JP2010124551A - 直流チョッパ回路及び直流チョッパ回路の異常検知方法 - Google Patents

Abstract

【課題】直流チョッパ回路の受動素子の異常を検知することにより異常に対して速やかな対応をとることを可能とするものを提供することを目的とする。
【解決手段】直流チョッパ回路が、受動素子の異常を検知して外部へ報知する異常検知手段を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流チョッパ回路及び直流チョッパ回路の異常検知方法に関する。

下記特許文献1には、コンタクタが故障による熱などによって溶着した時に、バッテリからの過電流によって放電抵抗と制御回路とが破損してしまうことを防ぐことができる電力変換装置が開示されている。この電力変換装置では、バッテリからから供給された電力を所定の電力に変換して負荷へ供給する変換部と、該変換部のバッテリ側に設けられる平滑コンデンサと、インバータ筐体が開けられるとバッテリと平滑コンデンサとを非接続にするコンタクタと、放電抵抗を有する放電制御回路と、インバータ筐体が開けられると該放電制御回路に放電指示を与えるインターロック回路とを有する電力変換装置において、前記インターロック回路が作動した時、前記平滑コンデンサの端子電圧の変化に基づいてコンタクタが正常に外れたか否か判断し、コンタクタが熱などの要因によって溶着して正常に外れない場合に、バッテリとの直接接続によって放電抵抗に流れる過電流を制限する電流制御手段を有することを特徴とする。
特開２００６−４２４５９号公報

ところで、上記従来技術は、バッテリから供給される電力を使用してモータを駆動する電力変換装置であって、コンタクタが熱などによって溶着して正常に外れない場合に、バッテリとの直接接続によって放電抵抗に流れる過電流を制限することが可能である。しかしながら、上記従来技術では、直流チョッパ回路（上記、変換部に相当）を構成するリアクトルの短絡やリアクトルのコアの特性不良等によって、当該リアクトルのインダクタンスが低下してしまうと、直流チョッパ回路は性能を十分に発揮することが出来ずに、入力電流のリップルが増大してしまう。その結果、直流チョッパ回路から電力が供給されるインバータ等のドライバ回路では、入力電力のリップルが増大している為に、各部に熱的な破損が生じてしまう。さらに、増大した入力電圧のリップルがドライバの運転可能な範囲外になってしまうと、ドライバを構成する各素子の破損が発生してしまう。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、直流チョッパ回路の受動素子の異常を検知することにより異常に対して速やかな対応をとることを可能とするものを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、直流チョッパ回路に係る第１の解決手段として、受動素子の異常を検知して外部へ報知する異常検知手段を備えるという手段を採用する。

本発明では、直流チョッパ回路に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記異常検知手段は、入力電圧あるいは入力電流のうち何れか１つあるいは両方のリップルが所定のしきい値を越えると、受動素子に異常が発生したと判断するという手段を採用する。

本発明では、直流チョッパ回路に係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、昇圧チョッパ回路、降圧チョッパ回路及び昇降圧チョッパ回路のいずれかであるという手段を採用する。

また、本発明では、直流チョッパ回路の異常検知方法に係る第１の解決手段として、入力電圧あるいは入力電流のうち何れか１つあるいは両方のリップルが所定のしきい値を越えると、受動素子に異常が発生したと判断するという手段を採用する。

本発明によれば、受動素子の異常を検知して外部へ報知することによって、受動素子の異常に対して速やかに対応することが可能である。例えば、直流チョッパ回路の電力供給先がインバータである場合、受動素子の異常が報知されると当該インバータを急停止することによって、インバータの各部の熱的な破損及び素子の破損を防ぐことが出来る。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る昇圧チョッパ回路Ａの構成を示す回路図である。まず、昇圧チョッパ回路Ａの回路構成について、図１を参照して、説明する。
昇圧チョッパ回路Ａは、バッテリＢから供給された入力電力の電圧を昇圧して負荷であるインバータＣへ供給するものであり、チョッパ入力端子１ａ，１ｂ、チョークコイル２、スイッチングトランジスタ３、ＭＯＳＦＥＴ４、平滑コンデンサ５、チョッパ出力端子６ａ，６ｂ、電圧センサ７、電流センサ８及び異常判定部９を備えている。これら各構成要素のうち、電圧センサ７、電流センサ８及び異常判定部９は異常検知手段を構成している。そして、インバータＣは、インバータ制御部の制御の下、モータ等へ駆動信号を出力する。

