JP7103308B2 - 絶縁性ｄｃ／ｄｃコンバータの動作監視装置 - Google Patents

Description

本発明は、絶縁性ＤＣ／ＤＣコンバータの動作の監視手段に関する。

図１に示すように、インバータ（例えば、ＥＶ，ＰＨＥＶの車載用インバータ）における主回路のスイッチング素子（ＩＧＢＴ等）の駆動に係る電源電圧生成に、絶縁性ＤＣ／ＤＣコンバータ（フライバック方式）が用いられる。

しかし、スイッチング動作に起因して、絶縁性ＤＣ／ＤＣコンバータより発せられる伝導ノイズがインバータを構成するスイッチング素子やゲート駆動回路の素子等を経由し、インバータのＰＮ端子間に伝達される。

具体例を図３，図４に基づいて説明する。Ｎアーム側のゲート駆動回路１６ｎに関しては、図３に示すように、絶縁トランス７の寄生容量を介して、絶縁性ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧基準端子に接続されたＮ端子へ伝導ノイズが伝達される。このＮ端子は主回路におけるスイッチング素子Ｓｎのソース端子にも接続されている。

Ｐアーム側のゲート駆動回路１６ｐに関しては、図４に示すように、前記の作用にて主回路におけるスイッチング素子Ｓｎのソース端子へ伝導ノイズが伝達され、主回路におけるスイッチング素子Ｓｎ，Ｓｐのドレイン－ソース間の浮遊容量によりＰ端子へ伝導ノイズが伝達される。

特に、インバータ停止状態（すべての主回路におけるスイッチング素子が非導通、ないしは、Ｎアーム側の主回路におけるスイッチング素子のみ導通状態）において、商用電源系統へ接続してバッテリの急速充電等を行う際、前記商用電源系統より変換されたのちの外部の充電端子のいずれかと、Ｐ／Ｎ端子の両方ないしはいずれか一方とが接続される場合がある。商用電源系統接続時は、他の商用電源に接続される機器への影響を抑制するため、商用電源接続機器における伝導ノイズに関する規格により、Ｐ／Ｎ端子に伝導される伝導ノイズのレベルを低減することが求められる。

対策としては、絶縁性ＤＣ／ＤＣコンバータにおけるスイッチング波形を滑らかにする、電源ラインにフィルタを設けるといったものが考えられるが、前者はスイッチング損失が増加し、後者は部品数増加による大型化等の問題がある。

インバータ停止中であれば、インバータのスイッチング素子における駆動回路の電源電圧は、前記のスイッチング素子をオフ状態にできる程度の電圧（Ｖｏｆｆ）であれば問題ない。前記の電源電圧の最低限度として規定される電圧値を、Ｖｏｆｆと同程度としても問題ない。そのため、前記の電源電圧は、インバータのスイッチング素子の駆動回路におけるゲートドライバの二次側電源の電圧低下検出信号が出力される閾値付近でも問題ない。

そこで、制御部へ供給する電圧の低下が許容されるある条件（具体的には、充電中等、インバータを停止状態としたままにする場合）において、スイッチング電源の動作を間欠的にさせる、すなわち、スイッチングの周波数より低い周波数にて起動と停止を繰り返し、スイッチング回数を減らすことにより、平均的なノイズ発生量を低減させる。前記の間欠動作に関しては、特許文献１に開示されている。

