(57)【要約】【課題】スイッチの短絡故障が生じていることを迅速に判定することができる電力変換器の制御装置を提供することを目的とする。【解決手段】制御装置４０は、駆動スイッチ５０と、トランス２０とを備える電力変換器１０に適用される。制御装置４０は、電流検出値ＣＳと過電流閾値ＴＣとの比較に基づいて、駆動スイッチ５０に過電流が流れている状態である過電流状態を判定する。また、制御装置４０は、過電流閾値ＴＣよりも小さい主短絡閾値ＴＳ１と、操作信号ＯＵＴがオフ操作指令となる期間を含む期間における電流検出値ＣＳとの比較に基づいて、駆動スイッチ５０の短絡故障が生じていることを判定する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
給電対象に供給する電力を蓄積するインダクタ（２０）と、
オン状態となることで、電力源（１００）からの給電により前記インダクタに電力を蓄積させ、オフ状態となることで、前記インダクタに蓄積された電力を出力させるスイッチ（５０）と、
前記スイッチに流れる電流を検出する電流検出部（６０）と、を備える電力変換器に適用される電力変換器の制御装置（４０）において、
前記スイッチをオン状態に制御するオン操作指令と、前記スイッチをオフ状態に制御するオフ操作指令とからなる操作信号（ＯＵＴ）を出力するスイッチ制御部と、
前記電流検出部の検出値と所定の過電流閾値（ＴＣ）との比較に基づいて、前記スイッチに過電流が流れている状態である過電流状態を判定する過電流判定部と、
前記過電流閾値よりも小さい主短絡閾値（ＴＳ１）と、前記操作信号が前記オフ操作指令となる期間を含む期間における前記電流検出部の検出値（ＣＳ）との比較に基づいて、前記スイッチの短絡故障が生じていることを判定する短絡判定部と、を備える電力変換器の制御装置。
【請求項２】
前記短絡判定部は、前記電流検出部の検出値が前記主短絡閾値よりも大きくなる期間が、前記操作信号が前記オン操作指令となる期間よりも長いと判定した場合に、前記スイッチの短絡故障が生じていることを判定する請求項１に記載の電力変換器の制御装置。
【請求項３】
前記操作信号が前記オフ操作指令となっているか前記オン操作指令となっているかを判定する状態判定部を備え、
前記短絡判定部は、前記状態判定部により前記操作信号が前記オフ操作指令になっていると判定された期間において、前記電流検出部の検出値が前記主短絡閾値よりも大きいと判定した場合に、前記スイッチの短絡故障が生じていることを判定する請求項１に記載の電力変換器の制御装置。
【請求項４】
前記短絡判定部は、前記電流検出部の検出値が前記主短絡閾値よりも大きい副短絡閾値を超える場合にも前記スイッチに短絡故障が生じていることを判定する請求項２に記載の電力変換器の制御装置。
【請求項５】
前記短絡故障が判定された場合に、前記電力源から前記インダクタへの給電を停止させる停止制御部を備える請求項１〜４のいずれか一項に記載の電力変換器の制御装置。
【請求項６】
前記電力変換器では、前記電力源からの電力を前記インダクタに供給する入力側電気経路（Ｌ１）において、コンデンサ（１５）が前記インダクタに並列接続されており、
前記電力源から前記インダクタへの給電開始を判定する開始判定部を備え、
前記短絡判定部は、前記開始判定部により前記給電開始が判定されてから所定期間内において、前記短絡故障が生じていることを判定する請求項１〜５のいずれか一項に記載の電力変換器の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換器の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、インダクタと、インダクタへの電力の蓄積を制御するスイッチと、を備える電力変換器が知られている。電力変換器では、スイッチがオン状態となることで、インダクタに電力を蓄積させ、スイッチがオフ状態となることで、インダクタに蓄積された電力を給電対象に出力する。
【０００３】
電力変換装置が備えるスイッチのオン状態が維持される短絡故障が生じる場合がある。スイッチに短絡故障が生じると、インダクタが磁気飽和し、場合によっては電力変換装置内に過電流が流れるおそれがある。
【０００４】
特許文献１では、インダクタに直列接続されたスイッチに流れる電流を検出し、電流検出結果を過電流閾値と比較することにより、過電流状態となっているか否かを判定する制御装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許公報第６００２４６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
スイッチに短絡故障が生じた場合にスイッチに流れる電流の上昇速度は、電力源から供給される入力電圧や、電力源からインダクタまでの電気経路の合成抵抗等に応じて定まる。したがって、入力電圧が低い場合等においてスイッチに短絡故障が生じたとしても、スイッチに流れる電流の上昇速度が高くならない場合がある。そのため、特許文献１に記載の制御装置では、電流検出結果が過電流閾値を超えるタイミングが遅延し、スイッチの短絡故障を迅速に判定できない場合が生じ得る。なお、スイッチに流れる電流が通常時よりも低い値を維持する場合においても同様の課題が生じ得る。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みたものであり、スイッチの短絡故障が生じていることを迅速に判定することができる電力変換器の制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために本発明は、給電対象に供給する電力を蓄積するインダクタと、オン状態となることで、電力源からの給電により前記インダクタに電力を蓄積させ、オフ状態となることで、前記インダクタに蓄積された電力を出力させるスイッチと、前記スイッチに流れる電流を検出する電流検出部と、を備える電力変換器に適用される制御装置に関する。制御装置は、前記スイッチをオン状態に制御するオン操作指令と、前記スイッチをオフ状態に制御するオフ操作指令とからなる操作信号を出力するスイッチ制御部と、前記電流検出部の検出値と所定の過電流閾値との比較に基づいて、前記スイッチに過電流が流れている状態である過電流状態を判定する過電流判定部と、前記過電流閾値よりも小さい主短絡閾値と、前記操作信号が前記オフ操作指令である期間における前記電流検出部の検出値との比較に基づいて、前記スイッチの短絡故障が生じていることを判定する短絡判定部と、を備えている。
