JP5239452B2 - チョッパ回路及びその平滑コンデンサの異常検知方法 - Google Patents

Description

本発明は、チョッパ回路及びその平滑コンデンサの異常検知方法に関する。

下記特許文献には、電力変換回路として周知の昇圧チョッパ回路が開示されている。この昇圧チョッパ回路は、互いに直列接続されると共に外部の直流電源に直列接続されたチョークコイルとスイッチングトランジスタ、上記チョークコイルの出力をダイオードを介して充放電する平滑コンデンサから構成されており、平滑コンデンサの両端を出力端とする。このような昇圧チョッパ回路は、スイッチングトランジスタのＯＮ/ＯＦＦのデューティ比に基づいて直流電源から供給される直流電力を昇圧して負荷に供給する直流昇圧回路として機能する。
特開２００７−２４４１７８号公報

ところで、上記従来の昇圧チョッパ回路は、損失やリップルの低減を目的とするものであり、構成素子の異常について何ら配慮されていない。
例えば、チョークコイル、スイッチングトランジスタ及びダイオードが異常を来たした場合には主機能としての昇圧機能が機能しなくなるので異常が速やかに検知されるが、平滑コンデンサが接続乖離するような異常が発生した場合には、負荷によっては昇圧機能が機能するので容易に異常を検知することができないという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、チョッパ回路の平滑コンデンサの異常を検知することにより異常に対して速やかな対応をとることを可能とすることを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明では、チョッパ回路に係る第１の解決手段として、平滑コンデンサの異常を検知して外部に報知する異常検知手段を備える、という手段を採用する。

チョッパ回路に係る第２の解決手段として、上記第１の手段において、異常検知手段は、入力電流、スイッチング素子のサージ電圧あるいは出力電流のうち何れか１つあるいは複数を検出することにより平滑コンデンサの異常を検知する、という手段を採用する。

また、本発明では、チョッパ回路の平滑コンデンサの異常検知方法に係る解決手段として、入力電流、スイッチング素子のサージ電圧あるいは出力電流のうち何れか１つあるいは複数を検出することにより平滑コンデンサの異常を検知する、という手段を採用する。

本発明によれば、例えば入力電流、スイッチング素子のサージ電圧あるいは出力電流のうち何れか１つあるいは複数を検出することにより平滑コンデンサの異常を検知するので、平滑コンデンサの異常に対して速やかに対応することが可能である。
例えば、平滑コンデンサの異常によって直流電源に与える高負荷の時間を短くできるので、直流電源を保護することができる。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る昇圧チョッパ回路Ａの構成を示す回路図である。この図に示すように、本昇圧チョッパ回路Ａは、入力端子１Ａ，１Ｂ，チョークコイル２、スイッチングトランジスタ３、ダイオード４、平滑コンデンサ５、出力端子６Ａ，６Ｂ、２つの電流センサ７，８及び異常判定部９を備えている。これら各構成要素のうち、２つの電流センサ５，６及び異常判定部７は異常検知手段を構成している。なお、この図ではスイッチングトランジスタ３の制御系については、周知のものであり省略している。

入力端子１Ａ，１Ｂは、本昇圧チョッパ回路Ａに直流電力を入力するための一対の接続端子であり、一方の入力端子１Ａは外部の直流電源Ｐの正極端に接続され、他方の入力端子１Ｂは上記直流電源Ｐの負極端に接続されている。チョークコイル２は、一端が一方の入力端子１Ａに接続され、他端がスイッチングトランジスタ３のコレクタ端子に接続されている。スイッチングトランジスタ３は、コレクタ端子がチョークコイル２の他端及びダイオード４のアノード端子に接続され、エミッタ端子が他方の入力端子１Ｂに接続されている。なお、スイッチングトランジスタ３のベース端子は、図示しない制御系の出力端に接続され、制御信号としてのＰＷＭ信号が入力される。

また、図示するように、スイッチングトランジスタ３のコレクタ端子は異常判定部９にも接続されている。すなわち、スイッチングトランジスタ３のコレクタ端子電圧（＝チョークコイル２の他端電圧）は、スイッチングトランジスタ３のサージ電圧を示す検出信号Ｓａとして異常判定部９に供給される。

ダイオード４は、アノード端子が上記チョークコイル２の他端及びスイッチングトランジスタ３のコレクタ端子に接続され、カソード端子が平滑コンデンサ５の一端及び一方の出力端子６Ａに接続されている。平滑コンデンサ５は、上述したように一端がダイオード４のカソード端子及び一方の出力端子６Ａに接続され、他端が他方の入力端子１Ｂ及び他方の出力端子６Ｂ並びにスイッチングトランジスタ３のエミッタ端子に接続されている。すなわち、平滑コンデンサ５の両端は出力端子６Ａ，６Ｂに各々接続されている。

出力端子６Ａ，６Ｂは、本昇圧チョッパ回路Ａの出力電力を外部に出力するための一対の接続端子であり、一方の出力端子６ＡはインバータＬの一端に接続され、他方の出力端子６Ｂは上記インバータＬの他端に接続されいる。インバータＬは、本昇圧チョッパ回路Ａの負荷である。

