(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端が共に直流電源（１５）の一方の電極に接続され、トランス（２０）の一次側を構成する第１一次巻線（３０）及び第２一次巻線（４０）と、
前記第１一次巻線及び前記第２一次巻線の各他端と前記直流電源の他方の電極との間に接続された第１スイッチ（ＳＷ１）及び第２スイッチ（ＳＷ２）と、
前記トランスの二次側を構成する一つ以上の二次巻線（５０）と、
前記二次巻線の両端に接続され、前記二次巻線の漏れインダクタンス（５２）と共に、負荷としてＬＣ共振回路を構成するコンデンサ（６０）と、
前記第１スイッチ及び前記第２スイッチを相補的にオン／オフするように駆動する駆動信号を生成する駆動信号生成部（７０）と、
前記第１スイッチがオフし前記第２スイッチがオンしたとき前記トランスに誘起され、前記一次巻線の励磁インダクタンス（３１、４１）に発生する電圧である励磁巻線電圧（Ｖｃ）を、前記第１スイッチのドレイン−ソース間電圧である第１スイッチ電圧（Ｖｓｗ１）に基づいて検出し、当該励磁巻線電圧の検出値に基づいて前記負荷の短絡異常を判定する短絡判定部（８０１、８０２、８０３）と、
を備える絶縁型電力変換装置。
【請求項２】
前記短絡判定部（８０１）は、
前記励磁巻線電圧の時間変化率の絶対値が所定の変化率閾値（α＿ｔｈ）未満のとき、前記負荷が短絡異常であると判定する請求項１に記載の絶縁型電力変換装置。
【請求項３】
前記短絡判定部（８０２）は、
負荷短絡時における前記励磁巻線電圧の一定値を含む範囲を規定範囲として設定し、
前記励磁巻線電圧を所定の変換周期でＡＤ変換し、当該ＡＤ変換値が前記規定範囲内にある回数が所定の回数閾値（Ｎ＿ｔｈ）を超えたとき、前記負荷が短絡異常であると判定する請求項１に記載の絶縁型電力変換装置。
【請求項４】
前記短絡判定部（８０３）は、
負荷短絡時における前記励磁巻線電圧の一定値を含む範囲を規定範囲として設定し、
前記励磁巻線電圧が前記規定範囲内にある時間が所定の時間閾値（Ｔ＿ｔｈ）を超えたとき、前記負荷が短絡異常であると判定する請求項１に記載の絶縁型電力変換装置。
【請求項５】
前記短絡判定部（８０２、８０３）は、
前記直流電源の電源電圧（Ｖｉｎ）に応じて前記規定範囲を可変に設定する請求項３または４に記載の絶縁型電力変換装置。
【請求項６】
前記短絡判定部により前記負荷が短絡異常であると判定されたとき、
前記第１スイッチ及び前記第２スイッチのスイッチング動作を停止する請求項１〜５のいずれか一項に記載の絶縁型電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電源から入力される電力をトランスにより変換して負荷に供給する絶縁型電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、スイッチング素子（以下「スイッチ」）の動作により、入力された電力を変換して負荷に供給する電力変換装置において、負荷側の短絡等による過電流異常を検出し、スイッチのスイッチング動作を停止する技術が知られている。例えば特許文献１に開示された技術では、インバータの入力側電流経路に電流検出抵抗器を設け、当該電流検出抵抗器の端子間に接続した増幅比較回路の出力に基づいて過電流異常を検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１７６４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の従来技術は非絶縁型のインバータに関するものであるが、この技術は、絶縁型電力変換装置において、一次側に流れる電流により二次側負荷の短絡異常を検出する構成にも同様に適用することができる。特許文献１の従来技術では、増幅比較回路を設けて電流検出抵抗器の抵抗値を下げているとはいえ、大電流が流れる経路に抵抗器を接続することに変わりはなく、損失が発生する。
そこで、損失の発生を防ぐために電流センサを用いる方法がある。しかし、電流センサを用いると電流検出遅れが大きくなり、過電流異常と判定するまでに時間がかかる。その結果、スイッチング動作の停止が遅れ、装置の破壊等に至るおそれがある。
【０００５】
