CN110603723B - 功率转换装置 - Google Patents

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Abstract

在具备了进行充放电动作的中间电容器以及对该中间电容器的电压进行检测的电压传感器的功率转换装置中，包括：对流过电抗器的电流进行检测的电流传感器；以及利用基于来自该电流传感器的检测值而计算出的电流值来对电压传感器的异常进行判定的异常判定部，设为能够检测出电压传感器的增益异常、偏移异常以及固定异常。

Description

功率转换装置
技术领域
本发明涉及进行DC/DC功率转换的功率转换装置。
背景技术
现有的DC/DC功率转换装置构成为通过利用半导体开关的导通/断开动作，控制对电抗器的能量存储和释放量，从而对直流电源的电压进行升压或降压后转换成规定的电压，并输出至电动机等负载装置。并且，为了降低施加于该电抗器的电压，利用了电容器的充放电。
另外，使用由第1至第4半导体开关电路串联连接而成的半导体模块，将充放电用的电容器(中间电容器)的一端与第1半导体开关电路和第2半导体开关电路的连接点相连接，并将另一端与第3半导体开关电路和第4半导体开关电路的连接点相连接，对第1至第4半导体开关电路进行控制，从而进行充放电，并且，利用电压传感器对通过半导体开关电路的导通/断开动作来进行充放电的中间电容器中所蓄电的电压值进行检测，而不向第1至第4半导体开关电路施加过电压，对充电进行控制以使得不升压至基准升压电压值以上，并且，对放电进行控制以使得不降压至基准降压电压值以下(专利文献1)。
并且，提出了下述方案：假设陷入无法通过电压传感器的异常等而正常地检测出功率转换部的中间电容器的电压值这样的异常状态，测量从充电开始起的时间和所蓄电的电压值，在经过规定时间之后，在被蓄电的电压值没有上升至已设定好的电压值以上的情况下，在中间电容器中所蓄电的电压产生不足，从而停止功率转换的控制(专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第5457559号公报
专利文献2：日本专利特开2013-074724号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，在所述专利文献2所记载的功率转换装置中，具有从可进行中间电容器的充电的时刻起进行时间测量的计时器，在即使该测量时间经过判定时间以上、中间电容器的电压也不上升至检测开始电压值以上的情况下，判定为检测中间电容器电压的电压传感器发生异常。因此，电压传感器中，当发生增益异常、即电压传感器的检测值相对于真值具有除1以外的增益的异常的情况下，或当发生偏移异常、即如电压传感器的检测值相对于真值发生了偏移那样的异常的情况下，存在不能检测出电压传感器的异常这样的问题。其理由是，在如所述专利文献1所记载的功率转换装置中，通常，由于进行反馈控制以使得中间电容器的电压的检测值与目标值一致，因此中间电容器的电压的检测值与目标值一致。并且，即使在发生了固定异常、即电压传感器的检测值固定在检测开始电压值以上的区域的异常的情况下，也不能检测出电压传感器的异常。
本发明是为了解决上述的问题点而完成的，其目的在于得到一种功率转换装置，可检测出对中间电容器电压进行检测的电压传感器的增益异常、偏移异常及固定异常。
解决技术问题所采用的技术方案
本发明的功率转换装置包括开关电路、由所述开关电路的开关进行充放电动作的电容器、以及对所述电容器的两端的电压进行检测的电压传感器，所述功率转换装置的特征在于，设置了电流传感器和异常判定部，所述电流传感器对提供给包含所述电容器的电路的电流进行检测，所述异常判定部基于由所述电流传感器检测出的电流值和所述电容器的充放电动作来对所述电压传感器的异常进行判定。
发明效果
根据本发明的功率转换装置，能够检测出电压传感器的增益异常、偏移异常及固定异常。
附图说明
图1是用于说明本发明实施方式1的功率转换装置的电路图。
图2A是用于说明本发明实施方式1的第1动作模式的电路图。
图2B是用于说明本发明实施方式1的第2动作模式的电路图。
图2C是用于说明本发明实施方式1的第3动作模式的电路图。
图2D是用于说明本发明实施方式1的第4动作模式的电路图。
图3是用于说明本发明实施方式1的升压比N小于2倍且处于功率运行状态的情况下的电路动作的时序图。
图4是用于说明本发明实施方式1的升压比N为2倍以上且处于功率运行状态的情况下的电路动作的时序图。
图5A是用于说明本发明实施方式1的电压传感器的增益异常或偏移异常的电压波形图。
图5B是用于说明本发明实施方式1的电压传感器的增益异常或偏移异常的电压波形图。
图6A是用于说明本发明实施方式1的电压传感器的固定异常的电压波形图。
图6B是用于说明本发明实施方式1的电压传感器的固定异常的电压波形图。
图7是本发明实施方式1的电压传感器发生了异常的情况下的时序图。
图8是本发明实施方式1的电压传感器发生了异常的情况下的其它的时序图。
图9是本发明实施方式1的电压传感器发生了异常的情况下的另一个其它的时序图。
图10是本发明实施方式1的电压传感器发生了异常的情况下的另一个其它的时序图。
图11是本发明实施方式1的电压传感器发生了异常的情况下的另一个其它的时序图。
图12是本发明实施方式1的电压传感器发生了异常的情况下的另一个其它的时序图。
图13是本发明实施方式1的电压传感器发生了异常的情况下的另一个其它的时序图。
