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技術 巻線構成要素によって生成される電気接地変位電流を、追加巻線を必要とすることなく実質的に小さくするための方法および装置

出願人 パワー・インテグレーションズ・インコーポレーテッド
発明者 チャン・ウーング・パク
出願日 2002年12月24日 (18年2ヶ月経過) 出願番号 2002-372991
公開日 2003年8月22日 (17年6ヶ月経過) 公開番号 2003-234221
状態 特許登録済
技術分野 変成器又はリアクトル一般 DC‐DCコンバータ
主要キーワード 通常流れ 追加巻線 差電界 帰還制御信号 一次スイッチ 有効巻線 行ワイヤ 低磁気抵抗
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (8)

課題

電気接地変位電流を実質的に小さくするための方法および装置を提供すること。

解決手段

エネルギー伝達エレメント入力巻線とエネルギー伝達エレメント出力巻線とを有するエネルギー伝達エレメントである。一形態では、エネルギー伝達エレメント入力巻線は、エネルギー伝達エレメント出力巻線に容量結合されている。エネルギー伝達エレメントは、電気接地に容量結合されている。エネルギー伝達エレメント入力巻線とエネルギー伝達エレメント出力巻線の間の容量性変位電流が、これらの巻線間および/またはエネルギー伝達エレメントと電気接地の間に生成される相対静電界平衡させることによって、何ら巻線を追加することなく実質的に低減されている。

概要

背景

関連出願
本出願は、2001年12月21日出願の、「Method And Apparatus For Substantially Reducing Electrical Earth Displacement CurrentFlow Generated by Wound Components Without Requiring Additional Windings」という名称の米国仮出願第60/342,677号に対する優先権を主張するものである。

図1は、フライバックコンバータ電源101の略図を示したものである。フライバック・コンバータ101電源の基本的な動作については豊富な文献があり、当分野の技術者に知られている通りである。一次スイッチ103は、必ずしもそうである必要はないが、典型的には、図に示すように、電源の二次側からの帰還制御信号105を介して制御されている。エネルギー伝達エレメントまたはトランス107の巻線は、巻線電圧位相関係を示すために使用されているドット極性を有している。電圧が巻線の両端間で変化している間は、巻線のドット端は同相である。

図2は、図1の略図を拡張した電源201の略図を示したもので、トランス本体または構造(エネルギー伝達エレメント)と電気接地の間に存在する寄生キャパシタンス209、入力巻線および出力巻線とトランス本体(コア)の間に存在する寄生キャパシタンス211、およびトランスの入力巻線と出力巻線の間に存在する寄生キャパシタンス213が示されている。通常、トランスコアは、トランス構造に使用されているフェライト・コアであり、トランス207の入力巻線および出力巻線を磁束結合させるための低磁気抵抗経路を提供している。図2に注記されているように、トランスの出力部と電気接地の間の寄生キャパシタンス215は、アプリケーションに応じて、および/または電気雑音測定方法に応じて短絡される場合もある。

電源201が正規に動作している間は、トランス207の入力巻線および出力巻線の両端間の電圧は、標準のフライバック・コンバータ電源の動作に従って変化し、これらの変化により、図に示す様々な寄生キャパシタンス209、211、213および215を介して、電気接地に変位電流が生成される。これらの変位電流は、コモンモード雑音(またはエミッション)として検出され、ライン入力安定化回路網LISN)と呼ばれる試験装置によって測定される。この試験装置の構成および接続については豊富な文献があり、当分野の技術者に知られている通りである。

概要

電気接地変位電流を実質的に小さくするための方法および装置を提供すること。

エネルギー伝達エレメント入力巻線とエネルギー伝達エレメント出力巻線とを有するエネルギー伝達エレメントである。一形態では、エネルギー伝達エレメント入力巻線は、エネルギー伝達エレメント出力巻線に容量結合されている。エネルギー伝達エレメントは、電気接地に容量結合されている。エネルギー伝達エレメント入力巻線とエネルギー伝達エレメント出力巻線の間の容量性変位電流が、これらの巻線間および/またはエネルギー伝達エレメントと電気接地の間に生成される相対静電界平衡させることによって、何ら巻線を追加することなく実質的に低減されている。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
2件

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請求項1

エネルギー伝達エレメントコアと、エネルギー伝達エレメント・コアの周囲に巻かれた第1の巻線と、エネルギー伝達エレメント・コアの周囲に巻かれた、第1の巻線と容量結合する第2の巻線と、エネルギー伝達エレメント・コアの周囲に巻かれた第1または第2の巻線の一方に含まれた、エネルギー伝達エレメントと電気接地の間を流れる容量性変位電流を実質的に小さくするための平衡部分とを備えるエネルギー伝達エレメント。

請求項2

前記第1または第2の巻線の一方の平衡部分が、前記容量性変位電流を小さくするために、エネルギー伝達エレメントと電気接地の間に生成される相対静電界を平衡させるようになされる請求項1に記載のエネルギー伝達エレメント。

