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

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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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