(57)【要約】【課題】絶縁トランスの構成を工夫することによって小型化の実現を図った電力変換装置を得る。【解決手段】電力変換装置は、絶縁トランスを備え、絶縁トランスは、一次巻線と、二次巻線と、一次巻線および二次巻線のそれぞれに流れる電流が発生させる磁束を遮断することで一次巻線と二次巻線間の磁気干渉を抑制する磁気シールド部と、を備えて構成されている。磁気シールド部は、例えば、一次巻線と二次巻線との間に配置された磁気シールド板によって構成されている。【選択図】図５
2019017219.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁トランスを備えた電力変換装置であって、
前記絶縁トランスは、
一次巻線と、
二次巻線と、
前記一次巻線および前記二次巻線のそれぞれに流れる電流が発生させる磁束を遮断することで前記一次巻線と前記二次巻線間の磁気干渉を抑制する磁気シールド部と、
を備えた電力変換装置。
【請求項２】
前記電力変換装置は、前記電力変換装置の構成部品を収納する筐体をさらに備え、
前記磁気シールド部は、前記筐体に接続される
請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記電力変換装置は、前記電力変換装置の構成部品を冷却するヒートシンクをさらに備え、
前記磁気シールド部は、前記ヒートシンクに接続される
請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記磁気シールド部は、前記一次巻線と前記二次巻線との間に配置された磁気シールド板によって構成される
請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記絶縁トランスは、二次側がセンタータップ方式の絶縁トランスであって、前記二次巻線として、第１の二次巻線および第２の二次巻線を備えて構成される
請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記一次巻線は、少なくとも２層に分けられた巻線層によって構成され、
前記第１の二次巻線および前記第２の二次巻線は、前記巻線層間に配置され、前記一次巻線が導通状態である場合に一方が導通状態となって他方が非導通状態となり、
前記磁気シールド部は、前記第１の二次巻線および前記第２の二次巻線のうちの前記非導通状態となる方によって構成される
請求項５に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記一次巻線および前記二次巻線のそれぞれの個数は、１以上である
請求項１から６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記一次巻線および前記二次巻線のいずれか一方の巻き数は、１よりも大きい
請求項１から７のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記電力変換装置の構成部品は、半導体スイッチング素子を含み、
前記半導体スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されている素子である
請求項１から８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記ワイドバンドキャップ半導体は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料、またはダイヤモンドを用いている半導体である
請求項９に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁トランスを備えた電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
系統間若しくは電源間等において、入出力間を電気的に分離できる絶縁型の電力変換装置が広く用いられる（例えば、特許文献１参照）。例えば、近年、電気自動車、プラグインハイブリッド自動車等といった電動車両が開発されている。このような電動車両では、家庭用電源から高電圧バッテリーを充電する車載充電器として、絶縁型の電力変換装置が用いられる。このような電力変換装置は、電動車両への積載性の向上のため、常に小型化が求められている。
【０００３】
絶縁型の電力変換装置には、入力側の電源と出力側の負荷との間の電気的な分離と電圧変換を目的として、絶縁トランスが用いられる。絶縁トランスは、鉄を主成分としたコア（トランスコアともいう）と、コアに巻かれた一次巻線および二次巻線とによって構成される。また、絶縁トランスにおいて、一次巻線と二次巻線には、目的の変圧比に応じた巻き数がそれぞれ設定される。
【０００４】
一般に、電力変換装置の小型化を実現するための方法として、スイッチング素子のスイッチング周波数を高める方法が用いられる。その理由は、スイッチング周波数を高めることで、絶縁トランスの電圧時間積（ＶＴ積）と、コアの損失（鉄損）を低減することができ、その結果、コアを小型化することができるためである。
【０００５】
