JP6421484B2 - コイル部品、コイル部品複合体およびトランス、ならびに電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、プリント基板に形成されたコイル部品、コイル部品複合体およびトランス、ならびに、そのようなコイル部品等によって構成された電源装置に関する。

近年、ハイブリッドカーをはじめとするエコカーは高級クラスから普及クラスまで幅広い商品が各自動車サプライヤからリリースされている。これらのエコカーには走行用の電気エネルギー源の蓄積のために、１００Ｖ〜４００Ｖ程度の高電圧のＨＶ（ハイブリッド）バッテリが搭載されている。

特開平８−６９９３５号公報 特開平９−９２５３７号公報 特許第３２２３４２５号公報 特開２０１３−２６５５６号公報 特開平３−１８３１０６号公報

ＨＶバッテリのバッテリ電圧はその使用目的や販売価格帯、車格やグレードによりさまざまな電圧範囲を持っている。一般的な電圧範囲は例えば図１６に示すようになっている。例えば図１６に示すように、ＨＶバッテリの電圧として、１００Ｖ〜２００Ｖ、２００Ｖ〜３００Ｖ、および３００Ｖ〜４００Ｖなどの範囲が用いられる。

一方、これらエコカーにはＨＶバッテリの他に電装機器を動かすための１２Ｖの鉛バッテリが搭載されており、ＨＶバッテリ電圧を鉛バッテリ電圧に変換するのが車載用ＤＣ／ＤＣコンバータの役割である。ＤＣ／ＤＣコンバータは電力変換と絶縁のためにＭＴ（絶縁トランス）が用いられる。絶縁トランスにおけるコイルの最適巻数は、例えば図１６に示すようにＨＶバッテリの電圧範囲に依存する。例えば上記３つの電圧範囲に対応するためには、従来では巻数の異なる絶縁トランスを個別に用意する必要があった。例えば図１６に示したように、１００Ｖ〜２００Ｖの場合の巻数は８ターン（８Ｔｓ）、２００Ｖ〜３００Ｖの場合の巻数は１０ターン（１０Ｔｓ）、および３００Ｖ〜４００Ｖの場合の巻数は１２ターン（１２Ｔｓ）となる。

特許文献１〜５には、導体によるコイルパターンによってコイル部品を構成した例が開示されている。これらの文献にはコイル部品の巻数を変更可能にした構成例も開示されている。しかしながら、各文献に記載のコイル部品は、例えば特許文献１に記載のように巻数の異なる複数種類の基板を用意する必要があったり、特許文献２に記載のように巻数を変更した場合にコイルとして機能しない、無駄になるパターンが存在する等の点で改善の余地がある。

本発明の目的は、巻数を容易に変更できるようにしたコイル部品、コイル部品複合体およびトランス、ならびに、そのようなコイル部品等によって構成された電源用回路素子を含む電源装置を提供することにある。

本発明によるコイル部品は、プリント基板に形成され、巻数に応じて互いに導通可能に分離された複数のパターン分離部分を有するコイルパターンと、複数のパターン分離部分同士の導通状態を変えることにより、コイルパターンの巻数を変更させる導通部材とを備え、導通部材による巻数の変更に関わらず、コイルパターンのすべてのパターンがコイルとして機能するものである。

本発明によるトランスは、１次側巻線と、２次側巻線とを含み、１次側巻線および２次側巻線のいずれか一方が、上記本発明によるコイル部品によって構成されているものである。

本発明によるコイル部品複合体は、上記本発明によるコイル部品によって構成された第１のコイル部品と、第１のコイル部品に電気的に接続された第２のコイル部品とを含むものである。

本発明による電源装置は、上記本発明によるコイル部品によって構成された電源用回路素子を含むものである。

本発明によるコイル部品、コイル部品複合体、トランス、または電源装置では、複数のパターン分離部分同士の導通状態を変えることによって、コイルパターンの巻数が変更される。この場合において、巻数の変更に関わらず、コイルパターンのすべてのパターンがコイルとして機能する。

本発明によるコイル部品において、プリント基板は多層基板であってもよい。コイルパターンは多層基板の少なくとも１つの内層に形成され、複数のパターン分離部分にはそれぞれ、少なくとも１つの巻数選択用スルーホールが形成されていてもよい。導通部材は、多層基板の表面層から巻数選択用スルーホールを介して複数のパターン分離部分同士の導通状態を変えるものであってもよい。

この場合、コイルパターンの巻数可変範囲内において、パターンの巻始め部分および巻終わり部分には、巻数選択用スルーホールが１つのみ形成され、巻始め部分および巻終わり部分以外のパターン分離部分の少なくとも一部には、巻数選択用スルーホールが複数形成されていてもよい。

また、コイルパターンの巻数可変範囲内において巻数選択用スルーホールが３つ以上形成され、隣接する巻数選択用スルーホール同士の間隔は略一定であってもよい。

また、本発明によるコイル部品複合体において、複数のパターン分離部分は、第１のコイル部品と、第２のコイル部品との間に形成されていてもよい。

また、本発明による電源装置において、導通部材は、スイッチング素子であってもよい。また、スイッチング素子をスイッチング制御することにより巻数を制御する巻数制御部をさらに備えていてもよい。
この場合、巻数制御部は、入力電圧の大きさに応じて巻数を制御するようにしてもよい。

本発明のコイル部品、コイル部品複合体、トランス、または電源装置によれば、複数のパターン分離部分同士の導通状態を変えることによってコイルパターンの巻数を変更し、その際、巻数の変更に関わらず、コイルパターンのすべてのパターンがコイルとして機能するようにしたので、巻数の変更に関わらず、複数の基板を用意することなく、また無駄なパターンを発生させることなく、巻数を容易に変更できる。

