JP5597276B1 - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷回路に第２の直流電源を含む電源装置の構成において、リアクトルの小型化を図る。
【解決手段】
第１の直流電源Ｅ１と負荷回路Ｌの間に接続されるチョッパ回路ＣＨと、第１の直流電源Ｅ１とチョッパ回路ＣＨの間または第２の直流電源Ｅ２とチョッパ回路ＣＨの間にフィルタコイルＬ２とフィルタコンデンサＣからなるフィルタ回路ＦＩを有する電源装置において、フィルタコイルＬ２の直流電流−インダクタンス特性曲線とリアクトルＬ１の直流電流−インダクタンス特性曲線とが交点を有し、この交点における電流値より小さい電流領域でフィルタコイルＬ２のインダクタンス値よりリアクトルＬ１のインダクタンス値が大きくなるようにした。
【選択図】図１

Description

この発明は、直流電源を含む負荷回路に接続される電源装置に関するものである。

従来のこの種の電源装置は、例えば特許文献１に示されるように、第１の直流電源と、チョッパ用スイッチング素子Ｑ１、同期整流用スイッチング素子Ｑ２と、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の接続点に接続されたリアクトルＬ１からなるチョッパ回路と、出力平滑コンデンサＣＯＵＴと、チョッパ用スイッチング素子Ｑ１をオン、オフ制御する駆動回路から構成され、スイッチング素子Ｑ１において所定の時間Ｔ１の間オン状態、所定の時間Ｔ２の間オフ状態が交互に繰り返されるように駆動回路から駆動信号を出力することで、第１の直流電源からの入力電圧を所定の出力電圧に降圧させて出力平滑コンデンサＣＯＵＴに並列に接続された負荷回路に電流を供給している。

また、例えば、特許文献２の図８に示されるように、チョッパ回路部に発生する伝導ノイズが直流電源または負荷回路に流入するのを防ぐためにフィルタコイルとフィルタコンデンサから構成されるフィルタ回路が設けられている。

特開２０１２−７５２０７号公報 特開２００９−１１８５５２号公報

上記のような従来の電源装置において、リアクトルＬ１は定格電流時に所定のインダクタンス値が得られる様に設計される。
しかしながら、負荷回路が第２の直流電源を含む構成の場合、負荷回路の負荷変動等の外乱により、オン時間Ｔ１およびオフ時間Ｔ２が本来必要となる値と乖離した場合、過大な電流が発生する恐れがある。
一般にリアクトルの特性として、直流電流が流れるとインダクタンス値が低下する垂下特性をもっているため、一旦過大な電流が流れると、時間あたりの電流上昇量が加速的に増加し、電源装置が破壊にいたる可能性ある。
そのため、過電流の領域においてもある程度のインダクタンス値を確保しておく必要があり、リアクトルの大型化を招くといった問題があった。
この発明は、負荷回路に第２の直流電源を含む電源装置の構成において、リアクトルの小型化を図ることを目的とする。

この発明は、第１の直流電源と、第２の直流電源を含む負荷回路と、少なくとも一つのスイッチング素子と還流用半導体素子および前記スイッチング素子と前記還流用半導体素子の接続点に接続されたリアクトルからなり、前記第１の直流電源と前記負荷回路の間に接続されるチョッパ回路と、前記第１の直流電源と前記チョッパ回路の間または前記第２の直流電源と前記チョッパ回路の間にフィルタコイルとフィルタコンデンサからなるフィルタ回路を備えた電源装置において、前記フィルタコイルの直流電流−インダクタンス特性曲線と前記リアクトルの直流電流−インダクタンス特性曲線とが前記電源装置の定格電流よりも大きい電流領域で交点を有し、前記交点における電流値より小さい電流領域で前記フィルタコイルのインダクタンス値より前記リアクトルのインダクタンス値が大きくなるようにしたものである。

この発明は、チョッパ回路のリアクトルとフィルタ回路のフィルタコイルの直流電流−インダクタンス特性を特定の関係に選定するだけで、負荷回路に第２の直流電源を含む電源装置においてリアクトルの小型化を容易に実現することができる。

