JP2018078688A

JP2018078688A - 電力変換装置

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Publication number: JP2018078688A
Application number: JP2016217896A
Authority: JP
Inventors: 勝也辻本; Katsuya Tsujimoto; 鳥取　功; Isao Tottori; 功鳥取
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-11-08
Filing date: 2016-11-08
Publication date: 2018-05-17
Anticipated expiration: 2036-11-08
Also published as: JP6289587B1

Abstract

【課題】スイッチング素子の温度を精度よく測定してスイッチング素子を過熱から保護し、スイッチング素子の温度を検出するための検温回路の故障を速やかに検出する。【解決手段】定電流電源回路２２１により温度検出用ダイオード素子部２１２を駆動してスイッチング素子２１１の温度を測定する際に、定電流電源回路２２１と温度検出用ダイオード素子部２１２との間に監視用抵抗器２２３を配置した検温回路２３０の両端の電位値Ｖ１，Ｖ２を電圧変換器２２４により測定することで、スイッチング素子２１１の温度を得るだけでなく、検温回路２３０が正常か故障かを常時監視する。【選択図】図１

Description

本発明は電力変換装置に関し、特に、例えば電動機、発電機などの回転電機に用いられる電力変換装置に関する。

一般に、車両に搭載された多相モータを通電制御するための電力変換装置には、複数のスイッチ素子から形成されたブリッジ回路が設けられている場合が多い。

その場合、ブリッジ回路を構成する全てのスイッチ素子の温度を、安価かつ確実な方法で検出することで、スイッチ素子を過熱から保護することを実現させることが要求されている。

例えば特許文献１に記載の温度検出方法では、ブリッジ回路を構成するスイッチ素子のそれぞれに対し、同一チップ上に温度検出用ダイオード素子を設け、当該温度検出用ダイオード素子の両端電圧を測定することでスイッチ素子の温度を検出している。

特許文献１では、複数のスイッチ素子から、予め設定した個数のスイッチ素子を選択し、選択した各スイッチ素子の温度検出用ダイオード素子を直列接続して、それらのスイッチ素子の温度を検出している。

特開２０１１−１３３４２０号公報

上述した特許文献１の温度検出方法のように、温度検出用ダイオード素子を用いてスイッチ素子の温度を検出するためには、温度検出用ダイオード素子を一定の安定した電流で駆動する必要がある。温度検出用ダイオード素子を駆動する電流が変動すると、当該変動に起因した測定誤差が発生し、精度よくスイッチ素子の温度を測定することはできない。これを防止するためには、温度検出用ダイオード素子を駆動する電流を監視する必要があるが、特許文献１においては、温度検出用ダイオード素子を駆動する電流を監視することについては記載されておらず、全く意図していない。さらには、温度検出用ダイオード素子に電力を供給する電力線または温度検出用ダイオード素子自体に故障が発生していても、それを検出する機構が備わっていないため、スイッチ素子に温度が正しく検出できていない場合にも、ユーザが当該故障を認識することができないという問題点があった。

本発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、スイッチング素子の温度を精度よく測定してスイッチング素子を過熱から保護し、かつ、スイッチング素子の温度を検出するための検温回路の故障を速やかに検出することが可能な、電力変換装置を得ることを目的としている。

本発明は、スイッチング素子により構成される電力変換部と、前記スイッチング素子を制御するスイッチング制御部と、前記スイッチング素子の温度を検出する検温回路とを備え、前記検温回路は、ダイオードから構成され、前記スイッチング素子に対して同一チップ上に設けられた温度検出用ダイオード素子部と、前記温度検出用ダイオード素子部に対して定電流を出力して前記温度検出用ダイオード素子部を駆動する定電流電源回路と、前記定電流電源回路と前記温度検出用ダイオード素子部との間に直列に接続された監視用抵抗器と、前記監視用抵抗器の両端の電位値を測定するとともに、前記両端の電位値の差である電位差を求める電圧検出部と、前記電圧検出部により測定された前記監視用抵抗器の前記両端の電位値のうち、前記温度検出用ダイオード素子部側の一端の電位値に基づいて、前記温度検出用ダイオード素子部の順方向電圧を求め、前記順方向電圧の温度特性に基づいて前記スイッチング素子の温度を検出する温度検出部と、前記電圧検出部により求められた前記監視用抵抗器の前記両端の電位差に基づいて、前記検温回路の動作が正常か否かを判定する故障判定部とを備えた、電力変換装置である。

本発明の電力変換装置によれば、定電流電源回路により温度検出用ダイオード素子部を駆動してスイッチング素子の温度を測定する際に、定電流電源回路と温度検出用ダイオード素子部との間に監視用抵抗器を配置した検温回路の両端の電位値を検出することで、スイッチング素子の温度を得るだけでなく、検温回路が正常か故障かを常時監視できるようにしたので、スイッチング素子の温度を精度よく測定してスイッチング素子を過熱から保護し、かつ、スイッチング素子の温度を検出するための検温回路の故障を速やかに検出することができる。

