CN107408884B - 电力转换装置及电力转换装置的控制方法 - Google Patents

电力转换装置及电力转换装置的控制方法 Download PDF

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Abstract

一种电力转换装置，其对所输入的电力进行特性转换后输出，且具有：电力转换部，其具有由氮化物系半导体材料构成的常开型的第1开关元件，并通过所述第1开关元件的开关动作来进行所述电力的特性转换；动作控制部，其控制所述第1开关元件的开关动作；以及智能电源开关，其具有：第2开关元件，其设置于所述电力转换部的电力输入侧，进行对所述电力转换部的电力输入的导通/截止；和保护控制部，其具有对流过所述第2开关元件的电流进行检测的电流检测部，控制所述第2开关元件的导通/截止，并且，在所述电流检测部检测出的电流超过阈值的情况下使该第2开关元件截止。

Description

电力转换装置及电力转换装置的控制方法
技术领域
本发明涉及电力转换装置及电力转换装置的控制方法。
背景技术
作为将输入的电力的特性转换后输出的电力转换装置，例如存在DC-DC转换器(DCDC converter)。已知的是，通过将DC-DC转换器的升压电路等中使用的开关元件的构成材料替换为氮化物系半导体(例如GaN系半导体)等WBG(wide band gap)半导体，能够获得开关元件的小型化/低损耗等优点。此外，关于由GaN系半导体构成的半导体器件，相比于常关型(normally-off)，常开型(normally-on)的开关性能更优异。例如，可知的是，相比于常关型，常开型的栅极电容少，并且能够降低导通电阻，从而能够实现高速开关动作，因此，能够以低成本来比较容易地制造出高性能的产品。
然而，在将常开型GaN系半导体器件用作为电力转换装置的开关元件的情况下，如果该栅极驱动部发生故障，则在开关元件的漏极-源极间会流过大电流，有可能进一步扩大故障的部位及程度。
为了防止这样地在开关元件流过大电流的情况，公开了在电力转换装置的上游设置保护装置的结构(例如专利文献1)。
在先技术文献
专利文献
专利文献1:日本特许第5567508号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，在专利文献1的保护装置中，通过在开放侧驱动闩锁开闭型电磁继电器来实现保护功能，因此需要从外部输入用于驱动闩锁开闭型电磁继电器的控制信号。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供能够自动切断大电流的电力转换装置及电力转换装置的控制方法。
用于解决课题的手段
为了解决上述课题并实现目的，本发明的一个方式的电力转换装置是对所输入的电力进行特性转换后输出的装置，其特征在于，具有：电力转换部，其具有由氮化物系半导体材料构成的常开型的第1开关元件，并通过所述第1开关元件的开关动作来进行所述电力的特性转换；动作控制部，其控制所述第1开关元件的开关动作；以及智能电源开关，其具有：第2开关元件，其设置于所述电力转换部的电力输入侧，进行对所述电力转换部的电力输入的导通/截止；和保护控制部，其具有对流过所述第2开关元件的电流进行检测的电流检测部，控制所述第2开关元件的导通/截止，并且，在所述电流检测部检测出的电流超过阈值的情况下使该第2开关元件截止。
本发明的一个方式的电力转换装置的特征在于，在上述发明中，所述阈值根据电流流过所述第2开关元件的时间而变化。
本发明的一个方式的电力转换装置是对所输入的电力进行特性转换后输出的装置，其特征在于，具有：具有：电力转换部，其具有由氮化物系半导体材料构成的常开型的第1开关元件，并通过所述第1开关元件的开关动作来进行所述电力的特性转换；动作控制部，其控制所述第1开关元件的开关动作；以及智能电源开关，其具有：第2开关元件，其设置于所述电力转换部的电力输入侧，进行对所述电力转换部的电力输入的导通/截止；和保护控制部，其具有对流过所述第2开关元件的电流进行检测的电流检测部，控制所述第2开关元件的导通/截止，并且，在电流流过所述第2开关元件的时间超过根据电流阈值的时间依赖性而求出的通电允许时间的情况下使所述第2开关元件截止，其中所述电流阈值根据该电流流过的时间而变化。
本发明的一个方式的电力转换装置的特征在于，在上述发明中，所述电力转换部是DC-DC转换器。
