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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-10-21
(45)【発行日】2024-10-29
(54)【発明の名称】トランス
(51)【国際特許分類】
H01F 37/00 20060101AFI20241022BHJP
H01F 30/10 20060101ALI20241022BHJP
H01F 38/10 20060101ALI20241022BHJP
H01F 41/12 20060101ALI20241022BHJP
【ＦＩ】
H01F37/00 J
H01F30/10 M
H01F30/10 R
H01F38/10 501B
H01F41/12 B
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2023124685
(22)【出願日】2023-07-31
【審査請求日】2024-04-12
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 ＩＥＥＥ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ（ＩＥＥＥ磁気学会）及び公益社団法人日本磁気学会が共催する研究集会ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（ＩＥＥＥ磁気工学国際会議）『ＩＮＴＥＲＭＡＧ２０２３』に研究発表者として参加したことにより、発明の記載された講演予稿がインターネットで公開され、発明の記載されたポスターの前で講演（ポスター発表）を行い、このポスター発表を録画した動画がインターネットで公開された。以下に詳細を記載する。 ・講演予稿について：ウェブサイトに掲載された講演予稿の掲載日：令和５年５月１５日、掲載アドレス：ｈｔｔｐｓ：／／ｉｎｔｅｒｍａｇ．ｏｒｇ／、研究集会名：ＩＮＴＥＲＭＡＧ２０２３、講演予稿タイトル：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｉｎ Ｗｉｎｄｉｎｇｓ ｔｏ Ｒｅｄｕｃｅ Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ－Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｉｎ Ｌｅａｋａｇｅ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ（講演予稿タイトルの日本語訳：リーケージトランスの交流抵抗低減のための巻線への磁性複合材料の適用） ・ポスター発表について：研究集会名：ＩＮＴＥＲＭＡＧ２０２３、開催日：令和５年５月１５日～１９日開催の内の５月１６日にポスター発表、開催場所：宮城県仙台市青葉区青葉山無番地 仙台国際センター、ポスター発表タイトルは上記の講演予稿タイトルと同じ ・ポスター発表を録画した動画の公開について：ウェブサイトに掲載された動画の掲載日：令和５年５月１９日～同年８月１９日まで、掲載アドレス：ｈｔｔｐｓ：／／ｉｎｔｅｒｍａｇ２０２３＿ｖｏｄ．ｎｅｘｔ－ｌｉｎｋ．ｓｉｔｅ／ ｈｔｔｐｓ：／／ｉｎｔｅｒｍａｇ２０２３＿ｖｏｄ．ｎｅｘｔ－ｌｉｎｋ．ｓｉｔｅ／ｖｉｅｗｉｎｇ／６３１ 動画タイトルは上記の講演予稿タイトルと同じ
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和５年度 文部科学省科学技術試験研究委託事業「磁気異方性軟磁性材料を用いた高周波・電力変換用トランス・インダクタの開発」、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】504180239
【氏名又は名称】国立大学法人信州大学
(74)【代理人】
【識別番号】100144130
【弁理士】
【氏名又は名称】中山 実
(72)【発明者】
【氏名】水野 勉
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 光秀
(72)【発明者】
【氏名】志村 和大
【審査官】右田 勝則
(56)【参考文献】
【文献】特開２００１－３０７９３３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００２－３１３６３２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１２－５２６３８７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２０－１６１６４５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－２０４９４５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０５－２７５２４７（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｆ ３７／００
Ｈ０１Ｆ ３０／１０
Ｈ０１Ｆ ３８／１０
Ｈ０１Ｆ ４１／１２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
一次巻線と、二次巻線と、
前記一次巻線と前記二次巻線とが間を開けて巻回されている中央脚部、並びに、前記一次巻線及び前記二次巻線の外周側に設けられている側脚部を有するコアとを備えるトランスであって、
前記一次巻線の巻線材表面の少なくとも一部に接して配置された、磁性紛及びマトリックス材を含む磁性複合材で形成された第１磁性部材と、
前記二次巻線の巻線材表面の少なくとも一部に接して配置された、磁性紛及びマトリックス材を含む磁性複合材で形成された第２磁性部材と、
一次巻線と二次巻線との間に配置された、磁性紛及びマトリックス材を含む磁性複合材で形成された第３磁性部材とを、備え、
前記二次巻線が、前記一次巻線を間に挟む位置関係で配置されるように２分割されて構成されており、
２分割されたうちの一方の前記二次巻線と前記一次巻線との間に第１の前記第３磁性部材が配置され、
２分割されたうちの他方の前記二次巻線と前記一次巻線との間に第２の前記第３磁性部材が配置されていることを特徴とするトランス。
【請求項2】
前記一次巻線の巻線材表面に接してその巻線材表面を覆うように前記第１磁性部材が層状に付されていて隣接し合う層状の前記第１磁性部材同士が接触しないように設けられており、前記二次巻線の巻線材表面に接してその巻線材表面を覆うように前記第２磁性部材が層状に付されていて隣接し合う層状の前記第２磁性部材同士が接触しないように設けられていることを特徴とする請求項１に記載のトランス。
【請求項3】
前記一次巻線を封止するように前記第１磁性部材が設けられており、前記二次巻線を封止するように前記第２磁性部材が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のトランス。
【請求項4】
前記一次巻線の巻線材表面の外周部側及び内周部側の端部に接して前記第１磁性部材が設けられており、前記二次巻線の巻線材表面の外周部側及び内周部側の端部に接して前記第２磁性部材が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のトランス。
