電力変換回路
【課題】カレントダブラ整流方式による絶縁コンバータでは、リプル電流を低減できる反面、磁気部品が多くなること。
【解決手段】トランスを構成するコイルＷ１，Ｗ２は、磁心１０の足１２によって磁気結合されている。リアクトルを構成するコイルＷ３，Ｗ４のそれぞれを、磁心１０の足１６，１８のそれぞれが鎖交する。これらのコイルＷ１〜Ｗ４を鎖交する足と、コイルを鎖交しない足１４とが、磁心２０の接続部２０，２２によって並列接続されている。コイルＷ３に電流が流れることで生じる磁束φ３と、コイルＷ４に電流が流れることで生じる磁束φ４とは、足１６、接続部２０、足１８および接続部２２を備えるループ経路において同一極性となるように設定されている。
【解決手段】トランスを構成するコイルＷ１，Ｗ２は、磁心１０の足１２によって磁気結合されている。リアクトルを構成するコイルＷ３，Ｗ４のそれぞれを、磁心１０の足１６，１８のそれぞれが鎖交する。これらのコイルＷ１〜Ｗ４を鎖交する足と、コイルを鎖交しない足１４とが、磁心２０の接続部２０，２２によって並列接続されている。コイルＷ３に電流が流れることで生じる磁束φ３と、コイルＷ４に電流が流れることで生じる磁束φ４とは、足１６、接続部２０、足１８および接続部２２を備えるループ経路において同一極性となるように設定されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電圧印加手段の出力端子に接続された第１コイルと、前記第１コイルと磁気結合する第２コイルと、コンデンサと、前記第２コイルを流れる電流を前記コンデンサに出力するために用いられる第３コイルおよび第４コイルと、前記第３コイルおよび前記第４コイルの直流電流の流通方向を一方向に規制する整流手段と、磁心とを備え、前記第３コイルおよび前記第４コイルのそれぞれに流れる電流が漸増するときの前記第１コイルに印加される電圧の極性が互いに逆となる電力変換回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１０に、一般的なカレントダブラ整流方式による絶縁コンバータを示す（特許文献１の図の１７）。このコンバータは、出力電流を一対のリアクトル（コイルＷ３，Ｗ４）で分割し、それぞれが出力電流の半分を流すことによって整流するものである。一対のコイルＷ３、Ｗ４は、トランスＴによって交互に励磁されるため、これらを流れる電流のリップルがインターリーブで重なり合わされる。このために、コイルＷ３，Ｗ４のそれぞれのインダクタンスが小さくても、コンバータの出力電流のリップルを効果的に低減させることができる。
【０００３】
ここで、インダクタの体格は一般にインダクタンスと通電電流の二乗の積によって表されるエネルギ積に概ね比例することが知られている。したがって、コイルＷ３，Ｗ４のインダクタンスが小さくてもリップルが小さく抑えられるということは、コンバータの出力電流のリプルについての要求を満たすコイルＷ３，Ｗ４の体格が小さくて済むということを意味する。実際、カレントダブラ整流方式の絶縁コンバータは、出力段に全波整流回路など他の整流方式を用いたコンバータに比べて同じリップルを得るための平滑用コイルの合計エネルギ積が小さいため、磁気部品の小型化に効果的なコンバータ回路として知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３２３６８２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ただし、平滑インダクタの体格が小さくできる反面、トランスＴおよび平滑用コイル（コイルＷ３，Ｗ４）という３つの磁気部品を用いる構成であるため、磁気部品の点数が他の整流方式に比べて多いという欠点がある。この欠点により、次の３つの問題があった。まず第１に、巻線のスペースやコアのデッドスペース等を考慮すると実装体格を低減させることが困難という問題である。第２に、それぞれの磁気部品について個別に磁路を周回させる分、磁心の体積がエネルギ積から期待されるほどには低減できないという問題である。第３に、部品取り付けなどに起因する製作コストが嵩んでいるという問題である。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決する過程でなされたものであり、その目的は、交流電圧印加手段の出力端子に接続された第１コイルと、前記第１コイルと磁気結合する第２コイルと、コンデンサと、前記第２コイルを流れる電流を前記コンデンサに出力するために用いられる第３コイルおよび第４コイルと、前記第３コイルおよび前記第４コイルの直流電流の流通方向を一方向に規制する整流手段と、磁心とを備え、前記第３コイルおよび前記第４コイルのそれぞれに流れる電流が漸増するときの前記第１コイルに印加される電圧の極性が互いに逆となる新たな電力変換回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以下、上記課題を解決するための手段、およびその作用効果について記載する。
【０００８】
請求項１記載の発明は、交流電圧印加手段の出力端子に接続された第１コイルと、前記第１コイルと磁気結合する第２コイルと、コンデンサと、前記第２コイルを流れる電流を前記コンデンサに出力するために用いられる第３コイルおよび第４コイルと、前記第３コイルおよび前記第４コイルの直流電流の流通方向を一方向に規制する整流手段と、磁心とを備え、前記第３コイルおよび前記第４コイルのそれぞれに流れる電流が漸増するときの前記第１コイルに印加される電圧の極性が互いに逆となる電力変換回路において、前記磁心は、前記第１コイルを鎖交する部分、前記第２コイルを鎖交する部分、前記第３コイルを鎖交する部分、および前記第４コイルを鎖交する部分が一体的に形成されるものであることを特徴とする。
【０００９】
上記発明では、リアクトルとして機能する第３コイルおよび第４コイルのための磁心と、トランスとして機能する第１コイルおよび第２コイルを磁気結合させるための磁心とを一体的に形成することで、これらリアクトルおよびトランスの小型化が可能となる。
【００１０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記磁心は、前記第３コイルおよび前記第４コイルの双方に鎖交するループ経路を構成する部分を有し、該ループ経路において、前記第３コイルに流れる電流の直流成分によって生成される磁束の方向と前記第４コイルに流れる電流の直流成分によって生成される磁束の方向とを同一方向に設定したことを特徴とする。
【００１１】
上記発明では、第３コイルに流れる電流の直流成分によって生成される磁束が第４コイルに鎖交する際の方向を、第４コイルに流れる電流の直流成分によって生成される第４コイルの鎖交磁束の方向と一致させることができる。また、第４コイルに流れる電流の直流成分によって生成される磁束が第３コイルに鎖交する際の方向を、第３コイルに流れる電流の直流成分によって生成される第３コイルの鎖交磁束の方向と一致させることができる。このため、これら第３コイルおよび第４コイルのそれぞれに電流が流れることで生成される直流磁束が、第１コイルおよび第２コイルに鎖交する事態を好適に抑制することができる。このため、第１コイルおよび第２コイルを磁気結合させるための磁心の磁気飽和が、第３コイルおよび第４コイルのそれぞれに電流が流れることで生成される磁束によって促進されることを好適に回避することができる。このため、第１コイルおよび第２コイルを磁気結合させるための磁心の体格が大型化することを好適に回避することができる。
【００１２】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において、前記磁心は、前記第２コイルおよび前記第３コイルの双方に鎖交するループ経路を構成する部分を有し、該ループ経路において、前記第３コイルに流れる電流が増加するときにおける前記第３コイルを鎖交する磁束の交流成分の方向が前記第２コイルを鎖交する磁束の交流成分の方向に一致するようにしたことを特徴とする。
【００１３】
上記第３コイルに流れる電流が増加することで第３コイルを鎖交する磁束が増大するため、このときには第３コイルを鎖交する磁束が第４コイルを鎖交する磁束よりも大きくなる可能性がある。そしてこの場合、この磁束の過剰分は、第３コイルおよび第４コイルの双方に鎖交するループ経路以外の経路に流出する。この点、上記発明では、この流出によって第２コイルを鎖交する磁束の変化を補うようにすることで、この流出に起因して磁心を大型化する必要を好適に抑制することができる。
【００１４】
請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発明において、前記第３コイルのターン数と前記第４コイルのターン数とが互いに等しいことを特徴とする。
【００１５】
上記発明では、第３コイルに電流が流れることで生成される磁束と第４コイルに電流が流れることで生成される磁束との対称性を容易に実現できる。
【００１６】
請求項５記載の発明は、請求項２または３記載の発明において、前記磁心は、前記第１コイルおよび前記第２コイルを鎖交する第１部分、前記第３コイルを鎖交する第３部分、および前記第４コイルを鎖交する第４部分と、これら第１部分、第３部分および第４部分を並列接続する部分とを備えて且つ、前記第１部分、前記第３部分および前記第４部分に並列に、コイルを鎖交しない部分をさらに備えることを特徴とする。
【００１７】
上記発明では、第１コイルを鎖交する磁束、第３コイルを鎖交する磁束および第４コイルを鎖交する磁束の差分の通る経路として、上記コイルを鎖交しない部分を利用することができる。
【００１８】
請求項６記載の発明は、請求項５記載の発明において、前記コイルを鎖交しない部分は、前記第１部分、前記第３部分、および前記第４部分を挟む両側に設けられていることを特徴とする。
【００１９】
上記発明には、コイルを鎖交しない部分が磁気シールドの機能を有することとなり、磁心からその周囲への磁束の漏れを抑制することができる。
【００２０】
請求項７記載の発明は、請求項３記載の発明において、前記第２コイルのターン数、前記第３コイルのターン数、および前記第４コイルのターン数が互いに等しいことを特徴とする。
【００２１】
上記発明では、第３コイルを鎖交する磁束と第４コイルを鎖交する磁束との差分が、第２コイルを鎖交する経路によって好適に吸収される。
【００２２】
請求項８記載の発明は、請求項７記載の発明において、前記磁心のうち前記第１コイルおよび前記第２コイルの双方に鎖交するループ経路を構成する部分は、前記第２コイルおよび前記第３コイルの双方に鎖交するループ経路を構成する部分、および前記第２コイルおよび前記第４コイルの双方に鎖交するループ経路を構成する部分によって形成されていることを特徴とする。
【００２３】
上記発明では、第１コイルおよび第２コイルの双方に鎖交するループ経路を、第２コイルおよび第３コイルの双方に鎖交するループ経路等と共有することで、磁心の構造を簡素化することが容易となる。
【００２４】
請求項９記載の発明は、請求項８記載の発明において、前記磁心は、前記第２コイルおよび前記第３コイルの双方に鎖交するループ経路を構成する部分、および前記第２コイルおよび前記第４コイルの双方に鎖交するループ経路を構成する部分の一対の部分のうちそれらの共通部分以外の部分に、ギャップを備えることを特徴とする。
【００２５】
上記発明では、第３コイルおよび第４コイルに流れる電流による磁気飽和を好適に抑制することができるため、磁心を小型化することができる。
