JP2010279167A - 電力変換装置および電力変換装置の故障検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】装置内の故障を検出することが可能な電力変換装置を得ること。
【解決手段】並列接続されたスイッチング素子Ｑ２及びバイパスリレーＲｙ２を含み、直流電源１から印加される直流電圧を降圧する降圧コンバータ３と、並列接続されたスイッチング素子Ｑ１及びリレーＲｙ１を含み、直流電源１と降圧コンバータ３との間に直列に接続され、降圧コンバータ３の後段の回路を保護する保護回路２と、を備え、降圧コンバータ３または保護回路２の少なくとも一方が故障していることを検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流電源から出力される電力を変換する電力変換装置および電力変換装置の故障検出方法に関するものである。

従来、太陽電池モジュール等の直流電源から出力される電力を変換する電力変換装置が用いられている。そのような電力変換装置として、例えば、下記の特許文献１に示されたものがある。

特許文献１に示された電力変換装置では、直流電源の直流電力を交流電力に変換する単相インバータの交流側を複数直列接続し、上記複数の単相インバータの各発生電圧の総和により出力電圧を制御する電力変換装置において、第２の直流電源と、該第２の直流電源の電圧を降圧する降圧回路とを備え、上記複数の単相インバータのうち電圧が最大である第１のインバータの直流電源電圧は、上記第２の直流電源から上記降圧回路を介して生成されるようにしている。

特開２００７−１６６７８３号公報

しかしながら、上記従来の電力変換装置では、降圧回路が故障した場合、第２の直流電源の電圧が降圧されずに第１のインバータに印加され、第１のインバータが連鎖故障することが起こり得るという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、上記のような連鎖故障が起こることを防止するとともに、装置内の故障を検出することが可能な電力変換装置および電力変換装置の故障検出方法を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる電力変換装置は、直流電源から供給される電力を変換する電力変換装置であって、第１のスイッチング素子および前記第１のスイッチング素子に並列に接続された第１のリレーを含んで構成され、前記直流電源から印加される直流電圧を降圧する降圧回路と、第２のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子に並列に接続され前記第１のリレーよりも絶縁耐圧が低い第２のリレーを含んで構成され、前記直流電源と前記降圧回路との間に直列に接続され、前記降圧回路の出力電圧が印加される後段の回路を保護する保護回路と、を備え、前記降圧回路は、前記直流電圧が前記後段の回路に印加されることを防いで前記後段の回路を保護することを兼ねた回路であり、前記保護回路は、前記降圧回路による前記後段の回路の保護に加えて、前記直流電圧が前記後段の回路に印加されることを防いで前記後段の回路を保護する多重保護回路であり、前記降圧回路または前記保護回路の少なくとも一方が故障していることを検出することを特徴とする。

本発明によれば、降圧回路が故障した場合であっても、降圧回路の後段の回路が故障することを防止することができるとともに、装置内の故障を検出することができるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１にかかる電力変換装置の構成を示す図である。 図２は、実施の形態１にかかる電力変換装置の故障検出方法を示すフローチャートである。 図３は、実施の形態１にかかる電力変換装置の故障検出方法を示すフローチャートである。 図４は、実施の形態１にかかる電力変換装置の故障検出方法を示すフローチャートである。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置の構成を示す図である。この電力変換装置の直流入力端には、直流電源１（例えば、太陽電池モジュール等）が接続されている。直流電源１の出力端には、コンデンサＣ１が並列に接続されており、コンデンサＣ１は、直流電源１の出力電圧を平滑化する。コンデンサＣ１の電圧Ｖｓは、Ｖｓ検出部６によって検出される。

直流電源１の後段には、コンデンサＣ１を介して、降圧回路としての降圧コンバータ３と昇圧回路としての昇圧チョッパ４とが直列接続されている。直流電源１と降圧コンバータ３との間には、降圧コンバータ３の出力電圧が印加される降圧コンバータ３の後段の回路を保護する保護回路２が直列に接続されている。インバータ回路５の入力となるコンデンサＣ２は、直流電源１から降圧コンバータ３と昇圧チョッパ４とを介して充電される。コンデンサＣ２の電圧Ｖｉｉは、Ｖｉｉ検出部８によって検出される。

保護回路２は、スイッチング素子Ｑ１と、スイッチング素子Ｑ１に並列に接続されたリレーＲｙ１と、を含んで構成されている。なお、スイッチング素子Ｑ１は、一方向導通回路（例えば、ダイオード等）を逆並列に接続した開閉回路（例えば、ＩＧＢＴ等のトランジスタ等）を含んで構成するようにしても良い。スイッチング素子Ｑ１は、制御部７内の直流電圧変換回路制御部７ａによって制御され、リレーＲｙ１は、制御部７内の故障検知部７ｂによって制御される。スイッチング素子Ｑ１が、第２のスイッチング素子を構成し、リレーＲｙ１が、第２のリレーを構成する。

