WO2010122861A1 - インバーター保護装置 - Google Patents

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WO2010122861A1
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inverter
short
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module
switching module
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東和幸
岩淵友幸
杉田秀彦
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日産自動車株式会社
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    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L3/00—Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/0023—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train
    • B60L3/003—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train relating to inverters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
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    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H—ELECTRICITY
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    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
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    • H02P29/0241—Detecting a fault condition, e.g. short circuit, locked rotor, open circuit or loss of load the fault being an overvoltage
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
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Definitions

  • This invention relates to an apparatus for protecting an inverter provided between a battery and an AC motor for driving an electric vehicle.
  • An electric motor drive device for driving a permanent magnet motor mounted on an electric vehicle usually detects a short circuit failure of a switching element such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) that constitutes an inverter. The overcurrent of the opposed switching element is immediately detected and the inverter operation is stopped.
  • JP 2007-292761A discloses a method for identifying a short-circuit fault location of a switching element. The permanent magnet motor continues to rotate until the vehicle stops and generates an induced voltage. Therefore, even if the operation of the inverter is stopped, the voltage generated by the permanent magnet motor causes the wire harness connecting the neutral point of the motor and each phase of the inverter and the short-circuited switching element to short-circuit, Current may flow.
  • the voltage generated by the motor is proportional to the rotational speed of the motor.
  • the rotation speed of the motor is high, the current increases. And there exists a possibility that the electric current exceeding the preset electric current value determined based on the thermal limit etc. of a wire harness and a switching element may flow through an inverter and a conductive wire. If it becomes like this, performance will fall by overheating. Therefore, in case the switching element inside the inverter fails and is short-circuited, a mechanism that cuts off the short-circuit current between the motor and the inverter is provided, and the component rating is large so that performance degradation due to overheating does not occur. Has been.
  • an object of the present invention is to provide an inverter protection device capable of protecting an inverter while keeping manufacturing costs low.
  • the inverter protection device determines whether there is a short-circuit faulty switching module among the switching modules connected to the DC power line and AC power line of the inverter.
  • a failure determination unit; and an energization control unit configured to energize a switching element of a predetermined switching module when it is determined that there is a short-circuit faulty switching module.
  • FIG. 1 is a diagram showing a circuit of a motor drive device to which an inverter protection device according to the present invention can be applied.
  • FIG. 2 is a flowchart showing a main routine of control in the first embodiment of the inverter protection apparatus according to the present invention.
  • FIG. 3 is a flowchart showing a short-circuit fault module specifying subroutine in the first embodiment of the inverter protection apparatus according to the present invention.
  • FIGs. 4A to 4E are diagrams illustrating a state when the first embodiment is executed.
  • FIG. FIG. 5 is a diagram illustrating an effect when the first embodiment is executed.
  • FIGs. 6A-6B are diagrams showing a second embodiment of the inverter protection device according to the present invention.
  • FIG. 7A-7B are views showing a third embodiment of the inverter protection device according to the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an effect when the third embodiment is executed.
  • FIGs. 9A-9B are views showing a fourth embodiment of the inverter protection device according to the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram showing a fifth embodiment of the inverter protection device according to the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram showing a circuit of a motor drive device to which an inverter protection device according to the present invention can be applied.
  • the inverter 10 is provided between the battery 20 and a permanent magnet type three-phase AC motor 60 for driving an electric vehicle.
  • the inverter 10 converts the DC power of the battery 20 into AC power and supplies the AC power to the AC motor 60 coupled to the axle of the electric vehicle.
  • the inverter 10 includes a positive DC power line 11p, a negative DC power line 11n, a U-phase AC power line 12u, a V-phase AC power line 12v, and a W-phase AC power line 12w.
  • the positive side DC power line 11p is connected to the positive electrode of the battery 20 via the relay 30.
  • the negative side DC power line 11 n is connected to the negative electrode of the battery 20.
  • a capacitor 40 is connected in parallel between the positive DC power line 11p and the negative DC power line 11n. The capacitor 40 smoothes the DC power.
  • U-phase AC power line 12 u is connected to the U-phase of AC motor 60.
  • V-phase AC power line 12v is connected to the V-phase of AC motor 60.
  • W-phase AC power line 12 w is connected to the W-phase of AC motor 60.
  • the inverter 10 includes six IGBT modules (a positive U-phase IGBT module 13UP, a negative U-phase IGBT module 13UN, a positive V-phase IGBT module 13VP, a negative V-phase IGBT module 13VN, between a DC power line and an AC power line.
  • Positive U phase IGBT module 13UP connects positive DC power line 11p and U phase AC power line 12u.
  • Negative-side U-phase IGBT module 13UN connects negative-side DC power line 11n and U-phase AC power line 12u.
  • Positive side V-phase IGBT module 13VP connects positive side DC power line 11p and V phase AC power line 12v.
  • Negative-side V-phase IGBT module 13VN connects negative-side DC power line 11n and V-phase AC power line 12v.