【００２６】
なお、前記ギャップは、前記一対の部分のそれぞれに対応して設けられることが望ましい。
【００２７】
請求項１０記載の発明は、請求項８記載の発明において、前記磁心は、前記第２コイルおよび前記第３コイルの双方に鎖交するループ経路を構成する部分、および前記第２コイルおよび前記第４コイルの双方に鎖交するループ経路を構成する部分の一対の部分のうちそれらの共通部分以外の部分の少なくとも一部の材料の透磁率が他の部分の材料の透磁率よりも小さいことを特徴とする。
【００２８】
上記発明では、第３コイルおよび第４コイルに流れる電流による磁気飽和を好適に抑制することができるため、磁心を小型化することができる。
【００２９】
なお、前記透磁率が小さい部分は、前記一対の部分のそれぞれに対応して設けられることが望ましい。
【００３０】
請求項１１記載の発明は、請求項１〜７のいずれか１項に記載の発明において、前記磁心は、前記第１コイルおよび前記第２コイルの双方に鎖交して且つ前記第３コイルおよび前記第４コイルのいずれにも鎖交しないループ経路を構成する部分を除いた部分に、ギャップを備えることを特徴とする。
【００３１】
上記発明では、第３コイルおよび第４コイルに流れる電流による磁気飽和を好適に抑制することができるため、磁心を小型化することができる。
【００３２】
なお、前記磁心は、前記いずれにも鎖交しないループ経路を構成する部分によって２分割されて且つ、前記ギャップは、前記２分割された各部分にそれぞれ備えられることを特徴とすることが望ましい。
【００３３】
請求項１２記載の発明は、請求項１〜７のいずれか１項に記載の発明において、前記磁心は、前記第１コイルおよび前記第２コイルの双方に鎖交して且つ前記第３コイルおよび前記第４コイルのいずれにも鎖交しないループ経路を構成する部分の材料の透磁率よりも、それ以外の少なくとも一部の材料の透磁率の方が小さいことを特徴とする。
【００３４】
上記発明では、第３コイルおよび第４コイルに流れる電流による磁気飽和を好適に抑制することができるため、磁心を小型化することができる。
【００３５】
なお、前記磁心は、前記いずれにも鎖交しないループ経路を構成する部分によって２分割されて且つ、前記透磁率が小さい部分は、前記２分割された各部分のそれぞれに設けられることを特徴とすることが望ましい。
【００３６】
請求項１３記載の発明は、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の発明において、前記第１コイル、前記第２コイル、前記第３コイルおよび前記第４コイルと前記磁心との間に、一体的に形成されたボビンを備えることを特徴とする。
【００３７】
上記発明では、ボビンによってコイルに磁心を鎖交させる構成を実現することができるため、その製造を容易とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】第１の実施形態にかかるコンバータの構成を示す図。
【図２】同実施形態にかかるチョッパ制御の態様を示すタイムチャート。
【図３】第２の実施形態にかかる磁気部品を示す斜視図。
【図４】第３の実施形態にかかるコンバータの構成を示す図。
【図５】第４の実施形態にかかるコンバータの構成を示す図。
【図６】第５の実施形態にかかるコンバータの構成を示す図。
【図７】第６の実施形態にかかるコンバータの構成を示す図。
【図８】上記各実施形態の変形例にかかる交流電圧印加手段の回路構成を示す回路図。
【図９】本発明にかかるコンバータについての定量的な説明をするための図。
【図１０】従来のコンバータの回路構成を示す回路図。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
＜第１の実施形態＞
以下、本発明にかかる電力変換回路の第１の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００４０】
図１に、本実施形態にかかる電力変換回路を示す。なお、図１は、図１０の回路図と電気的に等価に機能する。
【００４１】
図示される直流電圧源（バッテリＢ）には、平滑コンデンサＣ１と、交流電圧印加回路ＡＶＣとが並列接続されている。交流電圧印加回路ＡＶＣは、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２の直列接続体と、スイッチング素子ＳＷ３，ＳＷ４の直列接続体とが並列接続されて構成されている。交流電圧印加回路ＡＶＣは、スイッチング素子ＳＷ１およびスイッチング素子ＳＷ４がオン且つスイッチング素子ＳＷ２およびスイッチング素子ＳＷ３がオフであるときと、スイッチング素子ＳＷ１およびスイッチング素子ＳＷ４がオフ且つスイッチング素子ＳＷ２およびスイッチング素子ＳＷ３がオンであるときとで、出力電圧の絶対値を同一としつつもその極性を逆とするものである。
【００４２】
交流電圧印加回路ＡＶＣの出力端子は、コイルＷ１に接続されており、コイルＷ１は、磁心１０の円柱状部分（足１２）によって、コイルＷ２と磁気結合される。コイルＷ２の一方の端部は、リアクトルを構成するコイルＷ３を介して、コンデンサＣ２の正極側に接続されており、コイルＷ２の他方の端部は、リアクトルを構成するコイルＷ４を介して、コンデンサＣ２の正極側に接続されている。コンデンサＣ２の負極側は、ダイオードＤ１を介してコイルＷ２およびコイルＷ３間に接続されている。このため、コンデンサＣ２の負極側からコイルＷ２およびコイルＷ３間側への電流が許容されて且つ逆方向の電流が阻止されるため、コイルＷ２を流れる電流がコイルＷ３を介してコンデンサＣ２に出力されるに際しての電流の流通方向が一方向に規制される。また、コンデンサＣ２の負極側は、ダイオードＤ２を介してコイルＷ２およびコイルＷ４間に接続されている。このため、コンデンサＣ２の負極側からコイルＷ２およびコイルＷ４間側への電流が許容されて且つ逆方向の電流が阻止されるため、コイルＷ２を流れる電流がコイルＷ４を介してコンデンサＣ２に出力されるに際しての電流の流通方向が一方向に規制される。
【００４３】
上記足１２は、磁心１０の接続部２０，２２を介して円柱状部分（足１４）に接続されている。これにより、磁心１０は、コイルＷ１，Ｗ２を鎖交するループ経路の全体を包含するものとなっている。
【００４４】
上記足１２は、接続部２０，２２を介して、コイルＷ３を鎖交する円柱状部分（足１６）につながっている。足１６は、磁気飽和を回避する目的で設けられたギャップＧを備えている。上記足１２は、さらに、接続部２０，２２を介してコイルＷ４を鎖交する円柱状部分（足１８）に接続されている。足１８は、磁気飽和を回避する目的で設けられたギャップＧを備えている。
【００４５】
なお、コイルＷ１〜Ｗ４の巻数（ターン数Ｎ１〜Ｎ４）について、本実施形態では、特に「Ｎ３＝Ｎ４」の条件を設けた。この条件は、コイルＷ３を流れる電流Ｉｗ３とコイルＷ４を流れる電流Ｉｗ４との対称性の確保が容易となるための一設定である。なお、ターン数とは、コイルの鎖交磁束をコイル内の磁束で割った値である。
【００４６】
また、上記足１２，１４，１６，１８は、いずれもその長さが等しく互いに平行に配置されており、接続部２０，２２は、これらを並列接続する部分である。このように、足１２，１４，１６，１８が接続部２０，２２によって接続されることで、これらは一体的に構成される。特に、本実施形態では、足１６，１８の断面積が互いに等しく、かつそれぞれのギャップＧの間隙も互いに等しく設定されている。また、磁心１０の材料である強磁性体としては、フェライト等を採用することができる。
【００４７】
以下、図２を用いて本実施形態にかかる電力変換回路の動作について、主として定性的な説明を与える。なお、これについてのより定量的な説明については、本明細書最後部の備考欄に与えてある。
【００４８】
ここで、図２（ａ）は、スイッチング素子ＳＷ１の操作状態の推移を示し、図２（ｂ）は、スイッチング素子ＳＷ２の操作状態の推移を示し、図２（ｃ）は、スイッチング素子ＳＷ３の操作状態の推移を示し、図２（ｄ）は、スイッチング素子ＳＷ４の操作状態の推移を示す。また、図２（ｅ）は、コイルＷ１の両端に印加される電圧の推移を示し、図２（ｆ）は、コイルＷ１内（足１２内）の磁束φ１の推移を示し、図２（ｇ）は、コイルＷ３内（足１６内）の磁束φ３の推移を示し、図２（ｈ）は、コイルＷ４内（足１８内）の磁束φ４の推移を示し、図２（ｉ）は、足１４内の磁束φ５の推移を示す。また、図２（ｊ）は、コイルＷ３に流れる電流Ｉｗ３の推移を示し、図２（ｋ）は、コイルＷ４を流れる電流Ｉｗ４の推移を示す。なお、図２における磁束φ１，φ３，φ４，φ５や電流Ｉｗ３，Ｉｗ４の符号については、図１に定義してある。
【００４９】
「モード１」
スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ４がオン且つスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３がオフとなる状態である。これにより、コイルＷ１には、バッテリＢの電圧Ｖｉｎが印加されることで、コイルＷ１によって誘起される磁束φ１が漸増し、先の図１に示したコイルＷ２に電圧が誘起される。コイルＷ２に誘起される電圧は、ダイオードＤ２に順方向電流を流す一方、ダイオードＤ１をオフ状態とするものである。
【００５０】
コイルＷ２に誘起された電圧によって、コイルＷ３の一対の端子の電位のうちコンデンサＣ２側ではない方が高くなる。これにより、コイルＷ３によって誘起される磁束φ３が漸増するとともに、コイルＷ３を流れる電流Ｉｗ３も漸増する。ここで、コイルＷ３を流れる電流は、コイルＷ３によって誘起される磁束φ３に略比例する。これは、足１６にギャップＧを設けたためである（備考欄参照）。
【００５１】
これに対し、ダイオードＤ２がオン状態であることから、コイルＷ４の一対の端子の電位のうちコンデンサＣ２側の方が高くなる。これにより、コイルＷ４によって誘起される磁束φ４は、コンデンサＣ２の電圧（電力変換回路の出力電圧Ｖｏｕｔ）に応じて漸減するとともに、コイルＷ４を流れる電流Ｉｗ４も漸減する。ここで、コイルＷ４を流れる電流は、コイルＷ４によって誘起される磁束φ４に略比例する。これは、足１８にギャップＧを設けたためである（備考欄参照）。
【００５２】
この際、磁束φ５は、「φ５＝φ１−φ３＋φ４」を満たすように変化する。
【００５３】
「モード２」
スイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ４がオン且つスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ３がオフとなる状態である。この場合、コイルＷ１の両端の電圧はゼロとなるため、コイルＷ１によって誘起される磁束φ１は変化しない。このため、コイルＷ２の両端の電圧もゼロとなる。一方、コイルＷ３の両端には、モード１のときとは逆極性であって且つ出力電圧Ｖｏｕｔの大きさを有する電圧が印加される。これにより、コイルＷ３によって誘起される磁束φ３は出力電圧Ｖｏｕｔに応じて漸減し、これに伴ってコイルＷ３を流れる電流Ｉｗ３も漸減する。これに対し、コイルＷ４の両端には、モード１のときと同一極性且つ同一の大きさの電圧が印加されているため、コイルＷ４によって誘起される磁束φ４は漸減し、コイルＷ４を流れる電流Ｉｗ４も漸減する。なお、コイルＷ３，Ｗ４を流れる電流は、ダイオードＤ１，Ｄ２の少なくとも一方を流通するものであり、モード２では、コイルＷ２の電圧がゼロであるため、モード２では、ダイオードＤ１，Ｄ２ともオン状態となる。