しかしながら、スイッチング周波数の増加に伴い、表皮効果、および一次巻線と二次巻線間の磁気干渉（近接効果）によって、巻線の抵抗値が増加し、巻線の損失（銅損）が増大する。この場合、銅損の増大に伴い、巻線の温度が上昇する。巻線の温度が巻線の温度上限を超えないようにするため、巻線の断面積を大きくして巻線損失を低減したり、巻線に冷却機構を設けたりする必要があり、その結果、絶縁トランスが大型化する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１６−２０８５６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したとおり、電力変換装置は、さらなる小型化が求められており、そのためには、主要部品である絶縁トランスの小型化が必須である。絶縁トランスの小型化にあたって、スイッチング素子のスイッチング周波数を増加させる必要がある。しかしながら、スイッチング周波数の増加に伴って、巻線の抵抗値および巻線の損失が増大するため、絶縁トランスの小型化が制限される。
【０００８】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、絶縁トランスの構成を工夫することによって小型化の実現を図った電力変換装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明における電力変換装置は、絶縁トランスを備えた電力変換装置であって、絶縁トランスは、一次巻線と、二次巻線と、一次巻線および二次巻線のそれぞれに流れる電流が発生させる磁束を遮断することで一次巻線と二次巻線間の磁気干渉を抑制する磁気シールド部と、を備えたものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、絶縁トランスの構成を工夫することによって小型化の実現を図った電力変換装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１における電力変換装置の概略構成図である。
【図２】図１の半導体スイッチング素子を制御するための制御信号と、絶縁トランスの一次巻線電圧および二次巻線電圧と、絶縁トランスのコア磁束密度と、平滑リアクトルの電圧および電流の時間変化の一例を示すタイミングチャートである。
【図３】図１の絶縁トランスの一次巻線に流れる電流の周波数スペクトルの一例を示す説明図である。
【図４】図１の絶縁トランスの一次巻線の抵抗値の周波数特性の一例を示す説明図である。
【図５】本発明の実施の形態１における絶縁トランスの構造の一例を示す構造図である。
【図６】本発明の実施の形態１における絶縁トランスの磁気シールド板の構造図である。
【図７】本発明の実施の形態２における電力変換装置の概略構成図である。
【図８】本発明の実施の形態２における絶縁トランスの構造の一例を示す構造図である。
【図９】図７の半導体スイッチング素子を制御するための制御信号と、絶縁トランスの一次巻線、第１の二次巻線および第２の二次巻線のそれぞれに流れる電流と、平滑リアクトルに流れる電流の時間変化の一例を示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明による電力変換装置を、好適な実施の形態にしたがって図面を用いて説明する。なお、図面の説明においては、同一部分または相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１３】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における電力変換装置１０の概略構成図である。なお、図１では、電力変換装置１０の入力側に直流電源１から入力電圧Ｖｉが入力され、電力変換装置１０の出力側に出力電圧Ｖｏが出力される場合を例示している。
【００１４】
図１において、電力変換装置１０は、フルブリッジ型のＤＣ／ＤＣコンバータ回路によって構成される。電力変換装置１０は、複数の部品を備え、具体的には、平滑コンデンサ１１と、スイッチング素子対を構成する半導体スイッチング素子１２ａ，１２ｂと、スイッチング素子対を構成する半導体スイッチング素子１２ｃ，１２ｄと、整流回路を構成する整流ダイオード１３ａ〜１３ｄと、平滑リアクトル１４と、平滑コンデンサ１５と、一次巻線および二次巻線を有する絶縁トランス１００と、制御部２００とを備える。
【００１５】
絶縁トランス１００の一次側には、平滑コンデンサ１１と、半導体スイッチング素子１２ａ〜１２ｄが配置される。絶縁トランス１００の二次側には、整流ダイオード１３ａ〜１３ｄによって構成される整流回路が配置され、整流回路の後段には、平滑リアクトル１４と平滑コンデンサ１５が配置される。主回路の外部には、制御部２００が配置される。
【００１６】
半導体スイッチング素子１２ａ〜１２ｄは、例えば、ソースとドレイン間にダイオードが内蔵されたＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）によって構成される。半導体スイッチング素子１２ａ，１２ｃのドレイン端子は、平滑コンデンサ１１の一方の端子を介して、直流電源１の正極に接続される。半導体スイッチング素子１２ｂ，１２ｄのソース端子は、平滑コンデンサ１１の他方の端子を介して、直流電源１の負極に接続される。