前記の間欠動作時において、設計通りの出力電圧となっているかの確認に関しては、間欠駆動状態にさせたのち、出力電圧を監視することにより実現される。出力電圧の監視方法としては、例えば、出力電圧監視手段により、出力電圧が閾値を超えているか否かを検出する方法が挙げられる。前記の出力電圧監視手段の一例として、例えば、シャントレギュレータ及びフォトカプラ等の絶縁を介した信号伝達手段（図５）があり、以下のように動作する。
・出力電圧が閾値を超えた場合…分圧抵抗１３ａ，１３ｂにより分圧され、シャントレギュレータ１４のＲ端子に印加される電圧が、シャントレギュレータ１４内部の参照電圧を超え、シャントレギュレータ１４はカソードＫ－アノードＡ間が導通となる。これにより、フォトカプラ１５のＬＥＤ１５ａへ電流が流れ、フォトカプラ１５のフォトトランジスタ１５ｂは導通となる。
・出力電圧が閾値を超えない場合…分圧抵抗１３ａ，１３ｂにより分圧され、シャントレギュレータ１４のＲ端子に印加される電圧がシャントレギュレータ１４内部の参照電圧を超えず、シャントレギュレータ１４はカソードＫ－アノードＡ間が非導通となる。フォトカプラ１５のＬＥＤ１５ａは電流が流れず、フォトカプラ１５のフォトトランジスタ１５ｂは非導通となる。

なお、前記の出力電圧監視手段は、例示したものに限定されない。例えば、出力電圧を電源として用いるゲートドライバＩＣ（図示省略）の二次側電源電圧低下検出機能を用いても良い。この場合、前記の電圧低下検出の閾値として、ノイズ発生量が低下する出力電圧を設定する。

その他、例示した手法のフォトカプラは、その他の公知の電気的絶縁を介した信号伝達手段、または、その他の絶縁を介する電圧検出手段として公知の手法を用いることとしても良い。

特開２００２－５１５４９号公報

前記の出力電圧監視手段により、設計通り間欠駆動を行っているか否かを確認することは可能だが、一方で間欠駆動における動作と停止の幅の比（以下、ＤＵＴＹと称する）が、設計通りの値（例：５０～６０％程度）であるか否かを確認することはできない。

ＤＵＴＹが設計値よりも高い場合、ある時間単位（例えば、間欠駆動の周期程度）における絶縁性ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチングの平均回数が、設計した値よりも多い回数となり、ノイズ発生量が設計や規格により定めた指針値を上回る可能性がある。

具体的には、以下の（１）～（４）の故障要因等がある場合、ＤＵＴＹが設計値より高くノイズ発生量が伝導ノイズの規格を満たさない可能性がある。以下の（１）～（４）を［故障要因リスト］とする。

（１）コネクタの接続が正常になされていないため、スイッチング制御手段２の入力部の電圧がプルアップされたままとなる。または、入力部のフィルタ回路４の時定数が、上位の制御部１の間欠動作の周期よりも長いものであるため、上位の制御部１からの指令が間欠動作を指示するものであっても入力部にかかる信号が閾値を跨がず、動作を指示した状態にて固定される。または、スイッチング制御手段２の入力部におけるその他の異常により停止を指示する信号を受け取ることができない、あるいは、スイッチング制御手段２の論理回路異常により、上位の制御部１の指示によらずスイッチング制御手段２が動作状態となる。

（２）出力電圧監視手段１１が不動作、または、故障する。

（３）出力電圧より先に接続された負荷において異常が発生する。具体的には、ゲート駆動回路を構成する素子の経年による劣化や、劣化に伴う漏れ電流の増加等である。または、スイッチング制御手段２の論理異常や（１）と異なるレベルの短絡により、上位の制御部１の指示によらず、スイッチング制御手段２が停止状態となる。

（４）出力電圧監視手段１１の劣化等による閾値に異常、または、設定に用いる回路定数素子（抵抗等）に異常が発生する。

以上に示した理由により、絶縁性ＤＣ／ＤＣコンバータの動作監視装置において、インバータ停止かつ系統接続状態における間欠駆動のＤＵＴＹの値を監視することが課題となる。

