JP2015006060A

JP2015006060A - チョッパ回路の故障検出装置

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Publication number: JP2015006060A
Application number: JP2013129770A
Authority: JP
Inventors: 田村　浩明; Hiroaki Tamura; 浩明田村; 正成大浦; Masashige Oura
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2013-06-20
Filing date: 2013-06-20
Publication date: 2015-01-08
Anticipated expiration: 2033-06-20
Also published as: JP6179216B2

Abstract

【課題】通流率に応じて半導体スイッチング素子のオン・オフ制御が行われるチョッパ回路において、故障を検出する際の誤検出に対して的確な対策を講じる。
【解決手段】半導体スイッチング素子のオン・オフ制御に応じて出力されるパルス列のチョッパ回路電圧Ｅｏから半導体スイッチング素子のオン・オフ状態判別結果を出力し、オン・オフ周期より長い設定時間が経過しても電圧Ｅｏに跳躍的変化が生じないことを条件にスイッチング喪失信号を発生させる。さらに、通流率が予め設定された最大値以下である場合には第１の出力信号を発生させ、予め設定された最小値以上である場合には第２の出力信号を発生させる。判別結果がオンのときはスイッチング喪失信号と第１の出力信号との同時発生を条件に故障信号「短絡故障」を生成し、判別結果がオフのときはスイッチング喪失信号と第２の出力信号との同時発生を条件に故障信号「開放故障」を生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、制御偏差に応じて動作する調節器による通流率指令信号に従って半導体スイッチング素子のオン・オフ制御が行われるチョッパ回路の故障検出装置に関する。

このようなチョッパ回路においては、通常運転中に、チョッパ回路自体又はその付属の周辺装置における何らかの異常に起因して、チョッパ回路を構成する半導体スイッチング素子が短絡故障又は開放故障を起こすことが有り得る。このような故障を確実に検出して、チョッパ回路の運転停止等により事故の拡大を阻止しなければならない。その際に、故障の誤検出に基づくチョッパ回路の無駄な運転停止等は回避すべきである。

チョッパ回路において、半導体スイッチング素子のオン・オフ制御に応じて出力されるパルス列のチョッパ回路電圧を検出し、半導体スイッチング素子のオン期間およびオフ期間を該素子の駆動制御信号から判別し、オフ期間およびオン期間に対応して予め設定した第１基準電圧および第２基準電圧に対するチョッパ回路電圧の大小関係によりスイッチング素子の故障を判定することを基本原理とする故障検出装置は公知である（例えば、特許文献１参照）。例えば、降圧チョッパ回路の場合に、第２基準電圧を、スイッチング素子のオン時に通常到達する可能性のある最小の電圧値（直流入力電圧よりも低い値）に設定し、オン期間では検出電圧が第２基準電圧を下回ったことを条件に「開放故障」と判定する。また、第１基準電圧を、スイッチング素子のオフ時に通常到達する可能性のある最大の電圧値（第２基準電圧よりも低くかつ零電圧を僅かに上回る値）に設定し、オフ期間では検出電圧が第１基準電圧を上回ったことを条件に「短絡故障」と判定する。

この故障検出原理の場合には、速やかな故障検出ができる反面、スイッチング素子のオン・オフに伴う電圧の立ち上がり又は立下がりの際に発生するリンギングにより、故障がないにも拘わらず、上記の故障判定条件の成立により、故障の誤検出が生じ得る。そこで上記の従来装置では、オンおよびオフのタイミングの直後に故障検出マスク区間を設定して、該区間では故障検出動作を無効にすることにより誤検出を回避している。更に、オフ期間の電流不連続時に生じ得るチョッパ回路電圧の非安定状態に起因して、故障がないにも拘わらず上記の故障判定条件が成立し得るので、検出電圧の時間変化成分が第３基準電圧を上回ったことを条件に、それ以降は次のオンのタイミングまでの間を追加の故障検出マスク区間とすることにより、同様に誤検出を防止している。

