JP2021065039A - スイッチの駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】上，下アームスイッチＳＷＨ，ＳＷＬを短絡電流から適正に保護することができるスイッチの駆動装置を提供する。【解決手段】駆動装置は、上アーム論理回路６２Ｈ及び下アーム論理回路６２Ｌを備えている。上アーム論理回路６２Ｈは、上アームスイッチＳＷＨの端子間電圧である上アーム電圧ＶｄｓＨに基づいて、上アームスイッチＳＷＨのショート故障が発生したことを判定する。下アーム論理回路６２Ｌは、下アームスイッチＳＷＬの端子間電圧である下アーム電圧ＶｄｓＬに基づいて、下アームスイッチＳＷＬのショート故障が発生したことを判定する。駆動装置は、上アームスイッチにショート故障が発生したと判定した場合、下アームスイッチＳＷＬをオフ状態に維持し、下アームスイッチＳＷＬにショート故障が発生したと判定した場合、上アームスイッチＳＷＨをオフ状態に維持する。【選択図】 図２

Description

本発明は、互いに直列接続された上，下アームスイッチを駆動するスイッチの駆動装置に関する。

この種の駆動装置としては、特許文献１に記載されているように、スイッチに流れる過電流からスイッチを保護するものが知られている。この駆動装置では、スイッチのセンス端子に流れるセンス電流がその閾値を超えた場合にスイッチの保護動作が行われる。

特開２０１２−２１７０８７号公報

スイッチに過電流が流れてしまう要因として、上，下アームスイッチの少なくとも一方にショート故障が発生し、上，下アームスイッチの双方がオン状態とされてしまう現象である上下アーム短絡がある。上下アーム短絡が発生する場合においても、スイッチに流れる過電流（短絡電流）からスイッチを保護することが要求される。

ここで、特許文献１に記載の駆動装置のように、短絡電流の検出結果に基づいてスイッチの保護動作が行われる場合、短絡耐量が小さいスイッチが用いられる構成においては、スイッチに短絡電流が流れ始めてから保護動作に移行する間に発生する短絡エネルギが、短絡耐量を超えるおそれがある。このため、スイッチを短絡電流から保護する技術については、未だ改善の余地がある。

本発明は、上，下アームスイッチを短絡電流から適正に保護することができるスイッチの駆動装置を提供することを主たる目的とする。

本発明は、互いに直列接続された上アームスイッチ及び下アームスイッチを駆動するスイッチの駆動装置において、
前記上アームスイッチ及び前記下アームスイッチのそれぞれは、第１主端子、第２主端子及びゲートを有し、前記第２主端子に対する前記ゲートの電位差が閾値電圧以上になることによりオン状態とされ、前記電位差が前記閾値電圧未満になることによりオフ状態とされ、
前記上アームスイッチの前記第１主端子及び前記第２主端子の間の電圧である上アーム電圧を検出し、検出した前記上アーム電圧に基づいて、前記上アームスイッチのショート故障が発生したことを判定する上アーム判定部と、
前記下アームスイッチの前記第１主端子及び前記第２主端子の間の電圧である下アーム電圧を検出し、検出した前記下アーム電圧に基づいて、前記下アームスイッチのショート故障が発生したことを判定する下アーム判定部と、
前記上アームスイッチにショート故障が発生したと判定された場合、前記下アームスイッチをオフ状態に維持する下アーム保護部と、
前記下アームスイッチにショート故障が発生したと判定された場合、前記上アームスイッチをオフ状態に維持する上アーム保護部、を備える。

上アームスイッチにショート故障が発生した場合の上アーム電圧と、故障が発生していない場合の上アーム電圧とは相違する。この点に鑑み、本発明では、検出された上アーム電圧に基づいて、上アームスイッチのショート故障が発生したことが判定される。そして、上アームスイッチにショート故障が発生したと判定された場合、下アームスイッチがオフ状態に維持される。このため、下アームスイッチが次回オン状態に切り替えられるまでに上アームスイッチにショート故障が発生した場合、その後下アームスイッチがオン状態に切り替えられて上下アーム短絡が発生することを防止できる。

また、本発明では、上アーム側と同様に、検出された下アーム電圧に基づいて、下アームスイッチのショート故障が発生したことが判定される。そして、下アームスイッチにショート故障が発生したと判定された場合、上アームスイッチがオフ状態に維持される。このため、上アームスイッチが次回オン状態に切り替えられるまでに下アームスイッチにショート故障が発生した場合、その後上アームスイッチがオン状態に切り替えられて上下アーム短絡が発生することを防止できる。

以上説明した本発明によれば、上，下アームスイッチのいずれかにショート故障が発生した場合であっても、上，下アームスイッチを短絡電流から適正に保護することができる。

第１実施形態に係る制御システムの全体構成図。 制御システム内における情報伝達のための構成を示す図。 上アーム論理回路の処理手順を示すフローチャート。 下アーム論理回路の処理手順を示すフローチャート。 上アーム論理回路のショート故障判定処理の手順を示すフローチャート。 下アーム論理回路のショート故障判定処理の手順を示すフローチャート。 上下アーム短絡防止の保護動作の一例を示すタイムチャート。 第２実施形態に係る上アーム論理回路のショート故障判定処理の手順を示すフローチャート。 下アーム論理回路のショート故障判定処理の手順を示すフローチャート。 上下アーム短絡防止の保護動作の一例を示すタイムチャート。

＜第１実施形態＞
以下、本発明に係る駆動装置を具体化した第１実施形態について、図面を参照しつつ説明する。駆動装置は、電力変換装置としてのＤＣＤＣコンバータ及び３相インバータに適用される。本実施形態において、電力変換装置を備える制御システムは、例えば、電気自動車やハイブリッド車等の車両に搭載される。

図１に示すように、制御システムは、ＤＣＤＣコンバータ２０、インバータ３０、回転電機４０及び制御装置６０を備えている。回転電機４０は、例えば、車載主機であり、そのロータが図示しない駆動輪と動力伝達可能とされている。回転電機４０は、例えば同期機である。

