CN104716840A - 磁耦合电感器以及多端口转换器 - Google Patents

磁耦合电感器以及多端口转换器 Download PDF

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Abstract

一种磁耦合电感器(28、32)，其具有磁耦合的一对绕组(68、70)。在一对绕组(68、70)中流过同相的电流以及反相的电流这二者，并且各绕组均在沿绕组的轴向的一层具有多匝。一对绕组(68、70)的流过相互反相的电流的一层的绕组彼此沿绕组的轴向对置配置。

Description

磁耦合电感器以及多端口转换器
本申请主张于2013年12月11日提出的日本专利申请2013-255886号的优先权，并在此引用包括说明书、附图以及说明书摘要的全部内容。
技术领域
本发明涉及具有磁耦合的一对绕组并且在一对绕组中流过同相电流以及反相电流这二者的磁耦合电感器、以及利用该磁耦合电感器的多端口转换器。
背景技术
电动汽车、混合动力汽车中，搭载有行驶用马达、空调用马达、电动动力转向(EPS)、其它各种辅助机械等利用电来进行动作的各种电气设备。这些设备需要根据其输出对应地准备适当的电压、动作电流不同的多个电源。
作为行驶用电池，在准备300V左右的电池的情况下，为了得到适当电压的直流电压，需要(i)用于驱动行驶用马达的升压转换器；(ii)用于向辅助机械供给电源的DC/DC转换器；以及(iii)用于驱动EPS的DC/DC转换器等。并且，也需要用于从外部交流电源使用交流电流来对内部电源进行充电的电路、用于驱动车载交流驱动设备的逆变器等。
日本特开2012-125040中记载了通过在一个变压器的第一绕组中流过两种电流，来实现升压转换器和绝缘转换器这两种功能的内容。即，通过在第一绕组的两端连接电桥电路的一对中点，来在第一绕组中流过所希望的交流电流，从而作为绝缘转换器进行动作。另外，在电桥电路的一对中点与第一绕组的两端之间，分别配置磁耦合电感器的一对绕组。另外，将电桥电路的两根母线与第一电源连接，并在第一绕组的中点与电桥电路的负侧母线之间连接第二电源。
由此，通过电桥电路的开关，来在第一绕组中流过规定的交流电流，而在第二绕组得到规定的交流，并且通过对从第一绕组的中点向下侧流过的电流进行接通断开，能够利用磁耦合电感器来产生朝向电桥电路的正侧母线流过的电流，从而作为升压转换器发挥功能。
此处，若实际使用日本特开2012-125040的电路，则在磁耦合电感器中会产生较大的热量。在磁耦合电感器中，不仅流过作为绝缘转换器的电流还流过作为升压转换器的电流这二者。由于升压转换器动作所引起的电流相对于绕组导体流过相同的方向，所以磁通不会因流过绕组的电流而变强。另一方面，绝缘转换器动作所引起的电流相对于绕组导体流过相反方向。由此，在导体间引起磁通的相互增强。在导体间相互增强的磁通通过与导体互连来产生焦耳热，这样的热量产生不仅使材料老化，还导致效率恶化。
发明内容
本发明的一个方式是磁耦合电感器，具备磁耦合的一对绕组，在沿绕组的轴向层叠的多层中的一层，各绕组具有多匝，上述一对绕组的绕组彼此沿绕组的轴向对置配置。
具有磁耦合的一对绕组的磁耦合电感器也可以在上述一对绕组中流过同相的电流以及反相的电流这二者，并且各绕组在沿绕组的轴向的一层均具有多匝，上述一对绕组的流过相互反相的电流的一层的绕组彼此沿绕组的轴向对置配置。
本发明的其它一个方式是多端口转换器，具备磁耦合的一对绕组和变压器，对于一对绕组在沿绕组的轴向层叠的多层中的一层，各绕组具有多匝，上述一对绕组的绕组彼此沿绕组的轴向对置配置，其中，在变压器的一侧绕组，设置包括一对两侧端子和至少一个中间端子的至少三个连接端子，上述两侧端子经由具有磁耦合的一对绕组的磁耦合电感器的各绕组与第一电源连接，并且在上述两侧端子的一侧与中间端子之间连接第二电源，在上述变压器的一侧绕组与和上述变压器的一侧绕组磁耦合的变压器的另一侧绕组之间交换电力。
