電力伝達用絶縁回路および電力変換装置
【課題】入力側および出力側間を絶縁しながら電力を伝達する回路において、簡易な構成でスイッチ素子の故障を検出することにより、回路の信頼性を向上させることが可能な電力伝達用絶縁回路および電力変換装置を提供する。
【解決手段】電力伝達用絶縁回路１０１は、スイッチ素子Ｚ１およびＺ２を含む入力スイッチ部２１と、スイッチ素子Ｚ３およびＺ４を含む出力スイッチ部２２と、スイッチ素Ｚ１子ないしスイッチ素子Ｚ４のうち少なくともいずれか２つの温度を検出するための温度検出部１５と、温度検出部１５によって検出された各スイッチ素子の温度を比較し、比較結果に基づいて入力スイッチ部２１または出力スイッチ部２２におけるスイッチ素子の故障を検出するための制御部１４とを備える。
【解決手段】電力伝達用絶縁回路１０１は、スイッチ素子Ｚ１およびＺ２を含む入力スイッチ部２１と、スイッチ素子Ｚ３およびＺ４を含む出力スイッチ部２２と、スイッチ素Ｚ１子ないしスイッチ素子Ｚ４のうち少なくともいずれか２つの温度を検出するための温度検出部１５と、温度検出部１５によって検出された各スイッチ素子の温度を比較し、比較結果に基づいて入力スイッチ部２１または出力スイッチ部２２におけるスイッチ素子の故障を検出するための制御部１４とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力伝達用絶縁回路および電力変換装置に関し、特に、入力側および出力側間を絶縁しながら電力を伝達する電力伝達用絶縁回路および電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般家庭の交流電力を用いて電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）およびプラグイン方式のハイブリッドカー（ＨＶ：Hybrid Vehicle）等の駆動用の主電池を充電するための電力変換装置が開発されている。
【０００３】
このようなＥＶ等の主電池への充電を目的とするものではないが、交流電力を直流電力に変換する電源装置用絶縁回路の一例が、たとえば、特許第３５９５３２９号公報（特許文献１）に記載されている。すなわち、この電源装置用絶縁回路は、交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、上記整流回路から供給される直流電流に残存する脈流成分を低減する第１のコンデンサーと、上記第１のコンデンサーから供給される直流電流のプラス側およびマイナス側を同時に開閉する第１のスイッチ回路と、上記第１のスイッチ回路から供給される電流を蓄積する第２のコンデンサーと、上記第２のコンデンサーから供給される直流電流のプラス側およびマイナス側を同時に開閉する第２のスイッチ回路と、上記第２のスイッチ回路から供給される電流を保持するとともに負荷側に放出する第３のコンデンサーとを備える。また、ＯＮとなる時間がＯＦＦとなる時間よりも短く設定された方形波によって構成されるコントロール信号φ１、および上記コントロール信号φ１と相補的にＯＮするとともにＯＮ時間がＯＦＦ時間よりも短く設定されたコントロール信号φ２を生成するゲートコントロール回路を備える。上記コントロール信号φ１により上記第１のスイッチ回路の開閉を行い、上記コントロール信号φ２により上記第２のスイッチ回路の開閉を行なう。このような構成により、大きな容積を占める電源トランスを使用することなく交流電圧を直流電圧に変換し、かつ交流電源側と負荷側とを電気的に絶縁することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３５９５３２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の電源装置用絶縁回路では、各スイッチ回路におけるスイッチ素子が故障して短絡した場合、入力側および出力側間の絶縁が確保できない可能性がある。しかしながら、特許文献１には、このような問題に対処するための構成は開示されていない。
【０００６】
この発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、その目的は、入力側および出力側間を絶縁しながら電力を伝達する回路において、簡易な構成でスイッチ素子の故障を検出することにより、回路の信頼性を向上させることが可能な電力伝達用絶縁回路および電力変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる電力伝達用絶縁回路は、第１端および第２端を有する第１の蓄電素子と、第１端および第２端を有する第２の蓄電素子と、第１端、および上記第１の蓄電素子の第１端と電気的に接続された第２端を有する第１のスイッチ素子、ならびに第１端、および上記第１の蓄電素子の第２端と電気的に接続された第２端を有する第２のスイッチ素子を含み、上記第１のスイッチ素子の第１端および上記第２のスイッチ素子の第１端において受けた電力を上記第１の蓄電素子に供給するための入力スイッチ部と、上記第１の蓄電素子の第１端と上記第２の蓄電素子の第１端との間に接続された第３のスイッチ素子および上記第１の蓄電素子の第２端と上記第２の蓄電素子の第２端との間に接続された第４のスイッチ素子を含み、上記第１の蓄電素子に蓄えられた電力を上記第２の蓄電素子に供給するための出力スイッチ部と、上記第１のスイッチ素子ないし上記第４のスイッチ素子のうち少なくともいずれか２つの温度を検出するための温度検出部と、上記温度検出部によって検出された各上記スイッチ素子の温度を比較し、比較結果に基づいて上記入力スイッチ部または上記出力スイッチ部における上記スイッチ素子の故障を検出するための制御部とを備える。
【０００８】
このような構成により、電力伝達用絶縁回路の故障検出を、簡易な構成および処理で安価に実現することができる。また、各スイッチ素子の短絡故障を検出し、故障時にはエラー出力およびシステムの停止を行い、また、ユーザ等が必要な処置を講ずることにより、電力伝達用絶縁回路の入力側および出力側間の短絡による不具合を防ぐことが可能となる。これにより、システム全体の信頼性を向上することができる。したがって、入力側および出力側間を絶縁しながら電力を伝達する回路において、簡易な構成でスイッチ素子の故障を検出することにより、回路の信頼性を向上させることができる。
【０００９】
好ましくは、上記制御部は、検出した上記各スイッチ素子の温度間の差を算出し、算出した上記差が第１の閾値以上である場合には、上記入力スイッチ部または上記出力スイッチ部における上記スイッチ素子が故障したと判定する。
【００１０】
このように、温度差の閾値を用いる構成により、簡易な処理で各スイッチ素子の故障判定を行なうことができる。
【００１１】
より好ましくは、上記制御部は、上記温度検出部によって検出された上記スイッチ素子の温度が第２の閾値以上の場合には上記スイッチ素子の温度が異常上昇の状態にあると判定し、上記制御部は、算出した上記差が略ゼロであり、かつ上記各スイッチ素子の温度が上記第２の閾値より低い第３の閾値未満である場合には、上記第１のスイッチ素子ないし上記第４のスイッチ素子が故障したと判定する。
【００１２】
このような構成により、第１のスイッチ素子ないし第４のスイッチ素子がすべて短絡故障したために温度差では故障判定が困難な場合でも、第１のスイッチ素子ないし第４のスイッチ素子の故障を検出することができるため、回路の信頼性をさらに向上させることができる。
【００１３】
好ましくは、上記温度検出部は、上記第１のスイッチ素子ないし上記第４のスイッチ素子の温度を検出し、上記制御部は、上記温度検出部によって検出された上記第１のスイッチ素子ないし上記第４のスイッチ素子の温度を比較し、比較結果に基づいて上記入力スイッチ部または上記出力スイッチ部における上記スイッチ素子の故障を検出する。
【００１４】
このように、第１のスイッチ素子ないし第４のスイッチの温度をすべて検出する構成により、電力伝達用絶縁回路における各スイッチ素子の故障をより確実に検出することが可能である。
【００１５】
好ましくは、上記入力スイッチ部は、さらに、上記第１のスイッチ素子および上記第２のスイッチ素子にそれぞれ直列接続された第１のダイオードおよび第２のダイオードを含み、上記出力スイッチ部は、さらに、上記第３のスイッチ素子および上記第４のスイッチ素子にそれぞれ直列接続された第３のダイオードおよび第４のダイオードを含み、上記温度検出部は、さらに、上記第１のダイオードないし上記第４のダイオードのうち少なくともいずれか２つの温度を検出し、上記制御部は、さらに、上記温度検出部によって検出された各上記ダイオードの温度を比較し、比較結果に基づいて上記入力スイッチ部または上記出力スイッチ部における上記ダイオードの故障を検出する。
【００１６】
このように、スイッチ素子に加えて、ダイオードの温度検出および故障検出を行なう構成により、入力側および出力側間を絶縁しながら電力を伝達する回路において、簡易な構成でスイッチ素子およびダイオードの故障を検出することにより、回路の信頼性をさらに向上させることができる。
【００１７】
より好ましくは、上記第１の閾値は設定変更可能である。
【００１８】
このような構成により、電力伝達用絶縁回路の使用環境に応じて柔軟に閾値を設定することが可能となるため、使用環境に関わらず各スイッチ素子の故障を確実に検出することができる。
【００１９】
より好ましくは、上記第２の蓄電素子の第１端および第２端は負荷に接続され、上記第１の閾値は、上記電力伝達用絶縁回路から上記負荷への出力電流が大きい場合には大きく設定され、上記電力伝達用絶縁回路から上記負荷への出力電流が小さい場合には小さく設定される。
【００２０】
このような構成により、電力供給対象である負荷の種類に応じて適切に閾値を設定することができ、各スイッチ素子の故障を確実に検出することができる。
【００２１】
好ましくは、上記第１のスイッチ素子ないし上記第４のスイッチ素子はＰＮ接合を有する。
【００２２】
ＰＮ接合を有するＩＧＢＴ等のスイッチ素子は、短絡故障時におけるオン電圧が正常時と比べて大幅に小さくなることから、このようなスイッチ素子を用いる構成により、第１の閾値の設定が容易となり、故障判定をより正確に行なうことが可能となる。
【００２３】
好ましくは、上記制御部は、上記第１のスイッチ素子ないし上記第４のスイッチ素子のオン・オフを制御し、上記制御部は、上記入力スイッチ部における上記各スイッチ素子をオンし、かつ上記出力スイッチ部における上記各スイッチ素子をオフする第１の期間と、上記入力スイッチ部における上記各スイッチ素子および上記出力スイッチ部における上記各スイッチ素子をオフする第２の期間と、上記入力スイッチ部における上記各スイッチ素子をオフし、かつ上記出力スイッチ部における上記各スイッチ素子をオンする第３の期間と、上記入力スイッチ部における上記各スイッチ素子および上記出力スイッチ部における上記各スイッチ素子をオフする第４の期間とをこの順番で繰り返す。
【００２４】
このように、デッドタイムを設ける構成により、電力伝達用絶縁回路の入力側および出力側間の絶縁を確実に確保することができる。
【００２５】
上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる電力変換装置は、交流電力を直流電力に変換して負荷に供給するための電力変換装置であって、受けた交流電力を整流するための整流部と、上記整流部および上記負荷間を絶縁しながら、上記整流部によって整流された電力を上記負荷に伝達するための電力伝達用絶縁回路とを備え、上記電力伝達用絶縁回路は、第１端および第２端を有する第１の蓄電素子と、第１端および第２端を有する第２の蓄電素子と、上記整流部と上記第１の蓄電素子の第１端との間に接続された第１のスイッチ素子および上記整流部と上記第１の蓄電素子の第２端との間に接続された第２のスイッチ素子を含み、上記整流部によって整流された電力を上記第１の蓄電素子に供給するための入力スイッチ部と、上記第１の蓄電素子の第１端と上記第２の蓄電素子の第１端との間に接続された第３のスイッチ素子および上記第１の蓄電素子の第２端と上記第２の蓄電素子の第２端との間に接続された第４のスイッチ素子を含み、上記第１の蓄電素子に蓄えられた電力を上記第２の蓄電素子に供給するための出力スイッチ部と、上記第１のスイッチ素子ないし上記第４のスイッチ素子のうち少なくともいずれか２つの温度を検出するための温度検出部と、上記温度検出部によって検出された各上記スイッチ素子の温度を比較し、比較結果に基づいて上記入力スイッチ部または上記出力スイッチ部における上記スイッチ素子の故障を検出するための制御部とを含む。