图14是本发明实施方式1的电压传感器发生了异常的情况下的另一个其它的时序图。
图15是在图1所示的功率转换装置中所使用的异常判定部的实施例1的流程图。
图16是在图1所示的功率转换装置中所使用的异常判定部的实施例2的流程图。
图17是在图1所示的功率转换装置中所使用的异常判定部的实施例3的流程图。
图18是在图1所示的功率转换装置中所使用的异常判定部的实施例4的流程图。
具体实施方式
实施方式1﹒
以下，对本发明实施方式1进行说明。
图1是用于说明本发明实施方式1的功率转换装置的电路图。
如图1所示，功率转换装置50由电抗器1、由第1半导体开关电路2a、第2半导体开关电路2b、第3半导体开关电路2c以及第4半导体开关电路2d构成的半导体模块2、低压侧电容器3、高压侧电容器4、中间电容器5、对第1半导体开关电路2a、第2半导体开关电路2b、第3半导体开关电路2c以及第4半导体开关电路2d进行控制的控制单元6、对中间电容器的两端电压V0(V0真值)进行检测的电压传感器7、以及对流过电抗器1的电流进行检测的电流传感器8构成。
控制单元6包括异常判定部6a，该异常判定部6a使用基于电流传感器8的检测值而计算出的电流值来对电压传感器7的异常进行判定。
另外，功率转换装置50的低压侧(P1-N1之间)与高压电池51相连接，高压侧(P2-N2之间)与电动机52相连接。另外，第1至第4的各半导体开关电路2a-2d例如分别由IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)、以及与该IGBT反向并联连接的二极管构成。
图1中，功率转换装置50为在低压侧与高压侧之间可进行双方向的功率转换的双向型的装置，将输入到作为低压侧的端子的P1-N1之间的输入电压(低压侧电压)V1升压至输入电压V1以上的电压，并将升压后的输出电压(高压侧电压)V2输出至作为高压侧的端子的P2-N2之间。
第1半导体开关电路2a的一端与低压侧电容器3的负极侧端子相连接。第2半导体开关电路2b的一端与第1半导体开关电路2a的另一端相连接，第2半导体开关电路2b的另一端经由电抗器1与低压侧电容器3的正极侧端子相连接。第3半导体开关电路2c的一端与第2半导体开关元件电路2b的另一端相连接。第4半导体开关电路2d的一端与第3半导体开关电路2c的另一端连接，第4半导体开关电路2d的另一端与高电压侧电容器4的正极侧端子连接。并且，中间电容器5的一端与第1半导体开关电路2a和第2半导体开关电路2b的中间连接点相连接，中间电容器5的另一端与第3半导体开关电路2c和第4半导体开关电路2d的中间连接点相连接。
另外，低压侧电容器3对输入电压V1进行滤波。电抗器1为能量存储用。半导体模块2和中间电容器5将输入电压V1升压到输出电压V2为止。另外，半导体模块2的各半导体开关电路2a-2d在该实施方式中的栅极信号为高时发生导通。高压侧电容器4对输出电压V2进行滤波。控制单元6生成各半导体开关电路2a-2d的栅极信号，使各半导体开关电路2a-2d在开关频率fsw(开关周期Tsw)进行导通、断开动作。
作为稳定状态下的功率转换装置50的动作状态，存在通过由高压电池51向电动机52提供功率从而驱动电动机52的状态(功率运行动作)、以及将电动机52在发电状态下发电得到的功率提供给高压电池51的状态(再生动作)的两个状态。
图2A、图2B、图2C、图2D是用于说明本发明实施方式1的动作模式的电路图。如图2A、图2B、图2C、图2D所示，作为稳定状态下的功率转换装置的动作模式，存在第1动作模式至第4动作模式。
第1动作模式如图2A所示，第1半导体开关电路2a和第2半导体开关电路2b为导通，第3半导体开关电路2c和第4半导体开关电路2d为断开，当功率运行时成为在电抗器1中存储能量的状态，当再生时成为释放电抗器1的能量的状态。
第2动作模式如图2B所示，第1半导体开关电路2a和第3半导体开关电路2c为导通，第2半导体开关电路2b和第4半导体开关电路2d为断开，当功率运行时成为在中间电容器5中存储能量的状态，当再生时成为释放中间电容器5的能量的状态。
第3动作模式如图2C所示，第2半导体开关电路2b和第4半导体开关电路2d为导通，第1半导体开关电路2a和第3半导体开关电路2c为断开，当功率运行时成为释放中间电容器5的能量的状态，当再生时成为在中间电容器5中存储能量的状态。
第4动作模式如图2D所示，第3半导体开关电路2c和第4半导体开关电路2d为导通，第1半导体开关电路2a和第2半导体开关电路2b为断开，当功率运行时成为释放电抗器1的能量的状态，当再生时成为在电抗器1中存储能量的状态。
通过适当调整上述的动作模式的时间比率，从而能够将在端子P1-端子N1之间输入的低压侧电压即输入电压V1升压至任意的电压，并作为输出电压V2输出至端子P2-端子N2之间。另外，功率转换装置50中，通过控制单元6进行反馈控制，以使得由电压传感器7检测出的中间电容器5的两端电压V0的检测值(V0检测值)与作为输出电压V2的二分之一的电压的两端电压V0的目标值(V0目标值)相一致。
然而，在输出电压V2相对于输入电压V1的升压比N小于2倍的情况、与在输出电压V2相对于输入电压V1的升压比N为2倍以上的情况下，该功率转换装置50在稳定状态下的动作不同。输入电压V1、输出电压V2、两端电压V0的大小关系中，前者的情况下，输出电压V2＞输入电压V1＞两端电压V0，后者的情况下，输出电压V2＞两端电压V0＞输入电压V1。
