JP7395032B2 - 開回路障害の自己診断方法、コンピューター化探査システム、及びモジュラーインバーター - Google Patents

Description

本開示は、モジュラー汎用インバーターの開回路自己診断方法に関する。

インバーターは、多くの用途においてＡＣモーターに電力供給するのに使用される。インバーター内の半導体スイッチのうちの１つの開回路障害が、インバーター動作の崩壊を引き起こす。これは、開回路障害を有するインバーター回路の部分によって生成される相の出力電流波形の歪みに反映する。さらに、これは、モータートルクの部分的損失を引き起こすことになり、インバーター及びモーターを備えるシステムの二次故障を引き起こす可能性がある。

インバーター内の１つのスイッチの開回路障害は、見てすぐ分かるものではない。なぜならば、障害のあるインバーターによって電力供給を受けるモーターは、性能が低下するものの、引き続き動作し続けるからである。したがって、開回路障害の検出、識別及び位置特定を行うには、専用の開回路診断方法が必要である。いくつかの開回路診断方法が既に開発されている。それらの方法のほとんどは、いずれにしても制御目的で測定されるインバーターのレグにおける出力電流の測定に基づいている。それらの方法は、開回路障害を有するインバーターの出力電流がもはや対称でないことを利用する。いくつかの他の診断方法は、追加の専用回路及び／又は追加のセンサーを必要とし、したがって、コスト重視の用途には適していない。

従来の多相インバーターの代わりに、モジュラーアーキテクチャを有する汎用インバーター（ＧＰＩ：Ｇｅｎｅｒａｌ Ｐｕｒｐｏｓｅ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ）等のモジュラーインバーターを利用することができる。モジュラーアーキテクチャは、ＧＰＩの一般的なフォールトトレランスを改善し、障害のあるブロックを取り替えることによって簡単な修理を可能にする。モジュラーＧＰＩでは、各相レグは、複数の並列接続されたハーフブリッジから構成される。各ハーフブリッジは、上側スイッチ及び下側スイッチを備え、障害の場合に取り替えることができる１つのインバーターブロックを形成する。したがって、障害の検出及び識別に加えて、障害のあるブロックの位置特定も必要である。明らかに、任意の数のパワーダイを統合するパワーモジュールが、モジュール性及びそれらの取り替えを容易にする場合には、それらのパワーモジュールの任意の組み合わせがインバーターブロックを形成することができる。

モジュラーインバーターの１つのブロック内の開回路障害は、インバーターの機能の崩壊をもたらさない。正常な出力電流波形／電圧が、障害のあるブロックに並列に接続された他の機能しているブロックによって引き続き維持される。電流の対称性は失われていないので、電流対称性に基づく従来技術の開回路診断方法は、モジュラーインバーターには適用することができない。限定的な開回路障害がインバーター機能にすぐさま影響を与えることはなく、限定的な障害は、モータートルクが失われていないので、少なくとも１つの健全なブロックが各相レグに存在することを意味する。しかしながら、開回路障害は、引き継いでいるブロックの過負荷をもたらす場合があり、その結果、二次故障をもたらす場合がある。したがって、モジュラーインバーターについても、開回路診断方法が必要である。障害の正確な検出、識別、及び障害のあるブロックの位置特定を行って初めて、モジュラーインバーターを修理するのに必要な全ての情報をユーザーに与えることができる。

しかしながら、従来技術の開回路障害検出方法は、モジュラーインバーターにもＧＰＩにも移すことができないか、又は、費用効果のために回避されるべき追加のセンサー／回路を必要とする。ブロック内の一方又は双方のスイッチの開回路障害が検出、識別される必要があるとともに、障害のあるブロックの位置が特定される必要がある。障害の検出は、信頼性のあるものでなければならず、位置特定は正確でなければならない。

本開示は、スイッチにおける障害の検出、より正確には開回路障害の検出、識別及び位置特定を提供する、モジュラーインバーター又は汎用インバーター（ＧＰＩ）に適用可能な開回路障害自己診断方法に関する。本開示は、他の目的で含まれるセンサーからのデータのみを使用する方法を提供する。専用の障害検出センサーも、追加の専用の回路も必要とされず、障害検出プロセスは、モジュラーインバーターが動作しているときに継続的に動作し、その動作を中断させない。

より正確には、本開示は、相レグにおいて並列接続された複数（ｋ＝１．．．ｎ）のブロックを備え、温度センサーが設けられたモジュラーインバーターのパワースイッチングブロックにおける開回路障害の自己診断方法であって、
該方法は、
関連したサンプリング間隔Δｔ_ＳＤを有する関連したサンプリング時点ｔ_ＳＤにおいて、前記温度センサーによって測定される相レグにおける前記ｎ個のブロック（ｋ＝１．．．ｎ）の温度データＴ_ｋ ^ｐをサンプリングして記憶することと、
サンプリング時点ｔ_ＳＤ ^ｐにおいて、ブロックｋの現在の温度データＴ_ｋ ^ｐを、前記相レグの他の全てのブロックの現在の平均温度データ
と比較し、以下の条件
が満たされていない場合に、前記ブロックｋを開回路ブロックｋｆとみなし、該開回路ブロックｋｆに対して開回路障害フラグＯＦを立てる少なくとも１つのステップと、
を含む第１のループを含み、前記式において、Ｔｈ_ＡＶは既定の平均温度偏差閾値である、自己診断方法に関する。