【００２６】
このような構成により、電力伝達用絶縁回路の故障検出を、簡易な構成および処理で安価に実現することができる。また、各スイッチ素子の短絡故障を検出し、故障時にはエラー出力およびシステムの停止を行い、また、ユーザ等が必要な処置を講ずることにより、電力伝達用絶縁回路の入力側および出力側間の短絡による不具合を防ぐことが可能となる。これにより、システム全体の信頼性を向上することができる。したがって、入力側および出力側間を絶縁しながら電力を伝達する回路において、簡易な構成でスイッチ素子の故障を検出することにより、回路の信頼性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、入力側および出力側間を絶縁しながら電力を伝達する回路において、簡易な構成でスイッチ素子の故障を検出することにより、回路の信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路によるスイッチング動作を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路におけるスイッチ素子の静特性を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路におけるスイッチ素子の発生損失を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００３０】
［構成および基本動作］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。
【００３１】
図１を参照して、電力変換装置２０１は、電力伝達用絶縁回路１０１と、整流部５１とを備える。電力伝達用絶縁回路１０１は、キャパシタＣ０〜Ｃ２と、入力スイッチ部２１と、出力スイッチ部２２と、制御部１４と、温度検出部１５と、温度検出素子Ｋ１〜Ｋ４を含む。入力スイッチ部２１は、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２とを含む。出力スイッチ部２２は、スイッチ素子Ｚ３，Ｚ４と、ダイオードＤ３，Ｄ４とを含む。
【００３２】
電力伝達用絶縁回路１０１において、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４は、たとえばＮチャネルＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。なお、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４は、ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）ＦＥＴ（Field Effect Transistor）等、他の種類のトランジスタであってもよい。
【００３３】
ここでは、スイッチ素子Ｚ１の第１端および第２端がそれぞれスイッチ素子Ｚ１のコレクタおよびエミッタに相当し、スイッチ素子Ｚ２の第１端および第２端がそれぞれスイッチ素子Ｚ２のエミッタおよびコレクタに相当し、スイッチ素子Ｚ３の第１端および第２端がそれぞれスイッチ素子Ｚ３のコレクタおよびエミッタに相当し、スイッチ素子Ｚ４の第１端および第２端がそれぞれスイッチ素子Ｚ４のエミッタおよびコレクタに相当する。
【００３４】
ダイオードＤ１〜Ｄ４は、電力伝達用絶縁回路１０１における電流の逆流を防ぐために設けられている。
【００３５】
スイッチ素子Ｚ１は、ダイオードＤ１を介してキャパシタＣ０の第１端Ｔ１１と電気的に接続された第１端、およびキャパシタＣ１の第１端Ｔ１３と電気的に接続された第２端を有する。スイッチ素子Ｚ２は、ダイオードＤ２を介してキャパシタＣ０の第２端Ｔ１２と電気的に接続された第１端、およびキャパシタＣ１の第２端Ｔ１４と電気的に接続された第２端を有する。スイッチ素子Ｚ３は、ダイオードＤ３を介してキャパシタＣ１の第１端Ｔ１３と電気的に接続された第１端、およびキャパシタＣ２の第１端Ｔ１５と電気的に接続された第２端を有する。スイッチ素子Ｚ４は、ダイオードＤ４を介してキャパシタＣ１の第２端Ｔ１４と電気的に接続された第１端、およびキャパシタＣ２の第２端Ｔ１６と電気的に接続された第２端を有する。
【００３６】
ダイオードＤ１は、キャパシタＣ０の第１端Ｔ１１とスイッチ素子Ｚ１の第１端との間に接続されている。ダイオードＤ２は、キャパシタＣ０の第２端Ｔ１２とスイッチ素子Ｚ２の第１端との間に接続されている。ダイオードＤ３は、キャパシタＣ１の第１端Ｔ１３とスイッチ素子Ｚ３の第１端との間に接続されている。ダイオードＤ４は、キャパシタＣ１の第２端Ｔ１４とスイッチ素子Ｚ４の第１端との間に接続されている。
【００３７】
より詳細には、ダイオードＤ１は、キャパシタＣ０の第１端Ｔ１１に電気的に接続されたアノードと、スイッチ素子Ｚ１のコレクタに電気的に接続されたカソードとを有する。ダイオードＤ２は、スイッチ素子Ｚ２のエミッタに電気的に接続されたアノードと、キャパシタＣ０の第２端Ｔ１２に電気的に接続されたカソードとを有する。ダイオードＤ３は、キャパシタＣ１の第１端Ｔ１３に電気的に接続されたアノードと、スイッチ素子Ｚ３のコレクタに電気的に接続されたカソードとを有する。ダイオードＤ４は、スイッチ素子Ｚ４のエミッタに電気的に接続されたアノードと、キャパシタＣ１の第２端Ｔ１４に電気的に接続されたカソードとを有する。
【００３８】
スイッチ素子Ｚ１は、ダイオードＤ１のカソードに電気的に接続されたコレクタと、キャパシタＣ１の第１端Ｔ１３に電気的に接続されたエミッタと、制御部１４からのゲート制御信号Ｇ１を受けるゲートとを有する。スイッチ素子Ｚ２は、キャパシタＣ１の第２端Ｔ１４に電気的に接続されたコレクタと、ダイオードＤ２のアノードに電気的に接続されたエミッタと、制御部１４からのゲート制御信号Ｇ２を受けるゲートとを有する。スイッチ素子Ｚ３は、ダイオードＤ３のカソードに電気的に接続されたコレクタと、キャパシタＣ２の第１端Ｔ１５に電気的に接続されたエミッタと、制御部１４からのゲート制御信号Ｇ３を受けるゲートとを有する。スイッチ素子Ｚ４は、キャパシタＣ２の第２端Ｔ１６に電気的に接続されたコレクタと、ダイオードＤ４のアノードに電気的に接続されたエミッタと、制御部１４からのゲート制御信号Ｇ４を受けるゲートとを有する。
【００３９】
キャパシタＣ２の第１端Ｔ１５と負荷３０２のプラス側端子とが接続され、キャパシタＣ２の第２端Ｔ１６と負荷３０２のマイナス側端子とが接続されている。
【００４０】
電力変換装置２０１は、交流電源３０１から供給された交流電力を直流電力に変換して負荷３０２に供給する。負荷３０２は、たとえば、ＥＶおよびプラグイン方式のＨＶ等の駆動用の主電池である。
【００４１】
整流部５１は、たとえば、ダイオードブリッジを含み、交流電源３０１から受けた交流電力を全波整流して電力伝達用絶縁回路１０１へ出力する。
【００４２】
電力伝達用絶縁回路１０１において、キャパシタＣ０は、整流部５１によって整流された電力を蓄える。入力スイッチ部２１は、スイッチ素子Ｚ１の第１端およびスイッチ素子Ｚ２の第１端において受けた電力すなわちキャパシタＣ０に蓄えられた電力をキャパシタＣ１に供給する。出力スイッチ部２２は、キャパシタＣ１に蓄えられた電力をキャパシタＣ２に供給する。キャパシタＣ２に蓄えられた電力は、放電されて負荷３０２に供給される。
【００４３】
制御部１４は、ゲート駆動信号Ｇ１〜Ｇ４をスイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４に出力することにより、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４のオンおよびオフを切り替える。電力伝達用絶縁回路１０１は、制御部１４のスイッチ制御により、整流部５１および負荷３０２間を絶縁しながら、キャパシタＣ０に蓄えられた電力を負荷３０２に伝達する。
【００４４】
温度検出素子Ｋ１〜Ｋ４は、たとえば、サーミスタ、熱電対、またはダイオードである。温度検出素子Ｋ１〜Ｋ４は、それぞれスイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４の近傍またはスイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４に接触して設けられ、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４の温度を示す電圧または電流を温度検出部１５へ出力する。
【００４５】
温度検出部１５は、温度検出素子Ｋ１〜Ｋ４から受けた電圧または電流に基づいて温度検出素子Ｋ１〜Ｋ４の温度をそれぞれ検出し、検出結果を示す信号を制御部１４へ出力する。
【００４６】
制御部１４は、温度検出部１５から受けた信号に基づいて、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４の故障を判定する。
【００４７】
［動作］
次に、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路が電力伝達を行なう際の動作について図面を用いて説明する。
【００４８】
図２は、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路によるスイッチング動作を示す図である。
【００４９】
図２を参照して、まず、制御部１４は、期間Ｔ１において、スイッチ素子Ｚ１をオンし、スイッチ素子Ｚ２をオンし、スイッチ素子Ｚ３をオフし、スイッチ素子Ｚ４をオフする。これにより、キャパシタＣ０に蓄えられた電荷が放電され、放電された電荷がキャパシタＣ１に蓄えられる。スイッチ素子Ｚ３およびＺ４がオフされていることにより、整流部５１および負荷３０２間の絶縁が確保される。
【００５０】
次に、制御部１４は、期間Ｔ２において、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４をオフする。これにより、電力伝達用絶縁回路１０１の入力側および出力側間の絶縁を確保するためのデッドタイムが設けられる。すなわち、入力スイッチ部２１における各スイッチおよび出力スイッチ部２２における各スイッチを介して電力伝達用絶縁回路１０１の入力側および出力側間、すなわち整流部５１および負荷３０２間が短絡することを防ぐことができる。
【００５１】
次に、制御部１４は、期間Ｔ３において、スイッチ素子Ｚ１をオフし、スイッチ素子Ｚ２をオフし、スイッチ素子Ｚ３をオンし、スイッチ素子Ｚ４をオンする。これにより、キャパシタＣ１に蓄えられた電荷が放電され、放電された電荷がキャパシタＣ２に蓄えられる。スイッチ素子Ｚ１およびＺ２がオフされていることにより、整流部５１および負荷３０２間の絶縁が確保される。
【００５２】
次に、制御部１４は、期間Ｔ４において、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４をオフする。これにより、期間Ｔ２と同様に、電力伝達用絶縁回路１０１の入力側および出力側間の絶縁を確保するためのデッドタイムが設けられる。
【００５３】
ここで、期間Ｔ１〜Ｔ４において、キャパシタＣ１は整流部５１からの電力により充電されており、また、キャパシタＣ２に蓄えられた電力は放電されて負荷３０２に供給されている。また、期間Ｔ２およびＴ４においては、キャパシタＣ１における電荷の移動はない。
【００５４】
そして、制御部１４は、これら期間Ｔ１、期間Ｔ２、期間Ｔ３および期間Ｔ４をこの順番で繰り返すことにより、電力伝達用絶縁回路１０１の入力側および出力側間を絶縁しながら、整流部５１と協働して、交流電源３０１からの交流電力を直流電力に変換して負荷３０２に供給する。
【００５５】
次に、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路がスイッチ素子の故障判定を行なう際の動作について図面を用いて説明する。
【００５６】
図３は、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路におけるスイッチ素子の静特性を示す図である。図３は、耐圧１２００Ｖおよび最大コレクタ電流６０Ａ（アンペア）のＩＧＢＴであるスイッチ素子について、ゲート−エミッタ間電圧が１５Ｖの場合における、正常品および短絡故障品の静特性すなわち電流−電圧特性を実測した結果を示している。図３のグラフにおいて、横軸はスイッチ素子におけるコレクタ−エミッタ間電圧ＶＣＥであり、縦軸はスイッチ素子におけるコレクタ電流ＩＣである。
