JP6975902B2 - Ｌｌｃ共振コンバーター - Google Patents

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Description

本発明は、例えば車載充電器に用いられるＬＬＣ共振コンバーターに関する。
従来、電気自動車（ＥＶ）やプラグインハイブリッド車（ＰＨＶ）等に搭載される充電器として、電力の変換を行うＬＬＣ共振コンバーターを備える構成が知られている。一般的なＬＬＣ共振コンバーターは、一次巻線及び二次巻線を有するトランス、トランスの一次側に接続される共振コンデンサー、トランス及び共振コンデンサーへの通電を制御するスイッチング回路、トランスの二次側に接続される整流回路等を備える。
ＬＬＣ共振コンバーターは、トランスの結合係数を小さくして積極的に漏れインダクタンスを生じさせることにより、これを共振用インダクタンスとして利用する。つまり、ＬＬＣ共振コンバーターは、トランスの漏れインダクタンス及び共振コンデンサーからなる共振回路を有する。
ＬＬＣ共振コンバーターについては、例えば特許文献１、２などに開示されている。
特開２０１７−７７０７８号公報 国際公開第２０１７／０２２４７７号
ＬＬＣ共振コンバーターが、コンデンサーとインピーダンスとからなる直列共振部を含んで構成されている場合、直列共振部（ＬＣ直列共振部）には大きな電圧が生じる。
一方、ＬＬＣ共振コンバーターを小型化するためには、共振周波数（駆動周波数）を高くすることが望まれる。
このようなことから、直列共振部（ＬＣ直列共振部）は、高電圧及び高周波数にさらされることが想定される。
ここで、ＩＥＣ６０６６４−４（ＪＩＳ Ｃ ６０６６４−４）に規定される絶縁距離（沿面距離）によると、高電圧になる程、及び、高周波数になる程、必要な絶縁距離は長くなる。この結果、ＬＬＣ共振コンバーターの高電圧化及び高周波化は、ＬＬＣ共振コンバーターの大型化を招く。
本発明は、以上の点を考慮してなされたものであり、高電圧化及び高周波化した場合でも、大型化を抑制できるＬＬＣ共振コンバーターを提供する。
本発明のＬＬＣ共振コンバーターの一つの態様は、
少なくとも直列共振部を含むＬＬＣ共振コンバーターであって、
前記直列共振部を構成する、コンデンサー、インダクタンス、及び、前記コンデンサーと前記インダクタンスとの間の電力線が樹脂封入されている。
本発明によれば、高電圧化及び高周波化した場合でも、大型化を抑制できるＬＬＣ共振コンバーターを実現できる。
実施の形態に係るＬＬＣ共振コンバーターを含む回路図 パッケージングされたＬＬＣ共振コンバーターを上部斜め方向から見た斜視図 図２においてケースを取り除いた斜視図 図２のＡ−Ａ’断面図 ＬＬＣ共振コンバーターを昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバーターとして用いた構成例を示す回路図
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係るＬＬＣ共振コンバーター１００を含む回路図である。図１の例は、本実施の形態のＬＬＣ共振コンバーター１００を車載充電器に用いた例である。
図１において、ＬＬＣ共振コンバーター１００は、ＡＣ／ＤＣコンバーター２を介して外部電源１に接続されている。外部電源１は、例えば、６０Ｈｚ、２００Ｖの単相交流電力を供給する商用電源であって、ＡＣ／ＤＣコンバーター２の入力段に対して交流電力を供給する。
ＡＣ／ＤＣコンバーター２は、外部電源１から入力した交流電力を直流電力に変換して、ＬＬＣ共振コンバーター１００に供給する。ＡＣ／ＤＣコンバーター２は、例えば、整流回路及び平滑化コンデンサーを備えている。なお、ＡＣ／ＤＣコンバーター２はさらに出力段に力率改善回路等が設けられていてもよい。ＡＣ／ＤＣコンバーター２は、例えば、外部電源１から入力した２００Ｖの単相交流電力を４００Ｖの直流電力に変換する。
ＬＬＣ共振コンバーター１００は、外部電源１とバッテリー３とを絶縁しつつ、バッテリー３にＡＣ／ＤＣコンバーター２により得られた直流電力を供給する。
