JP7238677B2 - 共振インバータ装置 - Google Patents

Description

本発明は、放電負荷に放電を発生させるための共振インバータ装置に関する。

車両に搭載される放電発生装置等の放電負荷に対して、交流電圧を供給するために共振インバータ装置が用いられる。このような共振インバータ装置は、一般に、バッテリ電源からの直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、交流電圧を昇圧して放電負荷へ出力するトランスと、インバータ回路の駆動状態を制御するための制御部とを備えている。制御部は、インバータ回路のスイッチング動作を制御して、容量性の放電負荷とトランスの漏れインダクタンス成分を共振させることにより、放電に必要な高い出力電圧を得ている。

車両用の放電発生装置は、例えば、排ガス通路に設置される排ガス処理装置の一部をなすもので、排ガス処理を効果的に行うために、放電負荷への出力電圧を安定して制御することが求められる。また、経年による劣化等が生じることにより、放電発生装置の電気的特性が変化すると、所望の出力電圧を効率よく得られなくなるおそれがある。そのため、劣化等の異常を早期に検出するための自己診断システムを併設することが求められている。車両搭載装置の自己診断システムに関しては、例えば、特許文献１に、共振回路が構成されたときの出力電圧又は出力電流に基づいて、故障判定を行う電圧変換装置が開示されている。

特許文献１には、車載用モータ駆動装置に用いられる電圧変換装置において、直流電源と、負荷となる交流モータに接続されるインバータとの間に、リアクトル及びスイッチング回路を含む昇圧コンバータと、コンデンサとを配設し、コンデンサとリアクトルを用いて共振回路を構成するように制御する制御手段と、故障判定手段を設けることが提案されている。故障判定手段は、共振回路が構成されたときのコンデンサ電圧、リアクトル電流及び直流電源電圧のいずれかについて、その波形から振動数及びピーク値を検出し、基準値と比較してコンデンサ又はリアクトルの故障を判定する。

特許第０３９９４８８３号公報

特許文献１の故障検出手段は、直流電源に接続される直流回路内の共振回路を対象とするものであり、直流回路への給電時に、直流回路内に構成される共振回路の振動特性に基づいて、共振回路を構成するコンデンサ又はリアクトルの故障を検出するようになっている。このような特許文献１の給電手法を、共振インバータ装置に適用しても、インバータ後段の放電負荷を含めた振動特性を検出することはできず、故障検出もできない。そのため、共振インバータ装置に用いられる放電負荷について、劣化に伴う特性の変化等を検出し、異常検出を可能とする手法の確立が望まれている。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、容量性の放電負荷に対して交流電圧を出力する共振インバータ装置において、放電負荷の劣化等の異常検出を可能として、信頼性の高い共振インバータ装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、
容量性の放電負荷（１０）に対して交流高電圧を供給する共振インバータ装置（１）であって、
直流電圧（Ｖin）を出力する直流電圧電源（Ｂ）と、
複数のスイッチング素子（Ｑ１～Ｑ４）のオンオフ動作により、上記直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路（２）と、
上記交流電圧を昇圧して、上記放電負荷へ出力するトランス（３）と、
上記スイッチング素子をオンオフ動作させるための駆動パルスを生成し、上記インバータ回路の駆動状態を制御する制御部（４）と、を備え、
上記制御部は、上記放電負荷の容量成分（Ｃ）と上記トランスのインダクタンス成分（Ｌ）を含む共振回路（５０）に自由振動を発生させると共に、上記自由振動の固有振動数情報を検出し、上記固有振動数情報の変化に基づいて上記放電負荷の異常を検出する異常検出部（５）を有している、共振インバータ装置にある。

上記構成の共振インバータ装置において、直流電圧電源からインバータ回路へ入力される直流電圧は、複数のスイッチング素子のオンオフ動作により交流電圧に変換され、さらにトランスによって昇圧されて、放電負荷へ出力される。このとき、制御部によって、インバータ回路の駆動状態を適切に制御することで、所望の交流高電圧を放電負荷に供給可能となる。また、制御部に異常検出部を設け、放電負荷の容量成分を含む共振回路に自由振動を与えることで、その固有振動数情報を検出することができる。固有振動数情報は、放電負荷の劣化等によって変化することから、固有振動数情報の変化を用いて異常の有無を判定することができる。

以上のごとく、上記態様によれば、容量性の放電負荷に対して交流電力を出力する共振インバータ装置において、放電負荷の異常検出を行うことが可能な共振インバータ装置を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、共振インバータ装置の全体概略構成図。 実施形態１における、共振インバータ装置の異常検出部による駆動パルスの印加状態を示す概略図。 実施形態１における、共振インバータ装置の異常検出部による駆動パルスの停止状態を示す概略図。 実施形態１における、共振インバータ装置の異常検出部による異常判定動作の概要を示す概略図。 実施形態１における、共振インバータ装置が適用されるオゾナイザの概略構成図及びその部分拡大図。 実施形態１における、共振インバータ装置の制御部による制御の概要を説明するための図で、駆動パルス周波数と出力電力の関係を示す図。 実施形態１における、共振インバータ装置の制御部にて実施されるオゾナイザの放電制御処理のフローチャート図。 実施形態１における、制御部の異常検出部にて実施される異常検出処理のフローチャート図。 実施形態１における、制御部の異常検出部による固有振動数の検出方法の一例を説明するための図。 実施形態１における、制御部の異常検出部による固有振動数の検出方法の他の一例を説明するための図。 試験例１における、制御部の異常検出部による駆動パルスの印加例とトランス一次電流の関係を示す図。 試験例１における、制御部の異常検出部によるトランス一次電流のＦＦＴ解析結果を初期品と劣化想定品とで比較して示す図。 試験例１における、制御部の異常検出部による駆動パルスの逆位相印加例とトランス一次電流の関係を示す図。 試験例１における、制御部の異常検出部による駆動パルスの逆位相印加の有無とトランス一次電流の関係を比較して示す図。 実施形態２における、共振インバータ装置の全体概略構成図。 実施形態１における、制御部の異常検出部にて実施される異常検出処理のフローチャート図。 実施形態３における、共振インバータ装置の全体概略構成図。 実施形態３における、制御部による制御の概要を説明するための図で、駆動パルス周波数と出力電力の関係を示す図。 実施形態３における、制御部にて出力される駆動パルスと出力電力の関係の変化を示す図。 実施形態３における、制御部の制御定数設定部にて実施される電力制御定数調整処理のフローチャート図。

