JP7391776B2 - リアクトル - Google Patents
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Description
本技術はＤＣ－ＤＣコンバータなどの電力変換装置に用いることのできるリアクトルに関するものである。
直流電源に接続されて電圧を変換するために利用されるＤＣ－ＤＣコンバータは、リアクトルとスイッチを用い、電力を磁束として蓄えたり放出したりすることにより昇圧または降圧を行う。例えば、特開２０１２－０６５４５３号公報には、ハイブリッド車両の電源回路として用いることのできるコンバータが開示されている。この公報のコンバータは、特に、磁気結合リアクトルを用いた二相コンバータである。二相コンバータは二つのコイル（インダクタ）を用い、それぞれのコイルにはスイッチングによって位相のずれた交流成分を含む電流が流れる。また、磁気結合リアクトルはこの二つのコイルを三つの脚部をもつ磁性体コアで磁気的に結合したものである。各コイルは外側脚部に磁束の向きが互いに対向するように巻かれる。すなわち、各コイルによって発生した磁束は共通の中央脚部を同じ向きに通る。
上記公報の磁気結合リアクトルは高周波の交番磁界で動作する際の問題が考慮されていない。特に、上記公報のような多相コンバータでは、相の数をｎとすると、中央脚部には原理的にスイッチング周波数のｎ倍の周波数をもった高周波の交番磁束が現れる。Ｎｉ－Ｚｎ系フェライト材料は高周波側で透磁率が落ちにくい材料であるが、同時にコア損失が大きいため、単純にこの材料でコア全体を製造することには問題がある。このように、周波数の高い交番磁束が発生してもコアとしての性能が低下するのを抑制して、リアクトルを高周波でも動作可能なものとすることが望まれる。
本発明のひとつの態様は、リアクトルであって、中央脚部と少なくとも二つの外側脚部とを有するコアと、前記二つの外側脚部にそれぞれ巻かれた巻線とを備えており、前記二つの外側脚部にそれぞれ巻かれた前記巻線と、前記二つの外側脚部とによって構成される二つのインダクタの磁気誘導特性は同じになるように構成されており、前記コアのうち前記中央脚部を除いた外周部分は第１コア材料で形成されており、前記中央脚部は第２コア材料で形成されており、前記第２コア材料は前記第１コア材料よりも高周波数側での透磁率の低下が緩やかな周波数特性を有する材料である。これにより、中央脚部で外側脚部よりも周波数の高い交番磁束が発生してもコアとしての性能の低下を抑制することができる。
実施形態によっては、前記第１コア材料がＭｎ－Ｚｎ系フェライト材料であり、前記第２コア材料がＮｉ－Ｚｎ系フェライト材料である。これにより、外周部分のコア損失を低減しつつ、中央脚部の周波数特性をより良好なものにすることができる。
以下、本技術の各種実施形態について図面を参照しながら説明する。なお以下の実施形態のうち実質的な差異がない部分については類似の符号を付して説明の繰り返しを避ける。
〔コンバータ〕
図１は、一つの実施形態として、リアクトル１２を備えたＤＣ－ＤＣ降圧コンバータ１０の回路図である。以下ではコンバータ１０は二相降圧コンバータであるとして説明するが、本願で説明する特徴は、昇圧コンバータ、昇降圧コンバータや、三相以上の多相コンバータなど、同様の構成を有する種々の電力変換装置にも適用できる。コンバータ１０は入力側において図示しない直流電源に接続されてスイッチング電源を構成し、入力電圧Ｖiを出力電圧Ｖoに変換する。直流電源は例えば再充電可能な二次電池や大容量のキャパシタとすることができる。コンバータ１０の出力側には負荷が接続される。例えばコンバータ１０はインバータと組み合わせることにより交流モータのための電源回路として用いることができる。交流モータは例えばハイブリッド自動車や電気自動車などの電動車両に搭載し、車輪を駆動するために用いることができる。
図１は、一つの実施形態として、リアクトル１２を備えたＤＣ－ＤＣ降圧コンバータ１０の回路図である。以下ではコンバータ１０は二相降圧コンバータであるとして説明するが、本願で説明する特徴は、昇圧コンバータ、昇降圧コンバータや、三相以上の多相コンバータなど、同様の構成を有する種々の電力変換装置にも適用できる。コンバータ１０は入力側において図示しない直流電源に接続されてスイッチング電源を構成し、入力電圧Ｖiを出力電圧Ｖoに変換する。直流電源は例えば再充電可能な二次電池や大容量のキャパシタとすることができる。コンバータ１０の出力側には負荷が接続される。例えばコンバータ１０はインバータと組み合わせることにより交流モータのための電源回路として用いることができる。交流モータは例えばハイブリッド自動車や電気自動車などの電動車両に搭載し、車輪を駆動するために用いることができる。