本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示した構成図である。本発明の実施の形態２に係る電力変換装置の構成を示した構成図である。本発明の実施の形態３に係る電力変換装置の故障判定の判定基準をまとめた表を示した図である。

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態に係る電力変換装置について説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示した図である。図１に示す電力変換装置２００は、例えば自動車等の車両に搭載される車両用電力変換装置である。

電力変換装置２００は、車両用多相回転電機１００に接続されている。電力変換装置２００は、車両用多相回転電機１００への通電を制御する。車両用多相回転電機１００は、例えば、電動機、発電機等の多相交流回転電機から構成されている。以下では、車両用多相回転電機１００が三相交流回転電機から構成されている場合を例に挙げて説明するが、本発明は、これに限定されず、車両用多相回転電機１００は、任意の相数の回転電機であってよい。

電力変換装置２００は、電力変換部２１０とスイッチング制御部２２０とから構成されている。電力変換部２１０には、車両用多相回転電機１００が接続されている。電力変換部２１０は、車両用多相回転電機１００への給電を制御することで、車両用多相回転電機１００を駆動または回生させる。また、電力変換部２１０には、スイッチング制御部２２０が接続されている。スイッチング制御部２２０は、電力変換部２１０を制御する。

図１に示すように、電力変換部２１０は、直列に接続された２つのスイッチング素子２１１からなる直列回路から構成されている。電力変換部２１０の当該直列回路は、車両用多相回転電機１００の各相に対応させて設けられている。従って、図１の例では、車両用多相回転電機１００がＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相を有しているので、それらの各相に対応させて直列回路が１つずつ設けられている。各直列回路は、それぞれ、１つの放熱体２１３上に設置されている。なお、以下では、当該直列回路において、上側のスイッチング素子２１１を上アーム側スイッチング素子２１１または単にスイッチング素子２１１と呼び、下側のスイッチング素子２１１を下アーム側スイッチング素子２１１または単にスイッチング素子２１１と呼ぶこととする。上アーム側スイッチング素子２１１と下アーム側スイッチング素子２１１との接続点には、車両用多相回転電機１００のＵ，Ｖ，Ｗの各相の巻線が接続されている。上アーム側スイッチング素子２１１及び下アーム側スイッチング素子２１１は、スイッチング制御部２２０により、ＯＮ／ＯＦＦの切り替えが制御される。

なお、以下の説明においては、各直列回路のうち、代表として、Ｕ相の巻線に接続された直列回路について説明する。Ｖ相及びＷ相の巻線に接続された直列回路の構成及び動作については、Ｕ相のものと同じであるため、ここでは、その説明を省略する。

直列回路において、下アーム側スイッチング素子２１１は、同一チップ上に形成された温度検出用ダイオード素子部２１２を備えている。従って、下アーム側スイッチング素子２１１は、スイッチング素子２１１からなるスイッチング素子部と、温度検出用ダイオード素子からなる温度検出用ダイオード素子部２１２とから構成されている。温度検出用ダイオード素子部２１２は、図１に示すように、１以上の温度検出用ダイオード素子が直列接続されて構成されている。なお、図１においては、符号２１２で示される矩形の領域が温度検出用ダイオード素子部２１２であり、下アーム側スイッチング素子２１１のそれ以外の領域がスイッチング素子部である。

一方、上アーム側スイッチング素子２１１は、温度検出用ダイオード素子部２１２を備えていない。従って、上アーム側スイッチング素子２１１は、スイッチング素子２１１からなるスイッチング素子部のみから構成されている。上アーム側スイッチング素子については、直接温度検出を行わずに、下アーム側スイッチング素子２１１の検出結果に基づいて、過熱か否かの判定を行う。その理由としては、上アーム側スイッチング素子２１１及び下アーム側スイッチング素子２１１は、共に、同一の１つの放熱体２１３上に配置されているため、下アーム側スイッチング素子２１１に、上アーム側スイッチング素子２１１の温度も反映される。そのため、上アーム側スイッチング素子２１１については間接的な温度検出を行っている。これにより、製造コストが抑えられる。但し、この場合に限らず、上アーム側スイッチング素子２１１にも、温度検出用ダイオード素子部２１２を設けて、直接、温度検出を行うようにしてもよい。

スイッチング制御部２２０は、上アーム側スイッチング素子２１１及び下アーム側スイッチング素子２１１に接続されるとともに、温度検出用ダイオード素子部２１２に接続されている。スイッチング制御部２２０は、定電流電源回路２２１、定電流回路用電源２２２、監視用抵抗器２２３、および、電圧変換器２２４を備えている。なお、図１においては、スイッチング制御部２２０の構成として、符号２２１〜２２４で示されるこれらの構成要素しか図示しておらず、上アーム側スイッチング素子２１１及び下アーム側スイッチング素子２１１との接続線および上アーム側スイッチング素子２１１及び下アーム側スイッチング素子２１１のＯＮ／ＯＦＦを切り替えるＰＷＭスイッチング部については、図示を省略している。しかしながら、実際には、上アーム側スイッチング素子２１１及び下アーム側スイッチング素子２１１をＯＮ／ＯＦＦを切り替えてＰＷＭ制御するための当該接続線および当該ＰＷＭスイッチング部が設けられている。

