JP6593705B2 - 電圧変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＤＣ−ＤＣコンバータなどの電圧変換装置に関し、特に、入力側のスイッチング素子の初期状態における故障を検出する技術に関する。

たとえば、入力側と出力側が絶縁された絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータでは、入力側に、直流電源の直流電圧をスイッチングして交流電圧に変換する第１変換回路が設けられ、出力側に、第１変換回路で変換された交流電圧を整流して直流電圧に変換する第２変換回路が設けられる。そして、第１変換回路と第２変換回路とは、トランスによって絶縁されている。

このような絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータには、昇圧チョッパ（ブーストコンバータ）とハーフブリッジ型のＤＣ−ＤＣコンバータとを複合化したブーストハーフブリッジ方式（以下「ＢＨＢ方式」と表記）と呼ばれるものがある。特許文献１〜９および非特許文献１〜４には、このようなＢＨＢ方式の絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータが記載されている。

ＢＨＢ方式の絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータにおいては、入力側の第１変換回路に、主スイッチング素子と、補助スイッチング素子と、インダクタと、トランスの一次巻線と、２つのコンデンサとが設けられる。直流電源に対してインダクタと主スイッチング素子は直列に接続され、トランスの一次巻線と一方のコンデンサとの直列回路が、主スイッチング素子に対して並列に接続される。また、他方のコンデンサと補助スイッチング素子との直列回路が、トランスの一次巻線に対して並列に接続される。

出力側の第２変換回路には、たとえば特許文献１の図１１に示されているような、２つの整流素子と、２つのコンデンサと、トランスの二次巻線とを備えた回路、あるいは、特許文献２の図１に示されているような、２つの整流素子と、１つのコンデンサと、１つのインダクタと、中間タップを有するトランスの二次巻線とを備えた回路が設けられる。

第１変換回路の主スイッチング素子と補助スイッチング素子は、所定のデューティで片方づつＯＮする。主スイッチング素子がＯＮの期間では補助スイッチング素子はＯＦＦとなり、補助スイッチング素子がＯＮの期間では主スイッチング素子はＯＦＦとなる。主スイッチング素子がＯＮすると、トランスの一次巻線に一方のコンデンサの電圧が印加されて、トランスの二次巻線に電力が伝達される。このときの一次巻線の電圧は、入力電圧に等しくなる。一方、補助スイッチング素子がＯＮすると、トランスの一次巻線に他方のコンデンサの電圧が印加されて、トランスの二次巻線に電力が伝達される。このときの一次巻線の電圧は、入力電圧とデューティに依存する。

ところで、電圧変換装置において、入力側（第１変換回路）のスイッチング素子が故障していると、スイッチング動作が正常に行われず、出力側（第２変換回路）から所望の電圧出力が得られない。そこで、スイッチング素子を駆動する前の初期状態において、スイッチング素子が故障しているか否かをチェックする初期診断が行われる。

スイッチング素子の故障には、短絡故障（ＯＮ故障）とオープン故障（ＯＦＦ故障）がある。短絡故障は、スイッチング素子へ印加する駆動電圧を停止しても、素子がＯＦＦせずＯＮしたままの状態（短絡状態）となる故障である。オープン故障は、スイッチング素子へ駆動電圧を印加しても、素子がＯＮせずにＯＦＦしたままの状態（遮断状態）となる故障である。

スイッチング素子がＯＮ・ＯＦＦ動作をしている状態下で、素子の故障を検出する方法としては、たとえば、スイッチング素子の両端電圧を測定し、当該電圧値と基準値との比較結果に基づいて、短絡故障やオープン故障を検出する方法が知られている。ところが、初期診断においては、スイッチング素子がＯＮ・ＯＦＦ動作をしていない状態下で故障検出を行うため、動作中のスイッチング素子の故障を検出する手法をそのまま用いることはできない。

もちろん、初期診断において、スイッチング素子を駆動してＯＮ・ＯＦＦさせることで、動作中の場合と同様の故障検出は可能である。しかし、そのようにすると、スイッチング素子に通電されるため、消費電力が増加する。また、初期診断のたびにスイッチング素子をＯＮ・ＯＦＦさせる結果、素子の寿命にも影響を与える。さらに、初期診断のプログラムが複雑となるという問題もある。

こうしたことから、初期診断を行うにあたって、スイッチング素子を駆動しなくても故障を簡単に検出できる技術が望まれる。

米国特許公開第２０１４／２６８９０８号公報 特開２００２−３１５３２４号公報 特開２００３−９２８７６号公報 特開２００３−９２８７７号公報 特開２００３−９２８８１号公報 特開２００７−１８９８３５号公報 特開２００７−２３６１５５号公報 特開２００７−２３６１５６号公報 特開２００８−７９４５４号公報 米国特許第８２８４５７６号公報 米国特許公開第２０１２／１５３７２９号公報 米国特許公開第２０１２／１６３０３５号公報 米国特許公開第２０１３／３４２４号公報 特開２０１３−１７９７６０号公報

