JP2012147573A - インバータ装置および電動機ドライブシステム - Google Patents

Abstract

【課題】故障したスイッチング素子を特定するとともに、スイッチング素子の故障を短絡故障か開放故障かの区別まで判定することが可能なインバータ装置を提供する。
【解決手段】このインバータ装置１０１は、直流電圧源１と、スイッチング素子３１〜３６を含み、スイッチング素子３１〜３６のスイッチングをＰＷＭ信号Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗに基づくゲート信号により制御し、直流電圧源１から供給される直流を３相の交流に変換する電力変換部３と、電力変換部３の出力電圧を検出し、電圧検出信号を出力する電圧検出器８と、ＰＷＭ信号Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗまたはゲート信号と、電圧検出信号とに基づいて、スイッチング素子３１〜３６の故障を判定する故障判定部１０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、インバータ装置および電動機ドライブシステムに関する。

従来、スイッチング素子の故障を検出する故障検出部を備えるインバータ装置の一例として特許文献１に記載のインバータ装置が知られている。

この特許文献１には、複数のスイッチング素子を有し３相の電流を出力するインバータ回路と、インバータ回路が出力する３相の電流の電流値を検出する電流検出回路と、電流検出回路によって検出される各相の電流値の大小によってスイッチング素子の故障を判定する故障素子判定手段（故障検出部）とを備えるインバータ装置が開示されている。このインバータ装置では、スイッチング素子が短絡故障する場合においても開放となるように、複数のスイッチング素子のそれぞれに対して直列にヒューズが挿入されている。

特開２００４−１２０８８３号公報

しかしながら、上記インバータ装置は、スイッチング素子が短絡故障した場合にも開放とするためにヒューズが追加で用いられているので、その分インバータ装置の構成が複雑になり、さらに、故障したスイッチング素子は、短絡故障であるのか開放故障であるのかの区別ができない構成になっていた。

この発明の１つの目的は、回路構成を複雑にすることなく、故障したスイッチング素子を特定するとともに、スイッチング素子の故障を短絡故障か開放故障かの区別まで判定することが可能なインバータ装置および電動機ドライブシステムを提供することである。

上記目的を達成するために、この発明の第１の局面によるインバータ装置は、直流電圧源と、複数のスイッチング素子を含み、複数のスイッチング素子をＰＷＭ信号に基づくゲート信号により制御し、直流電圧源から供給される直流を複数の相の交流に変換する電力変換部と、電力変換部の出力電圧を検出し、電圧検出信号を出力する電圧検出器と、ＰＷＭ信号またはゲート信号と、電圧信号とに基づいて、スイッチング素子の故障を判定する故障判定部と、を備える。

この発明の第２の局面による電動機ドライブシステムは、直流電圧源と、複数のスイッチング素子を含み、複数のスイッチング素子をＰＷＭ信号に基づくゲート信号により制御し、直流電圧源から供給される直流を複数の相の交流に変換する電力変換部と、電力変換部の出力電圧を検出し、電圧検出信号を出力する電圧検出器と、ＰＷＭ信号またはゲート信号と、電圧信号とに基づいて、スイッチング素子の故障を判定する故障判定部とが設けられるインバータ装置と、インバータ装置に接続される電動機とを備える。

本発明によれば、故障したスイッチング素子を特定するとともに、スイッチング素子の故障を短絡故障か開放故障かの区別まで判定できる。

本発明の第１実施形態によるインバータ装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態によるインバータ装置の故障判定部のブロック図である。 本発明の第２実施形態によるインバータ装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態によるインバータ装置のゲート信号Ｇｕｐに基づく故障判定の真理値表である。 本発明の第２実施形態によるインバータ装置のゲート信号Ｇｕｎに基づく故障判定の真理値表である。 本発明の第２実施形態によるインバータ装置のゲート信号Ｇｖｐに基づく故障判定の真理値表である。 本発明の第２実施形態によるインバータ装置のゲート信号Ｇｖｎに基づく故障判定の真理値表である。 本発明の第２実施形態によるインバータ装置のゲート信号Ｇｗｐに基づく故障判定の真理値表である。 本発明の第２実施形態によるインバータ装置のゲート信号Ｇｗｎに基づく故障判定の真理値表である。 本発明の変形例によるインバータ装置の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態について図を参照して説明する。なお、同一の構成については同一の符号を付することにより、重複説明を適宜省略する。

（第１実施形態）
まず、図１を参照して、本発明の第１実施形態による電動機ドライブシステム１００が有するインバータ装置１０１の構成について説明する。

図１は、本発明の第１実施形態によるインバータ装置１０１の構成を示すブロック図である。図１に示すように、インバータ装置１０１は、直流電圧源１と、平滑コンデンサ２ａおよび２ｂと、電力変換部３と、電圧指令演算部４と、ＰＷＭ信号発生部５と、ゲートドライブ回路６と、切替スイッチ７ａ（Ｓ１）、７ｂ（Ｓ２）および７ｃ（Ｓ３）と、電圧検出器８と、電流検出器９と、故障判定部１０とを備える。なお、インバータ装置１０１の出力側には、電動機１１が接続されている。

