JP2013132128A - 電力変換器の絶縁不良検出装置および電力変換器並びに絶縁不良検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】出力端子の絶縁不良の診断を高速かつ正確にできる電力変換器の絶縁不良検出装置および電力変換器並びに各電気機器の絶縁不良個所の検出を行う絶縁不良検出装置を提供する。
【解決手段】電力変換器の絶縁不良検出装置１４は、出力電圧指令値に応じた出力電圧が得られるようにスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４をスイッチング信号（Ｓ）によりON、OFFさせて出力端子間に出力電圧を生成するＤＣ／ＤＣ変換部６と、出力電圧指令値と実際の出力電圧との偏差に応じて前記スイッチング信号（Ｓ）のデューティ比を制御する制御手段１３と、スイッチング信号（Ｓ）のデューティ比と出力端子が絶縁良好とみなせるときのデューティ比に基づいてあらかじめ設定された規定デューティ比とを比較するデューティ判定部６ａとを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気自動車やハイブリッド車などの電動車両を充電するための急速充電器のような電力変換器の絶縁不良検出装置および電力変換器並びに各電気機器の絶縁不良個所の検出を行う絶縁不良検出装置に関するものである。

近年、電気自動車（以下、ＥＶという）の普及にともない、電力変換器の一例のＥＶ用急速充電器の設置が望まれている。図８に示すように、この種のＥＶ用急速充電器５１は、商用三相交流等の交流電源５２をＡＣ／ＤＣ変換部５５にて交流−直流変換して、その後段のＤＣ／ＤＣ変換部５６においてＥＶバッテリの状態情報をもとにＥＶ側で算出する充電電流指令に追従した充電電流が得られるように出力電流（充電電流）を生成（電力変換）し、充電ケーブル端５３ａを介してＥＶバッテリ５４に供給するように構成されている。

前記ＤＣ／ＤＣ変換部は一例として一般的なフルブリッジコンバータ（以下、ＤＣ／ＤＣ変換部と同一符号を付す）で構成されており、このフルブリッジコンバータ５６は、図９に示すように還流ダイオード付きIGBTのようなスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４を４個使用しており、上下のスイッチング素子ＳＷ１，２またはＳＷ３，４が同時オンするのを防止するため、おおよそ０．２〜５μsec程度のデッドタイム（全スイッチング素子off期間）を介して１８０°位相をシフトした駆動を行い、左右のスイッチング素子ＳＷ１，３またはＳＷ２，４が１８０°位相をシフトした駆動する一般的に知られる動作を行う。また、前記充電電流指令に追従する出力電流を生成するため、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のオン時間（ＩＧＢＴ駆動信号のパルス幅）を制御している。スイッチング周波数は1kHzから100kHz間の任意の一定周波数とするのが一般的である。なお、図９中、入力源に相当するＡＣ／ＤＣ変換部５５の任意のＤＣ出力電圧源５５ａを等価的に直流電源記号で表記している。

このＥＶ用急速充電器５１は一般的に５００Ｖ程度の直流の高電圧を充電ケーブル端５３ａに出力可能な仕様となっているが、５００Ｖの直流電圧に感電すると人命に係わる重大事故となる可能性がある。

しかも、ＥＶを利用するのは電気的な知見を有さない一般ユーザーになると想定されることから、急速充電器５１に取付けられる充電ケーブル端５３ａをＥＶに接続する操作のような充電準備の一部を一般ユーザー自ら行う必要がある。その際に、最大５００Ｖ程度の直流電圧が印加される充電ケーブル端５３ａを含むＥＶ用急速充電器５１に一般ユーザーが近づき、あるいは触れる可能性が十分に懸念される。そのため、ＥＶ用の急速充電器５１には人体への感電といった電気事故を防ぐ対策を種々設ける必要がある。また、同時にＥＶや急速充電器５１が破損しないような保護機能を設ける必要もある。

その対策の一つに、急速充電器５１の充電ケーブル端５３ａの絶縁耐圧を診断する機能（以下、絶縁診断という）が設けられている。この絶縁診断とは、急速充電器５１においてＥＶを充電する際に、電磁接触器５４ａにより充電ケーブル端５３ａをＥＶに電気的に接続する前では無負荷状態にある急速充電器５１に対して、出力可能範囲内の高電圧を任意の一定時間出力し、充電ケーブル端５３ａとＥＶとの通電個所に導電性の異物が混入してないかといった絶縁不良を検出し、急速充電器５１が正常に動作することおよび絶縁性能を有することを診断する機能である。この絶縁診断機能は、ユーザーが充電ケーブル５３aをＥＶに接続してから電磁接触器５４ａが投入されるまでの間に実施することが最も好ましいが、電磁接触器５４ａが投入される前の状態では充電ケーブル端５３ａの通電個所には何も接続されてない無負荷となるため、フルブリッジコンバータ５６の出力に流れる電流は理想的にはゼロとなり、この電流の有無で絶縁不良が診断される。実際にはこの電流を検出する電流検出器６７を前記フルブリッジコンバータ５６と充電ケーブル端５３ａとの間に配置することから、ＥＶ用急速充電器５１の出力端に設ける電圧検出器や、ノイズフィルタや地絡検出器など保安部品に流れる微小な回路電流が存在するため、電流検出器６７で検出される出力電流が絶縁良好とみなされる所定の振幅以上の電流か否かを電流判定部６６で判定し、出力電流がこの振幅以上であることが検出されると絶縁不良と診断されている（図１０参照）。

