JP2017060285A - Transformer reactor integrated type magnetic element and power conversion circuit system - Google Patents

Transformer reactor integrated type magnetic element and power conversion circuit system Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a transformer reactor integrated type magnetic element and power conversion circuit system, capable of reducing a dead space between magnetic elements and a heat sink size as well as number of components and wiring length.SOLUTION: Primary transformer coils 12a, 12b are arranged at both ends of an E-type core 10 with legs in the center and at both ends and secondary transformer coils 14a, 14b are arranged. By supplying an in-phase current to the primary transformer coils 12a, 12b, a magnetic element is operated with a reactor and by supplying a reverse-phase current to the primary transformer coils 12a, 12b, the magnetic element is operated with a transformer, thereby reducing the number of reactor coils.SELECTED DRAWING: Figure 6

Description

本発明はトランスリアクトル一体型磁気素子及び電力変換回路システムに関し、特に複数の入出力ポートを備える電力変換回路システムに関する。   The present invention relates to a transformer-integrated magnetic element and a power conversion circuit system, and more particularly to a power conversion circuit system including a plurality of input / output ports.

ハイブリッド自動車や電気自動車、燃料電池自動車等、電気リッチな自動車の開発・普及に伴い、車載の電源回路も複雑化・大型化の傾向にある。例えば、ハイブリッド自動車では、走行用バッテリ、システム用バッテリ、プラグイン用の外部電源回路、走行用バッテリの直流電力を走行用モータに供給するためのDC/DCコンバータ、走行用バッテリの直流電力を交流電力に変換するためのDC/ACコンバータ、走行用バッテリの直流電力を電動パワーステアリング(EPS)に供給するためのDC/DCコンバータ、走行用バッテリの直流電力を補機に供給するためのDC/DCコンバータ等があり、構成が複雑化している。   With the development and popularization of electric-rich vehicles such as hybrid vehicles, electric vehicles, and fuel cell vehicles, on-board power supply circuits are becoming more complex and larger. For example, in a hybrid vehicle, a traveling battery, a system battery, an external power supply circuit for plug-in, a DC / DC converter for supplying direct current power of the traveling battery to the traveling motor, and direct current power of the traveling battery to alternating current DC / AC converter for converting to electric power, DC / DC converter for supplying DC power of the traveling battery to the electric power steering (EPS), DC / DC for supplying DC power of the traveling battery to the auxiliary machine There are DC converters, etc., and the configuration is complicated.

そこで、一つの回路で複数の入出力を備えるマルチポート電源の開発が進められている。マルチポート電源により、配線や半導体素子等の共有化により電源回路を小型化することが提案されている。この際、トランスコイルとリアクトルコイルを互いに干渉しないようにコアに巻回することが有効である。   Therefore, development of a multi-port power supply having a plurality of inputs / outputs in one circuit is underway. It has been proposed to reduce the size of a power supply circuit by sharing wirings, semiconductor elements, and the like with a multiport power supply. At this time, it is effective to wind the transformer coil and the reactor coil around the core so as not to interfere with each other.

特許文献1には、3つの脚部を有するコアに、トランスコイルとリアクトルコイルを互いに干渉しないような巻き方で配置する構成が記載されており、磁気素子間のデッドスペースや、ヒートシンクサイズを縮小できる。   Patent Document 1 describes a configuration in which a transformer coil and a reactor coil are wound around a core having three legs so as not to interfere with each other, and the dead space between magnetic elements and the heat sink size are reduced. it can.

図11は、この文献に記載された磁気素子の横断面図を示す。3つの脚部を有するコア10の両端の脚部にトランスコイル12a、12b、14a、14bが配置され、中央の脚部に2つのリアクトルコイル16a、16bが配置される。トランスコイル12a、12bは一次側(低圧側)のトランスコイルであり、トランスコイル14a、14bは二次側(高圧側)のトランスコイルである。   FIG. 11 shows a cross-sectional view of the magnetic element described in this document. Transformer coils 12a, 12b, 14a, and 14b are disposed on both leg portions of the core 10 having three legs, and two reactor coils 16a and 16b are disposed on the center leg portion. The transformer coils 12a and 12b are primary (low voltage side) transformer coils, and the transformer coils 14a and 14b are secondary (high voltage side) transformer coils.

図12A及び図12Bは、図11の磁気素子をトランス動作させる場合の磁束変化と回路構成を示す。トランスコイル12a、12bが互いに逆相となるように電流を流すと、トランスコイル12a、12bによる磁束発生方向が両端で逆になるため中央の脚部の磁束変化は互いに打ち消される。従って、中央の脚部に配置されたリアクトルコイル16a、16bには磁束が通らず、起電力は生じない。   12A and 12B show a magnetic flux change and a circuit configuration when the magnetic element of FIG. 11 is operated as a transformer. When current is applied so that the transformer coils 12a and 12b are in opposite phases, the direction of magnetic flux generation by the transformer coils 12a and 12b is reversed at both ends, so that the magnetic flux changes at the center leg are canceled out. Therefore, magnetic flux does not pass through the reactor coils 16a and 16b arranged at the center leg, and no electromotive force is generated.

他方、図13A及び図13Bは、図11の磁気素子をリアクトル動作させる場合の磁束変化と回路構成を示す。トランスコイル12a、12bが互いに同相となるように電流を流すと、中央の脚部に配置されたリアクトルコイル16a、16bから発生した磁束はトランスコイル12a、12bに鎖交するが、発生する起電力がセンタータップを介した上下のトランスコイル12a、12bで互いに逆となるためコイル全体としては起電力がゼロとなり、トランスとして動作しない。以上の原理により、トランスコイルとリアクトルコイルが互いに干渉せずに動作する。   On the other hand, FIG. 13A and FIG. 13B show magnetic flux changes and circuit configurations when the magnetic element of FIG. 11 is operated as a reactor. When current is passed so that the transformer coils 12a and 12b are in phase with each other, the magnetic flux generated from the reactor coils 16a and 16b arranged at the center leg is linked to the transformer coils 12a and 12b. However, since the upper and lower transformer coils 12a and 12b through the center tap are opposite to each other, the electromotive force of the entire coil becomes zero and the transformer does not operate. Based on the above principle, the transformer coil and the reactor coil operate without interfering with each other.

