JP6831052B2 - 漏れ電流検出装置及び加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング素子の漏れ電流を検出する漏れ電流検出装置及び加熱装置に関する。

特許文献１には、電力が供給されると発熱するヒータと、ヒータに直列に接続され、オンとオフとが切り換えられることでヒータへの電力の供給と遮断とを切り換える第１のＩＧＢＴと、ヒータに直列に接続され、第１のＩＧＢＴとは異なる切換タイミングでオンとオフとが切り換えられることでヒータへの電力の供給と遮断とを切り換える第２のＩＧＢＴとを備える加熱装置が開示されている。

特開２０１７−０５０１６１号公報

従来技術に記載のように、ヒータのオンオフ制御に用いられるＩＧＢＴ等の半導体スイッチは、オフに制御されている状態でも微弱な電流（漏れ電流）が流れる特性を有していることが知られている。漏れ電流は半導体スイッチの定格で最大値が規定されているので、通常は最大値を考慮した回路設計を行ない、漏れ電流が影響しないように構成されている。

一方で、半導体スイッチの経年変化や故障等により漏れ電流が大きくなった場合は、意図しない電流がヒータに印加される可能性がある。従来技術では漏れ電流をコストを増加させることなく検出することや、漏れ電流の増大による影響は考慮されていなかった。

本発明は、スイッチング素子の漏れ電流を検出できる漏れ電流検出装置を提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、電力源に直列に接続され、オンとオフとが切り換えられることで電力を所定のデューティ比で出力するＰＷＭ制御を行なう複数のスイッチング素子の漏れ電流を検出する漏れ電流検出装置であって、複数のスイッチング素子それぞれの間の電圧を検出する電圧検出回路と、複数のスイッチング素子の少なくとも一つの漏れ電流が増大していることを検出する漏れ電流検出部と、漏れ電流検出部が漏れ電流の増大を検出した場合に、複数のスイッチング素子の動作を制限する制限部と、を備えることを特徴とする。

前述の態様によると、複数のスイッチング素子のそれぞれの間の電圧に基づいてスイッチング素子の漏れ電流を検出するので、簡易な構成により漏れ電流を検出でき、検出装置のコストを抑えることができる。さらに、漏れ電流を検出していないスイッチング素子の動作を制限することにより、漏れ電流による影響を防止することができる。

図１は、本発明の実施形態の加熱装置の構成図である。 図２は、本発明の実施形態の電圧検出回路の構成図である。 図３は、本発明の実施形態のコントローラの処理のフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態の漏れ電流検出装置について説明する。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る加熱装置１００について説明する。

図１は、本実施形態の加熱装置１００の全体構成を説明する構成図である。

加熱装置１００は、直流電源１から供給される電力によって駆動されるヒータ３０と、ヒータ３０と直列に接続される一対のスイッチング素子としてのＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）１０、２０と、を備える。

加熱装置１００は、ＥＶ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ：電動車両）やＨＥＶ（Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ：ハイブリッド車両）などの車両に搭載される車両用空調装置（図示省略）に適用される。車両用空調装置は、暖房運転を実行するために、冷媒をヒータ３０によって加熱する温水タンク３１を有する。

直流電源１は、ＥＶやＨＥＶに搭載される強電バッテリである。直流電源１の出力電圧は、３０［Ｖ］以上の強電であり、ここでは例えば３５０［Ｖ］である。直流電源１は、供給ライン５を通じてヒータ３０に電力を供給する。ヒータ３０の負極側はグラウンド９に接続される。

ヒータ３０は、鞘（シース）の内部に電熱線を備え、電力が供給されると発熱するシースヒータである。ヒータ３０は、温水タンク３１内に収装され、温水タンク３１を流通する冷媒を加熱する。

ＩＧＢＴ１０及びＩＧＢＴ２０は、上位のコントローラ３からの指令に応じてオンとオフとが切り換えられることで、直流電源１からヒータ３０への電力の供給と遮断とを切り換える。ＩＧＢＴ１０及びＩＧＢＴ２０は、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：パルス幅変調）制御によってオンとオフとが切り換えられる。

