JP2012019677A - Electric power transmitting insulator circuit, and electric power converting device - Google Patents

Electric power transmitting insulator circuit, and electric power converting device Download PDF

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剛 有吉
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve reliability by detecting failures of a switch element with an inexpensive structure, in a circuit transmitting electric power while insulating an input side and an output side.SOLUTION: An electric power transmitting insulator circuit 101 comprises an input switch portion 21 including switches Z1 and Z2, and supplying electric power received at a first end T1 of the switch Z1 and a first end T3 of the switch Z2 to a first storage element C1; an output switch portion 22 including switches Z3 and Z4, and supplying the electric power stored in the first storage element C1 to a second storage element C2; and a control portion 14 detecting failures of the first switch element Z1 or the forth switch element Z4 on the basis of the both end voltage of the first storage element C1 detected by a first voltage detecting portion 11 and the both end voltage of the second storage element C2 detecting by a second voltage detecting portion 12.

Description

本発明は、電力伝達用絶縁回路および電力変換装置に関し、特に、入力側および出力側間を絶縁しながら電力を伝達する電力伝達用絶縁回路および電力変換装置に関する。   The present invention relates to an insulating circuit for power transmission and a power converter, and more particularly to an insulating circuit for power transmission and a power converter that transmit power while insulating between an input side and an output side.

一般家庭の交流電力を用いて電気自動車(EV:Electric Vehicle)およびプラグイン方式のハイブリッドカー(HV:Hybrid Vehicle)等の駆動用の主電池を充電するための電力変換装置が開発されている。   2. Description of the Related Art Power converters for charging driving main batteries such as electric vehicles (EV) and plug-in hybrid vehicles (HV) using ordinary household AC power have been developed.

このようなEV等の主電池への充電を目的とするものではないが、交流電力を直流電力に変換する電源装置用絶縁回路の一例が、たとえば、特許第3595329号公報(特許文献1)に記載されている。すなわち、この電源装置用絶縁回路は、交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、上記整流回路から供給される直流電流に残存する脈流成分を低減する第1のコンデンサーと、上記第1のコンデンサーから供給される直流電流のプラス側およびマイナス側を同時に開閉する第1のスイッチ回路と、上記第1のスイッチ回路から供給される電流を蓄積する第2のコンデンサーと、上記第2のコンデンサーから供給される直流電流のプラス側およびマイナス側を同時に開閉する第2のスイッチ回路と、上記第2のスイッチ回路から供給される電流を保持するとともに負荷側に放出する第3のコンデンサーとを備える。また、ONとなる時間がOFFとなる時間よりも短く設定された方形波によって構成されるコントロール信号φ1、および上記コントロール信号φ1と相補的にONするとともにON時間がOFF時間よりも短く設定されたコントロール信号φ2を生成するゲートコントロール回路を備える。上記コントロール信号φ1により上記第1のスイッチ回路の開閉を行い、上記コントロール信号φ2により上記第2のスイッチ回路の開閉を行なう。このような構成により、大きな容積を占める電源トランスを使用することなく交流電圧を直流電圧に変換し、かつ交流電源側と負荷側とを電気的に絶縁することができる。   Although not intended to charge such a main battery such as an EV, an example of an insulating circuit for a power supply device that converts AC power into DC power is disclosed in, for example, Japanese Patent No. 3595329 (Patent Document 1). Are listed. That is, the power supply device insulating circuit includes a rectifier circuit that converts an AC voltage into a DC voltage, a first capacitor that reduces a pulsating current component remaining in a DC current supplied from the rectifier circuit, and the first capacitor. A first switch circuit that simultaneously opens and closes a positive side and a negative side of a direct current supplied from a capacitor; a second capacitor that stores current supplied from the first switch circuit; and a second capacitor A second switch circuit that simultaneously opens and closes a positive side and a negative side of the supplied direct current; and a third capacitor that holds the current supplied from the second switch circuit and discharges the current to the load side. Further, the ON time is set shorter than the OFF time while the ON time is set to be complementary to the control signal φ1 configured by the square wave set shorter than the OFF time and the control signal φ1. A gate control circuit for generating the control signal φ2 is provided. The first switch circuit is opened and closed by the control signal φ1, and the second switch circuit is opened and closed by the control signal φ2. With such a configuration, an AC voltage can be converted to a DC voltage without using a power transformer that occupies a large volume, and the AC power supply side and the load side can be electrically insulated.

特許第3595329号公報Japanese Patent No. 3595329

特許文献1に記載の電源装置用絶縁回路では、各スイッチ回路におけるスイッチ素子が故障して短絡した場合、入力側および出力側間の絶縁が確保できない可能性がある。しかしながら、特許文献1には、このような問題に対処するための構成は開示されていない。   In the insulation circuit for a power supply device described in Patent Document 1, when a switch element in each switch circuit fails and is short-circuited, there is a possibility that insulation between the input side and the output side cannot be ensured. However, Patent Document 1 does not disclose a configuration for dealing with such a problem.

この発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、その目的は、入力側および出力側間を絶縁しながら電力を伝達する回路において、低コストな構成でスイッチ素子の故障を検出することにより、回路の信頼性を向上させることが可能な電力伝達用絶縁回路および電力変換装置を提供することである。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to detect a failure of a switch element with a low-cost configuration in a circuit that transmits power while insulating the input side and the output side. Accordingly, it is an object to provide an insulating circuit for power transmission and a power conversion device capable of improving the reliability of the circuit.

上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる電力伝達用絶縁回路は、第1端および第2端を有する第1の蓄電素子と、第1端および第2端を有する第2の蓄電素子と、第1端、および上記第1の蓄電素子の第1端と電気的に接続された第2端を有する第1のスイッチ素子、ならびに第1端、および上記第1の蓄電素子の第2端と電気的に接続された第2端を有する第2のスイッチ素子を含み、上記第1のスイッチ素子の第1端および上記第2のスイッチ素子の第1端において受けた電力を上記第1の蓄電素子に供給するための入力スイッチ部と、上記第1の蓄電素子の第1端と上記第2の蓄電素子の第1端との間に接続された第3のスイッチ素子および上記第1の蓄電素子の第2端と上記第2の蓄電素子の第2端との間に接続された第4のスイッチ素子を含み、上記第1の蓄電素子に蓄えられた電力を上記第2の蓄電素子に供給するための出力スイッチ部と、上記第1の蓄電素子の両端電圧を検出するための第1の電圧検出部と、上記第2の蓄電素子の両端電圧を検出するための第2の電圧検出部と、上記第1の電圧検出部によって検出された上記第1の蓄電素子の両端電圧、および上記第2の電圧検出部によって検出された上記第2の蓄電素子の両端電圧に基づいて、上記第1のスイッチ素子ないし上記第4のスイッチ素子の故障を検出するための制御部とを備え、上記制御部は、上記第1の蓄電素子の両端電圧と上記第2の蓄電素子の両端電圧との差に基づいて上記第3のスイッチ素子および上記第4のスイッチ素子の故障を検出する。   In order to solve the above-described problem, an insulating circuit for power transmission according to an aspect of the present invention includes a first power storage element having a first end and a second end, and a second power having a first end and a second end. A first switch element having a power storage element, a first end, and a second end electrically connected to the first end of the first power storage element; a first end; and the first power storage element. A second switch element having a second end electrically connected to the second end, wherein the power received at the first end of the first switch element and the first end of the second switch element is An input switch unit for supplying to the first power storage element; a third switch element connected between a first end of the first power storage element and a first end of the second power storage element; and Connected between the second end of the first power storage element and the second end of the second power storage element. An output switch unit for supplying power stored in the first power storage element to the second power storage element, and for detecting a voltage across the first power storage element. First voltage detection unit, a second voltage detection unit for detecting a voltage across the second power storage element, and both ends of the first power storage element detected by the first voltage detection unit A control unit for detecting a failure of the first switch element to the fourth switch element based on the voltage and the voltage across the second power storage element detected by the second voltage detection unit; And the controller detects a failure of the third switch element and the fourth switch element based on a difference between the voltage across the first power storage element and the voltage across the second power storage element. To do.

このような構成により、各スイッチ素子の短絡故障を検出し、ユーザ等が必要な処置を講ずることにより、電力伝達用絶縁回路の入力側および出力側間の短絡による不具合を防ぐことが可能となる。また、スイッチ素子の両端電圧と比べてレベルの大きい蓄電素子の両端電圧を監視することから、出力電圧検出部において安価なフォトカプラ等を用いることが可能となり、コストを低減することが可能となる。したがって、入力側および出力側間を絶縁しながら電力を伝達する回路において、低コストな構成でスイッチ素子の故障を検出することにより、回路の信頼性を向上させることができる。さらに、スイッチ素子の正常時および短絡故障時における蓄電素子の両端電圧が時間によってばらつく場合でも、スイッチ素子の故障を高い精度で検出することができる。   With such a configuration, it is possible to prevent a malfunction due to a short circuit between the input side and the output side of the power transmission insulating circuit by detecting a short circuit failure of each switch element and taking necessary measures by the user or the like. . In addition, since the voltage across the storage element having a higher level than the voltage across the switch element is monitored, it is possible to use an inexpensive photocoupler or the like in the output voltage detection unit, thereby reducing the cost. . Therefore, in a circuit that transmits power while insulating between the input side and the output side, the reliability of the circuit can be improved by detecting a failure of the switch element with a low-cost configuration. Furthermore, even when the voltage across the power storage element varies depending on time when the switch element is normal and when a short circuit failure occurs, the failure of the switch element can be detected with high accuracy.

好ましくは、上記制御部は、上記第1のスイッチ素子ないし上記第4のスイッチ素子のうちのいずれかを故障検出対象スイッチ素子として選択し、上記故障検出対象スイッチ素子が含まれる上記入力スイッチ部または上記出力スイッチ部における他方の上記スイッチ素子をオンし、上記故障検出対象スイッチ素子と、上記故障検出対象スイッチ素子が含まれない上記入力スイッチ部または上記出力スイッチ部における各上記スイッチ素子とをオフした状態において、上記故障検出対象スイッチ素子が上記入力スイッチ部に含まれる場合には上記第1の蓄電素子の両端電圧に基づいて上記故障検出対象スイッチ素子の故障を検出し、上記故障検出対象スイッチ素子が上記出力スイッチ部に含まれる場合には上記第2の蓄電素子の両端電圧に基づいて上記故障検出対象スイッチ素子の故障を検出する。   Preferably, the control unit selects any one of the first switch element to the fourth switch element as a failure detection target switch element, and the input switch unit including the failure detection target switch element or The other switch element in the output switch unit is turned on, and the failure detection target switch element and the switch elements in the input switch unit or the output switch unit that do not include the failure detection target switch element are turned off. In the state, when the failure detection target switch element is included in the input switch unit, a failure of the failure detection target switch element is detected based on a voltage across the first power storage element, and the failure detection target switch element Is included in the output switch section, it is based on the voltage across the second storage element. Te detecting a failure of the fault detection object switching element.

このような構成により、故障検出対象スイッチ素子が短絡している場合であっても、故障検出期間において電力伝達用絶縁回路の入力側および出力側間が短絡してしまうことを防ぐことができる。   With such a configuration, even when the failure detection target switch element is short-circuited, it is possible to prevent a short circuit between the input side and the output side of the power transmission insulating circuit during the failure detection period.

好ましくは、上記制御部は、上記第3のスイッチ素子および上記第4のスイッチ素子の少なくとも一方をオフした状態における上記第1の蓄電素子の両端電圧および上記第2の蓄電素子の両端電圧、または各上記両端電圧の差を初期値として保存し、上記初期値と、上記第3のスイッチ素子および上記第4のスイッチ素子の少なくとも一方をオフした状態において新たに検出された上記第1の蓄電素子の両端電圧および上記第2の蓄電素子の両端電圧の差とを比較し、比較結果に基づいて上記第3のスイッチ素子および上記第4のスイッチ素子の故障を検出する。   Preferably, the control unit includes a voltage across the first power storage element and a voltage across the second power storage element in a state where at least one of the third switch element and the fourth switch element is turned off, or The difference between the voltages at both ends is stored as an initial value, and the first power storage element newly detected in a state in which at least one of the initial value and the third switch element and the fourth switch element is turned off And a difference between both end voltages of the second power storage element are detected, and a failure of the third switch element and the fourth switch element is detected based on the comparison result.

