特許 7121924 高周波トランスおよびそれを用いた電源回路

(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】2022-08-10

(45)【発行日】2022-08-19

(54)【発明の名称】高周波トランスおよびそれを用いた電源回路

(51)【国際特許分類】

   H01F 30/10 20060101AFI20220812BHJP

   H01F 27/28 20060101ALI20220812BHJP

   H02M 3/28 20060101ALI20220812BHJP

【ＦＩ】

H01F30/10 C

H01F27/28 K

H01F30/10 A

H01F27/28 123

H01F30/10 M

H02M3/28 Q

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2018165054

(22)【出願日】2018-09-04

(65)【公開番号】P2020038899

(43)【公開日】2020-03-12

【審査請求日】2021-08-17

(73)【特許権者】

【識別番号】000005083

【氏名又は名称】日立金属株式会社

(72)【発明者】

【氏名】阿部 徹

(72)【発明者】

【氏名】菊地 慶子

【審査官】古河 雅輝

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－１０１７５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１６９３３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２１２３７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１９５３５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－１９０３６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－１９８２３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１０８６５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０４－３３８６１５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｂ ７／００－ ７／０２

Ｈ０１Ｂ ７／３８－ ７／４０

Ｈ０１Ｆ ５／００－ ５／０６

Ｈ０１Ｆ １７／００－２１／１２

Ｈ０１Ｆ ２７／００

Ｈ０１Ｆ ２７／０２

Ｈ０１Ｆ ２７／０６

Ｈ０１Ｆ ２７／０８

Ｈ０１Ｆ ２７／２３

Ｈ０１Ｆ ２７／２６－２７／３２

Ｈ０１Ｆ ２７／３６

Ｈ０１Ｆ ２７／４２

Ｈ０１Ｆ ３０／００－３８／１２

Ｈ０１Ｆ ３８／１６

Ｈ０１Ｆ ３８／４２

Ｈ０１Ｆ ４１／１２

Ｈ０２Ｍ ３／００－ ３／４４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

閉磁路磁心と、前記閉磁路磁心に巻回された一次巻線と二次巻線とを備え、前記一次巻線の巻軸方向に並んで前記二次巻線が配置され、
前記一次巻線と前記二次巻線が以下の条件（２）を満たす高周波トランス。
（２）単一の二次巻線を挟む位置に２分割して配置された一次巻線を備え、素線の線径がφ０．０５ｍｍ以上φ０．３５ｍｍ以下の撚り線で構成され、前記一次巻線の素線占積率と前記二次巻線の素線占積率とが１０．０％以上５０．０％以下であり、前記２分割の一次巻線と前記単一の二次巻線とが、円錐状又は角錐状に旋回する形状に構成され、前記単一の二次巻線は中間部が大径、両端部が小径である

【請求項2】

請求項１に記載の高周波トランスであって、
前記閉磁路磁心は第１の磁心と第２の磁心とを含み、前記第１の磁心と前記第２の磁心との間に磁気ギャップを有するように組み合わせて構成された高周波トランス。

【請求項3】

請求項１または２に記載の高周波トランスであって、
スイッチング周波数が１００ｋＨｚ～５００ＫＨｚのＬＬＣ共振電源用である高周波トランス。

【請求項4】

請求項１から３のいずれかに記載の高周波トランスを用いた電源回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は高周波トランスとそれを用いた電源回路に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、電源の小型・軽量化、高効率化が強く要請されていて、コンバータ等の電源回路のスイッチング周波数を１００ｋＨｚ以上に高める対応が進められている。高周波化により電源回路に使用されるトランスを小型化することが出来るものの、トランスの巻線で生じる銅損や磁心で生じる鉄損が増加する。鉄損の低減には低損失の磁心材料の選定を行えばよいが、一方で銅損の低減には直流抵抗と交流抵抗の低減が必要である。

【0003】

高周波におけるトランスの銅損の要因は、コイルの素線断面における電流密度の偏りによって生ずる表皮効果と、近接効果に起因する交流抵抗が支配的で、周波数が高くなるとその影響が顕著となる。高周波電流をコイルに通電すると、巻線を流れる電流による磁界の時間変化によって電流分布が素線の表面に偏る。例えば断面が円形の素線では、電流分布が存在する領域として規定される表皮厚が半径以下となると、素線の外周と中心部で電流密度が大きく異なって交流抵抗が増加する。