請求項3

第1の巻線が、エネルギー伝達エレメント入力巻線を備える請求項1に記載のエネルギー伝達エレメント。

請求項4

第1の巻線が、エネルギー伝達エレメント出力巻線を備える請求項1に記載のエネルギー伝達エレメント。

請求項5

平衡部分が、第1の巻線の複数の層のうちの1つである請求項1に記載のエネルギー伝達エレメント。

請求項6

平衡部分が、第2の巻線に最も近接して巻かれた第1の巻線の複数の層のうちの1つである請求項1に記載のエネルギー伝達エレメント。

請求項7

平衡部分が、第2の巻線の複数の層のうちの1つである請求項1に記載のエネルギー伝達エレメント。

請求項8

平衡部分が、第1の巻線に最も近接して巻かれた第2の巻線の複数の層のうちの1つである請求項1に記載のエネルギー伝達エレメント。

請求項9

前記第1または第2の巻線の一方の平衡部分の巻き数が、エネルギー伝達エレメントと電気接地の間に生成される相対静電界を平衡させるように選択される請求項1に記載のエネルギー伝達エレメント。

請求項10

前記第1または第2の巻線の一方の平衡部分が、エネルギー伝達エレメントの有効巻線領域のカバレージを提供するように巻かれる請求項1に記載のエネルギー伝達エレメント。

請求項11

前記第1または第2の巻線の一方の平衡部分が、エネルギー伝達エレメントの有効巻線領域に平行に巻かれたワイヤを備え、それによりエネルギー伝達エレメントの有効巻線領域をカバーし、エネルギー伝達エレメントと電気接地の間に生成される相対静電界を平衡させる請求項10に記載のエネルギー伝達エレメント。

請求項12

前記第1または第2の巻線の一方の平衡部分が、エネルギー伝達エレメントの有効巻線領域をカバーするように選択されたゲージを有するワイヤを備え、それによりエネルギー伝達エレメントと電気接地の間に生成される相対静電界を平衡させる請求項10に記載のエネルギー伝達エレメント。

請求項13

エネルギー伝達エレメントがフライバックトランス内に含まれる請求項1に記載のエネルギー伝達エレメント。

請求項14

エネルギー伝達エレメントがフォワードコンバータトランス内に含まれる請求項1に記載のエネルギー伝達エレメント。

請求項15

エネルギー伝達エレメント・コアと、エネルギー伝達エレメント・コアの周囲に巻かれた第1の巻線と、エネルギー伝達エレメント・コアの周囲に巻かれた、第1の巻線と容量結合する第2の巻線と、エネルギー伝達エレメント・コアの周囲に巻かれた第1または第2の巻線の一方に含まれた、第1の巻線と第2の巻線の間を流れる容量性変位電流を実質的に小さくするための平衡部分とを備えるエネルギー伝達エレメント。

請求項16

前記第1または第2の巻線の一方の平衡部分が、前記容量性変位電流を小さくするために、第1の巻線と第2の巻線の間に生成される相対静電界を平衡させるようになされる請求項15に記載のエネルギー伝達エレメント。

請求項17

第1の巻線が、エネルギー伝達エレメント入力巻線を備える請求項15に記載のエネルギー伝達エレメント。

請求項18

第1の巻線が、エネルギー伝達エレメント出力巻線を備える請求項15に記載のエネルギー伝達エレメント。

請求項19

平衡部分が、第1の巻線の複数の層のうちの1つである請求項15に記載のエネルギー伝達エレメント。

請求項20

平衡部分が、第2の巻線に最も近接して巻かれた第1の巻線の複数の層のうちの1つである請求項15に記載のエネルギー伝達エレメント。

請求項21

平衡部分が、第2の巻線の複数の層のうちの1つである請求項15に記載のエネルギー伝達エレメント。

請求項22

平衡部分が、第1の巻線に最も近接して巻かれた第2の巻線の複数の層のうちの1つである請求項15に記載のエネルギー伝達エレメント。

請求項23

前記第1または第2の巻線の一方の平衡部分の巻き数が、第1の巻線と第2の巻線の間に生成される相対静電界を平衡させるように選択される請求項15に記載のエネルギー伝達エレメント。

請求項24

前記第1または第2の巻線の一方の平衡部分が、エネルギー伝達エレメントの有効巻線領域のカバレージを提供するように巻かれる請求項15に記載のエネルギー伝達エレメント。

請求項25

前記第1または第2の巻線の一方の平衡部分が、エネルギー伝達エレメントの有効巻線領域に平行に巻かれたワイヤを備え、それによりエネルギー伝達エレメントの有効巻線領域をカバーし、第1の巻線と第2の巻線の間に生成される相対静電界を平衡させる請求項24に記載のエネルギー伝達エレメント。

請求項26

前記第1または第2の巻線の一方の平衡部分が、エネルギー伝達エレメントの有効巻線領域をカバーするように選択されたゲージを有するワイヤを備え、それにより第1の巻線と第2の巻線の間に生成される相対静電界を平衡させる請求項24に記載のエネルギー伝達エレメント。