ＩＧＢＴ１０及びＩＧＢＴ２０は、互いに異なる周期でオンとオフとが周期的に切り換えられる。なお、ＩＧＢＴ１０又はＩＧＢＴ２０を周期的に切り換えずに、オンに切り換えられた後に、オンの状態を維持するようにしてもよい。

ＩＧＢＴ１０及びＩＧＢＴ２０は、ヒータ３０の下流側、すなわち、ヒータ３０の負極側とグラウンド９との間に、ＩＧＢＴ１０、ＩＧＢＴ２０の順でそれぞれ設けられる。ＩＧＢＴ１０とＩＧＢＴ２０とは直列に設けられるので、ＩＧＢＴ１０とＩＧＢＴ２０とが共にオンに切り換えられた場合にのみ直流電源１からヒータ３０に電力が供給される。ＩＧＢＴ１０とＩＧＢＴ２０との少なくとも一方がオフに切り換えられた場合は、ヒータ３０への電力の供給は遮断される。

ＩＧＢＴ１０には、コントローラ３からのＰＷＭ制御による指令に基づいて、制御ライン１２を通じてオンとオフとを切り換えるゲート信号を送信するドライバ回路１１が設けられる。ＩＧＢＴ２０には、制御ライン２２を通じてオンとオフとを切り換えるゲート信号を送信するドライバ回路２１が設けられる。

さらに、ＩＧＢＴ１０とＩＧＢＴ２０とには、これらＩＧＢＴ１０及びＩＧＢＴ２０の漏れ電流の大きさを検出する目的で、電圧検出回路１３が設けられる。

コントローラ３は、例えば車両用空調装置を制御するＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ：電子制御装置）である。コントローラ３は、車両用空調装置の制御を実行するＣＰＵ（中央演算処理装置）と、ＣＰＵの処理動作に必要な制御プログラムや設定値等が記憶されたＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）と、各種センサが検出した情報を一時的に記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）と、を備える。コントローラ３には、オンに切り換えられるとヒータ３０への通電が開始されるヒータスイッチ４が接続される。

また、コントローラ３は、電圧検出回路１３から出力される信号に基づいて、ＩＧＢＴ１０及びＩＧＢＴ２０の漏れ電流の増大を検出し、検出結果に基づいて、ＩＧＢＴ１０及びＩＧＢＴ２０の動作を制限する処理を実行する。

ヒータスイッチ４は、車両用空調装置がマニュアル式である場合には、運転者の操作に基づいてオンとオフとが切り換えられる。ヒータスイッチ４は、車両用空調装置がオート式である場合には、車両用空調装置の暖房要求に基づいてオンとオフとが切り換えられる。

次に、以上のように構成された加熱装置１００において、ＩＧＢＴ１０、２０の漏れ電流の検出について説明する。

ＩＧＢＴ１０及びＩＧＢＴ２０は、オフに制御されている状態でも微弱な電流（以降、「漏れ電流」と呼ぶ）が流れるという特性を有する。ＩＧＢＴ１０及びＩＧＢＴ２０の漏れ電流は、定格によりその最大値が規定されているため、漏れ電流が最大値となった場合にも回路に影響を及ぼさないように、すなわちヒータ３０に対して意図しない電流が印加されないように構成されている。

ここで、ＩＧＢＴ１０及びＩＧＢＴ２０は、その経年変化や故障等により漏れ電流が定格よりも大きくなる可能性がある。漏れ電流が定格よりも大きくなった場合は、ＩＧＢＴ１０又はＩＧＢＴ２０がオフに制御されているにもかかわらずヒータ３０に意図しない電流が印加される可能性がある。

これに対して、ＩＧＢＴ１０及びＩＧＢＴ２０の各々に、漏れ電流を検出するための電流計や検出装置等を備えることにより各々の漏れ電流の大きさを監視するように構成することもできるが、これら電流計や検出装置を新たに備えることにより漏れ電流の検出のためのコストが上昇するという問題がある。

