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JP7145228B2 - リアクトル及び複数相インターリーブ型のｄｃ－ｄｃコンバータ - Google Patents

リアクトル及び複数相インターリーブ型のｄｃ－ｄｃコンバータ Download PDF

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Description

本発明は、例えば、電気自動車やＨＥＶ（Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ：ハイブリッド電気自動車）などの車両のＤＣ－ＤＣコンバータに使用されるリアクトルに関する。
リアクトルは、コアの周囲にコイルを装着することで構成されている。コアは、コイルとの絶縁などの目的から、その全部あるいは一部をモールド成型により樹脂内部に埋設したり、筒状の樹脂成型品内に挿入したりしている。このようなコアとその周囲に装着されたコイルを備えたリアクトル本体を、例えば、防塵、保護、放熱などの理由からアルミニウムなどの金属製のケース内に収納したリアクトルも従来から知られている（例えば特許文献１参照）。
コイルを２つ有する複合型のリアクトルには、環状コアの外周部を通過する２つのコイルの漏れ磁束の方向が同じ向きとなってリアクトルの周囲の漏れ磁束が強まり、この漏れ磁束を利用して昇降圧動作を行うもの（例えば特許文献２参照）が知られている。
日本国特開２０１６－６６７２１号公報 日本国特開２０１４－１２７６３７号公報
上述したような複合型のリアクトルでは、漏れ磁束によるリアクトル周辺の他の部品の発熱などを防ぐため、リアクトルの周囲にはスペースを設ける必要があり、リアクトルの小型化を阻害する要因となる。
本発明の目的は、小型化が可能なリアクトル及びこれを備える複数相インターリーブ型のＤＣ－ＤＣコンバータを提供することである。
本発明のリアクトルは、第一コアと、前記第一コアに巻回される第一コイルと、前記第一コアに巻回される第二コイルと、を有する、電力変換に用いられるリアクトルであって、前記第一コイル及び前記第二コイルは、電源の出力電圧が入力される一端部と、電力変換された電力が出力される出力側に電気的に接続される他端部と、をそれぞれ備え、更に、前記第一コイルの前記一端部から前記他端部へ電流が流れた際に前記第一コアに発生する磁束の向きと、前記第二コイルの前記一端部から前記他端部へ電流が流れた際に前記第一コアに発生する磁束の向きと、が相反するように巻回されており、前記第一コイル及び前記第二コイルの少なくとも一方の外側に設けられた第二コアを備え、通電によって前記第一コイル及び前記第二コイルの一方のコイルから発生するとともに、他方のコイルには鎖交しない漏れ磁束が、前記第二コアを通過して前記一方のコイルを周回し、前記第二コアは、前記第一コイルと前記第二コイルとの間に形成された第二サブコア部を有し、前記第二サブコア部は、前記第一コイル及び前記第二コイルの軸方向に複数個に分離されているものである。
本発明の複数相インターリーブ型のＤＣ－ＤＣコンバータは、前記リアクトルと、前記第一コイル及び前記第二コイルの前記他端部側に接続されるスイッチング回路と、を備えるものである。
本発明によれば、小型化が可能なリアクトル及びこれを備える複数相インターリーブ型のＤＣ－ＤＣコンバータを提供することができる。
本発明の一実施形態であるリアクトル１を適用可能な２相インターリーブ型のＤＣ－ＤＣコンバータの一例を示す回路図である。 本発明の一実施形態であるリアクトル１の概略構成を模式的に示す斜視図である。 図２に示すリアクトル１を開口２ａ側から方向Ｚに見た平面模式図である。 図３に示すリアクトル１における第一コア１４、第一コイル１１、及び第二コイル１２の外観構成を模式的に示す斜視図である。 図２に示すリアクトル１における第二コア１５の外観構成を模式的に示す斜視図である。 図３に示すリアクトル１におけるＡ－Ａ線の断面模式図である。 図３に示すリアクトル１におけるＢ－Ｂ線の断面模式図である。 図３に示すリアクトル１におけるＣ－Ｃ線の断面模式図である。 第一コイル１１と第二コイル１２にて生じた漏れ磁束の流れを模式的に示す図である。 従来の複合型リアクトルの構成を示す模式図である。 従来の複合型リアクトルの構成を示す模式図である。 図１１に示す複合型リアクトルの磁束分布を示す模式図である。 図４に示す第二コア１５の本体部１５Ｃの変形例を示す図５に対応する断面模式図である。 図１に示すリアクトル１の変形例であるリアクトル１Ａの概略構成を模式的に示す外観斜視図である。 図１４に示すリアクトル１Ａを方向Ｚから見た平面模式図である。 図１５に示すリアクトル１ＡにおけるＥ－Ｅ線の断面模式図である。 図１５に示すリアクトル１ＡにおけるＦ－Ｆ線の断面模式図である。 図１５に示すリアクトル１ＡにおけるＨ－Ｈ線の断面模式図である。 図２に示すリアクトル１の変形例であるリアクトル１Ｂの概略構成を模式的に示す図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態であるリアクトル１を適用可能な２相インターリーブ型のＤＣ－ＤＣコンバータの一例を示す回路図である。図１に示す２相インターリーブ型のＤＣ－ＤＣコンバータは、平滑コンデンサＣ１と、第一コイル１１及び第二コイル１２を有するリアクトル１と、スイッチ部ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４と、平滑コンデンサＣ２とを備える。
このＤＣ－ＤＣコンバータは、平滑コンデンサＣ１側の電圧Ｖ１を入力電圧とし、平滑コンデンサＣ２側の電圧Ｖ２を出力電圧として動作する場合、入力電圧Ｖ１を昇圧する。このＤＣ－ＤＣコンバータは、平滑コンデンサＣ２側の電圧Ｖ２を入力電圧とし、平滑コンデンサＣ１側の電圧Ｖ１を出力電圧として動作する場合、入力電圧Ｖ２を降圧する。