【０００９】
スイッチがオフ状態となることでインダクタに蓄積された電力が給電対象へ出力される電力変換器では、スイッチがオフ状態となる期間においてスイッチに電流が流れない。ここで、スイッチに短絡故障が生じると、操作信号のオフ操作指令の期間においても、スイッチのオン状態が継続され、スイッチに電流が流れ続ける。そのため、操作信号がオフ操作指令である期間においてスイッチに電流が継続して流れている状態は、スイッチに短絡故障が生じている状態である。
【００１０】
第１の発明では、主短絡閾値と、操作信号がオフ操作指令である期間を含む期間における電流検出部の検出値との比較に基づいて、スイッチの短絡故障が生じていることを判定する。この場合、オフ操作指令である期間に電流が流れていることを判定できればよいため、電流値の大きさを判定する必要はなく、スイッチの短絡故障を判定するための主短絡閾値を過電流閾値よりも小さくすることができる。このため、第１の発明によれば、スイッチの短絡故障が生じた場合にスイッチに流れる電流の上昇速度が高くならないときであっても、スイッチの短絡故障が生じていることを迅速に判定することができる。
【００１１】
ここで、第１の発明は、例えば第２の発明のように具体化することができる。第２の発明では、前記短絡判定部は、前記電流検出部の検出値が前記主短絡閾値よりも大きくなる期間が、前記操作信号が前記オン操作指令となる期間よりも長いと判定した場合に、前記スイッチの短絡故障が生じていることを判定する。
【００１２】
また、第１の発明は、例えば第３の発明のように具体化することができる。第３の発明では、前記操作信号が前記オフ操作指令となっているか前記オン操作指令となっているかを判定する状態判定部を備え、前記短絡判定部は、前記状態判定部により前記操作信号が前記オフ操作指令になっていると判定された期間において、前記電流検出部の検出値が前記主短絡閾値よりも大きいと判定した場合に、前記スイッチの短絡故障が生じていることを判定する。
【００１３】
第４の発明では、前記短絡判定部は、前記電流検出部の検出値が前記主短絡閾値よりも大きい副短絡閾値を超える場合にも前記スイッチに短絡故障が生じていることを判定する。
【００１４】
スイッチの短絡故障により、第２の発明で想定する電流の上昇速度よりも、スイッチに流れる電流の電流上昇速度が大きくなる場合がある。電流上昇速度が大きい場合、主短絡閾値を用いた判定よりも短い時間で短絡故障を判定したほうがよい。そこで、第５の発明では、電流検出部の検出値が主短絡閾値よりも大きい副短絡閾値を超える場合にもスイッチに短絡故障が生じていることを判定することとした。この場合、電流上昇速度が大きい場合は、短絡故障が判定されるため、短絡故障を迅速に判定することができる。
【００１５】
第５の発明では、前記短絡故障が判定された場合に、前記電力源から前記インダクタへの給電を停止させる停止制御部を備える。
【００１６】
スイッチの短絡故障が生じる場合、電力変換器に電流が継続して流れることで、電力変換器を構成する素子が過熱状態となり、電力変換器を劣化させるおそれがある。この点、上記構成では、短絡故障が判定された場合に、電力源からインダクタへの給電を停止させることとした。この場合、電流が継続して流れることを防止でき、電力変換器が劣化するのを防止することができる。
【００１７】
第６の発明では、前記電力変換器では、前記電力源からの電力を前記インダクタに供給する入力側電気経路において、コンデンサが前記インダクタに並列接続されており、前記電力源による前記インダクタへの給電開始を判定する開始判定部を備え、前記短絡判定部は、前記開始判定部により前記給電開始が判定されてから所定期間内において、前記短絡故障が生じていることを判定する。
【００１８】
インダクタに供給する入力電圧を安定化させるために、入力側電気経路においてコンデンサがインダクタに並列接続される構成を採用することがある。この場合、給電開始直後においては、コンデンサが設置されているため、インダクタに供給される入力電圧が緩やかに増加していく。そのため、給電開始直後においては、スイッチに流れる電流値が低い値となる。短絡故障を迅速に判定するという観点からは、給電開始とともに短絡故障の判定を実施できることが望ましい。そこで、第６の発明では、電力源からインダクタへの給電開始が判定されてから所定期間内において、短絡故障が生じていることを判定することとした。この場合、給電が開始されてから短絡故障を迅速に判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】電力変換装置の構成図。
【図２】電力変換装置の動作を説明するタイミングチャート。
【図３】電力変換装置の動作を説明するタイミングチャート。
【図４】短絡保護処理を説明するフローチャート。
【図５】電力変換装置の効果を説明する図。
【図６】電力変換装置の効果を説明する図。
