(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１、第２、第３のスイッチングアームを含み、２つのバッテリと出力電路との間で電圧変換を行う電圧変換器であって、
前記出力電路は、第１の電路と前記第１の電路よりも電位の低い第２の電路とを含み、
前記第１、第２、第３のスイッチングアームは、前記第１の電路から前記第２の電路に向かって直列に設けられ、
一方のバッテリが第１リアクトルと第１システムメインリレーとを介して前記第３のスイッチングアームと並列に接続され、
他方のバッテリが第２リアクトルと第２システムメインリレーとを介して前記第２、第３の直列スイッチングアームと並列に接続され、
前記第１のスイッチングアームは、２つのスイッチング素子が逆並列に接続された第２の半導体素子モジュールで構成され、
前記第２、第３のスイッチングアームは、２つのスイッチング素子が直列に接続され、各スイッチング素子にそれぞれダイオードが逆並列に設けられた第１の半導体素子モジュールで構成されていること、
を特徴とする電圧変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧変換器の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
スイッチング素子をオン・オフ動作させてバッテリの電圧を昇圧して出力電路に出力するとともに、出力電路の電圧を降圧してバッテリに充電する電圧変換器を用いた電源システムが多く用いられている。このような電源システムは、コレクタが高圧電路に接続される上側のスイッチング素子と、コレクタが上側のスイッチング素子のエミッタに接続され、エミッタが接地電路に接続される下側のスイッチング素子と、各スイッチング素子に逆並列に接続され、エミッタからコレクタに向けて電流を流すダイオードと、上下のスイッチング素子の接続点と接地電路との間の低圧電路に配置されたリアクトルと、低圧電路と接地電路との間に配置されたコンデンサとを備える電圧変換器と、電圧変換器の低圧電路と接地電路との間に接続されるバッテリとによって構成される。そして、電圧変換器の下側のスイッチング素子をオンとし、上側のスイッチング素子をオフとしてバッテリによりリアクトルに電力をチャージし、下側のスイッチング素子をオフとして上側のスイッチング素子をオンとしてリアクトルにチャージした電力を昇圧して高圧電路に出力する（例えば、特許文献１の図１０参照）。
【０００３】
また、２つのスイッチング素子を直列に接続し、各スイッチング素子にそれぞれダイオードを逆並列に接続し、これらの素子を樹脂で一体にモジュール化して大電力放熱型回路部品（パワーカード或いは半導体素子モジュール）とすることが提案されている（例えば、特許文献２参照）。このパワーカードを用いると、先に説明した特許文献１の図１０に記載された電圧変換器や特許文献１の図１に記載されたインバータを簡単に構成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２４４８０１号公報
【特許文献２】特開２００８−３００６２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１の図１０に記載されたような構成の従来技術の電圧変換器では、下側のスイッチング素子がオン故障（常時オンとなってしまう故障）となった場合にはバッテリの短絡が発生するため、システムメインリレーをオフとしてバッテリを切り離して電圧変換器をシャットダウンすることが必要となり、下側のスイッチング素子がオン故障した場合には電源供給ができなくなってしまう。このため、例えば、２つのバッテリと３つのスイッチング素子を用い、一つのスイッチング素子がオン故障となった場合には、一方のバッテリを切り離し、他方のバッテリのみから電源供給可能なフェールセーフ型の電源システムも検討されている。しかし、パワーカード（半導体素子モジュール）は、２のスイッチング素子が一体にモジュール化されているため、パワーカードを用いてこのようなフェールセーフ性の高い電圧変換器を構成することが難しく、回路全体を新設計することが必要となる。
【０００６】
そこで、本発明は、半導体素子モジュールを用いる簡便な構成の電圧変換器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】
【０００７】
