CN107681893B - 电压转换装置 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及电压转换装置。该电压转换装置包括第一转换电路、第二转换电路、电压检测电路和CPU，即故障检测器。第一转换电路切换DC电源处的DC电压，以将DC电压转换成AC电压。第二转换电路对用第一转换电路转换的AC电压进行整流，以将AC电压转换成DC电压。电压检测电路检测辅助切换元件和第一电容器的连接点处的电压。CPU监视连接点处的电压在预定时段中的变化，电压用电压检测电路来检测，并且CPU基于电压的变化来检测主切换元件和辅助切换元件中的一者或两者中出现的故障。

Description

电压转换装置
相关申请的交叉引用
该申请基于2016年8月2日在日本专利局提交的日本专利第2016-151805号申请，此处以引证的方式并入其全部内容。
技术领域
本公开涉及诸如DC-DC转换器这样的电压转换装置，尤其涉及一种在输入侧切换元件在工作期间故障时检测故障的技术。
背景技术
例如，在输入侧和输出侧彼此绝缘的绝缘型DC-DC转换器中，通过切换DC电压将DC电源的DC电压转换成AC电压的第一转换电路设置在输入侧，并且通过AC电压的整流将用第一转换电路转换的AC电压转换成DC电压的第二转换电路设置在输出侧。第一转换电路和第二转换电路使用变压器彼此绝缘。
具有绝缘型DC-DC转换器，其称为升压半桥(boost half bridge)系统(下文中，称为BHB系统)，其中，组合了升压斩波器(升压转换器)和半桥型DC-DC转换器。美国专利第2014/0268908号公报(专利文献1)、未审查日本专利第2002-315324号公报(专利文献2)、未审查日本专利第2003-92876号公报(专利文献3)、未审查日本专利第2003-92877号公报(专利文献4)、未审查日本专利第2003-92881号公报(专利文献5)、未审查日本专利第2007-189835号公报(专利文献6)、未审查日本专利第2007-236155号公报(专利文献7)、未审查日本专利第2007-236156号公报(专利文献8)、未审查日本专利第2008-79454号公报(专利文献9)以及未审查日本专利第2010-226931号公报(专利文献10)；Shuai Jiang、Dong Cao、Fang Z.Peng和Yuan Li，“Grid-Connected Boost-Half-Bridge Photovoltaic MicroInverter System Using Repetitive Current Control and Maximum Power PointTracking”,2012年2月5-9日、2012Twenty-Seventh Annual IEEE Applied PowerElectronics Conference and Exposition(APEC),第590-597页(非专利文献1)；DongCao、Shuai Jiang、Fang Z.Peng和Yuan Li，“Low Cost Transformer Isolated BoostHalf-bridge Micro-inverter for Single-phase Grid-connected PhotovoltaicSystem”,2012年2月5-9日、2012Twenty-Seventh Annual IEEE Applied PowerElectronics Conference and Exposition(APEC),第71-78页(非专利文献2)；HosseinTahmasebi,“Boost Integrated High Frequency Isolated Half-Bridge DC-DCConverter:Analysis,Design,Simulation and Experimental Results”,2015A projectReport Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree ofMASTER OF ENGINEERING,University of Victoria (https://dspace.library.uvic.ca/bitstream/handle/1828/6427/Tahmasebi_Hossein_MEng_2015.pdf)(非专利文献3)；以及York Jr、John Benson,“An Isolated Micro-Converter for Next-GenerationPhotovoltaic Infrastructure”2013-04-19Dissertation submitted to the Facultyof the Virginia Polytechnic Institute and State University (https://vtechworks.lib.vt.edu/bitstream/handle/10919/19326/York_JB_D_2013.pdf)(非专利文献4)公开了BHB-系统绝缘型DC-DC转换器。
在BHB系统绝缘型DC-DC转换器中，主切换元件、辅助切换元件、电感器、变压器的初级绕组、以及两个电容器设置在输入侧第一转换电路中。电感器和主切换元件串联连接到DC电源，并且变压器的初级绕组和电容器中的一个的串联电路并联连接到主切换元件。另一个电容器和辅助切换元件的串联电路并联连接到变压器的初级绕组。