首先，对在升压比N小于2倍下处于功率运行状态时的动作进行说明。
图3是用于说明本发明实施方式1的升压比N小于2倍且处于功率运行状态的情况下的电路动作的时序图。该图3中表示了动作模式下的、第1至第4的各半导体开关电路2a-2d的栅极信号S1、S2、S3、S4、V0目标值和V0检测值、电抗器1(L)的两端电压VL、流过电抗器1的电流IL的关系。另外，IL_ave为流过电抗器1的电流IL的平均值。
如图3所示，首先将动作模式设为第2动作模式。该情况下，以低压侧电容器3(C1)→电抗器1(L)→第3半导体开关电路2c(S3)→中间电容器5(C0)→第1半导体开关电路2a(S1)→低压侧电容器3(C1)这样的路径进行通电，低压侧电容器3的直流电压的能量转移至电抗器1和中间电容器5。另外，电抗器1的两端施加有输入电压V1-两端电压V0。
IL在第2动作模式下的变化量ΔIL_mode2使用电抗器1在第2动作模式下的两端电压VL_mode2、电抗器1的电感L、第2动作模式的时间ΔT_mode2用式(1)来表示。
此处，D为第1半导体开关电路2a的导通占空比，用D＝1-输入电压V1/输出电压V2来表示。输入电压V1-两端电压V0为正值，因此ΔIL_mode2的变化方向为正。另外，式(1)的(输入电压V1-两端电压V0)/L为表示IL的变化率(倾斜)的值，定义为M_mode2。
[数学式1]
数学式1
Figure GDA0002253341240000081
接着，将动作模式设为第4动作模式。该情况下，以电抗器1(L)→第3半导体开关电路2c(S3)→第4半导体开关电路2d(S4)→高压侧电容器4(C2)→低压侧电容器3(C1)→电抗器1(L)这样的路径进行通电，在电抗器1中所存储的能量转移至高压侧电容器4。另外，电抗器1的两端施加有输入电压V1-输出电压V2(输入电压V1-2两端电压V0)。另外，IL在第4动作模式下的变化量ΔIL_mode4使用电抗器1在第4动作模式下的两端电压VL_mode4、第4动作模式的时间ΔT_mode4用式(2)来表示。此处，输入电压V1-输出电压V2为负值，因此ΔIL_mode4的变化方向为负。
另外，式(2)的|输入电压V1-2两端电压V0|/L为表示IL的变化率的值，定义为M_mode4。
[数学式2]
数学式2
Figure GDA0002253341240000091
接着，将动作模式设为第3动作模式。该情况下，以中间电容器5(C0)→第4半导体开关电路2d(S4)→高压侧电容器4(C2)→低压侧电容器3(C1)→电抗器1(L)→第2半导体开关电路2b(S2)→中间电容器5(C0)这样的路径进行通电，中间电容器5所存储的能量转移至高压侧电容器4，并在电抗器1存储能量。另外，电抗器1的两端施加有输入电压V1-输出电压V2+两端电压V0(＝输入电压V1-两端电压V0)。另外，IL在第3动作模式下的变化量ΔIL_mode3使用电抗器1在第3动作模式下的两端电压VL_mode3、第3动作模式的时间ΔT_mode3用式(3)来表示。输入电压V1-输出电压V2+两端电压V0(＝输入电压V1-两端电压V0)为正值，因此ΔIL_mode3的变化方向为正。
另外，式(3)的(输入电压V1-两端电压V0)/L为表示IL的变化率的值，定义为M_mode3。
[数学式3]
数学式3
Figure GDA0002253341240000092
接着，将动作模式设为第4动作模式。该情况下，如上所述，以电抗器1(L)→第3半导体开关电路2c(S3)→第4半导体开关电路2d(S4)→高压侧电容器4(C2)→低压侧电容器3(C1)→电抗器1(L)这样的路径进行通电，在电抗器1中所存储的能量转移至高压侧电容器4。IL的变化量和变化率与上述相同。
通过这样一系列的“第2动作模式→第4动作模式→第3动作模式→第4动作模式”的反复，边将两端电压V0保持在输出电压V2的二分之一的电压，边将输入电压V1从1倍升压至小于2倍的任意的电压并作为输出电压V2进行输出。
另外，如图3所示，流过电抗器1的电流的变化量的绝对值和流过电抗器1的电流的平均值在各动作模式下分别为相同值。另外，流过电抗器1的电流的变化率在第2动作模式和第3动作模式下为相同值。
接着，对升压比N为2倍以上且处于功率运行状态时的动作进行说明。
图4是用于说明本发明实施方式1的升压比N为2倍以上且处于功率运行状态的情况下的电路动作的时序图。该图4中表示了动作模式下的、第1至第4的各半导体开关电路2a-2d的栅极信号S1、S2、S3、S4、VO目标值和VO检测值、电抗器1(L)的两端电压VL、流过电抗器1的电流IL的关系。另外，IL_ave为流过电抗器1的电流IL的平均值。
图4所示，首先将动作模式设为第1动作模式。该情况下，以低压侧电容器3(C1)→电抗器1(L)→第2半导体开关电路2b(S2)→第1半导体开关电路2a(S1)→低压侧电容器3(C1)这样的路径进行通电，低压侧电容器3的直流电压的能量转移至电抗器1。另外，电抗器1的两端施加有输入电压V1。
另外，IL在第1动作模式下的变化量ΔIL_mode1使用电抗器1在第1动作下的两端电压VL_mode1、电抗器1的电感L、第1动作模式的时间ΔT_mode1用式(4)来表示。
输入电压V1为正值，因此ΔIL_mode1的变化方向为正。另外，式(4)的输入电压V1/L为表示IL的变化率的值，定义为M_mode1。
