JP6893396B2

JP6893396B2 - 高電圧高周波絶縁トランス

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Publication number: JP6893396B2
Application number: JP2016120231A
Authority: JP
Inventors: 武渡邉; 岡本　健次; 健次岡本; 竜也雁部
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2016-06-16
Filing date: 2016-06-16
Publication date: 2021-06-23
Anticipated expiration: 2036-06-16
Also published as: JP2017224766A; US10381154B2; US20170365400A1

Description

本発明は、各種電子機器に使用されるスイッチング電源において用いられる高電圧高周波絶縁トランスに関する。

情報化社会の進展によりIT(Information Technology)の機器が消費する電力量が急増している。そこで、電源設備の簡素化のために受電トランスを省略して直接、高電圧で受電し、１００V以下の低圧直流電圧に変換して出力する電源システムのニーズがある。

このような電源システムを実現し、かつこの電源システムの小型化を図るには、高電圧高周波絶縁トランスが不可欠である。
特許文献１には、従来の一般的な高周波トランスの構造として、共通のボビンに一次巻線と二次巻線とを重ねて巻き回すとともに、絶縁カバーを被せてフェライトコアと巻線との絶縁を向上さる構造が開示されている。

特開平９−０４５５５０号公報

特許文献１に記載された従来構造の高周波トランスは、絶縁を確保するための構造が複雑であり、製作に時間がかかるという課題がある。また、一次巻線と二次巻線との距離が接近しているため、一方の巻線に高い電圧が印加されたとき、一次/二次巻線間で部分放電が発生してしまうという課題がある。

そこで本発明の目的は、高電圧高周波駆動に適したトランス、詳しくは、製作が容易であり、かつ高電圧が印加される巻線とコア間および巻線間の絶縁耐力を向上させることができる高電圧高周波絶縁トランスを提供することにある。

本発明の一の局面による高電圧高周波絶縁トランスは、磁路を構成する脚部を有するコアと、前記脚部に巻装される複数の巻線と、低誘電率と高絶縁性とを有する樹脂材料で成形されたボビンと、を備え、前記複数の巻線のうち高電圧が印加される巻線は、前記ボビンに巻き回されているとともに、前記ボビンを形成する前記樹脂材料と同一の樹脂材料で気密封止されることによって、前記ボビンと一体に形成されており、二層誘電体モデルにおいて、下記（１）式で表される、前記コアと前記高電圧が印加される巻線との間の空気層での部分放電開始電圧（V _pd ）が、所定の電圧値となるように、前記コアと前記高電圧が印加される巻線との間の前記空気層の厚さ（d ₁ ）と、前記コアと前記高電圧が印加される巻線との間の前記樹脂材料の厚さ（d ₂ ）と、比誘電率（ε _r ）を有する前記樹脂材料とが選択され、
V_pd = {d₁+(d₂/ε_r)}・V_p/d₁ （１）
V_pd；部分放電開始電圧[Vrms]、
V_p；パッシェン（Paschen）電圧[Vrms]、
d₁；空気層の厚さ[m]、
d₂；樹脂材料の厚さ[m]、
ε_r；樹脂材料の比誘電率、
前記樹脂材料は、ジシクロペンタジエン、ＰＴＦＥ（四フッ化エチレン）、ＰＳ（ポリスチレン）、ＰＥ（ポリエチレン）、ＡＢＳ（スチレン・ブタジエン・アクリロニトリル共重合体）、及びＡＳ（スチレン・アクリロニトリル共重合体）の中から選択された少なくとも１種の樹脂材料である。

本発明によれば、高電圧が印加される巻線が低誘電率と高絶縁性とを有する樹脂材料で成形されるボビンに巻き回されるとともに、この樹脂材料で気密封止されているので、製作が容易でありながら高電圧に対して絶縁耐力を確保できる高電圧高周波絶縁トランスを提供することができる。

本発明の実施形態に係る高電圧高周波絶縁トランスの構成を示す分解斜視図である。本発明の実施形態に係る高電圧高周波絶縁トランスの構成を示す斜視図である。図２のＡ−Ａから水平方向に切断したときの高電圧高周波絶縁トランスの断面を示す図である。高周波絶縁トランスにおける二層誘電体モデルを示す図である。従来構造と本発明構造に関する高周波絶縁トランスの部分放電試験結果を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る高電圧高周波絶縁トランスの構成を示す分解斜視図である。図２は、本発明の実施形態に係る高電圧高周波絶縁トランスが組み立てられた状態を示す斜視図である。図１および図２を用いて本発明の実施形態に係る高電圧高周波絶縁トランスの構成を詳細に説明する。なお、以下では、高電圧高周波絶縁トランスを、単に、トランスともいう。

