(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの窓部が開けられたＮ（Ｎは２以上）個のコア（２ａ，２ｂ〜２ｎ、６ａ，６ｂ〜６ｎ）と、
前記各コア（２ａ，２ｂ〜２ｎ、６ａ，６ｂ〜６ｎ）の窓部を通すように１ターン以上巻回された１次コイル（１ａ，１ｂ〜１ｎ、５ａ，５ｂ〜５ｎ）と、
前記全てのコア（２ａ，２ｂ〜２ｎ、６ａ，６ｂ〜６ｎ）の窓部（４ａ，４ｂ〜４ｎ、８ａ，８ｂ〜８ｎ）を貫通して形成された２次コイル（３、７）とを有し、
前記各コアの窓部が互いに対向するように前記Ｎ個のコアを配置したことを特徴とする高周波スイッチングトランス。
【請求項２】
前記各コア（２ａ，２ｂ〜２ｎ、６ａ，６ｂ〜６ｎ）の磁路がほぼ平行となるよう各コア（２ａ，２ｂ〜２ｎ、６ａ，６ｂ〜６ｎ）を横向きにし、かつその各窓部（４ａ，４ｂ〜４ｎ、８ａ，８ｂ〜８ｎ）が連通して前記２次コイル（３、７）を挿通する空間を形成するよう配置したことを特徴とする請求項１記載の高周波スイッチングトランス。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の高周波スイッチングトランスの駆動方法であって、
前記各１次コイル（１ａ，１ｂ〜１ｎ、５ａ，５ｂ〜５ｎ）を各々一定のもしくは任意の位相差を持たせて励磁駆動することを特徴とする高周波スイッチングトランスの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、スイッチング電源、特に低電圧大電流出力に使用される高周波スイッチングトランスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
大形コンピュータ、通信機、電磁コイル等の電源には、低電圧大電流の直流電源装置が必要となる。従来、これらの電源には商用周波トランスにより、商用電圧を降圧し、サイリスタやトランジスタにより定電圧制御を行うシリーズ電源が使用されてきたが、この商用周波トランスが大きなものとなり、電源装置の大部分を占めている。そこで、近年、小型軽量化の要求から商用周波トランスを使用しないスイッチング電源化が普及している。
【０００３】
従来この種のスイッチング電源に使用されるスイッチングトランスは、例えば図７に示すように一般に三脚コア１０が使用され、中脚１０ａに１次コイル９を巻き、図８の断面図に示すように、結合を良くするため絶縁テープ１３を介してその上に２次コイル１１が巻かれたものが使用されている。この三脚コア１０は磁性材料からなる板厚状の直方体ブロックに左右対象に長角穴を設け、この２つの長角穴を窓部１２とし、この窓部１２に挟まれた部分を中脚１０ａとしたものである。
【０００４】
コア材としては高周波での鉄損が少ないフェライト等が用いられ、出力電流が数百アンペアに及ぶ場合が多く、窓面積の大きい大形のコア１０が必要となる。一方、コイルの線材には表皮効果による交流抵抗の増加を抑えるため、リッツ線または薄銅板、銅角材が使用されている。これら銅板等によりコイルを形成する場合、素材が太く硬いため電線巻き装置等を使用することができず、手作業に頼らざるを得ないが、作業が困難であり熟練技術を要している。
【０００５】
