CN114245962A - 功率转换装置和功率转换装置的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的功率转换装置的控制方法中，在步骤(S301)，获取交流电流传感器值(Ius、Ivs、Iws)，在步骤(S303)，对从第一半波整流部(451)输出的U相、V相和W相的正电流值以及从第二半波整流部(452)输出的U相、V相和W相的负电流值分别进行滤波，并将其输出到判定部(454)。在步骤(S304)，判定滤波后的U相的正电流值是否在阈值(1)以内，如果在阈值(1)以内，则在步骤(S305)中，判定U相的上臂开关元件(Tuu)开路故障。如果滤波后的U相的负电流值在阈值(2)以内，则在步骤(S307)，判定部(454)判定U相下臂开关元件(Tul)开路故障。

Description

功率转换装置和功率转换装置的控制方法
技术领域
本发明涉及功率转换装置及功率转换装置的控制方法。
背景技术
混合动力汽车、电动汽车搭载有功率转换装置以驱动电动机。功率转换装置使对应于电动机的各相而构成上臂电路和下臂电路的开关元件进行开关，从而将由电池提供的直流电流转换为交流电流，并驱动电动机。
近年来，基于以汽车为对象的功能安全标准，检测功率转换装置内的异常、故障的必要性正在提高。因此，需要对功率元件也实施能检测异常、故障的诊断。
专利文献1公开了一种装置，用于检测来自开关元件的输出电流的前半周期的振幅峰值，检测接着该前半周期的后半周期的振幅峰值，当前半周期的振幅峰值或后半周期的振幅峰值接近0且前半周期的振幅峰值与后半周期的振幅峰值的偏差超过阈值时，输出开关元件的故障检测信号。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2010－246182号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
在专利文献1记载的装置中，无法确定构成上臂电路和下臂电路的开关元件中的哪个开关元件发生故障。
解决技术问题所采用的技术方案
本发明的功率转换装置包括：三相逆变器电路，该三相逆变器电路对应于三相电动机的各相由上臂电路和下臂电路构成，并将直流电流转换为三相的交流电流；电流检测部，该电流检测部用于检测所述逆变器电路的各相的输出电流；以及故障诊断部，该故障诊断部基于所述各相的输出电流来诊断构成所述逆变器电路的开关元件的开路故障，所述故障诊断部具有：第一半波整流部，该第一半波整流部输出所述各相的输出电流中的正电流；以及第二半波整流部，该第二半波整流部输出所述各相的输出电流中的负电流，所述故障诊断部基于所述第一半波整流部和所述第二半波整流部的输出来确定所述开关元件中的发生了开路故障的所述开关元件。
本发明的功率转换装置的控制方法，该功率转换装置对应于三相电动机的各相而由上臂电路和下臂电路构成逆变电路，并将直流电流转换为多相的交流电流，检测所述逆变器电路的各相的输出电流，并基于所述各相的输出电流来诊断构成所述逆变器电路的开关元件的开路故障，即进行故障诊断处理，所述故障诊断处理进行输出所述各相的输出电流中的正电流的第一半波整流、以及输出所述各相的输出电流中的负电流的第二半波整流，所述故障诊断处理基于所述第一半波整流和所述第二半波整流的输出来确定所述开关元件中的发生了开路故障的所述开关元件。
发明效果
根据本发明，能确定构成上臂电路和下臂电路的开关元件中的哪个开关元件发生故障。
附图说明
图1是实施方式1的功率转换装置的电路结构图。
图2是逆变器电路的电路结构图。
图3是表示实施方式1的故障诊断部的处理动作的流程图。
图4是表示实施方式1的PWM信号生成部的处理动作的流程图。
图5(A)、图5(B)、图5(C)、图5(D)、图5(E)是示出实施方式1的U相上臂开关元件发生开路故障时的电流波形的示例。
图6是实施方式2的功率转换装置的电路结构图。
图7是表示实施方式2的故障诊断部的处理动作的流程图。
图8(A)、图8(B)、图8(C)、图8(D)、图8(E)是示出实施方式2的U相上臂开关元件发生开路故障时的电流波形的示例。
图9是实施方式3的功率转换装置的电路结构图。
图10是表示实施方式3的PWM信号生成部的处理动作的流程图。
图11是实施方式4的功率转换装置的电路结构图。
图12是表示实施方式4的故障诊断部的处理动作的流程图。
图13(A)、图13(B)、图13(C)、图13(D)、图13(E)、图13(F)、图13(G)、图13(H)是示出实施方式4的U相上臂开关元件发生开路故障时的电流波形的示例。
具体实施方式
[实施方式1]
图1是实施方式1的功率转换装置100的电路结构图。
功率转换装置100在进行动力运行时将从直流电源10获得的直流电力转换为交流电力来驱动电动机20。直流电源10是用于驱动电动机20的电源。此外，功率转换装置100在再生时将电动机20的动力转换为直流功率，并对直流电源10进行充电。
电动机20是在内部具有三个绕组的三相电动机。另外，在该电动机20上搭载有用于测量电动机20的旋转角度的角度传感器(省略图示)，该角度传感器将测量到的旋转角度作为角度传感器值输出到功率转换装置100。功率转换装置100检测后述的故障，并将故障通知给故障通知装置30。
功率转换装置100包括控制电路40、驱动电路50和逆变器电路60。控制电路40包括电动机速度计算部41、目标电流计算部42、占空比计算部43、PWM信号生成部44和故障诊断部45。故障诊断部45包括第一半波整流部451、第二半波整流部452、滤波部453和判定部454。
电压传感器70是测量直流电源10的输出电压的传感器，并且将测量到的电压值作为电压传感器值输出到控制电路40内的目标电流计算部42。
