JP5858215B2 - 非接地回路の地絡検出回路 - Google Patents

Description

本発明は、非接地回路の地絡故障（絶縁抵抗の低下）を検出する回路に関し、詳しくは、非接地直流回路の地絡故障、または、直流電源に正側直流母線及び負側直流母線を介して接続された非接地電力変換回路の交流出力側の地絡故障を検出する回路に関するものである。

電気自動車やハイブリッド自動車には、直流電源としての蓄電装置と、この蓄電装置から電源電圧が供給されて駆動力を発生する電力変換器及び電動機等からなる負荷と、が搭載されている。ここで、蓄電装置の正極と負荷との間の電路を正側直流母線といい、蓄電装置の負極と負荷との間の電路を負側直流母線と呼ぶことにする。また、自動車の車台（シャーシ）を接地点とみなし、この接地点の電位を接地電位とする。

仮に、正側直流母線または負側直流母線の何れか一方がシャーシに接続されていても、その直流母線とシャーシとを含む経路が閉回路を形成しない限り、電流が流れない。従って、蓄電装置を直流電源として電動機を駆動する動作に、何ら支障はない。
しかし、何らかの異常により一方の直流母線（例えば、負側直流母線）がシャーシと接続されている状態において、シャーシに接触している人が、他方の直流母線（例えば、正側直流母線）に触れた場合には、蓄電装置−人体−シャーシによる閉回路が形成される。このため、蓄電装置の数百[Ｖ]の直流電圧が人体に印加されることになり、非常に危険である。

従って、電気自動車やハイブリッド自動車の電気システムでは、人が一方の直流母線に接触しても感電しないように、正側直流母線及び負側直流母線をシャーシから絶縁する必要がある。すなわち、蓄電装置、正側直流母線、負側直流母線及び負荷からなる直流回路を非接地状態に保つことが必要である。

そこで、従来より、非接地状態であるべき直流回路と接地点との間の絶縁抵抗を測定して地絡故障（絶縁抵抗の低下）を検出する回路が提供されている。
図１０は、この種の地絡検出回路の従来の一般的な回路を示している。図１０において、１は蓄電装置等の直流電源、２はインバータ及び電動機等からなる負荷、ＰＬは正側直流母線、ＮＬは負側直流母線である。

また、３ａは一端が正側直流母線ＰＬに接続された第1の抵抗器、３ｂは一端が負側直流母線ＮＬに接続された第２の抵抗器であり、これらの抵抗器３ａ，３ｂの抵抗値は等しい。抵抗器３ａ，３ｂの他端同士の接続点と接地点１００との間には、電流検出回路４が接続されている。ここで、接地点１００は自動車のシャーシに相当する。
更に、１０１Ｐは正側直流母線ＰＬと接地点１００との間の絶縁抵抗、１０１Ｎは負側直流母線ＮＬと接地点１００との間の絶縁抵抗である。これらの絶縁抵抗１０１Ｐ，１０１Ｎの抵抗値は、本来、無限大でなくてはならない。

図１０において、前述したように抵抗器３ａ，３ｂの抵抗値が等しい状態で、絶縁抵抗１０１Ｐ，１０１Ｎの抵抗値が等しい場合には、抵抗器３ａ，３ｂ同士の接続点と接地点１００（つまり、絶縁抵抗１０１Ｐ，１０１Ｎ同士の接続点）との間に電位差は生じない。このため、電流検出回路４に電流は流れない。
仮に、絶縁抵抗１０１Ｐ，１０１Ｎの抵抗値が互いに異なると、抵抗器３ａ，３ｂ同士の接続点と接地点１００との間に電位差が生じるので、電流検出回路４に電流が流れる。しかし、正常時の絶縁抵抗１０１Ｐ，１０１Ｎは数Ｍ[Ω]程度あるため、電流検出回路４を流れる電流はごく僅かである。

次に、図１１に基づいて、負側直流母線ＮＬの絶縁が劣化して絶縁抵抗１０１Ｎの抵抗値が低下した場合の動作を説明する。
絶縁抵抗１０１Ｎの抵抗値が低下すると、図１１に破線で示す経路で電流が流れるため、この電流の大きさを検出すれば、絶縁抵抗１０１Ｎの抵抗値や地絡の程度を知ることができる。電流検出回路４を流れる電流値は、絶縁抵抗１０１Ｎの抵抗値、及び、抵抗器３ａ，３ｂの抵抗値に依存するため、抵抗器３ａ，３ｂの抵抗値を変更すれば、地絡を検出するための閾値（判定値）を変更することができる。
なお、正側直流母線ＰＬの絶縁抵抗１０１Ｐの抵抗値が低下した場合には、電流検出回路４に流れる電流の向きは図１１とは逆となる。従って、電流検出回路４には、双方向の電流を検出できる機能が要求される。

次に、図１２は第１の従来技術を示す回路図である。図１２において、抵抗器３ａ，３ｂ同士の接続点と接地点１００との間には、シャント抵抗５が接続されている。このシャント抵抗５の両端には、電圧測定回路６、地絡判定回路７が順次接続されている。
この従来技術では、絶縁抵抗１０１Ｐまたは絶縁抵抗１０１Ｎの抵抗値が低下したときに流れる電流をシャント抵抗５により検出し、この電流を電圧測定回路６により電圧に変換する。そして、地絡判定回路７では、電圧測定回路６の出力電圧が閾値を超えた場合に地絡と判定し、警報を出力する。