Shuai Jiang, Dong Cao, Fang Z. Peng and Yuan Li "Grid-Connected Boost-Half-Bridge Photovoltaic Micro Inverter System Using Repetitive Current Control and Maximum Power Point Tracking", 5-9 Feb. 2012, 2012 Twenty-Seventh Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), pp. 590−597 Dong Cao, Shuai Jiang, Fang Z. Peng and Yuan Li "Low Cost Transformer Isolated Boost Half-bridge Micro-inverter for Single-phase Grid-connected Photovoltaic System", 5-9 Feb. 2012 , 2012 Twenty-Seventh Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), pp. 71−78 Hossein Tahmasebi, "Boost Integrated High Frequency Isolated Half-Bridge ＤＣ−ＤＣ Converter: Analysis, Design, Simulation and Experimental Results", 2015 A project Report Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of MASTER OF ENGINEERING, University of Victoria （https://dspace.library.uvic.ca/bitstream/handle/1828/6427/Tahmasebi_Hossein_MEng_2015.pdf） York Jr, John Benson, "An Isolated Micro-Converter for Next-Generation Photovoltaic Infrastructure" 2013-04-19 Dissertation submitted to the Faculty of the Virginia Polytechnic Institute and State University （https://vtechworks.lib.vt.edu/bitstream/handle/10919/19326/York_JB_D_2013.pdf） Changwoo Yoon, and Sewan Choi," Multi-Phase DC-DC converters using a Boost Half Bridge Cell for High Voltage and High Power Applications" IEEE Transactions on Power Electronics (Volume: 26, Issue: 2)

本発明の課題は、初期診断において、特に主スイッチング素子の短絡故障を簡単に検出することが可能な電圧変換装置を提供することにある。

本発明に係る電圧変換装置は、直流電源の直流電圧を交流電圧に変換する第１変換回路と、この第１変換回路で変換された交流電圧を直流電圧に変換する第２変換回路とを備えている。第１変換回路と第２変換回路とは、トランスによって絶縁されている。第１変換回路は、主スイッチング素子と、補助スイッチング素子と、第１開閉器と、第２開閉器と、入力インダクタと、抵抗と、トランスの一次巻線と、第１コンデンサと、第２コンデンサとを有している。直流電源に対して、第１開閉器と入力インダクタと主スイッチング素子とは直列に接続されている。また、直流電源に対して、第２開閉器と抵抗と第２コンデンサとは直列に接続されている。一次巻線と第２コンデンサとの直列回路が、主スイッチング素子に対して並列に接続されており、第１コンデンサと補助スイッチング素子との直列回路が、一次巻線に対して並列に接続されている。第２変換回路は、トランスの二次巻線と、二次巻線に発生した交流電圧を整流する整流素子とを有している。本発明では、第２コンデンサおよび抵抗の少なくとも一方の両端電圧を検出する電圧検出回路と、この電圧検出回路が検出した電圧に基づいて、主スイッチング素子の短絡故障の有無を判定する故障判定部とがさらに設けられる。電圧検出回路は、第１開閉器がＯＦＦで第２開閉器がＯＮの状態において、第２コンデンサおよび抵抗の少なくとも一方の両端電圧を検出する。故障判定部は、この両端電圧を所定値と比較し、その比較結果に基づいて、主スイッチング素子が短絡故障していると判定する。

初期診断を行うにあたって、第２開閉器をＯＮ状態にすると、主スイッチング素子の短絡故障の有無に応じて、第２コンデンサの両端電圧は異なる変化を示す。また、主スイッチング素子の短絡故障の有無に応じて、抵抗の両端電圧も異なる変化を示す。そこで、これらの両端電圧の少なくとも一方を検出することにより、初期状態で主スイッチング素子が短絡故障しているか否かを判定することができる。そして、本発明では、初期診断時にスイッチング素子をＯＮ・ＯＦＦさせなくても故障検出ができるので、素子への通電に伴う消費電力の増加や、素子の寿命への影響を抑制できるとともに、初期診断のプログラムも簡単となる。

本発明において、電圧検出回路が、第２コンデンサの両端電圧を検出する場合、故障判定部は、一定時間が経過した時点で、第２コンデンサの両端電圧が所定値未満である場合に、主スイッチング素子が短絡故障していると判定することができる。

この場合、上述した所定値未満の電圧値は、たとえばゼロボルトまたはその近傍の値である。

また、第２開閉器がＯＮしてから一定時間が経過した時点で、第２コンデンサの両端電圧が所定値以上である場合は、第１開閉器をＯＮするとともに第２開閉器をＯＦＦし、その後、主スイッチング素子および補助スイッチング素子を駆動することができる。

この場合、上述した所定値以上の電圧値は、たとえば直流電源の電圧値またはその近傍の値である。

また、本発明において、電圧検出回路が、抵抗の両端電圧を検出する場合、故障判定部は、一定時間が経過した時点で、抵抗の両端電圧が所定値以上である場合に、主スイッチング素子が短絡故障していると判定することができる。

この場合、上述した所定値以上の電圧値は、たとえば直流電源の電圧値またはその近傍の値である。

また、第２開閉器がＯＮしてから一定時間が経過した時点で、抵抗の両端電圧が所定値未満である場合は、第１開閉器をＯＮするとともに第２開閉器をＯＦＦし、その後、主スイッチング素子および補助スイッチング素子を駆動することができる。

この場合、上述した所定値未満の電圧値は、たとえばゼロボルトまたはその近傍の値である。

本発明において、第１変換回路は、主スイッチング素子および補助スイッチング素子の複数の組と、各組に対応して設けられた複数の入力インダクタと、各組に対応して設けられた複数のトランスの各一次巻線とを有していてもよい。