このような構成により、故障判定基準を出力電圧検出部の特性バラツキに応じて調整することが可能となるため、出力電圧検出部の特性バラツキ等によって故障検出精度が劣化することを防ぐことができる。   With such a configuration, the failure determination criterion can be adjusted according to the characteristic variation of the output voltage detection unit. Therefore, it is possible to prevent the failure detection accuracy from being deteriorated due to the characteristic variation of the output voltage detection unit. .

好ましくは、上記電力伝達用絶縁回路は、さらに、上記第1のスイッチ素子の第1端および上記第2のスイッチ素子の第1端間の電圧である入力電圧を検出するための第3の電圧検出部を備え、上記制御部は、上記第1の蓄電素子の両端電圧と上記入力電圧との差に基づいて上記第1のスイッチ素子および上記第2のスイッチ素子の故障を検出する。   Preferably, the power transmission insulating circuit further includes a third voltage for detecting an input voltage which is a voltage between the first end of the first switch element and the first end of the second switch element. A detection unit is provided, and the control unit detects a failure of the first switch element and the second switch element based on a difference between the voltage across the first power storage element and the input voltage.

このような構成により、スイッチ素子の正常時および短絡故障時における蓄電素子の両端電圧が時間によってばらつく場合でも、スイッチ素子の故障を高い精度で検出することができる。   With such a configuration, it is possible to detect a failure of the switch element with high accuracy even when the voltage across the power storage element varies depending on time when the switch element is normal and when a short circuit failure occurs.

より好ましくは、上記制御部は、上記第1のスイッチ素子および上記第2のスイッチ素子の少なくとも一方をオフした状態における上記入力電圧および上記第1の蓄電素子の両端電圧、または各上記両端電圧の差を初期値として保存し、上記初期値と、上記第1のスイッチ素子および上記第2のスイッチ素子の少なくとも一方をオフした状態において新たに検出された上記入力電圧および上記第1の蓄電素子の両端電圧の差とを比較し、比較結果に基づいて上記第1のスイッチ素子および上記第2のスイッチ素子の故障を検出する。   More preferably, the control unit is configured to control the input voltage and the both-end voltage of the first power storage element in the state where at least one of the first switch element and the second switch element is turned off, or each of the both-end voltages. The difference is stored as an initial value, and the initial value, the input voltage newly detected in a state where at least one of the first switch element and the second switch element is turned off, and the first power storage element The voltage difference between both ends is compared, and a failure of the first switch element and the second switch element is detected based on the comparison result.

このような構成により、故障判定基準を出力電圧検出部の特性バラツキに応じて調整することが可能となるため、出力電圧検出部の特性バラツキ等によって故障検出精度が劣化することを防ぐことができる。   With such a configuration, the failure determination criterion can be adjusted according to the characteristic variation of the output voltage detection unit. Therefore, it is possible to prevent the failure detection accuracy from being deteriorated due to the characteristic variation of the output voltage detection unit. .

より好ましくは、上記制御部は、上記第1の蓄電素子の両端電圧と上記第2の蓄電素子の両端電圧との差に基づいて上記第3のスイッチ素子および上記第4のスイッチ素子の故障を検出し、上記制御部は、上記入力スイッチ部における上記各スイッチ素子をオンし、かつ上記出力スイッチ部における上記各スイッチ素子をオフする第1の期間と、上記入力スイッチ部における上記各スイッチ素子および上記出力スイッチ部における上記各スイッチ素子をオフする第2の期間と、上記入力スイッチ部における上記各スイッチ素子をオフし、かつ上記出力スイッチ部における上記各スイッチ素子をオンする第3の期間と、上記入力スイッチ部における上記各スイッチ素子および上記出力スイッチ部における上記各スイッチ素子をオフする第4の期間とをこの順番で繰り返し、上記制御部は、上記第2の期間において上記第3のスイッチ素子および上記第4のスイッチ素子の故障を検出し、上記第4の期間において上記第1のスイッチ素子および上記第2のスイッチ素子の故障を検出する。   More preferably, the control unit detects a failure of the third switch element and the fourth switch element based on a difference between a voltage across the first power storage element and a voltage across the second power storage element. And the control unit turns on the switch elements in the input switch unit and turns off the switch elements in the output switch unit, and the switch elements in the input switch unit and A second period for turning off the switch elements in the output switch unit; a third period for turning off the switch elements in the input switch unit; and turning on the switch elements in the output switch unit; A fourth period in which each switch element in the input switch unit and each switch element in the output switch unit are turned off In this order, the control unit detects a failure of the third switch element and the fourth switch element in the second period, and detects the first switch element and the fourth switch element in the fourth period. A failure of the second switch element is detected.

このように、蓄電素子の両端電圧差が大きくなる第2の期間および第4の期間において故障検出を行なう構成により、スイッチ素子の故障を高い精度で検出することができる。   As described above, the failure detection of the switch element can be detected with high accuracy by the configuration in which the failure detection is performed in the second period and the fourth period in which the voltage difference between the power storage elements becomes large.

好ましくは、上記電力伝達用絶縁回路は、通常動作モードおよび故障検出モードを有し、上記制御部は、上記通常動作モードにおいて、上記入力スイッチ部における上記各スイッチ素子をオンし、かつ上記出力スイッチ部における上記各スイッチ素子をオフする第1の期間と、上記入力スイッチ部における上記各スイッチ素子をオフし、かつ上記出力スイッチ部における上記各スイッチ素子をオンする第2の期間とを順番に繰り返し、上記制御部は、上記故障検出モードにおいて、上記第1の期間および上記第2の期間を実行し、上記通常動作モードと比べて上記第1の期間および上記第2の期間をそれぞれ長く設定する。   Preferably, the power transmission insulating circuit has a normal operation mode and a failure detection mode, and the control unit turns on the switch elements in the input switch unit in the normal operation mode, and the output switch A first period in which each switch element in the unit is turned off and a second period in which each switch element in the input switch unit is turned off and each switch element in the output switch unit is turned on are sequentially repeated. The control unit executes the first period and the second period in the failure detection mode, and sets the first period and the second period longer than the normal operation mode, respectively. .

このような構成により、測定対象となる2つの蓄電素子を十分に充放電してこれらの両端電圧の差を大きくできるため、電力伝達用絶縁回路における入力スイッチ部および出力スイッチ部のスイッチング周波数が高い場合でも、故障検出精度を高めることができる。   With such a configuration, the two storage elements to be measured can be sufficiently charged / discharged to increase the difference between the voltages at both ends, so that the switching frequency of the input switch unit and the output switch unit in the power transmission insulating circuit is high. Even in this case, the failure detection accuracy can be increased.

好ましくは、上記制御部は、自己と上記第1のスイッチ素子ないし上記第4のスイッチ素子との間を絶縁しながら、制御信号を上記第1のスイッチ素子ないし上記第4のスイッチ素子へそれぞれ出力することにより、上記第1のスイッチ素子ないし上記第4のスイッチ素子のスイッチングを制御する。   Preferably, the control unit outputs a control signal to the first switch element to the fourth switch element, respectively, while insulating between itself and the first switch element to the fourth switch element. Thus, switching of the first switch element to the fourth switch element is controlled.

このような構成により、第1のスイッチ素子ないし第4のスイッチ素子のスイッチング制御を安定して行なうことができる。   With such a configuration, the switching control of the first switch element to the fourth switch element can be stably performed.

より好ましくは、上記制御部は、上記第1のスイッチ素子ないし上記第4のスイッチ素子の各々に対応して設けられた複数のフォトカプラを含み、対応の上記フォトカプラを介して上記制御信号を上記第1のスイッチ素子ないし上記第4のスイッチ素子へそれぞれ出力する。   More preferably, the control unit includes a plurality of photocouplers provided corresponding to each of the first switch element to the fourth switch element, and outputs the control signal via the corresponding photocoupler. Output to the first switch element to the fourth switch element, respectively.

フォトカプラは、制御信号のデューティ比に関わらず、安定して信号伝達を行なうことが可能であるため、パルストランスを用いる構成と比べて、電力変換装置の入出力電圧の選択における自由度を高めることができる。また、第1の蓄電素子および第2の蓄電素子の充放電時間を長くした故障検出モードを設ける場合でも、パルストランスを用いる構成と比べて、電力伝達用絶縁回路の小型化を図ることができる。   Since the photocoupler can stably transmit the signal regardless of the duty ratio of the control signal, the degree of freedom in selecting the input / output voltage of the power converter is increased as compared with the configuration using the pulse transformer. be able to. In addition, even when a failure detection mode in which the charge / discharge time of the first power storage element and the second power storage element is extended is provided, the power transmission insulating circuit can be downsized as compared with the configuration using the pulse transformer. .

好ましくは、上記制御部は、上記入力スイッチ部における上記各スイッチ素子をオンし、かつ上記出力スイッチ部における上記各スイッチ素子をオフする第1の期間と、上記入力スイッチ部における上記各スイッチ素子をオフし、かつ上記出力スイッチ部における上記各スイッチ素子をオンする第2の期間とを順番に繰り返し、上記制御部は、所定のタイミングにおいて上記第1のスイッチ素子ないし上記第4のスイッチ素子の故障を検出することが可能であり、かつ上記電力伝達用絶縁回路の外部からの指令に基づくタイミングにおいて上記第1のスイッチ素子ないし上記第4のスイッチ素子の故障を検出することが可能である。   Preferably, the control unit turns on the switch elements in the input switch unit and turns off the switch elements in the output switch unit, and sets the switch elements in the input switch unit. The control unit repeats the turn-off and the second period of turning on each of the switch elements in the output switch unit in order, and the control unit causes a failure of the first switch element to the fourth switch element at a predetermined timing. It is possible to detect the failure of the first switch element to the fourth switch element at a timing based on a command from the outside of the power transmission insulating circuit.

このような構成により、ユーザからの種々の要求に対して柔軟に対応することが可能となる。   With such a configuration, it is possible to flexibly respond to various requests from users.

好ましくは、上記電力伝達用絶縁回路は、さらに、上記第1のスイッチ素子の第1端と上記第2のスイッチ素子の第1端との間に接続された第3の蓄電素子を備える。   Preferably, the power transmission insulating circuit further includes a third power storage element connected between the first end of the first switch element and the first end of the second switch element.

このような構成により、電力伝達用絶縁回路への入力電流のリップルを防ぎ、回路動作の安定化を図ることができる。   With such a configuration, it is possible to prevent the ripple of the input current to the power transmission insulating circuit and to stabilize the circuit operation.

