JP2017216437A - 統合型インダクタ - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換回路は、複数のインダクタを有すため、磁気コアが嵩張っていることに起因し、大きな回路容積が必要となっていた。【解決手段】統合型インダクタ組立体３００は、中央脚部３１２を含む磁気コアを含み、中央脚部は、中央脚部の両側の第１外側脚部３０８及び第２外側脚部３１０と平行である。第１インダクタの第１巻線の組Ｌｕ、Ｒｕ，Ｃｕは、中央脚部、磁気コアの第１外側脚部及び磁気コアの第２外側脚部の周りにおいて巻回されている。また、第２インダクタの第２巻線の組Ｌｄ、Ｒｄ、Ｃｄは、磁気コアの中央脚部、第１外側脚部及び第２外側脚部の周りにおいて巻回されている。第１巻線の組及び第２巻線の組は、磁気コアの中央脚部の周りにおいて巻回された中央巻線、磁気コアの第１外側脚部の周りにおいて巻回された第１外側巻線及び磁気コアの第２外側巻線の周りにおいて巻回された第２外側巻線を含む。【選択図】図３Ａ

Description

電力変換回路は、しばしば、インダクタの磁気コアが嵩張っていることに起因し、大きな回路容積と、小さな電力密度と、の原因となる複数のインダクタコンポーネントを含む。統合型インダクタ組立体によれば、複数のインダクタを単一の磁気コア上において実装することが可能であり、この結果、総回路容積を低減することができる。Ｓｉｌｖａ他に対する（特許文献１）は、２つの別個の側部を含む磁気コアを含む統合型インダクタ組立体について記述しており、この場合に、それぞれの側部は、インダクタを形成するべく導電性ワイヤによって巻回されており、且つ、２つの結果的に得られるインダクタは、独立に動作することができる。

米国特許第９，１７１，６６５号明細書

例示用の一実施形態においては、統合型インダクタ組立体は、中央脚部を含む磁気コアを含むことが可能であり、中央脚部は、中央脚部の両側の第１外側脚部及び第２外側脚部と平行である。第１インダクタの第１巻線の組は、中央脚部、磁気コアの第１外側脚部及び磁気コアの第２外側脚部の周りにおいて巻回されうる。また、第２インダクタの第２巻線の組は、磁気コアの中央脚部、第１外側脚部及び第２外側脚部の周りにおいて巻回されうる。第１巻線の組及び第２巻線の組は、磁気コアの中央脚部の周りにおいて巻回された中央巻線と、磁気コアの第１外側脚部の周りにおいて巻回された第１外側巻線と、磁気コアの第２外側脚部の周りにおいて巻回された第２外側巻線と、を含むことができる。

第１巻線の組は、磁気コアの中央脚部、第１外側脚部及び第２外側脚部の第１半体の周りにおいて巻回されることが可能であり、且つ、第２巻線の組は、磁気コアの中央脚部、第１外側脚部及び第２外側脚部の第２半体の周りにおいて巻回されうる。磁気コアの中央脚部、第１外側脚部及び第２外側脚部の第１半体は、第１インダクタ及び第２インダクタの既定のインダクタンス特性に対応した空隙により、磁気コアの中央脚部、第１外側脚部及び第２外側脚部の第２半体から分離されうる。

第１インダクタは、第２インダクタによって生成される第２の磁束量とは独立した入力電流に応じて、第１の磁束量を生成するように構成することができる。

第１巻線の組又は第２巻線の組の中央巻線、第１外側巻線及び第２外側巻線は、直列状態に接続されうる。

第１巻線の組又は第２巻線の組の第１外側巻線は、磁気コアの第１外側脚部と第２外側脚部の間の第２磁束経路を介して、第２外側巻線に対して相互結合されうる。第１巻線の組の第１外側巻線及び第２外側巻線は、第２巻線の組の第１外側巻線及び第２外側巻線に跨って第１励起電圧を生成するように構成することができる。第１外側巻線及び第２外側巻線の巻回の数は、第２巻線の組の第１外側巻線及び第２外側巻線に跨る第１励起電圧に基づいたものであってもよい。

第１巻線の組又は第２巻線の組の第１外側巻線及び第２外側巻線は、中央巻線から結合解除されうる。

第１巻線の組の中央巻線は、第２巻線の組の中央巻線に跨って第２励起電圧を生成するように構成することができる。第２巻線の組の中央巻線に跨る第２励起電圧は、第２巻線の組の第１外側巻線及び第２外側巻線に跨る第１励起電圧と等しくてもよい。第２励起電圧の第２方向は、第１励起電圧の第１方向とは反対である。中央巻線の巻回の数は、第２巻線の組の中央巻線に跨る第２励起電圧に基づいたものであってもよい。

第１インダクタの第１巻線の組において生成される第１励起電圧と第２インダクタの第２巻線の組において生成される第２励起電圧は、第１巻線の組を通じた第１電流又は第２巻線の組を通じた第２電流の位相とは独立したものであってもよい。第１巻線の組を通過する電流の第１量は、第２巻線の組を通過する電流の第２量とは独立したものであってもよい。

磁気コアの中央脚部、第１外側脚部又は第２外側脚部の幅は、第１巻線の組又は第２巻線の組に跨る励起電圧に基づいたものであってもよい。

別の例示用の実施形態においては、プロセスは、それぞれが対応するインダクタを含む１又は複数の電力転送段を介して１又は複数の電源から電気負荷に電力を提供するように構成されたブーストコンバータ回路を含む電力転送システムの動作特性を判定するステップと、電力転送システムの動作特性に基づいて、統合型インダクタ組立体の特性を判定するステップであって、統合型インダクタ組立体は、中央脚部を含む磁気コアであって、中央脚部は、中央脚部の両側の第１外側脚部及び第２外側脚部と平行である、磁気コア、磁気コアの中央脚部、第１外側脚部及び第２外側脚部の周りにおいて巻回された第１インダクタの第１巻線の組、並びに、磁気コアの中央脚部、第１外側脚部及び第２外側脚部の周りにおいて巻回された第２インダクタの第２巻線の組、を含み、第１巻線の組及び第２巻線の組は、磁気コアの中央脚部の周りにおいて巻回された中央巻線と、磁気コアの第１外側脚部の周りにおいて巻回された第１外側巻線と、磁気コアの第２外側脚部の周りにおいて巻回された第２外側巻線と、を含む、ステップと、第１インダクタ及び第２インダクタの独立的な動作を維持するべく、磁気コア、第１巻線の組又は第２巻線の組の特性を変更するステップと、を含むことができる。