回転電機４０の各相巻線４１には、インバータ３０及びＤＣＤＣコンバータ２０を介して、直流電源としての蓄電池１０が接続されている。ＤＣＤＣコンバータ２０は、第１コンデンサ２１、リアクトル２２、第２コンデンサ２３、上アーム変圧スイッチＳＣＨ及び下アーム変圧スイッチＳＣＬを備えている。ＤＣＤＣコンバータ２０は、蓄電池１０の出力電圧を所定の電圧を上限として昇圧する機能を有している。本実施形態において、各変圧スイッチＳＣＨ，ＳＣＨは、電圧制御形の半導体スイッチング素子であり、具体的にはＳｉＣで構成されたＮチャネルＭＯＳＦＥＴである。なお、上，下アーム変圧スイッチＳＣＨ，ＳＣＬは、上，下アームボディダイオードＤＣＨ，ＤＣＬを有している。

上アーム変圧スイッチＳＣＨのドレインには、正極母線Ｌｐが接続されている。上アーム変圧スイッチＳＣＨのソースには、下アーム変圧スイッチＳＣＬのドレインが接続されている。下アーム変圧スイッチＳＣＬのソースには、負極母線Ｌｎが接続されている。各母線Ｌｐ，Ｌｎは、例えば、導電部材であるバスバーにて構成されている。

上アーム変圧スイッチＳＣＨ及び下アーム変圧スイッチＳＣＬの直列接続体には、第２コンデンサ２３が並列接続されている。上アーム変圧スイッチＳＣＨと下アーム変圧スイッチＳＣＬとの接続点には、リアクトル２２の第１端が接続されている。リアクトル２２の第２端には、第１コンデンサ２１の第１端と、蓄電池１０の正極端子とが接続されている。蓄電池１０の負極端子と第１コンデンサ２１の第２端とには、負極母線Ｌｎが接続されている。

インバータ３０は、３相分の上アームスイッチＳＷＨ及び下アームスイッチＳＷＬの直列接続体を備えている。本実施形態において、各スイッチＳＷＨ，ＳＷＬは、電圧制御形の半導体スイッチング素子であり、より具体的には、ＳｉＣで構成されたＮチャネルＭＯＳＦＥＴである。上，下アームスイッチＳＷＨ，ＳＷＬは、上，下アームボディダイオードＤＨ，ＤＬを有している。各相において、上，下アームスイッチＳＷＨ，ＳＷＬの接続点には、巻線４１の第１端が接続されている。各相の巻線４１の第２端は、中性点で接続されている。各相の巻線４１は、電気角で互いに１２０°ずれている。

なお、本実施形態では、各スイッチＳＷＨ，ＳＷＬ，ＳＣＨ，ＳＣＬにおいて、ドレインが第１主端子に相当し、ソースが第２主端子に相当する。

制御システムは、相電流センサ５０及び電圧センサ５１を備えている。相電流センサ５０は、回転電機４０に流れる各相電流のうち、少なくとも２相分の電流を検出する。電圧センサ５１は、第２コンデンサ２３の端子間電圧を電源電圧ＶＨｒとして検出する。相電流センサ５０及び電圧センサ５１それぞれの検出値は、制御装置６０に入力される。

制御装置６０は、マイコンを主体として構成されている。制御装置６０は、ＤＣＤＣコンバータ２０の出力電圧（第２コンデンサ２３の端子間電圧）をその目標値に制御すべく、上アーム変圧スイッチＳＣＨ及び下アーム変圧スイッチＳＣＬを操作する。制御装置６０は、例えば上アーム変圧スイッチＳＣＨ及び下アーム変圧スイッチＳＣＬを交互にオン状態とすべく、上，下アーム変圧スイッチＳＣＨ，ＳＣＬに対応する主駆動信号をＤＣＤＣコンバータ２０の備える駆動回路に出力する。本実施形態において、駆動回路は、上，下アーム変圧スイッチＳＣＨ，ＳＣＬそれぞれに対応して個別に設けられている。

制御装置６０は、回転電機４０の制御量をその目標値に制御すべく、インバータ３０の各スイッチＳＷＨ，ＳＷＬを操作する。制御量は、例えばトルクである。制御装置６０は、各相において、デッドタイムを挟みつつ上，下アームスイッチＳＷＨ，ＳＷＬを交互にオン状態とすべく、上，下アームスイッチＳＷＨ，ＳＷＬに対応する主駆動信号をインバータ３０の備える駆動回路に出力する。本実施形態において、駆動回路は、インバータ３０の各相各アームに対応して個別に設けられている。

以下、ＤＣＤＣコンバータ２０及びインバータ３０を構成するスイッチのうち、インバータ３０を構成する上，下アームスイッチＳＷＨ，ＳＷＬをメインに説明する。

図２に示すように、制御システムは、上アーム駆動カプラ６１Ｈ、上アーム論理回路６２Ｈ、絶縁伝達部６３、及び上アームスイッチＳＷＨを駆動する上アーム駆動回路ＤｒＨを備えている。

制御装置６０は、上アームスイッチＳＷＨに対する上アーム主駆動信号ＧＨと、下アームスイッチＳＷＬに対する下アーム主駆動信号ＧＬとを生成する。各駆動信号は、スイッチのオン状態への切り替えを指示するオン指令と、オフ状態への切り替えを指示するオフ指令とのいずれかをとる。

上アーム駆動カプラ６１Ｈは、生成された上アーム主駆動信号ＧＨを上アーム論理回路６２Ｈに伝達する。上アーム駆動カプラ６１Ｈは、例えば、フォトカプラ又は磁気カプラである。

図３を用いて、上アーム論理回路６２Ｈの処理について説明する。この処理は、例えば所定の制御周期で繰り返し実行される。

ステップＳ１０では、絶縁伝達部６３を介して入力される下アーム判定信号ＳｉｇＬが異常信号である（ＳｉｇＬ＝Ｈ）であるか否かを判定する。

ステップＳ１０において異常信号でない（ＳｉｇＬ＝Ｌ）と判定した場合には、ステップＳ１１に進み、上アーム駆動カプラ６１Ｈから入力される上アーム主駆動信号ＧＨを上アーム駆動信号ＧｉｎＨとして上アーム駆動回路ＤｒＨに出力する。すなわち、上アーム主駆動信号ＧＨで表されるオン指令又はオフ指令をそのまま上アーム駆動信号ＧｉｎＨとして出力する。

