JP6583161B2 - 電圧変換回路 - Google Patents

Description

本発明は、電圧変換回路に関し、特に２つの異なる電圧の直流電源（バッテリ）間で電圧を変換する電圧変換回路に関する。

従来から、２つの異なる電圧のバッテリ間で電圧を変換する電圧変換回路において、回路が故障した場合の対策を講ずる技術が知られている。例えば、特許文献１は、出力側（又は入力側）の過電圧を検出して入力側（又は出力側）の回路を遮断する場合、出力側の電圧低下を防止することが可能な電圧変換回路を開示する。この電圧変換回路は、電源の電圧を降圧した出力側の電圧が、制御目標の電圧を超えて第１電圧より高くなった場合、第１ＦＥＴが短絡故障した可能性があるため、第２ＦＥＴを強制的にオン状態にしてヒューズを溶断させる。更に、蓄電回路からインダクタを介して第２スイッチング素子に流入する電流を阻止するために、スイッチを開放させて蓄電回路を切り離す。

また、特許文献２は、出力側又は入力側の電圧が一時的に過大となった場合、過電圧の抑制を試みた後に自動復帰することが可能な電圧変換回路を開示する。この電圧変換回路は、電源の電圧を降圧した出力側の電圧が、制御目標の電圧を超えて第１電圧より高くなった場合、第１ＦＥＴを強制的にオフ状態にし、その後、降圧した電圧が第１電圧より低い第２電圧以下に低下した場合、第１ＦＥＴのオフ状態を解除する。一方、降圧した電圧が、第１電圧より高い第３電圧以上となった場合、第１ＦＥＴが短絡故障した蓋然性が高いため、第２ＦＥＴを強制的にオン状態にしてヒューズを溶断させる。

特開２０１４−１７１２９４号公報 特開２０１４−１７１２９５号公報

本発明は、２つの異なる電圧のバッテリ間で電圧を変換する電圧変換回路における貫通保護回路の短絡故障時に、低電圧側の直流電源（バッテリ）の放電を抑制する電圧変換回路を提供するものである。

上記課題を解決するために、高電圧直流電源と低電圧直流電源の間で電圧を変換する非絶縁型の電圧変換回路であって、高電圧直流電源と低電圧直流電源の間に設けられ、電圧を双方向に変換するための複数のスイッチング素子を有する双方向変換部と、双方向変換部と高電圧直流電源の間に設けられた高電圧側の負荷と、高電圧直流電源との間に設けられた常開型コンタクタと、高電圧直流電源からの電流に基づいてコンタクタを開閉制御するコンタクタ制御装置と、双方向変換部と低電圧直流電源の間に設けられ、低電圧直流電源から双方向変換部への電流の流れを制御するための貫通保護回路と、貫通保護回路と双方向変換部の接続点における電圧を検出する電圧検出回路と、を備え、コンタクタが開制御状態であり、双方向変換部のすべてのスイッチング素子がオフ状態であり、貫通保護回路がオフ状態である場合において、電圧検出回路が低電圧直流電源の出力電圧とほぼ同一の電圧を検出した場合、コンタクタ制御装置は、コンタクタを閉制御する電圧変換回路が提供される。
これによれば、貫通保護回路が短絡故障した場合コンタクタを閉制御することで、低電圧直流電源から高電圧側へ暗電流が流れることを防止する電圧変換回路を提供することができる。

本発明によれば、２つの異なる電圧のバッテリ間で電圧を変換する電圧変換回路における貫通保護回路の短絡故障時に、低電圧側の直流電源の放電を抑制する電圧変換回路を提供することができる。

本発明に係る第一実施例の電圧変換回路の回路図。 本発明に係る第一実施例の電圧変換回路において、貫通保護回路が短絡故障した場合の説明回路図。 本発明に係る第一実施例の電圧変換回路の貫通保護回路が短絡故障した場合において、コンタクタを閉制御した場合の説明回路図。

以下では、図面を参照しながら、本発明に係る各実施例について説明する。
＜第一実施例＞
図１を参照し、本実施例における電圧変換回路１００を説明する。電圧変換回路１００は、車両に搭載される高電圧直流電源ＨＢおよび低電圧直流電源ＬＢの間で電圧を変換する回路である。低電圧直流電源ＬＢは、たとえば車両のエンジンを始動させるスタータに電源を供給するための１２Ｖバッテリである。また、高電圧直流電源ＨＢは、車両の走行時に、たとえば発電機などの高電圧（たとえば４８Ｖ）の負荷ＬＤ（本図では点線で囲んで、本発明の構成要素でないことを示す）や、電圧変換回路１００により降圧した電圧を供給する低電圧の負荷（車両のアクセサリやエンジンのスタータ等）や、１２Ｖバッテリなどに電源を供給する。なお、本明細書では、高電圧直流電源ＨＢは、４８Ｖの高圧バッテリであり、低電圧直流電源ＬＢは、１２Ｖバッテリとして記載するが、これに限定されるものではない。

