磁耦合電感器以及多端口轉(zhuǎn)換器的制造方法
【專利說明】磁串禹合電感器以及多端口轉(zhuǎn)換器
[0001]本申請(qǐng)主張于2013年12月11日提出的日本專利申請(qǐng)2013-255886號(hào)的優(yōu)先權(quán)，并在此引用包括說明書、附圖以及說明書摘要的全部?jī)?nèi)容。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及具有磁耦合的一對(duì)繞組并且在一對(duì)繞組中流過同相電流以及反相電流這二者的磁耦合電感器、以及利用該磁耦合電感器的多端口轉(zhuǎn)換器。
【背景技術(shù)】
[0003]電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車中，搭載有行駛用馬達(dá)、空調(diào)用馬達(dá)、電動(dòng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向(EPS)、其它各種輔助機(jī)械等利用電來進(jìn)行動(dòng)作的各種電氣設(shè)備。這些設(shè)備需要根據(jù)其輸出對(duì)應(yīng)地準(zhǔn)備適當(dāng)?shù)碾妷?、?dòng)作電流不同的多個(gè)電源。
[0004]作為行駛用電池，在準(zhǔn)備300V左右的電池的情況下，為了得到適當(dāng)電壓的直流電壓，需要(i)用于驅(qū)動(dòng)行駛用馬達(dá)的升壓轉(zhuǎn)換器；(ii)用于向輔助機(jī)械供給電源的DC/DC轉(zhuǎn)換器；以及(iii)用于驅(qū)動(dòng)EPS的DC/DC轉(zhuǎn)換器等。并且，也需要用于從外部交流電源使用交流電流來對(duì)內(nèi)部電源進(jìn)行充電的電路、用于驅(qū)動(dòng)車載交流驅(qū)動(dòng)設(shè)備的逆變器等。
[0005]日本特開2012-125040中記載了通過在一個(gè)變壓器的第一繞組中流過兩種電流，來實(shí)現(xiàn)升壓轉(zhuǎn)換器和絕緣轉(zhuǎn)換器這兩種功能的內(nèi)容。即，通過在第一繞組的兩端連接電橋電路的一對(duì)中點(diǎn)，來在第一繞組中流過所希望的交流電流，從而作為絕緣轉(zhuǎn)換器進(jìn)行動(dòng)作。另外，在電橋電路的一對(duì)中點(diǎn)與第一繞組的兩端之間，分別配置磁耦合電感器的一對(duì)繞組。另外，將電橋電路的兩根母線與第一電源連接，并在第一繞組的中點(diǎn)與電橋電路的負(fù)側(cè)母線之間連接第二電源。
[0006]由此，通過電橋電路的開關(guān)，來在第一繞組中流過規(guī)定的交流電流，而在第二繞組得到規(guī)定的交流，并且通過對(duì)從第一繞組的中點(diǎn)向下側(cè)流過的電流進(jìn)行接通斷開，能夠利用磁耦合電感器來產(chǎn)生朝向電橋電路的正側(cè)母線流過的電流，從而作為升壓轉(zhuǎn)換器發(fā)揮功會(huì)K。
[0007]此處，若實(shí)際使用日本特開2012-125040的電路，則在磁耦合電感器中會(huì)產(chǎn)生較大的熱量。在磁耦合電感器中，不僅流過作為絕緣轉(zhuǎn)換器的電流還流過作為升壓轉(zhuǎn)換器的電流這二者。由于升壓轉(zhuǎn)換器動(dòng)作所引起的電流相對(duì)于繞組導(dǎo)體流過相同的方向，所以磁通不會(huì)因流過繞組的電流而變強(qiáng)。另一方面，絕緣轉(zhuǎn)換器動(dòng)作所引起的電流相對(duì)于繞組導(dǎo)體流過相反方向。由此，在導(dǎo)體間引起磁通的相互增強(qiáng)。在導(dǎo)體間相互增強(qiáng)的磁通通過與導(dǎo)體互連來產(chǎn)生焦耳熱，這樣的熱量產(chǎn)生不僅使材料老化，還導(dǎo)致效率惡化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的一個(gè)方式是磁耦合電感器，具備磁耦合的一對(duì)繞組，在沿繞組的軸向?qū)盈B的多層中的一層，各繞組具有多匝，上述一對(duì)繞組的繞組彼此沿繞組的軸向?qū)χ门渲谩?br>[0009]具有磁耦合的一對(duì)繞組的磁耦合電感器也可以在上述一對(duì)繞組中流過同相的電流以及反相的電流這二者，并且各繞組在沿繞組的軸向的一層均具有多匝，上述一對(duì)繞組的流過相互反相的電流的一層的繞組彼此沿繞組的軸向?qū)χ门渲谩?br>[0010]本發(fā)明的其它一個(gè)方式是多端口轉(zhuǎn)換器，具備磁耦合的一對(duì)繞組和變壓器，對(duì)于一對(duì)繞組在沿繞組的軸向?qū)盈B的多層中的一層，各繞組具有多匝，上述一對(duì)繞組的繞組彼此沿繞組的軸向?qū)χ门渲?，其中，在變壓器的一?cè)繞組，設(shè)置包括一對(duì)兩側(cè)端子和至少一個(gè)中間端子的至少三個(gè)連接端子，上述兩側(cè)端子經(jīng)由具有磁耦合的一對(duì)繞組的磁耦合電感器的各繞組與第一電源連接，并且在上述兩側(cè)端子的一側(cè)與中間端子之間連接第二電源，在上述變壓器的一側(cè)繞組與和上述變壓器的一側(cè)繞組磁耦合的變壓器的另一側(cè)繞組之間交換電力。
