JP2009247121A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】力率改善用のインダクタおよび伝導ノイズ対策用のフィルタサイズを小形化するようにした電力変換装置を提供する。
【解決手段】インダクタ９は、共通のコアに巻かれて互いに疎結合された第１、第２の巻線９ａ，９ｂを備え、交流電圧の入力線に挿入されている。このインダクタ９は、漏れインダクタンス成分を主変換動作のエネルギー蓄積要素とするとともに、インダクタ９の主インダクタンス成分をスイッチ素子６のオンオフ動作に起因する伝導ノイズの抑制要素としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流電圧からスイッチング素子をオンオフ制御して、コイルに蓄積されたエネルギーを直流電圧として出力する電力変換装置に関し、とくに昇圧、あるいは降圧チョッパとして動作する電力変換装置に関する。

従来のスイッチ素子を利用した電力変換装置としては、たとえば図５に示すような力率改善回路を整流回路の出力側に設けたものがある。図５の電力変換装置において、交流電源１は、スイッチング電源装置１０を介して負荷２０に直流電圧を供給する。

スイッチング電源装置１０は、コンデンサ２ａ〜２ｃとコモンモードチョークコイル３からなるノイズフィルタ２、ダイオード４ａ〜４ｄからなる整流回路４、この整流回路４の出力ライン側に配置された力率改善用のインダクタ５、ＰＷＭ制御回路６ａによってオンオフ制御されるスイッチ素子６、およびダイオード７とコンデンサ８からなる平滑回路によって構成されている。ここで、ノイズフィルタ２は交流電源１からの伝導ノイズ（コモンモードノイズ）を低減するために配置されている。また、スイッチ素子６には自己消弧形デバイスとしてＭＯＳＦＥＴを使用している。

つぎに、電力変換装置１０の動作を説明する。
最初に、スイッチ素子６がオンのときインダクタ５に電流が流れて、そこにエネルギーが蓄積される。つぎに、スイッチ素子６がオフになると、インダクタ５に発生する逆起電力によって蓄積されたエネルギーが負荷２０に伝達される。このとき、入力電流波形が正弦波状になるように、制御回路８によりスイッチ素子６のオンオフのパルス幅を制御して、力率を改善する。

こうしたＰＷＭインバータなどの電力変換装置を構成する順変換回路や逆変換回路に用いられるＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング動作は、キャリア周波数を数ＫＨｚから十数ＫＨｚ程度としたパルス幅変調（ＰＷＭ）された駆動信号に基づいて行われ、このスイッチング動作により数十ＫＨｚ以上の周波数成分のコモンモードノイズがこの電力変換装置の主回路導体と接地（アース）との間に発生することが知られている。

この種の力率改善回路において発生する伝導ノイズを低減するために、チョークコイルを半数ずつの巻数に分割するとともに、この分割した各コイル部が逆極性となるように同一のコアに巻回して整流回路の出力ライン両端にそれぞれ挿入接続したものがある（たとえば、特許文献１参照）。これによれば、スイッチング素子のオン、オフ動作により力率改善回路から整流回路の電圧供給側ラインおよびマイナス側ラインにそれぞれ発生するリップル電流などの高周波領域におけるノイズは互いに逆位相となって現われ、前記整流回路の電圧供給側ラインとマイナス側ラインとの間に生じるノーマルモードノイズが打ち消されて、そのノイズレベルは小さくなる。
特開平１０−１５０３３２号公報（段落番号［００１３］〜［００２７］、図１）

このような電力変換装置において、ノーマルモードノイズを抑制するために設けたインダクタ５に流れる電流は、正弦波状の低周波成分とスイッチ素子６のオンオフ動作に起因する高周波成分とが重畳した交流波形となっている。そして、低周波成分のピーク時における瞬時電流値は大きなものとなるが、このピークにおいてもコイルの磁心（コア）が飽和しないためには、平均電流に対するコアの磁束密度をより低くしておく必要があり、コアのサイズを大きめに設計する必要がある。さらに、短時間の過負荷を許容する装置の場合には、コアのサイズをより大きなものとする必要があり、電力変換装置全体が大形化してしまうという問題があった。