チョッパ入力端子１ａ，１ｂは、昇圧チョッパ回路Ａへ入力電力を入力するための一対の接続端子であり、一方のチョッパ入力端子１ａはバッテリＢの正極端に接続され、他方のチョッパ入力端子１ｂは上記バッテリＢの負極端に接続されている。

チョークコイル２は、一端が一方のチョッパ入力端子１ａに接続され、他端がスイッチングトランジスタ３のコレクタ端子に接続されている。スイッチングトランジスタ３は、コレクタ端子がチョークコイル２の他端及びＭＯＳＦＥＴ４のソース端子に接続され、エミッタ端子が他方のチョッパ入力端子１ｂに接続されている。そして、スイッチングトランジスタ３のベース端子は、図示しない制御系に接続され、制御系からの制御信号に基づいて動作する。

ＭＯＳＦＥＴ４は、ソース端子が上記チョークコイル２の他端及びスイッチングトランジスタ３のコレクタ端子に接続され、ドレイン端子が平滑コンデンサ５の一端及び一方のチョッパ出力端子６ａに接続されている。平滑コンデンサ５は、上述したように一端がＭＯＳＦＥＴ４のドレイン端子及び一方のチョッパ出力端子６ａに接続され、他端が他方のチョッパ入力端子１ｂ及び他方のチョッパ出力端子６ｂ並びにスイッチングトランジスタ３のエミッタ端子に接続されている。すなわち、平滑コンデンサ５の両端はチョッパ出力端子６ａ，６ｂに各々接続されている。チョッパ出力端子６ａ，６ｂは、昇圧チョッパ回路Ａの出力電力をインバータＣへ出力するための一対の接続端子であり、一方のチョッパ出力端子６ａはインバータＣの一端に接続され、他方のチョッパ出力端子６ｂは上記インバータＣの他端に接続されている。

電圧センサ７は、バッテリＢから昇圧チョッパ回路Ａに入力される入力電力の電圧（入力電圧）を検出するセンサであり、図１に示すように一方の端子がチョッパ入力端子１ａ及びチョークコイル２に接続し、他方の端子がチョッパ入力端子１ｂ、スイッチングトランジスタ３のエミッタ端子に接続している。この電圧センサ７は、入力電圧を示す検出信号Ｓｖを異常判定部９へ出力する。
電流センサ８は、バッテリＢから昇圧チョッパ回路Ａに入力される入力電力の電流（入力電流）を検出するセンサであり、図１に示すように一方のチョッパ入力端子１ａとチョークコイル２との間に設けられている。この電流センサ８は、入力電流を示す検出信号Ｓｉを異常判定部９に出力する。

異常判定部９は、上記検出信号Ｓｖ，検出信号ＳｖＳｉに基づいてチョークコイル２の短絡や特性不良等の異常を検知するものであり、マイクロプロセッサ、判定処理プログラムが記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）等から構成されている。この異常判定部９は、チョークコイル２の異常を検知すると、当該異常の発生を示す警報を外部に出力する。
なお、上記マイクロプロセッサ、ＲＯＭ及びＲＡＭ等は、例えばスイッチングトランジスタ３の制御系を構成するものであり、上記判定処理プログラムは、スイッチングトランジスタ３を制御するための制御プログラムの一要素（例えばサブルーチン）としてＲＯＭに記憶されている。

次に、このように構成された昇圧チョッパ回路Ａの動作について、図２及び図３を参照して詳しく説明する。
図２は、本実施形態に係る昇圧チョッパ回路Ａの異常判定部９の動作を示すフローチャートであり。図３は、入力電圧及び入力電圧を示す波形図である。そして、図３の（ａ）の点線の波形が、チョークコイル２が正常時の入力電圧を示し、実線の波形が、チョークコイル２が異常時の入力電圧を示す。また、図３の（ｂ）の点線の波形が、チョークコイル２が正常時の入力電流を示し、実線の波形が、チョークコイル２が異常時の入力電流を示す。

