JP6065816B2 - インバータ装置 - Google Patents

Description

本発明は、インバータ装置に関する。

従来、例えば下記特許文献１に記載されているように、上アームを構成する第１スイッチング素子と、第１スイッチング素子に直列接続され下アームを構成する第２スイッチング素子とを含むコンバータを備えた電動機制御装置が知られている。この電気制御装置では、第１及び第２スイッチング素子間の電流値に基づき、リップル幅を閾値として、第１及び第２スイッチング素子をスイッチングする両アーム駆動と、第１又は第２スイッチング素子をスイッチングする片アーム駆動と、が切り替えられる。

特開２００８−１８２１２２号公報

上記従来技術では、両アーム駆動と片アーム駆動とを切り替える手段をゲート干渉回路として、インバータ装置に適用した場合、ゲート干渉回路の故障によってスイッチング損失の増加、又はインバータ装置の不動といった影響が生じ得るが、これらの何れの影響が生じるかを判断することができないおそれがある。

そこで、本発明は、ゲート干渉回路が故障した場合において、スイッチング損失の増加又はインバータ装置の不動の何れの影響が生じるかを判断することができるインバータ装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係るインバータ装置は、上アームを構成する第１スイッチング素子と、第１スイッチング素子に直列接続され下アームを構成する第２スイッチング素子とを含むインバータと、インバータの出力電流値に基づいて、第１及び第２スイッチング素子をスイッチングする両アーム駆動と、第１又は第２スイッチング素子の一方のみをスイッチングする片アーム駆動とを切り替えるゲート干渉回路と、ゲート干渉回路の故障を検知する故障検知部と、を備え、故障検知部は、両アーム駆動及び片アーム駆動を切り替えるための電流閾値と、インバータの出力電流値と、インバータの出力で駆動されるモータの回転数とに基づいて、理論上における片アーム駆動を行う時間としてゲートＯＦＦ時間を算出し、算出したゲートＯＦＦ時間が、実際に片アーム駆動を行う時間として規定された基準ゲートＯＦＦ時間範囲よりも大きいとき、ゲート干渉回路におけるオープン故障の発生を検知し、算出したゲートＯＦＦ時間が基準ゲートＯＦＦ時間範囲よりも小さいとき、ゲート干渉回路におけるショート故障の発生を検知する。

本発明によれば、ゲート干渉回路が故障した場合において、スイッチング損失の増加又はインバータ装置の不動の何れの影響が生じるかを判断することが可能なインバータ装置を提供することができる。

一実施形態に係るインバータ装置を示す構成図である。 図１のインバータ装置におけるゲート干渉回路による両アーム駆動及び片アーム駆動の切替えを説明するための図である。 （ａ）は図１のインバータ装置における故障検知部の処理を説明するための図であり、（ｂ）は図１のインバータ装置における故障検知部の処理を説明するための他の図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。

図１は一実施形態に係るインバータ装置を示す構成図であり、図２は図１のインバータ装置におけるゲート干渉回路による両アーム駆動及び片アーム駆動の切替えを説明するための図であり、図３は図１のインバータ装置における故障検知部の処理を説明するための図である。

図１に示すように、本実施形態のインバータ装置１は、モータＭを駆動源して備える車両（例えば、ハイブリッド車両、電気自動車又は燃料電池車両）に搭載されるものである。インバータ装置１は、ＰＷＭ出力を三相交流電力に変換すると共に昇圧してモータＭに供給する。インバータ装置１は、インバータ２、電流センサ３、コンパレータ４、ゲート干渉回路５及び故障検知部６を備えている。

なお、モータＭとしては、特に限定されるものではないが、ここでは、三相八極のモータが用いられている。図１中では、三相分における上アームのＰＷＭ出力ＵＵ，ＶＵ，ＷＵ、下アームのＰＷＭ出力ＵＬ，ＶＬ，ＷＬ、インバータ２の出力電圧値Ｖ_Ｕ，Ｖ_Ｖ，Ｖ_Ｗ、及びインバータ２の出力電流値Ｉ_Ｕ，Ｉ_Ｖ，Ｉ_Ｗを示しているが、以下の説明では、便宜上、その一相分について説明する。

インバータ２は、上アームを構成する第１スイッチング素子と、第１スイッチング素子に直列接続され下アームを構成する第２スイッチング素子とを含んでいる。第１及び第２スイッチング素子としては、ＲＣ−ＩＧＢＴ（Reverse Conducting IGBT）が採用されている。ＲＣ−ＩＧＢＴは、ＩＧＢＴとダイオードとが一体化された素子である。このようにＲＣ−ＩＧＢＴを採用することにより、小型化及び低コスト化を図ることが可能となる。