絶縁診断時は以下のとおり出力電圧制御を行う。

任意に生成する出力電圧指令値と実際に急速充電器５１から出力される出力電圧の偏差により、出力電圧補償器６３ａ（Ｐ補償器もしくはＰＩ補償器、ＰＩＤ補償器）にてスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のオン時間に相当する操作量を算出し、三角波比較によりスイッチング信号（Ｓ）を生成する一般的なＰＷＭ制御である。また、前記フルブリッジコンバータ５６は安全上の観点から入出力間を変圧器５９で電気的に遮断しているが(図９参照)、これをＡＣ／ＤＣ変換部５５で行ってもよい。

特開２００２―１１２４６５号公報

前記急速充電器において、前述した絶縁診断を行うと、以下の問題が発生している。
（１）絶縁不良を監視するフルブリッジコンバータ５６の出力電流はコスト、サイズの観点から、充電電流の電流検出器６７を兼ねることが望ましい。しかしながら、充電電流の電流検出器６７の検出レベルは絶縁不良の判定を行う時に生じる電流レベルよりもはるかに大きいレベルとなっており、絶縁診断時の電流レベルの検出を高精度で行えず、絶縁不良を確実に検出することが困難となっている。数値例により説明すると、絶縁不良と判定する電流値を仮に５Ａ以上として、充電時に流れる出力電流が所定値、例えば１２５Ａ、電流検出器６７の電流検出精度を±（1.5％+1.0Ａ）以内とした場合、絶縁診断時に実際に流れる出力電流が３．９３〜６．０８Ａの範囲で５Ａを検出する可能性がある。この状態では、絶縁不良の判定値５Ａに対して、実際に流れる電流が６．０８Ａであっても絶縁不良を認識できない。これにより人体への感電の可能性が増すことが問題である。一方で、電流検出器６７の最大検出電流が５Ａになるよう、絶縁不良の判定値を３．９３Ａとした場合に流れ得る出力電流は、２．８７〜５Ａとなる。

この場合、２．８７Ａ以上出力電流が流れると絶縁不良と判定する可能性があるが、前述の微小に存在する回路電流により絶縁不良を誤検出する可能性が増えるという問題が発生する。

以上より、電流検出器６７の検出精度によって、確実に絶縁不良が検出できないことが問題となる。
（２）スイッチング周波数成分や交流電源５２の変動成分に代表されるリップルやスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のスイッチングノイズ成分による絶縁不良の誤検知の対策として電流検出器６７の検出信号に対してローパスフィルタ６８を挿入すると（図１０参照）、フィルタ定数に応じた検出遅れが発生することは公知であるが、この検出遅れがあると絶縁不良時に最速で絶縁不良を検出できず、安全面から好ましくない（できるだけ早く絶縁不良を検出することが望ましい）。

以上より電流検出系の検出遅れによって、高速に絶縁不良が検出できないことが問題である。

本発明の目的は上記いずれの問題も払拭することであり、また急速充電器の不具合に限定されることなく一般の電力変換器に懸念される同様の問題を払拭することであり、出力端の絶縁不良の診断を高速かつ正確にできる電力変換器の絶縁不良検出装置および電力変換器を提供することである。

また、本発明の目的は、電力変換器の絶縁不良検出装置および電力変換器に留まらず、これらを手始めに広く一般に使用されている電気機器に付設できる絶縁不良検出装置を提供することである。

本発明に係る絶縁不良検出装置は、上記目的を達成するために、スイッチング素子をスイッチング信号によりON、OFFさせて所定位置に電圧を生成し、この電圧と出力電圧指令値との偏差に応じて前記スイッチング信号のデューティ比を制御する制御手段を具備し、スイッチング素子に入力されるスイッチング信号のデューティ比と前記所定位置が絶縁良好とみなせるときのデューティ比に基づいてあらかじめ設定された規定デューティ比とを比較するデューティ判定部を備え、前記スイッチング信号のデューティ比が規定デューティ比より大きいとき、絶縁不良と判定するように構成したことを特徴とする。