特開２０１１−１９３５４９号公報

本発明の第１の課題は、チョッパ回路電圧の立ち上がりおよび立ち下がり直後のリンギングや電流不連続による電圧非安定状態に起因した誤検出を招くことなく、チョッパ回路の半導体スイッチング素子の短絡故障および開放故障を的確に検出できるチョッパ回路の故障検出装置を提供することにある。本発明の第２の課題は、制御偏差に応じて動作する調節器によってチョッパ通流率が０％および１００％を含めて制限なしに広範囲に指令されるチョッパ回路のための故障検出に対して誤検出防止策を施すことにある。

第１の課題は、装置発明に関しては、通流率を決定する通流率指令信号に従ってオン・オフ制御される半導体スイッチング素子を含むチョッパ回路の故障検出装置において、
半導体スイッチング素子のオン・オフ制御に応じて跳躍的変化を繰り返す波形を有するチョッパ回路電圧を検出する電圧検出ユニットと、
その検出電圧から半導体スイッチング素子のオン・オフ状態を判別して判別結果を出力するオン・オフ判別ユニットと、
前記検出電圧の跳躍的変化を監視し、チョッパスイッチング周期より長い予め設定した時間が経過しても跳躍的変化が生じないことを条件としてスイッチング喪失信号を発生するスイッチング喪失検出ユニットと、
前記判別結果がオン状態であるときは前記スイッチング喪失信号の発生を条件として「短絡故障」を意味する故障信号を生成し、前記判別結果がオフ状態であるときは前記スイッチング喪失信号の発生を条件として「開放故障」を意味する故障信号を生成するように構成されている故障判定ユニットとを具備することによって解決される。

しかして、本発明による故障検出装置は、検出電圧の瞬時値と予め設定した閾値レベルとの大小比較により故障を検出する従来装置と違って、電圧検出ユニットからの検出電圧がチョッパスイッチング周期より長い予め設定した時間が経過しても跳躍的変化を生じなかったことを条件に発生させたスイッチング喪失信号に基づいて故障を検出するものであることから、原理的に、電圧の立ち上がりおよび立ち下がりの直後に生じるリンギングや電流不連続時に生じる電圧非安定状態に起因した誤検出は起こり得ず、しかも検出電圧から判別した半導体スイッチング素子のオン・オフ状態を示す信号と前記スイッチング喪失信号とを組み合わせることによって、「短絡故障」もしくは「開放故障」を区別して検出することができる。

チョッパ通流率を決定する通流率指令信号に上限および下限を設けずに、１００％および０％の通流率を許容する場合には、上記解決手段によっても、従来装置とは別の原因で誤検出が起こり得る。そこで、装置発明に関して第２の課題を解決すべく、第１の課題を解決する上記解決手段に加えて、更に、制御偏差に応じて動作して通流率を決定する通流率指令信号を生成する調節器と、前記通流率指令信号によって指令される通流率を監視して該通流率が予め設定された最大通流率以下である場合には第１の出力信号を発生し、予め設定された最小通流率以上である場合には第２の出力信号を発生する通流率監視ユニットとを設け、前記故障判定ユニットは、前記判別結果がオン状態であるときは前記スイッチング喪失信号のみならず前記第１の出力信号の同時発生を条件として「短絡故障」を意味する故障信号を発生し、前記判別結果がオフ状態であるときは前記スイッチング喪失信号のみならず前記第２の出力信号の同時発生を条件として「開放故障」を意味する故障信号を発生するように構成する。

調節器によって指令される通流率に上下限を設けずに、連続オン又は連続オフ（通流率１００％又は０％）の動作を許容する場合に、正常動作において「スイッチング喪失」の判定条件が成立し、故障を誤検出するという結果になる。従って正常動作としての「スイッチング喪失」と異常動作としての「スイッチング喪失」とを区別しなければならない。第２の課題に対する上記の解決手段は、次に説明する調節器の挙動に着目したものである。

