JP2020523775A - ストレージチョーク（Ｓｔｏｒａｇｅ Ｃｈｏｋｅ） - Google Patents

Abstract

【課題】新規な多相型ＤＣ／ＤＣコンバ−タ用のストレージチョークを提供する。【解決手段】本発明は、少なくとも２つのコイル（２）と、コイル（２）を互いに結合させるコア（４）と、を備え、コア（４）が、第１の材料を含む第１の領域（５）と、第１の材料とは異なる第２の材料を含む第２の領域（６）と、を備える、多相型ＤＣ／ＤＣコンバ−タ用のストレージチョーク（１）に関する。【選択図】 図１

Description

本発明は、多相型ＤＣ／ＤＣコンバ−タ用のストレージチョークに関する。

本発明は、有利なストレージチョークを提供するという目的を達成する。例えば、ストレージチョークのコモンモードインダクタンス及び差動モードインダクタンスは、多相型ＤＣ／ＤＣコンバ−タにおける使用に適するように構成することができる。

この目的は、請求項１に記載のストレージチョークによって達成される。

少なくとも２つのコイルと、コイルを互いに結合させるコアと、を備え、コアが、第１の材料を含む第１の領域と、第１の材料とは異なる第２の材料を含む第２の領域と、を備える、多相型ＤＣ／ＤＣコンバ−タ用のストレージチョークが提案される。

第１の領域は好ましくは、第１の材料から成ることができる。第２の領域は好ましくは、第２の材料から成ることができる。

２つの互いに異なる材料を含むコアの使用により、コアが所望のコモンモードインダクタンス及び所望の差動モードインダクタンスを有するように、コアを構成することが可能になる。したがって、２つの互いに異なる材料を含むコアの使用により、ストレージチョークのコモンモードインダクタンス及び差動モードインダクタンスの最適化を可能にする、設計のより高い自由度を実現できる。特に、コモンモードインダクタンス及び差動モードインダクタンスはこの場合、互いとは別々に最適化されてもよい。

コモンモードインダクタンスでは、ＤＣ成分が高くＡＣ成分がごく低い磁束が必須である。ストレージチョークがＤＣ／ＤＣコンバ−タにおいて使用される場合、この磁束が全体的な磁束の大部分を担っている。したがって高い飽和磁束密度を有する材料を選択すべきである。

差動モードインダクタンスでは、ＡＣ成分が高い磁束が必須である。差動モードインダクタンスにとって必須の磁束に起因して生じる電流は、ストレージチョークの入力部を流れ、無効電力しか生じさせない。隣り合うコイルを位相をシフトさせて駆動させると、差動モードの磁束が得られる。しかしながら、差動モードの磁束はＤＣ成分を含まないのが理想的である。したがって飽和磁束密度はより低いが透磁率はより高い材料を選択することができる。このようにして達成できる効果は、差動モードの電流リプルが極力小さくなるというものである。したがって、無効電力は低い。

第１の材料は、ストレージチョークの特定のコモンモードインダクタンスが達成されるように構成及び配置することができる。第２の材料は、ストレージチョークの特定の差動モードインダクタンスが達成されるように構成及び配置することができる。

第１の材料は第２の材料よりも高い飽和磁化を有し得る。飽和磁化とは、外部の磁界強度が増大したとしても上回ることのできない、材料特異的な磁化の最大値を示す。第１の材料について、１Ｔよりも大きい磁束密度まで磁気飽和が起こらない場合がある。

コアは好ましくは、決定されたコモンモードインダクタンスの経路が第１の材料だけを通って延びるように構成することができる。第１の材料は、その高い飽和磁化により、決定されたコモンモードインダクタンスの経路に沿って十分に高い磁束を実現し得る。

