JPWO2019202922A1

JPWO2019202922A1 - 電力変換装置

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Publication number: JPWO2019202922A1
Application number: JP2020514030A
Authority: JP
Inventors: 隆義三木; 中武　浩; 浩中武
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-04-19
Filing date: 2019-03-25
Publication date: 2020-10-01
Anticipated expiration: 2039-03-25
Also published as: JP6844746B2; WO2019202922A1

Abstract

本発明に係る電力変換装置は、Ｐ母線（Ｐ）及びＮ母線（Ｎ）を有し、Ｐ母線及びＮ母線が直流電力を供給する直流電圧源に接続された電力変換装置であって、一端がＰ母線に接続され他端がＮ母線に接続された外部コンデンサ（２）と、筐体（８）、筐体の内部に配置されＰ母線とＮ母線の間に接続されたスイッチング素子（Ｓ）及び筐体の内部に配置されＰ母線とＮ母線の間に接続されたスナバ回路（７）を有するパワーモジュール（２０）と、外部コンデンサを流れる電流を検出する電流検出器（４）と、電流検出器により検出された電流に基づいて前記スナバ回路の異常を判定するスナバ異常判定部（６）と、を備える。これにより、パワーモジュールの内部に配置されたスナバ回路の異常を判定することができ、小型化が可能な電力変換装置を得ることができる。

Description

この発明は、パワーモジュールを用いた電力変換装置に関する。

パワーモジュールはスイッチング半導体を内蔵する。スイッチング半導体のスイッチング速度を高速化させるとスイッチング損失が低減するため、電力変換装置の変換効率を向上させられる。しかし、スイッチング半導体のスイッチング速度を高速化させると、電流波形、電圧波形にリンギングと呼ばれる振動が重畳する。

このリンギングの電圧振幅が大きいと、電圧ストレスによりスイッチング半導体が故障し、電力変換装置が異常停止する場合がある。そこで、電力変換装置にスナバ回路を設ける技術がある。スナバ回路がリンギングの振動エネルギーを吸収し、電圧振幅、電流振幅を低減することができる。

特許文献１には、スイッチング半導体とスナバ回路であるスナバコンデンサが樹脂筐体内に封入されたパワーモジュールの保護回路が開示されている。パワーモジュールには、外部の直流電圧源につながるＰ側端子及びＮ側端子に加え、スナバ回路の両端の電圧をモニタするためのＰ側モニタ端子及びＮ側モニタ端子が設けられている。

保護回路は、Ｐ側モニタ端子及びＮ側モニタ端子に接続され、スナバ回路の両端の電圧をモニタする電圧モニタと、電圧モニタでモニタした電圧が、あらかじめ定めた閾値以上となった場合にはＰ側端子及びＮ側端子の間に与えられる印加電圧を低下させる制御部とを備える。

特開２０１３―２５２００９号公報

特許文献１に記載の技術では、パワーモジュールに、スナバ回路の両端電圧をモニタするためのＰ側モニタ端子及びＮ側モニタ端子を設ける必要がある。そのため、パワーモジュール及び電力変換装置が大型化するという課題がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、パワーモジュールの内部に配置されたスナバ回路の異常を判定することができ、小型化が可能な電力変換装置を得ることを目的とする。

本発明に係る電力変換装置は、Ｐ母線及びＮ母線を有し、Ｐ母線及びＮ母線が直流電力を供給する直流電圧源に接続された電力変換装置であって、一端がＰ母線に接続され、他端がＮ母線に接続された外部コンデンサと、筐体、筐体の内部に配置されＰ母線とＮ母線との間に接続されたスイッチング素子、及び筐体の内部に配置されＰ母線とＮ母線との間に接続されたスナバ回路を有するパワーモジュールと、外部コンデンサを流れる電流を検出する電流検出器と、電流検出器により検出された電流に基づいてスナバ回路の異常を判定するスナバ異常判定部と、を備える。

本発明によれば、パワーモジュールの内部に配置されたスナバ回路の異常を判定することができ、小型化が可能な電力変換装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の回路構成図である。本発明の実施の形態１に係る電力変換装置のパワーモジュールを示す図である。本発明の実施の形態１に係る電力変換装置に含まれる共振回路を示す図である。本発明の実施の形態１に係る電力変換装置のフィルタ及びスナバ異常判定部を示す回路図である。本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の変形例の回路構成図である。本発明の実施の形態２に係る電力変換装置の回路構成図である。本発明の実施の形態２に係る電力変換装置に含まれる共振回路を示す図である。本発明の実施の形態２に係る電力変換装置のフィルタ及びスナバ異常判定部を示す回路図である。本発明の実施の形態２に係る電力変換装置のスナバ回路の異常判定の処理を示すフローチャートである。本発明の実施の形態２に係る電力変換装置の変形例の回路構成図である。