【0004】

また、ソフトスイッチングが可能でスイッチング損失の低減可能な電源回路としてＬＬＣ共振駆動方式が知られているが、この方式はトランスの漏れインダクタンスを共振用インダクタとして用いる例が多く、この場合、漏洩磁束が巻線に鎖交することにより生じる渦電流によって交流抵抗の増加が生じやすい。更に、一方の巻線が作る磁場中に他方の巻線がある場合には、他の巻線に鎖交する磁束によって渦電流が生じ交流抵抗が増加する。

【0005】

つまり銅損の低減には、巻線の直流抵抗と、導体中の表皮効果、導体間の近接効果、漏洩磁束による渦電流に基づく交流抵抗を低減させることが必要である。

【0006】

一般に交流抵抗の低減のため、トランスの巻線に細い素線を撚り合わせた撚り線（リッツ線とも呼ばれる）が用いられる。特許文献１には撚り線を用いることで表皮効果の影響を少なくすることが記載されている。素線の断面積（線径）を小さくするとともに、本数を増加することで、表皮効果、近接効果、渦電流による損失を低減して巻線の交流抵抗を抑えることができる。

【0007】

また特許文献２では、トランスの一次巻線と二次巻線との接触面積を小さくして、一次巻線と二次巻線との間の近接効果によるトランスの温度上昇を抑制する。トランスの構造の一例を断面図として図２４に示す。銅線を傘状あるいは切頭円錐状に巻回した一次巻線５０６と二次巻線５０５を、小径側が対面するように接触させて磁心５２０に配置してトランス５００とする。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】特開昭６２－２１９６０５号公報

【文献】特開２０１２－１６９３３１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

撚り線をトランスの巻線に使用することや、巻線を円錐形状等にすることで交流抵抗を低減することは可能だが、電源回路の高周波化に対して、更なる交流抵抗の低減と、電源回路の効率の低下を抑制するという課題がある。そこで本発明は、交流抵抗の低減が可能な高周波トランス及び、それを用いた電源回路を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

第１の発明は、閉磁路磁心と、前記閉磁路磁心に巻回された一次巻線と二次巻線とを備え、前記一次巻線の巻軸方向に並んで前記二次巻線が配置され、前記一次巻線の素線占積率と前記二次巻線の素線占積率が以下の条件（１）または（２）を満たす高周波トランスである。
（１）単一の一次巻線と単一の二次巻線とが間隔をもって並置され、素線の線径がφ０．１５ｍｍ以上φ０．３５ｍｍ以下の撚り線で構成され、前記一次巻線の素線占積率と前記二次巻線の素線占積率とが４．０％以上１３．５％以下である
（２）単一の二次巻線を挟む位置に２分割して配置された一次巻線を備え、素線の線径がφ０．０５ｍｍ以上φ０．３５ｍｍ以下の撚り線で構成され、前記一次巻線の素線占積率と前記二次巻線の素線占積率とが１０．０％以上５０．０％以下である

【0011】

前記単一の一次巻線と前記単一の二次巻線とが、円錐状又は角錐状に旋回する形状に構成されるのが好ましい。

【0012】

また、前記２分割の一次巻線と前記単一の二次巻線とが、円錐状又は角錐状に旋回する形状に構成され、前記単一の二次巻線は中間部が大径、両端部が小径であるのが好ましい。

【0013】

また、前記閉磁路磁心は第１の磁心と第２の磁心とを含み、前記第１の磁心と前記第２の磁心との間に磁気ギャップを有するように組み合わせて構成されるのが好ましい。

【0014】

また本発明の高周波トランスは、スイッチング周波数が１００ｋＨｚ～５００ｋＨｚのＬＬＣ共振電源用であるのが好ましい。

【0015】

また本発明は、前述の高周波トランスを用いた電源回路である。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば交流抵抗の低減が可能な高周波トランス及び、それを用いた高効率な電源回路を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の一実施態様に係る高周波トランスの平面図である。

