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CN108120893B - 短路故障检测设备 - Google Patents

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CN108120893B CN201711228079.3A CN201711228079A CN108120893B CN 108120893 B CN108120893 B CN 108120893B CN 201711228079 A CN201711228079 A CN 201711228079A CN 108120893 B CN108120893 B CN 108120893B
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Abstract

本发明涉及短路故障检测设备。所述短路故障检测设备检测升降压型DC‑DC转换器中的短路故障，所述升降压型DC‑DC转换器采用太阳能电池的发电电力作为输入并且向蓄电器输出预定电压。DC‑DC转换器包括升压用上臂、升压用下臂、降压用上臂、以及降压用下臂。短路故障检测设备包括：电压检测单元，用于检测从太阳能电池输出到DC‑DC转换器的电压；电流检测单元，用于检测从DC‑DC转换器输出到蓄电器的电流；以及控制器，该控制器被配置为对构成DC‑DC转换器的开关元件进行控制以基于即为电压检测单元的检测值的检测电压值以及即为电流检测单元的检测值的检测电流值来确定DC‑DC转换器的每个臂是否具有短路故障。

Description

短路故障检测设备
技术领域
本发明涉及一种用于检测在太阳能发电系统中所使用的DC-DC转换器的短路故障的设备。
背景技术
例如在日本未审专利申请公开No.15-207238(JP 2015-207238A)中公开了使用最大功率点跟踪(MPPT)来控制太阳能电池(太阳能电池板)的发电电力的太阳能发电系统。
发明内容
通常，当构成DC-DC转换器(开关元件或构成臂的整流器元件)的臂导致短路故障时，在DC-DC转换器(具有短路故障的臂)中流动的电流显著地增大。因而，当适当地发现电流的增大(即发生短路电流)时，可容易地检测到臂(元件)的短路故障。
已熟知的是太阳能电池作为电流源工作。因而，如在JP2015-207238A中所公开的太阳能发电系统中，在采用太阳能电池的发电电力作为输入的DC-DC转换器中，即使当构成DC-DC转换器的臂(元件)导致短路故障时，在DC-DC转换器中流动的电流也不会增大到超过由太阳能电池的I-V特性所确定的值。
如上所述，采用太阳能电池的发电电力作为输入的DC-DC转换器可能无法通过确定电流的增大(发生短路电流)来检测臂(元件)的短路故障。
本发明提供了一种短路故障检测设备，该短路故障检测设备可容易地检测在采用太阳能电池的发电电力作为输入的DC-DC转换器中短路故障的发生。
本发明的第一方面涉及一种用于检测升降压型DC-DC转换器中的短路故障的短路故障检测设备，所述升降压型DC-DC转换器采用太阳能电池的发电电力作为输入并且向蓄电器输出预定电压。DC-DC转换器包括升压用上臂、升压用下臂、降压用上臂、以及降压用下臂。短路故障检测设备包括：电压检测单元，用于检测从太阳能电池输出到DC-DC转换器的电压；电流检测单元，用于检测从DC-DC转换器输出到蓄电器的电流；以及控制器，该控制器被配置为对构成DC-DC转换器的开关元件进行控制以基于即为电压检测单元的检测值的检测电压值以及即为电流检测单元的检测值的检测电流值来确定DC-DC转换器的每个臂是否具有短路故障。控制器被配置为基于在将降压用上臂的开关元件控制为OFF状态(截止状态)并且将在降压用下臂和升压用下臂的任意一个中所使用的开关元件控制为ON状态(导通状态)时的检测电压值来确定降压用上臂是否具有短路故障。控制器被配置为基于在将降压用上臂的开关元件控制为ON状态并且将在降压用下臂和升压用下臂中所使用的全部开关元件控制为OFF状态时的检测电压值来确定降压用下臂和升压用下臂中的至少一个是否具有短路故障。控制器被配置为基于在将降压用下臂、升压用上臂、以及升压用下臂中所使用的全部开关元件控制为OFF状态时的检测电流值来确定升压用上臂是否具有短路故障。
在构成了升降压型DC-DC转换器的降压用上臂元件、降压用下臂元件、以及升压用下臂元件中检测到短路故障的情况下，本发明的第一方面根据预先设置的组合将构成DC-DC转换器的开关元件控制为ON/OFF状态。当检测目标臂(元件)具有短路故障时预先设置的组合形成了DC-DC转换器中的短路路径。
当检测目标臂(元件)具有短路故障时，该控制可使得与太阳能电池相连的DC-DC转换器的输入端子侧上的电压降低到预定值以下。因而，当检测到DC-DC转换器的输入端子侧上的电压时，基于检测电压值很可容易地执行关于检测目标臂(元件)是否具有短路故障的判定。
在构成了升降压型DC-DC转换器的升压用上臂元件中检测到短路故障的情况下，本发明的第一方面根据预先设置的组合来将构成DC-DC转换器的开关元件控制为ON/OFF状态。当检测目标臂(元件)具有短路故障时预先设置的组合形成了DC-DC转换器中的反向电流路径。
当检测目标臂(元件)具有短路故障时，该控制可使得与蓄电器相连的DC-DC转换器的输出端子侧上的电流降低到预定值以下。因而，当检测到DC-DC转换器的输出端子侧上的电流时，基于检测电流值可容易地执行关于检测目标臂(元件)是否具有短路故障的判定。
