JP5426961B2 - Ｄｃ／ｄｃコンバータ - Google Patents

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Description

本発明は、ＤＣ／ＤＣコンバータ、特に、電気自動車等での使用に好適な、小型・軽量で双方向の昇圧・降圧動作可能なＤＣ／ＤＣコンバータに関する。
従来、自動車の電動及び電動アシストシステム系の電力変換器では、磁気相殺型変圧器を用いて昇圧（降圧）率を可変とするＤＣ／ＤＣコンバータが開示されている（たとえば、特許文献１参照）。このＤＣ／ＤＣコンバータは、入力端子と複数のスイッチング素子との間に、昇降圧率可変用インダクタと磁気相殺型変圧器とを設けた構成である。
このような構成にすることにより、連続的な昇降圧動作を可能としつつ、当該インダクタ及び変圧器を小型化することで、小型・軽量の昇降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータを実現している。
特開２００６−１４９０５４号公報
しかしながら、前記の従来技術によるＤＣ／ＤＣコンバータでは、双方向の電力変換を実現するものの、各方向は昇圧又は降圧の何れかしか動作させることができなかった。
本発明は、前記問題点に鑑み創案されたもので、磁気部品の小型化及び昇圧・降圧率を可変とし、かつ、双方向の何れの方向にも昇圧・降圧動作を行うことの可能なＤＣ／ＤＣコンバータを提供することを課題とする。
前記課題を解決するために、本発明の請求項１に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、第１の正極である第１電圧側ポートと、第２の正極である第２電圧側ポートと、共通基準端子と、複数のスイッチ素子と、複数のインダクタと、変圧器とを備えたＤＣ／ＤＣコンバータであって、第１のスイッチ素子（ＳＷ１）及び第２のスイッチ素子（ＳＷ２）は、一端が前記第１電圧側ポートに接続され、第１のインダクタ（Ｌ１）は、一端が前記第１のスイッチ素子（ＳＷ１）の他端に接続され、第２のインダクタ（Ｌ２）は、一端が前記第２のスイッチ素子（ＳＷ２）の他端に接続され、第３のスイッチ素子（ＳＷ３）は、一端が前記第１のスイッチ素子（ＳＷ１）の他端に接続され、第４のスイッチ素子（ＳＷ４）は、一端が前記第２のスイッチ素子（ＳＷ２）の他端に接続され、前記第３のスイッチ素子（ＳＷ３）及び前記第４のスイッチ素子（ＳＷ４）の他端は、前記共通基準端子に接続され、前記変圧器は磁気相殺型変圧器（Ｔ）であり、一次巻線（Ｌ３）と二次巻線（Ｌ４）とを備え、前記一次巻線（Ｌ３）と前記二次巻線（Ｌ４）とは、コアを介して磁気的に結合し、略同巻数比で逆巻き結線に接続され、前記一次巻線（Ｌ３）の一端は、前記第１のインダクタ（Ｌ１）の他端に接続され、前記二次巻線（Ｌ４）の一端は、前記第２のインダクタ（Ｌ２）の他端に接続され、第５のスイッチ素子（ＳＷ５）及び第６のスイッチ素子（ＳＷ６）は、一端が前記第２電圧側ポートに接続され、前記第５のスイッチ素子（ＳＷ５）の他端は、前記一次巻線（Ｌ３）の他端に接続され、前記第６のスイッチ素子（ＳＷ６）の他端は、前記二次巻線（Ｌ４）の他端に接続され、第７のスイッチ素子（ＳＷ７）は、一端が前記一次巻線の他端に接続され、第８のスイッチ素子（ＳＷ８）は、一端が前記二次巻線の他端に接続され、前記第７のスイッチ素子（ＳＷ７）及び前記第８のスイッチ素子の他端は、前記共通基準端子に接続されており、外部に設けられた制御装置から前記第５乃至第８のスイッチ素子に対しオン・オフ制御信号を与え、前記第５のスイッチ素子と前記第７のスイッチ素子のそれぞれのオン・オフ動作を交互に制御し、前記第６のスイッチ素子と前記第８のスイッチ素子のそれぞれのオン・オフ動作を交互に制御して、前記第１電圧を前記第２電圧へ昇圧させること及び前記第２電圧を前記第１電圧へ降圧させることを異なるタイミングで実行させることを特徴とする。
このような構成にすることで、第１のインダクタ、第２のインダクタ及び磁気相殺型変圧器から構成される磁気部品の前段と後段に、それぞれ４つのスイッチ素子から構成される２つのスイッチ部を備えた双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータを具現することができる。したがって、一方のスイッチ部のスイッチ動作による昇降圧と、他方のスイッチ部の昇降圧とを行うことが可能である。つまり、双方向の昇降圧動作が可能となる。
そして、このようにすることで、請求項１の双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、第５のスイッチ素子と第７のスイッチ素子とを交互にスイッチングするモードと、第６のスイッチ素子と第８のスイッチ素子とを交互にスイッチングするモードとを、モード切り替え動作を要することなく、第１電圧から第２電庄への昇圧動作及び第２電圧から第1電圧への降圧動作を連続的に切り替える、順方向昇圧及び逆方向降圧シームレス動作モードを具現することができる。
そして、本発明の請求項２に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、請求項１のＤＣ／ＤＣコンパータにおいて、外部に設けられた制御装置から前記第７のスイッチ素子及び第８のスイッチ素子に対しオン・オフ制御信号を与え、前記第７のスイッチ素子と前記第８のスイッチ素子のそれぞれのオン・オフ動作を交互に制御して前記第１電圧を前記第２電圧へ昇圧させることを特徴とする。
このようにすることで、請求項１の双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、第７のスイッチ素子と第８のスイッチ素子とを交互にスイッチングすることで、第１電圧を第２電圧へ昇圧させる順方向昇圧動作モードを具現することができる。
また、本発明の請求項３に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、請求項１のＤＣ／ＤＣコンパータにおいて、外部に設けられた制御装置から前記第５のスイッチ素子及び第６のスイッチ素子に対しオン・オフ制御信号を与え、前記第５のスイッチ素子と前記第６のスイッチ素子のそれぞれのオン・オフ動作を交互に制御して前記第２電圧を前記第１電圧へ降圧させることを特徴とする。
このようにすることで、請求項１の双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、第５のスイッチ素子と第６のスイッチ素子とを交互にスイッチングすることで、第２電圧を第１電圧へ降圧させる逆方向降圧動作モードを具現することができる。
そして、本発明の請求項４に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、請求項１のＤＣ／ＤＣコンパータにおいて、外部に設けられた制御装置から前記第１のスイッチ素子及び第２のスイッチ素子に対しオン・オフ制御信号を与え、前記第１のスイッチ素子と前記第２のスイッチ素子のそれぞれのオン・オフ動作を交互に制御して前記第１電圧を前記第２電圧へ降圧させることを特徴とする。
このようにすることで、請求項１の双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、第１のスイッチ素子と第２のスイッチ素子とを交互にスイッチングすることで、第１電圧を第２電圧へ降圧させる順方向降圧動作モードを具現することができる。
また、本発明の請求項５に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、請求項１のＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、外部に設けられた制御装置から前記第３のスイッチ素子及び第４のスイッチ素子に対しオン・オフ制御信号を与え、前記第３のスイッチ素子と前記第４のスイッチ素子のそれぞれのオン・オフ動作を交互に制御して前記第２電圧を前記第１電圧へ昇圧させることを特徴とする。