本発明の一実施の形態に係る電源装置の一構成例を示すブロック図である。 多層基板の一例を示す断面図である。 本発明の一実施の形態に係るコイル部品を構成する第１層のコイルパターンの一例を示す平面図である。 コイル部品を構成する第２層のコイルパターンの一例を示す平面図である。 コイル部品を構成する第３層のコイルパターンの一例を示す平面図である。 コイル部品を構成する第４層のコイルパターンの一例を示す平面図である。 コアとジャンパ端子の実装状態の一例を示す斜視図である。 巻数を４ターンに選択した場合の第２層のコイルパターンの接続状態の一例を示す平面図である。 巻数を５ターンに選択した場合の第２層のコイルパターンの接続状態の一例を示す平面図である。 巻数を６ターンに選択した場合の第２層のコイルパターンの接続状態の一例を示す平面図である。 スイッチング素子を用いてコイルパターンの巻数の選択を行う場合の構成例を示す平面図である。 接続導体を用いてコイルパターンの巻数の選択を行う場合の構成例を示す平面図である。 変形例に係るコイル部品の第２層のコイルパターンの一例を示す平面図である。 変形例に係るコイル部品の第３層のコイルパターンの一例を示す平面図である。 比較例のコイルパターンとして、巻数が４ターンで固定の例を示す平面図である。 ＨＶバッテリの電圧範囲と絶縁トランスの巻線数との関係の一例を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．スイッチング電源装置
１．１ 構成
１．２ 動作
２．コイル部品（トランス２０）
２．１ 構成および作用
２．２ 効果
３．コイル部品の変形例
４．その他の実施の形態

［１．スイッチング電源装置］
（１．１ 構成）
図１は、本発明の一実施の形態に係るスイッチング電源装置１の一構成例を示している。

このスイッチング電源装置１は、例えば車載用のＤＣ／ＤＣコンバータとして用いられるものである。このスイッチング電源装置１は、入力端子Ｔ１，Ｔ２に接続された高圧バッテリＢＨから入力された直流電圧Ｖｉｎを電圧変換する（降圧する）ことにより、直流の出力電圧Ｖｏｕｔを生成すると共に、この出力電圧Ｖｏｕｔを出力端子Ｔ３，Ｔ４を介して低圧バッテリＢＬへ供給するようになっている。なお、高圧バッテリＢＨは、１００Ｖから５００Ｖ程度の電圧を蓄電するバッテリであり、低圧バッテリＢＬは、１２Ｖから１５Ｖ程度の電圧を蓄電するバッテリである。

このスイッチング電源装置１は、入力平滑コンデンサＣｉｎと、巻数制御部５と、電圧検出回路７，９と、電流検出回路８と、スイッチング回路１０と、共振インダクタＬｒと、トランス２０（絶縁トランス）と、整流回路３０と、平滑回路４０と、制御部５０と、演算部６９とを備えている。

入力平滑コンデンサＣｉｎは、入力端子Ｔ１に接続された１次側高圧ラインＬ１Ｈと入力端子Ｔ２に接続された１次側低圧ラインＬ１Ｌとの間に配置されており、高圧バッテリＢＨから入力端子Ｔ１、Ｔ２間に入力された直流の入力電圧Ｖｉｎを平滑化するためのものである。

電圧検出回路７は、１次側高圧ラインＬ１Ｈと１次側低圧ラインＬ１Ｌとの間に配置されており、入力端子Ｔ１、Ｔ２間の入力電圧Ｖｉｎを検出すると共に、この検出した入力電圧Ｖｉｎに対応する検出信号を演算部６９へ出力するものである。このような電圧検出回路７の具体的な回路構成としては、例えば、１次側高圧ラインＬ１Ｈと１次側低圧ラインＬ１Ｌとの間に配置された分圧抵抗（図示せず）によって電圧を検出し、これに応じた電圧を生成するものなどが挙げられる。

電流検出回路８は、１次側高圧ラインＬ１Ｈ上において、入力端子Ｔ１とスイッチング回路１０との間に配置されており、この１次側高圧ラインＬ１Ｈ上を流れる入力電流Ｉｉｎを検出すると共に、この検出した入力電流Ｉｉｎに対応する検出信号を演算部６９へ出力するものである。このような電流検出回路８の具体的な回路構成としては、例えばカレントトランスを含んだものが挙げられる。

スイッチング回路１０は、入力電圧Ｖｉｎを交流電圧に変換するフルブリッジ型のスイッチング回路である。このスイッチング回路１０は、スイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ１４を有している。

スイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ１４は、例えば、ＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor-Field Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの素子が使用可能である。この例では、スイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ１４は、全てＮチャネルのＭＯＳ−ＦＥＴにより構成されている。スイッチング素子ＳＷ１１のゲートにはＳＷ制御信号Ｓ１１が供給され、ソースがスイッチング素子ＳＷ１２のドレインに接続され、ドレインが１次側高圧ラインＬ１Ｈに接続されている。また、スイッチング素子ＳＷ１２のゲートにはＳＷ制御信号Ｓ１２が供給され、ソースが１次側低圧ラインＬ１Ｌに接続され、ドレインがスイッチング素子ＳＷ１１のソースに接続されている。また、スイッチング素子ＳＷ１３のゲートにはＳＷ制御信号Ｓ１３が供給され、ソースがスイッチング素子ＳＷ１４のドレインに接続され、ドレインが１次側高圧ラインＬ１Ｈに接続されている。また、スイッチング素子ＳＷ１４のゲートにはＳＷ制御信号Ｓ１４が供給され、ソースが１次側低圧ラインＬ１Ｌに接続され、ドレインがスイッチング素子ＳＷ１３のソースに接続されている。また、スイッチング素子ＳＷ１１のソースおよびスイッチング素子ＳＷ１２のドレインは、トランス２０の１次側巻線２１の一端に接続されている。また、スイッチング素子ＳＷ１３のソースおよびスイッチング素子ＳＷ１４のドレインは、共振インダクタＬｒを介して、この１次側巻線２１の他端に接続されている。この共振インダクタＬｒは、スイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ１４内の寄生容量素子、およびトランス２０のリーケージインダクタと共に所定のＬＣ共振回路を構成するためのものである。

この構成により、スイッチング回路１０では、制御部５０のＳＷ駆動部５５から供給されるＳＷ制御信号Ｓ１１〜Ｓ１４に応じてスイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ１４をオンオフ制御することにより、入力電圧Ｖｉｎを交流電圧に変換するようになっている。

トランス２０は、１次側と２次側とを直流的に絶縁するとともに交流的に接続するものであり、１次側巻線２１および２次側巻線２２Ａ，２２Ｂを含んで構成された３巻線型のトランスである。トランス２０の１次側巻線２１と２次側巻線２２Ａ，２２Ｂとは、フォワード接続されている。１次側巻線２１の一端はスイッチング回路１０に接続され、他端は共振インダクタＬｒを介してスイッチング回路１０に接続されている。また、２次側巻線２２Ａの一端および２次側巻線２２Ｂの一端は、整流回路３０に接続されている。そして、２次側巻線２２Ａ，２２Ｂの他端同士はセンタタップＣＴで互いに接続され、さらに２次側高圧ラインＬ２Ｈに接続されている。

１次側巻線２１の巻数はＮｐであり、２次側巻線２２Ａ，２２Ｂの巻数はそれぞれＮｓである。これらの巻数比Ｎｐ：Ｎｓは、例えば１０：１に設定される。ただし、後述するように、トランス２０の１次側巻線２１の巻数Ｎｐは可変にすることが可能であり、必要に応じて適宜の巻数Ｎｐに設定される。巻数制御部５は、トランス２０の１次側巻線２１の巻数Ｎｐが、後述するように可変制御可能な構成となっている場合に、その巻数Ｎｐを制御するものである、巻数制御部５は例えば、電圧検出回路７で検出された入力電圧Ｖｉｎに対応する検出信号に基づいて、トランス２０の１次側巻線２１の巻数Ｎｐを制御するようになっている。

この構成により、トランス２０は、１次側巻線２１の両端間に供給された交流電圧をＮｓ／Ｎｐ倍に降圧し、２次側巻線２２Ａ，２２Ｂから出力するようになっている。

整流回路３０は、トランス２０から供給される交流電圧を整流する回路である。この整流回路３０は、ダイオード３１，３２を有している。ダイオード３１のカソードは２次側巻線２２Ｂの一端に接続され、アノードは２次側低圧ラインＬ２Ｌに接続されている。ダイオード３２のカソードは２次側巻線２２Ａの一端に接続され、アノードは２次側低圧ラインＬ２Ｌに接続されている。

平滑回路４０は、チョークコイルＬｃｈと出力平滑コンデンサＣｏｕｔとを有している。チョークコイルＬｃｈは、２次側高圧ラインＬ２Ｈ上に挿入配置されており、その一端はトランス２０のセンタタップＣＴに接続され、他端は端子Ｔ３に接続されている。出力平滑コンデンサＣｏｕｔは、端子Ｔ３に接続された２次側高圧ラインＬ２Ｈと端子Ｔ４に接続された２次側低圧ラインＬ２Ｌとの間に配置されている。

この構成により、平滑回路４０は、整流回路３０によって整流されセンタタップＣＴから出力される信号を平滑化して直流の出力電圧Ｖｏｕｔを生成し、これを出力端子Ｔ３、Ｔ４間に接続された低圧バッテリＢＬに給電するようになっている。

電圧検出回路９は、２次側高圧ラインＬ２Ｈと２次側低圧ラインＬ２Ｌとの間に配置されており、出力端子Ｔ３、Ｔ４間の出力電圧Ｖｏｕｔを検出すると共に、この検出した出力電圧Ｖｏｕｔに対応する検出信号を制御部５０へ出力するものである。このような電圧検出回路９の具体的な回路構成としては、例えば、電圧検出回路７と同様に、２次側高圧ラインＬ２Ｈと２次側低圧ラインＬ２Ｌとの間に配置された分圧抵抗（図示せず）によって電圧を検出し、これに応じた電圧を生成するものなどが挙げられる。

制御部５０は、電圧検出回路９が検出した出力電圧Ｖｏｕｔの検出結果に基づいて、この出力電圧Ｖｏｕｔが所定の電圧を保つように、スイッチング回路１０におけるスイッチング動作を制御するものである。制御部５０は、バッファ５１と、抵抗器Ｒ５２と、ＳＷ制御部５３と、トランス５４と、ＳＷ駆動部５５とを有している。