リアクトル１の第一コイル１１の巻線の端子ｂにはスイッチ部ＳＷ１，ＳＷ２が接続されている。リアクトル１の第二コイル１２の巻線の端子ｄにはスイッチ部ＳＷ３，ＳＷ４が接続されている。スイッチ部ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４は、それぞれＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のスイッチング素子と、このスイッチング素子に並列接続された還流ダイオードとを有する。
スイッチ部ＳＷ１～ＳＷ４の各スイッチング素子は、図示しないスイッチング制御部からの信号によってオンオフ制御される。但し、スイッチング制御部は、スイッチ部ＳＷ１のスイッチング素子をオン制御する際には、スイッチ部ＳＷ２のスイッチング素子をオフ制御し、逆に、スイッチ部ＳＷ１のスイッチング素子をオフ制御する際には、スイッチ部ＳＷ２のスイッチング素子をオン制御する。同様に、スイッチング制御部は、スイッチ部ＳＷ３のスイッチング素子をオン制御する際には、スイッチ部ＳＷ４のスイッチング素子をオフ制御し、逆に、スイッチ部ＳＷ３のスイッチング素子をオフ制御する際には、スイッチ部ＳＷ４のスイッチング素子をオン制御する。また、スイッチ部ＳＷ１，ＳＷ２のスイッチング制御の１周期（Ｔｓ）と、スイッチ部ＳＷ３，ＳＷ４のスイッチング制御の１周期（Ｔｓ）とは位相が半周期（Ｔｓ／２）ずれている。つまり、スイッチ部ＳＷ２のオンオフの制御と、スイッチ部ＳＷ４のオンオフの制御は、互いに逆位相の関係となる。
図１に示したＤＣ－ＤＣコンバータでは、第一コイル１１と第二コイル１２は互いに磁気結合しており、巻数比が１：１である。したがって、第二コイル１２には第一コイル１１と同じ電圧が誘起される。また、第一コイル１１と第二コイル１２の極性はドットによって示される。図１に示した構成では、第一コイル１１の巻線の端子ａ及び第二コイル１２の巻線の端子ｃは電源（Ｖｉｎ）の正極側に接続されている。そして、第一コイル１１と第二コイル１２は、端子ａから端子ｂに電流を流し、端子ｃから端子ｄに電流を流した状態において、第一コイル１１が巻回されたコア（後述の第一コア１４）に流れる磁束の方向と、第二コイル１２が巻回されたコア（後述の第一コア１４）に流れる磁束の方向とが逆となるように、コアに巻回されている。つまり、第一コイル１１に電流Ｉ１が流れた際に、第一コイル１１が巻回されたコア（後述の第一コア１４）に生じる磁束の方向と、第二コイル１２に電流Ｉ２が流れた際に、第二コイル１２が巻回されたコア（後述の第一コア１４）に流れる磁束の方向とが逆となり、これら２つの磁束が互いに弱め合う。一方で、第一コイル１１に電流Ｉ１が流れ、第二コイル１２に電流Ｉ２が流れたときの第一コイル１１及び第二コイル１２の各々の漏れ磁束（すなわち、一方のコイルから発生して他方のコイルに鎖交しない磁束であり、コイルが巻回されたコア（後述の第一コア１４）の外側を通過する磁束）の進む向きは同じとなるため、漏れ磁束は強め合う。このような漏れ磁束を利用して、カップドインダクタに磁気エネルギーを蓄積及び放出させることで、昇圧及び降圧動作が可能となる。
第一コイル１１と第二コイル１２が互いに磁気的に逆結合されているコンバータにおいては、一次側電圧と二次側電圧の関係は以下の関係式で示される。
Figure 0007145228000001
上記関係式において、“Ｖ１”はコンバータの一次側電圧を示し、“Ｖ２”はコンバータの二次側電圧を示す。また、“ｉ１”はコンバータの入力電流を示し、“Ｌ”は第一コイル１１と第二コイル１２それぞれの自己インダクタンスを示し、“Ｍ”は第一コイル１１と第二コイル１２の相互インダクタンスを示す。また、“ｌ”は、第一コイル１１と第二コイル１２のうちの一方のコイルから発生するとともに、他方のコイルには鎖交しない磁束による漏れインダクタンスである。
上関係式において漏れ磁束が０となる場合には、左辺第二項及び左辺第三項がともに０となり、電圧変換を行うことができない。したがって、左辺第二項及び左辺第三項に示されるように、漏れ磁束によるインダクタンスが必要となる。すなわち、第一コイル１１と第二コイル１２が互いに磁気的に逆結合されているコンバータでは、第一コイル１１と第二コイル１２のうちの一方のコイルから発生するとともに、他方のコイルには鎖交せずに周回する漏れ磁束のインダクタンスを使って、電圧変換機能を果たしている。
図２は、図１に示すＤＣ－ＤＣコンバータにおけるリアクトル１の概略構成を模式的に示す斜視図である。図２において一部の構成要素（後述の第一コア１４）については図示を省略している。図３は、図２に示すリアクトル１を開口２ａ側から方向Ｚに見た平面模式図である。なお、図３において後述の第二コア１５の図示は省略されている。図３に示す端子ａ，ｂ，ｃ，ｄは、図１に示した端子ａ，ｂ，ｃ，ｄの関係と同様である。
リアクトル１は、断面形状が三角形、矩形、又は円形等の筒状部材における２つの開口の一方の開口を閉じた有底筒状のケース２を備える。図２の例では、ケース２は、断面形状が矩形の筒状部材における２つの開口の一方の開口を閉じた構成となっている。
ケース２は、方向Ｚの一方側の面に開口２ａを有しており、方向Ｚに平行な平板状の４つの側壁２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄを備える。側壁２Ａと側壁２Ｃは方向Ｚに垂直な方向Ｘに並んで対向している。側壁２Ｂと側壁２Ｄは方向Ｚと方向Ｘとに垂直な方向Ｙに並んで対向している。
