JP2022123415A - 多相変圧制御装置及び多相変圧装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度センサが検出した動作温度に基づいて半導体スイッチング素子の故障を検出可能な多相変圧器用制御装置及び多相変圧装置を提供する。【解決手段】複数相に対応するスイッチング回路を用いて入力電力を変圧して出力電力を生成する多相変圧回路を制御する多相変圧制御装置であって、スイッチング回路を構成する複数の半導体スイッチング素子の動作温度をスイッチ温度として検出する温度センサと、半導体スイッチング素子における相毎のスイッチ温度に基づいて半導体スイッチング素子の故障を判定するスイッチ故障判定部とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、多相変圧制御装置及び多相変圧装置に関する。

下記特許文献１には、制御部が駆動数決定部が故障判定部を含み、故障判定部は、磁気結合リアクトルの一次リアクトルに流れる電流と二次リアクトルに流れる電流をモニタし、各電流モニタ値のどちらかが制御目標値と大きく乖離している場合、また制御目標値と設定値以上差がある場合に電流値が大きくなった方の相が故障していると判定する電力変換装置（多相コンバータ）が開示されている。上記駆動数決定部は、故障していると判定した相の半導体スイッチング素子を動作停止させる。

特開２０１９－０２４２８３号公報

ところで、上記背景技術では、半導体スイッチング素子の故障を磁気結合リアクトルの一次リアクトル及び二次リアクトルに通電される各々の電流（リアクトル電流）に基づいて判定しているので、複数（２つ）の電流センサが必要になるという問題点がある。

また、上記リアクトル電流は、半導体スイッチング素子の温度と相関関係があるので、リアクトル電流に基づいて半導体スイッチング素子の温度を推定することが可能であるが、間接的な温度推定となるので、その推定精度は低い。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、温度センサが検出した動作温度に基づいて半導体スイッチング素子の故障を検出可能な多相変圧器用制御装置及び多相変圧器の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、多相変圧制御装置に係る第１の解決手段として、複数相に対応するスイッチング回路を用いて入力電力を変圧して出力電力を生成する多相変圧回路を制御する多相変圧制御装置であって、前記スイッチング回路を構成する複数の半導体スイッチング素子の動作温度をスイッチ温度として検出する温度センサと、前記半導体スイッチング素子における相毎のスイッチ温度に基づいて前記半導体スイッチング素子の故障を判定するスイッチ故障判定部とを備える、という手段を採用する。

本発明では、多相変圧制御装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記スイッチ故障判定部は、前記スイッチ温度における相毎の温度変化率に基づいて前記半導体スイッチング素子の故障を判定する、という手段を採用する。

本発明では、多相変圧制御装置に係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記スイッチ故障判定部は、出力電力が所定の電力しきい値以下の場合に前記半導体スイッチング素子の故障を判定する、という手段を採用する。

本発明では、多相変圧制御装置に係る第４の解決手段として、上記第１～第３のいずれかの解決手段において、前記温度センサは、前記半導体スイッチング素子に設けられた感温ダイオードであり、前記半導体スイッチング素子の中央部に配置されている、という手段を採用する。

また、本発明では、多相変圧装置に係る解決手段として、上記第１～第４のいずれかの解決手段に係る多相変圧器用制御装置と、前記多相変圧回路とを備える、という手段を採用する。

本発明によれば、温度センサが検出した動作温度に基づいて半導体スイッチング素子の故障を検出可能な多相変圧制御装置及び多相変圧装置を提供することが可能である。

本発明の一実施形態に係る多相変圧制御装置及び多相変圧装置の構成を示す回路図である。 本発明の一実施形態に係る多相変圧制御装置及び多相変圧装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る多相変圧制御装置及び多相変圧装置の動作を示すタイミングチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係る多相変圧装置Ａは、図１に示すように多相変圧回路Ｂと変圧制御回路Ｃとを備えている。

また、上記多相変圧回路Ｂは、図示するように第１コンデンサ１、トランス２、４つのＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）３ａ～３ｄ、４つの還流ダイオード４ａ～４ｄ、４つの感温ダイオード５ａ～５ｄ及び第２コンデンサ６を備えている。

ここで、上記多相変圧回路Ｂには、第１電圧センサ７、電流センサ８及び第２電圧センサ９が付帯的に設けられている。これら第１電圧センサ７、電流センサ８及び第２電圧センサ９は、変圧制御回路Ｃとともに本実施形態に係る多相変圧制御装置を構成している。

多相変圧装置Ａは、ハイブリッド車や電気自動車等の電動車両に備えられる電力変換装置であり、図示するように電池Ｐと二次側回路Ｆとの間に設けられている。この多相変圧装置Ａは、電池Ｐと二次側回路Ｆとの間において直流電力を変圧する。すなわち、多相変圧装置Ａは、電池Ｐから一次側端子Ｄ１、Ｄ２に供給される直流電力を昇圧して二次側回路Ｆに供給する力行機能と、二次側回路Ｆから二次側端子Ｅ１、Ｅ２に供給される回生電力（直流電力）を降圧して電池Ｐに充電させる。