請求項27

エネルギー伝達エレメントがフライバックトランス内に含まれる請求項15に記載のエネルギー伝達エレメント。

請求項28

エネルギー伝達エレメントがフォワード・コンバータ・トランス内に含まれる請求項15に記載のエネルギー伝達エレメント。

請求項29

第1および第2の入力電圧端子と、第1の入力電圧端子に結合された少なくとも1つの入力巻線、および少なくとも1つの出力巻線を備え、さらに、入力巻線または出力巻線の一方に含まれた、入力巻線と出力巻線の間を流れる容量性変位電流を実質的に小さくするための平衡部分を有するエネルギー伝達エレメントと、エネルギー伝達エレメントと第2の入力電圧端子の間に結合されたスイッチであって、電源の出力に応じてスイッチを制御するようになされた制御回路に結合された制御端子を有するスイッチとを備える電源。

請求項30

記入力巻線または出力巻線の一方の平衡部分が、前記容量性変位電流を小さくするために、入力巻線と出力巻線の間に生成される相対静電界を平衡させるようになされる請求項29に記載の電源。

請求項31

平衡部分が、入力巻線の複数の層のうちの1つである請求項29に記載の電源。

請求項32

平衡部分が、出力巻線に最も近接して巻かれた入力巻線の複数の層のうちの1つである請求項31に記載のエネルギー伝達エレメント。

請求項33

平衡部分が、第2の巻線の複数の層のうちの1つである請求項29に記載のエネルギー伝達エレメント。

請求項34

平衡部分が、第1の巻線に最も近接して巻かれた第2の巻線の複数の層のうちの1つである請求項33に記載のエネルギー伝達エレメント。

請求項35

エネルギー伝達エレメント・コアの周囲に、入力巻線の複数の層を巻き付けるステップと、入力巻線の複数の層のうちの1つを、入力巻線の他の層に含まれている巻き数とは異なる巻き数で巻き付けるステップと、入力巻線と出力巻線の間を流れる容量性変位電流を実質的に小さくするために、エネルギー伝達エレメント・コアの周囲に、入力巻線の複数の層のうちの前記1つの層の巻き数と実質的に同じ巻き数で、出力巻線を巻き付けるステップとを含む方法。

請求項36

入力巻線の複数の層のうちの前記1つの層が、出力巻線に最も近接して巻かれた入力巻線の層である請求項35に記載の方法。

請求項37

エネルギー伝達エレメント・コアの周囲に、複数の入力巻線層を巻き付けるステップと、エネルギー伝達エレメント・コアの周囲に、出力巻線の複数の層を巻き付けるステップと、出力巻線に最も近接して巻かれた入力巻線の層に含まれている巻き数に実質的に等しい巻き数で、出力巻線の複数の層の1つを巻き付けるステップと、入力巻線と出力巻線の間を流れる容量性変位電流を実質的に小さくするために、エネルギー伝達エレメント・コアの周囲に、出力巻線の複数の層のうちの前記1つの層の巻き数とは異なる巻き数で、出力巻線の他の層を巻き付けるステップとを含む方法。

請求項38

エネルギー伝達エレメント・コアの周囲に、入力巻線の複数の層を巻き付けるステップと、巻線領域をカバーするために、平行に巻かれた複数のワイヤを使用して、入力巻線の複数の層のうちの1つを巻き付けるステップであって、外側層が全入力巻線電流を導くステップと、エネルギー伝達エレメント・コアの周囲に出力巻線を巻き付けるステップとを含み、入力巻線の複数の層のうちの前記1つの層が、入力巻線と出力巻線の間を流れる容量性変位電流を実質的に小さくするために、多数の巻き数およびゲージを有する方法。

請求項39

入力巻線の複数の層のうちの前記1つの層が、前記容量性変位電流を小さくするために、入力巻線と出力巻線の間に生成される相対静電界を平衡させるようになされる請求項38に記載の方法。

技術分野

0001

本発明は一般にエネルギー伝達エレメントに関し、より詳細には、少なくとも2つの巻線を有するエネルギー伝達エレメントに関する。

背景技術

0002

関連出願
本出願は、2001年12月21日出願の、「Method And Apparatus For Substantially Reducing Electrical Earth Displacement CurrentFlow Generated by Wound Components Without Requiring Additional Windings」という名称の米国仮出願第60/342,677号に対する優先権を主張するものである。

0003

図1は、フライバックコンバータ電源101の略図を示したものである。フライバック・コンバータ101電源の基本的な動作については豊富な文献があり、当分野の技術者に知られている通りである。一次スイッチ103は、必ずしもそうである必要はないが、典型的には、図に示すように、電源の二次側からの帰還制御信号105を介して制御されている。エネルギー伝達エレメントまたはトランス107の巻線は、巻線電圧位相関係を示すために使用されているドット極性を有している。電圧が巻線の両端間で変化している間は、巻線のドット端は同相である。

