JP6973424B2 - 磁気部品 - Google Patents

Description

本発明は、磁気部品に関し、特に、リアクトルの機能とトランスの機能とを有する磁気部品に関する。

部品数の削減を目的として、リアクトルの機能とトランスの機能とを有する磁気部品が知られている（特許文献１参照）。

特開２０１７−６０２８５号公報

ところで、リアクトルの機能とトランスの機能とを有する磁気部品として、２つのコアを有する磁気部品が用いられることが考えられる。各コアは２つのコア脚を有しており、各コア脚に導線が巻回されることでコイルが構成されている。この磁気部品においては、２つのコアが用いられているため、磁気部品のサイズが増大する。

また、磁気部品のコイル損失を低減するために、１次側のコイルを構成する導線の巻回数を減らす必要がある。しかし、巻回数の減少に伴ってインダクタンスが小さくなり、電流リップルが増加する。電流リップの増加によって磁束変化が大きくなり、磁気部品の損失が増大する。これに対処するために、スイッチング周波数を増やすことが考えられるが、その場合、スイッチング損失が増大する。その結果、磁気部品の効率が低下する。

本発明の目的は、リアクトルの機能とトランスの機能とを有する磁気部品を小型化し、磁気部品の効率を向上させることを目的とする。

本発明の１つの態様は、少なくとも４つのコア脚を含む１つのコアと、前記少なくとも４つのコア脚に巻回された導線を含む複数の１次側コイルと、前記少なくとも４つのコア脚に巻回された導線を含み、前記複数の１次側コイルと磁気的に結合する複数の２次側コイルと、を有し、前記複数の１次側コイルは互いに並列に接続され、前記複数の２次側コイルは互いに直列に接続され、前記複数の１次側コイルと前記複数の２次側コイルとに流れる電流の方向が制御されることで、前記複数の１次側コイルと前記複数の２次側コイルとが、リアクトル又はトランスとして機能する、ことを特徴とする磁気部品である。

各１次側コイルは、１つのコア脚に巻回された巻線によって構成されており、各２次側コイルは、２つのコア脚に巻回された巻線によって構成されており、各１次側コイルにおいては、各コア脚に巻回されている導線の巻回方向が互いに同じであり、同一の２次側コイルにおいては、各コア脚に巻回されている導線の巻回方向が互いに反対方向であってもよい。

４つのコア脚によって単位コア脚群が構成されており、前記コアは、１又は複数の単位コア脚群を含み、前記単位コア脚群において、各コア脚は、正方形の四隅に配置されており、前記複数の２次側コイルにおいては、互いに対角線上の位置に配置されたコア脚に巻回されている導線同士の巻線方向が同じであってもよい。

本発明によれば、リアクトルの機能とトランスの機能とを有する磁気部品を小型化し、磁気部品の効率を向上させることができる。

電力変換装置の構成を示す図である。 電力変換装置の制御方法を説明するための図である。 電力変換装置の制御方法を説明するための図である。 磁気部品の等価回路を示す図である。 磁気部品と配線との接続関係を概略的に示す図である。 磁気部品の外観を示す斜視図である。 コイルを模式的に示す図である。 コアを示す図である。 コアを示す図である。 コアを示す図である。 コアを示す図である。 コイルの巻回方向を説明するための図である。 コイルの巻回方向を説明するための図である。 コイルに流れる電流の流れる方向を説明するための図である。 磁気部品に発生する磁束の方向を説明するための図である。 磁気部品に発生する磁束の方向を説明するための図である。 比較例に係る磁気部品と配線との接続関係を概略的に示す図である。 １次側コイルの巻回数とインダクタンスとの関係を示すグラフである。 スイッチング周波数と電流リップルとの関係を示すグラフである。 磁気部品の動作時にコイルに流れる電流を示すグラフである。

図１には、本発明の実施形態に係る電力変換装置の構成が示されている。本実施形態に係る電力変換装置は、磁気部品１０と、ＡＣ／ＡＣコンバータ１２と、交流電源１４と、直流電源１６と、スイッチング回路１８，２０と、直流負荷２２と、制御部２４とを含む。電力変換装置は、交流電源１４の代わりに交流負荷を含んでもよい。磁気部品１０は、絶縁トランスとしての機能と昇圧リアクトルとしての機能とを有する。直流負荷２２は、例えば、モータジェネレータとインバータとを含む。電力変換装置は、例えば、モータジェネレータの駆動力によって走行する電動車両に搭載される。もちろん、モータジェネレータ及びインバータ以外の負荷が、直流負荷２２として用いられてもよい。また、電力変換装置は、電動車両以外の装置等に搭載されてもよい。

電力変換装置は、例えば、電力変換モード又は充電モードを実行する。電力変換モードにおいては、電力変換装置は、直流電源１６から供給された電力を、直流負荷２２に含まれるモータジェネレータに供給することでモータジェネレータを駆動する。また、電力変換装置は、モータジェネレータが回生制動によって充電した電力を直流電源１６に供給することで直流電源１６を充電する。充電モードにおいては、電力変換装置は、交流電源１４から供給された電力を直流電源１６に供給することで直流電源１６を充電する。交流電源１４は、例えば商用電源である。

電力変換モードにおいては、ＡＣ／ＡＣコンバータ１２がスイッチングを停止し、スイッチング回路１８，２０と、直流負荷２２に含まれるインバータとが動作する。充電モードにおいては、直流負荷２２に含まれるインバータがスイッチングを停止し、ＡＣ／ＡＣコンバータ１２とスイッチング回路１８，２０とが動作する。ＡＣ／ＡＣコンバータ１２とスイッチング回路１８，２０とは、磁気部品１０によって結合されており、電力変換モード及び充電モードの両者において磁気部品１０が共用される。