上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる電力変換装置は、交流電力を直流電力に変換して負荷に供給するための電力変換装置であって、受けた交流電力を整流するための整流部と、上記整流部および上記負荷間を絶縁しながら、上記整流部によって整流された電力を上記負荷に伝達するための電力伝達用絶縁回路とを備え、上記電力伝達用絶縁回路は、第1端および第2端を有する第1の蓄電素子と、第1端および第2端を有する第2の蓄電素子と、上記整流部と上記第1の蓄電素子の第1端との間に接続された第1のスイッチ素子および上記整流部と上記第1の蓄電素子の第2端との間に接続された第2のスイッチ素子を含み、上記整流部によって整流された電力を上記第1の蓄電素子に供給するための入力スイッチ部と、上記第1の蓄電素子の第1端と上記第2の蓄電素子の第1端との間に接続された第3のスイッチ素子および上記第1の蓄電素子の第2端と上記第2の蓄電素子の第2端との間に接続された第4のスイッチ素子を含み、上記第1の蓄電素子に蓄えられた電力を上記第2の蓄電素子に供給するための出力スイッチ部と、上記第1の蓄電素子の両端電圧を検出するための第1の電圧検出部と、上記第2の蓄電素子の両端電圧を検出するための第2の電圧検出部と、上記第1の電圧検出部によって検出された上記第1の蓄電素子の両端電圧、および上記第2の電圧検出部によって検出された上記第2の蓄電素子の両端電圧に基づいて、上記第1のスイッチ素子ないし上記第4のスイッチ素子の故障を検出するための制御部とを含み、上記制御部は、上記第1の蓄電素子の両端電圧と上記第2の蓄電素子の両端電圧との差に基づいて上記第3のスイッチ素子および上記第4のスイッチ素子の故障を検出する。   In order to solve the above problems, a power conversion device according to an aspect of the present invention is a power conversion device for converting alternating current power into direct current power and supplying it to a load, and rectifies the received alternating current power. And a power transmission insulating circuit for transmitting the power rectified by the rectifying unit to the load while insulating between the rectifying unit and the load. A first power storage element having a first end and a second end, a second power storage element having a first end and a second end, and between the rectifying unit and the first end of the first power storage element The first switch element connected and the second switch element connected between the rectifier and the second end of the first power storage element, and the electric power rectified by the rectifier is the first An input switch unit for supplying power to the storage element A third switch element connected between a first end of the first power storage element and a first end of the second power storage element; a second end of the first power storage element; and the second power storage. An output switch unit including a fourth switch element connected between the second end of the element and supplying power stored in the first power storage element to the second power storage element; A first voltage detection unit for detecting a voltage across one storage element, a second voltage detection unit for detecting a voltage across the second storage element, and the first voltage detection unit. Based on the detected voltage across the first power storage element and the voltage across the second power storage element detected by the second voltage detector, the first switch element through the fourth switch A control unit for detecting a failure of the element, the control unit, Detecting a failure of the third switching element and the fourth switching element on the basis of the difference between the serial voltage across the voltage across the second storage element of the first power storage device.

このような構成により、各スイッチ素子の短絡故障を検出し、ユーザ等が必要な処置を講ずることにより、電力伝達用絶縁回路の入力側および出力側間の短絡による不具合を防ぐことが可能となる。また、スイッチ素子の両端電圧と比べてレベルの大きい蓄電素子の両端電圧を監視することから、出力電圧検出部において安価なフォトカプラを用いることが可能となり、コストを低減することが可能となる。したがって、入力側および出力側間を絶縁しながら電力を伝達する回路において、低コストな構成でスイッチ素子の故障を検出することにより、回路の信頼性を向上させることができる。さらに、スイッチ素子の正常時および短絡故障時における蓄電素子の両端電圧が時間によってばらつく場合でも、スイッチ素子の故障を高い精度で検出することができる。   With such a configuration, it is possible to prevent a malfunction due to a short circuit between the input side and the output side of the power transmission insulating circuit by detecting a short circuit failure of each switch element and taking necessary measures by the user or the like. . In addition, since the voltage across the storage element having a higher level than the voltage across the switch element is monitored, an inexpensive photocoupler can be used in the output voltage detection unit, and the cost can be reduced. Therefore, in a circuit that transmits power while insulating between the input side and the output side, the reliability of the circuit can be improved by detecting a failure of the switch element with a low-cost configuration. Furthermore, even when the voltage across the power storage element varies depending on time when the switch element is normal and when a short circuit failure occurs, the failure of the switch element can be detected with high accuracy.

本発明によれば、入力側および出力側間を絶縁しながら電力を伝達する回路において、低コストな構成でスイッチ素子の故障を検出することにより、回路の信頼性を向上させることができる。   According to the present invention, in a circuit that transmits power while insulating the input side and the output side, the reliability of the circuit can be improved by detecting a failure of the switch element with a low-cost configuration.

本発明の実施の形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the power converter device which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路における出力電圧検出部の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the output voltage detection part in the insulation circuit for electric power transmission which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路によるスイッチング動作を示す図である。It is a figure which shows the switching operation | movement by the insulated circuit for electric power transmission which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路における各キャパシタの電圧波形を概略的に示す図である。It is a figure which shows roughly the voltage waveform of each capacitor in the insulated circuit for electric power transmission which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路における制御部の構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of the control part in the insulation circuit for electric power transmission which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路における制御部の構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of the control part in the insulation circuit for electric power transmission which concerns on embodiment of this invention.

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.

[構成および基本動作]
図1は、本発明の実施の形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。
[Configuration and basic operation]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a power conversion device according to an embodiment of the present invention.

図1を参照して、電力変換装置201は、電力伝達用絶縁回路101と、整流部102とを備える。電力伝達用絶縁回路101は、キャパシタC0〜C2と、入力スイッチ部21と、出力スイッチ部22と、出力電圧検出部10〜12と、制御部14とを含む。入力スイッチ部21は、スイッチ素子Z1,Z2を含む。出力スイッチ部22は、スイッチ素子Z3,Z4を含む。   Referring to FIG. 1, power conversion device 201 includes a power transmission insulating circuit 101 and a rectifying unit 102. The power transmission insulating circuit 101 includes capacitors C <b> 0 to C <b> 2, an input switch unit 21, an output switch unit 22, output voltage detection units 10 to 12, and a control unit 14. The input switch unit 21 includes switch elements Z1 and Z2. The output switch unit 22 includes switch elements Z3 and Z4.

電力変換装置201は、交流電源202から供給された交流電力を直流電力に変換して負荷203に供給する。負荷203は、たとえば、EVおよびプラグイン方式のHV等の駆動用の主電池である。   The power converter 201 converts AC power supplied from the AC power source 202 into DC power and supplies the DC power to the load 203. The load 203 is a main battery for driving such as EV and plug-in type HV, for example.

整流部102は、たとえば、ダイオードブリッジを含み、交流電源202から受けた交流電力を全波整流して電力伝達用絶縁回路101へ出力する。   The rectifying unit 102 includes, for example, a diode bridge, and full-wave rectifies the AC power received from the AC power source 202 and outputs the rectified power to the power transmission insulating circuit 101.

電力伝達用絶縁回路101において、スイッチ素子Z1は、キャパシタC0の第1端T11と電気的に接続された第1端T1、およびキャパシタC1の第1端T13と電気的に接続された第2端T2を有する。スイッチ素子Z2は、キャパシタC0の第2端T12と電気的に接続された第1端T3、およびキャパシタC1の第2端T14と電気的に接続された第2端T4を有する。スイッチ素子Z3は、キャパシタC1の第1端T13と電気的に接続された第1端T5、およびキャパシタC2の第1端T15と電気的に接続された第2端T6を有する。スイッチ素子Z4は、キャパシタC1の第2端T14と電気的に接続された第1端T7、およびキャパシタC2の第2端T16と電気的に接続された第2端T8を有する。   In the power transmission insulating circuit 101, the switch element Z1 includes a first end T1 electrically connected to the first end T11 of the capacitor C0 and a second end electrically connected to the first end T13 of the capacitor C1. T2. Switch element Z2 has a first end T3 electrically connected to second end T12 of capacitor C0, and a second end T4 electrically connected to second end T14 of capacitor C1. Switch element Z3 has a first end T5 electrically connected to first end T13 of capacitor C1, and a second end T6 electrically connected to first end T15 of capacitor C2. Switch element Z4 has a first end T7 electrically connected to second end T14 of capacitor C1, and a second end T8 electrically connected to second end T16 of capacitor C2.

キャパシタC0は、整流部102によって整流された電力を蓄える。入力スイッチ部21は、スイッチ素子Z1の第1端T1およびスイッチ素子Z2の第1端T3において受けた電力すなわちキャパシタC0に蓄えられた電力をキャパシタC1に供給する。出力スイッチ部22は、キャパシタC1に蓄えられた電力をキャパシタC2に供給する。キャパシタC2に蓄えられた電力は、放電されて負荷203に供給される。   The capacitor C0 stores the power rectified by the rectifying unit 102. The input switch unit 21 supplies the power received at the first end T1 of the switch element Z1 and the first end T3 of the switch element Z2, that is, the power stored in the capacitor C0, to the capacitor C1. The output switch unit 22 supplies the power stored in the capacitor C1 to the capacitor C2. The electric power stored in the capacitor C2 is discharged and supplied to the load 203.

制御部14は、ゲート駆動信号G1〜G4をスイッチ素子Z1〜Z4に出力することにより、スイッチ素子Z1〜Z4のオンおよびオフをそれぞれ切り替える。電力伝達用絶縁回路101は、制御部14のスイッチ制御により、整流部102および負荷203間を絶縁しながら、キャパシタC0に蓄えられた電力を負荷203に伝達する。   The control unit 14 switches the switching elements Z1 to Z4 on and off by outputting the gate driving signals G1 to G4 to the switching elements Z1 to Z4, respectively. The power transmission insulating circuit 101 transmits the power stored in the capacitor C0 to the load 203 while insulating between the rectifying unit 102 and the load 203 by switch control of the control unit 14.

出力電圧検出部10は、スイッチ素子Z1の第1端T1およびスイッチ素子Z2の第1端T3間の電圧V0すなわちキャパシタC0の両端電圧(入力電圧)V0を検出する。出力電圧検出部11は、キャパシタC1の両端電圧V1を検出する。出力電圧検出部12は、キャパシタC2の両端電圧V2を検出する。   The output voltage detector 10 detects the voltage V0 between the first terminal T1 of the switch element Z1 and the first terminal T3 of the switch element Z2, that is, the voltage (input voltage) V0 across the capacitor C0. The output voltage detector 11 detects the voltage V1 across the capacitor C1. The output voltage detector 12 detects the voltage V2 across the capacitor C2.

制御部14は、出力電圧検出部10によって検出されたキャパシタC0の両端電圧V0、出力電圧検出部11によって検出されたキャパシタC1の両端電圧V1、および出力電圧検出部12によって検出されたキャパシタC2の両端電圧V2に基づいて、スイッチ素子Z1ないしスイッチ素子Z4の故障を検出する。   The control unit 14 detects the voltage V0 across the capacitor C0 detected by the output voltage detection unit 10, the voltage V1 across the capacitor C1 detected by the output voltage detection unit 11, and the capacitor C2 detected by the output voltage detection unit 12. Based on the both-end voltage V2, a failure of the switch element Z1 to the switch element Z4 is detected.

図2は、本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路における出力電圧検出部の構成を示す図である。図2では、出力電圧検出部10の構成を代表的に示している。出力電圧検出部11および12の構成は出力電圧検出部10と同様である。   FIG. 2 is a diagram showing a configuration of an output voltage detection unit in the power transmission insulating circuit according to the embodiment of the present invention. FIG. 2 representatively shows the configuration of the output voltage detection unit 10. The configuration of the output voltage detectors 11 and 12 is the same as that of the output voltage detector 10.

図2を参照して、出力電圧検出部10は、フォトカプラX1と、入力抵抗R1と、出力抵抗R2とを含む。キャパシタC0の第1端T11および第2端T12間に、入力抵抗R1およびフォトカプラX1の発光素子が直列接続されている。電源電圧Vddの供給されるノードと接地電圧の供給されるノードとの間にフォトカプラX1の受光素子および出力抵抗R2が直列接続されている。   Referring to FIG. 2, output voltage detection unit 10 includes a photocoupler X1, an input resistor R1, and an output resistor R2. Between the first end T11 and the second end T12 of the capacitor C0, the input resistor R1 and the light emitting element of the photocoupler X1 are connected in series. The light receiving element of the photocoupler X1 and the output resistor R2 are connected in series between the node supplied with the power supply voltage Vdd and the node supplied with the ground voltage.

キャパシタC0の両端電圧に応じた量の電流がフォトカプラX1の発光素子を通して流れ、この電流量がフォトカプラX1の受光素子に伝達される。すなわち、キャパシタC0の両端電圧に応じた量の電流がフォトカプラX1における受光素子を通して流れる。これにより、キャパシタC0の両端電圧に応じた大きさの電圧が制御部14へ伝達される。   An amount of current corresponding to the voltage across the capacitor C0 flows through the light emitting element of the photocoupler X1, and this amount of current is transmitted to the light receiving element of the photocoupler X1. That is, an amount of current corresponding to the voltage across the capacitor C0 flows through the light receiving element in the photocoupler X1. Thus, a voltage having a magnitude corresponding to the voltage across the capacitor C0 is transmitted to the control unit 14.