本発明によれば、初期診断において、特に主スイッチング素子の短絡故障を簡単に検出することが可能な電圧変換装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る電圧変換装置の回路図である。 第１実施形態の初期診断において、主スイッチング素子Ｑ２に短絡故障が発生していない場合（正常時）の電流経路を示す図である。 第１実施形態の初期診断において、主スイッチング素子Ｑ２に短絡故障が発生している場合（異常時）の電流経路を示す図である。 第１実施形態の通常動作時の回路状態を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る電圧変換装置の回路図である。 第２実施形態の初期診断において、主スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４に短絡故障が発生していない場合（正常時）の電流経路を示す図である。 第２実施形態の初期診断において、主スイッチング素子Ｑ２に短絡故障が発生している場合（異常時）の電流経路を示す図である。 第２実施形態の初期診断において、主スイッチング素子Ｑ４に短絡故障が発生している場合（異常時）の電流経路を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る電圧変換装置の回路図である。 本発明の第４実施形態に係る電圧変換装置の回路図である。 本発明の第５実施形態に係る電圧変換装置の回路図である。 第５実施形態の初期診断において、主スイッチング素子Ｑ２に短絡故障が発生していない場合（正常時）の電流経路を示す図である。 第５実施形態の初期診断において、主スイッチング素子Ｑ２に短絡故障が発生している場合（異常時）の電流経路を示す図である。

本発明に係る電圧変換装置の実施形態につき、図面を参照しながら説明する。各図において、同一の部分または対応する部分には、同一の符号を付してある。

最初に、図１を参照して、第１実施形態に係る電圧変換装置の構成を説明する。図１において、電圧変換装置１００は、前述のＢＨＢ（ブーストハーフブリッジ）方式の絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータであって、第１変換回路１１、第２変換回路１２、電圧検出回路１３、ゲートドライバ１４、および制御部１５を備えている。第１変換回路１１と第２変換回路１２は、トランスＴｒによって絶縁されている。この電圧変換装置１００は、たとえば車両に搭載され、バッテリ電圧を昇圧して車載機器などの負荷に供給するＤＣ−ＤＣコンバータとして利用される。

第１変換回路１１は、直流電源Ｂの直流電圧をスイッチングし、かつ昇圧して交流電圧に変換する回路であり、補助スイッチング素子Ｑ１と、主スイッチング素子Ｑ２と、リレーＲｙ１およびＲｙ２と、入力インダクタＬと、抵抗Ｒと、トランスＴｒの一次巻線Ｗ１と、コンデンサＣ１およびＣ２と、入力端子Ｔ１およびＴ２とを有している。

スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２は、それぞれＦＥＴ（電界効果トランジスタ）からなる。補助スイッチング素子Ｑ１は、ドレイン・ソース間に寄生ダイオードＤ１を有している。同様に、主スイッチング素子Ｑ２は、ドレイン・ソース間に寄生ダイオードＤ２を有している。主スイッチング素子Ｑ２のソースは、グランドＧに接地されている。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の各ゲートは、ゲートドライバ１４に接続されている。

補助スイッチング素子Ｑ１のソースは、主スイッチング素子Ｑ２のドレインに接続されており、この接続点と入力端子Ｔ１との間に、リレーＲｙ１と入力インダクタＬの直列回路が接続されている。入力端子Ｔ１は、直流電源Ｂの正極に接続されている。

補助スイッチング素子Ｑ１のドレインは、コンデンサＣ１の一端に接続されており、コンデンサＣ１の他端は、コンデンサＣ２の一端に接続されている。コンデンサＣ２の他端は、グランドＧに接地されている。コンデンサＣ１、Ｃ２の接続点と、入力端子Ｔ２との間に、リレーＲｙ２と抵抗Ｒの直列回路が接続されている。この直列回路は、コンデンサＣ２を充電するためのプリチャージ回路を構成している（プリチャージ回路については、たとえば特許文献１４を参照）。入力端子Ｔ２は、直流電源Ｂの正極に接続されている。直流電源Ｂの負極は、グランドＧに接地されている。

コンデンサＣ１、Ｃ２の接続点と、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の接続点との間には、トランスＴｒの一次巻線Ｗ１が接続されている。コンデンサＣ２の両端には、電圧検出回路１３が接続されている。

以上の結果、第１変換回路１１においては、直流電源Ｂに対して、リレーＲｙ１と入力インダクタＬと主スイッチング素子Ｑ２とが直列に接続され、直流電源Ｂに対して、リレーＲｙ２と抵抗ＲとコンデンサＣ２とが直列に接続され、一次巻線Ｗ１とコンデンサＣ２との直列回路が、主スイッチング素子Ｑ２に対して並列に接続され、コンデンサＣ１と補助スイッチング素子Ｑ１との直列回路が、一次巻線Ｗ１に対して並列に接続されている。

リレーＲｙ１は本発明における「第１開閉器」の一例であり、リレーＲｙ２は本発明における「第２開閉器」の一例である。コンデンサＣ１は本発明における「第１コンデンサ」に相当し、コンデンサＣ２は本発明における「第２コンデンサ」に相当する。

第２変換回路１２は、第１変換回路１１により昇圧された交流電圧を整流して、直流電圧に変換する回路であり、トランスＴｒの二次巻線Ｗ２と、この二次巻線Ｗ２に発生した交流電圧を整流するダイオードＤ３、Ｄ４と、整流された電圧を平滑化するコンデンサＣ３、Ｃ４と、平滑化された電圧を充電するコンデンサＣｏと、出力端子Ｔ３、Ｔ４とを有している。ダイオードＤ３、Ｄ４は、本発明における「整流素子」の一例である。

ダイオードＤ３のカソードは、コンデンサＣ３、Ｃｏのそれぞれの一端と共に、出力端子Ｔ３に接続されている。ダイオードＤ３のアノードは、ダイオードＤ４のカソードに接続されている。ダイオードＤ４のアノードは、コンデンサＣ３、Ｃｏのそれぞれの他端と共に、出力端子Ｔ４に接続されている。出力端子Ｔ４は、グランドＧに接地されている。トランスＴｒの二次巻線Ｗ２は、ダイオードＤ３およびＤ４の接続点と、コンデンサＣ３およびＣ４の接続点との間に接続されている。出力端子Ｔ３、Ｔ４には、負荷Ｒｏが接続されている。