直流電圧源１は、交流電源２１と、複数のダイオードを含む整流回路２２とを備え、電力変換部３に直流電圧を供給する。平滑コンデンサ２ａは、正電極が直流電圧源１の正極側に接続され、負電極が平滑コンデンサ２ｂの正電極に接続されている。また、平滑コンデンサ２ｂの負電極は、直流電圧源１の負極側に接続されている。

平滑コンデンサ２ａおよび２ｂは、直流電圧源１からの直流電圧を平滑し、平滑した直流電圧を電力変換部３へ供給する。

電力変換部３は、６つのスイッチング素子３１〜３６を備える。なお、スイッチング素子３１は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）からなるトランジスタＡｕｐと、ダイオードＢｕｐとを備えて構成されている。同様に、スイッチング素子３２（３３、３４、３５、３６）は、トランジスタＡｕｎ（Ａｖｐ、Ａｖｎ、Ａｗｐ、Ａｗｎ）と、ダイオードＢｕｎ（Ｂｖｐ、Ｂｖｎ、Ｂｗｐ、Ｂｗｎ）とを備えて構成され、後述のゲート信号Ｇｕｐ、Ｇｕｎ、Ｇｖｐ、Ｇｖｎ、Ｇｗｐ、Ｇｗｎにより駆動される。

電力変換部３の上アームを構成するスイッチング素子３１、３３および３５の一方の端子は、直流電圧源１の正極側に接続され、他方の端子は、それぞれ、後述の切替スイッチ７ａ、７ｂおよび７ｃの端子Ａに接続されている。電力変換部３の下アームを構成するスイッチング素子３２、３４および３６の一方の端子は、直流電圧源１の負極側に接続され、他方の端子は、後述の切替スイッチ７ａ、７ｂおよび７ｃの端子Ａに接続されている。電力変換部３は、上記構成により後述の電圧指令Ｖｕ^＊、Ｖｖ^＊、Ｖｗ^＊に基づき３相交流電圧を電動機１１に出力している。

電圧指令演算部４は、図示していないが電動機１１の速度指令、検出速度などを用いて電圧指令Ｖｕ^＊、Ｖｖ^＊、Ｖｗ^＊を演算し、演算した電圧指令をＰＷＭ信号発生部５に出力する。

ＰＷＭ信号発生部５は、３つの比較器４０を備える。ＰＷＭ信号発生部５は、電圧指令Ｖｕ^＊、Ｖｖ^＊、Ｖｗ^＊と搬送波とを比較器４０によって比較することにより、ＰＷＭ信号Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗを発生し、ゲートドライブ回路６および故障判定部１０に出力する。

ゲートドライブ回路６は、ＰＷＭ信号Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗを、上アームを構成するスイッチング素子３１、３３、３５へそれぞれゲート信号Ｇｕｐ、Ｇｖｐ、Ｇｗｐとして出力し、下アームを構成するスイッチング素子３２、３４、３６へは、ＰＷＭ信号Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗの反転信号をそれぞれゲート信号Ｇｕｎ、Ｇｖｎ、Ｇｗｎとして出力する。なお、上記のゲート信号Ｇｕｐ、Ｇｕｎ、Ｇｖｐ、Ｇｖｎ、Ｇｗｐ、Ｇｗｎはそれぞれデッドタイムを考慮した信号とされる。デッドタイムは、上アームを構成するスイッチング素子と下アームを構成するスイッチング素子とが同時にオンするのを回避するために設けられるオン動作を遅らせる時間である。

切替スイッチ７ａ、７ｂおよび７ｃは、その端子Ｂがそれぞれ平滑コンデンサ２ａおよび平滑コンデンサ２ｂ間の中性点Ｎ１、Ｎ２およびＮ３に接続可能に構成され、端子Ｃは電動機１１に接続されている。なお、通常運転時は、切替スイッチ７ａ、７ｂおよび７ｃの端子Ａと端子Ｃが接続された構成となっている。このため、故障判定部１０を通常運転時にのみ故障判定を行うようにして使用する場合は、電動機１１は切替スイッチ７ａ、７ｂおよび７ｃの端子Ａと接続する構成としてもよい。

電圧検出器８は、電力変換部３の出力するＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相電圧を検出し、これらの検出値から絶縁処理、電位変換した信号を生成し、電圧検出信号Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗとして故障判定部１０に出力する。電圧検出器８が検出する各相電圧は、上アームのスイッチング素子がＯＮ、下アームのスイッチング素子がＯＦＦのときには平滑コンデンサ２ａの正極性側の電位、上アームのスイッチング素子がＯＦＦ、下アームのスイッチング素子がＯＮのときには平滑コンデンサ２ｂの負極性側の電位となる。

電流検出器９は、切替スイッチ７ａ、７ｂおよび７ｃの端子Ｃと電動機１１との間に流れる各相電流を検出し、これらの検出値から絶縁処理、電位変換した信号を生成し、電流検出信号Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗとして故障判定部１０に出力する。

