特許 6427080 トランスリアクトル一体型磁気素子及び電力変換回路システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6427080

(24)【登録日】2018年11月2日

(45)【発行日】2018年11月21日

(54)【発明の名称】トランスリアクトル一体型磁気素子及び電力変換回路システム

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/28 20060101AFI20181112BHJP

   H01F 37/00 20060101ALI20181112BHJP

   H01F 27/28 20060101ALI20181112BHJP

【ＦＩ】

   H02M3/28 Y

   H01F37/00 C

   H01F37/00 R

   H01F27/28 K

【請求項の数】2

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2015-182796(P2015-182796)

(22)【出願日】2015年9月16日

(65)【公開番号】特開2017-60285(P2017-60285A)

(43)【公開日】2017年3月23日

【審査請求日】2017年11月10日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】特許業務法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】井上 俊太郎

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼木 健一

(72)【発明者】

【氏名】杉山 隆英

(72)【発明者】

【氏名】長下 賢一郎

(72)【発明者】

【氏名】岡村 賢樹

(72)【発明者】

【氏名】新見 嘉崇

【審査官】 麻生 哲朗

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−１１５４３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−３０４６８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−３４５６３３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ ３／２８

Ｈ０１Ｆ ２７／２８

Ｈ０１Ｆ ３７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

中央の脚部、及び両端の脚部を備えるコアと、
前記両端の脚部のいずれかに巻回される第１の１次側トランスコイル及び第１の２次側トランスコイルと、
前記両端の脚部のいずれか他方に巻回される第２の１次側トランスコイル及び第２の２次側トランスコイルと、
を備え、
前記第１の１次側トランスコイル及び前記第２の１次側トランスコイルは直列接続され、
前記第１の２次側トランスコイル及び前記第２の２次側トランスコイルは直列接続され、
前記コアの前記中央の脚部にはリアクトルコイルが巻回されず、
前記第１の１次側トランスコイル及び前記第２の１次側トランスコイルに同相電流が供給されることでリアクトル動作し、前記第１の１次側トランスコイル及び前記第２の１次側トランスコイルに逆相電流が供給されることでトランス動作する
ことを特徴とするトランスリアクトル一体型磁気素子。

【請求項2】

１次側変換回路であって、１次側正極母線と１次側負極母線の間に左アームと右アームを備え、前記左アーム及び前記右アームはそれぞれ直列接続された２つのスイッチングトランジスタからなり、前記左アームの２つのスイッチングトランジスタの接続点と前記右アームの２つのスイッチングトランジスタの接続点の間に第１の１次側トランスコイル及び第２の１次側トランスコイルが直列接続される１次側変換回路と、
２次側変換回路であって、２次側正極母線と２次側負極母線の間に左アームと右アームを備え、前記左アーム及び前記右アームはそれぞれ直列接続された２つのスイッチングトランジスタからなり、前記左アームの２つのスイッチングトランジスタの接続点と前記右アームの２つのスイッチングトランジスタの接続点の間に第１の２次側トランスコイル及び第２の２次側トランスコイルが直列接続される２次側変換回路と、
前記１次側変換回路及び前記２次側変換回路の前記スイッチングトランジスタのスイッチングを制御する制御回路と、
を備え、
前記第１の１次側トランスコイル及び前記第１の２次側トランスコイルは、中央の脚部、及び両端の脚部を備えるコアの前記両端の脚部のいずれかに巻回され、
前記第２の１次側トランスコイル及び前記第２の２次側トランスコイルは、前記コアの
前記両端の脚部のいずれか他方に巻回され、
前記コアの前記中央の脚部にはリアクトルコイルが巻回されず、
前記第１の１次側トランスコイル及び前記第２の１次側トランスコイルに同相電流が供給されることでリアクトル動作し、前記第１の１次側トランスコイル及び前記第２の１次側トランスコイルに逆相電流が供給されることでトランス動作する
ことを特徴とする電力変換回路システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はトランスリアクトル一体型磁気素子及び電力変換回路システムに関し、特に複数の入出力ポートを備える電力変換回路システムに関する。