スイッチング回路１８は、ハーフブリッジＵ１，Ｖ１とコンデンサＣ１とを含む。ハーフブリッジＵ１は、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２によって構成されている。ハーフブリッジＶ１は、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４によって構成されている。ハーフブリッジＵ１においては、スイッチング素子Ｓ１の一端とスイッチング素子Ｓ２の一端とが接続されている。スイッチング素子Ｓ１の両端には、スイッチング素子Ｓ２との接続点の側をアノードとしてダイオードが接続されている。スイッチング素子Ｓ２の両端には、スイッチング素子Ｓ１との接続点の側をカソードとしてダイオードが接続されている。スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２として、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が用いられる。この場合、スイッチング素子Ｓ１としてのＩＧＢＴのエミッタと、スイッチング素子Ｓ２としてのＩＧＢＴのコレクタとが接続される。スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２として、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）が用いられてもよい。この場合、スイッチング素子Ｓ１としてのＭＯＳＦＥＴのソースと、スイッチング素子Ｓ２としてのＭＯＳＦＥＴのドレインとが接続される。

同様に、ハーフブリッジＶ１においては、スイッチング素子Ｓ３の一端と、スイッチング素子Ｓ４の一端とが接続されている。スイッチング素子Ｓ３の両端には、スイッチング素子Ｓ４との接続点の側をアノードとしてダイオードが接続されている。スイッチング素子Ｓ４の両端には、スイッチング素子Ｓ３との接続点の側をカソードとしてダイオードが接続されている。スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４として、例えばＩＧＢＴが用いられる。この場合、スイッチング素子Ｓ３としてのＩＧＢＴのエミッタと、スイッチング素子Ｓ４としてのＩＧＢＴのコレクタとが接続される。また、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４として、ＭＯＳＦＥＴが用いられてもよい。この場合、スイッチング素子Ｓ３としてのＭＯＳＦＥＴのソースと、スイッチング素子Ｓ４としてのＭＯＳＦＥＴのドレインとが接続される。

ハーフブリッジＵ１とハーフブリッジＶ１とは並列接続され、フルブリッジを構成している。すなわち、スイッチング素子Ｓ１の一端がスイッチング素子Ｓ２の一端に接続され、スイッチング素子Ｓ３の一端がスイッチング素子Ｓ４の一端に接続され、スイッチング素子Ｓ１の他端がスイッチング素子Ｓ３の他端に接続され、スイッチング素子Ｓ２の他端がスイッチング素子Ｓ４の他端に接続されている。

スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ３との接続点と、スイッチング素子Ｓ２とスイッチング素子Ｓ４の接続点との間には、コンデンサＣ１が接続されている。

スイッチング回路２０は、ハーフブリッジＵ２，Ｖ２とコンデンサＣ２とを含む。ハーフブリッジＵ２は、スイッチング素子Ｓ５，Ｓ６によって構成されている。ハーフブリッジＶ２は、スイッチング素子Ｓ７，Ｓ８によって構成されている。ハーフブリッジＵ２においては、スイッチング素子Ｓ５の一端とスイッチング素子Ｓ６の一端とが接続されている。スイッチング素子Ｓ５の両端には、スイッチング素子Ｓ６との接続点の側をアノードとしてダイオードが接続されている。スイッチング素子Ｓ６の両端には、スイッチング素子Ｓ５との接続点の側をカソードとしてダイオードが接続されている。スイッチング素子Ｓ５，Ｓ６として、例えばＩＧＢＴが用いられる。この場合、スイッチング素子Ｓ５としてのＩＧＢＴのエミッタと、スイッチング素子Ｓ６としてのＩＧＢＴのコレクタとが接続される。スイッチング素子Ｓ５，Ｓ６として、ＭＯＳＦＥＴが用いられてもよい。この場合、スイッチング素子Ｓ５としてのＭＯＳＦＥＴのソースと、スイッチング素子Ｓ６としてのＭＯＳＦＥＴのドレインとが接続される。

同様に、ハーフブリッジＶ２においては、スイッチング素子Ｓ７の一端と、スイッチング素子Ｓ８の一端とが接続されている。スイッチング素子Ｓ７の両端には、スイッチング素子Ｓ８との接続点の側をアノードとしてダイオードが接続されている。スイッチング素子Ｓ８の両端には、スイッチング素子Ｓ７との接続点の側をカソードとしてダイオードが接続されている。スイッチング素子Ｓ７，Ｓ８として、例えばＩＧＢＴが用いられる。この場合、スイッチング素子Ｓ７としてのＩＧＢＴのエミッタと、スイッチング素子Ｓ８としてのＩＧＢＴのコレクタとが接続される。また、スイッチング素子Ｓ７，Ｓ８として、ＭＯＳＦＥＴが用いられてもよい。この場合、スイッチング素子Ｓ７としてのＭＯＳＦＥＴのソースと、スイッチング素子Ｓ８としてのＭＯＳＦＥＴのドレインとが接続される。

ハーフブリッジＵ２とハーフブリッジＶ２とは並列接続され、フルブリッジを構成している。すなわち、スイッチング素子Ｓ５の一端がスイッチング素子Ｓ６の一端に接続され、スイッチング素子Ｓ７の一端がスイッチング素子Ｓ８の一端に接続され、スイッチング素子Ｓ５の他端がスイッチング素子Ｓ７の他端に接続され、スイッチング素子Ｓ６の他端がスイッチング素子Ｓ８の他端に接続されている。