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、軽負荷時に間欠駆動させる車載用インバータにおけるゲート駆動回路電源用の絶縁性ＤＣ／ＤＣコンバータの動作監視装置であって、出力電圧が閾値を下回った場合に、電圧低下検出信号を出力する出力電圧監視手段と、前記間欠駆動における動作と停止の幅の比であるＤＵＴＹを変動させるＤＵＴＹ可変手段と、前記車載用インバータ停止、かつ、系統接続状態において、前記電圧低下検出信号が出力された時のＤＵＴＹが、予め設定された値の間の範囲内か否かを判定するＤＵＴＹ乖離確認手段と、を備えたことを特徴とする。

また、その一態様として、前記ＤＵＴＹ可変手段は、前記ＤＵＴＹを通常駆動時の初期値から一定期間ごとに低下させ、前記ＤＵＴＹ乖離確認手段は、前記ＤＵＴＹが所定値以下でも前記電圧低下検出信号が出力されていない場合、異常と判定することを特徴とする。

本発明によれば、絶縁性ＤＣ／ＤＣコンバータの動作監視装置において、インバータ停止かつ系統接続状態における間欠駆動のＤＵＴＹの値を監視することが可能となる。

絶縁性ＤＣ／ＤＣコンバータの回路構成概略図。 本実施形態におけるフローチャート。 ゲート駆動回路と絶縁性ＤＣ／ＤＣコンバータ出力電圧の接続例を示す図（Ｎアーム側）。 ゲート駆動回路と絶縁性ＤＣ／ＤＣコンバータ出力電圧の接続例を示す図（Ｐアーム側）。 出力電圧監視手段の一例を示す概略図。

以下、本願発明における絶縁性ＤＣ／ＤＣコンバータの動作監視装置の実施形態を図１，図２に基づいて詳述する。

［実施形態］
本実施形態は、絶縁性ＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、回路等のハードウェア構成は従来と同一であり、ソフトウェア面の構成にて、ノイズ発生量が設計や規格により定めた指針以下となっているかを間接的に確認するとともに、異常の箇所やその要因に関しての情報を得る。

まず、図１の回路構成概略図に基づいて、本実施形態における絶縁性ＤＣ／ＤＣコンバータの回路構成を説明する。

絶縁性ＤＣ／ＤＣコンバータは、スイッチング制御手段２と、フィルタ回路４と、スイッチング手段６と、絶縁トランス７と、出力側ダイオード９と、出力電圧安定化手段１０と、出力電圧監視手段１１と、信号入力部プルアップ抵抗１２と、を備える。

上位の制御部１は、マイコン等であり、ソフトウェアによる駆動状態の監視も行う。また、上位の制御部１は、ＤＵＴＹ可変手段と、ＤＵＴＹ乖離確認手段と、を備える。ＤＵＴＹ可変手段は、間欠駆動においてＤＵＴＹを変動させる。ＤＵＴＹ乖離確認手段は、設定されたＤＵＴＹ上限値・ＤＵＴＹ下限値と、現在の動作におけるＤＵＴＹ値を比較する。

図１に示すように、上位の制御部１からスイッチング制御手段２へ指令信号が出力される。この指令信号は図１に示すように、Ｌ：停止，Ｈ：動作が交互に繰り返される信号である。上位の制御部１とスイッチング制御手段２との間には接続部３とフィルタ回路４が接続される。フィルタ回路４は、例えば、抵抗とコンデンサで構成される。また、スイッチング制御手段２には、スイッチング制御手段駆動電源５から信号入力部プルアップ抵抗１２を介して電圧が出力される。

スイッチング制御手段２からスイッチング手段（例えば、ＭＯＳＦＥＴ等）６へスイッチング手段駆動信号が出力される。また、スイッチング制御手段２からスイッチング手段６へは駆動開始／停止制御信号も出力される。

スイッチング手段６には絶縁トランス７の一次巻線の一端が接続される。絶縁トランス７の一次巻線の他端にはスイッチング手段駆動電源８が接続され、スイッチング手段６や絶縁トランス７入力側に電流を供給するための電圧（電源電圧）が出力される。絶縁トランス７の二次巻線の一端には出力側ダイオード９が接続される。出力側ダイオード９と絶縁トランス７の二次巻線の他端との間には出力電圧安定化手段（例えば、セラミックコンデンサ等）１０が接続される。