図１３は、第２の従来技術を示す回路図である。この従来技術では、抵抗器３ａ，３ｂ同士の接続点と接地点１００との間に、フォトカプラ８が接続されている。なお、フォトカプラ８は、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子８１とフォトトランジスタ等の受光素子８２とから構成されている。
この従来技術では、絶縁抵抗１０１Ｐまたは絶縁抵抗１０１Ｎの抵抗値が低下して発光素子８１に電流が流れ、光出力が生じると、受光素子８２がオンして信号が出力される。よって、この出力信号を利用して地絡の警報を出力させることが可能である。

図１２の第１の従来技術では、直流電源１，正側直流母線ＰＬ，負側直流母線ＮＬ及び負荷２からなる直流回路と、制御用の低圧電源により動作する電圧測定回路６や地絡判定回路７とを絶縁するために、絶縁増幅信号が必要になり、直流電源１や制御用の低圧電源とは別個に電源を準備する必要がある。また、これらの電圧測定回路６や地絡判定回路７、及びその電源等に起因して部品点数が増え、回路の実装面積が大きくなると共に、装置全体が高価格化するという問題がある。

これに対し、図１３の第２の従来技術では、第１の従来技術よりも回路構成を簡略化できる利点がある。しかし、フォトカプラ８は通常、アナログ素子により構成されているため、発光素子８１に流れる入力電流がごく少量でも受光素子８２のベースに電流が流れてしまい、フォトカプラ８がオンする場合がある。
フォトカプラ８の出力信号がオフからオン、またはオンからオフに反転する閾値は、発光素子８１と受光素子８２との間の光−電流変換効率に依存する。一般に、この光−電流変換効率はばらつきが大きく経年変化があるため、前記閾値を正確に定めることは困難である。

このため、絶縁抵抗１０１Ｐまたは絶縁抵抗１０１Ｎに異常がなく、直流回路が接地されていないにも関わらず、発光素子８１に流れる僅かな入力電流により受光素子８２がオンされて地絡と誤判定してしまうおそれがある。特に、実際に地絡を検出した場合に保護動作として装置の運転を停止するシステムでは、誤判定により装置の運転が停止されてしまうので、ユーザにとって大変不便である。

一方、絶縁抵抗１０１Ｐまたは絶縁抵抗１０１Ｎの抵抗値が実際に低下して地絡状態になった場合には、ユーザの感電を防止するために装置の運転を停止させる必要がある。しかし、ユーザにとって、車両等の運転が突然停止されるのは好ましくない。
この場合の対策としては、地絡検出によって装置の運転を停止する前に、絶縁抵抗の低下を異常予報としてユーザに予め通報することが望ましい。

図１４は、図１３の回路に上記の異常予報機能を付加した例である。
図１４において、抵抗器３ａ，３ｂ及びフォトカプラ８Ａによって警報出力回路９Ａが構成されている。この警報出力回路９Ａは、実質的に図１３の抵抗器３ａ，３ｂ及びフォトカプラ８からなる回路と同一の構成であり、地絡発生時に警報出力や装置の運転停止を行うためのものである。
また、図１４では、警報出力回路９Ａと並列に予報出力回路９Ｂが接続されている。この予報出力回路９Ｂは、抵抗器３ｃ，３ｄ及びフォトカプラ８Ｂによって構成されており、抵抗器３ｃ，３ｄの抵抗値は抵抗器３ａ，３ｂの抵抗値よりも低くなっている。

図１４の回路において、絶縁抵抗１０１Ｐまたは絶縁抵抗１０１Ｎの抵抗値が低下した場合には、警報出力回路９Ａが動作する前に、予報出力回路９Ｂの抵抗器３ｃまたは抵抗器３ｄを流れる電流によってフォトカプラ８Ｂから異常予報が出力される。すなわち、図１４の回路によれば、警報出力回路９Ａが動作して警報の出力や装置の運転停止が行われる前に、予報出力回路９Ｂから異常予報を発生させてユーザの注意を喚起することができ、図１３の回路による不便さを解消することができる。
しかし、図１４の回路は、図１３の回路に予報出力回路９Ｂを追加した構成であるため、部品点数が多くなってコスト高になり、回路の実装面積も一層大きくなるという問題がある。

なお、半導体電力変換回路の地絡検出回路として、特許文献１に記載された従来技術が知られている。
この地絡検出回路では、地絡による正側直流母線及び負側直流母線の過電流を検出する手段としての比較器の電源回路を共通にし、更に高速フォトカプラを不要にすることによって回路構成の簡略化、小型化、低コスト化を図っている。

特開２００６−１５８１５０号公報（段落[０００９]〜[００１１]）

特許文献１に記載された従来技術では、正側直流母線の電圧変動を負側直流母線から見た電圧変動に変換するために、正負の直流母線の間にコンデンサと抵抗との直列回路が接続されている。また、地絡検出用の二つの比較器の基準電圧を得るために多数の抵抗も必要である。
このように、特許文献１の従来技術では多くの部品を必要としており、回路構成の簡略化や低コスト化の点でいまだ改善の余地がある。

