JP2015115434A - 磁気結合インダクタおよびマルチポートコンバータ - Google Patents

磁気結合インダクタおよびマルチポートコンバータ Download PDF

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Abstract

【課題】磁気結合インダクタにおけるジュール損失を低減する。
【解決手段】磁気結合インダクタ２８，３２は、磁気的に結合された一対の巻線６８，７０を有する。一対の巻線６８，７０には、同相の電流および逆相の電流の両方が流れるとともに、各巻線はいずれも巻線の軸方向における一層において複数ターンを有する。一対の巻線６８，７０の互いに逆相の電流を流す一層の巻線同士が巻線の軸方向に対向配置されている。
【選択図】図６

Description

本発明は、磁気的に結合された一対の巻線を有し、一対の巻線に同相の電流および逆相の電流の両方が流れる磁気結合インダクタ、およびこれを利用するマルチポートコンバータに関する。
電気自動車や、ハイブリッド自動車においては、走行用モータ、エアコン用モータ、電動パワーステアリング(ＥＰＳ）、その他の各種補機など、電気によって動作する各種の電気機器が搭載されている。これら機器は、その出力に応じて適切な電圧や動作電流が異なり、複数の電源を用意することが必要である。
走行用バッテリとして、３００Ｖ程度のバッテリを用意した場合、適切な電圧の直流電圧を得るために、（ｉ）走行用モータを駆動するために昇圧コンバータ、（ｉｉ）補機に電源供給するためのＤＣ／ＤＣコンバータ、（ｉｉｉ）ＥＰＳを駆動するためのＤＣ／ＤＣコンバータなどが必要となる。さらに、外部の交流電源から交流電流を用いて内部の電源を充電するための回路や、車載の交流駆動機器を駆動するためのインバータなどもなども必要とされる。
特許文献１では、１つのトランスの第１巻線に２種類の電流を流すことで、昇圧コンバータと、絶縁コンバータの２つの機能を達成することが記載されている。すなわち、第１巻線の両端にフルブリッジ回路の一対の中点を接続することで、第１巻線に所望の交流電流を流し、絶縁コンバータとして動作する。また、フルブリッジ回路の一対の中点と第１巻線の両端との間に、磁気結合インダクタの一対の巻線をそれぞれ配置する。また、フルブリッジ回路の両母線を第１の電源に接続し、第１巻線の中点と、フルブリッジ回路の負側母線との間に第２の電源を接続している。
これによって、フルブリッジ回路のスイッチングによって、第１巻線に所定の交流電流を流し、第２巻線に所定の交流を得るとともに、第１巻線の中点から下側に流れる電流をオンオフすることで、磁気結合インダクタを利用してフルブリッジ回路の正側母線に向けて流れる電流を生起することができ、昇圧コンバータとして機能する。
特開２０１２−１２５０４０号公報 特開２００９−２８４６４７号公報
ここで、特許文献１の回路を実際に使用すると、磁気結合インダクタにおいて、大きな熱発生がある。磁気結合インダクタには、絶縁コンバータとしての電流の他に、昇圧コンバータとしての電流の両方が流れる。昇圧コンバータ動作による電流は、巻線導体に対して同じ方向に流れるため、巻線に流れる電流により磁束が強められることはない。一方で、絶縁コンバータ動作による電流は、巻線導体に対して逆方向に流れる。これにより、導体間で磁束の強め合いが起こる。導体間で強め合った磁束は、導体に鎖交することでジュール熱を発生させ、このような熱発生は、材料を劣化させるだけでなく、効率の悪化を招く。
本発明は、磁気的に結合された一対の巻線を有する磁気結合インダクタであって、前記一対の巻線には、同相の電流および逆相の電流の両方が流れるとともに、各巻線はいずれも巻線の軸方向における一層において複数ターンを有し、前記一対の巻線の互いに逆相の電流を流す一層の巻線同士が巻線の軸方向に対向配置されていることを特徴とする。
