JP2017195726A - Dc−dcコンバータ - Google Patents

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真義 山本
Masayoshi Yamamoto
真義 山本
將貴 石原
Masataka Ishihara
將貴 石原
大吾郎 蛭子本
Daigoro Ebisumoto
大吾郎 蛭子本
大竹 健二
Kenji Otake
健二 大竹
準 松浦
Jun Matsuura
準 松浦
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Abstract

【課題】 高電力密度化を図ることができ、自動車の燃費性能の改善に有効なDC−DCコンバータを提供する。【解決手段】 DC−DCコンバータ10は、昇圧用インダクタ100,密結合インダクタ200,出力調整回路300を中心に構成されている。密結合インダクタ200は、4つの調整用コイルLc1,Lc2,Lc3,Lc4を備えている。密結合インダクタ200の相互誘導により、コイルの巻数が少なくなるのに伴って,損失も改善できる。更に、磁路中に磁気ギャップ232,234,236,238,240,242が設けられているため、磁路の磁気抵抗が増大し、直流成分に起因する磁気飽和が低減される。これにより、負荷に応じて駆動する相数を最適に切り替える手法を適用できるため、広範囲で高効率化を図ることができる。【選択図】図1

Description

本発明は、DC−DCコンバータに関するものであり、特に、複数のインダクタコイルを用いるマルチフェーズ方式のDC−DCコンバータの改良に関するものである。
EV(電気自動車),HV(ハイブリッド自動車),FCV(燃料電池自動車)は、電池を用いてモーターを駆動して走行しており、電池とモーターの間のエネルギーの流れを制御するためにPCU(パワーコントロールユニット)を搭載している。PCUには、電圧を上げて高出力のモーター駆動を実現するためにDC−DCコンバータを搭載しているものがある。PCUは、燃費向上や広い車内空間を実現するために高電力密度化が求められており、DC−DCコンバータについても同様である。
その解決策として、シングルフェーズ方式の昇圧チョッパ回路を複数並列に重ねたマルチフェーズ方式がある。マルチフェーズ方式は、各相のスイッチの位相をずらして駆動することによって出力コンデンサの充放電電荷量が低減でき,出力キャパシタを小型化することができる。また、重負荷では大電流を各相に分流できるため,配線やインダクタ等の直流抵抗による損失を低減でき、高効率化も実現することができる。しかし、軽負荷では、電圧の大きさに依存する各相の損失が入力電力に対して大きくなってしまうため,シングルフェーズ方式と比較して効率が悪くなる。
そこで、出力の負荷の大きさに応じて駆動する相数を最適に切り替える手法(Phase Drive Control,以下「PDC」という。)が実用化されている。このPDCを用いることによって、広い負荷の範囲で高効率化を実現することができる。実際に、2015年にトヨタ自動車株式会社から販売された世界初の量産型FCVである「MIRAI」に搭載されたPCUには、PDCを用いる4相マルチフェーズ方式の非絶縁昇圧DC−DCコンバータが採用されている(下記非特許文献1参照)。
一方、4相のマルチフェーズ方式を用いると,4つのインダクタコイルが必要となり,インダクタの体積が大型化してしまうといった問題点がある。このような問題点に対処するため、磁気結合を用いて複数のインダクタを小数の磁心コアで構成する結合インダクタが提案され、広く研究されている。結合インダクタを用いると、少量の磁束で多くの機能を実現できるため,小型化や損失の低減に有効である。本発明は、自己誘導を担うインダクタ成分と相互誘導を担うトランス成分を各磁気コアで分けた密結合方式の磁気結合を応用したDC−DCコンバータに関するものである。
「Development of Boost Converter for MIRAI」, SAE International, 2015-01-1170
従来構造の密結合方式に上述したPDCを適用すると、直流磁束が重畳して磁気飽和を起こしてしまう。磁気飽和が生じると、電流リプルが非常に大きくなってしまい、半導体スイッチやキャパシタの破損を招くおそれがある。このため、従来の密結合方式に対して、そのままPDCを適用することができない。