ここで、電池Ｐは、図示するように、プラス電極が一方の一次側端子Ｄ１に接続され、マイナス電極が他方の一次側端子Ｄ２に接続されている。この電池Ｐは、リチウムイオン電池等の二次電池であり、多相変圧装置Ａに対する直流電力の放電と多相変圧装置Ａを介した直流電力の充電とを行う。

また、上記二次側回路Ｆは、例えばインバータ回路及び／あるいは発電機である。このインバータ回路は、力行動作と回生動作とを択一的に行う電力変換回路であり、電動車両の走行モータを駆動する駆動回路である。すなわち、このインバータ回路は、力行動作として、多相変圧装置Ａから入力される直流電力を交流電力に変換し、駆動電力として走行モータに供給する。また、このインバータ回路は、回生動作として、走行モータの回生電力（交流電力）を直流電力に変換して多相変圧装置Ａに供給する。

多相変圧回路Ｂは、図示するように磁気結合型の二相チョッパ回路である。この多相変圧回路Ｂは、本実施形態に係る多相変圧制御装置の制御対象であり、当該多相変圧制御装置と共に多相変圧装置Ａを構成している。このような多相変圧回路Ｂは、電池Ｐから供給される一次側直流電力（入力電力）の昇圧処理と二次側回路Ｆから供給される二次側直流電力（入力電力）の降圧処理とを択一的かつ直接的に行う電力変換回路である。

この多相変圧回路Ｂにおいて、第１コンデンサ１は、一端が一方の一次側端子Ｄ１びトランス２接続され、他端が他方の一次側端子Ｄ２に接続されている。このような第１コンデンサ１の両端は、多相変圧回路Ｂにおける一次側入出力端子である。

この第１コンデンサ１は、電池Ｐに対して並列接続されており、当該電池Ｐから多相変圧回路Ｂに入力される直流電力（電池電力）に含まれ得る高周波ノイズを除去するノイズ除去コンデンサとして機能する。また、この第１コンデンサ１、トランス２から入力される直流電力（充電電力）について、重畳するリップルを平滑化する平滑コンデンサとして機能する。

トランス２は、一次巻線２ａと二次巻線２ｂとを備えており、一次巻線２ａの一端及び二次巻線２ｂの一端が上記一方の一次側端子Ｄ１及び第１コンデンサ１の一端に接続されている。また、一次巻線２ａの他端は、第１ＩＧＢＴ３ａのエミッタ端子及び第２ＩＧＢＴ３ｂのコレクタ端子に接続されている。さらに、二次巻線２ｂの他端は、第３ＩＧＢＴ３ｃのエミッタ端子及び第４ＩＧＢＴ３ｄのコレクタ端子に接続されている。

このようなトランス２は、一次巻線２ａと二次巻線２ｂとが所定の結合係数ｋで電磁気的に結合している。すなわち、一次巻線２ａは、自身の巻き数等に応じた所定の第１自己インダクタンスＬａを有し、二次巻線２ｂは自身の巻き数等に応じた所定の第２自己インダクタンスＬｂを有している。また、一次巻線２ａと二次巻線２ｂとは、上述した第１自己インダクタンスＬａ、第２自己インダクタンスＬｂ及び結合係数ｋに基づく相互インダクタンスＭを有している。

４つのＩＧＢＴ３ａ～３ｄは、本実施形態における複数の半導体スイッチング素子であり、複数相（第１相及び第２相）に対応するスイッチング回路を構成している。これら４つのＩＧＢＴ３ａ～３ｄのうち、第１のＩＧＢＴ３ａ及び第２のＩＧＢＴ３ｂは、多相変圧回路Ｂにおいて第１相に対応するスイッチング回路（第１スイッチングレグ）を構成している。

第１のＩＧＢＴ３ａは、コレクタ端子が第３のＩＧＢＴ３ｃのコレクタ端子及び第２コンデンサ６の一端に共通接続されており、第１のＩＧＢＴ３ａのエミッタ端子が一次巻線２ａの他端及び第２のＩＧＢＴ３ｂのコレクタ端子に共通接続されている。

また、この第１のＩＧＢＴ３ａは、ゲート端子が変圧制御回路Ｃの第１ゲート出力端子に接続されている。このような第１のＩＧＢＴ３ａは、第１スイッチングレグにおける高圧側アームを構成しており、変圧制御回路Ｃから入力される第１ゲート信号に基づいてＯＮ／ＯＦＦ動作が制御される半導体スイッチング素子である。

第２のＩＧＢＴ３ｂは、コレクタ端子が一次巻線２ａの他端及び第１のＩＧＢＴ３ａのエミッタ端子に共通接続され、エミッタ端子が第４のＩＧＢＴ３ｄのエミッタ端子、第１コンデンサ１の他端及び第２コンデンサ６の他端に共通接続されている。

