JP6137330B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数のスイッチ手段を行方向、及び列方向に複数配置して直流電力を交流電力に変換し、負荷に供給する電力変換装置に関する。

特許文献１には、複数の直流電源を有する電力変換装置において、複数の単相インバータを設け、各単相インバータの出力端子を直列に接続し、各単相インバータに設けられる各電子スイッチのオン、オフを制御することにより、高電圧の電力を出力することが開示されている。

特開２０１１−１５５７８６号公報

しかしながら、上述した特許文献１に開示された例は、複数の単相インバータに設けられる半導体スイッチ（電子スイッチ）のうちの一つに故障が発生すると、電力変換装置全体が機能しなくなり、負荷への電力供給が停止するという問題が発生する。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、直流電力を交流電力に変換するためのスイッチ手段に設けられる電子スイッチに故障が発生した場合でも、交流電力の出力を継続することが可能な電力変換装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本願発明は、行方向及び列方向に配置された複数のスイッチ手段のうち、同一の行に接続された各スイッチ手段は、同一の直流電源に接続され、同一の列に接続された各スイッチ手段は互いに直列接続され、各スイッチ手段は、直流電源側に接続される一次側回路と、負荷側に接続される二次側回路との間で直流電力を遮断する絶縁手段を備える。制御手段は、スイッチ手段に設けられる各電子スイッチの短絡故障、及び開放故障を検出する機能を有し、短絡故障、または開放故障が発生したことが検出された場合には、短絡故障か開放故障かに応じて、故障が発生したスイッチ手段と同一の行に配置されたスイッチ手段を制御する。

図１は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置に設けられるスイッチ回路の、詳細な構成を示す回路図である。 図３は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置の、一のスイッチ回路にて短絡故障が発生した場合の動作を示す説明図である。 図４は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置の、一のスイッチ回路にて短絡故障が発生した場合における各電子スイッチのオン、オフ状態を示す回路図である。 図５は、レベルシフト方式で作動するＨブリッジ回路の、キャリア信号の振幅を調整する際の波形を示す説明図である。 図６は、位相シフト方式で作動するＨブリッジ回路の、キャリア信号の位相を調整する際の波形を示す説明図である。 図７は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置の、一のスイッチ回路にて開放故障が発生した場合の動作を示す説明図である。 図８は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置の、一のスイッチ回路にて開放故障が発生した場合における各電子スイッチのオン、オフ状態を示す回路図である。 図９は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置の、一のスイッチ回路にて開放故障が発生した場合における最大電流値の制限を示す説明図である。 図１０は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置の、処理手順を示すフローチャートである。 図１１は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置の、二次側短絡故障処理の処理手順を示すフローチャートである。 図１２は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置の、開放故障処理の処理手順を示すフローチャートである。 図１３は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置の、一次側短絡故障処理の処理手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。図１に示すように、本実施形態に係る電力変換装置１００は、制御部３３（制御手段）を備えており、該制御部３３の制御により複数（図では４個）のバッテリＶＢ（直流電源）より出力される直流電圧（直流電力）を交流電圧（交流電力）に変換して、モータＭ１（交流モータ）に供給し、該モータＭ１を駆動させる。

また、電力変換装置１００は、モータＭ１のＵ相に電力を供給するＵ相スイッチ群２１と、Ｖ相に電力を供給するＶ相スイッチ群２２、及びＷ相に電力を供給するＷ相スイッチ群２３を備えている。Ｕ相スイッチ群２１、Ｖ相スイッチ群２２、Ｗ相スイッチ群２３は、それぞれ電源線１１，１２，１３を介してモータＭ１に接続されている。更に、Ｕ相スイッチ群２１、Ｖ相スイッチ群２２、Ｗ相スイッチ群２３は、それぞれ図中縦方向に４個（４行）配列され、横方向に４個（４列）配列された、合計１６個のスイッチ回路（スイッチ手段）を備えている。即ち、Ｕ相スイッチ群２１、Ｖ相スイッチ群２２、及びＷ相スイッチ群２３がそれぞれ、４行、４列のスイッチ回路を備えており、全体で４８個のスイッチ回路が設けられている。

