JP5129294B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、２相モードで動作する電力変換装置に関するものであって、特に、磁性材料により形成されたコア形状に特徴を有する電力変換装置に関するものである。

従来、映像音声機器やＯＡ情報機器等の電子機器製品において、力率改善させる力率改善回路が知られている。

この力率改善回路の一例として、直流電流に対して複数の昇圧回路が並列に接続され、各昇圧回路は、昇圧チョークと、昇圧ダイオードと、スイッチング素子とで構成されているものがある。例えば、昇圧回路の出力側に平滑コンデンサが接続され、平滑コンデンサに並列に負荷が接続され、昇圧回路を構成する各スイッチング素子は、制御回路から供給される制御信号パルスによりパルス幅変調制御されている手法が、特許文献１に提案されている。

特開２００２−１０６３２公報

上述したＤＣ／ＤＣコンバータでは、各昇圧回路は、インダクタ部と、昇圧ダイオードとスイッチング素子とで構成されている。また、２個の昇圧回路を用い、スイッチング素子は１８０度の位相差でオン／オフの制御がされており、このＤＣ／ＤＣコンバータは、２相モードで動作する。このようなＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、磁性材料により形成されたコアが四角形に角張った形状をしているものである場合、巻線を巻回する際に、コアと巻線の結合度が悪く、電力損失が多いという問題があった。

一方、産業界において、ハイブリッド車等（その他、ロボット、家電機器等）の電力変換装置（例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ、インバータ回路等）を用いる装置においては、搭載用の電力変換装置を、小型化を図ることが強く要請されている。上述したチョッパ方式のＤＣ／ＤＣコンバータでは、小型化の要請に適応できないという問題がある。

よって、ハイブリッド車等（その他、ロボット、家電機器等）の電力変換装置を用いる装置においては、小型かつ、２相モードで動作する電力変換装置の開発が急務の課題である。

そこで、本発明は、上記事情に鑑み、占有面積が小さく小型化可能であって、電力損失を減少させることを可能とする２相モードで動作するコア形状に特徴を有する電力変換装置を提供することを目的とするものである。

本発明の電力変換装置は、磁性材料により形成されたコアと、該コアの所定位置に巻線を巻回することにより構成される２相モードで動作する電力変換装置であって、コアは、中央脚と、該中央脚と並行に配置された円筒形状からなる、巻線が巻回された第１の外側脚と、中央脚を基準として、第一の外側脚と反対の位置に配置された第２の外側脚と、から構成される閉磁路である。

本発明の電力変換装置の中央脚は、円筒形状であってもよい。

「円筒形状」とは、円柱形状のみならず、楕円円筒の形状を含むものである。

本発明の電力変換装置のコアは、分離可能であってもよい。

本発明の電力変換装置は、直流電源の出力電圧を昇圧するものであって、各１次巻線が前記直流電源の正電源の正電極に接続されている２個のトランスと、各トランスそれぞれの１次巻線と直流電源の負電極との間にそれぞれ接続した２個のスイッチング素子と、第１のトランスの２次巻線と２番目のトランスの２次巻線との間に接続したインダクタ部と、２個のトランスの各１次巻線と前記直流電源の負電極との間にそれぞれ接続され、ダイオードとコンデンサとを含む２個の直列回路と、２個のトランスの２次巻線と前記インダクタ部は、閉ループを形成するように互いに直列に接続され、２個の直列回路に含まれる各コンデンサは、単一の平滑コンデンサを共用し、コアは、２個のトランスの１次巻線がそれぞれ巻回されている２個の外側脚と、中央脚により構成されているものであってもよい。

本発明の電力変換装置のコア全体の形状は、丸み形状であってもよい。

本発明の電力変換装置の巻線は、互いに同一の巻数を有するものであってもよい。

本発明の電力変換装置は、ＤＣ／ＤＣコンバータであってもよい。

また、本発明の電力変換装置は、インバータ回路装置であってもよい。更に、本発明の電力変換装置は、電気自動車、ロボット、家電機器、太陽発電機、発動発電機、大容量電源、医療機器、液晶テレビ、ＬＥＤ照明電源のいずれかに搭載されるものであってもよい。

