JP7283425B2 - 磁性部品、電力変換装置、および電力変換システム - Google Patents

磁性部品、電力変換装置、および電力変換システム Download PDF

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Description

本発明は、磁性部品、磁性部品を備えた電力変換装置、およびそのような電力変換装置を備えた電力変換システムに関する。
電力変換装置には、共振コイルおよびトランスを用いて構成された共振コンバータがある。電力変換装置では、部品コストや実装コストの低減、装置の小型化が望まれている。このような要求に基づいて、例えば、共振コイルおよびトランスを複合化した磁性部品が開発されている(例えば、特許文献1,2)。
特開2014-63856 米国特許出願公開第2017/0345541号明細書
電力変換装置の1つに、LLC共振コンバータがある。LLC共振コンバータでは、出力電圧を安定化させるために周波数制御が用いられる。このような周波数制御の場合、広い入力電圧範囲で動作させるためには、共振コイルに大きな電圧がかかるので、共振コイルの磁気コアの磁束が大きくなるため、コアの有効断面積を大きくする必要がある。また、共振コイルのインダクタンスを大きくする必要があるため、コイル部のボリュームが大きくなる。その結果、共振コイルのサイズが大きくなってしまう。電力変換装置では、共振コイルおよびトランスの体積が、装置の体積のうちの比較的大きな部分を占める。よって、共振コイルおよびトランスなどの磁性部品を低背化し、サイズを小さくすることが望まれている。
サイズを小さくすることができる磁性部品、電力変換装置、および電力変換システムを提供することが望ましい。
本発明の一実施の形態に係る第1の磁性部品は、磁気コアと、第1の接続端子と、第2の接続端子と、第1の巻線と、1または複数の第2の巻線とを備える。磁気コアは、互いに対向する2つの基体部と、2つの基体部の対向面内に配置され、2つの基体部を磁気結合させる第1の脚部、第2の脚部、第3の脚部、第4の脚部、および第5の脚部を含む5つの脚部とを有し、第2の脚部および第3の脚部は第1の方向において第1の脚部を挟んで配置され、第4の脚部および第5の脚部は第2の方向において第1の脚部を挟んで配置されたものである。第1の巻線は、第1の接続端子から第2の接続端子に向かう方向において、第1の脚部、第2の脚部、および第3の脚部に第1の巻方向に巻き付けられ、第4の脚部および第5の脚部に第2の巻方向に巻き付けられたものである。1または複数の第2の巻線は、5つの脚部のうちの、第1の脚部以外の4つの脚部に巻き付けられたものである。
本発明の一実施の形態に係る第2の磁性部品は、磁気コアと、第1の接続端子と、第2の接続端子と、第1の巻線と、1または複数の第2の巻線とを備える。磁気コアは、互いに対向する2つの基体部と、2つの基体部の対向面内に配置され、2つの基体部を磁気結合させる第1の脚部、第2の脚部、第3の脚部、第4の脚部、第5の脚部、および第6の脚部を含む6つの脚部とを有し、第1の脚部、第2の脚部、および第3の脚部は第1の方向にこの順に並設され、第4の脚部、第5の脚部、および第6の脚部は第1の方向にこの順で並設され、第1の脚部および第4の脚部は第2の方向に並設され、第2の脚部および第5の脚部は第2の方向に並設され、第3の脚部および第6の脚部は第2の方向に並設されたものである。第1の巻線は、第1の接続端子から第2の接続端子に向かう方向において、第1の脚部、第3の脚部、および第5の脚部に第1の巻方向に巻き付けられ、第2の脚部、第4の脚部、および第6の脚部に第2の巻方向に巻き付けられたものである。1または複数の第2の巻線は、6つの脚部のうちの、第1の脚部および第6の脚部以外の4つの脚部に巻き付けられたものである。
本発明の一実施の形態に係る第1の電力変換装置は、上記第1の磁性部品または第2の磁性部品と、スイッチング回路と、整流回路と、平滑回路とを備えている。スイッチング回路は、磁性部品の第1の接続端子および第2の接続端子のうちの少なくとも一方に接続され、1または複数のスイッチング素子を有するものである。整流回路は、磁性部品の1または複数の第2の巻線に接続されたものである。平滑回路は、整流回路に接続されたものである。
本発明の一実施の形態に係る第2の電力変換装置は、上記第1の磁性部品または第2の磁性部品と、スイッチング回路と、整流回路と、平滑回路とを備えている。スイッチング回路は、磁性部品の1または複数の第2の巻線に接続され、1または複数のスイッチング素子を有するものである。整流回路は、磁性部品の第1の接続端子および第2の接続端子に接続されたものである。平滑回路は、整流回路に接続されたものである。
本発明の一実施の形態に係る電力変換システムは、上記第1の電力変換装置または第2の電力変換装置と、第1のバッテリと、第2のバッテリとを備えている。第1のバッテリは、電力変換装置のスイッチング回路に接続されたものである。第2のバッテリは、電力変換装置の平滑回路に接続されたものである。
本発明の一実施の形態に係る第1の磁性部品、第2の磁性部品、第1の電力変換装置、第2の電力変換装置、および電力変換システムによれば、サイズを小さくすることができる。
本発明の第1の実施の形態に係る電力変換装置の一構成例を表す回路図である。 図1に示したトランスの一構成例を表す説明図である。 図1に示した巻線の一構成例を表す説明図である。 図1に示した電力変換装置における一動作例を表すタイミング波形図である。 図1に示した電力変換装置における一動作状態を表す説明図である。 図1に示した電力変換装置における他の動作状態を表す説明図である。 図3に示した脚部における磁束の一例を表す説明図である。 図3に示した脚部における磁束の他の例を表す説明図である。 図3に示した基体部における磁束の一例を表す説明図である。 図3に示した基体部における磁束の他の例を表す説明図である。 第1の実施の形態の変形例に係る電力変換装置の一構成例を表す回路図である。 図8に示した巻線の一構成例を表す説明図である。 第1の実施の形態の他の変形例に係る電力変換装置の一構成例を表す回路図である。 図10に示した巻線の一構成例を表す説明図である。 図10に示した電力変換装置における一動作例を表すタイミング波形図である。 図10に示した電力変換装置における一動作状態を表す説明図である。 図10に示した電力変換装置における他の動作状態を表す説明図である。 第1の実施の形態の他の変形例に係る電力変換装置の一構成例を表す回路図である。 第1の実施の形態の他の変形例に係るトランスの一構成例を表す説明図である。 第2の実施の形態に係る電力変換装置の一構成例を表す回路図である。 図16に示したトランスの一構成例を表す説明図である。 図16に示した巻線の一構成例を表す説明図である。 図18に示した脚部における磁束の一例を表す説明図である。 図18に示した脚部における磁束の他の例を表す説明図である。 図18に示した基体部における磁束の一例を表す説明図である。 図18に示した基体部における磁束の他の例を表す説明図である。 第2の実施の形態の変形例に係るトランスの一構成例を表す説明図である。 変形例に係る電力変換システムの一構成例を表す説明図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
<実施の形態>
[構成例]
図1は、本発明の一実施の形態に係るトランスを備えた電力変換装置1の一構成例を表すものである。この電力変換装置1は、直流電力を変圧するLLC共振コンバータである。電力変換装置1は、端子T11,T12と、端子T21,T22とを備えている。端子T11,T12は直流電源PDCに接続され、端子T21,T22は負荷LDに接続される。電力変換装置1は、直流電源PDCから供給された直流電力を変換し、変換された直流電力を負荷LDに供給するように構成される。
電力変換装置1は、キャパシタ11と、スイッチング回路12と、キャパシタ15と、トランス20と、4つの整流回路16(整流回路16A,16B,16C,16D)と、4つの平滑回路17(平滑回路17A,17B,17C,17D)とを備えている。キャパシタ11、スイッチング回路12、およびキャパシタ15は、電力変換装置1の一次側回路を構成し、4つの整流回路16および4つの平滑回路17は、電力変換装置1の二次側回路を構成する。
キャパシタ11の一端は、端子T11に導かれた電圧線L11に接続され、他端は、端子T12に導かれた基準電圧線L12に接続される。
スイッチング回路12は、直流電源PDCから供給された直流電圧を交流電圧に変換するように構成される。スイッチング回路12は、トランジスタ13,14を有している。トランジスタ13,14は、この例では、MOS-FET(Metal Oxide Semiconductor-Field Effect Transistor)である。トランジスタ13のドレインは電圧線L11に接続され、ゲートには図示しない制御部によりゲート信号G1が供給され、ソースはトランジスタ14のドレインおよびキャパシタ15の一端に接続される。トランジスタ14のドレインはトランジスタ13のソースおよびキャパシタ15の一端に接続され、ゲートには図示しない制御部によりゲート信号G2が供給され、ソースは基準電圧線L12に接続される。なお、スイッチング回路12は、この構成に限定されるものではなく、1または複数のスイッチング素子を有する様々な回路を用いることができる。
