JP2015159657A - 可変磁気結合リアクトル、電源システム、および、複合磁気部品の使用方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】コア150は、磁脚部151〜153を有する。磁脚部151および152に巻回される巻線121a,121bは直列接続されて第1のリアクトルを構成する。磁脚部153に巻回された巻線122は第2のリアクトルを構成する。第1のリアクトルによる磁界211,212と第2のリアクトルによる磁界213とは、磁脚部152では互いに強め合う一方で、磁脚部151では互いに弱め合う。第1および第2のリアクトルリアクトルの動作は、電流の増加に応じて、第1および第2のリアクトルが磁気的に非干渉な状態で動作する非磁気結合モードから、第1および第2のリアクトルが磁気的に干渉した状態で動作する磁気結合モードへ変化する。
【選択図】図6
Description
図1は本発明の実施の形態に従う複合磁気部品(可変磁気結合リアクトル)が適用される電源システムの構成例を示す回路図である。
周期)内での上アーム素子(Q1,Q3)と下アーム素子(Q2,Q4)とのオン期間比を示すデューティ比に応じて、DC出力が制御される。一般的には、デューティ比を示すDC信号と、所定周波数のキャリア信号との比較に応じて、上アーム素子および下アーム素子が相補にオンオフするように、スイッチング素子Q1〜Q4は制御される。
制御装置40は、たとえば、図示しないCPU(Central Processing Unit)および
メモリを有する電子制御ユニット(ECU)によって構成される。制御装置40は、メモリに記憶されたマップおよびプログラムに基づいて、各センサによる検出値を用いた演算処理を行なうように構成される。あるいは、制御装置40の少なくとも一部は、電子回路等のハードウェアにより所定の数値・論理演算処理を実行するように構成されてもよい。
直流電源B1の電圧V[1]の検出値に応じて、P[1]*=V[1]・Ii*が一定になるように電流指令値Ii*を設定すれば、電流源を構成する直流電源B1の電力P[1]を電力指令値P[1]*に制御できる。
を電力指令値に従って制御できる。
磁気抵抗Rは、コア110a,110bの磁気特性(比透磁率)およびサイズ、形状(磁路長および断面積)によって調整できることが知られている。磁気抵抗rは、ギャップ112a,112bのギャップ長や個数によって調整することができる。
このように、リアクトルL1,L2を別個の磁気部品101,102で構成した場合には、誘起電圧の干渉を回避できるとともに、各磁器部品の設計によって、磁気飽和を避けて所望のインダクタンスを得ることができる。すなわち、インダクタンスの設計は比較的容易である。その一方で、コアが2個必要となるため、リアクトルL1,L2の大型化により、電力変換器6,7および電源システム5が大型化してしまう虞がある。
図8に示した例では、端子204および導線121cが、図7とは異なる位置に設けられる。図8では、各巻線121a,121b,122での電流の向き、すなわち、磁界211〜213の方向を図7と同様にした上で、各巻線121a,121b,122の巻数(ターン数)が厳密に同一とされている。逆にいうと図7の構成では、巻線121a,121bの巻数が、巻線122よりも1/4ターンだけ多くなっている。
次に、本実施の形態に従う可変磁気結合リアクトル100における上述の磁界相互作用を解析するために、可変磁気結合リアクトル100の動作原理式について説明する。
図18を参照して、リアクトル電圧VL1は、上述のように、図1に示された電力変換器6におけるスイッチング素子Q1,Q2のオンオフに応じて、正電圧期間(VL1>0)および負電圧期間(VL1<0)を有するパルス状波形を有する。同様に、リアクトル電圧VL2についても、電力変換器6におけるスイッチング素子Q3,Q4(図1)のオンオフに応じて、正電圧期間(VL2>0)および負電圧期間(VL2<0)を有するパルス状波形を有する。
