JP5007754B2 - 電力変換システムの放電制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、高電位側のスイッチング素子および低電位側のスイッチング素子の直列接続体を備えて且つ直流電源の電力を所定に変換する電力変換回路と、該電力変換回路および前記直流電源間に介在するキャパシタと、前記電力変換回路および前記キャパシタと前記直流電源との間の電気経路を開閉する開閉手段と、前記所定に変換する処理時において前記スイッチング素子の状態量に関する信号を出力する通常時出力手段とを備える電力変換システムに適用される電力変換システムの放電制御装置に関する。

この種の制御装置としては、例えば下記特許文献１に見られるように、モータに接続されたインバータの一対の入力端子間に接続されるコンデンサの放電制御を行うものが知られている。詳しくは、インバータのスイッチング素子を操作することで、モータのトルクを略０としつつモータに無効電流を流してコンデンサの電荷を放電するようにしている。

特許第３２８９５６７号公報

ところで、放電制御時に通常のモータ制御時（以下、通常時）とは相違する態様にてスイッチング素子を操作する場合、放電制御を行う機能は、通常時には利用されない。このため、通常時においてインバータを駆動することができることは、放電制御を正常に行うことができることを意味しない。このため、放電制御を行う要求が生じた場合に、放電制御を実際には行うことができないおそれがある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、放電制御の異常の有無を適切に診断することのできる電力変換システムの放電制御装置を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。

請求項１記載の発明は、高電位側のスイッチング素子および低電位側のスイッチング素子の直列接続体を備えて且つ直流電源の電力を所定に変換する電力変換回路と、該電力変換回路および前記直流電源間に介在するキャパシタと、前記電力変換回路および前記キャパシタと前記直流電源との間の電気経路を開閉する開閉手段と、前記所定に変換する処理時において前記スイッチング素子の状態量に関する信号を出力する通常時出力手段とを備える電力変換システムに適用され、前記開閉手段が開状態とされる状況下、前記高電位側のスイッチング素子および前記低電位側のスイッチング素子の双方をオン状態とすることで前記キャパシタの両電極を短絡させる処理を行うことにより前記キャパシタの充電電圧を規定電圧以下に放電制御する放電制御手段と、前記放電制御手段による前記スイッチング素子の操作と同様の操作を行い、該操作に伴う前記スイッチング素子の動作状態に関する信号を出力する診断時出力手段と、前記通常時出力手段および前記診断時出力手段によって出力される信号に基づき、前記スイッチング素子および前記放電制御の異常の有無を診断する異常診断手段と、前記通常時出力手段および前記診断時出力手段側と前記異常診断手段側とを絶縁しつつ前記通常時出力手段および前記診断時出力手段側から前記異常診断手段側に信号を伝達する共通の伝達手段とを備えることを特徴とする。

上記発明では、診断時出力手段、伝達手段及び異常診断手段を備えることで、放電制御手段によるスイッチング素子の操作と同様の操作に伴うスイッチング素子の動作状態に関する信号に基づき、放電制御の異常の有無を適切に診断することができる。しかも、スイッチング素子の状態を監視すべく同素子の状態量に関する信号を異常診断手段に伝達するために電力変換システムに通常備えられる伝達手段と、上記動作状態に関する信号を伝達するための伝達手段とを共通のものとすることで、放電制御の異常診断用に新たな伝達手段を設けることを回避することもできる。これにより、放電制御の異常診断に要求される部品数の増大を抑制することができ、ひいては電力変換システムの小型化を図ったり、コストの増大を好適に抑制したりすることができる。更に、通常時出力手段の出力信号に基づくスイッチング素子の異常診断処理および診断時出力手段の出力信号に基づく放電制御の異常診断処理が異常診断手段によって行われるため、これら出力手段のそれぞれから出力される信号が伝達手段を介して伝達される時期を異常診断手段が把握することができる。このため、伝達手段を介して伝達された信号に基づく異常診断処理によって、スイッチング素子の異常であるか放電制御の異常であるかを明確に切り分けることもできる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記診断時出力手段は、前記放電制御手段による前記スイッチング素子の操作を模擬する処理を行い、該模擬する処理がなされる場合における該模擬する処理の対象とされるスイッチング素子の動作状態に関する信号を出力することを特徴とする。

上記発明では、上記模擬する処理がなされる場合におけるスイッチング素子の動作状態に関する信号に基づき、異常診断手段によって放電制御の異常の有無を診断する。このため、キャパシタが実際に放電しているか否かの検出に頼ることなく、放電制御の異常の有無を診断することができる。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記伝達手段は、フォトカプラであることを特徴とする。

上記発明では、伝達手段としてフォトカプラを用いることで、通常時出力手段及び診断時出力手段によって出力される信号を異常診断手段に伝達するための構成を簡易に実現することができる。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、前記通常時出力手段は、前記スイッチング素子の異常の有無に関する信号を出力するものであり、前記診断時出力手段は、前記放電制御の異常の有無に関する信号を出力するものであり、前記フォトカプラは、前記通常時出力手段から出力される前記スイッチング素子に異常が生じている旨の信号と、前記診断時出力手段から出力される前記放電制御に異常が生じている旨の信号とを、該フォトカプラのフォトダイオードを発光させないことで前記異常診断手段に伝達することを特徴とする。

上記発明では、通常時出力手段及び診断時出力手段によって出力される上記異常が生じている旨の信号を上記態様にて異常診断手段に伝達する。このため、フォトカプラの寿命等によってフォトダイオードを発光させることができなくなる場合であっても、スイッチング素子、放電制御及びフォトカプラのうち少なくともいずれかに異常が生じている旨を異常診断手段によって診断することができる。

