JP2016149819A - スイッチング素子の駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング素子のオン故障時において適正なる保護を実現することを可能とする。
【解決手段】インバータ１１は、上アーム及び下アームに設けられ直列接続体をなす複数のスイッチング素子２１〜２６と、スイッチング素子２１〜２６にそれぞれ逆並列に接続されたフリーホイールダイオード３１〜３６とを有する。ドライブユニット４１〜４６は、上下アームのスイッチング素子２１〜２６のいずれかの側でフリーホイールダイオード３１〜３６に順方向電流が流れる期間において、そのフリーホイールダイオード３１〜３６が逆接続されているスイッチング素子２１〜２６をオフ状態にする。制御装置１４は、コイルに流れる電流の実際値と電流指令値とが乖離していることに基づいて、スイッチング素子２１〜２６がオン故障している旨を判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング素子の駆動装置に関するものである。

交流モータに接続される電力変換回路として、上アーム及び下アームに設けられ直列接続体をなす複数のスイッチング素子を備え、そのスイッチング素子をスイッチング動作させて電力変換を実施する構成が知られている。またこうした電力変換回路におけるスイッチング素子の故障判定手法として、上下アームのスイッチング素子の短絡発生時において、短絡電流を検出するとともに、その短絡電流が所定の閾値を超えた際に短絡発生とみなして、スイッチング素子の保護動作（シャットダウン）を実施する技術が知られている。

特開２０１２−２５３２０２号公報

しかしながら、上記のように短絡発生時における短絡電流に基づいて故障判定を実施する場合には、スイッチング素子の保護を図るために短絡判定を瞬時に行うことが必要であり、誤動作等の懸念が生じる。特に、損失低減のために半導体スイッチング素子を薄化した場合には、短絡耐量が低下する。そのため、短絡判定及び保護動作を一層迅速に行うことが要求されると考えられる。

本発明は上記事情を鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、スイッチング素子のオン故障時において適正なる保護を実現することを可能とするスイッチング素子の駆動装置を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について説明する。

本発明におけるスイッチング素子の駆動装置は、上アーム及び下アームに設けられ直列接続体をなす複数のスイッチング素子（２１〜２６）と、前記複数のスイッチング素子にそれぞれ逆並列に接続されたフリーホイールダイオード（３１〜３６）とを有し、交流モータ（１０）に電気的に接続された電力変換回路（１１）に適用され、前記交流モータのコイルに流れる電流を所定の電流指令値に制御すべく前記複数のスイッチング素子をオンオフさせるものである。そして、上下アームのスイッチング素子のいずれかの側で前記フリーホイールダイオードに順方向電流が流れる期間において、当該フリーホイールダイオードが逆接続されている前記スイッチング素子をオフ状態にするスイッチ制御手段と、前記コイルに流れる電流の実際値と前記電流指令値とが乖離していることに基づいて、前記スイッチング素子がオン故障している旨を判定する判定手段と、を備えることを特徴とする。

交流モータのコイルに流れる電流を所定の電流指令値に制御すべく複数のスイッチング素子のオンオフを制御する場合において、上下アームのいずれかのスイッチング素子をオンする期間では、そのスイッチング素子を通じてコイルに電流が流れ、続いてそのスイッチング素子をオフする期間では、対向側のアームのフリーホイールダイオードを通じてコイルに電流（フリーホイールダイオードの順方向電流）が流れる。この場合、スイッチング素子が断続的にオンオフされることで電流の増加及び減少が生じ、それに伴いコイルに流れる電流が指令値に制御される。

ここで、例えば上アームスイッチング素子のオンオフによりコイルに正の出力電流が流れている際に、その上アームスイッチング素子のオン中にオン故障が生じた場合を考える。かかる場合、上記構成によれば、上アームスイッチング素子のオフによりフリーホイールダイオードに順方向電流が流れる期間では、そのフリーホイールダイオードが逆接続されているスイッチング素子（ここでは下アームスイッチング素子）がオフ状態にされている。そのため、上アームスイッチング素子がオン故障していても上下アームの短絡が生じることが抑制される。また、上アームスイッチング素子がオン故障している状態では、正常時とは異なりオフ時における出力電流の減少が生じないため、電流の実際値と電流指令値との乖離が生じ、その電流の乖離に基づいて、スイッチング素子のオン故障が発生していると判定できる。このとき、上下アームの短絡が生じる前にスイッチング素子のオン故障の発生を判定でき、スイッチング素子のオン故障時において適正なる保護を実現することが可能となる。

実施形態におけるシステム構成図。 （ａ）は、Ｗ相の上下アームの構成を示す図、（ｂ）は、Ｗ相の上下アームの動作を説明するための図。 （ａ）は、Ｗ相の上下アームの構成を示す図、（ｂ）は、Ｗ相の上下アームの動作を説明するための図。 フリーホイールダイオードの順方向電流Ｉｆと電圧降下量Ｖｆとの関係を示す図。 電流ベクトルの大きさ、位相角の乖離を説明するための図。 短絡電流が流れる場合と流れない場合との電流波形の違いを示す図。 電流検出値の乖離を説明するための図。 オン故障判定に関する模擬実験の結果を示すタイムチャート。 電流検出値の乖離を説明するための図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、車載主機として回転機を備える車両（例えば、ハイブリッド車両や電気自動車）に適用した実施形態について説明する。