本発明はこのような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、低損失且つ迅速に負荷の短絡異常を検出する絶縁型電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の絶縁型電力変換装置は、第１一次巻線（３０）及び第２一次巻線（４０）と、第１スイッチ（ＳＷ１）及び第２スイッチ（ＳＷ２）と、一つ以上の二次巻線（５０）と、コンデンサ（６０）と、駆動信号生成部（７０）と、短絡判定部（８０１、８０２、８０３）とを備える。
第１一次巻線及び第２一次巻線は、一端が共に直流電源（１５）の一方の電極に接続され、トランス（２０）の一次側を構成する。第１スイッチ及び第２スイッチは、第１一次巻線及び第２一次巻線の各他端と直流電源の他方の電極との間に接続されている。
なお、ここでの直流電源には平滑コンデンサが含まれるものとする。
【０００７】
一つ以上の二次巻線は、トランスの二次側を構成する。
コンデンサは、二次巻線の両端に接続され、二次巻線の漏れインダクタンス（５２）と共に、「負荷」としてＬＣ共振回路を構成する。
駆動信号生成部は、第１スイッチ及び第２スイッチを相補的にオン／オフするように駆動する駆動信号を生成する。
なお、コンデンサは、独立した素子に限らず、容量成分を有する種々の部品や複数の部品の集合体をコンデンサとみなしてもよい。
【０００８】
ここで、第１スイッチがオフし第２スイッチがオンしたときトランスに誘起され、一次巻線の励磁インダクタンス（３１、４１）に発生する電圧を「励磁巻線電圧（Ｖｃ）」と定義する。
短絡判定部は、励磁巻線電圧を、第１スイッチのドレイン−ソース間電圧である第１スイッチ電圧（Ｖｓｗ１）に基づいて検出する。そして、短絡判定部は、当該励磁巻線電圧の検出値に基づいて負荷の短絡異常を判定する。
本明細書で「短絡」とは、抵抗が完全に０［Ω］となる場合に限らず、正常時に比べて抵抗が極めて小さくなり、許容範囲を超えた過電流が流れる異常全般を含む。また、厳密には電界効果トランジスタの用語である「ドレイン−ソース間電圧」は、バイポーラトランジスタにおける「コレクタ−エミッタ電圧」を含むものとして解釈する。
【０００９】
正常時、第２スイッチのオン動作に伴って発生するＬＣ共振回路の共振により、第２スイッチのオン期間である検出期間において、励磁巻線電圧はＳ字曲線を描いて単調変化する。一方、負荷の短絡時、負荷の構成要素は二次巻線の漏れインダクタンスのみとなり、ＬＣ共振が起こらないため、検出期間において、励磁巻線電圧は一定値となる。
また、励磁巻線電圧は、第１スイッチがオフし第２スイッチがオンしたとき、オフしている第１スイッチの第１スイッチ電圧に基づいて検出することができる。
【００１０】
本発明ではこの点に着目し、短絡判定部は、励磁巻線電圧の検出値に基づいて負荷の短絡異常を判定する。詳しくは、短絡判定部は、検出期間において励磁巻線電圧が単調変化する場合は正常であり、励磁巻線電圧が一定である場合は、負荷が短絡異常であると判定する。これにより、大電流が流れる経路に抵抗器を接続する必要がないため、従来技術に比べて損失を低減することができる。
また、電流センサを用いる技術に比べ、過電流異常を迅速に検出することができる。したがって、異常検出時にスイッチのスイッチング動作を速やかに停止することにより、装置の破壊や周辺機器等への悪影響を適切に防止することができる。
【００１１】
具体的に短絡判定部は、例えば励磁巻線電圧の時間変化率を所定の変化率閾値と比較してもよい。
或いは、短絡判定部は、負荷短絡時における励磁巻線電圧の一定値を含む範囲を規定範囲として設定し、励磁巻線電圧のＡＤ変換値が規定範囲内にある回数、又は、励磁巻線電圧が規定範囲内にある時間をそれぞれの閾値と比較してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】各実施形態の絶縁型電力変換装置の一般構成、及び、（ａ）ＳＷ１オン／ＳＷ２オフ時、（ｂ）ＳＷ１オフ／ＳＷ２オン時の電流経路を説明する図。
【図２】正常時における（ａ）ＳＷ２オン時の等価回路、（ｂ）励磁巻線電圧の変化を示す図。
【図３】負荷短絡時における（ａ）ＳＷ２オン時の等価回路、（ｂ）励磁巻線電圧の変化を示す図。
【図４】第１実施形態の絶縁型電力変換装置の構成図。
【図５】第１実施形態による正常時のタイムチャート。
【図６】第１実施形態による負荷短絡時のタイムチャート
【図７】第２実施形態の絶縁型電力変換装置の構成図。
【図８】第２実施形態による正常時のタイムチャート。
【図９】第２実施形態による負荷短絡時のタイムチャート
【図１０】第３実施形態の絶縁型電力変換装置の構成図。
【図１１】第３実施形態による正常時のタイムチャート。
【図１２】第３実施形態による負荷短絡時のタイムチャート
