JP6769701B2 - 電力変換器 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の第1実施形態に係る電力変換器を単相の双方向チョッパ回路で構成した例を示す図である。この電力変換器は、端子T1,T2、接地端子GND、コンデンサC1,C2、リアクトルL、スイッチング素子Q1,Q2、ダイオードD1,D2を備える。端子T1と接地端子GNDとの間には、例えば直流電源(図示しない)が接続され、端子T2と接地端子GNDとの間には、例えばインバータ(図示しない)が接続される。
(第1の効果)
リアクトルLを小リアクトルl1〜l4に分割して薄型で扁平な箱形状にできるので、放熱器11のような大きな面を有する部品又はケースの面に対して、間隙なくリアクトルLを密接又は密着させて配置することが容易である。その結果、スペースを効率よく使用することができ、リアクトルLの周辺に生じる隙間を低減することができる。また、薄型で扁平な箱状のリアクトルLと放熱器11とは大きな面で接合することにより、接着、接合又は簡易的な接合で十分な接合力が得られる。したがって、固定に必要な端子部のスペースを削減できる。
リアクトルLを複数の小リアクトルl1〜l4に分割しても、これら小リアクトルl1〜l4は全て第1磁性体12を共通した土台とするので、複数の小リアクトルl1〜l4を密集させ、かつ隣接させて配置できる。つまり、リアクトルLは、個々の小リアクトルl1〜l4の間の隙間を低減又はなくすことができるため、小型化が可能である。また、仮に多数の小リアクトルであっても、一体化して形成できるので、個々の小リアクトルを個別にケースに入れたり、固定したりすることが不要である。その為、個々の小リアクトルを固定するための端子部が不要であり、全体で多数の端子部が形成され、大きなスペースが必要になるという事態を避けることができる。
リアクトルLを放熱器11に接合する場合、特に、薄型のリアクトルLを大面積で接合できるので、放熱経路が短くなるとともに、放熱面積が増大する。その結果、リアクトルLの放熱性能が向上する。
リアクトルLが複数の小リアクトルl1〜l4に分割され、各小リアクトルl1〜l4は立てた状態で配置されるので、巻線15は土台となる第1磁性体12に対して縦に積まれる状態になる。したがって、リアクトルLの全体を薄くできると共に、巻線15が面方向の広がりを抑えることができる。また、巻線15が面方向に広がることを避けるために支柱状磁性体13を細くせざるを得ないという事態を避けることができる。
磁束は、第1磁性体12、支柱状磁性体13及び第2磁性体14により形成されるクローズドループを通る。このため磁束が外部に漏れることがないので大きなインダクタンスを実現でき、かつ飽和磁束の低下を防ぐことができる。
小リアクトルの各々の巻線を少なくできる。その結果、巻線幅を小さくでき、リアクトルLの全体を薄型化できる。
電力変換器に大きな電流を流す用途の場合は、一般に、磁性体部分にエアギャップが設けられる。上述した構成では、小リアクトルが互いに直列に、かつ同じ面に立てた状態で配置されているので、各小リアクトルに小さなエアギャップを設ければ、全体として大きなギャップを実現できる。また、リアクトルLのサイズ、すなわち高さを最小化できる。
個々の小リアクトルl1〜l4を流れる電流が小さくなって磁束量が減るので、磁性体が磁気飽和する懸念が小さくなる。その結果、支柱状磁性体13を細くできるとともに、第1磁性体12及び第2磁性体14も薄くすることができ、リアクトルLの全体を薄型化かつ小型化できる。
各小リアクトルl1〜l4を流れる電流が小さくなるので、電カ変換器の全体の電流が大きい場合であっても、直列の場合と比べて巻線15を細くできる。例えば、平角線等の大きな断面積の配線を使用すべき電流が流れる場合であっても、並列接続する構成を採用することにより、比較的小さな断面積の所謂銅線等を使用することが可能となる。このため、巻線15の形成が容易であり、巻線15の部分の隙間を削減することもできる。
また、各小リアクトルl1〜l4を流れる電流が小さくなるので、複数の小リアクトルの各々に半導体スイッチング素子を接続し、高速でスイッチング動作をさせる場合には、電流が小さいのでサージ電圧やノイズを低減できる。その結果、高速スイッチングによる電気的な動作における損失を低減できる。また、高周波駆動されるリアクトルL及びコンデンサ等の小型化も一層容易になる。
