JP2011055612A - Ｄｃ／ｄｃコンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】中間コンデンサが開放故障した場合でもＤＣ／ＤＣコンバータを動作させ、また、短絡故障した場合でもＤＣ／ＤＣコンバータが故障していない状態と同等のエネルギを送れ、昇圧および降圧の動作が可能となるＤＣ／ＤＣコンバータを得ることを目的とする。
【解決手段】昇圧動作において、中間コンデンサＣ１の開放故障が検出された場合、
第１および第２のスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２を互いに同時にオンオフさせるパターンに変更し、中間コンデンサＣ１の短絡故障が検出された場合、第２のスイッチング素子Ｓ２は常時オンさせ、第１のスイッチング素子Ｓ１をオンオフさせるパターンに変更する。
【選択図】図１

Description

この発明は、直流電圧を昇圧あるいは降圧した直流電圧に変換する、ＤＣ／ＤＣコンバータに関するものである。

従来のＤＣ／ＤＣコンバータは、スイッチング素子のオンオフ動作を利用して、コイルへのエネルギの蓄勢と放勢の量をコントロールして直流から直流への電圧変換を行っている。また、このコイルは大形で重いという課題があることから、中間コンデンサの充放電を利用してコイルに印加される電圧を低減し、そのコイルに必要なインダクタンス値を低減することによりコイルを小形、軽量化する技術が示されている（例えば、特許文献１参照）。

特公平６−６７１８１号公報

しかし、従来のＤＣ／ＤＣコンバータの場合、その中間コンデンサが開放故障した場合は、電流経路がなくなることによって昇圧および降圧の動作が不可能となる。また、中間コンデンサが短絡故障を起こした場合、当該中間コンデンサは抵抗体となり、コイルとの協働でエネルギを送れなくなり、結果として昇圧および降圧の動作が不可能になるという課題があった。

本発明は、上記のような課題を解消するためになされたものであり、中間コンデンサが開放故障した場合でもＤＣ／ＤＣコンバータを動作させ、また、短絡故障した場合でもＤＣ／ＤＣコンバータが故障していない状態と同等のエネルギを送れ、昇圧および降圧の動作が可能となるＤＣ／ＤＣコンバータを得ることを目的とする。

この発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、低圧側電圧を保持する低圧側平滑コンデンサ、負極側端子が低圧側平滑コンデンサの負極側端子に接続され高圧側電圧を保持する高圧側平滑コンデンサ、一端が低圧側平滑コンデンサの負極側端子に接続された第１の半導体素子アーム、一端が第１の半導体素子アームの他端に接続され他端がコイルを介して低圧側平滑コンデンサの正極側端子に接続された第２の半導体素子アーム、一端が第２の半導体素子アームの他端に接続された第３の半導体素子アーム、一端が第３の半導体素子アームの他端に接続され他端が高圧側平滑コンデンサの正極側端子に接続された第４の半導体素子アーム、および一端が第１の半導体素子アームと第２の半導体素子アームとの中間接続点に接続され他端が第３の半導体素子アームと第４の半導体素子アームとの中間接続点に接続された中間コンデンサを備え、
第１および第２の半導体素子アームにいずれもスイッチング素子とこのスイッチング素子と逆並列に接続されたダイオード素子との機能を持たせ、
第３および第４の半導体素子アームにいずれもダイオード素子の機能を持たせ、
第１および第２の半導体素子アームに持たせたスイッチング素子のオンオフスイッチング機能により、入力された低圧側平滑コンデンサの電圧を昇圧した電圧に変換して高圧側平滑コンデンサに出力する昇圧動作、または、
第３および第４の半導体素子アームにいずれもスイッチング素子とこのスイッチング素子と逆並列に接続されたダイオード素子との機能を持たせ、
第１および第２の半導体素子アームにいずれもダイオード素子の機能を持たせ、
第３および第４の半導体素子アームに持たせたスイッチング素子のオンオフスイッチング機能により、入力された高圧側平滑コンデンサの電圧を降圧した電圧に変換して低圧側平滑コンデンサに出力する降圧動作が可能なＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、
中間コンデンサの開放故障または短絡故障を検出する手段を備え、開放故障または短絡故障が検出された場合、第１および第２の半導体素子アームまたは第３および第４の半導体素子アームに持たせたスイッチング素子のオンオフスイッチングパターンを正常時のパターンと異なる所定のパターンに変更することにより昇圧動作または降圧動作を継続可能としたものである。

この発明は、以上のように、中間コンデンサに開放故障または短絡故障が生じた場合、第１および第２の半導体素子アームまたは第３および第４の半導体素子アームに持たせたスイッチング素子のオンオフスイッチングパターンを正常時のパターンと異なる所定のパターンに変更することにより昇圧動作または降圧動作を継続可能としたので、中間コンデンサの充電放電の機能に依拠することなく、昇圧動作または降圧動作が可能となる。

