(57)【要約】  本発明は、水平面内に延在する基部部材と、基部部材から実質的に垂直に突出する第１の脚部、第２の脚部、第３の脚部及び第４の脚部とを備える透磁性コアを備える集積磁気構成要素に関する。第１の出力インダクター巻線、第２の出力インダクター巻線、第３の出力インダクター巻線及び第４の出力インダクター巻線がそれぞれ、第１の脚部、第２の脚部、第３の脚部及び第４の脚部に巻き付けられる。集積磁気構成要素の第１の入力導体が第１の導体軸を有し、第１の脚部、第２の脚部、第３の脚部及び第４の脚部の間に延在し、透磁性コアの第１の磁束通路を通る第１の磁束を誘導する。集積磁気構成要素の第２の入力導体が、第１のコイル軸に対して実質的に垂直に延在する第２のコイル軸を有し、第１の磁束通路に対して実質的に直交して延在する透磁性コアの第２の磁束通路を通る第２の磁束を誘導する。本発明の別の態様は、その集積磁気構成要素を備える多入力絶縁電力変換器に関する。【選択図】図１
2014530489.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
集積磁気構成要素であって、
基部部材及び上部部材を備える透磁性コアであって、前記基部部材は水平面内に延在し、前記基部部材から実質的に垂直に突出する第１の脚部、第２の脚部、第３の脚部及び第４の脚部を備える、透磁性コアと、
なお、前記上部部材は前記基部部材に対して前記第１の脚部、前記第２の脚部、前記第３の脚部及び前記第４の脚部の反対端に取り付けられ、
前記第１の脚部、前記第２の脚部、前記第３の脚部及び前記第４の脚部にそれぞれ巻き付けられる第１の出力インダクター巻線、第２の出力インダクター巻線、第３の出力インダクター巻線及び第４の出力インダクター巻線と、
第１の導体軸に沿って前記第１の脚部、前記第２の脚部、前記第３の脚部及び前記第４の脚部の間に延在する第１の入力導体であって、該第１の入力導体は前記第１の導体軸に対して直交し、かつ前記透磁性コアの第１の磁束通路を通って延在する第１の磁界を誘導するように構成される、第１の入力導体と、
第２の導体軸に沿って延在する第２の入力導体であって、該第２の入力導体は、前記第２の導体軸に対して直交し、前記透磁性コアの第２の磁束通路を通って延在する第２の磁界を誘導するように配置される、第２の入力導体と、
を備え、
前記第２の磁束通路は前記第１の磁束通路に対して実質的に直交して延在する、集積磁気構成要素。
【請求項２】
前記第１の導体軸及び前記第２の導体軸はいずれも、前記水平面内に、又は該水平面と平行に延在する、請求項１に記載の集積磁気構成要素。
【請求項３】
第３の導体軸に沿って前記第１の脚部、前記第２の脚部、前記第３の脚部及び前記第４の脚部の対角に位置する脚対の間に延在し、前記第３の導体軸に対して直交して第３の磁界を誘導する第３の入力導体を備え、
前記第３の入力導体は、前記透磁性コアの前記第１の磁束通路に対して実質的に直交し、かつ前記第２の磁束通路に対して実質的に直交して延在する、前記透磁性コアの第３の磁束通路を通る前記第３の磁界を生成するように配置される、請求項１又は２に記載の集積磁気構成要素。
【請求項４】
前記上部部材は、前記水平面に対して平行に延在する第５の脚部、第６の脚部、第７の脚部及び第８の脚部を形成する第１の中央貫通切欠きを備える、請求項３に記載の集積磁気構成要素。
【請求項５】
前記基部部材は、前記水平面に対して平行に延在する第９の脚部、第１０の脚部、第１１の脚部及び第１２の脚部を形成する第２の中央貫通切欠きを備える、請求項４に記載の集積磁気構成要素。
【請求項６】
前記第１の脚部、前記第２の脚部、前記第３の脚部及び前記第４の脚部は前記基部部材上で実質的に長方形又は方形パターンに配置される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の集積磁気構成要素。
【請求項７】
前記基部部材は、第１の実質的に平坦な長方形又は方形プレートを備え、前記第１の脚部、前記第２の脚部、前記第３の脚部及び前記第４の脚部は前記第１の平坦なプレートのそれぞれ角部に位置している、請求項６に記載の集積磁気構成要素。
【請求項８】
前記第１の脚部、前記第２の脚部、前記第３の脚部及び前記第４の脚部はそれぞれ、前記第１の実質的に平坦な長方形又は方形プレートのそれぞれの縁部と同一平面に取り付けられる、請求項７に記載の集積磁気構成要素。
【請求項９】
前記上部部材は、前記第１の脚部、前記第２の脚部、前記第３の脚部及び前記第４の脚部が前記第２の平坦なプレートのそれぞれの縁部と同一平面に取り付けられるような形状の第２の実質的に平坦な長方形又は方形プレートを備える、請求項８に記載の集積磁気構成要素。
【請求項１０】
前記上部部材と、前記基部部材と、前記第１の脚部、前記第２の脚部、前記第３の脚部及び前記第４の脚部とは中空の立体構造を形成し、前記第１の脚部、前記第２の脚部、前記第３の脚部、前記第４の脚部、前記第５の脚部、前記第６の脚部、前記第７の脚部、前記第８の脚部、前記第９の脚部、前記第１０の脚部、前記第１１の脚部及び前記第１２の脚部は前記中空の立体構造のそれぞれの頂点を形成する、請求項６又は９に記載の集積磁気構成要素。
【請求項１１】
前記第１の脚部、前記第２の脚部、前記第３の脚部及び前記第４の脚部は、実質的に直交して延在する第１のトレンチ又は通路及び第２のトレンチ又は通路が前記基部部材の表面に形成されるように前記基部部材のそれぞれの位置に配置され、
前記第１の入力導体及び前記第２の入力導体はそれぞれ前記第１のトレンチ又は通路及び前記第２のトレンチ又は通路を通って突出する、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の集積磁気構成要素。
【請求項１２】
前記第１の入力導体及び前記第２の入力導体は前記基部部材の中央領域において当接し、重なり合う、請求項１１に記載の集積磁気構成要素。
【請求項１３】
前記第１の入力導体は、前記基部部材に巻き付けられるか、又は前記上部部材に巻き付けられる第１のインダクター巻線の一部を形成し、
前記第２の入力導体は、前記基部部材に巻き付けられるか、又は前記上部部材に巻き付けられる第２のインダクター巻線の一部を形成する、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の集積磁気構成要素。
【請求項１４】
前記第１の入力導体は前記第１の脚部、前記第２の脚部、前記第３の脚部及び前記第４の脚部の第１の隣接する脚部対に巻き付けられる第１の入力インダクター巻線の一部を形成し、
前記第２の入力導体は前記第１の脚部、前記第２の脚部、前記第３の脚部及び前記第４の脚部の第２の隣接する脚部対に巻き付けられる第２の入力インダクター巻線の一部を形成し、
前記第１の入力インダクター巻線及び前記第２の入力インダクター巻線はそれぞれ、前記水平面内に、又は前記水平面に対して平行に、前記基部部材の上方又は前記上部部材の上方にのみ延在する、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の集積磁気構成要素。
【請求項１５】
前記第１の入力導体及び前記第２の入力導体は導電性ワイヤのそれぞれの実質的に直線のセグメントを含む、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の集積磁気構成要素。
【請求項１６】
導電性ワイヤの第１の直線セグメント及び第２の直線セグメントは、前記基部部材に当接して、又は前記上部部材に当接して配置される、絶縁された導体材料のそれぞれの平坦なストリップを含む、請求項１５に記載の集積磁気構成要素。
【請求項１７】
前記第１の入力導体は、該第１の入力導体の第１の側に配置される第１の隣接する脚部対を通る第１の方向の磁束、及び前記第１の入力導体の反対の第２の側に配置される第２の隣接する脚部対を通る逆向きの磁束を生成するように構成され、
前記第２の入力導体は、該第２の入力導体の第１の側に配置される第１の隣接する脚部対を通る第２の方向の磁束、及び前記第２の入力導体の反対の第２の側に配置される第２の隣接する脚部対を通る逆向きの磁束を生成するように構成される、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の集積磁気構成要素。
【請求項１８】
第１の磁束通路は、前記第１の入力導体から前記基部部材、前記第１の脚部及び前記第２の脚部、前記上部部材、前記第３の脚部及び前記第４の脚部を通って延在し、前記第１の入力導体に戻る第１の閉磁気ループを形成し、
第２の磁束通路は、前記第２の入力導体から前記基部部材、前記第１の脚部及び前記第４の脚部、前記上部部材、前記第２の脚部及び前記第３の脚部を通って延在し、前記第２の入力導体に戻る第２の閉磁気ループを形成し、
前記第１の閉磁気ループの軸は前記第２の閉磁気ループの軸に対して実質的に直交して延在する、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の集積磁気構成要素。
【請求項１９】
請求項１〜１８のいずれか一項に記載の集積磁気構成要素を備える多入力絶縁電力変換器であって、
前記第１の入力導体に電気的に結合され、該第１の入力導体に第１のドライブ信号を供給する第１の入力ドライバーと、
前記第２の入力導体に電気的に結合され、該第２の入力導体に第２のドライブ信号を供給する第２の入力ドライバーと、
を更に備え、
第１の対角脚部対の前記出力インダクター巻線は第１の出力整流回路に電気的に結合され、
第２の対角脚部対の前記出力インダクター巻線は第２の出力整流回路に電気的に結合され、
前記第１の出力整流回路及び前記第２の出力整流回路はＤＣ出力電圧ノード又は端子に並列に結合される、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の集積磁気構成要素を備える多入力絶縁電力変換器。
【請求項２０】
前記第１の対角脚部対の前記出力インダクター巻線は直列に接続され、前記第２の対角脚部対の前記出力インダクター巻線は直列に接続される、請求項１９に記載の多入力絶縁電力変換器。
【請求項２１】
請求項１９又は２０に記載の多入力絶縁電力変換器のＤＣ出力電圧を制御する方法であって、
第１の入力導体上で第１の位相角を有する第１のパルス幅変調ドライブ信号を生成するステップと、
第２の入力導体上で第２の位相角を有する第２のパルス幅変調ドライブ信号を生成するステップと、
