JP7235794B2 - 電力変換装置の制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電力変換装置の制御装置に関する。
電気自動車やHEV(Hybrid Electrical Vehicle:ハイブリッド電気自動車)などの車両のDC-DCコンバータには、コアの周囲にコイルを装着することで構成されるリアクトルが用いられる。近年では、リアクトルとして、DC-DCコンバータの出力電流のリプルを調整するため3相磁気結合リアクトルを用いる提案がされている。また、この3相磁気結合リアクトルについては、小型化しつつ冷却効率を向上させることが好ましい。
そこで、非特許文献1には、中央コア部(center leg)を中心として、その円周上に120°毎に外側コア部(outer leg)を配置し、これらを長手方向の一端側と他端側で連結した立体構造のコアにより、単独のリアクトルを3つ使用する場合と比較して体積が小さくなることが記載されている。また、非特許文献1では、内側コア部と、内側コア部の両側に配置された一対の外側コア部とを長手方向の一端側と他端側で連結した平面構造のコアについても記載されている。
平面構造のコアは、立体構造のコアと同様に小型化が可能で、さらに立体構造のコアよりも冷却性に優れる。しかしながら、平面構造のコアは、3相駆動時に内側コイルにて生じる磁束と外側コイルにて生じる磁束とが均一にならず直流磁束を十分に打ち消せず、磁束を飽和させないために体積が大きくなる傾向がある。
これに対し、特許文献1に記載の3相磁気結合リアクトルでは、中脚の突き合わせ面に凹型の溝を設けて中脚における磁気抵抗を増大させることが記載されている。
特開2002-208519号公報
A Current Sharing Method Utilizing Single Balancing Transformer for a Multiphase LLC Resonant Converter With Integrated Magnetics{IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ( Volume: 6, Issue: 2, June 2018)}
平面構造のコアについては、特許文献1に記載のような構造を取ることで直流磁束を抑制する手法は知られているが、他の手法についても検討の余地があった。
本発明は、平面構造のコアを用いた3相磁気結合リアクトルにおける3相動作時に、電気的制御によって直流磁束を抑制可能な、電力変換装置の制御装置を提供する。
本発明は、
第1外側コイルと、
第2外側コイルと、
前記第1外側コイルと前記第2外側コイルとの間に配置された内側コイルと、
前記第1外側コイルが巻回される第1外側コア部と、前記第2外側コイルが巻回される第2外側コア部と、前記内側コイルが巻回される内側コア部と、を備えるコアと、を備え、
前記第1外側コア部、前記第2外側コア部、及び前記内側コア部は、それぞれ第1方向に延設され、且つ、前記第1方向に直交する第2方向に並べて配置され、
前記第1外側コア部、前記第2外側コア部、及び前記内側コア部の前記第1方向で一端側は、前記第2方向に延設された第1連結部で連結され、
前記第1外側コア部、前記第2外側コア部、及び前記内側コア部の前記第1方向で他端側は、前記第2方向に延設された第2連結部で連結され、
前記第1外側コイル、前記第2外側コイル、及び前記内側コイルは、前記第1外側コイル、前記第2外側コイル、及び前記内側コイルの全てのコイルに同じ方向の電流を流して動作させる3相動作において、前記第1外側コア部、前記第2外側コア部、及び前記内側コア部にて生じる磁束が打ち消しあうように構成された、3相磁気結合リアクトルを用いた電力変換装置の制御装置であって、
前記制御装置は、
前記第1外側コイル、前記第2外側コイル、及び前記内側コイルの全てのコイルに電流を流して動作させる前記3相動作において、
前記内側コア部の磁気抵抗が前記第1外側コア部及び前記第2外側コア部よりも大きい場合、前記内側コイルに流れる電流値を、前記第1外側コイル及び前記第2外側コイルに流れる電流値よりも大きくなるように制御し、