本発明の電圧変換器は、第１、第２、第３のスイッチングアームを含み、２つのバッテリと出力電路との間で電圧変換を行う電圧変換器であって、前記出力電路は、第１の電路と前記第１の電路よりも電位の低い第２の電路とを含み、前記第１、第２、第３のスイッチングアームは、前記第１の電路から前記第２の電路に向かって直列に設けられ、一方のバッテリが第１リアクトルと第１システムメインリレーとを介して前記第３のスイッチングアームと並列に接続され、他方のバッテリが第２リアクトルと第２システムメインリレーとを介して前記第２、第３の直列スイッチングアームと並列に接続され、前記第１のスイッチングアームは、２つのスイッチング素子が逆並列に接続された第２の半導体素子モジュールで構成され、前記第２、第３のスイッチングアームは、２つのスイッチング素子が直列に接続され、各スイッチング素子にそれぞれダイオードが逆並列に設けられた第１の半導体素子モジュールで構成されていること、を特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、半導体素子モジュールを用いる簡便な構成の電圧変換器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態における電圧変換器の構成を示す系統図である。
【図２】パワーカード（半導体素子モジュール）を用いて構成した本発明の実施形態における電圧変換器の配線図である。
【図３】本発明の実施形態における電圧変換器においてリアクトルに電力をチャージする際の電流の流れを示す説明図である。
【図４】本発明の実施形態における電圧変換器においてリアクトルにチャージされた電力を出力電路に出力する際の電流の流れを示す説明図である。
【図５】本発明の実施形態の電圧変換器において、第１スイッチング素子がオン故障した場合にリアクトルに電力をチャージする際の電流の流れを示す説明図である。
【図６】本発明の実施形態の電圧変換器において、第１スイッチング素子がオン故障した場合にリアクトルにチャージした電力を出力電路に出力する際の電流の流れを示す説明図である。
【図７】本発明の実施形態の電圧変換器において、第４スイッチング素子がオン故障した場合にリアクトルに電力をチャージする際の電流の流れを示す説明図である。
【図８】本発明の実施形態の電圧変換器において、第４スイッチング素子がオン故障した場合にリアクトルにチャージした電力を出力電路に出力する際の電流の流れを示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図１に示すように、本実施形態の電圧変換器１０は、第１、第２、第３のスイッチングアーム１１，１２，１３を含み、第１、第２の２つのバッテリ２３，２５と負荷（図せず）が接続される出力電路２６との間で電圧変換を行う電圧変換器１０である。出力電路２６は、第１の電路である高圧電路１４と高圧電路１４よりも電位の低い第２の電路である接地電路１５とを含み、第１、第２、第３のスイッチングアーム１１，１２，１３は、高圧電路１４から接地電路１５に向かって直列に設けられている。第１のスイッチングアーム１１は、第１スイッチング素子３１のエミッタ、コレクタがそれぞれ第２スイッチング素子３２のコレクタ、エミッタと結線されている、つまり、第１スイッチング素子３１と第２スイッチング素子とは逆並列に接続されている。また、第２、第３のスイッチングアーム１２，１３は其々第３、第４スイッチング素子３３，３４にダイオード３５，３６が逆並列に接続されたものである。第１〜第４スイッチング素子３１〜３４は、例えば、ＩＧＢＴ等のスイッチングトランジスタである。
【００１１】
第２のスイッチングアーム１２と第３のスイッチングアーム１３の間の第２接続点１８と接地電路１５との間には、第１電路１９が配置され、第１電路１９には第１リアクトル２０が接続されている。また、第１電路１９と接地電路１５との間には、第１バッテリ２３が第３スイッチングアーム１３と並列に接続されている。電圧変換器１０と第１バッテリ２３との間には、第１バッテリ２３と電圧変換器１０との接続を入り切りする第１システムメインリレー２２が配置されている。また、第１のスイッチングアーム１１と第２のスイッチングアーム１２の間の第１接続点１６と接地電路１５との間には、第２電路１７が配置され、第２電路１７には第２リアクトル２１が接続されている。また、第２電路１７と接地電路１５との間には、第２バッテリ２５が第２、第３スイッチングアーム１２，１３と並列に接続されている。電圧変換器１０と第２バッテリ２５との間には、第２バッテリ２５と電圧変換器１０との接続を入り切りする第２システムメインリレー２４が配置されている。そして、高圧電路１４の一端には高圧側出力端子２６ａが取り付けられ、接地電路１５の一端には、接地側出力端子２６ｂが取り付けられている。各端子２６ａ，２６ｂには図示しない負荷が接続される。各端子２６ａ，２６ｂから出力される電圧は、昇圧電圧（高電圧ＶＨである）。このように、電圧変換器１０にシステムメインリレー２２，２４、第１、第２バッテリ２３，２５を接続すると２つのバッテリを用いた電源システム１００が構成される。