【００５４】
この際、磁束φ５は変化しない。これは、「Ｎ３＝Ｎ４」との設定による。
【００５５】
「モード３」
スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ４がオフ且つスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３がオンとなる状態である。本実施形態では、このモード３の期間を、モード１の期間と同一に設定する。これは、コイルＷ１によって誘起される磁束φ１が磁心１０を磁気飽和させる大きさとなることを防ぐための一設定であるとともに、上記条件「Ｎ３＝Ｎ４」との協働でコイルＷ３を流れる電流Ｉｗ３とコイルＷ４を流れる電流Ｉｗ４との対称性の確保のための一設定である。
【００５６】
この場合、コイルＷ１には、モード１とは逆極性であって且つ大きさがバッテリＢの電圧Ｖｉｎとなる電圧が印加されることで、コイルＷ１によって誘起される磁束φ１が漸減し、先の図１に示したコイルＷ２に電圧が誘起される。コイルＷ２に誘起される電圧は、ダイオードＤ１に順方向電流を流す一方、ダイオードＤ２をオフ状態とするものである。
【００５７】
コイルＷ２に誘起された電圧によって、コイルＷ４の一対の端子の電位のうちコンデンサＣ２側でない方が高くなる。これにより、コイルＷ４によって誘起される磁束φ４が出力電圧Ｖｏｕｔに応じて漸増するとともに、コイルＷ４を流れる電流Ｉｗ４も漸増する。
【００５８】
これに対し、ダイオードＤ１がオン状態であることから、コイルＷ３の一対の端子の電位のうちコンデンサＣ２側の方が高くなる。これにより、コイルＷ３によって誘起される磁束φ３が出力電圧Ｖｏｕｔに応じて漸減するとともに、コイルＷ３を流れる電流Ｉｗ３も漸減する。
【００５９】
この際、磁束φ５は、「φ５＝φ１−φ３＋φ４」を満たすように変化する。
【００６０】
「モード４」
モード２同様、スイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ４がオン且つスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ３がオフとなる状態である。この場合、コイルＷ１の両端の電圧はゼロとなるため、コイルＷ１によって誘起される磁束φ１は変化しない。このため、コイルＷ２の両端の電圧もゼロとなる。
【００６１】
一方、コイルＷ３の両端には、モード３のときと同一極性且つ同一の大きさの電圧が印加されているため、コイルＷ３によって誘起される磁束φ３は漸減し、コイルＷ３を流れる電流Ｉｗ３も漸減する。これに対し、コイルＷ４の両端には、モード３のときとは逆極性であって且つ出力電圧Ｖｏｕｔの大きさを有する電圧が印加される。これにより、コイルＷ４によって誘起される磁束φ４は漸減し、これに伴ってコイルＷ４を流れる電流Ｉｗ４も漸減する。なお、コイルＷ３，Ｗ４を流れる電流は、ダイオードＤ１，Ｄ２の少なくとも一方を流通するものであり、モード４では、コイルＷ２の電圧がゼロであるため、モード４では、ダイオードＤ１，Ｄ２ともオン状態となっていることとなる。
【００６２】
この際、磁束φ５は変化しない。これは、「Ｎ３＝Ｎ４」との設定による。
【００６３】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００６４】
本実施形態では、コイルＷ１，Ｗ２によって構成されるトランスの磁心と、リアクトルとして機能するコイルＷ３，Ｗ４の磁心とを一体的に構成することで、磁気部品間のデッドスペースを低減することができ、電力変換回路を小型化することができる。
【００６５】
ここで、トランスおよびリアクトルの磁心を一体的に構成するに際して、リアクトルの平均磁束（磁束φ３、φ４の直流成分）がトランスの磁心（足１２，１４）を通過しないように構成することで、トランス部分の大型化を回避している。これは、コイルＷ３によって誘起される磁束φ３の直流成分（図２（ｇ）に示す磁束φ３の平均値）とコイルＷ４によって誘起される磁束φ４の直流成分（図２（ｈ）に示す磁束φ４の平均値）とを、足１６、接続部２０、足１８、および接続部２２によって形成されるループ経路上において同一の方向となるように設定することで実現したものである。すなわち、この場合、これら磁束φ３，φ４の直流成分のうち、足１２，１４への流入量は、磁束φ３の直流成分と磁束φ４の直流成分との差のみとなる。特に本実施形態では、磁束φ３と磁束φ４とが対称性を有するようにすることで、これらの直流成分同士が互いに等しくなる。このため、磁束φ３，φ４の直流成分が足１２，１４に流入することがないため、足１２，１４を、直流成分の磁束をも考慮した設計とする必要が生じない。換言すれば、一体形成することでトランス部分の磁心（足１２，１４）を大型化する必要がない。
【００６６】
さらに、本実施形態では、足１２、接続部２０、足１６および接続部２２を備えて且つコイルＷ１，Ｗ３を貫くループ経路において、リアクトル部分の磁束φ３の交流成分（磁束φ３からその平均値を減算したもの）の方向と、コイルＷ１によって誘起される磁束φ１の方向とを一致させた。また、足１２、接続部２０、足１８および接続部２２を備えて且つコイルＷ１，Ｗ４を貫くループ経路において、リアクトル部分の磁束φ４の交流成分（磁束φ４からその平均値を減算したもの）の方向と、コイルＷ１によって誘起される磁束φ１の方向とを一致させた。すなわち、先の図２に示したように、磁束φ１が増加する場合には、コイルＷ１，Ｗ３を貫く（コイルＷ１，Ｗ３に鎖交する）ループ経路において磁束φ１と同一方向の磁束φ３が増加し、コイルＷ１，Ｗ４に鎖交するループ経路において磁束φ１とは逆方向の磁束φ４が減少するようにした。また、磁束φ１が減少する場合には、コイルＷ１，Ｗ４に鎖交するループ経路において磁束φ１と同一方向の磁束φ３が減少し、コイルＷ１，Ｗ３に鎖交するループ経路において磁束φ１とは逆方向の磁束φ４が増加するようにした。これにより、これらループ経路からあふれて他に流出する磁束（磁束φ５）を好適に低減することができるため、足１４を小型化することができる。
＜第２の実施形態＞
以下、第２の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
【００６７】
図３に、本実施形態にかかる磁気部品を示す。なお、図３において、先の図１に示した部材に対応するものについては、便宜上同一の符号を付している。
【００６８】
本実施形態では、コイルＷ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４を、磁心１０の各足１２，１６，１８を覆うボビン３０に巻き付けた後、これを磁心１０の足１２，１４，１６，１８に挿入する。ここで、ボビン３０は、コイルＷ１〜Ｗ４を巻き付ける部分が一体的に構成されたものである。こうした構成とすることで、磁気部品の製造を容易とすることができる。なお、ボビン３０は、たとえば樹脂やプラスチック等の絶縁体によって構成されることで、コイルＷ１〜Ｗ４と磁心１０とを絶縁する機能を有することが望ましい。また、磁心１０からの漏洩磁束低減のため、ボビン３０は、磁心１０よりも透磁率の小さい材料を用いることが望ましい。
＜第３の実施形態＞
以下、第３の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
【００６９】
図４に、本実施形態にかかる電力変換回路を示す。なお、図４において、先の図１に示した部材に対応するものについては、便宜上同一の符号を付している。
【００７０】
本実施形態では、先の図１に示した足１４に代えて、足１２，１６，１８の両側を挟む一対の足１４ａ，１４ｂを設けた。これにより、コイルを鎖交しない足１４ａ，１４ｂが磁気シールドの機能を有することとなるため、磁心１０から周囲に漏れる磁束を低減することができる。このため、磁心１０の周囲に設ける磁気シールドを削除または小型化することができるため、電力変換回路のいっそうの小型化を図ることができる。
＜第４の実施形態＞
以下、第４の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
【００７１】
図５に、本実施形態にかかる電力変換回路を示す。なお、図５において、先の図１に示した部材に対応するものについては、便宜上同一の符号を付している。
【００７２】
上記実施形態では、コイルＷ３を鎖交する足１６とコイルＷ４を鎖交する足１８とのそれぞれにギャップＧが形成されていたが、本実施形態では、これら足１６，１８をダスト等の低透磁率材料にて形成する。具体的には、磁心１０のうち足１６，１８以外の部分をフェライト等で構成し、足１６，１８をこれよりも透磁率が小さいカーボニル鉄ダスト等のダストコアで構成すればよい。
【００７３】
これにより、ギャップＧを設ける場合と比較して、漏れ磁束を低減することができるため、漏れ磁束によって誘導される渦電流を低減することができる。また、本実施形態において例示したようにボビン３０を設けない場合には、ギャップＧを設けるとコイルＷ３，Ｗ４を巻く際に障害となりうるがこれを回避することもできる。
＜第５の実施形態＞
以下、第５の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
【００７４】
図６に、本実施形態にかかる電力変換回路を示す。なお、図６において、先の図１に示した部材に対応するものについては、便宜上同一の符号を付している。
【００７５】
本実施形態では、コイルＷ２のターン数Ｎ２と、コイルＷ３のターン数Ｎ３と、コイルＷ４ターン数Ｎ４とを互いに同一とする。この場合、磁束φ５をゼロとすることができることから（備考欄参照）、本実施形態では、足１４を削除した。これにより、磁心１０の構造を簡素化することができる。
＜第６の実施形態＞
以下、第６の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
【００７６】
図７に、本実施形態にかかる電力変換回路を示す。なお、図７において、先の図１に示した部材に対応するものについては、便宜上同一の符号を付している。
【００７７】
本実施形態では、ダイオードＤ１，Ｄ２の順方向を逆転させた。この場合であっても、コイルＷ３，Ｗ４の電流の流通方向を一方向に規制することができる。このとき、先の図１に示したものとは、磁束φ３，φ４の方向が反転することから、電流Ｉｗ３，Ｉｗ４の方向が反転し、また、コンデンサＣ２の電圧の極性も反転する。また、コイルＷ３の電流が漸増する場合には、コイルＷ４の電流が漸減して且つ、コイルＷ４の電流が漸増する場合には、コイルＷ３の電流が漸減する設定を実現できるため、コンデンサＣ２に入力される電流のリップルを好適に抑制することができる。
＜その他の実施形態＞
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
【００７８】
「交流電圧印加手段について」
先の図１に示したものに限らず、たとえば図８（ａ）〜図８（ｃ）に例示するものであってもよい。ここで、図８（ａ）は、先の図１に示した構成において、スイッチング素子ＳＷ３，ＳＷ４の直列接続体に代えて、コンデンサＣ３，Ｃ４の直列接続体を用いたものである。
【００７９】
図８（ｂ）は、先の図１に示した構成において、スイッチング素子ＳＷ３，ＳＷ４の直列接続体を削除し、スイッチング素子ＳＷ２に、コンデンサＣ５およびコイルＷ１の直列接続体を並列接続したものである。
