JP2016119754A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】キャパシタの小型化を維持しつつ、平滑用のリアクトルを結合させたトランス部とインダクタ部とに分け、それぞれに適切な素材のコア（磁性部）を使用することで、電力変換装置の小型化を図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それぞれが接続されているトランスＴ１と、インターリーブ制御に用いられるスイッチ素子Ｓ１、Ｓ２と、リアクトルＮＬ１、ＮＬ２それぞれを第１の磁性部を用いて結合させたトランス部のリアクトルＮＬ１、ＮＬ２それぞれの他方の端子が、第２の磁性部を用いたインダクタ部Ｌの一方の端子に接続されるリアクトル結合回路２を備え、所定の電力を出力する出力部と、を有する電力変換装置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、本発明の一側面に係る目的は、キャパシタの小型化を維持しつつ、平滑用のリアクトルを結合させたトランス部とインダクタ部とに分け、それぞれに適切な素材のコア（磁性部）を使用することで、電力変換装置の小型化を図ることである。

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、コアに直列あるいは並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、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、第１の整流素子のカソードと第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、二次巻線ごとに備えられている。また、二次巻線それぞれの他方の端子がキャパシタの他方の端子に接続され、リアクトルそれぞれを第１の磁性部を用いて結合させたトランス部のリアクトルそれぞれの他方の端子が、第２の磁性部を用いたインダクタ部の一方の端子に接続され、インダクタ部の他方の端子がキャパシタの一方の端子に接続される。そして、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、平滑用のリアクトルを結合させたトランス部とインダクタ部とに分け、それぞれに適切な素材のコアを使用することで、電力変換装置の小型化を図ることができる。

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、電力変換装置の一実施例を示す図である。 図６は、トランスの等価回路を示す図である。

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、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、一次巻線Ｎ１１と、一次巻線Ｎ１１に対応する二次巻線Ｎ１２と、一次巻線Ｎ２１と、一次巻線Ｎ２１に対応する二次巻線Ｎ２２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。

ただし、トランスＴ１は結合トランスでなくてもよく、一次巻線Ｎ１１と二次巻線Ｎ１２の組、一次巻線Ｎ２１と二次巻線Ｎ２２の組、ごとにトランスを使用してもよい。
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結合回路２のトランス部のリアクトルＮＬ１の一方の端子とに接続されている。リアクトルＮＬ１の他方の端子はインダクタ部Ｌ（リアクトル結合回路２のインダクタ）の一方の端子に接続されている。インダクタ部Ｌ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結合回路２のトランス部のリアクトルＮＬ２の一方の端子とに接続されている。リアクトルＮＬ２の他方の端子はインダクタ部Ｌの一方の端子に接続されている。

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、リアクトル結合回路２、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、リアクトル結合回路２、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。

リアクトル結合回路２について説明する。
図１に示す電力変換装置１の場合、リアクトルＮＬ１、ＮＬ２を第１の磁性部に巻いたトランス部（二相結合方式リアクトルの相互作用の部分）と、第２の磁性部に巻いたインダクタ部Ｌ（インダクタとして作用する部分）と、を切り離して使用する。例えば、第１の磁性部をフェライト材を用いたフェライトコアにし、第２の磁性部をダスト材を用いたダストコアにすることで、リアクトル結合回路２のトランス部とインダクタ部Ｌを一つのトランスにし、そのトランスのコアをフェライト材ですべて作製した場合より、リアクトル結合回路２を小型化できる。なお、トランス部は相互作用をすることで高周波駆動を可能としている。また、インダクタ部Ｌはインダクタとして機能させる。このように、平滑用のリアクトルを結合させたトランス部とインダクタ部Ｌとに分け、それぞれに適切な素材のコアを使用することで、電力変換装置の小型化を図ることができる。

さらに、図１に示す電力変換装置の制御部は、出力する電力が所定電力値以上であるか否かを検出し、出力する電力が所定電力値未満の場合には単相駆動（スイッチ素子Ｓ１あるいはＳ２のみで駆動）させ、出力する電力が所定電力値以上の場合には複相駆動（スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２を用いて交互に駆動）させる。このように単相駆動と複相駆動とを切り替えることで、より効率よく動作させることができる。なお、単相駆動のときリアクトルＮＬ１、ＮＬ２は単に導線となり、インダクタ部Ｌのインダクタ要素が作用する。

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に一次巻線Ｎ１１と二次巻線Ｎ１２とが巻かれ、外側脚部２０３に一次巻線Ｎ２１と二次巻線Ｎ２２とが巻かれ、コア２０１の中央には中央脚部２０４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Ｌ１は式２で表すことができる。
Ｌ１＝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、図１のトランス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。
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１を小型化することができる。

変形例について説明する。
トランスＴ１の複数の一次巻線を並列に接続してもよい。図５は、電力変換装置の一実施例を示す図である。図５の電力変換装置５０１は、トランスＴ１（結合トランス）、スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２、出力部を有している。トランスＴ１は、一次巻線Ｎ１１と、一次巻線Ｎ１１に対応する二次巻線Ｎ１２と、一次巻線Ｎ２１と、一次巻線Ｎ２１に対応する二次巻線Ｎ２２と、がコア（磁性部）に巻かれている。一次巻線Ｎ１１の一方の端子と一次巻線Ｎ２１の一方の端子とが接続され、一次巻線Ｎ１１の他方の端子とスイッチ素子Ｓ１の一方の端子とが接続され、一次巻線Ｎ２１の他方の端子とスイッチ素子Ｓ２の一方の端子とが接続されている。また、スイッチ素子Ｓ１の他方の端子とスイッチ素子Ｓ２の他方の端子とが接続されている。すなわち、一次巻線Ｎ１１と一次巻線Ｎ２１とが並列に接続され、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。
式２に示した励磁インダクタンスＬｍ１１、Ｌｍ１２の関係を用いて、図５のトランスＴ１（結合トランス）の結合を表すと図６の等価回路となる。

図６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６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６０１）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６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。
変形例によれば、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５０１を小型化することができる。

ただし、トランスＴ１は結合トランスでなくてもよく、一次巻線Ｎ１１と二次巻線Ｎ１２の組、一次巻線Ｎ２１と二次巻線Ｎ２２の組、ごとにトランスを使用してもよい。その場合においても、リアクトル結合回路２の小型化により、従来の電力変換装置より小型化ができる。

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、５０１ 電力変換装置、
２ リアクトル結合回路、
２０１ コア（磁性部）、
２０２、２０３ 外側脚部、
２０４ 中央脚部、
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３ キャパシタ、
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４ 整流素子、
ＮＬ１、ＮＬ２ リアクトル、
Ｌ インダクタ部、
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あるいは並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を第１の磁性部を用いて結合させたトランス部の前記リアクトルそれぞれの他方の端子が、第２の磁性部を用いたインダクタ部の一方の端子に接続され、前記インダクタ部の他方の端子が前記キャパシタの一方の端子に接続される、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、
   前記第１の磁性部はフェライト材であるとともに、前記第２の磁性部はダスト材であ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、
   出力する電力が所定電力値以上の場合、単相駆動から複相駆動に切り替える、ことを特徴とする電力変換装置。
   

Images