調節器によって、例えばチョッパ回路電圧（平均値）を制御量として閉ループ制御を行う場合に、運転中に半導体スイッチング素子が「短絡故障」を起こすと、チョッパ回路電圧が上昇するので、調節器は上昇した出力電圧を目標レベルに引き下げるべく通流率を絞り込んでいくが、実際の通流率は「短絡故障」のために１００％のまま動かず、出力電圧を目標レベルに引き下げることができない。結局、調節器が指令する通流率は、実際の通流率とは逆に０％まで絞り込まれる結果となる。これに対して制御上の「連続オン」の場合には、調節器が指令する通流率は１００％近傍にある。この通流率は、当然少なくとも予め設定された最大通流率、例えば９０％通流率を上回っていなければならない。一方、「短絡故障」の場合は、上述の如く、調節器が指令する通流率がその最大通流率、例えば９０％通流率以下になるので、正常動作の「連続オン」と明確に区別することができる。

また、運転中に半導体スイッチング素子が「開放故障」を起こすと、チョッパ回路電圧が低下するので、調節器は低下した出力電圧を目標レベルに引き上げるべく通流率を高めていくが、実際の通流率は「開放故障」のために０％のまま動かず、出力電圧を目標レベルへ引き上げることができない。結局、調節器が指令する通流率は、実際の通流率とは逆に１００％まで高められる結果となる。これに対して制御上の「連続オフ」の場合には、調節器が指令する通流率は０％近傍にある。この通流率は、当然少なくとも予め設定された最小通流率、例えば１０％通流率を下回っていなければならない。一方、「開放故障」の場合は、上述の如く、調節器が指令する通流率がその最小通流率、例えば１０％通流率以上になるので、正常動作の「連続オフ」と明確に区別することができる。

そこで、本発明によれば、調節器が指令する通流率が予め設定された最大通流率以下である場合に第１の出力信号を発生し、予め設定された最小通流率以上である場合に第２の出力信号を発生する通流率監視ユニットを設けている。更に、半導体スイッチング素子がオン状態であるときはスイッチング喪失信号のみならず第１の出力信号の同時発生を条件として、半導体スイッチング素子がオフ状態であるときは前記スイッチング喪失信号のみならず前記第２の出力信号の同時発生を条件として、チョッパ回路の故障信号を発生する故障判定ユニットを設けているのである。

従って、半導体スイッチング素子がオン状態にあるときに発生するスイッチング喪失信号は、半導体スイッチング素子が「連続オン」であることを意味するが、同時に第１の出力信号が発生したときのみ、「短絡故障」を意味する故障信号として出力される。また、半導体スイッチング素子がオフ状態にあるときに発生するスイッチング喪失信号は、半導体スイッチング素子が「連続オフ」であることを意味し、同時に第２の出力信号が発生したときのみ「開放故障」を意味する故障信号として出力される。

本発明によるチョッパ回路の故障検出装置の実施形態において、電圧検出ユニットは、チョッパ回路の出力側に設けられた還流ダイオードの端子間電圧を検出する。これによって半導体スイッチング素子のオン時にはチョッパ回路の直流入力電圧が還流ダイオードに逆方向電圧として印加され、半導体スイッチング素子のオフ時には還流ダイオードが導通して還流状態となるため、還流ダイオードの電圧は殆ど零となる。従って、還流ダイオードの両端からは、半導体スイッチング素子のオン・オフ動作に応じて跳躍的変化を繰り返す波形、即ちオン・オフ波形を有する電圧を検出することができる。

本発明によるチョッパ回路の故障検出装置の実施形態において、オン・オフ判別ユニットは、電圧検出ユニットの検出電圧を予め与えられた閾値と比較することによって半導体スイッチング素子のオン・オフ状態を判別する比較要素であってよい。

本発明によるチョッパ回路の故障検出装置の実施形態において、スイッチング喪失検出ユニットは、電圧検出ユニットの検出電圧の跳躍的変化（立ち上がり又は立下がり）のタイミングを検出するタイミング検出部と、該タイミングでその都度リセットされながら時限動作を続行して前記スイッチング周期より長い予め設定した時限動作を完了したときにスイッチング喪失信号を発生する時限要素とから構成するとよい。

本発明によるチョッパ回路の故障検出装置の実施形態において、通流率監視ユニットは、前記調節器からの通流率指令信号によって決定される通流率が予め設定された最大通流率以下である場合に作動して第１の出力信号を発生する第１の比較要素と、前記調節器からの通流率指令信号によって決定される通流率が予め設定された最小通流率以上である場合に作動して第２の出力信号を発生する第２の比較要素とから構成するとよい。最大通流率および最小通流率は、比較的広い範囲内で任意に設定することができるが、例えば最大通流率は９０％、最小通流率は１０％に設定するならば、「短絡故障」および「開放故障」を十分明確に識別することができる。