本発明の実施の形態１におけるＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。 本発明の実施の形態１におけるＤＣ／ＤＣコンバータの、出力電圧を入力電圧の２倍とする昇圧動作時のゲート信号と電圧波形とを示す図である。 本発明の実施の形態１におけるＤＣ／ＤＣコンバータの、出力電圧を入力電圧の１倍以上２倍以下とする昇圧動作時のゲート信号と電圧波形とを示す図である。 本発明の実施の形態１におけるＤＣ／ＤＣコンバータの、出力電圧を入力電圧の２倍以上とする昇圧動作時のゲート信号と電圧波形とを示す図である。 本発明の実施の形態１におけるＤＣ／ＤＣコンバータの中間コンデンサＣ１が開放故障した場合の等価回路である。 本発明の実施の形態１におけるＤＣ／ＤＣコンバータの中間コンデンサＣ１が開放故障した場合のゲート信号と電圧波形とを示す図である。 本発明の実施の形態１におけるＤＣ／ＤＣコンバータの中間コンデンサＣ１が短絡故障した場合の等価回路である。 本発明の実施の形態１におけるＤＣ／ＤＣコンバータの中間コンデンサＣ１が短絡故障した場合のゲート信号と電圧波形とを示す図である。 本発明の実施の形態２におけるＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。 本発明の実施の形態２におけるＤＣ／ＤＣコンバータの、出力電圧を入力電圧の０．５倍とする降圧動作時のゲート信号と電圧波形とを示す図である。 本発明の実施の形態２におけるＤＣ／ＤＣコンバータの、出力電圧を入力電圧の０．５倍以上１倍以下とする降圧動作時のゲート信号と電圧波形とを示す図である。 本発明の実施の形態２におけるＤＣ／ＤＣコンバータの、出力電圧を入力電圧の０．５倍以下とする降圧動作時のゲート信号と電圧波形とを示す図である。 本発明の実施の形態２におけるＤＣ／ＤＣコンバータの中間コンデンサＣ１が開放故障した場合の等価回路である。 本発明の実施の形態２におけるＤＣ／ＤＣコンバータの中間コンデンサＣ１が開放故障した場合のゲート信号と電圧波形とを示す図である。 本発明の実施の形態２におけるＤＣ／ＤＣコンバータの中間コンデンサＣ１が短絡故障した場合の等価回路である。 本発明の実施の形態２におけるＤＣ／ＤＣコンバータの中間コンデンサＣ１が短絡故障した場合のゲート信号と電圧波形とを示す図である。 本発明の実施の形態３におけるＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１におけるＤＣ／ＤＣコンバータの構成を示す回路図である。図１に示すＤＣ／ＤＣコンバータは、低圧側電圧である入力電圧Ｖｉｎを昇圧した高圧側電圧に変換して出力電圧Ｖｏｕｔとして出力する。

その主回路の構成要素として、入力電圧Ｖｉｎを保持する低圧側平滑コンデンサである入力側平滑コンデンサＣｉｎ、出力電圧Ｖｏｕｔを保持する高圧側平滑コンデンサである出力側平滑コンデンサＣｏｕｔ、エネルギの蓄勢放勢を行うコイルＬ、コイルＬと協働して電荷の充電放電を行う中間コンデンサＣ１、および互いに直列に接続され、負極側から順次配列された第１〜第４の半導体素子アームを備えている。

そして、図に示す極性で、第１および第２の半導体素子アームは、それぞれ、例えば、ＩＧＢＴ等の第１および第２のスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２とこのスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２と逆並列に接続された第１および第２のダイオードＤ１、Ｄ２とから、また、第３および第４の半導体素子アームは、それぞれダ第３および第４のダイオード素子Ｄ３、Ｄ４から構成されている。

更に、これら要素の接続構成について説明する。低圧側平滑コンデンサＣｉｎは、その正極側端子（図１では上方の端子）はコイルＬの一端に接続され、その負極側端子は、高圧側平滑コンデンサＣｏｕｔの負極側端子と第１のスイッチング素子Ｓ１のエミッタ端子とに接続されている。コイルＬの他端は、第２のスイッチング素子Ｓ２のコレクタ端子に接続されている。第４のダイオード素子Ｄ４のカソード端子は高圧側平滑コンデンサＣｏｕｔの正極側端子に接続されている。中間コンデンサＣ１は、その一端は第４のダイオード素子Ｄ４のアノード端子に、その他端は第１のスイッチング素子Ｓ１のコレクタ端子に接続されている。

次に、図１に示すＤＣ／ＤＣコンバータの３つの動作についてそれぞれ図２〜図４を参照して説明する。ここでは、簡単のために各図の電圧波形において、中間コンデンサＣ１の電圧は一定であるとして示してある。また、電圧波形図には、図１の点Ａ、点Ｂの電圧も示している。

最初に、出力電圧Ｖｏｕｔを入力電圧Ｖｉｎの２倍とするときの動作について説明する。このときの動作波形を図２に示す。このとき、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２はともにオンデューティ比０．５で位相は互いに１８０°ずれてオン／オフを繰り返す。
先ず、期間ｔ１で、スイッチング素子Ｓ１をオン、Ｓ２をオフにし、
Ｃｉｎ→Ｌ→Ｄ３→Ｃ１→Ｓ１→Ｃｉｎ
の経路で電流が流れ、入力側平滑コンデンサＣｉｎの電圧がコイルＬと中間コンデンサＣ１との直列回路に印加される。このとき、コイルＬは入力側平滑コンデンサＣｉｎと中間コンデンサＣ１との電圧差を吸収し、急激に電流が流れるのを防ぐ役割をする。

そして期間ｔ２で、スイッチング素子Ｓ１をオフ、Ｓ２をオンにし、
Ｃｉｎ→Ｌ→Ｓ２→Ｃ１→Ｄ４→Ｃｏｕｔ→Ｃｉｎ
の経路で電流が流れ、入力側平滑コンデンサＣｉｎとコイルＬと中間コンデンサＣ１との直列回路の電圧が出力側平滑コンデンサＣｏｕｔに印加される。このとき、コイルＬは入力側平滑コンデンサＣｉｎと中間コンデンサＣ１との電圧の和と出力側平滑コンデンサＣｏｕｔの電圧との電圧差を吸収し、急激に電流が流れるのを防ぐ役割をする。こうして、出力電圧Ｖｏｕｔとして入力電圧Ｖｉｎを２倍に昇圧した電圧が得られる。

