CN102804574B - 转换器的输出二极管短路检测装置 - Google Patents
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Abstract
一种转换器的输出二极管短路检测装置，其具备：电压监视部(120)，监视输出端之间并联连接的第1及第2转换器(12、14)的输入直流电压；以及判断控制部(20)，在第2转换器(14)的升压动作过程中对于第1转换器(12)由电压监视部(120)所监视到的输入直流电压上升为由第2转换器(14)进行升压后的升压后电压(VH)时，判断为第1转换器(12)的输出二极管(D11)发生了短路。
Description
技术领域
本发明涉及一种将输入直流电压转换为规定的输出直流电压的转换器(电压转换器)所使用的技术。
背景技术
作为电压转换器，对直流(DC)电压进行升压及/或降压的DC-DC转换器已被公知。DC-DC转换器广泛应用于个人计算机、AV设备、移动电话、电源系统等包括电气电路的电气设备。近年来，也具有在燃料电池汽车、电动汽车、混合动力汽车等车辆的电源系统中使用DC-DC转换器的例子。
专利文献1：日本特开2007-318938号公报
发明内容
DC-DC转换器例如可组合晶体管等转换元件、线圈(电抗器)、电容器及二极管等而成。其中，例如在与电抗器串联的输出二极管中产生异常而发生短路时，电流可能会从电抗器向输入侧(直流电源侧)逆流。这种逆流电流输入到燃料电池等的直流电源时，会被以直流电流进行逆充电，可能引起破损、性能退化。
因此，本发明的目的之一是，可检测出输出二极管的短路故障。并且，本发明的目的之一还在于，防止直流电源的逆充电，防止直流电源的破损、性能退化。
此外，不限于上述目的，可实现作为下述用于实施发明的方式中所示的各构成所产生的作用效果的、现有技术无法获得的作用效果，也可是本发明的其他目的之一。
本发明的转换器的输出二极管短路检测装置的一个方式中，其用于电源系统，该电源系统具备能够对来自直流电源的输入直流电压进行升压并将升压后的电压经由输出二极管输出的第1及第2转换器，上述第1及第2转换器的输出端之间并联连接，其具有：电压监视部，监视上述第1及第2转换器的输入直流电压；以及判断控制部，在上述第2转换器的升压动作过程中对于上述第1转换器由上述电压监视部所监视到的输入直流电压上升为由上述第2转换器进行升压后的升压后电压时，判断为上述第1转换器的输出二极管发生了短路。
其中，上述判断控制部在判断为上述输出二极管发生了短路时可停止上述第1转换器、或上述第1及第2转换器的升压动作。
并且，本发明的转换器的输出二极管短路检测装置的其他方式中，用于电源系统，该电源系统具备能够对来自直流电源的输入直流电压进行升压并将升压后的电压经由输出二极管输出的转换器，其具有：电压监视部，监视上述输出二极管的两端电压；以及判断控制部，在上述转换器的升压动作过程中，当上述两端电压的差值变为零时，判断为上述输出二极管发生了短路。
其中，上述判断控制部在判断为上述输出二极管发生了短路时，可停止上述转换器的升压动作。
根据本发明，可检测出输出二极管的短路(故障)。并且，可防止直流电流的逆充电，防止直流电源的破损、性能退化。
附图说明
图1是表示一个实施方式涉及的电源系统及搭载了该电源系统的车辆1的构成例的示意图。
图2是表示图1示例的FC升压转换器及蓄电池升压转换器的一例的图。
图3是说明在图2示例的构成中产生输出二极管的短路故障时的动作例的图。
图4是表示图2示例的构成的变形例的图。
图5是表示图2示例的构成的其他变形例的图。
具体实施方式
以下参照附图说明本发明的实施方式。但以下说明的实施方式仅是示例，并不排除以下未明示的各种变形、技术的适用。即，本发明在不脱离其主旨的范围可进行各种变形(组合各实施例等)并实施。并且，在以下附图中，对相同或类似的部分附加相同或类似的标记来表示。附图是示意性的，不一定与实际尺寸、比率等一致。附图相互之间也包括彼此大小关系、比率不同的部分。