【請求項5】
前記第３磁性部材が、前記中央脚部及び前記側脚部に接触しないように設けられていることを特徴とする請求項１に記載のトランス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、例えばリーケージトランスのような低磁気結合のトランスに関する。
【0002】
トランスは種々の電気回路に用いられている。例えば、電気回路としてＤＣ－ＤＣ（直流－直流）コンバータなどの電源回路が挙げられる。ＤＣ－ＤＣコンバータの小型化には、スイッチング周波数の高周波化が有効である。シリコン系パワーデバイスを超える特性を有する窒化ガリウム（GaN）系や炭化ケイ素（SiC）系のパワーデバイスの開発により、ＤＣ－ＤＣコンバータは、より高いスイッチング周波数で機能することが可能になった。パワーデバイスは、周波数が高くなるにつれてスイッチング損失が発生する。ＬＬＣ共振型ＤＣ－ＤＣコンバータは、ソフトスイッチングにより高周波でのスイッチング損失を低減できる低損失なＤＣ－ＤＣコンバータである。ＬＬＣ共振型ＤＣ－ＤＣコンバータは、２つのＬ（インダクタ）と１つのＣ（キャパシタ）による共振を利用することからこの名前が付いている。
【0003】
ＬＬＣ共振型ＤＣ－ＤＣコンバータには、共振用インダクタ及びトランスが使用される。この共振用インダクタ及びトランスとして、低磁気結合のトランスであるリーケージトランスが使用されている（例えば、特許文献１）。リーケージトランスのリーケージインダクタンス（漏れインダクタンス）を共振用インダクタとして代用できるからである。リーケージトランスを使用すると、共振用インダクタを部品として備えなくてもよいため、部品点数を削減でき、コンバータの小型化が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開平１０－１２５５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
リーケージトランスのような低磁気結合のトランスには、一次巻線と二次巻線の結合係数が小さいため、高い漏れ磁束を生じ、この漏れ磁束がトランスの巻線導体を貫通すると導体内部で発生する渦電流によって交流抵抗が増加するという問題がある。このため、交流抵抗の増加を抑制することが課題となっている。
【0006】
本発明は、前記の課題を解決するためになされたもので、低磁気結合でありながら交流抵抗の小さなトランス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】
【0007】
請求項１に記載のトランスは、一次巻線と、二次巻線と、前記一次巻線と前記二次巻線とが間を開けて巻回されている中央脚部、並びに、前記一次巻線及び前記二次巻線の外周側に設けられている側脚部を有するコアとを備えるトランスであって、前記一次巻線の巻線材表面の少なくとも一部に接して配置された、磁性紛及びマトリックス材を含む磁性複合材で形成された第１磁性部材と、前記二次巻線の巻線材表面の少なくとも一部に接して配置された、磁性紛及びマトリックス材を含む磁性複合材で形成された第２磁性部材と、一次巻線と二次巻線との間に配置された、磁性紛及びマトリックス材を含む磁性複合材で形成された第３磁性部材とを、備え、前記二次巻線が、前記一次巻線を間に挟む位置関係で配置されるように２分割されて構成されており、２分割されたうちの一方の前記二次巻線と前記一次巻線との間に第１の前記第３磁性部材が配置され、２分割されたうちの他方の前記二次巻線と前記一次巻線との間に第２の前記第３磁性部材が配置されていることを特徴とする備えることを特徴とする。
【0008】
請求項２に記載のトランスは、請求項１に記載のものであり、前記一次巻線の巻線材表面に接してその巻線材表面を覆うように前記第１磁性部材が層状に付されていて隣接し合う層状の前記第１磁性部材同士が接触しないように設けられており、前記二次巻線の巻線材表面に接してその巻線材表面を覆うように前記第２磁性部材が層状に付されていて隣接し合う層状の前記第２磁性部材同士が接触しないように設けられていることを特徴とする。
【0009】
請求項３に記載のトランスは、請求項１に記載のものであり、前記一次巻線を封止するように前記第１磁性部材が設けられており、記二次巻線を封止するように前記第２磁性部材が設けられていることを特徴とする。
【0010】
請求項４に記載のトランスは、請求項１に記載のものであり、前記一次巻線の巻線材表面の外周部側及び内周部側の端部に接して前記第１磁性部材が設けられており、前記二次巻線の巻線材表面の外周部側及び内周部側の端部に接して前記第２磁性部材が設けられていることを特徴とする。
【0011】
請求項５に記載のトランスは、請求項１に記載のものであり、前記第３磁性部材が、前記中央脚部及び前記側脚部に接触しないように設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【0013】
本発明を適用するトランスでは、一次巻線の巻線材表面に接して磁性複合材で形成された第１磁性部材を配置し、二次巻線の巻線材表面に接して磁性複合材で形成された第２磁性部材を配置し、一次巻線と二次巻線との間に磁性複合材で形成された第３磁性部材を配置した。磁性複合材は高周波での損失が少なく、透磁率が低く、飽和磁束密度が高いので、巻線を貫通して損失を発生させる磁束が磁性複合材によって誘導・遮蔽されるため、低磁気結合でありながら巻線内部で発生する渦電流を低減でき、交流抵抗の小さなトランスとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】本発明を適用するトランスの縦断面図である。
【図3】本発明を適用するトランスの回路図である。
【図4】本発明を適用する別のトランスの縦断面図である。
【図6】本発明を適用するさらに別のトランスの縦断面図である。
【図8】比較例２のトランスの部分拡大断面図である。
【図9】比較例３のトランスの部分拡大断面図である。
【図10】ＬＬＣ共振型ＤＣ－ＤＣコンバータのゲイン特性である。
【図11】コア材ＭＣ２及び磁性複合材の複素比透磁率の周波数特性である。
【図12】ニ次側を開放したときの一次側インダクタンスのシミュレーション結果を示す周波数特性である。
【図13】二次巻線３ａを短絡したときの一次側抵抗のシミュレーション結果を示す周波数特性である。
【図14】二次巻線３ａを短絡したときの一次側インダクタンスのシミュレーション結果を示す周波数特性である。
【図15】結合係数ｋのシミュレーション結果を示す周波数特性である。
【図16】第３磁性部材の磁束密度のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図17】作製したリーケージトランスの外観及び製造工程を示す写真である。
【図18】ニ次側を開放したときの一次側インダクタンスの測定値及びシミュレーション結果を示す周波数特性である。
【図19】二次巻線３ａを短絡したときの一次側抵抗の測定値及びシミュレーション結果を示す周波数特性である。
【図20】二次巻線３ａを短絡したときの一次側インダクタンスの測定値及びシミュレーション結果を示す周波数特性である。