次に、出力電圧Ｖｏｕｔを入力電圧Ｖｉｎの１倍から２倍の間の値とするときの動作について説明する。このときの動作波形を図３に示す。このとき、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２はともにオンデューティ比０．５以下で位相は互いに１８０°ずれてオン／オフを繰り返す。また、デューティ比を調節することで、出力電圧Ｖｏｕｔを調節可能でオンデューティ比が大きいほど出力電圧は高くなる。

先ず、期間ｔ３で、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２を両方オフにし、
Ｃｉｎ→Ｌ→Ｄ３→Ｄ４→Ｃｏｕｔ→Ｃｉｎ
の経路で電流が流れ、このとき、コイルＬはエネルギを放出する。そして期間ｔ４で、スイッチング素子Ｓ１をオン、Ｓ２をオフにし、
Ｃｉｎ→Ｌ→Ｄ３→Ｃ１→Ｓ１→Ｃｉｎ
の経路で電流が流れ、入力側平滑コンデンサＣｉｎとコイルＬとの直列回路の電圧が中間コンデンサＣ１に印加され、コイルＬはエネルギを蓄積し、中間コンデンサＣ１は充電される。このとき、コイルＬは期間ｔ３でエネルギを放出しているため、入力側平滑コンデンサＣｉｎの電圧と逆向きの電圧がかかり、入力側平滑コンデンサＣｉｎとコイルＬとの直列回路の電圧は入力電圧Ｖｉｎよりも低くなり、中間コンデンサＣ１は入力電圧Ｖｉｎよりも低い電圧に充電される。

そして期間ｔ５で、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２を両方オフにし、
Ｃｉｎ→Ｌ→Ｄ３→Ｄ４→Ｃｏｕｔ→Ｃｉｎ
の経路で電流が流れ、このとき、コイルＬはエネルギを放出する。そして期間ｔ６で、スイッチング素子Ｓ１をオフ、Ｓ２をオンにし、
Ｃｉｎ→Ｌ→Ｓ２→Ｃ１→Ｄ４→Ｃｏｕｔ→Ｃｉｎ
の経路で電流が流れ、入力側平滑コンデンサＣｉｎとコイルＬと中間コンデンサＣ１との直列回路の電圧が出力側平滑コンデンサＣｏｕｔに印加され、コイルＬはエネルギを蓄積する。このとき、コイルＬは期間ｔ５でエネルギを放出しているため、入力側平滑コンデンサＣｉｎの電圧と逆向きの電圧がかかり、入力側平滑コンデンサＣｉｎとコイルＬとの直列回路の電圧は入力電圧Ｖｉｎよりも低くなる。また、中間コンデンサＣ１も期間ｔ５で入力電圧Ｖｉｎよりも低い電圧に充電されているため、入力電圧Ｖｉｎの２倍より低い電圧が出力電圧Ｖｏｕｔにかかる。このように、出力電圧が入力電圧の１倍から２倍となる動作のとき、コイルＬによって入力電圧が低くなったような動作をする。

最後に、出力電圧Ｖｏｕｔを入力電圧Ｖｉｎの２倍以上とする動作について説明する。このときの動作波形を図４に示す。このとき、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２はともにオンデューティ比０．５以上で位相は互いに１８０°ずれてオン／オフを繰り返す。また、デューティ比を調節することで、出力電圧Ｖｏｕｔを調節可能でオンデューティ比が大きいほど出力電圧は高くなる。

先ず、期間ｔ７で、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２を両方オンにし、
Ｃｉｎ→Ｌ→Ｓ２→Ｓ１→Ｃｉｎ
の経路で電流が流れ、コイルＬにエネルギが蓄積される。そして期間ｔ８で、スイッチング素子Ｓ１をオン、Ｓ２をオフにし、
Ｃｉｎ→Ｌ→Ｄ３→Ｃ１→Ｓ１→Ｃｉｎ
の経路で電流が流れ、入力側平滑コンデンサＣｉｎとコイルＬとの直列回路の電圧が中間コンデンサＣ１に印加され、コイルＬはエネルギを放出する。このとき、コイルＬは期間ｔ７でエネルギが蓄積されているため、入力電圧Ｖｉｎと同じ向きの電圧がかかり、入力側平滑コンデンサＣｉｎとコイルＬとの直列回路の電圧は入力電圧Ｖｉｎよりも高くなり、中間コンデンサＣ１は入力電圧Ｖｉｎよりも高い電圧に充電される。

そして期間ｔ９で、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２を両方オンにし、
Ｃｉｎ→Ｌ→Ｓ２→Ｓ１→Ｃｉｎ
の経路で電流が流れ、コイルＬにエネルギが蓄積される。そして期間ｔ１０で、スイッチング素子Ｓ１をオフ、Ｓ２をオンにし、
Ｃｉｎ→Ｌ→Ｓ２→Ｃ１→Ｄ４→Ｃｏｕｔ→Ｃｉｎ
の経路で電流が流れ、コイルＬと中間コンデンサＣ１と入力側平滑コンデンサＣｉｎとの直列回路の電圧が出力側平滑コンデンサＣｏｕｔに印加され、コイルＬはエネルギを放出する。コイルＬには期間ｔ９でエネルギが蓄積されているので、入力電圧Ｖｉｎと同じ向きの電圧がかかり、入力側平滑コンデンサＣｉｎとコイルＬとの直列回路の電圧は入力電圧Ｖｉｎよりも高くなる。さらに、中間コンデンサＣ１は期間ｔ８で入力電圧Ｖｉｎより高い電圧に充電されているので、出力側平滑コンデンサＣｏｕｔには入力電圧の２倍より高い電圧がかかる。このように、出力電圧Ｖｏｕｔが入力電圧Ｖｉｎの２倍以上となる動作のとき、コイルＬによって入力電圧Ｖｉｎが高くなったような動作をする。