なお以下では、Ｕ相スイッチ群２１、Ｖ相スイッチ群２２、Ｗ相スイッチ群２３のそれぞれに設けられる１６個のスイッチ回路を、行及び列を示すサフィックスで表記する。例えば、Ｕ相スイッチ群２１に設けられる１行、１列のスイッチ回路をｕ１１とし、２行、１列のスイッチ回路をｕ１２とし、１行、２列のスイッチ回路をｕ２１として表記する。従って、Ｕ相スイッチ群２１には、１６個のスイッチ回路ｕ１１〜ｕ４４が設けられ、Ｖ相スイッチ群２２には、１６個のスイッチ回路ｖ１１〜ｖ４４が設けられ、Ｗ相スイッチ群２３には、１６個のスイッチ回路ｗ１１〜ｗ４４が設けられる。

また、図１に示すように同一行のスイッチ回路（図中、横方向のスイッチ回路）には、同一のバッテリが接続されている。即ち、横方向に並ぶ１２個のスイッチ回路ｕ１１，ｕ２１，ｕ３１，ｕ４１，ｖ１１，ｖ２１，ｖ３１，ｖ４１，ｗ１１，ｗ２１，ｗ３１，ｗ４１は、同一のバッテリＶＢ１に接続されている。また、各スイッチ回路とバッテリＶＢ１との間には回路遮断用の遮断機ＳＷ１が設けられている。バッテリＶＢ２，ＶＢ３，ＶＢ４についても同様に、遮断機ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４を介して同一行のスイッチ回路に接続されている。即ち、各遮断機ＳＷ１〜ＳＷ４（遮断手段）は、バッテリＶＢ１〜ＶＢ４とスイッチ回路との間に設けられ、これらの間を電気的に遮断する機能を備えている。

そして、Ｕ相スイッチ群２１、Ｖ相スイッチ群２２、及びＷ相スイッチ群２３をそれぞれスイッチング制御することにより、Ｕ相電圧、Ｖ相電圧、Ｗ相電圧を生成し、これらをモータＭ１に供給することにより、モータＭ１を駆動させる。

なお、制御部３３は、例えば、中央演算ユニット（ＣＰＵ）や、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードディスク等の記憶手段からなる一体型のコンピュータとして構成することができる。

制御部３３は、モータＭ１に供給される三相の交流であるＵ相、Ｖ相、Ｗ相を制御するためにベクトル制御を用いる。すなわち、モータＭ１の所定の回転数Ｎ、及びトルクＴを実現するため、制御部３３は、回転数Ｎ、及びトルクＴに対応するｄ軸電流ｉｄ、及びｑ軸電流ｉｑを求め、求められたｄ軸電流ｉｄ、及びｑ軸電流ｉｑからＵ相電圧、Ｖ相電圧、Ｗ相電圧を計算する。

ｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑとは、モータＭ１に流れる三相の交流であるＵ相電圧、Ｖ相電圧、Ｗ相電圧と、数学的には座標変換によって関連付けられた物理量である。ｄ軸、ｑ軸は、モータＭ１の回転子に固定された回転系の座標軸を表しており、ｄ軸は回転子の磁極の方向、ｑ軸は回転子の磁極の方向と直交し、回転子の回転軸と直交する方向に対応している。

制御部３３は、回転数Ｎ、及びトルクＴに対応するｄ軸電流ｉｄ、及びｑ軸電流ｉｑを求めるため、制御部３３の記憶手段に記憶された対応表であるｉｄ，ｉｑマップを参照する。ｉｄ，ｉｑマップは、回転数Ｎ、及びトルクＴと、これらの量に対応するｄ軸電流ｉｄ、及びｑ軸電流ｉｑを表現する対応表である。制御部３３は、ベクトル制御を用いることにより、制御しやすい二相の直流であるｄ軸電流ｉｄ、及びｑ軸電流ｉｑを介して、モータＭ１において所定の回転数Ｎ、及びトルクＴを出力するようにモータＭ１を制御することができる。

制御部３３は、ｄ軸電流ｉｄ、及びｑ軸電流ｉｑを介して計算されたＵ相電圧、Ｖ相電圧、Ｗ相電圧を生成するため、Ｕ相スイッチ群２１、Ｖ相スイッチ群２２、及びＷ相スイッチ群２３のスイッチング制御を行う。その結果、所定の回転数Ｎ、及びトルクＴを実現するためのＵ相電圧、Ｖ相電圧、Ｗ相電圧がモータＭ１に供給され、モータＭ１を所定の回転数Ｎ、及びトルクＴで駆動させる。

