JP4804514B2 - 非接地回路の絶縁性検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、接地電位部から絶縁して配置された非接地回路と、該接地電位部との間の絶縁レベルを検出する非接地回路の絶縁性検出装置に関する。

高電圧を出力する直流電源を備えたバッテリ駆動車両、ハイブリッド車両、燃料電池車両等の車両においては、該直流電源及び該直流電源と接続される回路を車体の接地電位部から絶縁して非接地回路とするのが一般的である。

そして、このようにして、車両の接地電位部から絶縁して配置された非接地回路と、車両の接地電位部との間の絶縁性の劣化や地絡（非接地回路と車両の接地電位部間が短絡して、非接地回路と車両の接地電位部間の抵抗が０Ω近くまで低下した状態）を検出するための構成として、図１１に示した構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図１１に示した構成では、車両に搭載された高圧の直流電源１００の正側の配線が、スイッチング素子１１１と抵抗１１２とコンデンサ１１３からなる直列回路１１０を介して車両の接地電位部ＢＥと接続されている。そして、スイッチング素子１１１を導通状態としたときのコンデンサ１１３の正側の測定点１２０の電位の変化に基いて、直流電源１００を含む非接地回路と接地電位部ＢＥ間の絶縁性を検出している。

ここで、非接地回路と接地電位部ＢＥ間の抵抗１３０の抵抗値が高く、非接地回路と接地電位部ＢＥ間の絶縁性が保たれているときは、スイッチング素子１１１を導通状態としても、直流電源１００からコンデンサ１１３への電流Ｉ₅₀がほとんど流れないため、測定点１２０の電位の上昇は微小なものとなる。

それに対して、非接地回路と接地電位部ＢＥ間の絶縁性の劣化や、非接地回路と接地電位部ＢＥ間の地絡が生じて、非接地回路と接地電位部ＢＥ間の抵抗１３０が低くなったときには、直流電流１００からコンデンサ１１３に供給される電流Ｉ₅₀が大きくなって、コンデンサ１１３が急速に充電される。そのため、測定点１２０の電位が急激に上昇する。そこで、スイッチング素子１１１を遮断状態から導通状態に切換えたときの測定点１２０の電位の上昇度合いから、非接地回路と接地電位部ＢＥ間の絶縁性を検知することができる。

しかし、直流高圧電源１００の出力端子と接地電位部ＢＥ間には、一般に、ノイズ対策のために、いわゆるＹコンデンサ１０１，１０２が設けられている。そして、スイッチング素子１１１を遮断状態から導通状態に切換えたときに、Ｙコンデンサ１０１に充電されていた電荷による電流Ｉ₅₁がコンデンサ１１３に供給されて、コンデンサ１１３の端子間電圧が上昇する。

このように、図１１に示した構成による場合には、Ｙコンデンサ１０１からコンデンサ１１３に供給される電流によっても測定点１２０の電位が上昇するため、非接地回路と接地電位部ＢＥ間の絶縁性を精度良く検知することができないという不都合があった。
特開平８−２２６９５０号公報

本願発明者らは、上記不都合を解消するべく、先の出願（特願２００７−３２９１８７）において、Ｙコンデンサ等の他の要素の影響を受けることない簡易な構成によって、非接地回路と車両の接地電位部間の絶縁レベルを精度良く検出することができる絶縁性検出装置を提案した。

そして、本願発明者らは、上記先の出願による非接地回路の絶縁性検出装置についてさらに検討を行った結果、スイッチング素子を介して、直流電源の正極と負極を切替えて電気負荷に導通させるインバータを備えた非接地回路においては、接地電位部との絶縁レベルを検出精度を向上させる必要があることを知見した。

そこで、本発明は、スイッチング素子を介して、直流電源の正極と負極を切替えて電気負荷に導通させるインバータを備えた非接地回路と、接地電位部間の絶縁レベルの検出精度を向上させることができる非接地回路の絶縁性検出装置を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、直流電源と、該直流電源の正極と接続された正側配線と、該直流電源の負極と接続された負側配線と、該正側配線及び該負側配線と電気負荷との間に接続されて、該正側配線が該電気負荷との接続箇所に導通した正極導通状態と、該負側配線が該電気負荷との接続箇所に導通した負極導通状態とを切替えるスイッチング素子を有するインバータとを備えて、接地電位部から絶縁して配置された非接地回路と、該接地電位部との間の絶縁レベルを検出する非接地回路の絶縁性検出装置に関する。

そして、一端が前記正側配線に接続されて、前記非接地回路と前記接地電位部間の絶縁性を維持するための絶縁基準値よりも高い抵抗を有する第１の抵抗と、一端が前記負側配線に接続されて、前記絶縁基準値よりも高い抵抗を有する第２の抵抗と、前記第１の抵抗の他端と前記第２の抵抗の他端間に接続された第３の抵抗と、前記第１の抵抗と前記第３の抵抗との接続部である第１抵抗接続部と、前記第２の抵抗と前記第３の抵抗との接続部である第２抵抗接続部とのうちのいずれか一方を、前記接地電位部に接続する接地配線と、一端が前記接地電位部と接続されたコンデンサと、該コンデンサの他端と、前記第１抵抗接続部と前記第２抵抗接続部とのうちの前記接地配線と接続されていない方の接続部である非接地抵抗接続部との間に接続されて、該非接地抵抗接続部から該コンデンサへの充電電流と、該コンデンサから該非接地接続部への放電電流とを異なるレベルに設定する充放電設定回路と、前記インバータのスイッチング素子により、前記正極導通状態と前記負極導通状態とが切替えられているときに、前記コンデンサの端子間電圧に基づいて、前記非接地回路と前記接地電位部との間の絶縁レベルを検出する絶縁レベル検出手段とを備えたことを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記インバータと電気負荷との接続部が前記接地電位部に短絡した状態になると、前記スイッチング素子により前記正極導通状態とされたときは、前記負側配線が前記充放電設定回路を介して前記コンデンサに導通した状態となるため、前記コンデンサから前記非接地抵抗接続部に向かって放電電流が流れる。一方、前記スイッチング回路により前記負極導通状態とされたときには、前記正側配線が前記充放電回路を介して前記コンデンサに導通した状態となるため、前記非接地抵抗接続部から前記コンデンサに向かって充電電流が流れる。

