JP4466866B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、直流入力電圧をスイッチングして得られるスイッチング出力を電力変換トランスの出力巻線に取り出すように構成されたスイッチング電源装置に関する。

一般に、自動車には、ワイパー、ヘッドライト、ルームライト、オーディオ機器、空調機および各種計器類等の車両搭載機器を駆動するための電源として、例えば１２Ｖ程度の直流電圧を供給するバッテリが搭載されている。

通常、このようなバッテリに対する充電は、エンジンの回転を利用して駆動される交流発電機からの交流出力電圧を整流して高圧の直流電圧を得ると共に、この直流入力電圧をスイッチング電源装置を用いてより低圧の直流電圧に変換してからバッテリに供給することで行われる。

このスイッチング電源装置は、直流入力電圧をスイッチ回路でのスイッチング動作によってスイッチングし、その出力を電力変換トランスの出力巻線に取り出すものである。このようなスイッチ回路でのスイッチング動作に伴い、出力巻線に現れる電圧は、整流回路によって整流された後、平滑回路によって直流に変換され、直流出力電圧として出力される。

ところで、このスイッチング電源装置の直流出力電圧は、出力を安定化させるために、一定に保たれるようにすることが重要である。このことは、車載用のスイッチング電源装置に限られるものではなく、一般的なスイッチング電源装置に当てはまるものである。

そこで、例えば特許文献１には、直流出力電圧を検出するための電圧検出回路を設け、
この電圧検出回路による検出結果に基づいて、直流出力電圧が一定に保たれるような制御を行うようにしたスイッチング電源装置が開示されている。

特開２００３−２５９６３７号公報

ところで、スイッチング電源装置が故障していないかどうかを判断するためには、上記した直流出力電圧に加え、出力電流を常に監視しておくことも重要である。なぜならば、このようなスイッチング電源装置では、出力側に接続される負荷が大きい場合などには、負荷を駆動する際に出力電流が過電流となってしまうことがあり、その場合には正確な故障判断ができなくなってしまうからである。

しかしながら、上記特許文献１のスイッチング電源装置では、出力電流の監視を行っていないことから、このような過電流状態を検出することはできない。よって、出力電流が過電流となると、装置の故障判断を正確に行うことはできないものである。

このように、出力電流の監視を行っていない従来の技術では、出力電流が過電流となったときには、装置の故障判断を正確に行うことができなかった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、出力電流が過電流となった場合でも、装置の故障判断を正確に行うことが可能なスイッチング電源装置を提供することにある。

本発明のスイッチング電源装置は、出力側に負荷が接続されると共に、この負荷へ流れる出力電流が過電流となって垂下状態となったときに、出力電圧が垂下するのに応じて出力電流が増加する垂下特性を示すようになされたものであって、直流入力電圧をスイッチングしてパルス電圧を生成するスイッチング素子と、このパルス電圧を変圧するトランスと、トランスによって変圧されたパルス電圧に基づいて直流出力電圧を生成し、負荷へ出力する出力回路と、直流入力電圧Ｖinを検出する入力電圧検出回路と、トランスの１次側を流れる入力電流Ｉinを検出する入力電流検出回路と、直流出力電圧Ｖoutを検出する出力電圧検出回路と、直流入力電圧、入力電流および直流出力電圧が次の（１）式ないし（３）式を満たすか否かを判定し、この判定結果に基づいて故障か否かを判断する判断手段とを備えたものである。ここで、この判断手段は、上記（１）式ないし（３）式のうちの少なくとも１つを満たしていないと判定された場合には、正常状態であると判断すると共に、上記（１）式ないし（３）式の全てを満たしていると判定された場合には、故障状態である可能性があると判断するようになっている。但し、Ｖin（reg）は最低レギュレーション入力電圧であり、Ｉin（ref）は出力電圧対出力電流特性の垂下点を規定する入力電流よりも小さい基準入力電流であり、Ｖout（ref）は基準出力電圧である。
Ｖin ≧Ｖin（reg） ……（１）
Ｉin ≦Ｉin（ref） ……（２）
Ｖout≦Ｖout（ref） ……（３）

本発明のスイッチング電源装置では、スイッチング素子により直流入力電圧からパルス電圧が生成され、このパルス電圧がトランスにより変圧され、変圧されたパルス電圧に基づいて出力回路により直流出力電圧が生成され、負荷へ出力される。この際、負荷へ流れる出力電流が過電流となって垂下状態となったときには、出力電圧が垂下するのに応じて出力電流が増加する垂下特性を示す。また、入力電圧検出回路、入力電流検出回路および出力電圧検出回路によって、直流入力電圧Ｖin、入力電流Ｉinおよび直流出力電圧Ｖoutが、それぞれ検出される。そして検出された値が上記（１）式ないし（３）式を満たすか否かが判定され、その判定結果に基づいて故障か否かが判断される。具体的には、上記（１）式ないし（３）式のうちの少なくとも１つを満たしていないと判定された場合には、正常状態であると判断される。一方、上記（１）式ないし（３）式の全てを満たしていると判定された場合には、故障状態である可能性があると判断される。ここで、検出されたこれら直流入力電圧Ｖin、入力電流Ｉinおよび直流出力電圧Ｖoutの値に基づいて、出力電流の値を見積もることができるので、直流出力電圧に加え、出力電流も考慮したうえで、故障判断がなされる。