本発明の実施形態では、このように、ヒータ３０に意図しない電流が印加される可能性があるという問題に対して、次のような構成によって、コストを上昇させることなく、ＩＧＢＴ２０、３０の漏れ電流を検出することができるように構成した。

図２は、本実施形態の電圧検出回路１３の構成図である。

電圧検出回路１３は、抵抗器Ｒ１、抵抗器Ｒ２及び出力端子１５０を備えて構成される。

抵抗器Ｒ１（第１の抵抗器）はＩＧＢＴ１０（第１のスイッチング素子）と並列に、抵抗器Ｒ２（第２の抵抗器）はＩＧＢＴ２０（第２のスイッチング素子）と並列に、それぞれ接続されている。抵抗器Ｒ１と抵抗器Ｒ２とは同一の抵抗値及び同一の特性を有する互いにコンプリメンタルな素子である。

抵抗器Ｒ１は、正極側端子１１０を介してＩＧＢＴ１０の正極側に接続され、中点端子１２０を介してＩＧＢＴ１０の負極側に接続される。抵抗器Ｒ２は、中点端子１２０を介してＩＧＢＴ２０の正極側に接続され、負極側端子１３０を介してＩＧＢＴ２０の負極側に接続される。

これら抵抗器Ｒ１及び抵抗器Ｒ２は、ＩＧＢＴ１０及びＩＧＢＴ２０に対する分圧抵抗として機能し、ＩＧＢＴ１０及びＩＧＢＴ２０各々に流れる電流値に応じた電圧の差を出力する。

出力端子１５０は、抵抗器Ｒ１と抵抗器Ｒ２との中点に接続され、出力端子１５０の出力が、出力電圧Ｖｉｎｔとしてコントローラ３に出力される。出力電圧Ｖｉｎｔは、ＩＧＢＴ１０及びＩＧＢＴ２０の各々に流れる電流値に応じた電圧の差が出力される。すなわち、ＩＧＢＴ１０及びＩＧＢＴ２０が共にオフに制御されている場合は、それぞれに流れる電流値は０であるため、出力電圧Ｖｉｎｔは電圧検出回路１３の正極側端子１１０と負極側端子１３０との間の電圧（電圧Ｖｉｎ）の１／２の電圧となる。

すなわち、Ｖｉｎｔ＝Ｖｉｎ／２という式が成立する。

コントローラ３は、次に説明するように、電圧検出回路１３の出力端子１５０からの出力電圧Ｖｉｎｔに基づいて、ＩＧＢＴ１０及びＩＧＢＴ２０の漏れ電流の増大を検出する。

次に、本実施形態の漏れ電流の検出について説明する。

コントローラ３は、ヒータ３０を加熱するためにヒータ３０に通電を行なうときは、ドライバ回路２１に対してＩＧＢＴ２０を常にオン状態とする指令を送り、ドライバ回路２１がＩＧＢＴ２０にゲート信号を送信してＩＧＢＴ２０を通電状態とする。その上で、コントローラ３は、ドライバ回路１１に対して、ＩＧＢＴ１０のオンオフを制御して、ヒータ３０に対して所望の電力を供給するようにＰＷＭ制御を実行する。

一方で、ヒータ３０の通電を遮断するときは、ドライバ回路１１に対してＩＧＢＴ１０をオフ状態とする指令を送ると共に、ドライバ回路２１に対してＩＧＢＴ２０をオフ状態にする信号を送る。

図３は、本実施形態のコントローラ３で実行される漏れ電流の検出のフローチャートである。

図３のステップＳ１０において、コントローラ３は、ＩＧＢＴ１０及びＩＧＢＴ２０が、共にオフ状態に制御されているかを判定する。ＩＧＢＴ１０及びＩＧＢＴ２０の少なくとも一方が通電状態であると判定した場合は、ステップＳ１０の処理を繰り返し、待機する。

