变压器和开关电源装置
阅读：1033发布：2020-06-17
专利汇可以提供变压器和开关电源装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供 变压器 和 开关 电源装置。该变压器能够抑制各 输出 电压 乖离。该 开关电源 装置使用该变压器。变压器(T)具有：磁芯(10)；一次绕组(11)，其装配在磁芯(10)上；气隙(15)，其设置在磁芯(10)的装配有一次绕组(11)的部位；以及两个以上的二次绕组(12、13)，它们装配在磁芯(10)上，在一次绕组(11)的卷轴方向上设置在一次绕组(11)的两侧且与气隙(15)为等距离。开关电源装置具有变压器(T)、与变压器(T)的一次绕组(11)连接的开关元件、以及对该开关元件进行控制的控制 电路 。，下面是变压器和开关电源装置专利的具体信息内容。
1.一种变压器，其特征在于，该变压器具有：
磁芯；
一次绕组，其装配在所述磁芯上；
气隙，其设置在所述磁芯的装配有所述一次绕组的部位；以及
两个以上的二次绕组，它们装配在所述磁芯上，在所述一次绕组的卷轴方向上设置在所述一次绕组的两侧且与所述气隙为等距离，
所述变压器具有装配在所述磁芯上的两个以上的辅助绕组，
所述辅助绕组在所述一次绕组的卷轴方向上分别与所述二次绕组相邻设置，而且所述辅助绕组彼此并联连接，所述辅助绕组彼此短路，电压波形彼此相同，当所述两个以上的二次绕组各自的负载变得不平衡时，彼此之间短路的所述辅助绕组作用于生成失真的电压波形的所述二次绕组，从而使所述二次绕组所生成的电压波形成为正常的电压波形。
2.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，
所述二次绕组被设置成比所述辅助绕组更靠近所述一次绕组。
3.一种开关电源装置，其特征在于，该开关电源装置具有：
权利要求1或2所述的变压器；
与所述变压器的一次绕组连接的开关元件；以及
对所述开关元件进行控制的控制电路。
变压器和开关电源装置
技术领域
背景技术
[0002] 为了使电气设备和电路进行动作，需要稳定的直流电压，为了生成该直流电压，以往使用开关电源装置。开关电源装置对从外部电源供给的电压进行整流和平滑，通过半导体开关元件进行开关动作并输入到变压器的一次绕组，经由基于平滑电路的平滑而从变压器的二次绕组向负载供给直流电压。并且，对输出电压进行监视，通过控制电路进行半导体开关元件的时率的调整，以使输出电压保持恒定。
[0003] 在这种开关电源装置中，以往公知有多输出的装置。为了构成该装置，变压器除了具有磁芯和装配在该磁芯上的一次绕组以外，还具有两个以上的二次绕组。
[0005] 在上述这种设置有两个以上的二次绕组的多输出变压器中，存在由于从设置在磁芯上的气隙到各二次绕组的距离不同而使各二次绕组的电感不同的问题。图14中例示出这种现有的多输出变压器的剖视图。如图14所示，在设置在一次绕组111的两侧的二次绕组112、113以相对于设置在磁芯110上的气隙115非等距离且非对称的方式进行设置的情况下，由于各二次绕组112、113与气隙115之间的距离不同而使电感不同。因此，产生即使欲使来自各二次绕组112、113的输出电压相同也会发生乖离的问题。
[0006] 并且，如图16所示，即使各二次绕组112、113的配置部位与气隙115等距离，当与一次绕组111之间的距离不同时，与一次绕组111耦合的耦合系数不同，产生即使欲使来自各二次绕组112、113的输出电压相同也会发生乖离的问题。
发明内容
[0007] 本发明是为了解决上述这种课题而完成的，提供能够抑制各输出电压乖离的变压器和使用该变压器的开关电源装置。
[0008] (1)本发明的变压器的特征在于，该变压器具有：磁芯；一次绕组，其装配在所述磁芯上；气隙，其设置在所述磁芯的装配有所述一次绕组的部位；以及两个以上的二次绕组，它们装配在所述磁芯上，在所述一次绕组的卷轴方向上设置在所述一次绕组的两侧且与所述气隙为等距离。
