JP2014220991A

JP2014220991A - 電力変換装置

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Publication number: JP2014220991A
Application number: JP2014043876A
Authority: JP
Inventors: 公計中村; Kimikazu Nakamura; 正志濱本; Masashi Hamamoto; 健太畠中; Kenta Hatanaka
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2013-04-10
Filing date: 2014-03-06
Publication date: 2014-11-20
Anticipated expiration: 2034-03-06
Also published as: JP6201825B2; US9742301B2; US20140307480A1

Abstract

【課題】出力電流を用いることなく異常の有無を正確に判定することができる電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置１は、変圧器１０と、直流／交流変換回路１１と、交流／直流変換回路１２と、制御回路１３とを備えている。制御回路１３は、交流／直流変換回路１２の出力電圧と出力電圧指令の偏差に基づいて入力電流指令Ｉｒｅｆを求める。そして、コンパレータ１３５によって直流／交流変換回路１１の入力電流Ｉｉｎと入力電流指令Ｉｒｅｆを比較し、比較結果に基づいて直流／交流変換回路１１を制御する。制御回路１３は、コンパレータ１３５の動作状態、交流／直流変換回路１２の出力電圧Ｖｏｕｔと出力電圧指令Ｖｒｅｆの偏差ΔＶ、及び、入力電圧Ｖｉｎに基づいて異常の有無を判定する。そのため、出力電流を用いることなく異常の有無を正確に判定することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、変圧器と、直流／交流変換回路と、交流／直流変換回路とを備えた電力変換装置に関する。

従来、変圧器と、直流／交流変換回路と、交流／直流変換回路とを備えた電力変換装置として、例えば以下に示す特許文献１に開示されているＤＣ／ＤＣコンバータがある。

このＤＣ／ＤＣコンバータは、ＣＰＵと、コンパレータと、ドライブ回路とを備えている。ＣＰＵは、目標電圧と出力電圧の差分電圧に基づいて目標電流を生成する。また、所定デューティ比、所定周波数のパルス信号を出力する。コンパレータは、トランスに流れる電流の絶対値と目標電流を比較する。トランスに流れる電流の絶対値が目標電流より小さいとき、ＣＰＵの出力するパルス信号をトランジスタの駆動信号として出力する。一方、トランスに流れる電流の絶対値が目標電流より大きいとき、トランジスタの駆動信号の出力を停止する。ドライブ回路は、駆動信号に基づいてトランジスタをスイッチングする。これにより、出力電圧を目標電圧に制御することができる。

特開２００９−１１８５７１号公報

ところで、ＤＣ／ＤＣコンバータに異常が発生した場合、出力電圧を目標電圧に制御することができなくなる。そのため、この特性を利用し、出力電圧を目標電圧に制御できているか否かによって、異常の有無を判定することができる。しかし、ＤＣ／ＤＣコンバータは、正常に動作していても、出力電流が定格電流を超えると、出力電圧が低下してしまう。そのため、出力電圧を目標電圧に制御できているか否かだけでは、異常の有無を正確に判定することができない。

これに対し、出力電流を検出して定格電流を超えているか否かを確認し、異常の有無を判定する構成が提案されている。しかし、出力電流を検出するための回路を新たに設けなければならない。また、トランスに流れる電流から出力電流を求め、定格電流を超えているか否かを確認し、異常の有無を判定する方法も提案されている。しかし、構成部品の特性のばらつきや温度変化によって、出力電流を正確に求めることが困難である。また、出力電流を正確に求めようとすると、処理が複雑になり、高性能なＣＰＵを用いなければならない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、出力電流を用いることなく異常の有無を正確に判定することができる電力変換装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明は、１次巻線と２次巻線を有する変圧器と、１次巻線に接続され、入力される直流を交流に変換して１次巻線に供給する直流／交流変換回路と、２次巻線に接続され、２次巻線から入力される交流を直流に変換して出力する交流／直流変換回路と、コンパレータを有し、交流／直流変換回路の出力電圧と出力電圧指令の偏差に基づいて入力電流指令を求めるとともに、コンパレータによって直流／交流変換回路の入力電流と入力電流指令を比較し、比較結果に基づいて直流／交流変換回路を制御する制御回路と、を備えた電力変換装置において、制御回路は、コンパレータの動作状態、及び、交流／直流変換回路の出力電圧と出力電圧指令の偏差に基づいて異常の有無を判定することを特徴とする。

