JP2023072503A - 電圧変換モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 複数のリアクトルに対して設ける電流センサの数を低減する。
【解決手段】 電圧変換モジュールであって、第１昇圧コンバータと、第２昇圧コンバータと、前記第１昇圧コンバータの第１リアクトルに流れる電流を検出する第１電流センサと、前記第２昇圧コンバータの第２リアクトルに流れる電流を検出する第２電流センサと、高電位入力配線に流れる電流を検出する第３電流センサと、制御回路、を有する。前記制御回路が、前記第１昇圧コンバータの第１上側スイッチング素子がオンしているときの前記第１電流センサの検出値と前記第３電流センサの検出値を比較するステップと、前記第２昇圧コンバータの第２上側スイッチング素子がオンしているときの前記第２電流センサの検出値と前記第３電流センサの検出値を比較するステップと、各比較結果から前記第１～第３電流センサの異常を判定するステップ、を実行する。
【選択図】図１

Description

本明細書に開示の技術は、電圧変換モジュールに関する。

特許文献１には、２つの昇圧コンバータを有する電圧変換モジュールが開示されている。特許文献１の電圧変換モジュールでは、第１昇圧コンバータが第１バッテリの出力電圧を昇圧し、第２昇圧コンバータが第２バッテリの出力電圧を昇圧する。第１昇圧コンバータと第２昇圧コンバータのそれぞれは、リアクトルを有している。また、特許文献１の電圧変換モジュールは、第１昇圧コンバータのリアクトル電流を検出するために、２つの電流センサを有している。これら２つの電流センサの検出値を比較することで、これら２つの電流センサに異常が生じているか否かを判定することができる。また、特許文献１の電圧変換モジュールは、第２昇圧コンバータのリアクトル電流を検出するために、２つの電流センサを有している。これら２つの電流センサの検出値を比較することで、これら２つの電流センサに異常が生じているか否かを判定することができる。

特開２０１６－１１６２６２号公報

特許文献１の電圧変換モジュールでは、２つのリアクトルに対して４つの電流センサを備えており、電流センサの数が多い。本明細書では、複数のリアクトルに対して設ける電流センサの数を低減可能であるとともに、各電流センサの異常を特定できる技術を提案する。

本明細書が開示する電圧変換モジュールは、高電位入力配線と、高電位出力配線と、低電位配線と、前記高電位入力配線と前記低電位配線の間に印加される電圧を昇圧して前記高電位出力配線と前記低電位配線の間に印加する第１昇圧コンバータと、前記高電位入力配線と前記低電位配線の間に印加される電圧を昇圧して前記高電位出力配線と前記低電位配線の間に印加する第２昇圧コンバータと、第１電流センサと、第２電流センサと、第３電流センサと、制御回路、を有する。前記第１昇圧コンバータが、第１中間配線と、前記高電位入力配線と前記第１中間配線の間に接続された第１リアクトルと、前記第１中間配線と前記高電位出力配線の間に接続された第１上側スイッチング素子と、前記第１中間配線と前記低電位配線の間に接続された第１下側スイッチング素子、を有する。前記第２昇圧コンバータが、第２中間配線と、前記高電位入力配線と前記第２中間配線の間に接続された第２リアクトルと、前記第２中間配線と前記高電位出力配線の間に接続された第２上側スイッチング素子と、前記第２中間配線と前記低電位配線の間に接続された第２下側スイッチング素子、を有する。前記第１電流センサが、前記第１リアクトルに流れる電流を検出する。前記第２電流センサが、前記第２リアクトルに流れる電流を検出する。前記第３電流センサが、前記高電位入力配線に流れる電流を検出する。前記制御回路が、前記第１上側スイッチング素子がオンしているとともに前記第２上側スイッチング素子と前記第２下側スイッチング素子がオフしているときの前記第１電流センサの検出値と前記第３電流センサの検出値を比較するステップと、前記第２上側スイッチング素子がオンしているとともに前記第１上側スイッチング素子と前記第１下側スイッチング素子がオフしているときの前記第２電流センサの検出値と前記第３電流センサの検出値を比較するステップ、を実行する。