【背景技術】

【0002】

ハイブリッド自動車や電気自動車、燃料電池自動車等、電気リッチな自動車の開発・普及に伴い、車載の電源回路も複雑化・大型化の傾向にある。例えば、ハイブリッド自動車では、走行用バッテリ、システム用バッテリ、プラグイン用の外部電源回路、走行用バッテリの直流電力を走行用モータに供給するためのＤＣ／ＤＣコンバータ、走行用バッテリの直流電力を交流電力に変換するためのＤＣ／ＡＣコンバータ、走行用バッテリの直流電力を電動パワーステアリング（ＥＰＳ）に供給するためのＤＣ／ＤＣコンバータ、走行用バッテリの直流電力を補機に供給するためのＤＣ／ＤＣコンバータ等があり、構成が複雑化している。

【0003】

そこで、一つの回路で複数の入出力を備えるマルチポート電源の開発が進められている。マルチポート電源により、配線や半導体素子等の共有化により電源回路を小型化することが提案されている。この際、トランスコイルとリアクトルコイルを互いに干渉しないようにコアに巻回することが有効である。

【0004】

特許文献１には、３つの脚部を有するコアに、トランスコイルとリアクトルコイルを互いに干渉しないような巻き方で配置する構成が記載されており、磁気素子間のデッドスペースや、ヒートシンクサイズを縮小できる。

【0005】

図１１は、この文献に記載された磁気素子の横断面図を示す。３つの脚部を有するコア１０の両端の脚部にトランスコイル１２ａ、１２ｂ、１４ａ、１４ｂが配置され、中央の脚部に２つのリアクトルコイル１６ａ、１６ｂが配置される。トランスコイル１２ａ、１２ｂは一次側（低圧側）のトランスコイルであり、トランスコイル１４ａ、１４ｂは二次側（高圧側）のトランスコイルである。

【0006】

図１２Ａ及び図１２Ｂは、図１１の磁気素子をトランス動作させる場合の磁束変化と回路構成を示す。トランスコイル１２ａ、１２ｂが互いに逆相となるように電流を流すと、トランスコイル１２ａ、１２ｂによる磁束発生方向が両端で逆になるため中央の脚部の磁束変化は互いに打ち消される。従って、中央の脚部に配置されたリアクトルコイル１６ａ、１６ｂには磁束が通らず、起電力は生じない。

【0007】

他方、図１３Ａ及び図１３Ｂは、図１１の磁気素子をリアクトル動作させる場合の磁束変化と回路構成を示す。トランスコイル１２ａ、１２ｂが互いに同相となるように電流を流すと、中央の脚部に配置されたリアクトルコイル１６ａ、１６ｂから発生した磁束はトランスコイル１２ａ、１２ｂに鎖交するが、発生する起電力がセンタータップを介した上下のトランスコイル１２ａ、１２ｂで互いに逆となるためコイル全体としては起電力がゼロとなり、トランスとして動作しない。以上の原理により、トランスコイルとリアクトルコイルが互いに干渉せずに動作する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２０１２−１３４２６６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

従来技術においては、トランスコイルとリアクトルコイルを３つの脚部を有するコアに配置することで磁気素子間のデッドスペースやヒートシンクサイズの縮小が可能であるが、さらなる部品点数の削減や巻線長の短縮が求められている。

【0010】

本発明の目的は、磁気素子間のデッドスペースやヒートシンクサイズの縮小に加え、さらなる部品点数の削減や巻線長の短縮が可能なトランスリアクトル一体型磁気素子及び電力変換回路システムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明のトランスリアクトル一体型磁気素子は、中央の脚部、及び両端の脚部を備えるコアと、前記両端の脚部のいずれかに巻回される第１の１次側トランスコイル及び第１の２次側トランスコイルと、前記両端の脚部のいずれか他方に巻回される第２の１次側トランスコイル及び第２の２次側トランスコイルとを備え、前記第１の１次側トランスコイル及び前記第２の１次側トランスコイルは直列接続され、前記第１の２次側トランスコイル及び前記第２の２次側トランスコイルは直列接続され、前記コアの前記中央の脚部にはリアクトルコイルが巻回されず、前記第１の１次側トランスコイル及び前記第２の１次側トランスコイルに同相電流が供給されることでリアクトル動作し、前記第１の１次側トランスコイル及び前記第２の１次側トランスコイルに逆相電流が供給されることでトランス動作することを特徴とする。