本発明によるチョッパ回路の故障検出装置の実施形態において、前記故障判定ユニットは、前記オン・オフ判別ユニットからのオン状態判別信号と、前記スイッチング喪失検出ユニットからのスイッチング喪失信号と、前記通流率監視ユニットからの第１の出力信号との論理積により、第１の故障信号を出力する第１の論理積要素を含むと共に、前記オン・オフ判別ユニットからのオフ状態判別信号と、前記スイッチング喪失検出ユニットからのスイッチング喪失信号と、前記通流率監視ユニットからの第２の出力信号との論理積により、第２の故障信号を出力する第２の論理積要素を含むとよい。これにより、第１の論理積要素の故障信号によって「短絡故障」の発生を警報することができ、第２の論理積要素の故障信号によって「開放故障」の発生を警報することができる。更に、必要に応じて、第１の論理積要素からの第１の故障信号と、第２の論理積要素からの第２の故障信号との論理和により合成故障警報信号を出力する論理和要素を含むとよい。

本発明によれば、半導体スイッチング素子のオン・オフ動作に応じてパルス列の波形を有するチョッパ回路の出力電圧を監視し、チョッパスイッチング周期より長い予め設定した時間の間に変化がないことをもってスイッチング喪失と判定することを基本原理とする故障検出装置により、先に挙げた従来技術におけると同種の原因での誤検出に対しては特別な対策を必要とせず、検出電圧から判別したオン・オフ状態とスイッチング喪失信号とを組み合わせることにより「短絡故障」と「開放故障」とを区別した故障検出が可能である。調節器の指令による通流率１００％および通流率０％を含む広範な制御範囲を許容しながら、そのことに起因して起こり得る誤検出に関しては、チョッパ回路の正常時と故障時との間における調節器の通流率指令信号に関する挙動の相違に基づいて、「短絡故障」および「開放故障」を、制御上の「連続オン」および「連続オフ」と区別することにより、誤検出を確実に回避することができる。

図１は本発明によるチョッパ回路の故障検出装置の実施例を示す回路図である。

以下において、図１を参照しながら本発明を更に詳細に説明する。図１には、本発明による故障検出装置２０を備えたチョッパ回路１が示されている。このチョッパ回路１は入力端子２，３および出力端子４，５を有する。入力端子２，３間には図示されていない直流電源が接続可能であり、出力端子４，５間には図示されていない負荷が接続可能であり、出力端子４，５とその負荷との間には、図示されていないが必要に応じて平滑リアクトルと平滑コンデンサとからなる電圧平滑回路を挿入することができる。チョッパ回路１内において、第１の入力端子２と第１の出力端子４との間には、逆並列ダイオードを有する半導体スイッチング素子６、例えばＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴが接続され、第２の入力端子３と第２の出力端子とは直接に接続されている。チョッパ回路１内において、直流入力端子２，３間には平滑コンデンサ７が並列接続され、直流出力端子４，５間には還流ダイオード８が接続されている。

駆動ユニット９は、半導体スイッチング素子６をオン・オフ駆動するための信号を出力する。半導体スイッチング素子６（もしくはチョッパ回路１）の通流率αは、駆動ユニット９に入力される通流率指令信号Ｖαによって決定される。この場合に、スイッチング周期を一定に保って通流率αを変化させるが、通流率αに限界を設けずに０％から１００％までの全体を可変範囲とする。従って、半導体スイッチング素子６が、通流率１００％の場合には一定のスイッチング周期を越えて「連続オン」となり、通流率０％の場合には一定のスイッチング周期を越えて「連続オフ」となる。１０は、チョッパ回路１のための閉ループ制御系を構成するための調節器である。調節器１０は、例えばチョッパ回路電圧（平均値）を制御量として、それの目標値Ｖ＊と実際値Ｖとの差により形成される制御偏差に、例えば比例積分（ＰＩ）演算を施すことにより、駆動ユニット９のための通流率指令信号Ｖαを発生する。

