JP3903020B2 - 電力変換器の診断方法及び装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力変換器の故障診断及びコンダクタ投入の方法及び装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の複数の電力変換器では、1つのコンダクタの下に電力変換器を設ける場合、1つの電力変換器が故障したことで安全性の問題から他の電力変換器を停止していた。故障原因のひとつにスイッチング素子の故障が上げられる。直流電力から3相交流電力に変換する回路として極めて一般的なのが、6つのスイッチング素子からなる3相ブリッジ構成のものである。ハーフブリッジ回路を3つ並べたもので、そのハーフブリッジは上下(実施例では、上をハイサイド側、下をローサイド側とも呼ぶ)にスイッチング素子が並べている。スイッチング素子が故障するモードは、主に過電流と過電圧が上げられる。
【0003】
その中で故障頻度の高い故障として、一つは上下のスイッチング素子が同時オンしたときや負荷のインピーダンスが低下したときに過電流が発生して異常発熱し、最終的には破損する。
【0004】
その他、上下のスイッチング素子が同時オンしたときや負荷のインピーダンスが低下したときに過電流が発生したスイッチング素子をターンオフしたときに跳ね上り電圧が高くなり過電圧で故障する。これら2つの故障モードが大半を占めている。
【0005】
しかし、以上の2つの故障時は上下のスイッチング素子が両方とも故障する確率は小さい。よって、上側のスイッチング素子のコレクタ端子と下側のエミッタ端子のソース端子間に電圧を印加してもゲート端子をオンしていなければ、短絡電流が流れることは小さい。他の故障原因となるモードは、上側のスイッチング素子のコレクタ端子と下側のエミッタ端子のソース端子間にスイッチング素子の耐圧を超える電圧が印加されたときである。
【0006】
その時はまずどちらかの素子に過電圧がかかり、漏れ電流が発生する。いずれそれは発熱源となり故障し、一方の素子も同じ現象に至って上下のスイッチング素子は両方とも故障すると考えられる。以上から、電力変換器の故障時は電力供給しないこととし、複数からなる電力変換器の故障時は、1つの電力変換器が故障した場合安全のためコンダクタを投入しないで全ての電力変換器を停止させていた。尚、複数の電力変換手段を有し、いずれかの電力変換手段が故障した場合、他の正常な電力変換手段を動作させるようにしたものとして、特許文献1に記載されたものが知られている。
【0007】
【特許文献1】
特開平7−87604号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
電動で走行可能なハイブリッド車などは3相交流電動機を複数搭載している。交流電動機を動作させるには対応する電力変換器がそれぞれ必要である。電力変換器は、3相フルブリッジ構成で部品点数が多くハイブリッドでない従来の車両より非常に複雑な構成となる。その電力変換器を多数搭載することで故障率が高くなり、部品一つ故障しても車両を動かすことが困難となる。安全保護用にバッテリと電力変換器との間にコンダクタを有する。コンダクタは高価なため、一般には、1つしか用いない。よって、1つのコンダクタの下に複数の電力変換器を設ける構成となっている。1つでも電力変換器に異常が発生すると他の電力変換器を停止していたため、車両を動かすことが困難であった。それを回避するため、1つの電力変換器が異常に至っても極力車両を動かせるようにする必要性がある。
【0009】
コンダクタ出力先の平滑コンデンサに電位が生じると、電力変換器にも電位が印加される。もし、電力変換器が異常になると、その異常な電力変換器に電位を印加させるのは危険が生じる。そのため、電位の印加が可能か否かを診断する故障診断できることが必要である。
【0010】
コンダクタを異常診断結果の内容により、投入するか否かを判断可能なシステムであることが必要である。
【0011】
