JP5728161B2 - 地絡検知方法および地絡検知装置 - Google Patents

Description

この発明は、電気回路の地絡検知方法および地絡検知装置に関するものである。

従来、車両に搭載された高圧直流電源のプラス側およびマイナス側に保護抵抗および漏電検出抵抗を設けて、各漏電検出抵抗の一端を車体に対して選択的に接地し、漏電検出抵抗の両端電圧または電流の計測値と高圧直流電源の電圧値とから漏電の有無を判定する漏電検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許第２８３８４６２号公報

ところで、従来の地絡検出装置においては漏電検出抵抗への電流を制限するために比較的高抵抗且つ高耐圧の保護抵抗を用いる必要がある。このため保護抵抗が大型化して装置の小型化が困難になっているという課題がある。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、装置の小型化を図ることが可能な地絡検知方法および地絡検知装置を提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、電気回路（例えば、実施形態における電気回路２）が地絡したことを検出する地絡検知方法であって、前記電気回路が地絡した際に逆方向の電圧が印加される向きで前記電気回路と接地（例えば、実施形態における車体ＧＮＤ８）との間に接続されたワイドギャップ半導体からなるショットキーバリアダイオード（例えば、実施形態における第１ショットキーバリアダイオード１２、第２ショットキーバリアダイオード１８）からのリーク電流が流れる検知抵抗の端子間電圧を検出し、前記端子間電圧の検出結果に基づき前記電気回路の地絡を検知することを特徴とする。

請求項２に記載した発明は、電気回路の地絡を検知する地絡検知装置において、前記電気回路と接地（例えば、実施形態における車体ＧＮＤ８）との間に地絡検出手段（例えば、実施形態における第１検知抵抗１３、第１電圧センサ２５、第２検知抵抗１９、第２電圧センサ２６、切替スイッチ２７、および制御判定部３０により構成される）を設け、該地絡検出手段には、前記電気回路の地絡発生時に逆方向の電圧が印加される向きでワイドギャップ半導体からなるショットキーバリアダイオード（例えば、実施形態における第１ショットキーバリアダイオード１２、第２ショットキーバリアダイオード１８）を直列に接続して設け、前記地絡検出手段は、前記ショットキーバリアダイオードからのリーク電流が流れる検知抵抗の端子間電圧を検出し、前記端子間電圧の検出結果に基づき前記電気回路の地絡を検知することを特徴とする。

請求項３に記載した発明は、請求項２に記載の発明において、前記電気回路は直流回路であって、前記直流回路の高電位側ライン（例えば、実施形態におけるプラスライン１０）にカソードが接続されたワイドギャップ半導体からなる第１ショットキーバリアダイオード（例えば、実施形態における第１ショットキーバリアダイオード１２）と、前記直流回路の低電位側ライン（例えば、実施形態におけるマイナスライン１６）にアノードが接続されたワイドギャップ半導体からなる第２ショットキーバリアダイオード（例えば、実施形態における第２ショットキーバリアダイオード１８）とを備え、前記地絡検出手段は、前記第１ショットキーバリアダイオードと直列に接続される第１検知抵抗（例えば、実施形態における第１検知抵抗１３）と、前記第２ショットキーバリアダイオードと直列に接続される第２検知抵抗（例えば、実施形態における第２検知抵抗１９）と、前記第１検知抵抗と前記第１ショットキーバリアダイオードとが直列接続された回路（例えば、実施形態におけるプラス側検知回路２２）および前記第２検知抵抗側と前記第２ショットキーバリアダイオードとが直列接続された回路（例えば、実施形態におけるマイナス側検知回路２３）を交互に接地へ接続する切替スイッチ（例えば、実施形態における切替スイッチ２７）とを備えることを特徴とする。

請求項４に記載した発明は、請求項２に記載の発明において、前記電気回路は交流回路であって、該交流回路の各相のライン（例えば、実施形態におけるＵ相ラインＬｕ、Ｖ相ラインＬｖ、ｗ相ラインＬｗ）と接地との間にワイドギャップ半導体からなるショットキーバリアダイオード（例えば、実施形態におけるショットキーバリアダイオード４０ｕ，４０ｖ，４０ｗ）を設け、前記地絡検出手段は、前記ショットキーバリアダイオードと直列接続される検知抵抗（例えば、実施形態における検知抵抗４１ｕ，４１ｖ，４１ｗ）を備えることを特徴とする。