図１において、入力端子２,３間に印加される直流入力電圧、即ちコンデンサ７の電圧をＥｉとし、出力端子４，５間に発生する出力電圧、即ち還流ダイオード８の両端間に現れる電圧をＥｏとする。半導体スイッチング素子６がオン期間中には、電圧Ｅｏは入力電圧Ｅｉの値にほぼ等しいが、半導体スイッチング素子６がオフすると、負荷側のインダクタンスの蓄積エネルギーにより還流ダイオード８が導通するので、電圧Ｅｏは零に近い値に跳躍的に変化する。半導体スイッチング素子６が再びオンすると、電圧Ｅｏは再び入力電圧Ｅｉにほぼ等しい値に跳躍的に変化する。従って、電圧Ｅｏは、半導体スイッチング素子のオン・オフ動作に応じて跳躍的変化を繰り返す波形（パルス列波形）を有するチョッパ回路電圧である。調節器１０によって構成される閉ループ制御系の制御量は、オン・オフ波形のチョッパ回路電圧Ｅｏそのものではなく、チョッパ回路電圧Ｅｏの平均電圧である。従って、この制御量の実際値Ｖとしては、例えば、出力端子４，５に接続され得る既述の平滑回路において検出した平滑コンデンサ電圧値を使用するとよい。

図１によれば、更に故障検出装置２０が設けられている。この故障検出装置２０は、電圧検出ユニット２１と、オン・オフ判別ユニット２２と、スイッチング喪失検出ユニット２３と、通流率監視ユニット２４と、故障判定ユニット２５とから構成されている。

電圧検出ユニット２１は、半導体スイッチング素子６のオン・オフ動作に応じて出力されるパルス列のチョッパ回路電圧、例えば還流ダイオード８の両端電圧Ｅｏを検出する。

オン・オフ判別ユニット２２は、電圧検出ユニット２１によって検出したチョッパ回路電圧Ｅｏから、半導体スイッチング素子６のオン・オフ状態を判別して判別結果を出力する。このオン・オフ判別ユニット２２は、基準値を予め設定する設定要素と、その基準値と電圧検出ユニット２１によって検出したチョッパ回路電圧Ｅｏと予め設定した基準値とを比較する比較要素とによって構成することができる。比較要素は、検出電圧Ｅｏが基準値を上回るときは半導体スイッチング素子６がオン状態であると判別し、検出電圧Ｅｏが基準値を下回るときは半導体スイッチング素子６がオフ状態であると判別する。

スイッチング喪失検出ユニット２３は、電圧検出ユニット２１により検出したチョッパ回路電圧Ｅｏの跳躍的変化を監視し、チョッパ回路のスイッチング周期より長い予め設定した時間が経過しても次の跳躍的変化がないことを条件としてスイッチング喪失信号を出力する。このスイッチング喪失検出ユニット２３は、被監視電圧Ｅｏの跳躍的変化（即ち、立ち上がり又は立ち下がり）のタイミングを検出してリセット信号を発生するタイミング検出部２３１と、そのリセット信号によりその都度リセットされながら時限動作を続行し、リセット信号到来後に予め設定された時間が経過しても次のリセット信号の到来がない場合にスイッチング喪失信号を出力する時限要素２３２とによって構成することができる。これによって、半導体スイッチング素子６のスイッチング喪失状態、即ち「連続オン」もしくは「連続オフ」の状態を意味するスイッチング喪失信号が得られる。

通流率監視ユニット２４は、通流率αを指令する調節器１０の指令信号Ｖαを監視し、通流率αが予め設定された最大通流率以下である場合に第１の出力信号を発生し、予め設定された最小通流率以上である場合に第２の出力信号を発生する。第１および第２の出力信号は、後で明らかにするように、他の条件との組み合わせに基づいて、半導体スイッチング素子６の短絡故障もしくは開放故障が発生したことを示す故障信号となる。この通流率監視ユニット２４は２つの部分２４Ａ，２４Ｂからなる。各通流率監視ユニット２４Ａ，２４Ｂは、それぞれ調節器１０からの通流率αを指令する信号Ｖαと、予め設定された最大通流率もしくは最小通流率に相当する信号とを比較して大小判別をする比較要素を含み、それぞれには最大通流率もしくは最小通流率のための設定要素が付設されている。