ケース２は、例えば熱伝導性の高い金属等で形成され、リアクトル本体１００を収容するとともにリアクトル本体１００から発生する熱の放熱部材としての機能を有する。熱伝導性の高い金属としては、アルミニウム又はマグネシウム等を用いることができる。また、ケース２は必ずしも金属である必要はなく、熱伝導性に優れた樹脂又は樹脂の一部に金属製の放熱板を固定したものを使用することも可能である。
ケース２の内部には、第一コイル１１と、第二コイル１２と、スペーサ１３と、詳細は後述する第二コア１５と、を含むリアクトル本体１００が収容されている。
第一コイル１１と第二コイル１２は、それぞれ、方向Ｘを軸方向とする巻線コイルである。第一コイル１１と第二コイル１２は、方向Ｙに離間して並んで配置されている。第一コイル１１と第二コイル１２の構成は、巻線の巻回方向を除いては同一となっている。図３に示す端子ａ、ｂ、ｃ、ｄには、配線が接続され、これらの配線がケース２の開口２ａから外側に引き出されて、図１に示したＤＣ－ＤＣコンバータの他の回路素子と接続される。第一コイル１１に端子ａから端子ｂに向かって電流Ｉ１が流れると、第一コア１４内には図３において反時計回りに流れる磁束Ｂ１が発生する。また、第二コイル１２に端子ｃから端子ｄに向かって電流Ｉ２が流れると、第一コア１４内には図３において時計回りに流れる磁束Ｂ２が発生する。したがって、これら２つの磁束Ｂ１，Ｂ２は、第一コア１４内部で互いに弱め合う方向に発生することとなる。
スペーサ１３は、第一コイル１１と第二コイル１２の間に配置された方向Ｚに平行且つ方向Ｚに延びる板状部材であり、第一コイル１１と第二コイル１２との間の空間を方向Ｘに２つに分離する機能を果たす。
第一コイル１１と第二コイル１２の各々の巻線材料は、例えば銅等の各種の導体によって構成されている。スペーサ１３は、例えば樹脂等の絶縁材料によって構成されている。第一コイル１１と第二コイル１２との結合係数は、昇降圧動作に必要となる漏れ磁束が得られるように、１より小さな所定の値に設定される。この場合、第一コイル１１と第二コイル１２との結合係数は、第一コア１４及び第二コア１５のそれぞれの透磁率の設定、或いは、（後述の）第二磁路におけるギャップの設定等によって、設定することが可能である。
図４は、図３に示すリアクトル１における第一コア１４、第一コイル１１、及び第二コイル１２の外観構成を模式的に示す斜視図である。図５は、図２に示すリアクトル１における第二コア１５の外観構成を模式的に示す斜視図である。
図６は、図３に示すリアクトル１におけるＡ－Ａ線の断面模式図である。図７は、図３に示すリアクトル１におけるＢ－Ｂ線の断面模式図である。図８は、図３に示すリアクトル１におけるＣ－Ｃ線の断面模式図である。なお、図３に示すリアクトル１におけるＤ－Ｄ線の断面模式図は、図８における符号１４ａが符号１４ｂに変更され、図８における符号１５Ａが符号１５Ｂに変更されただけであるため、図示は省略する。
図３及び図４に示すように、ケース２に収容されたリアクトル本体１００は、更に、磁性材料を含んで構成された第一コア１４を有している。第一コア１４は、ダストコア、フェライトコア、ケイ素鋼を積層した積層コア、磁性体を含む樹脂材料を成型した樹脂コア等が用いられる。
第一コア１４は、方向Ｚに平行且つ方向Ｙに延びる平板状の平板部１４ａと、平板部１４ａに対し方向Ｘに離間して配置された方向Ｚに平行且つ方向Ｙに延びる平板状の平板部１４ｂと、平板部１４ａと平板部１４ｂを繋ぐ方向Ｘに延びる棒状の被巻回部１４ｃ及び被巻回部１４ｄと、を備えており、全体として略環状に構成されている。
第一コア１４の被巻回部１４ｃの外周面には、第一コイル１１が巻回されている。第一コア１４の被巻回部１４ｄの外周面には、第二コイル１２が巻回されている。この第一コア１４により、第一コイル１１と第二コイル１２を貫通して周回する第一磁路（平板部１４ａ、被巻回部１４ｃ、平板部１４ｂ、被巻回部１４ｄ、及び平板部１４ａの順とこの逆順に流れる磁束の通路）が形成される。
図３に示すように、第一コア１４の平板部１４ａの方向Ｘにおける被巻回部１４ｃ，１４ｄ側と反対側の端面は、ケース２の側壁２Ａに接触している。また、第一コア１４の平板部１４ａの方向Ｙにおける両端面は、ケース２の側壁２Ｂと側壁２Ｄにそれぞれ接触している。
図３に示すように、第一コア１４の平板部１４ｂの方向Ｘにおける被巻回部１４ｃ，１４ｄ側と反対側の端面は、ケース２の側壁２Ｃに接触している。また、第一コア１４の平板部１４ｂの方向Ｙにおける両端面は、ケース２の側壁２Ｂと側壁２Ｄにそれぞれ接触している。
第一コイル１１と第二コイル１２は、それぞれ、エッジワイズコイルである。図６及び図７に示すように、第一コイル１１と第二コイル１２は、それぞれ、軸方向にみたときの形状が、方向Ｙに平行な２辺と、方向Ｚに平行な２辺を持つ矩形の枠の４隅を丸めた形状となった、矩形のエッジワイズコイルとなっている。
図６及び図７に示すように、第一コイル１１は、方向Ｙにおける第二コイル１２側と反対側の端面がケース２の側壁２Ｂに接触し、且つ、方向Ｚにおける開口２ａ側と反対側の端面がケース２の底面２Ｅに接触した状態にて、ケース２内部に固定されている。
また、第二コイル１２は、方向Ｙにおける第一コイル１１側と反対側の端面がケース２の側壁２Ｄに接触し、且つ、方向Ｚにおける開口２ａ側と反対側の端面がケース２の底面２Ｅに接触した状態にて、ケース２内部に固定されている。
図５に示す第二コア１５は、ケース２の収容空間のうち、上述してきた第一コア１４、第一コイル１１、第二コイル１２、及びスペーサ１３が配置される部分を除く部分に形成されている。第二コア１５は、例えば磁性体を含む樹脂材料によって構成されている。第二コア１５は、例えば、ケース２の内部に、第一コア１４、第一コイル１１、第二コイル１２、及びスペーサ１３を固定した状態にて、この樹脂材料をケース２の内部に流し込み、後にこの樹脂材料を硬化させることによって形成される。