图1是表示一个实施方式涉及的电源系统10及搭载了该电源系统10的车辆1的构成例的示意图。
电源系统10例如是具有燃料电池(FC)11的燃料电池系统，车辆1是作为以燃料电池系统10为驱动电力的供给源的电气设备的一例的燃料电池汽车。但车辆1也可是电动汽车、混合动力汽车。
车辆1具有：对驱动轮2进行驱动的电机16、电子控制单元(ECU)20、检测加速踏板的开度的加速踏板传感器21等。加速踏板传感器21电连接到电子控制单元20，例如，由ECU20对应检测出的加速踏板的开度来控制电机16(驱动轮)2的旋转速度。
燃料电池系统10除了上述燃料电池(FC)11之外，作为非限定性的一例，具有FC升压转换器12、蓄电池13、蓄电池升压转换器14、逆变器15等。FC升压转换器12是对输入DC电压进行升压的第1转换器的一例，蓄电池升压转换器14是对输入DC电压进行升压的第2转换器的一例。
FC11是利用电气化学反应进行发电的装置。FC11可采用固体高分子型、磷酸型、熔融碳酸盐型、固体氧化物型、碱性电解质型等各种类型的燃料电池。FC11发出的电力用于驱动车辆1的驱动轮2的电机16的驱动电力、蓄电池13的充电。
蓄电池13是可充电放电的二次电池，可采用锂离子、镍氢、镍镉等各种类型的二次电池。蓄电池13可向车辆1、FC11运行时使用的各种电气设备提供电力。这里所说的电气设备例如包括车辆1的照明设备、空调设备、液压泵、提供FC11的燃料气体或改性原料的泵、调整改性器的温度的加热器等。
如图1所示，这些FC11及蓄电池13与逆变器15电连接且并联连接。在从FC11到逆变器15的电气路径上，设有FC升压转换器12。FC升压转换器12是对输入DC电压进行升压的DC-DC转换器，在可转换的范围内将FC11所产生的DC电压转换为规定的DC电压(例如升压)，可施加到逆变器15。通过该升压动作，即使FC11的输出电力较低，也可确保驱动电机16所需的驱动电力。
另一方面，在蓄电池13到逆变器15的电气路径中，蓄电池升压转换器14并联到FC升压转换器12和逆变器15之间的电气路径。该转换器14也是DC-DC转换器，在可转换的范围内可将蓄电池13或逆变器15施加的DC电压转换为规定的DC电压。
转换器14可采用能进行升压及降压的升降压型的转换器，例如控制(升高)来自蓄电池13的输入DC电压并输出到逆变器15一侧，并可控制(降低)来自FC11或电机16的输入DC电压并输出到蓄电池13。这样一来，可进行蓄电池13的充电放电。
并且，转换器14通过控制输出电压，可控制逆变器15的端子电压。该控制可控制与逆变器15并联连接的各电源(FC11及蓄电池13)的相对输出电压差，适当分开使用两者的电力。
逆变器15从FC11经由转换器12、并从蓄电池13经由转换器14，接受DC电压的输入，将该输入DC电压转换为交流(AC)，将其作为电机16的驱动电压提供。此时，ECU20控制逆变器15的动作(转换)，以向电机16提供与要求动力对应的AC电压。
ECU20除了上述控制外，还统一控制车辆1及燃料电池系统10的动作(运行)。ECU20例如可作为微机实现，该微机具有作为运算处理装置的一例的CPU、作为存储装置的一例的RAM、ROM等。ECU20电连接到电机16、燃料电池系统10的各要素、各种传感器组，适当实施各种传感器值的接收、计算处理、指令(控制信号)的发送等。传感器组除了加速踏板传感器21外，例如还可包括：检测蓄电池13的充电状态(SOC：StateofChange)的SOC传感器、检测车速(电机16的转速)的车速传感器、对升压转换器12(14)设置的下述电压传感器、电流传感器等。
(升压转换器12及14)
