JP2014096944A - 電力変換装置及び電力変換装置の故障検出方法 - Google Patents

電力変換装置及び電力変換装置の故障検出方法 Download PDF

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Abstract

【課題】１次側と２次側のフルブリッジ回路に構成されるスイッチング素子の故障を簡易な構成で検出できる、電力変換装置及び電力変換装置の故障検出方法を提供すること。
【解決手段】１次側変換回路と、前記１次側変換回路と変圧器で磁気結合する２次側変換回路と、前記１次側変換回路の１次側フルブリッジ回路と前記２次側変換回路の２次側フルブリッジ回路において、前記変圧器のセンタータップから入力電圧が供給される変換回路のフルブリッジ回路に構成されるスイッチング素子のオンオフを切り替えて、前記スイッチング素子の故障を検出する故障検出部とを備える、電力変換装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、１次側変換回路と、前記１次側変換回路と変圧器を介して磁気結合する２次側変換回路とを備える、電力変換装置及び電力変換装置の故障検出方法に関する。
１次側変換回路と、前記１次側変換回路と変圧器を介して磁気結合する２次側変換回路とを備える、電力変換装置に関する先行技術文献として、例えば特許文献１が知られている。特許文献１の１次側変換回路と２次側変換回路は、いずれも、フルブリッジ回路を有している。
特開２０１１−１９３７１３号公報
ところが、従来技術では、１次側と２次側のフルブリッジ回路に構成されるスイッチング素子の故障検出を簡易な構成で実現することが難しかった。本発明は、１次側と２次側のフルブリッジ回路に構成されるスイッチング素子の故障を簡易な構成で検出できる、電力変換装置及び電力変換装置の故障検出方法の提供を目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は、
１次側変換回路と、
前記１次側変換回路と変圧器で磁気結合する２次側変換回路と、
前記１次側変換回路の１次側フルブリッジ回路と前記２次側変換回路の２次側フルブリッジ回路において、前記変圧器のセンタータップから入力電圧が供給される変換回路のフルブリッジ回路に構成されるスイッチング素子のオンオフを切り替えて、前記スイッチング素子の故障を検出する故障検出部とを備える、電力変換装置を提供するものである。
また、上記目的を達成するため、本発明は、
１次側変換回路と、前記１次側変換回路と変圧器で磁気結合する２次側変換回路とを備える電力変換装置の故障検出方法であって、
前記１次側変換回路の１次側フルブリッジ回路と前記２次側変換回路の２次側フルブリッジ回路において、前記変圧器のセンタータップから入力電圧が供給される変換回路のフルブリッジ回路に構成されるスイッチング素子のオンオフを切り替えて、前記スイッチング素子の故障を検出する、電力変換装置の故障検出方法を提供するものである。
本発明によれば、１次側と２次側のフルブリッジ回路に構成されるスイッチング素子の故障を簡易な構成で検出できる。
一実施形態に係る電力変換装置の構成図 一実施形態に係る故障検出部のブロック図 フルブリッジ回路の電圧波形のタイミングチャート 電力変換装置の故障検出方法の一例を示したフローチャート 電力変換装置の故障検出方法の一例を示したフローチャート 一実施形態に係る電力変換装置の構成図 電力変換装置の故障検出方法の一例を示したフローチャート 電力変換装置の故障検出方法の一例を示したフローチャート
＜電力変換回路システム１００の構成＞
図１は、電力変換回路１０を備える電力変換回路システム１００を示す図である。電力変換回路システム１００は、電力変換回路１０と制御回路５０（図２参照。詳細説明は後述）とを含んで構成された電力変換装置である。電力変換回路１０は、４つの入出力ポートのうちから任意の２つの入出力ポートを選択し、当該２つの入出力ポートの間で電力変換を行う機能を有する。電力変換回路１０は、１次側変換回路２０と、２次側変換回路３０とを含んで構成される。なお、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０とは、変圧器４００（センタータップ式変圧器）で磁気結合されている。
１次側変換回路２０は、１次側フルブリッジ回路２００と、第１入出力ポートＰＡと、第２入出力ポートＰＣとを含んで構成される。１次側フルブリッジ回路２００は、変圧器４００の１次側コイル２０２と、１次側磁気結合リアクトル２０４と、１次側第１上アームＵ１と、１次側第１下アーム／Ｕ１と、１次側第２上アームＶ１と、１次側第２下アーム／Ｖ１とを含んで構成される。ここで、１次側第１上アームＵ１と、１次側第１下アーム／Ｕ１と、１次側第２上アームＶ１と、１次側第２下アーム／Ｖ１は、それぞれ、例えば、Ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴと、当該ＭＯＳＦＥＴの寄生素子であるボディダイオードとを含んで構成されたスイッチング素子である。当該ＭＯＳＦＥＴに並列にダイオードが追加接続されてもよい。
１次側フルブリッジ回路２００は、第１入出力ポートＰＡの高電位側の端子６０２に接続される１次側正極母線２９８と、第１入出力ポートＰＡ及び第２入出力ポートＰＣの低電位側の端子６０４に接続される１次側負極母線２９９とを有している。
１次側正極母線２９８と１次側負極母線２９９との間には、１次側第１上アームＵ１と、１次側第１下アーム／Ｕ１とを直列接続した１次側第１アーム回路２０７が取り付けられている。さらに、１次側正極母線２９８と１次側負極母線２９９との間には、１次側第２上アームＶ１と、１次側第２下アーム／Ｖ１とを直列接続した１次側第２アーム回路２１１が１次側第１アーム回路２０７と並列に取り付けられている。
