JP6239171B1

JP6239171B1 - 電力変換装置

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Publication number: JP6239171B1
Application number: JP2017058564A
Authority: JP
Inventors: 高木　俊和; 俊和高木; 高博水野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-03-24
Filing date: 2017-03-24
Publication date: 2017-11-29
Anticipated expiration: 2037-03-24
Also published as: JP2018164319A

Abstract

【課題】車載用降圧コンバータなどの電力変換装置において、安価な構成で、電力変換器の出力電圧を小さな誤差で検出するように構成した電力変換装置が求められている。【解決手段】この課題を解決するため、電力変換装置において、電力変換器の出力端子と基準ＧＮＤの間に接続され、少なくとも３つ以上の奇数個の抵抗を直列接続した分圧抵抗、２つのバッファおよび差動アンプから構成される電圧センサ回路を備え、前記分圧抵抗の中央の抵抗の両端電圧を、それぞれ前記バッファを介して前記差動アンプに入力し、前記差動アンプの出力に基づいて前記電力変換器の出力を制御するようにしたものである。【選択図】図１

Description

この発明は，パワーエレクトロ分野において使用される電圧変換装置に関するもので、特に、車載用降圧コンバータなどの電力変換器の出力電圧を制御するための出力電圧検出手段を備えた電圧変換装置に関するものである。

車載用の降圧コンバータなどの電力変換器を備えた電力変換装置おいては、出力値を与えられた目標値と一致させるため、出力値と目標値の差、すなわち誤差を検出して、目標値まで増幅、減衰させるため、エラーアンプの入力段にてリファレンス電圧とＰＷＭコントローラなどを用いて、電力変換器をフィードバック制御する手法が行われている。
このような制御を実行するには電源側の電圧値を検出する必要があり、直列に接続された複数の抵抗を電源の正極端子側に接続して正極側分圧回路とし、また、直列に接続された複数の抵抗を電源の負極端子側に接続して負極側分圧回路とし、正極側分圧回路と負極側分圧回路によって分圧された分圧値に基づいて電源の正極と負極との間の電圧値を演算することが特許文献１に提案されている。

この特許文献１に提案されている電圧検出装置は、複数の抵抗を直列に接続して直流電源の正極端子側に接続される正極側分圧回路部と、複数の抵抗を直列に接続して直流電源の負極端子側に接続される負極側分圧回路部と、この正極側分圧回路部および負極側分圧回路部によって分圧された分圧値に基づいて、直流電源の正極と負極との間の電圧値を演算する演算回路部と、前記正極側分圧回路部を構成する複数の抵抗のうちの隣り合う２つの抵抗の接続点と、前記負極側分圧回路部を構成する複数の抵抗のうちの隣り合う２つの抵抗の接続点との間に接続されるコンデンサとを備えた構成となっている。

ここで、特許文献１に提案されている電圧検出方法では、観測対象である高電圧の正負端子をある基準グランドに対して抵抗分圧した後の電圧をセンシングする手法を採用しており、このような構成を採用した場合には、筐体内で固定抵抗器を介して主回路側の基準電位となるＧＮＤと電圧検出装置を搭載した方の回路の基準電位グランドが接続されるため、当該電力変換装置の出力電流が筐体内の意図しない回路経路を流れることによって回路が悪影響を受ける、いわゆる自家中毒問題を発生することになる。

特開２０１１−６４５５９号公報

従来の電力変換装置において、電源側の電圧値を検出するために、特許文献１のような構成を採用した場合には、筐体内で固定抵抗器を介して主回路側の基準電位となるＧＮＤと電圧検出装置を搭載した方の回路の基準電位グランドが接続されるため、当該電力変換装置の出力電流が筐体内の意図しない回路経路を流れる可能性があり、場合によっては、主回路動作に伴う制御回路誤動作や、最悪の場合に製品の発火・発煙に至る可能性がある。このため、この電力変換装置における電圧センサ回路に求められる所望の特性（入出力応答性、リーク電流低減、ダイナミックレンジ）およびセンサ誤差を減らし、かつ、より安価な手法による電圧検出方法の確立が課題であった。
この発明は、前記課題を解決し、車載用降圧コンバータなどの電力変換装置において、安価な構成で、電力変換器の出力電圧を小さな誤差で検出するように構成した電力変換装
置を提供することを目的とするものである。

