパルス電源用の巻線機器に適用可能である。

【0022】

図１及び図２を用いて、本発明に係るパルス電源用巻線機器である第１実施例のパルストランス１について説明する。

【0023】

図１は、第１実施例のパルストランス１を模式的に示した説明図である。図２は、図１の矢示Ａ方向からみた第１実施例のパルストランス１を示すものであって、第１実施例におけるパルストランス１を模式的に示した説明図である。

【0024】

パルストランス１は、リング状のコア２と、コア２を貫通する１次側電線３と、コア２に巻き付けられた２次側電線４と、１次側電線３を支持する蛇腹状の支持部材５と、を有している。

【0025】

コア２は、中央に断面円形の穴部６を有し、穴部６の外周面がコア２の内周面７となっている。コア２の外周面８は、コア２の内周面７と同心状の円筒面となっている。つまり、コア２は、いわゆるトロイダルコアである。

【0026】

第１の電線としての１次側電線３は、コア２の穴部６及び支持部材５の内側（内周側）を貫通している。１次側電線３は、コア２の内周側、すなわち穴部６内にあっては、穴部６の略中央に位置するよう、支持部材５によって支持されている。

【0027】

第２の電線としての２次側電線４は、コア２の内周側を通るようにコア２に巻き付けられている。換言すると、２次側電線４は、コア２の軸方向に沿ってコア２に巻き付けられている。

【0028】

支持部材５は、管状、かつ肉厚略一定の蛇腹状の部材であり、コア２の穴部６を貫通している。

【0029】

支持部材５は、例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等の電気絶縁性を有する材料からなっている。

【0030】

支持部材５の蛇腹は、支持部材軸方向（支持部材長手方向）に沿って、蛇腹の山部９と谷部１０が同心状に交互に繰り返し形成されたものである。

【0031】

支持部材５の蛇腹は、山部９がコア２の穴部６内に少なくとも一つは必ず存在するように設定される。

【0032】

支持部材５の蛇腹は、例えば、全ての山部９が互いに同心かつ同一径となり、全ての谷部１０が互いに同心かつ同一径となるよう設定される。つまり、支持部材５は、蛇腹の山部９で外径が最大となり、蛇腹の谷部１０で外径が最小となるよう形成される。蛇腹の山部９の外径は、例えば、コア２の穴部６の内径と等しくなるよう設定される。蛇腹の谷部１０の内径は、例えば、１次側電線３の外径と等しくなるよう設定される。

【0033】

支持部材５は、コア２の内周側では、コア２に巻き付けられた２次側電線４と蛇腹の山部９が圧接している。また、支持部材５は、蛇腹の谷部１０で１次側電線３を支持している。換言すると、支持部材５は、１次側電線３と２次側電線４とがコア２の内周側で間隙をもって離間するように１次側電線３を支持している。詳述すると、支持部材５は、コア２の内周側において、１次側電線３と２次側電線４とが空気層等を含む所定の間隔ｔ１をもって支持部材半径方向で全周に亙って離間するように、１次側電線３を支持している。

【0034】

コア２の内周側における１次側電線３と２次側電線４との間隔ｔ１は、支持部材５の蛇腹による凹凸によって確保される。従って、パルストランス１は、コア２の内周側にあっては、１次側電線半径方向で、１次側電線３と２次側電線４との間に、間隔ｔ１の絶縁距離が設定可能になる。

【0035】

また、支持部材５は、コア２の穴部６を貫通可能で、かつ蛇腹の最外端部である山部９が２次側電線４と圧接可能となるように、山部９の外径が設定されている。蛇腹の山部９が２次側電線４に圧接することで、１次側電線３及び２次側電線４とコア２が固定され、１次側電線３はコア２の略中央に固定される。

【0036】

外形仕様で小型化が特に要求されているパルス電源において、パルストランスを用いてゲートを駆動する場合、インダクタンスを考慮してなるべくＶｔ積（電圧・時間積）確保を考慮したパルストランス設計が必要となる。特に、パルストランス１次－２次間に挿入される絶縁物・絶縁材料、絶縁距離等によって、パルストランスの電気絶縁性能は決まる。トランス１－２次間電線である１次側電線（第１の電線）には、主回路の高電圧が直接印加されるため、その電気絶縁性能が重要となる。

【0037】

そこで、第１実施例のパルストランス１においては、リング状のコア２の内周側で１次側電線３と２次側電線４とが所定の間隔ｔ１をもって離間するように、１次側電線３を支持部材５で支持する。これによって、パルストランス１は、１次側電線３と２次側電線４との間隔ｔ１を安定的に確保でき、絶縁破壊を抑制できるとともに、漏れインダクタンスを低減できる。

【0038】

そして、パルストランス１は、コア２の内周側では、１次側電線３と２次側電線４とが空気層を介して離間している。そのため、パルストランス１は、１次側電線３と２次側電線４との間に存在する絶縁物・絶縁材料の割合を小さくでき、コストを相対的に低減できる。

【0039】

さらに、第１実施例のパルストランス１においては、支持部材５の蛇腹の山部９と谷部１０により生じる支持部材半径方向の凹凸によって、１次側電線３をコア２の中央に位置するよう支持できる。つまり、パルストランス１は、１次側電線３を固定せずとも、コア２内周側における１次側電線３と２次側電線４との間隔ｔ１を安定的に確保可能となる。