バッファ５１は、インピーダンス変換の機能を有するとともに、例えば電圧検出回路９から供給された信号の電圧レンジを変換して出力する回路である。抵抗器Ｒ５２は、バッファ５１の出力信号のノイズを除去し、あるいは、サージ電圧、過電流などを制限することにより、バッファ５１および演算部６９を保護する機能を有する。ＳＷ制御部５３は、バッファ５１から抵抗器Ｒ５２を介して供給された信号に基づいて、出力電圧Ｖｏｕｔが所定の電圧を保つように、ＳＷ駆動部５５を制御するものである。具体的には、ＳＷ制御部５３は、ＳＷ制御信号Ｓ１１〜Ｓ１４の基となる制御信号を生成し、トランス５４を介してＳＷ駆動部５５へ供給する機能を有する。ＳＷ駆動部５５は、ＳＷ制御部５３からトランス５４を介して供給された制御信号に基づいて、ＳＷ制御信号Ｓ１１〜Ｓ１４を生成し、スイッチング回路１０のスイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ１４へそれぞれ供給するものである。

この構成により、スイッチング回路１０は、ＳＷ制御信号Ｓ１１〜Ｓ１４に基づいてスイッチング動作を行い、スイッチング電源装置１は、出力電圧Ｖｏｕｔが所定の電圧を保つように動作するようになっている。

演算部６９は、入力電圧Ｖｉｎ、出力電圧Ｖｏｕｔ、および入力電流Ｉｉｎに基づいて、出力電流Ｉｏｕｔを求めるとともに、これらの４つの情報を外部に供給するものである。すなわち、スイッチング電源装置１では、２次側高圧ラインＬ２Ｈに出力電流Ｉｏｕｔを検出するための電流検出回路を設けることなく、入力電圧Ｖｉｎ、出力電圧Ｖｏｕｔ、および入力電流Ｉｉｎに基づいて、出力電流Ｉｏｕｔを演算により求めるようになっている。

演算部６９は、入力電流Ｉｉｎに対応する検出信号、入力電圧Ｖｉｎに対応する検出信号、およびバッファ５１から供給される出力電圧Ｖｏｕｔに係る電圧に基づいて演算を行い、出力電流Ｉｏｕｔを求めるものである。その際、演算部６９は例えば、入力電圧Ｖｉｎおよび出力電圧Ｖｏｕｔに基づいてスイッチングデューティ比Ｄを求め、入力電流Ｉｉｎとそのスイッチングデューティ比Ｄに基づいて出力電流Ｉｏｕｔを求めるようになっている。そして、演算部６９は、入力電圧Ｖｉｎ、出力電圧Ｖｏｕｔ、入力電流Ｉｉｎ、出力電流Ｉｏｕｔに関する情報を、端子Ｔ５に接続された外部の装置に対して送信する。この外部の装置は、例えば、このスイッチング電源装置１が属するシステム全体を制御する制御装置であり、このスイッチング電源装置１の状態（入出力電圧、入出力電流、温度など）をモニタする目的で、これらのデータを収集するものであり、例えば、ＥＣＵ（Electric Control Unit）と呼ばれる車載側制御部が挙げられる。

なお、この演算部６９としては、例えば、マイクロコントローラ（ＭＣＵ）などを用いて構成することができる。また、演算部６９に加え、例えばＳＷ制御部５３またはその一部をマイクロコントローラなどで実現してもよい。

（１．２ 動作）
スイッチング電源装置１の全体動作の概要を説明する。スイッチング回路１０は、ＳＷ制御信号Ｓ１１〜Ｓ１４に基づいてスイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ１４をスイッチングすることにより、高圧バッテリＢＨから供給された直流電圧Ｖｉｎを交流電圧に変換し、トランス２０の１次側巻線２１の両端間に供給する。そしてトランス２０は、この交流電圧をＮｓ／Ｎｐ倍に変圧（降圧）し、２次側巻線２２Ａ，２２Ｂから、変圧された交流電圧を出力する。整流回路３０は、この交流電圧を整流する。平滑回路４０は、この整流された信号を平滑化して直流電圧Ｖｏｕｔを生成し、端子Ｔ３，Ｔ４に接続された低圧バッテリＢＬに給電する。

制御部５０は、電圧検出回路９が検出した出力電圧Ｖｏｕｔの検出結果に基づいて、ＳＷ制御信号Ｓ１１〜Ｓ１４を生成してスイッチング回路１０に供給し、出力電圧Ｖｏｕｔが所定の電圧を保つように制御する。演算部６９は、入力電圧Ｖｉｎ、出力電圧Ｖｏｕｔ、および入力電流Ｉｉｎに基づいて、出力電流Ｉｏｕｔを求めるとともに、これらの４つの情報を外部に供給する。

［２．コイル部品（トランス２０）］
（２．１ 構成および作用）
ここでは、例えば図１に示したスイッチング電源装置１における電源用回路素子として、トランス２０（絶縁トランス）に適用可能な可変巻数のコイル部品の構成例を説明する。また、第１のコイル部品としてのトランス２０と、第２のコイル部品としての共振インダクタＬｒとを含むコイル部品複合体の構成例を説明する。

まず、比較例として従来からの一般的なプリントコイル巻線によるコイル部品の構成例を図１５に示す。プリントコイルは例えば図２に示したような多層プリント基板１００の内層などの銅箔を用いて、後付する磁心（コア）に巻くように形成される。各層の銅箔はスルーホールにより接続される。図２に示した多層プリント基板１００は、表面側（上層）から下層側へと、第１層１０１、第２層１０２、第３層１０３、および第４層１０４からなる４層基板となっている。多層プリント基板１００は、スルーホール１０５によって、任意の層間を導通させることが可能となっている。