従来のハイブリット車を含む電気車は電力変換器が複数用いられるので故障率が高く、車両停止に至る確率が高い。故障診断結果により、従来より極力車両を動かせることシステムを付加する故障診断方法が要求される。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために、第1の電力変換器のスイッチング素子のゲート端子の状態に第1の電力変換器のスイッチング素子のスイッチング素子のコレクタ端子が合致しない状態か否かを診断し、第2の電力変換器のスイッチング素子のゲート端子の状態に第2の電力変換器のスイッチング素子のスイッチング素子のコレクタ端子が合致しない状態か否かを診断し、充電回路が平滑コンデンサに電荷を充電し、その充電に要する時間を計測して所定時間内に平滑コンデンサの充電電圧が所定の電圧に達したか否かを診断し、この診断結果によりコンダクタへの直流電流の通電可否を判断することを特徴とする。
【0013】
【発明の実施の形態】
本発明は、例えば、1系統の直流電源から1つのコンダクタを介し複数の電力変換器、複数の負荷である3相電動機が接続された装置において、1つの電力変換器が故障したときでも所定診断をした後に他の電力変換器を駆動させるものである。そのために、複数の電力変換器のうち、1個の電力変換器が故障に至った場合、電力変換器内のスイッチング素子の故障箇所,リーク電流増大の有無,アーム短絡の可能性の有無を診断し、診断結果によってコンダクタをショートし他の正常な電力変換器を駆動させるものである。
【0014】
本発明の一実施例を図1に、システム結線図を図2に示す。
【0015】
まず、図2で回路構成を説明する。
【0016】
第1の電力変換器5は入力側に平滑コンデンサ4が接続され、出力側に第1の3相電動機が接続される。平滑コンデンサ4はメインコンダクタ2と充電回路3に接続される。充電回路3は平滑コンデンサ4に電荷を充電させる機能を有し、メインコンダクタ2は平滑コンデンサ4の充電完了後投入され、電力変換器の運転終了後、または、回路異常時に開放する役目を有する。メインコンダクタ2は平滑コンデンサ4と相反する側に直流電源1に接続される。
【0017】
第2の電力変換器6は入力側に平滑コンデンサ4が、出力側に第2の3相電動機が接続される。
【0018】
第1の電力変換器は、MPU13(MPU:Multiple-Purpose controller の略)から出力されるPWM信号を第1のゲート駆動回路11が電力変換器内のスイッチング素子を駆動できるようにパルス変換したPWM信号を受け駆動する。
【0019】
第1の故障診断器9は第1のゲート駆動回路11のPWM信号状態に合致しているか否か、第1の電力変換器5内のスイッチング素子の出力端子(コレクタ−エミッタ間)電圧を監視する。監視内容はMPU13にフィードバックする。なお、ここでいうスイッチング素子は、IGBTやMOS−FETなどのトランジスタである。
【0020】
第1の電力変換器5は負荷である第1の3相電動機7に電力供給する。第1の3相電動機7の通電電流は第1の電流検出器14で検出し、MPU13にフィードバックする。
【0021】
第2の電力変換器6は、第1の電力変換器5と同様の接続を行う。MPU13から出力するPWM信号は、第2のゲート駆動回路12でスイッチング素子が駆動できるようにレベル変換され、そこで電力変換器が動作する。スイッチング素子はON/OFF動作を繰返すので第2の故障診断器でON/OFF動作が正しく行われているか判定する。監視内容はMPU13にフィードバックする。
【0022】
第2の電力変換器6は負荷である第2の3相電動機8に電力供給する。第2の3相電動機8の通電電流は第2の電流検出器15で検出し、MPU13にフィードバックする。充電回路3はMPU13の指令で動作する。平滑コンデンサ4の電圧は平滑コンデンサ電圧検出器16を経てMPU13にフィードバックされる。メインコンダクタ2はMPU13の指令で開閉駆動する。
【0023】
