JP2016058495A - Common mode choke coil, common mode filter, and power converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、コモンモードチョークコイル、コモンモードフィルタ、および電力変換装置に関する。 Embodiments described herein relate generally to a common mode choke coil, a common mode filter, and a power converter.
インバータに代表される電力変換装置は、年々小型化が進み、高効率化を達成することによってさらなる高出力密度化を目指している。電力変換装置は、高出力密度化を実現するために、内蔵されるスイッチング素子の高周波化の要求が強い。近年では、マルチレベル方式等の新たなインバータ回路方式の開発が進むとともに、SiCやGaNを用いたパワーデバイスが実用化され、スイッチング素子の高周波化が進展している。スイッチング素子の高周波化にとともにコモンモードノイズの抑制の必要性は高まっており、コモンモードチョークコイルやコモンモードフィルタの用途が拡大している。 Power converters typified by inverters are becoming more and more compact year by year, aiming at higher output density by achieving higher efficiency. In power converters, there is a strong demand for higher frequency of built-in switching elements in order to achieve higher output density. In recent years, development of a new inverter circuit system such as a multi-level system has progressed, and power devices using SiC and GaN have been put into practical use, and the frequency of switching elements has been increased. As the frequency of switching elements increases, the need to suppress common mode noise is increasing, and the use of common mode choke coils and common mode filters is expanding.
実施形態の目的は、高出力密度で高効率化に対応したコモンモードチョークコイル、コモンモードフィルタ、および電力変換装置を提供することである。 An object of the embodiment is to provide a common mode choke coil, a common mode filter, and a power conversion device that correspond to high power density and high efficiency.
実施形態に係るコモンモードチョークコイルは、周囲を絶縁層で被覆され断面が偏平形状の第1の導線がその偏平形状の長手方向に沿った前記第1の導線の側面を重ねて巻回された第1のコイルと、周囲を絶縁層で被覆され断面が偏平形状の第2の導線がその偏平形状の長手方向に沿った前記第2の導線の側面を重ねて巻回された第2のコイルと、前記第1のコイルおよび前記第2のコイルのそれぞれの空芯部に挿通された磁気コアと、を備える。前記磁気コアは、前記第1のコイルに流れる電流によって発生する磁界および前記第2のコイルに流れる電流によって発生する磁界が通る閉磁路を有し、前記第1のコイルに流れるコモンモード電流によって発生し前記閉磁路を通る磁界が、前記第2のコイルのコモンモードインピーダンスを高め、前記第2のコイルに流れるコモンモード電流によって発生し前記閉磁路を通る磁界が、前記第1のコイルのコモンモードインピーダンスを高める。 In the common mode choke coil according to the embodiment, the first conductor having a flat cross-section and covered with an insulating layer is wound with the side surface of the first conductor along the flat longitudinal direction. A first coil and a second coil in which a second conductor having a flat cross section and covered with an insulating layer is wound around the side surface of the second conductor along the lengthwise direction of the flat shape. And a magnetic core inserted through each air core portion of the first coil and the second coil. The magnetic core has a closed magnetic path through which a magnetic field generated by a current flowing in the first coil and a magnetic field generated by a current flowing in the second coil pass, and is generated by a common mode current flowing in the first coil The magnetic field passing through the closed magnetic path increases the common mode impedance of the second coil, and the magnetic field generated by the common mode current flowing through the second coil and passing through the closed magnetic path is the common mode of the first coil. Increase impedance.
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。 The drawings are schematic or conceptual, and the relationship between the thickness and width of each part, the size ratio between the parts, and the like are not necessarily the same as actual ones. Further, even when the same part is represented, the dimensions and ratios may be represented differently depending on the drawings.
また、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。 Further, in the present specification and each drawing, the same reference numerals are given to the same elements as those described above with reference to the previous drawings, and detailed description thereof will be omitted as appropriate.
(第1の実施形態)
図1(a)〜図1(c)は、本実施形態に係るコモンモードチョークコイルを例示する模式的平面図(図1(a))、模式的正面図(図1(b))、および模式的側面図(図1(c))である。図1(d)は、図1(a)のA−A’線における模式的断面図である。
(First embodiment)
FIG. 1A to FIG. 1C are a schematic plan view (FIG. 1A), a schematic front view (FIG. 1B) illustrating a common mode choke coil according to this embodiment, and FIG. It is a typical side view (Drawing 1 (c)). FIG.1 (d) is typical sectional drawing in the AA 'line of Fig.1 (a).
図2(a)〜図2(c)は、本実施形態に係るコモンモードチョークコイルのそれぞれのコイルに用いる導線の模式的な断面図である。 FIG. 2A to FIG. 2C are schematic cross-sectional views of conductive wires used for the respective coils of the common mode choke coil according to the present embodiment.
図1(a)〜図1(d)に示すように、コモンモードチョークコイル1は、第1のコイル10と、第2のコイル15と、第1の磁気コア20と、第2の磁気コア25と、を備える。
As shown in FIGS. 1A to 1D, the common
第1のコイル10は、図2(a)に示すように、銅や銅を含む合金などの金属の導体5の周囲を絶縁フィルムや絶縁コーティングなどの絶縁層6で覆った1本の導線11a,11bを有する。以下、絶縁層6の一例として、絶縁フィルムを用いた場合について説明する。
As shown in FIG. 2 (a), the
導線11a,11bは、空芯部13を中心にして円環状に巻回されている。導線11a,11bの断面は、偏平形状であり、たとえばほぼ長方形である。導線11a,11bは、偏平形状の断面の長手方向に沿った側面を重ねて巻回されている。具体的には、導線11a、11bは、長方形の断面の長辺に沿った側面を重ねて巻回されている。導線11a,11bは、後述するアルファ巻きでコイルを巻回されているために、一方の端部を有する一方の側の導線11aと、他方の端部を有する他方の側の導線11bと、を含む。
The conducting
第2のコイル15は、第1のコイル10と同様に、断面長方形の金属の導体5の周囲を絶縁フィルム6で覆った1本の導線16a,16bを有する。導線16a,16bは、空芯部18を中心にして円環状に巻回されている。導線16a,16bの断面も偏平形状であり、たとえば、ほぼ長方形である。導線16a,16bも、偏平形状の断面の長手方向に沿った側面を重ねて巻回されている。具体的には、導線16a、16bは、長方形の断面の長辺に沿った側面を重ねて巻回されている。なお、導線16a,16bも、後述するアルファ巻きでコイルを巻回されているために、一方の端部を有する一方の側の導線16aと、他方の端部を有する他方の側の導線16bと、を含む。
Similarly to the
巻回された第1のコイル10および第2のコイル15は、第1の磁気コア20および第2の磁気コア25のそれぞれの脚部23,28に挿通される。第1のコイル10は、両端に端子12a,12bを有する。第2のコイル15は、両端に端子17a,17bを有する。第1の磁気コア20および第2の磁気コア25は、所定の位置で互いに接続される。
The wound
以下の説明では、第1のコイル10および第2のコイル15は、同一の厚さおよび同一の幅の導体5と、同一材料・厚さの絶縁フィルム6とを有する導線を、同一の巻き数で巻回されて、同一のコイルとして構成されるものとする。ただし、第1のコイル10および第2のコイル15は、巻き数を変更するなどして、互いに異なるコイルとしてもかまわない。
In the following description, the
なお、第1のコイル10および第2のコイル15の形状は、磁気コア20,25の形状に合わせて選定されることができる。磁気コア20,25がPQコアの場合には、第1のコイル10および第2のコイル15は、円形の空芯部13,18を有する円環状に巻回される。磁気コアが、EEコアやEIコア等の場合には、第1のコイル10および第2のコイル15は、方形の空芯部13,18を有する環状方形に成形される。コイルの形状を磁気コアの脚形状に合わせることによって、導線の占積率を高くすることができる。磁気コアは、任意の形状とすることができるので、第1のコイル10および第2のコイル15も磁気コアの形状に合わせて任意の形状とすることができる。
The shapes of the
本実施形態のコモンモードチョークコイル1を構成するそれぞれのコイルに用いる導線について説明する。コイルに用いる導線は、断面が丸形状の丸線を用いるよりも、図2(a)に示すような断面が長方形の平角線を用いる方が、コイルの断面積に対する導体を示す占積率を高めることができる。たとえば、同じ断面積を有する丸線の導線を用いた場合の占積率は、絶縁フィルムの厚さにもよるが20%程度が限界である。これに対して、断面が長方形状を有する平角線を用いた場合には、占積率は、50%程度とすることができる。すなわち、平角線をコイルの導線に用いた場合の占積率は、丸線の場合よりも2倍以上に高めることができる。したがって、平角線を用いた導線を用いてコイルを構成することによって、巻線のためのスペースを少なくすることができ、コイルは大幅に小型化される。
The conducting wire used for each coil constituting the common
導線の断面形状は、長方形状に限らず、図2(b)に示すように、偏平円形状または楕円形状であってもよく、図2(c)に示すように、丸い角部を有する長方形状でもよい。本願明細書では、これらを含む偏平な断面形状を有する導線を平角導線と呼ぶことにする。上述したように、導線の側面のうちの、導線の断面の偏平形状の長手方向(図2において左右方向)に沿った側面(以下、偏平な面ともいう)を重ねて導線を巻回することにより、コイルの占積率を高くすることができる。このように平角導線を巻回してコイルを構成した場合には、丸線を巻回してコイルを構成した場合に比べて占積率を上げることができる。 The cross-sectional shape of the conducting wire is not limited to a rectangular shape, and may be a flat circular shape or an elliptical shape as shown in FIG. 2 (b). A rectangular shape having round corners as shown in FIG. 2 (c). It may be in the shape. In the present specification, a conductive wire having a flat cross-sectional shape including these is referred to as a flat conductive wire. As described above, the conductive wire is wound by overlapping the side surfaces (hereinafter also referred to as flat surfaces) along the flat longitudinal direction (left and right direction in FIG. 2) of the cross section of the conductive wire, among the side surfaces of the conductive wire. Thus, the space factor of the coil can be increased. Thus, when a coil is formed by winding a flat wire, the space factor can be increased as compared with the case where a coil is formed by winding a round wire.
