JP2013141396A - インバータのスイッチング素子故障検出装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ハードウェアの追加なしに、簡単にインバータ内部のスイッチング素子の故障を検出するためのスイッチング素子故障検出装置及び方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の方法は、モーターの同期角情報から所定レッグのスイッチング素子を介してモーターに入力される相電流の最大値と最小値を検出して、相電流の非対称率によってレッグのスイッチング素子の故障を検出する。
【選択図】図３

Description

本発明は、インバータのスイッチング素子故障検出装置及び方法に関するものである。

一般に、インバータは、モーター制御に用いられる装置である。図１は、一般のインバータの概略図である。

図面に示したように、一般のインバータ１００は、モーター２００を制御するためのものであり、入力される３相交流電源を直流電源に変換する整流部１１０と、整流部１１０から出力される直流電圧の脈動成分を平滑化する平滑部１２０と、平滑部１２０から出力される直流電圧を交流電圧に変換して、モーター２００に提供するインバータ部１３０で構成される。

このようなインバータ１００において、整流部１１０は、ダイオード素子がブリッジ（ｂｒｉｄｇｅ）結合して構成され、平滑部１２０は、キャパシターで構成され、インバータ部１３０は、複数のスイッチング素子を連結して用いられる。近年、このようなスイッチング素子として特性が優秀な絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、ＩＧＢＴ）が多く用いられる。

前述のように、インバータ１００は、種々の素子が複雑に構成されているため、インバータ１００に異常が生じると、これを目視で確認できなく、故障部位を検出するのは困難である。

特に、インバータ１００において故障頻度が最も高いのが、インバータ部１３０のスイッチング素子であるが、従来はスイッチング素子の故障をチェックするために、マルチテスターを利用して、各スイッチング素子の抵抗を測定して、故障可否を判断しなければならなかったため、故障検出に時間が非常に長く要する問題があった。

このような問題を解決するために、図２のような故障検出装置が開示されている。

図２は、従来のスイッチング素子故障検出装置の構成図である。
図面に示したように、従来のスイッチング素子故障検出装置３００をインバータ１００に連結して、インバータ１００の入力端において入力電圧が印加されないように遮断する。出力端もモーター２００との連結が遮断されている。

前述のような従来のスイッチング素子故障検出装置３００は、スイッチング素子のＩＧＢＴが過電流等によって故障が発生する場合、先にＩＧＢＴ内部回路は短絡現象が生じ、過電流によってオープン現象が発生する現象に着眼したもので、ＩＧＢＴにオープン現象が発生する場合を検出する。

即ち、ゲートパルス発生部３２０が、各ＩＧＢＴ素子にゲートパルスを順に印加して、該当ＩＧＢＴ素子を介して出力される相電圧がハイ（ＨＩＧＨ）でない場合、該当ＩＧＢＴに故障が発生したと判断する。

しかし、従来スイッチング素子故障検出装置は、このような判断のためにインバータ１００及びモーター２００を必ず停止しなければならないため、故障検出のための時間が別途掛かり、スイッチング素子の故障検出のための別途のハードウェアが必要になるため、システムの大きさが大きくなる問題がある。

前述の問題を解決するために、スイッチング素子の故障検出をソフトウェアで実現しようとする試みがある。

これは、図１のようにインバータ１００に、図示しないモーター２００から出力される出力電流を感知する電流センサーにおいて、周期毎に出力電流を測定して、これに対する平均を求めて、平均が０の場合には、スイッチング素子が正常であると判断し、平均が０でない場合には、スイッチング素子が故障であると判断する。

しかし、前述のような従来技術も、一周期の交流電流（正弦波形）の複数のポイントで出力電流をセンシングして、これらの平均を求める方法を取っているため、故障検出に時間を多く要する問題点がある。

本発明が解決しようとする技術的課題は、ハードウェアの追加なしに、簡単にインバータ内部のスイッチング素子の故障を検出するためのスイッチング素子故障検出装置及び方法を提供することである。

前述の技術的課題を解決するために、本発明の一実施形態の故障検出装置は、モーターの同期角を測定する角度センサー、インバータ部の所定レッグのスイッチング素子を介してモーターに入力される相電流を測定する電流センサー、及び角度センサーの同期角情報を利用して、相電流の非対称率を判断して、スイッチング素子の故障を判断する制御部を含んでもよい。

本発明の一実施形態において、制御部は、同期角を利用して、相電流の最大値と最小値を検出することができる。

本発明の一実施形態において、相電流の最大値と最小値を格納する格納部をさらに含んでもよい。

本発明の一実施形態において、制御部は、最大値と最小値との差が所定レベルより実質的に小さい場合、該当レッグのスイッチング素子を故障と定めてもよい。

また、前述の技術的課題を解決するために、本発明の一実施形態の故障検出方法は、モーターの同期角情報からインバータ部の所定レッグのスイッチング素子を介してモーターに入力される相電流の最大値と最小値を検出する段階、及び相電流の非対称率によってレッグのスイッチング素子の故障を検出する段階を含んでもよい。