本発明の電力変換装置によれば、コアは、中央脚と、該中央脚と並行に配置された円筒形状からなる、巻線が巻回された第１の外側脚と、中央脚を基準として、第一の外側脚と反対の位置に配置された第２の外側脚と、から構成される閉磁路であるものであるため、巻線に巻回する際に、コアと巻線の結合度が高く、電力損失を少なく、かつ小型にすることができる。

本発明の実施形態におけるＤＣ／ＤＣコンバータの一例を示す回路図 本発明の実施形態における磁気回路を有するＤＣ／ＤＣコンバータの一例を示す回路図 本発明の実施形態におけるコア形状の一例を示す図 図３のコア形状を磁気回路に置き換えた一例を示す図 本発明の実施形態におけるコアの外脚部が円筒形状であるコアの一例を示す図 図５のコアを保持するボビンの一例を示す図 四角形状の磁性体と、円筒形状の磁性体とに巻線を巻回した状態を示す図 図５に示すコアと、図６に示すボビンの組み合わせを示す図 本発明の実施形態における丸み形状のコアの一例を示す図 本発明の実施形態における丸み形状のコア二つを組み合せたものの断面図 角型のコア形状と丸み形状のコアとの磁束密度分布の比較を表す図

本発明の実施の形態となる電力変換装置について、図面を参照しつつ説明する。

本発明の電力変換装置は、磁性材料により形成されたコアと、コアの所定位置に巻線を巻回することにより構成される２相モードで動作するものであって、コアは、中央脚と、該中央脚と並行に配置された円筒形状（円柱形状のみならず、楕円円筒の形状を含むものであってもよい）からなる、巻線が巻回された第１の外側脚と、中央脚を基準として、第一の外側脚と反対の位置に配置された第２の外側脚と、から構成される閉磁路である。

本発明の電力変換装置は、インターリーブ制御によるＩＣ回路であってもよい。

まず、本発明の電力変換装置の一例である、昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータを説明する。図１は、このＤＣ／ＤＣコンバータを示すものである。

本実施形態では、２相モードで昇圧動作を行うＤＣ／ＤＣコンバータについて説明する。本例の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータは、２個のトランスＴ１およびＴ２を有し、各トランスによりコンバータ出力を合成する。そして、周波数を２倍にしてインダクタ部に加えることにより、エネルギー蓄積素子として機能するインダクタ部の小型化を図っている。

また、エネルギー蓄積要素であるインダクタ部をトランスにより結合させることにより、コアを１つにまとめることが可能で、さらに各相のインダクタ電流成分をエネルギー蓄積要素内で重畳させることができ、リプル幅が低減され、コアサイズ自体の小型化も可能となる。

直流電源Ｖdc1の出力電圧を所定の電圧に昇圧する。直流電源Ｖdc1の正電極には、２個のトランスＴ１およびＴ２の１次巻線の一端（巻き始め端）をそれぞれ接続する。第１および第２のトランスＴ１およびＴ２は共に同一構成とする。第１のトランスＴ１は、１次巻線１ａと２次巻線１ｂを有し、１次巻線１ａの他端と直流電源Ｖdc1の負電極との間に、第１のスイッチング素子Ｑ１を接続する。スイッチング素子として、MOSFET等の各種スイッチング素子を用いることができる。第２のトランスＴ２は１次巻線２ａと２次巻線２ｂとを有し、１次巻線の２ａの他端と直流電源の負電極との間に、第２のスイッチング素子Ｑ２を接続する。スイッチング素子Ｑ１およびＱ２は、制御回路１０により、１／２周期の位相差で順次オン／オフ制御される。

本実施形態では、第１のトランスＴ１の２次巻線１ｂと第２のトランスＴ２の２次巻線２ｂとの間にインダクタ部Ｌを接続する。第１および第２のトランスＴ１およびＴ２の２次巻線１ｂおよび２ｂ及びインダクタ部Ｌは、閉ループを形成するように直列に接続する。