次に、診断内容について説明する。MPU13を含む制御回路をパワーオンする(図1、処理30)。電源平滑コンデンサ4に直流電源1の電圧を印加していない状態から、まず電力変換器のスイッチング素子のON/OFFが確実にできるか確認を行う。電力変換器は3相ブリッジ構成のため6個のスイッチング素子がある。代表例としてローサイド側スイッチング素子部の回路を図3も使い説明する。MPU13は各スイッチング素子がOFFする信号を第1のゲート駆動回路11中のプッシュプル回路22とゲート抵抗21から与える(図1、処理31)。
【0024】
図3中のゲート電源電圧とは、スイッチング素子をONさせるためのゲート印加電圧値とほぼ同じレベルである。第1の故障診断器9はスイッチング素子20のコレクタ−エミッタ間の端子電圧値を監視する(図1、処理32)。コレクタ端子にはゲート電源電圧相当値がダイオード23と抵抗24を介して印加される。その先のトランジスタ25は図3を見ての如くスイッチング素子20のコレクタ端子の電圧によりショート/オープンと変化する。スイッチング素子20がOFFのときはトランジスタ25がショート、逆にONのときはトランジスタ25がオープンとなる。このトランジスタ25の出力先はMPU13に接続し、MPU13はMPU13自身が出力したPWM信号とスイッチング素子20の出力状態の比較ができる。MPU13はプログラムにより比較し、ゲート駆動回路とスイッチング素子20の応答遅れ時間によって異常検出をマスクする(図1,処理33)。
【0025】
図3中のレベル変換26は、MPU13またはロジック回路が入力可能な電圧レベルに変換するものである。ローサイド側スイッチング素子は図中のVCの電位を5VなどMPU13の入力可能な電圧にすればよい。ハイサイド側スイッチング素子は、ローサイド側スイッチング素子のON/OFFの状態によりVCの電位が変動するため、レベル変換をフォトカプラによる絶縁や電圧変動が生じてもON/OFF検出可能な回路にする。この上記診断を各スイッチング素子(合計6個)について個別に行う。
【0026】
上記診断(スイッチング素子20の出力状態の比較)結果で、U,V,Wの各相のうち例えばU相でローサイド側スイッチング素子とハイサイド側スイッチング素子の両方に異常(MPU13が出力したPWM信号とスイッチング素子20の出力状態が合致しないこと)があった場合、アーム短絡の可能性があるため充電回路3とメインコンダクタ2を動作させず、全電力変換器システム停止とする(図1、処理46)。この装置は、これ以上の運転は不可能と判断する。例えばU相でローサイド側スイッチング素子とハイサイド側スイッチング素子のどちらかに異常があった場合は、診断している電力変換器は使えないと判断し停止させ(図1、処理34)、どちらも異常が無い場合、次の電力変換器(例えば、第2の電力変換器)で同様の診断をする(図1、処理35)。
【0027】
次の電力変換器でローサイド側スイッチング素子とハイサイド側スイッチング素子の両方に異常があった場合、アーム短絡の可能性があるため充電回路3とメインコンダクタ2を動作させない(図1、処理46)。U相でローサイド側スイッチング素子とハイサイド側スイッチング素子のどちらかに異常があった場合は、図1の処理34へ、どちらも異常が無い場合、次の電力変換器で同様の診断をする(図1、処理35)。図1の実施例は、電力変換器が2個の場合としたが、3個以上でも同様の診断を継続すればよい。
【0028】
このような診断を行うものをソフト的に又はハード的に診断部とし、また、第1の電力変換器の診断を行うものを第1の診断部とし、第2の電力変換器の診断を行うものを第2の診断部とハード的に又はソフト的に分けてもよい。
【0029】
以上の診断が終了し、他の診断又は次の診断を行う。このような診断を上述の診断部に含めてもよいし又は第3の診断部として、ハード的に又はソフト的に分離してもよい。
【0030】
ローサイド側スイッチング素子とハイサイド側スイッチング素子のどちらかに異常があった場合、どちらも異常が無い場合、充電回路3で平滑コンデンサ4に充電する(図1、処理37)。このときすべてのスイッチング素子はMPU13よりOFFにする(図1、処理36)。
【0031】