なお、図１の一点鎖線で示されるように、温度検出用ダイオード素子部２１２、定電流電源回路２２１、定電流回路用電源２２２、および、監視用抵抗器２２３は、下アーム側スイッチング素子２１１の温度を測定するための検温回路２３０を構成している。

定電流電源回路２２１は、定電流回路用電源２２２に接続されている。定電流電源回路２２１は、定電流回路用電源２２２からの電力を用いて、温度検出用ダイオード素子部２１２に駆動電流を供給し、温度検出用ダイオード素子部２１２を駆動する。以下では、当該駆動電流を、電流ｉと呼ぶ。

監視用抵抗器２２３は、定電流電源回路２２１と温度検出用ダイオード素子部２１２との間に接続されている。

電圧変換器２２４は、監視用抵抗器２２３の両端の電位値Ｖ１，Ｖ２を測定するとともに、電位値Ｖ１，Ｖ２の差である電位差Ｖｄも求める。そうして、電圧変換器２２４は、測定した電位値Ｖ１に基づいてスイッチング素子２１１の温度を取得すると共に、求めた電位差Ｖｄに基づいて検温回路２３０の動作が正常か否かを常時監視する。

従って、電圧変換器２２４は、監視用抵抗器２２３の両端の電位値Ｖ１，Ｖ２を測定するとともに、当該電位値Ｖ１，Ｖ２の差である電位差Ｖｄを求める電圧検出部と、電圧検出部により測定された監視用抵抗器２２３の両端の電位値Ｖ１，Ｖ２のうち、温度検出用ダイオード素子部２１２側の一端の電位Ｖ１に基づいて、温度検出用ダイオード素子部２１２の順方向電圧ＶＦを求め、順方向電圧ＶＦの温度特性に基づいてスイッチング素子２１１の温度を検出する温度検出部と、電圧検出部により求められた監視用抵抗器２２３の両端の電位差Ｖｄに基づいて、検温回路２３０の動作が正常か否かを判定する故障判定部とを構成している。

スイッチング制御部２２０は、以上のように構成され、スイッチング素子２１１の温度を測定するために、定電流電源回路２２１により温度検出用ダイオード素子部２１２に電流ｉを供給することで、温度検出用ダイオード素子部２１２を構成するダイオードの順方向電圧ＶＦの温度特性により、スイッチング素子２１１の温度を取得することができる。また、このときに、定電流電源回路２２１と温度検出用ダイオード素子部２１２との間に監視用抵抗器２２３を直列接続して、電圧変換器２２４により、監視用抵抗器２２３の両端の電位値Ｖ１，Ｖ２及びその電位差Ｖｄを測定することで、スイッチング素子２１１の温度が測定できるとともに、検温回路２３０の動作が正常か否かを常時監視することができる。詳細については、後述する。

一般的に、電力変換部２１０に使われるスイッチング素子２１１には、ＩＧＢＴ、ＭＯＳ−ＦＥＴなどの半導体素子が使われる。スイッチング素子２１１がＯＮ状態の際に発生する定常損失と、スイッチング素子２１１のＯＮからＯＦＦへの切替またはＯＦＦからＯＮへの切替時の過渡状態の際に発生するスイッチング損失とにより、スイッチング素子２１１のジャンクション温度が上昇する。こうして、スイッチング素子２１１のジャンクション温度が、絶対最大定格以上になると、スイッチング素子２１１の寿命が著しく劣化する。また、場合によっては、スイッチング素子２１１がショート故障し、その結果、大電流が電力変換部２１０に流れる可能性がある。

このため、本実施の形態においては、電力変換装置２００において、スイッチング素子２１１の同一チップ上に温度検出用ダイオード素子部２１２を実装し、温度検出用ダイオード素子部２１２の順方向電圧ＶＦを測定することで、スイッチング素子２１１のジャンクション温度を測定する。また、測定したジャンクション温度が、予め設定した閾値よりも高い場合には、スイッチング素子２１１のスイッチング周波数を遅くする、または、車両用多相回転電機１００の駆動・回生時の電流を小さくして、スイッチング素子２１１を保護するための制御を行う。当該制御については、電力変換装置２００に設けられた図示しないマイクロプロセッサーにより行われる。マイクロプロセッサーは、図示しないメモリに予め格納されたプログラムを実行することにより、当該制御を実現する。