故障判定部１０は、電力変換部３を構成するスイッチング素子３１〜３６の故障を判定する機能を有している。図２は、インバータ装置１０１の故障判定部１０のブロック図である。図２に示すように、故障判定部１０は、ＸＯＲ回路４１と、単安定マルチバイブレータ４２と、２つのＡＮＤ回路４３および４４と、カウンタ４５と、２つのラッチ回路４６および４７と、ＯＲ回路４８とを備えている。図示していないが、故障判定部１０は、電圧検出器８から入力される電圧検出信号Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗの極性を判定し、電圧極性信号Ｖｕ＿ｐｏｌ、Ｖｖ＿ｐｏｌ、Ｖｗ＿ｐｏｌを生成する。なお、図２には１相（Ｕ相）分を示している。

次に、故障判定部１０の動作について説明する。ＸＯＲ回路４１は、ＰＷＭ信号発生部５からのＰＷＭ信号Ｓｕ（Ｓｖ、Ｓｗ）と電圧極性信号Ｖｕ＿ｐｏｌ（Ｖｖ＿ｐｏｌ、Ｖｗ＿ｐｏｌ）とを比較し、指令（ＰＷＭ信号Ｓｕ）と実際に出力された電圧の極性（Ｖｕ＿ｐｏｌ）が一致していない場合に、Ｈレベルの信号をＡＮＤ回路４３の一方の入力側と、ＡＮＤ回路４４の一方の入力側とに出力する。ＡＮＤ回路４３は、ＸＯＲ回路４１の出力とクロック信号ＣＬＫのＡＮＤ処理を行い、カウンタ４５に出力する。

カウンタ４５は、入力された信号（ＡＮＤ回路４３の出力）をカウントし、所定時間が経過するとキャリー信号（Ｈレベルの信号）を出力するように構成されている。カウンタ４５は、ゲートドライブ回路６で付加したデッドタイム以上の所定時間（例えば、１０μｓ）がカウントされると、ラッチ回路４６へキャリー信号を出力する。なお、この所定時間は、故障した他のスイッチング素子への二次破壊を防止可能な時間以下に設定している。

ラッチ回路４６は、カウンタ４５からのキャリー信号をＯＲ回路４８の一方の入力側に故障１として出力する構成となっている。故障１は、ＰＷＭ信号Ｓｕ（Ｓｖ、Ｓｗ）が変化したにも関わらず、電圧極性信号Ｖｕ＿ｐｏｌ（Ｖｖ＿ｐｏｌ、Ｖｗ＿ｐｏｌ）が上記所定の時間経過しても変化しない場合に検出される。

単安定マルチバイブレータ４２は、入力される信号が立ち上がる際、または、立ち下がる際に、一定の幅の信号（Ｈレベルの信号）を出力する機能を有する。単安定マルチバイブレータ４２は、電圧極性信号Ｖｕ＿ｐｏｌ（Ｖｖ＿ｐｏｌ、Ｖｗ＿ｐｏｌ）を入力信号とし、この入力信号の立ち上がり、または、立ち下がり時に、一定の幅の信号（Ｈレベルの信号）を、ＡＮＤ回路４４の他方の入力側へ出力する。ＡＮＤ回路４４は、ＸＯＲ回路４１の出力と単安定マルチバイブレータ４２の出力のＡＮＤ処理をし、ラッチ回路４７へ出力する。

ラッチ回路４７は、ＡＮＤ回路４４からの信号をＯＲ回路４８の他方の入力側に故障２として出力する構成となっている。故障２は、ＰＷＭ信号Ｓｕ（Ｓｖ、Ｓｗ）が変化していないにも関わらず、電圧極性信号Ｖｕ＿ｐｏｌ（Ｖｖ＿ｐｏｌ、Ｖｗ＿ｐｏｌ）が変化した場合に検出される。

また、故障判定部１０は、スイッチング素子３１〜３６に故障が発生していない正常時には、以下の動作となる。電圧指令Ｖｕ^＊（Ｖｖ^＊、Ｖｗ^＊）に応じたＰＷＭ信号Ｓｕ（Ｓｖ、Ｓｗ）と電圧極性信号Ｖｕ＿ｐｏｌ（Ｖｖ＿ｐｏｌ、Ｖｗ＿ｐｏｌ）は、デッドタイム期間を除き一致する。一致している期間はＸＯＲ回路４１はＬレベルとなるので、故障は検出されない。デッドタイム期間では、上記した両者は一致しない（ＸＯＲ回路４１はＨレベルとなる）が、カウンタ４５がキャリー信号（Ｈレベルの信号）を出力する前にＸＯＲ回路４１はＬレベルとなるので、これによりＡＮＤ回路４３の出力はＬレベルになるとともに、カウンタ４５は初期化される。

なお、Ｖ相、Ｗ相の故障判定も同様に実施される。

上記の構成により、故障判定部１０は、上記故障１と故障２の少なくともいずれかの故障をＯＲ回路４８の出力により検出し、この検出によりスイッチング素子３１〜３６のいずれかが故障していると判定する。

次に、故障したスイッチング素子の判定及び短絡故障か開放故障かの判定処理について、故障判定部１０が、Ｕ相のスイッチング素子３１または３２が故障したと判定した場合を例に説明する。

