JP4687086B2

JP4687086B2 - 電力変換器の試験装置および試験方法

Info

Publication number: JP4687086B2
Application number: JP2004351302A
Authority: JP
Inventors: 政美菅沼
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-12-03
Filing date: 2004-12-03
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2024-12-03
Also published as: JP2006166525A

Description

この発明は、電力変換器の試験装置および試験方法に関し、より特定的には、少なくとも１つの電力用半導体スイッチング素子を含んで構成された電力変換器の試験装置および試験方法に関する。

インバータ等の電力変換器の動作試験のための試験装置の構成が種々提案されている。たとえば、試験対象となる２つのインバータの交流端子同士を、遅れ位相電力伝達要素を介して接続することにより、負荷装置を不要あるいは小型化して、試験時の消費電力を抑制可能なインバータ試験装置が提案されている（たとえば特許文献１）。

また、インバータの入力段に平滑コンデンサを備えた構成において、当該平滑コンデンサに放電回路を設けることによって、インバータのスイッチング動作強制停止時に平滑用のコンデンサの電荷を選択的に放電可能な構成も提案されている（たとえば特許文献２）。
特開２００４−８８８３２号公報特開平２−２６９４７９号公報

インバータ等の電力変換器の試験中には、電力用半導体スイッチング素子の過電流通過や温度上昇等の異常が検知される場合がある。一般的には、このような異常検知時には、
機器保護上あるいは安全上の観点から、即座に電源を遮断する異常処理が行なわれる。具体的には、試験用の主電源および電力変換器の制御回路の動作電源である制御電源が遮断される。

しかしながら、このような異常処理では、制御電源の遮断により異常検知後の試験データ収集が不可能であるので、異常時のデータを有効に収集するという点では問題がある。また、試験対象である電力変換器が平滑コンデンサおよび当該平滑コンデンサの放電回路を備えている場合には、制御電源の遮断により放電回路が制御不能となってしまうため、平滑コンデンサに残存する電荷が機器保護上あるいは安全上の問題となる。

この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、試験対象である電力変換器の異常発生時に、効率的かつ安全な異常検出時終了処理を行なう電力変換器の試験装置および試験方法を提供することである。

本発明による電力変換器の試験装置は、試験データ収集手段と、異常検知手段と、第１の電源遮断手段と、第２の電源遮断手段とを備える。試験データ収集手段は、制御電源の動作中に電力変換器から出力される試験データを収集する。異常検知手段は、電力変換器からの出力に基づいて、電力変換器での異常発生を検知する。第１の電源遮断手段は、電力変換器での異常発生の検知に応答して、電力変換器への主電源供給を遮断する。第２の電源遮断手段は、第１の電源遮断手段による主電源供給の遮断から所定時間経過後に制御電源を遮断する。

上記電力変換器の試験装置では、試験対象である電力変換器の異常発生時に主電源を即座に遮断して機器保護および安全性確保を図った上で、主電源遮断後、所定時間が経過するまでは制御電源を引き続き動作させる。これにより、主電源遮断後にも電力変換器からの試験データ収集を継続できるので、有効な異常時データの収集が可能となる。

好ましくは、本発明による電力変換器の試験装置では、所定時間は、主電源供給の遮断後における、電力変換器を構成する電力用半導体スイッチング素子の温度推移特性を考慮して定められる。

上記電力変換器の試験装置では、主電源遮断後も上昇を続ける傾向にある電力用半導体スイッチング素子の温度について、有効な異常時データの収集が可能となる。

また好ましくは、本発明による電力変換器の試験装置では、電力変換器は電荷を蓄積するコンデンサを含み、試験装置は、主電源および制御電源以外の電源により制御されて、コンデンサの蓄積電荷の放電経路を形成可能な放電回路をさらに備える。

上記電力変換器の試験装置では、試験対象である電力変換器がコンデンサを内蔵する構成である場合に、主電源および制御電源を遮断しても上記コンデンサの放電回路を確実に動作させることができる。したがって、試験での異常発生時に平滑コンデンサを放電して安全性を確保できる。