このように構成したことにより、所定位置、例えば各電気機器の任意の診断個所に任意の診断電圧を出力指令値として印加すると、出力指令値と所定位置の実際の出力電圧との偏差に応じて、この偏差に応じたデューティ比を持つスイッチング信号が生成される。この時、絶縁不良により出力電流が流れると、当該電流により各素子に電圧降下を生じるなどの理由から、絶縁良好状態での出力電圧と同等の出力電圧を絶縁不良時に出力するためにはより大きいデューティ比に制御する必要がある。要するに、絶縁不良で出力電流が余計に発生するとその余計な電流による電圧降下によって出力電圧が低くなるので、前記偏差が大きくなり、デューティをより大きくする必要があるということである。そのため、このデューティ比を前記所定位置が絶縁良好とみなせるデューティ比に基づきあらかじめ設定された規定デューティ比と比較することにより、デューティ比が規定デューティ比よりも小さい時には、各機器の診断個所には電流が流れない、すなわち絶縁が良好であるとみなされる。逆に、生成されたデューティ比が規定デューティ比よりも大きい時には、絶縁不良とみなされる電流が流れることとなる。すなわち、各機器の診断個所が絶縁不良とみなされる。このように、前記スイッチング信号のデューティ比により絶縁の良否判断を行うことができ、従来技術とは異なり、ローパスフィルタなどに起因する検出遅れが無い状態で絶縁の良否判定が可能となり、絶縁不良の診断を高速かつ正確に検出できるばかりか、一般に広く使用されている電気機器であっても簡単な接続作業で絶縁不良の診断ができる。

また、本発明に係る電力変換器の絶縁不良検出装置は、上記目的を達成するために、直流電圧から出力電圧指令値に応じた出力電圧が出力端子間に得られるようにスイッチング素子をスイッチング信号によりON、OFFさせて出力電圧を生成するＤＣ／ＤＣ変換部と、出力電圧指令値と実際の出力電圧との偏差に応じて前記スイッチング信号のデューティ比を制御する制御手段とを具備する電力変換器の絶縁不良検出装置であって、ＤＣ／ＤＣ変換部のスイッチング素子に入力されるスイッチング信号のデューティ比と出力端子が絶縁良好とみなせるときのデューティ比に基づいてあらかじめ設定された規定デューティ比とを比較するデューティ判定部を備え、前記スイッチング信号のデューティ比が規定デューティ比より大きいとき、絶縁不良と判定するように構成したことを特徴とする。

このように構成したことにより、ＤＣ／ＤＣ変換部に例えば出力可能範囲内の高電圧の診断電圧が出力指令値として印加されると、出力指令値とＤＣ／ＤＣ変換部の実際の出力電圧との偏差に応じて、この偏差に応じたデューティ比を持つスイッチング信号が生成される。この時、前述したような理由でデューティ比が制御されるので、このデューティ比を出力端子が絶縁良好とみなせるデューティ比に基づきあらかじめ設定された規定デューティ比と比較し、規定デューティ比よりも小さい時には、ＤＣ／ＤＣ変換部の出力端には電流が流れない、すなわち絶縁が良好であるとみなされる。逆に、生成されたデューティ比が規定デューティ比よりも大きい時には、絶縁不良とみなされる電流が流れることとなる。すなわち、ＤＣ／ＤＣ変換部の出力端が絶縁不良とみなされる。そのため、前記スイッチング信号のデューティ比により絶縁の良否判断を行うことができ、従来技術とは異なり、スイッチング周波数成分や交流電源の変動成分に代表されるリップルやスイッチング素子のスイッチングノイズ成分を取り除くローパスフィルタが不要になるため、ローパスフィルタなどに起因する検出遅れが無い状態で絶縁の良否判定が可能となり、絶縁不良を高速に検出して、その対応を取ることができる。また、絶縁の良否判定に際し電流検出器を使用しなくて済み、電流検出器の精度の影響を受けずに誤検出なく正確に絶縁の良否判定ができ、絶縁不良という判定結果の信頼性が増し、安全性が改善される。

さらに、本発明は上記目的を達成するため、交流電圧から出力電圧指令値に応じた出力電圧が出力端子間に得られるようにスイッチング素子をスイッチング信号によりON、OFFさせて出力端子間に出力電圧を生成するＡＣ／ＤＣ変換部と、出力電圧指令値と実際の出力電圧との偏差に応じて前記スイッチング信号のデューティ比を制御する制御手段とを具備する電力変換器の絶縁不良検出装置に適用するものであってもよく、ＤＣ／ＤＣ変換部を備えた前述の電力変換器の絶縁不良検出装置と同様の効果が得られる。