第二コア１５は、具体的には、図５から図７に示すように、第一コイル１１と第二コイル１２の周囲に形成された本体部１５Ｃと、この本体部１５Ｃの方向Ｚの両端且つ方向Ｘの一端から方向Ｘに突出して設けられた一対の平板部１５Ａと、この本体部１５Ｃの方向Ｚの両端且つ方向Ｘの他端から方向Ｘに突出して設けられた一対の平板部１５Ｂと、により構成されている。
図５及び図８に示すように、平板部１５Ａは、第一コア１４の平板部１４ａとケース２の開口２ａとの間を埋め、且つ、第一コア１４の平板部１４ａとケース２の底面２Ｅとの間を埋める状態にて形成された部分である。
図５に示すように、平板部１５Ｂは、第一コア１４の平板部１４ｂとケース２の開口２ａとの間を埋め、且つ、第一コア１４の平板部１４ｂとケース２の底面２Ｅとの間を埋める状態にて形成された部分である。
図６に示すように、第二コア１５の本体部１５Ｃは、第一コイル１１と第二コイル１２の間を埋める状態にて形成されたサブコア部１５ａと、第一コイル１１と側壁２Ｂとの間を埋める状態にて形成されたサブコア部１５ｂと、第二コイル１２と側壁２Ｄとの間を埋める状態にて形成されたサブコア部１５ｃと、サブコア部１５ａ、サブコア部１５ｂ、サブコア部１５ｃ、第一コイル１１、及び第二コイル１２と、ケース２の開口２ａとの間を埋める状態にて形成されたサブコア部１５ｄと、を備える。
図７に示すように、スペーサ１３は、第一コイル１１と第二コイル１２の間において、サブコア部１５ｄとサブコア部１５ａとの境界面からケース２の底面２Ｅまで延びて形成されている。このスペーサ１３により、本体部１５Ｃのサブコア部１５ａは、方向Ｘに２つに分離された構成となっている。
以上のように構成されたリアクトル１では、第一コイル１１への通電によって第一コイル１１にて発生した磁束は、第一コイル１１の内周部を例えば平板部１４ａから平板部１４ｂに向かう方向に流れ、その後、平板部１４ｂを経由して第二コイル１２の内周部を貫通して平板部１４ａに流れ、その後、第一コイル１１に戻る。また、第二コイル１２への通電によって第二コイル１２にて発生した磁束は、第二コイル１２の内周部を例えば平板部１４ａから平板部１４ｂに向かう方向に流れ、その後、平板部１４ｂを経由して第一コイル１１の内周部を貫通して平板部１４ａに流れ、その後、第二コイル１２に戻る。このように、第一コア１４によって、第一コイル１１と第二コイル１２を順に貫通して周回する第一磁路が形成されるため、第一コイル１１と第二コイル１２が磁気的に結合されて相互誘導作用を得ることができる。
第一コイル１１と第二コイル１２にて生じた磁束の一部は、図６中の曲線矢印にて示すように、第一磁路ではなく、第一コイル１１の周囲及び第二コイル１２の周囲に漏れ磁束として漏れ出す。この漏れ磁束が通る部分には、第二コア１５の本体部１５Ｃが設けられている。このため、第一コイル１１の方向Ｘの一端側から漏れ出した漏れ磁束は、本体部１５Ｃを通り、第一コイル１１の方向Ｘの他端側に流れて第一コイル１１を周回する。同様に、第二コイル１２の方向Ｘの一端側から漏れ出した漏れ磁束は、本体部１５Ｃを通り、第二コイル１２の方向Ｘの他端側に流れて第二コイル１２を周回する。このように、本体部１５Ｃによって、第一コイル１１のみを貫通して周回する磁路と、第二コイル１２のみを貫通して周回する磁路と、を含む第二磁路が形成される。このため、漏れ磁束を利用した自己誘導作用を得ることができる。
図９は、第一コイル１１と第二コイル１２から生じた漏れ磁束の流れを模式的に示す図である。第一コイル１１と第二コイル１２の漏れ磁束は、第二コア１５が存在しない状態であれば、ケース２の周囲に大きく広がってから各コイルに戻ることになる。一方、リアクトル１では、図６及び図７に示すように、ケース２と第一コイル１１及び第二コイル１２との間にサブコア部１５ｂとサブコア部１５ｃが存在している。また、リアクトル１では、図６及び図７に示すように、第一コイル１１と第二コイル１２との間にサブコア部１５ａが存在している。したがって、図９に示すように、第一コイル１１と第二コイル１２の漏れ磁束の大部分は、空気中に比べて透磁率の高いサブコア部１５ｂ、サブコア部１５ｃ、及びサブコア部１５ａに流れるようになる。この結果、ケース２の周囲への漏れ磁束の広がりを抑制することができ、ケース２の周囲での、他の部材の発熱を防ぐためのスペースの増大を抑制することができる。
図１０は、従来の複合型リアクトルの構成を示す模式図である。図１０に示す構成の複合型リアクトルでは、コア７０の内部には逆向きの磁束７０Ａ、７０Ｂが発生してこれらが弱めあう。一方、一次コイルと二次コイルの各々を周回する漏れ磁束７０Ｃ、７０Ｄは、コア７０に設けられた脚部７１，７２の間を同じ向きに流れる。これにより、漏れ磁束７０Ｃと漏れ磁束７０Ｄが強められることになる。図１０に示す複合型リアクトルに対し、本実施形態のリアクトル１は、第一コイル１１と第二コイル１２の間にサブコア部１５ａが設けられているため、第一コイル１１と第二コイル１２との隙間を小さくすることができる。また、図１０に示したように、コアに脚部を設ける必要がない。このため、磁路を短くすることができ、インダクタンスを向上させることができる。
図１１は、従来の複合型リアクトルの構成を示す模式図である。図１２は、図１１に示す複合型リアクトルの磁束分布を示す模式図である。図１１に示す構成の複合型リアクトルでは、コア８０の内部には互いに逆の向きの磁束が発生してこれらが弱めあう。一方、一次コイル８１と二次コイル８２の各々を周回する漏れ磁束８１Ａ、８２Ａは、コア８０の周囲に広がって同じ向きに流れる。これにより、漏れ磁束８１Ａと漏れ磁束８２Ａが強められることになる。図１１に示す複合型リアクトルに対し、本実施形態のリアクトル１は、第一コイル１１及び第二コイル１２とケース２との間にサブコア部１５ｂ、サブコア部１５ｃが設けられているため、図９に示したように、各コイルの漏れ磁束の広がりを抑制することができる。