本発明のスイッチング電源装置では、出力側にさらにバッテリが接続される場合に、上記基準出力電圧Ｖout（ref）がこのバッテリの電圧よりも高くなるように設定し、上記判断手段が、上記直流出力電圧がこのバッテリの電圧よりも高い場合に、上記（１）式ないし（３）式を満たすか否かを判定するようにするのが好ましい。このように構成した場合、出力側にバッテリが接続された状態でも、このバッテリの電圧や充放電電流などにより、直流出力電圧や出力電流の検出が妨げられることはない。

本発明のスイッチング電源装置では、上記スイッチング素子をパルス幅変調により駆動する際のデューティ比を検出するデューティ比検出手段をさらに備え、上記判断手段が、検出されたデューティ比が予め定められた最大デューティ比に等しいか否かを判定し、この判定結果をも考慮して、故障か否かの判断を行うようにするのが好ましい。具体的には、上記判断手段は、上記（１）式ないし（３）式の全てを満たしていると判定されることにより故障状態の可能性があると判断した場合には、さらに、上記デューティ比検出手段により検出されたデューティ比が上記最大デューティ比と等しいか否かを判定し、検出されたデューティ比が上記最大デューティ比と等しくないと判定された場合には正常状態であると判断すると共に、検出されたデューティ比が上記最大デューティ比と等しいと判定された場合には故障状態であると判断するようにするのが好ましい。このように構成した場合、上記（１）式ないし（３）式に加え、デューティ比を高めて直流出力電圧をさらに増加させる余地があるか否かが考慮されるので、より正確な故障判断がなされる。また、この場合において、上記デューティ比の時間変化量を検出するデューティ比変化量検出手段をさらに備え、上記判断手段が、検出されたデューティ比の時間変化量をも考慮して、故障か否かの判断を行うようにするのがより好ましい。

本発明のスイッチング電源装置では、上記判断手段が、複数の基準入力電流および複数の基準出力電圧に基づいて、故障の程度を多段階に判断するようにしてもよい。このように構成した場合、故障の有無だけでなく、故障の程度についても判断されることから、故障に対して適切な対応を取ることができる。

本発明のスイッチング電源装置では、上記（１）式ないし（３）式が満たされている時間の履歴情報を出力する出力手段をさらに備えるようにしてもよい。このように構成した場合、履歴情報を利用することで、故障に対してより適切な対応を取ることができる。また、上記最低レギュレーション入力電圧、基準入力電流および基準出力電圧のうちの少なくとも１つを記憶する記憶手段をさらに備えるようにしてもよい。

本発明のスイッチング電源装置によれば、出力電流が過電流となって垂下状態となったときには、出力電圧が垂下するのに応じて出力電流が増加する垂下特性を示すようになされると共に、直流入力電圧Ｖin、入力電流Ｉinおよび直流出力電圧Ｖoutをそれぞれ検出し、これらの検出値が上記（１）式ないし（３）式を満たすか否かを判定することで故障か否かが判断するようにしたので、直流出力電圧に加え、出力電流も考慮したうえで故障判断を行うことができ、出力電流が過電流となった場合でも、装置が故障であるか否かの判断を正確に行うことが可能となる。
具体的には、上記（１）式ないし（３）式のうちの少なくとも１つを満たしていないと判定された場合には、正常状態であると判断する一方、上記（１）式ないし（３）式の全てを満たしていると判定された場合には、故障状態である可能性があると判断するようにしたので、上記した効果を得ることが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態（以下、単に実施の形態という。）について、図面を参照して詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る電圧変換システムの構成を表すものである。この電圧変換システムは、電圧変換動作を行うスイッチング電源装置１と、このスイッチング電源装置１に対する制御を行う指令部８とから構成され、例えばハイブリッドカー等の車載用に好適に用いられるものである。

スイッチング電源装置１は、高圧バッテリ１１から供給される高圧の直流入力電圧Ｖin（例えば、４００Ｖ程度）を、より低い直流出力電圧Ｖout（例えば、１４Ｖ程度）に変換し、これにより出力側の負荷１２を駆動するＤＣ−ＤＣコンバータとして機能するものである。

スイッチング電源装置１は、１次側高圧ラインＬ１Ｈと１次側低圧ラインＬ１Ｌとの間に設けられたスイッチング回路２と、１次側巻線３１および２次側巻線３２Ａ，３２Ｂを有するトランス３と、このトランス３の２次側に設けられた整流回路４と、この整流回路４に接続された平滑回路５と、スイッチング回路２を駆動する駆動回路７３とを備えている。そして１次側高圧ラインＬ１Ｈの入力端子Ｔ１と１次側低圧ラインＬ１Ｌの入力端子Ｔ２との間には、高圧バッテリ１１から出力される直流入力電圧Ｖinが印加されるようになっている。

このスイッチング電源装置１はまた、トランス３の１次側に配置され、直流入力電圧Ｖinを検出する入力電圧検出回路６１と、同じくトランス３の１次側に配置され、入力電流Ｉinを検出するおよび入力電流検出回路６２と、トランス３の２次側に配置され、直流出力電圧Ｖoutを検出する出力電圧検出回路６３と、指令部８から出力される所定の基準値を記憶する記憶部７１と、直流出力電圧Ｖoutを一定に保つための制御信号を駆動回路７３へ出力すると共にスイッチング電源装置１が故障状態であるか否かを判断する制御部７２と、この制御部７２による判断結果を指令部８へ出力する出力部７４とを備えている。