電力転送システムの動作特性を判定するステップは、１又は複数の電源のうちの１つの電源の障害の際に１又は複数の電源の間におけるワーストケース電圧差を判定するステップを更に含むことができる。

更なる例示用の一実施形態においては、システムは、それぞれが対応するインダクタを含む１又は複数の電力転送段を介して１又は複数の電源から電気負荷に電力を提供するように構成されたブーストコンバータ回路を含むことができる。また、システムは、中央脚部を含む磁気コアであって、中央脚部は、中央脚部の両側の第１外側脚部及び第２外側脚部と平行である、磁気コアと、磁気コアの中央脚部、第１外側脚部及び第２外側脚部の周りにおいて巻回されたブーストコンバータ回路の第１電力転送段用の第１インダクタの第１巻線の組と、磁気コアの中央脚部、第１外側脚部及び第２外側脚部の周りにおいて巻回されたブーストコンバータ回路の第２電力転送段用の第２インダクタの第２巻線の組と、を含む統合型インダクタを含むこともできる。第１巻線の組及び第２巻線の組は、磁気コアの中央脚部の周りにおいて巻回された中央巻線と、磁気コアの第１外側脚部の周りにおいて巻回された第１外側巻線と、磁気コアの第２外側脚部の周りにおいて巻回された第２外側巻線と、を含む。

以上における例示用の実施形態に関する一般的な説明及びその詳細な以下の説明は、本開示の教示内容の例示用の態様であるに過ぎず、限定を目的としたものではない。

本開示及びその他の付随する利点については、添付図面との関連における検討の際に、以下の詳細な説明を参照することにより、更に十分に理解され、従って、その更に十分な理解が容易に得られることになろう。

関連技術による統合型インダクタ組立体の例示用のイラストである。 関連技術による統合型インダクタ組立体の例示用の等価回路図である。 ブーストコンバータ回路の例示用の回路図である。 統合型インダクタ組立体の例示用の図である。 統合型インダクタ組立体の例示用の回路図である。 統合型インダクタ組立体の例示用の等価回路図である。 統合型インダクタ組立体の例示用の図である。 統合型インダクタ組立体の例示用の図である。 統合型インダクタ組立体の例示用の回路図である。 統合型インダクタ組立体の例示用の図である。 統合型インダクタ組立体の例示用の回路図である。 統合型インダクタ組立体の例示用の図である。 統合型インダクタ組立体の例示用の回路図である。 統合型インダクタ組立体の例示用の図である。 統合型インダクタ組立体の磁気コアの半体の例示用の図である。 統合型インダクタ組立体の磁束プロファイルの例示用の図である。 統合型インダクタ組立体の磁束プロファイルの例示用の図である。 統合型インダクタ組立体の磁束プロファイルの例示用の図である。 統合型インダクタ設計プロセスの例示用のフローチャートである。

図面において、同一の参照符号は、いくつかの図の全体を通じて、同一の又は対応した部分を表記している。更には、本明細書において使用されている「１つの（ａ）」及び「１つの（ａｎ）」という用語並びにこれらに類似した用語は、一般に、そうではない旨が記述されていない限り、「１又は複数の」という意味を有する。図面は、一般に、そうではない旨が記述されていない限り、縮尺通りに描画されており、或いは、概略的な構造又はフローチャートを示している。

更には、「ほぼ」及び「約」という用語並びにこれらに類似した用語は、一般に、識別された値と、その値と２０％、１０％、或いは、好ましくは、５％のマージンの間のすべての値と、を含む範囲を意味している。

本開示の態様は、単一の磁気コア上に統合された複数の独立に動作するインダクタを含む統合型インダクタ組立体を対象としている。例えば、ブーストコンバータ回路などの電力変換回路は、電力を１又は複数の負荷に独立に提供する１又は複数の電力変換段と関連した複数のインダクタを有することができる。それぞれが別個の磁気コアを含む個々のコンポーネントとしてインダクタを実装することにより、磁気コアが嵩張っていることに起因して、回路サイズが結果的に増大しうる。単一の磁気コア上への複数のインダクタの統合は、電力変換回路、例えば、エネルギーモジュールから電気自動車（ＥＶ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）の電気負荷に電力を提供するＥＶ電力転送システム内において設置されるＤＣ−ＤＣ電力変換回路、のサイズの低減に寄与する。

図１Ａは、関連技術によるインターリービング統合型インダクタ組立体１００の例示用の二次元（２Ｄ）の図であり、且つ、図１Ｂは、統合型インダクタ組立体１００の例示用の等価回路図１５０である。統合型インダクタ組立体１００は、第１インダクタ１０４と関連した第１巻線の組及び第２インダクタ１０６と関連した第２巻線の組がその周りにおいて巻回される２つの脚部を有する「Ｏ」字形状の磁気コア１０２を含んでいる。いくつかの実施形態においては、第１インダクタ１０４と関連した第１巻線の組は、磁気コア１０２の脚部の上部半体の周りにおいて巻回されており、且つ、第２インダクタ１０６と関連した第２巻線の組は、磁気コア１０２の脚部の下部半体の周りにおいて巻回されている。第１インダクタ１０４と関連した第１巻線の組は、巻線１１２及び１１４を含んでおり、これらは直列状態に接続されている。また、第２インダクタ１０６と関連した第２巻線の組は、巻線１１６及び１１８を含んでおり、これらは直列状態に接続されている。磁気コア１０２の上部半体及び下部半体に対する参照は、磁気コア１０２の半体の弁別を意図したものに過ぎず、且つ、いずれの巻線の組が、磁気コア１０２のいずれの半体と関連付けられてもよい。これに加えて、図１Ａの統合型インダクタ組立体１００上の基準点１０４ａ及び１０４ｂは、図１Ｂの等価回路図１５０上の基準点１０４ａ及び１０４ｂに対応している。同様に、図１Ａの統合型インダクタ組立体１００上の基準点１０６ａ及び１０６ｂも、図１Ｂの等価回路図１５０上の基準点１０６ａ及び１０６ｂに対応している。

