(57)【要約】【課題】  収容しやすいリアクトルを実現する。【解決手段】  コンバータは、断続的にオンオフするスイッチング素子とリアクトル３０と直流電源とを一巡する回路と、スイッチング素子に並列に接続されているコンデンサとを備えている。そのため、スイッチチング素子のターンオン時にリアクトルに発生する高電圧をコンデンサに蓄電することができる。  そして、コンバータは、リアクトル３０の少なくとも一部が直流電源とスイッチング素子を接続する電源線１５と、その電源線１５の外周に被さる磁性材からなるカバー２５で構成されている。【選択図】  図５
2006197678.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
断続的にオンオフするスイッチング素子とリアクトルと直流電源とを一巡する回路と、
スイッチング素子に並列に接続されているコンデンサと、を有し、
スイッチング素子のターンオン時にリアクトルに発生する高電圧をコンデンサに蓄電するＤＣ−ＤＣコンバータであり、
リアクトルの少なくとも一部が、直流電源とスイッチング素子を接続する電源線と、その電源線の外周に被さる磁性材からなるカバーで構成されているコンバータ。
【請求項２】
前記リアクトルは、直流電源側のリアクトルと、スイッチング素子側のリアクトルに分割されており、
前記直流電源側のリアクトルとスイッチング素子側のリアクトルの接続点と、スイッチング素子と直流電源を接続するアース線の間に、第２のコンデンサが挿入されており、
その直流電源側のリアクトルが、電源線とその電源線の外周に被さる磁性材からなるカバーで構成されている請求項１のコンバータ。
【請求項３】
断続的にオンオフするスイッチング素子と直流電源を接続する電源線と、
その電源線の外周に被さる磁性材からなるカバーと、
を備えているリアクトル。
【請求項４】
前記カバーに、電源線が貫通する貫通孔に達するスリットが電源線と平行な方向に形成されている請求項３のリアクトル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電源の電圧よりも昇圧された電圧をコンデンサに蓄電するＤＣ−ＤＣコンバータ（以下「コンバータ」と略す）と、そのコンバータに好適に利用できるリアクトルに関する。なおここでは、電流が流れ始めたときの過渡的な状態で昇圧された電圧を発生する電気要素をリアクトルという。
【背景技術】
【０００２】
スイッチング素子とリアクトルと直流電源を一巡する回路を用意し、スイッチング素子に並列にコンデンサを接続しておき、スイッチング素子を断続的にオンオフすると、スイッチング素子のターンオン時にリアクトルに発生する昇圧された電圧をコンデンサに蓄電することができる。このコンバータのためのリアクトルが特許文献１に記載されている。
特許文献１では、磁性材からなるコアにコイルを巻きつけてリアクトルを構成する。このリアクトルは、高いインダクタンスを持ち、昇圧性能に優れている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３０９９６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のリアクトルは、優れた昇圧性能を追求して設計されている。その反面、コアにコイルを巻きつけて製作するために、その体積が大型化するという問題がある。従来のコンバータは、リアクトルの収容スペースを確保することが課題となっている。
本発明は、その課題を解決するためになされたものであり、収容しやすいリアクトルを実現することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のコンバータは、断続的にオンオフするスイッチング素子とリアクトルと直流電源を一巡する回路と、スイッチング素子に並列に接続されているコンデンサを備えている。そのために、スイッチチング素子のターンオン時にリアクトルに発生する高電圧をコンデンサに蓄電することができる。
本発明のコンバータは、リアクトルの少なくとも一部が直流電源とスイッチング素子を接続する電源線と、その電源線の外周に被さる磁性材からなるカバーで構成されている。