前記内側コア部の磁気抵抗が前記第1外側コア部及び前記第2外側コア部よりも小さい場合、前記内側コイルに流れる電流値を、前記第1外側コイル及び前記第2外側コイルに流れる電流値よりも小さくなるように制御する
本発明によれば、平面構造の3相磁気結合リアクトルを用いた電力変換装置における3相動作時に、電気的制御によって直流磁束を抑制することができる。
3相インターリーブ型のDC-DCコンバータ10の回路図である。 DC-DCコンバータ10に用いられる3相磁気結合リアクトル1の斜視図である。 コア20の内部で発生する磁束を説明するための3相磁気結合リアクトル1の平面図である。 3相動作における、第1外側コイル11、第2外側コイル13、内側コイル12の電流値が等しくなるように制御した場合における、各コイルを流れる電流を示すグラフである。 図4の制御における第1外側コア部21、第2外側コア部23、内側コア部22の磁束密度を示すグラフである。 3相動作における、内側コイル12の電流値を第1外側コイル11及び第2外側コイル13よりも大きくなるように制御した場合における、各コイルを流れる電流を示すグラフである。 図6の制御における第1外側コア部21、第2外側コア部23、内側コア部22の磁束密度を示すグラフである。
以下、本発明の一実施形態の電力変換装置の制御装置について、図面を参照して説明する。
先ず、本発明の制御装置の制御対象である電力変換装置の一例としての3相インターリーブ型のDC-DCコンバータを説明する。図1は、3相インターリーブ型のDC-DCコンバータを示す回路図である。
図1に示す3相インターリーブ型のDC-DCコンバータ10(以下、DC-DCコンバータ10)は、平滑コンデンサC1と、3つのコイル11~13を有する3相磁気結合リアクトル1(以下、3相リアクトル)と、スイッチ部SW1,SW2,SW3、SW4,SW5,SW6と、平滑コンデンサC2と、制御装置CTRと、を備える。
このDC-DCコンバータは、平滑コンデンサC1側の電圧V1を入力電圧とし、平滑コンデンサC2側の電圧V2を出力電圧として動作する場合、入力電圧V1を昇圧する。
3相リアクトル1は、コイル11~13の入力端子が高電位側の電源ラインに並列に接続される。3相リアクトル1のコイル11は、出力端子が、直列に接続されたスイッチ部SW1とスイッチ部SW2の中間ノードに接続され、第1電圧変換部14を構成する。3相リアクトル1のコイル12は、出力端子が、直列に接続されたスイッチ部SW3とスイッチ部SW4の中間ノードに接続され、第2電圧変換部15を構成する。3相リアクトル1のコイル13は、出力端子が、直列に接続されたスイッチ部SW5とスイッチ部SW6の中間ノードに接続され、第3電圧変換部16を構成する。スイッチ部SW1,SW2,SW3、SW4,SW5,SW6は、それぞれIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等のスイッチング素子と、このスイッチング素子に並列接続された還流ダイオードとを有する。なお、3相リアクトル1の「3相」とは、変換部の数が3つのであることを意味し、後述する1相動作とは、第1電圧変換部14~第3電圧変換部16のうち動作する変換部の数が1つであることを意味し、2相動作とは、動作する変換部の数が2つであることを意味し、3相動作とは、動作する変換部の数が3つであることを意味する。
スイッチ部SW1~SW6の各スイッチング素子は、制御装置CTRからの信号によってオンオフ制御される。DC-DCコンバータ10が有する3つの電圧変換部14、15、16は電気的に並列に接続されており、少なくとも1つの電圧変換部14、15、16のスイッチング素子を所望のタイミングでオンオフ切換動作することによって、電圧V1を直流のまま昇圧して電圧V2を出力する。電圧変換部14、15、16のスイッチ部SW1,SW2,SW3、SW4,SW5,SW6のオンオフ切換動作は、スイッチング制御部からDC-DCコンバータ10へのパルス状の所定のデューティ比を有するスイッチング信号によって制御される。