磁束経路１０８は、第１インダクタ１０４の第１巻線の組によって生成される磁束に対応しており、且つ、磁束経路１１０は、第２インダクタ１０６の第２巻線の組によって生成される磁束に対応している。第１インダクタ１０４の第１巻線の組及び第２インダクタ１０６の第２巻線の組を通じた電流が、等しく、且つ、既定量の位相シフトを有している際には、磁束経路１０８及び１１０は、相殺し、その結果、コアの飽和を伴わない第１インダクタ１０４と第２インダクタ１０６の独立的な動作が結果的に得られる。但し、第１インダクタ１０４の第１巻線の組及び第２インダクタ１０６の第２巻線の組を通じた電流が、等しくなく、且つ、既定量の位相シフトを有していない場合には、磁束経路１０８及び１１０は、互いに相殺せず、磁気コア１０２は、飽和状態となり、且つ、インダクタ１０４及び１０６は、互いに独立した状態において動作しない。

図２は、本明細書において更に記述されている統合型インダクタ組立体１００又は任意のその他の統合型インダクタ組立体を実装することができるブーストコンバータ回路２００の例示用の回路図である。ブーストコンバータ回路２００は、電力をバッテリ２０６及び／又はバッテリ２０８などの１又は複数の電源から車両モーターなどの可変電圧負荷２１０に提供することができる。例えば、バッテリ２０６は、スイッチ２１４及び２１６並びにインダクタ２０２を含む第１電力転送段と関連付けられており、且つ、バッテリ２０８は、スイッチ２１８及び２２０並びにインダクタ２０４を含む第２電力転送段と関連付けられている。これに加えて、第１電力転送段のインダクタ２０２及び第２電力転送段のインダクタ２０４は、個別のインダクタとして、或いは、インダクタ組立体１００などの統合型インダクタ組立体として、実装することができる。インダクタ２０２及び２０４を統合型インダクタ組立体１００又は別のタイプの統合型インダクタ組立体として実装することにより、総インダクタ容積の低減に起因し、ブーストコンバータ回路２００の回路容積を結果的に低減することができる。但し、インダクタ２０２及び２０４を通じた電流が、等しくなく、且つ／又は、既定量の位相シフトを有していない場合には、インダクタ２０２及び２０４は、独立に動作せず、且つ、バッテリ２０６及び２０８から転送される電力の量が制御不能となりうる。一例において、バッテリ２０８の障害が発生した際には、バッテリ２０６のみが負荷２１０に電力を提供し、且つ、バッテリ２０８と関連したインダクタ２０４を通じて流れる電流の量はゼロとなり、バッテリ２０６と関連したインダクタ２０２を通じて流れる電流の量は、１００アンペア（Ａ）などのように、ゼロ超となる。バッテリ２０８の障害の際のインダクタ２０２及び２０４を通じた電流の差は、統合型インダクタ組立体１００のコアの飽和を結果的にもたらす可能性があり、且つ、インダクタ２０２及び２０４は、互いに独立に動作しない。

図３Ａは、統合型インダクタ組立体３００の例示用の２Ｄの図であり、図３Ｂは、統合型インダクタ組立体３００を表す対応した回路図３０２の図であり、且つ、図３Ｃは、統合型インダクタ組立体３００の例示用の等価回路図３０４である。統合型インダクタ組立体１００は、（図３Ｃに示されているように）第１インダクタ３１４と関連した第１巻線の組及び第２インダクタ３１６と関連した第２巻線の組がその周りにおいて巻回される平行な第１外側脚部３０８、第２外側脚部３１０及び中央脚部３１２を含む３つの脚部を有する磁気コア３０６を有する。第１インダクタ３１４と関連した第１巻線の組は、巻線Ｌｕ、Ｒｕ及びＣｕを含んでおり、これらは直列状態に接続されている。また、第２インダクタ３１６と関連した第２巻線の組は、巻線Ｌｄ、Ｒｄ及びＣｄを含んでおり、これらは直列状態に接続されている。いくつかの実施形態においては、第１インダクタ３１４と関連した第１巻線の組Ｌｕ、Ｒｕ及びＣｕは、磁気コア３０６の第１外側脚部３０８、第２外側脚部３１０及び中央脚部３１２の上部半体の周りにおいて巻回されている。第２インダクタ３１６と関連した第２巻線の組Ｌｄ、Ｒｄ及びＣｄは、磁気コア３０６の第１外側脚部３０８、第２外側脚部３１０及び中央脚部３１２の下部半体の周りにおいて巻回されている。本開示の全体を通じて、磁気コア１０２の上部半体及び下部半体に対する参照は、磁気コア３０６の半体の弁別を意図したものであり、且つ、磁気コア３０６のいずれの半体と関連付けられてもよい。

これに加えて、図３Ａの統合型インダクタ組立体３００上の基準点３１４ａ及び３１４ｂは、図３Ｂの回路図３０２及び図３Ｃの等価回路図３０４上の基準点３１４ａ及び３１４ｂに対応している。同様に、図３Ａの統合型インダクタ組立体３００上の基準点３１６ａ及び３１６ｂも、図３Ｂの回路図３０２及び図３Ｃの等価回路図３０４上の基準点３１６ａ及び３１６ｂに対応している。いくつかの例においては、磁気コア３０６の上部半体は、第１インダクタ３１４及び第２インダクタ３１６の既定のインダクタンス特性に対応した第１外側脚部３０８、第２外側脚部３１０及び中央脚部３１２内の空隙により、磁気コア３０６の下部半体から分離されうる。