[0009] 并且，本发明的变压器也可以具有以下结构。
[0010] (2)所述变压器具有装配在所述磁芯上的两个以上的辅助绕组，所述辅助绕组在所述一次绕组的卷轴方向上分别与所述二次绕组相邻设置，而且所述辅助绕组彼此并联连接。
[0011] (3)所述变压器具有装配在所述磁芯上的两个以上的辅助绕组，所述二次绕组被设置成比所述辅助绕组更靠近所述一次绕组。
[0012] (4)所述变压器具有装配在所述磁芯上的两个以上的辅助绕组，所述辅助绕组在所述一次绕组的卷轴方向上分别与所述二次绕组相邻设置，而且所述辅助绕组彼此并联连接，所述二次绕组被设置成比所述辅助绕组更靠近所述一次绕组。
[0013] 本发明的开关电源装置的特征在于，该开关电源装置具有：具有上述(1)的结构的变压器；与所述变压器的一次绕组连接的开关元件；以及对所述开关元件进行控制的控制电路。并且，该变压器也可以是具有上述(2)、上述(3)、或上述(4)的结构的变压器。
[0015] 图1是示出第1实施方式的变压器的整体结构的示意剖视图。
[0016] 图2是第1实施方式的开关电源装置的电路图。
[0017] 图3是示出来自第1实施方式的变压器的各二次绕组的输出电压的时间变化的曲线图。
[0018] 图4是示出第2实施方式的变压器的整体结构的示意剖视图。
[0019] 图5是第2实施方式的开关电源装置的电路图。
[0020] 图6是示出第1实施方式的变压器中、改变了负载平衡的情况下的来自各二次绕组的输出电压(整流后)的时间变化的曲线图。
[0021] 图7是示出第2实施方式的变压器中、改变了负载平衡的情况下的来自各二次绕组的输出电压(整流后)的时间变化的曲线图。
[0022] 图8是整流前的二次绕组的输出电压波形，图8(a)是设流过二次绕组12的电流为0A(无负载)、流过二次绕组13的电流为0.1A的情况，图8(b)是与其相反设流过二次绕组12的电流为0.1A、流过二次绕组13的电流为0A(无负载)的情况。
[0023] 图9是示出改变了负载平衡的情况下的第1实施方式的辅助绕组的电压时间变化的曲线图，图9(a)是设一个二次绕组的电流为0.1A、另一个二次绕组的电流为0A的情况，图9(b)是与其相反设一个二次绕组的电流为0A、另一个二次绕组的电流为0.1A的情况。
[0024] 图10是示出第2实施方式的变压器的各辅助绕组的电压时间变化的曲线图。
[0025] 图11是设二次绕组12的电流为0A、二次绕组13的电流为0.1A时的电压波形(整流前)。
[0026] 图12是示出其他实施方式的变压器的整体结构的示意剖视图。
[0027] 图13是其他实施方式的开关电源装置的电路图。
[0028] 图14是示出现有的变压器的整体结构的示意剖视图。
[0029] 图15是示出来自现有的变压器的各二次绕组的输出电压的时间变化的曲线图。
[0030] 图16是示出现有的变压器的整体结构的示意剖视图。
[0031] 图17是示出来自现有的变压器的各二次绕组的输出电压的时间变化的曲线图。
[0032] 标号说明
[0033] 10：磁芯；10a：中脚部；11：一次绕组；12、13、17：二次绕组；14、16：辅助绕组；15：气隙；21：开关元件；22：控制电路；23、24：二极管(整流单元)；25、26：电容器(平滑单元)；T：变压器；C：一次绕组和二次绕组的卷轴一致的直线。
具体实施方式
[0034] 下面，参照附图对本发明的实施方式的变压器和使用该变压器的开关电源装置进行说明。首先对本变压器进行说明，接着对使用本变压器的开关电源装置的结构进行说明。
[0035] [1.第1实施方式]
[0036] [1-1.结构]
[0037] 图1是示出本实施方式的变压器的整体结构的示意剖视图。变压器T对从外部电源供给的电压进行变压，对与变压器T连接的电路或外部设备等负载供给电力。如图1所示，该变压器T具有磁芯10、装配在磁芯10上的一次绕组11、两个以上的二次绕组12、13(这里为两个)和辅助绕组14。
