CN109728719B - 功率转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种功率转换装置，在功率转换装置的主电路没有异常，而输出电压的指令信号存在异常的情况下，功率转换装置的直流功率转换不停止。功率转换电路(101)具备将输入至开关控制电路(108)的电压信号上限限制为上限限制电压的电压指令上限限制电路(115)，电压指令上限限制电路(115)具备齐纳二极管或分路调节器，齐纳二极管或分路调节器将电压信号上限限制为与齐纳电压或分路电压相对应的上限限制电压，上限限制电压所表示的电压指令设定为小于输出过电压保护电路(111)的保护判定电压的电压。

Description

功率转换装置
技术领域
本发明涉及具备输出过电压防止功能的功率转换装置。
背景技术
以往，在功率转换装置中，一般具有针对输出电压成为过电压状态这种情形的保护功能，例如专利文献1中对如下结构进行了说明，即：在成为输出过电压状态的情况下，通过切断开关控制来进行保护，以不受过电压状态的影响。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开平10-108457号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
专利文献1的技术中，为了在输出电压成为过电压的情况下，保护与输出端子相连接的负载不受过电压故障的影响，设置有过电压保护功能。此外，专利文献1中没有公开将输出电压设为可变的结构，但根据功率转换装置的用途不同，也可能存在使输出电压可变的结构。在将输出电压设为可变的功率转换装置中，从外部传送来表示输出电压的电压指令的信号，基于该信号来调整输出电压。
功率转换装置的输出过电压保护功能主要假设了在功率转换装置的主电路中产生了某种缺陷的情况下的保护，但在输出电压成为过电压状态的原因是输出电压的指令信号成为过电压状态下的电压的情况下，即使在功率转换装置的主电路中没有故障，输出过电压保护电路也会检测出功率转换装置的输出过电压状态，并使功率转换装置的功能停止。
此外，尤其是在车载用的设备中，对安全性的要求较高(例如ISO26262汽车用功能安全标准等)，即使搭载了输出过电压保护电路，也要求在万一输出过电压保护电路的功能产生了缺陷的情况下，考虑尽可能使得功率转换装置的输出电压不成为过电压状态来进行设计。
因此，希望提供一种功率转换装置，在功率转换装置的主电路没有异常、而输入至功率转换装置的输出电压的指令信号存在异常的情况下，不停止功率转换装置的直流功率转换，并能在输出电压的指令信号存在异常的情况下，在不依赖于输出过电压保护电路的情况下防止输出电压成为过电压状态。
解决技术问题所采用的技术方案
本发明所涉及的功率转换装置包括：
功率转换电路，该功率转换电路具备从输入端子到输出端子对直流功率进行转换的开关元件；
开关控制电路，该开关控制电路对所述开关元件进行开关控制，以使得所述输出端子的直流电压接近所输入的电压信号所表示的电压指令；
输出过电压保护电路，该输出过电压保护电路在所述输出端子的直流电压超过了预先设定的保护判定电压的情况下，将指令停止直流功率转换的输出禁止指令信号传送至所述开关控制电路；以及
电压指令上限限制电路，该电压指令上限限制电路将输入至所述开关控制电路的所述电压信号上限限制为预先设定的上限限制电压，
所述电压指令上限限制电路具备连接在将所述电压信号输入至所述开关控制电路的电线即电压指令信号线与接地之间的齐纳二极管或分路调节器，所述齐纳二极管或所述分路调节器将输入至所述开关控制电路的所述电压信号上限限制为与齐纳电压或分路电压相对应的所述上限限制电压，所述上限限制电压所表示的所述电压指令设定为小于所述保护判定电压的电压。
发明效果
根据本发明所涉及的功率转换装置，在因电源短路故障等而导致表示电压指令的电压信号变得过大的情况下，利用齐纳二极管或分路调节器将电压信号上限限制为与齐纳电压或分路电压相对应的上限限制电压，并将上限限制电压的电压信号输入至开关控制电路。由于上限限制电压的电压信号所表示的电压指令是小于输出过电压保护电路的保护判定电压的电压，因此输出电压变得小于保护判定电压。由此，功率转换装置的直流功率转换得以继续，不会因输出过电压保护电路而停止。此外，在输出过电压保护电路中万一产生了某种缺陷的情况下，即使电压信号产生了异常，由于利用电压指令上限限制电路将电压信号上限限制为上限限制电压，因此，也能在不依赖于输出过电压保护电路的情况下防止输出电压成为输出过电压状态。
附图说明
图1是本发明实施方式1所涉及的功率转换装置的简要电路结构图。
图2是本发明实施方式1所涉及的电压指令上限限制电路的电路图。
图3是本发明实施方式2所涉及的电压指令上限限制电路的电路图。
具体实施方式
实施方式1.