請求項１に記載した発明によれば、電気回路が地絡した場合にワイドギャップ半導体からなるショットキーバリアダイオードに逆方向の電圧が印加されてリーク電流が流れ、このリーク電流が流れる検知抵抗の端子間電圧を検出し、前記端子間電圧の検出結果に基づき電気回路の地絡を検知することで、従来の高耐圧・高抵抗の保護抵抗を用いて電流を制限する場合と同様に、地絡検出に用いる電流値を比較的小さく制限することができる。したがって、従来の保護抵抗と比較してより小型なショットキーバリアダイオードを用いる分だけ装置の小型化を図ることができる効果がある。

請求項２に記載した発明によれば、地絡検出手段にワイドギャップ半導体からなるショットキーバリアダイオードを直列接続することで、電気回路が地絡した際に、地絡箇所から接地を介して地絡検出手段およびワイドギャップ半導体からなるショットキーバリアダイオードを経由して電気回路に至る閉回路が形成され、ワイドギャップ半導体からなるショットキーバリアダイオードに逆方向の電圧が印加されてリーク電流が流れ、このリーク電流が流れる検知抵抗の端子間電圧を検出し、前記端子間電圧の検出結果に基づき電気回路の地絡を検知することができる。したがって、従来の高耐圧・高抵抗の保護抵抗を用いて電流を制限する場合と同様に、地絡検出に用いる電流値を比較的小さく制限しつつ、従来の保護抵抗と比較してより小型なショットキーバリアダイオードを用いる分だけ装置の小型化を図ることができる効果がある。

請求項３に記載した発明によれば、請求項２に記載の発明において、電気回路が直流回路である場合に、切替スイッチにより第１検知抵抗側の回路と第２検知抵抗側の回路とを切替えて、直流回路の高電位側の地絡と低電位側の地絡とを交互に検知することができるため、常に第１検知抵抗側の回路と第２検知抵抗側の回路とを接地に接続する場合と比較して、地絡検知による無駄な電力消費を抑制することができる効果がある。

請求項４に記載した発明によれば、請求項２に記載の発明において、交流回路においても同様にワイドギャップ半導体からなるショットキーバリアダイオードのリーク電流が流れる検知抵抗の端子間電圧に基づき地絡検知を行うことができる効果がある。

本発明の実施形態における地絡検知装置の適用箇所を示す回路図である。 本発明の実施形態におけるショットキーバリアダイオード周辺の拡大図である。 本発明の実施形態におけるプラスライン地絡時の電流の流れを説明する図である。 本発明の実施形態におけるマイナスライン地絡時の電流の流れを説明する図である。 本発明の他の実施例における図１に相当する回路図である。 本発明の他の実施例における図２に相当する回路図である。

次に、この発明の実施形態における地絡検知方法および地絡検知装置について図面を参照しながら説明する。
図１は、この実施形態の地絡検知装置１により地絡検知が行われる電気回路２の回路構成を示している。この電気回路２は、例えばハイブリッド自動車等の車両の駆動用のモータ３へ電力を供給する回路であって、直流電源である高圧バッテリ４と、ＤＣ−ＤＣコンバータ５と、ＰＤＵ（Power Drive Unit）６とをそれぞれ備えている。

ＤＣ−ＤＣコンバータ５は、車両の制御装置（不図示）からの制御信号に基づき駆動され、モータ３の駆動時には高圧バッテリ４の端子間電圧を所定の電圧値まで昇圧してＰＤＵ６へ供給すると共に、モータ３の回生作動時にはＰＤＵ６の直流の端子間電圧を降圧して高圧バッテリ４を充電する。