前記第１の位相角と前記第２の位相角との間の位相角差を調整して前記ＤＣ出力電圧を制御する、調整するステップと、
を含む、請求項１９又は２０に記載の多入力絶縁電力変換器のＤＣ出力電圧を制御する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水平面内に延在する基部部材と、基部部材から実質的に垂直に突出する第１の脚部、第２の脚部、第３の脚部及び第４の脚部とを備える透磁性コアを備える集積磁気構成要素に関する。第１の出力インダクター巻線、第２の出力インダクター巻線、第３の出力インダクター巻線及び第４の出力インダクター巻線がそれぞれ、第１の脚部、第２の脚部、第３の脚部及び第４の脚部に巻き付けられる。集積磁気構成要素の第１の入力導体が第１のコイル軸を有し、第１の脚部、第２の脚部、第３の脚部及び第４の脚部の間に延在し、透磁性コアの第１の磁束通路を通る第１の磁束を誘導する。集積磁気構成要素の第２の入力導体が、第１のコイル軸に対して実質的に垂直に延在する第２のコイル軸を有し、第１の磁束通路に対して実質的に直交して延在する透磁性コアの第２の磁束通路を通る第２の磁束を誘導する。本発明の別の態様は、その集積磁気構成要素を備える多入力絶縁電力変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
２つ以上の入力電圧源又はエネルギー源から生成された電力を合成してＤＣ出力電圧を得るために、最近になって、多入力電力変換器の種々の回路トポロジーが提案されている［１〜４］。入力電圧源又はエネルギー源は、例えば、太陽電池アレイ、風力タービン、燃料電池及び商用交流送電線のようなクリーンエネルギー源を含む。
【０００３】
幾つかの既知の多入力電力変換器の共通の制約は、電力結合効果を防ぐために、出力に電力又はエネルギーを伝達するのに一度に１つの入力電源しか許されないことである。最近になって、この制約を克服するために、位相シフトＰＷＭ制御による磁束加算技術に基づく多入力巻線変圧器を使用することが提案された。この技術は、２つ以上の異なる入力電圧源からＤＣ出力及びその関連する負荷に電力を別々に、又は同時に伝達することができるが［５］、多入力電力変換器の入力ドライバーにおいて、逆阻止ダイオードが必要とされる。逆阻止ダイオードは、変圧器の結合された一次側を通って、かつ入力ドライバーの半導体スイッチのボディダイオードを通って、入力電圧源のうちの１つから別の入力電圧源に逆電力が流れるのを防ぐために必要とされる。
【０００４】
これらの逆阻止ダイオードがなければ、多入力電力変換器に結合された種々の入力源は、負荷に対して電力を同時に送達することはできない。変圧器入力巻線間の結合に関連付けられるそれらの問題を克服する幾つかの従来技術の手法は、変圧器の入力巻線を分離するために、磁気抵抗が低い経路を共用すること、又は磁束相殺機構を利用することに頼っている［６］。さらに、互いに結合された入力インダクター巻線の電圧がクランピングされることに起因して、入力ドライバーの低位側ＭＯＳＦＥＴ内に高い電流応力がかけられる可能性があり、それにより、電力損が高くなる。
【０００５】
その結果として、電力変換器の如何なる機能も低下させることなく、又は入力ドライバーに複雑な制御回路又は保護回路を加えることを必要とすることなく、複数の入力電源が独立して動作できるようにするために、多入力電力変換器及び他の応用形態において使用する、非結合入力導体を備える集積磁気構成要素を提供することが好都合であろう。
【発明の概要】
【０００６】
本発明の第１の態様は、集積磁気構成要素に関し、この集積磁気構成要素は、基部部材及び上部部材を備える透磁性コアを備え、前記基部部材は水平面又は第１面の内に延在し、前記基部部材から実質的に垂直に突出する第１の脚部、第２の脚部、第３の脚部及び第４の脚部を備える。前記上部部材は前記基部部材に対して前記第１の脚部、前記第２の脚部、前記第３の脚部及び前記第４の脚部の反対端に取り付けられる。該集積磁気構成要素は、前記第１の脚部、前記第２の脚部、前記第３の脚部及び前記第４の脚部にそれぞれ巻き付けられる第１の出力インダクター巻線、第２の出力インダクター巻線、第３の出力インダクター巻線及び第４の出力インダクター巻線を更に備える。該集積磁気構成要素は、第１の導体軸に沿って前記第１の脚部、前記第２の脚部、前記第３の脚部及び前記第４の脚部の間に延在する第１の入力導体も備え、該第１の入力導体は前記第１の導体軸に対して直交し、かつ前記透磁性コアの第１の磁束通路を通って延在する第１の磁界を誘導するように構成される。第２の入力導体が第２の導体軸に沿って延在し、該第２の入力導体は、前記第２の導体軸に対して直交し、前記透磁性コアの第２の磁束通路を通って延在する第２の磁界を誘導するように配置される。前記第２の磁束通路は前記第１の磁束通路に対して実質的に直交して延在する。
【０００７】
したがって、本発明は、多入力電力変換器、例えば、昇圧電力変換器及び降圧電力変換器等の数多くの応用形態において有用である新たな磁束通路分離概念に基づく。その磁束通路分離概念は、２次元（２Ｄ：2-dimensional）又は３次元（３Ｄ：3-dimensional）の空間直交磁束分離に基づいており、第１の磁束通路及び第２の磁束通路が、共用される透磁性コア内で互いに実質的に直交して延在する。第１の磁束通路が第１の入力導体から、基部部材、第１の脚部及び第２の脚部、上部部材、第３の脚部及び第４の脚部を通って延在し、第１の入力導体に戻る第１の閉磁気ループを形成することは当業者には理解されよう。同様に、第２の磁束通路は、第２の入力導体から、基部部材、第１の脚部及び第４の脚部、上部部材、第２の脚部及び第３の脚部を通って延在し、第２の入力導体に戻る第２の閉磁気ループを形成する。このようにして、図３に関連して後に更に詳述されるように、第１の脚部、第２の脚部、第３の脚部及び第４の脚部を通り抜ける磁束部分が平行である場合があっても、第２の磁束通路が第１の磁束通路と実質的に直交して延在するように、第１の閉磁気ループの軸は第２の閉磁気ループの軸に実質的に直交して延在する。
【０００８】
好ましい実施形態では、透磁性コアは新たな独特の形状を含み、第１の脚部、第２の脚部、第３の脚部及び第４の脚部は、基部部材において実質的に長方形又は方形パターンに配置され、第１の脚部、第２の脚部、第３の脚部及び第４の脚部は基部部材のそれぞれの角部に位置している。この実施形態では、第１の入力導体及び第２の入力導体は十字形のレイアウトに配置することができ、第１の脚部、第２の脚部、第３の脚部及び第４の脚部が４つの象限エリアのそれぞれ１つに位置する。
【０００９】
第１の脚部、第２の脚部、第３の脚部及び第４の脚部のそれぞれの断面外形は特定の応用形態に応じて大きく異なる場合があることは当業者には理解されよう。断面外形は、例えば、円形、楕円形、長方形、五角形、六角形、七角形、八角形等とすることができる。第１の出力インダクター巻線、第２の出力インダクター巻線、第３の出力インダクター巻線及び第４の出力インダクター巻線のそれぞれの形状は、対象の脚部の周囲に隙間なく適合するように、脚部のこれらの断面外形のいずれに対しても共形になるように構成することができる。さらに、第１の出力インダクター巻線、第２の出力インダクター巻線、第３の出力インダクター巻線及び第４の出力インダクター巻線はそれぞれ単一のインダクター巻線、又は複数の一巻インダクター巻線を備えることができる。
【００１０】
一実施形態では、第１の導体軸及び第２のコイル軸はいずれも、水平面内に、又は水平面と平行に延在する。１つのそのような実施形態では、第１の入力導体及び第２の入力導体が基部部材の中央領域において当接し、かつ重なり合うように、第１の入力導体及び第２の入力導体は互いに近接して、例えば、当接して配置される。
【００１１】
他の実施形態では、第１の入力導体及び第２の入力導体が基部部材に当接して配置されるか、又は固定され、一方、他方の入力導体が上部部材に向かって基部部材の上方の或る特定の距離まで持ち上げられるように、第１の入力導体及び第２の入力導体は垂直にオフセットされる（すなわち、第１の脚部、第２の脚部、第３の脚部及び第４の脚部と平行な方向にオフセットされる）。
【００１２】
第１の入力導体及び第２の入力導体はそれぞれ、導電性ワイヤの実質的に直線のセグメント又は部分を含むことができる。導電性ワイヤは、銅及び／又はアルミニウム等の金属材料のような導電性材料を含むことができる。第１の入力導体及び第２の入力導体はそれぞれ導電性材料の平坦なストリップを含むことができる。第１の入力導体及び第２の入力導体はそれぞれ、導体を完全に、又は部分的に覆う絶縁層を備えることが好ましい。絶縁層は入力導体の端部又は端部セグメントを覆われないままにし、入力導体を適切なドライバー回路に接続する第１の外部導電端子及び第２の外部導電端子を形成することができる。導電性材料の平坦なストリップは、基部部材に当接して、又は上部部材に当接して配置することができる。基部部材が基本的に平坦な上面を備える場合には、導電性材料の平坦なストリップは基部部材の平坦な上面に固定することができる。導電性材料の平坦なストリップは、個々のインダクター巻線の一部を形成する直線ストリップとして形成することができる。
【００１３】
第１の入力導体の第１の導電端子及び第２の導電端子は、その両端に配置されることが好ましく、第２の入力導体も、その両端に配置される第１の導電端子及び第２の導電端子を含むことが好ましい。第１の導電端子及び第２の導電端子は、有利には、トランジスタによるハーフブリッジ又はフルブリッジドライバーのような電気ドライバー回路への接続を確立するための第１の入力導体及び第２の入力導体の外部アクセス可能な入力としての役割を果たすことができる。ハーフブリッジ又はフルブリッジドライバーは位相シフトＰＷＭ又はＰＤＭドライブ信号を第１の入力導体及び第２の入力導体に供給するように構成することができる。
【００１４】
本発明の有利な実施形態によれば、前記集積磁気構成要素は、第３の導体軸に沿って前記第１の脚部、前記第２の脚部、前記第３の脚部及び前記第４の脚部の対角に位置する脚対の間に延在し、前記第３の導体軸に対して直交して第３の磁界を誘導する第３の入力導体を備える。前記第３の入力導体は、前記透磁性コアの前記第１の磁束通路に対して実質的に直交し、かつ前記第２の磁束通路に対して実質的に直交して延在する、前記透磁性コアの第３の磁束通路を通る前記第３の磁界を生成するように配置される。本発明のこの実施形態は、電力を３つの異なる入力電圧源からＤＣ出力電圧に別々に、又は同時に伝達することができる３入力電力変換器をサポートすることができる。第３の磁束通路が第１及び第２の両方の磁束通路に実質的に直交して延在するという特徴は、３次元（３Ｄ）空間直交磁束分離を提供し、第１の磁束通路、第２の磁束通路及び第３の磁束通路は共用される透磁性コア内で互いに実質的に直交して延在する。