前記デューティ判定部の具体的態様として、安全性能の高い電力変換器を提供するため、絶縁不良判定により各スイッチング素子へのスイッチング信号を遮断するスイッチング部を設けることが望ましい。

また、絶縁良好判定の時には、ＤＣ／ＤＣ変換部の出力を外部に出力するため、電力変換器が出力端子と外部との通電個所を通常時遮断する電磁接触器を備えたものであり、前記デューティ判定部の絶縁良好判定により電磁接触器を接続状態に切換えるスイッチング部を備えることが望ましい。

さらに、前記スイッチング部はデューティ判定部の絶縁不良判定、または絶縁良好判定により作動しているが、ＤＣ／ＤＣ変換部の出力端の通電個所の絶縁診断を確実に行うため、絶縁とみなせる設定電流値以下か否かを判定する電流判定部による絶縁不良判定によっても動作する構成とすることが望ましい。

しかも、急速充電器以外の一般的な電力変換器の絶縁良否判定を行う際にも適用できるようにするため、前述の絶縁不良検出装置の機能を備えた電力変換器とすることが望ましい。

以上説明した本発明によれば、出力電圧指令値に応じた実際の出力電圧が得られるようにスイッチング素子をON、OFFさせて出力電圧を生成するスイッチング信号のデューティ比から所定位置の絶縁不良の診断を高速かつ正確にできる電力変換器の絶縁不良検出装置および電力変換器並びに各電気機器の絶縁不良個所の検出を行う絶縁不良検出装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る急速充電器のフルブリッジコンバータを説明するブロック図。 本発明の実施形態に係る急速充電器の全体説明図。 本発明の実施形態に係るＤＣ／ＤＣ変換部の具体的態様を説明する電気回路図。 本発明の実施形態に係るＤＣ／ＤＣ変換部の他の具体的態様を説明する電気回路図。 本発明の実施形態に係るＤＣ／ＤＣ変換部のもう一つの具体的態様を説明する電気回路図。 本発明の実施形態に係る急速充電器のＤＣ／ＤＣ変換部の変形例を説明するブロック図。 本発明のもう一つの実施形態に係る急速充電器の絶縁不良検出装置の要部を説明する電気回路図。 従来の急速充電器の絶縁不良検出装置の全体説明図。 従来の急速充電器に係るＤＣ／ＤＣ変換部の具体的態様を説明する電気回路図。 従来の急速充電器のＤＣ／ＤＣ変換部を説明するブロック図。

以下、本発明の実施形態に係る電力変換器の一例である急速充電器の絶縁不良検出装置を、図面を参照して説明する。図１ないし図３において、ＥＶ用の急速充電器１は商用三相交流等の交流電源２の電圧を充電回路３においてＥＶバッテリの状態情報をもとにＥＶ（図示せず）側で算出される充電電流指令値に追従した出力電流（充電電流）を生成（電力変換）し、これを本発明の出力端となる充電ケーブル端３ａからＥＶバッテリ４に供給するものであり、前記充電回路３は主としてＡＣ／ＤＣ変換部５と前記充電ケーブル端３ａが接続されるＤＣ／ＤＣ変換部６とから構成されている。前記ＤＣ／ＤＣ変換部６は一例として一般的なフルブリッジコンバータ（以下、ＤＣ／ＤＣ変換部と同一符号を付す）で構成されており、このフルブリッジコンバータ６は還流ダイオード７を付設したIGBTのようなスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４により構成されるフルブリッジコンバータ６の一次側回路８とその出力に接続される変圧器９、変圧器９の出力に接続されかつダイオードＤ１〜Ｄ４により構成されるフルブリッジ型全波整流回路でなるフルブリッジコンバータ６の２次側回路１０、出力リアクトル１１、平滑コンデンサ１２および前記スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のゲートに送るスイッチング信号（Ｓ）を制御する制御手段１３を備えている。前記スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４および還流ダイオード７はIGBT，ダイオードに限らずFET，サイリスタ、バイポーラトランジスタなど広く知られた半導体素子でもよい。また、前記フルブリッジコンバータ６は安全上の観点から入出力間を変圧器９で電気的に遮断しているが、これをＡＣ／ＤＣ変換部５で行ってもよい。前記フルブリッジ型全波整流回路でなるフルブリッジコンバータ６の２次側回路１０としては、代わりに図４（ａ），（ｂ）に示す半波整流回路１０ａや図５に示す電流ダブラ整流回路１０ｂを用いることや、図示はしないが、変圧器９の二次側のダイオードＤ１〜Ｄ４をIGBT，FET，サイリスタ、バイポーラトランジスタなどに取り換えた同期整流の構成でもよい。なお、図３中、入力源に相当するＡＣ／ＤＣ変換部５の任意のＤＣ出力電圧源５ａを等価的に直流電源記号で表記している。

