JP4635969B2 - コイル装置、トランスおよびスイッチング電源 - Google Patents

Description

本発明は、プリント基板のコイル状導体パターンを利用したトランスを備えたスイッチング電源に関する。

従来より、様々な電子機器においてプリント基板が広く用いられている。このプリント基板は絶縁基板上に導体パターンを配線として備え、その配線と、プリント基板上に搭載された回路部品とを互いに接続することにより回路の一部を構成する。

このプリント基板は、スイッチング電源にもごく一般に用いられている。ところが、出力電力が１ｋＷ程度以上の比較的大きな電力で、かつ大電流が流れるスイッチング電源では、トランスやチョークコイルが重く大きくなるので、それらをプリント基板上に搭載することは一般的に困難である。そのため、それらは、特許文献１に記載されているように、一般的に、プリント基板の代わりに、金属製のベースプレートなどに直接固定されると共に、プリント基板上に設けられた金属製端子台などにねじ止めされたり、あるいは、はんだ付けによりプリント基板上の回路部品と接続される。他方、制御回路やドライブ回路を構成する小電力の回路部品や、電流の大きさが比較的小さな高電圧側のフィルタ回路などは、一般的に、プリント基板上に搭載される。

一方、トランスやチョークコイルを、プリント基板を利用して薄型化する技術が多数提案されている。例えば特許文献２では、プリント基板の導体パターンからなるプリントコイルに、そのプリントコイルと同形状の導体板からなるコイルが並列に接続された大電流用コイルが提案されている。これにより、コイルの断面積はプリントコイルの断面積と導体板からなるコイルの断面積との合計となり、大電流に耐えうるコイルを提供できるとしている。

特開２００１−３１４０８０号公報 特開昭５９−１５２６０６号公報

ところで、上記特許文献２では、プリントコイルと金属板コイルとが互いに並列に接続されているので、コイル全体の巻数を変更するにはプリントコイルおよび金属板コイルの双方の巻数を変更しなければならない。しかし、そのようにして巻数を変更すると、巻数が多くなるにつれて巻線同士の間隙（クリアランス）の分だけ断面積が減少してしまい、大電流を流すことが困難となる。

また、特許文献２では、プリント基板の導体パターンの厚さは一般に３５μｍ程度と薄く、配線の断面積を大きくとることが容易でないことから、プリントコイルと金属板コイルが並列接続されているため、電流容量が大きくなるにつれて、コイル全体としての断面積のほとんどは導体板によって確保されることになる。従って、わざわざ高価なプリント基板を用いなくてもプリントコイルの断面積の分だけ導体板を厚くすれば足りるのであり、多層プリント基板の導体パターンを有効に利用しているとは言い難い。

さらに、プリントコイルと金属板コイルが並列接続されているため、両コイルに流れる交流電流は、表皮効果や磁心の漏洩磁束などの影響により、断面積に比例して均一に流れず偏ってしまう。

また、上記特許文献１では、金属製端子台を配置し、トランスやチョークコイルをプリント基板上の回路部品と電気的に接続する際にねじ止め等が必要となるが、これらの工程は多層プリント基板上の回路部品のはんだ付けとは異なる特別の工程となるので、製造工程が複雑化してしまう。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、プリント基板の導体パターンを有効に利用しつつ、コイルの巻数を多くしても大電流を流すことの可能なトランスを備えたスイッチング電源を提供することにある。

本発明のスイッチング電源は、スイッチング回路と、トランスとを備えたものである。スイッチング回路は、多層プリント基板に実装された複数のスイッチング素子を有しており、複数のスイッチング素子のオンオフ動作により、入力電圧をパルス電圧に変換するようになっている。トランスは、１次側コイルおよび２次側コイルを有しており、パルス電圧を変圧するようになっている。ここで、１次側コイルおよび２次側コイルのいずれか一方は、多層プリント基板の各層に設けられたコイル状導体パターンを互いに電気的に接続して構成された第１のコイル部と、多層プリント基板の、複数のスイッチング素子が実装された面側に配置されると共に第１のコイル部と電気的に直列接続された導体板により構成された第２のコイル部とを有している。多層プリント基板には、スイッチング電源を制御する制御回路や、入出力平滑回路の回路部品の全てまたは一部が搭載されてもよい。また、第１のコイル部と第２のコイル部は多層プリント基板に設けられた配線によってスイッチング回路やその他のプリント基板に搭載された回路素子に接続されてもよい。

このとき、各層のコイル状導体パターンを１ターンで構成してもよい。第２のコイル部を１枚または複数枚の導体板により構成してもよい。さらに、全てのコイル状パターンを直列に接続してもよいが、第１コイル部をコイル状導体パターン同士が並列接続された並列接続組を少なくとも１組有している構成としてもよく、第１コイル部をコイル状導体パターン同士がすべて並列接続されている構成としてもよい。ここで、第２のコイル部を複数枚の導体板により構成する場合には、複数枚の導電板を多層プリント基板の一面側に配置したり、多層プリント基板の両面に分けて配置することも可能である。

また、第１のコイル部および第２のコイル部を、例えば、多層プリント基板に接続用穴を形成すると共に第２のコイル部の嵌入部を形成し、嵌入部を接続用穴に嵌入することにより電気的に接続したり（接続方法Ａ）、また、例えば、多層プリント基板に接続用パッドを形成し、第２のコイル部を接続用パッドに接続することにより電気的に接続する（接続方法Ｂ）してもよい。なお、これら接続用穴や接続用パッドは、最外層のコイル状導体パターンに設けるようにしてもよい。さらに、嵌入部はコイルの一端を屈曲することにより設けてもよい。

また、本発明のトランスは、１次側コイルおよび２次側コイルを備えたものである。１次側コイルおよび２次側コイルのいずれか一方は、多層プリント基板の各層に設けられたコイル状導体パターンを互いに電気的に接続して構成された第１のコイル部と、多層プリント基板と対向して配置されると共に第１のコイル部と電気的に直列接続された導体板により構成された第２のコイル部とを有する。