調節器１０が１００％相当の通流率を指令する信号Ｖαを出力するとき、駆動ユニット９を介して駆動される半導体スイッチング素子６は連続オン状態となる。これに対して、半導体スイッチング素子６が「短絡故障」の結果として連続オン状態になっている場合には、電圧実際値Ｖが上昇するので、これを電圧目標値Ｖ＊に戻すべく調節器１０が通流率αを絞り込む動作をする。しかし、「短絡故障」のために実際の通流率は１００％のままで変化せず、その結果、調節器１０の指令信号Ｖαが通流率０％に相当する値に達する。従って、指令信号Ｖαによって指令される通流率αが短絡故障時に取り得る最大通流率α_MAXを適切に設定しておけば、通流率監視ユニット２４Ａにおける比較要素により、通流率αが最大通流率α_MAX以下になったことを条件に、連続オン状態が「短絡故障」に起因することを明確に識別することができる。最大通流率α_MAXは、原理的に比較的広範囲にわたって任意に設定可能であるが、１００％通流率を僅かではあるが明確に下回る通流率、例えば９０％通流率に設定するとよい。

調節器１０が０％相当の通流率を指令する信号Ｖαを出力するとき、駆動ユニット９を介して駆動される半導体スイッチング素子６は連続オフ状態となる。これに対して、半導体スイッチング素子６が「開放故障」の結果として連続オフ状態になっている場合には、電圧実際値Ｖが低下するので、これを電圧目標値Ｖ＊に戻すべく調節器１０が通流率αを増大させる動作をする。しかし「開放故障」のために実際の通流率は０％のままで変化せず、その結果調節器１０の指令信号Ｖαが通流率１００％に相当する値に達する。従って指令信号Ｖαによって指令される通流率αが開放故障時に取り得る最小通流率α_MINを適切に設定すれば、通流率監視ユニット２４Ａにおける比較要素により、通流率αが最小通流率α_MIN以上になったことを条件に、連続オフ状態が「開放故障」に起因することを明確に識別することができる。最小通流率α_MINは、原理的に比較的広範囲にわたって任意に設定可能であるが、０％通流率を僅かではあるが明確に上回る通流率、例えば１０％通流率に設定するとよい。

故障判定ユニット２５は、オン・オフ判別ユニット２２の判別結果がオン状態であるときはスイッチング喪失検出ユニット２３のスイッチング喪失信号と通流率監視ユニットの第１の出力信号の同時発生を条件として、オン・オフ判定ユニット２２の判定結果がオフ状態であるときはスイッチング喪失検出ユニット２３のスイッチング喪失信号と通流率監視ユニットの第２の出力信号との同時発生を条件として、チョッパ回路の故障警報信号を発生する。故障判定ユニット２５は、ここでは、前者の条件の成立を判定する第１の論理積要素２５Ａと、後者の条件の成立を判定する第２の論理積要素２５Ｂと、両論理要素２５Ａ，２５Ｂの出力の論理和によりチョッパ回路の故障信号を得るための論理和要素とからなる。

以上の構成により、本発明によるチョッパ回路１の故障検出装置２０においては、調節器１０の指令に基づく正常動作にせよ、半導体スイッチング素子６の「短絡故障」による異常動作にせよ、半導体スイッチング素子６が連続オン状態になれば、電圧検出ユニット２１による検出電圧Ｅｏが入力電圧Ｅｉ相当値のまま変化しなくなる。一方では、検出電圧Ｅｏから素子６のオン・オフ状態を判別するオン・オフ判別ユニット２２がオン状態を示す出力信号（論理「１」）を発生する。他方では、チョッパ回路のスイッチング周期より長い予め設定した時間が経過しても、検出電圧Ｅｏが変化しないので、スイッチング喪失検出ユニット２３内の時限要素が作動して、スイッチング喪失信号（論理「１」）を発生する。従って、故障判定ユニット２５の論理積要素２５Ａ側では、通流率監視ユニット２４Ａの出力信号次第で全条件が成立し得る。