スイッチング素子Ｓ５とスイッチング素子Ｓ７との接続点と、スイッチング素子Ｓ６とスイッチング素子Ｓ８の接続点との間には、コンデンサＣ２が接続されている。

磁気部品１０は、１次側のコイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４と、２次側のコイルＬ５，Ｌ６とを含む。コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３、Ｌ４は、スイッチング回路１８，２０側に配置されている１次側のコイルであり、コイルＬ５，Ｌ６は、ＡＣ／ＡＣコンバータ１２側に配置されている２次側のコイルである。

磁気部品１０は、磁気部品１０Ａ，１０Ｂを含む。１次側のコイルＬ１，Ｌ２と２次側のコイルＬ５とによって、磁気部品１０Ａが構成されている。１次側のコイルＬ３，Ｌ４と２次側のコイルＬ６とによって、磁気部品１０Ｂが構成されている。１次側のコイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４は並列接続され、２次側のコイルＬ５，Ｌ６は直列接続されている。

磁気部品１０Ａは、１次側のコイルＬ１，Ｌ２と２次側のコイルＬ５とを含む。コイルＬ１の一端は、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の接続点に接続されている。コイルＬ２の一端は、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の接続点に接続されている。コイルＬ１の他端はコイルＬ２の他端に接続されている。コイルＬ１，Ｌ２の接続点は、直流電源１６の正極端子に接続されている。直流電源１６の負極端子は、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ８に接続されている。

磁気部品１０Ｂは、１次側のコイルＬ３，Ｌ４と２次側のコイルＬ６とを含む。コイルＬ３の一端は、スイッチング素子Ｓ５，Ｓ６の接続点に接続されている。コイルＬ４の一端は、スイッチング素子Ｓ７，Ｓ８の接続点に接続されている。コイルＬ３の他端はコイルＬ４の他端に接続されている。コイルＬ３，Ｌ４の接続点は、直流電源１６の正極端子に接続されている。また、コイルＬ１，Ｌ２の接続点とコイルＬ３，Ｌ４の接続点とが接続されている。

コイルＬ５の一端はコイルＬ６の一端に接続されている。コイルＬ５の他端はＡＣ／ＡＣコンバータ１２に接続され、コイルＬ６の他端はＡＣ／ＡＣコンバータ１２に接続されている。

コイルＬ１とコイルＬ５とは磁気的に結合し、コイルＬ２とコイルＬ５とは磁気的に結合する。これにより、コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ５は、磁気結合回路としての磁気部品１０Ａを構成している。同様に、コイルＬ３とコイルＬ６とは磁気的に結合し、コイルＬ４とコイルＬ６とは磁気的に結合する。これにより、コイルＬ３，Ｌ４，Ｌ６は、磁気結合回路としての磁気部品１０Ｂを構成している。

ＡＣ／ＡＣコンバータ１２には、交流電源１４又は交流負荷が接続されている。

スイッチング素子Ｓ１、スイッチング素子Ｓ３及びコンデンサＣ１の接続点と、スイッチング素子Ｓ２、スイッチング素子Ｓ４及びコンデンサＣ１の接続点との間には、直流負荷２２が接続されている。同様に、スイッチング素子Ｓ５、スイッチング素子Ｓ７及びコンデンサＣ２の接続点と、スイッチング素子Ｓ６、スイッチング素子Ｓ８及びコンデンサＣ２の接続点との間には、直流負荷２２が接続されている。

スイッチング回路１８には、コンデンサＣ１の端子間電圧を検出し、その検出値を制御部２４に出力する電圧センサ（図示されていない）が設けられている。また、直流電源１６の正極端子からコイルＬ１，Ｌ２の接続点に流れる電流を検出し、その検出値を制御部２４に出力する電流センサ（図示されていない）が設けられている。同様に、スイッチング回路２０には、コンデンサＣ２の端子間電圧を検出し、その検出値を制御部２４に出力する電圧センサ（図示されていない）が設けられている。また、直流電源１６の正極端子からコイルＬ３，Ｌ４の接続点に流れる電流を検出し、その検出値を制御部２４に出力する電流センサ（図示されていない）が設けられている。制御部２４は、上記の検出値に基づいて、各スイッチング素子を制御するための制御信号を生成し、各スイッチング素子に制御信号を出力することで、各スイッチング素子のオンオフを制御する。制御信号がハイを示す場合、スイッチング素子はオンとなり、制御信号がローを示す場合、スイッチング素子はオフとなる。このように、各スイッチング素子は、制御部２４によって、オフからオン、又は、オンからオフに制御される。

以下、電力変換装置の動作について説明する。本実施形態に係る電力変換装置は、コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４に流れる電流の方向を制御することで、磁気部品１０を昇圧リアクトル又は絶縁トランスとして機能させる。つまり、電力変換装置は、コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４に流れる電流の方向を変えることで、磁気部品１０の機能を昇圧リアクトルとしての機能から絶縁トランスとしての機能へ切り替えたり、磁気部品１０の機能を絶縁トランスとしての機能から昇圧リアクトルとしての機能へ切り替えたりする。例えば、コイルＬ１，Ｌ２の位相を同相（例えば位相が０度）に定め、コイルＬ３，Ｌ４の位相を逆相（例えば位相が１８０度）に定めることで、磁気部品１０は昇圧リアクトルとして機能する。コイルＬ１，Ｌ３の位相を同相（例えば位相が０度）に定め、コイルＬ２，Ｌ４の位相を逆相（例えば位相が１８０度）に定めることで、磁気部品１０は絶縁トランスとして機能する。