キャパシタ15の一端はトランジスタ13のソースおよびトランジスタ14のドレインに接続され、他端はトランス20の接続端子T1(後述)に接続される。
トランス20は、1次側回路と2次側回路とを直流的に絶縁するとともに交流的に接続し、1次側回路から供給された交流電圧を、トランス20の変成比Rで変換し、変換された交流電圧を2次側回路に供給するように構成される。トランス20は、共振コイルと、トランスとを複合化させた磁性部品である。トランス20は、接続端子T1,T2,T3A,T4A,T5A,T3B,T4B,T5B,T3C,T4C,T5C,T3D,T4D,T5Dと、巻線21と、巻線22A,23A,22B,23B,22C,23C,22D,23Dとを有している。
接続端子T1はキャパシタ15の他端に接続され、接続端子T2は基準電圧線L12に接続される。接続端子T3A,T5Aは、整流回路16Aを介して、端子T22に導かれる基準電圧線L22に接続され、接続端子T4Aは、端子T21に導かれる電圧線L21に接続される。接続端子T3B,T5Bは、整流回路16Bを介して基準電圧線L22に接続され、接続端子T4Bは電圧線L21に接続される。接続端子T3C,T5Cは、整流回路16Cを介して基準電圧線L22に接続され、接続端子T4Cは電圧線L21に接続される。接続端子T3D,T5Dは、整流回路16Dを介して基準電圧線L22に接続され、接続端子T4Dは電圧線L21に接続される。
巻線21の一端は接続端子T1に接続され、他端は接続端子T2に接続される。巻線21は、巻線21A,21B,21C,21D,21Eを含んでいる。巻線21Aは、共振コイルであり、巻線21B~21Eは、トランスの一次側巻線である。巻線21A~21Eは、この順に直列に接続される。巻線21Aは接続端子T1に接続され、巻線21Eは接続端子T2に接続される。
巻線22Aの一端は接続端子T3Aに接続され、他端は接続端子T4Aに接続される。巻線23Aの一端は接続端子T4Aに接続され、他端は接続端子T5Aに接続される。巻線22Bの一端は接続端子T3Bに接続され、他端は接続端子T4Bに接続される。巻線23Bの一端は接続端子T4Bに接続され、他端は接続端子T5Bに接続される。巻線22Cの一端は接続端子T3Cに接続され、他端は接続端子T4Cに接続される。巻線23Cの一端は接続端子T4Cに接続され、他端は接続端子T5Cに接続される。巻線22Dの一端は接続端子T3Dに接続され、他端は接続端子T4Dに接続される。巻線23Dの一端は接続端子T4Dに接続され、他端は接続端子T5Dに接続される。
整流回路16Aは、トランス20の巻線22A,23Aから出力された交流電圧を整流するように構成される。整流回路16Aは、ダイオードD1,D2を有している。ダイオードD1は、基準電圧線L22上に設けられ、アノードはダイオードD2のアノードおよび平滑回路17Aに接続され、カソードはトランス20の接続端子T3Aに接続される。ダイオードD2は、基準電圧線L22上に設けられ、アノードはダイオードD1のアノードおよび平滑回路17Aに接続され、カソードはトランス20の接続端子T5Aに接続される。なお、この例では、ダイオードを設けたが、これに限定されるものではなく、例えば、ダイオードの代わりにトランジスタを設け、いわゆる同期整流を行うように構成してもよい。
整流回路16Bは、トランス20の巻線22B,23Bから出力された交流電圧を整流するように構成される。整流回路16Cは、トランス20の巻線22C,23Cから出力された交流電圧を整流するように構成される。整流回路16Dは、トランス20の巻線22D,23Dから出力された交流電圧を整流するように構成される。整流回路16B~16Dの回路構成は、整流回路16Aの回路構成と同様である。
平滑回路17Aは、整流回路16Aにより整流された電圧を平滑化するように構成される。平滑回路17Aは、キャパシタ18を有している。キャパシタ18の一端は、電圧線L21に接続され、他端は基準電圧線L22に接続される。なお、この例では、平滑回路17Aはキャパシタ18を有するようにしたが、これに限定されるものではなく、例えば、さらに、キャパシタ18の一端とトランス20の接続端子T4Aとの間に設けられたインダクタを有するようにしてよい。
平滑回路17Bは、整流回路16Bにより整流された電圧を平滑化するように構成される。平滑回路17Cは、整流回路16Cにより整流された電圧を平滑化するように構成される。平滑回路17Dは、整流回路16Dにより整流された電圧を平滑化するように構成される。平滑回路17B~17Dの回路構成は、平滑回路17Aの回路構成と同様である。
(トランス20)
図2は、トランス20の一構成例を表すものである。図2には、I-I矢視方向のトランス20の断面図、およびII-II矢視方向のトランス20の断面図をも描いている。トランス20は、この例では、プレーナトランスである。トランス20は、磁気コア100と、基板200とを有している。
磁気コア100は、基体部101,102と、5つの脚部111~115とを有している。基体部101,102は、Z方向において互いに対向するように配置される。基体部101,102は、XY平面において、X方向に長い略矩形形状を有する。脚部111~115は、2つの基体部101,102の対向面内に配置され、これらの2つの基体部101,102を磁気結合させるように設けられる。脚部111は、基体部101,102における中央付近に設けられる。脚部112,113は、基体部101,102におけるX方向の両端部にそれぞれ設けられ、脚部114,115は、基体部101,102におけるY方向の両端部にそれぞれ設けられる。すなわち、脚部112,113は、X方向において脚部111を挟んで配置され、脚部114,115は、Y方向において脚部111を挟んで配置される。XY平面において、脚部114,115の断面積は、脚部112,113の断面積よりも大きい。脚部111,114,115は、XY平面において、X方向に長くなるように構成され、脚部112,113は、XY平面において、Y方向に長くなるように構成される。X方向における脚部114,115の幅は、Y方向における脚部112,113の幅よりも広くなっている。
基板200は、多層基板(この例では4層基板)である。基板200には、磁気コア100における脚部111~115に対応する位置に貫通穴が設けられており、基板200は、磁気コア100における基体部101,102の間に挟まれるようになっている。この基板200には、巻線21、および巻線22A,23A,22B,23B,22C,23C,22D,23Dが設けられている。
図3は、基板200における巻線の一構成例を表すものであり、図3(A)は第1層である配線層LA1を示し、図3(B)は第2層である配線層LA2を示し、図3(C)は第3層である配線層LA3を示し、図3(D)は第4層である配線層LA4を示す。配線層LA1~LA4は、基板200の層方向において、この順に設けられている。図3において、巻線21を実線で示し、巻線22A,23A,22B,23B,22C,23C,22D,23Dを破線で示す。
配線層LA2,LA3には、巻線21(巻線21A,21B,21C,21D,21E)が設けられる。基板200には、配線層LA2における配線と配線層LA3における配線とを結ぶスルーホールTH1~TH6が設けられている。巻線21は、これらのスルーホールTH1~TH6を含んで構成され、接続端子T1,T2に接続される。巻線21は、5つの脚部111~115に巻き付けられている。具体的には、巻線21は、接続端子T1から接続端子T2に向かう方向において、脚部111,112,113のそれぞれに時計回りに2回巻き付けられ、脚部114,115のそれぞれに反時計回りに2回巻き付けられる。巻線21のうち、脚部111に巻き付けられた部分は、共振コイルである巻線21Aに対応し、脚部112~115に巻き付けられた部分は、トランスの1次側巻線である巻線21B~21Dに対応する。
配線層LA1には、巻線22A,22B,22C,22Dが設けられる。巻線22Aは、接続端子T3Aから接続端子T4Aに向かう方向において、脚部112に時計回りに1回巻き付けられる。巻線22Bは、接続端子T3Bから接続端子T4Bに向かう方向において、脚部115に反時計回りに1回巻き付けられる。巻線22Cは、接続端子T3Cから接続端子T4Cに向かう方向において、脚部113に時計回りに1回巻き付けられる。巻線22Dは、接続端子T3Dから接続端子T4Dに向かう方向において、脚部114に反時計回りに1回巻き付けられる。