【0012】

また、本発明の電力変換回路システムは、１次側変換回路であって、１次側正極母線と１次側負極母線の間に左アームと右アームを備え、前記左アーム及び前記右アームはそれぞれ直列接続された２つのスイッチングトランジスタからなり、前記左アームの２つのスイッチングトランジスタの接続点と前記右アームの２つのスイッチングトランジスタの接続点の間に第１の１次側トランスコイル及び第２の１次側トランスコイルが直列接続される１次側変換回路と、２次側変換回路であって、２次側正極母線と２次側負極母線の間に左アームと右アームを備え、前記左アーム及び前記右アームはそれぞれ直列接続された２つのスイッチングトランジスタからなり、前記左アームの２つのスイッチングトランジスタの接続点と前記右アームの２つのスイッチングトランジスタの接続点の間に第１の２次側トランスコイル及び第２の２次側トランスコイルが直列接続される２次側変換回路と、前記１次側変換回路及び前記２次側変換回路の前記スイッチングトランジスタのスイッチングを制御する制御回路とを備え、前記第１の１次側トランスコイル及び前記第１の２次側トランスコイルは、中央の脚部、及び両端の脚部を備えるコアの前記両端の脚部のいずれかに巻回され、前記第２の１次側トランスコイル及び前記第２の２次側トランスコイルは、前記コアの前記両端の脚部のいずれか他方に巻回され、前記コアの前記中央の脚部にはリアクトルコイルが巻回されず、前記第１の１次側トランスコイル及び前記第２の１次側トランスコイルに同相電流が供給されることでリアクトル動作し、前記第１の１次側トランスコイル及び前記第２の１次側トランスコイルに逆相電流が供給されることでトランス動作することを特徴とする。

【0013】

本発明において、コアの両端の脚部に巻回された第１の１次側コイル及び第２の１次側コイルの間の漏れインダクタンスをリアクトルとして利用するため、別個にリアクトルコイルを巻回する必要がなく、リアクトルコイルを削減することができる。本発明では、リアクトルコイルを有さずに、トランスコイルのみでトランス動作とリアクトル動作が実現される。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、磁気素子間のデッドスペースやヒートシンクサイズの縮小に加え、さらなる部品点数の削減や巻線長の短縮が可能となる。また、巻線長の短縮に伴い、交流抵抗損を低減することも可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】実施形態の回路構成図である。