例如，如专利文献1的图11中例示的包括两个整流元件、两个电容器和变压器的次级绕组的电路，或如专利文献2的图1中例示的包括两个整流元件、一个电容器、一个电感器和具有中间抽头的变压器的次级绕组的电路，设置在输出侧第二转换电路中。
第一转换电路的主切换元件和辅助切换元件以预定占空比(duty)轮流被接通。在接通主切换元件的时间段中，断开辅助切换元件，并且在接通辅助切换元件的时段中，断开主切换元件。当接通主切换元件时，电容器中的一个处的电压施加于变压器的初级绕组，并且电力传递给变压器的次级绕组。此时，初级绕组处的电压等于输入电压。另一方面，当接通辅助切换元件时，另一个电容器处的电压施加于变压器的初级绕组，并且电力传递给变压器的次级绕组。此时，初级绕组处的电压取决于输入电压和占空比。
有时，在切换元件的工作期间，故障由于某种原因而出现在切换元件中。故障包括：接通故障(on failure)，其中，即使停止施加于切换元件的驱动电压，切换元件也不断开，而保持接通(导通状态)；和断开故障(off failure)，其中，即使驱动电压施加于切换元件，切换元件也不接通，而保持断开(中断状态)。
常规地，监视切换元件处的两端电压，以便检测在工作期间出现在切换元件中的故障。例如，在未审查日本专利第2009-112123号公报(专利文献11)中，检测切换元件的两端处的电压，检测到的电压按时序被多次采样，并且所采样的数据经过小波变换。小波变换的计算结果的峰值与基准值比较，并且经过切换元件的电流的异常基于比较结果来检测。
然而，在专利文献11中，因为仅基于一个切换元件处的两端电压来检测异常，所以难以检测两个切换元件中出现的各种故障模式。另一方面，当对于两个切换元件中的每一个而设置电压检测电路，以便检测各种故障模式时，电路构造变复杂。
发明内容
本公开的目的是提供一种电压转换装置，其可以用简单电路构造检测在工作期间出现在切换元件中的各种故障模式。
根据本公开的一个或更多个实施方式的电压转换装置包括：第一转换电路，其被配置为切换DC电源处的DC电压，以将所述DC电压转换成AC电压；和第二转换电路，其被配置为对用所述第一转换电路转换的所述AC电压进行整流，以将所述AC电压转换成DC电压。第一转换电路和第二转换电路使用变压器彼此绝缘。所述第一转换电路包括主切换元件、辅助切换元件、输入电感器、所述变压器的初级绕组、第一电容器以及第二电容器。所述输入电感器和所述主切换元件串联连接到所述DC电源，并且所述第二电容器和所述初级绕组的串联电路并联连接到所述主切换元件。所述辅助切换元件和所述第一电容器的串联电路并联连接到所述初级绕组。所述第二转换电路包括：所述变压器的次级绕组；和整流元件，其被配置为对所述次级绕组中产生的AC电压进行整流。所述电压转换装置还包括电压检测电路，其被配置为检测所述辅助切换元件和所述第一电容器的连接点处的电压；和故障检测器，其被配置为监视所述连接点处的电压在预定时段中的变化，所述电压用所述电压检测电路来检测，并且所述故障检测器被配置为基于所述电压的变化来检测在工作期间所述主切换元件和所述辅助切换元件中的一者或两者中出现的故障。
所述辅助切换元件和所述第一电容器的所述连接点处的电压根据工作期间出现在各个切换元件中的所述故障的情况而变化。因此，监视所述连接点处的电压在预定时段期间的变化，这允许检测各种故障模式。不必在主切换元件和辅助切换元件中的每一个中设置电压检测电路，而只需要监视一个点处的电压，这简化了电路构造。
例如，预定时段是基于各个切换元件的驱动信号的周期的短时段和长时段。故障检测器检测所述切换元件中的一个在短时段中保持导通的接通故障的发生。故障检测器检测所述切换元件中的一者或两者在长时段中保持中断的断开故障的发生。
具体地，所述故障检测器以以下方式检测在工作期间各个切换元件的故障。
假设Vin是所述DC电源处的所述DC电压，当所述连接点处的所述电压在短时段中减小到预定值Vx(0<Vx<Vin)时，所述故障检测器确定所述接通故障发生在所述辅助切换元件中。
当所述连接点处的所述电压在长时段中连续增大时，故障检测器确定断开故障发生在所述辅助切换元件中。
当所述连接点处的所述电压在短时段中减小到零或接近零的值时，故障检测器确定接通故障发生在主切换元件中。
当所述连接点处的所述电压在长时段中以预定倾斜度α连续减小时，故障检测器确定断开故障发生在主切换元件中。
假设Vin是DC电源处的DC电压，当所述连接点处的所述电压在短时段中减小到Vin时，所述故障检测器确定所述接通故障发生在所述辅助切换元件中，而所述断开故障发生在所述主切换元件中。
假设Vin是DC电源处的DC电压，并且D是所述主切换元件的占空比,当所述连接点处的所述电压在短时段中减小到[D/(1-D)]·Vin时，所述故障检测器确定所述断开故障发生在所述辅助切换元件中，而所述接通故障发生在所述主切换元件中。
当所述连接点处的所述电压在长时段中以预定倾斜度β(β<<α)连续减小时，故障检测器确定断开故障发生在所述主切换元件和所述辅助切换元件两者中。
根据本公开的一个或更多个实施方式的电压转换装置可以还包括第三转换电路，其被配置为切换用所述第二转换电路转换的所述DC电压，以将所述DC电压转换成AC电压。
因此，本公开可以提供可以用简单电路构造来检测在工作期间出现在切换元件中的各种故障模式的电压转换装置。
附图说明
图1是例示了根据本公开的第一实施方式的电压转换装置的电路图；
图2A和图2B是例示了主切换元件S2和辅助切换元件S1的选通信号的图；