また、この第２のＩＧＢＴ３ｂは、ゲート端子が変圧制御回路Ｃの第２ゲート出力端子に接続されている。このような第２のＩＧＢＴ３ｂは、第１スイッチングレグの低圧側アームを構成しており、変圧制御回路Ｃから入力される第２ゲート信号に基づいてＯＮ／ＯＦＦ動作が制御される半導体スイッチング素子である。

第３のＩＧＢＴ３ｃ及び第４のＩＧＢＴ３ｄは、変圧制御回路Ｃにおいて第２相に対応するスイッチング回路（第２スイッチングレグ）を構成している。これら第３のＩＧＢＴ３ｃ及び第４のＩＧＢＴ３ｄのうち、第３のＩＧＢＴ３ｃは第２スイッチングレグの高圧側アームを構成し、第４のＩＧＢＴ３ｄは第２スイッチングレグの低圧側アームを構成している。

この第３のＩＧＢＴ３ｃは、コレクタ端子が第１のＩＧＢＴ３ａのコレクタ端子及び第２コンデンサ６の一端に共通接続され、エミッタ端子が二次巻線２ｂの他端及び第４のＩＧＢＴ３ｄのコレクタ端子に共通接続されている。

また、第３のＩＧＢＴ３ｃは、ゲート端子が変圧制御回路Ｃの第３ゲート出力端子に接続されている。このような第３のＩＧＢＴ３ｃは、変圧制御回路Ｃから入力される第３ゲート信号に基づいてＯＮ／ＯＦＦ動作が制御される半導体スイッチング素子である。

第４のＩＧＢＴ３ｄは、コレクタ端子が二次巻線２ｂの他端及び第３のＩＧＢＴ３ｃのエミッタ端子に共通接続され、エミッタ端子が第１のＩＧＢＴ３ａのエミッタ端子、第１コンデンサ１の他端及び第２コンデンサ６の他端に共通接続されている。

また、この第４のＩＧＢＴ３ｄは、ゲート端子が変圧制御回路Ｃの第４ゲート出力端子に接続されている。このような第４のＩＧＢＴ３ｄは、変圧制御回路Ｃから入力される第４ゲート信号に基づいてＯＮ／ＯＦＦ動作が制御される半導体スイッチング素子である。

４つの還流ダイオード４ａ～４ｄは、各々のＩＧＢＴ３ａ～３ｄに対応して設けられている。これら還流ダイオード４ａ～４ｄのうち、第１の還流ダイオード４ａは、第１のＩＧＢＴ３ａに対応して設けられている。第１の還流ダイオード４ａは、カソード端子が第１のＩＧＢＴ３ａのコレクタ端子に接続され、アノード端子が第１のＩＧＢＴ３ａのエミッタ端子に接続されている。

このような第１の還流ダイオード４ａは、第１のＩＧＢＴ３ａのエミッタ電圧がコレクタ電圧よりも所定のＯＮ電圧以上に大きくなった場合にＯＦＦ状態からＯＮ状態に変化し、第１のＩＧＢＴ３ａのエミッタ端子からコレクタ端子に向けて還流電流を流す。

第２の還流ダイオード４ｂは、第２のＩＧＢＴ３ｂに対応して設けられている。第２の還流ダイオード４ｂは、カソード端子が第２のＩＧＢＴ３ｂのコレクタ端子に接続され、アノード端子が第２のＩＧＢＴ３ｂのエミッタ端子に接続されている。このような第２の還流ダイオード４ｂは、第２のＩＧＢＴ３ｂのエミッタ電圧がコレクタ電圧よりも所定のＯＮ電圧以上に大きくなった場合にＯＦＦ状態からＯＮ状態に変化し、第２のＩＧＢＴ３ｂのエミッタ端子からコレクタ端子に向けて還流電流を流す。

第３の還流ダイオード４ｃは、第３のＩＧＢＴ３ｃに対応して設けられている。第３の還流ダイオード４ｃは、カソード端子が第３のＩＧＢＴ３ｃのコレクタ端子に接続され、アノード端子が第３のＩＧＢＴ３ｃのエミッタ端子に接続されている。このような第３の還流ダイオード４ｃは、第３のＩＧＢＴ３ｃのエミッタ電圧がコレクタ電圧よりも所定のＯＮ電圧以上に大きくなった場合にＯＦＦ状態からＯＮ状態に変化し、第３のＩＧＢＴ３ｃのエミッタ端子からコレクタ端子に向けて還流電流を流す。