直流電源とスイッチング素子を接続する電源線の外周に磁性材からなるカバーを被せると、スイッチング素子のターンオン時に、カバーが被せられた電源線の両端間に昇圧された電圧が発生する。電源線の外周に磁性材からなるカバーを被せるという簡単な構造で、リアクトルを実現することができる。
このリアクトルは、いずれにしても配線することが必要とされている電源線の外周にカバーを被せるという簡単な構成で実現され、実質的には電源線がわずかに太くなるだけですみ、リアクトルを収容するための特別なスペースを必要としない。
【０００６】
電圧の平滑化のために、電源線とアース線の間に第２のコンデンサを挿入することがある。この場合、直流電源側のリアクトルと、スイッチング素子側のリアクトルに分割し、直流電源側のリアクトルとスイッチング素子側のリアクトルの接続点と、スイッチング素子と直流電源を接続するアース線の間に、第２のコンデンサを挿入する。この場合、直流電源側のリアクトルが、電源線とその電源線の外周に被さる磁性材からなるカバーで構成されているが好ましい。
このように構成すると、スイッチング素子側のリアクトルに要求される昇圧性能を低下させることができ、スイッチング素子側のリアクトルを小型化することができる。
【０００７】
本発明のリアクトルは、断続的にオンオフするスイッチング素子と直流電源を接続する電源線と、その電源線の外周に被さる磁性材からなるカバーとを備えている。
このリアクトルは、電源線の外周にカバーを被せるという簡単な構成で実現され、実質的には電源線がわずかに太くなるだけですみ、リアクトルを収容するための特別なスペースを必要としない。
【０００８】
上記のリアクトルにおいて、カバーに、電源線が貫通する貫通孔に達するスリットが電源線と平行な方向に形成されていることが好ましい。
このようなスリットを設けると、その寸法によってリアクトルのインダクタンスを調整することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
後述する実施例の主要な特徴を記載する。
（１）ハイブリッド自動車に搭載されるパワーモジュールは、バッテリー、電源線、アース線、第１リアクトル、コンバータ、インバータ、第１コンデンサ、第２コンデンサ、コントローラを備えている。
（２）電源線とアース線は、コンバータを経由してバッテリーとインバータを接続している。
（３）第１リアクトルは、磁性体製である円筒状のカバーと、そのカバーを通過する部分の電源線によって構成されている。カバーには、電源線の軸方向に延びるスリットが設けられている。スリットによって、ギャップが形成されている。電源線に電流が流れると、第１リアクトルのカバーには、周方向に沿いながらギャップを通過する磁束が発生する。
（４）コンバータは、第２リアクトル、トランジスタＴ１、トランジスタＴ２、ダイオードＤ１、ダイオードＤ２を有している。第２リアクトルは、電源線に介装されている。
第２リアクトルは、一対の第１コア、一対の第２コア、コイルを有している。第１コアと第２コアとの間には、計４箇所のギャップが形成されている。コイルに電流が流れると、第２リアクトルには、その周方向に沿いながら各ギャップと、一対の第１コアと、一対の第２コアを通過する磁束が発生する。
（５）インバータは、Ｕ相アーム回路、Ｖ相アーム回路、Ｗ相アーム回路を備えている。Ｕ相アーム回路、Ｖ相アーム回路、Ｗ相アーム回路は、トランジスタＴ３〜Ｔ８、ダイオードＤ３〜Ｄ８を有している。
（６）インバータのＵ相アーム回路、Ｖ相アーム回路、Ｗ相アーム回路は、モータのＵ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルに接続されている。
（７）コントローラは、コンバータとインバータのトランジスタＴ１〜Ｔ８をスイッチング制御する。
（８）コントローラがコンバータのトランジスタＴ１、Ｔ２を制御することによって、第１リアクトルと第２リアクトルに高圧な誘導起電力が誘起されるとともに、その高圧な電力が第２コンデンサに蓄積される。
第１コンデンサは、コンバータが出力する電圧を平滑化する。
（９）コントローラがインバータのトランジスタＴ３〜Ｔ８を制御することによって、第２コンデンサに蓄積された高圧電力によって、モータが高速で回転する。
【実施例】
【００１０】