前記制御手段１３は、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御を行うことによってフルブリッジコンバータ６を駆動するように構成されている。すなわち、前記制御手段１３は前記充電電流指令値に対応する出力電圧指令値とゲイン調整部１３ａによりレベル調整された実際の出力電圧との偏差と出力電圧補償器１３ｂから操作量を算出し、このようにして得られる操作量に応じてＰＷＭ演算部１３ｃにより一定周期の三角波から所定デューティ比を持つスイッチング信号（Ｓ）を発生させ、このスイッチング信号（Ｓ）をスイッチング素子駆動回路１７を介して前記フルブリッジコンバータ６のスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４に加える一般的なＰＷＭ制御を行う構成となっている。

前記充電ケーブル端３ａが接続されるＥＶバッテリ４には電磁接触器４ａが配置されており、充電ケーブル端３ａがＥＶバッテリ４に機械的に接続されても、それだけでは電磁接触器４ａの部分において電気的に遮断された状態にあるように構成されている。

そして、ＥＶバッテリ４に充電ケーブル端３ａが接続され、後述する絶縁診断を通じて絶縁良好が確認された後にＥＶ側に配置された電磁接触器４ａが作動すると、充電ケーブル端３ａとＥＶバッテリ４との通電個所が遮断状態から接続状態に切り替えられる。この状態で、ＥＶで算出した充電電流指令値が制御手段１３に送られ、この充電電流指令値に応じた出力電流が得られるように、フルブリッジコンバータ６を作動させる。このフルブリッジコンバータ６の出力電流が充電ケーブル端３ａからＥＶバッテリ４に供給される。

このような構成に加え、本実施形態は、上述した絶縁診断を無負荷状態で行うにあたり、デューティ比に着目して絶縁不良か否かの判定を行うようにしている。

その理由を説明すると、フルブリッジコンバータ６の出力電圧は、式（１）で導出される。

Ｖo∝Vin×（Ｎ2／Ｎ1）×Duty×２−Ｖd …（１）
ただし、
Ｖin：入力DC電圧
Ｎ1，Ｎ2：高周波トランス巻数
Duty：デューティ比（スイッチング素子の１素子分の１周期に占めるオン時間比）
Ｖd：各種半導体、トランス等の損失分に起因する電圧降下およびインダクタンス成分の電圧降下（出力電流に比例）
である。

仮に、絶縁不良でない場合は、出力電流は理想的にゼロになる（或いは、無視できるほど小さい）ため、上記式（１）のＶｄはゼロになり（或いは、微小電圧が存在したとしても、無視できるほど小さくなり）、Ｖin、Ｎ2、Ｎ1が一定で、Ｖoが任意に制御されていれば、Dutyは決定される。以上により、絶縁不良でない場合のDutyが導出できる。

一方で、絶縁不良時は出力電流がゼロでなく有限のため、Ｖｄが存在（絶縁不良でない場合よりＶｄが増大）し、出力電圧Ｖoが垂下する。この結果、出力電圧補償器１３ｂにより前記Dutyが出力電流に応じて大きくなる。

そのため、Dutyを監視して任意に定める規定Dutyを超えることを検出することで絶縁不良を認識することができる。

そこで、本実施形態では上記の考察に基づいて、前記制御手段１３に前述した絶縁診断を行うための絶縁不良検出装置１４を設けている。この絶縁不良検出装置１４は、絶縁良否判定をするデューティ判定部６ａと前記スイッチング信号（Ｓ）の遮断／通過を制御するスイッチング部６ｂとからなっている。

デューティ判定部６ａには、絶縁良好（すなわち、電流値ゼロ）とみなせるときのデューティ比に基づいて、絶縁不良を判定するDutyの閾値が一点、規定デューティ比として設定してある。この規定デューティ比は、絶縁良好とみなせるときのデューティ比そのものでもよいが、それに所定値を加えたものであってもよい。そして、前記デューティ判定部６ａは、前記スイッチング信号（Ｓ）から算出されるデューティ比と規定デューティ比とを比較し、前者が後者を上回れば絶縁不良判定、それ以外の場合には絶縁良好判定を出力するように構成されている。

また、スイッチング部６ｂは、前記ＰＷＭ演算部１３ｃの出力を制御手段１３からスイッチング素子ＳＷ１〜４に対して出力する状態（接続状態）と出力しない状態（遮断状態）とを切り替える機能を備えている。
すなわち、スイッチング部６ｂは前記デューティ判定部６ａの絶縁良好判定により所定スイッチング信号（Ｓ）を出力する接続状態とし、絶縁不良判定によりスイッチング部６ｂを遮断状態（例えばスイッチング信号出力０の状態）に切換えるように構成されている。

