JPH03501430A - 高周波変圧器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ｍ足 Ｍ］ 本発明は変圧器に関し、より詳しくは高周波電力変圧器に関する。

特にスイッチ・モードでの電力供給用電力変圧器の周波数を上げるための技術開 発は盛んに行われてきている。変圧器の容量を増大させる必要から変圧器を改変 する場合には、その高周波での性能が犠牲になる例が多い、逆に、高周波帯での 変圧器の性能を高めようとすると、こんどは容量が犠牲になる。Ｓ数比が大きい 変圧器や、誘電絶縁を高くする必要のある変圧器ではとくにこのことが当てはま る。

変圧器の巻きの部分がフォイル材またはシート材でつくられる「平板」技術を用 いた変圧器も多数発表されている。結合状態を改善するために巻きの間に薄い材 料を挟み込むインターリーブ技術も用いられてきている。

米国特許４，６６５，３５７、バーバート、１９８７年５月１２日は、マトリッ クス変圧器の技術を教示したものである。マトリックス変圧器とは、独立した複 数の磁気回路をマトリックス状に配置し、その間を電気導線でつなぎ、全体が変 圧器として機能するようにしたものである。マトリックス変圧器は、小型である こと、熱の発散性がよいこと、強い電流を流せることなどいくつかの優れた特長 を備えている。マトリックス変圧器は、はとんど平板な極めて平たいものとする ことができ、またプリント回路板技術を用いてつくることができる。マトリック ス変圧器は、並列電源間及び６／または並列負荷間での電流の共有を可能にする 。

光里生監！ 本発明の１つの目的は、高周波及び高電力での特性が改善された新しい特長をも つマトリックス変圧器の具体例を明らかにすることである０本発明の他の１つの 目的は、マトリックスを高周波及び高電力の諸用途に対して最適化し、また該変 圧器を様々な回路の形状、端末及び他の物理的制約、及び包装上の諸口的に適合 させるための設計方法及び技術を明らかにすることである。

皿里坐旦員星反更 第１図は、高周波マトリックス変圧器の１実施例を示した図である。

第１Ｐ図は、第１図の変圧器の１次巻き部を強調して示した図である。

第１Ｓ図は、第１図の変圧器の２次巻き部を強調して示した図である。

第２図は、第り図の変圧器を押し−引き式（センタータップ式）巻き部を示すよ うに改変したものの一部を示した部分拡大図である。

第２Ｐ図は、第２図の変圧器の１次巻き部を強調して示した図である。

第２Ｓ図は、第２図の変圧器の２次巻き部を強調して示した図である。

第３図は、より複雑な高周波マトリックス変圧器の一部を示した図である。

第３Ｐ図は、第３図の変圧器の一部の１次巻き部を強調して示した図である。

第３Ｓ図は、第３図の変圧器の一部の２次巻き部を強調して示した図である。

第４Ｐ図は、第３図の変圧器の１次側の他の実施形態を示した図である。

第４Ｓ図は、第３図の変圧器の２次側の他の実施形態を示した図である。

第５図は、第４Ｓ図の２次回路４０２ａ、ｂの一部をその巻きの詳細がより明確 になるように拡大して示した図である。

第６図は、高周波マトリックス変圧器の他の実施例を示した図である。

第７図は、減衰に用いることのできる余分な巻きを有する高周波マトリックス変 圧器の他の実施例を示した図である。

第８図は、高い等価巻数比（２４：１程度）を有する高周波マトリックス変圧器 を示した図である。

第９図は、第１図の高周波マトリックス変圧器に適し、内部に切り替え手段が配 置されたプッシュプル１次回路を示した図である。

第１０図は、第１図の高周波マトリックス変圧器に適し、内部に整流手段が配置 されたプッシュプル２次回路を示した図である。

第１１図は、高周波マトリックス変圧器の各部を物理的に分離できること、また 必要ならば電源及び負荷も物理的に分離できることを示した図である。低インダ クタンスの相互接続手段が用いられている。

■の　ましい　イＥ 高周波マトリックス変圧器の設計及び製造の技術は、さまざまに異なる形状、寸 法、及び構成に適応することができる。ひとたびその原理を知れば、当該技術分 野に熟達した人は、個々の変圧器を数多くの多様な要件を満たすように設計する ことができる。

マトリックス変圧器は、多くの磁気素子で構成され、これらの素子は、全体とし て変圧器として機能するように配設され、接続される。

変圧器は、導体内を流れる電流が磁気誘導によって磁気コア内で変化する磁束と 相互に作用し合う、広くは静電装置と呼ばれるものの一種である。変圧器には、 計器用変圧器、変流器、フライバンクトランス、誘導コイル、「定電流出力」変 圧器、並列巻誘導子、誘導子などが含まれる。「マトリックス変圧器」とは、当 該明細書では、全体として相互配線され、整然と配列された比較的小さい独立の 磁気素子を用いて構成されたものである限り、上記の各種装置のすべてを含む総 称用語として用いられる。

さて、上記のように設計されたマトリックス変圧器は、通常の変圧器として機能 するが、各種素子部分が相互依存的に協力し合う様態の故に、多（の用途で利用 して有利となり得るいくつかの独特な特性を持っている。マトリックス変圧器は 、また、単一コアの装置が持ち得ない特性を持つように設計することができる。

磁気素子は、Ｃ形コア、Ｅ−１型コア、ポット・コア、あるいはトロイドなどの 通常の形態の小さなコアとすることもできるが、代わりに、例えば２枚の平行な 板を多数の柱でブリフジ式につないだ形、複数の変形交差コアを合わせた形、磁 性材の板に複数の孔を開けた形など多数の磁気復帰路を有する幾つかの新奇な形 状のいずれかをとることもできる。また、変圧器の規則が守られている限り、相 互に依存し合うマトリックスの配列の中に異なる種類の相互依存型磁気素子を混 ぜ合わせて用いることもできる。

