CN108696155B - 转换器装置和功率元件的故障检测方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种转换器装置和功率元件的故障检测方法。转换器装置具备：转换器，其将交流变换为直流；直流链电容器，其与转换器的输出侧连接；电压检测部，其检测直流链电容器电压；充电电路，其对直流链电容器进行充电；充电电路控制部，其对与充电电阻并联连接的开关进行控制；电流检测部，其检测流过转换器的电流；导通控制部，其对功率元件的导通进行控制；开闭部，其将电源连接和分离；电源监视部，其监视电源的连接状态；阈值设定部，其设定第一阈值或第二阈值；以及故障检测部，其将利用紧接在电源分离之后的直流链电容器的电荷来使功率元件导通时流过的电流与第一阈值或第二阈值进行比较，从而判定功率元件的故障。

Description

转换器装置和功率元件的故障检测方法
技术领域
本发明涉及一种具备功率元件的故障检测功能的转换器装置和功率元件的故障检测方法。
背景技术
作为利用电动机驱动装置来对电动机进行驱动的方法，一般来说已知如下的一种方法：利用具备功率晶体管(功率元件)的转换器来将从主电源输入的交流电压变换为直流电压，在利用逆变器来将该直流电压变换为交流电压之后对电动机进行驱动。在此，如果在功率晶体管发生了异常的状态下从主电源提供交流电力，则有可能对电动机驱动装置造成损伤。因此，在对转换器提供来自主电源的交流电力之前，检测功率晶体管有无故障很重要。
目前为止，报告了一种逆变器装置的功率晶体管故障检测方法(例如，日本特开平8-080056号公报)。以往的功率晶体管故障检测方法是如下的方法：在至少具备比晶体管对的数量少一个的数量的、检测流过电动机绕阻的电流的大小的电流检测器的逆变器装置的功率晶体管故障检测方法中，在运转之前，在对由功率晶体管构成的逆变器施加低电压的状态下，以规定顺序、组合使功率晶体管导通和截止，利用电流检测器检测流过电动机绕阻的各相的电流，基于该电流的大小和导通顺序、组合来进行功率晶体管的故障检测和哪个功率晶体管发生了故障的检测。
发明内容
然而，在转换器装置的情况下，如果以连接了电源的状态向功率元件输入导通信号，则根据情况不同有可能引起电源短路而使转换器装置发生破损。
本公开的实施例所涉及的转换器装置具备：转换器，其具备多个功率元件，该转换器将从电源供给的交流电压变换为直流电压后输出；直流链电容器，其与转换器的输出侧连接；电压检测部，其检测直流链电容器的电压；充电电路，其配置在转换器与直流链电容器之间，对直流链电容器进行充电；充电电路控制部，其对充电电路中与充电电阻并联连接的开关进行控制；电流检测部，其检测流过转换器与直流链电容器之间的电流；导通控制部，其对转换器的多个功率元件的导通进行控制；开闭部，其将电源与转换器连接或分离；电源监视部，其对开闭部的开闭进行控制，并且检测向转换器输入的电压，来监视电源与转换器之间的连接状态；阈值设定部，其设定用于判定多个功率元件有无故障的第一阈值或第二阈值；以及故障检测部，其将利用紧接在电源通过开闭部从转换器分离且开关断开之后的直流链电容器的电荷来使转换器的功率元件导通时流过的电流与第一阈值或第二阈值进行比较，从而判定功率元件有无故障。
本公开的实施例所涉及的功率元件的故障检测方法是如下的转换器装置的故障检测方法：该转换器装置具备：转换器，其具备多个功率元件，该转换器将从电源供给的交流电压变换为直流电压后输出；直流链电容器，其与转换器的输出侧连接；电流检测部，其检测流过转换器与直流链电容器之间的电流；以及开闭部，其将电源与转换器连接或分离，在转换器装置的故障检测方法中，将开闭部闭合来将电源与转换器连接，对直流链电容器进行充电，之后，将开闭部控制为断开状态来将电源从转换器分离，紧接在电源从转换器分离之后检测流过转换器与直流链电容器之间的电流，将检测出的电流与第一阈值或第二阈值进行比较来判定功率元件有无故障。