電圧変換部14、15、16のスイッチング素子をオンオフ切換制御すると、オン動作中にはDC-DCコンバータ10への入力電流がスイッチング素子側に流れて3相リアクトル1はエネルギーを蓄え、オフ動作中にはDC-DCコンバータ10への入力電流がダイオード側に流れて3相リアクトル1は蓄えたエネルギーを放出する。DC-DCコンバータ10の3つの電圧変換部14、15、16のうち1つのみを駆動する1相動作の場合には、オフ動作中のDC-DCコンバータ10の1つの電圧変換部を流れた電流が出力される。また、DC-DCコンバータ10の3つの電圧変換部14、15、16のうち2つを駆動する2相動作の場合には、駆動する各電圧変換部14、15、16のオンオフ切換位相を180度ずつずらすインターリーブ制御が行われる。DC-DCコンバータ10の3つの電圧変換部14、15、16の全てを駆動する3相動作の場合には、各電圧変換部14、15、16のオンオフ切換位相を120度ずつずらすインターリーブ制御が行われる。
駆動する電圧変換部14、15、16の数を増やすことで、出力電流のリプルを低減することができる。また、駆動する電圧変換部14、15、16の数の増加によってスイッチング損失は増大するが、導通損失は減少する。制御装置CTRは、駆動する電圧変換部14、15、16の数毎の損失を考慮したDC-DCコンバータ10のエネルギー効率を示すマップ等を用いて駆動する電圧変換部14、15、16の数を選択する。
続いて、3相リアクトル1の構造について説明する。以下の説明では、3つのコイル11~13のうち、外側に配置されたコイル11、13をそれぞれ第1外側コイル11、第2外側コイル13と称し、第1外側コイル11と第2外側コイル13に挟まれたコイル12を内側コイル12と称する。また、図2及び図3に示すように、3相リアクトル1をX軸、Y軸、Z軸の直交座標系を用いて各部位の位置関係について説明する。
3相リアクトル1は、図2に示すように、第1外側コイル11と、第2外側コイル13と、内側コイル12と、コア20と、これらを収容する筐体40と、を備える。
コア20は、例えば、軟磁性粉末を加圧成形することで構成されてもよく、薄板状の電磁鋼板を積層することで構成されてもよい。コア20は、図3に示すように、X軸方向に延設されY軸方向に沿って互いに平行に並べて配置された第1外側コア部21、内側コア部22、及び第2外側コア部23と、X軸方向一端側でY軸方向に延設され、これら第1外側コア部21、内側コア部22、及び第2外側コア部23を連結する第1連結部24と、X軸方向他端側でY軸方向に延設され、これら第1外側コア部21、内側コア部22、及び第2外側コア部23を連結する第2連結部25と、を備える。言い換えると、コア20は、X軸方向及びY軸方向に沿って形成されるXY平面上に配置された、平面構造のコアである。X軸方向が本発明の第1方向であり、Y軸方向が本発明の第2方向である。
第1外側コア部21には第1外側コイル11が巻回され、第2外側コア部23には第2外側コイル13が巻回され、内側コア部22には内側コイル12が巻回される。したがって、第1外側コア部21、内側コイル12、及び第2外側コイル13は、それぞれX軸方向に延設され、且つ、Y軸方向に並べて配置される。
この3相リアクトル1では、各コイル11、12、13のいずれか2つ以上のコイルに電流を流した場合、いずれの組合せでも各コイルにて生じる磁束の方向(以下、磁束方向)が互いに逆向きになるように制御するため、コアで生じる直流磁束を低減できる。これにより、コア20の磁気飽和を抑制することができる。
2相動作では、第1外側コイル11及び第2外側コイル13を選択することで、各コイル11、13を流れる電流によってコアで発生する直流磁束が均一になりコアで発生する直流磁束が相殺される。なお、1相動作では、磁束を相殺する作用が発生しないため動作させるコイルとしていずれコイル11、12、13を選んでもよい。