請求項５記載の発明は、請求項３記載の発明において、前記通常時出力手段は、前記スイッチング素子の異常の有無に関する信号を出力するものであり、前記診断時出力手段は、前記放電制御の異常の有無に関する信号を出力するものであり、前記フォトカプラは、前記通常時出力手段から出力される前記スイッチング素子に異常が生じている旨の信号と、前記診断時出力手段から出力される前記放電制御に異常が生じている旨の信号とを、該フォトカプラのフォトダイオードを発光させることで前記異常診断手段に伝達することを特徴とする。

上記発明では、スイッチング素子や放電制御に異常が生じない限りフォトダイオードが発光しない。このため、フォトカプラの寿命を長くすることができる。

請求項６記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の発明において、前記電力変換システムは、車両に搭載されるものであり、前記車両に異常が生じたか否かを判断する判断手段を更に備え、前記放電制御手段は、前記判断手段によって異常が生じたと判断される場合に前記短絡させる処理を行うことを特徴とする。

上記発明では、車両に異常が生じると判断されるまで放電制御が実行されず、放電制御の実行頻度は低いものとなる。このため、放電制御の異常診断用の部品数の増大を極力抑制することが望ましい。したがって、上記発明は、通常時出力手段及び診断時出力手段によって出力される信号を共通の伝達手段によって異常診断手段に伝達する構成を採用するメリットが大きい。

第１の実施形態にかかるシステム構成図。 同実施形態にかかるドライブユニットＤＵの構成を示す回路図。 同実施形態にかかる異常時の放電制御を示すタイムチャート。 同実施形態にかかる異常時におけるゲート電圧の印加手法を示すタイムチャート。 同実施形態にかかる異常時の放電制御の処理手順を示す流れ図。 同実施形態にかかるＵ相上側アームの診断部の構成を示す図。 同実施形態にかかるフォトカプラを用いた信号伝達回路の構成を示す図。 第２の実施形態にかかるフォトカプラを用いた信号伝達回路の構成を示す図。

（第１の実施形態）
以下、本発明にかかる電力変換システムの放電制御装置をハイブリッド車に適用した第１の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１に、本実施形態のシステム構成を示す。図示されるモータジェネレータ１０は、車載主機であり、駆動輪に機械的に連結されている。モータジェネレータ１０は、インバータＩＶと、リレーＳＭＲ２および抵抗体１４並びにリレーＳＭＲ１の並列接続体とを介して高電圧バッテリ１２に接続されている。ここで、高電圧バッテリ１２は、その端子電圧が例えば百Ｖ以上の高電圧となるものである。また、インバータＩＶの入力端子のうち、リレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２よりもインバータＩＶ側には、コンデンサ１６および放電抵抗１８が並列接続されている。

インバータＩＶは、パワー素子としての高電位側のスイッチング素子Ｓｊｐ（ｊ＝ｕ，ｖ，ｗ）および低電位側のスイッチング素子Ｓｊｎの直列接続体が３つ並列接続されて構成されている。そして、これら高電位側のスイッチング素子Ｓｊｐおよび低電位側のスイッチング素子Ｓｊｎの接続点が、モータジェネレータ１０の各相にそれぞれ接続されている。

上記高電位側のスイッチング素子Ｓｊｐおよび低電位側のスイッチング素子Ｓｊｎのそれぞれの入出力端子間（コレクタおよびエミッタ間）には、高電位側のフリーホイールダイオードＦＤｐおよび低電位側のフリーホイールダイオードＦＤｎのカソードおよびアノードが接続されている。なお、上記スイッチング素子Ｓｊｐ，Ｓｊｎは、いずれも電圧制御形のスイッチング素子である絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）にて構成されている。

一方、制御装置３０は、低電圧バッテリ２０を電源とする電子制御装置である。制御装置３０は、制御対象としてのモータジェネレータ１０の制御量を制御すべく、上記インバータＩＶを操作する。詳しくは、制御装置３０は、図示しない各種センサの検出値等に基づき、インバータＩＶのＵ相、Ｖ相、およびＷ相のそれぞれについてのスイッチング素子Ｓｊｐを操作する操作信号ｇｊｐと、スイッチング素子Ｓｊｎを操作する操作信号ｇｊｎとを生成し出力する。これにより、スイッチング素子Ｓｊｐ，Ｓｊｎは、それらの導通制御端子（ゲート）に接続されるドライブユニットＤＵを介して制御装置３０により操作される。また、制御装置３０は、自身に作用する力に基づき加速度を検出する加速度検出手段（Ｇセンサ２２）の検出値に基づき、車両の衝突を検知し、衝突が検知された場合、コンデンサ１６を強制的に放電させる処理を行うべく、Ｕ相のスイッチング素子Ｓｕｐ，ＳｕｎのそれぞれのドライブユニットＤＵに異常時放電指令ｄｉｓ１，ｄｉｓ２のそれぞれを出力する。

ちなみに、インバータＩＶを備える高電圧システムと、制御装置３０を備える低電圧システムとは、図示しないフォトカプラ等によって絶縁されており、上記操作信号ｇｊ＃（ｊ＝ｕ，ｖ，ｗ、＃＝ｐ，ｎ）や、異常時放電指令ｄｉｓ１，ｄｉｓ２は、フォトカプラ等を介して高電圧システムに出力される。なお、操作信号ｇｊｐ（ｊ＝ｕ，ｖ，ｗ）と操作信号ｇｊｎとは、交互にオン操作指令となる相補信号である。

図２に、ドライブユニットＤＵのうち、特にスイッチング素子Ｓｊ＃をオン・オフする駆動回路部の構成を示す。詳しくは、図２（ａ）は、Ｖ相およびＷ相のドライブユニットＤＵの構成を示し、図２（ｂ）は、Ｕ相の下側アームのドライブユニットＤＵの構成を示し、図２（ｃ）は、Ｕ相の上側アームのドライブユニットＤＵの構成を示す。