交流电流传感器90是用于测量在电动机20的各相(U相、V相、W相)中流动的交流电流的传感器。具体是测量流过U相的交流电流Iu，并将交流电流传感器值Ius输出到占空比计算部43、第一半波整流部451和第二半波整流部452。同样地，测量流过V相的交流电流Iv，并将交流电流传感器值Ivs输出到占空比计算部43、第一半波整流部451和第二半波整流部452。同样地，测量流过W相的交流电流Iw，并将交流电流传感器值Iws输出到占空比计算部43、第一半波整流部451和第二半波整流部452。另外，在本实施方式中，在每相各设置1个共计设置3个交流电流传感器，但是也可以仅在2相设置交流电流传感器，并根据Ius+Ivs+Iws＝0的关系式计算剩余1相的交流电流传感器值。以这种方式，交流电流传感器90检测逆变器电路60的各相的输出电流。
电动机速度计算部41根据电动机20内的角度传感器值的变化计算电动机速度值，并将计算出的电动机速度值输出到目标电流计算部42。
控制电路40与设置在功率转换装置100外部的电子控制装置(省略图示)进行通信，从外部的电子控制装置接收电动机20的目标转矩，并将该目标转矩输入到目标电流计算部42。
目标电流计算部42使用目标转矩、电压传感器值和电动机速度计算部41所输出的电动机速度值来计算要流向电动机20的电流值，并且将该电流值作为目标电流值输出到占空比计算部43。该目标电流值例如以d轴目标电流值和q轴目标电流值的形式表示。
占空比计算部43基于目标电流计算部42所输出的目标电流值以及交流电流传感器值Ius、Ivs和Iws来计算U相占空比值Du、V相占空比值Dv和W相占空比值Dw，并将其输出到PWM信号生成部44。
在本实施方式中，U相占空比值Du表示U相上臂电路开关元件的导通时间比例，而U相下臂电路开关元件的导通时间比例用1-Du表示。同样，V相占空比值Dv表示V相上臂电路开关元件的导通时间比例，V相下臂电路开关元件的导通时间比例用1-Dv表示。W相占空比值Dw表示W相上臂电路开关元件的导通时间比例，W相下臂电路开关元件的导通时间比例用1-Dw表示。
PWM信号生成部44在内部具有计时器(省略图示)，基于该计时器值、U相占空比值Du、V相占空比值Dv和W相占空比值Dw来生成PWM(Pulse Wide Modulation：脉冲宽度调制)信号，并且将该PWM信号输出到驱动电路50。
当从故障诊断部45输出异常通知信号时，PWM信号生成部44控制PWM信号以不驱动电动机20。不驱动电动机20的状态例如是将逆变器电路60内的六个开关元件全部关断的状态(在本实施方式中称为续流状态)。作为其他示例，可列举将六个开关元件中的上臂电路的三个开关元件设为导通并将下臂电路的三个开关元件设为关断的状态(在本实施方式中称为上臂主动短路状态)、反之将上臂电路的三个开关元件设为关断并将下臂电路的三个开关元件设为导通的状态(在本实施方式中称为下臂主动短路状态)。
驱动电路50接收PWM信号生成部44所输出的PWM信号，并将用于切换开关元件的导通/关断的驱动信号输出到逆变器电路60。
逆变器电路60在内部具有滤波电容器和六个开关元件，在进行动力运行时将从直流电源10获得的直流电力转换为交流电力从而驱动电动机20。此外，在再生时，将电动机20的动力转换为直流电力并对直流电源10充电。
故障诊断部45具有第一半波整流部451、第二半波整流部452、滤波部453和判定部454，进行逆变器电路60内的开关元件的故障诊断。
第一半波整流部451从交流电流传感器值Ius、Ivs和Iws中仅提取正电流值，并将该正电流值输出到滤波部453。
第二半波整流部452从交流电流传感器值Ius、Ivs和Iws中仅提取负电流值，并将该负电流值输出到滤波部453。
滤波部453对从第一半波整流部451输出的三相的正电流值和从第二半波整流部452输出的三相的负电流值分别进行滤波。
判定部454使用从滤波部453输出的六个电流值来判定逆变器电路60内的开关元件的哪个部位发生故障，并将与故障部位对应的故障通知信号输出到故障通知装置30和PWM信号生成部44。
在本实施方式中，第一半波整流部451、第二半波整流部452、滤波部453和判定部454各个构成部被分别设置在控制电路40内，但是不限于该结构。例如，各个构成部的一部分可以设置在控制电路40内，剩余的构成部可以由独立于控制电路40的硬件构成。另外，第一半波整流部451、第二半波整流部452、滤波部453和判定部454可以全部由独立于控制电路40的硬件构成。
另外，控制电路40内的各结构可以不采用硬件的结构，而是通过CPU和程序来实现各结构的功能。当通过CPU和程序来实现控制电路40内的各个结构时，其优点是由于硬件的数量减少，所以能够降低成本。另一方面，当各个结构由独立于控制电路40的硬件来构成时，其优点在于控制电路40的处理负荷减小，从而使诊断处理进一步高速化。
故障通知装置30向功率转换装置100的使用者通知故障的发生。作为故障发生的通知方法可举出例如使灯点亮、发出警告音、用语音通知等方法。此外，故障通知装置30使用从判定部454输出的故障通知信号来生成故障内容和故障部位的信息，并将其保持在内部。故障通知装置30在内部具有通信回路(未图示)，并且与功率转换装置100外部的设备(未图示)通信，当从功率转换装置100外部的设备接收到输出故障内容和故障部位信息的请求时，故障通知装置30将这些信息输出到功率转换装置100外部的设备。由此，功率转换装置100的使用者能够了解在功率转换装置100的哪个开关元件发生了怎样的故障。并且，能采取与故障部位相应的应对策略。
图2是逆变器电路60的电路结构图。
逆变器电路60具有UVW相的上下臂串联电路。U相上下臂串联电路61由U相上臂开关元件Tuu和U相上臂二极管Duu、U相下臂开关元件Tul和U相下臂二极管Dul组成。V相上下臂串联电路62由V相上臂开关元件Tvu和V相上臂二极管Dvu、V相下臂开关元件Tvl和V相下臂二极管Dvl组成。W相上下臂串联电路63由W相上臂开关元件Twu和W相上臂二极管Dwu、W相下臂开关元件Twl和W相下臂二极管Dwl组成。