本発明の一実施形態において、相電流の最大値と最小値を格納する段階をさらに含んでもよい。

本発明の一実施形態において、検出する段階は、相電流の最大値と最小値との差が所定レベルより実質的に小さい場合には、レッグのスイッチング素子が故障したと判断してもよい。

本発明の一実施形態において、インバータ部のスイッチング素子の故障を検出したことをディスプレーする段階をさらに含んでもよい。

本発明により、ハードウェアを追加せず、インバータ部のスイッチング素子に故障が発生した場合、速かに措置を講じることができる。

一般的なインバータの概略図である。 従来のスイッチング素子故障検出装置の構成図である。 本発明に係るスイッチング素子故障検出装置の一実施形態構成図である。 インバータのスイッチング素子が正常状態の場合、モーターに入力される相電流の一例示図である。 インバータのスイッチング素子が故障状態の場合、モーターに入力される相電流の一例示図である。 本発明に係るスイッチング素子故障検出方法を説明するための一実施形態のフローチャートである。

本発明は、多様な変更を加えることができ、多様な実施形態を有することができ、特定実施形態を図面に例示して詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の実施形態に対して限定するものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更、均等物乃至代替物を含むものと理解されなければならない。

モーターの駆動システムの故障発生の原因は種々のものがあり、特に電気自動車のようにモーター駆動システムが他の部品と連携して動作する場合、故障原因を明らかにする過程がより一層複雑になるため、故障を正確に糾明し難しい。

さらに、インバータ部のスイッチング素子は、インバータ内部に位置するだけでなく、故障時に外観上表示されない場合もあるので、その故障元の判断が難しい。

本発明によると、スイッチング素子の故障を選別的に簡単に判断することができる。

以下、添付図面を参照して本発明に係る好ましい一実施形態について詳細に説明する。
図３は、本発明に係るスイッチング素子故障検出装置の一実施形態構成図である。
図面に示したように、本発明の故障検出装置は、電流センサー４０、角度センサー５０、制御部６０及び格納部７０を含む。

本発明の故障検出装置は、整流部１０、平滑部２０、及びインバータ部３０を含むインバータシステムにおいて、インバータ部３０のスイッチング素子の故障を検出する。

整流部１０が、入力される３相交流電源を直流電源に変換し、平滑部２０は、直流電圧の脈動成分を平滑化し、インバータ部３０が、平滑部２０から出力される直流電圧を３相の交流電圧に変換して、モーター１に提供する。

インバータ部３０のスイッチング素子は、一般にＩＧＢＴが用いられていることは、前述した通りであるが、本発明が適用されるスイッチング素子は、これに限定されるものではない。

電流センサー４０は、モーター１に入力される相電流を測定する。インバータ部３０でモーター１に提供される電圧は交流電圧であり、正弦波（ｓｉｎｅ ｗａｖｅ）である。従って、電流センサー４０が測定する相電流も正弦波形である。また、角度センサー５０は、モーター１の同期角を測定する。

制御部６０は、電流センサー４０からモーター１に所定レッグ（ｌｅｇ）のスイッチング素子を介して入力される相電流を受信し、角度センサー５０からモーター１の同期角情報を受信して、該当レッグのスイッチング素子を介して入力される相電流の非対称率を判断する。

即ち、制御部６０は、同期角情報から相電流の最大値を検出し、また、同期角情報から相電流の最小値を検出する。このように検出した最大値及び最小値を、制御部６０は格納部７０に格納することができる。これは、相電流の最大値と最小値が同時に検出されるものではないからである。

以後、格納部６０は、最大値と最小値との差を求めて、該当差が所定レベル以上であれば、該当レッグのスイッチング素子が適切に動作すると判断する。

一方、所定レベルより小さければ、該当レッグのスイッチング素子が適切に動作しなくなり、相電流の非対称が発生したと判断して、該当レッグのスイッチング素子の故障を検出することとなる。

この時、所定のレベルは、相電流の非対称を判断するための値であって、モーター１の種類と運転条件に応じて選ばれる。

図４Ａは、インバータのスイッチング素子が正常状態の場合、該当スイッチング素子を介してモーターに入力される相電流の一例示図で、図４Ｂは、インバータのスイッチング素子が故障状態の場合、該当スイッチング素子を介してモーターに入力される相電流の一例示図である。

一般に、図４Ａのようにスイッチング素子が正常状態の場合、スイッチング素子を介してモーター１に入力される相電流は、正弦波であるため、モーター１の同期角が９０°の時最大値Ａを出力し、２７０°の時最小値Ｂを出力し、ＡとＢは対称であることが分かる。