図２（ａ）に示されるように、Ｖ相やＷ相のドライブユニットＤＵは、端子電圧ＶＨの電源４０を備え、電源４０の電圧が充電用スイッチング素子４２およびゲート抵抗４４を介してスイッチング素子Ｓｋ＃（ｋ＝ｖ，ｗ）の導通制御端子（ゲート）に印加される。また、スイッチング素子Ｓｋ＃のゲートは、ゲート抵抗４４および放電用スイッチング素子４６を介してスイッチング素子の出力端子（エミッタ）に接続され、これがゲートの放電経路となる。充電用スイッチング素子４２や放電用スイッチング素子４６は、操作信号ｇｋ＃（ｋ＝ｖ、ｗ）に応じて通常時用駆動制御部４８によってオン・オフ操作される。これにより、スイッチング素子Ｓｗ＃は、通常時用駆動制御部４８によってオン・オフ操作されることとなる。

上記スイッチング素子Ｓｋ♯には、その入力端子および出力端子間に流れる電流と相関を有する微少電流（センス電流）を出力するセンス端子Ｓｔが備えられており、センス端子Ｓｔの出力する微少電流は、シャント抵抗５０を流れる。

またスイッチング素子Ｓｋ♯付近には、その温度を検出する感温ダイオードＳＤが設けられている。詳しくは、感温ダイオードＳＤのカソード側は、スイッチング素子Ｓｋ♯のエミッタに接続されており、アノード側は、電源４０を給電手段とする定電流回路５２の出力端子に接続されている。なお、感温ダイオードＳＤの出力電圧と検出対象の温度とは負の相関を有する。

上記微少電流が流れることによるシャント抵抗５０における電圧降下量と、感温ダイオードＳＤのアノード側の電圧とは、通常時異常診断部５４に取り込まれる。通常時異常診断部５４は、シャント抵抗５０における電圧降下量に基づきスイッチング素子Ｓｋ＃の入力端子および出力端子間に流れる電流が閾値電流Ｉｔｈ以上になると判断される場合や、感温ダイオードＳＤのアノード側の電圧に基づきスイッチング素子の温度が規定温度以上になると判断される場合に論理「Ｈ」の信号であるフェール信号ＦＬを出力する。

一方、Ｕ相の下側アームのドライブユニットＤＵは、図２（ｂ）に示されるように、基本的には、先の図２（ａ）に示したものと同一であるものの、通常時用駆動制御部４８に、ＯＲ回路５６による操作信号ｇｕｎと異常時放電指令ｄｉｓ２との論理和信号が入力されるようになっている。

また、Ｕ相の上側アームのドライブユニットＤＵは、図２（ｃ）に示されるように、先の図２（ａ）に示す構成に加えて、異常時放電指令ｄｉｓ１に応じてスイッチング素子Ｓｕｐをオン・オフ操作するための専用の回路を備えている。この回路においては、端子電圧ＶＨよりも低い端子電圧ＶＬを有する電源５８の電圧が、充電用スイッチング素子６０およびゲート抵抗４４を介してスイッチング素子Ｓｕｐのゲートに印加される。また、ゲートは、ゲート抵抗４４および放電用スイッチング素子６２を介してスイッチング素子Ｓｕｐのエミッタに接続されている。そして、充電用スイッチング素子６０および放電用スイッチング素子６２は、異常時放電指令ｄｉｓ１に応じて異常時用駆動制御部６４によってオン・オフ操作される。これにより、スイッチング素子Ｓｕｐは、異常時放電指令ｄｉｓ１に応じてオン・オフ操作される。

図３に、異常時放電指令ｄｉｓ１，ｄｉｓ２に基づく放電制御の態様を示す。詳しくは、図３（ａ）に、Ｕ相の高電位側のスイッチング素子Ｓｕｐの状態の推移を示し、図３（ｂ）に、Ｕ相の低電位側のスイッチング素子Ｓｕｎの状態の推移を示し、図３（ｃ）に、コンデンサ１６の充電電圧の推移を示す。

図示されるように、本実施形態では、Ｕ相の低電位側のスイッチング素子Ｓｕｎをオン状態に維持した状態で、高電位側のスイッチング素子Ｓｕｎを、オン状態およびオフ状態に周期的に切り替える。これにより、高電位側のスイッチング素子Ｓｕｐおよび低電位側のスイッチング素子Ｓｕｎの双方が同時期にオン状態となる期間が存在し、この期間においてコンデンサ１６の両電極間がスイッチング素子Ｓｕｐ，Ｓｕｎを介して短絡状態とされることで、コンデンサ１６が放電される。ここで、スイッチング素子Ｓｕｐの１回のオン時間は、スイッチング素子Ｓｕｐ、Ｓｕｎの発熱量を定めるパラメータとなる。このため、１回のオン時間は、スイッチング素子Ｓｕｐ，Ｓｕｎの発熱による温度上昇が過度に大きくならないように設定される。また、オフ時間は、スイッチング素子Ｓｕｐ，Ｓｕｎの温度の上昇速度を定めるパラメータとなる。このため、１回のオフ時間は、温度の上昇速度が過度に大きくならないように設定されている。

この際、先の図２に示したドライブユニットＤＵの構成の故に、図４に示すように高電位側のスイッチング素子Ｓｕｐのゲート印加電圧の方が低電位側のスイッチング素子Ｓｕｎのゲート印加電圧よりも低くなる。ここで、図４（ａ）は、Ｕ相の高電位側のスイッチング素子Ｓｕｐに対する異常時放電指令ｄｉｓ１の推移を示し、図４（ｂ）は、高電位側のスイッチング素子Ｓｕｐのゲート・エミッタ間電圧Ｖｇｅの推移を示す。また、図４（ｃ）は、Ｕ相の低電位側のスイッチング素子Ｓｕｎに対する異常時放電指令ｄｉｓ２の推移を示し、図４（ｄ）は、低電位側のスイッチング素子Ｓｕｎのゲート・エミッタ間電圧Ｖｇｅの推移を示す。

