JP2009177883A - 電力変換装置の信号伝達装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】経時劣化の影響が緩和されたスイッチング素子およびフォトカプラ45の異常を検出できる光学的伝達素を提供する。
【解決手段】スイッチング素子の異常を検出する異常検出回路と、複数の発光素子43と、複数の受光素子44と、スイッチング素子の異常を判定する異常判定回路とを有する電力変換装置において、異常検出回路は、スイッチング素子の状態に応じて、電流を流すオン期間と発光素子43に電流を流さないオフ期間が交互に切り替わる第一状態信号と、発光素子43に電流を流さないオフ期間のみからなる第二状態信号を発光素子43に出力し、第一状態信号は、オフ期間の和がオフ期間及びオン期間の和よりも小さく設定され、異常判定回路は、前記受光素子44からの信号波形と判定条件とを比較することでスイッチング素子の異常を判定する。
【選択図】図3
【解決手段】スイッチング素子の異常を検出する異常検出回路と、複数の発光素子43と、複数の受光素子44と、スイッチング素子の異常を判定する異常判定回路とを有する電力変換装置において、異常検出回路は、スイッチング素子の状態に応じて、電流を流すオン期間と発光素子43に電流を流さないオフ期間が交互に切り替わる第一状態信号と、発光素子43に電流を流さないオフ期間のみからなる第二状態信号を発光素子43に出力し、第一状態信号は、オフ期間の和がオフ期間及びオン期間の和よりも小さく設定され、異常判定回路は、前記受光素子44からの信号波形と判定条件とを比較することでスイッチング素子の異常を判定する。
【選択図】図3
Description
本発明は、電力変換装置の高電圧回路と低電圧回路の間を絶縁する信号伝達装置に関するものである。
インバータ回路内のスイッチング素子に短絡、過電流、電圧異常、過熱といった異常が生じたときは、ドライブ基板内の電流・電圧・温度等の各種センサがスイッチング素子の上記異常を検出し制御回路側に出力する。異常検出信号を受け取った制御回路は、スイッチング素子を停止・保護する(例えば、下記特許文献1参照)。
このスイッチング素子とドライブ基板は高電圧である一方、制御回路は低電圧で駆動するため、これらはフォトカプラ等の光学的伝達素子を用いて絶縁される。
特開2007−174781号公報
しかしながら、フォトカプラに代表される光学的伝達素子は、使用し続けると、内蔵されている発光素子の輝度が低下し、信号の伝達ができなくなる経時劣化の問題がある。この結果、フォトカプラの寿命がボトルネックとなり、フォトカプラの寿命がインバータの寿命を左右してしまう。
このフォトカプラはその通電時間を短くすることで、寿命を確保できる。しかし、オン状態をオンとオフが繰り返されるように変更すると、その状態を検出するために直列に繋いだフォトカプラ間のオンとオフの同期を取ることが必要となり、制御が複雑になってしまう。
そこで、本発明の目的は、フォトカプラの寿命を延ばしつつも、フォトカプラの同期を不要である環境下において、スイッチング素子およびフォトカプラの異常を検出できる光学的伝達素子を提供することにある。
請求項1に記載の発明では、複数のスイッチング素子のオンオフにより電力変換を行う電力変換装置に設けられ、スイッチング素子の状態を光学的に信号伝達する電力変換装置の信号伝達装置であって、スイッチング素子の異常を検出する異常検出回路と、異常検出回路からの電気信号を光信号に変換し発光する複数の発光素子と、発光素子からの光信号を受光して電気信号に変換して出力する複数の受光素子と、複数の受光素子を直列接続した一端からの出力信号によりスイッチング素子の異常を判定する異常判定回路とを有し、異常検出回路は、スイッチング素子の状態に応じて、電流を流すオン期間と発光素子に電流を流さないオフ期間が交互に切り替わる第一状態信号と、発光素子に電流を流さないオフ期間のみからなる第二状態信号を発光素子に出力するものであって、第一状態信号は、直列接続された受光素子に対応する発光素子のオフ期間の和が、各発光素子におけるオフ期間及びオン期間の和よりも小さく設定され、異常判定回路は、受光素子からの信号波形とあらかじめ設定された判定条件とを比較することでスイッチング素子と発光素子と受光素子のいずれかが異常であると判定することを特徴とする電力変換装置の信号伝達装置。
