JP6198994B1 - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

変圧器として機能する第一巻線（３ａ）、第二巻線（３ｂ）、第四巻線（３ｅ）、第五巻線（３ｆ）は、それぞれ三脚鉄心の各側脚に巻回する。直流リアクトルとして機能する第三巻線（３ｃ、３ｄ）は中央脚に巻回する。第一巻線（３ａ）、第二巻線（３ｂ）および第三巻線（３ｃ、３ｄ）は、これら各巻線に流れる直流電流により発生する磁束が中央脚で互いに同方向に合流するように、また、第四巻線（３ｅ）および第五巻線（３ｆ）は、これら各巻線に流れる交流電流により発生する磁束が中央脚で互いに相殺するようにこれら各巻線の巻回方向を設定する。これにより、三脚鉄心を用いて変圧器と直流リアクトルとを統合して統合磁気部品（３）として小型化と低損失化を実現する。

Description

この発明は、交流電圧と直流電圧との間や直流電圧と直流電圧との間で電力変換を行う電力変換装置等およびこれら装置で用いられる磁気部品集合体に係り、特に、鉄心と巻線とを備えた複数の磁気部品を統合することで装置の小型化、低損失化を図る技術に関するものである。

電力変換装置のこれら磁気部品として、例えば、特許文献１には、複数のチョッパに対応して複数のリアクトルを磁気回路に備え、複数のリアクトルで発生した磁束のリップル成分が、磁気回路のギャップを通過する際に相互に打ち消し合う方向に生成されるものが紹介されている。

また、例えば、特許文献２には、少なくとも３つの並列接続された巻線がコアに巻かれた変圧器を備え、これら少なくとも３つの並列接続された巻線を、各巻線で生じる磁束の磁束方向がいずれの組み合わせをとっても互いに打ち消し合う向きとなるようコアの磁脚部にそれぞれ巻かれ、少なくとも３つの閉磁路のうちで少なくとも最も小さな閉磁路の磁気抵抗がすべて等しくなるよう形成するものが紹介されている。

更に、例えば、特許文献３には、昇圧回路とハーフブリッジとを一体化したＤＣ／ＤＣコンバータであって、入力チョークコイルと絶縁トランスの１次、２次コイルと、出力チョークコイルとを共通のコアに巻回し、これら各コイルの巻線により発生する直流磁束が互いに打ち消し合う方向に構成したものが紹介されている。

特開２００３−３０４６８１号公報（請求項１、明細書段落００１７〜００１９等参照） 特許５１４４２８４号公報（請求項１、明細書段落０００７等参照） 特許４１５１０１４号公報（請求項１、明細書段落０００６等参照）

上述の特許文献１に開示された直流電圧変換装置では、複数のリアクトルで発生した磁束のリップル成分が、磁気回路のギャップを通過する際に相互に打ち消し合う方向に生成されるようにすることで、発生する騒音を低減するとされている。
しかし、特許文献１は、これら複数のリアクトルにより複数の昇圧回路に対して動作する実質的に単一の磁気部品である結合リアクトルを構成するもので、異種の磁気部品を統合するという考えは記載されていない。

また、特許文献２に開示された電力変換回路は、少なくとも３つの並列接続された巻線を、各巻線で生じる磁束の磁束方向がいずれの組み合わせをとっても互いに打ち消し合う向きとなるようコアの磁脚部にそれぞれ巻かれ、少なくとも３つの閉磁路のうちで少なくとも最も小さな閉磁路の磁気抵抗がすべて等しくなるよう形成することで、変圧器の小型化、鉄損の低減化を図るとされている。
しかし、特許文献２は、複数の並列巻線を備えた変圧器が複数の昇圧回路に対して動作する実質的に単一の磁気部品である結合リアクトルを構成するもので、同文献２でＬ１の符号で示された、結合リアクトルとは異種の磁気部品である直流リアクトルとの統合については何ら触れられていない。

更に、特許文献３に開示された絶縁型スイッチングＤＣ／ＤＣコンバータは、入力チョークコイルと絶縁トランスの１次、２次コイルと、出力チョークコイルとを共通のコアに巻回し、これら各コイルの巻線により発生する直流磁束が互いに打ち消し合う方向に構成することで、磁気部品のコア体積の低減とコア損失の低減を図るとされている。
しかし、特許文献３では、コアの同一脚に巻回した巻線による直流磁束は打ち消されるが、ギャップの交流磁束の漏れは打ち消されず、これに伴う損失が発生する等の課題があった。

この発明は以上のような従来の課題を解決するためになされたもので、磁気部品の集合体を合理的に統合することで、小型化と低損失化を実現する磁気分品集合体およびこの磁気部品集合体を用いた電力変換装置を得ることを目的とする。

この発明による磁気部品集合体は、互いに磁気的に結合されたｎ（ｎは２以上の整数）個の巻線からなり、巻線の各一端は直流リアクトルを介して直流電圧源に直列に接続され巻線の各他端は互いに異なるタイミングで通電する非線形素子に接続された巻線結合体を備えた磁気部品集合体において、
ｎ個の側脚とギャップ部を有する中央脚とからなる多脚鉄心を備え、巻線結合体のｎ個の巻線を多脚鉄心の各側脚に巻回し、直流リアクトルの巻線を多脚鉄心の中央脚に巻回し、巻線結合体の巻線と直流リアクトルの巻線とに流れる直流電流により発生する磁束が多脚鉄心の中央脚で互いに同方向に合流するように各巻線の巻回方向を設定することにより、多脚鉄心を用いて直流リアクトルと巻線結合体とを統合したものである。

また、この発明による、磁気部品集合体を用いた第一の電力変換装置は、交流端子の交流電圧を直流電圧に変換して直流電圧源の直流端子に出力する電力変換装置であって、一次側巻線が交流端子に接続され巻線結合体である二次側巻線が非線形素子である整流素子および直流リアクトルを介して直流端子に接続された変圧器を備え、変圧器の二次側巻線を、各一端が中間点で互いに直列に接続され各他端が整流素子と直流リアクトルと直流端子とを介して中間点に接続された第一巻線および第二巻線により構成し、直流リアクトルを第三巻線により構成し、変圧器の一次側巻線を各一端で互いに直列に接続され各他端が交流端子に接続された第四巻線および第五巻線により構成するとともに、
多脚鉄心のｎを２とすることで、２個の側脚とギャップ部を備えた中央脚とからなり第一巻線および第二巻線をそれぞれ各側脚に巻回し、第三巻線を中央脚に巻回し、第四巻線および第五巻線を各側脚に巻回した三脚鉄心を備え、第一巻線、第二巻線および第三巻線は、これら各巻線に流れる直流電流により発生する磁束が中央脚で互いに同方向に合流するようにこれら各巻線の巻回方向を設定し、前記第四巻線および前記第五巻線は、これら各巻線に流れる交流電流により発生する磁束が前記中央脚で互いに相殺するようにこれら各巻線の巻回方向を設定することにより、三脚鉄心を用いて変圧器と直流リアクトルとを統合したものである。

また、この発明による、磁気部品集合体を用いた第二の電力変換装置は、直流電圧源の直流電圧を昇圧し直流端子に出力する電力変換装置であって、直流電圧源に一端が接続された直流巻線を備えた直流リアクトル、ｎ個の巻線である結合巻線を備え結合巻線の各一端が直流リアクトルの他端に接続された巻線結合体である結合リアクトル、非線形素子であるスイッチング素子を備えた上下アームをｎ個直流端子の両極間に並列に接続し上下アームの各中間接続点が結合巻線の各他端に接続されたスイッチング回路、および結合巻線のそれぞれを側脚のそれぞれに巻回し、直流巻線を中央脚に巻回した多脚鉄心を備え、直流巻線および結合巻線は、これら各巻線に流れる直流電流により発生する磁束が中央脚で互いに同方向で合流するようにこれら各巻線の巻回方向を設定することにより、多脚鉄心を用いて結合リアクトルと直流リアクトルとを統合したものである。