なお、導体5の厚さdcは、断面形状の長手方向に沿って必ずしも一定でなくてもよい。本願明細書では、導体5の厚さdcは、断面形状の長手方向に沿った位置における厚さdc’の平均値とする。たとえば、導体5の断面積Sは、電流容量や銅損等に基づく要求値として決定される。また、導体5の断面形状の長手方向の長さ(導体5の幅)wは、導線を巻回する磁気コアの巻線スペースに基づいて要求値として決定される。したがって、導体5の断面積Sおよび幅wが設定されれば、平均の厚さdcは、簡単な計算によって算出される。
The thickness dc of the
導体5の周囲を覆う絶縁フィルム6は、コイルに巻回される導線の他の部分との電気的な絶縁を確保する。また、絶縁フィルム6は、他の相の巻線との電気的な絶縁を確保する。また、絶縁フィルム6は、磁気コアとの電気的な絶縁を確保する。したがって、絶縁フィルム6は、電気的な絶縁が確保できる絶縁材料が用いられる。たとえば、絶縁フィルム6には、ポリイミドフィルム、あるいは紙などが用いられる。紙は、誘電率が低いため、本実施形態および後述の他の実施形態では好適に用いられる。導体5の厚さdcが同一の場合には、絶縁フィルム6の厚さdiが薄ければ薄いほど、導線の全体の厚さは薄くなる。導線の全体の厚さが薄ければ、導線は、同一のスペースに、より多くのターン数で巻回されることができる。あるいは、導線は、より狭いスペースに巻回されることができる。しかしながら、絶縁フィルム6に覆われた導体5を巻き重ねることによって形成される静電容量は、絶縁フィルム6の厚さの逆数に比例して大きくなる。絶縁フィルム6の厚さdiを薄くした場合に、コイルの巻線間に発生する浮遊容量が増大するので、コモンモードチョークコイルの高周波特性は悪化する。一方、絶縁フィルム6の厚さdiを厚くした場合に、導線の占積率は低下する。したがって、絶縁フィルム6の厚さdiは、50μm〜500μmとすることが望ましい。
The insulating
導体5の断面積が大きければ大きいほど、抵抗値が低下するので、コイルの銅損は減少する。そのため、導体5の厚さdcは、たとえば、絶縁フィルム6の厚さdiの4倍以上とするのが好ましい。一方で、平角導線の幅および絶縁フィルム6の厚さを一定とした場合に、導体5の厚さdcを厚くすると、同一ターン数の場合のコイル径が大きくなる。そのため、導体5の厚さdcと絶縁フィルム6との比率は、100倍以下とするのが望ましい。
The larger the cross-sectional area of the
本実施形態の第1のコイル10および第2のコイル15では、アルファ巻きを用いて導線が巻回されるので、限られたスペースに、より多くのターン数とすることができる。図3(a)〜図3(c)は、アルファ巻きによって導線を巻回してコイルとする手順を説明する模式的平面図である。
In the
コイルのアルファ巻きとは、1つのコイルを2つのコイル部分に分けて、それぞれ巻回されたコイル部分の軸方向に垂直な面で、2つのコイル部分を同軸上に隣接させる巻き方である。アルファ巻きされたコイルは、コイルを構成する1本の平角導線11の中央部から一方の側が巻回されて構成されるコイルの部分と、平角導線の他方の側が巻回されて構成されるコイルの部分とを含む。アルファ巻きでは、平角導線の中央部が折り曲げられて、それぞれのコイルの部分は、導線の巻き重ねの方向に垂直な面で同軸上に隣接して配置される。
The alpha winding of the coil is a winding method in which one coil is divided into two coil parts, and the two coil parts are coaxially adjacent to each other on a plane perpendicular to the axial direction of the wound coil part. The coil wound with alpha is composed of a coil portion formed by winding one side from the center of one
具体的に、アルファ巻きによるコイルは、以下のように構成される。図3(a)に示すように、平角導線11は、その長さ方向(以下、x軸方向という。)のほぼ1/2の位置に、x軸方向に垂直な方向(以下、y軸方向という。)に沿って設定された中心線11cを有する。平角導線11は、中心線11cから一方の端部の側の導線11aと、中心線11cから他方の端部の側の導線11bと、を有する。平角導線11は、x軸方向に沿う縁である縁部11dと、縁部11dにy軸上で対向する位置の縁である縁部11fとを有する。導線11aは、中心線11cと縁部11dとの交点からほぼ45°の角度で、縁部11fに向かう折り曲げ部11eを有する。導線11bは、中心線11cと縁部11fとの交点からほぼ45°の角度で、縁部11dに向かう折り曲げ部11gを有する。
Specifically, the coil by alpha winding is configured as follows. As shown in FIG. 3A, the
導線11aは、先端にコイル10の一方の端子12aを有する。導線11bは、先端にコイル10の他方の端子12bを有する。端子12a,12bは、導体5の周囲を覆う絶縁フィルム6を除去して成形される。端子12a,12bは、その表面に予備はんだが施されてもよい。
The
図3(b)に示すように、導線11bの縁部11fが中心線11cに沿うように、導線11bは、折り曲げ部11gで折り曲げられる。
As shown in FIG. 3B, the
図3(c)に示すように、導線11aの縁部11dが中心線11cに沿うように、導線11aは、折り曲げ部11eで折り曲げられる。このようにして、導線11a,11bは、それぞれの縁部11d,11fが中心線11c上に沿うように折り曲げて配置される。導線11aは、偏平な面を重ねて巻回され、導線11bは、偏平な面を重ねて巻回される。このように巻回することによって、導線11aが巻回されて縁部11dによって構成される円環状の面と、導線11bが巻回されて縁部11fによって構成される円環状の面と、が隣接して配置される。これら隣接する2つのコイルは、導線11の中心部分で接続された1つのコイルを構成する。
As shown in FIG.3 (c), the
コイル15は、コイル10とまったく同様に構成することができるので詳細な説明を省略する。
Since the
アルファ巻きで巻回されたコイルは、最外周に導線の両方の端部を有するので、外部回路との接続のための端子が容易に構成される。また、アルファ巻きで巻回されたコイルでは、2つのコイルの部分に分けて導線が巻回されるので、コイルの径方向に巻回スペースの制限がある場合でも、ターン数が確保される。 Since the coil wound with the alpha winding has both ends of the conductive wire on the outermost periphery, a terminal for connection to an external circuit is easily configured. Moreover, in the coil wound by alpha winding, since the conducting wire is wound in two coil parts, the number of turns is ensured even when the winding space is limited in the radial direction of the coil.
なお、コイルを巻く場合には、アルファ巻きによらず、フラットワイズ巻きを用いてもよい。フラットワイズ巻きは、導線の中心で折り曲げることなく、1つのコイルを構成する。フラットワイズ巻きでコイルを構成する場合には、コイルの内径側の端部が端子として用いられる。コイルの内径側の端子は、導線の長手方向に対してほぼ90°折り曲げることによってコイルの外側に引き出される。たとえば、図3(b)のように、端子は、折り曲げた方の端部をコイルの内径側から引き出すことによって構成される。 When winding a coil, flat-wise winding may be used instead of alpha winding. The flatwise winding forms one coil without being bent at the center of the conducting wire. When a coil is formed by flatwise winding, the end on the inner diameter side of the coil is used as a terminal. The terminal on the inner diameter side of the coil is pulled out to the outside of the coil by bending it approximately 90 ° with respect to the longitudinal direction of the conducting wire. For example, as shown in FIG. 3B, the terminal is configured by pulling out the bent end from the inner diameter side of the coil.