一方、商用電源など外部の交流電源１に接続される場合は、図５に示すようなノイズフィルタ２としてコモンモードチョークコイル３が必要である。しかし、特許文献１に記載された従来装置では、ノーマルモードノイズを抑制するだけでコモンモードノイズは抑制することができない。したがって、力率改善用のインダクタ５とは別にコモンモードノイズの抑制手段を設けなくてはならないため、電力変換装置を小形化するうえで大きな障害となっていた。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、力率改善用のインダクタおよび伝導ノイズ対策用のフィルタサイズを小形化するようにした電力変換装置を提供することを目的とする。

本発明では、上記問題を解決するために、交流電源を整流する整流回路、その出力を平滑化する平滑用コンデンサ、インバータ回路およびエネルギー蓄積用のコイルからなり、交流電圧からスイッチ素子をオンオフ制御して、前記コイルに蓄積されたエネルギーを直流電圧として出力する電力変換装置が提供される。この電力変換装置のコイルは、共通のコアに巻かれて互いに疎結合された第１、第２の巻線を備え、前記コイルの漏れインダクタンス成分を主変換動作のエネルギー蓄積要素とするとともに、前記コイルの主インダクタンス成分を前記スイッチ素子のオンオフ動作に起因する伝導ノイズの抑制要素としている。

本発明によれば、漏れ磁束がコイルのコアを飽和させることがないので、コイルの漏れインダクタンスにエネルギーが蓄積されてもコアが飽和するといった事態を避けることができる。そのため、コアを大きくする必要がなく、コイルを小形化して電力変換装置全体を小さくできる。

さらに、コイルの主インダクタンスをコモンモードチョークコイルとして利用することによって、従来は別途設けていたコモンモードチョークコイルを省略し、あるいは小形化することができる。

以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。図１は、実施の形態に係る電力変換装置の一例を示す回路図である。図５に示す従来装置と同一部分には同一符号を付して、それらの説明は省略する。

図１の電力変換装置では、共通のコアに巻かれた第１、第２の巻線９ａ，９ｂを有するインダクタ９が整流回路４とスイッチ素子６の間に設けられ、昇圧コイルとして機能している。第１の巻線９ａは、整流回路４の電圧供給側ラインにダイオード７と接続するように配置され、第２の巻線９ｂは、整流回路４のマイナス側ラインを負荷２０の接地側に接続するように配置されている。ここでは、第１、第２の巻線９ａおよび９ｂは同一コアに同一巻数だけ巻かれている。

スイッチ素子６がオンすると、インダクタ９の巻線９ａおよび巻線９ｂに電流が流れて、そのコアに磁束が発生する。このとき、それぞれ巻線９ａと巻線９ｂが発生する磁束は、互いに逆方向になる。したがって、インダクタ９ではその主磁束が互いに打ち消しあって、漏れインダクタンス成分にエネルギーが蓄積される。

図２は、図１のインダクタを示す図であって、（ａ）は具体的なコイル形状を示す断面図、（ｂ）はコアの形状を示す斜視図である。
図２（ａ）において、ボビン２１の中間部分には絶縁体からなるセパレータ２２が配置され、セパレータ２２により左右に離間して第１、第２の巻線９ａおよび９ｂが巻かれている。また、コア２３は同図（ｂ）に示すように「８」の字形状をなし、コア脚部２３ａがボビン２１を貫通するように配置され、第１、第２の巻線９ａおよび９ｂをコア２３内に収納している。コア２３は、たとえば同図（ｂ）のようなＥ字型のコア２３ｅとＩ字型のコア２３ｉの組み合わせ、あるいは２つのＥ字型のコアの組み合わせなどで形成することができる。

ここで、インダクタ９の巻線９ａおよび９ｂは、図１の巻線に対応するものであって、セパレータ２２によって巻線９ａ，９ｂの結合度の低い疎結合となっていれば、インダクタ９に必要な漏れインダクタンス値が実現できる。ここで、疎結合とは第１の巻線９ａと第２の巻線９ｂとの磁気的な結合係数の値が１以下であることを言い、たとえば結合係数の値が０．８などである。すなわち、結合係数が１以下であるということは、第１の巻線９ａには鎖交しても第２の巻線９ｂには鎖交しない磁束が存在し、かつ第２の巻線９ｂには鎖交しても第１の巻線９ａには鎖交しない磁束が存在することを意味する。したがって、こうした漏れインダクタンスの大きさについては、巻線９ａと９ｂの巻数を調整し、あるいはセパレータ２２の大きさなどによって両者の間の距離を調整することによって、コモンモード電流を抑制するために必要な数百μ〜数ｍＨ程度まで漏れインダクタンス値を増加することができる。

