JP2016119753A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】結合トランスを用いてコアを小型化して、電力変換回路を小型化する電力変換装置を提供する。【解決手段】複数の電力変換装置１の一次巻線Ｎ１１、Ｎ２１と、一次巻線Ｎ１１、Ｎ２１に対応する二次巻線Ｎ１２、Ｎ２２と、を磁性部２０１に設け、一次巻線Ｎ１１、Ｎ２１それぞれが直列に接続されているトランスＴ１と、一次巻線Ｎ１１、Ｎ２１それぞれに直列接続され、インターリーブ制御に用いられるスイッチ素子Ｓ１、Ｓ２と、二次巻線Ｎ１２、Ｎ２２それぞれを介して得られるエネルギーを用いて、所定の電力を出力する出力部と、を備える電力変換装置１である。【選択図】図１

Description

本発明は、電力を変換する電力変換装置に関する。

従来、フォワード型の電力変換回路のトランスの一次側には、一次巻線に直列にスイッチ素子が接続されている。その場合には、スイッチ素子ひとつに入力電圧が印加されるため、高耐圧のスイッチ素子を使用しなければならない。そこで、一次巻線を複数に分割し、分割した一次巻線を直列に接続するとともに分割した一次巻線それぞれに直列にスイッチ素子を接続することで、印加される電圧を分圧し、低耐圧のスイッチ素子を用いることで、スイッチ素子の小型化と導通損失の低減とをしている。また、トランスの二次側は、分割した一次巻線に対応する出力回路を並列に接続して電流を分流している。出力回路は、分割した一次巻線に対応する二次巻線を含み、スイッチ素子および受動素子などから構成される。このように出力回路を並列に接続することで、スイッチ素子および受動素子に通電時に流れる電流量を抑制している。

さらに、フォワード型の電力変換回路のトランスの二次側に設けられているキャパシタ（平滑用のキャパシタ）を小型化する技術として、インターリーブ制御を適用する技術が知られている。インターリーブ制御を適用してキャパシタを小型化する場合、複数の電力変換回路を並列に接続し、それら電力変換回路が有するトランスそれぞれの励磁する期間をずらすように制御し、キャパシタへ流れる電流リプルを高周波化することにより、キャパシタの容量を小さくして小型化を実現している。

関連する技術として、フォワードコンバータのトランスをフライバックコンバータのリアクタに兼用させる技術が知られている。特許文献１を参照。

特開２００２−２３８２５６号公報

インターリーブ制御を適用することでキャパシタの小型化はできるが、複数の電力変換回路はそれぞれにトランスを備えなければならないためトランスの体積が増加し、回路全体で考えた場合にキャパシタを小型化した効果はあまり得られない。そこで、インターリーブ制御を適用したフォワード型の電力変換装置において、キャパシタの小型化を維持しつつ、トランスを構成するコア（磁性部）を小型化することが望まれている。

本発明の一側面に係る目的は、トランスを用いて、電力変換装置を小型化することである。

実施の態様の一つである電力変換装置は、トランス、スイッチ素子、出力部を有している。
トランスは、コアに直列に接続された複数の電力変換回路の一次巻線と、一次巻線それぞれに対応する二次巻線と、が設けられている。

スイッチ素子は、一次巻線それぞれに直列接続され、インターリーブ制御に用いられる。
出力部は、二次巻線それぞれを介して得られるエネルギーを用いて、所定の電力を出力する。

実施の態様によれば、結合トランスを用いてコアを小型化して、電力変換装置を小型化することができる。

図１は、電力変換装置の一実施例を示す図である。 図２は、トランスのコア形状の一実施例を示す正面図である。 図３は、トランスの等価回路を示す図である。 図４は、トランスの等価回路を示す図である。 図５は、トランスのコアの他の形状を示す正面図である。 図６は、出力部のリアクトルを結合させた回路の一実施例を示す図である。

以下図面に基づいて実施形態について詳細に説明する。
図１は、電力変換装置の一実施例を示す図である。図１の電力変換装置１は、第１の絶縁型電力変換回路と第２の絶縁型電力変換回路とを有する。第１の絶縁型電力変換回路と第２の絶縁型電力変換回路はトランスＴ１（結合トランス）、スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２、キャパシタＣ１、Ｃ２、出力部を有している。トランスＴ１は、第１の絶縁型電力変換回路の一次巻線Ｎ１１（第１の一次巻線）と、一次巻線Ｎ１１に対応する二次巻線Ｎ１２（第１の二次巻線）と、第２の絶縁型電力変換回路の一次巻線Ｎ２１（第２の一次巻線）と、一次巻線Ｎ２１に対応する二次巻線Ｎ２２（第２の二次巻線）と、がコア（磁性部）に巻かれている。一次巻線Ｎ１１の一方の端子はキャパシタＣ１の一方の端子と接続され、一次巻線Ｎ１１の他方の端子はスイッチ素子Ｓ１の一方の端子と接続されている。キャパシタＣ１の他方の端子は、キャパシタＣ２の一方の端子とスイッチ素子Ｓ１の他方の端子と一次巻線Ｎ２１の一方の端子と接続されている。一次巻線Ｎ２１の他方の端子はスイッチ素子Ｓ２の一方の端子と接続されている。また、スイッチ素子Ｓ１の他方の端子はスイッチ素子Ｓ２の他方の端子と接続されている。すなわち、一次巻線Ｎ１１と一次巻線Ｎ２１が直列に接続され、トランスＴ１に設けられている。

スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２は、一次巻線Ｎ１１、Ｎ２１とそれぞれ直列に接続され、インターリーブ制御に用いられる。インターリーブ制御は、例えば、図１には示されていない制御部によりスイッチ素子Ｓ１、Ｓ２を交互にオン／オフ制御し、後述する出力部のキャパシタＣ３へ流れる電流リプルを高周波化することで、キャパシタＣ３を小型化するために有効な制御である。ここで、スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）を用いることが考えられる。なお、制御部はオン／オフ制御をするためのオン／オフ制御信号を、スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２に出力する。

出力部について説明する。
二次巻線Ｎ１２の一方の端子は整流素子Ｄ１（第１の整流素子）のアノードに接続されている。二次巻線Ｎ１２の他方の端子は、整流素子Ｄ２（第２の整流素子）のアノードとキャパシタＣ３の他方の端子とに接続されている。整流素子Ｄ１のカソードは、整流素子Ｄ２のカソードとリアクトルＬ１の一方の端子とに接続されている。リアクトルＬ１の他方の端子はキャパシタＣ３の一方の端子に接続されている。

また、二次巻線Ｎ２２の一方の端子は整流素子Ｄ３（第１の整流素子）のアノードに接続されている。二次巻線Ｎ２２の他方の端子は、整流素子Ｄ４（第２の整流素子）のアノードと、キャパシタＣ３の他方の端子とに接続されている。整流素子Ｄ３のカソードは、整流素子Ｄ４のカソードとリアクトルＬ２の一方の端子とに接続されている。リアクトルＬ２の他方の端子はキャパシタＣ３の一方の端子に接続されている。なお、図１ではリアクトルＬ１、Ｌ２をまとめてリアクトル２（破線範囲）と示している。

出力部は、二次巻線Ｎ１２を介して得られるエネルギーを、整流素子Ｄ１、Ｄ２、リアクトルＬ１、キャパシタＣ３を用いて整流し、所定の電圧で電力を出力する。また、出力部は、二次巻線Ｎ２２を介して得られるエネルギーを、整流素子Ｄ３、Ｄ４、リアクトルＬ２、キャパシタＣ３を用いて整流して、所定の電圧で電力を出力する。なお、整流素子Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４は、例えば、ＭＯＳＦＥＴなどの半導体スイッチを用いてもよい。

トランスＴ１について説明をする。
図２に示すトランスＴ１の構造と、図３、図４に示す等価回路と、を用いて、スイッチ素子Ｓ１をオンした場合におけるトランスＴ１各部の磁束とインダクタンスの関係について説明をする。図２は、トランスのコア形状の一実施例を示す正面図である。図３、図４は、トランスの等価回路を示す図である。

図２に示すトランスＴ１は、コア２０１の外側脚部２０２（第１の脚）に一次巻線Ｎ１１と二次巻線Ｎ１２とが巻かれ、外側脚部２０３（第２の脚）に一次巻線Ｎ２１と二次巻線Ｎ２２とが巻かれ、コア２０１の中央には外側脚部２０２、２０３と異なる中央脚部２０４（第３の脚）が設けられている。なお、トランスＴ１のコアの形状は対称であることが望ましい。

図２に示したトランスＴ１各部の磁束を等価回路で表すと、図２の一次巻線Ｎ１１から発生する磁束φＬ（主磁束）は、図３に示すように中央脚部２０４方向の磁束φｍ１１と、外側脚部２０３方向の磁束φｍ１２と、に分かれる。すなわち、磁束φＬは式１により表すことができる。

φＬ＝φｍ１１＋φｍ１２ 式１
φＬ ：Ｎ_１１ｉ１（Ｒｍｏ＋Ｒｍｃ）／（Ｒｍｏ^２＋２ＲｍｃＲｍｏ）
φｍ１１：Ｎ_１１ｉ１（Ｒｍｏ／（Ｒｍｏ^２＋２ＲｍｃＲｍｏ））
φｍ１２：Ｎ_１１ｉ１（Ｒｍｃ／（Ｒｍｏ^２＋２ＲｍｃＲｍｏ））
Ｎ_１１：一次巻線Ｎ１１の巻数（ターン数）
ｉ１ ：一次巻線Ｎ１１の巻線電流（インダクタ電流）
Ｒｍｏ：外側脚部の磁気抵抗
Ｒｍｃ：中央脚部の磁気抵抗
なお、図３からも明らかなように、磁束φｍ１１は一次巻線Ｎ１１から発生して一次巻線Ｎ２１に影響を与えない磁束で、磁束φｍ１２は一次巻線Ｎ１１から発生して一次巻線Ｎ２１に影響を与える磁束である。