【００１２】
次に、図２を参照しながら第１、第２の半導体素子モジュールである、第１、第２パワーカード４０，５０を用いて先に説明した電圧変換器１０を構成した場合について説明する。図２に示すように、第１パワーカード４０は、従来技術の大電力放熱型パワーカードであり、２つのＩＢＧＴ３３，３４を直列に接続し、各ＩＧＢＴ３３，３４にそれぞれダイオード３５，３６を逆並列に接続し、これらの素子を樹脂で一体にモジュール化したものである。１つのＩＧＢＴと１つのダイオードの対は一つのスイッチングアームを構成するから、第１パワーカード４０は、２つのスイッチングアームを直列に接続したものである。第１パワーカード４０は、４つの入力端子４１〜４４と３つの出力端子４５〜４７とを備えている。入力端子４１，４３はそれぞれＩＧＢＴ３３，３４のゲートに接続され、入力端子４２は、ＩＧＢＴ３３のエミッタとＩＧＢＴ３４のコレクタとの接続点に接続され、入力端子４４はＩＧＢＴ３４のエミッタに接続されている。また、出力端子４５はＩＧＢＴ３３のコレクタに接続され、出力端子４６は入力端子４２と同様、ＩＧＢＴ３３のエミッタとＩＧＢＴ３４のコレクタとの接続点に接続され、出力端子４７は入力端子４４と同様、ＩＧＢＴ３４のエミッタに接続されている。
【００１３】
図２に示すように、第２パワーカード５０は、第１パワーカード４０のような従来型のパワーカードにおいて、ダイオードの実装をやめ、ＩＧＢＴ３１のエミッタとＩＧＢＴ３２のコレクタ及び、ＩＧＢＴ３１のコレクタとＩＧＢＴ３２のエミッタを内部配線で接続したもの、つまり、２つのＩＧＢＴ３１，３２を逆並列に接続し、これらの素子を樹脂で一体にモジュール化したものである。第２パワーカード５０は、４つの入力端子５１〜５４と２つの出力端子５５，５６を備えている。入力端子５１，５３はそれぞれＩＧＢＴ３１，３２のゲートに接続され、入力端子５２はＩＧＢＴ３１のエミッタとＩＧＢＴ３２のコレクタとの接続点に接続され、入力端子５４はＩＧＢＴ３２のエミッタに接続されている。また、出力端子５５はＩＧＢＴ３１のコレクタに接続され、出力端子５６は入力端子５２と同様、ＩＧＢＴ３１のエミッタとＩＧＢＴ３２のコレクタとの接続点に接続されている。
【００１４】
図２に示すように、第１パワーカード４０の出力端子４５と第２パワーカード５０の入力端子５２とを接続し、コイル２０を介して第１パワーカード４０の入力端子４２とシステムメインリレー２２のプラス側端子２２ａとを接続し、第１パワーカード４０の入力端子４４とシステムメインリレー２２のマイナス側端子２２ｂを接続し、システムメインリレー２２のプラス側端子２２ａ、マイナス側端子２２ｂにそれぞれバッテリ２３のプラス側とマイナス側とを接続し、第１パワーカード４０の出力端子４７には出力線１５を接続する。また、コイル２１を介して第２パワーカード５０の出力端子５６とシステムメインリレー２４のプラス側端子２４ａとを接続し、システムメインリレー２４のマイナス側端子２４ｂを第１パワーカード４０の出力端子４７から延びる出力線１５に接続する。そして、システムメインリレー２４のプラス側端子２４ａ、マイナス側端子２４ｂにそれぞれバッテリ２５のプラス側とマイナス側とを接続する。第２パワーカード５０の出力端子５５には出力線１４を接続し、出力線１４，１５の端部には負荷が接続される出力端子２６ａ，２６ｂを取り付ける。また、第１パワーカード４０の入力端子４１，４３、第２パワーカード５０の端子５１、５３、システムメインリレー２２、２４を制御部６０に接続する。なお、第１パワーカード４０の出力端子４６と第２パワーカード５０の入力端子５４には何も接続されない。
【００１５】