【００５７】
図３を参照して、短絡故障品では、正常品に比べて、同じコレクタ電流ＩＣに対するコレクタ−エミッタ間電圧ＶＣＥが大幅に小さくなっていることが分かる。
【００５８】
したがって、短絡故障品を含んだ電力伝達用絶縁回路１０１をそのまま動作させた場合には、短絡故障品の発生損失および正常品の発生損失が異なることになる。
【００５９】
図４は、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路におけるスイッチ素子の発生損失を示す図である。図４は、ＩＧＢＴの正常品における発生損失と短絡故障品における発生損失とを比較した図である。
【００６０】
具体的には、図４は、電力伝達用絶縁回路１０１の出力電力が３ｋＷであり、出力電圧の直流レベルが３００Ｖである場合において、電力伝達用絶縁回路１０１における４つのＩＧＢＴのうち、１つが短絡故障した場合における、正常品の発生損失と短絡故障品の発生損失の理論計算値を示している。この理論計算値は、図３に示す静特性を用いて算出した。
【００６１】
図４に示す理論計算結果より、短絡故障品の損失は、正常品の約１／５になると予測される。すなわち、短絡故障品の温度上昇と正常品の温度上昇とで差が生じることになる。たとえば、２．９℃／Ｗの関係を用いて、短絡故障品の温度上昇と正常品の温度上昇との差を算出することが可能である。
【００６２】
一方、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４がすべて正常動作している場合には、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４の温度上昇は、ほぼ均一となる。
【００６３】
そこで、電力伝達用絶縁回路１０１では、温度検出素子Ｋ１〜Ｋ４を、それぞれスイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４に、接触または非接触の状態で取り付けるかまたは半導体チップ上に形成する。
【００６４】
そして、温度検出部１５を介して制御部１４にスイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４の温度を通知し、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４間の温度差が大きくなった場合には、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４のうちの少なくともいずれか１つのスイッチ素子が短絡故障したと判断する。
【００６５】
すなわち、温度検出部１５は、スイッチ素子Ｚ１ないしスイッチ素子Ｚ４の温度を検出する。制御部１４は、温度検出部１５によって検出されたスイッチ素子Ｚ１ないしスイッチ素子Ｚ４の温度を比較し、比較結果に基づいて入力スイッチ部２１または出力スイッチ部２２におけるスイッチ素子の故障を検出する。
【００６６】
具体的には、制御部１４は、検出したスイッチ素子Ｚ１ないしＺ４の温度間の差を算出し、算出した差が閾値ＤＴｈ１以上である場合には、入力スイッチ部２１または出力スイッチ部２２におけるスイッチ素子が故障したと判定する。
【００６７】
また、制御部１４は、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４の各々の温度に基づいて各スイッチ素子の故障検出を行なう動作をさらに行なってもよい。
【００６８】
すなわち、制御部１４は、温度検出部１５によって検出されたスイッチ素子の温度が閾値ＡＴｈ１以上の場合には当該スイッチ素子の温度が異常上昇の状態にあると判定する。ここで、閾値ＡＴｈ１は、たとえば、デバイスの熱破壊を防止するためにＩＰＭ（Intelligent Power Module）等で行なわれる温度異常上昇検出用の閾値である。
【００６９】
そして、制御部１４は、検出したスイッチ素子Ｚ１ないしＺ４の温度間の差が略ゼロであり、かつスイッチ素子Ｚ１ないしＺ４の温度が閾値ＡＴｈ１より低い閾値ＡＴｈ２未満である場合には、スイッチ素子Ｚ１ないしＺ４が故障したと判定する。
【００７０】
また、閾値ＤＴｈ１は設定変更可能であってもよい。閾値ＤＴｈ１の設定方法の一例として、回路を流れる電流に応じて閾値ＤＴｈ１を設定することが考えられる。すなわち、故障と判断するための温度差の閾値ＤＴｈ１については、たとえば電力伝達用絶縁回路１０１の出力電流に応じて可変とすることが望ましい。
【００７１】
より詳細には、閾値ＤＴｈ１は、電力伝達用絶縁回路１０１から負荷３０２への出力電流が大きい場合には大きく設定され、電力伝達用絶縁回路１０１から負荷３０２への出力電流が小さい場合には小さく設定される。
【００７２】
具体的には、電力伝達用絶縁回路１０１の出力電力が３ｋＷである場合、正常品であるスイッチ素子と短絡故障品であるスイッチ素子との温度上昇差が４０℃であったとする。この場合、閾値ＤＴｈ１を２０℃に設定すればよい。
【００７３】
また、電力伝達用絶縁回路１０１の出力電力が５００Ｗである場合、正常品であるスイッチ素子と短絡故障品であるスイッチ素子との温度上昇差が４℃であったとする。この場合、閾値ＤＴｈ１を２℃〜３℃に設定すればよい。
【００７４】
ところで、特許文献１に記載の電源装置用絶縁回路では、各スイッチ回路におけるスイッチ素子が故障して短絡した場合、入力側および出力側間の絶縁が確保できない可能性がある。これは、電力伝達用絶縁回路１０１でも同様である。
【００７５】
すなわち、トランスレス絶縁回路である電力伝達用絶縁回路１０１では、ＩＧＢＴおよびＭＯＳＦＥＴ等のスイッチ素子の耐電圧によって入出力間の絶縁を確保する。このため、電力伝達用絶縁回路１０１を用いるシステムの信頼性を向上させるために、スイッチ素子の短絡故障の検出機能を安価に実現することが課題となる。なお、スイッチ素子の開放故障の場合には、電力伝達用絶縁回路１０１の入出力間で通電不能となることから、短絡故障と比べて不具合の発生する可能性は低く、また、検出も容易である。
【００７６】
各スイッチ素子の短絡故障の故障検出方法としては、たとえば、電力伝達用絶縁回路１０１から負荷３０２への出力電圧を監視する方法が考えられる。しかしながら、電力伝達用絶縁回路１０１では、１つのスイッチ素子が短絡故障しても出力電圧のレベルはほぼ変わらないことから、このような方法ではスイッチ素子の短絡故障を確実に検出することは困難である。
【００７７】
また、電力伝達用絶縁回路１０１内における電圧を監視する方法も考えられるが、電圧検出部が別途必要となり、また、内部電圧の正常および異常を判定する処理が必要となることから、構成および処理が複雑になってしまう。
【００７８】
これに対して、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、温度検出部１５は、スイッチ素子Ｚ１ないしスイッチ素子Ｚ４の温度を検出する。そして、制御部１４は、温度検出部１５によって検出された各スイッチ素子の温度を比較し、比較結果に基づいて入力スイッチ部２１または出力スイッチ部２２におけるスイッチ素子の故障を検出する。
【００７９】
すなわち、正常品のスイッチ素子と短絡故障品のスイッチ素子との静特性の差異に着目し、動作中の温度上昇が、正常品および短絡故障品間で異なることを利用して、スイッチ素子の故障検出を行なう。
【００８０】
また、各スイッチ素子の温度を検出するための温度検出素子は、通常、これらのスイッチ素子の保護用に設けられる場合が多い。電力伝達用絶縁回路１０１では、電圧検出部等を別途設けることなく、保護用の温度検出素子を利用して、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４の温度差を算出し、故障検出を行なう。
【００８１】
このような構成により、電力伝達用絶縁回路１０１の故障検出を、簡易な構成および処理で安価に実現することができる。
【００８２】
また、各スイッチ素子の短絡故障を検出し、故障時にはエラー出力およびシステムの停止を行い、また、ユーザ等が必要な処置を講ずることにより、電力伝達用絶縁回路１０１の入力側および出力側間の短絡による不具合を防ぐことが可能となる。これにより、システム全体の信頼性を向上することができる。
【００８３】
したがって、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、入力側および出力側間を絶縁しながら電力を伝達する回路において、簡易な構成でスイッチ素子の故障を検出することにより、回路の信頼性を向上させることができる。
【００８４】
また、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、制御部１４は、検出した各スイッチ素子の温度間の差を算出し、算出した差が閾値ＤＴｈ１以上である場合には、入力スイッチ部２１または出力スイッチ部２２におけるスイッチ素子が故障したと判定する。
【００８５】
このように、温度差の閾値ＤＴｈ１を用いる構成により、簡易な処理で各スイッチ素子の故障判定を行なうことができる。
【００８６】
また、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、制御部１４は、温度検出部１５によって検出されたスイッチ素子の温度が閾値ＡＴｈ１以上の場合には、当該スイッチ素子の温度が異常上昇の状態にあると判定する。そして、制御部１４は、検出した各スイッチ素子の温度間の差が略ゼロであり、かつ各スイッチ素子の温度が閾値ＡＴｈ１より低い閾値ＡＴｈ２未満である場合には、スイッチ素子Ｚ１ないしＺ４が故障したと判定する。
【００８７】
このような構成により、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４がすべて短絡故障したために温度差では故障判定が困難な場合でも、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４の故障を検出することができるため、回路の信頼性をさらに向上させることができる。
【００８８】
また、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、閾値ＤＴｈは設定変更可能である。
【００８９】
このような構成により、電力伝達用絶縁回路１０１の使用環境に応じて柔軟に閾値ＤＴｈ１を設定することが可能となるため、使用環境に関わらず各スイッチ素子の故障を確実に検出することができる。
【００９０】
また、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、閾値ＤＴｈは、電力伝達用絶縁回路１０１から負荷３０２への出力電流が大きい場合には大きく設定され、電力伝達用絶縁回路１０１から負荷３０２への出力電流が小さい場合には小さく設定される。
【００９１】
このような構成により、電力供給対象である負荷の種類に応じて適切に閾値ＤＴｈ１を設定することができ、各スイッチ素子の故障を確実に検出することができる。
【００９２】
また、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、スイッチ素子Ｚ１ないしスイッチ素子Ｚ４はＰＮ接合を有する。
【００９３】
ＰＮ接合を有するＩＧＢＴ等のスイッチ素子は、短絡故障時におけるオン電圧が正常時と比べて大幅に小さくなることから、このようなスイッチ素子を用いる構成により、閾値ＤＴｈ１の設定が容易となり、故障判定をより正確に行なうことが可能となる。
【００９４】
また、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、制御部１４は、入力スイッチ部２１における各スイッチ素子をオンし、かつ出力スイッチ部２２における各スイッチ素子をオフする期間Ｔ１と、入力スイッチ部２１における各スイッチ素子および出力スイッチ部２２における各スイッチ素子をオフする期間Ｔ２と、入力スイッチ部２１における各スイッチ素子をオフし、かつ出力スイッチ部２２における各スイッチ素子をオンする期間Ｔ３と、入力スイッチ部２１における各スイッチ素子および出力スイッチ部２２における各スイッチ素子をオフする期間Ｔ４とをこの順番で繰り返す。
【００９５】
このように、デッドタイムを設ける構成により、電力伝達用絶縁回路１０１の入力側および出力側間の絶縁を確実に確保することができる。
【００９６】