在本发明的第一方面中，控制器可以被配置为确定在将降压用上臂的开关元件控制为OFF状态并且将在降压用下臂和升压用下臂的任意一个中所使用的开关元件控制为ON状态时检测电压值是否小于预定电压值，并且当检测电压值小于预定电压值时确定降压用上臂具有短路故障。
在本发明的第一方面中，控制器可以被配置为确定在将降压用上臂的开关元件控制为ON状态并且将在降压用下臂和升压用下臂中所使用的全部开关元件控制为OFF状态时检测电压值是否小于预定电压值，并且当检测电压值小于预定电压值时确定降压用下臂和升压用下臂的至少一个具有短路故障。
在本发明的第一方面中，控制器可以被配置为确定在将在降压用下臂、升压用上臂、以及升压用下臂中所使用的全部开关元件控制为OFF状态时检测电流值是否小于预定电流值，并且当检测电流值小于预定电流值时确定升压用上臂具有短路故障。
本发明的第二方面涉及一种短路故障检测设备，该短路故障检测设备检测用于采用太阳能电池的发电电力作为输入并且输出预定电压的降压型DC-DC转换器中的短路故障。DC-DC转换器包括上臂和下臂。短路故障检测设备包括：电压检测单元，用于检测从太阳能电池输出到DC-DC转换器的电压；以及控制器，该控制器被配置为对构成DC-DC转换器的开关元件进行控制以基于即为电压检测单元的检测值的检测电压值来确定DC-DC转换器的每个臂是否具有短路故障。控制器被配置为基于在将上臂的开关元件控制为OFF状态并且将下臂的开关元件控制为ON状态时的检测电压值来确定上臂是否具有短路故障。控制器被配置为基于在将上臂的开关元件控制为ON状态并且将下臂的开关元件控制为OFF状态时的检测电压值来确定下臂是否具有短路故障。
在降压型DC-DC转换器中的上臂和下臂的开关元件中检测到短路故障的情况下，本发明的第二方面根据预先设置的组合将构成DC-DC转换器的开关元件控制为ON/OFF状态。当检测目标构成元件具有短路故障时预先设置的组合形成了DC-DC转换器中的短路路径。
当检测目标臂(元件)具有短路故障时，该控制可使得与太阳能电池相连的DC-DC转换器的输入端子侧上的电压降低到预定值以下。因而，当检测到DC-DC转换器的输入端子侧上的电压时，基于检测电压值可容易地执行关于检测目标臂(元件)是否具有短路故障的判定。
在本发明的第二方面中，控制器可以被配置为确定在将上臂的开关元件控制为OFF状态并且将下臂的开关元件控制为ON状态时检测电压值是否小于预定电压值，并且当检测电压值小于预定电压值时确定上臂具有短路故障。
在本发明的第二方面中，控制器可以被配置为确定在将上臂的开关元件控制为ON状态并且将下臂的开关元件控制为OFF状态时检测电压值是否小于预定电压值，并且当检测电压值小于预定电压值时基于检测电压值确定下臂具有短路故障。
根据本发明的方面的短路故障检测设备可容易地检测在采用太阳能电池的发电电力作为输入的DC-DC转换器中短路故障的发生。
附图说明
下面将参考附图对本发明的示例性实施例的特征、优点、以及技术和工业意义进行描述，在附图中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：
图1A是应用根据本发明的第一实施例的短路故障检测设备(DC-DC转换器(1))的太阳能发电系统的配置示例；
图1B是由图1A中的短路故障检测设备所执行的用于确定元件短路故障的方法的描述图；
图2A是应用根据本发明的第一实施例的短路故障检测设备(DC-DC转换器(2))的太阳能发电系统的配置示例；
图2B是由图2A中的短路故障检测设备所执行的用于确定元件短路故障的方法的描述图。
图3A是应用根据本发明的第一实施例的短路故障检测设备(DC-DC转换器(3))的太阳能发电系统的配置示例；
图3B是由图3A中的短路故障检测设备所执行的用于确定元件短路故障的方法的描述图；
图4A是应用根据本发明的第二实施例的短路故障检测设备的太阳能发电系统的配置示例；
图4B是由图4A中的短路故障检测设备所执行的用于确定元件短路故障的方法的描述图；
图5是用于对太阳能电池的I-V特性的一个示例进行说明的示意图；并且
图6是用于对太阳能电池的开路电压的一个示例进行说明的示意图。
具体实施方式
在与太阳能电池相连的DC-DC转换器中的降压用上臂元件、降压用下臂元件、以及升压用下臂元件中检测到短路故障的情况下，本发明的短路故障检测设备在目标臂(元件)的短路故障时将开关元件控制为形成DC-DC转换器中的短路路径的组合中的ON/OFF状态。当目标臂(元件)具有短路故障时，该控制改变与太阳能电池相连的DC-DC转换器的输入端子侧上的电压。因而，基于在输入端子侧上所检测到的电压可执行关于检测目标臂(元件)是否具有短路故障的判定。
第一实施例
图1A、图2A、以及图3A是用于对应用根据本发明的第一实施例的短路故障检测设备410的太阳能发电系统10的配置示例进行说明的示意图。在图1A、图2A、以及图3A的每一个中所说明的太阳能发电系统10被配置为包括太阳能电池100、升降压型DC-DC转换器210、蓄电器300、以及短路故障检测设备410。图1A、图2A、以及图3A每一个中的DC-DC转换器210具有如下所述的不同构成元件。
根据本实施例的短路故障检测设备410是检测采用太阳能电池100的发电电力作为输入并向蓄电器300输出预定电压的升降压型DC-DC转换器210中的短路故障的设备。该短路故障检测设备410包括控制器430、电压检测单元440、以及电流检测单元450。
