JP6708091B2 - 故障判断装置 - Google Patents

Description

本明細書に開示の技術は、パワー半導体素子の故障判断装置に関する。

特許文献１に、パワー半導体素子の短絡を検出する駆動回路が開示されている。駆動回路は、パワー半導体素子のゲートに電力が供給されている間に、ゲートに供給されている電荷量と、ゲート電圧と、を用いて、パワー半導体素子が短絡している否かを判断する。

特開２０１５−０５３７４９号公報

パワー半導体素子の故障は、パワー半導体素子自体のショート故障の他に、オープン故障を含む。オープン故障は、ゲートーエミッタ間が短絡されていることに起因するものと、例えば配線不良によってゲートに電流が流れない等のよるゲートオープン故障に起因するものと、を含む。本明細書では、パワー半導体素子のショート故障と、オープン故障を判断することができる技術を提供する。

本明細書は、電力制御回路に配置されるパワー半導体素子の故障を判断する故障判断装置に関する技術を開示する。前記電力制御回路は、直流電源とモータとの間で複数相の交流電力を制御するための前記複数相のそれぞれに対応する一対のアームを有する。前記パワー半導体素子は、前記一対のアームのそれぞれに配置されて当該アームを駆動する。前記故障判断装置は、前記パワー半導体素子を駆動させる駆動回路から前記パワー半導体素子のゲートに電力が供給される際の前記パワー半導体素子の消費電流値を検出する電流検出部と、前記一対のアームのうち、前記パワー半導体素子によって駆動される一方のアームと異なる他方のアームのパワー半導体素子が短絡しているか否かを判断する短絡判断部と、前記検出部によって検出済みの前記消費電流値が第１閾値以上である場合において、前記他方のアームの前記パワー半導体素子が短絡していると判断される場合に、前記一方のアームの前記パワー半導体素子にショート故障が発生していると判断し、前記他方のアームが短絡していると判断されない場合に、前記一方のアームの前記パワー半導体素子にオープン故障が発生していると判断し、前記検出部によって検出済みの前記消費電流値が前記第１閾値より小さい第２閾値以下である場合に、前記一方のアームの前記パワー半導体素子にオープン故障が発生していると判断する故障判断部と、を備える。

ゲートーエミッタ間の短絡故障が発生していない状況と比較して、ゲートーエミッタ間にショート故障が発生している状況では、パワー半導体素子の消費電流値は大きい。このため、パワー半導体素子の消費電流値と第１閾値とを比較することによって、ゲートーエミッタ間のショート故障が発生していることを判断することができる。

パワー半導体素子の消費電流値が比較的に高く、ゲートーエミッタ間にショート故障が発生していることを判断される場合、パワー半導体素子自体のショート故障及びオープン故障のいずれかの故障が発生する。上記の故障判断装置では、判断対象のパワー半導体素子と同一相の他方のアームのパワー半導体素子において、ショート故障が発生しているか否かを用いて、一方のアームのパワー半導体素子にショート故障が発生しているか、オープン故障が発生しているかを判断することができる。

また、パワー半導体素子にゲートオープン故障が発生している場合、パワー半導体素子をオンにすることができないため、パワー半導体素子にオープン故障が発生していると判断することができる。ゲートオープン故障が発生している状況では、パワー半導体の消費電流値は、ゲートオープン故障が発生していない状況と比較して小さい。このため、パワー半導体素子の消費電流値と第２閾値とを比較することによって、ゲートオープン故障が発生していることを判断することができる。これにより、一方のアームのパワー半導体素子にオープン故障が発生していると判断することができる。

インバータと制御回路ユニットの概略図。 制御回路ユニットの概略図。 故障が発生していない場合、ゲートーエミッタ間のショート故障が発生している場合、及びゲートオープン故障が発生している場合のパワー半導体素子の消費電流値を表すタイムチャート。 故障判断処理のフローチャート。

図１は、実施形態の制御回路ユニット１０がインバータ回路２０に接続されている状態の概要図を示す。インバータ回路２０は、車両に搭載されている。車両は、さらに、バッテリＢ１，Ｂ２、平滑化コンデンサＣ１及び走行用モータＭ１を搭載している。なお、走行用モータＭ１は、発電機として動作することも可能であるので、モータジェネレータと呼ばれることがある。インバータ回路２０は、バッテリＢ１から供給される直流電流を三相交流電流に変換し、三相交流電流を走行用モータＭ１に供給する。平滑化コンデンサＣ１は、バッテリＢ１の正極と負極の間の電圧を平滑化する。