ステップ１０において、ＩＧＢＴ１０及びＩＧＢＴ２０が、共にオフ状態に制御されていると判定した場合は、コントローラ３は、ステップＳ２０において、電圧検出回路１３の出力端子１５０からの出力電圧Ｖｉｎｔを取得し、取得した出力電圧Ｖｉｎｔが、電圧検出回路１３の正極側端子１１０と負極側端子１３０との間の電圧Ｖｉｎの１／２の電圧と比較して、所定値以上高いか否かを判定する。

ステップＳ２０において、出力電圧Ｖｉｎｔが電圧Ｖｉｎの１／２の電圧と比較して所定値以上高くないと判定された場合は、コントローラ３は、ステップＳ５０において、取得した出力電圧Ｖｉｎｔが、電圧検出回路１３の正極側端子１１０と負極側端子１３０との間の電圧Ｖｉｎの１／２の電圧と比較して、所定値以上低いか否かを判定する。

ここで、コントローラ３におけるこれらステップＳ２０及びステップＳ５０の処理について説明する。

前述のように、ＩＧＢＴ１０及びＩＧＢＴ２０が共にオフ状態に制御されている場合は、出力電圧Ｖｉｎｔは、正極側端子１１０と負極側端子１３０との間の電圧Ｖｉｎの１／２となる。なお、電圧Ｖｉｎの値は、コントローラ３が、ヒータ３０の抵抗値と現在の直流電源１の電圧等により、予め算出しておく。

ここで、ＩＧＢＴ１０又はＩＧＢＴ２０のいずれか一方の漏れ電流が定格よりも大きくなった場合は、抵抗器Ｒ１又は抵抗器Ｒ２の端子間電圧のバランスが崩れ、Ｖｉｎｔ＝Ｖｉｎ／２という式が成立しなくなる。

例えば、ＩＧＢＴ１０の漏れ電流が定格よりも増大した場合は、ＩＧＢＴ１０側にも電流が流れることにより、抵抗器Ｒ１の端子間電圧が小さくなる。この場合は、抵抗器Ｒ１と抵抗器Ｒ２との中点に存在する出力端子１５０の出力電圧Ｖｉｎｔは、ＩＧＢＴ１０の漏れ電流が定格範囲内にある場合と比較して高くなる。すなわち、ステップＳ２０の判定が「Ｙ」となる。

これとは逆に、ＩＧＢＴ２０の漏れ電流が定格よりも増大した場合は、ＩＧＢＴ２０側にも電流が流れることにより、抵抗器Ｒ２の端子間電圧が小さくなる。この場合は、抵抗器Ｒ１と抵抗器Ｒ２との中点に存在する出力端子１５０の出力電圧Ｖｉｎｔは、ＩＧＢＴ２０の漏れ電流が定格範囲内にある場合と比較して低くなる。すなわち、ステップＳ５０の判定が「Ｙ」となる。

漏れ電流が定格よりも増大した場合は、その漏れ電流分が増大していない側の抵抗器に流れる。すなわち、出力電圧ＶｉｎｔがＶｉｎ／２に対して抵抗器の抵抗値と漏れ電流値を乗じた値を超えて乖離した場合に、漏れ電流の増大を検出するように所定値を予め決定する。

なお、定格の他に、電圧の測定誤差、抵抗器Ｒ１、抵抗器Ｒ２の抵抗値の精度誤差等を考慮して、漏れ電流が増大した場合に加熱装置１００の動作に影響を及ぼさない範囲の上限値に基づいて、所定値を決定してもよい。

図３のフローチャートに戻り、ステップＳ２０において、出力電圧Ｖｉｎｔが電圧Ｖｉｎの１／２の電圧と比較して所定値以上高いと判定された場合は、コントローラ３は、ステップＳ３０において、ＩＧＢＴ１０の漏れ電流が定格よりも増大していると判断する。

次に、ステップＳ４０において、コントローラ３は、ＩＢＴ１０の漏れ電流が増大したとの判断に基づき、漏れ電流に問題がないＩＧＢＴ２０をオフ状態に制御して通電を遮断する。これにより、ＩＧＢＴ１０の漏れ電流の増大が、ＩＧＢＴ２０によって遮断される。