【図１３】（ａ）第１比較例、（ｂ）第２比較例による短絡判定の構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、絶縁型電力変換装置の実施形態を図面に基づいて説明する。この絶縁型電力変換装置は、直流電源から入力される電力をトランスにより変換して負荷に供給する装置である。本実施形態では、直流電力を交流電力に変換するＤＣ−ＡＣコンバータを例示する。
［絶縁型電力変換装置の一般構成と作用］
最初に、本実施形態の絶縁型電力変換装置の一般構成及び作用について、図１を参照して説明する。
【００１４】
絶縁型電力変換装置１０は、一般構成として、トランス２０と、トランス２０の一次側に設けられる二つのスイッチＳＷ１、ＳＷ２と、トランス２０の二次側に設けられるコンデンサ６０と、駆動信号生成部７０とを備える。トランス２０の一次側は、二つの一次巻線３０、４０により構成され、二次側は、一つの二次巻線５０により構成されている。
スイッチＳＷ１、ＳＷ２は半導体スイッチング素子であり、例えばボディダイオードを有するＭＯＳＦＥＴが用いられる。その他、還流ダイオードが並列に接続されたＩＧＢＴ等を用いてもよく、その場合、図中のスイッチの記号を読み替えて解釈する。二つの一次巻線３０、４０のうち、第１一次巻線３０に接続されるスイッチを第１スイッチＳＷ１といい、第２一次巻線４０に接続されるスイッチを第２スイッチＳＷ２という。
【００１５】
一次側のセンタタップＣＴは、「直流電源」としてのバッテリ１５の正極に接続されている。第１一次巻線３０及び第２一次巻線４０は、一端がセンタタップＣＴに接続されており、各他端がスイッチＳＷ１、ＳＷ２のドレインに接続されている。スイッチＳＷ１、ＳＷ２のソースは、バッテリ１５の負極に接続されている。
コンデンサ６０は、二次巻線５０の両端に接続されている。このコンデンサ６０は、独立した素子に限らず、容量成分を有する種々の部品や複数の部品の集合体をコンデンサとみなしてもよい。
図中、Ｖｉｎはバッテリ１５の電源電圧であり、Ｖｏはコンデンサ６０の電極間に印加される出力電圧である。
【００１６】
駆動信号生成部７０は、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２を相補的にオン／オフするように駆動する駆動信号を生成する。
第１スイッチＳＷ１をオンし第２スイッチＳＷ２をオフしたとき、図１（ａ）に示すように、一次側電流は、第１一次巻線３０及び第１スイッチＳＷ１を経由して流れる。このとき、二次巻線５０に、第１一次巻線３０を流れる電流と逆向きの二次側電流が流れる。
第２スイッチＳＷ２をオンし第１スイッチＳＷ１をオフしたとき、図１（ｂ）に示すように、一次側電流は、第２一次巻線４０及び第２スイッチＳＷ２を経由して流れる。このとき、二次巻線５０に、第２一次巻線４０を流れる電流と逆向き、すなわち、図１（ａ）の場合と逆向きの二次側電流が流れる。
【００１７】
こうして、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２のオン／オフ動作により、コンデンサ６０の電極間には正負が交番する交流電圧が発生する。
第１スイッチＳＷ１と第２スイッチＳＷ２とが１回ずつオンする期間を、スイッチング周期の「１周期」と定義する。両スイッチＳＷ１、ＳＷ２のオン期間の長さを同一とし、また、両スイッチＳＷ１、ＳＷ２が同時にオフするデッドタイムを無視すると、一方のスイッチのオン期間の長さは、スイッチング周期の「２分の１周期」に相当する。
【００１８】
このような構成の絶縁型電力変換装置１０において、二次側の負荷が短絡して過電流が流れると素子の破壊等に至るおそれがある。「課題を解決するための手段」の欄で注記した通り、本明細書で「短絡」とは、抵抗が完全に０［Ω］となる場合に限らず、正常時に比べて抵抗が極めて小さくなり、許容範囲を超えた過電流が流れる異常全般を含む。
ここで、従来技術に基づいて想定される比較例による短絡判定の構成について図１３を参照する。図１３において、本実施形態の図１と実質的に同一の構成には、同一の符号を付して説明を省略する。
【００１９】
図１３（ａ）に示す第１比較例は、特許文献１（特開２００８−１７６４９号公報）に開示された非絶縁型インバータの技術を絶縁型電力変換装置に応用したものである。第１比較例の装置１０８では、一次側電流経路に設けた電流検出抵抗器Ｒの検出電圧を増幅比較回路８０８で増幅し、増幅した電圧が閾値を超えたとき、短絡異常を判定する。検出電圧を増幅することで、電流検出抵抗器Ｒの抵抗値を下げることができる。しかし、大電流が流れる経路に抵抗器を接続することに変わりはなく、損失が発生する。