一方、ステップＳ１０において異常信号であると判定した場合には、ステップＳ１２に進み、上アーム駆動カプラ６１Ｈから入力される上アーム主駆動信号ＧＨの論理にかかわらず、オフ指令の上アーム駆動信号ＧｉｎＨを上アーム駆動回路ＤｒＨに出力する。

図２の説明に戻り、制御システムは、下アーム駆動カプラ６１Ｌ、下アーム論理回路６２Ｌ、及び下アームスイッチＳＷＬを駆動する下アーム駆動回路ＤｒＬを備えている。

下アーム駆動カプラ６１Ｌは、生成された下アーム主駆動信号ＧＬを下アーム論理回路６２Ｌに伝達する。下アーム駆動カプラ６１Ｌは、例えば、フォトカプラ又は磁気カプラである。

図４を用いて、下アーム論理回路６２Ｌの処理について説明する。この処理は、例えば所定の制御周期で繰り返し実行される。

ステップＳ２０では、絶縁伝達部６３を介して入力される上アーム判定信号ＳｉｇＨが異常信号（ＳｉｇＨ＝Ｈ）であるか否かを判定する。

ステップＳ２０において異常信号でない（ＳｉｇＨ＝Ｌ）と判定した場合には、ステップＳ２１に進み、下アーム駆動カプラ６１Ｌから入力される下アーム主駆動信号ＧＬを下アーム駆動信号ＧｉｎＬとして下アーム駆動回路ＤｒＬに出力する。

一方、ステップＳ２０において異常信号であると判定した場合には、ステップＳ２２に進み、下アーム駆動カプラ６１Ｌから入力される下アーム主駆動信号ＧＬの論理にかかわらず、オフ指令の下アーム駆動信号ＧｉｎＬを下アーム駆動回路ＤｒＬに出力する。

なお、絶縁伝達部６３は、上アーム論理回路６２Ｈと下アーム論理回路６２Ｌとの間を電気的に絶縁しつつ、上アーム論理回路６２Ｈ及び下アーム論理回路６２Ｌのうち一方から送信された情報を他方へと伝達する。絶縁伝達部６３としては、例えば、フォトカプラ又は磁磁気カプラを用いることができる。これにより、基準電位の異なる各論理回路６２Ｈ，６２Ｌの間の情報伝達が可能となる。

図２の説明に戻り、上アーム駆動回路ＤｒＨは、上アーム論理回路６２Ｈを介して入力される上アーム駆動信号ＧｉｎＨがオン指令であると判定した場合、上アームスイッチＳＷＨのゲートに充電電流を供給する。これにより、上アームスイッチＳＷＨのゲート電圧が閾値電圧Ｖｔｈ以上となり、上アームスイッチＳＷＨがオン状態に切り替えられる。一方、上アーム駆動回路ＤｒＨは、上アーム駆動信号ＧｉｎＨがオフ指令であると判定した場合、上アームスイッチＳＷＨのゲートからグランド部へと放電電流を流す。これにより、上アームスイッチＳＷＨのゲート電圧が閾値電圧Ｖｔｈ未満となり、上アームスイッチＳＷＨがオフ状態に切り替えられる。

上アームスイッチＳＷＨは、上アームセンス端子ＳｔＨを備えている。上アームセンス端子ＳｔＨには、上アームスイッチＳＷＨのドレイン電流と相関を有する微少電流が流れる。上アームセンス端子ＳｔＨに流れる電流は、そのセンス端子ＳｔＨに接続された抵抗体の電位差である上アームセンス電圧ＶｓＨとして検出される。検出された上アームセンス電圧ＶｓＨは、上アーム論理回路６２Ｈに入力される。

上アーム論理回路６２Ｈは、上アームスイッチＳＷＨのドレイン及びソース間電圧（以下、上アーム電圧ＶｄｓＨ）を検出する。

下アーム駆動回路ＤｒＬは、下アーム論理回路６２Ｌを介して入力される下アーム駆動信号ＧｉｎＬがオン指令であると判定した場合、下アームスイッチＳＷＬのゲートに充電電流を供給する。これにより、下アームスイッチＳＷＬのゲート電圧が閾値電圧Ｖｔｈ以上となり、下アームスイッチＳＷＬがオン状態に切り替えられる。一方、下アーム駆動回路ＤｒＬは、下アーム駆動信号ＧｉｎＬがオフ指令であると判定した場合、下アームスイッチＳＷＬのゲートからグランド部へと放電電流を流す。これにより、下アームスイッチＳＷＬのゲート電圧が閾値電圧Ｖｔｈ未満となり、下アームスイッチＳＷＬがオフ状態に切り替えられる。

下アームスイッチＳＷＬは、下アームセンス端子ＳｔＬを備えている。下アームセンス端子ＳｔＬには、下アームスイッチＳＷＬのドレイン電流と相関を有する微少電流が流れる。下アームセンス端子ＳｔＬに流れる電流は、そのセンス端子ＳｔＬに接続された抵抗体の電位差である下アームセンス電圧ＶｓＬとして検出される。検出された下アームセンス電圧ＶｓＬは、下アーム論理回路６２Ｌに入力される。

下アーム論理回路６２Ｌは、下アームスイッチＳＷＬのドレイン及びソース間電圧（以下、下アーム電圧ＶｄｓＬ）を検出する。

続いて、上下アーム短絡の発生を抑制するための処理について説明する。なお、本実施形態において、上アーム論理回路６２Ｈが上アーム判定部に相当し、上アーム論理回路６２Ｈ及び上アーム駆動回路ＤｒＨが上アーム保護部に相当する。また、下アーム論理回路６２Ｌが下アーム判定部に相当し、下アーム論理回路６２Ｌ及び下アーム駆動回路ＤｒＬが下アーム保護部に相当する。

図５は、上アーム論理回路６２Ｈにより実行される処理である。この処理は、例えば所定の制御周期で繰り返し実行される。

ステップＳ３０では、上アーム駆動カプラ６１Ｈから出力された上アーム主駆動信号ＧＨがオン指令であるか否かを判定する。

ステップＳ３０において否定判定した場合には、オフ指令であると判定し、ステップＳ３１に進む。ステップＳ３１では、検出した上アーム電圧ＶｄｓＨが上アームオフ判定値ＶαＨ（＞０）を下回っているか否かを判定する。本実施形態では、上アーム電圧ＶｄｓＨがマスク時間ｔｍ継続して上アームオフ判定値ＶαＨを下回っているか否かを判定する。ステップＳ３１の処理は、上アームスイッチＳＷＨのショート故障が発生しているか否かを判定するための処理である。