スイッチング回路２は、４つのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４を有しており、フルブリッジ型の回路構成となっている。具体的には、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の一端同士が互いに接続されると共に、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の一端同士が互いに接続されている。また、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ３の他端同士が互いに接続されると共にスイッチング素子Ｓ２，Ｓ４の他端同士が互いに接続され、これらの他端同士は、それぞれ入力端子Ｔ１，Ｔ２に接続されている。スイッチング回路２はこのような構成により、駆動回路７３から供給される駆動信号ＳＧ１〜ＳＧ４に応じて、入力端子Ｔ１，Ｔ２間に印加される直流入力電圧Ｖinを入力交流電圧（パルス電圧）に変換するようになっている。

なお、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４は、例えば電界効果型トランジスタ（ＭＯＳ−ＦＥＴ；Metal Oxide Semiconductor-Field Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolor Transistor）などのスイッチ素子から構成される。

トランス３は、１次側巻線３１と、一対の２次側巻線３２Ａ，３２Ｂとを有している。このうち、１次側巻線３１は、その一端がスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の一端同士に接続され、その他端がスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の一端同士に接続されている。すなわち、この１次側巻線３１は、スイッチング回路２にＨブリッジ接続されるようになっている。一方、２次側巻線３２Ａ，３２Ｂの一端同士は互いに接続され、接地ラインＬＧ上を平滑回路５を介して出力端子Ｔ４に導かれている。つまり、後述する整流回路４は、センタタップ型のものである。このような構成によりトランス３は、スイッチング回路２によって生成された入力交流電圧を降圧し、２次側巻線３２Ａ，３２Ｂの各端部から、互いに１８０度位相が異なる出力交流電圧を出力するようになっている。なお、この場合の降圧の度合いは、１次側巻線３１と２次側巻線３２Ａ，３２Ｂとの巻数比によって定まる。

整流回路４は、一対の整流ダイオード４Ａ，４Ｂからなる単相全波整流型のものである。整流ダイオード４Ａのアノードはトランス３の２次側巻線３２Ａの他端に接続され、整流ダイオード４Ｂのアノードはトランス３の２次側巻線３２Ｂの他端に接続されている。また、これら整流ダイオード４Ａ，４Ｂのカソード同士は互いに接続され、出力ラインＬＯに接続されている。つまり、この整流回路４はセンタタップ型のカソードコモン接続の構成となっており、トランス３からの出力交流電圧の各半波期間を、それぞれ整流ダイオード４Ａ，４Ｂによって個別に整流して直流電圧を得るようになっている。

平滑回路５は、チョークコイル５１と出力平滑コンデンサ５２とを含んで構成されている。チョークコイル５１は出力ラインＬＯに挿入配置されており、その一端は整流ダイオード４Ａ，４Ｂのカソード同士に接続され、その他端は出力端子Ｔ３に接続されている。また、出力平滑コンデンサ５２は、出力ラインＬＯ（具体的には、チョークコイル５１の他端）と接地ラインＬＧとの間に接続されている。また、接地ラインＬＧの端部には、出力端子Ｔ４が設けられている。このような構成により平滑回路５は、整流回路４で整流された直流電圧を平滑化して直流出力電圧Ｖoutを生成し、これを出力端子Ｔ３，Ｔ４から負荷１２へ供給するようになっている。

入力電圧検出回路６１は、１次側高圧ラインＬ１Ｈ上の接続点Ｐ１と、後述する制御部８内の演算部８１との間に挿入配置されている。入力電圧検出回路６１はこのような構成により、スイッチング電源装置１へ供給される直流入力電圧Ｖinを検出すると共に、この直流入力電圧Ｖinの大きさに対応する入力電圧検出電圧Ｖ１を制御部７２へ出力するようになっている。なお、この入力電圧検出回路６１の具体的な回路構成としては、例えば、接続点Ｐ１と接地との間に配置された図示しない分圧抵抗よって、直流入力電圧Ｖinを検出すると共にこれに応じた入力電圧検出電圧Ｖ１を生成するものが挙げられる。

入力電流検出回路６２は、カレントトランス６２０と、ダイオード６２Ｄと、抵抗器６２Ｒとから構成されている。カレントトランス６２０の１次側巻線６２１は、１次側低圧ラインＬ１Ｌに挿入配置（具体的には、入力端子Ｔ２とスイッチング素子Ｓ２，Ｓ４の他端同士との間に配置）されており、２次側巻線６２２の一端は接地される一方、他端はダイオード６２Ｄのアノードに接続されている。また、ダイオード６２Ｄのカソードは抵抗器６２Ｒの一端に接続され、これらダイオード６２Ｄのカソードおよび抵抗器６２Ｒの一端は互いに、制御部７２に接続されている。なお、抵抗器６２Ｒの他端は、２次側巻線６２２の一端と共に接地されている。入力電流検出回路６２はこのような構成（半波整流回路の構成）により、カレントトランス６２０の１次側巻線６２１を流れる入力電流Ｉinを検出すると共に、この入力電流Ｉinの大きさに対応する入力電流検出電圧Ｖ２を制御部７２へ出力するようになっている。なお、この入力電流検出回路６２の配置は図１に示したものには限られず、例えば１次側高圧ラインＬ１Ｈに挿入配置（具体的には、入力端子Ｔ１とスイッチング素子Ｓ１，Ｓ３の他端同士との間に配置）するようにしてもよく、また、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の一端同士から１次側巻線３１を介してスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の一端同士に至る経路内に挿入配置するようにしてもよい。後者の場合、入力電流検出回路６２を、いわゆる全波整流回路により構成すればよい。