図１５の比較例では、プリントコイル巻線の１つとして第２層のコイルパターン２２０を示している。第２層のコイルパターン２２０は、トランス２０（絶縁トランス）用のコア１６１と共振インダクタＬｒ用のコア１６２とを周回するように形成されている。コア１６１およびコア１６２は、例えばフェライトコアである。図１５に示したコア１６１に巻かれた第２層のコイルパターン２２０は、トランス２０の１次側巻線２１の一部を構成している。降圧ＤＣ／ＤＣコンバータの場合、電位の関係上、高電圧の１次側巻線２１を内層に構成し、低電圧の２次側巻線２２Ａ，２２Ｂは外層に構成する場合が多い。例えば図２に示した４層基板の場合、第２層１０２、および第３層１０３に１次側巻線２１を構成し、第１層１０１および第４層１０４に２次側巻線２２Ａ，２２Ｂを構成する。なお、第２層のコイルパターン２２０には、他の層との接続用の接続用スルーホール１５１，１５２，１５３が設けられている。

図１５の比較例では、第２層のコイルパターン２２０は、トランス２０の１次側巻線２１の一部に相当する部分の巻数が４ターン（４Ｔｓ）で固定となっている。このように、従来、プリントコイル巻線の巻数は固定であり、特に内層で構成した巻数は容易に変更することは困難であった。

これに対し、図３〜図６に、巻数を可変に構成したコイル部品のコイルパターンを示す。図１５の比較例と同様に、例えば図２に示した４層基板の場合、第２層１０２、および第３層１０３にトランス２０の１次側巻線２１を構成し、第１層１０１および第４層１０４に２次側巻線２２Ａ，２２Ｂを構成することができる。また、図３〜図６はコイル部品複合体を構成する例を示しており、第１のコイル部品としてのトランス２０と、第１のコイル部品に電気的に接続された第２のコイル部品としての共振インダクタＬｒとを含んでいる。

なお、以下では、４層基板を用いた場合の構成例を説明するが、本発明のコイル部品を形成する基板の層数は４層に限定されない。また、各層に構成されるコイルパターンの配置や使用するコイルパターンの層数は以下で説明する構成例に限定されるものではない。

図３は、本発明の一実施の形態に係るコイル部品を構成する第１層のコイルパターン１１０の一例を示し、図４は第２層のコイルパターン１２０の一例を示し、図５は第３層のコイルパターン１３０の一例を示し、図６は第４層のコイルパターン１４０の一例を示す。

各層のコイルパターンは、トランス２０用のコア１６１と共振インダクタＬｒ用のコア１６２とを周回するように形成されている。各層には他の層との接続用の接続用スルーホール１５１，１５２，１５３が設けられている。

第２層のコイルパターン１２０と第３層のコイルパターン１３０とが接続用スルーホール１５１を介して接続されることにより、トランス２０の１次側巻線２１に相当する巻線部分が構成されている。また、第２層のコイルパターン１２０と第３層のコイルパターン１３０とが接続用スルーホール１５３を介して接続されることにより、共振インダクタＬｒに相当する巻線部分が構成されている。また、トランス２０の１次側巻線２１に相当する巻線部分と共振インダクタＬｒに相当する巻線部分との間が接続用スルーホール１５２で接続されている。

このコイル部品は、トランス２０の１次側巻線２１に相当する部分に、巻数を変更するための巻数可変部２００が設けられている。巻数可変部２００には、巻数選択用スルーホール２１０が設けられている。第２層のコイルパターン１２０は、巻数に応じて互いに導通可能に分離された複数のパターン分離部分１２１を有している。

このコイル部品では、図７に示したように、基板の表面層（第１層）側から巻数選択用スルーホール２１０に導通部材としてのジャンパ端子１６０を挿入することにより、巻数選択用スルーホール２１０を介して複数のパターン分離部分１２１同士の導通状態を変えることができる。これにより、後述する図８〜図１０に示すように、第２層のコイルパターン１２０の巻数を変えることができる。この場合において、導通部材による巻数の変更に関わらず、第２層のコイルパターン１２０のすべてのパターンがコイルとして機能する。

複数のパターン分離部分１２１は、第１のコイル部品としてのトランス２０と第２のコイル部品としての共振インダクタＬｒとの間に形成されている。

第２層のコイルパターン１２０の巻数可変範囲Ｔａ内において巻数選択用スルーホール２１０が３つ以上形成されている。隣接する巻数選択用スルーホール２１０同士の間隔は略一定であることが好ましい。

第２層のコイルパターン１２０の巻数可変範囲Ｔａ内において、パターンの巻始め部分および巻終わり部分には、巻数選択用スルーホール２１０が１つのみ形成されている。すなわち、図４に示したように、巻数可変範囲Ｔａ内において、巻始め部分には１つのスルーホール２１１が形成され、巻終わり部分には１つのスルーホール２１２が形成されている。それら巻始め部分および巻終わり部分以外のパターン分離部分１２１の少なくとも一部には、巻数選択用スルーホールが複数（２以上）形成されている。

図７は、コア１６１，１６２とジャンパ端子１６０の実装状態の一例を示している。絶縁トランスとして使用するには、複数の巻数選択用スルーホール２１０の配置に則り、ジャンパ端子１６０を接続する。図７に示したように、ジャンパ端子１６０は基板表層に実装し、例えば第１層から第４層までの各層を半田接続する。ジャンパ端子１６０は実装方法を限定するものではないが、自動実装であることが望ましい。車載用のＤＣ／ＤＣコンバータは１次側でも大きな電流が流れるが、金属ジャンパと半田実装によりスルーホール単体よりも電流許容値を増やす効果がある。

