JP2016059179A

JP2016059179A - Voltage converter

Info

Publication number: JP2016059179A
Application number: JP2014184293A
Authority: JP
Inventors: 暁彦井手; Akihiko Ide
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-09-10
Filing date: 2014-09-10
Publication date: 2016-04-21
Anticipated expiration: 2034-09-10
Also published as: JP6303938B2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a voltage converter with a simple configuration using a power card (a semiconductor element module).SOLUTION: The voltage converter 10 includes switching arms 11, 12, 13 and performs voltage conversion between two batteries 23, 25 and a load. The switching arms 11, 12, 13 are provided in series from a high-voltage cable run 14 to a ground cable run 15, and the battery 23 is connected in parallel to the switching arm 13 and the battery 25 is connected in parallel to the switching arms 12, 13. The switching arm 11 has two switching elements 31, 32 connected in reversely parallel and is comprised of an integrally resin-moduled second power card 50. The switching arms 12, 13 have switching elements 33, 34 and diodes 35, 36 connected in reversely parallel and are comprised of an integrally resin-moduled first power card 40.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、電圧変換器の構造に関する。 The present invention relates to a structure of a voltage converter.

スイッチング素子をオン・オフ動作させてバッテリの電圧を昇圧して出力電路に出力するとともに、出力電路の電圧を降圧してバッテリに充電する電圧変換器を用いた電源システムが多く用いられている。このような電源システムは、コレクタが高圧電路に接続される上側のスイッチング素子と、コレクタが上側のスイッチング素子のエミッタに接続され、エミッタが接地電路に接続される下側のスイッチング素子と、各スイッチング素子に逆並列に接続され、エミッタからコレクタに向けて電流を流すダイオードと、上下のスイッチング素子の接続点と接地電路との間の低圧電路に配置されたリアクトルと、低圧電路と接地電路との間に配置されたコンデンサとを備える電圧変換器と、電圧変換器の低圧電路と接地電路との間に接続されるバッテリとによって構成される。そして、電圧変換器の下側のスイッチング素子をオンとし、上側のスイッチング素子をオフとしてバッテリによりリアクトルに電力をチャージし、下側のスイッチング素子をオフとして上側のスイッチング素子をオンとしてリアクトルにチャージした電力を昇圧して高圧電路に出力する（例えば、特許文献１の図１０参照）。 A power supply system using a voltage converter that turns on and off a switching element to boost a voltage of a battery and outputs the voltage to an output electric circuit and charges the battery by reducing the voltage of the output electric circuit is often used. Such a power supply system includes an upper switching element whose collector is connected to the high piezoelectric path, a lower switching element whose collector is connected to the emitter of the upper switching element, and whose emitter is connected to the ground circuit, A diode that is connected in reverse parallel to the element and flows a current from the emitter to the collector, a reactor that is disposed in a low piezoelectric path between the connection point of the upper and lower switching elements and the ground circuit, and a low piezoelectric circuit and a ground circuit The voltage converter includes a capacitor disposed therebetween, and a battery connected between the low piezoelectric circuit and the ground circuit of the voltage converter. Then, the lower switching element of the voltage converter is turned on, the upper switching element is turned off, and the battery is charged with electric power. The lower switching element is turned off, the upper switching element is turned on, and the reactor is charged. The electric power is boosted and output to the high piezoelectric path (see, for example, FIG. 10 of Patent Document 1).

また、２つのスイッチング素子を直列に接続し、各スイッチング素子にそれぞれダイオードを逆並列に接続し、これらの素子を樹脂で一体にモジュール化して大電力放熱型回路部品（パワーカード或いは半導体素子モジュール）とすることが提案されている（例えば、特許文献２参照）。このパワーカードを用いると、先に説明した特許文献１の図１０に記載された電圧変換器や特許文献１の図１に記載されたインバータを簡単に構成することができる。 In addition, two switching elements are connected in series, diodes are connected in antiparallel to each switching element, and these elements are integrated into a module with resin to form a large power dissipation circuit component (power card or semiconductor element module). (For example, refer to Patent Document 2). When this power card is used, the voltage converter described in FIG. 10 of Patent Document 1 and the inverter described in FIG. 1 of Patent Document 1 described above can be easily configured.

特開２００３−２４４８０１号公報JP 2003-244801 A 特開２００８−３００６２７号公報JP 2008-300627 A

ところで、特許文献１の図１０に記載されたような構成の従来技術の電圧変換器では、下側のスイッチング素子がオン故障（常時オンとなってしまう故障）となった場合にはバッテリの短絡が発生するため、システムメインリレーをオフとしてバッテリを切り離して電圧変換器をシャットダウンすることが必要となり、下側のスイッチング素子がオン故障した場合には電源供給ができなくなってしまう。このため、例えば、２つのバッテリと３つのスイッチング素子を用い、一つのスイッチング素子がオン故障となった場合には、一方のバッテリを切り離し、他方のバッテリのみから電源供給可能なフェールセーフ型の電源システムも検討されている。しかし、パワーカード（半導体素子モジュール）は、２のスイッチング素子が一体にモジュール化されているため、パワーカードを用いてこのようなフェールセーフ性の高い電圧変換器を構成することが難しく、回路全体を新設計することが必要となる。 By the way, in the voltage converter of the prior art of the structure as described in FIG. 10 of patent document 1, when the lower side switching element becomes an ON failure (failure which becomes always ON), it is a short circuit of a battery. Therefore, it is necessary to turn off the system main relay, disconnect the battery, and shut down the voltage converter. When the lower switching element is turned on, power supply cannot be performed. For this reason, for example, a fail-safe type power supply that uses two batteries and three switching elements, and when one switching element becomes an on-failure, one battery is disconnected and power can be supplied only from the other battery. Systems are also being considered. However, since a power card (semiconductor element module) has two switching elements integrated into a single module, it is difficult to configure such a voltage converter with high fail-safety using the power card. Need to be newly designed.