【００１７】
絶縁トランス１００の一次巻線の一方の端子は、半導体スイッチング素子１２ａのソース端子と、半導体スイッチング素子１２ｂのドレイン端子に接続される。絶縁トランス１００の一次巻線の他方の端子は、半導体スイッチング素子１２ｃのソース端子と、半導体スイッチング素子１２ｄのドレイン端子に接続される。
【００１８】
絶縁トランス１００の二次巻線の一方の端子は、整流ダイオード１３ａのアノード端子と、整流ダイオード１３ｂのカソード端子に接続される。絶縁トランス１００の二次巻線の他方の端子は、整流ダイオード１３ｃのアノード端子と、整流ダイオード１３ｄのカソード端子に接続される。
【００１９】
平滑リアクトル１４の一方の端子は、整流ダイオード１３ａと整流ダイオード１３ｃのカソード端子に接続される。平滑リアクトル１４の他方の端子は、平滑コンデンサ１５の一方の端子を介して、出力側の正極に接続される。整流ダイオード１３ｂと整流ダイオード１３ｄのアノード端子は、平滑コンデンサ１５の他方の端子を介して、出力側の負極に接続される。
【００２０】
制御部２００は、例えば、演算処理を実行するマイクロコンピュータと、プログラムデータ、固定値データ等のデータを記憶するＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）と、格納されているデータを更新して順次書き換えられるＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）等によって実現される。制御部２００は、直流電源１から供給される電力を変換可能なように、半導体スイッチング素子１２ａ〜１２ｄをスイッチング制御する。具体的には、制御部２００は、制御信号２０１ａ〜２０１ｄを送信することで、出力電圧Ｖｏが目標値となるように半導体スイッチング素子１２ａ〜１２ｄのオンとオフを切り替え制御する。
【００２１】
次に、図１の電力変換装置１０の基本的な動作原理について、図２を参照しながら説明する。図２は、図１の半導体スイッチング素子１２ａ〜１２ｄを制御するための制御信号２０１ａ〜２０１ｄと、絶縁トランス１００の一次巻線電圧および二次巻線電圧と、絶縁トランス１００のコア磁束密度Ｂと、平滑リアクトル１４の電圧および電流の時間変化の一例を示すタイミングチャートである。
【００２２】
なお、図２において、半導体スイッチング素子１２ａ〜１２ｄのスイッチング周波数をＦｓｗ、スイッチング周期をＴｓｗ、通流率をＤと表記する。また、Ｎｐ、Ｎｓは、それぞれ、絶縁トランス１００の一次巻線と二次巻線の巻き数である。Ｂｍは、絶縁トランス１００のコアの動作磁束密度である。
【００２３】
図２に示すように、制御部２００は、半導体スイッチング素子１２ａ，１２ｄと、半導体スイッチング素子１２ｂ，１２ｃを、それぞれ同じオン時間でスイッチングタイミングに１８０°の位相差（１／２Ｔｓｗ）を持つようにオンとオフに切り替え制御する。
【００２４】
半導体スイッチング素子１２ａ〜１２ｄのオンとオフの切り替えによって、絶縁トランス１００の一次巻線には、直流電源１からの入力電圧Ｖｉに応じた電圧が印加されるとともに、絶縁トランス１００の二次巻線には、入力電圧Ｖｉと、一次巻線と二次巻線の巻き数比（＝Ｎｓ／Ｎｐ）の積である電圧が発生する。
【００２５】
絶縁トランス１００の二次巻線に発生した電圧は、整流ダイオード１３ａ〜１３ｄによって整流され、平滑リアクトル１４および平滑コンデンサ１５によって平滑化され、出力電圧Ｖｏとして出力される。
【００２６】
ここで、平滑リアクトル１４および平滑コンデンサ１５によって平滑化された出力電圧Ｖｏは、以下の式（１）のように示される。なお、簡略化のため、ここでは、整流ダイオード１３ａ〜１３ｄにおける順方向電圧降下は考慮していない。
【００２７】
【数１】
2019017219.tif 000003
【００２８】
式（１）から分かるように、絶縁トランス１００の一次巻線および二次巻線の巻き数は、電力変換装置１０の入出力電圧範囲を満足するように設定される。
【００２９】
絶縁トランス１００のコアの動作磁束密度Ｂｍは、コアが磁気飽和しないように、コア磁性材料の最大動作磁束密度Ｂｓに対して設計マージンを考慮した値（一般的に、Ｂｍ＜２×Ｂｓ程度）以下とする必要がある。
【００３０】
絶縁トランス１００のコアの動作磁束密度Ｂｍは、絶縁トランス１００の巻線への印加電圧と印加時間比である電圧時間積（ＶＴ積）に比例し、出力電圧Ｖｏを用いて以下の式（２）のように示される。なお、Ａｅは、絶縁トランス１００のコアの断面積である。
【００３１】
【数２】
2019017219.tif 000004
【００３２】
式（２）から分かるように、スイッチング周波数Ｆｓｗを増加させることで、コアの断面積Ａｅを小さくすることができ、その結果、絶縁トランス１００のコアを小型化することができる。
【００３３】