電圧検出回路１３は、コンデンサＣ２の両端に接続されており、当該コンデンサＣ２の両端電圧Ｖｘを検出する。電圧検出回路１３で検出された電圧値は、制御部１５へ入力される。

ゲートドライバ１４は、制御部１５からの制御信号により動作し、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２をＯＮ・ＯＦＦさせるためのゲート信号Ｓ１、Ｓ２を生成する。これらのゲート信号Ｓ１、Ｓ２は、たとえば図４（ｂ）に示すような、所定のデューティを持ったＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号であり、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の各ゲートへ与えられる。

制御部１５は、ＣＰＵやメモリなどから構成されている。制御部１５には、電圧検出回路１３が検出した電圧（コンデンサＣ２の両端電圧Ｖｘ）に基づいて、主スイッチング素子Ｑ２の初期状態での短絡故障の有無を判定する、故障判定部１６が備わっている。制御部１５は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のＯＮ・ＯＦＦを制御するための制御信号をゲートドライバ１４に与え、リレーＲｙ１、Ｒｙ２のＯＮ・ＯＦＦを制御するための制御信号を各リレーに与える。さらに、制御部１５は、故障判定部１６においてスイッチング素子Ｑ２が短絡故障していると判定された場合に、故障信号を出力する。そのほか、制御部１５は、外部から入力される信号（外部信号）に基づいて、所定の制御動作を行う。

上述した電圧変換装置１００の通常の動作は、概略以下のとおりである。電圧変換装置１００は、リレーＲｙ１がＯＮとなり、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の各ゲートに、ゲートドライバ１４からゲート信号Ｓ１、Ｓ２が印加されることによって、動作を開始する。補助スイッチング素子Ｑ１がＯＦＦで、主スイッチング素子Ｑ２がＯＮのときは、直流電源Ｂにより入力インダクタＬにエネルギーが蓄積される。また、コンデンサＣ２の電圧がトランスＴｒの一次巻線Ｗ１に印加されて、二次巻線Ｗ２へ伝達され、負荷Ｒｏに電力が供給される。このときのコンデンサＣ２の電圧は、直流電源Ｂの電圧とほぼ等しくなる。

その後、主スイッチング素子Ｑ２がＯＦＦすると、昇圧動作が開始され、入力インダクタＬに蓄積されたエネルギーが、寄生ダイオードＤ１を介してコンデンサＣ１、Ｃ２を充電する。そして、続く補助スイッチング素子Ｑ１のＯＮによって、コンデンサＣ１の電圧がトランスＴｒの一次巻線Ｗ１に印加されて、昇圧された電圧が二次巻線Ｗ２へ伝達され、負荷Ｒｏに電力が供給される。

次に、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２が動作する前の初期状態において行われる初期診断について、図２〜図４を参照しながら説明する。なお、図２〜図４では、図１の電圧検出回路１３、ゲートドライバ１４、および制御部１５の図示を省略してある。

初期状態では、リレーＲｙ１、Ｒｙ２はいずれもＯＦＦであり、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２にゲート信号Ｓ１、Ｓ２は印加されていない。また、コンデンサＣ１、Ｃ２の電圧は、いずれもゼロボルトである。この状態から初期診断を行う場合、制御部１５は、リレーＲｙ２をＯＮさせるための制御信号を出力する。これにより、リレーＲｙ２がＯＮする。リレーＲｙ１はＯＦＦのままである。

図２（ａ）は、初期状態において、主スイッチング素子Ｑ２に短絡故障が発生していない場合（正常時）の電流経路を示している。この場合は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２はいずれもＯＦＦ状態にある。そして、リレーＲｙ２のＯＮによって、直流電源ＢからリレーＲｙ２および抵抗Ｒを介して、コンデンサＣ２に太線で示すように電流が流れ、この電流によってコンデンサＣ２が充電される。このため、コンデンサＣ２の両端電圧Ｖｘは、図２（ｂ）に示すように、時間とともに上昇する。このときの電圧Ｖｘの上昇速度は、抵抗Ｒの抵抗値とコンデンサＣ２の容量値とで決まる時定数に従う。

リレーＲｙ２がＯＮしてコンデンサＣ２の充電が開始されてから、一定時間ｔが経過すると、コンデンサＣ２の両端電圧Ｖｘは、直流電源Ｂの電圧Ｖｂまたはその近傍の値まで上昇する。つまり、電圧Ｖｘは電圧Ｖｂとほぼ等しくなる（Ｖｘ≒Ｖｂ）。また、このときの電圧Ｖｘは、あらかじめ設定された所定値（閾値）Ｖｒ以上となっている（Ｖｒ≦Ｖｘ）。

このように、初期状態で主スイッチング素子Ｑ２に短絡故障が発生していない場合は、リレーＲｙ２をＯＮすることによって、コンデンサＣ２が充電され、一定時間ｔが経過した時点でのコンデンサＣ２の両端電圧Ｖｘは、
Ｖｒ≦Ｖｘ（≒Ｖｂ） ・・・ （１）
となる。

故障判定部１６は、電圧検出回路１３の検出出力、すなわちコンデンサＣ２の両端電圧Ｖｘの値を取り込んで、一定時間経過時のＶｘの値が上記（１）の関係を満たしておれば、主スイッチング素子Ｑ２に短絡故障が発生していないと判定する。故障判定部１６がこのように判定した場合、制御部１５は、故障信号を出力することなく、以下に述べる通常動作を開始する。