ＬＬＣ共振コンバーター１００はインバーター１０１を有し、インバーター１０１はＡＣ／ＤＣコンバーター２から入力した直流電力から所定の駆動周波数を有する送電電力を形成し、これを第１及び第２ノードＮ１、Ｎ２に出力する。
さらに、ＬＬＣ共振コンバーター１００は、トランス（換言すれば送電コイル）Ｔ１、Ｔ２と、コンデンサー（換言すれば容量素子）Ｃｒと、インダクタンス（換言すれば誘導素子）Ｌｒと、を有する。第１ノードＮ１と第２ノードＮ２との間に、トランスの一次巻線Ｔ１が電気的に接続されている。また、第１ノードＮ１と一次巻線Ｔ１との間には、コンデンサーＣｒ及びインダクタンスＬｒが直列接続されている。これにより、コンデンサーＣｒ及びインダクタンスＬｒによって直列共振部が構成される。
トランスの二次巻線Ｔ２の両端に設けられた第３及び第４ノードＮ３、Ｎ４には、整流回路１０２が接続され、整流回路１０２を介して充電対象であるバッテリー３が接続される。
この構成により、ＬＬＣ共振コンバーター１００は、外部電源１とバッテリー３とを絶縁しつつ、バッテリー３にＡＣ／ＤＣコンバーター２により得られた直流電力を供給することができる。なお、ＬＬＣ共振コンバーター１００がＡＣ／ＤＣコンバーター２から４００Ｖの直流電力を入力する場合、ＬＬＣ共振コンバーター１００の直列共振部は例えば駆動周波数０．３５ＭＨｚ、ピーク電圧２０００Ｖで動作する。
インバーター１０１及び整流回路１０２については既知の構成を用いることができるので、ここでは簡単に説明する。インバーター１０１は、複数のスイッチング素子から構成されており、スイッチング素子のスイッチングに応じた周波数の駆動電力がＬＬＣ共振コンバーター１００への送電電力として出力される。整流回路１０２は、複数の整流素子や平滑コンデンサーなどから構成されている。
図２−図４は、本実施の形態によるＬＬＣ共振コンバーター１００のパッケージ構成を示す図である。図２は、パッケージングされたＬＬＣ共振コンバーター１００を上部斜め方向から見た斜視図である。図３は、図２においてケース１１０を取り除いた斜視図である。図４は、図２のＡ−Ａ’断面を示す断面図である。
ＬＬＣ共振コンバーター１００は、ケース１１０内に、一次巻線Ｔ１、二次巻線Ｔ２、ボビン１２０、上部コア１３１、下部コア１３２、プリント基板１４０、及び仕切板１５０等が格納されて構成されている。
ケース１１０は金属により形成されている。なお、ケース１１０は例えば樹脂により形成してもよいが、金属で形成することにより放熱性が向上し、その結果小型化の点でも有利となる。
ボビン１２０は、例えば、絶縁性を有する合成樹脂材料で形成されている。ボビン１２０は、一次巻線Ｔ１及び二次巻線Ｔ２を巻回する巻線部（符号略）を有する。図４から分かるように、ボビン１２０は、例えば、下側に一次巻線Ｔ１が巻回される第１の巻線部（符号略）を有し、上側に二次巻線Ｔ２が巻回される第２の巻線部（符号略）を有する。第１の巻線部と第２の巻線部は、仕切板１５０によって分離されている。一次巻線Ｔ１及び二次巻線Ｔ２は、ボビン１２０の巻線部に、仕切板１５０により絶縁された状態で巻回されている。なお、図４の例の場合、仕切板１５０は、一次巻線Ｔ１及び二次巻線Ｔ２から引き出された引き出し線１６１、１６２の間に介在するように、ボビン１２０の内部から外部へと延在しており、これにより引き出し線１６１、１６２間の絶縁も行う。
上部コア１３１及び下部コア１３２は、例えば、フェライト等の磁性材料で形成されたＥＥコアである。上部コア１３１及び下部コア１３２は、一次巻線Ｔ１及び二次巻線Ｔ２が巻回されたボビン１２０に組み付けられ、一次巻線Ｔ１及び二次巻線Ｔ２に通電したときに磁路を形成する。
一次巻線Ｔ１から引き出された引き出し線１６１及び二次巻線Ｔ２から引き出された引き出し線１６２は、トランス部分の上側にトランス部分に積層するように配置されたプリント基板１４０に電気的に接続される。ここで、実際上、一次巻線Ｔ１の引き出し線１６１及び二次巻線Ｔ２の引き出し線１６２はそれぞれ２本ずつあり、よって合計４本の引き出し線１６０（図３）がプリント基板１４０の配線パターンに電気的に接続されている。
