(57)【要約】【課題】コンバータ装置に用いられるリアクトルおいて、部品点数の増加を抑えながらコモンモード電流に対策する技術を提供する。【解決手段】リアクトルＬ１は、コア１２、第１巻線１４及び第２巻線１６を有する。コア１２には、ギャップＧ１，Ｇ２が形成されている。第１巻線１４は、正極ラインＰＬ１に介挿されており、コア１２を巻回する。第２巻線１６は、負極ラインＮＬ１に介挿されており、コア１２を巻回する。第１巻線１４と第２巻線１６の巻回方向が一致する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンバータ装置に用いられるリアクトルであって、
ギャップが形成されているコアと、
正極ラインに介挿されており、前記コアを巻回する第１巻線と、
負極ラインに介挿されており、前記コアを巻回する第２巻線と、を有しており、
前記第１巻線と前記第２巻線の巻回方向が一致する、リアクトル。
【請求項２】
コンバータ装置であって、
第１正極端子と、
前記第１正極端子に正極ラインを介して接続されている第２正極端子と、
第１負極端子と、
前記第１負極端子に負極ラインを介して接続されている第２負極端子と、
前記第１正極端子から前記第２正極端子に向けて順方向となるように、前記正極ラインに介挿されているダイオードと、
前記第１正極端子と前記ダイオードの間の前記正極ラインと前記負極ラインの間に接続されているスイッチング素子と、
リアクトルと、を備えており、
前記リアクトルは、
ギャップが形成されているコアと、
前記第１正極端子と前記ダイオードの間の前記正極ラインに介挿されており、前記コアを巻回する第１巻線と、
前記負極ラインに介挿されており、前記コアを巻回する第２巻線と、を有しており、
前記第１巻線と前記第２巻線の巻回方向が一致する、コンバータ装置。
【請求項３】
コンバータ装置であって、
第１正極端子と、
前記第１正極端子に正極ラインを介して接続されている第２正極端子と、
第１負極端子と、
前記第１負極端子に負極ラインを介して接続されている第２負極端子と、
前記正極ラインに介挿されている第１スイッチング素子と、
前記第１正極端子から前記第２正極端子に向けて順方向となるように、前記第１スイッチング素子に並列に接続されている第１ダイオードと、
前記第１正極端子と前記第１スイッチング素子の間の前記正極ラインと前記負極ラインの間に接続されている第２スイッチング素子と、
前記負極ラインから前記正極ラインに向けて順方向となるように、前記第２スイッチング素子に並列に接続されている第２ダイオードと、
リアクトルと、を備えており、
前記リアクトルは、
ギャップが形成されているコアと、
前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子の中間ノードと前記第１正極端子の間の前記正極ラインに介挿されており、前記コアを巻回する第１巻線と、
前記負極ラインに介挿されており、前記コアを巻回する第２巻線と、を有しており、
前記第１巻線と前記第２巻線の巻回方向が一致する、コンバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、コンバータ装置に用いられるリアクトルに関する。本明細書が開示する技術はさらに、そのようなリアクトルを有するコンバータ装置にも関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば電気自動車は、バッテリの直流電力を走行用のモータを駆動するための交流電力に変換する電力変換装置を備える。このような電力変換装置は、バッテリの直流電力を昇圧するチョッパ型のコンバータ装置及び昇圧された直流電力を交流電力に変換してモータに供給するインバータ装置を有する。コンバータ装置は、リアクトルを有しており、スイッチング素子のスイッチング動作によってそのリアクトルに蓄えた磁気エネルギーを直流電力に上積みすることで、直流電力を昇圧して出力する。
【０００３】
このような電力変換装置では、例えばスイッチング素子のスイッチング動作に伴い発生する高周波のコモンモード電流が問題となる。このようなコモンモード電流に対策するために、特許文献１は、直流電源と電力変換装置の間のラインにコモンモードチョークコイルを介挿する技術を提案する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−５８４９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、コモンモードチョークコイルの追加は、部品点数を増加させる点で望ましくない。本明細書は、部品点数の増加を抑えながらコモンモード電流に対策することができる技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書が開示するリアクトルは、コンバータ装置に用いられる。このリアクトルは、コア、第１巻線及び第２巻線を有する。コアにはギャップが形成されている。第１巻線は、正極ラインに介挿されており、コアを巻回する。第２巻線は、負極ラインに介挿されており、コアを巻回する。第１巻線と第２巻線の巻回方向が一致する。
【０００７】