太阳能电池100的输出端子与DC-DC转换器210的输入端子相连。电压检测单元440连接在太阳能电池100的正极侧输出端子与负极侧输出端子之间。DC-DC转换器210的正极侧输出端子通过电流检测单元450与蓄电器300的输入端子相连。控制器430与DC-DC转换器210、电压检测单元440、以及电流检测单元450相连。
太阳能电池100是通过太阳光照射而发电的太阳能发电设备。太阳能电池100是诸如太阳能电池板这样的太阳能电池模块。太阳能电池100将所获取的发电电力输出到DC-DC转换器210。
电压检测单元440配置有例如电压传感器。电压检测单元440被设置成检测与从太阳能电池100输出到DC-DC转换器210的发电电力相对应的电压。将电压检测单元440所检测到的电压作为检测电压值Vin输出到控制器430。
电流检测单元450配置有例如电流传感器。电流检测单元450被设置成检测从DC-DC转换器210输出到蓄电器300的电流。将电流检测单元450所检测到的电流作为检测电流值Iout输出到控制器430。
蓄电器300是被配置为诸如铅酸电池和镍氢电池这样的可再充电的电池。
控制器430配置有例如微型计算机。控制器430可执行太阳能发电系统10中的各种类型的控制。作为控制类型的一个示例，控制器430对构成DC-DC转换器210的开关元件进行控制以基于电压检测单元440和电流检测单元450输出的检测值(检测电压值Vin和检测电流值Iout)来检测在DC-DC转换器210的每个臂(元件)中的短路故障的存在。
基于与升降压型DC-DC转换器210的元件配置的内容相对应的判定方法来检测臂(元件)的短路故障。在下文中，将在升降压型DC-DC转换器210的三个元件配置示例中描述由控制器430所执行的短路故障检测。
1.DC-DC转换器(1)
1-1.配置
图1A中所示的DC-DC转换器(1)的配置包括电容器C1、作为降压用上臂元件的开关元件M1、作为降压用下臂元件的整流器元件D2、电感器L、作为升压用下臂元件的开关元件M3、作为升压用上臂元件的整流器元件D4、以及电容器C2。
开关元件M1，M3是可由控制器430控制以切换到ON/OFF状态的有源元件。开关元件M1，M3例如是晶体管。当开关元件M1，M3被控制为ON状态时，开关元件M1，M3可使得电流在一个方向上流动。例如，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)可用作如在图1A中所示的晶体管。
整流器元件D2，D4是可使得电流在一个方向上流动的有源元件。整流器元件D2，D4例如是二极管。例如，肖特基势垒二极管可用作二极管。
电容器C1，C2是可存储或释放电能(电荷)的无源元件。电容器C1，C2吸收并平滑电压的变化。
电感器L是通过在其中流动的电流可产生磁场并存储磁能的无源元件。电感器L具有恒定的电流特性使得电流不变。例如，在电感器L中可使用扼流线圈。
开关元件M1的源极与太阳能电池100的正极输出端子相连。开关元件M1的漏极与整流器元件D2的阴极相连。整流器元件D2的阳极与太阳能电池100的负极输出端子相连。开关元件M1的栅极与控制器430相连。电容器C1连接在DC-DC转换器210的输入端子之间。整流器元件D4的阴极与蓄电器300的正极输入端子相连。整流器元件D4的阳极与开关元件M3的源极相连。开关元件M3的漏极与蓄电器300的负极输入端子相连。开关元件M3的栅极与控制器430相连。电容器C2连接在DC-DC转换器210的输出端子之间。将电感器L插入在开关元件M1的漏极和整流器元件D2的阴极的连接点与整流器元件D4的阳极和开关元件M3的源极的连接点之间。
DC-DC转换器(1)通过开关元件M1、整流器元件D2、以及电感器L形成降压型电路。降压型电路使从太阳能电池100的输出电压降压并将降压电压输出到蓄电器300。DC-DC转换器(1)通过电感器L、开关元件M3、以及整流器元件D4形成升压型电路。升压型电路使从太阳能电池100的输出电压升压并将升压电压输出到蓄电器300。
1-2.控制和判定
图1B说明了用于在图1A中所说明的DC-DC转换器(1)的由控制器430所执行的控制和判定的方法。对于执行短路故障判定的每个目标臂(元件)而言，图1B说明了开关元件M1，M3被控制为ON/OFF状态(组合)的状态以及基于电压检测单元440的检测电压值Vin和电流检测单元450的检测电流值Iout的短路故障判定条件。
基于在将开关元件M1控制为“OFF”状态(向开关元件M1的栅极施加OFF电压)并且将开关元件M3控制为“ON”状态(向开关元件M3的栅极施加ON电压)时电压检测单元440的检测电压值Vin来执行关于在降压用上臂(开关元件M1)中存在短路故障的判定。将开关元件控制为ON/OFF状态以便当检测目标臂(元件)具有短路故障时在DC-DC转换器(1)中形成短路路径。
在该控制状态下，当降压用上臂(开关元件M1)不具有短路故障时，电流不会在开关元件M1的源极与漏极之间流动。因而，电压检测单元440的检测电压值Vin等于从太阳能电池100输出的电压(例如在最大功率点(MPP)的电压VMPP)。例如，当降压用上臂(开关元件M1)具有会导致电流在降压用上臂(开关元件M1)的源极与漏极之间流动的短路故障时，电压检测单元440的检测电压值Vin降低到下面所述的短路电压Vs。