【００８０】
図８（ｃ）は、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２の接続点にバッテリＢを介してコイルＷ１の中点タップを接続したものである。
【００８１】
なお、交流電圧印加手段の印加する正電圧と負電圧との絶対値については、これを必ずしも同一とする必要はない。なお、この場合、上記各実施形態の説明において、同一とすることを前提とした説明は、概して適用できないものの、上記正電圧と負電圧との絶対値の相違が小さい場合には、近似的に適用することは可能である。
【００８２】
「コイルＷ３，Ｗ４の設定について」
コイルＷ３，Ｗ４のターン数Ｎ３，Ｎ４を等しくしなくてもよい。特に、交流電圧印加手段によって印加される正電圧と負電圧との絶対値が等しくないなら、ターン数Ｎ３，Ｎ４を等しくしても、磁束φ３，φ４の挙動の対称性は崩れる。
【００８３】
「コイルに鎖交しない足１４について」
この足の数は、１ないし２に限らず、３以上であってもよい。また、先の第３の実施形態（図４）に代えて、接続部２０，２２との協働で、足１２，１６，１８の全てを外部から遮断するように足１４を設けてもよい。
【００８４】
上記第５の実施形態（図６）において、足１４をその断面積を小さくしつつも設けてもよい。これにより、下記の「備考」欄における理論計算からずれる場合であっても漏れ磁束を好適に抑制することができる。
【００８５】
「そのほか」
・整流手段としては、ダイオードＤ１，Ｄ２に限らず、サイリスタ等であってもよい。
【００８６】
・足１６、接続部２０、足１８および接続部２２を備えるループ経路において、磁束φ３と磁束φ４との方向が同一とならない場合であっても、足１２〜１８と接続部２０，２２を備えてトランスおよびリアクトルの磁心を一体的に構成することで、上記第１の実施形態等ほどではないにせよ、磁気部品を小型化することが可能となる。
＜備考＞
ここでは、先の図１に示した構成において、各モードにおける磁束φ１，φ３，φ４，φ５の時間変化を定量化する。なお、以下では、ターン数Ｎ１〜Ｎ５が任意の値をとる場合についての一般的な議論をしている。
【００８７】
「モード１」
ｄφ１／ｄｔ＝Ｖｉｎ／Ｎ１ …（ｃ１）
ｄφ３／ｄｔ＝（Ｎ２・Ｖｉｎ／Ｎ１−Ｖｏｕｔ）／Ｎ３ …（ｃ２）
ｄφ４／ｄｔ＝−Ｖｏｕｔ／Ｎ４ …（ｃ３）
ｄφ５／ｄｔ
＝（１−Ｎ２／Ｎ３）Ｖｉｎ／Ｎ１＋（１／Ｎ３−１／Ｎ４）Ｖｏｕｔ …（ｃ４）
なお、上記の式（ｃ４）では、「φ５=φ１−φ３＋φ４」を時間微分したものを用いた。
【００８８】
「モード２」
ｄφ１／ｄｔ＝０ …（ｃ５）
ｄφ３／ｄｔ＝−Ｖｏｕｔ／Ｎ３ …（ｃ６）
ｄφ４／ｄｔ＝−Ｖｏｕｔ／Ｎ４ （ｃ７）
ｄφ５／ｄｔ＝（１／Ｎ３−１／Ｎ４）Ｖｏｕｔ …（ｃ８）
「モード３」
ｄφ１／ｄｔ＝−Ｖｉｎ／Ｎ１ …（ｃ９）
ｄφ３／ｄｔ＝−Ｖｏｕｔ／Ｎ３ …（ｃ１０）
ｄφ４／ｄｔ＝（Ｎ２・Ｖｉｎ／Ｎ１−Ｖｏｕｔ）／Ｎ４ …（ｃ１１）
ｄφ５／ｄｔ
＝−（１−Ｎ２／Ｎ４）Ｖｉｎ／Ｎ１＋（１／Ｎ３−１／Ｎ４）Ｖｏｕｔ …（ｃ１２）
「モード４」
ｄφ１／ｄｔ＝０ …（ｃ１３）
ｄφ３／ｄｔ＝−Ｖｏｕｔ／Ｎ３ …（ｃ１４）
ｄφ４／ｄｔ＝−Ｖｏｕｔ／Ｎ４ （ｃ１５）
ｄφ５／ｄｔ＝（１／Ｎ３−１／Ｎ４）Ｖｏｕｔ …（ｃ１６）
「モード１とモード３との時間設定」
上記（ｃ１），（ｃ５），（ｃ９），（ｃ１３）の記載によれば、モード１〜モード４の各時間を固定してこれらを周期的に繰り返す場合、直流偏磁により磁束φ１の絶対値が過度に大きくならないためには、モード１とモード３との時間が互いに等しくならなければならないことを意味する。ただし、磁束φ１による磁気飽和を解消する手法としてはこれに限らず、各周期でモード１とモード３との少なくとも一方の時間を変動させてモード１とモード３とで、複数周期当たりの時間の和同士が互いに等しくなる設定としてもよい。
【００８９】
なお、交流電圧印加手段による正電圧と負電圧とが等しくない場合には、上記の式（ｃ１）〜（ｃ４）と上記の式（ｃ９）〜（ｃ１２）とで同一の「Ｖｉｎ」を用いることはできない。このため、モード１〜モード４の各時間を固定してこれらを周期的に繰り返す場合であっても、磁気飽和を回避するためには、モード１とモード３との時間を相違させることが要求される。
【００９０】
「φ３，φ４の挙動の対称性について」
ターン数Ｎ３とターン数Ｎ４とが等しいとすると、上記の式（ｃ２），（ｃ３），（ｃ６），（ｃ７），（ｃ１０），（ｃ１１），（ｃ１４），（ｃ１５）の関係より、モード１による磁束φ３の漸増速度と、モード３による磁束φ４の漸増速度とは互いに等しく、磁束φ３，φ４の漸減速度も互いに等しくなる。特に、モード１とモード３との時間が等しい場合、φ３，φ４の一周期における増加量と減少量とも互いに等しくなる。
【００９１】
「φ１，φ５の挙動について」
φ１−φ５＝φ３−φ４の関係から、「φ１−φ５」の平均値と「φ３−φ４」の平均値とも互いに等しくなる。ここで、「Ｎ３＝Ｎ４」且つ「モード１の時間＝モード３の時間」とすると、上記の議論から「φ３−φ４」の平均値はゼロとなる。このため、「φ１−φ５」の平均値もゼロとなる。しかも、「モード１の時間＝モード３の時間」とすると、φ１の平均値がゼロとなることからφ５の平均値もゼロとなる。
【００９２】
「φ３，φ４とＩｗ３，Ｉｗ４との関係について」
図９に、先の図１に示した磁心１０の一般的な構成（ギャップの有無を特定しない）を示す。ここで、１点鎖線にて示すループ経路ｌｂにおける磁気抵抗として領域Ｌμｂの磁気抵抗Ｒｂが支配的とすると、磁気回路方程式により、「φ４＝Ｎ４・Ｉｗ４／Ｒｂ」が成立する。これは、マックスウェル方程式により、「Ｂ＝μＨ」の近似が成立する場合、ループ経路ｌｂにおいて、Ｈは、透磁率μが特に小さい部分（磁気抵抗が特に大きい部分）で特に大きくなることから、ループ経路ｌｂに沿った場Ｈの線積分が、この部分の積分によって近似できるとの説明と等価である。
【００９３】
また、破線にて示されるループ経路ｌｃについては、領域Ｌμａ，Ｌμｂの磁気抵抗Ｒａ，Ｒｂが支配的とすると、「Ｒａ・φ３＋Ｒｂ・φ４＝Ｎ４・Ｉ４＋Ｎ３・Ｉｗ３」となる。このため、「Ｒａ・φ３＝Ｎ３・Ｉｗ３」と近似できる。
【００９４】
以上の議論から、磁心１０内の磁気抵抗にとって領域Ｌμａ，Ｌμｂの磁気抵抗を支配的とすることで、磁束φ３、φ４の変化によって電流Ｉｗ３，Ｉｗ４の変化を近似することができる。
【００９５】
なお、領域Ｌμａおよび領域Ｌμｂ以外の部分に限ってギャップを設けるなどすることで、その部分の磁気抵抗を無視できないほど大きくすると、トランスＴによるエネルギ伝送効率の低下を招く。もっとも、このことは、磁心１０のうちトランスＴに関する部分（図９の領域Ｌμａ，Ｌμｂ以外の部分）にギャップを一切設けることができないことを意味しない。たとえばこの部分にギャップを設けて磁場検出素子を設けることなどは可能である。
【符号の説明】
【００９６】
１０…磁心、Ｗ１〜Ｗ４…コイル、ＡＶＣ…交流電圧印加回路。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電圧印加手段の出力端子に接続された第１コイルと、前記第１コイルと磁気結合する第２コイルと、コンデンサと、前記第２コイルを流れる電流を前記コンデンサに出力するために用いられる第３コイルおよび第４コイルと、前記第３コイルおよび前記第４コイルの直流電流の流通方向を一方向に規制する整流手段と、磁心とを備え、前記第３コイルおよび前記第４コイルのそれぞれに流れる電流が漸増するときの前記第１コイルに印加される電圧の極性が互いに逆となる電力変換回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１０に、一般的なカレントダブラ整流方式による絶縁コンバータを示す（特許文献１の図の１７）。このコンバータは、出力電流を一対のリアクトル（コイルＷ３，Ｗ４）で分割し、それぞれが出力電流の半分を流すことによって整流するものである。一対のコイルＷ３、Ｗ４は、トランスＴによって交互に励磁されるため、これらを流れる電流のリップルがインターリーブで重なり合わされる。このために、コイルＷ３，Ｗ４のそれぞれのインダクタンスが小さくても、コンバータの出力電流のリップルを効果的に低減させることができる。
【０００３】
ここで、インダクタの体格は一般にインダクタンスと通電電流の二乗の積によって表されるエネルギ積に概ね比例することが知られている。したがって、コイルＷ３，Ｗ４のインダクタンスが小さくてもリップルが小さく抑えられるということは、コンバータの出力電流のリプルについての要求を満たすコイルＷ３，Ｗ４の体格が小さくて済むということを意味する。実際、カレントダブラ整流方式の絶縁コンバータは、出力段に全波整流回路など他の整流方式を用いたコンバータに比べて同じリップルを得るための平滑用コイルの合計エネルギ積が小さいため、磁気部品の小型化に効果的なコンバータ回路として知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３２３６８２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ただし、平滑インダクタの体格が小さくできる反面、トランスＴおよび平滑用コイル（コイルＷ３，Ｗ４）という３つの磁気部品を用いる構成であるため、磁気部品の点数が他の整流方式に比べて多いという欠点がある。この欠点により、次の３つの問題があった。まず第１に、巻線のスペースやコアのデッドスペース等を考慮すると実装体格を低減させることが困難という問題である。第２に、それぞれの磁気部品について個別に磁路を周回させる分、磁心の体積がエネルギ積から期待されるほどには低減できないという問題である。第３に、部品取り付けなどに起因する製作コストが嵩んでいるという問題である。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決する過程でなされたものであり、その目的は、交流電圧印加手段の出力端子に接続された第１コイルと、前記第１コイルと磁気結合する第２コイルと、コンデンサと、前記第２コイルを流れる電流を前記コンデンサに出力するために用いられる第３コイルおよび第４コイルと、前記第３コイルおよび前記第４コイルの直流電流の流通方向を一方向に規制する整流手段と、磁心とを備え、前記第３コイルおよび前記第４コイルのそれぞれに流れる電流が漸増するときの前記第１コイルに印加される電圧の極性が互いに逆となる新たな電力変換回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以下、上記課題を解決するための手段、およびその作用効果について記載する。
【０００８】
請求項１記載の発明は、交流電圧印加手段の出力端子に接続された第１コイルと、前記第１コイルと磁気結合する第２コイルと、コンデンサと、前記第２コイルを流れる電流を前記コンデンサに出力するために用いられる第３コイルおよび第４コイルと、前記第３コイルおよび前記第４コイルの直流電流の流通方向を一方向に規制する整流手段と、磁心とを備え、前記第３コイルおよび前記第４コイルのそれぞれに流れる電流が漸増するときの前記第１コイルに印加される電圧の極性が互いに逆となる電力変換回路において、前記磁心は、前記第１コイルを鎖交する部分、前記第２コイルを鎖交する部分、前記第３コイルを鎖交する部分、および前記第４コイルを鎖交する部分が一体的に形成されるものであることを特徴とする。