第４の還流ダイオード４ｄは、第４のＩＧＢＴ３ｄに対応して設けられている。第４の還流ダイオード４ｄは、カソード端子が第４のＩＧＢＴ３ｄのコレクタ端子に接続され、アノード端子が第４のＩＧＢＴ３ｄのエミッタ端子に接続されている。このような第４の還流ダイオード４ｄは、第４のＩＧＢＴ３ｄのエミッタ電圧がコレクタ電圧よりも所定のＯＮ電圧以上に大きくなった場合にＯＦＦ状態からＯＮ状態に変化し、第４のＩＧＢＴ３ｄのエミッタ端子からコレクタ端子に向けて還流電流を流す。

４つの感温ダイオード５ａ～５ｄは、上述した４つの還流ダイオード４ａ～４ｄと同様に各々のＩＧＢＴ３ａ～３ｄに対応して設けられている。これら４つの感温ダイオード５ａ～５ｄは、各相（第１相及び第２相）のＩＧＢＴ３ａ～３ｄ（半導体スイッチング素子）の動作温度をスイッチ温度として検出する温度センサである。

ここで、各々のＩＧＢＴ３ａ～３ｄは、機械的には半導体チップである。各感温ダイオード５ａ～５ｄは、このような半導体チップの中央部に配置されており、各々のＩＧＢＴ３ａ～３ｄの中央部における温度をスイッチ温度として検出する。すなわち、各々の感温ダイオード５ａ～５ｄは、各ＩＧＢＴ３ａ～３ｄの温度を的確に検出し得る温度センサである。

これら各感温ダイオード５ａ～５ｄのうち、第１の感温ダイオード５ａは、第１のＩＧＢＴ３ａに対応して設けられており、第１のＩＧＢＴ３ａの動作温度を第１スイッチ温度として検出する。この第１の感温ダイオード５ａは、カソード端子及びアノード端子が変圧制御回路Ｃに接続されている。また、第１の感温ダイオード５ａは、変圧制御回路Ｃから所定の順方向電流が通電されるｐｎ接合ダイオードである。

このような第１の感温ダイオード５ａは、上記順方向電流に伴って印加される順方向電圧がｐｎ接合部のジャンクション温度に応じて変化することを利用して第１のＩＧＢＴ３ａの動作温度を検出する。すなわち、第１の感温ダイオード５ａの順方向電圧は、第１のＩＧＢＴ３ａの動作温度を示す第１温度検出信号である。

第２の感温ダイオード５ｂは、第２のＩＧＢＴ３ｂに対応して設けられており、第２のＩＧＢＴ３ｂの動作温度を第２スイッチ温度として検出する。この第２の感温ダイオード５ｂは、カソード端子及びアノード端子が変圧制御回路Ｃに接続されている。また、第２の感温ダイオード５ｂは、第１の感温ダイオード５ａと同様に変圧制御回路Ｃから所定の順方向電流が通電されるｐｎ接合ダイオードである。

このような第２の感温ダイオード５ｂは、上記順方向電流に伴って印加される順方向電圧がｐｎ接合部のジャンクション温度に応じて変化することを利用して第２のＩＧＢＴ３ｂの動作温度を検出する。すなわち、第２の感温ダイオード５ｂの順方向電圧は、第２のＩＧＢＴ３ｂの動作温度を示す第２温度検出信号である。

第３の感温ダイオード５ｃは、第３のＩＧＢＴ３ｃに対応して設けられており、第３のＩＧＢＴ３ｃの動作温度を第３スイッチ温度として検出する。この第３の感温ダイオード５ｃは、カソード端子及びアノード端子が変圧制御回路Ｃに接続されている。また、第３の感温ダイオード５ｃは、第１の感温ダイオード５ａと同様に変圧制御回路Ｃから所定の順方向電流が通電されるｐｎ接合ダイオードである。

このような第３の感温ダイオード５ｃは、上記順方向電流に伴って印加される順方向電圧がｐｎ接合部のジャンクション温度に応じて変化することを利用して第３のＩＧＢＴ３ｃの動作温度を検出する。すなわち、第３の感温ダイオード５ｃの順方向電圧は、第３のＩＧＢＴ３ｃの動作温度を示す第３温度検出信号である。

第４の感温ダイオード５ｄは、第４のＩＧＢＴ３ｄに対応して設けられており、第４のＩＧＢＴ３ｄの動作温度を第４スイッチ温度として検出する。この第４の感温ダイオード５ｄは、カソード端子及びアノード端子が変圧制御回路Ｃに接続されている。また、第４の感温ダイオード５ｄは、第１の感温ダイオード５ａと同様に変圧制御回路Ｃから所定の順方向電流が通電されるｐｎ接合ダイオードである。

このような第４の感温ダイオード５ｄは、上記順方向電流に伴って印加される順方向電圧がｐｎ接合部のジャンクション温度に応じて変化することを利用して第４のＩＧＢＴ３ｄの動作温度を検出する。すなわち、第４の感温ダイオード５ｄの順方向電圧は、第４のＩＧＢＴ３ｄの動作温度を示す第４温度検出信号である。

