(57)【要約】【課題】  ギャップの長さが一定でないコイルを有する電力変換装置において、コイルに必要なインダクタンスを確保し、回路に過電流が流れることを防止するように制御する。【解決手段】  コア１２の一部にギャップ１３を有するコイル１１を備える電源回路１０と、電源回路の電流を検出する電流検出部２０と、電流検出部が検出した電流に基づいて電源回路の動作を制御する制御部３０とを備え、ギャップは、他方の面１７に対向する第一面１５と、第一面より離れて他方の面に対向する第二面１６からなる段差１４を有し、制御部は、第一面に磁気飽和が生じた時の電源回路の電流値である第一電流値と、第一面および第二面に磁気飽和が生じた時の電源回路の電流値である第二電流値との間に閾値を設け、電流検出部が検出した電流が閾値を超えた場合に、電源回路の動作を制限する電力変換装置１００。【選択図】  図１
2017147815.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアの一部にギャップを有するコイルを備える電源回路と、
前記電源回路の電流を検出する電流検出部と、
前記電流検出部が検出した電流に基づいて前記電源回路の動作を制御する制御部と、
を備える電力変換装置であって、
前記ギャップは、他方の面に対向する第一面と、前記第一面より離れて前記他方の面に対向する第二面からなる段差を有し、
前記制御部は、前記第一面に磁気飽和が生じた時の前記電源回路の電流値である第一電流値と、前記第一面および前記第二面に磁気飽和が生じた時の前記電源回路の電流値である第二電流値との間に閾値を設け、前記電流検出部が検出した電流が前記閾値を超えた場合に、前記電源回路の動作を制限する、
電力変換装置。
【請求項２】
コアの一部にギャップを有するコイルを備える電源回路と、
前記電源回路の電流を検出する電流検出部と、
前記電流検出部が検出した電流に基づいて前記電源回路の動作を制御する制御部と、
を備える電力変換装置における制御方法であって、
前記コイルは、前記ギャップにより前記電源回路の第一電流値と第二電流値とで磁気飽和により急増する電流特性を有し、
前記制御部は、前記第一電流値と前記第二電流値の間に閾値を設け、前記電流検出部が検出した電流が前記閾値を超えた場合に、前記電源回路の動作を制限する、
電力変換装置における制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置およびその制御方法に関し、特に、コアの一部にギャップを有するコイルを備える電力変換装置およびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ギャップの長さが一定でないコイルを有するトランス（電力変換装置）は知られている。例えば、特許文献１は、偏磁状態になっても過電流保護回路が有効に機能するスイッチング電源装置を開示する。このスイッチング電源装置は、ブリッジ形又はプッシュプル形の構成を有し、トランスに電圧を正負逆向きに交互に印加するスイッチング手段と、ギャップ長が不均一であるトランスと、トランスに誘起された電圧を整流平滑して、平滑された電圧を出力する平滑手段と、スイッチング手段に流れる電流を検出して、スイッチング手段のターンオフタイミングを変化させることにより、電流のピーク値を制限する過電流制限手段と、を有する。
【０００３】
また、特許文献２は、形状・重量・コストを抑えつつ、軽負荷時における入力パワー当たりの電流高調波を抑えたチョークコイルを開示する。このチョークコイルは、小電流域でのインダクタンス値を大きくすべく、鉄心に配した空隙を不均一なものとする。
【０００４】
また、特許文献３は、多出力スイッチング電源装置の電力損失を低減して電力効率を向上するため、小型軽量化したチョークコイルを開示する。このチョークコイルは、多出力スイッチング電源装置であるＤＣ−ＤＣコンバータの、各２次整流平滑回路にそれぞれ設けたチョークコイルを、互いにコアを共有する協調チョークコイルとする。そして、このチョークコイルでは、その協調チョークコイルの磁気特性を負荷電流が小さい時にはインダクタンスが大きく、負荷電流が大きい時にはインダクタンスが小さくなる電流依存性の磁気特性とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−０４７２４１号公報