この方法は、他の並列接続されたブロックの平均温度との温度差が既定の平均温度偏差閾値を超えるブロックに障害の可能性があることを警告することを可能にする。
以下の実施の形態は、互いに独立して実施することもできるし、組み合わせることもできる。

第１の実施の形態においては、ブロックｋの現在の温度データＴ_ｋ ^ｐを現在の平均温度データと比較するステップは、障害フラグＯＦが障害のあるブロックｋｆに対して立てられるまで、ブロックｋ＝１～ｎに対して行うことができる。

これは、強力な計算手段と、全てのブロックの温度データを記憶し、それらを計算するのに十分大きなメモリとを有する制御システムに適応される。

第２の実施の形態においては、方法は、第１のループに組み込まれる第２のループを含むことができ、第２のループは、サンプリング時点ｔ_ＳＤ ^ｐにおいて、各ブロックｋの温度データＴ_ｋ ^ｐを、各ブロックｋの以前にサンプリングされて記憶された温度データＴ_ｋ ^ｐ－１と比較し、以下の条件
が満たされない場合には、障害のあるブロックｋｆに対して障害可能性フラグＦＦを立てることを含み、式において、Ｔｈは既定の温度偏差閾値である。そのような場合、ブロックｋの現在の温度データＴ_ｋ ^ｐを、相レグにおける他のブロックの現在の平均温度データ
と比較し、以下の条件
が満たされていない場合に、ブロックｋを開回路ブロックｋｆとみなし、開回路ブロックｋｆに対して開回路障害フラグＯＦを立てる。式において、Ｔｈ_ＡＶは、既定の平均温度偏差閾値であり、障害の可能性のあるブロックｋｆに対して用いられる。

この実施の形態は、ブロックの温度を他のブロックの温度の平均値と比較するテストが、既に異常とみなされている温度を有するブロックに対してのみ行われるので、あまり強力な計算手段を必要としない。

この第２の実施の形態は、平均データとの比較が、第２のループによって障害の可能性のあるブロックが検出された場合にのみ行われるので、ルーチンテストとしても使用することができる。そのような場合には、第１の実施の形態は、インバーターの寿命における特定の時期においても使用することができる。

方法はまた、サンプリング時点
における各ブロック（ｋ）（ｋ＝１．．．ｎ）のサンプリングされた温度（Ｔ_ｋ ^ｐ）を、安定動作点としての以前のサンプリング時点
における同じブロック（ｋ）の温度（Ｔ_ｋ ^ｐ－１）と比較する前に、安定動作点を待つ第３のループを含むことができる。

この第３のループは、インバーターのコントローラーの計算負荷を削減し、起こり得る誤検出を回避することができる。

第１の実施の形態について、
がブロックｋ＝１～ｎについて満たされている場合には、方法は、定められたΔｔ_ＳＤの間待機し、第１のループを繰り返すことを含むことができる。
第２の実施の形態について、
がブロックｋｆについて満たされている場合に、方法は、Δｔ_ＳＤの間待機し、第１のループを繰り返すことを含むことができる。

方法はまた、初期温度値（Ｔ_ｋ ^０，ｋ＝１．．．ｎ）が、モジュラーインバーターの電源投入後に、又は、モジュラーインバーターの電源投入後の既定の時間間隔後に、又は、モジュラーインバーターの障害自己検出に専用化された特殊な時間周期で、相レグ５において並列接続されたｎ個の全てのブロックについて測定及び記憶される初期化プロセスを含むことができる。

これは、検出の初期条件を設定する。

メモリ使用を制限するために、方法は、温度値Ｔ_ｋ ^ｐを記憶している間に、サンプリング時点
において記憶された以前の温度データを削除することを含むことができる。

サンプリング間隔Δｔ_ＳＤは、モジュラーインバーターブロックにおける関連した熱時定数のうちの最大熱時定数よりも大きく設定することができる。

方法はまた、適したサンプリング間隔Δｔ_ＳＤ、及び／又は温度偏差閾値Ｔｈ及び／又は平均温度偏差閾値Ｔｈ_ＡＶを求める校正手順を含むことができ、サンプリング間隔Δｔ_ＳＤ、温度偏差閾値Ｔｈ及び平均温度偏差閾値Ｔｈ_ＡＶを用いた初期化手順を含むことができる。

それらの値は、インバーター内のブロック又はモジュールのタイプを考慮して決定される。Δｔ_ＳＤは、ブロックの温度定数よりも大きく設定することもでき、コントローラーの検出速度と計算負荷との間の妥協点として設定することができ、インバーターの寿命中に適応させることができる。

