JP6698631B2 - 電力変換装置およびその制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、電力変換装置およびその制御方法に関するものである。
入力された電力の特性を変換して出力する電力変換装置として、たとえばＤＣＤＣコンバータがある。ＤＣＤＣコンバータの昇圧回路等に使われるスイッチング素子の構成材料を窒化物系半導体（たとえばＧａＮ系半導体）等のＷＢＧ（ワイドバンドギャップ）半導体に代えることで、スイッチング素子の小型化・低損失等の利点が得られることが知られている。また、ＧａＮ系半導体からなる半導体デバイスについては、ノーマリオフ型よりも、ノーマリオン型の方が、スイッチング性能が優れる。たとえば、ノーマリオン型は、ノーマリオフ型よりも少ないゲート容量であるとともにオン抵抗を低くすることができ、高速スイッチング動作を実現できるため、低コストで高性能の製品が比較的容易に作製できることが知られている。
しかしながら、電力変換装置のスイッチング素子としてノーマリオン型ＧａＮ系半導体デバイスを使用する場合、そのゲート駆動部が故障すると、スイッチング素子のドレイン−ソース間に大電流が流れ、故障の箇所や程度がさらに拡大するおそれがある。
このようにスイッチング素子に大電流が流れることを防止するために、電力変換装置の上流に保護装置を設ける構成が開示されている（たとえば特許文献１）。
特許第５５６７５０８号公報
しかしながら、特許文献１の保護装置では、ラッチ開閉型電磁リレーを開放側に駆動することにより保護機能を実現しているため、ラッチ開閉型電磁リレーを駆動するための制御信号を外部から入力する必要がある。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、自動的に大電流を遮断できる電力変換装置およびその制御方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る電力変換装置は、入力された電力の特性を変換して出力する電力変換装置であって、窒化物系半導体材料からなるノーマリオン型の第１スイッチング素子を有し、前記第１スイッチング素子がスイッチング動作することにより前記電力の特性の変換を行う電力変換部と、前記第１スイッチング素子のスイッチング動作を制御する動作制御部と、前記電力変換部の電力入力側に設けられ、前記電力変換部への電力の入力のオン／オフを行う第２スイッチング素子と、前記第２スイッチング素子に流れる電流を検知する電流検知部を有し前記第２スイッチング素子のオン／オフを制御するとともに前記電流検知部が検知した電流が閾値を超えた場合に該第２スイッチング素子をオフする保護制御部と、を備えるインテリジェントパワースイッチと、を備えることを特徴とする。
本発明の一態様に係る電力変換装置は、上記の発明において、前記閾値は前記第２スイッチング素子に電流が流れる時間に応じて変化することを特徴とする。
本発明の一態様に係る電力変換装置は、入力された電力の特性を変換して出力する電力変換装置であって、窒化物系半導体材料からなるノーマリオン型の第１スイッチング素子を有し、前記第１スイッチング素子がスイッチング動作することにより前記電力の特性の変換を行う電力変換部と、前記第１スイッチング素子のスイッチング動作を制御する動作制御部と、前記電力変換部の電力入力側に設けられ、前記電力変換部への電力の入力のオン／オフを行う第２スイッチング素子と、前記第２スイッチング素子に流れる電流を検知する電流検知部を有し前記第２スイッチング素子のオン／オフを制御するとともに、前記第２スイッチング素子に電流が流れた時間が、該流れた時間に応じて変化する電流閾値の時間依存性から求めた通電許容時間を超えた場合に、前記第２スイッチング素子をオフする保護制御部と、を備えるインテリジェントパワースイッチと、を備えることを特徴とする。
本発明の一態様に係る電力変換装置は、上記の発明において、前記電力変換部はＤＣＤＣコンバータであることを特徴とする。