【図2】実施形態の磁気素子の横断面図である。

【図3A】実施形態の磁気素子のトランス動作時の電流の流れを示す説明図である。

【図3B】実施形態の磁気素子のリアクトル動作時の電流の流れを示す説明図である。

【図4A】実施形態の磁気素子のトランス動作時の磁束を示す説明図である。

【図4B】実施形態の磁気素子のトランス動作時の回路図である。

【図5A】実施形態の磁気素子のリアクトル動作時の磁束を示す説明図である。

【図5B】実施形態の磁気素子のリアクトル動作時の回路図である。

【図6】実施形態の磁気素子の構成図である。

【図7】実施形態のシミュレーション回路図である。

【図8A】実施形態のシミュレーションにおける磁気抵抗モデルの説明図（同相電流）である。

【図8B】実施形態のシミュレーションにおける磁気抵抗モデルの説明図（同相電流）である。

【図9A】実施形態のシミュレーションにおける磁気抵抗モデルの説明図（逆相電流）である。

【図9B】実施形態のシミュレーションにおける磁気抵抗モデルの説明図（逆相電流）である。

【図10A】実施形態のシミュレーションにおける電圧変化を示すグラフ図である。

【図10B】実施形態のシミュレーションにおける電流変化を示すグラフ図である。

【図10C】実施形態のシミュレーションにおける磁束変化を示すグラフ図である。

【図10D】実施形態のシミュレーションにおける同相電流時と逆相電流時の磁束変化を示すグラフ図である。

【図11】従来技術の磁気素子の横断面図である。

【図12A】従来技術の磁気素子のトランス動作時の磁束を示す説明図である。

【図12B】従来技術の磁気素子のトランス動作時の回路図である。

【図13A】従来技術の磁気素子のリアクトル動作時の磁束を示す説明図である。

【図13B】従来技術の磁気素子のリアクトル動作時の回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

【0017】

図１は、本実施形態における電力変換回路システムの回路構成図である。電力変換回路システムは、制御回路１００と電力変換回路１２０からなる。電力変換回路１２０は、磁気結合リアクトルを利用し、３つの直流電源間において双方向の電力伝送が可能な３ポートのマルチポート回路である。

【0018】

マルチポート回路は、１次側変換回路にポートＡ及びポートＣを備え、２次側変換回路にポートＢ及びポートＤを備える。

【0019】

１次側変換回路の正極母線と１次側変換回路の負極母線の間に、互いに直列に接続されるスイッチングトランジスタＳ１及びＳ２からなる左アームと、互いに直列に接続されるスイッチングトランジスタＳ３及びＳ４からなる右アームが設けられ、これら左アームと右アームは互いに並列に接続されフルブリッジ回路を構成する。ポートＡは、１次側変換回路の正極母線と負極母線の間に配置される。ポートＡの入出力電圧をＶＡとする。ポートＣは、１次側変換回路の負極母線とトランスの間に配置される。ポートＣの入出力電圧をＶＣとする。

【0020】

左側アームを構成するスイッチングトランジスタＳ１及びＳ２の接続点と、右側アームを構成するスイッチングトランジスタＳ３及びＳ４の接続点の間に、互いに直列に接続される磁気結合リアクトル（リアクトルコイル）が接続されるとともに、トランス（トランスコイル）の１次側巻線（トランスコイル）１２ａ、１２ｂが接続される。すなわち、磁気結合リアクトルと１次側トランスコイル１２ａ、１２ｂは、２つの双方向チョッパ回路の中間点に接続される。

【0021】

他方、２次側変換回路の正極母線と負極母線の間に、互いに直列に接続されるスイッチングトランジスタＳ５及びＳ６からなる左アームと、互いに直列に接続されるスイッチングトランジスタＳ７及びＳ８からなる右アームが設けられ、これら左アームと右アームは互いに並列に接続されフルブリッジ回路を構成する。ポートＢは、２次側変換回路の正極母線と負極母線の間に配置される。ポートＢの入出力電圧をＶＢとする。

【0022】

トランスの２次側巻線（トランスコイル）１４ａ、１４ｂは、左アームを構成するスイッチングトランジスタＳ５及びＳ６の接続点と、右アームを構成するスイッチングトランジスタＳ７及びＳ８の接続点の間に接続される。

【0023】

制御回路１００は、電力変換回路１２０を制御する各種パラメータを設定し、１次側変換回路と２次側変換回路のスイッチングトランジスタＳ１〜Ｓ８のスイッチング制御を行う。制御回路１００は、外部からのモード信号に基づき１次側変換回路の２つのポート間で電力変換を行うモードと、１次側と２次側間での絶縁型電力伝送を行うモードを切り替える。ポートでいえば、ポートＡとポートＢ間では双方向絶縁型コンバータとして回路を動作させ、ポートＡとポートＣ間では双方向非絶縁型コンバータとして回路を動作させる。このとき、磁気結合リアクトルは、双方向絶縁型コンバータ動作では磁束を弱め合うため漏れインダクタンス成分を用い、双方向非絶縁型コンバータ動作では磁束を強め合うため励磁インダクタンス成分と漏れインダクタンス成分の和の成分を用いて電力伝送を行う。

