JP7025984B2 - 電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、コンバータを含む電源装置に関する。

近年、自動車等の電動化の進展に伴って、複数の電源からモータ、補機等の様々な負荷へ電力を供給するために複数のコンバータが用いられることが多くなっている。ハイブリッド自動車や電気自動車等の電動車両には、駆動用モータに電力を供給するためのバッテリが搭載されている。ハイブリッド自動車では、エンジンの駆動力や回生制動によって発電した電力によってバッテリが充電される。また、プラグイン機能を備えた電動車両では、商用電源から供給される電力によってバッテリが充電される。バッテリを充電するため、電動車両には電力変換装置が搭載されている。電力変換装置は、バッテリ充電のために入力された電圧を適切な電圧に変換してバッテリに印加するために使用される。

例えば、２つのスイッチング回路を各回路の巻線によって磁気的に結合させ、２つのスイッチング回路の間で電力を伝送させる電力変換装置が示されている（特許文献１及び２）。

特開２０１１－１９３７１３号公報 特開２００６－１８７１４７号公報

このような電源装置において、出力のリプルを減少させるためのフィルタのサイズも含めて回路全体の高電力密度化を図ることが望まれている。

本発明の１つの態様は、電磁気的に結合する第１スイッチング回路及び第２スイッチング回路を備える電源装置であって、前記第１スイッチング回路は、第１コンデンサと、第１スイッチング素子と、磁路を形成する第１巻線と、を含む第１ループと、第２コンデンサと、第２スイッチング素子と、磁路を形成する第２巻線と、を含む第２ループと、前記第１スイッチング素子及び前記第１巻線を接続する経路と、前記第２スイッチング素子及び前記第２巻線を接続する経路との間に設けられた第１共通コンデンサと、を備え、前記第２スイッチング回路は、第３コンデンサと、第３スイッチング素子と、磁路を形成する第３巻線と、を含む第３ループと、第４コンデンサと、第４スイッチング素子と、磁路を形成する第４巻線と、前記第４巻線に直列に接続された付加巻線と、を含む第４ループと、前記第３スイッチング素子及び前記第３巻線を接続する経路と、前記第４スイッチング素子及び前記第４巻線を接続する経路との間に設けられた第２共通コンデンサと、を備え、前記第１巻線及び前記第２巻線と前記第３巻線及び前記第４巻線とが磁気結合されており、前記第１巻線及び前記第２巻線と前記付加巻線との磁気結合は、前記第１巻線及び前記第２巻線と前記第３巻線との磁気結合並びに前記第１巻線及び前記第２巻線と前記第４巻線との磁気結合よりも弱いことを特徴とする電源装置である。

ここで、前記第１巻線及び前記第２巻線と前記付加巻線とは磁気結合していないことが好適である。

また、前記第１スイッチング回路及び前記第２スイッチング回路と電磁気的に結合する第３スイッチング回路を備え、前記第３スイッチング回路は、第５コンデンサと、第５スイッチング素子と、磁路を形成する第５巻線と、を含む第５ループと、第６コンデンサと、第６スイッチング素子と、磁路を形成する第６巻線と、を含む第６ループと、前記第５スイッチング素子及び前記第５巻線を接続する経路と、前記第６スイッチング素子及び前記第６巻線を接続する経路との間に設けられた第３共通コンデンサと、を備え、前記第１巻線及び前記第２巻線と前記第５巻線及び前記第６巻線とが磁気結合されていることが好適である。

本発明によれば、出力電流のリプルを低減させることができ、これに伴って出力側に設けられるフィルタを小型化することができる。

第１の実施の形態における電源装置の構成を示す図である。 電源装置の電圧及び電流の時間変化を示す図である。 電源装置の電圧及び電流の時間変化を示す図である。 第２の実施の形態における電源装置の構成を示す図である。 電源装置の電圧及び電流の時間変化を示す図である。

［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態における電源装置１００の構成を示す。電源装置１００は、コンデンサＣ１～Ｃ６、インダクタＬ１～Ｌ４，Ｌｍ、スイッチング素子Ｓ１～Ｓ４を含んで構成される。