[数学式4]
数学式4
Figure GDA0002253341240000111
接着，将动作模式设为第2动作模式。该情况下，以电抗器1(L)→第3半导体开关电路2c(S3)→中间电容器5(C0)→第1半导体开关电路2a(S1)→低压侧电容器3(C1)→电抗器1(L)这样的路径进行通电，在电抗器1中所存储的能量转移至中间电容器5。另外，电抗器1的两端施加有输入电压V1-两端电压V0。
另外，IL在第2动作模式下的变化量ΔIL_mode2使用电抗器1在第2动作下的两端电压VL_mode2、电抗器1的电感L、第2动作模式的时间ΔT_mode2用式(5)来表示。输入电压V1-两端电压V0为负值，因此ΔIL_mode2的变化方向为负。
另外，式(5)的|输入电压V1-两端电压V0|/L为表示IL的变化率的值，定义为M_mode2。
[数学式5]
数学式5
Figure GDA0002253341240000112
接着，将动作模式设为第1动作模式。该情况下，以低压侧电容器3(C1)→电抗器1(L)→第2半导体开关电路2b(S2)→第1半导体开关电路2a(S1)→低压侧电容器3(C1)这样的路径进行通电，低压侧电容器3的直流电压的能量转移至电抗器1。IL的变化量与上述相同。
接着，将动作模式设为第3动作模式。该情况下，以中间电容器5(C0)→第4半导体开关电路2d(S4)→高压侧电容器4(C2)→低压侧电容器3(C1)→电抗器1(L)→第2半导体开关电路2b(S2)→中间电容器5(C0)这样的路径进行通电，中间电容器5所存储的能量转移至高压侧电容器4，并在电抗器1存储能量。
另外，电抗器1的两端施加有输入电压V1-输出电压V2+两端电压V0(＝输入电压V1-两端电压V0)。另外，IL在第3动作模式下的变化量ΔIL_mode3使用电抗器1在第3动作模式下的两端电压VL_mode3、第3动作模式的时间ΔT_mode3用式(6)来表示。
输入电压V1-输出电压V2+两端电压V0(＝输入电压V1-两端电压V0)为负值，因此ΔIL_mode3的变化方向为负。另外，式(6)的|输入电压V1-两端电压V0|/L为表示IL的变化率的值，定义为M_mode3。
[数学式6]
数学式6
Figure GDA0002253341240000121
通过这样一系列的“第1动作模式→第2动作模式→第1动作模式→第3动作模式”的反复，边将两端电压V0保持在输出电压V2的二分之一的电压，边将输入电压V1升压至2倍以上的任意的电压并作为输出电压V2进行输出。
另外，如图4所示，流过电抗器1的电流的变化量的绝对值和流过电抗器1的电流的平均值在各动作模式下分别为相同值。另外，流过电抗器1的电流的变化率在第2动作模式和第3动作模式下为相同值。
以上，对功率转换装置50的功率运行动作进行了说明。作为另一个动作状态的再生动作的情况，与功率运行动作不同的点仅为流过第1至第4的各半导体开关电路2a-2d的电流的方向，由于该开关元件的动作两者相同，因此在以后的说明中也省略再生动作的说明。
功率转换装置50中，通过即使在通常的功率转换装置中也被应用的反馈控制进行控制，以使得V0检测值和V0目标值相一致。由此，在电压传感器7发生异常而无法检测出该异常的情况下，由于进行反馈控制以使得错误的V0检测值和V0目标值相一致，因此V0真值偏离V0目标值。
作为所述异常的示例，举例了下述异常：V0检测值和V0真值(V0目标值)的比具有除1以外的增益的异常(以后，称为增益异常)；如V0检测值和V0真值(V0目标值)的偏差发生除0以外的偏移那样的异常(以后，称为偏移异常)；以及V0检测值固定在除V0真值(V0目标值)以外的值的异常(以后，称为固定异常)。
图5A和图5B是用于说明本发明实施方式1的电压传感器的增益异常或偏移异常的电压波形图。图5A是发生了成为V0检测值＞V0真值的该异常的情况下的电压波形图。该情况下，反馈控制的结果是，V0真值＜V0目标值。另一方面，图5B是发生了成为V0检测值＜V0真值的该异常的情况下的电压波形图。该情况下，反馈控制的结果是，V0真值＞V0目标值。
图6A和图6B是用于说明本发明实施方式1的电压传感器的固定异常的电压波形图。图6A是发生了成为V0检测值＞V0真值的固定异常的情况下的电压波形图。该情况下，V0检测值相对于V0目标值的正的差分不为零，反馈控制的结果是，V0真值＝0V。另一方面，图6B是发生了成为V0检测值＜V0真值的固定异常的情况下的电压波形图。该情况下，V0检测值相对于V0目标值的负的差分不为零，反馈控制的结果是，V0真值＝输出电压V2。另外，即使在增益异常或偏移异常的情况下，在发生如V0检测值较大地偏离V0真值那样的异常的情况下，反馈控制的结果是，V0真值成为0V或输出电压V2。
图7是本发明实施方式1的电压传感器发生了异常的情况下的时序图。此处，表示升压比N小于2倍且处于功率运行状态的情况。图7是发生了增益异常或偏移异常的结果0V＜V0真值＜输出电压V2/2的情况下的时序图。该图7中表示了动作模式下的、第1至第4的各半导体开关电路2a-2d的栅极信号S1、S2、S3、S4、VO目标值、VO检测值和V0真值、电抗器1(L)的两端电压VL、流过电抗器1的电流IL的关系。另外，IL_ave为流过电抗器1的电流IL的平均值。
此处，对电抗值1在该异常时的各动作模式下的两端电压VL和电流IL的变化量ΔIL_mode2-ΔIL_mode4的时间变化进行说明。另外，所述的图3和图4所示的时序图为电压传感器7正常情况下的时序图。