以下に、本発明の実施の形態を、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態は例示であって、以下の実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の回路構成図である。電力変換装置１００は直流電圧源１及び電動機２００に接続されており、外部コンデンサ２、スナバ回路７、パワーモジュール２０、電流検出器４、フィルタ５及びスナバ異常判定部６を備える。本実施の形態においてスナバ回路７はスナバコンデンサ３を含む。

図２は、実施の形態１に係る電力変換装置のパワーモジュール２０を示す図である。パワーモジュール２０は、筐体８、スナバコンデンサ３及びスイッチング半導体ｓ１からスイッチング半導体ｓ６を備える。信号線Ｌ１から信号線Ｌ６はそれぞれ、スイッチング半導体ｓ１からスイッチング半導体ｓ６を制御する制御信号を外部から入力するための信号線である。以下では、スイッチング半導体ｓ１からスイッチング半導体ｓ６をまとめてスイッチング素子Ｓとよぶ。スイッチング素子Ｓは、筐体８の内部に配置されＰ母線とＮ母線の間に接続されている。

スイッチング半導体ｓ１は一端がＰ母線に接続され、他端がスイッチング半導体ｓ２の一端及び出力線Ｕに接続されている。スイッチング半導体ｓ２の他端はＮ母線Ｎに接続されている。同様に、スイッチング半導体ｓ３は一端がＰ母線に接続され、他端がスイッチング半導体ｓ４の一端及び出力線Ｖに接続されている。スイッチング半導体ｓ２の他端はＮ母線Ｎに接続されている。同様に、スイッチング半導体ｓ５は一端がＰ母線に接続され、他端がスイッチング半導体ｓ６の一端及び出力線Ｖに接続されている。スイッチング半導体ｓ２の他端はＮ母線Ｎに接続されている。

このように、スイッチング素子Ｓは２レベル３相のインバータ回路を構成している。ただし、出力線の相数は３相に限定されるものではなく、スイッチング素子Ｓの構成を変更すれば、１相とすることも２相とすることも４相以上とすることもできる。

スナバコンデンサ３も、筐体８の内部に配置されＰ母線とＮ母線の間に接続されている。パワーモジュール２０は、スイッチング素子Ｓ及びスナバコンデンサ３を筐体８の内部に納めてパッケージングされている。筐体８はパワーモジュール２０の外枠を構成しており、筐体８の内部及び外部はそれぞれ、パワーモジュール２０の内部及び外部となる。

パワーモジュール２０を構成する際、あらかじめ外形の決まった筐体８を用意し、部品を内部に納めた後、ふたを装着してもよい。また、板状の基板に部品を取り付けた後、モールド樹脂で素子の上部を覆って筐体８を形成してもよい。

図１を用いて電力変換装置の回路構成について説明する。スナバコンデンサ３の一端はＰ母線Ｐに接続点Ｐ１において接続され、スナバコンデンサ３の他端はＮ母線Ｎに接続点Ｎ１において接続されている。スナバコンデンサ３を含む接続点Ｐ１と接続点Ｎ１の間の部分をスナバ回路７とよぶ。スナバ回路７はパワーモジュールの内部にある。

直流電圧源１の出力端子は、パワーモジュール２０のＰ母線Ｐ及びＮ母線Ｎに接続される。外部コンデンサ２はパワーモジュール２０の外部にあり、外部コンデンサ２の両端は、Ｐ母線Ｐ及びＮ母線Ｎにそれぞれ接続されている。パワーモジュール２０の出力線Ｕ、出力線Ｖ及び出力線Ｗは電動機２００の入力端子に接続されている。直流電圧源１よりＰ母線Ｐ及びＮ母線Ｎに入力された直流電力は、スイッチング素子Ｓのスイッチング動作によって交流電力に変換される。変換された交流電力は出力線Ｕ、出力線Ｖ及び出力線Ｗを介して電動機２００に供給される。電動機２００は供給された交流電力によって駆動される。

なお、負荷は、電動機２００のような交流電力を消費する負荷に限定されるものではない。ヒーターのような直流電力を消費する負荷でもよい。この場合、出力線Ｕ、出力線Ｖ及び出力線Ｗはヒーターに接続されている。Ｐ母線Ｐ及びＮ母線Ｎに入力された直流電力はスイッチング素子Ｓのスイッチング動作によって異なる電圧、異なる電流の直流電力に変換され、出力線Ｕ、出力線Ｖ及び出力線Ｗを介して負荷であるヒーターに供給される。

一般に、電動機２００への電力供給は、ＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ：パルス幅変調）制御により行われる。電力供給を制御するスイッチング素子Ｓのスイッチング動作の周波数をスイッチング周波数又はキャリア周波数とよぶ。スイッチング周波数の典型な値は、数百ヘルツＨｚ（Ｈｚ）から数百キロヘルツ（ｋＨｚ）の間である。