本発明の第2実施形態に係る電力変換器は、リアクトルLが、それぞれ直列接続された4個の小リアクトルl1〜l4(巻線)から成る3つの組を、互いに並列に接続することにより構成される点で第1実施形態と異なる。第2実施形態において説明しない構成、作用及び効果は、第1実施形態と実質的に同様であり、重複するため省略する。
本発明の第3実施形態に係る電力変換器は、リアクトルLを構成する複数の小リアクトルを、基板上に設けられた配線パターンにより接続する点で第2実施形態と異なる。第3実施形態において説明しない構成、作用及び効果は、第1及び第2実施形態と実質的に同様であり、重複するため省略する。
本発明の実施の形態に係る電力変換器は、単相でなく多相の電力を変換する点で第2及び第3実施形態と異なる。第4実施形態において説明しない構成、作用及び効果は、第1〜第3実施形態と実質的に同様であり、重複するため省略する。
本発明の第5実施形態に係る電力変換器は、図9に示すように、第2磁性体14にスリット19が形成される点で第2実施形態と異なる。第5実施形態において説明しない構成、作用及び効果は、第1〜第4実施形態と実質的に同様であり、重複するため省略する。
本発明の第6実施形態に係る電力変換器は、第5実施形態と同様に、第2磁性体14にスリット19が形成される点で第3実施形態と異なる。第6実施形態において説明しない構成、作用及び効果は、第1〜第5実施形態と実質的に同様であり、重複するため省略する。
本発明の第7実施形態に係る電力変換器は、第1磁性体12及び第2磁性体が、それぞれ箔状である点で第1〜第6実施形態と異なる。第7実施形態において説明しない構成、作用及び効果は、第1〜第6実施形態と実質的に同様であり、重複するため省略する。
本発明の第8実施形態に係る電力変換器は、リアクトルLが他の部品と一体に形成される点等で第3実施形態と異なる。に係る電力変換器において、リアクトル以外の部品とリアクトルとを一体に構成したものである。第8実施形態において説明しない構成、作用及び効果は、第1〜第7実施形態と実質的に同様であり、重複するため省略する。
本発明の第9実施形態に係る電力変換器は、図13に示すように、支柱状磁性体13及び巻線15として中間基板20を備える点で第1実施形態と異なる。第9実施形態において説明しない構成、作用及び効果は、第1〜第8実施形態と実質的に同様であり、重複するため省略する。
本発明の第10実施形態に係る電力変換器は、図14に示すように、配線パターン18aが上面に形成された配線基板17が、第1磁性体12側に形成される点等において第3実施形態と異なる。第10実施形態において説明しない構成、作用及び効果は、第1〜第9実施形態と実質的に同様であり、重複するため省略する。
本発明の第11実施形態に係る電力変換器は、図15に示すように、配線基板17の代わりに、金属板31及び絶縁体32を備える点において第10実施形態と異なる。第11実施形態において説明しない構成、作用及び効果は、第1〜第10実施形態と実質的に同様であり、重複するため省略する。
本発明の第12実施形態に係る電力変換器は、図16に示すように、絶縁体32が、第1絶縁体33及び第2絶縁体32から構成される点において第11実施形態と異なる。第12実施形態において説明しない構成、作用及び効果は、第1〜第11実施形態と実質的に同様であり、重複するため省略する。
本発明の第13実施形態に係る電力変換器は、放熱器11に他の部品が形成される点において第11実施形態と異なる。第12実施形態において説明しない構成、作用及び効果は、第1〜第12実施形態と実質的に同様であり、重複するため省略する。
本発明の第14実施形態に係る電力変換器は、リアクトルが絶縁型の変圧器(トランス)として動作する点等において第11実施形態と異なる。第14実施形態において説明しない構成、作用及び効果は、第1〜第13実施形態と実質的に同様であり、重複するため省略する。
本発明の第15実施形態に係る電力変換器は、第1巻線151と第2巻線152とが同一の支柱状磁性体13に巻かれない点等において第14実施形態と異なる。第15実施形態において説明しない構成、作用及び効果は、第1〜第14実施形態と実質的に同様であり、重複するため省略する。
上記のように、本発明を第1〜第15実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
12 第1磁性体
13 支柱状磁性体
14 第2磁性体
15 巻線
16 配線
17 配線基板
18,18a 配線パターン(配線)
31 金属板
32 第2絶縁体(絶縁体)
33 第1絶縁体(絶縁体)
131 第1支柱状磁性体(支柱状磁性体)
132 第2支柱状磁性体(支柱状磁性体)
151 第1巻線(巻線)
152 第2巻線(巻線)