第１のトランスＴ１の１次巻線１ａと直流電源Ｖdc1の負電極との間に、ダイオードＤ１と平滑コンデンサＣとの直列回路を接続する。第２のトランスＴ２の１次巻線２ａと直流電源の負電極との間に、ダイオードＤ２と平滑コンデンサＣとの直列回路を接続する。平滑コンデンサＣと並列に負荷ＲLを接続する。

第１のトランスＴ１と、第１のダイオードＤ１と、平滑コンデンサＣとは第１のコンバータを構成する。第２のトランスＴ２と、第２のダイオードＤ２と、平滑コンデンサＣとは、第２のコンバータを構成する。

図２は、磁気回路を有する本発明によるＤＣ／ＤＣコンバータの一例を示す線図である。尚、図１で用いた構成要素と同一の構成要素には同一符号を付して説明する。直流電源Ｖdc1の直流電圧を昇圧する。磁気回路４０は、閉磁路を形成する単一のコア４１により構成する。コア４１は、第１〜第３の脚４２、４３、４５を有し、第１の脚４２（外側脚）には第１の巻線ｎ１１を巻回し、第２の脚４３（外側脚）には第２の巻線ｎ１２を巻回する。第３の脚４５（中央脚）にはエアギャップ４６を形成する。

また、エアギャップが形成されている第３の脚の配置位置は、第１の脚と第２の脚の間に設けることも可能である。なお、エアギャップが形成されていなくてもよい。

第１〜第２の巻線ｎ１１〜ｎ１２の各一端は直流電源Ｖdc1の正電極にそれぞれ接続し、各他端はそれぞれスイッチング素子Ｑ１およびＱ２を介して直流電源の負電極にそれぞれ接続する。第１の巻線ｎ１１の他端と直流電源の負電極との間に、ダイオードＤ１と平滑コンデンサＣとを含む第１の直列回路を接続する。第２の巻線ｎ１２の他端と直流電源の負電極との間に、第２のダイオードＤ２と平滑コンデンサＣを含む第２の直列回路を接続する。平滑コンデンサＣに並列に負荷ＲLを接続する。

第１の巻線ｎ１１と、第１のダイオードＤ１と、平滑コンデンサＣとは第１のコンバータを構成する。第２の巻線ｎ１２と、第２のダイオードＤ２と、平滑コンデンサＣとは第２のコンバータを構成する。

第１および第２のスイッチング素子Ｑ１およびＱ２は、制御回路１０から順次供給される駆動パルスで順次動作する。

この２相モードＤＣ／ＤＣコンバータは、２個のトランスと１個のインダクタ部の代わりに、３個の脚を有する単一のコアで構成される複合磁気回路を用いているので、一層小型のＤＣ／ＤＣコンバータが実現される。

上述した２相モードＤＣ／ＤＣコンバータは、エネルギー蓄積要素であるインダクタ部をトランスにより結合させることにより、コアを１つにまとめることが可能で、さらに各相のインダクタ電流成分をエネルギー蓄積要素内で重畳させることができ、リプル幅が低減され、コアサイズ自体の小型化も可能となる。また、電解コンデンサの容量を小さくすることができる。

図３は、上述した図２の磁気回路４０を、わかりやすく簡素化しコア形状化して表したものである（簡素化するに際し、第１の巻線ｎ１１をｎ１とし、第２の巻線ｎ１２はｎ２として表す）。

図４は、図２のコア形状を磁気回路に置き換えたものである。

図４に示すように、この形状では各相の巻線に発生する磁束に対して磁路長にばらつきが生じて、この違いが各相の電流バランスに影響を及ぼし、ある１つの相にのみ電流が集中することとなり、マルチフェーズ化の意味を成さず、磁気飽和等による損失の増大も懸念される。

そこで、本発明の電力変換装置は、これらの不均衡を解決可能とするコア形状として、図５のようなコア形状を一例として示すものである。図５に示すコアを二つ用意し、それぞれのコアの外脚部の底面を合せるようにしてコアを形成する。コアは二つ用意されているため、それぞれのコアは分離可能である。