[動作]
次に、本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路が電力伝達および故障検出を行なう際の動作について図面を用いて説明する。
[Operation]
Next, operations when the power transmission insulating circuit according to the embodiment of the present invention performs power transmission and failure detection will be described with reference to the drawings.

図3は、本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路によるスイッチング動作を示す図である。   FIG. 3 is a diagram showing a switching operation by the power transmission insulating circuit according to the embodiment of the present invention.

図3を参照して、まず、制御部14は、期間T1において、スイッチ素子Z1をオンし、スイッチ素子Z2をオンし、スイッチ素子Z3をオフし、スイッチ素子Z4をオフする。これにより、キャパシタC0に蓄えられた電荷が放電され、放電された電荷がキャパシタC1に蓄えられる。スイッチ素子Z3およびZ4がオフされていることにより、整流部102および負荷203間の絶縁が確保される。   Referring to FIG. 3, first, in the period T1, the control unit 14 turns on the switch element Z1, turns on the switch element Z2, turns off the switch element Z3, and turns off the switch element Z4. Thereby, the electric charge stored in the capacitor C0 is discharged, and the discharged electric charge is stored in the capacitor C1. Since the switch elements Z3 and Z4 are turned off, insulation between the rectifying unit 102 and the load 203 is ensured.

次に、制御部14は、期間T2において、スイッチ素子Z1〜Z4をオフする。これにより、電力伝達用絶縁回路101の入力側および出力側間の絶縁を確保するためのデッドタイムが設けられる。すなわち、入力スイッチ部21における各スイッチおよび出力スイッチ部22における各スイッチを介して電力伝達用絶縁回路101の入力側および出力側間、すなわち整流部102および負荷203間が短絡することを防ぐことができる。   Next, the control unit 14 turns off the switch elements Z1 to Z4 in the period T2. This provides a dead time for ensuring insulation between the input side and the output side of the power transmission insulating circuit 101. That is, it is possible to prevent a short circuit between the input side and the output side of the power transmission insulating circuit 101, that is, between the rectifying unit 102 and the load 203, via each switch in the input switch unit 21 and each switch in the output switch unit 22. it can.

次に、制御部14は、期間T3において、スイッチ素子Z1をオフし、スイッチ素子Z2をオフし、スイッチ素子Z3をオンし、スイッチ素子Z4をオンする。これにより、キャパシタC1に蓄えられた電荷が放電され、放電された電荷がキャパシタC2に蓄えられる。スイッチ素子Z1およびZ2がオフされていることにより、整流部102および負荷203間の絶縁が確保される。   Next, in the period T3, the control unit 14 turns off the switch element Z1, turns off the switch element Z2, turns on the switch element Z3, and turns on the switch element Z4. Thereby, the electric charge stored in the capacitor C1 is discharged, and the discharged electric charge is stored in the capacitor C2. Since the switch elements Z1 and Z2 are turned off, insulation between the rectifying unit 102 and the load 203 is ensured.

次に、制御部14は、期間T4において、スイッチ素子Z1〜Z4をオフする。これにより、期間T2と同様に、電力伝達用絶縁回路101の入力側および出力側間の絶縁を確保するためのデッドタイムが設けられる。   Next, the control unit 14 turns off the switch elements Z1 to Z4 in the period T4. As a result, similarly to the period T2, a dead time for ensuring insulation between the input side and the output side of the power transmission insulating circuit 101 is provided.

ここで、期間T1〜T4において、キャパシタC1は整流部102からの電力により充電されており、また、キャパシタC2に蓄えられた電力は放電されて負荷203に供給されている。また、期間T2およびT4においては、キャパシタC1における電荷の移動はない。   Here, in the period T <b> 1 to T <b> 4, the capacitor C <b> 1 is charged with the electric power from the rectifying unit 102, and the electric power stored in the capacitor C <b> 2 is discharged and supplied to the load 203. In the periods T2 and T4, there is no charge movement in the capacitor C1.

そして、制御部14は、これら期間T1、期間T2、期間T3および期間T4をこの順番で繰り返すことにより、整流部102と協働して、電力伝達用絶縁回路101の入力側および出力側間を絶縁しながら、交流電源202からの交流電力を直流電力に変換して負荷203に供給する。   And the control part 14 cooperates with the rectifier 102 by repeating these periods T1, T2, T3, and T4 in this order, and between the input side and the output side of the insulation circuit 101 for electric power transmission. While insulating, the AC power from the AC power source 202 is converted into DC power and supplied to the load 203.

さらに、制御部14は、スイッチ素子Z1〜Z4の故障をそれぞれ検出するための故障検出期間TE1〜TE4を設ける。故障検出期間TE1〜TE4は、期間T1〜T4の各期間の間に設けられてもよいし、期間T1〜T4の中で設けられてもよい。   Furthermore, the control unit 14 provides failure detection periods TE1 to TE4 for detecting failures of the switch elements Z1 to Z4, respectively. The failure detection periods TE1 to TE4 may be provided between the periods T1 to T4, or may be provided in the periods T1 to T4.

具体的には、制御部14は、スイッチ素子Z1ないしスイッチ素子Z4のうちのいずれかを故障検出対象スイッチ素子として選択する。制御部14は、故障検出対象スイッチ素子が含まれる入力スイッチ部21または出力スイッチ部22における他方のスイッチ素子をオンする。そして、制御部14は、故障検出対象スイッチ素子と、故障検出対象スイッチ素子が含まれない入力スイッチ部21または出力スイッチ部22における各スイッチ素子とをオフする。   Specifically, the control unit 14 selects any one of the switch elements Z1 to Z4 as the failure detection target switch element. The control unit 14 turns on the other switch element in the input switch unit 21 or the output switch unit 22 including the failure detection target switch element. Then, the control unit 14 turns off the failure detection target switch element and each switch element in the input switch unit 21 or the output switch unit 22 that does not include the failure detection target switch element.

この状態において、制御部14は、故障検出対象スイッチ素子が入力スイッチ部21に含まれる場合にはキャパシタC0の両端電圧V0およびキャパシタC1の両端電圧V1に基づいて故障検出対象スイッチ素子の故障を検出する。また、制御部14は、故障検出対象スイッチ素子が出力スイッチ部22に含まれる場合にはキャパシタC1の両端電圧V1およびキャパシタC2の両端電圧V2に基づいて故障検出対象スイッチ素子の故障を検出する。   In this state, when the failure detection target switch element is included in the input switch unit 21, the control unit 14 detects a failure of the failure detection target switch element based on the voltage V0 across the capacitor C0 and the voltage V1 across the capacitor C1. To do. In addition, when the failure detection target switch element is included in the output switch unit 22, the control unit 14 detects a failure of the failure detection target switch element based on the voltage V1 across the capacitor C1 and the voltage V2 across the capacitor C2.

より詳細には、制御部14は、期間TE1において、スイッチ素子Z1をオフし、スイッチ素子Z2をオンし、スイッチ素子Z3をオフし、スイッチ素子Z4をオフする。そして、制御部14は、この状態における電圧V1と電圧V0との差に基づいてスイッチ素子Z1の故障を検出する。具体的には、スイッチ素子Z1が正常である場合には、電圧V0が電圧V1よりも大きくなる。これは、期間TE1においては、キャパシタC0は整流部102からの電力によって充電される一方で、キャパシタC0に蓄えられた電荷は放電されず、キャパシタC1は充電されないからである。一方、スイッチ素子Z1が故障して短絡している場合には、短絡状態のスイッチ素子Z1およびオン状態のスイッチ素子Z2により、電圧V1および電圧V0は等しくなる。制御部14は、電圧V0および電圧V1の電圧差の相違に基づき、スイッチ素子Z1の故障検出を行なう。   More specifically, in the period TE1, the control unit 14 turns off the switch element Z1, turns on the switch element Z2, turns off the switch element Z3, and turns off the switch element Z4. Then, the control unit 14 detects a failure of the switch element Z1 based on the difference between the voltage V1 and the voltage V0 in this state. Specifically, when the switch element Z1 is normal, the voltage V0 is higher than the voltage V1. This is because in the period TE1, the capacitor C0 is charged by the electric power from the rectifying unit 102, while the charge stored in the capacitor C0 is not discharged and the capacitor C1 is not charged. On the other hand, when the switch element Z1 fails and is short-circuited, the voltage V1 and the voltage V0 are equalized by the short-circuited switch element Z1 and the on-state switch element Z2. The control unit 14 detects a failure of the switch element Z1 based on the difference in voltage difference between the voltage V0 and the voltage V1.

また、制御部14は、期間TE2において、スイッチ素子Z1をオンし、スイッチ素子Z2をオフし、スイッチ素子Z3をオフし、スイッチ素子Z4をオフする。そして、制御部14は、この状態における電圧V1と電圧V0との差に基づいてスイッチ素子Z2の故障を検出する。具体的には、スイッチ素子Z2が正常である場合には、電圧V0が電圧V1よりも大きくなる。これは、期間TE2においては、キャパシタC0は整流部102からの電力によって充電される一方で、キャパシタC0に蓄えられた電荷は放電されず、キャパシタC1は充電されないからである。一方、スイッチ素子Z2が故障して短絡している場合には、短絡状態のスイッチ素子Z2およびオン状態のスイッチ素子Z1により、電圧V1および電圧V0は等しくなる。制御部14は、電圧V0および電圧V1の電圧差の相違に基づき、スイッチ素子Z2の故障検出を行なう。   In the period TE2, the control unit 14 turns on the switch element Z1, turns off the switch element Z2, turns off the switch element Z3, and turns off the switch element Z4. Then, the control unit 14 detects a failure of the switch element Z2 based on the difference between the voltage V1 and the voltage V0 in this state. Specifically, when the switch element Z2 is normal, the voltage V0 is higher than the voltage V1. This is because, during the period TE2, the capacitor C0 is charged by the power from the rectifying unit 102, while the charge stored in the capacitor C0 is not discharged and the capacitor C1 is not charged. On the other hand, when the switch element Z2 is faulty and short-circuited, the voltage V1 and the voltage V0 are equalized by the short-circuited switch element Z2 and the on-state switch element Z1. The control unit 14 detects a failure of the switch element Z2 based on the difference in voltage difference between the voltage V0 and the voltage V1.

また、制御部14は、期間TE3において、スイッチ素子Z1をオフし、スイッチ素子Z2をオフし、スイッチ素子Z3をオフし、スイッチ素子Z4をオンする。そして、制御部14は、この状態における電圧V1と電圧V2との差に基づいてスイッチ素子Z3の故障を検出する。具体的には、スイッチ素子Z3が正常である場合には、電圧V1が電圧V2よりも大きくなる。これは、期間TE3においては、キャパシタC1に蓄えられた電荷は放電されない一方で、キャパシタC2に蓄えられた電荷は負荷203へ放電されるからである。一方、スイッチ素子Z3が故障して短絡している場合には、短絡状態のスイッチ素子Z3およびオン状態のスイッチ素子Z4により、電圧V1および電圧V2は等しくなる。制御部14は、電圧V1および電圧V2の電圧差の相違に基づき、スイッチ素子Z3の故障検出を行なう。   In the period TE3, the control unit 14 turns off the switch element Z1, turns off the switch element Z2, turns off the switch element Z3, and turns on the switch element Z4. Then, the control unit 14 detects a failure of the switch element Z3 based on the difference between the voltage V1 and the voltage V2 in this state. Specifically, when the switch element Z3 is normal, the voltage V1 is higher than the voltage V2. This is because in the period TE3, the charge stored in the capacitor C1 is not discharged, while the charge stored in the capacitor C2 is discharged to the load 203. On the other hand, when the switch element Z3 fails and is short-circuited, the voltage V1 and the voltage V2 are equalized by the short-circuited switch element Z3 and the on-state switch element Z4. The control unit 14 detects a failure of the switch element Z3 based on the difference in voltage difference between the voltage V1 and the voltage V2.