また、本発明は、トランスの一方側巻線に、一対の両側端子と少なくとも１つ中間端子を含む少なくとも３つの接続端子を設け、前記両側端子を磁気的に結合された一対の巻線を有する磁気結合インダクタの各巻線を介し第１電源に接続するとともに、前記両側端子の一方側と中間端子の間に第２電源を接続し、前記一方側巻線と磁気的に結合される他方側巻線との間で電力を交換するマルチポートコンバータであって、前記磁気結合インダクタは、前記一対の巻線には、前記一方側の巻線に流れる同相の電流と、前記一方側巻線の中間端子を介しながれる逆相の電流の両方が流れ、各巻線はいずれも巻線の軸方向における一層において複数ターンを有し、前記一対の巻線の互いに逆相の電流を流す一層の巻線同士が巻線の軸方向に対向配置されていることを特徴とする。
また、一実施形態では、前記磁気結合インダクタの一対の巻線は、それぞれ一層のみである。
本発明によれば、磁気結合インダクタにおけるジュール損失を小さく抑えることができる。
システムの全体構成を示す図である。 昇圧コンバータおよび絶縁コンバータ機能を説明する図である。 磁気結合インダクタの構成を説明する図である。 磁気結合インダクタに流れる電流により生じる磁界を示す図である。 磁気結合インダクタにおける磁束密度分布およびジュール損失の状態を示す図である。 実施形態の磁気結合インダクタの構成を説明する図である。 実施形態の磁気結合インダクタの構成を説明する図である。 実施形態の磁気結合インダクタにおける磁束密度分布およびジュール損失の状態を示す図である。 実施形態の磁気結合インダクタにおけるジュール損失を示す図である。 実施形態の磁気結合インダクタの変形例の構成を説明する図である。 実施形態の磁気結合インダクタの他の変形例の構成を説明する図である。 実施形態の磁気結合インダクタのさらに他の変形例の構成を説明する図である。
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、本発明は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。
図１には、トランスの一方側に２ポート、他方側に１ポートを有し、一方側の２ポート間で昇圧コンバータとしての機能を発揮し、一方側の１ポートと他方側とでトランスとしての動作を利用した絶縁コンバータ機能を発揮するマルチポートコンバータシステムを示してある。ポート数はさらに増加してもよく、その場合においても、図示のシステムと同様の原理により各ポート間で所望の電力の交換が行える。
まず、ポートＡは、一対の端子１０，１２を有し、この間にはコンデンサ１４が配置されている。端子１０が正側母線１６、端子１２が負側母線１８に接続されている。そして、正側母線１６、負側母線１８間にはスイッチング素子２０，２２の直列接続と、スイッチング素子２４，２６の直列接続が配置されている。スイッチング素子２０，２２の接続点は、磁気結合インダクタ２８を介し、トランスの第１巻線３０の一端に接続され、スイッチング素子２４，２６の接続点は、磁気結合インダクタ３２を介し、トランスの第１巻線３０の他端に接続されている。
トランスの第１巻線３０は、巻線３０ａと、３０ｂの直列接続で構成されており、巻線３０ａ，３０ｂの接続点がポートＣの端子３４に接続されている。ポートＣは、端子３４と、ポートＡの端子１２との間で形成され、端子３４，１２間にコンデンサ３６が配置されている。
トランスの第２巻線３８にはポートＢが接続されるが、ポートＢは一対の端子４０，４２を有している。端子４０，４２間にはコンデンサ４４が配置されている。端子４０には、正側母線４６、端子４２には負側母線４８が接続されている。そして、正側母線４６、負側母線４８間にはスイッチング素子５０，５２の直列接続と、スイッチング素子５４，５６の直列接続が配置されている。スイッチング素子５０，５２の接続点は、トランスの第２巻線３８の一端に接続され、スイッチング素子５４，５６の接続点は、トランスの第２巻線３８の他端に接続されている。なお、スイッチング素子２０，２２，２４，２６，５０，５２，５４，５６は、それぞれトランジスタに並列接続され負側から正側に向けて電流を流すダイオードを有している。また、第１巻線３０と、第２巻線３８は鉄心を共有するなどして磁気的に結合しており、トランスとして機能する。
「絶縁コンバータとしての機能」