本发明的一个方式的电力转换装置的控制方法是对所输入的电力进行特性转换后输出的电力转换装置的控制方法，其特征在于，所述电力转换装置具有：电力转换部，其具有由氮化物系半导体材料构成的常开型的第1开关元件，并通过所述第1开关元件的开关动作来进行所述电力的特性转换；动作控制部，其控制所述第1开关元件的开关动作；智能电源开关，其具有：第2开关元件，其设置于所述电力转换部的电力输入侧，进行对所述电力转换部的电力输入的导通/截止；和保护控制部，其具有对流过所述第2开关元件的电流进行检测的电流检测部，控制所述第2开关元件的导通/截止，并且，在所述电流检测部检测出的电流超过阈值的情况下使所述第2开关元件截止；以及保护特性调节部，其与所述动作控制部和所述智能电源开关连接，在所述动作控制部被检测出异常时，所述保护特性调节部对所述第2开关元件输出规定的调节用信号。
本发明的一个方式的电力转换装置的控制方法的特征在于，在上述发明中，所述第2开关元件在导通状态下被输入了所述调节用信号时，维持导通状态，并且，所述保护控制部根据所述阈值而使所述第2开关元件截止。
发明的效果
根据本发明，起到了能够实现如下电力转换装置及其控制方法的效果：智能电源开关在检测出的电流超过阈值的情况下、或者电流流过第2开关元件的时间超过通电允许时间的情况下，切断对电流转换部的电力供给，因此，能够与来自外部的控制无关地自动切断大电流。
附图说明
图1是实施方式1的电力转换装置的结构图。
图2是示出智能电源开关的详细结构的框图。
图3是对大电流流过图1所示的电力转换装置的情况进行说明的图。
图4是实施方式2的电力转换装置的结构图。
图5是对大电流流过图4所示的电力转换装置的情况进行说明的图。
图6是示出场效应晶体管的过电流保护特性和供电线路的电线产烟特性的一例的图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的电力转换装置及电力转换装置的控制方法的实施方式详细进行说明。另外，本发明并不受限于本实施方式。此外，在各个附图中，对相同或对应的要素适当标记相同的标号。
(实施方式1)
图1是实施方式1的电力转换装置的结构图。本实施方式1的电力转换装置10作为如下DC-DC转换器发挥功能：将从作为电源的电池S输出的电力的电压降压后输出。
电力转换装置10具有作为电力转换部的DC-DC转换部11、作为动作控制部的控制部12、以及智能电源开关(IPS)13。DC-DC转换部11构成为降压型的DC-DC转换器，具有作为第1开关元件的场效应晶体管11a、对场效应晶体管11a进行PWM(Pulse-Width Modulation，脉冲宽度调制)驱动的驱动部11b、二极管11c、感应器11d、以及由并联连接的两个电容器构成的电容器部11e。另外，在输出侧连接有电力负载。
场效应晶体管11a是由氮化物系半导体材料构成的常开型的场效应晶体管。场效应晶体管11a的漏极与电池S侧连接，源极与输出侧连接，栅极与驱动部11b连接。驱动部11b通过对场效应晶体管11a的栅极施加控制电压而控制场效应晶体管11a的导通/截止(on/off)。对于场效应晶体管11a，在驱动部11b未对其栅极施加控制电压的状态下，使对输出部的电力输入导通(on)，通过驱动部11b对其栅极施加反向偏置的控制电压而使对输出部的电力输入截止(off)。
驱动部11b进行如下这样的PWM驱动：根据从控制部12输入的控制信号对场效应晶体管11a的栅极施加PWM信号而对场效应晶体管11a进行开关(switching)。在场效应晶体管11a的开关导通(switch on)时，感应器11d通过直流电流从电池S的流入来蓄积能量。在场效应晶体管11a的开关截止(switch off)时，感应器11d释放蓄积的能量。由此，感应电流通过二极管11c而流过。电容器部11e是为了对电压进行平滑处理而设置的。由此，电力转换装置10能够输出具有输出电压Vout的直流电力，该输出电压Vout是将来自电池S的输入电压Vin进行降压后得到的电压。另外，能够利用PWM信号的占空比的设定来调节电压的降压量。
控制部12通过控制驱动部11b的动作而控制场效应晶体管11a的开关动作。控制部12例如由微型计算机构成。
智能电源开关13设置于DC-DC转换部11的电力输入侧、即本实施方式1中的电池S与DC-DC转换部11的电力输入侧之间。智能电源开关13具有作为第2开关元件的场效应晶体管13a和保护控制部13b。
场效应晶体管13a是常关型的场效应晶体管，例如是n沟道功率MOSFET。场效应晶体管13a的栅极与保护控制部13b连接。保护控制部13b对场效应晶体管13a的栅极施加控制电压而控制场效应晶体管13a的导通/截止。场效应晶体管13a在保护控制部13b对其栅极施加控制电压的状态下使对DC-DC转换部11的电力输入导通，使负载电流从电池S经由DC-DC转换部11流向与输出侧连接的电力负载。另一方面，通过保护控制部13b停止对场效应晶体管13a的栅极施加控制电压而使对DC-DC转换部11的电力输入截止。由此，当场效应晶体管13a从导通状态切换至截止状态时，向负载进行的电力供给停止。