この構成によれば、制御回路は、交流／直流変換回路の出力電圧と出力電圧指令の偏差に基づいて入力電流指令を求める。そして、コンパレータによって直流／交流変換回路の入力電流と入力電流指令を比較し、比較結果に基づいて直流／交流変換回路を制御する。そのため、電力変換装置が正常に動作しているときには、コンパレータが動作し、コンパレータによる比較結果が変化する。その結果、直流／交流変換回路に入力電流が流れ、１次巻線に所定の電流が供給されることになる。従って、交流／直流変換回路の出力電圧と出力電圧指令の偏差に加え、コンパレータの動作状態に基づいて判定することで、出力電流を用いることなく異常の有無を正確に判定することができる。

第１実施形態における電力変換装置の回路図である。図１に示すＩＧＢＴのスイッチング状態と直流／交流変換回路の入力電流の関係を示すグラフである。図１に示す電力変換装置の異常判定動作を説明するためのフローチャートである。図１の電力変換装置の出力電流と出力電圧の関係を示すグラフである。図１に示す電力変換装置の入力電圧と出力電圧の関係を示すグラフである。

次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。

（第１実施形態）
まず、図１を参照して第１実施形態の電力変換装置の構成について説明する。

図１に示す電力変換装置１は、車両に搭載されたバッテリＢ１の直流電圧を絶縁して降圧し、電子装置Ｓ１に供給する装置である。電力変換装置１は、変圧器１０と、直流／交流変換回路１１と、交流／直流変換回路１２と、制御回路１３とを備えている。

変圧器１０は、１次側に入力される交流電圧を絶縁した状態で降圧し、２次側から出力する素子である。変圧器１０は、１次巻線１００と、２次巻線１０１、１０２とを備えている。１次巻線１００の一端と他端は、直流／交流変換回路１１に接続されている。２次巻線１０１、１０２は、直列接続されている。具体的には、２次巻線１０１の一端と２次巻線１０２の一端が接続されている。２次巻線１０１、１０２の他端、及び、２次巻線１０１、１０２の直列接続点は、交流／直流変換回路１２にそれぞれ接続されている。

直流／交流変換回路１１は、バッテリＢ１と１次巻線１００に接続され、バッテリＢ１から入力される直流を交流に変換して１次巻線１００に供給する回路である。直流／交流変換回路１１は、コンデンサ１１０と、スイッチング素子１１１〜１１４とを備えている。

コンデンサ１１０は、バッテリＢ１から入力される直流を平滑化する素子である。コンデンサ１１０の一端はバッテリＢ１の正極端子に、他端はバッテリＢ１の負極端子にそれぞれ接続されている。

スイッチング素子１１１〜１１４は、スイッチングすることで、コンデンサ１１０によって平滑化された直流を交流に変換して１次巻線１００に供給する素子である。スイッチング素子１１１、１１２及びスイッチング素子１１３、１１４は、それぞれ直列接続されている。具体的には、スイッチング素子１１１、１１３のソースが、スイッチング素子１１２、１１４のドレインにそれぞれ接続されている。直列接続されたスイッチング素子１１１、１１２及びスイッチング素子１１３、１１４は、バッテリＢ１に並列接続されている。具体的には、スイッチング素子１１１、１１３のドレインがバッテリＢ１の正極端子に、スイッチング素子１１２、１１４のソースがバッテリＢ１の負極端子にそれぞれ接続されている。また、スイッチング素子１１１〜１１４のゲートは、制御回路１３にそれぞれ接続されている。

交流／直流変換回路１２は、２次巻線１０１、１０２と電子装置Ｓ１に接続され、２次巻線１０１、１０２から入力される交流を直流に変換して電子装置Ｓ１に供給する回路である。交流／直流変換回路１２は、ダイオード１２０、１２１と、リアクトル１２２とを備えている。

