JP7843667B2 - 回転電機制御装置 - Google Patents

Description

本願は、回転電機制御装置に関する。

昨今、ハイブリッド自動車、プラグインハイブリッド自動車、電気自動車、および、燃料電池車といった電動パワートレインを搭載した自動車（以下、電動化車両と称す）が普及している。これらの電動化車両には、従来の内燃機関を動力源とした自動車の構成に加えて、またはその代替えとして車輪を駆動するための回転電機と当該回転電機を駆動するための電力変換装置であるインバータ回路が搭載されている。電動化車両では、走行時に回転電機を力行運転して走行駆動トルクを発生させ、制動時に回転電機を回生運転して回生制動トルクを発生させている。

ここで、電動化車両の駆動システムは、リチウムイオンバッテリ等の二次電池からなる直流電源と、直流電源に接続され平滑コンデンサと複数の半導体スイッチとからなるインバータ回路と、インバータ回路を制御する制御部と、インバータ回路に負荷として接続された回転電機とから構成される。前後輪別等の複数の駆動システムが備えられた場合には直流電源に複数のインバータ回路および回転電機が接続される。また、エアコンディショナ、冷却機構、電池加熱器等の補機も直流電源に接続される。

電動化車両の駆動システムには、直流電源であるバッテリを過電圧、過電流から保護するために、必要に応じてバッテリとインバータ回路とを切り離す開閉手段が設けられる。この開閉手段の開放条件としては、電動機の回生運転時にバッテリの電圧が所定値以上になった場合、バッテリの消耗によりバッテリ電圧が所定値以下になった場合、バッテリに流れる電流が所定値以上になった場合等がある。さらに、車両の故障、衝突等に伴って、開閉手段が開放されることもある。

また、バッテリには直列にヒューズが設けられる。バッテリに接続されるインバータ回路および各種補機が短絡故障した場合には、ヒユーズに大電流が流れヒューズ溶断によりバッテリが切り離される。この場合にも、インバータと直流電源との間が開放されることとなる。

これらのような、バッテリとインバータの間が開放されるといった異常状態において、インバータ回路の正極側スイッチング素子のすべてまたは負極側スイッチング素子のすべてをオンし、回転電機の各相を互いに短絡させる相短絡処理を実行することが提案されている。このようにすることで、回転電機の相電流をインバータ回路内で止めてインバータ回路入力側に電力を回生させない方法が提案されている。（例えば特許文献１）

特開平９－４７０５５号公報

特許文献１においては、バッテリとインバータの間が開放された場合を想定して相短絡処理を実行する方法が示されている。しかしながら、インバータに入力される直流電源が短絡された場合の対応について、特許文献１には記載されていない。

このような電動化車両の駆動システムにおいて、何らかの理由でインバータ回路の平滑コンデンサまたは各種補機の短絡故障が生じた場合には、開閉手段またはヒューズによって短絡故障が生じた箇所が切り離されることが望ましい。しかし、当該箇所に適切な開閉手段またはヒューズが設置されていない場合、または切り離される前に回転電機から大電流が流れ込む場合には、短絡故障箇所が発熱し重大な故障に至る恐れがある。

本願は上記のような課題を解決するためになされたものであって、インバータ入力側の短絡故障を適切に検出して相短絡処理を行うことにより、短絡故障箇所の発熱抑制および重大な故障の防止が可能な回転電機制御装置を得ることを目的とする。