また、電流センサを用いて過電流を判定する構成では、損失の発生を防ぐことができる反面、過電流異常と判定するまでに時間がかかる。その結果、スイッチング動作の停止が遅れ、スイッチ等が破壊に至るおそれがある。
【００２０】
図１３（ｂ）に示す第２比較例は、特開２００１−７２４０１号公報に開示された技術に基づくものである。第２比較例の装置１０９では、トランス２９の一次側に異常検出専用の検出用巻線３９を設ける。また、検出用巻線３９に接続された短絡判定部８０９は、電源電圧Ｖｉｎ及び出力電圧Ｖｏの情報が反映された検出用巻線３９の電圧に基づいて、短絡異常を検出する。しかし、この構成では異常検出専用の検出用巻線３９を設ける必要があり、装置が大型化する。また、放電特性を有効に活用しておらず非効率的である。
【００２１】
このような比較例に対し、本実施形態は、スイッチＳＷ１、ＳＷ２のオン／オフ切替に伴って生じる電圧変化に着目し、専用巻線を必要とせず、低損失且つ迅速に負荷の短絡異常を検出可能な構成を実現するものである。
続いて、本実施形態の短絡異常判定原理について、図２、図３を参照して説明する。
以下、本実施形態では、「第１スイッチＳＷ１がオフし第２スイッチＳＷ２がオンした状態」での電圧変化に着目する。そして、スイッチング周期の２分の１周期に相当する第２スイッチＳＷ２のオン期間を「検出期間」という。
【００２２】
図２（ａ）に負荷が正常の場合、図３（ａ）に負荷が短絡した場合における第２スイッチＳＷ２のオン時の等価回路を示す。オン状態の第２スイッチＳＷ２は導線と等価であるとみなされる。オフ状態の第１スイッチＳＷ１の両端には、ドレイン−ソース間電圧である第１スイッチ電圧Ｖｓｗ１が発生する。第２一次巻線４０には電流Ｉ１が流れ、二次巻線５０には電流Ｉ３が流れる。ここで、第２一次巻線４０と二次巻線５０との巻数比は、「ｎ：１」である。負荷が短絡した状態を示す図３では、コンデンサ６０は導線と等価であるとみなされる。
【００２３】
また、各巻線３０、４０、５０を「励磁インダクタンスを生じる巻線成分３１、４１、５１」と「漏れインダクタンスを生じる巻線成分３２、４２、５２」とに分けて模式的に記載する。以下、「励磁インダクタンスを生じる巻線成分３１、４１、５１」を省略して「励磁インダクタンス３１、４１、５１」といい、「漏れインダクタンスを生じる巻線成分３２、４２、５２」を省略して「漏れインダクタンス３２、４２、５２」という。
正常時には、二次巻線５０の漏れインダクタンス５２とコンデンサ６０とは、二次側にＬＣ共振回路を構成し、出力電圧ＶｏにＬＣ共振電圧が現れることとなる。
【００２４】
ここで、第１スイッチＳＷ１がオフし第２スイッチＳＷ２がオンしたときトランス２０に誘起され、一次巻線３０、４０の励磁インダクタンス３１、４１に発生する電圧を「励磁巻線電圧Ｖｃ」と定義する。なお、二次巻線５０の励磁インダクタンス５１には、励磁巻線電圧Ｖｃに対し、巻数比に比例する「ｎ分の１」の電圧（Ｖｃ／ｎ）が発生する。
また、図２、図３中の下記記号の意味は、次の通りである。
Ｌ１：一次側漏れインダクタンス
Ｌ３：二次側漏れインダクタンス
Ｒ２：第２スイッチＳＷ２及び第２一次巻線４０の抵抗
Ｒ３：二次巻線５０の抵抗
【００２５】
上記の物理量に基づき、励磁巻線電圧Ｖｃは、式（１）で表される。「Ｒ×Ｉ」項は、抵抗による電圧降下分に相当する。
【数１】
0006631366.tif 000002
【００２６】
式（１）において抵抗Ｒ２、Ｒ３が極めて小さいと仮定すると、励磁巻線電圧Ｖｃは、式（２）で表される。
【数２】
0006631366.tif 000003
【００２７】
正常時には、式（２）の第２項である出力電圧ＶｏにＬＣ共振電圧が現れる。したがって、図２（ｂ）に示すように、第２スイッチＳＷ２がオン状態である検出期間において、励磁巻線電圧Ｖｃは、初期電圧Ｓから到達電圧ＦまでＳ字曲線を描いて単調増加する。
一方、負荷短絡時にはコンデンサ６０のＣ成分が失われ、負荷の構成要素は、二次巻線５０の漏れインダクタンス５２のみとなる。すなわち、ＬＣ共振が起こらないため、出力電圧Ｖｏは一定電圧となる。したがって、電源電圧Ｖｉｎが急変しないことを前提とすると、図３（ｂ）に示すように、励磁巻線電圧Ｖｃは、検出期間において一定値Ｋとなる。
【００２８】