図1に戻って、本実施形態のコモンモードチョークコイル1を構成する磁気コアについて説明する。図1(a)〜図1(d)に示すように、第1の磁気コア20は、上側壁部21と、下側壁部22と、脚部23と、側壁部24と、を有する。第1の磁気コア20は、いわゆるPQコアである。
Returning to FIG. 1, the magnetic core which comprises the common
側壁部24は、上側端部および下側端部がほぼ方形でそれぞれ中央部に向かってくさび状に成形された板状の部材である。上側端部および下側端部は、上側壁部21および下側壁部22がそれぞれ接続される端部である。側壁部24は、平角導線11が巻回された第1のコイル10の軸方向に垂直な面にほぼ平行に配置される。側壁部24は、脚部23に挿通された第1のコイル10の軸方向に垂直な面を支持する。
The
上側壁部21は、ほぼ方形の板状の部材である。上側壁部21は、その一方の端部が、側壁部24の上側端部に、側壁部24とほぼ垂直に接続される。上側壁部21の下側壁部22に対向する面は、第1のコイル10の外周の形状に合わせて、円弧状の凹部を有する。上側壁部21は、脚部23に挿通された第1のコイル10の上部に配置され、主として第1のコイル10の上部で発生する磁界を捕捉する。
The upper
下側壁部22は、ほぼ方形の板状の部材である。下側壁部22は、その一方の端部が、側壁部24の下側端部に、側壁部24とほぼ垂直に配置される。下側壁部22は、上側壁部21と対向してほぼ平行に配置される。下側壁部22の上側壁部21に対向する面は、第1のコイル10の外周の形状に合わせて、円弧状の凹部を有する。下側壁部22は、脚部23に挿通された第1のコイル10の下部に配置され、主として第1のコイル10の下部で発生する磁界を捕捉する。
The
脚部23は、一方の端部が、側壁部24のほぼ中央部に、側壁部24とほぼ垂直に接続される。脚部23は、円柱状の支柱である。脚部23は、第1のコイル10の空芯部13を挿通して、第1のコイル10に流れる電流によって発生する磁界を捕捉する。
One end of the
上側壁部21、下側壁部22、および脚部23は、側壁部24に接続された位置から端部までほぼ同一の長さを有する。このような形状を有する第1の磁気コア20は、第1のコイル10の空芯部13に脚部23を挿通し、上側壁部21、下側壁部22、および側壁部24によって構成される空間に第1のコイル10を収納する。
The upper
第2の磁気コア25も第1の磁気コア20と同一に構成される。第2の磁気コア25は、上側壁部26と下側壁部27と脚部28と側壁部29とを有するいわゆるPQコアである。第1の磁気コアと同一形状の第2の磁気コア20は、第2のコイル15の空芯部18に脚部28を挿通し、上側壁部26、下側壁部27、および側壁部29によって構成される空間に第2のコイル15を収納する。
The second
第1の磁気コア20および第2の磁気コア25を構成する上側壁部21,26、下側壁部22,27、および脚部23,28は、それぞれ端部が互いに接着剤や接着テープ等の周知の接続技術を用いて接続される。このように、それぞれの端部が接続されることによって、第1の磁気コア20および第2の磁気コア25は、閉磁路を構成する。
The upper
第1の磁気コア20および第2の磁気コア25は、同一の磁性材料であり、同一の軟磁性体を含む。第1の磁気コア20および第2の磁気コア25の磁性材料は、たとえばMn−Znフェライト、Ni−Znフェライト、またはCu−Znフェライト等のソフトフェライト材料である。磁性材料には、ソフトフェライト材料に限らず、アモルファス合金、鉄、ケイ素鋼、センダスト、パーマロイ等の軟磁性材料が用いられてもよい。
The first
ソフトフェライトを用いる場合には、第1の磁気コア20および第2の磁気コア25は、適切なフェライト材料を焼結等の周知の技術を用いることによって、上述の形状に成形される。アモルファス合金を用いる場合には、第1の磁気コア20および第2の磁気コア25は、アモルファス合金の薄帯を成形して、成形した薄帯を積層する等の周知の技術を用いることによって構成される。他の材料についても周知の技術を用いて上述の形状に成形することができる。
When soft ferrite is used, the first
図4は、本実施形態に係るコモンモードチョークコイルの等価回路の一例である。
図4に示すように、コモンモードチョークコイル1は、第1のコイル10と、第2のコイル15と、を含む。コモンモードチョークコイル1は、第1のコイル10の一方の端子12aをコモンモード電流の入力端子とし、他方の端子12bをコモンモード電流の出力端子とする。同様に、コモンモードチョークコイル1は、第2のコイルの一方の端子17aをコモンモード電流の入力端子とし、他方の端子17bをコモンモード電流の出力端子とする。第1のコイル10および第2のコイル15では、同一の磁気コアに、同一の巻回方向で導線が巻回される。同一の磁気コアに、同一方向で導線が巻回されていることをドットの位置で示す。
FIG. 4 is an example of an equivalent circuit of the common mode choke coil according to the present embodiment.
As shown in FIG. 4, the common
たとえば、コモンモード電流を発生している2つの電源ラインに端子12a,17aをそれぞれ接続することによって、端子12b,17bからコモンモード電流が除去された電流が出力される。
For example, by connecting the
第1のコイル10および第2のコイル15は、同一の閉磁路を有する磁気コアに同相の電流を流す。磁気コアには、同一の方向の磁界が発生して、2つのコイルの電流によって発生した磁界が加算されることになるので、第1のコイル10および第2のコイル15のインピーダンスは増加する。したがって、同相の電流であるコモンモード電流が除去される。
The
上述の例では、アルファ巻きまたはフラットワイズ巻きによって平角導線を巻回して構成したコイルをPQコアに収納することによって、コモンモードチョークコイルを構成した。磁気コアの形状は、PQコアに限らず、第1のコイルおよび第2のコイルにそれぞれ流れる電流によって発生する磁界が同一の閉磁路に流れるように構成されるコアであればよい。 In the above-described example, the common mode choke coil is configured by housing the coil formed by winding the flat conducting wire by alpha winding or flatwise winding in the PQ core. The shape of the magnetic core is not limited to the PQ core, but may be any core that is configured so that the magnetic fields generated by the currents flowing in the first coil and the second coil flow in the same closed magnetic path.
たとえば、EEコアの場合には、脚部が四角柱であり、上側壁部および下側壁部はいずれも板状あるいは四角柱状である。EIコアの場合には、脚部を有する磁気コアに第1および第2のコイルの空芯部を挿通することによってEEコアと同様にコモンモードチョークコイルを構成することができる。UUコアを用いることによって、リング状にコモンモードチョークコイルを構成することもできる。 For example, in the case of the EE core, the leg portion is a quadrangular prism, and the upper side wall portion and the lower side wall portion are both plate-shaped or quadrangular prism-shaped. In the case of the EI core, a common mode choke coil can be configured in the same manner as the EE core by inserting the air core portions of the first and second coils through a magnetic core having legs. By using the UU core, a common mode choke coil can be formed in a ring shape.
次に、本実施形態のコモンモードチョークコイル1の製造方法について説明する。図5は、本実施形態のコモンモードチョークコイル1の一例を模式的に表す分解組立図である。第1のコイル10および第2のコイル15は、上述したように平角導線をアルファ巻きによって円環状に巻回されてそれぞれ同一に構成される。導線が巻回された第1のコイル10および第2のコイル15は、平角導線11,16のそれぞれの両端の絶縁フィルム6を除去した端子12a,12b,17a,17bを有する。
Next, a method for manufacturing the common
第1のコイル10は、上側壁部21、側壁部24、および下側壁部22で囲まれた第1の磁気コア20に、第1のコイル10の空芯部13が脚部23に挿通されて収納される。
In the
第1の磁気コア20がPQコアの場合には、脚部23は、円柱形状である。上側壁部21のコイルが収納される側には、円弧状に凹部が形成されている。同様に、下側壁部22のコイルが収納される側には、円弧状に凹部が形成されている。第1のコイル10は、空芯部13の内壁が、脚部23の円柱形状にほぼ密着し、コイル10の上部の対応する部分および下部の対応する部分が、上側壁部21および下側壁部22のそれぞれ円弧状の凹部に密着するように収納される。
When the first
第2のコイル15は、第1のコイル10と同様に、上側壁部26、側壁部29、および下側壁部27で囲まれた磁気コアの中に、第2のコイル15の空芯部18が脚部28に挿通されて収納される。
Similarly to the
第2の磁気コア25がPQコアの場合には、脚部28は、円柱形状である。上側壁部26のコイル収納側は、円弧状に凹部が形成される。同様に、下側壁部27のコイル収納側は、円弧状に凹部が形成される。第2のコイル15は、空芯部18が、脚部28の円柱形状にほぼ密着し、第2のコイル15の上部および下部が、上側壁部26および下側壁部27のそれぞれ円弧状の凹部に密着するように収納される。
When the second
第1のコイル10が収納された第1の磁気コア20と、第2のコイル15が収納された第2の磁気コア25と、は、脚部23,28、上側壁部21,26、および下側壁部22,27の端部が、それぞれ互いに接続される。第1の磁気コア20および第2の磁気コア25は、エポキシ系接着剤等周知の技術を用いることによって互いに接続されることができる。接着剤以外にも両面テープ等周知の接続・接着技術を追加して用いたり、バンドやテープなどにより外部から接続面に圧力をかけることによっても接合することができる。
The first
このようにして、コモンモードチョークコイル1が構成されるので、閉磁路は、脚部23→側壁部24→上側壁部21→上側壁部26→側壁部29→脚部28→脚部23のように構成される。また、他の閉磁路が、同時に、脚部23→側壁部24→下側壁部22→下側壁部27→側壁部29→脚部28→脚部23となるように構成される。
Since the common
本実施形態のコモンモードチョークコイル1では、トロイダル形のコイルのように、内径部に導線を通しつつコイルを巻き上げていく複雑な製造工程を経る必要がない。すなわち、第1のコイル10および第2のコイル15は、たとえば導線の巻回用の治具を用いることによって容易に円環状に巻回して製作される。巻回されたコイル10,15は、磁気コア20,25の脚部23,28に挿通されることによって、磁気コア20,25に容易に収納される。磁気コア20,25は、巻回されたコイル10,15を、それぞれ収納した後、互いに接合されるので、本実施形態のコモンモードチョークコイル1は、容易に製造される。
In the common
また、本実施形態のコモンモードチョークコイルでは、コイルの内径部分が、円柱状の脚部23,28にほぼ密着し、コイルの外周部分が、円弧状の上側壁部21,26の凹部、および円弧上の下側壁部22,27の凹部に密着するように配置される。そのため、それぞれのコイル10,15は、占積率を上げてターン数を確保することができ、さらに磁束の漏えいを最小化することができる。
In the common mode choke coil of this embodiment, the inner diameter portion of the coil is in close contact with the
コモンモードチョークコイル1は、小型化の要求が強い。一般に、以下の(1)式に示すように、ターン数Nおよび磁束密度Bを一定にすると、励磁電流Iは、コア断面積Aeに比例する。コモンモードチョークコイルを小型化するために、コア断面積は小さくする必要がある。コア断面積Aeが小さくされた分、ターン数Nが増加される必要がある。
The common
L・I=N・B・Ae (1)
ここで、Lはコイルのインダクタンス、Iはコイルの励磁電流、Nは、コイルのターン数、Bは、磁気コアの磁束密度、Aeは、磁気コアの断面積である。
L ・ I = N ・ B ・ Ae (1)
Here, L is the inductance of the coil, I is the exciting current of the coil, N is the number of turns of the coil, B is the magnetic flux density of the magnetic core, and Ae is the cross-sectional area of the magnetic core.