請求項2記載の発明では、直列接続された受光素子に対応する発光素子のオフ期間はすべて等しいことを特徴とする。
請求項3記載の発明では、異常判定回路は、受光素子からの出力信号の電圧値が所定範囲内に存在する時間に基づいて異常を判定することを特徴とする。
請求項4記載の発明では、受光素子からの出力信号の電圧値が所定範囲内に存在する時間を、異常判定回路内に設けた発振器からの信号波形の立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジの少なくても一方をカウントすることを特徴とする。
請求項5記載の発明では、異常判定回路は、受光素子からの出力信号の立ち上がりを遅くする遅延回路と、遅延回路からの出力信号の電圧値と所定の基準値とを比較する比較回路とを有することを特徴とする。
請求項1の発明によれば、各フォトカプラ間において信号伝達の同期が取れていない環境下であっても、受光素子がある二次側において、オン期間とオフ期間を繰り返す第一状態のみからなる論理積であるか、オフ期間のみからなる第二状態が含まれる論理積であるかを区別することができる。
フォトカプラへの通電時間を減らすことができ、フォトカプラの寿命を延ばすことができる。
請求項2記載の発明によれば、各フォトカプラのオフ期間を等しくしていることから、簡易な構成で電力損失を低減でき、かつ、フォトカプラの寿命を延ばすことができる。
請求項3及び請求項4記載の発明によれば、オン期間とオフ期間を切り替える第一状態とオフ期間のみかななる第二状態を容易かつ適切に区別することができる。
請求項5記載の発明によれば、第一状態のHVを比較回路の基準値未満とすることができ、簡易かつ低コストな構成で第一状態及び第二状態を検出することができる。
図1に本発明の一実施形態におけるインバータの全体構成のブロック図を示す。
実施例における電力変換装置1はモータ・ジェネレーター36の駆動を制御する三相インバータであり、U相、V相、W相の各相に対応したスイッチング素子Q11、Q21、Q12、Q22、Q13、Q23がU相、V相、W相と各相毎に上下一組として構成されており、各組が並列に接続されている。本実施例では、スイッチング素子Q11〜Q23は絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor)を使用しているが、バイポーラトランジスタ、MOSFET等を用いても良い。そして、U相、V相、W相という各相の上下スイッチング素子の間には、接続点が設けられており、接続点とモータ・ジェネレーター36の対応する相の巻き線とが接続されている。スイッチング素子Q11〜Q23にはそれぞれその素子を駆動する駆動回路(図示せず)が接続されており、駆動回路から印加されるゲート信号(電圧信号)によって、スイッチング素子Q11〜Q23がオンオフされる。駆動回路は光学的伝達素子を介して、制御部30と異常信号などの信号のやり取りを行う。ここで、スイッチング素子Q11〜Q23と駆動回路を含むアーム部は高電圧回路であるのに対し、制御部30は低電圧回路である。光学的伝達素子は電圧差が大きい両者を絶縁するために用いられ、本実施例では光学的伝達素子として、フォトカプラを用いる。
また、14はバッテリであり、コンデンサ15、リアクトル16、スイッチング素子17、18が昇圧コンバータを形成し、バッテリ電圧の昇圧と降圧を行う。昇圧コンバータからの出力は平滑コンデンサ19によって、平滑される。
図2にフォトカプラを用いた信号伝達装置2の構成図を示す。信号伝達装置2はスイッチング素子Q11〜Q23の異常検出結果に関する信号をフォトカプラ45を介して、制御部がある低圧側の異常判定回路側に送り、異常判定回路において、スイッチング素子Q11〜Q23とフォトカプラ45において異常があるか否かを判定する装置である。ここで、異常判定回路において、フォトカプラ45の異常も検出できるのは、スイッチング素子Q11〜Q23の正常時にはフォトカプラをオンにし、スイッチング素子Q11〜Q23の異常時には、フォトカプラ45の導通をオフにする逆論理の信号を送るからである。
