JP2001086763A - 電力変換器の故障モニタ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ゲートパルスとグリッジの発生を正確に再生
し、スイッチング素子の故障原因の追跡時間を大幅に短
縮させることにある。 【解決手段】本発明はゲートパルスの変化点（エッジ）
でのみサンプリングしたモニタデータについて、順次ゲ
ートパルスの禁止組み合わせがあるかどうかを判定して
検出することにより、スイッチング素子の破壊故障には
至らない数μｓ以下のグリッジの発生の有無も明確にで
き、グリッジによるスイッチング故障の低減に効果があ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、直流を交流に、ま
たは、交流を直流に変換する電力変換器のゲートパルス
の誤点弧等に基づく故障をモニタリングする電力変換器
の故障モニタ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、複数のスイッチング素子を各々所
定のゲートパルスにより駆動して、直流に、または、交
流を直流に変換する電力変換器に使用されるスイッチン
グ素子として、ＩＧＢＴのような高速スイッチング素子
が採用される傾向にある。一般に、スイッチング素子の
ゲート破壊の要因であるゲートパルスの誤点弧は、数１
０μｓ以下のグリッジによるケースが多い。しかし、従
来のゲートパルスのモニタ装置としては、サンプリング
周期２５０μｓ程度の一定周期でサンプリングする方式
が一般的である。この場合、各サンプリング時刻の間に
数１０μｓ以下のグリッジが発生した場合、モニタ再生
時にこのグリッジを確認できない不具合があった。実
際、ＩＧＢＴのような高速スイッチング素子のゲートパ
ルスを、グリッジの発生も含めてモニタするには、数μ
ｓでのサンプリングが必要であるが、マイクロコンピュ
ータの演算能力やサンプリングデータの収集量（メモリ
容量）を考慮すると、サンプリング周期としては２５０
μｓ程度が限界であった。

【０００３】以上の問題は、スイッチング素子の高速化
が進につれて顕著になり、スイッチング素子の破壊の原
因断定及び対策に時間を費やすことになっていた。

【０００４】上記の問題を解決するため図２に示す特開
平９−２８９７８０号公報のように、マイクロコンピュ
ータの演算数を低減し、かつモニタ用メモリ容量の低減
を図ると共に、ゲートパルスとグリッジの発生を正確に
再生して、スイッチング素子の故障原因の追跡時間を大
幅に短縮させるモニタ装置が提案されている。

【０００５】図２のモニタ装置はゲートパルスの立上が
り、立下がりの変化点（エッジ）を検出し、エッジ検出
時のゲートパルスのオン・オフ状態とその時の時刻デー
タ及びその他のモニタデータ（電力変換器の直流入力電
流または電圧もしくは出力電流等のモニタ信号及び故障
検知信号）をそれぞれ所定区間だけモニタデータとして
順次メモリに格納し、故障事故が起きた際にモニタデー
タの更新を停止し、前記モニタデータを再生させるもの
である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記モニタ装置におい
てはゲートパルスとグリッジの発生を正確に再生できる
利点がある。しかしながら上記モニタ装置を含め従来の
故障モニタ装置では、モニタデータの更新を停止させる
いわゆるモニタトリガ処理は、グリッジによるゲートパ
ルスの誤点弧等によってスイッチング素子の破壊故障が
発生した場合、その結果として過電流や過電圧などの故
障検知信号が動作したことで行われる。

【０００７】ただし、スイッチング素子はグリッジの発
生によって全て破壊故障をともなうわけではなく、数μ
ｓ以下のグリッジが発生していても、スイッチング素子
は外面的に正常に動作している場合がある。この場合に
は故障検知信号が動作しないため、モニタトリガの履歴
が記録されない。従ってこれらのグリッジが繰り返し発
生しているにもかかわらずその現象を見逃してしまい、
ある期間経過してからグリッジの繰り返しに起因するス
イッチング素子の破壊故障に至ってしまう現象は捕まえ
ることは出来ない。