このように、各パワーカード４０，５０、コイル２０，２１、システムメインリレー２２，２４、バッテリ２３，２５、制御部６０を接続すると、第２パワーカード５０のＩＢＧＴ３１，３２の対、第１パワーカード４０のＩＧＢＴ３３とダイオード３５の対、第１パワーカード４０のＩＧＢＴ３４とダイオード３６の対は、出力線１４から出力線１５に向かって直列に接続されることになるので、図１を参照して説明した第１、第２、第３のスイッチングアーム１１，１２，１３を構成し、ＩＢＧＴ３１〜ＩＢＧＴ３４は第１〜第４スイッチング素子３１〜３４を構成する。また、図２に示すように、出力線１５はバッテリ２３，２５のマイナス側に接続される接地電路１５を構成し、出力線１４は接地電路１５よりも電位が高い高圧電路１４を構成し、高圧電路１４と接地電路１５の対は、出力電路２６を構成する。また、図２に示すように、バッテリ２３は、スイッチング素子３４に相当するＩＢＧＴ３４と並列に接続されており、バッテリ２５はスイッチング素子３３、３４に相当するＩＧＢＴ３３，３４と並列に接続されている。従って、バッテリ２３，２５は図１を参照し説明した第１バッテリ２３、第２バッテリ２５に相当する。以上述べた通りであるから、各パワーカード４０，５０、コイル２０，２１を図２のように接続すると図１を参照して説明した電圧変換器１０が構成され、それにシステムメインリレー２２，２４、バッテリ２３，２５を接続すると２つのバッテリを用いる電源システムが構成される。
【００１６】
以上説明したように、従来型の第１パワーカード４０と、従来型の第１パワーカード４０の内部配線を一部変更するとともに、ダイオードを実装しないようにした第２パワーカード５０とを接続することにより、簡単に図１に記載して説明したような電圧変換器１０を構成することができる。
【００１７】
このように構成された電圧変換器１０は、以下に説明するように、一つのスイッチング素子がオン故障となっても昇圧電圧を供給し続けることが可能なフェールセーフ性の高い電圧変換器である。以下、図３から図８を参照しながら本実施形態の電圧変換器１０の動作について説明する。なお、以下の説明では、第１〜第４スイッチング素子３１から３４は、Ｓ１〜Ｓ４、第１、第２リアクトル２０，２１はＬ１、Ｌ２、第１、第２バッテリ２３、２５はＢ１、Ｂ２と、ダイオード３５，３６は、Ｄ３，Ｄ４と、第１、第２システムメインリレーはＳＭＲ１、ＳＭＲ２と簡略表記として説明する。なお、図３〜図８において、オンとなっているスイッチング素子は実線で示し、オフとなっているスイッチング素子は破線で示す。
【００１８】
＜電圧変換器の基本動作＞
図２に示す制御部６０は、図３に示すように、Ｓ３，Ｓ４をオン（第２，第３スイッチングアームをオン）、Ｓ１，Ｓ２をオフ（第１スイッチングアームをオフ）としてＢ１→Ｌ１→Ｓ４→Ｂ１と電流の流れる回路Ｒ１と、Ｂ２→Ｌ２→Ｓ３→Ｓ４→Ｂ２と電流の流れる回路Ｒ２とを形成し、Ｂ１によりＬ１に電気エネルギをチャージするとともに、Ｂ２によりＬ２に電気エネルギをチャージする。次に制御部６０は、図４に示すように、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３をオンとし（第１，第２スイッチングアームをオン）、Ｓ４をオフ（第３スイッチングアームをオフ）として、Ｂ１→Ｌ１→Ｄ３→Ｓ２→高圧電路１４→接地電路１５→Ｂ１と電流の流れる回路Ｒ３と、Ｂ２→Ｌ２→Ｓ２→高圧電路１４→接地電路１５→Ｂ２と電流の流れる回路Ｒ４とを形成し、Ｌ１，Ｌ２にチャージされた電力を昇圧して出力電路２６から負荷（図示せず）に出力する。また、この際、高圧電路１４→Ｓ１→Ｓ３→Ｌ１→Ｂ１→接地電路１５→高圧電路１４と電流の流れる回路Ｒ５と、高圧電路１４→Ｓ１→Ｌ２→Ｂ２→接地電路１５→高圧電路１４と電流の流れる回路Ｒ６とが同時に形成されるので、負荷による回生電力ある場合には回生電力が降圧されてＢ１，Ｂ２に充電される。
【００１９】
＜Ｓ１オン故障の際の動作＞
次に図５、図６に示すようにＳ１がオン故障（制御部６０からの指令によりオフにできず、オンの状態が継続してしまう故障）となった場合の動作について説明する。なお、図５、図６ではオン故障状態のＳ１は電流の流れ方向を示す矢印で示す。Ｓ１がオン故障の場合に図３で説明したように、Ｓ３，Ｓ４を同時にオンとすると、高圧電路１４と接地電路１５とが短絡してしまうので、Ｓ３，Ｓ４を同時にオンとすることができなくなる。しかし、図３を参照して説明したようにＢ２によりＬ２に電力をチャージする回路Ｒ２を形成する場合には、必ずＳ３，Ｓ４を同時にオンとすることが必要となる。一方、図３を参照して説明したように、Ｂ１により電力をチャージする回路Ｒ１を形成する場合には、Ｓ３をオンとする必要はない。