JP5188368B2 - Ｄｃ／ｄｃコンバータ装置 - Google Patents

Description

この発明は、制御部によりスイッチング動作が制御されるスイッチング素子を有する相アームが、１次側と２次側との間に複数並列的に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ装置に関する。より詳細には、複数の前記スイッチング素子のスイッチング動作の異常を検出するＤＣ／ＤＣコンバータ装置に関する。

充電装置と走行モータとの間にＤＣ／ＤＣコンバータを配置し、充電装置の出力電圧を昇圧して走行モータへ供給すると共に、走行モータからの回生電圧を降圧して充電装置に供給する車両が知られている（特許文献１）。特許文献１のＤＣ／ＤＣコンバータでは、駆動回路とスイッチング素子との間に断線検出回路を接続し、この断線検出回路により駆動回路とスイッチング素子との間の断線を検出する（特許文献１の要約参照）。

特開２００７−２９５６８７号公報

特許文献１に記載されたＤＣ／ＤＣコンバータでは、駆動回路とスイッチング素子との間に断線検出専用の回路を設けることから、その分種々の制約が生ずる。例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータの大型化や設計の自由度の低減が生ずる。

この発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、スイッチング動作の異常の検出方法を多様化し、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置全体の小型化や省コスト化を図ることができるＤＣ／ＤＣコンバータ装置を提供することを目的とする。

この発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータ装置は、制御部によりスイッチング動作が制御されるスイッチング素子を有する相アームが、１次側と２次側との間に複数並列的に接続されたものであって、前記スイッチング素子の素子温度を検出する温度センサと、検出された素子温度に基づき前記スイッチング素子のスイッチング動作の異常を検出する異常検出部とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、スイッチング素子の素子温度によりスイッチング動作の異常を検出することができる。これにより、スイッチング動作の異常の検出方法を多様化することが可能となる。特に、スイッチング素子の過熱を判定するために温度センサを設ける構成の場合、当該温度センサをスイッチング素子の異常検出に用いることで、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置全体の小型化及び省コスト化を図ることができる。

前記制御部は、複数の前記相アームを交替してスイッチングし、前記スイッチング素子がオン動作しない異常を前記異常検出部が検出したとき、相アームを同時にスイッチングさせる同時駆動動作に移行してもよい。

前記制御部は、前記スイッチング素子がオン動作しない異常を前記異常検出部が検出したときに前記ＤＣ／ＤＣコンバータ装置を通過する電力の制限値を設定し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ装置を通過する電力が前記制限値を超えないように制御してもよい。

前記スイッチング素子がオン動作しない異常を前記異常検出部が検出したとき、前記制御部は、全ての前記相アームに駆動信号を出力してもよい。

前記制御部は、各スイッチング素子の素子温度から最大温度を判定し、前記最大温度との偏差が、スイッチング動作の異常を判定するために予め設定された偏差閾値を上回るスイッチング素子にオン動作しない異常が発生していると判定し、前記異常を検出したスイッチング素子以外のスイッチング素子に駆動信号を出力してもよい。

この発明によれば、スイッチング素子の素子温度によりスイッチング動作の異常を検出することができる。これにより、スイッチング動作の異常の検出方法を多様化することが可能となる。特に、スイッチング素子の過熱を判定するために温度センサを設ける構成の場合、当該温度センサをスイッチング素子の異常検出に用いることで、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置全体の小型化及び省コスト化を図ることができる。

Ａ．第１実施形態
１．全体的な構成の説明
［全体構成］
図１は、この発明の第１実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ装置５０を搭載した燃料電池車両１０の概略全体構成図を示している。

この燃料電池車両１０は、基本的には、１次側１Ｓに１次電圧Ｖ１を発生する第１直流電源装置としてのバッテリ１２と２次側２Ｓに２次電圧Ｖ２を発生する第２直流電源装置としての燃料電池(Fuel Cell)１４とから構成されるハイブリッド直流電源装置と、このハイブリッド直流電源装置から電力が供給される負荷である走行用のモータ１６とから構成される。

［燃料電池とそのシステム］
燃料電池１４は、例えば固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟み込んで形成されたセルを積層したスタック構造にされている。燃料電池１４には、反応ガス供給部１８が配管を通じて接続されている。反応ガス供給部１８は、一方の反応ガスである水素（燃料ガス）を貯留する水素タンクと、他方の反応ガスである空気（酸化剤ガス）を圧縮するコンプレッサを備えている。反応ガス供給部１８から燃料電池１４に供給された水素と空気の燃料電池１４内での電気化学反応により生成された発電電流がモータ１６とバッテリ１２に供給される。

燃料電池システム１１は、燃料電池１４及び反応ガス供給部１８とこれらを制御する燃料電池制御部（ＦＣ制御部）４４とから構成される。

［ＤＣ／ＤＣコンバータ］
ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、一方側が前記バッテリ１２に接続され、他方側が燃料電池１４とモータ１６との接続点である２次側２Ｓに接続されたチョッパ型の電圧変換装置である。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、１次電圧Ｖ１を２次電圧Ｖ２（Ｖ１≦Ｖ２）に電圧変換（昇圧変換）するとともに、２次電圧Ｖ２を１次電圧Ｖ１に電圧変換（降圧変換）する昇降圧型の電圧変換装置である。

［インバータとモータ及びドライブ系］
インバータ２２は、３相フルブリッジ型の構成とされて、直流／交流変換を行い、直流を３相の交流に変換してモータ１６に供給する一方、回生動作に伴う交流／直流変換後の直流を２次側２ＳからＤＣ／ＤＣコンバータ２０を通じて１次側１Ｓに供給し、バッテリ１２を充電等する。