ＰＤＵ６は、例えばＤＣブラシレスモータ等のモータ３を駆動する駆動回路としてパルス幅変調（ＰＷＭ）によるＰＷＭインバータなどを備え、車両の制御装置から出力されるＰＷＭ信号に応じて、ＤＣ−ＤＣコンバータ５から出力される直流電力を３相交流電力に変換し、３相のステータ巻線への通電を順次転流させることで、各相のステータ巻線に交流の３相電流を通電する。一方、例えばモータ３の回生作動時には、モータ３から出力される３相交流電力を直流電力に変換してＤＣ−ＤＣコンバータ５へ出力して高圧バッテリ４の充電を行う。

図２は、上述した電気回路２と、車両の基準電位（グラウンド）として利用される車体（以下、車体ＧＮＤと称す）８との間に設けられた地絡検知装置１の回路構成を示している。なお、この地絡検知装置１は、高圧バッテリ４とＤＣ−ＤＣコンバータ５との間の電気回路、および、ＤＣ−ＤＣコンバータ５とＰＤＵ６との間の電気回路（図１中、二点鎖線で囲んだ２箇所の回路）のうち少なくとも何れか一方に設けられる。この実施形態では高圧バッテリ４とＤＣ−ＤＣコンバータ５との間に地絡検知装置１が配置される場合を一例に説明する。

高圧バッテリ４のプラス端子９に接続されたプラスライン１０と車体ＧＮＤ８との間には、第１ショットキーバリアダイオード１２と地絡検知手段を構成する第１検知抵抗１３とが直列に接続されている。また高圧バッテリ４のマイナス端子１５に接続されたマイナスライン１６と車体ＧＮＤ８との間には、第２ショットキーバリアダイオード１８と地絡検知手段を構成する第２検知抵抗１９とが直列に接続されている。

第１ショットキーバリアダイオード１２の向きは、プラスライン１０側がカソード、車体ＧＮＤ８側がアノードとなっており、第２ショットキーバリアダイオード１８の向きは、マイナスライン１６側がアノード、車体ＧＮＤ８側がカソードとなっている。つまり、第１ショットキーバリアダイオード１２および第２ショットキーバリアダイオード１８は、電気回路２の高電位側にカソード、低電位側にアノードが配置されたいわゆる逆方向の接続になっている。これら第１ショットキーバリアダイオード１２および第２ショットキーバリアダイオード１８は、ともにＳｉＣ（シリコンカーバイト）等のワイドギャップ半導体を用いて形成されたものであり高耐圧という優れた特性を有している。

第１ショットキーバリアダイオード１２および第１検知抵抗１３が直列接続された回路部分（以下、単にプラス側検知回路と称す）２２と、第２ショットキーバリアダイオード１８および第２検知抵抗１９が直列接続された回路部分（以下、単にマイナス側検知回路と称す）２３との車体ＧＮＤ８側には、これらプラス側検知回路２２およびマイナス側検知回路２３を交互に車体ＧＮＤ８に接続する単極双投タイプの切替スイッチ２７が介装されている。この切替スイッチ２７は、車両に搭載された電子制御装置（不図示）の一部を構成する制御判定部３０の制御信号に従って一定周期で切り替わるようになっている。

また第１検知抵抗１３と第２検知抵抗１９とは、それぞれに流れる電流を電圧変換するいわゆるシャント抵抗として機能するため、比較的低い抵抗値（例えば、１Ω程度）を有し、第１検知抵抗１３にはその端子間電圧を測定する第１電圧センサ２５が取り付けられ、第２検知抵抗１９にはその端子間電圧を測定する第２電圧センサ２６が取り付けられている。これら第１電圧センサ２５および第２電圧センサ２６により測定された結果は制御判定部３０に入力される。

制御判定部３０は、切替スイッチ２７の切替制御を行い、プラス側検知回路２２が車体ＧＮＤ８に接続されるタイミングで第１電圧センサ２５により測定された結果に基づいて電気回路２のマイナスライン１６の地絡を検知する。また、制御判定部３０は、マイナス側検知回路２３が車体ＧＮＤ８に接続されるタイミングで第２電圧センサ２６により測定された結果に基づいて電気回路２のプラスライン１０の地絡を検知する。より具体的には、制御判定部３０は、例えば第１電圧センサ２５により測定された電圧が予め設定された所定の電圧値よりも大きい場合にマイナスライン１６の地絡を検知し、第２電圧センサ２６により測定された電圧が予め設定された所定の電圧値よりも大きい場合にプラスライン１０の地絡を検知する。そして、地絡を検知すると、車両のインスツルメントパネルに配置される警告灯等による報知制御を行う。なお、上述した第１検知抵抗１３、第２検知抵抗１９、第１電圧センサ２５、第２電圧センサ２６、切替スイッチ２７、および、制御判定部３０によって地絡検知手段が構成されている。