そこで、本発明の目的は、部品数が少なく、回路構成の簡略化、小型化、低コスト化が可能な非接地回路の地絡検出回路を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、地絡判定の閾値のばらつきが小さく、誤判定の恐れがない非接地回路の地絡検出回路を提供することにある。
更に、本発明の別の目的は、地絡検出時の警報に先立って、絶縁抵抗の低下により地絡の恐れがあることを異常予報として通報するようにした非接地回路の地絡検出回路を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、非接地直流回路用に構成された地絡検出回路の構成を変更することなく、直流電源に正側直流母線及び負側直流母線を介して接続された非接地電力変換回路の交流出力側の地絡故障を容易かつ高精度に検出することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、直流電源の正極に接続された正側直流母線と前記直流電源の負極に接続された負側直流母線との間に負荷が接続され、かつ、非接地回路としての直流回路の地絡を検出する回路において、
前記正側直流母線に一端が接続された第１の抵抗器と、
前記負側直流母線に一端が接続され、かつ、第１の抵抗器と抵抗値が等しい第２の抵抗器と、
第１の抵抗器及び第２の抵抗器の他端同士の接続点と、接地点との間に直列に接続された複数のフォトカプラと、を備え、
前記複数のフォトカプラは、
前記接続点と前記接地点との間に流れる電流が所定の閾値を超えたときに駆動信号を出力する電流検出回路と、
前記電流検出回路の後段に接続されて前記駆動信号によりオンする発光素子と、
前記発光素子の出力光によりオンする受光素子と、をそれぞれ有し、
前記複数のフォトカプラ内の前記電流検出回路の閾値をそれぞれ異なる大きさに設定すると共に、
一つのフォトカプラ内の前記受光素子により、地絡の危険性を予め通報する予報信号を出力させ、当該フォトカプラ内の前記電流検出回路によって設定された閾値よりも大きい閾値が自己の電流検出回路によって設定された他のフォトカプラ内の前記受光素子により、地絡発生時の警報信号を出力させるものである。
本発明においては、閾値が小さい一つのフォトカプラによって小さい入力電流を検出することにより地絡の予報信号を出力させ、閾値が大きい他のフォトカプラによって大きい入力電流（地絡時の入力電流）を検出することにより、地絡の警報信号を出力させることができる。

請求項２に係る発明は、直流電源の正極に接続された正側直流母線と前記直流電源の負極に接続された負側直流母線とが直流入力端子に接続されると共に、交流出力端子に負荷が接続され、かつ、非接地回路としての電力変換回路の交流出力側の地絡を検出する回路において、
前記正側直流母線に一端が接続された第１の抵抗器と、
前記負側直流母線に一端が接続され、かつ、第１の抵抗器と抵抗値が等しい第２の抵抗器と、
第１の抵抗器及び第２の抵抗器の他端同士の接続点と、接地点との間に直列に接続された複数のフォトカプラと、を備え、
前記複数のフォトカプラは、
前記電力変換回路を構成する複数の半導体スイッチング素子のうちの何れかのオン時に前記接地点を介して前記交流出力端子と前記接続点との間に流れる電流が、所定の閾値を超えたときに駆動信号を出力する電流検出回路と、
前記電流検出回路の後段に接続されて前記駆動信号によりオンする発光素子と、
前記発光素子の出力光によりオンする受光素子と、をそれぞれ有し、
前記複数のフォトカプラ内の前記電流検出回路の閾値をそれぞれ異なる大きさに設定すると共に、
一つのフォトカプラ内の前記受光素子により、地絡の危険性を予め通報する予報信号を出力させ、当該フォトカプラ内の前記電流検出回路によって設定された閾値よりも大きい閾値が自己の電流検出回路によって設定された他のフォトカプラ内の前記受光素子により、地絡発生時の警報信号を出力させるものである。
本発明は、請求項１の地絡検出回路を非接地電力変換回路に適用したものである。この発明では、電力変換回路を構成する半導体スイッチング素子のうちの何れかをオンしたときにフォトカプラから警報信号が出力されれば、電力変換回路の交流側の地絡と判定する。
本発明において、電力変換回路の交流出力側の特定相の地絡を検出するためには、電力変換回路を構成する半導体スイッチング素子のうち前記特定相の上アームまたは下アームの半導体スイッチング素子をオンさせる出力地絡検出パターンに従って電力変換回路をスイッチングし、そのときのフォトカプラの出力信号を観察すればよい。
また、請求項６に係る発明は、直流電源の正極に接続された正側直流母線と前記直流電源の負極に接続された負側直流母線との間に負荷が接続され、かつ、非接地回路としての直流回路の地絡を検出する回路において、
前記正側直流母線に一端が接続された第１の抵抗器と、
前記負側直流母線に一端が接続され、かつ、第１の抵抗器と抵抗値が等しい第２の抵抗器と、
第１の抵抗器及び第２の抵抗器の他端同士の接続点と、接地点との間に接続されたフォトカプラと、を備え、
前記フォトカプラは、
前記接続点と前記接地点との間に流れる電流が所定の閾値を超えたときに駆動信号を出力する電流検出回路と、
前記電流検出回路の後段に接続されて前記駆動信号によりオンする発光素子と、
前記発光素子の出力光によりオンする受光素子と、を有し、
前記受光素子から地絡発生時の警報信号を出力させると共に、
前記フォトカプラに、当該フォトカプラ内の前記電流検出回路によって設定された閾値と等しい閾値が自己の電流検出回路によって設定された別のフォトカプラを並列に接続し、前記接続点と前記接地点との間に流れる電流を、並列接続された各フォトカプラ内の前記電流検出回路にそれぞれ分流させるものである。
更に、請求項７に係る発明は、直流電源の正極に接続された正側直流母線と前記直流電源の負極に接続された負側直流母線とが直流入力端子に接続されると共に、交流出力端子に負荷が接続され、かつ、非接地回路としての電力変換回路の交流出力側の地絡を検出する回路において、
前記正側直流母線に一端が接続された第１の抵抗器と、
前記負側直流母線に一端が接続され、かつ、第１の抵抗器と抵抗値が等しい第２の抵抗器と、
第１の抵抗器及び第２の抵抗器の他端同士の接続点と、接地点との間に接続されたフォトカプラと、を備え、
前記フォトカプラは、
前記電力変換回路を構成する複数の半導体スイッチング素子のうちの何れかのオン時に前記接地点を介して前記交流出力端子と前記接続点との間に流れる電流が、所定の閾値を超えたときに駆動信号を出力する電流検出回路と、
前記電流検出回路の後段に接続されて前記駆動信号によりオンする発光素子と、
前記発光素子の出力光によりオンする受光素子と、を有し、
前記受光素子から地絡発生時の警報信号を出力させると共に、
前記フォトカプラに、当該フォトカプラ内の前記電流検出回路によって設定された閾値と等しい閾値が自己の電流検出回路によって設定された別のフォトカプラを並列に接続し、前記接続点と前記接地点との間に流れる電流を、並列接続された各フォトカプラ内の前記電流検出回路にそれぞれ分流させるものである。