マトリックス変圧器は極めて平板状にすることができ、また電気回路はプリント 配線板の技術を用いてつくることができる。

マトリックスの設計は、かなりの程度まで柔軟に且つ自由裁量で行うことができ る０例えば、磁気素子の数、磁気素子の詳細設計、それらの物理的配置などは特 にそうである。また、マトリックス変圧器の巻き部は様々に異なる状態に配設す ることができるし、特定の巻き部がどこで変圧器に入り、またどこで変圧器から 出るかについての選択も柔軟に行うことができる。マトリックス変圧器の中の電 圧と電流は、互いに限定的な関係をもっているが、その関係を利用して設計を最 適化させることができる。

一般的にいえば、高周波用に設計された変圧器では、漏れインダクタンスを最小 化することが望ましい、高周波マトリックス変圧器では、漏れインダクタンスの 主な源は外部配線にある。したがって、多くの用途では、一本の電線の起点と終 点を互いに近接させ、極めて短い接続で外部回路に成端させることが最も好まし い、しかし、外部回路の接続線が互いに離れている場合には、マトリックス変圧 器の巻き部を、起点と終点がそれぞれの外部接続点のすぐ近くにくる別々のとこ ろに置かれるように配設する方がよいであろう０本発明は、これらの目的がどの ようにすれば達成されるかを教示するものである。

複数の並列な巻き部が存在するというのがマトリックス変圧器の本来の性質であ る。これらの巻き部が正常に異なる素子または素子群を接続していれば、当然の ことながら異なる並列の巻き部の成端部は異なる場所に置かれることになる。用 途によっては、マトリックス変圧器の配置を、これら各種入力点及び出力点がで きるだけ分散するようにするほうが望ましい場合もある。しかし、それらを一点 あるいは幾つかのグループにまとめる方が望ましい場合も出てこよう。本発明は 、これらの目的がどのようにすれば達成されるかをも教示するものである。

外部導線の漏れインダクタンスが問題となる理由は、通常、それが高周波交流を 搬送するためである。本発明は、整流器や切り替え手段などいくつかの構成部品 をマトリックス変圧器の内部に収めることが可能なことも教示するものである。

そのようにすれば、外部導線は直流電流のみを搬送することになろうし、導線イ ンダクタンスは、何ら影響を及ぼさない場合もあろう、（これは変圧器の波形が 方形波の場合である。正弦波やパルス巾変調方形波には当てはまらない）。この ような実施形態では、フィルタ一部品を変圧器のすくそばに置くことができる。

高周波マトリックス変圧器には、上記の諸長の１以上をもたせることができる。

第１図は、５：１の等価巻数比を有する高周波マトリックス変圧器を線図で示し たものである。マトリックスの次数は２０×４であり、１次巻き部１０２が２０ の磁気素子１０１ａ、ｂ、ｃ、ｄ゛−・・・ｔを接続している。５つの２次巻き 部１０３ａ、ｂ、ｃ、ｄ。

ｅは各々が４つの素子を接続している。

第１Ｐ図は、第１図の高周波マトリックス変圧器の１次巻き部１０２を強調して 示した図である。

第１Ｓ図は、第１図の高周波マトリックス変圧器の２次巻き部ＩＱ３ａ、ｂ、ｃ 、ｄ、ｅを強調して示した図である。

第１図の変圧器は、極めて基本的な高周波マトリックス変圧器である。磁気素子 １０１ａ−ｔは、各４ケの５つのグループに分けて配設される。１次回路１０２ は、１回の順路を有し、これがすべての磁気素子１０１ａ−ｔを通る唯一の通路 となっている。２次回路１０３は、５本の並列の順路で構成され、その各々が４ つの磁気素子からなるグループを通る唯一の通路となっている。

マトリックス変圧器の２次巻き部は、並列となるように、また極性が注意深く守 られるようにつくられることを理解する必要がある。

そのようにすれば、並列の順路すべての出力電圧が等しくなり、また合計出力電 流は各部の電流の和となるはずである。

出力を個別に利用し、したがってそれらを互いに電気的に隔離させることのでき る用途もある。その−例として、スイッチ・モードの電力供給用切り替え回路に 用いる隔離ドライブに用いる場合を挙げることができる。各出力は、電源として の特性を幾つか有することになり、したがって、負荷は基本的に等しいインピー ダンスを存し、その結果、基本的に等しい電圧を生じるようになることが望まし い・　（マトリックス変圧器を、負荷の等しくない隔離された複数の２次巻き部 をもつように設計する場合には、各素子の磁束容量によく注意する必要がある。

また電圧は素子によって異るであろうし、平衡用巻き部を付加する必要が生じよ う）。

更に、「１次」及び「２次」という用語、及び負荷並びに電源の性質を述べる部 分は、あくまで理解を容易にするためのものであって、それらが本発明を限定す るものでないことを理解する必要がある。如何なる変圧器においても当てはまる が、「１次」及び「２次」という用語は、異る巻き部に恣意的に用いられる。電 源及び負荷の性質が設計の詳細に影響することはあり得るが、使用の原理及び本 発明の内容がそれらによって制限されることはない。

変圧器に関するすべての法則は、各磁気素子１０１ａ−を並びにそれに関連する １次回路１０２及び２次回路１０３の部分に当てはまる。いずれの素子において もすべての巻き部の−巻き当たりのボルト数は同しでなければならない。第１図 のマトリックス変圧器の変圧器素子の場合には、各素子が該素子を通る唯一の通 路となる１本の１次線と１本の２次線を有する。したがって、各「巻き部」の「 巻き」数はｌである。それ故、マトリックス変圧器では「巻き」、「巻数比」、 「巻き部」という用語は誤作であるが、変圧器技術の使いなれた用語であるため 、これらの用語は依然使い続けられている。

また、各変圧器素子のアンペア回数の和は、（磁化電流を無視すれば）ゼロに等 しくなければならない。この要件から、マトリックス変圧器の極めて興味深く且 つ価値ある特性が導かれる。即ち、１次回路１０２内の電流と２次回路】０３の 各並列順路内の電流はすべて等しくなければならないということである。（これ らの回路のいずれか一方または双方が各素子上に複数の巻線を存する場合でも、 この法則は当てはまるが、巻きの数を計算に入れなければならなくなる）。

