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、低コスト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。
【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を含み、スイッチ素子Ｚ１の第１端Ｔ１およびスイッチ素子Ｚ２の第１端Ｔ３において受けた電力を第１の蓄電素子Ｃ１に供給するための入力スイッチ部２１と、スイッチ素子Ｚ３およびＺ４を含み、第１の蓄電素子Ｃ１に蓄えられた電力を第２の蓄電素子Ｃ２に供給するための出力スイッチ部２２と、第１の電圧検出部１０によって検出されたスイッチ素子Ｚ１の第１端およびスイッチ素子Ｚ２の第１端間の電圧と第２の電圧検出部１２によって検出された第２の蓄電素子Ｃ２の両端電圧との差に基づいて、スイッチ素子Ｚ１ないしスイッチ素子Ｚ４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を含み、スイッチ素子Ｚ１の第１端Ｔ１およびスイッチ素子Ｚ２の第１端Ｔ３において受けた電力を第１の蓄電素子Ｃ１に供給するための入力スイッチ部２１と、スイッチ素子Ｚ３およびＺ４を含み、第１の蓄電素子Ｃ１に蓄えられた電力を第２の蓄電素子Ｃ２に供給するための出力スイッチ部２２と、第１の電圧検出部１０によって検出されたスイッチ素子Ｚ１の第１端およびスイッチ素子Ｚ２の第１端間の電圧と第２の電圧検出部１２によって検出された第２の蓄電素子Ｃ２の両端電圧との差に基づいて、スイッチ素子Ｚ１ないしスイッチ素子Ｚ４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、低コスト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のスイッチ素子の第１端および上記第２のスイッチ素子の第１端間の電圧である入力電圧を検出するための第１の電圧検出部と、上記第２の蓄電素子の両端電圧を検出するための第２の電圧検出部と、上記第１の電圧検出部によって検出された上記入力電圧と上記第２の電圧検出部によって検出された上記第２の蓄電素子の両端電圧との差に基づいて、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、各スイッチ素子の短絡故障を検出し、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。また、スイッチ素子の両端電圧と比べてレベルの大きい蓄電素子の両端電圧を監視することから、出力電圧検出部において安価なフォトカプラ等を用いることが可能となり、コストを低減することが可能となる。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、低コスト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】
また、入力電圧と第２の蓄電素子の両端電圧との差を用いることにより、スイッチ素子の正常時および短絡故障時においてこれらの電圧が時間によってばらつく場合でも、スイッチ素子の故障を高い精度で検出することができる。
【００１０】
さらに、電力伝達用絶縁回路のような電気回路では、回路動作を検証する目的等のために、入力電圧の測定部および出力電圧の測定部が設けられていることが多く、これらの測定電圧は一般的に精度が高い。したがって、故障検出用に別途測定部を設けることなく、入力電圧の測定部すなわち第１の電圧検出部、および出力電圧の測定部すなわち第２の電圧検出部をそのまま流用することができるため、低コストな構成でスイッチ素子の故障を検出することが可能となる。
【００１１】
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のスイッチ素子のうちのいずれかを故障検出対象スイッチ素子として選択し、上記故障検出対象スイッチ素子をオフし、上記故障検出対象スイッチ素子が含まれる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他方の上記スイッチ素子と、上記故障検出対象スイッチ素子が含まれない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各上記スイッチ素子とをオンした状態において、上記第１の電圧検出部によって検出された上記入力電圧と上記第２の電圧検出部によって検出された上記第２の蓄電素子の両端電圧との差に基づいて、上記故障検出対象スイッチ素子の故障を検出する。
【００１２】
このような構成により、故障検出対象スイッチ素子の短絡故障を適切に検出することができる。
【００１３】
より好ましくは、上記制御部は、上記第１のスイッチ素子ないし上記第４のスイッチ素子の少なくともいずれか１つをオフした状態における上記入力電圧および上記第２の蓄電素子の両端電圧、または上記入力電圧および上記両端電圧の差を初期値として保存し、上記初期値と、上記第１のスイッチ素子ないし上記第４のスイッチ素子の少なくともいずれか１つをオフした状態において新たに検出された上記入力電圧および上記第２の蓄電素子の両端電圧の差とを比較し、比較結果に基づいて上記第１のスイッチ素子ないし上記第４のスイッチ素子の故障を検出する。
【００１４】
このような構成により、故障判定基準を出力電圧検出部の特性バラツキに応じて調整することが可能となるため、出力電圧検出部の特性バラツキ等によって故障検出精度が劣化することを防ぐことができる。
【００１５】
より好ましくは、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し、上記制御部は、上記第４の期間において上記第１のスイッチ素子ないし上記第４のスイッチ素子の故障を検出する。
【００１６】
このように、入力電圧と第２の蓄電素子の両端電圧との差が大きくなる第４の期間において故障検出を行なう構成により、スイッチ素子の故障を高い精度で検出することができる。
【００１７】
好ましくは、上記電力伝達用絶縁回路は、通常動作モードおよび故障検出モードを有し、上記制御部は、上記通常動作モードにおいて、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２の期間とを順番に繰り返し、上記制御部は、上記故障検出モードにおいて、上記第１の期間および上記第２の期間を実行し、上記通常動作モードと比べて上記第１の期間および上記第２の期間をそれぞれ長く設定する。
【００１８】
このような構成により、蓄電素子を十分に充放電して入力電圧と第２の蓄電素子の両端電圧との差を大きくできるため、電力伝達用絶縁回路における入力スイッチ部および出力スイッチ部のスイッチング周波数が高い場合でも、故障検出精度を高めることができる。
【００１９】
好ましくは、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２の期間とを順番に繰り返し、上記制御部は、所定のタイミングにおいて上記第１のスイッチ素子ないし上記第４のスイッチ素子の故障を検出することが可能であり、かつ上記電力伝達用絶縁回路の外部からの指令に基づくタイミングにおいて上記第１のスイッチ素子ないし上記第４のスイッチ素子の故障を検出することが可能である。
【００２０】
このような構成により、ユーザからの種々の要求に対して柔軟に対応することが可能となる。
【００２１】
好ましくは、上記制御部は、自己と上記第１のスイッチ素子ないし上記第４のスイッチ素子との間を絶縁しながら、制御信号を上記第１のスイッチ素子ないし上記第４のスイッチ素子へそれぞれ出力することにより、上記第１のスイッチ素子ないし上記第４のスイッチ素子のスイッチングを制御する。
【００２２】
このような構成により、第１のスイッチ素子ないし第４のスイッチ素子のスイッチング制御を安定して行なうことができる。
【００２３】
より好ましくは、上記制御部は、上記第１のスイッチ素子ないし上記第４のスイッチ素子の各々に対応して設けられた複数のフォトカプラを含み、対応の上記フォトカプラを介して上記制御信号を上記第１のスイッチ素子ないし上記第４のスイッチ素子へそれぞれ出力する。
【００２４】
フォトカプラは、制御信号のデューティ比に関わらず、安定して信号伝達を行なうことが可能であるため、パルストランスを用いる構成と比べて、電力変換装置の入出力電圧の選択における自由度を高めることができる。また、第１の蓄電素子および第２の蓄電素子の充放電時間を長くした故障検出モードを設ける場合でも、パルストランスを用いる構成と比べて、電力伝達用絶縁回路の小型化を図ることができる。
【００２５】
好ましくは、上記電力伝達用絶縁回路は、さらに、上記第１のスイッチ素子の第１端と上記第２のスイッチ素子の第１端との間に接続された第３の蓄電素子を備える。
【００２６】
このような構成により、電力伝達用絶縁回路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ことができる。
【００２７】
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のスイッチ素子の第１端および上記第２のスイッチ素子の第１端間の電圧である入力電圧を検出するための第１の電圧検出部と、上記第２の蓄電素子の両端電圧を検出するための第２の電圧検出部と、上記第１の電圧検出部によって検出された上記入力電圧と上記第２の電圧検出部によって検出された上記第２の蓄電素子の両端電圧との差に基づいて、上記第１のスイッチ素子ないし上記第４のスイッチ素子の故障を検出するための制御部とを含む。
【００２８】
このような構成により、各スイッチ素子の短絡故障を検出し、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。また、スイッチ素子の両端電圧と比べてレベルの大きい蓄電素子の両端電圧を監視することから、出力電圧検出部において安価なフォトカプラ等を用いることが可能となり、コストを低減することが可能となる。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、低コスト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。
【００２９】
また、入力電圧と第２の蓄電素子の両端電圧との差を用いることにより、スイッチ素子の正常時および短絡故障時においてこれらの電圧が時間によってばらつく場合でも、スイッチ素子の故障を高い精度で検出することができる。
【００３０】
さらに、電力伝達用絶縁回路のような電気回路では、回路動作を検証する目的等のために、入力電圧の測定部および出力電圧の測定部が設けられていることが多く、これらの測定電圧は一般的に精度が高い。したがって、故障検出用に別途測定部を設けることなく、入力電圧の測定部すなわち第１の電圧検出部、および出力電圧の測定部すなわち第２の電圧検出部をそのまま流用することができるため、低コストな構成でスイッチ素子の故障を検出することが可能となる。
【発明の効果】
【００３１】
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、低コスト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】
【００３２】
【図１】本発明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】本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路における出力電圧検出部の構成を示す図である。