なお、閾値が小さいフォトカプラでは、絶縁抵抗が大きい（入力電流が小さい）場合でも出力信号がオンしてしまう。このため、フォトカプラの閾値が小さく所望の地絡判定用の閾値が得られない場合には、そのフォトカプラの閾値と等しい閾値を有する別のフォトカプラを並列に接続し、第１，第２の抵抗器同士の接続点と接地点との間に流れる電流を、並列接続された各フォトカプラ内の電流検出回路にそれぞれ分流させてもよい。
これにより、例えば２個のフォトカプラを並列接続した場合は、第１，第２の抵抗器同士の接続点と接地点間を流れる電流が一つのフォトカプラの閾値の２倍になったときに各フォトカプラの出力がオンされるので、２倍の閾値を持つフォトカプラ１個を使用する場合と等価になる。

更に、本発明においては、第１，第２の抵抗器同士の接続点と前記接地点との間に流れる両方向の電流を検出できるように、一方向の電流を検出する少なくとも二つのフォトカプラを、互いに逆方向にして並列接続してもよい。

本発明によれば、正側直流母線及び負側直流母線と接地点との間に接続される第１，第２の抵抗器と複数のフォトカプラのみによって地絡検出回路を構成することができ、部品数が少なく、回路構成が簡単で小型化、低コスト化が可能である。
また、本発明によれば、フォトカプラ内の発光素子の前段に設けた電流検出回路によってフォトカプラが動作する入力電流の閾値を設定しているので、フォトカプラの動作は、発光素子と受光素子との間の光−電流変換効率のばらつきに依存しない。このため、何らかの原因によって電流検出回路にわずかな入力電流が流れたとしても、フォトカプラの動作は上述した閾値により管理されているので、入力電流がこの閾値を超えない限りフォトカプラは動作せず、地絡を誤判定するおそれがない。よって、地絡の誤判定による装置の不要な運転停止を防ぐことができる。
更に、必要に応じてフォトカプラを複数、直列または並列に接続することにより、地絡検出時の警報に先立って、絶縁抵抗の低下により地絡の恐れがあることを予報信号として通報することも可能である。
また、同一構成の地絡検出回路により、非接地直流回路と非接地電力変換回路の交流出力側との地絡を検出可能であるため、汎用性、経済性に優れている。

本発明の第１参考形態を示す回路図である。 図１における電流検出回路の特性図である。 本発明の第１実施形態を示す回路図である。 本発明の第２実施形態を示す回路図である。 本発明の第２参考形態を示す回路図である。 図５の動作説明図である。 図５の動作説明図である。 本発明の第３実施形態を示す回路図である。 本発明の第４実施形態を示す回路図である。 従来の一般的な地絡検出回路を示す回路図である。 図１０の動作を示す回路図である。 第１の従来技術を示す回路図である。 第２の従来技術を示す回路図である。 図１３の回路に異常予報機能を付加した回路を示す回路図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、以下に説明する各形態は、本発明を電気自動車やハイブリッド自動車等の電気システムを構成する非接地直流回路の地絡検出に適用した場合のものであるが、本発明は、上記以外の用途を持つ非接地直流回路の地絡検出にも適用可能である。

図１は、本発明の第１参考形態を示す回路図である。
図１において、１は蓄電装置等の直流電源、２はインバータ及び電動機等の負荷、ＰＬは正側直流母線、ＮＬは負側直流母線である。また、３ａは一端が正側直流母線ＰＬに接続された第１の抵抗器、３ｂは一端が負側直流母線ＮＬに接続された第２の抵抗器であり、これらの抵抗器３ａ，３ｂの抵抗値は等しい。抵抗器３ａ，３ｂの他端同士の接続点と接地点１００との間には、フォトカプラ１０Ａが接続されている。
また、１０１Ｐは正側直流母線ＰＬの絶縁抵抗、１０１Ｎは負側直流母線ＮＬの絶縁抵抗である。

ここで、フォトカプラ１０Ａは、抵抗器３ａ，３ｂの他端同士の接続点と接地点１００との間に接続された電流検出回路１１Ａと、その出力側に接続された発光素子１２Ａと、発光素子１２Ａの出力光によってオンする受光素子１３Ａと、を備えている。なお、従来技術と同様に、発光素子１２Ａは発光ダイオードにより、受光素子１３Ａはフォトトランジスタにより構成されている。