降圧コンバータ３は、スイッチング素子Ｑ２と、リアクトルＬ１と、スイッチング素子Ｑ２とリアクトルＬ１との接続点にカソードが接続されたダイオードＤ１と、スイッチング素子Ｑ２をバイパスするバイパスリレーＲｙ２と、を含んで構成されている。なお、スイッチング素子Ｑ２は、一方向導通回路を逆並列に接続した開閉回路を含んで構成するようにしても良い。スイッチング素子Ｑ２は、直流電圧変換回路制御部７ａによって制御され、バイパスリレーＲｙ２は、故障検知部７ｂによって制御される。スイッチング素子Ｑ２が、第１のスイッチング素子を構成し、バイパスリレーＲｙ２が、第１のリレーを構成する。

昇圧チョッパ４は、降圧コンバータ３に兼用して用いられるリアクトルＬ１と、整流用素子としてのダイオードＤ２と、リアクトルＬ１とダイオードＤ２との接続点に接続されたスイッチング素子Ｑ３と、を含んで構成されている。なお、スイッチング素子Ｑ３は、一方向導通回路を逆並列に接続した開閉回路を含んで構成するようにしても良い。スイッチング素子Ｑ３は、直流電圧変換回路制御部７ａによって制御される。

インバータ回路５は、最大（瞬時値）でコンデンサＣ２の電圧Ｖｉｉまで出力することができる。例えば、インバータ回路５が２００Ｖの交流電力（実効値）を出力するために必要なコンデンサＣ２の電圧Ｖｉｉは約２８２Ｖである。このため、コンデンサＣ２の電圧Ｖｉｉが約２８２Ｖ以上であれば、電力変換装置は２００Ｖの交流出力を行うことが可能である。インバータ回路５の交流出力は、リアクトルＬ２，Ｌ３およびコンデンサＣ３を含んで構成されるフィルタ回路並びにリレーＲｙ３，Ｒｙ４を介して、系統（または負荷）１１に供給されている。

電力変換装置の起動時には、保護回路２内のスイッチング素子Ｑ１が制御部７によってオン状態に制御された後にリレーＲｙ１が制御部７によって導通状態に制御され、降圧コンバータ３または昇圧チョッパ４が制御部７によって制御され動作を開始する。

直流電源１が太陽電池モジュール等の場合、無負荷運転時等に直流電源１の出力電圧が定格電圧より高くなる場合がある。例えば、システム起動時に無負荷の場合、直流電源１の出力電圧が７００Ｖ程度になることがある。このように直流電源１の出力電圧が定格電圧を上回っていて降圧が必要である場合には、降圧コンバータ３が、直流電源１の出力電圧を所望の電圧（例えば、定格電圧等）に降圧してコンデンサＣ２の電圧Ｖｉｉを生成する。この場合、昇圧チョッパ４が昇圧を行う必要はないので、昇圧チョッパ４内のスイッチング素子Ｑ３はオフ状態に制御される。この観点から、降圧コンバータ３は、直流電源１の直流電圧が降圧コンバータ３の後段の回路（本実施の形態１においては、昇圧チョッパ４（特には、スイッチング素子Ｑ３）、コンデンサＣ２、およびインバータ回路５）に印加されることを防いで後段の回路を保護することを兼ねた回路となっている。また、保護回路２は、降圧コンバータ３による降圧コンバータ３の後段の回路の保護に加えて、直流電源１の出力電圧が降圧コンバータ３の後段の回路に印加されることを防いで降圧コンバータ３の後段の回路を保護する多重保護回路となっている。これにより、昇圧チョッパ４、コンデンサＣ２、インバータ回路５は、定格電圧に適した、即ち耐電圧が低い素子で構成することができ、損失が低減された効率の良い回路となる。

上述したように、直流電源１の出力電圧が定格電圧を上回っていて降圧が必要である場合、降圧コンバータ３が、制御部７によって制御され、直流電源１の出力電圧の降圧を行う。即ち、バイパスリレーＲｙ２が制御部７内の故障検知部７ｂによって開放状態に制御され、降圧コンバータ３内のスイッチング素子Ｑ２が制御部７内の直流電圧変換回路制御部７ａによってオンオフ制御される。これにより、バイパスリレーＲｙ２ではアークを発生することなく遮断することができ、降圧コンバータ３に降圧動作を開始させることができる。

なお、電力変換装置に求められる安全規格（例えば、電気用品安全法、ＩＥＣ等）は、降圧コンバータ３およびバイパスリレーＲｙ２によって満たされれば良い。そのため、保護回路２内のスイッチング素子Ｑ１としてスイッチング素子Ｑ２よりも耐電圧の低い小型のものを利用することができ、リレーＲｙ１としてバイパスリレーＲｙ２よりも絶縁耐圧が低い（絶縁距離が短い）小型のものを利用することができる。先に説明したように直流電源１の出力電圧が７００Ｖ程度になり得る場合には、電力変換装置に求められる安全規格を満たすため、バイパスリレーＲｙ２として、接点距離が５．６ミリメートル程度のリレーを用いる。一方、リレーＲｙ１は、電力変換装置の何処かで異常が発生した場合に、電力変換装置を停止させる制御を行うことが可能な時間を稼げる程度のリレーであれば良い。例えば、リレーＲｙ１として、ＡＣ１０００Ｖを１分間程度保たせることが可能な接点距離が１．５ミリメートル程度のリレーを用いることができる。この場合、リレーＲｙ１の大きさをバイパスリレーＲｙ２の４分の１程度の大きさにすることができる。これにより、電力変換装置が大きくなることをできるだけ抑制しながら、保護回路２を備えることができる。