3相動作では、各コイル11、12、13を流れる電流によってコアで発生する磁束の少なくとも一部が相殺されることで、各コイル11、12、13にてコアで生じる磁束を低減できるが、より多くの磁束を相殺するためには、コアで発生する磁束を均一にする必要がある。
図4は、3相動作における、第1外側コイル11、第2外側コイル13、内側コイル12の電流値が等しくなるように制御した場合における、各コイルを流れる電流を示すグラフであり、図5は、図4の制御における第1外側コア部21、第2外側コア部23、内側コア部22の磁束密度を示すグラフである。
図4及び図5から分かるように、3相リアクトル1の3相動作では、第1外側コイル11、第2外側コイル13、内側コイル12の電流値が等しくなるように制御しても、第1外側コア部21、第2外側コア部23、内側コア部22の磁束密度が均一にならず、本例では、内側コア部22の磁束密度が、第1外側コイル11及び第2外側コイル13の磁束密度よりも大きくなっていることが分かる。
そこで、制御装置CTRは、内側コイル12の電流値を第1外側コイル11及び第2外側コイル13よりも小さくなるように制御する、又は、内側コイル12の電流値を第1外側コイル11及び第2外側コイル13よりも大きくなるように制御する。具体的には、制御装置CTRは、内側コイル12に流れる電流値I2の制御は、第2電圧変換部15のスイッチ部SW3、SW5のオンオフ切替動作におけるデューティ比を調整する。
図6は、3相動作における、内側コイル12の電流値を第1外側コイル11及び第2外側コイル13よりも大きくなるように制御した場合における、各コイルを流れる電流を示すグラフであり、図7は、図6の制御における第1外側コア部21、第2外側コア部23、内側コア部22の磁束密度を示すグラフである。
図6及び図7から分かるように、3相リアクトル1の3相動作では、内側コイル12の電流値を第1外側コイル11及び第2外側コイル13よりも小さくなるように制御することで、第1外側コア部21、第2外側コア部23、内側コア部22の磁束密度が略均一になることがわかる。なお、本例では、内側コア部22の磁気抵抗が第1外側コイル11及び第2外側コイル13の磁気抵抗よりも低い場合を例に説明したが、内側コア部22の磁気抵抗が第1外側コイル11及び第2外側コイル13の磁気抵抗よりも高い場合、内側コイル12の電流値を第1外側コイル11及び第2外側コイル13よりも大きくなるように制御することで、第1外側コア部21、第2外側コア部23、内側コア部22の磁束密度が略均一にすることができる。
以上、図面を参照しながら各種の実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上記実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。
本明細書には少なくとも以下の事項が記載されている。なお、括弧内には、上記した実施形態において対応する構成要素等を示しているが、これに限定されるものではない。
(1) 第1外側コイル(第1外側コイル11)と、
第2外側コイル(第2外側コイル13)と、
前記第1外側コイルと前記第2外側コイルとの間に配置された内側コイル(内側コイル12)と、
前記第1外側コイルが巻回される第1外側コア部(第1外側コア部21)と、前記第2外側コイルが巻回される第2外側コア部(第2外側コア部23)と、前記内側コイルが巻回される内側コア部(内側コア部22)と、を備えるコア(コア20)と、を備え、
前記第1外側コア部、前記第2外側コア部、及び前記内側コア部は、それぞれ第1方向(X軸方向)に延設され、且つ、前記第1方向に直交する第2方向(Y軸方向)に並べて配置され、
前記第1外側コア部、前記第2外側コア部、及び前記内側コア部の前記第1方向で一端側は、前記第2方向に延設された第1連結部(第1連結部24)で連結され、
前記第1外側コア部、前記第2外側コア部、及び前記内側コア部の前記第1方向で他端側は、前記第2方向に延設された第2連結部(第2連結部25)で連結され、
