(57)【要約】【課題】放熱性が良く、薄型化が可能で、コスト低減が図れる薄型大電流トランスを提供する。【解決手段】コイルパターンを形成したシート状導電体と絶縁層とを一体に設けてなる高圧側コイル１の上下に、導体板を打ち抜いた低圧側コイル２、３を重ねて構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイルパターンを形成したシート状導電体と絶縁層とを一体に設けてなる高圧側コイルの上下に、導体板を打ち抜いた低圧側コイルを重ねて構成したことを特徴とする薄型大電流トランス。
【請求項２】
請求項１に記載の薄型大電流トランスにおいて、
前記高圧側コイルのシート状導電体が、上下２層にかつ渦巻き状に構成されていることを特徴とする薄型大電流トランス。
【請求項３】
請求項１または２に記載の薄型大電流トランスにおいて、
前記高圧側コイルの導電体を銅とし、その厚さが２００〜５００μｍの範囲にあることを特徴とする薄型大電流トランス。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれかに記載の薄型大電流トランスにおいて、
前記高圧側コイルが、絶縁樹脂によりモールドされることにより、該高圧側コイルが低圧側コイルおよびコアに対して絶縁されていることを特徴とする薄型大電流トランス。
【請求項５】
請求項１から４までのいずれかに記載の高圧側コイルおよび低圧側コイルからなる２組のコイル部が、絶縁材を介して厚み方向に重なっていることを特徴とする薄型大電流トランス。
【請求項６】
請求項１から４までのいずれかに記載の高圧側コイルおよび低圧側コイルからなるコイル部の上下に、高圧側コイルが重ねられていることを特徴とする薄型大電流トランス。
【請求項７】
請求項１から４までのいずれかに記載の高圧側コイルおよび低圧側コイルからなるコイル部を２組備え、これらの２組のコイル部の間に、他の１つの高圧側コイルが配置されていることを特徴とする薄型大電流トランス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチング電源等に用いられる薄型大電流トランスに係わり、特に例えば自動車用等に用いられる１ｋＷ〜２ｋＷ出力のＤＣ−ＤＣコンバータに好適なトランスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のトランスとして、特許文献１には、一次側コイルを構成する上下の高圧側コイルユニットの間に、二次側の低圧側コイルユニットを挟んで構成したものが開示されている。この特許文献１に記載の高圧側コイルユニットは、コイルをヘリカル状に積層して樹脂によりモールドした構造を有する。また低圧側コイルユニットも樹脂によりモールドした構造を有する。
【０００３】
この種の他のトランスとして、特許文献２には、高圧側コイルを巻回したボビンの上下に、それぞれ上下の絶縁性ケースを介して低圧側コイルを重ねたものが開示されている。このトランスの高圧側コイルは断面形状が円形をなし、低圧側コイルは平板状をなす。また、高圧側コイルを巻回したボビンは外周側が開口された構造を有する。そして、このボビンの外周側開口部が上下のケースの外筒部で覆われて、高圧側コイルとコアあるいは低圧側コイルとの間の沿面距離を確保している。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１７３８４０号公報
【特許文献２】
特開２００１−２６７１５２号公報。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記特許文献１に記載のトランスは、絶縁被覆された低圧側コイルユニットを、絶縁被覆された２つの高圧側コイルユニットによって挟んだ構造を有するので、高圧側コイルで発生する熱が、比較的放熱性がよい平板状の低圧側コイルに伝わりにくく、放熱性が悪いという問題点がある。また、高圧側、低圧側双方のコイルユニットが絶縁被覆されているので、厚みが増し、薄型化の要求に応じることが難しいという問題点がある。また、高圧側コイルはプリント基板によって構成されるもので、この高圧側コイルユニットが２ユニット必要になるので、トランスのコスト高を招くという問題点がある。