【００１５】
一実施形態では、上部部材は水平面に対して平行に延在する第５の脚部、第６の脚部、第７の脚部及び第８の脚部を備える。これは、上部部材内に適切な寸法の貫通開口部又は切欠きを配置し、第５の脚部、第６の脚部、第７の脚部及び第８の脚部のそれぞれを形成する４つの頂点を残すことによって成し遂げられることが好ましい。１つのそのような実施形態では、透磁性コアは、中空の立体構造を含み、第１の脚部、第２の脚部、第３の脚部、第４の脚部、第５の脚部、第６の脚部、第７の脚部及び第８の脚部が中空の立体構造のそれぞれの頂点を形成する。後者の実施形態では、基部部材も、対応する中央の貫通切欠き又は開口部を含むことができる。
【００１６】
好ましい実施形態では、前記第１の脚部、前記第２の脚部、前記第３の脚部及び前記第４の脚部は、実質的に直交して延在する第１の通路又はトレンチ及び第２の通路又はトレンチが前記基部部材の表面に形成されるように前記基部部材のそれぞれの位置に配置される。前記第１の入力導体及び前記第２の入力導体はそれぞれ前記第１のトレンチ及び前記第２のトレンチを通って突出する。第１のトレンチ及び第２のトレンチの底面は基本的に平面にすることができ、トレンチ又は通路のそれぞれが第１の脚部、第２の脚部、第３の脚部及び第４の脚部によって包囲されるように水平面内に配置することができる。
【００１７】
一実施形態では、基部部材は第１の基本的に平坦な方形又は長方形プレートを含むことができ、第１の脚部、第２の脚部、第３の脚部及び第４の脚部が基部部材のそれぞれの角部に配置されている。その代わりに、又はそれに加えて、上部部材は第２の基本的に平坦な長方形プレートを含むことができる。第１のプレート及び第２のプレートは互いに実質的に平行に配置されることが好ましい。平坦な方形又は長方形の基部プレート及び上部プレート、並びに第１の脚部、第２の脚部、第３の脚部及び第４の脚部は互いに磁気的に、かつ機械的に結合される。上部部材及び基部部材の両方が平坦な方形又は長方形プレートを含む一実施形態では、第１の脚部、第２の脚部、第３の脚部及び第４の脚部はそれぞれ、長方形又は方形プレートのそれぞれの縁部と同一平面に取り付けることができる。後者の実施形態は、透磁性コアの正立方形状を与えることができる。
【００１８】
他の実施形態では、基部部材は、平坦な円形、楕円形、長方形、五角形、六角形、七角形、八角形等の形状の構造を有することができ、第１の脚部、第２の脚部、第３の脚部及び第４の脚部はその構造のそれぞれの周縁部に配置される。
【００１９】
別の好ましい実施形態によれば、前記第１の入力導体は前記第１の脚部、前記第２の脚部、前記第３の脚部及び前記第４の脚部の第１の隣接する脚部対に巻き付けられる第１の入力インダクター巻線の一部を形成し、前記第２の入力導体は前記第１の脚部、前記第２の脚部、前記第３の脚部及び前記第４の脚部の第２の隣接する脚部対に巻き付けられる第２の入力インダクター巻線の一部を形成する。前記第１の入力インダクター巻線及び前記第２の入力インダクター巻線はそれぞれ、前記水平面内に、又は前記水平面に対して平行に、前記基部部材の上方又は前記上部部材の上方にのみ延在することが好ましい。この実施形態では、第１のインダクター巻線及び第２のインダクター巻線はそれぞれ、上記のように、第１の隣接脚部対を取り囲むか、第２の隣接脚部対を取り囲む、水平に折り返された形状又はレイアウトを有する。この実施形態では、第１の入力インダクター巻線及び第２の入力インダクター巻線は、水平に折り返された形状又はレイアウトを有する。この実施形態の著しい利点は、第１の入力導体巻線及び第２の入力導体巻線を標準的なタイプの硬質又はフレキシブルプリント回路基板（ＰＣＢ：printed circuit board）とともに容易に集積できることである。電力変換器を実効的にモジュール化することができるように、電力変換器の他の構成要素も、インダクター巻線とともにＰＣＢ上に集積することができる。
【００２０】
第１の入力インダクター巻線及び第２の入力インダクター巻線は、単一又は複数の一巻インダクター巻線を含むことができる。第１のインダクター巻線及び第２のインダクター巻線のそれぞれのインダクター巻線の厳密な数の選択は、対象の集積磁気構成要素及び関連する電力変換器の数多くの設計上の検討事項によって決まる。インダクター巻線は通常、電力変換器の２入力又は３入力アーキテクチャ、一次対二次巻線比、及び電力変換器の所望の昇圧倍率又は降圧倍率等の要因によって決まることになる。さらに、ドライブ信号変調又はスイッチング周波数、入力及び出力電圧レベル、出力電力レベル並びに電力効率等の電力変換器設計パラメーターも通常、第１のインダクター巻線及び第２のインダクター巻線のそれぞれの巻線数を決定するのに関連する特性である。
【００２１】
しかしながら、幾つかの有用な実施形態では、第１の入力インダクター巻線及び第２の入力インダクター巻線はそれぞれ２〜５０の別々の一巻巻線を含み、第１の出力インダクター巻線、第２の出力インダクター巻線、第３の出力インダクター巻線及び第４の出力インダクター巻線は２〜５０の別々の巻線を含む。
【００２２】
別の実施形態では、第１の入力導体及び第２の入力導体はそれぞれ、それぞれのＵ字形入力インダクター巻線の一部を形成することができる。Ｕ字形インダクター巻線は垂直に折り返された構造であり、この構造は実質的に平行であり、かつ垂直に位置合わせされた第１の巻線脚部及び第２の巻線脚部を含む。第１の巻線脚部は第１の脚部、第２の脚部、第３の脚部及び第４の脚部の間に延在し、上記で論じられた水平に折り返された入力インダクター巻線形状の第１の脚部の配置と同じように、好ましくは基部部材の上面に当接して延在する。しかしながら、本実施形態では、第２の巻線脚部は、基部部材の下面の下方に、かつ好ましくは基部部材の下面に当接して配置される。それゆえ、第１の巻線脚部と第２の巻線脚部とを結合する架橋部分は、基部部材の厚みに概ね対応することができる。第２のＵ字形入力インダクター巻線の第１の脚部及び第２の脚部は、第２のＵ字形入力インダクター巻線の第１の脚部及び第２の脚部にそれぞれ直交して配置される。
【００２３】
第１のＵ字形インダクター巻線及び第２のＵ字形インダクター巻線はそれぞれ、接着又は類似のプロセスによって基部部材に取り付けることができる導電性材料の平坦なリボン又はストリップを含むことができる。
【００２４】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記第１の入力導体は、該第１の入力導体の第１の側に配置される第１の隣接する脚部対を通る第１の方向の磁束、及び前記第１の入力導体の反対の第２の側に配置される第２の隣接する脚部対を通る逆向きの磁束を生成するように構成される。さらに、前記第２の入力導体は、該第２の入力導体の第１の側に配置される第１の隣接する脚部対を通る第２の方向の磁束、及び前記第２の入力導体の反対の第２の側に配置される第２の隣接する脚部対を通る逆向きの磁束を生成するように構成される。磁束は、第１の入力導体及び第２の入力導体の中にそれぞれ入力電流を流すことによって誘導され、各入力導体内の電流は２つの異なる方向に流れることができるので、４つの異なる入力電流状態が作り出される。各電流状態において、第１の脚部、第２の脚部、第３の脚部及び第４の脚部のそれぞれを通って結果として生じる磁束は、第１の磁束及び第２の磁束の両方からの寄与によって決定される。これは、第１の出力インダクター巻線、第２の出力インダクター巻線、第３の出力インダクター巻線及び第４の出力インダクター巻線のそれぞれにおいて誘導される出力電圧も同様に第１の入力電流及び第２の入力電流の両方からの寄与によって決定されることを意味する。この特性は、後に更に詳細に説明されるように、本集積磁気構成要素を利用する多入力電力変換器のＤＣ出力電圧を制御するために、第１入力導体及び第２の入力導体にそれぞれ印加される、第１のパルス幅変調ドライブ信号と第２のパルス幅変調ドライブ信号との間の位相制御を用いる新たな柔軟性の高い方法に導く。
【００２５】
したがって、本発明の第２の態様は、集積磁気構成要素の上記で説明した実施形態のうちの任意のものによる集積磁気構成要素を備える多入力絶縁電力変換器に関する。該多入力絶縁電力変換器は、前記第１の入力導体に電気的に結合され、該第１の入力導体に第１のドライブ信号を供給する第１の入力ドライバーと、前記第２の入力導体に電気的に結合され、該第２の入力導体に第２のドライブ信号を供給する第２の入力ドライバーとを更に備える。第１の対角脚部対の前記出力インダクター巻線は第１の出力整流回路に電気的に結合され、第２の対角脚部対の前記出力インダクター巻線は第２の出力整流回路に電気的に結合される。前記第１の出力整流回路及び前記第２の出力整流回路は、第１の入力ドライバー及び第２の入力ドライバーの両方を通って送達される入力電力が共通のＤＣ出力電圧に伝達されるように、ＤＣ出力電圧ノード又は端子に並列に結合されることが好ましい。
【００２６】
前記多入力絶縁電力変換器の一実施形態では、前記第１の対角脚部対の前記出力インダクター巻線は直列に接続され、前記第２の対角脚部対の前記出力インダクター巻線は直列に接続される。第１入力導体及び第２の入力導体（そして場合によっては第３の入力導体）の上記の２Ｄ又は３Ｄ直交磁束分離によれば、第１の入力ドライバー及び第２の入力ドライバーを接地のような共通の電位に結合できるように、これらの導体は独立して動作できるようになる。本多入力絶縁電力変換器が、昇圧又は降圧トポロジー又は構成のような種々の異なるトポロジーを有することができることは当業者には理解されよう。
【００２７】
本発明の第３の態様は、上記で説明した多入力絶縁電力変換器のＤＣ出力電圧を制御する方法に関する。該方法は、
第１の入力導体上で第１の位相角を有する第１のパルス幅変調ドライブ信号を生成するステップと、
第２の入力導体上で第２の位相角を有する第２のパルス幅変調ドライブ信号を生成するステップと、
前記第１の位相角と前記第２の位相角との間の位相角差を調整して前記ＤＣ出力電圧を制御する、調整するステップと、