図１において、ＭＧ１０（モータジェネレータ）は車載主機としての３相交流モータ（多相回転機）であり、図示しない駆動輪に連結されている。詳しくは、ＭＧ１０は、Ｕ相コイル１０ｕ、Ｖ相コイル１０ｖ及びＷ相コイル１０ｗを有するステータと、永久磁石を有してかつ駆動輪に機械的に連結される図示しないロータとを備える永久磁石同期モータ（例えば、ＳＰＭＳＭやＩＰＭＳＭ）である。なお、これらコイル１０ｕ，１０ｖ，１０ｗは、それぞれの一端同士が中性点で接続されることによりＹ結線されている。

ＭＧ１０は、電力変換回路としてのインバータ１１を介して直流電源としての高電圧バッテリ１２に接続されている。高電圧バッテリ１２の出力電圧は、例えば百Ｖ以上である。高電圧バッテリ１２としては、例えば、リチウムイオン蓄電池やニッケル水素蓄電池を用いることができる。なお、インバータ１１と高電圧バッテリ１２との間には、インバータ１１の入力電圧を平滑化する平滑コンデンサ１３が設けられている。

インバータ１１は、ＭＧ１０の相ごとに２つずつ直列接続された複数のスイッチング素子２１〜２６を備えている。つまり、インバータ１１は、スイッチング素子２１，２２の直列接続体と、スイッチング素子２３，２４の直列接続体と、スイッチング素子２５，２６の直列接続体とを備えている。これら各直列接続体の接続点は、Ｕ相コイル１０ｕ、Ｖ相コイル１０ｖ及びＷ相コイル１０ｗの一端にそれぞれ接続されている。

本実施形態では、スイッチング素子２１〜２６として、ダイオード内蔵型の逆導通ＩＧＢＴ（ＲＣ−ＩＧＢＴ）が用いられている。スイッチング素子２１〜２６には、それぞれフリーホイールダイオード３１〜３６が逆並列に接続されている。この場合、逆導通ＩＧＢＴは、ＩＧＢＴ素子とダイオード素子とが同一チップ上に設けられ、かつ、ＩＧＢＴ素子のエミッタとダイオード素子のアノードとが接続されるとともに、ＩＧＢＴ素子のコレクタとダイオード素子のカソードとが接続される構造を有している。

制御装置１４は、低電圧バッテリ１５を電源とし、マイコンを主体として構成されている。制御装置１４は、ＭＧ１０の制御量（例えばトルクや回転速度）をその指令値に制御すべく、インバータ１１を操作する。詳しくは、制御装置１４は、インバータ１１を構成するスイッチング素子２１〜２６を操作すべく、ＭＧ１０のＶ相，Ｗ相の電流Ｉｖ，Ｉｗを検出する電流センサ１７ａ，１７ｂや、ＭＧ１０の回転角（電気角θｅ）を検出する回転角センサ１８（例えばレゾルバ）等の検出値を取り込む。そして、制御装置１４は、上記各種センサの検出値等に基づく周知の正弦波ＰＷＭ制御等によってスイッチング素子２１〜２６ごとにハイロー２値の操作信号Ｓ１〜Ｓ６を生成し、その操作信号Ｓ１〜Ｓ６をドライブユニット４１〜４６に出力することで、各スイッチング素子２１〜２６のオンオフを操作する。こうしたスイッチング素子２１〜２６の操作により、ＭＧ１０のコイルに流れる電流が所定の電流指令値に制御される。

上アーム（高電位側）のスイッチング素子２１，２３，２５に対する操作信号Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５と、対応する下アーム（低電位側）のスイッチング素子２２，２４，２６に対する操作信号Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６とは、互いに相補的な信号（論理が反転した信号）となっている。

ちなみに、高電圧バッテリ１２を備える高電圧システムと低電圧バッテリ１５を備える低電圧システムとは互いに電気的に絶縁されており、これらの間の信号の授受は、例えばフォトカプラ等の絶縁素子を備えるインターフェース１６を介して行われる。

駆動回路としてのドライブユニット４１〜４６は、１チップ化された半導体集積回路であるドライブＩＣを備える構成を有しており、各スイッチング素子２１〜２６にそれぞれ設けられ、制御装置１４から出力される操作信号Ｓ１〜Ｓ６に基づいて各スイッチング素子２１〜２６をオン動作及びオフ動作させる。すなわち、ドライブユニット４１〜４６は、操作信号Ｓ１〜Ｓ６の立ち上がりに応じて各スイッチング素子２１〜２６をオン動作させるとともに、操作信号Ｓ１〜Ｓ６の立ち下がりに応じて各スイッチング素子２１〜２６をオフ動作させる。