温度検出用ダイオード素子部２１２の順方向電圧ＶＦは、温度検出用ダイオード素子部２１２に流す順方向電流を電流ｉとし、温度検出用ダイオード素子部２１２の温度をＴとすると、下記の式１で表すことが可能である。ここで、Ｖ_ｇ、ｋ、ｑ、Ａは、半導体の組成、製造条件などにより決まる定数である。

ＶＦ＝Ｖ_ｇ−Ｔ×（ｋ／ｑ）×ｌｎ（Ａ×ｉ）（式１）

式１より、電流ｉの値が一定の場合、順方向電圧ＶＦは、温度Ｔの関数になることが判る。さらに具体的に述べると、順方向電圧ＶＦと温度Ｔとは、比例関係にあり、その傾きは負の値である。従って、順方向電圧ＶＦの変化量は、温度Ｔの変化量に対して、負特性を有し、温度Ｔの上昇に伴って、順方向電圧ＶＦが減少する。この原理を利用して、順方向電圧ＶＦを測定することで、温度Ｔの測定が可能である。また、温度検出用ダイオード素子部２１２とスイッチング素子２１１とは同一チップ上に配置されているため、スイッチング素子２１１からの熱伝導によって、温度検出用ダイオード素子部２１２の温度Ｔが上昇する。そのため、温度Ｔを検出することで、スイッチング素子２１１のジャンクション温度の測定が可能になる。

スイッチング素子２１１のジャンクション温度を精度よく測定するためには、順方向電流の電流ｉの値を一定とする必要がある。本実施の形態においては、電流ｉを一定とするために、図１に示すように、一定の電流値の電流を出力する定電流電源回路２２１を用いて、温度検出用ダイオード素子部２１２を駆動する。このような定電流電源回路２２１を用いているため、定電流電源回路２２１から出力される電流値は、理論的には一定である。しかしながら、実際には、様々な要因により、定電流電源回路２２１の電流値が一定とならない可能性がある。定電流電源回路２２１の電流値が変化すると、スイッチング素子２１１の正常な温度測定ができず、不要なディレーティング処理によるトルク低下による商品性の低下が発生し、あるいは、必要な際にディレーティング処理ができなくなり、最悪は、スイッチング素子２１１を破壊することが考えられる。

このため、本実施の形態では、定電流電源回路２２１と温度検出用ダイオード素子部２１２との間に、監視用抵抗器２２３を配置した検温回路２３０を用いている。これにより、監視用抵抗器２２３の既知である抵抗値をＲとすると、監視用抵抗器２２３の両端の電位差Ｖｄは、オームの法則により、下記の式２で表すことが可能である。

Ｖｄ＝Ｒ×ｉ（式２）

但し、上記の式１より、電流ｉが増加する程、絶対温度Ｔに対する順方向電圧ＶＦの変化量は大きくなるが、温度検出用ダイオード素子部２１２に電流ｉを流すことで、温度検出用ダイオード素子部２１２自体の発熱が増加する。その結果、温度検出用ダイオード素子部２１２の目的であるスイッチング素子２１１の温度測定ができなくなる可能性がある。そのため、電流ｉの値は、高すぎても、低すぎても、良好な温度測定ができないため、温度検出用ダイオード素子部２１２の特性に合わせて適宜決められた値となる。

図１では、監視用抵抗器２２３の両端の電位値Ｖ１，Ｖ２を、電圧変換器２２４によりそれぞれ測定する。監視用抵抗器２２３の定電流電源回路２２１側の一端の電位値をＶ２とし、監視用抵抗器２２３の温度検出用ダイオード素子部２１２側の一端の電位値をＶ１とすると、監視用抵抗器２２３の両端の電位差Ｖｄは、下記の式３となる。

Ｖｄ＝Ｖ２−Ｖ１（式３）

正常状態では、式２の右辺の値と式３の右辺の値とは等しくなるが、一方、定電流電源回路２２１が正常に動作しない場合は、式２の右辺の値と式３の右辺の値とが等しくならない。そのため、電圧変換器２２４の測定により得られた電位差Ｖｄの値が、式２の計算式から得られる値と一致しない場合に、検温回路２３０が正常でないと判定することができる。その結果、温度検出用ダイオード素子部２１２によるジャンクション温度測定が正常に機能していないことが判断可能となる。

なお、検温回路２３０が正常な場合であっても、実際には、式２と式３とが完全一致することはなく、定電流電源回路２２１の制御誤差及び監視用抵抗器２２３の抵抗誤差を考慮した範囲で、検温回路２３０の正常か否かの判定が必要になることは言うまでもない。従って、具体的には、式２のオームの法則に基づく計算式から得られるＶｄの計算値に基づいて、正常と判定する範囲を予め設定しておき、電圧変換器２２４の測定により得られた電位差Ｖｄの値が当該範囲内であるときに、検温回路２３０は正常であると判定し、一方、電圧変換器２２４の測定により得られた電位差Ｖｄの値が、当該範囲外の場合に、検温回路２３０が異常であると判定する。