【図2】本発明の他の実施態様に係る高周波トランスの平面図である。

【図3】集合よりの撚り線を径方向に切断して現れる断面の拡大図である。

【図4】集合よりを更に束ねた、複合よりの撚り線を径方向に切断して現れる断面の拡大図である。

【図5】解析を行った高周波トランスの巻線構造を示すシミュレーションモデルの部分断面図である。

【図6】解析を行った高周波トランスの他の巻線構造を示すシミュレーションモデルの部分断面図である。

【図7】解析を行った高周波トランスの他の巻線構造を示すシミュレーションモデルの部分断面図である。

【図8】解析を行った高周波トランスの他の巻線構造を示すシミュレーションモデルの部分断面図である。

【図9】解析を行った高周波トランスの他の巻線構造を示すシミュレーションモデルの部分断面図である。

【図10】解析を行った高周波トランスの他の巻線構造を示すシミュレーションモデルの部分断面図である。

【図11】（ａ）シミュレーションに使用した磁心のモデル構造を示す正面図であり、（ｂ）その側面図である。

【図12】（ａ）シミュレーションに使用したボビンのモデル構造を示す正面図であり、（ｂ）その平側面図である。

【図13】（ａ）シミュレーションに使用したボビンの他のモデル構造を示す正面図であり、（ｂ）その側面図である。

【図14】素線径がφ０．２ｍｍの一次巻線の素線占積率と交流抵抗Ｒａｃ１との関係を示す図である。

【図15】素線径がφ０．３ｍｍの一次巻線の素線占積率と交流抵抗Ｒａｃ１との関係を示す図である。

【図16】素線径がφ０．１ｍｍの一次巻線の素線占積率と交流抵抗Ｒａｃ１との関係を示す図である。

【図17】素線径がφ０．２ｍｍの一次巻線の素線占積率と交流抵抗Ｒａｃ１との関係を示す図である。

【図18】素線径がφ０．１ｍｍの二次巻線の素線占積率と交流抵抗Ｒａｃ２との関係を示す図である。

【図19】素線径がφ０．２ｍｍの二次巻線の素線占積率と交流抵抗Ｒａｃ２との関係を示す図である。

【図20】（ａ）本発明の高周波トランスに用いた磁心の正面図であり、（ｂ）その側面図である。

【図21】本発明の高周波トランスの斜視図である。

【図22】高周波トランスの変換効率の評価回路ブロック図である。

【図23】実施例と比較例の高周波トランスの周波数と変換効率との関係を示す図である。

【図24】従来の高周波トランスの平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明の一実施形態に係る高周波トランス、それを用いた電源回路について具体的に説明する。ただし、本発明はこれに限定されるものではない。なお、図の一部又は全部において、説明に不要な部分は省略し、また説明を容易にするために拡大または縮小等して図示した部分がある。また説明において示される寸法や形状、構成部材の相対的な位置関係等は特に断わりの記載がない限りは、それのみに限定されない。さらに説明においては、同一の名称、符号については同一又は同質の部材を示していて、図示していても詳細説明を省略する場合がある。

【0019】

図１は、本発明の一実施形態に係る高周波トランスを示す断面図である。図１に示すように、高周波トランス１は、弊磁路磁心を構成する一対の磁心１０ａ、１０ｂと一対の巻線２０ａ、２０ｂ、そして巻線２０ａ、２０ｂを保持する巻枠（ボビン）１５を備えていて、磁路にギャップＧが構成されている。なお以降の説明では、巻線２０ａを一次巻線とし、巻線２０ｂを二次巻線と呼ぶ場合があるが、入力側と出力側の区別は特に言及がなければ限定されない。

【0020】

図２は、本発明の一実施形態に係る高周波トランスの他の構成を示す断面図である。図１に示した高周波トランスとは一次巻線２０ａを分割して２つの巻線２０ａ１、２０ａ２で構成する点で相違する。２分割された一方の一次巻線２０ａ１、単一の二次巻線２０ｂ、２分割された他方の一次巻線２０ａ２の順に並んで配置され、分割された一次巻線２０ａ１、２０ａ２は直列接続されている。なお図示した例では、分割された一次巻線２０ａ１、２０ａ２で単一の二次巻線２０ｂを挟む構成だが、二次巻線２０ｂを分割し、その間に一次巻線２０ａを挟む構成としても良い。なお分割された巻線との関係で、分割されていない巻線を“単一の巻線”として区別する場合がある。

【0021】

一次巻線２０ａ、二次巻線２０ｂはそれぞれ、複数の細い銅線（素線）を撚った集合よりの撚り線、あるいは集合よりを更に束ねた複合よりの撚り線で構成される。撚り線は、単一の線材と比較して小径の素線を使用するので、引用文献１にも記載されるように表皮効果の影響を顕著に低減できて損失を低減する効果を有する。

【0022】

図３は複数の細い銅線（素線）を撚った、集合よりの撚り線を径方向に切断して現れる断面の拡大図である。撚り線１００の断面形状は、その外形は点線で示すように等価的に円形となる。素線１１０は銅線やアルミ線で、それぞれに絶縁被覆１２０が設けられている。絶縁被覆１２０は、例えばビニル樹脂、フッ素樹脂、ホルマール樹脂等である。図４は集合よりを更に束ねた、複合よりの撚り線を径方向に切断して現れる断面の拡大図である。複合よりの撚り線１３０の断面形状もまた点線で示すように等価的に円形となる。