好ましい実施の形態においては、ブロックは、上部スイッチ及び下部スイッチと、スイッチのそれぞれのシュートスルー検知手段とを備え、
開回路障害検出手順は、
開回路フラグＯＦが立っているブロックの上部スイッチ及び下部スイッチの双方を、スイッチの転流時間よりも長いが、スイッチの安全動作域内にある継続時間の間、ブロックの駆動回路を用いてオン状態に駆動することによるシュートスルーテストのトリガーによって障害を識別及び位置特定することと、
シュートスルー電流の存在をテストし、シュートスルー電流が検出されない場合には、ブロックのうちの１つに対して、確認された開回路障害フラグＯＦＣを立てることと、
を含むことができる。

これによって、開回路障害の完全な診断が可能になる。安全動作域は、デバイスごとにそのデータシートにおいて画定され、シュートスルー継続時間は、安全動作域に対して小さくなるように画定され、例えば、マイクロ秒範囲内又はマイクロ秒範囲の１０分の１以内になるように画定される。

シュートスルー電流の存在をテストしたときに、シュートスルー電流が検出された場合には、他の診断手順が開始される。

方法は、変換装置の各レグについて繰り返すことができる。

方法は、障害検出情報ＦＦ及び／又はＯＦ、及び／又はＯＦＣをリモート探査コンピューターに送信することを含むことができる。

本開示はまた、上述した自己診断方法を実施するコンピューター化探査システムであって、プロセッサと、方法を実施するプログラムを含むプログラムメモリと、温度値、障害検出データ及びプログラムデータを記憶及び処理するデータメモリと、温度測定値をコンピューター化システムに送信する温度センサーとの接続ラインと、を備えるコンピューター化探査システムに関する。

さらに、コンピューター化探査システムは、シュートスルー検出手段との接続ラインと、モジュラーインバーターの単数又は複数の駆動ブロックと接続された制御ラインとを備えることができる。

有利には、コンピューター化探査システムはモジュラーインバーターの制御ユニットに組み込むことができる。

本発明の例示的な実施形態の詳細な説明を、添付図面を参照して下記に論述する。

本開示のプロセスを適用することができるモジュラーインバーターの一例の概略図である。 図１のモジュラーインバーターのブランチの詳細図である。 開示される第１のプロセスのフローチャートである。 開示される第２のプロセスのフローチャートである。 脱飽和検出手段を有する変換装置ブロックの概略図である。 電流検出手段を有する変換装置ブロックの概略図である。

図１は、３相モーター２を駆動するモジュラーインバータータイプのインバーター１を開示している。ＧＰＩ等のモジュラーインバーターは、相レグごとの２つ以上のブロックを有することができるが、図面を簡略化するために、説明されるインバーターは、３相モーター２を駆動する３つの相レグ５ａ、５ｂ、５ｃのそれぞれを相レグごとに駆動する４つのブロックすなわち電力ブランチ４、４’、４”を有する。相レグ５ａは、ブロック３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａによって構成され、レグ５ｂは、ブロック３１ｂ、３２ｂ、３３ｂ、３４ｂによって駆動され、相レグ５ｃは、ブロック３１ｃ、３２ｃ、３３ｃ、３４ｃによって駆動され、各ブロックすなわちハーフブリッジは上部スイッチ１ａ及び下部スイッチ１ｂを有する。図２には、相レグ５の電力ブランチ４が表されている。この電力ブランチでは、各ブロック３１、３２、３３、３４の上部スイッチ１ａ及び下部スイッチ１ｂが、バス８を介してコントローラー９内のゲートドライバー９ａ、９ｂに接続されたコマンドライン７ａ、７ｂを備える。本開示の手順は、ブロック全体における電力損失を検知するために各ブロックに設けられる温度検知デバイスを使用する。通常、各ブロックのコーナーに１つのセンサーが配置される。温度検知デバイス６は、ライン６１及びバス８を介してコントローラーに接続される。

本設計では、温度過上昇状態の検出等の目的で含まれる温度検知デバイス６が各ブロック３１、３２、３３、３４に設けられる。図１に戻って、全ての電力ブランチ４、４’、４”の全てのブロック３１ａ、．．．、３４ａ、３１ｂ、．．．、３４ｂ、３１ｃ、．．．、３４ｃは、そのような温度センサー６を備える。加えて、各スイッチ１ａ、１ｂは、そのゲートコマンドライン７ａ、７ｂによって駆動される。

本開示の自己診断方法は、各インバーター相内の各構成ハーフブリッジを個別に取り扱うことによって、モジュラーインバーターにおける開回路障害を検出、識別及び位置特定する。これは、ハーフブリッジを通るシュートスルー電流を促進し、上部スイッチ及び下部スイッチの双方が脱飽和されることを検証することによって実行される。いずれかのスイッチに脱飽和がないことは、開回路障害を示す。この手順は、周期的に実行することもできるし、温度発展等の他の任意の関連した障害インジケーターを使用することによってトリガーすることもできる。このテストは、スイッチにおける障害とゲートドライバーにおける障害とを区別することはできないが、関連したゲートドライバーにおける障害を同等に検出することが可能である。