ダイオード１２０、１２１は、２次巻線１０１、１０２にそれぞれ接続され、２次巻線１０１、１０２の交流をそれぞれ整流して直流に変換する素子である。ダイオード１２０のアノードは２次巻線１０１の他端に、カソードはリアクトル１２２にそれぞれ接続されている。ダイオード１２１のアノードは２次巻線１０２の他端に、カソードはリアクトル１２２にそれぞれ接続されている。

リアクトル１２２は、ダイオード１２０、１２１によって変換された直流を平滑化する素子である。リアクトルの１２２の一端はダイオード１２０、１２１のカソードに、他端は電子装置Ｓ１の正極端子にそれぞれ接続されている。また、２次巻線１０１、１０２の直列接続点は車体に接続されるとともに、電子装置Ｓ１の負極端子に接続されている。

制御回路１３は、交流／直流変換回路１２の出力電圧と出力電圧指令の偏差に基づいて入力電流指令を求めるとともに、後述するコンパレータ１３５によって直流／交流変換回路１１の入力電流と入力電流指令を比較し、比較結果に基づいて直流／交流変換回路１１を制御する回路である。また、コンパレータ１３５の動作状態、及び、交流／直流変換回路１２の出力電圧と出力電圧指令の偏差に基づいて異常の有無を判定する回路でもある。ただし、直流／交流変換回路１１の入力電圧が入力電圧判定閾値以下であるときには、コンパレータ１３５によるＰＷＭ信号のデューティ比調整は発生せず、予め設定されたデューティ比のＰＷＭ信号が出力されることが正常であるため、異常が発生していると判定しない。制御回路１３は、出力電圧検出回路１３０と、偏差演算部１３１と、ＰＩ演算部１３２と、Ｄ／Ａコンバータ１３３と、入力電流検出回路１３４と、コンパレータ１３５と、ＰＷＭ信号生成部１３６と、ドライブ回路１３７と、入力電圧検出回路１３８と、異常判定部１３９とを備えている。ここで、偏差演算部１３１、ＰＩ演算部１３２、ＰＷＭ信号生成部１３６及び異常判定部１３９は、マイクロコンピュータとプログラムによって構成されている。

出力電圧検出回路１３０は、交流／直流変換回路１２の出力電圧を検出し、デジタルデータＶｏｕｔに変換して出力する回路である。出力電圧検出回路１３０の入力端子は、リアクトル１２２の他端に接続されている。また、出力端子は、マイクロコンピュータに接続され、マイクロコンピュータとプログラムによって構成される偏差演算部１３１に接続されている。

偏差演算部１３１は、出力電圧検出回路１３０から入力される出力電圧Ｖｏｕｔと、予め設定されている出力電圧指令Ｖｒｅｆの偏差を求め出力するブロックである。具体的には、出力電圧指令Ｖｒｅｆから出力電圧Ｖｏｕｔを引いて偏差を求め出力するブロックである。偏差演算部１３１は、出力電圧検出回路１３０に接続されている。また、ＰＩ演算部１３２及び異常判定部１３９に接続されている。

ＰＩ演算部１３２は、偏差演算部１３１から入力される偏差ΔＶを比例積分演算して、入力電流指令Ｉｒｅｆを求め出力するブロックである。ＰＩ演算部１３２は、偏差演算部１３１に接続されている。また、Ｄ／Ａコンバータ１３３に接続されている。

Ｄ／Ａコンバータ１３３は、ＰＩ演算部１３２から入力されるデジタルデータとしての入力電流指令Ｉｒｅｆをアナログ電圧に変換して出力する素子である。Ｄ／Ａコンバータ１３３の入力端子は、マイクロコンピュータに接続され、マイクロコンピュータとプログラムによって構成されるＰＩ演算部１３２に接続されている。また、出力端子は、コンパレータ１３５に接続されている。

入力電流検出回路１３４は、直流／交流変換回路１１の入力電流を検出し、アナログ電圧Ｉｉｎに変換して出力する回路である。入力電流検出回路１３４の入力端子は、スイッチング素子１１２、１１４のソースとバッテリＢ１を接続する配線にクランプされた電流センサに接続されている。また、出力端子は、コンパレータ１３５に接続されている。