絶縁トランス１００のコアの損失密度Ｐｃｖは、以下の式（３）のように示される。なお、ｋ、α、βの各係数は、コア磁性材料によって決定される損失係数である。
【００３４】
【数３】
2019017219.tif 000005
【００３５】
式（３）において、一般的な磁性材料では、損失係数αは、βよりも小さい。したがって、式（２）から分かるように、スイッチング周波数Ｆｓｗを増加させることで動作磁束密度Ｂｍを低減させた場合、コアの損失密度Ｐｃｖを小さくできる。また、コアの小型化と併せて、コアの損失（鉄損）の低減化も実現できる。
【００３６】
次に、絶縁トランス１００の一次巻線に流れる電流の周波数スペクトルＩｔｒ１について、図３を参照しながら説明する。図３は、図１の絶縁トランス１００の一次巻線に流れる電流の周波数スペクトルＩｔｒ１の一例を示す説明図である。
【００３７】
図３において、Ｆは周波数であり、絶縁トランス１００の一次巻線には、スイッチング周波数Ｆｓｗを基本周波数として、整数倍の周波数で電流スペクトルが発生する。したがって、スイッチング周波数Ｆｓｗを増加させた場合、絶縁トランス１００の巻線に流れる電流の周波数スペクトルＩｔｒ１は、高周波の方向に移行する。
【００３８】
次に、絶縁トランス１００の一次巻線の抵抗値Ｒｔｒ１の周波数特性について、図４を参照しながら説明する。図４は、図１の絶縁トランス１００の一次巻線の抵抗値Ｒｔｒ１の周波数特性の一例を示す説明図である。
【００３９】
図４に示すように、一次巻線の抵抗値Ｒｔｒ１は、周波数Ｆが増加するほど大きくなる。ここで、一次巻線の損失をＷｃｏｉｌ１とすると、Ｗｃｏｉｌ１は、一次巻線の抵抗値Ｒｔｒ１と、電流の周波数スペクトル成分Ｉｔｒ１の積として、以下の式（４）のように示される。
【００４０】
【数４】
2019017219.tif 000006
【００４１】
式（４）から分かるように、一次巻線に流れる電流の周波数スペクトルＩｔｒ１が高周波の方向に移行すると、一次巻線の抵抗値Ｒｔｒ１が大きくなるため、一次巻線の損失Ｗｃｏｉｌ１が増大する。なお、絶縁トランス１００の二次巻線においても、一次巻線と同様の特性を有する。
【００４２】
絶縁トランス１００の一次巻線および二次巻線の損失が増加すると、巻線の温度が上昇する。巻線の温度が、巻線、巻線の絶縁部材等によって決まる温度上限を超えると、巻線が破損する。したがって、巻線の径を大きくすることで巻線の抵抗値を下げて損失を減らす手法、または冷却機構を別途設けて巻線を冷却する手法を採用する必要がある。しかしながら、巻線の径を増大させたり、冷却機構を追加したりすると、絶縁トランス１００が大型化するという課題が生じる。
【００４３】
上記の課題は、半導体スイッチング素子の高スイッチング周波数化に関するものであり、高スイッチング周波化による絶縁トランスの小型化の効果を大きく低減させるものである。
【００４４】
上記の課題に着目し、本実施の形態１では、一次巻線および二次巻線の抵抗値を低減させることを可能とする絶縁トランス１００の構成について説明する。本実施の形態１における絶縁トランス１００は、一次巻線および二次巻線のそれぞれに流れる電流が発生させる磁束を遮断することで一次巻線と二次巻線間の磁気干渉を抑制する磁気シールド部を備えて構成されるという技術的特徴を有する。本実施の形態１では、このような磁気シールド部は、一次巻線と二次巻線との間に配置された磁気シールド板によって構成される場合を例示する。
【００４５】
以下説明するように、絶縁トランス１００が具備する上記の技術的特徴によって、半導体スイッチング素子１２ａ〜１２ｄのスイッチング周波数を増大させた場合であっても、巻線の大型化を抑制して絶縁トランス１００の小型化を実現するとともに、電力変換装置１０の高効率化を達成することができる。
【００４６】
これに対して、特許文献１に記載の従来技術は、一次巻線と二次巻線の間にシールド板が配置される構造となっている。この構造は、ノイズ抑制を目的とするものであるため、一次巻線と二次巻線間の電位干渉を抑制する静電シールド板をシールド板として用いて、静電シールドの電位を電源ラインまたはグランドラインに固定する必要がある。したがって、特許文献１に記載の従来技術は、上記の技術的特徴と原理的に異なることは明らかである。
【００４７】
次に、絶縁トランス１００の構成について、図５および図６を参照しながら説明する。図５は、本発明の実施の形態１における絶縁トランス１００の構造の一例を示す構造図である。図６は、本発明の実施の形態１における絶縁トランス１００の磁気シールド板１０４ａの構造図である。なお、図５では、絶縁トランス１００の構造を分解斜視図によって図示し、図６では、磁気シールド板１０４ａの構造を上面図によって図示している。
【００４８】
図５において、絶縁トランス１００は、巻線部１０２ａ，１０２ｂによって構成される第１の巻線層および巻線部１０２ｃ，１０２ｄによって構成される第２の巻線層の２層に分けられた一次巻線１０２と、一次巻線１０２の層間に配置される二次巻線１０３と、第１の巻線層と二次巻線１０３の間に配置される磁気シールド板１０４ａと、二次巻線１０３と第２の巻線層の間に配置される磁気シールド板１０４ｂと、断面形状がともにＥ形状であるコア片１０１ａおよびコア片１０１ｂによって構成されるコアとを有する。