インバータ回路２０は、三相の交流電力を制御する。インバータ回路２０は、三相のそれぞれに対応する一対のアーム２１，２２，２３を備える。一対のアーム２１は、２個のアーム２１Ｕ，２１Ｌの直列回路を構成する。同様に、一対のアーム２２は、２個のアーム２２Ｕ，２２Ｌの直列回路を構成し、一対のアーム２３は、２個のアーム２３Ｕ，２３Ｌの直列回路を構成する。三対のアーム２１，２２，２３は、並列に接続されている。アーム２１Ｕ，２１Ｌの中間点から出力配線Ｕが引き出され、アーム２２Ｕ，２２Ｌの中間点から出力配線Ｖが引き出され、アーム２３Ｕ，２３Ｌの中間点から出力配線Ｗが引き出されている。出力配線Ｕ、Ｖ、Ｗは、走行用モータＭ１に接続されている。各アーム２１Ｕ，２１Ｌ，２２Ｕ，２２Ｌ，２３Ｕ，２３Ｌは、スイッチング素子２４を備える。スイッチング素子２４は、ＩＧＢＴを有する。各スイッチング素子２４がスイッチングすることで、各アーム２１Ｕ，２１Ｌ，２２Ｕ，２２Ｌ，２３Ｕ，２３Ｌが駆動し、オンとオフに切り替えられる。これにより、バッテリＢ１が出力する直流電流が三相交流電流に変換され、三相交流電流が出力配線Ｕ、Ｖ、Ｗに出力される。これによって、走行用モータＭ１に三相交流電流が供給される。

インバータ回路２０は、制御回路ユニット１０によって制御される。制御回路ユニット１０は、制御部１２と、駆動回路ユニット１４と、を備える。制御回路ユニット１０は、ＭＧ−ＥＣＵ（Motor Generator-Electronic Control Unit）と呼ばれる場合がある。制御部１２は、駆動回路ユニット１４を用いて、バッテリＢ２の電力を、ドライブ電源Ｐ１を介して各スイッチング素子２４に供給することによって、各スイッチング素子２４を制御する。なお、バッテリＢ２の電力は、車両に搭載される補機（例えば空調装置、エアバッグ）の電力としても用いられる。

駆動回路ユニット１４は、複数のスイッチング素子２４のそれぞれに接続される駆動回路１４ａを有する。図２は、駆動回路１４ａの構成を示す概略図である。駆動回路１４ａは、電流検出部３８と、ドライブＩＣ４０と、駆動信号発生部３４と、故障検知部３２と、短絡判断部３６と、を備える。電流検出部３８、ドライブＩＣ４０、駆動信号発生部３４、故障検知部３２、及び短絡判断部３６は、駆動回路１４ａの回路基板に搭載されている。なお、スイッチング素子２４ｂの駆動回路１４ａの構成は一部省略されている。

駆動信号発生部３４は、制御部１２に接続されている。駆動信号発生部３４は、制御部１２からスイッチング素子２４の切り替えタイミングを示す信号を受信すると、ドライブＩＣ４０に駆動信号を送信する。ドライブＩＣ４０は、ドライブ電源Ｐ１と、スイッチング素子２４のゲートと、のそれぞれに接続されている。ドライブＩＣ４０は、ドライブ電源Ｐ１から供給される電力を用いて、駆動信号発生部３４から受信される駆動信号に従って、ゲートに電圧を印加する。

電流検出部３８は、ドライブ電源Ｐ１とドライブＩＣ４０との間を流れる電流を検出する。ドライブ電源Ｐ１とドライブＩＣとの間を流れる電流が、スイッチング素子２４の消費電流値と言うことができる。電流検出部３８は、さらに、駆動信号発生部３４に接続されている。電流検出部３８には、駆動信号発生部３４から駆動信号が入力される。電流検出部３８には、第１閾値Ｈと第２閾値Ｌとが予め格納されている。第１閾値Ｈは、スイッチング素子２４が正常に動作している状況におけるスイッチング素子２４の消費電流値の最大値よりも高く、スイッチング素子２４のゲートーエミッタ間のショート故障（以下では「Ｇ−Ｅショート故障」と呼ぶ）が発生している状況におけるスイッチング素子２４の消費電流値よりも小さい。第２閾値Ｌは、スイッチング素子２４が正常に動作している状況におけるスイッチング素子２４の消費電流値の最大値よりも小さく、スイッチング素子２４に配線不良によってゲートに電流が流れない等によるゲートオープン故障（以下では「Ｇオープン故障」と呼ぶ）が発生している状況におけるスイッチング素子２４に流れる電流値よりも大きい。

電流検出部３８は、さらに故障検知部３２に接続されている。故障検知部３２は、制御部１２にも接続されている。故障検知部３２は、電流検出部３８から入力される信号に基づいて、スイッチング素子２４がショート故障を発生しているのか、オープン故障を発生しているのかを判断し、判断結果を制御部１２に出力する。以下では、スイッチング素子２４自体のショート故障及びオープン故障を、Ｇ−Ｅショート故障及びＧオープン故障と区別するために、それぞれ「素子ショート故障」及び「素子オープン故障」と呼ぶ。