なお、電力変換装置１００が必要以上の電力の出力を行うことによる過熱状態となることを防ぐため、電力変換装置１００の最大出力、安全率などを考慮し、制御部３３は、ｄ軸電流ｉｄ、及びｑ軸電流ｉｑに対する出力制限値を有している。制御部３３は、ｄ軸電流ｉｄ、及びｑ軸電流ｉｑが出力制限値を超えない範囲において制御を行う。

次に、各スイッチ回路の詳細な構成について説明する。図２は、図１に示した各スイッチ回路（４８個のスイッチ回路）を代表的にスイッチ回路Ｙ１として示した回路図である。図２に示すように、スイッチ回路Ｙ１は、バッテリＶＢ１より出力される直流電圧を変換するＤＣ／ＤＣコンバータ３１と、該ＤＣ／ＤＣコンバータ３１より出力される直流電圧を交流電圧に変換するＨブリッジ回路３２（インバータ回路）を備えている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３１は、バッテリＶＢより出力される直流電圧の高周波成分を除去するコンデンサＣ１と、トランスＴＲ１（絶縁手段）と、該トランスＴＲ１の一次側に設けられる電子スイッチＱ１１〜Ｑ１４と、二次側に設けられる電子スイッチＱ２１〜Ｑ２４と、平滑化用のコンデンサＣ２を備えている。トランスＴＲ１は、バッテリ側（直流電源側）に接続される一次側回路と、負荷側に接続される二次側回路との間で、直流電力を遮断する機能を備える。そして、各電子スイッチＱ１１〜Ｑ１４、Ｑ２１〜Ｑ２４は、制御部３３より駆動信号ＤＳが供給されてスイッチング動作し、入力側より供給される直流電圧を所望のレベルの直流電圧に変換して、Ｈブリッジ回路３２に出力する。

Ｈブリッジ回路３２は、４個の電子スイッチＱ３１〜Ｑ３４を備えており、各電子スイッチＱ３１〜Ｑ３４の駆動を制御することにより、直流電圧を交流電圧に変換して出力する。なお、以下では、スイッチ回路Ｙ１（図１に示した４８個のスイッチ回路に対応）に設けられる電子スイッチＱ１１〜Ｑ１４を一次側回路、Ｑ２１〜Ｑ２４及びＱ３１〜Ｑ３４を二次側回路とする。また、上述した各電子スイッチとして、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチを用いることができる。

更に、図１に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１の入力側には、入力電圧Ｖ１を測定する電圧センサ３５が設けられ、出力側には出力電圧Ｖ２を測定する電圧センサ３６が設けられている。そして、検出された入力電圧Ｖ１、及び出力電圧Ｖ２は、制御部３３に出力される。制御部３３は、上位コントローラ（図示省略）より供給される駆動指令に基づき、各電子スイッチのオン、オフを制御する。また、遮断機のオン、オフを制御する。

図１１に示した各スイッチ回路（４８個のスイッチ回路）は、全て図２に示す回路構成を有している。なお、以下の説明では、図２に示した各電子スイッチ、及びオン、オフの状態を、図４に示すように簡略化した記号で示すことにする。図４に示す回路において、左側が入力側（ＩＮＰＵＴ）、右側が出力側（ＯＵＴＰＵＴ）となっている。

そして、本実施形態に係る電力変換装置１００では、複数の電子スイッチのうち任意の電子スイッチにて故障が発生した場合に、該電力変換装置１００の作動を停止させることなくモータＭ１に電力を供給する。以下、故障が発生した場合の処理手順を、図１０〜図１３に示すフローチャートを参照して説明する。

図１０は、故障の発生箇所に基づいて、処理を決定するためのフローチャートである。初めに、ステップＳ１１において、制御部３３は、各電子スイッチに故障が発生しているか否かを判断する。故障の発生は、図２に示した電圧センサ３５，３６で測定される電圧値に基づいて検出することができる。

故障が発生していると判断された場合には、ステップＳ１２において、開放故障であるか、或いは短絡故障であるかを判断する。即ち、駆動信号に拘わらず電子スイッチがオフ状態となった場合には、開放故障であると判断し、駆動信号に拘わらず電子スイッチがオン状態となった場合には、短絡故障であると判断する。