また、制御部14は、期間TE4において、スイッチ素子Z1をオフし、スイッチ素子Z2をオフし、スイッチ素子Z3をオンし、スイッチ素子Z4をオフする。そして、制御部14は、この状態における電圧V1と電圧V2との差に基づいてスイッチ素子Z4の故障を検出する。具体的には、スイッチ素子Z4が正常である場合には、電圧V1が電圧V2よりも大きくなる。これは、期間TE4においては、キャパシタC1に蓄えられた電荷は放電されない一方で、キャパシタC2に蓄えられた電荷は負荷203へ放電されるからである。一方、スイッチ素子Z4が故障して短絡している場合には、短絡状態のスイッチ素子Z4およびオン状態のスイッチ素子Z3により、電圧V1および電圧V2は等しくなる。制御部14は、電圧V1および電圧V2の電圧差の相違に基づき、スイッチ素子Z4の故障検出を行なう。   In the period TE4, the control unit 14 turns off the switch element Z1, turns off the switch element Z2, turns on the switch element Z3, and turns off the switch element Z4. Then, the control unit 14 detects a failure of the switch element Z4 based on the difference between the voltage V1 and the voltage V2 in this state. Specifically, when the switch element Z4 is normal, the voltage V1 is higher than the voltage V2. This is because, during the period TE4, the charge stored in the capacitor C1 is not discharged, while the charge stored in the capacitor C2 is discharged to the load 203. On the other hand, when the switch element Z4 fails and is short-circuited, the voltage V1 and the voltage V2 are equalized by the short-circuited switch element Z4 and the on-state switch element Z3. The control unit 14 detects a failure of the switch element Z4 based on the difference in voltage difference between the voltage V1 and the voltage V2.

図4は、本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路における各キャパシタの電圧波形を概略的に示す図である。   FIG. 4 is a diagram schematically showing voltage waveforms of the capacitors in the power transmission insulating circuit according to the embodiment of the present invention.

図4を参照して、期間T2においては、他の期間と比べて電圧V1および電圧V2の差が大きくなる。このため、制御部14は、期間TE3およびTE4をたとえば期間T2において設ける。このような構成により、スイッチ素子Z3およびZ4の故障を高い精度で検出することができる。   Referring to FIG. 4, in period T2, the difference between voltage V1 and voltage V2 is greater than in other periods. For this reason, the control part 14 provides the periods TE3 and TE4 in the period T2, for example. With such a configuration, the failure of the switch elements Z3 and Z4 can be detected with high accuracy.

ここで、期間T2の終了間際、すなわち期間T2の終了タイミングの所定時間前から期間T2の終了タイミングまでにおけるタイミングTAにおいて、電圧V1が上昇方向、電圧V2が下降方向をとっており、電圧V1および電圧V2の差が最大となる。このため、制御部14は、期間TE3およびTE4をたとえばタイミングTAにおいて設ける。このような構成により、スイッチ素子Z3およびZ4の故障をさらに高い精度で検出することができる。   Here, at the time TA immediately before the end of the period T2, that is, at a timing TA from a predetermined time before the end timing of the period T2 to the end timing of the period T2, the voltage V1 is increasing and the voltage V2 is decreasing. The difference in voltage V2 is maximized. Therefore, control unit 14 provides periods TE3 and TE4 at timing TA, for example. With such a configuration, the failure of the switch elements Z3 and Z4 can be detected with higher accuracy.

また、期間T4においては、他の期間と比べて電圧V0および電圧V1の差が大きくなる。このため、制御部14は、期間TE1およびTE2をたとえば期間T4において設ける。このような構成により、スイッチ素子Z1およびZ2の故障を高い精度で検出することができる。   Further, in the period T4, the difference between the voltage V0 and the voltage V1 is larger than in other periods. For this reason, the control part 14 provides the periods TE1 and TE2 in the period T4, for example. With such a configuration, the failure of the switch elements Z1 and Z2 can be detected with high accuracy.

ここで、期間T4の開始間際、すなわち期間T4の開始タイミングから所定時間後のタイミングTBにおいて、電圧V0が上昇方向、電圧V1が下降方向をとっており、電圧V0および電圧V1の差が最大となる。このため、制御部14は、期間TE1およびTE2をたとえばタイミングTBにおいて設ける。このような構成により、スイッチ素子Z1およびZ2の故障をさらに高い精度で検出することができる。   Here, at the start of the period T4, that is, at the timing TB after a predetermined time from the start timing of the period T4, the voltage V0 is in the rising direction and the voltage V1 is in the decreasing direction, and the difference between the voltage V0 and the voltage V1 is the maximum. Become. For this reason, the control part 14 provides the periods TE1 and TE2 at timing TB, for example. With such a configuration, the failure of the switch elements Z1 and Z2 can be detected with higher accuracy.

また、本発明の実施の形態に係る電力変換装置では、出力電圧検出部10〜12において、コスト低減のためフォトカプラを使用している。一般的に、フォトカプラは特性のばらつきが大きい。そして、電圧V0、電圧V1および電圧V2の電圧差はそれほど大きくならないことから、フォトカプラの特性バラツキによって故障検出精度が劣化する可能性がある。   Moreover, in the power converter device which concerns on embodiment of this invention, in the output voltage detection parts 10-12, the photocoupler is used for cost reduction. In general, a photocoupler has a large variation in characteristics. And since the voltage difference of the voltage V0, the voltage V1, and the voltage V2 does not become so large, failure detection accuracy may deteriorate by the characteristic variation of a photocoupler.

そこで、本発明の実施の形態に係る電力変換装置では、制御部14は、各スイッチ素子が正常な状態における電圧V0、電圧V1および電圧V2をあらかじめ測定し、たとえばこれらの電圧値を初期値として保存しておく。   Therefore, in the power conversion device according to the embodiment of the present invention, control unit 14 measures in advance voltage V0, voltage V1, and voltage V2 when each switch element is in a normal state. For example, these voltage values are used as initial values. Save it.

具体的には、期間TE3およびTE4においては、保存している電圧V2と電圧V1との差をスイッチ素子Z3またはZ4が故障していない正常状態の初期値として扱い、この初期値と新たに測定した電圧V2と電圧V1との差とを比較し、比較結果に基づいて故障スイッチ素子Z3またはZ4の故障検出を行なう。すなわち、制御部14は、スイッチ素子Z3およびスイッチ素子Z4の少なくとも一方をオフした状態におけるキャパシタC1の両端電圧およびキャパシタC2の両端電圧、または各両端電圧の差を初期値として保存する。そして、制御部14は、この初期値と、スイッチ素子Z3およびスイッチ素子Z4の少なくとも一方をオフした状態において新たに検出されたキャパシタC1の両端電圧およびキャパシタC2の両端電圧の差とを比較し、比較結果に基づいてスイッチ素子Z3およびスイッチ素子Z4の故障を検出する。たとえば、制御部14は、キャパシタC1の両端電圧およびキャパシタC2の両端電圧の差が初期値からプラスマイナス数ミリボルトの範囲内にあればスイッチ素子Z3およびスイッチ素子Z4は正常であると判定し、当該範囲外にあればスイッチ素子Z3およびスイッチ素子Z4は異常であると判定する。   Specifically, in the periods TE3 and TE4, the difference between the stored voltage V2 and voltage V1 is treated as an initial value in a normal state in which the switch element Z3 or Z4 has not failed, and this initial value and a new measurement are obtained. The difference between the voltage V2 and the voltage V1 is compared, and failure detection of the failure switch element Z3 or Z4 is performed based on the comparison result. That is, the control unit 14 stores the voltage between both ends of the capacitor C1 and the voltage between both ends of the capacitor C2 in the state where at least one of the switch element Z3 and the switch element Z4 is turned off, or the difference between the voltages between both ends as an initial value. Then, the control unit 14 compares the initial value with the difference between the both-end voltage of the capacitor C1 and the both-end voltage of the capacitor C2 newly detected in a state where at least one of the switch element Z3 and the switch element Z4 is turned off. A failure of the switch element Z3 and the switch element Z4 is detected based on the comparison result. For example, the control unit 14 determines that the switch element Z3 and the switch element Z4 are normal if the difference between the voltage across the capacitor C1 and the voltage across the capacitor C2 is within a range of plus or minus several millivolts from the initial value. If it is out of the range, it is determined that the switch element Z3 and the switch element Z4 are abnormal.

また、期間TE1およびTE2においては、保存している電圧V0と電圧V1との差をスイッチ素子Z1またはZ2が故障していない正常状態の初期値として扱い、この初期値と新たに測定した電圧V0と電圧V1との差とを比較し、比較結果に基づいて故障スイッチ素子Z1またはZ2の故障検出を行なう。すなわち、制御部14は、スイッチ素子Z1およびスイッチ素子Z2の少なくとも一方をオフした状態におけるキャパシタC0の両端電圧およびキャパシタC1の両端電圧、または各両端電圧の差を初期値として保存する。そして、制御部14は、この初期値と、スイッチ素子Z1およびスイッチ素子Z2の少なくとも一方をオフした状態において新たに検出されたキャパシタC0の両端電圧およびキャパシタC1の両端電圧の差とを比較し、比較結果に基づいてスイッチ素子Z1およびスイッチ素子Z2の故障を検出する。   In the periods TE1 and TE2, the difference between the stored voltage V0 and the voltage V1 is treated as an initial value in a normal state in which the switch element Z1 or Z2 has not failed, and this initial value and the newly measured voltage V0. And the difference between the voltage V1 and the failure detection of the failure switch element Z1 or Z2 is performed based on the comparison result. That is, the control unit 14 stores the voltage between both ends of the capacitor C0 and the voltage between both ends of the capacitor C1 in the state where at least one of the switch element Z1 and the switch element Z2 is turned off, or the difference between the voltages between both ends as an initial value. Then, the control unit 14 compares the initial value with the difference between the both-end voltage of the capacitor C0 and the both-end voltage of the capacitor C1 newly detected in a state where at least one of the switch element Z1 and the switch element Z2 is turned off. A failure of the switch element Z1 and the switch element Z2 is detected based on the comparison result.

なお、2つのキャパシタの両端電圧をそれぞれ初期値として保存する場合には、故障検出時に、これらの初期値の差を算出し、算出した差と、新たに検出された2つのキャパシタの両端電圧の差とを比較すればよい。   When the voltage across the two capacitors is stored as the initial value, the difference between these initial values is calculated when a failure is detected, and the difference between the calculated difference and the voltage across the two newly detected capacitors is calculated. Compare with the difference.

このような構成により、故障判定基準をフォトカプラの特性バラツキに応じて調整することが可能となるため、フォトカプラの特性バラツキ等によって故障検出精度が劣化することを防ぐことができる。   With such a configuration, it is possible to adjust the failure determination reference according to the characteristic variation of the photocoupler, so that it is possible to prevent the failure detection accuracy from being deteriorated due to the characteristic variation of the photocoupler.

また、スイッチ素子の故障検出処理は、前述のように期間T1〜T4を繰り返す通常動作モードにおいて行ってもよいが、キャパシタの充放電時間すなわち期間T1または期間T3の期間を長くした故障検出モードを設け、この故障検出モードにおいて故障検出処理を行ってもよい。すなわち、制御部14は、故障検出モードにおいて、通常動作モードと比べて期間T1および期間T3をそれぞれ長く設定し、スイッチ素子Z1ないしスイッチ素子Z4の故障を検出するための期間TE1〜TE4を期間T1〜期間T4の各期間の間、および期間T1〜期間T4の中の少なくともいずれか1つのタイミングにおいて設ける。   Further, the switch element failure detection processing may be performed in the normal operation mode in which the periods T1 to T4 are repeated as described above, but the failure detection mode in which the charge / discharge time of the capacitor, that is, the period T1 or the period T3 is extended. The failure detection process may be performed in the failure detection mode. That is, in the failure detection mode, the control unit 14 sets the periods T1 and T3 to be longer than those in the normal operation mode, and sets the periods TE1 to TE4 for detecting the failure of the switch elements Z1 to Z4 to the period T1. To each period of the period T4 and at least one timing in the period T1 to the period T4.