このように、リアクトル１によれば、第一磁路を通らない第一コイル１１と第二コイル１２の各々の漏れ磁束を、第二磁路を通して第一コイル１１と第二コイル１２の各々にて周回させることができる。このため、第一コイル１１と第二コイル１２の各々の自己インダクタンスを高めることができる。これにより、周知のリアクトルの構成に対し、同一のインダクタンスを実現するのであれば、第一コイル１１と第二コイル１２の各々の巻き数等を減らすことができ、第一磁路を短くすることができる。また、第一コイル１１と第二コイル１２の巻き数の減少は抵抗を減らす効果をもたらすため、第一コア１４の断面積を減らすことができる。更に、漏れ磁束が第二磁路を通って利用されるため、リアクトル１の周囲にこの漏れ磁束による発熱などを考慮したスペースが不要となる。これらのことから、リアクトル１の小型化と低損失を両立させることが可能となる。
また、リアクトル１によれば、第一コイル１１と第二コイル１２の各々がエッジワイズコイルであり、更に、第一コイル１１と第二コイル１２の各々がケース２の側壁２Ｂ，２Ｄと底面２Ｅに接触する状態にて配置されている。このため、ケース２内の容積を効率よく利用することができ、リアクトル１の小型化が可能になる。
また、リアクトル１は、第一コイル１１と第二コイル１２の各々の外周面における互いに垂直な４面のうちの２面がケース２に接触し、この４面のうちの１面が開口２ａに向く構成である。このため、ケース２の外部から第一コイル１１と第二コイル１２を冷却する際の冷却面積を多くとることができ、冷却効率を高めることができる。
また、リアクトル１によれば、ケース２の底面と第一コイル１１と第二コイル１２の各々の軸方向とが平行になっている。このため、ケース２の開口２ａから第一コイル１１と第二コイル１２の各々の端子を容易に引き出すことが可能となり、製造コストを低減することができる。
また、リアクトル１によれば、第二コア１５が磁性体を含む樹脂によって構成されている。このため、第二コア１５を簡易な方法にて形成することができる。したがって、リアクトル１の製造コストを低減することができる。なお、第二コア１５は、製造方法は難しくなるが、第一コア１４と同じ材料によって構成することも可能である。
また、リアクトル１によれば、スペーサ１３によって本体部１５Ｃのサブコア部１５ａが方向Ｘに２つに分離された構成となっている。この構成によれば、第一磁路を通らない第一コイル１１と第二コイル１２の各々の漏れ磁束によるインダクタンスの調整を容易に行うことができる。したがって、リアクトル１に要求される昇圧比等に合わせた柔軟な設計が可能となる。
なお、本体部１５Ｃにおいて、スペーサ１３が形成された領域を何も存在しない空隙としてもよい。スペーサ１３によってサブコア部１５ａを分離する構成によれば、製造が容易であるため、製造コストを下げることができる。また、スペーサ１３又はこの空隙は必須ではなく、サブコア部１５ａが方向Ｘに分離されていなくてもよい。この構成によれば、漏れ磁束をより効率的に利用することができる。
また、本体部１５Ｃにおいて、スペーサ１３の形状は、図７に示したものに限らない。例えば、図７において、スペーサ１３と方向Ｙに隣り合う第一コイル１１及び第二コイル１２との間の隙間の部分まで、スペーサ１３が形成されている構成としてもよい。この構成によれば、第一磁路を通らない第一コイル１１と第二コイル１２の各々の漏れ磁束によるインダクタンスの調整を容易に行うことができる。
また、本体部１５Ｃにおいて、サブコア部１５ｂ又はサブコア部１５ｃを複数に分離する空隙又はスペーサが別途設けられていてもよい。この構成によれば、第一磁路を通らない第一コイル１１と第二コイル１２の各々の漏れ磁束によるインダクタンスの調整を容易に行うことができる。
なお、本体部１５Ｃにおいて、サブコア部１５ｂ，１５ｃの形成された領域の一方又は両方は、空隙又はスペーサ１３と同じ部材が設けられた領域となっていてもよい。このような構成であっても、第一コイル１１からの漏れ磁束をサブコア部１５ａによって広がりを抑制しながら第一コイル１１に戻すことができる。同様に、第二コイル１２からの漏れ磁束をサブコア部１５ａによって広がりを抑制しながら第二コイル１２に戻すことができる。したがって、リアクトル１の小型化と低損失を両立させることが可能となる。
また、本体部１５Ｃにおいて、サブコア部１５ａの形成された領域は、空隙又はスペーサ１３と同じ部材が設けられた領域となっていてもよい。このような構成であっても、第一コイル１１からの漏れ磁束をサブコア部１５ｂによって広がりを抑制しながら第一コイル１１に戻すことができる。同様に、第二コイル１２からの漏れ磁束をサブコア部１５ｃによって広がりを抑制しながら第二コイル１２に戻すことができる。したがって、リアクトル１の小型化と低損失を両立させることが可能となる。
また、本体部１５Ｃにおいて、サブコア部１５ｄの形成された領域は、空隙又はスペーサ１３と同じ部材が設けられた領域となっていてもよい。このような構成であっても、第一コイル１１からの漏れ磁束を、サブコア部１５ａによって広がりを抑制しながら第一コイル１１に戻すことができる。同様に、第二コイル１２からの漏れ磁束をサブコア部１５ａによって広がりを抑制しながら第二コイル１２に戻すことができる。また、第一コイル１１からの漏れ磁束をサブコア部１５ｂによって広がりを抑制しながら第一コイル１１に戻すことができる。同様に、第二コイル１２からの漏れ磁束をサブコア部１５ｃによって広がりを抑制しながら第二コイル１２に戻すことができる。したがって、リアクトル１の小型化と低損失を両立させることが可能となる。
図５から図７に示す本体部１５Ｃにおいて、サブコア部１５ｄは必須ではなく削除された構成であってもよい。この構成では、例えば、図１３に示すように、第一コイル１１と第二コイル１２の方向Ｚにおける底面２Ｅ側と反対側の端面が開口２ａの開口面と同一位置となる構成としてもよい。これによりリアクトル１の更なる小型化が可能となる。