なお、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路は、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４の温度を検出する構成であるとしたが、これに限定するものではなく、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４のうちの少なくともいずれか２つの温度を検出する構成であれば、簡易な構成でスイッチ素子の故障を検出することにより、回路の信頼性を向上させる、という本発明の目的を達成することが可能である。
【００９７】
一方、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４の温度をすべて検出する構成により、電力伝達用絶縁回路１０１における各スイッチ素子の故障をより確実に検出することが可能である。
【００９８】
また、電力伝達用絶縁回路１０１は、キャパシタＣ０を備えない構成であってもよい。ただし、キャパシタＣ０を設けることにより、電力伝達用絶縁回路１０１への入力電流のリップルを防ぎ、回路動作の安定化を図るという効果が得られる。また、整流部５１において、整流された電力を蓄えるためのキャパシタが設けられる場合にも、電力伝達用絶縁回路１０１においてキャパシタＣ０を設けない構成が可能となる。
【００９９】
また、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路は、キャパシタＣ０〜Ｃ２を備える構成であるとしたが、キャパシタに限らず、コイル（インダクタ）等の他の蓄電素子を備える構成であってもよい。
【０１００】
次に、本発明の他の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【０１０１】
＜第２の実施の形態＞
本実施の形態は、第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路と比べて温度検出対象を追加した電力伝達用絶縁回路に関する。以下で説明する内容以外は第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路と同様である。
【０１０２】
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。
【０１０３】
図５を参照して、電力変換装置２０２は、電力伝達用絶縁回路１０２と、整流部５１とを備える。電力伝達用絶縁回路１０２は、電力伝達用絶縁回路１０１と比べて、さらに、温度検出素子Ｋ５〜Ｋ８を含む。
【０１０４】
入力スイッチ部２１は、電力伝達用絶縁回路１０１と同様に、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２にそれぞれ直列接続されたダイオードＤ１およびダイオードＤ２を含む。
【０１０５】
出力スイッチ部２２は、電力伝達用絶縁回路１０１と同様に、スイッチ素子Ｚ３およびスイッチ素子Ｚ４にそれぞれ直列接続されたダイオードＤ３およびダイオードＤ４を含む。
【０１０６】
温度検出素子Ｋ５〜Ｋ８は、たとえば、サーミスタ、熱電対、またはダイオードである。温度検出素子Ｋ５〜Ｋ８は、それぞれダイオードＤ１〜Ｄ４の近傍またはダイオードＤ１〜Ｄ４に接触して設けられ、ダイオードＤ１〜Ｄ４の温度を示す電圧または電流を温度検出部１５へ出力する。
【０１０７】
温度検出部１５は、温度検出素子Ｋ５〜Ｋ８から受けた電圧または電流に基づいてダイオードＤ１〜Ｄ４の温度をそれぞれ検出し、検出結果を示す信号を制御部１４へ出力する。
【０１０８】
制御部１４は、温度検出部１５から受けた信号に基づいて、ダイオードＤ１〜Ｄ４の故障を判定する。
【０１０９】
電力伝達用絶縁回路１０２では、温度検出素子Ｋ５〜Ｋ８を、それぞれダイオードＤ１〜Ｄ４に、接触または非接触の状態で取り付けるかまたは半導体チップ上に形成する。
【０１１０】
そして、温度検出部１５を介して制御部１４にダイオードＤ１〜Ｄ４の温度を通知し、ダイオードＤ１〜Ｄ４間の温度差が大きくなった場合には、ダイオードＤ１〜Ｄ４のうちの少なくともいずれか１つのダイオードが短絡故障したと判断する。
【０１１１】
すなわち、制御部１４は、温度検出部１５によって検出された各ダイオードの温度を比較し、比較結果に基づいて入力スイッチ部２１または出力スイッチ部２２におけるダイオードの故障を検出する。
【０１１２】
具体的には、制御部１４は、検出したダイオードＤ１ないしＤ４の各温度間の差を算出し、算出した差が閾値ＤＴｈ２以上である場合には、入力スイッチ部２１または出力スイッチ部２２におけるダイオードが故障したと判定する。
【０１１３】
このように、本発明の第２の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４に加えて、逆阻止ダイオードＤ１〜Ｄ４の温度検出および故障検出を行なう。このような構成により、入力側および出力側間を絶縁しながら電力を伝達する回路において、簡易な構成でスイッチ素子およびダイオードの故障を検出することにより、回路の信頼性をさらに向上させることができる。
【０１１４】
なお、本発明の第２の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路は、ダイオードＤ１〜Ｄ４の温度を検出する構成であるとしたが、これに限定するものではなく、ダイオードＤ１〜Ｄ４のうちの少なくともいずれか２つの温度を検出する構成であればよい。
【０１１５】
上記実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１１６】
１０〜１２ 出力電圧検出部
１４ 制御部
１５ 温度検出部
２１ 入力スイッチ部
２２ 出力スイッチ部
１０１，１０２ 電力伝達用絶縁回路
５１ 整流部
２０１，２０２ 電力変換装置
３０１ 交流電源
３０２ 負荷
Ｃ０〜Ｃ２ キャパシタ
Ｋ１〜Ｋ８ 温度検出素子
Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４ スイッチ素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力伝達用絶縁回路および電力変換装置に関し、特に、入力側および出力側間を絶縁しながら電力を伝達する電力伝達用絶縁回路および電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般家庭の交流電力を用いて電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）およびプラグイン方式のハイブリッドカー（ＨＶ：Hybrid Vehicle）等の駆動用の主電池を充電するための電力変換装置が開発されている。
【０００３】
このようなＥＶ等の主電池への充電を目的とするものではないが、交流電力を直流電力に変換する電源装置用絶縁回路の一例が、たとえば、特許第３５９５３２９号公報（特許文献１）に記載されている。すなわち、この電源装置用絶縁回路は、交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、上記整流回路から供給される直流電流に残存する脈流成分を低減する第１のコンデンサーと、上記第１のコンデンサーから供給される直流電流のプラス側およびマイナス側を同時に開閉する第１のスイッチ回路と、上記第１のスイッチ回路から供給される電流を蓄積する第２のコンデンサーと、上記第２のコンデンサーから供給される直流電流のプラス側およびマイナス側を同時に開閉する第２のスイッチ回路と、上記第２のスイッチ回路から供給される電流を保持するとともに負荷側に放出する第３のコンデンサーとを備える。また、ＯＮとなる時間がＯＦＦとなる時間よりも短く設定された方形波によって構成されるコントロール信号φ１、および上記コントロール信号φ１と相補的にＯＮするとともにＯＮ時間がＯＦＦ時間よりも短く設定されたコントロール信号φ２を生成するゲートコントロール回路を備える。上記コントロール信号φ１により上記第１のスイッチ回路の開閉を行い、上記コントロール信号φ２により上記第２のスイッチ回路の開閉を行なう。このような構成により、大きな容積を占める電源トランスを使用することなく交流電圧を直流電圧に変換し、かつ交流電源側と負荷側とを電気的に絶縁することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３５９５３２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の電源装置用絶縁回路では、各スイッチ回路におけるスイッチ素子が故障して短絡した場合、入力側および出力側間の絶縁が確保できない可能性がある。しかしながら、特許文献１には、このような問題に対処するための構成は開示されていない。
【０００６】
この発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、その目的は、入力側および出力側間を絶縁しながら電力を伝達する回路において、簡易な構成でスイッチ素子の故障を検出することにより、回路の信頼性を向上させることが可能な電力伝達用絶縁回路および電力変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる電力伝達用絶縁回路は、第１端および第２端を有する第１の蓄電素子と、第１端および第２端を有する第２の蓄電素子と、第１端、および上記第１の蓄電素子の第１端と電気的に接続された第２端を有する第１のスイッチ素子、ならびに第１端、および上記第１の蓄電素子の第２端と電気的に接続された第２端を有する第２のスイッチ素子を含み、上記第１のスイッチ素子の第１端および上記第２のスイッチ素子の第１端において受けた電力を上記第１の蓄電素子に供給するための入力スイッチ部と、上記第１の蓄電素子の第１端と上記第２の蓄電素子の第１端との間に接続された第３のスイッチ素子および上記第１の蓄電素子の第２端と上記第２の蓄電素子の第２端との間に接続された第４のスイッチ素子を含み、上記第１の蓄電素子に蓄えられた電力を上記第２の蓄電素子に供給するための出力スイッチ部と、上記第１のスイッチ素子ないし上記第４のスイッチ素子のうち少なくともいずれか２つの温度を検出するための温度検出部と、上記温度検出部によって検出された各上記スイッチ素子の温度を比較し、比較結果に基づいて上記入力スイッチ部または上記出力スイッチ部における上記スイッチ素子の故障を検出するための制御部とを備える。
【０００８】
このような構成により、電力伝達用絶縁回路の故障検出を、簡易な構成および処理で安価に実現することができる。また、各スイッチ素子の短絡故障を検出し、故障時にはエラー出力およびシステムの停止を行い、また、ユーザ等が必要な処置を講ずることにより、電力伝達用絶縁回路の入力側および出力側間の短絡による不具合を防ぐことが可能となる。これにより、システム全体の信頼性を向上することができる。したがって、入力側および出力側間を絶縁しながら電力を伝達する回路において、簡易な構成でスイッチ素子の故障を検出することにより、回路の信頼性を向上させることができる。
【０００９】
好ましくは、上記制御部は、検出した上記各スイッチ素子の温度間の差を算出し、算出した上記差が第１の閾値以上である場合には、上記入力スイッチ部または上記出力スイッチ部における上記スイッチ素子が故障したと判定する。
【００１０】
このように、温度差の閾値を用いる構成により、簡易な処理で各スイッチ素子の故障判定を行なうことができる。
【００１１】
より好ましくは、上記制御部は、上記温度検出部によって検出された上記スイッチ素子の温度が第２の閾値以上の場合には上記スイッチ素子の温度が異常上昇の状態にあると判定し、上記制御部は、算出した上記差が略ゼロであり、かつ上記各スイッチ素子の温度が上記第２の閾値より低い第３の閾値未満である場合には、上記第１のスイッチ素子ないし上記第４のスイッチ素子が故障したと判定する。
【００１２】
このような構成により、第１のスイッチ素子ないし第４のスイッチ素子がすべて短絡故障したために温度差では故障判定が困難な場合でも、第１のスイッチ素子ないし第４のスイッチ素子の故障を検出することができるため、回路の信頼性をさらに向上させることができる。
【００１３】
好ましくは、上記温度検出部は、上記第１のスイッチ素子ないし上記第４のスイッチ素子の温度を検出し、上記制御部は、上記温度検出部によって検出された上記第１のスイッチ素子ないし上記第４のスイッチ素子の温度を比較し、比較結果に基づいて上記入力スイッチ部または上記出力スイッチ部における上記スイッチ素子の故障を検出する。