実施の形態1で説明したように、本実施の形態に従う可変磁気結合リアクトルでは、リアクトル電圧および電流の位相関係に応じて、磁気結合時における(R2−R1)項の作用が変化する。したがって、実施の形態1の変形例では、リアクトル値の増大効果をさらに高めるための、リアクトルの電圧および電流の位相制御のための電源システム制御について説明する。
図21を参照して、電流制御器41は、コントローラ43aおよびPWM制御部44aを有する。電圧制御器42は、コントローラ43bおよびPWM制御部44bを有する。
図22を参照して、直流電源B1の制御指令信号VL1*は、キャリア波CW1とデューティ比DT1との電圧比較に基づくPWM制御によって生成される。DT1>CW1の期間では、制御指令信号VL1*がHレベルに設定される一方で、CW1<DT1の期間では、制御指令信号VL1*がLレベルに設定される。
以上、実施の形態1およびその変形例では、リアクトル電流IL1およびIL2が共に正の領域(IL1>0,IL2>0)における可変磁気結合リアクトルの動作を説明した。この状態では、直流電源B1,B2の両方が電力を供給(放電)している。
実施の形態2では、可変磁気結合リアクトルの構造の変形例を説明する。すなわち、実施の形態2に従う可変磁気結合リアクトルは、実施の形態1に従う可変磁気結合リアクトルと同様に動作することができる。
実施の形態3では、実施の形態1で説明した可変磁気結合リアクトル100が適用される電源システムの他の構成例について説明する。
図34を参照して、実施の形態3に従う電源システムで5cは、直流電源B1,B2と、電力変換器50と、制御装置40とを備える。図1に示した電源システム5と比較して、実施の形態3に従う電源システム5cは、電力変換器6および7に代えて、電力変換器50が設けられた構成を有する。電力変換器50は、直流電源B1,B2と、負荷30との間に接続される。電力変換器50は、負荷30と接続された電力線PL上の直流電圧(出力電圧VH)を電圧指令値VH*に従って制御する。
電力変換器50のパラレル昇圧モードでの回路動作について説明する。
図36には、パラレル昇圧モードにおける直流電源B2に対するDC/DC変換(昇圧動作)が示される。
上述のように、電力変換器50のパラレル昇圧モードでは、実施の形態1と同様に、リアクトルL1を流れる電流と、リアクトルL2を流れる電流とは独立に制御される。この結果、直流電源B1およびB2に対する電力の入出力を独立に制御することが可能である。
キャリア波CWaと、直流電源B2のPWM制御に用いられるキャリア波CWbとは、同一周波数かつ同一位相であるときの例が示される。
電源システム5c(電力変換器50)に対しても、実施の形態1の変形例で説明したキャリア位相制御を適用することができる。
実施の形態3に従う電源システム5c(電力変換器50)は、スイッチング素子S1〜S4のスイッチングパターンを変更することによって、シリーズ昇圧モードによっても動作することができる。
ただし、V[1]およびV[2]が異なるときや、リアクトルL1,L2のインダクタンスが異なるときには、図43(a)の動作終了時におけるリアクトルL1,L2の電流値がそれぞれ異なる。したがって、図43(b)の動作への移行直後には、リアクトルL1の電流の方が大きいときには電流経路373を介して差分の電流が流れる。一方、リアクトルL2の電流の方が大きいときには電流経路374を介して、差分の電流が流れる。
シリーズ昇圧モードでは、昇圧比(VH/(V[1]+V[2]))が抑制されるので、同一出力電力に対するリアクトル電流IL1,IL2を抑制することができる。また、リアクトルL1およびL2が直列接続されることによってリアクトル電流IL1およびIL2の変化勾配が抑制されるためリップル幅が小さくなる。これにより、リアクトルL1,L2のコア150で生じる鉄損および巻線121a,121b,122で生じる交流損失を低減することができる。これにより、VH>V[1]+V[2]の高電圧領域において、リアクトルL1,L2での電力損失を抑制することによって、電源システム5c(電力変換器50)の電力損失を低減することができる。