而且，保护控制部13b还具有电流检测部13ba，该电流检测部13ba用于检测在场效应晶体管13a的漏极-源极间流过的电流。保护控制部13b与控制部12之间进行信号的发送接收。该信号包含含有电流检测部13ba检测出的电流值的信息的信号。另外，可以使用市场上出售的公知的结构的智能电源开关作为智能电源开关(intelligent power switch)13。在此，以下，对智能电源开关13进行详细说明。图2是示出智能电源开关13的详细结构的框图。
如图2所示，智能电源开关13具有作为半导体开关的场效应晶体管13a、构成保护控制部13b的电流检测部13ba、异常检测部130、控制部140、以及开关驱动部150。电流检测部13ba经由场效应晶体管13a来检测对外部的负载、即DC-DC转换部11供给的负载电流Iload。异常检测部130用于检测场效应晶体管13a中的过电流或过热。当由异常检测部130检测出异常时，与外部的控制部12连接的控制部140控制场效应晶体管13a使其截止。开关驱动部150用于控制场效应晶体管13a的导通/截止。开关驱动部150与电荷泵151连接，该电荷泵151用于使电压上升至使场效应晶体管13a导通所需的电压。
场效应晶体管13a的漏极端子13ad与电池S连接，源极端子13as与DC-DC转换部11连接。栅极端子13ag经由开关驱动部150与电荷泵151连接。当由控制部140进行控制，使开关驱动部150从电荷泵151向栅极端子13ag输出规定的驱动电压时，场效应晶体管13a导通，负载电流(Iload)从电池S流向DC-DC转换部11。另一方面，当不再从电荷泵151向栅极端子13ag输入驱动电压时，场效应晶体管13a从导通状态被切换至截止状态，向DC-DC转换部11进行的电力供给停止。
电流检测部13ba具有温度补偿电路121、差分放大器122、P沟道MOSFET123、以及I/V转换电路124。温度补偿电路121由电阻值(设为Rs1)随温度变化的温度敏感电阻器构成，温度补偿电路121的一端(输入侧)与电池S连接，另一端(输出侧)与差分放大器122的反相输入端子连接。差分放大器122的非反相输入端子与如下电线连接，该电线将场效应晶体管13a与DC-DC转换部11连接起来。差分放大器122的输出端子与P沟道MOSFET123的栅极端子连接。P沟道MOSFET123的漏极端子和源极端子分别与温度补偿电路121的输出侧和I/V转换电路124连接。
通过如上所述那样构成电流检测部13ba，对流过P沟道MOSFET123的电流Is(感应电流Is)进行调节，使得场效应晶体管13a的源极端子13as侧的电压与温度补偿电路121的输出侧的电压一致。场效应晶体管13a的漏极端子13ad和温度补偿电路121的输入侧都与电池S连接，因此，感应电流Is的电流值为场效应晶体管13a的漏极/源极间电压Vds与温度补偿电路121的端子间电压相等时的电流值。即，感应电流Is表示与流过场效应晶体管13a的负载电流Iload成正比的电流值，根据场效应晶体管13a的电阻值Rds和温度补偿电路121的电阻值Rs1能够导出该比例系数。
如上所述，流过P沟道MOSFET123的感应电流Is与负载电流Iload成正比，因此，能够使用感应电流Is来检测负载电流Iload。温度补偿电路121的电阻值Rs1越大，则感应电流Is越小。感应电流Is被I/V转换电路124转换为电压，作为感应电压Vs被输出至异常检测部130。
异常检测部130具有比较器131，具有检测场效应晶体管13a中的过电流或过热而进行保护的功能。比较器131具有两个输入端子，一方的输入端子被输入作为来自电流检测部13ba的输出的感应电压Vs，另一方的输入端子被输入规定的截止阈值Vref。截止阈值Vref被设定成：与截止阈值Vref相当的电流值满足场效应晶体管13a的过电流保护特性。
比较器131比较感应电压Vs与截止阈值Vref，如果感应电压Vs大于截止阈值Vref，则向控制部140输出异常检测信号。由此，能够如后述那样切断智能电源开关13内的场效应晶体管13a。
控制部140依照从外部的控制部12输入的操作信号对开关驱动部150输出规定的控制信号。即，当从外部的控制部12输入请求DC-DC转换部11的启动的操作信号时，控制部140对开关驱动部150输出使场效应晶体管13a导通的控制信号。此外，当从控制部12输入停止向DC-DC转换部11供给电力的操作信号时，控制部140对开关驱动部150输出使场效应晶体管13a截止的控制信号。控制部140还从异常检测部130输入异常检测信号，将异常检测信号输出至开关驱动部150。关于异常检测信号，通常是输出未检测出异常的信号，而当由异常检测部130检测出异常时，则被切换为检测出异常的信号。