また、ドライブユニット４１〜４６は、スイッチング素子２１〜２６のオン時及びオフ時におけるサージ電圧抑制を図るべく、ゲートの充放電処理を実施するものとなっている。すなわち、スイッチング素子２１〜２６のオン時には、スイッチング素子２１〜２６のゲートの充電電流を所定値に制御することで、ゲート充電処理を実施する。また、スイッチング素子２１〜２６のオフ時には、スイッチング素子２１〜２６のゲートの放電電流を所定値に制御することで、ゲート放電処理を実施する。このとき、ゲート放電処理として、例えばスイッチング素子２１〜２６のオン状態での通電電流に基づいて、放電電流を可変に設定する構成であってもよい。こうして放電電流を可変にすることで、都度のサージ電圧の大きさに応じてスイッチング素子２１〜２６の遮断速度を適宜調整することが可能となる。

インバータ１１の基本動作について説明する。ここでは、図２（ａ）、（ｂ）を用い、Ｗ相のコイル１０ｗに正の向き（高電圧バッテリ１２からコイル１０ｗに向かう方向）の電流を流す場合を例にして、スイッチング素子２５，２６のスイッチング動作について説明する。図２（ｂ）では、上アームのスイッチング素子２５に対する操作信号Ｓ５と下アームのスイッチング素子２６に対する操作信号Ｓ６とを示すとともに、各スイッチング素子２５，２６のスイッチング動作に伴う出力電流の変化を示しており、これら各操作信号Ｓ５，Ｓ６は互いに相補的にオンする。なお、図２（ｂ）では、図２（ａ）のＡ１のように上アームのスイッチング素子２５を介して出力電流が流れる期間を「ＩＧＢＴ」として示し、図２（ａ）のＡ２のように下アームのフリーホイールダイオード３６を介して出力電流が流れる期間を「ＦＷＤ」として示している。

図２（ａ）、（ｂ）において、上アームのスイッチング素子２５のオン期間では、そのスイッチング素子２５を介してＡ１のように出力電流が流れ、出力電流が徐々に増加する（ＩＧＢＴ期間）。そして上アームのスイッチング素子２５がオフされ、かつ下アームのスイッチング素子２６がオンされると、フリーホイールダイオード３６を介してＡ２のようにコイル１０ｗの出力電流が継続的に流れ、その際、出力電流が徐々に減少する（ＦＷＤ期間）。つまり、ＦＷＤ期間では、フリーホイールダイオード３６に順方向電流（還流電流）が流れ、それに伴い出力電流が減少する。

ここで、上アームのスイッチング素子２５でオン故障が発生した場合を考える。かかる場合、オン故障の発生後に、上アームのスイッチング素子２５をオフし、下アームのスイッチング素子２６をオンすると、上下アームでの短絡が生じ、短絡電流に起因するスイッチング素子の破損のおそれが生じる。ゆえに、従来技術では、出力電流が短絡閾値を上回るか否かに基づいて短絡発生の有無を判定し、短絡発生時には通電をシャットダウンする等の保護処理を実施するようにしている。

また、Ｗ相のコイル１０ｗに負の向き（コイル１０ｗから高電圧バッテリ１２に向かう方向）の電流を流す場合には、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、下アームのスイッチング素子２６のオン期間でスイッチング素子２６を介してＡ３のように出力電流が流れ、出力電流が徐々に増加する（ＩＧＢＴ期間）。そして下アームのスイッチング素子２６がオフされ、かつ上アームのスイッチング素子２５がオンされると、フリーホイールダイオード３５を介してＡ４のようにコイル１０ｗの出力電流が継続的に流れ、その際、出力電流が徐々に減少する（ＦＷＤ期間）。つまり、ＦＷＤ期間では、フリーホイールダイオード３５に順方向電流（還流電流）が流れ、それに伴い出力電流が減少する。

従来技術では、やはり下アームのスイッチング素子２６でオン故障が発生した場合に、出力電流が短絡閾値を上回るか否かに基づいて短絡発生の有無を判定し、短絡発生時には通電をシャットダウンする等の保護処理を実施するようにしている。

スイッチング素子２１〜２６を確実に保護するには、いち早く短絡電流を検出し、さらにいち早く保護処理を実施する必要がある。しかしながら、短絡の発生後において、短絡判定には電流変化を待たなくてはならず、また、保護処理を実施する上で応答性には限界がある。また特に、スイッチング素子において薄膜化等により短絡耐量が低下されている場合には、短絡判定や保護処理を実施する上での時間的な余裕がより少なくなると考えられる。