参照附图，对实施方式1所涉及的功率转换装置101进行说明。图1是本实施方式所涉及的功率转换装置101的简要电路结构图。功率转换装置101包括功率转换电路104、开关控制电路108、输出过电压保护电路111以及电压指令上限限制电路115。
<功率转换电路104>
功率转换电路104从输入端子102到输出端子103对直流功率进行转换。功率转换电路104具备开关元件24。本实施方式中，功率转换电路104设为将输入端子102的直流电压降压为输出端子103的直流电压并输出的降压斩波电路。
功率转换电路104包括：开关元件24，该开关元件24设置在连接输入端子102的正极和输出端子103的正极的正极电线上；滤波电抗器26，该滤波电抗器26设置在比开关元件24更靠输出端子103侧的正极电线上；回流二极管25，该回流二极管25连接在开关元件24和滤波电抗器26之间的正极电线部分与连接输入端子102的负极和输出端子103的负极的负极电线之间；输入滤波电容器23，该输入滤波电容器23连接在输入端子102的正极和负极之间；以及输出滤波电容器27，该输出滤波电容器27连接在输出端子103的正极和负极之间。
输入滤波电容器23用于吸收由开关元件24的开关动作而产生的输入电压及输入电流的脉动。输入滤波电容器23例如使用薄膜电容器。开关元件24使用MOSFET(MetalOxide Semiconductor Field Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)。开关元件24也可以使用反向并联连接有续流二极管的IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor：绝缘栅双极型晶体管)等其他种类的开关元件。
回流二极管25成为开关元件24断开时的电流路径。滤波电抗器26吸收由开关元件24的开关动作而产生的输出电压及输出电流的脉动。输出滤波电容器27用于吸收由开关元件24的开关动作而产生的输出电压及输出电流的脉动。输出滤波电容器27例如使用薄膜电容器。
<开关控制电路108>
经由电线114(以下，称为电压指令信号线114)将表示电压指令的电压信号(以下，称为电压指令电压信号)输入至开关控制电路108。电压指令电压信号从功率转换装置101的外部输入至电压指令信号线114的输入端子。电压指令电压信号例如设为处于预先设定的电压范围(例如，0～5V)的范围内的电压信号，对电压指令电压信号乘以转换增益而得到的值相当于实际的电压指令。开关控制电路108与接地120相连接。
经由电线109(以下，称为输出电压信号线109)将表示输出端子103的直流电压即输出电压的信号输入至开关控制电路108。本实施方式中，输出电压信号线109与输出端子103的正极相连接，并将输出端子103的正极的电压输入至开关控制电路108。
开关控制电路108对开关元件24进行开关控制，以使得输出端子103的直流电压即输出电压接近所输入的电压指令电压信号所表示的电压指令。开关控制电路108通过PWM(Pulse Width Modulation：脉宽调制)控制，来生成对开关元件24进行开关的栅极信号。栅极信号经由电线112输入至开关元件24的栅极端子。开关控制电路108进行如下反馈控制，即：在输出电压比电压指令要低的情况下，增加开关元件24的导通期间，在输出电压比电压指令要高的情况下，减少开关元件24的导通期间。