また、特許文献２に記載のトランスは、高圧側コイルをボビンに巻回し、さらにこのボビンにケースを重ね、そのケースに低圧側コイルを重ねているので、やはり高圧側コイルで発生した熱を放熱しにくく、放熱性が悪いという問題点がある。また、ボビンとケースとの重ね合わせにより沿面距離を確保している上、高圧側コイルに断面形状が円形の導体を用いているので、全体として厚みが大きくなるという問題点がある。
【０００６】
本発明は、上記問題点に鑑み、放熱性が良く、薄型化が可能で、コスト低減が図れる薄型大電流トランスを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明の薄型大電流トランスは、コイルパターンを形成したシート状導電体と絶縁層とを一体に設けてなる高圧側コイルの上下に、導体板を打ち抜いた低圧側コイルを重ねて構成したことを特徴とする。
【０００８】
（２）また、本発明の薄型大電流トランスは、前記高圧側コイルのシート状導電体が、上下２層の渦巻き状に構成されていることを特徴とする。
【０００９】
（３）また、本発明の薄型大電流トランスは、前記高圧側コイルの導電体を銅とし、その厚さが２００〜５００μｍの範囲にあることを特徴とする。
【００１０】
（４）また、本発明の薄型大電流トランスは、前記高圧側コイルが、絶縁樹脂によりモールドされることにより、該高圧側コイルが低圧側コイルおよびコアに対して絶縁されていることを特徴とする。
【００１１】
（５）また、本発明の薄型大電流トランスは、前記高圧側コイルおよび低圧側コイルからなる２組のコイル部が、絶縁材を介して厚み方向に重なっていることを特徴とする。
【００１２】
（６）また、本発明の薄型大電流トランスは、前記高圧側コイルおよび低圧側コイルからなるコイル部の上下に、高圧側コイルが重ねられていることを特徴とする。
【００１３】
（７）また、本発明の薄型大電流トランスは、前記高圧側コイルおよび低圧側コイルからなるコイル部を２組備え、これらの２組のコイル部の間に、他の１つの高圧側コイルが配置されていることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明による薄型大電流トランスの一実施例（実施例１）を示す断面図、図２、図３はそれぞれそのコイル部の分解斜視図と組立状態を示す斜視図である。図１ないし図３において、１はトランスの一次側コイルとなる高圧側コイル、２、３は低圧側コイルである。
【００１５】
前記高圧側コイル１は、図４に示すように、ガラスエポキシ基板のような基板４の上下面に銅等の導体でなるコイルパターン５ａ、５ｂを有する。図５（Ａ）、（Ｂ）の平面透視図に示すように、これらのコイルパターン５ａ、５ｂは渦巻き状をなす。これらのコイルパターン５ａ、５ｂは内端に設けたスルーホール５ｃにより接続されている。図４に示すように、コイルパターン５ａ、５ｂは樹脂製絶縁層６により覆われている。
【００１６】
高圧側コイル１には外方に伸びた端子部１ａを有し、端子部１ａに、上下のコイルパターン５ａ、５ｂの外端部にそれぞれ連通する端子１ｂ、１ｃを有する。該端子１ｂ、１ｃの近傍においては、外部回路との接続のため、導体部が露出している。高圧側コイル１の中央部には、Ｅ型コア７、８の中足７ａ、８ａを挿入する穴１ｄを有する。また、高圧側コイル１の周囲の導体パターン５ａ、５ｂが形成されていない対角部分に、前記低圧側コイル２、３に設ける突起２ａ、２ｂおよび３ａ、３ｂをそれぞれ嵌合する位置決め用穴１ｅ、１ｆを設けている。
【００１７】
本実施例では低圧側コイル２、３が並列接続される場合について示しているが、直列接続の場合の低圧側コイルどうしの短絡を防ぐため、他の２個所の対角をなす部分にも低圧側コイル用の位置決め用穴１ｇ、１ｈを有する。
【００１８】
この高圧側コイル１の作製は、次のようにして行うことができる。まず両面銅張プリント基板にスルーホール５ｃの穴を開け、続いて銅メッキにより層間接続用のスルーホール５ｃを形成する。次に、エッチングにより、コイルパターン５ａ、５ｂを形成する。その後、コイルパターン上下に絶縁層を積層し、さらに端子部１ａの接続用スルーホールを形成し、外形加工を行う。もしくはエッチングによりコイルパターンを形成した後、外形加工を行い、端子部１ａ部分を除き、エポキシ樹脂等の絶縁材料によりコイル部全体をモールドする。
【００１９】