图3是例示了电压转换装置的各个单元的电压和电流的图；
图4是例示了电压转换装置的各个单元的电压和电流的波形图；
图5A是例示了正常状态下的区间A的电流路径的电路图；
图5B是例示了正常状态下的区间B的电流路径的电路图；
图5C是例示了正常状态下的区间C的电流路径的电路图；
图5D是例示了正常状态下的区间D的电流路径的电路图；
图5E是例示了正常状态下的区间E的电流路径的电路图；
图5F是例示了正常状态下的区间F的电流路径的电路图；
图6A至图6C是例示了辅助切换元件S1在工作期间变为接通故障时的操作的图；
图7A至图7C是例示了辅助切换元件S1在工作期间变为断开故障时的操作的图；
图8A至图8C是例示了主切换元件S2在工作期间变为接通故障时的操作的图；
图9A至图9C是例示了主切换元件S2在工作期间变为断开故障时的操作的图；
图10A和图10B是例示了辅助切换元件S1和主切换元件S2在工作期间变为接通故障时的操作的图；
图11A和图11B是例示了辅助切换元件S1在工作期间变为接通故障而主切换元件S2变为断开故障时的操作的图；
图12A和图12B是例示了辅助切换元件S1在工作期间变为断开故障而主切换元件S2变为接通故障时的操作的图。
图13A和图13B是例示了辅助切换元件S1和主切换元件S2在工作期间变为断开故障时的操作的图；
图14是例示了故障确定表的图；以及
图15是例示了根据本公开的第二实施方式的电压转换装置的电路图。
具体实施方式
下文中，将参照附图来描述根据本公开的实施方式的电压转换装置。在各个附图中，相同或等同部件由相同的附图标记来指定。在本公开的实施方式中，阐述大量的具体细节，以便提供本发明的更详尽的理解。然而，对本领域普通技术人员显而易见的是，本发明可以在没有这些具体细节的情况下实践。在其他情况下，不详细描述公知特征，以避免使本发明不清楚。
下面将参照图1描述根据第一实施方式的电压转换装置的构造。参照图1，电压转换装置100是BHB系统绝缘型DC-DC转换器，并且包括中继器10、第一转换电路11、第二转换电路12、CPU 30和选通驱动器40。第一转换电路11和第二转换电路12使用变压器Tr彼此绝缘。例如，电压转换装置100安装在车辆上，并且用作DC-DC转换器，其使电池电压升压并且向诸如车载设备这样的负载供给升压后的电压。
中继器10连接在DC电源1的正极与第一转换电路11之间。DC电源1的负极连接到地G。中继器10的操作由来自CPU 30的信号控制。
第一转换电路11执行DC电源1处的DC电压的切换，并且在使DC电压升压的同时将DC电压转换成AC电压。第一转换电路11包括辅助切换元件S1、主切换元件S2、输入电感器Lin、变压器Tr的初级绕组W1、以及电容器C1和C2。辅助切换元件S1和主切换元件S2中的每一个用场效应晶体管(FET)来构造。电容器C1对应于根据本公开的一个或更多个实施方式的“第一电容器”，并且电容器C2对应于根据本公开的一个或更多个实施方式的“第二电容器”。第一转换电路11的电路构造与非专利文献3的图2.1中的相同。
辅助切换元件S1的源极连接到主切换元件S2的漏极，并且输入电感器Lin连接在辅助切换元件S1的源极和主切换元件S2的漏极的连接点与中继器10之间。
寄生电容器Cs1与寄生二极管D1的并联电路等同地连接在辅助切换元件S1的漏极与源极之间。类似地，寄生电容器Cs2与寄生二极管D2的并联电路等同地连接在主切换元件S2的漏极与源极之间。漏电感Lk等同地串联连接到变压器Tr的初级绕组W1。
辅助切换元件S1的漏极连接到电容器C1的一端，并且电容器C1的另一端连接到电容器C2的一端。电容器C2的另一端连接到地G。变压器Tr的初级绕组W1和漏电感Lk的串联电路连接在电容器C1和C2的连接点与辅助切换元件S1和主切换元件S2的连接点之间。
因此，在第一转换电路11中，输入电感器Lin和主切换元件S2串联连接到DC电源1，初级绕组W1和电容器C2的串联电路并联连接到主切换元件S2，并且电容器C1和辅助切换元件S1的串联电路并联连接到初级绕组W1。
第二转换电路12对用第一转换电路11进行升压的AC电压进行整流，并且将AC电压转换成DC电压。第二转换电路12包括变压器Tr的次级绕组W2、对次级绕组W2中产生的AC电压进行整流的二极管D3和D4、以及使整流后的电压平稳的电容器C3和C4。二极管D3和D4是根据本公开的一个或更多个实施方式的“整流元件”的示例。第二转换电路12的电路构造还与非专利文献3的图2.1中的相同。
二极管D3的阴极连接到电容器C3的一端，并且二极管D3的阳极连接到二极管D4的阴极。二极管D4的阳极连接到地G。电容器C3的另一端连接到电容器C4的一端，并且电容器C4的另一端连接到地G。变压器Tr的次级绕组W2连接在二极管D3和D4的连接点与电容器C3和C4的连接点之间。负载Ro连接在二极管D3和电容器C3的连接点与地G之间。
在第一转换电路11中，构造有分压电阻器R1和R2的电压检测电路20连接在辅助切换元件S1和电容器C1的连接点P与地G之间。降噪电容器Cf连接在分压电阻器R1和R2的连接点与地G之间。分压电阻器R2和降噪电容器Cf中的每一个的两端连接到CPU 30的预定输入端口(未例示)。