この電圧変換モジュールでは、制御回路が、第１上側スイッチング素子がオンしているとともに第２上側スイッチング素子と第２下側スイッチング素子がオフしているときの第１電流センサの検出値と第３電流センサの検出値を比較する。この状態では、高電位入力配線に流れる電流の全てが第１リアクトルに流れるので、第１電流センサの検出値と第３電流センサの検出値が略一致するはずである。この状態で第１電流センサの検出値と第３電流センサの検出値の間に大きいずれが生じている場合には、第１電流センサと第３電流センサのいずれかで異常が発生している。また、制御回路は、第２上側スイッチング素子がオンしているとともに第１上側スイッチング素子と第１下側スイッチング素子がオフしているときの第２電流センサの検出値と第３電流センサの検出値を比較する。この状態では、高電位入力配線に流れる電流の全てが第２リアクトルに流れるので、第２電流センサの検出値と第３電流センサの検出値が略一致するはずである。この状態で第２電流センサの検出値と第３電流センサの検出値の間に大きいずれが生じている場合には、第２電流センサと第３電流センサのいずれかで異常が発生している。上記各比較結果を組み合わせることで、第１電流センサ、第２電流センサ、または、第３電流センサのいずれで異常が発生しているかを特定することができる。このように、この電圧変換モジュールによれば、２つのリアクトルに対して３つの電流センサを設けることで、各電流センサの異常を特定することができる。

実施形態の電圧変換モジュールの回路図。 制御回路が実行する処理を示すフローチャート。

図１に示す実施形態の電圧変換モジュール１０は、車両に搭載されている。電圧変換モジュール１０は、高電位入力配線１２と、高電位出力配線１４と、低電位配線１６を有している。高電位入力配線１２は、直流電源９０（例えば、バッテリー）の正極に接続されている。低電位配線１６は、直流電源９０の負極に接続されている。電圧変換モジュール１０は、直流電源９０の印加電圧（すなわち、高電位入力配線１２と低電位配線１６の間の電圧）を昇圧し、昇圧した電圧を高電位出力配線１４と低電位配線１６の間に印加する。したがって、高電位出力配線１４と低電位配線１６の間の電圧は、高電位入力配線１２と低電位配線１６の間の電圧よりも高い。図示していないが、高電位出力配線１４と低電位配線１６の間には、負荷（例えば、インバータや走行用モータ）が接続されている。したがって、昇圧された電圧が、負荷に供給される。

電圧変換モジュール１０は、入力側平滑化コンデンサ２０、出力側平滑化コンデンサ２２、第１ＤＣ－ＤＣコンバータ３０、第２ＤＣ－ＤＣコンバータ４０、電流センサ５１～５３、及び、制御回路５０を有している。

入力側平滑化コンデンサ２０は、高電位入力配線１２と低電位配線１６の間に接続されている。出力側平滑化コンデンサ２２は、高電位出力配線１４と低電位配線１６の間に接続されている。

第１ＤＣ－ＤＣコンバータ３０は、高電位入力配線１２と、高電位出力配線１４と、低電位配線１６に接続されている。第１ＤＣ－ＤＣコンバータ３０は、力行動作と回生動作を実行することができる。力行動作時には、第１ＤＣ－ＤＣコンバータ３０は、高電位入力配線１２と低電位配線１６の間の電圧を昇圧し、昇圧した電圧を高電位出力配線１４と低電位配線１６の間に印加する。回生動作時には、第１ＤＣ－ＤＣコンバータ３０は、高電位出力配線１４と低電位配線１６の間の電圧を降圧し、降圧した電圧を高電位入力配線１２と低電位配線１６の間に印加する。第１ＤＣ－ＤＣコンバータ３０は、第１リアクトル３１と、第１上側スイッチング素子３２と、第１上側ダイオード３３と、第１下側スイッチング素子３４と、第１下側ダイオード３５と、中間配線３６を有している。

第１リアクトル３１は、高電位入力配線１２と中間配線３６の間に接続されている。

図１では、第１上側スイッチング素子３２は、ＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）である。また、後述する第１下側スイッチング素子３４、第２上側スイッチング素子４２、及び、第２下側スイッチング素子４４も、図１では、ＩＧＢＴである。但し、第１上側スイッチング素子３２、第１下側スイッチング素子３４、第２上側スイッチング素子４２、及び、第２下側スイッチング素子４４が、ＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field effect transistor）等の他のスイッチング素子によって構成されていてもよい。

第１上側スイッチング素子３２のコレクタは、高電位出力配線１４に接続されている。第１上側スイッチング素子３２のエミッタは、中間配線３６に接続されている。第１上側ダイオード３３は、第１上側スイッチング素子３２に対して並列に接続されている。第１上側ダイオード３３のアノードが第１上側スイッチング素子３２のエミッタに接続されており、第１上側ダイオード３３のカソードが第１上側スイッチング素子３２のコレクタに接続されている。