附图说明
通过与附图关联的以下的实施方式的说明，会使本发明的目的、特征以及优点更加明确。在该附图中，
图1是实施例所涉及的转换器装置的结构图，
图2是示出在实施例所涉及的转换器装置中在进行故障检测时流过的电流的路径的例子的图，
图3是用于说明实施例所涉及的转换器装置的故障检测方法的开路故障检测过程的流程图，以及
图4是用于说明实施例的变形例所涉及的转换器装置的故障检测方法的短路故障检测过程的流程图。
具体实施方式
下面，参照附图来对本发明所涉及的具备功率元件的故障检测功能的转换器装置和功率元件的故障检测方法进行说明。其中，本发明的保护范围不限定于这些实施方式，希望留意权利要求书所记载的发明及其等同所涉及的点。
首先，对本公开的实施例所涉及的具备功率元件的故障检测功能的转换器装置进行说明。在图1中示出实施例所涉及的转换器驱动装置的结构图。实施例所涉及的转换器装置100具备转换器1、直流链电容器2、电压检测部3、充电电路4、充电电路控制部5、电流检测部6、导通控制部7、开闭部8、电源监视部9、阈值设定部10以及故障检测部11。
转换器1具备多个(例如，6个)功率元件(Tr1～Tr6)。转换器1通过对多个功率元件(Tr1～Tr6)选择性地进行开关动作(导通)，来将从电源20供给的交流电压变换为直流电压后输出，或者进行电源再生动作。此外，优选的是，如图1所示那样具备与功率元件(Tr1～Tr6)反向并联的多个(例如，6个)二极管(D1～D6)。在功率元件(Tr1～Tr6)中，能够使用晶体管、FET(Field Effect Transistor：场效应晶体管)、IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor：绝缘栅双极型晶体管)等。
直流链电容器2与转换器1的输出侧连接。直流链电容器2对从转换器1输出的直流电压进行平滑化。向电动机驱动装置(未图示)供给平滑化后的直流电压。
电压检测部3检测直流链电容器2的电压。具体地说，由设置在直流链电容器2的端子间的电压传感器31检测直流链电容器2的端子间电压，向电压检测部3发送检测结果。向故障检测部11输出由电压检测部3获取到的直流链电容器2的电压。
充电电路4配置在转换器1与直流链电容器2之间，对直流链电容器2进行充电。在对直流链电容器2进行充电时将充电电路的开关42断开，由此经由充电电阻41来进行充电，因此能够避免大的浪涌电流流入直流链电容器2。
充电电路控制部5对充电电路4中与充电电阻41并联连接的开关42进行控制。如上所述，在对直流链电容器2进行充电时，充电电路控制部5将开关42断开。在直流链电容器2的充电完成的情况下，将开关42接通。另外，在后述的功率元件的故障检测时，将开关42断开以避免过大的电流流向功率元件。
电流检测部6检测流过转换器1与直流链电容器2之间的电流。具体地说，在转换器1与直流链电容器2之间设置电流传感器61，向电流检测部6发送由电流传感器61检测出的电流的值。向故障检测部11输出由电流检测部6获取到的电流的值。
导通控制部7对转换器1的多个功率元件(Tr1～Tr6)的导通进行控制。转换器1按照来自导通控制部7的信号来使多个功率元件(Tr1～Tr6)选择性地导通，由此将从电源20供给的交流电压变换为直流电压后输出，或者进行电源再生动作。
开闭部8将电源20与转换器1连接或分离。在此，开闭部8具备与是三相交流电源的电源20的各相对应的三个开关。此外，在图1中，示出使用三相交流电源来作为电源20的例子，但电源不限于三相交流电源，也可以为单相交流电源。