電力変換装置１００を通流する電流の時間波形は様々な周波数成分を含む。本発明では、スイッチング周波数よりも高い周波数成分（以下では、電流の高周波成分とよぶ。）を利用して、スナバ回路７の異常判定を行う事を発見した。通常、この電流の高周波成分の周波数の値は、スイッチング周波数の１０倍以上の値である。さらに、本発明では、スナバ回路７の異常時に電力変換装置の共振現象が変化する事を利用してスナバ回路７の異常判定を行う事を発見したため、共振現象について説明する。

共振現象により電流が増大する周波数成分（共振周波数）は、電力変換装置１００の回路の構成要素のインダクタンス成分、コンデンサ成分等によって決まる。図３は、電力変換装置１００に含まれる共振回路３００を示す図である。図３に示す共振回路３００において、スイッチング素子Ｓのコンデンサ成分、スナバ回路７のコンデンサ成分及び外部コンデンサ２のコンデンサ成分をそれぞれ、コンデンサ成分Ｃｓｗ、コンデンサ成分Ｃｓｎ及びコンデンサ成分Ｃｏｕｔとする。

スイッチング素子Ｓとスナバ回路７の間を接続する接続線のインダクタンス成分をインダクタンス成分Ｌｉｎとする。さらに、スナバ回路７と外部コンデンサ２の間を接続する接続線のインダクタンス成分をインダクタンス成分Ｌｏｕｔとする。共振回路３００において、コンデンサ成分Ｃｓｗ、コンデンサ成分Ｃｓｎ及びコンデンサ成分Ｃｏｕｔの一端は互いに接続されている。

スナバ回路７に故障がなく正常である場合を考える。スイッチング素子Ｓ、スイッチング素子Ｓとスナバ回路７の間を接続する接続線、スナバ回路７を通る経路に共振現象が発生し、電流の高周波成分が流れる。容量の大きなコンデンサと容量の小さなコンデンサを直列接続すると、合成容量は容量の小さなコンデンサの容量にほぼ等しい。通常、スナバ回路７のコンデンサ成分はスイッチング素子Ｓのコンデンサ成分よりも小さいことから、共振によって増大する電流の周波数は、コンデンサ成分Ｃｓｗとインダクタンス成分Ｌｉｎに依存して決まる値である。この周波数の値を第一の共振周波数ｆ１とする。第一の共振周波数ｆ１の値は数式（１）で定められる。

電力変換装置１００においては、スイッチング素子Ｓと外部コンデンサ２の間の配線の長さ（以下、配線距離とよぶ）に比べて、スイッチング素子Ｓとスナバコンデンサ３の間の配線距離が短い。そのため、スナバ回路７が正常に機能している場合、第一の共振周波数ｆ１の電流の高周波成分は、外部コンデンサ２には流れず、スナバコンデンサ３に主に流れる。

次に、スナバ回路７に開放故障が発生した場合を考える。電流はスナバ回路７を流れず、外部コンデンサ２を通流する。スイッチング素子Ｓ、スイッチング素子Ｓとスナバ回路７の間を接続する接続線、スナバ回路７と外部コンデンサ２の間を接続する接続線、外部コンデンサ２を通る経路に共振現象が発生し、電流の高周波成分が流れる。共振によって増大する電流の周波数は、コンデンサ成分Ｃｓｗと、インダクタンス成分Ｌｉｎとインダクタンス成分Ｌｏｕｔとの和に依存して決まる値である。この周波数の値を第二の共振周波数ｆ２とする。第二の共振周波数ｆ２の値は数式（２）で定められる。

ここで、スナバ回路７の開放故障とは、スナバコンデンサ３に発生する開放故障だけではなく、接続点Ｐ１と接続点Ｎ１の間の接続線の断線を含む開放故障である。

以上に説明した内容により、スナバ回路７が正常である場合は第一の共振周波数ｆ１の成分が増大しており、第一の共振周波数ｆ１の電流の高周波成分は主にスナバコンデンサ３に流れ、外部コンデンサ２には流れない。スナバ回路７に開放故障が発生した場合には、第一の共振周波数ｆ１の成分が減少する一方、第二の共振周波数ｆ２の成分が増大し、第二の共振周波数ｆ２の電流の高周波成分が主に外部コンデンサ２に流れる。

電流検出器４、フィルタ５及びスナバ異常判定部６について説明する。電流検出器４は、外部コンデンサ２を流れる電流を検出し、信号としてフィルタ５に送出する。図４は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置のフィルタ５及びスナバ異常判定部６の構成図である。