充電回路3は抵抗もしくはトランジスタにより電流制限させ平滑コンデンサへの投入電流を抑制させる。平滑コンデンサ電圧検出器16は平滑コンデンサ4の充電電圧をMPU13が認識できる電圧にレベル変換する。MPU13が電圧を認識することで、タイマーを有するMPU13が充電する指令を出力して充電を開始し、所定の電圧になるまでの充電時間を計測できる。充電時間が所定の時間内にあれば、電力変換器5・6や平滑コンデンサ4はリーク電流が小さいので正常と判断でき、逆に時間内に充電できなかった場合はリーク電流が大きいことなので異常と判断できる(図1、処理38)。異常と判断した場合、発熱が大きく発煙・発火の可能性が考えられるので、充電回路3を停止し、メインコンダクタ2はオープン状態を維持する(図1、処理46)。
【0032】
充電回路を介して平滑コンデンサ4に充電したあと、次の診断を行う。第1の電力変換器は3相電動機にある一定の小さい電流を通電させ、第1の電流検出器14が所定の電流値であること、もしくは3相電動機に電流を通電させないようMPU13よりPWM信号を出力して平滑コンデンサ4が所定の電圧以下になっていないことをMPU13が確認する(図1、処理39)。所定の電流以下、もしく所定の電圧以上を保持している場合正常と判断し、次の電力変換器を診断するか(図1、処理44)、メインコンダクタ2をショートし電力変換器は運転可能状態であるとMPU13は判断する。所定の電流以上、もしく所定の電圧以下とMPU13が判断した場合(図1、処理40)、MPU13はその電力変換器を故障として判断し停止させ(図1、処理41)、次の電力変換器の診断を行う(図1、処理42)。診断する電力変換器が無く、いままで診断した電力変換器に正常品の有無を判断させる(図1、処理43)。正常なものがあれば、コンダクタをショート(ON)させ(図1、処理45)、すべて異常であれば充電回路3を停止させメインコンダクタ2はオープン状態を維持し全電力変換器をシステム停止とする(図1、処理46)。
【0033】
【発明の効果】
本発明によれば、1系統の直流電源から複数の電力変換器を使い複数の負荷である3相電動機からなる複数の電力変換器において、いままでは1つの電力変換器が故障したときは他の電力変換器を停止させていたのを、1つの電力変換器が故障に至った場合でも説明した診断内容を実行し、診断結果の内容により他の電力変換器を動作可能にできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】診断のフローチャート。
【図2】複数の電力変換器から成るシステム結線図。
【図3】スイッチング素子と故障診断器。
【符号の説明】
1…直流電源、2…メインコンダクタ、3…充電回路、4…平滑コンデンサ、5…第1の電力変換器、6…第2の電力変換器、7…第1の3相電動機、8…第2の3相電動機、9…第1の故障診断器、10…第2の故障診断器、11…第1のゲート駆動回路、12…第2のゲート駆動回路、13…MPU、14…第1の電流検出器、15…第2の電流検出器、16…平滑コンデンサ電圧検出器、20…スイッチング素子、21…ゲート抵抗、22…プッシュプル回路、23…ダイオード、24…抵抗、25…トランジスタ、26…レベル変換、30…MPUパワーオン処理、31…PWM出力処理、32…スイッチング素子モニタ処理、33…ロジック診断処理、34…電力変換器停止処理1、35…次電力変換器診断有無処理1、36…スイッチング素子OFF処理、37…充電開始処理、38…充電時間電圧測定処理、39…スイッチング素子指令処理、40…充電電圧の測定処理、41…電力変換器停止処理2、42…次電力変換器診断有無処理2、43…正常電力変換器有無診断、44…次電力変換器診断有無処理3、45…コンダクタオン指令処理、46…システム全停止処理。
Claims (8)
- 直流から3相交流に電力変換するスイッチング素子群からなる第1の電力変換器と、直流から3相交流に電力変換する第2の電力変換器と、2つの電力変換器の直流入力端子は同電位になるよう接続されかつその端子に接続される平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサを充電する充電回路と、前記充電回路と並列に接続されるコンダクタと、前記コンダクタに接続される直流電源とを有する電力変換器の診断方法であって、