【図21】結合係数ｋの測定値及びシミュレーション結果を示す周波数特性である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分については、同一のまたは対応する符号を付して説明を省略する場合がある。
【0016】
最初に、本発明を適用するトランス１，１０１，２０１の主要構成を記載する。図１～図３にトランス１を示し、図４、図５にトランス２０１を示し、図６、図７にトランス３０１を示している。
本発明を適用するトランス１，１０１，２０１は、一次巻線２と、二次巻線３（３ａ，３ｂ）と、一次巻線２と二次巻線３（３ａ，３ｂ）とが間を開けて巻回されている中央脚部７１（７１ａ，７１ｂ）、並びに、一次巻線２及び二次巻線３（３ａ，３ｂ）の外周側に設けられている側脚部７２（７２ａ，７２ｂ）を有するコア７（一側コア片７ａ，他側コア片７ｂ）とを備えている。
このトランス１，１０１，２０１は、一次巻線２の巻線材表面の少なくとも一部に該表面に接して配置された、磁性紛及びマトリックス材を含む磁性複合材で形成された第１磁性部材２１，２２，２３と、二次巻線３（３ａ，３ｂ）の巻線材表面の少なくとも一部に該表面に接して配置された、磁性紛及びマトリックス材を含む磁性複合材で形成された第２磁性部材３１，３２，３３と、一次巻線２と二次巻線３（３ａ，３ｂ）との間に配置された、磁性紛及びマトリックス材を含む磁性複合材で形成された第３磁性部材４（４ａ，４ｂ）とを、備えている。
以下、各実施形態について説明する。
本発明を適用するトランス１，１０１，２０１は、一次巻線２と、二次巻線３（３ａ，３ｂ）と、一次巻線２と二次巻線３（３ａ，３ｂ）とが間を開けて巻回されている中央脚部７１（７１ａ，７１ｂ）、並びに、一次巻線２及び二次巻線３（３ａ，３ｂ）の外周側に設けられている側脚部７２（７２ａ，７２ｂ）を有するコア７（一側コア片７ａ，他側コア片７ｂ）とを備えている。
このトランス１，１０１，２０１は、一次巻線２の巻線材表面の少なくとも一部に該表面に接して配置された、磁性紛及びマトリックス材を含む磁性複合材で形成された第１磁性部材２１，２２，２３と、二次巻線３（３ａ，３ｂ）の巻線材表面の少なくとも一部に該表面に接して配置された、磁性紛及びマトリックス材を含む磁性複合材で形成された第２磁性部材３１，３２，３３と、一次巻線２と二次巻線３（３ａ，３ｂ）との間に配置された、磁性紛及びマトリックス材を含む磁性複合材で形成された第３磁性部材４（４ａ，４ｂ）とを、備えている。
以下、各実施形態について説明する。
【0017】
【0018】
本発明を適用する第１実施形態のトランス１は、一次巻線２の巻線材表面に接してその巻線材表面を覆うように第１磁性部材２１が層状に付されていて、隣接し合う層状の第１磁性部材２１同士が接触しないように設けられており、二次巻線の線材表面に接してその巻線材表面を覆うように第２磁性部材３１が層状に付されていて、隣接し合う層状の第２磁性部材３１同士が接触しないように設けられていることを特徴とするものである。
以下、詳細に説明する。
以下、詳細に説明する。
【0019】
トランス１は、一次巻線２、二次巻線３（３ａ，３ｂ）、第１磁性部材２１、第２磁性部材３１、第３磁性部材４（４ａ，４ｂ）、及びコア７を有している。
【0020】
図３に、トランス１の回路図を示す。トランス１は、一次巻線２及び二次巻線３によって構成されている。二次巻線３は、二次巻線（第１巻線部）３ａと二次巻線（第２巻線部）３ｂとの２つに分割されている。二次巻線３は、２分割されたうちの一方の二次巻線３ａと、２分割されたうちの他方の二次巻線３ｂとが直列接続されて構成されており、接続部分が二次巻線３のセンタータップになっている。二次巻線３ａは、一例として、２つの巻線（巻線材）が並列接続されて構成されている。二次巻線３ｂは、一例として、２つの巻線（巻線材）が並列接続されて構成されている。なお、このトランス１の回路は一例であり、二次巻線３ａ、３ｂが各々２つの巻線を並列接続して構成した例を示したが、二次巻線３ａ、３ｂを各々１つの巻線で構成してもよい。また、二次巻線３をセンタータップの無い構成にしてもよい。
【0021】
図１の縦断面図に示すように、コア７は、対をなす一側（上側）コア片７ａ及び他側（下側）コア片７ｂが対向して構成されている。一側コア片７ａ及び他側コア片７ｂは対称形に形成されている。一側コア片７ａは、中央脚部７１ａ及び側脚部７２ａを有している。中央脚部７１ａ及び側脚部７２ａはベース部７３ａに繋がっている。他側コア片７ｂは、中央脚部７１ｂ及び側脚部７２ｂを有している。中央脚部７１ｂ及び側脚部７２ｂはベース部７３ｂで繋がっている。中央脚部７１ａ及び中央脚部７１ｂが対向して中央脚部７１が構成され、側脚部７２ａ及び側脚部７２ｂが対向して側脚部７２が構成されている。この例では、一側コア片７ａと他側コア片７ｂとがギャップを開けるように対向して配置されている。ギャップの有無やギャップの間隔は、必要とされる特性に合わせて適宜決めればよい。
【0022】
コア７（一側コア片７ａ，他側コア片７ｂ）は、公知の磁性材料で形成されており、例えば、ＦｅＳｉＣｒＢ等の鉄系アモルファス磁性粉を含有する磁性コンポジット材やフェライト、電磁鋼板、センダスト、パーマロイ、Ｎｉ系、Ｆｅ系の強磁性材料等で構成することができる。コア７は、例えば、公知の磁性材料を圧縮成形し熱処理を施して製造される。コア７は、軟磁性金属粉末の周囲に絶縁層を形成して、それを加圧成形した圧粉磁心であってもよい。
【0023】
一次巻線２及び二次巻線３（３ａ，３ｂ）は、コア７の中央脚部７１（７１ａ，７１ｂ）に、互いに重なり合いや接触が生じることなく、別個に巻回されている。一次巻線２及び二次巻線３（３ａ，３ｂ）は、コア７の側脚部７２（７２ａ，７２ｂ）によって外周側の少なくとも一部を覆われている。つまり、中央脚部７１（７１ａ，７１ｂ）は、一次巻線２及び二次巻線３（３ａ，３ｂ）の内周側に位置しており、側脚部７２（７２ａ，７２ｂ）は、一次巻線２及び二次巻線３（３ａ，３ｂ）の外周側に位置している。
【0024】
コア７の中央脚部７１（７１ａ，７１ｂ）の横断面形状（図示せず）に限定はなく、例えば、角柱形状、円柱形状、楕円形状、多角形形状、オーバル形状、角丸長方形状（陸上競技場のトラックのような形状）など、任意の形状である。中央脚部７１が角柱形状の場合、一側コア片７ａ及び他側コア片７ｂはＥコアとも呼ばれている。中央脚部７１が円柱形状の場合、一側コア片７ａ及び他側コア片７ｂはＥＲコアとも呼ばれている。ここでは、一例として、中央脚部７１が角丸長方形状であるものとする。
【0025】
一次巻線２は、中央脚部７１の中間位置（中央脚部７１ａ及び中央脚部７１ｂが対面している位置）がほぼ中央になるように、中央脚部７１（中央脚部７１ａ及び中央脚部７１ｂ）に巻回されている。一次巻線２は、中央脚部７１に直接接触しないように、ボビン、絶縁シート等を介して中央脚部７１に巻回されていてもよい（図示省略）。図１には、一次巻線２が１０ターンで巻回されている例を示している。
【0026】