また、出力が低電圧大電流のため、巻数比が大きくなり漏れインダクタンスが必然的に大きくなっているが、この漏れインダクタンスによりスイッチングデバイスやダイオードにサージ電圧が発生し、これらのデバイスを破損する恐れがある。そこで、サージ電圧を抑制するためスナバ回路が用いられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の電源装置においては、出力容量が大きくなるほど大形のコア１０を使用しているが、フェライトコアの価格は重量（体積）に対し、指数関数的に上昇することから高価となっている。さらに、コイル材にリッツ線を使用する場合のリッツ線、銅板等によりコイルを形成する場合の工賃等のコストが高く、安価な材料で簡単な製造方法が望まれていた。
【０００７】
また、サージ電圧を抑制するスナバ回路で消費される電力損失は漏れインダクタンスに蓄えられるエネルギーに相当し、漏れインダクタンスをＬ、電流をＩとして、次式で表せる。
（１／２）ＬＩ2 
上式が示すように、漏れインダクタンスに蓄えられるエネルギーは、電流の２乗に比例して大きくなり、出力容量が大きくなるほど、サージ電圧対策が困難になるという問題があった。
【０００８】
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、コイルを製造する際の工賃が安く、安価な材料で簡単に製造でき、かつ、スナバロスを増加させることなく、サージ電圧対策が容易な高周波スイッチングトランスを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、少なくとも１つの窓部が開けられたＮ（Ｎは２以上）個のコア２ａ，２ｂ〜２ｎ、６ａ，６ｂ〜６ｎと、前記各コア２ａ，２ｂ〜２ｎ、６ａ，６ｂ〜６ｎの窓部を通すように１ターン以上巻回された１次コイル１ａ，１ｂ〜１ｎ、５ａ，５ｂ〜５ｎと、前記全てのコア２ａ，２ｂ〜２ｎ、６ａ，６ｂ〜６ｎの窓部４ａ，４ｂ〜４ｎ、８ａ，８ｂ〜８ｎを貫通して形成された２次コイル３、７とを有し、前記各コアの窓部が互いに対向するように前記Ｎ個のコアを配置した構成としている。
【００１０】
また、前記各コア２ａ，２ｂ〜２ｎ、６ａ，６ｂ〜６ｎの磁路がほぼ平行となるよう各コア２ａ，２ｂ〜２ｎ、６ａ，６ｂ〜６ｎを横向きにし、かつその各窓部４ａ，４ｂ〜４ｎ、８ａ，８ｂ〜８ｎが連通して前記２次コイル３、７を挿通する空間を形成するよう配置した構成としている。
【００１１】
さらに、請求項１または請求項２に記載の高周波スイッチングトランスの駆動方法であって、前記各１次コイル１ａ，１ｂ〜１ｎ、５ａ，５ｂ〜５ｎを各々一定のもしくは任意の位相差を持たせて励磁駆動する構成としている。
【００１２】
【作用】
スイッチング回路により複数個の１次コイル１ａ，１ｂ〜１ｎ、５ａ，５ｂ〜５ｎを励磁すると、各コアを貫通している部分の２次コイル３、７に、１次コイル１ａ，１ｂ〜１ｎ、５ａ，５ｂ〜５ｎの巻数及び印加電圧に応じた誘起電圧が発生し、２次コイルの両端にはその総和の電圧が表れる。従って、高周波スイッチングトランスがＮ個のコア２ａ，２ｂ〜２ｎ、６ａ，６ｂ〜６ｎおよび１次コイル１ａ，１ｂ〜１ｎ、５ａ，５ｂ〜５ｎで構成されている場合、個々の１次コイル１ａ，１ｂ〜１ｎ、５ａ，５ｂ〜５ｎの電流は、コアおよび１次コイルが１個のときの１／Ｎとなり、量産品の安価な小型のコアを使用することが可能となる。
【００１３】
また、各コア２ａ，２ｂ〜２ｎ、６ａ，６ｂ〜６ｎの磁路がほぼ平行となるよう各コア２ａ，２ｂ〜２ｎ、６ａ，６ｂ〜６ｎを横向きにし、かつその各窓部４ａ，４ｂ〜４ｎ、８ａ，８ｂ〜８ｎが連通して２次コイル３、７を挿通する空間を形成するよう配置したので、２次コイル３、７を各コア２ａ，２ｂ〜２ｎ、６ａ，６ｂ〜６ｎの窓部４ａ，４ｂ〜４ｎ、８ａ，８ｂ〜８ｎに貫通する作業が簡単で済む。
【００１４】