首先，第2动作模式中，电抗器1的两端施加有与电压传感器正常时(图3)相同的输入电压V1-两端电压V0，但在该异常时0V＜V0真值＜输出电压V2/2，因此输入电压V1-两端电压V0比正常时要变大。因此，ΔIL_mode2和M_mode2与正常时相比较也变大。另外，流过本动作模式下的电抗器1的电流的平均值IL_ave_mode2与正常时(IL_ave)相同。
接着，在第4动作模式下，电抗器1的两端施加有与正常时的波形相同的输入电压V1-输出电压V2，ΔIL_mode4和M_mode4也与正常时相同。然而，本动作模式(第2动作模式后的第4动作模式)下的流过电抗器1的电流的平均值IL_ave_mode4_1与正常时(IL_ave)相比较要变大。
接着，第3动作模式下，电抗器1的两端施加有与正常时相同的输入电压V1-输出电压V2+两端电压V0，但在该异常时0V＜V0真值＜输出电压V2/2，因此输入电压V1-输出电压V2+两端电压V0与正常时相比较要变小。因此，ΔIL_mode3和M_mode3与正常时相比较也变小。另外，本动作模式下的流过电抗器1的电流的平均值IL_ave_mode3与正常时(IL_ave)相同。
接着，第4动作模式下，如上所述，ΔIL_mode4和M_mode4与正常时相同。然而，本模式(第3动作模式后的第4动作模式)下的流过电抗器1的电流的平均值IL_ave_mode4_2与正常时(IL_ave)相比较要变小。
如上所述，该异常时，ΔIL_mode2和ΔIL_mode3与ΔIL_mode4、IL_ave_mode4_1和IL_ave_mode4_2与IL_ave_mode2和IL_ave_mode3(＝IL_ave)、M_mode2与M_mode3分别成为不同的值。
另一方面，图8是发生了增益异常或偏移异常的结果为输出电压V2/2＜V0真值＜输出电压V2的情况下的时序图。该情况下，与图7相比较，为第2动作模式下的VL和IL与第3动作模式下的VL和IL互换的形式，ΔIL_mode2和ΔIL_mode3、IL_ave_mode4_1和IL_ave_mode4_2的大小关系进行互换。
图9是本发明实施方式1的电压传感器发生了异常的情况下的其它的时序图。此处，表示升压比N小于2倍且处于功率运行状态的情况。图9是发生了增益异常、偏移异常或固定异常的结果为V0真值＝0V的情况下的时序图。
该情况下，电抗器1的两端施加有第2动作模式下的输入电压V1-两端电压V0(正)，在
Figure GDA0002253341240000151
Figure GDA0002253341240000152
因此，IL的周期与各半导体开关电路2a-2d的开关周期Tsw相同。另外，与图7相同，ΔIL_mode2和ΔIL_mode3与ΔIL_mode4、IL_ave_mode4_1和IL_ave_mode4_2与IL_ave_mode2和IL_ave_mode3(＝IL_ave)、M_mode2与M_mode3分别成为不同的值。
另一方面，图10是发生了增益异常、偏移异常或固定异常的结果为V0真值＝输出电压V2的情况下的时序图。该情况下，与图9相比较，为第2动作模式下的VL和IL与第3动作模式下的VL和IL进行互换的形式，ΔIL_mode2和ΔIL_mode3、IL_ave_mode4_1和IL_ave_mode4_2的大小关系进行互换。
图11是本发明实施方式1的电压传感器中发生了异常的情况下的另一个其它的时序图。此处，表示升压比N为2倍以上且处于功率运行状态的情况。图11是发生了增益异常或偏移异常的结果为0V＜V0真值＜输出电压V2/2的情况下的时序图。
此处，对电抗值1在该异常时的各动作模式下的两端电压VL和电流IL的变化量ΔIL_mode1-ΔIL_mode3的时间变化进行说明。
首先，第1动作模式下，电抗器1的两端施加有与电压传感器正常时(图4)相同的输入电压V1，ΔIL_mode1和M_mode1也与正常时相同。然而，本动作模式(第3动作模式后的第1动作模式)下的流过电抗器1的电流的平均值IL_ave_mode1_2与正常时(IL_ave)相比较要变小。
接着，第2动作模式下，电抗器1的两端施加有与正常时相同的输入电压V1-两端电压V0，但在该异常时0V＜V0真值＜输出电压V2/2，因此|输入电压V1-两端电压V0|与正常时比较要变小。因此，ΔIL_mode2和M_mode2与正常时相比较也变小。另外，本动作模式下的流过电抗器1的电流的平均值IL_ave_mode2与正常时(IL_ave)相同。
接着，第1动作模式下，电抗器1的两端施加有与正常时相同的输入电压V1，ΔIL_mode1和M_mode1也与正常时相同。然而，本动作模式(第2动作模式后的第1动作模式)下的流过电抗器1的电流的平均值IL_ave_mode1_1与正常时(IL_ave)相比较要变大。
接着，第3动作模式下，电抗器1的两端施加有与正常时相同的输入电压V1-输出电压V2+两端电压V0，但在该异常时0V＜V0真值＜输出电压V2/2，因此|输入电压V1-输出电压V2+两端电压V0|与正常时比较要变大。因此，ΔIL_mode3和M_mode3与正常时相比较也变大。另外，本动作模式下的流过电抗器1的电流的平均值IL_ave_mode3与正常时(IL_ave)相同。