CPU 30导入电压检测电路20的输出，即，分压电阻器R2的两端处的电压，并且监视连接点P与地G之间的电压(电容器C1处的电压和电容器C2处的电压之和)。基于所监视的电压，CPU 30检测辅助切换元件S1和主切换元件S2在工作期间的故障。后面将详细描述具体的故障检测法。CPU 30向选通驱动器40提供控制信号，以执行辅助切换元件S1和主切换元件S2的通断控制，并且CPU 30向中继器10提供控制信号，以执行中继器10的通断控制。当检测辅助切换元件S1和主切换元件S2的故障时，CPU 30向外部输出为了通知故障信息的目的的故障信息信号。CPU 30是根据本公开的一个或更多个实施方式的“故障检测器”的示例。
基于来自CPU 30的控制信号，选通驱动器40产生接通和断开辅助切换元件S1和主切换元件S2的驱动信号。例如，驱动信号是具有预定占空比的脉冲宽度调制(PWM)信号，并且提供给辅助切换元件S1和主切换元件S2的栅极。图2例示了驱动信号(选通信号)的示例。在图2中，(a)例示了施加于主切换元件S2的栅极的选通信号，并且(b)例示了施加于辅助切换元件S1的栅极的选通信号。T表示选通信号的周期，并且D表示占空比。当选通信号在H(高)电平区间时，接通辅助切换元件S1和主切换元件S2，而当选通信号在L(低)电平区间中时，断开辅助切换元件S1和主切换元件S2。如上所述，交替接通辅助切换元件S1和主切换元件S2，并且当接通另一个时，断开辅助切换元件S1和主切换元件S2中的一个(虽然实际上设置停滞时间区间，使得辅助切换元件S1和主切换元件S2不同时进入接通状态，但停滞时间区间未例示在图2中)。
上述电压转换装置100的操作如下。接通中继器10，并且选通驱动器40向辅助切换元件S1和主切换元件S2的栅极供给选通信号，借此电压转换装置100开始操作。当在接通主切换元件S2的同时断开辅助切换元件S1时，DC电源1在输入电感器Lin中积蓄能量。所积蓄的能量取决于主切换元件S2的占空比D。电容器C2处的电压施加于变压器Tr的初级绕组W1，并且传递给次级绕组W2，并且电力向负载Ro供给。此时，电容器C2处的电压大致等于DC电源1处的电压。
当断开主切换元件S2时，开始升压操作，并且电容器C1和C2用输入电感器Lin中积蓄的能量借助寄生二极管D1来充电。然后，通过接通辅助切换元件S1，电容器C1处的电压施加于变压器Tr的初级绕组W1，并且升压后的电压传递给次级绕组W2，并且电力向负载Ro供给。此时，电容器C1处的电压取决于DC电源1处的电压和占空比D。
图3例示了电压转换装置100的各个单元的电压和电流。图1中的连接点P之后的阶段未例示在图3中。图3与非专利文献3的图2.1基本相同，并且图3中的各个附图标记的定义如下。
Vin：输入电压(DC电源1处的电压)
Vo：输出电压
Vs1：辅助切换元件S1处的两端电压
Vs2：主切换元件S2处的两端电压
Vc1：电容器C1处的两端电压
Vc2：电容器C2处的两端电压
Vc3：电容器C3处的两端电压
Vc4：电容器C4处的两端电压
Vm：监视电压(连接点P处的电压)
Vp：变压器Tr的初级绕组W1处的两端电压
Vs：变压器Tr的次级绕组W2处的两端电压
VLin：输入电感器Lin处的两端电压
VLK：漏电感Lk处的两端电压
iin：输入电流
io：输出电流
iSW1：经过辅助切换元件S1的电流
iSW2：经过主切换元件S2的电流
iLK：经过漏电感Lk的电流
在接通中继器10以操作电路的正常状态下，电压Vc1、Vc2、Vm、Vc3和Vc4以及Vo可以如图3例示经由以下等式来计算。其中，D在图2中是占空比，并且N是变压器Tr的匝比。
Vc1＝[D/(1-D)]·Vin
Vc2＝Vin
Vm＝Vc1+Vc2＝[1/(1-D)]·Vin
Vc3＝Vc1·N＝[D/(1-D)]·Vin·N
Vc4＝Vc2·N＝Vin·N
Vo＝Vc3+Vc4＝[1/(1-D)]·Vin·N
如从以上等式可以看到的，电容器C2处的电压Vc2等于输入电压Vin，并且电容器C1处的电压Vc1取决于输入电压Vin和占空比D。如后面描述的，在本公开的一个或更多个实施方式中，基于监视电压Vm的变化来检测辅助切换元件S1和主切换元件S2的故障，监视电压Vm是电压Vc1和Vc2之和。
图4例示了电压和电流相对于图3中的各个单元的一个周期的波形。非专利文献3的图2.2被图4引用。在水平轴中，t0至t6表示以下时刻。t0是紧挨断开辅助切换元件S1之后的时刻。t1是主切换元件S2的选通信号Vgs2上升(从L变为H)的时刻。t2是主切换元件S2经由选通信号Vgs2接通的时刻。t3是主切换元件S2的选通信号Vgs2下降(从H变为L)的时刻。t4是辅助切换元件S1的选通信号Vgs1上升(从L变为H)的时刻。t5是辅助切换元件S1经由选通信号Vgs1接通的时刻。t6是辅助切换元件S1的选通信号Vgs1下降(从H变为L)的时刻。
图5A至图5F例示了一个周期内的给定区间处的第一转换电路11和第二转换电路12的电流路径。各图下面的波形图从图4中的波形图的一部分提取，以便显示区间A至F。
图5A例示了区间A(t0至t1)的电流路径。在区间A处，辅助切换元件S1和主切换元件S2这两者在断开状态。在第一转换电路11中，在与断开辅助切换元件S1的同时，开始寄生电容器C1的充电，并且电压Vs1增大到Vc1+Vc2。另一方面，主切换元件S2的寄生电容器Cs2放电,并且电压Vs2减小到零。输入电流iin变为最小值，并且漏电感电流iLK变为正峰值。在第二转换电路12中，经过二极管D3的电流iD3保持经过。
图5B例示了区间B(t1至t2)的电流路径。在区间B处，辅助切换元件S1维持在断开状态，并且主切换元件S2处于紧挨接通之前的状态。在第一转换电路11中，寄生二极管D2在时刻t1变为导通。主切换元件S2不接通，直到经过寄生二极管D2的电流变为零为止。输入电流iin的增大从最小值开始，并且漏电感电流iLK减小到零。在第二转换电路12中，经过二极管D3的电流iD3减小到零。
