JP5462216B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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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、２相インターリブ方式の回路が知られている。
この２相インターリブ方式の回路の一例として、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２相モードの電力変換装置に関する技術等が、特許文献１または特許文献２に提案されている。
また、磁性材料により形成されたコア形状の一例として、ＥＣコアを用いた技術が、提案されている。
例えば、２相モードの電力変換装置において、例えば、図１に示すような、ｃ形状の磁束材料部分（以下、ｃ型コア部材）２０ａ〜２０ｄを組み合わせることで、Ｅ形状の磁束材料部分（以下、Ｅ型コア部材）を作成し、このＥ形状の磁束材料部分を２つ作成し、作成した２つのＥ形状の磁束材料部品を互いに向い合せるように連結させ、その周囲を大きなＣ形状の磁束材料部品（以下、Ｃ型コア部材）２５で囲むことにより生成されるＥＣコア形状を用いることができる。
しかしながら、ＥＣコアには、図１に示すようなギャップＧが必ずできてしまう。そのため、磁束損失のギャップによる電力損失が発生する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（パワーモータを備えた製品、例えば、大型工事現場車両、ブルドーザ、ショベルカー、ロボット、その他電気機器等）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。
また、上述したＥＣコアは、ｃ型コア部材２０を組み合わせ、その周囲を大きなＣ型コア部材２５で囲むことにより生成されたコアであるため、図２に示すようコアの中央脚の断面積Ｙ１と、コアの外側脚Ｙ２（右側）の断面積Ｙ２、コアの外側脚（左側）の断面積Ｙ３の比率が１：１：１となる。しかしながら、実装上においては、コアの中央脚と、コアの外側脚（左側）、コアの外側脚（右側）の断面積の比率が１：２：１でほぼ同様の効果を奏する。そのため、図２に示すようなＥＣコアでは、両脚の断面積が不要に大きく、小型化の要請に適応できないという問題があった。
よって、これらの電力変換装置を用いる装置においては、電力損失が少なく、かつ小型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、電力損失を減少させ、かつ占有面積が小さく小型化可能であって、製造工程をシンプルにした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。
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、磁性材料により生成されたＩ型のブロックコアと、ブロックコアに２つのＬ型の磁性材料を組み合わせることにより生成されたＥ型形状のコアと、Ｅ型形状のコアにおける、ブロックコアを中央脚とし、その他２つの脚それぞれを第１の外側脚と第２の外側脚とし、２つのＥ型形状のコアにおけるそれぞれの中央脚と、第１の外側脚と、第２の外側脚とを向かい合わせるように、２つのＥ型形状のコアを組み合わせたものであって、中央脚を基準として、第１の外側脚と反対の位置に配置された前記第２の外側脚とから構成される閉磁路である。
「巻線」は、線だけではなく、帯状のものであってもよい。例えば、銅線や帯状の銅線が挙げられる。
本発明の電力変換装置の中央脚の断面積と、第１の外側脚の断面積と、第２の外側脚の断面積との比率が、２対１対１であってもよい。
本発明の電力変換装置のブロックコアは、四角形の磁性材料を積層されたことにより生成されたものであってもよい。
本発明の電力変換装置のＬ型のコアは、帯状の磁性材料を巻いて構成される四角筒形状の磁性材料部品を同様の大きさであって、それぞれのコアがＬ型になるように４つに切断することで生成されたものであってもよい。
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個のリアクトルと、各リアクトルそれぞれの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のリアクトルの２次巻線と２番目のリアクトルの２次巻線との間に接続したインダクタ部と、２個のリアクトルの各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個のリアクトルの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個のリアクトルの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巻線は、互いに同一の巻数であってもよい。
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。
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。
本発明の電力変換装置は、モータ駆動のためのドライバ回路であってもよい。
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、電電気自動車、ショベルカー、ブルドーザ、ロボット、太陽発電機、発動発電機、大容量電源、医療機器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、磁性材料により生成されたＩ型のブロックコアと、ブロックコアに２つのＬ型の磁性材料を組み合わせることにより生成されたＥ型形状のコアと、Ｅ型形状のコアにおける、ブロックコアを中央脚とし、その他２つの脚それぞれを第１の外側脚と第２の外側脚とし、２つのＥ型形状のコアにおけるそれぞれの中央脚と、第１の外側脚と、第２の外側脚とを向かい合わせるように、２つのＥ型形状のコアを組み合わせたものであって、中央脚を基準として、第１の外側脚と反対の位置に配置された前記第２の外側脚とから構成される閉磁路であるため、電力損失を減少させ、かつ占有面積が小さく小型化可能であって、製造工程をシンプルにしたコア形状に特徴を有する電力変換装置を提供することができる。