次に、図２は、フォトカプラ１０Ａの特性を示している。
このフォトカプラ１０Ａは、図２に示すように、入力信号（電流検出回路１１Ａの入力電流）がある閾値ＴＨ^＋以上になったときに電流検出回路１１Ａからの駆動信号により発光素子１２Ａを点灯させ、受光素子１３Ａの出力信号を反転させる。また、電流検出回路１１Ａの入力電流がある閾値ＴＨ⁻以下になったときに発光素子１２Ａを消灯させ、受光素子１３Ａの出力信号を反転させるものである。

上記のように、この参考形態では、フォトカプラ１０Ａを動作させる入力電流の閾値が、発光素子１２Ａの前段に接続した電流検出回路１１Ａによって設定されており、発光素子１２Ａと受光素子１３Ａとの間の光−電流変換効率に依存しない。このため、絶縁抵抗１０１Ｐまたは絶縁抵抗１０１Ｎに異常がなく地絡が発生していない場合に、何らかの原因によって電流検出回路１１Ａにわずかな入力電流が流れたとしても、フォトカプラ１０Ａの動作は上述した閾値ＴＨ^＋，ＴＨ⁻により管理されているので、入力電流がこれらの閾値を超えない限りフォトカプラ１０Ａは動作せず、地絡を誤判定するおそれがない。
なお、フォトカプラ１０Ａが地絡を検出した場合には、図１３等の従来技術と同様に、受光素子１３Ａの出力信号を用いて警報を出力したり、装置の運転を停止させる等の動作を行う。

また、前述したように、正側直流母線ＰＬと負側直流母線ＮＬとのどちらが地絡したかによって電流検出回路に流れる電流の方向が変わるため、電流検出回路は双方向の電流を検出する必要がある。従って、図１に示したフォトカプラ１０Ａの電流検出回路１１Ａは両方向の電流を検出できるものが望ましい。ここで、片方向の電流しか検出できないフォトカプラを使用する場合は、別のフォトカプラ(図示せず)を上記フォトカプラ１０Ａに対して逆方向に並列接続することによって双方向の電流を検出可能になり、正側直流母線ＰＬと負側直流母線ＮＬとの両方の地絡を検出することができる。

次に、図３は本発明の第１実施形態を示す回路図である。図３及び図１では、同一の機能を有する部品に同一の参照符号を付してある。
図３の第１実施形態において、１０Ｂは第２のフォトカプラであり、このフォトカプラ１０Ｂは、電流検出回路１１Ｂ、発光素子１２Ｂ及び受光素子１３Ｂによって構成されている。なお、フォトカプラ１０Ａを、便宜上、第１のフォトカプラと呼ぶ。
第１のフォトカプラ１０Ａの電流検出回路１１Ａと第２のフォトカプラ１０Ｂの電流検出回路１１Ｂとは、抵抗器３ａ，３ｂ同士の接続点と接地点１００との間に直列に接続されている。言い換えれば、第１のフォトカプラ１０Ａと第２のフォトカプラ１０Ｂとは、抵抗器３ａ，３ｂ同士の接続点と接地点１００との間に直列に接続されている。

この第１実施形態では、第１のフォトカプラ１０Ａを動作させる入力電流の閾値よりも、第２のフォトカプラ１０Ｂを動作させる入力電流の閾値を低い値に設定する。これにより、例えば絶縁抵抗１０１Ｎの抵抗値が低下し、抵抗器３ａ，３ｂ同士の接続点から電流検出回路１１Ａ，１１Ｂを介して接地点１００に電流が流れた場合に、第１のフォトカプラ１０Ａが動作する以前に第２のフォトカプラ１０Ｂを動作させることができる。
従って、第１のフォトカプラ１０Ａを、実際に地絡が発生した時の警報発生や運転停止を行う警報出力回路として機能させ、第２のフォトカプラ１０Ｂを、絶縁抵抗が低下していて地絡の危険性があることをユーザに知らせる予報出力回路として機能させることが可能である。
なお、抵抗器３ａ，３ｂ同士の接続点と接地点１００との間に直列に接続されるフォトカプラの数を３以上とし、それぞれが動作する入力電流の閾値を少しずつ異ならせてもよい。

この第１実施形態においても、正側直流母線ＰＬと負側直流母線ＮＬとの両方の地絡検出を可能にするためには、電流検出回路１１Ａ，１１Ｂ（フォトカプラ１０Ａ，１０Ｂ）が両方向の電流を検出可能であることが望ましい。しかし、片方向の電流しか検出できないフォトカプラを使用する場合は、各フォトカプラ１０Ａ，１０Ｂに対して、同一構成の別のフォトカプラ(図示せず)をそれぞれ逆方向に並列接続すればよい。

次いで、図４は本発明の第２実施形態を示す回路図である。この第２実施形態では、図４に示すように、フォトカプラ１０Ｃ（図３のフォトカプラ１０Ｂに相当）に、このフォトカプラ１０Ｃと同一構成の別のフォトカプラ１０Ｄが並列に接続されている。なお、１１Ｃ，１１Ｄは電流検出回路、１２Ｃ，１２Ｄは発光素子、１３Ｃ，１３Ｄは受光素子である。ここで、フォトカプラ１０Ｃ，１０Ｄが動作する入力電流の閾値は同じでよい。

この第２実施形態は、例えば第１実施形態（図３）において、フォトカプラ１０Ｂを動作させる入力電流の閾値が低過ぎて所望の絶縁抵抗値での異常判定が行えない場合を考慮したものである。すなわち、図４に示すごとく２つのフォトカプラ１０Ｃ，１０Ｄを並列に接続すれば、抵抗器３ａ，３ｂ同士の接続点と接地点１００との間に流れる電流を電流検出回路１１Ｃ，１１Ｄに分流させて減少させることができる。これにより、抵抗器３ａ，３ｂの接続点と接地点との間を流れる電流が一つのフォトカプラ１０Ｃ（または１０Ｄ）の閾値の２倍になったときに各フォトカプラ１０Ｃ，１０Ｄの出力がオンするので、２倍の閾値を持つフォトカプラを一つ使用するのと同等にすることができる。
この第２実施形態において、並列接続されるフォトカプラの数は３以上でもよい。更に、図４のフォトカプラ１０Ａに対して、別のフォトカプラを並列に接続してもよい。

