JP7030947B1 - 電力変換装置 - Google Patents

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【課題】大型化を抑制しつつ、漏れ磁束による電流センサの精度の悪化を抑制した電力変換装置を得ること。【解決手段】磁気結合リアクトル及び磁気結合リアクトルに接続される複数の半導体スイッチング素子を有した昇圧コンバータと、インバータと、磁気結合リアクトルを冷却する冷却器と、導電性の配線部材であるバスバーと、バスバーの周囲に生じた磁束を検出する電流センサとを備え、磁気結合リアクトルは、第１の巻線、第２の巻線、及び第１の巻線と第２の巻線とを磁気結合するコアを有し、コアは、軟磁性粉と結合剤とを含有するコンポジット磁性体を有し、コンポジット磁性体に、第１の巻線と第２の巻線の少なくとも一部が埋設され、冷却器は、磁気結合リアクトルに当接して配置され、電流センサは、冷却器を挟んで、磁気結合リアクトルとは反対側に配置されている。【選択図】図２

Description

本願は、電力変換装置に関するものである。
近年、環境に優しい自動車として、電気自動車（ＥＶ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）、またはＨＥＶ（Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）及びＰＨＥＶ（Ｐｌｕｇ－ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）等のハイブリッド自動車が開発されている。電気自動車またはハイブリッド自動車のように、駆動源に電動モータが用いられている車両には、大電力容量の電力変換装置が搭載されている。電力変換装置は、入力電流を直流から交流、交流から直流、または入力電圧を異なる電圧に変換する装置である。電気自動車またはハイブリッド自動車には、従来の自動車にも搭載されていた、制御回路を動作させる補機用電池に加えて、充電された電力により走行用の電動モータを駆動させる駆動用電池が搭載されている。
また、電力変換装置は、バスバー、及びバスバーに流れる電流量を検出する電流センサを備えることが多い。バスバーは、電流量が多い電流経路で用いられる金属板もしくは金属棒で形成される導体部材である。電流センサは、磁気検出素子（以下、電流センサ素子）でバスバーに流れる電流から発生した磁束（以下、バスバーの磁束）を検出する。電流センサ素子から出力した磁束量に応じた信号値に、所定の係数を乗じることで電流値が得られる。電流センサはバスバーを周方向に取り囲む集磁コアを備え、集磁されたバスバーの磁束を電流センサ素子で検出する。一方、電流センサ素子の感度の向上等に伴い、集磁コアを配置しない構成の電流センサも提案されている。集磁コアレスの電流センサ構成では、部品点数を削減でき、電磁鋼等で構成される高価な集磁コアが不要となるためコストを低減できる。
電力変換装置を備えた自動車では、パワーエレクトロニクス技術の進歩を背景に、燃費を向上させるために、電力変換装置と共に電動パワートレインコンポーネントの低損失化、及び小型化が望まれている。電力変換装置を低損失化、及び小型化する技術として、複数相コンバータ用リアクトルを用いたコンバータ回路が開示されている（例えば特許文献１参照）。複数相コンバータ用リアクトルは、２つのコアを互いに磁気結合させ、一体化したコアに複数相のコイルを設けた磁気結合リアクトルである。
国際公開第２０１７／１４９７７６号
上記特許文献１においては、一体化したコアに複数相のコイルを設けた磁気結合リアクトルをコンバータ回路に用いているため、コンバータ回路を含む電力変換装置を小型化することができる。しかしながら、複数のコイルから生じた互いの磁束はぶつかる方向に流れるため、磁束がコアから外部に漏れてしまい漏れ磁束が生じるという課題があった。測定対象であるバスバーの磁束以外の漏れ磁束は、電流センサ素子から得られる電流の検出値に影響を与える。特に集磁コアレスの電流センサでは漏れ磁束の磁束を検出しやすいため、漏れ磁束が生じやすい電力変換装置において集磁コアレスの電流センサはバスバーの磁束を正確に検出することはできない。
また、従来の磁気結合リアクトルと電流センサを用いた電力変換装置では、漏れ磁束の影響による電流センサの検出精度の悪化対策として、磁気シールドを設けて電流センサに与える漏れ磁束の影響を抑制している。しかしながら、新たに磁気シールドが設けられているため、電力変換装置の部品点数が増加し、電力変換装置が大型化するという課題があった。
そこで、本願は、大型化を抑制しつつ、漏れ磁束による電流センサの精度の悪化を抑制した電力変換装置を得ることを目的としている。