本発明のスイッチング電源では、第１のコイル部および第２のコイル部は互いに直列に接続されているので、第１のコイル部および第２のコイル部の合計巻数がコイル装置の巻数となる。第１のコイル部では、各コイル状導体パターンの断面積を自由に変更することは容易ではないが、複数のコイル状導体パターンを有しているので、それらの接続態様を並列接続等に調整することにより、要求される電流容量に対して第１のコイル部の断面積を最適化することが可能である。また、第２のコイル部では、導体板の断面積や巻数を自由に変更することが容易であるので、要求されるコイル全体としての巻数を第１のコイル部だけでまかなえない場合には、導体板の巻数を調整することにより、コイル全体としての巻数を最適化することが可能である。

本発明のスイッチング電源によれば、多層プリント基板の各層に設けられたコイル状導体パターンからなる第１のコイル部と、多層プリント基板上に設けられた導体板からなる第２のコイル部とを互いに直列に接続するようにしたので、第１のコイル部の断面積を要求される電流容量に対して最適化した際にコイル全体としての巻数が不足した場合には、巻数の不足分を第２のコイル部で補うことができる。これにより、要求されるコイル全体としての断面積や巻数を最適化することができるので、多層プリント基板の導体パターンを有効に利用しつつ、コイルの巻数を多くしても大電流を流すことができる。

ここで、第２のコイル部を多層プリント基板の一方の面側にだけ配置した場合に、上記接続方法Ａを用いて第１のコイル部および第２のコイル部を電気的に接続するときには、他のリード部品をはんだ付けする工程を利用することができるので、第１のコイル部および第２のコイル部をはんだ付けするための特別な工程は必要ない。また、第２のコイル部の位置は接続用穴によって決定されるので、第２のコイル部を接着剤などでわざわざ固定する必要もなく、第２のコイル部と他の部品との絶縁距離を確実に確保することができる。また、第２のコイル部を多層プリント基板の一方の面側にだけ配置した場合に、上記接続方法Ｂを用いて第１のコイル部および第２のコイル部を電気的に接続するときには、他の表面実装部品をはんだ付けする工程を利用することができるので、第１のコイル部および第２のコイル部をはんだ付けするための特別な工程は必要ない。また、金属製端子台など、第１のコイル部や第２のコイル部を多層プリント基板上の回路部品と電気的に接続するための部品を配置するためのスペースも必要ない。したがって、第２のコイル部を多層プリント基板の一方の面側にだけ配置した場合に、上記接続方法Ａ，Ｂを用いたときには、小型化しつつ製造工程を簡略化することができる。

また、本発明のスイッチング電源では、多層プリント基板の構成を変更しなくても、第２のコイル部の巻数を変更するだけでコイル全体としての巻数を変更することができるので、トランスの巻数比を容易に変更することができる。

図１は、本発明の一実施の形態に係るトランス１の構成を展開して表す概念図である。図２、図４および図６は図１の１次側第１コイル部２１のＡ−Ａ矢視方向の断面構成例を表す。また、図３は図２に対応する１次側第１コイル部２１の構成を、図５は図４に対応する１次側第１コイル部２１の構成を、図７は図６に対応する１次側第１コイル部２１の構成をそれぞれ展開して表す概念図である。

トランス１は、２次側コイル３０、１次側コイル２０（コイル装置）および２次側コイル４０が絶縁シートＳを介してこの順に重ね合わされると共に磁芯に巻回されることにより互いに磁気結合された磁気素子である。このトランス１は、１次側コイル２０の一部に多層プリント基板１０（後述）の銅箔が利用されたものである。

このトランス１は、降圧型のトランスであり、１次側コイル２０の引出部２６，２７ （後述）に入力された入力交流電圧を変圧（降圧）し、２次側コイル３０の引出部３２，３３（後述）および２次側コイル４０の引出部４２，４３（後述）から出力交流電圧を出力するようになっている。なお、この場合の変圧の度合いは、１次側コイル１０と、２次側コイル２０または２次側コイル４０との巻数比によって定まる。また、本例では降圧型として示してあるが、昇圧型にも適用可能である。

磁芯は、磁心５０Ａと磁心５０Ｂとを互いに重ね合わせて構成されたものであり、その中心部分に、巻線の積層方向に延在する円柱状の中足５０Ｃを有する。なお磁心は、例えば図１に示したようにＥ型同士を重ね合わせたものであってもよいし、Ｅ型のものとＩ型のものとを互いに重ね合わせたものであってもよい。

２次側コイル３０は、中足５０Ｃの延在方向に垂直な面内に１巻きされたリング状の導体板からなるコイル巻回部３１と、コイル巻回部３１に電気的に接続された矩形状の導体板からなる一対の引出部３２，３３と、引出部３２，３３の近傍に設けられたスリット状のギャップ３４とを有する。すなわち、２次側コイル３０は１ターンのコイルである。

２次側コイル４０は、２次側コイル３０と同様、中足５０Ｃの延在方向に垂直な面内に１巻きされたリング状の導体板からなるコイル巻回部４１と、コイル巻回部４１に電気的に接続された矩形状の導体板からなる一対の引出部４２，４３と、引出部４２，４３の近傍に設けられたスリット状のギャップ４４とを有する。すなわち、２次側コイル４０は、２次側コイル３０と同様、１ターンのコイルである。

１次側コイル２０は、多層プリント基板１０に設けられた１次側第１コイル部２１（第１のコイル部）と、多層プリント基板１０とは別個に設けられた１次側第２コイル部２５（第２のコイル部）とを有している。１次側第１コイル部２１の一端と１次側第２コイル部２５の一端とが互いに電気的に接続されると共に、１次側第１コイル部２１の他端が引出部２６に、１次側第２コイル部２５の他端が引出部２７にそれぞれ電気的に接続されている。すなわち、１次側第１コイル部２１および１次側第２コイル部２５は、互いに電気的に直列接続されているので、１次側第１コイル部２１および１次側第２コイル部２５の合計巻数が１次側コイル２０全体の巻数となる。従って、１次側第１コイル部２１および１次側第２コイル部２５の少なくとも一方の巻数を増やすと、その分だけ１次側コイル２０の巻数も増えるようになっている。