図５（Ａ）はコアの底面図を示し、図５（Ｂ）はコアの正面図を示し（背面図は正面図と同一であるため省略）、図５（Ｃ）はコアの左側面図（右側面図は左側面図と同一であるため省略）を示す。

図５に示すコアからわかるように、全ての巻線から見た磁路長が各相とも一致していることが明らかである。また、図５に示すコアは、このコアの両端にある２つの外側脚（第１の外側脚と第２の外側脚）と、コアの中央に位置する中央脚は円筒形状である。

図６は、図５のコアを保持するボビンを示しており、このコアをボビンにて保持することにより磁気回路を形成する。図６（Ａ）は、ボビンの左側面図（右側面図は左側面図と同一であるため省略）を示し、図６（Ｂ）は、ボビンの底面図を示し、図６（Ｃ）は、ボビンの正面図を示し（背面図は正面図と同一であるため省略）ている。

図５に示すように、コアの外足脚を円筒形状にすることで、巻線の巻回の結合度が上がる。具体的には、図７を参照して説明する。

図７（Ａ）は、巻線が巻回されたコア（磁性体５０）が四角柱の場合の断面を示す模式図であって、図７（Ｂ）は、巻線が巻回されたコア（磁性体５１）が円筒形状の場合の断面を示す模式図である。

図７（Ａ）の場合、巻線６０と磁性体５０の間に、空間５５ができているが、図７（Ｂ）の場合、巻線６１と磁性体５１の間に、空間ができにくくなる。そのため、コア（磁性体）の形状が、円筒形状である方が、巻線の結合度が高くなり、電力損失が減少する。

また、コアは、全体の形状を、丸味を帯びたもの（以下、丸み形状という）にしてもよい。

また、図８は、図５に示すコアと、図６に示すボビンが組み合わせる状況を示している。図８に示すように、コアとボビンを組み合わせ、コアの外側脚と組み合わさるボビンの筒上に巻線を巻回することにより、磁気回路を形成する。

また、本発明の実施形態は、図９に示すようなコアの全体形状を丸み形状にしたものであってもよい。図９（Ａ）は丸み形状コアの底面図を示し、図９（Ｂ）は丸み形状コアの正面図を示し（背面図は正面図と同一であるため省略）、図９（Ｃ）は丸み形状コアの左側面図（右側面図は左側面図と同一であるため省略）を示す。

例えば、図１０は、コアの全体形状を丸み形状したものを二つ組み合わせたものの断面図である。このような図１０のコア２つを分離することが可能である。

また、上述したが、図１０の外側脚４２、４３上に図６に示すようなボビンを装着した場合、そのボビンの筒上に巻線を巻回する。また、本発明の実施形態において、ボビンを備えることなく、外側脚４２，４３に巻線を巻回してもよい。

具体的には、本発明の実施形態におけるコア材は、透磁率（μ）の高いコア材、例えばフェライト材などは、ボビンを活用し、巻線をボビンに巻回すればよい。

一方、透磁率（μ）の低いコア材、例えばダスト材などは、ボビンを使用せずに、コアに直接、巻線を巻回すればよい。

ここからコアの全体形状が丸み形状である電力変換装置の有用性を示すために、磁束漏れを考慮したコア形状についてのコンピュータシミュレーションを行った。まずシミュレーション手法について説明を行い、その結果について説明する。

シミュレーション手法として、まず、プリント回路基板上に設置された受動素子部材から発生される漏れ磁束を事前検証するために、受動素子部材のコア形状を入力し、入力された受動素子部材のコア形状から三次元モデリングを生成し、三次元モデリング内の領域を区分し、区分された領域毎に解析試料データを登録し、解析試料データを登録された三次元モデリングのデータに基づいて有限要素法を実行することにより、漏れ磁束を検証するための計算を行った。

具体的には、受動素子部材とは、トランス、インダクタ部等を備えた部材である。

また、形状を入力とは、少なくとも受動素子部材のコア等の形状を入力するものであって、例えば、円柱型のコアとは異なる形状であるコア形状を入力するものであってもよい。また、丸み形状であるコア形状を入力するものであってもよい。