本願に開示される電力変換装置は、磁気結合リアクトル及び磁気結合リアクトルに接続される複数の半導体スイッチング素子を有し、外部の電源から供給された直流電圧を昇圧する昇圧コンバータと、昇圧コンバータから出力された直流電力を交流電力に変換し、外部の負荷に供給するインバータと、磁気結合リアクトルを冷却する冷却器と、導電性の配線部材であるバスバーと、バスバーの周囲に生じた磁束を検出する電流センサとを備え、複数の半導体スイッチング素子は、昇圧コンバータの出力端子の正極側と負極側の間に直列に接続された第１の半導体スイッチング素子と第２の半導体スイッチング素子、及び出力端子の正極側と負極側の間に直列に接続された第３の半導体スイッチング素子と第４の半導体スイッチング素子を有し、磁気結合リアクトルは、一端が外部の電源の正極側に接続され、他端が第１の半導体スイッチング素子と第２の半導体スイッチング素子との間に接続された第１の巻線、一端が外部の電源の正極側に接続され、他端が第３の半導体スイッチング素子と第４の半導体スイッチング素子との間に接続され、第１の巻線と同じ巻数で第１の巻線と逆方向に磁気結合するように巻回された第２の巻線、及び第１の巻線と第２の巻線とを磁気結合するコアを有し、コアは、軟磁性粉と結合剤とを含有するコンポジット磁性体を有し、コンポジット磁性体に、第１の巻線と第２の巻線の少なくとも一部が埋設され、冷却器は、磁気結合リアクトルに当接して配置され、電流センサは、冷却器を挟んで、磁気結合リアクトルとは反対側に配置されているものである。
本願に開示される電力変換装置によれば、磁気結合リアクトルは、第１の巻線、第２の巻線、及び第１の巻線と第２の巻線とを磁気結合して軟磁性粉と結合剤とを含有するコンポジット磁性体を有したコアを備え、コンポジット磁性体に第１の巻線と第２の巻線の少なくとも一部が埋設されており、電流センサは磁気結合リアクトルに当接して配置された冷却器を挟んで、磁気結合リアクトルとは反対側に配置されているため、電流センサは磁気結合リアクトルと距離を保って配置されているので、磁気結合リアクトルから漏れ磁束が生じていても、漏れ磁束による電流センサの精度の悪化を抑制することができる。また、磁気結合リアクトルで生じる磁束の大半が各巻線の外部に設けたコアの内部を通るため、磁気結合リアクトルから発生した漏れ磁束が各電流センサに侵入することが抑制され、漏れ磁束による各電流センサの精度の悪化を抑制することができる。また、磁気シールドなどの追加部品を設けることなく漏れ磁束による各電流センサの精度の悪化を抑制することができるので、電力変換装置の大型化を抑制することができる。
実施の形態１に係る電力変換装置の概略を示す構成図である。 実施の形態１に係る電力変換装置の要部を示す斜視図である。 実施の形態１に係る電力変換装置の磁気結合リアクトルを示す斜視図である。 実施の形態１に係る電力変換装置の要部を示す断面図である。 実施の形態１に係る別の電力変換装置の要部を示す断面図である。 実施の形態１に係る別の電力変換装置の要部を示す斜視図である。 実施の形態２に係る電力変換装置の磁気結合リアクトルを示す斜視図である。 実施の形態２に係る電力変換装置の要部を示す断面図である。 実施の形態３に係る電力変換装置の磁気結合リアクトルの磁気回路モデルを示す図である。 図９の磁気回路モデルの第１の巻線の側の等価回路を示す図である。 第１の巻線の側のインダクタンス値の解析結果である。 第１の巻線の側のインダクタンス値の解析結果である。 比較例に係る電力変換装置の要部を示す斜視図である。 比較例に係る電力変換装置の磁気結合リアクトルに生じる磁束を説明する図である。
以下、本願の実施の形態による電力変換装置を図に基づいて説明する。なお、各図において同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。
実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る電力変換装置１００の概略を示す構成図、図２は電力変換装置１００の要部を示す斜視図、図３は電力変換装置１００の磁気結合リアクトル１２を示す斜視図、図４は電力変換装置１００の要部を示す断面図、図５は実施の形態１に係る別の電力変換装置１００の要部を示す斜視図、図６は実施の形態１に係る別の電力変換装置１００の要部を示す斜視図、図１３は比較例に係る電力変換装置の要部を示す斜視図、図１４は比較例に係る電力変換装置の磁気結合リアクトルに生じる磁束を説明する図である。電力変換装置１００は、直流入力電源１の直流電圧を昇圧し、直流から交流に変換して、外部の負荷であるモータ４に供給する装置である。モータ４は、供給された交流により駆動される。
＜電力変換装置１００＞
電力変換装置１００は、図１に示すように、外部の電源の直流入力電源１から供給された直流電圧を昇圧する昇圧コンバータであるＤＣＤＣ昇圧コンバータ回路１０と、ＤＣＤＣ昇圧コンバータ回路１０から出力された直流電力を交流電力に変換し、モータ４に供給するインバータであるインバータ回路２０とを備える。直流入力電源１とＤＣＤＣ昇圧コンバータ回路１０とは、入力電力平滑コンデンサ２を介して接続される。ＤＣＤＣ昇圧コンバータ回路１０とインバータ回路２０とは、リンクコンデンサ３を介して接続される。電力変換装置１００は、ＤＣＤＣ昇圧コンバータ回路１０及びインバータ回路２０を制御する制御回路である制御部３０と、ＤＣＤＣ昇圧コンバータ回路１０が有した磁気結合リアクトル１２を冷却する冷却器５０（図１において図示せず）とを備える。
