JP5049817B2 - 電力変換器制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電力変換器制御装置に関し、特に鉄道車両などで駆動用電動機の制御に用いられる半導体スイッチ素子により構成される電力変換器の半導体スイッチ素子のドライブ異常を検出するものに関する。
鉄道車両などの駆動用電動機の制御に用いられるインバータ装置などの電力変換器では、高圧大電流の電力制御を行う為、構成される半導体スイッチング素子が誤制御されると電源短絡などを発生し装置が激しく破壊される可能性がある。したがって半導体スイッチング素子が異常な動作をした場合、極力早く装置を停止させ、装置の損傷を避ける必要がる。このため、半導体スイッチング素子を駆動するドライブ回路に対する制御指令信号と、ドライブ回路がスイッチング素子をオンまたはオフにするよう駆動する動作状態を検出するドライバ動作情報とを比較し、不一致が生じた時にドライブ回路の異常動作と判定する異常検出方式が採用されている。
図4にこの異常検出が実施されているシステム例を示す。スイッチング素子数は電力変換器のシステムにより異なるが、本図ではスイッチング素子が2個の場合を示す。
図によりその構成を説明する。電力変換器の制御装置1は、制御信号発生部4で生成した制御信号を電力変換器3を構成する個々のIGBT(絶縁ゲート2極トランジスタ)300,310に対し制御情報PWM0、PWM1として個々のIGBTのドライブ回路200、210に出力している。IGBT300、310に対する制御情報PWM0、PWM1がドライブ回路200、210内で整形され、電力変換器3を構成する半導体スイッチング素子IGBT300、310が駆動される。またIGBT300、310のオン・オフの動作状態をドライブ回路200、210内で判定し、その情報FB0、FB1が制御装置1にフィードバックされ、不一致検出部400、410において制御指令信号と比較されて異常検出が行われている。異常検出された信号は論理和機能20を介して制御信号発生部4に伝達され、異常検出時には制御信号の発生を停止する構成となっている。上記はスイッチング素子に対応した系列が2系列の場合を示したが、スイッチング素子に対応した系列がさらに多数あっても、論理和機能20を介して異常信号が統合され制御指令信号発生部4の停止を行う点は変わりがない。
図5は、上記図4の従来例の構成の内IGBT300に対応した1つの系列をより詳細に示した図である。図によりさらに詳細に説明する。制御装置1の内部では電力変換器3の制御に対応しIGBTのオン・オフに対応した制御指令信号PWMPが制御指令信号発生部4より出力され、電気光変換器5により光の制御信号PWM0が光ファイバ6を介してドライブ装置200に伝達される。光ファイバ6は高電圧回路である電力変換器3と電子回路である制御装置1の間の電気的絶縁を取る為のものである。ドライブ装置200では、制御指令PWM0は光電気変換器7で再度電気信号に変換され、波形整形回路8によりドライブ回路内での電気的に整合の取れた波形DSに整形し、これをAMP回路9により駆動信号GSとしてIGBT300を駆動する。一方、判定機能10は、駆動信号GSを監視し、IGBTがオンに駆動されているかオフに駆動されているかを判定し、その判定情報DFBは、論理反転機能11、電気光変換器12、光ファイバ13、光電気変換器14、及び論理反転機能15を介してフィードバック信号FBとして不一致検出部400に与えられる。不一致検出部400では、制御指令信号PWMPとフィードバック信号FBが不一致検出用のEOR機能16に入力され、不一致信号NEが猶予時間タイマー17の猶予時間出力DL以上に継続して出力されるとAND機能18を介して異常信号DTが出力され、異常検出保持機能19により異常信号CFDが出力され、これが論理和機能20を介して他の系列の異常信号とともに伝達されて制御指令信号発生部4の制御指令信号PWMP出力が停止させられる。
IGBT310に対応した系列も全く同様に構成され、検出された異常信号CFDは論理和機能20を介して一つの信号とされ、制御指令信号発生部4の制御指令信号を停止させる。