（故障したスイッチング素子の判定）
故障判定部１０は、スイッチング素子３１および３２をオフ状態にし、その後スイッチング素子３１のみを所定時間オン状態にするＰＷＭ信号をスイッチング素子３１および３２にそれぞれ出力（故障判定信号Ｊ１を出力）することにより、スイッチング素子３２の短絡故障の判定処理を行う。ここで、故障判定部１０は、スイッチング素子３１のみをオン状態にしたときに、電流検出器９からの電流検出信号Ｉｕが異常電流であるか否かを判定し、電流検出信号Ｉｕが異常電流であると判定された場合、スイッチング素子３２が短絡故障していると判定する。これは、スイッチング素子３１がオン、スイッチング素子３２がオフというタイミングで、平滑コンデンサ２ａおよび２ｂが短絡することにより流れる電流を検出するものである。したがって、異常検出を検出する際の検出レベルは、例えば、電流検出のオフセット誤差以上にしておけばよい。同様に、故障判定部１０は、スイッチング素子３２のみを所定時間オン状態にする出力（故障判定信号Ｊ２を出力）することにより、スイッチング素子３１の短絡故障の判定処理を行う。

なお、上記したＯＲ回路４８の出力により、スイッチング素子３１およびスイッチング素子３２のうちの少なくとも一方が故障していると判定されたにも関わらず、電流検出信号Ｉｕが所定値以上に達しなかった場合には、上記短絡故障の判定処理したスイッチング素子（例えば、スイッチング素子３１）と対となっている逆側のアームのスイッチング素子（スイッチング素子３２）が開放故障していると判定する。

以上のようにして、どのスイッチング素子が故障しているのか、そのスイッチング素子の故障が短絡故障なのか開放故障なのかを判定している。なお、Ｖ相、Ｗ相分についても同様である。

次に、スイッチング素子の故障検出後の動作を説明する。

（故障情報の表示）
インバータ装置１０１は、図示していないが、故障判定部１０によって検出したスイッチング素子の故障情報（どのスイッチング素子が故障し、短絡故障であるか開放故障であるか）を、例えば、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）などの外部機器に出力してＰＣのディスプレイなどに表示可能に構成されている。これにより、故障情報を確実に把握できるので、復旧作業に有用な情報とできる。

（短絡故障時の運転）
インバータ装置１０１は、スイッチング素子３１またはスイッチング素子３２が短絡故障した場合には、切替スイッチ７ａ（７ｂ、７ｃ）は、端子Ｃを端子Ａから端子Ｂに切り替え、つまり、平滑コンデンサ２ａと平滑コンデンサ２ｂとの間の中性点Ｎ１（直流の電圧を等分する点）と、電動機１１とを電気的に接続した状態にし、故障したＵ相の相電圧をゼロとし、残り２相（Ｖ相、Ｗ相）での単相運転１を可能とする。なお、単相運転１では、出力可能な電圧範囲は正常時の半分に制限される。

（開放故障時の運転）
インバータ装置１０１は、スイッチング素子３１またはスイッチング素子３２が開放故障した場合には、切替スイッチ７ａ（７ｂ、７ｃ）は、端子Ｃを端子Ａに接続を保持したまま、開放故障した逆側のアームのゲート信号を常時オフとし、残り２相（Ｖ相、Ｗ相）での単相運転２を可能とする。なお、単相運転２では、出力可能な電流範囲が正常時の１／√３に制限される。なお、単相運転２と判定した際は、（単相故障時の運転）で説明した接続に変更して単相運転１として運転してもよい。

（直流電圧源の遮断時動作）
インバータ装置１０１は、直流電圧源１を遮断あるいは平滑コンデンサ２ａおよび２ｂから切り離す際、電動機１１の回転停止状態で、電流指令あるいは電圧指令をゼロとした運転を行い、平滑コンデンサ２ａ、２ｂに蓄電されている電荷を放電させる処理を実施する。故障判定部１０によってスイッチング素子３１〜３６は故障していないと判定されている場合は、以下の制限された動作を行うことなく、スイッチング素子３１〜３６の全てを使用して、電流指令あるいは電圧指令をゼロとした運転を行って平滑コンデンサ２ａおよび２ｂに蓄積された電荷を放電する。なお、スイッチング素子３１〜３６のうち、上下短絡しない範囲でいくつかのスイッチング素子を使用しないようにして放電処理をしてもよい。

故障判定部１０によってスイッチング素子３１またはスイッチング素子３２の一方が開放故障していると判定されている場合、開放故障しているスイッチング素子（例えば、スイッチング素子３１）と対となっている逆側のアームのスイッチング素子（スイッチング素子３２）はオフ状態を保持し、開放故障しているスイッチング素子（スイッチング素子３１）の相（Ｕ相）と異なる相（Ｖ相、Ｗ相）のスイッチング素子３３〜３６のみを動作させるゲート信号を与えて、電流指令あるいは電圧指令をゼロとした運転を行う。これにより、平滑コンデンサ２ａおよび２ｂに蓄積された電荷を放電する。

また、故障判定部１０によってスイッチング素子３１またはスイッチング素子３２の一方が短絡故障していると判定されている場合、短絡故障しているスイッチング素子（例えば、スイッチング素子３１）と対となっている逆側のアームのスイッチング素子（スイッチング素子３２）はオフ状態を保持し、短絡故障しているスイッチング素子（スイッチング素子３１）の相と異なる相でかつ逆側のアームのスイッチング素子（スイッチング素子３４および３６）のみを動作させるゲート信号を与えて、電流指令あるいは電圧指令をゼロとした運転を行う。これにより、平滑コンデンサ２ａおよび２ｂに蓄積された電荷を放電する。