１次側第１アーム回路２０７の中点２０７ｍと１次側第２アーム回路２１１の中点２１１ｍを接続するブリッジ部分には、１次側コイル２０２と１次側磁気結合リアクトル２０４とが設けられている。ブリッジ部分についてより詳細に接続関係について説明すると、１次側第１アーム回路２０７の中点２０７ｍには、１次側磁気結合リアクトル２０４の１次側第１リアクトル２０４ａの一方端が接続される。そして、１次側第１リアクトル２０４ａの他方端には、１次側コイル２０２の一方端が接続される。さらに、１次側コイル２０２の他方端には、１次側磁気結合リアクトル２０４の１次側第２リアクトル２０４ｂの一方端が接続される。それから、１次側第２リアクトル２０４ｂの他方端が１次側第２アーム回路２１１の中点２１１ｍに接続される。なお、１次側磁気結合リアクトル２０４は、１次側第１リアクトル２０４ａと、その１次側第１リアクトル２０４ａと磁気結合する１次側第２リアクトル２０４ｂとを含んで構成される。
中点２０７ｍは、１次側第１上アームＵ１と１次側第１下アーム／Ｕ１との間の１次側第１中間ノードであり、中点２１１ｍは、１次側第２上アームＶ１と１次側第２下アーム／Ｖ１との間の１次側第２中間ノードである。
第１入出力ポートＰＡは、１次側正極母線２９８と１次側負極母線２９９との間に設けられるポートである。第１入出力ポートＰＡは、端子６０２と端子６０４とを含んで構成される。第２入出力ポートＰＣは、１次側負極母線２９９と１次側コイル２０２のセンタータップ２０２ｍとの間に設けられるポートである。第２入出力ポートＰＣは、端子６０４と端子６０６とを含んで構成される。
センタータップ２０２ｍは、第２入出力ポートＰＣの高電位側の端子６０６に接続されている。センタータップ２０２ｍは、１次側コイル２０２に構成される１次側第１巻線２０２ａと１次側第２巻線２０２ｂとの中間接続点である。
１次側変換回路２０は、１次側正極母線２９８と１次側負極母線２９９との間に挿入されたキャパシタＣ１を有している。キャパシタＣ１は、第１入出力ポートＰＡに対して、１次側フルブリッジ回路２００側の内部回路に設けられてもよいし、第１入出力ポートＰＡに対して、１次側フルブリッジ回路２００とは反対側に設けられた１次側高電圧系負荷ＬＡ側の外部回路に設けられてもよい。
電力変換回路システム１００は、例えば、第１入出力ポートＰＡに接続された１次側高電圧系負荷ＬＡと、第２入出力ポートＰＣに接続された１次側低電圧系負荷ＬＣ及び１次側低電圧系電源ＰＳＣとを含んで構成されている。１次側低電圧系電源ＰＳＣは、１次側低電圧系電源ＰＳＣと同じ電圧系（例えば、１２Ｖ系）で動作する１次側低電圧系負荷ＬＣに電力を供給する。また、１次側低電圧系電源ＰＳＣは、１次側低電圧系電源ＰＳＣと異なる電圧系（例えば、１２Ｖ系よりも高い４８Ｖ系）で動作する１次側高電圧系負荷ＬＡに１次側フルブリッジ回路２００によって昇圧した電力を供給する。１次側低電圧系電源ＰＳＣの具体例として、鉛バッテリ等の２次電池が挙げられる。
２次側変換回路３０は、２次側フルブリッジ回路３００と、第３入出力ポートＰＢと、第４入出力ポートＰＤとを含んで構成される。２次側フルブリッジ回路３００は、変圧器４００の２次側コイル３０２と、２次側磁気結合リアクトル３０４と、２次側第１上アームＵ２と、２次側第１下アーム／Ｕ２と、２次側第２上アームＶ２と、２次側第２下アーム／Ｖ２とを含んで構成される。ここで、２次側第１上アームＵ２と、２次側第１下アーム／Ｕ２と、２次側第２上アームＶ２と、２次側第２下アーム／Ｖ２は、それぞれ、例えば、Ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴと、当該ＭＯＳＦＥＴの寄生素子であるボディダイオードとを含んで構成されたスイッチング素子である。当該ＭＯＳＦＥＴに並列にダイオードが追加接続されてもよい。
２次側フルブリッジ回路３００は、第３入出力ポートＰＢの高電位側の端子６０８に接続される２次側正極母線３９８と、第３入出力ポートＰＢ及び第４入出力ポートＰＤの低電位側の端子６１０に接続される２次側負極母線３９９とを有している。
２次側正極母線３９８と２次側負極母線３９９との間には、２次側第１上アームＵ２と、２次側第１下アーム／Ｕ２とを直列接続した２次側第１アーム回路３０７が取り付けられている。さらに、２次側正極母線３９８と２次側負極母線３９９との間には、２次側第２上アームＶ２と、２次側第２下アーム／Ｖ２とを直列接続した２次側第２アーム回路３１１が２次側第１アーム回路３０７と並列に取り付けられている。
２次側第１アーム回路３０７の中点３０７ｍと２次側第２アーム回路３１１の中点３１１ｍを接続するブリッジ部分には、２次側コイル３０２と２次側磁気結合リアクトル３０４とが設けられている。ブリッジ部分についてより詳細に接続関係について説明すると、２次側第２アーム回路３１１の中点３１１ｍには、２次側磁気結合リアクトル３０４の２次側第１リアクトル３０４ａの一方端が接続される。そして、２次側第１リアクトル３０４ａの他方端には、２次側コイル３０２の一方端が接続される。さらに、２次側コイル３０２の他方端には、２次側磁気結合リアクトル３０４の２次側第２リアクトル３０４ｂの一方端が接続される。それから、２次側第２リアクトル３０４ｂの他方端が２次側第１アーム回路３０７の中点３０７ｍに接続される。なお、２次側磁気結合リアクトル３０４は、２次側第１リアクトル３０４ａと、その２次側第１リアクトル３０４ａと磁気結合する２次側第２リアクトル３０４ｂとを含んで構成される。
中点３０７ｍは、２次側第１上アームＵ２と２次側第１下アーム／Ｕ２との間の２次側第１中間ノードであり、中点３１１ｍは、２次側第２上アームＶ２と２次側第２下アーム／Ｖ２との間の２次側第２中間ノードである。
第３入出力ポートＰＢは、２次側正極母線３９８と２次側負極母線３９９との間に設けられるポートである。第３入出力ポートＰＢは、端子６０８と端子６１０とを含んで構成される。第４入出力ポートＰＤは、２次側負極母線３９９と２次側コイル３０２のセンタータップ３０２ｍとの間に設けられるポートである。第４入出力ポートＰＤは、端子６１０と端子６１２とを含んで構成される。