こうした構成によれば、高電位側のスイッチング素子Ｓｕｐは、非飽和領域において駆動されて且つ、低電位側のスイッチング素子Ｓｕｎは、飽和領域において駆動されることとなる。これは、高電位側のスイッチング素子Ｓｕｐよりも低電位側のスイッチング素子Ｓｕｎのゲート印加電圧を低くしたために、高電位側のスイッチング素子Ｓｕｐの方が低電位側のスイッチング素子Ｓｕｎよりも非飽和領域の電流が小さくなるためである。これにより、放電制御によって高電位側のスイッチング素子Ｓｕｐおよび低電位側のスイッチング素子Ｓｕｎを流れる電流は高電位側のスイッチング素子Ｓｕｐの非飽和領域の電流に制限されることとなる。また、高電位側のスイッチング素子Ｓｕｐを複数回オン・オフすることで高電位側のスイッチング素子Ｓｕｐの１回のオン時間が制限されることによっても、高電位側のスイッチング素子Ｓｕｐおよび低電位側のスイッチング素子Ｓｕｎを流れる電流は制限され得る。

なお、高電位側のスイッチング素子Ｓｕｐの非飽和領域の電流は、上記ドライブユニットＤＵが規定する閾値電流Ｉｔｈ未満となるように設定することが望ましい。ちなみに、上記端子電圧ＶＨは、閾値電流Ｉｔｈを飽和領域のものとするものである。すなわち、インバータＩＶによって高電圧バッテリ１２の電力を所定に変換する処理時であるモータジェネレータ１０の制御量の制御時においては、スイッチング素子Ｓｕｐ，Ｓｕｎは、飽和領域で駆動される。

図５に、本実施形態における異常時放電制御の処理手順を示す。この処理は、制御装置３０によって、例えば所定周期で繰り返し実行される。

この一連の処理では、まずステップＳ１０において、Ｇセンサ２２の検出値を入力する。続くステップＳ１２では、入力される検出値に基づき車両が衝突したか否かを判断する。ここでは、検出される加速度が所定値以上である場合、衝突した旨判断すればよい。そして、車両が衝突したと判断される場合、ステップＳ１４においてリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２を開状態とする。さらに、ステップＳ１６において、異常時放電指令ｄｉｓ１，ｄｉｓ２を出力する。なお、ステップＳ１６の処理が完了する場合や、ステップＳ１２において否定判断される場合には、この一連の処理を一旦終了する。

ここで上記異常時放電制御は、車両の衝突という異常事態が生じない限り利用されないものである。そして、異常時において確実に異常時放電制御がなされるか否かは、モータジェネレータ１０を通常に制御しうるか否かによっては判断できない。これは、異常時放電指令ｄｉｓ１，ｄｉｓ２が操作信号ｇｕｐ，ｇｕｎとは別の信号であることや、異常時放電制御に際して利用される駆動回路がモータジェネレータ１０の制御量の制御時におけるものとは相違することなどによるものである。

このため本実施形態では、コンデンサ１６の充電電荷がなく、コンデンサ１６の充電電圧が０になると想定される状況下、異常時放電制御を模擬することで、先の図２（ｂ）に示すＵ相の下側アームのドライブユニットＤＵ内に設けられる診断部（下側診断部６６）及び図２（ｃ）に示すＵ相の上側アームのドライブユニットＤＵ内に設けられる診断部（上側診断部６８）を用いて異常時放電制御が実際に実行可能であるか否かを確かめる。

下側診断部６６は、図２（ｂ）に示されるように、スイッチング素子Ｓｕｎのゲート電圧と同電位となると想定される電気経路の電圧を取り込み、これが許容範囲（電源４０の端子電圧ＶＨとの誤差が閾値以下）内となるか否かを判断し、その結果を診断信号ｄｉｇ２として出力する。具体的には、上記取り込まれた電圧が許容範囲内であると判断された場合、診断信号ｄｉｇ２として論理「Ｌ」の電圧を出力し、許容範囲外であると判断された場合、診断信号ｄｉｇ２として論理「Ｈ」の電圧を出力する。

一方、上側診断部６８は、図６に示されるように、スイッチング素子Ｓｕｐのゲート電圧の立ち上がりを検出する立ち上がりエッジ検出部７０と、ゲート電圧の立ち下りを検出する立ち下がりエッジ検出部７２とを備えている。また、立ち上がりエッジ検出部７０によって立ち上がりエッジが検出されるタイミングから立ち下がりエッジ検出部７２によって立ち下がりエッジが検出されるタイミングまでの時間を計時するタイマ７４を備えている。さらに、タイマ７４によって計時されたオン時間（ゲート電圧がスイッチング素子Ｓｕｐをオン状態とする時間）が許容範囲内（異常時放電指令ｄｉｓ１のオン指令期間との誤差が閾値以下）であるか否かを判断するパルス幅比較部７６を備えている。また、立ち上がりエッジ検出部７０の出力信号を所定時間遅延させることで、立ち上がりエッジが検出されるタイミングから所定時間遅延したタイミングでトリガ信号を出力する遅延回路７８と、遅延回路７８からトリガ信号が出力されるタイミングでゲート電圧の検出値をホールドするサンプルホールド回路８０とを備えている。ここで、遅延回路７８の遅延時間は、ゲート電圧がピーク値となると想定される時間に設定されている。そして、電圧比較部８２では、サンプルホールド回路８０によってホールドされた電圧が許容範囲内（端子電圧ＶＬとの誤差が閾値以下）であるか否かを判断する。