另外，多端口转换器也可以在变压器的一侧绕组，设置包括一对两侧端子和至少一个中间端子的至少三个连接端子，上述两侧端子经由具有磁耦合的一对绕组的磁耦合电感器的各绕组与第一电源连接，并且在上述两侧端子的一侧与中间端子之间连接第二电源，在上述一侧绕组与磁耦合的另一侧绕组之间交换电力，其中，上述磁耦合电感器在上述一对绕组中流过与在上述一侧绕组中流过的同相电流和经由上述一侧绕组的中间端子流过的反相电流这二者，各绕组在沿绕组的轴向的一层均具有多匝，上述一对绕组的流过相互反相的电流的一层的绕组彼此沿绕组的轴向对置配置。
另外，一个实施方式中，上述磁耦合电感器的一对绕组各自仅为单层。
根据本发明，能够将磁耦合电感器的焦耳损耗抑制得较小。
附图说明
通过以下参照附图对本发明的优选实施方式进行的详细描述，本发明的特征、优点及技术和工业意义会变得更加清楚，其中，相同的附图标记表示相同的要素，其中：
图1是表示系统的整体结构的图。
图2A是说明绝缘转换器功能的图。
图2B是说明升压转换器功能的图。
图3是说明磁耦合电感器的结构的图。
图4A是表示因流过磁耦合电感器的电流而产生的磁场的图。
图4B是表示因流过磁耦合电感器的电流而产生的磁场的图。
图5A是表示磁耦合电感器的磁通密度分布的状态的图。
图5B是表示磁耦合电感器的焦耳损耗的状态的图。
图6是说明实施方式的磁耦合电感器的结构的图。
图7是说明实施方式的磁耦合电感器的结构的图。
图8A是表示实施方式的磁耦合电感器的磁通密度分布的状态的图。
图8B是表示实施方式的磁耦合电感器的焦耳损耗的状态的图。
图9是表示实施方式的磁耦合电感器的焦耳损耗的图。
图10是说明实施方式的磁耦合电感器的变形例的结构的图。
图11是说明实施方式的磁耦合电感器的其它变形例的结构的图。
图12是说明实施方式的磁耦合电感器的其它变形例的结构的图。
具体实施方式
以下，基于附图对本发明的实施方式进行说明。此外，本发明不限定于此处记载的实施方式。
图1中表示如下的多端口转换器系统：在变压器的一侧具有两端口，在另一侧具有一个端口，在一侧的两端口间发挥作为升压转换器的功能，在一侧的一个端口与另一侧发挥利用了作为变压器动作的绝缘转换器功能。也可以进一步增加端口数量，该情况下，也能够通过与图示的系统相同的原理在各端口间进行所希望的电力交换。
首先，端口A具有一对端子10、12，在它们之间配置有电容器14。端子10与正侧母线16连接，端子12与负侧母线18连接。而且，在正侧母线16、负侧母线18间配置有开关元件20、22的串联连接和开关元件24、26的串联连接。开关元件20、22的连接点经由磁耦合电感器28与变压器的第一绕组30的一端连接，开关元件24、26的连接点经由磁耦合电感器32与变压器的第一绕组30的另一端连接。
变压器的第一绕组30通过绕组30a和30b的串联连接而构成，绕组30a、30b的连接点与端口C的端子34连接。端口C在端子34与端口A的端子12之间形成，在端子34、12间配置有电容器36。
端口B与变压器的第二绕组38连接，端口B具有一对端子40、42。在端子40、42间配置有电容器44。端子40与正侧母线46连接，端子42与负侧母线48连接。而且，在正侧母线46、负侧母线48间配置有开关元件50、52的串联连接和开关元件54、56的串联连接。开关元件50、52的连接点与变压器的第二绕组38的一端连接，开关元件54、56的连接点与变压器的第二绕组38的另一端连接。此外，开关元件20、22、24、26、50、52、54、56分别具有与晶体管并列连接且从负侧朝向正侧流过电流的二极管。另外，第一绕组30和第二绕组38共享铁芯等而磁耦合，作为变压器而发挥功能。
“作为绝缘转换器的功能”