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１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ものであって、図３及び図４に示すようなＥＬＩコア４１は、磁性材料により生成されたＩ型のブロックコアと、ブロックコアに２つのＬ型の磁性材料を組み合わせることにより生成されたＥ型形状のコアと、Ｅ型形状のコアにおける、ブロックコアを中央脚４５とし、その他２つの脚それぞれを第１の外側脚４２と第２の外側脚４３とし、２つのＥ型形状のコアにおけるそれぞれの中央脚４５と、第１の外側脚４２と、第２の外側脚４３とを向かい合わせるように、２つのＥ型形状のコアを組み合わせたものであって、中央脚４５を基準として、第１の外側脚４２と反対の位置に配置された第２の外側脚４３とから構成される閉磁路である。
また、図４に示すように、中央脚４５の断面積Ｚ１と、第１の外側脚４２の断面積Ｚ２と、第２の外側脚４３の断面積Ｚ３との比率とが、２対１対１とすることができる。これにより、前述したＥＣコアが所望の電力を出力する場合、ＥＬＩコアの中央脚の断面積と、ＥＣコアの中央脚の断面積と同一であって、ＥＬＩコアの中央脚が外側脚の断面積の半分（ＥＣコアは中央脚と外側脚の断面積が同一）であっても同様の電力を出力可能としつつ、小型化を可能とする。
また、中央脚４５の断面積Ｚ１と、第１の外側脚４２の断面積Ｚ２と、第２の外側脚４３の断面積Ｚ３との比率とが、Ｘ対１対１（１＜Ｘ≦２）としてもよい。
また、ブロックコアは、四角形の磁性材料を積層されたことにより生成されたものである。
本発明の電力変換装置のＬ型のコアは、ケイ素鋼板からなる帯状の磁性材料を巻いて構成される四角筒形状の磁性材料部品を同様の大きさであって、それぞれのコアがＬ型になるように４つに切断することで生成されたものである。そして、図５に示すように、Ｌ型コアとＩ型コアを組み合わせることで容易にＥＬＩコアを生成することができる。
そのため、前述したＥＣコアのように、ｃ型コア部材を組み合わせ、Ｅ型コア部材を作成し、このＥ型コア部材を２つ作成し、作成した２つのＥ型コア部材を互いに向い合せるように連結させ、その周囲を大きなＣ型コア部材で囲むことにより生成するような煩雑な製造工程が不要となる。なお、ＥＬＩコアの中央脚部分にエアギャップが生じてもよい。
また、ＥＣコアでは、製造の設計上、図１に示すようなギャップＧができてしまい、磁束損失のギャップが生じてしまい、コアロスが生じるが、図３，４，５に示すようなＥＬＩコアの場合、このようなギャップが生じることがなく、コアロスが生じにくい。
図６は、本発明の電力変換装置のコアに巻線を巻き、端子を接続したコアユニットの正面図（ａ）と右側面図（ｂ）を示したものである。
図６に示すコアユニット１５により約６０ｋＷの電力を生ずる。このコアユニット１５の巻線は、銅線からなるものであってもよいし、図６に示すように帯状の同を巻きつけるものであってもよい。互いに同一の巻数であってもよい。
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７は、このＤＣ／ＤＣコンバータを示すものである。
本発明の実施形態では、ＥＬＩコアを用いた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個のリアクトルＴ１およびＴ２を有し、各リアクトル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リアクトル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個のリアクトル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のリアクトルＴ１およびＴ２は共に同一構成とする。第１のリアクトル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のリアクトル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。
本発明の実施形態では、第１のリアクトルＴ１の２次巻線１ｂと第２のリアクトル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のリアクトル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のリアクトル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のリアクトル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のリアクトル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のリアクトル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８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個のリアクトルと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リアクトル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。
図９は、上述した図８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）。
このように、例えば、本発明の実施形態において、図６に示すコアユニット１５の寸法からなる電力変換装置を用いることにより、１０ｋＨｚ前後（８〜１２ｋＨｚ）の高周波スイッチングを可能とする。