在经由电线116(以下，称为输出禁止信号线116)从后述的输出过电压保护电路111输入了输出禁止指令信号的情况下，开关控制电路108停止开关元件24的开关控制，以使功率转换电路104的直流功率转换停止。本实施方式中，开关控制电路108使开关元件24断开。
开关控制电路108具备进行开关元件24的开关控制的处理电路。开关控制电路108的处理电路可以由比较器、运算放大器、差动放大电路等模拟电子电路构成，也可以由IC(Integrated Circuit：集成电路)等数字电子电路构成，还可以由数字电子电路和模拟电子电路两者构成。
<输出过电压保护电路111>
在输出电压超过了预先设定的保护判定电压的情况下，输出过电压保护电路111经由输出禁止信号线116将指令停止直流功率转换的输出禁止指令信号传送至开关控制电路108。输出过电压保护电路111经由输出电压信号线109还输入有表示输出电压的信号。输出过电压保护电路111对输出电压和保护判定电压进行比较，在输出电压变得比保护判定电压要大的情况下，将输出禁止指令信号设为导通(High：高)，在输出电压变得比保护判定电压要小的情况下，将输出禁止指令信号设为断开(Low：低)。输出过电压保护电路111可以由比较器、运算放大器等模拟电路构成，也可以由IC(Integrated Circuit：集成电路)等数字电子电路构成。
<电压指令上限限制电路115>
首先，说明电压指令上限限制电路115的必要性。作为功率转换装置101的异常之一，存在输出电压成为超过规定电压的电压的状态、即成为输出过电压状态的现象。作为功率转换装置101的输出电压变成过电压状态的原因，考虑有开关控制电路108的故障、输出电压信号线109的断线、检测输出电压的部分的故障等多种原因，然而，作为原因之一，存在如下原因：与输出过电压状态相当的电压信号被提供给电压指令电压信号。
电压指令电压信号从功率转换装置101的外部传送而来，然而，例如，在电压指令信号线114产生了电源短路故障的情况下，电压指令电压信号有可能变成与输出过电压状态相当的电压信号。该情况下，功率转换装置101的输出电压成为过电压状态。此时，由于输出过电压保护电路111将输出禁止指令信号输出，且开关控制电路108使直流功率转换停止，因此输出电压下降，提供有输出电压的电负载的动作停止。因而，在功率转换装置101本身没有异常，而输入至功率转换装置101的电压指令电压信号存在异常的情况下，希望功率转换装置101的直流功率转换不停止。
此外，在输出过电压保护电路111中万一产生了某种缺陷的情况下，即使从外部传送而来的电压指令电压信号变成相当于输出过电压状态的电压信号，且输出电压变成过电压状态，输出禁止指令信号也不传送，过电压被提供给电负载。因此，在电压指令电压信号存在异常的情况下，希望能在不依赖于输出过电压保护电路111的情况下防止输出电压成为输出过电压状态。
因此，本实施方式中，功率转换装置101具备电压指令上限限制电路115。电压指令上限限制电路115将输入至开关控制电路108的电压信号即电压指令电压信号上限限制为预先设定的上限限制电压。如图2所示，电压指令上限限制电路115具备连接在将电压指令电压信号输入至开关控制电路108的电线即电压指令信号线114与接地220之间的齐纳二极管201。齐纳二极管201将电压指令电压信号上限限制为与齐纳二极管201的齐纳电压(击穿电压)相对应的上限限制电压。上限限制电压所表示的电压指令被设定为小于输出过电压保护电路111的保护判定电压的电压。