【図７】第２実施形態に係る短絡保護処理を説明するフローチャート。
【図８】第３実施形態に係る電力変換装置の構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（第１実施形態）
以下、電力変換器の制御装置を具現化した実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る制御装置を含む電力変換装置９０の構成図である。
【００２１】
電力変換装置９０は、電力源としての直流電源１００から供給される電力を変換する電力変換器１０を備えている。電力変換器１０の入力側である入力端子Ｔｉに、電力源としての直流電源１００の正極端子が接続されており、出力側である出力端子Ｔｏ１，Ｔｏ２には給電対象が接続されている。直流電源１００の負極端子は、グランドに接続されている。本実施形態では、電力変換器１０は、フライバックコンバータであり、直流電源１００の端子間電圧Ｖｂを昇降圧して、給電対象に電力を供給する。例えば、給電対象は、３相インバータを構成するスイッチの駆動回路である。
【００２２】
電力変換器１０は、直流電源１００と入力端子Ｔｉを通じて接続された１次側回路１１と、出力端子Ｔｏ１，Ｔｏ２を通じて給電対象に接続された２次側回路３０と、１次側回路１１と２次側回路３０とを接続するトランス２０とを備えている。直流電源１００と、入力端子Ｔｉとは、ハーネス部材等の電力供給線１１０により接続されている。
【００２３】
１次側回路１１は、入力側電気経路Ｌ１と、入力側コイル１２と、第１コンデンサ１３と、ロードスイッチ１４と、第２コンデンサ１５と、駆動スイッチ５０と、電流検出回路６０とを備えている。
【００２４】
入力側電気経路Ｌ１の第１端には、入力端子Ｔｉが接続されている。入力側電気経路Ｌ１の第２端には、トランス２０の１次コイル２１の第１端が接続されている。入力側電気経路Ｌ１には、入力側コイル１２が設けられている。入力側電気経路Ｌ１において入力側コイル１２と１次コイル２１との間には、ロードスイッチ１４が設けられている。入力側電気経路Ｌ１において入力側コイル１２とロードスイッチ１４との間には、第１コンデンサ１３の第１端が接続されている。第１コンデンサ１３の第２端は、グランドに接続されている。
【００２５】
本実施形態では、ロードスイッチ１４は、Ｐチャンネル型のＭＯＳＦＥＴにより構成されている。ロードスイッチ１４のソースは、入力側コイル１２に接続されており、ロードスイッチ１４のドレインは、１次コイル２１に接続されている。また、ロードスイッチ１４のソースとゲートとが抵抗Ｒ１を通じて接続されている。ロードスイッチ１４が閉状態となることで、直流電源１００から１次コイル２１への給電が可能な状態とされる。また、ロードスイッチ１４が開状態となることで、直流電源１００から１次コイル２１への給電が不可能な状態とされる。
【００２６】
入力側電気経路Ｌ１においてロードスイッチ１４と１次コイル２１との間には、第２コンデンサ１５の第１端が接続されている。第２コンデンサ１５の第２端は、グランドに接続されている。第２コンデンサ１５は、入力側電気経路Ｌ１において、トランス２０の１次コイル２１に並列接続されている。
【００２７】
駆動スイッチ５０は、トランス２０に蓄積される電力を制御するためのスイッチである。本実施形態では、駆動スイッチ５０は、Ｎチャンネル型のＭＯＳＦＥＴにより構成されている。駆動スイッチ５０のドレインには、１次コイル２１が接続され、ソースには、電流検出回路６０の第１端が接続されている。電流検出回路６０の第２端は、グランドに接続されている。ロードスイッチ１４が閉状態となる期間において、駆動スイッチ５０が閉状態（オン状態）となることで、直流電源１００、入力側電気経路Ｌ１及び１次コイル２１を含む閉回路が形成され、この閉回路に電流が流れる。
【００２８】
電流検出回路６０は、トランス２０の１次コイル２１を通じて駆動スイッチ５０に流れる電流値を電流検出値ＣＳとして検出する。本実施形態では、電流検出回路６０は、シャント抵抗により構成されている。トランス２０の１次コイル２１がインダクタに相当する。
【００２９】
トランス２０は、更に、２次側回路３０に接続された２次コイル２２を備えている。１次側回路１１から１次コイル２１に供給される電圧により、トランス２０には磁気エネルギが蓄積される。
【００３０】
２次側回路３０は、トランス２０の２次コイル２２から出力された電力を給電対象に供給する。２次側回路３０は、第１出力側電気経路Ｌ２と、第２出力側電気経路Ｌ３と、ダイオード３１と、平滑コンデンサ３２と、を備えている。第１出力側電気経路Ｌ２の第１端には、２次コイル２２の第１端が接続され、第１出力側電気経路Ｌ２の第２端には、第１出力端子Ｔｏ１が接続されている。第１出力側電気経路Ｌ２には、ダイオード３１が設けられている。ダイオード３１のアノードは２次コイル２２に接続され、カソードは第１出力端子Ｔｏ１に接続されている。第２出力側電気経路Ｌ３の第１端には、２次コイル２２の第２端が接続され、第２出力側電気経路Ｌ３の第２端には、第２出力端子Ｔｏ２が接続されている。平滑コンデンサ３２は、第１出力側電気経路Ｌ２と第２出力側電気経路Ｌ３との間に接続されている。
【００３１】
本実施形態では、ロードスイッチ１４及び駆動スイッチ５０が閉状態となる場合、１次コイル２１の第１端と２次コイル２２の第２端とが正極性とされ、１次コイル２１の第２端と２次コイル２２の第１端とが負極性とされる。
【００３２】
電力変換装置９０は、ロードスイッチ１４及び駆動スイッチ５０の駆動を制御する制御装置４０を備えている。制御装置４０は、例えば、マイクロコンピュータにより構成されており、各端子４１，４２，４３，４４を通じて、１次側回路１１に接続されている。