（実施形態１）
共振インバータ装置に係る実施形態１について、図１～図１４を参照して説明する。
図１において、本形態の共振インバータ装置１は、直流電圧を出力する直流電圧電源（以下、適宜、電源と略称する）Ｂと、複数のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ４を有するインバータ回路２と、昇圧用のトランス３と、制御部４とを備えている。共振インバータ装置１は、制御部４によってインバータ回路２を駆動し、容量性の放電負荷１０に対して、交流高電圧を供給する。

具体的には、制御部４は、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４をオンオフ動作させるための駆動パルスを生成し、インバータ回路２の駆動状態を制御する。インバータ回路２は、電源Ｂから出力される直流電圧を、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のオンオフ動作により、交流電圧に変換する。インバータ回路２から出力される交流電圧は、トランス３において昇圧されると共に、共振回路の作用により、所定の交流高電圧（以下、適宜、出力電圧と略称する）として、放電負荷１０へ出力される。これにより、放電負荷１０に放電が発生する。

また、制御部４には、放電負荷１０の異常を検出するための異常検出部５が設けられる。図２～図４に示すように、異常検出部５は、放電負荷１０の容量成分（静電容量Ｃ）とトランス３のインダクタンス成分（漏れインダクタンスＬ）を含む共振回路５０に自由振動を発生させると共に、発生させた自由振動の固有振動数情報を検出し、検出結果から知られる固有振動数情報の変化に基づいて放電負荷１０の異常を検出する。ここで、固有振動数情報とは、固有振動数の検出値又は検出値から導かれる情報を含む。

具体的には、異常検出部５は、自由振動発生部５１と、固有振動数検出部５２と、異常判定部５３と、を備えている。
自由振動発生部５１は、異常判定期間に、まず、インバータ回路２へ異常判定用の駆動パルスを出力し（図２参照）、その後に駆動パルスを停止することで（図３参照）、共振回路５０に自由振動を発生させる。固有振動数検出部５２は、発生させた自由振動から、固有振動数情報として、共振回路５０の固有振動数ｆresを検出する（図４参照）。異常判定部５３は、例えば、検出された固有振動数ｆresの初期状態からの変化に基づいて、放電負荷１０の異常有無を判定することができる。

放電負荷１０は、例えば、車両用放電発生装置を構成することができる。その場合、自由振動発生部５１において、異常判定期間は、車両暖気完了後で、かつ、放電負荷１０の放電停止期間に設定されることが好ましい。これにより、車両用放電発生装置の作動に影響しない期間に、異常検出を実施することができる。

好適には、自由振動発生部５１は、異常判定用の駆動パルスを、放電負荷１０の放電可能範囲外に設定すると共に、異常判定用の駆動パルスを、自由振動を発生可能な短時間の出力後に停止する。
その場合には、自由振動発生部５１は、異常判定用の駆動パルスを出力した後に、逆位相の駆動パルスを同時間出力してから停止することもできる。

好適には、固有振動数検出部５２は、トランス３の一次側又は二次側の電流値を検出し、検出した電流値の単位時間当たりの極性反転回数から、固有振動数ｆresを検出する。
または、固有振動数検出部５２は、トランス３の一次側又は二次側の電流値を検出し、さらに高速フーリエ変換して、得られた周波数波形のピークスペクトルから、固有振動数ｆresを検出することができる。

異常判定部５３は、固有振動数ｆresの初期状態からの変化を示す、固有振動数変化量Δfres、又は、固有振動数変化率fratioを、それぞれの閾値となる第１変化量閾値ＴＨ(Δfres)又は第１変化率閾値ＴＨ(fratio)と比較して、放電負荷１０の異常有無を判定する。
ここで、固有振動数変化量Δfresは、検出した固有振動数ｆresと共振回路５０の初期固有振動数ｆres0との差分値ｆres－ｆres0で表される。また、固有振動数変化率fratioは、検出した固有振動数ｆresと共振回路５０の初期固有振動数ｆres0との比率ｆres／ｆres0とすることができる。

以下、本形態の共振インバータ装置１について、詳述する。
図１において、共振インバータ装置１は、例えば、車載用共振インバータ装置として用いられ、放電負荷１０となる放電リアクタを主要部とするオゾナイザ等に適用される。共振インバータ装置１は、インバータ回路２を駆動して、放電発生装置である放電リアクタに対して、交流高電圧を供給する。オゾナイザは、排ガス処理装置の一部をなし、放電リアクタにて発生させたオゾンを用いて、図示しない車両のエンジンから排ガス通路に排出される排ガスを改質するよう構成される。
オゾナイザの構成については、後述する。

共振インバータ装置１は、例えば、車載用バッテリである電源Ｂの直流電圧を、インバータ回路２に入力して、所定の交流電圧に変換し、トランス３へ供給する。制御部４には、図示しない測定部からの検出信号、例えば、インバータ回路２への入力電圧Ｖinや入力電力Ｐin、トランス３の一次電流Ｉtrans1、二次電流Ｉtrans2等の検出信号が入力されている。制御部４は、これら検出信号と、図示しない外部の制御装置からの指令電力信号（例えば、目標入力電力Ｐref*）に基づいて、インバータ回路２の駆動を制御し、交流電圧をトランス３にて昇圧して、放電負荷１０へ供給する。

インバータ回路２は、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４がフルブリッジ回路を構成している。スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４は、電源Ｂの正極線１１と負極線１２の間に配置され、互いに並列に接続される第１アーム２１と第２アーム２２を形成する。第１アーム２１は、直列接続された一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２からなり、第２アーム２２は、直列接続された一対のスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４からなる。

スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４は、例えば、図示する金属酸化膜型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）や絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等のパワー素子とダイオードとを組み合わせて構成される。ダイオードは、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４に対して逆並列に接続される。

トランス３は、一次コイル３１と二次コイル３２とを磁気結合させた公知の構成を有し、インバータ回路２からの交流電圧を昇圧して、所定の交流高電圧を発生させる。このとき、一次コイル３１の巻線数ｎ１と二次コイル３２の巻線数ｎ２は、ｎ１＜ｎ２に設定され、これらの巻数比に応じた昇圧効果が得られる。また、放電負荷１０の静電容量Ｃと、二次側の漏れインダクタンスＬとにより共振回路５０が構成されており、二次コイル３２を流れる二次電流Ｉtrans2は、静電容量Ｃと漏れインダクタンスＬとによって決定される固有振動数（共振周波数）ｆres（＝１／２π√ＬＣ）で共振する。そのため、トランス３の巻数比による昇圧効果と、共振による昇圧効果とが重畳し、高い二次電圧Ｖtrans2が発生する。

インバータ回路２の各スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のゲートには、所定のタイミングで、制御部４から所定の駆動パルスが入力されて、そのオンオフ動作が制御される。制御部４には、インバータ回路２を構成する複数のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ４の駆動パルスを生成するパルス生成部４１と、生成される駆動パルスによるスイッチング周波数（以下、駆動パルス周波数と略称する）ｆやデューティ等により駆動パルスの状態を設定する駆動パルス設定部４２が設けられる。

パルス生成部４１は、駆動パルス設定部４２にて設定される駆動パルス周波数ｆと、デューティに基づいて、ＰＷＭ（すなわち、Pulse Width Modulation；パルス幅変調）信号を生成する。駆動パルス設定部４２には、インバータ回路２への入力電力Ｐinの検出信号が入力されると共に、その目標値である目標入力電力Ｐref*の指令信号が入力されており、入力電力Ｐinが目標入力電力Ｐref*に近づくように、駆動パルス周波数ｆの設定値をフィードバック制御する。

なお、フィードバック制御では、例えば、予め設定された電力制御定数である変化幅Δｆを用いる。このとき、入力電力Ｐinと目標入力電力Ｐref*の大小関係に応じて、変化幅Δｆを加算又は減算することにより、駆動パルス周波数ｆの設定値を更新することができる。また、目標入力電力Ｐref*は、放電負荷１０の要求電力に基づく目標出力電力Ｐo*にインバータ回路２における電力損失を加算し、あるいは、目標出力電力Ｐo*をインバータ回路２の回路効率で除算することにより算出することができる。

また、入力電力Ｐinと目標入力電力Ｐrefの大小関係の判定には、予め設定された電力制御定数であるヒステリシスＨｙｓが用いられる。例えば、入力電力Ｐinが、目標入力電力Ｐref*を中心とする所定の範囲（すなわち、Ｐref*±Ｈｙｓ）内にあるときには、入力電力Ｐinが目標入力電力Ｐrefとがほぼ等しいと判断して、駆動パルス周波数ｆの設定値を更新しない。

また、駆動パルス設定部４２には、インバータ回路２への入力電圧Ｖinの検出信号が入力されており、入力電圧Ｖinの変化に応じて、駆動パルスのデューティを変化させる。具体的には、デューティ制御マップ等に基づいて、例えば、入力電圧Ｖinが大きくなるほどデューティが小さくなるようにデューティを設定し、フィードフォワード制御を行うことができる。

第１アーム２１のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２と第２アーム２２のスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４とは、同じ駆動パルス周波数ｆ、同じデューティで駆動される。デューティは、１つの制御周期におけるオン期間の比率（すなわち、オン期間／オン期間＋オフ期間）であり、一定値（例えば、デューティ＝０．５）とする。第１アーム２１の２つのスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、第２アーム２２の２つのスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４は、それぞれ一方がオンのとき他方がオフとなるようになっている。

このとき、制御部４は、１つの制御周期において、第１アーム２１と第２アーム２２とを交互にオンオフすると共に、各アーム２１、２２の一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２又は一対のスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４について、それぞれ、その一方がオンであるときに他方がオフとなるように駆動パルスを生成する。
なお、一次コイル３１の正極端子には、第２アーム２２の中点が接続され、負極端子には、第１アーム２１の中点が接続される。これにより、第１アーム２１と第２アーム２２を交互にスイッチング動作させることで、一次コイル３１に逆方向の電流が流れる。

図５に示すように、放電リアクタ１００は、一般に、対向する電極１０１、１０２間に、排ガスＧが導入される流路を形成して、放電部１０３としている。放電部１０３を挟んで対向する電極１０１、１０２の表面には、セラミックスからなる誘電体バリア層１０４、１０５が配設される。このとき、対向する電極１０１、１０２間に、共振インバータ装置１から交流高電圧が印加されることで、放電部１０３に誘電体バリア放電が生起し、流路を通過する酸素分子から酸素ラジカルが生成すると、さらに他の酸素分子と反応してオゾンが生成される。

ここで、図６に放電特性の一例を示すように、共振インバータ装置１からの出力電力は、駆動パルス周波数ｆに応じて変化する。通常動作時には、駆動パルス周波数ｆは、出力電力がオゾナイザの放電可能領域、すなわち、放電開始閾値以上となる範囲で、所望の出力電力が得られるように設定される。一方、放電リアクタ１００の誘電体バリア層１０４、１０５に、経年による劣化が生じると、電極１０１、１０２間の静電容量が変化して、放電特性が変化する。その場合には、駆動パルス周波数ｆに対応する出力電力にずれが生じることで、オゾナイザによるオゾン生成やオゾンによる排ガス処理能力に影響するおそれがある。