フォトカプラ45は光電変換を用いて電気信号を伝達する光学的伝達素子の一つであり、入力された電気信号を発光素子43により光信号に光電変換し、その光を受光素子44において、再び電気信号に変換し、受光素子44を導通させることで、信号の伝達を実現する。光信号を用いているため、1次側と2次側は絶縁することができる。本実施例では、発光素子43として発光ダイオード、受光素子44にはフォトトランジスタ44を用いる。
各相の上下アームでは、LVIC41と各種センサ42を有する異常検出回路46が設けられている。電流センサ、温度センサ等の各種センス42は、スイッチング素子Q11〜Q23の温度、電流、電圧等を検出し、その検出結果と所定の基準値と比較して、スイッチング素子Q11〜Q23に異常があるか否かを判断する。比較の結果、スイッチング素子Q11〜Q23に異常が生じていると判断した場合には、LVICがFAIL信号をフォトカプラ45の1次側に送信し、制御部30に異常信号を出力する。
フォトカプラ45の二次側では、図2に示すように各アームの受光素子(フォトトランジスタ)44が直列に接続され、一端のコレクタ側が電源に接続される一方で、他端のエミッタ側は接地されている。ここで、フォトトランジスタ44を並列ではなく直列に接続する利点として、論理回路を必要とせず、簡易かつ低コストで異常検出回路を構成できることがあげられる。
スイッチング素子が正常の場合(第一状態)には、フォトカプラ45の発光素子43側(1次側)にオン期間とオフ期間からなる電気信号を入力し続ける。オンの信号が入力されている時には発光素子43により光電変換された光がフォトカプラ45の受光素子44側(2次側)に伝達され、二次側が受光することによって、二次側のフォトトランジスタ44が導通される。このように、フォトカプラ45は、光を媒体とすることによって、入力側と出力側との絶縁を実現することができる。スイッチング素子Q11〜Q23とフォトカプラ45が正常の場合には、制御部30は、駆動信号を駆動回路に出力することで、モータ・ジェネレーター36の制御を行う。
一方、スイッチング素子に異常が発生した場合(第二状態)には、その異常を検出したLVIC41は異常が発生した相のフォトカプラ45にFAIL信号を伝達し、フォトカプラ45に流される電流が遮断される。この結果、FAIL信号が伝達されたフォトカプラ45の二次側では、フォトトランジスタ44が導通せず、A点の電圧値がHigh(HV)となることで、制御部30にスイッチング素子Q11〜Q23の異常が伝達される。また、スイッチング素子Q11〜Q23が正常でも、フォトカプラ45に導通不良等の異常が生じた場合には、同じようにA点の電圧値がHVになるため、制御部30に異常が伝達される。
異常信号を受け取った制御部30は、スイッチング素子Q11〜Q23の動作を停止させるために、ゲート遮断を指示する駆動信号を駆動回路へ出力して、素子を保護する。
図3に全てのスイッチング素子Q11〜Q23およびフォトカプラ45が正常であるときの出力信号の様子を示す。
すべてのスイッチング素子Q11〜Q23が正常に動作している場合には、オン、オフが繰り返される周期Tの間では、図の期間Ton1〜Ton6のようにすべてのアームにおいて、常にオン期間である時刻が最低一回は現れる。期間Ton1〜Ton6では、フォトトランジスタ44がすべて導通し、A点の電圧値がLow(LV)となり、制御部30側でスイッチング素子Q11〜Q23はすべて正常と判断される。ここで、U相上下、V相上下、W相上下の各アームのオフ期間をtoof1〜toff6とすると、T>toof1+toff2+toff3+toff4+toff5+toff6が成立する。U相上下、V相上下、W相上下の各アームのオン期間をton1〜ton6とすると、TはT=toni+toffi(i=1,2,3,4,5,6)で表される。