图2表示升压转换器12及14的电气电路图的一例。如图2所示，升压转换器12例如具有：电抗器(线圈)L1；(输出)二极管D11；电容C11及C12；开关电路SW1，其具有转换元件S1及(逆并联)二极管D12。升压转换器14例如具有：电抗器(线圈)L2；(输出)二极管D21；电容C21及C22；开关电路SW2，其具有转换元件S2及(逆并联)二极管D22。
此外，在图2中，VL1表示FC升压转换器12的输入电压(升压前电压)，VH1(≥VL1)表示该转换器12的输出电压(升压后电压)。并且，VL2表示蓄电池升压转换器14的输入电压(升压前电压)，VH2(≥VL2)表示蓄电池升压转换器14的输出电压(升压后电压)。VL1和VL2可以是相同的电压，也可是不同的电压。VH1和VH2也同样。
升压转换器12(14)的转换元件S1(S2)作为非限定性的一例，可采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。
在升压转换器12(14)中，电抗器L1(L2)的一端串联到作为直流电源的FC11(蓄电池13)的高电位侧，并且另一端串联到输出二极管D11(D21)的正极。
在电抗器L1(L2)和FC11(蓄电池)13之间，连接输入电容C11(C21)的一端，该输入电容C11(C21)的另一端连接到FC11(蓄电池13)的低电位侧(例如接地)，FC11(蓄电池13)的输出电压VL1(VL2)作为输入电压施加到两端。电容C11(C21)作为输入平滑电容而发挥作用，以使FC11(蓄电池13)的输出电流平滑化，降低波动。
在电抗器L1(L2)和输出二极管D11(D21)之间，连接转换元件S1(S2)的集电器，转换元件S1(S2)的放射器连接到FC11(蓄电池13)的低电位侧。并且，在转换元件S1(S2)的集电器上连接逆并联二极管D12(D22)的负极，在转换元件S1(S2)的发射器上连接该二极管D12(D22)的正极。
输出二极管D11(D21)的负极上连接输出电容C12(C22)的一端，该输出电容C12(C22)的另一端连接到FC11(蓄电池13)的低电位侧。输出电容C12(C22)作为输出平滑电容而发挥作用，以使从输出二极管D11(D21)经由逆变器15提供到电机16的输出电流平滑化，降低波动。该输出电容C12(C22)的两端电压VH1(VH2)相当于升压后电压。
转换元件S1(S2)的栅极电压例如由ECU20周期性地进行接通/断开控制。转换的周期(载波频率)作为非限定性的一例，例如为100ms(10kHz)左右。
在转换元件S1(S2)接通的期间，FC11(蓄电池13)的输出电流经由电抗器L1(L2)及转换元件S1(S2)回流到FC11(蓄电池13)的低电位侧，电能积蓄到电抗器L1(L2)中。另一方面，在转换元件S1(S2)断开的期间，之前积蓄到电抗器L1(L2)的电能与FC11(蓄电池13)的输出电压重叠，经由输出二极管D11(D21)输出。
因此，升压转换器12(14)可把来自FC11(蓄电池13)的输入DC电压VL1(VL2)升压为输出DC电压VH1(VH2)，并经由输出二极管D11(D21)输出升压后电压VH1(VH2)。
(输出二极管D11(D21)的短路故障检测)
如上所述，在两个升压转换器12及14并联连接到逆变器15(电机16)的双转换器系统中，如图3所示，假设以下情况：在一个升压转换器14驱动过程中(升压动作过程中)，另一个升压转换器12的输出二极管D11因某种异常而短路，发生故障。此外，与另一个升压转换器12是处于驱动中还是非驱动中(待机中)无关。并且，为了方便，假设VL1＝VL2＝VL、VH1＝VH2＝VH。