通过利用该现象，当预先在最大功率点电压VMPP与短路电压Vs之间最佳地设置电压阈值Vth1时，通过确定电压检测单元440的检测电压值Vin是否小于电压阈值Vth1来执行关于降压用上臂(开关元件M1)是否具有短路故障的判定。也就是说，基于电压检测单元440的检测电压值Vin可容易地执行关于降压用上臂(开关元件M1)是否具有短路故障的判定。
基于在将开关元件M1控制为“ON”状态并且将开关元件M3控制为“OFF”状态时电压检测单元440的检测电压值Vin来执行关于在降压用下臂(整流器元件D2)中存在短路故障的判定。类似地，基于在将开关元件M1控制为“ON”状态并且将开关元件M3控制为“OFF”状态时电压检测单元440的检测电压值Vin来执行关于在升压用下臂(开关元件M3)中存在短路故障的判定。将开关元件控制为ON/OFF状态以便当检测目标臂(元件)具有短路故障时在DC-DC转换器(1)中形成短路路径。
在该控制状态下，当降压用下臂(整流器元件D2)和升压用下臂(开关元件M3)这两者都不具有短路故障时，电流不在开关元件M1中流动。因而，电压检测单元440的检测电压值Vin等于从太阳能电池100输出的电压(例如最大功率点电压VMPP)。例如，当降压用下臂(整流器元件D2)具有会导致电流在降压用下臂(整流器元件D2)的阴极与阳极之间流动的短路故障时和/或当升压用下臂(开关元件M3)具有会导致电流在降压用下臂(开关元件M3)的源极与漏极之间流动的短路故障时，电压检测单元440的检测电压值Vin降低到如下所述的短路电压Vs。
通过利用该现象，当预先在最大功率点电压VMPP与短路电压Vs之间最佳地设置电压阈值Vth1时，通过确定电压检测单元440的检测电压值Vin是否小于电压阈值Vth1来执行关于降压用下臂(整流器元件D2)和升压用下臂(开关元件M3)中的至少一个是否具有短路故障的判定。也就是说，基于电压检测单元440的检测电压值Vin可容易地执行关于降压用下臂(整流器元件D2)和升压用下臂(开关元件M3)中的至少一个是否具有短路故障的判定。
将描述设置电压阈值Vth1的方法。太阳能电池100的I-V特性例如如图5中的实线所说明的变化。例如，当由“R”来表示在降压用上臂(开关元件M1)中的短路故障时的电路电阻值(即通过电感器L的开关元件M1与开关元件M3之间的电阻值)时，在短路故障时的电流源的太阳能电池100的操作线可被表示为“I＝(1/R)V”，例如如图5中的点划线所示。因此，在太阳能电池100的I-V特性线与操作线“I＝(1/R)V”之间的交点处的电压(即短路电压Vs)被获取以作为电压检测单元440在短路故障时所检测到的检测电压值Vin。
短路电压Vs足够低于如图5所示的最大功率点电压VMPP。因而，将电压阈值Vth1设置为通过将设计余量α添加到短路电压Vs而获取的适当值(Vs+α<Vth1<VMPP)，所述短路电压Vs预期在短路故障时被施加在DC-DC转换器(1)的输入端子之间。因此，通过确定电压检测单元440的检测电压值Vin是否小于电压阈值Vth1可执行关于降压用上臂(开关元件M1)、降压用下臂(整流器元件D2)、或者升压用下臂(开关元件M3)是否具有短路故障的判定。
升压用上臂(“整流器元件D4”)与不具有GND电势的蓄电器300相连。因而，对升压用上臂(整流器元件D4)无法执行通过如在其它臂(元件)中形成短路路径而基于电压的降低来检测故障。因此，基于在将开关元件M3控制为“OFF”状态时电流检测单元450的检测电流值Iout来执行关于升压用上臂(整流器元件D4)中存在短路故障的判定。将开关元件控制为ON/OFF状态以便当检测目标臂(元件)具有短路故障时在DC-DC转换器(1)中形成反向电流路径。
开关元件M1可以被控制为“ON”状态或“OFF”状态。当开关元件M1被控制为“ON”状态时，反向电流流过从开关元件M1的漏极到源极的路径。当开关元件M1被控制为“OFF”状态时，反向电流通过包括在MOSFET中的寄生二极管流动。
在该控制状态下，当升压用上臂(整流器元件D4)不具有短路故障时，反向电流不会从蓄电器300流动到太阳能电池100侧。因而，电流检测单元450的检测电流值Iout等于从DC-DC转换器(1)所提供的高电流。例如，当升压用上臂(整流器元件D4)具有会导致电流在升压用上臂(整流器元件D4)的阴极与阳极之间流动的短路故障时，反向电流通过整流器元件D4、电感器L、以及开关元件M1从蓄电器300流动到太阳能电池100侧。因而，电流检测单元450的检测电流值Iout降低了与来自DC-DC转换器(1)所提供的电流的反向电流相对应的值。
通过使用该现象，当预先在DC-DC转换器(1)所提供的高电流值与通过从DC-DC转换器(1)所提供的高电流值减去作为反向电流流动的电流而获取的电流值之间最佳地设置电流阈值Ith1时，通过确定电流检测单元450的检测电流值Iout是否小于电流阈值Ith1可执行关于升压用上臂(整流器元件D4)是否具有短路故障的判定。也就是说，基于电流检测单元450的检测电流值Iout可容易地执行关于升压用上臂(整流器元件D4)是否具有短路故障的判定。