そこで、制御部４には、このような放電特性の変化を検出可能とするために、異常検出部５が設けられる。異常検出部５は、自由振動発生部５１と、固有振動数検出部５２と、異常判定部５３とを備えており、共振回路５０に自由振動を発生させたときの固有振動数ｆresから、放電負荷１０の劣化等の異常を検出する。具体的には、自由振動発生部５１は、所定の異常検出期間に、パルス生成部４１から異常判定用の駆動パルスを出力させ、インバータ回路２を所定の短時間駆動して、停止する。これにより、共振回路５０に自由振動を発生させることができ、固有振動数検出部５２によって、共振回路５０に発生する自由振動の固有振動数ｆresを検出する。さらに、異常判定部５３において、初期状態からの変化量を所定の閾値と比較することで、異常の有無を判定することができる。

次に、図７、図８に示すフローチャートを用いて、制御部４にて実施されるオゾナイザの放電制御処理と、異常検出部５にて実施される異常検出処理のより具体的な手順を説明する。図７のステップＳ３は、異常検出処理としての放電負荷１０の劣化判定処理に相当し、図８のステップＳ１０２は、自由振動発生部５１に相当する。また、ステップＳ１０３～Ｓ１０６は、固有振動数検出部５２に相当し、ステップＳ１０７～Ｓ１１０は、異常判定部５３に相当する。図７のステップＳ２と図８のステップＳ１０１は、異常判定期間の判定のためのものである。

図７のオゾナイザの放電制御処理は、車両エンジンの始動によって開始され、まず、ステップＳ１において、オゾナイザ放電のためにインバータ回路２が駆動され、オゾナイザへの出力電圧が制御される。上述したように、オゾナイザの放電は、駆動パルス生成部４１から駆動パルスが出力され、インバータ回路２の第１アーム２１と第２アーム２２が交互にスイッチング動作されることによって実施される。駆動パルス周波数ｆやデューティは、駆動パルス設定部４２にて設定され、入力電力Ｐinや入力電圧Ｖinに応じて、駆動パルスが生成される。

その際、上記図６に示したように、駆動パルス周波数ｆを適切に設定することで、インバータ回路２からオゾナイザへの出力電力が、放電開始閾値以上の放電可能領域となる。放電開始閾値は、放電負荷１０において放電を発生させるための最低限の電力であり、放電可能領域において、共振点に近づくほど、出力電力が高くなる。駆動パルス設定部４２では、この関係に基づいて、所望の出力電力が得られるように、駆動パルス周波数ｆを設定する。

ここで、上述したように、駆動パルス設定部４２には、駆動パルス周波数ｆを設定するための電力制御定数として、変化幅ΔｆやヒステリシスＨｙｓが記憶されている、これにより、入力電力Ｐinが、目標入力電力Ｐref*にヒステリシスＨｙｓを考慮した範囲を外れたときに、入力電力Ｐinと目標入力電力Ｐref*との差が小さくなるように、変化幅Δｆを加減算して、駆動パルス周波数ｆの設定値を更新する。

目標出力電力Ｐo*が、放電開始閾値よりも低い場合には、インバータ回路２を連続駆動させる連続モードに代えて、間欠モードとすることもできる。間欠モードでは、インバータ回路２を駆動して放電負荷１０に放電を発生させる放電期間Ｔdisと、インバータ回路２を駆動せず放電負荷１０に放電を発生させない停止期間Ｔstopとを交互に行い、インバータ回路２を間欠駆動させる。その場合、間欠率（Ｔdis／Ｔburst）は、放電開始閾値に対する目標入力電力Ｐref^*の比率となり、放電期間Ｔdisの出力電力が、放電開始閾値となるようにスイッチング動作が制御される。

ついで、ステップＳ２へ進み、オゾナイザの動作を停止可能か否かを判定する。具体的には、排ガス処理装置においてオゾナイザに併設される触媒温度が、所定の活性温度（例えば、２００℃）以上となったか否か（すなわち、触媒温度≧２００℃？）を判定する。あるいは、車両エンジンが停止されたか否か（すなわち、エンジン停止？）を判定する。

一般に、排ガス処理装置に用いられるオゾナイザは、エンジン始動直後の低温時において、排ガスを処理可能とするためのものであり、排ガス処理用の主触媒の活性温度以上では停止することができる。また、エンジン始動直後に、何らかの理由でエンジンが停止された場合も、排ガス処理が不要となるので、同様に、オゾナイザを停止することができる。

ステップＳ２が否定判定された場合には、ステップＳ１へ戻り、オゾナイザの放電のための駆動パルスの出力を継続する。これを、ステップＳ２が肯定判定されるまで繰り返す。ステップＳ２が肯定判定された場合には、異常判定期間の判定条件の１つである、オゾナイザの放電停止状態が継続されると判断して、ステップＳ３へ進み、異常検出部５による放電負荷劣化判定処理を実施する。その後、ステップＳ４へ進み、インバータ回路２の駆動を停止して、オゾナイザの駆動を完全に停止し、本処理を終了する。

図８に示すように、放電負荷劣化判定処理は、放電負荷１０である放電リアクタの劣化による異常の有無を判定するための処理である。まず、ステップＳ１０１において、異常判定期間のもう１つの判定条件として、車両エンジンの暖気の完了後であるか否か（すなわち、暖気完了？）を判定する。暖気完了の判定方法としては、例えば、エンジン冷却水温が暖気後に相当する所定温度（例えば、８０℃）以上となったか否かに基づいて、暖気完了を判定することができる。

ステップＳ１０１は、所定の異常判定期間、すなわち、車両暖気完了後で、かつ、放電負荷１０が放電停止状態にあるか否かを判定するためのステップであり、ステップＳ１０１が肯定判定された場合には、ステップＳ１０２へ進む。ステップＳ１０１が否定判定された場合には、異常判定期間の条件を満足せず、放電負荷劣化判定処理に適した状態にないと判断されるので、本処理を終了する。

ステップＳ１０１が肯定判定され、放電負荷劣化判定処理に適した状態と判断された場合には、ステップＳ１０２において、インバータ回路２に異常判定用の駆動パルスを出力して、共振回路５０に自由振動を発生させる。異常判定用の駆動パルスは、好適には、駆動パルス周波数ｆが、上記図６に示した放電開始閾値未満の放電不可領域となるように設定される。異常判定時には、オゾナイザの駆動によるオゾン生成の必要がないので、出力電力を低減して放電しないようにし、電力損失を抑制することができる。