这种情况下，在升压转换器12中，因输出二极管D11的两端短路，所以通过正常动作的升压转换器14而升压后的电压VH施加到输入电容C11。因此，输入电容C11的两端电压上升为VH，比FC11的输出电压VL高。其结果是，产生向FC11一侧逆流的电流(逆向电流)。通过该逆向电流，FC11被逆充电，会产生FC11的破损、性能退化。此外，升压转换器14的输出二极管D21发生短路故障时也一样。
因此，在本实施方式中，对作为升压转换器12及14的输入电压(VL)的电容C11及C21的两端电压，分别由电压传感器120检测(监视)。电压传感器120是监视升压转换器12及14的输入DC电压的电压监视部的一例。电压传感器120分别例如电连接到ECU20，可将各电压传感器值提供给ECU20。
ECU20周期性地判断任一电压传感器120的电压传感器值是否超过规定阈值(例如VL可采用的电压的最大值)，如超过，则判断为接收到该电压传感器值的电压传感器120所对应的升压转换器12或14中的输出二极管D11或D21发生了短路故障。上述阈值例如可存储到ECU20内的存储器中。
换言之，ECU20作为判断控制部的一例而发挥作用，其在一个升压转换器14的升压动作过程中，对于另一个升压转换器12由电压传感器120所监视到(检测到)的输入DC电压(FC的输出DC电压)上升为由升压转换器14进行升压后的升压后电压VH时，判断为另一个升压转换器12的输出二极管D11发生了短路。
其中，如图3所示，在产生了短路故障的升压转换器12中，在输出二极管D11短路的状态下转换元件S1接通时，使施加了由升压转换器14进行升压后的升压后电压VH的电气路径发生短路。因此，超过额定电流的过电流可能流入到该转换元件S1。
因此，ECU20在判断为输出二极管D11发生了短路故障时，断开控制产生短路故障的升压转换器12的转换元件S1，停止该升压转换器12的驱动(升压动作)。这样一来，可防止过电流流入到转换元件S1而产生破损等。
此外，在产生短路故障的升压转换器12的转换元件S1断开的状态下，该升压转换器12的输入电压VL对应未发生短路故障的升压转换器14的升压动作而上升。因此，发生短路故障的升压转换器12原本处于非驱动中(待机中)时、及该升压转换器12正在驱动中、转换元件S1的过电流保护功能发挥作用而转变为断开时，在任意一种情况下，ECU20均可：只要另一个升压转换器14处于正常驱动中，则可根据通过电压传感器120获得的电压传感器值，判断、检测输出二极管D11的异常短路。
检测出输出二极管D11的短路故障时，ECU20也可附加地将正常驱动中的升压转换器14的转换元件S2也控制为断开。这样一来，作为电源系统10整体的升压动作停止，因此可避免因部分输出二极管D11的短路故障而使电源系统10整体陷入到故障的情况(可实现故障故障保护系统)。
此外，向FC11或蓄电池13一侧逆流的电流有时是因电机16所产生的逆电动势而产生的。因此，例如在电机16的转速为一定值以上、有可能产生一定程度以上的逆电动势的情况下，ECU20可实施对电机16的磁场削弱控制，以抑制因该逆电动势而产生的再生电流。这样一来，即使升压转换器12或14产生短路故障，也可保护电源系统10免受电机16的逆电动势而产生的再生电流的干扰。
此外，和上述例相反，在升压转换器14的输出二极管D21发生短路故障时，也可和上述一样地通过ECU20检测出该短路故障。
(变形例1)
如图4所示，在升压转换器12(14)中，在直流电源11(13)和输入电容C11(C21)之间，或可替代以在输入电容C11(C21)的连接点和该电容C11(C21)之间，作为检测该处的电流量的电流检测部的一例，可附加设置电流传感器121。有时本来就设有电流传感器121，以便在升压动作时控制从直流电源11(13)一侧流入到电抗器L1(L2)的平均电流量。
电流传感器121例如可采用磁比例式的传感器。磁比例式电流传感器通过测定应测定的电流在导体内流动时的磁场，间接地测定电流的大小。例如，将和电流对应的磁场通过霍尔传感器转换为电压信号，通过放大电路放大该输出电压，将和电流对应的输出电压作为传感器值输出。