フィルタ５はコンデンサ５１及び抵抗５２を備える。スナバ異常判定部６は、検波回路６００及びコンパレータ回路６１０を備える。検波回路６００はダイオード６１、コンデンサ６２及び抵抗６３で構成される。また、コンパレータ回路６１０は基準電圧源６４及びコンパレータ６５を備える。

図４に示すように、接続点４２にはコンデンサ５１の一端が接続されている。コンデンサ５１の他端は、抵抗５２の一端及び接続点４４に接続されている。一方、抵抗５２の他端は、接続点４１及び接続点４３に接続されている。以上がフィルタ５の構造である。

次にスナバ異常判定部６について説明する。ダイオード６１のアノードは接続点４４に接続される。コンデンサ６２の一端、ダイオード６１のカソード及び抵抗６３の一端はコンパレータ６５のプラス側入力端子に接続される。接続点４３は、コンデンサ６２の他端、抵抗６３の他端及び基準電圧源６４の負側端子に接続される。基準電圧源６４の正側端子はコンパレータ６５のマイナス側入力端子に接続される。以上がスナバ異常判定部６の構成である。

フィルタ５は電流検出器４から、接続点４１と接続点４２の間に印加される電位差として信号Ｖｉｎを取得し、接続点４３と接続点４４の間の電位差として信号をスナバ異常判定部６に出力する。

フィルタ５は、第二の共振周波数ｆ２を含む周波数帯域の信号を通過させ、スイッチング周波数を含む周波数成分を通過させないように部品定数を設定する。そのため、信号Vｉｎのうち、第二の共振周波数ｆ２を含む周波数成分がスナバ異常判定部６へ入力される。信号Vｉｎのうち、スイッチング周波数を含む周波数成分はスナバ異常判定部６へ入力されない。

ここで、フィルタ５が一定の周波数帯域の信号を通過させる又は通過させないと言った場合、信号の１００％を通過させ又は通過させない必要はなく、本発明の目的が達成させる程度にその周波数帯域の信号を通過又は通過させなければよい。フィルタ５を構成するコンデンサ５１の容量及び抵抗５２の抵抗値を選択することにより、各周波数帯域の信号の通過の割合及び通過させる周波数帯域を設定することができる。

また、フィルタ５がハイパスフィルタである構成を説明したが、バンドパスフィルタである構成でもよい。フィルタ５が第二の共振周波数ｆ２を含む周波数帯域の信号を通過させ、スイッチング周波数を含む周波数成分を通過させなければよい。

スナバ異常判定部６の検波回路６００は、フィルタ５より取得した信号を検波し、直流信号に変換する。コンパレータ回路６１０は、検波回路６００から取得した信号の信号出力があらかじめ定めた一定の基準値（以下、しきい値）より大きい場合に１を出力する。そして、しきい値より小さい場合に０を出力する。このようにして、信号出力がしきい値を超えるかどうかを判定する。

このようにして、スナバ異常判定部６により、第二の共振周波数ｆ２を含む周波数帯域の信号強度がしきいを超えるか超えないかが判定される。

なお、図１に示す電力変換装置では、フィルタ５とスナバ異常判定部６とを備える構成について説明したが、図５に示すように、フィルタを用いずスナバ異常判定部６が、電流検出器４により検出された電流の周波数別の強度を解析する解析器を備える構成でもよい。すなわち、スナバ異常判定部６が備える解析器は、アナログ回路またはデジタル回路によりフーリエ変換を実行し、電流検出器４から出力される電気信号の周波数別の強度を解析する。スナバ異常判定部６は、解析器により第二の共振周波数ｆ２を含む周波数帯域の信号強度がしきいを超えるか超えないかにより、スナバ回路の開放故障の発生を判定することができる。

以上より、スナバ異常判定部６が、第二の共振周波数ｆ２を含む周波数成分の強度がしきい値より大きいと判定した場合、スナバ回路７の開放故障が発生したと判定することができる。一方、第二の共振周波数ｆ２を含む周波数成分の強度が、しきい値より小さいと判定した場合、スナバ回路７は正常であると判定することができる。

なお、スナバ回路７に異常が発生したと判定した場合、電力変換装置に対し、スイッチング半導体のスイッチング動作を停止させる処置又はスイッチング速度を低下させる処置を施してもよい。また、スナバ回路７に異常が発生したと判定した場合に直流電圧源１の電圧を下げる処置を施してもよい。

このような処置を施せば、スナバ回路７に異常が発生した場合に電流の高周波成分がパワーモジュール２０の外部に過剰に漏れ続ける事を防止できる。また、スイッチング素子Ｓの故障を防止することができる。

実施の形態１に係る電力変換装置１００は、スイッチング素子Ｓとスナバ回路７を内蔵するパワーモジュール２０を備え、スナバ回路７の異常を判定することが可能である。さらに、パワーモジュール２０の外部に配置された外部コンデンサ２を通流する電流を検出する。よって、パワーモジュール２０の内部に、スナバ回路７の電圧又は電流を検出するための、端子、配線又は検出装置を設ける必要がなくパワーモジュール２０の小型化が容易である。