【０００８】本発明の課題は、上記事情に鑑み、ハード
ウェア回路の追加なしに故障検知信号の動作に至らない
ようなグリッジの発生を見逃すことなく検出し、ゲート
パルスとグリッジの発生を正確に再生し、ゲートパルス
の異常をモニタすることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題は、ゲートパル
スの立上がり、立下がりの変化点（エッジ）を検出し、
エッジ検出時のゲートパルスのオン・オフ状態とその時
の時刻データ及びその他のモニタデータ（電力変換器の
直流入力電流または電圧もしくは出力電流等のモニタ信
号及び故障検知信号）とをそれぞれ所定区間だけモニタ
データとして順次メモリに格納するとともに、これらモ
ニタメモリに格納されたゲートパルスデータの組み合わ
せを、予め用意されたゲートパルスの禁止組み合わせデ
ータと順次比較・判定し、禁止組み合わせが発生した際
にモニタデータの更新を停止し、前記モニタデータを再
生させるよう制御するマイクロコンピュータを有するこ
とによって、解決される。

【００１０】本発明はゲートパルスの変化点（エッジ）
でのみサンプリングしたモニタデータについて、順次ゲ
ートパルスの禁止組み合わせがあるかどうかを判定して
検出することにより、スイッチング素子の破壊故障には
至らない数μｓ以下のグリッジの発生の有無も明確にで
き、グリッジによるスイッチング故障の低減に効果があ
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
用いて説明する。

【００１２】図１は、本発明の一実施形態であり、交流
誘導モータを駆動する電力変換器（インバータ）の故障
モニタ装置を示す。なお、対象とする電力変換器は、静
止形のインバータ（ＳＩＶ）や交流を直流に変換するコ
ンバータであってもよい。図１において、電力変換器
は、三相の場合、直流電源６の間に直列接続した二つの
スイッチング素子（ＩＧＢＴ等のスイッチング素子）４
を三相分として、各相のスイッチング素子４の直列接続
先から負荷となる交流誘導モータ５に接続する。各々の
スイッチング素子４のＰＷＭ生成部２から出力されるＰ
ＷＭ変調信号（電圧の大きさは同じで時間幅が異なるパ
ルス）をゲートドライブ３に入力し、ゲートドライブ３
からのゲート信号をスイッチング素子４のゲートに印加
する。本実施形態の故障モニタ装置１には、ゲートパル
ス信号及び電力変換器の直流入力電流（または、電圧）
もしくは出力電流等のモニタ信号と故障検知信号を入力
する。図１では、便宜上、一つのスイッチング素子に関
しての故障モニタ装置についてしか記載していないが、
当然ながら全素子について行うことは勿論である。

【００１３】次に、故障モニタ装置１について説明す
る。図２は、その故障モニタ装置１のハードウェアのブ
ロック図を示す。図２において、１１、１２はラッチ、
１３はコンパレータ、１４はクロック発生器、１５はモ
ニタスタート／ストップレジスタ、１６はページレジス
タ、１７はアドレスレコーダ、１８はアドレスカウン
タ、１９は時刻カウンタ、２０はモニタメモリ、２１は
マイクロコンピュータである。ここで太線はアドレスバ
スまたはデータバス、細線は制御信号ラインを示す。モ
ニタメモリ２０は、図３のようにハードウェアが書き込
むエリア（ページ）と、ソフトウェア（マイクロコンピ
ュータ）が書き込むエリア（ページ）からなる。

【００１４】図３において、ハードウェアが書き込むエ
リアとして、ページ１〜７を示し、各ページ１毎に１回
目ハードデータ〜７回目ハードデータを書き込む。ここ
で、各ページのアドレス（１）〜（８）には、それぞれ
時刻データ（１）〜（８）とゲートパルスデータ（１）
〜（８）を書き込む。また、ソフトウェアが書き込むエ
リアとして、ページ８がある。