【図３】本発明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４】本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路における各キャパシタの電圧波形を概略的に示す図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路における制御部の構成の一例を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路における制御部の構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
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。
【００３４】
［構成および基本動作］
図１は、本発明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。
【００３５】
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１０２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、出力電圧検出部１０，１２と、制御部１４とを含む。入力スイッチ部２１は、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２を含む。出力スイッチ部２２は、スイッチ素子Ｚ３，Ｚ４を含む。
【００３６】
電力変換装置２０１は、交流電源２０２から供給された交流電力を直流電力に変換して負荷２０３に供給する。負荷２０３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。
【００３７】
整流部１０２は、たとえば、ダイオードブリッジを含み、交流電源２０２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。
【００３８】
電力伝達用絶縁回路１０１において、スイッチ素子Ｚ１は、キャパシタＣ０の第１端Ｔ１１と電気的に接続された第１端Ｔ１、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Ｔ２を有する。スイッチ素子Ｚ２は、キャパシタＣ０の第２端Ｔ１２と電気的に接続された第１端Ｔ３、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Ｔ４を有する。スイッチ素子Ｚ３は、キャパシタＣ１の第１端Ｔ１３と電気的に接続された第１端Ｔ５、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Ｔ６を有する。スイッチ素子Ｚ４は、キャパシタＣ１の第２端Ｔ１４と電気的に接続された第１端Ｔ７、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Ｔ８を有する。
【００３９】
キャパシタＣ０は、整流部１０２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Ｔ１およびスイッチ素子Ｚ２の第１端Ｔ３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２０３に供給される。
【００４０】
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それぞれ切り替える。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１０２および負荷２０３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２０３に伝達する。
【００４１】
出力電圧検出部１０は、スイッチ素子Ｚ１の第１端Ｔ１およびスイッチ素子Ｚ２の第１端Ｔ３間の電圧Ｖ０すなわちキャパシタＣ０の両端電圧（入力電圧）Ｖ０を検出する。出力電圧検出部１２は、キャパシタＣ２の両端電圧Ｖ２を検出する。
【００４２】
制御部１４は、出力電圧検出部１０によって検出されたキャパシタＣ０の両端電圧Ｖ０と出力電圧検出部１２によって検出されたキャパシタＣ２の両端電圧Ｖ２との差に基づいて、スイッチ素子Ｚ１ないしスイッチ素子Ｚ４の故障を検出する。
【００４３】
図２は、本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路における出力電圧検出部の構成を示す図である。図２では、出力電圧検出部１０の構成を代表的に示している。出力電圧検出部１２の構成は出力電圧検出部１０と同様である。
【００４４】
図２を参照して、出力電圧検出部１０は、フォトカプラＸ１と、入力抵抗Ｒ１と、出力抵抗Ｒ２とを含む。キャパシタＣ０の第１端Ｔ１１および第２端Ｔ１２間に、入力抵抗Ｒ１およびフォトカプラＸ１の発光素子が直列接続されている。電源電圧Ｖｄｄの供給されるノードと接地電圧の供給されるノードとの間にフォトカプラＸ１の受光素子および出力抵抗Ｒ２が直列接続されている。
【００４５】
キャパシタＣ０の両端電圧に応じた量の電流がフォトカプラＸ１の発光素子を通して流れ、この電流量がフォトカプラＸ１の受光素子に伝達される。すなわち、キャパシタＣ０の両端電圧に応じた量の電流がフォトカプラＸ１における受光素子を通して流れる。これにより、キャパシタＣ０の両端電圧に応じた大きさの電圧が制御部１４へ伝達される。
【００４６】
［動作］
次に、本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路が電力伝達および故障検出を行なう際の動作について図面を用いて説明する。
【００４７】
図３は、本発明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。
【００４８】
図３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１０２および負荷２０３間の絶縁が確保される。
【００４９】
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１０２および負荷２０３間が短絡することを防ぐことができる。
【００５０】
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１０２および負荷２０３間の絶縁が確保される。
【００５１】
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。
【００５２】
ここで、期間Ｔ１〜Ｔ４において、キャパシタＣ１は整流部１０２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２０３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。
【００５３】
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、整流部１０２と協働して、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、交流電源２０２からの交流電力を直流電力に変換して負荷２０３に供給する。
【００５４】
さらに、制御部１４は、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４の故障をそれぞれ検出するための故障検出期間ＴＥ１〜ＴＥ４を設ける。故障検出期間ＴＥ１〜ＴＥ４は、期間Ｔ１〜Ｔ４の各期間の間に設けられてもよいし、期間Ｔ１〜Ｔ４の中で設けられてもよい。
【００５５】
具体的には、制御部１４は、スイッチ素子Ｚ１ないしスイッチ素子Ｚ４のうちのいずれかを故障検出対象スイッチ素子として選択する。制御部１４は、故障検出対象スイッチ素子をオフする。そして、制御部１４は、故障検出対象スイッチ素子が含まれる入力スイッチ部２１または出力スイッチ部２２における他方のスイッチ素子と、故障検出対象スイッチ素子が含まれない入力スイッチ部２１または出力スイッチ部２２における各スイッチ素子とをオンする。
【００５６】
この状態において、制御部１４は、キャパシタＣ０の両端電圧Ｖ０とキャパシタＣ２の両端電圧Ｖ２との差に基づいて故障検出対象スイッチ素子の故障を検出する。
【００５７】
より詳細には、制御部１４は、期間ＴＥ１において、スイッチ素子Ｚ１をオフし、スイッチ素子Ｚ２をオンし、スイッチ素子Ｚ３をオンし、スイッチ素子Ｚ４をオンする。そして、制御部１４は、この状態における電圧Ｖ０と電圧Ｖ２との差に基づいてスイッチ素子Ｚ１の故障を検出する。具体的には、スイッチ素子Ｚ１が正常である場合には、電圧Ｖ０が電圧Ｖ２よりも大きくなる。これは、期間ＴＥ１においては、キャパシタＣ０は整流部１０２からの電力によって充電される一方で、キャパシタＣ２はキャパシタＣ０に蓄えられた電荷によっては充電されず、キャパシタＣ２に蓄えられた電荷は負荷２０３へ放電されるからである。一方、スイッチ素子Ｚ１が故障して短絡している場合には、短絡状態のスイッチ素子Ｚ１およびオン状態のスイッチ素子Ｚ２〜Ｚ４により、電圧Ｖ０および電圧Ｖ２は等しくなる。制御部１４は、電圧Ｖ０および電圧Ｖ２の電圧差の相違に基づき、スイッチ素子Ｚ１の故障検出を行なう。
【００５８】
また、制御部１４は、期間ＴＥ２において、スイッチ素子Ｚ１をオンし、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。そして、制御部１４は、この状態における電圧Ｖ０と電圧Ｖ２との差に基づいてスイッチ素子Ｚ２の故障を検出する。具体的には、スイッチ素子Ｚ２が正常である場合には、電圧Ｖ０が電圧Ｖ２よりも大きくなる。これは、期間ＴＥ２においては、キャパシタＣ０は整流部１０２からの電力によって充電される一方で、キャパシタＣ２はキャパシタＣ０に蓄えられた電荷によっては充電されず、キャパシタＣ２に蓄えられた電荷は負荷２０３へ放電されるからである。一方、スイッチ素子Ｚ２が故障して短絡している場合には、短絡状態のスイッチ素子Ｚ２およびオン状態のスイッチ素子Ｚ１，Ｚ３，Ｚ４により、電圧Ｖ０および電圧Ｖ２は等しくなる。制御部１４は、電圧Ｖ０および電圧Ｖ２の電圧差の相違に基づき、スイッチ素子Ｚ２の故障検出を行なう。
【００５９】
また、制御部１４は、期間ＴＥ３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をオンする。そして、制御部１４は、この状態における電圧Ｖ０と電圧Ｖ２との差に基づいてスイッチ素子Ｚ３の故障を検出する。具体的には、スイッチ素子Ｚ３が正常である場合には、電圧Ｖ０が電圧Ｖ２よりも大きくなる。これは、期間ＴＥ３においては、キャパシタＣ０は整流部１０２からの電力によって充電される一方で、キャパシタＣ２はキャパシタＣ０に蓄えられた電荷によっては充電されず、キャパシタＣ２に蓄えられた電荷は負荷２０３へ放電されるからである。一方、スイッチ素子Ｚ３が故障して短絡している場合には、短絡状態のスイッチ素子Ｚ３およびオン状態のスイッチ素子Ｚ１，Ｚ２，Ｚ４により、電圧Ｖ０および電圧Ｖ２は等しくなる。制御部１４は、電圧Ｖ０および電圧Ｖ２の電圧差の相違に基づき、スイッチ素子Ｚ３の故障検出を行なう。
【００６０】
また、制御部１４は、期間ＴＥ４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をオンし、スイッチ素子Ｚ４をオフする。そして、制御部１４は、この状態における電圧Ｖ０と電圧Ｖ２との差に基づいてスイッチ素子Ｚ４の故障を検出する。具体的には、スイッチ素子Ｚ４が正常である場合には、電圧Ｖ０が電圧Ｖ２よりも大きくなる。これは、期間ＴＥ４においては、キャパシタＣ０は整流部１０２からの電力によって充電される一方で、キャパシタＣ２はキャパシタＣ０に蓄えられた電荷によっては充電されず、キャパシタＣ２に蓄えられた電荷は負荷２０３へ放電されるからである。一方、スイッチ素子Ｚ４が故障して短絡している場合には、短絡状態のスイッチ素子Ｚ４およびオン状態のスイッチ素子Ｚ１〜Ｚ３により、電圧Ｖ０および電圧Ｖ２は等しくなる。制御部１４は、電圧Ｖ０および電圧Ｖ２の電圧差の相違に基づき、スイッチ素子Ｚ４の故障検出を行なう。