図４（ａ）は、通常動作時の回路状態を示している。通常動作の開始にあたって、制御部１５は、リレーＲｙ１をＯＮに切り替えるとともに、リレーＲｙ２をＯＦＦに切り替える。その後、制御部１５は、ゲートドライバ１４を駆動する。これにより、ゲートドライバ１４からスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の各ゲートにゲート信号Ｓ１、Ｓ２が与えられて、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２が駆動され、通常動作へ移行する。

図４（ｂ）は、ゲート信号Ｓ１、Ｓ２の一例を示している。Ｔはゲート信号の周期を表しており、Ｄはデューティを表している。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２は、それぞれのゲート信号Ｓ１、Ｓ２がＨ（Highレベル）の区間でＯＮとなり、Ｌ（Lowレベル）の区間でＯＦＦとなる。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２は交互にＯＮし、一方がＯＮのときに他方はＯＦＦとなる。なお、実際には、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の両方が過渡的にＯＮ状態となって回路が短絡するのを防ぐため、ゲート信号にデッドタイム区間が設けられるが、図４（ｂ）ではこれを省略してある。

図３（ａ）は、初期状態において、主スイッチング素子Ｑ２に短絡故障が発生している場合（異常時）の電流経路を示している。この場合は、補助スイッチング素子Ｑ１はＯＦＦ状態にあり、主スイッチング素子Ｑ２は、ソース・ドレイン間が短絡状態となっている。そのため、リレーＲｙ２がＯＮすると、太線で示すように、直流電源ＢからリレーＲｙ２、抵抗Ｒ、トランスＴｒの一次巻線Ｗ１を通って、主スイッチング素子Ｑ２に電流が流れる。しかし、コンデンサＣ２には電流が流れないため、コンデンサＣ２は充電されない。

したがって、コンデンサＣ２の両端電圧Ｖｘは、図３（ｂ）に示すように、ゼロボルトまたはその近傍の値を維持し（Ｖｘ≒０）、リレーＲｙ２がＯＮしてから一定時間ｔが経過しても、直流電源Ｂの電圧Ｖｂまたはその近傍の値まで上昇しない。また、このときの電圧Ｖｘは、前記の所定値（閾値）Ｖｒ未満となっている（Ｖｘ＜Ｖｒ）。

このように、初期状態で主スイッチング素子Ｑ２に短絡故障が発生している場合は、リレーＲｙ２をＯＮしてもコンデンサＣ２が充電されず、一定時間ｔが経過した時点でのコンデンサＣ２の両端電圧Ｖｘは、
Ｖｘ（≒０）＜Ｖｒ＜Ｖｂ ・・・ （２）
となる。

故障判定部１６は、電圧検出回路１３の検出出力（電圧Ｖｘ）を取り込んで、一定時間経過時のＶｘの値が上記（２）の関係を満たしておれば、主スイッチング素子Ｑ２に短絡故障が発生していると判定する。故障判定部１６がこのように判定した場合、制御部１５は、故障信号を出力するとともに、図４の通常動作への移行を中止する。制御部１５から出力された故障信号は、たとえば図示しないＥＣＵ（電子制御ユニット）へ伝送される。ＥＣＵは、この故障信号に基づいて、警報を出力するなどの処理を行う。

なお、初期診断において、コンデンサＣ２の両端電圧Ｖｘに基づく故障検出は、主スイッチング素子Ｑ２の短絡故障についてのみ可能であり、補助スイッチング素子Ｑ１の短絡故障については、上述した方法で検出することはできない。しかしながら、初期診断時にリレーＲｙ１をＯＮして（リレーＲｙ２はＯＦＦ）、コンデンサＣ１、Ｃ２の直列回路の両端電圧を測定することで、補助スイッチング素子Ｑ１の初期状態の短絡故障を検出することができる。この方法は、本出願人が先に提案した特願２０１６−１６３３１３号で詳しく説明されている。

また、初期状態においては、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２をＯＮさせないので、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の一方または両方にＯＦＦ故障が発生していたとしても、これを検出することはできない。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のＯＦＦ故障の診断は、各スイッチング素子が動作を開始した後に、従来から採用されている方法に従って行われる。

上述した第１実施形態によると、初期診断において、リレーＲｙ２をＯＮしてコンデンサＣ２に充電を行い、リレーＲｙ２のＯＮから一定時間が経過した時点のコンデンサＣ２の両端電圧Ｖｘに基づいて、主スイッチング素子Ｑ２の短絡故障を検出している。このため、初期診断時にスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２に通電する必要がなく、消費電力の増加を抑制することができる。また、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のＯＮ・ＯＦＦによる寿命への影響も抑制できる。さらに、コンデンサＣ２の両端電圧Ｖｘを所定値Ｖｒと比較するだけの単純な手順により短絡故障を検出できるため、初期診断のプログラムが簡単となる。

また、上述した実施形態では、主スイッチング素子Ｑ２が短絡故障している場合に、プリチャージ用の抵抗Ｒが、初期診断時に流れる電流を制限する電流制限用の抵抗として機能する。詳しくは、図３（ａ）において、主スイッチング素子Ｑ２が短絡状態であることから、もし抵抗Ｒが存在しなければ、太線の経路で大電流（短絡電流）が流れるが、抵抗Ｒが設けられていることで、この大電流を抑制することができる。

図５は、第２実施形態に係る電圧変換装置２００を示している。第１実施形態（図１）の電圧変換装置１００は、主スイッチング素子Ｑ２と補助スイッチング素子Ｑ１の組が１つだけ設けられた、単相型の電圧変換装置であった。これに対し、第２実施形態の電圧変換装置２００は、主スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４と補助スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３の組が複数設けられた、多相（ここでは２相）型の電圧変換装置である。このような多相型の電圧変換装置は、たとえば特許文献１０〜１３、および非特許文献５に記載されている。

