(57)【要約】      （修正有）【課題】リアクトルのインダクタンスを好適に推定する。【解決手段】電力変換装置は、コア及びコイルを有するリアクトルと、コアのギャップ間に設けられた磁気センサと、磁気センサと電気的に接続される基板と、基板上に設けられた制御部とを備える。制御部は、磁気センサから通電時のコアの磁束密度（Ｂ）を取得する取得手段１１０と、コアの磁束密度からギャップの寸法（Ｇ）を推定する第１推定手段１２０と、ギャップの寸法からリアクトルのインダクタンス（Ｌ）を推定する第２推定手段１３０とを有する。【選択図】図４
2017079513.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コア及びコイルを有するリアクトルと、
前記コアのギャップ間に設けられた磁気センサと、
前記磁気センサと電気的に接続される基板と、
前記基板上に設けられた制御部と
を備え、
前記制御部は、
前記磁気センサから通電時の前記コアの磁束密度を取得する取得手段と、
前記コアの磁束密度から前記ギャップの寸法を推定する第１推定手段と、
前記ギャップの寸法から前記リアクトルのインダクタンスを推定する第２推定手段と
を有することを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リアクトルを備えて構成される電力変換装置の技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の電力変換装置として、故障検出等のためにリアクトルのインダクタンスを推定するものが知られている。特許文献１では、リアクトルに印加された電圧とリアクトルを流れる電流の時間的変化とに基づいて、リアクトルのインダクタンスを算出するという技術が開示されている。
【０００３】
他方、特許文献２では、磁性体コアのギャップ内に設けられた磁電変換素子によって電流を検出するという技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−０９９５１８号公報
【特許文献２】特開２０１３−０５４０１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
リアクトルのインダクタンスＬは、電圧Ｖ及び電流ｉの時間的変化を用いて、以下の数式（１）により算出することができる。
【０００６】
Ｌ＝Ｖ／（ｄｉ／ｄｔ）  ・・・（１）
【０００７】
しかしながら、上記数式（１）で算出されるインダクタンスＬは、リアクトル以外の寄生インダクタンスを含んでおり、真の値（即ち、リアクトル単独のインダクタンス）とは異なる値になる。特に、電流センサの配置位置によっては寄生インダクタンスが大きな値となり、算出されるインダクタンスのＬの誤差は増大してしまう。
【０００８】
また、電流センサは、通電時の磁束を検出するという原理上、ノイズ的に発生するセンサ周辺の磁束までも検出してしまう。このため、電流センサが電磁ノイズの多い場所に配置された場合、検出される電流値の誤差が大きくなり、結果としてインダクタンスＬの誤差も増大してしまう。
【０００９】
上述した誤差の発生を懸念して、リアクトルの近くに電流センサを配置した場合、電流センサのコアとリアクトルのコアとが磁気干渉してしまう可能性が高まる。このような磁気干渉は、算出されるインダクタンスＬが真の値からずれる要因となる。
【００１０】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、リアクトルのインダクタンスを好適に推定することが可能な電力変換装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の電力変換装置は、コア及びコイルを有するリアクトルと、前記コアのギャップ間に設けられた磁気センサと、前記磁気センサと電気的に接続される基板と、前記基板上に設けられた制御部とを備え、前記制御部は、前記磁気センサから通電時の前記コアの磁束密度を取得する取得手段と、前記コアの磁束密度から前記ギャップの寸法を推定する第１推定手段と、前記ギャップの寸法から前記リアクトルのインダクタンスを推定する第２推定手段とを有する。
【００１２】
本発明の電力変換装置では、リアクトルのコアのギャップ間に設けられた磁気センサにより、通電時の磁束密度が検出される。検出された磁束密度からは、ギャップの寸法が推定される。また、推定されたギャップの寸法からは、リアクトルのインダクタンスが推定される。このようにして推定されたインダクタンスは、例えば電流センサ等を用いて推定されるリアクトルと比較して、より正確な値となる。