電源装置１００は、コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃｘ１、インダクタＬ１，Ｌ２及びスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２から構成される１次スイッチング回路１０２と、コンデンサＣ３，Ｃ４，Ｃｘ２、インダクタＬ３，Ｌ４，Ｌｍ及びスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４から構成される２次スイッチング回路１０４を組み合わせて構成される。１次スイッチング回路１０２には、ポートＡが設けられる。また、２次スイッチング回路１０４には、ポートＢが設けられる。ポートＡには、バッテリ等から入力電圧Ｖａが印加される。また、ポートＢには、出力電圧Ｖｂが出力される。

１次スイッチング回路１０２は、以下のように構成される。インダクタＬ１及びスイッチング素子Ｓ１は直列に接続され、さらにこれらがコンデンサＣ１に並列に接続される。これにより、インダクタＬ１、スイッチング素子Ｓ１及びコンデンサＣ１による第１ループが構成される。インダクタＬ２及びスイッチング素子Ｓ２は直列に接続され、さらにこれらがコンデンサＣ２に並列に接続される。これにより、インダクタＬ２、スイッチング素子Ｓ２及びコンデンサＣ２による第２ループが構成される。インダクタＬ１とスイッチング素子Ｓ１との接続点とインダクタＬ２及びスイッチング素子Ｓ２の接続点が第１共通コンデンサＣｘ１にて接続される。さらに、コンデンサＣ１とスイッチング素子Ｓ１の接続点とコンデンサＣ２とスイッチング素子Ｓ２との接続点が短絡される。コンデンサＣ１とコンデンサＣ２の直列接続の両端間がポートＡとされる。１次スイッチング回路１０２では、スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ２が排他的に交互にスイッチングされる。

２次スイッチング回路１０４では、１次スイッチング回路１０２と同様に、コンデンサＣ３，Ｃ４，Ｃｘ２、インダクタＬ３，Ｌ４及びスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４がそれぞれコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃｘ１、インダクタＬ１，Ｌ２及びスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２と同様に接続される。ここで、インダクタＬｍは、インダクタＬ４の直近においてインダクタＬ４に対して直列に接続される。なお、インダクタＬｍは、インダクタＬ１～Ｌ４よりもインダクタンスを小さくすることが好適である。また、コンデンサＣ４の両端間がポートＢとされる。２次スイッチング回路１０４では、スイッチング素子Ｓ３とスイッチング素子Ｓ４が排他的に交互にスイッチングされる。

電源装置１００では、インダクタＬ１及びインダクタＬ２とインダクタＬ３及びインダクタＬ４とが磁気的に結合される。インダクタＬ１～Ｌ４は、１つの磁気コアにより結合させることが好適である。なお、スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ２のスイッチングと、スイッチング素子Ｓ３とスイッチング素子Ｓ４のスイッチングとの位相差が０の場合に互いに磁気コア内に同じ方向に磁束を発生させる方向にインダクタＬ１～Ｌ４は巻回される。

一方、インダクタＬ１及びインダクタＬ２とインダクタＬｍとの磁気結合は、インダクタＬ１及びインダクタＬ２とインダクタＬ３及びインダクタＬ４との磁気結合よりも弱くされている。本実施の形態では、インダクタＬｍをインダクタＬ１及びインダクタＬ２とは同じ磁気コアにより結合させないような構成としている。これにより、インダクタＬｍは、インダクタＬ１～Ｌ４と、ほぼ完全に磁気結合がないようにされている。

まず、インダクタＬｍが設けられていない構成において、図２に示すように、スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ２とをスイッチングデューティＤで制御し、スイッチング素子Ｓ３とスイッチング素子Ｓ４とをスイッチングデューティＤで制御し、１次スイッチング回路１０２と２次スイッチング回路１０４との間を位相差Φで制御した場合について考察する。図２は、この場合における入力電流Ｉｉｎ、出力電流Ｉｏｕｔ、インダクタＬ１～Ｌ４を流れる電流ｉ１～ｉ４の変化を示す。

スイッチングの位相差Φの影響により、インダクタＬ１～Ｌ４には台形電流が発生し、１次スイッチング回路１０２と２次スイッチング回路１０４との間で電力が伝送される。このとき、入力ポートであるポートＡでは入力電流Ｉｉｎにリプルは発生しないが、出力ポートであるポートＢでは出力電流Ｉｏｕｔに大きな電流リプルが発生する。