首先，简要地对作为端口A与端口B间的绝缘转换器的功能进行说明。当控制开关元件20～26的开关来在第一绕组30流过交流电流时，在第二绕组38中流过与其相应的交流电流。第二绕组38的两端通过开关元件50～46的各个二极管仅从负侧母线48向正侧母线46侧流过电流，在端口B得到整流后直流电压。
在从端口B向端口A传输电力的情况下，利用开关元件50～56在第二绕组38中流过规定交流，由此在第一绕组30中流过对应交流，通过开关元件20～26的二极管整流而在端口A得到所希望的直流电力。
此处，在向第一绕组30作为整体流过交流电流的情况下，向磁耦合电感器28、32流动反相位的电流。因此，磁耦合电感器28、32成为反相耦合，磁耦合电感器28、32的功能变得无效。
此处，在本实施方式中，能够利用开关元件50～56来控制在第二绕组中流过的电流。因此，也能够进行电力从端口B朝向端口A的输送。而且，通过控制在第一绕组30和第二绕组38中流过的交流电流的相位差，能够控制双向的电力相位。例如，能够使端口A为46V，使端口B为288V。
“作为升压转换器的功能”
接下来，简要地对作为端口C与端口A之间的升压转换器的功能进行说明。例如端口C为12V左右，相对于端子12，端子34为+12V左右。
若开关元件26接通，则从端口C的端子34开始经由绕组30b、磁耦合电感器32以及开关元件26朝向端子12流过电流。由于磁耦合电感器32、28磁耦合，所以在磁耦合电感器28中流过相同的电流，在磁耦合电感器28积蓄能量。而且，通过断开开关元件26，来使在磁耦合电感器28中积蓄的能量经由开关元件20的二极管向正侧母线16流过，对电容器14进行充电。在开关元件22接通的情况下在磁耦合电感器32中积蓄的能量在断开开关元件22后经由开关元件24的二极管向电容器14进行充电。
此处，在使升压转换器发挥功能的情况下，在第一绕组30的绕组30a、30b中流过反相的电流。因此，抵消第一绕组30的绕组30a、30b所引起的磁通，变压器的功能变得无效。
此外，使用绕组30a、30b的升压电路成为具有开关元件20～26的电桥结构，通过控制上侧的开关元件20、24和下侧的开关元件22，26的接通期间的占空比，能够控制升压比。由此，相对于端口C的12V左右，能够在端口A得到升压了的46V左右的电压。
“整体动作”
本系统同时实现上述绝缘变压器的功能和作为升压转换器的功能。即，通过控制开关元件20～26、50～56的占空比以及相位差，来实现上述作为绝缘变压器的功能以及作为升压转换器的功能。上述详细内容记载在日本特开2012-125040、日本特开2009-284647等中，从而省略。
＜对热量产生的解析＞
如上所述在本实施方式中，磁耦合电感器28、32关于绝缘变压器功能是无效的，为了升压转换器功能而设置。然而，在这些磁耦合电感器28、32中，除了流过作为升压转换器功能的同相电流之外，还为了进行作为绝缘变压器的功能而流过反相电流。即，在升压转换器功能的情况下，如图2(B)所示，在绕组30a、30b中流过的电流是反相的，在磁耦合电感器28、32中流过的电流是同相的。另一方面，在作为绝缘转换器而发挥功能的情况下，如图2(A)所示，在绕组30a、30b中流过同相的电流，在一方磁耦合电感器28、32中流过的电流是反相的。
此处，磁耦合电感器28、32通常利用共通的磁芯而形成。在通常的情况下，如图3所示，磁耦合电感器28、32作为电感器60而一体构成。上侧的磁芯62的剖面是E字状，在中央部具有突出部62a。而且，在该突出部62a，绕组68卷绕多层，例如形成磁耦合电感器28。下侧的磁芯64的剖面也与上侧的磁芯62相同地是E字状，在中央部具有突出部64a，突出部62a、64a对置。而且，在突出部64a，绕组70卷绕多层，例如形成磁耦合电感器32。通过这样的结构，磁耦合电感器28、32磁耦合。此外，磁芯62、64的凹陷成为一体，形成了包围突出部62a、64a的绕组收纳空间66。