当从控制部140输入使场效应晶体管13a截止的控制信号时，开关驱动部150不将来自电荷泵151的驱动电压施加至场效应晶体管13a的栅极端子13ag。由此，场效应晶体管13a成为截止状态，从电池S向DC-DC转换部11的电力供给停止。此外，当从控制部140输入使场效应晶体管13a导通的控制信号且异常检测信号为未检测出异常时，开关驱动部150使从电荷泵151将规定的驱动电压施加至场效应晶体管13a的栅极端子13ag。由此，使得场效应晶体管13a成为导通状态，从而进行从电池S向DC-DC转换部11的电力供给。
当场效应晶体管13a处于导通状态时，当从控制部140输入的异常检测信号由未检测出异常切换为检测出异常时，即使从控制部140输入的控制信号是使场效应晶体管13a导通的信号，场效应晶体管13a也被切换为截止状态。由此，从电池S向DC-DC转换部11的电力供给停止。
如上所述，在电流检测部13ba检测出的电流超过阈值的情况下，保护控制部13b停止对栅极施加控制电压，使得场效应晶体管13a截止。在此，阈值被设定为对于DC-DC转换部11可以认为是过电流的较大的值。由此，能够切断从电池S流向DC-DC转换部11、特别是流向DC-DC转换部11的场效应晶体管11a的大电流。智能电源开关13与来自外部的控制无关地自动进行这样的电流切断。由此，能够防止电力转换装置10的故障的扩大。
图3是对大电流流过图1所示的电力转换装置10的情况进行说明的图。另外，在图3中，为了简化附图，省略了控制部12等的图示。
虽然从驱动部11b向场效应晶体管11a的栅极部分传送PWM信号，但是，当该栅极部分发生故障时，如图3(a)所示，存在流过电流I的情况。在此，如图3(b)所示，当场效应晶体管11a的栅极部分正常发挥功能时，感应器11d的端子间的电压VL依照PWM信号的特性而如实线所示那样周期性地增减。但是，当栅极部分发生故障时，电压VL如虚线所示那样成为恒定值，例如成为与栅极部分正常发挥功能时的电压VL的最大值对应的较大的值。
此外，如图3(c)所示，当场效应晶体管11a的栅极部分正常发挥功能时，流过感应器11d的电流IL依照PWM信号的特性而如实线所示那样周期性地增减，其平均值为输出电流的值。但是，当栅极部分发生故障时，电流IL增加。电流IL在栅极部分故障时存在变成正常时的值的大约50倍以上、进而100倍以上的情况。电流I也成为与电流IL相同程度的值。
对电力转换装置10例如是输出电压为3kW、输入电压Vin为48V、输出电压Vout为12V这样的降压型DC-DC转换器的情况进行探讨。该情况下，正常时的输出电流是250A，但是，在故障时，如果设故障时的场效应晶体管11a的电阻值为3mΩ，则输出电流变成(48V-12V)/3mΩ＝12kA，为正常时的大约50倍左右。
然而，在本实施方式1的电力转换装置10中，在如上所述那样智能电源开关13的电流检测部13ba检测出的电流超过阈值的情况下，保护控制部13b停止对栅极施加控制电压，使得场效应晶体管13a截止。其结果是，能够在电力转换装置10的上游侧切断电流I。由此，能够防止电力转换装置10的故障的扩大。
在此，阈值也可以具有如下这样的特性：阈值随着从电池S向DC-DC转换部11进行通电的通电时间(电流流过场效应晶体管13a的时间)的变长而减少，然后，成为大致恒定值。这是因为：在电力转换装置10例如搭载于车辆、电力负载是车载的电气部件的情况下，如果是短时间内，则DC-DC转换部11能够例如与灯或马达的浪涌电流等负载电流特性相对应地使较大电流流过，但是，随着通电时间变长，可流过的电流的电流值上限降低。保护控制部13b可以构成为：存储这样的阈值的特性，根据电流检测部13ba检测出的电流的通电时间来更新阈值。
此外，保护控制部13b能够根据电流检测部13ba检测出的场效应晶体管13a的通电电流的大小，依据阈值的时间依赖特性求出通电允许时间(以下称作过电流检测确定时间)，并将该通电允许时间用于针对过电流的通电时间的极限值。如上所述，阈值是根据保护对象而设定的允许的电流值，是依赖于通电时间的值。该情况下，保护控制部13b进行控制，使得在通电时间超过过电流检测确定时间的情况下使场效应晶体管13a截止，由此，能够适当地保护DC-DC转换部11(特别是场效应晶体管11a)。
(实施方式2)