また、直流電源１の出力電圧が定格電圧を下回り、さらに所定の電圧（例えば、２００Ｖ等）以下になると、昇圧チョッパ４が、直流電源１の出力電圧を昇圧してコンデンサＣ２の電圧Ｖｉｉを生成する。この場合、降圧コンバータ３が降圧を行う必要はないので、降圧コンバータ３はバイパスされる。即ち、バイパスリレーＲｙ２が制御部７によって導通状態に制御される。そして、スイッチング素子Ｑ３が制御部７内の直流電圧変換回路制御部７ａによってオンオフ制御され、直流電源１の出力電圧が所望の電圧（例えば、定格電圧等）に昇圧される。このように、バイパスリレーＲｙ２が導通状態に制御されることで、スイッチング素子Ｑ２での損失発生を防止することができると共に、昇圧チョッパ４による昇圧動作を実現することができる。

また、直流電源１の出力電圧が定格電圧を含む所定の範囲（例えば、２００Ｖ〜定格電圧等）である場合、降圧コンバータ３および昇圧チョッパ４の両方の動作を停止させることができる。この場合、バイパスリレーＲｙ２が制御部７内の故障検知部７ｂによって導通状態に制御され、電流はバイパスリレーＲｙ２を流れる。

また、電力変換装置の稼働中に昇圧チョッパ４またはインバータ回路５に異常が発生し、それによりコンデンサＣ２の電圧Ｖｉｉが所望の電圧（例えば、定格電圧等）より高電圧になった場合、バイパスリレーＲｙ２が制御部７によって遮断状態に制御され、その後スイッチング素子Ｑ２が制御部７内の直流電圧変換回路制御部７ａによってオフ状態に制御され、その後リレーＲｙ１が制御部７によって遮断状態に制御され、その後スイッチング素子Ｑ１が制御部７内の直流電圧変換回路制御部７ａによってオフ状態に制御される。

また、電力変換装置の稼働中に降圧コンバータ３に異常が発生し、それにより直流電源１の出力電圧が定格電圧を上回っているにもかかわらず降圧コンバータ３による降圧が行われずに、コンデンサＣ２の電圧Ｖｉｉが所望の電圧（例えば、定格電圧等）より高電圧になった場合、リレーＲｙ１が制御部７内の故障検知部７ｂによって遮断状態に制御され、その後スイッチング素子Ｑ１が制御部７によってオフ状態に制御される。これにより、直流電源１の出力電圧が降圧コンバータ３の後段の回路に印加されることを防いで、降圧コンバータ３の後段の回路を保護することができる。なお、保護回路２をスイッチング素子Ｑ１と、スイッチング素子Ｑ１に並列接続されたリレーＲｙ１と、で構成しているので、保護回路２が遮断状態に制御される際に、リレーＲｙ１でアークを発生させることなく、保護回路２が確実に遮断状態に制御される。

また、電力変換装置の稼働中に保護回路２に異常が発生した場合、電力変換装置に求められる安全規格は降圧コンバータ３およびバイパスリレーＲｙ２によって満たされているので、電力変換装置の稼働を継続することも可能ではあるものの、安全をより確実なものとするために、バイパスリレーＲｙ２が制御部７によって遮断状態に制御され、その後スイッチング素子Ｑ２が制御部７によってオフ状態に制御されるようにしても良い。

以上のように、本実施の形態１においては、降圧コンバータ３を備え、直流電源１の出力電圧が定格電圧を上回っている場合に降圧コンバータ３が直流電源１の出力電圧を所望の電圧（例えば、定格電圧等）に降圧するようにしたので、昇圧チョッパ４（特には、スイッチング素子Ｑ３）、コンデンサＣ２、およびインバータ回路５を耐電圧の低い素子で構成することができる。半導体スイッチング素子は耐圧が高くなるほど導通損失が大きくなる傾向があるので、昇圧チョッパ４、インバータ回路５を耐電圧の低い素子で構成することにより、損失が低減された変換効率の高い電力変換装置を実現することができる。

また、保護回路２を備え、電力変換装置の稼働中に降圧コンバータ３に異常が発生し、それにより直流電源１の出力電圧が定格電圧を上回っているにもかかわらず降圧コンバータ３による降圧が行われずに、コンデンサＣ２の電圧Ｖｉｉが所望の電圧（例えば、定格電圧等）より高電圧になった場合、リレーＲｙ１が遮断状態に制御され、その後スイッチング素子Ｑ１がオフ状態に制御される。これにより、直流電源１の出力電圧が降圧コンバータ３の後段の回路に印加されることを防いで、降圧コンバータ３の後段の回路を多重保護することができる。