图5C例示了区间C(t2至t3)的电流路径。在区间C处，接通主切换元件S2，并且辅助切换元件S1维持在断开状态。在第一转换电路11中，电容器C2处的电压Vc2施加于初级绕组W1和漏电感Lk的串联电路的两端，并且初级绕组W1处的电压Vp的极性从正反转为负(参见图4)。输入电流iin的增大继续，并且漏电感电流iLK的增大朝向负方向从零开始。在第二转换电路12中，二极管D4变为导通，并且电流iD4开始经过二极管D4。次级绕组W2处电压Vs的极性从正反转为负(参见图4)。
图5D例示了区间D(t3至t4)的电流路径。在区间D处，辅助切换元件S1维持在断开状态，并且主切换元件S2被断开。在第一转换电路11中,寄生电容器Cs2充电,直到Vs2＝Vc1+Vc2为止，并且寄生电容器Cs1放电，直到Vs1＝0为止。输入电流iin变为最大值，并且漏电感电流iLK变为负峰值。在第二转换电路12中，电流iD4连续经过二极管D4。
图5E例示了区间E(t4至t5)的电流路径。在区间E处，主切换元件S2维持在断开状态，并且辅助切换元件S1处于紧挨接通之前的状态。在第一转换电路11中，与结束寄生电容器Cs1的放电同时，电流开始经过寄生二极管D。辅助切换元件S1不接通，直到经过寄生二极管D1的电流变为零为止。输入电流iin的减小从最大值开始，并且漏电感电流iLK从负峰值减小到零。在第二转换电路12中，经过二极管D4的电流iD4减小到零。
图5F例示了区间F(t5至t6)的电流路径。在区间F处，辅助切换元件S1接通，并且主切换元件S2维持在断开状态。在第一转换单元11中，输入电流iin减小到最小值，并且漏电感电流iLK从零增大到正峰值。在第二转换电路12中，二极管D3变为导通，并且电流iD3经过二极管D3。当辅助切换元件S1在时刻t6被断开时，波形图返回到图5A，并且下一周期开始。
下面将参照图6至图13描述在辅助切换元件S1和主切换元件S2中的一个或这两者在工作期间故障的情况下的故障检测法。假设Vc1＝[D/(1-D)]·Vin并且Vc2＝Vin分别是发生故障之前(正常状态)的电容器C1和C2处的电压Vc1和Vc2。
<辅助切换元件S1变为接通故障的情况>
图6A至图6C例示了辅助切换元件S1在工作期间变为接通故障的状态。此时，辅助切换元件S1和主切换元件S2由简化的电路符号指示(这些也用于图6之后的附图中)。如图6A和图6B例示，变为接通故障的辅助切换元件S1和S2保持导通，并且主切换元件S2可以正常执行通断操作。图6C是例示了辅助切换元件S1和主切换元件S2的通断操作和电压Vin、Vc1、Vc2和Vm的变化状态的时刻图。
当接通故障出现在辅助切换元件S1时，在主切换元件S2如图6A例示被接通的区间，因为电容器C1连接到地G，所以电压Vc1快速减小到零或靠近零的值(下文中，零和靠近零的值这两者称为“大致零”)(Vc1＝0,Vc1≈0)。当主切换元件S2如图6B例示被断开时，使电容器C1与地G分离，并且电压Vc1快速返回到初始值(Vc1＝[D/(1-D)]·Vin)。此后，电压Vc1根据主切换元件S2的接通和断开重复以上改变。该状态例示在图6C的电压Vc1中。
另一方面，在主切换元件S2被接通的区间，因为电容器C2借助初级绕组W1和漏电感Lk连接到地G，所以电压Vc2从输入电压Vin缓慢减小。当主切换元件S2被断开时，电容器C2与地G分离，并且电压Vc2返回到输入电压Vin(Vc2＝Vin)。该状态例示在图6C的电压Vc2中。
因为电压Vc1和Vc2如上所述变化，所以连接点P处的电压，即，监视电压Vm(＝Vc1+Vc2)如图6C的监视电压Vm例示，在第一个周期T中快速减小。然而，因为电压Vc2不变为零，所以监视电压Vm也不减小到零，而减小到0<Vx<Vin的范围内的预定值Vx。之后，监视电压Vm平均也维持在预定值Vx(在图6C中，为了方便，预定值Vx以平均值表示)。
此时，一个周期T被设置为对监视电压Vm的变化进行监视的预定周期。一个周期T是根据本公开的一个或更多个实施方式的短时段的示例。短时段和长于短时段的长时段(后面描述的)基于辅助切换元件S1和主切换元件S2的驱动信号(图2中的选通信号)的周期T。短时段不限于一个周期T，但可以是例如两个周期(2T)。
由此，在辅助切换元件S1变为接通故障的情况下，因为监视电压Vm快速减小到预定值Vx(0<Vx<Vin)，所以分压电阻器R2(图1)处的两端电压，即，电压检测电路20的输出快速减小。CPU 30导入电压检测电路20的输出，以分析监视电压Vm的变化，并且当监视电压Vm在一个周期T中减小到预定值Vx时，确定辅助切换元件S1变为接通故障。基于该确定，CPU30在向选通驱动器40发出停止选通信号的指令的同时，断开中继器10。因此，停止电压转换装置100的操作。CPU 30还向外部输出故障信息信号，以便通知辅助切换元件S1的接通故障。
<辅助切换元件S1变为断开故障的情况>
图7A至图7C例示了辅助切换元件S1在工作期间变为断开故障的状态。如图7A和图7B例示，变为断开故障的辅助切换元件S1维持中断，并且主切换元件S2可以正常执行通断操作。图7C是例示了辅助切换元件S1和主切换元件S2的通断操作和电压Vin、Vc1、Vc2和Vm的变化状态的时刻图。