リアクトル１における第一コイル１１と第二コイル１２の各々は、エッジワイズコイルとしているが、他の形状、例えば方向Ｘに見た形状が楕円形等の円形のコイルであってもよい。
また、リアクトル１では、第一コア１４と第二コア１５が別体とされているが、これらが一体的に形成された構成であってもよい。
図１４は、図２に示すリアクトル１の変形例であるリアクトル１Ａの概略構成を模式的に示す外観斜視図である。リアクトル１Ａは、ケース２がケース２０に変更され、更に、第二コア１５の本体部１５Ｃが図１３に示す構成に変更された点を除いては、図２に示すリアクトル１と同じ構成である。図１４において図２と同じ構成には同一符号を付してある。
リアクトル１Ａのケース２０は、ケース２と同じ有底筒状であるが、方向Ｘの一端に開口２０ａが形成されている点がケース２とは異なる。
具体的には、ケース２０は、方向Ｘの一方側の面に開口２０ａを有しており、方向Ｘに平行な平板状の４つの側壁２０Ｂ、２０Ｄ、２０Ｅ、２０Ｆを備える。側壁２０Ｅと側壁２０Ｆは方向Ｚに並んで対向している。側壁２０Ｂと側壁２０Ｄは方向Ｙに並んで対向している。
図１５は、図１４に示すリアクトル１Ａを方向Ｚから見た平面模式図である。図１６は、図１５に示すリアクトル１ＡにおけるＥ－Ｅ線の断面模式図である。図１７は、図１５に示すリアクトル１ＡにおけるＦ－Ｆ線の断面模式図である。図１８は、図１５に示すリアクトル１ＡにおけるＨ－Ｈ線の断面模式図である。なお、図１５に示すリアクトル１ＡにおけるＧ－Ｇ線の断面模式図は、図１８における符号１４ａが符号１４ｂに変更され、図１８における符号１５Ａが符号１５Ｂに変更されただけであるため、図示は省略する。
図１５に示すように、第一コア１４の平板部１４ａの方向Ｘにおける被巻回部１４ｃ，１４ｄ側と反対側の端面は、ケース２０の底面２０Ａに接触している。また、第一コア１４の平板部１４ａの方向Ｙにおける両端面は、ケース２０の側壁２０Ｂと側壁２０Ｄにそれぞれ接触している。
また、第一コア１４の平板部１４ｂの方向Ｘにおける被巻回部１４ｃ，１４ｄ側と反対側の端面は、ケース２０の開口２０ａの開口面と同一面となっている。また、第一コア１４の平板部１４ｂの方向Ｙにおける両端面は、ケース２０の側壁２０Ｂと側壁２０Ｄにそれぞれ接触している。
図１６及び図１７に示すように、第一コイル１１は、方向Ｙにおける第二コイル１２側と反対側の端面がケース２０の側壁２０Ｂに接触し、且つ、方向Ｚにおける一方側の端面がケース２０の側壁２０Ｆに接触し、且つ、方向Ｚにおける他方側の端面がケース２０の側壁２０Ｅに接触した状態にて、ケース２０内部に固定されている。
また、第二コイル１２は、方向Ｙにおける第一コイル１１側と反対側の端面がケース２０の側壁２０Ｄに接触し、方向Ｚにおける一方側の端面がケース２０の側壁２０Ｆに接触し、且つ、方向Ｚにおける他方側の端面がケース２０の側壁２０Ｅに接触した状態にて、ケース２０内部に固定されている。
リアクトル１Ａにおける第二コア１５の本体部１５Ｃは、第一コイル１１と第二コイル１２の間に形成されたサブコア部１５ａと、第一コイル１１と側壁２０Ｂ、側壁２０Ｆ、及び側壁２０Ｅとの間に形成されたサブコア部１５ｂと、第二コイル１２と側壁２０Ｄ、側壁２０Ｆ、及び側壁２０Ｅとの間に形成されたサブコア部１５ｃと、を備える構成である。そして、図１７に示すように、第二コア１５の本体部１５Ｃにおけるサブコア部１５ａは、スペーサ１３によって方向Ｘに２つに分離されている。
以上の構成のリアクトル１Ａによれば、リアクトル１と同様に、第二コア１５の本体部１５Ｃによって上述した第二磁路が形成されるため、リアクトル１と同様の効果を得ることができる。また、リアクトル１Ａによれば、第一コイル１１と第二コイル１２の各々の外周面における互いに垂直な４面のうちの３面がケース２に接触する。このため、ケース２の外部から第一コイル１１と第二コイル１２を冷却する際の冷却面積を多くとることができ、冷却効率を高めることができる。
リアクトル１とリアクトル１Ａは、コイルを２つ有するものとしたが、例えば特開２００９－１７０６２０号公報に記載されているような電力変換回路に用いられる３並列の磁気相殺型の変圧器のように、コイルの数は３つ以上であってもよい。コイルを３つ以上有するリアクトルにおいても、３つ以上のコイルのうちの隣接する２つのコイルを上記の第一コイル１１と第二コイル１２と同じ構成とし、これらコイルを順に貫通して周回する第一磁路を形成する第一コアと、これらコイルの各々のみを貫通して周回する第二磁路を形成する第二コアと、を形成することで、リアクトルの小型化と損失低減が可能になる。
図１９は、図２に示すリアクトル１の変形例であるリアクトル１Ｂの概略構成を模式的に示す図である。リアクトル１Ｂは、３並列の磁気相殺型の変圧器である。この場合、並列に巻き回しされた巻線にて生じる磁束の直流成分の方向がいずれの２つのコイルの組合せで形成されるループをとっても互いに逆向きになっており、互いに弱め合う型式を指している。
リアクトル１Ｂは、有底筒状（図１９の例では断面外形が三角形となる筒の一方の開口を閉じた形状）のケース３０と、ケース３０に収容されたコイル３１、３２、３３と、ケース３０に収容され且つコイル３１、３２、３３の各々が巻回された第一コア４０と、ケース３０の内部におけるコイル３１、３２、３３及び第一コア４０を除く部分を埋める形で形成された第二コア４１と、を備える。第一コア４０は第一コア１４と同じ材料によって構成され、第二コア４１は第二コア１５と同じ材料によって構成される。
コイル３１とコイル３２は離間して配置され、コイル３２とコイル３３は離間して配置され、コイル３３とコイル３１は離間して配置されている。コイル３１の外周面の一部は、ケース３０の３つの側壁３０ｂのうちの２つの側壁に接触している。コイル３２の外周面の一部は、ケース３０の３つの側壁３０ｂのうちの２つの側壁に接触している。コイル３３の外周面の一部は、ケース３０の３つの側壁３０ｂのうちの２つの側壁に接触している。なお、コイル３１、３２、３３は、互いに接触する位置に配置されていても良い。