该电流传感器12例如电连接到ECU20，可将检测出的电流值(电流传感器值)提供给ECU20。此时，ECU20除了电压传感器120的电压传感器值外，还可将电流传感器121的电流传感器值用于输出二极管D11(D21)的短路异常判断。
例如，ECU20在电压传感器值及电流传感器值都满足规定的判断条件时(例如超过各传感器值分别对应的阈值时)，可判断为对应的升压转换器12或14的输出二极管D11或D21发生了短路故障。因此，可提高短路故障判断的可靠度。
(变形例2)
上述输出二极管D11(或D21)的短路故障判断也可通过监控输出二极管D11(或D21)的两端电压来实施。例如如图5所示，在输出二极管D11的两端设置比较仪122。比较仪122是监视输出二极管D11的两端电压的电压监视部的一例，例如电连接到ECU20，可将比较仪122的比较结果提供给ECU20。此外，图5中虽省略了图示，但比较仪122也可设置到升压转换器14的输出二极管D21。
ECU20是判断控制部的另一例，当比较仪122的比较结果、即输出二极管D11(或D21)的两端电压的差值变为0时，可判断为输出二极管D11(或D21)发生了短路故障。
该例中，如上述实施方式所示，即使多个电压转换器12及14未并联连接，只要设置了比较仪122的升压转换器12或14在升压动作过程中，则通过输出二极管D11(或D21)的两端电压的差值变为零，即可判断为发生了短路故障。与之相对，和上述实施方式相同，当升压转换器12及14并联连接时，如任意一个升压转换器12或14正在升压动作过程中，则可进行短路故障判断。
此外，对各升压转换器12及14，也可附加设置上述电压传感器120及/或电流传感器121。这种情况下，ECU20根据比较仪122的比较结果、及电压传感器值及/或电流传感器值的组合，通过判断、检测输出二极管D11或D21的短路故障，可提高判断、检测的可靠性。
(其他)
上述实施方式可适用于共振型DC-DC转换器等其他种类的转换器。并且，上述实施方式不限于车载的DC-DC转换器，也可适用于个人计算机、视听(AV)设备、移动终端等电气设备中搭载的DC-DC转换器。
附图标记说明
1车辆
2驱动轮
10电源系统(燃料电池系统)
11燃料电池(FC)
12FC升压转换器
13蓄电池
14蓄电池升压转换器
15逆变器
16电机
20电子控制单元(ECU)(判断控制部)
21加速踏板传感器
120电压传感器(电压监视部)
121电流传感器
122比较仪(电压监视部)
C11、C12、C21、C22电容
D11、D12、D21、D22二极管
L1、L2电抗器(线圈)
S1、S2转换元件
SW1SW2开关电路
Claims (2)
1.一种转换器的输出二极管短路检测装置，其用于电源系统，该电源系统具备第1转换器和第2转换器，上述第1转换器能够对来自燃料电池的输入直流电压进行升压并将升压后的电压经由输出二极管输出，上述第2转换器能够对来自蓄电池的输入直流电压进行升压并将升压后的电压经由输出二极管输出，并且，上述第1转换器和上述第2转换器的输出端之间并联连接，其中，
上述转换器的输出二极管短路检测装置具备：
电压监视部，监视上述第1转换器和上述第2转换器的输入直流电压；以及
判断控制部，当在上述第2转换器的升压动作过程中由上述电压监视部所监视到的上述第1转换器的输入直流电压上升为由上述第2转换器进行升压后的电压时，判断为上述第1转换器的输出二极管发生了短路。
2.根据权利要求1所述的转换器的输出二极管短路检测装置，其中，上述判断控制部在判断为上述输出二极管发生了短路时停止上述第1转换器、或上述第1转换器和上述第2转换器的升压动作。
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