を含む。該方法は、第１のパルス幅変調ドライブ信号のデューティサイクル及び／又は第２のパルス幅変調ドライブ信号のデューティサイクルを調整するステップであって、ＤＣ出力電圧を調整する、調整する更なるステップを含むことができる。デューティサイクルを調整することによって、位相角度差を調整して、又はその両方を調整することによってＤＣ出力電圧を制御できることは、多入力絶縁電力変換器のより広い入力及び／又は出力電圧範囲を与える等の数多くの利点を有する、ＤＣ出力電圧を制御する極めて柔軟な方法に導く。その結果として、同じ絶縁電力変換器を幅広い応用形態に容易に適応させることができ、それゆえ、所与の電力変換器トポロジーの必要な変形数が削減され、組立コスト、構成要素コスト、在庫コスト等が削減される。本多入力絶縁電力変換器によって提供される柔軟な適応は、多くの場合に広い範囲の異なる電圧を出力する、太陽電池セルのようなクリーンエネルギー源に関連する電力変換に特に適している。
【００２８】
本発明の好ましい実施形態が、添付の図面に関連して更に詳細に説明されることになる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１の実施形態による集積磁気構成要素の組み立て後の図である。
【図２】本発明の第１の実施形態による集積磁気構成要素の組立分解斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施形態による集積磁気構成要素の透磁性コア内の、直交して延在する第１の磁束通路及び第２の磁束通路を示す概略図である。
【図４】本発明の第２の実施形態による集積磁気構成要素の組立分解斜視図である。
【図５】本発明の第３の実施形態による集積磁気構成要素の組み立て後の図である。
【図６】本発明の第３の実施形態による集積磁気構成要素の組立分解斜視図である。
【図７ａ】異なる入力電流状態の場合の本発明の第１の実施形態による集積磁気構成要素の４つの脚部を通る磁束方向を示す図である。
【図７ｂ】異なる入力電流状態の場合の本発明の第１の実施形態による集積磁気構成要素の４つの脚部を通る磁束方向を示す図である。
【図７ｃ】異なる入力電流状態の場合の本発明の第１の実施形態による集積磁気構成要素の４つの脚部を通る磁束方向を示す図である。
【図７ｄ】異なる入力電流状態の場合の本発明の第１の実施形態による集積磁気構成要素の４つの脚部を通る磁束方向を示す図である。
【図８】本発明の第４の実施形態による３つの入力導体を備える集積磁気構成要素の組み立て後の斜視図である。
【図９】本発明の第４の実施形態による集積磁気構成要素のコア内の、直交して配置される第１の磁束通路、第２の磁束通路及び第３の磁束通路を示す概略図である。
【図１０】本発明の第５の実施形態による３つの入力導体を備える集積磁気構成要素の組み立て後の斜視図である。
【図１１】本発明の第１の実施形態による集積磁気構成要素を含む２入力絶縁昇圧ＤＣ−ＤＣ変換器の概略図である。
【図１２】９０度及び０度の第１の入力電圧波形と第２の入力電圧波形との間の位相角シフトの場合の、プロトタイプ２入力絶縁昇圧ＤＣ−ＤＣ変換器のシミュレートされた入力電圧波形及び出力電圧波形のそれぞれの組を示す２つのグラフである。
【図１３】１８０度及び４５度の第１の入力電圧波形と第２の入力電圧波形との間の位相角シフトの場合の、プロトタイプ２入力絶縁昇圧ＤＣ−ＤＣ変換器のシミュレートされた入力電圧波形及び出力電圧波形のそれぞれの組を示す２つのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下に詳述される実施形態は、ＤＣ電圧増幅又は昇圧を与える絶縁昇圧電力変換器において適用するのに特に適している。しかしながら、以下に説明される集積磁気構成要素実施形態が降圧タイプ電力変換器及び可変結合係数を有する多結合インダクター（multi-coupled inductor）のような他のタイプの応用形態の場合にも極めて有用であることは当業者には理解されよう。
【００３１】
図１は、本発明の第１の実施形態による集積磁気構成要素１００の組み立て後の斜視図を示す。集積磁気構成要素１００は、基部部材１０２と上部部材１０４とを備える透磁性コア１０１を備える。基部部材１０２は第１の脚部１１０、第２の脚部１１２、第３の脚部１１４及び第４の脚部１１６を備えており、上部部材が基部部材１０２に対して第１の脚部１１０、第２の脚部１１２、第３の脚部１１４及び第４の脚部１１６の反対端に取り付けられるように、全ての脚部が基部部材１０２から上部部材の下面まで実質的に垂直に突出している。第１の脚部１１０、第２の脚部１１２、第３の脚部１１４及び第４の脚部１１６の反対端と上部部材との間の取り付けは、ハンダ付け、接着、溶接、圧入等の数多くの方法において行うことができ、その取り付け機構は、上部部材１０４と脚部１１０、１１２、１１４及び１１６のそれぞれとの間の良好な磁気的結合を確保することが好ましい。集積磁気構成要素１００は、第１の脚部、第２の脚部、第３の脚部及び第４の脚部にそれぞれ巻き付けられる第１の出力インダクター巻線１２０、第２の出力インダクター巻線１２２、第３の出力インダクター巻線１２４及び第４の出力インダクター巻線１２６を更に備える。第４の出力インダクター巻線１２６は、出力巻線１２６の各端部に一対の電気的端子１３０、１３２を備えており、第１の出力インダクター巻線１２０、第２の出力インダクター巻線１２２及び第３の出力インダクター巻線１２４もそれぞれ類似の一対の電気的端子（図示せず）を備える。第１の出力インダクター巻線、第２の出力インダクター巻線、第３の出力インダクター巻線及び第４の出力インダクター巻線はそれぞれ本発明の本実施形態では単一の一巻巻線として形成されるが、第１の出力インダクター巻線、第２の出力インダクター巻線、第３の出力インダクター巻線及び第４の出力インダクター巻線はそれぞれ複数の一巻巻線を含むことができることは当業者には理解されよう。集積磁気構成要素１００は第１の入力導体又は一次側導体１０６を更に備えており、その導体は第１の脚部１１０、第２の脚部１１２、第３の脚部１１４及び第４の脚部１１６の間に延在する導電性材料の平坦なリボン又はストリップとして形成される直線の導電性ワイヤである。第１の入力導体１０６は、入力電流が既知の右手の法則に従って第１の入力導体１０６を通って流れるとき、第１の導体軸１４２に対して直交して第１の磁界を誘導するように構成される。第１の磁界は、透磁性コア１０１の第１の磁束通路又は磁束通路を通り抜ける磁束を誘導する。第１の磁束通路の生成及び配置は、図３及び図７ａ）〜ｄ）に関連して後に更に詳細に論じられる。第１の入力導体１０６の各端部は、トランジスタによるハーフブリッジ又はフルブリッジドライバーのような電気ドライバー回路が、導体１０６との電気的接続を確立し、導体にドライブ信号を供給できるようにする電気的終端又は端子（図示せず）を備える。第２の直線入力導体又は一次側導体１０８が第１の入力導体１０６に対して実質的に垂直に延在する。第１の入力導体１０６と同様に、第２の入力導体１０８も、基部部材１０２の直交方向にはあるが、第１の脚部１１０、第２の脚部１１２、第３の脚部１１４及び第４の脚部１１６の間に延在する導電性材料の平坦なリボンとして形成される。したがって、第１の入力導体１０６及び第２の入力導体１０８は、基部部材の実質的に平坦な上面１０３に当接するか、又は近接して配置される十字形の導体形状を形成するように配置される。第１の入力導体１０６、第２の入力導体１０８はそれぞれ、本発明の他の実施形態では、図示される平坦なリボンの長方形の外形の代わりに、円形、方形又は円柱形の断面外形のような代替の形状を有することができることは当業者には理解されよう。第１の入力導体１０６及び第２の入力導体１０８は、基部部材の上面１０３の中央領域に実質的に位置している重なり部分を有する。第１の入力導体１０６及び第２の入力導体１０８はそれぞれ、銅、アルミニウム又は種々の合金等の導電率が高い材料を含むことができる。第１の入力導体及び第２の入力導体は、第１の入力導体及び第２の入力導体に印加される入力ドライブ信号の高い動作周波数における渦電流効果を低減することを目的するリッツ線又は他の特殊な巻線構成のようなワイヤ設計を含むことができる。その結果として、そのような特殊な巻線構成は、集積磁気構成要素の入力及び／又は出力インダクター巻線内の電力損を低減することができ、電力変換器の全電力変換効率を都合良く改善することができる。
【００３２】
第１の入力導体１０６及び第２の入力導体１０８はそれぞれ、第１の導体と第２の導体との間、又はこれらの各導体と基部部材１０２との間の短絡を防ぐために、絶縁層で覆われることが好ましい。第２の入力導体１０８は、第２の入力導体１０８を通って入力電流が流れるときに、既知の右手の法則に従って、第２の導体軸１４０に対して直交する第２の磁界を誘導するように構成される。第２の磁界は、第１の磁束通路に対して実質的に直交して延在する、透磁性コアの第２の磁束通路を通る磁束を誘導する。
【００３３】
基部部材１０２は、図１の形状において水平面内に延在し、第１の導体軸１４２及び第２のコイル軸１４０はいずれも、水平面内に延在する。集積磁気構成要素１００の水平面の回りで１８０度だけ回転しても、構成要素の機能に全く影響を及ぼすことなく、上部部材及び基部部材の向きを入れ替えることになるので、上部部材及び基部部材の選択された呼称は任意であることは当業者には理解されよう。本発明の図示される第１の実施形態では、上部部材及び基部部材はそれぞれ、実質的に方形の平坦なプレート構造を含み、第１の脚部、第２の脚部、第３の脚部及び第４の脚部が方形の平坦なプレートのそれぞれの角部に実質的に方形パターンに配置されている。上部部材１０４の平坦なプレート構造は、基部部材１０２の平坦なプレート構造に対して実質的に平行に配置される。基部部材及び／又は上部部材はそれぞれ長方形、正方形、円形、楕円形、八角形等の数多くの異なる形状を有することができることは当業者には理解されよう。
【００３４】
第１の脚部１１０、第２の脚部１１２、第３の脚部１１４及び第４の脚部１１６を含む、基部部材１０２は、フェライトのような軟質磁性材料、又は薄鋼板、ケイ素鋼、鋳鋼、タングステン鋼、磁石鋼、鋳鉄、ニッケル等の強磁性合金のような高い透磁率を有する材料を含むことが好ましい。第１の磁束通路及び第２の磁束通路がそれぞれ低い磁気抵抗を示し、好ましくは高い磁気飽和点も有するように、上部部材１０４の場合にも同じタイプの材料が適している。第１の脚部１１０、第２の脚部１１２、第３の脚部１１４及び第４の脚部１１６はそれぞれ、三角形、方形、長方形、楕円形、五角形、六角形、七角形、八角形等の、図示される円形の形状以外の断面外形又は形状を有することができることも当業者には理解されよう。出力インダクター巻線のそれぞれの形状は、対象の脚部の外周の周囲に隙間なく適合するように、脚部のこれらの代替の断面外形に共形になるように構成することができる。