本願に開示される回転電機制御装置は、
直流電源の正極側に接続された正極側のスイッチング素子と、直流電源の負極側に接続された負極側のスイッチング素子と、正極側のスイッチング素子と負極側のスイッチング素子を直列に接続するとともに回転電機の巻線に接続する外部接続点と、が夫々設けられた複数相のアーム、
直流電源の正極側と負極側の短絡を検出する入力短絡検出部、
入力短絡検出部によって短絡が検出された場合に、複数相のアームの全ての正極側スイッチング素子または全ての負極側スイッチング素子をオンする制御部、を備えた回転電機制御装置であって、
直流電源の正極側と負極側の間の電圧を検出する入力電圧検出部を備え、
入力短絡検出部は、入力電圧検出部によって検出された電圧が予め定められた電圧閾値よりも小さい場合に短絡を検出し、
回転電機の各相の巻線に流れる相電流を検出する相電流検出部を備え、
入力短絡検出部は、入力電圧検出部によって検出された電圧が電圧閾値よりも小さく、かつ相電流検出部によって検出された相電流が予め定められた電流閾値よりも大きい場合に短絡を検出するものである。
また、
本願に開示される回転電機制御装置は、
直流電源の正極側に接続された正極側のスイッチング素子と、直流電源の負極側に接続された負極側のスイッチング素子と、正極側のスイッチング素子と負極側のスイッチング素子を直列に接続するとともに回転電機の巻線に接続する外部接続点と、が夫々設けられた複数相のアーム、
直流電源の正極側と負極側の短絡を検出する入力短絡検出部、
入力短絡検出部によって短絡が検出された場合に、複数相のアームの全ての正極側スイッチング素子または全ての負極側スイッチング素子をオンする制御部、を備えた回転電機制御装置であって、
回転電機の各相の巻線に流れる相電流を検出する相電流検出部を備え、
入力短絡検出部は、相電流検出部によって検出された相電流に基づいて直流電源の正極側と負極側の短絡を検出するものである。
また、
本願に開示される回転電機制御装置は、
直流電源の正極側に接続された正極側のスイッチング素子と、直流電源の負極側に接続された負極側のスイッチング素子と、正極側のスイッチング素子と負極側のスイッチング素子を直列に接続するとともに回転電機の巻線に接続する外部接続点と、が夫々設けられた複数相のアーム、
直流電源の正極側と負極側の短絡を検出する入力短絡検出部、
入力短絡検出部によって短絡が検出された場合に、複数相のアームの全ての正極側スイッチング素子または全ての負極側スイッチング素子をオンする制御部、を備えた回転電機制御装置であって、
回転電機の回転速度を検出する回転速度検出部を備え、
制御部は、入力短絡検出部が短絡を検出し、かつ回転速度検出部によって検出された回転速度が予め定められた回転速度閾値よりも小さい場合は、すべての正極側スイッチング素子および負極側スイッチング素子をオフするものである。
また、
本願に開示される回転電機制御装置は、
直流電源の正極側に接続された正極側のスイッチング素子と、直流電源の負極側に接続された負極側のスイッチング素子と、正極側のスイッチング素子と負極側のスイッチング素子を直列に接続するとともに回転電機の巻線に接続する外部接続点と、が夫々設けられた複数相のアーム、
直流電源の正極側と負極側の短絡を検出する入力短絡検出部、
入力短絡検出部によって短絡が検出された場合に、複数相のアームの全ての正極側スイッチング素子または全ての負極側スイッチング素子をオンする制御部、を備えた回転電機制御装置であって、
回転電機の各相の巻線に流れる相電流が予め定められた過電流判定閾値よりも大きい場合に過電流が生じたことを判定する過電流検出部を備え、
制御部は過電流検出部によって過電流が生じたことが判定された場合にアームを保護する過電流保護処理を実行し、入力短絡検出部によって短絡が検出された場合は過電流保護処理を中止するものである。

本願に係る回転電機制御装置によれば、インバータ入力側の短絡故障を適切に検出して相短絡処理を行うことにより、短絡故障箇所の発熱抑制および重大な故障の防止を可能とすることができる。

実施の形態１に係る回転電機制御装置の構成図である。 実施の形態１に係る回転電機制御装置のハードウェア構成図である。 実施の形態１に係る回転電機制御装置のインバータ入力短絡時の相電流の挙動を示すタイムチャートである。 実施の形態１に係る回転電機の回転速度に対する相電流実効値とトルクの特性を示す図である。 実施の形態２に係る回転電機制御装置の構成図である。

以下、本願に係る電力変換装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。

１．実施の形態１
＜回転電機制御装置の構成＞
図１は、実施の形態１に係る回転電機制御装置１の構成を示す図である。回転電機制御装置１は、直流電源２に接続され直流電流を供給される。回転電機制御装置１は、直流電源２に接続され平滑コンデンサ１０と複数の半導体スイッチとからなるインバータ回路と、インバータ回路を制御する制御部１７とを備えている。インバータ回路は、負荷として接続された回転電機３を駆動する。

回転電機３は、負荷を回転駆動するとともに、負荷の回転エネルギーを電気エネルギーとして回生可能である。回転電機３には、ロータに永久磁石を備えた電動機、ロータに電磁石を備えた電動機、ブラシ式電動機、ブラシレス電動機等を用いることができる。回転電機３として、効率が良い永久磁石三相同期回転電機を用いてもよい。

インバータ回路は、正極側スイッチング素子と負極側スイッチング素子とが直列に接続された３組の直列回路（アームと称する）を有する。そして、３組のアームがそれぞれ直流電源と並列に接続される。３組のアームの正極側スイッチング素子と負極側スイッチング素子のそれぞれの直列接続点と回転電機３のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の巻線とが接続されている。

インバータ回路の各アームは、単一または複数の正極側スイッチング素子が並列接続された正極側アーム１１、１３、１５と、単一または複数の負極側スイッチング素子が並列接続されたと負極側アーム１２、１４、１６で構成されている。正極側アーム１１、１３、１５は上側アーム、負極側アーム１２、１４、１６は下側アームとも称する。

各アームと並列に平滑コンデンサ１０が接続されている。平滑コンデンサ１０は、直流電源のリップルを抑制する働きをする。そして、平滑コンデンサ１０は、インバータ回路の電源インピーダンスを低下させてインバータ回路の交流電流駆動能力を向上させる働きをする。さらに平滑コンデンサ１０は、サージ電圧を吸収する働きをする。

回転電機３は回転速度検出部４を備える。回転速度検出部４にはレゾルバ式エンコーダ、光学式エンコーダ、ホール素子等を用いてもよい。回転速度検出部４の信号に基づいて制御部１７は回転電機３の回転速度を算出する。

各アームのスイッチング素子としては、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)、ＦＥＴ(Field Effect Transistor)を用いてもよい。スイッチング素子としてＦＥＴを用いた場合には構造上逆並列のダイオードが形成され、ボディダイオードと呼ばれる（寄生ダイオードとも呼ばれる）。