出力電圧検出回路６３は、出力ラインＬＯ上の接続点Ｐ２と、制御部７２との間に挿入配置されている。出力電圧検出回路６３はこのような構成により、スイッチング電源装置１の直流出力電圧Ｖoutを検出すると共に、この直流出力電圧Ｖoutの大きさに対応する出力電圧検出電圧Ｖ３を演算部８１へ出力するようになっている。なお、この出力電圧検出回路６３の具体的な回路構成としては、上記した入力電圧検出回路６１の場合と同様に、例えば、接続点Ｐ２と接地との間に配置された図示しない分圧抵抗よって、直流出力電圧Ｖoutを検出すると共にこれに応じた出力電圧検出電圧Ｖ３を生成するものが挙げられる。

記憶部７１は、最低レギュレーション入力電圧Ｖin（reg）、基準入力電流Ｉin（ref）、基準出力電流Ｉout（ref）、基準出力電圧Ｖout（ref）および最大デューティ比をそれぞれ記憶するものであり、これらは以下説明するように、スイッチング電源装置１の故障判断をする際の基準値を構成するようになっている。

制御部７２は、出力電圧検出回路６３から出力される出力電圧検出電圧Ｖ３に基づいて、直流出力電圧Ｖoutが所定の定格電圧を保つための制御信号を駆動回路７３へ出力すると共に、この出力電圧検出電圧Ｖ３に加え、入力電圧検出回路６１から出力される入力電圧検出電圧Ｖ１、入力電流検出回路６２から出力される入力電流検出電圧Ｖ２、および後述するようにスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４をパルス幅変調（ＰＷＭ；Pulse Wave Modulation）により駆動する際のテューティ比に基づいて、スイッチング電源装置１が故障状態であるか否かを判断するものであり、例えばマイクロコンピュータなどにより構成される。具体的には、この故障状態であるかどうかの判断は、以下の（１）式〜（３）式をすべて満たすか否かを判定すると共に、上記デューティ比が記憶部７１に記憶されている最大デューティ比に等しいか否かを判定し、それらの判定結果に基づいて行う。
Ｖin ≧Ｖin（reg） ……（１）
Ｉin ≦Ｉin（ref） ……（２）
Ｖout≦Ｖout（ref） ……（３）

但し、Ｖinは、入力電圧検出回路６１による検出入力電圧であり、入力電圧検出電圧Ｖ１に対応するものである。また、Ｉinは、入力電流検出回路６２による検出入力電流であり、入力電流検出電圧Ｖ２に対応する電流値である。また、Ｖoutは、出力電圧検出回路６３による検出出力電圧であり、出力電圧検出電圧Ｖ３に対応するものである。また、Ｖin（reg）は最低レギュレーション入力電圧であり、スイッチング電源装置１としての正常なレギュレーション動作が保証され得る最低の入力電圧を意味する。また、Ｉin（ref），Ｖout（ref）はそれぞれ、基準入力電流および基準出力電圧である。なお、最低レギュレーション入力電圧Ｖin（reg）、基準入力電流Ｉin（ref）および基準出力電圧Ｖout（ref）は、前述のように記憶部７１に記憶されているものであり、制御部７２が記憶部７１から読み出すことによって用いられるようになっている。

ここで、図２を参照して、上記（１）式〜（３）式の詳細について説明する。図２は、これらの式によって規定される故障領域Ｆ０を表すものであり、縦軸が直流出力電圧Ｖoutを、横軸が出力電流Ｉoutを、それぞれ表している。また、電圧Ｖ０および電流Ｉ０はそれぞれ所定の定格電圧および定格電流を表し、符号Ｐ０はいわゆる過電流垂下点を表している。

まず、（１）式は、この図２には表されない式であるが、検出された直流入力電圧Ｖinが、最低レギュレーション入力電圧Ｖin（reg）以上であるというものである。具体的には、スイッチング電源装置１に入力される直流入力電圧Ｖinがこの最低レギュレーション入力電圧Ｖin（reg）以上であれば、このスイッチング電源装置１が正常状態である限り、直流出力電圧Ｖoutが定格電圧Ｖ０になるというものである。すなわち、この（１）式を満たさない場合には、以下の（２）式，（３）式の判定を正確に行うことができないことから、この（１）式は、図２に示した故障領域Ｆ０を規定するための前提条件となるものである。

また、（２）式は、検出された入力電流Ｉinが、基準入力電流Ｉin（ref）以下であるというものであり、図２に示した出力電圧−出力電流特性でいうと、出力電流Ｉoutが基準出力電流Ｉout（ref）以下であるということを意味している。具体的には、図中の基準出力電流Ｉout（ref）は、直流出力電圧Ｖoutが一定である出力電流領域、すなわち過電流垂下点Ｐ０で規定される定格電流Ｉ０よりも低くなるように設定され、検出された入力電流Ｉinに対応する出力電流Ｉoutがこの基準出力電流Ｉout（ref）以下である場合には、スイッチング電源装置１が故障状態である可能性があるということを意味している。このようにして、出力電流Ｉoutが過電流であるかどうかを考慮したうで、スイッチング電源装置１の故障判断がなされるようになっている。なお、実際には、記憶部７１に記憶されている基準出力電流Ｉout（ref）に基づいて、以下の（４）式によって（２）式中の基準入力電流Ｉin（ref）が算出され、（２）式を満たすか否かの判定がなされるようになっている。
Ｖin／Ｖout＝Ｉout／Ｉin＝Ｉout（ref）／Ｉin（ref）＝ｎ …（４）
（ｎ；トランス３の１次側巻線３１と２次側巻線３２Ａ，３２Ｂとの巻数比）

また、（３）式は、検出された直流出力電圧Ｖoutが、基準出力電圧Ｖout（ref）以下になっているというものである。具体的には、この（３）式では、基準出力電圧Ｖout（ref）は定格電圧Ｖ０よりも低くなるように設定され、検出された直流出力電圧Ｖoutがこの基準出力電圧Ｖout（ref）以下である場合には、スイッチング電源装置１が故障状態である可能性があるということを意味している。

