变压器和使用该变压器的电力转换装置

摘要

本发明抑制变压器的温度上升。一种变压器，具备铁芯、初级绕组和次级绕组，所述铁芯具有第1铁芯和配置于所述第1铁芯的侧部的第2铁芯，所述初级绕组构成为包括被卷绕于所述第1铁芯的第1初级绕组以及被卷绕于所述第2铁芯并且与所述第1初级绕组电串联连接的第2初级绕组，所述第1初级绕组被配置成通过该第1初级绕组而被感应的该第1初级绕组的内周侧的磁通的方向与通过所述第2初级绕组而被感应的所述第2初级绕组的内周侧的磁通的方向成为相反的方向，所述次级绕组以所述第1初级绕组的卷绕轴线和所述第2初级绕组的卷绕轴线被形成于该次级绕组的内周侧的方式卷绕。

权利要求

1.一种变压器，具备铁芯、初级绕组和次级绕组，所述变压器的特征在于，所述铁芯具有第1铁芯和被配置于所述第1铁芯的侧部的第2铁芯，所述初级绕组构成为包括被卷绕于所述第1铁芯的第1初级绕组以及被卷绕于所述第2铁芯并且与所述第1初级绕组电串联连接的第2初级绕组，所述第1初级绕组配置成：通过该第1初级绕组而被感应的该第1初级绕组的内周侧的磁通的方向与通过所述第2初级绕组而被感应的所述第2初级绕组的内周侧的磁通的方向成为相反的方向，所述次级绕组以通过所述第1初级绕组的卷绕轴线和所述第2初级绕组的卷绕轴线被形成于该次级绕组的内周侧而形成并联电路的方式卷绕,所述次级绕组构成为包括第1次级绕组和第2次级绕组，所述第1次级绕组具有第1端子和第2端子，所述第2次级绕组具有第3端子和第4端子，所述第2端子与所述第3端子电连接，

所述第2端子和所述第3端子形成于所述次级绕组的内周侧，所述第1端子和所述第4端子形成于所述次级绕组的外周侧。

2.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述第1初级绕组配置成：该第1初级绕组的卷绕轴方向与所述第2初级绕组的卷绕轴方向平行。

3.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述次级绕组具有用于对该次级绕组输入输出电流的端子，在定义了沿着与所述第1初级绕组和所述第2初级绕组的排列方向垂直的方向且与所述第1初级绕组重叠的第1列、以及沿着与所述第1初级绕组和所述第2初级绕组的排列方向垂直的方向且与所述第2初级绕组重叠的第2列时，所述端子形成于所述第1列与所述第2列之间。

4.根据权利要求3所述的变压器，其特征在于，所述端子形成于所述次级绕组的内周侧。

5.根据权利要求2所述的变压器，其特征在于，所述次级绕组具有用于对该次级绕组输入输出电流的端子，在定义了沿着与所述第1初级绕组和所述第2初级绕组的排列方向垂直的方向且与所述第1初级绕组重叠的第1列、以及沿着与所述第1初级绕组和所述第2初级绕组的排列方向垂直的方向且与所述第2初级绕组重叠的第2列时，所述端子形成于所述第1列与所述第2列之间。

6.根据权利要求5所述的变压器，其特征在于，所述端子形成于所述次级绕组的内周侧。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的变压器，其特征在于，在所述铁芯与所述次级绕组之间配置散热板。

8.一种电力转换装置，其特征在于，

在框体内部搭载有权利要求1至7中的任一项所述的变压器。

9.根据权利要求8所述的电力转换装置，其特征在于，并联电连接多个变压器次级侧的整流元件，进行了所述并联电连接的多个整流元件沿着所述变压器的所述第1初级绕组和所述第

2初级绕组的排列方向而被配置。

说明书

变压器和使用该变压器的电力转换装置

技术领域

[0001] 本发明涉及变压器和使用该变压器的电力转换装置，特别涉及在电动车辆中使用的变压器和电力转换装置。

背景技术

[0002] 电气汽车、插电式混合动力车具备用于通过动力驱动用的高电压蓄电池进行马达驱动的逆变器装置以及用于使车辆的灯、收音机等配件工作的低电压蓄电池。在这样的车辆中，搭载有从高电压蓄电池向低电压蓄电池的电力转换、即所谓的DC-DC转换器装置。

[0003] DC-DC转换器装置具备将高电压的直流电压转换成交流电压的高电压侧开关电路、将交流高电压转换成交流低电压的变压器、将低电压交流电压转换成直流电压的低电压侧整流电路。