図１に示すトランス（図２に示すトランス１）は、一対のコア１ａ，１ｂと、３組の一次巻線３と、４組の二次巻線４とからなる。
このトランス１は、一次巻線３に印加された高電圧高周波数の交流電圧を電気的に絶縁して、低電圧高周波数の交流電圧を二次巻線４に出力する。したがって、一次巻線３には小電流が流れ、二次巻線４には大電流が流れる。

このトランス１は、不図示のプリント基板上に実装される。なお、以下では、一次巻線は、ボビン２と一体に形成された一次巻線を含む場合もある。
図１において、一対のコア１ａ，１ｂは、ＰＱ型フェライトコアである。コア１ａは、円柱状の中脚部1abと一対の外脚部1acと、中脚部1abと一対の外脚部1acとを連結する連結部1aaとを有している。一対の外脚部1acと中脚部1abとの間に形成される空間は、一次巻線３および二次巻線４を収納する巻線収納部1adである。

同様に、コア１ｂは、円柱状の中脚部1bbと一対の外脚部1bcと、中脚部1bbと一対の外脚部1bcとを連結する連結部1baとを有している。一対の外脚部1bcと中脚部1bbとの間に形成される空間は、一次巻線３および二次巻線４を収納する巻線収納部1bdである。

一次巻線３は、ボビン２に電線を所定数巻き回すことにより、ボビン２と一体に構成されている。
ボビン２は、樹脂材料を用いて形成されており、中空部２２を有する筒部２１とこの筒部２１の両端部から延設された円形平板状の鍔部２３とを有する。ボビン２の鍔部２３の高さは筒部２１の幅よりも高くなるように形成されている。

すなわち、ボビン２は薄い円形平板状であって、筒部２１の幅よりも高い鍔部２３を有する糸巻き状に形成されている。
このような形状のボビン２は、樹脂材料を型に流し込むことにより容易に成型することができる。また、ボビン２は、樹脂材料から削り出すことにより形成することもできる。

ボビン２を形成する樹脂材料は、低誘電率かつ高絶縁性を有する樹脂である。この樹脂材料の詳細については後述する。
一次巻線３は、ボビン２の筒部２１に巻き回される。所定回数巻き回された一次巻線３の巻高さは、鍔部２３の高さ内に収まる。筒部２１と鍔部２３で形成された空間内で、一次巻線３は、その上部を覆うように絶縁性の樹脂材料で気密封止される。

これにより、一次巻線３とボビン２とが、一体として、容易に形成される。なお、一次巻線３を気密封止する樹脂材料は、ボビン２を形成する樹脂材料と同じ材料であるのが好ましい。

図１において、ボビン２に巻き回された一次巻線は、ボビン２の鍔部２３と気密封止された樹脂とによって覆われており、ボビン２の外部には現れない。なお、一次巻線の巻き始めと巻き終わり部から、一次巻線引出線３６が引き出されている。

二次巻線４は、厚みが数１００μmの二枚の導体板からなる。この二枚の導体板は、それぞれ空隙部(不図示)を有するリング状であって、リングの中心に中空部４２を備えるとともに、リングの一方端に引出線４１を有する。

そして、それぞれの引出線４１の位置が互いに重ならないようにリング状部が重ね合わされたうえで、それぞれのリング状部の他方端同士が半田付けされる。これにより、２ターンを有する螺旋状の二次巻線４が構成される。なお、二枚の導体板の間には絶縁紙５が介挿される。

上記のようなリング形状の導体板は、例えば導電率が高い銅などの金属平板をプレス機などで打ち抜くことで、容易に加工することができる。なお、上記では二次巻線４を構成する導体板の枚数を二枚とする例について説明したが、これは単なる例に過ぎず、一枚でも良いし、二枚より多くても良い。

次に、図１に示したトランス１の構成を、以下に説明する。
一次巻線３と二次巻線４とは、二次巻線４、一次巻線３、二次巻線４、一次巻線３、二次巻線４、一次巻線３、二次巻線４の順に、中空部２２，４２とを重ね合わせながら、交互に積層配置されている。

