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公開番号2024133765
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-10-03
出願番号2023043728
出願日2023-03-20
発明の名称電力変換装置
出願人三菱電機株式会社
代理人弁理士法人ぱるも特許事務所
主分類H01F 30/10 20060101AFI20240926BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】小型化及び低コスト化した電力変換装置を得ること。
【解決手段】中脚部を有した磁性コア、中脚部に巻回された一次巻線と二次巻線、及び一次巻線と二次巻線とを封止した樹脂部材を有したトランスを備え、第一の二次巻線は、第一の巻線部、第二の巻線部、第一の中間タップ端子、第一の巻線端子、及び第二の巻線端子を有し、第二の二次巻線は、第三の巻線部、第四の巻線部、第二の中間タップ端子、第三の巻線端子、及び第四の巻線端子を有し、第一の中間タップ端子と第二の中間タップ端子とは電気的に接続され、第一の巻線部と第三の巻線部、及び第二の巻線部と第四の巻線部のそれぞれは、電気的に並列に接続され、第一の巻線部と第三の巻線部とは、中脚部と第一の外脚部との間を貫通し、第二の巻線部と第四の巻線部とは、中脚部と第二の外脚部との間を貫通し、第一の二次巻線と第二の二次巻線との間に一次巻線の少なくとも一部が配置されている。
【選択図】図4
特許請求の範囲【請求項１】
環状の外周コアと、前記外周コアにおける対向する二つの部分の間を接続した柱状の中脚部とを有した磁性コア、前記中脚部に巻回された一次巻線と二次巻線、及び前記一次巻線と前記二次巻線のそれぞれの外部と接続される端子の部分を露出させた状態で前記一次巻線と前記二次巻線とを封止した樹脂部材を有したトランスを備え、
前記二次巻線は、板状に形成され、前記中脚部にそれぞれが巻回された第一の二次巻線及び第二の二次巻線を有し、
前記第一の二次巻線は、第一の巻線部、第二の巻線部、前記第一の巻線部の一方の端部と前記第二の巻線部の一方の端部とを接続した前記端子である第一の中間タップ端子、前記第一の巻線部の他方の端部で前記端子である第一の巻線端子、及び前記第二の巻線部の他方の端部で前記端子である第二の巻線端子を有し、
前記第二の二次巻線は、第三の巻線部、第四の巻線部、前記第三の巻線部の一方の端部と前記第四の巻線部の一方の端部とを接続した前記端子である第二の中間タップ端子、前記第三の巻線部の他方の端部で前記端子である第三の巻線端子、及び前記第四の巻線部の他方の端部で前記端子である第四の巻線端子を有し、
前記第一の中間タップ端子と前記第二の中間タップ端子とは電気的に接続され、前記第一の巻線部と前記第三の巻線部、及び前記第二の巻線部と前記第四の巻線部のそれぞれは、電気的に並列に接続されており、
前記第一の巻線部と前記第三の巻線部もしくは前記第四の巻線部とは、前記中脚部と前記中脚部に対向した一方側の前記外周コアの部分である第一の外脚部との間を貫通し、前記第二の巻線部と前記第三の巻線部もしくは前記第四の巻線部の内、前記中脚部と前記第一の外脚部の間を貫通しない巻線部とは、前記中脚部と前記中脚部に対向した他方側の前記外周コアの部分である第二の外脚部との間を貫通し、
前記第一の二次巻線と前記第二の二次巻線との間に前記一次巻線の少なくとも一部が配置されている電力変換装置。
続きを表示（約 1,500 文字）【請求項２】
前記トランスを冷却する冷却面を有した冷却器を備え、
前記中脚部は、前記冷却面の法線方向に延出し、