【００１４】
このように、第１のスイッチ素子ないし第４のスイッチの温度をすべて検出する構成により、電力伝達用絶縁回路における各スイッチ素子の故障をより確実に検出することが可能である。
【００１５】
好ましくは、上記入力スイッチ部は、さらに、上記第１のスイッチ素子および上記第２のスイッチ素子にそれぞれ直列接続された第１のダイオードおよび第２のダイオードを含み、上記出力スイッチ部は、さらに、上記第３のスイッチ素子および上記第４のスイッチ素子にそれぞれ直列接続された第３のダイオードおよび第４のダイオードを含み、上記温度検出部は、さらに、上記第１のダイオードないし上記第４のダイオードのうち少なくともいずれか２つの温度を検出し、上記制御部は、さらに、上記温度検出部によって検出された各上記ダイオードの温度を比較し、比較結果に基づいて上記入力スイッチ部または上記出力スイッチ部における上記ダイオードの故障を検出する。
【００１６】
このように、スイッチ素子に加えて、ダイオードの温度検出および故障検出を行なう構成により、入力側および出力側間を絶縁しながら電力を伝達する回路において、簡易な構成でスイッチ素子およびダイオードの故障を検出することにより、回路の信頼性をさらに向上させることができる。
【００１７】
より好ましくは、上記第１の閾値は設定変更可能である。
【００１８】
このような構成により、電力伝達用絶縁回路の使用環境に応じて柔軟に閾値を設定することが可能となるため、使用環境に関わらず各スイッチ素子の故障を確実に検出することができる。
【００１９】
より好ましくは、上記第２の蓄電素子の第１端および第２端は負荷に接続され、上記第１の閾値は、上記電力伝達用絶縁回路から上記負荷への出力電流が大きい場合には大きく設定され、上記電力伝達用絶縁回路から上記負荷への出力電流が小さい場合には小さく設定される。
【００２０】
このような構成により、電力供給対象である負荷の種類に応じて適切に閾値を設定することができ、各スイッチ素子の故障を確実に検出することができる。
【００２１】
好ましくは、上記第１のスイッチ素子ないし上記第４のスイッチ素子はＰＮ接合を有する。
【００２２】
ＰＮ接合を有するＩＧＢＴ等のスイッチ素子は、短絡故障時におけるオン電圧が正常時と比べて大幅に小さくなることから、このようなスイッチ素子を用いる構成により、第１の閾値の設定が容易となり、故障判定をより正確に行なうことが可能となる。
【００２３】
好ましくは、上記制御部は、上記第１のスイッチ素子ないし上記第４のスイッチ素子のオン・オフを制御し、上記制御部は、上記入力スイッチ部における上記各スイッチ素子をオンし、かつ上記出力スイッチ部における上記各スイッチ素子をオフする第１の期間と、上記入力スイッチ部における上記各スイッチ素子および上記出力スイッチ部における上記各スイッチ素子をオフする第２の期間と、上記入力スイッチ部における上記各スイッチ素子をオフし、かつ上記出力スイッチ部における上記各スイッチ素子をオンする第３の期間と、上記入力スイッチ部における上記各スイッチ素子および上記出力スイッチ部における上記各スイッチ素子をオフする第４の期間とをこの順番で繰り返す。
【００２４】
このように、デッドタイムを設ける構成により、電力伝達用絶縁回路の入力側および出力側間の絶縁を確実に確保することができる。
【００２５】
上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる電力変換装置は、交流電力を直流電力に変換して負荷に供給するための電力変換装置であって、受けた交流電力を整流するための整流部と、上記整流部および上記負荷間を絶縁しながら、上記整流部によって整流された電力を上記負荷に伝達するための電力伝達用絶縁回路とを備え、上記電力伝達用絶縁回路は、第１端および第２端を有する第１の蓄電素子と、第１端および第２端を有する第２の蓄電素子と、上記整流部と上記第１の蓄電素子の第１端との間に接続された第１のスイッチ素子および上記整流部と上記第１の蓄電素子の第２端との間に接続された第２のスイッチ素子を含み、上記整流部によって整流された電力を上記第１の蓄電素子に供給するための入力スイッチ部と、上記第１の蓄電素子の第１端と上記第２の蓄電素子の第１端との間に接続された第３のスイッチ素子および上記第１の蓄電素子の第２端と上記第２の蓄電素子の第２端との間に接続された第４のスイッチ素子を含み、上記第１の蓄電素子に蓄えられた電力を上記第２の蓄電素子に供給するための出力スイッチ部と、上記第１のスイッチ素子ないし上記第４のスイッチ素子のうち少なくともいずれか２つの温度を検出するための温度検出部と、上記温度検出部によって検出された各上記スイッチ素子の温度を比較し、比較結果に基づいて上記入力スイッチ部または上記出力スイッチ部における上記スイッチ素子の故障を検出するための制御部とを含む。
【００２６】
このような構成により、電力伝達用絶縁回路の故障検出を、簡易な構成および処理で安価に実現することができる。また、各スイッチ素子の短絡故障を検出し、故障時にはエラー出力およびシステムの停止を行い、また、ユーザ等が必要な処置を講ずることにより、電力伝達用絶縁回路の入力側および出力側間の短絡による不具合を防ぐことが可能となる。これにより、システム全体の信頼性を向上することができる。したがって、入力側および出力側間を絶縁しながら電力を伝達する回路において、簡易な構成でスイッチ素子の故障を検出することにより、回路の信頼性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、入力側および出力側間を絶縁しながら電力を伝達する回路において、簡易な構成でスイッチ素子の故障を検出することにより、回路の信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路によるスイッチング動作を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路におけるスイッチ素子の静特性を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路におけるスイッチ素子の発生損失を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００３０】
［構成および基本動作］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。
【００３１】
図１を参照して、電力変換装置２０１は、電力伝達用絶縁回路１０１と、整流部５１とを備える。電力伝達用絶縁回路１０１は、キャパシタＣ０〜Ｃ２と、入力スイッチ部２１と、出力スイッチ部２２と、制御部１４と、温度検出部１５と、温度検出素子Ｋ１〜Ｋ４を含む。入力スイッチ部２１は、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２とを含む。出力スイッチ部２２は、スイッチ素子Ｚ３，Ｚ４と、ダイオードＤ３，Ｄ４とを含む。
【００３２】
電力伝達用絶縁回路１０１において、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４は、たとえばＮチャネルＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。なお、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４は、ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）ＦＥＴ（Field Effect Transistor）等、他の種類のトランジスタであってもよい。
【００３３】
ここでは、スイッチ素子Ｚ１の第１端および第２端がそれぞれスイッチ素子Ｚ１のコレクタおよびエミッタに相当し、スイッチ素子Ｚ２の第１端および第２端がそれぞれスイッチ素子Ｚ２のエミッタおよびコレクタに相当し、スイッチ素子Ｚ３の第１端および第２端がそれぞれスイッチ素子Ｚ３のコレクタおよびエミッタに相当し、スイッチ素子Ｚ４の第１端および第２端がそれぞれスイッチ素子Ｚ４のエミッタおよびコレクタに相当する。
【００３４】
ダイオードＤ１〜Ｄ４は、電力伝達用絶縁回路１０１における電流の逆流を防ぐために設けられている。
【００３５】
スイッチ素子Ｚ１は、ダイオードＤ１を介してキャパシタＣ０の第１端Ｔ１１と電気的に接続された第１端、およびキャパシタＣ１の第１端Ｔ１３と電気的に接続された第２端を有する。スイッチ素子Ｚ２は、ダイオードＤ２を介してキャパシタＣ０の第２端Ｔ１２と電気的に接続された第１端、およびキャパシタＣ１の第２端Ｔ１４と電気的に接続された第２端を有する。スイッチ素子Ｚ３は、ダイオードＤ３を介してキャパシタＣ１の第１端Ｔ１３と電気的に接続された第１端、およびキャパシタＣ２の第１端Ｔ１５と電気的に接続された第２端を有する。スイッチ素子Ｚ４は、ダイオードＤ４を介してキャパシタＣ１の第２端Ｔ１４と電気的に接続された第１端、およびキャパシタＣ２の第２端Ｔ１６と電気的に接続された第２端を有する。
【００３６】
ダイオードＤ１は、キャパシタＣ０の第１端Ｔ１１とスイッチ素子Ｚ１の第１端との間に接続されている。ダイオードＤ２は、キャパシタＣ０の第２端Ｔ１２とスイッチ素子Ｚ２の第１端との間に接続されている。ダイオードＤ３は、キャパシタＣ１の第１端Ｔ１３とスイッチ素子Ｚ３の第１端との間に接続されている。ダイオードＤ４は、キャパシタＣ１の第２端Ｔ１４とスイッチ素子Ｚ４の第１端との間に接続されている。
【００３７】
より詳細には、ダイオードＤ１は、キャパシタＣ０の第１端Ｔ１１に電気的に接続されたアノードと、スイッチ素子Ｚ１のコレクタに電気的に接続されたカソードとを有する。ダイオードＤ２は、スイッチ素子Ｚ２のエミッタに電気的に接続されたアノードと、キャパシタＣ０の第２端Ｔ１２に電気的に接続されたカソードとを有する。ダイオードＤ３は、キャパシタＣ１の第１端Ｔ１３に電気的に接続されたアノードと、スイッチ素子Ｚ３のコレクタに電気的に接続されたカソードとを有する。ダイオードＤ４は、スイッチ素子Ｚ４のエミッタに電気的に接続されたアノードと、キャパシタＣ１の第２端Ｔ１４に電気的に接続されたカソードとを有する。
【００３８】
スイッチ素子Ｚ１は、ダイオードＤ１のカソードに電気的に接続されたコレクタと、キャパシタＣ１の第１端Ｔ１３に電気的に接続されたエミッタと、制御部１４からのゲート制御信号Ｇ１を受けるゲートとを有する。スイッチ素子Ｚ２は、キャパシタＣ１の第２端Ｔ１４に電気的に接続されたコレクタと、ダイオードＤ２のアノードに電気的に接続されたエミッタと、制御部１４からのゲート制御信号Ｇ２を受けるゲートとを有する。スイッチ素子Ｚ３は、ダイオードＤ３のカソードに電気的に接続されたコレクタと、キャパシタＣ２の第１端Ｔ１５に電気的に接続されたエミッタと、制御部１４からのゲート制御信号Ｇ３を受けるゲートとを有する。スイッチ素子Ｚ４は、キャパシタＣ２の第２端Ｔ１６に電気的に接続されたコレクタと、ダイオードＤ４のアノードに電気的に接続されたエミッタと、制御部１４からのゲート制御信号Ｇ４を受けるゲートとを有する。
【００３９】
キャパシタＣ２の第１端Ｔ１５と負荷３０２のプラス側端子とが接続され、キャパシタＣ２の第２端Ｔ１６と負荷３０２のマイナス側端子とが接続されている。
【００４０】
電力変換装置２０１は、交流電源３０１から供給された交流電力を直流電力に変換して負荷３０２に供給する。負荷３０２は、たとえば、ＥＶおよびプラグイン方式のＨＶ等の駆動用の主電池である。
【００４１】
整流部５１は、たとえば、ダイオードブリッジを含み、交流電源３０１から受けた交流電力を全波整流して電力伝達用絶縁回路１０１へ出力する。
【００４２】
電力伝達用絶縁回路１０１において、キャパシタＣ０は、整流部５１によって整流された電力を蓄える。入力スイッチ部２１は、スイッチ素子Ｚ１の第１端およびスイッチ素子Ｚ２の第１端において受けた電力すなわちキャパシタＣ０に蓄えられた電力をキャパシタＣ１に供給する。出力スイッチ部２２は、キャパシタＣ１に蓄えられた電力をキャパシタＣ２に供給する。キャパシタＣ２に蓄えられた電力は、放電されて負荷３０２に供給される。
【００４３】
制御部１４は、ゲート駆動信号Ｇ１〜Ｇ４をスイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４に出力することにより、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４のオンおよびオフを切り替える。電力伝達用絶縁回路１０１は、制御部１４のスイッチ制御により、整流部５１および負荷３０２間を絶縁しながら、キャパシタＣ０に蓄えられた電力を負荷３０２に伝達する。