【００６１】
なお、電力伝達用絶縁回路１０１では、期間ＴＥ１〜ＴＥ４において、故障検出対象スイッチ素子が短絡故障していた場合には、入力側および出力側間が短絡することになる。このため、期間ＴＥ１〜ＴＥ４においては、電力伝達用絶縁回路１０１と負荷２０３とを電気的に切り離す構成であってもよい。ただし、電力伝達用絶縁回路１０１において何らかの保護回路を設けることにより、電力伝達用絶縁回路１０１と負荷２０３とを電気的に切り離す必要性は低くなる。
【００６２】
図４は、本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路における各キャパシタの電圧波形を概略的に示す図である。
【００６３】
図４を参照して、期間Ｔ４においては、他の期間と比べて電圧Ｖ０および電圧Ｖ２の差が大きくなる。このため、制御部１４は、期間ＴＥ１〜ＴＥ４をたとえば期間Ｔ４において設ける。このような構成により、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４の故障を高い精度で検出することができる。
【００６４】
ここで、期間Ｔ４の終了間際、すなわち期間Ｔ４の終了タイミングの所定時間前から期間Ｔ３の終了タイミングまでにおけるタイミングＴＡにおいて、電圧Ｖ０が上昇方向、電圧Ｖ２が下降方向をとっており、電圧Ｖ０および電圧Ｖ２の差が最大となる。このため、制御部１４は、期間ＴＥ１〜ＴＥ４をたとえばタイミングＴＡにおいて設ける。このような構成により、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４の故障をさらに高い精度で検出することができる。
【００６５】
また、本発明の実施の形態に係る電力変換装置では、出力電圧検出部１０，１２において、コスト低減のためフォトカプラを使用している。一般的に、フォトカプラは特性のばらつきが大きい。そして、電圧Ｖ０および電圧Ｖ２の電圧差はそれほど大きくならないことから、フォトカプラの特性バラツキによって故障検出精度が劣化する可能性がある。
【００６６】
そこで、本発明の実施の形態に係る電力変換装置では、制御部１４は、各スイッチ素子が正常な状態における電圧Ｖ０および電圧Ｖ２をあらかじめ測定し、たとえばこれらの電圧値を初期値として保存しておく。
【００６７】
具体的には、期間ＴＥ１〜ＴＥ４において、保存している電圧Ｖ０と電圧Ｖ２との差をスイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４が故障していない正常状態の初期値として扱い、この初期値と新たに測定した電圧Ｖ０と電圧Ｖ２との差とを比較し、比較結果に基づいて故障スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４の故障検出を行なう。すなわち、制御部１４は、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４の少なくともいずれか１つをオフした状態におけるキャパシタＣ０の両端電圧およびキャパシタＣ２の両端電圧、または各両端電圧の差を初期値として保存する。そして、制御部１４は、この初期値と、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４の少なくともいずれか１つをオフした状態において新たに検出されたキャパシタＣ０の両端電圧およびキャパシタＣ２の両端電圧の差とを比較し、比較結果に基づいてスイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４の故障を検出する。たとえば、制御部１４は、キャパシタＣ０の両端電圧およびキャパシタＣ２の両端電圧の差が初期値からプラスマイナス数ミリボルトの範囲内にあればスイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４は正常であると判定し、当該範囲外にあればスイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４は異常であると判定する。
【００６８】
なお、２つのキャパシタの両端電圧をそれぞれ初期値として保存する場合には、故障検出時に、これらの初期値の差を算出し、算出した差と、新たに検出された２つのキャパシタの両端電圧の差とを比較すればよい。
【００６９】
このような構成により、故障判定基準をフォトカプラの特性バラツキに応じて調整することが可能となるため、フォトカプラの特性バラツキ等によって故障検出精度が劣化することを防ぐことができる。
【００７０】
また、スイッチ素子の故障検出処理は、前述のように期間Ｔ１〜Ｔ４を繰り返す通常動作モードにおいて行ってもよいが、キャパシタの充放電時間すなわち期間Ｔ１または期間Ｔ３の期間を長くした故障検出モードを設け、この故障検出モードにおいて故障検出処理を行ってもよい。すなわち、制御部１４は、故障検出モードにおいて、通常動作モードと比べて期間Ｔ１および期間Ｔ３をそれぞれ長く設定し、スイッチ素子Ｚ１ないしスイッチ素子Ｚ４の故障を検出するための期間ＴＥ１〜ＴＥ４を期間Ｔ１〜期間Ｔ４の各期間の間、および期間Ｔ１〜期間Ｔ４の中の少なくともいずれか１つのタイミングにおいて設ける。
【００７１】
これにより、測定対象となる２つのキャパシタを十分に充放電してこれらの両端電圧の差を大きくできるため、電力伝達用絶縁回路１０１における入力スイッチ部２１および出力スイッチ部２２のスイッチング周波数が高い場合でも、故障検出精度を高めることができる。
【００７２】
また、上記故障検出モードは、通常動作モードの途中に制御部１４が自動的に実行してもよいし、ユーザによる任意のタイミングで実行されてもよい。すなわち、制御部１４は、期間Ｔ１〜期間Ｔ４の各期間の間、期間Ｔ１〜期間Ｔ４の中の少なくともいずれか１つにおける所定のタイミングにおいてスイッチ素子Ｚ１ないしスイッチ素子Ｚ４の故障を検出することが可能である。また、制御部１４は、電力伝達用絶縁回路１０１の外部からの指令タイミングを受け付け、当該指令タイミングにおいてスイッチ素子Ｚ１ないしスイッチ素子Ｚ４の故障を検出することが可能である。
【００７３】
このような構成により、ユーザからの種々の要求に対して柔軟に対応することが可能となる。
【００７４】
ここで、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４の各々の基準電位が異なることから、制御部１４から共通の電位の制御信号を供給すると、各スイッチ素子が所望の動作を行なわなくなる場合がある。このような問題は、比較的大きい電力を入出力する電力変換装置、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を充電する電力変換装置において、特に解決されることが好ましい。
【００７５】
そこで、本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、制御部１４とスイッチ素子Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４との間を電気的に絶縁しながら、制御信号の伝達を行なう。すなわち、制御部１４は、自己とスイッチ素子Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４との間を絶縁しながら、制御信号をスイッチ素子Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４へそれぞれ出力することにより、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４のスイッチングを制御する。
【００７６】
このような構成により、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４のスイッチング制御を安定して行なうことができる。
【００７７】
図５は、本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路における制御部の構成の一例を示す図である。
【００７８】
図５を参照して、制御部１４は、信号源３１と、パルストランス３２とを含む。制御部１４において、信号源３１およびパルストランス３２は、スイッチ素子Ｚ１ないしスイッチ素子Ｚ４に対応してたとえば４組設けられる。以下、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４の各々をスイッチ素子Ｚと称する場合がある。また、スイッチ素子ＺはたとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。
【００７９】
制御部１４は、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４の各々に対応して設けられた複数のパルストランス３２を含み、対応のパルストランス３２を介して制御信号をスイッチ素子Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４へそれぞれ出力する。
【００８０】
制御部１４において、信号源３１は、スイッチ素子Ｚへ出力するための制御信号を生成し、パルストランス３２へ出力する。
【００８１】
パルストランス３２は、信号源３１およびスイッチ素子Ｚ間を絶縁しながら、信号源３１から受けた制御信号をゲート抵抗Ｒ経由でスイッチ素子Ｚのゲートへ伝達する。
【００８２】
ここで、信号源３１およびパルストランス３２間、ならびにパルストランス３２およびスイッチ素子Ｚ間には、たとえば図示しない信号変換回路が設けられる。
【００８３】
このように、電力伝達用絶縁回路１０１では、制御信号の絶縁伝達手段としてパルストランスを用いることが可能である。しかしながら、前述のようにキャパシタの充放電時間すなわち期間Ｔ１または期間Ｔ３の期間を長くした故障検出モードを設ける場合には、スイッチ素子Ｚ１ないしスイッチ素子Ｚ４のスイッチング周波数が低くなるため、パルストランスを用いることは好ましくない。
【００８４】
これは、パルストランスを低い周波数において使用する場合には、大きなインダクタンスが必要となり、その結果パルストランスのターン数が増大し、体積が大きくなってしまうからである。
【００８５】
また、パルストランスでは、制御信号のデューティ比が５０％から離れるほど、１次側および２次側の磁束のバランスが悪くなり、コアが飽和してしまう場合がある。このため、パルストランス自体の設計が困難となり、また、電力変換装置２０１の入出力電圧の選択に制限が生じてしまう場合がある。
【００８６】
図６は、本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路における制御部の構成の一例を示す図である。
【００８７】
図６を参照して、制御部１４は、信号源３１と、フォトカプラ３３とを含む。制御部１４において、信号源３１およびフォトカプラ３３は、たとえばスイッチ素子Ｚ１ないしスイッチ素子Ｚ４に対応して４組設けられる。
【００８８】
制御部１４は、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４の各々に対応して設けられた複数のフォトカプラ３３を含み、対応のフォトカプラ３３を介して制御信号をスイッチ素子Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４へそれぞれ出力する。
【００８９】
制御部１４において、信号源３１は、スイッチ素子Ｚへ出力するための制御信号を生成し、フォトカプラ３３へ出力する。
【００９０】