[0004] 一般来说，作为以往的DC-DC转换器装置的电路构成，采用将4个MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)进行H电桥连接作为高电压侧开关电路，在其输入侧连接平滑电容器，并且在其输出线有连接共振扼流线圈的电路构成构，作为变压器，采用将次级侧绕组的中点引出到绕组外侧的中心抽头型变压器，作为低电压侧整流电路，一般采用在使用二极管或者MOSFET的整流电路上连接有由扼流线圈与电容器构成的平滑电路的构成(例如，参照专利文献1)。

[0005] 上述变压器包括与高电压侧开关电路连接的初级侧的绕组(初级绕组)、与低电压侧整流电路连接的次级侧的绕组(次级绕组)以及用于将初级侧和次级侧磁耦合而传递能量的磁性体(铁芯)。为了保持形状、固定支撑，各绕组卷绕于塑料制的绕线架(绕线管)并安装于铁芯。另外，为了强化初级绕组和次级绕组的绝缘，有时也在初级绕组与次级绕组之间插入绝缘带、间隔部。作为绕组，通常使用漆包线等铜线。但是，在大输出的转换器中使用的变压器中，为了增大次级侧绕组的电流容量，将母线等铜板贴合而形成次级绕组。

[0006] 在将上述变压器用于大输出转换器的情况下，其温度上升成为问题。初级绕组和次级绕组具有电阻成分，所以，由于通电而发生铜损并发热。在使DC-DC转换器装置工作的情况下，在初级绕组和次级绕组中，流过与其动作频率对应的交流。因此，由于集肤效应，初级绕组和次级绕组的电阻成分相比直流电阻而增加，发热量变大。另外，当使DC-DC转换器装置工作时，对变压器的铁芯施加交流磁通，由此，在铁芯中发生铁损并发热。如上所述，变压器的作为主要构成部件的初级绕组、次级绕组、铁芯全部发热，所以温度上升成为问题。

[0007] 为了抑制变压器的温度上升，能够采取针对具有冷却流路或者散热片等的DC-DC转换器装置的框体面，经由油脂、导热板而设置变压器的构造。为了进一步地提高散热性，有时也在绕组间、绕组-铁芯之间等的间隙注入硅橡胶等树脂材料。但是，在远离DC-DC转换器的框体面的部位，特别是在变压器的上部等，变压器自身的热阻大，无法避免温度上升。

[0008] 作为解决变压器的温度上升的问题的方法，有时采取使用两个变压器的双变压器电路构成。在使用两个变压器的情况下，发热量被分散于两个变压器，所以，各自的温度上升变小。在使用两个变压器的情况下，将各个变压器的初级绕组串联连接，将次级绕组(经由整流元件)并联连接的情况较多(例如，参照专利文献2和3)。通过采取这样的构成，各个变压器中的初级绕组的必要匝数变成一半，通过绕组匝数的降低，能够实现各变压器的铁芯的薄型化。在薄型化了的情况下，到铁芯上部和框体面为止的距离变小，所以热阻也下降，散热性被改善。

[0009] 现有技术文献

[0010] 专利文献

[0011] 专利文献1：日本特开2005-143215号公报

[0012] 专利文献2：日本特开2009-142088号公报

[0013] 专利文献3：日本特开2008-178205号公报

发明内容

[0014] 发明要解决的技术问题

[0015] 如以上所叙述的那样，通过采取双变压器电路构成，使发热量分散于各个变压器，能够降低变压器温度上升。但是，在使用2个变压器的情况下，需要用于连接各个变压器间的新的布线。特别是由于次级侧电流大，所以如果布线增加，则相应的布线损失增加，导致DC-DC转换器的效率降低。另外，布线构造变得复杂，部件成本也上升。

[0016] 本发明的课题在于，抑制变压器的温度上升。

[0017] 解决技术问题的技术手段

[0018] 本发明所涉及的变压器和使用该变压器的电力转换装置具备铁芯、初级绕组和次级绕组，所述铁芯具有第1铁芯和被配置于所述第1铁芯的侧部的第2铁芯，所述初级绕组构成为包括被卷绕于所述第1铁芯的第1初级绕组以及被卷绕于所述第2铁芯并且与所述第1初级绕组电串联连接的第2初级绕组，所述第1初级绕组配置成：通过该第1初级绕组而被感应的该第1初级绕组的内周侧的磁通的方向与通过所述第2初级绕组而被感应的所述第2初级绕组的内周侧的磁通的方向成为相反的方向，所述次级绕组以所述第1初级绕组的卷绕轴线和所述第2初级绕组的卷绕轴线被形成于该次级绕组的内周侧的方式卷绕。