配線層LA4には、巻線23A,23B,23C,23Dが設けられる。巻線23Aは、接続端子T5Aから接続端子T4Aに向かう方向において、脚部112に反時計回りに1回巻き付けられる。巻線23Bは、接続端子T5Bから接続端子T4Bに向かう方向において、脚部115に時計回りに1回巻き付けられる。巻線23Cは、接続端子T5Cから接続端子T4Cに向かう方向において、脚部113に反時計回りに1回巻き付けられる。巻線23Dは、接続端子T5Dから接続端子T4Dに向かう方向において、脚部114に時計回りに1回巻き付けられる。
ここで、トランス20は、本開示における「磁性部品」の一具体例に対応する。磁気コア100は、本開示における「磁気コア」の一具体例に対応する。脚部111は、本開示における「第1の脚部」の一具体例に対応する。脚部112は、本開示における「第2の脚部」の一具体例に対応する。脚部113は、本開示における「第3の脚部」の一具体例に対応する。脚部114は、本開示における「第4の脚部」の一具体例に対応する。脚部115は、本開示における「第5の脚部」の一具体例に対応する。接続端子T1は、本開示における「第1の接続端子」の一具体例に対応する。接続端子T2は、本開示における「第2の接続端子」の一具体例に対応する。巻線21は、本開示における「第1の巻線」の一具体例に対応する。巻線22A,23A,22B,23B,22C,23C,22D,23Dは、本開示における「複数の第2の巻線」の一具体例に対応する。スイッチング回路12は、本開示における「スイッチング回路」の一具体例に対応する。トランス20は、本開示における「トランス」の一具体例に対応する。整流回路16A,16B,16C,16Dは、本開示における「整流回路」の一具体例に対応する。平滑回路17A,17B,17C,17Dは、本開示における「平滑回路」の一具体例に対応する。
[動作および作用]
続いて、本実施の形態の電力変換装置1の動作および作用について説明する。
(全体動作概要)
まず、図1を参照して、電力変換装置1の全体動作概要を説明する。電力変換装置1では、スイッチング回路12において、トランジスタ13,14がスイッチング動作を行うことにより、直流電源PDCから供給された直流電圧に基づいて交流電圧を生成する。トランス20は、この交流電圧を変成比Rにより変換する。整流回路16Aは、トランス20の巻線22A,23Aから出力された交流電圧を整流し、整流回路16Bは、トランス20の巻線22B,23Bから出力された交流電圧を整流し、整流回路16Cは、トランス20の巻線22C,23Cから出力された交流電圧を整流し、整流回路16Dは、トランス20の巻線22D,23Dから出力された交流電圧を整流する。平滑回路17Aは、整流回路16Aにより整流された電圧を平滑化し、平滑回路17Bは、整流回路16Bにより整流された電圧を平滑化し、平滑回路17Cは、整流回路16Cにより整流された電圧を平滑化し、平滑回路17Dは、整流回路16Dにより整流された電圧を平滑化する。
(詳細動作)
図4は、電力変換装置1の一動作例を表すものである。この図4において、I1は、巻線21に流れる電流を示し、I2は、巻線22A,23A,22B,23B,22C,23C,22D,23Dに流れる電流の合計電流を示し、Imは励磁電流を示す。この励磁電流Imは、I1-I2・Rで表される。Rはトランス20における変成比である。変成比Rは、トランスの一次側巻線(巻線21B~21E)の巻き数を、トランスの二次側巻線(例えば巻線22A)の巻き数で除した値である。
この例では、タイミングt0において、ゲート信号G2が高レベルから低レベルに遷移する。これにより、トランジスタ13,14はともにオフ状態になる。
タイミングt1において、ゲート信号G1が低レベルから高レベルに遷移する。これにより、トランジスタ13がオン状態になる。タイミングt1~t2の期間において、トランジスタ13はオン状態を維持し、トランジスタ14はオフ状態を維持する。そして、タイミングt2において、ゲート信号G1が高レベルから低レベルに遷移する。これにより、トランジスタ13がオフ状態になる。
タイミングt3において、ゲート信号G2が低レベルから高レベルに遷移する。これにより、トランジスタ14がオン状態になる。タイミングt3~t4の期間において、トランジスタ13はオフ状態を維持し、トランジスタ14はオン状態を維持する。そして、タイミングt4において、ゲート信号G2が高レベルから低レベルに遷移する。これにより、トランジスタ14がオフ状態になる。
タイミングt5において、ゲート信号G1が低レベルから高レベルに遷移する。これにより、トランジスタ13がオン状態になる。
このようにトランジスタ13,14がスイッチング動作を行うことにより、トランス20では、図4に示したように、電流I1,I2および励磁電流Imが流れる。具体的には、トランス20の2次側に流れる電流I2は、タイミングt0~t2の期間において正になり、タイミングt2~t4の期間において負になる正弦波電流になる。また、トランス20の1次側に流れる電流I1は、この電流I2よりも位相が遅れた正弦波電流になる。励磁電流Imは、タイミングt0~t2の期間において増加し、タイミングt2~t4の期間において減少する三角波電流になる。
図5A,5Bは、電力変換装置1における電流の流れを表すものであり、図5Aは、タイミングt1~t2の期間におけるあるタイミングtAでの動作を示し、図5Bは、タイミングt3~t4の期間におけるあるタイミングtBでの動作を示す。これらの図では、トランジスタ13,14を、その動作状態(オン状態もしくはオフ状態)を表すシンボルで示している。
図6A,6Bは、磁気コア100の脚部111~115における磁束の向きを表すものであり、図6Aは、タイミングtAにおける磁束の向きを示し、図6Bは、タイミングtBにおける磁束の向きを示す。図7A,7Bは、磁気コア100の基体部102における磁束の向きを表すものであり、図7Aは、タイミングtAにおける磁束の向きを示し、図7Bは、タイミングtBにおける磁束の向きを示す。
タイミングt1~t2の期間では、図4に示したように、トランジスタ13はオン状態であり、トランジスタ14はオフ状態である。これにより、タイミングt1~t2の期間におけるあるタイミングtAでは、図5Aに示したように、1次側回路に、トランジスタ13、キャパシタ15、接続端子T1、巻線21、接続端子T2の順に電流IA1が流れる。この電流IA1に応じて、例えば、整流回路16Aおよび平滑回路17Aに係る2次側回路では、巻線23A、接続端子T4A、キャパシタ18および負荷LD、ダイオードD2、接続端子T5Aの順に電流IA2が流れる。整流回路16Bおよび平滑回路17Bに係る2次側回路、整流回路16Cおよび平滑回路17Cに係る2次側回路、整流回路16Dおよび平滑回路17Dに係る2次側回路についても同様である。
このように、巻線21において、接続端子T1から接続端子T2に向かって電流IA1が流れることにより、トランス20では、図6Aに示したように、脚部111~115において磁束が生じる。巻線21は、脚部111,112,113のそれぞれに時計回りに巻き付けられ、脚部114,115のそれぞれに反時計回りに巻き付けられているので、脚部111,112,113における磁束の方向は、Z方向と反対方向であり、脚部114,115における磁束の方向は、Z方向である。基体部102では、図7Aに示したように、脚部111から脚部114,115に向かう磁束が生じ、脚部112から脚部114,115に向かう磁束が生じ、脚部113から脚部114,115に向かう磁束が生じる。基体部101における磁束の方向は、基体部102における磁束の方向(図7A)と反対の方向である。
タイミングt3~t4の期間では、図4に示したように、トランジスタ13はオフ状態であり、トランジスタ14はオン状態である。これにより、タイミングt3~t4の期間におけるあるタイミングtBでは、図5Bに示したように、1次側回路に、キャパシタ15、トランジスタ14、接続端子T2、巻線21、接続端子T1の順に電流IB1が流れる。この電流IB1に応じて、例えば、整流回路16Aおよび平滑回路17Aに係る2次側回路では、巻線22A、接続端子T4A、キャパシタ18および負荷LD、ダイオードD1、接続端子T3Aの順に電流IB2が流れる。整流回路16Bおよび平滑回路17Bに係る2次側回路、整流回路16Cおよび平滑回路17Cに係る2次側回路、整流回路16Dおよび平滑回路17Dに係る2次側回路についても同様である。
このように、巻線21において、接続端子T2から接続端子T1に向かって電流IB1が流れることにより、トランス20では、図6Bに示したように、脚部111~115において磁束が生じる。脚部111,112,113における磁束の方向は、Z方向であり、脚部114,115における磁束の方向は、Z方向と反対方向である。基体部102では、図7Bに示したように、脚部114から脚部111,112,113に向かう磁束が生じ、脚部115から脚部111,112,113に向かう磁束が生じる。基体部101における磁束の方向は、基体部102における磁束の方向(図7B)と反対の方向である。