一方、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４をパルス幅変調により駆動する際のテューティ比は、例えば制御部７２によって検出される。つまり、制御部７２は本発明における「デューティ比検出手段」の一具体例に対応し、例えばマイクロコンピュータのインプットキャプチャ機能などから構成される。具体的には、制御部７２が、自身から駆動回路７３へ出力される制御信号のデューティ比、または駆動回路７３からスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４へ出力されるスイッチング信号ＳＧ１〜ＳＧ４のデューティ比を検出し、この検出デューティ比が最大デューティ比と等しいか否かを判定する。このように構成したので、上記（１）式〜（３）式に加え、デューティ比を高めて直流出力電圧Ｖoutをさらに増加させる余地があるか否かが考慮されたうえで、故障判断がなされるようになっている。

このようにして制御部７２は、上記（１）式〜（３）式をすべて満たすか否か、すなわちスイッチング電源装置１の出力電圧−出力電流特性が故障状態領域Ｆ０内にあるか否かを判定すると共に、検出デューティ比が最大デューティ比と等しいか否かを判定し、それらの判定結果に基づいてスイッチング電源装置１が故障状態であるか否かを判断し、その判断結果を出力部７４へ出力するようになっている。

図１の説明に戻り、駆動回路７３は、スイッチング回路２内のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４を駆動するためのものである。具体的には、制御部７２から出力される制御信号に基づいて、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４に対する駆動信号ＳＧ１〜ＳＧ４をそれぞれ出力し、これらスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４を上述のようにパルス幅変調によって駆動するようになっている。より具体的には、この制御信号のデューティ比変化に従って直流出力電圧Ｖoutが一定に保たれるように、駆動信号ＳＧ１〜ＳＧ４を生成するようになっている。

出力部７４は、制御部７２によるスイッチング電源装置１が故障状態であるか否かの判断結果を、指令部８へ出力するものである。

また、指令部８は、所定の基準値である最低レギュレーション入力電圧Ｖin（reg）、基準入力電流Ｉin（ref）、基準出力電圧Ｖout（ref）および最大デューティ比を、それぞれスイッチング電源装置１内の記憶部７１へ出力すると共に、制御部７２による判断結果を出力部７４から受け取り、これによりスイッチング電源装置１に対する制御を行う部分である。なお、この指令部８は、例えばスイッチング電源装置１が車載用である場合には、例えばＥＣＵ（Electric Control Unit）などから構成される。

ここで、整流回路４および平滑回路５が本発明における「出力回路」の一具体例に対応し、記憶部７が本発明における「記憶手段」の一具体例に対応する。また、制御部７２が、本発明における「判断手段」および「デューティ比検出手段」の一具体例に対応する。

次に、以上のような構成のスイッチング電源装置の動作について説明する。まず、スイッチング電源装置１の基本動作について説明する。

スイッチング回路２は、高圧バッテリ１１から入力端子Ｔ１，Ｔ２を介して供給される直流入力電圧Ｖinをスイッチングして入力交流電圧を生成し、これをトランス３の１次側巻線３１に供給する。トランス３の２次側巻線３２Ａ，３２Ｂからは、変圧（ここでは、降圧）された出力交流電圧が取り出される。

整流回路４は、この出力交流電圧を整流ダイオード４Ａ，４Ｂによって整流する。これにより、出力ラインＬＯと接地ラインＬＧとの間に整流出力が発生する。

平滑回路５は、この出力ラインＬＯと接地ラインＬＧとの間に生じる整流出力を平滑化し、出力端子Ｔ３，Ｔ４から直流出力電圧Ｖoutを出力する。そしてこの直流出力電圧Ｖoutにより、負荷１２が駆動される。

また、この直流出力電圧Ｖoutは、出力電圧検出回路６３によって随時検出されている。この出力電圧検出回路６３から出力される直流出力電圧Ｖoutに応じた電圧Ｖ３は、制御部７２へ出力され、直流出力電圧Ｖoutの大きさに応じたデューティ比からなる制御パルスが、駆動回路７３へ出力される。そしてこの制御パルスに基づく駆動信号ＳＧ１〜ＳＧ４が、それぞれスイッチング回路２内のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４へ供給され、直流出力電圧Ｖoutが一定に保たれるように制御がなされる。具体的には、直流出力電圧Ｖoutが所定の電圧よりも高い場合には、制御パルスのデューティ比が低くなることで、直流出力電圧Ｖoutが低下する。一方、逆に直流出力電圧Ｖoutが所定の定格電圧よりも低い場合には、制御パルスのデューティ比が高くなることで、直流出力電圧Ｖoutが増加する。

次に、図１〜図３を参照して、本発明の主な特徴である、制御部７２による故障状態の判断処理について詳細に説明する。ここで、図３は、制御部７２による故障状態の判断処理を流れ図で表したものである。

まず、制御部７２が、記憶部７１に記憶されている基準出力電流Ｉout（ref）に基づいて、前述の（４）式を用いることにより、基準入力電流Ｉin（ref）を算出する（ステップＳ１０１）。なお、算出された基準入力電流Ｉin（ref）は、記憶部７１に記憶され、以下の判断処理の際に用いられる。

次に、入力電圧検出回路６１、入力電流検出回路６２および出力電圧検出回路６３が、それぞれ、直流入力電圧Ｖin、入力電流Ｉinおよび直流出力電圧Ｖoutを検出する（ステップＳ１０２）。