つまり、上アームスイッチＳＷＨに故障が発生していない（つまり正常な）場合、オフ状態とされる上アームスイッチＳＷＨの上アーム電圧ＶｄｓＨは、還流電流が流れる上アームボディダイオードＤＨの電圧降下量Ｖｆ以上の電圧となる。これに対し、上アームスイッチＳＷＨにショート故障が発生した場合、上アーム電圧ＶｄｓＨは、上記電圧降下量Ｖｆよりも低い０Ｖ近傍まで低下する。上アームオフ判定値ＶαＨは、例えば、故障が発生していない上アームスイッチＳＷＨのオン電圧が取り得る範囲（例えば、１〜３Ｖ程度）の下限値よりも小さい値に設定されればよい。オン電圧は、上アームスイッチＳＷＨがオン状態とされている場合のドレイン及びソース間電圧であり、一般的に、上記電圧降下量Ｖｆよりも低い。

ステップＳ３１において否定判定した場合には、上アームスイッチＳＷＨのショート故障が発生していないと判定し、ステップＳ３２に進む。ステップＳ３２では、上アーム判定信号ＳｉｇＨの論理をＬにする。

一方、ステップＳ３１において肯定判定した場合には、検出した上アーム電圧ＶｄｓＨが０Ｖ側に張り付いて上アームスイッチＳＷＨのショート故障が発生していると判定し、ステップＳ３３に進む。ステップＳ３３では、上アーム判定信号ＳｉｇＨの論理をＨにする。

ステップＳ３０においてオン指令であると判定した場合には、ステップＳ３４に進み、検出した上アームセンス電圧ＶｓＨが大きいほど、上アームオン判定値ＶβＨ（＞０）を大きく設定する。なお、ステップＳ３４で用いる上アームセンス電圧ＶｓＨは、上アームスイッチＳＷＨがオン状態に切り替えられた後、上アームスイッチＳＷＨに流れるドレイン電流が定常状態になった場合に検出された値である。また、ステップＳ３４の処理が判定値設定部に相当する。

ステップＳ３５では、検出した上アーム電圧ＶｄｓＨが、ステップＳ３４で設定した上アームオン判定値ＶβＨを下回っているか否かを判定する。本実施形態では、上アーム電圧ＶｄｓＨがマスク時間ｔｍ継続して上アームオン判定値ＶβＨを下回っているか否かを判定する。ステップＳ３５の処理は、上アームスイッチＳＷＨのショート故障が発生しているか否かを判定するための処理である。つまり、上アームスイッチＳＷＨにショート故障が発生した場合、上アーム電圧ＶｄｓＨは、上アームスイッチＳＷＨのオン電圧が取り得る範囲の下限値よりも小さい値となり、０Ｖ側に張り付く。

上アームオン判定値ＶβＨは、この０Ｖ側への張り付きを判定可能に設定されている。上アームオン判定値ＶβＨは、例えば、故障が発生していない上アームスイッチＳＷＨに、ステップＳ３４で用いる上アームセンス電圧ＶｓＨに対応するドレイン電流が流れている場合において、上アームスイッチＳＷＨのオン電圧が取り得る範囲の下限値よりも小さい値に設定されればよい。

上アーム電圧ＶｄｓＨは、０Ｖ近傍の電圧から電源電圧ＶＨｒまでの広い電圧範囲で変化する。この場合、この電圧範囲の上限側の電源電圧ＶＨｒに合わせて電圧検出の分解能を設定すると、０Ｖ近傍における上アーム電圧ＶｄｓＨの電圧検出精度が低下し得る。ここで、ドレイン電流が大きいほど、ショート故障が発生した場合の上アーム電圧ＶｄｓＨも大きくなる。そこで、ステップＳ３４の処理を設けることにより、ショート故障の判定精度を高めることができる。

ステップＳ３５において否定判定した場合には、ステップＳ３２に進む。一方、ステップＳ３５において肯定判定した場合には、検出した上アーム電圧ＶｄｓＨが０Ｖ側に張り付いて上アームスイッチＳＷＨのショート故障が発生していると判定し、ステップＳ３３に進む。

図６は、下アーム論理回路６２Ｌにより実行される処理である。この処理は、例えば所定の制御周期で繰り返し実行される。

ステップＳ４０では、下アーム駆動カプラ６１Ｌから出力された下アーム主駆動信号ＧＬがオン指令であるか否かを判定する。

ステップＳ４０において否定判定した場合には、オフ指令であると判定し、ステップＳ４１に進む。ステップＳ４１では、検出した下アーム電圧ＶｄｓＬが下アームオフ判定値ＶαＬ（＞０）を下回っているか否かを判定する。本実施形態では、下アーム電圧ＶｄｓＬがマスク時間ｔｍ継続して下アームオフ判定値ＶαＬを下回っているか否かを判定する。ステップＳ４１の処理は、下アームスイッチＳＷＬのショート故障が発生しているか否かを判定するための処理である。なお、下アームオフ判定値ＶαＬは、例えば、故障が発生していない下アームスイッチＳＷＬのオン電圧が取り得る範囲（例えば、１〜３Ｖ程度）の下限値よりも小さい値に設定されればよい。

ステップＳ４１において否定判定した場合には、下アームスイッチＳＷＬのショート故障が発生していないと判定し、ステップＳ４２に進む。ステップＳ４２では、下アーム判定信号ＳｉｇＬの論理をＬにする。

一方、ステップＳ４１において肯定判定した場合には、検出した下アーム電圧ＶｄｓＬが０Ｖ側に張り付いて下アームスイッチＳＷＬのショート故障が発生していると判定し、ステップＳ４３に進む。ステップＳ４３では、下アーム判定信号ＳｉｇＬの論理をＨにする。