コンバータ１０は、リアクトル１２の他、スイッチ１８、２０とダイオード２２、２４とを含む。各スイッチ１８、２０は位相が互いに１８０度ずれるようにオンとオフが周期的に切り替わる。リアクトル１２はスイッチ１８、２０の出力側にそれぞれ直列に接続された二つのコイル１４、１６を有し、直流電源からの電流はスイッチ１８、２０によるスイッチングに応じて対応するコイル１４、１６に流れる。スイッチは例えば電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）や絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などのスイッチング素子である。各ダイオード２２、２４はスイッチ１８、２０がオフの時に負荷からの電流をコイル１４、１６に戻せるよう対応するスイッチ１８、２０とコイル１４、１６との間に向けて接続される。ダイオード２２、２４はスイッチ１８、２０と相補的に動作する別のスイッチ（スイッチング素子）に置き換えることも可能である。
図２に示すように、リアクトル１２は中央脚部３６と二つの外側脚部３２、３４をもつコア３０を有し、二つのコイル１４、１６はこのコア３０で磁気的に結合される。コイル１４、１６を磁気結合させて一体化することで、リアクトル１２の部品点数が削減できるうえ、コンバータを含む装置を小型化することができる。各コイル１４、１６の巻線は直流電流が流れたときにコア３０の外側脚部３２、３４に磁束の向きが互いに対向するような巻き方向で巻かれる。コイル１４、１６と外側脚部３２、３４とによって構成される二つのインダクタの磁気誘導特性は同じになるようにする。なお、図示しないが、別の実施形態として３相以上の多相コンバータの場合は、相の数と同じ数の外側脚部を備えたコアを同様にして用いることができる。
〔コイル電流と磁束の変化〕
図３に示すように、スイッチ１８、２０は、通常、制御装置（図示しない）によって生成されたパルス幅変調（ＰＷＭ）信号によって制御される。第１相のスイッチ１８がオンに切り替わると直流電源からの電流ＩL1がコイル１４の巻線に流れ込む。コイル１４と外側脚部３２で構成されるインダクタのインダクタンスＬ1により、コイル１４の巻線を流れる電流ＩL1が増加するにつれてそのエネルギーはコイル１４が巻かれた外側脚部３２にて磁束Φo1として蓄えられる。スイッチ１８がオフになると、コイル１４に蓄えられていたエネルギーが負荷側に電流として放出される。第２相についても同様に、インダクタンスＬ2によってコイル１６を流れる電流ＩL2に応じて他方の外側脚部３４に磁束Φo2が誘起される。中央脚部３６には二つのコイル１４、１６によって発生した磁束の両方が通るため、磁束Φcはそれぞれの磁束の２倍に近い値となる。図３には参考として中央脚部３６の磁束Φcの半分の値のグラフを重ねて示している。また、中央脚部３６の磁束Φcは位相が１８０度ずれた二つの磁束成分の重ね合わせとなるため、変動の周波数がスイッチ１８、２０のスイッチング周波数の２倍となる。
図３に示すように、スイッチ１８、２０は、通常、制御装置（図示しない）によって生成されたパルス幅変調（ＰＷＭ）信号によって制御される。第１相のスイッチ１８がオンに切り替わると直流電源からの電流ＩL1がコイル１４の巻線に流れ込む。コイル１４と外側脚部３２で構成されるインダクタのインダクタンスＬ1により、コイル１４の巻線を流れる電流ＩL1が増加するにつれてそのエネルギーはコイル１４が巻かれた外側脚部３２にて磁束Φo1として蓄えられる。スイッチ１８がオフになると、コイル１４に蓄えられていたエネルギーが負荷側に電流として放出される。第２相についても同様に、インダクタンスＬ2によってコイル１６を流れる電流ＩL2に応じて他方の外側脚部３４に磁束Φo2が誘起される。中央脚部３６には二つのコイル１４、１６によって発生した磁束の両方が通るため、磁束Φcはそれぞれの磁束の２倍に近い値となる。図３には参考として中央脚部３６の磁束Φcの半分の値のグラフを重ねて示している。また、中央脚部３６の磁束Φcは位相が１８０度ずれた二つの磁束成分の重ね合わせとなるため、変動の周波数がスイッチ１８、２０のスイッチング周波数の２倍となる。
コイル１４、１６の巻線を流れる電流ＩL1、ＩL2は、交流（リップル）成分を含んだ波形となる。電流ＩL1、ＩL2の平均値は接続される負荷に依存するが、リップル幅はコイル１４、１６のインダクタンスＬ1、Ｌ2が大きいほど小さくなる。負荷側へ供給される出力電圧Ｖoは、ＰＷＭ信号のデューティ比に応じて電源側からの入力電圧Ｖiよりも小さくなる。