直流電源２には、その他の機器５が接続されている。その他の機器５は、エアコンディショナ、冷却機構、電池加熱器等の補機であってもよい。

＜インバータの制御＞
制御部１７からの指令によってインバータ回路は、複数の半導体スイッチを所定のスイッチング周波数でオンオフする。これにより、直流電源２の直流電力を所定の交流電力に変換する。インバータ回路の各相に設けられるスイッチング素子を順次オンおよびオフさせることにより、回転電機３の各相に互いに位相が１２０度ずつ異なる交流電力を供給する。制御部１７は、負荷である回転電機３のトルクと回転速度を調節する。また、回転電機３は動作状況によっては発電機として動作し、発電によって生じる回生電力を直流電源２に充電する。

制御部１７は直流電圧検出値Ｖｄｃ、回転電機３の相電流検出値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗおよび回転電機３の角度検出値θを入力する。直流電圧検出値Ｖｄｃは入力電圧検出部２３から出力される。相電流検出値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗは相電流検出部２２から出力される。角度検出値θは回転速度検出部４から出力される。

制御部１７は、所望の回転電機制御演算を実施し、各アーム１１～１６に対して駆動信号１１１、１２１、１３１、１４１、１５１、１６１を出力する。また、制御部１７は過電流検出部１９の過電流検出信号を受けて過電流保護を実施する。さらに、入力短絡検出部２０は、直流電圧検出値Ｖｄｃが低電圧であることを検出する低電圧検出部１８と、過電流検出部１９からの信号を受けて、制御部１７へインバータ入力側の短絡状態の検出信号を出力する。

＜回転電機制御装置のハードウェア構成＞
図２は、実施の形態１に係る回転電機制御装置１のハードウェア構成図である。図２のハードウェア構成図は、回転電機制御装置１ａにも適用できる。ここでは、回転電機制御装置１に代表させて説明をする。本実施の形態では、回転電機制御装置１の各機能は、回転電機制御装置１が備えた処理回路により実現される。具体的には、回転電機制御装置１は、図２に示すように、処理回路として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算処理装置９０（コンピュータ）、演算処理装置９０とデータのやり取りをする記憶装置９１、演算処理装置９０に外部の信号を入力する入力回路９２、および演算処理装置９０から外部に信号を出力する出力回路９３等を備えている。

演算処理装置９０として、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＩＣ（Integrated Circuit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、各種の論理回路、および各種の信号処理回路等が備えられてもよい。また、演算処理装置９０として、同じ種類のものまたは異なる種類のものが複数備えられ、各処理が分担して実行されてもよい。記憶装置９１として、演算処理装置９０からデータを読み出しおよび書き込みが可能に構成されたＲＡＭ（Random Access Memory）、演算処理装置９０からデータを読み出し可能に構成されたＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ等が備えられている。入力回路９２は、各種のセンサおよびスイッチが接続され、これらセンサおよびスイッチの出力信号を演算処理装置９０に入力するＡ／Ｄ変換器等を備えている。出力回路９３は、電気負荷が接続され、これら電気負荷に演算処理装置９０からの制御信号を変換して出力する各アーム１１から１６等の駆動回路等を備えている。

回転電機制御装置１が備える各機能は、演算処理装置９０が、ＲＯＭ等の記憶装置９１に記憶されたソフトウェア（プログラム）を実行し、記憶装置９１、入力回路９２、および出力回路９３等の回転電機制御装置１の他のハードウェアと協働することにより実現される。なお、回転電機制御装置１が用いる閾値、判定値等の設定データは、ソフトウェア（プログラム）の一部として、ＲＯＭ等の記憶装置９１に記憶されている。回転電機制御装置１の構成要素の機能について説明する。回転電機制御装置１の各機能は、それぞれソフトウェアのモジュールで構成されるものであってもよいが、ソフトウェアとハードウェアの組み合わせによって構成されるものであってもよい。

＜過電流保護＞
過電流保護について説明する。過電流検出部１９は回転電機３の相電流検出値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを入力とする。そして、各相電流が過電流閾値を超過した場合に過電流が発生したと判断し、過電流検出信号を制御部１７へ出力する。制御部１７は、過電流検出信号を受けると、全てのアームをオフすることで過電流を抑制する。これによって、過電流による各アーム１１から１６の劣化、回転電機３の劣化を防止することができる。

＜入力短絡故障＞
図３は、実施の形態１に係る回転電機制御装置１のインバータ入力短絡時の相電流の挙動を示すタイムチャートである。インバータ回路入力側の短絡故障時の挙動について、直流電源２に接続されているその他機器５の正極側端子と負極側端子が短絡した場合の例について説明する。

図３では、インバータ回路入力側の短絡故障を生じたときのインバータ回路に入力される電源電圧を示す直流電圧検出値Ｖｄｃのタイムチャートが上段に示されている。そして、相電流検出値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ、のタイムチャートが中段に示されている。さらに、相電流を二相直交座標系（ｄ－ｑ座標系）で表したｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑのタイムチャートが下段に示されている。