第１図のマトリックス変圧器の等価巻数比は５：１である。このことは、電圧ま たは電流のいずれかの関係を調べ、独立した磁気素子の各々に変圧器の諸法側を 適用し、更にその和をめことで実証することができる。１次回路１０２は、２０ の素子の中を通ることで低下し、また２次回路１０３は、各並列順路内の４つの 素子を辿ればその起源がめられる。各素子の各「巻き」の電圧が等しくなければ ならないことから、２次電圧は１次電圧の４／２０　（１１５）となる。同様に 、１次回路１０２は１つの順路を有し、２次回路１０３は５つの並列順路に分割 される。各順路内の１を流は等しいのであるから、２次電流の合計は１次電流の ５倍となる。

マトリックス変圧器は、殆ど平面に近い平板状となり、その高さをボルト・アン ペア容量の等しい在来の変圧器よりはるかに小さくすることができる。このこと は、在来の変圧器で、コアの寸法が主として線の寸法やアパーチャーの面積でき まる場合の如き高電流の用途に特に当てはまる。

その構造が平板でまた基本的に開放式であるため、冷却は容易に行うことができ る。極端に高温の個所が生じることはない。

マトリックス変圧器においては、高電流回路は並列回路にして極めて短くするこ とができる。したがって、抵抗は最小限に抑えることができる。

第２図は、第１図の変圧器の一部を拡大し、且つセンター・タップ式構成の１次 巻き部２０２及び２次巻き部２０３ａのみを示した図である。

この図では、２次巻き部の配置、例えば巻き部１０３ａに特に注意されたい（他 は同様である）、細長いトロイド状に示された磁気素子１０１ａ、ｂ、ｃ、ｄは 、閉じたパターンの端いっばいのところに配置され、したがって巻き部１０３ａ の起点は、その終点と同位置に置かれている。このため、巻き部１０３ａは、は ぼ全部を高周波マトリックス変圧器の内部に囲い込むことができる。

２次回路は、全体として、変圧器の成端部から負荷部に至り、また戻るまでの変 圧器外部のすべての線、並びに変圧器の巻き線を含んでいる。通常は、外部回路 は、巻き部の起点と終点を一ケ所にまとめることで最小限に抑えることができる 。高周波マトリックス変圧器の漏れインダクタンスの主な発生源が導線の漏れイ ンダクタンスであることから、上のような配置にすることが望ましい０巻き部の 起点と終点が同じということになれば、閉回路をつくるために外部に戻り順路を 設ける必要があることは明らかであろう、（起点と終点を同じ場所に置かないこ とが必要な場合や望ましい場合もある。

また、必要ならば外部導線を用いてそのインダクタンスを最小にする技術も知ら れている）。

また、１次巻き部１０２も、その起点と終点が同じ場所にくるように配置されて いることにも留意されたい。２次側について検討した事項は、１次側にも同様に 当てはまる。

１次巻き部１０２の成端部が、２次巻き部１０３ａ、ｂのすべての成端部の最も 近いものからもできるだけ離して配置されることにも留意が必要である。これは 、１次入力から２次出力への容量結合を減少させるために行われることである。

各巻き部は、可能な最小線数である一本の線で構成されることにも留意が必要で ある。（プッシュプル巻き部を有する第２図の高周波マトリックス変圧器では、 通常、ある時点では片側のみが作動するので、１線巻きと等価である）、これは 近接効果に基づく渦電流損を減少させ、結合を向上させるためである。

磁気素子Ｉ　Ｑ　ｌ　ａ、ｂ、ｃ−ｔが細長いコアであることにも留意が必要で ある。これらのコアは、望ましくはフェライトのような高周波での使用に通した 磁気材料でつくられる。コアの形状に関してはどのような形のものにも一長一短 がある。使用電圧と周波数が与えられれば、コアの必要磁束容量は、変圧器の設 計に通常用いられるよく知られた式を用いて計算することができるが、最適磁束 密度をめるのはそう簡単ではない。

磁束密度をめる際の出発点は、おそらく端末についての考慮であろう。経費の効 率を考え、また利用可能な熱効果法や許容し得る温度上昇を検討する中で、各磁 気素子についての許容電力損に関する目標値が設定される。第１図の変圧器の場 合には、変圧器全体の許容電力損の２０分の１ということになる。

コアの磁束容量と周波数が既知であるとし、また目標電力が既に設定されている なら、磁束密度は、単位量当たりの鉄損に関するコア、メーカーのデータを用い て選定される。この価は、コアの断面積とその比が最小のときに最小となる。こ れは、コアの内径が最小でコアの長さが最大の場合である。

しかし、線の電力損は、線が短くまた平たいときに最小となる。

したがって、最適の設計を得るためには、鉄損と線損のがね合いを考えることが 必要となる。線損の計算は、如何なる１つの素子をみても、その１次電流と２次 電流が等しい（磁化電流は無視して）という事実を用いて簡略に行うことができ る。

線損を計算するにあたっては、透過深度を考慮に入れる必要がある。高周波では 、これは重要な要因である。リンツ線の使用は、しかし、必ずしも有利ではない 、リンツ線の等価断面はかなり小さく、また、導電性のために通常の線の中心は 失われているが、熱伝導に関してはまだ存在する。更に、作業性の点では通常の 電線の方が逼かに優れている。

−ｉ的にいって、磁気材料は高周波では極めて損失が大きく、また高周波マトリ ックス変圧器の巻き部は短いのが通常である。したがって、磁気鉄損が優勢を占 める場合が多く、鉄損と線損を平衡させようとするのは実際的ではない。

他にも若干考慮すべき要因がある。内径を小さくすれば結合度は改善される。逆 に、内径を大きくすれば絶縁用のスペースが増え、それが誘電隔離を増大させ、 容量性結合を減少させる。長く薄いコアは、体積に比して表面積が大きく、それ が熱の発散度を向上させる。中心から外部に至る熱の径路がより短くなり、また 熱化合物を用いればそれがさらに改善される。電！（これはおそらく銅線であり 、したがって優れた熱導体である）に添った熱径路はより長くなる。細長いコア は、壊れ易いが、より平板な変圧器を形成するちととなる。