図２に示すように、具体的には、放電不可領域となる駆動パルス（例えば、８０ｋＨｚ）を短時間発信出力した後、図３に示すように、駆動パルスの出力を停止する。これにより、共振回路５０の固有振動数ｆresに基づく自由振動が発生する。
駆動パルスの出力時間は、駆動パルスの停止時に自由振動を発生可能な範囲であればよく、できるだけ短時間とすることで、異常検出に要する時間を短縮し、不要な電力消費を抑制することができる。

次いで、ステップＳ１０３へ進み、共振回路５０に発生させた自由振動の固有振動数ｆresを検出するために、自由振動によりトランス３を流れる電流値を入力する。
図４に示すように、共振回路５０の固有振動数ｆresは、駆動パルスの停止後にトランス３を流れる電流波形の周波数として表されるので、例えば、一次コイル３１を流れる一次電流Ｉtrans1を測定することで、以降のステップにて、固有振動数ｆresを算出可能となる。トランス３を流れる電流値として、二次コイル３２を流れる二次電流Ｉtrans2の測定値を用いることもできる。

続くステップＳ１０４では、固有振動数ｆresの検出が初回か否かを判定する（すなわち、固有振動数検出初回？）。このステップは、共振インバータ装置１０の初期状態における基準固有振動数ｆres0を設定するためのものであり、ステップＳ１０４が肯定判定された場合には、ステップＳ１０５へ進んで、基準固有振動数ｆres0を演算する。ステップＳ１０４が、否定判定された場合には、ステップＳ１０６へ進んで、固有振動数ｆresを演算する。

ステップＳ１０４において、固有振動数ｆresの検出が初回であった場合には、放電負荷１０の使用開始直後であり、劣化していない初期状態とみなせるので、この状態における固有振動数ｆresを演算して、基準固有振動数ｆres0に設定することができる。これにより、予め測定等を行って基準固有振動数ｆres0を設定し、制御部４に記憶させておく必要がなくなる。

ステップＳ１０５における基準固有振動数ｆres0の演算方法と、ステップＳ１０６における固有振動数ｆresの演算方法について、説明する。
図９に示すように、検出される一次電流Ｉtrans1の波形は、一定周期で極性が正から負へ切り替わるので、所定の単位時間ｔsect当たりの極性反転回数Ｎをカウントして、図中に示す（１）式から、固有振動数ｆres（＝Ｎ／２ｔsect）を算出することができる。
このとき、ステップＳ１０５とステップＳ１０６における演算方法は同じであり、ステップＳ１０５であれば、算出された固有振動数ｆres＝基準固有振動数ｆres0となる。

あるいは、図１０に示すように、検出される一次電流Ｉtrans1の電流波形値の離散データｆ（ｘ）を、図中に示す（２）式を用いて、高速フーリエ変換（ＦＦＴ；Fast Fourier Transform）することもできる。その場合には、図中に（３）式として示すように、得られた周波数解析データＦ（ｔ）のピークから、固有振動数ｆres又は基準固有振動数ｆres0を算出することもできる。

ステップＳ１０５に進んだ場合には、算出された基準固有振動数ｆres0を、制御部４の記憶領域に記憶した後、本処理を終了する。この基準固有振動数ｆres0は、次回以降の放電負荷劣化判定処理において、後述するステップ１０７における劣化判定に用いられる。
ステップＳ１０６に進んだ場合には、固有振動数ｆresを算出した後、ステップＳ１０７へ進む。

ステップＳ１０７では、ステップＳ１０６にて算出された固有振動数ｆresと、記憶された基準固有振動数ｆres0とから、固有振動数変化量Δfres、又は、固有振動数変化率fratioを演算する。固有振動数変化量Δfresは、固有振動数ｆresと基準固有振動数ｆres0の差分値であり、下記式で表される。
Δfres＝ｆres－ｆres0
また、固有振動数変化率fratioは、固有振動数ｆresと基準固有振動数ｆres0との比率であり、下記式で表される。
fratio＝ｆres／ｆres0

ステップＳ１０８では、ステップＳ１０７にて算出された固有振動数変化量Δfresを、第１変化量閾値ＴＨ(Δfres)と比較し、下記式の範囲にあるか否かを判定する。
－ＴＨ(Δfres)＜Δfres＜ＴＨ(Δfres)
あるいは、固有振動数変化率fratioを、第１変化率閾値ＴＨ(fratio)の下限値ＴＨ(fratio1)及び上限値ＴＨ(fratio2)と比較し、下記式の範囲にあるか否かを判定する。
ＴＨ(fratio1)＜fratio＜ＴＨ(fratio2)
第１変化量閾値ＴＨ(Δfres)、又は、第１変化率閾値ＴＨ(fratio)は、異常判定のための基準値となるもので、予め試験等を行って正常と異常とを判別可能な値に設定されている。

ステップＳ１０８が肯定判定された場合には、ステップＳ１０９へ進んで「正常」判定を行う。例えば、第１変化量閾値ＴＨ(Δfres)が３００Ｈｚであるとき、固有振動数変化量Δfresが２００Ｈｚであれば、
－ＴＨ(Δfres)＝－３００＜Δfres＝２００＜ＴＨ(Δfres)＝３００
の関係にあり、ステップＳ１０８が肯定判定されて、「正常」と判定される。その場合には、ステップＳ１０９の後、本処理を終了する。

一方、ステップＳ１０８が否定判定された場合には、ステップＳ１１０へ進んで「異常」判定を行う。例えば、第１変化率閾値ＴＨ(fratio)の下限値ＴＨ(fratio1)が０．９５、上限値ＴＨ(fratio2)が１．０５であるとき、固有振動数変化率fratioが１．１であれば、
ＴＨ(fratio1)＝０．９５＜fratio＝１．１
fratio＝１．１＞ＴＨ(fratio2)＝１．０５
の関係にあり、ステップＳ１０８は否定判定されて、「劣化」と判定される。その場合には、ステップＳ１１０に続いて、ステップＳ１１１へ進み、運転者への警告信号として、放電負荷劣化判定信号を外部へ出力する。その後、本処理を終了する。