【特許文献２】特開平１１−１４４９８２号公報
【特許文献３】特開平０９−３３１６７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、ギャップの長さが一定でないコイルを有する電力変換装置において、コイルに必要なインダクタンスを確保し、回路に過電流が流れることを防止するように制御することのできる電力変換装置およびその制御方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、コアの一部にギャップを有するコイルを備える電源回路と、電源回路の電流を検出する電流検出部と、電流検出部が検出した電流に基づいて電源回路の動作を制御する制御部と、を備える電力変換装置であって、ギャップは、他方の面に対向する第一面と、第一面より離れて他方の面に対向する第二面からなる段差を有し、制御部は、第一面に磁気飽和が生じた時の電源回路の電流値である第一電流値と、第一面および第二面に磁気飽和が生じた時の電源回路の電流値である第二電流値との間に閾値を設け、電流検出部が検出した電流が閾値を超えた場合に、電源回路の動作を制限する電力変換装置が提供される。また、コアの一部にギャップを有するコイルを備える電源回路と、電源回路の電流を検出する電流検出部と、電流検出部が検出した電流に基づいて電源回路の動作を制御する制御部と、を備える電力変換装置における制御方法であって、コイルは、ギャップにより電源回路の第一電流値と第二電流値とで磁気飽和により急増する電流特性を有し、制御部は、第一電流値と第二電流値の間に閾値を設け、電流検出部が検出した電流が閾値を超えた場合に、電源回路の動作を制限する電力変換装置における制御方法が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、コイルに必要なインダクタンスを確保し、回路に過電流が流れることを防止するように制御することのできる電力変換装置およびその制御方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係る第一実施例の電力変換装置の正面図。
【図２】本発明に係る第一実施例の電力変換装置における直流電流重畳特性図。
【図３】本発明に係る第一実施例の電力変換装置におけるコイルに流れる電流を示す説明図。
【図４】従来技術の電力変換装置（コイルのみ）の正面図。
【図５】従来技術の電力変換装置における直流電流重畳特性図。
【図６】従来技術の電力変換装置におけるコイルに流れる電流を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下では、図面を参照しながら、本発明に係る各実施例について説明する。まず、図４〜図６を参照して、従来技術における電力変換装置に使用されるコイルのコア１２Ｚを説明する。コア１２Ｚは、コイルの磁路となるコアであり、巻線が巻きつけられる中央部分にギャップ１３Ｚを有する。ギャップ１３Ｚは、互いに対抗する平面で形成されており、両平面の距離は均一である。
【００１１】
このようなコア１２Ｚをコイルに使用すると、そのコイルは、図５に示すような直流電流重畳特性（横軸：１次巻線の直流電流重畳電流Ｉ、縦軸：コイルのインダクタンスＬ）を示す。なお、図５の実線は、ギャップ１３Ｚがある場合の直流電流重畳特性であり、点線は、ギャップ１３Ｚがない場合の直流電流重畳特性である。コア１２Ｚにギャップ１３Ｚがあるコイルでは、ギャップ１３Ｚがないコイルに比べて、ギャップ１３Ｚがあることによりコイルのインダクタンスが向上する。
【００１２】
しかし、コイルの１次巻線に流れる電流を増加させていき、コア１２Ｚが磁気飽和の状態になると、インダクタンスが急激に低下し、一気に過大な電流が流れてしまうという問題がある。図６は、このような状態を説明するための図である。図６は、横軸に時間ｔ、縦軸にコイルの１次巻線に流れる電流ｉを示す。時間ｔが経過すると共に、電流ｉを増加させていき、時間ｔＳに磁気飽和が起こる電流値ｉＳになると１次巻線を流れる電流が一気に急峻に立ち上り過電流が流れる。そうすると、過電流が流れだす電流値ｉＳ未満に閾値を設けてその閾値を超えた場合に電源回路の動作を停止させる制御を行う場合に、その制御が間に合わず１次側の回路を破壊する場合もあるので、安全を見越して、磁気飽和が起こる電流値ｉＳよりかなり低い電流領域で通常電源回路を動作させておく必要がある。