本発明は、以上のような点に鑑みてなされたもので、その目的は、DC−DCコンバータの高電力密度化を図ることである。他の目的は、自動車の燃費性能の改善に有効なDC−DCコンバータを提供することである。
本発明のDC−DCコンバータは、変換前の直流電圧の入力側に設けられた昇圧用インダクタと、この昇圧用インダクタの出力側に設けられており、負荷に対して変換後の直流電圧を出力する結合インダクタとを備えており、前記結合インダクタは、中央でつながり、中央から外側に向かう複数の脚部を有する内側磁気コアと、前記内側磁気コアの外側に設けられており、前記脚部を結ぶ磁路を形成する外側磁気コアと、前記脚部にそれぞれ巻回された複数の調整用コイルと、前記いずれかの調整用コイルによって生じた磁束が通る磁路中に形成した磁気ギャップとを備えており、前記負荷の増減に応じて、前記複数の調整用コイルの動作数を増減させることを特徴とする。
主要な形態の一つは、前記複数の脚部及び前記複数の調整用コイルの数が2〜4であり、前記複数の脚部が、放射状に均等な角度で中央から外側に向かっていることを特徴とする。他の形態では、前記結合インダクタを構成する各磁気コアを、フェライトによって形成したことを特徴とする。更に他の形態では、前記内側磁気コアの磁路の断面積を、前記外側磁気コアの磁路の断面積よりも大きくしたことを特徴とする。更に他の形態によれば、前記昇圧用インダクタの昇圧用コイルが巻回された磁気コアに、磁気ギャップを形成したことを特徴とする。
更に他の形態によれば、前記昇圧用インダクタを構成する各磁気コアを、ダストコアによって形成したことを特徴とする。更に他の形態では、前記複数の調整用コイルの動作数を、スイッチング素子によって増減させることを特徴とする。あるいは、前記変換前の直流電圧が、車両に搭載された電池から供給され、前記変換後の直流電圧が、交流電圧を生成するインバータに出力されることを特徴とする。本発明の前記及び他の目的,特徴,利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。
本発明によれば、昇圧用インダクタと、複数の調整用コイルを有する結合インダクタとを設け、前記調整用コイルが巻回される磁気コアを磁気的に結合することとしたので、磁路断面積の増加により磁束密度が低減されるとともに、リプル電流の低減を達成することができる。従って、巻き数を低減できるため、インダクタの損失が低減されて回路効率が改善され、自動車の燃費向上に資することができる。
本発明の実施例1の回路構成及びインダクタの構成を示す図である。 前記実施例1の動作を示す回路図である。 磁気コア内における磁束の様子を示す図である。 前記実施例1の各種の信号波形例及び効率を示すグラフである。 本発明の他の実施例を示す図である。
以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。
最初に、図1〜図4を参照して、本発明の実施例1について説明する。本実施例は、本発明を、4相密結合方式の非絶縁昇圧DC−DCコンバータに適用した例である。
図1(A)には回路構成が示されており、DC−DCコンバータ10は、昇圧用インダクタ100,密結合インダクタ200,出力調整回路(スイッチング手段)300を中心に構成されている。入力端子Tin1,Tin2には、電池(例えば、車両に搭載された電池)などから直流電圧が入力されている。入力端子Tin1には、昇圧用インダクタ100のコイルLbが接続されている。このコイルLbの出力側は、密結合インダクタ200の入力側に接続されている。図示の例では、密結合インダクタ200は、4つの調整用コイルLc1,Lc2,Lc3,Lc4を備えている。
調整用コイルLc1,Lc2,Lc3,Lc4の出力側は、一方において整流用ダイオードD1,D2,D3,D4にそれぞれ接続されており、他方において出力調整回路300のスイッチング素子S1,S2,S3,S4にそれぞれに接続されている。なお、これらスイッチング素子S1,S2,S3,S4に並列に接続されているダイオードは、ボディダイオードである。整流用ダイオードD1,D2,D3,D4の出力側は、出力端子Tout1に接続されている。出力端子Tout1,Tout2の間には、平滑用コンデンサC0が接続されている。これら出力端子Tout1,Tout2が、交流電圧を生成するインバータなどの負荷に接続されている。なお、入力端子Tin1,Tin2の間にコンデンサを接続するようにしてもよい。