図５において、第１変換回路２１は、主スイッチング素子と補助スイッチング素子の複数の組（Ｑ２とＱ１、Ｑ４とＱ３）と、各組に対応して設けられた複数の入力インダクタＬ１、Ｌ２と、各組に対応して設けられた複数のトランスＴｒ１、Ｔｒ２の各一次巻線Ｗ１、Ｗ３とを有している。

また、第２変換回路２２は、一対のダイオードの複数の組（Ｄ５とＤ６、Ｄ７とＤ８）と、各組に対応して設けられた複数のトランスＴｒ１、Ｔｒ２の各二次巻線Ｗ２、Ｗ４とを有している。ダイオードＤ５〜Ｄ８は、本発明における「整流素子」の一例である。その他の構成については、図１と同じである。なお、第２実施形態においても、図１の電圧検出回路１３、ゲートドライバ１４、および制御部１５に相当するブロックが設けられるが、図５ではそれらの図示を省略してある（図６〜図１０においても同様）。

第２実施形態において、主スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４の短絡故障を検出するための初期診断の手順は、第１実施形態の場合と基本的に同じである。

図６は、初期状態において、主スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４のいずれにも短絡故障が発生していない場合（正常時）の電流経路を示している。この場合は、リレーＲｙ２のＯＮによって、直流電源ＢからリレーＲｙ２および抵抗Ｒを介して、コンデンサＣ２に太線で示すように電流が流れ、この電流によってコンデンサＣ２が充電される。このため、コンデンサＣ２の両端電圧Ｖｘは、図２（ｂ）の場合と同様に時間とともに上昇し、リレーＲｙ２のＯＮから一定時間が経過すると、コンデンサＣ２の両端電圧Ｖｘは、直流電源Ｂの電圧Ｖｂとほぼ等しくなる。したがって、この場合も前記（１）の関係が成立するので、故障判定部１６は、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４のいずれにも短絡故障が発生していないと判定する。その後は、リレーＲｙ１がＯＮ、リレーＲｙ２がＯＦＦに切り替わり、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４が駆動されて通常動作へ移行する。

図７は、初期状態において、主スイッチング素子Ｑ２に短絡故障が発生している場合（異常時）の電流経路を示している。この場合は、リレーＲｙ２のＯＮによって、太線で示すように、直流電源ＢからリレーＲｙ２、抵抗Ｒ、トランスＴｒ１の一次巻線Ｗ１を通って、主スイッチング素子Ｑ２に電流が流れる。しかし、コンデンサＣ２には電流が流れないため、コンデンサＣ２は充電されない。このため、コンデンサＣ２の両端電圧Ｖｘは、図３（ｂ）の場合と同様に、ほぼゼロボルトを維持する。

図８は、初期状態において、主スイッチング素子Ｑ４に短絡故障が発生している場合（異常時）の電流経路を示している。この場合は、リレーＲｙ２のＯＮによって、太線で示すように、直流電源ＢからリレーＲｙ２、抵抗Ｒ、トランスＴｒ２の一次巻線Ｗ３を通って、主スイッチング素子Ｑ４に電流が流れる。しかし、コンデンサＣ２には電流が流れないため、コンデンサＣ２は充電されない。このため、コンデンサＣ２の両端電圧Ｖｘは、図３（ｂ）の場合と同様に、ほぼゼロボルトを維持する。

図７および図８の場合は、リレーＲｙ２がＯＮしてから一定時間が経過しても、コンデンサＣ２の両端電圧Ｖｘは、ゼロボルト（またはその近傍の値）のままであり、直流電源Ｂの電圧Ｖｂ（またはその近傍の値）まで上昇しない。また、図示は省略するが、主スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４の双方に短絡故障が発生している場合も、同様に、コンデンサＣ２の両端電圧Ｖｘが上昇しない。

したがって、これらの場合には、前記（２）の関係が成立するので、故障判定部１６は、主スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４の少なくとも一方に初期状態で短絡故障が発生していると判定する。なお、一方の主スイッチング素子Ｑ２が短絡故障している場合と、他方の主スイッチング素子Ｑ４が短絡故障している場合と、双方の主スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４が短絡故障している場合とで、コンデンサＣ２の両端電圧Ｖｘ（≒０）に差はないので、短絡故障している主スイッチング素子を特定することはできない。

このように、故障判定部１６が、主スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４の少なくとも一方に短絡故障が発生していると判定した場合、制御部１５は、故障信号を出力するとともに、通常動作への移行を中止する。制御部１５から出力された故障信号は、たとえば図示しないＥＣＵ（電子制御ユニット）へ伝送される。ＥＣＵは、この故障信号に基づいて、警報を出力するなどの処理を行う。

以上述べた第２実施形態においても、第１実施形態の場合と同様の効果を得ることができる。

図９は、第３実施形態に係る電圧変換装置１００を示している。第３実施形態は、第１実施形態（図１）の変形例であって、第２変換回路１２’に出力インダクタＬｏが追加されている点が、第１実施形態と異なっている。

図１０は、第４実施形態に係る電圧変換装置２００を示している。第４実施形態は、第２実施形態（図５）の変形例であって、第２変換回路２２’に出力インダクタＬｏが追加されている点が、第２実施形態と異なっている。

これらの第３および第４実施形態においても、第１実施形態の場合と同様の効果を得ることができる。

図１１は、第５実施形態に係る電圧変換装置１００を示している。第５実施形態では、第１変換回路１１および第２変換回路１２の構成は第１実施形態（図１）と同じであり、電圧検出回路１３が抵抗Ｒの両端に接続されている点が、第１実施形態と異なっている。すなわち、第１実施形態では、電圧検出回路１３はコンデンサＣ２の両端電圧を検出するのに対し、第５実施形態では、電圧検出回路１３は抵抗Ｒの両端電圧を検出する。