  • Positive side W-phase IGBT module 13WP connects positive side DC power line 11p and W phase AC power line 12w.
  • Negative-side W-phase IGBT module 13WN connects negative-side DC power line 11n and W-phase AC power line 12w.
  • Each IGBT module (switching module) includes a switching element IGBT and a rectifier (rectifier diode; hereinafter referred to as “FWD”) connected in parallel to the IGBT in the reverse direction.
  • the gate drive circuit 14 receives the signal of the voltage sensor 50 connected in parallel to the capacitor 40, converts it to a waveform level that can be recognized by the motor controller 70, and outputs it as a capacitor voltage Vc. Further, when the gate drive circuit 14 detects a short circuit abnormality of the IGBT module, it outputs an IGBT abnormality signal. The motor controller 70 inputs the capacitor voltage Vc. In addition, the motor controller 70 inputs an IGBT abnormality signal generated by the gate drive circuit 14 when there is a short circuit abnormality in any of the IGBT modules.
  • the motor controller 70 inputs a position sensor signal indicating the rotor position ⁇ of the AC motor 60 which is an output of a rotor position sensor 61 attached to the AC motor 60, for example, a resolver. Furthermore, the motor controller 70 inputs signals of the U-phase current Iu, the V-phase current Iv, and the W-phase current Iw that are exchanged between the inverter 10 and the AC motor 60. The motor controller 70 generates a pulse width modulation (PWM) signal based on these input signals and a torque command from a vehicle controller (not shown). The gate drive circuit 14 performs drive control (on / off control) of the gate of the IGBT based on the PWM signal.
  • PWM pulse width modulation
  • FIG. 2 is a flowchart showing a main routine of control in the first embodiment of the inverter protection apparatus according to the present invention.
  • step S1 the controller 70 determines whether or not there is a short circuit failure of the switching module (IGBT module). Specifically, when a current (DC short-circuit current) larger than the short-circuit failure determination value flows, the switching module short-circuit failure is determined. If there is no short circuit failure, the controller 70 exits the process. If there is a short circuit failure, the controller 70 proceeds to step S2. Note that the short-circuit fault determination value is set in advance by experiments or the like in consideration of circuit characteristics and the like. In step S ⁇ b> 2, the controller 70 opens the relay 30 to electrically disconnect it, and interrupts the switching elements (IGBTs) of all switching modules (IGBT modules) connected between the DC power line and the AC power line. Is commanded.
  • a current DC short-circuit current
  • the controller 70 opens the relay 30 to electrically disconnect it, and interrupts the switching elements (IGBTs) of all switching modules (IGBT modules) connected between the DC power line and the AC power line. Is commanded.
  • step S3 the controller 70 specifies a short-circuit fault module. Specific contents will be described later.
  • step S4 the controller 70 determines whether or not the rotational speed of the AC motor 60 is greater than the energization reference speed. If it is higher than the energization reference speed, the controller 70 proceeds to step S5. If it is higher than the energization reference speed, the controller 70 proceeds to step S6. If the rotational speed of AC motor 60 is high, the induced voltage increases. And the load short circuit current which flows into an alternating current power line becomes large. Therefore, it is necessary to protect the inverter.
  • step S5 the controller 70 energizes the IGBT of a predetermined IGBT module among normal IGBT modules.
  • the controller 70 blocks the IGBT.
  • step S7 the controller 70 determines whether or not the vehicle has stopped. Until the vehicle stops, the controller 70 proceeds to step S4. When the vehicle stops, the controller 70 exits the process.
  • FIG. 3 is a flowchart showing a short-circuit fault module specifying subroutine in the first embodiment of the inverter protection apparatus according to the present invention.
  • step S301 the controller 70 sets the maximum value among the U-phase current Iu, the V-phase current Iv, and the W-phase current Iw as the maximum current value Imax.
  • step S302 the controller 70 determines whether or not the U-phase current Iu is the maximum current value Imax. If the U-phase current Iu is the maximum current value Imax, the controller 70 proceeds to step S303. If the U-phase current Iu is not the maximum current value Imax, the controller 70 proceeds to step S306. In step S303, the controller 70 determines whether or not the U-phase discharge current of the inverter 10 is positive. If the U-phase discharge current is positive, the controller 70 proceeds to step S304. If the U-phase discharge current is not positive, the controller 70 proceeds to step S305.
  • step S304 the controller 70 specifies the positive-side U-phase IGBT module 13UP as a short-circuit fault module.
  • step S305 the controller 70 specifies the negative side U-phase IGBT module 13UN as a short-circuit fault module.
  • step S306 the controller 70 determines whether or not the V-phase current Iv is the maximum current value Imax. If the V-phase current Iv is the maximum current value Imax, the controller 70 proceeds to step S307. If the V-phase current Iv is not the maximum current value Imax, the controller 70 proceeds to step S310.
  • step S307 the controller 70 determines whether or not the V-phase discharge current of the inverter 10 is positive. If the V-phase discharge current is positive, the controller 70 proceeds to step S308.