コア１ａ，１ｂは、積層配置された一次巻線３および二次巻線４を挟んで、それぞれの一対の外脚部1ac,1bcと中脚部1ab,1bbとが相対するように配置されている。
コア１ａ，１ｂの中脚部1ab,1bbは、二次巻線４の中空部４２及び一次巻線３の中空部（ボビン２の中空部２２）に挿通されているとともに、それぞれの端面が突き合わされている。コア１ａ，１ｂの一対の外脚部1ac,1bcそれぞれの端面も突き合わされている。

このように構成されたトランス１において、図２に示すように、コア１ａ，１ｂの中脚部1ab,1bbと一対の外脚部1ac,1bcとで磁路が形成される。そして、中脚部1ab,1bbが挿通された一次巻線３および二次巻線４は、巻線収容部1ad,1bd内に収容固定される。

一次巻線３はボビン２内で絶縁性樹脂により気密封止されている。したがって、図２では、一次巻線３そのものは見えず、見えているのは一次巻線３を気密封止している樹脂部分である。

この一次巻線３には引出線３６が備えられており、この引出線３６は、一次巻線３の気密封止部からボビン２の外側に引き出されている。すなわち、一次巻線引出線３６は、コア１ａ，１ｂの上側の開口部１１から上方に引き出されている。

したがって、一次巻線３で発生した熱は一次巻線引出線３６に伝わり、一次巻線引出線３６を介して外気に放熱される。ただし、一次巻線３に流れる電流値は小さいため、一次巻線３で発生する熱量は小さい。そのため、一次巻線の発熱による温度上昇はわずかである。

二次巻線の引出線４１は、一対のコア１ａ，１ｂの下側の開口部１２から下方に引き出される。この引出線４１は不図示のプリント基板に半田付けされる。引出線４１がプリント基板に半田付けされることにより、二次巻線４の位置が一対のコア１ａ，１ｂ内で固定される。

大電流が流れる二次巻線４の発熱量は大である。二次巻線４で発生した熱は、コア１ａ，１ｂの下方に引き出された引出線４１を介して外気に放熱される。
二次巻線４は４組に分割して構成されているため、発熱が分散されるとともに、それぞれの引出線４１において放熱が効果的に行われる。これにより、二次巻線４の局部的な過熱が抑制されている。

また、一次巻線引出線３６はトランス１の上方に引き出され、二次巻線引出線４１はトランスの下方に引き出されている。
したがって、一次巻線引出線３６と二次巻線引出線４１との間の空間および沿面の距離は、十分に確保されている。そのため、一次巻線引出線３６と二次巻線引出線４１との間の絶縁は十分に確保されている。

図３は、図２に示すトランス１のＡ−Ａ断面を上方から見た図である。
図３に示すように、トランス１は、一対のコア１ａ，１ｂと、３組の一次巻線３と、４組の二次巻線４とで構成されている。コア１ａ，１ｂは、それぞれの中脚部1ab,1bbと一対の外脚部1ac,1bcの端面が突き合わされるように配置されている。中脚部1ab,1bbと一対の外脚部1ac,1bcとで形成された空間は、巻線収容部1ad,1bdである。

一次巻線３と二次巻線４は、この巻線収容部1ad,1bd内で、二次巻線４、一次巻線３、二次巻線４・・・の順に密着して、かつ積層配置されている。
また、一次巻線３（ボビン２）の中空部２２と二次巻線４の中空部４２に、コア１ａ，１ｂの中脚部1ab,1bbが挿通されている。このように、一次巻線３は、二次巻線４およびコア１ａ，１ｂと近接配置されている。

しかし、一次巻線３は、図３に示されるように絶縁耐力が高い樹脂材料で形成されたボビン２内で、同じ樹脂材料で気密封止がされている。したがて、一次巻線３は、二次巻線４およびコア１ａ，１ｂに対して十分な絶縁耐力を有している。

これについては、図４を用いて説明する。
図４は、高周波絶縁トランスにおける二層誘電体モデルを示す図である。この図は、アース電位に接続されるコア５１と、ボビン５２に巻き回され高電位側に接続される一次巻線５３とからなるトランスの構造を模式的に示したものである。コア５１とボビン５２の間には厚さｄ１の空気層５４が存在する。ボビン５２は、比誘電率がεｒの絶縁材料で形成されおり、ｄ２の厚さを有している。