よって、第１スイッチＳＷ１がオフし第２スイッチＳＷ２がオンしたときの検出期間において、励磁巻線電圧Ｖｃが単調増加する場合は正常であり、励磁巻線電圧Ｖｃが一定である場合は短絡異常が発生していると判定することができる。なお、励磁巻線電圧Ｖｃの正負の定義によっては、「単調増加」は「単調減少」と読み替えられる。一般化して言うと、励磁巻線電圧Ｖｃが「単調変化」する場合に負荷が正常であると判定される。
本実施形態の絶縁型電力変換装置１０は、図１に記載した一般構成に加え、上記の判定原理に基づいて負荷の短絡異常を判定する短絡判定部を備えることを特徴とする。短絡判定部は、第１スイッチ電圧Ｖｓｗ１に基づいて励磁巻線電圧Ｖｃを検出し、当該励磁巻線電圧Ｖｃの検出値に基づいて負荷の短絡異常を判定する。
【００２９】
［短絡判定部の構成］
以下、短絡判定部に係る複数の実施形態について順に説明する。各実施形態に対応する参照図として、短絡判定部の制御ブロックの構成図、並びに、負荷の正常時及び短絡異常時に短絡判定部で順に処理される信号のタイムチャートを添付する。
各実施形態の構成図である図４、図７、図１０において、前述の実施形態の構成と実質的に同一の構成には、同一の符号を付して説明を省略する。また、各構成図では、二次側のコンデンサ６０を、二つのコンデンサ６１、６２が直列接続された形態で示す。コンデンサ６１には、カソード同士が互いに接続された二つのツェナーダイオード６３、６４が並列に接続されている。
【００３０】
（第１実施形態）
まず、第１実施形態について、図４〜図６を参照して説明する。
図４に示すように、第１実施形態の短絡判定部８０１は、励磁巻線電圧検出（図中「Ｖｃ検出」）部８１、ＡＤ変換部８２、時間変化率算出部８３、閾値比較部８６１、及び、ＳＷオフ信号ホールド部８７を有している。
【００３１】
また、絶縁型電力変換装置１０は、駆動信号生成部７０とスイッチＳＷ１、ＳＷ２との間にＡＮＤ回路７５が設けられる。ＡＮＤ回路７５は、駆動信号生成部７０からスイッチＳＷ１又はＳＷ２をターンオンする駆動信号が入力され、且つ、ＳＷオフ信号ホールド部８７からＳＷオン信号が入力されているとき、スイッチＳＷ１又はＳＷ２のゲートに駆動信号を出力する。一方、ＳＷオフ信号ホールド部８７からＳＷオン信号の入力が遮断されているとき、駆動信号生成部７０からの駆動信号にかかわらず、スイッチＳＷ１及びＳＷ２に駆動信号を出力しない。
要するに短絡判定部８０１は、負荷の正常時には、ＡＮＤ回路７５にＳＷオン信号を出力してスイッチＳＷ１、ＳＷ２を駆動し、負荷の短絡異常時には、ＡＮＤ回路７５へのＳＷオン信号の出力を遮断し、スイッチＳＷ１、ＳＷ２のスイッチング動作を停止させる。
【００３２】
続いて、短絡判定部８０１内の各制御ブロックの作用を順に説明する。
励磁巻線電圧検出部８１は、第１スイッチ電圧Ｖｓｗ１を取得し、第１スイッチ電圧Ｖｓｗ１に基づいて励磁巻線電圧Ｖｃを検出する。仮に励磁巻線電圧Ｖｃを正確に求めようとすると、電源電圧Ｖｉｎの情報を用いて、式（３）により励磁巻線電圧Ｖｃを算出する必要がある。
Ｖｃ＝Ｖｓｗ１−Ｖｉｎ  ・・・（３）
【００３３】
ただし、後述する通り、第１実施形態では励磁巻線電圧Ｖｃの時間変化率の情報を用いるのみであり、全体的なオフセットは考慮しなくてよい。したがって、少なくとも検出期間に電源電圧Ｖｉｎが安定していることを前提として、電源電圧Ｖｉｎを定数として考えてよい。そのため、実質的には、第１スイッチ電圧Ｖｓｗ１の時間変化率を、そのまま励磁巻線電圧Ｖｃの時間変化率として扱ってよい。
【００３４】
ＡＤ変換部８２は、励磁巻線電圧のアナログ値Ｖｃ＿ａを所定の変換周期でＡＤ変換し、ＡＤ変換値Ｖｃ＿ｄを出力する。図５、図６には、検出期間におけるＡＤ変換タイミングをｔ１〜ｔ９、ＡＤ変換タイミングの間の期間をＰ１〜Ｐ９と表す。
図５、図６（ｂ）に示すように、励磁巻線電圧のＡＤ変換値Ｖｃ＿ｄは、離散的なデジタル値として表示される。なお、検出期間が経過する時刻ｔ１０でのＡＤ変換値は制御に使用されないため、時刻ｔ１０における点を白抜きで記す。
【００３５】
時間変化率算出部８３は、励磁巻線電圧のＡＤ変換値Ｖｃ＿ｄの時間変化率、すなわち図５、図６（ｂ）における傾きを算出する。
第ｉ番目（ｉ≧２）の期間Ｐｉに現れる時間変化率α（ｉ）は、式（４）により、励磁巻線電圧の今回値Ｖｃ＿ｄ（ｉ）と前回値Ｖｃ＿ｄ（ｉ−１）との差分を変換周期Δｔで除して算出される。
【数３】
0006631366.tif 000004
【００３６】
