轉換器的輸出二極體短路檢測裝置的製作方法

2023-07-01 01:44:01

專利名稱：轉換器的輸出二極體短路檢測裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種將輸入直流電壓轉換為規定的輸出直流電壓的轉換器(電壓轉換器)所使用的技術。
背景技術：
作為電壓轉換器，對直流(DC)電壓進行升壓及/或降壓的DC-DC轉換器已被公知。DC-DC轉換器廣泛應用於個人計算機、AV設備、行動電話、電源系統等包括電氣電路的電氣設備。近年來，也具有在燃料電池汽車、電動汽車、混合動力汽車等車輛的電源系統中使用DC-DC轉換器的例子。專利文獻I :日本特開2007-318938號公報
發明內容
DC-DC轉換器例如可組合電晶體等轉換元件、線圈(電抗器)、電容器及二極體等而成。其中，例如在與電抗器串聯的輸出二極體中產生異常而發生短路時，電流可能會從電抗器向輸入側(直流電源側)逆流。這種逆流電流輸入到燃料電池等的直流電源時，會被以直流電流進行逆充電，可能引起破損、性能退化。因此，本發明的目的之一是，可檢測出輸出二極體的短路故障。並且，本發明的目的之一還在於，防止直流電源的逆充電，防止直流電源的破損、性能退化。此外，不限於上述目的，可實現作為下述用於實施發明的方式中所示的各構成所產生的作用效果的、現有技術無法獲得的作用效果，也可是本發明的其他目的之一。本發明的轉換器的輸出二極體短路檢測裝置的一個方式中，其用於電源系統，該電源系統具備能夠對來自直流電源的輸入直流電壓進行升壓並將升壓後的電壓經由輸出二極體輸出的第I及第2轉換器，上述第I及第2轉換器的輸出端之間並聯連接，其具有電壓監視部，監視上述第I及第2轉換器的輸入直流電壓；以及判斷控制部，在上述第2轉換器的升壓動作過程中對於上述第I轉換器由上述電壓監視部所監視到的輸入直流電壓上升為由上述第2轉換器進行升壓後的升壓後電壓時，判斷為上述第I轉換器的輸出二極體發生了短路。其中，上述判斷控制部在判斷為上述輸出二極體發生了短路時可停止上述第I轉換器、或上述第I及第2轉換器的升壓動作。並且，本發明的轉換器的輸出二極體短路檢測裝置的其他方式中，用於電源系統，該電源系統具備能夠對來自直流電源的輸入直流電壓進行升壓並將升壓後的電壓經由輸出二極體輸出的轉換器，其具有電壓監視部，監視上述輸出二極體的兩端電壓；以及判斷控制部，在上述轉換器的升壓動作過程中，當上述兩端電壓的差值變為零時，判斷為上述輸出二極體發生了短路。其中，上述判斷控制部在判斷為上述輸出二極體發生了短路時，可停止上述轉換器的升壓動作。
根據本發明，可檢測出輸出二極體的短路(故障)。並且，可防止直流電流的逆充電，防止直流電源的破損、性能退化。


圖I是表示一個實施方式涉及的電源系統及搭載了該電源系統的車輛I的構成例的示意圖。圖2是表示圖I示例的FC升壓轉換器及蓄電池升壓轉換器的一例的圖。圖3是說明在圖2示例的構成中產生輸出二極體的短路故障時的動作例的圖。圖4是表示圖2示例的構成的變形例的圖。圖5是表示圖2示例的構成的其他變形例的圖。·
具體實施例方式以下參照

本發明的實施方式。但以下說明的實施方式僅是示例，並不排除以下未明示的各種變形、技術的適用。即，本發明在不脫離其主旨的範圍可進行各種變形(組合各實施例等)並實施。並且，在以下附圖中，對相同或類似的部分附加相同或類似的標記來表示。附圖是示意性的，不一定與實際尺寸、比率等一致。附圖相互之間也包括彼此大小關係、比率不同的部分。圖I是表示一個實施方式涉及的電源系統10及搭載了該電源系統10的車輛I的構成例的示意圖。電源系統10例如是具有燃料電池(FC) 11的燃料電池系統，車輛I是作為以燃料電池系統10為驅動電力的供給源的電氣設備的一例的燃料電池汽車。但車輛I也可是電動汽車、混合動力汽車。車輛I具有對驅動輪2進行驅動的電機16、電子控制單元(ECU) 20、檢測加速踏板的開度的加速踏板傳感器21等。