図３は、図１のインダクタを構成する別のコイル形状を示す断面図である。
図２のコイル形状では、巻線９ａ，９ｂを左右に分割することによって漏れインダクタンスを持たせるようにしたが、コア３３内で２つの巻線９ａ，９ｂを同心円状に疎結合することで漏れインダクタンス値を大きくしても構わない。

すなわち、共通のボビン３１には、図３に示すように、ボビン３１の内周側に第１の巻線９ａを巻き、その外周側に絶縁体からなるセパレータ３２を介して、巻線９ａと同軸に第２の巻線９ｂを巻くようにしている。この場合は、セパレータ３２の厚さを大きくすることで、インダクタ９の巻線９ａ，９ｂの結合を疎にして、漏れインダクタンス値を大きくすることができる。

図４は、別の電力変換装置の要部構成を示す回路図である。ここでは、本発明を降圧型チョッパとして構成している。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その説明は省略する。

入力端子１ａ，１ｂは整流回路４に接続され、出力端子２０ａ，２０ｂは負荷２０と接続される。ここでは、スイッチ素子６が整流回路４に接続される入力端子１ａに接続され、かつインダクタ９の第１の巻線９ａがスイッチ素子６の出力側に挿入されている点で、図１の実施の形態とは異なっている。

このように構成された電力変換装置は、図１の場合と同様にインダクタ９の漏れインダクタンスをエネルギー蓄積要素として利用することで、インダクタ９を構成するコイルを小形化できるから、電源変換装置の小形化が可能である。

なお、いずれの実施の形態においても、スイッチ素子６としてＭＯＳＦＥＴを用いた場合を説明したが、それ以外のバイポーラトランジスタやＩＧＢＴなどの自己消弧形素子を用いてスイッチ素子６を構成することもできる。

また、図１，図４の電力変換装置の場合でも、図５の従来装置と同様に、コモンモードチョークコイル３に相当するコイルを補助的に設けてもよい。そうした補助的なコイルは、従来技術におけるコモンモードチョークコイル３より小規模なものであってもコモンモードノイズを有効に抑制できるから、電源変換装置の大きさを小形化することができる。

実施の形態に係る電力変換装置の一例を示す回路図である。 図１のインダクタを示す図であって、（ａ）は具体的なコイル形状を示す断面図、（ｂ）はコアの形状を示す斜視図である。 図１のインダクタを構成する別のコイル形状を示す断面図である。 別の電力変換装置の要部構成を示す回路図である。 従来の電力変換装置の一例を示す回路図である。

符号の説明

１ 交流電源
２ ノイズフィルタ
２ａ〜２ｃ，８ コンデンサ
４ａ〜４ｄ，７ ダイオード
６ スイッチ素子
６ａ ＰＷＭ制御回路
９ インダクタ
９ａ，９ｂ 巻線
１０ スイッチング電源装置
２０ 負荷
２１，３１ ボビン
２２，３２ セパレータ
２３，３３ コア

Claims (5)

1. 交流電源を整流する整流回路、その出力を平滑化する平滑用コンデンサ、インバータ回路およびエネルギー蓄積用のコイルからなり、交流電圧からスイッチ素子をオンオフ制御して、前記コイルに蓄積されたエネルギーを直流電圧として出力する電力変換装置において、
   前記コイルは、共通のコアに巻かれて互いに疎結合された第１、第２の巻線を備え、
   前記コイルの漏れインダクタンス成分を主変換動作のエネルギー蓄積要素とするとともに、前記コイルの主インダクタンス成分を前記スイッチ素子のオンオフ動作に起因する伝導ノイズの抑制要素としたことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記第１の巻線に流れる電流によって発生する磁束と、前記第２の巻線に流れる電流によって発生する磁束が互いに打ち消しあう向きで、前記コイルを前記整流回路と前記スイッチ素子との間に挿入したことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記第１の巻線に流れる電流によって発生する磁束と、前記第２の巻線に流れる電流によって発生する磁束が互いに打ち消しあう向きで、前記コイルを前記スイッチ素子の出力線側に挿入したことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
4. 前記コイルは、前記第１、第２の巻線をセパレータによって互いに疎結合としたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
5. 前記コイルとは別に、コモンモード電流抑制用のチョークコイルを備えたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。

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