閾値比較部８６１は、時間変化率算出部８３が算出した時間変化率αと変化率閾値α＿ｔｈとを比較する。図５、図６（ｃ）に示すように、変化率閾値α＿ｔｈは、時間変化率αについての正常範囲の下限値として設定される。そして、時間変化率αが変化率閾値α＿ｔｈ未満のとき、閾値比較部８６１は、負荷が短絡異常であると判定し、ＳＷオフ信号を出力する。
ここで、上述の例では励磁巻線電圧Ｖｃを正の値とするように符号を定義しているが、励磁巻線電圧Ｖｃの正負の定義は適宜変更してよい。一般化して言うと、閾値比較部８６１は、「時間変化率αの絶対値が変化率閾値α＿ｔｈ未満」のとき、負荷が短絡異常であると判定する。
【００３７】
正常時、図５（ｂ）に示すように、励磁巻線電圧のＡＤ変換値Ｖｃ＿ｄは、初期電圧Ｓから到達電圧ＦまでＳ字曲線を描いて単調増加する。
図５（ｃ）では、例えば時刻ｔ１から時刻ｔ２までの変化率が期間Ｐ２に反映され、時刻ｔ５から時刻ｔ６までの変化率が期間Ｐ６に反映される。すなわち、理論的な微分値に対し、変換周期Δｔだけ遅れた値が時間変化率αとして得られる。時間変化率αは、検出期間の中央付近で最大となり、検出期間の初期と終期で小さくなっている。
【００３８】
ここで、変化率閾値α＿ｔｈは、０より大きく、且つ、期間Ｐ２に反映される最小の時間変化率α以下に設定されている。したがって、検出期間中に時間変化率αが変化率閾値α＿ｔｈ未満となることはない。
図５（ｄ）において、時間変化率αが算出されない最初の期間Ｐ１は、無条件にＳＷオン信号が出力される。また、期間Ｐ２以後の時間変化率αは常に変化率閾値α＿ｔｈ以上であるため、ＳＷオン信号が継続する。
【００３９】
一方、負荷短絡時、図６（ｂ）に示すように、励磁巻線電圧のＡＤ変換値Ｖｃ＿ｄは、値Ｋで一定となる。したがって、図６（ｃ）に示すように、期間Ｐ２以後の時間変化率αは常に０であり、変化率閾値α＿ｔｈ未満となる。
そのため、図６（ｄ）において、無条件にＳＷオン信号が出力される期間Ｐ１を過ぎた後、ＳＷオフ信号が出力される。
ＳＷオフ信号ホールド部８７は、ＳＷオフ信号をホールドする。その結果、ＡＮＤ回路７５へのＳＷオン信号の出力遮断状態が持続される。よって、負荷短絡異常時にスイッチＳＷ１、ＳＷ２のスイッチング動作が停止される。
【００４０】
このように第１実施形態の短絡判定部８０１は、励磁巻線電圧のＡＤ変換値Ｖｃ＿ｄの時間変化率αが０であるか否かによって負荷の短絡異常を判定する。
以下の第２、第３実施形態を含め本実施形態の絶縁型電力変換装置１０は、このような短絡判定部８０１を備えることにより、第１比較例のように大電流が流れる経路に抵抗器を接続する必要がないため、損失を低減することができる。
また、電流センサを用いる技術に比べ、過電流異常を迅速に検出することができる。したがって、異常検出時にスイッチＳＷ１、ＳＷ２のスイッチング動作を速やかに停止することにより、装置の破壊や周辺機器等への悪影響を適切に防止することができる。
さらに、第２比較例のように異常検出専用の巻線を必要としないため、装置の大型化やコストアップを回避することができる。
【００４１】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態について、図７〜図９を参照して説明する。
図７に示すように、第２実施形態の短絡判定部８０２は、第１実施形態の短絡判定部８０１に対し、励磁巻線電圧検出部８１、ＡＤ変換部８２、及びＳＷオフ信号ホールド部８７を共通に有している。また、短絡判定部８０２は、特有の構成として、規定範囲比較部８４、カウンタ８５２及び閾値比較部８６２を有している。
【００４２】
さらに短絡判定部８０２は、電源電圧Ｖｉｎを検出する電源電圧（図中「Ｖｉｎ検出」）部９１、及び、規定範囲Ｒｓを設定する規定範囲設定部９２を有している。規定範囲設定部９２は、電源電圧Ｖｉｎに応じて、負荷短絡時における励磁巻線電圧Ｖｃの一定値Ｋを含む範囲を規定範囲Ｒｓとして可変に設定する。具体的には図８（ｂ）に示すように、規定範囲Ｒｓは、初期電圧Ｓと到達電圧Ｆとの中間域に設定される。
また第２実施形態では、励磁巻線電圧検出部８１が電源電圧Ｖｉｎの検出値を取得し、電源電圧Ｖｉｎと第１スイッチ電圧Ｖｓｗ１とに基づいて、式（３）により、現在の励磁巻線電圧Ｖｃを正確に算出してもよい。
【００４３】
第２実施形態の規定範囲比較部８４は、ＡＤ変換部８２から出力された励磁巻線電圧のＡＤ変換値Ｖｃ＿ｄと、規定範囲設定部９２が設定した規定範囲Ｒｓとを比較し、励磁巻線電圧のＡＤ変換値Ｖｃ＿ｄが規定範囲Ｒｓ内にあるとき、ヒット信号を離散的に出力する。カウンタ８５２は、ヒット信号が出力された回数Ｎｓをカウントする。