ステップＳ４０においてオン指令であると判定した場合には、ステップＳ４４に進み、検出した下アームセンス電圧ＶｓＬが大きいほど、下アームオン判定値ＶβＬ（＞０）を大きく設定する。なお、ステップＳ４４で用いる下アームセンス電圧ＶｓＬは、下アームスイッチＳＷＬがオン状態に切り替えられた後、下アームスイッチＳＷＬに流れるドレイン電流が定常状態になった場合に検出された値である。また、ステップＳ４４の処理が判定値設定部に相当する。

ステップＳ４５では、検出した下アーム電圧ＶｄｓＬが、ステップＳ４４で設定した下アームオン判定値ＶβＬを下回っているか否かを判定する。本実施形態では、下アーム電圧ＶｄｓＬがマスク時間ｔｍ継続して下アームオン判定値ＶβＬを下回っているか否かを判定する。ステップＳ４５の処理は、下アームスイッチＳＷＬのショート故障が発生しているか否かを判定するための処理である。なお、下アームオン判定値ＶβＬは、例えば、故障が発生していない下アームスイッチＳＷＬに、ステップＳ４４で用いる下アームセンス電圧ＶｓＬに対応するドレイン電流が流れている場合において、下アームスイッチＳＷＬのオン電圧が取り得る範囲の下限値よりも小さい値に設定されればよい。

ステップＳ４５において否定判定した場合には、ステップＳ４２に進む。一方、ステップＳ４５において肯定判定した場合には、検出した下アーム電圧ＶｄｓＬが０Ｖ側に張り付いて下アームスイッチＳＷＬのショート故障が発生していると判定し、ステップＳ４３に進む。

なお、図５のステップＳ３３又は図６のステップＳ４３の処理を実行した場合、各判定信号ＳｉｇＨ，ＳｉｇＬのうち、論理がＨに切り替えられた方の判定信号の論理が継続してＨに維持されればよい。

また、図５のステップＳ３３及び図６のステップＳ４３において、ショート故障が発生している旨を制御装置６０に通知する処理を行ってもよい。この場合、制御装置６０は、例えば、ＤＣＤＣコンバータ２０及びインバータ３０を構成する全てのスイッチに対してオフ指令を出力する処理、インバータ３０においてショート故障が発生した相とは異なる相のスイッチに対してオフ指令を出力する処理、又はインバータ３０の上，下アームのうちショート故障が発生している側のスイッチ全てに対してオン指令を出力する処理を行ってもよい。

続いて、図７を用いて、インバータ３０の上アームスイッチＳＷＨがショート故障した場合の例について説明する。図７（ａ）は、制御装置６０から出力される上アーム主駆動信号ＧＨの推移を示し、図７（ｂ）は、上アーム駆動カプラ６１Ｈから出力される上アーム主駆動信号ＧＨの推移を示し、図７（ｃ）は、上アーム論理回路６２Ｈから出力される上アーム駆動信号ＧｉｎＨの推移を示す。図７（ｄ）は、制御装置６０から出力される下アーム主駆動信号ＧＬの推移を示し、図７（ｅ）は、下アーム駆動カプラ６１Ｌから出力される下アーム主駆動信号ＧＬの推移を示し、図７（ｆ）は、下アーム論理回路６２Ｌから出力される下アーム駆動信号ＧｉｎＬの推移を示す。図７（ｇ）は、上アーム判定信号ＳｉｇＨの推移を示し、図７（ｈ）は、上アーム電圧ＶｄｓＨの推移を示し、図７（ｉ）は、下アーム電圧ＶｄｓＬの推移を示す。

上アーム主駆動信号ＧＨがオン指令とされる期間中の時刻ｔ１において、上アームスイッチＳＷＨにショート故障が発生する。このため、上アーム電圧ＶｄｓＨが０Ｖ側に張り付き、下アーム電圧ＶｄｓＬが第２コンデンサ２３の端子間電圧ＶＨ側に張り付く。上アーム電圧ＶｄｓＨが上アームオン判定値ＶβＨを下回った状態がマスク時間ｔｍ継続されることにより、時刻ｔ２において、上アーム判定信号ＳｉｇＨが論理Ｈに切り替えられる。論理Ｈの上アーム判定信号ＳｉｇＨは、絶縁伝達部６３を介して下アーム論理回路６２Ｌに送信される。

その後、時刻ｔ３において、上アーム主駆動信号ＧＨがオフ指令に切り替えられる。その後、時刻ｔ４において、上アーム駆動カプラ６１Ｈから出力される上アーム主駆動信号ＧＨがオフ指令に切り替えられ、その後、上アーム論理回路６２Ｈから出力される上アーム駆動信号ＧｉｎＨがオフ指令に切り替えられる。

その後、時刻ｔ３からデッドタイムＤＴが経過する時刻ｔ５において、下アーム主駆動信号ＧＬがオン指令に切り替えられる。そして、時刻ｔ６において、下アーム駆動カプラ６１Ｌから出力される下アーム主駆動信号ＧＬがオン指令に切り替えられる。しかし、下アーム論理回路６２Ｌに論理Ｈの上アーム判定信号ＳｉｇＨが入力されているため、下アーム論理回路６２Ｌから出力される下アーム駆動信号ＧｉｎＬはオフ指令に維持される。

なお、図７（ｈ）及び図７（ｉ）の一点鎖線は、上アームスイッチＳＷＨに故障が発生していない場合における各アーム電圧ＶｄｓＨ，ＶｄｓＬの推移を示す。

なお、インバータ３０の上，下アームスイッチＳＷＨ，ＳＷＬについて主に説明したが、上下アーム短絡からスイッチを保護する構成は、ＤＣＤＣコンバータ２０の上，下アーム変圧スイッチＳＣＨ，ＳＣＬについても同様に適用でき、以下の各実施形態についても同様に適用できる。

以上説明した本実施形態によれば、上アームスイッチＳＷＨのショート故障の発生後、下アームスイッチＳＷＬが次回オン駆動される事態の発生を抑制できる。これにより、上アームスイッチＳＷＨのショート故障の発生後、上，下アームスイッチＳＷＨ，ＳＷＬに短絡電流を流すことなく、上下アーム短絡の発生を抑制することができる。