次に、制御部７２は、記憶部７１に記憶されている最低レギュレーション入力電圧Ｖin（reg）および基準出力電圧Ｖout（ref）と、ステップＳ１０１で算出された基準入力電流Ｉin（ref）と、ステップＳ１０２で検出された直流入力電圧Ｖin、直流出力電圧Ｖoutおよび基準出力電流Ｉout（ref）との間で、前述の（１）式〜（３）式をすべて満たすか否かを判定する（ステップＳ１０３）。

ここで、これら（１）式〜（３）式の少なくとも１つを満たしていないと判定された場合には（ステップＳ１０３：Ｎ）、制御部７２は、スイッチング電源装置１の出力電圧−出力電流特性が図２の故障状態領域Ｆ０外にあることから、現在正常状態であると判断し（ステップＳ１０４）、処理がステップＳ１０２へと戻る。このようにして、直流出力電圧Ｖoutに加えて出力電流Ｉoutも考慮したうえで、すなわち、出力電流Ｉoutが過電流であるか否かも考慮したうえで、スイッチング電源装置１の故障判断がなされる。

一方、ステップＳ１０３において、（１）式〜（３）式をすべて満たしていると判定された場合には（ステップＳ１０３：Ｙ）、制御部７２は次に、自身から駆動回路７３へ出力される制御信号のデューティ比、または駆動回路７３からスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４へ出力されるスイッチング信号ＳＧ１〜ＳＧ４のデューティ比を検出し（ステップＳ１０５）、この検出デューティ比が最大デューティ比と等しいか否かを判定する（ステップＳ１０６）。

ここで、検出デューティ比が最大デューティ比と等しくない（最大デューティ比まで達していない）と判定された場合には（ステップＳ１０６：Ｎ）、制御部７２は、スイッチング電源装置１の出力電圧−出力電流特性が図２の故障状態領域Ｆ０内にあるが、デューティ比を高めて直流出力電圧Ｖoutをさらに増加させる余地があることから、正常状態であると判断し（ステップＳ１０４）、処理がステップＳ１０２へと戻る。

一方、検出デューティ比が最大デューティ比と等しい（最大デューティ比まで達している）と判定された場合には（ステップＳ１０６：Ｙ）、制御部７２は、スイッチング電源装置１の出力電圧−出力電流特性が故障状態領域Ｆ０内にあり、かつ、デューティ比を高めて直流出力電圧Ｖoutをさらに増加させる余地はないことから、故障状態であると判断する（ステップＳ１０７）。そして、制御部７２は、故障状態である旨の判断結果を出力部７４を介して指令部８へ出力する（ステップＳ１０８）ことにより、故障状態の判断処理が終了する。なお、その後は、指令部８によって、この故障状態に対する適切な処理がなされることとなる。

以上のように、本実施の形態では、制御部７２が、直流入力電圧Ｖin、入力電流Ｉinおよび直流出力電圧Ｖoutの検出値と、記憶部７１に記憶されている最低レギュレーション入力電圧Ｖin（reg）、基準入力電流Ｉin（ref）および基準出力電圧Ｖout（ref）との間で、上記（１）式〜（３）式をすべて満たすか否かを判定し、その判定結果に基づいてスイッチング電源装置１が故障状態であるか否かを判断するようにしたので、直流出力電圧Ｖoutに加え、出力電流Ｉoutも考慮したうえで故障判断を行うことができ、出力電流Ｉoutが過電流となった場合でも、装置の故障判断を正確に行うことが可能となる。

また、（１）式〜（３）式をすべて満たすか否かを判定することに加え、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４をパルス幅変調により駆動する際のデューティ比（検出デューティ比）が最大デューティ比と等しいか否かをさらに判定し、その判定結果をも考慮して故障判断を行うようにしたので、（１）式〜（３）式に加え、デューティ比を高めて直流出力電圧Ｖoutをさらに増加させる余地があるか否かを考慮したうえで判断することができ、より正確な故障判断を行うことが可能となる。また、検出した信号の位置（例えば、制御部７２から駆動回路７３へ出力される制御信号や、駆動回路７３からスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４へ出力されるスイッチング信号ＳＧ１〜ＳＧ４）から、故障の位置を特定することも可能となる。

また、この制御部７２による故障状態の判断処理を、例えばマイクロコンピュータなどのソフトウェア処理で行うようにしたので、ハードウェアで構成した場合と比べて、スイッチング電源装置１の全体構成を簡素化することができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。

上記第１の実施の形態においては、スイッチング電源装置１の出力側に負荷１２を接続した場合の故障判断について説明したが、本実施の形態では、出力側に負荷１２に加え、低圧バッテリ１３を接続した場合の故障判断について説明する。なお、説明の簡潔化を図るため、以下、第１の実施の形態と同様の部位については、同じ符号を付して説明する。

図４は、本実施の形態に係る電圧変換システムの構成を表すものである。この電圧変換システムは、スイッチング電源装置１と指令部８とから構成され、スイッチング電源装置１の出力側（出力端子Ｔ３，Ｔ４の間）に、負荷１２および低圧バッテリ１３が互いに並列接続されている。そしてこのスイッチング電源装置１から出力される直流出力電圧Ｖoutによって、低圧バッテリ１３に給電されると共に、負荷１２が駆動されるようになっている。なお、この低圧バッテリ１３が、本発明における「バッテリ」の一具体例に対応する。