このため、Ｓ１がオン故障となると、Ｂ２の電圧を昇圧して出力することができなくなるが、Ｂ１の電圧を昇圧出力することは可能である。ところが、Ｂ２の電圧を昇圧出力できない状態で、Ｂ２が電圧変換器１０に接続されたままになると、Ｂ１の電圧を昇圧出力する際にＢ１の昇圧電圧がＢ２に印加されＢ１からＢ２に電流が流れてしまい、Ｂ２に過電圧が掛ってしまう場合がある。そこで、Ｓ１がオン故障となった場合には、制御部６０は、図５に示すように、ＳＭＲ２オフとしてＢ２を電圧変換器１０から切り離す。そして、制御部６０は、図６に示すように、Ｓ２，Ｓ３をオフ、Ｓ４をオンとし、先に図３を参照して説明した回路Ｒ１を形成し、Ｂ１によりＬ１をチャージする。次に、制御部６０は、Ｓ４をオフ、Ｓ３をオンとして先に説明した回路Ｒ３を形成し、Ｌ１にチャージされた電力を出力電路２６から負荷に出力する。負荷からの回生電力がある場合には、回路Ｒ５によってＢ１を充電する。このように、電圧変換器１０は、Ｓ１がオン故障となった場合でも、Ｂ１の電圧を昇圧して負荷に供給することができる。
【００２０】
＜Ｓ４オン故障の際の動作＞
次に、図７、図８に示すように、Ｓ４がオン故障となった場合（制御部６０からの指令によりオフにできず、オンの状態が継続してしまう故障）となった場合の動作について説明する。なお、図７、図８ではオン故障状態のＳ４は電流の流れ方向を示す矢印で示す。Ｓ４がオン故障となると、図３に示す回路Ｒ１が形成された状態が継続することとなるので、Ｂ１が短絡状態となってしまう。そこで、制御部６０は、Ｓ４がオン故障の場合には、図７に示すように、ＳＭＲ１をオフとしてＢ１を電圧変換器１０から切り離す。次に制御部６０は、図７、図８に示すように、Ｓ１，Ｓ２をオフ、Ｓ３をオンとしてＢ２によりＬ２をチャージし、Ｓ１，Ｓ２をオン、Ｓ３をオフとしてＬ２にチャージした電力を出力電路２６から負荷に出力する。負荷からの回生電力がある場合には、図８に示す回路Ｒ６によってＢ２を充電する。このように、電圧変換器１０は、Ｓ４がオン故障となった場合でも、Ｂ２の電圧を昇圧して負荷に供給することができる。
【００２１】
図３、図４を参照して説明したように、本実施形態の電圧変換器１０の基本動作では、Ｓ３は常時オンとなっているので、Ｓ３がオン故障となった場合でも図３、図４を参照して説明したような基本動作は可能である。また、Ｓ２は、オン状態となった場合でもエミッタからコレクタに向かって電流が流れないから、オン故障となっても動作に影響を及ぼすことはない。
【００２２】
以上説明したように、本実施形態の電圧変換器１０は、４つのスイッチング素子３１〜３４の中のいずれの一つがオン故障となっても、２つのバッテリ２３、２５のいずれか一方を切り離すことにより、他方のバッテリの電圧を昇圧して負荷に供給することができるフェールセーフ型の電圧変換器である。また、図２を参照して説明したように、本実施形態の電圧変換器１０は、従来の第１パワーカード４０及び、従来の第１パワーカード４０に若干の変更を加えた第２パワーカード５０を用いることにより簡便に構成することができる。更に、本実施形態の電圧変換器１０では、第１スイッチングアーム１１でＳ１のエミッタからコレクタに電流を流すためにスイッチング素子（ＩＧＢＴ）３２を用いているので、この部分にダイオードを用いている電圧変換器に比べて電圧降下を小さく抑えることができ、電圧変換器１０の損失を低減することができる。
【符号の説明】
【００２３】
１０  電圧変換器、１１  第１スイッチングアーム、１２  第２スイッチングアーム、１３  第３スイッチングアーム、１４  高圧電路（出力線）、１５  接地電路（出力線）、１６，１８  接続点、１７  第１電路、１９  第２電路、２０  第１リアクトル（コイル）、２１  第２リアクトル（コイル）、２２  第１システムメインリレー、２２ａ，２４ａ  プラス側端子、２２ｂ，２４ｂ  マイナス側端子、２３  第１バッテリ、２４  第２システムメインリレー、２５  第２バッテリ、２６  出力電路、２６ａ  高圧側出力端子、２６ｂ  接地側出力端子、３１〜３４  スイッチング素子（ＩＧＢＴ）、４０，５０  パワーカード、４１〜４４、５１〜５４  入力端子、４５〜４７、５５，５６  出力端子、６０  制御部、１００  電源システム、Ｒ１〜Ｒ６  回路。
【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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