そこで、本発明は、半導体素子モジュールを用いる簡便な構成の電圧変換器を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a voltage converter having a simple configuration using a semiconductor element module.

本発明の電圧変換器は、第１、第２、第３のスイッチングアームを含み、２つのバッテリと出力電路との間で電圧変換を行う電圧変換器であって、前記出力電路は、第１の電路と前記第１の電路よりも電位の低い第２の電路とを含み、前記第１、第２、第３のスイッチングアームは、前記第１の電路から前記第２の電路に向かって直列に設けられ、一方のバッテリが前記第３のスイッチングアームと並列に接続され、他方のバッテリが前記第２、第３の直列スイッチングアームと並列に接続され、前記第１のスイッチングアームは、２つのスイッチング素子が逆並列に接続された第２の半導体素子モジュールで構成され、前記第２、第３のスイッチングアームは、２つのスイッチング素子が直列に接続され、各スイッチング素子にそれぞれダイオードが逆並列に設けられた第１の半導体素子モジュールで構成されていること、を特徴とする。 The voltage converter of the present invention is a voltage converter that includes first, second, and third switching arms and performs voltage conversion between two batteries and an output electric circuit. And a second electric circuit having a lower potential than the first electric circuit, and the first, second, and third switching arms are connected in series from the first electric circuit to the second electric circuit. One battery is connected in parallel with the third switching arm, the other battery is connected in parallel with the second and third series switching arms, and the first switching arm has two The second and third switching arms include two switching elements connected in series, and each switching element is connected to each switching element. The diode is constituted by the first semiconductor element module provided in antiparallel, characterized.

本発明は、半導体素子モジュールを用いる簡便な構成の電圧変換器を提供することができる。 The present invention can provide a voltage converter having a simple configuration using a semiconductor element module.

本発明の実施形態における電圧変換器の構成を示す系統図である。It is a systematic diagram which shows the structure of the voltage converter in embodiment of this invention. パワーカード（半導体素子モジュール）を用いて構成した本発明の実施形態における電圧変換器の配線図である。It is a wiring diagram of the voltage converter in embodiment of this invention comprised using the power card (semiconductor element module). 本発明の実施形態における電圧変換器においてリアクトルに電力をチャージする際の電流の流れを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the flow of an electric current at the time of charging electric power to a reactor in the voltage converter in embodiment of this invention. 本発明の実施形態における電圧変換器においてリアクトルにチャージされた電力を出力電路に出力する際の電流の流れを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the flow of an electric current at the time of outputting the electric power charged by the reactor in the voltage converter in embodiment of this invention to an output electric circuit. 本発明の実施形態の電圧変換器において、第１スイッチング素子がオン故障した場合にリアクトルに電力をチャージする際の電流の流れを示す説明図である。In the voltage converter of embodiment of this invention, when a 1st switching element carries out an on failure, it is explanatory drawing which shows the flow of an electric current at the time of charging electric power to a reactor. 本発明の実施形態の電圧変換器において、第１スイッチング素子がオン故障した場合にリアクトルにチャージした電力を出力電路に出力する際の電流の流れを示す説明図である。In the voltage converter of embodiment of this invention, when the 1st switching element carries out an on failure, it is explanatory drawing which shows the flow of an electric current at the time of outputting the electric power charged to the reactor to the output electric circuit. 本発明の実施形態の電圧変換器において、第４スイッチング素子がオン故障した場合にリアクトルに電力をチャージする際の電流の流れを示す説明図である。In the voltage converter of embodiment of this invention, when a 4th switching element carries out an on failure, it is explanatory drawing which shows the flow of an electric current at the time of charging electric power to a reactor. 本発明の実施形態の電圧変換器において、第４スイッチング素子がオン故障した場合にリアクトルにチャージした電力を出力電路に出力する際の電流の流れを示す説明図である。In the voltage converter of embodiment of this invention, when the 4th switching element carries out an on failure, it is explanatory drawing which shows the flow of an electric current at the time of outputting the electric power charged to the reactor to the output electric circuit.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図１に示すように、本実施形態の電圧変換器１０は、第１、第２、第３のスイッチングアーム１１，１２，１３を含み、第１、第２の２つのバッテリ２３，２５と負荷（図せず）が接続される出力電路２６との間で電圧変換を行う電圧変換器１０である。出力電路２６は、第１の電路である高圧電路１４と高圧電路１４よりも電位の低い第２の電路である接地電路１５とを含み、第１、第２、第３のスイッチングアーム１１，１２，１３は、高圧電路１４から接地電路１５に向かって直列に設けられている。第１のスイッチングアーム１１は、第１スイッチング素子３１のエミッタ、コレクタがそれぞれ第２スイッチング素子３２のコレクタ、エミッタと結線されている、つまり、第１スイッチング素子３１と第２スイッチング素子とは逆並列に接続されている。また、第２、第３のスイッチングアーム１２，１３は其々第３、第４スイッチング素子３３，３４にダイオード３５，３６が逆並列に接続されたものである。第１〜第４スイッチング素子３１〜３４は、例えば、ＩＧＢＴ等のスイッチングトランジスタである。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the voltage converter 10 according to the present embodiment includes first, second, and third switching arms 11, 12, and 13, and includes first and second batteries 23 and 25 and a load. This is a voltage converter 10 that performs voltage conversion with an output electric circuit 26 to which (not shown) is connected. The output electric circuit 26 includes a high piezoelectric circuit 14 that is a first electric circuit and a ground electric circuit 15 that is a second electric circuit having a lower potential than the high piezoelectric circuit 14, and the first, second, and third switching arms 11 and 12. , 13 are provided in series from the high piezoelectric path 14 toward the grounding electrical path 15. In the first switching arm 11, the emitter and collector of the first switching element 31 are respectively connected to the collector and emitter of the second switching element 32. That is, the first switching element 31 and the second switching element are antiparallel. It is connected to the. The second and third switching arms 12 and 13 are diodes 35 and 36 connected in reverse parallel to the third and fourth switching elements 33 and 34, respectively. The first to fourth switching elements 31 to 34 are switching transistors such as IGBTs, for example.