モータ１６は、トランスミッション２４を通じて車輪２６を回転する。なお、実際上、インバータ２２とモータ１６を併せて負荷２３という。

［高圧バッテリ］
１次側１Ｓに接続される高圧(High Voltage)のバッテリ１２は、蓄電装置（エネルギストレージ）であり、例えばリチウムイオン２次電池又はキャパシタ等を利用することができる。この実施形態ではリチウムイオン２次電池を利用している。

［各種センサ、メインスイッチ及び通信線］
メインスイッチ（電源スイッチ）３４と各種センサ３６が通信線３８に接続される。メインスイッチ３４は、燃料電池車両１０及び燃料電池システム１１をオン（起動又は始動）オフ（停止）するイグニッションスイッチとしての機能を有する。各種センサ３６は、車両状態及び環境状態等の状態情報を検出する。通信線３８としては、車内ＬＡＮであるＣＡＮ（Controller Area Network）等が使用される。

［制御部］
通信線３８に対して、統合制御部４０、ＦＣ制御部４４、モータ制御部４６、コンバータ制御部４８、及びバッテリ制御部５２が相互に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ２０と、このＤＣ／ＤＣコンバータ２０を制御するコンバータ制御部４８とによりＤＣ／ＤＣコンバータ装置５０が形成される。

各制御部４０、４４、４６、４８、５２は、それぞれマイクロコンピュータを含み、メインスイッチ３４等の各種スイッチ及び各種センサ３６の状態情報を検出するとともに制御部４０、４４、４６、４８、５２同士で共有し、これらスイッチ及びセンサからの状態情報及び互いに他の制御部からの情報（指令等）を入力とし、各ＣＰＵがメモリ（ＲＯＭ）に格納されたプログラムを実行することにより各種機能を実現する機能実現部（機能実現手段）として動作する。制御部４０、４４、４６、４８、５２は、ＣＰＵ、メモリの他、必要に応じて、タイマ、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等の入出力インタフェースを有する。

２．詳細な構成の説明
［ＤＣ／ＤＣコンバータ装置］
図２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の詳細な構成を示している。ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、１次側１Ｓと２次側２Ｓとの間に配される３相の相アームＵＡ、ＶＡ、ＷＡと、リアクトル９０とから構成される。

Ｕ相アームＵＡは、上アーム素子（上アームスイッチング素子８１ｕとダイオード８３ｕ）と下アーム素子（下アームスイッチング素子８２ｕとダイオード８４ｕ）とで構成される。

Ｖ相アームＶＡは、上アーム素子（上アームスイッチング素子８１ｖとダイオード８３ｖ）と下アーム素子（下アームスイッチング素子８２ｖとダイオード８４ｖ）とで構成される。

Ｗ相アームＷＡは、上アーム素子（上アームスイッチング素子８１ｗとダイオード８３ｗ）と下アーム素子（下アームスイッチング素子８２ｗとダイオード８４ｗ）とで構成される。

上アームスイッチング素子８１ｕ、８１ｖ、８１ｗと下アームスイッチング素子８２ｕ、８２ｖ、８２ｗには、それぞれ例えばＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴ等が採用される。

リアクトル９０は、各相アームＵＡ、ＶＡ、ＷＡの中点（共通接続点）とバッテリ１２の正極との間に挿入され、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０により１次電圧Ｖ１と２次電圧Ｖ２との間で電圧を変換する際に、エネルギを放出及び蓄積する作用を有する。

上アームスイッチング素子８１ｕ、８１ｖ、８１ｗは、コンバータ制御部４８から出力されるゲート駆動信号（駆動電圧）ＵＨ、ＶＨ、ＷＨのハイレベルによりオンにされ、下アームスイッチング素子８２ｕ、８２ｖ、８２ｗは、ゲートの駆動信号（駆動電圧）ＵＬ、ＶＬ、ＷＬのハイレベルによりそれぞれオンにされる。なお、コンバータ制御部４８は、１次側平滑コンデンサ９４に並列に設けられた電圧センサ９１により１次電圧Ｖ１を検出し、電流センサ１０１により１次電流Ｉ１を検出し、２次側平滑コンデンサ９６に並列に設けられた電圧センサ９２により２次電圧Ｖ２を検出し、電流センサ１０２により２次電流Ｉ２を検出する。

上アームスイッチング素子８１ｕ、８１ｖ、８１ｗと下アームスイッチング素子８２ｕ、８２ｖ、８２ｗには、それぞれ温度センサ６９が取り付けられ、上アームスイッチング素子８１ｕ、８１ｖ、８１ｗと下アームスイッチング素子８２ｕ、８２ｖ、８２ｗのそれぞれの検出温度Ｔｕｈ（８１ｕ）、Ｔｖｈ（８１ｖ）、Ｔｗｈ（８１ｗ）、Ｔｕｌ（８２ｕ）、Ｔｖｌ（８２ｖ）、Ｔｗｌ（８２ｗ）は、コンバータ制御部４８により検出される。

［ＤＣ／ＤＣコンバータ装置の動作］
（３相アーム交替駆動動作：３相運転ともいう。）
図３のタイムチャートは、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５０の３相アーム交替駆動動作の説明図である。

降圧動作（回生動作）に係る降圧チョッパ制御では、負荷２３や燃料電池１４から流れ出す２次電流Ｉ２がＤＣ／ＤＣコンバータ２０を通過して１次電流Ｉ１としてバッテリ１２を充電等する。昇圧動作（力行動作）に係る昇圧チョッパ制御では、バッテリ１２から流れ出す１次電流Ｉ１がＤＣ／ＤＣコンバータ２０を通過し２次電流Ｉ２としてモータ１６を含む負荷２３が駆動される。

スイッチング周期を２π＝Ｔ、上下アームスイッチング素子８１、８２に対してハイレベルの駆動信号が送信される期間をＴｏｎとすると、デッドタイムｄｔを無視すれば、降圧チョッパ制御での駆動デューティ（ＯＮデューティ）は、（１）式で表され、昇圧チョッパ制御での駆動デューティは、（２）式で表される。
Ｔｏｎ／Ｔ＝Ｖ１／Ｖ２ …（１）
Ｔｏｎ／Ｔ＝（１−Ｖ１／Ｖ２） …（２）