次に、本実施の形態に係る制御部７２による故障状態の判断処理について説明する。

まず、本実施の形態では、基準出力電圧Ｖout（ref）が、低圧バッテリ１３の充電電圧（低圧バッテリ電圧Ｖｂ）よりも高く設定されるようになっている。これにより、スイッチング電源装置１の出力側に低圧バッテリ１３が接続された状態でも、低圧バッテリ電圧Ｖｂや低圧バッテリ１３の充放電電流などにより、直流出力電圧Ｖoutの検出が妨げられることはない。

また、本実施の形態の判断部７２は、直流出力電圧Ｖoutが低圧バッテリ電圧Ｖｂよりも高い場合に、前述の（１）式〜（３）式をすべて満たすか否かの判定を行うようになっている。これは、図４に示した回路構成では、低圧バッテリ１３が十分に充電されているような場合には、低圧バッテリ電圧Ｖｂが直流出力電圧Ｖoutと等しくなり、常に（３）式が満たされる、すなわち検出された直流出力電圧Ｖoutが基準出力電圧Ｖout（ref）以下になってしまうからである。よって、このように構成したことにより、（３）式の判定が正確に行われるようになる。

なお、直流出力電圧Ｖoutが低圧バッテリ電圧Ｖｂよりも高い場合とは、例えば低圧バッテリ１３が十分には充電されていないような場合や、図４の出力端子Ｔ３と低圧バッテリ１３との間に抵抗器などが設けられ、そこで電圧降下が生じているような場合などが挙げられる。

以上のように、本実施の形態では、制御部７２が、直流出力電圧Ｖoutが低圧バッテリ１３の充電電圧（低圧バッテリ電圧Ｖｂ）よりも高い場合において、上記（１）式〜（３）式をすべて満たすか否かを判定すると共に、基準出力電圧Ｖout（ref）が低圧バッテリ電圧Ｖｂよりも高くなるように設定したので、この低圧バッテリ電圧Ｖｂや低圧バッテリ１３の充放電電流などによって故障判断（直流出力電圧Ｖoutの検出など）が妨げられることはなく、第１の実施の形態における効果に加え、出力側にバッテリを接続した場合でも、装置の故障判断を正確に行うことが可能となる。

以上、第１および第２の実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されず、種々の変形が可能である。

例えば、上記実施の形態では、（１）式〜（３）式をすべて満たすか否かを判定することに加え、検出デューティ比が最大デューティ比と等しいか否かをさらに判定し、それらの判定結果に基づいて、スイッチング電源装置１の故障判断を行う場合について説明したが、例えば（１）式〜（３）式の判定結果のみで故障判断を行うようにしてもよい。このように構成した場合、上記実施の形態よりも簡易な構成とすることができ、判断処理をより迅速に行うことが可能となる。また、逆に上記実施の形態における判定に加え、さらに制御部７２が、このデューティ比の時間変化量を検出し、検出されたこのデューティ比の時間変化量をも考慮して、故障か否かの判断を行うようにしてもよい。このように構成した場合、デューティ比が増加傾向にあるのか、あるいは減少傾向にあるのかを考慮することができ、より詳細な故障判断をすることが可能となる。なお、この場合の制御部７２が、本発明における「デューティ比変化量検出手段」の一具体例に対応する。

また、上記実施の形態では、図２に示したように、スイッチング電源装置１における故障の有無のみを判断する場合について説明したが、例えば図４に示したように、故障の有無に加え、故障の程度を多段階（この場合、軽故障状態、中故障状態および重故障状態の３段階）に判断するようにしてもよい。具体的には、それぞれ複数（この場合、３つ）の基準出力電圧Ｖout（ref1），Ｖout（ref2），Ｖout（ref3）および基準出力電流Ｉout（ref1），基準出力電流Ｉout（ref2），基準出力電流Ｉout（ref3）を記憶部７１に記憶するようにし、これら複数の基準値を用いて、スイッチング電源装置１の出力電圧−出力電流特性において、複数の故障状態領域Ｆ１〜Ｆ３を設けるようにする。そしてこれら複数の故障状態領域を、それぞれ軽故障状態領域Ｆ１、中故障状態領域Ｆ２および重故障状態領域Ｆ３として設定すれば、制御部７２が故障の有無だけでなく、故障の程度についても判断することが可能となる。

また、上記実施の形態では、制御部７２による故障状態の判断結果を指令部８へ出力する場合について説明したが、これに加えて、例えば（１）式〜（３）式がすべて満たされている時間の履歴情報等を、出力部７４から指令部８へ出力するようにしてもよい。このように構成した場合、この履歴情報を利用することで、指令部８からより適切な制御がなされ得る。具体的には、例えば、これらの式を満たす時間に応じて、指令部８から記憶部７１へ出力する基準値を変化させるようにすれば、より厳密な故障判断を行うことが可能となる。また、このような履歴情報を、記憶部７１に記憶させておくようにしてもよい。このように構成した場合、記憶されている履歴情報を利用することで、例えばスイッチング電源装置１の寿命等を判断することも可能となる。

また、上記実施の形態では、スイッチング回路２をいわゆるフルブリッジ型により構成した場合について説明してきたが、例えばいわゆるハーフブリッジ型やチョッパ型、フォワード型、フライバック型などの種々の構成に適用することが可能である。

また、上記実施の形態では、（１）〜（３）式内の基準値を記憶部７１に記憶しておく場合について説明したが、これらの基準値を、スイッチング電源装置１の外部（例えば、指令部８など）から制御部７２へ直接入力するように構成してもよい。

さらに、上記実施の形態では、入力電流検出回路６２をカレントトランス６２０を用いて構成したが、この入力電流検出回路６２を、例えばホールセンサを用いて構成するようにしてもよい。