二次巻線３は、一次巻線２を間に挟む位置関係で中央脚部７１に巻回されて配置されるように、一方の二次巻線（第１巻線部）３ａと他方の二次巻線（第２巻線部）３ｂとに２分割されて構成されている。二次巻線３ａは一次巻線２よりも一側（上側）の中央脚部７１（中央脚部７１ａ）に、一次巻線２とは間を開けて巻回されている。二次巻線３ｂは一次巻線２よりも他側（下側）の中央脚部７１（中央脚部７１ｂ）に、一次巻線２とは間を開けて巻回されている。二次巻線３（３ａ，３ｂ）は、中央脚部７１に直接接触しないように、ボビン、絶縁シート等を介して中央脚部７１に巻回されていてもよい（図示省略）。
【0027】
二次巻線３ａは、一例として、２本の巻線材が平行になるように間隔を開けて巻回（平行巻き）されて形成されている。この２本の巻線材は電気的に並列接続されている。図１には、二次巻線３ａが２ターンで巻回されている例を示している。同様に、二次巻線３ｂは、一例として、２本の巻線材が平行になるように間隔を開けて巻回（平行巻き）されて形成されている。この２本の巻線材は電気的に並列接続されている。図１には、二次巻線３ｂが２ターンで巻回されている例を示している。
【0028】
一次巻線２、二次巻線３（３ａ，３ｂ）の巻線材は、一例として、断面が板状（矩形）の導体である。このような巻線材として、平角線、リボン線を使用してもよい。一次巻線２の巻線材は、複数本の線を撚り合わせたリッツ線を略矩形断面の形状としたものであってもよい。
【0029】
一方の二次巻線３ａと一次巻線２との間に、漏れインダクタンスを形成するための第１の第３磁性部材４ａが配置されている。第１の第３磁性部材４ａは、環状の板形状（リング形状）に形成されている。第１の第３磁性部材４ａは、磁性紛及びマトリックス材を含む磁性複合材で形成されている。
【0030】
他方の二次巻線３ｂと一次巻線２との間に、漏れインダクタンスを形成するための第２の第３磁性部材４ｂが配置されている。第２の第３磁性部材４ｂは、環状の板形状（リング形状）に形成されている。第２の第３磁性部材４ａは、磁性紛及びマトリックス材を含む磁性複合材で形成されている。磁性複合材については後述する。
【0031】
【0032】
同図に示すように、一次巻線２には、その巻線材の表面（ひょうめん）に接し表面（ひょうめん）全体を覆うように第１磁性部材２１が層状に付されている。この例では、一次巻線２の板状の巻線材のおもて面（図の上面）、裏面（図の下面）、外周部（図に向かって左側部）、内周部（図に向かって右側部）に接しこれらを覆うように第１磁性部材２１が層状に付されている。
【0033】
一次巻線２の隣接し合う巻線材に付された層状の第１磁性部材２１同士が接触しないように、隣接し合う第１磁性部材２１同士の間には隙間が設けられている。この隙間は、隣接し合う第１磁性部材２１同士の間に、例えば、樹脂シートのような絶縁性シート（図示省略）が挟まれて形成されている。第１磁性部材２１は、磁性紛及びマトリックス材を含む磁性複合材で形成されている。磁性複合材については後述する。
【0034】
同図に示すように、二次巻線３（３ａ）には、その巻線材の表面（ひょうめん）に接し表面（ひょうめん）全体を覆うように第２磁性部材３１が層状に付されている。この例では、二次巻線３ａの板状の巻線材のおもて面（図の上面）、裏面（図の下面）、外周部（図に向かって左側部）、内周部（図に向かって右側部）に接しこれらを覆うように第２磁性部材３１が層状に付されている。
【0035】
二次巻線３ａの隣接し合う巻線材に付された層状の第２磁性部材３１同士が接触しないように、隣接し合う第２磁性部材３１同士の間には隙間が設けられている。この隙間は、隣接し合う第２磁性部材３１同士の間に、例えば、樹脂シートのような絶縁性シート（図示省略）が挟まれて形成されている。第２磁性部材３１は、磁性紛及びマトリックス材を含む磁性複合材で形成されている。磁性複合材については後述する。
【0036】
図示しないが、二次巻線３ｂは、二次巻線３ａと同様であり、その巻線材の表面（ひょうめん）に接し表面（ひょうめん）全体を覆うように第２磁性部材３１が層状に付されており、隣接し合う第２磁性部材３１同士の間には隙間が設けられている。この隙間には、同様に絶縁性シートが挟まれている。
【0037】
第３磁性部材４（４ａ）は、一次巻線２の第１磁性部材２１に接触しないように第１磁性部材２１から隙間を開けて設けられている。また、第３磁性部材４（４ａ）は、二次巻線３ａの第２磁性部材３１に接触しないように第２磁性部材３１から隙間を開けて設けられている。これら隙間は、例えば、樹脂シートのような絶縁性シート（図示省略）が挟まれて形成されている。
【0038】
図示しないが、第３磁性部材４ｂは、第３磁性部材４ａと同様であり、一次巻線２の第１磁性部材２１に接触しないように隙間を開けて設けられていると共に、二次巻線３ｂの第２磁性部材３１に接触しないように隙間を開けて設けられている。この隙間は、同様に絶縁性シートが挟まれて形成されている。
【0039】
第３磁性部材４（４ａ，４ｂ）は、中央脚部７１及び側脚部７２に接触しないように設けられていることが好ましい。後述するように、第３磁性部材４が中央脚部７１及び側脚部７２に接触していると、第３磁性部材４の磁束密度が高くなり、第３磁性部材４で生ずる損失が大きくなる恐れがあるためである。
【0040】
第１磁性部材２１、第２磁性部材３１、第３磁性部材４（４ａ，４ｂ）は、いずれもマトリックス材中に磁性紛が分散している磁性複合材で形成されている。このような磁性複合材は、成型し易く、高周波での損失が少なく、透磁率が低く、飽和磁束密度が高いという特徴がある。複合磁性材において透磁率の大きさは、後述する磁性粉の形状や種類、大きさ、また、マトリックス材に対する磁性粉の混合比を変えることで制御可能である。比透磁率の大きさは、一次巻線２と二次巻線３の間の結合係数と磁性複合材のシールド効果との兼ね合いから、５以上５０以下であることが好ましい。
【0041】
磁性紛の形状は任意である。磁性紛として、例えば、球状、塊状および扁平状の粉体から選ばれる１種または複数種を混合したものを用いることができる。また、磁性紛として、異なる形状、異なるサイズの粉体を混合して用いることができる。磁性紛の形状に限定はないが、球状や立方体のような形状磁気異方性のない形状のものが好ましい。磁性紛のサイズに限定はないが、一例として、数百ｎｍから１００μｍ程度のサイズのものが好ましい。
【0042】
磁性紛は、軟磁性体であれば材質は限定されない。磁性紛として、例えば、鉄粉、Si－Fe紛、アモルファス粉、フェライト粉(Mn-Zn、Ni-Zn)、ファインメット（登録商標）粉、センダスト紛、Fe-Si-Al紛から選ばれる１種または複数種を用いることができる。磁性紛として、表面を絶縁材で覆われた被覆付き磁性粉を用いてもよい。磁性紛の量に限定はないが、一例として、磁性複合材中に６０～８０体積％程度含まれていることが好ましい。
【0043】
マトリックス材は、複合材料における母材であり、非磁性で絶縁性を有する材料であって、液状（スラリー状）から硬化する材料であれば特に限定されない。マトリックス材は、例えば、シリコーン、エポキシ、アクリル等の樹脂材料、水ガラス等の無機材料を用いることができる。これらの中でも、機械的強度を向上させる点で、樹脂材料が好ましい。樹脂として、液状態から硬化する樹脂であって、例えば熱可塑性樹脂、シリコーンエラストマなどの熱硬化性樹脂、又は硬化剤により架橋可能な樹脂等を用いることができる。例えば、樹脂材料の中では、シリコーン、エポキシを好ましく使用できる。
