JP4793433B2

JP4793433B2 - 電圧変換装置

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Publication number: JP4793433B2
Application number: JP2008313942A
Authority: JP
Inventors: 誠中村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-12-10
Filing date: 2008-12-10
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2023-06-04
Also published as: JP2009060786A

Description

本発明は、電圧変換装置、特に、半導体素子を用いたスイッチングによりデューティ比を操作する機能を備えた電圧変換装置に関する。

電圧変換装置は、直流電源からの入力電圧を、所望の出力電圧に変換する電力変換装置である。半導体素子を用いたスイッチングにより、入力電力の消費時間と出力電力の消費時間の比率を変えることで、電圧の昇圧または降圧が行われる。例えば電気自動車においては、直流チョッパによって昇圧された出力電圧を、インバータで交流化し、交流モータを駆動するという利用がなされている。

なお、下記引用文献１には、昇降圧チョッパ回路の故障を昇圧電圧の異常から判定する構成が記載されている。また、下記引用文献２には、電源電圧を昇圧チョッパのデューティ制御により昇圧し、インバータにおいて交流変換して、モータを動作させる構成が記載されている。また、下記引用文献３には、昇圧チョッパ装置においてＰＩ制御を行い電流指令を求める構成において、電流指令にリミッタを設けて過電流を防ぐ構成が記されている。

特開平２−３０８９３５号公報特開平５−２６０６１０号公報特開２００１−２７５３６７号公報

このように電圧変換装置は、電気系統の基本的構成をなすことが多く、異常発生時には異常を速やかに検出できることが望ましい。しかし、異常を検知するセンサ等を二重系として構成したのでは、コスト面で不都合がある。また、電気自動車などでは、一部の部品が故障した場合でも、走行を継続させる必要があるため、異常部位を詳細にわたって特定する必要がある。

本発明の目的は、簡易な構成をもつ異常判定機構を創出する点にある。

また、本発明の別の目的は、異常判定の基準を装置の動作状況に応じて多段階に設定可能とする点にある。

本発明の電圧変換装置は、半導体素子のオンオフの繰り返しスイッチングにおけるデューティ比の調整により、直流電源からの入力電圧を所望の出力電圧に変換する順方向変換回路、を備えた電圧変換装置において、出力電圧を目標出力電圧に近づけるように、少なくとも目標出力電圧と出力電圧とに基づいて、デューティ比を操作する制御手段と、制御手段が操作する操作値に基づいて電圧変換装置の異常発生を判定する判定手段とを備え、前記判定手段が異常発生を判定した場合に、前記半導体素子のスイッチング周波数を変化させてスイッチングの異常を判定する手段を備える。

以下に、本発明の好適な実施形態を、図面を用いて説明する。

図１は、本実施の形態に係る電圧変換装置および関連機器の構成を説明する概略図であり、電気自動車に搭載された状況を想定したものである。電圧変換装置１０は、直流電源１２とインバータ・モータ１４とを結ぶ回路、及び制御部１６からなる直流チョッパ装置の構成を含んでいる。回路には、直流電源と直列にコイルが接続されている。そして、コイルの他端には、ダイオード２０とトランジスタ２２が並列に接続された上アームと、ダイオード２４とトランジスタ２６が並列に接続された下アームが接続されている。上アームの他端はインバータ・モータ１４の一端に出力され、下アームの他端はインバータ・モータ１４の他端に出力されると共に直流電源１２に接続されている。また、インバータ・モータ１４と並列に、コンデンサ２８が接続されている。

直流電源１２から入力される電圧ＶＢは、電圧計３０によって測定することができる。また、入力される電流ＩＢは電流計３２によって測定することができる。さらに、出力電圧ＶＨは、電圧計３４によって測定することができる。これら測定された電圧と電流は、制御部１６に送られる。制御部１６に対しては、さらに、インバータ・モータ１４から、消費電力の情報が送られる。この情報は、電力を演算可能はトルク指令情報などで代替することも可能である。また、指令部３６からは、制御部１６において行われる出力電力の制御の目標出力電力が入力される。指令部３６は、電気自動車の走行状況に応じて、随時、最適な目標出力電力を指示している。

制御部１６には、演算制御部３８と記憶部４０が含まれている。演算制御部３８は、予め設定されたプログラムに従って演算を行う他、入力信号や出力信号などの処理も実施する。具体的には、トランジスタ２２，２６に対して、スイッチングの指令を行う。そして、このスイッチングにおいては、オンオフの時間に係るデューティ比を操作して、出力電圧を目標出力電圧に近づける制御を行っている。また、高圧チョッパ装置の出力電圧ＶＨを制御量とする制御を、回路の異常判定に関する演算処理も行っている。記憶部４０は、演算制御部３８が処理を行う上で必要となる情報等を一時的、あるいは、固定的に記憶するものである。例えば、回路の異常判定を行うための閾値は、この記憶部４０に記憶されている。