センタータップ３０２ｍは、第４入出力ポートＰＤの高電位側の端子６１２に接続されている。センタータップ３０２ｍは、２次側コイル３０２に構成される２次側第１巻線３０２ａと２次側第２巻線３０２ｂとの中間接続点である。
２次側変換回路３０は、２次側正極母線３９８と２次側負極母線３９９との間に挿入されたキャパシタＣ２を有している。キャパシタＣ２は、第３入出力ポートＰＢに対して、２次側フルブリッジ回路３００側の内部回路に設けられてもよいし、第３入出力ポートＰＢに対して、２次側フルブリッジ回路３００とは反対側に設けられた２次側高電圧系負荷ＬＢ側の外部回路に設けられてもよい。
電力変換回路システム１００は、例えば、第３入出力ポートＰＢに接続された２次側高電圧系負荷ＬＢと、第４入出力ポートＰＤに接続された２次側低電圧系負荷ＬＤ及び２次側低電圧系電源ＰＳＤとを含んで構成されている。２次側低電圧系電源ＰＳＤは、２次側低電圧系電源ＰＳＤと同じ電圧系（例えば、１２Ｖ系及び４８Ｖ系よりも高い７２Ｖ系）で動作する２次側低電圧系負荷ＬＤに電力を供給する。また、２次側低電圧系電源ＰＳＤは、２次側低電圧系電源ＰＳＤと異なる電圧系（例えば、７２Ｖ系よりも高い２８８Ｖ系）で動作する２次側高電圧系負荷ＬＢに２次側フルブリッジ回路３００によって昇圧した電力を供給する。２次側低電圧系電源ＰＳＤの具体例として、リチウムイオン電池等の２次電池が挙げられる。
図２は、制御回路５０のブロック図である。制御回路５０は、１次側変換回路２０の１次側第１上アームＵ１等の各スイッチング素子と２次側変換回路３０の２次側第１上アームＵ２等の各スイッチング素子のスイッチング制御を行う機能を有する。制御回路５０は、電力変換モード決定処理部５０２と、位相差φ決定処理部５０４と、オン時間δ決定処理部５０６と、１次側スイッチング処理部５０８と、２次側スイッチング処理部５１０と、故障判定部５１２とを含んで構成される。制御回路５０は、例えば、ＣＰＵを内蔵するマイクロコンピュータを備えた電子回路である。
電力変換モード決定処理部５０２は、図示しない外部信号に基づいて、次に述べる電力変換回路１０の電力変換モードＡ〜Ｌの中から動作モードを選択して決定する。電力変換モードは、第１入出力ポートＰＡから入力された電力を変換して第２入出力ポートＰＣへ出力するモードＡと、第１入出力ポートＰＡから入力された電力を変換して第３入出力ポートＰＢへ出力するモードＢと、第１入出力ポートＰＡから入力された電力を変換して第４入出力ポートＰＤへ出力するモードＣがある。
そして、第２入出力ポートＰＣから入力された電力を変換して第１入出力ポートＰＡへ出力するモードＤと、第２入出力ポートＰＣから入力された電力を変換して第３入出力ポートＰＢへ出力するモードＥと、第２入出力ポートＰＣから入力された電力を変換して第４入出力ポートＰＤへ出力するモードＦがある。
さらに、第３入出力ポートＰＢから入力された電力を変換して第１入出力ポートＰＡへ出力するモードＧと、第３入出力ポートＰＢから入力された電力を変換して第２入出力ポートＰＣへ出力するモードＨと、第３入出力ポートＰＢから入力された電力を変換して第４入出力ポートＰＤへ出力するモードＩがある。
それから、第４入出力ポートＰＤから入力された電力を変換して第１入出力ポートＰＡへ出力するモードＪと、第４入出力ポートＰＤから入力された電力を変換して第２入出力ポートＰＣへ出力するモードＫと、第４入出力ポートＰＤから入力された電力を変換して第３入出力ポートＰＢへ出力するモードＬがある。
位相差φ決定処理部５０４は、電力変換回路１０をＤＣ−ＤＣコンバータ回路として機能させるために、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０との間のスイッチング素子のスイッチング周期の位相差φを設定する機能を有する。
オン時間δ決定処理部５０６は、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０をそれぞれ昇降圧回路として機能させるために、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０のスイッチング素子のオン時間δを設定する機能を有する。
１次側スイッチング処理部５０８は、電力変換モード決定処理部５０２と位相差φ決定処理部５０４とオン時間δ決定処理部５０６の出力に基づいて、１次側第１上アームＵ１と、１次側第１下アーム／Ｕ１と、１次側第２上アームＶ１と、１次側第２下アーム／Ｖ１の各スイッチング素子をスイッチング制御する機能を有する。
２次側スイッチング処理部５１０は、電力変換モード決定処理部５０２と位相差φ決定処理部５０４とオン時間δ決定処理部５０６の出力に基づいて、２次側第１上アームＵ２と、２次側第１下アーム／Ｕ２と、２次側第２上アームＶ２と、２次側第２下アーム／Ｖ２の各スイッチング素子をスイッチング制御する機能を有する。
故障判定部５１２は、センタータップ２０２ｍから入力電圧が供給される１次側変換回路２０の所定の部位の電圧をモニタすることによって、１次側フルブリッジ回路２００に構成される各スイッチング素子の故障モードを判定する機能を有する。同様に、故障判定部５１２は、センタータップ３０２ｍから入力電圧が供給される２次側変換回路３０の所定の部位の電圧をモニタすることによって、２次側フルブリッジ回路３００に構成される各スイッチング素子の故障モードを判定する機能を有する。
＜電力変換回路システム１００の動作＞
上記電力変換回路システム１００の動作について、図１を用いて説明する。例えば、電力変換回路１０の電力変換モードをモードＦとして動作させることを要求する外部信号が入力されてきた場合には、制御回路５０の電力変換モード決定処理部５０２は、電力変換回路１０の電力変換モードをモードＦとして決定する。このとき、第２入出力ポートＰＣに入力された電圧が１次側変換回路２０の昇圧機能によって昇圧され、その昇圧された電圧が電力変換回路１０のＤＣ−ＤＣコンバータ回路としての機能によって第３入出力ポートＰＢ側へと伝送され、さらに、２次側変換回路３０の降圧機能によって降圧されて第４入出力ポートＰＤから出力される。