１次側第２コイル部２５は、１または２枚以上の導体板を打ち抜いて形成されたリング状または渦巻き状のコイルであり、多層プリント基板１０に設けられた１次側第１コイル部２１と対向する領域に絶縁シートＳを介して配置されている。１次側第１コイル部２１は、他の部品が実装される多層プリント基板１０の一部を構成しているので、導体パターン厚や積層数を変更すると、多層プリント基板１０の第１コイル部２１以外にも影響があるため、その設計に制約がある。しかし、１次側第２コイル部２５は、導体板を打ち抜いて形成し、多層プリント基板１０の制約とは無関係に厚さや積層数を自由に設定することができる。

ここで、１次側第２コイル部２５は、上記したように１次側第１コイル部２１と直列に接続されていることから、１次側第１コイル部２１の巻数が多層プリント基板１０の構造や、各コイル巻回部の接続関係に起因して制限されている場合であっても、１次側第２コイル部２５の巻数を適宜調節することにより、１次側コイル２０全体の巻数を所定の数に設定することが可能である。具体的には、１次側第２コイル部２５を構成する一の導体板の巻数を調節したり、１次側第２コイル部２５を構成する導体板の枚数を調節することにより、１次側コイル２０全体の巻数が所定の数に設定される。これにより、多層プリント基板１０の銅箔を有効利用しつつ、１次側コイル２０の巻数を多くしても大電流を流すことが可能となる。

１次側第１コイル部２１および１次側第２コイル部２５、ならびに１次側第２コイル部２５および引出部２７のそれぞれの接続方法としては、次の接続方法Ａまたは接続方法Ｂが好ましい。接続方法Ａは、図１に例示したように、１次側第１コイル部２１および引出部２７にコンタクトホールＨ１，Ｈ２（接続用穴）を設けると共に、１次側第２コイル部２５にこれらコンタクトホールＨ１，Ｈ２に対応した嵌入部２５Ａ，２５Ｂを設け、コンタクトホールＨ１，Ｈ２にその嵌入部を差し込んだのちにフローはんだ付けをする方法である。図では、この嵌入部は、第２コイル部の一端を屈曲することで屈曲部として形成されている。もっとも、嵌入部はコンタクトホールＨ１に嵌入できればよく、例えば、第２コイル部の一端付近でパンチングによる凸部を設けるようにしてもよい。他方、接続方法Ｂは、１次側第１コイル部２１および引出部２７に導電性のパッド（図示せず）を設けると共に、１次側第２コイル部２５にこれら導電性のパッドに対応した平坦な面形状を先端に有する端部（図示せず）を設け、導電性のパッドの表面にはんだペーストを塗ると共にそのはんだペースト上に平坦な面形状の先端を載置したのちにリフローはんだ付けをする方法である。

ここで、１次側第２コイル部２５を、図１に示したように多層プリント基板１０の一方の面側にだけ配置した場合に、上記接続方法Ａを用いたときには、１次側コイル２０のはんだ付けは、他のリード部品と同時に行うことができる。これにより、１次側コイル２０をはんだ付けするための特別な工程が不要となる。また、１次側第２コイル部２５の位置はコンタクトホールＨ１，Ｈ２によって決定されるので、１次側第２コイル部２５を接着剤などでわざわざ固定する必要もなく、１次側第２コイル部２５と磁心５０Ｃとの絶縁距離を確実に確保することができる。また、１次側第２コイル部２５を、図１に示したように多層プリント基板１０の一方の面側にだけ配置した場合に、上記接続方法Ｂを用いたときには、１次側コイル２０のはんだ付けは、他の表面実装部品と同時に行うことができる。これにより、１次側コイル２０をはんだ付けするための特別な工程が不要となる。このように、１次側第２コイル部２５を多層プリント基板１０の一方の面側にだけ配置した場合に、上記接続方法Ａ，Ｂを用いたときには、製造工程を簡略化することができる。

また、１次側第２コイル部２５を２枚以上の導体板で構成すると共に、１次側第２コイル部２５を多層プリント基板１０の両面に配置した場合には、１次側第２コイル部２５の積層方向における対称性が良くなるので、上下に配置された２つの２次側コイルとの結合や静電容量を等しくすることができる。

ここで、図２から図７を用いて、１次側コイル部２１について説明する。１次側第１コイル部２１は、多層プリント基板１０の各層に設けられた、銅箔からなる導体パターンを有効利用したものである。ここで、多層プリント基板１０は、絶縁基板１１上に導体パターンを配線として備えたものであり、図１に例示したような回路部品１２が実装されている。また、多層プリント基板１０は、汎用性や価格を考慮すると４層基板で構成されることが好ましいが、４層基板に限定されるものではなく、導体パターンが絶縁基板１１を介して積層された基板であればどのような基板で構成されてもよい。

ここで、１次側第１コイル部２１は、多層プリント基板１０の導体パターンを有効利用したものである。しかし、前述のように多層プリント基板１０の構造によって１次側第１コイル部２１の導体パターンの厚さや、１次側第１コイル部２１の導体パターンの積層数などの制約を受ける。多層プリント基板１０が、例えば厚さ３５μｍの導体パターンが絶縁基板１１を介して４層積層された汎用的な４層基板で構成されている場合には、１次側第１コイル部２１の導体パターンの厚さも３５μｍとなり、また、１次側第１コイル部２１の導体パターンの積層数の上限も４に制限される。一方、１次側第１コイル部２１と直列に接続された１次側第２コイル部２５には、１次側第１コイル部２１のような制約がなく、その厚さや積層数を自由に設定することができる。そこで、１次側第１コイル部２１の各導体パターンの接続態様を調整して、要求される電流容量に対して１次側第１コイル部２１の断面積を最適化し、さらに、要求されるコイル全体としての巻数を１次側第１コイル部２１だけでまかなえない場合には、導体板の巻数を調整して、コイル全体としての巻数を最適化することが可能である。