図１のＤＣ／ＤＣコンバータは、以上のような動作をすることにより、入力電圧を昇圧して出力することができる。
しかし、ここで中間コンデンサＣ１が開放故障した場合は上記で説明した回路が構成されず昇圧の動作をしない。また、短絡故障した場合は、故障した中間コンデンサＣ１が抵抗体となり、エネルギをうまく送れなくなる。即ち、中間コンデンサＣ１の故障で、ＤＣ／ＤＣコンバータはその昇圧動作を停止し運用上支障を及ぼすことになる。
そこで、本願実施の形態１におけるＤＣ／ＤＣコンバータは、中間コンデンサＣ１が開放故障または短絡故障した場合には、スイッチング素子の動作方法を正常時の方法から変更することで昇圧動作の継続を可能とし運用上の信頼性を向上させるものである。

なお、中間コンデンサＣ１の故障は、図１では図示を省略しているが、例えば、中間コンデンサＣ１および出力電圧Ｖｏｕｔを常時検出しておき両者の出力値を基に中間コンデンサＣ１の開放故障または短絡故障の発生を判別する手段を設け、この判別手段の出力により判断する。

先ず、図５に、中間コンデンサＣ１が開放故障した場合の等価回路を示す。また、図６に、中間コンデンサＣ１が開放故障したときの動作波形を示す。このとき、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２は同時にオン／オフを繰り返す。そして、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２のオンデューティ比を調節することで、出力電圧Ｖｏｕｔを調節可能でオンデューティ比が大きいほど出力電圧は高くなる。
このときの動作は、期間ｔ１１で、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２を同時にオンすると、 Ｃｉｎ→Ｌ→Ｓ２→Ｓ１→Ｃｉｎ
の経路で電流が流れ、コイルＬにエネルギが蓄積され、期間ｔ１２で、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２を同時にオフすると、
Ｃｉｎ→Ｄ３→Ｄ４→Ｃｏｕｔ→Ｃｉｎ
の経路で電流が流れ、先ほどコイルＬに蓄えられたエネルギによって、入力電圧Ｖｉｎより高い電圧が出力電圧Ｖｏｕｔに得られる。このような動作をすることにより、ＤＣ／ＤＣコンバータは、中間コンデンサＣ１が開放故障しても電圧を昇圧することができる。

次に、図７に、中間コンデンサＣ１が短絡故障した場合の等価回路を示す。また、図８に、中間コンデンサＣ１が短絡故障したときの動作波形を示す。このとき、スイッチング素子Ｓ２は常時オンで、スイッチング素子Ｓ１はオン／オフを繰り返す。そして、スイッチング素子Ｓ１のオンデューティ比を調節することで、出力電圧Ｖｏｕｔを調節可能でオンデューティ比が大きいほど出力電圧は高くなる。
このときの動作は、期間ｔ１３で、スイッチング素子Ｓ２は常時オンで、Ｓ１をオンすると、
Ｃｉｎ→Ｌ→Ｓ２→Ｓ１→Ｃｉｎ
の経路でコイルＬにエネルギが蓄積され、期間ｔ１４で、スイッチング素子Ｓ１をオフすると、
経路１：Ｃｉｎ→Ｌ→Ｓ２→Ｃ１（短絡）→Ｄ４→Ｃｏｕｔ→Ｃｉｎ、
または、
経路２：Ｃｉｎ→Ｌ→Ｄ３→Ｄ４→Ｃｏｕｔ→Ｃｉｎ
のいずれか損失が少ない方の経路で電流が流れ、先ほどコイルＬに蓄えられたエネルギによって、入力電圧より高い出力電圧が得られる。

電流が経路１で流れる場合、スイッチング素子Ｓ１とＳ２を同時にオン／オフするよりも、損失が少なくなる。このような動作をすることにより、ＤＣ／ＤＣコンバータは、第１コンデンサＣ１が短絡故障しても電圧を昇圧することができる。

以上のように、本願実施の形態１におけるＤＣ／ＤＣコンバータは、中間コンデンサＣ１に開放故障や短絡故障が発生しても、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２のオンオフスイッチングパターンを正常時のパターンと異なるパターンに変更することにより昇圧動作が継続可能となる。
このように、中間コンデンサＣ１をその故障に備えて常備する必要が無くなり部品の減量化となり、たとえ、中間コンデンサＣ１が故障してもスイッチング素子の動作方法を正常時の方法から変更することで昇圧動作の継続を可能とし運用上の信頼性を向上させるものである。
例えば、この発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータを搭載したＥＶ（電気自動車）やＨＥＶ（ハイブリッドカー）が、路上でその中間コンデンサが故障して正常に動作しなくなった場合、そのスイッチングパターンを変更することでコンバータとしての動作を継続させ、ＥＶ，ＨＥＶを後続車両の邪魔にならないよう移動させることができる。

実施の形態２．
図９は本発明の実施の形態２におけるＤＣ／ＤＣコンバータの構成を示す回路図である。図９に示すＤＣ／ＤＣコンバータは、高圧側電圧である入力電圧Ｖｉｎを降圧した低圧側電圧に変換して出力電圧Ｖｏｕｔとして出力する。