上記実施形態のリアクトルは、チョッパ型の変圧動作（昇圧及び／又は降圧）を行うコイルとして機能するとともに、コモンモード電流を抑制するコモンモードチョークコイルとしても機能することができる。即ち、リアクトルは、２つの機能を兼用することができる。このため、上記実施形態のリアクトルは、部品点数の増加を抑えながらコモンモード電流に対策することができる。
【０００８】
本明細書が開示するコンバータ装置は、第１正極端子、第２正極端子、第１負極端子、第２負極端子、ダイオード、スイッチング素子及びリアクトルを備える。第１正極端子と第２正極端子は、正極ラインを介して接続されている。第１負極端子と第２負極端子は、負極ラインを介して接続されている。ダイオードは、第１正極端子から第２正極端子に向けて順方向となるように、正極ラインに介挿されている。スイッチング素子は、第１正極端子とダイオードの間の正極ラインと負極ラインの間に接続されている。リアクトルは、コア、第１巻線及び第２巻線を有する。コアにはギャップが形成されている。第１巻線は、第１正極端子とダイオードの間の正極ラインに介挿されており、コアを巻回する。第２巻線は、負極ラインに介挿されており、コアを巻回する。第１巻線と第２巻線の巻回方向が一致する。
【０００９】
上記実施形態のコンバータ装置では、リアクトルがチョッパ型の昇圧動作を行うコイルとして機能するとともに、コモンモード電流を抑制するコモンモードチョークコイルとしても機能することができる。即ち、リアクトルは、２つの機能を兼用することができる。このため、上記実施形態のコンバータ装置は、部品点数の増加を抑えながらコモンモード電流に対策することができる。
【００１０】
本明細書が開示するコンバータ装置は、第１正極端子、第２正極端子、第１負極端子、第２負極端子、第１スイッチング素子、第１ダイオード、第２スイッチング素子、第２ダイオード及びリアクトルを備える。第１正極端子と第２正極端子は、正極ラインを介して接続されている。第１負極端子と第２負極端子は、負極ラインを介して接続されている。第１スイッチング素子は、正極ラインに介挿されている。第１ダイオードは、第１正極端子から第２正極端子に向けて順方向となるように、第１スイッチング素子に並列に接続されている。第２スイッチング素子は、第１正極端子と第１スイッチング素子の間の正極ラインと負極ラインの間に接続されている。第２ダイオードは、負極ラインから正極ラインに向けて順方向となるように、第２スイッチング素子に並列に接続されている。リアクトルは、コア、第１巻線及び第２巻線を有する。コアにはギャップが形成されている。第１巻線は、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子の中間ノードと第１正極端子との間の正極ラインに介挿されており、コアを巻回する。第２巻線は、負極ラインに介挿されており、コアを巻回する。第１巻線と第２巻線の巻回方向が一致する。
【００１１】
上記実施形態のコンバータ装置では、リアクトルがチョッパ型の昇圧動作及び降圧動作を行うコイルとして機能するとともに、コモンモード電流を抑制するコモンモードチョークコイルとしても機能することができる。即ち、リアクトルは、２つの機能を兼用することができる。このため、上記実施形態のコンバータ装置は、部品点数の増加を抑えながらコモンモード電流に対策することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本明細書が開示する実施形態における電力変換装置の回路構成の概略を示す。
【図２】本明細書が開示する実施形態におけるコンバータ装置が有するリアクトルの構成の概略を示す。
【図３Ａ】本明細書が開示する実施形態のリアクトルにおいて、リアクトルを流れる動作電流とリアクトルのコア内に発生する磁束を示す。
【図３Ｂ】本明細書が開示する実施形態のリアクトルにおいて、リアクトルを流れるコモンモード電流と、リアクトルのコア内に発生する磁束と、コア外に漏れる漏れ磁束を示す。
【図４Ａ】従来のリアクトルの構成の概略と、リアクトルを流れる動作電流と、リアクトルのコア内に発生する磁束を示す。
【図４Ｂ】従来のリアクトルの構成の概略と、リアクトルを流れるコモンモード電流と、リアクトルのコア内に発生する磁束を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１に示されるように、電力変換装置１は、例えば電気自動車に搭載して用いられており、バッテリＶｄｃの直流電力を走行用のモータＭＧを駆動するための交流電力に変換する。電力変換装置１は、コンバータ装置２及びインバータ装置４を備える。コンバータ装置２は、バッテリＶｄｃの電圧を昇圧して出力する。インバータ装置４は、昇圧後の直流電力を交流電力に変換して出力する。なお、コンバータ装置２は、バッテリＶｄｃの電圧を昇圧してインバータ装置４へ供給する動作（昇圧動作）に加えて、インバータ装置４から入力される直流電力（回生電力）を降圧してバッテリＶｄｃへ供給する動作（降圧動作）を行うこともできる。
【００１４】
コンバータ装置２は、第１正極端子Ｔ１１、第２正極端子Ｔ１２、第１負極端子Ｔ２１、第２負極端子Ｔ２２、フィルタコンデンサＣ１、リアクトルＬ１、２つのスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２及び２つのダイオードＤｉ１，Ｄｉ２を有する。