  • step S309 the controller 70 specifies the positive side V-phase IGBT module 13VP as a short-circuit fault module.
  • step S309 the controller 70 specifies the negative side V-phase IGBT module 13VN as a short-circuit fault module.
  • step S310 the controller 70 determines whether or not the W-phase discharge current of the inverter 10 is positive. If the W-phase discharge current is positive, the controller 70 proceeds to step S311. If the W-phase discharge current is not positive, the controller 70 proceeds to step S312. In step S311, the controller 70 specifies the positive side W-phase IGBT module 13WP as a short-circuit fault module.
  • step S312 the controller 70 specifies the negative-side W-phase IGBT module 13WN as a short-circuit fault module.
  • FIGs. 4A to 4E are views illustrating a state when the first embodiment is executed.
  • FIG. 4A shows a state when the negative side U-phase IGBT module 13UN is short-circuited.
  • FIG. 4B shows a state where the relay is cut off and all IGBTs are cut off.
  • FIG. 4C shows the current waveform at that time.
  • FIG. 4D shows a state in which the IGBT of the negative side W-phase IGBT module 13WN is energized
  • FIG. 4E shows the current waveform at that time.
  • step number of the flowchart is written together with S so that the correspondence with the flowchart is easy to understand.
  • the IGBT of each module is sequentially turned on / off by the gate drive circuit 14.
  • FIG. As shown in 4A, the positive side U-phase IGBT module 13UP and the negative side U-phase IGBT module 13UN are energized (turned on) at the same time, and a DC short-circuit current is generated.
  • the controller 70 detects a short-circuit failure (step S1), the relay 30 is opened and electrically disconnected, and all the switching elements (IGBT) connected between the DC power line and the AC power line are blocked.
  • Command step S2).
  • a short circuit failure of the negative side U-phase IGBT module 13UN is determined. And while the rotational speed of AC motor 60 is larger than energization reference speed, it energizes IGBT of a predetermined IGBT module among normal IGBT modules.
  • FIG. As shown in 4D the IGBT of the negative side W-phase IGBT module 13UW is energized. Then, the current waveform is FIG. As shown in 4E.
  • FIG. 4E is shown in FIG. The maximum current is small compared to 4C.
  • FIG. FIG. 5 is a diagram showing an effect when the first embodiment is executed. FIG. 5 is not controlled, that is, FIG. As shown in FIG.
  • FIG. 4A compared to the phase current in the case where the short-circuit fault state is left, the controlled case, that is, FIG.
  • the controlled case that is, FIG.
  • FIG. 4D it is shown that the phase current is small when the IGBT of the negative-side W-phase IGBT module 13UW is energized.
  • IGBT IGBT, FWD
  • the effective value of the load short-circuit current can be suppressed small by being controlled as in the present embodiment. Therefore, a current interruption function such as a fuse need not be installed between the motor and the inverter. Also, the rating of parts such as a harness need not be increased. Therefore, the manufacturing cost can be kept low.
  • the switching element IGBT is energized when the rotational speed of the AC motor 60 is greater than the energization reference speed. As a result, the energy consumed in the switching element IGBT is minimal. Further, in the present embodiment, when a short-circuit failure occurs on one side of the positive-side IGBT module and the negative-side IGBT module, only a normal IGBT connected to the side on which the short-circuit failure occurs is driven. Is done. By doing in this way, it is prevented that the positive side IGBT and negative side IGBT energize simultaneously, and the rush current from the capacitor 40 is suppressed. (Second Embodiment) FIG.
  • 6 is a diagram showing a second embodiment of the inverter protection device according to the present invention.
  • 6 (A) shows a state in which the IGBT of the positive side V-phase IGBT module 13VP is energized in addition to the IGBT of the negative side W phase IGBT module 13WN.
  • 6 (B) shows the current waveform at that time.
  • FIG. In step S5 of the flowchart of FIG. 3, the IGBT of the negative side W-phase IGBT module 13WN is energized.
  • the IGBT of the positive side V-phase IGBT module 13VP may be energized in addition to the IGBT of the negative side W-phase IGBT module 13WN.
  • FIG. 7 is a diagram showing a third embodiment of the inverter protection device according to the present invention.
  • 7A shows a state in which the IGBT of the negative side V-phase IGBT module 13VN is energized in addition to the IGBT of the negative side W-phase IGBT module 13WN.
  • 7 (B) shows the current waveform at that time.
  • the IGBT of the negative side W-phase IGBT module 13WN is energized.
  • the IGBT of the negative side V-phase IGBT module 13VN may be energized in addition to the IGBT of the negative side W-phase IGBT module 13WN.
  • the current waveform is FIG. 7 (B).
  • the U-phase current Iu, the V-phase current Iv, and the W-phase current Iw have the same magnitude and have a phase difference of 120 degrees.
  • FIG. FIG. 8 is a diagram showing an effect when the third embodiment is executed. By controlling as in the present embodiment, the phase current is even smaller than in the first and second embodiments.