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、本発明の実施形態により説明した電力変換装置は、電気自動車、ショベルカー、ブルドーザ、ロボット、太陽発電機、発動発電機、大容量電源、医療機器のいずれかに搭載されることを可能とする。これらの装置の小型軽量化、大容量の電力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、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、磁性材料により生成されたＩ型のブロックコアと、ブロックコアに２つのＬ型の磁性材料を組み合わせることにより生成されたＥ型形状のコアと、Ｅ型形状のコアにおける、ブロックコアを中央脚とし、その他２つの脚それぞれを第１の外側脚と第２の外側脚とし、２つのＥ型形状のコアにおけるそれぞれの中央脚と、第１の外側脚と、第２の外側脚とを向かい合わせるように、２つのＥ型形状のコアを組み合わせたものであって、中央脚を基準として、第１の外側脚と反対の位置に配置された前記第２の外側脚とから構成される閉磁路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周期の位相差で順次オン／オフさせる制御回路と、を有する。
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い。また、本発明の電力変換装置は、モータ駆動のためのドライバ回路であってもよい。
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、電電気自動車、ショベルカー、ブルドーザ、ロボット、太陽発電機、発動発電機、大容量電源、医療機器のいずれかに搭載されるものであってもよい。
以上により、本発明の電力変換装置によれば、コアは、磁性材料により生成されたＩ型のブロックコアと、ブロックコアに２つのＬ型の磁性材料を組み合わせることにより生成されたＥ型形状のコアと、Ｅ型形状のコアにおける、ブロックコアを中央脚とし、その他２つの脚それぞれを第１の外側脚と第２の外側脚とし、２つのＥ型形状のコアにおけるそれぞれの中央脚と、第１の外側脚と、第２の外側脚とを向かい合わせるように、２つのＥ型形状のコアを組み合わせたものであって、中央脚を基準として、第１の外側脚と反対の位置に配置された前記第２の外側脚とから構成される閉磁路であるため、電力損失を減少させ、かつ占有面積が小さく小型化可能であって、製造工程をシンプルにしたコア形状に特徴を有する電力変換装置を提供することができる。
Ｖdc1 直流電源
Ｔ１、Ｔ２ リアクトル
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
Ｙ１〜３ ＥＣコアの断面積
Ｚ１〜Ｚ３ ＥＬＩコアの断面積
１ 電力変換装置
１０ 制御回路
１５ コアユニット
２０ａ〜ｄ ｃ型コア部材
２５ Ｃ型コア部材
４０ 磁気回路
４１ ＥＬＩコア
４２、４３ 外側脚
４５ 中央脚
４６ エアギャップ
Ｔ１、Ｔ２ リアクトル
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
Ｙ１〜３ ＥＣコアの断面積
Ｚ１〜Ｚ３ ＥＬＩコアの断面積
１ 電力変換装置
１０ 制御回路
１５ コアユニット
２０ａ〜ｄ ｃ型コア部材
２５ Ｃ型コア部材
４０ 磁気回路
４１ ＥＬＩコア
４２、４３ 外側脚
４５ 中央脚
４６ エアギャップ
Claims (8)
- 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、
磁性材料により生成されたＩ型のブロックコアに、２つのＬ型の磁性材料を組み合わせることにより生成されたＥ型形状のコアにおける、前記ブロックコアを中央脚とし、その他２つの脚それぞれを第１の外側脚と第２の外側脚とし、前記コアは、２つのＥ型形状のコアにおけるそれぞれの中央脚と、第１の外側脚と、第２の外側脚とを向かい合わせるように、前記２つのＥ型形状のコアを組み合わせたものであって、
前記中央脚を基準として、前記第１の外側脚と反対の位置に配置された前記第２の外側脚とから構成される閉磁路であることを特徴とする電力変換装置。 - 前記中央脚の断面積と、前記第１の外側脚の断面積と、前記第２の外側脚の断面積との比率が、２対１対１であることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
- 前記ブロックコアは、四角形の磁性材料を積層されたことにより生成されたものであることを特徴とする請求項１または２項記載の電力変換装置。
- 前記Ｌ型のコアは、帯状の磁性材料を巻いて構成される四角筒形状の磁性材料部品を同様の大きさになるように、それぞれのコアがＬ型になるように４つに切断することで生成された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。
- 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個のリアクトルと、
各リアクトルそれぞれの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のリアクトルの２次巻線と２番目のリアクトルの２次巻線との間に接続したインダクタ部と、
前記２個のリアクトルの各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個の直列回路とを備え、
前記２個のリアクトルの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個のリアクトルの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４いずれか１項記載の電力変換装置。 - 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。
- 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。
- 前記電力変換装置は、電気自動車、ショベルカー、ブルドーザ、ロボット、太陽発電機、発動発電機、大容量電源、医療機器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。
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