【００４９】
一次巻線１０２、二次巻線１０３、磁気シールド板１０４ａおよび磁気シールド板１０４ｂは、コア片１０１ａおよびコア片１０１ｂのそれぞれの中央から突出する突出部に挿入されており、コア片１０１ａとコア片１０１ｂの端面同士が接続される。これにより、一次巻線１０２、二次巻線１０３、磁気シールド板１０４ａおよび磁気シールド板１０４ｂがコアに収納される。
【００５０】
図６において、磁気シールド板１０４ａは、円周方向に導通しないようにする構造として、スリット１０５が設けられている。磁気シールド板１０４ｂは、図６に示す磁気シールド板１０４ａと同様の構造である。
【００５１】
次に、図５に示す絶縁トランス１００の構成における一次巻線および二次巻線の抵抗値低減の原理について説明する。
【００５２】
まず、図５に示す絶縁トランス１００において、磁気シールド板１０４ａ，１０４ｂが設けられない場合を考える。この場合、一次巻線および二次巻線が導通状態になると、一次巻線に流れる電流が発生させる磁束は二次巻線に鎖交し、二次巻線に流れる電流が発生させる磁束は一次巻線に鎖交する。
【００５３】
導体には、鎖交する磁束の変化量に応じた誘導電圧が発生して電流が流れ、導体内に流れる電流に偏りが生じる。磁束の変化量は周波数に依存するため、高い周波数になる程、導体内の電流の偏りが大きくなる。この磁気干渉は近接効果として知られており、例えば絶縁トランス１００の一次巻線および二次巻線においては、一次巻線と二次巻線に電流が対向して流れるため、互いに流れる電流が引き寄せあう方向に巻線内部で電流の偏りを発生させる。巻線内部で電流の偏りが発生した場合、巻線の断面が縮小した場合と同等となり、その結果、巻線の抵抗値が増大する。
【００５４】
これに対して、図５に示す絶縁トランス１００では、一次巻線と二次巻線の間に、それぞれの巻線に流れる電流が発生させる磁束を遮断する磁気シールド板が配置される構成となっている。このように絶縁トランス１００を構成することで、一次巻線と二次巻線間の磁気干渉（近接効果）を抑制し、その結果、巻線の抵抗値の増大を抑制可能となる。
【００５５】
なお、絶縁トランス１００の構成において、一次巻線と二次巻線の間に配置される磁気シールド板の数が１以上であれば、上記の効果を実現でき、その数が多くなればなるほどより効果的である。
【００５６】
なお、絶縁トランス１００の構成において、磁気シールド板１０４ａ，１０４ｂは、電力変換装置１０の構成部品を収納する筐体に接続される構成となっていてもよい。あるいは、磁気シールド板１０４ａ，１０４ｂは、電力変換装置１０の構成部品を冷却するヒートシンクに接続される構成となっていてもよい。このように絶縁トランス１００を構成することで、一次巻線および二次巻線の発熱を、磁気シールド板を介して筐体またはヒートシンクによって冷却することができる。その結果、絶縁トランス１００のさらなる小型化を実現することができる。
【００５７】
なお、磁気シールド板１０４ａ，１０４ｂの筐体またはヒートシンクへの接続が電気的な接続であれば、筐体またはヒートシンクに磁気シールド板を直接固定することができるため、電力変換装置１０の構成をより簡易なものとすることができる。
【００５８】
なお、実施の形態１では、コア片１０１ａ，１０１ｂによって構成されるコアに配置される巻線について、一次巻線を２層の巻線層に分けて、巻線層間に二次巻線が挟まれる構成としたが、これに限定されない。すなわち、一次巻線を３層以上の巻線層に分けて、各巻線層間に二次巻線が挟まれる構成であってもよい。この場合、それぞれの二次巻線と巻線層間に、磁気シールド板が配置される。また、一次巻線を複数層の巻線層に分けずに、一次巻線と二次巻線が隣接している構成であってもよい。この場合、隣接している一次巻線と二次巻線間に磁気シールド板が配置される。
【００５９】
なお、実施の形態１では、フルブリッジ型のＤＣ／ＤＣコンバータ回路によって構成される電力変換装置１０に対して本発明を適用する場合を例示したが、これに限定されず、絶縁トランス１００を備えた電力変換装置であればいかなる電力変換装置に対しても本発明を適用可能であり、同様の効果を奏する。
【００６０】
以上、本実施の形態１によれば、電力変換装置の絶縁トランスは、一次巻線と二次巻線との間に配置され、一次巻線および二次巻線のそれぞれに流れる電流が発生させる磁束を遮断する磁気シールド部を備えて構成されている。なお、実施の形態１では、磁気シールド部は、磁気シールド板によって構成される場合を例示している。
【００６１】
このように、絶縁型の電力変換装置の絶縁トランスの一次巻線と二次巻線の間に磁気シールド部としての磁気シールド板を設置することで、一次巻線と二次巻線間の磁気干渉を防止することができる。その結果、電力変換装置のスイッチング素子のスイッチング周波数の増加に起因した巻線の抵抗値および巻線損失の増大を抑制することができる。したがって、巻線サイズが増大することなく絶縁トランスの小型化が達成でき、その結果、小型かつ高効率な電力変換装置を得ることができる。
