設計現場に役立つトランスの種類とは？　4分類の特徴から効果的な使い方まで解説

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トランスは、産業用ロボットから蓄電システム、半導体製造装置まで、幅広い機器の電源回路に搭載される部品です。種類によって動作原理や適した用途が異なるため、設計要件に合った選定が大切です。本記事では、トランスの基本原理から主な4つの種類、効果的な使い方まで解説します。

1. トランスとは何か

まずはトランスの基本動作と、チョークコイル・リアクトルとの違いを解説します。基礎知識を整理しておくことで、種別ごとの選定理由が明確になります。

電圧変換の原理とコアの役割

トランスは、2つ以上の巻線と鉄心（コア）で構成される電気部品です。わかりやすい例として、2つの巻線で構成されたトランスを考えます。一方の巻線（一次巻線）に交流電圧を加えると、コアを通じて磁束が発生し、もう一方の巻線（二次巻線）を磁束が通過、電圧が誘起されます。この電磁誘導の原理によって、電圧を上げたり下げたりできます。入出力の電圧比はコイルの巻数比に比例して決まります。

トランスの仕組み	回路図の一般的表記

• 電圧比：V₂ / V₁ = N₂ / N₁ （二次電圧 / 一次電圧 = 二次巻数 / 一次巻数）
• 電流比：I₂ / I₁ = N₁ / N₂ （二次電流 / 一次電流 = 一次巻数 / 二次巻数）

コアには、フェライトや珪素鋼板、アモルファス合金などの磁性材料が使われます。コアの材質と形状は、損失・磁束密度・耐熱性を決める重要な要素です。高周波回路にはフェライトが、商用周波数帯には珪素鋼板系のコアがそれぞれ適しています。特に容量が大きい高周波回路には、薄板の珪素鋼板やアモルファス合金、ナノ結晶合金が使われます。コアを適切に選ばなければ、鉄損が増大し、発熱や効率低下につながります。

チョークコイル・リアクトルとの違い

トランスと混同されやすいのが、チョークコイルとリアクトルです。チョークコイルやリアクトルは1回路の巻線を持ち、電流の平滑化やフィルタリングを主な目的とします。

トランスはこれに対し、一次・二次の2つ以上の巻線を持ち、電圧変換と電気絶縁を同時に果たします。リアクトルが電流の変化を抑制するのに対して、トランスは電圧レベルの変換を軸とした用途に使います。電源設計では、両者が同一回路内に組み合わさって機能することも珍しくありません。

主な搭載機器と回路

トランスは多岐にわたる機器に搭載されています。以下は代表的な搭載先です。

• 産業用電源：産業ロボットや半導体製造装置の制御電源への採用
• 充放電システム：EV向けのV2H（Vehicle to Home）や蓄電システムでの双方向電力変換への対応
• 無線・通信機器：無線機やUPS（Uninterruptible Power Supply：無停電電源）でのノイズ遮断性能と小型化の両立

搭載機器の多様さからも分かるとおり、トランスの設計要件は用途によって異なります。電源回路の電圧レベル、周波数帯域、絶縁耐圧など、各パラメータを整合させたうえで選定することが大切です。

2. トランスの種類と用途

トランスは使い方によって、電源・スイッチング・カレント・絶縁の4種類に分かれます。以下では、それぞれの動作原理と主な用途を解説します。

電源トランス

電源トランスは、商用電源の電圧を機器ごとに必要な値へ変換するトランスです。コイルの巻数比を調整することで出力電圧を自由に設定でき、産業機器や検査装置など幅広い用途に向いています。

使用時に管理すべきは、絶縁耐圧と温度上昇の2点です。絶縁耐圧は入出力間の電位差に対する安全余裕を確保するために設計段階で決定します。温度上昇は連続稼働時の発熱量と放熱設計のバランスで決まり、ここを外すと長期稼働での性能劣化につながります。電源トランスは商用周波数で駆動するので、コアは珪素鋼板を使うのが一般的です。形状は立型・横型で基板実装するタイプや、リードタイプのものなどさまざまです。

スイッチングトランス

スイッチングトランスは、数kHzから数百kHzの高周波領域で動作するトランスです。スイッチング電源の中核部品として、パソコンの電源ユニットのような小型のものから大型の産業用インバータまで搭載されています。コアはフェライトを用いるのが一般的ですが、数十kHz程度であればアモルファスやナノ結晶合金を適用する場合もあります。現在は大型フェライトの製造技術が進み、大容量のトランスも設計しやすくなっています。

使用上のポイントはノイズ対策です。高周波動作によってノイズが発生しやすく、シールド設計や巻線構造での対策を前提に回路へ組み込みます。周波数を高く設定するほど巻数を減らせることから、この特性を活かして実装スペースを圧縮する使い方が一般的です。

カレントトランス

カレントトランスは、電流の計測・監視を目的とした変流器です。一次側に流れる大電流を、二次側で扱いやすい小電流に変換して出力する構造をとっています。電力監視装置や保護回路など、電流を正確に把握したい用途で選ばれます。コアは珪素鋼板、フェライトが主ですが、微小電流検出には高透磁率のパーマロイやナノ結晶合金も適用します。測定したい電流範囲などに応じてコア材料を選択します。

運用上の注意点として、二次側は必ず負荷を接続した状態で使用します。開放したまま通電すると高電圧が発生し、機器破損や感電のリスクが生じます。また、巻線比の誤差が測定精度に直接影響するため、高精度が求められる用途では誤差等級を仕様に明記したうえで選定します。

絶縁トランス

絶縁トランスは、一次側と二次側を電気的に切り離すことを主目的とするトランスです。巻数比は1:1が多く、電圧値を変えずに絶縁だけを得たい場面に向いています。トランスは一次側と二次側が電気的に切り離されているので、感電などの危険防止に使うことができます。