図２には、磁気部品１０を昇圧リアクトルとして機能させるときの制御方法が示されている。

磁気部品１０を昇圧リアクトルとして機能させるときは、図２（ａ）に示すように、制御部２４は、指令値１とキャリア１との比較に基づいて、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を制御するための制御信号を生成し、指令値２とキャリア２との比較に基づいて、スイッチング素子Ｓ５、Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８を制御するための制御信号を生成する。

図２（ｂ）には、キャリア１，２の波形、指令値１，２の波形、及び、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ８の制御信号の波形が示されている。キャリア１とキャリア２との間の位相差は１８０度である。

図２（ｃ）には、磁気部品１０が昇圧リアクトルとして機能するときのコイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４に流れる電流の方向が、矢印によって示されている。

図３には、磁気部品１０を絶縁トランスとして機能させるときの制御方法が示されている。

磁気部品１０を絶縁トランスとして機能させるときは、図３（ａ）に示すように、制御部２４は、指令値１とキャリア１との比較に基づいて、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２を制御するための制御信号を生成し、指令値１とキャリア２との比較に基づいて、スイッチング素子Ｓ５，Ｓ６を制御するための制御信号を生成し、指令値２とキャリア１との比較に基づいて、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４を制御するための制御信号を生成し、指令値２とキャリア２との比較に基づいて、スイッチング素子Ｓ７，Ｓ８を制御するための制御信号を生成する。

図３（ｂ）には、キャリア１，２の波形、指令値１，２の波形、及び、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ８の制御信号の波形が示されている。キャリア１とキャリア２との間の位相差は１８０度である。

図３（ｃ）には、磁気部品１０が絶縁トランスとして機能するときのコイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４に流れる電流の方向が、矢印によって示されている。

図４には、磁気部品１０の等価回路が示されている。各部に流れる電流の間の関係を以下に示す。
ｉ_ｉｎ＝ｉ_１＋ｉ_２
ｉ_１＝ｉ_ａ１＋ｉ_ｂ１
ｉ_２＝ｉ_ａ２＋ｉ_ｂ２
電流ｉ_ｉｎは、直流電源１６から供給される電流である。電流ｉ_１は、磁気部品１０Ａに供給される電流である。電流ｉ_ａ１は、コイルＬ１に流れる電流であり、電流ｉ_ｂ１は、コイルＬ２に流れる電流である。電流ｉ_２は、磁気部品１０Ｂに供給される電流である。電流ｉ_ａ２は、コイルＬ３に流れる電流であり、電流ｉ_ｂ２は、コイルＬ４に流れる電流である。

１次側の電圧と２次側の電圧との関係を以下に示す。
Ｖ_ｎ２＝Ｖ_ｎ２ａ＋Ｖ_ｎ２ｂ
Ｖ_ｎ２ａ＝Ｖ_ｎ１ａｂ×Ｎ
Ｖ_ｎ２ｂ＝Ｖ_ｎ１ｃｄ×Ｎ
Ｖ_ｎ１ａｂ＝Ｖ_ｎ１ｃｄ
電圧Ｖ_ｎ２は２次側の電圧である。電圧Ｖ_ｎ２ａは、２次側の電圧であって、コイルＬ５に印加される電圧である。Ｖ_ｎ２ｂは、２次側の電圧であって、コイルＬ６に印加される電圧である。電圧Ｖ_ｎ１ａｂは、１次側の電圧であって、コイルＬ１，Ｌ２に印加される電圧である。電圧Ｖ_ｎ１ｃｄは、１次側の電圧であって、コイルＬ３，Ｌ４に印加される電圧である。Ｎは電圧比である。

以下、磁気部品１０の構成について詳しく説明する。図５には、磁気部品１０と配線との接続関係が概略的に示されている。図５に示されている符号ａ，ｂ，ｃ，ｄは、図４に示されている各符号と同一のものである。磁気部品１０は、１つのコアによって構成されている。これに対して、後述するように、比較例に係る磁気部品は、２つのコアによって構成されている（図１７参照）。磁気部品１０は１つのコアによって構成されているため、磁気部品１０のサイズを、比較例に係る磁気部品のサイズよりも小さくすることができる。

図６には、磁気部品１０の外観が示されている。一例として、磁気部品１０の外形形状は、矩形状である。もちろん、磁気部品１０の外形形状は、丸みを有する形状（例えば円柱状等）であってもよい。磁気部品１０は、上面であるＵ面、上面の反対側の面である下面、及び、４つの側面（Ａ面、Ｂ面、Ｃ面及びＤ面）を有する。Ａ面側には、コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ５が配置されており、Ｂ面側には、コイルＬ２，Ｌ３、コイルＬ５の一部及びコイルＬ６の一部が配置されており、Ｃ面側には、コイルＬ３，Ｌ４，Ｌ６が配置されており、Ｄ面側には、コイルＬ１，Ｌ４、コイルＬ５の一部及びコイルＬ６の一部が配置されている。各コイルの配置関係については後で詳しく説明する。

図７には、磁気部品１０をＡ面側から見たときのコイルの巻回の状態が模式的に示されている。図７中の右側には、１次側のコイルＬ１と２次側のコイルＬ５の一部とが示されている。図７中の左側には、１次側のコイルＬ２と２次側のコイルＬ５の一部とが示されている。１次側のコイルＬ１を構成する導線Ｎ１と２次側のコイルＬ２を構成する導線Ｎ２とが、交互に重ねて巻回されている。また、コイルＬ１とコイルＬ２との間にはギャップ部が設けられている。他のコイルについても同様である。磁気部品１０をＢ面側から見た場合、図７中の右側には、１次側のコイルＬ２と２次側のコイルＬ５の一部とが示され、図７中の左側には、１次側のコイルＬ３と２次側のコイルＬ６の一部とが示されることになる。磁気部品１０をＣ面側から見た場合、図７中の右側には、１次側のコイルＬ４と２次側のコイルＬ６の一部とが示され、図７中の左側には、１次側のコイルＬ３と２次側のコイルＬ６の一部とが示されることになる。磁気部品１０をＤ面側から見た場合、図７中の右側には、１次側のコイルＬ４と２次側のコイルＬ６の一部とが示され、図７中の左側には、１次側のコイルＬ１と２次側のコイルＬ５の一部とが示されることになる。