また、製造上および検査上の観点から、各巻数を構成するには、どの巻数選択用スルーホール２１０にジャンパ端子１６０を挿入するか、基板表面層にシルク印刷等で目印を付けておいても良い。

例として、図８〜図１０に、４〜６ターンに巻数を可変させる場合のジャンパ端子１６０の接続配列を示す。図８は、巻数を４ターンに選択した場合の第２層のコイルパターン１２０の接続状態の一例を示す。また、図９は巻数を５ターンに選択した場合、図１０は巻数を６ターンに選択した場合の第２層のコイルパターン１２０の接続状態の一例を示す。

図８〜図１０において、太い黒線で結ばれている巻数選択用スルーホール２１０の部分が、ジャンパ端子１６０の接続位置２０１に相当し、その部分が導通される。図示したように、図８の４ターンの場合、ジャンパ端子１６０によって一体化されたパターン１７１が部分的に形成される。同様に、図９の５ターンの場合、ジャンパ端子１６０によって一体化されたパターン１７２が部分的に形成される。これにより、無駄なパターンを発生させることなく、巻数の変更に関わらず、第２層のコイルパターン１２０のすべてのパターンがコイルとして機能する。ジャンパ端子１６０を接続する巻数選択用スルーホール２１０の間隔（ピッチ）を略同じにすることにより、使用するジャンパ端子１６０を１種類にすることができる。

このコイル部品では、巻数を変更するための巻数可変部２００が第１のコイル部品としてのトランス２０と第２のコイル部品としての共振インダクタＬｒとの間に形成されていることで、他層の巻線に干渉させずに巻数を変更することができる。

（ジャンパ端子１６０以外の接続例）
図７には、導電性のジャンパ端子１６０を用いて巻線を選択する例を示したが、半導体リレーなどの双方向のスイッチング素子を用いて巻線選択を行ってもよい。

図１１は、スイッチング素子１６３を用いて第２層のコイルパターン１２０の巻数の選択を行う場合の構成例を示している。基板の表面層（第１層）において複数の巻数選択用スルーホール２１０の間にスイッチング素子１６３が配置され、隣り合う巻数選択用スルーホール２１０同士の導通状態を変えることが可能となっている。この場合、マイコン等により任意に巻線選択することで、例えば入力電圧Ｖｉｎの変動に応じて巻線を選択することで最適な動作（最大効率を出す）が可能となる。例えば図１に示したＤＣ／ＤＣコンバータの例では、巻数制御部５が入力電圧Ｖｉｎに応じて、トランス２０の１次側巻線２１の巻数Ｎｐを制御する。また入力電圧Ｖｉｎの低下時に巻数を下げることで、車載用のＨＶバッテリの放電時でも限界までＤＣ／ＤＣコンバータを動作させることができ、電気自動車等に適用した場合に、走行距離の延伸に貢献できる。

また、このコイル部品では、例えば図８〜図１０に示したように、第２層のコイルパターン１２０の巻数を例えば４〜６ターンに変更できるので、例えば第３層においてトランス２０の１次側巻線２１に相当する巻線が６ターンだとすれば、全体としてトランス２０の１次側巻線２１を１０〜１２ターンまで可変することができる。これにより、例えば図１６に示したように、２００Ｖ〜３００Ｖと３００Ｖ〜４００Ｖの２種類のＨＶバッテリに対応可能となる。

図１２は、導体パターンによる接続導体１６４を用いてコイルパターンの巻数の選択を行う場合の構成例を示している。例えば図１２に示したように、基板の表面層（第１層）において複数の巻数選択用スルーホール２１０の間をすべて導体パターンによる接続導体１６４で導通させる。そして、選択したい巻数に応じて、接続導体１６４のパターンをレーザカッター等により切断することで、所望の巻数を選択できる。

（２．２ 効果）
以上のように、本実施の形態によれば、複数のパターン分離部分１２１同士の導通状態を変えることによって第２層のコイルパターン１２０の巻数を変更し、その際、巻数の変更に関わらず、第２層のコイルパターン１２０のすべてのパターンがコイルとして機能する。これにより、巻数の変更に関わらず、複数の基板を用意することなく、また無駄なパターンを発生させることなく、巻数を容易に変更できる。また、パワー部品の利用効率を上げ、電力供給能力を向上させることができる。

本実施の形態によるコイル部品を用いることで、さまざまな巻数のトランスを１種類の基板にて構成することができる。これによりさまざまな入力電圧範囲に１種類の基板で対応することができ、基板の共通化とこれに伴うコスト削減、および設計工数の削減等を同時に達成することができる。

本実施の形態によるコイル部品は、ＨＥＶなどの電気自動車に使用されるＤＣ／ＤＣコンバータの電源用回路素子として使用できる。基板上にパターンで形成された１種類のプリントコイル基板１枚のみを使用するので、部品としてのコイル巻線が複数種ではない。また、巻数比を変更する層は１層のみでトランスのパラメータ変化量が小さい。巻線は必ず直列ないし並列で接続されるので無駄となる巻線がない。ジャンパ端子１６０をもちいる場合、金属のジャンパ端子１６０と半田接続（埋設）との効果により、スルーホールでの電流許容値を増やすことができる。

（先行技術文献との比較）
文献１（特開平８−６９９３５号公報）には、プリントコイルを形成する１部分で巻数の異なるコイルを複数種用意し、その組み合わせでコイル全体の巻数を変える提案がなされている。この場合、巻数の異なるコイル基板を複数種用意し、かつそれを張り合わせる工程が必要である。結果的にコイル基板本体は複数種でき、同一の基板で構成しているとは言えない。一方、本実施の形態では予め基板上に配置したパターンを使用してそれを繋ぎかえることのみで巻数を変更しており、部材としてのコイル巻線を複数種作成するわけではない。