そこで本実施形態では、上下アームのスイッチング素子２１〜２６のいずれかの側でフリーホイールダイオードに順方向電流が流れる期間（図２，図３のＦＷＤ期間）において、そのフリーホイールダイオードが逆接続されているスイッチング素子を強制的にオフ状態にするとともに、コイル１０ｕ，１０ｖ，１０ｗに流れる電流の実際値と電流指令値とが乖離していることに基づいて、スイッチング素子がオン故障している旨を判定することとしている。かかる場合、上下アームのいずれか一方のスイッチング素子がオン故障していても、そのスイッチング素子のオフ後に上下アームの短絡が生じることが抑制される。また、一方のスイッチング素子がオン故障している状態では、正常時とは異なりオフ時における出力電流の減少が生じないため、電流の実際値と電流指令値との乖離が生じ、その電流の乖離に基づいて、スイッチング素子のオン故障が発生していると判定できる。このとき、上下アームの短絡が生じる前にスイッチング素子のオン故障の発生を判定することが可能となっている。

なお、スイッチング素子２１〜２６とこれに逆並列に接続されたフリーホイールダイオード３１〜３６とを同一チップ上に備える逆導通ＩＧＢＴ（ＲＣ−ＩＧＢＴ）では、図４に示すように、フリーホイールダイオード３１〜３６に順方向電流Ｉｆが流れる状況下において、スイッチング素子２１〜２６のゲートに電圧が印加される場合、電圧が印加されない場合と比較してフリーホイールダイオード３１〜３６における電圧降下量Ｖｆが大きくなる。電圧降下量Ｖｆが大きくなると、フリーホイールダイオードにおける電力損失が増大する。このため、上下アームのスイッチング素子のいずれかの側でフリーホイールダイオード３１〜３６に順方向電流Ｉｆが流れる期間（図２，図３のＦＷＤ期間）においては、フリーホイールダイオード３１〜３６での電力損失を抑制すべく、電流フィードバック制御を行うこととしている。

電流フィードバック制御は、フリーホイールダイオード３１〜３６に順方向電流が流れる期間において、その順方向電流が流れるフリーホイールダイオード３１〜３６と同一チップ上に備えられたスイッチング素子２１〜２６のゲート電荷が充電されることを禁止する制御である。これにより、順方向電流が流れるフリーホイールダイオード３１〜３６と同一チップ上に備えられたスイッチング素子２１〜２６の操作信号が無効化される。

本実施形態では、各ドライブユニット４１〜４６が電流フィードバック制御の機能を有しており、各ドライブユニット４１〜４６において操作信号Ｓ１〜Ｓ６を無効化することでスイッチング素子２１〜２６を強制的にオフ状態にするようにしている。具体的には、各ドライブユニット４１〜４６において、自ユニットに接続されたフリーホイールダイオードに順方向電流が流れているか否かを判定する。この処理は、例えばスイッチング素子２１〜２６のセンス電圧に基づいて実施される。そして、順方向電流が流れていると判定された場合に、電流フィードバック制御として、自ユニットに入力された操作信号を強制的にオフ操作指令に変更する処理を行う。これにより、ゲート電荷の充電が禁止され、スイッチング素子がオフ状態で維持される。

次に、スイッチング素子２１〜２６のオン故障の判定手順について説明する。このスイッチング素子２１〜２６のオン故障判定は、制御装置１４において、各コイル１０ｕ，１０ｖ，１０ｗの相電流の電流検出値（実電流）と電流指令値とが乖離していることに基づいて実施される。

詳しくは、制御装置１４は、各相の電流指令値に基づいて電流指令ベクトルを算出するとともに、電流センサ１７ａ，１７ｂにより検出された各相の電流検出値に基づいて実際の電流ベクトルを算出し、それら電流指令ベクトルと実際の電流ベクトルとに基づいて、各スイッチング素子２１〜２６のオン故障の有無を判定する。

電流ベクトルの算出方法の一例を以下に示す。制御装置１４は、電流センサ１７ａ，１７ｂにより検出されたＶ相電流Ｉｖ及びＷ相電流Ｉｗと、回転角センサ１８により検出された電気角θｅとに基づいて、３相固定座標系におけるＵ相電流Ｉｕ，Ｖ相電流Ｉｖ，Ｗ相電流Ｉｗを２相回転座標系（ｄｑ座標系）におけるｄ軸電流Ｉｄｒ及びｑ軸電流Ｉｑｒに変換する。ここで、２相回転座標系とは、３相固定座標系における相電流の基本波成分の変動角速度と同じ角速度で回転する座標系のことである。なお、Ｕ相電流Ｉｕは、キルヒホッフの法則に基づき、Ｖ相電流Ｉｖ及びＷ相電流Ｉｗから算出されればよい。

また、制御装置１４は、三平方の定理によりｄ軸電流Ｉｄｒ及びｑ軸電流Ｉｑｒから実際の電流ベクトルの大きさである電流振幅Ｉａｒを算出するとともに、逆三角関数により２相回転座標系におけるｑ軸と電流ベクトルとのなす角度（通電位相角βｒ）を算出する。また一方で、制御装置１４は、各相の電流指令値と、それに対応する電気角とに基づいて、電流指令ベクトルを算出する。そして、制御装置１４は、電流指令ベクトルに対する実際の電流ベクトルの乖離量に基づいて、スイッチング素子２１〜２６のオン故障の有無を判定する。