【０００９】
上記発明では、リアクトルとして機能する第３コイルおよび第４コイルのための磁心と、トランスとして機能する第１コイルおよび第２コイルを磁気結合させるための磁心とを一体的に形成することで、これらリアクトルおよびトランスの小型化が可能となる。
【００１０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記磁心は、前記第３コイルおよび前記第４コイルの双方に鎖交するループ経路を構成する部分を有し、該ループ経路において、前記第３コイルに流れる電流の直流成分によって生成される磁束の方向と前記第４コイルに流れる電流の直流成分によって生成される磁束の方向とを同一方向に設定したことを特徴とする。
【００１１】
上記発明では、第３コイルに流れる電流の直流成分によって生成される磁束が第４コイルに鎖交する際の方向を、第４コイルに流れる電流の直流成分によって生成される第４コイルの鎖交磁束の方向と一致させることができる。また、第４コイルに流れる電流の直流成分によって生成される磁束が第３コイルに鎖交する際の方向を、第３コイルに流れる電流の直流成分によって生成される第３コイルの鎖交磁束の方向と一致させることができる。このため、これら第３コイルおよび第４コイルのそれぞれに電流が流れることで生成される直流磁束が、第１コイルおよび第２コイルに鎖交する事態を好適に抑制することができる。このため、第１コイルおよび第２コイルを磁気結合させるための磁心の磁気飽和が、第３コイルおよび第４コイルのそれぞれに電流が流れることで生成される磁束によって促進されることを好適に回避することができる。このため、第１コイルおよび第２コイルを磁気結合させるための磁心の体格が大型化することを好適に回避することができる。
【００１２】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において、前記磁心は、前記第２コイルおよび前記第３コイルの双方に鎖交するループ経路を構成する部分を有し、該ループ経路において、前記第３コイルに流れる電流が増加するときにおける前記第３コイルを鎖交する磁束の交流成分の方向が前記第２コイルを鎖交する磁束の交流成分の方向に一致するようにしたことを特徴とする。
【００１３】
上記第３コイルに流れる電流が増加することで第３コイルを鎖交する磁束が増大するため、このときには第３コイルを鎖交する磁束が第４コイルを鎖交する磁束よりも大きくなる可能性がある。そしてこの場合、この磁束の過剰分は、第３コイルおよび第４コイルの双方に鎖交するループ経路以外の経路に流出する。この点、上記発明では、この流出によって第２コイルを鎖交する磁束の変化を補うようにすることで、この流出に起因して磁心を大型化する必要を好適に抑制することができる。
【００１４】
請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発明において、前記第３コイルのターン数と前記第４コイルのターン数とが互いに等しいことを特徴とする。
【００１５】
上記発明では、第３コイルに電流が流れることで生成される磁束と第４コイルに電流が流れることで生成される磁束との対称性を容易に実現できる。
【００１６】
請求項５記載の発明は、請求項２または３記載の発明において、前記磁心は、前記第１コイルおよび前記第２コイルを鎖交する第１部分、前記第３コイルを鎖交する第３部分、および前記第４コイルを鎖交する第４部分と、これら第１部分、第３部分および第４部分を並列接続する部分とを備えて且つ、前記第１部分、前記第３部分および前記第４部分に並列に、コイルを鎖交しない部分をさらに備えることを特徴とする。
【００１７】
上記発明では、第１コイルを鎖交する磁束、第３コイルを鎖交する磁束および第４コイルを鎖交する磁束の差分の通る経路として、上記コイルを鎖交しない部分を利用することができる。
【００１８】
請求項６記載の発明は、請求項５記載の発明において、前記コイルを鎖交しない部分は、前記第１部分、前記第３部分、および前記第４部分を挟む両側に設けられていることを特徴とする。
【００１９】
上記発明には、コイルを鎖交しない部分が磁気シールドの機能を有することとなり、磁心からその周囲への磁束の漏れを抑制することができる。
【００２０】
請求項７記載の発明は、請求項３記載の発明において、前記第２コイルのターン数、前記第３コイルのターン数、および前記第４コイルのターン数が互いに等しいことを特徴とする。
【００２１】
上記発明では、第３コイルを鎖交する磁束と第４コイルを鎖交する磁束との差分が、第２コイルを鎖交する経路によって好適に吸収される。
【００２２】
請求項８記載の発明は、請求項７記載の発明において、前記磁心のうち前記第１コイルおよび前記第２コイルの双方に鎖交するループ経路を構成する部分は、前記第２コイルおよび前記第３コイルの双方に鎖交するループ経路を構成する部分、および前記第２コイルおよび前記第４コイルの双方に鎖交するループ経路を構成する部分によって形成されていることを特徴とする。
【００２３】
上記発明では、第１コイルおよび第２コイルの双方に鎖交するループ経路を、第２コイルおよび第３コイルの双方に鎖交するループ経路等と共有することで、磁心の構造を簡素化することが容易となる。
【００２４】
請求項９記載の発明は、請求項８記載の発明において、前記磁心は、前記第２コイルおよび前記第３コイルの双方に鎖交するループ経路を構成する部分、および前記第２コイルおよび前記第４コイルの双方に鎖交するループ経路を構成する部分の一対の部分のうちそれらの共通部分以外の部分に、ギャップを備えることを特徴とする。
【００２５】
上記発明では、第３コイルおよび第４コイルに流れる電流による磁気飽和を好適に抑制することができるため、磁心を小型化することができる。
【００２６】
なお、前記ギャップは、前記一対の部分のそれぞれに対応して設けられることが望ましい。
【００２７】
請求項１０記載の発明は、請求項８記載の発明において、前記磁心は、前記第２コイルおよび前記第３コイルの双方に鎖交するループ経路を構成する部分、および前記第２コイルおよび前記第４コイルの双方に鎖交するループ経路を構成する部分の一対の部分のうちそれらの共通部分以外の部分の少なくとも一部の材料の透磁率が他の部分の材料の透磁率よりも小さいことを特徴とする。
【００２８】
上記発明では、第３コイルおよび第４コイルに流れる電流による磁気飽和を好適に抑制することができるため、磁心を小型化することができる。
【００２９】
なお、前記透磁率が小さい部分は、前記一対の部分のそれぞれに対応して設けられることが望ましい。
【００３０】
請求項１１記載の発明は、請求項１〜７のいずれか１項に記載の発明において、前記磁心は、前記第１コイルおよび前記第２コイルの双方に鎖交して且つ前記第３コイルおよび前記第４コイルのいずれにも鎖交しないループ経路を構成する部分を除いた部分に、ギャップを備えることを特徴とする。
【００３１】
上記発明では、第３コイルおよび第４コイルに流れる電流による磁気飽和を好適に抑制することができるため、磁心を小型化することができる。
【００３２】
なお、前記磁心は、前記いずれにも鎖交しないループ経路を構成する部分によって２分割されて且つ、前記ギャップは、前記２分割された各部分にそれぞれ備えられることを特徴とすることが望ましい。
【００３３】
請求項１２記載の発明は、請求項１〜７のいずれか１項に記載の発明において、前記磁心は、前記第１コイルおよび前記第２コイルの双方に鎖交して且つ前記第３コイルおよび前記第４コイルのいずれにも鎖交しないループ経路を構成する部分の材料の透磁率よりも、それ以外の少なくとも一部の材料の透磁率の方が小さいことを特徴とする。
【００３４】
上記発明では、第３コイルおよび第４コイルに流れる電流による磁気飽和を好適に抑制することができるため、磁心を小型化することができる。
【００３５】
なお、前記磁心は、前記いずれにも鎖交しないループ経路を構成する部分によって２分割されて且つ、前記透磁率が小さい部分は、前記２分割された各部分のそれぞれに設けられることを特徴とすることが望ましい。
【００３６】
請求項１３記載の発明は、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の発明において、前記第１コイル、前記第２コイル、前記第３コイルおよび前記第４コイルと前記磁心との間に、一体的に形成されたボビンを備えることを特徴とする。
【００３７】
上記発明では、ボビンによってコイルに磁心を鎖交させる構成を実現することができるため、その製造を容易とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】第１の実施形態にかかるコンバータの構成を示す図。
【図２】同実施形態にかかるチョッパ制御の態様を示すタイムチャート。
【図３】第２の実施形態にかかる磁気部品を示す斜視図。
【図４】第３の実施形態にかかるコンバータの構成を示す図。
【図５】第４の実施形態にかかるコンバータの構成を示す図。
【図６】第５の実施形態にかかるコンバータの構成を示す図。
【図７】第６の実施形態にかかるコンバータの構成を示す図。
【図８】上記各実施形態の変形例にかかる交流電圧印加手段の回路構成を示す回路図。
【図９】本発明にかかるコンバータについての定量的な説明をするための図。
【図１０】従来のコンバータの回路構成を示す回路図。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
＜第１の実施形態＞
以下、本発明にかかる電力変換回路の第１の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００４０】
図１に、本実施形態にかかる電力変換回路を示す。なお、図１は、図１０の回路図と電気的に等価に機能する。
【００４１】
図示される直流電圧源（バッテリＢ）には、平滑コンデンサＣ１と、交流電圧印加回路ＡＶＣとが並列接続されている。交流電圧印加回路ＡＶＣは、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２の直列接続体と、スイッチング素子ＳＷ３，ＳＷ４の直列接続体とが並列接続されて構成されている。交流電圧印加回路ＡＶＣは、スイッチング素子ＳＷ１およびスイッチング素子ＳＷ４がオン且つスイッチング素子ＳＷ２およびスイッチング素子ＳＷ３がオフであるときと、スイッチング素子ＳＷ１およびスイッチング素子ＳＷ４がオフ且つスイッチング素子ＳＷ２およびスイッチング素子ＳＷ３がオンであるときとで、出力電圧の絶対値を同一としつつもその極性を逆とするものである。
【００４２】
交流電圧印加回路ＡＶＣの出力端子は、コイルＷ１に接続されており、コイルＷ１は、磁心１０の円柱状部分（足１２）によって、コイルＷ２と磁気結合される。コイルＷ２の一方の端部は、リアクトルを構成するコイルＷ３を介して、コンデンサＣ２の正極側に接続されており、コイルＷ２の他方の端部は、リアクトルを構成するコイルＷ４を介して、コンデンサＣ２の正極側に接続されている。コンデンサＣ２の負極側は、ダイオードＤ１を介してコイルＷ２およびコイルＷ３間に接続されている。このため、コンデンサＣ２の負極側からコイルＷ２およびコイルＷ３間側への電流が許容されて且つ逆方向の電流が阻止されるため、コイルＷ２を流れる電流がコイルＷ３を介してコンデンサＣ２に出力されるに際しての電流の流通方向が一方向に規制される。また、コンデンサＣ２の負極側は、ダイオードＤ２を介してコイルＷ２およびコイルＷ４間に接続されている。このため、コンデンサＣ２の負極側からコイルＷ２およびコイルＷ４間側への電流が許容されて且つ逆方向の電流が阻止されるため、コイルＷ２を流れる電流がコイルＷ４を介してコンデンサＣ２に出力されるに際しての電流の流通方向が一方向に規制される。