【００３３】
具体的には、電圧端子４１は、供給ライン１６を介して、入力側電気経路Ｌ１における入力側コイル１２とロードスイッチ１４との間の接続点Ｋに接続されている。制御装置４０は、供給ライン１６を通じて電源電圧Ｖｃｃの供給を受ける。電源電圧Ｖｃｃは、制御装置４０が動作するために必要な電圧である。
【００３４】
起動用端子４２は、抵抗Ｒ２を介してロードスイッチ１４のゲートと接続されている。例えば、起動用端子４２が、制御装置４０の内部においてオープンドレイン回路に接続されている場合、起動信号ＳＤがロー状態となることにより、ロードスイッチ１４が閉状態となる。これにより、電力変換器１０が起動状態となる。一方、起動信号ＳＤがハイ状態となることにより、ゲートが不図示のグランドに接続され、ロードスイッチ１４が開状態となる。これにより、電力変換器１０が休止状態となる。
【００３５】
駆動用端子４３から駆動スイッチ５０のゲートに対して、駆動スイッチ５０をオン状態又はオフ状態に制御する操作信号ＯＵＴが出力される。操作信号ＯＵＴがハイ状態（オン操作指令）となる期間では、駆動スイッチ５０が閉状態となる。一方、操作信号ＯＵＴがロー状態（オフ操作指令）となる期間では、駆動スイッチ５０が開状態となる。操作信号ＯＵＴは、電力変換器１０の出力端子Ｔｏ１，Ｔｏ２からの要求出力値（例えば、要求出力電圧）に応じて生成される。詳しくは、要求出力値が大きいほど、駆動スイッチ５０における１スイッチング周期Ｔｓｗに対するオン期間Ｔｏｎの比率を示すデューディＤｕｔｙ（＝Ｔｏｎ／Ｔｓｗ）が大きくなる。制御装置４０がスイッチ制御部に相当する。
【００３６】
電流検出端子４４には、電流検出回路６０の第１端が接続されている。制御装置４０は、電流検出端子４４を介して電流検出値ＣＳを取得する。
【００３７】
次に、電力変換器１０の動作を、図２を用いて説明する。図２（ａ）は、操作信号ＯＵＴの推移を示す。図２（ｂ）は、電流検出値ＣＳの推移を示す。
【００３８】
時刻ｔ１において、ロードスイッチ１４が閉状態となり、電力変換器１０が起動状態となる。
【００３９】
その後、操作信号ＯＵＴがハイ状態となることで、駆動スイッチ５０が閉状態となる。そのため、１次コイル２１に１次電流Ｉ１が流れ、トランス２０に電力が蓄積される。このとき、２次コイル２２から電流が流れ出そうとするが、ダイオード３１により、電流の流れが阻止される。操作信号ＯＵＴがハイ状態となる期間では、１次コイル２１からの電流が駆動スイッチ５０を通じて電流検出回路６０に流れ込み、電流検出端子４４には、電流検出値ＣＳが生じる（図２（ｂ）参照）。
【００４０】
操作信号ＯＵＴがロー状態となることで、駆動スイッチ５０が開状態となる。そのため、トランス２０に蓄積された電力がダイオード３１を通じて出力される。操作信号ＯＵＴがロー状態となる期間では、電流検出回路６０には電流が流れないため、電流検出値ＣＳは０となる。そして、２次電流Ｉ２が０になった後、操作信号ＯＵＴにより駆動スイッチ５０が再びオフ状態からオン状態に切り替えられる。
【００４１】
制御装置４０は、電流検出値ＣＳを用いて、電力変換器１０を過電流から保護する過電流保護処理を実施する。過電流保護処理では、電流検出値ＣＳと過電流閾値ＴＣとが比較されることにより、電力変換器１０の過電流状態が判定される。過電流保護処理では、電流検出値ＣＳが過電流閾値ＴＣを超える場合、直流電源１００から１次側回路１１への給電が停止される。
【００４２】
ここで、駆動スイッチ５０のオン(導通)状態が維持される駆動スイッチ５０の短絡故障が生じる場合がある。駆動スイッチ５０に短絡故障が生じると、トランス２０が磁気飽和し、電力変換器１０の１次側回路１１に過電流が流れるおそれがある。図２では、時刻ｔ２の直前で駆動スイッチ５０の短絡故障が生じている。このため、操作信号ＯＵＴがロー状態とされているものの、駆動スイッチ５０のオン(導通)状態が維持されている。そのため、１次コイル２１及び駆動スイッチ５０に電流が流れ続け、時刻ｔ３において電流検出値ＣＳが過電流閾値ＴＣを超えると、過電流が流れていることが制御装置４０により判定される。
【００４３】
駆動スイッチ５０の短絡故障が生じる場合に流れる１次電流Ｉ１の上昇速度は、直流電源１００からの入力電圧、電力供給線１１０の抵抗値、及び入力側電気経路Ｌ１における合成抵抗に応じて定まる。例えば、直流電源１００と電力変換器１０とを繋ぐ電力供給線１１０の経時劣化により抵抗値が大きくなることで、１次コイル２１に流れる１次電流Ｉ１の上昇速度が低くなる。また、例えば、直流電源１００の出力電圧が低いことにより、１次電流Ｉ１の上昇速度が低くなる。
【００４４】
図３は、１次電流Ｉ１の上昇速度が図２に示した１次電流Ｉ１の上昇速度よりも低くなる場合の各波形の推移を示す。図３（ａ），図３（ｂ）は、図２（ａ），図２（ｂ）に対応している。
【００４５】
図３においても、操作信号ＯＵＴがハイ状態となる期間において、１次側回路１１に１次電流Ｉ１が流れる。１次電流Ｉ１の上昇速度は、図２（ｂ）に示す場合よりも低くなっている。図３（ｂ）において、１次電流Ｉ１の上昇速度に応じた電流検出値ＣＳの傾きは、図２（ｂ）に示した電流検出値ＣＳの傾き（一点鎖線で示す）よりも小さくなっている。
【００４６】
時刻ｔ１１の直前に、駆動スイッチ５０の短絡故障が生じたとする。この場合、その後操作信号ＯＵＴがロー状態となる期間においても、駆動スイッチ５０のオン状態が維持されている。しかし、１次コイル２１に流れる１次電流Ｉ１の上昇速度が低く、電流検出値ＣＳが過電流閾値ＴＣを超えるのに要する時間が、一点鎖線で示す電流検出値ＣＳの上昇速度で過電流閾値ＴＣを超えるのに要する時間（Ｐ１）よりも長くなっている。その結果、駆動スイッチ５０の短絡故障の判定タイミングが遅延してしまう。なお、短絡故障時に流れる１次電流Ｉ１が低い値であっても、１次電流Ｉ１が長時間流れることで、１次側回路１１が過熱状態となり得る。この場合、１次側回路１１を構成する素子に不具合を生じさせるおそれがある。