このように、本形態の共振インバータ装置１によれば、制御部４が異常検出部５を備えることで、固有振動数ｆresの検出結果に基づいて、放電負荷１０の劣化を速やかに判定することができる。したがって、例えば、車両用放電発生装置の自己診断装置として、オゾサイザ等に適用され、警告灯の点灯等により、運転者へ警告可能とする。

（試験例１）
実施形態１の共振インバータ装置１を放電リアクタに適用したオゾナイザを試作し、制御部４の異常検出部５による放電負荷１０の劣化判定動作を実機検証した。図１１は、異常検出期間にインバータ回路２の第１アーム２１に印加されるゲート電圧（図１１の上図参照）と、トランス３の一次電流Ｉtrans1（図１１の下図参照）の波形を示しており、駆動パルスをオンとした後、オフとすることで、一次電流Ｉtrans1に自由振動が発生している。

このとき、初期品に対して、放電負荷１０の静電容量Ｃを増加させた劣化想定品を用意し、それぞれについて、発生した自由振動の固有振動数ｆresを算出した。いずれも、異常判定用の駆動パルスは、放電を発生しない放電不可領域の駆動パルス周波数ｆ（例えば、８０ｋＨｚ）に設定されており、所定の短時間（例えば、２ｍｓ程度）のオン後に、オフされる。第１アーム２１のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２に印加されるゲート電圧Ｖgate1、Ｖgate2は、互いに逆位相となっている。

図１２に示すように、駆動パルスの停止により発生する自由振動の固有振動数ｆresを、上述したＦＦＴ変換を用いて周波数解析したところ、初期品の固有振動数ｆresは、５６．６ｋＨｚであった。これに対して、劣化想定品の固有振動数ｆresは、５６．０ｋＨｚとなった。

このように、本形態の異常検出部５により、容量性の放電負荷１０を含む共振回路５０に自由振動を発生させて、固有振動数ｆresを算出することができる。そして、図１３に示すように、固有振動数ｆresの変化から静電容量Ｃの変化、すなわち、放電負荷１０の劣化を判定可能であることが確認された。

また、図１３に示すように、所定の異常判定期間において、所定の短時間を二分して、逆位相の駆動パルスを印加することもできる。具体的には、二分された前半時間（例えば、１ｍｓ程度）の駆動パルスの印加後、後半の同時間（例えば、１ｍｓ程度）において、第１アーム２１のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２に印加されるゲート電圧Ｖgate1、Ｖgate2を、それぞれ逆位相となるように変更する。

図１４の上図に示すように、インバータ回路２において、例えば、第１アーム２１のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２(又は第２アーム２２のスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４)にスイッチング特性のばらつきがあると、駆動パルスを停止して自由振動を発生させたときに、検出される一次電流Ｉtrans1の偏りが生じる場合がある。その場合には、一次電流Ｉtrans1が０Ａに収束しないために、損失が増加するおそれがある。

これに対して、図１４の下図に示すように、所定の短時間において、前後半で逆位相の駆動パルスを印加後に停止した場合には、検出される一次電流Ｉtrans1の偏りが抑制され、速やかに０Ａに収束することにより、損失を抑制することができる。

（実施形態２）
共振インバータ装置に係る実施形態２について、図１５～図１６を参照して説明する。
上記実施形態１では、異常検出部５の固有振動数検出部５２は、トランス３の一次電流Ｉtrans1又は二次電流Ｉtrans2から固有振動数ｆresを検出しているが、本形態では、二次電圧Ｖtrans2とｆ－Ｖコンバータ７を用いて、固有振動数ｆresを検出している。また、異常判定部５３において、固有振動数情報として、固有振動数ｆresから導かれる静電容量Ｃに基づいて、放電負荷劣化判定を行うこともできる。
なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

図１５において、共振インバータ装置１の基本構成は、上記実施形態１と同様であり、以下、相違点を中心に説明する。本形態においても、制御部４には、パルス生成部４１と、駆動パルス設定部４２と、異常検出部５が設けられ、異常検出部５は、自由振動発生部５１と、固有振動数検出部５２と、異常判定部５３と、を備えている。ここで、固有振動数検出部５２には、ｆ－Ｖコンバータ７が接続され、ｆ－Ｖコンバータ７には、トランス３の二次コイル３２側に設けられる電圧検出部６から、二次電圧Ｖtrans2が入力されるようになっている。ｆ－Ｖコンバータ７は、検出された二次電圧Ｖtrans2を、周波数ｆｖに変換して、固有振動数ｆresを検出する。

また、異常判定部５３において、検出した固有振動数ｆresに対応する放電負荷１０の静電容量Ｃを算出し、所定の閾値と比較して異常判定を行うこともできる。制御部４によるインバータ回路２の基本制御や、異常検出部５の基本動作は、上記実施形態１と同様であり、説明を省略する。

次に、図１６に示すフローチャートを用いて、異常検出部５にて実施される異常検出処理の手順を説明する。図１６のステップＳ２０１～２０４は、図８のステップＳ１０１～１０４に相当するものであり、説明を簡略にする。
図１６のステップＳ２０１では、車両エンジンの暖気の完了後であるか否か（すなわち、暖気完了？）を判定し、肯定判定された場合には、ステップＳ２０２へ進む。ステップＳ２０１が否定判定された場合には、本処理を終了する。

ステップＳ２０２では、インバータ回路２に異常判定用の駆動パルスを短時間出力して停止し、共振回路５０に自由振動を発生させる。次いで、ステップＳ２０３へ進み、発生した自由振動の固有振動数ｆresとして、ｆ－Ｖコンバータ７にて変換された周波数ｆｖを入力する。周波数ｆｖは、ｆ－Ｖコンバータ７に入力されるトランス３の二次側に発生する二次電圧Ｖtrans2を、周波数変換した波形から導かれる値であり、固有振動数ｆresに相当する。