上臂电路64包括U相上臂开关元件Tuu和U相上臂二极管Duu、V相上臂开关元件Tvu和V相上臂二极管Dvu、W相上臂开关元件Twu和W相上臂二极管Dwu。下臂电路65包括U相下臂开关元件Tul和U相下臂二极管Dul、V相下臂开关元件Tvl和V相下臂二极管Dvl、W相下臂开关元件Twl和W相下臂二极管Dwl。开关元件例如是功率MOSFET(Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor：金属半导体场效应晶体管)或IGBT(InsulatedGate Bipolar Transistor：绝缘栅双极晶体管)等。
滤波电容器66对由开关元件的导通/关断产生的电流进行滤波，并抑制从直流电源10提供给逆变器电路60的直流电流的纹波。该滤波电容器66使用例如电解电容器、薄膜电容器。
图3是表示故障诊断部45的处理动作的流程图。图3所示的流程图每隔一定时间被重复执行。
在步骤S301中，故障诊断部45从交流电流传感器90获取交流电流传感器值Ius、Ivs、Iws。
在步骤S302，第一半波整流部451从交流电流传感器值Ius、Ivs、Iws中仅提取U相、V相、W相各自的正电流值，并将其输出到滤波部453。另外，第二半波整流部452从交流电流传感器值Ius、Ivs和Iws中仅提取U相、V相、W相各自的负电流值，并将其输出到滤波部453。
在步骤S303中，滤波部453对从第一半波整流部451输出的U相、V相、W相的正电流值以及从第二半波整流部452输出的U相、V相、W相的负电流值进行滤波，并将其输出到判定部454。
在步骤S304中，判定部454判定滤波后的U相的正电流值是否在阈值1以内，如果在阈值1以内，则在步骤S305中判定U相上臂开关元件Tuu处于开路故障。在步骤S304中如果不在阈值1以内，则前进到步骤S306。在步骤S306中，判定部454判定滤波后的U相的负电流值是否在阈值2以内，如果在阈值2以内，则在步骤S307中判定U相下臂开关元件Tul处于开路故障。
在步骤S306中如果不在阈值2以内，则前进到步骤S308。在步骤S308中，判定部454判定滤波后的V相的正电流值是否在阈值1以内，如果在阈值1以内，则在步骤S309中判定V相上臂开关元件Tvu处于开路故障。在步骤S308中如果不在阈值1以内，则前进到步骤S310。在步骤S310中，判定部454判定滤波后的V相的负电流值是否在阈值2以内，如果在阈值2以内，则在步骤S311中判定V相下臂开关元件Tvl处于开路故障。
在步骤S310中如果不在阈值2以内，则前进到步骤S312。在步骤S312中，判定部454判定滤波后的W相的正电流值是否在阈值1以内，如果在阈值1以内，则在步骤S313中判定W相上臂开关元件Twu处于开路故障。在步骤S312中如果不在阈值1以内，则前进到步骤S314。在步骤S314中，判定部454判定滤波后的W相的负电流值是否在阈值2以内，如果在阈值2以内，则在步骤S315中判定W相下臂开关元件Twl处于开路故障。
如果上述步骤S304、S306、S308、S310、S312和S314中的任一个判定条件都不符合，则前进到步骤S316，判定部454判定各开关元件没有发生开路故障。
在步骤S317，判定部454将与上述步骤S305、S307、S309、S311、S313和S315各自判定的故障部位相对应的故障通知信号输出到故障通知装置30和PWM信号生成部44。
图4是示出PWM信号生成部44的处理动作的流程图。
PWM信号生成部44接收到来自判定部454的故障通知信号，并在步骤S401中判定U相、V相、W相中的任一相的上臂开关元件是否发生了开路故障。当发生开路故障时，在步骤S402，生成用于变为续流状态或下臂主动短路状态的PWM信号，并将其输出到驱动电路50。此时，上臂的开关元件由于开路故障而无法导通，因此不会变为上臂主动短路状态。
PWM信号生成部44接收到来自判定部454的故障通知信号，并在步骤S403中判定U相、V相、W相中的任一相的下臂开关元件是否发生了开路故障。当发生开路故障时，在步骤S404，生成用于变为续流状态或上臂主动短路状态的PWM信号，并将其输出到驱动电路50。此时，下臂的开关元件由于开路故障而无法导通，因此不会变为下臂主动短路状态。
在步骤S401和S403中判定未发生开路故障时，在步骤S405，PWM信号生成部44继续PWM动作，生成对应于各相的占空比值Du、Dv、Dw的PWM信号，并将该PWM信号输出到驱动电路50。
这样，当故障诊断部45检测到开关元件的开路故障时，PWM信号生成部44根据故障部位生成PWM信号以将开关元件的状态设为续流状态、上臂主动短路状态、下臂主动短路状态中的任一种，使电动机20处于不驱动的状态，从而使电动机20和功率转换装置100的动作安全地停止。
可以根据电动机20的种类、动作状况来变更故障时的续流状态、上臂主动短路状态、下臂主动短路状态的切换方式。
例如，如果电动机20的类型是感应电动机，则切换到续流状态，如果是同步电动机，则切换到上臂主动短路状态、下臂主动短路状态中的任一种。此外，例如，当电动机20高速旋转时，切换到上臂主动短路状态、下臂主动短路状态中的任一种，当电动机20低速旋转时，切换到续流状态。
图5是示出U相上臂开关元件Tuu开路故障时的电流波形的示例。图5示出了在时刻t1，U相上臂开关元件Tuu开路故障时的示例。
图5(A)表示测量流过U相的交流电流Iu而得到的交流电流传感器值Ius、测量流过V相的交流电流Iv而得到的交流电流传感器值Ivs、测量流过W相的交流电流Iw而得到的交流电流传感器值Iws的输出。图5(B)示出交流电流传感器值Ius、Ivs、Iws的第一半波整流部451的输出。图5(C)示出交流电流传感器值Ius、Ivs、Iws的第二半波整流部452的输出。图5(D)示出通过滤波部453对第一半波整流部451的输出进行滤波后的输出。图5(E)示出通过滤波部453对第二半波整流部452的输出进行滤波后的输出。