第２のスイッチングアーム１２と第３のスイッチングアーム１３の間の第２接続点１８と接地電路１５との間には、第１電路１９が配置され、第１電路１９には第１リアクトル２０が接続されている。また、第１電路１９と接地電路１５との間には、第１バッテリ２３が第３スイッチングアーム１３と並列に接続されている。電圧変換器１０と第１バッテリ２３との間には、第１バッテリ２３と電圧変換器１０との接続を入り切りする第１システムメインリレー２２が配置されている。また、第１のスイッチングアーム１１と第２のスイッチングアーム１２の間の第１接続点１６と接地電路１５との間には、第２電路１７が配置され、第２電路１７には第２リアクトル２１が接続されている。また、第２電路１７と接地電路１５との間には、第２バッテリ２５が第２、第３スイッチングアーム１２，１３と並列に接続されている。電圧変換器１０と第２バッテリ２５との間には、第２バッテリ２５と電圧変換器１０との接続を入り切りする第２システムメインリレー２４が配置されている。そして、高圧電路１４の一端には高圧側出力端子２６ａが取り付けられ、接地電路１５の一端には、接地側出力端子２６ｂが取り付けられている。各端子２６ａ，２６ｂには図示しない負荷が接続される。各端子２６ａ，２６ｂから出力される電圧は、昇圧電圧（高電圧ＶＨである）。このように、電圧変換器１０にシステムメインリレー２２，２４、第１、第２バッテリ２３，２５を接続すると２つのバッテリを用いた電源システム１００が構成される。 A first electric circuit 19 is disposed between the second connection point 18 between the second switching arm 12 and the third switching arm 13 and the ground electric circuit 15, and a first reactor 20 is disposed in the first electric circuit 19. It is connected. A first battery 23 is connected in parallel with the third switching arm 13 between the first electric circuit 19 and the ground electric circuit 15. Between the voltage converter 10 and the 1st battery 23, the 1st system main relay 22 which turns on and off the connection of the 1st battery 23 and the voltage converter 10 is arrange | positioned. A second electric circuit 17 is disposed between the first connection point 16 between the first switching arm 11 and the second switching arm 12 and the ground electric circuit 15, and the second electric circuit 17 includes a second reactor. 21 is connected. A second battery 25 is connected in parallel with the second and third switching arms 12 and 13 between the second electric circuit 17 and the ground electric circuit 15. Between the voltage converter 10 and the 2nd battery 25, the 2nd system main relay 24 which turns on and off the connection of the 2nd battery 25 and the voltage converter 10 is arrange | positioned. A high-voltage side output terminal 26 a is attached to one end of the high piezoelectric path 14, and a ground-side output terminal 26 b is attached to one end of the ground circuit 15. A load (not shown) is connected to each terminal 26a, 26b. The voltage output from each terminal 26a, 26b is a boosted voltage (high voltage VH). As described above, when the system main relays 22 and 24 and the first and second batteries 23 and 25 are connected to the voltage converter 10, a power supply system 100 using two batteries is configured.