フォトカプラ３３は、信号源３１およびスイッチ素子Ｚ間を絶縁しながら、信号源３１から受けた制御信号をゲート抵抗Ｒ経由でスイッチ素子Ｚのゲートへ伝達する。
【００９１】
より詳細には、信号源３１から出力された制御信号に応じた量の電流がフォトカプラ３３の発光素子を通して流れ、この電流量がフォトカプラ３３の受光素子に伝達される。すなわち、信号源３１から出力された制御信号に応じた量の電流がフォトカプラ３３における受光素子を通して流れる。これにより、信号源３１およびスイッチ素子Ｚ間を絶縁しながら、制御信号のレベルに応じた大きさの電圧がスイッチ素子Ｚのゲートへ伝達される。
【００９２】
また、信号源３１およびフォトカプラ３３間、ならびにフォトカプラ３３およびスイッチ素子Ｚ間には、たとえば図示しない信号変換回路が設けられる。
【００９３】
ここで、フォトカプラは、幅広い周波数の信号を伝達可能であり、パルストランスと異なり、低い周波数の信号に対しても体積が大きくなる等のデメリットがない。したがって、本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、フォトカプラを用いて制御信号を伝達する構成により、キャパシタの充放電時間を長くした故障検出モードを設ける場合でも、パルストランスを用いる構成と比べて、電力伝達用絶縁回路１０１の小型化を図ることができる。
【００９４】
また、フォトカプラは、制御信号のデューティ比に関わらず、安定して信号伝達を行なうことが可能であるため、電力変換装置２０１の入出力電圧の選択における自由度を高めることができる。
【００９５】
ところで、特許文献１に記載の電源装置用絶縁回路は、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において、入力側および出力側間の絶縁が確保できないという問題に対処するための構成を備えていない。
【００９６】
これに対して、本発明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、出力電圧検出部１０によって検出されたキャパシタＣ０の両端電圧Ｖ０と出力電圧検出部１２によって検出されたキャパシタＣ２の両端電圧Ｖ２との差に基づいて、スイッチ素子Ｚ１ないしスイッチ素子Ｚ４の故障を検出する。
【００９７】
このような構成により、各スイッチ素子の短絡故障を検出し、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。
【００９８】
ここで、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４の故障を検出する構成としては、各スイッチ素子の両端電圧を監視する構成が考えられる。しかしながら、通常、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４の両端電圧はレベルが小さく、フォトリレー等の高価な部品を用いる必要があり、コストが増大してしまう。
【００９９】
これに対して、本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、スイッチ素子の両端電圧と比べてレベルの大きいキャパシタの両端電圧を監視する構成である。このため、出力電圧検出部１０，１２において安価なフォトカプラを用いることが可能となり、コストを低減することが可能となる。
【０１００】
したがって、本発明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、低コスト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。
【０１０１】
また、入力電圧と第２の蓄電素子の両端電圧との差を用いることにより、スイッチ素子の正常時および短絡故障時においてこれらの電圧が時間によってばらつく場合でも、スイッチ素子の故障を高い精度で検出することができる。
【０１０２】
さらに、電力伝達用絶縁回路１０１のような電気回路では、回路動作を検証する目的等のために、入力電圧の測定部および出力電圧の測定部が設けられていることが多く、これらの測定電圧は一般的に精度が高い。本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、故障検出用に別途測定部を設けることなく、入力電圧の測定部すなわち出力電圧検出部１０、および出力電圧の測定部すなわち出力電圧検出部１２をそのまま流用することができるため、低コストな構成でスイッチ素子の故障を検出することが可能となる。
【０１０３】
また、本発明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、スイッチ素子Ｚ１ないしスイッチ素子Ｚ４のうちのいずれかを故障検出対象スイッチ素子として選択する。制御部１４は、故障検出対象スイッチ素子をオフする。そして、制御部１４は、故障検出対象スイッチ素子が含まれる入力スイッチ部２１または出力スイッチ部２２における他方のスイッチ素子と、故障検出対象スイッチ素子が含まれない入力スイッチ部２１または出力スイッチ部２２における各スイッチ素子とをオンする。そして、制御部１４は、この状態において検出したキャパシタの両端電圧に基づいて故障検出対象スイッチ素子の故障を検出する。このような構成により、故障検出対象スイッチ素子の短絡故障を適切に検出することができる。
【０１０４】
また、キャパシタＣ０により、整流部１０２によって整流された電力が平滑化されるが、整流部１０２によって整流された電力を平滑化するためのキャパシタが整流部１０２に設けられる場合には、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。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。
【０１０５】
また、本発明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。
【０１０６】
また、本発明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、期間Ｔ１〜Ｔ４を繰り返す構成であるとしたが、これに限定するものではない。期間Ｔ２およびＴ４は理想的には設ける必要はなく、制御部１４が期間Ｔ１およびＴ３を順番に繰り返す構成であればよい。
【０１０７】
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】
【０１０８】
１０，１２ 出力電圧検出部
１４ 制御部
２１ 入力スイッチ部
２２ 出力スイッチ部
３１ 信号源
３２ パルストランス
３３ フォトカプラ
１０１ 電力伝達用絶縁回路
１０２ 整流部
２０１ 電力変換装置
２０２ 交流電源
２０３ 負荷
Ｃ０〜Ｃ２ キャパシタ
Ｘ１ フォトカプラ
Ｒ ゲート抵抗
Ｒ１ 入力抵抗
Ｒ２ 出力抵抗
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、低コスト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のスイッチ素子の第１端および上記第２のスイッチ素子の第１端間の電圧である入力電圧を検出するための第１の電圧検出部と、上記第２の蓄電素子の両端電圧を検出するための第２の電圧検出部と、上記第１の電圧検出部によって検出された上記入力電圧と上記第２の電圧検出部によって検出された上記第２の蓄電素子の両端電圧との差に基づいて、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、各スイッチ素子の短絡故障を検出し、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。また、スイッチ素子の両端電圧と比べてレベルの大きい蓄電素子の両端電圧を監視することから、出力電圧検出部において安価なフォトカプラ等を用いることが可能となり、コストを低減することが可能となる。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、低コスト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】
また、入力電圧と第２の蓄電素子の両端電圧との差を用いることにより、スイッチ素子の正常時および短絡故障時においてこれらの電圧が時間によってばらつく場合でも、スイッチ素子の故障を高い精度で検出することができる。
【００１０】
さらに、電力伝達用絶縁回路のような電気回路では、回路動作を検証する目的等のために、入力電圧の測定部および出力電圧の測定部が設けられていることが多く、これらの測定電圧は一般的に精度が高い。したがって、故障検出用に別途測定部を設けることなく、入力電圧の測定部すなわち第１の電圧検出部、および出力電圧の測定部すなわち第２の電圧検出部をそのまま流用することができるため、低コストな構成でスイッチ素子の故障を検出することが可能となる。
【００１１】
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のスイッチ素子のうちのいずれかを故障検出対象スイッチ素子として選択し、上記故障検出対象スイッチ素子をオフし、上記故障検出対象スイッチ素子が含まれる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他方の上記スイッチ素子と、上記故障検出対象スイッチ素子が含まれない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各上記スイッチ素子とをオンした状態において、上記第１の電圧検出部によって検出された上記入力電圧と上記第２の電圧検出部によって検出された上記第２の蓄電素子の両端電圧との差に基づいて、上記故障検出対象スイッチ素子の故障を検出する。
【００１２】
このような構成により、故障検出対象スイッチ素子の短絡故障を適切に検出することができる。
【００１３】
より好ましくは、上記制御部は、上記第１のスイッチ素子ないし上記第４のスイッチ素子の少なくともいずれか１つをオフした状態における上記入力電圧および上記第２の蓄電素子の両端電圧、または上記入力電圧および上記両端電圧の差を初期値として保存し、上記初期値と、上記第１のスイッチ素子ないし上記第４のスイッチ素子の少なくともいずれか１つをオフした状態において新たに検出された上記入力電圧および上記第２の蓄電素子の両端電圧の差とを比較し、比較結果に基づいて上記第１のスイッチ素子ないし上記第４のスイッチ素子の故障を検出する。
【００１４】
このような構成により、故障判定基準を出力電圧検出部の特性バラツキに応じて調整することが可能となるため、出力電圧検出部の特性バラツキ等によって故障検出精度が劣化することを防ぐことができる。
【００１５】
より好ましくは、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し、上記制御部は、上記第４の期間において上記第１のスイッチ素子ないし上記第４のスイッチ素子の故障を検出する。
【００１６】
このように、入力電圧と第２の蓄電素子の両端電圧との差が大きくなる第４の期間において故障検出を行なう構成により、スイッチ素子の故障を高い精度で検出することができる。
【００１７】
好ましくは、上記電力伝達用絶縁回路は、通常動作モードおよび故障検出モードを有し、上記制御部は、上記通常動作モードにおいて、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２の期間とを順番に繰り返し、上記制御部は、上記故障検出モードにおいて、上記第１の期間および上記第２の期間を実行し、上記通常動作モードと比べて上記第１の期間および上記第２の期間をそれぞれ長く設定する。
【００１８】