【００６２】
また、電力変換装置の筐体またはヒートシンクに磁気シールド板が接続されるように構成することで、巻線の温度上昇を抑制することができ、絶縁トランスのさらなる小型化の達成が図れる。
【００６３】
なお、実施の形態１では、１つの一次巻線と１つの二次巻線によって構成される絶縁トランス１００に対して本発明を適用する場合を例示したが、これに限定されず、複数の一次巻線と複数の二次巻線によって構成される絶縁トランス１００に対して本発明を適用した場合であっても同様の効果が得られる。つまり、一次巻線および二次巻線のそれぞれの個数が１以上である絶縁トランス１００に対して本発明が適用可能である。
【００６４】
実施の形態２．
先の実施の形態１では、磁気シールド部が磁気シールド板１０４ａ，１０４ｂによって構成される絶縁トランス１００について説明した。これに対して、本発明の実施の形態２では、先の実施の形態１の構成とは異なる磁気シールド部を備えた絶縁トランス１１０について説明する。なお、本実施の形態２では、先の実施の形態１と同様である点の説明を省略し、先の実施の形態１と異なる点を中心に説明する。
【００６５】
図７は、本発明の実施の形態２における電力変換装置２０の概略構成図である。ここで、電力変換装置２０は、基本的な回路構成が先の実施の形態１における電力変換装置１０と同様であり、フルブリッジ型のＤＣ／ＤＣコンバータ回路によって構成される。また、電力変換装置２０は、先の実施の形態１における絶縁トランス１００の代わりに、二次側がセンタータップ方式の絶縁トランスである絶縁トランス１１０を備える。
【００６６】
絶縁トランス１１０の二次巻線は、第１の二次巻線と第２の二次巻線の２つが同相に直列接続されて構成される。二次巻線を構成する２つの巻線の接続点は、平滑コンデンサ１５の一方の電極を介して出力側の負極に接続される。二次巻線の両端は、二次巻線に発生した電圧を整流するように整流ダイオード１３ａ，１３ｂのアノード端子に接続される。
【００６７】
整流ダイオード１３ａと整流ダイオード１３ｂのカソード端子は互いに接続され、その接続点は、平滑コンデンサ１５の他方の電極を介して、出力側の正極に接続される。
【００６８】
次に、図７の電力変換装置２０の基本的な動作原理について説明する。電力変換装置２０の絶縁トランス１１０の一次巻線に接続される回路の構成は、先の実施の形態１における電力変換装置１０の絶縁トランス１００の一次巻線に接続される回路の構成と同様であり、回路に対する基本的な制御も同様である。以下では、先の実施の形態１における電力変換装置１０と異なる点について説明する。
【００６９】
図８は、本発明の実施の形態２における絶縁トランス１１０の構造の一例を示す構造図である。なお、図８では、絶縁トランス１１０の構造を分解斜視図によって図示している。
【００７０】
図８において、絶縁トランス１１０は、巻線部１１２ａ，１１２ｂによって構成される第１の巻線層および巻線部１１２ｃ，１１２ｄによって構成される第２の巻線層の２層に分けられた一次巻線１１２と、一次巻線１１２の層間に配置される第１の二次巻線１１３ａおよび第２の二次巻線１１３ｂと、断面形状がともにＥ形状であるコア片１１１ａおよびコア片１１１ｂによって構成されるコアとを有する。
【００７１】
一次巻線１１２と、二次巻線を構成する第１の二次巻線１１３ａおよび第２の二次巻線１１３ｂは、コア片１１１ａおよびコア片１１１ｂのそれぞれの中央から突出する突出部に挿入されており、コア片１１１ａとコア片１１１ｂの端面同士が接続される。これにより、一次巻線１１２、第１の二次巻線１１３ａおよび第２の二次巻線１１３ｂがコアに収納される。
【００７２】
このように、一次巻線１１２は、２層に分けられた巻線層によって構成され、第１の二次巻線１１３ａおよび第２の二次巻線１１３ｂは、一次巻線１１２の巻線層間に配置される。
【００７３】
なお、図８では、一次巻線を２層の巻線層に分けている構成を例示しているが、一次巻線を３層以上の巻線層に分けている構成であってもよい。つまり、一次巻線は、少なくとも２層の巻線層に分けている構成であればよい。
【００７４】
図９は、図７の半導体スイッチング素子１２ａ〜１２ｄを制御するための制御信号２０１ａ〜２０１ｄと、絶縁トランス１１０の一次巻線、第１の二次巻線および第２の二次巻線のそれぞれに流れる電流と、平滑リアクトル１４に流れる電流の時間変化の一例を示すタイミングチャートである。
【００７５】
図９に示すように、半導体スイッチング素子１２ａ〜１２ｄのオンとオフの切り替えによって、絶縁トランス１１０の一次巻線には、正負の矩形波状の電流が流れる。絶縁トランス１１０の一次巻線に電流が流れているとき、コアによる一次巻線と、第１の二次巻線および第２の二次巻線の間の磁気結合によって、第１の二次巻線および第２の二次巻線に誘導電流が流れようとする。
【００７６】
ここで、第１の二次巻線および第２の二次巻線はそれぞれ整流ダイオード１３ａおよび１３ｂに接続されている。そのため、一次巻線に流れる電流の正負によって、第１の二次巻線および第２の二次巻線の各状態が導通と非導通に切り替わり、第１の二次巻線および第２の二次巻線の一方が導通状態となり、他方が非導通状態となる。