以上のように、本発明によれば、パワーモジュールの内部に配置されたスナバ回路の異常を判定することができ、小型化が可能な電力変換装置を得ることができる。

実施の形態２．
図６は本発明の実施の形態２に係る電力変換装置の回路構成図である。実施の形態２に係る電力変換装置１００ａはスナバ回路７に代えてスナバ抵抗９とスナバコンデンサ３ａを含むスナバ回路７ａを備え、スナバ異常判定部６に代えてスナバ異常判定部６ａを備える。

実施の形態１において説明した構成要素と同じ構成要素については、同じ符号を付し詳細な説明を省略する。電力変換装置１００ａは、直流電圧源１及び電動機２００に接続されており、外部コンデンサ２、スイッチング素子Ｓ、スナバ回路７ａ、パワーモジュール２０、電流検出器４、フィルタ５ａ及びスナバ異常判定部６ａを備える。

実施の形態１と同様に、スイッチング素子Ｓ及びスナバ回路７ａはパワーモジュール２０の内部に配置されている。直流電圧源１、外部コンデンサ２、電流検出器４、フィルタ５ａ及びスナバ異常判定部６ａはパワーモジュール２０の外部に配置されている。スナバ抵抗９とスナバコンデンサ３ａで構成されるスナバ回路７ａはＲＣスナバともよばれる。

電力変換装置１００ａは、実施の形態１と同様に、スナバ回路７の異常の検知に共振周波数の違いを利用する。図７は本発明の実施の形態２に係る電力変換装置の共振経路を示す回路図である。図７に示す共振回路３００ａは電力変換装置１００ａの一部である。スナバ回路７ａのコンデンサ成分及び抵抗成分をそれぞれ、コンデンサ成分Ｃｓｎ及び抵抗成分Ｒｓｎとする。

スイッチング素子Ｓとスナバ回路７ａの間を接続する接続線のインダクタンス成分をインダクタンス成分Ｌｉｎとする。スナバ回路７ａと外部コンデンサ２の間を接続する接続線のインダクタンス成分をインダクタンス成分Ｌｏｕｔとする。

スナバ回路７ａが正常に動作している場合を考える。スイッチング素子Ｓ、スイッチング素子Ｓとスナバ回路７ａの間を接続する接続線、スナバ回路７ａを通る経路に共振現象が発生し、電流の高周波成分が流れる。実施の形態１と同様に、共振によって増大する電流の周波数の値は第一の共振周波数ｆ１であり、数式（１）で定められる。

次に、スナバ回路７ａに開放故障が発生した場合を考える。スイッチング素子Ｓ、スイッチング素子Ｓとスナバ回路７ａを接続する接続線、スナバ回路７ａと外部コンデンサ２の間を接続する接続線、外部コンデンサ２を通る経路に共振現象が発生し、電流の高周波成分が流れる。実施の形態１と同様に、共振によって増大する電流の周波数の値は第二の共振周波数ｆ２であり、数式（２）で定められる。

次に、スナバ回路７のスナバ抵抗９が短絡故障した場合を考える。スナバ回路７ａ、スナバ回路７ａと外部コンデンサ２の間を接続する接続線、外部コンデンサ２を通る経路の共振現象の強度が増大し、電流の高周波成分が増大する。通常、スナバ回路７ａのコンデンサ成分は外部コンデンサ２のコンデンサ成分よりも小さいことから、増大する電流の高周波成分は、コンデンサ成分Ｃｓｎとインダクタンス成分Ｌｏｕｔに依存して決まる値である。この周波数の値を第三の共振周波数ｆ３とする。第三の共振周波数ｆ３は数式（３）で定められる。

以上より、高周波成分の中で、第二の共振周波数ｆ２の周波数成分と第三の共振周波数ｆ３の周波数成分がともに増大しなければ、スナバ回路７ａは正常であると判定することができる。第二の共振周波数ｆ２の周波数成分が増大した場合、スナバ回路７ａに開放故障が発生したと判定することができる。第三の共振周波数ｆ３の周波数成分が増大した場合、スナバ抵抗９に短絡故障が発生したと判定することができる。

次に、実施の形態２に係るフィルタ５ａ及びスナバ異常判定部６ａの動作について図８を用いて説明する。実施の形態１と同様に、外部コンデンサ２を流れる電流の高周波成分は電流検出器４によって検出され、検出信号は、信号Ｖｉｎとしてフィルタ５ａへと出力される。フィルタ５ａは電流検出器４からの信号を接続点４１と接続点４２の間の電位差として取得する。