图4是实施方式2的电力转换装置的结构图。本实施方式2的电力转换装置20作为将从作为电源的电池S输出的电力的电压升压后输出的DC-DC转换器发挥功能。
电力转换装置20具有作为电力转换部的DC-DC转换部21、控制部12、以及智能电源开关13。以下，关于控制部12和智能电源开关13省略说明，对DC-DC转换部21进行说明。
DC-DC转换部21构成为升压型的DC-DC转换器，其具有场效应晶体管11a、对场效应晶体管11a进行PWM驱动的驱动部11b、二极管11c、感应器11d、以及由并联连接的两个电容器构成的电容器部11e。
驱动部11b进行如下这样的PWM驱动：根据从控制部12输入的控制信号对场效应晶体管11a的栅极施加PWM信号从而对场效应晶体管11a进行开关(switching)。在场效应晶体管11a的开关导通时，感应器11d由于直流电流从电池S的流入而蓄积能量。在场效应晶体管11a的开关截止时，感应器11d释放蓄积的能量。其结果是，感应器11d中所蓄积的能量与来自电池S的输入电力相加。由此，电力转换装置20能够输出具有从来自电池S的输入电压Vin升压而得的输出电压Vout的直流电力。另外，能够利用PWM信号的占空比的设定来调节电压的升压量。
在该电力转换装置20中，在智能电源开关13中，在电流检测部13ba检测出的电流也超过阈值的情况下，保护控制部13b对栅极施加控制电压，使得场效应晶体管13a截止。在此，阈值被设定为对于DC-DC转换部21来说可以认为是过电流的较大的值。由此，能够切断从电池S流向DC-DC转换部21、特别是流向DC-DC转换部21的场效应晶体管11a的大电流。智能电源开关13与来自外部的控制无关地自动进行这样的电流切断。由此能够防止电力转换装置20的故障的扩大。
图5是对大电流流过图4所示的电力转换装置20的情况进行说明的图。另外，在图5中，为了简化附图，省略了控制部12等的图示。
虽然从驱动部11b向场效应晶体管11a的栅极部分传送PWM信号，但是，当该栅极部分发生故障时，如图5所示，存在流过电流I的情况。然而，在本实施方式2的电力转换装置20中，在如上所述那样智能电源开关13的电流检测部13ba检测出的电流超过阈值的情况下，保护控制部13b对栅极施加控制电压，使得场效应晶体管13a截止。其结果是，能够在电力转换装置20的上游侧切断电流I。由此能够防止电力转换装置20的故障的扩大。
另外，在上述实施方式中，电力转换部是DC-DC转换器，但是，本发明不限于此，例如对于具有逆变器等、进行所输入的电力的特性转换的电力转换部的电力转换装置也能够适用。
此外，在上述实施方式中，智能电源开关13与来自外部的控制无关地自动切断电流，但是，本发明不限于此。例如，也可以构成为：将智能电源开关13的电流检测部13ba检测出的电流输出至外部的控制部，当输入控制部的电流超过阈值时，控制部对保护控制部13b输出使场效应晶体管13a截止的控制信号。根据该结构，智能电源开关13根据来自外部的控制而自动切断电流。
此外，本发明不限于上述实施方式。通过将上述各构成要素适当组合而构成的结构也包含在本发明中。此外，本领域技术人员可容易地导出进一步的效果或变形例。由此，本发明的更大范围的实施方式不受限于上述实施方式而能够进行各种变更。
例如，作为上述实施方式的变形例1，控制部12也可以具有监视/保护单元,该监视/保护单元对从场效应晶体管13a和电池S经由DC-DC转换部而到达输出的供电线路进行监视/保护。场效应晶体管13a和供电线路分别设有对过电流的限制，监视/保护单元监视场效应晶体管13a和供电线路双方。作为对过电流的限制，对场效应晶体管13a设定有过电流保护特性。此外，对供电线路还设定有用于防止电线过热而产烟的电线产烟特性。控制部12能够经由保护控制部13b的电流检测部13ba高精度地检测在场效应晶体管13a中通过的电流，因此，根据该检测出的电流能够高精度地监视过电流。
图6示出场效应晶体管13a的过电流保护特性和供电线路的电线产烟特性的一例。图6中，横轴表示时间，纵轴表示电流，分别用标号C1、C2来表示过电流保护特性和电线产烟特性。另外，由监视/保护单元监视的过电流保护特性和电线产烟特性不限于各一个，也可以是两个以上。
作为对场效应晶体管13a的过电流的限制的过电流保护特性C1示出了如下情况：如果在短时间内，则能够使较大电流流过，但是，可长时间流过的电流的电流值随着期间变长而降低。此外，作为用于防止供电线路的产烟的限制的电线产烟特性C2示出了如下特性：如果是短时间内，则能够使大电流流过，但是，在时间T3以后，当流过电流的期间变长时，需要使电流值急剧降低。根据图6所示的针对过电流的特性，示出了如下情况：当是短时间时，过电流保护特性C1成为所允许的电流的上限，当为长时间时，电线产烟特性C2成为上限。