電力変換装置２００は、検温回路２３０が異常であると判定した場合には、車両のドライバに対し、警告メッセージを表示して、当該異常を通知する。なお、当該表示は、例えば、車両に搭載された既存の計器盤のディスプレイ装置により行う。

また、監視用抵抗器２２３の温度検出用ダイオード素子部２１２側の一端の電位値Ｖ１は、キルヒホッフの第２法則により、温度検出用ダイオード素子部２１２の順方向電圧ＶＦと一致する。従って、電圧変換器２２４の測定により得られた電位値Ｖ１の値が、そのまま、順方向電圧ＶＦとなる。また、温度検出用ダイオード素子部２１２に流れる電流ｉが一定の場合、上記式１で示されるように、順方向電圧ＶＦと、温度検出用ダイオード素子部２１２の温度Ｔとは、一次関数の関係が成立するため、順方向電圧ＶＦを測定することで、温度検出用ダイオード素子部２１２の温度Ｔが検出可能である。また、温度検出用ダイオード素子部２１２とスイッチング素子２１１とは同一チップ上に配置されているため、スイッチング素子２１１からの熱伝導によって、温度検出用ダイオード素子部２１２の温度Ｔが上昇するため、温度Ｔを検出することで、スイッチング素子２１１のジャンクション温度の測定が可能になる。

以上のように、本実施の形態に係る電力変換装置２００は、車両用多相回転電機１００を駆動または回生させるためのスイッチング素子２１１により構成される電力変換部２１０と、スイッチング素子２１１を制御するスイッチング制御部２２０と、スイッチング素子２１１の温度を検出する検温回路２３０とを備えている。また、検温回路２３０は、１以上のダイオードから構成され、スイッチング素子２１１に対して同一チップ上に設けられた温度検出用ダイオード素子部２１２と、温度検出用ダイオード素子部２１２に対して、一定の電流値の電流を出力する定電流電源回路２２１と、定電流電源回路２２１と温度検出用ダイオード素子部２１２との間に直列に接続された監視用抵抗器２２３と、監視用抵抗器２２３の両端の電位値Ｖ１，Ｖ２を測定し、両端の電位値Ｖ１，Ｖ２の電位差Ｖｄを求め、電圧変換器２２４により測定された監視用抵抗器２２３の両端の電位値Ｖ１，Ｖ２のうち、温度検出用ダイオード素子部２１２側の一端の電位値Ｖ１に基づいて、温度検出用ダイオード素子部２１２の順方向電圧ＶＦを求め、順方向電圧ＶＦの温度特性に基づいてスイッチング素子２１１の温度を検出するとともに、電圧変換器２２４により求められた監視用抵抗器２２３の両端の電位差Ｖｄに基づいて、検温回路２３０の動作が正常か否かを判定する電圧変換器２２４とを備えている。当該構成により、本実施の形態に係る電力変換装置においては、定電流電源回路２２１により温度検出用ダイオード素子部２１２を電流ドライブすることで、ダイオードの順方向電圧ＶＦの温度特性によりスイッチング素子２１１の温度を取得する際に、定電流電源回路２２１と温度検出用ダイオード素子部２１２との間に監視用抵抗器２２３を配置した検温回路２３０において、監視用抵抗器２２３の両端電圧を測定することで、スイッチング素子２１１の温度を得るだけでなく、検温回路２３０の動作の健全性を常時監視することができる。

このように、本実施の形態によれば、検温回路２３０に監視用抵抗器２２３を追加し、監視用抵抗器２２３の両端の電位値Ｖ１，Ｖ２を電圧変換器２２４で測定することで、検温回路２３０の健全性が監視でき、温度検出用ダイオード素子部２１２による温度測定の正当性が担保できるようになる。

その結果、定電流電源回路２２１から出力される電流ｉが変動せずに一定であることを監視しながら、スイッチング素子２１１の温度を測定することができるので、スイッチング素子２１１の温度を精度よく測定して、スイッチング素子を過熱から保護することができる。また、監視用抵抗器２２３の両端電圧から検温回路２３０が正常か否かを常に監視できるので、検温回路２３０の故障を速やかに検出することができる。

実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２に係る電力変換装置の構成を示した図である。図２に示す電力変換装置２００の構成は、基本的には、実施の形態１に係る電力変換装置の構成と同じであるため、同一の構成については、同一符号を付して示し、ここでは、その説明を省略し、以下では、実施の形態１との相違点について主に説明する。

本実施の形態と実施の形態１との相違点は、本実施の形態においては、図１の電圧変換器２２４の代わりに、２つの電圧変換器２２４ａ，２２４ｂが設けられている点である。本実施の形態においては、検温回路２３０の監視用抵抗器２２３の両端の電位値Ｖ１，Ｖ２を、それぞれ、電圧変換器２２４ａ，２２４ｂで別個に測定する。