【0044】
磁性紛と液状のマトリックス材とを混合して、マトリックス材中に磁性紛を均一に分散させ、液状のマトリックス材を硬化させることで磁性複合材になる。混合する際に、必要性に応じて溶剤、添加剤、結合剤等を適宜加えてもよい。
【0045】
第１磁性部材２１、第２磁性部材３１、第３磁性部材４に用いる磁性紛の種類及び分量は、それぞれ同様であってもよいし、各々で異なっていてもよい。第１磁性部材２１、第２磁性部材３１、第３磁性部材４に用いるマトリックス材の種類及び分量は、それぞれ同様であってもよいし、各々で異なっていてもよい。必要とする特性に合わせて、各々に用いる磁性紛の種類及び分量を適宜決めればよい。
トランス１の電磁界シミュレーションの結果や、試作品の測定結果については後述する。
トランス１の電磁界シミュレーションの結果や、試作品の測定結果については後述する。
【0046】
【0047】
本発明を適用する第２実施形態のトランス１０１は、一次巻線２を封止するように第１磁性部材２２が設けられており、二次巻線３（３ａ，３ｂ）を封止するように第２磁性部材３２が設けられていることを特徴とする。
以下、詳細に説明する。
以下、詳細に説明する。
【0048】
トランス１０１は、一次巻線２、二次巻線３（３ａ，３ｂ）、第１磁性部材２２、第２磁性部材３２、第３磁性部材４（４ａ，４ｂ）、及びコア７を有している。一次巻線２、二次巻線３（３ａ，３ｂ）、第３磁性部材４（４ａ，４ｂ）、及びコア７は、既に説明したトランス１と同様のものである。
【0049】
【0050】
同図に示すように、一次巻線２は、巻線間も含め全体が第１磁性部材２２によって封止（モールド、封入）されている。第１磁性部材２２は、既に説明したトランス１の第１磁性部材２１と同様の材質のものであり、磁性紛及びマトリックス材を含む磁性複合材で形成されている。第１磁性部材２２と第３磁性部材４（４ａ）との間には隙間が形成されている。第１磁性部材２２とコア７（中央脚部７１，側脚部７２）との間には隙間が形成されている。
【0051】
同図に示すように、二次巻線３ａは、巻線間も含め全体が第２磁性部材３２（第１の第２磁性部材）によって封止（モールド、封入）されている。第２磁性部材３２は、既に説明したトランス１の第２磁性部材３１と同様の材質のものであり、磁性紛及びマトリックス材を含む磁性複合材で形成されている。第２磁性部材３２と第３磁性部材４（４ａ）との間には隙間が形成されている。第２磁性部材３２とコア７（中央脚部７１，側脚部７２）との間には隙間が形成されている。
【0052】
図示しないが、二次巻線３ｂは、二次巻線３ａと同様であり、全体が第２磁性部材３２（第２の第２磁性部材）によって封止されている。第２磁性部材３２と第３磁性部材４ｂとの間には隙間が形成されている。第２磁性部材３２とコア７（中央脚部７１，側脚部７２）との間には隙間が形成されている。
トランス１０１の電磁界シミュレーションの結果については後述する。
トランス１０１の電磁界シミュレーションの結果については後述する。
【0053】
【0054】
本発明を適用する第３実施形態のトランス２０１は、一次巻線２の巻線材表面の外周部側及び内周部側の端部に接して第１磁性部材２３が設けられており、二次巻線３（３ａ，３ｂ）の巻線材表面の外周部側及び内周部側の端部に接して第２磁性部材３３が設けられていることを特徴とする。
以下、詳細に説明する。
以下、詳細に説明する。
【0055】
トランス２０１は、一次巻線２、二次巻線３（３ａ，３ｂ）、第１磁性部材２３、第２磁性部材３３、第３磁性部材４（４ａ，４ｂ）、及びコア７を有している。一次巻線２、二次巻線３（３ａ，３ｂ）、第３磁性部材４（４ａ，４ｂ）、及びコア７は、既に説明したトランス１と同様のものである。
【0056】
【0057】
同図に示すように、一次巻線２は、巻線材の外周部側の端部において巻線材に接して第１磁性部材２３（外周側の第１磁性部材）が設けられると共に、巻線材の内周部側の端部において巻線材に接して第１磁性部材２３（内周側の第１磁性部材）が設けられている。巻線材の外周側の端面だけでなく、巻線材の外周部側のおもて面及び裏面に掛かるように第１磁性部材２３が設けられている。巻線材の内周側の端面だけでなく、内周部側のおもて面及び裏面に掛かるように第１磁性部材２３が設けられている。巻線材の外周部側及び内周部側を除くおもて面及び裏面の中央部には第１磁性部材２３は設けられていない。また、同図に示すように、一次巻線２の隣接し合う巻線材に設けられた第１磁性部材２３同士が接触しないように隙間が設けられていてもよい。隙間は、例えば、樹脂シートのような絶縁性シート（図示省略）が挟まれて形成されている。
【0058】
第１磁性部材２３は、既に説明したトランス１の第１磁性部材２１と同様の材質のものであり、磁性紛及びマトリックス材を含む磁性複合材で形成されている。
【0059】
同図に示すように、二次巻線３（３ａ）は、巻線材の外周部側の端部において巻線材に接して第２磁性部材３３（外周側の第２磁性部材）が設けられると共に、巻線材の内周部側の端部において巻線材に接して第１磁性部材３３（内周側の第２磁性部材）が設けられている。巻線材の外周側の端面だけでなく、巻線材の外周部側のおもて面及び裏面に掛かるように第２磁性部材３３が設けられている。巻線材の内周側の端面だけでなく、巻線材の内周部側のおもて面及び裏面に掛かるように第２磁性部材３３が設けられている。巻線材の外周部側及び内周部側を除くおもて面及び裏面の中央部には第１磁性部材３３は設けられていない。また、同図に示すように、二次巻線３（３ａ）の隣接し合う巻線材に設けられた第２磁性部材３３同士が接触しないように隙間が設けられていてもよい。隙間は、例えば、樹脂シートのような絶縁性シート（図示省略）が挟まれて形成されている。
【0060】
第２磁性部材３３は、既に説明したトランス１の第２磁性部材３１と同様の材質のものであり、磁性紛及びマトリックス材を含む磁性複合材で形成されている。
【0061】
図示しないが、二次巻線３ｂは、二次巻線３ａと同様であり、巻線材の外周部側の端部に第２磁性部材３３（外周側の第２磁性部材）が設けられると共に、巻線材の内周部側の端部に第１磁性部材３３（内周側の第２磁性部材）が設けられている。
トランス２０１の電磁界シミュレーションの結果については後述する。
トランス２０１の電磁界シミュレーションの結果については後述する。
【0062】
なお、第１実施形態のトランス１では磁性複合材を層状に付した一次巻線２及び二次巻線３の組み合わせ、第２実施形態のトランス１０１では磁性複合材で封止した一次巻線２及び二次巻線３の組み合わせ、第３実施形態のトランス２０１では磁性複合材を外周部側及び内周部側に付した一次巻線２及び二次巻線３の組み合わせについて説明したが、一次巻線２と二次巻線３とに設ける磁性複合材の位置の組み合わせを変えてもよい。例えば、磁性複合材を層状に付した一次巻線２と磁性複合材で封止した二次巻線３とを組み合わせたトランスとしてもよいし、磁性複合材で封止した一次巻線２と磁性複合材を層状に付した二次巻線３とを組み合わせたトランスとしてもよいし、磁性複合材を層状に付した一次巻線２と磁性複合材を外周部側及び内周部側に付した二次巻線３とを組み合わせたトランスとしてもよいし、磁性複合材を外周部側及び内周部側に付した一次巻線２と磁性複合材を層状に付した二次巻線３とを組み合わせたトランスとしてもよいし、磁性複合材で封止した一次巻線２と磁性複合材を外周部側及び内周部側に付した二次巻線３とを組み合わせたトランスとしてもよいし、磁性複合材を外周部側及び内周部側に付した一次巻線２と磁性複合材で封止した二次巻線３とを組み合わせたトランスとしてもよい。一次巻線２に配置する磁性複合材の位置は任意である。ニ次巻線３に配置する磁性複合材の位置は任意である。必要とする仕様に合わせて適宜決めればよい。