このようにすることで、請求項１の双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、第３のスイッチ素子と第４のスイッチ素子とを交互にスイッチングすることで、第２電圧を第１電圧へ昇圧させる逆方向昇圧動作モードを具現することができる。
そして、本発明の請求項６に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、請求項１のＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、前記磁気相殺型変圧器の前記コアは、前記一次巻線及び二次巻線が個別に巻き回しされ、該巻線が発生する磁束による閉磁路を形成する磁脚部と、前記磁脚部を固定し該磁脚部とともに閉磁路を形成する基部とを有し、前記磁脚部が、前記一次巻線及び前記二次巻線が巻き回しされた中脚部と、前記中脚部と横並びに形成された外脚部とを備えることを特徴とする。
このように構成することで、請求項１の双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、磁気部品である磁気相殺型変圧器を小型・軽量化することができる。
そして、本発明の請求項７に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、請求項１のＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、前記磁気相殺型変圧器の前記コアは、前記一次巻線及び二次巻線が交互に積み重なるよう巻き回しされ、該巻線が発生する磁束による閉磁路を形成する磁脚部と、前記磁脚部を固定し該磁脚部とともに閉磁路を形成する基部とを有し、前記磁脚部が、前記一次巻線及び前記二次巻線が巻き回しされた中脚部と、前記中脚部と横並びに形成された外脚部とを備えることを特徴とする。
このように構成することで、請求項１の双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、磁気部品を構成する磁気相殺型変圧器を小型・軽量化することができる。
そして、本発明の請求項８に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、請求項１のＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、前記磁気相殺型変圧器の前記コアは、前記一次巻線及び二次巻線が個別に巻き回しされ、該巻線が発生する磁束による閉磁路を形成する磁脚部と、前記磁脚部を固定し該磁脚部とともに閉磁路を形成する基部とを有し、前記磁脚部が、前記一次巻線及び前記二次巻線が巻き回しされた中脚部と、前記中脚部と横並びに形成された外脚部とを備え、前記中脚部と対面する位置の少なくとも一方に第１のインダクタ用のコアと第２のインダクタ用のコアが上下に並べて配設され、前記一次巻線が前記中脚部に巻き回しされ、かつ、前記第１のインダクタ用コアに前記第１のインダクタ用のコイルとして共用され巻き回しされ、前記二次巻線が前記中脚部に巻き回しされ、かつ、前記第２のインダクタ用コアに前記第２のインダクタ用のコイルとして共用され巻き回しされていることを特徴とする。
このように構成することで、請求項１の双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、磁気部品を構成する第１のインダクタ、第２のインダクタ、及び、磁気相殺型変圧器を小型・軽量化することができる。
そして、本発明の請求項９に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、請求項１のＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、前記第１乃至第８のスイッチ素子が、フライホイールダイオード付Insulated Gate Bipolar Transistor（ＩＧＢＴ）であることが好適である。
このように構成することで、請求項１の双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、第１乃至第８のスイッチ素子を大電流・高耐圧特性を有するスイッチ素子とすることができる。
そして、本発明の請求項１０に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、請求項１のＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、前記第１乃至第８のスイッチ素子が、Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor（ＭＯＳＦＥＴ）であることが好適である。
このように構成することで、請求項１の双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、第１乃至第８のスイッチ素子を高速・高周波特性を有するスイッチ素子とすることができる。
本発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータによれば、磁気部品の小型化及び昇圧・降圧率を可変とし、かつ、双方向の何れの方向にも昇圧・降圧動作を行うことの可能なＤＣ／ＤＣコンバータを提供することができる。
したがって、自動車の電動及び電動アシストシステム系の電力変換器の構成部品の高機能・小型・軽量化を実現すると共に、高信頼性化と製造コストの低減化を図ることができる。
本発明の双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータの構成を説明するための回路図である。 本発明の双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータの順方向昇圧動作モードを説明するための回路図である。 本発明の双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータの逆方向降圧動作モードを説明するための回路図である。 本発明の双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータの順方向降圧動作モードを説明するための回路図である。 本発明の双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータの逆方向昇圧動作モードを説明するための回路図である。 本発明の双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータの順方向昇圧及び逆方向降圧シームレス動作モードを説明するための回路図とタイミングチャートである。 本発明の双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータの順方向降圧及び逆方向昇圧シームレス動作モードを説明するための回路図とタイミングチャートである。 本発明の双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータの磁気相殺型変圧器Ｔ１を説明するための図であり、（ａ）は外観図、及び、（ｂ）は、断面図である。 本発明の双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータの磁気相殺型変圧器Ｔ２を説明するための図であり、（ａ）は、外観図、及び、（ｂ）は、断面図である。 本発明の双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータの磁気相殺型変圧器Ｔ３を説明するための図であり、（ａ）は、外観図、及び、（ｂ）は正面図である。 本発明の双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータの磁気相殺型変圧器Ｔ３を説明するための図であり、（ａ）は、上面図、及び、（ｂ）は側面図である。