そのため、前記インバータと電気負荷との接続部が前記接地電位部に短絡した状態となったときに、前記前記スイッチング素子により前記正極導通状態と前記負極導通状態とが交互に切替えられたときには、それに応じて、前記コンデンサが放電状態と充電状態とに交互に切り換わる。

そして、前記充放電設定回路により、前記非接地抵抗接続部から前記コンデンサへの充電電流と、前記コンデンサから前記非接地抵抗接続部への放電電流が異なるレベルに設定されている。そのため、前記コンデンサの充電電流が放電電流よりも大きいときは、前記コンデンサの端子間電圧が前記正側配線が前記接地電位部に短絡したときの電圧まで次第に上昇する。また、前記コンデンサの充電電流が放電電流よりも小さいときには、前記コンデンサの端子間電圧が前記負側配線が前記接地電位部に短絡したときの電圧まで次第に低下する。

そして、これらの場合には、詳細は後述するが、前記インバータと電気負荷との接続部が前記接地電位部と短絡したことを、前記正側配線が前記接地電位部と短絡したとき、又は前記負側配線が前記接地電位部に短絡したときと同じ判定条件で検出することができる。そのため、前記第３の抵抗の端子間電圧に基づいて、前記インバータ及び電気負荷の接続部が前記接地電位部に短絡したときの判定条件によって、前記非接地回路と前記接地電位部との間の短絡を検出するときよりも、前記非接地回路と前記接地電位部との間の短絡を検出精度を高めることができる。

また、前記充放電設定回路は、前記コンデンサと前記非接地抵抗接続部との間に接続された第５の抵抗と、第４の抵抗とダイオードとを直列に接続して構成され、前記第５の抵抗と並列に接続された直列回路とを備えたことを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記ダイオードの順方向に電圧が印加されたときは、前記充放電設定回路を介して通電するときの抵抗は、前記第４の抵抗と前記第５の抵抗との並列合成抵抗となる。一方、前記ダイオードの逆方向に電圧が印加されたときには、前記直列回路側には電流は流れないため、前記充放電設定回路を介して通電するときの抵抗は、前記第５の抵抗分のみとなる。そのため、前記非接地抵抗接続部から前記コンデンサへの充電電流と、前記コンデンサから前記非接地抵抗接続部への放電電流の大きさとを、異なるレベルに設定することができる。

また、アノード側が前記第２抵抗接続部に接続されると共に、カソード側が前記第１抵抗接続部に接続されて、前記第３の抵抗の端子間電圧を前記絶縁レベル検出手段の許容入力電圧範囲内に維持するツェナーダイオードを備えたことを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記絶縁レベル検出手段による検出精度を向上させるためには、前記非接地回路と前記接地電位部との間の絶縁レベルの判定閾値付近での前記コンデンサの端子間電圧の変動幅を大きくする必要がある。そこで、詳細は後述するが、前記ツェナーダイオードを備えることによって、絶縁レベルの判定閾値付近での変化に対する前記コンデンサの端子間電圧の変動幅を大きくしつつ、前記絶縁レベル検出手段への入力電圧を前記絶縁レベル検出手段の許容入力電圧範囲内に維持することができる。

また、前記充放電設定回路は、前記コンデンサの前記非接地抵抗接続部側の端子と前記非接地抵抗接続部との間に、前記非接地抵抗接続部から前記コンデンサへの向きを順方向として接続された第１のダイオードと、第６の抵抗と第２のダイオードとを直列に接続して構成され、該第２のダイオードの順方向を前記非接地抵抗接続部から前記接地電位部への向きとして、前記コンデンサと並列に接続された直列回路とを備えたことを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記第１のダイオードの順方向に電圧が印加されたときは、前記非接地抵抗接続部から前記第１のダイオードを介して供給される電流により、前記コンデンサが充電され、このときの充電電流は前記第１の抵抗及び前記第３の抵抗の抵抗値により大きさが変化する。一方、前記第１のダイオードの逆方向に電圧が印加されたときには、前記コンデンサから前記非接地抵抗接続部への電流の流通が前記第１のダイオードにより遮断されるため、前記コンデンサから前記第２のダイオード及び前記第６の抵抗を介して、前記非接地抵抗接続部の電位まで放電電流が流れる。そのため、前記第１の抵抗及び前記第２の抵抗と前記第６の抵抗の抵抗値の設定により、前記コンデンサの充電電流と放電電流を異なるレベルに設定することができる。

また、アノード側を前記接地電位部側として前記コンデンサと並列に接続され、前記コンデンサの端子間電圧を前記絶縁レベル検出手段の許容入力範囲内に維持するツェナーダイオードを備えたことを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記絶縁レベル検出手段による検出精度を向上させるためには、前記非接地回路と前記接地電位部との間の絶縁レベルの判定閾値付近での前記コンデンサの端子間電圧の変動幅を大きくする必要がある。そこで、詳細は後述するが、前記ツェナーダイオードを備えることによって、絶縁レベルの判定閾値付近での変化に対する前記コンデンサの端子間電圧の変動幅を大きくしつつ、前記絶縁レベル検出手段への入力電圧を前記絶縁レベル検出手段の許容入力電圧範囲内に維持することができる。

また、前記充放電設定回路は、前記非接地抵抗接続部から前記コンデンサへの充電電流を、前記コンデンサから前記非接地抵抗接続部への放電電流よりも大きく設定し、前記絶縁レベル検出手段は、前記コンデンサの端子間電圧が、第１の所定電圧以上になったときに、前記負側配線と前記接地電位部間、又は前記インバータと電気負荷との接続部と前記接地電位部間が短絡状態にあると判断することを特徴とする。

かかる本発明において、前記負側配線と前記接地電位部とが短絡した状態になると、前記非接地抵抗接続部から前記充放電設定回路を介して前記コンデンサに充電電流が流れ、前記コンデンサの端子間電圧が上昇する。また、前記インバータと電気負荷との接続部が前記接地電位部に短絡した状態になったときにも、前記コンデンサの充電電流が放電電流よりも大きく設定されているため、前記コンデンサの端子間電圧が、前記負側配線と前記接地電位部とが短絡した状態と同じレベルまで上昇する。そのため、前記絶縁レベル検出手段は、前記コンデンサの端子間電圧が前記第１の所定電圧以上となったときに、前記負側配線と前記接地電位部間又は前記インバータと電気負荷との接続部と前記接地電位部間が短絡状態にあると判断することができる。