第一コア４０は、コイル３１とコイル３２を順に貫通して周回する第一磁路を形成し、コイル３２とコイル３３を順に貫通して周回する第一磁路を形成し、コイル３３とコイル３１を順に貫通して周回する第一磁路を形成する。コイル３１とコイル３２にて生じた第一コア４０を流れる磁束の磁束方向は逆向きになっており、コイル３２とコイル３３にて生じた第一コア４０を流れる磁束の磁束方向は逆向きになっており、コイル３３とコイル３１にて生じた第一コア４０を流れる磁束の磁束方向は逆向きになっている。
以上の構成のリアクトル１Ｂによれば、コイル３１、コイル３２、及びコイル３３の各々の漏れ磁束を、ケース３０の周囲に広げることなく、ケース３０内の第二コア４１に流すことができる。このため、リアクトル１，１Ａと同様の効果を得ることができる。リアクトル１Ｂには、リアクトル１，１Ａと同様に、第二コア４１を各コイルの軸方向に複数に分離するためのスペーサ又は空隙が設けられていてもよい。
リアクトル１とリアクトル１Ａは、スペーサ１３を１つ有するものとしたが、スペーサ１３の数は２つ以上であってもよい。この場合、第一コイル１１と第二コイル１２の間に、複数のスペーサが方向Ｘに離間して配置される構成とすればよい。
本明細書には少なくとも以下の事項が記載されている。なお、括弧内には、上記した実施形態において対応する構成要素等を示しているが、これに限定されるものではない。
（１）
第一コア（第一コア１４）と、前記第一コアに巻回される第一コイル（第一コイル１１）と、前記第一コアに巻回される第二コイル（第二コイル１２）と、を有する、電力変換に用いられるリアクトル（リアクトル１）であって、
前記第一コイル及び前記第二コイルは、電源の出力電圧が入力される一端部（端子ａ，ｃ）と、電力変換された電力が出力される出力側に電気的に接続される他端部（端子ｂ，ｄ）と、をそれぞれ備え、更に、前記第一コイルの前記一端部から前記他端部へ電流が流れた際に前記第一コアに発生する磁束の向きと、前記第二コイルの前記一端部から前記他端部へ電流が流れた際に前記第一コアに発生する磁束の向きと、が相反するように巻回されており、
前記第一コイル及び前記第二コイルの少なくとも一方の外側に設けられた第二コア（第二コア１５）を備え、
通電によって前記第一コイル及び前記第二コイルの一方のコイルから発生するとともに、他方のコイルには鎖交しない漏れ磁束が、前記第二コアを通過して前記一方のコイルを周回するリアクトル。
（１）によれば、第一コイル及び第二コイルの少なくとも一方のコイルから発生する漏れ磁束を、第二コアによってこのコイルにて周回させることができる。このため、第一コイル及び第二コイルの少なくとも一方の自己誘導による自己インダクタンスを高めることができる。これにより、周知のリアクトルの構成に対し、同一のインダクタンスを実現するのであれば、コイルの巻き数等を減らすことができ、磁路を短くすることができる。コイルの巻き数の減少はコイルの抵抗を減らす効果をもたらすため、コアの断面積を減らすことができる。更に、漏れ磁束が第二コアを通って周回することになるため、漏れ磁束のリアクトル周囲への広がりを防ぐことができ、リアクトルの周囲にこの漏れ磁束による発熱などを考慮した大きなスペースが不要となる。これらのことから、リアクトルの小型化と低損失を両立させることが可能となる。
（２）
（１）記載のリアクトルであって、
前記第二コアは、前記第一コイル及び前記第二コイルの少なくとも一方の角部の外側に形成された第一サブコア部（サブコア部１５ｂ，１５ｃ）を有するリアクトル。
（２）によれば、漏れ磁束の広がりを効果的に抑制することができる。
（３）
（２）記載のリアクトルであって、
前記第一コイル、前記第二コイル、前記第一コア、及び前記第二コアを収容するケース（ケース２）を更に備え、
前記第一サブコア部は、前記第一コイル及び前記第二コイルの少なくとも一方と、前記ケースとの間に形成されているリアクトル。
（３）によれば、ケースの周囲における漏れ磁束の広がりを効果的に抑制することができ、リアクトルの周囲におけるデッドスペースの増大を抑制することができる。
（４）
（３）記載のリアクトルであって、
前記第一コイル及び前記第二コイルは、軸方向が前記ケースの底面に平行となる状態にて前記ケースの底面に接触して配置されているリアクトル。
（４）によれば、１つのコイルの外周面がケースの側壁と底面とに接触し、更にそのコイルの外周面が開口に向く。このため、ケース外部からコイルを冷却する際の冷却面積を多くとることができ、冷却効率を高めることができる。また、（４）の構成によれば、ケースの開口から各コイルの端子を容易に引き出すことが可能となり、製造コストを低減することができる。
（５）
（３）記載のリアクトルであって、
前記第一コイル及び前記第二コイルの各々は、軸方向が前記ケースの底面に垂直となる状態にて前記ケースの３つの側壁に接触して配置されているリアクトル。
（５）によれば、１つのコイルがケースの３つの側壁に接触する。このため、ケース外部からコイルを冷却する際の冷却面積を多くとることができ、冷却効率を高めることができる。また、（５）によれば、第一サブコア部の体積を減らすことができ、リアクトルの小型化が可能となる。
（６）
（１）から（５）のいずれか１つに記載のリアクトルであって、
前記第二コアは、前記第一コイルと前記第二コイルとの間に形成された第二サブコア部（サブコア部１５ａ）を有するリアクトル。