特開2012−134266号公報JP 2012-134266 A

従来技術においては、トランスコイルとリアクトルコイルを3つの脚部を有するコアに配置することで磁気素子間のデッドスペースやヒートシンクサイズの縮小が可能であるが、さらなる部品点数の削減や巻線長の短縮が求められている。   In the conventional technology, the dead space between the magnetic elements and the heat sink size can be reduced by arranging the transformer coil and the reactor coil in the core having three legs. However, the number of parts and the winding length can be further reduced. Shortening is required.

本発明の目的は、磁気素子間のデッドスペースやヒートシンクサイズの縮小に加え、さらなる部品点数の削減や巻線長の短縮が可能なトランスリアクトル一体型磁気素子及び電力変換回路システムを提供することにある。   An object of the present invention is to provide a transformer-integrated magnetic element and a power conversion circuit system capable of further reducing the number of components and the winding length in addition to reducing the dead space between the magnetic elements and the heat sink size. is there.

本発明のトランスリアクトル一体型磁気素子は、中央の脚部、及び両端の脚部を備えるコアと、前記両端の脚部のいずれかに巻回される第1の1次側トランスコイル及び第1の2次側トランスコイルと、前記両端の脚部のいずれか他方に巻回される第2の1次側トランスコイル及び第2の2次側トランスコイルとを備え、前記第1の1次側トランスコイル及び前記第2の1次側トランスコイルは直列接続され、前記第1の2次側トランスコイル及び前記第2の2次側トランスコイルは直列接続され、前記コアの前記中央の脚部にはリアクトルコイルが巻回されず、前記第1の1次側トランスコイル及び前記第2の1次側トランスコイルに同相電流が供給されることでリアクトル動作し、前記第1の1次側トランスコイル及び前記第2の1次側トランスコイルに逆相電流が供給されることでトランス動作することを特徴とする。   The transformer-integrated magnetic element of the present invention includes a central leg portion, a core having leg portions at both ends, a first primary transformer coil and a first coil wound around either of the leg portions at both ends. And a second primary transformer coil and a second secondary transformer coil wound around either one of the leg portions at both ends, and the first primary side The transformer coil and the second primary transformer coil are connected in series, the first secondary transformer coil and the second secondary transformer coil are connected in series, and are connected to the central leg of the core. The reactor coil operates without a reactor coil being wound, and a common-mode current is supplied to the first primary transformer coil and the second primary transformer coil, and the first primary transformer coil And the second primary side Reverse phase currents lance coil is characterized in that the transformer operates by being supplied.

また、本発明の電力変換回路システムは、1次側変換回路であって、1次側正極母線と1次側負極母線の間に左アームと右アームを備え、前記左アーム及び前記右アームはそれぞれ直列接続された2つのスイッチングトランジスタからなり、前記左アームの2つのスイッチングトランジスタの接続点と前記右アームの2つのスイッチングトランジスタの接続点の間に第1の1次側トランスコイル及び第2の1次側トランスコイルが直列接続される1次側変換回路と、2次側変換回路であって、2次側正極母線と2次側負極母線の間に左アームと右アームを備え、前記左アーム及び前記右アームはそれぞれ直列接続された2つのスイッチングトランジスタからなり、前記左アームの2つのスイッチングトランジスタの接続点と前記右アームの2つのスイッチングトランジスタの接続点の間に第1の2次側トランスコイル及び第2の2次側トランスコイルが直列接続される2次側変換回路と、前記1次側変換回路及び前記2次側変換回路の前記スイッチングトランジスタのスイッチングを制御する制御回路とを備え、前記第1の1次側トランスコイル及び前記第1の2次側トランスコイルは、中央の脚部、及び両端の脚部を備えるコアの前記両端の脚部のいずれかに巻回され、前記第1の2次側トランスコイル及び前記第2の2次側トランスコイルは、前記コアの前記両端の脚部のいずれか他方に巻回され、前記コアの前記中央の脚部にはリアクトルコイルが巻回されず、前記第1の1次側トランスコイル及び前記第2の1次側トランスコイルに同相電流が供給されることでリアクトル動作し、前記第1の1次側トランスコイル及び前記第2の1次側トランスコイルに逆相電流が供給されることでトランス動作することを特徴とする。   The power conversion circuit system of the present invention is a primary side conversion circuit, comprising a left arm and a right arm between a primary side positive bus and a primary side negative bus, wherein the left arm and the right arm are Each of the two switching transistors is connected in series, and a first primary transformer coil and a second switching coil are connected between a connection point of the two switching transistors of the left arm and a connection point of the two switching transistors of the right arm. A primary side converter circuit in which a primary transformer coil is connected in series and a secondary side converter circuit, comprising a left arm and a right arm between a secondary side positive bus and a secondary side negative bus, Each of the arm and the right arm is composed of two switching transistors connected in series, and the connection point between the two switching transistors of the left arm and 2 of the right arm. A secondary conversion circuit in which a first secondary transformer coil and a second secondary transformer coil are connected in series between connection points of the switching transistors, the primary conversion circuit, and the secondary conversion A control circuit that controls switching of the switching transistor of the circuit, wherein the first primary transformer coil and the first secondary transformer coil include a central leg and leg parts at both ends. The first secondary transformer coil and the second secondary transformer coil are wound around either one of the leg portions of the core. A reactor coil is not wound around the central leg portion of the core, and a reactor is supplied with an in-phase current supplied to the first primary transformer coil and the second primary transformer coil. Was created, the first primary transformer coil and reverse current to the second primary transformer coil is characterized in that the transformer operates by being supplied.