【００４４】
温度検出素子Ｋ１〜Ｋ４は、たとえば、サーミスタ、熱電対、またはダイオードである。温度検出素子Ｋ１〜Ｋ４は、それぞれスイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４の近傍またはスイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４に接触して設けられ、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４の温度を示す電圧または電流を温度検出部１５へ出力する。
【００４５】
温度検出部１５は、温度検出素子Ｋ１〜Ｋ４から受けた電圧または電流に基づいて温度検出素子Ｋ１〜Ｋ４の温度をそれぞれ検出し、検出結果を示す信号を制御部１４へ出力する。
【００４６】
制御部１４は、温度検出部１５から受けた信号に基づいて、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４の故障を判定する。
【００４７】
［動作］
次に、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路が電力伝達を行なう際の動作について図面を用いて説明する。
【００４８】
図２は、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路によるスイッチング動作を示す図である。
【００４９】
図２を参照して、まず、制御部１４は、期間Ｔ１において、スイッチ素子Ｚ１をオンし、スイッチ素子Ｚ２をオンし、スイッチ素子Ｚ３をオフし、スイッチ素子Ｚ４をオフする。これにより、キャパシタＣ０に蓄えられた電荷が放電され、放電された電荷がキャパシタＣ１に蓄えられる。スイッチ素子Ｚ３およびＺ４がオフされていることにより、整流部５１および負荷３０２間の絶縁が確保される。
【００５０】
次に、制御部１４は、期間Ｔ２において、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４をオフする。これにより、電力伝達用絶縁回路１０１の入力側および出力側間の絶縁を確保するためのデッドタイムが設けられる。すなわち、入力スイッチ部２１における各スイッチおよび出力スイッチ部２２における各スイッチを介して電力伝達用絶縁回路１０１の入力側および出力側間、すなわち整流部５１および負荷３０２間が短絡することを防ぐことができる。
【００５１】
次に、制御部１４は、期間Ｔ３において、スイッチ素子Ｚ１をオフし、スイッチ素子Ｚ２をオフし、スイッチ素子Ｚ３をオンし、スイッチ素子Ｚ４をオンする。これにより、キャパシタＣ１に蓄えられた電荷が放電され、放電された電荷がキャパシタＣ２に蓄えられる。スイッチ素子Ｚ１およびＺ２がオフされていることにより、整流部５１および負荷３０２間の絶縁が確保される。
【００５２】
次に、制御部１４は、期間Ｔ４において、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４をオフする。これにより、期間Ｔ２と同様に、電力伝達用絶縁回路１０１の入力側および出力側間の絶縁を確保するためのデッドタイムが設けられる。
【００５３】
ここで、期間Ｔ１〜Ｔ４において、キャパシタＣ１は整流部５１からの電力により充電されており、また、キャパシタＣ２に蓄えられた電力は放電されて負荷３０２に供給されている。また、期間Ｔ２およびＴ４においては、キャパシタＣ１における電荷の移動はない。
【００５４】
そして、制御部１４は、これら期間Ｔ１、期間Ｔ２、期間Ｔ３および期間Ｔ４をこの順番で繰り返すことにより、電力伝達用絶縁回路１０１の入力側および出力側間を絶縁しながら、整流部５１と協働して、交流電源３０１からの交流電力を直流電力に変換して負荷３０２に供給する。
【００５５】
次に、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路がスイッチ素子の故障判定を行なう際の動作について図面を用いて説明する。
【００５６】
図３は、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路におけるスイッチ素子の静特性を示す図である。図３は、耐圧１２００Ｖおよび最大コレクタ電流６０Ａ（アンペア）のＩＧＢＴであるスイッチ素子について、ゲート−エミッタ間電圧が１５Ｖの場合における、正常品および短絡故障品の静特性すなわち電流−電圧特性を実測した結果を示している。図３のグラフにおいて、横軸はスイッチ素子におけるコレクタ−エミッタ間電圧ＶＣＥであり、縦軸はスイッチ素子におけるコレクタ電流ＩＣである。
【００５７】
図３を参照して、短絡故障品では、正常品に比べて、同じコレクタ電流ＩＣに対するコレクタ−エミッタ間電圧ＶＣＥが大幅に小さくなっていることが分かる。
【００５８】
したがって、短絡故障品を含んだ電力伝達用絶縁回路１０１をそのまま動作させた場合には、短絡故障品の発生損失および正常品の発生損失が異なることになる。
【００５９】
図４は、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路におけるスイッチ素子の発生損失を示す図である。図４は、ＩＧＢＴの正常品における発生損失と短絡故障品における発生損失とを比較した図である。
【００６０】
具体的には、図４は、電力伝達用絶縁回路１０１の出力電力が３ｋＷであり、出力電圧の直流レベルが３００Ｖである場合において、電力伝達用絶縁回路１０１における４つのＩＧＢＴのうち、１つが短絡故障した場合における、正常品の発生損失と短絡故障品の発生損失の理論計算値を示している。この理論計算値は、図３に示す静特性を用いて算出した。
【００６１】
図４に示す理論計算結果より、短絡故障品の損失は、正常品の約１／５になると予測される。すなわち、短絡故障品の温度上昇と正常品の温度上昇とで差が生じることになる。たとえば、２．９℃／Ｗの関係を用いて、短絡故障品の温度上昇と正常品の温度上昇との差を算出することが可能である。
【００６２】
一方、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４がすべて正常動作している場合には、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４の温度上昇は、ほぼ均一となる。
【００６３】
そこで、電力伝達用絶縁回路１０１では、温度検出素子Ｋ１〜Ｋ４を、それぞれスイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４に、接触または非接触の状態で取り付けるかまたは半導体チップ上に形成する。
【００６４】
そして、温度検出部１５を介して制御部１４にスイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４の温度を通知し、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４間の温度差が大きくなった場合には、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４のうちの少なくともいずれか１つのスイッチ素子が短絡故障したと判断する。
【００６５】
すなわち、温度検出部１５は、スイッチ素子Ｚ１ないしスイッチ素子Ｚ４の温度を検出する。制御部１４は、温度検出部１５によって検出されたスイッチ素子Ｚ１ないしスイッチ素子Ｚ４の温度を比較し、比較結果に基づいて入力スイッチ部２１または出力スイッチ部２２におけるスイッチ素子の故障を検出する。
【００６６】
具体的には、制御部１４は、検出したスイッチ素子Ｚ１ないしＺ４の温度間の差を算出し、算出した差が閾値ＤＴｈ１以上である場合には、入力スイッチ部２１または出力スイッチ部２２におけるスイッチ素子が故障したと判定する。
【００６７】
また、制御部１４は、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４の各々の温度に基づいて各スイッチ素子の故障検出を行なう動作をさらに行なってもよい。
【００６８】
すなわち、制御部１４は、温度検出部１５によって検出されたスイッチ素子の温度が閾値ＡＴｈ１以上の場合には当該スイッチ素子の温度が異常上昇の状態にあると判定する。ここで、閾値ＡＴｈ１は、たとえば、デバイスの熱破壊を防止するためにＩＰＭ（Intelligent Power Module）等で行なわれる温度異常上昇検出用の閾値である。
【００６９】
そして、制御部１４は、検出したスイッチ素子Ｚ１ないしＺ４の温度間の差が略ゼロであり、かつスイッチ素子Ｚ１ないしＺ４の温度が閾値ＡＴｈ１より低い閾値ＡＴｈ２未満である場合には、スイッチ素子Ｚ１ないしＺ４が故障したと判定する。
【００７０】
また、閾値ＤＴｈ１は設定変更可能であってもよい。閾値ＤＴｈ１の設定方法の一例として、回路を流れる電流に応じて閾値ＤＴｈ１を設定することが考えられる。すなわち、故障と判断するための温度差の閾値ＤＴｈ１については、たとえば電力伝達用絶縁回路１０１の出力電流に応じて可変とすることが望ましい。
【００７１】
より詳細には、閾値ＤＴｈ１は、電力伝達用絶縁回路１０１から負荷３０２への出力電流が大きい場合には大きく設定され、電力伝達用絶縁回路１０１から負荷３０２への出力電流が小さい場合には小さく設定される。
【００７２】
具体的には、電力伝達用絶縁回路１０１の出力電力が３ｋＷである場合、正常品であるスイッチ素子と短絡故障品であるスイッチ素子との温度上昇差が４０℃であったとする。この場合、閾値ＤＴｈ１を２０℃に設定すればよい。
【００７３】
また、電力伝達用絶縁回路１０１の出力電力が５００Ｗである場合、正常品であるスイッチ素子と短絡故障品であるスイッチ素子との温度上昇差が４℃であったとする。この場合、閾値ＤＴｈ１を２℃〜３℃に設定すればよい。
【００７４】
ところで、特許文献１に記載の電源装置用絶縁回路では、各スイッチ回路におけるスイッチ素子が故障して短絡した場合、入力側および出力側間の絶縁が確保できない可能性がある。これは、電力伝達用絶縁回路１０１でも同様である。
【００７５】
すなわち、トランスレス絶縁回路である電力伝達用絶縁回路１０１では、ＩＧＢＴおよびＭＯＳＦＥＴ等のスイッチ素子の耐電圧によって入出力間の絶縁を確保する。このため、電力伝達用絶縁回路１０１を用いるシステムの信頼性を向上させるために、スイッチ素子の短絡故障の検出機能を安価に実現することが課題となる。なお、スイッチ素子の開放故障の場合には、電力伝達用絶縁回路１０１の入出力間で通電不能となることから、短絡故障と比べて不具合の発生する可能性は低く、また、検出も容易である。
【００７６】
各スイッチ素子の短絡故障の故障検出方法としては、たとえば、電力伝達用絶縁回路１０１から負荷３０２への出力電圧を監視する方法が考えられる。しかしながら、電力伝達用絶縁回路１０１では、１つのスイッチ素子が短絡故障しても出力電圧のレベルはほぼ変わらないことから、このような方法ではスイッチ素子の短絡故障を確実に検出することは困難である。
【００７７】
また、電力伝達用絶縁回路１０１内における電圧を監視する方法も考えられるが、電圧検出部が別途必要となり、また、内部電圧の正常および異常を判定する処理が必要となることから、構成および処理が複雑になってしまう。
【００７８】
これに対して、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、温度検出部１５は、スイッチ素子Ｚ１ないしスイッチ素子Ｚ４の温度を検出する。そして、制御部１４は、温度検出部１５によって検出された各スイッチ素子の温度を比較し、比較結果に基づいて入力スイッチ部２１または出力スイッチ部２２におけるスイッチ素子の故障を検出する。
【００７９】
すなわち、正常品のスイッチ素子と短絡故障品のスイッチ素子との静特性の差異に着目し、動作中の温度上昇が、正常品および短絡故障品間で異なることを利用して、スイッチ素子の故障検出を行なう。
【００８０】
また、各スイッチ素子の温度を検出するための温度検出素子は、通常、これらのスイッチ素子の保護用に設けられる場合が多い。電力伝達用絶縁回路１０１では、電圧検出部等を別途設けることなく、保護用の温度検出素子を利用して、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４の温度差を算出し、故障検出を行なう。
【００８１】