加速踏板傳感器21電連接到電子控制單元20，例如，由ECU20對應檢測出的加速踏板的開度來控制電機16 (驅動輪)2的旋轉速度。燃料電池系統10除了上述燃料電池(FC)Il之外，作為非限定性的一例，具有FC升壓轉換器12、蓄電池13、蓄電池升壓轉換器14、逆變器15等。FC升壓轉換器12是對輸入DC電壓進行升壓的第I轉換器的一例，蓄電池升壓轉換器14是對輸入DC電壓進行升壓的第2轉換器的一例。FC 11是利用電氣化學反應進行發電的裝置。FC 11可採用固體高分子型、磷酸型、熔融碳酸鹽型、固體氧化物型、鹼性電解質型等各種類型的燃料電池。FC 11發出的電力用於驅動車輛I的驅動輪2的電機16的驅動電力、蓄電池13的充電。蓄電池13是可充電放電的二次電池，可採用鋰離子、鎳氫、鎳鎘等各種類型的二次電池。蓄電池13可向車輛I、FC 11運行時使用的各種電氣設備提供電力。這裡所說的電氣設備例如包括車輛I的照明設備、空調設備、液壓泵、提供FCll的燃料氣體或改性原料的泵、調整改性器的溫度的加熱器等。如圖I所示，這些FC 11及蓄電池13與逆變器15電連接且並聯連接。在從FC 11到逆變器15的電氣路徑上，設有FC升壓轉換器12。FC升壓轉換器12是對輸入DC電壓進行升壓的DC-DC轉換器，在可轉換的範圍內將FC 11所產生的DC電壓轉換為規定的DC電壓(例如升壓)，可施加到逆變器15。通過該升壓動作，即使FC 11的輸出電力較低，也可確保驅動電機16所需的驅動電力。另一方面，在蓄電池13到逆變器15的電氣路徑中，蓄電池升壓轉換器14並聯到FC升壓轉換器12和逆變器15之間的電氣路徑。該轉換器14也是DC-DC轉換器，在可轉換的範圍內可將蓄電池13或逆變器15施加的DC電壓轉換為規定的DC電壓。轉換器14可採用能進行升壓及降壓的升降壓型的轉換器，例如控制(升高)來自蓄電池13的輸入DC電壓並輸出到逆變器15—側，並可控制(降低)來自FC 11或電機16的輸入DC電壓並輸出到蓄電池13。這樣一來,可進行蓄電池13的充電放電。並且，轉換器14通過控制輸出電壓，可控制逆變器15的端子電壓。該控制可控制與逆變器15並聯連接的各電源(FC 11及蓄電池13)的相對輸出電壓差，適當分開使用兩者的電力。
逆變器15從FC 11經由轉換器12、並從蓄電池13經由轉換器14，接受DC電壓的輸入，將該輸入DC電壓轉換為交流(AC)，將其作為電機16的驅動電壓提供。此時，ECU20控制逆變器15的動作(轉換)，以向電機16提供與要求動力對應的AC電壓。E⑶20除了上述控制外，還統一控制車輛I及燃料電池系統10的動作(運行)。E⑶20例如可作為微機實現，該微機具有作為運算處理裝置的一例的CPU、作為存儲裝置的一例的RAM、R0M等。E⑶20電連接到電機16、燃料電池系統10的各要素、各種傳感器組，適當實施各種傳感器值的接收、計算處理、指令(控制信號)的發送等。傳感器組除了加速踏板傳感器21外，例如還可包括檢測蓄電池13的充電狀態(SOC =State of Change)的SOC傳感器、檢測車速(電機16的轉速)的車速傳感器、對升壓轉換器12(14)設置的下述電壓傳感器、電流傳感器等。(升壓轉換器12及14)圖2表示升壓轉換器12及14的電氣電路圖的一例。如圖2所示，升壓轉換器12例如具有電抗器(線圈)L1 ;(輸出)二極體Dll ;電容Cll及C12 ;開關電路SW1，其具有轉換元件SI及(逆並聯)二極體D12。升壓轉換器14例如具有電抗器(線圈)L2;(輸出)二極體D21 ;電容C21及C22 ;開關電路SW2，其具有轉換元件S2及(逆並聯)二極體D22。此外，在圖2中，VLl表示FC升壓轉換器12的輸入電壓(升壓前電壓)，VHl ( ^ VLl)表示該轉換器12的輸出電壓(升壓後電壓)。並且，VL2表示蓄電池升壓轉換器14的輸入電壓(升壓前電壓)^!12(>￥1^)表示蓄電池升壓轉換器14的輸出電壓(升壓後電壓)。