文献２（特開平９−９２５３７号公報）では、予め基板面上に配置したパターンを選択使用してインダクタ調整をするが、使用しない場合のパターンは無駄となり基板面積を有効活用できない。それに対し本実施の形態では必ずパターンを直列か並列かに接続することで形成されているパターンに無駄はなく、基板面積を有効に使用することができる。

文献３（特許第３２２３４２５号公報）では、基板面上に配置したパターンのうち隣接するものを１次側巻線と２次側巻線との２つのグループに分け、それを選択して結線することで結合容量を下げているが、反面、リーケージインダクタンスの増加を招き、トランスの性能を低下させる。本実施の形態では１次側巻線２１の巻き数変更のみを行い１次２次の巻数比のみを変化させている。これにより１次側−２次側間も結合容量は常に一定となるトランスのリーケージインダクタンスも低い値で一定となり安定した設計が可能である。また異なる面上で結線を繋ぎかえることで、トランスの巻数比を変更可能な旨が書かれているが、本実施の形態では同一面上だけで結線の繋ぎかえを行い、巻数比を変えている点が異なる。

文献４（特開２０１３−２６５５６号公報）では、プリントコイルを形成する基板を複数枚用意し、それを積層してコイル巻線を作るがその過程で巻線の繋ぎ方をジャンパ抵抗等で変化させ、積層させたコイル巻線の巻数を変えている。一方、本実施の形態では基板の積層はせずに基板１枚の１層のみのパターンの繋ぎかえで巻数を変化させており、基板を複数枚用意したり積層したりする必要はない。

文献５（特開平３−１８３１０６号公報）では、複数枚の基板の機械的結合を強化するために、金属ピンをスルーホールに差し込み半田付けを行っているが、本実施の形態では１枚の基板の１層のみのコイルパターンの繋ぎかえにより巻数を変化させる、かつスルーホール部の電流許容値を増やす目的のみにジャンパ端子を使用して半田接続をしており、機械的結合強度は変化させていない点が異なる。

［３．コイル部品の変形例］
上記実施の形態では、第２層のコイルパターン１２０の巻数を変更する構成例を示したが、他の層のコイルパターンの巻数が変更可能となっていても良い。

例えば図１３および図１４に示したように、トランス２０の１次側巻線２１に相当する第２層のコイルパターン１２０Ａおよび第３層のコイルパターン１３０Ａの双方の巻数が変更可能となっていても良い。図１３は、本変形例に係るコイル部品の第２層のコイルパターン１２０Ａの一例を示している。図１４は、本変形例に係るコイル部品の第３層のコイルパターン１３０Ａの一例を示している。

第２層のコイルパターン１２０Ａには、上記実施の形態と同様にトランス２０の１次側巻線２１に相当する部分に、巻数を変更するための巻数可変部２００が設けられている。

第３層のコイルパターン１３０Ａには、第２層のコイルパターン１２０Ａと同様に、トランス２０の１次側巻線２１に相当する部分に、巻数を変更するための巻数可変部３００が設けられている。巻数可変部３００には、巻数選択用スルーホール３１０が設けられている。第３層のコイルパターン１３０Ａは、巻数に応じて互いに導通可能に分離された複数のパターン分離部分１３１を有している。

このコイル部品では、第３層のコイルパターン１３０Ａも、例えば図７に示した例と同様に、基板の表面層（第１層）側から巻数選択用スルーホール２１０に導通部材としてのジャンパ端子１６０を挿入することにより、巻数選択用スルーホール３１０を介して複数のパターン分離部分１３１同士の導通状態を変えることができる。これにより、図８〜図１０の例と同様に、第３層のコイルパターン１３０Ａの巻数を変えることができる。この場合において、導通部材による巻数の変更に関わらず、第３層のコイルパターン１３０Ａのすべてのパターンがコイルとして機能する。

第３層のコイルパターン１３０Ａの巻数可変範囲Ｔｂ内において巻数選択用スルーホール３１０は３つ以上形成されている。隣接する巻数選択用スルーホール３１０同士の間隔は略一定であることが好ましい。

第３層のコイルパターン１３０Ａの巻数可変範囲Ｔｂ内において、パターンの巻始め部分および巻終わり部分には、巻数選択用スルーホール３１０が１つのみ形成されている。すなわち、図１４示したように、巻数可変範囲Ｔｂ内において、巻始め部分には１つのスルーホール３１１が形成され、巻終わり部分には１つのスルーホール３１２が形成されている。それら巻始め部分および巻終わり部分以外のパターン分離部分１３１の少なくとも一部には、巻数選択用スルーホールが複数（２以上）形成されている。

［４．その他の実施の形態］
本発明による技術は、上記実施の形態の説明に限定されず種々の変形実施が可能である。

例えば、上記実施の形態では、コイル部品を電源用回路素子に適用した例について述べたが、本発明のコイル部品、コイル部品複合体およびトランスは、電源用回路素子以外にも適用可能である。また、本発明のコイル部品は、トランスに限らずインダクタにも適用可能である。