第１下側スイッチング素子３４のコレクタは、中間配線３６に接続されている。第１下側スイッチング素子３４のエミッタは、低電位配線１６に接続されている。第１下側ダイオード３５は、第１下側スイッチング素子３４に対して並列に接続されている。第１下側ダイオード３５のアノードが第１下側スイッチング素子３４のエミッタに接続されており、第１下側ダイオード３５のカソードが第１下側スイッチング素子３４のコレクタに接続されている。

図示していないが、第１上側スイッチング素子３２のゲート及び第１下側スイッチング素子３４のゲートは、制御回路５０に接続されている。電圧変換モジュール１０の通常動作中においては、制御回路５０は、第１上側スイッチング素子３２と第１下側スイッチング素子３４を交互にオンさせる。力行動作時には、第１下側スイッチング素子３４がオンすると、高電位入力配線１２から第１リアクトル３１と第１下側スイッチング素子３４を介して低電位配線１６へ電流が流れる。その後、第１下側スイッチング素子３４がオフするとともに第１上側スイッチング素子３２がオンする。すると、第１リアクトル３１の誘導起電力によって中間配線３６の電位が上昇する。その結果、高電位入力配線１２から、第１リアクトル３１と第１上側ダイオード３３を介して高電位出力配線１４へ電流が流れる。これによって、高電位出力配線１４の電位が上昇する。

また、回生動作時には、第１上側スイッチング素子３２がオンすると、高電位出力配線１４から第１上側スイッチング素子３２と第１リアクトル３１を介して高電位入力配線１２に電流が流れる。その後、第１上側スイッチング素子３２がオフするとともに第１下側スイッチング素子３４がオンする。すると、第１リアクトル３１の誘導起電力によって中間配線３６の電位が低下する。その結果、低電位配線１６から第１下側ダイオード３５と第１リアクトル３１を介して高電位入力配線１２へ電流が流れる。これによって、高電位入力配線１２の電位が上昇し、直流電源９０が充電される。

第２ＤＣ－ＤＣコンバータ４０は、高電位入力配線１２と、高電位出力配線１４と、低電位配線１６に接続されている。第２ＤＣ－ＤＣコンバータ４０は、力行動作と回生動作を実行することができる。第２ＤＣ－ＤＣコンバータ４０は、第２リアクトル４１と、第２上側スイッチング素子４２と、第２上側ダイオード４３と、第２下側スイッチング素子４４と、第２下側ダイオード４５と、中間配線４６を有している。

第２リアクトル４１は、高電位入力配線１２と中間配線４６の間に接続されている。

第２上側スイッチング素子４２のコレクタは、高電位出力配線１４に接続されている。第２上側スイッチング素子４２のエミッタは、中間配線４６に接続されている。第２上側ダイオード４３は、第２上側スイッチング素子４２に対して並列に接続されている。第２上側ダイオード４３のアノードが第２上側スイッチング素子４２のエミッタに接続されており、第２上側ダイオード４３のカソードが第２上側スイッチング素子４２のコレクタに接続されている。

第２下側スイッチング素子４４のコレクタは、中間配線４６に接続されている。第２下側スイッチング素子４４のエミッタは、低電位配線１６に接続されている。第２下側ダイオード４５は、第２下側スイッチング素子４４に対して並列に接続されている。第２下側ダイオード４５のアノードが第２下側スイッチング素子４４のエミッタに接続されており、第２下側ダイオード４５のカソードが第２下側スイッチング素子４４のコレクタに接続されている。

図示していないが、第２上側スイッチング素子４２のゲート及び第２下側スイッチング素子４４のゲートは、制御回路５０に接続されている。電圧変換モジュール１０の通常動作中においては、制御回路５０は、第２上側スイッチング素子４２と第２下側スイッチング素子４４を交互にオンさせる。このため、第２ＤＣ－ＤＣコンバータ４０は、第１ＤＣ－ＤＣコンバータ３０と同様に、力行動作と回生動作を実行する。

電流センサ５１は、第１リアクトル３１と中間配線３６の間の配線に設けられている。電流センサ５１は、第１リアクトル３１に流れる電流ＩＬ１を検出する。なお、電流センサ５１は、第１リアクトル３１から中間配線３６に向かう向きの電流ＩＬ１をプラスの値として検出し、その逆向きの電流ＩＬ１をマイナスの値として検出する。

電流センサ５２は、第２リアクトル４１と中間配線４６の間の配線に設けられている。電流センサ５２は、第２リアクトル４１に流れる電流ＩＬ２を検出する。なお、電流センサ５２は、第２リアクトル４１から中間配線４６に向かう向きの電流ＩＬ２をプラスの値として検出し、その逆向きの電流ＩＬ２をマイナスの値として検出する。