あるいは好ましくは、本発明による電力変換器の試験装置では、電力変換器は電荷を蓄積するコンデンサを含み、試験装置は、制御電源の動作中にコンデンサの蓄積電荷の放電経路を形成可能な放電用リレーを含む放電回路をさらに備える。

上記電力変換器の試験装置では、試験対象である電力変換器がコンデンサを内蔵する構成である場合に、異常発生時に主電源を即座に遮断しても放電回路中の放電用リレーを所定期間導通させることができる。したがって、試験での異常発生時に平滑コンデンサを放電して安全性を確保できる。

本発明による電力変換器の試験方法であって、制御電源の動作中に電力変換器からの出力データを収集するステップと、試験時における電力変換器からの出力に基づいて、電力変換器での異常発生を検知するステップと、電力変換器での異常発生の検知に応答して、電力変換器への主電源供給を遮断する第１の電源遮断ステップと、第１の電源遮断ステップによる主電源供給の遮断から所定時間経過後に制御電源を遮断する第２の電源遮断ステップとを備える。

上記電力変換器の試験方法では、試験対象である電力変換器の異常発生時に主電源を即座に遮断して機器保護および安全性確保を図った上で、主電源遮断後、所定時間が経過するまでは制御電源を引き続き動作させる。これにより、主電源遮断により機器保護および安全確保を行なった上で、主電源遮断後にも電力変換器からの試験データ収集を継続できるので、有効な異常時データの収集が可能となる。

本発明に係る電力変換器の試験装置および試験方法によれば、試験対象である電力変換器の異常発生時に、効率的かつ安全な異常検出時終了処理を行なうことができる。

以下において、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では図中の同一または相当部分には同一符号を付してその詳細な説明は繰返さないこととする。

図１は、本発明の実施の形態に従う電力変換器の試験装置を備える試験システムの構成を説明するブロック図である。

図１を参照して、本発明の実施の形態に従う電力変換器の試験システムは、試験用の「主電源」として設けられたバッテリ１０と、試験対象である電力変換器２０と、試験負荷３０と、本発明に係る試験装置に対応するテスト制御装置３００と、放電回路３５０とを備える。

試験対象の電力変換器２０は、コンバータ１１０およびインバータ１２０を含む。ＥＣＵ（Electronic Control Unit)２００は、電力変換器２０の動作を制御する「制御回路」として設けられる。

コンバータ１１０は、パワーモジュールＰＭ１，ＰＭ２と、コンデンサ１１２と、リアクトル１１４と、平滑コンデンサ１１６とを含む。

パワーモジュールＰＭ１は、電力用半導体スイッチング素子（以下、単に「スイッチング素子」と称する）Ｑ１およびその素子制御回路ＤＶ１ならびに、逆並列ダイオードＤ１を含む。スイッチング素子Ｑ１は、代表的にはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）で構成され、逆並列ダイオードＤ１は、スイッチング素子Ｑ１のエミッタ側からコレクタ側に電流を通過可能なように接続される。素子制御回路ＤＶ１は、ＥＣＵ２００からのスイッチング制御信号に応答して、スイッチング素子Ｑ１をオン・オフさせる駆動回路機能を有する。また、素子制御回路ＤＶ１は、スイッチング素子Ｑ１の電圧・電流・温度等を測定する機能を有し、測定した電圧・電流・温度等のデータをＥＣＵ２００に対して送出する。さらに、測定した電圧・電流・温度等のデータが所定の基準値を超えた場合には、過電圧、過電流、過高温等の異常を検知して、異常検知信号をＥＣＵ２００へ送出する。なお、電力変換器２０に含まれる他のパワーモジュールＰＭ２〜ＰＭ８も、上記パワーモジュールＰＭ１と同様に構成されて、スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ８、素子制御回路ＤＶ２〜ＤＶ８および逆並列ダイオードＤ２〜Ｄ８をそれぞれ含む。