将描述设置电流阈值Ith1的方法。当由Istd来表示典型地从DC-DC转换器(1)提供给蓄电器300的电流时，将电流阈值Ith1设置为通过将设计余量α添加到“Istd-Irev”而获取的适当值(Istd-Irev+α<Ith1<Istd)，所述“Istd-Irev”是从电流Istd中减去预期在短路故障时在升压用上臂(整流器元件D4)中流动的反向电流Irev而获取的值。因此，通过确定电流检测单元450的检测电流值Iout是否小于电流阈值Ith1可执行关于升压用上臂(整流器元件D4)是否具有短路故障的判定。
将太阳能电池100(参考图6)的开路电压Voc设置为高于蓄电器300的电压以便防止大电流的流动而对电流没有限制。
2.DC-DC转换器(2)
2-1.配置
图2A中所示的DC-DC转换器(2)的配置包括：电容器C1、作为降压用上臂元件的开关元件M1、作为降压用下臂元件的开关元件M2、电感器L、作为升压用下臂元件的开关元件M3、作为升压用上臂元件的整流器元件D4、以及电容器C2。
通过将图1A中所示的DC-DC转换器(1)中的降压用下臂元件从整流器元件D2变为开关元件M2来配置图2A中所示的DC-DC转换器(2)。在下文中，将描述由于降压用下臂元件的变化而导致的与DC-DC转换器(1)的操作差异。
像开关元件M1，M3一样，开关元件M2是可由控制器430控制以切换到ON/OFF状态的有源元件。开关元件M2是诸如MOSFET这样的晶体管。
开关元件M1的源极与太阳能电池100的正极输出端子相连。开关元件M1的漏极与开关元件M2的源极相连。开关元件M2的漏极与太阳能电池100的负极输出端子相连。整流器元件D4的阴极与蓄电器300的正极输入端子相连。整流器元件D4的阳极与开关元件M3的源极相连。开关元件M3的漏极与蓄电器300的负极输入端子相连。开关元件M1，M2，M3的栅极与控制器430相连。将电感器L插入在开关元件M1的漏极和开关元件M2的源极的连接点与整流器元件D4的阳极和开关元件M3的源极的连接点之间。
DC-DC转换器(2)通过开关元件M1、开关元件M2、以及电感器L形成了降压型电路。降压型电路使从太阳能电池100的输出电压降压并将降压电压输出到蓄电器300。DC-DC转换器(2)通过电感器L、开关元件M3、以及整流器元件D4形成了升压型电路。升压型电路使从太阳能电池100的输出电压升压并将升压电压输出到蓄电器300。
2-2.控制和判定
图2B说明了用于在图2A中所示的DC-DC转换器(2)的由控制器430所执行的控制和判定的方法。对于执行短路故障判定的每个目标臂(元件)而言，图2B说明了开关元件M1，M2，M3被控制为ON/OFF状态(组合)的状态以及基于电压检测单元440的检测电压值Vin和电流检测单元450的检测电流值Iout的短路故障判定条件。
基于在将开关元件M1控制为“OFF”状态并且将开关元件M2，M3中的任意一个控制为“ON”状态时电压检测单元440的检测电压值Vin来执行关于在降压用上臂(开关元件M1)中存在短路故障的判定。将开关元件控制为ON/OFF状态以便当检测目标臂(元件)具有短路故障时在DC-DC转换器(2)中形成短路路径。
在该控制状态下，当降压用上臂(开关元件M1)不具有短路故障时，电流不会在开关元件M1中流动。因而，电压检测单元440的检测电压值Vin等于例如从太阳能电池100输出的最大功率点电压VMPP。例如，当降压用上臂(开关元件M1)具有会导致电流在其中流动的短路故障时，电压检测单元440的检测电压值Vin降低到短路电压Vs。因而，通过确定电压检测单元440的检测电压值Vin是否小于电压阈值Vth1可执行关于降压用上臂(开关元件M1)是否具有短路故障的判定。也就是说，基于电压检测单元440的检测电压值Vin可容易地执行关于降压用上臂(开关元件M1)是否具有短路故障的判定。
基于在将开关元件M1控制为“ON”状态并且将开关元件M2，M3这两者都控制为“OFF”状态时电压检测单元440的检测电压值Vin来执行关于在降压用下臂(开关元件M2)和升压用下臂(开关元件M3)中存在短路故障的判定。开关元件被控制为ON/OFF状态以便当检测目标臂(元件)具有短路故障时在DC-DC转换器(2)中形成短路路径。
在该控制状态下，当降压用下臂(开关元件M2)和升压用下臂(开关元件M3)这两者都不具有短路故障时，电流不在开关元件M1中流动。因而，电压检测单元440的检测电压值Vin等于例如从太阳能电池100输出的最大功率点电压VMPP。例如，当降压用下臂(开关元件M2)和/或升压用下臂(开关元件M3)具有会导致电流在其中流动的短路故障时，电压检测单元440的检测电压值Vin降低到短路电压Vs。因而，通过确定电压检测单元440的检测电压值Vin是否小于电压阈值Vth1可执行关于降压用下臂(开关元件M2)和升压用下臂(开关元件M3)中的至少一个是否具有短路故障的判定。也就是说，基于电压检测单元440的检测电压值Vin可容易地执行关于降压用下臂(开关元件M2)和升压用下臂(开关元件M3)中的至少一个是否具有短路故障的判定。
基于在将开关元件M2，M3这两者控制为OFF状态时电流检测单元450的检测电流值Iout来执行关于在升压用上臂(整流器元件D4)中存在短路故障的判定。开关元件被控制为ON/OFF状态以便当检测目标臂(元件)具有短路故障时在DC-DC转换器(2)中形成反向电流路径。
在该控制状态下，当升压用上臂(整流器元件D4)具有会导致电流在其中流动的短路故障时，反向电流通过整流器元件D4、电感器L、以及开关元件M1从蓄电器300流动到太阳能电池100侧。因而，通过确定电流检测单元450的检测电流值Iout是否小于电流阈值Ith1可执行关于升压用上臂(整流器元件D4)是否具有短路故障的判定。也就是说，基于电流检测单元450的检测电流值Iout可容易地执行关于升压用上臂(整流器元件D4)是否具有短路故障的判定。