この診断方法は、モジュラーインバーターの各相レグ５に対して、すなわち、その相レグの各電力ブランチ４、４’及び４”に対して個別に独立して実行される。

健全なモジュラーインバーターの動作中、各ブロックは、上部スイッチに電流ＩｍＵを提供し、下部スイッチに電流ＩｍＬを提供し、特定の相の電流Ｉｐは、その相レグにおける全ての並列接続されたブロック間でほぼ等しく分配される。全ての並列接続されたブロックの電力損失及びその結果としての温度はほぼ等しい。

１つの特定のブロック内のスイッチの開回路障害の場合に、障害のあるスイッチは、電流をもはや導通しない。したがって、その特定のブロックにおける電力損失は、健全な状態と異なる。電力損失が異なることから、障害のあるブロックの温度も、その相の他の健全な並列ブロックの平均温度と異なる。

したがって、特定の相レグにおける公称動作点において、特定のブロックの温度が他の並列ブロックの温度と既定の平均温度偏差閾値よりも大きく異なる場合に、これは、その特定のブロックに障害が存在することを意味する。

次に、検出された障害が開回路障害であることを確認しなければならない。

障害が開回路障害タイプであるか否かを確認するために、以下に開示される方法は、スイッチごとに存在する脱飽和保護回路等の脱飽和検知手段、又は、電流検知抵抗器等のシュートスルー電流を検出する他の手段を使用する。

本方法は、制御されたシュートスルーをコントローラー９によって該当ブロックの駆動回路７ａ、７ｂ（ゲートドライバー）上で開始することと、そのようなシュートスルーの正常な結果がスイッチの脱飽和であるときに脱飽和の存否を検出することとを含む。

脱飽和を検出するために、電力変換装置には、ブロック内の各スイッチ用の１つの脱飽和検出回路及び／又は各ハーフブリッジ用の１つの電流検知抵抗器を設けることができる。

図５は、脱飽和検知がスイッチ１ａ、１ｂ（ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等）自体を電流測定構成要素として利用する脱飽和検知手段７０ａ、７０ｂを有するブロックの概略図である。通常動作では、スイッチが飽和しているときに、コレクターエミッター電圧又はドレインソース電圧は非常に低い。一方、過度のスイッチ電流をもたらす短絡事象が発生している場合には、スイッチ電流は脱飽和し、バス電圧範囲内の電圧を発生させる。脱飽和保護回路７０ａ、７０ｂは、増加したコレクターエミッター電圧が既定の閾値を上回ると、この電圧を検出し、スイッチをオフにする信号をゲートドライバー／コントローラー９に送信する。

図６は、スイッチ１ａ、１ｂの電力ラインにおける電流検知抵抗器７１と、抵抗器の接続部において電圧を検知する電圧検出器７２とに関する。

シュートスルー電流が発生すると、対応する大きな電圧が、検知抵抗器の両端に検出され、この電圧が所定の閾値よりも大きい場合には、ブロック内の双方のスイッチをオフにする信号がゲート／ドライバーコントローラーに送信される。

シュートスルーテストが行われたときに、脱飽和が脱飽和検知手段によって検出されない場合には、これは、シュートスルー電流が流れていないことを意味し、開回路障害がそれぞれのスイッチに存在することを示す。ゲートドライバーの保護特徴部が正常に動作していると仮定すると、開回路障害が存在するブロックを識別及び位置特定することができる。シュートスルーテストは、モジュラーインバーター又はＧＰＩの電源投入及び電源切断等の適切な時機において実行することもできるし、テスト継続時間が数マイクロ秒以内であり、通常のモジュラーインバーター動作の崩壊又はスイッチに対する過度のストレスを引き起こさないときは、オンラインであっても実行することができる。

上述したように、ハーフブリッジ内の電流検知抵抗器等のシュートスルー電流を検出する他の手段を利用することができる。検出された障害がスイッチの駆動回路における故障に由来する可能性が残っていることに留意されたい。しかしながら、そのような故障の可能性は、ブロックにおける開回路障害よりもはるかに低く、そのため、本方法の有効性は高い。

モジュラーインバーター全体の開回路診断の場合に、本方法は、各相レグに対して個別に実施する必要があり、そのような相レグの各ブロックが取り扱われる。一方、自己診断は、異なる相レグの診断アルゴリズムの間でデータを交換する必要がないので、インバーターの相レグの全てに対して独立して同時に行うことができる。

ブロック内の異常な温度の検出に関して、自己診断方法は、以下のサブ手順を含むことができる。

図３及び図４の双方に存在する第１のサブ手順は、測定手順の初期化である。このサブ手順１２０の間に、該当する相レグにおける全てのブロックについて、ブロックの初期温度値が取得され、自己診断が開始される。この初期化は、インバーターの電源投入直後に行うこともできるし、インバーターの電源投入後の既定の時間間隔後に行うこともできるし、モジュラーインバーター障害自己検出にのみ専用化された特殊な時間周期で行うこともできる。このサブ手順では、初期温度は、相レグにおいて並列接続されたｎ個の全てのブロックについて測定される。