ここで、１次側変換回路２０の昇降圧機能について詳細に説明する。第２入出力ポートＰＣと第１入出力ポートＰＡについて着目すると、第２入出力ポートＰＣの端子６０６は、１次側第１巻線２０２ａと、１次側第１巻線２０２ａに直列接続される１次側磁気結合リアクトル２０４ａを介して、１次側第１アーム回路２０７の中点２０７ｍに接続される。そして、１次側第１アーム回路２０７の両端は、第１入出力ポートＰＡに接続されているため、第２入出力ポートＰＣの端子６０６と第１入出力ポートＰＡとの間には昇降圧回路が取り付けられていることとなる。
さらに、第２入出力ポートＰＣの端子６０６は、１次側第２巻線２０２ｂと、１次側第２巻線２０２ｂに直列接続される１次側磁気結合リアクトル２０４ｂを介して、１次側第２アーム回路２１１の中点２１１ｍに接続される。そして、１次側第２アーム回路２１１の両端は、第１入出力ポートＰＡに接続されているため、第２入出力ポートＰＣの端子６０６と第１入出力ポートＰＡとの間には、昇降圧回路が並列に取り付けられていることとなる。なお、２次側変換回路３０は、１次側変換回路２０とほぼ同様の構成を有する回路であるため、第４入出力ポートＰＤの端子６１２と第３入出力ポートＰＢとの間には、２つの昇降圧回路が並列に接続されていることとなる。したがって、２次側変換回路３０は、１次側変換回路２０と同様に昇降圧機能を有する。
次に、電力変換回路１０のＤＣ−ＤＣコンバータ回路としての機能について詳細に説明する。第１入出力ポートＰＡと第３入出力ポートＰＢについて着目すると、第１入出力ポートＰＡには、１次側フルブリッジ回路２００が接続され、第３入出力ポートＰＢは、２次側フルブリッジ回路３００が接続されている。そして、１次側フルブリッジ回路２００のブリッジ部分に設けられる１次側コイル２０２と、２次側フルブリッジ回路３００のブリッジ部分に設けられる２次側コイル３０２とが磁気結合することで、変圧器４００（巻き数が１：Ｎのセンタータップ式変圧器）として機能する。したがって、１次側フルブリッジ回路２００と２次側フルブリッジ回路３００のスイッチング素子のスイッチング周期の位相差を調整することで、第１入出力ポートＰＡに入力された電力を変換して第３入出力ポートＰＢに伝送し、あるいは、第３入出力ポートＰＢに入力された電力を変換して第１入出力ポートＰＡに伝送させることができる。
図３は、制御回路５０の制御によって、電力変換回路１０に与えられる供給電圧に関するタイミングチャートを示す図である。図３において、Ｕ１は、１次側第１上アームＵ１のオンオフ波形であり、Ｖ１は、１次側第２上アームＶ１のオンオフ波形であり、Ｕ２は、２次側第１上アームＵ２のオンオフ波形であり、Ｖ２は、２次側第２上アームＶ２のオンオフ波形である。１次側第１下アーム／Ｕ１、１次側第２下アーム／Ｖ１、２次側第１下アーム／Ｕ２、２次側第２下アーム／Ｖ２のオンオフ波形は、それぞれ、１次側第１上アームＵ１、１次側第２上アームＶ１、２次側第１上アームＵ２、２次側第２上アームＶ２のオンオフ波形を反転した波形である（図示省略）。なお、上下アームの両オンオフ波形間には、上下アームの両方がオンすることで貫通電流が流れないようにデッドタイムが設けられているとよい。また、図３において、ハイレベルがオン状態を表し、ローレベルがオフ状態を表している。
ここで、Ｕ１とＶ１とＵ２とＶ２の各オン時間δを変更することで、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０の昇降圧比を変更することができる。例えば、Ｕ１とＶ１とＵ２とＶ２の各オン時間δを互いに等しくすることで、１次側変換回路２０の昇降圧比と２次側変換回路３０の昇降圧比を等しくできる。また、Ｕ１とＶ１との位相差は、１８０度（π）で動作させ、Ｕ２とＶ２との位相差も１８０度（π）で動作させる。さらに、Ｕ１とＵ２の位相差φを変更することで、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０の間の電力送電量を調整することができ、位相差φ＞０であれば、１次側変換回路２０から２次側変換回路３０に伝送し、位相差φ＜０であれば、２次側変換回路３０から１次側変換回路２０に伝送することができる。
したがって、例えば、電力変換回路１０の電力変換モードをモードＦとして動作させることを要求する外部信号が入力されてきた場合に、電力変換モード決定処理部５０２はモードＦを選択することを決定する。そして、オン時間δ決定処理部５０６は、１次側変換回路２０を第２入出力ポートＰＣに入力された電圧を昇圧して第１入出力ポートＰＡに出力する昇圧回路として機能させる場合の昇圧比を規定するオン時間δを設定する。なお、２次側変換回路３０では、オン時間δ決定処理部５０６によって設定されたオン時間δによって規定された降圧比で第３入出力ポートＰＢに入力された電圧を降圧して第４入出力ポートＰＤに出力する降圧回路として機能する。さらに、位相差φ決定処理部５０４は、第１入出力ポートＰＡに入力された電力を所望の電力送電量で第３入出力ポートＰＢに伝送するための位相差φを設定する。
１次側スイッチング処理部５０８は、１次側変換回路２０を昇圧回路として、かつ、１次側変換回路２０をＤＣ−ＤＣコンバータ回路の一部として機能させるように、１次側第１上アームＵ１と、１次側第１下アーム／Ｕ１と、１次側第２上アームＶ１と、１次側第２下アーム／Ｖ１の各スイッチング素子をスイッチング制御する。
２次側スイッチング処理部５１０は、２次側変換回路３０を降圧回路として、かつ、２次側変換回路３０をＤＣ−ＤＣコンバータ回路の一部として機能させるように、２次側第１上アームＵ２と、２次側第１下アーム／Ｕ２と、２次側第２上アームＶ２と、２次側第２下アーム／Ｖ２の各スイッチング素子をスイッチング制御する。
上記のように、１次側変換回路２０および２次側変換回路３０を昇圧回路あるいは降圧回路として機能させることができ、かつ、電力変換回路１０を双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路としても機能させることができる。したがって、電力変換モードＡ〜Ｌの全てのモードの電力変換を行うことができ、換言すれば、４つの入出力ポートのうちから選択された２つの入出力ポート間で電力変換をすることができる。