本発明のＤＣ／ＤＣコンバータの実施形態について、図１乃至図１１を参照して説明する。なお、各図において同様の機能及び動作を行う部位については、同様の符号を付して、場合によっては説明を省略することがある。
（実施形態）
本発明の実施形態の双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０について、図１を参照して説明する。
図１において、双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０は、四端子回路として示されている。第１電圧側ポートＰ１と共通基準端子ＣＰと、第２電圧側ポートＰ２と共通基準端子ＣＰを備えて構成される。そして、双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の外部には、制御装置２０が設けられている。
双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０は、平滑コンデンサＣ１と第１のスイッチ素子乃至第４のスイッチ素子に相当する４つのスイッチ素子ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４と、第１のインダクタ及び第２のインダクタに相当するインダクタＬ１、Ｌ２と、磁気相殺型変圧器Ｔと、第５のスイッチ素子乃至第８のスイッチ素子に相当する４つのスイッチ素子ＳＷ５、ＳＷ６、ＳＷ７、ＳＷ８と、平滑コンデンサＣ２とを備えて構成される。
平滑コンデンサＣ１は、共通基準端子ＣＰと第１電圧側ポートＰ１との間に接続され、平滑コンデンサＣ２は、共通基準端子ＣＰと第２電圧側ポートＰ２との間に接続されている。第１電圧側ポートＰ１に第１電圧Ｖ１が入力されると、第２電圧側ポートＰ２には、第２電圧Ｖ２が出力される。第１電圧側ポートＰ１及び第２電圧側ポートＰ２は共に正極（プラス）端子である。
磁気相殺型変圧器Ｔは、コアと一次巻線Ｌ３と二次巻線Ｌ４によって構成される。一次巻線Ｌ３と二次巻線Ｌ４とは、逆巻き結線による接続関係で接続され、巻数比は略同一となっている。そして、一次巻線Ｌ３と二次巻線Ｌ４の各々に付されたドット記号は、電圧が誘起されたときの高電位側を示している。すなわち、磁気相殺型変圧器Ｔでは、コアを介して一次巻線Ｌ３と二次巻線Ｌ４とが磁気的に結合されており、互いの巻数比が略同一なので、一方の巻線に励磁電流が流れると、他方の巻線には一次、二次巻線の巻数比に対応した電圧が誘起される。コアに一次巻線Ｌ３と二次巻線Ｌ４が逆巻き結線による接続関係で接続され、密に磁気結合しているので、コアにおける直流磁束が相殺され、コアの磁気飽和を防止することができ、ひいては、双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を小型化することができる。
８つのスイッチ素子ＳＷ１乃至ＳＷ８のそれぞれには、たとえば、大電流・高耐圧特性を有するフライホイールダイオード付のＩＧＢＴが用いられる。なお、高速・高周波対応が必要とされる場合等には、必要に応じて、ＭＯＳＦＥＴを使用してもよい。さらに、スイッチ素子として高耐圧・耐環境特性を有するＳｉＣトランジスタやＧａＮトランジスタ等を使用することも考えられる。
双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の回路構成としては、図１において、スイッチ素子ＳＷ１及びスイッチ素子ＳＷ２は、一端が正極端子である第１電圧側ポートＰ１に接続され、インダクタＬ１は、一端がスイッチ素子ＳＷ１の他端に接続され、インダクタＬ２は、一端がスイッチ素子ＳＷ２の他端に接続されている。そして、スイッチ素子ＳＷ３は、一端がスイッチ素子ＳＷ１の他端に接続され、スイッチ素子ＳＷ４は、一端がスイッチ素子ＳＷ２の他端に接続され、これらスイッチ素子ＳＷ３及びスイッチ素子ＳＷ４の他端は、共通基準端子ＣＰに接続されている。
磁気相殺型変圧器Ｔを構成する一次巻線Ｌ３及び二次巻線Ｌ４は、一次巻線Ｌ３の一端が、インダクタＬ１の他端に接続され、二次巻線Ｌ４の一端が、インダクタＬ２の他端に接続されている。そして、スイッチ素子ＳＷ５及びスイッチ素子ＳＷ６は、一端が正極端子である第２電圧側ポートＰ２に接続され、スイッチ素子ＳＷ５の他端が、一次巻線Ｌ３の他端に接続され、スイッチ素子ＳＷ６の他端が、二次巻線Ｌ４の他端に接続されている。また、スイッチ素子ＳＷ７は、一端が一次巻線Ｌ３の他端に接続され、スイッチ素子ＳＷ８は、一端が二次巻線Ｌ４の他端に接続され、スイッチ素子ＳＷ７及びスイッチ素子ＳＷ８の他端は、共通基準端子ＣＰに接続されている。
そして、８つのスイッチ素子ＳＷ１乃至ＳＷ８のゲート端子には、制御装置２０から各スイッチ素子のオン・オフ動作を制御するためのゲート信号が与えられる。
つぎに、本実施形態の双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の順方向昇圧動作モードについて図２を参照して説明する。
順方向昇圧動作モードにおいては、制御装置２０から８つのスイッチ素子ＳＷ１乃至ＳＷ８のそれぞれに対してオン・オフ制御信号が与えられる。スイッチ素子ＳＷ１、ＳＷ２には常時オン、スイッチ素子ＳＷ３、ＳＷ４には常時オフ、スイッチ素子ＳＷ５、ＳＷ６には常時オフ、そして、スイッチ素子ＳＷ７及びスイッチ素子ＳＷ８には交互にオン・オフ動作させる制御信号が、図２下部のスイッチタイミングにより与えられる。その結果、第１電圧Ｖ１を第２電圧Ｖ２に昇圧する。
図２（ａ）は、スイッチ素子ＳＷ７がオン状態のときと、オン状態からオフ状態になったときの双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０における電流の流れを示している。この間スイッチ素子ＳＷ８はオフ状態である。図において、実線矢印はスイッチ素子ＳＷ７がオン状態での電流の流れを示し、点線矢印はスイッチ素子ＳＷ７がオフ状態になったときの電流の流れを示している。
まず、スイッチ素子ＳＷ７がオン状態でスイッチ素子ＳＷ８がオフ状態のときは、スイッチ素子ＳＷ１、ＳＷ２が常時オン状態であることから、第１電圧側ポートＰ１からスイッチ素子ＳＷ１を経由して、インダクタＬ１及び磁気相殺型変圧器Ｔの一次巻線Ｌ３に電流が流れる。このとき磁気相殺型変圧器Ｔの二次巻線Ｌ４に電圧が発生し、インダクタＬ２及び二次巻線Ｌ４に電流が流れて、常時オフ状態のスイッチ素子ＳＷ６のダイオードを介して第２電圧側ポートＰ２にＶ２が出力される。このときインダクタＬ１及びＬ２には、磁気エネルギーが蓄積される。
そして、スイッチ素子ＳＷ８がオフ状態のままでスイッチ素子ＳＷ７がオフ状態となった場合には、インダクタＬ１及びＬ２に蓄積された磁気エネルギーにより、第１電圧側ポートＰ１からスイッチ素子ＳＷ１を経由して、インダクタＬ１及び磁気相殺型変圧器Ｔの一次巻線Ｌ３に電流が流れ、常時オフ状態のスイッチ素子ＳＷ５のダイオードを介して第２電圧側ポートＰ２に放出される。同様に、インダクタＬ１及びＬ２に蓄積された磁気エネルギーにより、第１電圧側ポートＰ１からスイッチ素子ＳＷ２を経由して、インダクタＬ２及び磁気相殺型変圧器Ｔの二次巻線Ｌ４に電流が流れ、常時オフ状態のスイッチ素子ＳＷ６のダイオードを介して第２電圧側ポートＰ２に放出される。
つぎに、図２（ｂ）は、スイッチ素子ＳＷ８がオン状態のときと、オン状態からオフ状態になったときの双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０における電流の流れを示している。この間スイッチ素子ＳＷ７はオフ状態である。図において、実線矢印はスイッチ素子ＳＷ８がオン状態での電流の流れを示し、点線矢印はスイッチ素子ＳＷ８がオフ状態になったときの電流の流れを示している。
