JPH0521244A - 薄形トランス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 平面コイルを積層して成る薄形トランスにお
いて、高周波で使用する際の表皮効果による平面コイル
の損失を低減する。 【構成】 薄形トランスのコイル部を少なくとも３個の
平面コイル２ａ，２ｂ，３で構成し、平面コイル３を２
個の平面コイル２ａ，２ｂで挟み込む構造として、平面
コイル２ａ，２ｂを一方のコイルとし、平面コイル３を
他方のコイルとする。ここで、平面コイル２ａ，２ｂを
並列に接続することにより、１個のコイルに流れる電流
による起磁力を減少させる。この起磁力の減少により表
皮効果の影響を少なくして、それによる損失を低減す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スイッチング電源等に
おいて、電力変換，絶縁などに用いられる薄形トランス
の改良に関し、特にコイル部の損失を低減する薄形トラ
ンスに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来技術で構成された薄形トランスの構
造を図６（ａ），（ｂ）に示す。図６において、（ａ）
は一部分を破断した斜視図、（ｂ）はその破断部Ａの断
面図であり、θ，Ｚ，ｒは空間の座標軸である。この従
来例の構成において、１０１は内部にリング状の空間Ｓ
を形成するための凹部を有する一対のフェライト磁心、
１０２は平面コイルで構成された一方のコイル、１０３
は同じく平面コイルで構成されたもう一方のコイルであ
る。コイル１０２とコイル１０３の巻数比は自在に設計
できるが、図例では４：１の場合を示している。コイル
１０２とコイル１０３とは、一対のフェライト磁心１０
１同士で形成される内部空間Ｓ内において、充填材１０
４により互いに絶縁され積層されて固定されている。

【０００３】スイッチング電源のトランスは高周波で使
用されるので、そのコイルには表皮効果が現れる。この
ため、上記薄形トランスでは、各平面コイル１０２，１
０３の厚さｈ′は、その平面コイル１０２，１０３に加
工されている導電板のスキンディプス（表皮効果の深
さ）δとほとんど同じ値に設計されていた。このスキン
ディプスδは、その導電板の導電率をσ、透過率を
μ₀、平面コイル１０２，１０３に流れる電流の周波数
をｆとして、次式で計算される値である。

【０００４】

【数１】

【０００５】このような平面コイルの厚さをスキンディ
プスとほとんど同じ値にした薄形トランスの設計例は、
Ａ．Ｆ．ゴールドバーク、Ｊ．Ｇ．カサキアン、Ｍ．
Ｆ．シュレヒトの各氏による「イシューズ リレイテッ
ド ツウ １−１０ＭＨ_Z トランスフォーマ デザイ
ン」（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎＰｏｗｅｒ Ｅｌｅ
ｃｔｒｏｎ．，４，Ｊａｎｕａｒｙ １９８９）や「フ
ァイナイト エレメント アナリシス オブ カッパー
ロス イン １−１０ＭＨ_Z トランスフォーマ」
（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃ
ｔｒｏｎ．，４，Ａｐｒｉｌ １９８９）等の論文に紹
介されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の技術における薄形トランスでは、平面コイルの厚さ
をスキンディプス以上としてもコイルの損失を減少でき
ないため、その損失を低減することが課題として残って
いた。図７は平面コイルの厚さを変えたときのコイルの
損失を示す計算図であり、平面コイルの厚さにはその損
失を最小とする値ｈ_optが存在し、それ以上巻線の厚さ
を増加しても効果の無いことが示されている。

【０００７】本発明は、上記課題を解決するために創案
されたもので、その目的は、表皮効果を生ずる平面コイ
ルの損失を低減できる薄形トランスを提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の薄形トランスの構成においては、導電板
をスパイラル形状に加工した平面コイルを少なくとも３
個積層したコイル部と、このコイル部を挟み込む一対の
偏平なフェライト磁心とを備え、前記３個の平面コイル
の内、上下に配置された平面コイルが中間に配置された
平面コイルを挟み込む構造を有し、前記上下の平面コイ
ルを電気的に並列接続または直列接続して一方のコイル
とし、中間の平面コイルをもう一方のコイルとしたこと
を特徴としている。

【０００９】

【作用】本発明は、平面コイルの構成とその平面コイル
の損失との関係を解析し、その解析結果に基づいて、平
面コイルの損失を最小にするコイルの構成を提示するも
のであって、薄形トランスを構成するコイルの少なくと
も一方を他方のコイルを挟む２個の平面コイルとし、こ
の２個の平面コイルを並列または直列に接続して１個の
コイルに流れる電流による起磁力を減少させる。この起
磁力の減少により、各コイルの厚さ方向に変化する磁束
の大きさを減少させ、コイルの表皮効果の影響を少なく
して、それによる損失を低減している。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。