[0039] 磁芯10在其中央部分设置有直线形状的中脚部10a。在该中脚部10a上，以使各绕组11～14的卷轴成为同一直线C的方式装配有各绕组11～14。在磁芯10的装配有一次绕组11的部位设置有气隙15。即，在中脚部10a设置有气隙15。另外，二次绕组12、13和辅助绕组
14以极性与一次绕组11相反的方式卷绕在中脚部10a周围，磁芯10、各绕组11～14分别通过未图示的由树脂等绝缘材料构成的绕线管而被绝缘。
14以极性与一次绕组11相反的方式卷绕在中脚部10a周围，磁芯10、各绕组11～14分别通过未图示的由树脂等绝缘材料构成的绕线管而被绝缘。
[0040] 一次绕组11与外部电源连接，对二次绕组12、13、辅助绕组14进行馈电。二次绕组12、13的两个端子间与外部电路或外部设备等负载连接，使从一次绕组11受电的电力与这些电路或负载连接。二次绕组12、13例如与用于使IGBT或MOS等进行动作的缓冲电路连接。
[0041] 在一次绕组11的卷轴方向上，二次绕组12、13设置在一次绕组11的两侧。换言之，各二次绕组12、13被设置成两者均与一次绕组11相邻。优选在一次绕组11的卷轴方向上，以与一次绕组11等距离的方式进行设置。并且，在一次绕组11的卷轴方向上，各二次绕组12、13以与气隙15等距离的方式进行设置。
[0042] 在本实施方式中，在一次绕组11的卷轴方向上，二次绕组12、13与一次绕组等距离，且与气隙15等距离。即，二次绕组12、13被设置成以一次绕组11为中心对称、且以气隙15为中心对称。
[0043] 辅助绕组14与后述对开关元件进行控制的控制电路连接。辅助绕组14从一次绕组11受电，供给控制电路的驱动用电源电压。辅助绕组14以使卷轴方向相同的方式设置在二次绕组13的旁边，但是，也可以设置在另一个二次绕组12的旁边。
[0044] 具有上述结构的变压器T用于开关电源装置。图2是使用本变压器T的开关电源装置的电路图。由于变压器T的二次绕组12、l3设置多个(这里为两个)，所以，本实施方式的开关电源装置是多输出的电源装置。本开关电源装置例如是回描方式的开关电源，用于使半导体进行开关处理。
[0045] 具体而言，本开关电源装置具有变压器T、开关元件21、对开关元件21进行控制的控制电路22、二极管23、24、电容器25、26。该装置也可以具有整流/平滑电路。整流/平滑电路连接在外部电源与变压器T的一次绕组11之间，对从外部电源供给的电压进行整流和平滑。
[0046] 开关元件21是FET等半导体开关元件。开关元件21与变压器T的一次绕组11连接，对针对一次绕组11的输入电压进行控制。控制电路22构成为包含IC，与设置在输出侧的辅助绕组14和开关元件21连接，从辅助绕组14接受电源电压供给，控制开关元件21的接通/断开的时率，以便进行针对一次绕组11的输入电压的控制。即，控制电路22进行控制以使得二次绕组12、13的输出电压分别保持规定电压。
[0047] 例如，控制电路22构成为包括检测辅助绕组14的电压的电压监视器单元、对来自辅助绕组14的输出电压进行平滑的电容器等平滑单元、由发光元件和受光元件构成的光耦合器、以及IC。该情况下，示出控制电路22进行的控制的一例时，首先，经由平滑单元，电压监视器单元检测到的、来自辅助绕组14的输出电压值被输入到IC。IC根据该电压值和辅助绕组14与二次绕组12、13的卷数比来计算二次绕组12、13的输出电压，根据该电压生成用于使二次绕组12、13的输出电压稳定的控制信号。然后，IC将该控制信号输出到与IC连接的光耦合器的发光元件。发光元件将所输入的控制信号转换为光信号，将该光信号输出到与开关元件21连接的受光元件。进而，该受光元件将所输入的光信号转换为电信号，接受该信号来变更开关元件21的时率。
[0048] 电容器25、26与二次绕组12、13连接。二极管23、24连接在二次绕组12、13与电容器25、26之间，对来自二次绕组12、13的输出电压进行整流。并且，通过电容器25、26对整流后的电压进行平滑，生成直流电压。