【００１５】
第１正極端子Ｔ１１はバッテリＶｄｃの正極に接続されており、第１負極端子Ｔ２１はバッテリＶｄｃの負極に接続されている。第１正極端子Ｔ１１と第２正極端子Ｔ１２は、正極ラインＰＬ１を介して接続されている。第１負極端子Ｔ２１と第２負極端子Ｔ２２は、負極ラインＮＬ１を介して接続されている。フィルタコンデンサＣ１は、第１正極端子Ｔ１１と第１負極端子Ｔ２１の間に接続されており、バッテリＶｄｃの直流電圧に重畳する高周波のノイズを除去する。
【００１６】
詳細は後述するが、リアクトルＬ１は、正極ラインＰＬ１と負極ラインＮＬ１の双方に介挿されるように構成されている。
【００１７】
第１スイッチング素子ＳＷ１は正極ラインＰＬ１に介挿されており、その第１スイッチング素子ＳＷ１には第１ダイオードＤｉ１が逆並列に接続されている。第１ダイオードＤｉ１は、第１正極端子Ｔ１１から第２正極端子Ｔ１２に向けて順方向となるように正極ラインＰＬ１に介挿されている。第２スイッチング素子ＳＷ２は第１正極端子Ｔ１１と第１スイッチング素子ＳＷ１の間の正極ラインＰＬ１と負極ラインＮＬ１の間に接続されており、その第２スイッチング素子ＳＷ２にはダイオードＤｉ２が逆並列に接続されている。第２ダイオードＤｉ２は、負極ラインＮＬ１から正極ラインＰＬ１に向けて順方向となるように負極ラインＮＬ１と正極ラインＰＬ１の間に接続されている。
【００１８】
コンバータ装置２は、昇圧動作においては、第１スイッチング素子ＳＷ１をオフに固定した状態で第２スイッチング素子ＳＷ２をスイッチングするように制御される。また、コンバータ装置２は、降圧動作においては、第２スイッチング素子ＳＷ２をオフに固定した状態で第１スイッチング素子ＳＷ１をスイッチングするように制御される。
【００１９】
インバータ装置４は、並列に接続されている３つの直列回路ＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３を有する。直列回路ＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３の各々は、直列に接続された２つのスイッチング素子を有する。直列回路ＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３の各々の高電位側のスイッチング素子ＳＷ３，ＳＷ４，ＳＷ５がコンバータ装置２の第２正極端子Ｔ１２に接続されており、直列回路ＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３の各々の低電位側のスイッチング素子ＳＷ６，ＳＷ７，ＳＷ８がコンバータ装置２の第２負極端子Ｔ２２に接続されている。スイッチング素子ＳＷ３−ＳＷ８の各々には、ダイオードＤｉ３−Ｄｉ８が逆並列に接続されている。直列回路ＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３の各々の中点から交流（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）が出力される。
【００２０】
コンバータ装置２及びインバータ装置４を構成するスイッチング素子ＳＷ１−ＳＷ８は、この例ではＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。これに代えて、スイッチング素子ＳＷ１−ＳＷ８には、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等が用いられてもよい。
【００２１】
図２に示されるように、リアクトルＬ１は、コア１２、第１巻線１４及び第２巻線１６を有する。コア１２は、リング状の形態を有するとともに、第１ギャップＧ１及び第２ギャップＧ２が形成されている。コア１２のギャップＧ１，Ｇ２は、磁気飽和による急激な電流上昇を防ぐように構成されている。第１ギャップＧ１と第２ギャップＧ２の位置は、特に限定されるものではないが、一例では、コア１２の中心に対して対称となる位置に形成されている。
【００２２】
第１巻線１４は、正極ラインＰＬ１に介挿されており、一方の端部に第１端子Ｔ１を有しており、他方の端部に第２端子Ｔ２を有する。第１端子Ｔ１が第１正極端子Ｔ１１に接続されており、第２端子Ｔ２が一対のスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２の中間ノードＮ１に接続されている（図１参照）。第１巻線１４は、コア１２の一部を巻回する。この例では、第１巻線１４は、第１端子Ｔ１から第２端子Ｔ２を見たときに、コア１２に対して反時計周りに巻回されている。第１巻線１４がコア１２を巻回する位置は、特に限定されるものではないが、一例では、第１ギャップＧ１を覆う位置である。
【００２３】