図２および図３に示した実施の形態では、１次側第１コイル部２１は、多層プリント基板１０の所定の各面内に１巻きされたコイル状導体パターンからなる４つのコイル巻回部２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄ全てを電気的に並列接続したものである。具体的構成は、コイル巻回部２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄを絶縁基板１１を介してこの順に積層して構成し、全てのコイル巻回部２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄをビア（Ｖｉａ）やスルーホール等によるそれぞれ２つの接続部Ｊ１，Ｊ２を介して互いに電気的に並列に接続している。また、接続部Ｊ２の一方は、１次側第２コイル部２５との接続用のコンタクトホールＨ１を兼用している。この様にコンタクトホールＨ１と接続部Ｊ２が兼用されている場合には、少なくとも兼用部分は、スルーホールで形成される。

なお、図２および図３に示した実施の形態では、接続部Ｊ２の一方がコンタクトホールＨ１と兼用されているが、必ずしもその必要はなく、接続部Ｊ１，Ｊ２とコンタクトホールＨ１とを別々に設けてもよい。また、４つのコイル巻回部２２Ａ〜２２Ｄ全てを電気的に並列接続するために接続部Ｊ１，Ｊ２を２つずつ設けているが、それぞれが同数である必要はなく、また、１つずつとしてもよく、あるいは、３つずつ以上設けてもよい。

本形態のように各コイル巻回部を互いに並列に接続すると、コイル巻回部の数に比例して１次側第１コイル部２１の断面積が大きくなることから、１次側第１コイル部２１は、一のコイル巻回部の断面積の４倍の大きさの断面積を有する１ターンのコイルとすることができる。

図４および図５は、他の実施の形態を表すものである。この実施の形態では、１次側第１コイル部２１が、多層プリント基板１０の所定の各面内に１巻きされたコイル状導体パターンからなる４つのコイル巻回部２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄを有する点では、前記の形態と同様である。本形態では、コイル巻回部２２Ａ，２２Ｂを並列接続すると共にコイル巻回部２２Ｃ，２２Ｄを並列接続して２組の並列接続コイル部分を設け、さらに、これら２組の並列接続コイル部分を互いに直列に接続している。具体的には、絶縁基板１１を介して、コイル巻回部２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄをこの順に積層し、コイル巻回部２２Ａ，２２Ｂを接続部Ｊ３，Ｊ５を介して互いに電気的に並列に接続すると共にコイル巻回部２２Ｃ，２２Ｄを接続部Ｊ４，Ｊ５互いに電気的に並列に接続している。そして、コイル巻回部２２Ａ，２２Ｂからなる並列接続コイル部分とコイル巻回部２２Ｃ，２２Ｄからなる並列接続コイル部分とを互いに接続部Ｊ５で電気的に直列に接続している。図４では、断面位置に接続部Ｊ４を配置していないが、その位置が分かるよう点線で表している。なお、接続部Ｊ３、Ｊ４、Ｊ５は、Ｖｉａやスルーホールで構成されている。そして、図に示したように、接続部Ｊ４は、基板を貫通するよう構成されている。これは本実施の形態において、接続部Ｊ４は、１次側第２コイル部２５との接続用のコンタクトホールＨ１を兼用しているためである。この様に構成することで、はんだ槽にてはんだ付けする際に、実装用はんだが基板の裏から進入してコンタクトホールＨ１に嵌入した１次側第２コイル部２５の嵌入部２５Ａと多層プリント基板１０に設けられた１次側第１コイル部２１の接続を確実に行うことが出来る。また、この様な構成にしているので、図に示すようにコイル巻回部２２Ｂ，２２Ａは、接続部Ｊ４と不要な接続を避ける構成となっている。

本実施の形態では、接続部Ｊ４は多層プリント基板１０を貫通し、接続部Ｊ３は、コイル巻回部２２Ｂ，２２Ａとのみ接続されるよう途中まで形成されているが、接続部Ｊ３も多層プリント基板１０を貫通するよう形成してもよい。この様に構成すると、基板途中までのビアやスルーホールを設ける必要はないため、基板の作成が容易となる。ただし、コイル巻回部２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄは、接続部Ｊ４とＪ３と不要な接触を避けるべく構成されている。なお、接続部Ｊ４がコンタクトホールＨ１を兼用していない場合、接続部Ｊ４とコンタクトホールＨ１を別々に設ければ良く、この場合は接続部Ｊ４は多層プリント基板１０を貫通していない構成とすることも可能である。

本形態の場合、コイル巻回部２２Ａおよびコイル巻回部２２Ｂで構成される並列接続コイル部分、および、コイル巻回部２２Ｃおよびコイル巻回部２２Ｄで構成される並列接続コイル部分は全体として一のコイル巻回部の断面積の２倍の大きさの断面積を有する１ターンのコイルとなる。これら２つの並列接続コイル部分を直列に接続しているので、１次側第１コイル部２１は、一のコイル巻回部の断面積の２倍の大きさの断面積を有する２ターンのコイルとなる。なお、このような構成とした場合には、全てのコイル巻回部を２ターンで構成し、その全てを図２の場合と同様に並列に接続した場合に比べて、並列になるコイル数が減るので、１次側第１コイル部２１における、並列接続に起因する電流の偏りが小さくなり、１次側第１コイル部２１における全損失の大きさも小さくなる。