一方、ステップＳ５０において、出力電圧Ｖｉｎｔが電圧Ｖｉｎの１／２の電圧と比較して所定値以上低いと判定された場合は、コントローラ３は、ステップＳ６０において、ＩＧＢＴ２０の漏れ電流が定格よりも増大したと判断する。

次に、ステップＳ７０において、コントローラ３は、ＩＢＴ２０の漏れ電流が増大したとの判断に基づき、漏れ電流に問題がないＩＧＢＴ１０オフ状態に制御して通電を遮断する。これにより、ＩＧＢＴ２０の漏れ電流の増大が、ＩＧＢＴ１０によって遮断される。

このように、電圧検出回路１３からの出力電圧Ｖｉｎｔに基づいて、コントローラ３がＩＧＢＴ１０及びＩＧＢＴ２０の少なくとも一方の漏れ電流が増大したか否かを判定することによって、漏れ電流検出装置が構成される。

また、ＩＧＢＴ１０及びＩＧＢＴ２０の少なくとも一方の漏れ電流が増大したことを検出を判定した場合に、コントローラ３が、漏れ電流を検出していないＩＧＢＴ１０又はＩＧＢＴ２０をオフ状態としてその動作を制限するように制御することによって、制限部が構成される。

なお、ステップＳ５０において、出力電圧Ｖｉｎｔが電圧Ｖｉｎの１／２の電圧と比較して所定値以上低くないと判定された場合は、コントローラ３は、ステップＳ８０において、ＩＧＢＴ１０及びＩＧＢＴ２０の漏れ電流には異常がないと判断する。この場合は、コントローラ３は、通常通りＩＧＢＴ１０及びＩＧＢＴ２０を制御する。すなわち、コントローラ３は、ＩＧＢＴ２０をオン状態とした上で、ドライバ回路１１に対して、ＩＧＢＴ１０のオンオフを制御して、ヒータ３０に対して所望の電力を供給するようにＰＷＭ制御を実行する。

なお、ステップＳ４０においてＩＧＢＴ２０をオフ状態とし、又は、ステップＳ７０においてＩＧＢＴ１０をオフ状態とした場合は、加熱装置１００において、ヒータ３０の加熱が行なうことができない状態である。この場合は、コントローラ３は、車両を運転する操作者に対して、加熱装置１００に異常がある旨の通知を行なうように制御してもよい。例えば、車両のインパネ等の表示装置に、加熱装置１００の故障が発生し暖房運転ができない旨、サービス工場への入庫を促す旨、の表示を行なうように構成してもよい。

以上のように、本発明の実施形態では、電力源としての直流電源１に直列に接続され、オンとオフとが切り換えられることで電力を所定のデューティ比で出力するＰＷＭ制御を行なう複数のスイッチング素子としてのＩＧＢＴ１０、ＩＧＢＴ２０の漏れ電流を検出する漏れ電流検出装置に適用される。ＩＧＢＴ１０、ＩＧＢＴ２０の間それぞれの電圧を検出する電圧検出回路１３と、ＩＧＢＴ１０、ＩＧＢＴ２０の少なくとも一つの漏れ電流が増大しているか否か判定する漏れ電流検出部としてのコントローラ３と、コントローラ３が漏れ電流の検出を判定した場合に、ＩＧＢＴ１０、ＩＧＢＴ２０の動作を制限する制限部としてのコントローラ３と、を備えるように構成した。

本発明の実施形態は、このような構成により、ＩＧＢＴ１０及びＩＧＢＴ２０の間の電圧に基づいてＩＧＢＴ１０及びＩＧＢＴ２０の漏れ電流を検出するので、簡易な構成により漏れ電流を検出でき、電圧検出回路１３及びコントローラ３を構成するコストを抑えることができる。さらに、漏れ電流を検出していないＩＧＢＴ１０又はＩＧＢＴ２０の動作を制限する（正常なＩＧＢＴ１０又はＩＧＢＴ２０をオフ状態にする）ことにより、漏れ電流による影響を防止することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