この発明による磁気部品集合体は、以上のように、巻線結合体の巻線と直流リアクトルの巻線とに流れる直流電流により発生する磁束が多脚鉄心の中央脚で互いに同方向に合流するように各巻線の巻回方向を設定するので、直流リアクトルを形成する巻線の巻数のみならず、直流リアクトルとは本来機能が異なる異種の磁気部品である巻線結合体の巻線の巻数が直流リアクトルのインダクタンスに寄与し得ることになり、小型化が実現する。

この発明による第一の電力変換装置は、以上のように、第一巻線、第二巻線および第三巻線は、これら各巻線に流れる直流電流により発生する磁束が中央脚で互いに同方向に合流するようにこれら各巻線の巻回方向を設定するので、直流リアクトルを形成する第三巻線の巻数のみならず、直流リアクトルとは本来機能が異なる異種の磁気部品である変圧器の第一、第二巻線の巻数が直流リアクトルのインダクタンスに寄与し得ることになり、小型化が実現する。
更に、第四巻線および第五巻線は、これら各巻線に流れる交流電流により発生する磁束が中央脚で互いに相殺するようにこれら各巻線の巻回方向を設定するので、中央脚のギャップ部から漏れ磁束が生じず、中央脚に巻回する第三巻線に渦電流損が発生せず低損失化が実現する。

また、この発明の第二の電力変換装置は、以上のように、直流巻線および結合巻線は、これら各巻線に流れる直流電流により発生する磁束が中央脚で互いに同方向で合流するようにこれら各巻線の巻回方向を設定するので、直流リアクトルを形成する直流巻線の巻数のみならず、直流リアクトルとは本来機能が異なる異種の磁気部品である結合リアクトルの結合巻線の巻数が直流リアクトルのインダクタンスに寄与し得ることになり、小型化が実現する。更に、中央脚のギャップ部では交流の漏れ磁束が生じず、中央脚に巻回する第三巻線に渦電流損が発生せず低損失化が実現する。

この発明の実施の形態１による電力変換装置の全体構成を示す図である。 図１の統合磁気部品３における、直流磁束の流れおよび起磁力（ＭＭＦ）を示す図である。 図１の統合磁気部品３における、交流磁束の流れを示す図である。 この発明の実施の形態１による、図１とは異なる電力変換装置の全体構成を示す図である。 この発明の実施の形態２による電力変換装置の全体構成を示す図である。 この発明の実施の形態２による、図５とは異なる電力変換装置の全体構成を示す図である。 図５、図６のスイッチング回路２において、スイッチング損失を低減する動作を説明する図である。 この発明の実施の形態３による電力変換装置の全体構成を示す図である。 この発明の実施の形態３による電力変換装置の昇圧動作を説明する図である。 図９の動作波形図である。 図８の統合磁気部品１３における、直流磁束の流れおよび起磁力（ＭＭＦ）を示す図である。 図８の統合磁気部品１３における、交流磁束の流れを示す図である。 この発明の実施の形態４による電力変換装置の全体構成を示す図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による電力変換装置の全体構成を示す図である。図１の電力変換装置は、全体として、その直流入力側が直流電圧源１に接続されたスイッチング回路２、その交流入力側がスイッチング回路２の交流出力側に接続された、従来は互いに異種の磁気部品として扱われた変圧器と直流リアクトルとを統合した統合磁気部品３、この統合磁気部品３の直流出力側と直流電圧源（または負荷）５との間に接続された整流回路７、フィルタ用コンデンサ４、およびスイッチング回路２を制御する制御部２０を備えている。

以下、これら各構成要素の細部について説明する。
スイッチング回路２は、スイッチング素子Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｄを備えたアームを上下２並列のブリッジ型に構成し、直流電圧源１の直流電圧を交流電圧に変換して、統合磁気部品３の交流端子Ｇ，Ｉに出力する。各スイッチング素子Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｄの両極ドレイン・ソース間には、後述する、ゼロ電圧でのスイッチングいわゆるソフトスイッチングを実現するための共振用コンデンサＣａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄを接続している。

統合磁気部品３は、その変圧器として機能する部分の二次側巻線を構成する第一巻線３ａ、第二巻線３ｂと、一次側巻線を構成する第四巻線３ｅ、第五巻線３ｆと、統合磁気部品３の直流リアクトルとして機能する第三巻線３ｃ、３ｄとの各巻線を備えている。

第一巻線３ａと第二巻線３ｂとは、各一端が中間点Ｂで互いに直列に接続され、この中間点Ｂは、直流リアクトルとして機能する第三巻線３ｃを介して直流端子の正極Ａに接続されている。そして、第一巻線３ａの他端Ｅは、整流回路７を形成する整流素子７ａおよび直流リアクトルとして機能する第三巻線３ｄを介して直流端子の負極Ｃに接続され、第二巻線３ｂの他端Ｆは、整流回路７を形成する整流素子７ｂおよび直流リアクトルとして機能する第三巻線３ｄを介して直流端子の負極Ｃに接続されている。

制御部２０は、直流電圧源１からの電圧情報２０ｂと、電流センサ６からの電流情報２０ｃと、直流出力電圧である直流電圧源５の電圧情報２０ｄとに基づき、スイッチング回路２を駆動する駆動信号２０ａを生成し、目標出力電圧となるようスイッチング素子Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｄをオンオフ制御する。

なお、図１においては、第三巻線を３ｃと３ｄとの２個に分割し一方の巻線３ｃを直流端子の正極Ａ側に他方の巻線３ｄを直流端子の負極Ｃ側に挿入するようにしている。これは、電流経路における往復路のインピーダンスを合わせることにより、いわゆるディファレンシャルモード（ＤＭ）とコモンモード（ＣＭ）とのノイズ伝搬モードに分離したノイズフィルタ設計を可能とするためのもので、この要請がない場合には、第三巻線は１個の巻線で構成してもよい。

次に、統合磁気部品３の構成の詳細および動作について図２を参照して説明する。図２は、図１の統合磁気部品３における、直流磁束の流れ（同図（１））および起磁力（ＭＭＦ）（同図（２））を示す図である。
図２（１）において、鉄心は、２個の側脚である、第一側脚３ｉ、第二側脚３ｊ、およびギャップ部３ｋを備えた中央脚３ｈからなる三脚鉄心で、通例、同図に示すような、上下対称のいわゆるＥＥ型または上下非対称のいわゆるＥＩ型の鉄心を組み合わせて構成される。なお、中央脚３ｈには、直流の磁束飽和を防止するためのギャップ部３ｋを設けている。

なお、中央脚３ｈに流れる直流磁束は、側脚３ｉ、３ｊに流れる直流磁束の２倍となるので、中央脚３ｈの断面積を側脚３ｉ、３ｊの断面積の２倍にすることにより、直流重畳による鉄心飽和の現象を防止することが出来る。

図２中の各符号は以下の内容を示す。
Ｎｐ：第四巻線３ｅ、第五巻線３ｆの巻数
Ｎｓ：第一巻線３ａ、第二巻線３ｂの巻数
Ｎｃ：第三巻線３ｃ、３ｄの巻数和
ｉｐ：第四巻線３ｅ、第五巻線３ｆに流れる電流
ｉ１：第二巻線３ｂに流れる電流
ｉ２：第一巻線３ａに流れる電流
Ｒｏ：第一側脚３ｉ、第二側脚３ｊの磁気抵抗
Ｒｃ：中央脚３ｈの磁気抵抗
φ１：第一側脚３ｉに流れる磁束
φ２：第二側脚３ｊに流れる磁束
φｃ：中央脚３ｈに流れる磁束