開放故障であると判断された場合には、ステップＳ１３において、制御部３３は、開放故障処理を実行する。短絡故障であると判断された場合には、ステップＳ１４において、一次側回路の電子スイッチにて短絡故障が発生したか否かを判断する。そして、一次側回路で短絡故障が発生した場合には、ステップＳ１５において、一次側短絡故障処理を実行する。二次側回路の電子スイッチにて短絡故障が発生した場合には、ステップＳ１６において、二次側短絡故障処理を実行する。

以下、二次側短絡故障処理、一次側短絡故障処理、及び開放故障処理について詳細に説明する。

［二次側短絡故障処理の説明］
図１に示した４８個のスイッチ回路ｕ１１〜ｕ４４、ｖ１１〜ｖ４４、ｗ１１〜ｗ４４のうち、いずれかのスイッチ回路の二次側回路にて短絡故障が発生した場合に、この処理が実行される。即ち、図２に示したスイッチ回路Ｙ１の二次側回路（トランスＴＲ１よりも右側の回路）に設けられる８個の電子スイッチＱ２１，Ｑ２２，Ｑ２３，Ｑ２４，Ｑ３１，Ｑ３２，Ｑ３３，Ｑ３４のいずれかにて短絡故障、即ち、オン状態が維持される故障が発生した場合に、この処理が実行される。以下、図１１に示すフローチャートを参照して説明する。

初めに、ステップＳ３１において、同一行の全てのスイッチ回路の一次側回路に設けられる電子スイッチを全てオフとする。例えば、図３に示す符号ｐ１のスイッチ回路ｗ４４にて二次側回路の短絡故障が発生した場合には、このスイッチ回路ｗ４４と同一行となるスイッチ回路、即ち、符号ｐ２に示す１１個のスイッチ回路について、一次側回路に設けられる電子スイッチを全てオフとする。同様に、このスイッチ回路ｗ４４についても、一次側回路に設けられる電子スイッチを全てオフとする。具体的には、図４に示すように、４個の電子スイッチＱ１１，Ｑ１２，Ｑ１３，Ｑ１４を全てオフとする。

更に、図１１のステップＳ３２において、同一行の全てのスイッチ回路の二次側回路に設けられる電子スイッチを全てオンとする。具体的には、図４に示すように、８個の電子スイッチＱ２１，Ｑ２２，Ｑ２３，Ｑ２４，Ｑ３１，Ｑ３２，Ｑ３３，Ｑ３４を全てオンとする。

その結果、図３に示す４行目スイッチ回路（ｐ１，ｐ２に示すスイッチ回路）は、全て一次側回路がオフとされるので、バッテリＶＢ４より出力される直流電圧は遮断される。また、全ての二次側回路がオンとされるので、この部分が短絡され、３行目のスイッチ回路とグランドが直接接続されることになる。

つまり、４個のスイッチ回路が直列に接続された状態から、３個のスイッチ回路が直列に接続された状態に切り替えられ、この３個のスイッチ回路の直列接続により生成される電力がモータＭ１に供給されることになる。

次に、ステップＳ３３において、キャリア波形（三角波）を修正する。Ｈブリッジ回路３２（インバータ回路）による交流電圧を生成する方式がレベルシフト方式によるものである場合には、図５に示すように、Ｈブリッジ回路３２に供給するキャリア波形のレベルシフト量（振幅）を補正する。即ち、故障発生前は、４個のスイッチ回路より出力される交流電圧を直列接続していたが、故障の発生により、３個のスイッチ回路の直列接続となるので、その分キャリア波形のレベルシフト量を大きくする。詳細には、波形ａ１，ａ２，ａ３，ａ４の振幅ｈａに対して、修正後の波形ｂ１，ｂ２，ｂ３の振幅ｈａｍが（４／３）倍となるように修正する。こうすることにより、故障発生前と同様の電圧をモータＭ１に供給することが可能となる。

一方、Ｈブリッジ回路３２（インバータ回路）による交流電圧を生成する方式が位相シフト方式によるものである場合には、図６に示すように、Ｈブリッジ回路３２に供給するキャリア波形（三角波）の位相シフト量を補正する。即ち、故障発生前は、４個のスイッチ回路により全体の位相を４分割し、図６のｃ１，ｃ２，ｃ３，ｃ４に示す如くの位相差としていたが、故障の発生により、３個のスイッチ回路となるので、その分、位相差を大きくする。詳細には、波形ｃ１，ｃ２，ｃ３，ｃ４の位相差Ｐｈに対して、修正後の波形ｄ１，ｄ２，ｄ３の位相差Ｐｈｍが（４／３）倍となるように修正する。こうすることにより、故障発生前と同様の電圧をモータＭ１に供給することが可能となる。