VLl和VL2可以是相同的電壓，也可是不同的電壓。VHl和VH2也同樣。升壓轉換器12(14)的轉換元件SI (S2)作為非限定性的一例，可採用絕緣柵雙極型電晶體(IGBT)。在升壓轉換器12(14)中，電抗器LI (L2)的一端串聯到作為直流電源的FC 11(蓄電池13)的高電位側，並且另一端串聯到輸出二極體D 11(D21)的正極。在電抗器L 1(L2)和FC 11 (蓄電池)13之間，連接輸入電容Cll (C21)的一端，該輸入電容C11(C21)的另一端連接到FC 11 (蓄電池13)的低電位側(例如接地)，FCll (蓄電池13)的輸出電壓VL I (VL2)作為輸入電壓施加到兩端。電容Cll (C21)作為輸入平滑電容而發揮作用，以使FC 11(蓄電池13)的輸出電流平滑化，降低波動。
在電抗器LI (L2)和輸出二極體Dll (D21)之間，連接轉換元件SI (S2)的集電器，轉換元件SI (S2)的放射器連接到FCll (蓄電池13)的低電位側。並且，在轉換元件SI (S2)的集電器上連接逆並聯二極體D12(D22)的負極，在轉換元件SI (S2)的發射器上連接該二極體D12(D22)的正極。輸出二極體D11(D21)的負極上連接輸出電容C12 (C22)的一端，該輸出電容C12(C22)的另一端連接到FCll (蓄電池13)的低電位側。輸出電容C12(C22)作為輸出平滑電容而發揮作用，以使從輸出二極體Dll (D21)經由逆變器15提供到電機16的輸出電流平滑化，降低波動。該輸出電容C12(C22)的兩端電壓VH1(VH2)相當於升壓後電壓。轉換元件SI (S2)的柵極電壓例如由E⑶20周期性地進行接通/斷開控制。轉換的周期(載波頻率)作為非限定性的一例，例如為IOOms(IOkHz)左右。在轉換元件SI (S2)接通的期間，FC 11 (蓄電池13)的輸出電流經由電抗器 LI (L2)及轉換元件SI (S2)回流到FC 11(蓄電池13)的低電位側，電能積蓄到電抗器LI (L2)中。另一方面，在轉換元件SI (S2)斷開的期間，之前積蓄到電抗器LI (L2)的電能與FCll (蓄電池13)的輸出電壓重疊，經由輸出二極體Dll (D21)輸出。因此，升壓轉換器12(14)可把來自FCll (蓄電池13)的輸入DC電壓VLl (VL2)升壓為輸出DC電壓VH1(VH2)，並經由輸出二極體D11(D21)輸出升壓後電壓VHl (VH2)。(輸出二極體D11(D21)的短路故障檢測)如上所述，在兩個升壓轉換器12及14並聯連接到逆變器15 (電機16)的雙轉換器系統中，如圖3所示，假設以下情況在一個升壓轉換器14驅動過程中(升壓動作過程中)，另一個升壓轉換器12的輸出二極體Dll因某種異常而短路，發生故障。此外，與另一個升壓轉換器12是處於驅動中還是非驅動中(待機中)無關。並且，為了方便，假設VLl=VL2 = VL、VHl = VH2 = VH。這種情況下，在升壓轉換器12中，因輸出二極體Dll的兩端短路，所以通過正常動作的升壓轉換器14而升壓後的電壓VH施加到輸入電容Cl I。因此，輸入電容Cl I的兩端電壓上升為VH，比FCll的輸出電壓VL高。其結果是，產生向FCll —側逆流的電流(逆向電流)。通過該逆向電流，FCll被逆充電，會產生FCll的破損、性能退化。此外，升壓轉換器14的輸出二極體D21發生短路故障時也一樣。因此，在本實施方式中，對作為升壓轉換器12及14的輸入電壓(VL)的電容Cl I及C21的兩端電壓，分別由電壓傳感器120檢測(監視)。電壓傳感器120是監視升壓轉換器12及14的輸入DC電壓的電壓監視部的一例。電壓傳感器120分別例如電連接到E⑶20，可將各電壓傳感器值提供給ECU20。E⑶20周期性地判斷任一電壓傳感器120的電壓傳感器值是否超過規定閾值(例如VL可採用的電壓的最大值)，如超過，則判斷為接收到該電壓傳感器值的電壓傳感器120所對應的升壓轉換器12或14中的輸出二極體Dll或D21發生了短路故障。上述閾值例如可存儲到ECU20內的存儲器中。換言之，E⑶20作為判斷控制部的一例而發揮作用，其在一個升壓轉換器14的升壓動作過程中，對於另一個升壓轉換器12由電壓傳感器120所監視到(檢測到)的輸入DC電壓(FC的輸出DC電壓)上升為由升壓轉換器14進行升壓後的升壓後電壓VH時，判斷為另一個升壓轉換器12的輸出二極體Dll發生了短路。