次に、回路の作用について、簡単に説明する。この回路は、直流電源１２からの電力をインバータ・モータ１４に供給する順方向変換回路としての昇圧回路と、逆に直流電源１２へ回生する逆方向変換回路としての降圧回路を含んでいる。昇圧回路は、トランジスタ２２をオフにした状態で、トランジスタ２６のオンとオフを行うことにより動作する。すなわち、トランジスタ２６がオンの状態においては、直流電源１２から流れる電流は、コイル１８，トランジスタ２６を経由して直流電源１２に戻るループを形成する。この間に、磁気エネルギがコイル１８に蓄積される。そして、トランジスタ２６をオフにすると、直流電源１２から流れる電流は、コイル１８，ダイオード２０，を経由してインバータ・モータ１４に流れ、直流電源１２に戻るループを形成する。この間には、直流電源１２からの電気エネルギに加え、コイル１８に蓄積された磁気エネルギがインバータ・モータ１４に供給されるので、インバータ・モータ１４に与えられる出力電圧は昇圧される。

一方、降圧回路は、トランジスタ２６をオフにした状態で、トランジスタ２２のオンとオフを行うことにより動作する。すなわち、トランジスタ２２がオンの状態においては、インバータ・モータ１４から回生される電流は、トランジスタ２２，コイル１８，直流電源１２へと流れ、インバータ・モータ１４に戻るループを形成する。また、トランジスタ２２がオフの状態においては、コイル１８，直流電源１２，ダイオード２４からなるループを形成し、コイル１８に蓄積された磁気エネルギが直流電源１２に回生される。この逆方向変換回路においては、インバータ・モータ１４が電力を供給する時間よりも、直流電源１２が電力を受ける時間の方が長いことからわかるように、インバータ・モータ１４における電圧は降圧されて直流電源１２に回生される。電圧変換装置の動作は、この力行動作と回生動作を適切に制御することで行われる。

ここで、デューティ比について説明する。簡単のため、電圧変換装置１０が昇圧回路だけからなる場合を考えると、デューティ比ｄｕｔｙ０は次のように表される：
＜数１＞
ｄｕｔｙ０＝ｔｏｎ／（ｔｏｎ＋ｔｏｆｆ）（１）
＝ＶＢ／ＶＨ（２）
ただし、トランジスタのオン時間をｔｏｎ、トランジスタのオフ時間をｔｏｆｆとする。式（２）は、回路を流れる電流が常に一定であると仮定して、スイッチングの一周期の間に直流電源で供給される電力と出力側で消費される電力が等しいとした場合に導かれる式である。式（１）（２）からわかるように、ｔｏｎとｔｏｆｆを変えてデューティ比を変化させることにより、出力電圧を所望の値に設定することができる。デューティ比の定義においては、近似を行わない、あるいは、近似の精度を高めた理論式を用いることも可能である。なお、逆方向変換回路を含む場合には、やはり同様の考えに基づいて、拡張をおこなえばよい。

次に、図２を用いて、電圧変換装置１０に対する制御の説明を行う。図２は、制御部１６において行われる制御の流れを説明する図である。まず、指令部３６から入力される目標出力電圧Ｖｄｃｃｏｍの信号５０と、電圧計３０から入力される直流電源１２の入力電圧ＶＢの信号５２に基づいて、デューティ比ｄｕｔｙ１を次式により定める（Ｓ５４）：
＜数２＞
ｄｕｔｙ１＝ＶＢ／Ｖｄｃｃｏｍ（３）
この式は、式（２）のＶＨをＶｄｃｃｏｍに置き換えたものである。すなわち、理論値に従って、出力電圧ＶＨを目標出力電圧Ｖｄｃｃｏｍとするようにデューティ比を設定したことを意味する。