図８には、磁気部品１０に含まれるコア２６が示されている。図８は、コア２６の断面図である。図８には、上面側であるＵ面側から見たときのコア２６の断面が示されている。

コア２６は、コイルを構成する導線が巻回される４つのコア脚（例えばコア脚２８，３０，３２，３４）と、各コア脚の間に設けられたギャップ部（例えばギャップ部３６，３８，４０，４２）とによって構成されている。磁気部品１０のＵ面側からコア２６を見たときのコア２６の形状は、全体として正方形の形状である。各コア脚は、その正方形の四隅に配置されている。各コア脚は、例えば、正方形の断面形状を有する角柱状の形状を有する部材である。もちろん、各コア脚は、円形の断面形状を有する円柱状の形状を有する部材であってもよい。ここでは、一例として、各コア脚は、正方形の断面形状を有するものとする。４つのコア脚によって単位コア脚群が構成される。

コア２６は、１又は複数の単位コア脚群を含む。図８に示す例では、コア２６は、１つの単位コア脚群を含んでいるが、２つ以上の単位コア脚群を含んでもよい。すなわち、コア２６は、４の倍数（すなわち、４，８，１２，・・・）個のコア脚を含んでもよい。

各コア脚は、コア２６の中心位置Ｏを回転軸として互いに回転対称の位置に設けられている。例えば、コア脚３０は、中心位置Ｏを回転軸として、コア脚２８に対して９０度の位置に設けられている。コア脚３２は、中心位置Ｏを回転軸として、コア脚３０に対して９０度の位置に設けられている。コア脚３４は、中心位置Ｏを回転軸として、コア脚３２に対して９０度の位置に設けられている。

コア脚２８とコア脚３０との間にはギャップ部３６が設けられている。コア脚３０とコア脚３２との間にはギャップ部３８が設けられている。コア脚３２とコア脚３４との間にはギャップ部４０が設けられている。コア脚３４とコア脚２８との間にはギャップ部４２が設けられている。コア脚とギャップ部との間には、巻線が設けられるスペースが形成されている。各ギャップ部は、例えば、矩形状の断面形状を有する角柱状の形状を有する部材である。もちろん、各ギャップ部は、円形の断面形状を有する円柱状の形状を有する部材であってもよい。ここでは、一例として、各ギャップは、矩形状の断面形状を有するものとする。

コア脚２８には、１次側のコイルＬ１を構成する導線が巻回される。コア脚３０には、１次側のコイルＬ２を構成する導線が巻回される。コア脚３２には、１次側のコイルＬ３を構成する導線が巻回される。コア脚３４には、１次側のコイルＬ４を構成する導線が巻回される。また、コア脚２８，３０には、２次側のコイルＬ５を構成する導線が巻回される。コア脚３２，３４には、２次側のコイルＬ６を構成する導線が巻回される。

図９には、コア２６の各部のサイズが示されている。長さｌａは、コア脚２８の外側の端からコア脚３０の外側の端までの長さである。コア脚３２の外側の端からコア脚３４の外側の端までの長さも、長さｌａである。長さｌｂは、コア脚２８の外側の端からコア脚３４の外側の端までの長さである。コア脚３０の外側の端からコア脚３２の外側の端までの長さも、長さｌｂである。

長さｌａ１は、コア脚２８の外側の端からギャップ部３６の中間位置までの長さである。コア脚３４の外側の端からギャップ部４０の中間位置までの長さも、長さｌａ１である。長さｌａ２は、コア脚３０の外側の端からギャップ部３６の中間位置までの長さである。コア脚３２の外側の端からギャップ部４０の中間位置までの長さも、長さｌａ２である。長さｌｂ１は、コア脚２８の外側の端からギャップ部４２の中間位置までの長さである。コア脚３０の外側の端からギャップ部３８の中間位置までの長さも、長さｌｂ１である。長さｌｂ２は、コア脚３４の外側の端からギャップ部４２の中間位置までの長さである。コア脚３２の外側の端からギャップ部３８の中間位置までの長さも、長さｌｂ２である。

長さｌＬ１は、コア脚２８の断面における対角線の長さである。長さｌＬ２は、コア脚３０の断面における対角線の長さである。長さｌＬ３は、コア脚３２の断面における対角線の長さである。長さｌＬ４は、コア脚３４の断面における対角線の長さである。

以下に、各長さの関係を示す。
ｌａ＝ｌｂ
ｌａ＝ｌａ１＋ｌａ２
ｌａ１＝ｌａ２
ｌｂ＝ｌｂ１＋ｌｂ２
ｌｂ１＝ｌｂ２
ｌＬ１＝ｌＬ２＝ｌＬ３＝ｌＬ４

コア脚２８，３０，３２，３４のそれぞれの断面の形状と大きさは互いに同じであり、それぞれの断面積は互いに同じである。つまり、コア脚２８において対角線の長さｌＬ１を有する断面の形状と、コア脚３０において対角線の長さｌＬ２を有する断面の形状と、コア脚３２において対角線の長さｌＬ３を有する断面の形状と、コア脚３４において対角線の長さｌＬ４を有する断面の形状とは、互いに同じであり、これらの断面の面積は互いに同じである。