[0019] 发明效果

[0020] 根据本发明的实施方式，能够抑制变压器的温度上升。另外，能够实现高效并且薄型的电力转换装置。

附图说明

[0021] 图1(a)是本实施方式的变压器的外观立体图。

[0022] 图1(b)是本实施方式的变压器的分解立体图。

[0023] 图1(c)是本实施方式的变压器的等价电路图。

[0024] 图2是说明本实施例的变压器的动作原理的分解立体图和等价电路图。

[0025] 图3是表示使用实施例1的变压器的电力转换装置、例如DC-DC转换器的电路构成的图。

[0026] 图4(a)是使用实施例1的变压器的DC-DC转换器的安装构造的外观立体图。

[0027] 图4(b)是搭载有基板213和基板214的DC-DC转换器的安装构造的外观立体图。

[0028] 图5是表示其他实施方式所涉及的变压器100的冷却构造的外观立体图。

[0029] 图6是其他实施方式所涉及的变压器的分解立体图。

[0030] 图7是其他实施方式所涉及的变压器的分解立体图。

具体实施方式

[0031] 以下，根据附图，说明用于实施本发明的方式。

[0032] 实施例1

[0033] 图1(a)是本实施方式的变压器的外观立体图，图1(b)是其分解图，图1(c)是其等价电路图。

[0034] 使用图1(a)和图1(b)来说明本实施例的构造。在由被形成为E型的铁芯101a和铁芯101b构成的第1铁芯部101中，初级绕组103a经由绕线管107a和绕线管107b而被卷绕。另外，在由被形成为E型的铁芯102a和铁芯102b构成的第2铁芯部102中，初级绕组104a经由绕线管108a和绕线管108b而被卷绕。

[0035] 通过将初级绕组端子103c和初级绕组端子104b电连接，从而将初级绕组部103和初级绕组部104串联连接使用。

[0036] 母线105和母线106经由绕线管107a、绕线管107b、绕线管108a、绕线管108b，以夹着初级绕组部103和初级绕组部104的方式配置。母线平板部105a为将第1铁芯部101和第2铁芯部102的两者卷绕1匝的形状，同样地，母线平板部106a为将第1铁芯部101和第2铁芯部102的两者卷绕1匝的形状。

[0037] 母线端子部105c与母线端子部106b通过焊接、钎焊等而被连接，原理在后文叙述，但通过母线105和母线106，在第1变压器部1和第2变压器部2中形成共通的2匝的次级绕组部。向该次级绕组部的整流电路的电流输入输出口是在第1变压器部1与第2变压器部2中共通并为母线端子部105b、母线端子部105c(或者母线端子部106b)、母线端子部106c这3个端子。此外，母线端子部105c(或者母线端子部106b)是次级侧的中间端子(中心抽头端子)，根据DC-DC转换器的电路构成，也能够不与整流电路连接而使用。

[0038] 另外，在定义了沿着与初级绕组103和初级绕组104的排列方向A垂直的方向且与初级绕组103重叠的第1列B、以及沿着与初级绕组103和初级绕组104的排列方向垂直的方向且与初级绕组104重叠的第2列C时，母线端子部105b、母线端子部105c(或者母线端子部106b)、母线端子部106c形成于第1列B与第2列C之间。由此，能够抑制布线的干扰，有助于小型化。

[0039] 图2是说明本实施例的变压器的动作原理的分解立体图和等价电路图。

[0040] 在该说明图中，将初级绕组端子103c与初级绕组端子104b电连接，将初级绕组部103与初级绕组部104串联连接。另外，为了简化，次级侧的母线端子部105c(或者母线端子部106b)不与整流电路连接。

[0041] 如果考虑在串联连接的初级绕组部103和初级绕组部104中对端子103b施加正电压(对端子104c施加负电压)的情况，则在初级绕组103a和初级绕组104b中，形成电流向图中的I1的箭头的方向流动。

[0042] 此时，第1铁芯部101中产生的磁通φ1的方向如图中所示，是向下。相对于此，在第2铁芯部102中产生的磁通φ2的方向如图中所示，是向上。根据法拉第法则，在次级绕组部中产生电动势，该电动势产生抵消磁通φ1、φ2的磁通。