次に、図２を参照しながら第１、第２の半導体素子モジュールである、第１、第２パワーカード４０，５０を用いて先に説明した電圧変換器１０を構成した場合について説明する。図２に示すように、第１パワーカード４０は、従来技術の大電力放熱型パワーカードであり、２つのＩＢＧＴ３３，３４を直列に接続し、各ＩＧＢＴ３３，３４にそれぞれダイオード３５，３６を逆並列に接続し、これらの素子を樹脂で一体にモジュール化したものである。１つのＩＧＢＴと１つのダイオードの対は一つのスイッチングアームを構成するから、第１パワーカード４０は、２つのスイッチングアームを直列に接続したものである。第１パワーカード４０は、４つの入力端子４１〜４４と３つの出力端子４５〜４７とを備えている。入力端子４１，４３はそれぞれＩＧＢＴ３３，３４のゲートに接続され、入力端子４２は、ＩＧＢＴ３３のエミッタとＩＧＢＴ３４のコレクタとの接続点に接続され、入力端子４４はＩＧＢＴ３４のエミッタに接続されている。また、出力端子４５はＩＧＢＴ３３のコレクタに接続され、出力端子４６は入力端子４２と同様、ＩＧＢＴ３３のエミッタとＩＧＢＴ３４のコレクタとの接続点に接続され、出力端子４７は入力端子４４と同様、ＩＧＢＴ３４のエミッタに接続されている。 Next, the case where the voltage converter 10 described above is configured using the first and second power cards 40 and 50, which are the first and second semiconductor element modules, will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 2, the first power card 40 is a conventional high-power heat radiation type power card, and two IBGTs 33 and 34 are connected in series, and diodes 35 and 36 are anti-parallel to the IGBTs 33 and 34, respectively. These elements are integrated into a module with resin. Since a pair of one IGBT and one diode constitutes one switching arm, the first power card 40 is obtained by connecting two switching arms in series. The first power card 40 includes four input terminals 41 to 44 and three output terminals 45 to 47. The input terminals 41 and 43 are respectively connected to the gates of the IGBTs 33 and 34, the input terminal 42 is connected to a connection point between the emitter of the IGBT 33 and the collector of the IGBT 34, and the input terminal 44 is connected to the emitter of the IGBT 34. The output terminal 45 is connected to the collector of the IGBT 33, the output terminal 46 is connected to the connection point between the emitter of the IGBT 33 and the collector of the IGBT 34, as in the input terminal 42, and the output terminal 47 is connected to the IGBT 34 in the same manner as the input terminal 44. Connected to the emitter.

図２に示すように、第２パワーカード５０は、第１パワーカード４０のような従来型のパワーカードにおいて、ダイオードの実装をやめ、ＩＧＢＴ３１のエミッタとＩＧＢＴ３２のコレクタ及び、ＩＧＢＴ３１のコレクタとＩＧＢＴ３２のエミッタを内部配線で接続したもの、つまり、２つのＩＧＢＴ３１，３２を逆並列に接続し、これらの素子を樹脂で一体にモジュール化したものである。第２パワーカード５０は、４つの入力端子５１〜５４と２つの出力端子５５，５６を備えている。入力端子５１，５３はそれぞれＩＧＢＴ３１，３２のゲートに接続され、入力端子５２はＩＧＢＴ３１のエミッタとＩＧＢＴ３２のコレクタとの接続点に接続され、入力端子５４はＩＧＢＴ３２のエミッタに接続されている。また、出力端子５５はＩＧＢＴ３１のコレクタに接続され、出力端子５６は入力端子５２と同様、ＩＧＢＴ３１のエミッタとＩＧＢＴ３２のコレクタとの接続点に接続されている。 As shown in FIG. 2, the second power card 50 is a conventional power card such as the first power card 40, and the mounting of the diode is stopped, and the emitter of the IGBT 31 and the collector of the IGBT 32, and the collector of the IGBT 31 and the IGBT 32. The emitter is connected by an internal wiring, that is, two IGBTs 31 and 32 are connected in antiparallel, and these elements are integrated into a module with resin. The second power card 50 includes four input terminals 51 to 54 and two output terminals 55 and 56. The input terminals 51 and 53 are respectively connected to the gates of the IGBTs 31 and 32, the input terminal 52 is connected to a connection point between the emitter of the IGBT 31 and the collector of the IGBT 32, and the input terminal 54 is connected to the emitter of the IGBT 32. The output terminal 55 is connected to the collector of the IGBT 31, and the output terminal 56 is connected to the connection point between the emitter of the IGBT 31 and the collector of the IGBT 32, as in the input terminal 52.

