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JP2016140118A - 電源装置 - Google Patents

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JP2016140118A
JP2016140118A JP2015011911A JP2015011911A JP2016140118A JP 2016140118 A JP2016140118 A JP 2016140118A JP 2015011911 A JP2015011911 A JP 2015011911A JP 2015011911 A JP2015011911 A JP 2015011911A JP 2016140118 A JP2016140118 A JP 2016140118A
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Hajime Shiji
肇 志治
良之 鵜野
Yoshiyuki Uno
良之 鵜野
翔平 廣瀬
Shohei Hirose
翔平 廣瀬
吉昭 水島
Yoshiaki Mizushima
吉昭 水島
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Murata Manufacturing Co Ltd
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Abstract

【課題】過電圧異常の原因を判別できる電源装置を提供する。【解決手段】スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２、インダクタＬ１及びキャパシタＣ１により形成されるコンバータ部分と、直流電源Ｖ２が接続される外部接続端子１３との間にスイッチング素子Ｓ１が接続されている。スイッチング素子Ｓ１をオンし、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をオンオフする第１制御状態で、インダクタＬ１とスイッチング素子Ｓ１との接続点の電圧値Ｖｓを検出する。Ｖｓ≧Ｖth1である場合、スイッチング素子Ｓ１をオフし、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をスイッチング制御する第２制御状態を実行する。第２制御状態でＶｓ≦Ｖth2である場合、直流電源Ｖ２の異常と判定し、Ｖｓ＞Ｖth2である場合、コンバータ部分の異常と判定する。【選択図】図１

Description

本発明は、直流電圧を昇圧又は降圧する電源装置に関する。
特許文献１には、直流電源に接続されたＤＣ−ＤＣコンバータ等の電源装置に異常が生じた際の異常判定方法が開示されている。特許文献１に記載の判定方法では、所定位置で検出した電圧が所定値未満の場合、コンバータの還流用半導体素子がショート状態である、又は、コンバータのスイッチング素子がオープン状態であると異常判定する。
特許第５６１１３０２号公報
電源装置（ＤＣ−ＤＣコンバータ）では、素子のショート異常又はオープン異常が電圧異常の原因になるとは限らず、例えば、電源装置に接続された直流電源が電圧異常の原因となる場合もある。しかしながら、特許文献１に記載の判定方法では、直流電源に電圧異常の原因があることを特定できず、電圧異常検出後の対応を適切に行えない場合がある。特に直流電源が過電圧異常である場合、素子に過電圧が印加され、破壊されるといったおそれがあるため、電圧異常時の対応を適切に行う必要がある。
そこで、本発明の目的は、過電圧異常の原因を判別できる電源装置を提供することにある。
本発明に係る電源装置は、第１直流電源が接続される第１接続部と、第２直流電源が接続される第２接続部と、前記第１接続部からグランドの間に順次直列に接続された第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子の接続点からグランドの間に、順次直列に接続されたインダクタ及びキャパシタと、前記インダクタ及び前記キャパシタの接続点と、前記第２接続部との間に接続された第３スイッチング素子と、前記インダクタと前記第３スイッチング素子との接続点の電圧を検出する電圧検出部と、前記第３スイッチング素子をオンし、