前記第1の電力変換器のスイッチング素子のゲート端子の状態に前記第1の電力変換器のスイッチング素子のスイッチング素子のコレクタ端子が合致しない状態か否かの第1診断を行い、
前記第2の電力変換器のスイッチング素子のゲート端子の状態に前記第2の電力変換器のスイッチング素子のスイッチング素子のコレクタ端子が合致しない状態か否かの第2診断を行い、
前記充電回路が前記平滑コンデンサに電荷を充電し、その充電に要する時間を計測して所定時間内に前記平滑コンデンサの充電電圧が所定の電圧に達したか否かの第3診断を行い、前記第1診断,前記第2診断、及び、前記第3診断の結果により前記コンダクタへの直流電流の通電可否を判断することを特徴とする複数の電力変換器の診断方法。 - 請求項1において、
前記第1診断及び前記第2診断の結果、前記第1の電力変換器のスイッチング素子のゲート端子の状態に前記第1の電力変換器のスイッチング素子のコレクタ端子が合致しない状態、または、前記第2の電力変換器のスイッチング素子のゲート端子の状態に前記第2の電力変換器のスイッチング素子のコレクタ端子が合致しない状態、のいずれか一方を検出し、他の一方は検出しない場合、前記充電回路が前記平滑コンデンサに充電を開始すると、充電に要する時間を計測し、所定時間内に平滑コンデンサの充電電圧が所定の電圧に達すると前記コンダクタへ前記直流電流を通電し、前記充電電圧が所定の電圧に達しないと前記コンダクタへ前記直流電流を投入しないことを特徴とする電力変換器の診断方法。 - 直流から3相交流に電力変換するスイッチング素子群からなる第1の電力変換器と、直流から3相交流に電力変換する第2の電力変換器と、前記第1及び第2の電力変換器の直流入力端子が同電位になるよう接続され、前記直流入力端子に接続される平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサに接続され、前記平滑コンデンサを充電する充電回路と、前記充電回路と並列に接続されたコンダクタと、前記コンダクタに接続される直流電源とを有する電力変換器の診断方法であって、
前記充電回路が前記平滑コンデンサに電荷を充電し、その充電に要する時間を計測して所定の時間内に平滑コンデンサの充電電圧が所定の電圧に達したか否かを診断し、第1の電力変換器は3相交流出力が所定の電流以下となるようにON/OFFのスイッチング動作をしてスイッチング素子群に所定の電流以上が通電されていないことを判断し、充電時間が前記所定の時間内かつ所定の電流以下の通電であると判断したときコンダクタを投入することを特徴とする電力変換器の診断方法。 - 直流から3相交流に電力変換するスイッチング素子群からなる第1の電力変換器と、直流から3相交流に電力変換する第2の電力変換器と、前記第1及び第2の電力変換器の直流入力端子が同電位になるよう接続され、前記直流入力端子に接続される平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサに接続され、前記平滑コンデンサを充電する充電回路と、前記充電回路と並列に接続されたコンダクタと、前記コンダクタに接続される直流電源とを有する電力変換器の診断方法であって、
前記充電回路が前記平滑コンデンサに電荷を充電し、その充電作業に要する時間を計測して所定時間内に平滑コンデンサの充電電圧が所定の電圧に達したか否かを診断し、第1の電力変換器は3相交流出力が零の状態であるようにON/OFFのスイッチング動作をし、その後平滑コンデンサには所定の電圧以上であることを判断し、所定の電圧以上であればコンダクタを投入することを特徴とする複数の電力変換器の診断方法。 - 直流から3相交流に電力変換するスイッチング素子群からなる第1の電力変換器と、直流から3相交流に電力変換する第2の電力変換器と、前記第1及び第2の電力変換器の直流入力端子が同電位になるよう接続され、前記直流入力端子に接続される平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサに接続され、前記平滑コンデンサを充電する充電回路と、前記充電回路と並列に接続されたコンダクタと、前記コンダクタに接続される直流電源とを有する電力変換器の診断方法であって、