【００４３】
上記足１２は、磁心１０の接続部２０，２２を介して円柱状部分（足１４）に接続されている。これにより、磁心１０は、コイルＷ１，Ｗ２を鎖交するループ経路の全体を包含するものとなっている。
【００４４】
上記足１２は、接続部２０，２２を介して、コイルＷ３を鎖交する円柱状部分（足１６）につながっている。足１６は、磁気飽和を回避する目的で設けられたギャップＧを備えている。上記足１２は、さらに、接続部２０，２２を介してコイルＷ４を鎖交する円柱状部分（足１８）に接続されている。足１８は、磁気飽和を回避する目的で設けられたギャップＧを備えている。
【００４５】
なお、コイルＷ１〜Ｗ４の巻数（ターン数Ｎ１〜Ｎ４）について、本実施形態では、特に「Ｎ３＝Ｎ４」の条件を設けた。この条件は、コイルＷ３を流れる電流Ｉｗ３とコイルＷ４を流れる電流Ｉｗ４との対称性の確保が容易となるための一設定である。なお、ターン数とは、コイルの鎖交磁束をコイル内の磁束で割った値である。
【００４６】
また、上記足１２，１４，１６，１８は、いずれもその長さが等しく互いに平行に配置されており、接続部２０，２２は、これらを並列接続する部分である。このように、足１２，１４，１６，１８が接続部２０，２２によって接続されることで、これらは一体的に構成される。特に、本実施形態では、足１６，１８の断面積が互いに等しく、かつそれぞれのギャップＧの間隙も互いに等しく設定されている。また、磁心１０の材料である強磁性体としては、フェライト等を採用することができる。
【００４７】
以下、図２を用いて本実施形態にかかる電力変換回路の動作について、主として定性的な説明を与える。なお、これについてのより定量的な説明については、本明細書最後部の備考欄に与えてある。
【００４８】
ここで、図２（ａ）は、スイッチング素子ＳＷ１の操作状態の推移を示し、図２（ｂ）は、スイッチング素子ＳＷ２の操作状態の推移を示し、図２（ｃ）は、スイッチング素子ＳＷ３の操作状態の推移を示し、図２（ｄ）は、スイッチング素子ＳＷ４の操作状態の推移を示す。また、図２（ｅ）は、コイルＷ１の両端に印加される電圧の推移を示し、図２（ｆ）は、コイルＷ１内（足１２内）の磁束φ１の推移を示し、図２（ｇ）は、コイルＷ３内（足１６内）の磁束φ３の推移を示し、図２（ｈ）は、コイルＷ４内（足１８内）の磁束φ４の推移を示し、図２（ｉ）は、足１４内の磁束φ５の推移を示す。また、図２（ｊ）は、コイルＷ３に流れる電流Ｉｗ３の推移を示し、図２（ｋ）は、コイルＷ４を流れる電流Ｉｗ４の推移を示す。なお、図２における磁束φ１，φ３，φ４，φ５や電流Ｉｗ３，Ｉｗ４の符号については、図１に定義してある。
【００４９】
「モード１」
スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ４がオン且つスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３がオフとなる状態である。これにより、コイルＷ１には、バッテリＢの電圧Ｖｉｎが印加されることで、コイルＷ１によって誘起される磁束φ１が漸増し、先の図１に示したコイルＷ２に電圧が誘起される。コイルＷ２に誘起される電圧は、ダイオードＤ２に順方向電流を流す一方、ダイオードＤ１をオフ状態とするものである。
【００５０】
コイルＷ２に誘起された電圧によって、コイルＷ３の一対の端子の電位のうちコンデンサＣ２側ではない方が高くなる。これにより、コイルＷ３によって誘起される磁束φ３が漸増するとともに、コイルＷ３を流れる電流Ｉｗ３も漸増する。ここで、コイルＷ３を流れる電流は、コイルＷ３によって誘起される磁束φ３に略比例する。これは、足１６にギャップＧを設けたためである（備考欄参照）。
【００５１】
これに対し、ダイオードＤ２がオン状態であることから、コイルＷ４の一対の端子の電位のうちコンデンサＣ２側の方が高くなる。これにより、コイルＷ４によって誘起される磁束φ４は、コンデンサＣ２の電圧（電力変換回路の出力電圧Ｖｏｕｔ）に応じて漸減するとともに、コイルＷ４を流れる電流Ｉｗ４も漸減する。ここで、コイルＷ４を流れる電流は、コイルＷ４によって誘起される磁束φ４に略比例する。これは、足１８にギャップＧを設けたためである（備考欄参照）。
【００５２】
この際、磁束φ５は、「φ５＝φ１−φ３＋φ４」を満たすように変化する。
【００５３】
「モード２」
スイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ４がオン且つスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ３がオフとなる状態である。この場合、コイルＷ１の両端の電圧はゼロとなるため、コイルＷ１によって誘起される磁束φ１は変化しない。このため、コイルＷ２の両端の電圧もゼロとなる。一方、コイルＷ３の両端には、モード１のときとは逆極性であって且つ出力電圧Ｖｏｕｔの大きさを有する電圧が印加される。これにより、コイルＷ３によって誘起される磁束φ３は出力電圧Ｖｏｕｔに応じて漸減し、これに伴ってコイルＷ３を流れる電流Ｉｗ３も漸減する。これに対し、コイルＷ４の両端には、モード１のときと同一極性且つ同一の大きさの電圧が印加されているため、コイルＷ４によって誘起される磁束φ４は漸減し、コイルＷ４を流れる電流Ｉｗ４も漸減する。なお、コイルＷ３，Ｗ４を流れる電流は、ダイオードＤ１，Ｄ２の少なくとも一方を流通するものであり、モード２では、コイルＷ２の電圧がゼロであるため、モード２では、ダイオードＤ１，Ｄ２ともオン状態となる。
【００５４】
この際、磁束φ５は変化しない。これは、「Ｎ３＝Ｎ４」との設定による。
【００５５】
「モード３」
スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ４がオフ且つスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３がオンとなる状態である。本実施形態では、このモード３の期間を、モード１の期間と同一に設定する。これは、コイルＷ１によって誘起される磁束φ１が磁心１０を磁気飽和させる大きさとなることを防ぐための一設定であるとともに、上記条件「Ｎ３＝Ｎ４」との協働でコイルＷ３を流れる電流Ｉｗ３とコイルＷ４を流れる電流Ｉｗ４との対称性の確保のための一設定である。
【００５６】
この場合、コイルＷ１には、モード１とは逆極性であって且つ大きさがバッテリＢの電圧Ｖｉｎとなる電圧が印加されることで、コイルＷ１によって誘起される磁束φ１が漸減し、先の図１に示したコイルＷ２に電圧が誘起される。コイルＷ２に誘起される電圧は、ダイオードＤ１に順方向電流を流す一方、ダイオードＤ２をオフ状態とするものである。
【００５７】
コイルＷ２に誘起された電圧によって、コイルＷ４の一対の端子の電位のうちコンデンサＣ２側でない方が高くなる。これにより、コイルＷ４によって誘起される磁束φ４が出力電圧Ｖｏｕｔに応じて漸増するとともに、コイルＷ４を流れる電流Ｉｗ４も漸増する。
【００５８】
これに対し、ダイオードＤ１がオン状態であることから、コイルＷ３の一対の端子の電位のうちコンデンサＣ２側の方が高くなる。これにより、コイルＷ３によって誘起される磁束φ３が出力電圧Ｖｏｕｔに応じて漸減するとともに、コイルＷ３を流れる電流Ｉｗ３も漸減する。
【００５９】
この際、磁束φ５は、「φ５＝φ１−φ３＋φ４」を満たすように変化する。
【００６０】
「モード４」
モード２同様、スイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ４がオン且つスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ３がオフとなる状態である。この場合、コイルＷ１の両端の電圧はゼロとなるため、コイルＷ１によって誘起される磁束φ１は変化しない。このため、コイルＷ２の両端の電圧もゼロとなる。
【００６１】
一方、コイルＷ３の両端には、モード３のときと同一極性且つ同一の大きさの電圧が印加されているため、コイルＷ３によって誘起される磁束φ３は漸減し、コイルＷ３を流れる電流Ｉｗ３も漸減する。これに対し、コイルＷ４の両端には、モード３のときとは逆極性であって且つ出力電圧Ｖｏｕｔの大きさを有する電圧が印加される。これにより、コイルＷ４によって誘起される磁束φ４は漸減し、これに伴ってコイルＷ４を流れる電流Ｉｗ４も漸減する。なお、コイルＷ３，Ｗ４を流れる電流は、ダイオードＤ１，Ｄ２の少なくとも一方を流通するものであり、モード４では、コイルＷ２の電圧がゼロであるため、モード４では、ダイオードＤ１，Ｄ２ともオン状態となっていることとなる。
【００６２】
この際、磁束φ５は変化しない。これは、「Ｎ３＝Ｎ４」との設定による。
【００６３】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００６４】
本実施形態では、コイルＷ１，Ｗ２によって構成されるトランスの磁心と、リアクトルとして機能するコイルＷ３，Ｗ４の磁心とを一体的に構成することで、磁気部品間のデッドスペースを低減することができ、電力変換回路を小型化することができる。
【００６５】
ここで、トランスおよびリアクトルの磁心を一体的に構成するに際して、リアクトルの平均磁束（磁束φ３、φ４の直流成分）がトランスの磁心（足１２，１４）を通過しないように構成することで、トランス部分の大型化を回避している。これは、コイルＷ３によって誘起される磁束φ３の直流成分（図２（ｇ）に示す磁束φ３の平均値）とコイルＷ４によって誘起される磁束φ４の直流成分（図２（ｈ）に示す磁束φ４の平均値）とを、足１６、接続部２０、足１８、および接続部２２によって形成されるループ経路上において同一の方向となるように設定することで実現したものである。すなわち、この場合、これら磁束φ３，φ４の直流成分のうち、足１２，１４への流入量は、磁束φ３の直流成分と磁束φ４の直流成分との差のみとなる。特に本実施形態では、磁束φ３と磁束φ４とが対称性を有するようにすることで、これらの直流成分同士が互いに等しくなる。このため、磁束φ３，φ４の直流成分が足１２，１４に流入することがないため、足１２，１４を、直流成分の磁束をも考慮した設計とする必要が生じない。換言すれば、一体形成することでトランス部分の磁心（足１２，１４）を大型化する必要がない。
【００６６】
さらに、本実施形態では、足１２、接続部２０、足１６および接続部２２を備えて且つコイルＷ１，Ｗ３を貫くループ経路において、リアクトル部分の磁束φ３の交流成分（磁束φ３からその平均値を減算したもの）の方向と、コイルＷ１によって誘起される磁束φ１の方向とを一致させた。また、足１２、接続部２０、足１８および接続部２２を備えて且つコイルＷ１，Ｗ４を貫くループ経路において、リアクトル部分の磁束φ４の交流成分（磁束φ４からその平均値を減算したもの）の方向と、コイルＷ１によって誘起される磁束φ１の方向とを一致させた。すなわち、先の図２に示したように、磁束φ１が増加する場合には、コイルＷ１，Ｗ３を貫く（コイルＷ１，Ｗ３に鎖交する）ループ経路において磁束φ１と同一方向の磁束φ３が増加し、コイルＷ１，Ｗ４に鎖交するループ経路において磁束φ１とは逆方向の磁束φ４が減少するようにした。また、磁束φ１が減少する場合には、コイルＷ１，Ｗ４に鎖交するループ経路において磁束φ１と同一方向の磁束φ３が減少し、コイルＷ１，Ｗ３に鎖交するループ経路において磁束φ１とは逆方向の磁束φ４が増加するようにした。これにより、これらループ経路からあふれて他に流出する磁束（磁束φ５）を好適に低減することができるため、足１４を小型化することができる。