ＤＣＤＣ昇圧コンバータ回路１０は、磁気結合リアクトル１２、及び磁気結合リアクトル１２に接続される複数の半導体スイッチング素子を備える。ＤＣＤＣ昇圧コンバータ回路１０は、磁気結合リアクトル１２と直流入力電源１とを接続し、導電性の配線部材であるバスバー２３ａ、２３ｂと、バスバー２３ａ、２３ｂの周囲に生じた磁束を検出する電流センサ１１ａ、１１ｂとを備える。複数の半導体スイッチング素子は、ＤＣＤＣ昇圧コンバータ回路１０の正極側の出力端子１０ａと負極側の出力端子１０ｂの間に直列に接続された第１の半導体スイッチング素子１３ａと第２の半導体スイッチング素子１３ｂ、及び正極側の出力端子１０ａと負極側の出力端子１０ｂの間に直列に接続された第３の半導体スイッチング素子１３ｃと第４の半導体スイッチング素子１３ｄから構成される。正極側の出力端子１０ａはリンクコンデンサ３の正極端子に接続され、負極側の出力端子１０ｂはリンクコンデンサ３の負極端子に接続される。
磁気結合リアクトル１２は、第１の巻線１２ａ、第２の巻線１２ｂ、及びコア１２ｃ（図１において図示せず）を有する。第１の巻線１２ａは、一端が直流入力電源１の正極側にバスバー２３ａを介して接続され、他端が第１の半導体スイッチング素子１３ａと第２の半導体スイッチング素子１３ｂとの間に接続される。第２の巻線１２ｂは、一端が直流入力電源１の正極側にバスバー２３ｂを介して接続され、他端が第３の半導体スイッチング素子１３ｃと第４の半導体スイッチング素子１３ｄとの間に接続される。第２の巻線１２ｂは、第１の巻線１２ａと同じ巻数で、第１の巻線１２ａと逆方向に磁気結合するように巻回される。バスバー２３ａ、２３ｂの直流入力電源１の側は、一箇所で接続され、接続された箇所は入力電力平滑コンデンサ２につながる。電流センサ１１ａ、１１ｂは、バスバー２３ａ、２３ｂの周囲に生じた磁束をそれぞれ検出することで、第１の巻線１２ａ及び第２の巻線１２ｂのそれぞれに流れる電流を検出する。
インバータ回路２０は、複数の半導体スイッチング素子と、インバータ回路２０とモータ４とを接続し、導電性の配線部材であるバスバー２４ａ、２４ｂ、２４ｃと、バスバー２４ａ、２４ｂ、２４ｃの周囲に生じた磁束を検出する電流センサ２２ａ、２２ｂ、２２ｃとを備える。複数の半導体スイッチング素子は、リンクコンデンサ３の正極端子と陰極端子の間に直列に接続された第１の半導体スイッチング素子２１ａと第２の半導体スイッチング素子２１ｂ、同様に接続された第３の半導体スイッチング素子２１ｃと第４の半導体スイッチング素子２１ｄ、及び同様に接続された第５の半導体スイッチング素子２１ｅと第６の半導体スイッチング素子２１ｆから構成される。第１の半導体スイッチング素子２１ａと第２の半導体スイッチング素子２１ｂ、第３の半導体スイッチング素子２１ｃと第４の半導体スイッチング素子２１ｄ、及び第５の半導体スイッチング素子２１ｅと第６の半導体スイッチング素子２１ｆのそれぞれの接続点は、バスバー２４ａ、２４ｂ、２４ｃを介してモータ４に接続される。バスバー２４ａ、２４ｂ、２４ｃから３相交流が出力される。電流センサ２２ａ、２２ｂ、２２ｃは、インバータ回路２０の３相交流の各出力電流を検出する。
電流センサ１１ａ、１１ｂ及び電流センサ２２ａ、２２ｂ、２２ｃの検出値は、信号線３１を介して制御部３０に送られる。制御部３０は、検出値より電流値を演算する。各電流値が予め定めた目標値となるように、ＤＣＤＣ昇圧コンバータ回路１０の有する複数の半導体スイッチング素子、及びインバータ回路２０が有する複数の半導体スイッチング素子のオン又はオフの制御を、制御部３０は制御線３２、３３を介して行う。なお、ＤＣＤＣ昇圧コンバータ回路１０及びインバータ回路２０の回路は一般によく知られたものであるため、その動作原理については省略する。
＜磁気結合リアクトルと各電流センサの配置の比較例＞
磁気結合リアクトルと各電流センサの配置の比較例を、図１３、図１４を用いて説明する。図１３に示すように、比較例の磁気結合リアクトル９０は、コア９０ｃの外部に第１の巻線９０ａと第２の巻線９０ｂが巻回されたものである。冷却器５０は、磁気結合リアクトル９０に当接して配置され、各電流センサは、冷却器５０を挟んで、磁気結合リアクトル９０とは反対側に配置される。各電流センサと冷却器５０との間に、各バスバーが配置される。各バスバーは一部のみを示している。磁気結合リアクトル９０は各巻線が逆相となるように結合されているため、同方向に電流を流した時に発生する磁束はコア内で打ち消しあう方向に発生する。このため、磁気結合リアクトル９０は外部に非常に強い外乱磁界を漏れ磁束として発生させてしまい、外乱磁場の影響を受け各電流センサの検出精度は悪化する。