ｋ＝１．．．ｎについてのＴ_ｋ ^０
ここで、Ｔはブロックの温度であり、ｋは、レグにおけるブロック数１～ｎにおけるブロック番号である。この温度データは、図２のコントローラー９の短期データ記憶装置に記憶することができる。

第２のサブ手順１３０は、サンプリング間隔における温度信号の取得である。このサブ手順は、インバーター動作中に継続的にアクティブである。アルゴリズムは、サンプリング間隔Δｔ_ＳＤによって規定される時間インスタンスで実行される。

ｔ_ＳＤ ^ｐにおける第ｐのサンプリングにおいて、ｋ＝１．．．ｎの温度Ｔ_ｋ ^ｐが、相レグにおいて並列接続されたｎ個のブロックの各ブロックにおいて測定される。温度データは、短期データ記憶装置に記憶される。データＴ_ｋ ^ｐ－２，ｋ＝１．．．ｎは、短期データ記憶装置から削除することができる。

第１の実施形態における図３のオブジェクト

第３のサブ手順は、テスト１４０が、動作点が安定していること、すなわち相電流が安定していることを確認したときに実行することができる、起こり得る障害を示すものの有無を監視する第１のタイプの手順である。この監視は、その後、インバーター安定動作中に障害が見つかるまで、サンプリング間隔Δｔ_ＳＤ１３５によって規定される時間インスタンスにおいて継続的に実行される。

相レグにおける各ブロックについて、このサブ手順は、テスト１５０において、ブロック温度が、以前のステップにおいて測定されたブロックの温度から、既定の温度偏差閾値Ｔｈよりも大きく異なるか否かを調べる。

以下の条件が満たされていない場合に障害の可能性がある。
ここで、Ｔｈは既定の温度偏差閾値である。

上記条件が或るブロックについて満たされていない場合には、障害可能性フラグＦＦが、ステップ１５５において、そのようなブロックｋｆについてセットされ、その後、第４のサブ手順１６０が起動される。このサブ手順１６０において、障害可能性フラグを有するブロックｋｆの温度が、そのレグの他の全ての並列接続されたブロックの平均温度と比較される。ブロックｋｆの温度が、他の並列ブロックの温度から、既定の平均温度偏差閾値よりも大きく異なる場合には、障害が確認され、フラグＯＦがステップ１６５においてセットされる。

したがって、以下の条件が満たされていない場合に、ブロックｋｆにおける障害が確認される。
ここで、Ｔｈ_ＡＶは既定の平均温度偏差閾値である。

第２の実施形態における図４のオブジェクト

第３のサブ手順及び第４のサブ手順は、各ブロックの温度を他の全ての並列接続されたブロックの平均温度と、各サンプリング時点ｔ_ＳＤ ^ｐにおいて継続的に比較する第５のサブ手順２４０、２５０、２６５によって置き換えることができる。この手順は、以下のように要約することができる。
全てのｋについて
ｋ＝１．．．ｎはブロック数であり、Ｔｈ_ＡＶは既定の平均温度偏差閾値である。

上記条件が或るｋｆブロックについて満たされていない場合には、障害がそのブロックにおいて検出されていることになり、フラグＯＦがステップ１６５においてセットされる。そのような手順は、外見は第３のサブ手順及び第４のサブ手順よりも単純であるが、これらの第３のサブ手順及び第４のサブ手順よりも多くの計算能力及びメモリサイズを必要とする。各ブロックを相レグの他のブロックの平均値と比較する第５のサブ手順は、計算能力の高いコントローラーの場合に使用することもできるし、動作の開始から障害のあるブロックを検出するために電源投入時又は電源切断動作下で障害になるブロックを検出するために電源切断時等の特定の時点にのみ使用することもできる。

第６のサブ手順１７０、１８０は、図３及び図４の２つの実現態様におけるものと同じであり、開回路障害の識別及び位置特定を行うものである。このサブ手順は、障害が、第３のサブ手順及び第４のサブ手順、又は、第５のサブ手順のいずれかを使用して検出された後にのみ実行される。このサブ手順は、障害が実際に開回路障害であるのか又は他の何らかの障害であるのかを判断するために使用される。この手順については、駆動回路が正常に動作しているものと仮定される。

シュートスルールーチンは、周期的に実行することができるが、これは、パワーダイ及びそれらのインターフェースにストレスを与える可能性があり、障害が温度探査に基づく障害検出方法を用いて検出される場合にのみこれを行うことが好ましい場合がある。

障害が検出されると、シュートスルーテストが、開回路障害を識別及び位置特定するのに必要である。シュートスルーは、対応するハーフブリッジのゲート信号によって、スイッチの転流時間よりも長いが、それでもデバイスの安全動作域（通常は１０μｓ未満）内にある継続時間の間、双方のスイッチをオン状態に駆動することによってトリガーされる。