まず、スイッチ素子ＳＷ８がオン状態でスイッチ素子ＳＷ７がオフ状態のときは、スイッチ素子ＳＷ１、ＳＷ２が常時オン状態であることから、第１電圧側ポートＰ１からスイッチ素子ＳＷ２を経由して、インダクタＬ２及び磁気相殺型変圧器Ｔの二次巻線Ｌ４に電流が流れる。このとき磁気相殺型変圧器Ｔの一次巻線Ｌ３に電圧が発生し、インダクタＬ１及び一次巻線Ｌ３に電流が流れて、常時オフ状態のスイッチ素子ＳＷ５のダイオードを介して第２電圧側ポートＰ２にＶ２が出力される。このときインダクタＬ１及びＬ２には、磁気エネルギーが蓄積される。
つぎに、スイッチ素子ＳＷ７がオフ状態のままでスイッチ素子ＳＷ８がオフ状態となった場合には、インダクタＬ１及びＬ２に蓄積された磁気エネルギーにより、それぞれ、第１電圧側ポートＰ１からスイッチ素子ＳＷ２を経由して、インダクタＬ２及び磁気相殺型変圧器Ｔの二次巻線Ｌ４に電流が流れ、常時オフ状態のスイッチ素子ＳＷ６のダイオードを介して第２電圧側ポートＰ２に放出される。同様に、インダクタＬ１及びＬ２に蓄積された磁気エネルギーにより、第１電圧側ポートＰ１からスイッチ素子ＳＷ１を経由して、インダクタＬ１及び磁気相殺型変圧器Ｔの一次巻線Ｌ３に電流が流れ、常時オフ状態のスイッチ素子ＳＷ５のダイオードを介して第２電圧側ポートＰ２に放出される。
以上のように、順方向昇圧動作モードでは、スイッチ素子ＳＷ７及びスイッチ素子ＳＷ８を交互にオン・オフ動作させることにより、第１電圧Ｖ１を第２電圧Ｖ２に昇圧することができる。
また、本実施形態の双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の逆方向降圧動作モードについて図３を参照して説明する。
逆方向降圧動作モードにおいては、同様に制御装置２０から８つのスイッチ素子ＳＷ１乃至ＳＷ８のそれぞれに対してオン・オフ制御信号が与えられる。スイッチ素子ＳＷ１、ＳＷ２には常時オン、スイッチ素子ＳＷ３、ＳＷ４には常時オフ、スイッチ素子ＳＷ７、ＳＷ８には常時オフ、そして、スイッチ素子ＳＷ５及びスイッチ素子ＳＷ６には交互にオン・オフ動作させる制御信号が、図３下部のスイッチタイミングにより与えられる。その結果、第２電圧Ｖ２を第１電圧Ｖ１に降圧する。
図３（ａ）は、スイッチ素子ＳＷ５がオン状態のときと、オン状態からオフ状態になったときの双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０における電流の流れを示している。この間スイッチ素子ＳＷ６はオフ状態である。図において、実線矢印はスイッチ素子ＳＷ５がオン状態での電流の流れを示し、点線矢印はスイッチ素子ＳＷ５がオフ状態になったときの電流の流れを示している。
まず、スイッチ素子ＳＷ５がオン状態でスイッチ素子ＳＷ６がオフ状態のときは、スイッチ素子ＳＷ１、ＳＷ２が常時オン状態であることから、第２電圧側ポートＰ２からスイッチ素子ＳＷ５を経由して、磁気相殺型変圧器Ｔの一次巻線Ｌ３及びインダクタＬ１に電流が流れる。このとき磁気相殺型変圧器Ｔの二次巻線Ｌ４に電圧が発生し、二次巻線Ｌ４及びインダクタＬ２に電流が流れて、常時オン状態のスイッチ素子ＳＷ２のダイオードを介して第１電圧側ポートＰ１にＶ１が出力される。このときインダクタＬ１及びＬ２には、磁気エネルギーが蓄積される。
つぎに、スイッチ素子ＳＷ６がオフ状態のままでスイッチ素子ＳＷ５がオフ状態となった場合には、インダクタＬ１及びＬ２に蓄積された磁気エネルギーにより、共通基準端子ＣＰからスイッチ素子ＳＷ７のダイオードを経由して、磁気相殺型変圧器Ｔの一次巻線Ｌ３及びインダクタＬ１に電流が流れ、常時オン状態のスイッチ素子ＳＷ１のダイオードを介して第１電圧側ポートＰ１に放出される。同様に、インダクタＬ１及びＬ２に蓄積された磁気エネルギーにより、共通基準端子ＣＰからスイッチ素子ＳＷ８を経由して、磁気相殺型変圧器Ｔの二次巻線Ｌ４及びインダクタＬ２に電流が流れ、常時オン状態のスイッチ素子ＳＷ２のダイオードを介して第１電圧側ポートＰ１に放出される。
つぎに、図３（ｂ）は、スイッチ素子ＳＷ６がオン状態のときと、オン状態からオフ状態になったときの双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０における電流の流れを示している。この間スイッチ素子ＳＷ５はオフ状態である。図において、実線矢印はスイッチ素子ＳＷ６がオン状態での電流の流れを示し、点線矢印はスイッチ素子ＳＷ６がオフ状態になったときの電流の流れを示している。
まず、スイッチ素子ＳＷ６がオン状態でスイッチ素子ＳＷ５がオフ状態のときは、スイッチ素子ＳＷ１、ＳＷ２が常時オン状態であることから、第２電圧側ポートＰ２からスイッチ素子ＳＷ６を経由して、磁気相殺型変圧器Ｔの二次巻線Ｌ４及びインダクタＬ２に電流が流れる。このとき磁気相殺型変圧器Ｔの一次巻線Ｌ３に電圧が発生し、一次巻線Ｌ３及びインダクタＬ１に電流が流れて、常時オン状態のスイッチ素子ＳＷ１のダイオードを介して第１電圧側ポートＰ１にＶ１が出力される。このときインダクタＬ１及びＬ２には、磁気エネルギーが蓄積される。
つぎに、スイッチ素子ＳＷ５がオフ状態のままでスイッチ素子ＳＷ６がオフ状態となった場合には、インダクタＬ１及びＬ２に蓄積された磁気エネルギーにより、共通基準端子ＣＰからスイッチ素子ＳＷ７のダイオードを経由して、磁気相殺型変圧器Ｔの一次巻線Ｌ３及びインダクタＬ１に電流が流れ、常時オン状態のスイッチ素子ＳＷ１のダイオードを介して第１電圧側ポートＰ１に放出される。同様に、インダクタＬ１及びＬ２に蓄積された磁気エネルギーにより、共通基準端子ＣＰからスイッチ素子ＳＷ８を経由して、磁気相殺型変圧器Ｔの二次巻線Ｌ４及びインダクタＬ２に電流が流れ、常時オン状態のスイッチ素子ＳＷ２のダイオードを介して第１電圧側ポートＰ１に放出される。
以上のように、逆方向降圧動作モードでは、スイッチ素子ＳＷ５及びスイッチ素子ＳＷ６を交互にオン・オフ動作させることにより、第２電圧Ｖ２を第１電圧Ｖ１に降圧することができる。
さらに、本実施形態の双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の順方向降圧動作モードについて図４を参照して説明する。
順方向降圧動作モードにおいては、同様に制御装置２０から８つのスイッチ素子ＳＷ１乃至ＳＷ８のそれぞれに対してオン・オフ制御信号が与えられる。スイッチ素子ＳＷ３、ＳＷ４には常時オフ、スイッチ素子ＳＷ５、ＳＷ６には常時オン、スイッチ素子ＳＷ７、ＳＷ８には常時オフ、そして、スイッチ素子ＳＷ１及びスイッチ素子ＳＷ２には交互にオン・オフ動作させる制御信号が、図４下部のスイッチタイミングにより与えられる。その結果、第１電圧Ｖ１を第２電圧Ｖ２に降圧する。
図４（ａ）は、スイッチ素子ＳＷ１がオン状態のときと、オン状態からオフ状態になったときの双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０における電流の流れを示している。この間スイッチ素子ＳＷ２はオフ状態である。図において、実線矢印はスイッチ素子ＳＷ１がオン状態での電流の流れを示し、点線矢印はスイッチ素子ＳＷ１がオフ状態になったときの電流の流れを示している。
まず、スイッチ素子ＳＷ１がオン状態でスイッチ素子ＳＷ２がオフ状態のときは、第１電圧側ポートＰ１からスイッチ素子ＳＷ１を経由して、インダクタＬ１及び磁気相殺型変圧器Ｔの一次巻線Ｌ３に電流が流れる。このとき磁気相殺型変圧器Ｔの二次巻線Ｌ４に電圧が発生し、インダクタＬ２及び二次巻線Ｌ４に電流が流れて、常時オン状態のスイッチ素子ＳＷ６のダイオードを介して第２電圧側ポートＰ２にＶ２が出力される。このときインダクタＬ１及びＬ２には、磁気エネルギーが蓄積される。