一方の電流センサ７は、直流電源Ｐから本昇圧チョッパ回路Ａに入力される入力電流を検出するセンサであり、図示するように一方の入力端子１Ａとチョークコイル２との間に設けられている。この電流センサ７は、上記入力電流を示す検出信号Ｓｂを異常判定部９に出力する。他方の電流センサ８は、本昇圧チョッパ回路ＡからインバータＬに供給される出力電流を検出するセンサであり、図示するようにダイオード４のカソード端子と平滑コンデンサ５の一端との接続点と一方の出力端子６Ａとの間に設けられている。この電流センサ８は、上記出力電流を示す検出信号Ｓｃを異常判定部９に出力する。

異常判定部９は、上記検出信号Ｓａ〜Ｓｃに基づいて平滑コンデンサ５の開放異常を検知するものであり、マイクロプロセッサ、判定処理プログラムが記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）等から構成されている。例えば、このような異常判定部９は、平滑コンデンサ５の開放異常を検知すると、当該異常の発生を示す警報を外部に出力する。

なお、上記マイクロプロセッサ、ＲＯＭ及びＲＡＭ等は、例えばスイッチングトランジスタ３の制御系を構成するものであり、上記判定処理プログラムは、スイッチングトランジスタ３を制御するための制御プログラムの一要素（例えばサブルーチン）としてＲＯＭに記憶されている。

次に、このように構成された本昇圧チョッパ回路Ａの要部動作について図２及び図３をも参照して詳しく説明する。

図２は、上記判定処理プログラムに基づく異常判定部９の異常判定動作を示すフローチャートである。異常判定部９は、判定処理プログラムに基づいて以下の処理を所定のタイムインターバルで繰り返すことにより、起動中において平滑コンデンサ５に開放異常が発生したか否かを定期的に判定する。

すなわち、異常判定部９は、起動すると、検出信号Ｓａが示すサージ電圧が所定のしきい値を越えたか否かを判断する（ステップＳ1）。このサージ電圧に対するしきい値としては、図３（ａ）に示すように、コレクタ電圧がＨ（ハイ）からＬ（ロー）に立ち下がったときのサージ電圧ＶLを評価するための下限しきい値ＲLと、コレクタ電圧がＬ（ロー）からＨ（ハイ）に立ち上がったときのサージ電圧ＶHを判定すえるための上限しきい値ＲHとが設定される。異常判定部９は、サージ電圧ＶLが下限しきい値ＲLを下回るとあるいはサージ電圧ＶHが上限しきい値ＲHを上回ると、ステップＳ1の判断を「Ｙｅｓ」、つまり平滑コンデンサ５に開放異常が発生したとして、外部に警報を出力する（ステップＳ4）。

一方、異常判定部９は、ステップＳ1の判断が「Ｎｏ」の場合は、図３（ｂ）に示すように、検出信号Ｓｂが示す入力電流のリップルＲinが所定のしきい値を越えたか否かを判断する（ステップＳ2）。この入力電流のリップルＲinは、スイッチングトランジスタ３のスイッチング動作に起因するものであり、スイッチング周波数と同等の周波数を基本周波数とする電流変動成分である。異常判定部９は、検出信号Ｓｂから上記リップルＲinを取り出して所定のしきい値と比較し、リップルＲinがしきい値を越える場合はステップＳ2の判断を「Ｙｅｓ」、つまり平滑コンデンサ５に開放異常が発生したとして、外部に警報を出力する（ステップＳ4）。

一方、異常判定部９は、ステップＳ2の判断が「Ｎｏ」の場合は、図３（ｃ）に示すように、検出信号Ｓｃが示す出力電流のリップルＲoutが所定のしきい値を越えたか否かを判断する（ステップＳ3）。この出力電流のリップルＲoutは、上述した入力電流のリップルＲinと同様にスイッチングトランジスタ３のスイッチング動作に起因するものであり、スイッチング周波数と同等の周波数を基本周波数とする電流変動成分である。異常判定部９は、検出信号Ｓｃから上記リップルＲoutを取り出して所定のしきい値と比較し、リップルＲoutがしきい値を越える場合はステップＳ3の判断を「Ｙｅｓ」、つまり平滑コンデンサ５に開放異常が発生したとして、外部に警報を出力する（ステップＳ4）。

一方、異常判定部９は、ステップＳ3の判断が「Ｎｏ」の場合は、ステップS1の処理開始から所定時間Ｔsが経過したか否かを判断し（ステップS5）、この判断が「Ｙｅｓ」になると、ステップＳ1の処理を繰り返す。すなわち、異常判定部９は、所定時間Ｔsが経過する毎に、平滑コンデンサ５に開放異常が発生したか否かを判定し、開放異常が発生した場合には、この旨を示す警報を外部に出力する。