以上の各部のうち、昇圧用インダクタ100は、図1(B)に示すように、E字型コア102,104が磁気ギャップ106,108,110を介して対峙しており、中央の脚部112,114にコイルLbが巻回された構造となっている。直流電流IsがコイルLbに流れると、同図に矢印で示すように、磁束がE字型コア102,104中を通るようになる。
次に、密結合インダクタ200は、図1(C)に示すように、E字型コア202,204を結合して内側磁気コア210を構成した構造となっている。これにより、脚部212,214,216,218と、外側磁気コア222,224が形成される。更に、脚部212,216側に、磁気ギャップ232,234,236,238,240,242を介して、外側磁気コア226,228を配置する。そして、脚部212,214,216,218に、調整用コイルLc1,Lc2,Lc3,Lc4をそれぞれ巻回する。
調整用コイルLc1,Lc2,Lc3,Lc4は、それぞれが逆極性になるように回路に接続されている。調整用コイルLc1,Lc2,Lc3,Lc4のいずれかに通電すると、同図に矢印で示すように、当該コイルが巻回されている脚部のみならず他の脚部も通じて、磁束が内側磁気コア210,外側磁気コア222,224,226,228内を通るようになる。調整用コイルLc1,Lc2,Lc3,Lc4が巻回された脚部212,214,216,218同士を接合させることで結合係数が高くなっており(密結合)、概ね0.9以上となっている。
昇圧用インダクタ100のE字型コア102,104,密結合インダクタ200の内側磁気コア210,外側磁気コア222,224としては、電磁鋼板,ダストコア,フェライトコアなど、各種の磁性材料を使用してよい。磁性材料は、使用周波数や電流に応じて適宜選択される。コイル巻線の線径や巻数も、必要に応じて適宜選択する。
次に、出力調整回路300は、前記調整用コイルLc1,Lc2,Lc3,Lc4の出力側と入力端子Tin2ないし出力端子Tout2とに接続されたスイッチング素子S1,S2,S3,S4と、スイッチング回路310とによって構成されている。スイッチング回路310は、負荷の程度に応じて、スイッチング素子S1,S2,S3,S4を動作させる機能を備えており、負荷が小さいときはスイッチング素子S1のみが動作し、負荷の増大に応じて、スイッチング素子S2,S3,S4が順次動作するように、駆動制御が行われるようになっている。
次に、図2,図3も参照しながら、本実施例の動作を説明する。図2(A)〜(D)には、負荷が順次増大していく場合の動作の様子が示されている。まず、負荷が小さいときは、同図(A)に示すように、スイッチング素子S1のみが動作し、オン・オフを繰り返す(Mode1)。オン・オフのデューティ比は、負荷の程度に応じて制御される。これにより、昇圧用インダクタ100の昇圧用コイルLb及び密結合インダクタ200の調整用コイルLc1に通電が行われるようになる。すなわち、入力端子Tin1,Tin2の直流電圧が、昇圧用コイルLbで昇圧されるとともに、更に調整用コイルLc1で昇圧されて出力される。昇圧された直流電圧は、整流用ダイオードD1による整流,平滑用コンデンサC0による平滑の後、出力端子Tout1,Tout2から負荷に供給される。
負荷が増大すると、スイッチング素子S1に加えて、同図(B)に示すように、スイッチング素子S2も動作するようになる(Mode2)。このため、昇圧用インダクタ100の昇圧用コイルLb及び密結合インダクタ200の調整用コイルLc1,Lc2に通電が行われるようになる。これにより、入力端子Tin1,Tin2の直流電圧が、昇圧用コイルLbで昇圧されるとともに、更に調整用コイルLc1,Lc2でそれぞれ昇圧されて出力される。昇圧された直流電圧は、整流用ダイオードD1,D2による整流,平滑用コンデンサC0による平滑の後、出力端子Tout1,Tout2から負荷に供給される。また、負荷に必要な電流は、調整用コイルLc1,Lc2から供給されるようになる。