電流センサ３は、インバータ２からモータＭへ流れる電流（モータ電流）の電流値である出力電流値Ｉを検出する。コンパレータ４は、電流センサ３で検出したインバータ２の出力電流値Ｉに基づいて、両アーム駆動と片アーム駆動とを切り替えるためのゲート信号（マスク指令）をゲート干渉回路５に出力する。ここで、両アーム駆動は、インバータ２における第１及び第２スイッチング素子をともにスイッチングする駆動である。片アーム駆動は、第１又は第２スイッチング素子の一方のみをスイッチングする駆動である。

ゲート干渉回路５は、コンパレータ４から出力されたゲート信号に応じて、両アーム駆動と片アーム駆動とを切り替える。ゲート干渉回路５としては、例えばＡＮＤゲートが用いられている。このゲート干渉回路５は、具体的には、図１及び図２に示すように、インバータ２の出力電流値Ｉがゼロクロス（０と交差する）領域以外、つまり、上電流閾値と下電流閾値との間の領域以外では、片アーム駆動するようにスイッチング駆動を切り替える。上電流閾値及び下電流閾値とは、両アーム駆動及び片アーム駆動を切り替えるための基準となる電流閾値である。ここでの上電流閾値及び下電流閾値は、絶対値が等しく符号が異なる一定値とされている。

より具体的には、ゲート干渉回路５では、出力電流値Ｉが上電流閾値よりも大きい場合、上アームゲート電圧のみが印加されて、上アームを構成する第１スイッチング素子がスイッチング駆動される片アーム駆動へ切り替えられる。出力電流値Ｉが下電流閾値よりも小さい場合、下アームゲート電圧のみが印加されて、下アームを構成する第２スイッチング素子がスイッチング駆動される片アーム駆動へ切り替えられる。出力電流値Ｉが上電流閾値以下で下電流閾値以上の場合、両アーム駆動へ切り替えられる。

これにより、ゲート干渉回路５は、ＲＣ−ＩＧＢＴのゲート干渉（ダイオード通電時にゲート電圧が印加されることによる定常損失の悪化）によるスイッチング損失を低減可能となる。

故障検知部６は、ゲート干渉回路５の故障を検知するものであり、例えばＥＣＵ（Electronic Control Unit）等で構成されている。本実施形態の故障検知部６は、上述の電流閾値と、インバータ２の出力電流値Ｉと、モータＭの回転数とに基づいて、ゲートＯＦＦ時間を算出する。そして、算出したゲートＯＦＦ時間が基準ゲートＯＦＦ時間範囲よりも大きいとき、ゲート干渉回路５におけるオープン故障の発生を検知する。また、ゲートＯＦＦ時間が基準ゲートＯＦＦ時間範囲よりも小さいとき、ゲート干渉回路５におけるショート故障の発生を検知する。

ゲートＯＦＦ時間とは、片アーム駆動させるべく上アーム又は下アームがＯＦＦしている理論上の時間（いわゆる理論ゲートＯＦＦ時間）である。ゲートＯＦＦ時間は、出力電流値Ｉが上電流閾値から下電流閾値までの範囲外の値を示す時間として、算出される。

基準ゲートＯＦＦ時間範囲とは、ゲート干渉回路５の正常時において、片アーム駆動させるべく上アーム又は下アームがＯＦＦしている実際の時間が取り得る時間範囲（いわゆる実ゲートＯＦＦ時間範囲）である。この基準ゲートＯＦＦ時間範囲は、算出したゲートＯＦＦ時間を用いた故障状態判断（オープン故障又はショート故障の判断）の基準となるものであり、予め規定された固定値とされ、故障検知部６が有している。基準ゲートＯＦＦ時間範囲は、その上限及び下限を上電流閾値及び下電流閾値に基づき設定することができる。

詳言すると、本実施形態の故障検知部６は、次の処理を実行することにより、オープン故障及びショート故障を区別してゲート干渉回路５の故障発生を検知する。すなわち、図３（ａ）に示すように、現在のモータＭの回転数をＮ［rpm］とすると、出力電流値Ｉの１／４周期に要する時間Ｔ１［s］については、下式（１）で表される。
Ｔ１＝［１２０ｆ／（Ｎ×Ｐ）］×１／４ … （１）
但し、ｆ：モータＭの周波数、Ｐ：モータＭの極数（固定値）。