高周波変圧器は温度が高くなり易い、そこで、第１図の変圧器は、換気或いは熱 の降下を改善する目的で、コアの周囲には充分なスペースを設けて示しである。

特定の用途のために、より好ましい場合には、コアをより密に詰め合わせること ができる。ヒートシンクの輪郭部がコアの外側に接触するようにすれば、熱降下 を改善することができる。側面が平坦なコアを用いれば、平坦なヒートシンクの 表面との熱接触をより良くすることができる。

高周波マトリックス変圧器を含めて、マトリックス変圧器は熱に関する諸性質が 優れているため、磁束密度と電流密度をともに通常の変圧器の場合よりはるかに 太き（することができる。

マトリックス変圧器の出力は、通常、並列につながれる。高周波マトリックス変 圧器は、逆説的であるが、各２次巻き部のＰ一端部分を密着させるのに、２次巻 き部の他の各部分は分散させて配置される。しかし、この方法は有用である。高 周波変圧器は直流電力の供給に用いられることが多い。２次側の各出力に固有の 整流器（及びおそら（は固有のフィルター）を設け、電流は全体を直流電流とし てまとめることができる。ＤＣ回路では、インダクタンスはほとんど意味をもた ない。各２次回路が同じ電流を有することがマトリックス変圧器の性質である。

整流回路にとってはこのことは理想的であるし、また各出力が分離されるように すれば、整流器に関する熱降下は改善されることになる。

第３図は、９６の磁気素子３０１ａ、ｂ、ｃ−ｃｒをもつ高周波マトリックス変 圧器の線図である。この変圧器は、２つの１次回路３０２ａ、３０２ｂと１２の ２次巻き部３０３ａ、ｂ、ｃ−１をもっている。１次巻き部３０２ａ、ｂは、各 々が磁気素子３０１ａ〜ｃｒを相互に接続している。２次巻き部３０３ａ−ｊ！ は、各々がマトリックス変圧器として８ケの磁気素子を相互に接続している。

第３Ｐ図は、第３図の変圧器の一端を１次巻き部を強調して示した図である０図 から、２つの並列の１次巻き部３０２ａ、ｂがあることがわかろう、並列の１次 巻き部を設けることは、多くの理由からマトリックス変圧器にとって有用である 。その一つは、１次′Ｔ！１ｆＬを並列の切り替え手段に分配できることにある 。ｉｔ流は、余分な外部部品なしに均等に分配される。もう一つの理由は、一方 か他方の２倍の２つの入力電圧を扱える変圧器を提供できることである。高電圧 に対しては巻き部を直列につなぎ、低電圧に対しては巻き部を並列につなげばよ い、このことは、切り替え手段のための隔離されたドライブ手段が用意されてい る場合には、スイフチ・モード電源としてのコンバーター回路には特に有用であ る。これを用いれば、例えば１２０／２４０ボルトといった２種類の電圧に有効 に対応することができる。高周波マトリックス変圧器では並列１次回路の数を任 意の数とすることができる。

第３Ｓ図は、第３図の変圧器の１端を２次巻き部を強調して示した図である。磁 気素子３Ｑｌａ−ｃｒ及びそれらを相互接続する巻き部は、マトリックス変圧器 となるように配置されており、したがって、２次巻き部３０３ａ−ｆは、４つの ２次回路をもつ３つのグループに成端され、また各グループ内では巻き部の起点 と終点は極めて密接して配置される。各グループの４つの巻き部は、極性を充分 注意しながら並列につながれている。マトリックス変圧器の性質として、各２次 巻き部には同じ電流が流れる（これは１次電流に等しい）、各グループの出力は 、各２次巻き部の１ｉ流の４倍、あるいは２次出力電流の３分の１に耐えられる ように作られる。マトリックス変圧器では、負荷が不平等で必要な電圧を供給す るための磁束容量が充分でないようなことのない限り、この電流の関係は極めて 正確である（誤差は素子間の磁化電流の差となる）。

この構成は、各々が２次出力グループの何れか１つに密接して、またおそらくは 共用取り付は板またはヒートシンクの反対側に配置された３つの整流回路をドラ イブするために用いることができる。

このような構成にすれば、導線の長さは最小限に抑えられる。各整流器を通る電 流の大きさは等しく、また外部の部品なしに電流の分配を確実に行うことができ る。

第３図の変圧器の巻きを注意深く辿ると、１次巻き部３０２ａ。

ｂの各々が少なくとも１ケの磁気素子の中ですべての２次巻き部３０３　ａ−Ｊ につながっていることがわかる。特に、第１の１次巻き部３０２ａは、そうなる ために２ケ所で第２の１次巻き部３０２ｂと交差していることに留意する必要が ある。マトリックス変圧器の巻き部のレイアウトを行う時には、極性を誤らない よう、また各巻き部が確実に正しい数のコアにつながるように充分注意しなけれ ばならない、そのためには、電流の方向を示すために矢印を用い、各素子内での 電圧陣下（を位）を確かめるのがよい、電流がぶつかり合ったり、或いは並列の 順路内の電圧の和が等しくならない場合には、マトリックス変圧器は正しく作動 しない。

任意の磁気回路に入る正味アンペア数は（磁化電流を無視すれば）ゼロでなけれ ばならないので、等しい巻き数（この場合は１）をもつ互いにつながれた回路の 中を流れる電流もゼロでなければならない。また、任意の巻き部の中の電流は、 その長さに添った如何なる点をとっても等しくなければならない。したがって、 任意の巻き部の中の電流は他の任意の巻き部の中を通る電流と等しくなければな らないことがわかる。１次巻き部の数は２．２次巻き部の数は１２であるから、 この変圧器の等価巻数比は６：１である。１次側が直列につながれた場合には、 比は１２：１となる。