図１４は制御基板４０と冷却器５０を取り除いて図１１を電流センサの側から見た平面図で、バスバーと電流センサは１つのみを示す。図１４において、破線の矢印線Ｆ０は磁気結合リアクトル９０から発生する漏れ磁束を示し、矢印Ａ１はバスバー２３ａに流れる電流の向きを示す。なお、磁気結合リアクトル９０からは矢印線Ｆ０以外の漏れ磁束も発生するが、ここでは図の簡略化のため他の漏れ磁束については省略する。電流センサ１１ａは、バスバー２３ａに生じた磁束と電流センサ１１ａの感磁方向が一致するように制御基板４０（図１４において図示せず）に設置される。バスバーの磁束は、流れる電流に対し同心円上に、かつ電流の向きに対して垂直に発生する。したがって図１４のＸ方向が電流センサ１１ａの感磁方向となる。
磁気結合リアクトル９０から生じた漏れ磁束は、矢印線Ｆ０が示すように楕円状の不均一な磁界である。この不均一な磁界の下では、電流センサ１１ａが検出すべきバスバーの磁束が不均一な磁界により湾曲される。湾曲された磁界が、電流センサ１１ａで検出される。そのため、漏れ磁束により電流センサ１１ａの精度は悪化する。なお、ここでは簡略化のため、電流センサ１１ａのみを取り上げたがその他の電流センサについても精度が悪化する課題を有する。また、ここでは磁気結合リアクトル９０に流れる直流電流成分によって作られる直流磁束を想定している。交流磁束であれば冷却器５０を構成する部材によっては漏れ磁束が打ち消される場合があるが、直流磁束は冷却器５０を通過して各電流センサに到達する。
＜磁気結合リアクトル１２と各電流センサの配置＞
磁気結合リアクトル１２と各電流センサの配置を、図２を用いて説明する。本実施の形態での磁気結合リアクトル１２は、第１の巻線１２ａ、第２の巻線１２ｂ、及び第１の巻線１２ａと第２の巻線１２ｂを埋設したコア１２ｃがケース１２ｄに収容されたものである。図２における各電流センサは、磁電変換を行うGＭＲ（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）素子などの電流センサ素子、もしくは増幅回路等と電流センサ素子とを一体化したチップである。ここでは各バスバーの周囲には集磁コアを配置せず、電流センサのみを配置する。電流センサに感度の高い電流センサ素子を用いる場合、あるいは電流センサが構成されるチップ内に集磁構造を収めている場合などでは、集磁コアを配置することなく電流センサは電流を精度よく検出できる。各電流センサは、検出の対象である各バスバーに隣接させて、制御基板４０に搭載される。集磁コアを配置していないので、電力変換装置１００を小型化することができる。
冷却器５０は、磁気結合リアクトル１２に当接して配置され、各電流センサは、冷却器５０を挟んで、磁気結合リアクトル１２とは反対側に配置される。各電流センサと冷却器５０との間に、各バスバーが配置される。図２では各バスバーは一部のみを示しており、各バスバーはＹ方向に延出して設けられる。本実施の形態では、バスバー２３ａ、２３ｂが冷却器５０を挟んで磁気結合リアクトル１２に隣接して配置される。バスバー２４ａ、２４ｂ、２４ｃが磁気結合リアクトル１２の第２の巻線１２ｂに隣接する位置に配置される。冷却器５０の筐体は、例えば、アルミニウムで形成される。
このような配置構造とすることで、冷却器５０は磁気結合リアクトル１２を効率よく冷却することができる。各電流センサは磁気結合リアクトル１２と距離を保って配置されているため、磁気結合リアクトル１２から漏れ磁束が生じていても、漏れ磁束による各電流センサの精度の悪化を抑制することができる。バスバーを各電流センサと冷却器５０との間に配置しているため、各電流センサと磁気結合リアクトル１２との距離をさらに広げることができる。
＜磁気結合リアクトル１２の構成＞
磁気結合リアクトル１２の構成の詳細を説明する。磁気結合リアクトル１２は、図３に示すように、第１の巻線１２ａ、第２の巻線１２ｂ、及び第１の巻線１２ａと第２の巻線１２ｂとを磁気結合するコア１２ｃを有する。図３は、磁気結合リアクトル１２の内部を透過して示した図である。コア１２ｃは、軟磁性粉と結合剤とを含有するコンポジット磁性体を有し、コンポジット磁性体に第１の巻線１２ａと第２の巻線１２ｂが埋設される。第１の巻線１２ａ、第２の巻線１２ｂ、及びコア１２ｃは、ケース１２ｄに収容される。ケース１２ｄは、アルミニウムなどの非磁性体で形成される。ケース１２ｄは、例えば一つの開口した面を備えた直方体状に形成され、図３において、ケース１２ｄの開口面は－Ｙ方向に設けられる。第１の巻線１２ａと第２の巻線１２ｂの端部は、ケース１２ｄの開口面から露出している。
本実施の形態における第１の巻線１２ａ及び第２の巻線１２ｂは平角線で形成され、第１の巻線１２ａ及び第２の巻線１２ｂに電流が流れた時にＺ方向に磁束が生じるように巻回されている。第１の巻線１２ａ及び第２の巻線１２ｂの全体がコア１２ｃに埋設されており、第１の巻線１２ａ及び第２の巻線１２ｂを形成する平角線の端部のみが、コア１２ｃの側面部から突出している。なお、第１の巻線１２ａ及び第２の巻線１２ｂの全体が埋設された構成に限るものではなく、第１の巻線１２ａ及び第２の巻線１２ｂの少なくとも一部がコア１２ｃに埋設された構成でも構わない。また、コア１２ｃは注型コアで、軟磁性合金粉末及び結合剤等を含むスラリーを硬化させたものである。