図６および図７は、さらに他の実施の形態を表すものである。この実施の形態では、１次側第１コイル部２１が、多層プリント基板１０の所定の各面内に１巻きされたコイル状導体パターンからなる４つのコイル巻回部２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄを有する点では、前記の形態と同様である。本形態は、コイル巻回部２２Ａ，２２Ｄを直列接続すると共にコイル巻回部２２Ｂ，２２Ｃを直列接続して２組の直列接続コイル部分を設け、さらに、これら２組の直列接続コイル部分を互いに並列に接続している。具体的には、絶縁基板１１を介して、コイル巻回部２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄをこの順に積層し、コイル巻回部２２Ａ，２２Ｄを接続部Ｊ６を介して電気的に接続すると共にコイル巻回部２２Ｂ，２２Ｃを接続部Ｊ７で電気的に接続している。そして、コイル巻回部２２Ａ，２２Ｂを接続部Ｊ８を介して電気的に接続すると共にコイル巻回部２２Ｃ，２２Ｄを接続部Ｊ８を介して電気的に接続している。図６では、断面位置に接続部Ｊ９を配置していないが、その位置が分かるよう点線で表している。なお、接続部Ｊ６〜Ｊ９は、ビアやスルーホールで構成されている。本実施の形態においても、接続部Ｊ９は、１次側第２コイル部２５との接続用のコンタクトホールＨ１を兼用している。この様にコンタクトホールＨ１と接続部Ｊ９が兼用されている場合には、少なくとも兼用部分は、スルーホールで形成される。なお、接続部Ｊ９がコンタクトホールＨ１を兼用していない場合、接続部Ｊ９とコンタクトホールＨ１を別々に設ければよい。なお、接続部Ｊ６〜９は、基板を貫通するよう構成されていてもよい。この様に構成されることで、基板途中までのビアやスルーホールを設ける必要はないため、基板の作成が容易となる。ただし、上記した構成を担保するため、コイル巻回部２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄは、接続部Ｊ６〜９との不要な接触を避けるべく構成される必要がある。

本形態の場合、コイル巻回部２２Ａおよびコイル巻回部２２Ｄの直列接続コイル部分とコイル巻回部２２Ｂおよびコイル巻回部２２Ｃの直列接続コイル部分は、それぞれ全体として一のコイル巻回部の断面積と同等の大きさの断面積を有する２ターンのコイルとなる。１次側第１コイル部２１は、これら２つの直列接続コイル部分を並列に接続しているため、一のコイル巻回部の断面積の２倍の大きさの断面積を有する２ターンのコイルとなる。なお、本実施の形態においては、２つの直列接続コイル部分が並列に接続されているため、この並列接続をもって、並列接続コイル部分と考えることが出来る。

このように、各コイル巻回部の接続関係を適切に設定することにより、各コイル巻回部を互いに電気的に直列に接続した場合と比べて１次側第１コイル部２１の断面積を２倍以上に大きくすることができるので、大電流を流すことが可能である。そして、１次側第１コイル部２１の断面積は、他の実施の形態と同様であるが、並列接続による電流ループの数が減って、電流がより均一に流れるようになる。

なお、上記の図２ないし図７で例示された１次側第１コイル部２１では、実装面積の限られた多層プリント基板において巻数を増やす場合、コイルのサイズを維持して各コイル巻回部２２Ａ〜２２Ｄの巻数を増やすことが考えられるが、巻線同士の間隙（クリアランス）の分だけ断面積が減少する。このときに、多層プリント基板１０の構造に特に制約がない場合には、コイル巻回部の層数を増設すると共に増設したコイル巻回部を直列に接続することにより、各コイル巻回部の巻数を増やさなくても、１次側第１コイル部２１全体の巻数を維持したり、増やすことが考えられる。この様な場合には、各コイル巻回部の巻数を増やす代わりに、コイル巻回部の層数を増設すると共に増設したコイル巻回部を直列に接続することにより、コイルのサイズを維持しつつ第１コイル部２１の断面積を減少させることなく、１次側第１コイル部２１全体としての巻数を維持したり、増やすことが可能である。しかし、多くの場合、銅箔の層数や厚さを必要最小限に少なくしてコストを抑えることが求められる。この様に多層プリント基板１０の構造に制約がある場合には、前述のように１次側第２コイル部２５の巻数を適宜調節することにより、１次側第１コイル部２１の断面積を減少させることなく、１次側第１コイル部２１全体としての巻数を維持したり、増やすことが可能である。

次に、トランス１の効果について、３つの実施例と２つの比較例における損失を対比することにより説明する。なお、以下の結果は、有限要素法による渦電流解析の結果から算出したものである。

第１の実施例では、多層プリント基板１０を銅箔の厚さが３５μｍの４層基板とした。本実施例では、１次側第１コイル部２１を、４層基板にコイルとして同一形状の２ターンのコイル巻回部２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄを設け、これらコイル巻回部２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄを互いに電気的に並列接続して構成し、全体として２ターンのコイルとした。１次側第２コイル部２５を、厚さ０．５ｍｍの１枚の銅板を打ち抜くことにより形成された１枚の２ターンの渦巻き状のコイルにより構成した。そして、これら１次側第１コイル部２１および１次側第２コイル部２５を互いに電気的に直列接続して１次側コイル２０を構成し、全体として４ターンのコイルとした。また、２次側コイル２０，４０をそれぞれ、厚さ１．５ｍｍの１枚の銅板を打ち抜くことにより形成された１枚の１ターンのリング状のコイルにより構成した。

第２の実施例では、前実施例と同様に、多層プリント基板１０を銅箔の厚さが３５μｍの４層基板とした。本実施例では、図４および図５に示したように、１次側第１コイル部２１を、４層基板の各層にコイルとして同一形状の１ターンのコイル巻回部２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄを設けた。そして、コイル巻回部２２Ａ，２２Ｂを電気的に並列接続すると共に、１ターンのコイル巻回部２２Ｃ，２２Ｄを電気的に並列接続し、２組の並列接続コイル部分を設けた。さらに、コイル巻回部２２Ａ，２２Ｂからなる並列接続コイル部分と、コイル巻回部２２Ｃ，２２Ｄからなる並列接続コイル部分を電気的に直列接続して、全体として２ターンのコイルとした。また、１次側第２コイル部２５を、厚さ０．５ｍｍの１枚の銅板を打ち抜くことにより形成された１枚の２ターンの渦巻き状のコイルにより構成した。そして、これら１次側第１コイル部２１および１次側第２コイル部２５を互いに電気的に直列に接続して１次側コイル２０を構成し、全体として４ターンのコイルとした。