第４Ｐ図及び第４Ｓ図は、第３図の変圧器の巻き部の代案を示した図である。第 ５図は、２次巻き部の詳細をより明確に示すために第４図の巻き部の一部を示し た図である。この場合も２つの一次巻き部４０２ａ、ｂ及び１２の２次巻き部４ ０３ａ、ｂ−１が設けられている。２次巻き部４０２ａ−７２は、センタータッ プ式となっていることに留意されたい。これらの巻き部は交叉点が最小となるよ う、また変圧器内部には交叉点が存在しないように設計されており、したがって プリント回路を用いる場合に好適である。仮設的には、全ブリッジまたは半ブリ フジ型の１次側とプッシュプル型整流式２次側を有するスイッチ・モード電源に 用いられよう。全ブリッジまたは半ブリフジ型の１次側に隔離されたドライブ手 段が設けられていれば、これらは、２種類の入力電圧に対応できるように並列ま たは直列で使用できる。

いずれの２次回路においても、第１の２次回路４０２ａを例にとれば、センター タップと巻き部の端末が同じ場所にないことがわかる。このことは、高周波マト リックス変圧器においては、一つの巻き部の起点と終点が互いに近接していなけ ればならないという説に矛盾している。しかし、第２の２次回路４０２ｂは似て いるが逆転しており、また変圧器の同一点に電流を運び込み、そこから運び去る ようになっている０等しく向きが反対の電流が対になっていれば、それらが異な る回路を流れる場合でも、高周波性能の要件は満たされるのである。

第６図は、高周波マトリックス変圧器の更に他の実施例を示した図で、ここでは 、２次巻き部６０３ａ、ｂ−ｆの起点と終点は一ケ所にまとめられておらず、離 れた端末６０４ａ、ｂに成端されている。１次巻き部６０２は、２４の磁気素子 ６０１ａ、ｂ＝ｗをつないでいる。磁気素子は、わかり易くするために互いに離 して示しであるが、密に詰め合わせることができるし、またそうすべきである。

変圧器が接続される負荷が互いに離れた端末をもっており、また例えば変圧器の 端末６０４ａ、ｂと並べで置かれる場合には、この構成は有用である。外部導線 の長さを短くすれば、回路の漏れインダクタンスの合計を小さくすることができ る。

第７図は、高周波マトリックス変圧器の更に他の実施例を示した図である。ここ でも、５つの磁気素子７０１ａ、ｂ−ｆは、わかり易さのために互いに離して示 しであるが、密に詰め合わせることが望ましい。磁気素子は、対にして、プッシ ュプル２次巻き部７０３ａ、ｂｘｅで巻かれている。この変圧器は、５対１の比 をもっているが、あらたな磁気素子と２次回路を付加することによって、任意の 等価巻数比とすることができる。

第７図の変圧器は、余分な巻き部７０４と部品７０５ａ、ｂをもっていることに 留意されたい。これらの部品は、図では抵抗器とコンデンサーとなっている。こ の部分は減衰（制動）回路として機能させることができる。制動用の補助巻き部 は、各コアに個別に配設することもできるし、コアのグループに配設することも できる。

第７図のものに似た高周波マトリックス変圧器は、例えば外径が約３１８インチ のフェア・ライト（技術便覧）部品番号第２６７７００６３０１番のようなフェ ライト・コアを用いて作ることができる。１次及び２次巻き部は、アメリカ針金 ゲージ２２テフロン・フックアンプ線を用いて作ることができる。１次及び２次 巻き部が各々１２番テフロン・スリーピング以内のものであれば、その変圧器は 、極めて高い誘電隔離条件を満たすことができる。（テストでは、利用可能なテ スト機器の限界：４０．０ＯＯＶＤＣまで誘電の障害は生じなかった）、制動用 巻き部にかかる電流は、極めて小さいので、アメリカ針金ゲージ３０以下のもの で充分である。

この変圧器を押し−引き型パルス巾変調式スイッチ・モード電源のブレンドボー ド（実験用回路組立盤）に取り付けた。入力電圧は４０〜６０ポルトで、出力は ５ポルトであった。１次側は、ユニトロード（技術便覧）部品番号第３８２５番 の集積回路でドライブし、出力低下時間を改善するためにパンファーをかけた。

１次スイッチにはｎ−チャンネル電力ＭＯＳ　Ｆ　ＥＴスイッチ（金属−酸化物 −シリコン電界効果形トランジスター）を用いた。２次回路は、個々に対のシッ ットキー整流器で整流した。個々の２次センタータップは、小さな誘導子を介し てアースに接続した。対の整流器の陽極は、−緒に小さなセラミック・コンデン サーに接続し、それをアースさせた。全体を極めて密に保った。出力は並列にし た。

１次側には減衰回路は用いなかった。ＦＥＴのドレン−ソース・キャパシタンス が、１次側に蓄積されたエネルギーを吸収するのに充分以上であることが明らか だったからである。リンギング（２０Ｍ　Ｈｚ程度であった）を抑制するために 補助の巻き部を使用した。

ブレッドボードは、ＩＭＨ２（１次側周波数５００ＫＨ２）で作動させ、出力を ２５０ワツト（５０アンペアで５ボルト）とした。これの変圧器の容量ははるか に大きく、試験用回路の都合で制限されただけであることは明らかであった。

高周波での制動は問題を生じる。それは、個々の部品で構成される制動回路網に は必然的に導線が用いられるからである。これらの導線を如何に短くまた密にし ても、導線インダクタンスはやはり若干の作用を及ぼす。高周波マトリックス変 圧器では分散制動法を用いることができる。

在来の設計の変圧器、特に高周波及び高電力用に設計されたものでは、温度上昇 が大きな問題となり、損失を如何に制御するかに労力が払われる。しかし、マト リックス変圧器の損失の問題は、損失を必要に応じて拡散させることで容易に解 決できるし、熱降下または換気を行うことも容易である。したがって、全体の設 計上で利益があるなら、変圧器により大きい損失を許容することが妥当な選択と なる。

いくつかの損失は、周波数依存性のものとして識別することができる。抑制され ている過渡または振動の周波数成分が使用周波数に比して高い場合には、その損 失が周波数と共に急上昇する材料を選ぶことで分散式制動を用いることができる 。例としては、損失の多い誘電体や磁性材料、またうず電流損を増大させる比較 的大きい導線の使用が挙げられよう、使用基礎周波数での損失が許容されるなら 、マンガン亜鉛フェライトのような低ヒステリシスでうず電流損が比較的大きい 材料の方が、ニッケル亜鉛フェライトのような高ヒステリシス損、低うす電流損 の材料よりよい制動効果を期待できる。