図３は、インダクタＬｍを設けた電源装置１００において、スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ２とをスイッチングデューティＤで制御し、スイッチング素子Ｓ３とスイッチング素子Ｓ４とをスイッチングデューティＤで制御し、１次スイッチング回路１０２と２次スイッチング回路１０４との間を位相差Φで制御したときの電流波形を示す。図３は、入力電流Ｉｉｎ、出力電流Ｉｏｕｔ、インダクタＬ１～Ｌ４を流れる電流ｉ１～ｉ４の変化を示す。

インダクタＬ４に直列にインダクタＬｍを設けることにより、インダクタＬ４からみた１次スイッチング回路１０２のインダクタＬ１及びインダクタＬ２の漏れインダクタンスとインダクタＬ３からみた１次スイッチング回路１０２のインダクタＬ１及びインダクタＬ２の漏れインダクタンスとに差が生ずる。これによって、図３に示すように、インダクタＬ３に流れる電流ｉ３とインダクタＬ４に流れる電流ｉ４との台形電流波形に不均等を発生させることができる。その結果、インダクタＬ３に流れる電流ｉ３の振幅は従来の電源装置に比べて大きくなるが、インダクタＬ４に流れる電流ｉ４の振幅は小さくすることができる。これにより、電源装置１００から出力される電流ｉｏｕｔのリプルを低減することができる。

［第２の実施の形態］
第２の実施の形態における電源装置２００は、図４に示すように、第１の実施の形態における電源装置１００の構成を３ポートに拡張したものである。すなわち、電源装置２００は、１次スイッチング回路１０２及び２次スイッチング回路１０４に加えて、コンデンサＣ５，Ｃ６，Ｃｘ３、インダクタＬ５，Ｌ６及びスイッチング素子Ｓ５，Ｓ６から構成される３次スイッチング回路１０６を備える。

３次スイッチング回路１０６は、以下のように構成される。インダクタＬ５及びスイッチング素子Ｓ５は直列に接続され、さらにこれらがコンデンサＣ５に並列に接続される。これにより、インダクタＬ５、スイッチング素子Ｓ５及びコンデンサＣ５による第５ループが構成される。インダクタＬ６及びスイッチング素子Ｓ６は直列に接続され、さらにこれらがコンデンサＣ６に並列に接続される。これにより、インダクタＬ６、スイッチング素子Ｓ６及びコンデンサＣ６による第６ループが構成される。インダクタＬ５とスイッチング素子Ｓ５との接続点とインダクタＬ６及びスイッチング素子Ｓ６の接続点が第３共通コンデンサＣｘ３にて接続される。さらに、コンデンサＣ５とスイッチング素子Ｓ５の接続点とコンデンサＣ６とスイッチング素子Ｓ６との接続点が短絡される。コンデンサＣ５とコンデンサＣ６の直列接続の両端間がポートＤとされる。３次スイッチング回路１０６では、スイッチング素子Ｓ５とスイッチング素子Ｓ６が排他的に交互にスイッチングされる。

電源装置２００では、インダクタＬ１及びインダクタＬ２とインダクタＬ３及びインダクタＬ４とインダクタＬ５及びインダクタＬ６が磁気的に結合される。インダクタＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６は、１つの磁気コアにより結合させることが好適である。なお、スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ２のスイッチングと、スイッチング素子Ｓ３とスイッチング素子Ｓ４のスイッチングと、スイッチング素子Ｓ５とスイッチング素子Ｓ６のスイッチングの位相差が０の場合に互いに磁気コア内に同じ方向に磁束を発生させる方向にインダクタＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６は巻回される。

一方、インダクタＬ１及びインダクタＬ２とインダクタＬ５及びインダクタＬ６とインダクタＬｍとの磁気結合は、インダクタＬ１及びインダクタＬ２とインダクタＬ５及びインダクタＬ６とインダクタＬ３及びインダクタＬ４との磁気結合よりも弱くされている。本実施の形態では、インダクタＬｍをインダクタＬ１及びインダクタＬ２とインダクタＬ５及びインダクタＬ６は同じ磁気コアにより結合させないような構成としている。これにより、インダクタＬｍは、インダクタＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６と、ほぼ完全に磁気結合がないようにされている。