前記第一の二次巻線及び前記第二の二次巻線の一方は、前記一次巻線に対して前記冷却器の側に配置されている請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記中脚部に巻回された前記一次巻線の巻線部分の全てが、前記第一の二次巻線と前記第二の二次巻線との間に配置されている請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記中脚部に巻回された、前記一次巻線の巻線部分及び前記二次巻線の巻線部分は、前記中脚部の延出方向における前記一次巻線の巻線部分及び前記二次巻線の巻線部分の中央に対し、対称に配置されている請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記第一の巻線端子と前記第三の巻線端子は電気的かつ熱的に接続され、前記第二の巻線端子と前記第四の巻線端子は電気的かつ熱的に接続されている請求項３又は４に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記中脚部に巻回された前記一次巻線の巻線部分は、渦巻状で板状に形成され、前記中脚部にそれぞれが巻回された第一の一次巻線及び第二の一次巻線を有し、
前記第一の一次巻線と前記第二の一次巻線とは、電気的に接続され、
前記冷却面の法線方向に、前記第一の二次巻線、前記第一の一次巻線、前記第二の二次巻線、前記第二の一次巻線の順に配置されている請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記トランスを冷却する冷却面を有した冷却器を備え、
前記第一の中間タップ端子と前記第二の中間タップ端子とが接続された部分、前記第一の巻線端子と前記第三の巻線端子とが接続された部分、及び前記第二の巻線端子と前記第四の巻線端子とが接続された部分の少なくとも一つは、熱伝導性かつ電気絶縁性を有した絶縁部材を介して、前記冷却器に熱的に接続されている請求項５に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記一次巻線の巻線部分は、渦巻状で１枚の板状に形成され、
前記一次巻線は、一端が前記巻線部分の前記中脚部の側の端部に接続され、他端が前記樹脂部材から露出した配線部を有し、
前記第一の二次巻線は、前記一次巻線に対して前記冷却器の側に配置され、
前記中脚部の延出方向に見て、前記配線部の部分は、外部に露出した前記第三の巻線端子の部分及び前記第四の巻線端子の部分と前記中脚部との間であって、前記樹脂部材に封止された前記第三の巻線端子の部分と前記第四の巻線端子の部分との間に配置されている請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記第一の二次巻線は、前記一次巻線に対して前記冷却器の側に配置され、
前記冷却器は、前記中脚部の延出方向に見て、外部に露出した前記第一の巻線端子の部分及び前記第二の巻線端子の部分と前記中脚部との間であって、前記樹脂部材に封止された前記第一の巻線端子の部分と前記第二の巻線端子の部分との間に、前記樹脂部材の方向に突出した突出部を有し、
前記突出部は、前記樹脂部材を介して前記一次巻線に熱的に接続されている請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記中脚部の延出方向に見て、前記一次巻線の巻線部分と前記中脚部との間に、前記第一の二次巻線と前記第二の二次巻線とを電気的かつ熱的に接続した接続部が設けられている請求項２に記載の電力変換装置。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本願は、電力変換装置に関するものである。
続きを表示（約 4,300 文字）【背景技術】
【０００２】
近年の自動車を取りまく環境規制及び技術進歩により、さまざまな車格において電気自動車又はハイブリット自動車などの電動化車両が開発され、普及が進んでいる。駆動源にモータが用いられている電動化車両には、複数の電力変換装置が搭載されている。電動化車両に搭載される電力変換装置には、高電圧バッテリの電圧を降圧し、補器バッテリ用の電圧に変換するＤＣ－ＤＣコンバータがある。
【０００３】
ＤＣ－ＤＣコンバータは、一般的に、高電圧の直流電圧を高電圧の交流電圧に変換するインバータ回路、高電圧の交流を低電圧の交流に変換するトランス、複数の整流素子を用いて低電圧の交流を整流し、直流パルス電圧に変換する整流回路、及び直流パルス電圧を平滑化する平滑リアクトル、平滑コンデンサ等を備える。ＤＣ－ＤＣコンバータは、これらの部品を収容し、トランス及び整流素子等の発熱部品を冷却する水路を有した筐体をさらに備える。またＤＣ－ＤＣコンバータ用いられるトランスの二次巻線は、一般的に、センタータップ端子を有し、ＥＲ型もしくはＥＥ型の磁性コアの中脚部にそれぞれ逆向きに１ターンずつ巻回されている。