（ただし、損失の大きくないうすｔ流には有用性がない、この種のうず電流は、 許容し得ない突入電流、あるいは位相はずれ電流を生じたり、あるいは振動を悪 化させたりするまれがある）。

第７図の変圧器は、制動用に損失の大きい誘電体を用いるのに適している。１次 側の電圧を分析した結果、２つの１次巻き部の間の電圧差は、各コアで等しいこ とが明らかとなった。したがって、各コア内の電界は等しく、誘電損は均等に分 布しているはずである。

１次巻き部の間の（おそらくはそれらの絶縁の中に組み込まれた）損失の大きい 誘電体は、分散型Ｒ−Ｃ回路網と等価であり、導線インタリタンスのないだけよ いと考えれる。生じた熱は全て均等に分散されるし、故障する部分は何もない。

第８図は、単一の出力成端が望ましい用途に特に通じた高周波マトリックス変圧 器を示している。１次巻き部８０２は、略螺旋状で自らが閉じられてトロイドを 形成する形の磁気素子８０１ａ、ｂ・・・を相互接続している０図に示すように 、２４の並列の２次回路があり、その各々が螺旋の−巻きをつないでいる。

このような螺旋を積み重ねれば、極めて大きい巻数比を得ることができる。

第９図は、第１図の変圧器に使用して好適な高周波マトリックス用のプッシュプ ル１次回路９０２を示している。ここには、図を簡明にするために、変圧器の端 部のみが示されている。入力及び帰線は、それぞれ「＋」と「−」で示されてお り、またコンデンサーｒＣＪは、入力フィルター部がいかに密に変圧器に連結さ れているかを示すために線図式に描かれている。プッシュプル巻き部９０２の２ つの半休は、分解されて切り替え手段のところに配置されるが、図には絶縁ゲー ト電界効果トランジスター（ＦＥＴ）Ｑｔ及びＱ２として示されている。プッシ ュプル巻き部用の切り替え手段は、通常は巻き部の端に置かれるが、本発明に基 けば、巻き部の中の如何なる場所に置くこともできる。Ｑ、及びＱ２の位置は変 圧器に密に連結できるが、熱降下を向上させるために相互にまた他の回路部から 離されるように選定される。この回路には隔離式ゲート・ドライブが望ましい。

第１０図は、第１図の変圧器に用いて好適なプッシュプル２次巻き部１００３を 示している。起点出力及び帰線はそれぞれ「＋」及び「＝」で示され、各半休は 分解されてダイオードＣＲＩ及びＣＲ２で示される整流手段に取り付けられる。

プッシュプル２次回路用の整流器は、通常、巻き部の端に置かれるが、本発明に 基づけば、巻き部に添った任意の好都合な地点に配置することができる。このよ うにすれば、熱降下を最適化することができ、また出力フィルター回路を極めて 密に変圧器に連結することができる０例えば、両巻き部を共通の誘導子の上に巻 き、それを変圧器に密着させ、更によいフィルター、コンデンサーを誘導子の端 末のところに配置することもできる。

第１１図は、各部品並びに入力及び出力を分離させ、しかも、シールドより対線 、同軸線、条線、あるいは巾広で平たいバスなどのすぐれた高周波伝送特性をも つ導電手段１１０４ａ、ｂ−ｊを用いて連結させることもできることを示すため の図である。　磁気素子１１０１ａ、ｂ−ｔには、第１図の場合とまったく同様 に、１次巻き部１１０２と２次巻き部１１０３ａ、ｂ＝ｅが巻かれる。

手続主甫正書（方式） 平成２年１２月２０日

Claims (40)