【0023】

図３の例では同じ線径の７本の素線１１０が集合よりの撚り線１００に構成され、図４の例では、同じ径の３本の集合よりの撚り線１００で複合よりの撚り線１３０が構成されるが、素線の本数や線径等は本発明の要旨を超えない範囲で適宜変更しても良く、図示した例に限定されるものではない。

【0024】

本発明において、一次巻線２０ａ、二次巻線２０ｂは、それぞれ素線の線径の上限をφ０．３５ｍｍとする。φ０．３５ｍｍの線径は銅の１００ｋＨｚでの表皮厚の２倍に近く、線径がφ０．３５ｍｍ超であると交流抵抗が増大するからである。また一次巻線２０ａを図２に示すような分割巻にする場合には、線径がφ０．０５ｍｍ以上であり、図１に示すように一次巻線２０ａ、二次巻線２０ｂのどちらも単一の巻線である場合にはφ０．１５ｍｍ以上とする。それぞれ線径が所定の値未満であると交流抵抗の低減効果が得られ難い場合がある。

【0025】

また一次巻線２０ａ、二次巻線２０ｂは交流抵抗の低減効果を得るのに、一次巻線２０ａを分割巻にする場合に素線占積率を１０．０％以上５０．０％以下とする。更に素線占積率は１５．０％以上が好ましく、また４０．０％以下であるのが好ましい。一次巻線２０ａ、二次巻線２０ｂともに分割巻としない場合には、素線占積率を４．０％以上１３．５％以下とする。更に素線占積率は４．５％以上が好ましく、また１２．０％以下であるのが好ましい。

【0026】

高周波トランス１に用いるボビン１５は、一次巻線２０ａ、二次巻線２０ｂと磁心１０ａ、１０ｂとの間を仕切り、磁心１０ａ、１０ｂの連結部１３ａ、１３ｂとの間の仕切り部分１５ａ、磁心１０ａ、１０ｂの中脚部１１ａ、１１ｂとの間の仕切り部分１５ｂ、一次巻線２０ａ、二次巻線２０ｂ同士の間の仕切り部分１５ｃを有する。仕切り部分１５ｂは、磁心１０ａ、１０ｂの中脚部１１ａ、１１ｂを囲う筒状になっていて、仕切り部分１５ｂの周囲から、仕切り部分１５ａと仕切り部分１５ｃが立設される。仕切り部分１５ａと仕切り部分１５ｃとで区画された領域に、一次巻線２０ａと二次巻線２０ｂが並んで配置される。ボビン１５は、一次巻線２０ａ、二次巻線２０ｂを巻回形成する巻き型であるとともに、磁心１０ａ、１０ｂと一次巻線２０ａ、二次巻線２０ｂとの間の絶縁を確保する。一対の磁心１０ａ、１０ｂは、中脚部１１ａ、１１ｂがボビン１５の仕切り部１５ｂによる筒状部に通されて接着剤で固定されるとともに、絶縁テープ、止め具、あるいはバンドで拘束固定される。

【0027】

ボビン１５は、絶縁性、耐熱性及び成形性を有する樹脂により形成され、具体的にはポリフェニレンサルファイド、液晶ポリマー、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等が好ましい。それらの成形には射出成形法など、樹脂成形方法などの方法によって形成することができる。また図示した例ではボビン１５を一次巻線２０ａと二次巻線２０ｂで共通としているが、一次巻線２０ａと二次巻線２０ｂのそれぞれに対応したボビンとしても良い。また仕切り部分１５ｂは後述する一次巻線２０ａと二次巻線２０ｂの形態に合わせて形成するのが好ましく、例えば一次巻線２０ａや二次巻線２０ｂが円錐状であれば、各巻線の内側面の傾斜に合わせた形状とすれば良い。