如上所述，该异常时，ΔIL_mode2和ΔIL_mode3与ΔIL_mode1、IL_ave_mode1_1和IL_ave_mode1_2与IL_ave_mode2和IL_ave_mode3(＝IL_ave)、M_mode2与M_mode3分别成为不同的值。
另一方面，图12是发生了增益异常或偏移异常的结果为输出电压V2/2＜V0真值＜输出电压V2的情况下的时序图。该情况下，与图11相比较，为第2动作模式下的VL和IL与第3动作模式下的VL和IL进行互换的形式，ΔIL_mode2和ΔIL_mode3、IL_ave_mode1_1和IL_ave_mode1_2的大小关系进行互换。
图13和图14是本发明实施方式1的电压传感器发生了异常的情况下的另一个其它的时序图。此处，表示升压比N为2倍以上且处于功率运行状态的情况。图13是发生了增益异常、偏移异常或固定异常的结果为V0真值＝0V的情况下的时序图。
该情况下，电抗器1的两端在
Figure GDA0002253341240000171
Figure GDA0002253341240000172
在第3动作模式下施加有输入电压V1-输出电压V2(负)。因此，IL的周期与各半导体开关电路2a-2d的开关周期Tsw相同。另外，与图11相同，ΔIL_mode2和ΔIL_mode3与ΔIL_mode1、IL_ave_mode1_1和IL_ave_mode1_2与IL_ave_mode2和IL_ave_mode3(＝IL_ave)、M_mode2与M_mode3分别成为不同的值。
另一方面，图14是发生了增益异常、偏移异常或固定异常的结果为V0真值＝输出电压V2的情况下的时序图。该情况下，与图13相比较，为第2动作模式下的VL和IL与第3动作模式下的VL和IL进行互换的形式，ΔIL_mode2与ΔIL_mode3、IL_ave_mode1_1与IL_ave_mode1_2的大小关系进行互换。
本发明中，设置在控制单元6的异常判定部6a中，通过执行下述实施例1-4所示的处理，从而判定电压传感器7的异常。
＜异常判定部的实施例1＞
图15是在图1所示的功率转换装置中所使用的异常判定部的实施例1的流程图。如图15所示，首先，异常判定部6a中，运算各动作模式下的平均电流(S11)。接着，通过对在S11中运算出的平均电流的差分的绝对值与异常判定阈值进行比较，从而对电压传感器7是否异常进行判定(S12)。S12中异常判定条件成立的情况下，前进至S13，判定为电压传感器7发生异常。S12中异常判定条件不成立的情况下，前进至S14，判定为电压传感器7正常。另外，S11中设成利用异常判定部6a的运算得到各动作模式下的平均电流，但也可以在控制单元6中设置低通滤波器等，利用H/W对电流值进行平均化。
此处，如下述那样表示利用了各动作模式的平均电流的异常判定条件的具体例。如上所述，电压传感器7发生异常的情况下，第1动作模式下的平均电流IL_ave_mode1或第4动作模式下的平均电流IL_ave_mode4背离所有动作模式下的平均电流IL_ave。因此，将异常判定条件(S12)设为如式(7)那样。另外，通过将电压传感器7的误差考虑在内等来决定异常判定阈值Ith即可。
[数学式7]
数学式7
|IL_ave_mode1-IL_ave|＞Ith
or|IL_ave_mode4-IL_ave|＞Ith (7)
另外，电压传感器7发生异常的情况下，第1动作模式下的平均电流IL_ave_mode1或第4动作模式下的平均电流IL_ave_mode4背离第2动作模式下的平均电流IL_ave_mode2或第3动作模式下的平均电流IL_ave_mode3。因此，将异常判定条件(S12)设为如式(8)那样。
[数学式8]
数学式8
|IL_ave_mode1-IL_ave_mode2|＞Ith
or|IL_ave_mode1-IL_ave_mode3|＞Ith
or|IL_ave_mode4-IL_ave_mode2|＞Ith
or|IL_ave_mode4-IL_ave_mode3 | ＞ Ith(8)
另外，在电压传感器7发生异常的情况下，第2动作模式后的第1动作模式下的平均电流IL_ave_mode1_1背离第3动作模式后的第1动作模式下的平均电流IL_ave_mode1_2，并且，第2动作模式后的第4动作模式下的平均电流IL_ave_mode4_1背离第3动作模式后的第4动作模式中的平均电流IL_ave_mode4_2。因此，将异常判定条件(S12)设为如式(9)那样。
[数学式9]
数学式9
|IL_ave_mode1_1-IL_ave_mode1_2|＞Ith
or|IL_ave_mode4_1-IL_ave_mode4_2|＞Ith (9)
由此，通过根据第1或第4动作模式下的平均电流和所有动作模式下的平均电流之间的差分、第1或第4动作模式下的平均电流和第2或第3动作模式下的平均电流之间的差分、第2动作模式后的第1动作模式下的平均电流和第3动作模式后的第1动作模式下的平均电流之间的差分、或第2动作模式后的第4动作模式下的平均电流和第3动作模式后的第4动作模式下的平均电流之间的差分，对检测出中间电容器电压的电压传感器的异常进行判定，从而能够检测出该电压传感器的增益异常、偏移异常以及固定异常。另外，在将平均值应用于在异常判定中使用的电流值的情况下，由于增强了对由噪声造成的异常误判定的耐性，因此能够提高判定结果的可靠性。
＜异常判定部的实施例2＞