【００１３】
本発明は、かかる課題を解決するものであり、コイルに必要なインダクタンスを確保し、回路に過電流が流れることを防止するように制御する。さらに、本発明は、過電流が流れ出すコア全体が磁気飽和を起こす電流値よりも低い電流値で一旦部分的な磁気飽和を起こす構造を有し、その部分的な磁気飽和となった電流値を閾値とすることで、コア全体に磁気飽和が起こることを事前に明確に検知できる。これにより、本発明に係る電力変換装置では、通常電源回路を動作させて電流領域を広くすることができる。
【００１４】
＜第一実施例＞
図１〜図３を参照し、本実施例における電力変換装置１００を説明する。電力変換装置１００は、電源回路１０と、電源回路１０の電流を検出する電流検出部２０と、電流検出部２０が検出した電流に基づいて電源回路の動作を制御する制御部３０とを備える。電源回路１０は、コア１２とコア１２の中央部分に巻きつけられる巻線１８と有するコイル１１と、交流電源ＰＷＲ、制御部３０や電流検出部２０に接続するための一次側端子４１と、二次側回路に接続するための二次側端子４２とを有する。電流検出部２０は、交流電源ＰＷＲと一次側の巻線１８の電流路に直列に接続されている、公知の交流電流を検出する装置である。制御部は、後述する制御方法により電源回路１０の一次側の巻線１８に流れる電流を制御する。
【００１５】
コイル１１のコア１２は、２つの側部分と、巻線１８が巻かれる中央部分からなり、巻線１８の交流電流から生ずる磁力線が通る磁路を構成する。コア１２の中央部分の中央辺りにはギャップ１３が形成されている。すなわち、コイル１１は、コア１２の中央部分の一部にギャップ１３を有する。ギャップ１３は、中央部分の一部が切欠かれており、中央部分の一方の断面である一次側の巻線１８が巻かれている方（図視上側）は段差１４を有し、他方の断面である二次側の巻線１８が巻かれている方（図視下側）は、平面（以下、他方の面という）で形成されている。
【００１６】
段差１４は、他方の面１７に平行に対向する第一面１５と、第一面１５より離れて他方の面１７に平行に対向する第二面１６があることにより形成されている。段差１４の面は、第一面１５および第二面１６とほぼ直角に形成されている。なお、第一面１５が両側に２つあるが、片側に１つまたは中央に１つとして形成されていてもよいし、他の面１７が一次側の巻線１８が巻かれている方にあってもよい。
【００１７】
また、段差１４は、第一面１５と第二面１６に直角ではなく、第一面１５から第二面１６へ傾斜をもって形成されてもよい。ただし、後述するように閾値を設定し易くなるので、段差１４は、第一面１５と第二面１６に直角に形成されることが好ましい。また、本実施例では、一次側の面は、他方の面１７から異なる距離にある２つの面（第一面１５と第二面１６）から構成されるが、異なる距離にある３つ以上の面から構成されてもよい。
【００１８】
図２に示すように、コイル１１の直流電流重畳特性は、２段から構成される。上述したように、第一面１５と他方の面１７との距離は、第二面１６と他方の面１７との距離より小さい。そうすると、コイル１１の１次側の巻線１８に流れる電流を流すとまず第一面１５と他の面１７との間で磁力線が流れ始め、電流を増加させていくと電流値ｉＳ１の時に、第一面１５と他方の面１７との間に流れる磁気に飽和状態が起こり、インダクタンスが急激に低下する。
【００１９】
しかし、まだ第一面１５のみが磁気飽和しただけなので、まだ第二面１６と他方の面１７との間で磁力線を通す磁路しての容量がある。したがって、電流値ｉＳ１の時コイルのインダクタンスＬがほぼゼロとなり一気に過大な電流が流れてしまうことはなく、第一面１５で磁気飽和が起こってから第二面１６においても磁気飽和が起こるまでに余裕があることになる。なお、ギャップ１３が段差１４を有し間の距離が異なる２つの面を有することで、コイル１１は、ギャップ１３により２つの電流値で磁気飽和により急増する電流特性を有すると言える。
【００２０】