図２に示すように、第１パワーカード４０の出力端子４５と第２パワーカード５０の入力端子５２とを接続し、コイル２０を介して第１パワーカード４０の入力端子４２とシステムメインリレー２２のプラス側端子２２ａとを接続し、第１パワーカード４０の入力端子４４とシステムメインリレー２２のマイナス側端子２２ｂを接続し、システムメインリレー２２のプラス側端子２２ａ、マイナス側端子２２ｂにそれぞれバッテリ２３のプラス側とマイナス側とを接続し、第１パワーカード４０の出力端子４７には出力線１５を接続する。また、コイル２１を介して第２パワーカード５０の出力端子５６とシステムメインリレー２４のプラス側端子２４ａとを接続し、システムメインリレー２４のマイナス側端子２４ｂを第１パワーカード４０の出力端子４７から延びる出力線１５に接続する。そして、システムメインリレー２４のプラス側端子２４ａ、マイナス側端子２４ｂにそれぞれバッテリ２５のプラス側とマイナス側とを接続する。第２パワーカード５０の出力端子５５には出力線１４を接続し、出力線１４，１５の端部には負荷が接続される出力端子２６ａ，２６ｂを取り付ける。また、第１パワーカード４０の入力端子４１，４３、第２パワーカード５０の端子５１、５３、システムメインリレー２２、２４を制御部６０に接続する。なお、第１パワーカード４０の出力端子４６と第２パワーカード５０の入力端子５４には何も接続されない。 As shown in FIG. 2, the output terminal 45 of the first power card 40 and the input terminal 52 of the second power card 50 are connected, and the input terminal 42 of the first power card 40 and the system main relay 22 are connected via the coil 20. Of the first power card 40 and the negative terminal 22b of the system main relay 22 are connected to the positive terminal 22a and the negative terminal 22b of the system main relay 22, respectively. 23 is connected to the positive side and the negative side, and the output line 15 is connected to the output terminal 47 of the first power card 40. Further, the output terminal 56 of the second power card 50 and the plus side terminal 24 a of the system main relay 24 are connected via the coil 21, and the minus side terminal 24 b of the system main relay 24 is connected to the output terminal 47 of the first power card 40. Is connected to an output line 15 extending from. Then, the plus side and minus side of the battery 25 are connected to the plus side terminal 24a and the minus side terminal 24b of the system main relay 24, respectively. An output line 14 is connected to the output terminal 55 of the second power card 50, and output terminals 26 a and 26 b to which loads are connected are attached to ends of the output lines 14 and 15. Further, the input terminals 41 and 43 of the first power card 40, the terminals 51 and 53 of the second power card 50, and the system main relays 22 and 24 are connected to the control unit 60. Note that nothing is connected to the output terminal 46 of the first power card 40 and the input terminal 54 of the second power card 50.

このように、各パワーカード４０，５０、コイル２０，２１、システムメインリレー２２，２４、バッテリ２３，２５、制御部６０を接続すると、第２パワーカード５０のＩＢＧＴ３１，３２の対、第１パワーカード４０のＩＧＢＴ３３とダイオード３５の対、第１パワーカード４０のＩＧＢＴ３４とダイオード３６の対は、出力線１４から出力線１５に向かって直列に接続されることになるので、図１を参照して説明した第１、第２、第３のスイッチングアーム１１，１２，１３を構成し、ＩＢＧＴ３１〜ＩＢＧＴ３４は第１〜第４スイッチング素子３１〜３４を構成する。また、図２に示すように、出力線１５はバッテリ２３，２５のマイナス側に接続される接地電路１５を構成し、出力線１４は接地電路１５よりも電位が高い高圧電路１４を構成し、高圧電路１４と接地電路１５の対は、出力電路２６を構成する。また、図２に示すように、バッテリ２３は、スイッチング素子３４に相当するＩＢＧＴ３４と並列に接続されており、バッテリ２５はスイッチング素子３３、３４に相当するＩＧＢＴ３３，３４と並列に接続されている。従って、バッテリ２３，２５は図１を参照し説明した第１バッテリ２３、第２バッテリ２５に相当する。以上述べた通りであるから、各パワーカード４０，５０、コイル２０，２１を図２のように接続すると図１を参照して説明した電圧変換器１０が構成され、それにシステムメインリレー２２，２４、バッテリ２３，２５を接続すると２つのバッテリを用いる電源システムが構成される。 As described above, when the power cards 40 and 50, the coils 20 and 21, the system main relays 22 and 24, the batteries 23 and 25, and the control unit 60 are connected, the pair of IBGTs 31 and 32 of the second power card 50, the first power The pair of the IGBT 33 and the diode 35 of the card 40 and the pair of the IGBT 34 and the diode 36 of the first power card 40 are connected in series from the output line 14 toward the output line 15, so refer to FIG. The described first, second, and third switching arms 11, 12, and 13 are configured, and IBGT31 to IBGT34 configure first to fourth switching elements 31 to 34, respectively. As shown in FIG. 2, the output line 15 constitutes a grounding electric circuit 15 connected to the negative side of the batteries 23 and 25, and the output line 14 constitutes a high piezoelectric circuit 14 having a higher potential than the grounding electric circuit 15, A pair of the high piezoelectric path 14 and the grounding electric circuit 15 constitutes an output electric circuit 26. As shown in FIG. 2, the battery 23 is connected in parallel to the IBGT 34 corresponding to the switching element 34, and the battery 25 is connected in parallel to the IGBTs 33 and 34 corresponding to the switching elements 33 and 34. Therefore, the batteries 23 and 25 correspond to the first battery 23 and the second battery 25 described with reference to FIG. As described above, when the power cards 40 and 50 and the coils 20 and 21 are connected as shown in FIG. 2, the voltage converter 10 described with reference to FIG. 1 is configured, and the system main relays 22 and 24 are connected thereto. When the batteries 23 and 25 are connected, a power supply system using two batteries is configured.

以上説明したように、従来型の第１パワーカード４０と、従来型の第１パワーカード４０の内部配線を一部変更するとともに、ダイオードを実装しないようにした第２パワーカード５０とを接続することにより、簡単に図１に記載して説明したような電圧変換器１０を構成することができる。 As described above, the conventional first power card 40 is connected to the second power card 50 in which the internal wiring of the conventional first power card 40 is partially changed and the diode is not mounted. Thus, the voltage converter 10 as described with reference to FIG. 1 can be configured easily.