本発明の実施形態では、一対のスイッチング素子であるＩＧＢＴ１０及びＩＧＢＴ２０により、ヒータ３０をＰＷＭ制御を行なう構成を示したが、これに限られない。３つ以上のスイッチング素子を直列に接続して、各々のスイッチング素子に対して分圧抵抗を備え、各分圧抵抗間の中点の電圧と、複数のスイッチング素子の入力電圧スイッチング素子の個数で等分した電圧値とを比較するように構成してもよい。

このような構成においても、図３で説明したのと同様に、コントローラ３が、各々の中点の電圧が電圧値に対して所定値以上乖離してるかにより判定し、当該スイッチング素子の漏れ電流が増大していると判定するように構成してもよい。

そしてこのような構成においては、スイッチング素子の漏れ電流が増大していると判定された場合は、コントローラ３は、漏れ電流の増大が判定されていないスイッチング素子をオフ状態とすることで、漏れ電流による影響を防止することができる。

１ 直流電源
３ コントローラ
４ ヒータスイッチ
１０ ＩＧＢＴ（第１のスイッチング素子）
２０ ＩＧＢＴ（第２のスイッチング素子）
３０ ヒータ
１００ 加熱装置
１１０ 正極側端子
１２０ 中点端子
１３０ 負極側端子
１５０ 出力端子
Ｒ１ 抵抗器（第１の抵抗器）
Ｒ２ 抵抗器（第２の抵抗器）

Claims (5)

1. 電力源に直列に接続され、オンとオフとが切り換えられることで電力を所定のデューティ比で出力するＰＷＭ制御を行なう複数のスイッチング素子の漏れ電流を検出する漏れ電流検出装置であって、
   前記複数のスイッチング素子それぞれの間の電圧を検出する電圧検出回路と、
   前記複数のスイッチング素子の少なくとも一つの漏れ電流が増大していることを検出する漏れ電流検出部と、
   前記漏れ電流検出部が漏れ電流の増大を検出した場合に、前記複数のスイッチング素子の動作を制限する制限部と、
   を備えることを特徴とする漏れ電流検出装置。
2. 請求項１に記載の漏れ電流検出装置であって、
   前記漏れ電流検出部は、前記複数のスイッチング素子の入力電圧を、前記複数のスイッチング素子の個数で等分した電圧値から所定値以上乖離している場合に、漏れ電流の増大を検出することを特徴とする漏れ電流検出装置。
3. 請求項１又は２に記載の漏れ電流検出装置であって、
   前記制限部は、前記漏れ電流検出部が漏れ電流の増大を検出した場合に、漏れ電流の増大を検出していないスイッチング素子の通電を遮断することを特徴とする漏れ電流検出装置。
4. 請求項１から３のいずれか一つに記載の漏れ電流検出装置であって、
   前記複数のスイッチング素子は、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子とが直列に接続されて構成され、
   前記電圧検出回路は、前記第１のスイッチング素子に並列に接続される第１の抵抗器と、前記第２のスイッチング素子に並列に接続される第２の抵抗器とを備え、前記第１の抵抗器と前記第２の抵抗器との中点の電圧を検出することを特徴とする漏れ電流検出装置。
5. 電力源からの電力が供給されると発熱するヒータと、
   前記ヒータに直列に接続され、オンとオフとが切り換えられることで前記ヒータへの電力を所定のデューティ比で出力するＰＷＭ制御を行なう一対のスイッチング素子と、
   前記一対のスイッチング素子のオンとオフを制御する制御装置と、
   前記一対のスイッチング素子の漏れ電流の増大を検出する漏れ電流検出装置と、
   を備え、
   前記漏れ電流検出装置は、
   前記一対のスイッチング素子間の電圧を検出する電圧検出回路と、
   前記一対のスイッチング素子の少なくとも一つの漏れ電流の増大を検出する漏れ電流検出部と、
   前記漏れ電流検出部が漏れ電流の増大を検出した場合に、漏れ電流の増大を検出していないスイッチング素子の通電を遮断する制限部と、
   を備えることを特徴とする加熱装置。

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