＜第２の実施形態＞
以下、第２の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
【００６７】
図３に、本実施形態にかかる磁気部品を示す。なお、図３において、先の図１に示した部材に対応するものについては、便宜上同一の符号を付している。
【００６８】
本実施形態では、コイルＷ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４を、磁心１０の各足１２，１６，１８を覆うボビン３０に巻き付けた後、これを磁心１０の足１２，１４，１６，１８に挿入する。ここで、ボビン３０は、コイルＷ１〜Ｗ４を巻き付ける部分が一体的に構成されたものである。こうした構成とすることで、磁気部品の製造を容易とすることができる。なお、ボビン３０は、たとえば樹脂やプラスチック等の絶縁体によって構成されることで、コイルＷ１〜Ｗ４と磁心１０とを絶縁する機能を有することが望ましい。また、磁心１０からの漏洩磁束低減のため、ボビン３０は、磁心１０よりも透磁率の小さい材料を用いることが望ましい。
＜第３の実施形態＞
以下、第３の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
【００６９】
図４に、本実施形態にかかる電力変換回路を示す。なお、図４において、先の図１に示した部材に対応するものについては、便宜上同一の符号を付している。
【００７０】
本実施形態では、先の図１に示した足１４に代えて、足１２，１６，１８の両側を挟む一対の足１４ａ，１４ｂを設けた。これにより、コイルを鎖交しない足１４ａ，１４ｂが磁気シールドの機能を有することとなるため、磁心１０から周囲に漏れる磁束を低減することができる。このため、磁心１０の周囲に設ける磁気シールドを削除または小型化することができるため、電力変換回路のいっそうの小型化を図ることができる。
＜第４の実施形態＞
以下、第４の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
【００７１】
図５に、本実施形態にかかる電力変換回路を示す。なお、図５において、先の図１に示した部材に対応するものについては、便宜上同一の符号を付している。
【００７２】
上記実施形態では、コイルＷ３を鎖交する足１６とコイルＷ４を鎖交する足１８とのそれぞれにギャップＧが形成されていたが、本実施形態では、これら足１６，１８をダスト等の低透磁率材料にて形成する。具体的には、磁心１０のうち足１６，１８以外の部分をフェライト等で構成し、足１６，１８をこれよりも透磁率が小さいカーボニル鉄ダスト等のダストコアで構成すればよい。
【００７３】
これにより、ギャップＧを設ける場合と比較して、漏れ磁束を低減することができるため、漏れ磁束によって誘導される渦電流を低減することができる。また、本実施形態において例示したようにボビン３０を設けない場合には、ギャップＧを設けるとコイルＷ３，Ｗ４を巻く際に障害となりうるがこれを回避することもできる。
＜第５の実施形態＞
以下、第５の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
【００７４】
図６に、本実施形態にかかる電力変換回路を示す。なお、図６において、先の図１に示した部材に対応するものについては、便宜上同一の符号を付している。
【００７５】
本実施形態では、コイルＷ２のターン数Ｎ２と、コイルＷ３のターン数Ｎ３と、コイルＷ４ターン数Ｎ４とを互いに同一とする。この場合、磁束φ５をゼロとすることができることから（備考欄参照）、本実施形態では、足１４を削除した。これにより、磁心１０の構造を簡素化することができる。
＜第６の実施形態＞
以下、第６の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
【００７６】
図７に、本実施形態にかかる電力変換回路を示す。なお、図７において、先の図１に示した部材に対応するものについては、便宜上同一の符号を付している。
【００７７】
本実施形態では、ダイオードＤ１，Ｄ２の順方向を逆転させた。この場合であっても、コイルＷ３，Ｗ４の電流の流通方向を一方向に規制することができる。このとき、先の図１に示したものとは、磁束φ３，φ４の方向が反転することから、電流Ｉｗ３，Ｉｗ４の方向が反転し、また、コンデンサＣ２の電圧の極性も反転する。また、コイルＷ３の電流が漸増する場合には、コイルＷ４の電流が漸減して且つ、コイルＷ４の電流が漸増する場合には、コイルＷ３の電流が漸減する設定を実現できるため、コンデンサＣ２に入力される電流のリップルを好適に抑制することができる。
＜その他の実施形態＞
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
【００７８】
「交流電圧印加手段について」
先の図１に示したものに限らず、たとえば図８（ａ）〜図８（ｃ）に例示するものであってもよい。ここで、図８（ａ）は、先の図１に示した構成において、スイッチング素子ＳＷ３，ＳＷ４の直列接続体に代えて、コンデンサＣ３，Ｃ４の直列接続体を用いたものである。
【００７９】
図８（ｂ）は、先の図１に示した構成において、スイッチング素子ＳＷ３，ＳＷ４の直列接続体を削除し、スイッチング素子ＳＷ２に、コンデンサＣ５およびコイルＷ１の直列接続体を並列接続したものである。
【００８０】
図８（ｃ）は、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２の接続点にバッテリＢを介してコイルＷ１の中点タップを接続したものである。
【００８１】
なお、交流電圧印加手段の印加する正電圧と負電圧との絶対値については、これを必ずしも同一とする必要はない。なお、この場合、上記各実施形態の説明において、同一とすることを前提とした説明は、概して適用できないものの、上記正電圧と負電圧との絶対値の相違が小さい場合には、近似的に適用することは可能である。
【００８２】
「コイルＷ３，Ｗ４の設定について」
コイルＷ３，Ｗ４のターン数Ｎ３，Ｎ４を等しくしなくてもよい。特に、交流電圧印加手段によって印加される正電圧と負電圧との絶対値が等しくないなら、ターン数Ｎ３，Ｎ４を等しくしても、磁束φ３，φ４の挙動の対称性は崩れる。
【００８３】
「コイルに鎖交しない足１４について」
この足の数は、１ないし２に限らず、３以上であってもよい。また、先の第３の実施形態（図４）に代えて、接続部２０，２２との協働で、足１２，１６，１８の全てを外部から遮断するように足１４を設けてもよい。
【００８４】
上記第５の実施形態（図６）において、足１４をその断面積を小さくしつつも設けてもよい。これにより、下記の「備考」欄における理論計算からずれる場合であっても漏れ磁束を好適に抑制することができる。
【００８５】
「そのほか」
・整流手段としては、ダイオードＤ１，Ｄ２に限らず、サイリスタ等であってもよい。
【００８６】
・足１６、接続部２０、足１８および接続部２２を備えるループ経路において、磁束φ３と磁束φ４との方向が同一とならない場合であっても、足１２〜１８と接続部２０，２２を備えてトランスおよびリアクトルの磁心を一体的に構成することで、上記第１の実施形態等ほどではないにせよ、磁気部品を小型化することが可能となる。
＜備考＞
ここでは、先の図１に示した構成において、各モードにおける磁束φ１，φ３，φ４，φ５の時間変化を定量化する。なお、以下では、ターン数Ｎ１〜Ｎ５が任意の値をとる場合についての一般的な議論をしている。
【００８７】
「モード１」
ｄφ１／ｄｔ＝Ｖｉｎ／Ｎ１ …（ｃ１）
ｄφ３／ｄｔ＝（Ｎ２・Ｖｉｎ／Ｎ１−Ｖｏｕｔ）／Ｎ３ …（ｃ２）
ｄφ４／ｄｔ＝−Ｖｏｕｔ／Ｎ４ …（ｃ３）
ｄφ５／ｄｔ
＝（１−Ｎ２／Ｎ３）Ｖｉｎ／Ｎ１＋（１／Ｎ３−１／Ｎ４）Ｖｏｕｔ …（ｃ４）
なお、上記の式（ｃ４）では、「φ５=φ１−φ３＋φ４」を時間微分したものを用いた。
【００８８】
「モード２」
ｄφ１／ｄｔ＝０ …（ｃ５）
ｄφ３／ｄｔ＝−Ｖｏｕｔ／Ｎ３ …（ｃ６）
ｄφ４／ｄｔ＝−Ｖｏｕｔ／Ｎ４ （ｃ７）
ｄφ５／ｄｔ＝（１／Ｎ３−１／Ｎ４）Ｖｏｕｔ …（ｃ８）
「モード３」
ｄφ１／ｄｔ＝−Ｖｉｎ／Ｎ１ …（ｃ９）
ｄφ３／ｄｔ＝−Ｖｏｕｔ／Ｎ３ …（ｃ１０）
ｄφ４／ｄｔ＝（Ｎ２・Ｖｉｎ／Ｎ１−Ｖｏｕｔ）／Ｎ４ …（ｃ１１）
ｄφ５／ｄｔ
＝−（１−Ｎ２／Ｎ４）Ｖｉｎ／Ｎ１＋（１／Ｎ３−１／Ｎ４）Ｖｏｕｔ …（ｃ１２）
「モード４」
ｄφ１／ｄｔ＝０ …（ｃ１３）
ｄφ３／ｄｔ＝−Ｖｏｕｔ／Ｎ３ …（ｃ１４）
ｄφ４／ｄｔ＝−Ｖｏｕｔ／Ｎ４ （ｃ１５）
ｄφ５／ｄｔ＝（１／Ｎ３−１／Ｎ４）Ｖｏｕｔ …（ｃ１６）
「モード１とモード３との時間設定」
上記（ｃ１），（ｃ５），（ｃ９），（ｃ１３）の記載によれば、モード１〜モード４の各時間を固定してこれらを周期的に繰り返す場合、直流偏磁により磁束φ１の絶対値が過度に大きくならないためには、モード１とモード３との時間が互いに等しくならなければならないことを意味する。ただし、磁束φ１による磁気飽和を解消する手法としてはこれに限らず、各周期でモード１とモード３との少なくとも一方の時間を変動させてモード１とモード３とで、複数周期当たりの時間の和同士が互いに等しくなる設定としてもよい。
【００８９】
なお、交流電圧印加手段による正電圧と負電圧とが等しくない場合には、上記の式（ｃ１）〜（ｃ４）と上記の式（ｃ９）〜（ｃ１２）とで同一の「Ｖｉｎ」を用いることはできない。このため、モード１〜モード４の各時間を固定してこれらを周期的に繰り返す場合であっても、磁気飽和を回避するためには、モード１とモード３との時間を相違させることが要求される。
【００９０】
「φ３，φ４の挙動の対称性について」
ターン数Ｎ３とターン数Ｎ４とが等しいとすると、上記の式（ｃ２），（ｃ３），（ｃ６），（ｃ７），（ｃ１０），（ｃ１１），（ｃ１４），（ｃ１５）の関係より、モード１による磁束φ３の漸増速度と、モード３による磁束φ４の漸増速度とは互いに等しく、磁束φ３，φ４の漸減速度も互いに等しくなる。特に、モード１とモード３との時間が等しい場合、φ３，φ４の一周期における増加量と減少量とも互いに等しくなる。
【００９１】
「φ１，φ５の挙動について」
φ１−φ５＝φ３−φ４の関係から、「φ１−φ５」の平均値と「φ３−φ４」の平均値とも互いに等しくなる。ここで、「Ｎ３＝Ｎ４」且つ「モード１の時間＝モード３の時間」とすると、上記の議論から「φ３−φ４」の平均値はゼロとなる。このため、「φ１−φ５」の平均値もゼロとなる。しかも、「モード１の時間＝モード３の時間」とすると、φ１の平均値がゼロとなることからφ５の平均値もゼロとなる。
【００９２】
「φ３，φ４とＩｗ３，Ｉｗ４との関係について」
図９に、先の図１に示した磁心１０の一般的な構成（ギャップの有無を特定しない）を示す。ここで、１点鎖線にて示すループ経路ｌｂにおける磁気抵抗として領域Ｌμｂの磁気抵抗Ｒｂが支配的とすると、磁気回路方程式により、「φ４＝Ｎ４・Ｉｗ４／Ｒｂ」が成立する。これは、マックスウェル方程式により、「Ｂ＝μＨ」の近似が成立する場合、ループ経路ｌｂにおいて、Ｈは、透磁率μが特に小さい部分（磁気抵抗が特に大きい部分）で特に大きくなることから、ループ経路ｌｂに沿った場Ｈの線積分が、この部分の積分によって近似できるとの説明と等価である。