【０００４】
近年は運転支援装置の高機能化に伴い、ＤＣ－ＤＣコンバータの出力電流が増大する傾向がある。また、高電圧バッテリの高電圧化に伴い、トランスの巻数比が増大する傾向がある一方で、二次巻線のターン数は最小の１ターンに制限されている。そのため、一次巻線の巻数が増加するので、トランスの巻線体積が増大している。巻線体積の増大の対策として、例えば、ＥＲ型磁性コアの中脚部に一次巻線を巻回し、それぞれ逆向きに半ターンだけ巻回された平板状の二次巻線を用いた構成が開示されている（例えば特許文献１参照）。このように構成することで、一次巻線の巻数を半分にすることが可能となるため、トランスの巻線体積を削減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
特許第４８１６６２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１のトランスの構造では、トランスの巻線体積を削減することができる。しかしながら、二次巻線は１枚の平板であるため、二次巻線の一次巻線と対向した突合せ面は、二次巻線の一方の面のみとなる。その結果、近接効果により二次巻線の一次巻線との突合せ面である一方の面に電流が集中するため、上記特許文献１のトランスの構造では高周波抵抗及び銅損が増加する。高周波抵抗及び銅損が増加により巻線の発熱が増大するため、巻線の許容温度を超過しないように巻線幅を拡大する必要が生じる。巻数を削減したにもかかわらず、巻線幅を拡大することにより、トランスのサイズ及びコストが増加するという課題があった。
【０００７】
そこで、本願は、巻数の低減を維持しつつ、高周波抵抗及び銅損の増加を抑制し、小型化及び低コスト化した電力変換装置を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願に開示される電力変換装置は、環状の外周コアと、外周コアにおける対向する二つの部分の間を接続した柱状の中脚部とを有した磁性コア、中脚部に巻回された一次巻線と二次巻線、及び一次巻線と二次巻線のそれぞれの外部と接続される端子の部分を露出させた状態で一次巻線と二次巻線とを封止した樹脂部材を有したトランスを備え、二次巻線は、板状に形成され、中脚部にそれぞれが巻回された第一の二次巻線及び第二の二次巻線を有し、第一の二次巻線は、第一の巻線部、第二の巻線部、第一の巻線部の一方の端部と第二の巻線部の一方の端部とを接続した端子である第一の中間タップ端子、第一の巻線部の他方の端部で端子である第一の巻線端子、及び第二の巻線部の他方の端部で端子である第二の巻線端子を有し、第二の二次巻線は、第三の巻線部、第四の巻線部、第三の巻線部の一方の端部と第四の巻線部の一方の端部とを接続した端子である第二の中間タップ端子、第三の巻線部の他方の端部で端子である第三の巻線端子、及び第四の巻線部の他方の端部で端子である第四の巻線端子を有し、第一の中間タップ端子と第二の中間タップ端子とは電気的に接続され、第一の巻線部と第三の巻線部、及び第二の巻線部と第四の巻線部のそれぞれは、電気的に並列に接続されており、第一の巻線部と第三の巻線部もしくは第四の巻線部とは、中脚部と中脚部に対向した一方側の外周コアの部分である第一の外脚部との間を貫通し、第二の巻線部と第三の巻線部もしくは第四の巻線部の内、中脚部と第一の外脚部の間を貫通しない巻線部とは、中脚部と中脚部に対向した他方側の外周コアの部分である第二の外脚部との間を貫通し、第一の二次巻線と第二の二次巻線との間に一次巻線の少なくとも一部が配置されているものである。
【発明の効果】
【０００９】
本願に開示される電力変換装置によれば、第一の中間タップ端子と第二の中間タップ端子とが電気的に接続され、第一の巻線部と第三の巻線部、及び第二の巻線部と第四の巻線部のそれぞれが、電気的に並列に接続され、第一の巻線部と第三の巻線部もしくは第四の巻線部とは、中脚部と中脚部に対向した一方側の外周コアの部分である第一の外脚部との間を貫通し、第二の巻線部と第三の巻線部もしくは第四の巻線部の内、中脚部と第一の外脚部の間を貫通しない巻線部とは、中脚部と中脚部に対向した他方側の外周コアの部分である第二の外脚部との間を貫通し、第一の二次巻線と第二の二次巻線との間に一次巻線の少なくとも一部が配置されているため、並列に接続された巻線部を有した第一の二次巻線と第二の二次巻線との間に一次巻線の少なくとも一部を挟んで配置することで、一次巻線と二次巻線とが向き合う突合せ面は特許文献１に示された構成と比較して二倍になるため、一次巻線と二次巻線との突合せ面での電流密度を半減させることができる。