また、ギャップ部３６，３８，４０，４２のそれぞれの断面の形状と大きさは互いに同じであり、それぞれの断面積は互いに同じである。

また、コア脚２８とギャップ部３６との間の長さと、コア脚３０とギャップ部３６との間の長さと、コア脚３０とギャップ部３８との間の長さと、コア脚３２とギャップ部３８との間の長さと、コア脚３２とギャップ部４０との間の長さと、コア脚３４とギャップ部４０との間の長さと、コア脚３４とギャップ部４２との間の長さと、コア脚２８とギャップ部４２との間の長さとは、互いに同じである。

各コア脚の断面積、各ギャップ部の断面積、及び、コア脚とギャップ部との間の長さを調整することで、インダクタンスを増減することができる。

図１０及び図１１には、別のサイズを有するコア脚とギャップ部とが示されている。図１０には、図９に示されているコア脚及びギャップ部よりも大きいサイズを有するコア脚とギャップ部とが示されている。図１１には、図９に示されているコア脚及びギャップ部よりも小さいサイズを有するコア脚とギャップ部とが示されている。図１０及び図１１に示されているコア２６においても、各部間の長さの関係は、図９に示されているコア２６における関係と同じである。

図１２及び図１３には、各コイルの巻回方向が模式的に示されている。図１２及び図１３は、コア２６の断面図である。図１２及び図１３には、上面側であるＵ面側から見たときのコア２６の断面が示されている。図１２には、１次側のコイルの巻回方向が示されている。図１３には、２次側のコイルの巻回方向が示されている。図１２及び図１３には、コイルの巻回方向が、コイルに流れる電流の方向として示されている。図１２及び図１３に示されている符号ａ，ｂ，ｃ，ｄ，Ｎ２ａ，Ｎ２ｂは、図４に示されている各符号と同一のものである。符号ａは、コイルＬ１の一端に対応する部分を示している。符号ｂは、コイルＬ２の一端に対応する部分を示している。符号ｃは、コイルＬ３の一端に対応する部分を示している。符号ｄは、コイルＬ４の一端に対応する部分を示している。符号Ｎ２ａは、コイルＬ５の一端に対応する部分を示している。符号Ｎ２ｂは、コイルＬ６の一端に対応する部分を示している。

１次側のコイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４が並列接続されるように、１次側のコイルを構成する導線が巻回されている。図１２に示すように、コア脚２８に導線が巻回されることでコイルＬ１が構成される。具体的には、コア脚２８とギャップ部３６との間のスペースと、コア脚２８とギャップ部４２との間のスペースとを通して、導線がコア脚２８に巻回されることでコイルＬ１が構成される。また、コア脚３０に導線が巻回されることでコイルＬ２が構成される。具体的には、コア脚３０とギャップ部３６との間のスペースと、コア脚３０とギャップ部３８との間のスペースとを通して、導線がコア脚３０に巻回されることでコイルＬ２が構成される。また、コア脚３２に導線が巻回されることでコイルＬ３が構成される。具体的には、コア脚３２とギャップ部３８との間のスペースと、コア脚３２とギャップ部４０との間のスペースとを通して、導線がコア脚３２に巻回されることでコイルＬ３が構成される。また、コア脚３４に導線が巻回されることでコイルＬ４が構成される。具体的には、コア脚３４とギャップ部４０との間のスペースと、コア脚３４とギャップ部４２との間のスペースとを通して、導線がコア脚３４に巻回されることでコイルＬ４が構成される。コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の巻回方向は同じ方向である。つまり、コア脚２８に巻回されている１次側用の導線の巻回方向と、コア脚３０に巻回されている１次側用の導線の巻回方向と、コア脚３２に巻回されている１次側用の導線の巻回方向と、コア脚３４に巻回されている１次側用の導線の巻回方向とは、互いに同じ方向である。

２次側のコイルＬ５，Ｌ６が直列接続されるように、２次側のコイルを構成する導線が巻回されている。図１３に示すように、コア脚２８に巻回されている２次側用の導線と、コア脚３０に巻回されている２次側用の導線とによって、コイルＬ５が構成されている。具体的には、コア脚２８とギャップ部３６との間のスペースと、コア脚２８とギャップ部４２との間のスペースとを通して、導線がコア脚２８に巻回され、更に、コア脚３０とギャップ部３６との間のスペースと、コア脚３０とギャップ部３８との間のスペースとを通して、導線がコア脚３０に巻回されることで、コイルＬ５が構成される。コア脚３０に巻回されている状態の２次側用の導線は、コイルＬ５の一部を構成する部分コイルともいえる。同様に、コア脚３０に巻回されている状態の２次側用の導線は、コイルＬ５の一部を構成する部分コイルともいえる。コア脚２８に巻回されている２次側用の導線によって構成されている部分は、２次側のコイルＬ５において、１次側のコイルＬ１に対応する部分である。コア脚３０に巻回されている２次側用の導線によって構成されている部分は、２次側のコイルＬ５において、１次側のコイルＬ２に対応する部分である。

また、コア脚３２に巻回されている２次側用の導線と、コア脚３４に巻回されている２次側用の導線とによって、コイルＬ６が構成されている。具体的には、コア脚３２とギャップ部３８との間のスペースと、コア脚３２とギャップ部４０との間のスペースとを通して、導線がコア脚３２に巻回され、更に、コア脚３４とギャップ部４０との間のスペースと、コア脚３４とギャップ部４２との間のスペースとを通して、導線がコア脚３４に巻回されることで、コイルＬ６が構成される。コア脚３２に巻回されている状態の２次側用の導線は、コイルＬ６の一部を構成する部分コイルともいえる。同様に、コア脚３４に巻回されている状態の２次側の導線は、コイルＬ６の一部を構成する部分コイルともいえる。コア脚３２に巻回されている２次側用の導線によって構成されている部分は、２次側のコイルＬ６において、１次側のコイルＬ３に対応する部分である。コア脚３４に巻回されている２次側用の導線によって構成されている部分は、２次側のコイルＬ６において、１次側のコイルＬ４に対応する部分である。