【００３５】
本発明による集積磁気構成要素１００の実験プロトタイプが、以下の寸法を用いて、本発明者らによって作製された。
−基部プレート厚、幅及び深さ：それぞれ７ｍｍ、４４ｍｍ、４４ｍｍ
−第１の脚部、第２の脚部、第３の脚部及び第４の脚部のそれぞれの長さ：８ｍｍ
−第１の脚部、第２の脚部、第３の脚部及び第４の脚部のそれぞれの直径：１４ｍｍ
−基部プレート材料及び上部部材材料：Ｍｎ−ＺｎフェライトＭＮ８０Ｃ
−電力変換器の入力電圧、出力電圧、スイッチング周波数等の、対象の応用形態の仕様に応じて１ｋＷ〜２ｋＷの最大電力変換容量。
【００３６】
図２は、本発明の上記の第１の実施形態による集積磁気構成要素１００の組立分解斜視図を示す。方形基部部材１０２は、実質的に方形の平坦なプレート構造を含む単一の一体構造として形成され、第１の脚部１１０、第２の脚部１１２、第３の脚部１１４及び第４の脚部１１６のそれぞれが平坦なプレートの表面１０３から垂直に突出している。第１の脚部、第２の脚部、第３の脚部及び第４の脚部は方形基部部材１０２のそれぞれの角部に位置している。上部部材１０４は、基部に対して対をなす形状を有し、別の構造として更に形成され、接着／溶接によって、又は粘着テープ若しくは圧入凹部を用いることによって、第１の脚部１１０、第２の脚部１１２、第３の脚部１１４及び第４の脚部１１６のそれぞれの端部に取り付けられる。
【００３７】
図３は、第１の入力導体１０６及び第２の入力導体１０８に関連付けられる直交して延在する第１の磁束通路Φ１及び第２の磁束通路Φ２を概略的に示す。直交して延在する第１の磁束通路及び第２の磁束通路はそれぞれ、本発明の第１の実施形態に従って設計された集積磁気構成要素１００の透磁性コアを通り抜ける実線及び破線の円によって概略的に示される。第１の磁束通路Φ１を通り抜ける磁束は、第１の入力導体１０６を通って流れる入力電流によって生成される。第１の磁束通路Φ１は、第１の入力導体１０６の下方の基部部材部分から、その後、第１の脚部１１０を通って、かつ第２の脚部１１２を通って垂直上方に、その後、平坦な上部プレート１０４を通って第３の脚部１１４及び第４の脚部１１６に向かって水平に、その後、第３の脚部１１４及び第４の脚部１１６を通って垂直下方に、その後、基部部材の平坦なプレート構造を通って水平に延在し、そして、第１の入力導体１０６の下方に位置している基部部材部分に戻る第１の閉磁気ループ又は経路を形成する。
【００３８】
第２の磁束通路Φ２を通り抜ける磁束は、第２の入力導体１０８を通って流れる入力電流によって生成される。第２の磁束通路Φ２は、第２の入力導体１０６の下方の基部部材部分から、その後、第２の脚部１１２を通って、かつ第３の脚部１１４を通って垂直上方に、その後、平坦な上部プレート１０４を通って第１の脚部１１０及び第４の脚部１１６に向かって水平に、その後、これらの脚部１１４、１１６を通って垂直下方に、その後、基部部材１０２の平坦なプレート構造を通って水平に延在し、そして、第２の入力導体１０６の下方に位置している基部部材部分に戻る第２の閉磁気ループ又は経路を形成する。当業者は、第１の磁束通路Φ１の軸が第２の磁束通路Φ２の軸に対して実質的に直交して延在することに気が付くであろう。
【００３９】
その結果として、第１の磁束通路及び第２の磁束通路の向きの上記の解析に従って、第１の入力導体１０６を通って流れる入力電流は、第１の脚部１１０、第２の脚部１１２、第３の脚部１１４及び第４の脚部１１６のそれぞれを通る磁束を生成し、第１の入力導体に対して直交して配置される、第２の入力導体１０８を通って流れる入力電流は、第１の脚部１１０、第２の脚部１１２、第３の脚部１１４及び第４の脚部１１６のそれぞれにおいて磁束を生成する。これらの脚部のそれぞれにおいて結果として生成される磁束は、図７ａ）〜ｄ）に関連して後に更に詳細に論じられるように、これらの入力電流の両方の大きさ及び方向／位相によって決まる。
【００４０】
図４は、本発明の第２の実施形態による集積磁気構成要素４００の組立分解斜視図を示す。参照番号は、第１の実施形態（図１）及び本実施形態４００の対応する機構は対応する呼称を有するように付される。集積磁気構成要素４００において、第１の脚部４１０、第２の脚部４１２、第３の脚部４１４及び第４の脚部４１６の間に延在する第１の入力導体は、第１の一折インダクター巻線４０６の一部を形成する。一折インダクター巻線４０６は、導電性材料の平坦なＵ字形リボン又はストリップを含む。第１の入力導体は、基部部材４０２の上面４０３に当接するか、又は近接して配置される第１の脚部又は腕部として形成される。第１の一折インダクター巻線４０６の第２の脚部又は腕部は基部部材４０２の平坦な方形構造の下方に、かつ第１の脚部と平行に配置される。第１の一折インダクター巻線４０６の架橋又は結合部分は、基部部材の平坦な長方形構造の縁部を回って延在する。第２の脚部、及び架橋又は結合部分は、一折インダクター巻線４０６を通って入力電流が流れるのに応答して、透磁性コアの第１の磁束通路を通って生成される磁束にいなかる顕著な寄与も与えない。
【００４１】
第２の入力導体は、第１の脚部４１０、第２の脚部４１２、第３の脚部４１４及び第４の脚部４１６の間に延在する。第２の入力導体は、第１の一折インダクター巻線４０６と同一の第２の一折インダクター巻線４０８の一部を形成する。第２の一折インダクター巻線４０８は、導電性材料の平坦なＵ字形リボン又はストリップを含み、第２の入力導体は第１の脚部又は腕部を形成する。第２の一折インダクター巻線４０８の第１の脚部は、基部部材４０２の上面４０３において当接して交差するように、第１の一折インダクター巻線４０６の第１の脚部に対して直交して配置される。また、第２の一折インダクター巻線４０８は、第２の脚部及び架橋部分も含み、それらの部分は第２の一折インダクター巻線４０６を通って入力電流が流れるのに応答して、透磁性コアの第２の磁束通路を通って生成される磁束にいなかる顕著な寄与も与えない。それゆえ、第１の一折インダクター巻線４０６及び第２の一折インダクター巻線４０８を通って流れる入力電流によって生成されるそれぞれの磁束は、本発明の第１の実施形態に関連して上記で詳細に説明された磁束に基本的に類似である。詳細には、透磁性コアの第１の磁束通路は、直交して向けられる第１の入力導体及び第２の入力導体に電流が流れることから生じる第１の磁界及び第２の磁界の向きが直交することに起因して、第２の磁束通路に対して実質的に直交して延在する。代替形態における第１の一折インダクター巻線４０６及び第２の一折インダクター巻線４０８はそれぞれ、同じ方向に流れる入力電流を有する複数の平行に延在する第１の入力導体を設けるように複数の一巻インダクター巻線を含むことができることは当業者には理解されよう。導電性材料のＵ字形ストリップの第２の脚部及び架橋部分の役割は、主に、複数巻インダクター巻線のための電流戻り経路を与えることである。先行する実施形態において利用される入力導体と比べて、第１の入力導体及び第２の入力導体の本実施形態の利点は、複数巻によって、変圧器の巻数比が高くなり、磁心損が低くなることである。
【００４２】
図５は、本発明の第３の実施形態による集積磁気構成要素５００の組み立て後の斜視図である。参照番号は、第１の実施形態（図１）及び本実施形態の対応する機構が対応する番号を有するように指示される。集積磁気構成要素５００は、平坦な方形プレート構造を有する基部部材５０２と、同様に実質的に平坦であり、基部部材５０２の外形に共形になる方形のプレート状構造を有する上部部材５０４とを備える。上部部材５０４は、集積磁気構成要素５００のまとまりのある透磁性コアを形成するように、基部部材５０２に対して、第１の脚部５１０、第２の脚部５１２、第３の脚部５１４及び第４の脚部５１６の反対端に堅固に取り付けられ、かつ磁気的に結合される。
【００４３】
集積磁気構成要素５００において、第１の入力導体は、単一の一巻巻線として形成される第１のインダクター巻線５０６の一部を形成する。第１の一巻インダクター巻線５０６は、導電性材料の平坦なリボン又はストリップを含む。しかしながら、本発明の第２の実施形態における第１のインダクター巻線５０６に場合に用いられるＵ字形の代わりに、この第１のインダクター巻線５０６は水平面において折り返され、基部部材５０２の平坦な方形構造の上面５０３に沿って延在する。このようにして、第１の入力インダクター巻線５０６は、水平面内の基部部材５０２の上方にのみ延在する。しかしながら、第１の入力導体は、第１のインダクター巻線５０６の第１の脚部又はセグメントを形成し、集積磁気構成要素５００の上記で論じられた先行する実施形態と同じようにして集積磁気構成要素５００の第１の脚部５１０、第２の脚部５１２、第３の脚部５１４及び第４の脚部５１６の間に延在する導電性材料の平坦な直線ストリップである。第１の入力インダクター巻線５０６の水平に折り返されたレイアウト又は形状は、基部部材５０２の上面５０３において隣接して配置される第４の脚部５１６及び第３の脚部５１４に巻き付けられるか、又はそれらを取り囲む。第１のインダクター巻線５０６の水平に折り返されたレイアウト又は形状は、巻線の折り返された平坦なストリップとして形成される単一の一巻巻線を形成し、入力インダクター巻線５０６の端部セクションに電気的端子（図示せず）が配置されている。第１の入力インダクター巻線５０６は、基部部材５０５の周辺部から外側に突出する第２の脚部５０６ｂと、第１の脚部及び第２の脚部を電気的に、かつ機械的に結合する架橋又は結合部分５０６ｃとを更に備える。第２の脚部５０６ｂ及び架橋部分５０６ｃは、透磁性コアの第１の磁束通路を通して生成される磁束にいなかる顕著な寄与も与えない。これは、これらの導体部分／脚部が、その透磁率が低い周囲空気に磁気的に結合され、基部部材５０２の磁気伝導性材料にごく弱くしか結合されないためである。
【００４４】