  • FIG. 9 is a diagram showing a fourth embodiment of the inverter protection device according to the present invention.
  • FIG. 9 (A) shows a state in which the IGBTs of all normal IGBT modules other than a short-circuit failure are energized.
  • FIG. 9 (B) shows the current waveform at that time.
  • FIG. 9 (B) shows the current waveform in the present embodiment, FIG. In step S5 of the flowchart of FIG. 3, the IGBTs of all normal IGBT modules other than the short-circuit failure are energized.
  • the current waveform is FIG. 9 (B).
  • the U-phase current Iu, the V-phase current Iv, and the W-phase current Iw have the same magnitude and have a phase difference of 120 degrees.
  • This current waveform is the same as that shown in FIG. Same as 4E. Even if it does in this way, the effect similar to 3rd Embodiment is acquired.
  • FIG. 10 is a diagram showing a fifth embodiment of the inverter protection device according to the present invention.
  • the IGBT of the positive side V-phase IGBT module 13VP is energized. In this way, the phase current can be reduced.
  • step S1 if a short circuit fault is detected in step S1, the relay 30 is shut off in step S2, and the short circuit fault module is specified in step S3, but the short circuit fault module is not specified.
  • the switching elements of at least two switching modules may be energized. In an actual use scene, the probability that a plurality of switching modules will be short-circuited at the same time is very low. Therefore, if the switching elements of at least two switching modules are energized, even if one of the two switching modules is short-circuited, the other is not short-circuited.
  • the switching elements of at least two switching modules are energized, the switching modules that are not short-circuited are surely energized even if the short-circuiting faulty module is not specified. Therefore, according to this, the same effects as those of the above embodiments can be obtained with simple control. Further, the switching elements of all the switching modules may be energized without specifying the short-circuit fault module. According to this, even if a short circuit failure occurs in a plurality of switching modules, the same effects as those of the above embodiments can be obtained with simple control.