また、出力電圧監視手段１１は、出力電圧を検出し、出力電圧が閾値よりも低下した場合、電圧低下検出信号を上位の制御部１に出力する。

本実施形態では、絶縁性ＤＣ／ＤＣコンバータの動作監視装置として、出力電圧監視手段１１と、ＤＵＴＹ可変手段と、ＤＵＴＹ乖離確認手段と、を備えるものとする。

上位の制御部１にて実行するソフトウェアのフローチャートを図２に示す。Ｓ１において、インバータ充電・系統接続状態を開始する。この時、インバータは停止状態とする。Ｓ２において、ＤＵＴＹを初期値にする。初期値は、例えば、１００％、または、ＤＵＴＹの上限値よりも少し（例えば、５～１０％程度）大きな値とする。

Ｓ３において、上位の制御部１におけるＤＵＴＹ可変手段により、ＤＵＴＹを１００％（通常駆動時）からある一定期間ごとに、変動させていく。例えば、ＤＵＴＹを１００％→９５％→９０％→…→１０％→５％→０％と変動させていく。変動に関しては段階的に行い、各段階において接続先のコンデンサ容量等を考慮した待機時間をもって、待機を行う。すると、回路が正常動作している場合は、間欠駆動が前記のＤＵＴＹの指示による割合において行われる。

Ｓ４において、電圧低下検出信号が出力されているか否かを判定する。あるＤＵＴＹ値（例：５０～６０％）を下回ると、出力電圧検出値が閾値以下となり、出力電圧監視手段１１により出力電圧検出値が閾値を超えていないことを示す信号（以下、電圧低下検出信号と称する）が出力される。電圧低下検出信号が出力されていない場合はＳ５へ移行し、電圧低下検出信号が出力されている場合はＳ８へ移行する。

Ｓ５において、ＤＵＴＹと所定値を比較し、ＤＵＴＹが所定値を超過している（大きい）か否かを判定する。本実施形態では、所定値を指示可能な最低値とする。ＤＵＴＹが所定値よりも大きい場合はＳ６においてＤＵＴＹを更新する。具体的には、ＤＵＴＹを一定幅低下させる。ＤＵＴＹを一定幅低下させた値が最低値未満の場合は、最低値に更新する。その後、Ｓ３へ戻る。ＤＵＴＹが所定値または所定値以下の場合は、Ｓ７へ移行して（１），（２）の異常と判断する。

電圧低下検出信号が出力されている場合は、Ｓ８において、電圧低下検出信号が出力された時のＤＵＴＹが予め設定された上限値以下か否かを判定する。ＤＵＴＹが上限値を超過している場合はＳ９へ移行して（３）の異常と判断する。ＤＵＴＹが上限値以下の場合はＳ１０へ移行する。

Ｓ１０では、電圧低下検出信号が出力された時のＤＵＴＹが、予め設定された下限値以上か否かを判定する。ＤＵＴＹが予め設定された下限値未満の場合はＳ１１へ移行して（４）の異常と判断する。ＤＵＴＹが下限値以上の場合はＳ１２へ移行し正常動作とする。

電圧低下検出信号が出力されると、Ｓ８，Ｓ１０において、電圧低下検出信号が出力された時のＤＵＴＹが、予め設定された値の範囲内、すなわち、予め設計したＤＵＴＹ（設計値）と乖離がないことを確認する。

例えば、通常時において、ＤＵＴＹが５０～６０％程度の時、電圧低下検出信号が出力される場合を考える。この場合、異常が発生していない通常時であれば、電圧低下検出信号が出力された時、その近傍の値（５０％や５５％）がＤＵＴＹとして指示されている状態である。ＤＵＴＹの設計値は、設計時において、電圧低下検出信号が出力されることを想定したＤＵＴＹ値であり、例えば、６０％である。すなわち、Ｓ８ではＤＵＴＹの上限値を６５％とし、Ｓ１０ではＤＵＴＹの下限値を４５％とし、電圧低下検出信号が出力される時のＤＵＴＹが４５％～６５％の範囲に収まるか否かを判定する。