一方、低圧側コイル２、３は、銅板やアルミニウム板等の導体板を打ち抜きおよび折り曲げ加工により作製される。本実施例の低圧側コイル２、３は、各コイル２、３の両端に、図３に示すように互いに重ねて電気的、機械的に接続する端子２ｃ、３ｃおよび２ｄ、３ｄを有する。また、２ｅ、３ｅは、絶縁層を介して金属ベースプレートに固定され、低圧側コイルおよび高圧側コイルで発生した熱を逃がす役割を持つ。
【００２０】
図６、図７は高圧側コイル１に対する低圧側コイル２、３の組み合わせ構造を示す図である。図２に示したように、低圧側コイル２、３には対角線上の２点に突起２ａ、２ｂおよび３ａ、３ｂをそれぞれ有する。これらの突起は導体板の打ち抜き加工と同一工程でハーフパンチ加工により形成されたもので、低圧側コイルの厚みの約半分の突出高さを有する。これらの突起２ａ、３ａを、高圧側コイル１の位置決め用穴１ｅに上下面より嵌合し、突起２ｂ、３ｂを位置決め用穴１ｆに上下面より嵌合して位置決めかつ結合する。
【００２１】
このように高圧側コイル１と低圧側コイル２、３を重ねた状態では、図３に示すように、低圧側コイル２、３の端子２ｃ、３ｃは重なり、端子２ｄ、３ｄは重なる。
【００２２】
Ｅ型コア７、８はＭｎ−Ｚｎ系フェライトからなる。このコア７、８は、低圧側コイル２、３の中心および高圧側コイル１のコア挿入穴１ｄに中足７ａ、８ａを挿入し、外足７ｂ、８ｂを高圧側コイル２の外周に当接させて組み合わせる。
【００２３】
このトランスは、上下面のコイルパターン５ａ、５ｂがそれぞれ５ターンで合計１０ターンであり、低圧側コイル２、３が並列接続されて１ターンであるので、１０対１の変圧比で使用される。このトランスは、二次側にセンタータップを必要としない、例えばフォワード方式のコンバータ回路等に適用することができる。そして例えば直流４００Ｖを１４Ｖの直流電圧に変換する回路に適用した場合、７０〜１００Ａ程度の出力電流を得ることができる。
【００２４】
低圧側コイル２、３を直列に接続する場合には、突起２ａ、３ａの接触を防止するため、突起３ａ、３ｂは、突起２ａ、２ｂを結ぶ対角線に交差する対角線上にあるようにして高圧側コイル１の位置決め用穴１ｇ、１ｈに嵌合させる。また、端子部２ｄ、３ｄは互いに重ならない反対側の位置に設定し、他方の端子部２ｃ、３ｃは接続可能な位置に設定し、接続する。この場合には、変圧比は１０：１：１のセンタータップを持つトランスとして用いることができる。
このトランスは、コイルパターン５ａ、５ｂの厚みを例えば２７０μｍに設定した場合、高圧側コイル１の厚みは２ｍｍ程度（基板４の厚みが約０．５ｍｍ、絶縁層６の厚みが約０．５ｍｍ）に設定できる。また、低圧側コイル２、３の厚みは約１．５ｍｍ程度とするため、高圧側コイル１と低圧側コイル２、３のトータルの厚さは合計約５ｍｍですむ。
【００２５】
この実施例のトランスは、前記特許文献１に記載したように、高圧側コイルユニットをヘリカル状に構成しモールドすると共に、低圧側コイルユニットもモールドしたものに比較してかなり薄型化されたものとなる。また、特許文献２に記載の構成の丸線、ボビンおよびケース使用のものによれば、約１０ｍｍ程度の厚みとなるので、本実施例によってこの特許文献のものより半分近く薄型化される。
【００２６】
また、高圧側コイル１は低圧側コイル２、３に直接接触するため、高圧側コイルで発生する熱は低圧側コイル２、３および固定端子３ｅを介して金属ベースプレート（図示せず）に放熱される。このため、高圧側コイル１の温度上昇を効率良く抑えることができる。また、高価な高圧側コイル１が１枚ですむため、安価に提供できる。
【００２７】
なお、本実施例において、基板４はコイルパターン５ａ、５ｂを２層で形成したが、より多くの層、例えば４層等で形成しても十分な薄型化が可能である。しかし層数を増加させると、コスト高になると共に、必要な層間絶縁層の厚さ分だけ厚くなるというデメリットがある。また、コイルの端部の引き出し方法を考えると、２層とするのが最も薄型化できると共に、コストを低減できる。
【００２８】
本実施例と異なり、高圧側コイル１の絶縁のため、高圧側コイル１のコイルパターン５ａ、５ｂと低圧側コイル２、３との間に絶縁層６を設けるのではなく、ポリイミドフィルム等の絶縁材料を挟むことで絶縁を確保してもよい。しかしこの場合には、部材が多くなり、組立が煩雑になると共に、コア７、８の中足７ａ、８ａとの絶縁が不十分になることがある。従って、本実施例のように、高圧側コイル１のコイルパターン５ａ、５ｂを絶縁層６でモールドすることにより、組立性を良くし、コア７、８との絶縁を十分にとることができるという効果がある。