これにより、測定対象となる2つのキャパシタを十分に充放電してこれらの両端電圧の差を大きくできるため、電力伝達用絶縁回路101における入力スイッチ部21および出力スイッチ部22のスイッチング周波数が高い場合でも、故障検出精度を高めることができる。   As a result, the two capacitors to be measured can be sufficiently charged / discharged to increase the difference between the voltages at both ends, so that the switching frequency of the input switch unit 21 and the output switch unit 22 in the power transmission insulating circuit 101 is high. However, the failure detection accuracy can be increased.

また、上記故障検出モードは、通常動作モードの途中に制御部14が自動的に実行してもよいし、ユーザによる任意のタイミングで実行されてもよい。すなわち、制御部14は、期間T1〜期間T4の各期間の間、期間T1〜期間T4の中の少なくともいずれか1つにおける所定のタイミングにおいてスイッチ素子Z1ないしスイッチ素子Z4の故障を検出することが可能である。また、制御部14は、電力伝達用絶縁回路101の外部からの指令タイミングを受け付け、当該指令タイミングにおいてスイッチ素子Z1ないしスイッチ素子Z4の故障を検出することが可能である。   The failure detection mode may be automatically executed by the control unit 14 during the normal operation mode, or may be executed at an arbitrary timing by the user. That is, the control unit 14 can detect a failure of the switch element Z1 to the switch element Z4 at a predetermined timing in at least one of the periods T1 to T4 during the periods T1 to T4. Is possible. Further, the control unit 14 can receive a command timing from the outside of the power transmission insulating circuit 101, and can detect a failure of the switch element Z1 to the switch element Z4 at the command timing.

このような構成により、ユーザからの種々の要求に対して柔軟に対応することが可能となる。   With such a configuration, it is possible to flexibly respond to various requests from users.

ここで、スイッチ素子Z1,Z2,Z3,Z4の各々の基準電位が異なることから、制御部14から共通の電位の制御信号を供給すると、各スイッチ素子が所望の動作を行なわなくなる場合がある。このような問題は、比較的大きい電力を入出力する電力変換装置、たとえばEVおよびプラグイン方式のHV等の駆動用の主電池を充電する電力変換装置において、特に解決されることが好ましい。   Here, since the reference potentials of the switch elements Z1, Z2, Z3, and Z4 are different, if a control signal having a common potential is supplied from the control unit 14, each switch element may not perform a desired operation. Such a problem is preferably solved particularly in a power conversion device that inputs and outputs relatively large power, for example, a power conversion device that charges a driving main battery such as an EV and a plug-in type HV.

そこで、本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、制御部14とスイッチ素子Z1,Z2,Z3,Z4との間を電気的に絶縁しながら、制御信号の伝達を行なう。すなわち、制御部14は、自己とスイッチ素子Z1,Z2,Z3,Z4との間を絶縁しながら、制御信号をスイッチ素子Z1,Z2,Z3,Z4へそれぞれ出力することにより、スイッチ素子Z1,Z2,Z3,Z4のスイッチングを制御する。   Therefore, in the power transmission insulating circuit according to the embodiment of the present invention, the control signal is transmitted while electrically insulating between the control unit 14 and the switch elements Z1, Z2, Z3, and Z4. That is, the control unit 14 outputs a control signal to the switch elements Z1, Z2, Z3, and Z4 while insulating the self and the switch elements Z1, Z2, Z3, and Z4. , Z3 and Z4 are controlled.

このような構成により、スイッチ素子Z1,Z2,Z3,Z4のスイッチング制御を安定して行なうことができる。   With such a configuration, switching control of the switching elements Z1, Z2, Z3, Z4 can be stably performed.

図5は、本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路における制御部の構成の一例を示す図である。   FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a configuration of a control unit in the power transmission insulating circuit according to the embodiment of the present invention.

図5を参照して、制御部14は、信号源31と、パルストランス32とを含む。制御部14において、信号源31およびパルストランス32は、スイッチ素子Z1ないしスイッチ素子Z4に対応してたとえば4組設けられる。以下、スイッチ素子Z1,Z2,Z3,Z4の各々をスイッチ素子Zと称する場合がある。また、スイッチ素子ZはたとえばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)である。   Referring to FIG. 5, control unit 14 includes a signal source 31 and a pulse transformer 32. In the control unit 14, for example, four sets of signal sources 31 and pulse transformers 32 are provided corresponding to the switch elements Z1 to Z4. Hereinafter, each of the switch elements Z1, Z2, Z3, and Z4 may be referred to as a switch element Z. The switch element Z is, for example, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).

制御部14は、スイッチ素子Z1,Z2,Z3,Z4の各々に対応して設けられた複数のパルストランス32を含み、対応のパルストランス32を介して制御信号をスイッチ素子Z1,Z2,Z3,Z4へそれぞれ出力する。   The control unit 14 includes a plurality of pulse transformers 32 provided corresponding to each of the switch elements Z1, Z2, Z3, Z4, and the control signal is transmitted to the switch elements Z1, Z2, Z3, via the corresponding pulse transformer 32. Output to Z4.

制御部14において、信号源31は、スイッチ素子Zへ出力するための制御信号を生成し、パルストランス32へ出力する。   In the control unit 14, the signal source 31 generates a control signal for output to the switch element Z and outputs the control signal to the pulse transformer 32.

パルストランス32は、信号源31およびスイッチ素子Z間を絶縁しながら、信号源31から受けた制御信号をゲート抵抗R経由でスイッチ素子Zのゲートへ伝達する。   The pulse transformer 32 transmits the control signal received from the signal source 31 to the gate of the switch element Z via the gate resistor R while insulating between the signal source 31 and the switch element Z.

ここで、信号源31およびパルストランス32間、ならびにパルストランス32およびスイッチ素子Z間には、たとえば図示しない信号変換回路が設けられる。   Here, for example, a signal conversion circuit (not shown) is provided between the signal source 31 and the pulse transformer 32 and between the pulse transformer 32 and the switch element Z.

このように、電力伝達用絶縁回路101では、制御信号の絶縁伝達手段としてパルストランスを用いることが可能である。しかしながら、前述のようにキャパシタの充放電時間すなわち期間T1または期間T3の期間を長くした故障検出モードを設ける場合には、スイッチ素子Z1ないしスイッチ素子Z4のスイッチング周波数が低くなるため、パルストランスを用いることは好ましくない。   Thus, in the power transmission insulating circuit 101, it is possible to use a pulse transformer as an insulating transmission means for the control signal. However, when the failure detection mode in which the charge / discharge time of the capacitor, that is, the period T1 or the period T3 is extended as described above, the switching frequency of the switch element Z1 to the switch element Z4 is lowered, and therefore a pulse transformer is used. That is not preferable.

これは、パルストランスを低い周波数において使用する場合には、大きなインダクタンスが必要となり、その結果パルストランスのターン数が増大し、体積が大きくなってしまうからである。   This is because when the pulse transformer is used at a low frequency, a large inductance is required, resulting in an increase in the number of turns of the pulse transformer and an increase in volume.

また、パルストランスでは、制御信号のデューティ比が50%から離れるほど、1次側および2次側の磁束のバランスが悪くなり、コアが飽和してしまう場合がある。このため、パルストランス自体の設計が困難となり、また、電力変換装置201の入出力電圧の選択に制限が生じてしまう場合がある。   In the pulse transformer, as the duty ratio of the control signal goes away from 50%, the balance between the primary and secondary magnetic fluxes becomes worse, and the core may be saturated. This makes it difficult to design the pulse transformer itself, and may limit the selection of input / output voltages of the power converter 201.

図6は、本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路における制御部の構成の一例を示す図である。   FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a configuration of a control unit in the power transmission insulating circuit according to the embodiment of the present invention.

図6を参照して、制御部14は、信号源31と、フォトカプラ33とを含む。制御部14において、信号源31およびフォトカプラ33は、たとえばスイッチ素子Z1ないしスイッチ素子Z4に対応して4組設けられる。   Referring to FIG. 6, control unit 14 includes a signal source 31 and a photocoupler 33. In the control unit 14, for example, four sets of signal sources 31 and photocouplers 33 are provided corresponding to the switch elements Z1 to Z4.

制御部14は、スイッチ素子Z1,Z2,Z3,Z4の各々に対応して設けられた複数のフォトカプラ33を含み、対応のフォトカプラ33を介して制御信号をスイッチ素子Z1,Z2,Z3,Z4へそれぞれ出力する。   The control unit 14 includes a plurality of photocouplers 33 provided corresponding to each of the switch elements Z1, Z2, Z3, and Z4, and sends a control signal to the switch elements Z1, Z2, Z3, and the like via the corresponding photocouplers 33. Output to Z4.

制御部14において、信号源31は、スイッチ素子Zへ出力するための制御信号を生成し、フォトカプラ33へ出力する。   In the control unit 14, the signal source 31 generates a control signal for output to the switch element Z and outputs the control signal to the photocoupler 33.

フォトカプラ33は、信号源31およびスイッチ素子Z間を絶縁しながら、信号源31から受けた制御信号をゲート抵抗R経由でスイッチ素子Zのゲートへ伝達する。   The photocoupler 33 transmits the control signal received from the signal source 31 to the gate of the switch element Z via the gate resistor R while insulating between the signal source 31 and the switch element Z.

より詳細には、信号源31から出力された制御信号に応じた量の電流がフォトカプラ33の発光素子を通して流れ、この電流量がフォトカプラ33の受光素子に伝達される。すなわち、信号源31から出力された制御信号に応じた量の電流がフォトカプラ33における受光素子を通して流れる。これにより、信号源31およびスイッチ素子Z間を絶縁しながら、制御信号のレベルに応じた大きさの電圧がスイッチ素子Zのゲートへ伝達される。   More specifically, an amount of current corresponding to the control signal output from the signal source 31 flows through the light emitting element of the photocoupler 33, and this amount of current is transmitted to the light receiving element of the photocoupler 33. That is, an amount of current corresponding to the control signal output from the signal source 31 flows through the light receiving element in the photocoupler 33. As a result, a voltage having a magnitude corresponding to the level of the control signal is transmitted to the gate of the switch element Z while insulating between the signal source 31 and the switch element Z.

また、信号源31およびフォトカプラ33間、ならびにフォトカプラ33およびスイッチ素子Z間には、たとえば図示しない信号変換回路が設けられる。   Further, for example, a signal conversion circuit (not shown) is provided between the signal source 31 and the photocoupler 33 and between the photocoupler 33 and the switch element Z.

ここで、フォトカプラは、幅広い周波数の信号を伝達可能であり、パルストランスと異なり、低い周波数の信号に対しても体積が大きくなる等のデメリットがない。したがって、本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、フォトカプラを用いて制御信号を伝達する構成により、キャパシタの充放電時間を長くした故障検出モードを設ける場合でも、パルストランスを用いる構成と比べて、電力伝達用絶縁回路101の小型化を図ることができる。   Here, the photocoupler can transmit a wide range of frequency signals, and unlike a pulse transformer, there is no demerit such as an increase in volume even for low frequency signals. Therefore, in the power transmission insulating circuit according to the embodiment of the present invention, the pulse transformer is used even in the case of providing the failure detection mode in which the charge / discharge time of the capacitor is extended by the configuration in which the control signal is transmitted using the photocoupler. Compared with the configuration, the power transmission insulating circuit 101 can be downsized.

また、フォトカプラは、制御信号のデューティ比に関わらず、安定して信号伝達を行なうことが可能であるため、電力変換装置201の入出力電圧の選択における自由度を高めることができる。   Further, since the photocoupler can stably transmit a signal regardless of the duty ratio of the control signal, the degree of freedom in selecting the input / output voltage of the power converter 201 can be increased.