また、電圧変換回路１００は、電圧変換においては、トランスを用いずに、スイッチング素子などを用いてスイッチング周波数を調整することにより電圧変換を制御する非絶縁型の電圧変換のための回路である。非絶縁型の電圧変換回路１００は、スイッチング素子などが有する寄生ダイオードなどを通じて、スイッチング素子がオフの状態であっても入力側と出力側が導通していることがあり、暗電流が流れる場合がある。

電圧変換回路１００は、高電圧直流電源ＨＢと低電圧直流電源ＬＢの間に設けられ、電圧を双方向に変換するための複数のスイッチング素子を有する双方向変換部ＴＲと、双方向変換部ＴＲと高電圧直流電源ＨＢの間に設けられ、両者間の導通を制御すると共に高電圧直流電源ＨＢの逆接続から双方向変換部ＴＲを保護する高電圧側逆接保護回路ＨＲＰと、双方向変換部ＴＲと低電圧直流電源ＬＢの間に設けられ、低電圧直流電源ＬＢと双方向変換部ＴＲの間の電流の流れを制御する貫通保護回路ＰＰおよび低電圧直流電源ＬＢの逆接続から双方向変換部ＴＲを保護する低電圧側逆接保護回路ＬＲＰと、貫通保護回路ＰＰと双方向変換部ＴＲの接続点における電圧を検出する電圧検出回路ＶＤと、を備える。また、電圧変換回路１００は、適宜電流モニタＣＭを備える。

双方向変換部ＴＲは、複数のスイッチング素子を有して、ＰＷＭ制御等によりスイッチング制御を行うことにより、直流を所定の高電圧から所定の低電圧へ降圧および所定の低電圧から所定の高電圧へ昇圧する所謂公知の昇降圧型ＤＣＤＣコンバータである。

高電圧側逆接保護回路ＨＲＰは、高電圧直流電源ＨＢの正極と双方向変換部ＴＲの正極側を接続するハイサイド電路ＬＨと、高電圧直流電源ＨＢの負極と双方向変換部ＴＲの負極側を接続するローサイド電路ＬＬを有する。また、高電圧側逆接保護回路ＨＲＰは、ハイサイド電路ＬＨ上に設けられたコンタクタＣＯと、コンタクタＣＯと高電圧直流電源ＨＢの間のハイサイド電路ＬＨ上に正極端子ＰＴと、高電圧直流電源ＨＢの負極と双方向変換部ＴＲの間のローサイド電路ＬＬ上に負極端子ＮＴとを備える。すなわち、双方向変換部ＴＲの正極側は、正極端子ＰＴおよびコンタクタＣＯを介して高電圧直流電源ＨＢの正極と接続され、負極側は、負極端子ＮＴを介して、高電圧直流電源ＨＢの負極と接続される。これは、高電圧直流電源ＨＢが高電圧側逆接保護回路ＨＲＰに正接続された場合の接続であり、逆接続された場合は、双方向変換部ＴＲの正極側は、正極端子ＰＴおよびコンタクタＣＯを介して高電圧直流電源ＨＢの負極と接続され、負極側は、負極端子ＮＴを介して高電圧直流電源ＨＢの正極と接続される。

高電圧側逆接保護回路ＨＲＰは、コンタクタＣＯを開閉制御するコンタクタ制御装置ＣＣと、コンタクタＣＯを駆動するコンタクタ駆動器ＣＤとを備える。コンタクタ制御装置ＣＣは、高電圧直流電源ＨＢが正接続されている場合には、外部からの指令によってトランジスタのベース電圧を変化させることで、コンタクタＣＯの開閉を制御する。高電圧直流電源ＨＢが逆接続された場合には、後述するように、コンタクタＣＯは開状態となり電路を遮断するので、高電圧直流電源ＨＢから高電圧側の負荷ＬＤや双方向変換部ＴＲに電流が流れることがない。したがって、正接続時の接続制御用コンタクタと逆接続時の遮断用コンタクタの２つを備える必要がない。