駆動信号ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬの波形中、ハッチングを付けた期間は、駆動信号ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬが供給されているアームスイッチング素子（例えば、駆動信号ＵＨに対応するアームスイッチング素子は上アームスイッチング素子８１ｕ）が通流している（電流が流れている）期間を示している。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の降圧チョッパ制御及び昇圧チョッパ制御のいずれの動作の場合にも、１スイッチング周期２π毎に、同じ相の上アームスイッチング素子８１（８１ｕ〜８１ｗ）及び下アームスイッチング素子８２（８２ｕ〜８２ｗ）にハイレベルの駆動信号ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬを出力する。また、駆動信号ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬは、ＵＶＷ相を交替（ローテーション）して出力する。降圧チョッパ制御では、上アームスイッチング素子８１（８１ｕ〜８１ｗ）を通流させ、昇圧チョッパ制御では、下アームスイッチング素子８２（８２ｕ〜８２ｗ）を通流させる。

この場合、上下アームスイッチング素子８１、８２間が同時に通流して２次電圧Ｖ２が短絡することを防止するために、各駆動信号ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬは、それぞれデッドタイムｄｔを挟んでハイレベルとするようにしている。すなわち、デッドタイムｄｔを挟んで、いわゆる同期スイッチングを行っている。

降圧チョッパ制御では、まず、駆動信号ＵＨにより上アームスイッチング素子８１ｕ（Ｕ相）のみが通流している期間には、２次電流Ｉ２が上アームスイッチング素子８１ｕを通じてリアクトル９０に１次電流Ｉ１として流れ、リアクトル９０にエネルギが蓄積されるとともに、バッテリ１２に充電される。

次に、駆動信号ＵＬのみがハイレベルとなっている期間には、当該下アームスイッチング素子８２ｕは通流せず、ダイオード８４ｕ、８４ｖ、８４ｗが導通してリアクトル９０に蓄積されているエネルギが放出され、バッテリ１２に充電される。以下、同様に、Ｖ相、Ｗ相と繰り返す。

昇圧チョッパ制御では、まず、駆動信号ＵＬ（Ｕ相）のみがハイレベルとされている期間（ハッチングで示す期間）には、バッテリ１２からの１次電流Ｉ１によりリアクトル９０にエネルギが蓄積される。なお、このとき、２次側平滑コンデンサ９６から負荷２３に電流が供給されている。

次に、駆動信号ＶＨ（Ｖ相）のみがハイレベルとされている期間には、当該上アームスイッチング素子８１ｖは通流せず、ダイオード８３ｕ、８３ｖ、８３ｗが導通してリアクトル９０に蓄積されているエネルギが放出され、リアクトル９０からの１次電流Ｉ１がＤＣ／ＤＣコンバータ２０を通過し、２次電流Ｉ２として２次側平滑コンデンサ９６を充電するとともに、負荷２３に供給される。以下、同様にＶ相、Ｗ相と繰り返す。

すなわち、３相アーム交替駆動動作では、Ｕ相アームＵＡと、Ｖ相アームＶＡと、Ｗ相アームＷＡとが交替してスイッチングする。

［ゲート断線異常の検知］
図４には、第１実施形態において、上アーム素子のゲート断線異常を検知するフローチャートが示されている。

ステップＳ１において、コンバータ制御部４８は、上アーム素子のゲート断線異常が確定しているかどうかを判定する。具体的には、フラグＦＬＧｈが「１」であるかどうかを判定する。フラグＦＬＧｈは、上アーム素子のゲート断線異常が確定していないときは「０」であり、確定しているときは「１」である。フラグＦＬＧｈの初期値は「０」であり、後述するステップＳ７に行かない限り、「０」のままである。また、フラグＦＬＧｈが、一旦、「１」に設定されると、図４に図示しない所定のリセット動作が行われるまで「１」のままである。

ステップＳ１においてフラグＦＬＧｈが「０」であるとき（Ｓ１：Ｎｏ）、ステップＳ２において、コンバータ制御部４８は、上アームスイッチング素子８１ｕ、８１ｖ、８１ｗそれぞれの検出温度Ｔｕｈ、Ｔｖｈ、Ｔｗｈ［℃］のうち最大温度（上アーム最大温度Ｔａｈ＿ｍａｘ）［℃］と最小温度（上アーム最小温度Ｔａｈ＿ｍｉｎ）［℃］とを判定する。

続くステップＳ３において、コンバータ制御部４８は、上アーム最大温度Ｔａｈ＿ｍａｘと上アーム最小温度Ｔａｈ＿ｍｉｎとの差が、上アーム素子のゲート断線異常を判定する閾値温度（上アーム閾値温度ＴＨａｈ＿ｔｅｍ）［℃］以上であるかどうかを判定する。当該差が、上アーム閾値温度ＴＨａｈ＿ｔｅｍ未満である場合（Ｓ３：Ｎｏ）、ステップＳ４において、コンバータ制御部４８は、上アームカウンタＣＮＴｈの値をリセットする（ＣＮＴｈ←０）。上アームカウンタＣＮＴｈの値は、上アーム素子のゲート断線異常が継続している時間を示す。