本発明に係るリアクトルをハイブリッド自動車のパワーモジュールに適用した一実施例について、図面を参照しながら説明する。
図１、２に示すように、自動車１０に搭載されるパワーモジュール１２は、バッテリー１４、電源線１５、アース線１６、コンバータ１７、インバータ１８を備えている。さらに、パワーモジュール１２は、図１、図２では図示を省略している第１リアクトル３０、第１コンデンサ３２、第２コンデンサ３３、コントローラ３４を備えている（これらは、図３に図示されている）。なお、第１コンデンサ３２が請求項に記載の「第２のコンデンサ」に相当する。第２コンデンサ３３が請求項に記載の「コンデンサ」に相当する。
バッテリー１４は、直流電力を発生する二次電池であり、前方シート２０の下方に搭載されている。エンジン２２とトランスミッション２３が搭載されているエンジンルーム２１には、コンバータ１７とインバータ１８が配置されている。モータ１９は、トランスミッション２３内に配置されている。電源線１５とアース線１６は、コンバータ１７を経由してバッテリー１４とインバータ１８を接続している。
【００１１】
図３に示すように、第１リアクトル３０は、カバー２５と、そのカバー２５を通過する部分の電源線１５によって構成されている。（第１リアクトル３０の構成については、後述にて詳細に説明する）。第１コンデンサ３２は、電源線１５の第１リアクトル３０とコンバータ１７の中間点と、アース線１６のバッテリー１４とコンバータ１７の中間点との間に接続されている。
コンバータ１７は、第２リアクトル３１、トランジスタＴ１、トランジスタＴ２、ダイオードＤ１、ダイオードＤ２を有している。第２リアクトル３１は、電源線１５に介装されている。
トランジスタＴ１とトランジスタＴ２は、直列に接続されている。トランジスタＴ１、Ｔ２には、例えば、ＮＰＮトランジスタを用いる。トランジスタＴ１とトランジスタＴ２の中間点には、第２リアクトル３１の一方端が接続されている。トランジスタＴ１のエミッタは、第２リアクトル３１の一方端側に接続されている。トランジスタＴ２のエミッタは、アース線１６に接続されている。トランジスタＴ１のコレクタとエミッタとの間には、エミッタ側からコレクタ側に電流を通過させるダイオードＤ１が接続されている。トランジスタＴ２のコレクタとエミッタとの間には、エミッタ側からコレクタ側に電流を通過させるダイオードＤ２が接続されている。
なお、上述したコンバータ１７に第１リアクトル１７を含めて、それをコンバータと称することもできる。
【００１２】
図４に示すように、第２リアクトル３１は、一対の第１コア５５、一対の第２コア５６、コイル５７を有している。第１コア５５は、略Ｕ字状の平面形状を有している。第２コア５６は、略直方体状に形成されている。第１コア５５と第２コア５６は、例えば、高珪素鋼板を積層して製作することができる。
第１コア５５と第２コア５６は、図示しない支持構造によって位置決めされている。第１コア５５と第２コア５６との間には、計４箇所のギャップ５８が形成されている。コイル５７は、電源線１５に介装されている。コイル５７は、一方の第２コア５６と他方の第２コア５６に巻回されている。
コイル５７に電流が流れると、第２リアクトル３１には、その周方向に沿いながら各ギャップ５８と、一対の第１コア５５と、一対の第２コア５６を通過する磁束が発生する。
電源線１５のコンバータ１７とインバータ１８の中間点と、アース線１６のコンバータ１７とインバータ１８の中間点との間には、第２コンデンサ３３が接続されている。
【００１３】
図５、図６に示すように、第１リアクトル３０のカバー２５は略円筒状であり、電源線１５に被さるように装着されている。カバー２５には、電源線１５の軸方向に延びるスリット３８が設けられている。図６に良く示すように、スリット３８が設けられていることによって、ギャップ３９が形成されている。カバー２５は、磁性体製である。その磁性体は、飽和磁束量の大きいものが好ましく、例えば、電磁鋼板や軟磁性焼結体を用いる。
一般的に、電源線１５は、心線３５と、心線３５を覆うシールド被覆３６と、電源線１５の外皮を構成する絶縁被覆３７から構成されている。シールド被覆３６は、外部に放出される電磁的ノイズを抑制するために設けられている。磁性体製であるカバー２５は、外部に対してシールド効果を有している。従って、電磁ノイズがより抑制されている。また、カバー２５を設けることによって、シールド被覆３６を薄くするか、省略することも可能になる。