この発明は、係る課題を解決するためになされたもので、電力変換装置において、少なくとも３つ以上直列接続された奇数個の分圧抵抗、２つのバッファおよび差動アンプから構成される電圧センサ回路を備え、前記分圧抵抗らが前記電力変換装置の出力端子および基準ＧＮＤに並列接続されてあり、そのうち真中の抵抗の両端電圧を、それぞれのバッファを介して前記差動アンプで観測するシャント型の電圧検出手法を用いて、前記差動アンプ出力に基づいて電力変換制御を行うように構成している。

この発明によれば、安価な構成で観測対象とする電圧のオフセット誤差軽減、高精度な電圧センシングを実現できるので、前記電力変換装置の制御性が向上する。

この発明の基本的な構成を示す構成図である。この発明の実施の形態１を示す構成図である。実施の形態１における降圧コンバータの出力電圧および降圧コンバータと負荷間の一巡抵抗を表す構成図である。この発明の実施の形態１に保護部品を適用した構成を示す構成図である。この発明の実施の形態２を示す構成図である。この発明の実施の形態３を示す構成図である。この発明の実施の形態３の置き換えを示す構成図である。

この発明の電力変換装置として、高圧バッテリーと低圧バッテリー間に接続されて、高圧バッテリーの電力を降圧して低圧バッテリーに電力を供給する車載用の降圧コンバータを例に取り上げて、以下説明をする。

図１は、この発明の基本的な構成を示す図である。なお、図中同一符号は、各々同一部分または相当部分を示す。
図に示すように、車載用の降圧コンバータ１において、少なくとも３つ以上の奇数個の抵抗が直列接続された分圧抵抗２、２つのバッファ３および差動アンプ４から構成される電圧センサ回路を備え、分圧抵抗２が車載用の降圧コンバータ１の出力端子５と基準ＧＮＤ６の間に接続されて、分圧抵抗２の複数の抵抗のうちの中央部の抵抗の両端電圧を、それぞれのバッファ３を介して差動アンプ４で観測するシャント型の電圧検出手法を行い、差動アンプ４の出力に基づいて制御部７が電力変換部８を制御し、車載用降圧コンバータとしての制御が行われ、負荷への電力供給が行われるように構成されている。制御部７は、制御用コントローラＩＣやマイクロコントローラ等によって構成されている。また、電力変換部８は、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ、あるいはＳｉＣ、ＧａＮなどのワイドギャップ半導体などのスイッチ素子から構成されている。

さらに、車載用の降圧コンバータ１における制御系ＧＮＤ９が、負荷の基準電位（例えば鉛バッテリーのマイナス端子）にハーネス接続される。
一方、降圧コンバータ１の筐体が、降圧コンバータ１の出力端子５のマイナス側と同電位であり、かつ、前記筐体と前記負荷のマイナス端子側とが前記ハーネスとは別の金属体（例えば、車のボディーアース）１０を介して接続される。すなわち、バッファおよび差動アンプの基準ＧＮＤが、負荷の基準電位に第１の部材で接続され、電力変換装置の筐体が、前記出力端子のマイナス側と同電位でありかつ負荷のマイナス端子側に第２の部材で接続されていることになる。

ここで、車載用の降圧コンバータ１としては、車両側に搭載された高圧バッテリー（リチウムインバッテリー）から低圧側の鉛バッテリーを充電するための電力変換装置であり、降圧コンバータ１を駆動するための制御用電源は、負荷である低圧用鉛バッテリーから直接あるいは昇圧あるいは降圧されて電力供給される。
この構成は、仮に筐体電位と制御系ＧＮＤが筐体内部で接続された場合、降圧コンバータ１の出力電流経路とセンシングラインのＧＮＤが共通化されることで電力変換器内のスイッチング動作に伴うスイッチングノイズが他の制御信号ラインの重畳してしまうため、自製品動作に起因して誤動作する、いわゆる自家中毒の症状となる。

あるいは、降圧コンバータ１の筐体電位と鉛バッテリーのマイナス電気的接続が断線した場合に、瞬間的に製品内部の制御系ＧＮＤを通じて降圧コンバータ１から出力される大電流が流れる恐れがある。この際、出力電流が筐体内の意図しない回路経路を流れることを防ぐため、降圧コンバータ１の筐体外で制御系ＧＮＤと筐体電位を接地させる。

実施の形態１
以下、この発明が適用された実施の形態１の構成について、図面に基づいて説明する。
図２はこの発明の実施の形態１を示す図である。
車載用の降圧コンバータ１おいて、所望の電圧まで増幅、減衰させるため、エラーアンプの入力段にてリファレンス電圧とＰＷＭコントローラなどを用いて、コンバータ制御する手法が取られる。また、回路部分の一部、あるいは全部は、降圧コンバータ１に設けられた制御用コントローラＩＣやマイクロコントローラなどの制御部７の機能として含まれる。