つぎに、スイッチ素子ＳＷ２がオフ状態のままでスイッチ素子ＳＷ１がオフ状態となった場合には、インダクタＬ１及びＬ２に蓄積された磁気エネルギーにより、共通基準端子ＣＰからスイッチ素子ＳＷ３のダイオードを経由して、インダクタＬ１及び磁気相殺型変圧器Ｔの一次巻線Ｌ３に電流が流れ、常時オン状態のスイッチ素子ＳＷ５のダイオードを介して第２電圧側ポートＰ２に放出される。同様に、インダクタＬ１及びＬ２に蓄積された磁気エネルギーにより、共通基準端子ＣＰからスイッチ素子ＳＷ４を経由して、インダクタＬ２及び磁気相殺型変圧器Ｔの二次巻線Ｌ４に電流が流れ、常時オン状態のスイッチ素子ＳＷ６のダイオードを介して第２電圧側ポートＰ２に放出される。
つぎに、図４（ｂ）は、スイッチ素子ＳＷ２がオン状態のときと、オン状態からオフ状態になったときの双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０における電流の流れを示している。この間スイッチ素子ＳＷ１はオフ状態である。図において、実線矢印はスイッチ素子ＳＷ２がオン状態での電流の流れを示し、点線矢印はスイッチ素子ＳＷ２がオフ状態になったときの電流の流れを示している。
まず、スイッチ素子ＳＷ２がオン状態でスイッチ素子ＳＷ１がオフ状態のときは、第１電圧側ポートＰ１からスイッチ素子ＳＷ２を経由して、インダクタＬ２及び磁気相殺型変圧器Ｔの二次巻線Ｌ４に電流が流れる。このとき磁気相殺型変圧器Ｔの一次巻線Ｌ３に電圧が発生し、インダクタＬ１及び一次巻線Ｌ３に電流が流れて、常時オン状態のスイッチ素子ＳＷ５のダイオードを介して第２電圧側ポートＰ２にＶ２が出力される。このときインダクタＬ１及びＬ２には、磁気エネルギーが蓄積される。
つぎに、スイッチ素子ＳＷ１がオフ状態のままでスイッチ素子ＳＷ２がオフ状態となった場合には、インダクタＬ１及びＬ２に蓄積された磁気エネルギーにより、共通基準端子ＣＰからスイッチ素子ＳＷ３のダイオードを経由して、インダクタＬ１及び磁気相殺型変圧器Ｔの一次巻線Ｌ３に電流が流れ、常時オン状態のスイッチ素子ＳＷ５のダイオードを介して第２電圧側ポートＰ２に放出される。インダクタＬ１及びＬ２に蓄積された磁気エネルギーにより、同様に、共通基準端子ＣＰからスイッチ素子ＳＷ４を経由して、インダクタＬ２及び磁気相殺型変圧器Ｔの二次巻線Ｌ４に電流が流れ、常時オン状態のスイッチ素子ＳＷ６のダイオードを介して第２電圧側ポートＰ２に放出される。
以上のように、順方向降圧動作モードでは、スイッチ素子ＳＷ１及びスイッチ素子ＳＷ２を交互にオン・オフ動作させることにより、第１電圧Ｖ１を第２電圧Ｖ２に降圧することができる。
また、本実施形態の双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の逆方向昇圧動作モードについて図５を参照して説明する。
逆方向昇圧動作モードにおいては、同様に制御装置２０から８つのスイッチ素子ＳＷ１乃至ＳＷ８のそれぞれに対してオン・オフ制御信号が与えられる。スイッチ素子ＳＷ１、ＳＷ２には常時オフ、スイッチ素子ＳＷ５、ＳＷ６には常時オン、スイッチ素子ＳＷ７、ＳＷ８には常時オフ、そして、スイッチ素子ＳＷ３及びスイッチ素子ＳＷ４には交互にオン・オフ動作させる制御信号が、図５下部のスイッチタイミングにより与えられる。その結果、第２電圧Ｖ２を第１電圧Ｖ１に昇圧する。
図５（ａ）は、スイッチ素子ＳＷ３がオン状態のときと、オン状態からオフ状態になったときの双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０における電流の流れを示している。この間スイッチ素子ＳＷ４はオフ状態である。図において、実線矢印はスイッチ素子ＳＷ３がオン状態での電流の流れを示し、点線矢印はスイッチ素子ＳＷ３がオフ状態になったときの電流の流れを示している。
まず、スイッチ素子ＳＷ３がオン状態でスイッチ素子ＳＷ４がオフ状態のときは、第２電圧側ポートＰ２からスイッチ素子ＳＷ５を経由して、磁気相殺型変圧器Ｔの一次巻線Ｌ３及びインダクタＬ１に電流が流れる。このとき磁気相殺型変圧器Ｔの二次巻線Ｌ４に電圧が発生し、二次巻線Ｌ４及びインダクタＬ２に電流が流れて、常時オフ状態のスイッチ素子ＳＷ２のダイオードを介して第１電圧側ポートＰ１にＶ１が出力される。このときインダクタＬ１及びＬ２には、磁気エネルギーが蓄積される。
つぎに、スイッチ素子ＳＷ４がオフ状態のままでスイッチ素子ＳＷ３がオフ状態となった場合には、インダクタＬ１及びＬ２に蓄積された磁気エネルギーにより、第２電圧側ポートＰ２からスイッチ素子ＳＷ５を経由して、磁気相殺型変圧器Ｔの一次巻線Ｌ３及びインダクタＬ１に電流が流れ、常時オフ状態のスイッチ素子ＳＷ１のダイオードを介して第１電圧側ポートＰ１に放出される。同様に、インダクタＬ１及びＬ２に蓄積された磁気エネルギーにより、第２電圧側ポートＰ２からスイッチ素子ＳＷ６を経由して、磁気相殺型変圧器Ｔの二次巻線Ｌ４及びインダクタＬ２に電流が流れ、常時オフ状態のスイッチ素子ＳＷ２のダイオードを介して第１電圧側ポートＰ１に放出される。
つぎに、図５（ｂ）は、スイッチ素子ＳＷ４がオン状態からオフ状態になったときの双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０における電流の流れを示している。この間スイッチ素子ＳＷ３はオフ状態である。図において、実線矢印はスイッチ素子ＳＷ４がオン状態での電流の流れを示し、点線矢印はスイッチ素子ＳＷ４がオフ状態になったときの電流の流れを示している。
まず、スイッチ素子ＳＷ４がオン状態でスイッチ素子ＳＷ３がオフ状態のときは、第２電圧側ポートＰ２からスイッチ素子ＳＷ６を経由して、磁気相殺型変圧器Ｔの二次巻線Ｌ４及びインダクタＬ２に電流が流れる。このとき磁気相殺型変圧器Ｔの一次巻線Ｌ３に電圧が発生し、一次巻線Ｌ３インダクタ及びＬ１に電流が流れて、常時オフ状態のスイッチ素子ＳＷ１のダイオードを介して第１電圧側ポートＰ１にＶ１が出力される。このときインダクタＬ１及びＬ２には、磁気エネルギーが蓄積される。
つぎに、スイッチ素子ＳＷ３がオフ状態のままでスイッチ素子ＳＷ４がオフ状態となった場合には、インダクタＬ１及びＬ２に蓄積された磁気エネルギーにより、第２電圧側ポートＰ２からスイッチ素子ＳＷ５を経由して、磁気相殺型変圧器Ｔの一次巻線Ｌ３及びインダクタＬ１に電流が流れ、常時オフ状態のスイッチ素子ＳＷ１のダイオードを介して第１電圧側ポートＰ１に放出される。同様に、インダクタＬ１及びＬ２に蓄積された磁気エネルギーにより、第２電圧側ポートＰ２からスイッチ素子ＳＷ６を経由して、磁気相殺型変圧器Ｔの二次巻線Ｌ４及びインダクタＬ２に電流が流れ、常時オフ状態のスイッチ素子ＳＷ２のダイオードを介して第１電圧側ポートＰ１に放出される。
以上のように、逆方向昇圧動作モードでは、スイッチ素子ＳＷ３及びスイッチ素子ＳＷ４を交互にオン・オフ動作させることにより、第２電圧Ｖ２を第１電圧Ｖ１に昇圧することができる。
つぎに、本実施形態の双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の順方向昇圧及び逆方向降圧シームレス動作モードについて、図６を参照して説明する。
順方向昇圧及び逆方向降圧シームレス動作モードにおいては、前記説明した順方向昇圧動作モード（図２参照）と逆方向降圧動作モード（図３参照）の動作モードを切り替えることなく、本実施形態の双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０において具現するものである。
動作モードの制御として、順方向昇圧動作モードでモータを駆動させているとき、モータから回生電力が生じた場合には、第２電圧Ｖ２を第１電圧Ｖ１に降圧する必要が生じる。このとき、オン・オフ動作をしているスイッチ素子ＳＷ７とは逆のオン・オフ動作をスイッチ素子ＳＷ５で行わせ、オン・オフ動作をしているスイッチ素子ＳＷ８とは逆のオン・オフ動作をスイッチ素子ＳＷ６で行わせる。このようにすることで、第１電圧Ｖ１を第２電圧Ｖに昇圧させる順方向昇圧動作モードから、第２電圧Ｖ２を第１電圧Ｖ１に降圧させる逆方向降圧動作モードへと切り替え無しで行うことができる。