第２コンデンサ６は、一端が第１のＩＧＢＴ３ａのコレクタ端子及び第３のＩＧＢＴ３ｃのコレクタ端子に接続され、他端が第２のＩＧＢＴ３ｂのエミッタ端子、第４のＩＧＢＴ３ｄのエミッタ端子、第１コンデンサ１の他端及び他方の一次側端子Ｄ２に共通接続されている。このような第２コンデンサ６の両端は、多相変圧回路Ｂにおける二次側入出力端子である。

このような第２コンデンサ６は、第１スイッチングレグ及び第２スイッチングレグから入力される直流電力（昇圧電力）に含まれ得るリップルを平滑化する平滑コンデンサである。また、この第２コンデンサ６は、二次側回路Ｆから入力される直流電力（回生電力）に含まれ得るリップルを平滑化する。

第１電圧センサ７は、多相変圧回路Ｂの一次側電圧Ｖ１つまり電池Ｐの端子間電圧を検出する電圧センサである。この第１電圧センサ７は、変圧制御回路Ｃに接続されており、一次側電圧Ｖ１を示す信号（第１電圧信号）を変圧制御回路Ｃに出力する。上記一次側電圧Ｖ１は、変圧制御回路Ｃが多相変圧回路Ｂを制御するために必要な制御量の１つである。

電流センサ８は、トランス２に通電される電流（リアクトル電流Ｉ）を検出する電流センサである。すなわち、この電流センサ８は、一次巻線２ａに通電される第１リアクトル電流Ｉ１と二次巻線２ｂに通電される第２リアクトル電流Ｉ２の合計電流をリアクトル電流Ｉとして検出するものである。この電流センサ８は、変圧制御回路Ｃに接続されており、リアクトル電流Ｉを示す信号（電流信号）を変圧制御回路Ｃに出力する。上記リアクトル電流Ｉは、一次側電圧Ｖ１と同様に変圧制御回路Ｃが多相変圧回路Ｂを制御するために必要な制御量の１つである。

第２電圧センサ９は、多相変圧回路Ｂの二次側電圧Ｖ２つまり二次側回路Ｆの端子間電圧を検出する電圧センサである。この第２電圧センサ９は、変圧制御回路Ｃに接続されており、二次側電圧Ｖ２を示す信号（第２電圧信号）を変圧制御回路Ｃに出力する。上記二次側電圧Ｖ２は、上述した一次側電圧Ｖ１及びリアクトル電流Ｉと同様に変圧制御回路Ｃが多相変圧回路Ｂを制御するために必要な制御量の１つである。

変圧制御回路Ｃは、所定の制御プログラムに基づいて多相変圧回路Ｂを制御するソフトウエア制御装置であり、制御プログラム等を記憶する内部メモリ、制御プログラムを実行する演算回路、また第１電圧センサ７、電流センサ８及び第２電圧センサ９並びに４つのＩＧＢＴ３ａ～３ｄと４つの感温ダイオード５ａ～５ｄと信号の入出力を行うインタフェース回路を少なくとも備えている。

このような変圧制御回路Ｃは、演算回路が内部メモリから制御プログラムを読出して実行することにより、多相変圧回路Ｂをフィードバック制御する。すなわち、変圧制御回路Ｃは、上記インタフェース回路を介して第１電圧信号、電流信号及び第２電圧信号を取り込む。また、この変圧制御回路Ｃは、第１電圧信号、電流信号及び第２電圧信号に基づいて第１～第４ゲート信号を生成し、当該第１～第４ゲート信号を上記インタフェース回路を介してＩＧＢＴ３ａ～３ｄの各ゲート端子に出力する。

また、この変圧制御回路Ｃは、上述した制御プログラムを実行することにより、第1電圧信号、電流信号及び第２電圧信号並びに第１～第４温度検出信号に基づく第１～第４のＩＧＢＴ３ａ～３ｄの故障診断処理を行う。すなわち、この変圧制御回路Ｃは、本発明のスイッチ故障判定部に相当するものであり、第１～第４のＩＧＢＴ３ｄ（半導体スイッチング素子）における第１～第４スイッチ温度（相毎のスイッチ温度）に基づいて第１～第４のＩＧＢＴ３ａ～３ｄ（半導体スイッチング素子）の故障を判定する。

次に、本実施形態に係る多相変圧制御装置及び多相変圧装置Ａの動作について、図２に示すフローチャート及び図３に示すタイミングチャートに沿って詳しく説明する。

最初に、変圧制御回路Ｃにおける多相変圧回路Ｂの通常制御について説明する。
この多相変圧装置Ａにおいて、変圧制御回路Ｃは、第１電圧センサ７から入力される第1電圧信号、電流センサ８から入力される電流信号及び第２電圧センサ９から入力される第２電圧信号に基づいて多相変圧回路Ｂの通常制御を行う。すなわち、変圧制御回路Ｃは、一次側電圧Ｖ１、リアクトル電流Ｉ及び二次側電圧Ｖ２に基づいて第1～第４ゲート信号を生成して第１～第４のＩＧＢＴ３ａ～３ｄの各ゲート端子に出力する。