本実施形態のコモンモードチョークコイル1では、平角導線が用いられるので、導線の占積率が向上される。そのため、コイルのターン数Nが増加する。また、本実施形態のコモンモードチョークコイル1では、アルファ巻きを併用することによって、さらに占積率が向上するので、必要な励磁電流が確保される。また、コモンモードチョークコイル1は、(1)式より、飽和磁束密度の高い磁性材料を用いることによっても小型化を図ることができる。軟磁性体としてソフトフェライトを用いる場合には、飽和磁束密度は、たとえば、0.5T以上とすることが望ましい。
In the common
本実施形態のコモンモードチョークコイル1では、断面偏平な平角導線が用いられ、絶縁フィルム6が、導線を構成する導体5の周囲を被覆するので、高い絶縁耐圧が実現される。本実施形態のコモンモードチョークコイル1では、絶縁フィルム6は、たとえばポリイミド等の絶縁性の樹脂材料や、絶縁紙等で構成されるので、導線の絶縁耐圧は、エナメル被覆線に比べて高くすることができる。また、絶縁フィルム6は、ポリイミドや絶縁紙等で構成されるので、絶縁耐圧は、隣接する相の巻線間や巻線と磁気コアとの間においても確保することができる。本実施形態のコモンモードチョークコイル1は、導線自体がこのように高い絶縁耐圧を有するので、磁気コアを樹脂製のボビンやケースに収納して、巻線との間の絶縁耐圧を確保する必要がなく、磁気コアに直接導線を巻回することができる。したがって、本実施形態のコモンモードチョークコイル1は、小型化が可能である。
In the common
さらに、本実施形態のコモンモードチョークコイル1は、トロイダル型のコモンモードチョークコイルに比べて、占積率を高くすることができ、コイルの巻き数を多数回に増やしても線間の浮遊容量が大きくならない。したがって、本実施形態のコモンモードチョークコイル1は、高周波のコモンモードノイズを効率よく除去することができる。本実施形態のコモンモードチョークコイル1では、絶縁フィルムの厚さdiは、たとえば、50μm〜500μmとすることができ、高周波特性および占積率から最適な厚さとすることができる。
Furthermore, the common
導線を構成する導体5の幅wを一定にすると、導体5の厚さが厚いほど導線の抵抗値が低くなり、銅損は減少する。本実施形態のコモンモードチョークコイル1では、導体の厚さdcと絶縁フィルムの厚さdiとの比率(dc/di)は、たとえば、4倍〜100倍とすることによって銅損と占積率との最適な値を設定することができる。
If the width w of the
なお、上述では、2つの電力線に2つのコイルをそれぞれ挿入して、これら2つの電力線のコモンモード電流を除去するためのコモンモードチョークコイルについて説明した。本実施形態のコモンモードチョークコイルは、3つ以上のコイルを含んでもよい。3つ以上のコイルを3つ以上の電力線にそれぞれ挿入することによって、コモンモード電流を除去することができる。 In the above description, the common mode choke coil for removing the common mode currents of the two power lines by inserting the two coils in the two power lines has been described. The common mode choke coil of this embodiment may include three or more coils. By inserting three or more coils into three or more power lines, respectively, the common mode current can be removed.
以下の実施形態で説明するように、本実施形態のコモンモードチョークコイル1は、コモンモード電流の閉ループを構成するコモンモードノイズフィルタとして用いることができ、接地電位に漏れ電流を流さないようにすることができる。この場合には、コモンモード電流が非常に大きいので、コイルのターン数を増加させたり、磁気コアの断面積を増やす必要がある。しかしながら、ターン数増大やコア断面積の増加は、チョークコイルの体積を大きくすることになるので、小型化の要請に反する。本実施形態のコモンモードチョークコイル1では、導線の占積率を高くすることができるので、コア断面積を増大させてもコイル全体としては小型化が可能になる。線材をアルファ巻きにすることによって、コイルの体積を増加させることなく、ターン数を増やすことができる。
As will be described in the following embodiments, the common
(第2の実施形態)
上述したコモンモードチョークコイル1は、以下に説明するコモンモードフィルタおよび電力変換装置を構成するのに好適であり、小型外形ながら、効率よくコモンモード電流を除去することができる。
(Second Embodiment)
The above-described common
図6は、第2の実施形態に係るコモンモードフィルタおよび電力変換装置の一例を示す模式的なブロック図である。
電力変換装置60は、コモンモードフィルタ40と、電力変換回路62と、を備える。電力変換装置60は、直流入力電源66と負荷68との間に接続される。電力変換装置60は、直流入力電源66の出力に入力が接続され、直流入力電源66から直流電力を供給される。電力変換装置60は、その出力に負荷68が接続されて、負荷68に交流電力を供給する。
FIG. 6 is a schematic block diagram illustrating an example of the common mode filter and the power conversion device according to the second embodiment.