本発明の一態様に係る電力変換装置の制御方法は、入力された電力の特性を変換して出力する電力変換装置の制御方法であって、前記電力変換装置は、窒化物系半導体材料からなるノーマリオン型の第１スイッチング素子を有し、前記第１スイッチング素子がスイッチング動作することにより前記電力の特性の変換を行う電力変換部と、前記第１スイッチング素子のスイッチング動作を制御する動作制御部と、前記電力変換部の電力入力側に設けられ、前記電力変換部への電力の入力のオン／オフを行う第２スイッチング素子と、前記第２スイッチング素子に流れる電流を検知する電流検知部を有し前記第２スイッチング素子のオン／オフを制御するとともに前記電流検知部が検知した電流が閾値を超えた場合に前記第２スイッチング素子をオフする保護制御部と、を備えるインテリジェントパワースイッチと、前記動作制御部と前記インテリジェントパワースイッチとに接続された保護特性調整部と、を備え、前記保護特性調整部は、前記動作制御部に異常が検出された場合、前記第２スイッチング素子に所定の調整用信号を出力することを特徴とする。
本発明の一態様に係る電力変換装置の制御方法は、上記の発明において、前記第２スイッチング素子は、オン状態で前記調整用信号が入力された場合、オン状態を維持するとともに、前記保護制御部が前記閾値に基づいて前記第２スイッチング素子をオフすることを特徴とする。
本発明によれば、インテリジェントパワースイッチが、検知した電流が閾値を超えた場合または第２スイッチング素子に電流が流れた時間が通電許容時間を超えた場合に、電流変換部への電力の供給を遮断するので、外部からの制御によらず自動的に大電流を遮断できる電力変換装置およびその制御方法を実現できるという効果を奏する。
図１は、実施の形態１に係る電力変換装置の構成図である。 図２は、インテリジェントパワースイッチの詳細な構成を示すブロック図である。 図３は、図１に示す電力変換装置に大電流が流れる場合を説明する図である。 図４は、実施の形態２に係る電力変換装置の構成図である。 図５は、図４に示す電力変換装置に大電流が流れる場合を説明する図である。 図６は、電界効果トランジスタの過電流保護特性および電力供給ラインの電線発煙特性の一例を示す図である。
以下に、図面を参照して本発明に係る電力変換装置およびその制御方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る電力変換装置の構成図である。本実施の形態１に係る電力変換装置１０は、電源であるバッテリＳから出力される電力の電圧を降圧して出力するＤＣＤＣコンバータとして機能するものである。
電力変換装置１０は、電力変換部であるＤＣＤＣコンバータ部１１と、動作制御部である制御部１２と、インテリジェントパワースイッチ１３とを備える。ＤＣＤＣコンバータ部１１は、第１スイッチング素子としての電界効果トランジスタ１１ａと、電界効果トランジスタ１１ａをＰＷＭ（Pulse-Width Modulation）駆動する駆動部１１ｂと、ダイオード１１ｃと、インダクタ１１ｄと、並列接続された２つのコンデンサからなるコンデンサ部１１ｅとを備え、降圧型のＤＣＤＣコンバータとして構成されている。なお、出力側には電気負荷が接続される。
電界効果トランジスタ１１ａは、窒化物系半導体材料からなるノーマリオン型の電界効果トランジスタである。電界効果トランジスタ１１ａは、バッテリＳ側にドレインが接続され、出力側にソースが接続されており、ゲートに駆動部１１ｂが接続されている。駆動部１１ｂは、電界効果トランジスタ１１ａのゲートに制御電圧を印加して電界効果トランジスタ１１ａのオン／オフを制御する。電界効果トランジスタ１１ａは、駆動部１１ｂがゲートに制御電圧を印加していない状態では出力部への電力の入力をオンし、駆動部１１ｂがゲートに逆バイアスの制御電圧を印加することにより出力部への電力の入力をオフする。
駆動部１１ｂは、制御部１２から入力された制御信号に応じて電界効果トランジスタ１１ａのゲートにＰＷＭ信号を印加して電界効果トランジスタ１１ａをスイッチングするＰＷＭ駆動を行う。インダクタ１１ｄは、電界効果トランジスタ１１ａのスイッチオン時には、バッテリＳから直流電流が流れることによってエネルギーを蓄積する。電界効果トランジスタ１１ａのスイッチオフ時には、インダクタ１１ｄは、蓄積されたエネルギーを放出する。これによりダイオード１１ｃを通して誘導電流が流れる。コンデンサ部１１ｅは、電圧を平滑化させるために設けられている。これにより、電力変換装置１０は、バッテリＳからの入力電圧Ｖinから降圧された出力電圧Ｖoutを有する直流電力を出力することができる。なお、電圧の降圧量はＰＷＭ信号のデューティー比の設定により調整できる。
制御部１２は、駆動部１１ｂの動作を制御することにより、電界効果トランジスタ１１ａのスイッチング動作を制御する。制御部１２はたとえばマイクロコンピュータにより構成されている。