また、バイパスリレーＲｙ２を備え、直流電源１の出力電圧の降圧が不要な場合に降圧コンバータ３内のスイッチング素子Ｑ２をバイパスすることができるようにしたので、直流電源１の出力電圧の降圧が不要な場合に降圧コンバータ３内のスイッチング素子Ｑ２で損失が発生することを防止することができ、さらに損失低減を図ることができる。

また、本実施の形態１においては、直流電源１の出力電圧に応じて、昇圧チョッパ４による昇圧動作、降圧コンバータ３による降圧動作のどちらかを選択的に動作させるか、あるいは双方動作させないでコンデンサＣ２の電圧Ｖｉｉを生成するので、コンデンサＣ２の電圧Ｖｉｉを安定して生成でき、安定した交流出力を信頼性良く得ることができる。

次に、本実施の形態１の電力変換装置の故障検出方法について説明する。図２は、本実施の形態１の電力変換装置の故障検出方法の処理を示すフローチャートである。図２のフローチャートに示す処理は、電力変換装置の起動時（投入時）または再起動時（再投入時）に実行されるものとする。

まず、制御部７は、スイッチング素子Ｑ２を第１のデューティ比ｔ_１でオン制御する（ステップＳ１）。ここで、第１のデューティ比ｔ_１は、（コンデンサＣ１の電圧Ｖｓ）×（第１のデューティ比ｔ_１）が素子（例えば、ダイオードＤ１、スイッチング素子Ｑ３、コンデンサＣ２、インバータ回路５を構成する素子等）の耐圧以下となる値とする。

そして、制御部７は、Ｖｉｉ検出部８によって検出されるコンデンサＣ２の電圧Ｖｉｉが第１の電圧閾値（例えば、この故障検出方法開始時点での電圧Ｖｉｉ等でも良い。）以下であるか否かを判定する（ステップＳ２）。もしリレーＲｙ１およびスイッチング素子Ｑ１が短絡故障していないのであれば、保護回路２は非導通状態（遮断状態）であり、スイッチング素子Ｑ２を第１のデューティ比ｔ_１でオン制御してもコンデンサＣ１の電圧ＶｓがコンデンサＣ２に印加されることはないので、コンデンサＣ２の電圧Ｖｉｉが上昇することはない。一方、もしリレーＲｙ１またはスイッチング素子Ｑ１が短絡故障しているのであれば、保護回路２は導通状態であり、スイッチング素子Ｑ２を第１のデューティ比ｔ_１でオン制御すると、コンデンサＣ１の電圧Ｖｓが降圧コンバータ３によって降圧されコンデンサＣ２に印加されるので、コンデンサＣ２の電圧Ｖｉｉが上昇することになる。

制御部７は、電圧Ｖｉｉが第１の電圧閾値以下ではないと判定した場合（ステップＳ２：Ｎｏ）、リレーＲｙ１またはスイッチング素子Ｑ１が短絡故障していると判定し（ステップＳ３）、電力変換装置をエラー停止させる（ステップＳ４）。

また、制御部７は、電圧Ｖｉｉが第１の電圧閾値以下であると判定した場合（ステップＳ２：Ｙｅｓ）、リレーＲｙ１およびスイッチング素子Ｑ１が短絡故障していないと判定する（ステップＳ５）。

次に、制御部７は、スイッチング素子Ｑ１を第２のデューティ比ｔ_２でオン制御する（ステップＳ６）。ここで、第２のデューティ比ｔ_２は、（コンデンサＣ１の電圧Ｖｓ）×（第２のデューティ比ｔ_２）が素子（ダイオードＤ１等）の耐圧以下となる値とする。

そして、制御部７は、電圧Ｖｉｉが第２の電圧閾値（例えば、この故障検出方法開始時点での電圧Ｖｉｉ等でも良い。）以下であるか否かを判定する（ステップＳ７）。もしバイパスリレーＲｙ２およびスイッチング素子Ｑ２が短絡故障していないのであれば、降圧コンバータ３は非導通状態であり、スイッチング素子Ｑ１を第２のデューティ比ｔ_２でオン制御してもコンデンサＣ１の電圧ＶｓがコンデンサＣ２に印加されることはないので、コンデンサＣ２の電圧Ｖｉｉが上昇することはない。一方、もしバイパスリレーＲｙ２またはスイッチング素子Ｑ２が短絡故障しているのであれば、スイッチング素子Ｑ１を第２のデューティ比ｔ_２でオン制御すると、コンデンサＣ１の電圧Ｖｓが降圧されコンデンサＣ２に印加されるので、コンデンサＣ２の電圧Ｖｉｉが上昇することになる。

制御部７は、電圧Ｖｉｉが第２の電圧閾値以下ではないと判定した場合（ステップＳ７：Ｎｏ）、バイパスリレーＲｙ２またはスイッチング素子Ｑ２が短絡故障していると判定し（ステップＳ８）、電力変換装置をエラー停止させる（ステップＳ９）。