このように構成された電圧変換器１０は、以下に説明するように、一つのスイッチング素子がオン故障となっても昇圧電圧を供給し続けることが可能なフェールセーフ性の高い電圧変換器である。以下、図３から図８を参照しながら本実施形態の電圧変換器１０の動作について説明する。なお、以下の説明では、第１〜第４スイッチング素子３１から３４は、Ｓ１〜Ｓ４、第１、第２リアクトル２０，２１はＬ１、Ｌ２、第１、第２バッテリ２３、２５はＢ１、Ｂ２と、ダイオード３５，３６は、Ｄ３，Ｄ４と、第１、第２システムメインリレーはＳＭＲ１、ＳＭＲ２と簡略表記として説明する。なお、図３〜図８において、オンとなっているスイッチング素子は実線で示し、オフとなっているスイッチング素子は破線で示す。 The voltage converter 10 configured in this way is a highly fail-safe voltage converter capable of continuing to supply a boosted voltage even when one switching element is turned on as described below. . Hereinafter, the operation of the voltage converter 10 of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 3 to 8. In the following description, the first to fourth switching elements 31 to 34 are S1 to S4, the first and second reactors 20 and 21 are L1, L2, and the first and second batteries 23 and 25 are B1 and B2. The diodes 35 and 36 are described as D3 and D4, and the first and second system main relays are simply expressed as SMR1 and SMR2. 3 to 8, the switching elements that are turned on are indicated by solid lines, and the switching elements that are turned off are indicated by broken lines.

＜電圧変換器の基本動作＞
図２に示す制御部６０は、図３に示すように、Ｓ３，Ｓ４をオン（第２，第３スイッチングアームをオン）、Ｓ１，Ｓ２をオフ（第１スイッチングアームをオフ）としてＢ１→Ｌ１→Ｓ４→Ｂ１と電流の流れる回路Ｒ１と、Ｂ２→Ｌ２→Ｓ３→Ｓ４→Ｂ２と電流の流れる回路Ｒ２とを形成し、Ｂ１によりＬ１に電気エネルギをチャージするとともに、Ｂ２によりＬ２に電気エネルギをチャージする。次に制御部６０は、図４に示すように、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３をオンとし（第１，第２スイッチングアームをオン）、Ｓ４をオフ（第３スイッチングアームをオフ）として、Ｂ１→Ｌ１→Ｄ３→Ｓ２→高圧電路１４→接地電路１５→Ｂ１と電流の流れる回路Ｒ３と、Ｂ２→Ｌ２→Ｓ２→高圧電路１４→接地電路１５→Ｂ２と電流の流れる回路Ｒ４とを形成し、Ｌ１，Ｌ２にチャージされた電力を昇圧して出力電路２６から負荷（図示せず）に出力する。また、この際、高圧電路１４→Ｓ１→Ｓ３→Ｌ１→Ｂ１→接地電路１５→高圧電路１４と電流の流れる回路Ｒ５と、高圧電路１４→Ｓ１→Ｌ２→Ｂ２→接地電路１５→高圧電路１４と電流の流れる回路Ｒ６とが同時に形成されるので、負荷による回生電力ある場合には回生電力が降圧されてＢ１，Ｂ２に充電される。 <Basic operation of voltage converter>
As shown in FIG. 3, the control unit 60 shown in FIG. 2 turns S3 and S4 on (second and third switching arms on) and S1 and S2 off (first switching arm off) B1 → L1 A circuit R1 in which current flows through S4 → B1 and a circuit R2 in which current flows through B2 → L2 → S3 → S4 → B2 are formed. Electric energy is charged to L1 by B1, and electric energy is supplied to L2 by B2. Charge. Next, as shown in FIG. 4, the control unit 60 turns on S1, S2, and S3 (turns on the first and second switching arms), turns off S4 (turns off the third switching arm), and B1 → L1 → D3 → S2 → high piezoelectric path 14 → ground circuit 15 → B1 and a circuit R3 through which current flows, and B2 → L2 → S2 → high piezoelectric circuit 14 → ground circuit 15 → B2 and a circuit R4 through which current flows through L1, L1, The power charged in L2 is boosted and output from the output circuit 26 to a load (not shown). At this time, the high piezoelectric path 14 → S1 → S3 → L1 → B1 → the grounding circuit 15 → the high piezoelectric path 14 and the circuit R5 through which the current flows, and the high piezoelectric path 14 → S1 → L2 → B2 → the grounding circuit 15 → the high piezoelectric path 14 Since the circuit R6 through which the current flows is formed at the same time, when there is regenerative power due to the load, the regenerative power is stepped down and charged to B1 and B2.