シュートスルーが、インバーター駆動回路における標準的な特徴部である保護回路（脱飽和回路又は他のシュートスルー検出回路）によって検出されない場合に、これは、テストされたブロック内のスイッチの一方又は双方の開回路障害が存在することを意味する。開回路障害のそのような識別は非常に正確であり、確認された開回路障害フラグＯＦＣをステップ１９０において立てることができる。

シュートスルーが検出された場合には、障害は開回路障害ではない。その結果、そのような場合には、本開示のオブジェクトではない他の障害の障害識別用の他の手順（複数の場合もある）３００を開始する必要がある。

開回路診断方法アルゴリズムにおいて使用されるパラメーター

サンプリング間隔Δｔ_ＳＤを選択する際の考慮事項

考慮すべき事項は、デバイス電力損失の変化が、ブロックに設置された温度検知デバイスによって測定される温度の変化に反映するのに必要な時間である。サンプリング時間が過度に少ない場合には、電力損失の変化は、測定された温度に十分に反映しない。その結果、診断アルゴリズムは有効でない。

これらの手順に先立ち、使用されるサンプリング間隔Δｔ_ＳＤ、温度閾値Ｔｈ及びＴｈ_ＡＶ等の関連パラメーターの初期化ステップ１１０が、インバーターの製造時又は或る初期化時点において、これらのデータの不揮発性メモリへの記憶とともに行われるべきである。

Δｔ_ＳＤを決定するために考慮すべき情報は、各スイッチと温度検知デバイスとの間の熱インピーダンスである。この熱インピーダンスは、ブロックにおいて使用されるパワーエレクトロニクス材料の特性と、温度検知デバイスに対するスイッチの相対位置とに依存する。

ブロックにおける第ｉのスイッチと温度検知デバイスとの間の熱インピーダンスは、フォスター（Foster）モデルとしても知られている部分分数回路としてモデル化することができる。このモデルのパラメーターは、ＦＥＭシミュレーションによって又は実験的に求めることができる。このフォスターモデルは、例えば、第ｉのスイッチと温度検知デバイスとの間に並列接続された熱抵抗Ｒ_ｔｈ，ｉ及び熱キャパシタンスＣ_ｔｈ，ｉから構成される一次回路とすることができる。これによって、温度検知デバイスの熱キャパシタンスを無視することができると仮定される。この例の場合に、温度検知デバイスが、第ｉのスイッチにおいて変化した損失に起因する温度変化を検出するのに必要な時間は、
である。

その結果、サンプリング間隔Δｔ_ＳＤについて、モジュール内の全てのスイッチの動作の変化が温度検知デバイスによって測定される温度の変化に反映することを可能にする以下の条件が採用されるべきである。
ここで、ｎはモジュール内の半導体スイッチの総数である。

温度偏差閾値Ｔｈを選択する際の考慮事項

測定されたブロック温度の小さな変動は、安定動作点であっても、健全なブロックにおいて２つのその後の測定インスタンスで予想することができる。それらの小さな変動は、障害を示すものではない。あり得る原因の例として、以下のものがある。
ブロックの近傍に位置決めされ、自身の温度を変化させた他のパワーエレクトロニクス構成要素が、ブロックの温度に影響を与える可能性がある；
変化した周囲温度；
測定された信号の雑音。

Ｔｈの適した値は、一定の動作条件（一定はインバーターの動作点を指す）下で健全なインバーターの動作中に、複数のインスタンスにおいて特定のブロックの温度を測定して実験的に求めることができる。既定の動作点におけるそのような一組の測定を異なる周囲温度に対して繰り返すことができる。さらに、別の数組の測定をインバーターの異なる動作点において行うことができ、各一組の測定は、異なる周囲温度に対しても行うことができる。

Ｔｈは、その後、それらの実験中に観測された健全なブロックの全ての温度変動に対応するように選択することができる。

平均温度偏差閾値Ｔｈ_ＡＶを選択する際の考慮事項

生産時及び実装時における材料のばらつき及び公差から生じる電気的アンバランス及び機械的アンバランスに起因したブロック間の何らかの小さな不整合が常に存在する。この不整合の結果が、並列接続されたブロック間の電力損失のばらつきであり、これらのばらつきは、ブロックの温度間の小さな差異に反映する。また、異なるブロックは、それらの位置及び不均一な冷却に起因して異なる冷却条件も有する場合がある。

温度偏差閾値Ｔｈ_ＡＶは、ブロック間のこの不整合に対応するために導入される。適した値は、異なる動作条件下で健全なインバーターを動作させ、全てのブロックの温度を測定することによって実験的に求めることができる。これによって、測定された温度の予想変動を求めることができる。パラメーターは、それに応じて設定することができ、ブロック間の小さな不整合が、誤った障害検出アラームを引き起こさないことを保証する。

パワーエレクトロニクスモジュールは、特に高ストレスに曝露されると、エージングプロセスに起因して、それらの熱的性質も大幅に変化させる可能性がある。さらに、温度検知デバイスの特性も同様に、エージングとともに変化し得る。したがって、それらの変化に対応するために、場合によっては、適したサンプリング間隔Δｔ_ＳＤ、温度偏差閾値Ｔｈ及び平均温度偏差閾値Ｔｈ_ＡＶを求める手順を時折繰り返すことが必要な場合がある。