磁気結合リアクトル１２に生じる磁束の流れについて、図４を用いて説明する。磁気結合リアクトル１２の第１の巻線１２ａ及び第２の巻線１２ｂのそれぞれには、図１及び図３に示すように、電流ＩＬ１、ＩＬ２が流れる。まず実線で示した矢印Ｆ１、Ｆ２の磁束が生じ、その後破線で示した矢印Ｆ１、Ｆ２に分岐する。発生した磁束は、図４の複数の矢印Ｆ１、Ｆ２が示すように、磁束の大半は各巻線の外部のコア１２ｃの内部を通るルートで流れる。そのため、リアクトルに磁気結合リアクトル１２を用いても、磁気結合リアクトル１２から発生した磁束が各電流センサに侵入することが抑制され、各電流センサの精度の悪化を抑制することができる。
本実施の形態では、各バスバーの周囲に集磁コアを配置しない電流センサを用いたが、電流センサの構成はこれに限るものではない。図５及び図６に示すように、各バスバーはバスバーの周囲に生じた磁束を集磁する集磁コア２５を有しても構わない。図５では磁気結合リアクトル１２と冷却器５０は外形のみを示し、図６は制御基板４０と冷却器５０を取り除いて示した図である。集磁コア２５は各バスバーの周囲を取り囲み、集磁コア２５の開口した部分に各電流センサは配置される。各電流センサは、集磁コア２５で集磁された磁束を検出する。各電流センサはそれぞれ集磁コア２５の開口部に集磁コア２５に挟まれて配置されるので、漏れ磁束が各電流センサに侵入しにくい構成なため、各電流センサの精度の悪化をさらに抑制することができる。また、集磁コア２５は各電流センサよりも冷却器５０及び磁気結合リアクトル１２の側に配置されるため、磁気結合リアクトル１２から発生した漏れ磁束が各電流センサに侵入することがさらに抑制され、各電流センサの精度の悪化をさらに抑制することができる。
なお、実施の形態１に係る電力変換装置１００は昇圧コンバータとインバータを組み合わせた構成としているが、電力変換装置１００の構成はこれに限るものではない。例えば、電力変換装置１００は昇圧コンバータと２つのインバータを組み合わせた構成でも構わない。
以上のように、実施の形態１による電力変換装置１００において、磁気結合リアクトル１２は、第１の巻線１２ａ、第２の巻線１２ｂ、及び第１の巻線１２ａと第２の巻線１２ｂとを磁気結合して軟磁性粉と結合剤とを含有するコンポジット磁性体を有したコア１２ｃを備え、コンポジット磁性体に第１の巻線１２ａと第２の巻線１２ｂの少なくとも一部が埋設されており、電流センサは磁気結合リアクトル１２に当接して配置された冷却器５０を挟んで、磁気結合リアクトル１２とは反対側に配置されているため、電流センサは磁気結合リアクトル１２と距離を保って配置されているので、磁気結合リアクトル１２から漏れ磁束が生じていても、漏れ磁束による電流センサの精度の悪化を抑制することができる。また、磁気結合リアクトル１２で生じる磁束の大半が各巻線の外部に設けたコア１２ｃの内部を通るため、磁気結合リアクトル１２から発生した漏れ磁束が各電流センサに侵入することが抑制され、漏れ磁束による各電流センサの精度の悪化を抑制することができる。また、磁気シールドなどの追加部品を設けることなく漏れ磁束による各電流センサの精度の悪化を抑制することができるので、磁気結合リアクトル１２を有した電力変換装置１００の大型化を抑制することができる。また、部品点数が削減できるので、電力変換装置１００のコストを低減することができる。
電力変換装置１００が磁気結合リアクトル１２及び複数の半導体スイッチング素子を有したＤＣＤＣ昇圧コンバータ回路１０と、インバータ回路２０とを備え、磁気結合リアクトル１２は、一端が外部の電源の正極側に接続され、他端が第１の半導体スイッチング素子１３ａと第２の半導体スイッチング素子１３ｂとの間に接続された第１の巻線１２ａ、一端が外部の電源の正極側に接続され、他端が第３の半導体スイッチング素子１３ｃと第４の半導体スイッチング素子１３ｄとの間に接続され、第１の巻線１２ａと同じ巻数で第１の巻線１２ａと逆方向に磁気結合するように巻回された第２の巻線１２ｂ、及びコア１２ｃを有しているので、昇圧コンバータとインバータを備えた電力変換装置１００の大型化を抑制しつつ、漏れ磁束による電流センサの精度の悪化を抑制することができる。
電流センサと冷却器５０との間に、バスバーが配置されている場合、電流センサと磁気結合リアクトル１２との距離をさらに広げることができるので、漏れ磁束による電流センサの精度の悪化をさらに抑制することができる。バスバーがバスバーの周囲に生じた磁束を集磁する集磁コア２５を有し、電流センサが集磁コア２５で集磁された磁束を検出する場合、電流センサは集磁コア２５の開口部に集磁コア２５に挟まれて配置されるので、漏れ磁束が電流センサに侵入しにくい構成なため、各電流センサの精度の悪化をさらに抑制することができる。