乖離がある場合、前述した［故障要因リスト］に対応するように、以下の異常が現れる。

上位の制御部１で指示したＤＵＴＹが、指示可能な最低値（ＤＵＴＹ下限値よりも低い値、例えば０％）でも、電圧低下検出信号が出力しない場合はＳ７へ移行する。Ｓ７の場合は［故障要因リスト］の（１），（２）に示す異常の箇所やその要因であると推定される。

電圧低下検出信号が出力された時のＤＵＴＹが、ＤＵＴＹの設計値を大幅に上回り、ＤＵＴＹ上限値（例えば、６５％）より大きい場合はＳ９へ移行する。Ｓ９の場合は［故障要因リスト］の（３）に示す異常の箇所やその要因であると推定される。

電圧低下検出信号が出力された時のＤＵＴＹが、ＤＵＴＹの設計値を大幅に下回り、ＤＵＴＹ下限値（例えば４５％）未満の場合、Ｓ１１へ移行する。Ｓ１１の場合は、［故障要因リスト］の（４）に示す異常の箇所やその要因であると推定される。

すなわち、電圧低下検出信号が出力される時のＤＵＴＹとＤＵＴＹの設計値との間で乖離がないことを確認することで、回路定数の設計時の問題、各素子の初期不良、経年劣化等の異常の箇所やその要因を絞り込むことが可能である。また、電圧低下検出信号が出力された時のＤＵＴＹと、ＤＵＴＹの設計値との間で乖離が無い場合、ノイズ発生量は設計や規格により定めた指針値以下であることが、間接的に確認できる。

以上示したように、本実施形態における絶縁性ＤＣ／ＤＣコンバータの動作監視装置によれば、ハードウェアの変更を伴わず、ソフトウェア面の追加のみで、電源の間欠駆動に関する動作が設計通りのものであるか、回路に異常（設計時のミス、不良、劣化等）が生じていないか、に関して、確認することが可能となる。

また、間欠駆動に関する動作の設計とのずれ方の情報を利用することにより、異常の箇所やその要因の特定に関しての情報を得ることができる。

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

１…上位の制御部
２…スイッチング制御手段
６…スイッチング手段
７…絶縁トランス
９…出力側ダイオード
１０…出力電圧安定化手段（セラミックコンデンサ等）
１１…出力電圧監視手段
１６ｎ，１６ｐ…ゲート駆動回路
Ｓｎ，Ｐｎ…主回路のスイッチング素子

Claims (2)

1. 軽負荷時に間欠駆動させる車載用インバータにおけるゲート駆動回路電源用の絶縁性ＤＣ／ＤＣコンバータの動作監視装置であって、
   出力電圧が閾値を下回った場合に、電圧低下検出信号を出力する出力電圧監視手段と、
   前記間欠駆動における動作と停止の幅の比であるＤＵＴＹを変動させるＤＵＴＹ可変手段と、
   前記車載用インバータ停止、かつ、系統接続状態において、前記電圧低下検出信号が出力された時のＤＵＴＹが、予め設定された値の間の範囲内か否かを判定するＤＵＴＹ乖離確認手段と、
   を備えたことを特徴とする絶縁性ＤＣ／ＤＣコンバータの動作監視装置。
2. 前記ＤＵＴＹ可変手段は、前記ＤＵＴＹを通常駆動時の初期値から一定期間ごとに低下させ、
   前記ＤＵＴＹ乖離確認手段は、前記ＤＵＴＹが所定値以下でも前記電圧低下検出信号が出力されていない場合、異常と判定することを特徴とする請求項１記載の絶縁性ＤＣ／ＤＣコンバータの動作監視装置。

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