電源システム5c(電力変換器50)では、シリーズ昇圧モードにおいてキャリア位相制御を適用することができる。これにより、以下に説明するように、パラレル昇圧モードおよびシリーズ昇圧モードの制御を共通化することができる。
同様に、式(36)を変形することにより、Dbについて下記(40)式が得られる。
図37に示されるように、パラレル昇圧モードにおける制御信号SG3は、制御パルス信号SD1およびSD2の論理和に基づいて生成される。したがって、制御パルス信号SD1の立下り(または立上り)タイミングと、制御パルス信号SD2の立上り(または立下り)タイミングとが重なるように位相差φを設定すると、VH>(V[1]+V[2])が成立するとき、PBモードにおける制御信号SG3のHレベル期間の比率が1.0を超えることが理解される。すなわち、VH>(V[1]+V[2])のときには、デューティ比Da,DbによるPBモードと共通のPWM制御によっても、制御信号SG3がHレベルに固定される。
一方で、デューティ比Dcは、式(37)を変形することにより、下記(42)式で示される。
したがって、図45のシリーズ昇圧モードでの論理演算に従って、SG1=/SG3とすると、制御信号SG1のデューティ比DSG1は、下記(43)式で示される。
このように、上述のキャリア位相制御に従って位相差φを設定した場合には、デューティ比Da,Dbによる制御パルス信号/SD1,/SD2に基づく論理演算によって、デューティ比Dcに基づく制御パルス信号/SD3とデューティ比が等しい信号を生成することができる。すなわち、制御パルス信号SD1,SD2に基づいて、SBモードにおける制御信号SG1を生成することができる。
実施の形態3に従う電源システム5cは、上述のシリーズ昇圧モードおよびパラレル昇圧モード以外の動作モードを選択して動作することも可能である。
Claims (20)
- 第1の電流が通過するための、電気的に直列接続された第1および第2の巻線と、
第2の電流が通過するための第3の巻線と、
非線形磁性材料で構成されたコアとを備え、
前記コアは、前記第1の巻線が巻回される第1の磁脚部と、前記第2の巻線が巻回される第2の磁脚部と、前記第3の巻線が巻回される第3の磁脚部と、前記第1から第3の磁脚部の間に磁気経路を形成するための第4の磁脚部とを含むように構成され、
前記第1および第2の巻線によって形成される第1のリアクトルと前記第3の巻線によって形成される第2のリアクトルとの動作状態が、前記第1および第2の電流の増加に応じて、前記第1および第2のリアクトルが磁気的に非干渉な状態で動作する非磁気結合モードから前記第1および第2のリアクトルが磁気的に干渉した状態で動作する磁気結合モードへ変化することを特徴とする、可変磁気結合リアクトル。 - 前記非磁気結合モードにおいては、前記第1および第2の磁脚部における透磁率が同等であるのに対して、前記磁気結合モードにおいては、前記第1および第2の磁脚部の一方での透磁率が、前記第1および第2の磁脚部の他方の透磁率よりも低い、請求項1記載の可変磁気結合リアクトル。
- 前記非磁気結合モードにおいて、前記第1および第2の磁脚部の各々は、磁界の変化に対して磁束密度が線形に変化する線形領域で磁化される一方で、前記磁気結合モードにおいては、前記第1および第2の磁脚部の一方が非線形領域で磁化されるとともに他方が前記線形領域で磁化される、請求項1または2に記載の可変磁気結合リアクトル。
- 前記第1の電流の通流によって前記第1の巻線および前記第2の巻線からそれぞれ発生される第1の磁界および第2の磁界と、前記第2の電流の通流によって前記第3の巻線から発生される第3の磁界とが、前記第1および第2の磁脚部の一方の磁脚部では強め合う一方で他方の磁脚部では弱め合い、かつ、前記第1および第2の磁界が前記第3の磁脚部では互いに弱め合うように、前記第1から第3の巻線は前記第1から第3の磁脚部にそれぞれ巻回される、請求項1〜3のいずれか1項に記載の可変磁気結合リアクトル。