インテリジェントパワースイッチ１３は、ＤＣＤＣコンバータ部１１の電力入力側、すなわち本実施の形態１ではバッテリＳとＤＣＤＣコンバータ部１１の電力入力側との間に設けられている。インテリジェントパワースイッチ１３は、第２スイッチング素子としての電界効果トランジスタ１３ａと、保護制御部１３ｂとを備えている。
電界効果トランジスタ１３ａは、ノーマリオフ型の電界効果トランジスタであり、たとえばｎチャネル形パワーＭＯＳＦＥＴである。電界効果トランジスタ１３ａは、ゲートに保護制御部１３ｂが接続されている。保護制御部１３ｂは、電界効果トランジスタ１３ａのゲートに制御電圧を印加して電界効果トランジスタ１３ａのオン／オフを制御する。電界効果トランジスタ１３ａは、保護制御部１３ｂがゲートに制御電圧を印加している状態ではＤＣＤＣコンバータ部１１への電力の入力をオンし、バッテリＳからＤＣＤＣコンバータ部１１を介して出力側に接続された電気負荷に負荷電流を流す。一方、保護制御部１３ｂがゲートへの制御電圧の印加を停止することによりＤＣＤＣコンバータ部１１への電力の入力をオフする。このように、電界効果トランジスタ１３ａがオン状態からオフ状態に切り換わると、負荷への電力供給が停止される。
さらに、保護制御部１３ｂは、電界効果トランジスタ１３ａのドレイン−ソース間に流れる電流を検知する電流検知部１３ｂａを有する。保護制御部１３ｂは、制御部１２との間で信号の送受信を行う。この信号には、電流検知部１３ｂａが検知した電流値の情報を含む信号が含まれる。なお、インテリジェントパワースイッチ１３としては、市販されている公知の構成のものを使用できる。ここで、インテリジェントパワースイッチ１３について以下に詳細に説明する。図２は、インテリジェントパワースイッチ１３の詳細な構成を示すブロック図である。
図２に示すように、インテリジェントパワースイッチ１３は、半導体スイッチとしての電界効果トランジスタ１３ａと、保護制御部１３ｂを構成する電流検知部１３ｂａ、異常検出部１３０、制御部１４０、およびスイッチ駆動部１５０と、を備える。電流検知部１３ｂａは、電界効果トランジスタ１３ａを経由して外部の負荷、すなわちＤＣＤＣコンバータ部１１に供給される負荷電流Ｉloadを検出する。異常検出部１３０は、電界効果トランジスタ１３ａにおける過電流や過熱を検出する。外部の制御部１２と接続された制御部１４０は、異常検出部１３０で異常が検出されると電界効果トランジスタ１３ａをオフに制御する。スイッチ駆動部１５０は、電界効果トランジスタ１３ａのオン／オフを制御する。スイッチ駆動部１５０には、電界効果トランジスタ１３ａをオンにするのに必要な電圧まで昇圧させるチャージポンプ１５１が接続されている。
電界効果トランジスタ１３ａのドレイン端子１３ａｄはバッテリＳに接続され、ソース端子１３ａｓは、ＤＣＤＣコンバータ部１１に接続されている。ゲート端子１３ａｇは、スイッチ駆動部１５０を介してチャージポンプ１５１に接続されている。制御部１４０によりスイッチ駆動部１５０がチャージポンプ１５１からゲート端子１３ａｇに所定の駆動電圧を出力する制御を行うと、電界効果トランジスタ１３ａがオンになってバッテリＳからＤＣＤＣコンバータ部１１に向かって負荷電流（Ｉload）が流れる。一方、チャージポンプ１５１からゲート端子１３ａｇに駆動電圧が入力されなくなると、電界効果トランジスタ１３ａがオン状態からオフ状態に切り換わり、ＤＣＤＣコンバータ部１１への電力供給が停止される。
電流検知部１３ｂａは、温度補償回路１２１、差動増幅器１２２、Ｐチャネル形ＭＯＳＦＥＴ１２３、およびＩ／Ｖ変換回路１２４を備える。温度補償回路１２１は、温度によって抵抗値（Ｒs1とする）が変化する感温抵抗器からなり、一端（入力側）がバッテリＳに接続され、他端（出力側）が差動増幅器１２２の反転入力端子に接続されている。差動増幅器１２２の非反転入力端子は、電界効果トランジスタ１３ａとＤＣＤＣコンバータ部１１とを接続する電線に接続されている。差動増幅器１２２の出力端子は、Ｐチャネル形ＭＯＳＦＥＴ１２３のゲート端子に接続されている。Ｐチャネル形ＭＯＳＦＥＴ１２３のドレイン端子およびソース端子はそれぞれ、温度補償回路１２１の出力側およびＩ／Ｖ変換回路１２４に接続されている。