【0063】
［電磁界解析によるシミュレーション］
電磁界解析によるシミュレーションを実施した。ここでは実施例１として図１，２に示した実施形態１（一次巻線２、二次巻線３の巻線材の表面全体に層状に磁性複合材を設けたトランス１）、実施例２として図４，５に示した実施形態２（一次巻線２、二次巻線３ａ，３ｂの各々の巻線材を磁性複合材で封止したトランス１０１）、実施例３として図６，７に示した実施形態３（一次巻線２、二次巻線３の巻線材の外周部、内周部に磁性複合材を設けたトランス３０１）に対してシミュレーションを行った。
電磁界解析によるシミュレーションを実施した。ここでは実施例１として図１，２に示した実施形態１（一次巻線２、二次巻線３の巻線材の表面全体に層状に磁性複合材を設けたトランス１）、実施例２として図４，５に示した実施形態２（一次巻線２、二次巻線３ａ，３ｂの各々の巻線材を磁性複合材で封止したトランス１０１）、実施例３として図６，７に示した実施形態３（一次巻線２、二次巻線３の巻線材の外周部、内周部に磁性複合材を設けたトランス３０１）に対してシミュレーションを行った。
【0064】
比較例１として、実施例１のトランス１から全ての磁性複合材を取り除いた構成、すなわち一次巻線２に第１磁性部材２１が設けられておらず、二次巻線３（３ａ，３ｂ）に第２磁性部材３１が設けられておらず、第３磁性部材４（４ａ，４ｂ）が設けられていない構成に対してシミュレーションを行った。
【0065】
比較例２として、図８の破線部拡大図に示すトランス９０１に対してシミュレーションを行った。同図に示すように、トランス９０１は、一次巻線２に第１磁性部材が設けられておらず、二次巻線３（３ａ，３ｂ）に第２磁性部材が設けられていない点がトランス１と異なっている。同図は、図２に示したトランス１の破線部の拡大図に対応している。トランス９０１は、トランス１と同様の第３磁性部材４（４ａ，４ｂ）を有している。
【0066】
比較例３として、図９の破線部拡大図に示すトランス９０２に対してシミュレーションを行った。同図に示すように、トランス９０２は、一次巻線２に第１磁性部材が設けられておらず、二次巻線３（３ａ，３ｂ）に第２磁性部材が設けられておらず、第３磁性部材９４（９４ａ，９４ｂ）を備えている点がトランス１と異なっている。第３磁性部材９４（９４ａ，９４ｂ）は、第３磁性部材４（４ａ，４ｂ）を幅広に形成したもので、コア７の中央脚部７１及び側脚部７２に接触（密着）している。第３磁性部材９４（９４ａ，９４ｂ）の材質は、トランス１の第３磁性部材４（４ａ，４ｂ）と同様である。
【0067】
［ＬＬＣ共振型ＤＣ－ＤＣコンバータとリーケージトランスの仕様］
電磁界シミュレーションを行うトランスがＬＬＣ共振型ＤＣ－ＤＣコンバータ（以下、ＬＬＣコンバータとも言う）に用いるリーケージトランスであるものとして、目標とする各仕様を設定した。ＬＬＣコンバータの基本仕様を、入力電圧３６０～４００Ｖ、出力電圧４８Ｖ、出力電力１ｋＷのバスコンバータとした。共振周波数１ＭＨｚ、スイッチング周波数０．７～１ＭＨｚとした。デッドタイムは共振周波数１ＭＨｚの周期の２．０％～３．０％である２０～３０ｎｓに設定した。励磁インダクタンスは、デッドタイム、一次側パワーデバイスの出力容量、最大スイッチング周波数、ゼロ電圧スイッチング条件から９．８～１４．８μＨに決定した。一次パワーデバイスに型名ＧＳ－０６５－０６０－３－Ｔ(GaN Systems Inc.社)を使用するものとして、この出力容量Ｃossを１２７ｐＦとした。
リーケージトランスを部品数を削減できるハーフブリッジ手法とセンタータップ整流を使用したＬＬＣコンバータで使用するものとして、リーケージトランスの巻数比を、一次巻線２の巻数：二次巻線３ａの巻数：二次巻線３ｂの巻数＝５：１：１とした（図１参照）。
電磁界シミュレーションを行うトランスがＬＬＣ共振型ＤＣ－ＤＣコンバータ（以下、ＬＬＣコンバータとも言う）に用いるリーケージトランスであるものとして、目標とする各仕様を設定した。ＬＬＣコンバータの基本仕様を、入力電圧３６０～４００Ｖ、出力電圧４８Ｖ、出力電力１ｋＷのバスコンバータとした。共振周波数１ＭＨｚ、スイッチング周波数０．７～１ＭＨｚとした。デッドタイムは共振周波数１ＭＨｚの周期の２．０％～３．０％である２０～３０ｎｓに設定した。励磁インダクタンスは、デッドタイム、一次側パワーデバイスの出力容量、最大スイッチング周波数、ゼロ電圧スイッチング条件から９．８～１４．８μＨに決定した。一次パワーデバイスに型名ＧＳ－０６５－０６０－３－Ｔ(GaN Systems Inc.社)を使用するものとして、この出力容量Ｃossを１２７ｐＦとした。
リーケージトランスを部品数を削減できるハーフブリッジ手法とセンタータップ整流を使用したＬＬＣコンバータで使用するものとして、リーケージトランスの巻数比を、一次巻線２の巻数：二次巻線３ａの巻数：二次巻線３ｂの巻数＝５：１：１とした（図１参照）。
【0068】
図１０に、ＬＬＣコンバータのゲイン特性を示す。結合係数が増加するにつれて、動作周波数はより低い周波数にシフトする。したがって、励磁電流を低減できる高周波での動作を可能にするには、リーケージトランスの結合係数を０．８～０．９にする必要がある。
【0069】
［シミュレーション条件］
コア材には高周波特性に優れた型名ＭＣ２（ＪＦＥフェライト株式会社）を採用した。コアは、中央脚部が角丸長方形状である型名ＥＥＲＩ（ＪＦＥフェライト株式会社）とした。
コア材には高周波特性に優れた型名ＭＣ２（ＪＦＥフェライト株式会社）を採用した。コアは、中央脚部が角丸長方形状である型名ＥＥＲＩ（ＪＦＥフェライト株式会社）とした。
【0070】
図１に示す中心ｙから一次巻線２及び二次巻線３ａ，３ａの内周端部までの長さ３．７ｍｍ、外周端部までの長さ９．９ｍｍとした。一次巻線２と二次巻線３ａ，３ａの導体の厚さはそれぞれ０．１ｍｍと０．２ｍｍとした。一次巻線２及び二次巻線３ａ，３ａの隣接する巻線材同士の間の距離０．２ｍｍ、一次巻線２から二次巻線３ａ，３ａまでの間の距離０．９ｍｍとした。図１に示す中心ｙから第３磁性部材４ａ，４ｂの内周端部までの長さ３．５ｍｍ、外周端部までの長さ１０．１ｍｍとした。第３磁性複合部材の厚さ０．５ｍｍとした。
【0071】
コア７の中心ｙから中央脚部７１の幅３．１６ｍｍ、側脚部７２の内側までの距離１０．４１５ｍｍ、側脚部の外側までの距離１２．５ｍｍ、図１に示す状態のコア７の下部から上部までの長さ１２．５８ｍｍ、一側コア片７ａと他側コア片７ｂとのギャップ０．３ｍｍとした。
【0072】
一次巻線２の巻数１０、一方の二次巻線３ａの巻数２、他方の二次巻線３ｂの巻数２とした。二次巻線３ａ、３ｂは２つの並列巻線を有している。結合係数を低減するために、一次巻線と二次巻線は独立して巻かれている。
【0073】