なお、コンバータ１０は入力側と出力側にそれぞれ平滑化のためのコンデンサ２６、２８を有していても良い。図示しないが、各相のコイル１４、１６に流れる電流ＩL1、ＩL2を測定する電流センサや、コンバータ１０の入力電圧や出力電圧を検出する電圧センサを設け、その測定値に基づいてスイッチングを制御することもできる。
〔コア材料〕
図２に示すように、コア３０は互いに周波数特性が異なる第１コア材料と第２コア材料とで形成する。具体的には、コア３０のうち中央脚部３６を除いた外周部分３８（つまり外側脚部３２、３４とＴ字接続部）は第１コア材料で形成し、中央脚部３６は第１コア材料よりも高周波数側で透磁率が下がりにくい第２コア材料で形成する、図２では、第１コア材料を白く、第２コア材料を濃く描いている。例えば、第１コア材料をＭｎ－Ｚｎ系フェライト材料とし、第２コア材料をＮｉ－Ｚｎ系フェライト材料とする。Ｍｎ－Ｚｎ系フェライト材料は交番磁界の周波数が上がると比透磁率が急激に落ちるが、Ｎｉ－Ｚｎ系フェライト材料は高周波側での比透磁率の下がり方が比較的緩やかである。前述の通り中央脚部３６の磁束Φcは変動の周波数がスイッチング周波数の２倍となるため、コア３０のうち中央脚部３６のみをＮｉ－Ｚｎ系フェライト材料で形成することで中央脚部３６のコアとしての性能低下を抑制することができる。この効果は多相コンバータの相の数が大きい場合ほど大きくなる。一方、Ｎｉ－Ｚｎ系フェライト材料は単位体積当たりのコア損失がＭｎ－Ｚｎ系フェライト材料よりも２０倍ほど大きいため、コア３０を全てＮｉ－Ｚｎ系フェライト材料で製造するのは好ましくない。
図２に示すように、コア３０は互いに周波数特性が異なる第１コア材料と第２コア材料とで形成する。具体的には、コア３０のうち中央脚部３６を除いた外周部分３８（つまり外側脚部３２、３４とＴ字接続部）は第１コア材料で形成し、中央脚部３６は第１コア材料よりも高周波数側で透磁率が下がりにくい第２コア材料で形成する、図２では、第１コア材料を白く、第２コア材料を濃く描いている。例えば、第１コア材料をＭｎ－Ｚｎ系フェライト材料とし、第２コア材料をＮｉ－Ｚｎ系フェライト材料とする。Ｍｎ－Ｚｎ系フェライト材料は交番磁界の周波数が上がると比透磁率が急激に落ちるが、Ｎｉ－Ｚｎ系フェライト材料は高周波側での比透磁率の下がり方が比較的緩やかである。前述の通り中央脚部３６の磁束Φcは変動の周波数がスイッチング周波数の２倍となるため、コア３０のうち中央脚部３６のみをＮｉ－Ｚｎ系フェライト材料で形成することで中央脚部３６のコアとしての性能低下を抑制することができる。この効果は多相コンバータの相の数が大きい場合ほど大きくなる。一方、Ｎｉ－Ｚｎ系フェライト材料は単位体積当たりのコア損失がＭｎ－Ｚｎ系フェライト材料よりも２０倍ほど大きいため、コア３０を全てＮｉ－Ｚｎ系フェライト材料で製造するのは好ましくない。
以上、本技術を具体的な実施形態で説明したが、本技術はこれらの実施形態に限定されるものではなく、当業者であれば本技術の目的を逸脱することなく様々な置換、改良、変更を施すことが可能である。
１０ コンバータ
１２ リアクトル
１４、１６ コイル
１８、２０ スイッチ
２２、２４ ダイオード
２６、２８ コンデンサ
３０ コア
３２、３４ 外側脚部
３６ 中央脚部
３８ 外周部分
１２ リアクトル
１４、１６ コイル
１８、２０ スイッチ
２２、２４ ダイオード
２６、２８ コンデンサ
３０ コア
３２、３４ 外側脚部
３６ 中央脚部
３８ 外周部分
Claims (2)
- リアクトルであって、
中央脚部と少なくとも二つの外側脚部とを有するコアと、
前記二つの外側脚部にそれぞれ巻かれた巻線とを備えており、
前記二つの外側脚部にそれぞれ巻かれた前記巻線と、前記二つの外側脚部とによって構成される二つのインダクタの磁気誘導特性は同じになるように構成されており、
前記コアのうち前記中央脚部を除いた外周部分は第１コア材料で形成されており、
前記中央脚部は第２コア材料で形成されており、
前記第２コア材料は前記第１コア材料よりも高周波数側での透磁率の低下が緩やかな周波数特性を有する材料であるリアクトル。 - 請求項１のリアクトルであって、前記第１コア材料がＭｎ－Ｚｎ系フェライト材料であり、前記第２コア材料がＮｉ－Ｚｎ系フェライト材料であるリアクトル。
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