第３の実施例は、前実施例と同様に、多層プリント基板１０を銅箔の厚さが３５μｍの４層基板とした。本実施例では、図６および図７に示したように、１次側第１コイル部２１を、コイルとして同一形状の１ターンのコイル巻回部２２Ａ，２２Ｄを電気的に直列接続して２ターンの直列接続コイル部分を構成すると共に、コイルとして同一形状の１ターンのコイル巻回部２２Ｂ，２２Ｃを互いに電気的に直列接続して同様に２ターンの直列接続コイル部分を構成した。さらに、それらの２ターンの直列接続コイル部分同士を並列接続して、第１コイル部全体として２ターンのコイルとした。１次側第２コイル部２５を、厚さ０．５ｍｍの１枚の銅板を打ち抜くことにより形成された１枚の２ターンの渦巻き状のコイルにより構成した。そして、これら１次側第１コイル部２１および１次側第２コイル部２５を互いに電気的に直列に接続して１次側コイル２０を構成し、全体として４ターンのコイルとした。

したがって、３つの実施例共に、１次側第１コイル部２１は、接続方法が異なるため、構造的な巻き方は異なるものの、同一の４層基板を用いて２ターンのコイルを構成している。

第１の比較例では、上記実施例と同様の銅箔の厚さが３５μｍの４層プリント基板を用いた。その基板の４層とも同一形状の４ターンのコイルを形成し、それら電気的に並列接続して４ターンのコイルとした。さらに厚さ０．５ｍｍ銅板を用いて、４層プリント基板のコイルとほぼ同一形状の４ターンの渦巻き状コイルを重ねあわせ、プリント基板の４ターンのコイルと並列接続し、全体として４ターンのコイルとした。

第２の比較例でも、上記実施例と同様の銅箔の厚さが３５μｍの４層プリント基板を用いた。本比較例では、その基板の４層とも１ターンのコイルを形成し、それらを電気的に直列接続して４ターンのコイルとした。第２の比較例では、銅板を打ち抜いたコイルは用いずに、プリント基板内のコイルのみとした。

表１に、それぞれの実施例および比較例を一次側コイルとし、厚さ１．５ｍｍの１枚の銅板を打ち抜くことにより形成された１ターンのリング状の２次側コイル２０，４０をその一次側コイルの上下に配置し、トランスとして動作させ、同一の交流電流を与えた場合の各コイル巻回部２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄの損失を表した。なお、周波数は１００ｋＨｚとし、損失の値は第１の比較例における合計損失を１としてそれに対する相対値で表している。

また、表２に、それぞれの実施例および比較例において、上下に二次側コイルを配置せず、インダクタとして動作させ、同一の交流電流を与えた場合の各コイル巻回部２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄの損失を表した。周波数は１００ｋＨｚとし、損失の値はトランスの場合と同様に第１の比較例における合計損失を１としてそれに対する相対値で表している。

表１および表２から、第１の実施例においては、一次側コイルの合計損失は、共に０．９２であり、第１の比較例に対して小さくなっている。また、第２の実施例では、合計損失がそれぞれ０．８１および０．８５と、さらに小さくなっている。さらに、第３の実施例においては、合計損失がそれぞれ０．７２、０．８１と、第２の実施例よりもさらに小さくなった。したがって、第１の比較例よりも大きな電流を流すことができることがわかる。

ここで、第１の比較例よりも実施例１の損失が小さいのは、多層プリント基板１０内の１次側第１コイル部２１と、導体板により構成された１次側第２コイル部２５が直列に接続されているため、それぞれのコイルに流れる電流の偏りが減ったためであり、また、比較例が第一のコイルの各コイル状導体パターンと１次側第２コイル部２５が共に４ターンを構成しているのに対し、実施例１は１次側第１コイル部２１の各コイル状導体パターンと１次側第２コイル部２５共に２ターンで構成することができるので、コイル間の絶縁間隔に要する無駄が減ったためである。

また、第２の実施例および第３の実施例では、第１の実施例よりもさらに損失が減っている。これは、第１の実施例の１次側第１コイル部２１では、全てのコイル状導体パターンが２ターンであり、全て並列接続だったのに対し、第２の実施例および第３の実施例では、１次側第１コイル部２１の各コイル状導体パターンが１ターンで構成され、同じ２ターンを構成する場合に並列接続部分が減り、１次側第１コイル部２１の各層における電流の偏りがさらに減ったためである。

また、第３の実施例では、第２の実施例はよりもさらに損失が減っている。この効果は特にトランスにおいて顕著であるが、これは、第２の実施例においては、１次側第１コイル部２１における並列接続による電流のループが２つあったのに対し、実施例３では１つになっており、並列接続部分がさらに減ったことが一つの要因である。さらに、第３の実施例においては、並列接続されている２２Ａ、Ｄ直列接続の２ターンと２２Ｂ、Ｃの直列接続の２ターンの両者が２次巻線に対する平均距離がほぼ同一になっており、その結果、二次巻線との結合もほぼ同一になったことがもう一つの要因である。

このことから、１次側第１コイル部２１と１次側第２コイル部２５を直列接続し、さらに１次側第１コイル部２１の各コイル状導体パターンを１ターンで構成することにより、コイル間の絶縁間隔に要する無駄を減らし、並列接続部分を極力減らすことができるので、電流の偏りが少なくなり、損失を減少させることができる。これはすなわち、多層プリント基板１０の銅箔を有効に利用できることを表している。また、損失が少なくなるので、より大電流に対応することができる。

なお、第１〜第３の実施例共に、第２の比較例で示したプリント基板のみで構成した場合よりも充分に損失が小さいため、プリント基板のみの場合よりも電流容量を大きく取ることができることは明らかである。

［適用例］
次に、上記実施の形態のトランス１をスイッチング電源に適用した場合について説明する。

図８はトランス１の一適用例に係るスイッチング電源の回路構成を表すものである。このスイッチング電源は、高圧バッテリ等（図示せず）から供給される高圧の直流入力電圧Ｖｉｎを、より低い直流出力電圧Ｖｏｕｔに変換して、負荷（図示せず）に供給するＤＣ−ＤＣコンバータとして機能するものであり、後述するように２次側がセンタタップ型のスイッチング電源である。