【００１５】次にゲートパルスのデータをメモリに格納
する動作を簡単に説明する。なお、ソフトウェアデータ
の書き込み動作については省略する。マイクロコンピュ
ータ２１でモニタメモリ２０にデータを書き込むページ
（ページアドレス）を設定し、アドレスデコーダ１７を
介してモニタスタート／ストップレジスタ１５からモニ
タスタート信号を出力する。一方、クロック発生器１４
からはラッチ１１、１２に対して、モニタするゲートパ
ルス幅より十分短い周期（本例では、ＩＧＢＴのスイッ
チング周波数が数ｋＨｚに対してクロック周波数は１．
２５ＭＨｚとする。）のクロックパルスを出力する。ラ
ッチ１１は現サンプリング時刻のパルスデータ（オン・
オフ状態）を、ラッチ１２は前サンプリング時刻のパル
スデータ（オン・オフ状態）をそれぞれ保持し、両者の
出力をコンパレータ１３に入力し、両者の値を比較して
値が一致した時は何も出力せず、モニタを続け、値が一
致しない時は、アドレスカウンタ１８を作動させ、（ペ
ージアドレス＋アドレスカウンタ値）番地にラッチ１１
の出力（現サンプリング時刻のゲートパルスデータ）
と、その時の時刻カウンタ１９が出力する時刻データ
（相対時刻）を、図３に示すように格納した後、再びモ
ニタを続ける。ここで、故障検知がない場合、前に書か
れたデータは上書きされる。

【００１６】モニタメモリ２０に順次格納されたデータ
は、ゲートパルスの点弧状態を示している。したがって
このゲートパルスの状態が異常かどうかを調べればグリ
ッジの検出が可能である。このグリッジ検出処理を行う
マイクロコンピュータのソフトウェアのフローチャート
を図４に示す。マイクロコンピュータ２１はアドレスカ
ウンタ１８をリードして現在モニタを行なっているペー
ジとアドレスを計算する。モニタメモリ２０の該当する
ページとアドレスからパルスデータを順次入力し、予め
設定した禁止組み合わせデータと比較を行い、禁止組み
合わせを検出したら、通常の故障検知の場合と同様に図
３に示す故障発生時のソフトウェアとハードウェアの各
アドレスカウント値と故障発生時刻データを格納してか
ら、所定時間以内にモニタスタート／ストップレジスタ
１５の出力を止めて、ハードウェア及びソフトウェアの
現在のデータの更新を停止する。そして、ページレジス
タ１６の値をインクリメントしてハードウェアがゲート
パルスデータを格納するモニタメモリ２０のページをペ
ージ２（２回目ハードデータ）に切り替え、かつ、ソフ
トウェアの書き込み領域も２回目故障ソフトデータに切
り替えた後に、再びモニタを開始し、更に切り替えたペ
ージに該当するモニタデータの禁止組み合わせの検出動
作を行う。以下同様に、故障検知がある場合には、ペー
ジレジスタ１６の値をインクリメントして、順次ハード
ウェアがゲートパルスデータを格納するモニタメモリ２
０のページをページ３〜７（３〜７回目ハードデータ）
に切り替え、かつ、ソフトウェアの書き込み領域を３〜
７回目故障ソフトデータに切り替えた後に、再びモニタ
動作と禁止組み合わせ検出を開始する。禁止組み合わせ
が検出されなければ、モニタメモリのアドレスをインク
リメントして次のパルスデータの禁止組み合わせ検出を
行う。

【００１７】ゲートパルスの変化周期Δｔを演算する
と、３レベルのインバータの場合、スイッチング周波数
が１ｋＨｚ、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の信号は上下アームで各４信
号（図１は２レベルインバータを示した）あり、各４信
号についてゲートパルス出力とフィードバック信号の変
化点をサンプリングするので、

【００１８】

【数１】

【００１９】となり、正常時には最小で４２μｓ周期で
パルスデータがモニタメモリ２０に格納されることにな
る。また格納されるパルスデータは、三相分で３×４×
２＝２４ビット（３バイト）であらわされるので、ロン
グワードで一括に処理すれば判定は一命令ですみ、処理
は最短時間で処理できる。このように２レベルインバー
タに比べ信号の変化点が多い３レベルインバータにおい
ても、データの判定・検出をソフトウェアで処理しても
充分時間的に間に合う。