如图5(A)所示，在时刻t1，当U相上臂开关元件Tuu开路故障时，U相的交流电流不在正方向(从逆变器电路60流向电动机20的方向)上流动，而在负方向(从电动机20流向逆变器电路60的方向)上流动。另一方面，U相上臂开关元件发生开路故障后的V相和W相的交流电流虽然波形失真，但无论是在正方向还是负方向都有电流流动。
因此，如图5(B)所示，在故障发生后，从第一半波整流部451输出的U相交流电流的正电流始终大致为0[A]。从第一半波整流部451输出的V相和W相的正电流则出现大致为0[A]的期间和大致不为0[A]的期间。
此外，如图5(C)所示，从第二半波整流部452输出的U相交流电流的负电流在故障发生之后也仍然出现大致不为0[A]的期间。V相和W相的负电流也仍然出现大致为0[A]的期间和大致不为0[A]的期间。
如图5(D)所示，开路故障发生后，对U相交流电流的正电流进行滤波后得到的值大致为0[A]，其在阈值1以内，而对V相和W相交流电流的正电流进行滤波后得到的值不在阈值1以内。另外，如图5(E)所示，对U相、V相、W相的交流电流的负电流进行滤波后得到的值不在阈值2以内。因此，如参照图3的流程图说明的那样，通过故障诊断部45的处理动作，判定为U相的上臂开关元件Tuu开路故障。
从第一半波整流部451输出的各相的正电流值和从第二半波整流部452输出的各相的负电流值在开路故障发生之前也具有大致为0[A]的期间和大致不为0[A]的期间。因此，若判定从第一半波整流部451输出的正电流值是否在阈值1以内，或者判定从第二半波整流部451输出的负电流值是否在阈值2以内，则即便开关元件没有发生开路故障，也可能错误地判定某个开关元件发生了开路故障。通过使用滤波部453对从第一半波整流部451输出的正电流值和从第二半波整流部452输出的负电流值进行滤波，从而在正常时滤波后的电流值始终为恒定值，因此能避免错误判定。
[实施方式2]
图6是实施方式2所涉及的功率转换装置101的电路结构图。对与实施方式1的功率转换装置100相同的部位赋予相同的标号，并且省略对其的说明。
在实施方式2中，故障诊断部45的结构与实施方式1的功率转换装置100不同。另外，逆变器电路60与图2所示的电路结构图相同。
故障诊断部45包括第一半波整流部451、第二半波整流部452、最大值/最小值获取部455和判定部456，并进行逆变器电路60内的开关元件的故障诊断。
在本实施方式中，第一半波整流部451、第二半波整流部452、最大值/最小值获取部455和判定部456各个构成部被分别设置在控制电路40内部，但是不限于该结构。例如，可以将各个构成部的一部分设置在控制电路40内，其余的构成部可以由独立于控制电路40的硬件构成。另外，第一半波整流部451、第二半波整流部452、最大值/最小值获取部455和判定部456可以全部由独立于控制电路40的硬件构成。
另外，控制电路40内的各结构可以不采用硬件的结构，而是通过CPU和程序来实现各结构的功能。当通过CPU和程序来实现控制电路40内的各个结构时，硬件的个数减少，因此具有能够降低成本的优点。另一方面，当各个结构由独立于控制电路40的硬件构成时，具有控制电路40的处理负荷减小，并且诊断处理能够更快地进行的优点。
最大值/最小值获取部455获取从第一半波整流部451输出的各相的正电流，并将各相的正电流的最大值分别保持在内部。另外，最大值/最小值获取部455获取从第二半波整流部452输出的各相的负电流，并将各相的负电流的最小值分别保持在内部。然后，最大值/最小值获取部455每隔一定时间将各相的正电流的最大值和各相的负电流的最小值输出到判定部456。
判定部456使用从最大值/最小值获取部455输出的各相的正电流的最大值和各相的负电流的最小值来判定逆变器电路60内的哪个开关元件发生故障，并将与故障部位对应的故障通知信号输出到故障通知装置30和PWM信号生成部44。
图7是示出实施方式2所涉及的故障诊断部45的处理动作的流程图。图7所示的流程图每隔一定时间被重复执行。
在步骤S701中，故障诊断部45从交流电流传感器90获取交流电流传感器值Ius、Ivs、Iws。
在步骤S702，第一半波整流部451从交流电流传感器值Ius、Ivs和Iws中仅提取U相、V相和W相各自的正电流值，并将其输出到最大值/最小值获取部455。另外，第二半波整流部452从交流电流传感器值Ius、Ivs和Iws中仅提取U相、V相和W相各自的负电流值，并将其输出到最大值/最小值获取部455。
在步骤S703中，最大值/最小值获取部455更新从第一半波整流部451输出的U相、V相和W相的正电流各自的最大值，并将其保持在内部。最大值/最小值获取部455更新从第二半波整流部452输出的U相、V相和W相的负电流各自的最小值，并将其保持在内部。
在步骤S704中，最大值/最小值获取部455判定是否经过了规定时间。如果没有经过规定时间，则结束处理。该规定时间可以是固定的时间，也可以根据电动机20的运行状况而改变。在可变的情况下，例如，可以考虑设定为与电动机20的转速成比例的时间或与交流电流的周期成比例的时间。
每当经过规定时间，前进到步骤S705，并且将保持在内部的U相、V相和W相的正电流各自的最大值以及U相、V相和W相的负电流各自的最小值输出到判定部456。
之后，前进到步骤S706，最大值/最小值获取部455重置保持在内部的U相、V相和W相的正电流各自的最大值以及U相、V相和W相的负电流各自的最小值。
在下一个步骤S707中，判定部456判定U相的正电流的最大值是否在阈值3以内，若在阈值3以内，则在步骤S708中判定U相上臂开关元件Tuu发生开路故障。在步骤S707中不在阈值3以内的情况下，前进到步骤S709。在步骤S709，判定部456判定U相的负电流的最小值是否在阈值4以内，如果在阈值4以内，则判定U相的下臂开关元件Tul发生开路故障。