  • the relay 30 When the switching element IGBT is energized, the relay 30 may not be cut off. If the potential difference between the positive and negative DC power lines is small, a large short circuit current will not occur. Therefore, the control of the above embodiment may be executed when the potential difference between the positive and negative DC power lines is larger than the energization determination potential difference.
  • the energization determination potential difference is set in advance by experiments or the like in consideration of circuit characteristics and the like.

Abstract

インバーター保護装置は、バッテリーと交流モーターとの間に設けられる。そしてインバーターの直流電力線と交流電力線とに接続されるスイッチングモジュールの中に、短絡故障しているスイッチングモジュールがあるか否かを判定する短絡故障判定部と、短絡故障しているスイッチングモジュールがあると判定された場合に、所定のスイッチングモジュールのスイッチング素子を通電する通電制御部と、を備える。これにより、製造コストを低く抑えつつインバーターを保護することができる。

Description

インバーター保護装置
　この発明は、バッテリーと電動車駆動用の交流モーターとの間に設けられるインバーターを保護する装置に関する。
　電動車に搭載される永久磁石型モーターを駆動する電動機駆動装置は、通常、インバーターを構成するＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；絶縁ゲート型バイポーラトランジスター）などのスイッチング素子の短絡故障を検出したら、短絡故障した対向スイッチング素子の過電流を即時検出して、インバーターの運転を停止する。スイッチング素子の短絡故障箇所を特定する方法が、ＪＰ２００７−２９２７６１Ａに開示されている。
　永久磁石型モーターは、車両が停車するまで回転し続けて誘起電圧を発生する。そのためインバーターの運転が停止されても、永久磁石型モーターが発生した電圧によって、モーターの中性点とインバーターの各相とを接続するワイヤーハーネスと、短絡故障したスイッチング素子と、が短絡して、電流が流れる可能性がある。モーターで発生する電圧は、モーターの回転速度に比例する。モーターの回転速度が高いときは、電流も大きくなる。そして、ワイヤーハーネス及びスイッチング素子の熱限界などに基づいて定められた設定電流値を超える電流がインバーター及び導電線を流れる可能性がある。このようになっては、過熱によって性能が低下する。
　そこでインバーター内部のスイッチング素子が故障して短絡した場合に備えて、モーターとインバーターとの間の短絡電流を遮断するような機構が設けられたり、過熱による性能低下が生じないように部品定格が大きくされている。
　しかしながら、モーターとインバーターとの間の負荷短絡電流を遮断するような機構が設けられたり、部品定格が大きいと、部品点数が多くなりまた製造コストが上昇してしまう。
　本発明の目的は、したがって、製造コストを低く抑えつつインバーターを保護することができるインバーター保護装置を提供することである。
　この目的を達成するために、本発明によるインバーター保護装置は、インバーターの直流電力線と交流電力線とに接続されるスイッチングモジュールの中に、短絡故障しているスイッチングモジュールがあるか否かを判定する短絡故障判定部と、短絡故障しているスイッチングモジュールがあると判定された場合に、所定のスイッチングモジュールのスイッチング素子を通電する通電制御部と、を備える。
　この発明の詳細は、他の特徴及び利点と同様に、明細書の以降の記載の中で説明されるとともに、添付された図面に示される。
　ＦＩＧ．１は、本発明によるインバーター保護装置を適用可能なモーター駆動装置の回路を示す図である。
　ＦＩＧ．２は、本発明によるインバーター保護装置の第１実施形態における制御のメインルーチンを示すフローチャートである。
　ＦＩＧ．３は、本発明によるインバーター保護装置の第１実施形態における短絡故障モジュール特定サブルーチンを示すフローチャートである。
　ＦＩＧｓ．４Ａ−４Ｅは、第１実施形態を実行したときの様子を示す図である。
　ＦＩＧ．５は、第１実施形態を実行したときの効果を示す図である。
　ＦＩＧｓ．６Ａ−６Ｂは、本発明によるインバーター保護装置の第２実施形態を示す図である。
　ＦＩＧｓ．７Ａ−７Ｂは、本発明によるインバーター保護装置の第３実施形態を示す図である。
　ＦＩＧ．８は、第３実施形態を実行したときの効果を示す図である。