图16是在图1所示的功率转换装置中所使用的异常判定部的实施例2的流程图。如图16所示，首先，异常判定部6a中，运算各动作模式下的电流变化量(S21)。接着，通过对在S21中运算出的电流变化量的差分的绝对值和异常判定阈值进行比较，从而对电压传感器7是异常还是正常进行判定(S22)。以后的处理中，由于与所述的异常判定部的实施例1相同，因此省略说明。
此处，如下述那样表示利用了各动作模式的电流变化量的异常判定条件的具体例。如上所述，在电压传感器7发生异常的情况下，第2动作模式下的电流变化量ΔIL_mode2或第3动作模式下的电流变化量ΔIL_mode3背离第1动作模式下的电流变化量ΔIL_mode1或第4动作模式下的电流变化量ΔIL_mode4。因此，将异常判定条件(S22)设为如式(10)那样。
[数学式10]
数学式10
|ΔIL_mode2-IL_mode1|＞Ith
or|ΔIL_mode2-ΔIL_mode3|＞Ith
or|ΔIL_mode3-ΔIL_mode1|＞Ith
or|ΔIL_mode3-ΔIL_mode4|＞Ith (10)
另外，在电压传感器7发生异常的情况下，第2动作模式下的电流变化量ΔIL_mode2背离第3动作模式下的电流变化量ΔIL_mode3。因此，将异常判定条件(S22)设为如式(11)那样。
[数学式11]
数学式11
|ΔIL_mode2-ΔIL_mode3|＞Ith (11)
由此，通过根据第2或第3动作模式下的电流变化量和第1或第4动作模式下的电流变化量之间的差分、以及第2动作模式下的电流变化量和第3动作模式下的电流变化量之间的差分，对检测出中间电容器电压的电压传感器的异常进行判定，从而能够检测出该电压传感器的增益异常、偏移异常以及固定异常。另外，在将电流变化量应用于在异常判定中使用的电流值的情况下，异常时的各动作模式之间的电流变化量的差异较大，因此能够提高异常检测性。
＜异常判定部的实施例3＞
图17是在图1所示的功率转换装置中所使用的异常判定部的实施例3的流程图。如图17所示，首先，异常判定部6a中，运算各动作模式下的电流变化率(S31)。接着，通过对在S31中运算出的电流变化率的差分的绝对值和异常判定阈值进行比较，从而对电压传感器7是异常还是正常进行判定(S32)。以后的处理中，由于与异常判定部的实施例1相同，因此省略说明。
此处，如下述那样表示利用了各动作模式的电流变化率的异常判定条件的具体例。如上所述，在电压传感器7发生异常的情况下，第2动作模式下的电流变化率M_mode2背离第3动作模式下的电流变化率M_mode3。因此，将异常判定条件(S32)设为如式(12)那样。
[数学式12]
数学式12
|M_mode2-M_mode3|＞Mth (12)
由此，通过根据第2动作模式下的电流变化率和第3动作模式下的电流变化率的差分，对检测出中间电容器电压的电压传感器的异常进行判定，从而能够检测出该电压传感器的增益异常、偏移异常以及固定异常。另外，在将电流变化率应用于在异常判定中使用的电流值的情况下，与应用电流变化量的情况相比较，异常时的各动作模式之间的电流变化率的差异较大，因此能够进一步提高异常检测性。
＜异常判定部的实施例4＞
图18是在图1所示的功率转换装置中所使用的异常判定部的实施例4的流程图。如图18所示，首先，异常判定部6a中，获取各动作模式下的在规定定时的瞬间电流(S41)。接着，通过对在S41中获取到的瞬间电流的差分的绝对值与异常判定阈值进行比较，从而对电压传感器7是异常还是正常进行判定(S42)。以后的处理中，由于与异常判定部的实施例1相同，因此省略说明。
此处，如下述那样表示利用了各动作模式的瞬间电流的异常判定条件的具体例。如上所述，在电压传感器7发生异常的情况下，在第2动作模式后的第1动作模式的中间定时的瞬间电流IL_mode1_1背离在第3动作模式后的第1动作模式的中间定时的瞬间电流IL_mode1_2，并且，在第2动作模式后的第4动作模式的中间定时的瞬间电流IL_mode4_1背离在第3动作模式后的第4动作模式的中间定时的瞬间电流IL_mode4_2。因此，将异常判定条件(S42)设为如式(13)那样。
[数学式13]
数学式13
|IL_mode1_1-IL_mode1_2|＞Ith
or|IL_mode4_1-IL_mode4_2|＞Ith (13)
由此，根据在第2动作模式后的第1动作模式的中间定时的瞬间电流和在第3动作模式后的第1动作模式的中间定时的瞬间电流之间的差分、或在第2动作模式后的第4动作模式的中间定时的瞬间电流和在第3动作模式后的第4动作模式的中间定时的瞬间电流之间的差分，对检测出中间电容器电压的电压传感器的异常进行判定，从而能够检测出该电压传感器的增益异常、偏移异常以及固定异常。另外，在将瞬间电流值应用于在异常判定中使用的电流值的情况下，能够减轻处理负荷。
此处，将获取瞬间电流的定时设为了各动作模式下的中间(50％)定时，但也可以设为0-100％的任意定时。这种情况下，由于发生所述差分，因此能够检测电压传感器的故障。
另外，在所述实施方式中，控制单元6内设置异常计数器，在异常判定条件成立的情况下，对异常计数器进行向上计数，当异常计数器的计数值超过了阈值的情况下，也可以判定为电压传感器7发生异常。由此，能够排除瞬间性的异常判定，进行可靠的异常判定。