電圧変換器２２４ａは、監視用抵抗器２２３の温度検出用ダイオード素子部２１２側の一端に接続され、当該一端の電位値Ｖ１を測定する。電圧変換器２２４ａは、例えば、マイクロプロセッサーに内蔵されたアナログデジタル変換器（ＡＤコンバータ）から構成される。マイクロプロセッサーは、図示しないメモリ内に予め格納されているプログラムを実行することにより、測定した電位値Ｖ１をスイッチング素子２１１の温度に変換する演算を行うとともに、ディレーティング処理の判断を行う。

電圧変換器２２４ｂは、監視用抵抗器２２３の定電流電源回路２２１側の他端に接続され、当該他端の電位値Ｖ２を測定する。電圧変換器２２４ｂは、例えば、定電流電源回路２２１と一体に成形された半導体素子２４０のアナログデジタル変換器（ＡＤコンバータ）から構成される。電圧変換器２２４ｂ、定電流回路用電源２２２、及び、定電流電源回路２２１は、同一チップ上に一体で構成され、１つの半導体素子２４０を構成している。

半導体素子２４０とマイクロプロセッサー２５０とは、例えばシリアル通信回線などの通信回線２６０を介して接続されている。半導体素子２４０の電圧変換器２２４ｂで測定した電位値Ｖ２は、通信回線２６０を介して、マイクロプロセッサー２５０に送信される。

マイクロプロセッサー２５０は、電圧変換器２２４ａで測定した電位値Ｖ１と、半導体素子２４０から受信した電位値Ｖ２との電位差Ｖｄを演算する。また、マイクロプロセッサー２５０は、監視用抵抗器２２３の既知の抵抗Ｒの値と、定電流電源回路２２１から出力された電流ｉの値とから、オームの法則に基づく上記の式（２）を用いて、監視用抵抗器２２３の両端の電位差Ｖｄを演算する。マイクロプロセッサー２５０は、電位値Ｖ１、Ｖ２から求めた電位差Ｖｄと、オームの法則に基づいて抵抗Ｒと電流ｉとの値から求めた電位差Ｖｄとを比較して、両者が一致していれば、検温回路２３０が正常であると判定し、一方、両者が一致していなければ、検温回路２３０が正常でないと判定する。マイクロプロセッサー２５０の当該判定により、定電流電源回路２２１から出力される電流ｉの値を監視することが可能である。

また、電圧変換器２２４ａ，２２４ｂのいずれか一方に故障が発生した場合においても、故障していない側の電圧変換器２２４ａまたは２２４ｂで測定した電位値Ｖ１またはＶ２により、スイッチング素子２１１の温度の取得が継続できる。以下に、そのことについて説明する。

一例として、図２において、例えば電圧変換器２２４ａで故障が発生した場合、故障が発生していない側の電圧変換器２２４ｂで測定した電位値Ｖ２だけを用いて、温度検出用ダイオード素子部２１２の順方向電圧ＶＦを求める。その場合の演算式は、下記の式４になる。

ＶＦ＝Ｖ２−Ｒ×ｉ（式４）

順方向電圧ＶＦが直接測定可能な電位値Ｖ１から求めたＶＦよりも、式４で求めたＶＦの値の方が誤差要因が多くなるが、例えば定電流電源回路２２１の制御誤差を２％とし、監視用抵抗器２２３の抵抗値の誤差を１％とし、上記の式２でのＲ・ｉ積が０.５Ｖ程度とした場合、その誤差は、下記の式５で示される値となる。

０.５Ｖ×±３％＝±１５ｍＶ (式５)

温度検出用ダイオード素子部２１２は、複数のダイオードが直列に接続されて構成されている。それらのダイオードは、−４ｍＶ／Ｋ〜−８ｍＶ／Ｋの温度勾配を有しており、上記の式５の回路的な誤差要因誤差は、下記の式６で示す程度となる。

±１５ｍＶ／（−４ｍＶ／Ｋ）＝±３.７５Ｖ (式６)