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子の少なくとも一方をオンオフする第１制御状態と、前記第１制御状態で前記電圧検出部が検出した電圧が第１しきい値以上である場合、前記第３スイッチング素子をオフし、前記第１制御状態でオンオフしていた前記第１スイッチング素子又は前記第２スイッチング素子をオンオフする第２制御状態とを実行する制御部と、前記第２制御状態で前記電圧検出部が検出した電圧が第２しきい値以下である場合、前記第３スイッチング素子より前記第２接続部側の異常と判定し、前記電圧が前記第２しきい値より大きいである場合、前記第３スイッチング素子より前記第１接続部側の異常と判定する判定部とを備えることを特徴とする。
この構成では、過電圧異常の原因が、前記第１接続部と第３スイッチング素子との間（コンバータ部分）にあるか、第２接続部に接続された第２直流電源にあるか、を判別できるため、異常検出後の対応を適切に行える。また、過電圧を検出したとき、第２直流電源とインダクタとの間の第３スイッチング素子をオフすることで、過電圧が、第２直流電源又はインダクタへ印加されることを防止でき、素子破壊などを防ぐことができる。
本発明では、前記制御部は、前記判定部が前記第３スイッチング素子より前記第１接続部側の異常と判定した場合、前記第２制御状態でオンオフしていた前記第１スイッチング素子又は前記第２スイッチング素子をオフする第３制御状態を実行し前記判定部は、前記第３制御状態で前記電圧検出部が検出した電圧が第３しきい値以上である場合、前記第１スイッチング素子の異常と判定し、前記電圧が前記第３しきい値未満である場合、制御系の異常であると判定することが好ましい。
この構成では、過電圧異常の原因がコンバータ部分にあると判定した場合、第１スイッチング素子の異常か、制御系の異常かをさらに判別できる。制御系の異常とは、例えば、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子のデューティ比が異常な場合等である。これにより、異常検出後の対応をさらに適切に行える。
本発明では、前記第３スイッチング素子は、ボディーダイオードが互いに逆方向となるよう接続された２つのＭＯＳ−ＦＥＴから構成された双方向スイッチング素子であることが好ましい。
この構成では、ＭＯＳ−ＦＥＴがオフのときであっても、２つのＭＯＳ−ＦＥＴのボディーダイオードが互いに逆方向であるため、第１直流電源から第２直流電源、又はその逆に電流が流れることを防止できる。
本発明によれば、過電圧異常の原因を判別できるため、異常検出後の対応を適切に行える。
実施形態１に係る電源装置の回路図 電源装置の過電圧異常を判定する処理のフローチャート 電源装置の過電圧異常を判定する処理のフローチャート 実施形態２に係る電源装置の回路図
（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る電源装置１の回路図である。
電源装置１は、外部接続端子１１，１２，１３，１４を備えている。外部接続端子１１，１２には直流電源Ｖ１が接続される。外部接続端子１３，１４には直流電源Ｖ２が接続される。外部接続端子１２，１４の接続ラインはグランドに接続されている。本実施形態では、電源装置１は、外部接続端子１１，１２から入力された直流電圧を降圧して、外部接続端子１３，１４から出力する降圧コンバータとして説明する。
直流電源Ｖ１は、本発明に係る「第１直流電源」に相当する。直流電源Ｖ２は、本発明に係る「第２直流電源」に相当する。また、外部接続端子１１は、本発明に係る「第１接続部」に相当し、外部接続端子１３は、本発明に係る「第２接続部」に相当する。
外部接続端子１１，１２には、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が順次直列に接続されている。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２はＭＯＳ−ＦＥＴである。スイッチング素子Ｑ１は、本発明に係る「第１スイッチング素子」に相当する。スイッチング素子Ｑ２は、本発明に係る「第２スイッチング素子」に相当する。なお、スイッチング素子Ｑ２はダイオードであってもよい。この場合、ダイオードのカソードがスイッチング素子Ｑ１に接続される。
スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の接続端には、順次インダクタＬ１とキャパシタＣ１とが直列に接続されている。インダクタＬ１とキャパシタＣ１との接続点は、スイッチング素子Ｓ１を介して外部接続端子１３に接続されている。スイッチング素子Ｓ１はＭＯＳ−ＦＥＴであり、本発明に係る「第３スイッチング素子」に相当する。
電源装置１はコントローラ１５を備えている。コントローラ１５は、コンバータ制御部１５１、電圧検出部１５２及び異常判定部１５３を有している。
コンバータ制御部１５１は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をスイッチング制御し、外部接続端子１１，１２から入力された直流電圧を降圧する。なお、スイッチング素子Ｑ２がダイオードである場合、コンバータ制御部１５１は、スイッチング素子Ｑ１のみをスイッチング制御する。
電圧検出部１５２は、インダクタＬ１とスイッチング素子Ｓ１の接続点における電圧、すなわち、コンバータ動作により降圧された直流電圧の電圧値Ｖｓを検出する。直列接続された分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２が、キャパシタＣ１に対して並列に接続されている。電圧検出部１５２は、分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２により検出される電圧を基に電圧値Ｖｓを検出する。
異常判定部１５３は、電源装置１の過電圧異常の有無、及び過電圧異常の原因を判定する。異常判定部１５３は、平時は、スイッチング素子Ｓ１をオンにする。スイッチング素子Ｓ１がオンの状態で、コンバータ制御部１５１は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をスイッチング制御する。これにより、外部接続端子１１，１２から入力された直流電圧は降圧され、外部接続端子１３，１４から出力される。以下では、この状態を、第１制御状態と言う。この第１制御状態では、電源装置１は通常の降圧動作を行う。
第１制御状態において、異常判定部１５３は、電圧検出部１５２が検出した電圧値Ｖｓがしきい値Ｖth1以上であるか否かを判定する。しきい値Ｖth1は、電源装置１に過電圧による不具合を発生させる電圧値であり、電源装置１を形成する素子の耐圧等によって設定される。電圧値Ｖｓがしきい値Ｖth1以上である場合、異常判定部１５３は、過電圧異常が発生したと判定し、スイッチング素子Ｓ１をオフにする。スイッチング素子Ｓ１をオフにすることで、スイッチング素子Ｑ１またはコンバータ制御の異常により過電圧異常が発生していた場合、外部接続端子１３，１４へ過電流が流れ、直流電源Ｖ２に異常時のストレスがかかることを防止できる。
スイッチング素子Ｓ１がオフの状態で、コンバータ制御部１５１は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をスイッチング制御する。以下では、この状態を、第２制御状態と言う。第２制御状態において、電圧検出部１５２は電圧値Ｖｓを検出する。異常判定部１５３は、電圧値Ｖｓが、しきい値Ｖth2以下であるか否かを判定する。しきい値Ｖth2は、コンバータの出力設定電圧値、又は、直流電源Ｖ２が正常動作する電圧範囲等により設定される。仮に直流電源Ｖ２が過電圧異常の原因である場合、電圧値Ｖｓは直流電源Ｖ２の影響により高くなっているが、スイッチング素子Ｓ１をオフにすることで、その影響がなくなり電圧値Ｖｓは下がる。したがって、電圧値Ｖｓがしきい値Ｖth2以下である場合、異常判定部１５３は、外部接続端子１３，１４側、すなわち、直流電源Ｖ２が過電圧異常の原因であると判定する。
電圧値Ｖｓがしきい値Ｖth2以下でない場合、コンバータ制御部１５１はスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチング制御を停止し、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をオフにする。以下では、この状態を、第３制御状態と言う。第３制御状態において、電圧検出部１５２は電圧値Ｖｓを検出する。電圧検出部１５２が検出した電圧値Ｖｓが、しきい値Ｖth3以上であるか否かを判定する。しきい値Ｖth3は、例えば、直流電源Ｖ１の電圧等により設定される。例えば、スイッチング素子Ｑ１がショート破壊（正のゲート電圧が印加されているにもかかわらずドレイン・ソース間が導通状態となる）である場合、コンバータからは、直流電源Ｖ１の電圧が出力される。このため、電圧値Ｖｓが、しきい値Ｖth3以上である場合、異常判定部１５３は、スイッチング素子Ｑ１のショート破壊が過電圧異常の原因であると判定する。詳しくは、スイッチング素子Ｑ１がオフであるにもかかわらず、電圧値Ｖｓが高いため、異常判定部１５３は、スイッチング素子Ｑ１のショート破壊による過電圧異常であると判定する。