このような構成により、電力伝達用絶縁回路１０１の故障検出を、簡易な構成および処理で安価に実現することができる。
【００８２】
また、各スイッチ素子の短絡故障を検出し、故障時にはエラー出力およびシステムの停止を行い、また、ユーザ等が必要な処置を講ずることにより、電力伝達用絶縁回路１０１の入力側および出力側間の短絡による不具合を防ぐことが可能となる。これにより、システム全体の信頼性を向上することができる。
【００８３】
したがって、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、入力側および出力側間を絶縁しながら電力を伝達する回路において、簡易な構成でスイッチ素子の故障を検出することにより、回路の信頼性を向上させることができる。
【００８４】
また、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、制御部１４は、検出した各スイッチ素子の温度間の差を算出し、算出した差が閾値ＤＴｈ１以上である場合には、入力スイッチ部２１または出力スイッチ部２２におけるスイッチ素子が故障したと判定する。
【００８５】
このように、温度差の閾値ＤＴｈ１を用いる構成により、簡易な処理で各スイッチ素子の故障判定を行なうことができる。
【００８６】
また、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、制御部１４は、温度検出部１５によって検出されたスイッチ素子の温度が閾値ＡＴｈ１以上の場合には、当該スイッチ素子の温度が異常上昇の状態にあると判定する。そして、制御部１４は、検出した各スイッチ素子の温度間の差が略ゼロであり、かつ各スイッチ素子の温度が閾値ＡＴｈ１より低い閾値ＡＴｈ２未満である場合には、スイッチ素子Ｚ１ないしＺ４が故障したと判定する。
【００８７】
このような構成により、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４がすべて短絡故障したために温度差では故障判定が困難な場合でも、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４の故障を検出することができるため、回路の信頼性をさらに向上させることができる。
【００８８】
また、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、閾値ＤＴｈは設定変更可能である。
【００８９】
このような構成により、電力伝達用絶縁回路１０１の使用環境に応じて柔軟に閾値ＤＴｈ１を設定することが可能となるため、使用環境に関わらず各スイッチ素子の故障を確実に検出することができる。
【００９０】
また、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、閾値ＤＴｈは、電力伝達用絶縁回路１０１から負荷３０２への出力電流が大きい場合には大きく設定され、電力伝達用絶縁回路１０１から負荷３０２への出力電流が小さい場合には小さく設定される。
【００９１】
このような構成により、電力供給対象である負荷の種類に応じて適切に閾値ＤＴｈ１を設定することができ、各スイッチ素子の故障を確実に検出することができる。
【００９２】
また、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、スイッチ素子Ｚ１ないしスイッチ素子Ｚ４はＰＮ接合を有する。
【００９３】
ＰＮ接合を有するＩＧＢＴ等のスイッチ素子は、短絡故障時におけるオン電圧が正常時と比べて大幅に小さくなることから、このようなスイッチ素子を用いる構成により、閾値ＤＴｈ１の設定が容易となり、故障判定をより正確に行なうことが可能となる。
【００９４】
また、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、制御部１４は、入力スイッチ部２１における各スイッチ素子をオンし、かつ出力スイッチ部２２における各スイッチ素子をオフする期間Ｔ１と、入力スイッチ部２１における各スイッチ素子および出力スイッチ部２２における各スイッチ素子をオフする期間Ｔ２と、入力スイッチ部２１における各スイッチ素子をオフし、かつ出力スイッチ部２２における各スイッチ素子をオンする期間Ｔ３と、入力スイッチ部２１における各スイッチ素子および出力スイッチ部２２における各スイッチ素子をオフする期間Ｔ４とをこの順番で繰り返す。
【００９５】
このように、デッドタイムを設ける構成により、電力伝達用絶縁回路１０１の入力側および出力側間の絶縁を確実に確保することができる。
【００９６】
なお、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路は、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４の温度を検出する構成であるとしたが、これに限定するものではなく、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４のうちの少なくともいずれか２つの温度を検出する構成であれば、簡易な構成でスイッチ素子の故障を検出することにより、回路の信頼性を向上させる、という本発明の目的を達成することが可能である。
【００９７】
一方、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４の温度をすべて検出する構成により、電力伝達用絶縁回路１０１における各スイッチ素子の故障をより確実に検出することが可能である。
【００９８】
また、電力伝達用絶縁回路１０１は、キャパシタＣ０を備えない構成であってもよい。ただし、キャパシタＣ０を設けることにより、電力伝達用絶縁回路１０１への入力電流のリップルを防ぎ、回路動作の安定化を図るという効果が得られる。また、整流部５１において、整流された電力を蓄えるためのキャパシタが設けられる場合にも、電力伝達用絶縁回路１０１においてキャパシタＣ０を設けない構成が可能となる。
【００９９】
また、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路は、キャパシタＣ０〜Ｃ２を備える構成であるとしたが、キャパシタに限らず、コイル（インダクタ）等の他の蓄電素子を備える構成であってもよい。
【０１００】
次に、本発明の他の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【０１０１】
＜第２の実施の形態＞
本実施の形態は、第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路と比べて温度検出対象を追加した電力伝達用絶縁回路に関する。以下で説明する内容以外は第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路と同様である。
【０１０２】
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。
【０１０３】
図５を参照して、電力変換装置２０２は、電力伝達用絶縁回路１０２と、整流部５１とを備える。電力伝達用絶縁回路１０２は、電力伝達用絶縁回路１０１と比べて、さらに、温度検出素子Ｋ５〜Ｋ８を含む。
【０１０４】
入力スイッチ部２１は、電力伝達用絶縁回路１０１と同様に、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２にそれぞれ直列接続されたダイオードＤ１およびダイオードＤ２を含む。
【０１０５】
出力スイッチ部２２は、電力伝達用絶縁回路１０１と同様に、スイッチ素子Ｚ３およびスイッチ素子Ｚ４にそれぞれ直列接続されたダイオードＤ３およびダイオードＤ４を含む。
【０１０６】
温度検出素子Ｋ５〜Ｋ８は、たとえば、サーミスタ、熱電対、またはダイオードである。温度検出素子Ｋ５〜Ｋ８は、それぞれダイオードＤ１〜Ｄ４の近傍またはダイオードＤ１〜Ｄ４に接触して設けられ、ダイオードＤ１〜Ｄ４の温度を示す電圧または電流を温度検出部１５へ出力する。
【０１０７】
温度検出部１５は、温度検出素子Ｋ５〜Ｋ８から受けた電圧または電流に基づいてダイオードＤ１〜Ｄ４の温度をそれぞれ検出し、検出結果を示す信号を制御部１４へ出力する。
【０１０８】
制御部１４は、温度検出部１５から受けた信号に基づいて、ダイオードＤ１〜Ｄ４の故障を判定する。
【０１０９】
電力伝達用絶縁回路１０２では、温度検出素子Ｋ５〜Ｋ８を、それぞれダイオードＤ１〜Ｄ４に、接触または非接触の状態で取り付けるかまたは半導体チップ上に形成する。
【０１１０】
そして、温度検出部１５を介して制御部１４にダイオードＤ１〜Ｄ４の温度を通知し、ダイオードＤ１〜Ｄ４間の温度差が大きくなった場合には、ダイオードＤ１〜Ｄ４のうちの少なくともいずれか１つのダイオードが短絡故障したと判断する。
【０１１１】
すなわち、制御部１４は、温度検出部１５によって検出された各ダイオードの温度を比較し、比較結果に基づいて入力スイッチ部２１または出力スイッチ部２２におけるダイオードの故障を検出する。
【０１１２】
具体的には、制御部１４は、検出したダイオードＤ１ないしＤ４の各温度間の差を算出し、算出した差が閾値ＤＴｈ２以上である場合には、入力スイッチ部２１または出力スイッチ部２２におけるダイオードが故障したと判定する。
【０１１３】
このように、本発明の第２の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４に加えて、逆阻止ダイオードＤ１〜Ｄ４の温度検出および故障検出を行なう。このような構成により、入力側および出力側間を絶縁しながら電力を伝達する回路において、簡易な構成でスイッチ素子およびダイオードの故障を検出することにより、回路の信頼性をさらに向上させることができる。
【０１１４】
なお、本発明の第２の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路は、ダイオードＤ１〜Ｄ４の温度を検出する構成であるとしたが、これに限定するものではなく、ダイオードＤ１〜Ｄ４のうちの少なくともいずれか２つの温度を検出する構成であればよい。
【０１１５】
上記実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１１６】
１０〜１２ 出力電圧検出部
１４ 制御部
１５ 温度検出部
２１ 入力スイッチ部
２２ 出力スイッチ部
１０１，１０２ 電力伝達用絶縁回路
５１ 整流部
２０１，２０２ 電力変換装置
３０１ 交流電源
３０２ 負荷
Ｃ０〜Ｃ２ キャパシタ
Ｋ１〜Ｋ８ 温度検出素子
Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４ スイッチ素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１端および第２端を有する第１の蓄電素子と、
第１端および第２端を有する第２の蓄電素子と、
第１端、および前記第１の蓄電素子の第１端と電気的に接続された第２端を有する第１のスイッチ素子、ならびに第１端、および前記第１の蓄電素子の第２端と電気的に接続された第２端を有する第２のスイッチ素子を含み、前記第１のスイッチ素子の第１端および前記第２のスイッチ素子の第１端において受けた電力を前記第１の蓄電素子に供給するための入力スイッチ部と、
前記第１の蓄電素子の第１端と前記第２の蓄電素子の第１端との間に接続された第３のスイッチ素子および前記第１の蓄電素子の第２端と前記第２の蓄電素子の第２端との間に接続された第４のスイッチ素子を含み、前記第１の蓄電素子に蓄えられた電力を前記第２の蓄電素子に供給するための出力スイッチ部と、
前記第１のスイッチ素子ないし前記第４のスイッチ素子のうち少なくともいずれか２つの温度を検出するための温度検出部と、
前記温度検出部によって検出された各前記スイッチ素子の温度を比較し、比較結果に基づいて前記入力スイッチ部または前記出力スイッチ部における前記スイッチ素子の故障を検出するための制御部とを備える、電力伝達用絶縁回路。
【請求項２】
前記制御部は、検出した前記各スイッチ素子の温度間の差を算出し、算出した前記差が第１の閾値以上である場合には、前記入力スイッチ部または前記出力スイッチ部における前記スイッチ素子が故障したと判定する、請求項１に記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項３】
前記制御部は、前記温度検出部によって検出された前記スイッチ素子の温度が第２の閾値以上の場合には前記スイッチ素子の温度が異常上昇の状態にあると判定し、