第１の材料は第２の材料よりも低い透磁率を有し得る。透磁率とは、磁界に対する材料の透過性を示す。差動モードインダクタンスにとって必須の磁束が差動モード経路に沿って延びており、この差動モード経路は、透磁率が第１の材料よりも高く飽和磁化が第１の材料よりも低い、第２の材料によって最適化できる。第２の領域では、磁束は、高い透磁率を有する第２の材料の使用が適当である強度を有し得る。コアの第２の領域に存在する差動モードの磁束は、理想的にはＤＣ成分を含まず、したがって第２の領域の全体的な磁束密度はより低い。第２の材料の透磁率の方が高いため、差動モードインダクタンスの値は結果的に高くなり得る。

第１の領域は、杆形状のコアと内側プレートとを備えてもよい。各コイルは杆形状のコアの周囲に巻かれてもよく、杆形状のコアは内側プレートに接して担持されている。特に、第１の領域は２つの内側プレートを備えてもよく、杆形状のコアは複数の内側プレート同士の間に配置されている。この場合、杆形状のコア及び内側プレートは、コモンモードインダクタンスの決定において本質的なものである。杆形状のコアは対称軸を有してもよく、対称軸が内側プレートに対して垂直になるように配置されている。コイルは、杆形状のコアの対称軸を包囲していてもよい。

第２の領域は、複数の内側プレートの杆形状のコアから離れる方に向いている側に配置されており且つ複数の内側プレートと平行に配置されている、外側プレートを備えてもよい。特に、第２の領域は、内側プレートと平行にそれぞれ配置されており且つ複数の内側プレートの杆形状のコアから離れる方をそれぞれ向いている側に配置されている、２つの外側プレートを備えてもよい。第１の領域はこの場合、２つの外側プレートの間に配置することができる。

複数の内側プレート及び複数の外側プレートは、間隙によって互いから分離することができる。

第１の領域は少なくとも１つのコア部分を備えてもよく、少なくとも１つのコア部分は２つのコイルの間に、少なくとも１つのコア部分の第１の側面が２つのコイルの一方の方を向いており且つ少なくとも１つのコア部分の第２の側面が２つのコイルのもう一方の方を向いているように、配置されている。少なくとも１つのコア部分はこの場合、コイルが生成する磁界を担うように構成される。

少なくとも１つのコア部分は、三角形の断面を有し得る。三角形の断面は、コイルの丸みを帯びた形状に非常に良好に適合し、コイルの近くの広い領域を覆って配置できるので、特に有利である。

第１の領域は、そのようなコア部分を複数備えてもよく、複数のコア部分同士の間にはそれぞれ開口部が配置されている。したがって、個々のコア部分は接触していない。開口部を通して、コイルに冷却システムが直接アクセスすることができる。コア部分は磁界を担うのに寄与することができ、したがってコイルの冷却を妨げないように構成され得る。

第１の材料は圧粉体、特に圧粉鉄芯であってもよい。第２の材料は焼結材料であってもよい。焼結材料は例えば、マンガン亜鉛フェライトであってもよい。これらの材料は上記した有利な特性を有する。但し、他の材料を第１の材料及び／又は第２の材料として使用することも可能である。

別の態様によれば、本発明は、上記したストレージチョークを備える多相型ＤＣ／ＤＣコンバ−タに関する。本発明について、以下に各図を援用してより詳細に記載する。

ストレージチョークを示す斜視図である。 ストレージチョークを通る断面図である。 コアストレージチョークにおける磁束のシミュレーションを示す図である。 異なる尺度を用いた図３に示すシミュレーションを示す図である。 ストレージチョークを備えるＤＣ／ＤＣコンバ−タの回路図である。

図１は、多相型ＤＣ／ＤＣコンバ−タ用のストレージチョーク１を示す斜視図である。ストレージチョーク１は複数のコイル２を備える。特に、ストレージチョーク１は４つのコイル２を備える。コイル２の各々は、銅線を巻くことによって形成されている。巻きは杆形状のコア３の周囲にそれぞれ巻かれている。杆形状のコア３の軸線がｚ方向を定めている。杆形状のコア３は特に円筒形であってもよい。

ストレージチョーク１は、コイル２を互いに磁気結合させるコア４をさらに備える。コア４は、第１の材料を含む第１の領域５と、第１の材料とは異なる第２の材料を含む第２の領域６と、を備える。