この発明の実施の形態１に係る電源装置の回路構成図である。 実施の形態１におけるフィルタコイルＬ２およびリアクトルＬ１の形状と直流電流−インダクタンス特性との関係を示す説明図である。 この発明の実施の形態２におけるフィルタコイルＬ２およびリアクトルＬ１に流れる電流波形図である。 実施の形態２におけるコア材料の磁束変化による損失と飽和磁束密度の一般例を示す説明図である。 この発明の実施の形態３におけるフィルタコイルＬ２およびリアクトルＬ１のコアの形状と直流電流−インダクタンス特性との関係を示す説明図である。 この発明の実施の形態４に係る電源装置の回路構成図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における電源装置の構成を示す。
この実施の形態１における電源装置は、第１の直流電源Ｅ１と、第２の直流電源Ｅ２を含む負荷回路Ｌと、チョッパ用スイッチング素子Ｑ１と、同期整流用スイッチング素子Ｑ２と、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の接続点に接続されたリアクトルＬ１からなるチョッパ回路ＣＨと、第１の直流電源Ｅ１とチョッパ回路ＣＨの間に設けられたフィルタコイルＬ２とフィルタコンデンサＣからなるフィルタ回路ＦＩと、チョッパ用スイッチング素子Ｑ１をオン、オフ制御する駆動回路ＤＲから構成され、スイッチング素子Ｑ１において所定の時間Ｔ１の間オン状態、所定の時間Ｔ２の間オフ状態が交互に繰り返されるように駆動回路ＤＲから駆動信号を出力することで、第１の直流電源Ｅ１からの入力電圧を所定の出力電圧に降圧させて負荷回路Ｌに電流を供給している。

この電源装置において、リアクトルＬ１はチョッパ用スイッチング素子Ｑ１がオン、オフする際に電流を流し続けるように作用させる役割を担っている。
その一方で、フィルタコイルＬ２は、チョッパ回路ＣＨで発生する伝導ノイズが直流電源に流入するのを防ぐために設けられており、フィルタコンデンサで除去しきれなかったノイズ成分を除去する役割を担っている。
通常の動作状態においては、フィルタコイルＬ２のインダクタンス値よりリアクトルＬ１のインダクタンス値が大きくなるように定数が選定される。

その一方で、負荷回路Ｌの負荷変動等の外乱により、オン時間Ｔ１およびオフ時間Ｔ２が本来必要となる値と乖離すると、第１の直流電源Ｅ１と、第２の直流電源Ｅ２の間に過大な電流が発生する可能性がある。
このとき、第１の直流電源Ｅ１と、第２の直流電源Ｅ２の間に直列に設けられたフィルタコイルＬ２とリアクトルＬ１により電流上昇を抑制することができるが、一般にリアクトルの特性として、直流電流が流れるとインダクタンス値が低下する垂下特性をもっているため、一旦過大な電流が流れると、時間あたりの電流上昇量が加速的に増加し、チョッパ回路ＣＨが破壊にいたる可能性がある。
そのため、大電流の領域においてもある程度のインダクタンス値を確保しておく必要がある。

直流電流とインダクタンスとの関係は、コイルの巻数、磁気抵抗（コアの断面積、コア材料、磁気回路上の空間ギャップ等により決まる値）により決まり、１つのコイルで小電流時に大きなインダクタンスを確保しつつ、大電流時にある程度のインダクタンスを確保しようとすると、コイルの大型化を招いてしまう。
実施の形態１においては、フィルタコイルＬ２の直流電流−インダクタンス特性曲線と、リアクトルＬ１の直流電流−インダクタンス特性曲線が交差し、小電流時にフィルタコイルＬ２のインダクタンス値よりリアクトルＬ１のインダクタンス値が大きくなるように、Ｌ１、Ｌ２の定数を選定している。

図２はフィルタコイルＬ２およびリアクトルＬ１の形状と、直流電流−インダクタンス特性との関係を示す説明図である。
図２の（ａ）がリアクトルＬ１とフィルタコイルＬ２に同じコイルを使用した例、（ｂ）がリアクトルＬ１で大電流時のインダクタンスを確保した例、（ｃ）がフィルタコイルＬ２で大電流時のインダクタンスを確保した例を示す。
（ａ）の組合せの場合、大電流時にインダクタンスを確保できない状態となる。
（ｂ）の組合せの場合、リアクトルＬ１は大電流時のインダクタンスを確保するためにコアの断面積を大きくし（（ａ）の構成に対してコア断面積を２倍としている）、フィルタコイルＬ２についてはリアクトルＬ１に比べて必要なインダクタンス値が小さいため、コア断面積を小さくし、かつ、コイルの巻数を減らしている（（ａ）の構成に対してコア断面積を１／２倍、コイルの巻数を１／２倍としている）。
その結果、（ａ）の構成に対して、リアクトルＬ１の体積が約２倍、フィルタコイルＬ２の体積が約１／４倍となる。
（ｃ）の組合せの場合、リアクトルＬ１は（ａ）の構成と同様とし、フィルタコイルＬ２については大電流時のインダクタンスを確保するためにコイルの巻数を減らしている（（ａ）の構成に対してコイルの巻数を１／２倍としている）。
その結果、（ａ）の構成に対して、リアクトルＬ１の体積はそのままで、フィルタコイルＬ２の体積が約１／２倍となる。
（ｂ）と（ｃ）の構成を比較すると、（ｃ）の構成のほうが約６７％の体積で構成が可能となる。