具体的には、図５（ａ）に示すように、電流指令ベクトルＩ＊の電流振幅（大きさ）を基準にして所定幅の正常範囲Ｋ１を定めておく。そして、制御装置１４は、実際の電流ベクトルの電流振幅Ｉａｒが正常範囲Ｋ１に入っているか否かを判定し、入っていなければ、各コイル１０ｕ，１０ｖ，１０ｗの相電流の電流検出値（実電流）と電流指令値とが所定以上乖離しているとし、スイッチング素子２１〜２６のオン故障が生じている旨を判定する。

又は、図５（ｂ）に示すように、電流指令ベクトルＩ＊の通電位相角を基準にして所定幅の正常範囲Ｋ２を定めておく。そして、制御装置１４は、実際の電流ベクトルの通電位相角βｒが正常範囲Ｋ２に入っているか否かを判定し、入っていなければ、各コイル１０ｕ，１０ｖ，１０ｗの相電流の電流検出値（実電流）と電流指令値とが所定以上乖離しているとし、スイッチング素子２１〜２６のオン故障が生じている旨を判定する。

電流ベクトルの乖離が生じた場合には、制御装置１４は、その電流ベクトルの乖離が所定時間継続した際にオン故障の旨を判定するとよい。また、通電対象となるコイル（すなわち各コイルの通電の向き）が切り替わるタイミングまでに、オン故障の旨を判定するとよい。なお、電流振幅Ｉａｒが正常範囲Ｋ１に入っていないこと、及び通電位相角βｒが正常範囲Ｋ２に入っていないことの両方に基づいて、スイッチング素子２１〜２６のオン故障が生じている旨を判定することも可能である。

制御装置１４は、スイッチング素子２１〜２６のオン故障が生じていると判定した場合に、直ちにスイッチング素子２１〜２６のシャットダウンを実施する。この場合、制御装置１４は、スイッチング素子２１〜２６の通常オフ時と同程度のサージ電圧抑制を想定した遮断速度（通常遮断速度）でスイッチング素子２１〜２６をオフさせる。本実施形態のシステムでは、スイッチング素子２１〜２６のオン故障が発生した状態でも、上下アームにおける短絡が生じることはなく、仕様範囲（正常動作を想定した電流範囲）を超えるような短絡電流は生じない。つまり、図６（ａ）に示すように、上下アームの短絡が生じると数千Ａ程度の短絡電流が流れるのに対し、本実施形態の構成では上下アームの短絡が回避できるため、図６（ｂ）に示すように、スイッチング素子２１〜２６のオン故障が発生しても電流が数百Ａ程度に抑えられる。そのため、短絡電流が流れる場合を想定して特殊な遮断処理が実施される必要は無く、遮断処理の複雑化を招くといった不都合は生じない。

また、上記の電流ベクトルによる判定手法に代えて、電流センサ１７ａ，１７ｂにより検出された各相の電流検出値と電流指令値とを直接比較することに基づいて、各スイッチング素子２１〜２６のオン故障の有無を判定することも可能である。これを図７を用いて説明する。図７には、ＭＧ１０における各相電流Ｉｕ〜Ｉｗの推移を示している。各相電流Ｉｕ〜Ｉｗは、それぞれ３６０°を１周期として正弦波状に変動し、相ごとには１２０°ずつ位相がずらされている。図７では、電流指令値を破線で示し、電流検出値を実線で示しており、各スイッチング素子２１〜２６が正常状態でスイッチング動作しているタイミングｔ１以前においては、電流指令値に対して電流検出値（実電流）の位相及び振幅が一致する。また、タイミングｔ１において、スイッチング素子２１〜２６のいずれかでオン故障が生じると、電流指令値に対して電流検出値（実電流）の位相及び振幅が不一致となる。

ここで、制御装置１４は、いずれかの相電流について電流指令値の振幅と電流検出値の振幅とを算出し、電流指令値の振幅に対して電流検出値の振幅が所定値以上乖離している場合に、スイッチング素子２１〜２６のオン故障が生じている旨を判定する。このとき、いずれかのスイッチング素子２１〜２６でオン故障が生じている場合には、図７（ａ）のｔ１後に示すように、電流検出値の振幅が、電流指令値の振幅を基準にして定められた所定幅の正常範囲Ｋ３から外れる。これにより、スイッチング素子２１〜２６のオン故障が判定される。

又は、制御装置１４は、いずれかの相電流について電流指令値の位相と電流検出値の位相とを算出し、電流指令値の位相に対して電流検出値の位相が所定値以上乖離している場合に、スイッチング素子２１〜２６のオン故障が生じている旨を判定する。このとき、いずれかのスイッチング素子２１〜２６でオン故障が生じている場合には、図７（ｂ）のｔ１後に示すように、電流検出値の位相が、電流指令値の位相を基準にして定められた所定幅の正常範囲Ｋ４から外れる。これにより、スイッチング素子２１〜２６のオン故障が判定される。