【0028】

磁心１０ａ、１０ｂのそれぞれは、Ｅ字形状あるいはＵ字形状であることが好ましい。Ｅ字形状である場合、磁心１０ａは、中脚部１１ａおよび２つの側脚部１２ａ、１２ａ、それらを繋ぐ連結部１３ａとからなる。磁心１０ｂも同様に、中脚部１１ｂおよび２つの側脚部１２ｂ、１２ｂ、それらを繋ぐ連結部１３ｂとからなる。連結部１３ ａ、１３ｂは略矩形板状に形成されていて、側脚部１２ａ、１２ｂは連結部１３ ａ、１３ｂの端部から互いに平行に起立し、中脚部１１ａ、１１ｂは、２つの側脚部１２ａ、１２ｂの中間にあって、連結部１３ａ、１３ｂの中央部から起立している。中脚部１１ａ、１１ｂの長さは側脚部１２ａ、１２ｂよりも短い。高周波トランス１は磁心１０ａ、１０ｂの中脚部１１ａ、１１ｂ同士、および２つの側脚部１２ａ、１２ｂ同士を対向させ、端部を突き合わせ正対させて組み合わせて構成される。高周波トランス１には中脚部１１ａ、１１ｂ、側脚部１２ａ、１２ｂ、連結部１３ａ、１３ｂを通ずる閉磁路が形成され、対面する中脚部１１ａ、１１ｂの間にはギャップＧが形成される。

【0029】

磁心１０ａ、１０ｂのそれぞれは、Ｎｉ系、Ｍｎ系等のソフトフェライトや、純鉄、Ｆｅ－Ｓｉ系磁性合金、Ｆｅ－Ｓｉ－Ａｌ系磁性合金、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｃｒ系磁性合金、あるいはＦｅ基、Ｃｏ基等のアモルファス合金、ナノ結晶合金（典型的にはファインメット（登録商標））等の金属磁性材料を用いることができる。例えば、磁気飽和する負荷電流が相対的に小さい場合には、飽和磁束密度が小さい低損失のソフトフェライトを用いるのが好ましく、ソフトフェライトよりも大きい負荷電流まで高いインダクタンス値を維持する場合には、飽和磁束密度が大きい金属磁性材料を用いるのが好ましい。金属磁性材料がリボン状にて提供される場合、リボンを所定形状に打ち抜き積層した積層磁心としても良いし、粉末で提供される場合、絶縁被膜となる樹脂やガラスと混合し、成形し熱処理して構成される圧粉磁心としても良い。

【0030】

このような高周波トランスについて、有限要素法（ＦＥＭ）解析を用いたシミュレーションによる交流抵抗の抑制効果について説明する。以下に主な解析条件を示す。
・シミュレーションに使用したソフトウエア
ＪＭＡＧ－Ｄｅｓｉｇｎｅｒ １７．０．０２ｖ ｘ６４ ｅｄｉｔｉｏｎを使用した。
・解析方法
ＴＳ（トランス解析）モジュール並びにＦＱ（周波数応答磁界解析）モジュールを使った２次元周波数応答磁界解析を行った。
巻線の分割数は巻線条件によって異なり交流抵抗を高精度に計算可能な条件とする。後述の解析においては、例えば４５０ｋＨｚでの素線径φ０．１の条件（１次側５ターン素線数５９×４層の密集巻、２次側２ターン素線数２３３本×２層の分散巻）では４４０９７要素である。２００ｋＨｚでのφ０．１密集巻条件（１次側１２ターン素線数２２５本、２次側１８ターン素線数２２５本）では２１５７００要素である。
・材料パラメータ
巻線を銅とし、抵抗率ρ＝１．６７３×１０^－８Ωｍとした。
磁心材として日立金属株式会社製のＭｎ系フェライトＭＬ９１Ｓ材、ＭＬ２９Ｄ材の２種とした。
・磁心形状
ＰＱ形状

【0031】

図５から図１０は、解析を行った高周波トランスの巻線構造を示すシミュレーションモデルの部分断面図である。図５から図７は、図１に示した高周波トランスと同様な構成を有し、図８から図１０は図２に示した高周波トランスと同様な構成を有していて、それぞれ巻線の形態が異なる。

【0032】

図５は高周波トランスのシミュレーションモデルの一例である。一次巻線２０ａは連結部１３ａの伸長方向に４層に重なり、各層で中脚部１１ａの伸長方向に撚り線１００が５回巻回されている。また二次巻線２０ｂは２層に重なり、各層で撚り線１００が２回巻回されている。一次巻線２０ａは４層の一列を並列に接続して５ターンの巻線、二次巻線２０ｂは２層の一列を並列に接続して２ターンの巻線とした。一次巻線２０ａの様な撚り線を多層に整列して密に巻回する構造を説明が容易なように密集巻と呼ぶことにする。また二次巻線２０ｂは、密集巻構造の巻線よりも線間隔が広く、離れて構成されていて、この様な撚り線を巻回する構造を分散巻と呼ぶことにする。一次巻線２０ａ、二次巻線２０ｂの内周面及び外周面は磁心１０ａ、１０ｂの中脚部１１ａ、１１ｂとの間のボビン１５の仕切り部分１５ｂの外周面に倣った形状の周面となる。図示した例では、一次巻線２０ａ、二次巻線２０ｂの内周面及び外周面がともに円周となっているが、ボビン１５の仕切り部分１５ｂの外周が矩形であれば、一次巻線２０ａ、二次巻線２０ｂの内周面及び外周面は、それに倣った略矩形となる。