当断开故障出现在辅助切换元件S1中时，放电路径在电容器C1中被中断，并且由于主切换元件S2的通断操作而引起的升压后的电压借助于寄生二极管D1施加于电容器C1，借此继续电容器C1的充电。出于该原因，电容器C1处的电压Vc1如图7C例示连续增大。另一方面，电容器C2处的电压Vc2维持在输入电压Vin。
因此，连接点P处的电压，即，监视电压Vm(＝Vc1+Vc2)如图7C例示，在多个周期T'，与电压Vc1一起连续增大。即使主切换元件S2的占空比D减小，监视电压Vm也连续增大。多个周期T'是根据本公开的一个或更多个实施方式的长时段的示例。
由此，在辅助切换元件S1变为断开故障的情况下，监视电压Vm连续增大。CPU30导入电压检测电路20的输出，以分析监视电压Vm的变化，并且当监视电压Vm在多个周期T'连续减小时，确定辅助切换元件S1变为断开故障。基于该确定，CPU 30在向选通驱动器40发出停止选通信号的指令的同时，断开中继器10。因此，停止电压转换装置100的操作。CPU 30还向外部输出故障信息信号，以便通知辅助切换元件S1的断开故障。
<主切换元件S2变为接通故障的情况>
图8A至图8C例示了主切换元件S2在工作期间变为接通故障(on failure)的状态。如图8A和图8B例示，变为接通故障的主切换元件S2保持导通，并且辅助换元件S1可以正常执行通断操作。图8C是例示了辅助切换元件S1和主切换元件S2的通断操作和电压Vin、Vc1、Vc2和Vm的变化状态的时刻图。
当接通故障发生在主切换元件S2中时，电容器C1和C2在辅助切换元件S1的接通区间(图8A)处连接到地G。出于该原因，电容器C1和C2处的电压Vc1和Vc2如图8C例示快速减小到大致零。
因此，连接点处的电压，即，监视电压Vm(＝Vc1+Vc2)，如图8C例示，在第一周期T中快速减小到大致零(Vm＝0,Vm≈0)。
CPU 30导入电压检测电路20的输出，以分析监视电压Vm的变化，并且当监视电压Vm在一个周期T中减小到大致零时，确定主切换元件S2变为接通故障。基于该确定，CPU 30在向选通驱动器40发出停止选通信号的指令的同时，断开中继器10。因此，停止电压转换装置100的操作。CPU 30还向外部输出故障信息信号，以便通知主切换元件S2的接通故障。
<主切换元件S2变为断开故障的情况>
图9A至图9C例示了主切换元件S2在工作期间变为断开故障的状态。如图9A和图9B例示，变为断开故障的主切换元件S2保持中断，并且辅助切换元件S1可以正常执行通断操作。图9C是例示了辅助切换元件S1和主切换元件S2的通断操作和电压Vin、Vc1、Vc2和Vm的变化状态的时刻图。
当断开故障出现在主切换元件S2中时，在辅助切换元件S1的接通区间(图9A)和断开区间(图9B)这两者处，电容器C2处的电压Vc2如图9C例示维持在输入电压Vin。另一方面，因为升压操作不用主切换元件S2执行，所以如图9C例示，电容器C1处的电压Vc1由于电容器C1的放电而逐渐减小，并且最终变为零。
因此，连接点P处的电压，即，监视电压Vm(＝Vc1+Vc2)，如图9C例示，在多个周期T'以倾斜度α逐渐减小，并且最终变为输入电压Vin。
由此，在主切换元件S2变为断开故障的情况下，监视电压Vm连续减小。CPU 30导入电压检测电路20的输出，以分析监视电压Vm的变化，并且当监视电压Vm在多个周期T'连续减小时，确定主切换元件S2变为断开故障。基于该确定，CPU 30在向选通驱动器40发出停止选通信号的指令的同时，断开中继器10。因此，停止电压转换装置100的操作。CPU 30还向外部输出故障信息信号，以便通知主切换元件S2的断开故障。
<辅助切换元件S1和主切换元件S2变为接通故障的情况>
图10A和图10B例示了辅助切换元件S1和主切换元件S2这两者在工作期间变为接通故障的状态。在这种情况下，辅助切换元件S1和主切换元件S2如图10A例示保持导通。图10B是例示了辅助切换元件S1和主切换元件S2的通断操作和电压Vin、Vc1、Vc2和Vm的变化状态的时刻图。
当辅助切换元件S1和主切换元件S2变为接通故障时，因为电容器C1和C2连接到地G，所以电容器C1和C2处的电压Vc1和Vc2如图10B例示，快速减小到大致零。因此，监视电压Vm(＝Vc1+Vc2)如图10B例示，在第一周期T中快速减小到大致零(Vm＝0,Vm≈0)。
由此，在辅助切换元件S1和主切换元件S2这两者变为接通故障的情况下，监视电压Vm在一个周期快速减小到大致零。该现象与主切换元件S2如图8例示变为接通故障的情况相同。因此，可以确定至少主切换元件S2变为接通故障。然而，除了确定主切换元件S2变为接通故障之外，无法确定辅助切换元件S1是否也变为接通故障。因此，无法检测辅助切换元件S1和主切换元件S2是否同时变为接通故障，这是因为图10的情况不与图8的情况区分。
<辅助切换元件S1变为接通故障而主切换元件S2变为断开故障的情况>
图11A和图11B例示了辅助切换元件S1在工作期间变为接通故障而主切换元件S2变为断开故障的状态。如图11A例示，变为接通故障的辅助切换元件S1保持导通，并且变为断开故障的主切换元件S2保持中断。图11B是例示了辅助切换元件S1和主切换元件S2的通断操作和电压Vin、Vc1、Vc2和Vm的变化状态的时刻图。
当辅助切换元件S1变为接通故障而主切换元件S2变为断开故障时，如图11B例示，电容器C2处的电压Vc2维持在输入电压Vin，而电容器C1处的电压Vc1由于电容器C1的放电而变为大致零。因此，连接点P处的电压，即，监视电压Vm(＝Vc1+Vc2)，如图11B例示，在一个周期T中减小到输入电压Vin。