図３Ｂの統合型インダクタ組立体３００の回路図３０２は、第１巻線の組Ｌｕ、Ｒｕ及びＣｕ並びに第２巻線の組Ｌｄ、Ｒｄ及びＣｄの極性を示している。また、電流が統合型インダクタ組立体３００の巻線を通過するのに伴って、第１巻線の組Ｌｕ、Ｒｕ及びＣｕと第２巻線の組Ｌｄ、Ｒｄ及びＣｄの間に相互結合が発生しうる。例えば、相互結合は、第１巻線の組の外側巻線Ｌｕ及びＲｕと、第１巻線の組の他方の巻線Ｌｄ及びＲｄとの間に発生しうる。また、相互結合は、第１巻線の組の中央巻線Ｃｕと、第２巻線の組の中央巻線Ｃｄとの間にも発生する。第１巻線の組Ｌｕ、Ｒｕ及びＣｕと、第２巻線の組Ｌｄ、Ｒｄ及びＣｄとの間の相互結合が発生した場合にも、第１インダクタ３１４及び第２インダクタ３１６は、電流及び／又は位相シフトの量が変化した際にも、独立に動作することができる。例えば、第１インダクタ３１４は、第２インダクタ３１６によって生成される第２の磁束量とは独立した第１巻線の組Ｌｕ、Ｒｕ及びＣｕを通じた入力電流に応じて、第１の磁束量を生成するように構成されている。第１インダクタ３１４の第１巻線の組Ｌｕ、Ｒｕ及びＣｕと第２インダクタ３１６の第２巻線の組Ｌｄ、Ｒｄ及びＣｄの間の独立的な動作に関する詳細については、更に後述する。

図４Ａ〜図４Ｃは、統合型インダクタ組立体３００の磁束経路及び動作を第１巻線の組Ｌｕ、Ｒｕ及びＣｕとの関係において示しているが、これらは、第２巻線の組Ｌｄ、Ｒｄ及びＣｄの間における磁束の相互作用にも同様に適用されうる。例えば、図４Ａ及び図４Ｂは、第１巻線の組Ｌｕ、Ｒｕ及びＣｕを有する統合型インダクタ組立体４００の例示用の２Ｄの図であり、且つ、図４Ｃは、統合型インダクタ組立体４００の第１巻線の組の例示用の回路図４０２である。電流は、図４Ｃの電流矢印４１４ａ及び４１４ｂによって示されている方向において、第１巻線の組Ｌｕ、Ｒｕ及びＣｕを通じて流れている。図４Ａは、電流が第１巻線の組Ｌｕ、Ｃｕ及びＲｕを通じて流れるのに伴って、磁束経路４０８が、磁気コア３０６の第１外側脚部３０８から第２外側脚部３１０まで生成され、且つ、磁束経路４０６が、磁気コア３０６の第２外側脚部３１０から第１外側脚部３０８まで生成されることを示している。これに加えて、磁気コア３０６の外側脚部の間における磁束経路４０６及び４０８は、外側巻線Ｌｕ及びＲｕの間における相互結合をも結果的にもたらす。これに加えて、磁束経路４１２が、第１外側脚部３０８から中央脚部３１２まで生成され、且つ、磁束経路４１０が、第２外側脚部３１０から中央脚部３１２まで生成されている。磁束経路４１０及び４１２は、反対の方向を有しており、且つ、互いに相殺し、その結果、磁気コアの中央脚部３１２内においてゼロの磁束がもたらされ、従って、外側巻線Ｌｕ及びＲｕは、中央巻線Ｃｕから結合解除される。

図４Ｂは、電流が第１巻線の組Ｌｕ、Ｃｕ及びＲｕを通じて流れるのに伴って、磁束経路４１６が、磁気コア３０６の中央脚部３１２から第１外側脚部３０８まで生成され、且つ、磁束経路４１８が、磁気コア３０６の中央脚部から第２外側脚部３１０まで生成されることを示している。磁束経路４１６は、１つの方向において巻線Ｌｕに跨って（図４Ｃに示されているように）励起電圧Ｖ４１６を生成し、且つ、磁束経路４１８は、励起電圧Ｖ４１６の方向とは反対の別の方向において巻線Ｒｕに跨って励起電圧Ｖ４１８を生成する。励起電圧Ｖ４１６及びＶ４１８は、反対の方向に起因して、互いに相対し、且つ、その結果、巻線Ｃｕを通過する電流に起因して生成されたなんらかの磁束をもたらすが、巻線Ｃｕは、巻線Ｌｕ及びＲｕに対する影響を含んでいない。従って、入力電流端子４１４ａの観点からは、巻線Ｌｕ、Ｒｕ及びＣｕは、２つのインダクタとして見なされることになり、この場合に、外側巻線Ｌｕ及びＲｕが、一つのインダクタとして見なされ、且つ、中央巻線Ｃｕが、もう一つのインダクタとして見なされる。

図５Ａ及び図５Ｂは、統合型インダクタ組立体３００の磁束経路及び動作を第１巻線の組Ｌｕ、Ｒｕ及びＣｕ並びに第２巻線の組Ｌｄ、Ｒｄ及びＣｄとの関係において示している。例えば、図５Ａは、第１巻線の組Ｌｕ、Ｒｕ及びＣｕ並びに第２巻線の組Ｌｄ、Ｒｄ及びＣｄを有する統合型インダクタ組立体５００の例示用の２Ｄの図であり、外側巻線Ｌｕ、Ｒｕ、Ｌｄ及びＲｄの間における磁束の相互作用を示している。図５Ｂは、第１巻線の組Ｌｕ、Ｒｕ及びＣｕと第２巻線の組Ｌｄ、Ｒｄ及びＣｄの間における相互作用を含む統合型インダクタ組立体５００の例示用の回路図５０２である。電流は、図５Ｂの電流矢印５１０ａ及び５１０ｂによって示されている方向において、第１巻線の組Ｌｕ、Ｒｕ及びＣｕを通じて流れている。図５Ａに示されているように、電流が第１巻線の組Ｌｕ、Ｒｕ及びＣｕを通じて流れるのに伴って、磁束経路５０６が、磁気コア３０６の第１外側脚部３０８から第２外側脚部３１０まで生成され、且つ、磁束経路５０４が、磁気コア３０６の第２外側脚部３１０から第１外側脚部３０８まで生成される。磁束経路５０４及び５０６は、第１巻線の組の外側巻線Ｌｕ及びＲｕと第２巻線の組の外側巻線Ｌｄ及びＲｄとの間における相互結合を結果的にもたらす。相互結合が発生するのに伴って、励起電圧Ｖ５０８が、第２巻線の組の外側巻線Ｌｄ及びＲｄに跨って生成されるが、第２巻線の組の中央巻線Ｃｄと第１巻線の組の外側巻線Ｌｕ及びＲｕとの間には、相互結合が生成されない。