更に、負荷が増大すると、スイッチング素子S1,S2に加えて、同図(C)に示すように、スイッチング素子S3も動作するようになる(Mode3)。このため、昇圧用インダクタ100の昇圧用コイルLb及び密結合インダクタ200の調整用コイルLc1,Lc2,Lc3に通電が行われるようになる。これにより、入力端子Tin1,Tin2の直流電圧が、昇圧用コイルLbで昇圧されるとともに、更に調整用コイルLc1,Lc2,Lc3でそれぞれ昇圧されて出力される。昇圧された直流電圧は、整流用ダイオードD1,D2,D3による整流,平滑用コンデンサC0による平滑の後、出力端子Tout1,Tout2から負荷に供給される。また、負荷に必要な電流は、調整用コイルLc1,Lc2,Lc3から供給されるようになる。
更に、負荷が増大すると、スイッチング素子S1,S2,S3に加えて、同図(D)に示すように、スイッチング素子S4も動作するようになる(Mode4)。このため、昇圧用インダクタ100の昇圧用コイルLb及び密結合インダクタ200の調整用コイルLc1,Lc2,Lc3,Lc4に通電が行われるようになる。これにより、入力端子Tin1,Tin2の直流電圧が、昇圧用コイルLbで昇圧されるとともに、更に、密結合インダクタ200の相互誘導により電流リプルが低減される(Mode2,Mode3も同様)。昇圧された直流電圧は、整流用ダイオードD1,D2,D3,D4による整流,平滑用コンデンサC0による平滑の後、出力端子Tout1,Tout2から負荷に供給される。また、負荷に必要な電流は、調整用コイルLc1,Lc2,Lc3,Lc4から供給されるようになる。
ところで、以上の動作において、調整用コイルLc1に通電したときの磁束の様子を示すと、図3(A)に矢印で示すようになる。すなわち、磁束は、内側磁気コア210の脚部212のみならず、脚部214,216,218や、外側磁気コア222,224,226,228にも回り込んで通るようになる。一方、図3(B)に示すように、4つの調整用コイルLc1,Lc2,Lc3,Lc4が巻回されている磁気コア252,254,256,258が磁気的に独立している従来の非結合方式の場合、矢印で示すように、調整用コイルLc1の磁束は磁気コア252内のみを通り、他の磁気コア254,256,258を通ることはない。
これら、図3(A),(B)を比較すれば明らかなように、密結合方式は、各相のスイッチングが影響し合うため、巻線に流れる電流リプルを低減することができる。また,磁気ギャップ232,234,236,238,240,242が設けられており、磁気抵抗を意図的に大きくしているため、図2(D)に示したMode4以外において密結合インダクタ200内に直流磁束が重畳しても、磁気飽和が低減されるようになる。なお、4つの調整用コイルLc1,Lc2,Lc3,Lc4の全てが駆動されるMode4の場合には、直流磁束が完全に打ち消されるようになる。
電流リプルの低減に伴って、損失を改善することが可能となる。具体的には,ヒステリシス損失の低減,実効電流の減少による銅損の低減が可能となる。また、リプル電流を非結合方式と合わせて設計を行えば、巻き数を非結合方式と比較して大幅に低減できるため、直列抵抗に起因する銅損の低減が可能となる。これらの効果により、全体として回路効率の改善を図ることができる。
図4(A)には、Mode4における調整用コイルLc1を流れる電流Ic1,スイッチング素子S1のドレイン・ソース間電圧Vds,スイッチング素子S1のゲート・ソース間電圧Vgsの一例が示されている。電流Ic1のリプル分Δioutは、1.51Aとなっている。電流Ic1の波形から、磁気飽和が無く安定動作をしており、電流リプルがスイッチング周波数の4倍になっていることを確認することができる。
図4(B)には、図2に示したスイッチング動作における効率(エネルギー変換効率ないしエネルギー消費効率)の変化の様子が示されている。同図中、Mode1,Mode2,Mode3,Mode4は、それぞれ図2(A)〜(D)の動作状態に対応する。同図に示すように、出力1000Wまでの負荷領域において、本実施例の密結合方式の方が従来の非結合方式よりも高効率化が実現されている。本実施例の密結合インダクタ200における相互誘導によって、電流リプルをスイッチング周波数に対して高周波化できるので、調整用コイルLc1,Lc2,Lc3,Lc4及び昇圧用インダクタ100の巻き数を大幅に減少することが可能となり、その分だけ銅損が低減されたことが、高効率の要因と考えられる。
本発明に関連して、
a,出力1000W,入力電圧50V,出力電圧120V,