このような構成により、蓄電素子を十分に充放電して入力電圧と第２の蓄電素子の両端電圧との差を大きくできるため、電力伝達用絶縁回路における入力スイッチ部および出力スイッチ部のスイッチング周波数が高い場合でも、故障検出精度を高めることができる。
【００１９】
好ましくは、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２の期間とを順番に繰り返し、上記制御部は、所定のタイミングにおいて上記第１のスイッチ素子ないし上記第４のスイッチ素子の故障を検出することが可能であり、かつ上記電力伝達用絶縁回路の外部からの指令に基づくタイミングにおいて上記第１のスイッチ素子ないし上記第４のスイッチ素子の故障を検出することが可能である。
【００２０】
このような構成により、ユーザからの種々の要求に対して柔軟に対応することが可能となる。
【００２１】
好ましくは、上記制御部は、自己と上記第１のスイッチ素子ないし上記第４のスイッチ素子との間を絶縁しながら、制御信号を上記第１のスイッチ素子ないし上記第４のスイッチ素子へそれぞれ出力することにより、上記第１のスイッチ素子ないし上記第４のスイッチ素子のスイッチングを制御する。
【００２２】
このような構成により、第１のスイッチ素子ないし第４のスイッチ素子のスイッチング制御を安定して行なうことができる。
【００２３】
より好ましくは、上記制御部は、上記第１のスイッチ素子ないし上記第４のスイッチ素子の各々に対応して設けられた複数のフォトカプラを含み、対応の上記フォトカプラを介して上記制御信号を上記第１のスイッチ素子ないし上記第４のスイッチ素子へそれぞれ出力する。
【００２４】
フォトカプラは、制御信号のデューティ比に関わらず、安定して信号伝達を行なうことが可能であるため、パルストランスを用いる構成と比べて、電力変換装置の入出力電圧の選択における自由度を高めることができる。また、第１の蓄電素子および第２の蓄電素子の充放電時間を長くした故障検出モードを設ける場合でも、パルストランスを用いる構成と比べて、電力伝達用絶縁回路の小型化を図ることができる。
【００２５】
好ましくは、上記電力伝達用絶縁回路は、さらに、上記第１のスイッチ素子の第１端と上記第２のスイッチ素子の第１端との間に接続された第３の蓄電素子を備える。
【００２６】
このような構成により、電力伝達用絶縁回路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ことができる。
【００２７】
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のスイッチ素子の第１端および上記第２のスイッチ素子の第１端間の電圧である入力電圧を検出するための第１の電圧検出部と、上記第２の蓄電素子の両端電圧を検出するための第２の電圧検出部と、上記第１の電圧検出部によって検出された上記入力電圧と上記第２の電圧検出部によって検出された上記第２の蓄電素子の両端電圧との差に基づいて、上記第１のスイッチ素子ないし上記第４のスイッチ素子の故障を検出するための制御部とを含む。
【００２８】
このような構成により、各スイッチ素子の短絡故障を検出し、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。また、スイッチ素子の両端電圧と比べてレベルの大きい蓄電素子の両端電圧を監視することから、出力電圧検出部において安価なフォトカプラ等を用いることが可能となり、コストを低減することが可能となる。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、低コスト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。
【００２９】
また、入力電圧と第２の蓄電素子の両端電圧との差を用いることにより、スイッチ素子の正常時および短絡故障時においてこれらの電圧が時間によってばらつく場合でも、スイッチ素子の故障を高い精度で検出することができる。
【００３０】
さらに、電力伝達用絶縁回路のような電気回路では、回路動作を検証する目的等のために、入力電圧の測定部および出力電圧の測定部が設けられていることが多く、これらの測定電圧は一般的に精度が高い。したがって、故障検出用に別途測定部を設けることなく、入力電圧の測定部すなわち第１の電圧検出部、および出力電圧の測定部すなわち第２の電圧検出部をそのまま流用することができるため、低コストな構成でスイッチ素子の故障を検出することが可能となる。
【発明の効果】
【００３１】
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、低コスト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】
【００３２】
【図１】本発明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】本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路における出力電圧検出部の構成を示す図である。
【図３】本発明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４】本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路における各キャパシタの電圧波形を概略的に示す図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路における制御部の構成の一例を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路における制御部の構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
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。
【００３４】
［構成および基本動作］
図１は、本発明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。
【００３５】
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１０２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、出力電圧検出部１０，１２と、制御部１４とを含む。入力スイッチ部２１は、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２を含む。出力スイッチ部２２は、スイッチ素子Ｚ３，Ｚ４を含む。
【００３６】
電力変換装置２０１は、交流電源２０２から供給された交流電力を直流電力に変換して負荷２０３に供給する。負荷２０３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。
【００３７】
整流部１０２は、たとえば、ダイオードブリッジを含み、交流電源２０２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。
【００３８】
電力伝達用絶縁回路１０１において、スイッチ素子Ｚ１は、キャパシタＣ０の第１端Ｔ１１と電気的に接続された第１端Ｔ１、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Ｔ２を有する。スイッチ素子Ｚ２は、キャパシタＣ０の第２端Ｔ１２と電気的に接続された第１端Ｔ３、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Ｔ４を有する。スイッチ素子Ｚ３は、キャパシタＣ１の第１端Ｔ１３と電気的に接続された第１端Ｔ５、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Ｔ６を有する。スイッチ素子Ｚ４は、キャパシタＣ１の第２端Ｔ１４と電気的に接続された第１端Ｔ７、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Ｔ８を有する。
【００３９】
キャパシタＣ０は、整流部１０２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Ｔ１およびスイッチ素子Ｚ２の第１端Ｔ３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２０３に供給される。
【００４０】
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それぞれ切り替える。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１０２および負荷２０３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２０３に伝達する。
【００４１】
出力電圧検出部１０は、スイッチ素子Ｚ１の第１端Ｔ１およびスイッチ素子Ｚ２の第１端Ｔ３間の電圧Ｖ０すなわちキャパシタＣ０の両端電圧（入力電圧）Ｖ０を検出する。出力電圧検出部１２は、キャパシタＣ２の両端電圧Ｖ２を検出する。
【００４２】
制御部１４は、出力電圧検出部１０によって検出されたキャパシタＣ０の両端電圧Ｖ０と出力電圧検出部１２によって検出されたキャパシタＣ２の両端電圧Ｖ２との差に基づいて、スイッチ素子Ｚ１ないしスイッチ素子Ｚ４の故障を検出する。
【００４３】
図２は、本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路における出力電圧検出部の構成を示す図である。図２では、出力電圧検出部１０の構成を代表的に示している。出力電圧検出部１２の構成は出力電圧検出部１０と同様である。
【００４４】
図２を参照して、出力電圧検出部１０は、フォトカプラＸ１と、入力抵抗Ｒ１と、出力抵抗Ｒ２とを含む。キャパシタＣ０の第１端Ｔ１１および第２端Ｔ１２間に、入力抵抗Ｒ１およびフォトカプラＸ１の発光素子が直列接続されている。電源電圧Ｖｄｄの供給されるノードと接地電圧の供給されるノードとの間にフォトカプラＸ１の受光素子および出力抵抗Ｒ２が直列接続されている。
【００４５】
キャパシタＣ０の両端電圧に応じた量の電流がフォトカプラＸ１の発光素子を通して流れ、この電流量がフォトカプラＸ１の受光素子に伝達される。すなわち、キャパシタＣ０の両端電圧に応じた量の電流がフォトカプラＸ１における受光素子を通して流れる。これにより、キャパシタＣ０の両端電圧に応じた大きさの電圧が制御部１４へ伝達される。
【００４６】
［動作］
次に、本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路が電力伝達および故障検出を行なう際の動作について図面を用いて説明する。
【００４７】
図３は、本発明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。
【００４８】
図３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１０２および負荷２０３間の絶縁が確保される。
【００４９】
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１０２および負荷２０３間が短絡することを防ぐことができる。
【００５０】
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１０２および負荷２０３間の絶縁が確保される。
【００５１】
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。
【００５２】