コンパレータ１３５は、Ｄ／Ａコンバータ１３３から入力されるアナログ電圧に変換された入力電流指令Ｉｒｅｆと、入力電流検出回路１３４から入力されるアナログ電圧に変換された入力電流Ｉｉｎを所定のタイミングで比較し、比較結果を出力する素子である。具体的には、入力電流指令Ｉｒｅｆと入力電流Ｉｉｎの大小関係を判定し、判定結果に応じた信号を出力する素子である。より具体的には、入力電流Ｉｉｎが入力電流指令Ｉｒｅｆに到達すると、所定時間だけハイレベルの信号を出力する素子である。コンパレータ１３５の反転入力端子はＤ／Ａコンバータ１３３の出力端子に、非反転入力端子は入力電流検出回路１３４の出力端子にそれぞれ接続されている。また、出力端子は、マイクロコンピュータに接続され、マイクロコンピュータとプログラムによって構成されるＰＷＭ信号生成部１３６と異常判定部１３９にそれぞれ接続されている。

ＰＷＭ信号生成部１３６は、コンパレータ１３５から入力される信号に基づいて、スイッチング素子１１１〜１１４をスイッチングするためのＰＷＭ信号を生成し出力するブロックである。ＰＷＭ信号のデューティ比は、コンパレータ１３５から入力される信号に基づいて制御される。ＰＷＭ信号生成部１３６は、コンパレータ１３５の出力端子に接続されている。また、ドライブ回路１３７に接続されている。

ドライブ回路１３７は、ＰＷＭ信号生成部１３６から入力されるＰＷＭ信号に基づいてスイッチング素子１１１〜１１４をスイッチングする回路である。ドライブ回路１３７は、マイクロコンピュータに接続され、マイクロコンピュータとプログラムによって構成されるＰＷＭ信号生成部１３６に接続されている。また、スイッチング素子１１１〜１１４のゲートにそれぞれ接続されている。

入力電圧検出回路１３８は、直流／交流変換回路１１の入力電圧を検出し、デジタルデータＶｉｎに変換して出力する回路である。入力電圧検出回路１３８の入力端子は、バッテリＢ１の正極端子に接続されるコンデンサ１１０の一端に接続されている。また、出力端子は、マイクロコンピュータに接続され、マイクロコンピュータとプログラムによって構成される異常判定部１３９に接続されている。

異常判定部１３９は、偏差演算部１３１から入力される出力電圧Ｖｏｕｔと、コンパレータ１３５から入力される信号に基づいて、異常が発生しているか否かを判定し、異常が発生していると判定した場合、異常信号を出力するブロックである。ただし、直流／交流変換回路１１の入力電圧が入力電圧判定閾値以下であるときには、異常が発生していると判定しない。異常判定部１３９は、偏差演算部１３１に接続されている。また、コンパレータ１３５の出力端子及び入力電圧検出回路１３８の出力端子にそれぞれ接続されている。

次に、図１及び図２を参照して第１実施形態の電力変換装置の動作について説明する。

図１に示す出力電圧検出回路１３０は、交流／直流変換回路１２の出力電圧を検出し、デジタルデータＶｏｕｔに変換して出力する。偏差演算部１３１は、出力電圧検出回路１３０から入力される出力電圧Ｖｏｕｔと、予め設定されている出力電圧指令Ｖｒｅｆの偏差を求め出力する。

そして、ＰＩ演算部１３２は、偏差演算部１３１から入力される偏差ΔＶを比例積分演算して入力電流指令Ｉｒｅｆを求め出力する。Ｄ／Ａコンバータ１３３は、ＰＩ演算部１３２から入力されるデジタルデータとしての入力電流指令Ｉｒｅｆをアナログ電圧に変換して出力する。

一方、入力電流検出回路１３４は、直流／交流変換回路１１の入力電流を検出し、アナログ電圧Ｉｉｎに変換して出力する。

コンパレータ１３５は、Ｄ／Ａコンバータ１３３から入力されるアナログ電圧に変換された入力電流指令Ｉｒｅｆと、入力電流検出回路１３４から入力されるアナログ電圧に変換された入力電流Ｉｉｎを所定のタイミングで比較し、比較結果を出力する。具体的には、入力電流Ｉｉｎが入力電流指令Ｉｒｅｆに到達すると、所定時間だけハイレベルの信号を出力する。