続くステップＳ２０４では、固有振動数ｆresの検出が初回か否かを判定し、肯定判定された場合には、ステップＳ２０５へ進んで、放電負荷１０の基準静電容量Ｃ0を演算する。ステップＳ２０４が、否定判定された場合には、ステップＳ２０６へ進んで、静電容量Ｃを演算する。静電容量Ｃ0に基づいて判定を行う場合も、同様に、初回の演算結果を用いて基準静電容量Ｃ0を設定することができる。

ステップＳ２０５における基準静電容量Ｃ0の演算方法と、ステップＳ２０６における放電負荷１０の静電容量Ｃの演算方法について、説明する。
共振回路５０において、固有振動数ｆresと、放電負荷１０の静電容量Ｃと、トランス３の二次側の漏れインダクタンスＬとは、下記式で表される関係にある（図１６中に示す（４）式）。
Ｃ＝１／[Ｌ・（２πｆres）²]
このとき、ｆ－ｖコンバータ７で検出される固有振動数ｆresから、静電容量Ｃを演算することができる。

ステップＳ２０５に進んだ場合には、算出された静電容量Ｃを、初期状態における基準静電容量Ｃ0として、制御部４の記憶領域に記憶した後、本処理を終了する。この基準静電容量Ｃ0は、次回以降の放電負荷劣化判定処理において、後述するステップ２０７における劣化判定に用いられる。
ステップＳ２０６に進んだ場合には、静電容量Ｃを算出した後、ステップＳ２０７へ進む。

ステップＳ２０７では、ステップＳ２０６にて算出された静電容量Ｃと、記憶された基準静電容量Ｃ0とから、静電容量変化量ΔＣ、又は、静電容量変化率Ｃratioを演算する。静電容量変化量ΔＣは、静電容量Ｃと基準静電容量Ｃ0の差分値であり、下記式で表される。
ΔＣ＝Ｃ－Ｃ0
また、静電容量変化率Ｃratioは、静電容量Ｃと基準静電容量Ｃ0との比率であり、下記式で表される。
Ｃratio＝Ｃ／Ｃ0

ステップＳ２０８では、ステップＳ２０７にて算出された静電容量変化量ΔＣを、第２変化量閾値ＴＨ(ΔＣ)と比較し、下記式の範囲にあるか否かを判定する。
－ＴＨ(ΔＣ)＜ΔＣ＜ＴＨ(ΔＣ)
あるいは、静電容量変化率Ｃratioを、第２変化率閾値ＴＨ(Ｃratio)の下限値ＴＨ(Ｃratio1)及び上限値ＴＨ(Ｃratio2)と比較して、下記式の範囲にあるか否かを判定する。
ＴＨ(Ｃratio1)＜Ｃratio＜ＴＨ(Ｃratio2)
第２変化量閾値ＴＨ(ΔＣ)、又は、第２変化率閾値ＴＨ(Ｃratio)は、異常判定のための基準値となるもので、予め試験等を行って正常と異常とを判別可能な値に設定される。

ステップＳ２０８が肯定判定された場合には、ステップＳ２０９へ進んで「正常」判定を行った後、本処理を終了する。
一方、ステップＳ２０８が否定判定された場合には、ステップＳ２１０へ進んで「異常」判定を行う。さらに、ステップＳ２１１へ進み、放電負荷劣化判定信号を外部へ出力した後、本処理を終了する。

（実施形態３）
共振インバータ装置に係る実施形態３について、図１７～図２０を参照して説明する。
図１７に示すように、本形態の共振インバータ装置１は、上記実施形態１の基本構成において、駆動パルス設定部４２に制御定数設定部４３を設けて、予め記憶されている制御定数の設定値を変更可能としている。共振インバータ装置１のその他の構成、制御部４のパルス生成部４１、異常検出部５の構成及び基本動作は、上記実施形態１と同様であり、説明を省略する。

駆動パルス設定部４２では、図１８に示すように、放電負荷１０へ供給される出力電力の周波数特性に基づいて、駆動パルス周波数ｆがフィードバック制御される。そのために、制御定数設定部４３には、電力制御定数である変化幅Δｆ及びヒステリシスＨｙｓが予め設定されており、検出される入力電力Ｐin（例えば、図１８中に示す現在の電力Ｐ１、前回の電力Ｐ０）が、目標入力電力Ｐref*±Ｈｙｓの範囲外にあるときに、目標入力電力Ｐref*に近づくように、変化幅Δｆが加減算される。

このように、目標入力電力Ｐref*と入力電力Ｐinに応じて、駆動パルス周波数ｆが更新されることで、所望の出力電力が放電負荷１０に供給されるように、駆動パルス生成部４１から出力される駆動パルスが制御される。一方、図１９に示すように、出力電力の周波数特性は、経年等により変化する。その場合には、予め設定された変化幅Δｆに対して、変化前の電力変動幅ΔＷａと変化後の電力変動幅ΔＷｂの大きさが一致しなくなる（例えば、ΔＷｂ＞ΔＷａ）。ヒステリシスＨｙｓについても同様であり、目標入力電力Ｐref*±Ｈｙｓが適正な範囲から外れるおそれがある。

そこで、図２０にフローチャートを示すように、制御定数設定部４３において、電力制御定数調整処理を実施し、変化幅ΔｆやヒステリシスＨｙｓを調整することができる。また、周波数特性の変化を示す指標として、上記図８に示した異常検出処理にて演算される固有振動数変化量Δfresや固有振動数変化率fratioを用いることができる。具体的には、ステップ３０１において、演算した固有振動数変化量Δfres又は固有振動数変化率fratioを入力し、ステップ３０２において、これら演算値から知られる変化の大きさに基づいて、変化幅ΔｆやヒステリシスＨｙｓを補正し、ステップ３０３において、変化幅ΔｆやヒステリシスＨｙｓを更新することができる。