このように、スイッチ回路の二次側回路に設けられた電子スイッチに短絡故障が発生した場合には、故障が発生した電子スイッチと同一の行に設けられる電子スイッチの一次側回路をオフ（開放）とし、二次側回路をオン（短絡）とするので、故障が発生した行に設けられるスイッチ回路の機能を全て停止させる。従って、残りの行（故障発生以外の行）に設けられたスイッチ回路によりモータＭ１に所望の電力を供給することができ、モータＭ１の駆動を継続して行うことが可能となる。また、残りの行に供給する三角波の振幅、或いは位相を変更することにより、故障発生前と同一の電圧を供給することができ、モータＭ１を継続して駆動させることができる。

［開放故障処理の説明］
次に、スイッチ回路に設けられる各電子スイッチに開放故障が発生した場合の処理について、図１２に示すフローチャートを参照して説明する。

図１に示した複数のスイッチ回路ｕ１１〜ｕ４４、ｖ２１〜ｖ４４、ｗ１１〜ｗ４４のうち、いずれかのスイッチ回路の一次側回路または二次側回路にて開放故障が発生した場合に、この処理が実行される。即ち、図２に示したスイッチ回路Ｙ１に設けられる１２個の電子スイッチＱ１１，Ｑ１２，Ｑ１３，Ｑ１４，Ｑ２１，Ｑ２２，Ｑ２３，Ｑ２４，Ｑ３１，Ｑ３２，Ｑ３３，Ｑ３４のいずれかにて開放故障、即ち、オフ状態が維持される故障が発生した場合に、この処理が実行される。

この処理では、図１２のステップＳ５１において、故障が発生したスイッチ回路に設けられる電子スイッチを全てオフとする。例えば、図７に示すように、スイッチ回路ｗ４４の電子スイッチにて開放故障が発生した場合には、このスイッチ回路ｗ４４に設けられる全ての電子スイッチを全てオフとする。

ステップＳ５２において、他相の同位置（行、列が一致する位置）のスイッチ回路、即ち、図７に示すスイッチ回路ｕ４４，ｖ４４に設けられる電子スイッチを全てオフとする。つまり、各スイッチ回路ｕ４４，ｖ４４，ｗ４４について、図８に示すように、全ての電子スイッチＱ１１〜Ｑ３４をオフとする。こうすることにより、図７に示した各スイッチ回路ｗ４４，ｕ４４，ｖ４４には電流が流れなくなり、その他のスイッチ回路を作動させることにより、モータＭ１に交流電力を供給することができる。

ステップＳ５３において、モータＭ１をベクトル制御する際の、ｄ軸電流ｉｄ、及びｑ軸電流ｉｑに対する出力制限値を小さくする。即ち、図９に示すように、回転数ＮとトルクＴとの関係により決定されるｄ軸電流ｉｄ、及びｑ軸電流ｉｑの最大出力値が、符号Ｒ１に示す領域（図９において、斜線を付して示す領域）の分だけ低下するように、ｄ軸電流ｉｄ、及びｑ軸電流ｉｑに対する出力制限値を小さくする。こうすることにより、モータＭ１に流れる最大の電流値を制限することができ、開放故障に起因して電力変換装置１００が過熱状態となることを防止できる。

出力制限値を小さくしなければならない理由は次にように説明される。モータＭ１を所定の回転数Ｎ、及びトルクＴで駆動させているときに、各スイッチ回路ｗ４４，ｕ４４，ｖ４４が停止すると、停止していない他のスイッチ回路における電力変換の負荷が増大する。そのため、各スイッチ回路ｗ４４，ｕ４４，ｖ４４が停止する前と比較して、電力変換装置１００は過熱状態となりやすくなる。よって、各スイッチ回路ｗ４４，ｕ４４，ｖ４４の停止に合わせて出力制限値を小さくし、ｄ軸電流ｉｄ、及びｑ軸電流ｉｑの最大出力値を低下させる必要がある。