続いて、式１に示した磁束φＬをファラデの法則により変換してインダクタンスを求めると、一次巻線Ｎ１１の自己インダクタンスＬは式２で表すことができる。
Ｌ＝Ｌｍ１１＋Ｌｍ１２ 式２
Ｌｍ１１：Ｎ_１１ ^２（Ｒｍｏ／（Ｒｍｏ^２＋２ＲｍｃＲｍｏ））
Ｌｍ１２：Ｎ_１１ ^２（Ｒｍｃ／（Ｒｍｏ^２＋２ＲｍｃＲｍｏ））
なお、励磁インダクタンスＬｍ１１は一次巻線Ｎ１１にのみ関係し、励磁インダクタンスＬｍ１２は一次巻線Ｎ１１から発生して一次巻線Ｎ２１に関係する。

式２に示した励磁インダクタンスＬｍ１１、Ｌｍ１２の関係を用いて、トランスＴ１の結合を表すと図４の等価回路となる。
図４に示す等価回路において一次巻線Ｎ１１に関係する回路は、一次巻線Ｎ１１に自己インダクタンス（＝励磁インダクタンスＬｍ１１＋励磁インダクタンスＬｍ１２）が並列に接続される。そして励磁インダクタンスＬｍ１２には、一次巻線Ｎ１１の一次巻線Ｎ２１に影響する一次巻線Ｎ１１’が並列に接続される。

また、一次巻線Ｎ２１に関係する回路は、一次巻線Ｎ２１に自己インダクタンスとして、一次巻線Ｎ２１のみに関係する励磁インダクタンスＬｍ２１に直列に一次巻線Ｎ２１の一次巻線Ｎ１１に影響する一次巻線Ｎ２１’が接続される。なお、図４の等価回路においては、説明を簡単にするため、一次巻線Ｎ１１、Ｎ２１、二次巻線Ｎ１２、Ｎ２２それぞれについて漏れインダクタンスについては考慮していない。すなわち、一次巻線Ｎ１１で発生した磁束φＬは、二次巻線Ｎ１２にすべて鎖交すると考える。

また、一次巻線Ｎ１１’と一次巻線Ｎ２１’とは結合（破線範囲４０１）を表しており、各相（スイッチ素子Ｓ１がオン時の動作（一相）とスイッチ素子Ｓ２がオン時の動作（二相））が互いに影響しあう部分である。つまり磁束を共有している部分である。

なお、スイッチ素子Ｓ２をオンした場合については、トランスＴ１のコアの形状は、中央脚部２０４を中心に対称であるので、説明を省略する。
このような構成のトランスＴ１に従来と同じようにインターリーブ制御を適用すると、従来のように複数のトランスを用いた場合に比べて、コアの体積を小さくできる。例えば、スイッチ素子Ｓ１とスイッチ素子Ｓ２のオン／オフ制御信号のオン期間を１８０度シフトしてインターリーブ制御（デューティ５０％）をすると、中央脚部２０４は外側脚部２０２、２０３よりも高い周波数で動作するため、外側脚部２０２、２０３それぞれの断面積よりも中央脚部２０４の断面積を小さくすることができる。また、デューティが５０％でない場合にも中央脚部２０４の断面積を小さくすることができる。

また、トランスＴ１のコア形状は図２に示した形状以外であっても、図４に示した等価回路により表すことができる形状であればよい。図５のＡ〜Ｃに図２に示した形状以外のコアを示す。図５は、トランスのコアの他の形状を示す正面図である。

図５のＡに示すコア５０１は、図２の中央脚部２０４と異なり、中央脚部が途中から途切れた形状（５０２、５０３）をしている。
図５のＢに示すコアは、コアを形成する三つの部品５０４、５０５、５０６から構成されている。部品５０５は一次巻線Ｎ１１、二次巻線Ｎ１２、一次巻線Ｎ２１、二次巻線Ｎ２２が巻かれている。部品５０４は突出部５０７、５０８、５０９を有し、部品５０６は突出部５１０、５１１、５１２を有している。突出部５０７の先端部と突出部５１０の先端部は部品５０５を挟んで向き合い、先端部それぞれは二次巻線Ｎ１２の外側端より外側に、部品５０５に接触しないように配置される。突出部５０９の先端部と突出部５１２の先端部は部品５０５を挟んで向き合い、先端部それぞれは二次巻線Ｎ２２の外側端より外側に、部品５０５に接触しないように配置される。突出部５０８の先端部と突出部５１１の先端部は部品５０５を挟んで向き合い、先端部それぞれは一次巻線Ｎ１１と一次巻線Ｎ２１の間に、部品５０５に接触しないように配置される。