この実施形態の地絡検知装置１は上述した構成を備えており、次に、この地絡検知装置１の動作について図３、図４を参照しながら説明する。なお、図３、図４において地絡箇所ｔを等価的に地絡抵抗（図２中、破線で示す）および車体ＧＮＤ８とで示している。
ここで、プラスライン１０およびマイナスライン１６の何れにも地絡が生じていない正常状態の場合には、上述したプラス側検知回路２２およびマイナス側検知回路２３はそれぞれ閉回路を形成しないため高圧バッテリ４の電流が回り込むことは無く、回路電流が略ゼロの状態になっている。なお、図示都合上、図３、図４では制御判定部３０を省略している。

図３に示すように、マイナスライン１６が車体ＧＮＤ８に地絡した場合、地絡箇所ｔが切替スイッチ２７に接続されている車体ＧＮＤ８と電気的に接続されるため、切替スイッチ２７がプラス側検知回路２２に接続されている間、高圧バッテリ４のプラス端子９から、プラスライン１０、第１ショットキーバリアダイオード１２、第１検知抵抗１３、切替スイッチ２７、車体ＧＮＤ８、地絡箇所ｔ、および、マイナスライン１６を経由して高圧バッテリ４のマイナス端子１５へ至る閉回路が形成される。すると、第１ショットキーバリアダイオード１２に、主に高圧バッテリ４の端子電圧に起因する逆電圧が印加されて、上記閉回路に第１ショットキーバリアダイオード１２のリーク電流分だけ回路電流が流れる。そして、このリーク電流が第１検知抵抗１３を流れることで、第１電圧センサ２５により測定される第１検知抵抗１３の端子間電圧が上昇して所定の電圧値を超えるため、制御判定部３０によって地絡が検知されることとなる。

一方、図４に示すように、プラスライン１０が車体ＧＮＤ８に地絡した場合、地絡箇所ｔが切替スイッチ２７に接続されている車体ＧＮＤ８と電気的に接続されるため、切替スイッチ２７がマイナス側検知回路２３に接続されている間、高圧バッテリ４のプラス端子９から、プラスライン１０、地絡箇所ｔ、車体ＧＮＤ８、切替スイッチ２７、第２検知抵抗１９、第２ショットキーバリアダイオード１８、および、マイナスライン１６を経由して高圧バッテリ４のマイナス端子１５へ至る閉回路が形成される。すると、第２ショットキーバリアダイオード１８に、主に高圧バッテリ４の端子電圧に起因する逆電圧が印加されて、上記閉回路に第２ショットキーバリアダイオード１８のリーク電流分だけ回路電流が流れる。このリーク電流が第２検知抵抗１９を流れることで、第１電圧センサ２５により測定される第２検知抵抗１９の端子間電圧が上昇して所定の電圧値を超えるため、制御判定部３０によって地絡が検知されることとなる。

したがって、上述した実施形態における地絡検知装置１によれば、第１検知抵抗１３に第１ショットキーバリアダイオード１２を直列接続し、第２検知抵抗１９に第２ショットキーバリアダイオード１８を直列接続することで、電気回路２が車体ＧＮＤ８へ地絡した際に、地絡箇所ｔから車体ＧＮＤ８を介して第１検知抵抗１３に直列接続された第１ショットキーバリアダイオード１２、または、第２検知抵抗１９に直列接続された第２検知抵抗１９を経由する閉回路が形成されて、第１ショットキーバリアダイオード１２または第２ショットキーバリアダイオード１８に逆方向の電圧が印加されてリーク電流が流れ、このリーク電流が第１検知抵抗１３または第２検知抵抗１９に流れてその端子電圧が上昇すると制御判定部３０により電気回路２の地絡が検知されるため、従来の高耐圧・高抵抗の保護抵抗を用いて電流を制限する場合と同様に、地絡検出に用いる電流値を比較的小さく制限しつつ、従来の保護抵抗と比較してより小型なショットキーバリアダイオードを用いる分だけ装置の小型化を図ることができる。