【0033】

図６は本発明の他の実施形態に係る高周波トランスのシミュレーションモデルである。一次巻線２０ａ、二次巻線２０ｂのそれぞれは、巻軸方向の両端で巻径が異なっていて、図示した例では、磁心１０ａ側に設けられた一次巻線２０ａは、連結部１３ａ側の一方から他方に向かって巻径が次第に大きくなっている。また磁心１０ｂ側に設けられた二次巻線２０ｂは、連結部１３ｂ側に向かって、一方から他方に向かって巻径が次第に小さくなっている。一次巻線２０ａは一層で撚り線１００が５回巻回されていて、５ターンの巻線としている。また二次巻線２０ｂは、２層の撚り線１００が２回巻回されていて、２層の撚り線を並列に接続した２ターンの巻線としている。一次巻線２０ａ、二次巻線２０ｂはともに、その周面は巻軸方向に対して傾斜していて、図示した例では周面の形状は円錐である。なお、周面の形状は、角錐であってもよい。この様な撚り線の巻線構造を錐状巻と呼ぶこととする。なお、二次巻線２０ｂは２ヶ所の分散巻であり、周面とは２ヶ所の巻線を繋ぐ仮想面のことである。

【0034】

図７は本発明の他の実施形態に係る高周波トランスのシミュレーションモデルである。一次巻線２０ａ、二次巻線２０ｂのそれぞれは分散巻である。図示した例では、一次巻線２０ａは撚り線１００が磁心１０ａの連結部１３ａ側で３回巻回され、更に巻軸方向に離間した位置で２回巻回されて合計５回巻回されている。二次巻線２０ｂも同様な構成となっていて、ともに５ターンの巻線となっている。

【0035】

図１１にシミュレーションに使用した磁心のモデル構造を示す。磁心１０はＰＱ形状で、２つを組み合わせ使用する。中脚部１１および２つの側脚部１２、それらを繋ぐ連結部１３とからなる。図で現れない背面は平坦面となっている。磁心１０の各部の寸法を表１に示す。磁心材を日立金属株式会社製のＭｎ系フェライトのＭＬ９１Ｓ材とし、シミュレーションには、その直流Ｂ－Ｈ曲線の初磁化曲線データを使用した。

【0036】

【表1】

【0037】

図１２にシミュレーションで使用したボビンのモデル構造を示す。ボビン１５は一次巻線２０ａ、二次巻線２０ｂと磁心１０ａ、１０ｂとの間の仕切り部１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄを有する。シミュレーションで用いたボビン１５の各部の寸法を表２に示す。

【0038】

【表2】

【0039】

一次巻線２０ａ、二次巻線２０ｂの撚り線と巻線構造を変えてシミュレーションを行った条件を表３に、その結果を表４に示す。巻線仕様は一次巻線側の自己インダクタンス（二次巻線側オープン）が１５．０μＨ～１６．０μＨとなるように、漏れインダクタンス（二次巻線側ショート）が３．０μＨ ～３．３μＨ となるように設定した。一次巻線と二次巻線との間隔ＬＬは１０ｍｍに、ギャップ長は０．３ｍｍに設定した。またシミュレーションでの駆動条件は、一次巻線側を周波数４５０ｋＨｚの正弦波で励振し、二次巻線側出力は電圧４８Ｖ、電流２０Ａとなる様にしている。

【0040】

なお表３中の素線径ｄｓ１は図３に示した銅線（素線）１１０の直径であり、素線径（皮膜含）ＤＳ１は絶縁被覆１２０を含む直径である。また撚り線の素線総断面積Ｓｌは、各素線断面積の合計であって次式で算出した。
Ｓｌ＝Ｎ×π×１／４×ｄｓ１^２
Ｎ 素線本数
ｄｓ１ 素線外径（絶縁被覆含まない）の公称値

【0041】

また素線占積率は、巻線の巻軸方向ｘと、それに直交する方向ｙの断面において、一次巻線２０ａのｘ方向の最大幅ａ１とｙ方向の最大高さｂ１で画定される矩形領域の面積Ｓ、二次巻線２０ｂのｘ方向の最大幅ｃ１とｙ方向の最大高さｄ１で画定される矩形領域の面積Ｓのそれぞれに対する素線総断面積Ｓｌの比Ｓｌ／Ｓの百分率として算出した。