次に、本発明の他の形態を説明する。これらの形態は、本発明を電気自動車やハイブリッド自動車等の電気システムを構成する非接地電力変換回路の交流出力側の地絡検出に適用した場合のものであるが、本発明は、上記以外の用途を持つ非接地電力変換回路の地絡検出にも適用可能である。

まず、図５は本発明の第２参考形態を示す回路図であり、図１と同一の構成要素には同一の参照符号を付して説明を省略し、以下では図１と異なる部分を中心に説明する。
図５において、正側直流母線ＰＬ及び負側直流母線ＮＬは、非接地電力変換回路としての三相電圧形インバータ２０の直流入力端子にそれぞれ接続されている。インバータ２０は、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子２１ａ〜２１ｆからなり、その交流出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗは交流出力線２２Ｕ，２２Ｖ，２２Ｗを介して交流電動機等の負荷２Ｍに接続されている。

インバータ２０の直流側の回路構成は図１と同一であって、抵抗器３ａ，３ｂとフォトカプラ１０Ａとを備え、フォトカプラ１０Ａは、双方向の電流を検出可能な電流検出回路１１Ａ、発光素子１２Ａ及び受光素子１３Ａによって構成されている。
なお、図５において、１０１Ｕ，１０１Ｖ，１０１Ｗは交流出力線２２Ｕ，２２Ｖ，２２Ｗと接地点１００との間の絶縁抵抗である。

次に、この参考形態の動作を説明する。
いま、インバータ２０の通常動作時に、スイッチング素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ，２１ｆの何れかがオンした場合、オンした相の交流出力線の絶縁抵抗１０１Ｕ，１０１Ｖまたは１０１Ｗが低下していて地絡が発生すると、当該絶縁抵抗を介して、直流電源１−オン状態のスイッチング素子−当該絶縁抵抗−接地点１００−電流検出回路１１Ａ−抵抗器３ａまたは３ｂ、の経路で地絡電流が流れる。
このため、第１参考形態と同様に、地絡電流が電流検出回路１１Ａの閾値（図２参照）以上になったときに発光素子１２Ａが発光して受光素子１３Ａから信号が出力される。この出力信号を利用すれば、地絡を示す警報を出力させたり、インバータ２０の運転を停止させることができる。
すなわち、インバータ２０の通常運転時に受光素子１３Ａから信号が出力されれば、地絡している相を特定できなくても、インバータ２０の交流出力側に地絡故障が発生していることを検出可能である。

また、インバータ２０の交流出力側の特定相の地絡の有無を検出したい場合には、以下のようにすればよい。
例えば、Ｕ相を検出対象とする場合には、図６に示すようにインバータ２０のＵ相上アームのスイッチング素子２１ａ、または、図７に示すようにＵ相下アームのスイッチング素子２１ｂをオンすればよい。それぞれの場合の地絡電流の通流経路は図６，図７に破線で示すとおりであり、いずれの場合も、受光素子１３Ａの出力信号を確認すれば、Ｕ相の絶縁抵抗１０１Ｕの低下による地絡故障を検出することができる。

なお、図示しないが、Ｖ相を検出対象とする場合には、インバータ２０のＶ相上アームのスイッチング素子２１ｃまたは下アームのスイッチング素子２１ｄをオンし、Ｗ相を検出対象とする場合には、インバータ２０のＷ相上アームのスイッチング素子２１ｅまたは下アームのスイッチング素子２１ｆをオンして受光素子１３Ａの出力信号を確認すればよい。この場合、インバータ２０の通常の運転モードとは別に、出力地絡検出パターンとして、上述したＵ相用、Ｖ相用、Ｗ相用のスイッチングパターンを制御装置（図示せず）に記憶させておき、検出対象である特定相の出力地絡検出パターンを用いてインバータ２０をスイッチングすればよい。

この第２参考形態においても、フォトカプラ１０Ａの電流検出回路１１Ａは両方向の電流を検出可能であることが望ましい。しかし、片方向の電流しか検出できないフォトカプラを使用する場合は、フォトカプラ１０Ａに対して、同一構成の別のフォトカプラ(図示せず)を逆方向に並列接続すればよい。

次に、図８は本発明の第３実施形態を示す回路図である。
この第３実施形態は、図３の第１実施形態を非接地電力変換回路に適用した場合のものであり、インバータ２０の直流側の回路構成は図３と同一である。また、第１実施形態と同様に、第２のフォトカプラ１０Ｂを動作させる入力電流の閾値は、第１のフォトカプラ１０Ａを動作させる入力電流の閾値よりも低い値に設定してある。
第３実施形態の動作は第１実施形態，第２参考形態から容易に類推できるため、以下では動作の概要を説明する。

図８において、第１のフォトカプラ１０Ａ及び第２のフォトカプラ１０Ｂに関して入力電流の閾値を上記のように設定すると、インバータ２０の交流出力側の絶縁抵抗が低下して地絡の危険性がある場合に、直流電源１−オン状態のスイッチング素子−絶縁抵抗−接地点１００−抵抗器３ａまたは３ｂの経路で流れる電流により、第２のフォトカプラ１０Ｂを地絡の予報出力回路として機能させることができる。そして、実際に地絡が発生して第１のフォトカプラ１０Ａの閾値以上の電流が上記経路に流れた場合には、第１のフォトカプラ１０Ａにより警報発生やインバータ２０の運転停止を行わせることができる。