【0024】

１次側変換回路と２次側変換回路の間の絶縁型電力伝送は、１次側変換回路と２次側変換回路のスイッチングトランジスタＳ１〜Ｓ８のスイッチング周期の位相差φで制御する。１次側変換回路から２次側変換回路に電力を伝送する場合、１次側が２次側に対して進み位相となるように位相差φを決定する。また、２次側変換回路から１次側変換回路に電力を伝送する場合、これとは逆に１次側が２次側に対して遅れ位相となるように位相差φを決定する。例えば、２次側変換回路から１次側変換回路に電力を伝送する場合、１次側変換回路ではスイッチングトランジスタＳ１及びＳ４をオンし、Ｓ２及びＳ３をオフする。また、２次側変換回路ではスイッチングトランジスタＳ５及びＳ８をオンし、Ｓ６及びＳ７をオフする。２次側変換回路では、
Ｓ５→トランス２次側巻線→Ｓ８
と電流が流れる。１次側変換回路では、
Ｓ４→トランス１次側巻線→Ｓ１
と電流が流れる。

【0025】

次の期間では、スイッチングトランジスタＳ１、Ｓ４、Ｓ８をオンし、それ以外はオフとする。前の期間と比べてスイッチングトランジスタＳ５がオンからオフに遷移するが、２次側変換回路のスイッチングトランジスタＳ５がオフすると、スイッチングトランジスタＳ６に並列に接続されたダイオードを介して電流が流れ続け、２次側の両端電圧はゼロに降下する。従って、２次側の両端電圧を決めるのは、スイッチングトランジスタＳ５のオンオフとなる。

【0026】

さらに次の期間では、スイッチングトランジスタＳ１、Ｓ４、Ｓ６、Ｓ８をオンし、それ以外をオフとする。

【0027】

さらに次の期間では、スイッチングトランジスタＳ４、Ｓ６、Ｓ８をオンし、それ以外をオフとする。１次側変換回路のスイッチングトランジスタＳ１がオンからオフに遷移すると、スイッチングトランジスタＳ１に並列に接続されたダイオードを介して電流が流れ続け、スイッチングトランジスタＳ２がオンしない限り１次側の両端電圧はゼロにならない。従って、１次側の両端電圧を決めるのは、スイッチングトランジスタＳ２のオンオフとなる。

【0028】

上下のスイッチングトランジスタが短絡しないように、数百ナノ秒〜数マイクロ秒程度のデッドタイムを設けてもよい。すなわち、スイッチングトランジスタＳ１とＳ２、Ｓ３とＳ４、Ｓ５とＳ６、Ｓ７とＳ８がともにオフとなるような期間を設けてもよい。

【0029】

図１のマルチポート回路を例えばハイブリッド自動車等に搭載する場合、ポートＡに４８Ｖ補機を接続し、ポートＣに１４Ｖ補機を接続し、ポートＢに主機バッテリ等を接続することができる。

【0030】

以上のようなマルチポート回路では、トランスコイルによるトランス動作とリアクトルコイルによるリアクトル動作が要求され、従来の磁気素子においては上述したように３つの脚部を備えるコアの両端の脚部にトランスコイルを配置し、中央の脚部にリアクトルコイルを配置していた。

【0031】

ところで、従来の磁気素子において、リアクトル動作を実行する際には磁気結合リアクトルの自己インダクタンスをリアクトルとして利用しているが、センタータップを介した上下のトランスコイル間には漏れインダクタンスが生じているので、この漏れインダクタンスを、磁気結合リアクトルの自己インダクタンスに代えてリアクトルとして用い得る。

【0032】

本実施形態では、このような着想の下で、リアクトルコイルを削減し、トランスコイルをトランス動作のみならずリアクトル動作も実現する磁気素子として活用させるものである。

【0033】

図２は、本実施形態における磁気素子の横断面図を示す。３つの脚部を有するコア１０の両端の脚部にトランスコイル１２ａ、１２ｂ、１４ａ、１４ｂが配置される。トランスコイル１２ａは第１の１次側トランスコイル、トランスコイル１２ｂは第２の１次側トランスコイルであり、トランスコイル１４ａは第１の２次側トランスコイル、トランスコイル１４ｂは第２の２次側トランスコイルである。