第１～第４のＩＧＢＴ３ａ～３ｄは、第1～第４ゲート信号に基づいてＯＮ／ＯＦＦ動作することによって、電池Ｐから一次側端子Ｄ１、Ｄ２に供給される直流電力を昇圧して二次側回路Ｆに供給する力行動作、あるいは二次側回路Ｆから二次側端子Ｅ１、Ｅ２に供給される回生電力（直流電力）を降圧して電池Ｐに充電させる回生動作を択一的に行う。

より詳細には、変圧制御回路Ｃは、一次側電圧Ｖ１、リアクトル電流Ｉ及び二次側電圧Ｖ２を制御目標値と比較することにより第１～第４のＩＧＢＴ３ａ～３ｄに関する電圧制御量（第１～第４電圧制御量）をそれぞれ算出し、これら第１～第４電圧制御量に基づて第1～第４ゲート信号のデューティ比（第１～第４デューティ比）を決定する。そして、変圧制御回路Ｃは、これら第１～第４デューティ比の第1～第４ゲート信号を生成して第１～第４のＩＧＢＴ３ａ～３ｄに出力する。

ここで、変圧制御回路Ｃは、第１相に対応する第１スイッチングレグ（スイッチング回路）を構成する第１、第２のＩＧＢＴ３ａ、３ｂ用と第２相に対応する第２スイッチングレグ（スイッチング回路）を構成する第３、第４のＩＧＢＴ３ｃ、３ｄ用とでは、状態遷移の位相が異なるように第1～第４ゲート信号を生成する。すなわち、第１、第３ゲート信号と第２、第４ゲート信号とでは、状態遷移の位相が例えば１８０°異なる。

この結果、第１、第３のＩＧＢＴ３ａ、３ｃと第２、第４のＩＧＢＴ３ｂ、３ｄとでは、スイッチング動作の位相が例えば１８０°異なるので、第１、第３のＩＧＢＴ３ａ、３ｃのスイッチング動作に起因して第１リアクトル電流に発生するリップル電流と第２、第４のＩＧＢＴ３ｂ、３ｄのスイッチング動作に起因して第２リアクトル電流に発生するリップル電流とは例えば１８０°異なる位相関係となる。

そして、第１リアクトル電流と第２リアクトル電流との合成電流であるリアクトル電流Ｉにおけるリップル電流は、第１リアクトル電流及び第２リアクトル電流よりも振幅が小さなものとなる。すなわち、本実施形態によれば、磁気結合型の二相チョッパ回路である多相変圧回路Ｂを備えるので、リップルが小さい出力電流を実現することができる。

このような多相変圧回路Ｂの通常制御に対して、変圧制御回路Ｃは、第１電圧センサ７から入力される第1電圧信号、電流センサ８から入力される電流信号及び第２電圧センサ９から入力される第２電圧信号に加え、第１～第４の感温ダイオード５ａ～５ｄから入力される第１～第４温度検出信号に基づいて、第１～第４のＩＧＢＴ３ａ～３ｄの故障診断処理を行う。

図２に示すように、変圧制御回路Ｃは、この故障診断処理において最初に多相変圧回路Ｂが低負荷状態にあるか否かを判断する（ステップＳ１）。すなわち、変圧制御回路Ｃは、一次側電圧Ｖ１、リアクトル電流Ｉ及び二次側電圧Ｖ２に基づいて二次側回路Ｆあるいは電池Ｐに供給する出力電力が所定の電力しきい値以下か否かを判断し、この判断が「Ｙｅｓ」の場合、第１～第４温度検出信号に基づいて第１～第４スイッチ温度を取得する（ステップＳ２）。

そして、変圧制御回路Ｃは、第１スイッチングレグ（第１、第２のＩＧＢＴ３ａ、３ｂ）に関する第１、第２スイッチ温度と第２スイッチングレグ（第３、第４のＩＧＢＴ３ｃ、３ｄ）に関する第３、第４スイッチ温度との差分をスイッチ温度差として計算する（ステップＳ３）。すなわち、変圧制御回路Ｃは、第１～第４スイッチ温度について相毎のスイッチ温度の差分をスイッチ温度差として計算する。

そして、変圧制御回路Ｃは、上記スイッチ温度差を所定の温度差しきい値Ｒと比較することにより、第１～第４のＩＧＢＴ３ａ～３ｄの故障判定を行う（ステップＳ４）。すなわち、変圧制御回路Ｃは、スイッチ温度差が温度差しきい値Ｒを超えると、第１スイッチングレグあるいは第２スイッチングレグのいずれかにスイッチ故障が発生したと判定する。