　ＦＩＧｓ．９Ａ−９Ｂは、本発明によるインバーター保護装置の第４実施形態を示す図である。
　ＦＩＧ．１０は、本発明によるインバーター保護装置の第５実施形態を示す図である。
　以下では図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
　（第１実施形態）
　ＦＩＧ．１は、本発明によるインバーター保護装置を適用可能なモーター駆動装置の回路を示す図である。
　インバーター１０は、バッテリー２０と電動車駆動用の永久磁石型三相交流モーター６０との間に設けられる。インバーター１０は、バッテリー２０の直流電力を交流電力に変換して、電動車の車軸に結合した交流モーター６０に供給する。インバーター１０は、正側直流電力線１１ｐと、負側直流電力線１１ｎと、Ｕ相交流電力線１２ｕと、Ｖ相交流電力線１２ｖと、Ｗ相交流電力線１２ｗと、を有する。
　正側直流電力線１１ｐは、リレー３０を介してバッテリー２０の正極に接続される。負側直流電力線１１ｎは、バッテリー２０の負極に接続される。正側直流電力線１１ｐと負側直流電力線１１ｎとの間には、コンデンサー４０が並列接続される。コンデンサー４０は、直流電力を平滑化する。
　Ｕ相交流電力線１２ｕは、交流モーター６０のＵ相に接続される。Ｖ相交流電力線１２ｖは、交流モーター６０のＶ相に接続される。Ｗ相交流電力線１２ｗは、交流モーター６０のＷ相に接続される。
　インバーター１０は、直流電力線と交流電力線との間に６つのＩＧＢＴモジュール（正側Ｕ相ＩＧＢＴモジュール１３ＵＰ，負側Ｕ相ＩＧＢＴモジュール１３ＵＮ，正側Ｖ相ＩＧＢＴモジュール１３ＶＰ，負側Ｖ相ＩＧＢＴモジュール１３ＶＮ，正側Ｗ相ＩＧＢＴモジュール１３ＷＰ，負側Ｗ相ＩＧＢＴモジュール１３ＷＮ）を有する。
　正側Ｕ相ＩＧＢＴモジュール１３ＵＰは、正側直流電力線１１ｐとＵ相交流電力線１２ｕとを接続する。負側Ｕ相ＩＧＢＴモジュール１３ＵＮは、負側直流電力線１１ｎとＵ相交流電力線１２ｕとを接続する。正側Ｖ相ＩＧＢＴモジュール１３ＶＰは、正側直流電力線１１ｐとＶ相交流電力線１２ｖとを接続する。負側Ｖ相ＩＧＢＴモジュール１３ＶＮは、負側直流電力線１１ｎとＶ相交流電力線１２ｖとを接続する。正側Ｗ相ＩＧＢＴモジュール１３ＷＰは、正側直流電力線１１ｐとＷ相交流電力線１２ｗとを接続する。負側Ｗ相ＩＧＢＴモジュール１３ＷＮは、負側直流電力線１１ｎとＷ相交流電力線１２ｗとを接続する。
　それぞれのＩＧＢＴモジュール（スイッチングモジュール）は、スイッチング素子ＩＧＢＴと、ＩＧＢＴに逆方向に並列接続された整流素子（整流ダイオード；Ｆｒｅｅ　Ｗｈｅｅｌｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ；以下「ＦＷＤ」と称す）を含む。
　ゲート駆動回路１４は、コンデンサー４０に並列接続された電圧センサー５０の信号を入力し、モーターコントローラー７０が認識できる波形レベルに変換し、コンデンサー電圧Ｖｃとして出力する。またゲート駆動回路１４は、ＩＧＢＴモジュールの短絡異常を検出したら、ＩＧＢＴ異常信号を出力する。
　モーターコントローラー７０は、コンデンサー電圧Ｖｃを入力する。またモーターコントローラー７０は、いずれかのＩＧＢＴモジュールに短絡異常があった場合にゲート駆動回路１４が発するＩＧＢＴ異常信号を入力する。さらにモーターコントローラー７０は、交流モーター６０に付設された回転子位置センサ６１、たとえばレゾルバなどの出力であり交流モーター６０の回転子位置θを示す位置センサ信号を入力する。さらにまたモーターコントローラー７０は、インバーター１０と交流モーター６０とで授受されるＵ相電流Ｉｕ，Ｖ相電流Ｉｖ及びＷ相電流Ｉｗの信号を入力する。
　そしてモーターコントローラー７０は、こららの入力信号や不図示の車両コントローラーからのトルク指令に基づいてパルス幅変調（Ｐｕｌｓｅ　Ｗｉｄｔｈ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ＰＷＭ）信号を生成する。ゲート駆動回路１４は、そのＰＷＭ信号に基づいてＩＧＢＴのゲートを駆動制御（オン／オフ制御）する。
　ここで本実施形態のコンセプトについて説明する。
　上述のような構成では、インバーター内部のスイッチング素子が万一短絡故障した状態で車両が走行していると、インバーターの性能が低下してしまうおそれがある。そこで、モーターとインバーターとの間の負荷短絡電流を遮断するような機構が設けられたり、過熱による性能低下が生じないように部品定格が大きくされていた。しかしそのようにしては製造コストが上昇してしまう。そこで本実施形態では、インバーター内部のスイッチング素子の制御によって、負荷短絡電流の実効値を小さく抑えることで、製造コストを低く抑えるようにしたのである。具体的な内容は、以下に説明される。
　ＦＩＧ．２は、本発明によるインバーター保護装置の第１実施形態における制御のメインルーチンを示すフローチャートである。
　ステップＳ１においてコントローラー７０は、スイッチングモジュール（ＩＧＢＴモジュール）の短絡故障があるか否かを判定する。具体的には、短絡故障判定値よりも大きい電流（ＤＣ短絡電流）が流れるときに、スイッチングモジュールの短絡故障を判定する。短絡故障がなければ、コントローラー７０は処理を抜ける。短絡故障があれば、コントローラー７０はステップＳ２へ処理を移行する。なお短絡故障判定値は、回路特性などが考慮されて実験などによって予め設定される。