【0042】

【表3】

【0043】

【表4】

【0044】

図１４に素線径が０．２ｍｍである場合（Ｎｏ．４～１５）の一次巻線の素線占積率と交流抵抗との関係を示す。また図１５に素線径が０．３ｍｍである場合（Ｎｏ．１７～３０）の一次巻線の素線占積率と交流抵抗との関係を示す。図中破線は占積率が大きいＮｏ．３、Ｎｏ．１６での交流抵抗の水準を示している。分散巻あるいは円錐状巻の巻線構造では、同じ素線径で素線占積率が相対的に大きい巻線構造である場合よりも交流抵抗Ｒａｃ１が低減できる素線占積率の範囲があることが分かる。素線径が大きいほうが交流抵抗Ｒａｃ１の低減の比率が大きく、また分散巻よりも円錐状巻の方が僅かだが交流抵抗Ｒａｃ１が低減した。分散巻では交流抵抗が最大で約２１％低減し、円錐状巻では最大で約２６％低減した。これは巻線の大径側どうしが対向するように円錐状巻の一次巻線２０ａ、二次巻線２０ｂを配置することで、ギャップＧ部分の漏洩磁束の影響が小さくなって近接効果が抑制された影響と思われる。

【0045】

一方、表３と表４より、二次巻線２０ｂの交流抵抗Ｒａｃ２もまた低減している。素線径が大きいほうが交流抵抗Ｒａｃ２の低減の比率が大きく、交流抵抗が最大で約４１％低減した。

【0046】

更に巻線の構造を図２の高周波トランスの分割巻に変えてシミュレーションを行った。図８は本発明の他の実施形態に係る高周波トランスのシミュレーションモデルである。このモデルでは一次巻線２０ａが２分割された分割巻の構成となっている。一次巻線２０ａが分割された巻線２０ａ１、２０ａ２、二次巻線２０ｂはともに円錐状巻で構成される。二次巻線２０ｂは一方から他方に向かって巻径が次第に変わるが、両端部で巻径が小径で、中央部で大径となるように構成されている。

【0047】

図９は本発明の一実施形態に係る高周波トランスのシミュレーションモデルである。このモデルも図２に示した構造の高周波トランスであって、一次巻線２０ａが２分割された分割巻の構成となっているが、図８のモデルと比べて、一次巻線２０ａの小径側が二次巻線２０ｂと対面するように配置する点が異なる。

【0048】

図１０は本発明の一実施形態に係る高周波トランスのシミュレーションモデルである。このモデルも図２に示した構造の高周波トランスであって、一次巻線２０ａが２分割された分割巻の構成となっているが、図８のモデルと比べて、一次巻線２０ａを径方向に２回巻回し、それを巻軸方向に繰り返して円錐状巻とする点が異なる。

【0049】

図示しないが、一次巻線２０ａと二次巻線２０ｂを密集巻や分散巻にした本発明の他の実施形態に係る高周波トランスついてもシミュレーションで交流抵抗を解析した。

【0050】

シミュレーションモデルの磁心の構造は図１１と同じであり、磁心１０の各部の寸法を表５に示す。磁心材を日立金属株式会社製のＭｎ系フェライトのＭＬ２４Ｄ材とし、シミュレーションには、その直流Ｂ－Ｈ曲線の初磁化曲線データを使用した。

【0051】

【表5】

【0052】

図１３にシミュレーションに用いたボビンのモデル構造を示す。ボビン１５は一次巻線２０ａ、二次巻線２０ｂと磁心１０ａ、１０ｂとの間を仕切り部１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄを有する。一次巻線２０ａを設ける箇所が二次巻線２０ｂ を挟むように２箇所ある。シミュレーションで用いたボビン１５の各部の寸法を表６に示す。

【0053】

【表6】

【0054】

一次巻線２０ａ、二次巻線２０ｂの撚り線の条件と、巻線構造を変えてシミュレーションを行った結果を表７と表８に示す。表中、図８の巻線態様を円錐状巻Ａ、図９の巻線態様を円錐状巻Ｂ、図１０の巻線態様を円錐状巻Ｃとしている。一次巻線２０ａは２分割されて一次巻線２０ａ１、一次巻線２０ａ２として構成されるが、表７においては一次巻線２０ａ１の撚り線の条件を示している。一次巻線２０ａ１と同じ条件で構成される一次巻線２０ａ２の条件については表中記載を省略している。なお巻線仕様は一次巻線側の自己インダクタンス（二次巻線側オープン）が１６７μＨ～１７７μＨとなるように、漏れインダクタンス（二次巻線側ショート）が１９μＨ～２１μＨとなるように設定した。一次巻線と二次巻線との間隔ＬＬ１とＬＬ２はともに５．２ｍｍに、ギャップ長は１．０ｍｍに設定した。またシミュレーションでの駆動条件は、一次巻線側を周波数２００ｋＨｚの正弦波で励振し、二次巻線側出力は電圧３６０Ｖ、電流１０Ａとなる様にしている。