本発明において、コアの両端の脚部に巻回された第1の1次側コイル及び第2の1次側コイルの間の漏れインダクタンスをリアクトルとして利用するため、別個にリアクトルコイルを巻回する必要がなく、リアクトルコイルを削減することができる。本発明では、リアクトルコイルを有さずに、トランスコイルのみでトランス動作とリアクトル動作が実現される。   In the present invention, in order to use the leakage inductance between the first primary coil and the second primary coil wound around the leg portions at both ends of the core as a reactor, the reactor coil is separately wound. There is no need, and the reactor coil can be reduced. In the present invention, the transformer operation and the reactor operation are realized only by the transformer coil without having the reactor coil.

本発明によれば、磁気素子間のデッドスペースやヒートシンクサイズの縮小に加え、さらなる部品点数の削減や巻線長の短縮が可能となる。また、巻線長の短縮に伴い、交流抵抗損を低減することも可能となる。   According to the present invention, in addition to the dead space between magnetic elements and the reduction of the heat sink size, it is possible to further reduce the number of parts and the winding length. Further, with the shortening of the winding length, the AC resistance loss can be reduced.

実施形態の回路構成図である。It is a circuit block diagram of an embodiment. 実施形態の磁気素子の横断面図である。It is a cross-sectional view of the magnetic element of the embodiment. 実施形態の磁気素子のトランス動作時の電流の流れを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the flow of the electric current at the time of the trans | transformer operation | movement of the magnetic element of embodiment. 実施形態の磁気素子のリアクトル動作時の電流の流れを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the flow of the electric current at the time of the reactor operation | movement of the magnetic element of embodiment. 実施形態の磁気素子のトランス動作時の磁束を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the magnetic flux at the time of the trans | transformer operation | movement of the magnetic element of embodiment. 実施形態の磁気素子のトランス動作時の回路図である。It is a circuit diagram at the time of the transformer operation | movement of the magnetic element of embodiment. 実施形態の磁気素子のリアクトル動作時の磁束を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the magnetic flux at the time of the reactor operation | movement of the magnetic element of embodiment. 実施形態の磁気素子のリアクトル動作時の回路図である。It is a circuit diagram at the time of the reactor operation | movement of the magnetic element of embodiment. 実施形態の磁気素子の構成図である。It is a block diagram of the magnetic element of embodiment. 実施形態のシミュレーション回路図である。It is a simulation circuit diagram of an embodiment. 実施形態のシミュレーションにおける磁気抵抗モデルの説明図(同相電流)である。It is explanatory drawing (common-mode current) of the magnetoresistive model in the simulation of embodiment. 実施形態のシミュレーションにおける磁気抵抗モデルの説明図(同相電流)である。It is explanatory drawing (common-mode current) of the magnetoresistive model in the simulation of embodiment. 実施形態のシミュレーションにおける磁気抵抗モデルの説明図(逆相電流)である。It is explanatory drawing (reverse phase current) of the magnetoresistive model in the simulation of embodiment. 実施形態のシミュレーションにおける磁気抵抗モデルの説明図(逆相電流)である。It is explanatory drawing (reverse phase current) of the magnetoresistive model in the simulation of embodiment. 実施形態のシミュレーションにおける電圧変化を示すグラフ図である。It is a graph which shows the voltage change in the simulation of embodiment. 実施形態のシミュレーションにおける電流変化を示すグラフ図である。It is a graph which shows the electric current change in the simulation of embodiment. 実施形態のシミュレーションにおける磁束変化を示すグラフ図である。It is a graph which shows the magnetic flux change in the simulation of embodiment. 実施形態のシミュレーションにおける同相電流時と逆相電流時の磁束変化を示すグラフ図である。It is a graph which shows the magnetic flux change at the time of the in-phase current in the simulation of embodiment, and the reverse-phase current. 従来技術の磁気素子の横断面図である。It is a cross-sectional view of a conventional magnetic element. 従来技術の磁気素子のトランス動作時の磁束を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the magnetic flux at the time of the trans | transformer operation | movement of the magnetic element of a prior art. 従来技術の磁気素子のトランス動作時の回路図である。It is a circuit diagram at the time of the transformer operation | movement of the magnetic element of a prior art. 従来技術の磁気素子のリアクトル動作時の磁束を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the magnetic flux at the time of the reactor operation | movement of the magnetic element of a prior art. 従来技術の磁気素子のリアクトル動作時の回路図である。It is a circuit diagram at the time of the reactor operation | movement of the magnetic element of a prior art.

以下、図面に基づき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.

図1は、本実施形態における電力変換回路システムの回路構成図である。電力変換回路システムは、制御回路100と電力変換回路120からなる。電力変換回路120は、磁気結合リアクトルを利用し、3つの直流電源間において双方向の電力伝送が可能な3ポートのマルチポート回路である。   FIG. 1 is a circuit configuration diagram of a power conversion circuit system in the present embodiment. The power conversion circuit system includes a control circuit 100 and a power conversion circuit 120. The power conversion circuit 120 is a three-port multiport circuit capable of bidirectional power transmission between three DC power supplies using a magnetically coupled reactor.

マルチポート回路は、1次側変換回路にポートA及びポートCを備え、2次側変換回路にポートB及びポートDを備える。   The multi-port circuit includes a port A and a port C in the primary side conversion circuit, and a port B and a port D in the secondary side conversion circuit.

1次側変換回路の正極母線と1次側変換回路の負極母線の間に、互いに直列に接続されるスイッチングトランジスタS1及びS2からなる左アームと、互いに直列に接続されるスイッチングトランジスタS3及びS4からなる右アームが設けられ、これら左アームと右アームは互いに並列に接続されフルブリッジ回路を構成する。ポートAは、1次側変換回路の正極母線と負極母線の間に配置される。ポートAの入出力電圧をVAとする。ポートCは、1次側変換回路の負極母線とトランスの間に配置される。ポートCの入出力電圧をVCとする。   Between the positive bus of the primary side conversion circuit and the negative bus of the primary conversion circuit, the left arm consisting of switching transistors S1 and S2 connected in series with each other, and the switching transistors S3 and S4 connected in series with each other The left arm and the right arm are connected in parallel to each other to form a full bridge circuit. Port A is disposed between the positive and negative buses of the primary conversion circuit. The input / output voltage of port A is VA. Port C is arranged between the negative electrode bus of the primary side conversion circuit and the transformer. The input / output voltage of port C is set to VC.