これによって、適したサンプリング間隔Δｔ_ＳＤ、温度偏差閾値Ｔｈ及び平均温度偏差閾値Ｔｈ_ＡＶを求める校正手順に進むことが可能になる。これらの校正手順は、パワーエレクトロニクスモジュール及び温度検知デバイスの特性及び熱的性質が、特に高ストレスに曝露されると、エージングプロセスに起因して変化し得るので、インバーターの寿命中に（モジュラーインバーター又はＧＰＩの構成要素及び使用量に応じて）調整可能な時間間隔で開始することができる。

完全な検出プロセスは、その場合に、以下のいずれかに基づくことができる。
各ブロックの現在の温度から以前のステップにおけるそのブロックの温度を引いたものを固定された温度偏差閾値と比較する、１つのブロックにおける温度の急変の検出に基づく図３における例等の検出手順Ａ。この手順は、迅速であり、必要な計算パワーは最小であるが、安定動作の検出と、障害の可能性を確認するために、変化するブロック温度と他のブロックの平均温度との比較を通じた確認とが必要となる；
又は
各ステップにおいて、各ブロックの温度から他の全てのブロックの温度の平均が引かれ、その温度が平均温度偏差閾値と比較される図４における例等の検出手順Ｂ。レグの全てのブロックの温度をそのようなレグの他のブロックの平均温度と比較するこの手順は、より多くの計算パワーを必要とするが、更なる確認ステップを必要としない。

いずれの場合も、その後のシュートスルーテストによって、開回路障害の高い確率の確認が可能になる。

検出手順Ａは、動作の開始から低温のままであり、変化しないブロックをチェックする必要もあることに留意されたい。したがって、手順Ａが、連続的な診断手順として選択される場合には、インバーターの電源投入時に既に開回路障害を有するモジュールを検出するには、特別な設備が必要である。このために、手順Ｂは、１回のみ実行される場合がある（要素２７０を有しない）。手順Ｂは、この場合に、インバーターの電源投入後及び手順Ａに続く連続的なオンライン診断の開始前に任意の回数実行することができる。

インバーターの１つのレグについて上述した手順は、インバーターの他のレグについて繰り返される。

本発明は、開示された実施形態に限定されるものではなく、特に、サブ手順３、４及び５は、特定の作業条件に従って、同じモジュラーインバーターにおいて異なる時点に使用することができる。

Claims (14)

1. 相レグ（５、５ａ、５ｂ、５ｃ）において並列接続された複数（ｋ＝１．．．ｎ）（ただし、ｎは２以上の整数）のブロック（３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａ、３１ｂ、３２ｂ、３３ｂ、３４ｂ、３１ｃ、３２ｃ、３３ｃ、３４ｃ）を備え、温度センサー（６）が設けられたモジュラーインバーターのパワースイッチングブロックにおける開回路障害の自己診断方法（１００）であって、
   該方法は、
   関連したサンプリング間隔Δｔ_ＳＤを有する関連したサンプリング時点ｔ_ＳＤにおいて、前記温度センサーによって測定される相レグにおける前記ｎ個のブロック（ｋ＝１．．．ｎ）の温度データＴ_ｋ ^ｐをサンプリングして記憶すること（１３０）と、
   サンプリング時点ｔ_ＳＤ ^ｐにおいて、ブロックｋの現在の温度データＴ_ｋ ^ｐを、前記相レグの他の全てのブロックの現在の平均温度データ
   

   

   （ただし、ｉ≠ｋ）と比較し（２５０）、以下の条件
   

   

   が満たされていない場合に、前記ブロックｋを開回路ブロックｋｆとみなし、該開回路ブロックｋｆに対して開回路障害フラグＯＦを立てる少なくとも１つのステップと、
   を含む第１のループを含み、前記式において、Ｔｈ_ＡＶは既定の平均温度偏差閾値である、自己診断方法。
2. 請求項１に記載の自己診断方法（１００）であって、前記ブロックｋの現在の温度データＴ_ｋ ^ｐを現在の平均温度データと比較するステップ（２５０）は、障害フラグＯＦが障害のあるブロックｋｆに対して立てられるまで、ブロックｋ＝１～ｎに対して行われる、自己診断方法。
3. 請求項１に記載の自己診断方法（１００）であって、前記第１のループに組み込まれる第２のループを含み、該第２のループは、サンプリング時点ｔ_ＳＤ ^ｐにおいて、各ブロックｋの前記温度データＴ_ｋ ^ｐを、該各ブロックｋの以前にサンプリングされて記憶された温度データＴ_ｋ ^ｐ－１と比較し（１５０）、以下の条件
   

   