ところで、特許文献1に記載の電源装置用絶縁回路は、各スイッチ回路におけるスイッチ素子が故障して短絡した場合において、入力側および出力側間の絶縁が確保できないという問題に対処するための構成を備えていない。   By the way, the insulation circuit for a power supply device described in Patent Document 1 has a configuration for dealing with the problem that insulation between the input side and the output side cannot be ensured when a switch element in each switch circuit fails and is short-circuited. Not prepared.

これに対して、本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、制御部14は、出力電圧検出部10によって検出されたキャパシタC0の両端電圧V0、出力電圧検出部11によって検出されたキャパシタC1の両端電圧V1、および出力電圧検出部12によって検出されたキャパシタC2の両端電圧V2に基づいて、スイッチ素子Z1ないしスイッチ素子Z4の故障を検出する。   On the other hand, in the power transmission isolation circuit according to the embodiment of the present invention, the control unit 14 is detected by the output voltage detection unit 11 and the voltage V0 across the capacitor C0 detected by the output voltage detection unit 10. Based on the voltage V1 across the capacitor C1 and the voltage V2 across the capacitor C2 detected by the output voltage detector 12, a failure of the switch element Z1 through the switch element Z4 is detected.

このような構成により、各スイッチ素子の短絡故障を検出し、ユーザ等が必要な処置を講ずることにより、電力伝達用絶縁回路101の入力側および出力側間の短絡による不具合を防ぐことが可能となる。   With such a configuration, it is possible to prevent a malfunction due to a short circuit between the input side and the output side of the insulating circuit 101 for power transmission by detecting a short circuit failure of each switch element and taking necessary measures. Become.

ここで、スイッチ素子Z1〜Z4の故障を検出する構成としては、各スイッチ素子の両端電圧を監視する構成が考えられる。しかしながら、通常、スイッチ素子Z1〜Z4の両端電圧はレベルが小さく、フォトリレー等の高価な部品を用いる必要があり、コストが増大してしまう。   Here, as a configuration for detecting a failure of the switch elements Z1 to Z4, a configuration for monitoring the voltage between both ends of each switch element is conceivable. However, normally, the voltage across the switching elements Z1 to Z4 has a low level, and it is necessary to use expensive parts such as a photorelay, which increases the cost.

これに対して、本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、スイッチ素子の両端電圧と比べてレベルの大きいキャパシタの両端電圧を監視する構成である。このため、出力電圧検出部10〜12において安価なフォトカプラを用いることが可能となり、コストを低減することが可能となる。   On the other hand, the power transmission insulating circuit according to the embodiment of the present invention is configured to monitor the voltage across the capacitor having a higher level than the voltage across the switch element. For this reason, it is possible to use an inexpensive photocoupler in the output voltage detection units 10 to 12, and it is possible to reduce the cost.

したがって、本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、入力側および出力側間を絶縁しながら電力を伝達する回路において、低コストな構成でスイッチ素子の故障を検出することにより、回路の信頼性を向上させることができる。   Therefore, in the power transmission isolation circuit according to the embodiment of the present invention, in the circuit that transmits power while insulating the input side and the output side, the circuit is detected by detecting a failure of the switch element with a low-cost configuration. Reliability can be improved.

また、本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、制御部14は、スイッチ素子Z1ないしスイッチ素子Z4のうちのいずれかを故障検出対象スイッチ素子として選択する。制御部14は、故障検出対象スイッチ素子が含まれる入力スイッチ部21または出力スイッチ部22における他方のスイッチ素子をオンする。制御部14は、故障検出対象スイッチ素子と、故障検出対象スイッチ素子が含まれない入力スイッチ部21または出力スイッチ部22における各スイッチ素子とをオフする。そして、制御部14は、この状態において検出したキャパシタの両端電圧に基づいて故障検出対象スイッチ素子の故障を検出する。このような構成により、故障検出対象スイッチ素子が短絡している場合であっても、故障検出期間において電力伝達用絶縁回路101の入力側および出力側間が短絡してしまうことを防ぐことができる。   In the power transmission insulating circuit according to the embodiment of the present invention, the control unit 14 selects any one of the switch elements Z1 to Z4 as the failure detection target switch element. The control unit 14 turns on the other switch element in the input switch unit 21 or the output switch unit 22 including the failure detection target switch element. The control unit 14 turns off the failure detection target switch element and each switch element in the input switch unit 21 or the output switch unit 22 that does not include the failure detection target switch element. And the control part 14 detects a failure of the failure detection object switch element based on the both-ends voltage of the capacitor detected in this state. With such a configuration, even when the failure detection target switch element is short-circuited, it is possible to prevent a short circuit between the input side and the output side of the power transmission insulating circuit 101 during the failure detection period. .

また、本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、制御部14は、キャパシタC1の両端電圧V1とキャパシタC2の両端電圧V2との差に基づいてスイッチ素子Z3およびスイッチ素子Z4の故障を検出する。また、制御部14は、キャパシタC1の両端電圧V1とキャパシタC0の両端電圧V0との差に基づいてスイッチ素子Z1およびスイッチ素子Z2の故障を検出する。このような構成により、スイッチ素子の正常時および短絡故障時におけるキャパシタの両端電圧が時間によってばらつく場合でも、スイッチ素子の故障を高い精度で検出することができる。   In the power transmission insulating circuit according to the embodiment of the present invention, the control unit 14 causes the failure of the switch element Z3 and the switch element Z4 based on the difference between the voltage V1 across the capacitor C1 and the voltage V2 across the capacitor C2. Is detected. Further, the control unit 14 detects a failure of the switch element Z1 and the switch element Z2 based on a difference between the voltage V1 across the capacitor C1 and the voltage V0 across the capacitor C0. With such a configuration, it is possible to detect a failure of the switch element with high accuracy even when the voltage across the capacitor varies depending on time when the switch element is normal and when a short circuit failure occurs.

なお、本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、制御部14は、2つのキャパシタの両端電圧の差に基づいてスイッチ素子の故障を検出する構成であるとしたが、これに限定するものではない。負荷203の電力消費の時間的な推移があらかじめ分かっている場合等、スイッチ素子の正常時および短絡故障時におけるキャパシタの両端電圧をそれぞれ正確に把握できる場合には、制御部14は、1つのキャパシタの両端電圧に基づいてスイッチ素子の故障を検出する構成であってもよい。この場合、制御部14は、故障検出対象スイッチ素子が入力スイッチ部21に含まれる場合にはキャパシタC1の両端電圧V1に基づいて故障検出対象スイッチ素子の故障を検出し、故障検出対象スイッチ素子が出力スイッチ部22に含まれる場合にはキャパシタC2の両端電圧V2に基づいて故障検出対象スイッチ素子の故障を検出する。   In the power transmission insulating circuit according to the embodiment of the present invention, the control unit 14 is configured to detect the failure of the switch element based on the difference between the voltages at both ends of the two capacitors. Not what you want. When the time transition of the power consumption of the load 203 is known in advance or the like, when the voltage across the capacitor can be accurately grasped when the switch element is normal and at the time of a short circuit failure, the control unit 14 can A configuration in which a failure of the switch element is detected based on the voltage across the two terminals may be employed. In this case, when the failure detection target switch element is included in the input switch unit 21, the control unit 14 detects a failure of the failure detection target switch element based on the voltage V1 across the capacitor C1, and the failure detection target switch element is detected. When included in the output switch unit 22, the failure of the failure detection target switch element is detected based on the voltage V2 across the capacitor C2.

また、キャパシタC0により、整流部102によって整流された電力が平滑化されるが、整流部102によって整流された電力を平滑化するためのキャパシタが整流部102に設けられる場合には、電力伝達用絶縁回路101においてキャパシタC0を設けない構成が可能となる。ただし、キャパシタC0を設けることにより、電力伝達用絶縁回路101への入力電流のリップルを防ぎ、回路動作の安定化を図るという効果が得られる。   Further, the power rectified by the rectifying unit 102 is smoothed by the capacitor C0. However, when the capacitor for smoothing the power rectified by the rectifying unit 102 is provided in the rectifying unit 102, the power transmission A configuration in which the capacitor C0 is not provided in the insulating circuit 101 is possible. However, the provision of the capacitor C0 provides the effect of preventing the ripple of the input current to the power transmission insulating circuit 101 and stabilizing the circuit operation.

また、本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路は、キャパシタC0〜C2を備える構成であるとしたが、キャパシタに限らず、コイル(インダクタ)等の他の蓄電素子を備える構成であってもよい。   In addition, the power transmission insulating circuit according to the embodiment of the present invention is configured to include the capacitors C0 to C2, but is not limited to the capacitor, and is configured to include other power storage elements such as a coil (inductor). May be.

また、本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、制御部14は、期間T1〜T4を繰り返す構成であるとしたが、これに限定するものではない。期間T2およびT4は理想的には設ける必要はなく、制御部14が期間T1およびT3を順番に繰り返す構成であればよい。   Further, in the power transmission insulating circuit according to the embodiment of the present invention, the control unit 14 is configured to repeat the periods T1 to T4. However, the present invention is not limited to this. The periods T2 and T4 do not need to be ideally provided that the control unit 14 may repeat the periods T1 and T3 in order.

上記実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   The above embodiment should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

10〜12 出力電圧検出部
14 制御部
21 入力スイッチ部
22 出力スイッチ部
31 信号源
32 パルストランス
33 フォトカプラ
101 電力伝達用絶縁回路
102 整流部
201 電力変換装置
202 交流電源
203 負荷
C0〜C2 キャパシタ
X1 フォトカプラ
R ゲート抵抗
R1 入力抵抗
R2 出力抵抗
Z1,Z2,Z3,Z4 スイッチ素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10-12 Output voltage detection part 14 Control part 21 Input switch part 22 Output switch part 31 Signal source 32 Pulse transformer 33 Photocoupler 101 Insulation circuit for electric power transmission 102 Rectification part 201 Power converter 202 AC power supply 203 Load C0-C2 Capacitor X1 Photocoupler R Gate resistance R1 Input resistance R2 Output resistance Z1, Z2, Z3, Z4 Switch element

Claims (11)