図２はストレージチョーク１を通る断面を示す。断面は、杆形状のコア３の軸線に対して垂直な平面、すなわちｚ方向に対して垂直な平面を通って示されている。

コア４の第１の領域５は、上述した杆形状のコア３を備える。コイル２の各々は、杆形状のコア３のうちの１つの周囲に巻かれている。したがって銅巻線は、それぞれの杆形状のコア３に直接接して担持されている。

第１の領域５は、２つのコイル２の間にそれぞれ配置されているさらなるコア部分７を備える。これらのコア部分７の各々は、一方のコイル２の方を向いている第１の側面８と、もう一方のコイル２の方を向いている第２の側面９と、を備える。コア部分７はこの場合、ｚ方向に対して垂直な三角形状の断面を有する。それぞれのコイル２と、第１の側面８との又は第２の側面９との間には間隙が残されており、コイル２と側面８、９が接触しないようになっている。さらに、コア部分７は、コイル２から離れる方を向いている第３の側面１０を備える。

さらに、第１の領域５は、コイル２の方を向いている側面を１つしか備えない、外側コア部分１１を備える。外側コア部分１１もまた、ｚ方向に対して垂直な三角形状の断面を有する。外側コア部分１１は、コア部分７をｚ方向に２つに分割した形状を有する。

第１の領域５は、第１の内側プレート１２をさらに備える。第１の内側プレート１２は、第１の領域５の杆形状のコア３及びコア部分７、１１からｚ方向に続いている。特に、杆形状のコア３及びコア部分７、１１は、第１の内側プレート１２上に直接的に。第１の内側プレート１２と杆形状のコア３及びコア部分７、１１の端部との間には、間隙が配置されていない。

さらに、第１の領域５は、杆形状のコア３の及びコア部分７、１１の、第１の内側プレート１２から離れる方を向いている側に配置されている、第２の内側プレート１２をさらに備える。第２の内側プレート１３は、第１の内側プレート１２と同様の機能及び同様の構造を有する。

内側プレート１２、１３、杆形状のコア３、及び三角形の断面をそれぞれ有するコア部分７、１１は、第１の材料からそれぞれ成る。第１の材料は例えば、圧粉鉄芯であってもよい。第１の材料は高い飽和磁化を有する。例えば、第１の材料は、１Ｔよりも大きい磁束密度まで、磁気飽和を呈さない。第１の材料は、低い透磁率をさらに有する。

さらに、コア４は、第２の材料から成る第２の領域６を備える。第２の領域６は、第１の外側プレート１４と第２の外側プレート１５とを備える。第１の外側プレート１４は、第１の内側プレート１２の杆形状のコア３から離れる方を向いている側に配置されている。第１の外側プレート１４は、第１の内側プレート１２と平行に配置されている。第２の外側プレート１５は、第２の内側プレート１３の杆形状のコア３から離れる方を向いている側に配置されている。第２の外側プレート１５は、第２の内側プレート１３と平行に配置されている。第２の外側プレート１５は、第１の外側プレート１４と同じ構造及び同じ機能を有する。

第２の領域６は第２の材料から成るのが好ましい。第２の材料は焼結材料、好ましくはマンガン亜鉛フェライト（ＭｎＺｎフェライト）である。

内側プレート１２と外側プレート１４との間、及び内側プレート１３と外側プレート１５との間に、間隙１６が配置されている。間隙１６には空気を充填することができる。

以下では、図１及び図２に示すストレージチョーク１が、巻線における損失を最小限にするために、全体的な電流リプルが極力小さくなるようコモンモードインダクタンス及び差動モードインダクタンスを最適化するように構成されていることを説明する。

この文脈では、電流がストレージチョーク１のコイル２を通って流れるときのコア４における磁束のシミュレーションをそれぞれ示す、図３及び図４も参照する。両図では同じ電流を想定している。図３及び図４における表示は、使用される尺度が異なっている。図３では、磁束は０Ｔ〜１．５Ｔの間の尺度でプロットされている。図４では、磁束は０Ｔ〜０．４Ｔの間のさらに細かく分割した尺度でプロットされている。表現をより単純にするために、コイル２は図３及び図４には示していない。さらに、コア部分７のうちのいくつかだけが表されている。加えて、コア部分７は部分的にのみ表されている。