【0034】

図２と図１１を対比すると、図１１の磁気素子では中央の脚部にリアクトルコイル１６ａ、１６ｂが配置されているが、図２の磁気素子では中央の脚部にリアクトルコイルが配置されていない。すなわち、図２の磁気素子では、両端のトランスコイル１２ａ、１２ｂ、１４ａ、１４ｂは、トランスコイルのみならずリアクトルコイルとしても機能する。

【0035】

図３Ａは、図２に示す磁気素子を上から見た場合の、トランス動作時の電流の流れを示す。トランスコイル１２ａ、１２ｂは、３つの脚部を有するコア１０の両端の脚部にそれぞれ配置されており、トランス動作では互いに逆相となるように電流が流れる。すなわち、図３Ａに示すように、両端の脚部のうちの左側の脚部のトランスコイル１２ａは上から見て反時計方向に電流が流れ、他方で、右側の脚部のトランスコイル１２ｂには上から見て時計方向に電流が流れる。

【0036】

図３Ｂは、図２に示す磁気素子を上から見た場合の、リアクトル動作時の電流の流れを示す。トランスコイル１２ａ、１２ｂは、３つの脚部を有するコア１０の両端の脚部にそれぞれ配置されており、リアクトル動作では互いに同相となるように電流が流れる。すなわち、図３Ｂに示すように、両端の脚部のうちの左側の脚部のトランスコイル１２ａは上から見て反時計方向に電流が流れ、右側の脚部のトランスコイル１２ｂにも上から見て反時計方向に電流が流れる。

【0037】

図４Ａ及び図４Ｂは、トランス動作における磁束及び回路図を示す。左右の脚部にそれぞれ配置されたトランスコイル１２ａ、１２ｂによる磁束の向きは互いに反対であるため中央の脚部では互いに打ち消し合い、リアクトルとして動作することはない。これは、中央の脚部がないＯ型コアのトランスと同じ磁束変化である。

【0038】

図５Ａ及び図５Ｂは、リアクトル動作における磁束及び回路図を示す。左右の脚部にそれぞれ配置されたトランスコイル１２ａ、１２ｂによる磁束の向きは同じであるため中央の脚部では磁束が打ち消し合うことはないが、発生する起電力はセンタータップを介したトランスコイル１２ａ、１２ｂで互いに逆となるためコイル全体としては起電力がゼロとなり、トランスとして動作しない。また、リアクトルとしてはギャップを介した磁気抵抗の大きな経路で磁束変化が生じるので、飽和し難い特性を有する。

【0039】

図６は、本実施形態の磁気素子の構成図を示す。３つの脚部を有するコア１０の両端の脚部の一方に１次側トランスコイル１２ａを巻回し、他方の脚部に１次側トランスコイル１２ｂを巻回する。詳細には、図１に示すように１次側の左アームのＵ端子とポートＣとの間にトランスコイル１２ａが接続され、１次側の右アームのＶ端子とポートＣとの間にトランスコイル１２ｂが接続される。トランスコイル１２ａ、１２ｂはセンタータップを介して直列接続され、センタータップにポートＣが接続される。

【0040】

他方、３つの脚部を有するコア１０の両端の脚部の一方に２次側トランスコイル１４ａを巻回し、他方の脚部に２次側トランスコイル１４ｂを巻回する。

【0041】

このように、本実施形態では、３つの脚部を有するコア（あるいはＥ型コア）の両端にトランスコイルを巻回し、同相電流の変化に対してはリアクトルとして動作させ、逆相電流の変化に対してはトランスとして動作させることで、リアクトルコイルを削除できる。従来の磁気素子に対してリアクトルコイルが存在しない分、巻線長（配線長）が短くなり、かつ、配線用のコア窓も縮小化される。

【0042】

次に、本実施形態におけるマルチポート回路のコンピュータによる動作シミュレーション結果について説明する。なお、簡略化のため、２次側変換回路については図１のポートＤを省略している。