そして、ＯＲ回路８４において、電圧比較部８２の比較結果と、パルス幅比較部７６の比較結果との論理和信号が診断信号ｄｉｇ１として算出され、出力される。なお、電圧比較部８２では、上記ホールドされた電圧が許容範囲内である場合に論理「Ｌ」の電圧を出力し、パルス幅比較部７６では、上記オン時間が許容範囲内である場合に論理「Ｌ」の電圧を出力する。このため、診断信号ｄｉｇ１は、オン時間および電圧の少なくとも一方に異常がある場合に論理「Ｈ」の電圧となる。

次に、図７を用いて、上記通常時異常診断部５４から出力されるフェール信号ＦＬ、下側診断部６６から出力される診断信号ｄｉｇ２及び上側診断部６８から出力される診断信号ｄｉｇ１を制御装置３０に伝達するための回路構成について説明する。なお、図７では、フェール信号ＦＬを制御装置３０に伝達するためのＶ相及びＷ相のドライブユニットＤＵのそれぞれに対応する回路構成が同様なものであるため、これらドライブユニットのうち１つについて示している。

図示されるように、Ｕ相の下側アームのドライブユニットＤＵに対応したフェール信号ＦＬや診断信号ｄｉｇ２は、このドライブユニットＤＵに対応したフォトカプラ９０のオン状態及びオフ状態を切り替える。本実施形態では、フェール信号ＦＬ及び診断信号ｄｉｇ２は、共通のフォトカプラ９０を介して制御装置３０に伝達される構成となっている。詳しくは、低圧電源９２は、抵抗体９４，９６の直列接続体の一端に接続され、同直列接続体の他端は、フォトカプラ９０の１次側（フォトダイオード）を介して接地されている。また、抵抗体９４，９６の接続点は、スイッチング素子９８，１００の並列接続体の一端に接続され、同並列接続体の他端は接地されている。具体的には、スイッチング素子９８，１００は、Ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴよりなり、これらスイッチング素子９８，１００のそれぞれのドレイン側が抵抗体９４，９６の接続点に接続され、ソース側が接地されている。また、スイッチング素子９８，１００のそれぞれのゲートには、下側診断部６６から出力される診断信号ｄｉｇ２及び通常時異常診断部５４から出力されるフェール信号ＦＬがそれぞれ入力されるようになっている。

こうした構成において、診断信号ｄｉｇ２としての論理「Ｈ」の電圧及びフェール信号ＦＬのいずれも出力されない正常時には、スイッチング素子９８，１００がオフ状態とされ、低圧電源９２からフォトカプラ９０のフォトダイオードに電流が流れることでフォトダイオードが発光し、フォトカプラ９０がオン状態とされる。一方、診断信号ｄｉｇ２としての論理「Ｈ」の電圧及びフェール信号ＦＬのうち少なくとも一方が出力される異常時には、スイッチング素子９８，１００のうち、出力される信号に対応するものがオン状態とされ、低圧電源９２から抵抗体９４を介してオン状態とされるスイッチング素子へと電流が流れることとなる。このため、フォトカプラ９０のフォトダイオードに電流が流れないことでフォトダイオードが発光せず、フォトカプラ９０がオフ状態とされる。なお、Ｕ相の上側アームのドライブユニットＤＵに対応したフェール信号ＦＬや診断信号ｄｉｇ１も、Ｕ相の下側アームと同様な構成によって、上側アームのドライブユニットＤＵに対応したフォトカプラ９０のオン状態及びオフ状態を切り替える。また、Ｖ相及びＷ相については、診断信号ｄｉｇ１，ｄｉｇ２が存在しないことに起因して上記スイッチング素子９８を備えないものの、フェール信号ＦＬを伝達させるための回路構成についてはＵ相と同様である。

これら６つのドライブユニットＤＵに対応したフォトカプラ９０の２次側（フォトトランジスタ）は、互いに直列接続されており、直列接続体の一端は接地され、他端は、比較器１０２の反転入力端子に接続されている。比較器１０２の非反転入力端子には、低圧電源１０４の電圧を抵抗体１０６，１０８にて分圧したものが印加されている。また、上記反転入力端子には、更に、抵抗体１１０を介して、上記低圧電源１０４が接続されている。

こうした構成において、スイッチング素子Ｓｊ＃（ｊ＝ｕ，ｖ，ｗ、＃＝ｐ，ｎ）のそれぞれに対応する通常時異常診断部５４からフェール信号ＦＬが出力されなくて且つ、上側診断部６８及び下側診断部６６から診断信号ｄｉｇ１，ｄｉｇ２としての論理「Ｈ」の電圧が出力されない正常時には、比較器１０２の反転入力端子が接地されるため、比較器１０２の出力信号が論理「Ｈ」となる。一方、スイッチング素子Ｓｊ＃のそれぞれに対応する通常時異常診断部５４のうち少なくとも１つからフェール信号ＦＬが出力されたり、上側診断部６８や下側診断部６６から診断信号ｄｉｇ１，ｄｉｇ２が出力されたりする異常時には、直列接続されたフォトカプラ９０のうち、少なくとも１つのフォトカプラ９０がオフ状態とされるため、比較器１０２の反転入力端子に印加される電圧の方が非反転入力端子に印加される電圧よりも高くなり、比較器１０２の出力信号が論理「Ｌ」に反転する。

比較器１０２の出力信号は、制御装置３０に出力される。制御装置３０は、上記出力信号に基づきスイッチング素子Ｓｊ＃に過電流が流れる等の異常の有無や、上記異常時放電制御の異常の有無を診断する。具体的には、フェール信号ＦＬがフォトカプラ９０を介して低電圧システム側に伝達され、比較器１０２の出力信号が論理「Ｌ」となる場合、制御装置３０は、スイッチング素子Ｓｊ＃に異常が生じている旨診断し、スイッチング素子Ｓｗ＃を強制的にオフ状態とさせる。また、診断信号ｄｉｇ１，ｄｉｇ２がフォトカプラ９０を介して低電圧システム側に伝達され、比較器１０２の出力信号が論理「Ｌ」となる場合、制御装置３０は、異常時放電制御を正常に行うことができない旨診断し、その旨を外部に通知する処理を行うことでユーザに認知させる。