図６Ａ及び図６Ｂは、統合型インダクタ組立体３００の磁束経路及び動作を第１巻線の組Ｌｕ、Ｒｕ及びＣｕ並びに第２巻線の組Ｌｄ、Ｒｄ及びＣｄとの関係において示している。例えば、図６Ａは、第１巻線の組Ｌｕ、Ｒｕ及びＣｕ並びに第２巻線の組Ｌｄ、Ｒｄ及びＣｄを有する統合型インダクタ組立体６００の例示用の２Ｄの図であり、中央巻線Ｃｕ及びＣｄの磁束の相互作用を示している。図６Ｂは、第１巻線の組Ｌｕ、Ｒｕ及びＣｕと第２巻線の組Ｌｄ、Ｒｄ及びＣｄの間における相互作用を含む統合型インダクタ組立体６００の例示用の回路図６０２である。電流は、図６Ｂの電流矢印６１０ａ及び６１０ｂによって示されている方向において第１巻線の組Ｌｕ、Ｒｕ及びＣｕを通じて流れている。図６Ａに示されているように、電流が第１巻線の組Ｌｕ、Ｒｕ及びＣｕを通じて流れるのに伴って、磁束経路６０４が、磁気コア３０６の中央脚部３１２から第１外側脚部３０８まで生成され、且つ、磁束経路６０６が、磁気コア３０６の中央脚部３１２から第２外側脚部３１０まで生成される。磁束経路６０４及び６０６により、第２巻線の組の中央巻線Ｃｄに跨って励起電圧Ｖ６０８が生成されるが、第１巻線の組の中央巻線Ｃｕと第２巻線の組の外側巻線Ｌｄ及びＲｄの間には、相互結合が発生しない。

いくつかの実施形態においては、第２巻線の組の中央巻線Ｃｄに跨る励起電圧Ｖ６０８は、外側巻線Ｌｄ及びＲｄに跨る励起電圧Ｖ５０８とは、方向が反対である。励起電圧Ｖ５０８及びＶ６０８の大きさが等しい際には、励起電圧Ｖ５０８及びＶ６０８は、相殺し、且つ、第１巻線の組Ｌｕ、Ｒｕ及びＣｕを通じた電流に起因した第２巻線の組Ｌｄ、Ｒｄ及びＣｄに跨る総電圧は、ゼロである。第１巻線の組Ｌｕ、Ｒｕ及びＣｕを通じた電流に起因した第２巻線の組Ｌｄ、Ｒｄ及びＣｄに跨る総電圧がゼロである際には、統合型インダクタ組立体３００の第１インダクタ３１４及び第２インダクタ３１６は、独立に動作する。統合型インダクタ組立体３００の構造は、励起電圧Ｖ５０８及びＶ６０８の大きさが等しくなるように設計されることができる。例えば、励起電圧Ｖ５０８又はＶ６０８を変更するべく、脚部３０８、３１０及び３１２の幅などの磁気コア３０６の寸法を増減させることができる。一例においては、第２巻線の組の中央巻線Ｃｄに跨る励起電圧Ｖ６０８を増大させるべく、中央脚部３１２の幅が増大させられている。これに加えて、統合型インダクタ組立体３００のその他の設計特徴、例えば、巻線の巻回の数、巻線のタイプ、磁気コア３０６のその他の寸法並びにこれらに類似したもの、を変更することもできる。これに加えて、本明細書においては、磁束経路及び励起電圧は、第１巻線の組Ｌｕ、Ｒｕ及びＣｕを通過する電流との関係において記述されているが、インダクタ３１４及び３１６は、電流が第２巻線の組Ｌｄ、Ｒｄ及びＣｄ又は両方の巻線の組を通過する際にも、独立に動作する。

図７Ａは、統合型インダクタ組立体７００の例示用の三次元（３Ｄ）の図であり、これは、統合型インダクタ組立体３００の一実施形態である。例えば、統合型インダクタ組立体は、第１インダクタと関連した第１巻線の組Ｌｕ、Ｒｕ及びＣｕ並びに第２インダクタと関連した第２巻線の組Ｌｄ、Ｒｄ及びＣｄがその周りにおいて巻回される第１外側脚部７０４、第２外側脚部７０６及び中央脚部７０８を有する磁気コア７０２を含んでいる。いくつかの実施形態においては、磁気コア７０２の寸法及び第１外側脚部７０４、第２外側脚部７０６、及び中央脚部７０８の長さ又は幅は、第１巻線の組Ｌｕ、Ｒｕ及びＣｕ並びに第２巻線の組Ｌｄ、Ｒｄ及びＣｄによって生成される磁束が互いに干渉しないように、第１インダクタ３１４と第２インダクタ３１６の間における独立性を維持することに基づいている。また、これに加えて、巻線の巻回の数、巻線のタイプ及び磁気コア７０２の第１半体と第２半体の間の空隙７２２の長さは、第１インダクタ３１４又は第２インダクタ３１６の独立的な動作に対してのみならず、動作特性に対しても、影響を及ぼしうる。一実施形態においては、磁気コア７０２の第１半体と第２半体の間の空隙７２２の長さを増大させることにより、第１インダクタ３１４又は第２インダクタ３１６のインダクタンス値が低減されている。