開放故障時のスイッチ回路の制御と合わせて、出力制限値を小さく設定しなおすことで、図９の符号Ｒ１に示す領域に対応する回転数Ｎ、及びトルクＴでのモータＭ１の駆動は行われなくなる。その結果、開放故障に起因して電力変換装置１００が過熱状態となることを防止できる。

このように、スイッチ回路に設けられた電子スイッチに開放故障が発生した場合には、故障が発生したスイッチ回路、及び他の相の、同位置にあるスイッチ回路に設けられる全ての電子スイッチをオフとするので、故障が発生していないスイッチ回路を用いて、モータＭ１への電力供給を継続させることが可能となる。

［一次側短絡故障処理の説明］
図１に示した４８個のスイッチ回路ｕ１１〜ｕ４４、ｖ１１〜ｖ４４、ｗ１１〜ｗ４４のうち、いずれかのスイッチ回路の一次側回路にて短絡故障が発生した場合に、この処理が実行される。即ち、図２に示したスイッチ回路Ｙ１の一次側回路（トランスＴＲ１よりも左側の回路）に設けられる４個の電子スイッチＱ１１，Ｑ１２，Ｑ１３，Ｑ１４のいずれかにて短絡故障が発生した場合に、この処理が実行される。以下、図１３に示すフローチャートを参照して説明する。

この処理では、図１３のステップＳ７１において、短絡が発生したスイッチ回路と、バッテリとの間に設けられる遮断機を遮断する。例えば、図３の符号ｐ１に示したスイッチ回路ｗ４４にて一次側回路の短絡故障が発生した場合には、バッテリＶＢ４とスイッチ回路ｗ４４との間に設けられる遮断機ＳＷ４を遮断する。従って、バッテリＶＢより出力される直流電圧は遮断される。

図１３のステップＳ７２において、同一行の全てのスイッチ回路の一次側回路に設けられる電子スイッチを全てオフとする。この処理では、スイッチ回路ｗ４４と同一行となるスイッチ回路、即ち、図３の符号ｐ２に示す１１個のスイッチ回路について、一次側回路に設けられる電子スイッチを全てオフとする。同様に、このスイッチ回路ｗ４４についても、一次側回路に設けられる電子スイッチを全てオフとする。具体的には、図４に示すように、４個の電子スイッチＱ１１，Ｑ１２，Ｑ１３，Ｑ１４を全てオフとする。

更に、図１３のステップＳ７３において、同一行の全てのスイッチ回路の二次側回路に設けられる電子スイッチを全てオンとする。具体的には、図４に示すように、８個の電子スイッチＱ２１，Ｑ２２，Ｑ２３，Ｑ２４，Ｑ３１，Ｑ３２，Ｑ３３，Ｑ３４を全てオンとする。

その結果、図３に示す４行目スイッチ回路（ｐ１，ｐ２に示すスイッチ回路）は、全て一次側回路がオフ（故障した電子スイッチを除く）とされるので、バッテリＶＢ４より出力される直流電圧は遮断される。また、全ての二次側回路がオンとされるので、この部分が短絡され、３行目のスイッチ回路とグランドが直接接続されることになる。

つまり、前述した二次側短絡故障の場合と同様に、４個のスイッチ回路が直列接続された状態から、３個のスイッチ回路が直列に接続された状態に切り替えられ、この３個のスイッチ回路の直列接続により生成される電力がモータＭ１に供給されることになる。

次いで、ステップＳ７４において、キャリア信号を修正する。この処理は、図１１に示したステップＳ３３の処理と同様であるので、説明を省略する。

このように、スイッチ回路の一次側回路に設けられた電子スイッチに短絡故障が発生した場合には、故障が発生した電子スイッチと同一の行に設けられる電子スイッチの一次側回路を開放し、二次側回路を短絡するので、故障が発生した行に設けられるスイッチ回路の機能を全て停止させることができる。更に、遮断機ＳＷ４を遮断することにより、バッテリＶＢ４の出力を停止させることができる。従って、残りの行に設けられたスイッチ回路によりモータＭ１に所望の電力を供給することができ、モータＭ１の駆動を継続して行うことが可能となる。

このようにして、本実施形態に係る電力変換装置１００では、複数の行、複数の列に配置された各スイッチ回路（図１に示す４８個のスイッチ回路）のうち、いずれかのスイッチ回路に設けられる電子スイッチにて短絡故障、或いは開放故障が発生した場合には、短絡故障であるか開放故障であるかに応じて、故障が発生したスイッチ回路と同一の行に配置されたスイッチ回路に設けられる電子スイッチを制御するので、電子スイッチに故障が発生した場合でもモータＭ１への電力供給を継続させることができる。