実施の形態２．
実施の形態２に係る電力変換装置１００について説明する。図７は実施の形態２に係る電力変換装置１００の磁気結合リアクトル１２を示す斜視図、図８は電力変換装置１００の要部を示す断面図である。図７は、磁気結合リアクトル１２の内部を透過して示した図である。実施の形態２に係る電力変換装置１００は、磁気結合リアクトル１２のコア１２ｃが実施の形態１とは異なる構成になっている。
磁気結合リアクトル１２のコア１２ｃは、高透磁率コア１２ｅと、高透磁率コア１２ｅよりも透磁率が低い低透磁率コア１２ｆとを有する。高透磁率コア１２ｅは、第１の巻線１２ａ及び第２の巻線１２ｂの冷却器５０の側に配置されている。本実施の形態では、高透磁率コア１２ｅは圧粉コアであり、第１透磁率μ１を有している。高透磁率コア１２ｅは、絶縁処理を施した軟磁性合金粉末と結合剤とを圧縮成形したものである。高透磁率コア１２ｅは、これに限るものではなく、他の製造方法により製造しても構わない。
また、本実施の形態では、低透磁率コア１２ｆは軟磁性粉と結合剤とを含有するコンポジット磁性体である。低透磁率コア１２ｆは注型コアであり、第２透磁率μ２を有している。低透磁率コア１２ｆは、硬化した結合剤の内部に鉄系合金またはフェライト等からなる軟磁性合金粉末が分散配置されたコンポジット磁性体である。実施の形態１で示したコア１２ｃと同様に、本実施の形態の低透磁率コア１２ｆは、軟磁性合金粉末及び結合剤等を含むスラリーを硬化させたものである。低透磁率コア１２ｆは、これに限るものではなく、他の製造方法により製造しても構わない。第１の巻線１２ａと第２の巻線１２ｂの少なくとも一部が低透磁率コア１２ｆに埋設されている。
実施の形態１に示したコア１２ｃは磁性材の粉末である軟磁性粉に加えて結合剤などが含まれているため、コア単体の透磁率は従来の圧粉コアなどに比べて透磁率が低い。そのため、直流電流によって発生する磁束の一部が外部の空気中に漏れる可能性がある。このような漏れ磁束が生じた場合、電流センサの精度が悪化することがある。そこで、本実施の形態２に示す電力変換装置１００の磁気結合リアクトル１２では、高透磁率コア１２ｅと低透磁率コア１２ｆとを組み合わせてコア１２ｃを構成する。この構成によれば、冷却器５０の側への磁束の漏れはさらに抑制されるので、電流センサの精度の悪化をさらに抑制することができる。また、高透磁率コア１２ｅを組み合わせることで、磁気結合リアクトル１２のインダクタンスを高めることができるため、電力変換装置１００を小型化することができる。以下、詳細を説明する。
磁気結合リアクトル１２に生じる磁束の流れについて、図８を用いて説明する。磁気結合リアクトル１２の第１の巻線１２ａ及び第２の巻線１２ｂのそれぞれには、図１及び図７に示すように、電流ＩＬ１、ＩＬ２が流れる。このとき発生する磁束を、図８の複数の矢印Ｆ１、Ｆ２で示す。発生した磁束Ｆ１、Ｆ２は、まず高透磁率コア１２ｅに向かう。高透磁率コア１２ｅ内で分岐して高透磁率コア１２ｅを通過した磁束Ｆ１、Ｆ２は、低透磁率コア１２ｆに向かう。そして磁束Ｆ１、Ｆ２は低透磁率コア１２ｆ内を通り、第１の巻線１２ａ及び第２の巻線１２ｂ内に戻る。磁束Ｆ１、Ｆ２のルートは、各巻線の外部に設けられた高透磁率コア１２ｅ及び低透磁率コア１２ｆの内部を通るルートになる。磁束Ｆ１、Ｆ２が最初に向かう冷却器５０の側に高透磁率コア１２ｅを配置しているため、リアクトルに磁気結合リアクトル１２を用いても、磁気結合リアクトル１２から発生した磁束が各電流センサに侵入することが抑制され、各電流センサの精度の悪化を抑制することができる。
低透磁率コア１２ｆからケース１２ｄの外側に漏れ磁束が生じても、電流センサは冷却器５０及び高透磁率コア１２ｅを挟んで磁気結合リアクトル１２とは反対側に配置されているので、電流センサ側に漏れ磁束が届くことはない。漏れ磁束が電流センサに到達しないため、漏れ磁束による電流センサの精度の悪化を抑制することができる。
以上のように、実施の形態２による電力変換装置１００において、磁気結合リアクトル１２のコア１２ｃは高透磁率コア１２ｅと高透磁率コア１２ｅよりも透磁率が低い低透磁率コア１２ｆとを有し、高透磁率コア１２ｅは第１の巻線１２ａ及び第２の巻線１２ｂの冷却器５０の側に配置されているため、磁気結合リアクトル１２から発生した磁束が各電流センサに侵入することがさらに抑制され、各電流センサの精度の悪化をさらに抑制することができる。高透磁率コア１２ｅが圧粉コアであり、低透磁率コア１２ｆが軟磁性粉と結合剤とを含有するコンポジット磁性体であり、第１の巻線１２ａと第２の巻線１２ｂの少なくとも一部が低透磁率コア１２ｆに埋設されている場合、圧粉コアは特に高い透磁率を有した材料であるため、磁気結合リアクトル１２から発生した磁束の各電流センサへの侵入をさらに抑制することができる。また、圧粉コアは第１の巻線１２ａ及び第２の巻線１２ｂで発生する熱を効率よく冷却器５０に伝達するため、熱効率の面でも電力変換装置１００を小型化することができる。また、高透磁率コア１２ｅを組み合わせてコア１２ｃを形成することで、磁気結合リアクトル１２のインダクタンスを高めることができるため、電力変換装置１００を小型化することができる。