また、制御部７は、電圧Ｖｉｉが第２の電圧閾値以下であると判定した場合（ステップＳ７：Ｙｅｓ）、バイパスリレーＲｙ２およびスイッチング素子Ｑ２が短絡故障していないと判定する（ステップＳ１０）。

このステップＳ１０の処理が終了した時点で、リレーＲｙ１，Ｒｙ２、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の４個全てが短絡故障していないことが検出できたことになる。そこで、以降のステップでは、リレーＲｙ１，Ｒｙ２、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の開放故障の検出を行う。なお、以降のステップでは、リレーＲｙ１，Ｒｙ２、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の４個全てが短絡故障していないことが前提である。

制御部７は、リレーＲｙ１をオン（導通状態）制御し、スイッチング素子Ｑ２を第３のデューティ比ｔ_３でオン制御する（ステップＳ１１）。ここで、第３のデューティ比ｔ_３は、（コンデンサＣ１の電圧Ｖｓ）×（第３のデューティ比ｔ_３）が素子（ダイオードＤ１等）の耐圧以下となる値とする。

そして、制御部７は、電圧Ｖｉｉが（コンデンサＣ１の電圧Ｖｓ）×（第３のデューティ比ｔ_３）であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。もし、リレーＲｙ１およびスイッチング素子Ｑ２が開放故障していないのであれば、スイッチング素子Ｑ２を第３のデューティ比ｔ_３でオン制御すると、コンデンサＣ１の電圧ＶｓがリレーＲｙ１〜スイッチング素子Ｑ２という経路を経由して降圧されコンデンサＣ２に印加されるので、コンデンサＣ２の電圧Ｖｉｉが（コンデンサＣ１の電圧Ｖｓ）×（第３のデューティ比ｔ_３）になる。一方、もしリレーＲｙ１またはスイッチング素子Ｑ２が開放故障しているのであれば、スイッチング素子Ｑ２を第３のデューティ比ｔ_３でオン制御しても、コンデンサＣ１の電圧ＶｓがコンデンサＣ２に印加されることはないので、コンデンサＣ２の電圧Ｖｉｉが上昇することはない。

制御部７は、電圧Ｖｉｉが（コンデンサＣ１の電圧Ｖｓ）×（第３のデューティ比ｔ_３）ではないと判定した場合（ステップＳ１２：Ｎｏ）、リレーＲｙ１またはスイッチング素子Ｑ２が開放故障していると判定し（ステップＳ１３）、電力変換装置をエラー停止させる（ステップＳ１４）。

また、制御部７は、電圧Ｖｉｉが（コンデンサＣ１の電圧Ｖｓ）×（第３のデューティ比ｔ_３）であると判定した場合（ステップＳ１２：Ｙｅｓ）、リレーＲｙ１およびスイッチング素子Ｑ２が開放故障していないと判定する（ステップＳ１５）。

次に、制御部７は、バイパスリレーＲｙ２をオン（導通状態）制御し、スイッチング素子Ｑ１を第４のデューティ比ｔ_４でオン制御する（ステップＳ１６）。ここで、第４のデューティ比ｔ_４は、（コンデンサＣ１の電圧Ｖｓ）×（第４のデューティ比ｔ_４）が素子（ダイオードＤ１等）の耐圧以下となる値とする。

そして、制御部７は、電圧Ｖｉｉが（コンデンサＣ１の電圧Ｖｓ）×（第４のデューティ比ｔ_４）であるか否かを判定する（ステップＳ１７）。もし、バイパスリレーＲｙ２およびスイッチング素子Ｑ１が開放故障していないのであれば、スイッチング素子Ｑ１を第４のデューティ比ｔ_４でオン制御すると、コンデンサＣ１の電圧Ｖｓがスイッチング素子Ｑ１〜バイパスリレーＲｙ２という経路を経由して降圧されコンデンサＣ２に印加されるので、コンデンサＣ２の電圧Ｖｉｉが（コンデンサＣ１の電圧Ｖｓ）×（第４のデューティ比ｔ_４）になる。一方、もしバイパスリレーＲｙ２またはスイッチング素子Ｑ１が開放故障しているのであれば、スイッチング素子Ｑ１を第４のデューティ比ｔ_４でオン制御しても、コンデンサＣ１の電圧ＶｓがコンデンサＣ２に印加されることはないので、コンデンサＣ２の電圧Ｖｉｉが上昇することはない。

制御部７は、電圧Ｖｉｉが（コンデンサＣ１の電圧Ｖｓ）×（第４のデューティ比ｔ_４）ではないと判定した場合（ステップＳ１７：Ｎｏ）、バイパスリレーＲｙ２またはスイッチング素子Ｑ１が開放故障していると判定し（ステップＳ１８）、電力変換装置をエラー停止させる（ステップＳ１９）。

また、制御部７は、電圧Ｖｉｉが（コンデンサＣ１の電圧Ｖｓ）×（第４のデューティ比ｔ_４）であると判定した場合（ステップＳ１７：Ｙｅｓ）、バイパスリレーＲｙ２およびスイッチング素子Ｑ１が開放故障していないと判定する（ステップＳ２０）。