図２（１）に示すように、第一巻線３ａは第二側脚３ｊに、第二巻線３ｂは第一側脚３ｉに、第三巻線３ｃ、３ｄは中央脚３ｈに、第四巻線３ｅは第一側脚３ｉに、第五巻線３ｆは第二側脚３ｊにそれぞれ巻回される。
そして、第一巻線３ａ、第二巻線３ｂおよび第三巻線３ｃ、３ｄは、これら各巻線に流れる直流電流により発生する、図中矢印で示す磁束が中央脚３ｈで互いに同方向（図中下向き）に合流するようにこれら各巻線の巻回方向を設定している。
また、第四巻線３ｅおよび第五巻線３ｆは、これら各巻線に流れる交流電流により発生する磁束が中央脚３ｈで互いに相殺するようにこれら各巻線の巻回方向を設定している。

なお、図２（１）では、第一巻線３ａ、第二巻線３ｂを、それぞれ第二側脚３ｊ、第一側脚３ｉに巻回しているが、以上の巻回方向の条件を満たせば、逆に、それぞれ第一側脚３ｉ、第二側脚３ｊに巻回してもよい。同様に、第四巻線３ｅ、第五巻線３ｆを、それぞれ第一側脚３ｉ、第二側脚３ｊに巻回しているが、逆に、それぞれ第二側脚３ｊ、第一側脚３ｉに巻回してもよい。

図２（２）は、統合磁気部品３で構成される磁気回路の起磁力を示すもので、例えば、第一側脚３ｉに巻回された第二巻線３ｂに電流ｉ１が流れたときの起磁力（アンペアターン）は、Ｎｓｉ１と表示している。

なお、図１および図２において、本願請求項１に記載した巻線結合体は、変圧器の二次側巻線を構成する第一巻線３ａおよび第二巻線３ｂが、直流リアクトルは、第三巻線３ｃ、３ｄがそれぞれ相当する。同様に、非線形素子は、整流回路７を形成する整流素子７ａおよび７ｂが相当する。更に、多脚鉄心は、図２に示す、２つの側脚３ｉ、３ｊおよびギャップ部３ｋを有する中央脚３ｈからなる三脚鉄心が相当する。

今、統合磁気部品３への入力電圧をＶＧＩ、出力電圧をＶｏとし、一例として、図１中の矢印の向きを正としてＶＧＩ＞０（従って、ｉ２＝０）の時の統合磁気部品３の動作状態について、数式を用いて説明する。
そして、先ず、本来異種の磁気部品である直流リアクトルと変圧器とを本願で統合することにより、直流リアクトルのインダクタンスの形成に、変圧器の巻数が寄与することを説明する。

図２（２）の磁気回路において、３つの脚における磁位、即ち、電流×巻数（起磁力）−磁束×磁気抵抗が互いに等しいという関係、およびφ１＋φ２＝φｃという関係から、以下の式（１）〜（３）が導かれる。

電圧の関係につき、以下の式（４）、（５）が成立する。

式（１）、（２）を式（４）、（５）に代入し、インダクタンスを求めるため、単位時間当たりの電流変化についてまとめ直すと、式（６）、（７）が得られる。

式（６）は、式（８）のように変形され、第三巻線３ｃ、３ｄの合計インダクタンスをＬとすると、Ｌ×ｄｉ／ｄｔ＝Ｖの関係から、第三巻線３ｃ、３ｄのインダクタンス、従って、直流リアクトルのインダクタンスＬは、式（９）で表される。

即ち、直流リアクトルのインダクタンスＬとして機能する値が、第三巻線３ｃ、３ｄの巻数Ｎｃのみならず、本来変圧器を構成する第一巻線３ａ、第二巻線３ｂの巻数Ｎｓによっても変化増大し、例えば、同じインダクタンス値を要求された場合、第三巻線３ｃ、３ｄの巻数を低減することが出来、その分小型化が実現する。

次に、本来異種の磁気部品である直流リアクトルと変圧器とを本願で統合することにより、変圧器の漏れインダクタンスが、直流リアクトルの巻数により調整可能となることを説明する。

先ず、変圧器の励磁インダクタンスである第四巻線３ｅと第五巻線３ｆとのインダクタンスの和Ｌｍを求める。
第四巻線３ｅと第五巻線３ｆとには電流ｉｐが流れており、式（７）を変形し、便宜上、以下の式（１０）で表した代数Ｌｍ’と式（９）のＬとを用いて表すと、式（１１）が得られる。

これも同様にＬ×ｄｉ／ｄｔ＝Ｖの関係から、式（１１）より励磁インダクタンスＬｍは、以下の式（１２）で表わされる。

式（１２）を改めて式（８）、式（９）を用いて表わすと、励磁インダクタンスＬｍは、以下の式（１３）で表わされる。

変圧器の漏れインダクタンスをＬｒとし、変圧器の結合係数をｋとすると、変圧器の漏れインダクタンスＬｒは、励磁インダクタンスＬｍと結合係数ｋとを用いて以下の式（１４）で示される。

ここで、結合係数ｋは巻線構造や鉄心形状が変わらないため一定値であり、変圧器の励磁インダクタンスＬｍが直流リアクトルの巻数で調整できる、即ち、第三巻線３ｃ、３ｄの巻数Ｎｃにより変えることができる。

また、式（１３）および式（１４）から分かるように、変圧器の漏れインダクタンスＬｒは、本来は直流リアクトルの特性を決める中央脚３ｈの磁気抵抗Ｒｏ、従って、ギャップ部３ｋの長さによって調整することも可能である。

式（１４）の漏れインダクタンスＬｒを変圧器の一次側に換算して示したのが、図１の漏れインダクタンス３ｇである。この漏れインダクタンスＬｒの値を調整し、各スイッチング素子Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｄの両極ドレイン・ソース間に接続したコンデンサＣａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄと共振状態を満たすようにすることにより、ゼロ電圧でのスイッチングいわゆるソフトスイッチングを実現し、スイッチング損失の大幅な低減を図ることができるわけである。

次に、鉄心の中央脚３ｈに設けたギャップ部３ｋでは交流磁束がキャンセルされることについて説明する。
図３は、第四巻線３ｅ、第五巻線３ｆに流れる交流分（リプル）電流による磁束の流れを示す。同図（２）は、入力電圧ＶＧＩ＞０、ｉ２＝０、従って、電流ｉ１が第二巻線３ｂに流れ、それに伴い第四巻線３ｅ、第五巻線３ｆに電流ｉｐが図の向きに流れる場合を示している。
また、同図（３）は、入力電圧ＶＧＩ＜０、ｉ１＝０、従って、電流ｉ２が第一巻線３ａに流れ、それに伴い第四巻線３ｅ、第五巻線３ｆに電流ｉｐが図の向きに流れる場合を示している。

既述したように、第四巻線３ｅおよび第五巻線３ｆは、これら各巻線に流れる交流電流により発生する磁束が中央脚３ｈで互いに相殺するようにこれら各巻線の巻回方向を設定している。従って、図３に示すように、中央脚３ｈでは交流磁束は互いに打ち消し合う方向であるためキャンセルされ、ギャップ部３ｋから交流磁束の漏れがなく、中央脚３ｈに巻線を施しても渦電流による巻線の加熱や、磁気干渉による高周波抵抗の増加を抑制することができる。

図４は、図１と構成部品は同じであるが、式（９）で示すように、第一巻線３ａと第二巻線３ｂの巻数Ｎｓによって直流リアクトルを構成できるため、電力変換装置をいわゆるカレントダブラ型の構成で表現することも可能である。
この場合、第一巻線３ａ、第二巻線３ｂ、第四巻線３ｅ、第五巻線３ｆが変圧器を構成し、カレントダブラ用の巻線は、第一巻線３ａ、第二巻線３ｂが兼ね、第三巻線３ｃ、３ｄが直流リアクトルを構成する。