また、切替スイッチ２７により第１検知抵抗１３側のプラス側検知回路２２と第２検知抵抗１９側のマイナス側検知回路２３とを交互に切替えて、直流回路のプラスライン１０の地絡とマイナスライン１６の地絡とを交互に検知することができるため、常にプラス側検知回路２２とマイナス側検知回路２３とを車体ＧＮＤ８に接続させる場合と比較して、地絡検知による無駄な電力消費を抑制することができる。

なお、上述した実施形態の地絡検知装置１は、電気回路２の直流回路の地絡を検知する一例を示していたが、この構成に限られず、図５に示すＰＤＵ６とモータ３との間の電気回路のような交流回路にも適用することができる。以下、この発明の他の実施例について図５，６を参照しながら説明する。
図５、図６に示すようにＰＤＵ６は、Ｕ相ラインＬｕ、Ｖ相ラインＬｖおよびＷ相ラインＬｗからなる３相交流電力を供給するための交流回路（図５中、二点鎖線で示す回路）を介してＤＣブラシレスモータなどのモータ３に接続されている。

これらＵ相ラインＬｕと車体ＧＮＤ８との間には、ショットキーバリアダイオード４０ｕと検知抵抗４１ｕとが直列接続され、Ｖ相ラインＬｖと車体ＧＮＤ８との間には、ショットキーバリアダイオード４０ｖと検知抵抗４１ｖとが直列接続され、Ｗ相ラインＬｗと車体ＧＮＤ８との間には、ショットキーバリアダイオード４０ｗと検知抵抗４１ｗとが直列接続されてそれぞれ設けられている。そして、各相の検知抵抗４１ｕ，４１ｖ，４１ｗには両端電圧を測定する電圧センサ４２ｕ，４２ｖ，４２ｗがそれぞれ取り付けられ、これら電圧センサ４２ｕ，４２ｖ，４２ｗの測定結果が上述した実施形態の制御判定部３０の場合と同様の検知制御判定部（不図示）に入力される。そして、これら電圧センサ４２ｕ，４２ｖ，４２ｗの測定結果に基づいて検知制御判定部により各相ラインＬｕ，Ｌｖ，Ｌｗの地絡が検知される。なお、上述した検知制御判定部は、上述した制御判定部３０から切替スイッチ２７の切替制御を行う機能を省いたものである。そして、上述した検知抵抗４１ｕ，４１ｖ，４１ｗと検知制御判定部とにより地絡検知手段が構成される。

Ｕ相ラインＬｕ、Ｖ相ラインＬｖおよびＷ相ラインＬｗのうち、Ｕ相ラインＬｕに地絡が発生した場合を一例に説明すると、地絡箇所ｔ（不図示）を介してＶ相やＷ相に設けられたショットキーバリアダイオード４０ｖ，４０ｗに逆電圧が印加される。そして、これらショットキーバリアダイオード４０ｖ，４０ｗのリーク電流がＵ相やＷ相の検知抵抗４１ｖ，４１ｗを流過した後、Ｕ相ラインＬｕの地絡箇所ｔからＰＤＵ６にリターンされることとなる。そして、リーク電流の流過により検知抵抗４１ｖ，４１ｗの端子電圧が上昇し、この端子電圧の上昇が電圧センサ４２ｖ，４２ｗを介して検知制御判定部へ入力されて、検知制御判定部によって地絡が検知される。なお、Ｖ相ラインＬｖに地絡が発生した場合、およびＷ相ラインＬｗに地絡が発生した場合の作用についてはＵ相、Ｖ相、Ｗ相がそれぞれ入れ替わるだけであり上述したＵ相ラインＬｕの場合と同様な作用になる。