引き出し線１６０はプリント基板１４０の配線により以下のように接続される。一次巻線Ｔ１の２本の引き出し線１６１のうち１本はコンデンサーＣｒを介して第１ノードＮ１に接続されており、もう１本は第２ノードＮ２に接続されている。二次巻線Ｔ２の２本の引き出し線１６２のうち１本は第３ノードＮ３に接続されており、もう１本は第４ノードＮ４に接続されている。
なお、実施の形態の場合には、コンデンサーＣｒは複数のコンデンサーが従属接続されて構成されている。コンデンサーとしては、例えばセラミックコンデンサーが用いられている。
かかる構成に加えて、本実施の形態のＬＬＣ共振コンバーター１００は、図４に示したように、ケース１１０内に熱硬化性の樹脂２００が充填されている。樹脂２００は、ケース１１０内に上述した部品を配置した後に、ケース１１０内に流し込まれる。
これにより、直列共振部を構成する、コンデンサーＣｒ、インダクタンスＬｒ（本実施の形態の場合には、一次巻線Ｔ１がインダクタンスＬｒを兼ねている）、及び、コンデンサーＣｒとインダクタンスＬｒ間の電力線（引き出し線１６０）が樹脂封入される。
なお、本実施の形態では、一次巻線（トランス）Ｔ１にインダクタンスＬｒの作用に相当する作用をもたせている。つまり、一次巻線（トランス）Ｔ１とインダクタンスＬｒは一体に形成されている。これにより、インダクタンスＬｒとトランスとを別体に構成するよりも小型化が可能となる。勿論、インダクタンスＬｒは一次巻線（トランス）Ｔ１とは別体に構成されていてもよい。インダクタンスＬｒと一次巻線（トランス）Ｔ１とを別体に構成した場合には、一次巻線（トランス）Ｔ１は高電圧部分から除外されるので、一次巻線（トランス）Ｔ１を樹脂封入しなくてもよい。ただし、樹脂封入の工程のし易さを考慮して、トランスも樹脂封入してもよい。
封入する樹脂２００としては、絶縁性が高い樹脂が用いられている。さらには、樹脂２００としては、耐電圧の高い樹脂を用いることが好ましい。さらには、熱伝導性の高い樹脂を用いることが好ましい。さらには、熱硬化時の上部コア１３１、下部コア１３２やコンデンサーＣｒの破損を防止するために、熱硬化時の収縮が小さい樹脂を用いることが好ましい。樹脂２００としては、例えばシリコン、エポキシ、ウレタンなどからなる樹脂が用いられる。
ここで、ＬＬＣ共振コンバーター１００を動作させると、特に図１で示した直列共振部が高電圧となる。そのため、絶縁距離を長くする必要が生じる。例えば、一次巻線Ｔ１の引き出し線１６１のうちコンデンサーＣに接続された方の引き出し線１６１が高電位となるので、その引き出し線１６１とケース１１０との間、その引き出し線１６１と他の引き出し線の間、その引き出し線１６１とコア１３１、１３２との間などの絶縁距離を長くする必要がある。また、コンデンサーＣｒが高電圧となるので、コンデンサーＣｒの上側に配置されるケース１１０の上蓋（図示せず）とコンデンサーＣｒとの絶縁距離を長くする必要がある。また、一次巻線Ｔ１とコア１３１との間の絶縁距離を長くする必要がある。ＬＬＣ共振コンバーター１００の駆動周波数を高くすると、これらの絶縁距離をさらに長くする必要が生じる。
本実施の形態では、高電圧となる、コンデンサーＣｒ、インダクタンスＬｒ（本実施の形態の場合には一次巻線Ｔ１）、及び、コンデンサーＣｒとインダクタンスＬｒ間の電力線（引き出し線１６０）が樹脂封入されているので、高電圧及び高周波数で動作させた場合でも、必要な絶縁距離を短くすることができる。具体的には、高電圧となる引き出し線１６１とケース１１０との間、高電圧となる引き出し線１６１と他の引き出し線の間、高電圧となる引き出し線１６１とコア１３１、１３２との間、コンデンサーＣｒとケース１１０の上蓋との間の絶縁距離を短くすることができる。この結果、ＬＬＣ共振コンバーターを高電圧化及び高周波化した場合でも、大型化を抑制できる。
以上説明したように、本実施の形態によれば、直列共振部を構成する、コンデンサーＣｒ、インダクタンスＬｒ（本実施の形態の場合には、一次巻線Ｔ１がインダクタンスＬｒを兼ねている）、及び、コンデンサーＣｒとインダクタンスＬｒ間の電力線（引き出し線１６０）を樹脂封入したことにより、高電圧化及び高周波化した場合でも、ＬＬＣ共振コンバーターの大型化を抑制できるようになる。