ここで本実施形態において、異常時放電制御の異常診断処理は、車両の起動スイッチがオフ操作され、リレーＳＭＲ１が閉状態から開状態に切り替えられると判断された場合に異常時放電指令ｄｉｓ１，ｄｉｓ２が出力されることで実行される。すなわち、上記異常診断処理は、リレーＳＭＲ１が開状態に切り替えられた後、放電抵抗１８による放電等のためにコンデンサ１６の充電電圧が０となっている状態において実行される。このため、異常診断処理によってはスイッチング素子Ｓｕ＃に電流が流れず、異常診断処理時においては通常時異常診断部５４からフェール信号ＦＬが出力されることはないと考えられる。したがって、Ｕ相の上側アーム（下側アーム）に対応する通常時異常診断部５４から出力されるフェール信号ＦＬ及び上側診断部６８（下側診断部６６）から出力される診断信号ｄｉｇ１（ｄｉｇ２）のそれぞれを、共通のフォトカプラ９０を介して制御装置３０に適切に伝達することができる。

なお上記起動スイッチとは、ユーザが車両の起動を許可するための手段である。ちなみに起動スイッチは、必ずしも機械的な操作を要するものに限らず、例えば、ユーザが携帯する無線機器であって車両に近接することで起動許可信号が車両側によって受信可能なものであってもよい。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。

（１）異常時放電指令ｄｉｓ１，ｄｉｓ２を出力して異常時放電制御によるスイッチング素子Ｓｕｐ，Ｓｕｎの操作を模擬した際のスイッチング素子Ｓｕｐ，Ｓｕｎの動作状態に基づき、異常時放電制御の異常の有無を診断した。これにより、コンデンサ１６が実際に放電しているか否かの検出に頼ることなく、異常時放電制御の異常の有無を診断することができる。

（２）Ｕ相の上側アーム（下側アーム）に対応する通常時異常診断部５４から出力されるフェール信号ＦＬ及び上側診断部６８（下側診断部６６）から出力される診断信号ｄｉｇ１（ｄｉｇ２）のそれぞれを共通のフォトカプラ９０を介して制御装置３０に伝達した。これにより、異常時放電制御の異常診断処理用に新たなフォトカプラを追加することなく上記診断信号を制御装置３０に伝達することができる。これにより、電力変換システムの部品数の増大を好適に抑制することができ、ひいては電力変換システムの小型化を図ったり、コストの増大を好適に抑制したりすることができる。

（３）Ｕ相の上側アーム（下側アーム）に対応する通常時異常診断部５４及び上側診断部６８（下側診断部６６）からフェール信号ＦＬ及び診断信号ｄｉｇ１（ｄｉｇ２）のうち少なくとも一方が出力される異常時に、フォトカプラ９０のフォトダイオードを発光させない構成とした。これにより、フォトカプラ９０の寿命等によってフォトダイオードを発光させることができなくなる場合であっても、スイッチング素子Ｓｊ＃、異常時放電制御及びフォトカプラ９０のうち少なくともいずれかに異常が生じている旨を診断することができる。

（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。

図８に、本実施形態にかかる上記通常時異常診断部５４から出力されるフェール信号ＦＬ、下側診断部６６から出力される診断信号ｄｉｇ２及び上側診断部６８から出力される診断信号ｄｉｇ１を制御装置３０に出力するための回路構成を示す。なお、図８において、先の図７に示した部材と同一又は対応する部材については、便宜上同一の符号を付している。

本実施形態では、Ｕ相の上側アーム（下側アーム）に対応する通常時異常診断部５４及び上側診断部６８（下側診断部６６）からフェール信号ＦＬ及び診断信号ｄｉｇ１（ｄｉｇ２）のうち少なくとも一方が出力される異常時に、フォトカプラ９０のフォトダイオードを発光させる構成とする。詳しくは、Ｕ相の下側アームのドライブユニットＤＵに対応する構成について説明すると、低圧電源９２は、抵抗体９４を介してフォトカプラ９０のフォトダイオードのアノード側に接続されている。フォトダイオードのカソード側は、スイッチング素子９８，１００の並列接続体の一端に接続され、同並列接続体の他端は接地されている。

こうした構成において、診断信号ｄｉｇ２としての論理「Ｈ」の電圧及びフェール信号ＦＬのいずれも出力されない正常時には、スイッチング素子９８，１００がオフ状態とされ、低圧電源９２からフォトカプラ９０のフォトダイオードに電流が流れないことで、フォトカプラ９０がオフ状態とされる。一方、診断信号ｄｉｇ２としての論理「Ｈ」の電圧及びフェール信号ＦＬのうち少なくとも一方が出力される異常時には、スイッチング素子９８，１００のうち、出力される信号に対応するものがオン状態とされる。このため、低圧電源９２からフォトカプラ９０のフォトダイオード及び抵抗体９４を介してオン状態とされるスイッチング素子へと電流が流れ、フォトカプラ９０がオン状態とされる。なお、Ｕ相の上側アームのドライブユニットＤＵに対応したフェール信号ＦＬや診断信号ｄｉｇ１も、Ｕ相の下側アームと同様な構成によって、上記上側アームのドライブユニットＤＵに対応したフォトカプラ９０のオン状態及びオフ状態を切り替える。なお、Ｖ相及びＷ相については、診断信号ｄｉｇ１，ｄｉｇ２が存在しないことに起因して上記スイッチング素子９８を備えないものの、フェール信号ＦＬを伝達させるための回路構成についてはＵ相と同様である。