図１，２に示す第１実施形態の場合、一次巻線２及び二次巻線３ａ，３ａのおもて面及び裏面に付された磁性複合材の層の厚さ０．０５ｍｍであり、両側面に付された磁性複合材部の層の厚さ０．２ｍｍとした。
【0074】
図４，５に示す第２実施形態の場合、一次巻線２及び二次巻線３ａ，３ａは磁性複合材に内部は封止されているが、一次巻線２及び二次巻線３ａ，３ａの上下の両端面より外側に磁性複合材が０．０５ｍｍ出ており、両側面より外側に磁性複合材が厚さ０．２ｍｍ出ているものとした。
【0075】
図６，７に示す第３実施形態の場合、一次巻線２及び二次巻線３ａ，３ａの両側面から外側に向かって付された磁性複合材部の層の厚さ０．２ｍｍであり、磁性複合材部は両端面から０．１ｍｍだけ内側に向かって、おもて面及び裏面に磁性複合材が層状に厚さ０．０５ｍｍで設けられているものとした。
【0076】
図１１にコア材ＭＣ２の複素比透磁率（カタログ値）と磁性複合材の複素比透磁率（実測値）の周波数特性を示す。磁性複合材は鉄を主成分とした非晶質球状粉末を樹脂と混合して作られており、高周波での損失が低いという特徴を有する。インピーダンスアナライザー（Agilent Technologies, Inc.社、型名4294A)を使用して複素比透磁率を測定した。複素比透磁率は、試験対象の材料であるトロイダルコアを治具（KEYSIGHT Technologies社、型名16454A）に挿入することによって形成した１回巻インダクタのインダクタンスから導出した。磁性複合材は低損失であるため、治具の接触抵抗は磁性複合材の複素比透磁率μ’”の虚数部に大きく影響する。したがって、磁性複合材のμ”は低周波で増加する。ここでは磁性複合材のμ”を0.01としてシミュレーションを行った。表１にシミュレーション条件を示す。
【0077】
【表1】
【0078】
二次側が開放された状態の一次インダクタンスＬp、一方の二次巻線３ａが短絡された状態の一次側抵抗（交流抵抗）Ｒsh1、一方の二次巻線３ａが短絡された状態の一次インダクタンスＬsh1をシミュレーションする。他方の二次巻線３ｂを短絡した場合の一次インピーダンス特性は一方の二次巻線３ａを短絡した場合と同じであるため省略する。
結合係数ｋは次の式（１）から計算されます。
結合係数ｋは次の式（１）から計算されます。
【0079】
【数1】
【0080】
［シミュレーション結果］
図１２はニ次側を開放した状態の一次側インダクタンスＬpを示す。周波数１ＭＨｚにおけるリーケージトランスのＬpは、実施例１が１４．１μＨ、実施例２が１４．８μＨ、実施例３が１３．８μＨ、比較例１が１３．１μＨ、比較例２が１３．５μＨであった。磁性複合材は、一次巻線とニ次巻線の間や巻線材の表面の少なくとも一部に配置され、主磁路より経路長の短い磁路を形成する。その結果、実施例１～３のように磁性複合材を設けた方がインダクタンスＬpが増大する。
図１２はニ次側を開放した状態の一次側インダクタンスＬpを示す。周波数１ＭＨｚにおけるリーケージトランスのＬpは、実施例１が１４．１μＨ、実施例２が１４．８μＨ、実施例３が１３．８μＨ、比較例１が１３．１μＨ、比較例２が１３．５μＨであった。磁性複合材は、一次巻線とニ次巻線の間や巻線材の表面の少なくとも一部に配置され、主磁路より経路長の短い磁路を形成する。その結果、実施例１～３のように磁性複合材を設けた方がインダクタンスＬpが増大する。
【0081】
図１３は、二次巻線３ａを短絡した状態の一次側抵抗Ｒsh1である。周波数１ＭＨｚにおけるリーケージトランスのＲsh1は、実施例１が３５８ｍΩ、実施例２が３８８ｍΩ、実施例３が４６０ｍΩ、比較例１が５８４ｍΩ、比較例２が５０７ｍΩであった。実施例１～３の方が、比較例１，２よりも一次側抵抗Ｒsh1が小さくなった。これは、巻線を貫通して損失を発生させる磁束が磁性複合材によって誘導・遮蔽されるためである。実施例１のように磁性複合材を層状に適用することで、磁性複合材を適用しない比較例１に比べ、Ｒsh1を３９％低減することができた。実施例１の構造が最も抵抗が小さくなった。実施例２の構造は、すべての巻線が磁性複合材に封止されているため、漏れ磁束が発生しやすく、実施例１の層状の磁性複合材よりも高い抵抗値を示した。実施例３の構造は表皮効果による交流抵抗の低減に有効である。しかし、巻線導体表面の一部（外周部・内周部）しか磁性複合材で覆われていないため、近接効果による交流抵抗の低減効果は小さい。
【0082】
図１４は、二次巻線３ａを短絡した状態の一次側インダクタンスＬsh1である。周波数１ＭＨｚにおけるリーケージトランスのＬsh1は、実施例１が３．９μＨ、実施例２が４．５μＨ、実施例３が３．９μＨ、比較例１が１．５μＨ、比較例２が２．８μＨであった。実施例１～３のように磁性複合材を一次巻線と二次巻線の間や導体外周に配置すると、漏れ磁束の経路ができ、Ｌsh1が増加した。
【0083】
図１５は、結合係数ｋを示したものである。周波数１ＭＨｚにおけるリーケージトランスの結合係数ｋは、実施例１が０．８５、実施例２が０．８３、実施例３が０．８８、比較例１が０．９４、比較例２が０．８９であった。実施例１～３のように磁性複合材を適宜配置することで、漏れ磁束の経路を作り、結合係数を下げることができる。
【0084】
［第３磁性部材の磁束密度］
第３磁性部材の磁束密度についてシミュレーションを行った。図１６に、周波数１ＭＨｚ、電流８Ａにおける第３磁性部材の磁束密度を示す。比較例３は第３磁性部材がコアに接触（密着）し、比較例２及び実施例１～３は第３磁性部材がコアに接触していない。同図の比較例３に示すように、コアに接触していると第３磁性部材の磁束密度が高くなる。鉄損は磁束密度の増加とともに大きくなるため、第３磁性部材の磁束密度が高くなると、第３磁性部材で生ずる損失が増える。また、今回のシミュレーションで第３磁性部材は磁気飽和していないが、電流をさらに大きくしたときに磁気飽和やシールドとしての機能が低下する可能性がある。
第３磁性部材の磁束密度についてシミュレーションを行った。図１６に、周波数１ＭＨｚ、電流８Ａにおける第３磁性部材の磁束密度を示す。比較例３は第３磁性部材がコアに接触（密着）し、比較例２及び実施例１～３は第３磁性部材がコアに接触していない。同図の比較例３に示すように、コアに接触していると第３磁性部材の磁束密度が高くなる。鉄損は磁束密度の増加とともに大きくなるため、第３磁性部材の磁束密度が高くなると、第３磁性部材で生ずる損失が増える。また、今回のシミュレーションで第３磁性部材は磁気飽和していないが、電流をさらに大きくしたときに磁気飽和やシールドとしての機能が低下する可能性がある。
【0085】
［リーケージトランスの作製］
実施例４として、リーケージトランスを作製した。作製するリーケージトランスとして、シミュレーションで最も抵抗値の低かった実施例１に相当するトランスを作製した。また、比較例４として、磁性複合材を用いない、つまり第１磁性部材２１、第２磁性部材３１及び第３磁性部材４が設けられていない比較例１に相当するトランスを作製した。
実施例４として、リーケージトランスを作製した。作製するリーケージトランスとして、シミュレーションで最も抵抗値の低かった実施例１に相当するトランスを作製した。また、比較例４として、磁性複合材を用いない、つまり第１磁性部材２１、第２磁性部材３１及び第３磁性部材４が設けられていない比較例１に相当するトランスを作製した。