【００２０】図５に具体的なゲートパルスデータの組み
合わせ禁止の例を示す。図５では、二つのゲートパルス
１、２と図示しないゲートドライバから帰ってくるスイ
ッチング素子の点弧状態信号であるフィードバック信号
１、２を示している。正常動作ならゲートパルス１とフ
ィードバック信号１及びゲートパルス２とフィードバッ
ク信号２とはほぼ１対１に対応する。実際にはゲートド
ライバでの時間遅れが存在するのでフィードバック信号
が数μｓ遅れる。またゲートパルス１と２、フィードバ
ック信号１と２は同時にオン状態になることはない。ス
イッチング素子が消弧するまでの非ラップ時間は必要で
同時にオフはあり得る。したがって上記以外のゲートパ
ルス同士及びフィードバック信号同士の同時オン、ゲー
トパルスとフィードバック信号の不一致（一方オンにも
かかわらず他方はオフ）等の組み合わせを異常動作とし
て禁止組み合わせとすればよい。

【００２１】ここで、モニタメモリ２０には図中○印で
のパルスの立上がりと立ち下がりのデータの状態がすべ
て格納される。したがってＡ、Ｂに示されるグリッジが
発生した場合、Ａではフィードバックパルス１、２がと
もオンしている禁止組み合わせであり、Ｂではゲートパ
ルスが出力されている期間においてフィードバック信号
がオフしている不一致の禁止組み合わせと判定し、とも
にこの禁止組み合わせ検出後にモニタトリガ信号を発生
させる。このようにフィードバック信号にスイッチング
素子が破壊故障しない程度のグリッジが発生した場合に
も、モニタメモリ２０に格納されたパルスデータの組み
合わせを調べることにより、故障検知信号が動作しない
場合でもゲートパルスの異常を確実に検出できる。

【００２２】モニタ再生時には、通常の故障検知信号で
の再生時と同様に、図３に示すハードウェアデータ〈時
刻データ、ゲートパルスデータ〉と、故障ソフトウェア
データとをリンクして編集し、図５に示す故障データを
正確に表示する。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ゲートパルスを正確に再生すると同時に、故障検知信号
の発生時刻、モニタ信号に異常のあった時刻、そして、
故障検知信号の動作に至らないようなグリッジの発生を
ハードウェア回路を追加せずに見逃すことなく検出で
き、故障の原因を正確にかつ速やかに断定でき、その
後、適切な処置を施すことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態による電力変換器（インバ
ータ）の故障モニタ装置を示す図。

【図２】本発明の故障モニタ装置のハードウェアのブロ
ック図。

【図３】本発明の故障モニタ装置のモニタデータの構造
を示す図。

【図４】本発明の故障モニタ装置のソフトウェアの動作
を示すフローチャート。

【図５】本発明の故障モニタ装置によるゲート信号の禁
止組み合わせ検出の例を示す図。

【符号の説明】

１…故障モニタ装置、２…ＰＷＭ生成部、３…ゲートド
ライブ、４…スイッチング素子、１１、１２…ラッチ、
１３…コンパレータ、１４…クロック発生器、１５…モ
ニタスタート／ストップレジスタ、１６…ページレジス
タ、１８…アドレスカウンタ、１９…時刻カウンタ、２
０…モニタメモリ、２１…マイクロコンピュータ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のスイッチング素子を各々所定のゲ
   ートパルスにより駆動する電力変換器において、前記ゲ
   ートパルスの立上がり、立下がりの変化点（エッジ）を
   検出し、エッジ検出時のゲートパルスのオン・オフ状態
   と検出時の時刻データと、電力変換器の直流入力電流ま
   たは電圧もしくは出力電流等のモニタ信号と故障検知信
   号とからなるその他のモニタデータとを、それぞれ所定
   区間だけモニタデータとして順次メモリに格納し、故障
   事故が起きた際にモニタデータの更新を停止し、前記モ
   ニタデータを再生させるとともに、前記メモリに格納さ
   れたゲートパルスを判定し、前記複数のスイッチング素
   子に対する禁止組み合わせを検出して、前記モニタデー
   タの更新を停止し、前記モニタデータを再生させること
   を特徴とする電力変換器の故障モニタ装置。