コンタクタＣＯは、常開型のコンタクタであり、コンタクタ駆動器ＣＤは、電流が流れた時にコンタクタＣＯを閉とするように駆動する所謂電磁石である。コンタクタ駆動器ＣＤの一端は、正極端子ＰＴとコンタクタＣＯの間に接続され、他端は、コンタクタ制御装置ＣＣに接続される。したがって、高電圧直流電源ＨＢが正接続された場合、コンタクタ駆動器ＣＤは、コンタクタＣＯの開閉状態に拘わらず正の電位を受け、コンタクタ制御装置ＣＣが外部からの指令によってトランジスタのベース電圧を変化させることでトランジスタを導通させることで、エミッタからコレクタに電流が流れ、すなわち、コンタクタ駆動器ＣＤには電流が流れてコンタクタＣＯを閉とすることができる。逆に、高電圧直流電源ＨＢが逆接続された場合、コンタクタ駆動器ＣＤは、コンタクタＣＯの開閉制御状態に拘わらず正の電位を受けることができず、コンタクタ制御装置ＣＣへのオンオフ制御指令の如何に拘わらずコンタクタ駆動器ＣＤには電流が流れないのでコンタクタＣＯを開状態となり、閉状態になることはない。

貫通保護回路ＰＰは、内部に寄生ダイオードを有するＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）から構成される。寄生ダイオードは、ソース側にアノードを、ドレイン側にカソードを接続され、ソースからドレインに順方向となるように接続されている。貫通保護回路ＰＰは、ソースを双方向変換部ＴＲ側に、ドレインを低電圧直流電源ＬＢ側に接続されるので、寄生ダイオードは、貫通保護回路ＰＰがオフ状態であれば、低電圧直流電源ＬＢから双方向変換部ＴＲへ電流は流れないように接続されている。このようにして、貫通保護回路ＰＰは、低電圧直流電源ＬＢと双方向変換部ＴＲの間の電流の流れを制御すると共に、オフの状態において低電圧直流電源ＬＢから双方向変換部ＴＲへの電流の流れを保護する。

低電圧側逆接保護回路ＬＲＰは、内部に寄生ダイオードを有するＭＯＳＦＥＴから構成される。寄生ダイオードは、ソース側にアノードを、ドレイン側にカソードを接続され、ソースからドレインに順方向となるように接続されている。低電圧側逆接保護回路ＬＲＰは、ソースを低電圧直流電源ＬＢ側に、ドレインを双方向変換部ＴＲ側に接続されるので、寄生ダイオードは、低電圧側逆接保護回路ＬＲＰが、オフ状態であれば、双方向変換部ＴＲから低電圧直流電源ＬＢへ電流は流れないように接続されている。このようにして、低電圧側逆接保護回路ＬＲＰは、低電圧直流電源ＬＢが逆接続されて、低電圧側逆接保護回路ＬＲＰのソースに低電圧直流電源ＬＢの負極が接続されたとしても電流が流れず、回路を保護する。

貫通保護回路ＰＰと低電圧側逆接保護回路ＬＲＰは、双方向変換部ＴＲと低電圧直流電源ＬＢを接続するハイサイド側の電路において直列に配置され、それぞれの寄生ダイオードが互いに逆を向くように（本実施例では互い内側を向くように）配置される。したがって、貫通保護回路ＰＰと低電圧側逆接保護回路ＬＲＰが両方ともオフ状態である場合には、貫通保護回路ＰＰと低電圧側逆接保護回路ＬＲＰで、双方向変換部ＴＲと低電圧直流電源ＬＢの間でいずれの方向へも電流が流れないようにすることができる。

電圧検出回路ＶＤは、一端を、貫通保護回路ＰＰと双方向変換部ＴＲの接続点に接続され、他端を、接地されているローサイド電路ＬＬに接続されている。したがって、電圧検出回路ＶＤは、貫通保護回路ＰＰと双方向変換部ＴＲの接続点における電圧を検出することができる。

図２を参照して、貫通保護回路ＰＰが短絡故障した場合について説明する。貫通保護回路ＰＰが短絡故障した場合、電流は、点線の矢印で示すように、低電圧直流電源ＬＢから、低電圧側逆接保護回路ＬＲＰがオフ状態であっても低電圧側逆接保護回路ＬＲＰの寄生ダイオードを通って貫通保護回路ＰＰに到達する。そして、さらに電流は、貫通保護回路ＰＰは短絡しているので、双方向変換部ＴＲに到達し、双方向変換部ＴＲの内部のスイッチング素子がオフ状態であっても、そのスイッチング素子が有する寄生ダイオードを通って、高電圧側に到達する。そうすると、低電圧直流電源ＬＢからの電流は、高電圧側に接続された負荷ＬＤに流れてしまうことになる。その結果、低電圧直流電源ＬＢが過放電状態となり、低電圧直流電源ＬＢがエンジンのスタータである場合、エンジンを始動できなくなってしまう。