短絡故障直後は平滑コンデンサ１０が短絡されて放電され、直流電圧検出値Ｖｄｃはほぼ０Ｖとなる。詳細には、短絡故障箇所の持つ微小な抵抗成分にインバータ回路側から回転電機３の相電流が流れ込み、それにより生じる電圧が直流電圧検出値Ｖｄｃとして検出される。

図１に示した例ではインバータ回路は各アーム１１から１６に逆並列にダイオードが存在する。そのため、各アーム１１から１６がオフとなっても回転電機３から見ると三相整流回路となっている。このため、インバータ回路入力側が短絡した場合には各アーム１１から１６のオンオフ状態に関わらず回転電機３は相短絡状態となる。

なお、オンオフ制御中について、インバータ回路入力側の短絡故障している箇所に電流が流れ込む動作となる。基本的に正極側アームがすべてオンまたは負極側アームがすべてオンとならない限り、そのような挙動となる。

相短絡状態となった場合の相電流は、図中の相電流検出値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗで示すとおり、相短絡直後に相電流が急増する波形となることが一般的に知られている。相短絡直後は、相短絡前に流れていた電流（以降、短絡前電流と称す）と、相短絡後に回転電機３の誘起電圧によって流れる相短絡電流（以降、誘起電圧電流と称す）との和となり、時間経過とともに短絡前電流は減衰して誘起電圧電流に収束する。相電流検出値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗが誘起電圧電流に収束したことを判定して、相短絡処理を終了することとしてもよい。

＜入力部短絡故障時の処理＞
本実施の形態の特徴的な部分であるインバータ回路入力側の短絡故障時の処理について説明する。上述したように、インバータ回路入力側の短絡により直流電圧検出値Ｖｄｃが低下するため、低電圧検出部１８は下式（１）の判定条件に一致した場合に低電圧検出信号を出力する。

直流電圧検出値Ｖｄｃ＜低電圧閾値 （１）

また、インバータ回路入力側の短絡により相短絡状態となり相電流が急増するため、過電流検出部１９は下式（２）の判定条件に一致した場合に過電流検出信号を出力する。

相電流検出値｜ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ｜＞過電流閾値 （２）

入力短絡検出部２０は、低電圧検出部１８からの低電圧検出信号と、過電流検出部１９からの過電流検出信号の両方を受けた場合に、インバータ回路入力側が短絡していると判定する。そして、制御部１７へ入力部短絡検出信号を出力する。

制御部１７は、入力部短絡検出信号を受けた場合は全ての正極側アーム１１、１３、１５をオン（負極側アームはオフ）、または全ての負極側アーム１２、１４、１６をオン（正極側アームはオフ）して相短絡処理を実施する。なお、相電流検出値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗが過電流閾値を超過したことで入力部短絡検出信号が出力されており、上述したとおり制御部１７には過電流検出部１９から過電流検出信号も入力される。

このとき、制御部１７は過電流検出信号のみ受けた場合は全アームをオフして過電流保護の処理を実施する。しかし、入力部短絡検出信号が入力されている場合には相短絡処理を優先して実施する。

インバータ回路入力側が短絡状態の場合には、過電流保護として全アームをオフしたとしても短絡状態のインバータ回路入力側によって相短絡状態となってしまう。そして、回転電機３の相電流はインバータ回路で三相整流されて短絡故障している箇所に全て流れ込むこととなる。

その結果、短絡故障箇所の持つ微小な抵抗成分により発熱し、重大な故障を生じる恐れがある。そのため、入力部の短絡が検出された状態では過電流保護を無効化し、相短絡処理を実施することが有効である。それによって、回転電機３の相電流をインバータ回路内で還流させ、短絡故障箇所の過熱を抑制できる。

制御部１７は、入力短絡検出部２０からの入力部短絡検出信号を受けての相短絡処理を実施した後、式（１）および式（２）のいずれかを満足しくなった場合でも、相短絡処理を継続することとしてもよい。これにより短絡故障箇所の過熱防止状態を維持することができる。短絡故障箇所の過熱防止を確実に継続することができるので意義がある。

＜回転速度閾値以下での相短絡処理の解除＞
また、制御部１７は、回転速度検出部４が出力する角度検出値θから回転電機３の回転速度を算出する。回転速度が所定の回転速度閾値を下回った場合に、入力部短絡判定による相短絡処理を実施せず、全アームをオフしてもよい。入力部短絡判定後に相短絡処理が継続された状態で回転速度が低下した場合も同様である。回転電機３の回転速度が所定の回転速度閾値を下回った場合は、相電流の実効値が低下していることが推定できるからである。この場合、全アームをオフしても、短絡故障箇所に流れ込む電流は十分小さくなって発熱および重大な故障の発生はしないと考えられるからである。

＜回転電機の回転速度と相電流、トルク＞
図４は、実施の形態１に係る回転電機３の回転速度に対する相電流実効値とトルクの特性を示す図である。ここでは、回転速度閾値を相短絡処理時の相電流とトルクに基づいて設定する場合について説明する。