図７Ｂは、統合型インダクタ組立体７００の例示用の３Ｄの図であり、これは、磁気コア７０２の１つの半体のみを示し、且つ、統合型インダクタ組立体７００の第１巻線の組Ｌｕ、Ｒｕ及びＣｕ並びに第２巻線の組Ｌｄ、Ｒｄ及びＣｄの電流方向をも含む。図７Ｂの磁気コア７０２の半体は、中央脚部７０８の幅が第１外側脚部７０４及び第２外側脚部７０６の幅を上回っていることを示している。いくつかの実施形態においては、中央脚部７０８の幅が増大するのに伴って、第２巻線の組の中央巻線Ｃｄに跨る励起電圧Ｖ６０８が増大している。また、中央巻線Ｃｕ又はＣｄの巻回の数は、励起電圧Ｖ６０８に基づいたものであってもよい。同様に、第１外側脚部７０４及び第２外側脚部７０６の幅は、外側巻線Ｌｄ及びＲｄに跨る励起電圧Ｖ５０８に基づいており、これは、中央巻線Ｃｄに跨る励起電流Ｖ６０８と等しい。これに加えて、外側巻線Ｌｕ、Ｒｕ、Ｌｄ又はＲｄの巻回の数は、励起電圧Ｖ５０８に基づいたものであってもよく、且つ、中央巻線Ｃｕ又はＣｄの巻回の数は、励起電圧Ｖ６０８に基づいたものであってもよい。

図８Ａ〜図８Ｃは、統合型インダクタ組立体３００の磁束プロファイルの例示用の図であり、且つ、表１は、統合型インダクタ組立体３００の対応した動作特性を含む。図８Ａは、一実施形態における統合型インダクタ組立体３００の磁束プロファイルであり、この場合に、第１インダクタ３１４の第１巻線の組Ｌｕ、Ｒｕ及びＣｕは、２００キロヘルツ（ｋＨｚ）の周波数を有する６．５Ａの印加電流を有しており、且つ、第２インダクタ３１６の第２巻線の組Ｌｄ、Ｒｄ及びＣｄは、印加電流を有していない。表１に示されているように、第１巻線の組Ｌｕ、Ｒｕ及びＣｕは、約５０Ｖの電圧を有しており、且つ、第２巻線の組Ｌｄ、Ｒｄ及びＣｄは、約ゼロボルトの電圧を有している。また、第１インダクタ３１４と関連した第１巻線の組Ｌｕ、Ｒｕ及びＣｕは、６．１マイクロヘンリー（μＨ）のインダクタンス値を有しており、且つ、第２インダクタ３１６と関連した第２巻線の組Ｌｄ、Ｒｄ及びＣｄは、ゼロマイクロヘンリーのインダクタンス値を有している。第１巻線の組及び第２巻線の組に印加されている電流の量は、等しくはないが、第１巻線の組Ｌｕ、Ｒｕ及びＣｕの動作特性は、第２巻線の組Ｌｄ、Ｒｄ及びＣｄの動作特性とは独立している。

図８Ｂは、一実施形態における統合型インダクタ組立体３００の磁束プロファイルであり、この場合に、第１インダクタ３１４の第１巻線の組Ｌｕ、Ｒｕ及びＣｕ並びに第２インダクタの第２巻線の組Ｌｄ、Ｒｄ及びＣｄは、２００ｋＨｚの周波数を有する６．５Ａの印加電流を有している。これに加えて、第１巻線の組Ｌｕ、Ｒｕ及びＣｕ並びに第２巻線の組Ｌｄ、Ｒｄ及びＣｄを通じた電流は、ゼロの位相シフトを有しており、これは、同相とも呼称されうる。表１に示されているように、第１巻線の組Ｌｕ、Ｒｕ及びＣｕ並びに第２巻線の組Ｌｄ、Ｒｄ及びＣｄは、いずれも、約５０Ｖの電圧を有している。また、第１インダクタ３１４と関連した第１巻線の組Ｌｕ、Ｒｕ及びＣｕ並びに第２のインダクタ３１６と関連した第２巻線の組Ｌｄ、Ｒｄ及びＣｄは、６．１μＨのインダクタンス値を有している。

図８Ｃは、一実施形態における統合型インダクタ組立体３００の磁束プロファイルであり、この場合に、第１インダクタ３１４の第１巻線の組Ｌｕ、Ｒｕ及びＣｕ並びに第２インダクタの第２巻線の組Ｌｄ、Ｒｄ及びＣｄは、２００ｋＨｚの周波数を有する６．５Ａの印加電流を有している。これに加えて、第１巻線の組Ｌｕ、Ｒｕ及びＣｕ並びに第２巻線の組Ｌｄ、Ｒｄ及びＣｄを通じた電流は、１８０°の位相シフトを有している。表１に示されているように、第１巻線の組Ｌｕ、Ｒｕ及びＣｕ並びに第２巻線の組Ｌｄ、Ｒｄ及びＣｄは、いずれも、約５０Ｖの電圧を有している。また、第１インダクタ３１４と関連した第１巻線の組Ｌｕ、Ｒｕ及びＣｕ並びに第２インダクタ３１６と関連した第２巻線の組Ｌｄ、Ｒｄ及びＣｄは、いずれも、６．１μＨのインダクタンス値を有している。第１巻線の組Ｌｕ、Ｒｕ及びＣｕ並びに第２巻線の組Ｌｄ、Ｒｄ及びＣｄを通じた電流は、位相がずれているが、第１巻線の組Ｌｕ、Ｒｕ及びＣｕの動作特性は、第２巻線の組Ｌｄ、Ｒｄ及びＣｄの動作特性とは独立している。

図９は、統合型インダクタ設計プロセス９００の例示用のフローチャートである。統合型インダクタ設計プロセス９００は、本明細書においては、統合型インダクタ組立体３００及びブーストコンバータ回路２００との関係において記述されているが、統合型インダクタ設計プロセス９００は、その他のタイプの統合型インダクタ組立体及び電力変換回路にも適用されうる。