【００４７】
上述した問題に対処するための本実施形態の特徴的構成について説明する。電力変換器１０では、駆動スイッチ５０が開状態となることでトランス２０の電力の蓄積が停止され、１次側回路１１に１次電流Ｉ１が流れない期間が生じる。ここで、駆動スイッチ５０に短絡故障が生じると、操作信号ＯＵＴがロー状態となる期間においても、駆動スイッチ５０のオン（通電）状態が継続され、駆動スイッチ５０に１次電流Ｉ１が流れ続ける。そのため、操作信号ＯＵＴがロー状態の期間に駆動スイッチ５０に１次電流Ｉ１が継続して流れている状態から、駆動スイッチ５０の短絡故障を判定することが可能となる。この場合、１次電流Ｉ１が流れていることを判定できればよいため、電流値の大きさを判定する必要はない。したがって、短絡故障を判定するための閾値を過電流閾値ＴＣよりも小さくすることができる。
【００４８】
そこで、本実施形態では、制御装置４０は、過電流閾値ＴＣよりも小さい主短絡閾値ＴＳ１に基づいて、操作信号ＯＵＴがロー状態である期間において駆動スイッチ５０の短絡故障を判定する。そして、制御装置４０は、短絡故障及び過電流状態のいずれかを判定した場合に、直流電源１００からトランス２０への給電を停止させる。
【００４９】
次に、図４を用いて、制御装置４０により実施される短絡保護処理を説明する。図４に示す処理は、所定周期で繰り返し実施される。
【００５０】
ステップＳ１０では、電流検出値ＣＳを取得する。ステップＳ１０が電流検出部に相当する。
【００５１】
ステップＳ１１では、直流電源１００からトランス２０への給電開始期間中であるか否かを判定する。本実施形態において、給電開始期間は、ロードスイッチ１４が開状態から閉状態に切り替えられてから所定期間経過するまでの期間である。直流電源１００からトランス２０への給電開始からの所定期間においては、第２コンデンサ１５の静電容量やロードスイッチ１４の開閉速度に応じて、１次コイル２１に供給される入力電圧が緩やかに増加していく。そのため、給電開始からの所定期間においては、駆動スイッチ５０に短絡故障が生じていたとしても、１次電流Ｉ１の上昇速度が低い値となる。そこで、本実施形態では、給電開始期間において、主短絡閾値ＴＳ１を用いて駆動スイッチ５０の短絡故障を判定することで、短絡故障の判定を迅速に実施できるようにしている。
【００５２】
給電開始期間は、例えば、入力電圧により第２コンデンサ１５の充電が開始されてから、第２コンデンサ１５の端子間電圧が予め定められた電圧よりも大きくなるのに要する時間である。ステップＳ１１が、開始判定部に相当する。すなわち、本実施形態では、短絡故障の判定は、電力変換器１０の起動時から給電開始期間に渡って継続して実施される。
【００５３】
ステップＳ１３〜Ｓ１７では、操作信号ＯＵＴがロー状態である期間における電流検出値ＣＳと主短絡閾値ＴＳ１との比較に基づいて、駆動スイッチ５０の短絡故障を判定する。短絡故障により、操作信号ＯＵＴがロー状態となる期間においても１次電流Ｉ１が流れ続ける。このため、電流検出値ＣＳが主短絡閾値ＴＳ１よりも大きくなる期間が、短絡故障が生じていない場合よりも長くなる。そこで、本実施形態では、電流検出値ＣＳが主短絡閾値ＴＳ１よりも大きくなる継続時間を第１計測時間Ｃｏ１として算出する。そして、第１計測時間Ｃｏ１が所定の第１超過時間Ｔ１を超えた場合に、駆動スイッチ５０の短絡故障が生じていると判定している。ステップＳ１３〜Ｓ１７が短絡判定部に相当する。
【００５４】
まず、ステップＳ１３では、電流検出値ＣＳが主短絡閾値ＴＳ１よりも大きいか否かを判定する。主短絡閾値ＴＳ１は、操作信号ＯＵＴがハイ状態となる期間において、１次コイル２１に過電流が流れていない場合に想定される１次電流Ｉ１の範囲内の値である。
【００５５】
電流検出値ＣＳが主短絡閾値ＴＳ１よりも大きい場合、ステップＳ１４に進む。ステップＳ１４では、電流検出値ＣＳが主短絡閾値ＴＳ１よりも大きくなる継続時間を示す第１計測時間Ｃｏ１を増加させる。ステップＳ１５では、ステップＳ１３で増加させた第１計測時間Ｃｏ１が第１超過時間Ｔ１以上であるか否かを判定する。本実施形態では、第１超過時間Ｔ１は、駆動スイッチ５０の１スイッチング周期Ｔｓｗよりも長い時間に設定されている。なお、第１超過時間Ｔ１は、例えば固定値に設定されていればよい。
【００５６】
第１超過時間Ｔ１は、電力変換器１０の要求出力値に応じて可変設定されるものであってもよい。要求出力値の増加に応じて駆動スイッチ５０のオン期間Ｔｏｎが長くなる。そのため、第１超過時間Ｔ１は、要求出力値に基づいて、駆動スイッチ５０のオン期間Ｔｏｎよりも長くなるよう設定されてもよい。
【００５７】
ステップＳ１３において、電流検出値ＣＳが主短絡閾値ＴＳ１未満である場合、ステップＳ１７に進む。ステップＳ１７では、第１計測時間Ｃｏ１を０にリセットする。そして、図４の処理を一旦終了する。そのため、電流検出値ＣＳが主短絡閾値ＴＳ１よりも大きい期間が継続する間、第１計測時間Ｃｏ１の増加が継続される。
【００５８】
ステップＳ１５において、第１計測時間Ｃｏ１が第１超過時間Ｔ１よりも小さい場合、図４の処理を一旦終了する。
【００５９】
電流検出値ＣＳが主短絡閾値ＴＳ１よりも大きい期間が継続することで、ステップＳ１５において、第１計測時間Ｃｏ１が第１超過時間Ｔ１以上であると判定する。続くステップＳ１６では、駆動スイッチ５０の短絡故障が生じていると判定する。
【００６０】