- 前記第1から第3の磁脚部は互いに同一方向に沿って形成され、
前記第4の磁脚部は、前記第1から第3の磁脚部と交差する方向に沿って延在するように設けられ、
前記第1および第2の巻線は、前記第1の磁界および前記第2の磁界が互いに逆方向に発生されるように前記第1および第2の磁脚部にそれぞれ巻回され、
前記第3の巻線は、前記第3の磁界が前記第1または第2の磁界のいずれか一方と同じ方向に発生されるように前記第3の巻線に巻回される、請求項4記載の可変磁気結合リアクトル。 - 前記コアは、前記第4の磁脚部を構成する円環状の外径部位から円環の中心に向かって前記第1から第3の磁脚部が延在するとともに、当該中心において前記第1から第3の磁脚部が一体化される形状を有し、
前記第1および第2の巻線は、前記第1の磁界および前記第2の磁界の一方が前記中心に向かって発生するとともに、前記第1および第2の磁界の他方が前記中心から遠ざかる方向に発生するように、前記第1および第2の磁脚部に巻回され、
前記第3の巻線は、前記第3の磁界が前記第1または第2の磁界のいずれか一方と同じ方向に発生されるように前記第3の巻線に巻回される、請求項4記載の可変磁気結合リアクトル。 - 前記第1および第2の電流が最大電流であるときに、前記第2の磁脚部における磁束密度が飽和磁束密度より小さく、かつ、前記第1の磁脚部における磁化方向が反転しないように、前記コアおよび前記第1から第3の巻線は構成される、請求項1〜6のいずれか1項に記載の可変磁気結合リアクトル。
- 前記第1および第2の電流の位相は、前記第1および第2の電流の一方の電流の変曲点と、他方の電流の変曲点とが同一タイミングとなるように制御される、請求項1〜7のいずれか1項に記載の可変磁気結合リアクトル。
- 複合磁気部品の使用方法であって、
前記複合磁気部品は、
第1の電流が通過するための、電気的に直列接続された第1および第2の巻線と、
第2の電流が通過するための第3の巻線と、
非線形磁性材料で構成されたコアとを備え、
前記コアは、前記第1の巻線が巻回される第1の磁脚部と、前記第2の巻線が巻回される第2の磁脚部と、前記第3の巻線が巻回される第3の磁脚部と、前記第1から第3の磁脚部の間に磁気経路を形成するための第4の磁脚部とを含むように構成され、
前記第1および第2の巻線によって形成される第1のリアクトルと前記第3の巻線によって形成される第2のリアクトルとの動作状態が、前記第1および第2のリアクトルが磁気的に非干渉な状態で動作する非磁気結合モードから前記第1および第2のリアクトルが磁気的に干渉した状態で動作する磁気結合モードへ変化するように使用されることを特徴とする、複合磁気部品の使用方法。 - 前記非磁気結合モードにおいて、前記第1および第2の磁脚部の各々は線形領域で磁化される一方で、前記磁気結合モードにおいて、前記第1および第2の磁脚部の一方が非線形領域で磁化されるとともに他方が前記線形領域で磁化される、請求項9に記載の複合磁気部品の使用方法。
- 前記第1および第2の電流が最大電流であるときに、前記第2の磁脚部における磁束密度が飽和磁束密度より小さく、かつ、前記第1の磁脚部における磁化方向が反転しないように、前記コアおよび前記第1から第3の巻線は構成される、請求項9または10に記載の複合磁気部品の使用方法。
- 前記第1および第2の電流の位相は、前記第1および第2の電流の一方の電流の変曲点と、他方の電流の変曲点とが同一タイミングとなるように制御される、請求項9〜11のいずれか1項に記載の複合磁気部品の使用方法。
- 第1の直流電源と、
第2の直流電源と、
前記第1および第2の直流電源と第1および第2の電力線との間で直流電力変換を実行するための電力変換器と
前記電力変換器の動作を制御するための制御装置とを備え、
前記電力変換器は、
前記第1および第2の直流電源と前記第1および第2の電力線の間に形成される電力変換経路に含まれるように配置された第1および第2のリアクトルと、