上述の実施の形態は、本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することの無い範囲で、様々な形で実施することができる。
上述の実施の形態では、コンデンサーＣｒを構成する複数のコンデンサーの全てを樹脂封入する場合を示したが、複数のコンデンサーのうち、高電圧になる一部のコンデンサーのみを樹脂封入し、他のコンデンサーは樹脂封入しなくてもよい。同様に、上述の実施の形態では、全ての引き出し線（電力線）１６０を樹脂封入する場合を示したが、高電圧になる一部の引き出し線（電力線）１６０のみを樹脂封入し、他の引き出し線（電力線）１６０は樹脂封入しなくてもよい。
上述の実施の形態では、本発明のＬＬＣ共振コンバーターを車載充電器に用いた場合を例に説明したが、本発明のＬＬＣ共振コンバーターは車載充電器以外にも用いることができる。例えば、図５に示したように、バッテリー１０と負荷３０との間に設けられ、バッテリー１０の電圧を昇圧して負荷３０に供給する昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバーターとして用いることもできる。具体的に説明すると、図５のＬＬＣ共振コンバーター１００は、バッテリー１０の電力を入力しこれを昇圧して出力する。例えば２００Ｖ程度のバッテリー１０の電圧がＬＬＣ共振コンバーター１００によって５００Ｖ程度の電圧に昇圧される。ＬＬＣ共振コンバーター１００によって昇圧された電力はモーター等の負荷３０に供給される。同様に、本発明のＬＬＣ共振コンバーターは、降圧型のＤＣ−ＤＣコンバーターとして用いることもできる。
本発明のＬＬＣ共振コンバーターは、高電圧化及び高周波化した場合でも大型化を抑制できるといった効果を有し、種々のＤＣ−ＤＣコンバーターに適用可能である。
１ 外部電源
２ ＡＣ／ＤＣコンバーター
３、１０ バッテリー
３０ 負荷
１００ ＬＬＣ共振コンバーター
１０１ インバーター
１０２ 整流回路
１１０ ケース
１２０ ボビン
１３１ 上部コア
１３２ 下部コア
１４０ プリント基板
１５０ 仕切板
１６０、１６１、１６０ 引き出し線（電力線）
２００ 樹脂
Ｃｒ コンデンサー
Ｌｒ インダクタンス
Ｎ１〜Ｎ４ ノード
Ｔ１ 一次巻線（送電コイル）
Ｔ２ 二次巻線

Claims (3)

  1. 少なくとも直列共振部を含むＬＬＣ共振コンバーターであって、
    前記直列共振部を構成する、コンデンサー、インダクタンス、及び、前記コンデンサーと前記インダクタンスとの間の電力線が樹脂封入されており、
    所定の駆動周波数を有する送電電力を第１ノード及び第２ノード間に出力するインバーターの、前記第１ノード及び前記第２ノード間に電気的に接続された送電コイルを備え、
    前記直列共振部を構成する前記コンデンサー及び前記インダクタンスは、前記第１ノード及び前記送電コイル間に直列に接続されており、
    前記送電コイルと前記インダクタンスは一体に形成されており、
    一体形成された前記送電コイルと前記インダクタンスが樹脂封入されている、
    ＬＬＣ共振コンバーター。
  2. 前記直列共振部と、前記送電コイルと、を格納するケースを備え、
    前記ケース内に樹脂が充填されることで、前記直列共振部及び前記送電コイルが一括して樹脂封入されている、
    請求項１に記載のＬＬＣ共振コンバーター。
  3. 上面が開口されたケースに、一体形成された前記送電コイルと前記インダクタンスが格納され、
    前記一体形成された前記送電コイルと前記インダクタンスの上側に、前記コンデンサーが積層された状態で、前記ケース内に樹脂が充填されることで、前記直列共振部及び前記送電コイルが一括して樹脂封入されている、
    請求項１に記載のＬＬＣ共振コンバーター。
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