図４の横軸は、回転電機の回転速度を示す。回転速度に対する、相短絡処理時の相電流実効値とトルク（負トルクを生じるため絶対値で表示）の特性を示している。

＜相電流に基づく回転速度閾値の設定＞
なお、図中の相電流実効値は上述の誘起電圧電流であり、上述の短絡前電流は含まない。図中の実線は相短絡処理時、すなわちインバータ回路内を還流させて相短絡させている状態のグラフであり、破線は相抵抗を増加させた場合であり、全アームをオフさせて短絡故障箇所の微小抵抗を通って相短絡されている状態を想定したグラフである。

回転速度が低いほど相電流は減少する傾向にある。そして、抵抗値が増加すると相電流はさらに減少傾向となる。トルクに関して、低回転で負側にピークを持つ傾向にある。そして、抵抗値が増加するとピーク点が高回転側に移る傾向となる。

＜トルクに基づく回転速度閾値の設定＞
このような傾向を考慮し、回転速度閾値は図中のＡ点以下に設定する。このように設定することにより、回転速度閾値以下の回転速度で三相短絡処理から全アームをオフ（図中の実線から破線の特性に変化）することができる。回転速度閾値以下の回転速度では、相電流は高回転と比較して減少傾向にある。よって、この領域では短絡故障箇所に電流が流入しても発熱は抑えられる。

またトルクピークより低回転側では、三相短絡処理から全アームをオフ（図中の実線から破線の特性に変化）した場合、負トルク絶対値が減少する方向での変化となる。このため、例えば電動化車両の駆動用回転電機において制動力がかからない方向への変化となる。このため、三相短絡処理から全アームをオフとしても、車両の急制動による事故の発生可能性は少ないと考えることができる。

なお、ここでは誘起電圧電流に基づいて回転速度閾値を決める例について示した。しかし、相短絡直後の短絡前電流＋誘起電圧電流に基づいて回転速度閾値を決めることとしてもよい。

相短絡状態となった場合の相電流検出値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗは、相短絡直後に相電流が急増し、相短絡直後は、相短絡前に流れていた短絡前電流と、相短絡後に回転電機３の誘起電圧によって流れる誘起電圧電流との和となり、時間経過とともに短絡前電流は減衰して誘起電圧電流に収束する。相電流検出値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗが誘起電圧電流に収束するタイミングおよび収束値を計算、解析、実験等によって確認し、上記の回転速度閾値を決めることとしてもよい。

以上に述べたように、実施の形態１に係る回転電機制御装置１によれば、インバータ回路入力側が短絡状態であることを検出して相短絡処理を実施することができる。これにより、短絡故障箇所に相電流が流れ込むことで生じる発熱の抑制および重大な故障を防止することができる。

また、入力短絡検出部２０は回転電機３のオンオフ制御に必要な直流電圧検出値Ｖｄｃ、および相電流検出値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを用いてインバータ回路入力側の短絡故障を検出することができる。そのようにすれば、相電流の大きさを判定する別のセンサ、別の判定値等を設ける必要がない。

また、インバータ回路入力側の短絡検出をするための電流閾値を過電流閾値で兼ねて過電流検出部１９の判定情報を活用することで、追加の回路が不要である。なお、短絡検出のための電流閾値は過電流閾値と異なる値であっても良い。

実施の形態１では電圧閾値と電流閾値による判定でインバータ回路入力側の短絡検出することについて説明した。しかし、相電流に基づいてインバータ回路入力側の短絡を検出することとしてもよい。

例えば、上述の短絡前電流と誘起電圧電流のそれぞれ、または両方を用いて、図３に示すようなｄ－ｑ座標系での数値および時間波形からインバータ回路入力側の短絡を検出することとしてもよい。相電流の検出以外の追加のセンサ等が必要なく短絡を検出可能となる。インバータ回路入力側の短絡故障時の相電流の挙動を実験で求め、相電流の動きがこの挙動と一致した場合に、インバータ回路入力側の短絡を判定してもよい。

また、実施の形態１では各アームにおけるスイッチング素子として、ＭＯＳＦＥＴ(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)を用いてもよい。ＭＯＳＦＥＴはボディダイオードを有しており、インバータ回路入力側が短絡故障した場合には相短絡時の大電流がボディダイオードを導通することとなる。このときＭＯＳＦＥＴであれば、全ての正極側アームをオン、または全ての負極側アームをオンして相短絡処理すれば損失大のボディダイオードを通ることなく順方向および逆方向に導通可能であり、素子の発熱による劣化を防止できる。これによりインバータ回路入力側のその他機器５が短絡故障した場合であっても、回転電機制御装置１の劣化を抑制可能となる。

また、実施の形態１ではシリコン半導体によって構成されるＩＧＢＴ等を想定したが、これに限るものではない。例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム系材料または、ダイヤモンドを用いたワイドバンドギャップ半導体を用いてもよい。ＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴを例にとると、ＳｉＣの結晶欠陥によりボディダイオードへの大電流導通により欠陥が伸展し性能の劣化を引き起こすことが知られている。

ＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴを用いたインバータ回路において実施の形態１の特徴である短絡検出による相短絡処理を実施することができる。それにより、ボディダイオードに大電流を導通させることなく、または導通時間を短縮することによりＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴの劣化を抑制することができる。これによりインバータ回路入力側のその他機器５が短絡故障した場合であっても、回転電機制御装置１の劣化を抑制可能となる。