このようにして、電流指令あるいは電圧指令をゼロとして運転する際、故障したスイッチング素子を用いないで平滑コンデンサ２ａおよび２ｂに蓄積された電荷を放電することができる。

上記説明においては、ＰＷＭ信号Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗを用いて故障判定を行うように説明したが、ゲート信号Ｇｕｐ、Ｇｖｐ、Ｇｗｐ、あるいはＧｕｎ、Ｇｖｎ、Ｇｗｎを用いて故障判定することができる。つまり、ＰＷＭ信号Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗとゲート信号Ｇｕｐ、Ｇｖｐ、Ｇｗｐは、デッドタイムが付加されたことが異なる信号であるから、カウンタ４５からキャリー信号が出力される時間の変更のみで同様に実施できる。ゲート信号Ｇｕｎ、Ｇｖｎ、Ｇｗｎを用いる場合は、信号を反転させ、カウンタ４５からのキャリー信号が出力される時間の変更で実施できる。

第１実施形態に係るインバータ装置１０１およびそれを有する電動機ドライブ装置１００は、以上のように構成されているので、下記の効果を有する。

スイッチング素子３１〜３６の短絡故障を、ヒューズを用いることなく判定できるので、インバータ装置１０１の回路を簡単に構成できる。さらに、故障したスイッチング素子を特定するとともに、スイッチング素子の故障を短絡故障か開放故障かの区別まで判定できる。また、スイッチング素子が故障してから検出までが非常に短くできるので電力変換部の二次破壊を防止できる。

さらに、スイッチング素子が故障していても直流電圧源を遮断する際、平滑コンデンサに蓄積された電荷の放電処理を確実に行うことができ、故障したスイッチング素子の交換処理を安全に実施できる。また、検出したスイッチング素子の故障情報（どのスイッチング素子が故障し、短絡故障であるか開放故障であるか）を確実に把握できるので、スイッチング素子の交換といった復旧作業を安全に確実に実施できる。

このように、故障したスイッチング素子を用いないようにして、応急運転を簡単に行うことができる。正常時に比べてドライブ性能が落ちても運転を継続することが必要な際には有効である。

（第２実施形態）
次に、図３を参照して、第２実施形態のインバータ装置１０２について説明する。図３は、本発明の第２実施形態によるインバータ装置１０２の構成を示すブロック図である。

第２実施形態に係るインバータ装置１０２は、故障判定部１０に代えて故障判定部５３を備えている。以下では、説明の便宜上、第１実施形態と重複説明を適宜省略し、異なる点を中心に説明する。

電力変換部３は、第１実施形態と同様に、電圧指令Ｖｕ^＊、Ｖｖ^＊、Ｖｗ^＊をＰＷＭ制御により直流電圧源１からの直流電圧を交流に変換し、電動機１１に出力する。この際、ゲートドライブ回路６は、ゲート信号Ｇｕｐ、Ｇｕｎ、Ｇｖｐ、Ｇｖｎ、Ｇｗｐ、Ｇｗｎを、それぞれ、スイッチング素子３１、３２、３３、３４、３５、３６および故障判定部５３に出力するように構成されている。なお、電圧検出器８、電流検出器９は、第１実施形態と同様にして、それぞれ電圧検出信号Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗ、電流検出信号Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを故障判定部５３に出力するように構成されている。

故障判定部５３は、電圧検出信号Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗの極性を判定し、電圧極性信号Ｖｕ＿ｐｏｌ、Ｖｖ＿ｐｏｌ、Ｖｗ＿ｐｏｌを生成する。また、電流検出信号Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗについても同様にその極性を判定し、電流極性信号Ｉｕ＿ｄｉｒ、Ｉｖ＿ｄｉｒ、Ｉｗ＿ｄｉｒを生成する。さらに、故障判定部５３は、ゲート信号Ｇｕｐ、Ｇｕｎ、Ｇｖｐ、Ｇｖｎ、Ｇｗｐ、Ｇｗｎと、電圧極性信号Ｖｕ＿ｐｏｌ、Ｖｖ＿ｐｏｌ、Ｖｗ＿ｐｏｌと、電流極性信号Ｉｕ＿ｄｉｒ、Ｉｖ＿ｄｉｒ、Ｉｗ＿ｄｉｒを用い、図４〜図９に示す真理値表に基づいて、第１実施形態と同様にスイッチング素子３１〜３６の故障情報を判定している。なお、図４〜図９に示す真理値表は、正極性の場合をＨ、負極性の場合をＬと表記している。

次に、図４を参照して、故障判定部５３が行う上アームのスイッチング素子３１のゲート信号Ｇｕｐを用いた故障判定動作について説明する。図４は、インバータ装置１０２のゲート信号Ｇｕｐに基づく故障判定の真理値表である。