左側アームを構成するスイッチングトランジスタS1及びS2の接続点と、右側アームを構成するスイッチングトランジスタS3及びS4の接続点の間に、互いに直列に接続される磁気結合リアクトル(リアクトルコイル)が接続されるとともに、トランス(トランスコイル)の1次側巻線(トランスコイル)12a、12bが接続される。すなわち、磁気結合リアクトルと1次側トランスコイル12a、12bは、2つの双方向チョッパ回路の中間点に接続される。   A magnetically coupled reactor (reactor coil) connected in series is connected between a connection point of the switching transistors S1 and S2 constituting the left arm and a connection point of the switching transistors S3 and S4 constituting the right arm. The primary windings (transformer coils) 12a and 12b of the transformer (transformer coil) are connected. That is, the magnetic coupling reactor and the primary transformer coils 12a and 12b are connected to the midpoint of the two bidirectional chopper circuits.

他方、2次側変換回路の正極母線と負極母線の間に、互いに直列に接続されるスイッチングトランジスタS5及びS6からなる左アームと、互いに直列に接続されるスイッチングトランジスタS7及びS8からなる右アームが設けられ、これら左アームと右アームは互いに並列に接続されフルブリッジ回路を構成する。ポートBは、2次側変換回路の正極母線と負極母線の間に配置される。ポートBの入出力電圧をVBとする。   On the other hand, between the positive electrode bus and the negative electrode bus of the secondary side conversion circuit, there is a left arm composed of switching transistors S5 and S6 connected in series with each other and a right arm composed of switching transistors S7 and S8 connected in series with each other. The left arm and the right arm are connected in parallel to each other to form a full bridge circuit. Port B is disposed between the positive and negative buses of the secondary conversion circuit. The input / output voltage of port B is VB.

トランスの2次側巻線(トランスコイル)14a、14bは、左アームを構成するスイッチングトランジスタS5及びS6の接続点と、右アームを構成するスイッチングトランジスタS7及びS8の接続点の間に接続される。   The secondary windings (transformer coils) 14a and 14b of the transformer are connected between the connection point of the switching transistors S5 and S6 constituting the left arm and the connection point of the switching transistors S7 and S8 constituting the right arm. .

制御回路100は、電力変換回路120を制御する各種パラメータを設定し、1次側変換回路と2次側変換回路のスイッチングトランジスタS1〜S8のスイッチング制御を行う。制御回路100は、外部からのモード信号に基づき1次側変換回路の2つのポート間で電力変換を行うモードと、1次側と2次側間での絶縁型電力伝送を行うモードを切り替える。ポートでいえば、ポートAとポートB間では双方向絶縁型コンバータとして回路を動作させ、ポートAとポートC間では双方向非絶縁型コンバータとして回路を動作させる。このとき、磁気結合リアクトルは、双方向絶縁型コンバータ動作では磁束を弱め合うため漏れインダクタンス成分を用い、双方向非絶縁型コンバータ動作では磁束を強め合うため励磁インダクタンス成分と漏れインダクタンス成分の和の成分を用いて電力伝送を行う。   The control circuit 100 sets various parameters for controlling the power conversion circuit 120 and performs switching control of the switching transistors S1 to S8 of the primary side conversion circuit and the secondary side conversion circuit. The control circuit 100 switches between a mode for performing power conversion between the two ports of the primary side conversion circuit and a mode for performing isolated power transmission between the primary side and the secondary side based on a mode signal from the outside. In terms of ports, the circuit is operated as a bidirectional isolated converter between port A and port B, and the circuit is operated as a bidirectional non-isolated converter between port A and port C. At this time, the magnetically coupled reactor uses a leakage inductance component to weaken the magnetic flux in the bidirectional insulated converter operation, and a sum component of the excitation inductance component and the leakage inductance component to strengthen the magnetic flux in the bidirectional non-insulated converter operation. Power transmission is performed using

1次側変換回路と2次側変換回路の間の絶縁型電力伝送は、1次側変換回路と2次側変換回路のスイッチングトランジスタS1〜S8のスイッチング周期の位相差φで制御する。1次側変換回路から2次側変換回路に電力を伝送する場合、1次側が2次側に対して進み位相となるように位相差φを決定する。また、2次側変換回路から1次側変換回路に電力を伝送する場合、これとは逆に1次側が2次側に対して遅れ位相となるように位相差φを決定する。例えば、2次側変換回路から1次側変換回路に電力を伝送する場合、1次側変換回路ではスイッチングトランジスタS1及びS4をオンし、S2及びS3をオフする。また、2次側変換回路ではスイッチングトランジスタS5及びS8をオンし、S6及びS7をオフする。2次側変換回路では、
S5→トランス2次側巻線→S8
と電流が流れる。1次側変換回路では、
S4→トランス1次側巻線→S1
と電流が流れる。
The insulated power transmission between the primary side conversion circuit and the secondary side conversion circuit is controlled by the phase difference φ of the switching cycle of the switching transistors S1 to S8 of the primary side conversion circuit and the secondary side conversion circuit. When power is transmitted from the primary side conversion circuit to the secondary side conversion circuit, the phase difference φ is determined so that the primary side is in advance with respect to the secondary side. In contrast, when power is transmitted from the secondary side conversion circuit to the primary side conversion circuit, the phase difference φ is determined so that the primary side is delayed from the secondary side. For example, when power is transmitted from the secondary side conversion circuit to the primary side conversion circuit, the switching transistors S1 and S4 are turned on and S2 and S3 are turned off in the primary side conversion circuit. In the secondary conversion circuit, the switching transistors S5 and S8 are turned on, and S6 and S7 are turned off. In the secondary side conversion circuit,
S5 → Transformer secondary winding → S8
And current flows. In the primary side conversion circuit,
S4 → transformer primary winding → S1
And current flows.