電流センサ５３は、高電位入力配線１２に設けられている。電流センサ５３は、高電位入力配線１２に流れる電流ＩＬ３を検出する。なお、電流センサ５３は、直流電源９０から第１リアクトル３１及び第２リアクトル４１に向かう向きの電流ＩＬ３をプラスの値として検出し、その逆向きの電流ＩＬ３をマイナスの値として検出する。

次に、電圧変換モジュール１０の動作について説明する。制御回路５０は、電圧変換モジュール１０の通常動作中に、第１ＤＣ－ＤＣコンバータ３０の第１上側スイッチング素子３２と第１下側スイッチング素子３４を交互にオンさせるとともに、第２ＤＣ－ＤＣコンバータ４０の第２上側スイッチング素子４２と第２下側スイッチング素子４４を交互にオンさせる。これによって、第１ＤＣ－ＤＣコンバータ３０と第２ＤＣ－ＤＣコンバータ４０が上述した力行動作または回生動作を実行する。

また、制御回路５０は、電圧変換モジュール１０の通常動作中に、図２のステップＳ２を繰り返し実行する。ステップＳ２では、制御回路５０は、電流センサ５１が検出する電流ＩＬ１の値、電流センサ５２が検出する電流ＩＬ２の値、及び、電流センサ５３が検出する電流ＩＬ３の値を読み取る。高電位入力配線１２に流れる電流は第１リアクトル３１と第２リアクトル４１に分岐して流れるので、電流センサ５１～５３に異常が無ければ、電流ＩＬ３は電流ＩＬ１と電流ＩＬ２の和と略一致する。すなわち、電流ＩＬ１と電流ＩＬ２の和に対する電流ＩＬ３のずれが誤差範囲よりも大きいことは、電流センサ５１～５３のいずれかに異常があることを意味する。制御回路５０は、ＩＬ３≒ＩＬ１＋ＩＬ２が満たされる間は、ステップＳ２を繰り返し実行する。また、制御回路５０は、ＩＬ３≒ＩＬ１＋ＩＬ２が満たされないと、ステップＳ４を実行する。

ステップＳ４は、ステップＳ２でＮＯと判定された後の任意のタイミングで実行される。ステップＳ４では、制御回路５０は、第１上側スイッチング素子３２をオン、第１下側スイッチング素子３４をオフ、第２上側スイッチング素子４２をオフ、及び、第２下側スイッチング素子４４をオフに制御する。このように各スイッチング素子を制御すると、高電位出力配線１４から第１上側スイッチング素子３２と第１リアクトル３１を介して高電位入力配線１２へ電流が流れる一方で、第２リアクトル４１には電流が流れない。次に、ステップＳ６で、制御回路５０は、電流センサ５１が検出する電流ＩＬ１の値、及び、電流センサ５３が検出する電流ＩＬ３の値を読み取る。制御回路５０は、電流ＩＬ３と電流ＩＬ１が略一致するか否か（すなわち、電流ＩＬ１に対する電流ＩＬ３のずれが誤差範囲より小さいか否か）を判定する。電流ＩＬ１に対する電流ＩＬ３のずれが誤差範囲より小さい場合（すなわち、ステップＳ６でＹＥＳの場合）には、電流センサ５１、５３に異常が無いので、制御回路５０はステップＳ８で電流センサ５２に異常があると判定する。また、電流ＩＬ１に対する電流ＩＬ３のずれが誤差範囲より大きい場合（すなわち、ステップＳ６でＮＯの場合）、電流センサ５１と電流センサ５３のいずれかに異常があり、電流センサ５２は正常である。この場合、制御回路５０は、電流センサ５１と電流センサ５３のいずれが異常かを特定するために、ステップＳ１０を実行する。

ステップＳ１０では、制御回路５０は、第２上側スイッチング素子４２をオン、第２下側スイッチング素子４４をオフ、第１上側スイッチング素子３２をオフ、及び、第１下側スイッチング素子３４をオフに制御する。このように各スイッチング素子を制御すると、高電位出力配線１４から第２上側スイッチング素子４２と第２リアクトル４１を介して高電位入力配線１２に電流が流れる一方で、第１リアクトル３１には電流が流れない。次に、ステップＳ１２で、制御回路５０は、電流センサ５２が検出する電流ＩＬ２の値、及び、電流センサ５３が検出する電流ＩＬ３の値を読み取る。制御回路５０は、電流ＩＬ３と電流ＩＬ２が略一致するか否か（すなわち、電流ＩＬ２に対する電流ＩＬ３のずれが誤差範囲より小さいか否か）を判定する。電流ＩＬ２に対する電流ＩＬ３のずれが誤差範囲より小さい場合（すなわち、ステップＳ１２でＹＥＳの場合）には、電流センサ５２、５３に異常が無いので、制御回路５０は、ステップＳ１４で電流センサ５１に異常があると判定する。また、電流ＩＬ２に対する電流ＩＬ３のずれが誤差範囲より大きい場合（すなわち、ステップＳ１２でＮＯの場合）、電流センサ５２と電流センサ５３のいずれかに異常がある。ここで、ステップＳ６の判定において電流センサ５２が正常であることが特定されている。したがって、ステップＳ１２でＮＯの場合、制御回路５０は、ステップＳ１６で電流センサ５３に異常があると判定する。