その主回路の構成要素として、入力電圧Ｖｉｎを保持する高圧側平滑コンデンサである入力側平滑コンデンサＣｉｎ、出力電圧Ｖｏｕｔを保持する低圧側平滑コンデンサである出力側平滑コンデンサＣｏｕｔ、エネルギの蓄勢放勢を行うコイルＬ、コイルＬと協働して電荷の充電放電を行う中間コンデンサＣ１、および互いに直列に接続され、負極側から順次配列された第１〜第４の半導体素子アームを備えている。

そして、図に示す極性で、第１および第２の半導体素子アームは、それぞれ第１および第２のダイオード素子Ｄ１、Ｄ２から、また、第３および第４の半導体素子アームは、例えば、ＩＧＢＴ等の第３および第４のスイッチング素子Ｓ３、Ｓ４とこのスイッチング素子Ｓ３、Ｓ４と逆並列に接続された第３および第４のダイオード素子Ｄ３、Ｄ４とから構成されている。

更に、これら要素の接続構成について説明する。低圧側平滑コンデンサＣｏｕｔは、その正極側端子（図９では上方の端子）はコイルＬの一端に接続され、その負極側端子は、高圧側平滑コンデンサＣｉｎの負極側端子と第１のダイオード素子Ｄ１のアノード端子とに接続されている。コイルＬの他端は、第２のダイオード素子Ｄ２のカソード端子に接続されている。第４のスイッチング素子Ｓ４のコレクタ端子は高圧側平滑コンデンサＣｉｎの正極側端子に接続されている。中間コンデンサＣ１は、その一端は第４のスイッチング素子Ｓ４のエミッタ端子に、その他端は第１のダイオード素子Ｄ１のカソード端子に接続されている。

次に、図９に示すＤＣ／ＤＣコンバータの３つの動作についてそれぞれ図１０〜図１２を参照して説明する。ここでは、簡単のために各図の電圧波形において、中間コンデンサＣ１の電圧は一定であるとして示してある。また、電圧波形図には、図９の点Ａ、点Ｂの電圧も示している。

最初に、出力電圧Ｖｏｕｔを入力電圧Ｖｉｎの０．５倍とするときの動作について説明する。このときの動作波形を図１０に示す。このとき、スイッチング素子Ｓ３、Ｓ４はともにオンデューティ比０．５で位相は互いに１８０°ずれてオン／オフを繰り返す。
先ず、期間ｔ１５で、スイッチング素子Ｓ３をオフ、Ｓ４をオンにし、
Ｃｉｎ→Ｓ４→Ｃ１→Ｄ２→Ｌ→Ｃｏｕｔ→Ｃｉｎ
の経路で電流が流れ、入力側平滑コンデンサＣｉｎの電圧が中間コンデンサＣ１とコイルＬと出力側平滑コンデンサＣｏｕｔとの直列回路に印加される。このとき、コイルＬは入力側平滑コンデンサＣｉｎの電圧と中間コンデンサＣ１および出力側平滑コンデンサＣｏｕｔの電圧の和との電圧差を吸収し、急激に電流が流れるのを防ぐ役割をする。

そして期間ｔ１６で、スイッチング素子Ｓ３をオン、Ｓ４をオフにし、
Ｃ１→Ｓ３→Ｌ→Ｃｏｕｔ→Ｄ１→Ｃ１
の経路で電流が流れ、中間コンデンサＣ１とコイルＬとの直列回路の電圧がＣｏｕｔに印加され、入力電圧Ｖｉｎを０．５倍に降圧した電圧が得られる。このとき、コイルＬは中間コンデンサＣ１の電圧と出力側平滑コンデンサＣｏｕｔの電圧との電圧差を吸収し、急激に電流が流れるのを防ぐ役割をする。

次に、出力電圧Ｖｏｕｔを入力電圧Ｖｉｎの０．５倍以上１倍以下の値とするときの動作について説明する。このときの動作波形を図１１に示す。このとき、スイッチング素子Ｓ３、Ｓ４はともにオンデューティ比０．５以上で位相は互いに１８０°ずれてオン／オフを繰り返す。また、デューティ比を調節することで、出力電圧Ｖｏｕｔを調節可能でオンデューティ比が大きいほど出力電圧は高くなる。

先ず、期間ｔ１７で、スイッチング素子Ｓ３、Ｓ４を両方オンすることにより、
Ｃｉｎ→Ｓ４→Ｓ３→Ｌ→Ｃｏｕｔ→Ｃｉｎ
の経路で電流が流れ、入力側平滑コンデンサＣｉｎの電圧が出力側平滑コンデンサＣｏｕｔとコイルＬとの直列回路に印加され、コイルＬにエネルギが蓄積される。次に期間ｔ１８で、スイッチング素子Ｓ３をオフ、Ｓ４をオンすることにより、
Ｃｉｎ→Ｓ４→Ｃ１→Ｄ２→Ｌ→Ｃｏｕｔ→Ｃｉｎ
の経路で電流が流れ、入力側平滑コンデンサＣｉｎの電圧が中間コンデンサＣ１、コイルＬ、出力側平滑コンデンサＣｏｕｔの直列回路に印加され、コイルＬに蓄積されたエネルギは放出される。