＜電力変換回路システム１００の故障検出＞
図２の制御回路５０は、変圧器４００のセンタータップ２０２ｍから入力電圧が供給される１次側変換回路２０の１次側フルブリッジ回路２００に構成されるスイッチング素子のオンオフを切り替えて、当該スイッチング素子の故障を検出する故障検出部である。図１に示されるように、センタータップ２０２ｍから供給される入力電圧は、１次側低電圧系電源ＰＳＣの電源電圧に相当し、第２入出力ポートＰＣを介してセンタータップ２０２ｍに印加される。
また、図２の制御回路５０は、変圧器４００のセンタータップ３０２ｍから入力電圧が供給される２次側変換回路３０の２次側フルブリッジ回路３００に構成されるスイッチング素子のオンオフを切り替えて、当該スイッチング素子の故障を検出する故障検出部である。図１に示されるように、センタータップ３０２ｍから供給される入力電圧は、２次側低電圧系電源ＰＳＤの電源電圧に相当し、第４入出力ポートＰＤを介してセンタータップ３０２ｍに印加される。
制御回路５０は、例えば、変圧器４００のセンタータップ２０２ｍ，３０２ｍから供給される入力電圧の供給状態を監視することにより、１次側フルブリッジ回路２００と２次側フルブリッジ回路３００のうち、変圧器４００のセンタータップから入力電圧の供給が行われるフルブリッジ回路を判定する。そして、制御回路５０は、例えば、変圧器４００のセンタータップから入力電圧の供給が行われると判定されたフルブリッジ回路に構成されるスイッチング素子のオンオフを切り替えることによって、当該スイッチング素子の故障を検出する。
図４，図５は、電力変換回路システム１００の故障検出方法の一例を示したフローチャートである。このフローチャートは、１次側フルブリッジ回路２００に構成される４つのスイッチング素子の故障モードを判定するフローを示している。２次側フルブリッジ回路３００に構成される４つのスイッチング素子の故障モードを判定するフローも、図４，図５と同様のため、その説明については省略する。
この故障検出方法では、制御回路５０の故障判定部５１２（図２参照）は、変圧器４００のセンタータップのみから入力電圧を供給し、各スイッチング素子を順番にオンオフ切り替えさせて、所定の部位の電圧をモニタすることで、各スイッチング素子の故障モードを判定する。以下、図４，図５の各ステップについて説明する。
図４において、ステップＳ１０では、制御回路５０は、変換回路１０の起動信号がオフか否かを判断する。制御回路５０は、変換回路１０の起動信号がオフでない場合、変換回路１０は電力変換動作を実施する又は実施する可能性があるため、スイッチング素子の故障検出動作を実行しない。一方、制御回路５０は、変換回路１０の起動信号がオフの場合、変換回路１０は電力変換動作を実施しないため、スイッチング素子の故障検出動作を実行する。
ステップＳ２０では、制御回路５０は、１次側第１上アームＵ１と、１次側第１下アーム／Ｕ１と、１次側第２上アームＶ１と、１次側第２下アーム／Ｖ１の各スイッチング素子をオフからオンに切り替える指令信号を出力し、オンに切り替えてから所定期間経過時に、オンからオフに切り替える指令信号を出力する。これにより、キャパシタＣ１の電荷が放電され、それ以降の故障検出動作を精度良く実施できる。
ステップＳ３０では、故障判定部５１２は、ステップＳ２０で各スイッチング素子をオフにする指令をした場合において、１次側第１下アーム／Ｕ１の電圧（/Ｕ1_V）のモニタ値が第２入出力ポートＰＣの電圧（PortC_V）のモニタ値に等しいか否かを判断する。
電圧（/Ｕ1_V）は、中点２０７ｍの電圧に相当し、例えば、中点２０７ｍと端子６０４（１次側負極母線２９９）との電位差に相当する。電圧（PortC_V）は、端子６０６の電圧に相当し、例えば、端子６０６と端子６０４との電位差に相当する。
１次側第１下アーム／Ｕ１が指令どおりオフしていれば、電圧（/Ｕ1_V）のモニタ値は電圧（PortC_V）に等しい。したがって、故障判定部５１２は、電圧（/Ｕ1_V）のモニタ値が電圧（PortC_V）のモニタ値と異なるとき、１次側第１下アーム／Ｕ１がオフ指令に対してオンしているとして、１次側第１下アーム／Ｕ１のショート故障と判定する（ステップＳ４０）。
ステップＳ５０では、故障判定部５１２は、ステップＳ２０で各スイッチング素子をオフにする指令をした場合において、１次側第２下アーム／Ｖ１の電圧（/V1_V）のモニタ値が第２入出力ポートＰＣの電圧（PortC_V）のモニタ値に等しいか否かを判断する。
電圧（/V1_V）は、中点２１１ｍの電圧に相当し、例えば、中点２１１ｍと端子６０４（１次側負極母線２９９）との電位差に相当する。
１次側第２下アーム／Ｖ１が指令どおりオフしていれば、電圧（/V1_V）のモニタ値は電圧（PortC_V）に等しい。したがって、故障判定部５１２は、電圧（/V1_V）のモニタ値が電圧（PortC_V）のモニタ値と異なるとき、１次側第２下アーム／Ｖ１がオフ指令に対してオンしているとして、１次側第２下アーム／Ｖ１のショート故障と判定する（ステップＳ６０）。
ステップＳ７０では、故障判定部５１２は、ステップＳ２０で各スイッチング素子をオフにする指令をした場合において、第１入出力ポートＰＡの電圧（PortA_V）のモニタ値が、電圧（PortC_V）のモニタ値からダイオードの順方向電圧（DI_VF）を引いた電圧に等しいか否かを判断する。
電圧（PortA_V）は、端子６０２（１次側正極母線２９８）の電圧に相当し、例えば、端子６０２と端子６０４との電位差に相当する。
１次側第１上アームＵ１及び１次側第２上アームＶ１がステップＳ２０の指令どおりオフしていれば、１次側第１上アームＵ１及び１次側第２上アームＶ１に並列のダイオードに電流が流れる。ダイオードに電流が流れていれば、電圧（PortA_V）のモニタ値は、電圧（PortC_V）のモニタ値から順方向電圧（DI_VF）を引いた電圧に等しくなる。つまり、１次側第１上アームＵ１及び１次側第２上アームＶ１がショート故障してないと判断できる。