電流検知部１３ｂａを上記のように構成することにより、電界効果トランジスタ１３ａのソース端子１３ａｓ側の電圧と温度補償回路１２１の出口側の電圧とが一致するように、Ｐチャネル形ＭＯＳＦＥＴ１２３を流れる電流Ｉｓ（センス電流Ｉｓ）が調整される。電界効果トランジスタ１３ａのドレイン端子１３ａｄおよび温度補償回路１２１の入力側は、ともにバッテリＳに接続されていることから、センス電流Ｉｓは、電界効果トランジスタ１３ａのドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓと温度補償回路１２１の端子間電圧とが等しいときの電流値となる。すなわち、センス電流Ｉｓは、電界効果トランジスタ１３ａに流れる負荷電流Ｉloadに比例する電流値を示し、その比例係数は電界効果トランジスタ１３ａの抵抗値Ｒdsと温度補償回路１２１の抵抗値Ｒs1とから導出できる。
上記のように、Ｐチャネル形ＭＯＳＦＥＴ１２３に流れるセンス電流Ｉｓは負荷電流Ｉloadに比例することから、センス電流Ｉｓを用いて負荷電流Ｉloadを検出できる。温度補償回路１２１の抵抗値Ｒs1が大きいほど、センス電流Ｉｓは小さくなる。センス電流Ｉｓは、Ｉ／Ｖ変換回路１２４で電圧に変換され、センス電圧Ｖｓとして異常検出部１３０に出力される。
異常検出部１３０は、比較器１３１を備え、電界効果トランジスタ１３ａにおける過電流や過熱を検出して保護する機能を有する。比較器１３１は２つの入力端子を有し、一方の入力端子に電流検知部１３ｂａからの出力であるセンス電圧Ｖｓが入力され、他方の入力端子に所定の遮断閾値Ｖrefが入力される。遮断閾値Ｖrefは、遮断閾値Ｖrefに相当する電流値が電界効果トランジスタ１３ａの過電流保護特性を満たすように設定される。
比較器１３１は、センス電圧Ｖｓと遮断閾値Ｖrefとを比較し、センス電圧Ｖｓが遮断閾値Ｖrefより大きくなると、異常検出信号を制御部１４０に出力する。これにより、後述するように、インテリジェントパワースイッチ１３内の電界効果トランジスタ１３ａが遮断される。
制御部１４０は、外部の制御部１２から入力される操作信号に従って、スイッチ駆動部１５０に対して所定の制御信号を出力する。すなわち、制御部１４０は、外部の制御部１２からＤＣＤＣコンバータ部１１の起動を要求する操作信号が入力されると、スイッチ駆動部１５０に対して電界効果トランジスタ１３ａをオンにさせる制御信号を出力する。また、制御部１２からＤＣＤＣコンバータ部１１への電力の供給を停止する操作信号が入力されると、スイッチ駆動部１５０に対して電界効果トランジスタ１３ａをオフにする制御信号を出力する。制御部１４０はまた、異常検出部１３０から異常検出信号を入力し、異常検出信号をスイッチ駆動部１５０に出力する。異常検出信号は、通常は異常不検出の信号が出力されており、異常検出部１３０で異常が検出されると、異常検出の信号に切り換えられる。
スイッチ駆動部１５０は、制御部１４０から電界効果トランジスタ１３ａをオフにさせる制御信号が入力されているときは、チャージポンプ１５１からの駆動電圧を電界効果トランジスタ１３ａのゲート端子１３ａｇに印加させない。これにより、電界効果トランジスタ１３ａはオフの状態となり、バッテリＳからＤＣＤＣコンバータ部１１への電力供給が停止される。また、制御部１４０から電界効果トランジスタ１３ａをオンにさせる制御信号を入力し、かつ異常検出信号が異常不検出のときは、チャージポンプ１５１から電界効果トランジスタ１３ａのゲート端子１３ａｇに所定の駆動電圧を印加させる。これにより、電界効果トランジスタ１３ａはオンの状態となり、バッテリＳからＤＣＤＣコンバータ部１１への電力供給が行われる。
電界効果トランジスタ１３ａがオンの状態にあるとき、制御部１４０から入力している異常検出信号が異常不検出から異常検出に切り替わると、制御部１４０から入力する制御信号が電界効果トランジスタ１３ａをオンにさせる信号であっても、電界効果トランジスタ１３ａがオフの状態に切り換えられる。これにより、バッテリＳからＤＣＤＣコンバータ部１１への電力供給が停止される。
以上のように、電流検知部１３ｂａが検知した電流が閾値を超えた場合に、保護制御部１３ｂは、電界効果トランジスタ１３ａをオフするようにゲートへの制御電圧の印加を停止する。ここで、閾値は、ＤＣＤＣコンバータ部１１に対して過電流と考えられる大きな値に設定される。これにより、バッテリＳからＤＣＤＣコンバータ部１１、特にＤＣＤＣコンバータ部１１の電界効果トランジスタ１１ａに流れる大電流を遮断することができる。このような電流の遮断は、インテリジェントパワースイッチ１３が外部からの制御によらず自動的に行うものである。これにより、電力変換装置１０の故障の拡大を防止することができる。
図３は、図１に示す電力変換装置１０に大電流が流れる場合を説明する図である。なお、図３においては、図の簡略化のため制御部１２等の図示を省略している。