b,昇圧用インダクタ100の昇圧用コイルLbが7巻き,
c,密結合インダクタ200の調整用コイルLc1,Lc2,Lc3,Lc4が各25巻き,
の試作品を作製した。また、比較のため、リプル電流を密結合方式と合わせて非結合コイルを設計し作製した。非結合方式の各コイルの巻き数は110巻きになった。これらを比較したところ、本実施例の試作品のほうが、磁気コアの体積及び質量を7%削減することができた。また、本実施例の試作品によれば、磁気飽和がなく、動作も安定しており、Mode4以外にしても、安定した動作を確認できた。
次に、図5を参照しながら、本発明の実施例2について説明する。同図(A)の密結合インダクタ500は、中央の内側磁気コア510において、十字状に設けられた脚部512,514,516,518に、調整用コイルLc1,Lc2,Lc3,Lc4がそれぞれ巻回された構成となっている。それらの周囲には、外側磁気コア522,524,526,528が、磁気ギャップ532,534,536,538を介して配置されている。また、外側磁気コア522,524,526,528の間にも、磁気ギャップ542,544,546,548がそれぞれ形成されている。
同図(B)の密結合インダクタ550は、前記外側磁気コア522と528が連続してL字状の外側磁気コア552となっており、前記外側磁気コア524と526が連続してL字状の外側磁気コア554となっている。同図(C)の密結合インダクタ560は、前記外側磁気コア522,524,526,528が連続しており、四角枠形状の外側磁気コア562とした例である。
同図(D)の密結合インダクタ600は、内側磁気コア610の脚部612,614,616に、それぞれ調整用コイルLc1,Lc2,Lc3が巻回されており、それらの外側に、磁気ギャップ602,604,606を介してリング状の外側磁気コア618が配置された構成となっている。同図(E)の密結合インダクタ620は、内側磁気コアの脚部の数が6つの例で、内側磁気コア630は6つの脚部632,634,636,638,640,642を有しており、それぞれ調整用コイルLc1,Lc2,Lc3,Lc4,Lc5,Lc6が巻回されている。また、それらの外側に、磁気ギャップ642,644,646,648,650,652を介してリング状の外側磁気コア618が配置された構成となっている。同図(F)の密結合インダクタ660は、内部磁気コア670が2つの脚部672,674を備えており、その端部が円弧状の外側磁気コア680,682に接合した構成となっている。脚部672,674には、調整用コイルLc1,Lc2がそれぞれ巻回されており、外側磁気コア680,682の間には磁気ギャップ690,692がそれぞれ形成されている。
これらの例に示すように、中心でつながった複数の脚部が放射状に等間隔に延びた内側磁気コアの外側に、前記脚部を結ぶ磁路を形成する外側磁気コアが配置されており、前記脚部にそれぞれ巻回された調整用コイルによって生じた磁束が通る磁路中に磁気ギャップを形成する構造であれば、同様の効果を得ることができる。
なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えることができる。例えば、以下のものも含まれる。
(1)前記実施例で示した脚部ないし調整用コイルの個数や磁気ギャップの位置は、必要に応じて適宜変更してよい。調整用コイルの配置も同様であり、例えば、調整用コイルLc2とLc3を入れ替えるようにしてよい。いずれにしても、密結合インダクタは、全ての調整用コイル同士の極性が逆になっている。
(2)全体の形状も、四角や円の他、楕円など各種の形状としてよい。特に、内側磁気コアの磁路の断面積を、前記外側磁気コアの磁路の断面積よりも大きくするようにしてもよい。
(3)本発明のDC−DCコンバータの用途としては、上述したように、EV,HV,FCVなどのPCUが好適な例である。例えば、変換前の直流電圧が、車両に搭載された電池から供給され、前記変換後の直流電圧が、交流電圧を生成するインバータに出力されるという具合である。しかし、それに限定されるものではなく、他の各種の用途に適用してよい。
本発明によれば、本発明によれば、結合インダクタの相互誘導によりリプル電流を低減でき,コイルの必要な巻き数が少なくなるのに伴い、損失が改善されるので,EV,HV,FCVなどのPCUに好適である。