[0043] 在本实施例中，在形成次级绕组的母线106中，在卷绕第1铁芯部101的一侧，产生电动势，以在纸面上逆时针地流过电流I2，在卷绕第2铁芯部102的一侧，产生电动势，以在纸面上顺时针地流过电流I2。即，在母线106中产生电压，以使得电流I2从端子106c流入，在第1铁芯部101侧和第2铁芯部102侧暂时分流之后再次合流，从端子106b流出。

[0044] 同样地，在母线105中产生电压，以使得电流I2从端子105c流入，在第1铁芯部101侧与第2铁芯部102侧暂时分流之后再次合流，从端子105b流出。如上所述，由于将端子106b与端子105c连接，所以，电流I2的电流路径为从端子106c流入、在第1铁芯侧与第2铁芯侧分流并将铁芯部卷绕2匝而从105b流出的路径。即，在本构成中，第1变压器部1与第2变压器部2的次级侧绕组部为并联，如果描绘等价电路，则为图1(c)所示的双变压器的构成，等于将初级绕组串联连接并将次级绕组并联连接而得到的电路构成。即，第1变压器部1和第2变压器部2的次级侧绕组以使初级绕组部103的卷绕轴线和初级绕组部104的卷绕轴线形成于该次级侧绕组的内周侧的方式卷绕。

[0045] 本构成形成为双变压器电路构成，发热量被分散于第1变压器部1和第2变压器部2。因此，能够降低变压器温度上升。另外，通过将初级绕组串联连接，能够使各变压器部的初级绕组匝数变为一半，所以，由此能够降低铁芯的高度。进一步地，使用母线105、母线
106，在第1变压器部1和第2变压器部2中使次级绕组共用化，所以不需要如以往的双变压器电路结构那样，用于连接各个变压器次级侧布线的新的布线。因此，与以往的双变压器电路结构相比，能够降低布线损失。

[0046] 实施例2

[0047] 图3为表示使用实施例1的变压器的电力转换装置、例如DC-DC转换器的电路构成的图。在变压器100的初级侧，连接有由MOSFET205a～205d构成的H电桥。此外，在图中虽然未示出，但在变压器100与H电桥之间，也可以有能够进行零电压开关的共振扼流线圈。在H电桥的输入侧，连接有平滑电容器204。在变压器100的次级侧，连接有由MOSFET207a～207f构成的整流电路以及由扼流线圈208与平滑电容器210构成的平滑电路。在平滑电路的输出侧，连接有由噪声滤波线圈209和噪声滤波电容器211构成的噪声滤波电路。

[0048] 图4(a)是使用实施例1的变压器的DC-DC转换器的安装构造的外观立体图。图4(b)是搭载有基板213和基板214的DC-DC转换器的安装构造的外观立体图。

[0049] 如图4(a)所示，主电路部件在具有设置了入口配管202b和出口配管202a的冷却水路径的框体201上如图所示地配置。在主电路部件的上侧，如图4(b)所示，安装有基板213和基板214。

[0050] 变压器100被配置于框体上表面的大致中央部。在附图上虽然未记载，但也可以通过在变压器100的铁芯下表面与框体上表面之间，涂覆油脂或者夹入散热板，提高散热性。

[0051] 在变压器100的右侧，配置有构成H电桥的MOSFET205a～205d、平滑电容器204a以及平滑电容器204b，在它们的上部设置有基板213。用该基板213的布线将各个部件电连接，构成高电压开关电路部。

[0052] 在基板213的上表面，安装有输入端子203a和输入端子203b，能够连接高电压输入线。另外，在基板213的上表面，设置有用于连接变压器100初级侧绕组的端子206。此外，在图中虽然未记载，但为了散热和绝缘，MOSFET205a～205d隔着散热板、陶瓷基板被设置于框体上表面。进一步地，也能够将用于驱动MOSFET205a～205d的栅极驱动器电路、监测初级侧电流的检测电路等安装于基板213。

[0053] 在变压器100的附近，配置有构成整流电路的MOSFET207a～207f。即，电并联连接的多个MOSFET207a～207f沿着变压器100的初级绕组103和初级绕组104(参照图2)的排列方向而被配置。

[0054] 变压器100与各MOSFET的漏极端子通过母线302、母线303而连接，另外，MOSFET的源极端子通过母线304、母线305而接地到框体201。此外，在图中虽然未记载，但为了散热和绝缘，各MOSFET隔着散热板、陶瓷基板被设置于框体上表面。