【0055】

【表7】

【0056】

【表8】

【0057】

図１６に素線径が０．１ｍｍである場合（Ｎｏ．３２～３９）の一次巻線の素線占積率と交流抵抗との関係を示す。また図１７に素線径が０．２ｍｍで場合（Ｎｏ．４１～４８）の一次巻線の素線占積率と交流抵抗との関係を示す。図中破線は占積率が大きいＮｏ．３１、Ｎｏ．４０での交流抵抗の水準を示している。一次巻線２０ａを分散巻とした場合も、交流抵抗Ｒａｃ１が低減できる素線占積率の範囲があることが分かる。また、一次巻線２０ａを分割巻きとしない図１に示した高周波トランスよりも広く、素線占積率が１０．０％以上５０．０％以下を含む範囲で交流抵抗Ｒａｃ１が低減できる。

【0058】

図１８に素線径が０．１ｍｍである場合（Ｎｏ．３２～３９）の二次巻線の素線占積率と交流抵抗との関係を示す。また図１９に素線径が０．２ｍｍで場合（Ｎｏ．４１～４８）の二次巻線の素線占積率と交流抵抗との関係を示す。図中破線はＮｏ．３１、４０での交流抵抗の水準を示している。この場合もまた、素線占積率が１０．０％以上５０．０％以下を含む範囲で交流抵抗Ｒａｃ２が低減できる。

【実施例】

【0059】

図２０に示す磁心を使って、図２１に示す高周波トランスを作製した。この高周波トランスは図１に示した構造と同様であって、磁心１０ａの中脚部に配置された一次巻線２０ａ、磁心１０ｂの中脚部に配置された二次巻線２０ｂを有し、一次巻線２０ａ と二次巻線２０ｂは絶縁樹脂からなるスペーサー１６を介し、所定の間隔をもって並置されている。実施例として、磁心材は日立金属製ＭＬ２４Ｄ材、磁心形状はＥＥＲ５３、ギャップは中脚部と側脚部に設けられたスペーサギャップ０．６ｍｍ（総ギャップ長は１．２ｍｍ）であり、一次巻線２０ａ、二次巻線２０ｂに素線径φ０．２３ｍｍ×４０本の撚り線を使用し、それぞれ巻数５回とし、円錐状巻で構成した高周波トランスを得た。比較例として実施例と同じコアとギャップで、一次巻線２０ａ、二次巻線２０ｂに素線径φ０．２３ｍｍ×１５０本の撚り線を使用し巻数５回で３層の巻線を並列に接続した密集巻の高周波トランスも作成した。磁心の各部の寸法を表９に示す。ボビンは図１２に示したものと同様の構造であって、各部の寸法を表１０に示す。また、それぞれの素線占積率、巻線間隔ＬＬを表１１にまとめて示す。なお、一次巻線２０ａと二次巻線２０ｂを円錐状巻とするように、ボビンの仕切り部分１５ｂに絶縁デープを巻回して傾斜を形成している。

【0060】

【表9】

【0061】

【表10】

【0062】

【表11】

【0063】

得られた高周波トランスを使って図２２の電源回路で変換効率を評価した。横河電機株式会社製パワーアナライザーＷＴ３０００で得られる一次巻線側と二次巻線側の電力値からトランスの変換効率を算出した。結果を図２３に示す。比較例の密集巻に比べて本発明の円錐状巻のものは、広い周波数範囲特に高周波数側で９８％以上の高い効率が得られた。

【0064】

本発明の高周波トランスによれば、近接効果の影響を軽減でき、交流抵抗を低減できることが解った。また高周波トランスの変換効率は広い範囲で高くて電源回路に好適である。

【符号の説明】

【0065】

１ 高周波トランス
１０ａ、１０ｂ 磁心
１５ ボビン
２０ａ 一次巻線
２０ｂ 二次巻線
１００ 撚り線
１１０ 素線（銅線）
１２０ 皮膜

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】