図３を参照して、貫通保護回路ＰＰが短絡故障した場合において、コンタクタ制御装置ＣＣによりコンタクタＣＯを閉制御した場合を説明する。貫通保護回路ＰＰが短絡故障した場合、上述したように、低電圧直流電源ＬＢからの電流が高電圧側に接続された負荷ＬＤに流れようとするが、コンタクタ制御装置ＣＣがコンタクタＣＯを閉制御すると、高電圧直流電源ＨＢから高電圧側に接続された負荷ＬＤに電流が流れようとする方（点線の矢印）が強いので、実際には、低電圧直流電源ＬＢからの電流は負荷ＬＤに流れなくなる。なお、貫通保護回路ＰＰが短絡故障を起こした場合は、コンタクタＣＯが開制御状態であり、双方向変換部ＴＲのすべてのスイッチング素子がオフ状態であり、貫通保護回路ＰＰがオフ状態である場合において、電圧検出回路ＶＤが低電圧直流電源ＬＢの出力電圧とほぼ同一の電圧を検出した場合である。

高電圧直流電源ＨＢからの電流が負荷ＬＤに流れ続けることで、高電圧直流電源ＨＢの電圧が徐々に下がり、低電圧直流電源ＬＢと同じ電圧になるまでは、低電圧直流電源ＬＢから高電圧側の負荷ＬＤへ暗電流が流れることを防止することができる。高電圧直流電源ＨＢの電圧が低電圧直流電源ＬＢと同じ電圧になった以降は、両方の直流電源から負荷ＬＤへ暗電流が流れる。また、高電圧直流電源ＨＢからの電流が負荷ＬＤに流れ続けることで、高電圧直流電源ＨＢが過放電状態になってしまう場合もあるが、低電圧直流電源ＬＢによりエンジンを始動することができ、これにより高電圧直流電源ＨＢに充電が行われて使用可能な状態に回復できる。

電圧変換回路１００において、貫通保護回路ＰＰが短絡故障を起こした場合、すなわち、コンタクタＣＯが開制御状態であり、双方向変換部ＴＲのすべてのスイッチング素子がオフ状態であり、貫通保護回路ＰＰがオフ状態である場合において、電圧検出回路ＶＤが低電圧直流電源ＬＢの出力電圧とほぼ同一の電圧を検出した場合、コンタクタ制御装置ＣＣは、コンタクタＣＯを閉制御する。こうすることで、低電圧直流電源ＬＢから高電圧側へ暗電流が流れることを防止し、低電圧直流電源ＬＢの放電を抑制することができる。

なお、本発明は、例示した実施例に限定するものではなく、特許請求の範囲の各項に記載された内容から逸脱しない範囲の構成による実施が可能である。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。

１００ 電圧変換回路
ＬＨ 電路（ハイサイド）
ＬＬ 電路（ローサイド）
ＣＯ コンタクタ
ＣＣ コンタクタ制御装置
ＣＤ コンタクタ駆動器
ＰＴ 正極端子
ＮＴ 負極端子
ＨＢ 高電圧直流電源
ＬＢ 低電圧直流電源
ＴＲ 双方向変換部
ＰＰ 貫通保護回路
ＨＲＰ 高電圧側逆接保護回路
ＬＲＰ 低電圧側逆接保護回路
ＬＤ 負荷
ＣＭ 電流モニタ
ＶＤ 電圧検出回路

Claims (1)

1. 高電圧直流電源と低電圧直流電源の間で電圧を変換する非絶縁型の電圧変換回路であって、
   前記高電圧直流電源と前記低電圧直流電源の間に設けられ、電圧を双方向に変換するための複数のスイッチング素子を有する双方向変換部と、
   前記双方向変換部と前記高電圧直流電源の間に設けられた高電圧側の負荷と、前記高電圧直流電源との間に設けられた常開型コンタクタと、
   前記高電圧直流電源からの電流に基づいて前記コンタクタを開閉制御するコンタクタ制御装置と、
   前記双方向変換部と前記低電圧直流電源の間に設けられ、前記低電圧直流電源から前記双方向変換部への電流の流れを制御するための貫通保護回路と、
   前記貫通保護回路と前記双方向変換部の接続点における電圧を検出する電圧検出回路と、
   を備え、
   前記コンタクタが開制御状態であり、前記双方向変換部のすべてのスイッチング素子がオフ状態であり、前記貫通保護回路がオフ状態である場合において、前記電圧検出回路が前記低電圧直流電源の出力電圧と略同一の電圧を検出した場合、前記コンタクタ制御装置は、前記コンタクタを閉制御する、
   電圧変換回路。