[0055] 在变压器100的左侧，配置有扼流线圈208、平滑电容器210、噪声滤波线圈209、噪声滤波电容器211和输出端子212，变压器100与扼流线圈208通过母线301而连接。

[0056] 将由用于驱动MOSFET207a～207f的栅极驱动器、由微控制器、DSP等构成的DC-DC转换器的控制电路安装于基板214。

[0057] 本实施方式的变压器100是薄型的，所以能够与MOSFET、电容器这样的其他主电路部件高度一致地配置于框体上表面。因此，在框体与基板213、214之间，没有不需要的空间，作为DC-DC转换器整体，能够进行高密度的安装。

[0058] 另外，在变压器100的附近，配置有流过大电流的整流电路，所以能够降低布线损失，能够实现高效的DC-DC转换器。

[0059] 实施例3

[0060] 图5是表示变压器100的冷却构造的外观立体图。在框体201的上表面，设置有凸部502a、凸部502b、凸部503c，在它们的上部，分别贴有散热板501a、散热板501b、散热板501c。

[0061] 变压器100以上述的散热板501a至501c与次级绕组的母线平板部106a接触的方式配置。通过采取这样的构造，能够抑制次级绕组的母线平板部106a的温度上升。

[0062] 另外，如果在绕线管与初级绕组的间隙中注入有机硅等树脂，或者在绕线管与形成次级绕组的母线之间夹入散热板，则能够进一步地提高绕组的散热性。

[0063] 实施例4

[0064] 图6是其他实施方式所涉及的变压器的分解立体图。本实施方式相对于实施例1，绕组的层叠构造不同。

[0065] 与图1(b)相比，形成次级绕组的母线平板部105a在图1(b)中，被配置于绕线管107a和绕线管108a的上侧，但在本实施例中，母线平板部105a被配置于绕线管107b和绕线管108b的下侧，进一步地，在母线平板部105a与母线平板部106a之间，新设置有绝缘板110。
为了提高散热性，绝缘板110也可以是散热板。

[0066] 如果将具有例如实施例3所示的冷却构造的电力转换装置应用于上述的变压器构成，则与实施例1的变压器结构相比，能够提高形成次级绕组的母线平板部105a的散热性。因此，本构成在次级绕组的发热量非常大的情况下是有效的。

[0067] 实施例5

[0068] 图7是其他实施方式所涉及的变压器的分解立体图。本实施方式相对于实施例1，初级绕组的结构不同。即，在实施例1中，如图1(b)所示，初级绕组103a与初级绕组104a由相分离的铜线构成，与此相对地，在本实施例中，初级绕组103a与初级绕组104a由一体的铜线构成。

[0069] 在实施例1中，如图1(b)所示，初级绕组103a与初级绕组104a由相分离的铜线构成，在将它们串联连接的情况下，设想将端子部103c与端子部104b电连接使用。例如，在图4(b)所示的端子板206上，用螺钉将端子部103c与端子部104b共同紧固，从而能够容易地实现。

[0070] 但是，如果如本实施例那样一体地构成初级绕组103a与104a，则能够减少端子部的个数、端子板的个数。

[0071] 符号说明

[0072] 1 第1变压器部

[0073] 2 第2变压器部

[0074] 100 变压器

[0075] 101 第1铁芯部

[0076] 101a、b E型铁芯

[0077] 102 第2铁芯部

[0078] 102a、b E型铁芯

[0079] 103 初级绕组部

[0080] 103a 绕组

[0081] 103b、c 端子

[0082] 104 初级绕组部

[0083] 104a 绕组

[0084] 104b、c 端子

[0085] 105 母线

[0086] 105a 母线平板部

[0087] 105b、c 端子部

[0088] 106 母线

[0089] 106a 母线平板部

[0090] 106b、c 端子部

[0091] 107a、b 绕线管

[0092] 108a、b 绕线管

[0093] 110 绝缘板

[0094] 201 框体

[0095] 202a、b 冷却水路径口

[0096] 203a、b 高电压输入端子

[0097] 204 平滑电容器

[0098] 204a、b 平滑电容器

[0099] 205a、b、c、d MOSFET

[0100] 206 初级绕组端子板

[0101] 207a、b、c、d、e、f MOSFET

[0102] 208 扼流线圈

[0103] 209 噪声滤波线圈

[0104] 210 平滑电容器

[0105] 211 噪声滤波电容器

[0106] 212 输出端子

[0107] 213、214 基板

[0108] 301、302、303、304、305 母线

[0109] 501a、b、c 散热板

[0110] 502a、b、c 凸部。