駆動部１１ｂから電界効果トランジスタ１１ａのゲート部分にＰＷＭ信号が与えられるが、このゲート部分に故障が発生すると、図３（ａ）に示すように電流Ｉが流れる場合がある。ここで、図３（ｂ）に示すように、電界効果トランジスタ１１ａのゲート部分が正常に機能しているときは、インダクタ１１ｄの端子間の電圧ＶＬはＰＷＭ信号の特性に従って実線で示すように周期的に増減する。しかし、ゲート部分に故障が発生すると、電圧ＶＬは破線で示すように一定値となり、たとえばゲート部分が正常に機能しているときの電圧ＶＬの最大値に対応する大きな値となる。
また、図３（ｃ）に示すように、電界効果トランジスタ１１ａのゲート部分が正常に機能しているときは、インダクタ１１ｄに流れる電流ＩＬはＰＷＭ信号の特性に従って実線で示すように周期的に増減し、その平均値が出力電流の値である。しかし、ゲート部分に故障が発生すると、電流ＩＬは増加する。電流ＩＬは、ゲート部分の故障時には正常時の値の約５０倍以上、さらには１００倍以上となる場合がある。電流Ｉも電流ＩＬと同程度の値となる。
たとえば、電力変換装置１０が、出力電圧３ｋＷであり、入力電圧Ｖinが４８Ｖであり、出力電圧Ｖoutが１２Ｖである降圧型ＤＣＤＣコンバータである場合を検討する。この場合、正常時の出力電流は２５０Ａであるが、故障時には、故障時の電界効果トランジスタ１１ａの抵抗値を３ｍΩとすると、出力電流は（４８Ｖ−１２Ｖ）／３ｍΩ＝１２ｋＡとなり、正常時の約５０倍程度となる。
しかしながら、本実施の形態１に係る電力変換装置１０では、上述したようにインテリジェントパワースイッチ１３の電流検知部１３ｂａが検知した電流が閾値を超えた場合に、保護制御部１３ｂは、電界効果トランジスタ１３ａをオフするようにゲートへの制御電圧の印加を停止する。その結果、電力変換装置１０の上流側にて電流Ｉを遮断できる。これにより、電力変換装置１０の故障の拡大を防止することができる。
ここで、閾値は、バッテリＳからＤＣＤＣコンバータ部１１への通電時間（電界効果トランジスタ１３ａに電流が流れる時間）が長くなるに従って減少し、その後略一定値になるような特性を有するものとしてもよい。その理由は、電力変換装置１０がたとえば車両に搭載され、電気負荷が車載の電装品である場合、ＤＣＤＣコンバータ部１１は、たとえば、ランプやモーターの突入電流といった負荷電流特性に合わせて短時間であれば比較的大電流を流すことができるが、流すことができる電流値の上限は、通電時間が長くなるにつれて低下するからである。保護制御部１３ｂは、このような閾値の特性を記憶しており、電流検知部１３ｂａが検知した電流の通電時間に応じて閾値を更新するように構成することができる。
また、保護制御部１３ｂは、電流検知部１３ｂａが検知した電界効果トランジスタ１３ａの通電電流の大きさに応じて、閾値の時間依存特性から通電許容時間（以下では過電流検出確定時間という）を求め、これを過電流の通電時間に対する制限値に用いることができる。上記のように、閾値は、保護対象に応じて設定される許容の電流値であり通電時間に依存した値である。この場合には、保護制御部１３ｂは、通電時間が過電流検出確定時間を超えた場合に電界効果トランジスタ１３ａをオフするように制御することで、ＤＣＤＣコンバータ部１１（特に電界効果トランジスタ１１ａ）を適切に保護することができる。
（実施の形態２）
図４は、実施の形態２に係る電力変換装置の構成図である。本実施の形態２に係る電力変換装置２０は、電源であるバッテリＳから出力される電力の電圧を昇圧して出力するＤＣＤＣコンバータとして機能するものである。
電力変換装置２０は、電力変換部であるＤＣＤＣコンバータ部２１と、制御部１２と、インテリジェントパワースイッチ１３とを備えている。以下、制御部１２およびインテリジェントパワースイッチ１３については説明を省略し、ＤＣＤＣコンバータ部２１について説明する。
ＤＣＤＣコンバータ部２１は、電界効果トランジスタ１１ａと、電界効果トランジスタ１１ａをＰＷＭ駆動する駆動部１１ｂと、ダイオード１１ｃと、インダクタ１１ｄと、並列接続された２つのコンデンサからなるコンデンサ部１１ｅとを備え、昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータとして構成されている。