The
電力変換回路62は、直流入力電源66と負荷68との間に直列に接続される。たとえば、電力変換回路62は、直流電力を交流電力に変換するインバータである。直流入力電源66は、たとえば、太陽光発電パネルやDC−DCコンバータを含む太陽光発電装置等である。負荷68は、たとえば、誘導電動機等の交流負荷である。
The
なお、電力変換装置60は、交流電力を直流電力に変換するAC−DCコンバータでもよい。その場合には、電力変換装置60に入力される電源は、交流入力電源66aであり、負荷68は、直流負荷である。また、電力変換装置60は、直流電力を直流電力に変換するDC−DCコンバータであってもよく、交流電力を交流電力に変換する電力変換装置であってもよい。
The
電力変換回路62は、内部にスイッチング素子を含んでいる。電力変換回路62では、スイッチング素子は、高速の大電力(高電圧・大電流)のスイッチング動作をする。このため、電力変換回路62は、コモンモード電圧を発生する。コモンモード電圧は、回路基板や配線等の浮遊容量、寄生容量等を介して、コモンモード電流に変換されて電源ラインや負荷ラインに放出される。
The
コモンモードフィルタ40は、コモンモードチョークコイル1と、第1のコンデンサ回路41と、第2のコンデンサ回路45と、を有する。
The
コモンモードチョークコイル1は、直流入力電源66と電力変換回路62との間で直列に接続される。コモンモードチョークコイル1は、電力変換回路62の入力側、すなわち直流入力電源66が接続された側に接続されて、電力変換回路62と直列回路50を構成する。直列回路50は、直流入力電源66と、電源ライン1a,1bを介して接続される。また、この直列回路50は、負荷68と、負荷ライン62a,62bを介して接続される。
The common
第1のコンデンサ回路41は、各端子41a,41bが電源ライン1a,1bにそれぞれ接続される。残りの端子41cは、第2のコンデンサ回路の端子45cに接続される。
In the
第2のコンデンサ回路45は、各端子45a,45bが負荷ライン62a,62bにそれぞれ接続される。
In the
コモンモードチョークコイル1は、上述の第1の実施形態のコモンモードチョークコイル1である。すなわち、コモンモードチョークコイル1は、第1のコイル10と、第2のコイル15と、第1の磁気コア20と、第2の磁気コア25と、を有する。第1のコイル10は、直流入力電源66の一方の出力に電源ライン1aを介して接続される入力端子2aと、電力変換回路62の一方の入力に接続される出力端子2bと、を有する。第2のコイル15は、直流入力電源66の他方の出力に電源ライン1bを介して接続される入力端子2cと、電力変換回路62の他方の入力に接続される出力端子2dと、を有する。磁気コア20,25は、1つの閉磁路を構成する。第1のコイル10および第2のコイル15は、第1の磁気コア20および第2の磁気コア25に導線がそれぞれ巻回される。磁気コア20,25は、第1のコイル10に流れる電流が生成する磁界と、第2のコイル15に流れる電流が生成する磁界と、が同じ閉磁路を流れるように構成される。第1のコイル10では、第1のコイル10に流れるコモンモード電流が生成する磁界によって第2のコイル15に流れるコモンモード電流に対してインピーダンスを高めるように導線が巻回される。第2のコイル15の場合には、第2のコイル15に流れるコモンモード電流が生成する磁界によって第1のコイル10に流れるコモンモード電流に対してインピーダンスを高めるように導線が巻回される。
The common
第1のコンデンサ回路41は、直列接続された2つのコンデンサ42a,42bを含む。第2のコンデンサ回路45は、直列接続された2つのコンデンサ46a,46bを含む。直列接続されたコンデンサ42a,42bの一方の端子41a,41bを、電源ライン1a,1bに接続し、直列接続されたコンデンサ46a,46bの一方の端子45a,45bを、負荷ライン62a,62bにそれぞれ接続する。2つのコンデンサ42a,42bの中性点を含む端子41cは、コンデンサ46a,46bの中性点を含む端子45cに接続される。
The
本実施形態のコモンモードフィルタ40では、第1のコンデンサ回路41と、コモンモードチョークコイル1と、電力変換回路62と、第2のコンデンサ回路と、を含む経路が、コモンモード電流の閉ループを構成する。コモンモードチョークコイル1がこの閉ループ内に配置されているので、電源ライン1a,1bおよび負荷ライン62a,62bを同相で流れるコモンモード電流は除去される。
In the
近年では、太陽光発電装置等の導入によって、自家発電設備が普及促進され、また固定価格買取制度の導入によって、自家発電電力の売電等が盛んになってきた。このような自家発電設備等では、電力変換装置、すなわちパワーコンディショナの小型化、高出力密度化が強く望まれている。電力変換装置の小型化を実現するために、マルチレベル方式のインバータ等の回路技術が進展している。また、高速かつ高耐圧なスイッチング素子としてSiCやGaNデバイスが普及しつつある。そのため、パワーコンディショナでは、従来に比べて数倍のスイッチング周波数が実現されている。 In recent years, private power generation facilities have been widely promoted by the introduction of solar power generation devices and the like, and the sale of private power generation has become popular due to the introduction of the feed-in tariff system. In such an in-house power generation facility or the like, it is strongly desired to reduce the size and increase the output density of a power converter, that is, a power conditioner. In order to realize miniaturization of power converters, circuit technologies such as multilevel inverters have been developed. Also, SiC and GaN devices are becoming widespread as high-speed and high breakdown voltage switching elements. Therefore, in the power conditioner, a switching frequency several times as high as that in the prior art is realized.
従来のコモンモードフィルタの方式では、コモンモードチョークコイルでコモンモード電流を低減させ、残りのコモンモード電流は接地へ流していた。しかしながら、スイッチング素子が高周波化するのにともなって、接地に流れるコモンモード電流は、安全規格を超える漏れ電流として顕在化するようになってきた。 In the conventional common mode filter system, the common mode current is reduced by the common mode choke coil, and the remaining common mode current flows to the ground. However, as the switching element becomes higher in frequency, the common mode current flowing to the ground has become apparent as a leakage current exceeding the safety standard.
本実施形態のコモンモードフィルタ40では、コモンモード電流は、接地61を含まない閉ループ内を流れるので、接地61へ流れることなく除去される。
In the
従来では、コモンモード電流の一部は、接地61へ流れていたが、パワーコンディショナ等の用途では、コモンモード電流を大幅に低減する必要がある。一方で、スイッチング素子の高周波化によって、発生するコモンモード電流自体も増大しており、本実施形態のコモンモードフィルタ40では、コモンモード電流は、従来のコモンモードフィルタで扱う電流の数10倍から数100倍となる。しかしながら、上述した(1)式を再掲して示すように、励磁電流Iは、ターン数N、断面積Ae、磁束密度Bにそれぞれ比例する。したがって、励磁電流Iを増大させるには、これらすべてを大きくする必要がある。しかしながら、ターン数Nおよび断面積Aeを増加させることは、コモンモードチョークコイルの大型化することを意味する。
Conventionally, a part of the common mode current has flowed to the
L・I=N・B・Ae (1)
ここで、Lはコイルのインダクタンス、Iはコイルの励磁電流、Nは、コイルのターン数、Bは、磁気コアの磁束密度、Aeは、磁気コアの断面積である。
L ・ I = N ・ B ・ Ae (1)
Here, L is the inductance of the coil, I is the exciting current of the coil, N is the number of turns of the coil, B is the magnetic flux density of the magnetic core, and Ae is the cross-sectional area of the magnetic core.
このように、スイッチング素子の高周波化によって、大きなコモンモード電流を流すことができるコモンモードチョークコイルが必要となる一方で、コモンモードチョークコイルの大型化が問題となる。 As described above, a common mode choke coil capable of flowing a large common mode current is required due to the higher frequency of the switching element, but an increase in size of the common mode choke coil becomes a problem.
従来よりパワーコンディショナ等には、コモンモードチョークコイルとしてリング状の磁気コアに巻線を巻回したトロイダル形コイルが多用されている。トロイダル形のコモンモードチョークコイルでは、導線として丸線を磁気コアに巻回するのが一般的なので、占積率の向上は困難である。そのため、ターン数およびコア断面積の増大は、コモンモードチョークコイルの大型化を招く。また、トロイダルコイルのターン数Nをかせぐために巻線を重ねて巻回する場合には、コイルの導線が巻線間で容量結合して、コモンモードチョークコイルは、高周波特性が悪化する。そのため、トロイダル形コイルは、コモンモードチョークコイルとしての性能を確保するのが困難であるとの問題も有している。さらに、トロイダル形コイルの場合には、普及しているエナメル被覆線が導線として用いられているので、絶縁耐圧が十分ではない。そのため、トロイダル形コイルは、磁気コアとの絶縁および相間の絶縁を確保するために、絶縁用の部材が追加される必要がある。たとえば、トロイダル形コイルの場合には、磁気コアが樹脂等で成形されたケースやボビンに磁気コアを収納され、ケースの上から導線を巻回したり、相間に絶縁用の仕切り板を設ける必要がある。このような絶縁のための部材は、コモンモードチョークコイルをさらに大型化させる。 Conventionally, a toroidal coil in which a winding is wound around a ring-shaped magnetic core is often used as a common mode choke coil in a power conditioner or the like. In a toroidal type common mode choke coil, it is common to wind a round wire as a conducting wire around a magnetic core, so it is difficult to improve the space factor. Therefore, the increase in the number of turns and the core cross-sectional area leads to an increase in the size of the common mode choke coil. Further, when the windings are wound in order to increase the number of turns N of the toroidal coil, the coil conductors are capacitively coupled between the windings, and the high frequency characteristics of the common mode choke coil are deteriorated. Therefore, the toroidal coil has a problem that it is difficult to ensure performance as a common mode choke coil. Furthermore, in the case of a toroidal type coil, a widely used enamel-coated wire is used as a conducting wire, so that the withstand voltage is not sufficient. Therefore, an insulating member needs to be added to the toroidal coil in order to ensure insulation from the magnetic core and insulation between phases. For example, in the case of a toroidal coil, the magnetic core is housed in a case or bobbin formed of resin or the like, and it is necessary to wind a conducting wire from the top of the case or provide an insulating partition plate between the phases. is there. Such a member for insulation further enlarges the common mode choke coil.