0004

図2は、図1の略図を拡張した電源201の略図を示したもので、トランス本体または構造(エネルギー伝達エレメント)と電気接地の間に存在する寄生キャパシタンス209、入力巻線および出力巻線とトランス本体(コア)の間に存在する寄生キャパシタンス211、およびトランスの入力巻線と出力巻線の間に存在する寄生キャパシタンス213が示されている。通常、トランスコアは、トランス構造に使用されているフェライト・コアであり、トランス207の入力巻線および出力巻線を磁束結合させるための低磁気抵抗経路を提供している。図2注記されているように、トランスの出力部と電気接地の間の寄生キャパシタンス215は、アプリケーションに応じて、および/または電気雑音測定方法に応じて短絡される場合もある。

0005

電源201が正規に動作している間は、トランス207の入力巻線および出力巻線の両端間の電圧は、標準のフライバック・コンバータ電源の動作に従って変化し、これらの変化により、図に示す様々な寄生キャパシタンス209、211、213および215を介して、電気接地に変位電流が生成される。これらの変位電流は、コモンモード雑音(またはエミッション)として検出され、ライン入力安定化回路網LISN)と呼ばれる試験装置によって測定される。この試験装置の構成および接続については豊富な文献があり、当分野の技術者に知られている通りである。

発明が解決しようとする課題

0006

また、図2には、コモン・モード・エミッションを小さくするために電源を切り換えるのに広く使用されているYコンデンサであるコンデンサCy217が強調されている。この構成要素、コンデンサCy217は、トランス207の入力巻線と出力巻線の間を流れる変位電流が、電気接地を通って流れずに、それらのソースに戻るための低インピーダンス経路を提供している。コンデンサCy217を流れる電流は、LISNによっては検出されず、したがってコンデンサCy217を使用することにより、コモン・モード・エミッションが低減される。

課題を解決するための手段

0007

エネルギー伝達エレメント入力巻線とエネルギー伝達エレメント出力巻線とを有するエネルギー伝達エレメントを開示する。一態様では、エネルギー伝達エレメント入力巻線はエネルギー伝達エレメント出力巻線に容量結合されている。エネルギー伝達エレメントは電気接地に容量結合されている。エネルギー伝達エレメント入力巻線とエネルギー伝達エレメント出力巻線の間、およびエネルギー伝達エレメントと電気接地の間の容量性変位電流が、これらの巻線間および/またはエネルギー伝達エレメントと電気接地の間に生成される相対静電界平衡させることによって実質的に低減されている。一実施形態では、上述の低減は、物理位置および既存の複数のエネルギー伝達エレメント巻線のうちの1つの一部の巻き数を選択することによって実現されており、したがって巻線を追加する必要はない。

0008

一実施態様では、本発明の教示によるエネルギー伝達エレメントは、エネルギー伝達エレメント入力巻線とエネルギー伝達エレメント出力巻線とを備えている。エネルギー伝達エレメント入力巻線は、エネルギー伝達エレメント出力巻線に容量結合されている。エネルギー伝達エレメントは電気接地に結合され、エネルギー伝達エレメント入力巻線および出力巻線は、エネルギー伝達エレメントと電気接地の間を流れる変位電流を何ら追加巻線を必要とすることなく実質的に小さくするように巻かれている。一実施態様では、エネルギー伝達エレメントはフライバックトランスである。一実施態様では、エネルギー伝達エレメントは、フォワード・コンバータ電源に使用されているフォワード・コンバータ・トランスである。

0009

他の実施態様では、本発明の教示によるエネルギー伝達エレメントは、エネルギー伝達エレメント入力巻線とエネルギー伝達エレメント出力巻線とを備えている。エネルギー伝達エレメント入力巻線はエネルギー伝達エレメント出力巻線に容量結合されている。エネルギー伝達エレメント入力巻線および出力巻線は、何ら追加巻線を必要とすることなく、入力巻線と出力巻線の間の容量性変位電流を実質的に小さくするように巻かれている。一実施態様では、これらの巻線間に生成される相対静電界を平衡させることによって、容量結合変位電流が実質的に低減されている。一実施態様では、エネルギー伝達エレメントはフライバックトランスである。一実施態様では、エネルギー伝達エレメントは、フォワード・コンバータ電源に使用されているフォワード・コンバータ・トランスである。

0010

さらに他の実施態様では、本発明の教示によるフライバック・コンバータ電源は2つの入力電圧端子と、エネルギー伝達エレメント入力巻線およびエネルギー伝達エレメント出力巻線を有するエネルギー伝達エレメントとを備えている。エネルギー伝達入力巻線は、一方の入力電圧端子およびスイッチの第1の端子に結合されている。スイッチの第2の端子は、もう一方の入力端子に結合されている。スイッチの第3の端子は、制御回路に結合されている。エネルギー伝達エレメント入力巻線は、エネルギー伝達エレメント出力巻線に容量結合されている。エネルギー伝達エレメント入力巻線および出力巻線は、何ら追加巻線を必要とすることなく、入力巻線と出力巻線の間の容量性変位電流を実質的に小さくするように巻かれている。