[0011]另外，多端口轉(zhuǎn)換器也可以在變壓器的一側(cè)繞組，設(shè)置包括一對(duì)兩側(cè)端子和至少一個(gè)中間端子的至少三個(gè)連接端子，上述兩側(cè)端子經(jīng)由具有磁耦合的一對(duì)繞組的磁耦合電感器的各繞組與第一電源連接，并且在上述兩側(cè)端子的一側(cè)與中間端子之間連接第二電源，在上述一側(cè)繞組與磁耦合的另一側(cè)繞組之間交換電力，其中，上述磁耦合電感器在上述一對(duì)繞組中流過與在上述一側(cè)繞組中流過的同相電流和經(jīng)由上述一側(cè)繞組的中間端子流過的反相電流這二者，各繞組在沿繞組的軸向的一層均具有多匝，上述一對(duì)繞組的流過相互反相的電流的一層的繞組彼此沿繞組的軸向?qū)χ门渲谩?br>[0012]另外，一個(gè)實(shí)施方式中，上述磁耦合電感器的一對(duì)繞組各自僅為單層。
[0013]根據(jù)本發(fā)明，能夠?qū)⒋篷詈想姼衅鞯慕苟鷵p耗抑制得較小。
【附圖說明】
[0014]通過以下參照附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行的詳細(xì)描述，本發(fā)明的特征、優(yōu)點(diǎn)及技術(shù)和工業(yè)意義會(huì)變得更加清楚，其中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的要素，其中:
[0015]圖1是表示系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)的圖。
[0016]圖2A是說明絕緣轉(zhuǎn)換器功能的圖。
[0017]圖2B是說明升壓轉(zhuǎn)換器功能的圖。
[0018]圖3是說明磁耦合電感器的結(jié)構(gòu)的圖。
[0019]圖4A是表示因流過磁耦合電感器的電流而產(chǎn)生的磁場(chǎng)的圖。
[0020]圖4B是表示因流過磁耦合電感器的電流而產(chǎn)生的磁場(chǎng)的圖。
[0021]圖5A是表示磁耦合電感器的磁通密度分布的狀態(tài)的圖。
[0022]圖5B是表示磁耦合電感器的焦耳損耗的狀態(tài)的圖。
[0023]圖6是說明實(shí)施方式的磁耦合電感器的結(jié)構(gòu)的圖。
[0024]圖7是說明實(shí)施方式的磁耦合電感器的結(jié)構(gòu)的圖。
[0025]圖8A是表示實(shí)施方式的磁耦合電感器的磁通密度分布的狀態(tài)的圖。
[0026]圖SB是表示實(shí)施方式的磁耦合電感器的焦耳損耗的狀態(tài)的圖。
[0027]圖9是表示實(shí)施方式的磁耦合電感器的焦耳損耗的圖。
[0028]圖10是說明實(shí)施方式的磁耦合電感器的變形例的結(jié)構(gòu)的圖。
[0029]圖11是說明實(shí)施方式的磁耦合電感器的其它變形例的結(jié)構(gòu)的圖。
[0030]圖12是說明實(shí)施方式的磁耦合電感器的其它變形例的結(jié)構(gòu)的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]以下，基于附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明。此外，本發(fā)明不限定于此處記載的實(shí)施方式。
[0032]圖1中表示如下的多端口轉(zhuǎn)換器系統(tǒng):在變壓器的一側(cè)具有兩端口，在另一側(cè)具有一個(gè)端口，在一側(cè)的兩端口間發(fā)揮作為升壓轉(zhuǎn)換器的功能，在一側(cè)的一個(gè)端口與另一側(cè)發(fā)揮利用了作為變壓器動(dòng)作的絕緣轉(zhuǎn)換器功能。也可以進(jìn)一步增加端口數(shù)量，該情況下，也能夠通過與圖示的系統(tǒng)相同的原理在各端口間進(jìn)行所希望的電力交換。