コンデンサ１１２は、メインリレー１２を介してバッテリ１０の正極と接続される電源ライン１０１と、メインリレー１４を介してバッテリ１０の負極と接続される接地ライン１０２との間に接続される。スイッチング素子Ｑ１およびＱ２は、昇圧ライン１０３と接地ライン１０２との間に直列に接続される。リアクトル１１４は、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２の接続ノードと電源ライン１０１との間に接続される。平滑コンデンサ１１６は、昇圧ライン１０３および接地ライン１０２の間に接続される。

以上のように、コンバータ１１０は、ＥＣＵ２００からのスイッチング制御信号に従うスイッチング素子Ｑ１およびＱ２のオン期間比（デューティ比）に応じた昇圧比でバッテリ１０からの直流電圧Ｖｍを昇圧して昇圧ライン１０３へ出力する、一般的な昇圧チョッパ回路の構成を有する。

インバータ１２０は、一般的な三相インバータの構成を有する。パワーモジュールＰＭ３およびＰＭ４中のスイッチング素子Ｑ３およびＱ４は、昇圧ライン１０３および接地ライン１０２の間に直列に接続されてＵ相アームを構成する。同様に、パワーモジュールＰＭ５およびＰＭ６中のスイッチング素子Ｑ５およびＱ６がＶ相アームを構成し、パワーモジュールＰＭ７およびＰＭ８中のスイッチング素子Ｑ７およびＱ８がＷ相アームを構成する。各相アームにおけるスイッチング素子の接続ノードは、三相モータを想定した試験負荷３０と接続される。試験負荷３０としては、一般的に電子負荷が用いられる。

インバータ１２０は、モータ（試験負荷３０）の力行制御を想定した試験時には、ＥＣＵ２００からのスイッチング制御信号に従うスイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８のスイッチング制御により、コンバータ１１０により昇圧された直流電圧を試験負荷３０へ供給される交流電圧へ変換する。

また、インバータ１２０は、モータ（試験負荷３０）の回生制動制御に対応する試験時には、スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８のスイッチング制御により、試験負荷３０からの交流電圧を直流電圧に変換して昇圧ライン１０３に供給する。コンバータ１１０は、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２のスイッチング制御により、昇圧ライン１０３の直流電圧を降圧してバッテリ１０へ供給する。

試験用の主電源であるバッテリ１０からの直流電圧Ｖｍは、メインリレー１２，１４を介して、試験対象の電力変換器２０へ与えられる。一方、ＥＣＵ２００の動作電源は、制御電源４００より供給される。一般的に、制御電源４００からの供給電圧Ｖｇは、電子回路群の動作電圧に相当するため、安全上大きな問題が生じないような低電圧（９〜１６Ｖ程度）である。

テスト制御装置３００は、メインリレー１２，１４の開閉制御信号ＳＲ１，ＳＲ２により、主電源の導通および遮断を制御する。さらに、テスト制御装置３００は、制御電源４００の導通（動作）および遮断についても制御可能である。すなわち、制御電源４００の動作時、すなわち制御電源電圧Ｖｇの供給時には、テスト制御装置３００は、ＥＣＵ２００に対する試験指示の送出および、ＥＣＵ２００からの試験データの受信および異常検知信号の検知が可能である。

放電回路３５０は、昇圧ライン１０３および接地ノードの間に直列に接続された、放電用リレー３５２および放電抵抗３５４を含む。放電用リレー３５２は、テスト制御装置３００からの指令ＳＲｄに従ってオンして、平滑コンデンサ１１６の蓄積電荷の放電経路を形成する。すなわち、放電用リレー３４２は、テスト制御装置３００によって制御され、制御電源４００あるいは、主電源１０および制御電源４００以外の電源によるリレーコイルの通電期間に導通する。

ＥＣＣＵ２００は、少なくとも１つのパワーモジュールＰＭ（パワーモジュールＰＭ１〜ＰＭ８を総括的に表記したもの）において、電圧、過電流、過高温等の異常が検知された場合、あるいは電力変換器２０に配置された他のセンサ（図示せず）により異常が検知された場合には、異常検知信号ならびに異常発生個所および異常種類を示すコード信号をテスト制御装置３００に対して送出する。

