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平成 15 年電気学会産業応用部門大会

高周波トランス結合を有する低圧大電流直流電源の開発
石田圭一*

野口季彦

（長岡技術科学大学）

Development of Low-Voltage and Large-Current DC Power Supplywith High-Frequency Transformer Coupling
Keiichi Ishida, and Toshihiko Noguchi(Nagaoka University of Technology)

This paper describes a low-voltage and large-current DC power supply with a high-frequency transformer coupling.
The power supply is simply composed with a full-bridge inverter and an amorphas-core based transformer, of which
operating frequency is 15 (kHz). In order to reduce leakage inductance and a skin effect in the transformer, a specialshaped rectifier circuit and 0.2-mm-thick laminated windings are employed in the secondary circuit. As a result, 10V-750-A output was obtained with a prototype and low reactance drop voltage was confirmed inspite of the large
current and high frequency.
キーワード：直流電源、低圧大電流，高周波トランス，漏れインダクタンス
Keywords: DC power supply, low-voltage and large-current, high-frequency transformer, leakage inductance

３．動作原理および制御方法

1．はじめに低圧大電流直流電源は効率の向上を追求して様々な方法

図２に制御ブロック図を示す。発振回路で発生させたデが開発されてきた。しかし，その多くは降圧トランスの漏ューティー50 [%]，15 [kHz]の方形波をゲート信号 1 とし，れインダクタンスによる電圧降下が大きいため，高い効率その反転波形をゲート信号 3 とする。また，ゲート信号 1を実現することは困難であった。このため，トランス結合を基準に移相した方形波をゲート信号 4，その反転波形を部の動作周波数が 1 [kHz]程度と低く，大型のトランスを採ゲート信号 2 とする。ここで，移相する量は二次側整流回用せざるを得なかった。トランスの小型化には一次側のイ路の出力電流と出力電流指令値の偏差によって調整される。

ンバータを高周波化することが必要であるが，二次側の直また，インバータの出力電圧にわずかでも直流分が含ま流部を含めて漏れインダクタンスを低減することが重要でれる場合，トランスが直流偏磁して大電流が流れるため偏ある。

磁補償回路が必要になる。そこで，インバータ出力電流を本稿では，インバータの出力周波数を 15 [kHz]とした高ホール CT により検出して，その信号から得られる直流分周波トランス結合を有する低圧大電流直流電源について述を零とするようにインバータのゲート信号である方形波のべ，実験により 10 [V]-750 [A]の出力を得ることができたのデューティーを微調整する。
Inverterで報告する。
IGBT1

IGBT2２．主回路構成
図１に主回路の構成を示す。本直流電源はパルス幅制御
IGBT3

D1AGate 2
Gate 1Gate 3Gate 4う。高周波トランスの容量は 15 [kVA]で，一次側巻線は 17IGBT 600[V]-150[A]

ターンで８並列，二次側巻線は１ターンで 4 並列という構

Schottky Diode 30[V]-360[A]成をとっている。

図１主回路構成

Fig. 1. Configuration of power circuit.

［I - 493］

VOUT

Schotkey DiodeHigh-frequency
transformerの出力は 15 [kHz]の矩形波で，その導通幅を変化させることによりトランス二次側で整流された直流電流の制御を行B

D2IGBT4ンスによりそれらが絶縁して結合されている。インバータ

IOUTiINVvINV形単相インバータと整流回路から成っており，高周波トラCT
NNC-20DMY(2000A/4V)

To DC exitation
surpression circuit

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表１G ate1

15k H zG ate3G ate4

I* O U T
IOUT

P haseshifter+PI-i IN V
図２

G ate2
L o ck -O ut C ircuit andIso lated G ate D rive C ircuit∫高周波トランスの仕様

Table. 1. Specifications of high-frequency transformer.
Capacity
15 [kVA]
Core size
64 [mm]×130 [mm]×60 [mm]Primary
Thickness 0.2 [mm], Width 20 [mm],windings
8 Parallel
SecondaryThickness 0.4 [mm], Width 20 [mm],windings
12-piece laminated, 4 Parallel
Turn ratio
N1:N2 = 17:1

制御ブロック図Secondarywindings

Fig. 2. Block diagram of controller.

Primarywindings

４．高周波トランスの構造
高周波トランスおよび二次側回路の外観を図３に示し，その仕様を表１に示す。高周波化に伴い，表皮効果の影響で巻線の表面に集中して電流が流れる。このため，巻線に薄い銅板を用い，これを並列接続することによって表皮効果および漏れインダクタンスの低減を図っている。
また，大電流が流れるため巻線間は耐熱性に優れた絶縁が必要となる。そこでポリイミドテープ（厚さ 25 [µm]，Center tap
Terminal B

絶縁耐圧 4.0 [kV]，許容温度 180 [℃]）を銅板の両面に貼付して巻線間の絶縁を図っている。さらに，二次巻線と中間

図３タップの接続にはネジを用いずに銀ろう付けを施すことで高周波トランス全体の外観

Fig. 3. Appearance of high-frequency transformer.

接点における接触抵抗を低減し電圧降下を防止している。
図４にトランス二次側出力用銅板の外観を示す。厚さ 10D2[mm]の銅板には８個のショットキーバリアダイオードが接続されている。図 1 の D1，D2 はこれらが 4 並列されたものである。銅板はダイオード毎に幅 1 [mm]のギャップで 8 分割されており，このギャップは出力端まで施されている。
これによって，二次側出力の電流経路は可能な限り８並列D1を保つことができるので，インダクタンスの低減に更に有効である。

1 [mm] gap

５．実験結果Terminal A

図５に実験で得られた各部波形を示す。インバータの直図４

流バス電圧を 190 [V]，電流指令値を 750 [A]とし，0.01 [ Ω]

出力用銅板の外観

Fig. 4. Appearance of copper plate for output.の抵抗体を負荷として実験を行った。2 次側整流ダイオードの順方向電圧降下を考慮すると，同図より高周波トランスの巻数比通りの電圧が確認できる。また，漏れインダク

iINV125 [A/div]

0タンスによる電圧降下の影響も波形からは見られない。

６．まとめ
本稿では 15 [kHz]の高周波トランス結合を有する低圧大vINV
200 [V/div]

0電流直流電源について述べた。実験結果より大電流，高周
IOUT
500 [A/div]

波にもかかわらず，二次側の漏れインダクタンスによる電圧降下が小さいことが確認できた。今後は更に出力電流を増加させると同時に，トランス二次側で発生する転流重なVOUT
10 [V/div]

0り現象の解析とその補償法も検討する予定である。

20 [µs/div]

参考文献(1) 中西、野口、高橋、田中：「低圧大電流直流電源並列運転法の開発」H12 年電学全大［I - 494］

図５インバータおよび直流出力波形

Fig. 5. Waveforms of inverter and DC output.