図4に、U相上段のスイッチング素子に異常が生じた場合の出力信号の様子を示す。
この場合、U相上段のフォトカプラ45にFAIL信号が伝達され、フォトカプラ45の1次側と2次側の信号伝達が遮断される。この結果、U相上段のフォトカプラ45の二次側では、フォトトランジスタ44が導通せず、A点の電圧値が常にHVとなり、制御回路側にスイッチング素子又はフォトカプラ45に異常が生じたことが伝達される。異常時にフォトカプラをオフにするという逆論理にしている結果、スイッチング素子Q11〜Q23だけでなく、フォトカプラ45に導通不良が生じた場合も異常が制御部30に伝達される。
図5にマイコン51による異常判定処理の説明図を示す。図2のA点からの信号はマイコン51に入力され、入力信号に基づくカウンタ数と所定の閾値の大小関係を比較することで、異常か否かが判断される。
図5に示す実施例では、フォトカプラ45からの出力信号がHVである場合に、マイコンカウンタの立ち上がり数をカウントする。マイコンカウンタは、マイコンカウンタの立ち上がり若しくは立ち下がりのいずれか少なくても一方が起きた際に、カウンタ数cntの値を増加してゆく。この結果、カウント数cntが所定の閾値th_nより大きければ、スイッチング素子Q11〜Q23又はフォトカプラ45の少なくても一方に異常があり、閾値より小さければ、スイッチング素子Q11〜Q23とフォトカプラ45が正常であると判定できる。
ここで、各アーム間のフォトカプラ45は同期が取れておらず、各アームにおいてオン期間とオフ期間が現れる時期にはばらつきが生じるため、オフ期間が互いに全く重なり合わないケースやオフ期間がすべて重なりあうようなケースのどちらにおいても、正常状態と判定できるようにする必要がある。そのため、所定の閾値th_nは正常時において最もカウント数が多い状況でも、正しく正常と検出できる値にする必要がある。最もカウント数が多い状況は、すべてのオフ期間が重なる場合である。よって、オン期間とオフ期間が繰り返される周期をT、期間Tの間のオフ期間の長さの最大値をToff、異常時のカウント数をCfailとすると、正常時のカウント数の最大値Cnorは、Cnor=Toff/T×Cfailで表される。したがって、所定の閾値th_nは、Toff/T×Cfail<th_n≦Cfailを満たすようにすればよい。
図6に本実施形態にかかる信号伝達装置2におけるスイッチング素子Q11〜Q23およびフォトカプラ45の異常判定処理の手順を示す。この例では立ち上がりの数をカウントするが、立ち下がりをカウントしてもよく、又両方をカウントしても良い。この処理は所定の周期で繰り返し実行される。
最初に、ステップS10において、異常判定処理が開始されると、ステップS11及びステップS12において、カウンタの立ち上がりのカウント数を格納する変数cntがゼロに初期化され、タイマが初期化される。その後、ステップS13において、タイマによる時間計測が開始される。ステップS14において、フォトカプラ45からの入力信号がHVかLVか否か判断する。ステップ14において、入力信号がHVであると判断されると、ステップ15に移行し、カウンタの立ち上がり時に変数cntがインクリメントされ、ステップ16に移行する。一方、入力信号がLVであると判断されると、ステップ15の処理は行われず、ステップ16に移行する。ステップS16において、タイマが所定の時間に達してるか否かが判断され、もし所定の時間が経過してなければ、処理がステップS14に移行し、所定の時間になるまで、ステップS14〜16の処理が繰り返される。タイマが所定の時間に達した後、ステップS16において、インクリメントされた変数cntと所定の閾値th_nとの大小関係が判断される。cntが閾値th_nより小さい場合、ステップS18に移行し、スイッチング素子Q11〜23には異常が発生していないとみなし、処理はステップS11に戻り、再び上記のS11〜S17の処理を繰り返す。一方、cntが閾値th_nを超える場合、ステップS19に移行し、スイッチング素子Q11〜Q23又はフォトカプラ45に異常があると判定され、ステップ20において、これに対処するための処理を実行する。処理の例として、制御回路は非常停止信号を送信し、各スイッチング素子Q11〜Q23を強制的にオフにすることがあげられる。この結果、インバータを介した主電源からモータ・ジェネレーター36への電力供給が絶たれることとなる。そして、ステップS21において異常判定処理は終了する。