其中，如圖3所示，在產生了短路故障的升壓轉換器12中，在輸出二極體Dll短路的狀態下轉換元件SI接通時，使施加了由升壓轉換器14進行升壓後的升壓後電壓VH的電氣路徑發生短路。因此，超過額定電流的過電流可能流入到該轉換元件SI。因此，E⑶20在判斷為輸出二極體Dll發生了短路故障時，斷開控制產生短路故障的升壓轉換器12的轉換元件SI，停止該升壓轉換器12的驅動(升壓動作)。這樣一來，可防止過電流流入到轉換元件SI而產生破損等。此外，在產生短路故障的升壓轉換器12的轉換元件SI斷開的狀態下，該升壓轉換器12的輸入電壓VL對應未發生短路故障的升壓轉換器14的升壓動作而上升。因此，發生短路故障的升壓轉換器12原本處於非驅動中(待機中)時、及該升壓轉換器12正在驅動中、轉換元件SI的過電流保護功能發揮作用而轉變為斷開時，在任意一種情況下，ECU20均可只要另一個升壓轉換器14處於正常驅動中，則可根據通過電壓傳感器120獲得的電壓傳感器值，判斷、檢測輸出二極體Dll的異常短路。檢測出輸出二極體Dll的短路故障時，E⑶20也可附加地將正常驅動中的升壓轉 換器14的轉換元件S2也控制為斷開。這樣一來，作為電源系統10整體的升壓動作停止，因此可避免因部分輸出二極體Dll的短路故障而使電源系統10整體陷入到故障的情況(可實現故障故障保護系統)。此外，向FC 11或蓄電池13 —側逆流的電流有時是因電機16所產生的逆電動勢而產生的。因此，例如在電機16的轉速為一定值以上、有可能產生一定程度以上的逆電動勢的情況下，ECU20可實施對電機16的磁場削弱控制，以抑制因該逆電動勢而產生的再生電流。這樣一來，即使升壓轉換器12或14產生短路故障，也可保護電源系統10免受電機16的逆電動勢而產生的再生電流的幹擾。此外，和上述例相反，在升壓轉換器14的輸出二極體D21發生短路故障時，也可和上述一樣地通過E⑶20檢測出該短路故障。(變形例I)如圖4所示，在升壓轉換器12(14)中，在直流電源11 (13)和輸入電容Cll (C21)之間，或可替代以在輸入電容C11 (C21)的連接點和該電容C11 (C21)之間，作為檢測該處的電流量的電流檢測部的一例，可附加設置電流傳感器121。有時本來就設有電流傳感器121，以便在升壓動作時控制從直流電源11(13) —側流入到電抗器LI (L2)的平均電流量。電流傳感器121例如可採用磁比例式的傳感器。磁比例式電流傳感器通過測定應測定的電流在導體內流動時的磁場，間接地測定電流的大小。例如，將和電流對應的磁場通過霍爾傳感器轉換為電壓信號，通過放大電路放大該輸出電壓，將和電流對應的輸出電壓作為傳感器值輸出。該電流傳感器12例如電連接到ECU20，可將檢測出的電流值(電流傳感器值)提供給E⑶20。此時，E⑶20除了電壓傳感器120的電壓傳感器值外，還可將電流傳感器121的電流傳感器值用於輸出二極體Dll (D21)的短路異常判斷。例如，ECU20在電壓傳感器值及電流傳感器值都滿足規定的判斷條件時(例如超過各傳感器值分別對應的閾值時)，可判斷為對應的升壓轉換器12或14的輸出二極體Dll或D21發生了短路故障。因此，可提高短路故障判斷的可靠度。(變形例2)