また、前記充放電設定回路は、前記コンデンサから前記非接地抵抗接続部への放電電流を、前記非接地抵抗接続部から前記コンデンサへの充電電流よりも大きく設定し、前記絶縁レベル検出手段は、前記コンデンサの端子間電圧が、第２の所定電圧以下になったときに、前記正側配線と前記接地電位部間、又は前記インバータと電気負荷との接続部と前記接地電位部間が短絡状態にあると判断することを特徴とする。

かかる本発明において、前記正側配線と前記接地電位部とが短絡した状態になると、前記コンデンサから前記充放電設定回路を介して前記非接地抵抗接続部の電位まで放電電流が流れ、前記コンデンサの端子間電圧が低下する。また、前記インバータと電気負荷との接続部が前記接地電位部に短絡した状態になったときにも、前記コンデンサの放電電流が充電電流よりも大きく設定されているため、前記コンデンサの端子間電圧が、前記正側配線と前記接地電位部とが短絡した状態と同じレベルまで低下する。そのため、前記絶縁レベル検出手段は、前記コンデンサの端子間電圧が前記第２の所定電圧以下となったときに、前記正側配線と前記接地電位部間又は前記インバータと電気負荷との接続部と前記接地電位部間が短絡状態にあると判断することができる。

本発明の実施形態について、図１〜図１０を参照して説明する。

先ず、本発明の前提となる非接地回路の絶縁性検出装置の基本的な構成について、図１〜図５を参照して説明する。

図１に示した非接地回路の絶縁性検出装置２０（以下、単に絶縁性検出装置２０という）は、非接地回路１０と車両の接地電位部ＢＥとの間の絶縁レベルを検出するものである。非接地回路１０は、燃料電池スタック等の高電圧ＶM（例えば数百Ｖ）を出力する直流電源１２と、直流電源１２とモータ４０間に接続されて直流電源１２から出力される電圧ＶMを正側のトランジスタＱ₁₁，Ｑ₂₁，Ｑ₃₁（本発明のスイッチング素子に相当する）及び負側のトランジスタＱ₁₂，Ｑ₂₂，Ｑ₃₂（本発明のスイッチング素子に相当する）をスイッチングすることにより、モータ４０に３相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の駆動電圧を出力するインバータ１１とを有して、接地電位部ＢＥから絶縁して配置されている。なお、絶縁性検出装置２０は、車両のＥＣＵ（Electronic Control Unit）の一部として構成されている。

そして、絶縁性検出装置２０は、オペアンプ２６と、直流電源１２の正極と接続された正側配線（図中ＰＯＧと接続された配線）とオペアンプ２６との間に接続された第１の抵抗２１と、直流電源１２の負極と接続された負側配線（図中ＮＥＧと接続された配線）とオペアンプ２６との間に接続された第２の抵抗２２と、第１の抵抗２１と第２の抵抗２２との間に接続された第３の抵抗２３、第２の抵抗２２と第３の抵抗２３の接続部（本発明の第２抵抗接続部に相当する）を接地電位部ＢＥと接続する接地配線と、第３の抵抗２３と並列に接続された平滑用コンデンサ２５と、オペアンプ２６の出力端子と接続されたマイクロコンピュータ３０とにより構成されている。

マイクロコンピュータ３０は、所定の制御用プログラムを実行することにより、非接地回路１０と接地電位部ＢＥ間の絶縁レベルを検出する絶縁レベル検出手段３１として機能する。なお、マイクロコンピュータ３０とオペアンプ２６は、直流電源１２とは別に設けられた出力電圧がＶMよりも低いＶ_ccである直流電源（図示しない）からの出力電力によって作動する。

ここで、第１の抵抗２１の抵抗値Ｒ1と、第２の抵抗２２の抵抗値Ｒ2は、非接地回路１０の接地電位部ＢＥに対する絶縁抵抗の基準値（例えば、５００Ω／Ｖ以上）以上の絶縁レベルを確保するために、ＭΩレベルに設定されている。ここで、非接地回路１０と接地電位部ＢＥ間の地絡（非接地回路と車両の接地電位部間が短絡して、非接地回路と車両の接地電位部間の抵抗が０Ω近くまで低下した状態）が生じていないときは、第３の抵抗２３の端子間電圧Ｖ_outは、以下の式（１）により近似される。

但し、Ｖ_out：第３の抵抗２３の端子間電圧、Ｒ1：第１の抵抗２１の抵抗値、Ｒ2：第２の抵抗２２の抵抗値、Ｒ3：第３の抵抗２３の抵抗値、ＶM：直流電源１２の出力電圧。

そして、オペアンプ２６への入力電圧Ｖ_outは、後述する負側配線の地絡を生じたときに最大となり、このときのＶ_outは、以下の式（２）により近似される。

そのため、上記式（２）によるＶ_outが、オペアンプ２６の許容入力電圧範囲の上限であるＶ_ccを超えないように、第１の抵抗２１の抵抗値Ｒ1と第３の抵抗２３の抵抗値Ｒ3が設定されている。そして、絶縁レベル検出手段３１は、オペアンプ２６から出力されるＶ_outの増幅出力Ｖ_refを入力して、Ｖ_outのレベルを認識する。

次に、図２を参照して、非接地回路１０の負側配線と接地電位部ＢＥ間の地絡（以下、負側地絡という）の検出について説明する。図２（ａ）を参照して、非接地回路１０の負側配線と接地電位部ＢＥ間が抵抗４０により地絡（抵抗４０の抵抗値Ｒt1≪第２の抵抗２２の抵抗値Ｒ2）した場合、オペアンプ２６への入力電圧Ｖ_outは、以下の式（３）により近似される。

但し、Ｒt1：非接地回路１０の負側配線と接地電位部ＢＥ間の抵抗値。

上記式（３）から、非接地回路１０の負側配線と接地電位部ＢＥ間の抵抗４０の抵抗値Ｒt1が小さくなるに従って、オペアンプ２６への入力電圧Ｖ_outが高くなることがわかる。そして、Ｒt1≒０ΩのときはＶ_outは上記式（２）で示した電圧となる。