電力変換装置1は、このような動作を繰り返すことにより、直流電源PDCから供給された直流電力を変圧して出力する。電力変換装置1は、PWM(Pulse Width Modulation)を用いてトランジスタ13,14の動作を制御することにより、出力電圧が一定になるように制御する。
電力変換装置1では、5つの脚部111~115を設け、脚部112,113を、X方向において脚部111を挟んで配置するとともに、脚部114,115を、Y方向において脚部111を挟んで配置するようにした。また、接続端子T1から接続端子T2に向かう方向において、巻線21を、脚部111,112,113に第1の巻方向に巻き付けるとともに、脚部114,115に第2の巻方向に巻き付けるようにした。これにより、トランス20では、図7A,7Bに示したように、脚部111,112,113において第1の方向の磁束が生じるとともに、脚部114,115において第2の方向の磁束が生じる。そして基体部101,102において、磁束が分散する。このように、基体部101,102において磁束を分散させることにより、基体部101,102における磁束密度を低くすることができるので、基体部101,102のZ方向における高さを低くすることができる。また、このように5つの脚部111~115を設けるようにしたので、脚部111~115のそれぞれにおける巻線21の巻き数を抑えることができ、例えば基板200の層数を減らすことができるので、脚部111~115のZ方向における高さを低くすることができる。その結果、電力変換装置1では、トランス20のサイズを小さくすることができる。
特に、電力変換装置1では、脚部114,115の断面積を、脚部112,113の断面積よりも大きくするとともに、X方向における脚部114,115の幅を、Y方向における脚部112,113の幅よりも広くした。これにより、電力変換装置1では、例えば、1次側の電流I1が最大となるタイミング(図4におけるタイミングt6,t7)において、1次側の巻線のみを巻き付けた脚部111から例えば基体部101を通って脚部114,115へ向かう大きな磁束を分散させることができる。したがって、電力変換装置1では、共振コイルの電流が最大になったときに共振コイルにより生じる大きな磁束を分散させ、磁束密度を下げることができる。このとき、脚部112,113で発生する磁束は、1次側に流れる電流I1と逆方向に流れる電流I2により打ち消されるため、3つの脚部111,114,115を有するいわゆるEIコアやEEコアなどの3脚コアと同様の磁束分布になる。また、例えば、励磁電流Imが最大となるタイミング(図4におけるタイミングt0,t2)において、トランス20における磁束が最大となる。このとき、2次側には電流I2は流れず、1次側の電流I1により、5つの脚部111~115に磁束が発生し、図7A,7Bに示したように磁束を基体部101,102に分散させることができる。その結果、トランス20のサイズを効果的に小さくすることができる。
また、電力変換装置1では、5つの脚部111~115に巻線21を巻き付け、脚部111以外の4つの脚部112~115に、巻線22A,23A,22B,23B,22C,23C,22D,23Dを巻き付けるようにした。これにより、巻線21のうち、脚部111に巻き付けた部分を共振コイルとして機能させることができる。これにより、トランス20では、共振コイルおよびトランスを複合化することができるので、共振コイルおよびトランスをそれぞれ個別に設ける場合に比べて、電力変換装置1のサイズを小さくすることができる。また、共振コイルにおけるインダクタンスを大きくすることができるので、電力変換装置1(LLC共振コンバータ)は、スイッチング周波数を変更することにより、出力電圧と入力電圧の比率を大きく変えることができる。よって、電力変換装置1は、周波数制御により、広い入力電圧範囲で出力電圧を一定に制御することができるので、広い入力電圧範囲で動作することができる。
[効果]
以上のように本実施の形態では、5つの脚部111~115を設け、脚部112,113を、X方向において脚部111を挟んで配置するとともに、脚部114,115を、Y方向において脚部111を挟んで配置するようにした。また、接続端子T1から接続端子T2に向かう方向において、巻線21を、脚部111,112,113に第1の巻方向に巻き付けるとともに、脚部114,115に第2の巻方向に巻き付けるようにした。これにより、トランスのサイズを小さくすることができる。特に、脚部114,115の断面積を、脚部112,113の断面積よりも大きくするとともに、X方向における脚部114,115の幅を、Y方向における脚部112,113の幅よりも広くしたので、トランスのサイズを効果的に小さくすることができる。
本実施の形態では、5つの脚部111~115に巻線21を巻き付け、脚部111以外の4つの脚部112~115に、巻線22A,23A,22B,23B,22C,23C,22D,23Dを巻き付けるようにしたので、電力変換装置のサイズを小さくすることができるとともに、広い入力電圧範囲で動作することができる。
[変形例1-1]
上記実施の形態では、トランス20において、巻線21A,21B,21C,21D,21Eを直列に接続することにより巻線21を構成したが、これに限定されるものではない。以下に、本変形例に係る電力変換装置1Aについて、詳細に説明する。
図8は、電力変換装置1Aの一構成例を表すものである。電力変換装置1Aは、トランス20Aを備えている。トランス20Aは、巻線21を有する。巻線21の一端は接続端子T1に接続され、他端は接続端子T2に接続される。巻線21は、巻線21A,21B,21C,21D,21Eを含んでいる。巻線21Aの一端は接続端子T1に接続され、他端は巻線21B,21Dの一端に接続される。巻線21Bの一端は巻線21Aの他端に接続され、他端は巻線21Cの一端に接続される。巻線21Cの一端は巻線21Bの他端に接続され、他端は接続端子T2に接続される。巻線21Dの一端は巻線21Aの他端に接続され、他端は巻線21Eの一端に接続される。巻線21Eの一端は巻線21Dの他端に接続され、他端は接続端子T2に接続される。すなわち、巻線21B,21Cと、巻線21D,21Eとは、互いに並列に接続される。
図9は、トランス20Aの基板200における巻線の一構成例を表すものである。巻線21は、配線層LA2~LA4に設けられる。基板200には、配線層LA3における配線と配線層LA4における配線とを結ぶスルーホールTH11と、配線層LA2における配線と配線層LA3における配線とを結ぶスルーホールTH12~TH16が設けられている。巻線21は、これらのスルーホールTH11~TH16を含んで構成され、接続端子T1,T2に接続される。巻線21は、5つの脚部111~115に巻き付けられている。具体的には、巻線21は、接続端子T1から接続端子T2に向かう方向において、脚部111に時計回りに3回巻き付けられ、脚部112,113のそれぞれに時計回りに2回巻き付けられ、脚部114,115のそれぞれに反時計回りに2回巻き付けられる。巻線21のうち、脚部111に巻き付けられた部分は、共振コイルである巻線21Aに対応し、脚部112~115に巻き付けられた部分は、トランスの1次側巻線である巻線21B~21Dに対応する。
[変形例1-2]
上記実施の形態では、2つのトランジスタ13,14を用いてスイッチング回路12を構成するとともに、2つのダイオードD1,D2を用いて各整流回路16を構成したが、これに限定されるものではない。以下に、本変形例に係る電力変換装置1Bについて、詳細に説明する。
図10は、電力変換装置1Bの一構成例を表すものである。電力変換装置1Bは、キャパシタ11と、スイッチング回路32と、キャパシタ15と、トランス20Bと、整流回路36と、平滑回路37とを備えている。
スイッチング回路32は、この例では、いわゆるフルブリッジ型の回路であり、トランジスタQ1~Q4を有している。トランジスタQ1のドレインは電圧線L11に接続され、ゲートには図示しない制御部によりゲート信号G1が供給され、ソースはノードN1に接続される。トランジスタQ2のドレインはノードN1に接続され、ゲートには図示しない制御部によりゲート信号G2が供給され、ソースは基準電圧線L12に接続される。トランジスタQ3のドレインは電圧線L11に接続され、ゲートには図示しない制御部によりゲート信号G3が供給され、ソースはノードN2に接続される。トランジスタQ4のドレインはノードN2に接続され、ゲートには図示しない制御部によりゲート信号G4が供給され、ソースは基準電圧線L12に接続される。
キャパシタ15の一端はスイッチング回路32のノードN1に接続され、他端はトランス20Bの接続端子T1に接続される。
トランス20Bは、接続端子T1,T2,T6,T7,T8,T9と、巻線21,26,27とを有している。
接続端子T1はキャパシタ15の他端に接続され、接続端子T2はスイッチング回路32のノードN2に接続される。接続端子T6,T8は、整流回路36のノードN3(後述)に接続され、接続端子T7,T9は、整流回路36のノードN4(後述)に接続される。