[0049] [1-2.作用效果]
[0050] (1)本实施方式的变压器T具有：磁芯10；一次绕组11，其装配在磁芯10上；气隙15，其设置在磁芯10的装配有一次绕组11的部位；以及两个以上的二次绕组12、13，它们装配在磁芯10上，在一次绕组11的卷轴方向上设置在一次绕组11的两侧且与气隙15为等距离。由此，减小各二次绕组12、13的电感之差以及与一次绕组11耦合的耦合系数之差，如图3所示，能够抑制来自各二次绕组12、13的输出电压在稳定时发生乖离。
[0051] 更加详细地与现有技术进行比较来说明本实施方式的效果。在图14所示的设置在一次绕组111的两侧的二次绕组112、113相对于气隙115为非等距离的现有变压器的情况下，举出一例时，当在二次绕组112、113的电感值为数十μH的级别(order)的情况下在个位的级别不同时，如图15所示，来自二次绕组112、113的输出电压发生乖离。这是由于二次绕组112、113的电感值之差较大而引起的。在图14的例子中，电感值仅在十位相等，与此相对，本实施方式的变压器T的二次绕组12、13的电感值能够在10-1位相等，在电感值的一致方面存在两位的差异。
[0052] 并且，如图16所示，在各二次绕组112、113的配置部位与气隙115的距离为等距离、与一次绕组111的距离不同的现有变压器的情况下，当在二次绕组112、113的电感值为数十μH的级别的情况下在10-1位的级别不同时，如图17所示，来自二次绕组112、113的输出电压发生乖离。这是由于虽然两个电感值大致相等、但是与一次绕组111的耦合存在差异而引起的。在图16的例子中，电感值仅在个位相等。并且，各二次绕组112、113与一次绕组111耦合的耦合系数仅在10-1位相等。另一方面，本实施方式的变压器T的二次绕组12、13的电感值能够在10-1位相等，在电感值的一致方面存在一位的差异。并且，本实施方式的变压器T的与一-2次绕组11耦合的耦合系数在10 的级别相等，在耦合系数的一致方面存在一位的差异。
[0053] 如上所述，根据本实施方式，由于能够减小各二次绕组12、13的电感值之差以及与一次绕组11耦合的耦合系数之差，所以，得到能够成倍地抑制来自各二次绕组12、13的输出电压乖离的变压器和使用该变压器的开关电源装置。
[0054] [2.第2实施方式]
[0055] [2-1.结构]
[0056] 使用图4～图11对第2实施方式进行说明。第2实施方式的基本结构与第1实施方式相同。由此，仅对与第1实施方式的不同之处进行说明，对与第1实施方式相同的部分标注相同标号并省略详细说明。
[0057] 图4是示出第2实施方式的变压器的整体结构的示意剖视图。图5是使用第2实施方式的变压器T的开关电源装置的电路图。与第1实施方式的不同之处在于设置两个以上(这里为两个)的辅助绕组14、16。
[0058] 即，不同之处在于，辅助绕组14、16在各绕组11～13的卷轴方向上分别与二次绕组12、13相邻设置，而且辅助绕组14、16彼此并联连接。在本实施方式中，辅助绕组14、16设置成，在卷轴方向上，与气隙15之间的距离为等距离，且相对于气隙15对称。但是，辅助绕组
14、16并不是必须设置成相对于气隙15对称。
14、16并不是必须设置成相对于气隙15对称。
[0059] 并且，在本实施方式中，二次绕组12、13被设置成比辅助绕组14、16更靠近一次绕组11。另外，各绕组11～16通过由树脂等绝缘材料构成的绕线管而被绝缘。并且，如图5所示，辅助绕组14、16也与控制电路22并联连接。
[0060] [2-2.作用效果]
[0061] (1)作为一例，与第1实施方式进行比较来说明本实施方式的作用效果。在本实施方式中，在二次绕组12、13上分别连接不同种类的负载的情况等、负载的平衡为不平衡的情况下，也能够抑制来自二次绕组12、13的输出电压的变动。另外，只要是具有一次绕组和两个以上的二次绕组的变压器，则能够应用本实施方式的结构。