順方向昇圧及び逆方向降圧シームレス動作モードにおいては、図６（ａ）に示すように、制御装置２０から８つのスイッチ素子ＳＷ１乃至ＳＷ８のそれぞれに対してオン・オフ制御信号が与えられる。スイッチ素子ＳＷ１、ＳＷ２には常時オン、スイッチ素子ＳＷ３、ＳＷ４には常時オフ、そして、スイッチ素子ＳＷ５乃至スイッチ素子ＳＷ８を図６（ｂ）に示すスイッチタイミングでスイッチング（図６（ａ）ではＳＷと表記する。）させる。
スイッチ素子ＳＷ５乃至スイッチ素子ＳＷ８の動作のスイッチタイミングを、図６（ｂ）を参照して説明する。スイッチ素子ＳＷ７及びスイッチ素子ＳＷ８を、順方向昇圧モード（図２参照）のスイッチタイミングで交互にオン・オフ動作させる。そして、この動作と共に、スイッチ素子ＳＷ５にはスイッチ素子ＳＷ７のオン・オフ動作の反転動作をさせ、スイッチ素子ＳＷ６にはスイッチ素子ＳＷ８のオン・オフ動作の反転動作をさせる。実際には、スイッチ素子ＳＷ５及びスイッチ素子ＳＷ６のスイッチタイミングは、図６（ｂ）に示すように、それぞれデッドタイムを考慮したスイッチ素子ＳＷ７及びスイッチ素子ＳＷ８のスイッチタイミングでオン・オフ動作の反転動作をさせる。
このようにすることで、第１電圧Ｖ１を第２電圧Ｖ２に昇圧させる順方向昇圧動作モードから第２電圧Ｖ２を第１電圧Ｖ１に降圧させる逆方向降圧動作モードへと切り替え無しで行うことができる。
順方向昇圧及び逆方向降圧シームレス動作モードにすることにより、モータ駆動システムの状態が変化する場合でも、リアルタイムに給電／回生の対処を自動制御することが可能となる。
つぎに、本実施形態の双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の逆方向昇圧及び順方向降圧シームレス動作モードについて、図７を参照して説明する。
逆方向昇圧及び順方向降圧シームレス動作モードにおいては、前記説明した順方向降圧動作モード（図４参照）と逆方向昇圧動作モード（図５参照）の動作モードを切り替えることなく、本実施形態の双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０において具現するものである。
動作モードの制御として、逆方向昇圧動作モードでモータを駆動させているとき、第１電圧Ｖ１を第２電圧Ｖ２に降圧する必要が生じた場合には、オン・オフ動作をしているスイッチ素子ＳＷ３とは逆のオン・オフ動作をスイッチ素子ＳＷ１で行わせ、オン・オフ動作をしているスイッチ素子ＳＷ４とは逆のオン・オフ動作をスイッチ素子ＳＷ２で行わせる。このようにすることで、第２電圧Ｖ２を第１電圧Ｖ１に昇圧させる逆方向昇圧動作モードから、第１電圧Ｖ１を第２電圧Ｖ２に降圧させる順方向降圧動作モードへと切り替え無しで行うことができる。
逆方向降圧及び順方向昇圧シームレス動作モードにおいては、図７（ａ）に示すように、制御装置２０から８つのスイッチ素子ＳＷ１乃至ＳＷ８のそれぞれに対してオン・オフ制御信号が与えられる。スイッチ素子ＳＷ５、ＳＷ６には常時オン、スイッチ素子ＳＷ７、ＳＷ８には常時オフ、そして、スイッチ素子ＳＷ１乃至スイッチ素子ＳＷ４を図７（ｂ）に示すスイッチタイミングでスイッチング（図７（ａ）ではＳＷと表記する。）させる。
スイッチ素子ＳＷ１乃至スイッチ素子ＳＷ４の動作のスイッチタイミングを、図７（ｂ）を参照して説明する。スイッチ素子ＳＷ３及びスイッチ素子ＳＷ４を、逆方向昇圧モード（図５参照）のスイッチタイミングで交互にオン・オフ動作させる。そして、この動作と共に、スイッチ素子ＳＷ１にはスイッチ素子ＳＷ３のオン・オフ動作の反転動作をさせ、スイッチ素子ＳＷ２にはスイッチ素子ＳＷ４のオン・オフ動作の反転動作をさせる。実際には、スイッチ素子ＳＷ１及びスイッチ素子ＳＷ２のスイッチタイミングは、図７（ｂ）に示すように、それぞれデッドタイムを考慮したスイッチ素子ＳＷ３及びスイッチ素子ＳＷ４のスイッチタイミングでオン・オフ動作の反転動作をさせる。
このようにすることで、第２電圧Ｖ２を第１電圧Ｖ１に昇圧させる逆方向昇圧動作モードから第１電圧Ｖ１を第２電圧Ｖ２に降圧させる順方向降圧動作モードへと切り替え無しで行うことができる。
逆方向降圧及び順方向昇圧シームレス動作モードにすることにより、モータ駆動システムの状態が変化する場合でも、リアルタイムに給電／回生の対処を自動制御することが可能となる。
つぎに、本実施形態の双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の磁気部品である磁気相殺型変圧器Ｔの具体的構成例として、磁気相殺型変圧器Ｔ１乃至磁気相殺型変圧器Ｔ３について、図８乃至図１１を参照して説明する。
磁気相殺型変圧器Ｔ１について図８（ａ）及び図８（ｂ）を参照して説明する。図８（ａ）は、磁気相殺型変圧器Ｔ１の外観図を示し、図８（ｂ）は、図８（ａ）のＡ-Ａ線に沿った縦断面図を示す。
磁気相殺型変圧器Ｔ１は、図８（ａ）に示すように、コア５０と一次巻線Ｌ３と二次巻線Ｌ４とを備えて構成されている。そして、図８（ｂ）に示すように、コア５０は、それぞれが個別に巻き回された一次巻線Ｌ３及び二次巻線Ｌ４が発生する磁束による閉磁路を形成する磁脚部４０と、この磁脚部４０を上下から固定して閉磁路を形成する基部３０とを備えて構成されている。磁脚部４０は、一次巻線Ｌ３と二次巻線Ｌ４とが巻き回しされた中脚部４１と、この中脚部４１と横並びに形成された外脚部４２を備えて構成される（たとえば、特願２００８−１１３３２６号参照。）。
このように、一次巻線Ｌ３と二次巻線Ｌ４とが個別に整然と積層されているために、発生する磁束が分散することなく実装密度を向上することができる。したがって、本実施形態の双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０において、磁気部品を構成する磁気相殺型変圧器Ｔを小型・軽量化することができる。
つぎに、磁気相殺型変圧器Ｔ２について図９（ａ）及び図９（ｂ）を参照して説明する。図９（ａ）は、磁気相殺型変圧器Ｔ２の外観図を示し、図９（ｂ）は、図９（ａ）のＢ-Ｂ線に沿った縦断面図を示す。
磁気相殺型変圧器Ｔ２を構成する要素は、磁気相殺型変圧器Ｔ１と同様であるが、異なる点は一次巻線Ｌ３及び二次巻線Ｌ４が交互に積み重なるよう巻き回しされた形態となっている（たとえば、特願２００８−１１３３２６号参照）。
このように、一次巻線Ｌ３と二次巻線Ｌ４とが交互に積み重なるよう積層されているために、より直流残留磁束が低減され、よりコアを小型化することができる。したがって、本実施形態の双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０において、磁気部品を構成する磁気相殺型変圧器Ｔを小型・軽量化することができる。
さらに、磁気相殺型変圧器Ｔ３について図１０及び図１１を参照して説明する。図１０（ａ）は、磁気相殺型変圧器Ｔ３の外観図を示し、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の白抜き矢印１００方向から見た正面図を示す。また、図１１（ａ）は、図１０（ｂ）の白抜き矢印１０５方向から見た上面図、及び、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）の白抜き矢印１０６方向から見た側面図である。
磁気相殺型変圧器Ｔ３は、コアの構成として一次巻線及び二次巻線が個別に巻き回しされたトランス用コアと、このトランス用コアと横並びに形成された第１のインダクタ用コアと第２のインダクタ用コアとを備えている。そして、一次巻線が第１のインダクタ用のコイルとして共用され、第１のインダクタ用のコアに巻き回しされ、また、二次巻線が第２のインダクタ用のコイルとして共用され、第２のインダクタ用のコアに巻き回しされた形態となっている（たとえば、特開２００８−１９２９３１号公報参照）。
すなわち、磁気相殺型変圧器Ｔ３は、本実施形態の双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の磁気部品であるインダクタＬ１、Ｌ２と磁気相殺型変圧器Ｔとが機能集約され一体化された複合型トランスの形態となっている。