図５は、電源装置２００において、スイッチング素子Ｓ１～Ｓ６をスイッチングデューティＤにてスイッチング制御して、インダクタＬ１の端子間のＬ１電圧とインダクタＬ３の端子間のＬ３電圧とを位相差Φ１で変化させ、インダクタＬ５の端子間のＬ５電圧とインダクタＬ３の端子間のＬ３電圧とを位相差Φ２で変化させた場合の１次スイッチング回路１０２の入力電流Ｉｉｎ１，３次スイッチング回路１０６のＩｉｎ２、２次スイッチング回路１０４の出力電流Ｉｏｕｔを流れる電流の変化を示す。

本実施の形態では、インダクタＬ４に直列にインダクタＬｍを設けることにより、インダクタＬ４からみた１次スイッチング回路１０２のインダクタＬ１及びインダクタＬ２の漏れインダクタンスとインダクタＬ３からみた１次スイッチング回路１０２のインダクタＬ１及びインダクタＬ２の漏れインダクタンスとに差が生ずる。また、インダクタＬ４からみた３次スイッチング回路１０６のインダクタＬ５及びインダクタＬ６の漏れインダクタンスとインダクタＬ３からみた３次スイッチング回路１０６のインダクタＬ５及びインダクタＬ６の漏れインダクタンスとに差が生ずる。これによって、インダクタＬ３に流れる電流ｉ３とインダクタＬ４に流れる電流ｉ４との台形電流波形に不均等を発生させることができる。その結果、インダクタＬ３に流れる電流ｉ３の振幅は従来の電源装置に比べて大きくなるが、インダクタＬ４に流れる電流ｉ４の振幅は小さくすることができる。これにより、電源装置１００から出力される電流ｉｏｕｔのリプルを低減することができる。

以上のように、第１の実施の形態における電源装置１００及び第２の実施の形態における電源装置２００では、出力電流Ｉｏｕｔのリプルを従来の電源装置よりも小さくすることができる。これにより、出力電流に対するフィルタのサイズを小型化することができる。

１００，２００ 電源装置、１０２ １次スイッチング回路、１０４ ２次スイッチング回路、１０６ ３次スイッチング回路。

Claims (3)

1. 電磁気的に結合する第１スイッチング回路及び第２スイッチング回路を備える電源装置であって、
   前記第１スイッチング回路は、
   第１コンデンサと、第１スイッチング素子と、磁路を形成する第１巻線と、を含む第１ループと、
   第２コンデンサと、第２スイッチング素子と、磁路を形成する第２巻線と、を含む第２ループと、
   前記第１スイッチング素子及び前記第１巻線を接続する経路と、前記第２スイッチング素子及び前記第２巻線を接続する経路との間に設けられた第１共通コンデンサと、
   を備え、
   前記第２スイッチング回路は、
   第３コンデンサと、第３スイッチング素子と、磁路を形成する第３巻線と、を含む第３ループと、
   第４コンデンサと、第４スイッチング素子と、磁路を形成する第４巻線と、前記第４巻線に直列に接続された付加巻線と、を含む第４ループと、
   前記第３スイッチング素子及び前記第３巻線を接続する経路と、前記第４スイッチング素子及び前記第４巻線を接続する経路との間に設けられた第２共通コンデンサと、
   を備え、
   前記第１巻線及び前記第２巻線と前記第３巻線及び前記第４巻線とが磁気結合されており、
   前記第１巻線及び前記第２巻線と前記付加巻線との磁気結合は、前記第１巻線及び前記第２巻線と前記第３巻線との磁気結合並びに前記第１巻線及び前記第２巻線と前記第４巻線との磁気結合よりも弱いことを特徴とする電源装置。
2. 請求項１に記載の電源装置であって、
   前記第１巻線及び前記第２巻線と前記付加巻線とは磁気結合していないことを特徴とする電源装置。
3. 請求項１又は２に記載の電源装置であって、
   前記第１スイッチング回路及び前記第２スイッチング回路と電磁気的に結合する第３スイッチング回路を備え、
   前記第３スイッチング回路は、
   第５コンデンサと、第５スイッチング素子と、磁路を形成する第５巻線と、を含む第５ループと、
   第６コンデンサと、第６スイッチング素子と、磁路を形成する第６巻線と、を含む第６ループと、
   前記第５スイッチング素子及び前記第５巻線を接続する経路と、前記第６スイッチング素子及び前記第６巻線を接続する経路との間に設けられた第３共通コンデンサと、
   を備え、
   前記第１巻線及び前記第２巻線と前記第５巻線及び前記第６巻線とが磁気結合されていることを特徴とする電源装置。
   

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