本実施形態のコモンモードフィルタ40では、平角導線を巻回したコイルがソフトフェライト等の磁気コアとともに用いられるので、占積率が向上する。したがって、本実施形態のコモンモードフィルタ40では、コイルの巻線のターン数Nが向上する。そのため、コイルの励磁電流を大きくすることができるので、コイルは小型化される。コイルの巻き方としてアルファ巻きが併用される場合には、さらに占積率が向上し、コモンモードチョークコイルは、さらなる小型化が実現される。
In the
また、コモンモードフィルタ40のコモンモードチョークコイル1は、導体に絶縁フィルムで被覆された平角導線を用いているので、絶縁耐圧が高く、磁気コアとの絶縁のためのケース等が不要であり、相間の絶縁仕切り板も不要である。したがって、磁気コアに直接導線を巻回することができるので、小型化が可能になる。そのため、コモンモードチョークコイル1は、大きな励磁電流を実現しながら、小型化を達成することができる。
In addition, since the common
絶縁フィルムは、たとえばポリイミドフィルムや紙を用いることができる。紙は、誘電率が低く、絶縁耐圧が高いので好ましく用いることができる。絶縁フィルムの厚さは、たとえば、50μm〜500μmとすることができ、高周波特性と占積率とから最適な厚さとすることができる。 As the insulating film, for example, a polyimide film or paper can be used. Paper can be preferably used because of its low dielectric constant and high withstand voltage. The thickness of the insulating film can be set to, for example, 50 μm to 500 μm, and can be set to an optimum thickness from the high frequency characteristics and the space factor.
平角導線の導体の断面積は、銅損に関連する。すなわち、導体の幅を一定にすると、導体の厚さが厚いほど導線の抵抗値が低くなり、銅損は減少する。導体の厚さdcと絶縁フィルムの厚さdiとの比率(dc/di)は、たとえば、4〜100とすることによって銅損と占積率との最適な値を設定することができる。 The cross-sectional area of the conductor of the flat wire is related to copper loss. That is, when the width of the conductor is constant, the resistance value of the conducting wire becomes lower and the copper loss decreases as the conductor thickness increases. By setting the ratio (dc / di) between the thickness dc of the conductor and the thickness di of the insulating film to 4 to 100, for example, the optimum value of the copper loss and the space factor can be set.
以上のように、本実施形態のコモンモードフィルタ40は、大きなコモンモード電流が流れる電力変換装置60に用いることができ、小型化が可能である。また、このようなコモンモードフィルタ40を含む電力変換装置60は、全体として小型化することができる。
As described above, the
(変形例1)
図7は、第2の実施形態の変形例1を模式的に示すブロック図である。
図7に示すように、電力変換装置60は、電力変換回路62と負荷68との間に直列に接続されたフィルタ回路63を含んでもよい。フィルタ回路63は、電力変換回路62のそれぞれの出力にそれぞれの一端が接続されたフィルタコイル63a,63bと、フィルタコイル63a,63bのそれぞれの他端に負荷68に並列になるように接続された平滑コンデンサ63cと、を含む。
(Modification 1)
FIG. 7 is a block diagram schematically showing
As shown in FIG. 7, the
フィルタ回路63は、ノーマルモード電流に対して高いインピーダンスを有するが、コモンモード電流に対しては、低インピーダンスであり、コモンモード電流の除去には殆ど関与しない。第2のコンデンサ46a,46bの一方の端子45a,45bは、フィルタ回路63の入力側のライン63d,63eにそれぞれ接続されてもよいし、電力変換回路62の負荷ライン62a,62bにそれぞれ接続されてもよい。電力変換回路62と負荷68との間には有限の物理的距離があるので、本変形例では、コモンモード電流の発生状況に応じて、上述の接続位置を設定することができ、設計の自由度、裕度が向上する。
The
(変形例2)
図8は、第2の実施形態の変形例2を模式的に示すブロック図である。
図8に示すように、第2の実施形態の変形例2は、変形例1に対して、第1のコンデンサ回路41および第2のコンデンサ回路45を変更したものである。
(Modification 2)
FIG. 8 is a block diagram schematically showing Modification 2 of the second embodiment.
As illustrated in FIG. 8, the second modification of the second embodiment is obtained by changing the
第1のコンデンサ回路41は、2つのコンデンサ42a,42bの直列回路であり、コンデンサ42aの両端の端子41a,41bがコモンモードチョークコイルの入力側の電源ライン1a,1bにそれぞれ接続される。
The
第2のコンデンサ回路45は、2つのコンデンサ46a,46bの直列回路であり、コンデンサ46aの両端の端子45a,45bが電力変換回路62の2つの負荷ライン62a,62bに接続される。コンデンサ42bの端子41cは、コンデンサ46bの端子45cと接続される。
The
第2のコンデンサ回路45のコンデンサ46aは、変形例1の平滑コンデンサ63cと兼用させたものである。第1のコンデンサ回路41のコンデンサ42aについても、直流入力電源66の平滑コンデンサと兼用させたものと考えることができる。
The
このように、本変形例では、平滑コンデンサ等の他のフィルタ回路のコンデンサと、第1および第2のコンデンサ回路のコンデンサとを兼用させることによって、部品点数が削減される。 As described above, in this modification, the number of parts is reduced by combining the capacitor of the other filter circuit such as the smoothing capacitor and the capacitor of the first and second capacitor circuits.
(変形例3)
上述の第2の実施形態およびその変形例では、電力変換装置60は、単一の電力変換回路62を含む例として示した。本実施形態の電力変換装置60に含まれる電力変換回路は、単一の電力変換回路に限られない。本変形例では、電力変換回路は、第1の電力変換回路64と、第2の電力変換回路62と、が縦続接続された回路である。たとえば、第1の電力変換回路64は、交流電力を直流電力に変換するAC−DCコンバータである。第2の電力変換回路62は、直流電力を交流電力に変換するインバータである。AC−DCコンバータとインバータとを縦続に接続することによって、電力変換装置60は、交流電力を交流電力に変換する電力変換装置として構成される。
(Modification 3)
In the above-described second embodiment and its modifications, the
また、交流電力の入出力に関して、上述の実施形態および変形例では、単相交流の例として示したが、三相交流あるいはそれ以上の相を含んでもよい。 Moreover, regarding the input / output of AC power, in the above-described embodiments and modification examples, an example of single-phase AC is shown, but three-phase AC or more phases may be included.
図9は、第2の実施形態の変形例3を模式的に示すブロック図である。
図9に示すように、電力変換装置60は、交流入力電源66aと負荷68との間に、コモンモードフィルタ40と、第1の電力変換回路64と、第2の電力変換回路62とを含む。第1の電力変換回路64は、第2の電力変換回路62と縦続接続される。
FIG. 9 is a block diagram schematically showing Modification 3 of the second embodiment.
As shown in FIG. 9, the
コモンモードフィルタ40は、コモンモードチョークコイル1と、第1のコンデンサ回路41と、第2のコンデンサ回路45とを含む。コモンモードチョークコイル1は、第1の実施形態で説明したコモンモードチョークコイル1と同一のものであり、詳細な説明を省略する。
The
コモンモードチョークコイル1は、第1の電力変換回路64および第2の電力変換回路62を含む縦続回路と交流入力電源66aとの間で、縦続回路と直列回路50を構成する。直列回路50は、交流入力電源66aと、電源ライン1a,1b,1cを介して接続される。直列回路50は、負荷ライン62a,62b,62cを介して、負荷68と接続される。
The common
第1のコンデンサ回路41は、3つのコンデンサ42a,42b,42cを含む。3つのコンデンサ42a,42b,42cは、一方の端子41a,41b,41cがそれぞれ電源ライン1a,1b,1cに接続される。
The
第2のコンデンサ回路45は、3つのコンデンサ46a,46b,46cを含む。3つのコンデンサ46a,46b,46cは、一方の端子45a,45b,45cがそれぞれ負荷ライン62a,62b,62cに接続される。
The
第1のコンデンサ回路41を構成する3つのコンデンサ42a,42b,42cの他方の端子は、端子41dで互いに接続されて、第2のコンデンサ回路45を構成する3つのコンデンサ46a,46b,46cの他方の端子が互いに接続された端子45dに接続される。
The other terminals of the three
電力変換装置60では、コモンモードチョークコイル1、第1の電力変換回路64、第2の電力変換回路62、第2のコンデンサ回路45、および第1のコンデンサ回路41を含む閉ループが構成される。この閉ループにはコモンモード電流が流れて、コモンモードチョークコイル1は、コモンモード電流を除去する。本変形例の電力変換装置60は、異なる複数の電力変換回路を含むので、それぞれの電力変換回路でコモンモード電流が発生する。したがって、電力変換装置60は、全体として、より大きなコモンモード電流を発生する場合がある。本変形例のコモンモードフィルタ40では、コモンモードチョークコイル1を用いているので、小型化を図りつつ、大きなコモンモード電流を除去することができる。
In the
なお、本変形例の説明においては、電力変換回路が2つの電力変換回路の縦続接続の場合について説明したが、電力変換装置は、このような構成に限らない。たとえば、電力変換回路は、3つ以上の電力変換回路の縦続接続であってもよく、2つ以上の電力変換回路の並列接続であってよい。また、複数の電力変換回路の縦続接続および並列接続の組み合わせであってもよい。本実施形態の電力変換装置60では、コモンモードチョークコイル1、電力変換回路、第1のコンデンサ回路41、および第2のコンデンサ回路46を含む閉ループ内で、コモンモード電流は除去されるので、接地61に漏れ電流が流れないようにすることができる。
In the description of this modification, the case where the power conversion circuit is a cascade connection of two power conversion circuits has been described, but the power conversion device is not limited to such a configuration. For example, the power conversion circuit may be a cascade connection of three or more power conversion circuits, or may be a parallel connection of two or more power conversion circuits. Further, it may be a combination of cascade connection and parallel connection of a plurality of power conversion circuits. In the