巻線26の一端は接続端子T6に接続され、他端は接続端子T7に接続される。巻線26は、巻線26A,26Bを含んでいる。巻線26A,26Bは直列に接続される。巻線26Aは接続端子T6に接続され、巻線26Bは接続端子T7に接続される。
巻線27の一端は接続端子T8に接続され、他端は接続端子T9に接続される。巻線27は、巻線27A,27Bを含んでいる。巻線27A,27Bは直列に接続される。巻線27Aは接続端子T8に接続され、巻線27Bは接続端子T9に接続される。
整流回路36は、トランス20Bから出力された交流電圧を整流するように構成される。整流回路36は、トランジスタQ5~Q8を有している。トランジスタQ5のドレインは電圧線L21に接続され、ゲートには図示しない制御部によりゲート信号G5が供給され、ソースはノードN3に接続される。トランジスタQ6のドレインはノードN3に接続され、ゲートには図示しない制御部によりゲート信号G6が供給され、ソースは基準電圧線L22に接続される。トランジスタQ7のドレインは電圧線L21に接続され、ゲートには図示しない制御部によりゲート信号G7が供給され、ソースはノードN4に接続される。トランジスタQ8のドレインはノードN4に接続され、ゲートには図示しない制御部によりゲート信号G8が供給され、ソースは基準電圧線L22に接続される。
平滑回路37は、整流回路36により整流された電圧を平滑化するように構成される。平滑回路37は、キャパシタ38を有している。キャパシタ38の一端は、電圧線L21に接続され、他端は基準電圧線L22に接続される。
図11は、トランス20Bの基板200における巻線の一構成例を表すものである。図11において、巻線21を実線で示し、巻線26,27を破線で示す。配線層LA2,LA3の構成は、上記実施の形態の場合(図3)と同様である。
配線層LA1,LA4には、巻線26,27が設けられる。基板200には、配線層LA1における配線と配線層LA4における配線とを結ぶスルーホールTH21~TH24が設けられている。
巻線26は、スルーホールTH21,TH22を含んで構成され、接続端子T6,T7に接続される。巻線26は、脚部112,115に巻き付けられている。具体的には、巻線26は、接続端子T6から接続端子T7に向かう方向において、脚部112に時計回りに2回巻き付けられ、脚部115に反時計回りに2回巻き付けられる。
巻線27は、スルーホールTH23,TH24を含んで構成され、接続端子T8,T9に接続される。巻線27は、脚部113,114に巻き付けられている。具体的には、巻線27は、接続端子T8から接続端子T9に向かう方向において、脚部113に時計回りに2回巻き付けられ、脚部114に反時計回りに2回巻き付けられる。
図12は、スイッチング回路32におけるスイッチング動作の一例を表すものである。
この例では、タイミングt10において、ゲート信号G2,G3が高レベルから低レベルに遷移する。これにより、トランジスタQ2,Q3はともにオフ状態になる。
タイミングt11において、ゲート信号G1,G4が低レベルから高レベルに遷移する。これにより、トランジスタQ1,Q4がオン状態になる。タイミングt11~t12の期間において、トランジスタQ1,Q4はオン状態を維持し、トランジスタQ2,Q3はオフ状態を維持する。そして、タイミングt12において、ゲート信号G1,G4が高レベルから低レベルに遷移する。これにより、トランジスタQ1,Q4がオフ状態になる。
タイミングt13において、ゲート信号G2,G3が低レベルから高レベルに遷移する。これにより、トランジスタQ2,Q3がオン状態になる。タイミングt13~t14の期間において、トランジスタQ1,Q4はオフ状態を維持し、トランジスタQ2,Q3はオン状態を維持する。そして、タイミングt14において、ゲート信号G2,G3が高レベルから低レベルに遷移する。これにより、トランジスタQ2,Q3がオフ状態になる。
タイミングt15において、ゲート信号G1,G4が低レベルから高レベルに遷移する。これにより、トランジスタQ1,Q4がオン状態になる。
図13A,13Bは、電力変換装置1Bの動作を表すものであり、図13Aは、タイミングt11~t12の期間におけるあるタイミングtAでの動作を示し、図13Bは、タイミングt13~t14の期間におけるあるタイミングtBでの動作を示す。
タイミングt11~t12の期間では、図12に示したように、トランジスタQ1,Q4はオン状態であり、トランジスタQ2,Q3はオフ状態である。このとき、整流回路36において、トランジスタQ5,Q8は、ゲート信号G5,G8に基づいてオン状態になり、トランジスタQ6,Q7は、ゲート信号G6,G7に基づいてオフ状態になる。これにより、タイミングt11~t12の期間におけるあるタイミングtAでは、図13Aに示したように、1次側回路に、トランジスタQ1、キャパシタ15、接続端子T1、巻線21、接続端子T2、トランジスタQ4の順に電流IA1が流れる。この電流IA1に応じて、2次側回路では、巻線26,27、接続端子T6,T8、トランジスタQ5、キャパシタ38および負荷LD、トランジスタQ8、接続端子T7,T9の順に電流IA2が流れる。
タイミングt13~t14の期間では、図12に示したように、トランジスタQ1,Q4はオフ状態であり、トランジスタQ2,Q3はオン状態である。このとき、整流回路36において、トランジスタQ5,Q8は、ゲート信号G5,G8に基づいてオフ状態になり、トランジスタQ6,Q7は、ゲート信号G6,G7に基づいてオン状態になる。これにより、タイミングt13~t14の期間におけるあるタイミングtBでは、図13Bに示したように、1次側回路に、トランジスタQ3、接続端子T2、巻線21、接続端子T1、キャパシタ15、トランジスタQ2の順に電流IB1が流れる。この電流IB1に応じて、2次側回路では、巻線26,27、接続端子T7,T9、トランジスタQ7、キャパシタ38および負荷LD、トランジスタQ6、接続端子T6,T8の順に電流IB2が流れる。
電力変換装置1Bは、このような動作を繰り返すことにより、直流電源PDCから供給された直流電力を変圧して出力する。電力変換装置1Bは、PWMを用いてトランジスタQ1~Q4の動作を制御することにより、出力電圧が一定になるように制御する。
この例では、端子T11,T12に直流電源PDCを接続し、端子T21,T22に負荷LDを接続したが、これに限定されるものではなく、これに代えて、端子T21,T22に直流電源PDCを接続し、端子T11,T12に負荷LDを接続してもよい。この場合には、電力変換装置1Bは、トランジスタQ5~Q8をスイッチング回路として動作させるとともに、トランジスタQ1~Q4を整流回路として動作させることにより、直流電源PDCから供給された直流電力を変圧して出力することができる。
また、この例では、図10に示したように、巻線26A,26Bと、巻線27A,27Bとを並列に接続したが、これに限定されるものではなく、例えば、接続端子T7,T8を省き、これらの4つの巻線26A,26B,27A,27Bを直列に接続してもよい。この場合、この2次側の巻線は1つの巻線を構成する。
[変形例1-3]
上記実施の形態では、共振コイルを含む巻線21が、電力変換装置1における1次側回路に接続されるようにしたが、これに限定されるものではない。これに代えて、例えば、図14に示す電力変換装置1Cのように、巻線21が2次側回路に接続されるようにしてもよい。この電力変換装置1Cは、キャパシタ11と、スイッチング回路32と、トランス20Bと、キャパシタ35と、整流回路36と、平滑回路37とを備えている。トランス20Bの接続端子T6,T8は、スイッチング回路32のノードN1に接続され、トランス20Bの接続端子T7,T9は、スイッチング回路32のノードN2に接続される。トランス20Bの接続端子T1は、キャパシタ35の一端に接続される。トランス20Bの接続端子T2は、整流回路36のノードN4に接続される。キャパシタ35の一端はトランス20Bの接続端子T1に接続され、他端は整流回路36のノードN3に接続される。
[変形例1-4]
上記実施の形態におけるトランス20は、さらにヒートシンクを有していてもよい。以下に、本変形例に係るトランス20Dについて詳細に説明する。トランス20Dは、磁気コア100Dと、基板200と、ヒートシンク130とを有する。
図15は、トランス20Dの一構成例を表すものであり、(A)は磁気コア100Dを示し、(B)はヒートシンク130を示す。図15(B)には、III-III矢視方向におけるヒートシンク130の断面図をも描いている。
磁気コア100Dの基体部101,102のそれぞれは、開口部121,122を有している。開口部121は、脚部111と脚部112との間に設けられ、略矩形形状を有している。開口部122は、脚部111と脚部113との間に設けられ、略矩形形状を有している。この例では、基体部102の開口部121,122は、ヒートシンク130の突起部141,142(後述)とそれぞれ嵌合されるようになっている。