【００１３】
本発明の作用及び他の利得は次に説明する実施するための形態から明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態に係る電力変換装置の回路構成を示す回路図である。
【図２】実施形態に係る電力変換装置の構成を示す側面図である。
【図３】リアクトルの具体的な構成を示す部分拡大図である。
【図４】制御ＣＰＵの具体的な構成を示すブロック図である。
【図５】実施形態に係る電力変換装置によるインダクタンス推定処理の流れを示すフローチャートである。
【図６】ギャップ寸法と磁束密度との関係を示すマップである。
【図７】ギャップ寸法とインダクタンスとの関係を示すマップである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の電力変換装置に係る実施形態を、図面に基づいて説明する。
【００１６】
（電力変換装置の構成）
まず、本実施形態に係る電力変換装置の構成について、図１及び図２を参照して説明する。ここに図１は、実施形態に係る電力変換装置の回路構成を示す回路図である。また図２は、実施形態に係る電力変換装置の構成を示す側面図である。
【００１７】
図１において、本実施形態に係る電力変換装置１は、所謂マルチポート電源装置として構成されている。電力変換装置１は、例えば自動車に搭載され、用途に応じた電力を供給するために昇圧及び降圧動作を行う。電力変換装置１は、電源１０、１次側スイッチング回路２０、トランス３０、リアクトル４０、２次側スイッチング回路５０、第１キャパシタ６０、第１負荷７０、第２キャパシタ８０、第２負荷９０、及び制御ＣＰＵ１００を備えて構成されている。なお、電力変換装置１は、ここでは図示されていない部位を備えて構成されてもよい。
【００１８】
電源１０は、１次側スイッチ２１、２２、２３及び２４によって構成される１次側スイッチング回路２０を介して、トランス３０の一方側のコイルに電気的に接続されている。なお、１次側スイッチ２１、２２、２３及び２４の各々は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）として構成されている。
【００１９】
トランス３０の他方側のコイルは、リアクトル４０、並びに２次側スイッチ５１、５２、５３及び５４によって構成される２次側スイッチング回路５０を介して、第１キャパシタ６０及び第１負荷７０に電気的に接続されている。なお、２次側スイッチ５１、５２、５３及び５４の各々は、ＭＯＳＦＥＴとして構成されている。トランス３０の他方側のコイルのセンタータップは、第２キャパシタ８０及び第２負荷９０に電気的に接続されている。
【００２０】
制御ＣＰＵ１００は、演算回路や記憶装置を含んで構成されており、電力変換装置１の動作を制御するコントローラとして機能する。具体的には、制御ＣＰＵ１００は、１次側スイッチング回路２０の１次側スイッチ２１、２２、２３及び２４、並びに２次側スイッチング回路５０の２次側スイッチ５１、５２、５３及び５５の各々のオンオフを制御することで、電力変換装置１による伝送電力を制御する。なお、電力変換装置１の通常の動作については、既存の技術を採用することができるため、ここでの詳細な説明を省略する。
【００２１】
図２において、上述した電力変換装置１の主要な部分は、基板２００上に構成されている（図２では、説明の便宜上、図１で示した部位のうち一部の部位のみを図示している）。基板２００は、装置筐体３００上に、支持部２１０及び２２０により支持されている。また基板２００は、外部と電気的に接続可能なコネクタ４００を備えている。
【００２２】
（リアクトルの構成）
次に、本実施形態に係るリアクトル４０の構成について、図３を参照して詳細に説明する。ここに図３は、リアクトルの具体的な構成を示す部分拡大図である。
【００２３】
図３において、本実施形態に係るリアクトル４０は、磁性体として構成されるコア４１、及びコイル４２を備えて構成されている。コア４１には、ギャップ４３が設けられている。ギャップ４３には、磁気センサ５００が配置されている。
【００２４】
磁気センサ５００は、ギャップ４３よりも小さいホールＩＣとして構成されており、接着等によりギャップ４３内部に固定されている。また、磁気センサ５００は、配線６００を介して基板２００に電気的に接続されている。磁気センサ５００は、コア４１周囲に発生する磁束密度Ｂを検出して、その値を制御ＣＰＵ１００に出力可能に構成されている。