第１の入力インダクター巻線５０６と類似の形状及び材料の第２の入力インダクター巻線５０８は、基部部材５０２の平坦な方形構造の上面５０３上に配置されるが、水平面において第１の入力インダクター５０６に対して直交するように向けられる。第２の入力インダクター巻線５０８の水平に折り返されたレイアウト又は形状は、基部部材５０２の上面５０３において隣接して配置される第２の脚部５１２及び第３の脚部５１４に巻き付けられるか、又はそれらを取り囲む。第２の入力インダクター巻線５０８は第１の入力インダクター巻線５０６に対して直交して配置され、同様に、第１の脚部５１０、第２の脚部５１２、第３の脚部５１４及び第４の脚部５１６の間に延在する導電性材料の平坦な直線ストリップを含む第１の入力導体を備える。第１の入力導体は第１の入力インダクター巻線５０６の第１の脚部又はセグメントを形成する。第１の入力導体及び第２の入力導体の軸がこのように直交して配置される結果、第１の入力導体及び第２の入力導体を通って入力電流が流れることに応答して生成される第１の磁界及び第２の磁界の方向がそれに応じて直交する。それゆえ、磁束通路Φ１及びΦ２に関して図３に対応するように、透磁性コアの第１の磁束通路は第２の磁束通路に対して実質的に直交して延在する。
【００４５】
第１の実施形態１００及び第２の実施形態４００と比べて本実施形態５００の利点は、第１の入力インダクター巻線５０６及び第２の入力インダクター巻線５０８の形状が、標準的なタイプのプリント回路基板（ＰＣＢ）、例えば、フレキシブルＰＣＢ又は硬質ＰＣＢ上に集積するのに適していることである。電力変換器の他の構成要素を入力インダクター巻線５０６、５０８とともにＰＣＢ上に集積することができるので、この特徴は、集積磁気構成要素５００の本実施形態に基づいて電力変換器をモジュール化できるようにする。
【００４６】
図６は、本発明の第３の実施形態による上記の集積磁気構成要素５００の組立分解斜視図である。第１の入力インダクター巻線５０６及び第２の入力インダクター巻線５０８の水平に折り返されたレイアウト又は形状が明らかであり、インダクター巻線が電気導体のそれぞれ折り返された平坦なストリップによって形成される。同様に、その図は、第２の入力インダクター巻線５０８に関連付けられる第２のコイル軸５４０に対して、第１の入力インダクター巻線５０６に関連付けられる第１のコイル軸５４２が水平面において直交する向きにあることも示す。
【００４７】
図７ａ）は、４つの異なる入力電流状態のうちの第１の入力電流状態における本発明の第１の実施形態による集積磁気構成要素１００の第１の脚部１１０、第２の脚部１１２、第３の脚部１１４及び第４の脚部１１６を通るそれぞれの磁束の方向を示す。集積磁気構成要素４００、５００の代替の実施形態の第１の脚部１１０、第２の脚部１１２、第３の脚部１１４及び第４の脚部１１６を通るそれぞれの磁束の方向は、上記で論じられた理由から概ね同じであることは当業者には理解されよう。第１の入力電流状態は、第１の入力導体１０６を通って流れる入力電流Ｉ１の指示される方向によって、かつ第２の入力導体１０８を通って流れる入力電流Ｉ２の指示される方向によって特徴付けられる。第１の入力電流状態において、右手の法則を用いるとき、入力電流Ｉ１は第１の磁界を生成し、第１の磁界は、第１の脚部１１０及び第２の脚部１１２を通る同じ方向の実線の矢印１０９ａ及び１０９ｂによって指示される磁束を誘導する。これは、第１の脚部１１０及び第２の脚部１１２が入力導体１０６の同じ側に隣接して配置される結果である。さらに、入力電流Ｉ１は、第３の脚部１１４及び第４の脚部１１６内に同じ方向の実線の矢印１０９ｃ及び１０９ｄによって指示される磁束も生成する。したがって、Ｉ１によって誘導される磁束は、結果として、第３の脚部及び第４の脚部に対して第１の脚部及び第２の脚部を通る磁束の方向を逆向きにし、その向きは図３上に示される第１の磁束通路Φ１によって形成される閉磁気ループの形状の結果である。
【００４８】
第１の入力電流状態では、第２の入力導体１０８を通って流れる入力電流Ｉ２の指示される方向に関して右手の法則を用いる結果として、第１の脚部１１０及び第４の脚部１１６内に同じ方向の破線矢印１１１ｃ及び１１１ｄによって示される磁束が生成される。これは、第1の脚部１１０及び第４の脚部１１６が第２の入力導体１０８の同じ側に配置される結果である。さらに、入力電流Ｉ２は、第２の脚部１１２及び第３の脚部１１４内に同じ方向の破線矢印１１１ｂ及び１１１ａによって示される磁束も生成する。したがって、Ｉ２によって誘導される磁束は、結果として、第２の脚部及び第３の脚部に対して第１及び第４の脚部内の磁束の方向を逆向きにし、その向きは図３上に示される第２の磁束通路Φ２によって形成される閉磁気ループの形状の結果である。
【００４９】
入力電流Ｉ１及びＩ２によって誘導されるそれぞれの磁束のこの解析は、第１の脚部１１０、第２の脚部１１２、第３の脚部１１４及び第４の脚部１１６のそれぞれにおいて結果として生成される磁束が、第１の磁束通路Φ１及び第２の磁束通路Φ２の両方からの磁束寄与又は成分によって決定されることを明らかにする。これは、出力インダクター巻線１２０、１２２、１２４及び１２６のそれぞれにおいて誘導される出力電圧も同様に第１の磁束通路及び第２の磁束通路の両方からの寄与によって決定されることを意味する。
【００５０】
図７ｂ）は、第２の入力電流状態における第１の脚部１１０、第２の脚部１１２、第３の脚部１１４及び第４の脚部１１６を通るそれぞれの磁束の方向を示す。図示される第２の入力電流状態では、第２の入力電流Ｉ２の方向が上記の第１の入力電流状態内のＩ２の方向に対して反転される。第１の入力電流Ｉ１の方向は、第１の入力電流状態の場合と同じである。第１の入力電流及び第２の入力電流に関するこれらの方向の結果、Ｉ１によって誘導される磁束の方向は実線矢印１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃ、１０９ｄによって示されるようになる。同様に、Ｉ２によって誘導された脚部を通るそれぞれの磁束は、破線矢印１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄによって示される。予想どおりに、Ｉ２によって生成される磁束の方向は、第１の脚部１１０、第２の脚部１１２、第３の脚部１１４及び第４の脚部１１６のそれぞれを通って反転されており、一方、Ｉ２によって生成された磁束の方向は各脚部を通って維持されている。
【００５１】
図７ｃ）は、第３の入力電流状態における第１の脚部１１０、第２の脚部１１２、第３の脚部１１４及び第４の脚部１１６を通るそれぞれの磁束の方向を示す。図示される第３の入力電流状態では、第１の入力電流Ｉ１及び第２の入力電流Ｉ２の両方の方向が、図７ａ）による上記の第１の入力電流状態内のそれぞれ方向に対して反転されている。第１の入力電流及び第２の入力電流に関するこれらの方向の結果、Ｉ１によって誘導される磁束の方向は実線矢印１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃ、１０９ｄによって示されるようになる。同様に、Ｉ２によって誘導された脚部を通るそれぞれの磁束は、破線矢印１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄによって示される。予想どおりに、両方の入力電流Ｉ１、Ｉ２が反転することに起因して、誘導される全ての磁束の方向は、第１の脚部１１０、第２の脚部１１２、第３の脚部１１４及び第４の脚部１１６のそれぞれを通って（第１の入力電流状態に対して）反転されている。
【００５２】
図７ｄ）は、第４の入力電流状態における第１の脚部１１０、第２の脚部１１２、第３の脚部１１４及び第４の脚部１１６を通るそれぞれの磁束の方向を示す。図示される第４の入力電流状態では、第１の入力電流Ｉ１の方向が図７ａ）に関連する上記の第１の入力電流状態内のＩ１の方向に対して反転される。第１の入力電流及び第２の入力電流に関するこれらの方向の結果、Ｉ１によって誘導される磁束の方向は実線矢印１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃ、１０９ｄによって示されるようになる。同様に、Ｉ２によって誘導された脚部を通るそれぞれの磁束は、破線矢印１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄによって示される。
【００５３】
第１の入力導体１０６及び第２の入力導体１０８を通って流れる第１及び第２の入力又は励起電流の方向又は極性に応じて、第１の脚部１１０、第２の脚部１１２、第３の脚部１１４及び第４の脚部１１６のそれぞれを通る全体的な磁束、又は結果として生成される磁束を上記のように変更できる結果として、第１の入力導体１０６及び第２の入力導体１０８に印加される電圧波形の相対的なシフトによって出力インダクター巻線１２０、１２２、１２４及び１２６のそれぞれにおいて異なる電圧波形を生成できるようになる。その結果として、出力インダクター巻線１２０、１２２、１２４及び１２６の出力電圧は、入力電圧波形間の位相シフト角、それゆえ、第１の入力導体１０６及び第２の入力導体１０８に印加される入力電流Ｉ１及びＩ２を制御することによって調整することができる。この極めて有用な特性が、第１の入力電圧波形及び第２の入力電圧波形間の種々の位相角シフトの場合に出力インダクター巻線１２０、１２２、１２４及び１２６において測定されたそれぞれの出力電圧波形を示す図１２に関連して後に詳細に示される。
【００５４】
図８は、本発明の第４の実施形態による、３つの別々の入力導体８０６、８０７、８０８を備える集積磁気構成要素８００の組み立て後の斜視図を示す。集積磁気構成要素８００は、中空の立体構造８０１を有する透磁性コアを備える。中空の立体構造８０１は、一体に形成された基部部材８０２及び上部部材８０４を備える。上部部材８０４は、中央に配置される方形切欠き又は開口部８０５を有し、それにより、上部部材構造内に第５の脚部８１１、第６の脚部８１３、第７の脚部８１５及び第８の脚部８１７が形成される。さらに、第１の脚部８１０、第２の脚部８１２、第３の脚部８１４及び第４の脚部８１６が、基部部材８０２から垂直に突出している。第１〜第８の脚部は、中空の立体構造８０１のそれぞれの頂点として形成される。集積磁気構成要素８００は、第１の脚部８１０、第２の脚部８１２、第３の脚部８１４及び第４の脚部８１６にそれぞれ巻き付けられる第１の出力インダクター巻線、第２の出力インダクター巻線、第３の出力インダクター巻線及び第４の出力インダクター巻線を更に備える。さらに、集積磁気構成要素８００は、第５の脚部８１１、第６の脚部８１３、第７の脚部８１５及び第８の脚部９１７にそれぞれ巻き付けられる第５の出力インダクター巻線、第６の出力インダクター巻線、第７の出力インダクター巻線及び第８の出力インダクター巻線を備える。第１〜第８の出力インダクター巻線は、明確にするために、この図には示されない。