CPU 30导入电压检测电路20的输出，以分析监视电压Vm的变化，并且当监视电压Vm在一个周期T中减小到输入电压Vin时，确定辅助切换元件S1变为接通故障，而主切换元件S2变为断开故障。基于该确定，CPU 30在向选通驱动器40发出停止选通信号的指令的同时，断开中继器10。因此，停止电压转换装置100的操作。CPU 30还向外部输出故障信息信号，以便通知辅助切换元件S1变为接通故障，而主切换元件S2变为断开故障。
<辅助切换元件S1变为断开故障而主切换元件S2变为接通故障的情况>
图12A和图12B例示了辅助切换元件S1在工作期间变为断开故障而主切换元件S2变为接通故障的状态。如图12A例示，变为断开故障的辅助切换元件S1保持中断，并且变为接通故障的主切换元件S2保持导通。图12B是例示了辅助切换元件S1和主切换元件S2的通断操作和电压Vin、Vc1、Vc2和Vm的变化状态的时刻图。
当辅助切换元件S1变为断开故障而主切换元件S2变为接通故障时，因为电容器C2连接到地G，所以电容器C2处的电压Vc2如图12B例示在一个周期T中变为大致零。另一方面，电容器C1处的电压Vc1维持原样(Vc1＝[D/(1-D)]·Vin)。即使改变占空比D，电压Vc1也不变化。因此，连接点P处的电压，即，监视电压Vm(＝Vc1+Vc2)如图12B例示，在一个周期T中减小到[D/(1-D)]·Vin。
CPU 30导入电压检测电路20的输出，以分析监视电压Vm的变化，并且当监视电压Vm在一个周期T中减小到[D/(1-D)]·Vin时，确定辅助切换元件S1变为断开故障，而主切换元件S2变为接通故障。基于该确定，CPU 30在向选通驱动器40发出停止选通信号的指令的同时，断开中继器10。因此，停止电压转换装置100的操作。CPU 30还向外部输出故障信息信号，以便通知辅助切换元件S1变为断开故障，而主切换元件S2变为接通故障。
<辅助切换元件S1和主切换元件S2变为断开故障的情况>
图13A和图13B例示了辅助切换元件S1和主切换元件S2这两者在工作期间变为断开故障的状态。在这种情况下，辅助切换元件S1和主切换元件S2如图13A例示保持中断。图13B是例示了辅助切换元件S1和主切换元件S2的通断操作和电压Vin、Vc1、Vc2和Vm的变化状态的时刻图。
当断开故障出现在辅助切换元件S1和主切换元件S2中时，电容器C2处的电压Vc2如图13B例示，维持在输入电压Vin。另一方面，电容器C1处的电压Vc1由于电容器C1的放电而缓慢减小。即使改变占空比D，电压Vc1也不受影响。
因此，如图13B例示，监视电压Vm(＝Vc1+Vc2)在多个周期T'与电压Vc1一起逐渐减小。此时，因为监视电压Vm的倾斜度β充分小于图9中的监视电压Vm的倾斜度α(β<<α)，所以图13中的故障可以与图9中的故障区分。
CPU 30导入电压检测电路20的输出，以分析监视电压Vm的变化，并且当监视电压Vm在多个周期T'缓慢减小时，确定辅助切换元件S1和主切换元件S2变为断开故障。基于该确定，CPU 30在向选通驱动器40发出停止选通信号的指令的同时，断开中继器10。因此，停止电压转换装置100的操作。CPU 30还向外部输出故障信息信号，以便通知辅助切换元件S1和主切换元件S2的断开故障。
图14是例示了上述故障模式和判定基准的故障确定表。如上所述，图10中的故障模式未列在故障确定表中，这是因为图10中的故障模式与图8中的故障模式不区分。
在第一实施方式中，检测辅助切换元件S1和电容器C1的连接点P处的电压(监视电压Vm)，并且基于电压在预定周期中的变化来检测辅助切换元件S1和主切换元件S2的故障。因此，辅助切换元件S1和主切换元件S2在工作期间出现的各种故障模式，诸如接通故障和断开故障，可以仅通过监视此点的电压来检测。
不需要在辅助切换元件S1和主切换元件S2中的每一个中设置电压检测电压，这简化了电路构造。具体地，在检测上侧辅助切换元件S1处的两端电压时，需要电压检测电路的装置，这是因为辅助切换元件S1未连接到地G。然而，在第一实施方式中，即使未检测辅助切换元件S1处的两端电压，也可以检测辅助切换元件S1的故障。
图15例示了根据第二实施方式的电压转换装置200。第一实施方式的电压转换装置100(图1)是DC-DC转换器。另一方面，根据第二实施方式的电压转换装置200是DC-AC转换器。连接点P之后的阶段未例示在图15中。在连接点P之后的阶段，电压检测电路20、降噪电容器Cf、CPU 30和选通驱动器40以与图1相同的电路构造而设置。
在图15中，电压转换装置200包括DC电源1、中继器10、第一转换电路11、第二转换电路22和第三转换电路23。因为DC电源1、中继器10和第一转换电路11与图1的相同，所以省略描述。
第二转换电路22对用第一转换电路11升压的AC电源进行整流，并且将AC电压转换成DC电压。第二转换电路22包括整流二极管D3和D4、平滑电容器C3至C5、以及变压器Tr的次级绕组W2。
通过切换DC电压，第三转换电路23将用第二转换电路22获得的DC电压转换成AC电压。第三转换电路23包括切换元件S3至S6、电感器L1和L2和电容器C6。切换元件S3至S6与辅助切换元件S1和主切换元件S2类似地用FET构造。
例如，非专利文献1公开了一种包括三个转换电路11、22和23的电压转换装置(DC-AC转换器)。
在上述电压转换装置200中，辅助切换元件S1和主切换元件S2在工作期间出现的各种故障模式，可以基于连接点P处的电压(监视电压)的变化来检测。中继器10在初始状态被接通，并且监视连接点P处的电压变化，这允许执行初始诊断。因为这些技术类似于第一实施方式的电压转换装置100的那些技术，所以省略重复描述。