したがって、上述した他の実施例によれば、交流回路の地絡を検知する場合に、ショットキーバリアダイオード４０ｕ，４０ｖ，４０ｗにより比較的小さいリーク電流を検知抵抗４１ｕ，４１ｖ，４１ｗに流すことができるため、上述した直流回路の地絡検知と同様に、リーク電流による電圧降下に基づき各相ラインＬｕ，Ｌｖ，Ｌｗの地絡を検知することができる。

なお、上述した実施形態および他の実施例では、地絡検知装置を自動車等の車両に搭載された電気回路に適用し、車体ＧＮＤへの地絡を検知する場合について説明したが、この発明の地絡検知装置を、車載された電気回路以外の各種電気回路に適用してもよい。この場合、地絡検知装置により、電気回路が設けられた装置の筐体などへ電気回路が地絡したことを検出することができる。

２ 電気回路
８ 車体ＧＮＤ（車体）
１０ プラスライン（高電位側ライン）
１２ 第１ショットキーバリアダイオード（ショットキーバリアダイオード）
１３ 第１検知抵抗（地絡検出手段）
１６ マイナスライン（低電位側ライン）
１８ 第２ショットキーバリアダイオード（ショットキーバリアダイオード）
１９ 第２検知抵抗（地絡検出手段）
２２ プラス側検知回路（第１検知抵抗側の回路）
２３ マイナス側検知回路（第２検知抵抗側の回路）
２５ 第１電圧センサ（地絡検出手段）
２６ 第２電圧センサ（地絡検出手段）
２７ 切替スイッチ（地絡検出手段）
３０ 制御判定部（地絡検出手段）
４０ｕ，４０ｖ，４０ｗ ショットキーバリアダイオード
４１ｕ，４１ｖ，４１ｗ 検知抵抗
Ｌｕ Ｕ相ライン（各相のライン）
Ｌｖ Ｖ相ライン（各相のライン）
Ｌｗ Ｗ相ライン（各相のライン）

Claims (4)

1. 電気回路が地絡したことを検出する地絡検知方法であって、
   前記電気回路が地絡した際に逆方向の電圧が印加される向きで前記電気回路と接地との間に接続されたワイドギャップ半導体からなるショットキーバリアダイオードからのリーク電流が流れる検知抵抗の端子間電圧を検出し、前記端子間電圧の検出結果に基づき前記電気回路の地絡を検知することを特徴とする地絡検知方法。
2. 電気回路の地絡を検知する地絡検知装置において、
   前記電気回路と接地との間に地絡検出手段を設け、
   該地絡検出手段には、前記電気回路の地絡発生時に逆方向の電圧が印加される向きでワイドギャップ半導体からなるショットキーバリアダイオードを直列に接続して設け、
   前記地絡検出手段は、前記ショットキーバリアダイオードからのリーク電流が流れる検知抵抗の端子間電圧を検出し、前記端子間電圧の検出結果に基づき前記電気回路の地絡を検知することを特徴とする地絡検知装置。
3. 前記電気回路は直流回路であって、
   前記直流回路の高電位側ラインにカソードが接続されたワイドギャップ半導体からなる第１ショットキーバリアダイオードと、
   前記直流回路の低電位側ラインにアノードが接続されたワイドギャップ半導体からなる第２ショットキーバリアダイオードとを備え、
   前記地絡検出手段は、
   前記第１ショットキーバリアダイオードと直列に接続される第１検知抵抗と、
   前記第２ショットキーバリアダイオードと直列に接続される第２検知抵抗と、
   前記第１検知抵抗と前記第１ショットキーバリアダイオードとが直列接続された回路および前記第２検知抵抗側と前記第２ショットキーバリアダイオードとが直列接続された回路を交互に接地へ接続する切替スイッチとを備えることを特徴とする請求項２に記載の地絡検知装置。
4. 前記電気回路は交流回路であって、
   該交流回路の各相のラインと接地との間にワイドギャップ半導体からなるショットキーバリアダイオードを設け、
   前記地絡検出手段は、前記ショットキーバリアダイオードと直列接続される検知抵抗を備えることを特徴とする請求項２に記載の地絡検知装置。

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