控制部12的监视/保护单元对场效应晶体管13a和供电线路双方进行监视/保护，监视场效应晶体管13a和供电线路各自的过电流保护特性C1和电线产烟特性C2。并且，在监视/保护单元中，当检测出超过基于过电流保护特性C1或电线产烟特性C2的限制的异常时，使场效应晶体管13a截止而切断电流，由此能够保护超过限制的场效应晶体管13a或供电线路。
进而，当检测出控制部12的异常时，从与控制部12和智能电源开关13双方连接的保护特性调节部(未图示)向场效应晶体管13a输出规定的调节用信号。当从保护特性调节部输入调节用信号时，使得场效应晶体管13a维持导通状态并且能够通过保护控制部13b来监视/保护过电流保护特性C1和电线产烟特性C2双方。此外，当场效应晶体管13a处于截止状态时，使其维持截止状态。
此外，在本变形例1中，对于保护控制部13b，通常设定有针对场效应晶体管13a的通电电流的过电流保护特性C1作为监视用设定值(阈值)，但是，当从保护特性调节部输入了调节用信号时，将该值变更为能够监视过电流保护特性C1和电线产烟特性C2双方的设定值。
如图6所示，当使规定的电流流过时，在短时间内，过电流保护特性C1成为对过电流的限制值，而变成长时间时，则电线产烟特性C2成为限制值。因此，在保护控制部13b中使用例如图6所示的C3的设定值作为能够监视过电流保护特性C1和电线产烟特性C2双方的设定值。由此，能够监视场效应晶体管13a和供电线路双方。
因此，根据本变形例1，即使控制部12发生异常，也能够使控制对DC-DC转换部进行的供电的场效应晶体管13a维持导通状态。此外，当由作为基于智能电源开关13实现的场效应晶体管13a的自我保护手段的保护控制部13b检测出过电流时，由于是由智能电源开关13本身使电流截止来进行保护的结构，所以能够实现***安全性的提高。
例如也可以是，本发明的实施方式或其变形例1的电力转换装置具有以下的休眠检测单元从而构成变形例2的电力转换装置。该休眠检测单元是如下这样的单元：其检测从车辆的主开关断开(OFF)起经过规定时间后从电池S输出的电量成为降低的状态(休眠状态)的情况。当休眠检测单元检测出休眠状态时，电力转换装置使来自电池S的输入电压Vin被降压后而得的输出电压Vout降低至电力负载能够进行动作的最低工作电压后对该负载进行供电。由此，例如使所供给的电力的电压从12V减少到6V，因此，能够减少休眠状态下的电力负载的耗电量，因此，能够使电池S耐用。此外，本发明的实施方式或其变形例1的电力转换装置也可以具有检测电池S的状态的电池状态检测单元来代替检测休眠状态的休眠检测单元。电池状态检测单元能够检测电池S的充电率(SOC)和劣化程度(SOH)。并且，当电池状态检测单元检测出SOC或SOH的降低时，电力转换装置使来自电池S的输入电压Vin被降压后而得到的输出电压Vout降低至电力负载能够进行动作的最低工作电压后，对该负载进行供电。由此，能够减少检测出SOC或SOH的降低以后的电力负载的耗电量，因此，能够使电池S耐用。
特别是，本发明的实施方式及其变形例的电力转换装置在DC-DC转换部使用了常开型的第1开关元件。如上所述，常开型的开关元件的栅极电容比常关型的开关元件少，并且，能够降低导通电阻。因此，本发明的实施方式及其各变形例的电力转换装置的DC-DC转换部动作时的开关损耗较少，因此，能够减少耗电量。由此，还能够减少上述休眠状态时的DC-DC转换部的耗电，因此，能够使电池S更耐用。
产业上的可利用性
如上所述，本发明的电力转换装置及电力转换装置的控制方法例如能够应用于搭载于车辆、根据车辆状态和/或电池状态来进行DC-DC转换部的电压控制的用途、以及AC逆变器。
【标号说明】
10、20：电力转换装置；
11、21：DC-DC转换部；
11a：场效应晶体管；
11b：驱动部；
11c：二极管；
11d：感应器；
11e：电容器部；
12：控制部；
13：智能电源开关；
13a：场效应晶体管；
13b：保护控制部；
13ba：电流检测部；
S：电池。

Claims (5)

1.一种电力转换装置，其对所输入的电力进行特性转换后输出，其特征在于，所述电力转换装置具有：
电力转换部，其具有由氮化物系半导体材料构成的常开型的第1开关元件，并通过所述第1开关元件的开关动作来进行所述电力的特性转换；
动作控制部，其控制所述第1开关元件的开关动作；以及
智能电源开关，其具有：
第2开关元件，其设置于所述电力转换部的电力输入侧，进行对所述电力转换部的电力输入的导通/截止；和
保护控制部，其具有对流过所述第2开关元件的电流进行检测的电流检测部，控制所述第2开关元件的导通/截止，并且，在所述电流检测部检测出的所述电流超过阈值的情况下使该第2开关元件截止，