この二層誘電体モデルを用いて、一次巻線３とコア１ａ，１ｂとの間で生じる部分放電が抑制されるメカニズムを説明する。なお、一次巻線３と二次巻線４との間で生じる部分放電が抑制されるメカニズムも同様である。

図４に示す二層誘電体モデルにおける部分放電開始電圧V_pdは、下記(１)式により求められる。すなわち、
V_pd = {d₁+(d₂/ε_r)}・V_p/d₁ (１)
但し、 V_pd；部分放電開始電圧[Vrms]、V_p；パッシェン(Paschen)電圧[Vrms]、
d₁；空気層の厚さ[m]、d₂；絶縁物(ボビン)の厚さ[m]、
ε_r；絶縁物(ボビン)の比誘電率、
を表している。

図４において、高電位側の一次巻線５３と低電位側（アース電位）のコア５１間に存在する空気層５４における電圧負担が大きいとこの部位間で部分放電が起きる。
しかし本発明の実施形態では、ボビン２が低誘電率の絶縁樹脂材料で形成されている。そして、一次巻線３は、ボビン２の筒部２１に巻回され、かつ気密封止されることにより、ボビン２と一体構造にされている。すなわち、一次巻線３は、ｄ２の厚みを持った低誘電率の絶縁樹脂材料で気密封止されている。一次巻線３を気密封止する絶縁樹脂材料の厚みｄ２は、（１）式において所定の部分放電開始電圧V_pdを満たす厚さである。

これにより、絶縁性樹脂で気密封止された高電位の一次巻線３と低電位（アース電位）のコア１ａ、１ｂとの間に存在する空気層（図４に示す空気層５４）の電圧負担が減らされる。したがって、一次巻線３とコア１ａ、１ｂとの間での部分放電の発生が抑制される。

つまり、本発明の実施形態に係る高電圧高周波絶縁トランスは、高電圧が印加される一次巻線３が低誘電率の絶縁樹脂材料からなるボビン内に気密封止されることにより、上記（１）式で求められる部分放電開始電圧V_pdの値を大きくすることができる。これにより、一次巻線３とコア１ａ、１ｂとの間の部分放電の発生を抑制することができる。

図５は、従来構造と本発明構造に関する高周波絶縁トランスの部分放電試験結果を示すグラフである。従来構造の高周波絶縁トランスとは、一般に用いられているフェノール樹脂製のボビンに一次巻線と二次巻線とを巻回して構成したトランスである。

部分放電の測定は、交流５０Hzの一般商用電源を用い、「一次巻線」と、「コア材又は二次巻線」間で発生する部分放電の開始電圧を測定すべく、ＪＥＣ−０４０１(電気学会電機規格調査会標準規格)に規定された部分放電特性の測定法に基づいて行ったものである。

図５から分かるように、本発明構造の高周波絶縁トランスの部分放電の開始電圧(Partial Discharge Inception Voltage)が５．１３kVであるのに対して、従来構造の高周波トランスの部分放電の開始電圧が１．９０kVである。

このことから、本発明構造の高周波絶縁トランスは、部分放電の開始電圧が大幅に改善された（高くなった）ことが理解できる。
本発明の実施形態に係る高周波絶縁トランスに用いたボビン２は、誘電率が３．０以下で且つ耐熱性を有するオレフィン系架橋タイプ熱硬化性樹脂（例．ジシクロペンタジエン樹脂）で形成されている。また、ボビン２内での一次巻線の気密封止もこの樹脂材料を用いて行われている。

なお上記で紹介した樹脂材料以外に、PTFE(四フッ化エチレン)に代表されるフッ素系(テフロン系)樹脂、ポリスチレン系樹脂等、誘電率が低く且つ熱耐性がある熱可塑性樹脂も、ボビン２の形成材料および一次巻線を気密封止する材料に用いることができる。

ポリスチレン系樹脂の代表例には、PS(ポリスチレン)、ABS(スチレン・ブタジエン・アクリロニトリル共重合体)、AS(スチレン・アクリロニトリル共重合体)等が含まれる。また、これに代えて、PE(ポリエチレン)を用いることもできる。

上記実施形態では、一次巻線３に高電圧が印加され、二次巻線から低電圧が出力される高電圧高周波トランスを例にとって、高電圧が印加される巻線の絶縁構造を説明した。しかし、本発明はこのような高電圧高周波トランスに限定されるものではない。