２．実施の形態２
＜アナログ回路、論理回路による高速化＞
図５は、実施の形態２に係る回転電機制御装置１ａの構成図である。実施の形態１に係る回転電機制御装置１では、回転電機制御装置１が備える各機能はソフトウェアのモジュールで構成されるものであってもよい。実施の形態２に係る回転電機制御装置１ａでは、低電圧検出部１８ａ、過電流検出部１９ａおよび入力短絡検出部２０ａは、オペアンプ、コンパレータ等のアナログ回路または、ＡＮＤ、ＯＲ等の論理回路、もしくはアナログ回路と論理回路の結合によって構成され、ソフトウェアのモジュールで構成されるものではない。

そして、実施の形態２に係る回転電機制御装置１ａでは、インバータ回路入力側の直流電圧検出値Ｖｄｃ、相電流検出値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗおよび、低電圧検出部１８ａ、過電流検出部１９ａ、入力短絡検出部２０ａからの信号を入力して、インバータ回路入力側の短絡に対応するのが制御部１７ａのアナログ・論理回路３０である。インバータ回路入力側の短絡を検出した場合に、アナログ・論理回路３０が正極側アームのすべてのスイッチング素子、または負極側アームのすべてのスイッチング素子をオンする制御を実行する。アナログ・論理回路３０は、回転電機制御装置１ａの備える演算処理装置９０の処理とは別に、アナログ回路または、論理回路、もしくはアナログ回路と論理回路の結合によって構成され、ソフトウェアのモジュールで構成されるものではない。

このような構成とすることで、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算処理装置９０が、ＲＯＭ等の記憶装置９１に記憶されたソフトウェアを実行してインバータ回路入力側の短絡を検出し、相短絡処理を行うのに比べて処理を高速化することができる。

低電圧検出部１８ａの処理内容をソフトウェアではなくアナログ回路、論理回路またはそれらの結合で実現することにより、入力短絡検出部２０ａによる短絡検出の高速化が可能である。また、過電流検出部１９ａの過電流検出をアナログ回路で実施することで、過電流保護および短絡検出時の遅延時間の短縮が可能である。

ソフトウェアをＲＯＭ等の記憶装置９１から逐次読み出して実行する処理ではなく、アナログ回路、論理回路またはそれらの結合した構成を用いて論理演算することで、インバータ回路入力側の短絡の検出と相短絡処理の実行を高速化することができる。

本願は、様々な例示的な実施の形態および実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、および機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