在步骤S709中不在阈值4以内的情况下，前进到步骤S711。在步骤S711中，判定部456判定V相的正电流的最大值是否在阈值3以内，若在阈值3以内，则在步骤S712中判定V相上臂开关元件Tvu发生开路故障。
在步骤S711中不在阈值3以内的情况下，前进到步骤S713。在步骤S713中，判定部456判定V相的负电流的最小值是否在阈值4以内，若在阈值4以内，则在步骤S714中判定V相下臂开关元件Tvl发生开路故障。
在步骤S713中不在阈值4以内的情况下，前进到步骤S715。在步骤S715中，判定部456判定W相的正电流的最大值是否在阈值3以内，若在阈值3以内，则在步骤S716中判定W相上臂开关元件Twu发生开路故障。在步骤S715中不在阈值3以内的情况下，前进到步骤S717。在步骤S717中，判定部456判定W相的负电流的最小值是否在阈值4以内，若在阈值4以内，则在步骤S718中判定W相下臂开关元件Twl发生开路故障。
在上述步骤S707、S709、S711、S713、S715和S717中的任一个判定条件都不符合的情况下，前进到步骤S719，判定部456判定各开关元件没有发生开路故障。
在步骤S720，判定部456将与上述步骤S708、S710、S712、S714、S716和S718各自判定的故障部位相对应的故障通知信号输出到故障通知装置30和PWM信号生成部44。
这样，当故障诊断部45检测到开关元件的开路故障时，PWM信号生成部44执行图4所示的流程图的处理，生成PWM信号，以根据故障部位将开关元件的状态设为续流状态、上臂主动短路状态、下臂主动短路状态中的任一种。
图8是示出U相上臂开关元件Tuu开路故障时的电流波形的示例。图8示出了在时刻t1，U相上臂开关元件Tuu开路故障时的示例。
图8(A)表示测量流过U相的交流电流Iu而得到的交流电流传感器值Ius、测量流过V相的交流电流Iv而得到的交流电流传感器值Ivs、测量流过W相的交流电流Iw而得到的交流电流传感器值Iws的输出。图8(B)示出交流电流传感器值Ius、Ivs和Iws的第一半波整流部451的输出。图8(C)示出交流电流传感器值Ius、Ivs和Iws的第二半波整流部452的输出。图8(D)示出第一半波整流部451的输出的最大值。
图8(E)示出第二半波整流部452的输出的最小值。
如图8(A)所示，在时刻t1，当U相上臂开关元件Tuu发生开路故障时，U相的交流电流不在正方向(从逆变器电路60流向电动机20的方向)上流动，而在负方向(从电动机20流向逆变器电路60的方向)上流动。另一方面，U相上臂开关元件发生开路故障后的V相和W相的交流电流虽然波形失真，但无论是在正方向还是负方向都有电流流动。
因此，如图8(B)所示，在故障发生后，从第一半波整流部451输出的U相交流电流的正电流始终大致为0[A]。从第一半波整流部451输出的V相和W相的正电流则出现大致为0[A]的期间和大致不为0[A]的期间。
此外，如图8(C)所示，即使在故障发生之后，从第二半波整流部452输出的U相交流电流的负电流也仍然出现大致不为0[A]的期间。V相和W相的负电流也仍然出现大致为0[A]的期间和大致不为0[A]的期间。
最大值/最小值获取部455每隔交流电流的一个周期将U相、V相和W相的正电流的最大值以及U相、V相和W相的负电流的最小值输出到判定部456。如图8(D)所示，开路故障发生后，U相交流电流的正电流的最大值大致为0[A]，在阈值3以内。另一方面，V相和W相交流电流的正电流的最大值不在阈值3以内。另外，如图8(E)所示，U相、V相、W相的交流电流的负电流的最小值不在阈值4以内。因此，如参照图7所示的流程图说明的那样，通过故障诊断部45的处理动作，判定为U相的上臂开关元件Tuu发生开路故障。
从第一半波整流部451输出的各相的正电流值和从第二半波整流部452输出的各相的负电流值在开路故障发生之前也具有大致为0[A]的期间和大致不为0[A]的期间。因此，当最大值/最小值获取部455将正电流的最大值和负电流的最小值输出到判定部456的规定时间短于交流电流的一个周期时，即使开关元件正常，正电流的最大值和负电流的最小值也在阈值以内，从而有可能错误地检测到某个开关发生开路故障。
因此，在本实施方式中，当判定开关元件的开路故障时，期望规定时间长于交流电流的一个周期。
[实施方式3]
图9是实施方式3所涉及的功率转换装置102的电路结构图。对与实施方式1的功率转换装置100相同的部位赋予相同的标号，并且省略对其的说明。
与实施方式1相比，实施方式3的不同之处在于由电动机速度计算部41向PWM信号生成部44输出电动机速度。另外，逆变器电路60与图2所示的电路结构图相同。
该实施方式3示出了功率转换装置102的示例，该功率转换装置102除了能够快速确定开关元件的开路故障部位之外，还能够在发生开关元件的开路故障时继续电动机20的动作。
控制电路40内的PWM信号生成部44在从故障诊断部45输出异常通知信号的情况下，根据电动机速度决定是继续PWM动作还是控制PWM信号以不驱动电动机20。
图10是示出PWM信号生成部44的处理动作的流程图。在实施方式1中，与图4所示的PWM信号生成部44的处理动作相同的部位用相同的标号表示，并且省略对其的描述。
在图10的步骤S102，PWM信号生成部44判定从电动机速度计算部41输出的电动机速度是否在阈值5以上。如果在阈值5以上，则在步骤S401至S404中，基于与图4所示的处理动作同样的故障通知信号，实施停止电动机驱动的处理。在步骤S102，如果电动机速度小于阈值5，则在步骤S405，PWM信号生成部44继续PWM动作，生成对应于各相的占空比值Du、Dv和Dw的PWM信号，并将该PWM信号输出到驱动电路50。
当某一个开关元件发生开路故障时，电动机20输出的转矩与目标转矩不一致。因此，在实施方式1中，为了安全起见，停止电动机20的动作。另一方面，有时如果电动机20的速度为低速，则不立即停止电动机20的驱动，而是使电动机20继续动作会更好。例如，考虑本实施方式的功率转换装置102被用于混合动力汽车或电动汽车的情况。