前記第1のリアクトルを通過する第1の電流と、前記第2のリアクトルを通過する第2の電流とを制御可能に配置された複数のスイッチング素子とを含み、
前記第1および第2のリアクトルは、単一の複合磁気部品によって一体的に構成され、 前記複合磁気部品は、
第1の電流が通過するための、電気的に直列接続された第1および第2の巻線と、
第2の電流が通過するための第3の巻線と、
非線形磁性材料で構成されたコアとを備え、
前記コアは、前記第1の巻線が巻回される第1の磁脚部と、前記第2の巻線が巻回される第2の磁脚部と、前記第3の巻線が巻回される第3の磁脚部と、前記第1から第3の磁脚部の間に磁気経路を形成するための第4の磁脚部とを含むように構成され、
前記第1および第2の巻線によって形成される第1のリアクトルと前記第3の巻線によって形成される第2のリアクトルとの動作状態が、前記第1および第2のリアクトルが磁気的に非干渉な状態で動作する非磁気結合モードから前記第1および第2のリアクトルが磁気的に干渉した状態で動作する磁気結合モードへ変化することを特徴とする、電源システム。 - 前記非磁気結合モードにおいては、前記第1および第2の磁脚部における透磁率が同等である一方で、前記磁気結合モードにおいては、前記第1および第2の磁脚部の一方での透磁率が、前記第1および第2の磁脚部の他方の透磁率よりも低い、請求項13記載の電源システム。
- 前記第1の電流の通流によって前記第1の巻線および前記第2の巻線からそれぞれ発生される第1の磁界および第2の磁界と、前記第2の電流の通流によって前記第3の巻線から発生される第3の磁界とが、前記第1または第2の磁脚部のいずれか一方の磁脚部では強め合う一方で他方の磁脚部では弱め合い、かつ、前記第1および第2の磁界が前記第3の磁脚部では互いに弱め合うように、前記第1から第3の巻線は前記第1から第3の磁脚部にそれぞれ巻回される、請求項13または14記載の電源システム。
- 前記第1および第2の電流が最大電流であるときに、前記第2の磁脚部における磁束密度が飽和磁束密度より小さく、かつ、前記第1の磁脚部における磁化方向が反転しないように、前記コアおよび前記第1から第3の巻線は構成される、請求項13〜15のいずれか1項に記載の電源システム。
- 前記第1および第2の電流の位相は、前記第1および第2の電流の一方の電流の変曲点と、他方の電流の変曲点とが同一タイミングとなるように制御される、請求項13〜16のいずれか1項に記載の電源システム。
- 前記第1および第2の電流の位相は、前記第1および第2の電流の極性が同じ場合には、前記第1および第2の電流の一方の電流の極大点と、他方の電流の極小点とが同一タイミングとなるように制御される、請求項17記載の電源システム。
- 前記第1および第2の電流の位相は、前記第1および第2の電流の極性が異なる場合には、前記第1および第2の電流の一方の電流の極大点と他方の電流の極大点とが同一タイミングとなるように、または、前記第1および第2の電流の一方の電流の極小点と他方の電流の極小点とが同一タイミングとなるように制御される、請求項17記載の電源システム。
- 前記複数のスイッチング素子は、
第1のノードおよび前記第1の電力線の間に電気的に接続された第1のスイッチング素子と、
第2のノードおよび前記第1のノードの間に電気的に接続された第2のスイッチング素子と、
前記第2の直流電源の負極端子と電気的に接続された第3のノードおよび前記第2のノードの間に電気的に接続された第3のスイッチング素子と、
前記第2の直流電源の負極端子と電気的に接続された前記第2の電力線と、前記第3のノードとの間に電気的に接続された第4のスイッチング素子とを有し、
前記第1のリアクトルは、前記第2のノードおよび前記第2の電力線の間に電気的に、前記第1の直流電源と直列に接続され、
前記第2のリアクトルは、前記第1および第3のノードの間に電気的に、前記第2の直流電源と直列に接続される、請求項13〜19のいずれか1項に記載の電源システム。
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