一次巻線と二次巻線との突合せ面での電流密度が半減されるので、巻線の高周波抵抗及び銅損が低減され、巻線温度を許容値内に収めるのに必要な巻線幅の拡大を抑制することができる。巻線幅の拡大が抑制されるので、巻数の低減を維持しつつ、高周波抵抗及び銅損の増加を抑制し、小型化及び低コスト化した電力変換装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
実施の形態１に係る電力変換装置の回路構成の例を示す図である。
実施の形態１に係る電力変換装置のトランスを示す斜視図である。
実施の形態１に係る電力変換装置のトランスを示す別の斜視図である。
実施の形態１に係る電力変換装置のトランスを示す分解斜視図である。
実施の形態１に係る電力変換装置のトランスを示す平面図である。
実施の形態１に係る電力変換装置のトランスを示す底面図である。
実施の形態１に係る電力変換装置の回路構成の各部の電圧と電流の波形を示す図である。
実施の形態１に係る電力変換装置のトランスの等価回路及び図７の各波形の定義を示す図である。
実施の形態１に係る電力変換装置のトランスの等価回路及びトランス入力端子への正電圧印加時の電流経路を示す図である。
実施の形態１に係る電力変換装置のトランスの等価回路及びトランス入力端子への負電圧印加時の電流経路を示す図である。
実施の形態２に係る電力変換装置のトランスを示す斜視図である。
実施の形態２に係る電力変換装置のトランスを示す別の斜視図である。
実施の形態２に係る電力変換装置のトランスを示す分解斜視図である。
図１１のＡ－Ａ断面位置で切断した電力変換装置のトランスを示す断面図である。
実施の形態３に係る電力変換装置のトランスを示す斜視図である。
実施の形態３に係る電力変換装置のトランスを示す別の斜視図である。
実施の形態３に係る電力変換装置のトランスを示す分解斜視図である。
実施の形態３に係る電力変換装置の回路構成の例を示す図である。
実施の形態４に係る電力変換装置のトランスを示す分解斜視図である。
実施の形態４に係る電力変換装置のトランスを示す平面図である。
実施の形態５に係る電力変換装置のトランスを示す斜視図である。
実施の形態５に係る電力変換装置のトランスの二次巻線を示す斜視図である。
実施の形態６に係る電力変換装置のトランスを示す斜視図である。
図２３のＢ－Ｂ断面位置で切断した電力変換装置のトランスを示す斜視図である。
実施の形態６に係る電力変換装置のトランスを示す平面図である。
実施の形態７に係る電力変換装置のトランスを示す分解斜視図である。
実施の形態７に係る電力変換装置のトランスを示す斜視図である。
実施の形態８に係る電力変換装置のトランスを示す斜視図である。
実施の形態８に係る電力変換装置のトランスを示す別の斜視図である。
実施の形態９に係る電力変換装置のトランスを示す斜視図である。
実施の形態９に係る電力変換装置のトランスを示す別の斜視図である。
図３０のＣ－Ｃ断面位置で切断した電力変換装置のトランスを示す断面図である。
実施の形態９に係る別の電力変換装置のトランスを示す斜視図である。
実施の形態９に係る別の電力変換装置のトランスを示す別の斜視図である。
実施の形態１０に係る電力変換装置のトランスを示す斜視図である。
実施の形態１０に係る電力変換装置のトランスを示す平面図である。
実施の形態１１に係る電力変換装置のトランスを示す分解斜視図である。
実施の形態１１に係る電力変換装置の回路構成の例を示す図である。
実施の形態１１に係る電力変換装置のトランスの等価回路及びトランス入力端子への正電圧印加時の電流経路を示す図である。
実施の形態１１に係る電力変換装置のトランスの等価回路及びトランス入力端子への負電圧印加時の電流経路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
（【００１１】以降は省略されています）

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