第1端および第2端を有する第1の蓄電素子と、
第1端および第2端を有する第2の蓄電素子と、
第1端、および前記第1の蓄電素子の第1端と電気的に接続された第2端を有する第1のスイッチ素子、ならびに第1端、および前記第1の蓄電素子の第2端と電気的に接続された第2端を有する第2のスイッチ素子を含み、前記第1のスイッチ素子の第1端および前記第2のスイッチ素子の第1端において受けた電力を前記第1の蓄電素子に供給するための入力スイッチ部と、
前記第1の蓄電素子の第1端と前記第2の蓄電素子の第1端との間に接続された第3のスイッチ素子および前記第1の蓄電素子の第2端と前記第2の蓄電素子の第2端との間に接続された第4のスイッチ素子を含み、前記第1の蓄電素子に蓄えられた電力を前記第2の蓄電素子に供給するための出力スイッチ部と、
前記第1の蓄電素子の両端電圧を検出するための第1の電圧検出部と、
前記第2の蓄電素子の両端電圧を検出するための第2の電圧検出部と、
前記第1の電圧検出部によって検出された前記第1の蓄電素子の両端電圧、および前記第2の電圧検出部によって検出された前記第2の蓄電素子の両端電圧に基づいて、前記第1のスイッチ素子ないし前記第4のスイッチ素子の故障を検出するための制御部とを備える、電力伝達用絶縁回路。
A first power storage element having a first end and a second end;
A second power storage element having a first end and a second end;
A first switch element having a first end and a second end electrically connected to the first end of the first power storage element; a first end; and a second end of the first power storage element; A second switch element having a second end electrically connected thereto, wherein the first power storage receives power received at the first end of the first switch element and the first end of the second switch element. An input switch unit for supplying to the element;
A third switch element connected between a first end of the first power storage element and a first end of the second power storage element, and a second end of the first power storage element and the second power storage An output switch unit including a fourth switch element connected between the second end of the element and supplying power stored in the first power storage element to the second power storage element;
A first voltage detector for detecting a voltage across the first power storage element;
A second voltage detector for detecting a voltage across the second power storage element;
Based on the voltage across the first power storage element detected by the first voltage detector and the voltage across the second power storage element detected by the second voltage detector, the first voltage detector And a control unit for detecting a failure of the switch element or the fourth switch element.
前記制御部は、前記第1のスイッチ素子ないし前記第4のスイッチ素子のうちのいずれかを故障検出対象スイッチ素子として選択し、前記故障検出対象スイッチ素子が含まれる前記入力スイッチ部または前記出力スイッチ部における他方の前記スイッチ素子をオンし、前記故障検出対象スイッチ素子と、前記故障検出対象スイッチ素子が含まれない前記入力スイッチ部または前記出力スイッチ部における各前記スイッチ素子とをオフした状態において、前記故障検出対象スイッチ素子が前記入力スイッチ部に含まれる場合には前記第1の蓄電素子の両端電圧に基づいて前記故障検出対象スイッチ素子の故障を検出し、前記故障検出対象スイッチ素子が前記出力スイッチ部に含まれる場合には前記第2の蓄電素子の両端電圧に基づいて前記故障検出対象スイッチ素子の故障を検出する、請求項1に記載の電力伝達用絶縁回路。   The control unit selects any one of the first switch element to the fourth switch element as a failure detection target switch element, and the input switch unit or the output switch includes the failure detection target switch element. In the state of turning on the other switch element in the part, turning off the failure detection target switch element and each switch element in the input switch part or the output switch part that does not include the failure detection target switch element, When the failure detection target switch element is included in the input switch unit, a failure of the failure detection target switch element is detected based on a voltage across the first power storage element, and the failure detection target switch element outputs the output When included in the switch unit, the failure is based on the voltage across the second storage element. Detecting a failure of the target switching element output, the power transmission insulating circuit according to claim 1. 前記電力伝達用絶縁回路は、さらに、
前記第1のスイッチ素子の第1端および前記第2のスイッチ素子の第1端間の電圧である入力電圧を検出するための第3の電圧検出部を備え、
前記制御部は、前記第1の蓄電素子の両端電圧と前記入力電圧との差に基づいて前記第1のスイッチ素子および前記第2のスイッチ素子の故障を検出する、請求項1または2に記載の電力伝達用絶縁回路。
The power transmission insulating circuit further includes:
A third voltage detector for detecting an input voltage that is a voltage between the first end of the first switch element and the first end of the second switch element;
The said control part detects the failure of the said 1st switch element and the said 2nd switch element based on the difference of the both-ends voltage of the said 1st electrical storage element, and the said input voltage. Insulation circuit for power transmission.
前記制御部は、前記第1のスイッチ素子および前記第2のスイッチ素子の少なくとも一方をオフした状態における前記入力電圧および前記第1の蓄電素子の両端電圧、または各前記両端電圧の差を初期値として保存し、前記初期値と、前記第1のスイッチ素子および前記第2のスイッチ素子の少なくとも一方をオフした状態において新たに検出された前記入力電圧および前記第1の蓄電素子の両端電圧の差とを比較し、比較結果に基づいて前記第1のスイッチ素子および前記第2のスイッチ素子の故障を検出する、請求項3に記載の電力伝達用絶縁回路。   The control unit sets an initial value of a difference between the input voltage and a voltage between both ends of the first power storage element or a voltage between the both terminals in a state where at least one of the first switch element and the second switch element is turned off. And the difference between the initial value and the input voltage newly detected in a state in which at least one of the first switch element and the second switch element is turned off and the voltage across the first power storage element And detecting a failure of the first switch element and the second switch element based on a comparison result. 前記制御部は、前記第1の蓄電素子の両端電圧と前記第2の蓄電素子の両端電圧との差に基づいて前記第3のスイッチ素子および前記第4のスイッチ素子の故障を検出し、
前記制御部は、前記入力スイッチ部における前記各スイッチ素子をオンし、かつ前記出力スイッチ部における前記各スイッチ素子をオフする第1の期間と、前記入力スイッチ部における前記各スイッチ素子および前記出力スイッチ部における前記各スイッチ素子をオフする第2の期間と、前記入力スイッチ部における前記各スイッチ素子をオフし、かつ前記出力スイッチ部における前記各スイッチ素子をオンする第3の期間と、前記入力スイッチ部における前記各スイッチ素子および前記出力スイッチ部における前記各スイッチ素子をオフする第4の期間とをこの順番で繰り返し、
前記制御部は、前記第2の期間において前記第3のスイッチ素子および前記第4のスイッチ素子の故障を検出し、前記第4の期間において前記第1のスイッチ素子および前記第2のスイッチ素子の故障を検出する、請求項3に記載の電力伝達用絶縁回路。
The controller detects a failure of the third switch element and the fourth switch element based on a difference between a voltage across the first power storage element and a voltage across the second power storage element;
The control unit turns on the switch elements in the input switch unit and turns off the switch elements in the output switch unit; and the switch elements and output switches in the input switch unit A second period for turning off the switch elements in the input section, a third period for turning off the switch elements in the input switch section and turning on the switch elements in the output switch section, and the input switch And the fourth period of turning off each switch element in the output switch section and the switch element in the output switch section in this order,
The control unit detects a failure of the third switch element and the fourth switch element in the second period, and detects the failure of the first switch element and the second switch element in the fourth period. The insulation circuit for electric power transmission of Claim 3 which detects a failure.
前記電力伝達用絶縁回路は、通常動作モードおよび故障検出モードを有し、
前記制御部は、前記通常動作モードにおいて、前記入力スイッチ部における前記各スイッチ素子をオンし、かつ前記出力スイッチ部における前記各スイッチ素子をオフする第1の期間と、前記入力スイッチ部における前記各スイッチ素子をオフし、かつ前記出力スイッチ部における前記各スイッチ素子をオンする第2の期間とを順番に繰り返し、
前記制御部は、前記故障検出モードにおいて、前記第1の期間および前記第2の期間を実行し、前記通常動作モードと比べて前記第1の期間および前記第2の期間をそれぞれ長く設定する、請求項1から4のいずれか1項に記載の電力伝達用絶縁回路。
The power transmission isolation circuit has a normal operation mode and a failure detection mode,
In the normal operation mode, the control unit turns on the switch elements in the input switch unit and turns off the switch elements in the output switch unit, and the respective units in the input switch unit. A second period in which the switch elements are turned off and the switch elements in the output switch section are turned on in turn,
The control unit executes the first period and the second period in the failure detection mode, and sets the first period and the second period longer than the normal operation mode, The insulation circuit for electric power transmission of any one of Claim 1 to 4.
前記制御部は、自己と前記第1のスイッチ素子ないし前記第4のスイッチ素子との間を絶縁しながら、制御信号を前記第1のスイッチ素子ないし前記第4のスイッチ素子へそれぞれ出力することにより、前記第1のスイッチ素子ないし前記第4のスイッチ素子のスイッチングを制御する、請求項1から6のいずれか1項に記載の電力伝達用絶縁回路。   The control unit outputs a control signal to the first switch element to the fourth switch element, respectively, while insulating between itself and the first switch element to the fourth switch element. The insulating circuit for power transmission according to any one of claims 1 to 6, wherein switching of the first switch element to the fourth switch element is controlled. 前記制御部は、前記第1のスイッチ素子ないし前記第4のスイッチ素子の各々に対応して設けられた複数のフォトカプラを含み、対応の前記フォトカプラを介して前記制御信号を前記第1のスイッチ素子ないし前記第4のスイッチ素子へそれぞれ出力する、請求項7に記載の電力伝達用絶縁回路。   The control unit includes a plurality of photocouplers provided corresponding to each of the first switch element to the fourth switch element, and sends the control signal to the first switch element via the corresponding photocoupler. The insulating circuit for power transmission according to claim 7, wherein the circuit is output to each of the switch element and the fourth switch element. 前記制御部は、前記入力スイッチ部における前記各スイッチ素子をオンし、かつ前記出力スイッチ部における前記各スイッチ素子をオフする第1の期間と、前記入力スイッチ部における前記各スイッチ素子をオフし、かつ前記出力スイッチ部における前記各スイッチ素子をオンする第2の期間とを順番に繰り返し、
前記制御部は、所定のタイミングにおいて前記第1のスイッチ素子ないし前記第4のスイッチ素子の故障を検出することが可能であり、かつ前記電力伝達用絶縁回路の外部からの指令に基づくタイミングにおいて前記第1のスイッチ素子ないし前記第4のスイッチ素子の故障を検出することが可能である、請求項1から8のいずれか1項に記載の電力伝達用絶縁回路。
The control unit turns on the switch elements in the input switch unit and turns off the switch elements in the output switch unit, and turns off the switch elements in the input switch unit. And a second period of turning on each of the switch elements in the output switch section in order,
The control unit is capable of detecting a failure of the first switch element to the fourth switch element at a predetermined timing, and at a timing based on a command from the outside of the power transmission insulating circuit. The insulation circuit for power transmission according to any one of claims 1 to 8, wherein a failure of the first switch element to the fourth switch element can be detected.
前記電力伝達用絶縁回路は、さらに、
前記第1のスイッチ素子の第1端と前記第2のスイッチ素子の第1端との間に接続された第3の蓄電素子を備える、請求項1から9のいずれか1項に記載の電力伝達用絶縁回路。
The power transmission insulating circuit further includes:
The electric power according to any one of claims 1 to 9, further comprising a third power storage element connected between a first end of the first switch element and a first end of the second switch element. Transmission insulation circuit.
交流電力を直流電力に変換して負荷に供給するための電力変換装置であって、
受けた交流電力を整流するための整流部と、
前記整流部および前記負荷間を絶縁しながら、前記整流部によって整流された電力を前記負荷に伝達するための電力伝達用絶縁回路とを備え、
前記電力伝達用絶縁回路は、
第1端および第2端を有する第1の蓄電素子と、
第1端および第2端を有する第2の蓄電素子と、
前記整流部と前記第1の蓄電素子の第1端との間に接続された第1のスイッチ素子および前記整流部と前記第1の蓄電素子の第2端との間に接続された第2のスイッチ素子を含み、前記整流部によって整流された電力を前記第1の蓄電素子に供給するための入力スイッチ部と、
前記第1の蓄電素子の第1端と前記第2の蓄電素子の第1端との間に接続された第3のスイッチ素子および前記第1の蓄電素子の第2端と前記第2の蓄電素子の第2端との間に接続された第4のスイッチ素子を含み、前記第1の蓄電素子に蓄えられた電力を前記第2の蓄電素子に供給するための出力スイッチ部と、
前記第1の蓄電素子の両端電圧を検出するための第1の電圧検出部と、
前記第2の蓄電素子の両端電圧を検出するための第2の電圧検出部と、
前記第1の電圧検出部によって検出された前記第1の蓄電素子の両端電圧、および前記第2の電圧検出部によって検出された前記第2の蓄電素子の両端電圧に基づいて、前記第1のスイッチ素子ないし前記第4のスイッチ素子の故障を検出するための制御部とを含む、電力変換装置。
A power conversion device for converting AC power to DC power and supplying it to a load,
A rectifying unit for rectifying the received AC power;
A power transmission insulating circuit for transmitting the power rectified by the rectifying unit to the load while insulating between the rectifying unit and the load;
The power transmission insulating circuit is:
A first power storage element having a first end and a second end;
A second power storage element having a first end and a second end;
A first switch element connected between the rectifying unit and a first end of the first power storage element, and a second switch element connected between the rectifying unit and a second end of the first power storage element. An input switch unit for supplying the first power storage device with the power rectified by the rectification unit,
A third switch element connected between a first end of the first power storage element and a first end of the second power storage element, and a second end of the first power storage element and the second power storage An output switch unit including a fourth switch element connected between the second end of the element and supplying power stored in the first power storage element to the second power storage element;
A first voltage detector for detecting a voltage across the first power storage element;
A second voltage detector for detecting a voltage across the second power storage element;
Based on the voltage across the first power storage element detected by the first voltage detector and the voltage across the second power storage element detected by the second voltage detector, the first voltage detector And a control unit for detecting a failure of the switch element or the fourth switch element.
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