前記第1外側コイル、前記第2外側コイル、及び前記内側コイルは、前記第1外側コイル、前記第2外側コイル、及び前記内側コイルの全てのコイルに同じ方向の電流を流して動作させる3相動作において、前記第1外側コア部、前記第2外側コア部、及び前記内側コア部にて生じる磁束が打ち消しあうように構成された、3相磁気結合リアクトル(3相磁気結合リアクトル1)を用いた電力変換装置(DC-DCコンバータ10)の制御装置(制御装置CTR)であって、
前記制御装置は、
前記第1外側コイル、前記第2外側コイル、及び前記内側コイルの全てのコイルに電流を流して動作させる前記3相動作において、
前記内側コア部の磁気抵抗が前記第1外側コア部及び前記第2外側コア部よりも大きい場合、前記内側コイルに流れる電流値を、前記第1外側コイル及び前記第2外側コイルに流れる電流値よりも大きくなるように制御し、
前記内側コア部の磁気抵抗が前記第1外側コア部及び前記第2外側コア部よりも小さい場合、前記内側コイルに流れる電流値を、前記第1外側コイル及び前記第2外側コイルに流れる電流値よりも小さくなるように制御する、電力変換装置の制御装置。
平面構造の3相磁気結合リアクトルでは、構造上、第1外側コイル及び第2外側コイル
に電流を流したときの磁気回路の磁気抵抗と内側コイルに電流を流したときの磁気回路の
磁気抵抗が異なるため、3相動作時に第1外側コイル及び第2外側コイルに流れる電流と
内側コイルに流れる電流では電流値が異なる。電流値が異なるとコアで発生する直流磁束
を十分打ち消すことができず、磁束を飽和させないためコアを大型化せざるを得ない
)によれば、内側コア部の磁気抵抗が大きい場合、内側コイルに流れる電流値を大きくし、内側コア部の磁気抵抗が小さい場合、内側コイルに流れる電流値を小さくすることで、コアで発生する磁束を均一化することができる。
1 3相磁気結合リアクトル
10 DC-DCコンバータ
11 第1外側コイル
12 内側コイル
13 第2外側コイル
20 コア
21 第1外側コア部
22 内側コア部
23 第2外側コア部
CTR 制御装置

Claims (1)

  1. 第1外側コイルと、
    第2外側コイルと、
    前記第1外側コイルと前記第2外側コイルとの間に配置された内側コイルと、
    前記第1外側コイルが巻回される第1外側コア部と、前記第2外側コイルが巻回される第2外側コア部と、前記内側コイルが巻回される内側コア部と、を備えるコアと、を備え、
    前記第1外側コア部、前記第2外側コア部、及び前記内側コア部は、それぞれ第1方向に延設され、且つ、前記第1方向に直交する第2方向に並べて配置され、
    前記第1外側コア部、前記第2外側コア部、及び前記内側コア部の前記第1方向で一端側は、前記第2方向に延設された第1連結部で連結され、
    前記第1外側コア部、前記第2外側コア部、及び前記内側コア部の前記第1方向で他端側は、前記第2方向に延設された第2連結部で連結され、
    前記第1外側コイル、前記第2外側コイル、及び前記内側コイルは、前記第1外側コイル、前記第2外側コイル、及び前記内側コイルの全てのコイルに同じ方向の電流を流して動作させる3相動作において、前記第1外側コア部、前記第2外側コア部、及び前記内側コア部にて生じる磁束が打ち消しあうように構成された、3相磁気結合リアクトルを用いた電力変換装置の制御装置であって、
    前記制御装置は、
    前記第1外側コイル、前記第2外側コイル、及び前記内側コイルの全てのコイルに電流を流して動作させる前記3相動作において、
    前記内側コア部の磁気抵抗が前記第1外側コア部及び前記第2外側コア部よりも大きい場合、前記内側コイルに流れる電流値を、前記第1外側コイル及び前記第2外側コイルに流れる電流値よりも大きくなるように制御し、
    前記内側コア部の磁気抵抗が前記第1外側コア部及び前記第2外側コア部よりも小さい場合、前記内側コイルに流れる電流値を、前記第1外側コイル及び前記第2外側コイルに流れる電流値よりも小さくなるように制御する、電力変換装置の制御装置。
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