半導体スイッチング素子６の「短絡故障」の場合には、調節器１０の信号Ｖαによって指令される通流率αが０％に絞り込まれるので、信号Ｖαが予め設定された最大通流率α_MAX（例えば９０％通流率）以下に達した時点で、監視ユニット２４Ａの比較要素が、第１の出力信号（論理「１」）を発生し、これによって故障判定ユニット２５の論理積要素２５Ａ側では全ての条件が成立して、「短絡故障」を示す故障信号が出力される。これとは違って、連続オン状態が調節器１０の指令に基づく正常動作である場合には、指令信号Ｖαが１００％通流率に相当するレベルにあり、予め設定された最大通流率α_MAX（例えば９０％通流率）以下に低下することはないので、第１の出力信号の発生はなく、「短絡故障」の誤検出が回避される。この場合に、故障判定ユニット２５の論理積要素２５Ｂ側では、その際のオン・オフ判別ユニット２２からの信号が該当入力端で論理否定されているので、通流率監視ユニット２４Ｂでの条件成立の有無に関係なく、第２の出力信号の発生はなく、論理積要素２５Ａ側の動作の妨害や誤検出がもたらされることはない。

更に、調節器１０の指令に基づく正常動作にせよ、半導体スイッチング素子６の「開放故障」による異常動作にせよ、半導体スイッチング素子６が連続オフ状態になれば、電圧検出ユニット２１による検出電圧Ｅｏが零電圧のまま変化しなくなる。一方では、検出電圧Ｅｏから素子６のオン・オフ状態を判別するオン・オフ判別ユニット２２がオフ状態を示す論理「０」の出力信号を発生し、これは論理積２５Ｂ側の該当入力端では論理否定により論理「１」を成立させる。他方では、チョッパ回路のスイッチング周期より長い予め設定した時間が経過しても、検出電圧Ｅｏが変化しないので、スイッチング喪失検出ユニット２３内の時限要素が作動して、論理「１」のスイッチング喪失信号を発生する。従って、故障判定ユニット２５の論理積要素２５Ｂ側では、通流率監視ユニット２４Ｂの出力信号次第で全条件が成立し得る。

半導体スイッチング素子６の「開放故障」の場合には、調節器１０の信号Ｖαによって指令される通流率αが１００％に向かって高められるので、信号Ｖαが予め設定された最小通流率α_MIN（例えば１０％通流率）以上に達した時点で、監視ユニット２４Ｂの比較要素が第２の出力信号（論理「１」）を発生し、これによって故障判定ユニット２５の論理積要素２５Ｂ側では全ての条件が成立して、「開放故障」を示す故障信号が出力される。これとは違って、連続オフ状態が調節器１０の指令に基づく正常動作である場合には、指令信号Ｖαが０％通流率に相当するレベルにあり、予め設定された最大通流率α_MIN（例えば１０％通流率）以上に上昇することはないので、第１の出力信号の発生はなく、「開放故障」の誤検出が回避される。この場合に、故障判定ユニット２５の論理積要素２５Ａ側では、その際のオン・オフ判別ユニット２２からの信号が論理「０」であるので、通流率監視ユニット２４Ａでの条件成立の有無に関係なく、第１の出力信号の発生はなく、論理積要素２５Ｂ側の動作の妨害や誤検出がもたらされることはない。

１チョッパ回路
２，３入力端子
４，５出力端子
６半導体スイッチング素子
７コンデンサ
８還流ダイオード
９駆動ユニット
１０調節器
２０故障検出装置
２１電圧検出ユニット
２２オン・オフ判別ユニット
２３スイッチング喪失検出ユニット
２４通流率監視ユニット
２４Ａ，２４Ｂ通流率監視ユニット
２５故障判定ユニット
２５Ａ，２５Ｂ論理積要素
２５Ｃ論理和要素