3.DC-DC转换器(3)
3-1.配置
图3A中所示的DC-DC转换器(3)的配置包括：电容器C1、作为降压用上臂元件的开关元件M1、作为降压用下臂元件的开关元件M2、电感器L、作为升压用下臂元件的开关元件M3、作为升压用上臂元件的开关元件M4、以及电容器C2。
通过将图2A中所示的DC-DC转换器(2)中的升压用上臂元件从整流器元件D4变为开关元件M4来配置图3A中所示的DC-DC转换器(3)。在下文中，将描述由于升压用上臂元件的变化而导致的与DC-DC转换器(1)，(2)的操作差异。
像开关元件M1，M2，M3一样，开关元件M4是可由控制器430控制以切换到ON/OFF状态的有源元件。开关元件M4是诸如MOSFET这样的晶体管。
开关元件M1的源极与太阳能电池100的正极输出端子相连。开关元件M1的漏极与开关元件M2的源极相连。开关元件M2的漏极与太阳能电池100的负极输出端子相连。开关元件M4的源极与蓄电器300的正极输入端子相连。开关元件M4的漏极与开关元件M3的源极相连。开关元件M3的漏极与蓄电器300的负极输入端子相连。开关元件M1，M2，M3，M4的栅极与控制器430相连。将电感器L插入到开关元件M1的漏极和开关元件M2的源极的连接点与开关元件M4的漏极和开关元件M3的源极的连接点之间。
DC-DC转换器(3)通过开关元件M1、开关元件M2、以及电感器L形成了降压型电路。降压型电路使从太阳能电池100的输出电压降压并将降压电压输出到蓄电器300。DC-DC转换器(3)通过电感器L、开关元件M3、以及开关元件M4形成了升压型电路。升压型电路使从太阳能电池100的输出电压升压并将升压电压输出到蓄电器300。
3-2.控制和判定
图3B说明了用于在图3A中所示的DC-DC转换器(3)的由控制器430所执行的控制和判定的方法。对于执行短路故障判定的每个目标臂(元件)而言，图3B说明了开关元件M1，M2，M3，M4被控制为ON/OFF状态(组合)的状态以及基于电压检测单元440的检测电压值Vin和电流检测单元450的检测电流值Iout的短路故障判定条件。
基于在将开关元件M1，M4这两者控制为“OFF”状态并且将开关元件M2，M3中的任意一个控制为“ON”状态时电压检测单元440的检测电压值Vin来执行关于在降压用上臂(开关元件M1)中存在短路故障的判定。将开关元件控制为ON/OFF状态以便当检测目标臂(元件)具有短路故障时在DC-DC转换器(3)中形成短路路径。
在该控制状态下，当降压用上臂(开关元件M1)不具有短路故障时，电流不会在开关元件M1中流动。因而，电压检测单元440的检测电压值Vin等于例如从太阳能电池100输出的最大功率点电压VMPP。例如，当降压用上臂(开关元件M1)具有会导致电流在其中流动的短路故障时，电压检测单元440的检测电压值Vin降低到短路电压Vs。因而，通过确定电压检测单元440的检测电压值Vin是否小于电压阈值Vth1可执行关于降压用上臂(开关元件M1)是否具有短路故障的判定。也就是说，基于电压检测单元440的检测电压值Vin可容易地执行关于降压用上臂(开关元件M1)是否具有短路故障的判定。
基于在将开关元件M1控制为“ON”状态并且将开关元件M2，M3，M4都控制为“OFF”状态时电压检测单元440的检测电压值Vin来执行关于在降压用下臂(开关元件M2)和升压用下臂(开关元件M3)中存在短路故障的判定。开关元件被控制为ON/OFF状态以便当检测目标臂(元件)具有短路故障时在DC-DC转换器(3)中形成短路路径。
在该控制状态下，当降压用下臂(开关元件M2)和升压用下臂(开关元件M3)这两者都不具有短路故障时，电流不在开关元件M1中流动。因而，电压检测单元440的检测电压值Vin等于例如从太阳能电池100输出的最大功率点电压VMPP。例如，当降压用下臂(开关元件M2)和/或升压用下臂(开关元件M3)具有会导致电流在其中流动的短路故障时，电压检测单元440的检测电压值Vin降低到短路电压Vs。因而，通过确定电压检测单元440的检测电压值Vin是否小于电压阈值Vth1可执行关于降压用下臂(开关元件M2)和升压用下臂(开关元件M3)中的至少一个是否具有短路故障的判定。也就是说，基于电压检测单元440的检测电压值Vin可容易地执行关于降压用下臂(开关元件M2)和升压用下臂(开关元件M3)中的至少一个是否具有短路故障的判定。
基于在将开关元件M2，M3，M4都控制为OFF状态时电流检测单元450的检测电流值Iout来执行关于在升压用上臂(开关元件M4)中存在短路故障的判定。开关元件被控制为ON/OFF状态以便当检测目标臂(元件)具有短路故障时在DC-DC转换器(3)中形成反向电流路径。
在该控制状态下，当升压用上臂(开关元件M4)具有会导致电流在其中流动的短路故障时，反向电流通过开关元件M4、电感器L、以及开关元件M1从蓄电器300流动到太阳能电池100侧，并且从DC-DC转换器(3)提供的电流降低。因而，通过确定电流检测单元450的检测电流值Iout是否小于电流阈值Ith1可执行关于升压用上臂(开关元件M4)是否具有短路故障的判定。也就是说，基于电流检测单元450的检测电流值Iout可容易地执行关于升压用上臂(开关元件M4)是否具有短路故障的判定。