しかしながら、現実には、用いた理論式の精度や、各ディバイスの動作精度などに起因して、出力電圧ＶＨは目標出力電圧Ｖｄｃｃｏｍとは異なった値となってしまう。そこで、電圧計３４から入力される信号５６によって取得した出力電圧ＶＨと目標出力電圧Ｖｄｃｃｏｍとの比較計算（Ｓ５８）を行い、偏差Ｅ＝（ＶＨ−Ｖｄｃｃｏｍ）を求める。そして、偏差に対し、比例係数Ｋｐ、積分係数ＫｉからなるＰＩ制御の計算を行い、操作値ｄｕｔｙ＿ｐｉを求める。操作値ｄｕｔｙ＿ｐｉを形式的に書けば次式のようになる：
＜数３＞
ｄｕｔｙ＿ｐｉ＝Ｋｐ・Ｅ＋Ｋｉ∫Ｅｄｔ（４）
ただし、実際の計算は、制御部１６内において時間的に離散化されたデータに対して行っている。そして、トランジスタ２２，２６に対しては、ｄｕｔｙ１をｄｕｔｙ＿ｐｉで補正（Ｓ６２）したデューティ比ｄｕｔｙ＝ｄｕｔｙ１−ｄｕｔｙ＿ｐｉに基づいてスイッチングの指令信号６４が出力される。

図３は、操作値ｄｕｔｙ＿ｐｉの時間変化の例を示した図である。通常は、操作値ｄｕｔｙ＿ｐｉは（ｄｕｔｙ１と比べて）小さく、０の近傍で小刻みに変化している。しかし、この例では、時刻７０の時点で異常が発生し、その結果操作値ｄｕｔｙ＿ｐｉが突然プラス方向に増大をはじめている。このように、異常が発生した場合には、操作値ｄｕｔｙ＿ｐｉにその影響が現れる。そこで、操作値に対し異常発生を判定するための上限値及び下限値を設定しておき、この値の範囲外になった時点で異常発生を判定することが有効である。

ここで、上限値及び下限値の設定について説明する。以下では、操作値の大きさが異常となる要因として、センサの異常による入力電圧ＶＢの異常、同じくセンサの異常による出力電圧ＶＨの異常、ダイオードやトランジスタなどの半導体素子の異常によるデューティ異常、の３つを考慮する。

まず、入力電圧ＶＢが異常によってＶＢ＋ΔＶＢとなったとする。この場合、本来期待されるｄｕｔｙ１からのずれをΔｄｕｔｙ１とすれば、
＜数４＞
Δｄｕｔｙ１＝（ＶＢ＋ΔＶＢ）／Ｖｄｃｃｏｍ
−ＶＢ／Ｖｄｃｃｏｍ（５）
＝ ΔＶＢ／Ｖｄｃｃｏｍ（６）
となる。このΔｄｕｔｙ１は目標出力電圧Ｖｄｃｃｏｍの大きさによって変化する。したがって、ΔＶＢがある値を持つことをもって異常を判定する場合には、目標出力電圧Ｖｄｃｃｏｍに応じてΔｄｕｔｙ１の異常判定の閾値を設定するのがよい。

次に、出力電圧ＶＨの異常の影響を考える。例として、出力電圧がＶｄｃｃｏｍ−ΔＶＨになった場合を考える。ＰＩ制御は、出力電圧がＶＨである時のデューティ比を、目標出力電圧Ｖｄｃｃｏｍである時のデューティ比に近づける働きをする。したがって、操作値のずれは近似的に次式で与えられるとみなせる：
＜数５＞
Δｄｕｔｙ２＝ＶＢ／（Ｖｄｃｃｏｍ−ΔＶＨ）
−ＶＢ／Ｖｄｃｃｏｍ（７）

さらに、スイッチング異常によるΔｄｕｔｙ３について、図４を用いて考察する。図４は、スイッチングの様子を示すタイムチャートであり、横軸は時間、縦軸はスイッチングのオンオフを表す。そして上側の（ａ）は、正常な場合のスイッチングを、下側の（ｂ）は異常が発生した場合のスイッチングを表している。（ａ）の場合、１周期は１ｍｓであり、ｔｏｎとｔｏｆｆは共に０．５ｍｓである。したがって、キャリア周波数ｆｃａｒｒｙ＝１／（ｔｏｎ＋ｔｏｆｆ）は１ｋＨｚであり、式（１）によればデューティ比は０．５ということになる。これに対し、異常のためにオンからオフへの切替に０．１２５ｍｓを要しており、デューティ比が０．６２５となるデューティ異常が生じている。すなわち、スイッチングの指令に対し、異常のために生じるオン時間の乱れをΔＴとすれば、本来あるべき値とのデューティ比の差は次で与えられる：
＜数６＞
Δｄｕｔｙ３＝（ｔｏｎ＋ΔＴ）／Ｔ − ｔｏｎ／Ｔ（８）
＝ ΔＴ／Ｔ（９）
＝ ΔＴ・ｆｃａｒｒｙ（１０）