Claims

通流率（α）を決定する通流率指令信号（Ｖα）に従ってオン・オフ制御される半導体スイッチング素子（６）を含むチョッパ回路（１）の故障検出装置において、
半導体スイッチング素子（６）のオン・オフ制御に応じて出力されるパルス列のチョッパ回路電圧（Ｅｏ）を検出する電圧検出ユニット（２１）と、
その検出電圧（Ｅｏ）から半導体スイッチング素子（６）のオン・オフ状態を判別して判別結果を出力するオン・オフ判別ユニット（２２）と、
前記検出電圧（Ｅｏ）の跳躍的変化を監視し、チョッパスイッチング周期より長い予め設定した時間が経過しても跳躍的変化が生じないことを条件としてスイッチング喪失信号を発生するスイッチング喪失検出ユニット（２３）と、
前記判別結果がオン状態であるときは前記スイッチング喪失信号の発生を条件として「短絡故障」を意味する故障信号を生成し、前記判別結果がオフ状態であるときは前記スイッチング喪失信号の発生を条件として「開放故障」を意味する故障信号を生成するように構成されている故障判定ユニット（２５）とを設けたことを特徴とするチョッパ回路の故障検出装置。
更に、制御偏差に応じて動作して通流率（α）を決定する通流率指令信号（Ｖα）を生成する調節器（１０）と、
前記通流率指令信号（Ｖα）によって指令される通流率（α）を監視し、該通流率が予め設定された最大通流率（α_MAX）以下である場合には第１の出力信号を発生し、予め設定された最小通流率（α_MIN）以上である場合には第２の出力信号を発生する通流率監視ユニット（２４）とを設け、
前記故障判定ユニット（２５）は、前記判別結果がオン状態であるときは前記スイッチング喪失信号と前記第１の出力信号との同時発生を条件として「短絡故障」を意味する故障信号を発生し、前記判別結果がオフ状態であるときは前記スイッチング喪失信号と前記第２の出力信号との同時発生を条件として「開放故障」を意味する故障信号を発生するように構成したことを特徴とする請求項１記載のチョッパ回路の故障検出装置。
前記電圧検出ユニット（２１）は、チョッパ回路（１）の出力側に設けられた還流ダイオード（８）の端子間電圧（Ｅｏ）を検出することを特徴とする請求項１又は２記載のチョッパ回路の故障検出装置。
前記オン・オフ判別ユニット（２２）は、前記電圧検出ユニット（２１）の検出電圧（Ｅｏ）を予め与えられた閾値と比較することによって半導体スイッチング素子（６）のオン・オフ状態を判別する比較要素からなることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載のチョッパ回路の故障検出装置。
前記スイッチング喪失検出ユニット（２３）は、前記電圧検出ユニット（２１）の検出電圧（Ｅｏ）の跳躍的変化のタイミングを検出するタイミング検出部（２３１）と、該タイミングでその都度リセットされながら時限動作を続行して前記スイッチング周期より長い予め設定した時限動作を完了したときにスイッチング喪失信号を発生する時限要素（２３２）とを含むことを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載のチョッパ回路の故障検出装置。
前記通流率監視ユニット（２４）は、前記調節器（１０）からの通流率指令信号（Ｖα）によって決定される通流率（α）が予め設定された最大通流率（α_MAX）以下である場合に作動して第１の出力信号を発生する第１の比較要素（２４Ａ）と、前記調節器（１０）からの通流率指令信号（Ｖα）によって決定される通流率（α）が予め設定された最小通流率（α_MIN）以上である場合に作動して第２の出力信号を発生する第２の比較要素（２４Ｂ）とを含むことを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載のチョッパ回路の故障検出装置。
前記故障判定ユニット（２５）は、前記オン・オフ判別ユニット（２２）からのオン状態判別信号と、前記スイッチング喪失検出ユニット（２３）からのスイッチング喪失信号と、前記通流率監視ユニット（２４）からの第１の出力信号との論理積により第１の故障信号を出力する第１の論理積要素（２５Ａ）を含むと共に、前記オン・オフ判別ユニット（２２）からのオフ状態判別信号と、前記スイッチング喪失検出ユニット（２３）からのスイッチング喪失信号と、前記通流率監視ユニット（２４）からの第２の出力信号との論理積により第２の故障信号を出力する第２の論理積要素（２５Ｂ）を含むことを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載のチョッパ回路の故障検出装置。