コア脚２８に巻回されている２次側用の導線の巻回方向と、コア脚３２に巻回されている２次側用の導線の巻回方向とは、互いに同じである。コア脚３０に巻回されている２次側用の導線の巻回方向と、コア脚３４に巻回されている２次側用の導線の巻回方向とは、互いに同じである。コア脚２８，３２のそれぞれに巻回されている２次側用の導線の巻回方向と、コア脚３０，３４のそれぞれに巻回されている２次側用の導線の巻回方向とは、互いに反対の方向である。つまり、中心位置Ｏを対称軸として互いに対角線上の位置に設けられたコア脚に巻回されている導線同士の巻回方向は、互いに同じ方向である。換言すると、中心位置Ｏを対称軸として、互いに１８０度の回転対称の位置に巻回されている各導線の巻回方向は、互いに同じ方向である。

以下、磁気部品１０の作用について説明する。図１４には、磁気部品１０を昇圧リアクトルとして機能させるときに各コイルに流れる電流の向きが示されている。コイルＬ１、つまり、コア脚２８に巻回されている導線には、電流ｉ_ａ１が流れる。コイルＬ２、つまり、コア脚３０に巻回されている導線には、電流ｉ_ｂ１が流れる。コイルＬ３、つまり、コア脚３２に巻回されている導線には、電流ｉ_ａ２が流れる。コイルＬ４、つまり、コア脚３４に巻回されている導線には、電流ｉ_ｂ２が流れる。各コイルに流れる電流の値は同じである。電流の流れる方向は、図２（ｃ）に示されている方向と同じである。

コイルに電流が流れることで磁束が発生する。図１５には、その磁束の方向が示されている。電流ｉ_ａ１がコイルＬ１に流れることで、磁束Φ１が発生する。電流ｉ_ｂ１がコイルＬ２に流れることで、磁束Φ２が発生する。電流ｉ_ａ２がコイルＬ３に流れることで、磁束Φ３が発生する。電流ｉ_ｂ２がコイルＬ４に流れることで、磁束Φ４が発生する。各コア脚の断面積は同じであり、各コイルには同じ値を持った電流が流れるので、各磁束の大きさは同じである。つまり、Φ１＝Φ２＝Φ３＝Φ４の関係が成立する。

磁束Φ１，Φ２，Φ３，Φ４のそれぞれは、以下の成分に分けられる。
Φ１＝Φ１２＋Φ１４
Φ２＝Φ２１＋Φ２３
Φ３＝Φ３２＋Φ３４
Φ４＝Φ４３＋Φ４１

磁束Φ１２は、コイルＬ１にて発生し、コア脚２８とコア脚３０との間に設置されているギャップ部３６に向かう磁束である。磁束Φ１４は、コイルＬ１にて発生し、コア脚２８とコア脚３４との間に設置されているギャップ部４２に向かう磁束である。

磁束Φ２１は、コイルＬ２にて発生し、コア脚３０とコア脚２８との間に設置されているギャップ部３６に向かう磁束である。磁束Φ２３は、コイルＬ２にて発生し、コア脚３０とコア脚３２との間に設置されているギャップ部３８に向かう磁束である。

磁束Φ３２は、コイルＬ３にて発生し、コア脚３２とコア脚３０との間に設置されているギャップ部３８に向かう磁束である。磁束Φ３４は、コイルＬ３にて発生し、コア脚３２とコア脚３４との間に設置されているギャップ部４０に向かう磁束である。

磁束Φ４２は、コイルＬ４にて発生し、コア脚３４とコア脚３２との間に設置されているギャップ部４０に向かう磁束である。磁束Φ４１は、コイルＬ４にて発生し、コア脚３４とコア脚２８との間に設けられているギャップ部４２に向かう磁束である。

ギャップ部３６においては、磁束Φ１２の向きと磁束Φ２１の向きとは互いに同じであるため、エネルギーが蓄えられる。他のギャップ部３８，４０，４２においても同様である。

以下に、コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４のそれぞれのインダクタンス値を示す。
コイルＬ１のインダクタンス値＝Ｌ１ａ＋Ｍ１２＋Ｍ１３＋Ｍ１４
コイルＬ２のインダクタンス値＝Ｌ２ａ＋Ｍ２１＋Ｍ２３＋Ｍ２４
コイルＬ３のインダクタンス値＝Ｌ３ａ＋Ｍ３１＋Ｍ３２＋Ｍ３４
コイルＬ４のインダクタンス値＝Ｌ４ａ＋Ｍ４１＋Ｍ４２＋Ｍ４３
Ｌ１ａ＝Ｌ２ａ＝Ｌ３ａ＝Ｌ３ｂ＝自己インダクタンス
Ｍ１２＝Ｍ１３＝Ｍ１４＝相互インダクタンス
Ｍ２１＝Ｍ２３＝Ｍ２４＝相互インダクタンス
Ｍ３１＝Ｍ３２＝Ｍ３４＝相互インダクタンス
Ｍ４１＝Ｍ４２＝Ｍ４３＝相互インダクタンス

上記のように、４つのコア脚（コア脚２８，３０，３２，３４）と４つのギャップ部（ギャップ部３６，３８，４０，４２）とを利用することで、インダクタンスを増加させることができる。