ステップＳ１８では、起動信号ＳＤをハイ状態に変化させることで、ロードスイッチ１４を開状態とする。そのため、直流電源１００からトランス２０への電力供給が停止され、電力変換器１０が休止状態となる。そして、図４の処理を一旦終了する。
【００６１】
ステップＳ１１において、給電開始期間中でないと判定した場合、ステップＳ２０に進む。すなわち、本実施形態では、給電開始期間の経過後は、主短絡閾値ＴＳ１を用いた短絡故障の判定を実施しないこととしている。
【００６２】
ステップＳ２０〜Ｓ２６において、電力変換器１０の過電流状態を判定する。
【００６３】
詳しくは、ステップＳ２０では、電流検出値ＣＳが副短絡閾値ＴＳ２よりも大きいか否かを判定する。副短絡閾値ＴＳ２は、主短絡閾値ＴＳ１よりも大きな値であって、電力変換器１０を休止状態とすることが望ましい１次電流Ｉ１の上昇速度に応じて定められた値である。本実施形態では、副短絡閾値ＴＳ２は、過電流閾値ＴＣよりも大きな値とされている。
【００６４】
副短絡閾値ＴＳ２を用いた短絡故障の判定において、電流検出値ＣＳが副短絡閾値ＴＳ２よりも継続して大きくなる時間を、ステップＳ１５において第１計測時間Ｃｏ１を判定する第１超過時間Ｔ１よりも短くしている。本実施形態では、ステップＳ２０において、電流検出値ＣＳが副短絡閾値ＴＳ２よりも継続して大きくなる時間を０としている。そのため、電流検出値ＣＳが副短絡閾値ＴＳ２よりも大きくなることで、ステップＳ２５に進む。ステップＳ２５では、駆動スイッチ５０の短絡故障を判定する。ステップＳ２７では、起動信号ＳＤをハイ状態に変化させることで、ロードスイッチ１４を開状態とする。そのため、電力変換器１０が休止状態となる。そして、図４に示す処理を一旦終了する。
【００６５】
電流検出値ＣＳが副短絡閾値ＴＳ２よりも小さければ、ステップＳ２１〜Ｓ２４，Ｓ２６において、電力変換器１０の過電流状態を判定する。ステップＳ２１〜Ｓ２４，Ｓ２６が過電流判定部に相当する。
【００６６】
ステップＳ２１では、電流検出値ＣＳが過電流閾値ＴＣよりも大きいか否かを判定する。本実施形態では、過電流閾値ＴＣは、主短絡閾値ＴＳ１よりも大きな値であって、かつ副短絡閾値ＴＳ２よりも小さな値である。本実施形態では、電流検出値ＣＳが過電流閾値ＴＣよりも大きくなる期間に基づいて、過電流状態を判定する。まず、ステップＳ２２では、電流検出値ＣＳが過電流閾値ＴＣよりも大きくなる経過時間を示す第２計測時間Ｃｏ２を増加させる。ステップＳ２１において、電流検出値ＣＳが過電流閾値ＴＣよりも小さければ、ステップＳ２４に進み、第２計測時間Ｃｏ２を０にリセットする。そのため、第２計測時間Ｃｏ２は、電流検出値ＣＳが過電流閾値ＴＣよりも大きくなる期間が継続することで増加する。
【００６７】
ステップＳ２３では、第２計測時間Ｃｏ２が第２超過時間Ｔ２以上であるか否かを判定する。第２超過時間Ｔ２は、例えば、一時的な電流検出値ＣＳの増加と、過電流状態とを区別するための時間であり、実験や計算により定められた値である。第２計測時間Ｃｏ２が第２超過時間Ｔ２未満であれば、図４の処理を一旦終了する。
【００６８】
第２計測時間Ｃｏ２が第２超過時間Ｔ２以上であれば、ステップＳ２６に進む。ステップＳ２６では、電力変換器１０が過電流状態であると判定する。起動時において、短絡故障を判定しているため、ステップＳ２６で肯定判定した場合、駆動スイッチ５０が短絡故障していない可能性が高くなる。過電流状態であれば、短絡故障と異なり、操作信号ＯＵＴをロー状態にすることで、１次側回路１１に１次電流Ｉ１が流れなくなる。ここで、起動用端子４２がオープンドレイン回路に接続されている場合、起動信号ＳＤがロー状態となることで、起動用端子４２は不図示のグランドに接続される。この状態で、起動用端子４２を通じて制御装置４０に大電流が流れこむおそれがある。そこで、ステップＳ２８に進む場合は、操作信号ＯＵＴをハイ状態に維持することで、駆動スイッチ５０を開状態とする。そして、図４に示す処理を一旦終了する。なお、ステップＳ２８において、駆動スイッチ５０を開状態にすることに加えて、ロードスイッチ１４を開状態としてもよい。
【００６９】
本実施形態では、図４の処理の次の制御周期において、操作信号ＯＵＴのロー状態への維持を解除する。なお、過電流状態の判定が所定回数以上の制御周期において繰り返す場合に、電力変換器１０を停止状態とするものであってもよい。ステップＳ１８，Ｓ２７，Ｓ２８が停止制御部に相当する。
【００７０】
次に、図５，図６を用いて、本実施形態に係る効果を説明する。図５は、給電開始から所定期間において、短絡故障の判定を説明するタイミングチャートである。図５（ａ）は、操作信号ＯＵＴの推移を示し、図５（ｂ）は、電流検出値ＣＳの推移を示す。図５（ｃ）は、第１計測時間Ｃｏ１の推移を示し、図５（ｄ）は、ロードスイッチ１４の駆動状態の推移を示す。図５では、時刻ｔ２７の直前で、駆動スイッチ５０の短絡故障が生じている場合を例示している。
【００７１】
時刻ｔ２１において、電流検出値ＣＳが主短絡閾値ＴＳ１よりも大きな値となることで、第１計測時間Ｃｏ１の増加が開始される。駆動スイッチ５０の短絡故障が生じていないため、操作信号ＯＵＴがロー状態となる時刻ｔ２２において、駆動スイッチ５０が閉状態から開状態に切り替えられる。そのため、時刻ｔ２２において、電流検出値ＣＳが主短絡閾値ＴＳ１以下となり、第１計測時間Ｃｏ１がリセットされる。時刻ｔ２１からｔ２２の期間、時刻ｔ２３からｔ２４の期間及び時刻ｔ２５からｔ２６の期間も、時刻ｔ２１からｔ２２の期間と同様である。
【００７２】