この第３実施形態においても、電流検出回路１１Ａ，１１Ｂとしては両方向の電流を検出可能であることが望ましい。しかし、片方向の電流しか検出できないフォトカプラを使用する場合は、各フォトカプラ１０Ａ，１０Ｂに対して、同一構成の別のフォトカプラ(図示せず)をそれぞれ逆方向に並列接続すればよい。

次いで、図９は本発明の第４実施形態を示す回路図である。
この第４実施形態は、図４の第２実施形態を非接地電力変換回路に適用した場合のものであり、インバータ２０の直流側の回路構成は図４と同一である。第２実施形態と同様に、フォトカプラ１０Ｃ，１０Ｄを動作させる入力電流の閾値は等しい。また、フォトカプラ１０Ｃ，１０Ｄを予報出力回路として動作させ、フォトカプラ１０Ａを警報出力回路として動作させるためには、フォトカプラ１０Ｃ，１０Ｄをそれぞれ動作させる入力電流の閾値の２倍以上の値を、フォトカプラ１０Ａを動作させる入力電流の閾値として設定することが望ましい。
第４実施形態の動作は第２実施形態，第２参考形態等から容易に類推できるため、以下では動作の概要を説明する。

第２実施形態と同様に、図９に示すようにフォトカプラ１０Ｃ，１０Ｄを並列に接続すれば、抵抗器３ａ，３ｂ同士の接続点と接地点１００との間に流れる電流を電流検出回路１１Ｃ，１１Ｄに分流させて減少させることができる。これにより、抵抗器３ａ，３ｂ同士の接続点と接地点との間を流れる電流がフォトカプラ１０Ｃ（または１０Ｄ）の閾値の２倍になったときに各フォトカプラ１０Ｃ，１０Ｄの出力がオンされるので、２倍の閾値を持つフォトカプラを一つ使用した場合と等価になる。
従って、各フォトカプラ１０Ｃ，１０Ｄの入力電流の閾値が低く、それぞれ単独では所望の絶縁抵抗値での異常判定（地絡の予報判定）が行えない場合にも、本実施形態のようにフォトカプラ１０Ｃ，１０Ｄを並列に接続することで異常判定が可能になる。
この第４実施形態においても、並列接続されるフォトカプラの数は３以上でもよい。また、図９のフォトカプラ１０Ａに別のフォトカプラを並列に接続してもよい。

本発明は、電気自動車やハイブリッド自動車等の電気システムを構成する非接地直流回路または非接地電力変換回路ばかりでなく、様々な用途の非接地回路の地絡検出に利用することができる。

１：直流電源
２，２Ｍ：負荷
３ａ，３ｂ：抵抗器
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ：フォトカプラ
１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ：電流検出回路
１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ：発光素子
１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ：受光素子
２０：インバータ
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ，２１ｆ：半導体スイッチング素子
２２Ｕ，２２Ｖ，２２Ｗ：交流出力線
１００：接地点
１０１Ｐ，１０１Ｎ，１０１Ｕ，１０１Ｖ，１０１Ｗ：絶縁抵抗
ＰＬ：正側直流母線
ＮＬ：負側直流母線
Ｕ，Ｖ，Ｗ：交流出力端子

Claims (10)