電圧値Ｖｓがしきい値Ｖth3未満である場合、異常判定部１５３は、制御系の異常であると判定する。制御系の異常とは、例えば、コンバータ制御のデューティ比の異常、又は、フィードバック制御の不具合（電圧モニタラインの異常）等である。
以上のように、直流電源Ｖ２、スイッチング素子Ｑ１又は制御系の何れかに過電圧異常の原因があると判別できるため、過電圧異常検出後、適切な対応を行うことができる。例えば、制御系に異常がないにもかかわらず、過電圧検出後に制御系の設定を見直す、といった無駄な作業をなくすことができる。また、スイッチング素子Ｑ１又は直流電源Ｖ２に異常がないにもかかわらず、これらの部品を交換するといったことを抑制できる。
図２及び図３は、電源装置１の過電圧異常を判定する処理のフローチャートである。図２及び図３に示す処理は、コントローラ１５により実行される。
コントローラ１５は第１制御状態を実行する（Ｓ１）。すなわち、スイッチング素子Ｓ１をオンした状態で、コンバータ制御部１５１は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をスイッチング制御する。これにより、外部接続端子１１，１２から入力された直流電圧は降圧され、外部接続端子１３，１４から出力される。次に、コントローラ１５は、所定時間（例えば１０ms）待機する（Ｓ２）。その後、電圧検出部１５２は電圧値Ｖｓを検出する（Ｓ３）。
異常判定部１５３は、電圧値Ｖｓがしきい値Ｖth1以上（Ｖｓ≧Ｖth1）であるか否かを判定する（Ｓ４）。Ｖｓ≧Ｖth1でない場合（Ｓ４：ＮＯ）、コントローラ１５は、Ｓ２の処理を再実行する。Ｖｓ≧Ｖth1である場合（Ｓ４；ＹＥＳ）、異常判定部１５３は、スイッチング素子Ｓ１をオフにして、第２制御状態を実行する（Ｓ５）。電圧検出部１５２は、電圧値Ｖｓを検出し（Ｓ６）、電圧値Ｖｓがしきい値Ｖth2以下（Ｖｓ≦Ｖth2）であるか否かを判定する（Ｓ７）。
Ｖｓ≦Ｖth2である場合（Ｓ７：ＹＥＳ）、異常判定部１５３は直流電源Ｖ２の過電圧異常であると判定する（Ｓ９）。その後、コントローラ１５は、例えば、ステータス異常等により警告し（Ｓ１４）、本処理を終了する。
Ｖｓ≦Ｖth2でない場合（Ｓ７：ＮＯ）、コンバータ制御部１５１はスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をオフにして、第３制御状態を実行する（Ｓ８）。電圧検出部１５２は、電圧値Ｖｓを検出し（Ｓ１０）、電圧値Ｖｓがしきい値Ｖth3以上（Ｖｓ≧Ｖth3）であるか否かを判定する（Ｓ１１）。
Ｖｓ≧Ｖth3である場合（Ｓ１１：ＹＥＳ）、異常判定部１５３は、スイッチング素子Ｑ１のショート破壊による過電圧異常であると判定する（Ｓ１２）。Ｖｓ≧Ｖth3でない場合（Ｓ１１：ＮＯ）、異常判定部１５３は、制御系の異常であると判定する（Ｓ１３）。Ｓ１２，Ｓ１３の判定後、コントローラ１５は警告し（Ｓ１４）、本処理を終了する。Ｓ１４で実行する警告は、例えばランプで行う。
なお、本実施形態で、電源装置１は降圧コンバータとして説明したが、電源装置１は、外部接続端子１３，１４から入力された直流電圧を昇圧する昇圧コンバータであってもよい。この場合であっても、コントローラ１５は、インダクタＬ１とスイッチング素子Ｓ１との間の電圧値Ｖｓを検出することで、過電圧異常を判定する。この場合、異常判定部１５３は、直流電源Ｖ２の過電圧異常、又は、スイッチング素子Ｑ１のショート破壊による過電圧異常の何れかを判定する。また、昇圧コンバータである場合、スイッチング素子Ｑ１はダイオードであってもよく、この場合、コンバータ制御部１５１は、スイッチング素子Ｑ２のみをスイッチング制御する。
（実施形態２）
図４は、実施形態２に係る電源装置２の回路図である。
この例では、インダクタＬ１と外部接続端子１３との間に接続されたスイッチング素子Ｓ２は、双方向スイッチング素子である。