此时，电动机20的速度被认为与车辆速度成比例关系。当车辆速度为高速时，车辆往往比低速时更难控制。
因此，当电动机20的速度为高速，即车辆速度为高速时，如果电动机20的输出转矩与目标转矩不一致，则驾驶员难以进行车辆控制的可能性较高。另一方面，如果电动机20的速度为低速，即车辆速度为低速，则即使电动机20的输出转矩与目标值不一致，驾驶员仍然可能可以继续进行车辆控制。如果驾驶员能够继续控制车辆，则例如有时继续驾驶车辆至可进行修理的地方更好，而不是停止驱动电动机20以使车辆处于无法驱动的状态。本实施方式考虑到这种情况，并且当电动机20的速度低于规定阈值时，继续电动机20的驱动动作。
[实施方式4]
图11是实施方式4所涉及的功率转换装置103的电路结构图。对与实施方式1的功率转换装置100相同的部位赋予相同的标号，并且省略对其的说明。在实施方式4中，故障诊断部45的结构与实施方式1的功率转换装置100不同。另外，逆变器电路60与图2所示的电路结构图相同。
故障诊断部45包括第一半波整流部451、第二半波整流部452、全波整流部457、差分获取部458、滤波部459、判定部454，并进行逆变器电路60内的开关元件的故障诊断。
在本实施方式中，第一半波整流部451、第二半波整流部452、全波整流部457、差分获取部458、滤波部459和判定部454各个构成部分别被设置在控制电路40的内部，但是不限于该结构。例如，可以将各个构成部的一部分设置在控制电路40内，剩余的构成部则由独立于控制电路40的硬件构成。另外，第一半波整流部451、第二半波整流部452、全波整流部457、差分获取部458、滤波部459和判定部454可以全部由独立于控制电路40的硬件构成。
另外，控制电路40内的各结构可以不采用硬件的结构，而是通过CPU和程序来实现各结构的功能。当通过CPU和程序来实现控制电路40内的各个结构时，硬件的个数减少，因而具有能够降低成本的优点。另一方面，当各个结构由独立于控制电路40的硬件构成时，具有控制电路40的处理负荷减小，并且能够更快地进行诊断处理的优点。
全波整流部457获取交流电流传感器值Ius、Ivs和Iws的值的绝对值。差分获取部458获取从第一半波整流部451输出的各相的正电流值与从全波整流部457输出的各相的电流绝对值之间的差分，并将该差分输出到滤波部459。差分获取部458获取从第二半波整流部452输出的各相的负电流值与从全波整流部457输出的各相的电流绝对值之间的差分，并将该差分输出到滤波部459。
滤波部459对从差分获取部458输出的各个电流差分进行滤波。
判定部454使用从滤波部459输出的电流差分值来判定逆变器电路60内的开关元件的哪个部位发生故障，并将与故障部位对应的故障通知信号输出到故障通知装置30和PWM信号生成部44。
图12是示出实施方式4所涉及的故障诊断部45的处理动作的流程图。图12所示的流程图每隔一定时间被重复执行。
在步骤S801中，故障诊断部45从交流电流传感器90获取交流电流传感器值Ius、Ivs、Iws。
在步骤S802，第一半波整流部451从交流电流传感器值Ius、Ivs和Iws中仅提取U相、V相和W相各自的正电流值，并将其输出到差分获取部458。另外，第二半波整流部452从交流电流传感器值Ius、Ivs和Iws中仅提取U相、V相和W相各自的负电流值，并将其输出到差分获取部458。另外，全波整流部457从交流电流传感器值Ius、Ivs和Iws获取U相、V相和W相各自的电流绝对值，并将其输出到差分获取部458。
在步骤S803，差分获取部458根据下式(1)～(3)计算各相的电流绝对值与正电流值之间的差分(称为正侧电流差分)，并将该值输出到滤波部459。差分获取部458根据下式(4)～(6)计算各相的电流绝对值与负电流值之间的差分(称为负侧电流差分)，并将该值输出到滤波部459。
U相的正侧电流差分＝U相的电流绝对值-U相的正电流值...(1)
V相的正侧电流差分＝V相的电流绝对值-V相的正电流值...(2)
W相的正侧电流差分＝W相的电流绝对值-W相的正电流值...(3)
U相的负侧电流差分＝U相的电流绝对值+U相的负电流值...(4)
V相的负侧电流差分＝V相的电流绝对值+V相的负电流值...(5)
W相的负侧电流差分＝W相的电流绝对值+W相的负电流值...(6)
在步骤S804中，滤波部459对从差分获取部458输出的U相、V相和W相的正侧电流差分值以及U相、V相和W相的负侧电流差分值分别进行滤波，并将其输出到判定部454。
在接下来的步骤S805中，判定部454判定滤波后的U相的正侧电流差分值是否在阈值1以内并且在阈值2以内，在符合条件的情况下，在步骤S806中判定U相的下臂开关元件Tul发生开路故障。
接着，在步骤S807中，判定部454判定滤波后的U相的负侧电流差分值是否在阈值1以内并且在阈值2以内，在符合条件的情况下，在步骤S808中判定U相的上臂开关元件Tuu发生开路故障。
接着，在步骤S809中，判定部454判定滤波后的V相的正侧电流差分值是否在阈值1以内并且在阈值2以内，在符合条件的情况下，在步骤S810中判定V相的下臂开关元件Tvl发生开路故障。
接着，在步骤S811中，判定部454判定滤波后的V相的负侧电流差分值是否在阈值1以内并且在阈值2以内，在符合条件的情况下，在步骤S812中判定V相的上臂开关元件Tvu发生开路故障。
接着，在步骤S813中，判定部454判定滤波后的W相的正侧电流差分值是否在阈值1以内并且在阈值2以内，在符合条件的情况下，在步骤S814中判定W相的下臂开关元件Twl发生开路故障。
接着，在步骤S815中，判定部454判定滤波后的W相的负侧电流差分值是否在阈值1以内并且在阈值2以内，在符合条件的情况下，在步骤S816中判定W相的上臂开关元件Twu发生开路故障。