以上に説明したように、実施形態の技術によれば、２つのリアクトル３１、４１に対して３つの電流センサ５１～５３を設け、各電流センサ５１～５３の検出値を比較することで、電流センサ５１～５３のいずれが異常であるかを特定することができる。従来よりも少ない電流センサで、各リアクトルに流れる電流を正確に検出できる。

なお、上述した実施形態では、電圧変換モジュールが第１ＤＣ－ＤＣコンバータ３０と第２ＤＣ－ＤＣコンバータ４０を備えていた。しかしながら、電圧変換モジュールが３つ以上のＤＣ－ＤＣコンバータを有していてもよい。この場合、各リアクトルに対して１つの電流センサを設けるとともに高電位入力配線に電流センサを設けることで、各電流センサの異常を検出することができる。

以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。

１０ ：電圧変換モジュール
１２ ：高電位入力配線
１４ ：高電位出力配線
１６ ：低電位配線
２０ ：入力側平滑化コンデンサ
２２ ：出力側平滑化コンデンサ
３０ ：第１ＤＣ－ＤＣコンバータ
３１ ：第１リアクトル
３２ ：第１上側スイッチング素子
３３ ：第１上側ダイオード
３４ ：第１下側スイッチング素子
３５ ：第１下側ダイオード
３６ ：中間配線
４０ ：第２ＤＣ－ＤＣコンバータ
４１ ：第２リアクトル
４２ ：第２上側スイッチング素子
４３ ：第２上側ダイオード
４４ ：第２下側スイッチング素子
４５ ：第２下側ダイオード
４６ ：中間配線
５０ ：制御回路
５１ ：電流センサ
５２ ：電流センサ
５３ ：電流センサ
９０ ：直流電源

Claims (1)

1. 電圧変換モジュールであって、
   高電位入力配線と、
   高電位出力配線と、
   低電位配線と、
   前記高電位入力配線と前記低電位配線の間に印加される電圧を昇圧して前記高電位出力配線と前記低電位配線の間に印加する第１昇圧コンバータと、
   前記高電位入力配線と前記低電位配線の間に印加される電圧を昇圧して前記高電位出力配線と前記低電位配線の間に印加する第２昇圧コンバータと、
   第１電流センサと、
   第２電流センサと、
   第３電流センサと、
   制御回路、
   を有し、
   前記第１昇圧コンバータが、
   第１中間配線と、
   前記高電位入力配線と前記第１中間配線の間に接続された第１リアクトルと、
   前記第１中間配線と前記高電位出力配線の間に接続された第１上側スイッチング素子と、
   前記第１中間配線と前記低電位配線の間に接続された第１下側スイッチング素子、
   を有し、
   前記第２昇圧コンバータが、
   第２中間配線と、
   前記高電位入力配線と前記第２中間配線の間に接続された第２リアクトルと、
   前記第２中間配線と前記高電位出力配線の間に接続された第２上側スイッチング素子と、
   前記第２中間配線と前記低電位配線の間に接続された第２下側スイッチング素子、
   を有し、
   前記第１電流センサが、前記第１リアクトルに流れる電流を検出し、
   前記第２電流センサが、前記第２リアクトルに流れる電流を検出し、
   前記第３電流センサが、前記高電位入力配線に流れる電流を検出し、
   前記制御回路が、
   前記第１上側スイッチング素子がオンしているとともに前記第２上側スイッチング素子と前記第２下側スイッチング素子がオフしているときの前記第１電流センサの検出値と前記第３電流センサの検出値を比較するステップと、
   前記第２上側スイッチング素子がオンしているとともに前記第１上側スイッチング素子と前記第１下側スイッチング素子がオフしているときの前記第２電流センサの検出値と前記第３電流センサの検出値を比較するステップ、
   を実行する、
   電圧変換モジュール。
   

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