(変形例4)
上述したように、電力変換装置60では、コモンモードチョークコイル1、電力変換回路62、第2のコンデンサ回路45、および第1のコンデンサ回路41を含む閉ループ内でコモンモード電流が除去される。コモンモード電流をさらに低減するために、コモンモードフィルタは、変形された第2のコンデンサ回路を含んでもよい。変形された第2のコンデンサ回路は、残余のコモンモード電流を抽出して、抽出したコモンモード電流をコモンモードチョークコイルに流して除去する。したがって、本変形例のコモンモードフィルタは、さらにコモンモード電流を効率よく除去することができる。
(Modification 4)
As described above, in the
図10は、第2の実施形態の変形例4に係るコモンモードフィルタに用いる第2のコンデンサ回路の一例を模式的に示すブロック図である。図10に示した第2のコンデンサ回路70は、図9に示した電力変換装置60の第2のコンデンサ回路45と置き換えることができる。
FIG. 10 is a block diagram schematically illustrating an example of a second capacitor circuit used in the common mode filter according to the fourth modification of the second embodiment. The
図10に示すように、第2のコンデンサ回路70は、3つの抽出コンデンサ71a,71b,71cと、3つの単相リアクトル72a,72b,72cと、を含む。3つの抽出コンデンサ71a,71b,71cは、一端が、端子70a,70b,70cを介して3本の負荷ライン62a,62b,62cにそれぞれ接続され、他端が、単相リアクトル72a,72b,72cの1つの入力72a1,72b1,72c1にそれぞれ接続される。単相リアクトル72a,72b,72cの他方の入力72a2,72b2,72c2は、互いに接続され、第2のコンデンサ回路70の他方の端子70dとして、第1のコンデンサ回路41に接続される。単相リアクトル72a,72b,72cの一方の出力72a3,72b3,72c3は、隣接する単相リアクトル72a,72b,72cの他方の出力72c4,72a4,72b4にそれぞれ接続される。このように接続することによって、3つの単相リアクトル72a,72b,72cは、各相において、ノーマルモード電流に対しては、高いインピーダンスを示し、同相のコモンモード電流に対しては、低いインピーダンスを示す。したがって、コモンモード電流は、3本の負荷ライン62a,62b,62cから抽出されて、第1のコンデンサ回路41を介してコモンモードチョークコイル1に入力される。そのため抽出されたコモンモード電流は除去される。本変形例では、負荷ライン62a,62b,62cに現れるコモンモード電流を抽出して、電源ライン1a,1b,1cに接続されたコモンモードチョークコイル1に入力するので、より効率よくコモンモード電流を除去することができる。
As shown in FIG. 10, the
(第3の実施形態)
第2の実施形態では、コモンモードチョークコイル1が、電力変換回路62と直列に接続され、電力変換回路62の入力側に配置されている場合について説明した。本実施形態の電力変換装置では、コモンモードチョークコイル1が、電力変換回路62の出力側に配置される。
(Third embodiment)
In the second embodiment, the case where the common
図11は、第3の実施形態の電力変換装置の一例を模式的に示すブロック図である。
図11に示すように、本実施形態の電力変換装置は、コモンモードチョークコイル1が電力変換回路62と負荷68との間に直列に接続される。すなわち、コモンモードチョークコイル1は、電力変換回路62の出力側に接続される。電力変換回路62は、コモンモードチョークコイル1と直列回路50を構成する。直列回路50は、電源ライン1a,1bを介して直流入力電源66と接続される。直列回路50は、負荷ライン62a,62bを介して負荷68と接続される。
FIG. 11 is a block diagram schematically illustrating an example of the power conversion apparatus according to the third embodiment.
As shown in FIG. 11, in the power conversion device of this embodiment, the common
本実施形態のように、電力変換回路62、直流入力電源、負荷、あるいはその他の回路要素の配置、配線構造等によって生ずるコモンモード電流に応じて、コモンモードチョークコイル1の接続位置を変更することができる。したがって、回路配置の自由度、設計の裕度を大きくとることができる。
As in the present embodiment, the connection position of the common
また、第3の実施形態に、上述した第2の実施形態の各変形例を組み合わせることができるのはいうまでもない。 Needless to say, the third embodiment can be combined with the modifications of the second embodiment described above.
(第4の実施形態)
本実施形態の電力変換装置では、コモンモードチョークコイル1,100は、電力変換回路の入力側および出力側の両方に接続される。
(Fourth embodiment)
In the power conversion device of this embodiment, the common mode choke coils 1 and 100 are connected to both the input side and the output side of the power conversion circuit.
図12は、第4の実施形態の電力変換装置の一例を模式的に示すブロック図である。
図12に示すように、本実施形態の電力変換装置60は、第1のコモンモードチョークコイル1が直流入力電源66と電力変換回路62との間に直列に接続される。また、電力変換装置60は、第2のコモンモードチョークコイル100が電力変換回路62と負荷68との間に直列に接続される。第1のコモンモードチョークコイル1、電力変換回路62、および第2のコモンモードチョークコイル100は、直列回路50を構成する。直列回路50は、電源ライン1a,1bを介して直流入力電源66に接続される。直列回路50は、負荷ライン62a,62bを介して負荷68に接続される。
FIG. 12 is a block diagram schematically illustrating an example of the power conversion apparatus according to the fourth embodiment.
As shown in FIG. 12, in the
第4の実施形態に、上述した第2の実施形態の各変形例を組み合わせることができるのはいうまでもない。 It goes without saying that the modification examples of the second embodiment described above can be combined with the fourth embodiment.
コモンモードチョークコイル1,100は、上述したように、大電流を扱う場合であっても、小型化することができるので、電力変換回路62の入力側にも出力側にも接続することができる。電力変換装置60は、2つのコモンモードチョークコイル1,100を電力変換回路62の入力側および出力側に接続することによって、より効率よくコモンモード電流を除去することができる。
Since the common mode choke coils 1 and 100 can be reduced in size even when handling a large current as described above, they can be connected to both the input side and the output side of the
以上説明した実施形態によれば、高出力密度で高効率化に対応したコモンモードチョークコイル、コモンモードフィルタ、および電力変換装置を実現することができる。 According to the embodiments described above, it is possible to realize a common mode choke coil, a common mode filter, and a power conversion device that are compatible with high power density and high efficiency.
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。たとえば、コモンモードチョークコイル、コモンモードフィルタ、および電力変換装置などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, embodiments of the present invention are not limited to these specific examples. For example, regarding the specific configuration of each element such as a common mode choke coil, a common mode filter, and a power converter, the present invention is similarly implemented by appropriately selecting from a well-known range by those skilled in the art, and similar effects Is included in the scope of the present invention.
Moreover, what combined any two or more elements of each specific example in the technically possible range is also included in the scope of the present invention as long as the gist of the present invention is included.
その他、本発明の実施の形態として上述したコモンモードチョークコイル、コモンモードフィルタ、および電力変換装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得るすべてのコモンモードチョークコイル、コモンモードフィルタ、および電力変換装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。 In addition, all common mode choke coils and common mode filters that can be appropriately designed and implemented by those skilled in the art based on the common mode choke coil, common mode filter, and power converter described above as the embodiments of the present invention. As long as the power converter includes the gist of the present invention, it also belongs to the scope of the present invention.
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例および修正例に想到し得るものであり、それら変更例および修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。 In addition, in the category of the idea of the present invention, those skilled in the art can conceive of various changes and modifications, and it is understood that these changes and modifications also belong to the scope of the present invention. .