以下、本開示の諸態様を付記としてまとめて記載する。

（付記１）
直流電源の正極側に接続された正極側のスイッチング素子と、前記直流電源の負極側に接続された負極側のスイッチング素子と、前記正極側のスイッチング素子と前記負極側のスイッチング素子を直列に接続するとともに回転電機の巻線に接続する外部接続点と、が夫々設けられた複数相のアーム、
前記直流電源の正極側と負極側の短絡を検出する入力短絡検出部、
前記入力短絡検出部によって前記短絡が検出された場合に、前記複数相のアームの全ての正極側スイッチング素子または全ての負極側スイッチング素子をオンする制御部、を備えた回転電機制御装置。
（付記２）
前記直流電源の正極側と負極側の間の電圧を検出する入力電圧検出部を備え、
前記入力短絡検出部は、前記入力電圧検出部によって検出された電圧が予め定められた電圧閾値よりも小さい場合に前記短絡を検出する付記１に記載の回転電機制御装置。
（付記３）
前記回転電機の各相の巻線に流れる相電流を検出する相電流検出部を備え、
前記入力短絡検出部は、前記入力電圧検出部によって検出された電圧が前記電圧閾値よりも小さく、かつ前記相電流検出部によって検出された前記相電流が予め定められた電流閾値よりも大きい場合に前記短絡を検出する付記２に記載の回転電機制御装置。
（付記４）
前記制御部は、前記入力短絡検出部によって前記短絡が検出された場合に前記複数相のアームの全ての正極側スイッチング素子または全ての負極側スイッチング素子をオンし、前記入力電圧検出部によって検出された電圧が前記電圧閾値以上、かつ前記相電流検出部によって検出された前記相電流が前記電流閾値以下となるまで前記複数相のアームの全ての正極側スイッチング素子または全ての負極側スイッチング素子のオンを継続する付記３に記載の回転電機制御装置。
（付記５）
前記回転電機の各相の巻線に流れる相電流が予め定められた過電流判定閾値よりも大きい場合に過電流が生じたことを判定する過電流検出部を備え、
前記制御部は前記過電流検出部によって過電流が生じたことが判定された場合に前記アームを保護する過電流保護処理を実行し、
前記入力短絡検出部は、前記入力電圧検出部によって検出された電圧が前記電圧閾値よりも小さく、かつ前記過電流検出部によって過電流が生じたことが判定された場合に前記短絡を検出する付記２に記載の回転電機制御装置。
（付記６）
前記入力短絡検出部は前記入力電圧検出部によって検出された電圧と前記電圧閾値との比較をアナログ回路または論理回路によって行う付記２に記載の回転電機制御装置。
（付記７）
前記入力短絡検出部は、前記入力電圧検出部によって検出された電圧と前記電圧閾値との比較、および前記相電流検出部によって検出された前記相電流と前記電流閾値との比較をアナログ回路または論理回路によって行う付記３に記載の回転電機制御装置。
（付記８）
前記回転電機の各相の巻線に流れる相電流を検出する相電流検出部を備え、
前記入力短絡検出部は、前記相電流検出部によって検出された前記相電流に基づいて前記直流電源の正極側と負極側の前記短絡を検出する付記１に記載の回転電機制御装置。
（付記９）
前記回転電機の回転速度を検出する回転速度検出部を備え、
前記制御部は、前記入力短絡検出部が前記短絡を検出し、かつ前記回転速度検出部によって検出された回転速度が予め定められた回転速度閾値よりも小さい場合は、すべての正極側スイッチング素子および負極側スイッチング素子をオフする付記１から８のいずれか一項に記載の回転電機制御装置。
（付記１０）
前記制御部の前記回転速度閾値は、前記複数相のアームの全ての正極側スイッチング素子または全ての負極側スイッチング素子をオンした場合の相電流の収束値に基づいて設定される、付記９に記載の回転電機制御装置。
（付記１１）
前記制御部の前記回転速度閾値は、前記複数相のアームの全ての正極側スイッチング素子または全ての負極側スイッチング素子をオンした場合の前記回転電機に生じるトルクに基づいて設定される、付記９に記載の回転電機制御装置。
（付記１２）
前記制御部は、前記入力短絡検出部によって短絡が検出された後に、前記複数相のアームの全ての正極側スイッチング素子または全ての負極側スイッチング素子をオンし続ける付記１から８のいずれか一項に記載の回転電機制御装置。
（付記１３）
前記回転電機の各相の巻線に流れる相電流が予め定められた過電流判定閾値よりも大きい場合に過電流が生じたことを判定する過電流検出部を備え、
前記制御部は前記過電流検出部によって過電流が生じたことが判定された場合に前記アームを保護する過電流保護処理を実行し、前記入力短絡検出部によって前記短絡が検出された場合は過電流保護処理を中止する付記１から８のいずれか一項に記載の回転電機制御装置。
（付記１４）
前記制御部は前記過電流検出部によって過電流が生じたことが判定された場合に前記アームを保護する過電流保護処理として全ての正極側スイッチング素子および全ての負極側スイッチング素子をオフする付記１から１３のいずれか一項に記載の回転電機制御装置。
（付記１５）
前記スイッチング素子はＭＯＳ－ＦＥＴである付記１から１４のいずれか一項に記載の回転電機制御装置。
（付記１６）
前記スイッチング素子はワイドバンドギャップ半導体で形成された付記１から１５のいずれか一項に記載の回転電機制御装置。

１、１ａ 回転電機制御装置、２ 直流電源、３ 回転電機、４ 回転速度検出部、１１、１３、１５ 正極側アーム、１２、１４、１６ 負極側アーム、１７、１７ａ 制御部、１８、１８ａ 低電圧検出部、１９、１９ａ 過電流検出部、２０、２０ａ 入力短絡検出部、２２ 相電流検出部、２３ 入力電圧検出部、３０ アナログ・論理回路

Claims (14)