閾値比較部８６２は、カウンタ８５２によるカウント回数Ｎｓと回数閾値Ｎ＿ｔｈとを比較する。図８、図９（ｃ）に示すように、回数閾値Ｎ＿ｔｈは、カウント回数Ｎｓについての正常範囲の上限値として設定される。そして、励磁巻線電圧のＡＤ変換値Ｖｃ＿ｄが規定範囲Ｒｓ内にある回数Ｎｓが回数閾値Ｎ＿ｔｈを超えたとき、閾値比較部８６２は、負荷が短絡異常であると判定し、ＳＷオフ信号を出力する。
【００４４】
図８、図９には、第１実施形態の図５、図６と同様に、検出期間におけるＡＤ変換タイミングをｔ１〜ｔ９、ＡＤ変換タイミングの間の期間をＰ１〜Ｐ９と表す。この例では、規定範囲Ｒｓの幅は比較的狭く設定されているものとする。
正常時、図８（ｂ）に示すように、励磁巻線電圧のＡＤ変換値Ｖｃ＿ｄは、全てのＡＤ変換タイミングｔ１〜ｔ９において、一つ前のＡＤ変換タイミングの値から多少なりとも増加している。励磁巻線電圧のＡＤ変換値Ｖｃ＿ｄは、時刻ｔ１〜ｔ５、ｔ７〜ｔ９には規定範囲Ｒｓ外にあり、時刻ｔ６にのみ規定範囲Ｒｓ内にある。そのため、時刻ｔ６での比較結果が認識された期間Ｐ６でヒット信号が１回出力される。
【００４５】
そのため、図８（ｃ）に示すように、期間Ｐ６に回数Ｎｓ＝１がカウントされ、その後検出期間が終了する時刻ｔ１０まで維持される。なお、検出期間が経過した時刻ｔ１０にカウント回数Ｎｓはリセットされる。ここで、回数閾値Ｎ＿ｔｈは１より大きな値に設定されており、検出期間中にカウント回数Ｎｓが回数閾値Ｎ＿ｔｈを超えることはない。したがって、図８（ｄ）に示すように、ＳＷオン信号が継続する。
【００４６】
一方、負荷短絡時、図９（ｂ）に示すように、励磁巻線電圧のＡＤ変換値Ｖｃ＿ｄは、値Ｋで一定となり、時刻ｔ１〜ｔ９の全ＡＤ変換タイミングで規定範囲Ｒｓ内にある。したがって、Ｐ１〜Ｐ９の全期間でヒット信号が１回ずつ出力される。
そのため、図９（ｃ）に示すように、Ｐ１からＰ９までの毎期間にカウント回数Ｎｓがステップ状に増加し、時刻ｔ１０でリセットされる。この例では、最終期間Ｐ９にカウント回数Ｎｓ＝９となる。仮に回数閾値Ｎ＿ｔｈが１と２の間に設定されている場合、期間Ｐ２でカウント回数Ｎｓが回数閾値Ｎ＿ｔｈを超える。すると、図９（ｄ）に示すように、期間Ｐ２以後、ＳＷオフ信号が出力される。
【００４７】
ＳＷオフ信号ホールド部８７は、第１実施形態の短絡判定部８０１と同様にＳＷオフ信号をホールドする。その結果、ＡＮＤ回路７５へのＳＷオン信号の出力遮断状態が持続される。よって、負荷短絡異常時にスイッチＳＷ１、ＳＷ２のスイッチング動作が停止される。
このように第２実施形態では、励磁巻線電圧のＡＤ変換値Ｖｃ＿ｄと規定範囲Ｒｓとを比較することにより、負荷の短絡異常を判定する。よって、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。また、規定範囲設定部９２は、電源電圧Ｖｉｎの検出値に応じて規定範囲Ｒｓを可変に設定するため、電源電圧Ｖｉｎが変動した場合にも負荷の短絡異常を確実に検出することができる。
【００４８】
（第３実施形態）
次に、第３実施形態について、図１０〜図１２を参照して説明する。
図１０に示すように、第３実施形態の短絡判定部８０３は、第２実施形態の短絡判定部８０２に対し、励磁巻線電圧検出部８１、規定範囲比較部８４、ＳＷオフ信号ホールド部８７、電源電圧検出部９１及び規定範囲設定部９２を共通に有している。また、短絡判定部８０３は、ＡＤ変換部８２を有しておらず、カウンタ８５２及び閾値比較部８６２に代えて、タイマ８５３及び閾値比較部８６３を有している。
【００４９】
第２実施形態と同様に、規定範囲設定部９２は、電源電圧Ｖｉｎに応じて、負荷短絡時における励磁巻線電圧Ｖｃの一定値Ｋを含む範囲を規定範囲Ｒｓとして可変に設定する。具体的には図１１（ａ）に示すように、規定範囲Ｒｓは、初期電圧Ｓと到達電圧Ｆとの中間域に設定される。なお、図８、図９との整合のため、図１１、図１２の（ｂ）は欠番とする。
【００５０】
第３実施形態の規定範囲比較部８４は、励磁巻線電圧検出部８１から取得した励磁巻線電圧のアナログ値Ｖｃ＿ａと、規定範囲設定部９２が設定した規定範囲Ｒｓとを比較し、励磁巻線電圧のアナログ値Ｖｃ＿ａが規定範囲Ｒｓ内にあるとき、ヒット信号を連続的に出力する。タイマ８５３は、ヒット信号が出力された時間Ｔｓを計測する。