并且，所述实施方式中，作为利用IGBT和二极管来构成第1至第4的各半导体开关电路2a-2d的示例进行了说明，但也可以设为MOSFET、JFET等以代替IGBT。使用MOSFET的情况下，可以利用MOSFET的体二极管来代替二极管。另外，第1至第4的各半导体开关电路2a-2d可以由带隙比硅要大的宽带隙半导体、例如碳化硅(SiC)、氮化镓类材料或金刚石来形成。
以上对本发明的实施方式进行了描述，但本发明并不限局于实施方式以及所述各实施例1至4，也可以进行各种设计变更，可以在其发明范围内对各实施方式自由进行组合，此外，可以对各实施方式适当进行变形、省略。

Claims (12)

1.一种功率转换装置，包括：
开关电路；
电容器，该电容器通过所述开关电路的开关进行充放电动作；以及
电压传感器，该电压传感器对所述电容器两端的电压进行检测，
所述功率转换装置的特征在于，
设置有电流传感器和异常判定部，所述电流传感器对提供给包含所述电容器的电路的电流进行检测，所述异常判定部基于由所述电流传感器检测出的电流值和所述电容器的充放电动作来对所述电压传感器的异常进行判定。
2.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，包括：
低压侧电容器，该低压侧电容器对低压侧电压进行保持；
高压侧电容器，该高压侧电容器的负极与所述低压侧电容器的负极相连接，对高压侧电压进行保持；
第1半导体开关电路，该第1半导体开关电路的一端与所述低压侧电容器的负极相连接；
第2半导体开关电路，该第2半导体开关电路的一端与所述第1半导体开关电路的另一端相连接，该第2半导体开关电路的另一端经由电抗器与所述低压侧电容器的正极相连接；
第3半导体开关电路，该第3半导体开关电路的一端与所述第2半导体开关电路的另一端相连接；
第4半导体开关电路，该第4半导体开关电路的一端与所述第3半导体开关电路的另一端相连接，该第4半导体开关电路的另一端与所述高压侧电容器的正极相连接；
中间电容器，该中间电容器的一端与所述第1半导体开关电路和所述第2半导体开关电路的连接点相连接，所述中间电容器的另一端与所述第3半导体开关电路和所述第4半导体开关电路的连接点相连接；
电压传感器，该电压传感器对所述中间电容器的电压进行检测；以及
控制单元，该控制单元对所述第1半导体开关电路、所述第2半导体开关电路、所述第3半导体开关电路以及所述第4半导体开关电路进行控制，以对下述4个动作模式的时间比率进行控制，从而将所述中间电容器的电压控制成规定值，所述4个动作模式包括：
第1动作模式，该第1动作模式使电流流过所述低压侧电容器、所述电抗器、所述第2半导体开关电路以及所述第1半导体开关电路；
第2动作模式，该第2动作模式使电流流过所述低压侧电容器、所述电抗器、所述第3半导体开关电路、所述中间电容器以及所述第1半导体开关电路；
第3动作模式，该第3动作模式使电流流过所述低压侧电容器、所述电抗器、所述第2半导体开关电路、所述中间电容器以及所述第4半导体开关电路；以及
第4动作模式，该第4动作模式使电流流过所述低压侧电容器、所述电抗器、所述第3半导体开关电路以及所述第4半导体开关电路，
所述功率转换装置包括电流传感器和异常判定部，所述电流传感器对流过所述电抗器的电流进行检测，所述异常判定部使用基于所述电流传感器的检测值而计算出的电流值来对所述电压传感器的异常进行判定。
3.如权利要求2所述的功率转换装置，其特征在于，
所述电流值为所述第1动作模式或所述第4动作模式下的电流的平均值。
4.如权利要求3所述的功率转换装置，其特征在于，
在所述第1动作模式或所述第4动作模式下的电流的平均值背离所有动作模式下的电流的平均值的情况下，所述异常判定部判定为所述电压传感器发生异常。
5.如权利要求3所述的功率转换装置，其特征在于，
在所述第1动作模式或所述第4动作模式下的电流的平均值背离所述第2动作模式或所述第3动作模式下的电流的平均值的情况下，所述异常判定部判定为所述电压传感器发生异常。
6.如权利要求3所述的功率转换装置，其特征在于，
所述电流值为所述第1动作模式或所述第4动作模式下的电流的平均值，在所述第2动作模式之后的、所述第2动作模式下的电流的平均值背离所述第3动作模式之后的、所述第3动作模式下的电流的平均值的情况下，判定为所述电压传感器发生异常。
7.如权利要求2所述的功率转换装置，其特征在于，
所述电流值为所述第2动作模式或所述第3动作模式下的电流变化量。
8.如权利要求7所述的功率转换装置，其特征在于，
在所述第2动作模式或所述第3动作模式下的电流变化量背离所述第1动作模式或所述第4动作模式下的电流变化量的情况下，判定为所述电压传感器发生异常。
9.如权利要求7所述的功率转换装置，其特征在于，
在所述第2动作模式下的电流变化量背离所述第3动作模式下的电流变化量的情况下，判定为所述电压传感器发生异常。
10.如权利要求2所述的功率转换装置，其特征在于，
在所述第2动作模式下的电流变化率背离所述第3动作模式下的电流变化率的情况下，判定为所述电压传感器发生异常。
11.如权利要求2所述的功率转换装置，其特征在于，
所述电流值为在所述第1动作模式或所述第4动作模式的规定定时的瞬间电流值，在所述第2动作模式之后的、所述第2动作模式下的瞬间电流值背离所述第3动作模式之后的、所述第3动作模式下的瞬间电流值的情况下，判定为所述电压传感器发生异常。
12.如权利要求11所述的功率转换装置，其特征在于，
所述规定定时为所述第1动作模式或所述第4动作模式下的中间定时。
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