此处，若在磁耦合电感器28、32中流过同相的电流，则如图4(A)所示，因邻接的绕组而产生的磁通相互抵消从而不会成为问题。
然而，在本实施方式中，为了进行绝缘转换器功能，在磁耦合电感器28、32中流过反相的电流。由此，如图4(B)所示，在磁耦合电感器28、32(绕组68、70)所对置的部分，磁通相互增强。因此，在该部分，磁通密度变大。另外，绕组68、70分别成为双层构造，绕组68、70的外侧绕组68a、70a的交流磁通与内侧绕组68b、70b互连。该外侧绕组68a、70a所引起的磁通也相互抵消，从而在内侧绕组68b、70b的导体整体，磁通互连从而此处产生焦耳损耗。
图5(A)中表示磁通密度分布的模拟结果。附图中可知，亮的地方是磁通密度较大的地方，在两个磁耦合电感器28、32的对置的芯部分，磁通密度较大。图5(B)中表示焦耳损耗。与背景色不同的地方是产生了焦耳损耗的部位，外侧绕组68a、70a中，仅在左右端部产生焦耳损耗。内侧绕组68b、70b中，在导体整体产生焦耳损耗，在左右端部损耗变大。
此外，图4、图5中，仅表示剖开磁耦合电感器28、32的情况下的单侧(左侧)的绕组68、70。
其中，模拟是在电池电压＊＊V、电感器电流＊＊A、绕组半径＊＊cm这样的条件下进行的。
＜实施方式的结构＞
在本实施方式中，如图6、图7中示意表示，将绕组68、70作为一层从而成为层内的外侧绕组68c、70c和内侧绕组68d、70d的双重螺旋构造。即，使绕组68、70在一层内通过如蚊香那样螺旋状(漩涡状)地卷绕，得到在一层内有多个(2以上)圈数(匝数)的绕组。此外，绕组的剖面积以及长度与图3的构造同等。由此，绕组68、70变得对置，在两者对应的部分磁通密度变高，但能够防止来自从对置面观察时位于(绕组的轴向)外侧的外侧绕组68a、70a的交流磁通在内侧绕组68b、70b内互连。
此外，若能够在一层内配置多匝绕组，就能够减少来自外侧绕组68c、70c的磁通的影响，因此绕组68、70不一定限定于一层。但是，若是一层，就能够排除来自外侧绕组的影响，从而是优选的。此外，附图中记载了绕组是四边形状，但也可以是圆形。
若设置双重或者双重以上的多重螺旋构造，则在左右方向邻接的绕组彼此同相，磁通密度不会变大，从而能够在绕组的轴向排除或者减少外侧绕组的影响。
图8中表示本实施方式的磁通密度分布、焦耳损耗的模拟结果。这样，在绕组68、70所对置的区域中，磁通密度变大。另一方面，焦耳损耗限定于各绕组68、70的对置面侧的较薄层。在各绕组的68、70的左右两侧部分焦耳损耗变大，但该区域受到限制，并非在导体整体产生焦耳损耗。
图9中表示传输电力与损耗的关系。由此可知与关联技术相比，能够减少损耗。
＜变形例＞
图10中表示本实施方式的一个变形例。该例子中，对于绕组68、70，其剖面形状为轴向纵长的形状。通过设为这样的形状，相互反向地流过电流的导体彼此所对置的面与相互相同朝向地流过的导体彼此的面(横向)相比，其表面积变小，由此能够有效地减少与绕组互连的交流磁通。
图11中表示本实施方式的其它变形例。该例子中，在绕组68与绕组70之间配置有隔离物80。通过像这样配置隔离物80，能够增大绕组68与绕组70之间的距离，从而能够减少与绕组68c、68d、70c、70d互连的交流磁通。但是，需要考虑不使磁耦合电感器28、32间的耦合率降低。此外，隔离物80优选由塑料等非磁性体构成。
图12中表示其它实施方式。该例子中，作为磁芯62、64，采用了U字芯。因此，绕组68c、68d、70c、70d在磁芯62、64的一个端部周边卷绕。在使用了这样的U字芯的情况下，利用螺旋状的绕组也能够同样地减少焦耳损耗。
这样，本实施方式的磁耦合电感器28、32中，向两者流过反相的电流，但通过在一层绕组中进行多次卷绕，从而从绕组的轴向观察时不存在外侧绕组、或者外侧绕组变少，从而外侧绕组所引起的交流磁通在内侧绕组的导体内互连，而能够减少此处焦耳损耗的产生。通过减少焦耳损耗，能够提高绝缘转换器的电力变换效率，从而容易提高其动作频率，也能够期待通过大幅地减少元件所带来的电路小型化。