また、第一面１５で磁気飽和が起こる電流値ｉＳ１と、第二面１６で磁気飽和が起こる電流値ｉＳ２と電流値ｉＳ１との差ｉＤは、第一面１５と第二面１６の面積に比例する。したがって、第一面１５で磁気飽和が起こってから第二面１６においても磁気飽和が起こるまでに適度な余裕を有するために、第一面１５と第二面１６の面積比を適宜定める。たとえば、第一面１５の面積比を大きくすることによって、大きなインダクタンスを得ることができる。このため第一面１５の面積が大きい方が好ましい。また、第二面１６の面積を大きくすることにより第二面１６で磁気飽和が起こるまでの時間が長くなり、しきい値の設定が容易になる。これらのことから、本実施例では、第一面１５の面積：第二面１６の面積＝９：１〜８：２程度が好ましい。なお、一次側の面が、異なる距離にあるたとえば３つの面から構成される場合は、コイルの直流電流重畳特性は、３段から構成されるので、その３つ面の面積比を適宜定める。
【００２１】
図３は、横軸に時間ｔ、縦軸にコイルの１次巻線に流れる電流ｉを示す。時間ｔが経過すると共に、電流ｉを増加させていき、時間ｔＳ１に磁気飽和が起こる電流値ｉＳ１になってもコイル１１のインダクタンスＬが一気にゼロにはならないので、１次巻線を流れる電流ｉが一気に急峻に立ち上り過電流が流れることはない。コイル１１のコア１２全体で磁気飽和が起こる電流値は、電流値ｉＳ２である。したがって、制御部３０は、電流値ｉＳ１から電流値ｉＳ２の間に閾値を設け、この閾値に基づいて、電源回路１０の動作を制御する。
【００２２】
また、電流値ｉＳ１と電流値ｉＳ２の間では、第一面１５が磁気飽和することでインダクタンスＬが急激に低下するので、その分急激に電流値ｉＳ１から電流値ｉＴへ急増し、その後第二面１６の磁気容量を使用し徐々に増加する。したがって、第一面１５で磁気飽和が起こる電流値ｉＳ１と第一面１５で磁気飽和が起こった直後の電流値ｉＴの間に閾値を設けると、制御部３０は、余裕をもった制御を行うことができるので好ましい。また、段差１４が第一面１５と第二面１６に直角でなく緩やかな傾斜角をなす場合は、電流値ｉＳ１と電流値ｉＳ２の間でインダクタンスＬが急激に低下することが無くなるので、段差１４は直角または直角に近い角度で形成されることが好ましい。
【００２３】
制御部３０は、第一面１５に磁気飽和が起こった時（ｔＳ１）の電源回路１０の電流値である第一電流値ｉＳ１と、第一面１５および第二面１６の両方に磁気飽和が起こった時（ｔＳ２）の電源回路１０の電流値である第二電流値ｉＳ２との間に閾値を設け、この閾値に基づいて、電源回路１０の動作を制御する。具体的には、制御部３０は、電流検出部２０が検出した電流がその閾値を超えた場合には、電源回路１０の動作を制限する。なお、制限するとは、電源回路１０の動作を停止したり、それ以上の電流を流さないようにしたりすることを言う。これによれば、コイル１１に必要なインダクタンスを確保し、一次側の回路に過電流が流れることを防止するように制御することのできる電力変換装置１００およびその制御方法を提供できる。
【００２４】
さらに、本発明は、過電流が流れ出すコア１２全体が磁気飽和を起こす電流値よりも低い電流値ｉＳ１で一旦部分的な磁気飽和を起こし、その部分的な磁気飽和となった直後の電流値ｉＴを閾値とすることで、コア１２全体に磁気飽和が起こることを事前に明確に検知できる。これにより、電力変換装置１００では、通常電源回路を動作させて電流領域（本図の一点鎖線の領域）を、第一面１５が磁気飽和を起こす電流値ｉＳ１まで通常に使用するなど広くすることができる。
【００２５】
なお、本発明は、例示した実施例に限定するものではなく、特許請求の範囲の各項に記載された内容から逸脱しない範囲の構成による実施が可能である。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
【符号の説明】
【００２６】
１００    電力変換装置
１０      電源回路
１１      コイル
１２      コア
１３      ギャップ
１４      段差
１５      第一面
１６      第二面
１７      他方の面
１８      巻線
２０      電流検出部
３０      制御部
４１      一次側端子
４２      二次側端子
ＰＷＲ    交流電源
【図１】
2017147815.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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