在上述步骤S805、S807、S809、S811、S813和S815中的任一个判定条件都不符合的情况下，前进到步骤S817，判定部456判定各开关元件没有发生开路故障。
在步骤S720，判定部456将与上述步骤S806、S808、S810、S812、S814和S816各个判定的故障部位相对应的故障通知信号输出到故障通知装置30和PWM信号生成部44。
这样，当故障诊断部45检测到开关元件的开路故障时，PWM信号生成部44执行图4所示的流程的处理，生成PWM信号，以根据故障部位将开关元件的状态设为续流状态、上臂主动短路状态、下臂主动短路状态中的任一种。
图13是示出U相上臂开关元件Tuu发生开路故障时的电流波形的例子。图13示出了在时刻t1，U相上臂开关元件Tuu发生开路故障时的例子。
图13(A)表示测量流过U相的交流电流Iu而得到的交流电流传感器值Ius、测量流过V相的交流电流Iv而得到的交流电流传感器值Ivs、测量流过W相的交流电流Iw而得到的交流电流传感器值Iws的输出。图13(B)示出交流电流传感器值Ius、Ivs和Iws的第一半波整流部451的输出。图13(C)示出交流电流传感器值Ius、Ivs和Iws的第二半波整流部452的输出。图13(D)示出全波整流部457的输出。图13(E)表示各相的正侧电流差分。图13(F)表示各相的负侧电流差分。
图13(G)表示滤波后的各相的正侧电流差分。图13(H)表示滤波后的各相的负侧电流差分。
如图13(A)所示，在时刻t1，当U相上臂开关元件Tuu发生开路故障时，U相的交流电流不在正方向(从逆变器电路60流向电动机20的方向)上流动，而在负方向(从电动机20流向逆变器电路60的方向)上流动。另一方面，U相上臂开关元件发生开路故障后的V相和W相的交流电流虽然波形失真，但无论是在正方向还是负方向都有电流流动。
因此，如图13(B)所示，在故障发生后，从第一半波整流部451输出的U相交流电流的正电流始终大致为0[A]。另外，V相及W相的正电流和U相、V相、W相的负电流则出现大致为0[A]的期间和大致不为0[A]的期间。
此外，如图13(C)所示，即使在故障发生之后，从第二半波整流部452输出的U相交流电流的负电流仍然出现大致不为0[A]的期间。V相和W相的负电流也出现大致为0[A]的期间和大致不为0[A]的期间。全波整流部457的输出如图13(D)所示。
故障后U相交流电流的正电流大致为0[A]，因此U相的电流绝对值与U相的负电流绝对值一致。因此，如图13(F)所示，故障后U相的负侧电流差分也大致为0[A]。
另一方面，U相、V相、W相的正侧电流差分和V相、W相的负侧电流差分，在故障后也有大致为0[A]的期间和大致不为0[A]的期间。开路故障发生后，对U相负侧电流差分进行滤波后得到的值大致为0[A]，如图13(H)所示，在阈值1以内且在阈值2以内。
如图13(G)所示，通过对U相的负侧电流差分以外的电流差分进行滤波而得到的值不在阈值1以内且阈值2以内的范围内，因此如参照图12所示的流程所说明的那样，能判定U相的上臂开关元件Tuu发生开路故障。
根据以上说明的实施方式，能够得到以下的作用效果。
(1)本发明的功率转换装置100、101、102、103包括：三相逆变器电路60，该三相逆变器电路60对应于三相电动机20的各相由上臂电路和下臂电路构成，并将直流电流转换为三相的交流电流；交流电流传感器90，该交流电流传感器90检测逆变器电路60的各相的输出电流；以及故障诊断部45，该故障诊断部45基于各相的输出电流对构成逆变器电路60的开关元件的开路故障进行诊断，故障诊断部45具有输出各相的输出电流中的正电流的第一半波整流部451、输出各相的输出电流中的负电流的第二半波整流部452，故障诊断部45基于第一半波整流部451和第二半波整流部452的输出对开关元件中发生开路故障的开关元件进行确定。由此，能确定构成上臂电路和下臂电路的开关元件中的哪个开关元件发生了故障。
(2)本发明的功率转换装置100、101、102、103的控制方法中，该功率转换装置100、101、102、103对应于三相电动机20的各相由上臂电路和下臂电路构成逆变器电路60，将直流电流转换为多相交流电流，检测逆变器电路60的各相的输出电流，并基于各相的输出电流诊断构成逆变器电路60的开关元件的开路故障，即进行故障诊断处理，该故障诊断处理包括：输出各相输出电流中的正电流的第一半波整流(图3的步骤S302)、输出各相输出电流中的负电流的第二半波整流(图3的步骤S302)，故障诊断处理基于第一半波整流和第二半波整流的输出，来确定开关元件中发生开路故障的开关元件(图3的步骤S304至S315)。由此，能确定构成上臂电路和下臂电路的开关元件中的哪个开关元件发生了故障。
本发明不限于上述实施方式，只要不损害本发明的特征，在本发明的技术思想范围内可以考虑的其他方式也包括在本发明的范围内。另外，也可以是组合了上述实施方式的结构。
标号说明
10…直流电源、20…电动机、30…故障通知装置、40…控制电路、41…电动机速度计算部、42…目标电流计算部、43…占空比计算部、44…PWM信号生成部、45…故障诊断部、50…驱动电路、60…逆变器电路、70…电压传感器、90…交流电流传感器、451…第一半波整流部、452…第二半波整流部、453…滤波部、454…判定部、100、101、102、103…功率转换装置。

Claims (14)

1.一种功率转换装置，其特征在于，包括：
三相的逆变器电路，该三相的逆变器电路对应于三相电动机的各相由上臂电路和下臂电路构成，并将直流电流转换为三相的交流电流；
电流检测部，该电流检测部用于检测所述逆变器电路的各相的输出电流；以及
故障诊断部，该故障诊断部基于所述各相的输出电流来诊断构成所述逆变器电路的开关元件的开路故障，