电源监视部9对开闭部8的开闭进行控制，并且检测向转换器1输入的电压，来监视电源20与转换器1之间的连接的状态。向故障检测部11通知基于电源监视部9对开闭部8的开闭控制的内容。在开闭部8中，能够使用电磁接触器等。
通过设为开闭部8闭合的状态(闭合状态)，电源20与转换器1连接来向转换器1供给交流电压。此时，转换器1将交流电压变换为直流电压，对直流链电容器2施加直流电压来进行充电。
另一方面，通过设为开闭部8为断开的状态(断开状态)，转换器1从电源20分离，蓄积于直流链电容器2的电荷进行放电。
阈值设定部10设定用于判定功率元件(Tr1～Tr6)有无故障的第一阈值ITH1和第二阈值ITH2。设第一阈值ITH1为用于检测功率元件(Tr1～Tr6)的开路故障的阈值，设第二阈值ITH2为用于检测功率元件(Tr1～Tr6)的短路故障的阈值。能够设为阈值设定部10能够基于从外部输入的信号对第一阈值ITH1和第二阈值ITH2进行重写。通过阈值的重写，产生能够进行依照使用条件的故障检测这样的优点。
故障检测部11将利用紧接在电源20通过开闭部8从转换器1分离且开关42断开之后的直流链电容器2的电荷来使转换器1的功率元件导通时流过的电流与第一阈值ITH1和第二阈值ITH2进行比较，从而判定功率元件有无故障。
在图2中，示出在实施例所涉及的转换器装置中在进行故障检测时流过的电流的例子。如图2所示，利用紧接在电源20从转换器1分离之后的蓄积于直流链电容器2的电荷来进行功率元件的导通，通过流过的电流来检测功率元件的故障。转换器1的六个功率元件(Tr1～Tr6)中的Tr1、Tr3、Tr5为上臂101的功率元件，转换器1的六个功率元件(Tr1～Tr6)中的Tr2、Tr4、Tr6为下臂102的功率元件。并且，在三相交流的情况下，也可以将Tr1和Tr2设为U相用功率元件，将Tr3和Tr4设为V相用功率元件，将Tr5和Tr6设为W相用功率元件。如图2所示，例如，将为相同的相的U相的上臂的功率元件Tr1与下臂的功率元件Tr2同时接通，通过流过的电流来判定功率元件有无开路故障。例如，在电流如图2所示的箭头A那样流过的情况下，能够判定为转换器装置100正常。另一方面，在由电流传感器61检测出的电流为第一阈值ITH1以下的情况下，能够判定为发生了开路故障。
在此，优选的是，在导通控制部7使功率元件导通时，利用充电电路控制部5控制充电电路4以避免过大的电流流向功率元件。即，将紧接在电源20从转换器1分离之后的直流链电容器2和上下臂(101、102)的功率元件(Tr1～Tr6)导通来进行功率元件的故障检测，但此时优选的是将充电电路4的开关42断开来限制流向功率元件的电流。其原因在于，在没有限制电流的要素的情况下，简单地使直流链电容器2的两端短路，会导致功率元件(Tr1～Tr6)破损。
并且，故障检测部11能够根据将转换器1的上臂101和下臂102中的任一方的功率元件(例如，Tr1)接通时流过的电流来检测上臂和下臂中的另一方的功率元件(例如，Tr2)有无短路故障。在图2所示的例子中，在将Tr1接通且将Tr2断开的情况下，如果Tr2正常，则电流不会流过Tr2，因此利用电流传感器61检测不到电流。另一方面，在无论Tr2是否断开而利用电流传感器61均能检测到规定以上的电流I(>ITH2)的情况下，能够判定为Tr2发生了短路故障。
如以上那样，根据本实施例所涉及的转换器装置，通过伴随紧接在将电源从转换器分离之后使用蓄积于直流链电容器的电荷使功率元件接通而流过的电流，来判定功率元件有无开路故障和短路故障。
故障检测部11也可以在检测到功率元件的开路故障或短路故障的情况下，通过灯、警报信号等来通知发生了异常。作业者能够通过识别功率元件发生了异常来防止电源向转换器装置的再接通。