【0086】
図１７に、作製したリーケージトランスの外観及び製造工程を示す写真を示す。第１磁性部材２１、第２磁性部材３１及び第３磁性部材４の磁性複合材は同じ材質で形成した。磁性複合材の磁性紛として鉄系アモルファス球状粉末、マトリックス材としてシリコーン樹脂を用いた。鉄系アモルファス球状粉末にシリコーン樹脂を混合して磁性複合材スラリーを調製した。一次巻線及び二次巻線の１巻き（１枚）の巻線材ごとに、メタルマスクを用いて巻線材上に磁性複合材スラリーを塗布した。なお、同図ではメタルマスクの大きさを小さく表わしている。メタルマスクの開口部を巻線材のサイズよりも多少大きく形成することで、磁性複合材スラリーを巻線材の片面に塗布する際に、巻線材の側端面にも磁性複合材スラリーが塗布されるようにした。塗布した磁性複合材スラリーを加熱し硬化させた後、同様に巻線材の裏面に磁性複合材スラリーを塗布し加熱し硬化させた。同様に、一次巻線及び二次巻線の全ての巻線材に対して、磁性複合材を層状に形成した。また、磁性複合材スラリー及びメタルマスクを用いて、樹脂シート上に第３磁性部材を作製した。
【0087】
図１，２に示すように、コア７に、一次巻線及び二次巻線になる磁性複合材付きの巻線材、並びに第３磁性部材をセットした。一側コア片７ａと他側コア片７ｂとの間に樹脂シートを挟んで既定のギャップを形成した。巻線材同士の間や、第３磁性部材の両側に樹脂シートを挟んで所定の隙間を形成した。図３に示した一次巻線、二次巻線の接続になるように、各巻線材を電気的に接続して、実施例４のトランスを作製した。
【0088】
比較例４として、磁性複合材を用いずに、コア７に一次巻線及び二次巻線になる巻線材をセットして、一次巻線、二次巻線の接続になるように各巻線材を電気的に接続して、トランスを作製した。
【0089】
［作製したリーケージトランスの評価］
作製した実施例４及び比較例４のリーケージトランスのインピーダンス特性を測定した。測定にはインピーダンスアナライザー（KEYSIGHT Technologies社製、E4990A）を使用した。測定結果を図１８～図２１に示す。また、各図には、先に説明した実施例１及び比較例１のシミュレーション結果も示す。
作製した実施例４及び比較例４のリーケージトランスのインピーダンス特性を測定した。測定にはインピーダンスアナライザー（KEYSIGHT Technologies社製、E4990A）を使用した。測定結果を図１８～図２１に示す。また、各図には、先に説明した実施例１及び比較例１のシミュレーション結果も示す。
【0090】
図１８に、二次側を開放した状態の一次側インダクタンスＬpを示す。実施例４のＬpは１３．８μＨ、比較例４のＬｐは１３．８μＨであった。磁性複合材の有無でＬpに差はなかった。これは、コアの寸法公差とギャップ長の誤差によるものと思われる。
【0091】
図１９は、二次巻線３ａを短絡した状態の一次側抵抗Rsh1である。比較例４のＲsh1は７４３ｍΩ、実施例４のＲsh1は５０１ｍΩであった。磁性複合材を適用することで、磁性複合材を適用しない場合に比べてＲsh1が３３％低減した。シミュレーションと同様に、磁性複合材を適用することで、損失の原因となる磁束が遮断・誘導され、Ｒsh1が低減されたものと思われる。試作品とシミュレーションモデルの違い（引き出し線、ビア）により、シミュレーション結果よりも実測値はＲsh1が増加した。
【0092】
図２０は、二次巻線３ａを短絡した状態の一次側インダクタンスＬsh1である。比較例４のLsh1は１．８μＨ、実施例４のLsh1は４．５μＨとなった。シミュレーションと同様に、磁性複合材による漏れ磁束の経路を作ることで、Ｌsh1が増加した。試作品とシミュレーション結果との違いは、Ｒsh1が増加した理由と同様である。
【0093】
図２１は結合係数kを示したもので、比較例４のｋは０．９３、実施例４のｋは０．８２となった。シミュレーション結果と同様に、磁性複合材からなる漏洩磁路の形成により、結合係数を低減することができた。
【0094】
なお、上記実施例では前記の［ＬＬＣ共振型ＤＣ－ＤＣコンバータとリーケージトランスの仕様］に適合するように各部寸法を決定した。今回の仕様の場合には、交流抵抗が最も小さくなるリーケージトランスは実施形態１のトランス１であった。しかしながら、目標とする仕様によっては、実施形態２のトランス１０１や実施形態３のトランス２０１が最適になる場合もあり得る。
【0095】
測定値とシミュレーション値に多少の違いはあったが、引き出し線やビアなどによる影響による誤差と考えられ、シミュレーションの設定や算出値は概ね正しいと考えられる。
【符号の説明】
【0096】
１・１０１・２０１はトランス、２は一次巻線、３は二次巻線、３ａは２分割したうちの一方の二次巻線、３ｂは２分割したうちの他方の二次巻線、４は第３磁性部材、
４ａは第１の第３磁性部材、４ｂは第２の第３磁性部材、７はコア、７ａは一側コア片、７ｂは他側コア片、２１・２２・２３は第１磁性部材、３１・３２・３３は第２磁性部材、７１・７１ａ・７１ｂは中央脚部、７２・７２ａ・７２ｂは側脚部、７３・７３ａ・７３ｂはベース部、９４は第３磁性部材、９４ａは第１の第３磁性部材、９４ｂは第２の第３磁性部材、９０１・９０２はトランスである。
４ａは第１の第３磁性部材、４ｂは第２の第３磁性部材、７はコア、７ａは一側コア片、７ｂは他側コア片、２１・２２・２３は第１磁性部材、３１・３２・３３は第２磁性部材、７１・７１ａ・７１ｂは中央脚部、７２・７２ａ・７２ｂは側脚部、７３・７３ａ・７３ｂはベース部、９４は第３磁性部材、９４ａは第１の第３磁性部材、９４ｂは第２の第３磁性部材、９０１・９０２はトランスである。
【要約】
【課題】低磁気結合でありながら交流抵抗の小さなトランスを提供することを目的とする。
【解決手段】トランス１は、一次巻線２と、二次巻線３と、一次巻線２と二次巻線３とが間を開けて巻回されている中央脚部７１、並びに、一次巻線２及び二次巻線３の外周側に設けられている側脚部７２を有するコア７とを備え、一次巻線２の巻線材表面の少なくとも一部に接して配置された、磁性紛及びマトリックス材を含む磁性複合材で形成された第１磁性部材２１と、二次巻線３の巻線材表面の少なくとも一部に接して配置された、磁性紛及びマトリックス材を含む磁性複合材で形成された第２磁性部材３１と、一次巻線２と二次巻線３との間に配置された、磁性紛及びマトリックス材を含む磁性複合材で形成された第３磁性部材４とを備える。
【選択図】図１
【解決手段】トランス１は、一次巻線２と、二次巻線３と、一次巻線２と二次巻線３とが間を開けて巻回されている中央脚部７１、並びに、一次巻線２及び二次巻線３の外周側に設けられている側脚部７２を有するコア７とを備え、一次巻線２の巻線材表面の少なくとも一部に接して配置された、磁性紛及びマトリックス材を含む磁性複合材で形成された第１磁性部材２１と、二次巻線３の巻線材表面の少なくとも一部に接して配置された、磁性紛及びマトリックス材を含む磁性複合材で形成された第２磁性部材３１と、一次巻線２と二次巻線３との間に配置された、磁性紛及びマトリックス材を含む磁性複合材で形成された第３磁性部材４とを備える。
【選択図】図１
【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】