さらに、このように構成した高周波スイッチングトランスの各１次コイルＮ１を各々一定のもしくは任意の位相差を持たせて励磁駆動することとしたので、入力実効電流は少なくなり、２次側に発生する電圧の瞬時値も低くなるため２次ダイオードＤ１，Ｄ２の耐圧も少なくて済み、２次周波数が増加するのでチョークコイルＬ１やコンデンサＣを小型にすることが可能となる。
【００１５】
【実施例】
次に図に沿って本発明の一実施例について説明する。図１はトロイダルコアを使用した実施例を示した図である。
図において、１ａ，１ｂ〜１ｎは１次コイル、２ａ，２ｂ〜２ｎはコアでここではトロイダルコアを使用している。また、３は２次コイル、４ａ，４ｂ〜４ｎはコア２ａ，２ｂ〜２ｎの中空部に相当する窓部である。
【００１６】
しかして、複数個のコア２ａ，２ｂ〜２ｎにはそれぞれ１次コイル１ａ，１ｂ〜１ｎが巻回されている。このコア２ａ，２ｂ〜２ｎはいわゆるトロイダルコアと言われるもので、中空円筒状のいわゆるドーナッツ形に形成されたものである。
【００１７】
この１次コイル１ａ，１ｂ〜１ｎが巻回された複数個のコア２ａ，２ｂ〜２ｎの磁路がほぼ平行となるよう横向きで、コア２ａ，２ｂ〜２ｎの円筒の中心軸が一致するように直列に、つまり各窓部４ａ，４ｂ〜４ｎを連通して１つの円筒空間を形成するよう配置し、この各窓部４ａ，４ｂ〜４ｎに２次コイル３を貫通させてある。
【００１８】
このような構成の高周波スイッチングトランスにおいて、各コア２ａ，２ｂ〜２ｎに巻回されている各１次コイル１ａ，１ｂ〜１ｎに例えば後述するようなスイッチング回路より電流を供給し、１次コイル１ａ，１ｂ〜１ｎを励磁すると、２次コイル３には１次コイル１ａ，１ｂ〜１ｎの巻数および印加電圧に応じた誘起電圧が発生し、２次コイル３の両端の電圧はその総和の電圧が表れ、結果として各コア２ａ，２ｂ〜２ｎのからの誘起電圧の総和の能力を有する大形のトランスと同等のトランスとして動作することになる。
【００１９】
次に本発明の他の実施例について説明する。図２は本発明の他の実施例として３脚コアを使用した場合を示した図である。
図において、５ａ，５ｂ〜５ｎは１次コイル、６ａ，６ｂ〜６ｎはコアでここでは３脚コアを使用している。また、７は銅板にて形成された２次コイル、８ａ，８ｂ〜８ｎは３脚コア６ａ，６ｂ〜６ｎの中脚の両側に形成された窓部である。
【００２０】
しかして、複数個のコア６ａ，６ｂ〜６ｎの中脚には１次コイル５ａ，５ｂ〜５ｎが巻回されている。このコア６ａ，６ｂ〜６ｎはいわゆる３脚コアと呼ばれるもので、略長方形の磁性材料からなるブロックに左右対象に均等な略長方形の角穴を設け、この２つの角穴に挟まれた部分を脚部としたものである。
【００２１】
この１次コイル５ａ，５ｂ〜５ｎが巻回された複数個のコア６ａ，６ｂ〜６ｎを上記実施例と同様に横向きで、コア６ａ，６ｂ〜６ｎの外枠の各辺の面が一致するように直列に、つまり各窓部８ａ，８ｂ〜８ｎを連通して１つの角穴状の空間を形成するよう配置し、この各窓部８ａ，８ｂ〜８ｎに銅板にて形成された２次コイル７を貫通させてある。
【００２２】
このような構成の高周波スイッチングトランスにおいても、上記実施例同様にスイッチング回路により各１次コイル５ａ，５ｂ〜５ｎを励磁すると、２次コイル７には各１次コイル５ａ，５ｂ〜５ｎの巻数および印加電圧に応じた誘起電圧が発生し、２次コイル７の両端の電圧はその総和の電圧が表れる。
【００２３】