閾値比較部８６３は、タイマ８５３による計測時間Ｔｓと時間閾値Ｔ＿ｔｈとを比較する。図１１、図１２（ｃ）に示すように、時間閾値Ｔ＿ｔｈは、計測時間Ｔｓについての正常範囲の上限値として設定される。そして、励磁巻線電圧のアナログ値Ｖｃ＿ａが規定範囲Ｒｓ内にある時間Ｔｓが時間閾値Ｔ＿ｔｈを超えたとき、閾値比較部８６３は、負荷が短絡異常であると判定し、ＳＷオフ信号を出力する。
【００５１】
正常時、図１１（ａ）に示すように、励磁巻線電圧のアナログ値Ｖｃ＿ａは、初期電圧Ｓから到達電圧Ｆまで経時的に上昇し、比較的短い時間Ｔｓで規定範囲Ｒｓを通過する。この通過時間Ｔｓのみヒット信号が出力され、タイマ８５３で計測される。なお、検出期間が経過すると、計測時間Ｔｓはリセットされる。
図１１（ｃ）に示すように、このときの計測時間Ｔｓは時間閾値Ｔ＿ｔｈ以下である。したがって、図１１（ｄ）に示すように、ＳＷオン信号が継続する。
【００５２】
一方、負荷短絡時、図１２（ａ）に示すように、励磁巻線電圧のアナログ値Ｖｃ＿ａは値Ｋで一定となり、検出期間を通じて規定範囲Ｒｓ内にある。したがって、検出期間中、常にヒット信号が出力される。
図１２（ｃ）に示すように、時刻ｔｘにタイマ８５３による計測時間Ｔｓが時間閾値Ｔ＿ｔｈを超えると、図１２（ｄ）に示すように、時刻ｔｘ以後、ＳＷオフ信号が出力される。ＳＷオフ信号ホールド部８７がＳＷオフ信号をホールドすることにより、ＡＮＤ回路７５へのＳＷオン信号の出力遮断状態が持続される。よって、負荷短絡異常時にスイッチＳＷ１、ＳＷ２のスイッチング動作が停止される。
第３実施形態は、第２実施形態と同様の効果を奏する。
【００５３】
（その他の実施形態）
（ａ）上記実施形態における短絡判定部８０１−８０３の説明では、検出誤差やノイズ等による誤判定を排除する処理について省略している。現実には、負荷が正常であるにもかかわらず、ノイズ等の外乱により第１実施形態の時間変換率αが一時的に閾値を下回る可能性や、第２、第３実施形態の励磁巻線電圧値Ｖｃ＿ｄ、Ｖｃ＿ａが一時的に規定範囲Ｒｓに入る可能性が想定される。従来、このような誤判定を排除し検出信頼性を向上させる技術として、例えば、仮判定の状態が所定の回数又は時間、継続した場合に異常を確定する方法等が知られている。
したがって、上述した本実施形態の短絡判定部の構成にそれらの周知技術を組み合わせた構成もまた、本発明の技術的範囲に含まれるものと解釈する。
【００５４】
（ｂ）第２、第３実施形態の短絡判定部８０２、８０３は、電源電圧検出部９１及び規定範囲設定部９２を有し、電源電圧Ｖｉｎの検出値に応じて規定範囲Ｒｓを可変に設定する。これに対し、例えば電源電圧Ｖｉｎの変動範囲が比較的狭い場合や予測可能な場合、電源電圧Ｖｉｎの変動範囲に対応する一定値Ｋの上下限を含むように、固定の規定範囲Ｒｓを設定してもよい。これにより、短絡判定部の構成を簡易にすることができる。
【００５５】
（ｃ）上記実施形態の短絡判定部８０１−８０３は、負荷が短絡異常であると判定したとき、ＡＮＤ回路７５へのＳＷオン信号の出力を遮断し、スイッチＳＷ１、ＳＷ２のスイッチング動作を停止させる。その他の実施形態では、負荷の短絡異常時の処置として、例えばバッテリ１５側に設けた電源リレーを強制的に遮断してもよい。
【００５６】
（ｄ）上記実施形態では、一つの二次巻線５０を備え、二次巻線５０に流れる交番電流を整流せずに通電し、負荷に交流電力を出力するＤＣ−ＡＣコンバータを例示している。その他の実施形態では、複数の二次巻線を備え、各二次巻線に流れる電流を交互に整流して通電し、負荷に直流電力を出力するプッシュプル式ＤＣ−ＤＣコンバータに本発明を適用してもよい。
【００５７】
（ｅ）絶縁型電力変換装置の一次巻線として、第１一次巻線３０及び第２一次巻線４０に加え、三つ目以上の一次巻線を設けてもよい。そのうち二つの巻線について、上記と同様の構成を有し、且つ、三つ目以上の巻線によりその作用が阻害されないものであれば、本発明の範囲に含まれるものと解釈する。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１０・・・絶縁型電力変換装置、
１５・・・バッテリ（直流電源）、
２０・・・トランス、
３０・・・第１一次巻線、    ４０・・・第２一次巻線、
５０・・・二次巻線、
６０・・・コンデンサ、
８０１、８０２、８０３・・・短絡判定部、
ＳＷ１・・・第１スイッチ、  ＳＷ２・・・第２スイッチ。
【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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