テスト制御装置３００は、ＥＣＵ２００からの異常検知信号を受けて、以下に示すような異常検出時処理制御を実行する。

図２は、本発明の実施の形態に従う電力変換器の試験方法による異常検出時処理制御を説明するフローチャートである。

図２を参照して、ＥＣＵ２００からの異常検知信号によって、テスト制御装置３００は、電力変換器２０での異常発生を検知する（ステップＳ１００におけるＹ判定）。一方、ＥＣＵ２００からの異常検知信号が送出されていないときには（ステップＳ１００におけるＮ判定）、主電源であるバッテリ１０および制御電源４００による電源供給が継続されて、試験および試験データ収集が続行される（ステップＳ１０５）。また、異常処理は不要であるので、異常検出時処理制御は終了される。

テスト制御装置３００は、異常検知信号に応答して、主電源遮断処理を行なう。すなわち、試験用の主電源であるバッテリ１０から電力変換器２０への電力供給を遮断するために、メインリレー１２，１４に対して開放指令（オフ指令）が発せられる。さらに、テスト制御装置３００は、試験負荷３０に対しても停止指令を発する。なお、これらの処理を、どのような順序で行なうかについては、書換え可能なプログラムによって指定することができる（ステップＳ１１０）。

上記主電源遮断処理と並行して、ＥＣＵ２００は、各スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８を強制的にターンオフする。さらに、テスト制御装置３００は、平滑コンデンサ１１６の蓄積電荷を放電するために、放電用リレー３４２の導通指令（オン指令）を発する。なお、放電用リレー３４２の駆動電源を、主電源１０および制御電源４００以外の電源（たとえば、テスト制御装置３００の動作電源）とすることにより、試験での異常発生時に平滑コンデンサを確実に放電して安全性を確保できる。

テスト制御装置３００は、主電源遮断処理後、所定時間Ｔｄが経過するまでは（ステップＳ１２０におけるＮ判定）、制御電源４００を遮断せず、引き続き動作させる（ステップＳ１３０）。これにより、各パワーモジュールＰＭ１〜ＰＭ８からの試験データ送出および送出された試験データの収集が継続される（ステップＳ１４０）。

これにより、図３に示すように、主電源遮断処理によって機器保護および安全性確保を実現した上で、有効な異常時データの収集が可能となる。

図３を参照して、時刻ｔａにおいて異常検知信号が発せられても、一般的にパワーモジュールの温度は、その後さらに上昇を続け、時刻ｔｂで最高点に達した後は徐々に低下する。したがって、異常検知時に制御電源４００を合わせて遮断すると、異常発生時の素子最高温度（時刻ｔｂにおける温度）データが収集できなくなってしまう。

したがって、このようなパワーモジュールの温度推移等を考慮して、異常発生時の最高温度データを収集可能なように所定時間Ｔｄを設定する。これにより、時刻ｔａ〜ｔｃの間も、制御電源を動作させて試験データ収集を継続することによって有効な異常時データを収集できる。なお、他の試験データ項目の推移特性に着目して所定時間Ｔｄすることも可能である。

再び図２を参照して、ステップＳ１１０による主電源遮断処理後、所定時間Ｔｄが経過すると（ステップＳ１２０におけるＹ判定）、ＥＣＵ２００の動作電源である制御電源４００が遮断される（ステップＳ１５０）。これにより、試験データ収集も終了される。

なお、制御電源４００の遮断を遅らせることによって、放電用リレー３５２が制御電源４００を電源として開閉制御される構成である場合にも、主電源１０の遮断後に放電用リレー３５２の導通期間を所定時間Ｔｄ確保することができる。これにより、放電用リレー１４２を導通させて平滑コンデンサ１１６の放電経路を形成できる（ステップＳ１４５）。ただし、このような構成では、所定時間Ｔｄの経過後に、放電用リレー３５２は、導通のための電源が失われて開放される。したがって、所定時間Ｔｄについては、平滑コンデンサ１１６の容量値および放電抵抗３５４の抵抗値のＲＣ積に依存する放電時定数についても考慮して定める必要がある。