[0062] 首先，图6示出在第1实施方式的结构中改变了负载的平衡时的二次绕组12、13的输出电压的波形。具体而言，图6是设二次绕组12的电流为0A、二次绕组13的电流为0.1A的情况下的输出电压波形(整流后)的例子。图6的虚线之间的宽度是二次绕组12的最大输出电压与二次绕组13的最小输出电压的之间的宽度，可知该间隔大约为4.25V。
[0063] 另一方面，在本实施方式中，具有两个以上的辅助绕组14、16，辅助绕组14、16在一次绕组11的卷轴方向上分别与二次绕组12、13相邻设置，而且辅助绕组14、16彼此并联连接。由此，在负载的平衡为不平衡的情况下，也能够改善交叉调节。例如，图7示出改变了负载的平衡时的二次绕组12、13的输出电压波形(整流后)，与图6的情况同样，是设二次绕组12的电流为0A、二次绕组13的电流为0.1A的情况下的例子。如图7所示，二次绕组12、13的最大输出电压与最小输出电压的单点划线的宽度大约为2.25V，比图6的虚线之间的宽度(大约4.25V)窄，输出电压的变动较小。即，可知输出电压的稳定性提高、交叉调节被改善。
[0064] 基于第1实施方式对其理由进行说明。首先，在第1实施方式中，当负载成为不平衡时，在无负载侧的二次绕组的输出电压波形中产生失真。图8示出这样的一例。图8是整流前的二次绕组的电压波形。图8(a)是设流过二次绕组12的电流为0A(无负载)、流过二次绕组13的电流为0.1A的情况下的输出电压波形，图8(b)是使负载不平衡相反、设流过二次绕组
12的电流为0.1A、流过二次绕组13的电流为0A(无负载)的情况下的输出电压波形。这样，无负载侧的输出电压波形失真意味着输出电压以该失真的量变化。
12的电流为0.1A、流过二次绕组13的电流为0A(无负载)的情况下的输出电压波形。这样，无负载侧的输出电压波形失真意味着输出电压以该失真的量变化。
[0065] 另外，当在二次绕组的输出电压波形中产生失真时，与此相伴，在与该二次绕组相邻的辅助绕组14的电压波形中也产生失真。例如，相对于图9(a)所示的流过与辅助绕组14较远的二次绕组12和与辅助绕组14较近的二次绕组13的电流分别为0A、0.1A的情况下的辅助绕组14的电压波形，图9(b)所示的流过与辅助绕组14较远的二次绕组12和与辅助绕组14较近的二次绕组13的电流分别为0.1A、0A的情况下的辅助绕组14的电压波形在时间260～262μs的区间中，波形的形状不同，在图9(b)的波形中产生失真。由于辅助绕组14配置成与二次绕组12较远、且与二次绕组13较近，所以，辅助绕组14与各二次绕组12、13的耦合系数分别不同。因此，经由辅助绕组14的磁场的针对各二次绕组12、13的作用方式不同，很难改善交叉调节。
[0066] 另一方面，在本实施方式中，设置装配在磁芯10上的两个辅助绕组14、16，使这些绕组14、16并联连接。因此，辅助绕组14、16彼此短路，辅助绕组14、16的电压波形相同。例如，图10是设二次绕组12的电流为0A、二次绕组13的电流为0.1A时的辅助绕组14、16的电压波形，可知两个波形相同。并且，通过分别与二次绕组13相邻地设置辅助绕组14、与二次绕组12相邻地设置辅助绕组16，从辅助绕组14、16产生的磁场作用于相邻的二次绕组12、13。
[0067] 即，在负载成为不平衡时，一个二次绕组12、13的电压波形正常，但是，在另一个二次绕组12、13的电压波形中产生失真。与此相伴，失真的二次绕组12、13侧的辅助绕组14、16的电压波形也失真。但是，正常的二次绕组12、13侧的辅助绕组14、16侧的电压波形正常，由于两个辅助绕组14、16短路，所以，失真的二次绕组12、13侧的辅助绕组14、16的电压波形也正常。成为该正常的电压波形的辅助绕组14、16作用于成为失真的电压波形的二次绕组12、13，成为正常的电压波形，失真减轻。作为这样的一例，图11中示出整流前的二次绕组12、13的电压波形。图11是设二次绕组12的电流为0A、二次绕组13的电流为0.1A时的电压波形。如图11的圆形虚线部所示，二次绕组12的电压波形的突出部分(图中大约20V)比图8(a)的二次绕组12的突出部分(图中大约21V)低，可知失真被改善。这样，由于改善成整流前的二次绕组12、13的两个电压波形相同，所以能够减少交叉调节。