一方、ステップＳ７０において、電圧（PortA_V）のモニタ値が、電圧（PortC_V）のモニタ値から順方向電圧（DI_VF）を引いた電圧と異なっていれば、１次側第１上アームＵ１及び１次側第２上アームＶ１の少なくとも一方がショート故障している可能性がある。この場合、故障検出動作は、後述の図５のステップＳ１８０にスキップされる。
図４のステップＳ８０では、制御回路５０は、ステップＳ７０で電圧が等しい場合において、１次側第１上アームＵ１をオフからオンに切り替える指令信号を出力する。
ステップＳ９０では、故障判定部５１２は、電圧（PortA_V）のモニタ値が、ステップＳ８０の指令により、電圧（PortC_V）のモニタ値から順方向電圧（DI_VF）を引いた電圧から、電圧（PortC_V）のモニタ値に変化したか否かを判断する。
故障判定部５１２は、電圧（PortA_V）のモニタ値の変化が検出されれば、１次側第１上アームＵ１が指令どおりオンに切り替わったとして、１次側第１上アームＵ１を正常と判定する（ステップＳ１００）。一方、故障判定部５１２は、電圧（PortA_V）のモニタ値の変化が検出されなければ、１次側第１上アームＵ１がオン指令に対してオフしているとして、１次側第１上アームＵ１のオープン故障と判定する（ステップＳ１１０）。
ステップＳ１２０では、制御回路５０は、１次側第１上アームＵ１をオンからオフに切り替える指令信号を出力する。
ステップＳ１３０〜Ｓ１７０では、制御回路５０及び故障判定部５１２は、１次側第２上アームＶ１について、ステップＳ８０〜Ｓ１２０の１次側第１上アームＵ１と同様に、正常判定及びオープン故障判定を実施する。
図５において、ステップＳ１８０では、制御回路５０は、１次側第１下アーム／Ｕ１をオフからオンに切り替える指令信号を出力する。
ステップＳ１９０では、故障判定部５１２は、電圧（/Ｕ1_V）のモニタ値が、ステップＳ１８０の指令により、電圧（PortC_V）のモニタ値から、１次側第１下アーム／Ｕ１のオン時の電圧０Ｖに変化したか否かを判断する。なお、１次側第１下アーム／Ｕ１のオン時の電圧は、０Ｖに限らず、０Ｖ近傍の微小電圧であってもよい。
故障判定部５１２は、電圧（/Ｕ1_V）のモニタ値の変化が検出されれば（電圧（/Ｕ1_V）のモニタ値が電圧０Ｖと等しければ）、１次側第１下アーム／Ｕ１が指令どおりオンに切り替わったとして、１次側第１下アーム／Ｕ１を正常と判定する（ステップＳ２００）。一方、故障判定部５１２は、電圧（/Ｕ1_V）のモニタ値の変化が検出されなければ（電圧（/Ｕ1_V）のモニタ値が電圧０Ｖと異なれば）、１次側第１下アーム／Ｕ１がオン指令に対してオフしているとして、１次側第１下アーム／Ｕ１のオープン故障と判定する（ステップＳ２１０）。
ステップＳ２２０では、故障判定部５１２は、電圧（PortA_V）のモニタ値が、ステップＳ１８０の指令により、電圧（PortC_V）のモニタ値から、１次側第１下アーム／Ｕ１のオン時の電圧０Ｖに変化したか否かを判断する。
１次側第１上アームＵ１がオフ指令に対してオンしていると、１次側第１下アーム／Ｕ１のオンに伴い、電圧（PortA_V）のモニタ値は、１次側第１下アーム／Ｕ１のオン時の電圧０Ｖに等しくなる。したがって、故障判定部５１２は、電圧（PortA_V）のモニタ値の変化が検出されれば（電圧（PortA_V）のモニタ値が電圧０Ｖと等しければ）、１次側第１上アームＵ１のショート故障と判定する（ステップＳ２３０）。一方、故障判定部５１２は、電圧（PortA_V）のモニタ値の変化が検出されなければ（電圧（PortA_V）のモニタ値が電圧０Ｖと異なれば）、１次側第１上アームＵ１を正常と判定する（ステップＳ２４０）。
ステップＳ２５０では、制御回路５０は、１次側第１下アーム／Ｕ１をオンからオフに切り替える指令信号を出力する。
ステップＳ２６０〜Ｓ３３０では、制御回路５０及び故障判定部５１２は、１次側第２下アーム／Ｖ１の正常判定及びオープン故障判定、並びに１次側第２上アームＶ１の正常判定及びショート故障判定について、ステップＳ１８０〜Ｓ２５０の１次側第１下アーム／Ｕ１及び１次側第１上アームＵ１と同様に、実施する。
１次側フルブリッジ回路２００についての故障検出動作が終了した後、上述と同様に、２次側フルブリッジ回路３００についての故障検出動作を開始するとよい。なお、２次側フルブリッジ回路３００についての故障検出動作が終了した後、１次側フルブリッジ回路２００についての故障検出動作を開始してもよい。
以上、本実施形態によれば、１次側フルブリッジ回路２００と２次側フルブリッジ回路３００に構成されるスイッチング素子の故障を簡易な構成で検出できる。すなわち、電力変換回路システム１００は、第２入出力ポートＰＣに接続される１次側低電圧系電源ＰＳＣ及び第４入出力ポートＰＤに接続される２次側低電圧系電源ＰＳＤを使用して、電力変換を実施する。本実施形態では、電力変換に共に使用される１次側低電圧系電源ＰＳＣ及び２次側低電圧系電源ＰＳＤを故障検出にも活用することで、故障検出のための回路追加を最小限に抑えて、簡易な構成で故障検出できる。
＜電力変換回路システム１０１の構成＞
図６は、電力変換回路１０を備える電力変換回路システム１０１を示す図である。上述の実施形態と同様の構成についての説明は省略する。
電力変換回路システム１０１は、変圧器４００のセンタータップ２０２ｍ，３０２ｍに入力電圧を供給する電源として、１次側低電圧系電源ＰＳＣのみを備えている（２次側低電圧系電源ＰＳＤを備えていない）。また、電力変換回路システム１０１は、当該入力電圧が１次側低電圧系電源ＰＳＣから変圧器４００の片方のセンタータップ３０２ｍに供給されることを遮断する遮断手段として、スイッチング素子Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４を備えている。スイッチング素子Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４のオンオフの切り替えは、例えば、制御回路５０（図２参照）からの指令信号によって行われる。