ここで、第１スイッチングレグ（第１、第２のＩＧＢＴ３ａ、３ｂ）と第２スイッチングレグ（第３、第４のＩＧＢＴ３ｃ、３ｄ）とが故障することなく正常な場合、図３（タイミングチャート）に示すように、第１相に対応する第１のＩＧＢＴ３ａと第２のＩＧＢＴ３ｂとは互いに逆位相でＯＮ／ＯＦＦする。また、第２相に対応する第３のＩＧＢＴ３ｃと第４のＩＧＢＴ３ｄとは、上記第１相と同様に互いに逆位相でＯＮ／ＯＦＦする。

すなわち、第１スイッチングレグ（第１、第２のＩＧＢＴ３ａ、３ｂ）と第２スイッチングレグ（第３、第４のＩＧＢＴ３ｃ、３ｄ）とが正常な場合、第１～第４のＩＧＢＴ３ａ～３ｄのＯＮ時間やＯＮ/ＯＦＦ周期は同一なので、上述した第１～第４スイッチ温度は略同様な値となる。

しかしながら、例えばゲート断線等の異常によって第１～第４のＩＧＢＴ３ａ～３ｄのいずれかが故障すると、故障したＩＧＢＴ（故障スイッチ）は、故障発生時からスイッチング動作を行わなくなる。この結果、故障スイッチの温度（スイッチ温度）は、他の健全なＩＧＢＴ（健全スイッチ）のスイッチ温度よりも低い値となる。

ここで、図３（タイミングチャート）は、一例として第１のＩＧＢＴ３ａが故障スイッチの場合（第１相故障の場合）を示している。第１のＩＧＢＴ３ａが故障することにより、第１のＩＧＢＴ３ａはＯＮ／ＯＦＦ動作を停止する。この結果、図３に示すように第１リアクトル電流が第１のＩＧＢＴ３ａに通電されなくなるので、第１スイッチ温度は、図３に異常相温度として示すように、第１～第４のＩＧＢＴ３ａ～３ｄを強制冷却している冷却液に近い温度（比較的低い温度）となる。

このような第１相（第１スイッチングレグ）に対して、健全な第２相（第２スイッチングレグ）は、第３、第４のＩＧＢＴ３ｃ、３ｄがスイッチング動作を正常に繰り返すと共に、第３のＩＧＢＴ３ｃに通電される第２リアクトル電流が第１のＩＧＢＴ３ａに通電されなくなった第１リアクトル電流を補うように増加（偏流）するので、図３に正常相温度として示すように、時間の経過とともに徐々に増加（変化）する。

すなわち、第１～第４のＩＧＢＴ３ａ～３ｄのいずれかが故障すると、第１、第２スイッチ温度と第３、第４スイッチ温度とは時間経過とともに徐々に乖離した値となる。この結果、ステップＳ３で計算するスイッチ温度差は、ある時点において所定の温度しきい値を超えるものとなる。

したがって、本実施形態によれば、第１～第４の感温ダイオード５ａ～５ｄ（温度センサ）が検出した第１～第４のＩＧＢＴ３ａ～３ｄの動作温度（第１～第４スイッチ温度）に基づいて第１相（第１、第２のＩＧＢＴ３ａ、３ｂ）と第２相（第３、第４のＩＧＢＴ３ｃ、３ｄ）のいずれか一方においてスイッチ故障が発生したことを検知することができる。

図２には示していないが、変圧制御回路Ｃは、さらに第１～第４スイッチ温度における相毎の温度変化率を演算し、当該相毎の温度変化率に基づいて第１相（第１スイッチングレグ）あるいは第２相（第２スイッチングレグ）の故障を再度判定する。

すなわち、変圧制御回路Ｃは、図３（タイミングチャート）に示すように、第１相である第１スイッチングレグの温度変化率（異常相温度変化率）と正常相である第２スイッチングレグの温度変化率（正常相温度変化率）とを算出する。例えば、温度変化率の算出方法としては、ある一定期間の前回値、今回値の差分の平均としてもよい。そして、変圧制御回路Ｃは、異常相温度変化率と正常相温度変化率との差分（温度変化率差分）を算出する。

そして、変圧制御回路Ｃは、上記温度変化率差分が所定の検知条件を満足するか否かを評価する。そして、変圧制御回路Ｃは、温度変化率差分が検知条件を満足する場合に、第１相（第１、第２のＩＧＢＴ３ａ、３ｂ）と第２相（第３、第４のＩＧＢＴ３ｃ、３ｄ）のいずれか一方においてスイッチ故障が発生したと判定する。

上記検知条件は、例えば以下の２条件である。すなわち、第１条件は、所定のタイムインターバル毎に算出した温度変化率が第１の変化率しきい値Ｒ１以内、かつ、正常相の温度変化率が第２の変化率しきい値Ｒ２を超過している。また、第２条件は、所定のタイムインターバル毎に算出した第１相の温度変化率と第２相の温度変化率の極性が正負逆になっている。