三次元モデリングを生成するには、コンピュータ上で、入力された受動素子部材のコア等の形状を三次元的に表すものである。例えば、サーフェース面を生成するものであってもよい。

解析試料データとは、受動素子部材のコア等を構成する部品、その他コア等の周辺に存在する空気等に関するデータをいう。例えば、受動素子部材のコアの透磁率および／またはコアの電流密度に関するデータであってもよい。

計算とは、コンピュータにより、プリント回路基板上に設置された受動素子部材のコア等から発生される漏れ磁束を検証するために、有限要素法を実行することにより計算を行うものである。

表示とは、漏れ磁束の検証結果等を表示するものである。

ここで、このシミュレーション手法を用いた結果を、図１１に示す。まず、このようにシミュレーションを実行した結果であって、磁束密度ベクトルの絶対値、つまり磁束密度の大きさを色の濃淡によって、表された解析結果が表示されている。

このような、有限要素法を用いた磁束解析シミュレータを適用することにより、同じ容量のコアで、四方が角張った従来型の形状と、丸くした新しい形状のコアの磁束漏れの程度を表している。図１１に示すような角型のコア形状においては、四方の角部での磁束漏れが確認できるが、丸み形状のコアにおいては全体的に磁束漏れが非常に少ないことが確認できる。

このように、本発明の実施形態における電力変換装置は、従来使用されているコアが四方に角張った形状をしているものであってもよいが、この形状では磁束漏れが多いことが想定される。

そこで、本発明の電力変換装置は、四方に角張ったコアをなだらかなループを描く状態にし、コアの角部からの磁束漏れを削減する効果が得られる、丸型コア形状を採用してもよい。

上記、磁路長の議論、漏れ磁束を考慮したコア形状の議論を融合させた新しいコア形状の断面を図１０に示した。この形状の場合は、各相の巻線に対する磁路長は同一となり、磁束漏れも最小限に抑制可能であることが予測できる。

図１０に示す丸み形状のコア形状は、形状がわかりやすいように、コアのみを表したが、本発明の電力交換装置として利用する際は、図１０のコアに対して、巻線を巻回し、電流を流して利用するものである。

このように本発明の電力変換装置は、磁性材料により形成されたコアと、コアの所定位置に巻線を巻回することにより構成される２相モードで動作する電力変換装置であって、コアは、中央脚（エアギャップが形成されていても、形成されていなくてもよい）と、巻線が巻回されており、中央脚と並行かつ中央脚より長い（同一の長さでもよい）、２個の外側脚とを備えた閉磁路を形成するものであって、当該コアは、中央脚および２個の外側脚は、円筒形状である。

また、図８および図１０に示すコアは二つに分離可能である。また、コアは分離不可能なものであってもよい。

本発明は上述した実施例だけに限定されず、種々の変更や変形が可能である。

また、本実施形態により説明した電力変換装置は、電気自動車、ロボット、家電機器、太陽発電機、発動発電機、大容量電源、医療機器、液晶テレビ、ＬＥＤ照明電源のいずれかに組み込むことを可能とすることにより、それらの装置の小型軽量化、大容量の電略提供による低コストを可能とする。結果としては、従来方式よりもＣＯ２の削減に貢献するものである。

以上により、本発明の電力変換装置は、直流電源の出力電圧を昇圧するものであって、各１次巻線が直流電源の正電源の正電極に接続されている２個のトランスと、各トランスそれぞれの１次巻線と直流電源の負電極との間にそれぞれ接続した２個のスイッチング素子と、第１のトランスの２次巻線と２番目のトランスの２次巻線との間に接続したインダクタ部と、２個のトランスの各１次巻線と直流電源の負電極との間にそれぞれ接続され、ダイオードとコンデンサとを含む２個の直列回路と、２個のトランスの２次巻線とインダクタ部は、閉ループを形成するように互いに直列に接続され、２個の直列回路に含まれる各コンデンサは、単一の平滑コンデンサを共用し、コアは、２個のトランスの１次巻線がそれぞれ巻回されている２個の外側脚と、中央脚により構成している。