図6に従来例の動作波形を示す。(図6a)は本構成の中に異常がない場合における制御指令信号がオフからオンへ変化した時の動作を示す。時刻Aにおいて制御信号発生部からIGBTをオフからオンへ切り替えるよう信号が出力されたとする。この場合、図5の信号PWMPから信号GSに至るまでの回路の動作遅れによって時間Tpg1を経た時刻において信号GSがオフからオンに変化する。同様に信号FBにおける変化は、図5の信号GSから信号FBに至るまでの回路の動作遅れによって時間Tgf1を経た時刻Bでオフからオンに変化する。不一致検出用のEOR機能16によってこの信号FBが信号PWMPと比較されるので、上記の時間Tpg1及び時間Tgf1の和の遅れにより時刻Aから時刻Bの間、信号NEに不一致に対応する信号が現れるが、不一致に対する猶予時間タイマー17の猶予時間出力DLの猶予時間Texによる設定時刻Cより前であるのでAND機能18によりマスクされ、異常検出保持機能19はセットされることは無く、その出力CFDには異常信号は現れない。即ち構成の中に異常がない場合には異常信号は出ない。ここで大事なことは、誤検出を避ける為には、上記の猶予時間Texが、合計時間Tpg1+Tgf1について使用環境条件の全範囲において予想される最大値よりも長く設定される必要があることである。誤差、経年変化、安全率などを考慮して設定される。
同様に(図6b)は本構成の中に異常がない場合の制御指令信号がオンからオフへ変化した時の動作を示す。(図6a)と同様に時刻Aにおいて制御信号発生部4からIGBTをオンからオフへ切り替えるよう信号PWMPが出力されたとする。この場合の(図6a)と同様に信号PWMPから信号GSを経て信号FBに至るまでの回路の動作遅れ時間によって不一致検出用のEOR機能16にTpg0とTgf0の合計の時刻、即ち時刻Aと時刻Bの間、信号NEに不一致に対応する信号が現れ、不一致に対する猶予時間タイマー17の猶予時間出力DLの猶予時間Texによる設定時刻C前であるのでマスクされ、異常検出保持機能19はセットされることは無く、その出力CFDには異常信号は現れない。ここでも誤検出を避ける為には、上記の猶予時間Texが合計時間Tpg0+Tgf0使用環境条件の全範囲における最大値よりも長く設定される必要があることがわかる。
(図6c)に制御指令信号がオフにもかかわらずドライバ回路出力GSがオンとなり、かつ、猶予時間タイマーの猶予時間Texより長く継続した場合を示す。時刻AにおいてGSが異常動作すると、これが図5の判定機能10により検出され、FBに至るまでの回路の動作遅れ時間Tgf1を経た後、時刻BでFBがオフからオンに変化する。不一致検出用のEOR機能16によってこのFBがPWMPと比較されるので猶予時間Tex経過後の時刻CでAND機能によるマスクが解け、異常検出保持機能19はセットされ、CFDには異常信号は現れる。このようにして異常検出される。
従来例においては上記のようにして異常時には異常検知信号CFDが出力されるが、上記説明で明らかなように異常信号がFBに現れた後Texという長い時間を経過しないと検出信号を出力できない、即ちスイッチング素子の異常動作のような装置の損傷にかかわる異常時に検出信号が遅れるという問題がある。
上記従来例の異常検出方式の本質は、PWMP上での指令情報がFB上で見て変化していないかを監視するという考え方の方式である。したがって本来の目的に従えば、PWMP上に発生した情報は動作遅延時間を持ちながら伝達されフィードバックされるのであるから、情報源である指令情報とその結果であるフィードバック信号の時刻の整合をとって比較されるべきである。即ち、FB上に現れる情報は伝達遅れのため時間的にTpg1+Tgf1またはTpg0+Tgf0だけ以前にPWMP上で発生したものであり、その遅れ時間以前の指令情報とFBとを比べ監視すべきである。従来例は、FB上に現れる情報はPWMP上に発生した情報がTpg1+Tgf1またはTpg0+Tgf0だけ遅れて現れることを無視して監視検定している。このため、大きな検出猶予時間Texの設定が必要となり、異常信号出力の遅れとなっている。
本発明の目的は、上記の不合理な点を修正し、異常検出出力の遅れ時間を大幅に短縮する異常検出方式を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明に係る異常検出方式では、制御指令信号をその信号が伝達されフィードバックされるまでに要する時間と同等の遅れを持たせた信号に変換し、これとフィードバックされる信号とを比較することにより、情報の発生源である制御指令信号とその結果として現れるフィードバック情報を近似的同時刻にそろえ検出猶予時間を低減し、異常検出出力の遅れ時間を大幅に短縮する方式とした。