ステップＳ３において上アーム最大温度Ｔａｈ＿ｍａｘと上アーム最小温度Ｔａｈ＿ｍｉｎとの差が、上アーム閾値温度ＴＨａｈ＿ｔｅｍ以上であると判定した場合（Ｓ３：Ｙｅｓ）、ステップＳ５において、コンバータ制御部４８は、上アームカウンタＣＮＴｈの値を１増加させる。ステップＳ６において、コンバータ制御部４８は、上アームカウンタＣＮＴｈが、上アーム素子のゲート断線異常を確定する閾値時間（上アーム閾値時間ＴＨａｈ＿ｔｉｍｅ）［ｓ］以上であるかどうかを判定する。上アームカウンタＣＮＴｈが、上アーム閾値時間ＴＨａｈ＿ｔｉｍｅ未満である場合（Ｓ６：Ｎｏ）、コンバータ制御部４８は、上アーム素子のゲート断線異常を確定せずに今回の処理を終える。上アームカウンタＣＮＴｈが、上アーム閾値時間ＴＨａｈ＿ｔｉｍｅ以上である場合（Ｓ６：Ｙｅｓ）、ステップＳ７において、コンバータ制御部４８は、上アーム素子のゲート断線異常を確定し、フラグＦＬＧｈを「１」に設定する。今回の処理を終えると、ステップＳ１に戻る。

図５には、第１実施形態において、各下アーム素子のゲート断線異常を検知するフローチャートが示されている。図５のフローチャートは、図４のフローチャートと同様である。

すなわち、ステップＳ１１において、コンバータ制御部４８は、下アーム素子のゲート断線異常が確定しているかどうかを判定する。具体的には、フラグＦＬＧｌが「１」であるかどうかを判定する。フラグＦＬＧｌは、下アーム素子のゲート断線異常が確定していないときは「０」であり、確定しているときは「１」である。フラグＦＬＧｌの初期値は「０」であり、後述するステップＳ１７に行かない限り、「０」のままである。また、フラグＦＬＧｌが、一旦、「１」に設定されると、図５に図示しない所定のリセット動作が行われるまで「１」のままである。

ステップＳ１１においてフラグＦＬＧｌが「０」であるとき（Ｓ１１：Ｎｏ）、ステップＳ１２において、コンバータ制御部４８は、下アームスイッチング素子８２ｕ、８２ｖ、８２ｗそれぞれの検出温度Ｔｕｌ、Ｔｖｌ、Ｔｗｌ［℃］のうち最大温度（下アーム最大温度Ｔａｌ＿ｍａｘ）［℃］と最小温度（下アーム最小温度Ｔａｌ＿ｍｉｎ）［℃］とを判定する。

続くステップＳ１３において、コンバータ制御部４８は、下アーム最大温度Ｔａｌ＿ｍａｘと下アーム最小温度Ｔａｌ＿ｍｉｎとの差が、下アーム素子のゲート断線異常を判定する閾値温度（下アーム閾値温度ＴＨａｌ＿ｔｅｍ）［℃］以上であるかどうかを判定する。当該差が、下アーム閾値温度ＴＨａｌ＿ｔｅｍ未満である場合（Ｓ１３：Ｎｏ）、ステップＳ１４において、コンバータ制御部４８は、下アームカウンタＣＮＴｌの値をリセットする（ＣＮＴｌ←０）。下アームカウンタＣＮＴｌの値は、下アーム素子のゲート断線異常が継続している時間を示す。

ステップＳ１３において下アーム最大温度Ｔａｌ＿ｍａｘと下アーム最小温度Ｔａｌ＿ｍｉｎとの差が、下アーム閾値温度ＴＨａｌ＿ｔｅｍ以上であると判定した場合（Ｓ１３：Ｙｅｓ）、ステップＳ１５において、コンバータ制御部４８は、下アームカウンタＣＮＴｌの値を１増加させる。ステップＳ１６において、コンバータ制御部４８は、下アームカウンタＣＮＴｌが、下アーム素子のゲート断線異常を確定する閾値時間（下アーム閾値時間ＴＨａｌ＿ｔｉｍｅ）［ｓ］以上であるかどうかを判定する。下アームカウンタＣＮＴｌが、下アーム閾値時間ＴＨａｌ＿ｔｉｍｅ未満である場合（Ｓ１６：Ｎｏ）、コンバータ制御部４８は、下アーム素子のゲート断線異常を確定せずに今回の処理を終える。下アームカウンタＣＮＴｌが、下アーム閾値時間ＴＨａｌ＿ｔｉｍｅ以上である場合（Ｓ１６：Ｙｅｓ）、ステップＳ１７において、コンバータ制御部４８は、下アーム素子のゲート断線異常を確定し、フラグＦＬＧｌを「１」に設定する。今回の処理が終わると、ステップＳ１１に戻る。

図６には、図４及び図５の処理で特定したフラグＦＬＧｈ及びフラグＦＬＧｌを用いて、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の出力を制御するフローチャートである。

ステップＳ２１において、コンバータ制御部４８は、フラグＦＬＧｈ及びフラグＦＬＧｌがそれぞれ「０」であるかどうかを判定する。フラグＦＬＧｈ及びフラグＦＬＧｌのいずれも「０」である場合（Ｓ２１：Ｙｅｓ）、上アーム素子及び下アーム素子のいずれでもゲート断線異常が確定していない。そこで、ステップＳ２２において、コンバータ制御部４８は、全ての相アームに対して順番に駆動信号を出力し、全ての相アームを交替してスイッチングして通常出力を行う。一方、フラグＦＬＧｈ又はフラグＦＬＧｌが「１」である場合（Ｓ２１：Ｎｏ）、上アーム素子又は下アーム素子でゲート断線異常が確定している。そこで、ステップＳ２３において、コンバータ制御部４８は、全ての相アームに対して同時に駆動信号を出力すると共に、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の出力を通常出力の１／３に制限する。図７には、降圧チョッパ制御で動作しているときにＵ相アームＵＡの上アームスイッチング素子８１ｕにゲート断線異常が生じたため、時点ｔ１において、通常動作（３相アーム交替駆動動作）から異常検出時動作に切り替えたタイムチャートが示されている。図７では、異常検出時動作に移行した後、ゲート断線異常が生じた上アームスイッチング素子８１を特定せずに全ての相アームに対して同時に駆動信号を出力する第１同時駆動動作が行われるが、Ｕ相アームＵＡの上アームスイッチング素子８１ｕにゲート断線異常が生じているため、上アームスイッチング素子８１ｕは通流しない（電流が流れない）。