第一巻線３ａと第二巻線３ｂには位相が反転した電流が流れるので、カレントダブラ回路の採用で、第一巻線３ａと第二巻線３ｂとに流れる電流の和が流れる第三巻線３ｃ、３ｄに流れる電流のリプルが小さくなるという特徴がある。

なお、図１では、統合磁気部品３の入力側の入力端子Ｇ、Ｉには、直流電圧源１の直流電圧をスイッチング回路２により変換した交流電圧を印加する構成としているが、従来の変圧器と直流リアクトルとを統合して統合磁気部品３を実現するという本願発明の要旨から考えれば、必ずしも図１の構成ではなく、別途交流電圧源の交流電圧を入力端子Ｇ、Ｉに直接印加する構成としてもよいことは当然である。

以上のように、この発明の実施の形態１による電力変換装置は、変圧器として機能する第一巻線３ａ、第二巻線３ｂ、第四巻線３ｅ、第五巻線３ｆと直流リアクトルとして機能する第三巻線３ｃ、３ｄ、および第一巻線３ａ、第二巻線３ｂをそれぞれ各側脚に巻回し、第三巻線３ｃ、３ｄを中央脚に巻回し、第四巻線３ｅ、第五巻線３ｆを各側脚に巻回した三脚鉄心を備え、第一巻線３ａ、第二巻線３ｂおよび第三巻線３ｃ、３ｄは、これら各巻線に流れる直流電流により発生する磁束が中央脚で互いに同方向に合流するようにこれら各巻線の巻回方向を設定し、第四巻線３ｅおよび第五巻線３ｆは、これら各巻線に流れる交流電流により発生する磁束が中央脚で互いに相殺するようにこれら各巻線の巻回方向を設定することで、三脚鉄心を用いて変圧器と直流リアクトルとを統合して統合磁気部品３としたので、直流リアクトルを形成する第三巻線３ｃ、３ｄの巻線のみならず、直流リアクトルとは本来機能が異なる異種の磁気部品である変圧器の第一巻線３ａ、第二巻線３ｂの巻数が直流リアクトルのインダクタンスに寄与し得ることになり、小型化が実現する。
更に、第四巻線３ｅおよび第五巻線３ｆは、これら各巻線に流れる交流電流により発生する磁束が中央脚３ｈで互いに相殺するようにこれら各巻線の巻回方向を設定するので、中央脚３ｈのギャップ部３ｋから漏れ磁束が生じず、中央脚３ｈに巻回する第三巻線３ｃ、３ｄに渦電流損が発生せず低損失化が実現する。

実施の形態２．
図５、図６は、この発明の実施の形態２による電力変換装置の全体構成を示す図である。
図５、図６は、先の実施の形態１の図１、図３に対し、スイッチング回路２を構成するスイッチング素子Ｓａ〜Ｓｄのドレイン・ソース間の共振用コンデンサＣａ〜Ｃｄがなく、スイッチング素子Ｓａ〜Ｓｄをいわゆるハードスイッチングする構成である。

先の実施の形態１で説明した通り、共振用コンデンサＣａ〜Ｃｄが接続されていれば漏れインダクタンス３ｇとの共振でゼロ電圧でのスイッチングが可能であるが、この実施の形態２の図５、図６ではこのコンデンサＣａ〜Ｃｄが存在しないので、スイッチング損失の増大が懸念される。

そこで、ここでは、実施の形態１で説明の通り、統合磁気部品３の第三巻線３ｃ、３ｄの巻数を調整することで変圧器の漏れインダクタンス３ｇが調整可能であり、図７に示すとおり、漏れインダクタンスを大きくすると、スイッチング素子Ｓａ〜Ｓｄがターンオンする時の電流が限流できるため、スイッチング損失を低減できる効果がある。

実施の形態３．
図８は、この発明の実施の形態３による電力変換装置の全体構成を示す図である。図８の電力変換装置は、全体として、その入力側が直流電圧源１に接続され、従来は互いに異種の磁気部品として扱われていた直流リアクトルと結合リアクトルとを統合した統合磁気部品１３、この統合磁気部品１３の出力側に接続されたスイッチング回路２、このスイッチング回路２の出力側に直流電圧源（または負荷）５と並列に接続されたフィルタ用コンデンサ４、およびスイッチング回路２を制御する制御部２０を備えている。そして、この電力変換装置は、直流電圧源１の直流電圧を昇圧して直流端子Ｇ、Ｄに昇圧した直流電圧を出力する。

以下、これら各構成要素の細部について説明する。
統合磁気部品１３は、一端Ａが直流電圧源１の正極に接続され、直流リアクトルとして機能する直流巻線としての第三巻線１３ｃと、各一端が第三巻線１３ｃの他端Ｂに接続され、結合リアクトルとして機能する結合巻線としての第一巻線１３ａ、第二巻線１３ｂとの各巻線を備えている。

スイッチング回路２は、スイッチング素子Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｄを備えたアームを上下２並列のブリッジ型に構成し、スイッチング素子Ｓａ、Ｓｂの上下アームの中間接続点が第一巻線１３ａの他端Ｅに、スイッチング素子Ｓｄ、Ｓｃの上下アームの中間接続点が第二巻線３ｂの他端Ｆに接続されている。直流電圧源１の負極Ｃは、直流端子の負極Ｄに接続されている。

制御部２０は、直流電圧源１からの電圧情報２０ｂと、電流センサ６からの電流情報２０ｃと、出力電圧である直流電圧源５の電圧情報２０ｄとに基づき、スイッチング回路２を駆動する駆動信号２０ａを生成し、目標出力電圧となるようスイッチング素子Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｄを制御する。

なお、図８では、第三巻線１３ｃは回路動作の説明上１個の構成のものを図示したが、先の実施の形態１の第三巻線３ｃ、３ｄで示したように、ノイズフィルタ設計を考慮して直流電圧源１を挟んで２個に分割した構成にしてもよい。

次に、統合磁気部品１３の詳細について説明するが、先ず、その前提となる、図８の昇圧動作について、図９およびその動作波形を示す図１０を参照して説明する。
動作モードとしては、スイッチング素子Ｓｂ、Ｓｃの動作状態により、（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）の４種類がある。スイッチング素子Ｓａ、Ｓｄは、同期整流用としてＳｂ、Ｓｃと相補的に動作する。

また、出力電圧Ｖｏｕｔが入力電圧Ｖｉｎに対し２倍以下となる場合と２倍以上となる場合とで動作が異なり、２倍以下の場合は、（ａ）→（ｃ）→（ｂ）→（ｃ）→（ａ）の動作を繰り返し（図１０（１））、２倍以上の場合は、（ａ）→（ｄ）→（ｂ）→（ｄ）→（ａ）を繰り返す動きとなる（図１０（２））。

動作モード（ａ）の状態は、Ｓｂがオン、Ｓｃがオフであり、直流電圧源１から第三巻線１３ｃ、第一巻線１３ａ、スイッチング素子Ｓｂを通り直流電圧源１へ戻る電流ループと、直流電圧源１から第三巻線１３ｃ、第二巻線１３ｂ、スイッチング素子Ｓｄ、負荷である直流電圧源５を経て直流電圧源１に戻る電流ループが形成される（図９（１））。
この時、第一巻線１３ａと第二巻線１３ｂとが磁気的に結合した結合リアクトルを形成しているため、負荷への電流ｉ２はｉ１に誘起されて増加する。