本実施形態によれば、サージ電圧ＶL，ＶH、入力電流のリップルＲinあるいは出力電流のリップルＲoutの何れかが所定のしきい値を超える程に大きい場合に、異常判定部９は、平滑コンデンサ５に開放異常が発生したと判定して外部に警報を出力する。したがって、本実施形態によれば、平滑コンデンサ５の開放異常の発生を外部に速やかに通知することができるので、平滑コンデンサ５の開放異常に対して速やかに対応することが可能である。例えば、平滑コンデンサ５の異常によって直流電源Ｐに与える高負荷の時間を短くできるので、直流電源を効果的に保護することができる。

このような平滑コンデンサ５の開放異常の判定方法は、平滑コンデンサ５の両端が開放するような異常、例えば平滑コンデンサ５の両端の何れかあるいは両方が何らかの原因で乖離した場合や平滑コンデンサ５の内部で両端が開放するような故障が発生した場合、つまり平滑コンデンサ５が出力端子６Ａ，６Ｂの間に回路素子として存在しなくなるような異常が発生した場合に、サージ電圧ＶL，ＶH、入力電流のリップルＲin及び出力電流のリップルＲoutが極端に大きくなるという知見に基づくものである。

本昇圧チョッパ回路Ａにおいて平滑コンデンサ５が存在しなくなると、出力電流のリップルＲoutが極端に大きくなると共に、これに伴って入力電流のリップルＲin及びサージ電圧ＶL，ＶHも正常時に対して極端に大きくなる。したがって、本実施形態のように、サージ電圧ＶL，ＶH、入力電流のリップルＲinあるいは出力電流のリップルＲoutをモニタすることにより、平滑コンデンサ５の開放異常を的確に判定することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では昇圧チョッパ回路Ａについて説明したが、本発明は、昇圧チョッパ回路Ａに限定されるものではない。チョッパ回路には、昇圧チョッパ回路の他に降圧チョッパ回路や昇降圧チョッパ回路があり、何れも出力段に平滑コンデンサを備えている。本発明は、このような降圧チョッパ回路や昇降圧チョッパ回路にも適用可能である。

（２）上記実施形態では入力電流、スイッチング素子のサージ電圧及び出力電流の３つの物理量を何れも検出して平滑コンデンサ５の開放異常を検知したが、これら３つの物理量のうち何れか１つあるいは２つを検出するようにしても良い。特に、チョッパ回路の負荷（上記実施形態ではインバータＬ）が変動負荷の場合、スイッチング素子のサージ電圧及び出力電流は負荷変動に従って変動するので、スイッチング素子のサージ電圧及び出力電流に基づいて平滑コンデンサ５の開放異常を検知することは困難であり、入力電流に基づいて平滑コンデンサ５の開放異常を検知することが信頼性の面で好ましい。しかしながら、チョッパ回路の負荷が変動負荷ではなく固定負荷の場合には、負荷が安定しているのでスイッチング素子のサージ電圧及び出力電流に基づいて平滑コンデンサ５の開放異常を信頼性高く検知することが可能である。

本発明の一実施形態に係わる昇圧チョッパ回路Ａの構成を示す回路図である。 本発明の一実施形態に係わる昇圧チョッパ回路Ａの異常判定動作を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係わる昇圧チョッパ回路Ａの各部波形を示す波形図である。

符号の説明

Ａ…昇圧チョッパ回路、１Ａ，１Ｂ…入力端子、２…チョークコイル、３…スイッチングトランジスタ、４…ダイオード、５…平滑コンデンサ、６Ａ，６Ｂ…出力端子、７、８…電流センサ、９…異常判定部、Ｐ…直流電源、Ｌ…インバータ（負荷）

Claims (2)

1. 直流電力を入力するための一対の入力端子と、一端が一方の入力端子に接続されたチョークコイルと、コレクタ端子がチョークコイルの他端に接続され、エミッタ端子が他方の入力端子に接続されたスイッチングトランジスタと、アノード端子がコレクタ端子に接続されたダイオードと、一端がダイオードのカソード端子に接続され、他端が他方の入力端子に接続された平滑コンデンサと、一方が平滑コンデンサの一端に接続され、他方が平滑コンデンサの他端に接続された一対の出力端子と、を備えるチョッパ回路であって、
   スイッチングトランジスタにおけるコレクタ端子電圧のサージ電圧に基づいて平滑コンデンサの異常を検知する異常判定部を備えることを特徴するチョッパ回路。
2. 直流電力を入力するための一対の入力端子と、一端が一方の入力端子に接続されたチョークコイルと、コレクタ端子がチョークコイルの他端に接続され、エミッタ端子が他方の入力端子に接続されたスイッチングトランジスタと、アノード端子がコレクタ端子に接続されたダイオードと、一端がダイオードのカソード端子に接続され、他端が他方の入力端子に接続された平滑コンデンサと、一方が平滑コンデンサの一端に接続され、他方が平滑コンデンサの他端に接続された一対の出力端子と、を備えるチョッパ回路において、スイッチングトランジスタにおけるコレクタ端子電圧のサージ電圧に基づいて平滑コンデンサの異常を検知することを特徴とするチョッパ回路の平滑コンデンサの異常検知方法。
   

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