このとき、固有振動数ｆresの初期状態からの変化を示す値である、固有振動数変化量Δfres又は固有振動数変化率fratioに代えて、静電容量Ｃの初期状態からの変化を示す値、具体的には、上記図１６に示した異常検出処理にて演算される静電容量変化量ΔＣや静電容量変化率Ｃratioを用いることもできる。
このようにして、更新された変化幅ΔｆやヒステリシスＨｙｓを用いて、次回以降の制御を行うことで、共振インバータ装置１から放電負荷１０へ供給される出力電力の制御精度や応答性を向上させることができる。

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。例えば、上記各実施形態に示した共振インバータ装置１において、電源Ｂとインバータ回路２の間に、平滑化のためのフィルタコンデンサを配置することもできる。また、インバータ回路２やトランス３その他の構成は、上記各形態に記載したものに限らず、他の構成を採用してもよい。上記各実施形態では、共振インバータ装置１を車両に搭載したが、本発明はこれに限るものではなく、車両搭載用以外の用途に用いてももちろんよい。

Ｂ 直流電圧電源
１ 共振インバータ装置
１０ 放電負荷
２ インバータ回路
３ トランス
４ 制御部
５ 異常検出部
５１ 自由振動発生部
５２ 固有振動数検出部
５３ 異常判定部

Claims (10)

1. 容量性の放電負荷（１０）に対して交流高電圧を供給する共振インバータ装置（１）であって、
   直流電圧（Ｖin）を出力する直流電圧電源（Ｂ）と、
   複数のスイッチング素子（Ｑ１～Ｑ４）のオンオフ動作により、上記直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路（２）と、
   上記交流電圧を昇圧して、上記放電負荷へ出力するトランス（３）と、
   上記スイッチング素子をオンオフ動作させるための駆動パルスを生成し、上記インバータ回路の駆動状態を制御する制御部（４）と、を備え、
   上記制御部は、上記放電負荷の容量成分（Ｃ）と上記トランスのインダクタンス成分（Ｌ）を含む共振回路（５０）に自由振動を発生させると共に、上記自由振動の固有振動数情報を検出し、上記固有振動数情報の変化に基づいて上記放電負荷の異常を検出する異常検出部（５）を有している、共振インバータ装置。
2. 上記異常検出部は、
   異常判定期間に、上記インバータ回路へ異常判定用の上記駆動パルスを出力した後に停止して、上記共振回路に上記自由振動を発生させる自由振動発生部（５１）と、
   上記共振回路の固有振動数ｆresを検出する固有振動数検出部（５２）と、
   上記固有振動数ｆresの初期状態からの変化、又は、上記固有振動数ｆresから算出される上記放電負荷の静電容量Ｃの初期状態からの変化に基づいて、上記放電負荷の異常有無を判定する異常判定部（５３）と、を備えている、請求項１に記載の共振インバータ装置。
3. 上記自由振動発生部は、異常判定用の上記駆動パルスを、上記放電負荷の放電可能領域外に設定すると共に、異常判定用の上記駆動パルスを、上記自由振動を発生可能な短時間の出力後に停止する、請求項２に記載の共振インバータ装置。
4. 上記自由振動発生部は、異常判定用の上記駆動パルスを出力した後に、逆位相の上記駆動パルスを同時間出力してから停止する、請求項３に記載の共振インバータ装置。
5. 上記固有振動数検出部は、上記トランスの一次側又は二次側の電流値を検出し、検出した電流値の単位時間当たりの極性反転回数から、上記固有振動数ｆresを検出する、請求項２～４のいずれか１項に記載の共振インバータ装置。
6. 上記固有振動数検出部は、上記トランスの一次側又は二次側の電流値を検出し、高速フーリエ変換した周波数波形のピークスペクトルから上記固有振動数ｆresを検出し、又は、上記トランスの二次側の電圧値を検出し、ｆ－Ｖコンバータにより周波数変換した波形から上記固有振動数ｆresを検出する、請求項２～４のいずれか１項に記載の共振インバータ装置。
7. 上記異常判定部は、上記固有振動数ｆresと上記共振回路の初期固有振動数ｆres0との差分値ｆres－ｆres0を、固有振動数変化量Δfresとし、又は、上記固有振動数ｆresと上記初期固有振動数ｆres0との比率ｆres／ｆres0を、固有振動数変化率fratioとして、
   上記固有振動数変化量Δfres又は上記固有振動数変化率fratioを、第１変化量閾値ＴＨ(Δfres)又は第１変化率閾値ＴＨ(fratio)と比較して、上記放電負荷の異常有無を判定する、請求項２～６のいずれか１項に記載の共振インバータ装置。
8. 上記異常判定部は、上記固有振動数ｆresと上記トランスの二次側の漏れインダクタンスＬを用いて、上記静電容量Ｃを算出し、
   上記静電容量Ｃと上記共振回路の初期静電容量Ｃ0との差分値Ｃ－Ｃ0を、静電容量変化量ΔＣとし、又は、上記静電容量Ｃと上記初期静電容量Ｃ0との比率Ｃ／Ｃ0を、静電容量変化率Ｃratioとして、
   上記静電容量変化量ΔＣ又は上記静電容量変化率Ｃratioを、第２変化量閾値ＴＨ(ΔＣ)又は第２変化率閾値ＴＨ(Ｃratio)と比較して、上記放電負荷の異常有無を判定する、請求項２～６のいずれか１項に記載の共振インバータ装置。
9. 上記制御部は、上記駆動パルスを生成するパルス生成部（４１）と、上記駆動パルスの状態を設定する駆動パルス設定部（４２）を備えており、上記駆動パルス設定部は、上記固有振動数ｆresの初期状態からの変化、又は、上記静電容量Ｃの初期状態からの変化に基づいて、電力制御定数（Δｆ、Ｈｙｓ）の設定値を調整する制御定数設定部（４３）を備える、請求項７又は８に記載の共振インバータ装置。
10. 上記放電負荷は、車両用放電発生装置を構成しており、
    上記異常判定期間は、車両暖気完了後で、かつ、上記放電負荷の放電停止時に設定される、請求項２～９のいずれか１項に記載の共振インバータ装置。

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