実施の形態３．
実施の形態３に係る電力変換装置１００について説明する。図９は実施の形態３に係る電力変換装置１００の磁気結合リアクトル１２の磁気回路モデルを示す図、図１０は図９の磁気回路モデルの第１の巻線１２ａの側から見た等価回路を示す図、図１１及び図１２は第１の巻線１２ａの側の自己インダクタンス値の解析結果である。実施の形態３に係る電力変換装置１００は、実施の形態２に示した磁気結合リアクトル１２のコア１２ｃを最適化して小型化した構成になっている。
図９は、図７に示した磁気結合リアクトル１２の磁気回路モデルである。磁気結合リアクトル１２の第１の巻線１２ａのターン数をＮ１、第２の巻線１２ｂのターン数をＮ２とする。また、各巻線に流れる電流ＩＬ１、ＩＬ２に対応する起磁力をＮ１ＩＬ１、Ｎ２ＩＬ２とする。また、低透磁率コア１２ｆの磁気抵抗をＲｍ１＿１からＲｍ１＿９とし、高透磁率コア１２ｅの磁気抵抗をＲｍ２＿１からＲｍ２＿４とする。ここで、コアのトータルの透磁率をμ、断面積をＡ、磁路長をｌとすると、磁気抵抗Ｒｍは式（１）で表される。
Figure 0007030947000002
 透磁率μは、真空の透磁率μ０と比透磁率μｒとを乗じたものである。
ここで、図９における第１の巻線１２ａ側から見た自己インダクタンスを磁気回路より求める。図１０は、図９の第１の巻線１２ａ側から見た等価回路図である。ここで、磁気抵抗ＲＸ１はＲｍ１＿１、Ｒｍ１＿２、及びＲｍ２＿１の合成抵抗である。磁気抵抗ＲＸ２は、第１の巻線１２ａによって発生した磁束がＲｍ１＿４を通って分岐した後に合流して、Ｒｍ２＿２を通って戻る磁気回路の合成抵抗を示す。つまり、磁気抵抗ＲＸ２は、磁気抵抗Ｒｍ１＿４からＲｍ１＿９、及びＲｍ２＿２からＲｍ２＿４の部分の合成抵抗である。よって回路全体の磁気抵抗Ｒｍ０は、式（２）で表される。
Figure 0007030947000003
磁気回路のオームの法則より、起磁力Ｎ１ＩＬ１によって発生する磁束をφ１とおくと、起磁力Ｎ１ＩＬ１は式（３）になる。
Figure 0007030947000004
 また、自己インダクタンスＬ１は磁気抵抗に反比例し、第１の巻線１２ａのターン数Ｎ１の２乗に比例するため、式（４）で表される。
Figure 0007030947000005
図１１は、上述した式に基づいて、低透磁率コア１２ｆの第２透磁率μ２を基準とした高透磁率コア１２ｅの第１透磁率μ１の割合の変化をパラメータとし、コア１２ｃ全体に占める高透磁率コア１２ｅの割合の変化に対する自己インダクタンス値について示した図である。なお、図１１は各巻線のターン数を１４ターン、低透磁率コア１２ｆの比透磁率を０Ａから１００Ａにおいて１０から１２、磁気結合リアクトル１２の全体の体積を５００ｃｃ前後としたときの、高透磁率コア１２ｅの比透磁率と、巻線下面側の高透磁率コア１２ｅの高さを可変解析した自己インダクタンス値である。
図１１の解析結果より、高透磁率コア１２ｅの第１透磁率μ１を低透磁率コアの第２透磁率μ２の３倍以上とすることで、自己インダクタンス値が大きく増加することがわかる。一方で、透磁率が高いコアは飽和しやすい特性を有するため、磁気結合リアクトル全体の自己インダクタンスを考えると、最大電流値においても飽和しないよう磁気結合リアクトルを設計することが求められる。図１１より、μ１／μ２＝１５とμ１／μ２＝２０の場合の自己インダクタンス値が大きく変わらないことから、磁気結合リアクトルとして考えた時、高透磁率コア１２ｅと低透磁率コア１２ｆの透磁率比（μ１／μ２）は、３≦μ１／μ２≦１５とすることが望ましい。
図１２は、図１１の解析結果より、注型コアである低透磁率コア１２ｆのみのインダクタンス値（μ１／μ２＝１）を基準として、各コアのインダクタンス値を比較した図である。図１２の縦軸は、各コアのインダクタンス値から低透磁率コア１２ｆのみのインダクタンス値を割ったもの（比率）である。図１２より、各コアのインダクタンス値は高透磁率コア１２ｅの占める割合が１０％前後をピークとする結果となった、以上から、高透磁率コア１２ｅの占める割合としては、７．５から２５％の割合が望ましい。図１２に示したように、高透磁率コア１２ｅの占める割合が増加してもインダクタンス値が比例して増加しない理由は、磁束経路に低透磁率コア１２ｆがあり磁気抵抗が低透磁率コア１２ｆに律速されるためである。
以上のように、実施の形態３による電力変換装置１００において、高透磁率コア１２ｅは第１透磁率μ１を有し、低透磁率コア１２ｆは第２透磁率μ２を有し、第１透磁率μ１と第２透磁率μ２の透磁率比が、３≦μ１／μ２≦１５であるため、磁気結合リアクトル１２の大型化を抑制しつつ、漏れ磁束による電流センサの精度の悪化を抑制した構成で、磁気結合リアクトル１２の自己インダクタンスを大きくでき、コア１２ｃを飽和しにくくすることができる。また、コア１２ｃにおいて、高透磁率コア１２ｅの占める割合が７．５から２５％の範囲である場合、高透磁率コア１２ｅが占める割合が最適化されるので、磁気結合リアクトル１２の大型化を抑制することができる。