つまり、図２（ｃ）に示すように、フィルタコイルＬ２の直流電流−インダクタンス特性曲線と、リアクトルＬ１の直流電流−インダクタンス特性曲線とが交点ＣＰを有し、かつ、この交点ＣＰにおける電流値より小さい電流領域でフィルタコイルＬ２のインダクタンス値よりリアクトルＬ１のインダクタンス値が大きくなるように、Ｌ１、Ｌ２の定数を選定することで、リアクトルＬ１およびフィルタコイルＬ２のサイズを小さくでき、電源装置の小型化が可能となる。

一例として、リアクトルＬ１として、トロイダル形状でφ３３×軸長２２ｍｍのものを１個(体積１９ｃｃ）使い、フィルタコイルＬ２として、棒形状(開磁路)でφ１５×軸長
２４ｍｍのものを２個直列したもの（体積８．５ｃｃ）を使った場合の直流電流―インダクタンス特性を下記に示す。

上記に示すように、フィルタコイルＬ２の直流電流−インダクタンス特性曲線と、リアクトルＬ１の直流電流−インダクタンス特性曲線とが交点を有し、この交点における電流値より小さい電流領域でフィルタコイルＬ２のインダクタンス値よりリアクトルＬ１のインダクタンス値が大きくなるようにしている。
このような特性とすることで、リアクトルに対して、チョークコイルを小型化することが可能となる。
また、交点の電流値は電源装置の定格電流よりも大きい領域で、かつ過電流領域（電源装置内の部品の過電流耐量）より小さい値に設定することが望ましい。

以上のように、この発明の実施の形態１によれば、第１の直流電源Ｅ１と負荷回路Ｌの間に接続されるチョッパ回路ＣＨと、第１の直流電源Ｅ１とチョッパ回路ＣＨの間にフィルタコイルＬ２とフィルタコンデンサＣからなるフィルタ回路ＦＩを有する電源装置において、フィルタコイルＬ２の直流電流−インダクタンス特性曲線とリアクトルＬ１の直流電流−インダクタンス特性曲線とが交点を有し、この交点における電流値より小さい電流領域でフィルタコイルＬ２のインダクタンス値よりリアクトルＬ１のインダクタンス値が大きくなるようにしたことにより、負荷回路Ｌに第２の直流電源Ｅ２を含む電源装置においてリアクトルの小型化を容易に実現することができる。

実施の形態２．
実施の形態２における電源装置の構成は実施の形態１と同じであるが、リアクトルＬ１のコア材料に対して、フィルタコイルＬ２のコア材料は磁束変化に対する損失が大きいが、飽和磁束密度が大きい材料で構成されている。
本実施の形態ではフィルタコイルＬ２のコアにＦｅ系の材料、リアクトルＬ１のコアにフェライト系材料を選定している。
図３に実施の形態２における電源装置のリアクトルＬ１およびフィルタコイルＬ２に流れる電流波形を示している。
図３に示すとおり、直流電流に交流電流が重畳されたような波形となっており、電流の振幅はリアクトルＬ１の方が大きい。
電流の振幅はコイル内の磁束変化を招くため、コイルの構成部材、特に磁束の通り経路であるコアに損失（ヒスリシス損および、うず電流損）が生じる。
そのため、電流の振幅が小さいフィルタコイルＬ２で発生するコア損失は、リアクトルＬ１で発生するコア損失に比べて小さい。

また図４にコア材料の磁束変化による損失と飽和磁束密度の一般例を示している。
ここで磁束変化による損失が小さい材料ほど、飽和磁束密度が小さくなる傾向がある。
逆に、磁束変化による損失を許容できるのであれば、飽和磁束密度が大きい材料を選定できる。
飽和磁束密度が大きい材料を選定をすることで、直流電流―インダクタンス特性を維持したままでコア断面積を小さくすることができるため、コイルサイズを小さくできる。
図３に示すとおり、フィルタコイルＬ２に流れる電流の振幅は、リアクトルＬ１と比べて小さく、磁束変化によりコアで発生する損失を許容できるため、飽和磁束密度が大きい材料（本実施の形態ではＦｅ系材料）を選定することで、直流電流―インダクタンス特性を維持したままでコア断面積を小さくすることができ、コイルサイズを小さくできる。