ステップＳ９０２において、ブーストコンバータ回路２００などの電力転送システムの動作特性が判定されている。例えば、ブーストコンバータ回路２００は、電力をバッテリ２０６及びバッテリ２０８から可変電圧負荷２０１に独立に供給する２つの電力転送段を含む。ブーストコンバータシステム２００の動作特性は、バッテリ２０６及び２０８の電力及び電圧特性、負荷２１０の電力及び電圧特性、電力転送段の数並びにこれらに類似したものを含むことができる。また、一実施形態においては、ブーストコンバータ回路２００の動作特性は、バッテリ２０６又は２０８のうちの１つのバッテリの障害の際のバッテリ２０６及び２０８の間におけるワーストケース電圧差をも含む。例えば、バッテリ２０８の障害が発生した際には、バッテリ２０６のみが電力を負荷２１０に提供し、且つ、バッテリ２０８と関連したインダクタ２０４を通じて流れる電流の量は、ゼロであり、且つ、バッテリ２０６と関連したインダクタ２０２を通じて流れる電流の量は、１００Ａなどのように、ゼロを上回っている。

ステップＳ９０４において、ブーストコンバータ回路２００と関連したインダクタの特性が、ステップＳ９０２において判定された電力転送システムの動作特性に基づいて判定されている。例えば、バッテリ２０６及び２０８の間におけるワーストケース電圧差を使用することにより、ワーストケース電圧差が発生した際にインダクタ３１４及び３１６が独立に動作するように、統合型インダクタ組立体３００のインダクタ３１４及び３１６を設計することができる。これに加えて、インダクタ３１４及び３１６の特性は、ブーストコンバータ回路２００の電力転送段のそれぞれごとのインダクタンス値を含むことできる。また、ブーストコンバータ回路２００の動作特性に基づいて、統合型インダクタンス組立体３００の物理特性を判定することもできる。例えば、磁気コア３０６の寸法、磁気コア３０６の外側脚部３０８、３１０及び中央脚部３０８の長さ及び幅、第１巻線の組Ｌｕ、Ｒｕ及びＣｕ並びに第２巻線の組Ｌｄ、Ｒｄ及びＣｄの巻回数並びにこれらに類似したものは、ブーストコンバータ回路２００の電力転送段のそれぞれごとに既定の値のインダクタンスを実現することに基づいたものであってもよい。

ステップＳ９０６において、第１インダクタ３１４の第１巻線の組Ｌｕ、Ｒｕ及びＣｕと第２インダクタ３１６の第２巻線の組Ｌｄ、Ｒｄ及びＣｄとの間における独立的な動作を維持するべく、磁気コア／巻線構造又は特性を変更することができる。いくつかの実施形態においては、中央脚部３１２の幅が増大するのに伴って、第２巻線の組の中央巻線Ｃｄに跨る励起電圧Ｖ６０８が増大している。また、中央巻線Ｃｕ又はＣｄの巻回の数は、励起電圧Ｖ６０８に基づいたものであってもよい。同様に、第１外側脚部３０８及び第２外側脚部３１０の幅は、外側巻線Ｌｄ及びＲｄに跨る励起電圧Ｖ５０８に基づいており、これは、中央巻線Ｃｄに跨る励起電圧Ｖ６０８に等しい。これに加えて、外側巻線Ｌｕ、Ｒｕ、Ｌｄ又はＲｄの巻回の数は、励起電圧Ｖ５０８に基づいたものであってもよく、且つ、中央巻線Ｃｕ又はＣｄの巻回の数は、励起電圧Ｖ６０８に基づいたものであってもよい。

以上、いくつかの実施形態について説明した。但し、本開示の精神及び範囲を逸脱することなしに、様々な変更が実施されうることを理解されたい。例えば、開示された技法のステップが、異なるシーケンスにおいて実行された場合にも、開示されているシステム内のコンポーネントが、異なる方式によって組み合わせられた場合にも、或いは、コンポーネントが、その他のコンポーネントによって置換又は補完された場合にも、好適な結果が実現されうる。従って、その他の実施形態も、特許請求されうる範囲に含まれている。

Claims (19)