　ステップＳ２においてコントローラー７０は、リレー３０を開放して電気的に遮断するとともに、直流電力線と交流電力線との間に接続されるすべてのスイッチングモジュール（ＩＧＢＴモジュール）のスイッチング素子（ＩＧＢＴ）に対して遮断を指令する。これによって短絡故障していないＩＧＢＴは電気的に遮断される。
　ステップＳ３においてコントローラー７０は、短絡故障モジュールを特定する。具体的な内容は後述される。
　ステップＳ４においてコントローラー７０は、交流モーター６０の回転速度が通電基準速度よりも大きいか否かを判定する。通電基準速度よりも大きければ、コントローラー７０はステップＳ５へ処理を移行する。通電基準速度よりも大きければ、コントローラー７０はステップＳ６へ処理を移行する。交流モーター６０の回転速度が高ければ、誘起電圧が大きくなる。そして交流電力線に流れる負荷短絡電流が大きくなる。そのためインバーターを保護する必要がある。そこで通電基準速度に基づいて、インバーターを保護する必要があるか否かを判定する。通電基準速度は、回路特性などが考慮されて実験などによって予め設定される。
　ステップＳ５においてコントローラー７０は、正常なＩＧＢＴモジュールのうち所定のＩＧＢＴモジュールのＩＧＢＴを通電する。
　ステップＳ６においてコントローラー７０は、ＩＧＢＴを遮断する。
　ステップＳ７においてコントローラー７０は、車両が停止したか否かを判定する。車両が停止するまでは、コントローラー７０はステップＳ４へ処理を移行する。車両が停止したら、コントローラー７０は処理を抜ける。
　ＦＩＧ．３は、本発明によるインバーター保護装置の第１実施形態における短絡故障モジュール特定サブルーチンを示すフローチャートである。
　ステップＳ３０１においてコントローラー７０は、Ｕ相電流Ｉｕ，Ｖ相電流Ｉｖ及びＷ相電流Ｉｗのうちの最大値を最大電流値Ｉｍａｘとして設定する。
　ステップＳ３０２においてコントローラー７０は、Ｕ相電流Ｉｕが最大電流値Ｉｍａｘであるか否かを判定する。Ｕ相電流Ｉｕが最大電流値Ｉｍａｘであれば、コントローラー７０はステップＳ３０３へ処理を移行する。Ｕ相電流Ｉｕが最大電流値Ｉｍａｘでなければ、コントローラー７０はステップＳ３０６へ処理を移行する。
　ステップＳ３０３においてコントローラー７０は、インバーター１０のＵ相吐き出し電流が正であるか否かを判定する。Ｕ相吐き出し電流が正であれば、コントローラー７０はステップＳ３０４へ処理を移行する。Ｕ相吐き出し電流が正でなければ、コントローラー７０はステップＳ３０５へ処理を移行する。
　ステップＳ３０４においてコントローラー７０は、短絡故障モジュールとして正側Ｕ相ＩＧＢＴモジュール１３ＵＰを特定する。
　ステップＳ３０５においてコントローラー７０は、短絡故障モジュールとして負側Ｕ相ＩＧＢＴモジュール１３ＵＮを特定する。
　ステップＳ３０６においてコントローラー７０は、Ｖ相電流Ｉｖが最大電流値Ｉｍａｘであるか否かを判定する。Ｖ相電流Ｉｖが最大電流値Ｉｍａｘであれば、コントローラー７０はステップＳ３０７へ処理を移行する。Ｖ相電流Ｉｖが最大電流値Ｉｍａｘでなければ、コントローラー７０はステップＳ３１０へ処理を移行する。
　ステップＳ３０７においてコントローラー７０は、インバーター１０のＶ相吐き出し電流が正であるか否かを判定する。Ｖ相吐き出し電流が正であれば、コントローラー７０はステップＳ３０８へ処理を移行する。Ｖ相吐き出し電流が正でなければ、コントローラー７０はステップＳ３０９へ処理を移行する。
　ステップＳ３０８においてコントローラー７０は、短絡故障モジュールとして正側Ｖ相ＩＧＢＴモジュール１３ＶＰを特定する。
　ステップＳ３０９においてコントローラー７０は、短絡故障モジュールとして負側Ｖ相ＩＧＢＴモジュール１３ＶＮを特定する。
　ステップＳ３１０においてコントローラー７０は、インバーター１０のＷ相吐き出し電流が正であるか否かを判定する。Ｗ相吐き出し電流が正であれば、コントローラー７０はステップＳ３１１へ処理を移行する。Ｗ相吐き出し電流が正でなければ、コントローラー７０はステップＳ３１２へ処理を移行する。
　ステップＳ３１１においてコントローラー７０は、短絡故障モジュールとして正側Ｗ相ＩＧＢＴモジュール１３ＷＰを特定する。
　ステップＳ３１２においてコントローラー７０は、短絡故障モジュールとして負側Ｗ相ＩＧＢＴモジュール１３ＷＮを特定する。
　ＦＩＧｓ．４Ａ−４Ｅは、第１実施形態を実行したときの様子を示す図である。ＦＩＧ．４Ａは負側Ｕ相ＩＧＢＴモジュール１３ＵＮが短絡故障したときの状態を示す。ＦＩＧ．４Ｂはリレーを遮断するとともにすべてのＩＧＢＴに対して遮断指令した状態を示し、ＦＩＧ．４Ｃはそのときの電流波形を示す。ＦＩＧ．４Ｄは負側Ｗ相ＩＧＢＴモジュール１３ＷＮのＩＧＢＴを通電した状態を示し、ＦＩＧ．４Ｅはそのときの電流波形を示す。なおフローチャートとの対応が分かりやすくなるように、フローチャートのステップ番号がＳ付けで併記される。
　各モジュールのＩＧＢＴは、ゲート駆動回路１４によって順次オン／オフ制御される。負側Ｕ相ＩＧＢＴモジュール１３ＵＮが短絡故障すると、ＦＩＧ．４Ａに示す通り、正側Ｕ相ＩＧＢＴモジュール１３ＵＰと負側Ｕ相ＩＧＢＴモジュール１３ＵＮとが同時に通電（オン）となってＤＣ短絡電流が発生する。