第一实施例的作用与效果
根据本发明的第一实施例的短路故障检测设备410在构成了升降压型DC-DC转换器210的降压用上臂元件、降压用下臂元件、以及升压用下臂元件中检测到短路故障的情况下，在检测目标臂(元件)的短路故障时将开关元件控制为形成DC-DC转换器210中的短路路径的组合中的ON/OFF状态。
当检测目标臂(元件)具有短路故障时，该控制可使得与太阳能电池100相连的DC-DC转换器210的输入端子侧上的电压值Vin降低到低于预置电压阈值Vth1。因而，当检测到DC-DC转换器210的输入端子侧上的电压值Vin时，基于检测电压值Vin可容易地执行关于检测目标臂(元件)是否具有短路故障的判定。
根据本发明的第一实施例的短路故障检测设备410在具有构成了升降压型DC-DC转换器210的升压用上臂元件作为检测对象的情况下将构成了DC-DC转换器210的开关元件控制为ON/OFF状态以便在DC-DC转换器210中形成反向电流路径。
当检测目标臂(元件)具有短路故障时，该控制可使得与蓄电器300相连的DC-DC转换器210的输出端子侧上的电流值Iout降低到低于预置电流阈值Ith1。因而，当检测到DC-DC转换器210的输出端子侧上的电流值Iout时，基于检测电流值Iout可容易地执行关于检测目标臂(元件)是否具有短路故障的判定。
第二实施例
图4A是用于对应用根据本发明的第二实施例的短路故障检测设备420的太阳能发电系统20的配置示例进行说明的示意图。图4A所示的太阳能发电系统20被配置为包括太阳能电池100、降压型DC-DC转换器220、以及短路故障检测设备420。
根据本实施例的短路故障检测设备420是用于检测其采用太阳能电池100的发电电力作为输入并输出预定电压的降压型DC-DC转换器220中的短路故障的设备。短路故障检测设备420包括控制器430和电压检测单元440。
太阳能电池100的输出端子与DC-DC转换器220的输入端子相连。电压检测单元440连接在太阳能电池100的正极侧输出端子和负极侧输出端子之间。DC-DC转换器220的输出端子可以是断开的或者可以与蓄电器300相连。控制器430与DC-DC转换器220和电压检测单元440相连。
太阳能电池100是通过太阳光照射而发电的太阳能发电设备。太阳能电池100是诸如太阳能电池板这样的太阳能电池模块。太阳能电池100将所获取的发电电力输出到DC-DC转换器220。
电压检测单元440配置有例如电压传感器。电压检测单元440被设置成检测与从太阳能电池100输出到DC-DC转换器220的发电电力相对应的电压。将电压检测单元440所检测到的电压作为检测电压值Vin输出到控制器430。
控制器430配置有例如微型计算机。控制器430可执行太阳能发电系统20中的各种类型的控制。作为控制类型的一个示例，控制器430对构成DC-DC转换器220的开关元件进行控制以基于电压检测单元440输出的检测值(检测电压值Vin)来检测在DC-DC转换器220的每个臂(元件)中的短路故障的存在。
图4A中所示的DC-DC转换器220的配置包括电容器C1、作为降压用上臂元件的开关元件M1、作为降压用下臂元件的开关元件M2、电感器L、以及电容器C2。
开关元件M1，M2是可由控制器430控制以切换到ON/OFF状态的有源元件。开关元件M1，M2例如是晶体管。当开关元件M1，M2被控制为ON状态时，开关元件M1，M2可使电流在一个方向上流动。例如，MOSFET可用作如在图4A中所示的晶体管。
电容器C1，C2是可存储或释放电能(电荷)的无源元件。电容器C1，C2吸收并平滑电压的变化。
电感器L是通过在其中流动的电流可产生磁场并存储磁能的无源元件。电感器L具有恒定的电流特性使得电流不变。例如，在电感器L中可使用扼流线圈。
开关元件M1的源极与太阳能电池100的正极输出端子相连。开关元件M1的漏极与开关元件M2的源极相连。开关元件M2的漏极与太阳能电池100的负极输出端子相连。开关元件M1，M2的栅极与控制器430相连。电容器C1连接在DC-DC转换器220的输入端子之间。电感器L的第一端与开关元件M1的漏极和开关元件M2的源极的连接点相连。电感器L的第二端与接地的电容器C2相连。
DC-DC转换器220通过开关元件M1、开关元件M2、以及电感器L形成降压型电路。该降压型电路使太阳能电池100的输出电压降压并将降压的电压输出到蓄电器300。
图4B说明了用于在图4A中所示的DC-DC转换器220的由控制器430所执行的控制和判定的方法。对于执行短路故障判定的每个目标臂(元件)而言，图4B说明了开关元件M1，M2被控制为ON/OFF状态(组合)的状态以及基于电压检测单元440的检测电压值Vin的短路故障判定条件。
基于在将开关元件M1控制为“OFF”状态(将OFF电压施加到开关元件M1的栅极)并且将开关元件M2控制为“ON”状态(将ON电压施加到开关元件M2的栅极)时电压检测单元440的检测电压值Vin来执行关于在上臂(开关元件M1)中存在短路故障的判定。开关元件被控制为ON/OFF状态以便当检测目标上臂(元件)具有短路故障时在DC-DC转换器220中形成短路路径。
在该控制状态下，当上臂(开关元件M1)不具有短路故障时，电流不会在开关元件M1的源极与漏极之间流动。因而，电压检测单元440的检测电压值Vin等于从太阳能电池100输出的电压(例如最大功率点电压VMPP)。例如，当上臂(开关元件M1)具有会导致电流在上臂(开关元件M1)的源极与漏极之间流动的短路故障时，电压检测单元440的检测电压值Vin降低到短路电压Vs。