例えば、第一コイル及び第二コイルをケースに収容する場合には、第一コイル及び第二コイルの間にはスペースが必要となる。（６）によれば、このスペースに第二サブコア部が存在するため、第一コイルと第二コイルの漏れ磁束の多くを、各コイルにて効率よく周回させることができる。また、第二サブコア部の体積などを調整することで漏れ磁束を利用した昇圧率の調整が容易となり、柔軟な設計が可能となる。
（７）
（６）記載のリアクトルであって、
前記第二サブコア部は、前記第一コイル及び前記第二コイルの軸方向に複数個に分離されているリアクトル。
（７）によれば、リアクトルに要求される昇圧率等に合わせた柔軟な設計が可能となる。
（８）
（７）記載のリアクトルであって、
前記第二サブコア部は、前記第一コイルと前記第二コイルとの間に配置されたスペーサ（スペーサ１３）によって前記複数個に分離されているリアクトル。
（８）によれば、第二サブコア部の分離を容易に行うことができ、製造コストを下げることができる。
（９）
（１）から（８）のいずれか１つに記載のリアクトルであって、
前記第二コアは、磁性体を含む樹脂材料によって構成されているリアクトル。
（９）によれば、例えば、有底筒状のケース内に第一コイル及び第二コイルと第一コアを固定した状態にて、このケースの側壁及び底面と各コイル及び第一コアとの間のスペースに磁性体を含む樹脂を流し込んでこれを硬化させるといった簡易な方法によって第二コアを形成することが可能となる。したがって、リアクトルの製造コストを低減することができる。
（１０）
（１）から（９）のいずれか１つに記載のリアクトルであって、
前記第一コイル及び前記第二コイルの各々は、軸方向から見た形状が互いに垂直な４辺を持つエッジワイズコイルであるリアクトル。
（１０）によれば、例えばケースの側壁にコイルを面にて接触させることが可能となるため、コイルの冷却効率を高めることができる。また、リアクトルのケース内の容積の利用効率を高めることができ、リアクトルの小型化が可能となる。
（１１）
（１）から（１０）のいずれか１つに記載のリアクトルと、
前記第一コイル及び前記第二コイルの前記他端部側に接続されるスイッチング回路（スイッチ部ＳＷ１～ＳＷ４）と、を備える複数相インターリーブ型のＤＣ－ＤＣコンバータ。
以上、図面を参照しながら各種の実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上記実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。
なお、本出願は、２０１８年１１月２日出願の日本特許出願（特願２０１８－２０７５２２）に基づくものであり、その内容は本出願の中に参照として援用される。
１ リアクトル
１１ 第一コイル
１２ 第二コイル
１４ 第一コア
１４ａ、１４ｂ 平板部
１４ｃ、１４ｄ 被巻回部
１５ 第二コア
１５ａ サブコア部
１５ｂ サブコア部
１５ｃ サブコア部
１５ｄ サブコア部

Claims (9)

  1. 第一コアと、前記第一コアに巻回される第一コイルと、前記第一コアに巻回される第二コイルと、を有する、電力変換に用いられるリアクトルであって、
    前記第一コイル及び前記第二コイルは、電源の出力電圧が入力される一端部と、電力変換された電力が出力される出力側に電気的に接続される他端部と、をそれぞれ備え、更に、前記第一コイルの前記一端部から前記他端部へ電流が流れた際に前記第一コアに発生する磁束の向きと、前記第二コイルの前記一端部から前記他端部へ電流が流れた際に前記第一コアに発生する磁束の向きと、が相反するように巻回されており、
    前記第一コイル及び前記第二コイルの少なくとも一方の外側に設けられた第二コアを備え、
    通電によって前記第一コイル及び前記第二コイルの一方のコイルから発生するとともに、他方のコイルには鎖交しない漏れ磁束が、前記第二コアを通過して前記一方のコイルを周回し、
    前記第二コアは、前記第一コイルと前記第二コイルとの間に形成された第二サブコア部を有し、
    前記第二サブコア部は、前記第一コイル及び前記第二コイルの軸方向に複数個に分離されているリアクトル。
  2. 請求項１記載のリアクトルであって、
    前記第二コアは、前記第一コイル及び前記第二コイルの少なくとも一方の角部の外側に形成された第一サブコア部を有するリアクトル。
  3. 請求項２記載のリアクトルであって、
    前記第一コイル、前記第二コイル、前記第一コア、及び前記第二コアを収容するケースを更に備え、
    前記第一サブコア部は、前記第一コイル及び前記第二コイルの少なくとも一方と、前記ケースとの間に形成されているリアクトル。
  4. 請求項３記載のリアクトルであって、
    前記第一コイル及び前記第二コイルは、軸方向が前記ケースの底面に平行となる状態にて配置されているリアクトル。
  5. 請求項３記載のリアクトルであって、
    前記第一コイル及び前記第二コイルの各々は、軸方向が前記ケースの底面に交差する状態にて配置されているリアクトル。
  6. 請求項１から５のいずれか１項記載のリアクトルであって、
    前記第二サブコア部は、前記第一コイルと前記第二コイルとの間に配置されたスペーサによって前記複数個に分離されているリアクトル。
  7. 請求項１から６のいずれか１項記載のリアクトルであって、
    前記第二コアは、磁性体を含む樹脂材料によって構成されているリアクトル。
  8. 請求項１から７のいずれか１項記載のリアクトルであって、
    前記第一コイル及び前記第二コイルの各々は、軸方向から見た形状が互いに垂直な４辺を持つエッジワイズコイルであるリアクトル。
  9. 請求項１から８のいずれか１項記載のリアクトルと、
    前記第一コイル及び前記第二コイルの前記他端部側に接続されるスイッチング回路と、を備える複数相インターリーブ型のＤＣ－ＤＣコンバータ。
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