（正常時）
故障判定部５３は、スイッチング素子３１にＨレベルのゲート信号Ｇｕｐが供給され、つまり、スイッチング素子３１にオン指令が与えられ、Ｕ相の電圧極性信号Ｖｕ＿ｐｏｌが正極性であれば、図４に示す真理値表に基づいて、スイッチング素子３１は故障していないと判定する。スイッチング素子３１にＬレベルのゲート信号Ｇｕｐが供給され、Ｕ相の電圧極性信号Ｖｕ＿ｐｏｌが負極性になった場合も同様である。

（ゲート信号がＨレベルの場合の故障判定時）
故障判定部５３は、スイッチング素子３１にＨレベルのゲート信号Ｇｕｐが供給され、つまり、スイッチング素子３１にオン指令が与えられたにも関わらず、Ｕ相の電圧極性信号Ｖｕ＿ｐｏｌが負極性であれば、故障していると判定する。

故障判定部５３は、Ｕ相の電流極性信号Ｉｕ＿ｄｉｒが正極性である場合は、スイッチング素子３１が開放故障していると判定する。この判定がなされると、切替スイッチ７ａ（７ｂ、７ｃ）は、端子Ｃを端子Ａに接続したまま、スイッチング素子３２のゲート信号Ｇｕｎを常時Ｌレベル（オフ）とし、残り２相（Ｖ相、Ｗ相）での単相運転２を可能とする。

また、故障判定部５３は、Ｕ相の電流極性信号Ｉｕ＿ｄｉｒが負極性である場合は、スイッチング素子３１が開放故障しているとともに、スイッチング素子３２が短絡故障していると判定する。この判定がなされると、切替スイッチ７ａ（７ｂ、７ｃ）は、端子Ｃを端子Ａから端子Ｂに接続を切り替え、つまり、平滑コンデンサ２ａと平滑コンデンサ２ｂとの間の中性点Ｎ１（直流の電圧を等分する点）と、電動機１１とを電気的に接続した状態に切り替えることで故障したＵ相の相電圧をゼロとし、残り２相（Ｖ相、Ｗ相）での単相運転１を可能とする。

（ゲート信号がＬレベルの場合の故障判定時）
故障判定部５３は、スイッチング素子３１にＬレベルのゲート信号Ｇｕｐが供給され、つまり、スイッチング素子３１にオフ指令が与えられたにも関わらず、Ｕ相の電圧極性信号Ｖｕ＿ｐｏｌが正極性であれば、故障していると判定をする。

故障判定部５３は、Ｕ相の電流極性信号Ｉｕ＿ｄｉｒが正極性である場合は、スイッチング素子３１が短絡故障していると判定する。この判定がなされると、切替スイッチ７ａ（７ｂ、７ｃ）は、端子Ｃを端子Ａから端子Ｂに接続を切り替え、つまり、平滑コンデンサ２ａと平滑コンデンサ２ｂとの間の中性点Ｎ１（直流の電圧を等分する点）と、電動機１１とを電気的に接続した状態に切り替えることで故障したＵ相の相電圧をゼロとし、残り２相（Ｖ相、Ｗ相）での単相運転１を可能とする。

また、故障判定部５３は、Ｕ相の電流極性信号Ｉｕ＿ｄｉｒが負極性である場合は、スイッチング素子３１のダイオードＢｕｐ（図３参照）に電流が流れている状態と判断し、スイッチング素子３２が開放故障していると判定する。この判定がなされると、切替スイッチ７ａ（７ｂ、７ｃ）は、端子Ｃを端子Ａに接続したまま、スイッチング素子３２のゲート信号Ｇｕｎを常時Ｌレベル（オフ）とし、残り２相（Ｖ相、Ｗ相）での単相運転２を可能とする。

次に、図５を参照して、故障判定部５３が行う下アームのスイッチング素子３２のゲート信号Ｇｕｎを用いた故障判定動作について説明する。図５は、インバータ装置１０２のゲート信号Ｇｕｎに基づく故障判定の真理値表である。

（正常時）
故障判定部５３は、スイッチング素子３２にＨレベルのゲート信号Ｇｕｎが供給され、つまり、スイッチング素子３２にオン指令が与えられ、Ｕ相の電圧極性信号Ｖｕ＿ｐｏｌが負極性であれば、図５に示す真理値表に基づいて、スイッチング素子３２は故障していないと判定する。スイッチング素子３２にＬレベルのゲート信号Ｇｕｎが供給され、Ｕ相の電圧極性信号Ｖｕ＿ｐｏｌが正極性になった場合も同様である。

（ゲート信号がＨレベルの場合の故障判定時）
故障判定部５３は、スイッチング素子３２にＨレベルのゲート信号Ｇｕｎが供給され、つまり、スイッチング素子３２にオン信号が与えられたにも関わらず、Ｕ相の電圧極性信号Ｖｕ＿ｐｏｌが正極性であれば、故障していると判定をする。

故障判定部５３は、Ｕ相の電流極性信号Ｉｕ＿ｄｉｒが正極性である場合、スイッチング素子３１が短絡故障しているとともに、スイッチング素子３２が開放故障していると判定する。この判定がなされると、切替スイッチ７ａ（７ｂ、７ｃ）は、端子Ｃを端子Ａから端子Ｂに接続を切り替え、つまり、平滑コンデンサ２ａと平滑コンデンサ２ｂとの間の中性点Ｎ１（直流の電圧を等分する点）と、電動機１１とを電気的に接続した状態に切り替えることで故障したＵ相の相電圧をゼロとし、残り２相（Ｖ相、Ｗ相）での単相運転１を可能とする。