また、スイッチング部６ｂは、制御手段１３のデューティ判定部６ａの絶縁良好判定により電磁接触器４ａを遮断状態から接続状態に切り替え、絶縁不良判定により電磁接触器４ａの遮断状態を維持するようにしている。

しかして、この急速充電器１が利用に供される際には、この絶縁不良検出装置１４は、充電ケーブル端３ａがＥＶバッテリ４に機械的に接続された後、急速充電器１側に設けた充電スイッチ（図示せず）が投入されると起動して、出力可能範囲内の高電圧に対応する絶縁診断時出力電圧指令値を任意の一定時間前記制御手段１３に送り、ＰＷＭ演算部１３ｃで生成されるスイッチング信号（Ｓ）をデューティ判定部６ａに送るように構成されている。なお、前記規定デューティ比は前記数式（１）に基づき算出してもよいが、本実施形態では絶縁良好な状態を確認した上で実際に実験により求めた値を使用している。

このように、絶縁不良検出装置１４がデューティ比に基づいて絶縁不良を判定することから、絶縁不良があれば診断開始とともに高速かつ確実にこれを検出することができるようになる。

なお、本発明は本実施形態の急速充電器に限定されて適用されるものではなく、図示はしないが、一般的な電力変換器の絶縁良否判定を行う際にも適用できることはもちろんのこと、前述の絶縁不良検出装置の機能を備えた電力変換器とすることもできるものであり、さらにはこれらに留まらず、これらを手始めに広く一般に使用されている電気機器の絶縁不良検出装置として適用できるものである。特に、電気機器の絶縁不良検出装置として適用する場合、ＤＣ／ＤＣ変換部に限定されるものではなく、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４をスイッチング信号（Ｓ）によりON、OFFさせて所定位置に電圧を生成する構成を備えた制御手段を備えておればよい。

以上説明したように、本発明の実施形態はスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４をスイッチング信号（Ｓ）によりON、OFFさせて所定位置に電圧を生成し、この電圧と出力電圧指令値との偏差に応じて前記スイッチング信号（Ｓ）のデューティ比を制御する制御手段１３を具備し、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４に入力されるスイッチング信号（Ｓ）のデューティ比と前記所定位置が絶縁良好とみなせるときのデューティ比に基づいてあらかじめ設定された規定デューティ比とを比較するデューティ判定部６ａを備え、前記スイッチング信号（Ｓ）のデューティ比が規定デューティ比より大きいとき、絶縁不良と判定するように構成したことを特徴とする。

この構成により、所定位置、例えば各電気機器の任意の診断個所に任意の診断電圧を出力指令値として印加すると、出力指令値と制御手段１３の実際の出力電圧との偏差に応じて、この偏差に応じたデューティ比を持つスイッチング信号（Ｓ）が生成される。この時、絶縁不良により出力電流が流れると、当該電流により各素子に電圧降下を生じるなどの理由から、絶縁良好状態での出力電圧と同等の出力電圧を絶縁不良時に出力するためにはより大きいデューティ比に制御する必要がある。要するに、絶縁不良で出力電流が余計に発生するとその余計な電流による電圧降下によって出力電圧が低くなるので、前記偏差が大きくなり、デューティをより大きくする必要がある。そのため、このデューティ比を前記所定位置が絶縁良好とみなせるデューティ比に基づきあらかじめ設定された規定デューティ比と比較することにより、デューティ比が規定デューティ比よりも小さい時には、各電気機器の診断個所には電流が流れない、すなわち絶縁が良好であるとみなされる。逆に、生成されたデューティ比が規定デューティ比よりも大きい時には、絶縁不良とみなされる電流が流れることとなる。すなわち、各機器の診断個所が絶縁不良とみなされる。このように、前記スイッチング信号（Ｓ）のデューティ比により絶縁の良否判断を行うことができ、従来技術とは異なり、ローパスフィルタなどに起因する検出遅れがない状態で絶縁の良否判定が可能となり、絶縁不良の診断を高速かつ正確に検出できるばかりか、一般に広く使用されている電気機器であっても簡単な接続作業で絶縁不良の診断ができる。