次の期間では、スイッチングトランジスタS1、S4、S8をオンし、それ以外はオフとする。前の期間と比べてスイッチングトランジスタS5がオンからオフに遷移するが、2次側変換回路のスイッチングトランジスタS5がオフすると、スイッチングトランジスタS6に並列に接続されたダイオードを介して電流が流れ続け、2次側の両端電圧はゼロに降下する。従って、2次側の両端電圧を決めるのは、スイッチングトランジスタS5のオンオフとなる。   In the next period, the switching transistors S1, S4, and S8 are turned on, and the others are turned off. Compared to the previous period, the switching transistor S5 changes from on to off, but when the switching transistor S5 of the secondary conversion circuit is turned off, current continues to flow through the diode connected in parallel to the switching transistor S6. The voltage across the secondary side drops to zero. Therefore, it is the on / off state of the switching transistor S5 that determines the voltage across the secondary side.

さらに次の期間では、スイッチングトランジスタS1、S4、S6、S8をオンし、それ以外をオフとする。   In the next period, the switching transistors S1, S4, S6, and S8 are turned on, and the others are turned off.

さらに次の期間では、スイッチングトランジスタS4、S6、S8をオンし、それ以外をオフとする。1次側変換回路のスイッチングトランジスタS1がオンからオフに遷移すると、スイッチングトランジスタS1に並列に接続されたダイオードを介して電流が流れ続け、スイッチングトランジスタS2がオンしない限り1次側の両端電圧はゼロにならない。従って、1次側の両端電圧を決めるのは、スイッチングトランジスタS2のオンオフとなる。   In the next period, the switching transistors S4, S6, and S8 are turned on and the others are turned off. When the switching transistor S1 of the primary side conversion circuit transitions from on to off, current continues to flow through a diode connected in parallel to the switching transistor S1, and the voltage across the primary side is zero unless the switching transistor S2 is turned on. do not become. Therefore, it is the on / off state of the switching transistor S2 that determines the voltage across the primary side.

上下のスイッチングトランジスタが短絡しないように、数百ナノ秒〜数マイクロ秒程度のデッドタイムを設けてもよい。すなわち、スイッチングトランジスタS1とS2、S3とS4、S5とS6、S7とS8がともにオフとなるような期間を設けてもよい。   A dead time of about several hundred nanoseconds to several microseconds may be provided so that the upper and lower switching transistors are not short-circuited. That is, a period in which both the switching transistors S1 and S2, S3 and S4, S5 and S6, and S7 and S8 are off may be provided.

図1のマルチポート回路を例えばハイブリッド自動車等に搭載する場合、ポートAに48V補機を接続し、ポートCに14V補機を接続し、ポートBに主機バッテリ等を接続することができる。   When the multi-port circuit of FIG. 1 is mounted on a hybrid vehicle, for example, a 48V auxiliary machine can be connected to port A, a 14V auxiliary machine can be connected to port C, and a main battery or the like can be connected to port B.

以上のようなマルチポート回路では、トランスコイルによるトランス動作とリアクトルコイルによるリアクトル動作が要求され、従来の磁気素子においては上述したように3つの脚部を備えるコアの両端の脚部にトランスコイルを配置し、中央の脚部にリアクトルコイルを配置していた。   In the multi-port circuit as described above, a transformer operation by a transformer coil and a reactor operation by a reactor coil are required, and in a conventional magnetic element, as described above, a transformer coil is attached to the legs of both ends of a core having three legs. The reactor coil was placed on the center leg.

ところで、従来の磁気素子において、リアクトル動作を実行する際には磁気結合リアクトルの自己インダクタンスをリアクトルとして利用しているが、センタータップを介した上下のトランスコイル間には漏れインダクタンスが生じているので、この漏れインダクタンスを、磁気結合リアクトルの自己インダクタンスに代えてリアクトルとして用い得る。   By the way, in the conventional magnetic element, when executing the reactor operation, the self-inductance of the magnetically coupled reactor is used as the reactor, but leakage inductance is generated between the upper and lower transformer coils via the center tap. This leakage inductance can be used as a reactor instead of the self-inductance of the magnetically coupled reactor.

本実施形態では、このような着想の下で、リアクトルコイルを削減し、トランスコイルをトランス動作のみならずリアクトル動作も実現する磁気素子として活用させるものである。   In this embodiment, under such an idea, the reactor coil is reduced, and the transformer coil is utilized as a magnetic element that realizes not only the transformer operation but also the reactor operation.

図2は、本実施形態における磁気素子の横断面図を示す。3つの脚部を有するコア10の両端の脚部にトランスコイル12a、12b、14a、14bが配置される。トランスコイル12aは第1の1次側トランスコイル、トランスコイル12bは第2の1次側トランスコイルであり、トランスコイル14aは第1の2次側トランスコイル、トランスコイル14bは第2の2次側トランスコイルである。   FIG. 2 shows a cross-sectional view of the magnetic element in the present embodiment. Transformer coils 12a, 12b, 14a, 14b are arranged on the leg portions at both ends of the core 10 having three legs. The transformer coil 12a is a first primary transformer coil, the transformer coil 12b is a second primary transformer coil, the transformer coil 14a is a first secondary transformer coil, and the transformer coil 14b is a second secondary coil. This is a side transformer coil.