図２（ｂ）は、非接地回路１０の負側配線と接地電位部ＢＥ間の抵抗４０の抵抗値Ｒt1と、オペアンプ２６への入力電圧Ｖ_outとの関係を、抵抗値Ｒt1を横軸とし、入力電圧Ｖ_outを縦軸として示した近似グラフである。絶縁レベル検出手段３１は、図２（ｂ）に示したように、オペアンプ２６への入力電圧Ｖ_outが、非接地回路１０と接地電位部ＢＥ間の絶縁抵抗の基準値Ｒth_1に対応した電圧Ｖth_1（本発明の第１の所定電圧に相当する）以上になったときに、非接地回路１０の負側配線と接地電位部ＢＥ間の地絡が生じていると判断する。なお、図２（ｂ）のＶ_typは、非接地回路１０と接地電位部ＢＥ間の地絡が生じていない場合における非接地回路１０と接地電位部ＢＥ間の抵抗値の典型値である。

次に、図３を参照して、非接地回路１０の正側配線と接地電位部ＢＥ間の地絡（以下、正側地絡という）の検出について説明する。図３（ａ）を参照して、非接地回路１０の正側配線と接地電位部ＢＥ間が抵抗４１により地絡（抵抗４１の抵抗値Ｒt2≪第１の抵抗２１の抵抗値Ｒ1）した場合、第３の抵抗２３の端子間電圧入力電圧Ｖ_outは、以下の式（４）により表される。

但し、Ｒt2：非接地回路１０の正側配線と接地電位部ＢＥ間の抵抗値。

上記式（４）から、非接地回路１０の正側配線と接地電位部ＢＥ間の抵抗４１の抵抗値Ｒt2が小さくなるに従って、オペアンプ２６への入力電圧Ｖ_outが低くなることがわかる。そして、抵抗値Ｒt2≒０Ωのときに、Ｖ_outは０Ｖとなる。

図３（ｂ）は、非接地回路１０の正側配線と接地電位部ＢＥ間の抵抗４１の抵抗値Ｒt2と、第３の抵抗２３の端子間電圧Ｖ_outとの関係を、Ｒt2を横軸とし、Ｖ_outを縦軸として示した近似グラフである。絶縁レベル検出手段３１は、図３（ｂ）に示したように、第３の抵抗２３の端子間電圧Ｖ_outが、非接地回路１０と接地電位部ＢＥ間の絶縁抵抗の基準値Ｒth_2に対応した電圧Ｖth_2（本発明の第２の所定電圧に相当する）以下になったときに、非接地回路１０の正側配線と接地電位部ＢＥ間の地絡が生じていると判断する。

次に、図４及び図５を参照して、非接地回路１０のインバータ１１とモータ４０間の接続部と接地電位部ＢＥと間の地絡（以下、３相地絡という）の検出について説明する。図４は、インバータ１１とモータ４０のＵ相間の配線が抵抗４２を介して接地電位部ＢＥに地絡した状態を示している。

図４において、Ｕ相については、インバータ１１のトランジスタＱ₁₁がＯＮ（導通状態）であってトランジスタＱ₁₂がＯＦＦ（遮断状態）である正極導通状態のときに、非接地回路１０の正側配線がトランジスタＱ₁₁を介して接地電位部ＢＥに地絡する。また、インバータ１１のトランジスタＱ₁₂がＯＮであってトランジスタＱ₁₁がＯＦＦである負極導通状態のときに、非接地回路１０の負側配線がトランジスタＱ₁₂を介して接地電位部ＢＥに地絡する。同様にして、Ｖ相についてはトランジスタＱ₂₁，Ｑ₂₂により、また、Ｗ相についてはトランジスタＱ₃₁，Ｑ₃₂により、正極導通状態と負極導通状態とが切替えられて、負側配線又は正側配線が接地電位部ＢＥに地絡する。

ここで、図５は、横軸を共通の時間軸（ｔ）として、インバータ１１とモータ４０のＵ相間の配線が抵抗４２を介して接地電位部ＢＥに地絡した状態で、トランジスタＱ₁₁，Ｑ₁₂をスイッチングして正極導通状態と負極導通状態とを切替えたときの、第３の抵抗４２の端子間電圧Ｖ_outの変化を示したものである。

図５の（ａ）はトランジスタＱ₁₁の状態（ＯＮ／ＯＦＦ）を示し、図５の（ｂ）はトランジスタＱ₁₂の状態（ＯＮ／ＯＦＦ）を示している。図５では、ｔ₁₀〜ｔ₁₁，ｔ₁₂〜ｔ₁₃，ｔ₁₄〜ｔ₁₅，ｔ₁₆〜ｔ₁₇，ｔ₁₈〜ｔ₁₉，ｔ₂₀〜ｔ₂₁，ｔ₂₂〜ｔ₂₃の各期間が正極導通状態（トランジスタＱ₁₁がＯＮ，トランジスタＱ₁₂がＯＦＦ）となっている。また、ｔ₁₁〜ｔ₁₂，ｔ₁₃〜ｔ₁₄，ｔ₁₅〜ｔ₁₆，ｔ₁₇〜ｔ₁₈，ｔ₁₉〜ｔ₂₀，ｔ₂₁〜ｔ₂₂の各期間が負極導通状態（トランジスタＱ₁₂がＯＮ，トランジスタＱ₂₂がＯＦＦ）となっている。

また、図５の（ｃ）は、Ｒ1＝Ｒ2（≫Ｒ3）、抵抗４３の抵抗値Ｒt3≒０Ωであって、平滑用コンデンサ２５の容量Ｃ1が０pFであるときの第３の抵抗２３の端子間電圧Ｖ_outの変化を示したものである。さらに、図５（ｄ）は、Ｒ1＝Ｒ2（≫Ｒ3）、抵抗４２の抵抗値Ｒt3≒０Ωであって、平滑用コンデンサ２５の容量Ｃ1が大（モータ４０に対する駆動電圧を平滑化するために、該駆動電圧の周波数に応じて設定される）であるときの第３の抵抗２３の端子間電圧Ｖ_outの変化を示したものである。