また、本発明の実施形態は直流電圧から出力電圧指令値に応じた出力電圧が出力端子３ａ，３ａ間に得られるようにスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４をスイッチング信号（Ｓ）によりON、OFFさせて出力電圧を生成するＤＣ／ＤＣ変換部６と、出力電圧指令値と実際の出力電圧との偏差に応じて前記スイッチング信号（Ｓ）のデューティ比を制御する制御手段１３とを具備する電力変換器の絶縁不良検出装置であって、ＤＣ／ＤＣ変換部６のスイッチング信号（Ｓ）のデューティ比と出力端子３ａが絶縁良好とみなせるときのデューティ比に基づいてあらかじめ設定された規定デューティ比とを比較するデューティ判定部６ａを備え、前記スイッチング信号（Ｓ）のデューティ比が規定デューティ比より大きいとき、絶縁不良と判定するように構成したことを特徴としている。

この構成により、ＤＣ／ＤＣ変換部６に例えば出力可能範囲内の高電圧の診断電圧が出力指令値として印加されると、出力指令値とＤＣ／ＤＣ変換部６の実際の出力電圧との偏差に応じて、この偏差に応じたデューティ比を持つスイッチング信号（Ｓ）が生成される。このデューティ比がデューティ判定部６ａにおいて、規定デューティ比と比較される。前記スイッチング信号（Ｓ）のデューティ比が規定デューティ比よりも小さい時には、絶縁良好とみなされ、ＤＣ／ＤＣ変換部６の出力端には電流が流れない、すなわち絶縁良好が検出される。逆に、前記スイッチング信号（Ｓ）のデューティ比が規定デューティ比よりも大きい時には、絶縁不良とみなせる電流が流れる、すなわち絶縁不良が検出される。そのため、前記スイッチング信号（Ｓ）のデューティ比により絶縁の良否判断を行うことができ、出力電流を生成する前の段階で、絶縁の良否判定が可能となり、絶縁不良を高速に検出できる。また、絶縁の良否判定に際し電流検出器を使用しなくて済み、電流検出器の精度の影響を受けずに誤検出なく正確に絶縁の良否判定ができ、絶縁不良という判定結果の信頼性が増し、安全性が改善される。さらに、従来技術とは異なり、スイッチング周波数成分や交流電源の変動成分に代表されるリップルやスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のスイッチングノイズ成分を取り除くローパスフィルタが不要になるため、ローパスフィルタなどに起因する検出遅れが生じることもなく、絶縁不良が発生すればただちにこれを検出して、その対応を取ることができる。また、絶縁の良否判定に際し電流検出器を使用しなくて済み、電流検出器の精度の影響を受けずに誤検出なく正確に絶縁の良否判定ができ、絶縁不良という判定結果の信頼性が増し、安全性が改善される。

前記デューティ判定部６ａの具体的態様として、安全性能の高い急速充電器１を提供するため、デューティ判定部６ａの絶縁不良判定により前記スイッチング信号（Ｓ）を遮断するスイッチング部６ｂを設けているので、絶縁不良判定後ただちにスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４へのスイッチング信号（Ｓ）を遮断でき、絶縁不良判定以後の不要な絶縁診断を中止させることができる。また、絶縁良好判定の時には、ＥＶからの充電電流指令値を受けて、ＤＣ／ＤＣ変換部６の出力を外部に出力し、充電作業を開始するため、本実施形態では電力変換器は出力端子３ａと外部、すなわち充電ケーブル端３ａとＥＶバッテリ４との通電個所を通常時遮断する電磁接触器４ａを備えたものであり、前記デューティ判定部６ａの絶縁良好判定によりこの電磁接触器４ａを接続状態に切換えるスイッチング部６ｂを設けている。

本発明の実施形態の応用例として、ＤＣ／ＤＣ変換部６の出力端の通電個所の絶縁診断を確実に行うため（図2参照）、前記絶縁不良検出装置１４は図６に示すように前記デューティ判定部６ａの絶縁不良判定、または絶縁良好判定に加えて、前記出力電流が絶縁とみなせる設定電流値以下か否かを判定する電流判定部１６による絶縁不良判定によってもスイッチング部６ｂを動作させる構成であってもよい。

また、本発明の実施形態の応用例として、急速充電器以外の一般的な電力変換器の絶縁良否判定を行う際にも適用できるようにするため、前述の絶縁不良検出装置の機能を備えた電力変換器としてもよい。

さらに、本発明のもう一つの実施形態は、図７に示すように交流電圧１０２から出力電圧指令値に応じた出力電圧が出力端子１０３ａ，１０３ａ間に得られるようにフルブリッジコンバータ１０８を構成するスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４をスイッチング信号（Ｓ）によりON、OFFさせて出力端子１０３ａ，１０３ａ間に出力電圧を生成するＡＣ／ＤＣ変換部１１８と、出力電圧指令値と実際の出力電圧との偏差に応じて前記スイッチング信号（Ｓ）のデューティ比を制御する制御手段１３（図１参照）とを具備する電力変換器に前述した絶縁不良検出装置１４を適用するものである（この絶縁不良検出装置１４については説明済みであるので、詳細な説明を省略する）。