また、上記実施例では、立ち上がりをカウントアップしていったが、所定の値からカウントダウンしていってもよい。また、マイコン51のカウンタの立ち上がりだけでなく、立ち下がりのときにカウントしてもよい。更には、本実施例では、フォトカプラ45からマイコン51への入力信号がHVのときにカウントしているが、入力信号がLVのときにカウントアップしても良い。閾値との比較もこれら条件に合わせて、大小関係を変えることができ、図6のフローチャートの例に限定されるものではない。
また、上記実施例では、マイコンカウンタの立ち上がり若しくは立ち下がりの少なくても一方が起きる回数をカウントしていったが、マイコンカウンタではなく、フォトカプラ45二次側の出力信号の立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジの少なくても一方をカウントしてゆく方法でも良い。この場合、異常状態のカウント数が正常状態よりも大きくなり、カウント数が閾値を超えたときは正常、閾値を下回ったときは異常と判断される。
図7に遅延回路を用いた異常判定回路を示す。上記異常判定回路はフォトカプラ45側に遅延回路61(CR回路)を有し、CR回路を介したフォトカプラ45からの出力信号の電圧値と、所定の基準値th_vを比較する比較回路62(コンパレータ)を有する。
A点の出力信号はCR回路を介して、コンパレータのマイナス端子に入力される。一方、コンパレータのプラス端子には電源電圧と分圧抵抗によって形成される所定の基準電圧値th_vが入力される。プラス端子の電圧が基準電圧th_vよりも大きい場合は、正常と判断され、プラス端子の電圧が基準電圧よりも小さい場合は、スイッチング素子Q11〜Q23およびフォトカプラ45に異常があると判断され、制御部30から駆動回路に対してゲート遮断を指示する駆動信号が送信される。
図8に同異常判定回路において、HVとLVが繰り返される信号の立ち上がりのタイムチャート、図9にHVの信号の立ち上がりのタイムチャートを示す。図8(a)にスイッチング素子が正常である場合のフォトカプラ45からの出力信号の推移を示し、図8(b)にスイッチング素子が正常である場合の同異常判定回路への入力電圧の推移を示し、図9(a)にスイッチング素子に異常が発生した場合のフォトカプラ45からの出力信号の推移を示し、図9(b)にスイッチング素子に異常が発生した場合の同異常判定回路への入力電圧の推移を示す。
上記回路においては、所定の基準値th_vを越えるか越えないかで正常異常の判定を行う。上記回路においては、コンデンサの容量を大きくすることで、立ち上がりの時定数を大きくしている。図8(a)に示すように、スイッチング素子Q11〜Q23が正常の場合では、フォトカプラ45からの出力信号はLVとHVが繰り返されたものとなる。ここで、時刻t1において、フォトカプラ45からの出力信号がHVになったとしても、時定数が大きいために異常判定回路からの出力電圧の立ち上がりが所定の基準値th_vに達する前に、時刻t2において、フォトカプラ45からの出力信号がHVからLVに切り替わり、異常判定回路からの出力電圧は立ち下がりの状態になる。つまり、異常判定回路内にCR回路を設け、コンデンサの容量を十分大きくしたことで、HVとLVが繰り返される正常時には、基準値th_vよりも低い領域で、立ち上がりと立ち下がりの繰り返しが起こるのみで、フォトカプラ45からの出力信号が入力されたとしても基準値th_vを超えることはない。
所定の基準値th_vは正常時の電圧の立ち上がりの最大値よりも大きく、異常時の電圧以下である必要がある。