＜Ｓ１オン故障の際の動作＞
次に図５、図６に示すようにＳ１がオン故障（制御部６０からの指令によりオフにできず、オンの状態が継続してしまう故障）となった場合の動作について説明する。なお、図５、図６ではオン故障状態のＳ１は電流の流れ方向を示す矢印で示す。Ｓ１がオン故障の場合に図３で説明したように、Ｓ３，Ｓ４を同時にオンとすると、高圧電路１４と接地電路１５とが短絡してしまうので、Ｓ３，Ｓ４を同時にオンとすることができなくなる。しかし、図３を参照して説明したようにＢ２によりＬ２に電力をチャージする回路Ｒ２を形成する場合には、必ずＳ３，Ｓ４を同時にオンとすることが必要となる。一方、図３を参照して説明したように、Ｂ１により電力をチャージする回路Ｒ１を形成する場合には、Ｓ３をオンとする必要はない。このため、Ｓ１がオン故障となると、Ｂ２の電圧を昇圧して出力することができなくなるが、Ｂ１の電圧を昇圧出力することは可能である。ところが、Ｂ２の電圧を昇圧出力できない状態で、Ｂ２が電圧変換器１０に接続されたままになると、Ｂ１の電圧を昇圧出力する際にＢ１の昇圧電圧がＢ２に印加されＢ１からＢ２に電流が流れてしまい、Ｂ２に過電圧が掛ってしまう場合がある。そこで、Ｓ１がオン故障となった場合には、制御部６０は、図５に示すように、ＳＭＲ２オフとしてＢ２を電圧変換器１０から切り離す。そして、制御部６０は、図６に示すように、Ｓ２，Ｓ３をオフ、Ｓ４をオンとし、先に図３を参照して説明した回路Ｒ１を形成し、Ｂ１によりＬ１をチャージする。次に、制御部６０は、Ｓ４をオフ、Ｓ３をオンとして先に説明した回路Ｒ３を形成し、Ｌ１にチャージされた電力を出力電路２６から負荷に出力する。負荷からの回生電力がある場合には、回路Ｒ５によってＢ１を充電する。このように、電圧変換器１０は、Ｓ１がオン故障となった場合でも、Ｂ１の電圧を昇圧して負荷に供給することができる。 <Operation in case of S1 on failure>
Next, as shown in FIG. 5 and FIG. 6, an operation when S1 becomes an on-failure (failure that cannot be turned off by a command from the control unit 60 and the on state continues) will be described. 5 and 6, S1 in the on-failure state is indicated by an arrow indicating the direction of current flow. As described with reference to FIG. 3 when S1 is on-failed, if S3 and S4 are simultaneously turned on, the high-piezoelectric path 14 and the grounding circuit 15 are short-circuited, so that S3 and S4 can be simultaneously turned on. Disappear. However, as described with reference to FIG. 3, when forming the circuit R2 that charges L2 with B2, it is necessary to turn on S3 and S4 at the same time. On the other hand, as described with reference to FIG. 3, in the case of forming the circuit R1 that charges power by B1, it is not necessary to turn on S3. For this reason, when S1 becomes an ON failure, the voltage of B2 cannot be boosted and output, but the voltage of B1 can be boosted and output. However, if the voltage of B2 cannot be boosted and output and B2 remains connected to the voltage converter 10, when the voltage of B1 is boosted and output, the boosted voltage of B1 is applied to B2 and current flows from B1 to B2. It may flow and an overvoltage may be applied to B2. Therefore, when S1 becomes an ON failure, the control unit 60 turns off SMR2 and disconnects B2 from the voltage converter 10, as shown in FIG. Then, as shown in FIG. 6, the control unit 60 turns off S2 and S3 and turns on S4, forms the circuit R1 described above with reference to FIG. 3, and charges L1 with B1. Next, the control unit 60 turns off S4 and turns on S3 to form the circuit R3 described above, and outputs the power charged in L1 from the output circuit 26 to the load. When there is regenerative power from the load, B1 is charged by the circuit R5. In this way, the voltage converter 10 can boost the voltage of B1 and supply it to the load even when S1 is turned on.

＜Ｓ４オン故障の際の動作＞
次に、図７、図８に示すように、Ｓ４がオン故障となった場合（制御部６０からの指令によりオフにできず、オンの状態が継続してしまう故障）となった場合の動作について説明する。なお、図７、図８ではオン故障状態のＳ４は電流の流れ方向を示す矢印で示す。Ｓ４がオン故障となると、図３に示す回路Ｒ１が形成された状態が継続することとなるので、Ｂ１が短絡状態となってしまう。そこで、制御部６０は、Ｓ４がオン故障の場合には、図７に示すように、ＳＭＲ１をオフとしてＢ１を電圧変換器１０から切り離す。次に制御部６０は、図７、図８に示すように、Ｓ１，Ｓ２をオフ、Ｓ３をオンとしてＢ２によりＬ２をチャージし、Ｓ１，Ｓ２をオン、Ｓ３をオフとしてＬ２にチャージした電力を出力電路２６から負荷に出力する。負荷からの回生電力がある場合には、図８に示す回路Ｒ６によってＢ２を充電する。このように、電圧変換器１０は、Ｓ４がオン故障となった場合でも、Ｂ２の電圧を昇圧して負荷に供給することができる。 <Operation in case of S4 ON failure>
Next, as shown in FIG. 7 and FIG. 8, the operation when S4 becomes an on-failure (failure that cannot be turned off by a command from the control unit 60 and the on-state continues). Will be described. In FIGS. 7 and 8, S4 in the on-failure state is indicated by an arrow indicating the direction of current flow. When S4 becomes an on-failure, the state in which the circuit R1 shown in FIG. 3 is formed continues, so that B1 is short-circuited. Therefore, when S4 is on-failure, the controller 60 turns off SMR1 and disconnects B1 from the voltage converter 10, as shown in FIG. Next, as shown in FIGS. 7 and 8, the control unit 60 turns off S1, S2, turns on S3, charges L2 with B2, turns on S1, S2, turns off S3, turns off the power charged to L2. Output from the output circuit 26 to the load. When there is regenerative power from the load, B2 is charged by the circuit R6 shown in FIG. In this way, the voltage converter 10 can boost the voltage of B2 and supply it to the load even when S4 is turned on.