上記２つの実施例において、高周波スイッチングトランスがＮ個のコア２ａ，２ｂ〜２ｎ、６ａ，６ｂ〜６ｎおよび１次コイル１ａ，１ｂ〜１ｎ、５ａ，５ｂ〜５ｎで構成されている場合、個々の１次コイル１ａ，１ｂ〜１ｎ、５ａ，５ｂ〜５ｎの電流は、コアおよび１次コイルが１個のときの１／Ｎとなり、量産品の安価な小型のコアを使用することが可能となり、線材も巻きやすい丸線を使用でき、かつ、２次コイルは連通した各窓部８ａ，８ｂ〜８ｎに銅板等の導体を貫通させるだけであり、工賃、材料費とも安くできる。
【００２４】
また、２次コイル３、７は１次コイル１ａ，１ｂ〜１ｎ、５ａ，５ｂ〜５ｎと一部で接触しているのみで、１次コイル１ａ，１ｂ〜１ｎ、５ａ，５ｂ〜５ｎに密着し覆っていないため、２次コイル３、７は言うまでもなく、１次コイル１ａ，１ｂ〜１ｎ、５ａ，５ｂ〜５ｎの放熱も良くなり、発熱が抑えられ、信頼性が向上する。
【００２５】
また、漏れインダクタンスに蓄えられるエネルギーは、コア１個で構成した場合と、本発明による高周波スイッチングトランスの個々のコイルの漏れインダクタンスは、ほぼ等しいと考えられ、本発明による高周波スイッチングトランスの場合、（１／２）Ｌ（Ｉ／Ｎ）2 Ｎ
となり、１／Ｎ  にスナバロスが減少し、小形化、高効率化が可能となる。
【００２６】
さらに、一般にスイッチングトランスは定格出力電圧、電流に応じその都度設計されているが、本発明によればコア２ａ，２ｂ〜２ｎ、６ａ，６ｂ〜６ｎ１個に対する１次コイル１ａ，１ｂ〜１ｎ、５ａ，５ｂ〜５ｎの仕様を決めておけば、コア２ａ，２ｂ〜２ｎ、６ａ，６ｂ〜６ｎの数により出力電圧を、２次コイル３，７の線材の断面積により出力電流を設定することが可能で、トランス設計が容易となる。なお、共通の材料を使用できるためコスト低減にもなる。
【００２７】
次に図３ないし図６によって、上記高周波スイッチングトランスを駆動する方法について説明する。
図３は本発明にかかる高周波スイッチングトランスを駆動する回路の一例を示した図である。
【００２８】
図において、２０は本発明にかかる高周波スイッチングトランス、Ｅは電源、ＳＷはスイッチ素子で図では機械接点で示してあるが、実際にはトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴなどの半導体による高速スイッチング素子が使用される。Ｂ１，Ｂ２〜Ｂｎは各コアで上記実施例の２ａ，２ｂ〜２ｎ、６ａ，６ｂ〜６ｎに相当する。また、Ｎ１は１次コイルで上記実施例の１ａ，１ｂ〜１ｎ、５ａ，５ｂ〜５ｎに相当し、Ｎ２は２次コイルで上記実施例の３，７に相当する。Ｄ１，Ｄ２は２次側ダイオードで、Ｄ１は整流ダイオード、Ｄ２はフライホイールダイオードとして機能する。また、Ｌ１はチョークコイル、Ｃはコンデンサである。
【００２９】
しかして、この回路では電源Ｅと各コアＢ１，Ｂ２〜Ｂｎの１次コイルＮ１とは１つのスイッチ素子ＳＷを介して並列に接続され、各コアＢ１，Ｂ２〜Ｂｎの２次コイルＮ２はそれぞれ直列に接続され、その一端は２次側ダイオードＤ１のアノードに接続され、そのカソードは２次側ダイオードＤ２のカソードおよびチョークコイルＬ１の一端に接続され、その他端はコンデンサＣおよび出力端子の一端に接続されている。また、２次コイルＮ２の他端は２次側ダイオードＤ２のアノード、コンデンサＣの他端および出力端子の他端に接続されている。
【００３０】
このような構成の回路において、スイッチ素子ＳＷを一定の周期でオン・オフさせると、並列に接続された１次コイルＮ１は同時に励磁され、２次コイルＮ２は１次コイルＮ１の巻数および印加電圧に応じた誘起電圧が同時に発生し、２次コイルＮ２両端の電圧はその総和の電圧が表れ、結果として各コアＢ１，Ｂ２〜Ｂｎのからの誘起電圧の総和の能力を有する大形のトランスと同等のトランスとして動作する。そして、２次側ダイオードＤ１，Ｄ２にて順方向成分のみ抽出された後、チョークコイルＬ１、コンデンサＣにより平滑され、所定の電圧、電流値の直流電源として出力される。