另外，由于能够抑制焦耳损耗，所以不需要在磁耦合电感器28、32使用电阻较小的利兹线等，从而能够廉价地得到磁耦合电感器28、32。

Claims (12)

1.一种磁耦合电感器(28、32)，其特征在于，
具备磁耦合的一对绕组(68、70)，
在沿绕组(68、70)的轴向层叠的多层中的一层，各绕组(68、70)具有多匝，
上述一对绕组(68、70)的绕组彼此沿绕组(68、70)的轴向对置配置。
2.根据权利要求1所述的磁耦合电感器(28、32)，其中，
在上述一对绕组(68、70)中流过同相的电流以及反相的电流这二者，
各绕组(68、70)在沿绕组(68、70)的轴向层叠的多层中的一层均具有多匝，
上述一对绕组(68、70)的流过相互反相的电流的一层的绕组彼此沿绕组(68、70)的轴向对置配置。
3.根据权利要求1或2所述的磁耦合电感器(28、32)，其中，
上述磁耦合电感器(28、32)的一对绕组(68、70)各自仅为单层。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的磁耦合电感器(28、32)，其中，
一对绕组(68、70)是沿绕组(68、70)的轴向纵长的形状。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的磁耦合电感器(28、32)，其中，
在绕组(68)与绕组(70)之间配置有隔离物(80)。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的磁耦合电感器(28、32)，其中，
磁耦合电感器(28、32)包括U字状的磁芯(62、64)。
7.一种多端口转换器，其特征在于，具备：
磁耦合的一对绕组(68、70)，在沿绕组(68、70)的轴向层叠的多层中的一层，各绕组(68、70)具有多匝，上述一对绕组(68、70)的绕组彼此沿绕组(68、70)的轴向对置配置；以及
变压器，其中，在变压器的一侧绕组(30a、30b)中设置有包括一对两侧端子和至少一个中间端子的至少三个连接端子，
上述两侧端子经由具有磁耦合的一对绕组(68、70)的磁耦合电感器(28、32)的各绕组(68、70)与第一电源(14)连接，并且
在上述两侧端子的一侧与中间端子之间连接第二电源(36)，
在上述变压器的一侧绕组(30a、30b)与和上述变压器的一侧绕组(30a、30b)磁耦合的变压器的另一侧绕组(38)之间交换电力。
8.根据权利要求7所述的多端口转换器，其中，
在上述磁耦合电感器(68、70)的上述一对绕组(68、70)中流过同相的电流以及反相的电流这双方，其中，上述同相的电流是流过上述变压器的一侧绕组(30a、30b)的电流，上述反相的电流是经由上述变压器的一侧绕组(30a、30b)的中间端子而流过的电流，
各绕组(68、70)在沿绕组(68、70)的轴向层叠的多层中的一层均具有多匝，
上述一对绕组(68、70)的流过相互反相的电流的一层的绕组彼此沿绕组(68、70)的轴向对置配置。
9.根据权利要求7或8所述的多端口转换器，其中，
上述磁耦合电感器(28、32)的一对绕组(68、70)各自仅为单层。
10.根据权利要求7～9中任一项所述的多端口转换器，其中，
一对绕组(68、70)是沿绕组(68、70)的轴向纵长的形状。
11.根据权利要求7～10中任一项所述的多端口转换器，其中，
在绕组(68)与绕组(70)之间配置有隔离物(80)。
12.根据权利要求7～11中任一项所述的多端口转换器，其中，
磁耦合电感器(28、32)包括U字状的磁芯(62、64)。
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