図１２（ａ）は、初期状態において、主スイッチング素子Ｑ２に短絡故障が発生していない場合（正常時）の電流経路を示している。この電流経路は、図２（ａ）の電流経路と同じである。リレーＲｙ２のＯＮによって、直流電源ＢからリレーＲｙ２および抵抗Ｒを介してコンデンサＣ２に電流が流れ、コンデンサＣ２が充電される。このため、抵抗Ｒの両端電圧Ｖｙは、図１２（ｂ）に示すように、直流電源Ｂの電圧Ｖｂまたはその近傍の値から、時間とともに減少する。

リレーＲｙ２がＯＮしてコンデンサＣ２の充電が開始されてから、一定時間ｔが経過すると、抵抗Ｒの両端電圧Ｖｙは、ゼロボルトまたはその近傍の値まで減少する。つまり、電圧Ｖｙはほぼゼロとなる（Ｖｙ≒０）。また、このときの電圧Ｖｙは、あらかじめ設定された所定値（閾値）Ｖｒ未満となっている（Ｖｙ＜Ｖｒ）。

このように、初期状態で主スイッチング素子Ｑ２に短絡故障が発生していない場合は、リレーＲｙ２をＯＮすることによって、コンデンサＣ２が充電され、一定時間ｔが経過した時点での抵抗Ｒの両端電圧Ｖｙは、
Ｖｙ（≒０）＜Ｖｒ＜Ｖｂ ・・・ （３）
となる。

故障判定部１６は、電圧検出回路１３の検出出力、すなわち抵抗Ｒの両端電圧Ｖｙの値を取り込んで、一定時間経過時のＶｙの値が上記（３）の関係を満たしておれば、主スイッチング素子Ｑ２に短絡故障が発生していないと判定する。その後は、図４で説明した通常動作に移行する。

図１３（ａ）は、初期状態において、主スイッチング素子Ｑ２に短絡故障が発生している場合（異常時）の電流経路を示している。この電流経路は、図３（ａ）の電流経路と同じである。リレーＲｙ２がＯＮすると、直流電源ＢからリレーＲｙ２、抵抗Ｒ、トランスＴｒの一次巻線Ｗ１を通って、主スイッチング素子Ｑ２に電流が流れる。しかし、コンデンサＣ２には電流が流れないため、コンデンサＣ２は充電されない。

したがって、抵抗Ｒの両端電圧Ｖｙは、図１３（ｂ）に示すように、直流電源Ｂの電圧Ｖｂまたはその近傍の値を維持し（Ｖｙ≒Ｖｂ）、リレーＲｙ２がＯＮしてから一定時間ｔが経過しても、ゼロボルトまたはその近傍の値まで減少しない。また、このときの電圧Ｖｙは、前記の所定値（閾値）Ｖｒ以上となっている（Ｖｒ≦Ｖｙ）。

このように、初期状態で主スイッチング素子Ｑ２に短絡故障が発生している場合は、リレーＲｙ２をＯＮしてもコンデンサＣ２が充電されず、一定時間ｔが経過した時点での抵抗Ｒの両端電圧Ｖｙは、
０＜Ｖｒ＜Ｖｙ（≒Ｖｂ） ・・・ （４）
となる。

故障判定部１６は、電圧検出回路１３の検出出力（電圧Ｖｙ）を取り込んで、一定時間経過時のＶｙの値が上記（４）の関係を満たしておれば、主スイッチング素子Ｑ２に短絡故障が発生していると判定する。故障判定部１６がこのように判定した場合、制御部１５は、故障信号を出力するとともに、通常動作への移行を中止する。制御部１５から出力された故障信号は、たとえば図示しないＥＣＵ（電子制御ユニット）へ伝送される。ＥＣＵは、この故障信号に基づいて、警報を出力するなどの処理を行う。

以上述べた第５実施形態においても、第１実施形態の場合と同様の効果を得ることができる。

なお、第５実施形態において、図５のような多相型の構成を採用してもよい。また、第１〜第４実施形態と第５実施形態とを併用して、コンデンサＣ２の両端および抵抗Ｒの両端に、それぞれ電圧検出回路を設けてもよい。この場合、制御部１５は、各電圧検出回路の出力を取り込んで、前記（２）および（４）の少なくとも一方の関係が成立する場合に、主スイッチング素子Ｑ２が短絡故障していると判定する。

本発明では、以上述べた実施形態以外にも、以下のような種々の実施形態を採用することができる。

前記の各実施形態においては、電圧変換装置１００、２００がＤＣ−ＤＣコンバータであったが、本発明の電圧変換装置は、たとえば非特許文献１に記載されているような、ＤＣ−ＡＣコンバータであってもよい。この場合は、第２変換回路で得られた直流電圧をスイッチングして交流電圧に変換する、第３変換回路が設けられる。

前記の各実施形態においては、第２変換回路１２、１２’、２２、２２’の整流素子としてダイオードＤ３〜Ｄ８を用いたが、ダイオードの替わりにＦＥＴを用いてもよい。

前記の各実施形態においては、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４にＦＥＴを用いたが、ＦＥＴの替わりにトランジスタやＩＧＢＴなどを用いてもよい。

前記の各実施形態においては、第１変換回路１１、２１に設けられる第１開閉器および第２開閉器として、リレーＲｙ１、Ｒｙ２を例に挙げたが、リレーの替わりにスイッチ、ＦＥＴ、トランジスタなどを用いてもよい。