第２巻線１６は、負極ラインＮＬ１に介挿されており、一方の端部に第３端子Ｔ３を有しており、他方の端部に第４端子Ｔ４を有する。第３端子Ｔ３が第１負極端子Ｔ２１に接続されており、第４端子Ｔ４が第２負極端子Ｔ２２に接続されている（図１参照）。第２巻線１６は、コア１２の一部を巻回する。この例では、第２巻線１６は、第３端子Ｔ３から第４端子Ｔ４を見たときに、コア１２に対して反時計周りに巻回されている。第２巻線１４がコア１２を巻回する位置は、特に限定されるものではないが、一例では、第２ギャップＧ２を覆う位置である。
【００２４】
このように、第１巻線１４と第２巻線１６は、その巻回方向が一致するように形成されている。なお、この例に代えて、第１巻線１４が第１端子Ｔ１から第２端子Ｔ２を見たときにコア１２に対して時計周りに巻回されるとともに、第２巻線１６が第３端子Ｔ３から第４端子Ｔ４を見たときにコア１２に対して時計周りに巻回されていてもよい。また、第１巻線１４と第２巻線１６の巻き数は、特に限定されるものではないが、一例では、一致するように形成されている。
【００２５】
図３Ａに、リアクトルＬ１を流れる動作電流（白色矢印）とリアクトルＬ１のコア１２内に発生する磁束（黒色矢印）を示す。正極ラインＰＬ１には第１端子Ｔ１から第２端子Ｔ２に動作電流が流れ、負極ラインＮＬ１には第４端子Ｔ４から第３端子Ｔ３に動作電流が流れる。正極ラインＰＬ１に流れる動作電流と負極ラインＮＬ１に流れる動作電流の向きが逆向きである。このため、第１巻線１４によってコア１２内に発生する磁束と第２巻線１６によってコア１２内に発生する磁束は、コア１２の周方向に対して同一の向きとなり、強め合う関係にある。このように、リアクトルＬ１は、動作電流に対してインダクタンスを有しており、チョッパ型の変圧動作を行うコイルとして機能することができる。
【００２６】
図３Ｂに、リアクトルＬ１を流れるコモンモード電流（白色矢印）と、リアクトルＬ１のコア１２内に発生する磁束（黒色矢印）と、コア１２外に漏れる漏れ磁束（破線矢印）を示す。正極ラインＰＬ１には第２端子Ｔ２から第１端子Ｔ１にコモンモード電流が流れ、負極ラインＮＬ１には第４端子Ｔ４から第３端子Ｔ３にコモンモード電流が流れる。正極ラインＰＬ１に流れるコモンモード電流と負極ラインＮＬ１に流れるコモンモード電流の向きが同一の向きである。このため、第１巻線１４によってコア１２内に発生する磁束と第２巻線１６によってコア１２内に発生する磁束は、コア１２の周方向に対して反対の向きとなり、打ち消し合う関係にある。しかしながら、コア１２にはギャップＧ１，Ｇ２が形成されており、このギャップＧ１，Ｇ２の部分でコア１２外に漏れだす漏れ磁束が存在する。これらの漏れ磁束は打ち消されない。このように、リアクトルＬ１は、コモンモード電流に対してインダクタンスを有しており、このインダクタンスにより得られる高いインピーダンスによってコモンモード電流を抑えることができる。
【００２７】
図４Ａに、従来のコンバータ装置に用いられるリアクトルと、リアクトルを流れる動作電流（白色矢印）と、リアクトルのコア内に発生する磁束（黒色矢印）を示す。従来のリアクトルは、２端子構造であり、正極ラインＰＬ１のみに介挿されており、動作電流に対してチョッパ型の変圧動作を行うコイルとして動作するように構成されている。
【００２８】
図４Ｂに、従来のコンバータ装置に用いられるリアクトルと、リアクトルを流れるコモンモード電流（白色矢印）と、リアクトルのコア内に発生する磁束（黒色矢印）を示す。従来のリアクトルでは、コモンモード電流が負極ラインＮＬ１をそのまま流れるので、コモンモード電流を抑えることができない。
【００２９】
図２と図４Ａを対比すると明らかに、本明細書が開示するリアクトルＬ１と従来のリアクトルはいずれも、１つのコアと２つの巻線で構成されており、部品点数及び体格の大きさに相違がない。このため、図３Ａと図４Ａに示すように、本明細書が開示するリアクトルＬ１は、動作電流に対してコア１２内に発生する磁束の強さを従来のリアクトルと同等にすることができる。一方、図３Ｂに示すように、本明細書が開示するリアクトルＬ１は、コモンモード電流に対して、発生する漏れ磁束によってインダクタとして動作することができ、コモンモード電流を抑えることができる。このように、本明細書が開示するリアクトルＬ１は、従来のリアクトルと同一の部品点数及び体格の大きさであり、ノーマルモードにおいて同等の特性を有しながら、さらに、コモンモードにおいてコモンモード電流を抑えることができるという特徴を有する。
【００３０】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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。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し得るものであり、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。
【符号の説明】
【００３１】
１２：コア
１４：第１巻線
１６：第２巻線
Ｇ１：第１ギャップ
Ｇ２：第２ギャップ
Ｌ１：リアクトル
ＰＬ１：正極ライン
ＮＬ１：負極ライン
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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