動作モード（ｂ）の状態は、Ｓｂがオフ、Ｓｃがオンであり、直流電圧源１から第三巻線１３ｃ、第二巻線１３ｂ、スイッチング素子Ｓｃを通り直流電圧源１へ戻る電流ループと、直流電圧源１から第三巻線１３ｃ、第一巻線１３ａ、スイッチング素子Ｓａ、負荷である直流電圧源５を経て直流電圧源１に戻る電流ループが形成される（図９（２））。
この時、第一巻線１３ａと第二巻線１３ｂとが磁気的に結合した結合リアクトルを形成しているため、負荷への電流ｉ１はｉ２に誘起されて増加する。

動作モード（ｃ）の状態は、Ｓｂがオフ、Ｓｃがオフであり、直流電圧源１から第三巻線１３ｃ、第一巻線１３ａ、スイッチング素子Ｓａ、負荷である直流電圧源５を経て直流電圧源１に戻る電流ループと、直流電圧源１から第三巻線１３ｃ、第二巻線１３ｂ、スイッチング素子Ｓｄ、負荷である直流電圧源５を経て直流電圧源１に戻る電流ループが形成される（図９（３））。
この時、電流ｉ１とｉ２との傾きは等しくなり、第一巻線１３ａと第二巻線１３ｂとは励磁されず結合リアクトルとしては機能しない。

動作モード（ｄ）の状態は、Ｓｂがオン、Ｓｃがオンであり、直流電圧源１から第三巻線１３ｃ、第一巻線１３ａ、スイッチング素子Ｓｂを通り直流電圧源１へ戻る電流ループと、直流電圧源１から第三巻線１３ｃ、第二巻線１３ｂ、スイッチング素子Ｓｃを通り直流電圧源１へ戻る電流ループが形成される（図９（４））。
この時、電流ｉ１とｉ２との傾きは等しくなり、第一巻線１３ａと第二巻線１３ｂとは励磁されず結合リアクトルとしては機能しない。

次に、統合磁気部品１３の構成の詳細および動作について図１１を参照して説明する。図１１は、図８の統合磁気部品１３における、直流磁束の流れ（同図（１））および起磁力（ＭＭＦ）（同図（２））を示す図である。
図１１（１）において、鉄心は、２個の側脚である、第一側脚１３ｉ、第二側脚１３ｊ、およびギャップ部１３ｋを備えた中央脚１３ｈからなる三脚鉄心で、通例、同図に示すような、上下対称のいわゆるＥＥ型または上下非対称のいわゆるＥＩ型の鉄心を組み合わせて構成される。なお、中央脚１３ｈには、直流の磁束飽和を防止するためのギャップ部１３ｋを設けている。

なお、中央脚１３ｈに流れる直流磁束は、側脚１３ｉ、１３ｊに流れる直流磁束の２倍となるので、中央脚１３ｈの断面積を側脚１３ｉ、１３ｊの断面積の２倍にすることにより、直流重畳による鉄心飽和の現象を防止することが出来る。

図１１中の各符号は以下の内容を示す。
Ｎｏ：第一巻線１３ａ、第二巻線１３ｂの巻数
Ｎｃ：第三巻線１３ｃの巻数
ｉ１：第一巻線１３ａに流れる電流
ｉ２：第二巻線１３ｂに流れる電流
Ｒｏ：第一側脚１３ｉ、第二側脚１３ｊの磁気抵抗
Ｒｃ：中央脚１３ｈの磁気抵抗
φ１：第一側脚１３ｉに流れる磁束
φ２：第二側脚１３ｊに流れる磁束
φｃ：中央脚１３ｈに流れる磁束

図１１（１）に示すように、第一巻線１３ａは第一側脚３ｉに、第二巻線１３ｂは第二側脚３ｊに、第三巻線１３ｃは中央脚１３ｈにそれぞれ巻回される。
そして、第一巻線１３ａ、第二巻線１３ｂおよび第三巻線１３ｃは、これら各巻線に流れる直流電流により発生する、図中矢印で示す磁束が中央脚１３ｈで互いに同方向（図中上向き）に合流するようにこれら各巻線の巻回方向を設定している。

なお、図１１（１）では、第一巻線１３ａ、第二巻線１３ｂを、それぞれ第一側脚１３ｉ、第二側脚１３ｊに巻回しているが、以上の巻回方向の条件を満たせば、逆に、それぞれ第二側脚１３ｊ、第一側脚３ｉに巻回してもよい。

図１１（２）は、統合磁気部品１３で構成される磁気回路の起磁力を示すもので、例えば、第一側脚１３ｉに巻回された第一巻線１３ａに電流ｉ１が流れたときの起磁力（アンペアターン）は、Ｎｏｉ１と表示している。

なお、図８および図１１において、本願請求項１に記載した巻線結合体は、結合リアクトルとして機能する第一巻線１３ａおよび第二巻線１３ｂが、直流リアクトルは、第三巻線１３ｃがそれぞれ相当する。同様に、非線形素子は、スイッチング回路２を構成するスイッチング素子Ｓａ〜Ｓｄが相当する。更に、多脚鉄心は、図１１に示す２つの側脚１３ｉ、１３ｊおよびギャップ部１３ｋを有する中央脚１３ｈからなる三脚鉄心が相当する。

次に、本来異種の磁気部品である直流リアクトルと結合リアクトルとを本願で統合することにより、直流リアクトルのインダクタンスの形成に、結合リアクトルの巻数が寄与すること、更には、中央脚１３ｈの磁気抵抗Ｒｃを変えることにより、第一巻線１３ａと第二巻線１３ｂとの結合度を調整可能なことを説明する。

図１１（２）の磁気回路において、３つの脚における磁位、即ち、電流×巻数（起磁力）−磁束×磁気抵抗が互いに等しいという関係、およびφ１＋φ２＝φｃという関係から、以下の式（１５）が導かれる。

第一巻線１３ａに生じる電圧をＶ１、第二巻線１３ｂに生じる電圧をＶ２、第三巻線１３ｃに生じる電圧をＶｃとすると、Ｖ１＝Ｎｏ×ｄφ１／ｄｔ、Ｖ２＝Ｎｏ×ｄφ２／ｄｔ、Ｖｃ＝Ｎｃ×ｄφｃ／ｄｔの関係が成立し、この関係を用いて式（１５）を変形すると、Ｖ１、Ｖ２、Ｖｃは、式（１６）と式（１７）で表わされる。

第一巻線１３ａと第二巻線１３ｂとの磁気結合は可逆性であるため、第一側脚１３ｉに巻回された第一巻線１３ａ、第二側脚１３ｊに巻回された第二巻線１３ｂの自己インダクタンスをＬｏ、中央脚１３ｈに巻回された第三巻線１３ｃの自己インダクタンスをＬｃ、第一巻線１３ａと第二巻線１３ｂとの相互インダクタンスをＭｏ、第三巻線１３ｃと第一巻線１３ａ、第二巻線１３ｂとの相互インダクタンスをＭｃとすると、式（１６）は式（１８）のように表わされる。

ｉｃ＝ｉ１＋ｉ２の関係より、式（１８）を変形すると式（１９）が得られる。

また、式（１７）と式（１８）とを対応させることで、Ｌｏ、Ｌｃ、Ｍｏ、Ｍｃは、それぞれ、以下の式（２０）〜式（２３）で示される。

また、第一巻線１３ａと第二巻線１３ｂとの結合度をｋｏ、第一巻線１３ａ、第二巻線１３ｂと第三巻線１３ｃとの結合度をｋｃとすると、ｋｏ、ｋｃは、それぞれ、以下の式（２４）、式（２５）で表わされる。

第三巻線１３ｃと第一巻線１３ａとの間の電圧をＶ１ｅ（Ａ−Ｅ間）、第三巻線１３ｃと第二巻線１３ｂとの間の電圧をＶ２ｅ（Ａ−Ｆ間）とすると、それぞれ、以下の式（２６）、式（２７）が成立する。