また、上記のように制御電源４００からの供給電圧Ｖｇは比較的低電圧ではあるが、所定時間Ｔｄの間には、ランプの点灯等によって、制御電源が遮断されていないことを試験者に知らせるような構成とすることが好ましい。

ここで、図２に示したフローチャートと、本発明の構成との対応関係を説明すると、ステップＳ１０５およびＳ１４０が本発明の「試験データ収集手段」に対応し、ステップＳ１００が本発明の「異常検知手段」に対応し、ステップＳ１１０およびＳ１５０が、本発明の「第１の電源遮断手段」および「第２の電源遮断手段」にそれぞれ対応する。

また、本発明の実施の形態では、昇圧コンバータおよびインバータを備える電力変換器を試験対象とする試験構成を例示したが、本発明の適用はこのような構成に限定されるものではない。すなわち、少なくとも１個のスイッチング素子を含んで構成される電力変換器の試験について、本発明に係る試験装置および試験方法の適用が可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態に従う電力変換器の試験装置を備える試験システムの構成を説明するブロック図である。本発明の実施の形態に従う電力変換器の試験方法による異常検出時処理制御を説明するフローチャートである。本発明の実施の形態に従う電力変換器の試験方法による異常発生時における試験データ収集を説明する概念図である。

符号の説明

１０バッテリ（試験用主電源）、１２，１４メインリレー、２０電力変換器（試験対象）、３０試験負荷、１０１電源ライン、１０２接地ライン、１０３昇圧ライン、１１０コンバータ、１１２コンデンサ、１１４リアクトル、１１６平滑コンデンサ、１２０インバータ、３００テスト制御装置、３５０放電回路、３５２放電用リレー、３５４放電抵抗、４００制御電源、Ｄ１〜Ｄ８逆並列ダイオード、ＤＶ１〜ＤＶ８素子制御回路、ＰＭ１〜ＰＭ８パワーモジュール、Ｑ１〜Ｑ８電力用半導体スイッチング素子、ＳＲ１，ＳＲ２開閉制御信号（メインリレー）、ＳＲｄ閉指令（放電用リレー）、Ｔｄ所定時間（主電源遮断から制御電源遮断までの時間遅れ）、Ｖｇ供給電圧（制御電源）、Ｖｍ直流電圧（主電源）。

Claims

電力変換器の試験装置であって、
制御電源の動作中に前記電力変換器から出力される試験データを収集する試験データ収集手段と、
前記電力変換器からの出力に基づき、前記電力変換器での異常発生を検知する異常検知手段と、
前記電力変換器での異常発生の検知に応答して、前記電力変換器への主電源供給を遮断する第１の電源遮断手段と、
前記第１の電源遮断手段による主電源供給の遮断から所定時間経過後に前記制御電源を遮断する第２の電源遮断手段とを備え、
前記電力変換器は電荷を蓄積するコンデンサを含み、
前記試験装置は、
前記主電源供給の遮断後であって前記制御電源の動作中に前記コンデンサの蓄積電荷の放電経路を形成可能な放電リレーを含む放電回路をさらに備える、電力変換器の試験装置。
前記所定時間は、前記主電源供給の遮断後における、前記電力変換器を構成する電力用半導体スイッチング素子の温度推移特性を考慮して定められる、請求項１記載の電力変換器の試験装置。
電力変換器の試験方法であって、
前記電力変換器は電荷を蓄積するコンデンサを含み、
前記試験方法は、
制御電源の動作中に前記電力変換器からの出力データを収集するステップと、
試験時における前記電力変換器からの出力に基づき、前記電力変換器での異常発生を検知するステップと、
前記電力変換器での異常発生の検知に応答して、前記電力変換器への主電源供給を遮断する第１の電源遮断ステップと、
前記主電源供給の遮断後であって前記制御電源の動作中に、放電リレーの導通によって前記コンデンサの蓄積電荷の放電経路を形成するステップと、
前記第１の電源遮断ステップによる主電源供給の遮断から所定時間経過後に前記制御電源を遮断する第２の電源遮断ステップとを備える、電力変換器の試験方法。