ストレージチョーク１は、コモンモードインダクタンス及び差動モードインダクタンスの両方を有する。コモンモードインダクタンスは、杆形状のコア３に沿ってｚ方向に延びる経路に沿った磁束によって本質的に決定され、第１の内側プレート１２を通ってそれぞれのコイル２の方を向いている側面８を有するコア部分７へと伝達され、このコア部分７を通ってマイナスｚ方向に延び、第２の内側プレート１３を通って同じ杆形状のコア３に戻って結合する。そのようなコモンモード部分１７の例が、図３に示されている。高いＤＣ成分及び低いＡＣ成分としての磁束が、コモンモードインダクタンスにとって必須である。

コモンモード経路１７は第１の領域５に沿って延在する。コモンモード経路１７はしたがって第１の材料内にのみ延在する。第１の材料は高い磁気飽和を有するので、コモンモード経路に沿って高い磁束を生成できる。このストレージチョークはＤＣ／ＤＣコンバ−タにおいて使用される。したがって、磁束の大部分はコモンモード経路に沿って生成される。この磁束は大きいＤＣ成分を有する。

差動モードインダクタンスについては、差動モード経路１８に沿って延びる磁束が必須である。そのような差動モード部分１８の例が、図４に示されている。差動モード部分１８は、ｚ方向に第１の杆形状のコア３ａに沿って延び、第１の外側プレート１４を通り、マイナスｚ方向に第２の杆形状のコア３ｂを通り、第２の外側プレート１５に沿って第１の杆形状のコア３ａに戻る。この経路１８は外側プレート１４、１５を通って延び、外側プレート１４、１５の材料は内側プレート１２、１３の材料よりも高い透磁率を有するので、差動モードインダクタンスとしては高い値が得られる。高い差動モードインダクタンスは、ストレージチョーク１の低い無効電力をもたらすので有利である。差動モード経路１８に沿った結合に起因して生じる磁束は、ストレージチョークの入力部を流れ、無効電力しか生じさせない。したがって、好適な第２の材料を使用することによってこの磁束を抑えることが望ましい。

さらに、第２の材料では僅かな損失しか生じない。したがって、コア４に２つの互いに異なる材料を使用することによって、ストレージチョークにおいて生じる損失が最小限になる。特に、コモンモード経路１７に沿って生じる磁束を実質的に制限する必要なく、損失を最小限にすることが可能である。

さらに、第１の領域５は、三角形の断面を有する上記したコア部分７と、外側コア部分１１と、を備える。これらコア部分は対応するコイル２のすぐ近くに位置付けられているので、これらコア部分により、コイル２が生成する磁界の良好な誘導を保証できる。

三角形の断面を有するコア部分７の構成により、２つのコア部分７の間に開口部１９を配置することが可能になる。したがって２つの隣り合うコア部分７は接触しない。コイル２には、複数のコア部分７同士の間の開口部１９を通してアクセス可能である。このことによりコイル２の冷却が可能になる。コア部分７のこの構成によりしたがって、ストレージチョーク１の冷却を妨げることなく磁界を誘導することが可能になる。同じことが外側コア部分１１にも当てはまる。開口部１９は同様に、外側コア部分１１とこれに隣り合うコア部分７との間に形成されている。

コモンモードインダクタンス及び差動モードインダクタンスは、コア４の第１の領域５及び第２の領域６の幾何的寸法によって決定される。例えば、杆形状のコア３の直径並びに／又は内側プレート１２、１３及び外側プレート１４、１５の厚さを変更することによって、コモンモードインダクタンス及び差動モードインダクタンスを変えることができる。三角形の断面を有するコア部分７、１１の幾何的寸法を変えることによっても、コモンモードインダクタンス及び差動モードインダクタンスを望むように変更できる。したがって、本明細書に記載するコア４により、コア４の幾何形状を精密に変更することによってコモンモードインダクタンス及び差動モードインダクタンスを用途ごとに適合させることのできる、設計の高い自由度が実現される。