本実施形態の上，下アームスイッチＳＷＨ，ＳＷＬは、ＳｉＣにより構成されており、その半導体チップサイズが小型化されている。このため、上，下アームスイッチＳＷＨ，ＳＷＬの短絡耐量が小さくなる傾向にある。したがって、短絡耐量が小さくなるスイッチに対して、上下アーム短絡の発生を防止する上述した構成を適用するメリットが大きい。

＜第２実施形態＞
以下、第２実施形態について、第１実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、スイッチＳＷのショート故障の判定方法を変更する。

本実施形態では、上アーム論理回路６２Ｈに、下アーム駆動カプラ６１Ｌの出力信号及び下アーム電圧ＶｄｓＬが絶縁伝達部６３を介して入力され、下アーム論理回路６２Ｌに、上アーム駆動カプラ６１Ｈの出力信号及び上アーム電圧ＶｄｓＨが絶縁伝達部６３を介して入力される。

上アーム論理回路６２Ｈは、先の図５の処理に加え、図８に示す処理も行う。この処理は、例えば所定の制御周期で繰り返し実行される。

ステップＳ５０では、上アーム駆動カプラ６１Ｈから出力された上アーム主駆動信号ＧＨ及び下アーム駆動カプラ６１Ｌから出力された下アーム主駆動信号ＧＬの双方がオフ指令であるか否かを判定する。

ステップＳ５０において肯定判定した場合には、ステップＳ５１に進み、現在の制御周期において下アーム論理回路６２Ｌにより検出された下アーム電圧ＶｄｓＬを取得する。この下アーム電圧ＶｄｓＬは、上，下アームスイッチＳＷＨ，ＳＷＬがオフ状態の場合に検出された値である。そして、取得した下アーム電圧ＶｄｓＬと、現在の制御周期で検出した上アーム電圧ＶｄｓＨとが同等であるか否かを判定する。ステップＳ５１の処理は、上アーム論理回路６２Ｈにおける上アーム電圧ＶｄｓＨの検出機能に異常が発生していないか否かを判定するための処理である。ステップＳ５１の処理により、ショート故障の判定精度が低下することを防止できる。

なお、ステップＳ５１において同等でないと判定した場合には、図８の処理を中止すればよい。

ステップＳ５１において同等であると判定した場合には、ステップＳ５２に進み、検出した上アーム電圧ＶｄｓＨが、電源電圧ＶＨｒから所定値ΔＶだけ減算した値（以下、上アーム閾値）を超えているか否かを判定する。本実施形態では、上アーム電圧ＶｄｓＨがマスク時間ｔｍ継続して上アーム閾値「ＶＨｒ−ΔＶ」を超えているか否かを判定する。ステップＳ５２の処理は、下アームスイッチＳＷＬのショート故障が発生しているか否かを判定するための処理である。

つまり、上，下アームボディダイオードＤＨ，ＤＬに還流電流が流れていない状況下において、上，下アームスイッチＳＷＨ，ＳＷＬに故障が発生していない場合、上アーム電圧ＶｄｓＨ及び下アーム電圧ＶｄｓＬのそれぞれは、基本的には、電源電圧ＶＨｒの１／２になる。これに対し、下アームスイッチＳＷＬにショート故障が発生した場合、対向アーム側である上アーム電圧ＶｄｓＨが電源電圧ＶＨｒ側に張り付く。この張り付きを判定可能な値に上アーム閾値「ＶＨｒ−ΔＶ」が設定されている。なお、ステップＳ５２の処理が閾値設定部を含む。上アーム閾値「ＶＨｒ−ΔＶ」は、検出した電源電圧ＶＨｒが高いほど大きな値になる。

ステップＳ５２において否定判定した場合には、ステップＳ５３に進み、上アーム駆動カプラ６１Ｈから入力される上アーム主駆動信号ＧＨを上アーム駆動信号ＧｉｎＨとして上アーム駆動回路ＤｒＨに出力する。すなわち、上アーム主駆動信号ＧＨで表されるオン指令又はオフ指令をそのまま上アーム駆動信号ＧｉｎＨとして出力する。

一方、ステップＳ５２において否定判定した場合には、下アームスイッチＳＷＬにショート故障が発生していると判定し、ステップＳ５４に進む。ステップＳ５４では、上アーム駆動カプラ６１Ｈから入力される上アーム主駆動信号ＧＨの論理にかかわらず、オフ指令の上アーム駆動信号ＧｉｎＨを上アーム駆動回路ＤｒＨに出力する。

下アーム論理回路６２Ｌは、先の図６の処理に加え、図９に示す処理も行う。この処理は、例えば所定の制御周期で繰り返し実行される。

ステップＳ６０では、先のステップＳ５０と同様な処理を行う。

ステップＳ６０において肯定判定した場合には、ステップＳ６１に進み、現在の制御周期において上アーム論理回路６２Ｈにより検出された上アーム電圧ＶｄｓＨを取得する。そして、取得した上アーム電圧ＶｄｓＨと、現在の制御周期で検出した下アーム電圧ＶｄｓＬとが同等であるか否かを判定する。ステップＳ６１の処理は、下アーム論理回路６２Ｌにおける下アーム電圧ＶｄｓＬの検出機能に異常が発生していないか否かを判定するための処理である。

なお、ステップＳ６１において同等でないと判定した場合には、図９の処理を中止すればよい。

ステップＳ６１において同等であると判定した場合には、ステップＳ６２に進み、検出した下アーム電圧ＶｄｓＬが、電源電圧ＶＨｒから所定値ΔＶだけ減算した値（以下、下アーム閾値）を超えているか否かを判定する。本実施形態では、下アーム電圧ＶｄｓＬがマスク時間ｔｍ継続して下アーム閾値「ＶＨｒ−ΔＶ」を超えているか否かを判定する。ステップＳ６２の処理は、上アームスイッチＳＷＨのショート故障が発生しているか否かを判定するための処理である。なお、本実施形態では、下アーム閾値と上アーム閾値とが同じ値「ＶＨｒ−ΔＶ」に設定されているが、下アーム閾値と上アーム閾値とが異なる値に設定されていてもよい。ちなみに、ステップＳ６２の処理が閾値設定部を含む。