カバー２５にスリット３８が形成されていると、カバー２５に電源線１５を通過させるのではなく、スリット３８を開いた状態でカバー２５を電源線１５に装着することができる。すなわち、電源線１５の両端部にコネクタが取り付けられたり、電源線１５が自動車１０に組み付けられた後でも、カバー２５を電源線１５に装着することができる。よって、組立手順上の自由度を増すことができる。
【００１４】
図３に示すように、インバータ１８は、Ｕ相アーム回路６０、Ｖ相アーム回路６１、Ｗ相アーム回路６２を備えている。Ｕ相アーム回路６０、Ｖ相アーム回路６１、Ｗ相アーム回路６２は、それぞれ電源線１５とアース線１６の間に並列接続されている。Ｕ相アーム回路６０には、トランジスタＴ３とトランジスタＴ４が直列に接続されている。トランジスタＴ３、Ｔ４には、例えば、ＮＰＮトランジスタを用いる。トランジスタＴ３のコレクタは、電源線１５に接続されている。トランジスタＴ４のエミッタは、アース線１６に接続されている。トランジスタＴ３のコレクタとエミッタとの間には、エミッタ側からコレクタ側に電流を通過させるダイオードＤ３が接続されている。トランジスタＴ４のコレクタとエミッタとの間には、エミッタ側からコレクタ側に電流を通過させるダイオードＤ４が接続されている。Ｖ相アーム回路６１とＷ相アーム回路６２は、トランジスタＴ５〜Ｔ８、ダイオードＤ５〜Ｄ８を有しており、その構成はＵ相アーム回路６０と同様なので、これ以上の説明は省略する。
【００１５】
モータ１９は、３相の交流モータである。モータ１９のＵ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイル（これらの図示は省略されている）の一端は、共通接続されている。Ｕ相コイルの他端、Ｖ相コイルの他端、Ｗ相コイルの他端は、それぞれインバータ１８のトランジスタＴ３とトランジスタＴ４の中間点、トランジスタＴ５とトランジスタＴ６の中間点、トランジスタＴ３とトランジスタＴ４の中間点に接続されている。モータ１９の回転軸は、トランスミッション２３に接続されている。モータ１９は、トランスミッション２３を介して駆動輪を駆動する。また、モータ１９は、エンジン２２に駆動されたり、駆動輪によって駆動（回生制動）されたりした場合に発電する。
コントローラ３４は、コンバータ１７とインバータ１８を制御する。具体的には、コンバータ１７のトランジスタＴ１、Ｔ２と、インバータ１８のトランジスタＴ３〜Ｔ８をスイッチング制御する。
【００１６】
モータ１９を駆動するときには、トランジスタＴ１とトランジスタＴ２とが相補的に高速にオン／オフする。トランジスタＴ２がオンのときには、図３に矢印４０で示した経路に電流が流れる。既に説明したように、電源線１５を電流が流れると、第１リアクトル３０に磁束が発生する。第１リアクトル３０には、トランジスタＴ２をオンにしたときの電流値の上昇にともなう磁束密度の変化によって、第１リアクトル３０が持つインダクタンスに比例する誘導起電力が誘起される。その誘導起電力の電圧は、バッテリー１４の出力電圧よりも高くなる（昇圧される）。同様にして、第２リアクトル３１にも、誘導起電力が誘起される。トランジスタＴ２がオフになると、第１リアクトル３０と第２リアクトル３１に誘起されていた誘導起電力が放出され、図３に矢印４１で示したように、昇圧された電流がダイオードＤ１を通過する。昇圧された電力は、第２コンデンサ３３に充電される。トランジスタＴ２がオン／オフを高速で繰り返すことによって、第２コンデンサ３３には、高圧な電力が蓄積（蓄電）される。第１コンデンサ３２は、コンバータ１７が出力する電圧を平滑化する。
【００１７】
コントローラ３４が所定のタイミングでインバータ１８のトランジスタＴ３〜Ｔ８をオン／オフすることによって、モータ１９は第２コンデンサ３３に蓄積された電力によって回転する。昇圧された電力が第２コンデンサ３３に蓄積されているので、モータ１９はより高い回転数で回転することができる。
モータ１９が発電しているときには、コンバータ１７のトランジスタＴ２をオフにした状態で、トランジスタＴ１をオン／オフする。トランジスタＴ１をオン／オフすると、バッテリー１４に充電される電圧が低くなる（降圧される）。