前記の各実施形態においては、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４をＰＷＭ信号により駆動したが、ＰＷＭ信号以外の信号によりスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を駆動してもよい。

前記の各実施形態においては、車両に搭載される電圧変換装置を例に挙げたが、本発明は、車両用以外の電圧変換装置にも適用することができる。

１１、２１ 第１変換回路
１２、１２’、２２、２２’ 第２変換回路
１３ 電圧検出回路
１４ ゲートドライバ
１５ 制御部
１６ 故障判定部
１００、２００ 電圧変換装置
Ｂ 直流電源
Ｃ１ コンデンサ（第１コンデンサ）
Ｃ２ コンデンサ（第２コンデンサ）
Ｄ３〜Ｄ８ ダイオード（整流素子）
Ｌ 入力インダクタ
Ｑ１、Ｑ３ 補助スイッチング素子
Ｑ２、Ｑ４ 主スイッチング素子
Ｒ 抵抗
Ｒｙ１ リレー（第１開閉器）
Ｒｙ２ リレー（第２開閉器）
Ｔｒ、Ｔｒ１、Ｔｒ２ トランス
Ｗ１、Ｗ３ 一次巻線
Ｗ２、Ｗ４ 二次巻線

Claims (10)

1. 直流電源の直流電圧を交流電圧に変換する第１変換回路と、
   前記第１変換回路で変換された交流電圧を直流電圧に変換する第２変換回路と、を備え、
   前記第１変換回路と前記第２変換回路とがトランスによって絶縁されている、電圧変換装置において、
   前記第１変換回路は、主スイッチング素子と、補助スイッチング素子と、第１開閉器と、第２開閉器と、入力インダクタと、抵抗と、前記トランスの一次巻線と、第１コンデンサと、第２コンデンサとを有し、
   前記直流電源に対して、前記第１開閉器と前記入力インダクタと前記主スイッチング素子とは直列に接続されており、
   前記直流電源に対して、前記第２開閉器と前記抵抗と前記第２コンデンサとは直列に接続されており、
   前記一次巻線と前記第２コンデンサとの直列回路が、前記主スイッチング素子に対して並列に接続されており、
   前記第１コンデンサと前記補助スイッチング素子との直列回路が、前記一次巻線に対して並列に接続されており、
   前記第２変換回路は、前記トランスの二次巻線と、前記二次巻線に発生した交流電圧を整流する整流素子とを有し、
   前記第２コンデンサおよび前記抵抗の少なくとも一方の両端電圧を検出する電圧検出回路と、
   前記電圧検出回路が検出した電圧に基づいて、前記主スイッチング素子の短絡故障の有無を判定する故障判定部と、がさらに設けられ、
   前記電圧検出回路は、前記第１開閉器がＯＦＦで前記第２開閉器がＯＮの状態において、前記両端電圧を検出し、
   前記故障判定部は、前記第２開閉器がＯＮしてから一定時間が経過した時点で、前記両端電圧を所定値と比較し、その比較結果に基づいて、前記主スイッチング素子が短絡故障していると判定する、ことを特徴とする電圧変換装置。
2. 請求項１に記載の電圧変換装置において、
   前記電圧検出回路は、前記第２コンデンサの両端電圧を検出し、
   前記故障判定部は、前記一定時間が経過した時点で、前記第２コンデンサの両端電圧が所定値未満である場合に、前記主スイッチング素子が短絡故障していると判定する、ことを特徴とする電圧変換装置。
3. 請求項２に記載の電圧変換装置において、
   前記所定値未満の電圧値が、ゼロボルトまたはその近傍の値である、ことを特徴とする電圧変換装置。
4. 請求項２または請求項３に記載の電圧変換装置において、
   前記一定時間が経過した時点で、前記第２コンデンサの両端電圧が前記所定値以上である場合は、前記第１開閉器がＯＮするとともに前記第２開閉器がＯＦＦし、その後、前記主スイッチング素子および前記補助スイッチング素子が駆動される、ことを特徴とする電圧変換装置。
5. 請求項４に記載の電圧変換装置において、
   前記所定値以上の電圧値が、前記直流電源の電圧値またはその近傍の値である、ことを特徴とする電圧変換装置。
6. 請求項１に記載の電圧変換装置において、
   前記電圧検出回路は、前記抵抗の両端電圧を検出し、
   前記故障判定部は、前記一定時間が経過した時点で、前記抵抗の両端電圧が所定値以上である場合に、前記主スイッチング素子が短絡故障していると判定する、ことを特徴とする電圧変換装置。
7. 請求項６に記載の電圧変換装置において、
   前記所定値以上の電圧値が、前記直流電源の電圧値またはその近傍の値である、ことを特徴とする電圧変換装置。
8. 請求項６または請求項７に記載の電圧変換装置において、
   前記一定時間が経過した時点で、前記抵抗の両端電圧が前記所定値未満である場合は、前記第１開閉器がＯＮするとともに前記第２開閉器がＯＦＦし、その後、前記主スイッチング素子および前記補助スイッチング素子が駆動される、ことを特徴とする電圧変換装置。
9. 請求項８に記載の電圧変換装置において、
   前記所定値未満の電圧値が、ゼロボルトまたはその近傍の値である、ことを特徴とする電圧変換装置。
10. 請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の電圧変換装置において、
    前記第１変換回路は、
    前記主スイッチング素子および前記補助スイッチング素子の複数の組と、
    各組に対応して設けられた複数の前記入力インダクタと、
    各組に対応して設けられた複数の前記トランスの各一次巻線と、を有している、ことを特徴とする電圧変換装置。

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