ステップＳ６２において否定判定した場合には、ステップＳ６３に進み、下アーム駆動カプラ６１Ｌから入力される下アーム主駆動信号ＧＬを下アーム駆動信号ＧｉｎＬとして下アーム駆動回路ＤｒＬに出力する。すなわち、下アーム主駆動信号ＧＬで表されるオン指令又はオフ指令をそのまま下アーム駆動信号ＧｉｎＬとして出力する。

一方、ステップＳ６２において否定判定した場合には、上アームスイッチＳＷＨにショート故障が発生していると判定し、ステップＳ６４に進む。ステップＳ６４では、下アーム駆動カプラ６１Ｌから入力される下アーム主駆動信号ＧＬの論理にかかわらず、オフ指令の下アーム駆動信号ＧｉｎＬを下アーム駆動回路ＤｒＬに出力する。

続いて、図１０を用いて、インバータ３０の上アームスイッチＳＷＨがショート故障した場合の例について説明する。図１０（ａ）〜図１０（ｈ）は、先の図７（ａ）〜図７（ｆ），図７（ｈ），図７（ｉ）に対応している。

時刻ｔ１において、上アーム主駆動信号ＧＨがオフ指令に切り替えられ、時刻ｔ２において、上アーム駆動カプラ６１Ｈから出力される上アーム主駆動信号ＧＨがオフ指令に切り替えられ、その後、上アーム論理回路６２Ｈから出力される上アーム駆動信号ＧｉｎＨがオフ指令に切り替えられる。図１０に示す例では、時刻ｔ２において、上アームスイッチＳＷＨにショート故障が発生したとする。このため、上アーム電圧ＶｄｓＨが０Ｖ側に張り付き、下アーム電圧ＶｄｓＬが第２コンデンサ２３の端子間電圧ＶＨ側に張り付く。

下アーム電圧ＶｄｓＬが下アーム閾値「ＶＨｒ−ΔＶ」を超えた状態がマスク時間ｔｍ継続されることにより、時刻ｔ３以降において、下アーム論理回路６２Ｌに入力される下アーム主駆動信号ＧＬの論理にかかわらず、下アーム駆動信号ＧｉｎＬがオフ指令に維持される。

その後、時刻ｔ１からデッドタイムＤＴが経過する時刻ｔ４において、下アーム主駆動信号ＧＬがオン指令に切り替えられ、時刻ｔ５において、下アーム駆動カプラ６１Ｌから出力される下アーム主駆動信号ＧＬもオン指令に切り替えられる。しかし、下アーム論理回路６２Ｌから出力される下アーム駆動信号ＧｉｎＬはオフ指令に維持される。

なお、図１０（ｇ）及び図１０（ｈ）の一点鎖線は、上アームスイッチＳＷＨにショート故障が発生していない場合における各アーム電圧ＶｄｓＨ，ＶｄｓＬの推移を示す。

以上説明した本実施形態によれば、還流電流が流れていないデッドタイムＤＴ中においてショート故障の発生を検出することができる。

＜その他の実施形態＞
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。

・第１実施形態の図５のステップＳ３０において、上アームスイッチＳＷＨのゲート電圧の検出値に基づいて、上アームスイッチＳＷＨのオン指令がなされているか否かを判定してもよい。詳しくは、ゲート電圧の検出値が閾値電圧Ｖｔｈ以上であると判定した場合、オン指令がなされていると判定してもよい。なお、図６のステップＳ４０についても同様である。

・図５のステップＳ３４の処理が無くてもよい。この場合、上アームオン判定値ＶβＨは、例えば、故障が発生していない上アームスイッチＳＷＨのオン電圧が取り得る範囲の下限値未満の固定値に設定されていればよい。また、同様に、図６のステップＳ４４の処理が無くてもよい。

・図５に示した処理が上アーム駆動回路ＤｒＨで実行され、図６に示した処理が下アーム駆動回路ＤｒＬで実行されてもよい。

・図５のステップＳ３４及び図６のステップＳ４４において、センス電圧ＶｓＨ，ＶｓＬに代えて、例えば相電流センサ５０の検出値が用いられてもよい。この場合であっても、上記第１実施形態の効果に準じた効果を得ることはできる。

・ＤＣＤＣコンバータ及びインバータを構成するスイッチとしては、ＭＯＳＦＥＴに限らず、例えばＩＧＢＴであってもよい。この場合、ＩＧＢＴのコレクタが第１主端子に相当し、ＩＧＢＴのエミッタが第２主端子に相当する。なお、ＩＧＢＴには、フリーホイールダイオードが逆並列に接続されていればよい。

３０…インバータ、６０…制御装置、ＳＷＨ，ＳＷＬ…上，下アームスイッチ、ＤｒＨ，ＤｒＬ…上，下アーム駆動回路。

Claims (8)