1. 直流電源の正極に接続された正側直流母線と前記直流電源の負極に接続された負側直流母線との間に負荷が接続され、かつ、非接地回路としての直流回路の地絡を検出する回路において、
   前記正側直流母線に一端が接続された第１の抵抗器と、
   前記負側直流母線に一端が接続され、かつ、第１の抵抗器と抵抗値が等しい第２の抵抗器と、
   第１の抵抗器及び第２の抵抗器の他端同士の接続点と、接地点との間に直列に接続された複数のフォトカプラと、を備え、
   前記複数のフォトカプラは、
   前記接続点と前記接地点との間に流れる電流が所定の閾値を超えたときに駆動信号を出力する電流検出回路と、
   前記電流検出回路の後段に接続されて前記駆動信号によりオンする発光素子と、
   前記発光素子の出力光によりオンする受光素子と、をそれぞれ有し、
   前記複数のフォトカプラ内の前記電流検出回路の閾値をそれぞれ異なる大きさに設定すると共に、
   一つのフォトカプラ内の前記受光素子により、地絡の危険性を予め通報する予報信号を出力させ、当該フォトカプラ内の前記電流検出回路によって設定された閾値よりも大きい閾値が自己の電流検出回路によって設定された他のフォトカプラ内の前記受光素子により、地絡発生時の警報信号を出力させることを特徴とする、非接地回路の地絡検出回路。
2. 直流電源の正極に接続された正側直流母線と前記直流電源の負極に接続された負側直流母線とが直流入力端子に接続されると共に、交流出力端子に負荷が接続され、かつ、非接地回路としての電力変換回路の交流出力側の地絡を検出する回路において、
   前記正側直流母線に一端が接続された第１の抵抗器と、
   前記負側直流母線に一端が接続され、かつ、第１の抵抗器と抵抗値が等しい第２の抵抗器と、
   第１の抵抗器及び第２の抵抗器の他端同士の接続点と、接地点との間に直列に接続された複数のフォトカプラと、を備え、
   前記複数のフォトカプラは、
   前記電力変換回路を構成する複数の半導体スイッチング素子のうちの何れかのオン時に前記接地点を介して前記交流出力端子と前記接続点との間に流れる電流が、所定の閾値を超えたときに駆動信号を出力する電流検出回路と、
   前記電流検出回路の後段に接続されて前記駆動信号によりオンする発光素子と、
   前記発光素子の出力光によりオンする受光素子と、をそれぞれ有し、
   前記複数のフォトカプラ内の前記電流検出回路の閾値をそれぞれ異なる大きさに設定すると共に、
   一つのフォトカプラ内の前記受光素子により、地絡の危険性を予め通報する予報信号を出力させ、当該フォトカプラ内の前記電流検出回路によって設定された閾値よりも大きい閾値が自己の電流検出回路によって設定された他のフォトカプラ内の前記受光素子により、地絡発生時の警報信号を出力させることを特徴とする、非接地回路の地絡検出回路。
3. 請求項２に記載した非接地回路の地絡検出回路において、
   前記電力変換回路の交流出力側の特定相の地絡を検出するために、前記半導体スイッチング素子のうち前記特定相の上アームまたは下アームの半導体スイッチング素子をオンさせることを特徴とする、非接地回路の地絡検出回路。
4. 請求項３に記載した非接地回路の地絡検出回路において、
   前記特定相の上アームまたは下アームの半導体スイッチング素子をオンさせるスイッチングパターンを、出力地絡検出パターンとして有することを特徴とする、非接地回路の地絡検出回路。
5. 請求項１または２に記載した非接地回路の地絡検出回路において、
   前記接続点と前記接地点との間に直列に接続された複数のフォトカプラのうちの何れかのフォトカプラに、当該フォトカプラ内の前記電流検出回路によって設定された閾値と等しい閾値が自己の電流検出回路によって設定された別のフォトカプラを並列に接続し、前記接続点と前記接地点との間に流れる電流を、並列接続された各フォトカプラ内の前記電流検出回路にそれぞれ分流させることを特徴とする、非接地回路の地絡検出回路。
6. 直流電源の正極に接続された正側直流母線と前記直流電源の負極に接続された負側直流母線との間に負荷が接続され、かつ、非接地回路としての直流回路の地絡を検出する回路において、
   前記正側直流母線に一端が接続された第１の抵抗器と、
   前記負側直流母線に一端が接続され、かつ、第１の抵抗器と抵抗値が等しい第２の抵抗器と、
   第１の抵抗器及び第２の抵抗器の他端同士の接続点と、接地点との間に接続されたフォトカプラと、を備え、
   前記フォトカプラは、
   前記接続点と前記接地点との間に流れる電流が所定の閾値を超えたときに駆動信号を出力する電流検出回路と、
   前記電流検出回路の後段に接続されて前記駆動信号によりオンする発光素子と、
   前記発光素子の出力光によりオンする受光素子と、を有し、
   前記受光素子から地絡発生時の警報信号を出力させると共に、
   前記フォトカプラに、当該フォトカプラ内の前記電流検出回路によって設定された閾値と等しい閾値が自己の電流検出回路によって設定された別のフォトカプラを並列に接続し、前記接続点と前記接地点との間に流れる電流を、並列接続された各フォトカプラ内の前記電流検出回路にそれぞれ分流させることを特徴とする、非接地回路の地絡検出回路。
7. 直流電源の正極に接続された正側直流母線と前記直流電源の負極に接続された負側直流母線とが直流入力端子に接続されると共に、交流出力端子に負荷が接続され、かつ、非接地回路としての電力変換回路の交流出力側の地絡を検出する回路において、
   前記正側直流母線に一端が接続された第１の抵抗器と、
   前記負側直流母線に一端が接続され、かつ、第１の抵抗器と抵抗値が等しい第２の抵抗器と、
   第１の抵抗器及び第２の抵抗器の他端同士の接続点と、接地点との間に接続されたフォトカプラと、を備え、
   前記フォトカプラは、
   前記電力変換回路を構成する複数の半導体スイッチング素子のうちの何れかのオン時に前記接地点を介して前記交流出力端子と前記接続点との間に流れる電流が、所定の閾値を超えたときに駆動信号を出力する電流検出回路と、
   前記電流検出回路の後段に接続されて前記駆動信号によりオンする発光素子と、
   前記発光素子の出力光によりオンする受光素子と、を有し、
   前記受光素子から地絡発生時の警報信号を出力させると共に、
   前記フォトカプラに、当該フォトカプラ内の前記電流検出回路により設定された閾値と等しい閾値が自己の電流検出回路により設定された別のフォトカプラを並列に接続し、前記接続点と前記接地点との間に流れる電流を、並列接続された各フォトカプラ内の前記電流検出回路にそれぞれ分流させることを特徴とする、非接地回路の地絡検出回路。
8. 請求項１〜７の何れか１項に記載した非接地回路の地絡検出回路において、
   前記接続点と前記接地点との間に流れる両方向の電流を検出するために、
   一方向の電流を検出する少なくとも二つのフォトカプラを、互いに逆方向にして並列接続したことを特徴とする、非接地回路の地絡検出回路。
9. 請求項１〜８の何れか１項に記載した非接地回路の地絡検出回路において、
   前記警報信号により、前記非接地回路の運転を停止することを特徴とする、非接地回路の地絡検出回路。
10. 請求項１〜９の何れか１項に記載した非接地回路の地絡検出回路において、
    前記非接地回路が、自動車に搭載された電気システムを構成していることを特徴とする、非接地回路の地絡検出回路。

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