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
1,100 コモンモードチョークコイル、1a,1b,1c 電源ライン、2a,2b 端子、5 導体、6 絶縁層(絶縁フィルム)、10,15 コイル、11,16 平角導線、11a,11b,16a,16b 導線、11c 中心部、11d,11f 縁部、11e,11g 折り曲げ部、12a,12b,17a,17b 端子、13,18 空芯部、20,25 磁気コア、21,26 上側壁部、22,27 下側壁部、23,28 脚部、24,29 側壁部、40 コモンモードフィルタ、41 第1のコンデンサ回路、41a,41b,41c,41d 端子、42a,42b,42c コンデンサ、45 第2のコンデンサ回路、45a,5b,45c 端子、46a,46b,46c コンデンサ、50 直列回路、60 電力変換装置、61 接地、62,64 電力変換回路、62a,62b 負荷ライン、63 出力フィルタ、63a,63b フィルタコイル、63c 平滑コンデンサ、66 直流入力電源、66a 交流入力電源、68 負荷、70 第2のコンデンサ回路、70a,70b,70c,70c 端子、71a,71b,71c 抽出コンデンサ、72a,72b,72c 単相リアクトル、72a1,72a2,72a3,72a4,72b1,72b2,72b3,72b4,72c1,72c2,72c3,72c4,72d1,72d2,72d3,72d4 端子 1,100 Common mode choke coil, 1a, 1b, 1c Power line, 2a, 2b terminal, 5 conductors, 6 Insulating layer (insulating film), 10, 15 coil, 11, 16 Flat conductor, 11a, 11b, 16a, 16b Conductor, 11c center part, 11d, 11f edge part, 11e, 11g bent part, 12a, 12b, 17a, 17b terminal, 13, 18 air core part, 20, 25 magnetic core part, 21, 26 upper side wall part, 22, 27 Lower side wall part, 23, 28 Leg part, 24, 29 Side wall part, 40 Common mode filter, 41 First capacitor circuit, 41a, 41b, 41c, 41d terminal, 42a, 42b, 42c capacitor, 45 Second capacitor circuit , 45a, 5b, 45c terminal, 46a, 46b, 46c capacitor, 50 series circuit, 60 power change Device, 61 Ground, 62, 64 Power conversion circuit, 62a, 62b Load line, 63 Output filter, 63a, 63b Filter coil, 63c Smoothing capacitor, 66 DC input power supply, 66a AC input power supply, 68 load, 70 Second capacitor Circuit, 70a, 70b, 70c, 70c terminal, 71a, 71b, 71c extraction capacitor, 72a, 72b, 72c single phase reactor, 72a1, 72a2, 72a3, 72a4, 72b1, 72b2, 72b3, 72b4, 72c1, 72c2, 72c3 72c4, 72d1, 72d2, 72d3, 72d4 terminals
Claims (11)
周囲を絶縁層で被覆され断面が偏平形状の第2の導線がその偏平形状の長手方向に沿った前記第2の導線の側面を重ねて巻回された第2のコイルと、
前記第1のコイルおよび前記第2のコイルのそれぞれの空芯部に挿通された磁気コアと、
を備え、
前記磁気コアは、前記第1のコイルに流れる電流によって発生する磁界および前記第2のコイルに流れる電流によって発生する磁界が通る閉磁路を有し、
前記第1のコイルに流れるコモンモード電流によって発生し前記閉磁路を通る磁界が、前記第2のコイルのコモンモードインピーダンスを高め、
前記第2のコイルに流れるコモンモード電流によって発生し前記閉磁路を通る磁界が、前記第1のコイルのコモンモードインピーダンスを高めるコモンモードチョークコイル。 A first coil in which a first conductor having a flat cross section and covered with an insulating layer is wound around the side surface of the first conductor along the flat longitudinal direction;
A second coil in which the periphery is covered with an insulating layer and a second conductor having a flat cross section is wound around the side surface of the second conductor along the flat longitudinal direction;
A magnetic core inserted through each air core portion of the first coil and the second coil;
With
The magnetic core has a closed magnetic path through which a magnetic field generated by a current flowing in the first coil and a magnetic field generated by a current flowing in the second coil pass;
A magnetic field generated by a common mode current flowing through the first coil and passing through the closed magnetic path increases the common mode impedance of the second coil;
A common mode choke coil in which a magnetic field generated by a common mode current flowing through the second coil and passing through the closed magnetic path increases the common mode impedance of the first coil.
前記第1および第2の導線の厚さと、前記絶縁層の厚さと、の比率は、4倍〜100倍である請求項1〜4のいずれか1つに記載のコモンモードチョークコイル。 The first conductor and the second conductor are substantially rectangular in cross section;
5. The common mode choke coil according to claim 1, wherein a ratio between the thicknesses of the first and second conducting wires and the thickness of the insulating layer is 4 to 100 times.
前記電源回路と、前記電力変換回路および前記コモンモードチョークコイルを含む直列回路と、を接続する複数の電源ラインに一方の端子をそれぞれ接続された複数の第1のコンデンサと、
前記直列回路と、前記負荷と、を接続する複数の負荷ラインに一方の端子をそれぞれ接続された複数の第2のコンデンサと、
を備え、
前記複数の第1のコンデンサの他方の端子は、前記複数の第2のコンデンサの他方の端子と接続され、
前記コモンモードチョークコイルは、
周囲を絶縁層で被覆され断面が偏平形状の第1の導線がその偏平形状の長手方向に沿った前記第1の導線の側面を重ねて巻回された第1のコイルと、
周囲を絶縁層で被覆され断面が偏平形状の第2の導線がその偏平形状の長手方向に沿った前記第2の導線の側面を重ねて巻回された第2のコイルと、
前記第1のコイルおよび前記第2のコイルのそれぞれの空芯部に挿通された磁気コアと、
を有し、
前記磁気コアは、前記第1のコイルに流れる電流によって発生する磁界および前記第2のコイルに流れる電流によって発生する磁界が通る閉磁路を有し、
前記第1のコイルに流れるコモンモード電流によって発生し前記閉磁路を通る磁界が、前記第2のコイルのコモンモードインピーダンスを高め、
前記第2のコイルに流れるコモンモード電流によって発生し前記閉磁路を通る磁界が、前記第1のコイルのコモンモードインピーダンスを高めるコモンモードフィルタ。 A common mode choke connected in series between the power supply circuit and the load to a power conversion circuit that converts DC power or AC power supplied from the power supply circuit to supply AC power or DC power to the load. Coils,
A plurality of first capacitors each having one terminal connected to a plurality of power supply lines connecting the power supply circuit and a series circuit including the power conversion circuit and the common mode choke coil;
A plurality of second capacitors each having one terminal connected to a plurality of load lines connecting the series circuit and the load;
With
The other terminals of the plurality of first capacitors are connected to the other terminals of the plurality of second capacitors,
The common mode choke coil is
A first coil in which a first conductor having a flat cross section and covered with an insulating layer is wound around the side surface of the first conductor along the flat longitudinal direction;
A second coil in which the periphery is covered with an insulating layer and a second conductor having a flat cross section is wound around the side surface of the second conductor along the flat longitudinal direction;
A magnetic core inserted through each air core portion of the first coil and the second coil;
Have
The magnetic core has a closed magnetic path through which a magnetic field generated by a current flowing in the first coil and a magnetic field generated by a current flowing in the second coil pass;
A magnetic field generated by a common mode current flowing through the first coil and passing through the closed magnetic path increases the common mode impedance of the second coil;
A common mode filter in which a magnetic field generated by a common mode current flowing in the second coil and passing through the closed magnetic path increases a common mode impedance of the first coil.
前記電源回路と前記負荷との間で、前記電力変換回路と直列に接続されたコモンモードチョークコイルと、
前記電源回路と、前記電力変換回路および前記コモンモードチョークコイルを含む直列回路と、を接続する複数の電源ラインに一方の端子をそれぞれ接続された複数の第1のコンデンサと、
前記直列回路と、前記負荷と、を接続する複数の負荷ラインに一方の端子をそれぞれ接続された複数の第2のコンデンサと、
を備え、
前記複数の第1のコンデンサの他方の端子は、前記複数の第2のコンデンサの他方の端子と接続され、
前記コモンモードチョークコイルは、
周囲を絶縁層で被覆され断面が偏平形状の第1の導線がその偏平形状の長手方向に沿った前記第1の導線の側面を重ねて巻回された第1のコイルと、
周囲を絶縁層で被覆され断面が偏平形状の第2の導線がその偏平形状の長手方向に沿った前記第2の導線の側面を重ねて巻回された第2のコイルと、
前記第1のコイルおよび前記第2のコイルのそれぞれの空芯部に挿通された磁気コアと、
を有し、
前記磁気コアは、前記第1のコイルに流れる電流によって発生する磁界および前記第2のコイルに流れる電流によって発生する磁界が通る閉磁路を有し、
前記第1のコイルに流れるコモンモード電流によって発生し前記閉磁路を通る磁界が、前記第2のコイルのコモンモードインピーダンスを高め、
前記第2のコイルに流れるコモンモード電流によって発生し前記閉磁路を通る磁界が、前記第1のコイルのコモンモードインピーダンスを高める電力変換装置。 A power conversion circuit that converts DC power or AC power supplied from a power supply circuit to supply AC power or DC power to a load; and
A common mode choke coil connected in series with the power conversion circuit between the power supply circuit and the load;
A plurality of first capacitors each having one terminal connected to a plurality of power supply lines connecting the power supply circuit and a series circuit including the power conversion circuit and the common mode choke coil;
A plurality of second capacitors each having one terminal connected to a plurality of load lines connecting the series circuit and the load;
With
The other terminals of the plurality of first capacitors are connected to the other terminals of the plurality of second capacitors,
The common mode choke coil is
A first coil in which a first conductor having a flat cross section and covered with an insulating layer is wound around the side surface of the first conductor along the flat longitudinal direction;
A second coil in which the periphery is covered with an insulating layer and a second conductor having a flat cross section is wound around the side surface of the second conductor along the flat longitudinal direction;
A magnetic core inserted through each air core portion of the first coil and the second coil;
Have
The magnetic core has a closed magnetic path through which a magnetic field generated by a current flowing in the first coil and a magnetic field generated by a current flowing in the second coil pass;
A magnetic field generated by a common mode current flowing through the first coil and passing through the closed magnetic path increases the common mode impedance of the second coil;
A power conversion device in which a magnetic field generated by a common mode current flowing in the second coil and passing through the closed magnetic circuit increases the common mode impedance of the first coil.
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