［第１実施形態の効果］
以上説明したように、第１実施形態によれば、検出温度Ｔｕｈ、Ｔｖｈ、Ｔｗｈ、Ｔｕｌ、Ｔｖｌ、Ｔｗｌによりスイッチング動作の異常を検出することができる。これにより、スイッチング動作の異常の検出方法を多様化することが可能となる。特に、上アームスイッチング素子８１ｕ〜８１ｗ及び下アームスイッチング素子８２ｕ〜８２ｗの過熱を判定するために温度センサ６９を設ける構成の場合、当該温度センサ６９を上アームスイッチング素子８１ｕ〜８１ｗ及び下アームスイッチング素子８２ｕ〜８２ｗの異常検出に用いることで、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５０全体の小型化及び省コスト化を図ることができる。

第１実施形態では、上アームスイッチング素子８１ｕ〜８１ｗ及び下アームスイッチング素子８２ｕ〜８２ｗいずれかのスイッチング動作の異常を検出したとき、相アームを同時にスイッチングさせる第１同時駆動動作に移行する。その結果、異常が検出されたスイッチング素子がスイッチングしないことによる変圧制御の困難性を回避することができる。

第１実施形態では、コンバータ制御部４８は、特定の相アームのゲート断線異常を検知したとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０を通過する電力を制限する。スイッチング動作の異常により使用可能な相アームの数が減ったにもかかわらず、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０に同じ電力が供給された場合、残りの相アーム１つ当たりの出力が増加し、残りの相アームが昇温する可能性が高まる。しかし、本実施形態の構成によれば、残りの相アーム１つ当たりの出力を抑制することが可能となるため、そのような昇温の可能性を低減することができる。

第１実施形態では、ゲート断線異常を検出したとき、コンバータ制御部４８は、全ての相アームに駆動信号を出力する。これにより、異常を検出したスイッチング素子を有する相アームを含めた全ての相アームに駆動信号を出力することで、残りの相アームを同時にスイッチングさせる。全ての相アームに駆動信号を出力するため、異常が検出されたスイッチング素子を特定することなく、変圧制御の困難性を回避することができる。

Ｂ．第２実施形態
この発明の第２実施形態は、コンバータ制御部４８の処理が第１実施形態と異なり、ハードウェアの構成は同じである。すなわち、第２実施形態では、ゲート断線異常が発生している相アームを特定し、当該相アーム以外の相アームに対して同時に駆動信号を出力する第２同時駆動動作を行う。

図８には、第２実施形態において、各相のゲート断線異常を検知するフローチャートが示されている。

ステップＳ１０１において、コンバータ制御部４８は、１次電流Ｉ１がゼロより大きいかどうかを判定する。１次電流Ｉ１がゼロより大きいとき（すなわち、正の値を取るとき）、１次側１Ｓから２次側２Ｓに電流が流れ、バッテリ１２からモータ１６に電力が供給される。１次電流Ｉ１がゼロより大きい場合（Ｓ１０１：Ｙｅｓ）、ステップＳ１０２において、コンバータ制御部４８は、上アーム素子の異常検知を停止する。すなわち、各相の上アーム素子に関するフラグＦＬＧｕｈ、ＦＬＧｖｈ、ＦＬＧｗｈをそれぞれ「０」に設定する。フラグＦＬＧｕｈ、ＦＬＧｖｈ、ＦＬＧｗｈは、各相の上アーム素子についてゲート断線異常を検知しているかどうかを示すものであり、「０」のときゲート断線異常を検知していないことを示し、「１」のときゲート断線異常を検知していることを示す。続くステップＳ１０３において、コンバータ制御部４８は、下アーム素子の異常検知処理を行う。

ステップＳ１０１において１次電流Ｉ１がゼロ以下である場合（Ｓ１０１：Ｎｏ）、ステップＳ１０４において、コンバータ制御部４８は、下アーム素子の異常検知を停止する。すなわち、各相の下アーム素子に関するフラグＦＬＧｕｌ、ＦＬＧｖｌ、ＦＬＧｗｌをそれぞれ「０」に設定する。フラグＦＬＧｕｌ、ＦＬＧｖｌ、ＦＬＧｗｌは、各相の下アーム素子についてゲート断線異常を検知しているかどうかを示すものであり、「０」のときゲート断線異常を検知していないことを示し、「１」のときゲート断線異常を検知していることを示す。続くステップＳ１０５において、コンバータ制御部４８は、各相の上アーム素子の異常検知処理を行う。

ステップＳ１０３又はステップＳ１０５の後、コンバータ制御部４８は、ステップＳ１０６〜Ｓ１０８において、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の異常確定処理を行う。

図９には、各相の下アーム素子の異常検知処理（図８のＳ１０３）のフローチャートが示されている。

ステップＳ１１１において、コンバータ制御部４８は、各下アームスイッチング素子８２ｕ、８２ｖ、８２ｗの検出温度Ｔｕｌ、Ｔｖｌ、Ｔｗｌのうち最大温度（下アーム最大温度Ｔａｌ＿ｍａｘ）［℃］を判定する。

ステップＳ１１２において、コンバータ制御部４８は、下アーム最大温度Ｔａｌ＿ｍａｘと検出温度Ｔｕｌとの差が、下アーム素子のゲート断線異常を判定する閾値温度（下アーム閾値温度ＴＨａｌ＿ｔｅｍ）［℃］を上回るかどうかを判定する。当該差が、下アーム閾値温度ＴＨａｌ＿ｔｅｍ以下である場合（Ｓ１１２：Ｎｏ）、ステップＳ１１４に進む。当該差が、下アーム閾値温度ＴＨａｌ＿ｔｅｍより大きい場合（Ｓ１１２：Ｙｅｓ）、ステップＳ１１３において、コンバータ制御部４８は、下アームスイッチング素子８２ｕのゲート断線異常の検知を開始する。すなわち、下アームスイッチング素子８２ｕに関するフラグＦＬＧｕｌを「１」に設定する。ステップＳ１１３の後は、ステップＳ１１４に進む。