このステップＳ２０の処理が終了した時点で、リレーＲｙ１，Ｒｙ２、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の４個全てが短絡故障も開放故障もしていないことが検出できたことになる。そこで、制御部７は、電力変換装置を起動し（ステップＳ２１）、直流電源１の出力電力を変換して系統（または負荷）１１に供給する。

なお、第１〜第４のデューティ比ｔ_１〜ｔ_４は、同じであっても良いし、異なっていても良い。また、第１、第２の電圧閾値は、同じであっても良いし、異なっていても良い。

ところで、図２のフローチャートに示す処理が電力変換装置の再起動時（再投入時）に実行される場合、コンデンサＣ２に電荷が残っていることがあり得る。その場合には、コンデンサＣ２に残っている電荷またはその電荷により生ずる電圧Ｖｉｉを考慮して故障検出を行う必要がある。例えば、コンデンサＣ２に残っている電荷により生ずる電圧Ｖｉｉを考慮して、第１、第２の電圧閾値を設定する必要がある。そこで、図２のフローチャートに示す処理の実行に先立って、インバータ回路制御部１０が、インバータ回路５を駆動してコンデンサＣ２の電荷を放電し、電圧Ｖｉｉをゼロにするステップを実行すると好適である。このようにすれば、コンデンサＣ２に残っている電荷を考慮する必要なく、故障検出処理を行うことができる。

また、図２のステップＳ１３において、制御部７が、リレーＲｙ１またはスイッチング素子Ｑ２が開放故障していると判定した場合に、リレーＲｙ１、スイッチング素子Ｑ２のどちらが開放故障しているのかを更に判定することもできる。

図３は、制御部７が、リレーＲｙ１またはスイッチング素子Ｑ２が開放故障していると判定した場合に、リレーＲｙ１、スイッチング素子Ｑ２のどちらが開放故障しているのかを判定する処理を示すフローチャートである。図３のフローチャートに示す処理は、図２のフローチャートのステップＳ１３に代えてまたはステップＳ１３の後もしくはステップＳ１４の後に実施すると好適である。

まず、制御部７は、スイッチング素子Ｑ１をオンし、スイッチング素子Ｑ２を第５のデューティ比ｔ_５でオン制御する（ステップＳ３１）。ここで、第５のデューティ比ｔ_５は、（コンデンサＣ１の電圧Ｖｓ）×（第５のデューティ比ｔ_５）が素子（例えば、ダイオードＤ１等）の耐圧以下となる値とする。

そして、制御部７は、Ｖｉｉ検出部８によって検出されるコンデンサＣ２の電圧Ｖｉｉが（コンデンサＣ１の電圧Ｖｓ）×（第５のデューティ比ｔ_５）であるか否かを判定する（ステップＳ３２）。もし、スイッチング素子Ｑ２が開放故障していないのであれば、スイッチング素子Ｑ２を第５のデューティ比ｔ_５でオン制御すると、コンデンサＣ１の電圧Ｖｓがスイッチング素子Ｑ１〜スイッチング素子Ｑ２という経路を経由して降圧されコンデンサＣ２に印加されるので、コンデンサＣ２の電圧Ｖｉｉが（コンデンサＣ１の電圧Ｖｓ）×（第５のデューティ比ｔ_５）になる。一方、もしスイッチング素子Ｑ２が開放故障しているのであれば、スイッチング素子Ｑ２を第５のデューティ比ｔ_５でオン制御しても、コンデンサＣ１の電圧ＶｓがコンデンサＣ２に印加されることはないので、コンデンサＣ２の電圧Ｖｉｉが上昇することはない。

制御部７は、電圧Ｖｉｉが（コンデンサＣ１の電圧Ｖｓ）×（第５のデューティ比ｔ_５）ではないと判定した場合（ステップＳ３２：Ｎｏ）、スイッチング素子Ｑ２が開放故障していると判定する（ステップＳ３３）。

また、制御部７は、電圧Ｖｉｉが（コンデンサＣ１の電圧Ｖｓ）×（第５のデューティ比ｔ_５）であると判定した場合（ステップＳ３４：Ｙｅｓ）、リレーＲｙ１が開放故障していると判定する（ステップＳ３４）。

同様に、図２のステップＳ１８において、制御部７が、バイパスリレーＲｙ２またはスイッチング素子Ｑ１が開放故障していると判定した場合に、バイパスリレーＲｙ２、スイッチング素子Ｑ１のどちらが開放故障しているのかを更に判定することもできる。

図４は、制御部７が、バイパスリレーＲｙ２またはスイッチング素子Ｑ１が開放故障していると判定した場合に、バイパスリレーＲｙ２、スイッチング素子Ｑ１のどちらが開放故障しているのかを判定する処理を示すフローチャートである。図４のフローチャートに示す処理は、図２のフローチャートのステップＳ１８に代えてまたはステップＳ１８の後もしくはステップＳ１９の後に実施すると好適である。