すなわち、本発明は、直流定電圧源のプラス側とマイナス側の間に複数の半導体スイッチング素子を接続して構成され、該複数の半導体スイッチング素子のオン・オフ状態の組み合わせにより直流電圧源の電位レベルを選択し出力する電力変換器における、個々の半導体スイッチング素子を駆動するドライブ回路に対して制御指令信号を出力する電力変換器の制御装置において、前記制御指令信号に対して所定の遅れ時間を生じさせる遅延機能部と、前記制御指令信号に対応して前記ドライブ回路がスイッチング素子を駆動している動作状態よりオン側に駆動しているかオフ側に駆動しているかを判定した判定情報出力と前記遅延機能部の出力とを比較し、所定の猶予時間以上の不一致状態が生じた時に前記ドライブ回路或いは前記スイッチング素子自体の異常動作と判定する不一致検出部とを有する電力変換器制御装置である。
また、本発明は、前記遅延機能部により生じる遅れ時間により、前記判定情報出力と前記遅延機能部の出力とが整合をとって比較される電力変換器制御装置である。
そして、本発明は、前記遅延機能部により生じる遅れ時間の大きさは、前記制御指令信号が出力された後、これに対応する前記ドライブ回路の動作を前記判定機能部が検出し、その判定情報が不一致検出部に到達するまでの所要時間が使用環境条件により変動する値の内の最大値と最小値の平均値と、制御指令信号が遅延機能を介して不一致検出部に達するまでの時間がほぼ同等になるように設定する電力変換器制御装置である。
更に、本発明は、前記所定の猶予時間は制御指令信号が出力された後ドライブ回路が動作し判定機能が検出しその動作検出信号が不一致検出部に到達するまでの所要時間が使用環境条件により変動する最大の変動量の1/2以上に設定される電力変換器制御装置である。
また、本発明は、前記所定の猶予時間以上の不一致状態が生じた時、その後不一致状態が消失してもその異常検出情報を保持するとともに異常検出情報により前記電力変換器内の半導体スイッチング素子をオフする制御指令を出力させる電力変換器制御装置である。
以上説明したように、本発明によれば、ドライブ回路で発生した異常の情報を受け短い猶予時間で異常として判定できるので異常に対する保護動作を早く作動することができ異常によるシステムの損傷を最小限に抑制することが可能となる。
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
図1にこの異常検出が実施されているシステム例を示す。スイッチング素子数は電力変換器のシステムにより異なるが、本図ではスイッチング素子が2個の場合を示す。
図によりその構成を説明する。電力変換器制御装置1は、制御信号発生部4で生成した制御信号を電力変換器3を構成する個々のIGBT300,310に対し制御情報PWM0、PWM1として個々のIGBTのドライブ回路200、210に出力している。IGBTに対する制御情報がドライブ回路200、210内で整形され、電力変換器3を構成する半導体スイッチング素子IGBT300、310が駆動される。またIGBTのオンオフの動作状態をドライブ回路200、210内で判定し、その情報FB0、FB1が制御装置1にフィードバックされ、不一致検出部400、410において制御指令信号を所定の時間遅らせた信号DP0、DP1と比較されて異常検出が行われている。異常検出された信号は論理和機能20を介して制御信号発生部4に伝達され、異常検出時には制御信号の発生を停止する構成となっている。上記はスイッチング素子に対応した系列が2系列の場合を示したが、スイッチング素子に対応した系列がさらに多数あっても論理和機能20を介して異常信号が統合され制御指令信号発生部4の停止を行う点は変わりがない。
図2は上記図1の構成の内IGBT300に対応した1つの系列をより詳細に示した図である。図によりさらに詳細に説明する。制御装置1の内部では、電力変換器3の制御に対応しIGBT300のオン・オフに対応した制御指令信号PWMPが制御指令信号発生部4より出力され、電気光変換器5により光の制御信号PWM0が光ファイバ6を介してドライブ装置200に伝達される。光ファイバ6は高電圧回路である電力変換器と電子回路である制御装置の間の電気的絶縁を取る為のものである。ドライブ装置200では、制御指令は光電気変換器7で再度電気信号に変換され、波形整形回路8によりドライブ装置200内での電気的に整合の取れた波形DSに整形し、これをAMP回路9により駆動信号GSとしてIGBT300を駆動する。一方、判定機能10は信号GSを監視しIGBT300がオンに駆動されているかオフに駆動されているかを判定し、その判定情報DFBは論理反転機能11、電気光変換器12、光ファイバ13、光電気変換器14、及び論理反転機能15を介してフィードバック信号FBとして不一致検出部400に与えられる。不一致検出部400では、制御指令信号PWMPを遅延機能21により所定時間遅らせた信号DP0と信号FBとが不一致検出用のEOR機能16に入力され、不一致信号NEが猶予時間タイマー17の猶予時間出力DL以上に継続して出力されると、AND機能18を介して異常信号DTが出力され、異常検出保持機能19により異常信号CFDが出力され、これが論理和機能20を介して他の系列の異常信号とともに制御指令信号発生部4の制御指令信号PWMP出力が停止させられる。