【００５５】
第１のインダクター巻線８０６は、導電性材料の平坦なＵ字形のリボン又はストリップとして形成される単一の一巻巻線を備える。導電性材料の平坦なＵ字形ストリップ８０６は、基部部材８０２の上面に近接して配置される脚部又は腕部として形成される第１の入力導体を備えるという点で、本発明の第２の実施形態に関連する上記のＵ字形入力導体４０６に類似である。第１の入力導体は、第１の脚部８１０、第２の脚部８１２、第３の脚部８１４及び第４の脚部８１６の間に延在し、それらの脚部は基部部材８０２から突出し、中空の立体構造８０１の頂点を形成する。平坦なＵ字形インダクター巻線８０６の第２の巻線脚部又は腕部が、基部部材８０２の平坦な中空の方形構造下に配置される。平坦なＵ字形ストリップ８０６の架橋又は結合部分が、基部部材の中空の長方形構造の縁部又は頂点を回って延在する。第１のインダクター巻線８０６と類似の形状、寸法及び材料の第２のインダクター巻線８０８が、第１の入力導体８０６と同じようにして基部部材８０２の中空の方形構造の回りに配置されるか、又は巻き付けられるが、第１のインダクター巻線８０６に対して水平面において直交するように向けられる。第２のインダクター巻線８０８の第１の脚部は第２の入力導体を形成し、第１の入力導体及び第２の入力導体が基部部材８０２の中央領域において互いに重なり合うように、基部部材８０２の上方において、第１の脚部８１０、第２の脚部８１２、第３の脚部８１４及び第４の脚部８１６の間に延在する。
【００５６】
集積磁気構成要素８００は最後に、第１の入力インダクター巻線８０６及び第２の入力インダクター巻線８０８と類似の形状、寸法及び材料の第３の入力インダクター巻線８０７を備える。第３の入力インダクターは、基部部材８０２の中空の方形構造の上面において水平面から垂直方向にオフセットされて、直交して配置される第２の脚部８１２及び第４の脚部８１６の周囲に配置されるか、又はそれらに巻き付けられる。第３のインダクター巻線８０７の第１の脚部は第３の入力導体を形成し、その導体は第１の脚部８１０、第２の脚部８１２、第３の脚部８１４及び第４の脚部８１６の間に延在する。第３のインダクター巻線の向きは、第１のインダクター巻線８０６及び第２のインダクター巻線８０８の向きに対して、水平面の回りで９０度だけ回転している。第３のインダクター巻線８０７は、それに印加される第３の入力電流に応答して、透磁性コア８０１の第３の磁束通路を通る第３の磁束を誘導するように構成される。後に更に詳細に説明されるように、この第３の入力電流によって、透磁性コア８０１内で第１の磁束通路に対して実質的に直交し、かつ第２の磁束通路に対して実質的に直交して延在する第３の磁束通路が形成される。
【００５７】
図９は、集積磁気構成要素８００のコア８０１内の、直交して配置される第１の磁束通路８２３、第２の磁束通路８２５及び第３の磁束通路８２７を概略的に示す。破線８２３によって示される第１の磁束通路は、第１の入力導体８０６に印加される第１の入力電流に応答して生成される磁束を伝導し、磁束は第１の入力インダクター８０６を通る入力電流の方向に応じて上から下に、又はその逆に流れる。点線８２５によって示される第２の磁束通路は、第２の入力導体８０８に印加される第２の入力電流に応答して生成される磁束を伝導し、磁束は第２の入力インダクター８０８を通る入力電流の方向に応じて上から下に、又はその逆に流れる。図示されるように、これらの磁束通路によって形成される閉磁気ループのそれぞれの軸が実質的に直交するという意味において、第１の磁束通路８２３は第２の磁束通路８２５に対して実質的に直交して配置される。実線８２７によって示される第３の磁束通路は、第３の入力インダクター８０７に印加される第３の電流に応答して生成された磁束を伝導し、第３の入力インダクター８０７を通る入力電流の方向に応じて、磁束はコア８０１に近い垂直面から遠い垂直面に、又はその逆に流れる。
【００５８】
図示されるように、第３の磁束通路８２７は、第２の磁束通路８２５に対して実質的に直交し、かつ第１の磁束通路８２３に対して実質的に直交して延在し、３つ全ての磁束通路が互いに直交する。第１の磁束通路、第２の磁束通路及び第３の磁束通路が直交して配置されることによって、第１の入力導体、第２の入力導体及び第３の入力導体の３Ｄにおける直交による磁束分離がもたらされ、それにより、共通のＤＣ出力電圧に電力を供給するために、多入力電力変換器の３つの独立した入力電圧源を適応させ、協働させることができるように、任意の相互の磁気結合を生じることなく、入力導体が実質的に独立して動作できるようになる。
【００５９】
図１０は、本発明の第５の実施形態による、３つの別々の入力導体１００６、１００７、１００８を備える集積磁気構成要素１０００の組み立て後の斜視図を示す。集積磁気構成要素１０００は、中空の立体構造を有する透磁性コア１００１を備える。中空の立体構造１００１は、一体に形成される基部部材１００２と上部部材１００４とを備える。透磁性コア１００１上の第１の入力導体１００６、第２の入力導体１００８及び第３の入力導体１００７の配置は、本発明の第４の実施形態に関連して上記で開示され、詳細に論じられた入力導体に類似である。同様に、第１の入力導体１００６、第２の入力導体１００８及び第３の入力導体１００７の形状、材料及び寸法は、本発明の第４の実施形態に関連して上記で詳細に論じられたのと同じにすることができる。しかしながら、先行する実施形態の上部部材は中央に配置される方形開口部を含み、それにより４つの付加的な脚部を形成したが、本上部部材は中実のプレート状構造である。本実施形態の中空の立体コア構造１００１が、集積磁気構成要素８００の第４の実施形態の、直交して配置される第１の磁束通路８２３、第２の磁束通路８２５及び第３の磁束通路８２７のような対応する１組の３つの直交する磁束通路をサポートできることは当業者には理解されよう。集積磁気構成要素１０００は、第１の脚部１０１０、第２の脚部１０１２、第３の脚部１０１４及び第４の脚部１０１６にそれぞれ巻き付けられる少なくとも第１の出力インダクター巻線、第２の出力インダクター巻線、第３の出力インダクター巻線及び第４の出力インダクター巻線を更に備えることが好ましい。これらの出力インダクター巻線は、明確にするために図から除外されている。
【００６０】
図１１は、第１の実施形態による、集積磁気構成要素１１００を備える２入力絶縁昇圧ＤＣ−ＤＣ変換器の回路図である。集積磁気構成要素１１００は２入力絶縁昇圧ＤＣ−ＤＣ変換器内の変圧器としての役割を果たし、第１の入力導体ＳＩ１及び第２の入力導体ＳＩ２は変圧器の一次側に配置され、第１の出力インダクター巻線Ｓ１、第２の出力インダクター巻線Ｓ２、第３の出力インダクター巻線Ｓ３及び第４の出力インダクター巻線Ｓ４が変圧器の二次側に配置されている。本集積磁気構成要素１１００は、いずれも２入力導体アーキテクチャを含む集積磁気構成要素の上記で論じられた第２の実施形態及び第３の実施形態のいずれかによる集積磁気構成要素で置き換えることができることは当業者には理解されよう。代替形態では、本集積磁気構成要素１１００が、それぞれ３入力導体構成を含むにもかかわらず、集積磁気構成要素の上記で論じられた第４の実施形態及び第５の実施形態のいずれかによる集積磁気構成要素で置き換えることができる。ただし、３入力導体のいずれか１つが、入力電圧源を接続することなく開放状態のままにされる場合があるが、それでも、２つの残りの入力導体のみを使用中に集積磁気構成要素の動作が劣化することはない。巻線比は図に示されるように１：ｎである。ただし、ｎは０．１〜１００の値を有することができる。巻数比は、出力インダクター巻線の巻線数に対する入力導体の数と定義される。その結果、第１の入力導体、第２の入力導体及び第３の入力導体はそれぞれ、出力インダクター巻線のそれぞれの巻線数よりも少ないか、同じか、又は多く導体を有することができる。
【００６１】
２入力絶縁昇圧ＤＣ−ＤＣ変換器は、第１の入力導体ＳＩ１に変換器に第１のドライブ信号を供給するために第１の入力導体ＳＩ１に電気的に結合される第１の入力ドライバー１１０２と、第２の入力導体ＳＩ２に第２のドライブ信号を供給するために第２の入力導体ＳＩ２に電気的に結合される第２の入力ドライバー１１０４とを備える。図１の第１の巻線１２０に対応する第１の出力インダクター巻線Ｓ１が、例えば、図１の第３の出力巻線１２４に対応する第２の出力インダクター巻線Ｓ３と直列に結合され、集積磁気構成要素１１００の、直交して配置される脚部にＳ１及びＳ３が巻き付けられるようにする。Ｓ１及びＳ３のそれぞれの端子は、回路ノードＥ及びＦにおいてそれぞれ、第１の出力整流回路１１１０に電気的に結合される。図１の第２の巻線１２２に対応する第３の出力インダクター巻線Ｓ２が、例えば、図１の第４の出力巻線１２６に対応する第４の出力インダクター巻線Ｓ４と直列に結合され、集積磁気構成要素１１００の、それぞれ直交して配置される脚部にＳ２及びＳ４が巻き付けられるようにする。Ｓ２及びＳ４のそれぞれの端子は、回路ノードＧ及びＨにおいてそれぞれ、第２の出力整流回路１１１４に電気的に結合される。第１の出力整流回路１１１０及び第２の出力整流回路１１１４はそれぞれ全波ダイオード整流器を含む。第１の出力整流回路１１１０の全波ダイオード整流器は半導体ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３及びＤ４を含み、一方、第２の出力整流回路１１１４の全波ダイオード整流器は、半導体ダイオードＤ５、Ｄ６、Ｄ７及びＤ８を含む。第１の出力整流回路１１１０及び第２の出力整流回路１１１４はＶ０のＤＣ出力電圧に対して並列に結合される。２入力絶縁昇圧ＤＣ−ＤＣ変換器にかかる負荷は、負荷抵抗ＲＬによって概略的に示される。第１の出力整流回路１１１０及び第２の出力整流回路１１１４によって供給される整流済みの電圧波形内の電圧リップルを抑圧するために、かつ安定した低リップルＤＣ出力電圧を与えるために、ＤＣ出力電圧ノードの両端に出力キャパシターＣが結合される。
【００６２】