ここで、期間Ｔ１〜Ｔ４において、キャパシタＣ１は整流部１０２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２０３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。
【００５３】
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、整流部１０２と協働して、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、交流電源２０２からの交流電力を直流電力に変換して負荷２０３に供給する。
【００５４】
さらに、制御部１４は、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４の故障をそれぞれ検出するための故障検出期間ＴＥ１〜ＴＥ４を設ける。故障検出期間ＴＥ１〜ＴＥ４は、期間Ｔ１〜Ｔ４の各期間の間に設けられてもよいし、期間Ｔ１〜Ｔ４の中で設けられてもよい。
【００５５】
具体的には、制御部１４は、スイッチ素子Ｚ１ないしスイッチ素子Ｚ４のうちのいずれかを故障検出対象スイッチ素子として選択する。制御部１４は、故障検出対象スイッチ素子をオフする。そして、制御部１４は、故障検出対象スイッチ素子が含まれる入力スイッチ部２１または出力スイッチ部２２における他方のスイッチ素子と、故障検出対象スイッチ素子が含まれない入力スイッチ部２１または出力スイッチ部２２における各スイッチ素子とをオンする。
【００５６】
この状態において、制御部１４は、キャパシタＣ０の両端電圧Ｖ０とキャパシタＣ２の両端電圧Ｖ２との差に基づいて故障検出対象スイッチ素子の故障を検出する。
【００５７】
より詳細には、制御部１４は、期間ＴＥ１において、スイッチ素子Ｚ１をオフし、スイッチ素子Ｚ２をオンし、スイッチ素子Ｚ３をオンし、スイッチ素子Ｚ４をオンする。そして、制御部１４は、この状態における電圧Ｖ０と電圧Ｖ２との差に基づいてスイッチ素子Ｚ１の故障を検出する。具体的には、スイッチ素子Ｚ１が正常である場合には、電圧Ｖ０が電圧Ｖ２よりも大きくなる。これは、期間ＴＥ１においては、キャパシタＣ０は整流部１０２からの電力によって充電される一方で、キャパシタＣ２はキャパシタＣ０に蓄えられた電荷によっては充電されず、キャパシタＣ２に蓄えられた電荷は負荷２０３へ放電されるからである。一方、スイッチ素子Ｚ１が故障して短絡している場合には、短絡状態のスイッチ素子Ｚ１およびオン状態のスイッチ素子Ｚ２〜Ｚ４により、電圧Ｖ０および電圧Ｖ２は等しくなる。制御部１４は、電圧Ｖ０および電圧Ｖ２の電圧差の相違に基づき、スイッチ素子Ｚ１の故障検出を行なう。
【００５８】
また、制御部１４は、期間ＴＥ２において、スイッチ素子Ｚ１をオンし、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。そして、制御部１４は、この状態における電圧Ｖ０と電圧Ｖ２との差に基づいてスイッチ素子Ｚ２の故障を検出する。具体的には、スイッチ素子Ｚ２が正常である場合には、電圧Ｖ０が電圧Ｖ２よりも大きくなる。これは、期間ＴＥ２においては、キャパシタＣ０は整流部１０２からの電力によって充電される一方で、キャパシタＣ２はキャパシタＣ０に蓄えられた電荷によっては充電されず、キャパシタＣ２に蓄えられた電荷は負荷２０３へ放電されるからである。一方、スイッチ素子Ｚ２が故障して短絡している場合には、短絡状態のスイッチ素子Ｚ２およびオン状態のスイッチ素子Ｚ１，Ｚ３，Ｚ４により、電圧Ｖ０および電圧Ｖ２は等しくなる。制御部１４は、電圧Ｖ０および電圧Ｖ２の電圧差の相違に基づき、スイッチ素子Ｚ２の故障検出を行なう。
【００５９】
また、制御部１４は、期間ＴＥ３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をオンする。そして、制御部１４は、この状態における電圧Ｖ０と電圧Ｖ２との差に基づいてスイッチ素子Ｚ３の故障を検出する。具体的には、スイッチ素子Ｚ３が正常である場合には、電圧Ｖ０が電圧Ｖ２よりも大きくなる。これは、期間ＴＥ３においては、キャパシタＣ０は整流部１０２からの電力によって充電される一方で、キャパシタＣ２はキャパシタＣ０に蓄えられた電荷によっては充電されず、キャパシタＣ２に蓄えられた電荷は負荷２０３へ放電されるからである。一方、スイッチ素子Ｚ３が故障して短絡している場合には、短絡状態のスイッチ素子Ｚ３およびオン状態のスイッチ素子Ｚ１，Ｚ２，Ｚ４により、電圧Ｖ０および電圧Ｖ２は等しくなる。制御部１４は、電圧Ｖ０および電圧Ｖ２の電圧差の相違に基づき、スイッチ素子Ｚ３の故障検出を行なう。
【００６０】
また、制御部１４は、期間ＴＥ４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をオンし、スイッチ素子Ｚ４をオフする。そして、制御部１４は、この状態における電圧Ｖ０と電圧Ｖ２との差に基づいてスイッチ素子Ｚ４の故障を検出する。具体的には、スイッチ素子Ｚ４が正常である場合には、電圧Ｖ０が電圧Ｖ２よりも大きくなる。これは、期間ＴＥ４においては、キャパシタＣ０は整流部１０２からの電力によって充電される一方で、キャパシタＣ２はキャパシタＣ０に蓄えられた電荷によっては充電されず、キャパシタＣ２に蓄えられた電荷は負荷２０３へ放電されるからである。一方、スイッチ素子Ｚ４が故障して短絡している場合には、短絡状態のスイッチ素子Ｚ４およびオン状態のスイッチ素子Ｚ１〜Ｚ３により、電圧Ｖ０および電圧Ｖ２は等しくなる。制御部１４は、電圧Ｖ０および電圧Ｖ２の電圧差の相違に基づき、スイッチ素子Ｚ４の故障検出を行なう。
【００６１】
なお、電力伝達用絶縁回路１０１では、期間ＴＥ１〜ＴＥ４において、故障検出対象スイッチ素子が短絡故障していた場合には、入力側および出力側間が短絡することになる。このため、期間ＴＥ１〜ＴＥ４においては、電力伝達用絶縁回路１０１と負荷２０３とを電気的に切り離す構成であってもよい。ただし、電力伝達用絶縁回路１０１において何らかの保護回路を設けることにより、電力伝達用絶縁回路１０１と負荷２０３とを電気的に切り離す必要性は低くなる。
【００６２】
図４は、本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路における各キャパシタの電圧波形を概略的に示す図である。
【００６３】
図４を参照して、期間Ｔ４においては、他の期間と比べて電圧Ｖ０および電圧Ｖ２の差が大きくなる。このため、制御部１４は、期間ＴＥ１〜ＴＥ４をたとえば期間Ｔ４において設ける。このような構成により、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４の故障を高い精度で検出することができる。
【００６４】
ここで、期間Ｔ４の終了間際、すなわち期間Ｔ４の終了タイミングの所定時間前から期間Ｔ３の終了タイミングまでにおけるタイミングＴＡにおいて、電圧Ｖ０が上昇方向、電圧Ｖ２が下降方向をとっており、電圧Ｖ０および電圧Ｖ２の差が最大となる。このため、制御部１４は、期間ＴＥ１〜ＴＥ４をたとえばタイミングＴＡにおいて設ける。このような構成により、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４の故障をさらに高い精度で検出することができる。
【００６５】
また、本発明の実施の形態に係る電力変換装置では、出力電圧検出部１０，１２において、コスト低減のためフォトカプラを使用している。一般的に、フォトカプラは特性のばらつきが大きい。そして、電圧Ｖ０および電圧Ｖ２の電圧差はそれほど大きくならないことから、フォトカプラの特性バラツキによって故障検出精度が劣化する可能性がある。
【００６６】
そこで、本発明の実施の形態に係る電力変換装置では、制御部１４は、各スイッチ素子が正常な状態における電圧Ｖ０および電圧Ｖ２をあらかじめ測定し、たとえばこれらの電圧値を初期値として保存しておく。
【００６７】
具体的には、期間ＴＥ１〜ＴＥ４において、保存している電圧Ｖ０と電圧Ｖ２との差をスイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４が故障していない正常状態の初期値として扱い、この初期値と新たに測定した電圧Ｖ０と電圧Ｖ２との差とを比較し、比較結果に基づいて故障スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４の故障検出を行なう。すなわち、制御部１４は、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４の少なくともいずれか１つをオフした状態におけるキャパシタＣ０の両端電圧およびキャパシタＣ２の両端電圧、または各両端電圧の差を初期値として保存する。そして、制御部１４は、この初期値と、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４の少なくともいずれか１つをオフした状態において新たに検出されたキャパシタＣ０の両端電圧およびキャパシタＣ２の両端電圧の差とを比較し、比較結果に基づいてスイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４の故障を検出する。たとえば、制御部１４は、キャパシタＣ０の両端電圧およびキャパシタＣ２の両端電圧の差が初期値からプラスマイナス数ミリボルトの範囲内にあればスイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４は正常であると判定し、当該範囲外にあればスイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４は異常であると判定する。
【００６８】
なお、２つのキャパシタの両端電圧をそれぞれ初期値として保存する場合には、故障検出時に、これらの初期値の差を算出し、算出した差と、新たに検出された２つのキャパシタの両端電圧の差とを比較すればよい。
【００６９】
このような構成により、故障判定基準をフォトカプラの特性バラツキに応じて調整することが可能となるため、フォトカプラの特性バラツキ等によって故障検出精度が劣化することを防ぐことができる。
【００７０】
また、スイッチ素子の故障検出処理は、前述のように期間Ｔ１〜Ｔ４を繰り返す通常動作モードにおいて行ってもよいが、キャパシタの充放電時間すなわち期間Ｔ１または期間Ｔ３の期間を長くした故障検出モードを設け、この故障検出モードにおいて故障検出処理を行ってもよい。すなわち、制御部１４は、故障検出モードにおいて、通常動作モードと比べて期間Ｔ１および期間Ｔ３をそれぞれ長く設定し、スイッチ素子Ｚ１ないしスイッチ素子Ｚ４の故障を検出するための期間ＴＥ１〜ＴＥ４を期間Ｔ１〜期間Ｔ４の各期間の間、および期間Ｔ１〜期間Ｔ４の中の少なくともいずれか１つのタイミングにおいて設ける。
【００７１】
これにより、測定対象となる２つのキャパシタを十分に充放電してこれらの両端電圧の差を大きくできるため、電力伝達用絶縁回路１０１における入力スイッチ部２１および出力スイッチ部２２のスイッチング周波数が高い場合でも、故障検出精度を高めることができる。
【００７２】
また、上記故障検出モードは、通常動作モードの途中に制御部１４が自動的に実行してもよいし、ユーザによる任意のタイミングで実行されてもよい。すなわち、制御部１４は、期間Ｔ１〜期間Ｔ４の各期間の間、期間Ｔ１〜期間Ｔ４の中の少なくともいずれか１つにおける所定のタイミングにおいてスイッチ素子Ｚ１ないしスイッチ素子Ｚ４の故障を検出することが可能である。また、制御部１４は、電力伝達用絶縁回路１０１の外部からの指令タイミングを受け付け、当該指令タイミングにおいてスイッチ素子Ｚ１ないしスイッチ素子Ｚ４の故障を検出することが可能である。
【００７３】
このような構成により、ユーザからの種々の要求に対して柔軟に対応することが可能となる。
【００７４】