時刻ｔ２７の直前のタイミングにおいて、駆動スイッチ５０の短絡故障が生じる。このため、時刻ｔ２７において、電流検出値ＣＳが主短絡閾値ＴＳ１よりも大きな値となることで、第１計測時間Ｃｏ１の増加が開始される。駆動スイッチ５０が短絡故障しているため、時刻ｔ２７の後、操作信号ＯＵＴがロー状態となる時刻においても、第１計測時間Ｃｏ１の増加が継続される。そして、時刻ｔ２８において、第１計測時間Ｃｏ１が第１超過時間Ｔ１以上になることで、ロードスイッチ１４が開状態となり、電力変換器１０が休止状態となる。
【００７３】
次に、図６を用いて、給電開始から所定期間経過後の過電流状態の判定を説明する。図６（ａ），（ｂ），（ｄ）は、図５（ａ），（ｂ），（ｄ）にそれぞれ対応している。図６（ｃ）は、第２計測時間Ｃｏ２の推移を示している。図６では、時刻ｔ３１の直前において、駆動スイッチ５０の短絡故障が生じている場合を例示している。
【００７４】
給電開始から所定期間経過後は、経過前よりも第２コンデンサ１５の端子間電圧が高く、１次電流Ｉ１の上昇速度が図５（ｂ）に示すものよりも大きくなる。
【００７５】
時刻ｔ３１の直前で駆動スイッチ５０の短絡故障が生じる。時刻ｔ３２において、電流検出値ＣＳが過電流閾値ＴＣよりも大きくなることで、第２計測時間Ｃｏ２の増加が開始される。駆動スイッチ５０の短絡故障により、第２計測時間Ｃｏ２の増加が継続される。第２計測時間Ｃｏ２が第２超過時間Ｔ２以上となる前に、時刻ｔ３３において、電流検出値ＣＳが副短絡閾値ＴＳ２を超える。そのため、ロードスイッチ１４が開状態となり、電力変換器１０が休止状態となる。
【００７６】
以上説明した本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
【００７７】
・制御装置４０は、電流検出値ＣＳが主短絡閾値ＴＳ１よりも継続して大きくなる第１計測時間Ｃｏ１がオン操作指令となる期間を示す第１超過時間Ｔ１よりも長い場合に、駆動スイッチ５０の短絡故障が生じていると判定した。この場合、主短絡閾値ＴＳ１を過電流閾値ＴＣよりも小さくすることができるため、短絡故障時に流れる電流の上昇速度が低い場合であっても、短絡故障を適正に判定することができる。また、電流検出値ＣＳが主短絡閾値ＴＳ１よりも大きくなる期間が、オン操作指令となる期間よりも長くなることを短絡故障の判定条件とした。これにより、ノイズ等による短絡故障の誤判定を防止することができる。
【００７８】
・制御装置４０は、電流検出値ＣＳが主短絡閾値ＴＳ１よりも大きい副短絡閾値ＴＳ２を超える場合にも駆動スイッチ５０に短絡故障が生じていることを判定することとした。この場合、電流上昇速度が大きい場合は、短絡故障が判定されるため、短絡故障を迅速に判定することができる。
【００７９】
・制御装置４０は、短絡故障を判定した場合に、ロードスイッチ１４を開状態に切り替え、直流電源１００からトランス２０への給電を停止させることとした。この場合、短絡故障に伴う過熱により、電力変換器１０を構成する各素子が劣化するのを防止することができる。
【００８０】
・制御装置４０は、直流電源１００による給電開始を判定してから所定期間内において、駆動スイッチ５０の短絡故障を判定することとした。第２コンデンサ１５が設けられているため、給電開始から所定期間内においては、駆動スイッチ５０に流れる電流の上昇速度が低くなりやすい。この場合であっても、駆動スイッチ５０の短絡故障を迅速に判定することができる。
【００８１】
（第２実施形態）
第２実施形態では、第１実施形態と異なる構成を中心に説明する。
【００８２】
この第２実施形態では、電流検出値ＣＳを主短絡閾値ＴＳ１と比較する期間を、操作信号ＯＵＴがロー状態となる期間に限定している。
【００８３】
図７は、第２実施形態に係る制御装置４０により実施される短絡保護処理を説明するフローチャートである。図７に示す処理は、制御装置４０により所定周期で繰り返し実施される。
【００８４】
ステップＳ１１において給電開始中であることを判定した場合、ステップＳ３１に進む。ステップＳ３１では、操作信号ＯＵＴがロー状態であるか否かを判定する。操作信号ＯＵＴがロー状態でなければ、図７の処理を一旦終了する。操作信号ＯＵＴがロー状態であれば、ステップＳ１３に進む。ステップＳ３１が状態判定部に相当する。
【００８５】
ステップＳ１３では、電流検出値ＣＳが主短絡閾値ＴＳ１よりも大きいか否かを判定する。電流検出値ＣＳが主短絡閾値ＴＳ１よりも大きければ、ステップＳ１６に進み、駆動スイッチ５０の短絡故障が生じていることを判定する。その後、ステップＳ１８に進む。
【００８６】
なお、この第２実施形態においても、ステップＳ１１において給電開始期間中でないと判定した場合、ステップＳ２０に進む。
【００８７】
以上説明した本実施形態によれば、上記第１実施形態の効果と同様の効果を得ることができる。
【００８８】
（第３実施形態）
第３実施形態では、第１実施形態と異なる構成を中心に説明する。
【００８９】
第３実施形態では、図８に示すように、電力変換器１０は、２つの駆動スイッチを備えており、各駆動スイッチの短絡故障が生じているか否かが判定される。図８は、第３実施形態に係る電力変換器１０の構成図である。図８では、２つの駆動スイッチを備える電力変換装置として、プッシュプル型の電力変換器を示している。
【００９０】
電力変換器１０において、１次側回路１１と、２次側回路３０とは、トランス７０を介して結合されている。トランス７０の１次コイル７１には、１次側センタタップＣＴ１が設けられている。１次側センタタップＣＴ１は、ロードスイッチ１４のドレインに接続されている。１次コイル７１のうち、１次側センタタップＣＴ１から第１端までを第１コイル部７３とし、１次側センタタップＣＴ１から第２端までを第２コイル部７４と称すこととする。トランス７０の２次コイル７２には、２次側センタタップＣＴ２が設けられている。２次側センタタップＣＴ２は、出力側コイル３５を介して第１出力側電気経路Ｌ２に接続されている。２次コイル７２のうち、２次側センタタップＣＴ２から２次コイル７２の第１端までを第３コイル部７５とし、２次側センタタップＣＴ２から第２端までを第４コイル部７６と称すこととする。