スイッチング素子Ｓ２は、２つのＭＯＳ−ＦＥＴ２１，２２で構成されている。ＭＯＳ−ＦＥＴ２１，２２は、それぞれのボディーダイオードＤ１，Ｄ２の方向が互いに逆となるように接続されている。ボディーダイオードＤ１，Ｄ２の方向を逆方向にすることで、直流電源Ｖ２側が、直流電源Ｖ１側よりも高電位となった場合、外部接続端子１３，１４からインダクタＬ１へ流れる電流を遮断できる。これにより、直流電源Ｖ２の過電圧異常が定常的に起きた場合、異常判定部１５３（図１参照）は、直流電源Ｖ２の過電圧異常の影響を受けることなく、スイッチング素子Ｓ２をオフにしたときの電圧値Ｖｓを検出できる。そして、過電圧異常の判定を精度よく行える。
また、外部接続端子１３，１４からインダクタＬ１へ流れる電流を遮断することで、スイッチング素子Ｑ２へ電流が流れ込むことを防止でき、その結果、異常時の素子破壊を抑制できる。
なお、スイッチング素子Ｓ２は、ボディーダイオードが形成されないＩＧＢＴ（InsulatedGate Bipolar Transistor）、又はＧａＮ−ＦＥＴであってもよい。この場合、スイッチング素子Ｓ２は一つの部品で構成できるため、省スペース化が図れる。
１，２…電源装置
１１…外部接続端子（第１接続部）
１２，１４…外部接続端子
１３…外部接続端子（第２接続部）
１５…コントローラ（制御部）
２１，２２…ＭＯＳ−ＦＥＴ
１５１…コンバータ制御部
１５２…電圧検出部
１５３…異常判定部
Ｃ１…キャパシタ
Ｄ１，Ｄ２…ボディーダイオード
Ｌ１…インダクタ
Ｑ１…スイッチング素子（第１スイッチング素子）
Ｑ２…スイッチング素子（第２スイッチング素子）
Ｒ１，Ｒ２…分圧抵抗
Ｓ１，Ｓ２…スイッチング素子（第３スイッチング素子）
Ｖ１…直流電源（第１直流電源）
Ｖ２…直流電源（第２直流電源）

Claims (3)

  1. 第１直流電源が接続される第１接続部と、
    第２直流電源が接続される第２接続部と、
    前記第１接続部からグランドの間に順次直列に接続された第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子と、
    前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子の接続点からグランドの間に、順次直列に接続されたインダクタ及びキャパシタと、
    前記インダクタ及び前記キャパシタの接続点と、前記第２接続部との間に接続された第３スイッチング素子と、
    前記インダクタと前記第３スイッチング素子との接続点の電圧を検出する電圧検出部と、
    前記第３スイッチング素子をオンし、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子の少なくとも一方をオンオフする第１制御状態と、前記第１制御状態で前記電圧検出部が検出した電圧が第１しきい値以上である場合、前記第３スイッチング素子をオフし、前記第１制御状態でオンオフしていた前記第１スイッチング素子又は前記第２スイッチング素子をオンオフする第２制御状態とを実行する制御部と、
    前記第２制御状態で前記電圧検出部が検出した電圧が第２しきい値以下である場合、前記第３スイッチング素子より前記第２接続部側の異常と判定し、前記電圧が前記第２しきい値より大きいである場合、前記第３スイッチング素子より前記第１接続部側の異常と判定する判定部と、
    を備える電源装置。
  2. 前記制御部は、
    前記判定部が前記第３スイッチング素子より前記第１接続部側の異常と判定した場合、前記第２制御状態でオンオフしていた前記第１スイッチング素子又は前記第２スイッチング素子をオフする第３制御状態を実行し、
    前記判定部は、
    前記第３制御状態で前記電圧検出部が検出した電圧が第３しきい値以上である場合、前記第１スイッチング素子の異常と判定し、前記電圧が前記第３しきい値未満である場合、制御系の異常であると判定する、
    請求項１に記載の電源装置。
  3. 前記第３スイッチング素子は、ボディーダイオードの方向が互いに逆方向となるよう接続された２つのＭＯＳ−ＦＥＴから構成された双方向スイッチング素子である、
    請求項１又は２に記載の電源装置。
JP2015011911A 2015-01-26 2015-01-26 電源装置 Withdrawn JP2016140118A (ja)

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