[0033]首先，端口 A具有一對(duì)端子10、12，在它們之間配置有電容器14。端子10與正側(cè)母線16連接，端子12與負(fù)側(cè)母線18連接。而且，在正側(cè)母線16、負(fù)側(cè)母線18間配置有開關(guān)元件20、22的串聯(lián)連接和開關(guān)元件24、26的串聯(lián)連接。開關(guān)元件20、22的連接點(diǎn)經(jīng)由磁耦合電感器28與變壓器的第一繞組30的一端連接，開關(guān)元件24、26的連接點(diǎn)經(jīng)由磁耦合電感器32與變壓器的第一繞組30的另一端連接。
[0034]變壓器的第一繞組30通過繞組30a和30b的串聯(lián)連接而構(gòu)成，繞組30a、30b的連接點(diǎn)與端口 C的端子34連接。端口 C在端子34與端口 A的端子12之間形成，在端子34、12間配置有電容器36。
[0035]端口 B與變壓器的第二繞組38連接，端口 B具有一對(duì)端子40、42。在端子40、42間配置有電容器44。端子40與正側(cè)母線46連接，端子42與負(fù)側(cè)母線48連接。而且，在正側(cè)母線46、負(fù)側(cè)母線48間配置有開關(guān)元件50、52的串聯(lián)連接和開關(guān)元件54、56的串聯(lián)連接。開關(guān)元件50、52的連接點(diǎn)與變壓器的第二繞組38的一端連接，開關(guān)元件54、56的連接點(diǎn)與變壓器的第二繞組38的另一端連接。此外，開關(guān)元件20、22、24、26、50、52、54、56分別具有與晶體管并列連接且從負(fù)側(cè)朝向正側(cè)流過電流的二極管。另外，第一繞組30和第二繞組38共享鐵芯等而磁耦合，作為變壓器而發(fā)揮功能。
[0036]“作為絕緣轉(zhuǎn)換器的功能”
[0037]首先，簡(jiǎn)要地對(duì)作為端口 A與端口 B間的絕緣轉(zhuǎn)換器的功能進(jìn)行說明。當(dāng)控制開關(guān)元件20?26的開關(guān)來在第一繞組30流過交流電流時(shí)，在第二繞組38中流過與其相應(yīng)的交流電流。第二繞組38的兩端通過開關(guān)元件50?46的各個(gè)二極管僅從負(fù)側(cè)母線48向正側(cè)母線46側(cè)流過電流，在端口 B得到整流后直流電壓。
[0038]在從端口 B向端口 A傳輸電力的情況下，利用開關(guān)元件50?56在第二繞組38中流過規(guī)定交流，由此在第一繞組30中流過對(duì)應(yīng)交流，通過開關(guān)元件20?26的二極管整流而在端口 A得到所希望的直流電力。
[0039]此處，在向第一繞組30作為整體流過交流電流的情況下，向磁耦合電感器28、32流動(dòng)反相位的電流。因此，磁耦合電感器28、32成為反相耦合，磁耦合電感器28、32的功能變得無(wú)效。
[0040]此處，在本實(shí)施方式中，能夠利用開關(guān)元件50?56來控制在第二繞組中流過的電流。因此，也能夠進(jìn)行電力從端口 B朝向端口 A的輸送。而且，通過控制在第一繞組30和第二繞組38中流過的交流電流的相位差，能夠控制雙向的電力相位。例如，能夠使端口 A為46V，使端口 B為288V。
[0041]“作為升壓轉(zhuǎn)換器的功能”
[0042]接下來，簡(jiǎn)要地對(duì)作為端口 C與端口 A之間的升壓轉(zhuǎn)換器的功能進(jìn)行說明。例如端口 C為12V左右，相對(duì)于端子12，端子34為+12V左右。
[0043]若開關(guān)元件26接通，則從端口 C的端子34開始經(jīng)由繞組30b、磁耦合電感器32以及開關(guān)元件26朝向端子12流過電流。由于磁耦合電感器32、28磁耦合，所以在磁耦合電感器28中流過相同的電流，在磁耦合電感器28積蓄能量。而且，通過斷開開關(guān)元件26，來使在磁耦合電感器28中積蓄的能量經(jīng)由開關(guān)元件20的二極管向正側(cè)母線16流過，對(duì)電容器14進(jìn)行充電。在開關(guān)元件22接通的情況下在磁耦合電感器32中積蓄的能量在斷開開關(guān)元件22后經(jīng)由開關(guān)元件24的二極管向電容器14進(jìn)行充電。
[0044]此處，在使升壓轉(zhuǎn)換器發(fā)揮功能的情況下，在第一繞組30的繞組30a、30b中流過反相的電流。因此，抵消第一繞組30的繞組30a、30b所引起的磁通，變壓器的功能變得無(wú)效。
[0045]此外，使用繞組30a、30b的升壓電路成為具有開關(guān)元件20?26的電橋結(jié)構(gòu)，通過控制上側(cè)的開關(guān)元件20、24和下側(cè)的開關(guān)元件22，26的接通期間的占空比，能夠控制升壓比。由此，相對(duì)于端口 C的12V左右，能夠在端口 A得到升壓了的46V左右的電壓。
[0046]“整體動(dòng)作”