【００２９】
また、本実施例においては、高圧側コイル１がモールドされる絶縁樹脂は、通常のプリント基板で使用されるガラス布基材エポキシ樹脂材料を用いているが、これを違った材料、例えば、ポリブチレンテレフタレート等の熱可塑性材料としても良く、使用する材料は限定されない。
【００３０】
１ｋＷ〜２ｋＷ程度の大電流出力のスイッチング電源装置においては、周波数が低いとトランスやチョークコイル等に用いる磁性体が大きくなり、また周波数が高いと電源全体の配線の損失が大きくなるので、１００ｋＨｚ前後の周波数で動作させることが多い。そこで、この実施例１のトランスにおいて、１００ｋＨｚ時の高圧側コイル側から見た交流抵抗値と高圧側コイルの導体厚さの関係を、有限要素法による磁場解析を用いて解析したところ、図８の結果を得た。
【００３１】
この図８は、前記特許文献２で説明した従来例の解析結果との比で示している。また、高圧側、低圧側共に導体は銅とし、低圧側コイルの厚さは１．５ｍｍとした。また、従来例の高圧側コイルは断面の直径が１．３ｍｍの丸線であり、巻数も同一である。また、本発明と従来例のモデルは軸対称近似したものを用いている。
【００３２】
図８から分かるように、コイルパターン５ａ、５ｂの導体の厚さを２７０μｍにした場合、従来例と同程度の交流抵抗値を示しており、薄型でありながら従来品と同程度の損失となる。
【００３３】
図８から分かるように、約５００μｍ以上の導体厚さにおいては、交流抵抗値はほとんど変化しないため、これ以上導体を厚くしても意味がない。また、２００μｍより薄いと急激に交流抵抗値が上昇するので、高圧側コイル１のコイルパターン５ａ、５ｂの厚さは２００〜５００μｍとすることが、低損失と薄型化を両立させる意味において好ましい。
【００３４】
図９は本発明による薄型大電流トランスの他の実施例（実施例２）のコイル部を示す分解斜視図、図１０はその組立工程図、図１１はその断面図である。この実施例は、図１〜図７で示した実施例１の２組のコイル部を絶縁材であるボビン９により組み合わせたものである。図中１、１Ａは高圧側コイル、２、３、２Ａ、３Ａは低圧側コイルである。
【００３５】
本実施例においては、実施例１で示した高圧側コイル１および互いに並列接続される低圧側コイル２、３からなるコイル部１１と、高圧側コイル１Ａを実施例１と同様に互いに並列接続される低圧側コイル２Ａ、３Ａで挟んだコイル部１２とを備える。
【００３６】
この例では低圧側コイルを二次側とし、二次側にセンタータップを持つトランスとして構成した場合を示す。すなわち低圧側コイル２、３の一方の端子２ｄ、３ｄは二次側回路の一方のダイオードに接続され、他方の２ｃ、３ｃは金属ベースプレートに接続され、センタータップとなる。また、低圧側コイル２Ａ、３Ａの一方の端子２ｇ、３ｇは二次側回路の他方のダイオードに接続され、他方の端子２ｆ、３ｆは、２ｃ、３ｃと同様に金属ベースプレートに接続され、センタータップとなる。２ｊ、３ｊは前記固定端子２ｅ、３ｅと同様に、絶縁層を介して金属ベースプレートに固定され、低圧側コイルおよび高圧側コイルで発生した熱を逃がす役割を持つ。
【００３７】
前記ボビン９は、平板部９ｘの中央に、コア７、８の中足７ａ、８ａを挿入する穴９ａを有し、さらに、該挿入穴９ａの周囲に上下に突出して設けた内筒部９ｂと、外周部に上下に突出して設けた外筒部９ｃと、ボビン９の上下面の対角位置にそれぞれ設けられたコイル部１１、１２の係止片９ｄとを有する。
【００３８】
図１０（Ａ）、（Ｂ）に示すように、コイル部１１、１２をボビン９により結合する。この結合は図１２に示すように行われる。図１２に示すように、高圧側コイル１（１Ａも同様）の外周部は低圧側コイル２、３の外周部より少なくとも一部が外方に突出する。また、高圧側コイル１の内周部は低圧側コイル２、３の内周部より少なくとも一部が内方に突出する。コイル部１１のボビン９への固定は、図１２（Ａ）に示すように、低圧側コイル３の内周壁をボビン９の内筒部９ｂに嵌合し、かつ外周部がボビン９の外筒部９ｃに接するように装着し、矢印Ｒで示すように回すことにより、図１２（Ｂ）に示すように、低圧側コイル２の係止部２ｈ、２ｉをボビン９の係止片９ｄに係止して浮きを防止した構造で固定する。コイル部１２についても同様に構成され、かつボビン９に固定される。