ここで、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４の各々の基準電位が異なることから、制御部１４から共通の電位の制御信号を供給すると、各スイッチ素子が所望の動作を行なわなくなる場合がある。このような問題は、比較的大きい電力を入出力する電力変換装置、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を充電する電力変換装置において、特に解決されることが好ましい。
【００７５】
そこで、本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、制御部１４とスイッチ素子Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４との間を電気的に絶縁しながら、制御信号の伝達を行なう。すなわち、制御部１４は、自己とスイッチ素子Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４との間を絶縁しながら、制御信号をスイッチ素子Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４へそれぞれ出力することにより、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４のスイッチングを制御する。
【００７６】
このような構成により、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４のスイッチング制御を安定して行なうことができる。
【００７７】
図５は、本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路における制御部の構成の一例を示す図である。
【００７８】
図５を参照して、制御部１４は、信号源３１と、パルストランス３２とを含む。制御部１４において、信号源３１およびパルストランス３２は、スイッチ素子Ｚ１ないしスイッチ素子Ｚ４に対応してたとえば４組設けられる。以下、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４の各々をスイッチ素子Ｚと称する場合がある。また、スイッチ素子ＺはたとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。
【００７９】
制御部１４は、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４の各々に対応して設けられた複数のパルストランス３２を含み、対応のパルストランス３２を介して制御信号をスイッチ素子Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４へそれぞれ出力する。
【００８０】
制御部１４において、信号源３１は、スイッチ素子Ｚへ出力するための制御信号を生成し、パルストランス３２へ出力する。
【００８１】
パルストランス３２は、信号源３１およびスイッチ素子Ｚ間を絶縁しながら、信号源３１から受けた制御信号をゲート抵抗Ｒ経由でスイッチ素子Ｚのゲートへ伝達する。
【００８２】
ここで、信号源３１およびパルストランス３２間、ならびにパルストランス３２およびスイッチ素子Ｚ間には、たとえば図示しない信号変換回路が設けられる。
【００８３】
このように、電力伝達用絶縁回路１０１では、制御信号の絶縁伝達手段としてパルストランスを用いることが可能である。しかしながら、前述のようにキャパシタの充放電時間すなわち期間Ｔ１または期間Ｔ３の期間を長くした故障検出モードを設ける場合には、スイッチ素子Ｚ１ないしスイッチ素子Ｚ４のスイッチング周波数が低くなるため、パルストランスを用いることは好ましくない。
【００８４】
これは、パルストランスを低い周波数において使用する場合には、大きなインダクタンスが必要となり、その結果パルストランスのターン数が増大し、体積が大きくなってしまうからである。
【００８５】
また、パルストランスでは、制御信号のデューティ比が５０％から離れるほど、１次側および２次側の磁束のバランスが悪くなり、コアが飽和してしまう場合がある。このため、パルストランス自体の設計が困難となり、また、電力変換装置２０１の入出力電圧の選択に制限が生じてしまう場合がある。
【００８６】
図６は、本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路における制御部の構成の一例を示す図である。
【００８７】
図６を参照して、制御部１４は、信号源３１と、フォトカプラ３３とを含む。制御部１４において、信号源３１およびフォトカプラ３３は、たとえばスイッチ素子Ｚ１ないしスイッチ素子Ｚ４に対応して４組設けられる。
【００８８】
制御部１４は、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４の各々に対応して設けられた複数のフォトカプラ３３を含み、対応のフォトカプラ３３を介して制御信号をスイッチ素子Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４へそれぞれ出力する。
【００８９】
制御部１４において、信号源３１は、スイッチ素子Ｚへ出力するための制御信号を生成し、フォトカプラ３３へ出力する。
【００９０】
フォトカプラ３３は、信号源３１およびスイッチ素子Ｚ間を絶縁しながら、信号源３１から受けた制御信号をゲート抵抗Ｒ経由でスイッチ素子Ｚのゲートへ伝達する。
【００９１】
より詳細には、信号源３１から出力された制御信号に応じた量の電流がフォトカプラ３３の発光素子を通して流れ、この電流量がフォトカプラ３３の受光素子に伝達される。すなわち、信号源３１から出力された制御信号に応じた量の電流がフォトカプラ３３における受光素子を通して流れる。これにより、信号源３１およびスイッチ素子Ｚ間を絶縁しながら、制御信号のレベルに応じた大きさの電圧がスイッチ素子Ｚのゲートへ伝達される。
【００９２】
また、信号源３１およびフォトカプラ３３間、ならびにフォトカプラ３３およびスイッチ素子Ｚ間には、たとえば図示しない信号変換回路が設けられる。
【００９３】
ここで、フォトカプラは、幅広い周波数の信号を伝達可能であり、パルストランスと異なり、低い周波数の信号に対しても体積が大きくなる等のデメリットがない。したがって、本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、フォトカプラを用いて制御信号を伝達する構成により、キャパシタの充放電時間を長くした故障検出モードを設ける場合でも、パルストランスを用いる構成と比べて、電力伝達用絶縁回路１０１の小型化を図ることができる。
【００９４】
また、フォトカプラは、制御信号のデューティ比に関わらず、安定して信号伝達を行なうことが可能であるため、電力変換装置２０１の入出力電圧の選択における自由度を高めることができる。
【００９５】
ところで、特許文献１に記載の電源装置用絶縁回路は、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において、入力側および出力側間の絶縁が確保できないという問題に対処するための構成を備えていない。
【００９６】
これに対して、本発明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、出力電圧検出部１０によって検出されたキャパシタＣ０の両端電圧Ｖ０と出力電圧検出部１２によって検出されたキャパシタＣ２の両端電圧Ｖ２との差に基づいて、スイッチ素子Ｚ１ないしスイッチ素子Ｚ４の故障を検出する。
【００９７】
このような構成により、各スイッチ素子の短絡故障を検出し、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。
【００９８】
ここで、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４の故障を検出する構成としては、各スイッチ素子の両端電圧を監視する構成が考えられる。しかしながら、通常、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４の両端電圧はレベルが小さく、フォトリレー等の高価な部品を用いる必要があり、コストが増大してしまう。
【００９９】
これに対して、本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、スイッチ素子の両端電圧と比べてレベルの大きいキャパシタの両端電圧を監視する構成である。このため、出力電圧検出部１０，１２において安価なフォトカプラを用いることが可能となり、コストを低減することが可能となる。
【０１００】
したがって、本発明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、低コスト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。
【０１０１】
また、入力電圧と第２の蓄電素子の両端電圧との差を用いることにより、スイッチ素子の正常時および短絡故障時においてこれらの電圧が時間によってばらつく場合でも、スイッチ素子の故障を高い精度で検出することができる。
【０１０２】
さらに、電力伝達用絶縁回路１０１のような電気回路では、回路動作を検証する目的等のために、入力電圧の測定部および出力電圧の測定部が設けられていることが多く、これらの測定電圧は一般的に精度が高い。本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、故障検出用に別途測定部を設けることなく、入力電圧の測定部すなわち出力電圧検出部１０、および出力電圧の測定部すなわち出力電圧検出部１２をそのまま流用することができるため、低コストな構成でスイッチ素子の故障を検出することが可能となる。
【０１０３】
また、本発明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、スイッチ素子Ｚ１ないしスイッチ素子Ｚ４のうちのいずれかを故障検出対象スイッチ素子として選択する。制御部１４は、故障検出対象スイッチ素子をオフする。そして、制御部１４は、故障検出対象スイッチ素子が含まれる入力スイッチ部２１または出力スイッチ部２２における他方のスイッチ素子と、故障検出対象スイッチ素子が含まれない入力スイッチ部２１または出力スイッチ部２２における各スイッチ素子とをオンする。そして、制御部１４は、この状態において検出したキャパシタの両端電圧に基づいて故障検出対象スイッチ素子の故障を検出する。このような構成により、故障検出対象スイッチ素子の短絡故障を適切に検出することができる。
【０１０４】
また、キャパシタＣ０により、整流部１０２によって整流された電力が平滑化されるが、整流部１０２によって整流された電力を平滑化するためのキャパシタが整流部１０２に設けられる場合には、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。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。
【０１０５】
また、本発明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。
【０１０６】
また、本発明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、期間Ｔ１〜Ｔ４を繰り返す構成であるとしたが、これに限定するものではない。期間Ｔ２およびＴ４は理想的には設ける必要はなく、制御部１４が期間Ｔ１およびＴ３を順番に繰り返す構成であればよい。
【０１０７】
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】
【０１０８】
１０，１２ 出力電圧検出部
１４ 制御部
２１ 入力スイッチ部