異常判定部９は、判定処理プログラムに基づいて以下の処理を所定のタイムインターバルで繰り返すことにより、起動中においてチョークコイル２に異常が発生したか否か定期的に判定する。
異常判定部９は、図３の（ａ）に示すように、検出信号Ｓｖが示す入力電圧の電圧リップルＲｖが所定のしきい値を越えたか否か判断する（ステップＳ１）。この入力電圧の電圧リップルＲｖは、スイッチングトランジスタ３のスイッチング動作に起因するものであり、スイッチング周波数と同等の周波数を基本周波数とする電圧変動成分である。

なお、異常判定部９では、例えば、チョークコイル２が正常時の電圧リップルの１．５倍の値を、ステップＳ１におけるしきい値とする。
異常判定部９は、ステップＳ１において『ＹＥＳ』と判定した場合には、すなわち電圧リップルＲｖがしきい値を越える場合には、チョークコイル２に異常が発生したと判断して、インバータＣのインバータ制御部へ警報を出力する（ステップＳ２）。

異常判定部９は、ステップＳ１において『ＮＯ』と判定した場合には、すなわち電圧リップルＲｖがしきい値を越えていない場合には、図３の（ｂ）に示すように、検出信号Ｓｉが示す入力電流の電流リップルＲｉが所定のしきい値を越えたか否か判断する（ステップＳ３）。この入力電流の電流リップルＲｉは、上述した入力電圧の電圧リップルＲｖと同様にスイッチングトランジスタ３のスイッチング動作に起因するものであり、スイッチング周波数と同等の周波数を基本周波数とする電流変動成分である。

なお、異常判定部９では、ステップＳ１のしきい値と同様に、例えば、チョークコイル２が正常時の電流リップルの１．５倍の値を、ステップＳ３におけるしきい値とする。
異常判定部９は、ステップＳ３において『ＹＥＳ』と判定した場合には、すなわち電流リップルＲｉがしきい値を越える場合には、ステップＳ２に移行し、チョークコイル２に異常が発生したと判断して、インバータＣのインバータ制御部へ警報を出力する。
異常判定部９は、ステップＳ３において『ＮＯ』と判定した場合には、すなわち電流リップルＲｉがしきい値を越ない場合には、処理を終了する。そして、異常判定部９は、ステップＳ１の処理開始から所定時間Ｔｓが経過したか否か判断し、所定時間Ｔｓが経過したと判断した場合には、ステップＳ１の処理を繰り返す。すなわち、異常判定部９は、所定時間Ｔｓが経過する毎に、チョークコイル２に異常が発生したか否か判定し、異常が発生した場合には、この旨を示す警報をインバータＣのインバータ制御部へ出力する。

以上のように、本実施形態によれば、入力電圧の電圧リップルＲｖあるいは入力電流の電流リップルＲｉの何れかが所定のしきい値を超える程に大きい場合に、異常判定部９は、チョークコイル２に異常が発生したと判定してインバータＣへ警報を出力する。したがって、本実施形態によれば、チョークコイル２の異常の発生をインバータＣへ速やかに通知することができるので、インバータＣでは、チョークコイル２の異常に対して速やかに対応することが可能である。例えば、インバータＣでは、当該通知に基づいて運転の停止等の処理を速やかに実行することによって、各部の熱的な破損及び素子の破損を防ぐことが出来る。

このようなチョークコイル２の異常の判定方法は、チョークコイル２の短絡や特性不良等の異常が発生した場合、チョークコイル２が正常である場合と比較して、入力電圧の電圧リップルＲｖ及び入力電流の電流リップルＲｉが極端に大きくなるという知見に基づくものである。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、例えば以下のような変形が考えられる。
（１）上記実施形態では、昇圧チョッパ回路Ａについて説明したが、本発明における昇圧チョッパ回路はこれに限定されるものではない。直流チョッパ回路には、昇圧チョッパ回路の他に降圧チョッパ回路や昇降圧チョッパ回路があり、本発明における昇圧チョッパ回路には、このような降圧チョッパ回路や昇降圧チョッパ回路にも適用可能である。