図５のＣに示すコアは、コアを形成する二つの部品５１３、５１４から構成されている。部品５１３は一次巻線Ｎ１１、二次巻線Ｎ１２、一次巻線Ｎ２１、二次巻線Ｎ２２が巻かれている。部品５１４は突出部５１５、５１６、５１７を有している。突出部５１５の先端部は、部品５１３の二次巻線Ｎ１２の外側端より外側に、部品５１３に接触しないように配置される。突出部５１７の先端部は、部品５１３の二次巻線Ｎ２２の外側端より外側に、部品５１３に接触しないように配置される。突出部５１６の先端部は、部品５１３の一次巻線Ｎ１１と一次巻線Ｎ２１の間に、部品５１３に接触しないように配置される。

実施の態様によれば、トランスＴ１を用いてコアを小型化することにより、電力変換装置を小型化することができる。
変形例について説明する。

図１に示したリアクトル２を小型化する方法について図６を用いて説明する。図６は、出力部のリアクトルを結合させた回路の一実施例を示す図である。図６に示すトランスＴ１の二次側にある出力部の結合回路６０１（破線範囲）は、図１に示したリアクトルＬ１、Ｌ２をコア（磁性部）を用いて結合させた回路である。本例では、リアクトルＬ１に対応するリアクトルＮＬ１と、リアクトルＬ２に対応するリアクトルＮＬ２と、を結合させることにより、リアクトルＮＬ１およびリアクトルＮＬ２に流れる巻線電流の高周波化を実現させる。また、各相の磁束の一部を互いに影響させることにより磁束の共有化をさせる。その結果、図１に示したリアクトルＬ１、Ｌ２の体積よりも、結合回路６０１の体積を小さくできる。すなわち、従来の出力部で用いているリアクトルＬ１、Ｌ２の回路より結合回路６０１を小型化できる。

変形例によれば、結合回路６０１とトランスＴ１を小型化することにより、電力変換装置をさらに小型化することができる。
また、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。

１ 電力変換装置、
２ リアクトル、
２０１、５０１ コア（磁性部）、
２０２、２０３ 外側脚部、
２０４ 中央脚部、
５０４、５０５、５０６、５１３、５１４ 部品、
５０７、５０８、５０９、５１０、５１１、５１２、５１５、５１６、５１７ 突出部、
６０１ 結合回路、
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３ キャパシタ、
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４ 整流素子、
Ｌ１、Ｌ２ リアクトル、
Ｌｍ１１、Ｌｍ１２、Ｌｍ２１ 励磁インダクタンス、
Ｎ１１、Ｎ２１ 一次巻線、
Ｎ１２、Ｎ２２ 二次巻線、
ＮＬ１、ＮＬ２ リアクトル、
Ｓ１、Ｓ２ スイッチ素子、
Ｔ１ トランス、

Claims (3)

1. 複数の電力変換回路の一次巻線と、前記一次巻線に対応する二次巻線と、を磁性部に設け、前記一次巻線それぞれが直列に接続されるトランスと、
   前記一次巻線それぞれに直列接続され、インターリーブ制御に用いられるスイッチ素子と、
   前記二次巻線それぞれを介して得られるエネルギーを用いて、所定の電力を出力する出力部と、
   を備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記出力部は、前記二次巻線の一方の端子にアノードが接続される第１の整流素子と、前記二次巻線の他方の端子にアノードが接続される第２の整流素子と、前記第１の整流素子のカソードと前記第２の整流素子のカソードに一方の端子が接続されるリアクトルと、を有する回路を、前記二次巻線ごとに備え、前記回路それぞれの前記リアクトルの他方の端子がキャパシタの一方の端子に接続され、前記二次巻線それぞれの他方の端子が前記キャパシタの他方の端子に接続され、前記リアクトルそれぞれは磁性部を用いて結合される、
   ことを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の電力変換装置であって、
   前記電力変換回路は第１の絶縁型電力変換回路と第２の絶縁型電力変換回路とを有し、
   前記第１の絶縁型電力変換回路は第１の一次巻線と第１の二次巻線とを有し、
   前記第２の絶縁型電力変換回路は第２の二次巻線と第２の二次巻線とを有し、
   前記磁性部は前記第１の一次巻線と前記第１の二次巻線とが巻かれる第１の脚と、前記第２の一次巻線と前記第２の二次巻線とが巻かれる第２の脚と、前記第１の脚と前記第２の脚とは異なる第３の脚とを有する、
   ことを特徴とする電力変換装置。
   

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