ＰＷＭ信号生成部１３６は、コンパレータ１３５から入力される信号に基づいて、スイッチング素子１１１〜１１４をスイッチングするためのＰＷＭ信号を生成し出力する。ドライブ回路１３７は、ＰＷＭ信号生成部１３６から入力されるＰＷＭ信号に基づいて図２に示すように、スイッチング素子１１１〜１１４をスイッチングする。

その結果、図１に示す直流／交流変換回路１１に図２に示すような入力電流が流れ、バッテリＢ１の直流が矩形波状の交流に変換され、図１に示す変圧器１０の１次巻線１００に供給される。１次巻線１００に交流が印加されると、２次巻線１０１、１０２から降圧された交流が出力される。交流／直流変換回路１２は、２次巻線１０１、１０２の交流を直流に変換して電子装置Ｓ１に供給する。

次に、図１及び図３を参照して第１実施形態の電力変換装置の異常判定動作について説明する。

図１に示す異常判定部１３９は、図３に示すように、交流／直流変換回路１２の出力電圧Ｖｏｕｔと出力電圧指令Ｖｒｅｆの偏差ΔＶが偏差判定閾値ΔＶｔｈより大きいか否かを判定する（Ｓ１００）。ここで、偏差判定閾値ΔＶｔｈは、正常に動作している状態において許容される出力電圧Ｖｏｕｔと出力電圧指令Ｖｒｅｆの偏差の最大値に設定されている。

ステップＳ１００において、偏差ΔＶが偏差判定閾値ΔＶｔｈより大きいと判定した場合、異常判定部１３９は、コンパレータ１３５の動作状態を判定する。具体的には、コンパレータ１３５が動作していないか否かを判定する。より具体的には、コンパレータ１３５の出力する比較結果が、入力電流Ｉｉｎが入力電流指令Ｉｒｅｆより小さいことを示すローレベルであるか否かを判定する（Ｓ１１０）。

ところで、直流／交流変換回路１１の入力電圧の立ち上がり時を除いて、通常、入力電流Ｉｉｎは入力電流指令Ｉｒｅｆ以上になる。その結果、直流／交流変換回路１１の入力電圧の立ち上がり時を除いて、通常、コンパレータ１３５の出力はハイレベルになる。そのため、入力電流Ｉｉｎが入力電流指令Ｉｒｅｆより小さく、コンパレータ１３５の出力がローレベルになる特別な状態を、コンパレータ１３５が動作していない状態と規定している。

ステップＳ１１０において、コンパレータ１３５の出力する比較結果が、入力電流Ｉｉｎが入力電流指令Ｉｒｅｆより小さいことを示すローレベルであると判定した場合、異常判定部１３９は、直流／交流変換回路１１の入力電圧Ｖｉｎが入力電圧判定閾値Ｖｔｈより大きいか否かを判定する（Ｓ１２０）。ここで、入力電圧判定閾値Ｖｔｈは、出力電圧Ｖｏｕｔを出力電圧指令Ｖｒｅｆに制御するのに必要とされる入力電圧の最小値に設定されている。

ステップＳ１２０において、入力電圧Ｖｉｎが入力電圧判定閾値Ｖｔｈより大きいと判定した場合、異常判定部１３９は、異常が発生していると判定する（Ｓ１３０）。そして、異常信号を出力する（Ｓ１４０）。

一方、ステップＳ１００において、偏差ΔＶが偏差判定閾値ΔＶｔｈ以下であると判定した場合、ステップＳ１１０において、コンパレータ１３５の出力する比較結果が、入力電流Ｉｉｎが入力電流指令Ｉｒｅｆより小さいこと示すローレベルでないと判定した場合、又は、ステップＳ１２０において、入力電圧Ｖｉｎが入力電圧判定閾値Ｖｔｈ以下であると判定した場合、異常判定部１３９は、異常は発生しておらず正常に動作していると判定する（Ｓ１５０）。そして、ステップＳ１００に戻る。