本発明の第１の実施の形態に係る電圧変換システムの構成を表す回路図である。 式によって規定される故障領域を説明するための特性図である。 故障状態の判断処理を表す流れ図である。 本発明の第２の実施の形態に係る電圧変換システムの構成を表す回路図である。 本発明の変形例に係る故障領域を説明するための特性図である。

符号の説明

１…スイッチング電源装置、１１…高圧バッテリ、１２…負荷、１３…低圧バッテリ、２…スイッチング回路、３…トランス、３１…１次側巻線、３２Ａ，３２Ｂ…２次側巻線、４…整流回路、４Ａ，４Ｂ…整流ダイオード、５…平滑回路、５１…チョークコイル、５２…出力平滑コンデンサ、６１…入力電圧検出回路、６２…入力電流検出回路、６３…出力電圧検出回路、７１…記憶部、７２…制御部、７３…駆動回路、７４…出力部、８…指令部、Ｓ１〜Ｓ４…スイッチング素子、Ｔ１，Ｔ２…入力端子、Ｔ３，Ｔ４…出力端子、Ｌ１Ｈ…１次側高圧ライン、Ｌ１Ｌ…１次側低圧ライン、ＬＯ…出力ライン、ＬＧ…接地ライン、Ｐ０…出力電圧垂下点、Ｉ０…垂下電流、Ｐ１，Ｐ２…接続点、Ｖin…直流入力電圧、Ｉin…入力電流、Ｖout…直流出力電圧、Ｉout…出力電流、Ｖout（ref），Ｖout（ref1），Ｖout（ref2），Ｖout（ref3）…基準出力電圧、Ｖｂ…低圧バッテリ電圧、Ｉout（ref），Ｉout（ref1）Ｉout（ref2），Ｉout（ref3）…基準出力電流、Ｆ０…故障領域、Ｆ１…軽故障領域、Ｆ２…中故障領域、Ｆ３…重故障領域、Ｖ１〜Ｖ３…電圧、ＳＧ１〜ＳＧ４…スイッチング信号。

Claims (7)

1. 出力側に負荷が接続されると共に、この負荷へ流れる出力電流が過電流となって垂下状態となったときに、出力電圧が垂下するのに応じて前記出力電流が増加する垂下特性を示すようになされたスイッチング電源装置であって、
   直流入力電圧をスイッチングしてパルス電圧を生成するスイッチング素子と、
   前記パルス電圧を変圧するトランスと、
   前記トランスによって変圧されたパルス電圧に基づいて直流出力電圧を生成し、前記負荷へ出力する出力回路と、
   前記直流入力電圧Ｖinを検出する入力電圧検出回路と、
   前記トランスの１次側を流れる入力電流Ｉinを検出する入力電流検出回路と、
   前記直流出力電圧Ｖoutを検出する出力電圧検出回路と、
   前記直流入力電圧、前記入力電流および前記直流出力電圧が次の（１）式ないし（３）式を満たすか否かを判定し、この判定結果に基づいて故障か否かを判断する判断手段と
   を備え、
   前記判断手段は、
   前記（１）式ないし（３）式のうちの少なくとも１つを満たしていないと判定された場合には、正常状態であると判断すると共に、
   前記（１）式ないし（３）式の全てを満たしていると判定された場合には、故障状態である可能性があると判断する
   ことを特徴とするスイッチング電源装置。
   Ｖin ≧Ｖin（reg） ……（１）
   Ｉin ≦Ｉin（ref） ……（２）
   Ｖout≦Ｖout（ref） ……（３）
   但し、Ｖin（reg） ：最低レギュレーション入力電圧
   Ｉin（ref） ：出力電圧対出力電流特性の垂下点を規定する入力電流よりも小さい基準入力電流
   Ｖout（ref）：基準出力電圧
2. 出力側にさらにバッテリが接続されると共に、前記基準出力電圧Ｖout（ref）がこのバッテリの電圧よりも高くなるように設定され、
   前記判断手段は、前記直流出力電圧が前記バッテリの電圧よりも高い場合に、前記（１）式ないし（３）式を満たすか否かを判定する
   ことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源装置。
3. 前記スイッチング素子をパルス幅変調により駆動する際のデューティ比を検出するデューティ比検出手段をさらに備え、
   前記判断手段は、
   前記（１）式ないし（３）式の全てを満たしていると判定されることにより、故障状態の可能性があると判断した場合には、さらに、前記デューティ比検出手段により検出されたデューティ比が予め定められた最大デューティ比と等しいか否かを判定し、
   検出されたデューティ比が前記最大デューティ比と等しくないと判定された場合には、正常状態であると判断すると共に、
   検出されたデューティ比が前記最大デューティ比と等しいと判定された場合には、故障状態であると判断する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスイッチング電源装置。
4. 前記デューティ比の時間変化量を検出するデューティ比変化量検出手段をさらに備え、
   前記判断手段は、検出されたデューティ比の時間変化量をも考慮して、故障か否かの判断を行う
   ことを特徴とする請求項３に記載のスイッチング電源装置。
5. 前記判断手段は、複数の基準入力電流および複数の基準出力電圧に基づいて、故障の程度を多段階に判断する
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のスイッチング電源装置。
6. 前記（１）式ないし（３）式が満たされている時間の履歴情報を出力する出力手段をさらに備えた
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のスイッチング電源装置。
7. 前記最低レギュレーション入力電圧、前記基準入力電流および前記基準出力電圧のうちの少なくとも１つを記憶する記憶手段をさらに備えた
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のスイッチング電源装置。

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