まず、ポートＡとポートＢ間の絶縁コンバータとしての機能について概略を説明する。スイッチング素子２０〜２６のスイッチングを制御して、第１巻線３０に交流電流を流すと、これに応じた交流電流が第２巻線３８に流れる。第２巻線３８の両端は、スイッチング素子５０〜４６の各ダイオードによって負側母線４８から正側母線４６側にのみ電流を流すため、整流された直流電圧がポートＢに得られる。
ポートＢからポートＡに電力を伝送する場合には、スイッチング素子５０〜５６によって第２巻線３８に所定の交流を流すことによって、対応した交流が第１巻線３０に流れ、スイッチング素子２０〜２６のダイオードによって整流されて所望の直流電力がポートＡに得られる。
ここで、第１巻線３０に全体として交流電流を流す場合には、磁気結合インダクタ２８，３２には逆位相の電流が流れる。従って、磁気結合インダクタ２８，３２は逆相結合となり、磁気結合インダクタ２８，３２の機能は無効となる。
ここで、本実施形態では、第２巻線に流れる電流をスイッチング素子５０〜５６によって制御できる。従って、ポートＢからポートＡに向けての電力輸送も行える。そして、第１巻線３０と第２巻線３８に流す交流電流の位相差を制御することで、双方向の電力位相を制御することができる。例えば、ポートＡを４６Ｖ、ポートＢを２８８Ｖとすることができる。
「昇圧コンバータとしての機能」
次に、ポートＣのポートＡの間の昇圧コンバータとしての機能についての概略を説明する。例えばポートＣは１２Ｖ程度であって、端子１２に対し、端子３４が＋１２Ｖ程度とする。
スイッチング素子２６がオンすると、ポートＣの端子３４から巻線３０ｂ、磁気結合インダクタ３２、スイッチング素子２６を介し、端子１２に向けて電流が流れる。磁気結合インダクタ３２，２８は磁気的に結合されているので、磁気結合インダクタ２８にも同様の電流が流れ、磁気結合インダクタ２８にエネルギーが溜まる。そして、スイッチング素子２６がオフされることで、磁気結合インダクタ２８に溜まったエネルギーがスイッチング素子２０のダイオードを介し、正側母線１６へ流れ、コンデンサ１４が充電される。スイッチング素子２２がオンした場合には磁気結合インダクタ３２に溜まったエネルギーがスイッチング素子２２がオフされた際にスイッチング素子２４のダイオードを介しコンデンサ１４に充電される。
ここで、昇圧コンバータの機能を発揮させる場合には、第１巻線３０の巻線３０ａ，３０ｂには逆相の電流が流れる。従って、第１巻線３０の巻線３０ａ，３０ｂによる磁束は打ち消され、トランスの機能は無効となっている。
なお、巻線３０ａ，３０ｂを用いた昇圧回路は、スイッチング素子２０〜２６を有するフルブリッジ構成となっており、上側のスイッチング素子２０，２４と、下側のスイッチング素子２２，２６のオン期間のデューティー比を制御することによって昇圧比を制御することができる。これによって、ポートＣの１２Ｖ程度に対し、ポートＡに昇圧された４６Ｖ程度の電圧を得ることができる。
「全体動作」
本システムは、上述の絶縁トランスの機能と昇圧コンバータとしての機能を同時に達成している。すなわち、スイッチング素子２０〜２６，５０〜５６のデューティー比および位相差を制御することで、上述した絶縁トランスとしての機能および昇圧コンバータとしての機能を達成している。これらの詳細は、特許文献１，２などに記載されているため、省略する。
＜熱発生についての解析＞
上述したように、本実施形態において、磁気結合インダクタ２８，３２は、絶縁トランス機能については無効であり、昇圧コンバータ機能のために設けられたものである。しかしながら、この磁気結合インダクタ２８，３２には、昇圧コンバータ機能としての同相の電流の他に、絶縁トランスとしての機能のために逆相の電流も流れる。すなわち、昇圧コンバータ機能の場合には、図２（Ｂ）に示すように、巻線３０ａ，３０ｂに流れる電流が逆相であり、磁気結合インダクタ２８，３２に流れる電流は同相になる。一方、絶縁コンバータとして機能する場合には、図２（Ａ）に示すように、巻線３０ａ，３０ｂには同相の電流が流れ、一方磁気結合インダクタ２８，３２に流れる電流は逆相になる。