ステップＳ１１４、Ｓ１１５及びステップＳ１１６、Ｓ１１７の処理は、ステップＳ１１２、Ｓ１１３と同様である。すなわち、ステップＳ１１４において、コンバータ制御部４８は、下アーム最大温度Ｔａｌ＿ｍａｘと検出温度Ｔｖｌとの差が、下アーム閾値温度ＴＨａｌ＿ｔｅｍを上回るかどうかを判定する。当該差が、下アーム閾値温度ＴＨａｌ＿ｔｅｍ以下である場合（Ｓ１１４：Ｎｏ）、ステップＳ１１６に進む。当該差が、下アーム閾値温度ＴＨａｌ＿ｔｅｍより大きい場合（Ｓ１１４：Ｙｅｓ）、ステップＳ１１５において、コンバータ制御部４８は、下アームスイッチング素子８２ｖのゲート断線異常の検知を開始する。すなわち、下アームスイッチング素子８２ｖに関するフラグＦＬＧｖｌを「１」に設定する。ステップＳ１１５の後は、ステップＳ１１６に進む。

ステップＳ１１６において、コンバータ制御部４８は、下アーム最大温度Ｔａｌ＿ｍａｘと検出温度Ｔｗｌとの差が、下アーム閾値温度ＴＨａｌ＿ｔｅｍを上回るかどうかを判定する。当該差が、下アーム閾値温度ＴＨａｌ＿ｔｅｍ以下である場合（Ｓ１１６：Ｎｏ）、今回の処理を終了する。当該差が、下アーム閾値温度ＴＨａｌ＿ｔｅｍより大きい場合（Ｓ１１６：Ｙｅｓ）、ステップＳ１１７において、コンバータ制御部４８は、下アームスイッチング素子８２ｗのゲート断線異常の検知を開始する。すなわち、下アームスイッチング素子８２ｗに関するフラグＦＬＧｗｌを「１」に設定する。ステップＳ１１７の後は、今回の処理を終了する。

図１０には、各相の上アーム素子の異常検知処理（図８のＳ１０５）のフローチャートが示されている。図１０のステップＳ１２１〜Ｓ１２７は、図９のステップＳ１１１〜Ｓ１１７と同様である。図１０では、図９の「下アーム最大温度Ｔａｌ＿ｍａｘ」、「下アーム閾値温度ＴＨａｌ＿ｔｅｍ」及び「フラグＦＬＧｕｌ、ＦＬＧｖｌ、ＦＬＧｗｌ」の代わりに、「上アーム最大温度Ｔａｈ＿ｍａｘ」、「上アーム閾値温度ＴＨａｈ＿ｔｅｍ」及び「フラグＦＬＧｕｈ、ＦＬＧｖｈ、ＦＬＧｗｈ」を用いる。

図１１には、Ｕ相の異常確定処理（図８のＳ１０６）のフローチャートが示されている。

ステップＳ１３１において、コンバータ制御部４８は、Ｕ相のゲート断線異常が確定しているかどうかを判定する。具体的には、Ｕ相に関するフラグＦＬＧｕが「１」であるかどうかを判定する。フラグＦＬＧｕは、Ｕ相のゲート断線異常が確定していないかどうかを示すものであり、「０」のとき、Ｕ相のゲート断線異常が確定していないことを示し、「１」のとき、Ｕ相のゲート断線異常が確定していることを示す。フラグＦＬＧｕの初期値は「０」である。Ｕ相のゲート断線異常が確定していない場合（Ｓ１３１：Ｎｏ）、ステップＳ１３２に進む。Ｕ相のゲート断線異常が確定している場合（Ｓ１３１：Ｙｅｓ）、今回の処理を終える。

ステップＳ１３２において、コンバータ制御部４８は、Ｕ相の上アーム素子及び下アーム素子のいずれもゲート断線異常が検知されていないかどうかを判定する。具体的には、図９のステップＳ１１２、Ｓ１１３に基づくＵ相の下アーム素子のフラグＦＬＧｕｌと、図１０のステップＳ１２２、Ｓ１２３に基づくＵ相の上アーム素子のフラグＦＬＧｕｈがいずれも「０」であるかどうかを判定する。

フラグＦＬＧｕｈ、ＦＬＧｕｌがいずれも「０」である場合（Ｓ１３２：Ｙｅｓ）、Ｕ相の上アーム素子及び下アーム素子はいずれもゲート断線異常が検知されていない。そこで、ステップＳ１３３において、コンバータ制御部４８は、Ｕ相カウンタＣＮＴｕの値をリセットする（ＣＮＴｕ←０）。Ｕ相カウンタＣＮＴｕの値は、Ｕ相の上アーム素子又は下アーム素子のゲート断線異常が継続している時間を示す。

ステップＳ１３２において、フラグＦＬＧｕｈ又はフラグＦＬＧｕｌが「１」である場合（Ｓ１３２：Ｎｏ）、Ｕ相の上アーム素子又は下アーム素子においてゲート断線異常が検知されている。そこで、ステップＳ１３４において、コンバータ制御部４８は、Ｕ相カウンタＣＮＴｕの値を１増加させる。