まず、制御部７は、スイッチング素子Ｑ２をオンし、スイッチング素子Ｑ１を第６のデューティ比ｔ_６でオン制御する（ステップＳ４１）。ここで、第６のデューティ比ｔ_６は、（コンデンサＣ１の電圧Ｖｓ）×（第６のデューティ比ｔ_６）が素子（例えば、ダイオードＤ１等）の耐圧以下となる値とする。

そして、制御部７は、Ｖｉｉ検出部８によって検出されるコンデンサＣ２の電圧Ｖｉｉが（コンデンサＣ１の電圧Ｖｓ）×（第６のデューティ比ｔ_６）であるか否かを判定する（ステップＳ４２）。もし、スイッチング素子Ｑ１が開放故障していないのであれば、スイッチング素子Ｑ１を第６のデューティ比ｔ_６でオン制御すると、コンデンサＣ１の電圧Ｖｓがスイッチング素子Ｑ１〜スイッチング素子Ｑ２という経路を経由して降圧されコンデンサＣ２に印加されるので、コンデンサＣ２の電圧Ｖｉｉが（コンデンサＣ１の電圧Ｖｓ）×（第６のデューティ比ｔ_６）になる。一方、もしスイッチング素子Ｑ１が開放故障しているのであれば、スイッチング素子Ｑ１を第６のデューティ比ｔ_６でオン制御しても、コンデンサＣ１の電圧Ｖｓが降圧されコンデンサＣ２に印加されることはないので、コンデンサＣ２の電圧Ｖｉｉが上昇することはない。

制御部７は、電圧Ｖｉｉが（コンデンサＣ１の電圧Ｖｓ）×（第６のデューティ比ｔ_６）ではないと判定した場合（ステップＳ４２：Ｎｏ）、スイッチング素子Ｑ１が開放故障していると判定する（ステップＳ４３）。

また、制御部７は、電圧Ｖｉｉが（コンデンサＣ１の電圧Ｖｓ）×（第６のデューティ比ｔ_６）であると判定した場合（ステップＳ４２：Ｙｅｓ）、スイッチング素子Ｑ１が開放故障しておらず、バイパスリレーＲｙ２が開放故障していると判定する（ステップＳ４４）。

なお、第５、第６のデューティ比ｔ_５〜ｔ_６は、第１〜第４のデューティ比ｔ_１〜ｔ_４と同じであっても良いし、異なっていても良い。

以上説明したように、本実施の形態によれば、リレーＲｙ１，Ｒｙ２、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の短絡故障、開放故障を検出することができる。

以上のように、本発明にかかる電力変換装置は、直流電源から出力される電力を変換する電力変換装置に有用である。

１ 直流電源
２ 保護回路
３ 降圧コンバータ
４ 昇圧チョッパ
５ インバータ回路
６ Ｖｓ検出部
７ 制御部
７ａ 直流電圧変換回路制御部
７ｂ 故障検知部
８ Ｖｉｉ検出部
１０ インバータ回路制御部
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３ コンデンサ
Ｄ１、Ｄ２ ダイオード
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３ リアクトル
Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３ スイッチング素子
Ｒｙ１、Ｒｙ３、Ｒｙ４ リレー
Ｒｙ２ バイパスリレー

Claims (19)