そのため、高精度な定電流電源回路２２１及び監視用抵抗器２２３を使うことで、温度測定誤差を低減することが可能になり、電力変換装置としての機能を維持可能となる。

以上のように、本実施の形態においても、上記の実施の形態１と同様の効果が得られる。さらに、本実施の形態においては、検温回路２３０内の監視用抵抗器２２３の両端の電位値Ｖ１，Ｖ２をそれぞれ別々の電圧変換器２２４ａ，２２４ｂで測定し、例えば、一方の電圧変換器２２４ａには、測定した電位値Ｖ１よりプログラムによりスイッチング素子２１１の温度変換やディレーティング処理の判断を行うためのマイクロプロセッサー２５０に内蔵されたアナログデジタル変換器（ＡＤコンバータ）を使い、他方の電圧変換器２２４ｂには、検温回路２３０にて電流ドライブするための定電流電源回路２２１と一体になった半導体素子２４０のＡＤコンバータを用い、半導体素子２４０とマイクロプロセッサー２５０との間はシリアル通信などの通信回線２６０で接続して、半導体素子２４０にて測定した電位値Ｖ１をマイクロプロセッサー２５０に送り、マイクロプロセッサー２５０のＡＤコンバータで測定した電位値Ｖ２との差分である電位差Ｖｄと、既知の監視用抵抗器２２３の抵抗値とから、定電流電源回路２２１が電流ドライブしている電流ｉの値を監視することが可能であるとともに、もしどちらかの電圧変換器２２４ａまたは２２４ｂに故障があった場合も、故障が発生していない正常な側の電圧変換器２２４ｂまたは２２４ａの測定値により、スイッチング素子２１１の温度取得が継続できるため、電力変換装置としての機能を維持することが実現できる。

実施の形態３．
図１及び図２に示した電力変換装置２００において、検温回路２３０内の監視用抵抗器２２３の両端の電位値Ｖ１，Ｖ２に基づいて、例えば図３に示す表に示した判定基準に基づいて、故障部位及び故障種別の判定が可能になる。なお、当該判定は、電力変換装置２００のスイッチング制御部２２０に設けられた図示しないマイクロプロセッサーにより行う。マイクロプロセッサーは、図示しないメモリの中に、プログラムを格納するとともに、図３の判定基準を格納しており、当該プログラムを実行することにより、上記判定を実現する。また、マイクロプロセッサーは、必要に応じて、故障部位及び故障種別を示すメッセージをドライバに対して表示する。

なお、本実施の形態における電力変換装置の構成及び動作は、基本的に、実施の形態１，２と同じであるため、ここでは、その説明を省略し、以下では、故障判定動作についてのみ説明する。

以下、図３の表の判定基準に基づく故障判定動作について、例を挙げて説明する。なお、図３に示されるように、判定基準には、監視用抵抗器２２３の両端の電位値Ｖ１，Ｖ２及びそれらの電位差Ｖｄ（＝Ｖ２−Ｖ１）と、検温回路２３０の故障の種別及び故障部位との対応関係が予め定められている。

一つの故障例として、例えば、監視用抵抗器２２３の両端の電位差Ｖｄ（＝Ｖ２−Ｖ１）が０Ｖで、かつ、電位値Ｖ１，Ｖ２が共にゼロ電位であった場合には、マイクロプロセッサーは、図３の表の判定基準に従って、定電流電源回路２２１と監視用抵抗器２２３との間に断線箇所があるか、または、定電流電源回路２２１が電流ｉを出力できていないかのいずれかであるとして、故障部位と故障の種別を判定する。

また、他の故障例として、監視用抵抗器２２３の両端の電位差Ｖｄ（＝Ｖ２−Ｖ１）が０Ｖで、かつ、電位値Ｖ１，Ｖ２が共に定電流回路用電源２２２の電源電圧Ｖｃｃであった場合には、マイクロプロセッサーは、図３の表の判定基準に従って、温度検出用ダイオード素子部２１２がオープン状態か、または、監視用抵抗器２２３から温度検出用ダイオード素子部２１２を経由してＧＮＤに至るまでの閉回路中のいずれかの箇所に断線箇所があるとして、故障部位と故障の種別を判定する。

また、他の故障例として、監視用抵抗器２２３の両端の電位差Ｖｄ（＝Ｖ２−Ｖ１）が定電流回路用電源２２２の電源電圧Ｖｃｃで、かつ、電位値Ｖ１がゼロ電位で、電位値Ｖ２が定電流回路用電源２２２の電源電圧Ｖｃｃであった場合には、マイクロプロセッサーは、図３の表の判定基準に従って、監視用抵抗器２２３がオープン故障か、または、定電流回路用電源２２２から監視用抵抗器２２３に至るまでの経路中のいずれかの箇所に断線箇所があるとして、故障部位と故障の種別を判定する。

一方、監視用抵抗器２２３の両端の電位差Ｖｄ（＝Ｖ２−Ｖ１）が、オームの法則に基づいて抵抗Ｒと電流ｉとの値に基づいて演算で求めた電位差Ｖｄと一致し、かつ、電位値Ｖ１がゼロ電位でなければ、マイクロプロセッサーは、図３の表の判定基準に従って、検温回路２３０が正常に機能していると判定する。このとき、電位値Ｖ１の値が、温度検出用ダイオード素子部２１２の順方向電圧ＶＦとなる。

しかしながら、監視用抵抗器２２３の両端の電位差Ｖｄ（＝Ｖ２−Ｖ１）が、オームの法則に基づいて抵抗Ｒと電流ｉとの値に基づいて演算で求めた電位差Ｖｄと一致している場合においても、電位値Ｖ１がゼロ電位であった場合には、マイクロプロセッサーは、図３の表の判定基準に従って、温度検出用ダイオード素子部２１２の両端がショート状態か、あるいは、監視用抵抗器２２３から温度検出用ダイオード素子部２１２に至る経路において断線箇所があるかＧＮＤに地絡しているかのいずれかであるとして、故障部位と故障の種別を判定する。