【特許請求の範囲】
1. １．高周波マトリックス変圧器において、マトリックス状に配置された複数の相 互依存型磁気素子を含み、かつ該相互依存型磁気素子を相互接続する少くとも２ つの巻き部を有し、各巻き部が相互依存型磁気素子間およびそこを通る少くとも １本の電流搬送導体径路を有し、前記少くとも２つの巻き部の１つは１次回路を 有し、前記少くとも２つの巻き部のもう１つは２次回路を有するマトリックス変 圧器、および 前記１次回路をしゃ断ずるために前記１次回路をなす前記１つの巻きと直列に配 置された切替え手段にして、該切替え手段が前記切替え手段と磁気素子の間を密 に連結して前記１次回路が高周波でしゃ断されるように磁気素子に密接する切替 え手段を有する高周波マトリックス変圧器。
2. ２．請求の範囲第１項に記載の高周波マトリックス変圧器において、前記切替え 手段が、前記１次回路の前記少くとも１つの電流搬送導体によって相互接続され た相互依存型磁気素子の中間にして前記磁気素子および前記導体に密接して配置 され、前記切替え手段と前記１次回路の間の導線インダクタンスを最小化する高 周波マトリックス変圧器。
3. ３．請求の範囲第１項に記載の高周波マトリックス変圧器において、前記１次回 路が、始端部および終端部および入力および帰線を有する少くとも１つのプッシ ュプル巻き部からなる高周波マトリックス変圧器。
4. ４．請求の範囲第３項に記載の高周波マトリックス変圧器において、前記切替え 手段が、前記少くとも１つのプッシュプル巻き部からなる前記少くとも１つの電 流搬送導体によって相互接続された相互依存型磁気素子の中間かつ前記プッシュ プル巻き部の少くとも片側に添って配置される高周波マトッリクス変圧器。
5. ５．請求の範囲第３項に記載の高周波マトリックス変圧器において、前記切り替 え手段が、前記少くとも１つのプッシュプル巻き部からなる前記少くとも１つの 電流搬送導体によって相互接続された相互依存型磁気素子の中間かつ前記プッシ ュプル巻き部の各端部に配置される高周波マトリックス変圧器。
6. ６．請求の範囲第１項に記載の高周波マトリックス変圧器において、前記１次回 路が、各々が始端部および終端部および入力および帰線を有する複数のプッシュ プル巻き部からなる高周波マトリックス変圧器。
7. ７．請求の範囲第６項に記載の高周波マトリックス変圧器において、前記複数の プッシュプル巻き部中の各プッシュプル巻き部が前記各プッシュプル巻き部から なる前記少くとも１つの電流搬送導体によって相互接続された相互依存型磁気素 子の中間に置かれた切り替え手段を含む高周波マトリックス変圧器。
8. ８．請求の範囲第７項に記載の高周波マトリックス変圧器において、前記プッシ ュプル巻き部を直列、並列回路の組合わせとして配設し、のぞむ１次回路対２次 回路変換比が得られるようにした高周波マトリックス変圧器。
9. ９．請求の範囲第１項に記載の高周波マトリックス変圧器において、さらに、前 記２次回路からなる前記少くとも１つの電流搬送導体内の高周波電流を整流する ために前記２次回路からなる前記巻き部と直列に配置された整流回路手段を有し 、前記整流回路手段は、前記２次回路内の高周波電流の整流を可能にするために 前記切換え手段と磁気素子を密に連結させる目的で磁気素子に密接して配置され る高周波マトリックス変圧器。
10. １０．請求の範囲第９項に記載の高周波マトリックス変圧器において、前記整流 回路手段が、前記２次回路の前記少くとも１つの電流搬送導体によって相互接続 された相互依存型磁気素子の中間にして、前記磁気素子および前記導体に密接し て配置され、前記整流回路手段と前記２次回路の間の導線インダクタンスを最小 化する高周波マトリックス変圧器。
11. １１．請求の範囲第９項に記載の高周波マトリックス変圧器において、前記２次 回路が、始端部およべ終端部および入力および帰線を有する少くとも１つのプッ シュプル巻き部からなる高周波マトリックス変圧器。
12. １２．請求の範囲第１１項に記載の高周波マトリックス変圧器において、前記整 流回路手段が、前記少くとも１つのプッシュプル巻き部からなる前記少くとも１ つの電流搬送導体によって相互接続された相互依存型磁気素子の中間かつ前記プ ッシュプル巻き部の少くとも片側に添って配置される高周波マトリックス変圧器 。
13. １３．請求の範囲第１１項に記載の高周波マトリックス変圧器において、前記整 流回路手段が、前記少くとも１つのプッシュプル巻き部からなる前記少くとも１ つの電流搬送導体によって相互接続された相互依存型磁気素子の中間かつ前記プ ッシュプル巻き部の各端部に配置される高周波マトリックス変圧器。
14. １４．請求の範囲第９項に記載の高周波マトリックス変圧器において、前記２次 回路が、各々が始端部および終端部および入力および帰線を有する複数のプッシ ュプル巻き部からなる高周波マトリックス変圧器。
15. １５．請求の範囲第１４項に記載の高周波マトリックス変圧器において、前記複 数のプッシュプル巻き部中の各プッシュプル巻き部が、前記各プッシュプル巻き 部からなる前記少くとも１つの電流搬送導体によって相互接続された相互依存型 磁気素子の中間に置かれた整流手段を含む高周波マトリックス変圧器。
16. １６．請求の範囲第１５項に記載の高周波マトッリクス変圧器において、前記プ ッシュプル巻き部を直列、並列回路の組合わせとして配設し、のぞむ１次回路対 ２次回路変換比が得られるようにした高周波マトリックス変圧器。
17. １７．請求の範囲第７項に記載の高周波マトッリクス変圧器において、さらに、 前記１次回路からなる前記プッシュプル巻き部および前記プッシュプル巻き部の 前記入力と前記帰線の間に連結された入力フィルター、コンデンサー手段を含み 、前記入力フィルター、コンデンサー手段は、高周波での入力フィルターの密な 連結を行うために前記フィルター、コンデンサー手段とマトリックス変圧器の間 の密な連結を行う目的で磁気素子に密接して配置される高周波マトリックス変圧 器。
18. １８．請求の範囲第１５項に記載の高周波マトッリクス変圧器において、さらに 、前記２次回路からなる前記プッシュプル巻き部に連結された出力フィルター、 コンデンサー手段を含み、前記出力フィルター、コンデンサー手段は、高周波で の出力フィルターの密な連結を行うために前記出力フィルター、コンデンサー手 段とマトリックス変圧器の間の密な連結を行う目的で前記整流回路手段および相 互依存型磁気素子に密接して配置される高周波マトリックス変圧器。
19. １９．請求の範囲第９項に記載の高周波マトッリクス変圧器において、前記マト リックス変圧器が、さらに、前記切替え手段の過渡時に発生する電圧スパイクを 抑制するための制動手段を含む高周波マトリックス変圧器。
20. ２０．請求の範囲第１９項に記載の高周波マトッリクス変圧器において、前記制 動手段が前記マトリックス変圧器内全体に配分され前記制動手段は、さらに、損 失の大きい材料でつくられた相互依存型磁気素子を有する高周波マトリックス変 圧器。