以上に説明した理論式（６），（７），（１０）において、異常を判定する閾値を画定する際には、通常は、ΔＶＢ、ΔＶＨ、ΔＴを部品公差に基づいて設定する。そして、全体としてこれらの部品公差を許容するように、判定の閾値を次のように定める：
＜数７＞
Δｄｕｔｙ＿ｐｉ＝Δｄｕｔｙ１＋Δｄｕｔｙ２＋Δｄｕｔｙ３（１１）

図５は、Ｖｄｃｃｏｍの値を２５０Ｖから５００Ｖまで変えた場合におけるΔｄｕｔｙ＿ｐｉを１００分率で表示している。各項目は、ΔＶＢの効果、ΔＶＨの効果、及び、全効果を考慮した閾値である。値としては、一例として、ＶＢ＝２００Ｖ，ΔＶＢ＝２０Ｖ，ΔＶＨ＝３０Ｖ，ΔＴ・ｆｃａｒｒｙ＝０．０１（１％）を用いている。例えば、Ｖｄｃｃｏｍ＝２５０Ｖの場合、Δｄｕｔｙ１の効果は８．０％、Δｄｕｔｙ２の効果は１０．９％、Δｄｕｔｙ３の効果は１．０％であり、全体としてΔｄｕｔｙ＿ｐｉは１９．９％ととなる。

図６は、図５の各値を、横軸をＶｄｃｃｏｍ、縦軸をΔｄｕｔｙ＿ｐｉとして表示したグラフである。閾値は、Ｖｄｃｃｏｍが大きいほど、小さな値をとっていることが明らかに見て取れる。例えば、Ｖｄｃｃｏｍ＝２５０Ｖの場合に比べ、Ｖｄｃｃｏｍ＝５００Ｖの場合のΔｄｕｔｙ＿ｐｉは４割弱の大きさにまで小さくなっている。

制御部１６においては、その記憶部４０に、図５に示した内容をテーブルとして格納することができる。また、各理論式を記憶部４０に保持し、必要となる度に異常判定の閾値Δｄｕｔｙ＿ｐｉの演算を行うことも可能である。なお、この例では理論式として近似度の高いものを用いたが、別の式を用いることも可能である。また、閾値を求める際には式（１１）以外のものに基づいてもよい。例えば、３つの要素が重複して発生する確率を考慮して式（１１）を定数倍したりすることは容易である。さらには、Δｄｕｔｙ＿ｐｉの符号を考慮した場合に、異常判定の上限値と下限値とを別々の方法で決定してもよい。

続いて、異常判定がなされた場合に、その異常箇所を特定するための処理、およびその後の対処について説明する。図７は、判定により異常が確定あとで実行される診断と対処の流れを示したフローチャートである。診断が開始されると（Ｓ１００）、トランジスタ２２，２６はオフ状態に固定される（Ｓ１０２）。すなわち、回生禁止状態、かつ、力行可能状態に固定する。そして、電圧計３０が測定する入力電圧ＶＢと、電圧計３４が測定する出力電圧ＶＨとが比較される（Ｓ１０４）。電圧計３０と電圧計３４とがともに正常に動作しているならば、両者の電圧は等しくなるはずである。したがって、両者が等しい場合には、発生した異常はデューティ異常によるものであると診断され（Ｓ１０６）、デューティ異常に対応した対処を実行する（Ｓ１０８）。なお、等しいか否かの判定にあたっては、ダイオード２０等の抵抗や測定誤差などを考慮して等しさの許容範囲を設定することが可能である。対処は、基本的には、電気自動車の駆動が続行可能となるように行う。一例としては、トランジスタ２２のスイッチングをオフ状態に固定し、回生禁止状態を維持する手段が考えられる。これにより、過電圧に伴うコンデンサ２８の破壊などを防ぐことができるようになる。この場合には、トランジスタ２６はオフに固定して、力行可能な状態とする。

一方、ステップＳ１０４において、入力電圧ＶＢと出力電圧ＶＨが等しくない場合には、異常箇所は電圧計３０が出力する入力電圧ＶＢまたは電圧計３４が出力する出力電圧ＶＨに異常があると判定される。なお、ステップＳ１０２においては、トランジスタ２２をオン（回生可能状態）にしても、ステップＳ１０４に係る判定を行うことができる。