前記制御部は、算出した前記差が略ゼロであり、かつ前記各スイッチ素子の温度が前記第２の閾値より低い第３の閾値未満である場合には、前記第１のスイッチ素子ないし前記第４のスイッチ素子が故障したと判定する、請求項２に記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項４】
前記温度検出部は、前記第１のスイッチ素子ないし前記第４のスイッチ素子の温度を検出し、
前記制御部は、前記温度検出部によって検出された前記第１のスイッチ素子ないし前記第４のスイッチ素子の温度を比較し、比較結果に基づいて前記入力スイッチ部または前記出力スイッチ部における前記スイッチ素子の故障を検出する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項５】
前記入力スイッチ部は、さらに、前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子にそれぞれ直列接続された第１のダイオードおよび第２のダイオードを含み、
前記出力スイッチ部は、さらに、前記第３のスイッチ素子および前記第４のスイッチ素子にそれぞれ直列接続された第３のダイオードおよび第４のダイオードを含み、
前記温度検出部は、さらに、前記第１のダイオードないし前記第４のダイオードのうち少なくともいずれか２つの温度を検出し、
前記制御部は、さらに、前記温度検出部によって検出された各前記ダイオードの温度を比較し、比較結果に基づいて前記入力スイッチ部または前記出力スイッチ部における前記ダイオードの故障を検出する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項６】
前記第１の閾値は設定変更可能である、請求項２に記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項７】
前記第２の蓄電素子の第１端および第２端は負荷に接続され、
前記第１の閾値は、前記電力伝達用絶縁回路から前記負荷への出力電流が大きい場合には大きく設定され、前記電力伝達用絶縁回路から前記負荷への出力電流が小さい場合には小さく設定される、請求項６に記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項８】
前記第１のスイッチ素子ないし前記第４のスイッチ素子はＰＮ接合を有する、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項９】
前記制御部は、前記第１のスイッチ素子ないし前記第４のスイッチ素子のオン・オフを制御し、
前記制御部は、前記入力スイッチ部における前記各スイッチ素子をオンし、かつ前記出力スイッチ部における前記各スイッチ素子をオフする第１の期間と、前記入力スイッチ部における前記各スイッチ素子および前記出力スイッチ部における前記各スイッチ素子をオフする第２の期間と、前記入力スイッチ部における前記各スイッチ素子をオフし、かつ前記出力スイッチ部における前記各スイッチ素子をオンする第３の期間と、前記入力スイッチ部における前記各スイッチ素子および前記出力スイッチ部における前記各スイッチ素子をオフする第４の期間とをこの順番で繰り返す、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項１０】
交流電力を直流電力に変換して負荷に供給するための電力変換装置であって、
受けた交流電力を整流するための整流部と、
前記整流部および前記負荷間を絶縁しながら、前記整流部によって整流された電力を前記負荷に伝達するための電力伝達用絶縁回路とを備え、
前記電力伝達用絶縁回路は、
第１端および第２端を有する第１の蓄電素子と、
第１端および第２端を有する第２の蓄電素子と、
前記整流部と前記第１の蓄電素子の第１端との間に接続された第１のスイッチ素子および前記整流部と前記第１の蓄電素子の第２端との間に接続された第２のスイッチ素子を含み、前記整流部によって整流された電力を前記第１の蓄電素子に供給するための入力スイッチ部と、
前記第１の蓄電素子の第１端と前記第２の蓄電素子の第１端との間に接続された第３のスイッチ素子および前記第１の蓄電素子の第２端と前記第２の蓄電素子の第２端との間に接続された第４のスイッチ素子を含み、前記第１の蓄電素子に蓄えられた電力を前記第２の蓄電素子に供給するための出力スイッチ部と、
前記第１のスイッチ素子ないし前記第４のスイッチ素子のうち少なくともいずれか２つの温度を検出するための温度検出部と、
前記温度検出部によって検出された各前記スイッチ素子の温度を比較し、比較結果に基づいて前記入力スイッチ部または前記出力スイッチ部における前記スイッチ素子の故障を検出するための制御部とを含む、電力変換装置。
【請求項１】
第１端および第２端を有する第１の蓄電素子と、
第１端および第２端を有する第２の蓄電素子と、
第１端、および前記第１の蓄電素子の第１端と電気的に接続された第２端を有する第１のスイッチ素子、ならびに第１端、および前記第１の蓄電素子の第２端と電気的に接続された第２端を有する第２のスイッチ素子を含み、前記第１のスイッチ素子の第１端および前記第２のスイッチ素子の第１端において受けた電力を前記第１の蓄電素子に供給するための入力スイッチ部と、
前記第１の蓄電素子の第１端と前記第２の蓄電素子の第１端との間に接続された第３のスイッチ素子および前記第１の蓄電素子の第２端と前記第２の蓄電素子の第２端との間に接続された第４のスイッチ素子を含み、前記第１の蓄電素子に蓄えられた電力を前記第２の蓄電素子に供給するための出力スイッチ部と、
前記第１のスイッチ素子ないし前記第４のスイッチ素子のうち少なくともいずれか２つの温度を検出するための温度検出部と、
前記温度検出部によって検出された各前記スイッチ素子の温度を比較し、比較結果に基づいて前記入力スイッチ部または前記出力スイッチ部における前記スイッチ素子の故障を検出するための制御部とを備える、電力伝達用絶縁回路。
【請求項２】
前記制御部は、検出した前記各スイッチ素子の温度間の差を算出し、算出した前記差が第１の閾値以上である場合には、前記入力スイッチ部または前記出力スイッチ部における前記スイッチ素子が故障したと判定する、請求項１に記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項３】
前記制御部は、前記温度検出部によって検出された前記スイッチ素子の温度が第２の閾値以上の場合には前記スイッチ素子の温度が異常上昇の状態にあると判定し、
前記制御部は、算出した前記差が略ゼロであり、かつ前記各スイッチ素子の温度が前記第２の閾値より低い第３の閾値未満である場合には、前記第１のスイッチ素子ないし前記第４のスイッチ素子が故障したと判定する、請求項２に記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項４】
前記温度検出部は、前記第１のスイッチ素子ないし前記第４のスイッチ素子の温度を検出し、
前記制御部は、前記温度検出部によって検出された前記第１のスイッチ素子ないし前記第４のスイッチ素子の温度を比較し、比較結果に基づいて前記入力スイッチ部または前記出力スイッチ部における前記スイッチ素子の故障を検出する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項５】
前記入力スイッチ部は、さらに、前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子にそれぞれ直列接続された第１のダイオードおよび第２のダイオードを含み、
前記出力スイッチ部は、さらに、前記第３のスイッチ素子および前記第４のスイッチ素子にそれぞれ直列接続された第３のダイオードおよび第４のダイオードを含み、
前記温度検出部は、さらに、前記第１のダイオードないし前記第４のダイオードのうち少なくともいずれか２つの温度を検出し、
前記制御部は、さらに、前記温度検出部によって検出された各前記ダイオードの温度を比較し、比較結果に基づいて前記入力スイッチ部または前記出力スイッチ部における前記ダイオードの故障を検出する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項６】
前記第１の閾値は設定変更可能である、請求項２に記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項７】
前記第２の蓄電素子の第１端および第２端は負荷に接続され、
前記第１の閾値は、前記電力伝達用絶縁回路から前記負荷への出力電流が大きい場合には大きく設定され、前記電力伝達用絶縁回路から前記負荷への出力電流が小さい場合には小さく設定される、請求項６に記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項８】
前記第１のスイッチ素子ないし前記第４のスイッチ素子はＰＮ接合を有する、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項９】
前記制御部は、前記第１のスイッチ素子ないし前記第４のスイッチ素子のオン・オフを制御し、
前記制御部は、前記入力スイッチ部における前記各スイッチ素子をオンし、かつ前記出力スイッチ部における前記各スイッチ素子をオフする第１の期間と、前記入力スイッチ部における前記各スイッチ素子および前記出力スイッチ部における前記各スイッチ素子をオフする第２の期間と、前記入力スイッチ部における前記各スイッチ素子をオフし、かつ前記出力スイッチ部における前記各スイッチ素子をオンする第３の期間と、前記入力スイッチ部における前記各スイッチ素子および前記出力スイッチ部における前記各スイッチ素子をオフする第４の期間とをこの順番で繰り返す、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項１０】
交流電力を直流電力に変換して負荷に供給するための電力変換装置であって、
受けた交流電力を整流するための整流部と、
前記整流部および前記負荷間を絶縁しながら、前記整流部によって整流された電力を前記負荷に伝達するための電力伝達用絶縁回路とを備え、
前記電力伝達用絶縁回路は、
第１端および第２端を有する第１の蓄電素子と、
第１端および第２端を有する第２の蓄電素子と、
前記整流部と前記第１の蓄電素子の第１端との間に接続された第１のスイッチ素子および前記整流部と前記第１の蓄電素子の第２端との間に接続された第２のスイッチ素子を含み、前記整流部によって整流された電力を前記第１の蓄電素子に供給するための入力スイッチ部と、
前記第１の蓄電素子の第１端と前記第２の蓄電素子の第１端との間に接続された第３のスイッチ素子および前記第１の蓄電素子の第２端と前記第２の蓄電素子の第２端との間に接続された第４のスイッチ素子を含み、前記第１の蓄電素子に蓄えられた電力を前記第２の蓄電素子に供給するための出力スイッチ部と、
前記第１のスイッチ素子ないし前記第４のスイッチ素子のうち少なくともいずれか２つの温度を検出するための温度検出部と、
前記温度検出部によって検出された各前記スイッチ素子の温度を比較し、比較結果に基づいて前記入力スイッチ部または前記出力スイッチ部における前記スイッチ素子の故障を検出するための制御部とを含む、電力変換装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１５７２１１（Ｐ２０１２−１５７２１１Ａ）
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６１７３（Ｐ２０１１−１６１７３）
【出願日】平成２３年１月２８日（２０１１．１．２８）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【出願人】（３９５０１１６６５）株式会社オートネットワーク技術研究所 (2,668)
【出願人】（０００１８３４０６）住友電装株式会社 (6,135)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２８日（２０１１．１．２８）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【出願人】（３９５０１１６６５）株式会社オートネットワーク技術研究所 (2,668)
【出願人】（０００１８３４０６）住友電装株式会社 (6,135)
【Ｆターム（参考）】
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