駆動部１１ｂは、制御部１２から入力された制御信号に応じて電界効果トランジスタ１１ａのゲートにＰＷＭ信号を印加して電界効果トランジスタ１１ａをスイッチングするＰＷＭ駆動を行う。インダクタ１１ｄは、電界効果トランジスタ１１ａのスイッチオン時には、バッテリＳから直流電流が流れることによってエネルギーを蓄積する。電界効果トランジスタ１１ａのスイッチオフ時には、インダクタ１１ｄは、蓄積されたエネルギーを放出する。その結果、バッテリＳからの入力電力にインダクタ１１ｄに蓄積されたエネルギーが加算される。これにより、電力変換装置２０は、バッテリＳからの入力電圧Ｖinから昇圧された出力電圧Ｖoutを有する直流電力を出力することができる。なお、電圧の昇圧量はＰＷＭ信号のデューティー比の設定により調整できる。
この電力変換装置２０においても、インテリジェントパワースイッチ１３において電流検知部１３ｂａが検知した電流が閾値を超えた場合に、保護制御部１３ｂは、電界効果トランジスタ１３ａをオフするようにゲートに制御電圧を印加する。ここで、閾値は、ＤＣＤＣコンバータ部２１に対して過電流と考えられる大きな値に設定される。これにより、バッテリＳからＤＣＤＣコンバータ部２１、特にＤＣＤＣコンバータ部２１の電界効果トランジスタ１１ａに流れる大電流を遮断することができる。このような電流の遮断は、インテリジェントパワースイッチ１３が外部からの制御によらず自動的に行うものである。これにより、電力変換装置２０の故障の拡大を防止することができる。
図５は、図４に示す電力変換装置２０に大電流が流れる場合を説明する図である。なお、図５においては、図の簡略化のため制御部１２等の図示を省略している。
駆動部１１ｂから電界効果トランジスタ１１ａのゲート部分にＰＷＭ信号が与えられるが、このゲート部分に故障が発生すると、図５に示すように電流Ｉが流れる場合がある。しかしながら、本実施の形態２に係る電力変換装置２０では、上述したようにインテリジェントパワースイッチ１３の電流検知部１３ｂａが検知した電流が閾値を超えた場合に、保護制御部１３ｂは、電界効果トランジスタ１３ａをオフするようにゲートに制御電圧を印加する。その結果、電力変換装置２０の上流側にて電流Ｉが遮断される。これにより、電力変換装置２０の故障の拡大を防止することができる。
なお、上記実施の形態では、電力変換部はＤＣＤＣコンバータであるが、本発明はこれに限らず、たとえばインバータ等の、入力された電力の特性の変換を行う電力変換部を備える電力変換装置に対して適応できる。
また、上記実施の形態では、インテリジェントパワースイッチ１３は外部からの制御によらず自動的に電流を遮断しているが、本発明はこれに限られない。たとえばインテリジェントパワースイッチ１３の電流検知部１３ｂａが検知した電流を外部の制御部に出力し、制御部に入力された電流が閾値を超えた場合に、制御部が保護制御部１３ｂに電界効果トランジスタ１３ａをオフさせる制御信号を出力するように構成してもよい。この構成によれば、インテリジェントパワースイッチ１３は外部からの制御によって自動的に電流を遮断する。
また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
たとえば、上記実施の形態の変形例１として、制御部１２が、電界効果トランジスタ１３ａおよびバッテリＳからＤＣＤＣコンバータ部を介して出力に到る電力供給ラインを監視・保護する監視・保護手段を有していてもよい。電界効果トランジスタ１３ａおよび電力供給ラインには、過電流に対する制限がそれぞれ設けられており、監視・保護手段はその両方を監視している。過電流に対する制限として、電界効果トランジスタ１３ａに対しては過電流保護特性が設定されている。また、電力供給ラインに対しては、電線が過熱して発煙するのを防止するための電線発煙特性が設定されている。制御部１２は、保護制御部１３ｂの電流検知部１３ｂａを介して、電界効果トランジスタ１３ａを通電する電流を高精度に検知することができるので、この検知した電流に基づいて過電流を高精度に監視することができる。
電界効果トランジスタ１３ａの過電流保護特性および電力供給ラインの電線発煙特性の一例を図６に示す。図６では、横軸が時間、縦軸が電流をそれぞれ表しており、過電流保護特性および電線発煙特性をそれぞれ符号Ｃ１、Ｃ２で表している。なお、監視・保護手段で監視される過電流保護特性および電線発煙特性は、それぞれ１つに限定されず、２つ以上あってもよい。
電界効果トランジスタ１３ａの過電流に対する制限である過電流保護特性Ｃ１は、短期間であれば比較的大電流を流すことができるが、長期間流すことができる電流値は、期間が長くなるにつれて低下することを示している。また、電力供給ラインの発煙を防止するための制限である電線発煙特性Ｃ２は、短期間であれば大電流を流すことができるが、時間Ｔ３以降、電流を流す期間が長くなると電流値を急激に低下させる必要があることを示している。図６に示す過電流に対する特性より、短期間のときは過電流保護特性Ｃ１が許容される電流の上限となり、長期間のときは電線発煙特性Ｃ２が上限になることが示されている。