このスイッチング電源は、一次側高圧ラインＬ１Ｈと１次側低圧ラインＬ１Ｌとの間に設けられたスイッチング回路６と、トランス１を備える。１次側高圧ラインＬ１Ｈに入力端子Ｔ１が、１次側低圧ラインＬ１Ｌに入力端子Ｔ２がそれぞれ設けられており、これら入力端子Ｔ１，Ｔ２が高圧バッテリの出力端子と接続されるようになっている。

このスイッチング電源はまた、トランス１の２次側に設けられた整流回路８と平滑回路９とを備える。なお、整流回路８および平滑回路９からなる回路が本発明の「出力回路」に相当する。平滑回路９の高圧側のラインである出力ラインＬ０に出力端子Ｔ３が、平滑回路９の低圧側のラインである接地ラインＬＧに出力端子Ｔ４がそれぞれ設けられており、これら出力端子Ｔ３，Ｔ４が負荷の入出力端子と接続されるようになっている。

スイッチング回路６は、高圧バッテリ等から出力される直流入力電圧Ｖｉｎをほぼ矩形波状の単相交流電圧に変換する単相スイッチング回路である。このスイッチング回路６は、制御回路（図示せず）から供給されるスイッチング信号によってそれぞれ駆動される４つのスイッチング素子６１，６２，６３，６４をフルブリッジ接続してなるフルブリッジ型のスイッチング回路である。スイッチング素子としては、例えば、ＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor-Field Effect Transistor ）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolor Transistor ）などの素子が用いられる。

スイッチング素子６１は、トランス１の１次側コイル２０の引出部２６と１次側高圧ラインＬ１Ｈとの間に設けられ、スイッチング素子６２は１次側コイル２０の引出部２６と１次側低圧ラインＬ１Ｌとの間に設けられている。スイッチング素子６３は１次側コイル２０の引出部２７と１次側高圧ラインＬ１Ｈとの間に設けられ、スイッチング素子６４は１次側コイル２０の引出部２７と１次側低圧ラインＬ１Ｌとの間に設けられている。

これより、スイッチング回路６は、スイッチング素子６１，６４のオン動作により、１次側高圧ラインＬ１Ｈから順にスイッチング素子６１、１次側コイル２０およびスイッチング素子６４を通って１次側低圧ラインＬ１Ｌに至る第１の電流経路に電流が流れる一方、スイッチング素子６２，６３のオン動作により、１次側高圧ラインＬ１Ｈから順にスイッチング素子６３、１次側コイル１０、およびスイッチング素子６２を通って１次側低圧ラインＬ１Ｌに至る第２の電流経路に電流が流れるようになっている。

トランス１の２次側では、２次側コイル３０の引出部３３と、２次側コイル４０の引出部４２とが、センタタップＣで互いに接続され、このセンタタップＣが接地ラインＬＧを介して出力端子Ｔ４に接続されている。また、２次側コイル３０の引出部３２と、２次側コイル４０の引出部４３とが、後述のダイオード８１，８２を介して接続点Ｅで互いに接続され、この接続点Ｅが出力ラインＬ０を介して出力端子Ｔ３に接続されている。つまり、トランス１の２次側はセンタタップ接続となっている。

整流回路８は、一対のダイオード８１，８２からなる単相全波整流型のものである。ダイオード８１のアノードは２次側コイル３０の引出部３２に、ダイオード８１のカソードは出力ラインＬ０にそれぞれ接続されている。ダイオード８２のアノードは２次側コイル４０の引出部４３に、ダイオード８２のカソードは出力ラインＬ０にそれぞれ接続されている。この整流回路８は、トランス１の交流出力電圧の各半波期間をそれぞれダイオード８１，８２によって個別に整流してセンタタップＣおよび接続点Ｅから整流電圧を出力するようになっている。つまり、この整流回路８はカソードコモン接続となっている。

平滑回路９は、チョークコイル９１と、平滑コンデンサ９２とを含んで構成されており、整流回路８で整流された直流電圧を平滑化して直流出力電圧Ｖｏｕｔを生成し、これを出力端子Ｔ３，Ｔ４から負荷に供給するようになっている。この平滑回路９は、整流回路８から出力された整流電圧を平滑して出力直流出力電圧Ｖｏｕｔを出力端子Ｔ３および出力端子Ｔ４に出力するようになっている。

次に、以上のような構成のスイッチング電源の作用を説明する。なお、以下では、一般的なスイッチング動作でスイッチング回路６を駆動する場合について説明するが、例えば、ゼロボルトスイッチング（Zero Volto Switching）動作でスイッチング回路６を駆動することも可能である。

スイッチング回路６のスイッチング素子６１，６４がオンすると、スイッチング素子６１からスイッチング素子６４の方向に電流が流れ、トランス１の２次側コイル３０，４０に現れる電圧がダイオード８２に対して逆方向となり、ダイオード８１に対して順方向となる。このため、２次側コイル３０およびダイオード８１を通って出力ラインＬＯに電流が流れる。

次に、スイッチング素子６１、６４がオフになり、６２，６３がオンすると、スイッチング素子６３からスイッチング素子６２の方向に電流が流れ、トランス１の２次側コイル３０，４０に現れる電圧がダイオード８２に対して順方向になる一方、ダイオード８１に対して逆方向となる。このため、２次側コイル４０およびダイオード８２を通って出力ラインＬＯに電流が流れる。

このようにして、スイッチング電源は、高圧バッテリ等から供給された直流入力電圧Ｖｉｎを直流出力電圧Ｖｏｕｔに変圧（降圧）し、その変圧した直流出力電圧Ｖｏｕｔを負荷に印加し、電力を供給する。

制御回路およびスイッチング回路を駆動するドライブ回路、およびスイッチング素子は図１に示した多層プリント基板１０に搭載されており、多層プリント基板１０の層構成はこれらの回路素子の配線パターンの設計によってほとんど決定される。そのため、多層プリント基板１０内に設けられた１次側第１コイル部２１の各コイル状導体パターンの厚さや積層数の変更には制約が生じる。