この場合、交流電源１０２に基づいて前述したようにスイッチング信号（Ｓ）によりスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４をON、OFFさせて出力端子１０３ａ，１０３ａ間に出力電圧を生成し、この出力電圧と出力電圧指令値との偏差に応じて前記スイッチング信号（Ｓ）のデューティ比を制御できるので、このデューティ比から前述した絶縁診断を行うことができる。

なお、本発明の実施形態について説明したが、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。上述の説明ではＡＣ／DC変換部５の出力電圧は、交流電源２の電圧振幅、周波数や急速充電器１の出力電力によらず一定電圧を出力可能なものとしたが、例えば、図示はしないが、ダイオード整流器に代表される定電圧出力不可の整流回路をＡＣ／ＤＣ変換部に適用する場合には、前述の数式（１）中、Ｖoは交流電源の電圧振幅、周波数や急速充電器の出力電力によって定まる。この場合は、絶縁不良を判定する規定デューティ比をＡＣ／ＤＣ変換部の出力電圧毎に設けることで、絶縁不良の判定が可能となる。

１…急速充電器
２…交流電源
３ａ…充電ケーブル端
４…ＥＶバッテリ
５…ＡＣ／ＤＣ変換部
６…ＤＣ／ＤＣ変換部
６ａ…デューティ判定部
６ｂ…スイッチング部
ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４…スイッチング素子

Claims (7)

1. スイッチング素子をスイッチング信号によりON、OFFさせて所定位置に電圧を生成し、この電圧と出力電圧指令値との偏差に応じて前記スイッチング信号のデューティ比を制御する制御手段を具備し、
   スイッチング素子に入力されるスイッチング信号のデューティ比と前記所定位置が絶縁良好とみなせるときのデューティ比に基づいてあらかじめ設定された規定デューティ比とを比較するデューティ判定部を備え、前記スイッチング信号のデューティ比が規定デューティ比より大きいとき、絶縁不良と判定するように構成したことを特徴とする絶縁不良検出装置。
2. 直流電圧から出力電圧指令値に応じた出力電圧が出力端子間に得られるようにスイッチング素子をスイッチング信号によりON、OFFさせて出力電圧を生成するＤＣ／ＤＣ変換部と、出力電圧指令値と実際の出力電圧との偏差に応じて前記スイッチング信号のデューティ比を制御する制御手段とを具備する電力変換器の絶縁不良検出装置であって、
   ＤＣ／ＤＣ変換部のスイッチング素子に入力されるスイッチング信号のデューティ比と出力端子が絶縁良好とみなせるときのデューティ比に基づいてあらかじめ設定された規定デューティ比とを比較するデューティ判定部を備え、前記スイッチング信号のデューティ比が規定デューティ比より大きいとき、絶縁不良と判定するように構成したことを特徴とする電力変換器の絶縁不良検出装置。
3. 交流電圧から出力電圧指令値に応じた出力電圧が出力端子間に得られるようにスイッチング素子をスイッチング信号によりON、OFFさせて出力端子間に出力電圧を生成するＡＣ／ＤＣ変換部と、出力電圧指令値と実際の出力電圧との偏差に応じて前記スイッチング信号のデューティ比を制御する制御手段とを具備する電力変換器の絶縁不良検出装置であって、
   ＡＣ／ＤＣ変換部のスイッチング素子に入力されるスイッチング信号のデューティ比と出力端子が絶縁良好とみなせるときのデューティ比に基づいてあらかじめ設定された規定デューティ比とを比較するデューティ判定部を備え、前記スイッチング信号のデューティ比が規定デューティ比より大きいとき、絶縁不良と判定するように構成したことを特徴とする電力変換器の絶縁不良検出装置。
4. 前記デューティ判定部の絶縁不良判定によりスイッチング信号を遮断可能なスイッチング部を備えたことを特徴とする請求項１、２または３に記載の電力変換器の絶縁不良検出装置。
5. 電力変換器が出力端子と外部との通電個所を通常時遮断する電磁接触器を備えたものであり、前記デューティ判定部の絶縁良好判定により電磁接触器を接続状態に切換えるスイッチング部を備えたことを特徴とする請求項２、３または４に記載の電力変換器の絶縁不良検出装置。
6. 前記スイッチング部は、絶縁良好とみなせる設定電流値以下か否かを判定する電流判定部の絶縁不良判定によっても動作することを特徴とする請求項４または５に記載の電力変換器の絶縁不良検出装置。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の絶縁不良検出装置の機能を備えたことを特徴とする電力変換器。

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