制御部１２の監視・保護手段は、電界効果トランジスタ１３ａと電力供給ラインとの両方を監視・保護しており、それぞれの過電流保護特性Ｃ１および電線発煙特性Ｃ２を監視している。そして、監視・保護手段において、過電流保護特性Ｃ１あるいは電線発煙特性Ｃ２に基づく制限を超過する異常を検出すると、電界効果トランジスタ１３ａをオフにして電流を遮断することで、制限を超過した電界効果トランジスタ１３ａあるいは電力供給ラインを保護することが可能となっている。
さらに、制御部１２の異常が検出されたときは、制御部１２とインテリジェントパワースイッチ１３との両方に接続された保護特性調整部（不図示）から、電界効果トランジスタ１３ａに所定の調整用信号が出力される。電界効果トランジスタ１３ａは、保護特性調整部から調整用信号を入力すると、オン状態を維持するとともに保護制御部１３ｂで過電流保護特性Ｃ１と電線発煙特性Ｃ２の両方を監視・保護できるようにする。また、電界効果トランジスタ１３ａがオフ状態のときは、オフ状態を維持する。
また、本変形例１では、保護制御部１３ｂは、監視用設定値（閾値）として通常は電界効果トランジスタ１３ａの通電電流に対する過電流保護特性Ｃ１が設定されているが、保護特性調整部から調整用信号を入力したときは、これを過電流保護特性Ｃ１と電線発煙特性Ｃ２の両方を監視できるような設定値に変更する。
図６に示すように、所定の電流を流すと短期間のうちは過電流保護特性Ｃ１が過電流に対する制限値となるが、長期間になると電線発煙特性Ｃ２が制限値になってくる。そこで、過電流保護特性Ｃ１と電線発煙特性Ｃ２の両方を監視できる設定値として、たとえば図６に示すＣ３の設定値を保護制御部１３ｂで用いるようにしている。これにより、電界効果トランジスタ１３ａと電力供給ラインの両方を監視することができる。
したがって、本変形例１によれば、制御部１２に異常が発生しても、ＤＣＤＣコンバータ部への給電を制御する電界効果トランジスタ１３ａをオン状態のまま維持することができる。また、インテリジェントパワースイッチ１３による電界効果トランジスタ１３ａの自己保護手段である保護制御部１３ｂにより過電流が検出されると、インテリジェントパワースイッチ１３自身で電流をオフにして保護する構成であるため、システムの安全性向上を図ることができる。
たとえば、本発明の実施の形態またはその変形例１に係る電力変換装置に、以下のスリープ検知手段を備えて、変形例２に係る電力変換装置を構成してもよい。このスリープ検知手段は、車両のメインスイッチＯＦＦから所定時間経過後にバッテリＳから出力される電力量が低下された状態（スリープ状態）となるのを検知する手段である。スリープ検知手段がスリープ状態を検知すると、電力変換装置は、バッテリＳからの入力電圧Ｖinから降圧された出力電圧Ｖoutを、電気負荷が動作可能な最低作動電圧まで低下させて、当該負荷に給電する。これにより、たとえば、給電される電力の電圧が１２Ｖから６Ｖに減少するので、スリープ状態における電気負荷の消費電力量を低減することができるので、バッテリＳを長持ちさせることができる。また、スリープ状態を検知するスリープ検知手段に代えて、本発明の実施の形態またはその変形例１に係る電力変換装置に、バッテリＳの状態を検知するバッテリ状態検知手段を備えるようにしてもよい。バッテリ状態検知手段は、バッテリＳの充電率（ＳＯＣ）や劣化度（ＳＯＨ）を検知することができるものである。そして、バッテリ状態検知手段がＳＯＣやＳＯＨの低下を検知すると、電力変換装置は、バッテリＳからの入力電圧Ｖinから降圧された出力電圧Ｖoutを、電気負荷が動作可能な最低作動電圧まで低下させて、当該負荷に給電する。これにより、ＳＯＣやＳＯＨの低下検知以降の電気負荷の消費電力量を低減することができるので、バッテリＳを長持ちさせることができる。
特に、本発明の実施の形態およびその各変形例に係る電力変換装置は、ＤＣＤＣコンバータ部にノーマリオン型の第１スイッチング素子を用いている。上述したように、ノーマリオン型のスイッチング素子は、ノーマリオフ型のスイッチング素子よりも少ないゲート容量であるとともにオン抵抗を低くすることができる。そのため、本発明の実施の形態およびその各変形例に係る電力変換装置は、ＤＣＤＣコンバータ部の動作時のスイッチング損失が少なくなるで、消費電力量を低減できる。これにより、上記のスリープ状態時のＤＣＤＣコンバータ部の消費電力も低減できるので、バッテリＳをより一層長持ちさせることができる。