図2と図11を対比すると、図11の磁気素子では中央の脚部にリアクトルコイル16a、16bが配置されているが、図2の磁気素子では中央の脚部にリアクトルコイルが配置されていない。すなわち、図2の磁気素子では、両端のトランスコイル12a、12b、14a、14bは、トランスコイルのみならずリアクトルコイルとしても機能する。   When comparing FIG. 2 and FIG. 11, reactor coils 16a and 16b are arranged at the center leg in the magnetic element of FIG. 11, but no reactor coil is arranged at the center leg in the magnetic element of FIG. . That is, in the magnetic element of FIG. 2, the transformer coils 12a, 12b, 14a, and 14b at both ends function not only as a transformer coil but also as a reactor coil.

図3Aは、図2に示す磁気素子を上から見た場合の、トランス動作時の電流の流れを示す。トランスコイル12a、12bは、3つの脚部を有するコア10の両端の脚部にそれぞれ配置されており、トランス動作では互いに逆相となるように電流が流れる。すなわち、図3Aに示すように、両端の脚部のうちの左側の脚部のトランスコイル12aは上から見て反時計方向に電流が流れ、他方で、右側の脚部のトランスコイル12bには上から見て時計方向に電流が流れる。   FIG. 3A shows a current flow during operation of the transformer when the magnetic element shown in FIG. 2 is viewed from above. The transformer coils 12a and 12b are respectively arranged on the leg portions at both ends of the core 10 having the three leg portions, and currents flow in opposite phases in the transformer operation. That is, as shown in FIG. 3A, the current flows through the transformer coil 12a on the left leg among the leg sections at both ends in a counterclockwise direction when viewed from above, while the transformer coil 12b on the right leg section has a current. Current flows clockwise as viewed from above.

図3Bは、図2に示す磁気素子を上から見た場合の、リアクトル動作時の電流の流れを示す。トランスコイル12a、12bは、3つの脚部を有するコア10の両端の脚部にそれぞれ配置されており、リアクトル動作では互いに同相となるように電流が流れる。すなわち、図3Bに示すように、両端の脚部のうちの左側の脚部のトランスコイル12aは上から見て反時計方向に電流が流れ、右側の脚部のトランスコイル12bにも上から見て反時計方向に電流が流れる。   FIG. 3B shows a current flow during the reactor operation when the magnetic element shown in FIG. 2 is viewed from above. The transformer coils 12a and 12b are respectively disposed on the leg portions at both ends of the core 10 having the three leg portions, and current flows so as to be in phase with each other in the reactor operation. That is, as shown in FIG. 3B, a current flows in the counter-clockwise direction when viewed from above in the transformer coil 12a on the left leg of the legs at both ends, and the transformer coil 12b on the right leg is also viewed from above. Current flows counterclockwise.

図4A及び図4Bは、トランス動作における磁束及び回路図を示す。左右の脚部にそれぞれ配置されたトランスコイル12a、12bによる磁束の向きは互いに反対であるため中央の脚部では互いに打ち消し合い、リアクトルとして動作することはない。これは、中央の脚部がないO型コアのトランスと同じ磁束変化である。   4A and 4B show magnetic flux and circuit diagrams in transformer operation. Since the directions of the magnetic fluxes by the transformer coils 12a and 12b respectively disposed on the left and right legs are opposite to each other, the center legs cancel each other and do not operate as a reactor. This is the same magnetic flux change as an O-shaped transformer without a central leg.

図5A及び図5Bは、リアクトル動作における磁束及び回路図を示す。左右の脚部にそれぞれ配置されたトランスコイル12a、12bによる磁束の向きは同じであるため中央の脚部では磁束が打ち消し合うことはないが、発生する起電力はセンタータップを介したトランスコイル12a、12bで互いに逆となるためコイル全体としては起電力がゼロとなり、トランスとして動作しない。また、リアクトルとしてはギャップを介した磁気抵抗の大きな経路で磁束変化が生じるので、飽和し難い特性を有する。   5A and 5B show magnetic flux and circuit diagrams in the reactor operation. Since the direction of the magnetic flux by the transformer coils 12a and 12b disposed on the left and right legs is the same, the magnetic flux does not cancel each other at the center leg, but the generated electromotive force is generated by the transformer coil 12a via the center tap. , 12b, the electromotive force of the entire coil becomes zero and the coil does not operate as a transformer. In addition, the reactor has a characteristic that it is difficult to saturate because the magnetic flux changes in a path with a large magnetic resistance through the gap.

図6は、本実施形態の磁気素子の構成図を示す。3つの脚部を有するコア10の両端の脚部の一方に1次側トランスコイル12aを巻回し、他方の脚部に1次側トランスコイル12bを巻回する。詳細には、図1に示すように1次側の左アームのU端子とポートCとの間にトランスコイル12aが接続され、1次側の右アームのV端子とポートCとの間にトランスコイル12bが接続される。トランスコイル12a、12bはセンタータップを介して直列接続され、センタータップにポートCが接続される。   FIG. 6 shows a configuration diagram of the magnetic element of the present embodiment. The primary transformer coil 12a is wound around one of the leg portions at both ends of the core 10 having three legs, and the primary transformer coil 12b is wound around the other leg portion. Specifically, as shown in FIG. 1, a transformer coil 12a is connected between the U terminal of the primary left arm and the port C, and a transformer is connected between the V terminal of the primary right arm and the port C. The coil 12b is connected. The transformer coils 12a and 12b are connected in series via a center tap, and the port C is connected to the center tap.

他方、3つの脚部を有するコア10の両端の脚部の一方に2次側トランスコイル14aを巻回し、他方の脚部に2次側トランスコイル14bを巻回する。   On the other hand, the secondary transformer coil 14a is wound around one of the leg portions at both ends of the core 10 having three legs, and the secondary transformer coil 14b is wound around the other leg portion.