[0068] (2)在本实施方式中，二次绕组12、13被设置成比辅助绕组14、16更靠近一次绕组11。由此，能够增大各二次绕组12、13与一次绕组11的耦合系数，能够提高作为变压器的转换效率。
[0069] [3.其他实施方式]
[0070] 本发明不限于上述实施方式，还包含下述所示的其他实施方式。并且，通过上述实施方式和下述其他实施方式所公开的多个结构要素的适当组合，能够形成各种发明。能够在实施阶段在不脱离其主旨的范围内对结构要素进行变形并具体化。例如，可以从实施方式所示的全部结构要素中对若干个结构要素进行删除、变更、置换等。下述示出其他实施方式的一例。并且，使用基于上述实施方式和下述其他实施方式或其组合等的变压器的开关电源装置也包含在本发明的范围中。
[0071] (1)在第1和第2实施方式中，设置两个二次绕组12、13，但是也可以设置三个以上。在设置奇数个二次绕组的情况下、例如设置三个的情况下，如图12所示，以气隙15为基准对称设置两个二次绕组12、13，第三个二次绕组17以层状重叠设置在任意一个二次绕组12、13上。即，改变以卷轴方向为中心的半径而设置在任意一个二次绕组12、13的外侧。但是，通过树脂制的绕线管等使绕组相互绝缘。
[0072] 在设置偶数个二次绕组的情况下，与气隙等距离设置。在设置四个以上的情况下，例如与设置奇数个的情况同样，以层状重叠设置。这样，在设置三个以上的二次绕组的多输出形式中，如上所述，通过以气隙15为基准对称、并且使与一次绕组11之间的距离为等距离，能够使电感值以及与一次绕组11耦合的耦合系数分别相等。因此，在多输出的情况下，也能够得到能够抑制输出电压值相互乖离的开关电源装置。
[0073] (2)在第1和第2实施方式中，以与一次绕组11绝缘的方式设置辅助绕组14、16和控制电路22，但是，如图13所示，也可以以与一次绕组11连接的方式设置辅助绕组14、16和控制电路22。利用图13的情况对开关元件21的控制进行说明时，控制电路22具有对辅助绕组14的电压进行分压的电阻、检测分压后的电压的电压监视器单元以及IC。IC根据所输入的分压值、分压比、以及辅助绕组14与二次绕组12、13的卷数比来计算二次绕组12、13的输出电压，生成控制信号以使其成为规定电压，并将其输出到开关元件21。
[0074] (3)在第2实施方式中，以使各绕组11～13的卷轴相同、且比二次绕组12、13更远离一次绕组的方式设置两个以上的辅助绕组14、16，但是也可以相反。即，在各卷轴的方向上，也可以在一次绕组11的两侧各设置一个辅助绕组14、16，进而在其外侧设置二次绕组12、13。
[0075] (4)在第1和第2实施方式中，在一次绕组11的卷轴方向上，以不与二次绕组12、13重合的方式在同一直线上设置辅助绕组14、16，但是，也可以改变以卷轴方向为中心的半径，与二次绕组12、13相邻地以层状进行设置。示出一例时，可以在二次绕组13的外侧卷绕设置辅助绕组14，在二次绕组12的外侧卷绕设置辅助绕组16。
[0076] (5)在第2实施方式中，辅助绕组14、16被设置成与气隙15等距离，并且被设置成相对于气隙15对称，但是不限于此。即，即使辅助绕组14、16被设置成相对于气隙15非等距离且不对称，只要能够均等地作用于二次绕组12、13即可。并且，辅助绕组14、16也可以设置成在卷轴方向上，比二次绕组12、13更靠近一次绕组11。
[0077] (6)在第2实施方式中，设置两个辅助绕组14、16，但是，也可以设置三个以上。例如，在设置三个以上的二次绕组的情况下，分别与各二次绕组相邻地配置辅助绕组，各辅助绕组彼此相互并联连接。
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