次に、図9を用いて、スイッチング素子Q11〜Q23に異常が発生した場合について説明する。図9(a)に示すように、スイッチング素子Q11〜Q23又はフォトカプラ45に異常が発生したことにより、時刻t4において、フォトカプラ45の出力信号がHVになる。CR回路を設けたことにより電圧の立ち上がりが鈍くても、スイッチング素子Q11〜Q23およびフォトカプラ45に異常が生じている状況では、出力電圧の立ち下がりがないため、時刻t5に基準値th_vを超え、最終的には一定の電圧値に収束することになる。この結果、遅延回路61(CR回路)を用いた異常判定回路では、コンパレータへの入力電圧が基準値th_vを越えるか否かでスイッチング素子およびフォトカプラ45の異常と正常を識別できるため、マイコン51も必要とせず、簡易な回路構成で正常/異常を判定できるという利点がある。
また、遅延回路61を用いた異常判定回路とマイコン51による異常判定処理を組み合わせることも可能である。この場合、遅延回路61により、HVレベルの状態が減る結果、スイッチング素子Q11〜Q23およびフォトカプラ45が正常時のカウント数が減り、異常時と正常時のカウント数の差が大きくなり、より信頼性の高い検出が可能となる。特に、各アームの異常時のオフ期間が互いに全く重ならず、正常時において、異常判定回路への出力電圧に占めるHVの割合が大きくなる場合に有効である。
1 電力変換装置
2 信号伝達装置
Q11〜Q23 スイッチング素子
43 発光素子
44 受光素子(フォトトランジスタ)
45 フォトカプラ
61 遅延回路
62 比較回路
2 信号伝達装置
Q11〜Q23 スイッチング素子
43 発光素子
44 受光素子(フォトトランジスタ)
45 フォトカプラ
61 遅延回路
62 比較回路
Claims (5)
- 複数のスイッチング素子のオンオフにより電力変換を行う電力変換装置に設けられ、前記スイッチング素子の状態を光学的に信号伝達する電力変換装置の信号伝達装置であって、前記スイッチング素子の異常を検出する異常検出回路と、前記異常検出回路からの電気信号を光信号に変換し発光する複数の発光素子と、前記発光素子からの光信号を受光して電気信号に変換して出力する複数の受光素子と、複数の前記受光素子を直列接続した一端からの出力信号により前記スイッチング素子の異常を判定する異常判定回路とを有し、前記異常検出回路は、前記スイッチング素子の状態に応じて、電流を流すオン期間と前記発光素子に電流を流さないオフ期間が交互に切り替わる第一状態信号と、前記発光素子に電流を流さないオフ期間のみからなる第二状態信号を前記発光素子に出力するものであって、前記第一状態信号は、直列接続された前記受光素子に対応する前記発光素子の前記オフ期間の和が、各発光素子における前記オフ期間及び前記オン期間の和よりも小さく設定され、前記異常判定回路は、前記受光素子からの信号波形とあらかじめ設定された判定条件とを比較することで前記スイッチング素子と前記発光素子と前記受光素子のいずれかが異常であると判定することを特徴とする電力変換装置の信号伝達装置。
- 直列接続された前記受光素子に対応する前記発光素子の前記オフ期間はすべて等しいことを特徴とする請求項1記載の電力変換装置の信号伝達装置。
- 前記異常判定回路は、前記受光素子からの出力信号の電圧値が所定範囲内に存在する時間に基づいて異常を判定することを特徴とする請求項1又は2記載の電力変換装置の信号伝達装置。
- 前記受光素子からの出力信号の電圧値が所定範囲内に存在する時間を、前記異常判定回路内に設けた発振器からの信号波形の立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジの少なくても一方をカウントすることを特徴とする請求項3に記載の電力変換装置の信号伝達装置。
- 前記異常判定回路は、前記受光素子からの出力信号の立ち上がりを遅くする遅延回路と、前記遅延回路からの出力信号の電圧値と所定の基準値とを比較する比較回路とを有することを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の電力変換装置の信号伝達装置。
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