また、故障判定部５３は、Ｕ相の電流極性信号Ｉｕ＿ｄｉｒが負極性である場合、スイッチング素子３２が開放故障していると判定する。この判定がなされると、切替スイッチ７ａ（７ｂ、７ｃ）は、端子Ｃを端子Ａに接続したまま、スイッチング素子３１のゲート信号Ｇｕｐを常時Ｌレベル（オフ）とし、残り２相（Ｖ相、Ｗ相）での単相運転２を可能とする。

（ゲート信号がＬレベルの場合の故障判定時）
故障判定部５３は、スイッチング素子３２にＬレベルのゲート信号Ｇｕｎが供給され、つまり、スイッチング素子３２にオフ指令が与えられたにも関わらず、Ｕ相の電圧極性信号Ｖｕ＿ｐｏｌが負極性である場合、故障していると判定する。

故障判定部５３は、Ｕ相の電流極性信号Ｉｕ＿ｄｉｒが正極性である場合、スイッチング素子３２が開放故障していると判定する。この判定がなされると、切替スイッチ７ａ（７ｂ、７ｃ）は、端子Ｃを端子Ａに接続したまま、スイッチング素子３１のゲート信号Ｇｕｐを常時Ｌレベル（オフ）とし、残り２相（Ｖ相、Ｗ相）での単相運転２を可能とする。

また、故障判定部５３は、Ｕ相の電流極性信号Ｉｕ＿ｄｉｒが負極性である場合、スイッチング素子３２が短絡故障していると判定する。この判定がなされると、切替スイッチ７ａ（７ｂ、７ｃ）は、端子Ｃを端子Ａから端子Ｂに接続を切り替え、つまり、平滑コンデンサ２ａと平滑コンデンサ２ｂとの間の中性点Ｎ１（直流の電圧を等分する点）と、電動機１１とを電気的に接続した状態に切り替えることで故障したＵ相の相電圧をゼロとし、残り２相（Ｖ相、Ｗ相）での単相運転１を可能とする。

なお、単相運転１、２における運転時の制限は第１実施形態と同様である。

なお、故障判定部５３のゲート信号Ｇｖｐを用いた故障判定動作（図６参照）、および、ゲート信号Ｇｗｐを用いた故障判定動作（図８参照）は、上記ゲート信号Ｇｕｐを用いた故障判定動作と同様である。また、故障判定部５３のゲート信号Ｇｖｎを用いた故障判定動作（図７参照）、および、ゲート信号Ｇｗｎを用いた故障判定動作（図９参照）は、上記ゲート信号Ｇｕｎを用いた故障判定動作と同様である。また、直流電圧源１の遮断時の動作は、上記第１実施形態と同様である。

このように、第２実施形態では故障の種類判定を、第１実施形態のように付加的な動作ではなく、ゲート信号、電圧極性信号および電流極性信号に基づいて実施することができる。

なお、第２実施形態の効果は、上記第１実施形態と同様である。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

例えば、上記第１実施形態での故障検出と、上記第２実施形態での故障の種類判定を組み合わせて実施してもよいし、故障検出処理（故障判定処理の一部またはすべて）はハードウェア、ソフトウェアのどちらの処理で行っても構わない。

また、上記第１および第２実施形態では、直流電圧源が、交流電源を整流回路により整流することにより直流を供給する例を示したが、本発明はこれに限らず、整流回路に代えてＰＷＭコンバータであってもよい。さらに、例えば、図１０に示す変形例のインバータ装置１０３のように、バッテリーなどの直流電源を直流電圧源１ａとして用いてもよい。

また、故障判定部１０または５３により、スイッチング素子の故障が判定された場合、インバータ装置はベースブロック処理にて運転を停止し、その後故障判定や、切替スイッチ７ａ、７ｂ、７ｃの切り替えをしてもよい。なお、切替スイッチ７ａ、７ｂ、７ｃの切替は、自動処理であっても人手を介した処理であってもよい。さらには、切替スイッチ７ａ、７ｂ、７ｃを備えず、上記で説明した接続が配線等の変更で実施できるように構成されていれば、本発明は実施できるのは言うまでもない。

また、上記第１および第２実施形態では、３相の交流電源を用いて３相の交流を出力する例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明は、３相以外の相数の交流電源を用いるインバータ装置に適用可能であるとともに、３相以外の相数の交流を出力するインバータ装置にも適用可能である。

また、上記第１および第２実施形態では、スイッチング素子としてＩＧＢＴを含むスイッチング素子を用いる例を示したが、本発明はこれに限らない。例えば、スイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を含むスイッチング素子を用いてもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、電動機を負荷としてインバータ装置に接続する例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明では、電動機以外の負荷をインバータ装置に接続してもよい。

１、１ａ 直流電圧源
２ａ、２ｂ 平滑コンデンサ
３ 電力変換部
８ 電圧検出器
９ 電流検出器
１０、５３ 故障判定部
１１ 電動機
３１、３２、３３、３４、３５、３６ スイッチング素子
１００ 電動機ドライブシステム
１０１、１０２、１０３ インバータ装置