続くステップＳ１３５において、コンバータ制御部４８は、Ｕ相カウンタＣＮＴｕが、Ｕ相のゲート断線異常を確定する閾値時間（断線確定閾値時間ＴＨｕ＿ｔｉｍｅ）［ｓ］以上であるかどうかを判定する。Ｕ相カウンタＣＮＴｕが、断線確定閾値時間ＴＨｕ＿ｔｉｍｅ未満である場合（Ｓ１３５：Ｎｏ）、コンバータ制御部４８は、Ｕ相のゲート断線異常を確定せずに今回の処理を終える。Ｕ相カウンタＣＮＴｕが、断線確定閾値時間ＴＨｕ＿ｔｉｍｅ以上である場合（Ｓ１３５：Ｙｅｓ）、ステップＳ１３６において、コンバータ制御部４８は、Ｕ相のゲート断線異常を確定し、フラグＦＬＧｕを「１」に設定する。今回の処理を終えると、ステップＳ１３１に戻る。

図１２には、Ｖ相の異常確定処理（図８のＳ１０７）のフローチャートが示されている。図１３には、Ｗ相の異常確定処理（図８のＳ１０８）のフローチャートが示されている。図１２のステップＳ１４１〜Ｓ１４６及び図１３のステップＳ１５１〜Ｓ１５６は、図１１のステップＳ１３１〜Ｓ１３６と同様である。なお、図１１の「フラグＦＬＧｕ」、「Ｕ相カウンタＣＮＴｕ」及び「断線確定閾値時間ＴＨｕ＿ｔｉｍｅ」の代わりに、図１２では、「フラグＦＬＧｖ」、「Ｖ相カウンタＣＮＴｖ」及び「断線確定閾値時間ＴＨｖ＿ｔｉｍｅ」が用いられ、図１３では、「フラグＦＬＧｗ」、「Ｗ相カウンタＣＮＴｗ」及び「断線確定閾値時間ＴＨｗ＿ｔｉｍｅ」が用いられる。

図１４には、図１１〜図１３の処理で特定したフラグＦＬＧｕ、ＦＬＧｖ、ＦＬＧｗを用いて、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の出力を制御するフローチャートが示されている。

ステップＳ１６１において、コンバータ制御部４８は、フラグＦＬＧｕ、ＦＬＧｖ、ＦＬＧｗがそれぞれ「０」であるかどうかを判定する。

フラグＦＬＧｕ、ＦＬＧｖ、ＦＬＧｗのいずれも「０」である場合（Ｓ１６１：Ｙｅｓ）、いずれの相でもゲート断線異常が確定していない。そこで、ステップＳ１６２において、コンバータ制御部４８は、全ての相アームに対して順番に駆動信号を出力し、全ての相アームを順番にスイッチングして通常出力を行う。一方、フラグＦＬＧｕ、ＦＬＧｖ、ＦＬＧｗのいずれかが「１」である場合（Ｓ１６１：Ｎｏ）、いずれかの相アームでゲート断線異常が確定している。そこで、ステップＳ１６３以降においてゲート断線異常の確定に伴う処理を行う。

ステップＳ１６３において、コンバータ制御部４８は、フラグＦＬＧｕが「１」であり且つフラグＦＬＧｖ、ＦＬＧｗがそれぞれ「０」であるとの条件が満たされるかどうかを判定する。当該条件が満たされる場合（Ｓ１６３：Ｙｅｓ）、Ｕ相アームＵＡでゲート断線異常が確定している。そこで、ステップＳ１６４において、コンバータ制御部４８は、残りのＶ相アームＶＡ及びＷ相アームＷＡに対して同時に駆動信号を出力する。その際、コンバータ制御部４８は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の出力を通常出力の１／３に制限する。これにより、Ｖ相アームＶＡ及びＷ相アームＷＡにおける発熱を、通常出力時と同等レベル以下に抑えることができる。図１５には、降圧チョッパ制御で動作しているときに、Ｕ相アームＵＡでゲート断線異常が確定し、時点ｔ１１において、通常動作（３相アーム交替駆動動作）から異常検出時動作（第２同時駆動動作）に切り替えたタイムチャートが示されている。

図１４に戻り、ステップＳ１６３において、フラグＦＬＧｕが「１」であり且つフラグＦＬＧｖ、ＦＬＧｗがそれぞれ「０」であるとの条件が満たされない場合（Ｓ１６３：Ｎｏ）、ステップＳ１６５に進む。

ステップＳ１６５において、コンバータ制御部４８は、フラグＦＬＧｖが「１」であり且つフラグＦＬＧｕ、ＦＬＧｗがそれぞれ「０」であるとの条件が満たされるかどうかを判定する。当該条件が満たされる場合（Ｓ１６５：Ｙｅｓ）、Ｖ相アームＶＡでゲート断線異常が確定している。そこで、ステップＳ１６６において、コンバータ制御部４８は、残りのＵ相アームＵＡ及びＷ相アームＷＡに対して同時に駆動信号を出力する。その際、コンバータ制御部４８は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の出力を通常出力の１／３に制限する。これにより、Ｕ相アームＵＡ及びＷ相アームＷＡにおける発熱を、通常出力時と同等レベル以下に抑えることができる。

ステップＳ１６５において、フラグＦＬＧｖが「１」であり且つフラグＦＬＧｕ、ＦＬＧｗがそれぞれ「０」であるとの条件が満たされない場合（Ｓ１６５：Ｎｏ）、ステップＳ１６７に進む。

ステップＳ１６７において、コンバータ制御部４８は、フラグＦＬＧｗが「１」であり且つフラグＦＬＧｕ、ＦＬＧｖがそれぞれ「０」であるとの条件が満たされるかどうかを判定する。当該条件が満たされる場合（Ｓ１６７：Ｙｅｓ）、Ｗ相アームＷＡでゲート断線異常が確定している。そこで、ステップＳ１６８において、コンバータ制御部４８は、残りのＵ相アームＵＡ及びＶ相アームＶＡに対して同時に駆動信号を出力する。その際、コンバータ制御部４８は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の出力を通常出力の１／３に制限する。これにより、Ｕ相アームＵＡ及びＶ相アームＶＡにおける発熱を、通常出力時と同等レベル以下に抑えることができる。