0011

さらに他の実施態様では、本発明の教示による方法には、エネルギー伝達エレメント入力巻線およびエネルギー伝達エレメント出力巻線を有するエネルギー伝達エレメントを、エネルギー伝達エレメント入力巻線とエネルギー伝達エレメント出力巻線の間を流れる容量結合変位電流が、何ら追加巻線を必要とすることなく実質的に低減されるように巻き付けるステップが含まれている。

0012

他の実施態様では、本発明の教示によるエネルギー伝達エレメントは、エネルギー伝達エレメント入力巻線とエネルギー伝達エレメント出力巻線とを備えている。エネルギー伝達エレメント入力巻線はエネルギー伝達エレメント出力巻線に容量結合されている。エネルギー伝達エレメント入力巻線および出力巻線は、エネルギー伝達エレメント入力巻線の一部または入力巻線部分として、あるいはエネルギー伝達エレメント出力巻線の一部または出力巻線部分として含まれている平衡巻線を使用することにより、入力巻線と出力巻線の間の容量性変位電流を実質的に小さくするように巻かれている。一実施態様では、平衡巻線部分は入力巻線の層の中に含まれている。一実施態様では、平衡巻線部分を備えた入力巻線の層は、出力巻線に最も近接した層になっている。他の実施態様では、平衡巻線部分は出力巻線の層の中に含まれている。一実施態様では、平衡巻線部分を備えた出力巻線の層は出力巻線に最も近接した層になっている。一実施態様では、エネルギー伝達エレメントの巻線間に生成される静電界を平衡させるために、入力巻線または出力巻線の平衡部分の巻き数が選択されている。一実施態様では、平衡部分は有効巻線領域のカバレージを提供するように巻かれている。一実施態様では、平衡部分は、1本または複数本ワイヤを平行に使用することによって、あるいは適切なワイヤ・ゲージを選択することによって、有効巻線領域のカバレージを提供するように巻かれている。一実施態様では、エネルギー伝達エレメントは、フライバックトランスである。一実施態様では、エネルギー伝達エレメントは、フォワード・コンバータ・トランスである。本発明のその他の特徴および利点については、以下に示す詳細説明および図から明らかになるであろう。

0013

添付の図は、本発明を詳細に説明するための、制限されることのない実施例を示したものである。

発明を実施するための最良の形態

0014

巻線構成要素によって生成される電気接地変位電流を小さくするための方法および装置の実施形態を開示する。以下の説明においては、本発明を完全に理解するために多数の特定の詳細が示されているが、本発明を実現するために特定の詳細を使用する必要がないことは、当分野の技術者には明らかであろう。したがって本発明を明確にするために、良く知られている材料あるいは方法については、ここではその詳細は省略されている。

0015

本明細書全体を通して参照されている「一実施形態」は、その実施形態に関連して記述されている特定の特徴、構造あるいは特性が、本発明の少なくとも1つの実施形態に含まれていることを意味している。したがって本明細書の様々な部分に出現する「一実施形態では」という語句は、必ずしも同じ実施形態をすべて指しているわけではない。また、特定の特徴、構造あるいは特性を、任意の適切な方法で1つまたは複数の実施形態の中に結合させることも可能である。

0016

スイッチング電源回路によって生じる電気雑音の原因については豊富な文献があり、当分野の技術者に知られている通りである。本発明は、特に、電源を切り換える動作中における、一般に電源トランスと呼ばれているエネルギー伝達エレメントによって生じるコモン・モード雑音の低減を目的としている。

0017

これらの技法は、フライバックおよびフォワード・コンバータ電源への適用が可能であるが、エネルギー伝達エレメンとしてトランスに言及することがより正確である。ここで考察する特定の実施形態では、フライバック回路例について考察され、また、エネルギー伝達エレメントはトランスとして参照されている。

0018

本明細書において説明する本発明の様々な実施形態は、電源によって生成される電気接地電流を実質的に小さくするためのトランス構造に使用される技法を提供し、それによりYコンデンサを使用する必要性を排除し、あるいは必要なYコンデンサの値を小さくすることによって、システムコストを削減することができる。また、Yコンデンサの値を小さくし、あるいはYコンデンサを排除することにより、安全分離出力とAC入力ラインの間の漏れ電流が小さくなる。これは、他にもあるが、例えばセルラ電話アプリケーションなど、出力がユーザと接触することがあるアプリケーションに有利である。

0019

詳細には、本明細書において説明する技法の様々な実施形態は、一次巻線二次巻線の間、または入力巻線と出力巻線の間およびトランスのコアと電気接地の間で電源を切り換える際に通常流れる容量性変位電流を実質的に小さくしている。一実施形態では、この低減は、トランスに巻線を追加することなく実現されている。あるいは、一実施形態では、トランス入力巻線とトランス出力巻線の間に生成される差動静電界を平衡させるために、入力巻線の最後の層が巻かれている。通常、これらの静電界によって変位電流が生成されるため、例えば、他の装置を妨害するこれらの変位電流を回避するための追加トランス巻線、あるいは外付け構成要素など、余計な対策を必要としていた。したがって本発明の様々な実施形態により、本開示による利益を持たない設計者に必要となる特定の電源構成要素あるいは追加トランス巻線が排除され、それによりシステム・コストが削減される。