なお、電流指令値の振幅に対して電流検出値の振幅が所定値以上乖離していること、及び電流指令値の位相に対して電流検出値の位相が所定値以上乖離していることの両方に基づいて、スイッチング素子２１〜２６のオン故障が生じている旨を判定することも可能である。

図８は、オン故障判定に関する模擬実験の結果を示すタイムチャートである。図８では、上から順に、Ｗ相上アームのスイッチング素子のオン故障タイミング、各相の電流検出値、Ｗ相上アームのゲート入力、Ｗ相下アームのゲート入力、Ｗ相上アームのＩＧＢＴ電流、Ｗ相上アームのＦＷＤ電流、Ｗ相下アームのＦＷＤ電流、Ｗ相下アームのＩＧＢＴ電流を示している。なお、図８では、オン故障の判定後にもスイッチング素子のオンオフが継続されるものとしている。

図８において、タイミングｔ１１〜ｔ１２は正の向きでＷ相電流が流れる期間であり、タイミングｔ１２〜ｔ１３は負の向きでＷ相電流が流れる期間である。タイミングｔ１１〜ｔ１２の期間では、Ｗ相上アームのゲート入力が所定のオンオフ比でオンオフされ、その際、Ｗ相下アームのゲート入力は０Ｖに保持されている（図中の変動分はノイズである）。このとき、Ｗ相上アームのゲート入力に応じて、Ｗ相上アームのＩＧＢＴ電流とＷ相下アームのＦＷＤ電流とが相補的に流れ、これにより電流検出値が正弦波状に変化している。Ｗ相下アームでは、タイミングｔ１１〜ｔ１２の期間に、フリーホイールダイオードに順方向電流が流れる期間が存在する。

また、タイミングｔ１２〜ｔ１３の期間では、Ｗ相下アームのゲート入力が所定のオンオフ比でオンオフされ、その際、Ｗ相上アームのゲート入力は０Ｖに保持されている（図中の変動分はノイズである）。このとき、Ｗ相下アームのゲート入力に応じて、Ｗ相下アームのＩＧＢＴ電流とＷ相上アームのＦＷＤ電流とが相補的に流れ、これにより電流検出値が正弦波状に変化している。Ｗ相上アームでは、タイミングｔ１２〜ｔ１３の期間に、フリーホイールダイオードに順方向電流が流れる期間が存在する。

そして、タイミングｔ１４においてＷ相上アームのスイッチング素子でオン故障が生じると、それ以降、電流検出値の振幅及び位相にずれが生じることからオン故障発生の旨が判定される（図のＸ参照）。このとき、Ｗ相上アームのスイッチング素子がオン故障している状態では、正常時とは異なりＷ相下アームのＦＷＤ電流が流れないため、Ｗ相上アームのＩＧＢＴ電流の減少が生じないものとなっている。したがって、電流検出値の変化波形にずれが生じ、オン故障の判定が可能となっている。

なお、Ｗ相上アームのスイッチング素子がオン故障した時点では、上下アームでの短絡が生じないため、Ｗ相電流が過剰に上昇することが回避されている。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

フリーホイールダイオード３１〜３６に順方向電流が流れる期間において、そのフリーホイールダイオード３１〜３６が逆接続されているスイッチング素子２１〜２６をオフ状態にする構成とした。また、こうした構成に加え、コイル１０ｕ，１０ｖ，１０ｗに流れる電流の実際値である電流検出値と電流指令値とが乖離していることに基づいて、スイッチング素子２１〜２６がオン故障している旨を判定する構成とした。これにより、上下アームの短絡が生じる前にスイッチング素子２１〜２６のオン故障の発生を判定でき、スイッチング素子２１〜２６のオン故障時において適正なる保護を実現することが可能となる。

なお、従来技術のように、スイッチング素子のオン故障が生じた場合に、上下アームの短絡に伴う短絡電流が流れたことに基づいてスイッチング素子のオン故障を判定する手法では、スイッチング素子の保護のためには短絡発生後における短絡電流をいち早く検出する必要があり、具体的には短絡電流が流れ始めてから２００ｎｓ以内に、短絡電流の検出を行う必要がある。この場合、誤動作の発生が懸念される。これに対して上記構成では、従来技術と比較してオン故障判定に必要な時間を十分に確保でき、誤動作の防止が可能となる。

また、本実施形態は上下アームの短絡動作をさせない構成であるため、スイッチング素子２１〜２６の短絡耐量が低下していても、そのスイッチング素子２１〜２６の適正なる保護を実現できる。

上下アームの短絡発生に伴う短絡電流を検出する従来方式では、短絡電流（通常使用レベル以上の大電流）が流れるため、スイッチング素子のオフ時には通常時とは異なる遮断速度の調整が必要となる。また、電圧クランプ後遮断や、耐圧違いによる遮断順序の変更等の処置が必要になることも考えられる。これに対し本実施形態では、スイッチング素子２１〜２６のオン故障時に、通常のスイッチング素子２１〜２６のオンオフ時と同様の遮断速度（通常遮断速度）により、オン状態のスイッチング素子２１〜２６をオフさせる構成とした。つまり本実施形態の方式では、短絡電流が流れることがないため、通常動作と同様の遮断処理を実施すればよく、スイッチング素子２１〜２６のオン故障を想定した上でも、構成の煩雑化を招くことを抑制できる。