この場合、平滑用コンデンサ２５の容量Ｃ1が０pFであるときは、正極導通状態であるときに非接地回路１０の正側配線がトランジスタＱ₁₁を介して接地電位部ＢＥに地絡し、第３の抵抗２３の端子間電圧Ｖ_outが０Ｖとなる。また、負極導通状態であるときに、非接地回路１０の負側配線がトランジスタＱ₁₂を介して接地電位部ＢＥに地絡し、第３の抵抗２３の端子間電圧Ｖ_outが、地絡が生じていないときの電圧Ｖ_typの２倍（Ｖ_tpy×２）となる。

そして、平滑用コンデンサ２５の容量Ｃ1を増大させると、第３の抵抗２３の端子間電圧Ｖ_outがＶ_typ付近に平滑化されて、インバータ１１とモータ４０間の配線と接地電位部ＢＥとの間で地絡が生じていない場合と同じ状況となる。そのため、絶縁レベル検出手段３１は、インバータ１１とモータ４０間の配線と接地電位部ＢＥとの間で地絡が生じていることを検知することができない。

そこで、第１の抵抗２１の抵抗値Ｒ1と第２の抵抗２２の抵抗値Ｒ2を異なる値に設定することにより、インバータ１１とモータ４０間の配線と接地電位部ＢＥとの間で地絡が生じていることを、該地絡が生じていないときと区別して検出することができる。

図５（ｅ）は、第２の抵抗２２の抵抗値Ｒ2が第１の抵抗２１の抵抗値Ｒ1の３倍（Ｒ2＝３×Ｒ1）、抵抗４３の抵抗値Ｒt3≒０Ωであって、平滑用コンデンサ２５の容量Ｃ1が０pFであるときの第３の抵抗２３の端子間電圧Ｖ_outの変化を示したものである。また、図５（ｆ）は、第２の抵抗２２の抵抗値Ｒ2が第１の抵抗２１の抵抗値Ｒ1の３倍（Ｒ2＝３×Ｒ1）、抵抗４３の抵抗値Ｒt3≒０Ωであって、平滑用コンデンサ２５の容量Ｃ1が大であるときの第３の抵抗２３の端子間電圧Ｖ_outの変化を示したものである。

図５（ｅ）のコンデンサ２５の容量が０pFであるときは、正極導通状態であるときに、非接地回路１０の正側配線がトランジスタＱ₁₁を介して接地電位部ＢＥに地絡し、第３の抵抗２３の端子間電圧Ｖ_outが０Ｖとなる。一方、負極導通状態であるときに、非接地回路１０の負側配線がトランジスタＱ₁₂を介して接地電位部ＢＥに地絡し、第３の抵抗２３の端子間電圧Ｖ_outが、地絡が生じていない定常時の電圧（Ｖ_typ＝Ｒ3／（Ｒ3＋４Ｒ1）≒Ｒ3／４Ｒ1）の４倍（４×Ｖ_typ）となる。

そして、平滑用コンデンサ２５の容量Ｃ1を増大させると、第３の抵抗２３の端子間電圧Ｖ_outが定常時の電圧Ｖ_typの２倍（２×Ｖ_typ）となる。そのため、絶縁レベル検出手段３１は、第３の抵抗２３の端子間電圧Ｖ_outが、定常時の電圧Ｖ_typの２倍程度まで上昇したときに、３相地絡が生じたと判断することができる。

次に、図６（ａ）は、図１に示した非接地回路１０と接地電位部ＢＥ間の抵抗値（絶縁レベル）Ｒtと、第３の抵抗２３の端子間電圧Ｖ_outの変化を示したものであり、縦軸がＶ_out（Ｖ）に設定され、横軸が絶縁レベルＲt（kΩ）に設定されている。

図６（ａ）において、ａ1は負側配線と接地電位部ＢＥ間の抵抗値が低下（負側地絡）したときの第３の抵抗２３の端子間電圧Ｖ_outの変化を示している。また、ｂ1は正側配線と接地電位部ＢＥ間の抵抗値が低下したとき（正側地絡）の第３の抵抗２３の端子間電圧Ｖ_outの変化を示している。また、ｃ1はインバータ１１とモータ４０との接続部と接地電位部ＢＥ間の抵抗値が低下したとき（３相地絡）の第３の抵抗２３の端子間電圧Ｖ_outの変化を示している。

そして、絶縁レベル検出手段３１は、非接地回路１０と接地電位部ＢＥ間の抵抗値Ｒtが５００kΩ以上であるときは非接地回路１０と接地電位部ＢＥ間の地絡が生じていない（正常状態）にあると判定し、該抵抗値Ｒtが１５０kΩ以下となったときに地絡が生じていると判定する。

そして、図６（ａ）においては、ａ1（負側地絡）とｃ1（３相地絡）では共にＲtが低下するに従ってＶ_outが高くなっている。そのため、ａ1とｃ1については、ｃ1の３相地絡を基準として、非接地回路１０の短絡を判定する必要がある。しかし、このように３相短絡用の判定閾値Ｔhp1（≒２Ｖ）を基準として短絡を判定したときには、負側配線と接地電位部ＢＥ間の抵抗値が１０００kΩ以下になったときに、短絡が生じていると判定される。そのため、実際には非接地回路１０の短絡が生じていないにも拘わらず、非接地回路１０の短絡が生じていると判定されることになり、非接地回路１０の短絡を精度良く検出することができないという不都合がある。

そこで、図７を参照して、本実施の形態の非接地回路の絶縁性検出装置５０（以下、単に絶縁性検出装置５０という。本発明の非接地回路の絶縁性検出装置に相当する）は、上記不都合を解消して非接地回路１０の地絡を精度良く検出するための構成を備えている。以下、絶縁性検出装置５０について説明する。なお、上述した図１の非接地回路１０及び絶縁性検出装置２０と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

絶縁性検出装置５０は、第１の抵抗２１と第３の抵抗２３との接続部Ｐ1（本発明の第１抵抗接続部、及び非接地抵抗接続部に相当する）に入力部が接続されたオペアンプ５２と、オペアンプ５２の出力部と接続された充放電設定回路６０と、充放電設定回路６０と接地電位部ＢＥとの間に接続されたコンデンサ５３と、コンデンサ５３の端子間電圧Ｖcを検出する電圧検出回路５４と、電圧検出回路５４と接続されて電圧検出信号が入力されるマイクロコンピュータ７０とを備えている。