図３、図４を参照して説明したように、本実施形態の電圧変換器１０の基本動作では、Ｓ３は常時オンとなっているので、Ｓ３がオン故障となった場合でも図３、図４を参照して説明したような基本動作は可能である。また、Ｓ２は、オン状態となった場合でもエミッタからコレクタに向かって電流が流れないから、オン故障となっても動作に影響を及ぼすことはない。 As described with reference to FIGS. 3 and 4, in the basic operation of the voltage converter 10 of the present embodiment, since S3 is always on, even when S3 becomes an on failure, FIG. The basic operation as described with reference to 4 is possible. In addition, even when the S2 is turned on, no current flows from the emitter to the collector, so that even if an on failure occurs, the operation is not affected.

以上説明したように、本実施形態の電圧変換器１０は、４つのスイッチング素子３１〜３４の中のいずれの一つがオン故障となっても、２つのバッテリ２３、２５のいずれか一方を切り離すことにより、他方のバッテリの電圧を昇圧して負荷に供給することができるフェールセーフ型の電圧変換器である。また、図２を参照して説明したように、本実施形態の電圧変換器１０は、従来の第１パワーカード４０及び、従来の第１パワーカード４０に若干の変更を加えた第２パワーカード５０を用いることにより簡便に構成することができる。更に、本実施形態の電圧変換器１０では、第１スイッチングアーム１１でＳ１のエミッタからコレクタに電流を流すためにスイッチング素子（ＩＧＢＴ）３２を用いているので、この部分にダイオードを用いている電圧変換器に比べて電圧降下を小さく抑えることができ、電圧変換器１０の損失を低減することができる。 As described above, the voltage converter 10 according to the present embodiment disconnects one of the two batteries 23 and 25 even if any one of the four switching elements 31 to 34 is turned on. Thus, the voltage of the other battery can be boosted and supplied to the load. As described with reference to FIG. 2, the voltage converter 10 according to the present embodiment includes a conventional first power card 40 and a second power card obtained by slightly modifying the conventional first power card 40. 50 can be used for simple configuration. Furthermore, in the voltage converter 10 of this embodiment, since the switching element (IGBT) 32 is used in the first switching arm 11 to flow a current from the emitter of S1 to the collector, the voltage using a diode in this portion. The voltage drop can be suppressed smaller than that of the converter, and the loss of the voltage converter 10 can be reduced.

１０電圧変換器、１１第１スイッチングアーム、１２第２スイッチングアーム、１３第３スイッチングアーム、１４高圧電路（出力線）、１５接地電路（出力線）、１６，１８接続点、１７第１電路、１９第２電路、２０第１リアクトル（コイル）、２１第２リアクトル（コイル）、２２第１システムメインリレー、２２ａ，２４ａプラス側端子、２２ｂ，２４ｂマイナス側端子、２３第１バッテリ、２４第２システムメインリレー、２５第２バッテリ、２６出力電路、２６ａ高圧側出力端子、２６ｂ接地側出力端子、３１〜３４スイッチング素子（ＩＧＢＴ）、４０，５０パワーカード、４１〜４４、５１〜５４入力端子、４５〜４７、５５，５６出力端子、６０制御部、１００電源システム、Ｒ１〜Ｒ６回路。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Voltage converter, 11 1st switching arm, 12 2nd switching arm, 13 3rd switching arm, 14 High piezoelectric circuit (output line), 15 Ground circuit (output line), 16, 18 Connection point, 17 1st circuit 19 2nd electric circuit, 20 1st reactor (coil), 21 2nd reactor (coil), 22 1st system main relay, 22a, 24a plus side terminal, 22b, 24b minus side terminal, 23 1st battery, 24 2nd System main relay, 25 second battery, 26 output electric circuit, 26a high voltage side output terminal, 26b ground side output terminal, 31-34 switching element (IGBT), 40, 50 power card, 41-44, 51-54 input terminal, 45 to 47, 55, 56 output terminal, 60 control unit, 100 power supply system, R1 R6 circuit.

Claims

A voltage converter that includes first, second, and third switching arms and performs voltage conversion between two batteries and an output circuit,
The output circuit includes a first circuit and a second circuit having a lower potential than the first circuit,
The first, second, and third switching arms are provided in series from the first electric circuit toward the second electric circuit,
One battery is connected in parallel with the third switching arm,
The other battery is connected in parallel with the second and third series switching arms,
The first switching arm is composed of a second semiconductor element module in which two switching elements are connected in antiparallel,
The second and third switching arms are composed of a first semiconductor element module in which two switching elements are connected in series, and a diode is provided in each switching element in antiparallel,
A voltage converter characterized by.