次に、期間ｔ１９で、スイッチング素子Ｓ３、Ｓ４の両方がオンすることにより、
Ｃｉｎ→Ｓ４→Ｓ３→Ｌ→Ｃｏｕｔ→Ｃｉｎ
の経路で電流が流れ、入力側平滑コンデンサＣｉｎの電圧がコイルＬと出力側平滑コンデンサＣｏｕｔの直列回路に印加され、コイルＬにエネルギが蓄積される。そして期間ｔ２０で、スイッチング素子Ｓ３がオン、Ｓ４がオフすることにより、
Ｃ１→Ｓ３→Ｌ→Ｃｏｕｔ→Ｄ１→Ｃ１
の経路で電流が流れ、中間コンデンサＣ１の電圧がコイルＬと出力側平滑コンデンサＣｏｕｔとの直列回路に印加され、コイルＬに蓄えられたエネルギは放出される。このとき、コイルＬには、中間コンデンサＣ１の電圧と同じ向きの電圧がかかり、中間コンデンサＣ１とコイルＬとの直列回路の電圧は入力電圧の０．５倍よりも高くなる。このようにして、入力電圧を０．５倍以上１倍以下に降圧した電圧を出力する。

最後に、出力電圧Ｖｏｕｔを入力電圧Ｖｉｎの０．５倍以下とするときの動作について説明する。このときの動作波形を図１２に示す。このとき、スイッチング素子Ｓ３、Ｓ４はともにオンデューティ比０．５以下で位相は互いに１８０°ずれてオン／オフを繰り返す。また、デューティ比を調節することで、出力電圧Ｖｏｕｔを調節可能でオンデューティ比が大きいほど出力電圧は高くなる。

先ず、期間ｔ２１で、スイッチング素子Ｓ３、Ｓ４の両方がオフすることにより、
Ｄ１→Ｄ２→Ｌ→Ｃｏｕｔ→Ｄ１
の経路で電流が流れ、コイルＬからエネルギが放出される。次に、期間ｔ２２で、スイッチング素子Ｓ３がオフ、Ｓ４がオンすることにより、
Ｃｉｎ→Ｓ４→Ｃ１→Ｄ２→Ｌ→Ｃｏｕｔ→Ｃｉｎ
の経路で電流が流れ、入力側平滑コンデンサＣｉｎの電圧が中間コンデンサＣ１とコイルＬと出力側平滑コンデンサＣｏｕｔとの直列回路に印加され、コイルＬにエネルギが蓄積される。

次に、期間ｔ２３で、スイッチング素子Ｓ３、Ｓ４の両方がオフすることにより、
Ｄ１→Ｄ２→Ｌ→Ｃｏｕｔ→Ｄ１
の経路で電流が流れ、コイルＬからエネルギが放出される。そして期間ｔ２４で、スイッチング素子Ｓ３がオン、Ｓ４がオフすることにより、
Ｃ１→Ｓ３→Ｌ→Ｃｏｕｔ→Ｄ１→Ｃ１
の経路で電流が流れ、中間コンデンサＣ１の電圧がコイルＬと出力側平滑コンデンサＣｏｕｔとの直列回路に印加され、コイルＬに蓄えられたエネルギは放出される。このとき、コイルＬには、中間コンデンサＣ１の電圧と逆向きの電圧がかかり、中間コンデンサＣ１とコイルＬとの直列回路の電圧は入力電圧の０．５倍よりも低くなる。このようにして、入力電圧を０．５倍以下に降圧した電圧を出力する。

図９のＤＣ／ＤＣコンバータは、以上のような動作をすることにより、入力電圧を降圧して出力することができる。
しかし、ここで中間コンデンサＣ１が開放故障した場合は上記で説明した回路が構成されず降圧の動作をしない。また、短絡故障した場合は、故障した中間コンデンサＣ１が抵抗体となり、エネルギをうまく送れなくなる。即ち、中間コンデンサＣ１の故障で、ＤＣ／ＤＣコンバータはその降圧動作を停止し運用上支障を及ぼすことになる。
そこで、本願実施の形態２におけるＤＣ／ＤＣコンバータは、中間コンデンサＣ１が開放故障または短絡故障した場合には、スイッチング素子の動作方法を正常時の方法から変更することで降圧動作の継続を可能とし運用上の信頼性を向上させるものである。

なお、中間コンデンサＣ１の故障は、図９では図示を省略しているが、例えば、中間コンデンサＣ１および入力電圧Ｖｉｎを常時検出しておき両者の出力値を基に中間コンデンサＣ１の開放故障または短絡故障の発生を判別する手段を設け、この判別手段の出力により判断する。

先ず、図１３に、中間コンデンサＣ１が開放故障した場合の等価回路を示す。また、図１４に、中間コンデンサＣ１が開放故障したときの動作波形を示す。このとき、スイッチング素子Ｓ３、Ｓ４は同時にオン／オフを繰り返す。そして、スイッチング素子Ｓ３、Ｓ４のオンデューティ比を調節することで、出力電圧Ｖｏｕｔを調節可能でオンデューティ比が大きいほど出力電圧は高くなる。
このときの動作は、期間ｔ２５でスイッチング素子Ｓ３、Ｓ４を同時にオンすると、
Ｃｉｎ→Ｓ４→Ｓ３→Ｌ→Ｃｏｕｔ→Ｃｉｎ
の経路で電流が流れ、入力側平滑コンデンサＣｉｎの電圧がコイルＬと出力側平滑コンデンサＣｏｕｔとの直列回路に印加され、コイルＬにエネルギが蓄積される。期間ｔ２６でスイッチング素子Ｓ３、Ｓ４を同時にオフすると、
Ｄ１→Ｄ２→Ｌ→Ｃｏｕｔ→Ｄ１
の経路で電流が流れ、先ほどコイルＬに蓄えられたエネルギが放出され、入力電圧Ｖｉｎより低い電圧が出力電圧Ｖｏｕｔに得られる。このような動作をすることにより、ＤＣ／ＤＣコンバータは、中間コンデンサＣ１が開放故障しても電圧を降圧することができる。