0020

一般的には、電源切換の動作によって生成され、かつ、電気接地に流れる変位電流は、他の装置に影響を及ぼす電磁妨害雑音EMI)の原因となる、コモン・モード・エミッションとしても知られている電気雑音として測定される。したがってこれらの変位電流は、規制機構によって包括的に設定されている公示リミット未満に維持しなければならない。電源切換のトランスは、以下に示す2つの経路で電気接地に流れる変位電流を生成している。

0021

経路の1つは、トランスのコアと電気接地の間を流れる変位電流経路である。この変位電流は、トランスのコアと容量結合しているトランス巻線上の電圧変化によって生成される電流である。この変位電流は、次に、典型的にはトランスのコアと電気接地の間の自由空間を介して容量的に流れる。

0022

もう1つの経路は、トランスの一次巻線と二次巻線の間を流れる、これらの巻線間の電圧差によってもたらされる変位電流経路である。これらの巻線間の電圧差によって、巻線間キャパシタンスを流れる電流が生成される。この変位電流は、一方が電気接地である並列経路を介して、そのソースに戻ることになる。

0023

本発明の様々な実施形態は、電源を切り換える動作中に生成される、入力巻線と出力巻線の間の相対静電界を平衡させ、かつ、相殺させるために、トランス巻線の自然電圧変動を使用したトランス構造内の既存の巻線の使用を示している。一実施形態では、これらの既存巻線の設計は、使用されている巻線層の数および巻き数、およびそれらの物理位置の両方に対して、個々のトランスに固有である。これらの技法を使用することにより、電気接地に対するトランス巻線とトランス物理構造の間の変位電流が実質的に小さくなる。変位電流が小さくなることにより、コモン・モード・エミッションを小さくするために使用されているYコンデンサなどの外付け構成要素のコストが排除され、あるいは削減される。

0024

図3Aおよび3Bは、説明用としてトランス301の簡易略図および横断面図を示したものである。入力巻線303の2つの端部には、ノードAおよびノードBのラベルが振られている。出力巻線305の2つの端部には、ノードCおよびノードDのラベルが振られている。説明用として、トランスの物理コア307には、さらにノードEのラベルが振られている。巻線303および305のドット極性は、ノードBがノードAに対してより正の性質を帯びるように入力巻線303上の電圧が変化すると、ノードDの電圧がノードCに対して増加するようになっている。

0025

上で説明したように、これらの電圧変化によって寄生キャパシタンスに変位電流が生成され、電気接地に電流が流れる。以下で考察するように、これらの既存巻線の設計は、本発明の一実施形態で利用されており、これらの電気接地電流を実質的に小さくしている。

0026

図4Aは、本発明に従って巻かれたトランス401の一実施形態の略図を示したものである。トランス401は、フライバックトランス、フォワード・コンバータ・トランスまたは類似のトランスである。図4Aに示すトランスの略図は、図3Aに示すトランスの略図と同じであり、例えば入力巻線403の2つの端部には、ノードAおよびノードBのラベルが振られ、出力巻線405の2つの端部には、ノードCおよびノードDのラベルが振られている。また、説明用として、トランスの物理コア407には、さらにノードEのラベルが振られている。巻線403および405のドット極性は、ノードBがノードAに対してより正の性質を帯びるように入力巻線403上の電圧が変化すると、ノードDの電圧がノードCに対して増加するようになっている。

0027

図4Bは、トランス401の一実施形態の横断面図を示したものである。図4Bから、図に示す実施形態では、層の数は、図3Bに示すトランス301の入力巻線303の横断面図と同じであるが、トランス401の入力巻線403の外側層404の巻き数が、入力巻線403の先行する内側層または非外側層の巻き数より少なくなっていることが分かる。図4Bから分かるように、入力巻線403の外側層404は、入力巻線403の出力巻線405に最も近接して巻かれた層である。

0028

出力巻線405の巻き数が入力巻線403の外側層404の巻き数と同じである場合、出力巻線405および入力巻線403の各々によって生成される静電界が平衡し、一実施形態における変位電流が排除されるか、あるいは実質的に小さくなる。この分析は、入力巻線の内側層によって生成される静電界、およびトランスコアから出力巻線に容量結合している入力巻線によって生成される変位電流などの他の要因に強く影響されている。実際の一次巻線の外側層は、通常、トランスの出力巻線よりはるかに多い巻き数を有している。変位電流を小さくするための従来の解決法が、入力巻線と出力巻線の間に、個別の平衡巻線または遮蔽巻線を使用して変位電流を小さくしているのは、この理由によるものである。