式（２６）、式（２７）に式（１９）を代入すると、電圧Ｖ１ｅ、Ｖ２ｅは、以下の式（２８）で表わされる。

また、電圧Ｖ１ｅとＶ２ｅとは、第三巻線１３ｃの直流インダクタンスをＬ、第一巻線１３ａと第二巻線１３ｂの励磁インダクタンスをＬｍとすると、電圧方程式から、以下の式（２９）、式（３０）で表わされる。

式（２８）と式（２９）、（式３０）との電流微分項を比較することにより、第三巻線１３ｃの直流インダクタンスＬ、第一巻線１３ａと第二巻線１３ｂの励磁インダクタンスＬｍが求められ、更に、式（２４）、式（２５）も用いて表わせば、それぞれ、以下の式（３１）、式（３２）で表わされる。

式（３１）より、磁気統合した結果、別体であれば関係のなかった第一巻線１３ａと第二巻線１３ｂの巻数Ｎｏが第三巻線１３ｃのインダクタンス生成に寄与しており、磁気統合をしない場合より少ない巻数で直流インダクタンスが構成できることがわかる。

第三巻線１３ｃで得られるインダクタンスＬを大きくするには、第一巻線１３ａと第二巻線１３ｂの巻数Ｎｏを増やし、中央脚１３ｈの磁気抵抗Ｒｃを小さくして結合度ｋｏを小さくすれば結合リアクトルの漏れインダクタンスを直流リアクトルとして活用できる。
また、中央脚１３ｈの磁気抵抗Ｒｃを小さくして、第一巻線１３ａ、第二巻線１３ｂと第三巻線１３ｃとの結合度ｋｃを大きくすればよい。

このように、磁気統合の構成を採用することにより直流インダクタンスＬを大きくすれば、先の図９、図１０で説明した動作モード（ｃ）、（ｄ）の、第一巻線１３ａ、第二巻線１３ｂが結合リアクトルとしての機能しない期間での電流変化を抑制して電流リプルを低減できる。

また、式（３２）より、結合リアクトルを形成する第一巻線１３ａと第二巻線１３ｂの励磁インダクタンスＬｍは、第三巻線１３ｃの巻数Ｎｃにより調整できることがわかる。
励磁インダクタンスであるＬｍを大きくする場合には、第一巻線１３ａと第二巻線１３ｂの巻数Ｎｏを大きく、第三巻線１３ｃの巻数Ｎｃを小さく、結合度ｋｏを大きくし、第一巻線１３ａと第二巻線１３ｂ、第三巻線１３ｃとの結合度ｋｃを小さくすればよい。

このように、磁気統合の構成を採用することにより励磁インダクタンスＬｍを大きくすれば、先の図９、図１０で説明した動作モード（ａ）、（ｂ）での電流勾配を抑制することが出来る。

中央脚１３ｈの磁気抵抗Ｒｃを可変する手段としては、磁気抵抗Ｒｃは中央脚１３ｈの磁気抵抗なので、中央脚１３ｈに設けたギャップ部１３ｋの寸法、中央脚１３ｈの断面積や鉄心材料の透磁率を変える方法がある。

次に、鉄心の中央脚１３ｈに設けたギャップ部１３ｋでは交流磁束がキャンセルされることについて説明する。
図１２は、第一巻線１３ａ、第二巻線１３ｂに流れる交流分（リプル）電流による磁束の流れを示す。同図（２）、（３）では、第一巻線１３ａ、第二巻線１３ｂに流れる電流は、直流電流分の一定の向きを示しているが、磁束の向きは、結合リアクトルを構成する両巻線の極性から図示の通りとなり、中央脚１３ｈでは交流磁束は互いに打ち消し合う方向であるためキャンセルされ、ギャップ部１３ｋから交流磁束の漏れがなく、中央脚１３ｈに巻線を施しても渦電流による巻線の加熱や、磁気干渉による高周波抵抗の増加を抑制することができる。
なお、先にも触れたが、図１２では、第三巻線を２個の巻線１３ｃ、１３ｄに分割し、直流電圧源１の両極側に挿入している。

なお、図８等以上の説明では、三脚鉄心を用い、その中央脚に直流リアクトルとして直流巻線を巻回し、その両側脚に結合リアクトルとして２個の結合巻線を巻回し、スイッチング回路２として上下アームを２個並列にした電力変換装置とした。
しかし、本来異種の磁気部品である直流リアクトルと結合リアクトルとを統合させるという本願発明の技術思想からすると、この発明は、そのまま、ｎ（ｎは２以上の整数）個の側脚と中央脚とからなる多脚鉄心を用い、その中央脚に直流リアクトルとして直流巻線を巻回し、そのｎ個の側脚に結合リアクトルとしてｎ個の結合巻線を巻回し、スイッチング回路として上下アームをｎ個並列にした電力変換装置にもそのまま適用できることは明らかである。

以上のように、この発明の実施の形態３による電力変換装置は、三脚鉄心の中央脚１３ｈに直流リアクトルとして機能する第三巻線１３ｃを、両側脚１３ｉ、１３ｊに結合リアクトルとして機能する第一巻線１３ａ、第二巻線１３ｂをそれぞれ巻回し、これら各巻線１３ａ〜１３ｃに流れる直流電流により発生する磁束が中央脚１３ｈで互いに同方向で合流するようこれら各巻線の巻回方向を設定することで、三脚鉄心を用いて結合リアクトルと直流リアクトルとを統合して統合磁気部品１３としたので、直流リアクトルを形成する第三巻線１３ｃのみならず、直流リアクトルとは本来機能が異なる異種の磁気部品である結合リアクトルを形成する第一巻線１３ａ、第二巻線１３ｂの巻数が直流リアクトルのインダクタンスに寄与し得ることになり、小型化が実現する。更に、中央脚１３ｈのギャップ部１３ｋでは交流の漏れ磁束が生じず、中央脚１３ｈに巻回する第三巻線１３ｃに渦電流損が発生せず低損失化が実現する。

実施の形態４．
図１３は、この発明の実施の形態４による電力変換装置の全体構成を示す図である。先の実施の形態３では、統合磁気部品１３を電力変換装置であるＤＣ／ＤＣコンバータに適用した場合を示したが、この図１３では、ＡＣ／ＤＣコンバータに適用したものである。

ここでは、図８の直流電圧源１を交流電圧源１０に置き換え、交流電圧源１０と第三巻線１３ｃとの間にブリッジ型整流回路８を挿入したものである。
昇圧動作におけるスイッチングモードは、図９、図１０に示したものと同じで、入力電流が入力電圧と同位相となる高力率動作をするようにスイッチング回路２を動作させ、実施の形態３と同様の効果を得ることができる。

なお、以上では、本願発明を、先の実施の形態１および２においては、交流電圧を直流電圧に変換する電力変換装置に適用した場合、そして、先の実施の形態３および４においては、直流電圧を昇圧する電力変換装置に適用した場合について説明した。

しかし、先の実施の形態１および３において、これら各実施の形態における構成と本願請求項１に記載した構成との関係について説明した内容から推察できるように、本願発明は、上述した電力変換装置に限られるものではない。
即ち、本願発明は、本願請求項１に記載した直流リアクトル、巻線結合体、非線形素子および多脚鉄心を備え、巻線結合体の巻線と直流リアクトルの巻線とに流れる直流電流により発生する磁束が多脚鉄心の中央脚で互いに同方向に合流するように各巻線の巻回方向を設定することにより直流リアクトルと巻線結合体とを統合した磁気部品集合体、およびこの磁気部品集合体を用いた、その他各種の電力変換装置等にも既述したと同様に適用でき、同等の効果を奏するものである。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

Claims (27)