ここで、以下のように定義する。
Tpg0=制御指令信号PWMPがオンからオフに変化しこれがドライブ装置200に伝達され信号GSとして出力されるまでの時間
Tgf0=IGBT300の駆動信号GSがオンからオフ変化してからその情報が信号FBに現れるまでの時間
Tpg1=制御指令信号PWMPがオフからオンに変化しこれがドライブ装置200に伝達され信号GSとして出力されるまでの時間
Tgf1=IGBT300の駆動信号GSがオフからオンに変化してからその情報が信号FBに現れるまでの時間
また、これらの時間は使用環境、例えば周囲温度、電源電圧、スイッチング素子に印加される電圧電流などにより変動するから使用環境の全範囲における変動に対し、
Tmax=((Tpg1+Tgf1)或いは(Tpg0+Tgf0))の内の最長時間
Tmin=((Tpg1+Tgf1)或いは(Tpg0+Tgf0))の内の最短時間
のように定義する時、遅延機能21の遅れ時間Tpfは次のように設計されている。
Tpf≒(Tmax+Tmin)/2・・・・・・・・・・・・・・(1)
また猶予時間タイマー17の猶予時間Tex’は、
Tex’>Tmax−Tpf、かつ、Tex’>Tpf−Tmin・・・(2)
と設計されている。
IGBT310に対応した系列も全く同様に構成され、検出された異常信号は論理和機能20を介して一つの信号とされ、制御指令信号発生部4の制御指令信号を停止させる。
図3に本発明の実施例の動作波形の一例を示す。(図3a)は本構成の中に異常がない場合における制御指令信号PWMPがオフからオンへ変化した時の動作を示す。時刻Aにおいて制御信号発生部4からIGBT300をオフからオンへ切り替えるよう信号が出力されたとする。この場合、図2の信号PWMPから信号GSに至るまでの回路の動作遅れによって時間Tpg1を経た時刻に信号GSがオフからオンに変化する。同様に信号FBにおける変化は、図2の信号GSから信号FBに至るまでの回路の動作遅れによって時間Tgf1を経た時刻Bでオフからオンに変化する。不一致検出用のEOR機能16によって、この信号FBと、信号PWMPが遅れ回路21によって時間Tpfの遅れを受けた信号DP0とが比較されるので、上記の時間Tpg1とTgf1の合計の遅れ時間と時間Tpfの遅れ時間の差分、即ち時刻B’から時刻Bの間まで、信号NEに不一致に対応する信号が現れる。この信号NEは上記(1)、(2)式の関係より不一致に対する猶予時間タイマー17の猶予時間出力DLの猶予時間Tex’の設定の中に含まれるので、AND機能18によりマスクされる。したがって異常検出保持機能19はセットされることは無く、その出力CFDには異常信号は現れない。即ち構成の中に異常がない場合には異常信号は出ない。ここで大事なことは、誤検出を避ける為の上記の猶予時間Tex’が式(2)のように設計されることで、前記した従来例の時間TexがTmax、即ち(Tpg1+Tgf1)の最長時間より長く設定する必要があったのに対して大幅に短縮されることである。
同様に(図3b)は本構成の中に異常がない場合の制御指令信号PWMPがオンからオフへ変化した時の動作を示す。(図3a)と同様に時刻Aにおいて制御信号発生部4からIGBT300をオンからオフへ切り替えるよう信号PWMPが出力されたとする。この場合も(図3a)と同様に、不一致検出用のEOR機能16によって、信号FBと、信号PWMPが遅れ回路21によって時間Tpfの遅れを受けた信号DP0とが比較されるので、上記の時間Tpg0及び時間Tgf0の遅れ時間と時間Tpfの遅れ時間の差分、即ち時刻B’から時刻Bまでの間、信号NEに不一致に対応する信号が現れる。このときも前記と同様に、信号NEは上記(1)、(2)式の関係より不一致に対する猶予時間タイマー17の猶予時間出力DLの猶予時間Tex’の設定の中に含まれるので、AND機能18によりマスクされ、異常検出保持機能19はセットされることは無く、その出力CFDには異常信号は現れない。ここでも、誤検出を避ける為の猶予時間Tex’は式(2)のように設計されることで大幅に短縮される。