【００２５】
（制御ＣＰＵの構成）
次に、本実施形態に係る制御ＣＰＵ１００の構成について、図４を参照して詳細に説明する。ここに図４は、制御ＣＰＵの具体的な構成を示すブロック図である。
【００２６】
図４において、本実施形態に係る制御ＣＰＵ１００は、磁束密度取得部１１０、ギャップ寸法推定部１２０、インダクタンス推定部１３０、インダクタンス記憶部１４０、及び伝送電力制御部１５０を備えて構成されている。制御ＣＰＵ１００は、「制御部」の一具体例である。また、磁束密度取得部１１０、ギャップ寸法推定部１２０、及びインダクタンス推定部１３０は、夫々「取得手段」、「第１推定部」及び「第２推定部」の一具体例である。
【００２７】
磁束密度取得部１１０は、磁気センサ５００により検出された磁束密度Ｂを取得して、ギャップ寸法推定部１２０に出力可能に構成されている。ギャップ寸法推定部１２０は、磁束密度取得部１１０から入力された磁束密度Ｂから、ギャップ４３の寸法（幅）であるギャップ寸法Ｇを推定して、インダクタンス推定部１３０に出力可能に構成されている。インダクタンス推定部１３０は、ギャップ寸法推定部１２０から入力されたギャップ寸法Ｇから、リアクトル４０のインダクタンスＬを推定して、インダクタンス記憶部１４０に出力可能に構成されている。インダクタンス記憶部１４０は、インダクタンス推定部１３０から入力されたインダクタンスＬを記憶可能に構成されている。伝送電力制御部１５０は、インダクタンス記憶部１４０に記憶されたインダクタンスＬを読み出して、伝送電力制御に利用することが可能に構成されている。
【００２８】
制御ＣＰＵ１００は、上記構成により、リアクトル４０のインダクタンスＬを推定するインダクタンス推定処理を実行可能である。インダクタンス推定処理の具体的な処理内容及びその効果については、以下で詳細に説明する。
【００２９】
（インダクタンス推定処理）
次に、電力変換装置１において実行されるインダクタンス推定処理について、図５を参照して説明する。ここに図５は、実施形態に係る電力変換装置によるインダクタンス推定処理の流れを示すフローチャートである。
【００３０】
図５において、インダクタンス推定処理が開始されると、まず電力変換装置１に定電圧、定電流（例えば、電圧２０Ｖ、電流４０Ａ）での通電が行われる（ステップＳ１０１）。この通電は、コネクタ４００（図２参照）に接続された外部装置によって実現される。通電は、少なくとも後述する磁束密度Ｂの検出が終了するまでは実行され続ける。
【００３１】
続いて、通電が行わている状態で、磁気センサ５００による磁束密度Ｂの検出が行われる。そして、制御ＣＰＵ１００の磁束密度取得部１１０では、磁気センサ５００で検出された磁束密度Ｂが取得される（ステップＳ１０２）。
【００３２】
取得された磁束密度Ｂは、ギャップ寸法推定部１２０に出力される。ギャップ寸法推定部１２０では、入力された磁束密度Ｂから、ギャップ寸法Ｇが推定される（ステップＳ１０３）。具体的には、ギャップ寸法推定部１２０では、予め記憶された磁束密度Ｂとギャップ寸法Ｇとの関係から、ギャップ寸法Ｇが推定される。
【００３３】
以下では、ギャップ寸法Ｇと磁束密度Ｂとの関係について、図６を参照して具体的に説明する。ここに図６は、ギャップ寸法と磁束密度との関係を示すマップである。
【００３４】
図６に示すように、本願発明者の研究するところによれば、ギャップ寸法Ｇと磁束密度Ｂとの間には１対１の対応関係があることが判明している。具体的には、図を見ても分かるように、ギャップ寸法Ｇが大きいほど磁束密度Ｂは小さくなる傾向にあることが分かっている。ギャップ寸法推定部１２０では、このようなマップを利用してギャップ寸法Ｇが推定される。なお、ギャップ寸法Ｇと磁束密度Ｂとの関係は、事前のシミュレーション等により実験的に求めることが可能である。
【００３５】
図５に戻り、推定されたギャップ寸法Ｇは、インダクタンス推定部１３０に出力される。インダクタンス推定部１３０では、入力されたギャップ寸法Ｇから、リアクトル４０のインダクタンスＬが推定される（ステップＳ１０４）。具体的には、インダクタンス推定部１３０では、予め記憶されたギャップ寸法ＧとインダクタンスＬとの関係から、インダクタンスＬが推定される。
【００３６】
以下では、ギャップ寸法ＧとインダクタンスＬとの関係について、図７を参照して具体的に説明する。ここに図７は、ギャップ寸法とインダクタンスとの関係を示すマップである。
【００３７】