ここで、磁気結合インダクタ２８，３２は、通常共通の磁気コアを利用して形成される。通常の場合、図３に示されるように、磁気結合インダクタ２８，３２はインダクタ６０として一体的に構成される。上側の磁気コア６２は断面がＥ字状であり、中央部に突出部６２ａを有している。そして、この突出部６２ａに巻線６８が複数層で巻回され、例えば磁気結合インダクタ２８が形成される。下側の磁気コア６４も断面が上側の磁気コア６２と同様にＥ字状であり中央部に突出部６４ａを有しており、突出部６２ａ，６４ａが対向している。そして、突出部６４ａに巻線７０が複数層で巻回され、例えば磁気結合インダクタ３２が形成される。このような構成により、磁気結合インダクタ２８，３２は、磁気的に結合される。なお、磁気コア６２，６４の凹みが一体となり、突出部６２ａ，６４ａを取り囲む巻線収容空間６６を形成している。
ここで、もし磁気結合インダクタ２８，３２に同相の電流が流れるのであれば、図４（Ａ）に示すように、隣接する巻線によって生じる磁束は相殺され問題とならない。
ところが、本実施形態では、絶縁コンバータ機能のために、磁気結合インダクタ２８，３２に逆相の電流が流れる。これによって、図４（Ｂ）に示すように、磁気結合インダクタ２８，３２（巻線６８，７０）が対向する部分においては、磁束が強め合うことになる。従って、この部分において、磁束密度が大きくなる。また、巻線６８，７０は、それぞれ２層構造になっており、巻線６８，７０の外側巻線６８ａ，７０ａの交流磁束が、内側巻線６８ｂ，７０ｂに鎖交する。この外側巻線６８ａ，７０ａによる磁束も相殺されないため、内側巻線６８ｂ，７０ｂの導体全体ににおいて磁束が鎖交しここにおいてジュール損失が生じる。
図５（Ａ)には、磁束密度分布のシミュレーション結果を示す。図において、明るいところが磁束密度が大きいところであり、２つの磁気結合インダクタ２８，３２の対向するコア部分にいて、磁束密度が大きいことがわかる。図５（Ｂ）には、ジュール損失を示す。背景の色と異なるところがジュール損失が発生している箇所であり、外側巻線６８ａ，７０ａでは、左右端部のみで、ジュール損失が生じている。内側巻線６８ｂ，７０ｂでは、導体全体でジュール損失が生じ、左右端部で損失が大きくなっている。
なお、図４，５では、磁気結合インダクタ２８，３２を断面をとった場合の片側（左側）の巻線６８，７０のみを示している。
なお、シミュレーションは、バッテリ電圧＊＊Ｖ、インダクタ電流＊＊Ａ、巻線半径＊＊ｃｍという条件で行った。
＜実施形態の構成＞
本実施形態では、図６，７に模式的に示すように、巻線６８，７０を一層とし層内の外側巻線６８ｃ，７０ｃと内側巻線６８ｄ，７０ｄの２重螺旋構造としている。すなわち、巻線６８，７０を一層内で、蚊取り線香のように螺旋状（渦巻き状）に巻回することで、一層内に複数（２以上）の巻回数（ターン）の巻線が得られる。なお、巻線の断面積および長さは図３の構造と同等としている。これによって、巻線６８，７０が対向することにはなり、両者が対応する部分において磁束密度が高くなるが、対向面から見て（巻線の軸方向）外側に位置する外側巻線６８ａ，７０ａからの交流磁束が内側巻線６８ｂ，７０ｂ内に鎖交することを防止できる。
なお、一層内に複数ターンの巻線を配置することができれば、それだけ外側巻線６８ｃ，７０ｃからの磁束の影響を減少できるため、巻線６８，７０は必ずしも一層には限定されない。ただし、一層にすれば外側巻線からの影響を排除できるので好ましい。なお、図においては、巻線は四角形状として記載したが、円形とするとよい。
２重またはそれ以上の複数重螺旋構造とすると、左右方向に隣接する巻線同士は同相となり、磁束密度が大きくなることはなく巻線の軸方向において外側の巻線の影響を排除または減少することができる。
図８には、本実施形態における磁束密度分布、ジュール損失のシミュレーション結果を示す。このように、巻線６８，７０が対向する領域において、磁束密度が大きくなっている。一方、ジュール損失は、各巻線６８，７０の対向面側の薄い層に限られている。各巻線の６８，７０の左右両側部分でジュール損失が大きくはなっているが、その領域は限られており、導体全体においてジュール損失が生じているわけではない。