接着，对使用了实施例所涉及的转换器装置的功率元件的开路故障的检测方法进行说明。图3是用于对基于实施例所涉及的转换器装置的功率元件的开路故障的检测方法的故障检测过程进行说明的流程图。首先，在步骤S101中，电源监视部9将开闭部8闭合来将电源20与转换器1连接。其结果，从电源20向转换器1供给的交流电压被变换为直流电压后向直流链电容器2输出。
接着，在步骤S102中，对直流链电容器2进行充电。直流链电容器2被充电到端子间电压与从转换器1输出的直流电压相等为止。之后，电动机驱动装置变为能够动作的状态。
接着，在步骤S103中，电源监视部9将开闭部8控制为断开状态，将开关42断开来向功率元件输出导通信号。具体地说，输出导通信号使得只将与相同的相连接的上臂和下臂的功率元件接通。执行步骤S103的定时优选为在从步骤S101中将开闭部8设为闭合状态起经过了假定为能够充分进行直流链电容器2的充电的时间之后进行。具体地说，假定在电动机驱动装置等进行动作之后被输入紧急停止等指令的情况等。
接着，在步骤S104中，检测流过转换器1与直流链电容器2之间的电流IDC。电源监视部9在将开闭部8设为断开状态的同时，向故障检测部11通知已将开闭部8控制为断开状态。故障检测部11紧接在接收到该通知之后从电流检测部6接收流过转换器与直流链电容器2之间的电流IDC的检测结果。
接着，在步骤S105中，故障检测部11判定流过转换器1与直流链电容器2之间的电流IDC是否大于第一阈值ITH1。在IDC大于第一阈值ITH1的情况下，判定为功率元件没有发生开路故障。因而，在该情况下，在步骤S106中，故障检测部11判定为转换器装置100的功率元件正常。
另一方面，在IDC为第一阈值ITH1以下的情况下，判定为功率元件发生了开路故障。因而，在该情况下，在步骤S107中，故障检测部11判定为转换器装置100的功率元件发生了开路故障。
接着，使用实施例所涉及的转换器装置来对检测功率元件的短路故障的方法进行说明。在图4中，示出用于说明基于实施例的变形例所涉及的转换器装置的故障检测方法的短路故障检测过程的流程图。步骤S201～S202与上述的开路故障的检测过程中的步骤S101～S102相同。在步骤S203中，紧接在电源20从转换器1分离且开关42断开之后将转换器1的上下臂中的任一方的功率元件接通。例如，在图2中，设为将U相的上臂的功率元件Tr1接通且将其它功率元件Tr2～Tr6保持断开的状态。
在步骤S204中，检测流过转换器1与直流链电容器2之间的IDC。向故障检测部11发送所检测到的电流值IDC。
接着，在步骤S205中，判定电流IDC是否小于第二阈值ITH2。在电流IDC为第二阈值ITH2以上的情况下，在步骤S206中，判定为转换器装置100的功率元件发生了短路故障。
另一方面，在电流IDC小于第二阈值ITH2的情况下，在步骤S207中，判定为转换器装置100的功率元件正常。
如以上所说明那样，根据本实施例的变形例所涉及的故障检测方法，故障检测部11能够根据将转换器的上臂和下臂中的任一方的功率元件接通时流过的电流来检测上臂和下臂中的另一方的功率元件有无短路故障。
根据本公开的实施例所涉及的具备功率元件的故障检测功能的转换器装置和功率元件的故障检测方法，能够检测转换器装置的功率元件有无异常。

Claims (10)

1.一种转换器装置，具备：
转换器，其具备多个功率元件，该转换器将从电源供给的交流电压变换为直流电压后输出；
直流链电容器，其与所述转换器的输出侧连接；
电压检测部，其检测所述直流链电容器的电压；
充电电路，其配置在所述转换器与所述直流链电容器之间，对所述直流链电容器进行充电；
充电电路控制部，其对所述充电电路中与充电电阻并联连接的开关进行控制；