【００１８】
第１リアクトル３０のカバー２５の寸法と、第１リアクトルが持つインダクタンスの関係について説明する。
インダクタンスＬは、次式で与えられる。
Ｌ＝Ｎ２／Ｒ（式１）；
Ｎは巻数であるが、カバー２５のような形状では、「Ｎ＝１」になる。
Ｒは、次式で与えられる。
Ｒ＝｛ｃ／（μ×Ｓ）｝＋｛ｄ／（μ０×Ｓ）｝（式２）；
ここで、図７に示すように、ｃは、磁路長である。Ｓは、磁路断面積であり、スリット３８の深さｅにスリット３８の長さ（カバー２５の長手方向長さ）を乗じたものである。ｄは、ギャップ長さである。μは、カバー２５自体の透磁率である。μ０は、ギャップ３９に介在する物質（すなわち、空気）の透磁率である。
式１から明らかなように、Ｒが小さくなると、インダクタンスＬは大きくなる。式２に示すように、磁路長ｃやギャップ長さｄを小さくしたり、透磁率μや磁路断面積Ｓを大きくしたりすれば、Ｒを小さくすることでインダクタンスＬを大きく確保することが可能になる。
従って、カバー２５の磁路長ｃ、磁路断面積Ｓ、ギャップ長さｄ、透磁率μを調整することによって、第１リアクトル３０のインダクタンスＬを設定することが可能になる。
第１リアクトル３０のカバー２５は、スリット３８を有していなくてもよい。
【００１９】
本実施例のパワーモジュール１２は、第１リアクトル３０と、コンバータ１７が備える第２リアクトル３１の両方によって、バッテリー１４が供給する電力を昇圧している。このため、第２リアクトル３１を小型化することができる。第２リアクトル３１を小型化することができると、コンバータ１７がコンパクトになる。また、第２リアクトル３１を小型化すると、その発熱が小さくなる。従って、第２リアクトル３１の冷却が不要になったり、強く冷却する必要がなくなったりする。さらには、エンジンルーム２１の後方に配置される電源線１５に第１リアクトル３０が設けられることで、第２リアクトル３１が小型化されてエンジンルーム２１に搭載されるコンバータ１７が軽くなると、自動車１０の重量バランスが良くなる。よって、自動車１０の運動性能が向上する。
第２リアクトル３１のようなタイプは、動作したときにギャップ５８に作用する磁気吸引力によって、振動や騒音を発生する。第１リアクトル３０のようなタイプでも、ギャップ３９に磁気吸引力は作用するが、その値は磁気吸引力がスリット３８の長さ全体に亘って分散されるので小さい。このため、第１リアクトル３０が発生する振動や騒音も小さい。よって、第２リアクトル３１のみを設ける場合よりも、第１リアクトル３０と第２リアクトル３１で昇圧を行うことによって、発生する振動や騒音を小さくすることができる。
電源線１５を床下に配設した場合、第１リアクトル３０のカバー２５によって、電源線１５を飛び石から保護することができる。
【００２０】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】パワーモジュールを搭載したハイブリッド自動車の模式的側面図。
【図２】図１のII−II線矢視図。
【図３】パワーモジュールの系統図。
【図４】第２リアクトルの説明図。
【図５】電源線に第１リアクトルが装着された状態の斜視図。
【図６】図５のVI−VI線断面図。
【図７】第２リアクトルの断面図。
【符号の説明】
【００２２】
１０：自動車
１２：パワーモジュール
１４：バッテリー
１５：電源線
１６：アース線
１７：コンバータ
１８：インバータ
１９：モータ
２０：前方シート
２１：エンジンルーム
２２：エンジン
２３：トランスミッション
２５：カバー
３０：第１リアクトル
３１：第２リアクトル
３２：第１コンデンサ
３３：第２コンデンサ
３４：コントローラ
３５：心線
３６：シールド被覆
３７：絶縁被覆
３８：スリット
３９：ギャップ
４０、４１：矢印
５５：第１コア
５６：第２コア
５７：コイル
５８：ギャップ
６０：Ｕ相アーム回路
６１：Ｖ相アーム回路
６２：Ｗ相アーム回路
Ｔ１〜Ｔ８：トランジスタ
Ｄ１〜Ｄ８：ダイオード
【図１】
2006197678.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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