第三の共振周波数ｆ３は第二の共振周波数ｆ２より小さいと仮定してスナバ異常判定部６ａの説明を進める。

以下では、信号伝達経路の上流側及び下流側をそれぞれ、単に上流側及び下流側とよぶ。図８に示すように、フィルタ５ａはコンデンサ５１及び抵抗５２を有する。スイッチング周波数の周波数成分を通過させず、第二の共振周波数ｆ２の周波数成分及び第三の共振周波数ｆ３の周波数成分を抽出して通過させるよう、フィルタ５ａの部品定数を設定する。

スナバ異常判定部６ａは接続点４３と接続点４４の間の電位差を入力として取得する。接続点４３及び接続点４４の下流側は２つの経路に分岐し、分岐した経路の一方は検波回路６００に接続され、分岐した経路の他方は第二フィルタ６２０に接続されている。検波回路６００は、交流の信号を検波して直流の信号に変換し、コンパレータ回路６１０へと入力する。

コンパレータ回路６１０は、あらかじめ定めたしきい値である基準信号と入力信号を比較し、入力信号の方が大きい場合に出力を０から１へと変化させ、入力信号の方が小さい場合には０を出力する。

すなわち、フィルタ５ａを通過した第二の共振周波数ｆ２を含む周波数帯域又はフィルタ５ａを通過した第三の共振周波数ｆ３を含む周波数帯域の信号が増大してしきい値より大きい場合、コンパレータ回路６１０は１を出力し、スナバ回路７ａに異常が発生したと判定される。一方、フィルタ５ａを通過した第二の共振周波数ｆ２を含む周波数帯域又はフィルタ５ａを通過した第三の共振周波数ｆ３を含む周波数帯域の信号がともにしきい値より小さい場合、コンパレータ回路６１０の出力は０に維持され、スナバ回路７ａは正常であると判定される。

接続点４３及び接続点４４の分岐した経路の他方には、第二フィルタ６２０、検波回路６００ａ及びコンパレータ回路６１０ａが順に接続されている。第二フィルタ６２０はフィルタ５ａと同様の構造であるが、フィルタ５ａとは抽出する周波数帯域が異なる。第三の共振周波数ｆ３は第二の共振周波数ｆ２より小さいことから、次のように第二フィルタ６２０の回路定数を設定する。すなわち、第二フィルタ６２０が第二の共振周波数ｆ２を含む周波数帯域を抽出して通過させ、第三の共振周波数ｆ３を含む周波数帯域を通過させないようにする。

本実施の形態では、第二フィルタ６２０がハイパスフィルタである構成を説明したが、バンドパスフィルタである構成でもよい。第二フィルタ６２０が第二の共振周波数ｆ２を含む周波数帯域を抽出して通過させ、第三の共振周波数ｆ３を含む周波数帯域を通過させなければよい。

第二フィルタ６２０に抽出された信号は、接続点４５と接続点４６の間の電位差として出力され、接続点４５と接続点４６には検波回路６００ａが接続されている。検波回路６００ａ及びコンパレータ回路６１０ａの機能及び構造は、検波回路６００及びコンパレータ回路６１０と同様である。

検波回路６００ａを通過した信号の強度、すなわち、第二の共振周波数ｆ２を含む周波数帯域の信号があらかじめ定めたしきい値より大きい場合、出力信号を０から１に変更する。また、しきい値より小さい場合には出力信号を０のまま維持する。

コンパレータ回路６１０ａのしきい値とコンパレータ回路６１０のしきい値は、同じ値を使用する必要はなく、故障が発生したか否か、又は短絡故障が発生したか否かを判断できる値をそれぞれ設定すればよい。以上、述べたように、コンパレータ回路６１０ａからの信号によって、スナバ回路７ａの故障の種類を判定することができる。

そして、コンパレータ回路６１０からの信号とコンパレータ回路６１０ａからの信号を組み合わせて使用することができる。すなわち、判定結果の組み合わせにより、スナバ回路７ａに異常が発生していない状態、スナバ回路７ａに開放故障が発生した状態及びスナバ抵抗９に短絡故障が発生した状態の３つの状態を判別することができる。

図９は、本発明の実施の形態２に係る電力変換装置のスナバ回路７ａの異常判定の処理を示すフローチャートである。まず、ステップＳ１００１において、検波回路６００の検出信号強度がしきい値より大きいかどうかを判定する。

ここでＹＥＳの場合、すなわちコンパレータ回路６１０からの出力が１の場合、スナバ回路７ａに異常が発生したと判定され、ステップＳ１００２へと進む。ここでＮＯの場合、すなわちコンパレータ回路６１０からの出力が０の場合、スナバ回路７ａは正常であると判定される。この場合、適当な時間間隔をおいて再びステップＳ１００１を行う。