0029

本発明の様々な実施形態では、平衡巻線または遮蔽巻線は、トランスの主入力巻線または主出力巻線の一部または巻線部分である。上記出力巻線の実施形態では、入力巻線の巻き数は、入力巻線および出力巻線の各々によって生成される静電界が平衡し、あらゆる変位電流が排除されるように、出力巻線の内側層の巻き数に実質的に等しくなっている。一実施形態では、入力および出力の両巻線によって生成される静電界の最適平衡を決定するために、経験による方法を使用して、正確な巻き数が選択されている。その実施形態では、出力巻線の平衡層は入力巻線に最も近接して巻かれた層である。多くの実用的なエネルギー伝達エレメント設計には、特定のアプリケーションの要求に応じて、異なる出力電圧サポートするための複数の出力巻線が存在している。これらの多重出力設計では、入力巻線に最も近接して巻かれた出力巻線の層は、この場合においても、本発明の教示による入力巻線および出力巻線によって生成される静電界を平衡させるために使用される層になっている。これらの様々な実施形態は、通常、この位置に個別平衡巻線または遮蔽巻線が導入されると減少することになる、入力巻線と出力巻線の間の閉磁気結合(低漏れインダクタンス)が維持される、という利点を有している。

0030

主入力巻線または主出力巻線が平衡巻線または遮蔽巻線部分を備える、本発明の教示によるこれらの様々な実施形態の実際的な実装は、部分的にトランスの巻線巻き数に依存している。また、変位電流をコアに結合している入力巻線に端を発している出力巻線に結合しているトランスコアからの容量結合変位電流、および出力巻線に直接結合している入力巻線の内側層からの容量結合変位電流などの他の影響のため、入力巻線の外側層の巻き数は、トランスの入力巻線と出力巻線の間の静電界の正味平衡をもたらすように理論的に提案される巻き数より少なくすることが望ましい。したがって、トランス内で利用することができる巻線領域の良好なカバレージを保証するために選択された2本以上の平行ゲージ・ワイヤを使用して、入力巻線の外側層を構成しなければならないことがしばしばである。それにより、これらの内側層と全巻線領域に渡る出力巻線の間の物理分離が維持され、入力巻線の内側層の影響が緩和される。

0031

図5Aは、説明用として本発明の教示によるトランス501の一実施形態の略図を示したもので、入力巻線503は、平衡巻線または遮蔽巻線部分506を備えている。したがって、図に示す実施形態が示しているように、入力巻線503の最終層504は、平衡巻線または遮蔽巻線部分506を備えた2本の平行ワイヤを使用して巻かれている。ノードEは、入力巻線503の第1の層の物理終端であり、トランス501を実際に構成する際に有用である。詳細には、ノードEにより、入力巻線503の先行する層に使用されている単線ワイヤに代わって、平衡巻線または遮蔽巻線部分506を含む2本の平行ワイヤを使用して、入力巻線503の最終層504を容易に開始することができる。しかしながらノードEは、終端ポイントおよび開始ポイントに過ぎず、ノードEをトランス外部の何らかの回路電気接続する必要はない。実際に、入力巻線503のノードAおよびノードBは、外部電源回路への接続用であり、平衡巻線または遮蔽巻線部分506を含む、入力巻線503のすべての層が直列に接続されることを意味している。したがってすべてが主入力巻線503電流を導くため、同じ入力巻線503部分を形成している。入力巻線503の最終層504は、入力巻線503の平衡または遮蔽部分506を備えている。

0032

図5Bは、このトランス501の一実施形態の横断面図を示したもので、この場合も、入力巻線503の最終層504は、入力巻線503の平衡巻線または遮蔽巻線部分506を含む2本の平行ワイヤを使用して巻かれ、有効巻線領域を効果的にカバーしている。図5Aおよび5Bでは、この平行な平衡巻線または遮蔽巻線部分506は、この外側層504のドット極性を、2つの隣接する導体中に示すことによって表されている。分かり易くするために、図5Bに示す実施形態の入力巻線503の最終層504は、隣接する平行一巻と一巻きの間に隙間を設けて示されているが、実際には、巻線領域を完全にカバーするために、平行ワイヤを緊密に巻くことによって、この層の最適平衡性能が得られるであろうことについては理解されよう。他の実施形態では、個々のトランス設計に応じて、さらに多くの平行ワイヤが使用されている。上で説明したように、この外側層または最終層504は、依然として全入力巻線503電流を導いており、したがってトランス501の主入力巻線503の統合部分であり、追加または個別巻線がトランス501に導入されていない、という事実を維持している。一実施形態では、入力巻線503のこの外側層に使用される巻き数およびワイヤ・ゲージの正確な選択は、経験による最適化技法に基づいて決定されている。図に示す実施形態では、出力巻線505は、物理コア507の周囲に巻かれた入力巻線503の外側に巻かれている。

0033

これらの選択に影響を及ぼす要因には、トランスコアに対する入力および出力の両巻線の物理位置の他に、層と層の間の物理間隔、および入力巻線と出力巻線の間の物理間隔が含まれている。静電界が完全に平衡されると、一次回路二次回路の間の差電界がゼロになり、変位電流もゼロになる。実際には、この効果は、電気接地に流れる正味変位電流を実質的に小さくすることである。