ヒートシンク130は、例えばアルミニウム 等の熱伝導性の高い金属材料により構成された放熱用部材である。ヒートシンク130は、この例では6つの突起部132~135,141,142を有している。突起部132~135,141,142は、略矩形形状を有しており、Z方向における高さは、例えば基体部102の厚みと同程度である。磁気コア100Dの基体部102は、ヒートシンク130の突起部132~135により囲まれた領域に嵌合される。突起部141は、基体部102の開口部121と嵌合し、突起部142は、基体部102の開口部122と嵌合する。これにより、ヒートシンク130の突起部132~135,141,142は、磁気コア100Dの基板200と熱的に接続される。なお、ヒートシンク130の突起部132~135,141,142の上面に絶縁放熱シートを設け、この絶縁放熱シートを介して、磁気コア100Dの基板200と熱的に接続してもよい。
ここで、磁気コア100Dは、本開示における「磁気コア」の一具体例に対応する。開口部121は、本開示における「第1の開口部」の一具体例に対応する。開口部122は、本開示における「第2の開口部」の一具体例に対応する。突起部141は、本開示における「第1の突起部」の一具体例に対応する。突起部142は、本開示における「第2の突起部」の一具体例に対応する。
このように、トランス20Dでは、磁気コア100Dの基体部101,102に開口部121,122を設けるようにしたので、磁気コア100Dの周辺部に加え、磁気コア100Dの中央部付近からも放熱を行うことができるので、放熱性を高めることができる。 特に、トランス20Dでは、図7A,7Bに示したように、磁束密度が十分に低い領域に開口部121,122を設けるようにしたので、磁気的特性を維持しつつ、効果的に放熱性を高めることができる。
また、トランス20Dでは、ヒートシンク130を設けるようにしたので、放熱性をさらに高めることができる。
なお、トランス20Dでは、基体部102にヒートシンク130を取り付けたが、これに限定されるものではなく、基体部101にヒートシンク130を取り付けてもよいし、基体部101,102の両方にヒートシンク130を取り付けてもよい。また、基体部101,102の両方に開口部121,122を設けたが、これに限定されるものではなく、基体部101,102のうちの一方にのみ開口部121,122を設けてもよい。
[変形例1-5]
例えば、脚部111~115のうちの一部またはすべてにおける磁気結合部に、エアギャップ、スペーサギャップ、ギャップシートなどを設けてもよい。
[その他の変形例]
また、これらの変形例のうちの2以上を組み合わせてもよい
<2.第2の実施の形態>
次に、第2の実施の形態に係る電力変換装置2について説明する。本実施の形態は、トランスの構成が、上記第1の実施の形態と異なるものである。なお、上記第1の実施の形態に係る電力変換装置1と実質的に同一の構成部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
図16は、電力変換装置2の一構成例を表すものである。電力変換装置2は、トランス40を備えている。トランス40は、巻線41を有している。
巻線41の一端は接続端子T1に接続され、他端は接続端子T2に接続される。巻線41は、巻線41A,41B,41C,41D,41E,41Fを含んでいる。巻線41A,41Bは、共振コイルであり、巻線41C~41Fは、トランスの一次側巻線である。巻線41A~41Fは、この順に直列に接続される。巻線41Aは接続端子T1に接続され、巻線41Fは接続端子T2に接続される。
図17は、トランス40の一構成例を表すものである。図17には、IV-IV矢視方向のトランス40の断面図、およびV-V矢視方向のトランス40の断面図をも描いている。トランス40は、磁気コア300と、基板400とを有している。
磁気コア300は、基体部301,302と、6つの脚部311~316とを有している。基体部301,302は、Z方向において互いに対向するように配置される。基体部301,302は、XY平面において、X方向に長い略矩形形状を有する。脚部311~316は、2つの基体部301,302の対向面内に配置され、これらの2つの基体部301,302を磁気結合させるように設けられる。脚部311,312,313は、X方向においてこの順に並設され、脚部314,315,316は、X方向においてこの順に並設される。脚部311,314はY方向に並設され、脚部312,315はY方向に並設され、脚部313,316はY方向に並設される。XY平面において、脚部312,315の断面積は、脚部311,313,314,316の断面積よりも大きくなっている。
基板400は、多層基板(この例では4層基板)である。基板400には、磁気コア300における脚部311~316に対応する位置に貫通穴が設けられており、基板400は、磁気コア300における基体部301,302の間に挟まれるようになっている。この基板400には、巻線41、および巻線22A,23A,22B,23B,22C,23C,22D,23Dが設けられている。
図18は、基板400における巻線の一構成例を表すものである。図18において、巻線41を実線で示し、巻線22A,23A,22B,23B,22C,23C,22D,23Dを破線で示す。
配線層LA2,LA3には、巻線41(巻線41A,41B,41C,41D,41E,41F)が設けられる。基板400には、配線層LA2における配線と配線層LA3における配線とを結ぶスルーホールTH31~TH37が設けられている。巻線41は、これらのスルーホールTH31~TH37を含んで構成され、接続端子T1,T2に接続される。巻線41は、6つの脚部311~316に巻き付けられている。具体的には、巻線41は、接続端子T1から接続端子T2に向かう方向において、脚部311,313,315のそれぞれに時計回りに巻き付けられ、脚部312,314,316のそれぞれに反時計回りに巻き付けられる。巻線41のうち、脚部311,316に巻き付けられた部分は、共振コイルである巻線41A,41Bに対応し、脚部312~315に巻き付けられた部分は、トランスの1次側巻線である巻線41C~41Fに対応する。
配線層LA1には、巻線22A,22B,22C,22Dが設けられる。巻線22Aは、接続端子T3Aから接続端子T4Aに向かう方向において、脚部314に反時計回りに1回巻き付けられる。巻線22Bは、接続端子T3Bから接続端子T4Bに向かう方向において、脚部312に反時計回りに1回巻き付けられる。巻線22Cは、接続端子T3Cから接続端子T4Cに向かう方向において、脚部313に時計回りに1回巻き付けられる。巻線22Dは、接続端子T3Dから接続端子T4Dに向かう方向において、脚部315に時計回りに1回巻き付けられる。
配線層LA4には、巻線23A,23B,23C,23Dが設けられる。巻線23Aは、接続端子T5Aから接続端子T4Aに向かう方向において、脚部314に時計回りに1回巻き付けられる。巻線23Bは、接続端子T5Bから接続端子T4Bに向かう方向において、脚部312に時計回りに1回巻き付けられる。巻線23Cは、接続端子T5Cから接続端子T4Cに向かう方向において、脚部313に反時計回りに1回巻き付けられる。巻線23Dは、接続端子T5Dから接続端子T4Dに向かう方向において、脚部315に反時計回りに1回巻き付けられる。
ここで、トランス40は、本開示における「磁性部品」の一具体例に対応する。磁気コア300は、本開示における「磁気コア」の一具体例に対応する。脚部311は、本開示における「第1の脚部」の一具体例に対応する。脚部312は、本開示における「第2の脚部」の一具体例に対応する。脚部313は、本開示における「第3の脚部」の一具体例に対応する。脚部314は、本開示における「第4の脚部」の一具体例に対応する。脚部315は、本開示における「第5の脚部」の一具体例に対応する。脚部316は、本開示における「第6の脚部」の一具体例に対応する。巻線41は、本開示における「第1の巻線」の一具体例に対応する。トランス40は、本開示における「トランス」の一具体例に対応する。
電力変換装置2のスイッチング回路12は、上記第1の実施の形態の場合(図4,5A,5B)と同様に動作する。
図19A,19Bは、磁気コア300の脚部311~316における磁束の向きを表すものであり、図19Aは、タイミングtAにおける磁束の向きを示し、図19Bは、タイミングtBにおける磁束の向きを示す。図20A,20Bは、磁気コア300の基体部301における磁束の向きを表すものであり、図20Aは、タイミングtAにおける磁束の向きを示し、図20Bは、タイミングtBにおける磁束の向きを示す。