オペアンプ５２はボルテージフォロワアンプを構成し、第３の抵抗２３の端子間電圧Ｖ_r3（Ｐ1と接地電位部ＢＥとの間の電圧）を充放電設定回路６０に出力する。充放電設定回路６０は、第４の抵抗６１及びダイオード６２からなる直列回路と、第５の抵抗６３とを並列に接続して構成されている。

ここで、非接地回路１０が３相地絡状態となると、トランジスタＱ₁₁，Ｑ₁₂，Ｑ₂₁，Ｑ₂₂，Ｑ₃₁，Ｑ₃₂をスイッチングしてインバータ１１からモータ４０に駆動電圧を出力するときに、上述したように正極導通状態（トランジスタＱ₁₁がＯＮでトランジスタＱ₁₂がＯＦＦ等）と、負極導通状態（トランジスタＱ₁₂がＯＮでトランジスタＱ₁₁がＯＦＦ等）とが交互に切り換わる。

そして、負極導通状態においては、Ｐ1と接地電位部ＢＥ間の電圧がＶ_ns（≒ＶM×Ｒ3／（Ｒ1＋Ｒ3））となり、第４の抵抗６１と第５の抵抗６３を経由して、Ｐ1からコンデンサ５３に向かって充電電流が流れる。一方、正極導通状態においては、Ｐ1と接地電位部ＢＥ間の電圧がＶ_ps（≒０）となり、第５の抵抗６３を経由して、コンデンサ５３からＰ1に向かって放電電流が流れる。

そして、充放電設定回路６０においては、負極導通状態におけるＰ1からコンデンサ５３への充電電流が、正極導通状態におけるコンデンサ５３からＰ1への放電電流よりも大きくなるように、第５の抵抗６３の抵抗値Ｒ5が第４の抵抗６１の抵抗値Ｒ4よりも高く設定されている。

ここで、図８（ａ）は、充放電設定回路６０により、負極導通状態におけるＰ1からコンデンサ５３への充電電流が、正極導通状態におけるコンデンサ５３からＰ1への放電電流よりも大きくなるように設定したときの、第３の抵抗２３の端子間電圧Ｖ_r3と、コンデンサ５３の端子間電圧Ｖ_cの変化を、共通の時間軸（ｔ）により示したものである。

図８（ａ）においては、ｔ₅₀〜ｔ₅₁，ｔ₅₂〜ｔ₅₃，ｔ₅₄〜ｔ₅₅，ｔ₅₆〜ｔ₅₇，ｔ₅₈〜ｔ₅₉の各期間で負極導通状態となって、Ｖ_outがＶ_nsとなっている。また、ｔ₅₁〜ｔ₅₂，ｔ₅₃〜ｔ₅₄，ｔ₅₅〜ｔ₅₆，ｔ₅₇〜ｔ₅₈の各期間で正極導通状態となって、Ｖ_outがＶ_psとなっている。

そして、負極導通状態では、Ｐ1からコンデンサ５３に充電電流が流れるため、Ｖ_cが上昇する。一方、正極導通状態では、コンデンサ５３からＰ１に放電電流が流れるため、Ｖ_cが低下する。そして、上述したように、充放電設定回路６０により、コンデンサ５３の充電電流が放電電流よりも大きくなるように設定されているため、Ｖ_cがＶ_nsに向かって次第に上昇する。

そのため、絶縁レベル検出手段７１は、図６（ａ）を参照して、負側短絡の判定閾値Ｔhp2により３相地絡を検出することができる。そして、これにより、非接地回路１０の地絡検出の精度を向上させることができる。

また、図７に示した構成では、充放電設定回路６０により、負極導通状態におけるＰ1からコンデンサ５３への充電電流が、正極導通状態におけるコンデンサ５３からＰ1への放電電流よりも大きくなるように構成したが、逆に、正極導通状態におけるコンデンサ５３からＰ1への放電電流が、負極導通状態におけるＰ1からコンデンサ５３への充電電流よりも大きくなるように構成してもよい。

この場合には、図７のダイオード６２の向きを逆（アノードを第４の抵抗６１に接続し、カソードをオペアンプ５２に接続する）にし、第５の抵抗６３の抵抗値Ｒ5を第４の抵抗６１の抵抗値Ｒ4よりも大きくして、正極導通状態におけるコンデンサ５３からＰ1への放電電流が、負極導通状態におけるＰ1からコンデンサ５３への充電電流よりも大きくなるように設定する。

図８（ｂ）は、このように、正極導通状態におけるコンデンサ５３からＰ1への放電電流が、負極導通状態におけるＰ1からコンデンサ５３への充電電流よりも大きくなるように設定したときの、第３の抵抗２３の端子間電圧Ｖ_outと、コンデンサ５３の端子間電圧Ｖcを、図８（ａ）と同様に、共通の時間軸（ｔ）により示したものである。

図８（ｂ）においては、ｔ₆₀〜ｔ₆₁，ｔ₆₂〜ｔ₆₃，ｔ₆₄〜ｔ₆₅，ｔ₆₆〜ｔ₆₇，ｔ₆₈〜ｔ₆₉の各期間で負極導通状態となって、Ｖ_r3がＶ_nsとなっている。また、ｔ₆₁〜ｔ₆₂，ｔ₆₃〜ｔ₆₄，ｔ₆₅〜ｔ₆₆，ｔ₆₇〜ｔ₆₈の各期間で正極導通状態となって、Ｖ_r3がＶ_psとなっている。

そして、負極導通状態では、Ｐ1からコンデンサ５３に充電電流が流れるため、Ｖ_cが上昇する。一方、正極導通状態では、コンデンサ５３からＰ１に放電電流が流れるため、Ｖ_cが低下する。そして、上述したように、充放電設定回路により、コンデンサ５３の放電電流が充電電流よりも大きくなるように設定されているため、Ｖ_cがＶ _ps に向かって次第に下降する。

そのため、絶縁レベル検出手段７１は、図６（ａ）を参照して、正側短絡の判定閾値Ｔhn1により３相地絡を検出することができる。そして、これにより、非接地回路１０の地絡検出の精度を向上させることができる。

また、図７を参照して、第３の抵抗２３と並列にツェナーダイオード５１を接続することにより、オペアンプ５２に許容範囲（ＢＥ〜Ｖ_cc）を超えた電圧が入力されることを防止しつつ、非接地回路１０の地絡の検出精度を向上させることができる。