以上のように、本実施の形態においても、実施の形態１及び２と同様の効果を得ることができる。さらに、本実施の形態においては、図３の表に示される判定基準に従って、検温回路２３０内の監視用抵抗器２２３の両端の電位値Ｖ１，Ｖ２に基づいて、検温回路２３０が故障か否かの判定を行うようにしたので、容易にかつ的確に、故障部位と故障の種別を判定することができる。

１００車両用多相回転電機、２００電力変換装置、２１０電力変換部、２１１スイッチング素子、２１２温度検出用ダイオード素子部、２２０スイッチング制御部、２２１定電流電源回路、２２２定電流回路用電源、２２３監視用抵抗器、２２４，２２４ａ，２２４ｂ電圧変換器、２３０検温回路、２４０半導体素子、２５０マイクロプロセッサー、２６０通信回線。

本発明は、スイッチング素子により構成される電力変換部と、前記スイッチング素子を制御するスイッチング制御部と、前記スイッチング素子の温度を検出する検温回路とを備え、前記検温回路は、ダイオードから構成され、前記スイッチング素子に対して同一チップ上に設けられた温度検出用ダイオード素子部と、前記温度検出用ダイオード素子部に対して定電流を出力して前記温度検出用ダイオード素子部を駆動する定電流電源回路と、前記定電流電源回路と前記温度検出用ダイオード素子部との間に直列に接続された監視用抵抗器と、前記監視用抵抗器の両端の電位値を測定するとともに、前記両端の電位値の差である電位差を求める電圧検出部と、前記電圧検出部により測定された前記監視用抵抗器の前記両端の電位値のうち、前記温度検出用ダイオード素子部側の一端の電位値に基づいて、前記温度検出用ダイオード素子部の順方向電圧を求め、前記順方向電圧の温度特性に基づいて前記スイッチング素子の温度を検出する温度検出部と、前記電圧検出部により求められた前記監視用抵抗器の前記両端の電位差に基づいて、前記検温回路の動作が正常か否かを判定する故障判定部と、前記監視用抵抗器の前記両端の前記電位値及び前記電位差と前記検温回路の故障の種別及び故障部位との対応関係が予め定められた判定基準を予め格納しているメモリとを備え、前記故障判定部は、前記メモリに格納されている前記判定基準を用いて、前記電圧検出部により得られる前記監視用抵抗器の前記両端の前記電位値および前記電位差に基づいて前記検温回路の故障の種別と故障部位とを判定する、電力変換装置である。

Claims

スイッチング素子により構成される電力変換部と、
前記スイッチング素子を制御するスイッチング制御部と、
前記スイッチング素子の温度を検出する検温回路と
を備え、
前記検温回路は、
ダイオードから構成され、前記スイッチング素子に対して同一チップ上に設けられた温度検出用ダイオード素子部と、
前記温度検出用ダイオード素子部に対して定電流を出力して前記温度検出用ダイオード素子部を駆動する定電流電源回路と、
前記定電流電源回路と前記温度検出用ダイオード素子部との間に直列に接続された監視用抵抗器と、
前記監視用抵抗器の両端の電位値を測定するとともに、前記両端の電位値の差である電位差を求める電圧検出部と、
前記電圧検出部により測定された前記監視用抵抗器の前記両端の電位値のうち、前記温度検出用ダイオード素子部側の一端の電位値に基づいて、前記温度検出用ダイオード素子部の順方向電圧を求め、前記順方向電圧の温度特性に基づいて前記スイッチング素子の温度を検出する温度検出部と、
前記電圧検出部により求められた前記監視用抵抗器の前記両端の電位差に基づいて、前記検温回路の動作が正常か否かを判定する故障判定部と
を備えた、
電力変換装置。
前記電圧検出部は、
前記監視用抵抗器の前記両端のうち、前記温度検出用ダイオード素子部側の一端に接続され、当該一端の電位値を測定する第１の電圧検出部と、
前記監視用抵抗器の前記両端のうち、前記定電流電源回路側の他端に接続され、当該他端の電位値を測定する第２の電圧検出部と
を有する、
請求項１に記載の電力変換装置。
前記監視用抵抗器の前記両端の前記電位値及び前記電位差と前記検温回路の故障の種別及び故障部位との対応関係が予め定められた判定基準を予め格納しているメモリを備え、
前記故障判定部は、
前記メモリに格納されている前記判定基準を用いて、前記電圧検出部により得られる前記監視用抵抗器の前記両端の前記電位値および前記電位差に基づいて前記検温回路の故障の種別と故障部位とを判定する、
請求項１または２に記載の電力変換装置。