磁気相殺型変圧器Ｔ３は、図１１（ａ）及び図１０（ｂ）に示すように、等価的にトランス６０と、インダクタＬ１、Ｌ２とで構成されている。このうち、トランス６０は、トランス用コア６１に対して、一次巻線Ｌ３となる巻線６２ａと、二次巻線Ｌ４となる巻線６２ｂとが分離して巻き回しされて構成されている。
一次巻線Ｌ３と二次巻線Ｌ４とは、トランス用コア６１を介して磁気的に結合し、略同巻数比で逆巻き結線に接続されている。ここでは、巻線６２ａは、図１０（ａ）にて図中下から上に右ねじを進める方向に巻かれ、巻線６２ｂは、図１０（ａ）にて図中上から下に右ねじを進める方向に巻かれているものとして説明する。また、巻線６２ａには、符号１０１で示す矢印の方向に電流が流れ、巻線６２ｂには、符号１０２の矢印で示す方向に電流が流れるものとする。
インダクタＬ１は、インダクタ用第１コア７１と、インダクタ用第３コア７３と、これらインダクタ用第１コア７１及びインダクタ用第３コア７３に巻き回しされた巻線６２ａとで構成されている。同様に、インダクタＬ２は、インダクタ用第２コア７２と、インダクタ用第４コア７４と、これらインダクタ用第２コア７２及びインダクタ用第４コア７４に巻き回しされた巻線６２ｂとで構成されている。
巻線６２ａは、トランス用コア６１の外側へ延設され、この巻線６２ａの延設部をインダクタ用第１コア７１及びインダクタ用第２コア７２（以下、インダクタ用コア７１、７２という）に巻回している。同様に、巻線６２ｂはトランス用コア６１の外側へ延設され、この巻線６２ｂの延設部をインダクタ用第３コア７３及びインダクタ用第４コア７４（以下、インダクタ用コア７３、７４という）に巻回している。インダクタ用コア７１、７２は、トランス用コア６１を挟んで、インダクタ用コア７３、７４の反対側に配置されている。なお、インダクタＬ１をインダクタ用コア７１又はインダクタ用コア７３で構成し、インダクタＬ２をインダクタ用コア７２又はインダクタ用コア７４で構成することもできる。巻線６２ａ、６２ｂは、図１１（ａ）に示すように、入出力側に端子６３を有する。また、インダクタ用コア７１、７２、７３、７４とトランス用コア６１との間には、隣接する磁束を分離するため隙間Ｇ１が形成されている。また、図１０に示すように、インダクタ用コア７１、７２の間及びインダクタ用コア７３、７４の間には、上下に位置する磁束を分離するため、同様に隙間が形成されている。
トランス用コア６１は、図１１（ｂ）に示すように、巻線６２ａ、６２ｂの上下に設けられた基部６４と、２つの基部６４の間に設けられた磁脚部６５とを備えている。磁脚部６５は、巻線６２ａ、６２ｂが発生する磁束による閉磁路を形成する部分である。基部６４は、磁脚部６５を固定し、この磁脚部６５と共に閉磁路を形成する。磁脚部６５は、巻線６２ａ、６２ｂが巻き回しされた中脚部６６と、中脚部６６と横並びに形成された外脚部６７とを備える。
このように、磁気相殺型変圧器Ｔ３は、トランス用コア６１と巻線６２ａ、６２ｂからなるトランス６０の基本的構造において、巻線６２ａ、６２ｂをトランス用コア６１から外側に延設させ、当該コイル延設部を利用してインダクタ用コア７１、７２、７３、７４を付設し、２つのインダクタＬ１、Ｌ２を付加するようにしたものである。
つぎに、この磁気相殺型変圧器Ｔ３の動作について説明する。図１０（ａ）に示すように巻線６２ａに符号１０１の矢印で示す方向に電流が流れると、インダクタ用第１コア７１には、図１０（ｂ）に符号１０３の矢印で示す方向に磁束が発生する。また、別のタイミングにて、図１０（ａ）に示すように巻線６２ｂに符号１０２の矢印で示す方向に電流が流れると、インダクタ用第２コア７２には、図１０（ｂ）に符号１０４の矢印で示す方向に磁束が発生する。
すなわち、インダクタ用コア７１、７３は、巻線６２ａに電流が流れるときに磁気エネルギーを生じさせ、巻線６２ａとインダクタ用コア７１、７３とによりインダクタＬ１１として機能する部分が形成される。また、インダクタ用コア７２、７４は、巻線６２ｂに電流が流れるときに磁気エネルギーを生じさせ、巻線６２ｂとインダクタ用コア７２、７４とによりインダクタＬ２として機能する部分が形成される。これら巻線６２ａ、６２ｂにおける図１１（ａ）に示した斜線領域８１は、巻線６２ａ、６２ｂの各巻線において電流が流れたとき、インダクタ用コア７１、７２での磁束の発生に主として寄与する領域である。同様に、図１１（ａ）に示した斜線領域８３は、巻線６２ａ、６２ｂの各巻線において電流が流れたとき、インダクタ用コア７３、７４での磁束の発生に主として寄与する領域である。
また、図１０（ａ）に示すように巻線６２ａに符号１０１の矢印で示す方向に電流が流れると、トランス用コア６１には、図１１（ｂ）に符号１０７、１０８の矢印で示す方向に磁束が発生する。また、別のタイミングにて、図１０（ａ）に示すように巻線６２ｂに符号１０２の矢印で示す方向に電流が流れると、トランス用コア６１には、図１１（ｂ）に符号１０９、１１０の矢印で示す方向に磁束が発生する。
トランス用コア６１に磁束が発生すると、巻線６２ａと巻線６２ｂとの間において磁気的な相互作用が生じ、変圧作用が生ずる。このように２つの巻線６２ａ、６２ｂとトランス用コア６１とによって、トランス６０として機能する部分が形成される。これら巻線６２ａ、６２ｂにおける図１１（ａ）に示した斜線領域８２、８４は、巻線６２ａ、６２ｂの各巻線において電流が流れたとき、トランス用コア６１での磁束の発生に主として寄与する領域である。
このように磁気相殺型変圧器Ｔ３は、トランス６０の巻線６２ａ、６２ｂをインダクタＬ１、Ｌ２のコイルとして共通化し、トランス６０の巻線６２ａ、６２ｂにインダクタ用コア７１、７２、７３、７４を付設するだけで、トランス６０とインダクタＬ１、Ｌ２とを一体構造体として実現したものである。本実施形態の双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０において、この磁気相殺型変圧器Ｔ３を用いることで、インダクタＬ１１、インダクタＬ２としての機能とトランス６０としての機能を含む磁気相殺型変圧器Ｔ３具現することができる。
すなわち、磁気相殺型変圧器Ｔ３は、本実施形態の双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の磁気部品であるインダクタＬ１、Ｌ２と磁気相殺型変圧器Ｔとが機能集約され一体化された複合型トランスの形態となっている。
したがって、磁気相殺型変圧器Ｔ３は、本実施形態の双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０において、磁気部品を構成するインダクタＬ１、インダクタＬ２、及び、磁気相殺型変圧器Ｔを小型・軽量化することができる。
以上説明したように、本実施形態の双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０によれば、磁気部品の小型化及び昇圧・降圧率を可変とし、かつ、双方向の何れの方向にも昇圧・降圧動作を行うことの可能なＤＣ／ＤＣコンバータを提供することができる。
したがって、本実施形態の双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０によれば、自動車の電動及び電動アシストシステム系の電力変換器の構成部品の高機能・小型・軽量化を実現すると共に、高信頼性化と製造コストの低減化を図ることができる。
以上、本実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、たとえば、燃料電池自動車（ＦＣＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）、及び、太陽光発電システム等の電動及び電動アシストシステム系の電力変換器に利用することができる。
１０ 双方向昇降圧磁気相殺型ＤＣ／ＤＣコンバータ
２０ 制御装置
３０、６４ 基部