上記第1の実施の形態の場合(図4,5A)と同様に、タイミングt1~t2の期間では、トランジスタ13はオン状態であり、トランジスタ14はオフ状態である。これにより、タイミングt1~t2の期間におけるあるタイミングtAでは、図5Aに示したように、1次側回路に、トランジスタ13、キャパシタ15、接続端子T1、巻線41、接続端子T2の順に電流IA1が流れる。この電流IA1に応じて、例えば、整流回路16Aおよび平滑回路17Aに係る2次側回路では、巻線23A、接続端子T4A、キャパシタ18および負荷LD、ダイオードD2、接続端子T5Aの順に電流IA2が流れる。
このように、巻線41において、接続端子T1から接続端子T2に向かって電流IA1が流れることにより、トランス40では、図19Aに示したように、脚部311~316において磁束が生じる。巻線41は、脚部311,313,315のそれぞれに時計回りに巻き付けられ、脚部312,314,316のそれぞれに反時計回りに巻き付けられているので、脚部311,313,315における磁束の方向は、Z方向と反対方向であり、脚部312,314,316における磁束の方向は、Z方向である。基体部302では、図20Aに示したように、脚部311から脚部312,314に向かう磁束が生じ、脚部315から脚部312,314,316に向かう磁束が生じ、脚部313から脚部312,316に向かう磁束が生じる。基体部301における磁束の方向は、基体部302における磁束の方向(図20A)と反対の方向である。
タイミングt3~t4の期間では、図4,5Bに示したように、トランジスタ13はオフ状態であり、トランジスタ14はオン状態である。これにより、タイミングt3~t4の期間におけるあるタイミングtBでは、図5Bに示したように、1次側回路に、キャパシタ15、トランジスタ14、接続端子T2、巻線41、接続端子T1の順に電流IB1が流れる。この電流IB1に応じて、例えば、整流回路16Aおよび平滑回路17Aに係る2次側回路では、巻線22A、接続端子T4A、キャパシタ18および負荷LD、ダイオードD2、接続端子T3Aの順に電流IA2が流れる。
このように、巻線41において、接続端子T2から接続端子T1に向かって電流IB1が流れることにより、トランス40では、図19Bに示したように、脚部311~316において磁束が生じる。脚部311,313,315における磁束の方向は、Z方向であり、脚部312,314,316における磁束の方向は、Z方向と反対方向である。基体部302では、図20Bに示したように、脚部312から脚部311,313,315に向かう磁束が生じ、脚部314から脚部311,315に向かう磁束が生じ、脚部316から脚部313,315に向かう磁束が生じる。基体部301における磁束の方向は、基体部302における磁束の方向(図20B)と反対の方向である。
電力変換装置2は、このような動作を繰り返すことにより、直流電源PDCから供給された直流電力を変圧して出力する。電力変換装置2は、PWMを用いてトランジスタ13,14の動作を制御することにより、出力電圧が一定になるように制御する。
電力変換装置2では、6つの脚部311~316を設け、脚部311,312,313を、X方向においてこの順に並設し、脚部314,315,316を、X方向においてこの順に並設し、脚部311,314をY方向に並設し、脚部312,315をY方向に並設し、脚部313,316をY方向に並設した。また、接続端子T1から接続端子T2に向かう方向において、巻線41を、脚部311,313,315に第1の巻方向に巻き付けるとともに、脚部312,314,316に第2の巻方向に巻き付けるようにした。これにより、トランス40では、図20A,20Bに示したように、脚部311,313,315において第1の方向の磁束が生じるとともに、脚部312,314,316において第2の方向の磁束が生じる。そして、基体部301,302において磁束が分散する。このように、基体部301,302において磁束を分散させることにより、基体部301,302における磁束密度を低くすることができるので、基体部301,302のZ方向における高さを低くすることができる。また、このように6つの脚部311~316を設けるようにしたので、脚部311~316のそれぞれにおける巻線41の巻き数を抑えることができ、例えば基板400の層数を減らすことができるので、脚部311~316のZ方向における高さを低くすることができる。その結果、電力変換装置2では、トランス40のサイズを小さくすることができる。
電力変換装置2では、脚部312,315の断面積を、脚部311,313,314,316の断面積より大きくしたので、脚部312,315における磁束密度を下げることができる。すなわち、図20A,20Bに示したように、例えば、脚部311には、2つの脚部312,314に係る磁路が形成されるが、脚部312には、3つの脚部311,313,315に係る磁路が形成されるので、脚部312では磁束が強い。脚部315についても同様である。電力変換装置2では、脚部312,315の断面積を、脚部311,313,314,316の断面積より大きくしたので、脚部312,315における磁束密度を下げることができる。
また、電力変換装置2では、6つの脚部311~316に巻線41を巻き付け、脚部311,316以外の4つの脚部312~315に、巻線22A,23A,22B,23B,22C,23C,22D,23Dを巻き付けるようにした。これにより、巻線41のうち、脚部311,316に巻き付けた部分を共振コイルとして機能させることができる。これにより、トランス40では、共振コイルと、トランスとを複合化することができるので、共振コイルおよびトランスをそれぞれ個別に設ける場合に比べて、電力変換装置2のサイズを小さくすることができる。
また、電力変換装置2では、巻線41を2つの脚部311,316に巻き付けることにより共振コイルを構成することができるので、共振コイルにおけるインダクタンスを大きくすることができるため、広い入力電圧範囲で動作することができる。また、共振コイルを対角位置にある脚部311,316に巻き付けるようにしたので、電力変換装置2では、例えば、1次側の電流I1が最大となるタイミング(図4におけるタイミングt6,t7)において、1次側の巻線のみを巻き付けた脚部311から例えば基体部301を通って1次側の巻線のみを巻き付けた脚部316へ向かい、この脚部316から基体部302を通って脚部311へ戻る大きな磁束を分散させることができる。したがって、電力変換装置2では、共振コイルの電流が最大になったときに共振コイルにより生じる大きな磁束を分散させ、磁束密度を下げることができる。また、例えば、励磁電流Imが最大となるタイミング(図4におけるタイミングt0,t2)において、トランス40における磁束が最大となる。このとき、2次側には電流I2は流れず、1次側の電流I1により、6つの脚部311~316に磁束が発生し、図20A,20Bに示したように磁束を基体部301,302に分散させることができる。その結果、トランス40のサイズを効果的に小さくすることができる。
以上のように本実施の形態では、6つの脚部311~316を設け、脚部311,312,313を、X方向においてこの順に並設し、脚部314,315,316を、X方向においてこの順に並設し、脚部311,314をY方向に並設し、脚部312,315をY方向に並設し、脚部313,316をY方向に並設した。また、接続端子T1から接続端子T2に向かう方向において、巻線41を、脚部311,313,315に第1の巻方向に巻き付けるとともに、脚部312,314,316に第2の巻方向に巻き付けるようにした。これにより、トランスのサイズを小さくすることができる。
本実施の形態では、6つの脚部311~316に巻線41を巻き付け、脚部311,316以外の4つの脚部312~315に、巻線22A,23A,22B,23B,22C,23C,22D,23Dを巻き付けるようにしたので、電力変換装置のサイズを小さくすることができるとともに、広い入力電圧範囲で動作することができる。
[変形例2-1]
上記実施の形態に係る電力変換装置2に、上記第1の実施の形態の変形例1-1~1-3を適用してもよい。
[変形例2-2]
上記実施の形態におけるトランス40は、上記第1の実施の形態の変形例1-4と同様に、さらにヒートシンクを有していてもよい。以下に、本変形例に係るトランス40Dについて詳細に説明する。トランス40Dは、磁気コア300Dと、基板400と、ヒートシンク330とを有する。
図21は、トランス40Dの一構成例を表すものであり、(A)は磁気コア300Dを示し、(B)はヒートシンク330を示す。図21(B)には、VI-VI矢視方向におけるヒートシンク330の断面図をも描いている。
磁気コア300Dの基体部301,302のそれぞれは、開口部321,322を有している。開口部321は、4つの脚部311,312,314,315の間に設けられ、略矩形形状を有している。開口部322は、脚部312,313,315,316の間に設けられ、略矩形形状を有している。この例では、基体部302の開口部321,322は、ヒートシンク330の突起部341,342(後述)とそれぞれ嵌合されるようになっている。