２２ 出力スイッチ部
３１ 信号源
３２ パルストランス
３３ フォトカプラ
１０１ 電力伝達用絶縁回路
１０２ 整流部
２０１ 電力変換装置
２０２ 交流電源
２０３ 負荷
Ｃ０〜Ｃ２ キャパシタ
Ｘ１ フォトカプラ
Ｒ ゲート抵抗
Ｒ１ 入力抵抗
Ｒ２ 出力抵抗
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のスイッチ素子の第１端および前記第２のスイッチ素子の第１端間の電圧である入力電圧を検出するための第１の電圧検出部と、
前記第２の蓄電素子の両端電圧を検出するための第２の電圧検出部と、
前記第１の電圧検出部によって検出された前記入力電圧と前記第２の電圧検出部によって検出された前記第２の蓄電素子の両端電圧との差に基づいて、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、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のいずれかを故障検出対象スイッチ素子として選択し、前記故障検出対象スイッチ素子をオフし、前記故障検出対象スイッチ素子が含まれる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他方の前記スイッチ素子と、前記故障検出対象スイッチ素子が含まれない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各前記スイッチ素子とをオンした状態において、前記第１の電圧検出部によって検出された前記入力電圧と前記第２の電圧検出部によって検出された前記第２の蓄電素子の両端電圧との差に基づいて、前記故障検出対象スイッチ素子の故障を検出する、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、前記第１のスイッチ素子ないし前記第４のスイッチ素子の少なくともいずれか１つをオフした状態における前記入力電圧および前記第２の蓄電素子の両端電圧、または前記入力電圧および前記両端電圧の差を初期値として保存し、前記初期値と、前記第１のスイッチ素子ないし前記第４のスイッチ素子の少なくともいずれか１つをオフした状態において新たに検出された前記入力電圧および前記第２の蓄電素子の両端電圧の差とを比較し、比較結果に基づいて前記第１のスイッチ素子ないし前記第４のスイッチ素子の故障を検出する、請求項１または２に記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項４】
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し、
前記制御部は、前記第４の期間において前記第１のスイッチ素子ないし前記第４のスイッチ素子の故障を検出する、請求項１から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】
前記電力伝達用絶縁回路は、通常動作モードおよび故障検出モードを有し、
前記制御部は、前記通常動作モードにおいて、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２の期間とを順番に繰り返し、
前記制御部は、前記故障検出モードにおいて、前記第１の期間および前記第２の期間を実行し、前記通常動作モードと比べて前記第１の期間および前記第２の期間をそれぞれ長く設定する、請求項１から３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２の期間とを順番に繰り返し、
前記制御部は、所定のタイミングにおいて前記第１のスイッチ素子ないし前記第４のスイッチ素子の故障を検出することが可能であり、かつ前記電力伝達用絶縁回路の外部からの指令に基づくタイミングにおいて前記第１のスイッチ素子ないし前記第４のスイッチ素子の故障を検出することが可能である、請求項１から３のいずれか１項に記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項７】
前記制御部は、自己と前記第１のスイッチ素子ないし前記第４のスイッチ素子との間を絶縁しながら、制御信号を前記第１のスイッチ素子ないし前記第４のスイッチ素子へそれぞれ出力することにより、前記第１のスイッチ素子ないし前記第４のスイッチ素子のスイッチングを制御する、請求項１から６のいずれか１項に記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項８】
前記制御部は、前記第１のスイッチ素子ないし前記第４のスイッチ素子の各々に対応して設けられた複数のフォトカプラを含み、対応の前記フォトカプラを介して前記制御信号を前記第１のスイッチ素子ないし前記第４のスイッチ素子へそれぞれ出力する、請求項７に記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項９】
前記電力伝達用絶縁回路は、さらに、
前記第１のスイッチ素子の第１端と前記第２のスイッチ素子の第１端との間に接続された第３の蓄電素子を備える、請求項１から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のスイッチ素子の第１端および前記第２のスイッチ素子の第１端間の電圧である入力電圧を検出するための第１の電圧検出部と、
前記第２の蓄電素子の両端電圧を検出するための第２の電圧検出部と、
前記第１の電圧検出部によって検出された前記入力電圧と前記第２の電圧検出部によって検出された前記第２の蓄電素子の両端電圧との差に基づいて、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のスイッチ素子の第１端および前記第２のスイッチ素子の第１端間の電圧である入力電圧を検出するための第１の電圧検出部と、
前記第２の蓄電素子の両端電圧を検出するための第２の電圧検出部と、
前記第１の電圧検出部によって検出された前記入力電圧と前記第２の電圧検出部によって検出された前記第２の蓄電素子の両端電圧との差に基づいて、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、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のいずれかを故障検出対象スイッチ素子として選択し、前記故障検出対象スイッチ素子をオフし、前記故障検出対象スイッチ素子が含まれる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他方の前記スイッチ素子と、前記故障検出対象スイッチ素子が含まれない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各前記スイッチ素子とをオンした状態において、前記第１の電圧検出部によって検出された前記入力電圧と前記第２の電圧検出部によって検出された前記第２の蓄電素子の両端電圧との差に基づいて、前記故障検出対象スイッチ素子の故障を検出する、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、前記第１のスイッチ素子ないし前記第４のスイッチ素子の少なくともいずれか１つをオフした状態における前記入力電圧および前記第２の蓄電素子の両端電圧、または前記入力電圧および前記両端電圧の差を初期値として保存し、前記初期値と、前記第１のスイッチ素子ないし前記第４のスイッチ素子の少なくともいずれか１つをオフした状態において新たに検出された前記入力電圧および前記第２の蓄電素子の両端電圧の差とを比較し、比較結果に基づいて前記第１のスイッチ素子ないし前記第４のスイッチ素子の故障を検出する、請求項１または２に記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項４】
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し、
前記制御部は、前記第４の期間において前記第１のスイッチ素子ないし前記第４のスイッチ素子の故障を検出する、請求項１から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】
前記電力伝達用絶縁回路は、通常動作モードおよび故障検出モードを有し、
前記制御部は、前記通常動作モードにおいて、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２の期間とを順番に繰り返し、
前記制御部は、前記故障検出モードにおいて、前記第１の期間および前記第２の期間を実行し、前記通常動作モードと比べて前記第１の期間および前記第２の期間をそれぞれ長く設定する、請求項１から３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２の期間とを順番に繰り返し、
前記制御部は、所定のタイミングにおいて前記第１のスイッチ素子ないし前記第４のスイッチ素子の故障を検出することが可能であり、かつ前記電力伝達用絶縁回路の外部からの指令に基づくタイミングにおいて前記第１のスイッチ素子ないし前記第４のスイッチ素子の故障を検出することが可能である、請求項１から３のいずれか１項に記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項７】
前記制御部は、自己と前記第１のスイッチ素子ないし前記第４のスイッチ素子との間を絶縁しながら、制御信号を前記第１のスイッチ素子ないし前記第４のスイッチ素子へそれぞれ出力することにより、前記第１のスイッチ素子ないし前記第４のスイッチ素子のスイッチングを制御する、請求項１から６のいずれか１項に記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項８】
前記制御部は、前記第１のスイッチ素子ないし前記第４のスイッチ素子の各々に対応して設けられた複数のフォトカプラを含み、対応の前記フォトカプラを介して前記制御信号を前記第１のスイッチ素子ないし前記第４のスイッチ素子へそれぞれ出力する、請求項７に記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項９】
前記電力伝達用絶縁回路は、さらに、
前記第１のスイッチ素子の第１端と前記第２のスイッチ素子の第１端との間に接続された第３の蓄電素子を備える、請求項１から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のスイッチ素子の第１端および前記第２のスイッチ素子の第１端間の電圧である入力電圧を検出するための第１の電圧検出部と、
前記第２の蓄電素子の両端電圧を検出するための第２の電圧検出部と、
前記第１の電圧検出部によって検出された前記入力電圧と前記第２の電圧検出部によって検出された前記第２の蓄電素子の両端電圧との差に基づいて、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６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１９６７０（Ｐ２０１２−１９６７０Ａ）
【公開日】平成２４年１月２６日（２０１２．１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１６６１０５（Ｐ２０１０−１６６１０５）
【出願日】平成２２年７月２３日（２０１０．７．２３）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月２６日（２０１２．１．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月２３日（２０１０．７．２３）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]