次に、図１、図４及び図５を参照して第１実施形態の電力変換装置における効果について説明する。

図１に示す制御回路１３は、交流／直流変換回路１２の出力電圧Ｖｏｕｔと出力電圧指令Ｖｒｅｆの偏差に基づいて入力電流指令Ｉｒｅｆを求める。そして、入力電流指令に基づいて１次巻線１００に所定の電流が供給されるように直流／交流変換回路１１を制御する。そのため、電力変換装置１が正常に動作しているときには、出力電流Ｉｏｕｔが、図４に示すように、１次巻線１００に所定の電流が供給されることになる。

第１実施形態によれば、制御回路１３は、コンパレータ１３５の動作状態、及び、交流／直流変換回路１２の出力電圧Ｖｏｕｔと出力電圧指令Ｖｒｅｆの偏差ΔＶに基づいて異常の有無を判定する。具体的には、コンパレータ１３５が動作しておらず、かつ、交流／直流変換回路１２の出力電圧Ｖｏｕｔと出力電圧指令Ｖｒｅｆの偏差ΔＶが偏差判定閾値ΔＶｔｈより大きいとき、異常が発生していると判定する。より具体的には、コンパレータ１３５の出力する比較結果が、入力電流Ｉｉｎが入力電流指令Ｉｒｅｆより小さいことを示すものであり、かつ、出力電圧Ｖｏｕｔと出力電圧指令Ｖｒｅｆの偏差ΔＶが偏差判定閾値ΔＶｔｈより大きいとき、異常が発生していると判定する。そのため、出力電流を用いることなく異常の有無を正確に判定することができる。

図１に示す直流／交流変換回路１１の入力電圧Ｖｉｎが入力電圧判定閾値Ｖｔｈ以下であると、図５に示すように、出力電圧Ｖｏｕｔを出力電圧指令Ｖｒｅｆに制御することができない。そのため、このような状態において、コンパレータ１３５の動作状態、及び、交流／直流変換回路１２の出力電圧Ｖｏｕｔと出力電圧指令Ｖｒｅｆの偏差ΔＶに基づいて異常の有無を判定してしまうと、誤判定してしまう可能性がある。

しかし、第１実施形態によれば、制御回路１３は、直流／交流変換回路１１の入力電圧Ｖｉｎが入力電圧判定閾値Ｖｔｈ以下であるときには、異常が発生していると判定しない。そのため、入力電圧Ｖｉｎの低下に伴う誤判定を防止することができる。

１・・・電力変換装置、１０・・・変圧器、１１・・・直流／交流変換回路、１２・・・交流／直流変換回路、１３・・・制御回路

Claims

１次巻線と２次巻線を有する変圧器（１０）と、
前記１次巻線に接続され、入力される直流を交流に変換して前記１次巻線に供給する直流／交流変換回路（１１）と、
前記２次巻線に接続され、前記２次巻線から入力される交流を直流に変換して出力する交流／直流変換回路（１２）と、
コンパレータ（１３５）を有し、前記交流／直流変換回路の出力電圧と出力電圧指令の偏差に基づいて入力電流指令を求めるとともに、前記コンパレータによって前記直流／交流変換回路の入力電流と入力電流指令を比較し、比較結果に基づいて前記直流／交流変換回路を制御する制御回路（１３）と、
を備えた電力変換装置において、
前記制御回路は、前記コンパレータの動作状態、及び、前記交流／直流変換回路の出力電圧と出力電圧指令の偏差に基づいて異常の有無を判定することを特徴とする電力変換装置。
前記制御回路は、前記コンパレータが動作しておらず、かつ、前記交流／直流変換回路の出力電圧と出力電圧指令の偏差が偏差判定閾値より大きいとき、異常が発生していると判定することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記制御回路は、前記コンパレータの比較結果が、前記直流／交流変換回路の入力電流が入力電流指令より小さいことを示すものであり、かつ、前記交流／直流変換回路の出力電圧と出力電圧指令の偏差が偏差判定閾値より大きいとき、異常が発生していると判定することを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
前記制御回路は、前記直流／交流変換回路の入力電圧が入力電圧判定閾値以下であるときには、異常が発生していると判定しないことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置。