これら６つのドライブユニットＤＵに対応したフォトカプラ９０のフォトトランジスタは、互いに並列接続されており、並列接続体の一端は接地され、他端は、比較器１０２の反転入力端子に接続されている。

こうした構成において、スイッチング素子Ｓｊ＃（ｊ＝ｕ，ｖ，ｗ、＃＝ｐ，ｎ）のそれぞれに対応する通常時異常診断部５４からフェール信号ＦＬが出力されなくて且つ、上側診断部６８及び下側診断部６６から診断信号ｄｉｇ１，ｄｉｇ２としての論理「Ｈ」の電圧が出力されない正常時には、並列接続されたフォトカプラ９０の全てがオフ状態とされるため、比較器１０２の反転入力端子に印加される電圧の方が非反転入力端子に印加される電圧よりも高くなり、比較器１０２の出力信号が論理「Ｌ」となる。一方、スイッチング素子Ｓｊ＃のそれぞれに対応する通常時異常診断部５４のうち少なくとも１つからフェール信号ＦＬが出力されたり、上側診断部６８や下側診断部６６から診断信号ｄｉｇ１，ｄｉｇ２が出力されたりする異常時には、比較器１０２の反転入力端子が接地されるために、比較器１０２の出力は、論理「Ｈ」に反転する。

以上詳述した本実施形態によれば、先の第１の実施形態の上記（３）の効果に代えて、以下の効果が得られるようになる。

（４）Ｕ相の上側アーム（下側アーム）に対応する通常時異常診断部５４及び上側診断部６８（下側診断部６６）からフェール信号ＦＬ及び診断信号ｄｉｇ１（ｄｉｇ２）のうち少なくとも一方が出力される異常時に、フォトカプラ９０のフォトダイオードを発光させる構成とした。これにより、スイッチング素子Ｓｊ＃や異常時放電制御に異常が生じない限りフォトカプラ９０のフォトダイオードが発光しないため、フォトカプラ９０の寿命を長くすることができる。

（その他の実施形態）
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。

・上記第１の実施形態では、スイッチング素子Ｓｊ＃に過電流が流れるか否かを、スイッチング素子Ｓｊ＃の入出力端子間を流れる電流と相関を有する電気的な状態量としての微少電流に基づき判断したがこれに限らない。例えばスイッチング素子Ｓｊ＃のコレクタ及びエミッタ間の電圧を用いてもよい。

・上記各実施形態では、異常時放電制御の異常診断のうち、Ｕ相上側アームに対応する診断を、上記ホールドされた電圧及び上記オン時間の双方に基づき行ったがこれに限らない。例えば、上記オン時間のみに基づき行ってもよい。なお、この場合、上記オン時間に関する信号を制御装置３０に直接伝達することも可能である。具体的には、上側診断部６８を備えることなく、スイッチング素子Ｓｕｐのゲートとフォトカプラのフォトダイオードとを接続するとともに、フォトカプラのフォトトランジスタを制御装置３０に接続し、制御装置３０において上記オン時間が許容範囲内であるか否かを判断すればよい。

・高電圧システムとは絶縁しつつ低電圧システムにフェール信号ＦＬや診断信号ｄｉｇ１，ｄｉｇ２を伝達する伝達手段としては、フォトカプラ９０に限らず、フォトＭＯＳリレー等、任意の光絶縁素子であってもよい。また、伝達手段としては、光絶縁素子に限らず、例えばトランス等の磁気絶縁素子であってもよい。この場合、フェール信号ＦＬ等を低電圧システム側に伝達する回路構成について説明すると、具体的には、先の図８において、トランスの１次側コイルの一端を通常時異常診断部５４及び上側診断部６８（下側診断部６６）の出力側に接続するとともに、他端を接地する。一方、トランスの２次側コイルを互いに並列接続し、並列接続体の一端を接地するとともに、他端を電圧検出手段に接続する。そして、電圧検出手段の検出値に基づきトランスに電流が流れると判断された場合、スイッチング素子Ｓｊ＃や異常時放電制御に異常が生じている旨診断すればよい。

ちなみに、トランスを用いる場合、例えばスイッチング素子Ｓｕｐのゲートに印加される電圧の値に関する情報を制御装置３０に直接伝達することも可能である。具体的には、上側診断部６８を備えることなく、トランスの１次側コイルにスイッチング素子Ｓｕｐのゲートを接続すればよい。

・判断手段としては、Ｇセンサ２２の検出値に基づき異常が生じたと判断するものに限らない。例えばモータジェネレータやインバータＩＶ、昇圧コンバータＣＶ等を備える電力変換システムの異常の有無の診断手段の診断結果に基づくものであってもよい。

・放電制御に用いるスイッチング素子Ｓｊ＃としては、ＩＧＢＴに限らず、例えばパワーＭＯＳ型電界効果トランジスタ等の電界効果トランジスタであってもよい。

・上記各実施形態では、コンデンサ１６の充電電圧が０になると想定される状況下、異常時放電制御を模擬することで放電制御の異常の有無を診断したがこれに限らない。例えば、起動スイッチがオンとされた際にリレーＳＭＲ２を短時間閉状態としてコンデンサ１６が僅かに充電される状況下、異常時放電制御を行うことでコンデンサ１６が実際に放電するか否かを診断してもよい。この場合であっても、例えば微少電流によるシャント抵抗５０における電圧降下量に基づきコンデンサ１６の放電電流をドライブユニットＤＵ内で検出することで放電制御の異常の有無を診断する場合等にあっては、診断結果を制御装置３０に伝達する際に伝達手段を要する。このため、この伝達手段を、フェール信号ＦＬを制御装置３０に伝達するための伝達手段と共有することは有効である。