（２）上記実施形態では、電圧センサ７及び電流センサ８を備え、入力電圧及び入力電流の２つの物理量を何れも検出してチョークコイル２の異常を検知したが、電圧センサ７及び電流センサ８のいずれかを備え、２つの物理量のうち何れか１つを検出するようにしても良い。また、入力電圧及び入力電流の２つのリップルが所定のしきい値を越える場合に、チョークコイル２に異常が発生したと判断して、インバータＣのインバータ制御部へ警報を出力する。

（３）上記実施形態では、入力電圧の電圧リップルＲｖあるいは入力電圧の電圧リップルＲｉが所定のしきい値を超えている場合に、チョークコイル２の異常を示す警報を出力した。しかしながら、昇圧チョッパ回路Ａの負荷がインバータＣのように変動負荷ではなく固定負荷の場合には、負荷が安定しているので入力電圧の電圧リップルＲｖ及び入力電流の電流リップルＲｉに基づいてチョークコイル２の異常を信頼性高く検知することが可能である。

（４）上記実施形態では、入力電圧の電圧リップルＲｖあるいは入力電圧の電圧リップルＲｉが所定のしきい値を超えている場合に、チョークコイル２に異常が発生していると判断している。しかしながら、昇圧チョッパ回路Ａでは、チョークコイル２の異常だけではなく、平滑コンデンサ５に異常が発生した場合も、入力電圧の電圧リップルＲｖあるいは入力電圧の電圧リップルＲｉが変動する。すなわち、本実施形態では、入力電圧の電圧リップルＲｖあるいは入力電圧の電圧リップルＲｉに基づいて、平滑コンデンサ５の異常を検知することも可能である。

（５）上記実施形態では、入力電圧の電圧リップルＲｖあるいは入力電圧の電圧リップルＲｉが所定のしきい値を超えている場合に、チョークコイル２に異常が発生していると判断している。しかしながら、インバータＣの負荷が急激に上昇することによって、入力電圧の電圧リップルＲｖあるいは入力電圧の電圧リップルＲｉが大きくなる場合には、異常判定部９が、入力電圧の電圧リップルＲｖあるいは入力電圧の電圧リップルＲｉが所定のしきい値を超えている場合に、インバータＣの負荷が急激に上昇したか否か判定し、インバータＣの負荷の急激な上昇がない場合に、チョークコイル２に異常が発生していると判断するようにしてもよい。

本発明の一実施形態に係る昇圧チョッパ回路Ａの構成を示す回路図である。 本発明の一実施形態に係る昇圧チョッパ回路Ａの異常判定部９の動作を示すフローチャート 本発明の一実施形態に係る昇圧チョッパ回路Ａの入力電圧及び入力電流を示す波形図である。

符号の説明

Ａ…昇圧チョッパ回路、Ｂ…バッテリ、Ｃ…インバータ、１ａ，１ｂ…チョッパ入力端子、２…チョークコイル、３…スイッチングトランジスタ、４…ＭＯＳＦＥＴ、５…平滑コンデンサ、６ａ，６ｂ…チョッパ出力端子、７…電圧センサ、８…電流センサ、９…異常判定部

Claims (4)

1. 受動素子の異常を検知して外部へ報知する異常検知手段を備えることを特徴する直流チョッパ回路。
2. 前記異常検知手段は、入力電圧あるいは入力電流のうち何れか１つあるいは両方のリップルが所定のしきい値を越えると、受動素子に異常が発生したと判断することを特徴とする請求項１に記載の直流チョッパ回路。
3. 昇圧チョッパ回路、降圧チョッパ回路及び昇降圧チョッパ回路のいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載の直流チョッパ回路。
4. 入力電圧あるいは入力電流のうち何れか１つあるいは両方のリップルが所定のしきい値を越えると、受動素子に異常が発生したと判断することを特徴とする直流チョッパ回路の異常検知方法。
   
   
   

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