電圧センサ回路は、分圧抵抗２、２つのバッファ３と差動アンプ４から構成される。ここでのバッファ３は、片電源オペアンプを想定している。

ここで、分圧抵抗２は、観測対象電圧を電流効果によるシャント型で検出するため、少なくとも３つ以上の抵抗から構成される。
また、分圧抵抗２は、前記車載用降圧コンバータ１の出力端子５と基準ＧＮＤ６との間に接続されて、出力端子５と基準ＧＮＤ６に対して並列接続されていて、そのうち中央部の抵抗の両端電圧を、それぞれのバッファ３を介して前記差動アンプ４で観測するシャント型の電圧検出手法を用い、前記差動アンプ４出力に基づきコンバータ制御がなされる。

通常であれば、観測対象である高電圧の正負端子をある基準グランドに対して抵抗分圧した後の電圧検出する方法がとられるが、ここでは制御系ＧＮＤが負荷の基準電位、例えば鉛バッテリーのマイナス端子にハーネス接続し、前記車載用降圧コンバータにおける制御系ＧＮＤが負荷の基準電位（例えば鉛バッテリーのマイナス端子）にハーネス接続し、一方、前記車載用降圧コンバータの筐体が前記車載用降圧コンバータの出力端子マイナス側と同電位となっており、かつ、前記筐体と前記負荷のマイナス端子側とが前記ハーネスとは別の金属体（例えば、車のボディーアース）を介して接続する構成としている。
また、制御系ＧＮＤと筐体電位間の寄生抵抗成分による電圧オフセット誤差を低減できる。

電圧センサ回路の電圧観測の範囲は、分圧抵抗２で設定されることになるが、例えば、車載用の降圧コンバータ１の出力最大電圧をＶ_ｏｕｔとし、降圧コンバータ１の出力のリターン電流とフレームＧＮＤ(以下、Ｒ_ＦＧと呼ぶ)による電圧降下分をＶ_Ｎとすると、観測電圧範囲は、Ｖ_ｏｕｔから−Ｖ_Ｎとなる。

ここで、Ｖ_Ｎの符号がマイナスなのは、低圧バッテリーのマイナス端子を基準としたと
きに、降圧コンバータ１へのリターン電流と筐体あるいは車両シャーシグランドの寄生抵抗による電圧降下が生じるため、本来の観測電位に対し電位である制御系ＧＮＤより、負バイアスとなることを示している。
つまり、観測側の電圧センサ回路は、制御系ＧＮＤでバッファ３および差動アンプ４にてセンシングする。
一方、低圧バッテリーのマイナス端子を基準とすると、制御系ＧＮＤは、筐体電位は車載用降圧コンバータの出力電流に依存して筐体電位により電圧降下するから、制御系ＧＮＤよりも低くなる。

また、ここで差動アンプ４は、オフセットを除去し、車載用降圧コンバータを駆動するために所望の電圧範囲に収まるよう電圧レベルを増幅/減衰させるためのものである。
図２中の差動アンプ４は、オペアンプ１石と抵抗から構成されるものを例として示したが、この構成に限定したものではなく、計装アンプや複数のオペアンを用いて実現しても良い。

続いて、前記分圧抵抗２（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３）の決定条件について説明する。
車載用の降圧コンバータ１の出力電圧Ｖ_ｏｕｔと前記車載用降圧コンバータと負荷間の一巡抵抗Ｒ_ＦＧ１１を図３に概念的に表現する。図中では、一巡抵抗Ｒ_ＦＧ１１を基準電位側に配置しているが、出力端子側にも本来寄生抵抗が存在する。ただし、各定数を決める上では基準電位側に配置して検討した方が、次述する条件では厳しい条件となる。

前記一巡抵抗Ｒ_ＦＧ１１での出力電流による電圧降下Ｖ_Ｎの電位差をＲ１、Ｒ２、Ｒ３の分圧抵抗２でバランスさせる際、制御系ＧＮＤ基準で上下いずれのバッファ入力端電圧Ｖ_１１２、Ｖ_２１３が制御系ＧＮＤ基準に対して０Ｖ以上である必要があり、回路動作が成立するためには下記の条件式が成立する必要がある。

この式（１）より次の式(３)を導くことができる。

ここで、Ｖ_ｏｕｔは、車載用の降圧コンバータ１が出力可能な電圧下限値として、最小Ｖ_ｏｕｔ時となる値Ｖ_{ｏｕｔ＿ｍｉｎ}のときに、当該車載用降圧コンバータが最大出力電流を出力した際に生じる電圧降下（最大値）にて前記関係式を満足する分圧抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３を選定する。