除了上述实施方式之外，可以在本公开中做出各种实施方式。
在电压转换装置100的第二转换电路12中，中间抽头(center tap)设置在变压器Tr的次级绕组W2中，而不是图1中的构造，并且二次侧电路可以如专利文献2-10中所公开的来构造。对于电压转换装置200的转换电路22也是如此。
在所例示的实施方式中，二极管D3和D4用作第二转换电路12和22的整流元件。另选地，可以使用FET，而不是二极管。
在所例示的实施方式中，FET用作辅助切换元件S1和主切换元件S2。另选地，可以使用晶体管或IGBT，而不是FET。对于电压转换装置200的切换元件S3至S6也是如此。
在所例示的实施方式中，中继器10作为DC电源1与第一转换电路11之间所设置的开关的示例而引用。另选地，可以使用开关、FET或晶体管，而不是中继器10。
在所例示的实施方式中，当检测到辅助切换元件S1和主切换元件S2的故障时，CPU30向选通驱动器40发出停止选通信号的指令，并且断开中继器10。另选地，当检测辅助切换元件S1和主切换元件S2的故障时，CPU 30可以向选通驱动器40发出停止选通信号的指令，并且断开中继器10。
在所例示的实施方式中，使用PWM信号来驱动辅助切换元件S1和主切换元件S2。另选地，辅助切换元件S1和主切换元件S2可以使用除了PWM信号之外的信号来驱动。
在所例示的实施方式中，安装在车辆上的电压转换装置以示例的方式来引用。然而，本公开的一个或更多个实施方式还可应用于除了车辆之外的用于任意目的的电压转换装置。
虽然参照有限数量的实施方式描述了本发明，但受益于本公开的本领域技术人员将理解可以想出不偏离这里公开的本发明的范围的其他实施方式。因此，本发明的范围应当仅由所附权利要求限制。

Claims (9)

1.一种电压转换装置，该电压转换装置包括：
第一转换电路，其被配置为切换DC电源处的DC电压，以将所述DC电压转换成AC电压；
第二转换电路，其被配置为对用所述第一转换电路转换的所述AC电压进行整流，以将所述AC电压转换成DC电压，
所述第一转换电路和所述第二转换电路利用变压器彼此绝缘，
所述第一转换电路包括主切换元件、辅助切换元件、输入电感器、所述变压器的初级绕组、第一电容器、以及第二电容器，
所述输入电感器和所述主切换元件串联连接到所述DC电源，
所述第二电容器和所述初级绕组的串联电路并联连接到所述主切换元件，
所述辅助切换元件和所述第一电容器的串联电路并联连接到所述初级绕组，
所述第二转换电路包括：所述变压器的次级绕组；和整流元件，其被配置为对所述次级绕组中产生的AC电压进行整流；
电压检测电路，其被配置为检测所述辅助切换元件和所述第一电容器的连接点处的电压；以及
故障检测器，其被配置为监视所述连接点处的电压在预定时段中的变化，所述电压用所述电压检测电路来检测，并且所述故障检测器被配置为基于电压的变化来检测在工作期间在所述主切换元件和所述辅助切换元件中的一者或两者中出现的故障，
其中，所述预定时段是基于所述主切换元件和所述辅助切换元件中的每一个的驱动信号的周期的短时段和长时段，
其中，所述故障检测器检测接通故障的发生，在所述接通故障中，所述主切换元件和所述辅助切换元件中的一个在所述短时段中保持导通，并且
其中，所述故障检测器检测断开故障的发生，在所述断开故障中，所述主切换元件和所述辅助切换元件中的一者或两者在所述长时段中保持中断。
2.根据权利要求1所述的电压转换装置，
其中，假设Vin是所述DC电源处的所述DC电压，并且
其中，当所述连接点处的电压在所述短时段中减小到预定值Vx时，所述故障检测器确定所述接通故障发生在所述辅助切换元件中，其中，0＜Vx＜Vin。
3.根据权利要求1所述的电压转换装置，
其中，当所述连接点处的电压在所述长时段中连续增大时，所述故障检测器确定所述断开故障发生在所述辅助切换元件中。
4.根据权利要求1所述的电压转换装置，
其中，当所述连接点处的电压在所述短时段中减小到零或接近零的值时，所述故障检测器确定所述接通故障发生在所述主切换元件中。
5.根据权利要求1所述的电压转换装置，
其中，当所述连接点处的电压在所述长时段中以预定倾斜度α连续减小时，所述故障检测器确定所述断开故障发生在所述主切换元件中。
6.根据权利要求1所述的电压转换装置，
其中，假设Vin是所述DC电源处的所述DC电压，并且
其中，当所述连接点处的电压在所述短时段中减小到Vin时，所述故障检测器确定所述接通故障发生在所述辅助切换元件中，而所述断开故障发生在所述主切换元件中。
7.根据权利要求1所述的电压转换装置，
其中，假设Vin是所述DC电源处的所述DC电压，并且D是所述主切换元件的占空比，并且
其中，当所述连接点处的电压在所述短时段中减小到[D/(1-D)]·Vin时，所述故障检测器确定所述断开故障发生在所述辅助切换元件中，而所述接通故障发生在所述主切换元件中。
8.根据权利要求1所述的电压转换装置，
其中，当所述连接点处的电压在所述长时段中以预定倾斜度β连续减小时，所述故障检测器确定所述断开故障发生在所述主切换元件和所述辅助切换元件两者中，其中β＜＜α。
9.根据权利要求1至8中任意一项所述的电压转换装置，所述电压转换装置还包括：
第三转换电路，其被配置为切换用所述第二转换电路转换的所述DC电压，以将所述DC电压转换成AC电压。
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