1. ｎを２以上の整数とし、互いに磁気的に結合されたｎ個の巻線からなり、前記巻線の各一端は直流リアクトルを介して直流電圧源に直列に接続され前記巻線の各他端は互いに異なるタイミングで通電する非線形素子に接続された巻線結合体を備えた磁気部品集合体において、
   ｎ個の側脚とギャップ部を有する中央脚とからなる多脚鉄心を備え、前記巻線結合体のｎ個の前記巻線を前記多脚鉄心の前記各側脚に巻回し、前記直流リアクトルの巻線を前記多脚鉄心の前記中央脚に巻回し、前記巻線結合体の巻線と前記直流リアクトルの巻線とに流れる直流電流により発生する磁束が前記多脚鉄心の前記中央脚で互いに同方向に合流するように前記各巻線の巻回方向を設定することにより、前記多脚鉄心を用いて前記直流リアクトルと前記巻線結合体とを統合した磁気部品集合体を用い、前記直流電圧源の直流電圧を昇圧し直流端子に出力する電力変換装置であって、
   前記直流電圧源に一端が接続された直流巻線を備えた前記直流リアクトル、ｎ個の前記巻線である結合巻線を備え前記結合巻線の各一端が前記直流リアクトルの他端に接続された前記巻線結合体である結合リアクトル、前記非線形素子であるスイッチング素子を備えた上下アームを前記直流端子の両極間に並列に接続し前記上下アームの各中間接続点が前記結合巻線の各他端に接続されたスイッチング回路、および前記結合巻線のそれぞれを前記側脚のそれぞれに巻回し、前記直流巻線を前記中央脚に巻回した前記多脚鉄心を備え、
   前記直流巻線および前記結合巻線は、これら各巻線に流れる直流電流により発生する磁束が前記中央脚で互いに同方向で合流するようにこれら各巻線の巻回方向を設定することにより、前記多脚鉄心を用いて前記結合リアクトルと前記直流リアクトルとを統合した電力変換装置。
2. 前記ｎを２とし、前記結合リアクトルは前記結合巻線として第一巻線と第二巻線とを備え、前記直流リアクトルは前記直流巻線として第三巻線を備え、前記多脚鉄心として２個の前記側脚と前記中央脚とからなり前記第一巻線および前記第二巻線をそれぞれ前記各側脚に巻回し、前記第三巻線を前記中央脚に巻回した三脚鉄心で構成し、
   前記第一巻線、前記第二巻線および前記第三巻線は、これら各巻線に流れる直流電流により発生する磁束が前記中央脚で互いに同方向に合流するようにこれら各巻線の巻回方向を設定することにより、前記三脚鉄心を用いて前記結合リアクトルと前記直流リアクトルとを統合した請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記第一巻線および前記第二巻線の巻数を変えることにより前記直流リアクトルのインダクタンスを調整可能とした請求項２記載の電力変換装置。
4. 前記中央脚の磁気抵抗を変えることにより前記第一巻線と前記第二巻線との結合度を調整可能とした請求項２または請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記直流電圧源の直流電圧を２倍以上に昇圧して前記直流端子に出力する場合であって、前記直流電圧源の直流電圧が前記第一巻線と前記第二巻線とに同時に印加される期間において、当該期間に前記第一巻線および前記第二巻線に流れる電流を、前記直流リアクトルのインダクタンスと前記結合リアクトルの漏れインダクタンスとで限流するようにした請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
6. 前記第三巻線を２個に分割して前記中央脚に巻回し、一方を前記直流電圧源の正極側に挿入し、他方を前記直流電圧源の負極側に挿入した請求項２から請求項５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
7. ｎを２以上の整数とし、互いに磁気的に結合されたｎ個の巻線からなり、前記巻線の各一端は直流リアクトルを介して直流電圧源に直列に接続され前記巻線の各他端は互いに異なるタイミングで通電する非線形素子に接続された巻線結合体を備えた磁気部品集合体において、
   ｎ個の側脚とギャップ部を有する中央脚とからなる多脚鉄心を備え、前記巻線結合体のｎ個の前記巻線を前記多脚鉄心の前記各側脚に巻回し、前記直流リアクトルの巻線を前記多脚鉄心の前記中央脚に巻回し、前記巻線結合体の巻線と前記直流リアクトルの巻線とに流れる直流電流により発生する磁束が前記多脚鉄心の前記中央脚で互いに同方向に合流するように前記各巻線の巻回方向を設定することにより、前記多脚鉄心を用いて前記直流リアクトルと前記巻線結合体とを統合した磁気部品集合体を用い、交流端子の交流電圧を直流電圧に変換して前記直流電圧源の直流端子に出力する電力変換装置であって、
   一次側巻線が前記交流端子に接続され前記巻線結合体である二次側巻線が前記非線形素子である整流素子および前記直流リアクトルを介して前記直流端子に接続された変圧器を備え、
   前記変圧器の前記二次側巻線を、各一端が中間点で互いに直列に接続され各他端が前記整流素子と前記直流リアクトルと前記直流端子とを介して前記中間点に接続された第一巻線および第二巻線により構成し、前記直流リアクトルを第三巻線により構成し、前記変圧器の前記一次側巻線を各一端で互いに直列に接続され各他端が前記交流端子に接続された第四巻線および第五巻線により構成するとともに、
   前記多脚鉄心の前記ｎを２とすることで、２個の側脚とギャップ部を備えた中央脚とからなり前記第一巻線および前記第二巻線をそれぞれ前記各側脚に巻回し、前記第三巻線を前記中央脚に巻回し、前記第四巻線および前記第五巻線を前記各側脚に巻回した三脚鉄心を備え、
   前記第一巻線、前記第二巻線および前記第三巻線は、これら各巻線に流れる直流電流により発生する磁束が前記中央脚で互いに同方向に合流するようにこれら各巻線の巻回方向を設定し、前記第四巻線および前記第五巻線は、これら各巻線に流れる交流電流により発生する磁束が前記中央脚で互いに相殺するようにこれら各巻線の巻回方向を設定することにより、前記三脚鉄心を用いて前記変圧器と前記直流リアクトルとを統合し、
   前記直流端子と並列にフィルタ用コンデンサを備え、前記変圧器の漏れインダクタンスと前記直流リアクトルとで前記フィルタ用コンデンサと共振するフィルタ用リアクトルを形成した電力変換装置。
8. 前記第三巻線の巻数を変えることにより前記変圧器の漏れインダクタンスを調整可能とした請求項７記載の電力変換装置。
9. 前記第一巻線および前記第二巻線の巻数を変えることにより前記直流リアクトルのインダクタンスを調整可能とした請求項７または請求項８に記載の電力変換装置。
10. 前記中央脚の磁気抵抗を変えることにより前記変圧器の漏れインダクタンスを調整可能とした請求項７から請求項９のいずれか１項に記載の電力変換装置。
11. スイッチング素子を備え直流電圧源の直流電圧を交流電圧に変換して前記交流端子に出力するスイッチング回路を備え、前記直流電圧源の直流電圧を変換して前記直流端子に出力する請求項７から請求項１０のいずれか１項に記載の電力変換装置。
12. 前記スイッチング素子の両極間に前記変圧器の漏れインダクタンスと共振する共振用コンデンサを接続し、ゼロ電圧で前記スイッチング素子をスイッチングするようにした請求項１１記載の電力変換装置。
13. 前記変圧器の漏れインダクタンスにより前記スイッチング素子のターンオン時の電流を低減することにより、前記スイッチング回路のスイッチング損失を低減させた請求項１１記載の電力変換装置。
14. 前記第三巻線を２個に分割して前記中央脚に巻回し、一方を前記直流端子の正極側に挿入し、他方を前記直流端子の負極側に挿入した請求項７から請求項１３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