第１の入力ドライバー１１０２は第１の入力電圧Ｖ１に結合されるＨブリッジトランジスタドライバーを含み、第１の入力電圧は、例えば、第１の昇圧インダクターＬ１を通る５ボルト〜１００ボルトのＤＣ電圧とすることができる。第１のＨブリッジトランジスタドライバーの相補的な出力ノード、それぞれノードＡ及びノードＢは、第１の入力導体Ｓｉ１の両端に電気的に結合される。第２の入力ドライバー１１０４は、第２の入力電圧Ｖ２に結合されるＨブリッジトランジスタドライバーを含み、第２の入力電圧は、例えば、第２の昇圧インダクターＬ２を通る５ボルト〜１００ボルトのＤＣ電圧とすることができる。第２のＨブリッジトランジスタドライバーの相補的な出力ノード、ノードＣ及びノードＤは第２の入力導体ＳＩ２の両端に電気的に結合される。
【００６３】
上記で説明されたように、集積磁気構成要素１１００の透磁性コア内で、第１の入力導体ＳＩ１及び第２の入力導体ＳＩ２に関連付けられる第１の磁束通路及び第２の磁束通路が直交して配置されることにより、第１の入力導体及び第２の入力導体の２次元（２Ｄ）（更には３Ｄ）における直交による磁束分離がもたらされ、これらの入力導体が独立して動作できるようになり、それにより、入力電圧源Ｖ１及びＶ２は図１１に示されるように接地のような共通の電位に結合できるようになる。例えば、図３に関連して上記で説明されたように、ＳＩ１によって生成される磁束又は磁界は、透磁性コア内でＳＩ２の入力導体軸と平行に延在し、その逆も同様あるので、第１の入力導体ＳＩ１を通って流れる入力電流によって生成されるか、又は誘導される磁束は、第２の入力導体ＳＩ２内に実質的に磁束を誘導しない。
【００６４】
図１２において、上側のグラフａ）は、第１の入力電圧波形と第２の入力電圧波形との間の位相角シフトが９０度である場合のプロトタイプ２入力絶縁昇圧ＤＣ−ＤＣ変換器の第１の組のシミュレートされた入力電圧波形及び出力電圧波形を表す。第１の入力電圧波形及び第２の入力電圧波形は第１のＰＷＭ変調ドライブ信号及び第２のＰＷＭ変調ドライブ信号として第１の入力導体ＳＩ１及び第２のＳＩ２のそれぞれに印加される。ＰＷＭ変調の第１のドライブ信号及び第２のドライブ信号のデューティサイクルは７５％に固定された。
【００６５】
グラフａ）は、９０度の位相シフト角の場合に、第１の入力導体ＳＩ１及び第２の入力導体ＳＩ２にそれぞれ印加される第１のドライブ信号波形ＶＴ１及び第２のドライブ信号波形ＶＴ２を表す。第１１の出力インダクター巻線１２０、第２の出力インダクター巻線１２２、第３の出力インダクター巻線１２４及び第４の出力インダクター巻線１２６において誘導されるそれぞれの出力信号波形ＶＳ１ｖ、ＶＳ２、ＶＳ３及びＶＳ４が下にプロットされる。同様に図１２のグラフｂ）は、０度の位相シフト角の場合に、第１の入力導体ＳＩ１及び第２の入力導体ＳＩ２にそれぞれ印加される第１のドライブ信号波形ＶＴ１及び第２のドライブ信号波形ＶＴ２を表す。それに応答して、第１の出力インダクター巻線１２０、第２の出力インダクター巻線１２２、第３の出力インダクター巻線１２４及び第４の出力インダクター巻線１２６において誘導されるそれぞれの出力信号波形ＶＳ１ｖ、ＶＳ２、ＶＳ３及びＶＳ４が下にプロットされる。
【００６６】
最後に、図１３のグラフａ）及びｂ）は、１８０度及び４５度の位相シフト角の場合に、第１の入力導体ＳＩ１及び第２の入力導体ＳＩ２にそれぞれ印加される第１のドライブ信号波形ＶＴ１及び第２のドライブ信号波形ＶＴ２を表す。各位相シフト角において、それに応答して、第１の出力インダクター巻線１２０、第２の出力インダクター巻線１２２、第３の出力インダクター巻線１２４及び第４の出力インダクター巻線１２６において誘導されるそれぞれの出力信号波形ＶＳ１ｖ、ＶＳ２、ＶＳ３及びＶＳ４がドライブ信号波形の下にプロットされる。図示されるように、それぞれの出力信号波形ＶＳ１ｖ、ＶＳ２、ＶＳ３及びＶＳ４は、第１のドライブ信号波形ＶＴ１と第２のドライブ信号波形ＶＴ２との間の位相シフト角を調整することによって調整することができる。位相シフト角が０度又は１８０度であるときに、最大ＤＣ出力電圧が生成され、一方、９０度の位相角シフトの場合に最小ＤＣ出力電圧が生成される。さらに、ＰＷＭ変調された第１のドライブ信号及び第２のドライブ信号のデューティサイクルを調整することによって、ＤＣ出力電圧を制御することもできる。これは、ＤＣ出力電圧がＰＷＭ入力信号のデューティサイクル制御によってしか調整されない従来の電力変換器とは対照的である。
【００６７】
さらに、図１３ｂ）に示されるように、第１のドライブ信号波形と第２のドライブ信号波形との間の４５度の位相シフト角の場合の出力信号波形ＶＳ１、ＶＳ２、ＶＳ３及びＶＳ４のそれぞれにおいて、多レベル出力電圧波形が生成される。その多レベル出力電圧波形は、多レベル電力変換器の新たなトポロジーに対する興味深い可能性を例示しており、従来のダイオードクランプによるカスケード変換器トポロジー及びキャパシタークランプによる多レベル変換器トポロジーの代わりに用いることができる。生成された多レベル出力電圧波形の１つの利点は、第１の入力ドライバー１１０２のＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１〜Ｍ４のそれぞれを通るピーク電流及び第２の入力ドライバー１１０４のＭＯＳＦＥＴ  Ｍ５〜Ｍ８のそれぞれを通るピーク電流が低減されることである。同様に、第１の入力導体及び第２の入力導体のそれぞれにおいて、かつ出力インダクター巻線において誘導されるピーク電流も、４５度位相シフト角設定によって生成される多レベル波形に起因して、著しく低減することができる。この特徴は、電力変換器のより高い変換効率にもつながる。
【００６８】
本電力変換器の別の利点は、第１の出力インダクター巻線Ｓ１、第２の出力インダクター巻線Ｓ３、第３の出力インダクター巻線Ｓ３及び第４の出力インダクター巻線Ｓ４のそれぞれにおいていかなる間欠的な０電圧レベル又はプラットフォームも誘導することなく、ＰＷＭ変調入力信号の５０％デューティサイクルにおいて、純粋に長方形のパルス波形を生成できることである。長方形のパルス波形は、第１のドライブ信号波形と第２のドライブ信号波形との間の位相シフト角が９０度であるときに生成され、出力フィルターが存在しない場合であっても、ＤＣ出力電圧において０の電圧リップルを理想的に達成することができる。これは、基部部材の脚部上に直交して配置される出力インダクター巻線が、集積磁気構成要素（変圧器のように動作する）の二次側において直列に結合されることを必要とする。
参考文献：
[1]Y -C. Liu, Y -M. Chen, "A systematic approach to synthesizing multi-input dc-dc conveners,” IEEE Transactions 011 Power Electron., vol.24, no. 1, pp. 6-127, Jan. 2009.
[2]K. Kobayashi, H. Matsuo. And Y. Sekinc, "Novel solar-cell power supply system using a multiple-input DC-DC convener." IEEE Trans. Ind. Elektron., vol. 53, no. 1, pp. 281-286. Feb. 2006.
[3]H. Matsuo, T. Shigemizu, F. Kurokawa, N. Watanabe, "Characteristics of the multiple-input de-de convener," IEEE Transactions 011 Ind. Electron., vol.SI, no.3. pp.625-631, June 2004.
[4]K.P. Yalanmanchili, M. Ferdowsi. "Review of multiple input dc-dc converters for electric and hybrid vehicles," IEEE Vehicle Power and Propulsion Co11jere11ce, pp. 160-163, 7-9 Sept. 2005.
[5]Y-M. Chen, Y-C. Liu and F-Y. Wu. "Multi-input de/de converter based on the multi-winding transformer for renewable energy applications", IEEE Transactions On industry Appl. vol. 38, no.4, pp. I096-II04, July 2002.
[61 S.S. Ochi and E.H. Wittenbreder, "Integrated multi-transformer" US patent, US20090230776A1.
[7]F. Zhang, F. Peng, and Z. Qian, "Study of the multilevel conveners in dc-dc applications" in Proc. IEEE PESC, pp.I702-1706, 2004.
[8]M. Nymand, 'Switch mode pulse width modulated dc-dc convener with multiple power transformers: WO/2009/012778. International Patent Application PCT/DK 2008/000274.
【図１】
2014530489.tif 000003
【図２】
2014530489.tif 000004
【図３】
2014530489.tif 000005
【図４】
2014530489.tif 000006
【図５】
2014530489.tif 000007
【図６】
2014530489.tif 000008
【図７ａ】
2014530489.tif 000009
【図７ｂ】
2014530489.tif 000010
【図７ｃ】
2014530489.tif 000011
【図７ｄ】
2014530489.tif 000012
【図８】
2014530489.tif 000013
【図９】
2014530489.tif 000014
【図１０】
2014530489.tif 000015
【図１１】
2014530489.tif 000016
【図１２】
2014530489.tif 000017
【図１３】
2014530489.tif 000018
【国際調査報告】
2014530489.tif 000019
2014530489.tif 000020
2014530489.tif 000021