前記第1の電力変換器のスイッチング素子についてゲート端子の状態にコレクタ端子が合致しない状態か否かを診断し、前記第2の電力変換器のスイッチング素子についてゲート端子の状態にコレクタ端子が合致しない状態か否かを診断し、その後、前記充電回路が前記平滑コンデンサに電荷を充電し、その充電作業に要する時間を計測して所定時間内に前記平滑コンデンサの充電電圧が所定の電圧に達したか否かを診断し、前記第1の電力変換器は3相交流出力が零の状態であるようにスイッチング動作をし、その後、前記平滑コンデンサには所定の電圧以上であることを判断し、所定の電圧以上であればコンダクタを投入することを特徴とする複数の電力変換器の診断方法。 - 直流から3相交流に電力変換するスイッチング素子群からなる複数の電力変換器と、前記複数の電力変換器の直流入力端子が同電位になるよう接続されかつその端子に接続される平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサを充電する充電回路と、前記充電回路と並列に接続されるコンダクタと、前記コンダクタに接続される直流電源とを有する電力変換器であって、
前記電力変換器のスイッチング素子のゲート端子の状態に前記電力変換器のスイッチング素子のスイッチング素子のコレクタ端子が合致しない状態か否かを診断する第1の診断部と、
前記充電回路が前記平滑コンデンサに電荷を充電し、その充電に要する時間を計測して所定時間内に前記平滑コンデンサの充電電圧が所定の電圧に達したか否かを診断する第2の診断部と、前記第1及び第2の診断部の診断結果に基づいて前記コンダクタへの直流電流の通電可否を判断する判断部を有することを特徴とする電力変換器。 - 直流から3相交流に電力変換するスイッチング素子群からなる第1の電力変換器と、直流から3相交流に電力変換する第2の電力変換器と、2つの電力変換器の直流入力端子は同電位になるよう接続されかつその端子に接続される平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサを充電する充電回路と、前記充電回路と並列に接続されるコンダクタと、前記コンダクタに接続される直流電源とを有する電力変換器であって、
前記第1の電力変換器のスイッチング素子のゲート端子の状態に前記第1の電力変換器のスイッチング素子のスイッチング素子のコレクタ端子が合致しない状態か否かを診断する第1の診断部と、
前記第2の電力変換器のスイッチング素子のゲート端子の状態に前記第2の電力変換器のスイッチング素子のスイッチング素子のコレクタ端子が合致しない状態か否かを診断する第2の診断部と、
前記充電回路が前記平滑コンデンサに電荷を充電し、その充電に要する時間を計測して所定時間内に前記平滑コンデンサの充電電圧が所定の電圧に達したか否かを診断する第3の診断部と、前記第1,第2及び第3の診断部の診断結果に基づいて前記コンダクタへの直流電流の通電可否を判断する判断部を有することを特徴とする電力変換器。 - 請求項7において、
前記第1の診断部及び前記第2の診断部が、前記第1の電力変換器のスイッチング素子のゲート端子の状態に前記第1の電力変換器のスイッチング素子のコレクタ端子が合致し ない状態、または、前記第2の電力変換器のスイッチング素子のゲート端子の状態に前記第2の電力変換器のスイッチング素子のコレクタ端子が合致しない状態、のいずれか一方を検出し、他の一方は検出しない場合、前記充電回路が前記平滑コンデンサに充電を開始すると、充電に要する時間を計測するタイマー回路部と、所定時間内に平滑コンデンサの充電電圧が所定の電圧に達すると前記コンダクタへ前記直流電流を通電し、前記充電電圧が所定の電圧に達しないと前記コンダクタへ前記直流電流を投入しない直流電流制御部とを有することを特徴とする電力変換器。
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