また、Ｖ_Ｎに関しては、当該車載用降圧コンバータが最大出力電流Ｉ_ｏｕｔを出力した際に生じる電圧降下（最大値）にて前記関係式を満足する分圧抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３の定数を選定する。負荷間の一巡抵抗（フレーム抵抗）Ｒ_ＦＧとするとＶ_Ｎは、次式（４）で表すことができる。

車載用に適用される当該車載用降圧コンバータの最大出力電流値および製品の接地条件から一巡抵抗（フレーム抵抗）Ｒ_ＦＧは、０．１ｍΩから３０ｍΩの範囲を想定して分圧抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３を決定してやれば良い。
なお、前記Ｒ_ＦＧ抵抗値は物性値の抵抗率で決り、総じて前記車載用コンバータと負荷の配置相対距離に置き換えて差支えないから、３０ｃｍから３ｍの範囲で適応される。

また、分圧抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３および所望の出力電圧Ｖ_ｏｕｔ、出力電流による電圧降下分Ｖ_Ｎ、前記差動アンプ利得をＧとすると、電圧センサ回路の出力Ｖ０は、次のように表される。

負荷である鉛バッテリーに当該車載用降圧コンバータ出力端子が接続されている場合、当該コンバータの出力インピーダンスによって、リーク電流が生じる。これは当該構成の場合に、主回路側に設けられた整流ダイオード等の要因の他、前記分圧抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３の直列合成抵抗値で生じる。したがって、これらの合成抵抗値下限値は所望のリーク電流値以下に決める。
また、前記バッファ３での入力端子寄生容量（数１ｐＦから数１００ｐＦ）により当該分圧抵抗値を大きくし過ぎると帯域制限が生じる。よって、当該電圧センサとしての応答性を加味すると前記分圧抵抗らの合成抵抗値が、１０ｋΩから１００ｋΩの範囲が適当である。

前述の通り、車載用の降圧コンバータにおいて出力電圧を制御するため、前記コンバータの負荷端子に直接接続されたセンシング用ハーネスを用いる。あるいは、シングルエンドで車載用降圧コンバータの出力電圧を測定していたが、基準電位がずれてオフセット誤差が生じるという問題があったが、
この実施の形態１によれば、車載用の降圧コンバータにおいて、オフセット誤差対策として一般的に用いられる電圧センシングハーネスが不要となり、かつ、安価な方法で観測対象とする電圧のオフセット誤差軽減、高精度な電圧センシングを実現できるので、前記車載用降圧コンバータの制御性が向上できる。

また、前記車載用降圧コンバータにおける前記バッファ、差動アンプらの基準電位（制御系ＧＮＤ）が負荷の基準電位（例えば鉛バッテリーのマイナス端子）にハーネス接続されることで、制御系ＧＮＤハーネスと車載用降圧コンバータの基準電位が筐体内で電気的絶縁されて、一方、前記車載用降圧コンバータの筐体が前記車載用降圧コンバータの出力端子マイナス側と同電位であって、前記筐体と前記負荷のマイナス端子側とが前記ハーネスとは別の金属体（例えば、車のボディーアース）を介して接続されることで、前記車載用降圧コンバータの筐体内で回路構成上、前記車載用降圧コンバータの制御系と主回路系の基準電位を高インピーダンスでアイソレーションを確保できる。

これにより、当該車載用降圧コンバータの出力電流が筐体内の意図しない回路経路を流れることを防止できる。また、主回路動作に伴う制御回路誤動作を軽減、あるいは誤動作による製品の発火・発煙を防止することができる。
また、車載用降圧コンバータの負荷に対し、リターン電流専用にハーネスが不要であり、安価な方法で出力電圧の監視が可能となる。
かつ、当該車載用降圧コンバータから出力された大電流のリターン経路の寄生抵抗成分が低い車両シャーシＧＮＤを使用することで電圧降下を軽減できるので、前記車載用降圧コンバータが電圧降下分だけ大きな電圧を出力する必要がない。そのため、前記車載用降圧コンバータの正常な出力範囲と過電圧検知範囲のマージンを確保できる。

また、当該電圧センサ回路に求められる入出力応答性を実現ができ、かつ、当該電圧センサ回路の電圧監視範囲を適正な範囲で確保でき、当該車載用降圧コンバータのレギュレーション性能を向上できる。