図６において、スイッチング素子Ｘ１，Ｘ２は、端子６０６と端子６１２との間を結ぶ正極母線に直列に挿入されている。センタータップ３０２ｍは、スイッチング素子Ｘ１，Ｘ２を介して、端子６０６に接続され、センタータップ２０２ｍは、スイッチング素子Ｘ１，Ｘ２を介して、端子６１２に接続されている。スイッチング素子Ｘ２をオフすることによって、スイッチング素子Ｘ１の寄生ダイオードを介して１次側から２次側に電流が流れることを防止できる。スイッチング素子Ｘ１をオフすることによって、スイッチング素子Ｘ２の寄生ダイオードを介して２次側から１次側に電流が流れることを防止できる。
スイッチング素子Ｘ３，Ｘ４は、１次側負極母線２９９と２次側負極母線３９９との間を結ぶ負極母線に直列に挿入されている。スイッチング素子Ｘ４をオフすることによって、スイッチング素子Ｘ３の寄生ダイオードを介して１次側から２次側に電流が流れることを防止できる。スイッチング素子Ｘ３をオフすることによって、スイッチング素子Ｘ４の寄生ダイオードを介して２次側から１次側に電流が流れることを防止できる。
スイッチング素子Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４は、１次側フルブリッジ回路２００及び２次側フルブリッジ回路３００に構成されるスイッチング素子の故障検出動作を行わない場合、並びに１次側フルブリッジ回路２００に構成されるスイッチング素子の故障検出動作を行う場合、オフする。一方、スイッチング素子Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４は、２次側フルブリッジ回路３００に構成されるスイッチング素子の故障検出動作を行う場合、オンする。
スイッチング素子Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４のような遮断手段を有することにより、変換回路１０の電力変換動作等の通常動作に影響を与えずに、１次側低電圧系電源ＰＳＣのみで、２次側フルブリッジ回路３００に構成されるスイッチング素子の故障を検出できる。
＜電力変換回路システム１０１の故障検出＞
図２の制御回路５０は、変圧器４００のセンタータップ３０２ｍから入力電圧が供給される２次側変換回路３０の２次側フルブリッジ回路３００に構成されるスイッチング素子のオンオフを切り替えて、当該スイッチング素子の故障を検出する故障検出部である。図６に示されるように、センタータップ３０２ｍから供給される入力電圧は、１次側低電圧系電源ＰＳＣの電源電圧に相当し、第２入出力ポートＰＣ及びスイッチング素子Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４を介してセンタータップ３０２ｍに印加される。
図７，図８は、電力変換回路システム１０１の故障検出方法の一例を示したフローチャートである。このフローチャートは、２次側フルブリッジ回路３００に構成される４つのスイッチング素子の故障モードを判定するフローを示している。１次側フルブリッジ回路２００に構成される４つのスイッチング素子の故障モードを判定するフローは、図４，図５と同様のため、その説明については省略する。また、以下、図７，図８の各ステップについて説明するが、図４，図５と同様の動作のステップについては、その説明を省略又は簡略する。
図７において、ステップＳ４１０では、制御回路５０は、変換回路１０の起動信号がオフか否かを判断する。
ステップＳ４１５では、制御回路５０は、スイッチング素子Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４をオフからオンに切り替える指令信号を出力する。これにより、１次側低電圧系電源ＰＳＣの電力を、２次側のセンタータップ３０２ｍに供給できる。その結果、１次側低圧系電源ＰＳＣの電源電圧を用いて、２次側フルブリッジ回路３００に構成されるスイッチング素子の故障検出動作が可能となる。
ステップＳ４２０は、図４のステップＳ２０と同様である。これにより、キャパシタＣ２の電荷が放電され、それ以降の故障検出動作を精度良く実施できる。
ステップＳ４３０，Ｓ４４０は、図４のステップＳ３０，Ｓ４０と同様である。これにより、２次側第１下アーム／Ｕ２のショート故障を判定できる。なお、電圧（/Ｕ2_V）は、中点３０７ｍの電圧に相当し、例えば、中点３０７ｍと端子６０４（１次側負極母線２９９）との電位差に相当する。
ステップＳ４５０，Ｓ４６０は、図４のステップＳ５０，Ｓ６０と同様である。これにより、２次側第２下アーム／Ｖ２のショート故障を判定できる。電圧（/V2_V）は、中点３１１ｍの電圧に相当し、例えば、中点３１１ｍと端子６０４（１次側負極母線２９９）との電位差に相当する。
ステップＳ４７０は、図４のステップＳ７０と同様である。電圧（PortB_V）は、端子６０８（２次側正極母線３９８）の電圧に相当し、例えば、端子６０８と端子６１０との電位差に相当する。
ステップＳ４８０〜Ｓ５２０では、制御回路５０及び故障判定部５１２は、２次側第１上アームＵ２について、図４のステップＳ８０〜Ｓ１２０の１次側第１上アームＵ１と同様に、正常判定及びオープン故障判定を実施する。
ステップＳ５３０〜Ｓ５７０では、制御回路５０及び故障判定部５１２は、２次側第２上アームＶ２について、図４のステップＳ８０〜Ｓ１２０の１次側第１上アームＵ１と同様に、正常判定及びオープン故障判定を実施する。
図８において、ステップＳ５８０〜Ｓ６５０では、制御回路５０及び故障判定部５１２は、２次側第１下アーム／Ｕ２の正常判定及びオープン故障判定、並びに２次側第１上アームＵ２の正常判定及びショート故障判定について、図４のステップＳ１８０〜Ｓ２５０の１次側第１下アーム／Ｕ１及び１次側第１上アームＵ１と同様に、実施する。