電流検出値に基づき算出した実際の電流ベクトルと電流指令値に基づき算出した電流指令ベクトルとの比較により、電流検出値と電流指令値とが乖離していることの判定を実施する構成とした。この場合、スイッチング素子２１〜２６のオン故障に伴う相電流のずれをいち早く検知する上で好適なる構成を実現できる。

又は、各相の電流検出値及び電流指令値における電流振幅及び位相の少なくともいずれかの比較により、スイッチング素子２１〜２６のオン故障を判定する構成にした場合には、電流検出値の座標変換により電流ベクトルを算出する処理を実施しなくてもよく、演算処理の簡素化を図りつつ所望のオン故障判定を実現できる。

本実施形態では、スイッチング素子２１〜２６としてダイオード内蔵型の逆導通ＩＧＢＴ（ＲＣ−ＩＧＢＴ）を用いた上で、上述の電流フィードバック制御を実施する構成とした。これにより、フリーホイールダイオード３１〜３６における電圧降下量の増大が回避され、ひいてはフリーホイールダイオード３１〜３６の電力損失の増大が抑制される。

（他の実施形態）
上記実施形態を例えば次のように変更してもよい。

・電流検出値の振幅に基づいてスイッチング素子２１〜２６のオン故障を判定する構成において、電流波形のゼロクロス点からの半周期の期間における電流検出値の推移に基づいてオン故障判定を実施する構成としてもよい。すなわち、コイル１０ｕ，１０ｖ，１０ｗに流れる電流は正弦波状に交流変化する。かかる場合、図９に示すように、電流の向きが正負反転するゼロクロス点からの半周期の期間ＴＡにおいて、交流変化の振幅中心Ｃからの電流検出値の振幅が減少傾向となる期間（図のＴＢ）が、１／４周期（交流周期の１／４）よりも短い場合に、電流検出値と電流指令値とが乖離している旨を判定する。

ここで、こうした電流乖離判定をドライブユニット４１〜４６が実施する構成が考えられる。この場合、制御装置１４は、ドライブユニット４１〜４６に対して既述の操作信号Ｓ１〜Ｓ６に加え、ＭＧ１０の電気周期の情報を送信する。また、ドライブユニット４１〜４６は、例えばスイッチング素子２１〜２６のセンス電流を電流検出値として取得する。そして、ドライブユニット４１〜４６は、電気周期の情報に基づいて、スイッチング素子２１〜２６に電流が流れ始めるタイミングをゼロクロス点として決め、そのゼロクロス点からの半周期の期間において、電流検出値と電流指令値とが乖離していることの判定を実施する。

かかる構成では、ドライブユニット４１〜４６において故障判定が実施されるため、制御装置１４での演算負荷の軽減を図ることができる。またこの場合、スイッチング素子２１〜２６の故障判定に際して、制御装置１４とドライブユニット４１〜４６との間の信号伝達の遅延を伴うことなく故障判定を実施できるため、故障発生からその判定までの時間を短縮することが可能となる。ただし、ゼロクロス点を基準とする電流検出値の推移に基づき実施される故障判定の処理を、制御装置１４において実施することも可能である。

上記のようにドライブユニット４１〜４６において故障判定が実施される場合には、その故障判定の結果に基づいてドライブユニット４１〜４６がスイッチング素子のシャットダウン処理（保護処理）を実施してもよい。この場合、少なくともオン故障の該当スイッチング素子についてドライブユニット４１〜４６がシャットダウン処理を実施し、それ以外のスイッチング素子については制御装置１４がシャットダウン処理を実施する構成でもよい。又は、各ドライブユニット４１〜４６における相互の信号伝達を可能として、各ドライブユニット４１〜４６が個々にシャットダウン処理を実施する構成でもよい。

・上記実施形態では、電流フィードバック制御の実行主体をドライブユニット４１〜４６としたがこれに限らない。例えば、制御装置１４を実行主体としてもよい。この場合、電流センサ１７ａ，１７ｂの出力値から算出される相電流に基づき電流フィードバック制御を行えばよい。具体的には、制御装置１４は、各スイッチング素子２１〜２６の操作状態と、上記相電流とに基づいてフリーホイールダイオード３１〜３６に順方向電流が流れるか否かを判断する。また、制御装置１４は、順方向電流が流れると判断された場合に、順方向電流が流れると判断されたフリーホイールダイオード３１〜３６に対応するスイッチング素子２１〜２６について操作信号Ｓ１〜Ｓ６を強制的にオフ操作指令に変更する処理を行う。かかる場合には、上下アームの各操作信号が互いに相補的な信号として出力される構成に代えて、上下アームの各操作信号のいずれかのみがハイレベルとなる操作信号が出力されることとなる。