【0043】

図７は、シミュレーションに用いた回路構成を示す。ポートＡの電圧をＶＡ、ポートＢの電圧をＶＢ、ポートＣの電圧をＶＣとし、ＶＡ＝４８Ｖ、ＶＢ＝１９２Ｖ、ＶＣ＝１４Ｖとし、スイッチング周波数を５０ｋＨｚとする。１次側トランスコイルと２次側トランスコイルの巻線比を例えば１：４となるように、１次側はコア両端の脚部に３ターンずつ、２次側はコア両端の脚部で１２ターンずつコイルを巻回する。図７において、図１に示すような磁気結合リアクトルが存在していないことに留意されたい。

【0044】

図８Ａ及び図８Ｂは、リアクトル動作、すなわち同相電流を供給した場合の磁束を示す。トランスコイル１２ａにより生じる磁束をφｕ、トランスコイル１２ｂにより生じる磁束をφｖとすると、中央の脚部に生じる同相磁束はφｃｍ＝φｕ＋φｖである。同相磁束は、コア中央脚部を通る一定のリプルを有する直流磁束である。

【0045】

図９Ａ及び図９Ｂは、トランス動作、すなわち逆相電流を供給した場合の磁束を示す。トランスコイル１２ａにより生じる磁束をφｕ、トランスコイル１２ｂにより生じる磁束をφｖとすると、中央の脚部に生じる磁束は、φｄｆ＝（φｕ−φｖ）／２である。逆相磁束は、コア両端脚部を時計回りと反時計回りで磁束変化方向が交互に変わりつつ流れる交流磁束である。

【0046】

図１０Ａ〜図１０Ｄは、シミュレーション結果を示す。ポートＢからポートＡに７５０Ｗの電力を伝送する。

【0047】

図１０Ａは、１次側の電圧Ｖｕｖと２次側の電圧Ｖαβの電圧波形を示す。磁気素子の１次側と２次側に発生する電圧の位相差によって絶縁コンバータ動作における電力伝送を制御する。

【0048】

図１０Ｂは、同相電流を供給した場合の電流ｉｃｍと逆相電流を供給した場合の電流ｉｄｆの電流波形を示す。同相電流供給時の電流ｉｃｍは、ｉｃｍ＝ｉｕ＋ｉｖであり、非絶縁型コンバータ（昇圧コンバータ）のリアクトル電流波形と一致する。他方、逆相電流供給時の電流ｉｄｆは、ｉｄｆ＝（ｉｕ−ｉｖ）／２であり、絶縁型コンバータのトランス電流波形と一致する。

【0049】

図１０Ｃは、トランスコイル１２ａによる磁束φｕと、トランスコイル１２ｂによる磁束φｖを示す。この２つの波形は、トランス動作による磁束とリアクトル動作による磁束の合成波形となっている。

【0050】

図１０Ｄは、同相電流変化による磁束φｃｍと逆相電流による磁束φｄｆを示す。同相電流による磁束はφｃｍ＝φｕ＋φｖであり、これは、別々に磁気素子を用いた場合の磁気結合リアクトル磁束波形と一致する。他方、逆相電流による磁束はφｄｆ＝（φｕ−φｖ）／２であり、これは別々に磁気素子を用いた場合のセンタータップトランス磁束波形と一致する。従って、本実施形態における磁気素子（一体磁気素子）に流れる磁束は、リアクトル動作による磁束とトランス動作による磁束の合成波形となっており、互いに干渉せずにリアクトルとトランスとして機能できる。

【符号の説明】

【0051】

１０ コア、１２ａ，１２ｂ １次側トランスコイル、１４ａ，１４ｂ ２次側トランスコイル、１６ａ，１６ｂ リアクトルコイル、１００ 制御回路、１２０ 電力変換回路。

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図9A】

【図9B】

【図10A】

【図10B】

【図10C】

【図10D】

【図11】

【図12A】

【図12B】

【図13A】

【図13B】