【0040】

そのため、パルストランス１は、製造時の偏り（ばらつき）等によって、どこかの１次側電線３と２次側電線４が接触して、絶縁破壊するような事例はなくなる。

【0041】

また、パルストランス１は、支持部材５の蛇腹による凹凸によって、コア内周側における１次側電線３と２次側電線４との間隔ｔ１を均一的に確保可能となる。

【0042】

そのため、パルストランス１は、１次側電線３と２次側電線４との間に生じるコロナ放電を抑制できる。

【0043】

次に、図３及び図４を用いて、本発明に係るパルス電源用巻線機器である第２実施例のパルストランス２１について説明する。

【0044】

図３は、第２実施例のパルストランス２１を模式的に示した説明図である。図４は、図３の矢示Ｂ方向からみた第２実施例のパルストランス２１を示すものであって、第２実施例におけるパルストランス２１を模式的に示した説明図である。

【0045】

パルストランス２１は、リング状のコア２２と、コア２２を貫通する１次側電線２３と、コア２２に巻き付けられた２次側電線２４と、１次側電線２３を支持する支持部材２５と、を有している。

【0046】

コア２２は、中央に断面円形の穴部２６を有し、穴部２６の外周面がコア２２の内周面２７となっている。コア２２の外周面２８は、コア２２の内周面２７と同心状の円筒面となっている。つまり、コア２２は、いわゆるトロイダルコアである。コア２２は、第１固定部材２９を介してプリント基板３０に実装されている。第１固定部材２９は、例えば、シリコンゲル等の樹脂等の電気絶縁性を有する絶縁材料からなっている。

【0047】

第１の電線としての１次側電線２３は、コア２２の穴部２６を貫通している。また、１次側電線２３は、支持部材２５を貫通している。１次側電線２３は、コア２２の内周側、すなわち穴部２６内にあっては、穴部２６の略中央に位置するよう、支持部材２５によって支持されている。

【0048】

第２の電線としての２次側電線２４は、コア２２の内周側を通るようにコア２２に巻き付けられている。換言すると、２次側電線２４は、コア２２の軸方向に沿ってコア２２に巻き付けられている。

【0049】

支持部材２５は、コア軸方向で、コア２２の両側に位置している。支持部材２５は、電気絶縁性を有する材料からなり、１次側電線２３を支持可能な先端部３１と、プリント基板３０に固定される基端部３２と、を有している。

【0050】

先端部３１は、例えば円環状を呈し、その内周面の一部または全てが１次側電線２３に接触することで、１次側電線２３を支持している。基端部３２は、例えば棒状を呈し、一端側が先端部３１と連続し、他端側がプリント基板３０に固定されている。

【0051】

支持部材２５は、１次側電線２３と２次側電線２４とがコア２２の内周側で間隙をもって離間するように１次側電線２３を支持している。詳述すると、支持部材２５は、コア２２の内周側で１次側電線２３と２次側電線２４とが空気層からなる所定の間隔ｔ２をもって離間するように、１次側電線２３を支持している。換言すると、支持部材２５は、コア２２に内周側における１次側電線２３と２次側電線２４との間の距離が１次側電線周方向の全周に亙って十分な絶縁耐圧となり得る間隔ｔ２となるように、１次側電線２３を支持している。

【0052】

従って、パルストランス２１は、コア２２の内周側に、１次側電線半径方向で、１次側電線２３と２次側電線２４との間に間隔ｔ２の絶縁距離が設定可能になる。

【0053】

このような第２実施例のパルストランス２１においては、リング状のコア２２の内周側で１次側電線２３と２次側電線２４とが所定の間隔ｔ２をもって離間するように、１次側電線２３をコア２２の両側に位置する一対の支持部材２５、２５によって支持する。これによって、パルストランス２１は、１次側電線２３と２次側電線２４との間隔ｔ２を安定的に確保でき、絶縁破壊を抑制できるとともに、漏れインダクタンスを低減できる。

【0054】

そして、パルストランス２１は、コア２２の内周側では、１次側電線２３と２次側電線２４とが空気層を介して離間している。そのため、パルストランス２１は、１次側電線２３と２次側電線２４との間に存在する絶縁物・絶縁材料の割合を小さくでき、コストを相対的に低減できる。

【0055】

さらに、第２実施例のパルストランス２１は、コア２２の両側に位置する支持部材２５、２５によって、コア２２内周側における１次側電線２３をコア２２の穴部２６の略中央に位置するよう支持できる。つまり、パルストランス２１は、コア２２内周側における１次側電線２３と２次側電線２４との間隔ｔ２を安定的に確保可能となる。

【0056】

そのため、パルストランス２１は、製造時の偏り（ばらつき）等によって、どこかの１次側電線２３と２次側電線２４が接触して、絶縁破壊するような事例はなくなる。

【0057】

また、パルストランス２１は、コア２２の両側に位置する支持部材２５、２５によって、コア内周側における１次側電線２３と２次側電線２４との間隔ｔ２を均一的に確保可能となる。

【0058】

そのため、パルストランス２１は、１次側電線２３と２次側電線２４との間に生じるコロナ放電を抑制できる。

【符号の説明】

【0059】

１…パルストランス
２…コア
３…１次側電線
４…２次側電線
５…支持部材
６…穴部
７…内周面
８…外周面
９…山部
１０…谷部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】