21. ２１．請求の範囲第１９項に記載の高周波マトッリクス変圧器において、前記制 動手段が前記マトリックス変圧器内全体に配分され、前記制動手段は、さらに、 損失の大きい誘電絶縁体を含む前記１次回路の前記巻き部を有する高周波マトリ ックス変圧器。
22. ２２．高周波マトッリクス変圧器において、マトリックス状に配置された複数の 相互依存型磁気素子を含み、かつ該相互依存型磁気素子を相互接続する少くとも ２つの巻き部を有し、各巻き部が相互依存型磁気素子間およびそこを通る少くと も１本の電流搬送導体径路を有し、前記少くとも２つの巻き部の１つは、１次回 路を有し、前記少くとも２つの巻き部のもう１つは２次回路を有するマトリック ス変圧器を含み、 前記少くとも１つの電流搬送導体を有する各巻き部は、第１の端部および第２の 端部を含み、 前記１次回路を有する前記巻きは、その第１の端部がその第２の端部に近接して 配置されるように構成され、また、前記２次回路を有する前記巻きは、その第１ の端部がその第２の端部に近接して配置されるように構成された、高周波マトッ リクス変圧器。
23. ２３．請求の範囲第２２項に記載の、さらに複数の２次回路を有する前記変圧器 からなる高周波マトッリクス変圧器において、２次回路に関連する相互依存型磁 気素子は、前記複数の２次回路の１つの２次回路の第１および第２の端部が他の １つの２次回路の第１および第２の端部と隔った関係で配置されるように配設さ れ相互配線される高周波マトッリクス変圧器。
24. ２４．請求の範囲第２２項に記載の、さらに複数の２次回路を有する前記変圧器 からなる高周波マトッリクス変圧器において、２次回路に関連する相互依存型磁 気素子は、前記複数の２次回路の１つの２次回路の第１および第２の端部が他の １つの２次回路の第１および第２の端部に近接して配置されるように配設され相 互配線された高周波マトッリクス変圧器。
25. ２５．請求の範囲第２２項に記載の、さらに複数の２次回路を有する前記変圧器 からなる高周波マトッリクス変圧器において、前記複数がさらに多数の２次回路 のセットを有し、前記２次回路のセットの各々が少くとも１つの巻き部を有し、 また各巻き部の関連する相互依存型磁気素子は、前記多数の２次回路のセットの １つの中のそれぞれの２次回路に関連する各巻き部の第１および第２の端部が前 記多数の２次回路の前記１つの中の他の１つの２次回路の第１および第２の端部 に近接して配置され、また前記多数の２次回路のセットの他の１つの中のそれぞ れの２次回路に関連する各巻き部の第１および第２の端部が前記多数の２次回路 の前記他の１つの中の他の１つの２次回路の第１および第２の端部に近接して配 置され、前記セットの中の前記２次回路の前記第１および第２の端部は、前記他 のセットの中の前記第１および第２の端部と隔った関係で配置されるように配設 され相互配線される高周波マトッリクス変圧器。
26. ２６．請求の範囲第２２項に記載の高周波マトッリクス変圧器において、１つの １次回路の第１および第２の端部が、１つの２次回路の第１および第２の端部と 隔った関係で配置される高周波マトッリクス変圧器。
27. ２７．請求の範囲第２２項に記載の高周波マトッリクスにおいて前記相互依存型 磁気素子が、その直径よりかなり大きい縦の長さを有する円筒状に成形され、そ れによって該磁気素子の断面積と容積の比を増大させ、それによって該磁気素子 の単位体積当りのコア損を最小化する高周波マトリックス変圧器。
28. ２８．請求の範囲第２２項に記載の、さらに前記複数の相互依存型磁気素子を含 む高周波マトリックス変圧器において、該磁気素子は、変圧器からの熱伝導を容 易にするために、各磁気素子が隣接する磁気素子と隔った関係で配置されるよう に配設された高周波マトリックス変圧器。
29. ２９．請求の範囲第２２項に記載の、さらに前記相互依存型磁気素子を含む高周 波マトリックス変圧器において、前記１次および２次回路は、１つの１次回路に 関連する電流搬送導体が異なる１次回路に関連する電流搬送導体を横切らないよ うに、また１つの２次回路に関連する電流搬送導体が異る２次回路に関連する電 流搬送導体を横切らないように配設、配置された高周波マトリックス変圧器。
30. ３０．請求の範囲第２２項に記載の高周波マトリックス変圧器において、前記巻 き部が、高周波過度信号の分散減衰を起すために損失の大きい誘電特性を有する 材料からなる高周波マトリックス変圧器。
31. ３１．請求の範囲第２２項に記載の高周波マトリックス変圧器において、前記巻 き部が、高周波過度信号の分散減衰を起すために磁性材料からなる高周波マトリ ックス変圧器。
32. ３２．請求の範囲第２２項に記載の高周波マトリックス変圧器において、さらに 前記相互依存型磁気素子がらせん状に配置されている高周波マトリックス変圧器 。
33. ３３．請求の範囲第３２項に記載の高周波マトリックス変圧器において、前記ら せんがそれ自身の上で閉じられてトロイド状の高周波マトリックス変圧器を形成 する高周波マトリックス変圧器。
34. ３４．磁性材料でつくられた本体を有する変圧器コア手段を含む高周波マトリッ クス変圧器において、前記本体は互いにほゞ反対側に配置された２つの主表面を 有し、前記表面の少なくとも１つはさらに溝形手段を含み、前記溝手段はマトリ ックス変圧器の巻きを形成する少くとも１つの電流搬送導体を受けるように配設 、配置された高周波マトリックス変圧器。
35. ３５．請求の範囲第３４項に記載の高周波マトリックス変圧器において、前記変 圧器コア手段が互いにほゞ同一の第１および第２の本体からなり、前記第１およ び第２の本体は、前記第１の本体の表面内の溝が前記第２の表面の溝と噛み合う ような表面対表面の補足関係に配置され、前記第１および第２の本体の前記表面 は互いに接触する関係にある高周波マトリックス変圧器。
36. ３６．請求の範囲第３４項に記載の高周波マトリックス変圧器において、前記変 圧器コア手段が、さらに、前記本体の前記溝を含む主表面とほぼ同じ表面の形状 をした少なくとも１つの主表面を有する磁性材料のスラブを含み、前記スラブの 主表面および前記溝つき表面は互いに接触する表面対表面の関係にある高周波マ トリックス変圧器。
37. ３７．請求の範囲第３４項に記載の高周波マトリックス変圧器において、前記本 体がさらに前記溝つき主表面の中に少くとも１つの空洞を有し、前記空洞は前記 マトリックス変圧器の一部を形成する電気回路に関連する少くとも１つの構成回 路素子を収納するための手段を有する高周波マトリックス変圧器。
38. ３８．請求の範囲第３７項に記載の高周波マトリックス変圧器において、前記少 くとも１つの構成回路素子が熱降下手段である高周波マトリックス変圧器。
39. ３９．請求の範囲第３７項に記載の高周波マトリックス変圧器において、前記少 くとも１つの構成回路素子が前記変圧器コア手段用取付け手段である高周波マト リックス変圧器。
40. ４０．請求の範囲第３９項に記載の高周波マトリックス変圧器において、前記取 付け手段が熱降下手段である高周波マトリックス変圧器。