10:DC−DCコンバータ
100:昇圧用インダクタ
102,104:E字型コア
106,108,110:磁気ギャップ
112,114:脚部
200:密結合インダクタ
202,204:E字型コア
210:内側磁気コア
212,214,216,218:脚部
222,224,226,228:外側磁気コア
232,234,236,238,240,242:磁気ギャップ
252,254,256,258:磁気コア
300:出力調整回路
310:スイッチング回路
500:密結合インダクタ
510:内側磁気コア
512,514,516,518:脚部
522:外側磁気コア
522,524,526,528:外側磁気コア
524:外側磁気コア
532,534,536,538,542,544,546,548:磁気ギャップ
550:密結合インダクタ
552,554,562:外側磁気コア
560:密結合インダクタ
600:密結合インダクタ
602,604,606:磁気ギャップ
610:内側磁気コア
612,614,616:脚部
618:外側磁気コア
620:密結合インダクタ
630:内側磁気コア
632,634,636,638,640,642:脚部
642,644,646,648,650,652:磁気ギャップ
660:密結合インダクタ
670:内部磁気コア
672,674:脚部
680,682:外側磁気コア
690,692:磁気ギャップ
C0:平滑用コンデンサ
D1,D2,D3,D4:整流用ダイオード
Lb:昇圧用コイル
Lc1,Lc2,Lc3,Lc4,Lc5,Lc6:調整用コイル
S1,S2,S3,S4:スイッチング素子
Tin1,Tin2:入力端子
Tout1,Tout2:出力端子
Vin:入力電圧
Vout:出力電圧

Claims (8)

  1. 変換前の直流電圧の入力側に設けられた昇圧用インダクタと、
    この昇圧用インダクタの出力側に設けられており、負荷に対して変換後の直流電圧を出力する密結合インダクタとを備えており、
    前記密結合インダクタは、
    中央でつながり、中央から外側に向かう複数の脚部を有する内側磁気コアと、
    前記内側磁気コアの外側に設けられており、前記脚部を結ぶ磁路を形成する外側磁気コアと、
    前記脚部にそれぞれ巻回された複数の調整用コイルと、
    前記いずれかの調整用コイルによって生じた磁束が通る磁路中に形成した磁気ギャップとを備えており、
    前記負荷の増減に応じて、前記複数の調整用コイルの動作数を増減させることを特徴とするDC−DCコンバータ。
  2. 前記複数の脚部及び前記複数の調整用コイルの数が2〜4であり、前記複数の脚部が、放射状に均等な角度で中央から外側に向かっていることを特徴とする請求項1記載のDC−DCコンバータ。
  3. 前記密結合インダクタを構成する各磁気コアを、フェライトによって形成したことを特徴とする請求項1記載のDC−DCコンバータ。
  4. 前記内側磁気コアの磁路の断面積を、前記外側磁気コアの磁路の断面積よりも大きくしたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のDC−DCコンバータ。
  5. 前記昇圧用インダクタの昇圧用コイルが巻回された磁気コアに、磁気ギャップを形成したことを特徴とする請求項1記載のDC−DCコンバータ。
  6. 前記昇圧用インダクタを構成する各磁気コアを、ダストコアによって形成したことを特徴とする請求項5記載のDC−DCコンバータ。
  7. 前記複数の調整用コイルの動作数を、スイッチング素子によって増減させることを特徴とする請求項1記載のDC−DCコンバータ。
  8. 前記変換前の直流電圧が、車両に搭載された電池から供給され、前記変換後の直流電圧が、交流電圧を生成するインバータに出力されることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載のDC−DCコンバータ。
JP2016085614A 2016-04-21 2016-04-21 Dc−dcコンバータ Pending JP2017195726A (ja)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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