図１６には、磁気部品１０を絶縁トランスとして機能させるときに発生する磁束の向きが示されている。磁気部品１０を絶縁トランスとして機能させるときの電流の方向は、図３（ｃ）に示されている方向と同じである。

ギャップ部３６においては、磁束Φ１２の向きと磁束Φ２１の向きとが、互いに反対になる。磁束Φ１２の大きさと磁束Φ２１の大きさとは互いに同じであるため、ギャップ部３６において、磁束同士が打ち消し合う。他のギャップ部３８，４０，４２においても同様である。その結果、磁気部品１０はリアクトルとして機能しない。この場合、２次側のコイルＬ５，Ｌ６に逆起電圧が発生し、磁気部品１０は絶縁トランスとして機能する。

以下、図１７を参照して、比較例に係る磁気部品について説明する。比較例に係る磁気部品は２つの磁気部品４４，４６を含む。磁気部品４４，４６はそれぞれ、コアと、コアに巻回された導線からなるコイルとを含む。つまり、比較例に係る磁気部品は２つのコアを含む。磁気部品４４は、上述したコイルＬ１，Ｌ２，Ｌ５を含み、磁気部品４６は、上述したコイルＬ３，Ｌ４，Ｌ６を含む。磁気部品４４の１次側は、スイッチング回路１８に接続されている。磁気部品４６の１次側は、スイッチング回路２０に接続されている。磁気部品４４，４６には、直流電源１６から電流が供給される。

図１８及び図１９には、本実施形態に係る磁気部品１０と比較例に係る磁気部品との比較結果が示されている。図１８には、１次側コイルの巻回数とインダクタンスとの関係が示されている。図１９には、スイッチング周波数と電流リップルとの関係が示されている。

図１８において、横軸は１次側コイル（例えばコイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４）の巻回数を示しており、縦軸はインダクタンス［Ｈ］を示している。グラフ４８は、本実施形態に係る磁気部品１０の特性を示している。グラフ５０は、比較例に係る磁気部品の特性を示している。本実施形態に係る磁気部品１０によれば、比較例に係る磁気部品と比較して、より高いインダクタンスが得られる。つまり、１次側コイルの巻回数が同じであっても、より高いインダクタンスが得られる。より高いインダクタンスが得られるため、本実施形態に係る磁気部品１０によれば、比較例に係る磁気部品と比較して、電流リップルの増大が抑制される。それ故、互いに電流リップルが同じになるように、本実施形態に係る磁気部品１０と比較例に係る磁気部品とを設計した場合、本実施形態に係る磁気部品１０によれば、比較例に係る磁気部品と比べて、スイッチング周波数を低減することができる。図１９には、その比較結果が示されている。図１９において、横軸はスイッチング周波数［ｋＨｚ］を示しており、縦軸は電流リップル［Ａ］を示している。グラフ５２は、本実施形態に係る磁気部品１０の特性を示している。グラフ５４は、比較例に係る磁気部品の特性を示している。例えば、電流リップルが２０［Ａ］の場合、比較例におけるスイッチング周波数は３００［ｋＨｚ］であるのに対して、本実施形態におけるスイッチング周波数は１８５［ｋＨｚ］となる。

以上のように、本実施形態に係る磁気部品１０によれば、コア２６の数が１つであるため、磁気部品１０を小型化することができる。また、高いインダクタンスが得られ、スイッチング損失の増大が抑制されるので、磁気部品１０の効率を向上させることができる。

図２０には、本実施形態に係る磁気部品１０の動作時にコイルに流れる電流を示すグラフが示されている。本実施形態に係る制御方法によって、昇圧リアクトルと絶縁トランスの２つの機能を実現させることができることが確認できた。つまり、磁気部品１０の機能を、昇圧リアクトルの機能から絶縁トランスの機能へ切り替えたり、絶縁トランスの機能を昇圧リアクトルの機能へ切り替えたりすることができることが確認できた。また、磁気部品１０が昇圧リアクトルとして動作しているときの電流リップルと、磁気部品１０が絶縁トランスとして動作しているときの電流リップルとを同じに設計することができることが確認できた。

１０ 磁気部品、２６ コア、２８，３０，３２，３４ コア脚、３６，３８，４０，４２ ギャップ部。

Claims (2)

1. 少なくとも４つのコア脚を含む１つのコアと、
   前記少なくとも４つのコア脚に巻回された導線を含む複数の１次側コイルと、
   前記少なくとも４つのコア脚に巻回された導線を含み、前記複数の１次側コイルと磁気的に結合する複数の２次側コイルと、
   を有し、
   前記複数の１次側コイルは互いに並列に接続され、
   前記複数の２次側コイルは互いに直列に接続され、
   前記複数の１次側コイルと前記複数の２次側コイルとに流れる電流の方向が制御されることで、前記複数の１次側コイルと前記複数の２次側コイルとが、リアクトル又はトランスとして機能し、
   各１次側コイルは、１つのコア脚に巻回された巻線によって構成されており、
   各２次側コイルは、２つのコア脚に巻回された巻線によって構成されており、
   各１次側コイルにおいては、各コア脚に巻回されている導線の巻回方向が互いに同じであり、
   同一の２次側コイルにおいては、各コア脚に巻回されている導線の巻回方向が互いに反対方向である、
   ことを特徴とする磁気部品。
2. ４つのコア脚によって単位コア脚群が構成されており、
   前記コアは、１又は複数の単位コア脚群を含み、
   前記単位コア脚群において、各コア脚は、正方形の四隅に配置されており、
   前記複数の２次側コイルにおいては、互いに対角線上の位置に配置されたコア脚に巻回されている導線同士の巻線方向が同じである、
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気部品。

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