1. 直流電源から供給される電力を変換する電力変換装置であって、
   第１のスイッチング素子および前記第１のスイッチング素子に並列に接続された第１のリレーを含んで構成され、前記直流電源から印加される直流電圧を降圧する降圧回路と、
   第２のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子に並列に接続され前記第１のリレーよりも絶縁耐圧が低い第２のリレーを含んで構成され、前記直流電源と前記降圧回路との間に直列に接続され、前記降圧回路の出力電圧が印加される後段の回路を保護する保護回路と、
   を備え、
   前記降圧回路は、前記直流電圧が前記後段の回路に印加されることを防いで前記後段の回路を保護することを兼ねた回路であり、
   前記保護回路は、前記降圧回路による前記後段の回路の保護に加えて、前記直流電圧が前記後段の回路に印加されることを防いで前記後段の回路を保護する多重保護回路であり、
   前記降圧回路または前記保護回路の少なくとも一方が故障していることを検出することを特徴とする電力変換装置。
2. 前記第２のリレーまたは前記第２のスイッチング素子の少なくとも一方が短絡故障していることを検出することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記第１のスイッチング素子を第１のデューティ比でオン制御し、前記降圧回路の出力電圧が第１の電圧閾値以下ではない場合に、前記第２のリレーまたは前記第２のスイッチング素子の少なくとも一方が短絡故障していることを検出することを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記降圧回路の出力電圧を測定した値を保持した後、前記第１のスイッチング素子を第１のデューティ比でオン制御し、前記降圧回路の出力電圧が前記値と等しくない場合に、前記第２のリレーまたは前記第２のスイッチング素子の少なくとも一方が短絡故障していることを検出することを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
5. 前記第１のリレーまたは前記第１のスイッチング素子の少なくとも一方が短絡故障していることを検出することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の電力変換装置。
6. 前記第２のスイッチング素子を第２のデューティ比でオン制御し、前記降圧回路の出力電圧が第２の電圧閾値以下ではない場合に、前記第１のリレーまたは前記第１のスイッチング素子の少なくとも一方が短絡故障していることを検出することを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。
7. 前記降圧回路の出力電圧を測定した値を保持した後、前記第２のスイッチング素子を第２のデューティ比でオン制御し、前記降圧回路の出力電圧が前記値と等しくない場合に、前記第１のリレーまたは前記第１のスイッチング素子の少なくとも一方が短絡故障していることを検出することを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。
8. 前記第２のリレーまたは前記第１のスイッチング素子の少なくとも一方が開放故障していることを検出することを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。
9. 前記第２のリレーを導通状態に制御し、前記第１のスイッチング素子を第３のデューティ比でオン制御し、前記降圧回路の出力電圧が前記直流電圧と前記第３のデューティ比とに基づいて算出される電圧と等しくない場合に、前記第２のリレーまたは前記第１のスイッチング素子の少なくとも一方が開放故障していることを検出することを特徴とする請求項８に記載の電力変換装置。
10. 前記第１のリレーまたは前記第２のスイッチング素子の少なくとも一方が開放故障していることを検出することを特徴とする請求項５または８に記載の電力変換装置。
11. 前記第１のリレーを導通状態に制御し、前記第２のスイッチング素子を第４のデューティ比でオン制御し、前記降圧回路の出力電圧が前記直流電圧と前記第４のデューティ比とに基づいて算出される電圧と等しくない場合に、前記第１のリレーまたは前記第２のスイッチング素子の少なくとも一方が開放故障していることを検出することを特徴とする請求項１０に記載の電力変換装置。
12. 前記第２のリレーまたは前記第１のスイッチング素子のいずれが開放故障しているかを検出することを特徴とする請求項８または９に記載の電力変換装置。
13. 前記第２のスイッチング素子をオン制御し、前記第１のスイッチング素子を第５のデューティ比でオン制御し、前記降圧回路の出力電圧が前記直流電圧と前記第５のデューティ比とに基づいて算出される電圧と等しい場合に、前記第２のリレーが開放故障していることを検出することを特徴とする請求項１２に記載の電力変換装置。
14. 前記第２のスイッチング素子をオン制御し、前記第１のスイッチング素子を第５のデューティ比でオン制御し、前記降圧回路の出力電圧が前記直流電圧と前記第５のデューティ比とに基づいて算出される電圧と等しくない場合に、前記第１のスイッチング素子が開放故障していることを検出することを特徴とする請求項１２または１３に記載の電力変換装置。
15. 前記第１のリレーまたは前記第２のスイッチング素子のいずれが開放故障しているかを検出することを特徴とする請求項１０または１１に記載の電力変換装置。
16. 前記第１のスイッチング素子をオン制御し、前記第２のスイッチング素子を第６のデューティ比でオン制御し、前記降圧回路の出力電圧が前記直流電圧と前記第６のデューティ比とに基づいて算出される電圧と等しい場合に、前記第１のリレーが開放故障していることを検出することを特徴とする請求項１５に記載の電力変換装置。
17. 前記第１のスイッチング素子をオン制御し、前記第２のスイッチング素子を第６のデューティ比でオン制御し、前記降圧回路の出力電圧が前記直流電圧と前記第６のデューティ比とに基づいて算出される電圧と等しくない場合に、前記第２のスイッチング素子が開放故障していることを検出することを特徴とする請求項１５または１６に記載の電力変換装置。
18. 前記降圧回路の後段に並列に接続されたコンデンサを備え、
    前記降圧回路の出力電圧によって前記コンデンサにチャージされた電荷を放電した後に、前記降圧回路または前記保護回路の故障を検出することを特徴とする請求項１〜１７のいずれか１つに記載の電力変換装置。
19. 第１のスイッチング素子および前記第１のスイッチング素子に並列に接続された第１のリレーを含んで構成され、直流電源から印加される直流電圧を降圧する降圧回路と、第２のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子に並列に接続され前記第１のリレーよりも絶縁耐圧が低い第２のリレーを含んで構成され、前記直流電源と前記降圧回路との間に直列に接続され、前記降圧回路の出力電圧が印加される後段の回路を保護する保護回路と、を備え、前記降圧回路は、前記直流電圧が前記後段の回路に印加されることを防いで前記後段の回路を保護することを兼ねた回路であり、前記保護回路は、前記降圧回路による前記後段の回路の保護に加えて、前記直流電圧が前記後段の回路に印加されることを防いで前記後段の回路を保護する多重保護回路である電力変換装置が実行する方法であって、
    前記第１のスイッチング素子または前記第２のスイッチング素子を或るデューティ比でオン制御するステップと、
    前記降圧回路の出力電圧に基づいて、前記降圧回路または前記保護回路の少なくとも一方の故障を検出するステップと、
    を含むことを特徴とする電力変換装置の故障検出方法。

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