C1,C2 コンデンサ
D1,D2 ダイオード
L リアクトル
Ln 第nリアクトル
l1〜l4 小リアクトル
l11〜l14 第1小リアクトル(小リアクトル)
l21〜l24 第2小リアクトル(小リアクトル)
P1 第1パワーモジュール回路(パワーモジュール回路)
P2 第2パワーモジュール回路(パワーモジュール回路)
P3 第3パワーモジュール回路(パワーモジュール回路)
Q1,Q2 スイッチング素子(半導体スイッチング素子)
Claims (9)
- 電力の蓄積と放出を行うリアクトルを備えた電力変換器において、
前記リアクトルは、
土台となる第1磁性体と、
前記第1磁性体の上に立てた状態で配置される複数の支柱状磁性体と、
前記複数の支柱状磁性体の各々に巻かれて複数の小リアクトルを形成する複数の巻線と、
前記複数の支柱状磁性体の上に配置される第2磁性体と、
前記複数の巻線の間を電気的に接続する配線とを備え、
前記複数の小リアクトルは、前記配線により電気的に直列又は並列に接続され、それぞれ生じる磁束が、隣接する前記小リアクトルで生じる磁束と逆向きとなるように配置されることを特徴とする電力変換器。 - 前記リアクトルは、直列接続された前記複数の小リアクトルから成る組を、複数組電気的に並列に接続して構成されることを特徴とする請求項1記載の電力変換器。
- 放熱器と、
前記放熱器の上に配置され、前記配線を含む配線基板と、
を更に備え、
前記第1磁性体は、前記複数の巻線と前記配線とを電気的に接続するために前記複数の巻線の各端部が導入される貫通孔を有し、
前記配線基板は、前記配線が、前記第1磁性体及び前記放熱器と絶縁されるように構成されることを特徴とする請求項1又は2に記載の電力変換器。 - 前記配線は、前記複数の巻線の間を電気的に接続するようにパターニングされた金属板からなり、
前記配線基板は、前記金属板と、前記金属板と前記放熱器との間を絶縁する絶縁体とから構成されることを特徴とする請求項3に記載の電力変換器。 - 前記配線は、前記複数の巻線の間を電気的に接続するようにパターニングされた金属板からなり、
前記配線基板は、前記放熱器の上に形成された樹脂材料又は接着剤からなる第1絶縁体と、
前記金属板と、前記金属板の上に形成された樹脂材料からなる第2絶縁体とから構成されることを特徴とする請求項3又は4に記載の電力変換器。 - 前記放熱器の下面にそれぞれ配置され、前記リアクトルとそれぞれ接続される、半導体スイッチング素子を含むパワーモジュール回路、第1回路基板及びコンデンサと、前記第2磁性体の上に配置され、前記リアクトルと接続される第2回路基板とのうち、少なくともいずれかを更に備えることを特徴とする請求項3〜5のいずれか1項に記載の電力変換器。
- 前記複数の巻線は、前記複数の支柱状磁性体の各々に巻かれて複数の第1小リアクトルを形成する複数の第1巻線と、前記複数の支柱状磁性体の各々に巻かれて複数の第2小リアクトルを形成する複数の第2巻線とを有し、
前記複数の第1小リアクトル及び前記複数の第2小リアクトルは、互いに絶縁するように、それぞれ電気的に直列又は並列に接続され、
前記複数の第1小リアクトル及び前記複数の第2小リアクトルは、それぞれ生じる磁束が隣接する前記複数の第1小リアクトル及び前記複数の第2小リアクトルで生じる磁束と逆向きとなるように配置されることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の電力変換器。 - 前記複数の支柱状磁性体は、前記複数の第1巻線がそれぞれ巻かれた複数の第1支柱状磁性体と、前記複数の第2巻線がそれぞれ巻かれた複数の第2支柱状磁性体とが接合されることにより構成されることを特徴とする請求項7に記載の電力変換器。
- 前記複数の巻線は、前記複数の支柱状磁性体のうち隣接する前記支柱状磁性体に巻かれないように、前記支柱状磁性体に互い違いに巻かれて複数の第1小リアクトルを形成する複数の第1巻線と、前記複数の支柱状磁性体のうち前記第1巻線が巻かれない残りの前記支柱状磁性体に巻かれて複数の第2小リアクトルを形成する複数の第2巻線とを有し、
前記複数の第1小リアクトル及び前記複数の第2小リアクトルは、互いに絶縁するようにそれぞれ電気的に直列又は並列に接続され、
前記複数の第1小リアクトル及び前記複数の第2小リアクトルは、生じる磁束が互いに逆方向になるように配置されることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の電力変換器。
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