図３（ｂ）に示すように、出力電流値Ｉのｄｉ／ｄｔ（単位時間当たり変化量）は十分大きいと考えられるため、下式（２）で表される三角形の相似が成立する。
ａ：ｂ＝ｃ：ｄ
ｂ・ｃ＝ａ・ｄ
ｃ＝ａ・ｄ／ｂ …（２）
但し、ａ：上電流閾値、ｂ：実測した出力電流値Ｉの最大値（電流センサ３によるサンプリング値）、ｄ：上記（１）における時間Ｔ１。

そこで、上式（１）及び（２）式により、出力電流値Ｉの１／２周期においてゲートＯＦＦ時間Ｔ２［s］を下式（３）に従い算出する。
Ｔ２＝２（ｄ−ｃ）
＝２（ｄ−ａ・ｄ／ｂ）
＝２ｄ（１−ａ／ｂ）
＝（６０／Ｐ・Ｎ）×（１−ａ／ｂ） … （３）

続いて、算出したゲートＯＦＦ時間Ｔ２と、基準ゲートＯＦＦ時間範囲Ｔ３［ｓ］とを比較する。ゲートＯＦＦ時間Ｔ２が基準ゲートＯＦＦ時間範囲Ｔ３内のとき、ゲート干渉回路５が正常状態であると判定し、処理を終了する。

一方、ゲートＯＦＦ時間Ｔ２が基準ゲートＯＦＦ時間範囲Ｔ３よりも大きいとき（＝Ｔ２＞Ｔ３）、ゲート干渉回路５が故障状態であり、且つゲート干渉回路５に電流が流れていないと判断できることから、ゲート干渉回路５におけるオープン故障の発生を検知する。他方、ゲートＯＦＦ時間Ｔ２が基準ゲートＯＦＦ時間範囲Ｔ３よりも小さいとき（＝Ｔ２＜Ｔ３）、ゲート干渉回路５が故障状態であり、且つゲート干渉回路５に電流が流れ過ぎていると判断できることから、ゲート干渉回路５におけるショート故障の発生を検知する。

以上、本実施形態のインバータ装置１では、ゲート干渉回路５が故障した際、その故障状態がショート故障であるか又はオープン故障であるかを判断できる。そのため、片アーム駆動させるべきところショート故障の発生に起因して常に両アーム駆動となってしまい、ゲート干渉によるスイッチング損失が増加してしまうという影響が生じるか否かを判断できる。また、オープン故障の発生に起因してインバータ装置１が不動となり、車両が走行不可となるという影響が生じるか否かを判断できる。すなわち、本実施形態によれば、ゲート干渉回路５が故障した場合において、スイッチング損失の増加又はインバータ装置１の不動の何れの影響が生じるかを判断することが可能となる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用してもよい。例えば上述の各パラメータ（上電流閾値、下電流閾値、下限基準値Ｘ、上限基準値Ｙ、モータＭの周波数ｆ、モータＭの極数Ｐ、及び基準ゲートＯＦＦ時間範囲Ｔ３等）については、特に限定されるものではなく、仕様等に応じて種々の値を有してもよい。

１…インバータ装置、２…インバータ、５…ゲート干渉回路、６…故障検知部、Ｍ…モータ。

Claims (1)

1. 上アームを構成する第１スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子に直列接続され下アームを構成する第２スイッチング素子とを含むインバータと、
   前記インバータの出力電流値に基づいて、前記第１及び第２スイッチング素子をスイッチングする両アーム駆動と、前記第１又は第２スイッチング素子の一方のみをスイッチングする片アーム駆動とを切り替えるゲート干渉回路と、
   前記ゲート干渉回路の故障を検知する故障検知部と、を備え、
   前記故障検知部は、
   前記両アーム駆動及び前記片アーム駆動を切り替えるための電流閾値と、前記インバータの出力電流値と、前記インバータの出力で駆動されるモータの回転数とに基づいて、理論上における前記片アーム駆動を行う時間としてゲートＯＦＦ時間を算出し、
   算出した前記ゲートＯＦＦ時間が、実際に前記片アーム駆動を行う時間として規定された基準ゲートＯＦＦ時間範囲よりも大きいとき、前記ゲート干渉回路におけるオープン故障の発生を検知し、
   算出した前記ゲートＯＦＦ時間が前記基準ゲートＯＦＦ時間範囲よりも小さいとき、前記ゲート干渉回路におけるショート故障の発生を検知する、インバータ装置。

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