【００７７】
なお、半導体スイッチング素子１２ａ〜１２ｄがすべてオフの状態においては、一次巻線が非導通状態となり、第１の二次巻線および第２の二次巻線には、平滑リアクトル１４の電流がそれぞれ等しく分担されて流れる。
【００７８】
次に、図８に示す絶縁トランス１１０の構成における一次巻線および二次巻線の抵抗値低減の原理について説明する。
【００７９】
上述したとおり、絶縁トランス１１０において、一次巻線が導通状態である場合、二次巻線を構成する第１の二次巻線および第２の二次巻線の一方が導通状態となって他方が非導通状態となる。
【００８０】
絶縁トランス１１０の構成において、一次巻線と、第１の二次巻線および第２の二次巻線のうちの導通状態の二次巻線との間には、必ず非導通状態の二次巻線が挿入される形となる。したがって、非導通状態の二次巻線が、磁気シールド部として機能する。したがって、先の実施の形態１とは異なり、磁気シールド板を別途設けなくても、磁気シールド部として機能する非導通状態の二次巻線によって、一次巻線と二次巻線間の磁気干渉を抑制し、その結果、巻線の抵抗値を低減することができる。
【００８１】
なお、電力変換装置２０において、筐体またはヒートシンクの電位を出力側の負極電位とした場合、絶縁トランス１１０の第１の二次巻線および第２の二次巻線の２つの巻線の接続点を、筐体またはヒートシンクに直接接続する構成としてもよい。この構成を採用した場合、磁気シールド部が、筐体またはヒートシンクに接続されることとなる。このように絶縁トランス１１０を構成することで、第１の二次巻線および第２の二次巻線の発熱を直接冷却することができるとともに、一次巻線の発熱の冷却にも寄与できるため、絶縁トランス１１０のさらなる小型化を実現できる。
【００８２】
以上、本実施の形態２によれば、電力変換装置の絶縁トランスにおいて、一次巻線は、少なくとも２層に分けられた巻線層によって構成され、二次巻線は、第１の二次巻線および第２の二次巻線によって構成されている。また、第１の二次巻線および第２の二次巻線は、一次巻線の巻線層間に配置され、一次巻線が導通状態である場合に一方が導通状態となって他方が非導通状態となる。さらに、磁気シールド部は、一次巻線が導通状態である場合の第１の二次巻線および第２の二次巻線のうちの非導通状態となる方によって構成される。このように構成した場合であっても、先の実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００８３】
なお、実施の形態２では、１つの一次巻線と、２つの巻線を有する二次巻線によって構成される絶縁トランス１１０に対して本発明を適用する場合を例示したが、これに限定されず、複数の一次巻線と複数の二次巻線によって構成される絶縁トランス１１０に対して本発明を適用した場合であっても、同様の効果が得られる。つまり、一次巻線および二次巻線のそれぞれの個数が１以上である絶縁トランス１１０に対して本発明が適用可能である。
【００８４】
なお、電力変換装置１０，２０において、絶縁トランス１００，１１０の一次巻線および二次巻線の巻き数が多いほど、一次巻線と二次巻線間に発生する磁気干渉が大きくなるため、本発明を適用することで得られる効果をより奏する。一方、絶縁トランス１００，１１０の一次巻線および二次巻線の巻き数が少ないほど、巻線に流れる電流の、電流自身が作り出す磁気の影響によって巻線表面へと偏りを発生させる力（表皮効果）の影響が支配的となり、本発明を適用することで得られる効果が薄れる。したがって、十分な効果を得るには、一次巻線および二次巻線のいずれか一方の巻き数が１よりも大きくすることが望ましい。
【００８５】
なお、電力変換装置１０，２０の構成部品として半導体スイッチング素子を含む場合、半導体スイッチング素子は、例えば、シリコン半導体、ワイドドバンドギャップ半導体等によって形成されている素子であればよい。ワイドバンドギャップ半導体は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料または、ダイヤモンドを用いている半導体である。ワイドバンドギャップ半導体によって形成されている半導体スイッチング素子は、シリコン半導体ではユニポーラ動作が困難な高電圧領域で使用可能であるとともに、高速スイッチングおよび超高キャリア周波数動作に適するため、スイッチング周波数の高周波化が可能となる。したがって、ワイドドバンドギャップ半導体によって形成される半導体スイッチング素子を備えた電力変換装置１０，２０に対して本発明を適用することで、効果をより奏するとともに、絶縁トランスのさらなる小型化が実現できる。
【００８６】
以上、本発明の実施例として、実施の形態１および実施の形態２について個別に説明したが、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜変形したり省略したりすることができる。
【符号の説明】
【００８７】