ステップＳ６６０〜Ｓ７３０では、制御回路５０及び故障判定部５１２は、２次側第２下アーム／Ｖ２の正常判定及びオープン故障判定、並びに２次側第２上アームＶ２の正常判定及びショート故障判定について、図４のステップＳ１８０〜Ｓ２５０の１次側第１下アーム／Ｕ１及び１次側第１上アームＵ１と同様に、実施する。
ステップＳ７４０では、制御回路５０は、スイッチング素子Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４をオンからオフに切り替える指令信号を出力する。
以上、本実施形態によれば、１次側フルブリッジ回路２００と２次側フルブリッジ回路３００に構成されるスイッチング素子の故障を簡易な構成で検出できる。すなわち、電力変換回路システム１０１は、第２入出力ポートＰＣに接続される１次側低電圧系電源ＰＳＣを使用して、電力変換を実施する。本実施形態では、電力変換に共に使用される１次側低電圧系電源ＰＳＣを故障検出にも活用することで、故障検出のための回路追加を最小限に抑えて、簡易な構成で故障検出できる。
以上、電力変換装置及び電力変換装置の故障検出方法を実施形態例により説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではない。他の実施形態例の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が、本発明の範囲内で可能である。
例えば、上述の実施形態では、スイッチング素子の一例として、オンオフ動作する半導体素子であるＭＯＳＦＥＴを挙げた。しかしながら、スイッチング素子は、例えば、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴなどの絶縁ゲートによる電圧制御型パワー素子でもよいし、バイポーラトランジスタでもよい。
１０ 電力変換回路
２０ １次側変換回路
３０ ２次側変換回路
５０ 制御回路
１００，１０１ 電力変換回路システム
２００ １次側フルブリッジ回路
２０２ １次側コイル
２０２ｍ センタータップ
２０４ １次側磁気結合リアクトル
２０７，２１１ １次側アーム回路
２０７ｍ，２１１ｍ 中点
２９８ １次側正極母線
２９９ １次側負極母線
３００ ２次側フルブリッジ回路
３０２ ２次側コイル
３０２ｍ センタータップ
３０４ ２次側磁気結合リアクトル
３０７，３１１ ２次側アーム回路
３０７ｍ，３１１ｍ 中点
３９８ ２次側正極母線
３９９ ２次側負極母線
４００ 変圧器
ＰＡ 第１入出力ポート
ＰＢ 第３入出力ポート
ＰＣ 第２入出力ポート
ＰＤ 第４入出力ポート
Ｕ＊，Ｖ＊ 上アーム（スイッチング素子）
／Ｕ＊，／Ｖ＊ 下アーム（スイッチング素子）
Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４ スイッチング素子

Claims (10)

  1. １次側変換回路と、
    前記１次側変換回路と変圧器で磁気結合する２次側変換回路と、
    前記１次側変換回路の１次側フルブリッジ回路と前記２次側変換回路の２次側フルブリッジ回路において、前記変圧器のセンタータップから入力電圧が供給される変換回路のフルブリッジ回路に構成されるスイッチング素子のオンオフを切り替えて、前記スイッチング素子の故障を検出する故障検出部とを備える、電力変換装置。
  2. 前記故障検出部は、前記入力電圧が供給される変換回路の所定の部位の電圧をモニタすることによって、前記スイッチング素子の故障を判定する、請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 前記所定の部位には、前記フルブリッジ回路に構成されるハイサイドスイッチング素子とローサイドスイッチング素子との間の中間ノードが含まれる、請求項２に記載の電力変換装置。
  4. 前記故障検出部は、前記ローサイドスイッチング素子をオフにする指令をした場合に、前記中間ノードの電圧が前記入力電圧と異なるとき、前記ローサイドスイッチング素子のショート故障と判定する、請求項３に記載の電力変換装置。
  5. 前記故障検出部は、前記ローサイドスイッチング素子をオンにする指令をした場合に、前記中間ノードの電圧が前記ローサイドスイッチング素子のオン時の電圧と異なるとき、前記ローサイドスイッチング素子のオープン故障と判定する、請求項３又は４に記載の電力変換装置。
  6. 前記所定の部位には、前記フルブリッジ回路の正極母線が含まれる、請求項２から５のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  7. 前記故障検出部は、前記フルブリッジ回路のハイサイドスイッチング素子をオンにする指令をした場合に、前記正極母線の電圧が前記入力電圧と異なるとき、前記ハイサイドスイッチング素子のオープン故障と判定する、請求項６に記載の電力変換装置。
  8. 前記故障検出部は、前記フルブリッジ回路のローサイドスイッチング素子をオンにする指令をした場合に、前記正極母線の電圧が前記ローサイドスイッチング素子のオン時の電圧と等しいとき、前記フルブリッジ回路のハイサイドスイッチング素子のショート故障と判定する、請求項６又は７に記載の電力変換装置。
  9. 前記変圧器のセンタータップに前記入力電圧を供給する電源と、
    前記入力電圧が前記電源から前記変圧器の片方のセンタータップに供給されることを遮断する遮断手段とを備える、請求項１から８のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  10. １次側変換回路と、前記１次側変換回路と変圧器で磁気結合する２次側変換回路とを備える電力変換装置の故障検出方法であって、
    前記１次側変換回路の１次側フルブリッジ回路と前記２次側変換回路の２次側フルブリッジ回路において、前記変圧器のセンタータップから入力電圧が供給される変換回路のフルブリッジ回路に構成されるスイッチング素子のオンオフを切り替えて、前記スイッチング素子の故障を検出する、電力変換装置の故障検出方法。
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