また本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
１ 直流入力電源、２ 入力電力平滑コンデンサ、３ リンクコンデンサ、４ モータ、１０ ＤＣＤＣ昇圧コンバータ回路、１０ａ 正極側の出力端子、１０ｂ 負極側の出力端子、１１ａ 電流センサ、１１ｂ 電流センサ、１２ 磁気結合リアクトル、１２ａ 第１の巻線、１２ｂ 第２の巻線、１２ｃ コア、１２ｄ ケース、１２ｅ 高透磁率コア、１２ｆ 低透磁率コア、１３ａ 第１の半導体スイッチング素子、１３ｂ 第２の半導体スイッチング素子、１３ｃ 第３の半導体スイッチング素子、１３ｄ 第４の半導体スイッチング素子、２０ インバータ回路、２１ａ 第１の半導体スイッチング素子、２１ｂ 第２の半導体スイッチング素子、２１ｃ 第３の半導体スイッチング素子、２１ｄ 第４の半導体スイッチング素子、２１ｅ 第５の半導体スイッチング素子、２１ｆ 第６の半導体スイッチング素子、２２ａ 電流センサ、２３ａ バスバー、２４ａ バスバー、２５ 集磁コア、３０ 制御部、３１ 信号線、３２ 制御線、３３ 制御線、４０ 制御基板、５０ 冷却器、９０ 磁気結合リアクトル、９０ａ 第１の巻線、９０ｂ 第２の巻線、９０ｃ コア、１００ 電力変換装置

Claims (7)

  1. 磁気結合リアクトル及び前記磁気結合リアクトルに接続される複数の半導体スイッチング素子を有し、外部の電源から供給された直流電圧を昇圧する昇圧コンバータと、
    前記昇圧コンバータから出力された直流電力を交流電力に変換し、外部の負荷に供給するインバータと、
    前記磁気結合リアクトルを冷却する冷却器と、
    導電性の配線部材であるバスバーと、
    前記バスバーの周囲に生じた磁束を検出する電流センサと、を備え、
    複数の前記半導体スイッチング素子は、前記昇圧コンバータの出力端子の正極側と負極側の間に直列に接続された第１の半導体スイッチング素子と第２の半導体スイッチング素子、及び前記出力端子の正極側と負極側の間に直列に接続された第３の半導体スイッチング素子と第４の半導体スイッチング素子を有し、
    前記磁気結合リアクトルは、
    一端が外部の電源の正極側に接続され、他端が前記第１の半導体スイッチング素子と前記第２の半導体スイッチング素子との間に接続された第１の巻線、
    一端が外部の電源の正極側に接続され、他端が前記第３の半導体スイッチング素子と前記第４の半導体スイッチング素子との間に接続され、前記第１の巻線と同じ巻数で前記第１の巻線と逆方向に磁気結合するように巻回された第２の巻線、
    及び前記第１の巻線と前記第２の巻線とを磁気結合するコアを有し、
    前記コアは、軟磁性粉と結合剤とを含有するコンポジット磁性体を有し、前記コンポジット磁性体に、前記第１の巻線と前記第２の巻線の少なくとも一部が埋設され、
    前記冷却器は、前記磁気結合リアクトルに当接して配置され、
    前記電流センサは、前記冷却器を挟んで、前記磁気結合リアクトルとは反対側に配置されている電力変換装置。
  2. 前記電流センサと前記冷却器との間に、前記バスバーが配置されている請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 前記バスバーは、前記バスバーの周囲に生じた磁束を集磁する集磁コアを有し、
    前記電流センサは、前記集磁コアで集磁された磁束を検出する請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
  4. 前記コアは、高透磁率コアと、透磁率が前記高透磁率コアよりも低い低透磁率コアとを有し、
    前記高透磁率コアは、前記第１の巻線及び前記第２の巻線の前記冷却器の側に配置されている請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  5. 前記高透磁率コアは、圧粉コアであり、
    前記低透磁率コアは、前記軟磁性粉と前記結合剤とを含有する前記コンポジット磁性体であり、
    前記第１の巻線と前記第２の巻線の少なくとも一部が前記低透磁率コアに埋設されている請求項４に記載の電力変換装置。
  6. 前記高透磁率コアは第１透磁率μ１を有し、前記低透磁率コアは第２透磁率μ２を有し、
    第１透磁率と第２透磁率の透磁率比が、３≦μ１／μ２≦１５である請求項４または請求項５に記載の電力変換装置。
  7. 前記コアにおいて、前記高透磁率コアの占める割合が、７．５から２５％の範囲である請求項６に記載の電力変換装置。
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