この発明によれば当該回路定数を適切な範囲に設定できるので、当該電圧センサ回路の入出力応答性を損なうことなく、当該車載用降圧コンバータの出力電圧を監視でき、電力変換を実現できる。
また、前述のような車載用降圧コンバータが動作停止している際、負荷である鉛バッテリーからの漏洩電流を低減できる。

また、図４のように前記バッファ３の入力前段にダイオード、あるいはバリスタ等のＥＳＤ、サージ保護部品を配置しても構わない。この際の保護素子のアース電位は、バッファ素子と同じ電位である制御系ＧＮＤに接続する。

このように前記バッファ３の入力前段にダイオード、あるいはバリスタ等のＥＳＤ、サージ保護部品を配置することで、過大なサージ、あるいは静電気が当該電圧センサ回路の入力端に生じたとしても前記サージ保護部品によって、所定の電圧にクランプしてくれるので、当該電圧センサ回路を保護される。よって、当該電圧センサ回路部の耐サージ性を向上できる。

実施の形態２
図５は、この発明の実施の形態２を示す図である。
実施の形態１では、前記電圧センサ回路の構成をバッファ３および差動アンプ４としたが、これに替えて、この実施の形態２では、図５に示す通り、絶縁アンプを適用したものである。これにより、部品点数を削減できるので回路規模を小さくできる。

実施の形態３
図６は、この発明の実施の形態３を示す図である。
実施の形態１では、前記電圧センサ回路の構成をバッファ３および差動アンプ４としたが、これに替えて、この実施の形態３では、図６に示す通り、電圧センサ回路１６として、オペアンプから構成される計装アンプを適用したものである。これにより、部品点数を削減できるので回路規模を小さくできる。
この実施の形態３において、更に、図７のように、電圧センサ回路１７として、オペアンプを２個以上からなる計装アンプとしても同様の効果を発揮できる。これによっても、同様に部品点数を削減できるので回路規模を小さくできる。

なお、前記実施の形態１、実施の形態２および実施の形態３については、説明を簡単にするため、車載用コンバータを例に挙げて説明したが、車載用充電機、ＡＣ/ＤＣコンバータ、およびインバータなどの電力変換装置における電圧センサ回路に適用しても同様の効果を発揮できる。

また、この発明では説明を簡単にするため、例えば分圧抵抗２等を構成する抵抗等は最低員数から構成する定数にて説明しているが、分圧抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３として、各々所望の定数を実現するように、複数個の抵抗を直列あるいは並列に様々組合せて接続して実現しても良い。

なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組合せ、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１車載用降圧コンバータ、２分圧抵抗、３バッファ、４差動アンプ、
５出力端子、６基準ＧＮＤ、７制御部、８電力変換部、９制御系ＧＮＤ、
１０金属体、１１一巡抵抗Ｒ_ＦＧ、１２バッファ入力端電圧Ｖ_１、
１３バッファ入力端電圧Ｖ_２、１４保護部品、１５絶縁アンプ、
１６、１７電圧センサ

Claims

電力変換器と、前記電力変換器の出力端子と前記電力変換器の基準ＧＮＤの間に接続され、装置において、少なくとも３つ以上の奇数個の抵抗を直列接続した分圧抵抗、２つのバッファおよび差動アンプから構成される電圧センサ回路を備え、前記分圧抵抗の中央の抵抗の両端電圧を、それぞれ前記バッファを介して前記差動アンプに入力し、前記差動アンプの出力に基づいて前記電力変換器の電力変換制御が行われるようにしたことを特徴とする電力変換装置。
前記バッファおよび前記差動アンプの基準ＧＮＤが、負荷の基準電位に第１の部材で接続され、前記電力変換装置の筐体が、前記出力端子のマイナス側と同電位でありかつ前記負荷のマイナス端子側に第２の部材で接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記出力端子から前記負荷の間の電流経路の一巡抵抗が０．１ｍΩから３０ｍΩの範囲であることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
前記電力変換装置と前記負荷の相対距離が３０ｃｍから３ｍの範囲に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
前記分圧抵抗の抵抗定数が、前記電力変換器の出力電流の上限と検出すべき最小電圧値に基づいて決定されることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記分圧抵抗の合成抵抗値が、１０ｋΩから１００ｋΩの範囲であることを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。
前記バッファの入力前段にサージ保護のための保護用素子が設けられていることを特徴とする特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記電圧センサ回路のバッファおよび差動アンプに替えて、絶縁アンプを用いたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記電圧センサ回路のバッファおよび差動アンプに替えて、ゲイン抵抗およびオペアンプ２個以上から構成される計装アンプを用いたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。