电流检测部，其检测流过所述转换器与所述直流链电容器之间的电流；
导通控制部，其对所述转换器的所述多个功率元件的导通进行控制；
开闭部，其将电源与所述转换器连接或分离；
电源监视部，其对所述开闭部的开闭进行控制，并且检测向所述转换器输入的电压，来监视电源与所述转换器之间的连接状态；
阈值设定部，其设定用于判定所述多个功率元件有无故障的第一阈值或第二阈值；以及
故障检测部，其将利用紧接在电源通过所述开闭部从所述转换器分离且所述开关被断开之后的所述直流链电容器的电荷来使所述转换器的功率元件导通时流过的电流与所述第一阈值或所述第二阈值进行比较，从而判定所述功率元件有无故障。
2.根据权利要求1所述的转换器装置，其特征在于，
在所述导通控制部使功率元件导通时，利用所述充电电路控制部来控制所述充电电路以避免过大的电流流过所述功率元件。
3.根据权利要求1或2所述的转换器装置，其特征在于，
所述故障检测部将所述转换器的与相同的相连接的上臂和下臂的功率元件同时接通时流过的电流同所述第一阈值进行比较，来检测上臂和下臂的功率元件有无开路故障。
4.根据权利要求1或2所述的转换器装置，其特征在于，
所述故障检测部将所述转换器的上臂和下臂中的任一方的功率元件接通时流过的电流与所述第二阈值进行比较，来检测上臂和下臂中的另一方的功率元件有无短路故障。
5.根据权利要求1或2所述的转换器装置，其特征在于，
所述阈值设定部能够基于从外部输入的信号来对所述第一阈值或所述第二阈值进行重写。
6.一种转换器装置的功率元件的故障检测方法，该转换器装置具备：
转换器，其具备多个功率元件，该转换器将从电源供给的交流电压变换为直流电压后输出；
直流链电容器，其与所述转换器的输出侧连接；
电压检测部，其检测所述直流链电容器的电压；
充电电路，其配置在所述转换器与所述直流链电容器之间，对所述直流链电容器进行充电；
充电电路控制部，其对所述充电电路中与充电电阻并联连接的开关进行控制；
电流检测部，其检测流过所述转换器与所述直流链电容器之间的电流；
导通控制部，其对所述转换器的所述多个功率元件的导通进行控制；
开闭部，其将电源与所述转换器连接或分离；
电源监视部，其对所述开闭部的开闭进行控制，并且检测向所述转换器输入的电压，来监视电源与所述转换器之间的连接状态；以及
阈值设定部，其设定用于判定所述多个功率元件有无故障的第一阈值或第二阈值，
在所述转换器装置的功率元件的故障检测方法中，
将所述开闭部闭合来将电源与所述转换器连接，
对所述直流链电容器进行充电，
之后，将所述开闭部控制为断开状态来将电源从所述转换器分离，
紧接在电源从所述转换器分离之后检测流过所述转换器与所述直流链电容器之间的电流，
将检测出的所述电流与所述第一阈值或所述第二阈值进行比较来判定所述功率元件有无故障。
7.根据权利要求6所述的功率元件的故障检测方法，其特征在于，
在使所述功率元件导通时，控制所述充电电路以避免过大的电流流过所述功率元件。
8.根据权利要求6或7所述的功率元件的故障检测方法，其特征在于，
将所述转换器的与相同的相连接的上臂和下臂的功率元件同时接通时流过的电流同所述第一阈值进行比较，来检测上臂和下臂的功率元件有无开路故障。
9.根据权利要求6或7所述的功率元件的故障检测方法，其特征在于，
将所述转换器的上臂和下臂中的任一方的功率元件接通时流过的电流与所述第二阈值进行比较，来检测上臂和下臂中的另一方的功率元件有无短路故障。
10.根据权利要求6或7所述的功率元件的故障检测方法，其特征在于，
所述阈值设定部还能够基于从外部输入的信号对所述第一阈值或所述第二阈值进行重写。
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