1. 直流電源の正極側に接続された正極側のスイッチング素子と、前記直流電源の負極側に接続された負極側のスイッチング素子と、前記正極側のスイッチング素子と前記負極側のスイッチング素子を直列に接続するとともに回転電機の巻線に接続する外部接続点と、が夫々設けられた複数相のアーム、
   前記直流電源の正極側と負極側の短絡を検出する入力短絡検出部、
   前記入力短絡検出部によって前記短絡が検出された場合に、前記複数相のアームの全ての正極側スイッチング素子または全ての負極側スイッチング素子をオンする制御部、を備えた回転電機制御装置であって、
   前記直流電源の正極側と負極側の間の電圧を検出する入力電圧検出部を備え、
   前記入力短絡検出部は、前記入力電圧検出部によって検出された電圧が予め定められた電圧閾値よりも小さい場合に前記短絡を検出し、
   前記回転電機の各相の巻線に流れる相電流を検出する相電流検出部を備え、
   前記入力短絡検出部は、前記入力電圧検出部によって検出された電圧が前記電圧閾値よりも小さく、かつ前記相電流検出部によって検出された前記相電流が予め定められた電流閾値よりも大きい場合に前記短絡を検出する回転電機制御装置。
2. 前記制御部は、前記入力短絡検出部によって前記短絡が検出された場合に前記複数相のアームの全ての正極側スイッチング素子または全ての負極側スイッチング素子をオンし、前記入力電圧検出部によって検出された電圧が前記電圧閾値以上、かつ前記相電流検出部によって検出された前記相電流が前記電流閾値以下となるまで前記複数相のアームの全ての正極側スイッチング素子または全ての負極側スイッチング素子のオンを継続する請求項１に記載の回転電機制御装置。
3. 前記回転電機の各相の巻線に流れる相電流が予め定められた過電流判定閾値よりも大きい場合に過電流が生じたことを判定する過電流検出部を備え、
   前記制御部は前記過電流検出部によって過電流が生じたことが判定された場合に前記アームを保護する過電流保護処理を実行し、
   前記入力短絡検出部は、前記入力電圧検出部によって検出された電圧が前記電圧閾値よりも小さく、かつ前記過電流検出部によって過電流が生じたことが判定された場合に前記短絡を検出する請求項１に記載の回転電機制御装置。
4. 前記入力短絡検出部は前記入力電圧検出部によって検出された電圧と前記電圧閾値との比較をアナログ回路または論理回路によって行う請求項１に記載の回転電機制御装置。
5. 前記入力短絡検出部は、前記入力電圧検出部によって検出された電圧と前記電圧閾値との比較、および前記相電流検出部によって検出された前記相電流と前記電流閾値との比較をアナログ回路または論理回路によって行う請求項１に記載の回転電機制御装置。
6. 直流電源の正極側に接続された正極側のスイッチング素子と、前記直流電源の負極側に接続された負極側のスイッチング素子と、前記正極側のスイッチング素子と前記負極側のスイッチング素子を直列に接続するとともに回転電機の巻線に接続する外部接続点と、が夫々設けられた複数相のアーム、
   前記直流電源の正極側と負極側の短絡を検出する入力短絡検出部、
   前記入力短絡検出部によって前記短絡が検出された場合に、前記複数相のアームの全ての正極側スイッチング素子または全ての負極側スイッチング素子をオンする制御部、を備えた回転電機制御装置であって、
   前記回転電機の各相の巻線に流れる相電流を検出する相電流検出部を備え、
   前記入力短絡検出部は、前記相電流検出部によって検出された前記相電流に基づいて前記直流電源の正極側と負極側の前記短絡を検出する回転電機制御装置。
7. 直流電源の正極側に接続された正極側のスイッチング素子と、前記直流電源の負極側に接続された負極側のスイッチング素子と、前記正極側のスイッチング素子と前記負極側のスイッチング素子を直列に接続するとともに回転電機の巻線に接続する外部接続点と、が夫々設けられた複数相のアーム、
   前記直流電源の正極側と負極側の短絡を検出する入力短絡検出部、
   前記入力短絡検出部によって前記短絡が検出された場合に、前記複数相のアームの全ての正極側スイッチング素子または全ての負極側スイッチング素子をオンする制御部、を備えた回転電機制御装置であって、
   前記回転電機の回転速度を検出する回転速度検出部を備え、
   前記制御部は、前記入力短絡検出部が前記短絡を検出し、かつ前記回転速度検出部によって検出された回転速度が予め定められた回転速度閾値よりも小さい場合は、すべての正極側スイッチング素子および負極側スイッチング素子をオフする回転電機制御装置。
8. 前記制御部の前記回転速度閾値は、前記複数相のアームの全ての正極側スイッチング素子または全ての負極側スイッチング素子をオンした場合の相電流の収束値に基づいて設定される、請求項７に記載の回転電機制御装置。
9. 前記制御部の前記回転速度閾値は、前記複数相のアームの全ての正極側スイッチング素子または全ての負極側スイッチング素子をオンした場合の前記回転電機に生じるトルクに基づいて設定される、請求項７に記載の回転電機制御装置。
10. 前記制御部は、前記入力短絡検出部によって短絡が検出された後に、前記複数相のアームの全ての正極側スイッチング素子または全ての負極側スイッチング素子をオンし続ける請求項１に記載の回転電機制御装置。
11. 直流電源の正極側に接続された正極側のスイッチング素子と、前記直流電源の負極側に接続された負極側のスイッチング素子と、前記正極側のスイッチング素子と前記負極側のスイッチング素子を直列に接続するとともに回転電機の巻線に接続する外部接続点と、が夫々設けられた複数相のアーム、
    前記直流電源の正極側と負極側の短絡を検出する入力短絡検出部、
    前記入力短絡検出部によって前記短絡が検出された場合に、前記複数相のアームの全ての正極側スイッチング素子または全ての負極側スイッチング素子をオンする制御部、を備えた回転電機制御装置であって、
    前記回転電機の各相の巻線に流れる相電流が予め定められた過電流判定閾値よりも大きい場合に過電流が生じたことを判定する過電流検出部を備え、
    前記制御部は前記過電流検出部によって過電流が生じたことが判定された場合に前記アームを保護する過電流保護処理を実行し、前記入力短絡検出部によって前記短絡が検出された場合は過電流保護処理を中止する回転電機制御装置。
12. 前記制御部は前記過電流検出部によって過電流が生じたことが判定された場合に前記アームを保護する過電流保護処理として全ての正極側スイッチング素子および全ての負極側スイッチング素子をオフする請求項１１に記載の回転電機制御装置。
13. 前記スイッチング素子はＭＯＳ－ＦＥＴである請求項１から１２のいずれか一項に記載の回転電機制御装置。
14. 前記スイッチング素子はワイドバンドギャップ半導体で形成された請求項１から１２のいずれか一項に記載の回転電機制御装置。