【００９１】
第３コイル部７５は、第１ダイオード３３のカソードに接続されており、第４コイル部７６は、第２ダイオード３４のカソードに接続されている。第１，第２ダイオード３３，３４のそれぞれのアノードは、第２出力側電気経路Ｌ３に接続されている。
【００９２】
本実施形態では、駆動用スイッチとして、第１スイッチ５１と第２スイッチ５２とを備えている。本実施形態において、第１，第２スイッチ５１，５２は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴである。第１スイッチ５１及び第２スイッチ５２の各ドレインは、１次コイル７１の両端のそれぞれに接続されている。具体的には、第１スイッチ５１は、１次コイル７１における第１コイル部７３に接続されており、第２スイッチ５２は第２コイル部７４に接続されている。
【００９３】
電力変換器１０は、電流検出回路として、第１検出回路６１と、第２検出回路６２とを備えている。第１検出回路６１の第１端は、第１スイッチ５１のソースに接続され、第２端はグランドに接続されている。第２検出回路６２の第１端は、第２スイッチ５２のソースに接続され、第２端はグランドに接続されている。本実施形態においても、第１，第２検出回路６１，６２はシャント抵抗により構成されている。
【００９４】
制御装置４０は、操作信号ＯＵＴを出力する駆動用端子として第１駆動用端子４５及び第２駆動用端子４６を備え、電流検出値ＣＳを検出する検出端子として、第１検出端子４８及び第２検出端子４７を備えている。第１駆動用端子４５からは、第１スイッチ５１の駆動を制御する第１操作信号ＯＵＴ１が出力される。第２駆動用端子４６からは、第２スイッチ５２の駆動を制御する第２操作信号ＯＵＴ２が出力される。第１検出端子４８には、第１検出回路６１の第１端が接続されている。また、第２検出端子４７には、第２検出回路６２の第１端が接続されている。
【００９５】
第１，第２スイッチ５１，５２は、制御装置４０から出力される第１，第２操作信号ＯＵＴ１，ＯＵＴ２に応じてそれぞれ閉状態と開状態とに制御される。第１スイッチ５１が閉状態とされ、第２スイッチ５２が開状態とされることで、直流電源１００と、１次コイル７１の第１コイル部７３と、第１検出回路６１とを含む閉回路が形成され、この閉回路に１次電流Ｉ１が流れる。また、第１スイッチ５１が閉状態とされ、第２スイッチ５２が開状態とされることで、直流電源１００と、１次コイル７１の第２コイル部７４と、第２検出回路６２とを含む閉回路が形成され、この閉回路に１次電流Ｉ１が流れる。
【００９６】
第１スイッチ５１が開状態となる期間では、第１検出回路６１には電流が流れず、第２スイッチ５２が開状態となる期間では、第２検出回路６２には電流が流れない。そのため、制御装置４０は、第１電流検出値ＣＳ１が主短絡閾値ＴＳ１よりも継続して大きくなる期間が第１超過時間Ｔ１以上であると判定した場合に、第１スイッチ５１の短絡故障を判定する。また、制御装置４０は、第２電流検出値ＣＳ２が主短絡閾値ＴＳ１よりも継続して大きくなる期間が第１超過時間Ｔ１を超えた場合に、第２スイッチ５２の短絡故障を判定する。
【００９７】
（その他の実施形態）
第１実施形態において、給電開始から所定期間において、副短絡閾値ＴＳ２を用いた駆動スイッチ５０の短絡故障判定を実施してもよい。この場合、例えば、図４のステップＳ１２の後、制御装置４０は、電流検出値ＣＳと副短絡閾値ＴＳ２との比較を行う。そして、電流検出値ＣＳが副短絡閾値ＴＳ２よりも大きいと判定すれば、ステップＳ１６に進み短絡故障を判定する。一方、電流検出値ＣＳが副短絡閾値ＴＳ２未満であると判定すれば、ステップＳ１３に進み、電流検出値ＣＳと主短絡閾値ＴＳ１との比較を行う。
【００９８】
・短絡故障の判定と、過電流状態の判定とが同じ期間に実施されるものであってもよい。この場合、制御装置４０は、電流検出値ＣＳを、副短絡閾値ＴＳ２、過電流閾値ＴＣ、主短絡閾値ＴＳ１の順序で比較することで、短絡故障及び過電流状態の判定を実施すればよい。
【００９９】
・図４のステップＳ２０において、電流検出値ＣＳが副短絡閾値ＴＳ２よりも継続して大きくなる時間を判定するものであってもよい。この場合、電流検出値ＣＳが副短絡閾値ＴＳ２よりも継続して大きくなる時間は、ステップＳ１５において、第１計測時間Ｃｏ１を判定する第１超過時間Ｔ１よりも短い時間であればよい。例えば、ステップＳ２０において、電流検出値ＣＳが副短絡閾値ＴＳ２よりも継続して大きくなる時間を計測時間として計測する。そして、計測時間が第１超過時間Ｔ１よりも短い時間を示す第３超過時間Ｔ３よりも大きい場合に、ステップＳ２５に進み、駆動スイッチ５０の短絡故障を判定する。
【０１００】
・駆動スイッチに流れる電流を検出する電流検出部の設置個所としては、図１に示したものに限らない。例えば、１次コイル２１の第２端からグランドまでの電気経路の任意の箇所を設置個所としてもよい。
【０１０１】
・電力変換器は、非絶縁型かつチョッパ型のＤＣ／ＤＣコンバータであってもよい。
【符号の説明】
【０１０２】
１０…電力変換器、４０…制御装置、５０…駆動スイッチ、１００…直流電源。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2019037100.tif 000008
【図７】
2019037100.tif 000009
【図８】
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