図３（タイミングチャート）に異常相温度変化率及び正常相温度変化率として示すように、上記２条件で温度変化率差分をＯＫカウンタのカウント値毎に評価することにより、第１相（第１、第２のＩＧＢＴ３ａ、３ｂ）あるいは第２相（第３、第４のＩＧＢＴ３ｃ、３ｄ）のいずれでスイッチ故障が発生したかを検知する。

なお、変圧制御回路Ｃは、上記２条件に基づいてスイッチ故障の発生を検知すると、図３（タイミングチャート）に示すように偏流カウンタを設定し、所定のタイムインターバル毎にカウントアップさせる。そして、この偏流カウンタが所定値をカウントすると、上記ＯＫカウンタのカウントアップを開始させ、所定値をカウントすると、偏流カウンタのカウントアップを再度開始させる。

そして、変圧制御回路Ｃは、偏流カウンタが所定値を再度カウントしたタイミングで、スイッチ故障の判定を確定させる。すなわち、変圧制御回路Ｃは、内部に予め設定された偏流検知確定フラグを「０」から「１」に設定し直す。

このような温度変化率差分に基づくスイッチ故障の発生判定によれば、第１～第４スイッチ温度の時系列的な温度変化傾向に基づいてスイッチ故障の発生を評価するので、スイッチ故障の発生をより正確に判定することが可能である。

このような温度変化率差分に基づくスイッチ故障の発生判定は、特に多相変圧回路Ｂの低負荷状態において、上述した第１～第４スイッチ温度における相毎のスイッチ温度の差分に基づくスイッチ故障の発生判定よりも精度が高い。すなわち、温度変化率は、多相変圧回路Ｂの低負荷状態において第１～第４スイッチ温度よりもスイッチ故障に対する感度が高い物理量であり、よってスイッチ故障を高精度に検知し得る。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、磁気結合型の二相チョッパ回路として構成された多相変圧回路Ｂを制御対象としたが、本発明はこれに限定されない。本発明は、例えば三相以上のチョッパ回路にも適用可能である。また、本発明は、磁気結合型ではない多相チョッパ回路にも適用することができる。

（２）上記実施形態では、昇圧動作（力行動作）及び降圧動作（回生動作）を行う多相変圧回路Ｂを制御対象としたが、本発明はこれに限定されない。本発明は、昇圧動作（力行動作）あるいは降圧動作（回生動作）の一方のみを行う多相チョッパ回路にも適用することができる。

（３）上記実施形態では、感温ダイオード５ａ～５ｄを温度センサとして採用したが、本発明はこれに限定されない。また、各々の感温ダイオード５ａ～５ｄを第１～第４のＩＧＢＴ３ａ～３ｄ（半導体スイッチング素子）の中央部に設けたが、このような各感温ダイオード５ａ～５ｄの第１～第４のＩＧＢＴ３ａ～３ｄに対する位置は必須の限定事項ではない。例えば、サーミスタ等を温度センサとして採用してもよい。

Ａ 多相変圧装置
Ｂ 多相変圧回路
Ｃ 変圧制御回路（スイッチ故障判定部）
Ｄ１、Ｄ２ 一次側端子
Ｅ１、Ｅ２ 二次側端子
Ｆ 二次側回路
Ｐ 電池
１ 第１コンデンサ
２ トランス
２ａ 一次巻線
２ｂ 二次巻線
３ａ～３ｄ ＩＧＢＴ（半導体スイッチング素子）
４ａ～４ｄ 還流ダイオード
５ａ～５ｄ 感温ダイオード
６ 第２コンデンサ
７ 第１電圧センサ
８ 電流センサ
９ 第２電圧センサ

Claims (5)

1. 複数相に対応するスイッチング回路を用いて入力電力を変圧して出力電力を生成する多相変圧回路を制御する多相変圧制御装置であって、
   前記スイッチング回路を構成する複数の半導体スイッチング素子の動作温度をスイッチ温度として検出する温度センサと、
   前記半導体スイッチング素子における相毎のスイッチ温度に基づいて前記半導体スイッチング素子の故障を判定するスイッチ故障判定部と
   を備えることを特徴とする多相変圧制御装置。
2. 前記スイッチ故障判定部は、前記スイッチ温度における相毎の温度変化率に基づいて前記半導体スイッチング素子の故障を判定することを特徴とする請求項１に記載の多相変圧制御装置。
3. 前記スイッチ故障判定部は、出力電力が所定の電力しきい値以下の場合に前記半導体スイッチング素子の故障を判定することを特徴とする請求項１または２に記載の多相変圧制御装置。
4. 前記温度センサは、前記半導体スイッチング素子に設けられた感温ダイオードであり、前記半導体スイッチング素子の中央部に配置されていることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の多相変圧制御装置。
5. 請求項１～４のいずれか一項に記載の多相変圧制御装置と、
   前記多相変圧回路と
   を備えることを特徴とする多相変圧装置。
   

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