次に、図１５に、中間コンデンサＣ１が短絡故障した場合の等価回路を示す。また、図１６に、中間コンデンサＣ１が短絡故障したときの動作波形を示す。このとき、スイッチング素子Ｓ３は常時オンで、スイッチング素子Ｓ４はオン／オフを繰り返す。そして、スイッチング素子Ｓ４のオンデューティ比を調節することで、出力電圧Ｖｏｕｔを調節可能でオンデューティ比が大きいほど出力電圧は高くなる。
このときの動作は、期間ｔ２７で、スイッチング素子Ｓ３は常時オンで、スイッチング素子Ｓ４をオンすると、
Ｃｉｎ→Ｓ４→Ｓ３→Ｌ→Ｃｏｕｔ→Ｃｉｎ
の経路で電流が流れ、入力側平滑コンデンサＣｉｎの電圧がコイルＬと出力側平滑コンデンサＣｏｕｔとの直列回路に印加され、コイルＬにエネルギが蓄積される。期間ｔ２８で、スイッチング素子Ｓ４をオフすると、
経路１：Ｄ１→Ｃ１（短絡）→Ｓ３→Ｌ→Ｃｏｕｔ→Ｄ１、
または、
経路２：Ｄ１→Ｄ２→Ｌ→Ｃｏｕｔ→Ｄ１
のいずれか損失が少ない方の経路で電流が流れ、先ほどコイルＬに蓄えられたエネルギによって、入力電圧Ｖｉｎより低い出力電圧が得られる。

電流が経路１に流れる場合、スイッチング素子Ｓ３とＳ４を同時にオン／オフするよりも、損失が少なくなる。このような動作をすることにより、ＤＣ／ＤＣコンバータは、中間コンデンサＣ１が短絡故障しても電圧を降圧することができる。

以上のように、本願実施の形態２におけるＤＣ／ＤＣコンバータは、中間コンデンサＣ１に開放故障や短絡故障が発生しても、スイッチング素子Ｓ３、Ｓ４のオンオフスイッチングパターンを正常時のパターンと異なるパターンに変更することにより降圧動作が継続可能となる。
このように、中間コンデンサＣ１をその故障に備えて常備する必要が無くなり部品の減量化となり、たとえ、中間コンデンサＣ１が故障してもスイッチング素子の動作方法を正常時の方法から変更することで降圧動作の継続を可能とし運用上の信頼性を向上させるものである。

実施の形態３．
図１７は本発明の実施の形態３におけるＤＣ／ＤＣコンバータの構成を示す回路図である。図１７に示すＤＣ／ＤＣコンバータは、Ｖｉｎ側からＶｏｕｔ側にエネルギを送る場合は昇圧動作、Ｖｏｕｔ側からＶｉｎ側にエネルギを送る場合は降圧動作を行い、双方向にエネルギを送ることができる。

その主回路の構成要素として、入力電圧Ｖｉｎを保持する低圧側平滑コンデンサである入力側平滑コンデンサＣｉｎ、出力電圧Ｖｏｕｔを保持する高圧側平滑コンデンサである出力側平滑コンデンサＣｏｕｔ、エネルギの蓄勢放勢を行うコイルＬ、コイルＬと協働して電荷の充電放電を行う中間コンデンサＣ１、および互いに直列に接続され、負極側から順次配列された第１〜第４の半導体素子アームを備えている。

そして、図に示す極性で、第１ないし第４の半導体素子アームは、それぞれ、例えば、ＩＧＢＴ等の第１ないし第４のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４とこのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４と逆並列に接続された第１ないし第４のダイオード素子Ｄ１〜Ｄ４とから構成されている。

更に、これら要素の接続構成について説明する。低圧側平滑コンデンサＣｉｎは、その正極側端子（図１７では上方の端子）はコイルＬの一端に接続され、その負極側端子は、高圧側平滑コンデンサＣｏｕｔの負極側端子と第１のスイッチング素子Ｓ１のエミッタ端子とに接続されている。コイルＬの他端は、第２のスイッチング素子Ｓ２のコレクタ端子に接続されている。第４のスイッチング素子Ｓ４のコレクタ端子は高圧側平滑コンデンサＣｏｕｔの正極側端子に接続されている。中間コンデンサＣ１は、その一端は第４のスイッチング素子Ｓ４のエミッタ端子に、その他端は第１のスイッチング素子Ｓ１のコレクタ端子に接続されている。

次に、図１７に示すＤＣ／ＤＣコンバータの昇圧動作時は、スイッチング素子Ｓ３、Ｓ４は常時オフとし、第３および第４の半導体素子アームはともにダイオード素子として機能させる。そして、第１および第２のスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２を、先の実施の形態１と全く同様のパターンでオンオフ動作させることにより、中間コンデンサＣ１故障時も含めてＶｉｎ側からＶｏｕｔ側にエネルギを送るときの昇圧動作を行うことができる。

また、降圧動作時は、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２は常時オフとし、第１および第２の半導体素子アームはともにダイオード素子として機能させる。そして、第３および第４のスイッチング素子Ｓ３、Ｓ４を、先の実施の形態２と全く同様のパターンでオンオフ動作させることにより、中間コンデンサＣ１故障時も含めてＶｏｕｔ側からＶｉｎ側にエネルギを送るときの降圧動作を行うことができる。