次に、ステップＳ１００２へ進んだ場合は、検波回路６００ａの検出信号強度がしきい値より大きいかどうかの判定を行う。ステップＳ１００２でＮＯの場合、すなわちコンパレータ回路６１０ａからの信号が０の場合は、第三の共振周波数ｆ３の信号強度が増大しており、スナバ抵抗９に短絡故障が発生したと判定することができる。

ステップＳ１００２でＹＥＳの場合、すなわちコンパレータ回路６１０ａからの信号が１の場合は、第二の共振周波数ｆ２の信号強度が増大していることになり、スナバ回路７ａに開放故障が発生したと判定する。以上が図９のフローチャートの処理である。

第三の共振周波数ｆ３は第二の共振周波数ｆ２より小さいと仮定してスナバ異常判定部６ａの説明を行った。もし、第二の共振周波数ｆ２が第三の共振周波数ｆ３より小さい場合には、第二フィルタ６２０の構成を変更すればよい。すなわち、第二フィルタ６２０は第三の共振周波数ｆ３を含む周波数帯域を抽出して通過させ、第二の共振周波数ｆ２を含む周波数帯域を通過させない。さらに、ステップＳ１００１の処理は同じであるが、ステップＳ１００２の処理を変更すればよい。

すなわち、ステップＳ１００２では、検波回路６００ａの検出信号強度がしきい値より大きいかどうかの判定を行う。そして、ステップＳ１００２でＹＥＳの場合、第三の共振周波数ｆ３の信号強度が増大しており、スナバ抵抗９の短絡故障と判定する。また、ステップＳ１００２でＮＯの場合、第二の共振周波数ｆ２の信号強度が増大しており、スナバ回路７ａの開放故障と判定する。

スナバ回路７ａに開放故障が発生した場合、スイッチング半導体のスイッチング動作を停止させる指令、スイッチング速度を低下させる指令又は直流電圧源１の電圧を下げる指令を発する。これらの指令を発することにより、スイッチング素子Ｓの故障を防止することができる。

スナバ抵抗９に短絡故障が発生した場合、スナバ異常判定部６ａは、スイッチング半導体のスイッチング速度を落とす指令又は直流電圧源１の電圧を下げる指令を発する。この場合、スナバ回路７ａはスナバコンデンサ３ａのみを有するスナバ回路として部分的に機能しているため、スナバ回路７ａの開放故障した場合のように、スイッチング半導体のスイッチング動作を停止させる指令を出す必要はない。

また、スナバ回路７ａに開放故障が発生した場合に比べ、スナバ抵抗９に短絡故障が発生した場合、スナバ回路７ａは部分的に機能しているため、開放故障時に比べてスイッチング速度の低下量を小さくしてもよく、直流電圧源１の電圧低下量を小さくしてもよい。

スナバ抵抗９に短絡故障が発生した場合、指令を前述のようにすることにより、スイッチング電流に重畳する高周波成分がパワーモジュール２０の外部に過剰に漏れだす事を防ぎながら、故障時も性能を大きく低下させることなく、電動機２００を駆動し続けることができる。

なお、図６に示した電力変換装置では、フィルタ５ａとスナバ異常判定部６ａとを備える構成について説明したが、図１０に示すように、フィルタを用いずスナバ異常判定部６ａが、電流検出器４により検出された電流の周波数別の強度を解析する解析器を備える構成としてもよい。すなわち、スナバ異常判定部６ａが備える解析器は、アナログ回路またはデジタル回路によりフーリエ変換を実行し、電流検出器４から出力される電気信号の周波数別の強度を解析する。スナバ異常判定部６ａは、解析器により解析された第二の共振周波数ｆ２または第三の共振周波数ｆ３を含む周波数帯域の信号強度がしきいを超えるか超えないかにより、スナバ回路の開放故障または短絡故障の発生を判定することができる。

本実施の形態によれば、電流又は電圧を検出する、端子、配線又は計測機器をパワーモジュール２０の内部に設けることなく、パワーモジュール２０の内部に配置されたスナバ回路７ａの異常を判定することができ、小型化が可能な電力変換装置を提供することができる。

さらに、本実施の形態によれば、故障の種類が短絡故障であるか又は開放故障であるかを判定することができるため、判定した故障の種類に対応して、電力変換装置の運転を適切に変更することができる。

その結果、スイッチング電流に重畳する高周波成分がパワーモジュール２０の外に過剰に漏れだす事を防ぎ、同時に電力変換装置の性能の低下を抑えることができる。

１直流電圧源、２外部コンデンサ、３、３ａスナバコンデンサ、４電流検出器、５、５ａフィルタ、６、６ａスナバ異常判定部、７、７ａスナバ回路、８筐体、９スナバ抵抗、２０パワーモジュール、１００、１００ａ電力変換装置、６２０第二フィルタ、Ｃｓｎ、Ｃｏｕｔ、Ｃｓｗコンデンサ成分、Ｌｏｕｔ、Ｌｉｎインダクタンス成分、ＰＰ母線、ＮＮ母線、Ｓスイッチング素子、Ｖｉｎ信号。