しかし、図４Ｂのようにスイッチング素子が故障状態の場合、そのスイッチング素子を介してモーター１に入力される相電流は、非対称に変形される。例えば、同期角が２７０°の場合にも最小値Ｂよりその大きさが大きいＣが出力されることがある。図示はしないが、これは逆にも説明が可能であり、同期角が９０°の場合、最大値Ａよりその大きさが小さい値が出力されることがある。

これは、スイッチング素子に故障が発生した場合、スイッチング素子がオープン（ｏｐｅｎ）となり、該当スイッチング素子を通る電流は、最大絶対値よりその大きさが小さくなるためである。

従って、本発明の制御部６０は、正常状態での最大値と最小値との差が、所定値より小さくなると、正弦波の対称が非対称に変形されたと判断して、該当レッグのスイッチング素子の故障を検出するものである。

図５は、本発明に係るスイッチング素子故障検出方法を説明するための一実施形態のフロ−チャートである。

図面に示したように、本発明の故障検出方法において、制御部６０は角度センサー５０が検出したモーター１の同期角情報を受信し（Ｓ５１）、電流センサー４０が検出したモーター１に入力される所定レッグのスイッチング素子の相電流を受信する（Ｓ５２）。

制御部６０の同期角情報と相電流の受信は、その前後において同期角情報を先に受信すると説明されているが、同時に受信することも可能であり、または相電流を先に受信することも可能である。

制御部６０は、このように受信したモーター１の同期角情報を利用して、相電流の最大値を検出して（Ｓ５３）、また相電流の最小値を検出する（Ｓ５４）。検出された相電流の最大値と最小値を格納部７０に格納してもよい（図示せず）。

以後、最大値と最小値との差が、所定レベル以上の場合には（Ｓ５５）、該当レッグのスイッチング素子が正常状態であると判断する。

しかし、最大値と最小値との差が、所定レベルより小さい場合には（Ｓ５５）、制御部６０は、該当レッグのスイッチング素子に故障があると判断して（Ｓ５６）、これをユーザに所定方式で（ディスプレー等）知らせることができる（図示せず）。

このように、本発明によると、ハードウェアの変更や追加なしに、簡単に相電流の非対称からスイッチング素子の故障を検出して、インバータの故障発生時に速かに措置を講じることができる。

以上、代表的な実施形態を持って本発明を詳細に説明したが、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者は、上述した実施形態に対し本発明の範疇から逸脱しない限り、多様な変形が可能であることを理解するであろう。従って、本発明の権利範囲は、説明された実施形態に限定されて定まってはならず、後述する特許請求範囲だけでなく、この特許請求範囲と均等物等によって定まらなければならない。

１、２００ モーター
１００ インバータ
１０、１１０ 整流部
２０、１２０ 平滑部
３０、１３０ インバータ部
３００ 故障検出装置
３２０ ゲートパルス発生部
３３０ 比較判断部
３４０ 故障検出表示部
４０ 電流センサー
５０ 角度センサー
６０ 制御部
７０ 格納部

Claims (8)

1. モーターの同期角を測定する角度センサー、
   インバータ部の所定レッグのスイッチング素子を介して前記モーターに入力される相電流を測定する電流センサー、及び
   前記角度センサーの同期角情報を利用して前記相電流の非対称率を判断して、前記スイッチング素子の故障を判断する制御部を含むことを特徴とする、故障検出装置。
2. 前記制御部は、前記同期角を利用して前記相電流の最大値と最小値を検出する、請求項１に記載の故障検出装置。
3. 前記相電流の最大値と最小値を格納する格納部をさらに含む、請求項２に記載の故障検出装置。
4. 前記制御部は、最大値と最小値との差が所定レベルより実質的に小さい場合、該当レッグのスイッチング素子を故障と定める、請求項２または３に記載の故障検出装置。
5. モーターの同期角情報からインバータ部の所定レッグのスイッチング素子を介して前記モーターに入力される相電流の最大値と最小値を検出する段階、及び
   前記相電流の非対称率によって前記レッグのスイッチング素子の故障を検出する段階を含むことを特徴とする、故障検出方法。
6. 前記相電流の最大値と最小値を格納する段階をさらに含む、請求項５に記載の故障検出方法。
7. 前記検出する段階は、
   前記相電流の最大値と最小値との差が所定レベルより実質的に小さい場合には、前記レッグのスイッチング素子が故障したと判断する、請求項５または６に記載の故障検出方法。
8. 前記インバータ部のスイッチング素子の故障を検出したことをディスプレーする段階をさらに含む、請求項５〜７のいずれか一項に記載の故障検出方法。

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