所述阈值根据电流流过所述第2开关元件的时间而变化。
2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
所述电力转换部是DC-DC转换器。
3.一种电力转换装置，其对所输入的电力进行特性转换后输出，其特征在于，所述电力转换装置具有：
电力转换部，其具有由氮化物系半导体材料构成的常开型的第1开关元件，并通过所述第1开关元件的开关动作来进行所述电力的特性转换；
动作控制部，其控制所述第1开关元件的开关动作；以及
智能电源开关，其具有：
第2开关元件，其设置于所述电力转换部的电力输入侧，进行对所述电力转换部的电力输入的导通/截止；和
保护控制部，其具有对流过所述第2开关元件的电流进行检测的电流检测部，控制所述第2开关元件的导通/截止，并且，在电流流过所述第2开关元件的时间超过根据电流阈值的时间依赖性而求出的通电允许时间的情况下使所述第2开关元件截止，其中所述电流阈值根据该电流流过的时间而变化。
4.根据权利要求3所述的电力转换装置，其特征在于，
所述电力转换部是DC-DC转换器。
5.一种电力转换装置的控制方法，所述电力转换装置对所输入的电力进行特性转换后输出，其特征在于，所述电力转换装置具有：
电力转换部，其具有由氮化物系半导体材料构成的常开型的第1开关元件，并通过所述第1开关元件的开关动作来进行所述电力的特性转换；
动作控制部，其控制所述第1开关元件的开关动作；
智能电源开关，其具有：第2开关元件，其设置于所述电力转换部的电力输入侧，进行对所述电力转换部的电力输入的导通/截止；和保护控制部，其具有对流过所述第2开关元件的电流进行检测的电流检测部，控制所述第2开关元件的导通/截止，并且，在所述电流检测部检测出的所述电流超过阈值的情况下使所述第2开关元件截止；以及
保护特性调节部，其与所述动作控制部和所述智能电源开关连接，
所述动作控制部具有监视/保护单元，所述监视/保护单元对所述第2开关元件和供电线路双方进行监视/保护，监视所述第2开关元件和供电线路各自的过电流保护特性和电线产烟特性，
在所述动作控制部被检测出异常时，所述保护特性调节部对所述第2开关元件输出规定的调节用信号，所述第2开关元件在导通状态下被输入了所述调节用信号时，维持导通状态，使得能够通过所述保护控制部来监视/保护过电流保护特性和电线产烟特性。
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6645523B2 (ja) * 2017-06-30 2020-02-14 サンケン電気株式会社 電力変換装置及び制御回路
EP3518421A1 (de) 2018-01-30 2019-07-31 Siemens Aktiengesellschaft Schutz eines in einem schaltbetrieb betriebenen feldeffekttransistors vor einem überlaststrom
JP2019161300A (ja) * 2018-03-08 2019-09-19 Ｎｅｃプラットフォームズ株式会社 動作装置及び動作システム
US10830799B1 (en) * 2019-07-12 2020-11-10 Alpha And Omega Semiconductor (Cayman) Ltd. Temperature and VGS compensation for current sensing using Rdson in MOSFETS
CN111579978B (zh) * 2020-05-18 2024-01-02 珠海施诺电力科技有限公司 一种基于人工智能技术实现继电器故障识别的***及方法

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5567508A (en) 1978-11-08 1980-05-21 Mitsubishi Electric Corp Ozonizer
JPH09284994A (ja) * 1996-04-05 1997-10-31 Nec Corp 過電圧保護回路
JPH1041797A (ja) * 1996-05-21 1998-02-13 Harness Sogo Gijutsu Kenkyusho:Kk 過電流検出機能付きスイッチ回路
US6011416A (en) * 1997-02-19 2000-01-04 Harness System Technologies Research Ltd. Switch circuit having excess-current detection function