1. 互いに直列接続された上アームスイッチ（ＳＷＨ，ＳＣＨ）及び下アームスイッチ（ＳＷＬ，ＳＣＬ）を駆動するスイッチの駆動装置において、
   前記上アームスイッチ及び前記下アームスイッチのそれぞれは、第１主端子、第２主端子及びゲートを有し、前記第２主端子に対する前記ゲートの電位差が閾値電圧以上になることによりオン状態とされ、前記電位差が前記閾値電圧未満になることによりオフ状態とされ、
   前記上アームスイッチの前記第１主端子及び前記第２主端子の間の電圧である上アーム電圧（ＶｄｓＨ）を検出し、検出した前記上アーム電圧に基づいて、前記上アームスイッチのショート故障が発生したことを判定する上アーム判定部と、
   前記下アームスイッチの前記第１主端子及び前記第２主端子の間の電圧である下アーム電圧（ＶｄｓＬ）を検出し、検出した前記下アーム電圧に基づいて、前記下アームスイッチのショート故障が発生したことを判定する下アーム判定部と、
   前記上アームスイッチにショート故障が発生したと判定された場合、前記下アームスイッチをオフ状態に維持する下アーム保護部と、
   前記下アームスイッチにショート故障が発生したと判定された場合、前記上アームスイッチをオフ状態に維持する上アーム保護部と、を備えるスイッチの駆動装置。
2. 前記上アーム判定部は、前記上アームスイッチにオフ指令がなされている期間において、検出した前記上アーム電圧が、故障が発生していない前記上アームスイッチのオン電圧よりも低いと判定した場合、前記上アームスイッチのショート故障が発生したと判定し、
   前記下アーム判定部は、前記下アームスイッチにオフ指令がなされている期間において、検出した前記下アーム電圧が、故障が発生していない前記下アームスイッチのオン電圧よりも低いと判定した場合、前記下アームスイッチのショート故障が発生したと判定する請求項１に記載のスイッチの駆動装置。
3. 前記上アーム判定部は、前記上アームスイッチにオン指令がなされている期間において、検出した前記上アーム電圧が、故障が発生していない前記上アームスイッチのオン電圧よりも低いと判定した場合、前記上アームスイッチのショート故障が発生したと判定し、
   前記下アーム判定部は、前記下アームスイッチにオン指令がなされている期間において、検出した前記下アーム電圧が、故障が発生していない前記下アームスイッチのオン電圧よりも低いと判定した場合、前記下アームスイッチのショート故障が発生したと判定する請求項１又は２に記載のスイッチの駆動装置。
4. 故障が発生していない前記上アームスイッチのオン電圧を上アームオン判定値（ＶβＨ）とする場合、前記上アーム判定部は、前記上アームスイッチにオン指令がなされている期間において、検出した前記上アーム電圧が前記上アームオン判定値よりも低いと判定した場合、前記上アームスイッチのショート故障が発生したと判定し、
   故障が発生していない前記下アームスイッチのオン電圧を下アームオン判定値（ＶβＬ）とする場合、前記下アーム判定部は、前記下アームスイッチにオン指令がなされている期間において、検出した前記下アーム電圧が前記下アームオン判定値よりも低いと判定した場合、前記下アームスイッチのショート故障が発生したと判定し、
   前記上アームスイッチの前記第１主端子及び前記第２主端子の間に流れる電流が大きいほど、前記上アームオン判定値を大きく設定し、前記下アームスイッチの前記第１主端子及び前記第２主端子の間に流れる電流が大きいほど、前記下アームオン判定値を大きく設定する判定値設定部を備える請求項３に記載のスイッチの駆動装置。
5. 前記上アーム判定部は、前記上アームスイッチ及び前記下アームスイッチの双方にオフ指令がなされている期間において、検出した前記上アーム電圧が、前記上アームスイッチ及び前記下アームスイッチの直列接続体に印加される電源電圧（ＶＨｒ）に張り付いていると判定した場合、前記下アームスイッチのショート故障が発生していると判定し、
   前記下アーム判定部は、前記上アームスイッチ及び前記下アームスイッチの双方にオフ指令がなされている期間において、検出した前記下アーム電圧が前記電源電圧に張り付いていると判定した場合、前記上アームスイッチのショート故障が発生していると判定する請求項１〜４のいずれか１項に記載のスイッチの駆動装置。
6. 互いに直列接続された上アームスイッチ（ＳＷＨ，ＳＣＨ）及び下アームスイッチ（ＳＷＬ，ＳＣＬ）を駆動するスイッチの駆動装置において、
   前記上アームスイッチ及び前記下アームスイッチのそれぞれは、第１主端子、第２主端子及びゲートを有し、前記第２主端子に対する前記ゲートの電位差が閾値電圧以上になることによりオン状態とされ、前記電位差が前記閾値電圧未満になることによりオフ状態とされ、
   前記上アームスイッチ及び前記下アームスイッチの双方にオフ指令がなされている期間において、前記上アームスイッチの前記第１主端子及び前記第２主端子の間の電圧である上アーム電圧（ＶｄｓＨ）を検出し、検出した前記上アーム電圧が、前記上アームスイッチ及び前記下アームスイッチの直列接続体に印加される電源電圧（ＶＨｒ）に張り付いていると判定した場合、前記下アームスイッチのショート故障が発生していると判定する上アーム判定部と、
   前記上アームスイッチ及び前記下アームスイッチの双方にオフ指令がなされている期間において、前記下アームスイッチの前記第１主端子及び前記第２主端子の間の電圧である下アーム電圧（ＶｄｓＬ）を検出し、検出した前記下アーム電圧が前記電源電圧に張り付いていると判定した場合、前記上アームスイッチのショート故障が発生していると判定する下アーム判定部と、
   前記上アームスイッチにショート故障が発生したと判定された場合、前記下アームスイッチをオフ状態に維持する下アーム保護部と、
   前記下アームスイッチにショート故障が発生したと判定された場合、前記上アームスイッチをオフ状態に維持する上アーム保護部と、を備えるスイッチの駆動装置。
7. 前記上アーム判定部は、検出した前記上アーム電圧が、前記電源電圧の１／２よりも大きくて、かつ、前記電源電圧よりも小さい上アーム閾値（ＶＨｒ−ΔＶ）を超えたと判定した場合、検出した前記上アーム電圧が前記電源電圧に張り付いていると判定し、
   前記下アーム判定部は、検出した前記下アーム電圧が、前記電源電圧の１／２よりも大きくて、かつ、前記電源電圧よりも小さい下アーム閾値（ＶＨｒ−ΔＶ）を超えたと判定した場合、検出した前記下アーム電圧が前記電源電圧に張り付いていると判定し、
   前記電源電圧が高いほど、前記上アーム閾値及び前記下アーム閾値を大きく設定する閾値設定部を備える請求項５又は６に記載のスイッチの駆動装置。
8. 前記上アーム判定部は、前記上アームスイッチ及び前記下アームスイッチの双方にオフ指令がなされている期間に前記下アーム判定部により検出された前記下アーム電圧を取得し、取得した前記下アーム電圧と、前記上アームスイッチ及び前記下アームスイッチの双方にオフ指令がなされている期間に検出した前記上アーム電圧とが同等であると判定したことを条件として、前記上アームスイッチのショート故障の有無を判定し、
   前記下アーム判定部は、前記上アームスイッチ及び前記下アームスイッチの双方にオフ指令がなされている期間に前記上アーム判定部により検出された前記上アーム電圧を取得し、取得した前記上アーム電圧と、前記上アームスイッチ及び前記下アームスイッチの双方にオフ指令がなされている期間に検出した前記下アーム電圧とが同等であると判定したことを条件として、前記下アームスイッチのショート故障の有無を判定する請求項１〜７のいずれか１項に記載のスイッチの駆動装置。

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