図９には、伝送電力と損失の関係を示す。これより、従来例に比べ、損失を減少できることがわかる。
＜変形例＞
図１０には、本実施形態の一変形例が示してある。この例では、巻線６８，７０について、その断面形状を軸方向に縦長の形状にしている。このような形状にすることで、互いに逆向きに電流が流れる導体同士が対向する面が、互いに同じ無機に流れる導体同士の面（横方向）に比べてその表面積が小さくなり、これによって巻線に鎖交する交流磁束を効果的に低減できる。
図１１には、本実施形態の他の変形例が示してある。この例では、巻線６８と巻線７０との間にスペーサ８０が配置してある。このようにスペーサ８０を配置することで、巻線６８と巻線７０との距離を大きくすることができ、巻線６８ｃ，６８ｄ，７０ｃ，７０ｄに鎖交する交流磁束を低減することができる。ただし、磁気結合インダクタ２８，３２間の結合率が低下しないように配慮する必要がある。なお、スペーサ８０は、プラスチックなどの非磁性体で構成することが好ましい。
図１２には、さらに他の実施形態が示してある。この例では、磁気コア６２，６４として、Ｕ字コアを採用している。そこで、巻線６８ｃ，６８ｄ，７０ｃ，７０ｄは、磁気コア６２，６４の一方の端部周辺に巻回される。このようなＵ字コアを使用した場合においても、螺旋状の巻線により、同様にジュール損失を低減することが可能となる。
このように、本実施形態の磁気結合インダクタ２８，３２では、両者に逆相の電流が流れるが、一層の巻線において複数回巻回することで、巻線の軸方向から見て外側巻線がないか、または少ないため、外側巻線による交流磁束が内側巻線の導体内で鎖交して、ここにおけるジュール損失の発生を少なくすることができる。ジュール損失が低減することにより、絶縁コンバータにおける電力変換効率を上昇することができ、その動作周波数を上げることが容易となり、素子の高く低減による回路の小型化も期待できる。
また、ジュール損失を抑えることができるため、磁気結合インダクタ２８，３２に抵抗の小さなリッツ線などを使用する必要が無くなり、安価に磁気結合インダクタ２８，３２を得ることができる。
１０，１２，３４，４０，４２ 端子、１４，３６，４４ コンデンサ、１６，４６ 正側母線、１８，４８ 負側母線、２０，２２，２４，２６，５０，５２，５４，５６ スイッチング素子、２８，３２ 磁気結合インダクタ、３０ 第１巻線、３８ 第２巻線、６０ インダクタ、６２，６４ 磁気コア、６６ 巻線収容空間、６８，７０ 巻線。

Claims (3)

  1. 磁気的に結合された一対の巻線を有する磁気結合インダクタであって、
    前記一対の巻線には、同相の電流および逆相の電流の両方が流れるとともに、
    各巻線はいずれも巻線の軸方向における一層において複数ターンを有し、
    前記一対の巻線の互いに逆相の電流を流す一層の巻線同士が巻線の軸方向に対向配置されている、
    磁気結合インダクタ。
  2. トランスの一方側巻線に、一対の両側端子と少なくとも１つ中間端子を含む少なくとも３つの接続端子を設け、前記両側端子を磁気的に結合された一対の巻線を有する磁気結合インダクタの各巻線を介し第１電源に接続するとともに、前記両側端子の一方側と中間端子の間に第２電源を接続し、前記一方側巻線と磁気的に結合される他方側巻線との間で電力を交換するマルチポートコンバータであって、
    前記磁気結合インダクタは、
    前記一対の巻線には、前記一方側の巻線に流れる同相の電流と、前記一方側巻線の中間端子を介しながれる逆相の電流の両方が流れ、
    各巻線はいずれも巻線の軸方向における一層において複数ターンを有し、
    前記一対の巻線の互いに逆相の電流を流す一層の巻線同士が巻線の軸方向に対向配置されている、
    マルチポートコンバータ。
  3. 前記磁気結合インダクタの一対の巻線は、それぞれ一層のみである、
    請求項１に記載の磁気結合インダクタまたは請求項２に記載のマルチポートコンバータ。
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