Claims

Ｐ母線及びＮ母線を有し、前記Ｐ母線及び前記Ｎ母線が直流電力を供給する直流電圧源に接続された電力変換装置であって、
一端が前記Ｐ母線に接続され、他端が前記Ｎ母線に接続された外部コンデンサと、
筐体、前記筐体の内部に配置され前記Ｐ母線と前記Ｎ母線との間に接続されたスイッチング素子、及び前記筐体の内部に配置され前記Ｐ母線と前記Ｎ母線との間に接続されたスナバ回路を有するパワーモジュールと、
前記外部コンデンサを流れる電流を検出する電流検出器と、
前記電流検出器により検出された電流に基づいて前記スナバ回路の異常を判定するスナバ異常判定部と、
を備えることを特徴とする電力変換装置。
前記スナバ回路は、一端が前記Ｐ母線に接続され他端が前記Ｎ母線に接続されたスナバコンデンサであり、
前記スナバ異常判定部は、前記電流検出器により検出された電流のうち、前記スナバ回路に開放故障が発生した状態における前記電力変換装置の共振周波数である第二の共振周波数ｆ２を含む周波数帯域の電流の強度が、あらかじめ定めたしきい値より大きい場合に、前記スナバ回路の開放故障が発生している状態であると判定すること、
を特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記スイッチング素子のコンデンサ成分であるＣｓｗ、前記スナバ回路のコンデンサ成分であるＣｓｎ、前記外部コンデンサのコンデンサ成分であるＣｏｕｔ、前記スイッチング素子と前記スナバ回路の間を接続する接続線のインダクタンス成分Ｌｉｎ、前記スナバ回路と前記外部コンデンサの間を接続する接続線のインダクタンス成分Ｌｏｕｔに対して、前記第二の共振周波数ｆ２は、

で定められる値であることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
前記スナバ回路は、一端が前記Ｐ母線又は前記Ｎ母線のうちの一方に接続されたスナバ抵抗と、一端が前記スナバ抵抗の他端に接続され他端が前記Ｐ母線又は前記Ｎ母線のうちの他方に接続されたスナバコンデンサと、を備え、
前記スナバ異常判定部は、
前記電流検出器からの出力に含まれる信号のうち、前記スナバ回路に開放故障が発生した状態における前記電力変換装置の共振周波数である第二の共振周波数ｆ２及び前記スナバ抵抗に短絡故障が発生した状態における前記電力変換装置の共振周波数である第三の共振周波数ｆ３の少なくとも一方を含む周波数帯域の信号の強度が、あらかじめ定めたしきい値より大きい場合に、前記スナバ回路の故障が発生している状態であると判定すること、
を特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記スナバ異常判定部は、前記電流検出器からの出力に含まれる信号のうち前記スナバ回路に開放故障が発生した状態における前記電力変換装置の共振周波数である第二の共振周波数ｆ２の強度が、あらかじめ定めたしきい値より大きい場合に前記スナバ回路の開放故障が発生している状態であると判定することを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
前記スナバ異常判定部は、前記電流検出器からの出力に含まれる信号のうち前記スナバ抵抗に短絡故障が発生した状態における前記電力変換装置の共振周波数である第三の共振周波数ｆ３を含む周波数帯域の信号の強度が、あらかじめ定めたしきい値より大きい場合に前記スナバ抵抗の短絡故障が発生している状態であると判定することを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
前記スイッチング素子のコンデンサ成分であるＣｓｗ、前記スナバ回路のコンデンサ成分であるＣｓｎ、前記外部コンデンサのコンデンサ成分であるＣｏｕｔ、前記スイッチング素子と前記スナバ回路の間を接続する接続線のインダクタンス成分Ｌｉｎ、前記スナバ回路と前記外部コンデンサの間を接続する接続線のインダクタンス成分Ｌｏｕｔに対して、
前記第二の共振周波数ｆ２は、

で定められる値であり、
前記第三の共振周波数ｆ３は、

で定められる値であることを特徴とする請求項４から６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
電流検出器により検出された電流から一部の周波数帯の電流を抽出するフィルタをさらに備え、
前記スナバ異常判定部は、前記フィルタにより抽出された電流に基づいて前記スナバ回路の異常を判定すること、
を特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電力変換装置。
前記スナバ異常判定部は、
電流検出器により検出された電気信号の周波数別の強度を解析する解析器を備え、
前記解析器により解析された前記電気信号の周波数別の強度に基づいて、前記スナバ回路の異常を判定すること、
を特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電力変換装置。