基于在将开关元件M1控制为“ON”状态并且将开关元件M2控制为“OFF”状态时电压检测单元440的检测电压值Vin来执行关于在下臂(开关元件M2)中存在短路故障的判定。开关元件被控制为ON/OFF状态以便当检测目标下臂(元件)具有短路故障时在DC-DC转换器220中形成短路路径。
在该控制状态下，当下臂(开关元件M2)不具有短路故障时，电流不在开关元件M2的源极与漏极之间流动。因而，电压检测单元440的检测电压值Vin等于例如从太阳能电池100输出的最大功率点电压VMPP。例如，当下臂(开关元件M2)具有会导致电流在下臂(开关元件M2)的源极与漏极之间流动的短路故障时，电压检测单元440的检测电压值Vin降低到短路电压Vs。
通过利用该现象，当预先在最大功率点电压VMPP与短路电压Vs之间设置了电压阈值Vth1时，通过确定电压检测单元440的检测电压值Vin是否小于电压阈值Vth1来执行关于上臂(开关元件M1)或下臂(开关元件M2)是否具有短路故障的判定。也就是说，基于电压检测单元440的检测电压值Vin可容易地执行关于上臂(开关元件M1)或下臂(开关元件M2)是否具有短路故障的判定。
第二实施例的作用与效果
根据本发明的第二实施例的短路故障检测设备420在构成了降压型DC-DC转换器220的上臂开关元件M1或下臂开关元件M2中检测到短路故障的情况下，在检测目标臂(元件)的短路故障时将开关元件控制为形成DC-DC转换器220中的短路路径的组合中的ON/OFF状态。
当检测目标臂(开关元件)具有短路故障时，该控制可使得与太阳能电池100相连的DC-DC转换器220的输入端子侧上的电压值Vin降低到低于预置电压阈值Vth1。因而，当检测到DC-DC转换器220的输入端子侧上的电压值Vin时，基于检测电压值Vin可容易地执行关于检测目标臂(开关元件)是否具有短路故障的判定。
降压型DC-DC转换器220可以被认为具有臂(开关元件)始终不能通过硬件配置而被控制为“ON”状态这样的情况。在这种情况下，将臂(开关元件)控制为ON状态可以被替代为将臂(开关元件)控制为在大约95％的占空比处的ON状态。另外，将臂(开关元件)控制为OFF状态可以被替代为将臂(开关元件)控制为在大约5％的占空比(＝100-95)处的ON状态。
本发明的短路故障检测设备可用于在太阳能发电系统中所使用的DC-DC转换器等等并且当例如需要容易地检测短路故障的出现时特别有用。

Claims (4)

1.一种短路故障检测设备，所述短路故障检测设备用于检测在升降压型DC-DC转换器中的短路故障，所述DC-DC转换器采用太阳能电池的发电电力作为输入并且向蓄电器输出预定电压，所述DC-DC转换器包括升压用上臂、升压用下臂、降压用上臂以及降压用下臂，所述短路故障检测设备的特征在于包括：
电压检测单元，其用于检测从所述太阳能电池输出到所述DC-DC转换器的电压；
电流检测单元，其用于检测从所述DC-DC转换器输出到所述蓄电器的电流；以及
控制器，其被配置为对构成所述DC-DC转换器的开关元件进行控制，以基于检测电压值以及检测电流值来确定所述DC-DC转换器的每个臂是否具有短路故障，所述检测电压值是所述电压检测单元的检测值，所述检测电流值是所述电流检测单元的检测值，
其中，所述控制器被配置为：
基于在将所述降压用上臂的开关元件控制为OFF状态并且将在所述降压用下臂和所述升压用下臂之中的任意一个中所使用的开关元件控制为ON状态时的所述检测电压值，来确定所述降压用上臂是否具有短路故障，
基于在将所述降压用上臂的所述开关元件控制为所述ON状态并且将在所述降压用下臂和所述升压用下臂中所使用的全部开关元件控制为所述OFF状态时的所述检测电压值，来确定所述降压用下臂和所述升压用下臂中的至少一个是否具有短路故障，以及
基于在将所述降压用下臂、所述升压用上臂以及所述升压用下臂中所使用的全部开关元件控制为所述OFF状态时的所述检测电流值，来确定所述升压用上臂是否具有短路故障。
2.根据权利要求1所述的短路故障检测设备，其特征在于：
所述控制器被配置为，确定在将所述降压用上臂的所述开关元件控制为所述OFF状态并且将在所述降压用下臂和所述升压用下臂之中的任意一个中所使用的所述开关元件控制为所述ON状态时所述检测电压值是否小于预定电压值，并且当所述检测电压值小于所述预定电压值时，确定所述降压用上臂具有短路故障。
3.根据权利要求1所述的短路故障检测设备，其特征在于：
所述控制器被配置为，确定在将所述降压用上臂的所述开关元件控制为所述ON状态并且将在所述降压用下臂和所述升压用下臂中所使用的全部开关元件控制为所述OFF状态时所述检测电压值是否小于预定电压值，并且当所述检测电压值小于所述预定电压值时，确定所述降压用下臂和所述升压用下臂中的至少一个具有短路故障。
4.根据权利要求1所述的短路故障检测设备，其特征在于：
所述控制器被配置为，确定在将在所述降压用下臂、所述升压用上臂以及所述升压用下臂中所使用的全部开关元件控制为所述OFF状态时所述检测电流值是否小于预定电流值，并且当所述检测电流值小于所述预定电流值时，确定所述升压用上臂具有短路故障。
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