１…スイッチング電源装置、５…巻数制御部、７，９…電圧検出回路、８…電流検出回路、１０…スイッチング回路、２０…トランス（絶縁トランス、第１のコイル部品）、２１…１次側巻線、２２Ａ，２２Ｂ…２次側巻線、３０…整流回路、３１，３２…ダイオード、４０…平滑回路、５０…制御部、５１…バッファ、５３…ＳＷ制御部、５４…トランス、５５…ＳＷ駆動部、６９…演算部、１００…多層プリント基板、１０１…第１層、１０２…第２層、１０３…第３層、１０４…第４層、１０５…スルーホール、１１０…第１層のコイルパターン、１２０…第２層のコイルパターン、１２０Ａ…第２層のコイルパターン、１２１…パターン分離部分、１３０…第３層のコイルパターン、１３０Ａ…第３層のコイルパターン、１３１…パターン分離部分、１４０…第４層のコイルパターン、１５１…接続用スルーホール、１５２…接続用スルーホール、１５３…接続用スルーホール、１６０…ジャンパ端子、１６１…コア、１６２…コア、１６３…スイッチング素子、１６４…接続導体、１７１…一体化されたパターン、１７２…一体化されたパターン、２００…巻数可変部、２０１…接続位置、２１０…巻数選択用スルーホール、２１１…スルーホール（巻始め部分）、２０２…スルーホール（巻終わり部分）、３００…巻数可変部、３０１…接続位置、３１０…巻数選択用スルーホール、３１１…スルーホール（巻始め部分）、３１２…スルーホール（巻終わり部分）、２２０…第２層のコイルパターン、ＢＨ…高圧バッテリ、ＢＬ…低圧バッテリ、Ｃｉｎ…入力平滑コンデンサ、Ｃｏｕｔ…出力平滑コンデンサ、Ｉｉｎ…入力電流、Ｉｏｕｔ…出力電流、Ｌｃｈ…チョークコイル、Ｌｒ…共振インダクタ（第２のコイル部品）、Ｒ５２…抵抗器、ＳＷ１１〜ＳＷ１４，ＳＷ２１，ＳＷ２２…スイッチング素子、Ｓ１１〜Ｓ１４…ＳＷ制御信号、Ｔａ…巻数可変範囲、Ｔｂ…巻数可変範囲、Ｔ１，Ｔ２…入力端子、Ｔ３，Ｔ４…出力端子、Ｔ１１，Ｔ１２…期間、Ｖｉｎ…入力電圧、Ｖｏｕｔ…出力電圧。

Claims (9)

1. 多層のプリント基板の少なくとも１つの内層に形成され、巻数に応じて互いに導通可能に分離された複数のパターン分離部分を有するコイルパターンと、
   前記複数のパターン分離部分同士の導通状態を変えることにより、前記コイルパターンの巻数を変更させる導通部材と
   を備え、
   前記導通部材による巻数の変更に関わらず、前記コイルパターンのすべてのパターンがコイルとして機能し、
   前記複数のパターン分離部分にはそれぞれ、少なくとも１つの巻数選択用スルーホールが形成され、
   前記導通部材は、前記プリント基板の表面層から前記巻数選択用スルーホールを介して前記複数のパターン分離部分同士の導通状態を変えるようになされ、
   前記コイルパターンの巻数可変範囲内において、パターンの巻始め部分および巻終わり部分には、前記巻数選択用スルーホールが１つのみ形成され、前記巻始め部分および前記巻終わり部分以外の前記パターン分離部分の少なくとも一部には、前記巻数選択用スルーホールが複数形成されている
   コイル部品。
2. 前記コイルパターンの巻数可変範囲内において前記巻数選択用スルーホールが３つ以上形成され、隣接する前記巻数選択用スルーホール同士の間隔は略一定である
   請求項１に記載のコイル部品。
3. 多層のプリント基板の少なくとも１つの内層に形成され、巻数に応じて互いに導通可能に分離された複数のパターン分離部分を有するコイルパターンと、
   前記複数のパターン分離部分同士の導通状態を変えることにより、前記コイルパターンの巻数を変更させる導通部材と
   を備え、
   前記導通部材による巻数の変更に関わらず、前記コイルパターンのすべてのパターンがコイルとして機能し、
   前記複数のパターン分離部分にはそれぞれ、少なくとも１つの巻数選択用スルーホールが形成され、
   前記導通部材は、前記プリント基板の表面層から前記巻数選択用スルーホールを介して前記複数のパターン分離部分同士の導通状態を変えるようになされ、
   前記コイルパターンの巻数可変範囲内において前記巻数選択用スルーホールが３つ以上形成され、隣接する前記巻数選択用スルーホール同士の間隔は略一定である
   コイル部品。
4. １次側巻線と、２次側巻線とを含み、
   前記１次側巻線および前記２次側巻線のいずれか一方が、上記請求項１ないし３のいずれかに記載のコイル部品によって構成されている
   トランス。
5. 上記請求項１ないし３のいずれかに記載のコイル部品によって構成された第１のコイル部品と、
   前記第１のコイル部品に電気的に接続された第２のコイル部品と
   を含む
   コイル部品複合体。
6. 前記プリント基板において、前記複数のパターン分離部分は、前記第１のコイル部品と、前記第２のコイル部品との間に形成されている
   請求項５に記載のコイル部品複合体。
7. 上記請求項１ないし３のいずれかに記載のコイル部品によって構成された電源用回路素子を含む
   電源装置。
8. 前記導通部材は、スイッチング素子であり、
   前記スイッチング素子をスイッチング制御することにより巻数を制御する巻数制御部をさらに備えた
   請求項７に記載の電源装置。
9. 前記巻数制御部は、入力電圧の大きさに応じて巻数を制御する
   請求項８に記載の電源装置。

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