上述輸出二極體Dll (或D21)的短路故障判斷也可通過監控輸出二極體Dll (或D21)的兩端電壓來實施。例如如圖5所示，在輸出二極體Dll的兩端設置比較儀122。比較儀122是監視輸出二極體Dll的兩端電壓的電壓監視部的一例，例如電連接到E⑶20，可將比較儀122的比較結果提供給E⑶20。此外，圖5中雖省略了圖示，但比較儀122也可設置到升壓轉換器14的輸出二極體D21。 E⑶20是判斷控制部的另一例，當比較儀122的比較結果、即輸出二極體Dll (或D21)的兩端電壓的差值變為O時，可判斷為輸出二極體D 11(或D21)發生了短路故障。該例中，如上述實施方式所示，即使多個電壓轉換器12及14未並聯連接，只要設置了比較儀122的升壓轉換器12或14在升壓動作過程中，則通過輸出二極體DlI (或D21)的兩端電壓的差值變為零，即可判斷為發生了短路故障。與之相對，和上述實施方式相同，當升壓轉換器12及14並聯連接時，如任意一個升壓轉換器12或14正在升壓動作過程中，則可進行短路故障判斷。此外，對各升壓轉換器12及14，也可附加設置上述電壓傳感器120及/或電流傳感器121。這種情況下，ECU20根據比較儀122的比較結果、及電壓傳感器值及/或電流傳感器值的組合，通過判斷、檢測輸出二極體Dll或D21的短路故障，可提高判斷、檢測的可靠性。(其他)上述實施方式可適用於共振型DC-DC轉換器等其他種類的轉換器。並且，上述實施方式不限於車載的DC-DC轉換器，也可適用於個人計算機、視聽(AV)設備、移動終端等電氣設備中搭載的DC-DC轉換器。附圖標記說明I 車輛2驅動輪10電源系統(燃料電池系統)11燃料電池(FC)12FC升壓轉換器13蓄電池14蓄電池升壓轉換器15逆變器16 電機20電子控制單元(EOT)(判斷控制部)21加速踏板傳感器120電壓傳感器(電壓監視部)121電流傳感器122比較儀(電壓監視部)Cll、C12、C21、C22 電容D11、D12、D21、D22 二極體L1、L2電抗器(線圈)SI、S2轉換元件
SW1SW2開關電路·
權利要求
1.一種轉換器的輸出ニ極管短路檢測裝置，其用於電源系統，該電源系統具備能夠對來自直流電源的輸入直流電壓進行升壓並將升壓後的電壓經由輸出ニ極管輸出的第I及第2轉換器，上述第I及第2轉換器的輸出端之間並聯連接，其中，上述轉換器的輸出ニ極管短路檢測裝置具備 電壓監視部，監視上述第I及第2轉換器的輸入直流電壓；以及 判斷控制部，在上述第2轉換器的升壓動作過程中對於上述第I轉換器由上述電壓監視部所監視到的輸入直流電壓上升為由上述第2轉換器進行升壓後的升壓後電壓時，判斷為上述第I轉換器的輸出ニ極管發生了短路。
2.根據權利要求I所述的轉換器的輸出ニ極管短路檢測裝置，其中，上述判斷控制部在判斷為上述輸出ニ極管發生了短路時停止上述第I轉換器、或上述第I及第2轉換器的升壓動作。
3.一種轉換器的輸出ニ極管短路檢測裝置，其用於電源系統，該電源系統具備能夠對來自直流電源的輸入直流電壓進行升壓並將升壓後的電壓經由輸出ニ極管輸出的轉換器，其中，上述轉換器的輸出ニ極管短路檢測裝置具備 電壓監視部，監視上述輸出ニ極管的兩端電壓；以及 判斷控制部，在上述轉換器的升壓動作過程中，當上述兩端電壓的差值變為零時，判斷為上述輸出ニ極管發生了短路。
4.根據權利要求3所述的轉換器的輸出ニ極管短路檢測裝置，其中，上述判斷控制部在判斷為上述輸出ニ極管發生了短路時停止上述轉換器的升壓動作。
全文摘要
一種轉換器的輸出二極體短路檢測裝置，其具備電壓監視部(120)，監視輸出端之間並聯連接的第1及第2轉換器(12、14)的輸入直流電壓；以及判斷控制部(20)，在第2轉換器(14)的升壓動作過程中對於第1轉換器(12)由電壓監視部(120)所監視到的輸入直流電壓上升為由第2轉換器(14)進行升壓後的升壓後電壓(VH)時，判斷為第1轉換器(12)的輸出二極體(D11)發生了短路。
文檔編號H02M3/155GK102804574SQ20098015994
公開日2012年11月28日 申請日期2009年6月18日 優先權日2009年6月18日
發明者南井俊彥, 長谷川貴彥 申請人:豐田自動車株式會社