短絡判断部３６は、ドライブＩＣ４０に接続されている。短絡判断部３６は、スイッチング素子２４に素子ショート故障が発生しているか否かを判断する。短絡判断部３６は、公知の手法を用いて、スイッチング素子２４自体に短絡故障が発生しているか否かを判断する回路を有する。

次いで、制御部１２と駆動回路１４ａとの動作を説明する。制御部１２は、車両のメイン制御部（図示省略）からの出力要求に従った信号を駆動信号発生部３４に出力する。駆動信号発生部３４は、制御部１２から入力された信号に基づいた駆動信号を出力する。図３に示すように、ドライブＩＣ４０は、駆動信号発生部３４から駆動信号が入力されると、ドライブ電源Ｐ１の電力を用いて、駆動信号に従ったゲート電圧を、スイッチング素子２４のゲート（以下では、「スイッチング素子２４ａ」と呼ぶ）に印加する。

短絡判断部３６は、例えばコレクターエミッタ間の電圧を用いて、スイッチング素子２４ａに素子ショート故障が発生しているか否かを判断する。スイッチング素子２４ａに素子ショート故障が発生していると判断される場合、短絡判断部３６は、スイッチング素子２４ａに素子ショート故障が発生していることを示す信号を、制御部１２に出力する。短絡判断部３６は、ゲートーエミッタ間が正常に機能している状況において、スイッチング素子２４ａに素子ショート故障が発生しているか否かを判断する。また、短絡判断部３６は、スイッチング素子２４ａに素子ショート故障が発生していることを示す信号を、スイッチング素子２４ａを含むアーム（例えばアーム２１Ｕ）と対をなすアーム（例えば２１Ｌ）のスイッチング素子２４の駆動回路１４ａに配置されている故障検知部３２に出力する。以下では、故障の判断対象であるスイッチング素子２４ａを含むアームと対をなすアームに含まれるスイッチング素子を「スイッチング素子２４ｂ」と呼ぶ。

図４は、駆動回路１４ａが実行する故障判断処理のフローチャートを示す。故障判断処理は、電流検出部３８に、駆動信号発生部３４から駆動信号が入力されると開始される。故障判断処理では、Ｓ１２において、電流検出部３８は、駆動信号発生部３４から駆動信号が入力されると、ドライブ電源Ｐ１からドライブＩＣ４０に流れる電流値、即ちスイッチング素子２４ａの消費電流値を検出する。図３（ａ）に示すように、スイッチング素子２４ａが正常に動作している状況では、ゲート電圧が印加されると、消費電流値が上昇し、徐々に低下していく。このとき、消費電流値の最大値は、第１閾値Ｈと第２閾値Ｌとの間の値である。

一方、図３（ｂ）に示すように、スイッチング素子２４ａにＧ−Ｅショート故障が発生している状況において、スイッチング素子２４ａ，２４ｂがともに素子ショート故障していない状況、あるいは、スイッチング素子２４ａ，２４ｂがともに素子ショート故障している状況では、消費電流値が、スイッチング素子２４が正常に動作している状況における消費電流値の最大値よりも大きくなる。

また、図３（ｃ）に示すように、スイッチング素子２４にＧオープン故障が発生している状況では、消費電流値が非常に小さい。

次いで、Ｓ１４において、電流検出部３８は、検出された消費電流値の最大値を、第１閾値Ｈと比較する。消費電流値の最大値が第１閾値Ｈ以下である場合（Ｓ１４でＮＯ）、Ｓ１６において、消費電流値の最大値を第２閾値Ｌと比較する。消費電流値の最大値が第２閾値Ｌ以上である場合（Ｓ１６でＮＯ）、故障判断処理を終了する。一方、消費電流値の最大値が第２閾値Ｌよりも小さい場合（Ｓ１６でＹＥＳ）、電流検出部３８は、スイッチング素子２４ａに、Ｇオープン故障が発生していると判断する。この場合、Ｓ１８において、電流検出部３８は、Ｇオープン故障が発生していることを示す信号を、故障検知部３２に出力する。

故障検知部３２は、電流検出部３８からＧオープン故障が発生していることを示す信号が入力されると、スイッチング素子２４に素子オープン故障が発生していると判断する。Ｇオープン故障と判断される状況では、スイッチング素子２４は、オンに切り替わることができない。このため、素子オープン故障が発生していると判断される。Ｓ２０では、故障検知部３２は、制御部１２に、スイッチング素子２４に素子オープン故障が発生していることを示す信号を出力して、故障判断処理を終了する。