図６（ｂ）は、ツェナーダイオード５１を接続したことによる効果を示した説明図であり、図６（ａ）と同様に、縦軸が第３の抵抗２３の端子間電圧Ｖ_outに設定され、横軸が非接地回路１０と接地電位部ＢＥ間の抵抗Ｒtに設定されている。図６（ｂ）において、ａ2は負側配線と接地電位部ＢＥ間の絶縁レベルが低下（負側地絡）したときの第３の抵抗２３の端子間電圧Ｖ_outの変化を示している。また、ｂ2は正側配線と接地電位部ＢＥ間の絶縁レベルが低下したとき（正側地絡）の第３の抵抗２３の端子間電圧Ｖ_outの変化を示している。

図６（ｂ）のａ2では、ツェナーダイオード５１により、正側配線と接地電位部ＢＥ間の抵抗Ｒtが低下して正側地絡の判定閾値（１５０kΩ）以下になったときの第３の抵抗２３の端子間電圧Ｖ_outが、ツェナーダイオード５１がない場合のｄからＶ_cc（≒５Ｖ）に抑えられている。そのため、Ｒtが地絡判定閾値付近にある１５０kΩ〜５００kΩの範囲でのａ2の傾きを大きくして、非絶縁回路１０の地絡検出の精度を高めることができる。

次に、図９を参照して、絶縁性検出装置５０による正側地絡と負側地絡の検出について説明する。負側配線と接地電位部ＢＥ間の抵抗Ｒt2が低くなると、上述した式（４）により、第３の抵抗２３の端子間電圧Ｖ_outが上昇する。そして、充放電設定回路６０を介してコンデンサ５３に充電電流が流れ、コンデンサ５３の端子間電圧Ｖ_cがＶ_outの上昇分だけ上昇する。そのため、絶縁レベル検出手段７１は、Ｖ_cが正側地絡の判定閾値以上となったときに、非接地回路１０と接地電位部ＢＥ間の地絡が生じていると判定することができる。

また、正側配線と接地電位部ＢＥ間の抵抗Ｒt1が低くなると、上述した式（４）に示したように、第３の抵抗２３の端子間電圧Ｖ_outが低下する。そして、コンデンサ５３に充電されていた電荷が、充放電設定回路６０を介して放電され、コンデンサ５３の端子間電圧Ｖ_cがＶ_outの低下分だけ低下する。そのため、絶縁レベル検出手段７１は、Ｖ_cが負側地絡の判定閾値以下となったときに、非接地回路１０と接地電位部ＢＥ間の地絡が生じていると判定することができる。

なお、本発明の充放電設定回路の構成は、図７に示した充放電回路６０に限るものではなく、３相地絡が生じたときの負極導通状態におけるコンデンサ５３への充電電流の大きさと、正側導通状態におけるコンデンサ５３からの放電電流の大きさと異なるレベルに設定するものであればよく、例えば、図１０示した充放電設定回路８０を用いてもよい。

図１０に示した絶縁性検出装置９０は、図７に示した絶縁性検出装置５０の充放電設定回路６０を充放電設定回路９０に置き換えたものである。充放電設定回路９０は、第２のダイオード９３及び第６の抵抗９２からなる直列回路を、コンデンサ５３と並列に接続し、第１の抵抗２１及び第３の抵抗２３の接続箇所Ｐ1とコンデンサ５３との間に第１のダイオード９１を接続して構成されている。

この場合、第１のダイオード９１は、Ｐ1からコンデンサ５３への向きを順方向として接続されており、第２のダイオード９３は、コンデンサ５３と第１のダイオード９１との接続部から接地電位部ＢＥへの向きを順方向として接続されている。また、コンデンサ５３と並列にツェナーダイオード８５が接続されている。ツェナーダイオード８５は、アノードが接地電位部ＢＥに接続されると共に、カソードが第１のダイオード９１とコンデンサ５３の接続部に接続されており、電圧検出回路５４に許容範囲（ＢＥ〜Ｖ_cc）を越えた電圧が入力されることを防止している。また、ツェナーダイオード８５を設けることにより、上述した図９の絶縁性検出装置５０と同様に、非接地回路１０の地絡の検出精度を向上させることができる。

充放電設定回路９０においては、３相地絡が生じたときの負極導通状態では、Ｐ1からダイオード９１を介してコンデンサ５３に充電電流が流れ、この充電電流の大きさは第１の抵抗２１及び第３の抵抗２３の抵抗値により変化する。また、３相地絡が生じたときの正極導通状態では、コンデンサ５３から第２のダイオード９３及び第６の抵抗９２を介して放電電流が流れる。そのため、第１の抵抗２１及び第３の抵抗２３と第６の抵抗９２の抵抗値の設定により、負極導通状態におけるＰ1からコンデンサ５３への充電電流と、正極導通状態におけるコンデンサ５３からＰ1への放電電流を、異なるレベルに設定することができる。

なお、図７に示した絶縁性検出装置５０においては、ツェナーダイオード５１を備えたが、第１の抵抗２１と第２の抵抗２２と第３の抵抗２３とを、第３の抵抗２３の端子間電圧Ｖ_outがＶ_ccを超えないように設定する場合には、ツェナーダイオード５１を備える必要はない。

また、図１０に示した絶縁性検出装置８０においては、ツェナーダイオード８５を備えたが、第１の抵抗２１と第２の抵抗２２と第３の抵抗２３とを、第３の抵抗２３の端子間電圧がＶ_ccと第１のダイオード９１の順方向電圧との合計電圧を超えないように設定する場合には、ツェナーダイオード８５を備える必要はない。

また、本実施の形態では、図７に示したように、第２の抵抗２２と第３の抵抗２３との接続部を接地電位部ＢＥに接続したが、第１の抵抗２１と第３の抵抗２３との接続部を車両の接地電位部ＢＥに接続し、第３の抵抗２３の端子間電圧に基いて、非接地回路１０と接地電位部ＢＥ間の絶縁レベルを検出するようにしてもよい。

また、本実施の形態では、車両の接地電位部から絶縁して車両に搭載された非接地回路１０と、接地電位部との絶縁レベルを検出する絶縁性検出装置を示したが、非接地回路は車両に搭載されるものには限られず、接地電位部から絶縁して配置される非接地回路であれば、本発明の適用が可能である。