・電力変換回路における複数のスイッチング素子は、ダイオード内蔵型の逆導通ＩＧＢＴ（ＲＣ−ＩＧＢＴ）に限定されない。要は、複数のスイッチング素子とそれに逆並列に接続されたフリーホイールダイオードとを有する構成であれば、他のスイッチング素子であってもよい。

・本発明の適用対象となる電力変換回路は、インバータ１１に限らず、ＤＣＤＣコンバータであってもよい。また、電力変換回路は、車両に搭載される電力変換回路に限らず、車両以外の移動体に搭載されるもの、あるいは定置装置に搭載されるものであってもよい。

１０…ＭＧ（交流モータ）、１１…インバータ（電力変換回路）、１４…制御装置、２１〜２６…スイッチング素子、３１〜３６…フリーホイールダイオード、４１〜４６…ドライバユニット。

Claims (7)

1. 上アーム及び下アームに設けられ直列接続体をなす複数のスイッチング素子（２１〜２６）と、前記複数のスイッチング素子にそれぞれ逆並列に接続されたフリーホイールダイオード（３１〜３６）とを有し、交流モータ（１０）に電気的に接続された電力変換回路（１１）に適用され、前記交流モータのコイルに流れる電流を所定の電流指令値に制御すべく前記複数のスイッチング素子をオンオフさせるスイッチング素子の駆動装置（１４，４１〜４６）であって、
   上下アームのスイッチング素子のいずれかの側で前記フリーホイールダイオードに順方向電流が流れる期間において、当該フリーホイールダイオードが逆接続されている前記スイッチング素子をオフ状態にするスイッチ制御手段と、
   前記コイルに流れる電流の実際値と前記電流指令値とが乖離していることに基づいて、前記スイッチング素子がオン故障している旨を判定する判定手段と、
   を備えることを特徴とするスイッチング素子の駆動装置。
2. 前記コイルの通電のための前記スイッチング素子のオンオフに際し、前記スイッチング素子のオフ時の遮断速度を通常遮断速度とし、その通常遮断速度で前記スイッチング素子をオフさせる駆動装置であって、
   前記判定手段により前記スイッチング素子がオン故障している旨判定された場合に、前記通常遮断速度により、オン状態の前記スイッチング素子をオフさせる請求項１に記載のスイッチング素子の駆動装置。
3. 前記コイルに流れる電流を電流検出手段（１７ａ，１７ｂ）により検出し、その電流検出値を用いた座標変換により電流ベクトルを算出する駆動装置であって、
   前記判定手段は、前記電流検出値に基づき算出した実際の電流ベクトルと前記電流指令値に基づき算出した電流指令ベクトルとの比較により、前記電流の実際値と前記電流指令値とが乖離していることの判定を実施する請求項１又は２に記載のスイッチング素子の駆動装置。
4. 前記判定手段は、前記実際の電流ベクトル及び前記電流指令ベクトルにおける大きさ及び位相の少なくともいずれかに基づいて、前記電流の実際値と前記電流指令値とが乖離していることの判定を実施する請求項３に記載のスイッチング素子の駆動装置。
5. 前記コイルに流れる電流を電流検出手段（１７ａ，１７ｂ）により検出し、その電流検出値を取得する駆動装置であって、
   前記判定手段は、前記電流検出値及び前記電流指令値における電流振幅及び位相の少なくともいずれかの比較により、前記電流の実際値と前記電流指令値とが乖離していることの判定を実施する請求項１又は２に記載のスイッチング素子の駆動装置。
6. 前記コイルに流れる電流を電流検出手段（１７ａ，１７ｂ，４１〜４６）により検出し、その電流検出値を取得する駆動装置であって、
   前記判定手段は、前記コイルに流れる電流の正弦波状の交流変化に際し当該電流の向きが正負反転するゼロクロス点からの半周期の期間において、前記交流変化の振幅中心からの前記電流検出値の振幅が減少傾向となる期間が１／４周期よりも短い場合に、前記コイルに流れる電流の実際値と前記電流指令値とが乖離している旨を判定する請求項１又は２に記載のスイッチング素子の駆動装置。
7. 前記複数のスイッチング素子をオンオフさせる操作信号を生成し出力する制御部（１４）と、前記複数のスイッチング素子に各々設けられ、前記制御部から出力される前記操作信号に基づいて前記スイッチング素子をオン動作及びオフ動作させる駆動回路（４１〜４６）とを備え、
   前記制御部は、前記交流モータの電気周期を前記駆動回路に出力し、
   前記駆動回路は、前記交流モータの電気周期に基づいて、前記スイッチング素子に電流が流れ始めるタイミングを前記ゼロクロス点とし、そのゼロクロス点からの半周期の期間において、前記判定手段として前記電流の実際値と前記電流指令値とが乖離していることの判定を実施する請求項６に記載のスイッチング素子の駆動装置。