ちなみに、過電流が流れている旨の情報等をフェール信号ＦＬが含む場合、異常時放電制御時において過電流が流れたことと、コンデンサ１６の放電電流が流れたこととを区別することができなくなるおそれがある。しかし、例えば上記放電制御時と通常時とでドライブユニットＤＵの電源を各別に備えて且つ上記放電制御時の電源によってはフェール信号ＦＬを生成することができないような構成を採用するなどすれば、伝達手段を共有する場合であっても診断結果を適切に伝達することができる。

・上記各実施形態では、通常時異常診断部５４から出力される信号を制御装置３０に伝達するためのフォトカプラを用いて、上側診断部６８（下側診断部６６）から出力される診断信号を伝達する構成としたがこれに限らない。例えば、スイッチング素子の温度を監視すべく、感温ダイオードＳＤによって検出される温度情報を制御装置３０に伝達するための専用の光絶縁素子（フォトカプラ）が備えられるドライブユニットＤＵにおいては、該光絶縁素子を用いて上記診断信号を伝達する構成としてもよい。

・上記各実施形態では、フェール信号ＦＬと、異常が生じる場合における診断信号ｄｉｇ１，ｄｉｇ２との論理値を同一としたがこれに限らない。例えば先の図７に示した構成において、上側診断部６８（下側診断部６６）によってオン・オフされるスイッチング素子９８を、抵抗体９６とフォトカプラ９０の１次側との間に備え、診断信号ｄｉｇ１，ｄｉｇ２を放電制御の異常時に論理「Ｌ」とする信号としてもよい。この場合、異常診断時において診断結果が正常であれば、該当するフォトカプラ９０がオフ状態とされ、異常であればオン状態とされる。

・車両としては、ハイブリッド車に限らず、例えば車載主機のために貯蔵されるエネルギ資源が電気エネルギのみとなる電気自動車等であってもよい。

・インバータＩＶとしては、車載主機としての回転機と高電圧バッテリ１２との間の電力の授受を仲介するものに限らない。例えば、空調装置の備える回転機等、主機以外の回転機と高電圧バッテリ１２との間の電力の授受を仲介するものであってもよい。

・放電制御装置の適用対象としては、車両に搭載される電力変換システムに限らず、例えば住宅に設けられる直流電源の電力を交流に変換する電力変換システムであってもよい。この場合、異常時とは、例えば地震等が検知された場合とすればよい。

１０…モータジェネレータ、１２…高電圧バッテリ（直流電源の一実施形態）、１６…コンデンサ、３０…制御装置、５４…通常時異常診断部、６６…下側診断部、６８…上側診断部、９０…フォトカプラ、Ｓｊｐ（ｊ＝ｕ，ｖ，ｗ）…高電位側のスイッチング素子、Ｓｊｎ…低電位側のスイッチング素子。

Claims (6)

1. 高電位側のスイッチング素子および低電位側のスイッチング素子の直列接続体を備えて且つ直流電源の電力を所定に変換する電力変換回路と、該電力変換回路および前記直流電源間に介在するキャパシタと、前記電力変換回路および前記キャパシタと前記直流電源との間の電気経路を開閉する開閉手段と、前記所定に変換する処理時において前記スイッチング素子の状態量に関する信号を出力する通常時出力手段とを備える電力変換システムに適用され、
   前記開閉手段が開状態とされる状況下、前記高電位側のスイッチング素子および前記低電位側のスイッチング素子の双方をオン状態とすることで前記キャパシタの両電極を短絡させる処理を行うことにより前記キャパシタの充電電圧を規定電圧以下に放電制御する放電制御手段と、
   前記放電制御手段による前記スイッチング素子の操作と同様の操作を行い、該操作に伴う前記スイッチング素子の動作状態に関する信号を出力する診断時出力手段と、
   前記通常時出力手段および前記診断時出力手段によって出力される信号に基づき、前記スイッチング素子および前記放電制御の異常の有無を診断する異常診断手段と、
   前記通常時出力手段および前記診断時出力手段側と前記異常診断手段側とを絶縁しつつ前記通常時出力手段および前記診断時出力手段側から前記異常診断手段側に信号を伝達する共通の伝達手段とを備えることを特徴とする電力変換システムの放電制御装置。
2. 前記診断時出力手段は、前記放電制御手段による前記スイッチング素子の操作を模擬する処理を行い、該模擬する処理がなされる場合における該模擬する処理の対象とされるスイッチング素子の動作状態に関する信号を出力することを特徴とする請求項１記載の電力変換システムの放電制御装置。
3. 前記伝達手段は、フォトカプラであることを特徴とする請求項１又は２記載の電力変換システムの放電制御装置。
4. 前記通常時出力手段は、前記スイッチング素子の異常の有無に関する信号を出力するものであり、
   前記診断時出力手段は、前記放電制御の異常の有無に関する信号を出力するものであり、
   前記フォトカプラは、前記通常時出力手段から出力される前記スイッチング素子に異常が生じている旨の信号と、前記診断時出力手段から出力される前記放電制御に異常が生じている旨の信号とを、該フォトカプラのフォトダイオードを発光させないことで前記異常診断手段に伝達することを特徴とする請求項３記載の電力変換システムの放電制御装置。
5. 前記通常時出力手段は、前記スイッチング素子の異常の有無に関する信号を出力するものであり、
   前記診断時出力手段は、前記放電制御の異常の有無に関する信号を出力するものであり、
   前記フォトカプラは、前記通常時出力手段から出力される前記スイッチング素子に異常が生じている旨の信号と、前記診断時出力手段から出力される前記放電制御に異常が生じている旨の信号とを、該フォトカプラのフォトダイオードを発光させることで前記異常診断手段に伝達することを特徴とする請求項３記載の電力変換システムの放電制御装置。
6. 前記電力変換システムは、車両に搭載されるものであり、
   前記車両に異常が生じたか否かを判断する判断手段を更に備え、
   前記放電制御手段は、前記判断手段によって異常が生じたと判断される場合に前記短絡させる処理を行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電力変換システムの放電制御装置。

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