また、本実施の形態では、本発明のインバータと接続される電気負荷として電気モータ４０を示したが、スイッチング素子によるスイッチングによりインバータから供給される電力により作動する電気負荷であればよい。

非接地回路の絶縁性検出装置の基本的な構成図。 図１に示した絶縁性検出装置による負側地絡検出の説明図。 図１に示した絶縁性検出装置による正側地絡検出の説明図。 図１に示した絶縁性検出装置による３相地絡検出の説明図。 ３相地絡が生じたときのコンデンサの端子間電圧のタイミングチャート。 地絡検出の判定閾値の説明図。 本発明の非接地回路の絶縁性検出装置の構成図。 ３相地絡が生じたときのコンデンサの端子間電圧のタイミングチャート。 図６に示した絶縁性検出装置における正側地絡検出及び負側地絡検出の説明図。 充放電設定回路の他の構成例の説明図。 従来の絶縁性検出装置の構成図。

符号の説明

１０…非接地回路、１１…インバータ、１２…直流電源、２０…絶縁性検出装置、２１…第１の抵抗、２２…第２の抵抗、２３…第３の抵抗、２５…平滑用コンデンサ、２６…オペアンプ、３０…マイクロコンピュータ、３１…絶縁レベル検出手段、４０…モータ（電気負荷）、５０…（本発明の）絶縁性検出装置、５１…ツェナーダイオード、５２…オペアンプ、６０…充放電設定回路、５３…コンデンサ、５４…電圧検出回路、７０…マイクロコンピュータ、７１…絶縁性検出手段、Ｑ₁₁，Ｑ₁₂，Ｑ₂₁，Ｑ₂₂，Ｑ₃₁，Ｑ₃₂…トランジスタ（スイッチング素子）、８０…（本発明の）絶縁性検出装置、９０…充放電設定回路

Claims (7)

1. 直流電源と、該直流電源の正極と接続された正側配線と、該直流電源の負極と接続された負側配線と、該正側配線及び該負側配線と電気負荷との間に接続されて、該正側配線が該電気負荷との接続箇所に導通した正極導通状態と、該負側配線が該電気負荷との接続箇所に導通した負極導通状態とを切替えるスイッチング素子を有するインバータとを備えて、接地電位部から絶縁して配置された非接地回路と、該接地電位部との間の絶縁レベルを検出する非接地回路の絶縁性検出装置であって、
   一端が前記正側配線に接続されて、前記非接地回路と前記接地電位部間の絶縁性を維持するための絶縁基準値よりも高い抵抗を有する第１の抵抗と、
   一端が前記負側配線に接続されて、前記絶縁基準値よりも高い抵抗を有する第２の抵抗と、
   前記第１の抵抗の他端と前記第２の抵抗の他端間に接続された第３の抵抗と、
   前記第１の抵抗と前記第３の抵抗との接続部である第１抵抗接続部と、前記第２の抵抗と前記第３の抵抗との接続部である第２抵抗接続部とのうちのいずれか一方を、前記接地電位部に接続する接地配線と、
   一端が前記接地電位部と接続されたコンデンサと、
   該コンデンサの他端と、前記第１抵抗接続部と前記第２抵抗接続部とのうちの前記接地配線と接続されていない方の接続部である非接地抵抗接続部との間に接続されて、該非接地抵抗接続部から該コンデンサへの充電電流と、該コンデンサから該非接地接続部への放電電流とを異なるレベルに設定する充放電設定回路と、
   前記インバータのスイッチング素子により、前記正極導通状態と前記負極導通状態とが切替えられているときに、前記コンデンサの端子間電圧に基づいて、前記非接地回路と前記接地電位部との間の絶縁レベルを検出する絶縁レベル検出手段とを備えたことを特徴とする非接地回路の絶縁性検出装置。
2. 前記充放電設定回路は、前記コンデンサと前記非接地抵抗接続部との間に接続された第５の抵抗と、
   第４の抵抗とダイオードとを直列に接続して構成され、前記第５の抵抗と並列に接続された直列回路とを備えたことを特徴とする請求項１記載の非接地回路の絶縁性検出装置。
3. アノード側が前記第２抵抗接続部に接続されると共に、カソード側が前記第１抵抗接続部に接続されて、前記第３の抵抗の端子間電圧を前記絶縁レベル検出手段の許容入力電圧範囲内に維持するツェナーダイオードを備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の非接地回路の絶縁性検出装置。
4. 前記充放電設定回路は、
   前記コンデンサの前記非接地抵抗接続部側の端子と前記非接地抵抗接続部との間に、前記非接地抵抗接続部から前記コンデンサへの向きを順方向として接続された第１のダイオードと、
   第６の抵抗と第２のダイオードとを直列に接続して構成され、該第２のダイオードの順方向を前記非接地抵抗接続部から前記接地電位部への向きとして、前記コンデンサと並列に接続された直列回路とを備えたことを特徴とする請求項１記載の非接地回路の絶縁性検出装置。
5. アノード側を前記接地電位部側として前記コンデンサと並列に接続され、前記コンデンサの端子間電圧を前記絶縁レベル検出手段の許容入力範囲内に維持するツェナーダイオードを備えたことを特徴とする請求項４記載の非接地回路の絶縁性検出装置。
6. 前記充放電設定回路は、前記非接地抵抗接続部から前記コンデンサへの充電電流を、前記コンデンサから前記非接地抵抗接続部への放電電流よりも大きく設定し、
   前記絶縁レベル検出手段は、前記コンデンサの端子間電圧が、第１の所定電圧以上になったときに、前記負側配線と前記接地電位部間、又は前記インバータと電気負荷との接続部と前記接地電位部間が短絡状態にあると判断することを特徴とする請求項１から請求項５のうちいずれか１項記載の非接地回路の絶縁性検出装置。
7. 前記充放電設定回路は、前記コンデンサから前記非接地抵抗接続部への放電電流を、前記非接地抵抗接続部から前記コンデンサへの充電電流よりも大きく設定し、
   前記絶縁レベル検出手段は、前記コンデンサの端子間電圧が、第２の所定電圧以下になったときに、前記正側配線と前記接地電位部間、又は前記インバータと電気負荷との接続部と前記接地電位部間が短絡状態にあると判断することを特徴とする請求項１から請求項５のうちいずれか１項記載の非接地回路の絶縁性検出装置。