また、本発明の電力変換装置は、直流電源の出力電圧を昇圧するものであって、閉磁路を形成するコアにより構成される複合磁気回路と、コアの外側脚にそれぞれ巻回され、一端が直流電源の正電極に接続され、他端がそれぞれスイッチング素子を介して直流電源の負電極にそれぞれ接続されている２個の巻線と、２個の巻線の各他端と直流電源の負電極の間にそれぞれ接続され、ダイオードと平滑コンデンサとを含む２個の直列回路と、２個のスイッチング素子を１／２周期の位相差で準備オン／オフさせる制御回路と、を有する。

なお、本発明の電力変換装置は、ＤＣ／ＤＣコンバータを例に説明したが、インバータ回路装置であってもよく、更には当該インバータ回路を備える電気自動車、ロボット、家電機器、太陽発電機、発動発電機、大容量電源、医療機器、液晶テレビ、ＬＥＤ照明電源のいずれかであってもよい。

また、本発明の電力変換装置は、インターリーブ制御によるＩＣ回路であってもよい。以上により、本発明の電力変換装置によれば、コアは、中央脚と、該中央脚と並行に配置された円筒形状からなる、巻線が巻回された第１の外側脚と、中央脚を基準として、第一の外側脚と反対の位置に配置された第２の外側脚と、から構成される閉磁路であるものであるため、巻線に巻回する際に、コアと巻線の結合度が高く、電力損失を少なく、かつ小型にすることができる。

Ｖdc1 直流電源
Ｔ１、Ｔ２ トランス
Ｑ１、Ｑ２ スイッチング素子
Ｌ リアクトル
Ｃ 平滑コンデンサ
ＲL 負荷
１０ 制御回路
４０ 磁気回路
４１ コア
４２、４３ 外側脚
４５ 中央脚
４６ エアギャップ
５０、５１ 磁性体
５５ 空間
６０、６１ 巻線

Claims (8)

1. 磁性材料により形成されたコアと、該コアの所定位置に巻線を巻回することにより構成される２相モードで動作する電力変換装置であって、
   前記コアは、
   中央脚と、
   該中央脚と並行に配置された円筒形状からなる、巻線が巻回された第１の外側脚と、
   前記中央脚を基準として、前記第一の外側脚と反対の位置に配置された第２の外側脚と、から構成される閉磁路であって、
   前記中央脚は、前記第１の外側脚および前記第２の外側脚それぞれの体積よりも大きいものであって、
   インターリーブ制御であることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記中央脚は、円筒形状であることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記コアは、分離可能であることを特徴とする請求項１または２記載の電力変換装置。
4. 前記電力変換装置は、直流電源の出力電圧を昇圧するものであって、
   各１次巻線が前記直流電源の正電源の正電極に接続されている２個のトランスと、
   各トランスそれぞれの１次巻線と直流電源の負電極との間にそれぞれ接続した２個のスイッチング素子と、
   第１のトランスの２次巻線と２番目のトランスの２次巻線との間に接続したインダクタ部と、
   前記２個のトランスの各１次巻線と前記直流電源の負電極との間にそれぞれ接続され、ダイオードとコンデンサとを含む２個の直列回路と、
   前記２個のトランスの２次巻線と前記インダクタ部は、閉ループを形成するように互いに直列に接続され、
   前記２個の直列回路に含まれる各コンデンサは、単一の平滑コンデンサを共用し、
   前記コアは、前記２個のトランスの１次巻線がそれぞれ巻回されている２個の外側脚と、前記中央脚により構成されているものであることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の電力変換装置。
5. 前記コア全体の形状は、丸み形状であることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の電力変換装置。
6. 前記電力変換装置は、ＤＣ／ＤＣコンバータであることを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載の電力変換装置。
7. 前記電力変換装置は、インバータ回路装置であることを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載の電力変換装置。
8. 前記電力変換装置は、電気自動車、ロボット、家電機器、太陽発電機、発動発電機、大容量電源、医療機器、液晶テレビ、ＬＥＤ照明電源のいずれかに搭載されるものであることを特徴とする請求項７記載の電力変換装置。

Images