すなわち、本発明は、一次巻線３に低電圧が印加され、二次巻線から高電圧が出力される高電圧高周波トランスの二次巻線の絶縁構造に適用することができる。
また、本発明は、一次巻線３に高電圧が印加され、二次巻線から高電圧が出力される高電圧高周波トランスの一次巻線および二次巻線の絶縁構造に適用することができる。

また、本実施形態では、ＰＱコアの中脚部に一次巻線と二次巻線とを巻装するトランスを例にとって、巻線の絶縁構造を説明した。
しかし、本発明は、ＰＱコアを用いて構成されるトランスに限定されるものではない。すなわち、本発明は、ＥＥコア、ＥＩコアなど、他の形状のコアを用いて構成されるトランスに適用することができる。

また、本発明は、コアの中脚部に一次巻線と二次巻線を巻装する高周波トランスに限定されるものではない。すなわち、本発明は、コアの側脚など磁路を形成する脚に一次巻線と二次巻線を巻装するトランスに適用することができる。

また、本発明は、高周波トランスを例にとってトランス１の絶縁構造を説明した。しかし、本発明はトランスの絶縁構造に限定されるものではない。
すなわち、本発明は、巻線が巻き回されたボビンをコアに巻装して構成されるインダクタに適用することができる。

本発明の高電圧高周波絶縁トランスは、高電圧を電気的に絶縁する電源装置に利用することが可能である。

１トランス
１ａ、１ｂコア
２ボビン
３一次巻線
４二次巻線
１１、１２コアの開口部
２１ボビンの筒部
２２ボビンの中空部
２３ボビンの鍔部
３６一次巻線引出線
４１二次巻線引出線
４２二次巻線の中空部

Claims

磁路を構成する脚部を有するコアと、
前記脚部に巻装される複数の巻線と、
低誘電率と高絶縁性とを有する樹脂材料で成形されたボビンと、を備え、
前記複数の巻線のうち高電圧が印加される巻線は、前記ボビンに巻き回されているとともに、前記ボビンを形成する前記樹脂材料と同一の樹脂材料で気密封止されることによって、前記ボビンと一体に形成されており、
二層誘電体モデルにおいて、下記（１）式で表される、前記コアと前記高電圧が印加される巻線との間の空気層での部分放電開始電圧（V _pd ）が、所定の電圧値となるように、前記コアと前記高電圧が印加される巻線との間の前記空気層の厚さ（d ₁ ）と、前記コアと前記高電圧が印加される巻線との間の前記樹脂材料の厚さ（d ₂ ）と、比誘電率（ε _r ）を有する前記樹脂材料とが選択され、

V_pd = {d₁+(d₂/ε_r)}・V_p/d₁ （１）
V_pd；部分放電開始電圧[Vrms]、
V_p；パッシェン（Paschen）電圧[Vrms]、
d₁；空気層の厚さ[m]、
d₂；樹脂材料の厚さ[m]、
ε_r；樹脂材料の比誘電率、

前記樹脂材料は、ジシクロペンタジエン、ＰＴＦＥ（四フッ化エチレン）、ＰＳ（ポリスチレン）、ＰＥ（ポリエチレン）、ＡＢＳ（スチレン・ブタジエン・アクリロニトリル共重合体）、及びＡＳ（スチレン・アクリロニトリル共重合体）の中から選択された少なくとも１種の樹脂材料であることを特徴とする高電圧高周波絶縁トランス。
前記ボビンは、中心部に形成される筒部と、この筒部から延設される鍔部とからなることを特徴とする請求項１記載の高電圧高周波絶縁トランス。
前記高電圧が印加される巻線は、前記筒部に巻き回されるとともに、前記筒部と前記鍔部とで形成される空間内で、前記樹脂材料によって気密封止されることによって前記ボビンと一体に形成されることを特徴とする請求項２に記載の高電圧高周波絶縁トランス。
前記高電圧が印加される巻線は、一次巻線であることを特徴とする請求項１記載の高電圧高周波絶縁トランス。
二次巻線が、金属板をリング状に打ち抜いて形成された一枚以上の金属導体で構成されていることを特徴とする請求項４記載の高電圧高周波絶縁トランス。
複数の前記一次巻線と前記二次巻線とが、前記コアの前記脚部の一方端から他方端に向かって、前記二次巻線、前記一次巻線の順に交互に配置されていることを特徴とする請求項５記載の高電圧高周波絶縁トランス。
前記複数の一次巻線は、それぞれの巻線が直列に接続されていることを特徴とする請求項６記載の高電圧高周波絶縁トランス。