このようにトランスを構成すれば、コア７、８の中足７ａ、８ａおよび外足７ｂ、８ｂと低圧側コイル２、３、２Ａ、３Ａの内周部、外周部との絶縁距離Ｇ１、Ｇ２と、上下方向の絶縁距離Ｇ３（図１１参照）を確実に確保することができる。
【００３９】
次に図１０（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、ボビン９により結合したコイル部１１、１２に対し、コア７、８を装着する。１３、１４は高圧側コイル１、１Ａを並列に接続すると共に、外部回路への接続のために前記端子１ｂ、１ｃの穴に挿入し固定する端子である。
【００４０】
この実施例２によれば、コイル部の厚さは従来例と同様程度となるものの、巻線の交流抵抗値が従来例または実施例１に対して半減すると共に、放熱性も向上するため、従来と同程度の大きさでありながら、出力電流容量を大幅に増大させることができる。なお、高圧側コイル１、１Ａは直列接続する構成にしてもよい。
【００４１】
図１３は本発明による薄型大電流トランスの他の実施例（実施例３）であり、前記実施例１の上下にさらに高圧側コイル１Ｂ、１Ｃを設けたものである。この構成によれば交流抵抗値を実施例２と同様に低下させることができる。
【００４２】
図１４は本発明による薄型大電流トランスの他の実施例（実施例４）であり、前記実施例１による２組のコイル部１１、１２の間にさらに高圧側コイル１Ｄを設けたものである。この構成によれば実施例３と同様に交流抵抗値を低下させることができる。
【００４３】
図１５は前記特許文献２に記載の従来例と実施例１〜４の交流抵抗値を、コイルパターン５ａ、５ｂの厚さを２７０μｍにした場合について従来例と対比して示す図である。図示のように、高圧側コイル１を複数枚設けることにより、交流抵抗値を低減することができる。実施例２、３、４の場合は、従来のトランスに比較してそれぞれ５０％、５０％、６５％の交流抵抗値が軽減されるため、従来の１．４〜１．７倍の電流を流すことができる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明のトランスは、コイルパターンを形成したシート状導電体と絶縁層とを一体に設けてなる高圧側コイルの上下に、導体板を打ち抜いた低圧側コイルを重ねて構成したので、放熱性が良く、薄型化が可能で、コスト低減が図れる薄型大電流トランスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による薄型大電流トランスの一実施例を示す断面図である。
【図２】本実施例のコイル部の分解斜視図である。
【図３】本実施例のコイル部の組立状態を示す斜視図である。
【図４】本実施例の高圧側コイルの断面図である。
【図５】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本実施例の高圧側コイルの上面、下面のコイルパターンを示す透視平面図である。
【図６】本実施例の高圧側コイルと低圧側コイルとの相対的な位置決め構造を組立前の状態で示す側面図である。
【図７】図６の組立後の状態を示す側面図である。
【図８】本実施例の高圧側コイルの導電体厚さを種々に変化させた場合の交流抵抗値を示す図である。
【図９】本発明の他の実施例のコイル部を示す分解斜視図である。
【図１０】（Ａ）〜（Ｃ）は図９の実施例の組立工程を示す斜視図である。
【図１１】図９の実施例の断面図である。
【図１２】（Ａ）、（Ｂ）は図９の実施例のボビンへの組付け工程を示す部分断面平面図である。
【図１３】本発明の他の実施例を示す断面図である。
【図１４】本発明の他の実施例を示す断面図である。
【図１５】本発明の各実施例の交流抵抗値を従来例と対比して示す図である。
【符号の説明】
１、１Ａ〜１Ｄ：高圧側コイル、２、２Ａ：低圧側コイル、３、３Ａ：低圧側コイル、４：基板、５ａ、５ｂ：コイルパターン、６：絶縁層、７、８：コア、９：ボビン、１１、１２：コイル部、１３、１４：端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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