US6861828B2 (en) * 2000-02-08 2005-03-01 The Furukawa Electric Co., Ltd. Apparatus and circuit for power supply, and apparatus for controlling large current load
JP2002101547A (ja) * 2000-09-25 2002-04-05 Toshiba Corp 液晶表示装置の電源回路
US7902809B2 (en) * 2006-11-28 2011-03-08 International Rectifier Corporation DC/DC converter including a depletion mode power switch
US8674670B2 (en) * 2006-11-28 2014-03-18 International Rectifier Corporation DC/DC converter with depletion-mode III-nitride switches
US7839131B2 (en) * 2007-06-27 2010-11-23 International Rectifier Corporation Gate driving scheme for depletion mode devices in buck converters
JP4621231B2 (ja) * 2007-06-29 2011-01-26 富士通テン株式会社 電源保護装置及び電子制御装置
CN101447736A (zh) * 2007-11-27 2009-06-03 国际整流器公司 同步dc/dc转换器
WO2010032333A1 (ja) * 2008-09-22 2010-03-25 富士通株式会社 電源制御回路、電源装置、電源システムおよび電源制御装置の制御方法
EP2773011B1 (en) * 2011-10-24 2016-12-28 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Electricity-storage system
WO2013108064A1 (en) * 2012-01-20 2013-07-25 Freescale Semiconductor, Inc. Over-current protection device
US9367111B2 (en) * 2013-03-12 2016-06-14 Alpha And Omega Semiconductor Incorporated Fault tolerant power supply incorporating intelligent load switch to provide uninterrupted power
CN104052258B (zh) * 2013-03-12 2017-10-24 万国半导体股份有限公司 提供不间断电源的引入负载开关的容错电源
US9106075B2 (en) * 2013-03-12 2015-08-11 Alpha And Omega Semiconductor Incorporated Fault tolerant power supply incorporating intelligent gate driver-switch circuit to provide uninterrupted power
JP6472076B2 (ja) * 2015-03-06 2019-02-20 Fdk株式会社 負荷電流制御装置
US9954548B2 (en) * 2016-04-08 2018-04-24 Infineon Technologies Ag Electronic switching and protection circuit with a logarithmic ADC
US10270239B2 (en) * 2016-06-15 2019-04-23 Texas Instruments Incorporated Overvoltage protection and short-circuit withstanding for gallium nitride devices

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