以上のように、本発明に係る電力変換装置およびその制御方法は、たとえば車両に搭載し、車両状態やバッテリ状態に応じてＤＣＤＣコンバータ部の電圧制御を行う用途、およびＡＣインバータに適用することができる。
１０、２０ 電力変換装置
１１、２１ ＤＣＤＣコンバータ部
１１ａ 電界効果トランジスタ
１１ｂ 駆動部
１１ｃ ダイオード
１１ｄ インダクタ
１１ｅ コンデンサ部
１２ 制御部
１３ インテリジェントパワースイッチ
１３ａ 電界効果トランジスタ
１３ｂ 保護制御部
１３ｂａ 電流検知部
Ｓ バッテリ

Claims (5)

  1. 入力された電力の特性を変換して出力する電力変換装置であって、
    窒化物系半導体材料からなるノーマリオン型の第１スイッチング素子を有し、前記第１スイッチング素子がスイッチング動作することにより前記電力の特性の変換を行う電力変換部と、
    前記第１スイッチング素子のスイッチング動作を制御する動作制御部と、
    前記電力変換部の電力入力側に設けられ、前記電力変換部への電力の入力のオン／オフを行う第２スイッチング素子と、
    前記第２スイッチング素子に流れる電流を検知する電流検知部を有し前記第２スイッチング素子のオン／オフを制御するとともに前記電流検知部が検知した電流が閾値を超えた場合に該第２スイッチング素子をオフする保護制御部と、を備えるインテリジェントパワースイッチと、
    を備え、前記閾値は前記第２スイッチング素子に電流が流れる時間に応じて変化することを特徴とする電力変換装置。
  2. 入力された電力の特性を変換して出力する電力変換装置であって、
    窒化物系半導体材料からなるノーマリオン型の第１スイッチング素子を有し、前記第１スイッチング素子がスイッチング動作することにより前記電力の特性の変換を行う電力変換部と、
    前記第１スイッチング素子のスイッチング動作を制御する動作制御部と、
    前記電力変換部の電力入力側に設けられ、前記電力変換部への電力の入力のオン／オフを行う第２スイッチング素子と、
    前記第２スイッチング素子に流れる電流を検知する電流検知部を有し前記第２スイッチング素子のオン／オフを制御するとともに、前記第２スイッチング素子に電流が流れた時間が、該流れた時間に応じて変化する電流閾値の時間依存性から求めた通電許容時間を超えた場合に、前記第２スイッチング素子をオフする保護制御部と、
    を備えるインテリジェントパワースイッチと、
    を備えることを特徴とする電力変換装置。
  3. 前記電力変換部はＤＣＤＣコンバータであることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
  4. 入力された電力の特性を変換して出力する電力変換装置の制御方法であって、
    前記電力変換装置は、
    窒化物系半導体材料からなるノーマリオン型の第１スイッチング素子を有し、前記第１スイッチング素子がスイッチング動作することにより前記電力の特性の変換を行う電力変換部と、
    前記第１スイッチング素子のスイッチング動作を制御する動作制御部と、
    前記電力変換部の電力入力側に設けられ、前記電力変換部への電力の入力のオン／オフを行う第２スイッチング素子と、前記第２スイッチング素子に流れる電流を検知する電流検知部を有し前記第２スイッチング素子のオン／オフを制御するとともに前記電流検知部が検知した電流が閾値を超えた場合に前記第２スイッチング素子をオフする保護制御部と、を備えるインテリジェントパワースイッチと、
    前記動作制御部と前記インテリジェントパワースイッチとに接続された保護特性調整部と、
    を備え、
    前記保護特性調整部は、前記動作制御部に異常が検出された場合、前記第２スイッチング素子に所定の調整用信号を出力する
    ことを特徴とする電力変換装置の制御方法。
  5. 前記第２スイッチング素子は、オン状態で前記調整用信号が入力された場合、オン状態を維持するとともに、前記保護制御部が前記閾値に基づいて前記第２スイッチング素子をオフすることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置の制御方法。
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