【００１１】図１（ａ），（ｂ）は本発明の薄形トラン
スの第１の実施例を示す構成図であり、（ａ）は薄形ト
ランスの断面図、（ｂ）はコイルの接続図である。本実
施例の構成において、１は内部にリング状の空間Ｓを形
成するための凹部を有する一対のフェライト磁心、２
ａ，２ｂ（以下、代表するときは２と記す）はそれぞれ
導電板をスパイラル状に加工して６ターンの平面コイル
とした一対のコイル、３は同じく導電板をスパイラル状
に加工して３ターンの平面コイルとしたコイル、４は充
填材である。一対の平面コイル２ａ，２ｂは、平面コイ
ル３を上下から挟み込むように配置され、平面コイル２
ａと平面コイル２ｂとは図１（ｂ）に示すように、外部
において電気的に並列接続されている。したがって、平
面コイル２と平面コイル３の巻数比は、６：３となる
が、この巻数比は自在に設計できることは言うまでもな
い。フェライト磁心１は薄形の円板状に形成され、その
一対の凹部同士が向い合わさって形成される内部空間Ｓ
内にコイル２ａ，２ｂとコイル３とが挟み込まれて、充
填材４により任意の厚さで絶縁され積層状態で固定され
る。

【００１２】以上のように構成した第１の実施例の作用
とその効果を説明する。

【００１３】本実施例は、２個の平面コイル２ａ，２ｂ
を１個の平面コイル３の上下に配置し、その２個の平面
コイル２ａ，２ｂを並列接続して、２個の平面コイル２
ａ，２ｂに流れる電流を２等分し、１個の平面コイル２
ａまたは２ｂに流れる電流による起磁力を減少すること
を目的にしている。このように起磁力を減少することに
よって、各コイルの厚さ方向に変化する磁束の大きさも
同時に減少できるので、コイルの表皮効果の影響を少な
くすることが可能である。

【００１４】以下に、コイルの表皮効果による損失の増
加を交流抵抗（コイルに実効値電流１Ａを流した時の損
失と等価）で評価し、上記実施例の効果を説明する。計
算に使用した薄形トランスの形状と比較した巻線構造を
図２（ａ）〜（ｇ）に示す。（ｇ）は巻線部分を破断し
た斜視図、（ａ）〜（ｆ）はその破断面Ａの断面図であ
り、巻線の形状や構成を変えた６種類（以下、（ａ）〜
（ｆ）構造と記す）についてコイル部のみを拡大して示
している。（ｇ）の断面図において、１は内部にリング
状の空間Ｓを形成するための凹部を有する一対のフェラ
イト磁心（コア）、２は導電板をスパイラル状に加工し
て４ターンの平面コイルとした一次コイル、３は同じく
導電板をスパイラル状に加工して１ターンの平面コイル
とした二次コイルである。なお、空間Ｓは充填材で満た
されている。巻線構造において、（ａ）構造が前記論文
に記載された基本構造、（ｂ）構造が本実施例による構
造、（ｃ）〜（ｆ）構造が起磁力を弱めることにより交
流抵抗の減少を狙った構造である。

【００１５】計算の条件を表１に示す。表中のＷは平面
コイル３の導電板の幅、Ｄは同じく平面コイル３の導電
板の間隔、Ｈは導電板の厚さである。

【００１６】

【表１】

【００１７】導電板のスキンディプスの値は周波数５０
０ｋＨｚで９３μｍとなり、導電板の厚さＨとほぼ等し
く、２ＭＨｚではＨの半分に減少する。スキンディプス
の値が導電板の厚さ以下になると各巻線構造による表皮
効果の値が顕著になるので、計算を行う周波数は２ＭＨ
ｚとした。計算には市販の有限要素法のプログラム「マ
クスウェル」（Ａｎｓｏｆｔ Ｃｏｒｐ．）を使用し
た。各巻線構造（ａ）〜（ｆ）の交流抵抗を一次コイル
を例に取って計算し、直流抵抗で規格化した結果を図３
に示す。（ａ）構造に比べて本実施例の（ｂ）構造で
は、直流抵抗の増加率（Ｒａｃ／Ｒｄｃ）を減少でき
る。しかし、それ以外の巻線構造では交流抵抗の増加率
を低減できないことが分かる。これは、（ｃ）〜（ｅ）
構造のように磁束を分散させたり、磁束の流れを妨げる
巻線を入れると漏れ磁束や一部に集中する磁束により、
渦電流損失が増加するためである。また、（ｆ）構造の
ように導電板を分割しても電流はインピーダンスの低い
一次コイル２と二次コイル３の境界に集中して流れ、交
流抵抗を減少できない。従って、本実施例以外の方法で
は、交流抵抗（コイルの損失）を減少することはできな
い。