Claims (13)

1. 直流電圧源と、
   複数のスイッチング素子を含み、前記複数のスイッチング素子をＰＷＭ信号に基づくゲート信号により制御し、前記直流電圧源から供給される直流を複数の相の交流に変換する電力変換部と、
   前記電力変換部の出力電圧を検出し、電圧検出信号を出力する電圧検出器と、
   前記ＰＷＭ信号または前記ゲート信号と、前記電圧検出信号とに基づいて、前記スイッチング素子の故障を判定する故障判定部と、を備えるインバータ装置。
2. 前記故障判定部は、前記電圧検出信号が、前記ＰＷＭ信号または前記ゲート信号に基づいて前記スイッチング素子がスイッチングされることにより出力されるべき電圧に対応していない場合に、前記スイッチング素子が故障していると判定するように構成されている、請求項１に記載のインバータ装置。
3. 前記複数のスイッチング素子は、前記ＰＷＭ信号にデッドタイムを含めて生成されたゲート信号によって駆動されるように構成され、
   前記故障判定部は、前記電圧検出信号と前記ＰＷＭ信号の極性が一致していない時間が、前記デッドタイムの時間以上の所定の時間より大きい場合に、前記スイッチング素子が故障していると判定するように構成されている、請求項２に記載のインバータ装置。
4. 前記故障判定部は、前記ＰＷＭ信号が変化しない状態で、前記電圧検出信号の極性が変化した場合に、前記スイッチング素子が故障していると判定するように構成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のインバータ装置。
5. 前記電力変換部の出力電流を検出し、電流検出信号を出力する電流検出器をさらに備え、
   前記故障判定部は、少なくとも前記電流検出信号に基づいて、前記スイッチング素子が短絡故障しているか、または、開放故障しているかを判定するように構成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載のインバータ装置。
6. 前記故障判定部は、前記電流検出信号および前記電圧検出信号の極性に基づいて、前記スイッチング素子が短絡故障しているか、または、開放故障しているかを判定するように構成されている、請求項５に記載のインバータ装置。
7. 前記直流電圧源と前記電力変換部との間に設けられ、前記電力変換部に入力される直流を平滑するための平滑コンデンサをさらに備え、
   前記直流電圧源を遮断する際に、前記故障判定部によってスイッチング素子が故障していないと判定された場合、前記スイッチング素子の全てを用いて、前記平滑コンデンサに蓄積された電荷を放電するように構成されている、請求項５または６に記載のインバータ装置。
8. 前記直流電圧源と前記電力変換部との間に設けられ、前記電力変換部に入力される直流を平滑するための平滑コンデンサをさらに備え、
   前記直流電圧源を遮断する際に、前記故障判定部によってスイッチング素子が開放故障していると判定された場合、前記開放故障しているスイッチング素子と対となる逆側のアームのスイッチング素子をオフ状態に保持し、前記開放故障しているスイッチング素子の相と異なる相のスイッチング素子を用いて前記平滑コンデンサに蓄積された電荷を放電するように構成されている、請求項５または６に記載のインバータ装置。
9. 前記直流電圧源と前記電力変換部との間に設けられ、前記電力変換部に入力される直流を平滑するための平滑コンデンサをさらに備え、
   前記直流電圧源を遮断する際に、前記故障判定部によってスイッチング素子が短絡故障していると判定された場合、前記短絡故障しているスイッチング素子と対となる逆側のアームのスイッチング素子をオフ状態に保持し、前記短絡故障しているスイッチング素子の相と異なる相でかつ逆側のアームのスイッチング素子を用いて、前記平滑コンデンサに蓄積された電荷を放電するように構成されている、請求項５または６に記載のインバータ装置。
10. 前記故障判定部によって故障が検出された前記スイッチング素子を特定する情報と、前記スイッチング素子の故障の種類を出力可能に構成されている、請求項５〜９のいずれか１項に記載のインバータ装置。
11. 前記故障判定部により前記スイッチング素子の故障が検出された場合に、前記故障が検出された相のアームの出力点を直流の電圧を略等分する中性点に接続して、前記中性点に接続された相の相電圧をゼロにするとともに、前記故障が検出された相以外のスイッチング素子により負荷を運転可能に構成されている、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のインバータ装置。
12. 前記故障判定部により前記スイッチング素子の故障が短絡故障として検出された場合に、前記短絡故障したスイッチング素子と逆のアームのゲート信号を常時Ｌレベルとして、前記故障が検出された相以外のスイッチング素子により負荷を運転可能に構成されている、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のインバータ装置。
13. 直流電圧源と、
    複数のスイッチング素子を含み、前記複数のスイッチング素子をＰＷＭ信号に基づくゲート信号により制御し、前記直流電圧源から供給される直流を複数の相の交流に変換する電力変換部と、前記電力変換部の出力電圧を検出し、電圧検出信号を出力する電圧検出器と、前記ＰＷＭ信号または前記ゲート信号と、前記電圧検出信号とに基づいて、前記スイッチング素子の故障を判定する故障判定部とを備えるインバータ装置と、
    前記インバータ装置に接続される電動機と、を備える電動機ドライブシステム。

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