【００３１】
図４は本発明にかかる高周波スイッチングトランスを駆動する回路の他の例を示した図である。この回路では電源Ｅと各コアＢ１，Ｂ２〜Ｂｎの１次コイルＮ１とはそれぞれのＢ１，Ｂ２〜Ｂｎの１次コイルＮ１に対応したスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２〜ＳＷｎを介して接続されており、その他の構成は図３の回路と同一であり、同一構成要素には同一符号を付して説明を省略する。
【００３２】
このような構成の回路において、高周波スイッチングトランス２０を駆動する方法を図５に示す。（ａ）は各スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２〜ＳＷｎを同一パルスで駆動する場合を示したもので、その動作は結局図３の回路と同一となる。
【００３３】
（ｂ）は各スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２〜ＳＷｎを位相差を持たせた複数のパルスで、つまりｎ個のスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２〜ＳＷｎを３６０°／ｎの位相差を有するパルスにより駆動する場合を示したものである。
【００３４】
なお、位相差を持たせたパルスは周知の手段、例えばクリスタルによる発振器とフリップフロップ等の組合せによる分周器、単安定マルチバイブレータ等、その他プログラマブルタイマ等を用いることにより容易に発生させることができる。
【００３５】
この方法で高周波スイッチングトランス２０を駆動した場合、各コアＢ１，Ｂ２〜Ｂｎの１次コイルＮ１は３６０°／ｎの位相差をもって、順次励磁されることになり、電源Ｅから供給される電流は平均化されるため、高周波スイッチングトランス２０の入力実効電流は上記（ａ）の方法に比べ低減し、電源Ｅのリップルが減るため電源Ｅのコンデンサを小型にすることができる。また、２次コイルＮ２には順次励起電圧が発生するため、２次側電圧の瞬時値が低下し、２次側ダイオードＤ１，Ｄ２の耐圧も低いもので済むようになる。さらに、結果として２次側に発生する電圧の周波数は１次側よりも増加しているためチョークコイルＬ１、コンデンサＣも小型のもので済む。
【００３６】
なお、実際の使用に際しては例えば図６に示すようなリセットコイルＮ３を設け、その一端を１次コイルＮ１に接続するとともに、他端を逆接続された逆流防止ダイオードＤ３を介して、１次コイルＮ１の他端側であって、スイツチ素子ＳＷより電源Ｅ側に接続した回路を用いることにより、１次コイルＮ１の逆起電力が抑制されスイッチングノイズが減少等するため本発明の効果をより一層高めるのに有効である。また、図６に示した回路は図３の回路についての応用例を示したものであるが、図４の回路についても同様に適用できることは言うまでもない。
【００３７】
さらに、このように位相差を持たせて駆動することにより、交流出力も可能となり、インバータにも応用することができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、１次コイルが１ターン以上巻回された複数個のコアを配置し、２次コイルを全てのコアの窓部を貫通して形成することとしたので、