図７に示すように、本願発明者の研究するところによれば、ギャップ寸法ＧとインダクタンスＬとの間には１対１の対応関係があることが判明している。具体的には、図を見ても分かるように、ギャップ寸法Ｇが大きいほどインダクタンスＬは小さくなる傾向にあることが分かっている。インダクタンス推定部１３０では、このようなマップを利用してインダクタンスＬが推定される。なお、ギャップ寸法ＧとインダクタンスＬとの関係は、事前のシミュレーション等により実験的に求めることが可能である。
【００３８】
再び図５に戻り、推定されたインダクタンスＬは、インダクタンス記憶部１４０に記憶される（ステップＳ１０５）。なお、既にインダクタンスＬが記憶されている状態で、インダクタンス記憶部１４０に新たなインダクタンスＬが入力された場合には、記憶されていたインダクタンスＬに新たなインダクタンスＬを上書きすればよい。ただし、インダクタンス記憶部１４０は、複数のインダクタンスＬを記憶可能に構成されてもよい。
【００３９】
以上説明した一連の処理により、インダクタンス推定処理は終了する。インダクタンス推定処理によって推定されたインダクタンスＬ（即ち、インダクタンス記憶部１４０に記憶された値）は、電力変換装置１における伝送電力の制御に利用される。なお、インダクタンス推定処理は、装置の製造工程（即ち、装置の使用開始前）に一度実行されるだけでよい。ただし、インダクタンスＬの値が変動する可能性がある場合には、その都度インダクタンス推定処理を実行するようにしてもよい。
【００４０】
（発明の効果）
本実施形態に係る電力変換装置１では、上述したインダクタンス推定処理により、リアクトル４０のインダクタンスＬが推定される。ここで、リアクトル４０のインダクタンスＬは、電圧及び電流の時間的変化を用いて求めることも可能である。しかしながら、そのようにして求められるインダクタンスＬの値には、例えば寄生インダクタンスや、電流センサによる不要な磁束の検出、リアクトル４０のコア４１と電流センサのコアとの磁気干渉等に起因して、無視できない誤差が生ずるおそれがある。
【００４１】
これに対し、本実施形態に係るインダクタンス推定処理では、リアクトル４０のギャップ４３に設けられた磁気センサ５００で検出された磁束密度Ｂからギャップ寸法Ｇが推定され、そのギャップ寸法ＧからインダクタンスＬが推定される。このようにすれば、上述した誤差の要因を回避して、リアクトル４０のインダクタンスＬを正確に推定することが可能である。その結果、インダクタンスＬの値を利用した伝送電力の制御を高精度で行うことが可能となる。なお、伝送電力の制御以外の制御にもインダクタンスＬを利用する場合には、それらの制御についても有益な効果を得ることができる。
【００４２】
なお、上述した実施形態では、リアクトル４０のインダクタンスＬを推定する例について説明したが、同様にトランス３０のインダクタンスＬを推定することも可能である。具体的には、トランス３０のコアのギャップ間に磁気センサ５００を設けておき、その磁気センサ５００によって検出される磁束密度Ｂを利用して、ギャップ寸法Ｇ、インダクタンスＬを順に推定すればよい。このように、トランス３０は、「リアクトル」の一具体例となり得る。
【００４３】
本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う電力変換装置もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４４】
１  電力変換装置
１０  電源
２０  １次側スイッチング回路
２１，２２，２３，２４  １次側スイッチ
３０  トランス
４０  リアクトル
４１  コア
４２  コイル
４３  ギャップ
５０  ２次側スイッチング回路
５１，５２，５３，５４  ２次側スイッチ
６０  第１キャパシタ
７０  第１負荷
８０  第２キャパシタ
９０  第２負荷
１００  制御ＣＰＵ
１１０  磁束密度取得部
１２０  ギャップ寸法推定部
１３０  インダクタンス推定部
１４０  インダクタンス記憶部
１５０  電装電力制御部
２００  基板
２１０，２２０  支持部
３００  装置筐体
４００  コネクタ
５００  磁気センサ
６００  配線
Ｂ  磁束密度
Ｇ  ギャップ寸法
Ｌ  インダクタンス
【図１】
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【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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