(図3c)に制御指令信号PWMPがオフにもかかわらずドライバ回路出力GSがオンとなり猶予時間タイマー17の猶予時間Tex’より長く継続した場合を示す。時刻Aにおいて信号GSが異常動作すると、これが図2の判定機能10により検出され、信号FBに至るまでの回路の動作遅れ時間Tgf1を経た後、時刻Bで信号FBがオフからオンに変化する。不一致検出用のEOR機能16によって、この信号FBが信号DP0と比較されるので、猶予時間Tex’経過後の時刻CでAND機能18によるマスクが解け、異常検出保持機能19はセットされ、信号CFDには異常信号は現れる。このようにして異常検出される。
本実施例においては、上記のように、制御指令信号PWMPをその信号が伝達されフィードバックされるまでに要する時間と同等の遅れを持たせた信号に変換し、これとフィードバックされる信号とを比較することにより、情報の発生源である制御指令信号とその結果として現れるフィードバック情報を近似的同時刻にそろえ検出猶予時間を低減したので、異常信号が信号FBに現れた後、時間Tex’という短い時間を経過後、異常検出信号CFDが出力でき、システムの保護動作が従来例に比較し大幅に早く動作できるようになった。
本発明の実施形態を示すブロック図。 図1のより詳細を示すブロック図。 図2による動作波形を示す図。 従来例の実施形態を示すブロック図。 図4のより詳細を示すブロック図。 図5による動作波形を示す図。
符号の説明
1…制御装置、3…電力変換器、4…制御信号発生部、5,12…電気光変換器、6,13…光ファイバ、7,14…光電気変換器、8…波形整形回路、9…AMP回路、10…判定機能、11,15…論理反転機能、16…EOR機能、17…猶予時間タイマー、18…AND機能、19…異常検出保持機能、20…論理和機能、21,22…遅延機能、200,210…ドライブ回路、300,310…IGBT、400,410…不一致検出部。

Claims (2)

  1. 直流定電圧源のプラス側とマイナス側の間に複数の半導体スイッチング素子を接続して構成され、該複数の半導体スイッチング素子のオン・オフ状態の組み合わせにより直流電圧源の電位レベルを選択し出力する電力変換器における、個々の半導体スイッチング素子を駆動するドライブ回路に対して制御指令信号を出力する電力変換器の制御装置において、
    前記制御指令信号に対して所定の遅れ時間を生じさせる遅延機能部と、前記制御指令信号に対応して前記ドライブ回路がスイッチング素子を駆動している動作状態よりオン側に駆動しているかオフ側に駆動しているかを判定した判定情報出力と前記遅延機能部の出力とを比較し、所定の猶予時間以上の不一致状態が生じた時に前記ドライブ回路或いは前記スイッチング素子自体の異常動作と判定する不一致検出部とを有し、
    前記遅延機能部により生じる遅れ時間の大きさは、前記制御指令信号が出力された後、これに対応する前記ドライブ回路の動作を前記判定機能部が検出し、その判定情報が不一致検出部に到達するまでの所要時間が使用環境条件により変動する値の内の最大値と最小値の平均値と、制御指令信号が遅延機能を介して不一致検出部に達するまでの時間がほぼ同等になるように設定することを特徴とする電力変換器制御装置。
  2. 直流定電圧源のプラス側とマイナス側の間に複数の半導体スイッチング素子を接続して構成され、該複数の半導体スイッチング素子のオン・オフ状態の組み合わせにより直流電圧源の電位レベルを選択し出力する電力変換器における、個々の半導体スイッチング素子を駆動するドライブ回路に対して制御指令信号を出力する電力変換器の制御装置において、
    前記制御指令信号に対して所定の遅れ時間を生じさせる遅延機能部と、前記制御指令信号に対応して前記ドライブ回路がスイッチング素子を駆動している動作状態よりオン側に駆動しているかオフ側に駆動しているかを判定した判定情報出力と前記遅延機能部の出力とを比較し、所定の猶予時間以上の不一致状態が生じた時に前記ドライブ回路或いは前記スイッチング素子自体の異常動作と判定する不一致検出部とを有し、
    前記所定の猶予時間は制御指令信号が出力された後ドライブ回路が動作し判定機能が検出しその動作検出信号が不一致検出部に到達するまでの所要時間が使用環境条件により変動する最大の変動量の1/2以上に設定されることを特徴とする電力変換器制御装置。
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