ステップＳ１６７において、フラグＦＬＧｗが「１」であり且つフラグＦＬＧｕ、ＦＬＧｖがそれぞれ「０」であるとの条件が満たされない場合（Ｓ１６７：Ｎｏ）、２つ以上の相アームにおいてゲート断線異常が確定している。そこで、ステップＳ１６９において、コンバータ制御部４８は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の制御を停止する。

［第２実施形態の効果］
以上説明したように、第２実施形態によれば、第１実施形態の効果に加え、ゲート断線異常が発生している相アームを特定し、当該相アーム以外の相アームに駆動信号を出力する。これにより、省電力化を図ることができる。

Ｃ．変形例
なお、この発明は、上記各実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。例えば、以下の構成を採用することができる。

［搭載対象］
上記各実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５０を燃料電池車両１０に搭載したが、これに限られず、別の対象に搭載してもよい。例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５０を船舶や航空機等の移動体に用いることもできる。或いは、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５０を家庭用電力システムに適用してもよい。

［ＤＣ／ＤＣコンバータ］
上記各実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０を昇降圧型としたが、これに限られず、昇圧型又は降圧型としてもよい。

上記各実施形態では、上アームスイッチング素子８１ｕ〜８１ｗ及び下アームスイッチング素子８２ｕ〜８２ｗの数をそれぞれ３つとしたが、これに限られず、２つ又は４つ以上としてもよい。

［異常の検知］
上記第２実施形態では、異常が発生している相アームを特定したが、さらに、異常が発生しているスイッチング素子を特定してもよい。特定の方法は、第２実施形態では各相に対応させてフラグを設定したが、これを各スイッチング素子に対応させればよい。これにより、例えば、異常が確定したスイッチング素子のみに駆動信号を出力しないことで、同じ相に含まれる正常なスイッチング素子を活用することが可能となる。

この発明の第１実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ装置を搭載した燃料電池車両の概略全体構成図である。 第１実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの詳細な構成を示す回路図である。 第１実施形態における３相アーム交替駆動動作の説明に供されるタイムチャートである。 第１実施形態において、上アーム素子のゲート断線異常を検知するフローチャートである。 第１実施形態において、各下アーム素子のゲート断線異常を検知するフローチャートである。 図４及び図５の処理で特定したフラグを用いて、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力を制御するフローチャートである。 第１実施形態において、降圧チョッパ制御で動作しているとき、ゲート断線異常が確定した場合の一例を示すタイムチャートである。 第２実施形態において、各相のゲート断線異常を検知するフローチャートである。 第２実施形態における各相の下アーム素子の異常検知処理のフローチャートである。 第２実施形態における各相の上アーム素子の異常検知処理のフローチャートである。 第２実施形態におけるＵ相の異常確定処理のフローチャートである。 第２実施形態におけるＶ相の異常確定処理のフローチャートである。 第２実施形態におけるＷ相の異常確定処理のフローチャートである。 図１１〜図１３の処理で特定したフラグを用いて、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力を制御するフローチャートである。 第２実施形態において、降圧チョッパ制御で動作しているとき、Ｕ相アームでゲート断線異常が確定した場合の一例を示すタイムチャートである。

符号の説明

２０…ＤＣ／ＤＣコンバータ
４８…コンバータ制御部（制御部、異常検出部）
５０…ＤＣ／ＤＣコンバータ装置 ６９…温度センサ
８１、８１ｕ、８１ｖ、８１ｗ…上アームスイッチング素子
８２、８２ｕ、８２ｖ、８２ｗ…下アームスイッチング素子
Ｔｕｈ、Ｔｖｈ、Ｔｗｈ、Ｔｕｌ、Ｔｖｌ、Ｔｗｌ…検出温度
Ｔａｈ＿ｍａｘ…上アーム最大温度 Ｔａｌ＿ｍａｘ…下アーム最大温度
ＴＨａｈ＿ｔｅｍ…上アーム閾値温度 ＴＨａｌ＿ｔｅｍ…下アーム閾値温度
ＵＡ…Ｕ相アーム ＶＡ…Ｖ相アーム
ＷＡ…Ｗ相アーム
ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬ…駆動信号
１Ｓ…１次側 ２Ｓ…２次側

Claims (4)

1. 制御部によりスイッチング動作が制御されるスイッチング素子を有する相アームが、１次側と２次側との間に複数並列的に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ装置であって、
   前記スイッチング素子の素子温度を検出する温度センサと、
   検出された素子温度に基づき前記スイッチング素子のスイッチング動作の異常を検出する異常検出部と
   を備え、
   前記制御部は、複数の前記相アームを交替してスイッチングし、
   前記スイッチング素子がオン動作しない異常を前記異常検出部が検出したとき、前記制御部は、相アームを同時にスイッチングさせる同時駆動動作に移行する
   ことを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ装置。
2. 請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータ装置において、
   前記制御部は、
   前記スイッチング素子がオン動作しない異常を前記異常検出部が検出したとき、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ装置を通過する電力を制限する
   ことを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ装置。
3. 請求項１又は２記載のＤＣ／ＤＣコンバータ装置において、
   前記スイッチング素子がオン動作しない異常を前記異常検出部が検出したとき、前記制御部は、全ての前記相アームに駆動信号を出力する
   ことを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ装置。
4. 請求項１又は２記載のＤＣ／ＤＣコンバータ装置において、
   前記制御部は、
   各スイッチング素子の素子温度から最大温度を判定し、前記最大温度との偏差が、スイッチング動作の異常を判定するために予め設定された偏差閾値を上回るスイッチング素子にオン動作しない異常が発生していると判定し、
   前記異常を検出したスイッチング素子以外のスイッチング素子に駆動信号を出力する
   ことを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ装置。

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