電子スイッチの故障が、スイッチ回路の二次側回路に設けられた電子スイッチの短絡故障である場合には、故障が発生した電子スイッチと同一の行に設けられるスイッチ回路の一次側回路に設けられる電子スイッチを全てオフ（開放）とする。従って、一次側回路に供給される電圧を停止させることができる。

また、この行のスイッチ回路の二次側回路に設けられる電子スイッチを全てオン（短絡）とするので、残りの行（故障発生以外の行）に設けられたスイッチ回路によりモータＭ１に所望の電力を供給することができ、モータＭ１の駆動を継続して行うことが可能となる。この際、各スイッチ回路は、一次側回路と二次側回路の間にトランスＴＲ１（絶縁手段）が設けられているので、一次側回路から二次側回路に向けて直流電圧が伝達されることを防止できる。

更に、残りの行に設けられるスイッチ回路の、各電子スイッチに供給するキャリア信号（三角波）の振幅、或いは位相を変更するので、故障発生前と同一の電圧を供給することができ、モータＭ１を継続して駆動させることができる。

更に、スイッチ回路に設けられた電子スイッチに開放故障が発生した場合には、故障が発生したスイッチ回路、及び他の相の、同位置（同一の行、列）にあるスイッチ回路に設けられる全ての電子スイッチをオフとする。従って、故障が発生していないスイッチ回路を用いて、モータＭ１への電力供給を継続させることが可能となる。

更に、開放故障の発生に起因して二次側回路の電子スイッチを全てオフとしたスイッチ回路が存在する場合には、電源線１１，１２，１３に流れる最大電流値を制限するので、電力変換装置１００に流れる電流が過電流となることを防止できる。

また、スイッチ回路の一次側回路に設けられた電子スイッチに短絡故障が発生した場合には、故障が発生した電子スイッチと同一の行に設けられるスイッチ回路の一次側回路に設けられる電子スイッチを全てオフ（開放）とする。更に、故障が発生したスイッチ回路に接続される遮断機を遮断する。従って、一次側回路に供給される電圧を停止させることができる。 また、この行のスイッチ回路の二次側回路に設けられる電子スイッチを全てオン（短絡）とするので、残りの行（故障発生以外の行）に設けられたスイッチ回路によりモータＭ１に所望の電力を供給することができ、モータＭ１の駆動を継続して行うことが可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、これらの実施形態は本発明の理解を容易にするために記載された単なる例示に過ぎず、本発明は当該実施形態に限定されるものではない。本発明の技術的範囲は、上記実施形態で開示した具体的な技術事項に限らず、そこから容易に導きうる様々な変形、変更、代替技術なども含むものである。

例えば、上述した実施形態では、負荷として三相のモータＭ１を用いる場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、三相以外、及び他の負荷を接続する場合についても適用することができる。

また、上述した実施形態では、各系統の電源線１１，１２，１３について、それぞれ４行、４列のスイッチ回路を設け、合計４８個のスイッチ回路を用いる例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、複数行、複数列のスイッチ回路を用いる場合に適用することが可能である。

本出願は、２０１３年１０月１７日に出願された日本国特許願第２０１３−２１６２８１号に基づく優先権を主張しており、この出願の全内容が参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、複数のスイッチ回路のうちの、いずれかのスイッチ回路の電子スイッチにて故障が発生した場合でも、電力供給を継続させることに利用することができる。

１１，１２，１３ 電源線
２１ Ｕ相スイッチ群
２２ Ｖ相スイッチ群
２３ Ｗ相スイッチ群
３１ ＤＣ／ＤＣコンバータ
３２ Ｈブリッジ回路
３３ 制御部（制御手段）
３５ 電圧センサ
３６ 電圧センサ
１００ 電力変換装置
ｕ１１〜ｕ４４、ｖ１１〜ｖ４４、ｗ１１〜ｗ４４ スイッチ回路
ＳＷ１〜ＳＷ４ 遮断機
ＶＢ１〜ＶＢ４ バッテリ
Ｍ１ モータ
Ｑ１１〜Ｑ１４、Ｑ２１〜Ｑ２４、Ｑ３１〜Ｑ３４ 電子スイッチ
Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ
Ｙ１ スイッチ回路
ＴＲ１ トランス