【００１８】次に、本発明の第２の実施例を説明する。

【００１９】図４（ａ），（ｂ）は、その構成を示す図
であって、（ａ）は部分断面図、（ｂ）はコイルの電気
的な接続図である。この実施例は、第１の実施例の平面
コイル２ａ，２ｂ，３からなるコイル部の内、中間の平
面コイル３を上下の平面コイル２ａ，２ｂで挟み込み、
上下の平面コイル２ａ，２ｂを直列接続して一方のコイ
ル部とし、中間の平面コイル３を他方のコイル部とした
薄形トランスを示している。これらのコイル部は、第１
の実施例と同様に一対の偏平なフェライト磁心１内の空
間Ｓに挾まれて充填材４により積層されて固定される。

【００２０】このように構成された第２の実施例におい
ては、各コイル部の損失を第１の実施例と同様の作用で
減少することができるとともに、コイル２ａ，２ｂを直
列に接続しているので第１の実施例より大きなインダク
タンスを得ることができる。

【００２１】次に、本発明の第３の実施例を説明する。

【００２２】図５（ａ），（ｂ），（ｃ）は、その構成
を示す図であって、（ａ）は部分断面図、（ｂ）および
（ｃ）はコイルの電気的な接続図である。この実施例
は、コイル部が４個以上の平面コイルを積層して形成さ
れる場合の一例として、５層の平面コイルで構成される
場合を示している。本実施例のコイル部は、平面コイル
３ａを平面コイル２ａ，２ｂで上下から挟み込み、さら
にこのうちの一つの平面コイル２ｂと平面コイル２ｃで
もう一つの平面コイル３ｂを挟み込んで、平面コイル２
ａ，２ｂ，２ｃを一方のコイル部とし、平面コイル３
ａ，３ｂを他方のコイル部としている。これらのコイル
部は、第１の実施例と同様に一対の偏平なフェライト磁
心１内の空間Ｓに挟まれて充填材４により積層されて固
定される。本実施例は、各コイル部における接続のし方
によって、図５（ｂ）に示すように平面コイル２ａ，２
ｂ，２ｃの組および平面コイル３ａ，３ｂの組毎に並列
接続した場合と、図５（ｃ）に示すように上記各組毎に
直列接続した場合の２種に構成できる。

【００２３】以上の第３の実施例の構成において、
（ｂ）の接続による構成は第１の実施例に対応し、
（ｃ）の接続による構成は第２の実施例に対応してお
り、それぞれ同様の効果が得られることは明らかであ
る。ただし、各コイル部を構成する平面コイル数が多い
分、その効果をより一層高めることができる。

【００２４】なお、本発明の薄形トランスの形状は、上
記の実施例に限られるものではなく、数々の形状の場合
に適用可能であることは当然である。このように、本発
明はその主旨に沿って種々に応用され、種々の実施態様
を取り得るものである。

【００２５】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
薄形トランスによれば、平面コイルの厚さをスキンディ
プス程度として従来構造の平面コイルよりも、コイル部
の損失を小さくすることができ、スイッチング電源の小
形化、経済化が図られる利点が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ），（ｂ）は本発明の第１の実施例を示す
構成図

【図２】（ａ），（ｂ）は上記第１の実施例の効果を明
らかにするためにコイルの損失を比較した巻線構造図

【図３】上記第１の実施例のコイル損失が従来例と比較
して減少できることを示した説明図

【図４】（ａ），（ｂ）は本発明の第２の実施例を示す
構成図

【図５】（ａ），（ｂ），（ｃ）は本発明の第３の実施
例を示す構成図

【図６】（ａ），（ｂ）は従来例の構成を示す構成図

【図７】上記従来例の導電板の厚さと損失の関係を示す
説明図

【符号の説明】

１…フェライト磁心、２ａ，２ｂ，２ｃ…一方のコイル
部を構成する平面コイル、３，３ａ，３ｂ…他方のコイ
ル部を構成する平面コイル、４…充填材。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 導電板をスパイラル形状に加工した平面
   コイルを少なくとも３個積層したコイル部と、このコイ
   ル部を挟み込む一対の偏平なフェライト磁心とを備え、 前記３個の平面コイルの内、上下に配置された平面コイ
   ルが中間に配置された平面コイルを挟み込む構造を有
   し、前記上下の平面コイルを電気的に並列接続または直
   列接続して一方のコイルとし、中間の平面コイルをもう
   一方のコイルとしたことを特徴とする薄形トランス。