ヒートシンク330は、この例では6つの突起部332~335,341,342を有している。突起部332~335,341,342は、略矩形形状を有しており、Z方向における高さは、例えば基体部302の厚みと同程度である。磁気コア300Dの基体部302は、ヒートシンク330の突起部332~335により囲まれた領域に嵌合される。突起部341は、基体部302の開口部321と嵌合し、突起部342は、基体部302の開口部322と嵌合する。これにより、ヒートシンク330の突起部332~335,341,342は、磁気コア300Dの基板400と熱的に接続される。
ここで、磁気コア300Dは、本開示における「磁気コア」の一具体例に対応する。開口部321は、本開示における「第1の開口部」の一具体例に対応する。開口部322は、本開示における「第2の開口部」の一具体例に対応する。突起部341は、本開示における「第1の突起部」の一具体例に対応する。突起部342は、本開示における「第2の突起部」の一具体例に対応する。
[変形例2-3]
例えば、脚部311~316のうちの一部またはすべてにおける磁気結合部に、エアギャップ、スペーサギャップ、ギャップシートなどを設けてもよい。
[その他の変形例]
また、これらの変形例のうちの2以上を組み合わせてもよい
以上、実施の形態および変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態等には限定されず、種々の変形が可能である。
例えば、上記実施の形態等では、直流電源PDCから供給された直流電力を変換し、変換された直流電力を負荷LDに供給するようにしたが、これに限定されるものではない。これに代えて、例えば図22に示す電力変換システム90のように、バッテリ91,92を設け、電力変換装置1が、バッテリ91から供給された直流電力を変換し、変換された直流電力をバッテリ92に供給してもよい。
1,1A,1B,1C,2…電力変換装置、11…キャパシタ、12,32…スイッチング回路、13,14,Q1~Q8…トランジスタ、15,35…キャパシタ、16A,16B,16C,16D,36…整流回路、17A,17B,17C,17D,37…平滑回路、18,38…キャパシタ、20,20A,20B,40…トランス、21,21A,21B,21C,21D,21E,22A,22B,22C,22D,23A,23B,23C,23D,26,26A,26B,27,27A,27B,41,41A,41B,41C,41D,41E,41F…巻線、100,100D,300,300D…磁気コア、101,102,301,302…基体部、111~115,311~316…脚部、121,122,321,322…開口部、130…ヒートシンク、132~125,141,142,332~335,341,342…突起部、200,400…基板、D1,D2…ダイオード、G1~G4…ゲート信号、LD…負荷、L11,L21…電圧線、L12,L22…基準電圧線、LA1~LA4…配線層、PDC…直流電源、TH1~TH6,TH11~TH16,TH21~TH24,TH31~TH37…スルーホール、T1,T2,T3A,T3B,T3C,T4A,T4B,T4C,T5A,T5B,T5C,T6,T7,T8,T9…接続端子、T11,T12,T21,T22…端子。

Claims (11)

  1. 互いに対向する2つの基体部と、前記2つの基体部の対向面内に配置され、前記2つの基体部を磁気結合させる第1の脚部、第2の脚部、第3の脚部、第4の脚部、および第5の脚部を含む5つの脚部とを有し、前記第2の脚部および前記第3の脚部は第1の方向において前記第1の脚部を挟んで配置され、前記第4の脚部および前記第5の脚部は第2の方向において前記第1の脚部を挟んで配置された磁気コアと、
    第1の接続端子と、第2の接続端子と、
    前記第1の接続端子から前記第2の接続端子に向かう方向において、前記第1の脚部、前記第2の脚部、および前記第3の脚部に第1の巻方向に巻き付けられ、前記第4の脚部および前記第5の脚部に第2の巻方向に巻き付けられた第1の巻線と、
    前記5つの脚部のうちの、前記第1の脚部以外の4つの脚部に巻き付けられた1または複数の第2の巻線と
    を備えた磁性部品。
  2. 前記第4の脚部の断面積および前記第5の脚部の断面積は、前記第2の脚部の断面積および前記第3の脚部の断面積よりも大きい
    請求項1に記載の磁性部品。
  3. 前記第1の方向における前記第4の脚部の幅および前記第5の脚部の幅は、前記第2の方向における前記第2の脚部の幅および前記第3の脚部の幅よりも広い
    請求項1または請求項2に記載の磁性部品。
  4. 前記第1の方向における前記第1の脚部の幅は、前記第2の方向における前記第2の脚部の幅および前記第3の脚部の幅よりも広い
    請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の磁性部品。
  5. ヒートシンクをさらに備え、
    前記2つの基体部は、第1の基体部と、第2の基体部とを有し、
    前記第1の基体部は、前記第1の脚部と前記第2の脚部との間に設けられた第1の開口部と、前記第1の脚部と前記第3の脚部との間に設けられた第2の開口部とを有し、
    前記ヒートシンクは、前記第1の基体部に取り付けられ、前記第1の基体部の前記第1の開口部に対応する位置に設けられた第1の突起部と、前記第1の基体部の前記第2の開口部に対応する位置に設けられた第2の突起部とを有する
    請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の磁性部品。
  6. 互いに対向する2つの基体部と、前記2つの基体部の対向面内に配置され、前記2つの基体部を磁気結合させる第1の脚部、第2の脚部、第3の脚部、第4の脚部、第5の脚部、および第6の脚部を含む6つの脚部とを有し、前記第1の脚部、前記第2の脚部、および前記第3の脚部は第1の方向にこの順に並設され、前記第4の脚部、前記第5の脚部、および前記第6の脚部は前記第1の方向にこの順で並設され、前記第1の脚部および前記第4の脚部は第2の方向に並設され、前記第2の脚部および前記第5の脚部は前記第2の方向に並設され、前記第3の脚部および前記第6の脚部は前記第2の方向に並設された磁気コアと、
    第1の接続端子と、第2の接続端子と、
    前記第1の接続端子から前記第2の接続端子に向かう方向において、前記第1の脚部、前記第3の脚部、および前記第5の脚部に第1の巻方向に巻き付けられ、前記第2の脚部、前記第4の脚部、および前記第6の脚部に第2の巻方向に巻き付けられた第1の巻線と、
    前記6つの脚部のうちの、前記第1の脚部および前記第6の脚部以外の4つの脚部に巻き付けられた1または複数の第2の巻線と
    を備えた磁性部品。
  7. 前記第2の脚部の断面積および前記第5の脚部の断面積は、前記第1の脚部の断面積、前記第3の脚部の断面積、前記第4の脚部の断面積、および前記第6の脚部の断面積よりも大きい
    請求項6に記載の磁性部品。
  8. ヒートシンクをさらに備え、
    前記2つの基体部は、第1の基体部と、第2の基体部とを有し、
    前記第1の基体部は、前記第1の脚部、前記第2の脚部、前記第4の脚部、および前記第5の脚部の間に設けられた第1の開口部と、前記第2の脚部、前記第3の脚部、前記第5の脚部、および前記第6の脚部の間に設けられた第2の開口部とを有し、
    前記ヒートシンクは、前記第1の基体部に取り付けられ、前記第1の基体部の前記第1の開口部に対応する位置に設けられた第1の突起部と、前記第1の基体部の前記第2の開口部に対応する位置に設けられた第2の突起部とを有する
    請求項6または請求項7に記載の磁性部品。
  9. 請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の磁性部品と、
    前記磁性部品の前記第1の接続端子および前記第2の接続端子のうちの少なくとも一方に接続され、1または複数のスイッチング素子を有するスイッチング回路と、
    前記磁性部品の前記1または複数の第2の巻線に接続された整流回路と、
    前記整流回路に接続された平滑回路と
    を備えた電力変換装置。
  10. 請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の磁性部品と、
    前記磁性部品の前記1または複数の第2の巻線に接続され、1または複数のスイッチング素子を有するスイッチング回路と、
    前記磁性部品の前記第1の接続端子および前記第2の接続端子に接続された整流回路と、
    前記整流回路に接続された平滑回路と
    を備えた電力変換装置。
  11. 請求項9または請求項10に記載の電力変換装置と、
    前記電力変換装置の前記スイッチング回路に接続された第1のバッテリと、
    前記電力変換装置の前記平滑回路に接続された第2のバッテリと
    を備えた電力変換システム。



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