Claims (9)

1. 負荷に接続される各系統の電源線に対して、複数の行及び複数の列に配列された複数のスイッチ手段を備え、各スイッチ手段のオン、オフを制御して直流電力を交流電力に変換する電力変換装置において、
   前記複数のスイッチ手段のうち、同一の行に接続された各スイッチ手段は、同一の直流電源に接続され、同一の列に接続された各スイッチ手段は互いに直列接続され、前記各スイッチ手段は、直流電源側に接続される一次側回路と、負荷側に接続される二次側回路との間で直流電力を遮断する絶縁手段を有し、
   前記各スイッチ手段のオン、オフを制御する制御手段を備え、
   前記制御手段は、前記スイッチ手段に設けられる各電子スイッチの短絡故障、及び開放故障を検出する機能を有し、前記短絡故障、または開放故障が発生したことが検出された場合には、短絡故障か開放故障かに応じて、故障が発生したスイッチ手段と同一の行に配置されたスイッチ手段を制御することを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記制御手段は、一のスイッチ手段の二次側回路に設けられる電子スイッチが短絡故障した場合には、前記一のスイッチ手段の一次側回路に設けられる電子スイッチ、及び、前記一のスイッチ手段と同一の行に配置された全てのスイッチ手段の一次側回路に設けられる電子スイッチ、を全てオフとすること
   を特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記直流電源と前記複数のスイッチ手段との間には、これらを電気的に遮断する遮断手段が設けられ、
   前記制御手段は、一のスイッチ手段の一次側回路に設けられる電子スイッチが短絡故障した場合には、一のスイッチ手段に接続された遮断手段を遮断すると共に、前記一のスイッチ手段の一次側回路に設けられる短絡故障した電子スイッチ以外の電子スイッチ、及び、前記一のスイッチ手段と同一の行に配置された全てのスイッチ手段の一次側回路に設けられる電子スイッチ、を全てオフとすること
   を特徴とする電力変換装置。
4. 請求項２又は３に記載の電力変換装置であって、
   前記制御手段は、前記一のスイッチ手段と同一の行に配置された全てのスイッチ手段の二次側回路に設けられる電子スイッチを全てオンとすること
   を特徴とする電力変換装置。
5. 請求項２乃至４のいずれか一項に記載の電力変換装置であって、
   前記スイッチ手段は、直流電力を交流電力に変換するために、レベルシフト方式のインバータ回路を備え、
   前記制御手段は、一の行のスイッチ手段の一次側回路に設けられる電子スイッチが全てオフとされた場合には、その他の行のスイッチ手段に設けられる電子スイッチを制御するキャリア波形のレベルシフト量を補正すること
   を特徴とする電力変換装置。
6. 請求項２乃至４のいずれか一項に記載の電力変換装置であって、
   前記スイッチ手段は、直流電力を交流電力に変換するために、位相シフト方式のインバータ回路を備え、
   前記制御手段は、一の行のスイッチ手段の一次側回路に設けられる電子スイッチが全てオフとされた場合には、その他の行のスイッチ手段に設けられる電子スイッチを制御するキャリア波形の位相シフト量を補正すること
   を特徴とする電力変換装置。
7. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記制御手段は、一の系統の電源線に接続された一のスイッチ手段の二次側回路に設けられる電子スイッチが開放故障した場合には、他の全ての系統の、前記一のスイッチ手段と同一の行、同一の列となるスイッチ手段の二次側回路に設けられる電子スイッチを全てオフとすること
   を特徴とする電力変換装置。
8. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記制御手段は、一の系統の電源線に接続された一のスイッチ手段の一次側回路に設けられる電子スイッチが開放故障した場合には、前記一のスイッチ手段の二次側回路、及び、他の全ての系統の、前記一のスイッチ手段と同一の行、同一の列となるスイッチ手段の二次側回路、に設けられる電子スイッチを全てオフとすること
   を特徴とする電力変換装置。
9. 請求項７又は８に記載の電力変換装置であって、
   前記制御手段は、前記開放故障に起因して二次側回路の電子スイッチを全てオフとしたスイッチ手段が存在する場合には、電源線に流れる最大電流を制限すること
   を特徴とする電力変換装置。

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