次に、回生用のトランジスタ２２をオンにし（Ｓ１１０）、電流計３２が測定する電流ＩＢを用いて、電力ＶＨ・ＩＢを計算する（Ｓ１１２）。そして、インバータ・モータ１４から入力される消費電力情報に基づいて計算した負荷に係る消費電力Ｐｌｏａｄと比較される（Ｓ１１４）。この消費電力Ｐｌｏａｄと電流ＩＢが信頼できるものであれば、両者が一致しない場合には出力電圧ＶＨに異常があると特定され（Ｓ１１６）、ＶＨ異常に対する処置が行われる（Ｓ１１８）。この処置としては、例えば、トランジスタ２２をオンに固定して回生可能な状態を維持し、トランジスタ２６はオフに固定して力行可能な状態を維持することが考えられる。

一方、両者が一致する場合には、入力電圧ＶＢに異常があると特定され（Ｓ１２０）、ＶＢ異常に対する対処がなされる（Ｓ１２２）。この処置としては、例えば、図２のＳ５４において、信号５２によって得られる入力電圧ＶＢの代わりに、記憶部４０などに用意した推定値などを用いる方法が挙げられる。なお、ステップＳ１１２においては、電力ＶＨ・ＩＢの代わりに、電力ＶＢ・ＩＢを計算して同様の診断を行うことも可能である。また、電力ＶＨ・ＩＢ及び電力ＶＢ・ＩＢの両者を計算して、診断の確実性を高めてもよい。

図８の一点鎖線ＳＢは、図７の一点鎖線ＳＡに係るステップＳ１０２，Ｓ１０４の代替ステップを表しており、やはりデューティ異常を判定するためのものである。すなわち、ステップＳ２０２においては、まず、トランジスタのスイッチングのキャリア周波数を１／２に減少させる。そして、この場合に、操作値ｄｕｔｙ＿ｐｉが（許容範囲内で）１／２になるかを調べる（Ｓ２０４）。

この時の様子を、図９を用いて説明する。図９は、図６と同様に、トランジスタのスイッチングのタイムチャートを示している。オンオフからなる一周期は図６の倍の２ｍｓであり、したがってその逆数であるキャリア周波数ｆｃａｒｒｙは半減している。正常状態を表す上側の（ａ）においてデューティ比は０．５である。一方、異常状態を表す下側の（ｂ）において、ΔＴは図６と同じく０．１２５ｍｓであり、デューティ比は１．１２５／２＝０．５０６２５である。したがって、式（１０）によれば、操作値ｄｕｔｙ＿ｐｉ＝０．０６２５となり、図６の場合の０．１２５に比べ半減することになる。

ゆえにステップＳ２０４において、操作値が半減する場合には、デューティ異常が判定される（Ｓ１０６）。一方、操作値が半減しない場合には、スイッチングではない箇所に異常が発生したとみなされ、ステップＳ１１０においてトランジスタ２２をオンとし、トランジスタ２６をオフとして、図７と同様の処理を継続する。

なお、トランジスタ２２とトランジスタ２６とに対し別々に異常判定を行ってもよい。すなわち、順方向変換回路に係るキャリア周波数と、逆方向変換回路に係るキャリア周波数とを別々に変更することにより、それぞれの回路に係る半導体素子の異常を判定することが可能となる。

本実施の形態の構成を示す概略図である。制御部１６における制御の概略を説明するブロック図である。操作値の時間変化の例を示す図である。スイッチングのオンオフの例を示す図である。各目標出力電圧における閾値の一例を示す表である。図５の内容をグラフ化したものである。異常箇所の診断及び処置の流れを示すフローチャートである。図７における代替ステップを示すフローチャートである。スイッチングのオンオフの例を示す図である。

符号の説明

１０電圧変換装置、１２直流電源、１４インバータ・モータ、１６制御部、１８コイル、２０ダイオード、２２トランジスタ、２４ダイオード、２６トランジスタ、２８コンデンサ、３０電圧計、３２電流計、３４電圧計、３６指令部、３８演算制御部、４０記憶部。

Claims

半導体素子のオンオフの繰り返しスイッチングにおけるデューティ比の調整により、直流電源からの入力電圧を所望の出力電圧に変換する順方向変換回路、を備えた電圧変換装置において、
出力電圧を目標出力電圧に近づけるように、少なくとも目標出力電圧と出力電圧とに基づいて、デューティ比を操作する制御手段と、
制御手段が操作する操作値に基づいて電圧変換装置の異常発生を判定する判定手段と、
を備え、
前記判定手段が異常発生を判定した場合に、前記半導体素子のスイッチング周波数を変化させてスイッチングの異常を判定する手段を備える
ことを特徴とする電圧変換装置。