根据该结构，在因电源短路故障等而导致电压指令电压信号变得过大的情况下，利用齐纳二极管201将电压指令电压信号上限限制为与齐纳电压相对应的上限限制电压，并将上限限制电压的电压指令电压信号输入至开关控制电路108。由于上限限制电压的电压指令电压信号所表示的电压指令是小于输出过电压保护电路111的保护判定电压的电压，因此输出电压变得小于保护判定电压。由此，功率转换装置101的直流功率转换得以继续，不会因输出过电压保护电路111而停止。
此外，在输出过电压保护电路111中万一产生了某种缺陷的情况下，即使电压指令电压信号产生了异常，由于利用电压指令上限限制电路115将电压指令电压信号上限限制为上限限制电压，因此，也能在不依赖于输出过电压保护电路111的情况下防止输出电压成为输出过电压状态。
在电压指令电压信号未超过与齐纳电压相对应的上限限制电压的情况下，电压指令电压信号将被直接传送至开关控制电路108，不会对直流电压转换带来不良影响。这是通过在电压指令上限限制电路115中使用齐纳二极管201所能够实现的特性。
通过设置输出过电压保护电路111，从而无需再设计由IC等构成的开关控制电路108的硬件，能抑制开关控制电路108的成本增加。此外，输出过电压保护电路111能由廉价的齐纳二极管201来实现。由此，能抑制功率转换装置101整体的成本增加。
对本实施方式所涉及的电压指令上限限制电路115的结构进行详细说明。齐纳二极管201的阴极侧与电压指令信号线114相连接，阳极侧与接地220相连接。若与齐纳二极管201的阴极侧相连接的电压指令信号线114的电压达到齐纳二极管201的齐纳电压(击穿电压)，则电流(齐纳电流)从齐纳二极管201的阴极流向阳极，电压指令信号线114的电压被上限限制为齐纳电压。另外，也可以使用模拟齐纳二极管的功能的分路调节器来代替齐纳二极管201。分路调节器将电压指令电压信号上限限制为与分路调节器的分路电压相对应的上限限制电压。
在比齐纳二极管201和电压指令信号线114的连接点更靠电压指令信号线114的输入端子一侧的电压指令信号线114上设置有电阻202。在齐纳二极管201和电压指令信号线114的连接点的电压超过齐纳电压、且有齐纳电流流过的情况下，由于同等的电流也流过电阻202，在电阻202的两端将产生电位差，连接点的电压将下降至齐纳电压。本实施方式中，齐纳二极管201和电压指令信号线114的连接点与开关控制电路108相连接，输入至开关控制电路108的电压信号被上限限制为齐纳电压(上限限制电压)，齐纳电压所表示的电压指令被设定为小于保护判定电压的电压。例如，在与保护判定电压相对应的电压指令电压信号为3V的情况下，齐纳电压(上限限制电压)被设定为小于3V。
齐纳二极管201的齐纳电压的特性是精度较高，温度特性也较小。因此，能将齐纳电压所表示的电压指令设定为与保护判定电压相差无几的电压。由此，能将功率转换装置101的输出电压范围设定得较广。
另外，本实施方式中，功率转换电路104设为图1所示那样的降压斩波电路，但只要是从输入端子102到输出端子103对直流功率进行转换且具备开关元件的转换电路，就可以是任意种类的转换电路。例如，功率转换电路104可以设为升压斩波电路，也可以设为能进行升压和降压的升降压斩波电路，还可以设为具备变压器的绝缘型的转换电路。
此外，本实施方式中，采用电压指令电压信号从功率转换装置101的外部传送而来的结构，但也可以采用将产生电压指令电压信号的装置(例如，微机等)配置在与功率转换装置101一体化后得到的壳体内，电压指令电压信号从功率转换装置101的内部传送而来的结构。
实施方式2.