一方、Ｓ１４において、消費電流値の最大値が第１閾値Ｈよりも大きい場合（Ｓ１４でＹＥＳ）、電流検出部３８は、スイッチング素子２４ａに、Ｇ−Ｅショート故障が発生していると判断する。この場合、Ｓ２２において、電流検出部３８は、Ｇ−Ｅショート故障が発生していることを示す信号を、故障検知部３２に出力する。

続くＳ２４では、故障検知部３２は、電流検出部３８からＧ−Ｅショート故障が発生していることを示す信号が入力されると、スイッチング素子２４ｂが素子ショート故障しているか否かを判断する。具体的には、スイッチング素子２４ｂの短絡判断部３６から、スイッチング素子２４ｂが素子ショート故障していることを示す信号を受信している場合に、故障検知部３２は、スイッチング素子２４ｂが素子ショート故障していると判断する（Ｓ２４でＹＥＳ）。一方、スイッチング素子２４ｂの短絡判断部３６から、スイッチング素子２４ｂが素子ショート故障していることを示す信号を受信していない場合に、故障検知部３２は、スイッチング素子２４ｂが素子ショート故障していないと判断する（Ｓ２４でＮＯ）。

Ｓ２４でＮＯの場合、Ｓ２０に進む。スイッチング素子２４ａにＧ−Ｅショート故障が発生している状況において、スイッチング素子２４ｂが素子ショート故障していない状況では、スイッチング素子２４ａに素子オープン故障が発生しているということができる。

一方、Ｓ２４でＹＥＳの場合、Ｓ２６に進む。スイッチング素子２４ａにＧ−Ｅショート故障が発生している状況において、スイッチング素子２４ｂに素子ショート故障が発生している状況では、スイッチング素子２４ａに素子ショート故障が発生しているということができる。Ｓ２６では、スイッチング素子２４ａに素子ショート故障が発生していることを示す信号を、制御部１２に出力して、故障判断処理を終了する。

上記の故障判断処理では、スイッチング素子２４ａの消費電流値を用いて、Ｇ−Ｅショート故障及びＧオープン故障の有無を判断する。この構成によれば、例えば、ゲートに供給されている電荷量やゲート電圧を用いる場合と比較して、ゲートのサージ、ノイズ等が判断結果に及ぼす影響を低減することができる。

また、スイッチング素子２４ａにＧ−Ｅショート故障が発生している状況において、スイッチング素子２４ｂに素子ショート故障が発生しているか否かに応じて、スイッチング素子２４ａに素子ショート故障が発生しているか否かを適切に判断することができる。これにより、インバータ回路２０内の１個のスイッチング素子２４にＧ−Ｅショート故障が発生している状況において、インバータ回路２０に一相オープン故障が発生しているか否かを適切に破断することができる。

（対応関係）
インバータ回路２０が「電力制御回路」の一例であり、スイッチング素子２４が「パワー半導体素子」の一例である。駆動回路ユニット１４が「故障判断装置」の一例である。

以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。

１０ ：制御回路ユニット
１４ ：駆動回路ユニット
１４ａ ：駆動回路
２０ ：インバータ回路
２１，２２，２３：一対のアーム
２４ ：スイッチング素子
３２ ：故障検知部
３４ ：駆動信号発生部
３６ ：短絡判断部
３８ ：電流検出部
４０ ：ドライブＩＣ

Claims (1)

1. 電力制御回路に配置されるパワー半導体素子の故障を判断する故障判断装置であって、
   前記電力制御回路は、直流電源とモータとの間で複数相の交流電力を制御するための前記複数相のそれぞれに対応する一対のアームを有し、
   前記パワー半導体素子は、前記一対のアームのそれぞれに配置されて当該アームを駆動し、
   前記故障判断装置は、
   前記パワー半導体素子を駆動させる駆動回路から前記パワー半導体素子のゲートに電力が供給される際の前記パワー半導体素子の消費電流値を検出する電流検出部と、
   前記一対のアームのうち、前記パワー半導体素子によって駆動される一方のアームと異なる他方のアームのパワー半導体素子が短絡しているか否かを判断する短絡判断部と、
   前記検出部によって検出済みの前記消費電流値が第１閾値以上である場合において、前記他方のアームの前記パワー半導体素子が短絡していると判断される場合に、前記一方のアームの前記パワー半導体素子にショート故障が発生していると判断し、前記他方のアームが短絡していると判断されない場合に、前記一方のアームの前記パワー半導体素子にオープン故障が発生していると判断し、前記検出部によって検出済みの前記消費電流値が前記第１閾値より小さい第２閾値以下である場合に、前記一方のアームの前記パワー半導体素子にオープン故障が発生していると判断する故障判断部と、を備える、故障判断装置。

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