0034

図6Aおよび6Bは、本発明の教示によるトランス601の一実施形態の特定の略図および横断面図を示したものである。図に示すように、トランス601は、物理コア607の周囲に巻かれた入力巻線603および出力巻線605を備えている。一実施形態では、巻線は、安全上の理由から、巻線をエネルギー伝達エレメントの磁心から分離するボビン上に巻かれている。分かり易くするためにボビンは特に示されていないが、実際の設計に必要な物理コア607部分と仮定することができる。以下の表1は、トランス601の電気仕様をまとめたものである。図5Aおよび5Bに示す実施形態と同様、図6Aおよび6Bに示す実施形態も、入力巻線603が同じく平衡巻線または遮蔽巻線部分606を備えていることを示している。図に示す実施形態では、入力巻線603の最終層604は、入力巻線603の平衡巻線または遮蔽巻線部分606を含む2本の平行ワイヤを備えている。図に示す実施形態では、この外側層または最終層604には、入力巻線603の3つの内側層が先行している。他の実施形態では、本発明の教示による入力巻線603および出力巻線605に、異なる数の層が利用されていることは当然理解されよう。

0035

一実施形態では、入力巻線603から外部回路への接続には、ノード1およびノード4が使用され、ノード2は接続されていない。一実施形態では、ノード2は、入力巻線603の平衡巻線または遮蔽巻線部分606を含む2本の平行ワイヤを使用して、入力巻線603の最終層604を開始するための、入力巻線603の最初の3つの層の終端を単純に表している。一実施形態では、入力巻線603のこの外側層604に2本の平行ワイヤが使用されている以外に、入力巻線603の先行する3つの層以外の外側層604に、異なるワイヤ・ゲージが使用されていることに言及しておく。一実施形態では、この選択は、最適平衡効果を提供するために、外側層604に必要な巻き数が経験的に決定された後に実行されている。一実施形態では、巻き数が選択されると、必要な巻き数が有効巻線領域(またはボビン幅)を完全に満たすように、ワイヤ・ゲージが選択されている。

0036

図7Aおよび7Bは、本発明の教示によるトランス701の一実施形態の他の特定の略図および横断面図を示したものである。図に示すように、トランス701は、物理コア704の周囲に巻かれた入力巻線703および出力巻線705を備えている。図5Aおよび5Bに示す実施形態と同様、図7Aおよび7Bに示す実施形態も、入力巻線703が同じく平衡巻線または遮蔽巻線部分706を備えていることを示している。図に示す実施形態では、入力巻線703の第1の層は、入力巻線703の平衡巻線または遮蔽巻線部分706を含む2本の平行ワイヤを備えている。図に示す実施形態では、この内側層または第1の層706は、出力巻線705の後、かつ、入力巻線703の残りの層の前に巻かれている。他の実施形態では、本発明の教示による入力巻線703および出力巻線705に、異なる数の層が利用されていることは当然理解されよう。また、他の実施形態では、入力巻線703の平衡巻線または遮蔽巻線706部分に、異なる本数の平行ワイヤが使用されていることについても理解されよう。

0037

一実施形態では、入力巻線703から外部回路への接続には、ノード1およびノード3が使用され、ノード4は接続されていない。一実施形態では、ノード4は、単線ワイヤを使用して、入力巻線703の残りの層を開始するための、入力巻線703の平衡層または遮蔽層706の終端を単純に表している。一実施形態では、入力巻線703のこの平衡または遮蔽部分706に2本の平行ワイヤが使用されている以外に、入力巻線703の残りの層以外のこの遮蔽層または平衡層706に、異なるワイヤ・ゲージが使用されていることに言及しておく。一実施形態では、この選択は、最適平衡効果を提供するために、平衡層または遮蔽層706に必要な巻き数が経験的に決定された後に実行されている。一実施形態では、巻き数が選択されると、必要な巻き数が有効巻線領域(またはボビン幅)を完全に満たすように、ワイヤ・ゲージが選択されている。

図面の簡単な説明

0038

図1フライバック・コンバータ電源の略図である。
図2寄生キャパシタンスを示すフライバック・コンバータ電源の略図である。
図3トランスの略図(A)とフライバックトランスに巻かれた層の横断面図(B)である。
図4本発明の教示に従って巻かれたトランスの一実施形態の略図(A)とその横断面図(B)である。
図5本発明の教示に従って巻かれたトランスの他の実施形態の略図(A)とその横断面図(B)である。
図6本発明の教示に従って巻かれたトランスのさらに他の実施形態の略図(A)とその横断面図(B)である。
図7本発明の教示に従って巻かれたトランスのさらに他の実施形態の略図(A)とその横断面図(B)である。

--

0039

101フライバック・コンバータ電源
103一次スイッチ
105帰還制御信号
107、207、301、401、501、601、701トランス
201電源
209、211、213、215寄生キャパシタンス
217コンデンサCy
303、403、503、603、703入力巻線
305、405、505、605、705出力巻線
307、407、507、607、704 トランスの物理コア
404、504、604外側層(最終層)
506、606、706平衡巻線または遮蔽巻線部分

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