（１）個々の一次コイルの電流はコアおよび１次コイルが１個のときの１／Ｎとなり、量産品の安価な小型のコアを使用することが可能となり、線材も巻きやすい丸線を使用できるので工賃、材料費とも安くできる。
（２）２次コイルは１次コイルと一部で接触しているのみで、１次コイルに密着し覆っていないため、２次コイルおよび１次コイルとも放熱が良くなり、発熱が抑えられ、信頼性が向上する。
（３）本発明による高周波スイッチングトランスの漏れインダクタンスエネルギーは（１／２）Ｌ（Ｉ／Ｎ）2 Ｎ
となり、１／Ｎ  にスナバロスが減少し、小形化、高効率化が可能となる。
（４）コア１個に対する１次コイルの仕様を決めておけば、コアの数により出力電圧を、２次コイルの線材の断面積により出力電流を設定することが可能で、
トランス設計が容易となり、共通の材料を使用できるためコスト低減にもなる。
【００３９】
また、各コアの磁路がほぼ平行となるよう各コアを横向きにし、かつその各窓部が連通して２次コイルを挿通する空間を形成するよう配置したので、
２次コイルを各コアの窓部に貫通する作業が簡単で済むため、生産効率が向上する。
【００４０】
さらに、このように構成した高周波スイッチングトランスの各１次コイルを各々一定のもしくは任意の位相差を持たせて励磁駆動することとしたので、入力実効電流は少なくなり、２次側に発生する電圧の瞬時値も低くなるため２次ダイオードの耐圧も少なくて済み、２次周波数が増加するのでチョークコイルやコンデンサを小型にすることが可能となる。
という効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】トロイダル形状のコアを使用した本発明の一実施例を示した構成図である。
【図２】３脚コアを使用した場合の本発明の他の実施例を示した構成図である。
【図３】本発明にかかる高周波スイッチングトランスを駆動する回路の一例を示した図である。
【図４】本発明にかかる高周波スイッチングトランスを駆動する回路の他の例を示した図である。
【図５】図４の回路を駆動する方法を示した図で、（ａ）は同一パルスで同時に駆動する場合、（ｂ）は位相差を持たせたパルスで駆動する場合を示している。
【図６】図３の回路の応用例で、リセットコイルを設けた場合を示している。
【図７】従来のトランスの構成を示した図である。
【図８】図７のトランスの断面図である。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ〜１ｎ  １次コイル
２ａ，２ｂ〜２ｎ  コア
３                ２次コイル
４ａ，４ｂ〜４ｎ  窓部
５ａ，５ｂ〜５ｎ  １次コイル
６ａ，６ｂ〜６ｎ  コア
７                ２次コイル
８ａ，８ｂ〜８ｎ  窓部
９    １次コイル
１０  コア
１０ａ  中脚
１１  ２次コイル
１２  窓部
１３  絶縁テープ
２０，２０ａ  高周波スイッチングトランス
ＳＷ  スイッチ素子
ＳＷ１，ＳＷ２〜ＳＷｎ  スイッチ素子
Ｂ１，Ｂ２〜Ｂｎ  コア
Ｎ１  １次コイル
Ｎ２  ２次コイル
Ｎ３  リセットコイル
Ｅ    電源
【図１】
0003647913.tif 000002
【図２】
0003647913.tif 000003
【図３】
0003647913.tif 000004
【図４】
0003647913.tif 000005
【図５】
0003647913.tif 000006
【図６】
0003647913.tif 000007
【図７】
0003647913.tif 000008
【図８】
0003647913.tif 000009