   が満たされない場合には、障害のあるブロックｋｆに対して障害可能性フラグＦＦを立てること（１５５）を含み、前記式において、Ｔｈは既定の温度偏差閾値であり、
   前記ブロックｋの現在の温度データＴ_ｋ ^ｐを、前記相レグにおける他のブロックの現在の平均温度データ
   

   

   （ただし、ｉ≠ｋ）と比較し（１６０）、以下の条件
   

   

   が満たされていない場合に、前記ブロックｋを開回路ブロックｋｆとみなし、該開回路ブロックｋｆに対して開回路障害フラグＯＦを立てること（１６５）が、前記障害のあるブロックｋｆに対して行われ、前記式において、Ｔｈ_ＡＶは既定の平均温度偏差閾値である、自己診断方法。
4. サンプリング時点
   

   

   における各ブロック（ｋ）（ｋ＝１．．．ｎ）の前記サンプリングされた温度（Ｔ_ｋ ^ｐ）を、安定動作点としての以前のサンプリング時点
   

   

   における同じブロック（ｋ）の温度（Ｔ_ｋ ^ｐ－１）と比較する前に、前記安定動作点を待つ（１４０）第３のループを含む、請求項３に記載の自己診断方法。
5. ブロックｋ＝１～ｎについて、
   

   

   が満たされる場合に、Δｔ_ＳＤの間待機し（１３５）、前記第１のループを繰り返すことを含む、請求項１に記載の自己診断方法。
6. ブロックｋｆについて、
   

   

   が満たされる場合に、Δｔ_ＳＤの間待機し（１３５）、前記第１のループを繰り返すことを含む、請求項３に記載の自己診断方法。
7. 初期温度値（Ｔ_ｋ ^０，ｋ＝１．．．ｎ）が、前記モジュラーインバーターの電源投入後に、又は、前記モジュラーインバーターの電源投入後の既定の時間間隔後に、又は、前記モジュラーインバーターの障害自己検出に専用化された特殊な時間周期で、前記相レグ（５）において並列接続されたｎ個の全てのブロックについて測定及び記憶される初期化プロセス（１２０）を含む、請求項１～６のいずれか１項に記載の自己診断方法。
8. 温度値Ｔ_ｋ ^ｐを記憶している間に、サンプリング時点
   

   

   において記憶された以前の温度データを削除することを含む、請求項１～７のいずれか１項に記載の自己診断方法。
9. 前記サンプリング間隔Δｔ_ＳＤは、前記モジュラーインバーターのパワースイッチングブロックにおける関連した熱時定数のうちの最大熱時定数よりも大きく設定され、前記方法は、適したサンプリング間隔Δｔ_ＳＤ、適した温度偏差閾値Ｔｈ及び適した平均温度偏差閾値Ｔｈ_ＡＶを求める校正手順を含み、前記サンプリング間隔Δｔ_ＳＤ、前記温度偏差閾値Ｔｈ及び前記平均温度偏差閾値Ｔｈ_ＡＶを用いた初期化手順（１１０）を含む、請求項１～８のいずれか１項に記載の自己診断方法。
10. 前記ブロックは、上部スイッチ（１ａ）及び下部スイッチ（１ｂ）と、該スイッチのそれぞれのシュートスルー検知手段とを備え、
    開回路フラグＯＦが立っているブロックの上部スイッチ及び下部スイッチの双方を、該スイッチ（１ａ、１ｂ）の転流時間よりも長いが、該スイッチの安全動作域内にある継続時間の間、前記ブロックの駆動回路（７ａ、７ｂ）を用いてオン状態に駆動することによるシュートスルーテストのトリガー（１７０）を通じて前記開回路障害を識別及び位置特定することと、
    シュートスルー電流の存在をテストし（１８０）、シュートスルー電流が検出されない場合には、前記ブロックのうちの前記１つに対して、確認された開回路障害フラグＯＦＣを立てること（１８０）と、
    を含み、
    シュートスルー電流の存在をテストしたとき（１８０）にシュートスルー電流が検出された場合には、他の診断手順が開始される（３００）、請求項１～９のいずれか１項に記載の自己診断方法。
11. 請求項１～１０のいずれか１項に記載の手順を前記モジュラーインバーターの各レグについて繰り返すことを含む、自己診断方法。
12. 障害検出情報ＦＦ及び／又はＯＦ、及び／又はＯＦＣをリモート探査コンピューターに送信することを含む、請求項１～１１のいずれか１項に記載の自己診断方法。
13. 請求項１～１２のいずれか１項に記載の自己診断方法を実施するコンピューター化探査システムであって、プロセッサと、前記方法を実施するプログラムを含むプログラムメモリと、温度値、障害検出データ及びプログラムデータを記憶及び処理するデータメモリと、温度測定値を該コンピューター化探査システムに送信する前記温度センサーとの接続ラインと、前記モジュラーインバーターの単数又は複数の駆動ブロックと接続された制御ラインとを備える、コンピューター化探査システム。
14. インバーター電子制御ユニット（９）を備えるモジュラーインバーターであって、請求項１３に記載のコンピューター化探査システムが前記インバーター電子制御ユニットに組み込まれている、モジュラーインバーター。