このように、本実施形態では、3つの脚部を有するコア(あるいはE型コア)の両端にトランスコイルを巻回し、同相電流の変化に対してはリアクトルとして動作させ、逆相電流の変化に対してはトランスとして動作させることで、リアクトルコイルを削除できる。従来の磁気素子に対してリアクトルコイルが存在しない分、巻線長(配線長)が短くなり、かつ、配線用のコア窓も縮小化される。   As described above, in this embodiment, a transformer coil is wound around both ends of a core having three legs (or an E-type core) to operate as a reactor with respect to a change in common-mode current, and a change in reverse-phase current is caused. On the other hand, the reactor coil can be deleted by operating as a transformer. The winding length (wiring length) is shortened by the absence of the reactor coil compared to the conventional magnetic element, and the core window for wiring is also reduced.

次に、本実施形態におけるマルチポート回路のコンピュータによる動作シミュレーション結果について説明する。なお、簡略化のため、2次側変換回路については図1のポートDを省略している。   Next, an operation simulation result by the computer of the multiport circuit in the present embodiment will be described. For simplification, the port D in FIG. 1 is omitted from the secondary side conversion circuit.

図7は、シミュレーションに用いた回路構成を示す。ポートAの電圧をVA、ポートBの電圧をVB、ポートCの電圧をVCとし、VA=48V、VB=192V、VC=14Vとし、スイッチング周波数を50kHzとする。1次側トランスコイルと2次側トランスコイルの巻線比を例えば1:4となるように、1次側はコア両端の脚部に3ターンずつ、2次側はコア両端の脚部で12ターンずつコイルを巻回する。図7において、図1に示すような磁気結合リアクトルが存在していないことに留意されたい。   FIG. 7 shows a circuit configuration used for the simulation. Assume that the voltage at port A is VA, the voltage at port B is VB, the voltage at port C is VC, VA = 48V, VB = 192V, VC = 14V, and the switching frequency is 50 kHz. The primary side is 12 turns at both ends of the core, and the secondary side is 12 turns at the ends of the core so that the winding ratio of the primary transformer coil and the secondary transformer coil is, for example, 1: 4. Wind the coil one turn at a time. In FIG. 7, it should be noted that there is no magnetic coupling reactor as shown in FIG.

図8A及び図8Bは、リアクトル動作、すなわち同相電流を供給した場合の磁束を示す。トランスコイル12aにより生じる磁束をφu、トランスコイル12bにより生じる磁束をφvとすると、中央の脚部に生じる同相磁束はφcm=φu+φvである。同相磁束は、コア中央脚部を通る一定のリプルを有する直流磁束である。   FIG. 8A and FIG. 8B show the magnetic flux when reactor operation, that is, common mode current is supplied. When the magnetic flux generated by the transformer coil 12a is φu and the magnetic flux generated by the transformer coil 12b is φv, the in-phase magnetic flux generated at the center leg is φcm = φu + φv. The in-phase magnetic flux is a DC magnetic flux having a constant ripple that passes through the core center leg.

図9A及び図9Bは、トランス動作、すなわち逆相電流を供給した場合の磁束を示す。トランスコイル12aにより生じる磁束をφu、トランスコイル12bにより生じる磁束をφvとすると、中央の脚部に生じる磁束は、φdf=(φu−φv)/2である。逆相磁束は、コア両端脚部を時計回りと反時計回りで磁束変化方向が交互に変わりつつ流れる交流磁束である。   FIG. 9A and FIG. 9B show the magnetic flux when a transformer operation, that is, a reverse-phase current is supplied. When the magnetic flux generated by the transformer coil 12a is φu and the magnetic flux generated by the transformer coil 12b is φv, the magnetic flux generated at the center leg is φdf = (φu−φv) / 2. The anti-phase magnetic flux is an alternating magnetic flux that flows while the direction of change of the magnetic flux is alternately changed clockwise and counterclockwise on the both ends of the core.

図10A〜図10Dは、シミュレーション結果を示す。ポートBからポートAに750Wの電力を伝送する。   10A to 10D show simulation results. 750 W of power is transmitted from port B to port A.

図10Aは、1次側の電圧Vuvと2次側の電圧Vαβの電圧波形を示す。磁気素子の1次側と2次側に発生する電圧の位相差によって絶縁コンバータ動作における電力伝送を制御する。   FIG. 10A shows voltage waveforms of the primary side voltage Vuv and the secondary side voltage Vαβ. Power transmission in the operation of the isolated converter is controlled by the phase difference between the voltages generated on the primary side and the secondary side of the magnetic element.

図10Bは、同相電流を供給した場合の電流icmと逆相電流を供給した場合の電流idfの電流波形を示す。同相電流供給時の電流icmは、icm=iu+ivであり、非絶縁型コンバータ(昇圧コンバータ)のリアクトル電流波形と一致する。他方、逆相電流供給時の電流idfは、idf=(iu−iv)/2であり、絶縁型コンバータのトランス電流波形と一致する。   FIG. 10B shows current waveforms of the current icm when the in-phase current is supplied and the current idf when the reverse-phase current is supplied. The current icm when the common-mode current is supplied is icm = iu + iv, which matches the reactor current waveform of the non-insulated converter (boost converter). On the other hand, the current idf at the time of supplying the reverse-phase current is idf = (iu−iv) / 2, which matches the transformer current waveform of the isolated converter.

図10Cは、トランスコイル12aによる磁束φuと、トランスコイル12bによる磁束φvを示す。この2つの波形は、トランス動作による磁束とリアクトル動作による磁束の合成波形となっている。   FIG. 10C shows the magnetic flux φu generated by the transformer coil 12a and the magnetic flux φv generated by the transformer coil 12b. These two waveforms are combined waveforms of the magnetic flux due to the transformer operation and the magnetic flux due to the reactor operation.