医療機器や計測装置では感電リスクの排除を目的に使われ、産業用インバータや溶接機では電位差による誤動作の防止を目的に回路へ組み込みます。ノイズ遮断が必要な場合は静電シールド付きを選定することで、一次・二次間の高周波干渉を抑えることができます。

3. 回路との組み合わせ

トランスの性能は、組み合わせる回路によって引き出せる度合いが変わります。ここでは、代表的な回路ごとに、トランスへの役割を解説します。

LLC共振回路

LLC共振回路は、特定の周波数帯でスイッチング損失をほぼゼロに近づけられる構成で、省エネ性能が重視される電源設計で広く使われています。

これらの回路でトランスに求められる特性は、次のとおりです。

• 漏れインダクタンス：トランスの漏れインダクタンスを利用、共振回路を構成して共振精度の確保
• 励磁インダクタンス：半導体素子のスイッチング損失を最小化するための適正値を狙う
• コアの低損失特性：高周波動作時の発熱抑制。MnZn系フェライトが選ばれやすい
• 巻線構造の工夫：表皮効果による銅損の抑制。リッツ線や多層巻きで対応
• （漏れインダクタンスの代わりに、トランスとコイルで磁路を共有して一体化した2in1型の部品もあります）

LLC共振回路ではトランスと共振回路を一体で設計することが前提となります。システム全体の整合性を意識した仕様検討が必要です。

DAB回路・充放電システム

DAB（Dual Active Bridge）回路は、電力を双方向に変換できるDC/DCコンバータの構成です。電気自動車の電力を家庭へ送るV2Hや、蓄電システムへの採用が増えています。

この回路では、トランスの一次側と二次側に半導体のフルブリッジ回路が接続されており、一次側と二次側の位相差を調整することで電力の向きと量を制御します。トランスの漏れインダクタンスの値が伝送電力と電流制御に影響するため、回路動作に必要なパラメータとして、設計精度の管理が欠かせません。また、DAB回路を適用した大型の充放電検査装置では数kWから数十kW級のトランスが求められるケースもあります。

UPS・分散電源・蓄電システム

UPSは、停電や瞬断が発生した際に電力供給を途切れさせない装置です。工場やデータセンターでは24時間稼働が前提となるため、トランスにも高い耐久性が求められます。

この用途でトランスに必要な特性は、以下のとおりです。

• 絶縁耐圧の確保：系統側と機器側の分離による漏電リスクの排除
• 過渡応答性：負荷急変時の電圧安定化。磁束の応答速度が設計に反映
• 長時間動作への耐久性：連続稼働を前提とした温度管理と材料選定

大容量・高信頼性の設備では、仕様に合わせた特注品が選ばれることがほとんどです。

4. 高性能・特殊用途の選択肢

機器の小型化・高密度化が進むにつれ、トランスに求められる性能の水準も上がっています。以下では、設計要件に応じた高性能・特殊用途の選択肢を解説します。

大容量・高放熱設計

数kWから数十kWクラスの電源では、トランス自体の発熱が設計上の制約になります。鉄損・銅損による内部発熱を外部へ逃がすには、コア形状・巻線材・絶縁材料・放熱材料を組み合わせた構造検討が欠かせません。

大容量設計で採用される放熱手法は、次のとおりです。

• ポッティング処理：エポキシ樹脂によるモールドで熱伝導性向上と耐振動構造を両立
• 放熱シートの活用：コアと筐体の間に熱伝導シートを挟み込み、熱抵抗を低減

放熱設計の精度がトランスの寿命を左右するため、熱シミュレーションを組み込んだ評価が標準的なプロセスとなっています。

小型・低背・低損失

ロボットや車載機器、携帯型検査装置では、実装スペースの制約からトランスの小型・低背化が必要とされます。プレーナー型トランスは基板上にプリントコイルを形成する構造で、高さを数mm以下に抑えることができます。

巻線が基板へのパターニングで構成されるため、寸法精度が高く、量産品での特性バラつきを抑えやすい点もプレーナー型の利点です。低背化と低損失を両立するには、コア材料の選定から巻線設計まで検討しましょう。小型化を進めるほど熱密度が上がるため、放熱経路の確保もしっかりと行うことが大切です。
大容量のプレーナー型トランスでは、一次側に高周波対策のリッツ線を、二次側に大電流用の平角線を用いて構成します。放熱構造を取り入れた構成もあります。

分解構造図	左の断面図	断面図補足

水冷トランス

水冷トランスとは、冷却水を内部または筐体に循環させることで放熱する構造のトランスです。自然空冷や強制空冷では対応しきれない大電流・大容量の用途に向いています。

溶接機や半導体製造装置、大型UPSなど、連続して大電流が流れる機器への採用が増えています。空冷と比べて同じサイズで扱える電力容量が大きく、装置の小型化と高出力化を同時に追う場面で有効です。大電流が継続的に流れる用途では、水冷トランスは今や欠かせない選択肢となっています。

5. まとめ

トランスは電圧変換・電気絶縁・信号伝達を担い、回路設計の根幹を支える部品です。電源・スイッチング・カレント・絶縁の4種類は適した用途が異なるため、回路構成や搭載機器との整合を踏まえた選定が重要です。

大容量対応や水冷トランスへの展開など、仕様が高度になるにつれて標準品では対応しきれない場面が増えてきます。そのような場合、フルカスタム設計によって要件を満たせることも少なくありません。

株式会社尾関では、コイル・トランス・リアクトルのフルカスタム設計に対応しています。社内に検査設備を保有しており、製品評価まで一貫して行っています。特殊仕様や短納期案件など、他社では難しい要件もお気軽にご相談ください。

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