１  直流電源、１０，２０  電力変換装置、１１  平滑コンデンサ、１２ａ〜１２ｄ  半導体スイッチング素子、１３ａ〜１３ｄ  整流ダイオード、１４  平滑リアクトル、１５  平滑コンデンサ、１００  絶縁トランス、１０１ａ，１０１ｂ  コア片、１０２  一次巻線、１０２ａ〜１０２ｄ  巻線部、１０３  二次巻線、１０４ａ，１０４ｂ  磁気シールド板、１０５  スリット、１１０  絶縁トランス、１１１ａ，１１１ｂ  コア片、１１２  一次巻線、１１２ａ〜１１２ｄ  巻線部、１１３ａ  第１の二次巻線、１１３ｂ  第２の二次巻線、２００  制御部、２０１ａ〜２０１ｄ  制御信号。
【図１】
2019017219.tif 000007
【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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【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年6月28日(2018.6.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
本発明における電力変換装置は、絶縁トランスを備えた電力変換装置であって、絶縁トランスは、一次巻線と、二次巻線と、一次巻線と二次巻線との間に配置された磁気シールド板によって構成され、一次巻線および二次巻線のそれぞれに流れる電流が発生させる磁束を遮断することで一次巻線と二次巻線間の磁気干渉を抑制する磁気シールド部と、断面形状がともにＥ形状である一対のコア片によって構成されるコアと、を備え、一次巻線、二次巻線および磁気シールド板は、一対のコア片のそれぞれの中央から突出する突出部に挿入されており、一対のコア片の端面同士が接続されるものである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁トランスを備えた電力変換装置であって、
前記絶縁トランスは、
一次巻線と、
二次巻線と、
前記一次巻線と前記二次巻線との間に配置された磁気シールド板によって構成され、前記一次巻線および前記二次巻線のそれぞれに流れる電流が発生させる磁束を遮断することで前記一次巻線と前記二次巻線間の磁気干渉を抑制する磁気シールド部と、
断面形状がともにＥ形状である一対のコア片によって構成されるコアと、
を備え、
前記一次巻線、前記二次巻線および前記磁気シールド板は、前記一対のコア片のそれぞれの中央から突出する突出部に挿入されており、前記一対のコア片の端面同士が接続される
電力変換装置。
【請求項２】
絶縁トランスを備えた電力変換装置であって、
前記絶縁トランスは、
一次巻線と、
二次巻線と、
前記一次巻線および前記二次巻線のそれぞれに流れる電流が発生させる磁束を遮断することで前記一次巻線と前記二次巻線間の磁気干渉を抑制する磁気シールド部と、
を備え、
前記絶縁トランスは、二次側がセンタータップ方式の絶縁トランスであって、前記二次巻線として、第１の二次巻線および第２の二次巻線を備えて構成され、
前記一次巻線は、少なくとも２層に分けられた巻線層によって構成され、
前記第１の二次巻線および前記第２の二次巻線は、前記巻線層間に配置され、前記一次巻線が導通状態である場合に一方が導通状態となって他方が非導通状態となり、
前記磁気シールド部は、前記第１の二次巻線および前記第２の二次巻線のうちの前記非導通状態となる方によって構成される
電力変換装置。
【請求項３】
前記電力変換装置は、前記電力変換装置の構成部品を収納する筐体をさらに備え、
前記磁気シールド部は、前記筐体に接続される
請求項１または２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記電力変換装置は、前記電力変換装置の構成部品を冷却するヒートシンクをさらに備え、
前記磁気シールド部は、前記ヒートシンクに接続される
請求項１または２に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記一次巻線および前記二次巻線のそれぞれの個数は、１以上である
請求項１から４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記一次巻線および前記二次巻線のいずれか一方の巻き数は、１よりも大きい
請求項１から５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記電力変換装置の構成部品は、半導体スイッチング素子を含み、
前記半導体スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されている素子である
請求項１から６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記ワイドバンドキャップ半導体は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料、またはダイヤモンドを用いている半導体である
請求項７に記載の電力変換装置。