図10Dは、同相電流変化による磁束φcmと逆相電流による磁束φdfを示す。同相電流による磁束はφcm=φu+φvであり、これは、別々に磁気素子を用いた場合の磁気結合リアクトル磁束波形と一致する。他方、逆相電流による磁束はφdf=(φu−φv)/2であり、これは別々に磁気素子を用いた場合のセンタータップトランス磁束波形と一致する。従って、本実施形態における磁気素子(一体磁気素子)に流れる磁束は、リアクトル動作による磁束とトランス動作による磁束の合成波形となっており、互いに干渉せずにリアクトルとトランスとして機能できる。   FIG. 10D shows magnetic flux φcm due to in-phase current change and magnetic flux φdf due to reverse phase current. The magnetic flux due to the in-phase current is φcm = φu + φv, which matches the magnetic coupling reactor magnetic flux waveform when the magnetic elements are used separately. On the other hand, the magnetic flux due to the reverse phase current is φdf = (φu−φv) / 2, which coincides with the center tap transformer magnetic flux waveform when the magnetic elements are separately used. Therefore, the magnetic flux flowing through the magnetic element (integral magnetic element) in this embodiment is a combined waveform of the magnetic flux due to the reactor operation and the magnetic flux due to the transformer operation, and can function as a reactor and a transformer without interfering with each other.

10 コア、12a,12b 1次側トランスコイル、14a,14b 2次側トランスコイル、16a,16b リアクトルコイル、100 制御回路、120 電力変換回路。   10 Core, 12a, 12b Primary transformer coil, 14a, 14b Secondary transformer coil, 16a, 16b Reactor coil, 100 control circuit, 120 power conversion circuit.

Claims (2)

中央の脚部、及び両端の脚部を備えるコアと、
前記両端の脚部のいずれかに巻回される第1の1次側トランスコイル及び第1の2次側トランスコイルと、
前記両端の脚部のいずれか他方に巻回される第2の1次側トランスコイル及び第2の2次側トランスコイルと、
を備え、
前記第1の1次側トランスコイル及び前記第2の1次側トランスコイルは直列接続され、
前記第1の2次側トランスコイル及び前記第2の2次側トランスコイルは直列接続され、
前記コアの前記中央の脚部にはリアクトルコイルが巻回されず、
前記第1の1次側トランスコイル及び前記第2の1次側トランスコイルに同相電流が供給されることでリアクトル動作し、前記第1の1次側トランスコイル及び前記第2の1次側トランスコイルに逆相電流が供給されることでトランス動作する
ことを特徴とするトランスリアクトル一体型磁気素子。
A core with a central leg and legs on both ends;
A first primary transformer coil and a first secondary transformer coil wound around one of the leg portions at both ends;
A second primary transformer coil and a second secondary transformer coil wound around either one of the leg portions at both ends;
With
The first primary transformer coil and the second primary transformer coil are connected in series,
The first secondary transformer coil and the second secondary transformer coil are connected in series,
A reactor coil is not wound around the central leg of the core,
A reactor operation is performed by supplying an in-phase current to the first primary transformer coil and the second primary transformer coil, and the first primary transformer coil and the second primary transformer are operated. A transformer-reactor-integrated magnetic element characterized in that a transformer operates by supplying a reverse-phase current to a coil.
1次側変換回路であって、1次側正極母線と1次側負極母線の間に左アームと右アームを備え、前記左アーム及び前記右アームはそれぞれ直列接続された2つのスイッチングトランジスタからなり、前記左アームの2つのスイッチングトランジスタの接続点と前記右アームの2つのスイッチングトランジスタの接続点の間に第1の1次側トランスコイル及び第2の1次側トランスコイルが直列接続される1次側変換回路と、
2次側変換回路であって、2次側正極母線と2次側負極母線の間に左アームと右アームを備え、前記左アーム及び前記右アームはそれぞれ直列接続された2つのスイッチングトランジスタからなり、前記左アームの2つのスイッチングトランジスタの接続点と前記右アームの2つのスイッチングトランジスタの接続点の間に第1の2次側トランスコイル及び第2の2次側トランスコイルが直列接続される2次側変換回路と、
前記1次側変換回路及び前記2次側変換回路の前記スイッチングトランジスタのスイッチングを制御する制御回路と、
を備え、
前記第1の1次側トランスコイル及び前記第1の2次側トランスコイルは、中央の脚部、及び両端の脚部を備えるコアの前記両端の脚部のいずれかに巻回され、
前記第1の2次側トランスコイル及び前記第2の2次側トランスコイルは、前記コアの
前記両端の脚部のいずれか他方に巻回され、
前記コアの前記中央の脚部にはリアクトルコイルが巻回されず、
前記第1の1次側トランスコイル及び前記第2の1次側トランスコイルに同相電流が供給されることでリアクトル動作し、前記第1の1次側トランスコイル及び前記第2の1次側トランスコイルに逆相電流が供給されることでトランス動作する
ことを特徴とする電力変換回路システム。
A primary side conversion circuit comprising a left arm and a right arm between a primary positive electrode bus and a primary negative electrode bus, each of the left arm and the right arm comprising two switching transistors connected in series. The first primary transformer coil and the second primary transformer coil are connected in series between the connection point of the two switching transistors of the left arm and the connection point of the two switching transistors of the right arm. A secondary conversion circuit;
A secondary side conversion circuit comprising a left arm and a right arm between a secondary positive bus and a secondary negative bus, the left arm and the right arm each comprising two switching transistors connected in series. A first secondary transformer coil and a second secondary transformer coil are connected in series between a connection point of the two switching transistors of the left arm and a connection point of the two switching transistors of the right arm. A secondary conversion circuit;
A control circuit for controlling switching of the switching transistors of the primary side conversion circuit and the secondary side conversion circuit;
With
The first primary-side transformer coil and the first secondary-side transformer coil are wound around either one of the leg portions at the both ends of the core including the center leg portion and the leg portions at both ends,
The first secondary transformer coil and the second secondary transformer coil are wound around either one of the leg portions of the both ends of the core,
A reactor coil is not wound around the central leg of the core,
A reactor operation is performed by supplying an in-phase current to the first primary transformer coil and the second primary transformer coil, and the first primary transformer coil and the second primary transformer are operated. A power conversion circuit system characterized in that a transformer operates by supplying a reverse-phase current to a coil.
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