４０、６５ 磁脚部
４１、６６ 中脚部
４２、６７ 外脚部
５０ コア
６０ トランス
６１ トランス用コア
６２ａ 巻線（一次巻線）
６２ｂ 巻線（二次巻線）
６３ 端子
７１ インダクタ用第１コア
７２ インダクタ用第２コア
７３ インダクタ用第３コア
７４ インダクタ用第４コア
Ｐ１ 第１電圧側ポート
Ｐ２ 第２電圧側ポート
ＣＰ 共通基準端子
Ｖ１ 第１電圧
Ｖ２ 第２電圧
Ｃ１、Ｃ２ 平滑コンデンサ
ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５、ＳＷ６、ＳＷ７、ＳＷ８ スイッチ素子
Ｌ１ インダクタ（第１のインダクタ）
Ｌ２ インダクタ（第２のインダクタ）
Ｌ３ 一次巻線
Ｌ４ 二次巻線
Ｔ、Ｔ１、Ｔ２ 磁気相殺型変圧器
Ｔ３ 磁気相殺型変圧器（複合型トランス）

Claims (10)

  1. 第１の正極である第１電圧側ポートと、第２の正極である第２電圧側ポートと、共通基準端子と、複数のスイッチ素子と、複数のインダクタと、変圧器とを備えたＤＣ／ＤＣコンバータであって、
    第１のスイッチ素子及び第２のスイッチ素子は、一端が前記第１電圧側ポートに接続され、
    第１のインダクタは、一端が前記第１のスイッチ素子の他端に接続され、
    第２のインダクタは、一端が前記第２のスイッチ素子の他端に接続され、
    第３のスイッチ素子は、一端が前記第１のスイッチ素子の他端に接続され、
    第４のスイッチ素子は、一端が前記第２のスイッチ素子の他端に接続され、
    前記第３のスイッチ素子及び前記第４のスイッチ素子の他端は、前記共通基準端子に接続され、
    前記変圧器は磁気相殺型変圧器であり、一次巻線と二次巻線とを備え、
    前記一次巻線と前記二次巻線とは、コアを介して磁気的に結合し、略同巻数比で逆巻き結線に接続され、
    前記一次巻線の一端は、前記第１のインダクタの他端に接続され、
    前記二次巻線の一端は、前記第２のインダクタの他端に接続され、
    第５のスイッチ素子及び第６のスイッチ素子は、一端が前記第２電圧側ポートに接続され、
    前記第５のスイッチ素子の他端は、前記一次巻線の他端に接続され、
    前記第６のスイッチ素子の他端は、前記二次巻線の他端に接続され、
    第７のスイッチ素子は、一端が前記一次巻線の他端に接続され、
    第８のスイッチ素子は、一端が前記二次巻線の他端に接続され、
    前記第７のスイッチ素子及び前記第８のスイッチ素子の他端は、前記共通基準端子に接続されており、
    外部に設けられた制御装置から前記第５乃至第８のスイッチ素子に対しオン・オフ制御信号を与え、
    前記第５のスイッチ素子と前記第７のスイッチ素子のそれぞれのオン・オフ動作を交互に制御し、
    前記第６のスイッチ素子と前記第８のスイッチ素子のそれぞれのオン・オフ動作を交互に制御して、
    前記第１電圧を前記第２電圧へ昇圧させること及び前記第２電圧を前記第１電圧へ降圧させることを異なるタイミングで実行させる
    ことを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ。
  2. 外部に設けられた制御装置から前記第７のスイッチ素子及び第８のスイッチ素子に対しオン・オフ制御信号を与え、
    前記第７のスイッチ素子と前記第８のスイッチ素子のそれぞれのオン・オフ動作を交互に制御して前記第１電圧を前記第２電圧へ昇圧させる
    ことを特徴とする請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
  3. 外部に設けられた制御装置から前記第５のスイッチ素子及び第６のスイッチ素子に対しオン・オフ制御信号を与え、
    前記第５のスイッチ素子と前記第６のスイッチ素子のそれぞれのオン・オフ動作を交互に制御して前記第２電圧を前記第１電圧へ降圧させる
    ことを特徴とする請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
  4. 外部に設けられた制御装置から前記第１のスイッチ素子及び第２のスイッチ素子に対しオン・オフ制御信号を与え、
    前記第１のスイッチ素子と前記第２のスイッチ素子のそれぞれのオン・オフ動作を交互に制御して前記第１電圧を前記第２電圧へ降圧させる
    ことを特徴とする請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
  5. 外部に設けられた制御装置から前記第３のスイッチ素子及び第４のスイッチ素子に対しオン・オフ制御信号を与え、
    前記第３のスイッチ素子と前記第４のスイッチ素子のそれぞれのオン・オフ動作を交互に制御して前記第２電圧を前記第１電圧へ昇圧させる
    ことを特徴とする請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
  6. 前記磁気相殺型変圧器の前記コアは、
    前記一次巻線及び二次巻線が個別に巻き回しされ、該巻線が発生する磁束による閉磁路を形成する磁脚部と、
    前記磁脚部を固定し該磁脚部とともに閉磁路を形成する基部とを有し、
    前記磁脚部は、
    前記一次巻線及び前記二次巻線が巻き回しされた中脚部と、
    前記中脚部と横並びに形成された外脚部とを備える
    ことを特徴とする請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
  7. 前記磁気相殺型変圧器の前記コアは、
    前記一次巻線及び二次巻線が交互に積み重なるよう巻き回しされ、該巻線が発生する磁束による閉磁路を形成する磁脚部と、
    前記磁脚部を固定し該磁脚部とともに閉磁路を形成する基部とを有し、
    前記磁脚部は、
    前記一次巻線及び前記二次巻線が巻き回しされた中脚部と、
    前記中脚部と横並びに形成された外脚部とを備える
    ことを特徴とする請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
  8. 前記磁気相殺型変圧器の前記コアは、
    前記一次巻線及び二次巻線が個別に巻き回しされ、該巻線が発生する磁束による閉磁路を形成する磁脚部と、
    前記磁脚部を固定し該磁脚部とともに閉磁路を形成する基部とを有し、
    前記磁脚部は、
    前記一次巻線及び前記二次巻線が巻き回しされた中脚部と、
    前記中脚部と横並びに形成された外脚部とを備え、
    前記中脚部と対面する位置の少なくとも一方に第１のインダクタ用のコアと第２のインダクタ用のコアが上下に並べて配設され、
    前記一次巻線が前記中脚部に巻き回しされ、かつ、前記第１のインダクタ用コアに前記第１のインダクタ用のコイルとして共用され巻き回しされ、
    前記二次巻線が前記中脚部に巻き回しされ、かつ、前記第２のインダクタ用コアに前記第２のインダクタ用のコイルとして共用され巻き回しされている
    ことを特徴とする請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
  9. 前記第１乃至第８のスイッチ素子は、フライホイールダイオード付Insulated Gate Bipolar Transistor（ＩＧＢＴ）であることを特徴とする請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
  10. 前記第１乃至第８のスイッチ素子は、Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor（ＭＯＳＦＥＴ）であることを特徴とする請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
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