ここで記載するストレージチョークはしたがって、コモンモードチョークと差動モードチョークを組み合わせたものを表している。この組み合わせにより、ストレージチョークは２つの別々の成分を置き換えこのようにして磁気体積を低減するのに適したものとなり得る。

図５は、本明細書に記載するストレージチョーク１を備える多相型ＤＣ／ＤＣコンバ−タの回路図を示す。

１ ストレージチョーク
２ コイル
３、３ａ、３ｂ 杆形状のコア
４ コア
５ 第１の領域
６ 第２の領域
７ コア部分
８ 第１の側面
９ 第２の側面
１０ 第３の側面
１１ 外側コア部分
１２ 第１の内側プレート
１３ 第２の内側プレート
１４ 第１の外側プレート
１５ 第２の外側プレート
１６ 間隙
１７ コモンモード経路
１８ 差動モード経路
１９ 開口部

Claims (13)

1. 少なくとも２つのコイル（２）と、前記コイル（２）を互いに結合させるコア（４）と、を備え、前記コア（４）が、第１の材料を含む第１の領域（５）と、第１の材料とは異なる第２の材料を含む第２の領域（６）と、を含む、多相型ＤＣ／ＤＣコンバ−タ用のストレージチョーク（１）。
2. 前記第１の材料が前記第２の材料よりも高い飽和磁化を有する、請求項１に記載のストレージチョーク（１）。
3. 前記第１の材料について、１テスラよりも大きい磁束密度まで磁気飽和が起こらない、請求項１又は２に記載のストレージチョーク（１）。
4. 前記第１の材料が前記第２の材料よりも低い透磁率を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のストレージチョーク（１）。
5. 前記第１の領域（５）が複数の杆形状のコア（３）と複数の内側プレート（１２）とを備え、各コイル（２）が１つの杆形状のコア（３）の周囲に各々巻かれており、前記複数の杆形状のコア（３）が、前記複数の内側プレート（１２）同士の間に配置されており且つ前記複数の内側プレート（１２）に直接接して担持されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載のストレージチョーク（１）。
6. 前記第２の領域（６）が、前記複数の内側プレート（１２）の前記杆形状のコア（３）から離れる方に向いている側に配置されており且つ前記複数の内側プレート（１２）と平行に配置されている外側プレート（１４）を備える、請求項５に記載のストレージチョーク（１）。
7. 前記複数の内側プレート（１２）及び前記複数の外側プレート（１４）が間隙（１６）によって互いから分離されている、請求項６に記載のストレージチョーク（１）。
8. 前記第１の領域（５）が少なくとも１つのコア部分（７）を備え、前記少なくとも１つのコア部分（７）が２つのコイル（２）の間に、前記少なくとも１つのコア部分（７）の第１の側面（８）が前記２つのコイル（２）の一方の方を向いており且つ前記少なくとも１つのコア部分（７）の第２の側面（９）が前記２つのコイル（２）のもう一方の方を向いているように、配置されている、請求項１〜７のいずれか一項に記載のストレージチョーク（１）。
9. 前記少なくとも１つのコア部分（７）が三角形の断面を有する、請求項８に記載のストレージチョーク（１）。
10. 前記第１の領域（５）が複数のコア部分（７）を備え、前記複数のコア部分（７）同士の間には開口部（１９）がそれぞれ配置されている、請求項８又は９に記載のストレージチョーク（１）。
11. 前記第１の材料が圧粉鉄芯である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のストレージチョーク（１）。
12. 前記第２の材料が焼結材料、例えばマンガン亜鉛フェライトである、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のストレージチョーク（１）。
13. 請求項１〜１２のいずれか一項に記載のストレージチョーク（１）を備える、多相型ＤＣ／ＤＣコンバ−タ。

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