15. ｎを２以上の整数とし、互いに磁気的に結合されたｎ個の巻線からなり、前記巻線の各一端は直流リアクトルを介して直流電圧源に直列に接続され前記巻線の各他端は互いに異なるタイミングで通電する非線形素子に接続された巻線結合体を備えた磁気部品集合体において、
    ｎ個の側脚とギャップ部を有する中央脚とからなる多脚鉄心を備え、前記巻線結合体のｎ個の前記巻線を前記多脚鉄心の前記各側脚に巻回し、前記直流リアクトルの巻線を前記多脚鉄心の前記中央脚に巻回し、前記巻線結合体の巻線と前記直流リアクトルの巻線とに流れる直流電流により発生する磁束が前記多脚鉄心の前記中央脚で互いに同方向に合流するように前記各巻線の巻回方向を設定することにより、前記多脚鉄心を用いて前記直流リアクトルと前記巻線結合体とを統合した磁気部品集合体を用い、交流端子の交流電圧を直流電圧に変換して前記直流電圧源の直流端子に出力する電力変換装置であって、
    一次側巻線が前記交流端子に接続され前記巻線結合体である二次側巻線が前記非線形素子である整流素子および前記直流リアクトルを介して前記直流端子に接続された変圧器を備え、
    前記変圧器の前記二次側巻線を、各一端が中間点で互いに直列に接続され各他端が前記整流素子と前記直流リアクトルと前記直流端子とを介して前記中間点に接続された第一巻線および第二巻線により構成し、前記直流リアクトルを第三巻線により構成し、前記変圧器の前記一次側巻線を各一端で互いに直列に接続され各他端が前記交流端子に接続された第四巻線および第五巻線により構成するとともに、
    前記多脚鉄心の前記ｎを２とすることで、２個の側脚とギャップ部を備えた中央脚とからなり前記第一巻線および前記第二巻線をそれぞれ前記各側脚に巻回し、前記第三巻線を前記中央脚に巻回し、前記第四巻線および前記第五巻線を前記各側脚に巻回した三脚鉄心を備え、
    前記第一巻線、前記第二巻線および前記第三巻線は、これら各巻線に流れる直流電流により発生する磁束が前記中央脚で互いに同方向に合流するようにこれら各巻線の巻回方向を設定し、前記第四巻線および前記第五巻線は、これら各巻線に流れる交流電流により発生する磁束が前記中央脚で互いに相殺するようにこれら各巻線の巻回方向を設定することにより、前記三脚鉄心を用いて前記変圧器と前記直流リアクトルとを統合し、
    スイッチング素子を備え直流電圧源の直流電圧を交流電圧に変換して前記交流端子に出力するスイッチング回路を備え、前記直流電圧源の直流電圧を変換して前記直流端子に出力し、
    前記スイッチング素子の両極間に前記変圧器の漏れインダクタンスと共振する共振用コンデンサを接続し、ゼロ電圧で前記スイッチング素子をスイッチングするようにした電力変換装置。
16. 前記第三巻線の巻数を変えることにより前記変圧器の漏れインダクタンスを調整可能とした請求項１５記載の電力変換装置。
17. 前記第一巻線および前記第二巻線の巻数を変えることにより前記直流リアクトルのインダクタンスを調整可能とした請求項１５または請求項１６に記載の電力変換装置。
18. 前記中央脚の磁気抵抗を変えることにより前記変圧器の漏れインダクタンスを調整可能とした請求項１５から請求項１７のいずれか１項に記載の電力変換装置。
19. 前記直流端子と並列にフィルタ用コンデンサを備え、前記変圧器の漏れインダクタンスと前記直流リアクトルとで前記フィルタ用コンデンサと共振するフィルタ用リアクトルを形成した請求項１５から請求項１８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
20. 前記第三巻線を２個に分割して前記中央脚に巻回し、一方を前記直流端子の正極側に挿入し、他方を前記直流端子の負極側に挿入した請求項１５から請求項１９のいずれか１項に記載の電力変換装置。
21. ｎを２以上の整数とし、互いに磁気的に結合されたｎ個の巻線からなり、前記巻線の各一端は直流リアクトルを介して直流電圧源に直列に接続され前記巻線の各他端は互いに異なるタイミングで通電する非線形素子に接続された巻線結合体を備えた磁気部品集合体において、
    ｎ個の側脚とギャップ部を有する中央脚とからなる多脚鉄心を備え、前記巻線結合体のｎ個の前記巻線を前記多脚鉄心の前記各側脚に巻回し、前記直流リアクトルの巻線を前記多脚鉄心の前記中央脚に巻回し、前記巻線結合体の巻線と前記直流リアクトルの巻線とに流れる直流電流により発生する磁束が前記多脚鉄心の前記中央脚で互いに同方向に合流するように前記各巻線の巻回方向を設定することにより、前記多脚鉄心を用いて前記直流リアクトルと前記巻線結合体とを統合した磁気部品集合体を用い、交流端子の交流電圧を直流電圧に変換して前記直流電圧源の直流端子に出力する電力変換装置であって、
    一次側巻線が前記交流端子に接続され前記巻線結合体である二次側巻線が前記非線形素子である整流素子および前記直流リアクトルを介して前記直流端子に接続された変圧器を備え、
    前記変圧器の前記二次側巻線を、各一端が中間点で互いに直列に接続され各他端が前記整流素子と前記直流リアクトルと前記直流端子とを介して前記中間点に接続された第一巻線および第二巻線により構成し、前記直流リアクトルを第三巻線により構成し、前記変圧器の前記一次側巻線を各一端で互いに直列に接続され各他端が前記交流端子に接続された第四巻線および第五巻線により構成するとともに、
    前記多脚鉄心の前記ｎを２とすることで、２個の側脚とギャップ部を備えた中央脚とからなり前記第一巻線および前記第二巻線をそれぞれ前記各側脚に巻回し、前記第三巻線を前記中央脚に巻回し、前記第四巻線および前記第五巻線を前記各側脚に巻回した三脚鉄心を備え、
    前記第一巻線、前記第二巻線および前記第三巻線は、これら各巻線に流れる直流電流により発生する磁束が前記中央脚で互いに同方向に合流するようにこれら各巻線の巻回方向を設定し、前記第四巻線および前記第五巻線は、これら各巻線に流れる交流電流により発生する磁束が前記中央脚で互いに相殺するようにこれら各巻線の巻回方向を設定することにより、前記三脚鉄心を用いて前記変圧器と前記直流リアクトルとを統合し、
    スイッチング素子を備え直流電圧源の直流電圧を交流電圧に変換して前記交流端子に出力するスイッチング回路を備え、前記直流電圧源の直流電圧を変換して前記直流端子に出力し、
    前記変圧器の漏れインダクタンスにより前記スイッチング素子のターンオン時の電流を低減することにより、前記スイッチング回路のスイッチング損失を低減させた電力変換装置。
22. 前記第三巻線の巻数を変えることにより前記変圧器の漏れインダクタンスを調整可能とした請求項２１記載の電力変換装置。
23. 前記第一巻線および前記第二巻線の巻数を変えることにより前記直流リアクトルのインダクタンスを調整可能とした請求項２１または請求項２２に記載の電力変換装置。
24. 前記中央脚の磁気抵抗を変えることにより前記変圧器の漏れインダクタンスを調整可能とした請求項２１から請求項２３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
25. 前記直流端子と並列にフィルタ用コンデンサを備え、前記変圧器の漏れインダクタンスと前記直流リアクトルとで前記フィルタ用コンデンサと共振するフィルタ用リアクトルを形成した請求項２１から請求項２４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
26. 前記第三巻線を２個に分割して前記中央脚に巻回し、一方を前記直流端子の正極側に挿入し、他方を前記直流端子の負極側に挿入した請求項２１から請求項２５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
27. 前記中央脚の断面積を前記各側脚の断面積の２倍とした請求項２から請求項２６のいずれか１項に記載の電力変換装置。

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