1. 中央脚部を含む磁気コアであって、前記中央脚部は、前記中央脚部の両側の第１外側脚部及び第２外側脚部と平行である、磁気コアと、
   前記中央脚部、前記磁気コアの前記第１外側脚部及び前記磁気コアの前記第２外側脚部の周りにおいて巻回された第１インダクタの第１巻線の組と、
   前記磁気コアの前記中央脚部、前記第１外側脚部及び前記第２外側脚部の周りにおいて巻回された第２インダクタの第２巻線の組と、
   を有し、
   前記第１巻線の組及び前記第２巻線の組は、前記磁気コアの前記中央脚部の周りにおいて巻回された中央巻線、前記磁気コアの前記第１外側脚部の周りにおいて巻回された第１外側巻線及び前記磁気コアの前記第２外側脚部の周りにおいて巻回された第２外側巻線を含む、統合型インダクタ組立体。
2. 請求項１に記載の組立体であって、前記第１巻線の組は、前記磁気コアの前記中央脚部、前記第１外側脚部及び前記第２外側脚部の第１半体の周りにおいて巻回されており、且つ、前記第２巻線の組は、前記磁気コアの前記中央脚部、前記第１外側脚部及び前記第２外側脚部の第２半体の周りにおいて巻回されている、統合型インダクタ組立体。
3. 請求項２に記載の組立体であって、前記磁気コアの前記中央脚部、前記第１外側脚部及び前記第２外側脚部の前記第１半体は、前記第１インダクタ及び前記第２インダクタの既定のインダクタンス特性に対応した空隙により、前記磁気コアの前記中央脚部、前記第１外側脚部及び前記第２外側脚部の前記第２半体から分離されている、統合型インダクタ組立体。
4. 請求項１に記載の組立体であって、前記第１インダクタは、前記第２インダクタによって生成される第２の磁束量とは独立した入力電流に応じて、第１の磁束量を生成するように構成されている、統合型インダクタ組立体。
5. 請求項１に記載の組立体であって、前記第１巻線の組又は前記第２巻線の組の前記中央巻線、前記第１外側巻線及び前記第２外側巻線は、直列状態に接続されている、統合型インダクタ組立体。
6. 請求項１に記載の組立体であって、前記第１巻線の組又は前記第２巻線の組の前記第１外側巻線は、前記磁気コアの前記第１外側脚部及び前記第２外側脚部の間における第１磁束経路を介して、前記第２外側巻線に相互結合されている、統合型インダクタ組立体。
7. 請求項６に記載に組立体であって、前記第１巻線の組の前記第１外側巻線及び前記第２外側巻線は、前記第２巻線の組の前記第１外側巻線及び前記第２外側巻線に跨って第１励起電圧を生成するように構成されている、統合型インダクタ組立体。
8. 請求項７に記載の組立体であって、前記第１外側巻線及び前記第２外側巻線の巻回の数は、前記第２巻線の組の前記第１外側巻線及び前記第２外側巻線に跨る前記第１励起電圧に基づいている、統合型インダクタ組立体。
9. 請求項１に記載の組立体であって、前記第１巻線の組又は前記第２巻線の組の前記第１外側巻線及び前記第２外側巻線は、前記中央巻線から結合解除されている、統合型インダクタ組立体。
10. 請求項１に記載の組立体であって、前記第１巻線の組の前記中央巻線は、前記第２巻線の組の前記中央巻線に跨る第２励起電圧を生成するように構成されている、統合型インダクタ組立体。
11. 請求項１０に記載の組立体であって、前記第２巻線の組の前記中央巻線に跨る前記第２励起電圧は、前記第２巻線の組の前記第１外側巻線及び前記第２外側巻線に跨る第１励起電圧に等しい、統合型インダクタ組立体。
12. 請求項１０に記載の組立体であって、前記第２励起電圧の第２方向は、前記第１励起電圧の第１方向とは反対である、統合型インダクタ組立体。
13. 請求項１０の組立体であって、前記中央巻線の巻回の数は、前記第２巻線の組の前記中央巻線に跨る前記第２励起電圧に基づいている、統合型インダクタ組立体。
14. 請求項１に記載の組立体であって、前記第１インダクタの前記第１巻線の組において生成される第１励起電圧及び前記第２インダクタの前記第２巻線の組において生成される第２励起電圧は、前記第１巻線の組を通じた第１電流又は前記第２巻線の組を通じた第２電流の位相とは独立している、統合型インダクタ組立体。
15. 請求項１に記載の組立体であって、前記第１巻線の組を通過する第１の電流量は、前記第２巻線の組を通過する第２の電流量とは独立している、統合型インダクタ組立体。
16. 請求項１に記載の組立体であって、前記磁気コアの前記中央脚部、前記第１外側脚部又は前記第２外側脚部の幅は、前記第１巻線の組又は前記第２巻線の組に跨る励起電圧に基づいている、統合型インダクタ組立体。
17. それぞれが対応するインダクタを含む１又は複数の電力転送段を介して１又は複数の電源から電気負荷に電力を提供するように構成されたブーストコンバータ回路を含む電力転送システムの動作特性を判定するステップと、
    前記電力転送システムの動作特性に基づいて、統合型インダクタ組立体の特性を判定するステップであって、前記統合型インダクタ組立体は、
    中央脚部を含む磁気コアであって、前記中央脚部は、前記中央脚部の両側の第１外側脚部及び第２外側脚部と平行である、磁気コア、
    前記磁気コアの前記中央脚部、前記第１外側脚部及び前記第２外側脚部の周りにおいて巻回された第１インダクタの第１巻線の組、及び、
    前記磁気コアの前記中央脚部、前記第１外側脚部及び前記第２外側脚部の周りにおいて巻回された第２インダクタの第２巻線の組、を含み、
    前記第１巻線の組及び前記第２巻線の組は、前記磁気コアの前記中央脚部の周りにおいて巻回された中央巻線、前記磁気コアの前記第１外側脚部の周りにおいて巻回された第１外側巻線及び前記磁気コアの前記第２外側脚部の周りにおいて巻回された第２外側巻線を含む、ステップと、
    前記第１インダクタ及び前記第２インダクタの独立的な動作を維持するべく、前記磁気コア、前記第１巻線の組又は前記第２巻線の組の特性を変更するステップと、
    を有する方法。
18. 請求項１７に記載の方法であって、前記電力転送システムの動作特性を判定するステップは、前記１又は複数の電源のうちの１つの電源の障害の際に前記１又は複数の電源の間におけるワーストケース電圧差を判定するステップを更に有する、方法。
19. それぞれが対応するインダクタを含む１又は複数の電力転送段を介して１又は複数の電源から電気負荷に電力を提供するように構成されたブーストコンバータ回路と、
    統合型インダクタ組立体であって、
    中央脚部を含む磁気コアであって、前記中央脚部は、前記中央脚部の両側の第１外側脚部及び第２外側脚部と平行である、磁気コア、
    前記磁気コアの前記中央脚部、前記第１外側脚部及び前記第２外側脚部の周りにおいて巻回された前記ブーストコンバータ回路の第１電力転送段用の第１インダクタの第１巻線の組、及び、
    前記磁気コアの前記中央脚部、前記第１外側脚部及び前記第２外側脚部の周りにおいて巻回された前記ブーストコンバータ回路の第２電力転送段用の第２インダクタの第２巻線の組、を含み、
    前記第１巻線の組及び前記第２巻線の組は、前記磁気コアの前記中央脚部の周りにおいて巻回された中央巻線、前記磁気コアの前記第１外側脚部の周りにおいて巻回された第１外側巻線及び前記磁気コアの前記第２外側脚部の周りにおいて巻回された第２外側巻線を含む、組立体と、
    を有するシステム。