以上のように、本願実施の形態３におけるＤＣ／ＤＣコンバータは、Ｖｉｎ側からＶｏｕｔ側にエネルギを送る昇圧動作、Ｖｏｕｔ側からＶｉｎ側にエネルギを送る降圧動作の双方向の変換動作が可能で、中間コンデンサＣ１に開放故障や短絡故障が発生しても、昇圧動作時には、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２のオンオフスイッチングパターンを正常時のパターンと異なるパターンに変更することにより昇圧動作が継続可能となり、降圧動作時には、スイッチング素子Ｓ３、Ｓ４のオンオフスイッチングパターンを正常時のパターンと異なるパターンに変更することにより降圧動作が継続可能となる。

Ｌ コイル、Ｃ１ 中間コンデンサ、Ｓ１〜Ｓ４ 第１〜第４スイッチング素子、
Ｄ１〜Ｄ４ 第１〜第４ダイオード素子。

Claims (8)

1. 低圧側電圧を保持する低圧側平滑コンデンサ、負極側端子が前記低圧側平滑コンデンサの負極側端子に接続され高圧側電圧を保持する高圧側平滑コンデンサ、一端が前記低圧側平滑コンデンサの負極側端子に接続された第１の半導体素子アーム、一端が前記第１の半導体素子アームの他端に接続され他端がコイルを介して前記低圧側平滑コンデンサの正極側端子に接続された第２の半導体素子アーム、一端が前記第２の半導体素子アームの他端に接続された第３の半導体素子アーム、一端が前記第３の半導体素子アームの他端に接続され他端が前記高圧側平滑コンデンサの正極側端子に接続された第４の半導体素子アーム、および一端が前記第１の半導体素子アームと前記第２の半導体素子アームとの中間接続点に接続され他端が前記第３の半導体素子アームと前記第４の半導体素子アームとの中間接続点に接続された中間コンデンサを備え、
   前記第１および第２の半導体素子アームにいずれもスイッチング素子とこのスイッチング素子と逆並列に接続されたダイオード素子との機能を持たせ、
   前記第３および第４の半導体素子アームにいずれもダイオード素子の機能を持たせ、
   前記第１および第２の半導体素子アームに持たせたスイッチング素子のオンオフスイッチング機能により、入力された前記低圧側平滑コンデンサの電圧を昇圧した電圧に変換して前記高圧側平滑コンデンサに出力する昇圧動作、または、
   前記第３および第４の半導体素子アームにいずれもスイッチング素子とこのスイッチング素子と逆並列に接続されたダイオード素子との機能を持たせ、
   前記第１および第２の半導体素子アームにいずれもダイオード素子の機能を持たせ、
   前記第３および第４の半導体素子アームに持たせたスイッチング素子のオンオフスイッチング機能により、入力された前記高圧側平滑コンデンサの電圧を降圧した電圧に変換して前記低圧側平滑コンデンサに出力する降圧動作が可能なＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、
   前記中間コンデンサの開放故障または短絡故障を検出する手段を備え、前記開放故障または短絡故障が検出された場合、前記第１および第２の半導体素子アームまたは前記第３および第４の半導体素子アームに持たせたスイッチング素子のオンオフスイッチングパターンを正常時のパターンと異なる所定のパターンに変更することにより昇圧動作または降圧動作を継続可能としたことを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ。
2. 前記昇圧動作において前記中間コンデンサの開放故障が検出された場合、
   前記第１の半導体素子アームに持たせた第１のスイッチング素子と前記第２の半導体素子アームに持たせた第２のスイッチング素子とを互いに同時にオンオフさせるパターンに変更することを特徴とする請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
3. 前記昇圧動作において前記中間コンデンサの短絡故障が検出された場合、
   前記第２の半導体素子アームに持たせた第２のスイッチング素子は常時オンさせ、前記第１の半導体素子アームに持たせた第１のスイッチング素子をオンオフさせるパターンに変更することを特徴とする請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
4. 前記降圧動作において前記中間コンデンサの開放故障が検出された場合、
   前記第３の半導体素子アームに持たせた第３のスイッチング素子と前記第４の半導体素子アームに持たせた第４のスイッチング素子とを互いに同時にオンオフさせるパターンに変更することを特徴とする請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
5. 前記降圧動作において前記中間コンデンサの短絡故障が検出された場合、
   前記第３の半導体素子アームに持たせた第３のスイッチング素子は常時オンさせ、前記第４の半導体素子アームに持たせた第４のスイッチング素子をオンオフさせるパターンに変更することを特徴とする請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
6. 前記第１および第２の半導体素子アームはいずれもスイッチング素子とこのスイッチング素子と逆並列に接続されたダイオード素子とで構成し、前記第３および第４の半導体素子アームはいずれもダイオード素子で構成し、前記昇圧動作を行うことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
7. 前記第３および第４の半導体素子アームはいずれもスイッチング素子とこのスイッチング素子と逆並列に接続されたダイオード素子とで構成し、前記第１および第２の半導体素子アームはいずれもダイオード素子で構成し、前記降圧動作を行うことを特徴とする請求項１、４、５のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
8. 前記第１ないし第４の半導体素子アームはいずれもスイッチング素子とこのスイッチング素子と逆並列に接続されたダイオード素子とで構成し、
   前記昇圧動作を行うときは、前記第３および第４の半導体素子アームを構成する第３および第４のスイッチング素子を常時オフとし、
   前記降圧動作を行うときは、前記第１および第２の半導体素子アームを構成する第１および第２のスイッチング素子を常時オフとすることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。

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