【００９３】
また、破線にて示されるループ経路ｌｃについては、領域Ｌμａ，Ｌμｂの磁気抵抗Ｒａ，Ｒｂが支配的とすると、「Ｒａ・φ３＋Ｒｂ・φ４＝Ｎ４・Ｉ４＋Ｎ３・Ｉｗ３」となる。このため、「Ｒａ・φ３＝Ｎ３・Ｉｗ３」と近似できる。
【００９４】
以上の議論から、磁心１０内の磁気抵抗にとって領域Ｌμａ，Ｌμｂの磁気抵抗を支配的とすることで、磁束φ３、φ４の変化によって電流Ｉｗ３，Ｉｗ４の変化を近似することができる。
【００９５】
なお、領域Ｌμａおよび領域Ｌμｂ以外の部分に限ってギャップを設けるなどすることで、その部分の磁気抵抗を無視できないほど大きくすると、トランスＴによるエネルギ伝送効率の低下を招く。もっとも、このことは、磁心１０のうちトランスＴに関する部分（図９の領域Ｌμａ，Ｌμｂ以外の部分）にギャップを一切設けることができないことを意味しない。たとえばこの部分にギャップを設けて磁場検出素子を設けることなどは可能である。
【符号の説明】
【００９６】
１０…磁心、Ｗ１〜Ｗ４…コイル、ＡＶＣ…交流電圧印加回路。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電圧印加手段の出力端子に接続された第１コイルと、前記第１コイルと磁気結合する第２コイルと、コンデンサと、前記第２コイルを流れる電流を前記コンデンサに出力するために用いられる第３コイルおよび第４コイルと、前記第３コイルおよび前記第４コイルの直流電流の流通方向を一方向に規制する整流手段と、磁心とを備え、前記第３コイルおよび前記第４コイルのそれぞれに流れる電流が漸増するときの前記第１コイルに印加される電圧の極性が互いに逆となる電力変換回路において、
前記磁心は、前記第１コイルを鎖交する部分、前記第２コイルを鎖交する部分、前記第３コイルを鎖交する部分、および前記第４コイルを鎖交する部分が一体的に形成されるものであることを特徴とする電力変換回路。
【請求項２】
前記磁心は、前記第３コイルおよび前記第４コイルの双方に鎖交するループ経路を構成する部分を有し、
該ループ経路において、前記第３コイルに流れる電流の直流成分によって生成される磁束の方向と前記第４コイルに流れる電流の直流成分によって生成される磁束の方向とを同一方向に設定したことを特徴とする請求項１記載の電力変換回路。
【請求項３】
前記磁心は、前記第２コイルおよび前記第３コイルの双方に鎖交するループ経路を構成する部分を有し、
該ループ経路において、前記第３コイルに流れる電流が増加するときにおける前記第３コイルを鎖交する磁束の交流成分の方向が前記第２コイルを鎖交する磁束の交流成分の方向に一致するようにしたことを特徴とする請求項２記載の電力変換回路。
【請求項４】
前記第３コイルのターン数と前記第４コイルのターン数とが互いに等しいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換回路。
【請求項５】
前記磁心は、前記第１コイルおよび前記第２コイルを鎖交する第１部分、前記第３コイルを鎖交する第３部分、および前記第４コイルを鎖交する第４部分と、これら第１部分、第３部分および第４部分を並列接続する部分とを備えて且つ、前記第１部分、前記第３部分および前記第４部分に並列に、コイルを鎖交しない部分をさらに備えることを特徴とする請求項２または３記載の電力変換回路。
【請求項６】
前記コイルを鎖交しない部分は、前記第１部分、前記第３部分、および前記第４部分を挟む両側に設けられていることを特徴とする請求項５記載の電力変換回路。
【請求項７】
前記第２コイルのターン数、前記第３コイルのターン数、および前記第４コイルのターン数が互いに等しいことを特徴とする請求項３記載の電力変換回路。
【請求項８】
前記磁心のうち前記第１コイルおよび前記第２コイルの双方に鎖交するループ経路を構成する部分は、前記第２コイルおよび前記第３コイルの双方に鎖交するループ経路を構成する部分、および前記第２コイルおよび前記第４コイルの双方に鎖交するループ経路を構成する部分によって形成されていることを特徴とする請求項７記載の電力変換回路。
【請求項９】
前記磁心は、前記第２コイルおよび前記第３コイルの双方に鎖交するループ経路を構成する部分、および前記第２コイルおよび前記第４コイルの双方に鎖交するループ経路を構成する部分の一対の部分のうちそれらの共通部分以外の部分に、ギャップを備えることを特徴とする請求項８記載の電力変換回路。
【請求項１０】
前記磁心は、前記第２コイルおよび前記第３コイルの双方に鎖交するループ経路を構成する部分、および前記第２コイルおよび前記第４コイルの双方に鎖交するループ経路を構成する部分の一対の部分のうちそれらの共通部分以外の部分の少なくとも一部の材料の透磁率が他の部分の材料の透磁率よりも小さいことを特徴とする請求項８記載の電力変換回路。
【請求項１１】
前記磁心は、前記第１コイルおよび前記第２コイルの双方に鎖交して且つ前記第３コイルおよび前記第４コイルのいずれにも鎖交しないループ経路を構成する部分を除いた部分に、ギャップを備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の電力変換回路。
【請求項１２】
前記磁心は、前記第１コイルおよび前記第２コイルの双方に鎖交して且つ前記第３コイルおよび前記第４コイルのいずれにも鎖交しないループ経路を構成する部分の材料の透磁率よりも、それ以外の少なくとも一部の材料の透磁率の方が小さいことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の電力変換回路。
【請求項１３】
前記第１コイル、前記第２コイル、前記第３コイルおよび前記第４コイルと前記磁心との間に、一体的に形成されたボビンを備えることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の電力変換回路。
【請求項１】
交流電圧印加手段の出力端子に接続された第１コイルと、前記第１コイルと磁気結合する第２コイルと、コンデンサと、前記第２コイルを流れる電流を前記コンデンサに出力するために用いられる第３コイルおよび第４コイルと、前記第３コイルおよび前記第４コイルの直流電流の流通方向を一方向に規制する整流手段と、磁心とを備え、前記第３コイルおよび前記第４コイルのそれぞれに流れる電流が漸増するときの前記第１コイルに印加される電圧の極性が互いに逆となる電力変換回路において、
前記磁心は、前記第１コイルを鎖交する部分、前記第２コイルを鎖交する部分、前記第３コイルを鎖交する部分、および前記第４コイルを鎖交する部分が一体的に形成されるものであることを特徴とする電力変換回路。
【請求項２】
前記磁心は、前記第３コイルおよび前記第４コイルの双方に鎖交するループ経路を構成する部分を有し、
該ループ経路において、前記第３コイルに流れる電流の直流成分によって生成される磁束の方向と前記第４コイルに流れる電流の直流成分によって生成される磁束の方向とを同一方向に設定したことを特徴とする請求項１記載の電力変換回路。
【請求項３】
前記磁心は、前記第２コイルおよび前記第３コイルの双方に鎖交するループ経路を構成する部分を有し、
該ループ経路において、前記第３コイルに流れる電流が増加するときにおける前記第３コイルを鎖交する磁束の交流成分の方向が前記第２コイルを鎖交する磁束の交流成分の方向に一致するようにしたことを特徴とする請求項２記載の電力変換回路。
【請求項４】
前記第３コイルのターン数と前記第４コイルのターン数とが互いに等しいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換回路。
【請求項５】
前記磁心は、前記第１コイルおよび前記第２コイルを鎖交する第１部分、前記第３コイルを鎖交する第３部分、および前記第４コイルを鎖交する第４部分と、これら第１部分、第３部分および第４部分を並列接続する部分とを備えて且つ、前記第１部分、前記第３部分および前記第４部分に並列に、コイルを鎖交しない部分をさらに備えることを特徴とする請求項２または３記載の電力変換回路。
【請求項６】
前記コイルを鎖交しない部分は、前記第１部分、前記第３部分、および前記第４部分を挟む両側に設けられていることを特徴とする請求項５記載の電力変換回路。
【請求項７】
前記第２コイルのターン数、前記第３コイルのターン数、および前記第４コイルのターン数が互いに等しいことを特徴とする請求項３記載の電力変換回路。
【請求項８】
前記磁心のうち前記第１コイルおよび前記第２コイルの双方に鎖交するループ経路を構成する部分は、前記第２コイルおよび前記第３コイルの双方に鎖交するループ経路を構成する部分、および前記第２コイルおよび前記第４コイルの双方に鎖交するループ経路を構成する部分によって形成されていることを特徴とする請求項７記載の電力変換回路。
【請求項９】
前記磁心は、前記第２コイルおよび前記第３コイルの双方に鎖交するループ経路を構成する部分、および前記第２コイルおよび前記第４コイルの双方に鎖交するループ経路を構成する部分の一対の部分のうちそれらの共通部分以外の部分に、ギャップを備えることを特徴とする請求項８記載の電力変換回路。
【請求項１０】
前記磁心は、前記第２コイルおよび前記第３コイルの双方に鎖交するループ経路を構成する部分、および前記第２コイルおよび前記第４コイルの双方に鎖交するループ経路を構成する部分の一対の部分のうちそれらの共通部分以外の部分の少なくとも一部の材料の透磁率が他の部分の材料の透磁率よりも小さいことを特徴とする請求項８記載の電力変換回路。
【請求項１１】
前記磁心は、前記第１コイルおよび前記第２コイルの双方に鎖交して且つ前記第３コイルおよび前記第４コイルのいずれにも鎖交しないループ経路を構成する部分を除いた部分に、ギャップを備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の電力変換回路。
【請求項１２】
前記磁心は、前記第１コイルおよび前記第２コイルの双方に鎖交して且つ前記第３コイルおよび前記第４コイルのいずれにも鎖交しないループ経路を構成する部分の材料の透磁率よりも、それ以外の少なくとも一部の材料の透磁率の方が小さいことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の電力変換回路。
【請求項１３】
前記第１コイル、前記第２コイル、前記第３コイルおよび前記第４コイルと前記磁心との間に、一体的に形成されたボビンを備えることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の電力変換回路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−２３１５８５（Ｐ２０１２−２３１５８５Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９７８０７（Ｐ２０１１−９７８０７）
【出願日】平成２３年４月２６日（２０１１．４．２６）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月２６日（２０１１．４．２６）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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