実施の形態３．
実施の形態３における電源装置の構成は実施の形態１と同じであるが、リアクトルＬ１のコアおよび、フィルタコイルＬ２のコアともに、閉磁路タイプのコアを使用している。さらに、リアクトルＬ１に用いるコアのギャップ長よりもフィルタコイルＬ２に用いるコアのギャップ長を大きくしている。
図５に本実施の形態におけるコアの形状と直流電流−インダクタンス特性を示す。
リアクトルＬ１、フィルタコイルＬ２ともにＥ型の閉磁路タイプのコアを使用しているが、フィルタコイルＬ２に使用するコアのギャップ長を大きくし、コイルの磁気抵抗を増加させることで、インダクタンス値は低減するものの、直流電流が大きくなってもインダクタンス値を確保できる特性としている。

実施の形態３の構成では、閉磁路タイプのコアを使用することでリアクトルＬ１およびフィルタコイルＬ２に流れる電流の交流成分により発生する磁束変化によるノイズが外部に漏れるのを低減でき、かつリアクトルＬ１を大型化することなく、大電流時にインダクタンスを確保できる。

また、実施の形態３の構成に対して、フィルタコイルＬ２に使用するコアのみ、開磁路タイプとすることで、磁気抵抗を増加させることができ、コア断面積を小さくしても大電流時にインダクタンスを確保しつつ、フィルタコイルＬ２を小型化することができる。
開磁路タイプのコアを使用すると、コイルに流れる電流の交流成分により発生する磁束変化によるノイズが外部に漏れる量が増えるものの、リアクトルＬ１およびフィルタコイルＬ２に流れる電流波形は、図３に示した電流波形と同様に、直流電流に交流電流が重畳されたような波形となっており、電流の振幅はリアクトルコイルの方が大きく、フィルタコイルＬ２の振幅は小さく、磁束変化によるノイズが外部に漏れる量は実用に供する範囲であり、問題がない。

実施の形態４．
実施の形態の電源装置は、同期整流タイプの降圧チョッパ回路により構成されているが、それに限定されるものではなく、ダイオード整流タイプ、昇圧チョッパ、昇降圧チョッパで構成される場合においても同様の効果が得られる。
また、フィルタコイルＬ２を第１の直流電源Ｅ１とチョッパ回路ＣＨの間に設けているが、図６に示すように、第２の直流電源Ｅ２とチョッパ回路ＣＨの間にフィルタコイルＬ２を設けた場合においても同様の効果が得られる。
なお，この発明は，その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

Ｅ１ 第１の直流電源、Ｅ２ 第２の直流電源、Ｑ１ スイッチング素子、Ｑ２ 還流用スイッチング素子、ＤＲ 駆動回路、Ｌ１ リアクトル、Ｌ２ フィルタコイル、Ｃ フィルタコンデンサ、Ｌ 負荷回路、ＣＨ チョッパ回路、ＦＩ フィルタ回路

Claims (5)

1. 第１の直流電源と、第２の直流電源を含む負荷回路と、少なくとも一つのスイッチング素子と還流用半導体素子および前記スイッチング素子と前記還流用半導体素子の接続点に接続されたリアクトルからなり、前記第１の直流電源と前記負荷回路の間に接続されるチョッパ回路と、前記第１の直流電源と前記チョッパ回路の間または前記第２の直流電源と前記チョッパ回路の間にフィルタコイルとフィルタコンデンサからなるフィルタ回路を備えた電源装置において、
   前記フィルタコイルの直流電流−インダクタンス特性曲線と前記リアクトルの直流電流−インダクタンス特性曲線とが前記電源装置の定格電流よりも大きい電流領域で交点を有し、前記交点における電流値より小さい電流領域で前記フィルタコイルのインダクタンス値より前記リアクトルのインダクタンス値が大きくなるようにした
   ことを特徴とする電源装置。
2. 前記フィルタコイルに用いられるコア材料は、前記リアクトルに用いられるコア材料と比べて飽和磁束密度が大きいことを特徴とする請求項１記載の電源装置。
3. 前記フィルタコイルに用いられるコア材料はＦｅ系材料で、前記リアクトルに用いられるコア材料がフェライト系材料であることを特徴とする請求項２記載の電源装置。
4. 前記フィルタコイルおよび前記リアクトルに用いられるコアの形状は閉磁路であり、前記フィルタコイルに用いられるコアに設けられたエアギャップの長さが前記リアクトルに用いられるコアに設けられたエアギャップの長さよりも大きいことを特徴とする請求項１記載の電源装置。
5. 前記フィルタコイルに用いられるコアの形状が開磁路であり、前記リアクトルに用いられるコアの形状は閉磁路であることを特徴とする請求項１記載の電源装置。