しかし、本適用例では、上記トランス１の一次側コイル２０において、その多層プリント基板１０内に設けられた複数のコイル状導体パターンからなる１次側第１コイル部２１と、多層プリント基板１０上に搭載された導体板からなる１次側第２コイル部２５とを互いに直列に接続するようにしたので、１次側第１コイル部２１の各コイル状導体パターンの接続態様を図２〜図７に例示したような並列接続等に調整することにより、要求される電流容量に対して１次側第１コイル部２１の断面積を最適化することができる。また、１次側第２コイル部２５では、導体板の断面積や巻数を自由に変更することが容易であるので、要求されるコイル全体としての巻数を１次側第１コイル部２１だけでまかなえない場合には、導体板の巻数を調整することにより、コイル全体としての巻数を最適化することができる。これにより、大電流への対応が可能となる。

さらに、本発明のスイッチング電源装置では、１次側第２コイル部２５の巻数を変更することで、多層プリント基板１０を変更せずに合計の巻数の変更を簡単にできるという効果がある。すなわち、要求される入出力電圧範囲に応じて１次側第２コイル部２５のみを付け替えてトランスの巻数比を変え、第一のコイルを含む多層プリント基板１０の変更を必要とせずに、多様な仕様に対応することができるという効果もある。

［上記適用例の変形例］
なお、上記適用例では、トランス１の２次側がセンタタップ接続、そして整流回路８がカソードコモン接続となっていたが、その他の接続態様であってもよく、例えば、整流回路８をアノードコモン接続とすることも可能である。

また、トランス１を、例えば整流回路８がダイオードブリッジ接続となっているスイッチング電源に適用することも可能である。また、トランス１を、例えば整流回路８がカレントダブラ型であってアノードコモン接続となっているスイッチング電源に適用することも可能である。また、トランス１を、例えば整流回路８がカレントダブラ型であってカソードコモン接続となっているスイッチング電源に適用することも可能である。

以上、実施の形態および適用例ならびにこれらの変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明は、これらに限定されず、種々の変形が可能である。

例えば、上記実施の形態および適用例ならびにこれらの変形例では、１次側コイル２０を高圧側のコイルとし、２次側コイル３０，４０を低圧側のコイルとしていたが、高圧側と低圧側の対応関係をそれとは逆にしてもよい。

本発明の一実施の形態に係るトランスの構成を展開して表す概念図である。 図１の１次側第１コイル部のＡ−Ａ矢視方向の断面構成の一例を表す断面図である。 図２の１次側第１コイル部の構成を展開して表す概念図である。 図１の１次側第１コイル部のＡ−Ａ矢視方向の断面構成の他の例を表す断面図である。 図４の１次側第１コイル部の構成を展開して表す概念図である。 図１の１次側第１コイル部のＡ−Ａ矢視方向の断面構成の他の例を表す断面図である。 図６の１次側第１コイル部の構成を展開して表す概念図である。 図１のトランスの一適用例に係るスイッチング電源を表す回路図である。

符号の説明

１…トランス、６…スイッチング回路、８…整流回路、９…平滑回路、１０…プリント基板、１１…絶縁基板、１２…回路部品、２０…１次側コイル、２１…１次側第１コイル部、２２Ａ〜２２Ｄ…コイル巻回部、２５…１次側第２コイル部、２５Ａ，２５Ｂ…嵌入部、２６，２７，３２，３３，４２，４３…引出部、３０，４０…２次側コイル、３４，４４…ギャップ、５０Ａ，５０Ｂ…磁心、５０Ｃ…中足、６１，６２，６３，６４…スイッチング素子、７０…コイル、８１，８２…ダイオード、９１…チョークコイル、９２…平滑コンデンサ、Ｃ，Ｅ…接続点、Ｈ１，Ｈ２…コンタクトホール、Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５…接続部、Ｌ１Ｈ…１次側高圧ライン、Ｌ１Ｌ…１次側低圧ライン、ＬＯ…出力ライン、ＬＧ…接地ライン、Ｓ…絶縁シート、Ｔ１，Ｔ２…入力端子、Ｔ３，Ｔ４…出力端子、Ｖｉｎ…入力直流電圧、Ｖｏｕｔ…出力直流電圧。

Claims (9)

1. 多層プリント基板に実装された複数のスイッチング素子を有し、前記複数のスイッチング素子のオンオフ動作により、入力電圧をパルス電圧に変換するスイッチング回路と、
   １次側コイルおよび２次側コイルを有し、前記パルス電圧を変圧するトランスと
   を備え、
   前記１次側コイルは、
   前記多層プリント基板の各層に設けられたコイル状導体パターンを互いに電気的に接続して構成された第１のコイル部と、
   前記多層プリント基板と対向して配置されると共に前記第１のコイル部と電気的に直列接続された導体板により構成された第２のコイル部と
   を有する
   ことを特徴とするスイッチング電源。
2. 前記各層のコイル状導体パターンは１ターンで構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源。
3. 前記第１のコイル部は、前記コイル状導体パターン同士が並列接続された並列接続コイル部分を少なくとも１つ有する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のスイッチング電源。
4. 前記第２のコイル部は１枚の導体板により構成されている
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のスイッチング電源。
5. 前記多層プリント基板に接続用穴が形成されると共に前記第２のコイル部に嵌入部が形成され、
   前記嵌入部が前記接続用穴に嵌入されることにより前記第１および第２のコイル部が電気的に接続されている
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のスイッチング電源。
6. 前記複数のスイッチング素子のオンオフ動作を制御する制御回路を備え、
   前記制御回路は、前記多層プリント基板に搭載されている
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のスイッチング電源。
7. 前記トランスは、前記パルス電圧を降圧するようになっている
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のスイッチング電源。
8. 前記２次側コイルは、導体板により構成された第３のコイル部と、前記第３のコイル部と電気的に接続された導体板により構成された第４のコイル部とを有し、
   前記トランスは、前記第３のコイル部、前記１次側コイル、前記第４のコイル部をこの順に重ね合わせるとともに、磁心に巻回することにより構成されている
   ことを特徴とする請求項７に記載のスイッチング電源。
9. 前記第２のコイル部は、前記多層プリント基板の、前記複数のスイッチング素子が実装された面側に配置されている
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のスイッチング電源。

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