所述故障诊断部具有：第一半波整流部，该第一半波整流部输出所述各相的输出电流中的正电流；以及第二半波整流部，该第二半波整流部输出所述各相的输出电流中的负电流，
所述故障诊断部基于所述第一半波整流部和所述第二半波整流部的输出来确定所述开关元件中发生了开路故障的所述开关元件。
2.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，
所述故障诊断部在对所述各相的输出电流中的所述第一半波整流部的输出进行滤波后得到的值在规定阈值以内的情况下，诊断为该相的上臂电路的所述开关元件发生开路故障，在对所述第二半波整流部的输出进行滤波后得到的值在规定阈值以内的情况下，诊断为该相的下臂电路的所述开关元件发生开路故障。
3.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，
所述故障诊断部在所述各相的输出电流中的所述第一半波整流部的输出在一定时间内的最大值在规定阈值以内的情况下，诊断为该相的上臂电路的所述开关元件发生开路故障，在所述第二半波整流部的输出在一定时间内的最小值在规定阈值以内的情况下，诊断为该相的下臂电路的所述开关元件发生开路故障。
4.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，
所述故障诊断部具有全波整流部，该全波整流部输出所述各相的输出电流的绝对值，
所述故障诊断部在所述各相的输出电流中的所述第一半波整流部的输出的绝对值与所述全波整流部的输出的差分在规定阈值以内的情况下，诊断为该相的下臂电路的所述开关元件发生开路故障，在所述第二半波整流部的输出的绝对值与所述全波整流部的输出的差分在规定阈值以内的情况下，诊断为该相的上臂电路的所述开关元件发生开路故障。
5.如权利要求1至4中任一项所述的功率转换装置，其特征在于，
包括向所述上臂电路和所述下臂电路输出PWM信号的控制电路，
在所述故障诊断部判定为所述上臂电路发生开路故障的情况下，所述控制电路输出故障处理PWM信号，该故障处理PWM信号使构成所述逆变器电路的所述上臂电路和所述下臂电路的所有开关元件关断，或者使构成所述逆变器电路的所述下臂电路的所有开关元件导通。
6.如权利要求1至4中任一项所述的功率转换装置，其特征在于，
包括向所述上臂电路和所述下臂电路输出PWM信号的控制电路，
在由所述故障诊断部判定为所述下臂电路发生开路故障的情况下，所述控制电路输出故障处理PWM信号，该故障处理PWM信号使构成所述逆变器电路的所述上臂电路和所述下臂电路的所有开关元件关断，或者使构成所述逆变器电路的所述上臂电路的所有开关元件导通。
7.如权利要求5或6所述的功率转换装置，其特征在于，
在所述电动机的速度为规定阈值以上的情况下，并且在所述故障诊断部判定为所述上臂电路或下臂电路发生开路故障的情况下，所述控制电路输出所述故障处理PWM信号。
8.一种功率转换装置的控制方法，
对应于三相电动机的各相由上臂电路和下臂电路构成逆变器电路，并将直流电流转换为多相的交流电流，
检测所述逆变器电路的各相的输出电流，
基于所述各相的输出电流来诊断构成所述逆变器电路的开关元件的开路故障，即进行故障诊断处理，
所述功率转换装置的控制方法的特征在于，
所述故障诊断处理进行输出所述各相的输出电流中的正电流的第一半波整流、以及输出所述各相的输出电流中的负电流的第二半波整流，
所述故障诊断处理基于所述第一半波整流和所述第二半波整流的输出来确定所述开关元件中发生了开路故障的所述开关元件。
9.如权利要求8所述的功率转换装置的控制方法，其特征在于，
所述故障诊断处理在对所述各相的输出电流中的所述第一半波整流的输出进行滤波后得到的值在规定阈值以内的情况下，诊断为该相的上臂电路的所述开关元件发生开路故障，在对所述第二半波整流的输出进行滤波后得到的值在规定阈值以内的情况下，诊断为该相的下臂电路的所述开关元件发生开路故障。
10.如权利要求8所述的功率转换装置的控制方法，其特征在于，
所述故障诊断处理在所述各相的输出电流中的所述第一半波整流的输出在一定时间内的最大值在规定阈值以内的情况下，诊断为该相的上臂电路的所述开关元件发生开路故障，在所述第二半波整流的输出在一定时间内的最小值在规定阈值以内的情况下，诊断为该相的下臂电路的所述开关元件发生开路故障。
11.如权利要求8所述的功率转换装置的控制方法，其特征在于，
所述故障诊断处理进行输出所述各相的输出电流的绝对值的全波整流，
所述故障诊断处理在所述各相的输出电流中的所述第一半波整流的输出的绝对值与所述全波整流的输出的差分在规定阈值以内的情况下，诊断为该相的下臂电路的所述开关元件发生开路故障，在所述第二半波整流的输出的绝对值与所述全波整流的输出的差分在规定阈值以内的情况下，诊断为该相的上臂电路的所述开关元件发生开路故障。
12.如权利要求8至11中任一项所述的功率转换装置的控制方法，其特征在于，
将PWM信号输出到所述上臂电路和所述下臂电路，
在判定为所述上臂电路发生开路故障的情况下，输出故障处理PWM信号，该故障处理PWM信号使构成所述逆变器电路的所述上臂电路和所述下臂电路的所有开关元件关断，或者使构成所述逆变器电路的所述下臂电路的所有开关元件导通。
13.如权利要求8至11中任一项所述的功率转换装置的控制方法，其特征在于，
将PWM信号输出到所述上臂电路和所述下臂电路，
在判定为所述下臂电路发生开路故障的情况下，输出故障处理PWM信号，该故障处理PWM信号使构成所述逆变器电路的所述上臂电路和所述下臂电路的所有开关元件关断，或者使构成所述逆变器电路的所述上臂电路的所有开关元件导通。
14.如权利要求12或13所述的功率转换装置的控制方法，其特征在于，
在所述电动机的速度为规定阈值以上的情况下，并且在判定为所述上臂电路或所述下臂电路发生开路故障的情况下，输出所述故障处理PWM信号。
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