接着，对实施方式2所涉及的功率转换装置101进行说明。与上述实施方式1相同的构成部分省略说明。本实施方式所涉及的功率转换装置101的基本结构与实施方式1相同，但电压指令上限限制电路115的结构与实施方式1不同。图3中示出本实施方式所涉及的电压指令上限限制电路115的电路图。
本实施方式中，与实施方式1同样地，电压指令上限限制电路115也将输入至开关控制电路108的电压信号即电压指令电压信号上限限制为预先设定的上限限制电压。电压指令上限限制电路115具备连接在将电压指令电压信号输入至开关控制电路108的电线即电压指令信号线114与接地220之间的齐纳二极管201。齐纳二极管201将电压指令电压信号上限限制为与齐纳二极管201的齐纳电压(击穿电压)相对应的上限限制电压。上限限制电压所表示的电压指令被设定为小于输出过电压保护电路111的保护判定电压的电压。
本实施方式中，与实施方式1不同，电压指令上限限制电路115具备对电压指令信号线114和齐纳二极管201的连接点的电压进行分压的多个分压电阻(本示例中，为第1分压电阻402、第2分压电阻403)，将由多个分压电阻分压后得到的电压作为最终的电压指令电压信号输入至开关控制电路108。上限限制电压成为利用多个分压电阻对齐纳电压进行分压后得到的电压。
根据该结构，能将对电压指令电压信号进行上限限制的上限限制电压设定为与齐纳电压不同的电压。通过改变各分压电阻的电阻值并改变分压比，从而能使上限限制电压变化，而不改变齐纳二极管201的齐纳电压，由此能提高上限限制电压的设定自由度。
在电压指令信号线114和齐纳二极管201的连接点与接地220之间串联连接有第1分压电阻402及第2分压电阻403。第1分压电阻402和第2分压电阻403的连接点与开关控制电路108相连接。电压指令信号线114和齐纳二极管201的连接点的电压根据第1分压电阻402的电阻值与第2分压电阻403的电阻值的比率(分压比)来进行分压。
输入至开关控制电路108的电压信号由上限限制电压来进行上限限制，该上限限制电压为齐纳电压乘以分压比而得到的电压，上限限制电压所表示的电压指令设定为小于保护判定电压的电压。
本实施方式中，在电压指令信号线114和齐纳二极管201的连接点与第1分压电阻402之间设置有缓冲器401。缓冲器401是为了降低分压前的电压的输出阻抗而配置的。缓冲器401一般是输入电压和输出电压相等的运算放大器。
另外，本实施方式中，也可以使用模拟齐纳二极管的功能的分路调节器来代替齐纳二极管201。分路调节器将输入至开关控制电路108的电压信号上限限制为上限限制电压，该上限限制电压为分路调节器的分路电压乘以分压比而得到的电压。
另外，本发明可以在其发明范围内对各实施方式进行自由组合，或者对各实施方式适当地进行变形、省略。

Claims (2)

1.一种功率转换装置，其特征在于，包括：
功率转换电路，该功率转换电路具备从输入端子到输出端子对直流功率进行转换的开关元件；
开关控制电路，该开关控制电路对所述开关元件进行开关控制，以使得所述输出端子的直流电压接近与该直流电压无关地输入的电压信号所表示的电压指令；
输出过电压保护电路，该输出过电压保护电路在所述输出端子的直流电压超过了预先设定的保护判定电压的情况下，将指令停止直流功率转换的输出禁止指令信号传送至所述开关控制电路；以及
电压指令上限限制电路，该电压指令上限限制电路将输入至所述开关控制电路的所述电压信号上限限制为预先设定的上限限制电压，
所述电压指令上限限制电路具备连接在将所述电压信号输入至所述开关控制电路的电线即电压指令信号线与接地之间的齐纳二极管或分路调节器，所述齐纳二极管或所述分路调节器将输入至所述开关控制电路的所述电压信号上限限制为与齐纳电压或分路电压相对应的所述上限限制电压，所述上限限制电压所表示的所述电压指令设定为小于所述保护判定电压的电压。
2.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，
所述电压指令上限限制电路具备对所述电压指令信号线与所述齐纳二极管或所述分路调节器的连接点的电压进行分压的多个分压电阻，将经所述多个分压电阻分压后得到的电压作为最终的所述电压信号输入至所述开关控制电路，
所述上限限制电压是利用所述多个分压电阻对所述齐纳电压或所述分路电压进行分压后得到的电压。
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