　コントローラー７０が短絡故障を検出したら（ステップＳ１）、リレー３０を開放して電気的に遮断するとともに、直流電力線と交流電力線との間に接続されるすべてのスイッチング素子（ＩＧＢＴ）に対して遮断を指令する（ステップＳ２）。これによって短絡故障していないすべての正常なＩＧＢＴは電気的に遮断される。このとき車両が走行しているので、交流モーター６０の回転によって電流が流れる。このときの電流波形がＦＩＧ．４Ｃに示されている。Ｕ相電流Ｉｕが大きいことが分かる。また相電流の正負から分かるように、Ｕ相電流Ｉｕは、交流モーター６０からインバーター１０へ流れる。Ｖ相電流Ｉｖ及びＷ相電流Ｉｗは、インバーター１０から交流モーター６０へ流れる。
　そしてコントローラー７０は、最大電流値Ｉｍａｘ及び吐き出し電流の正負に基づいて短絡故障モジュールを特定する（ステップＳ３）。本実施形態では、負側Ｕ相ＩＧＢＴモジュール１３ＵＮの短絡故障が判定される。そして交流モーター６０の回転速度が通電基準速度よりも大きい間は、正常なＩＧＢＴモジュールのうち所定のＩＧＢＴモジュールのＩＧＢＴを通電する。本実施形態では、ＦＩＧ．４Ｄに示されるように負側Ｗ相ＩＧＢＴモジュール１３ＵＷのＩＧＢＴを通電する。すると電流波形がＦＩＧ．４Ｅに示されるようになる。ＦＩＧ．４Ｅは、ＦＩＧ．４Ｃに比較して最大電流が小さい。
　ＦＩＧ．５は第１実施形態を実行したときの効果を示す図である。
　ＦＩＧ．５には、制御されない場合すなわちＦＩＧ．４Ａに示されるように短絡故障状態が放置された場合の相電流に比べて、制御された場合すなわちＦＩＧ．４Ｄに示されるように負側Ｗ相ＩＧＢＴモジュール１３ＵＷのＩＧＢＴが通電された場合の相電流が小さいことが示される。
　短絡故障しているＩＧＢＴモジュール（ＩＧＢＴ，ＦＷＤ）があるときには、本実施形態のように制御されることで、負荷短絡電流の実効値が小さく抑えられる。そのためモーター~インバーター間にヒューズなどの電流遮断機能が設置されなくてもよい。またハーネスなどの部品定格が大きくされなくてもよい。したがって製造コストが低く抑えられる。
　また本実施形態においては、交流モーター６０の回転速度が通電基準速度よりも大きいときにスイッチング素子ＩＧＢＴが通電する。このようにするので、スイッチング素子ＩＧＢＴに生じる消費エネルギーが最小限である。
　また、本実施形態では、短絡故障が正側ＩＧＢＴモジュール及び負側ＩＧＢＴモジュールのいずれか一方の側で生じている場合に、短絡故障が生じている側に接続されている正常なＩＧＢＴのみが駆動される。このようにすることで、正側ＩＧＢＴと負側ＩＧＢＴとが同時に通電することが防がれ、コンデンサー４０からの突入電流が抑制される。
　（第２実施形態）
　ＦＩＧ．６は本発明によるインバーター保護装置の第２実施形態を示す図であり、ＦＩＧ．６（Ａ）は負側Ｗ相ＩＧＢＴモジュール１３ＷＮのＩＧＢＴに加えて正側Ｖ相ＩＧＢＴモジュール１３ＶＰのＩＧＢＴをも通電した状態を示し、ＦＩＧ．６（Ｂ）はそのときの電流波形を示す。
　第１実施形態では、ＦＩＧ．３のフローチャートのステップＳ５において負側Ｗ相ＩＧＢＴモジュール１３ＷＮのＩＧＢＴが通電された。しかしながらたとえば本実施形態のように、負側Ｗ相ＩＧＢＴモジュール１３ＷＮのＩＧＢＴに加えられて正側Ｖ相ＩＧＢＴモジュール１３ＶＰのＩＧＢＴも通電されてもよい。この場合の電流波形がＦＩＧ．６（Ｂ）に示されている。なおこの電流波形は第１実施形態のＦＩＧ．４Ｅと同じになる。
　このようにしても第１実施形態と同様の作用効果が得られる。
　（第３実施形態）
　ＦＩＧ．７は本発明によるインバーター保護装置の第３実施形態を示す図であり、ＦＩＧ．７（Ａ）は負側Ｗ相ＩＧＢＴモジュール１３ＷＮのＩＧＢＴに加えて負側Ｖ相ＩＧＢＴモジュール１３ＶＮのＩＧＢＴをも通電した状態を示し、ＦＩＧ．７（Ｂ）はそのときの電流波形を示す。
　第１実施形態では、ＦＩＧ．３のフローチャートのステップＳ５において負側Ｗ相ＩＧＢＴモジュール１３ＷＮのＩＧＢＴが通電された。しかしながらたとえば本実施形態のように、負側Ｗ相ＩＧＢＴモジュール１３ＷＮのＩＧＢＴに加えられて負側Ｖ相ＩＧＢＴモジュール１３ＶＮのＩＧＢＴも通電されてもよい。この場合の電流波形がＦＩＧ．７（Ｂ）に示される。Ｕ相電流Ｉｕ，Ｖ相電流Ｉｖ及びＷ相電流Ｉｗは大きさが同じであり、お互いの位相差が１２０度である。
　ＦＩＧ．８は第３実施形態を実行したときの効果を示す図である。
　本実施形態のように制御することで、第１実施形態や第２実施形態に比べても、さらに相電流が小さい。
　したがってハーネスなどの部品定格が小さくされて、製造コストがさらに低く抑えられる。
　また、本実施形態では、短絡故障が正側ＩＧＢＴモジュール及び負側ＩＧＢＴモジュールのいずれか一方の側で生じている場合に、短絡故障が生じている側に接続されている正常なＩＧＢＴのみが駆動され、短絡故障が生じていない側に接続されているＩＧＢＴは駆動されない。このようにすることで、正側ＩＧＢＴと負側ＩＧＢＴとが同時に通電することが防がれ、コンデンサー４０からの突入電流が抑制される。
　（第４実施形態）
　ＦＩＧ．９は本発明によるインバーター保護装置の第４実施形態を示す図であり、ＦＩＧ．９（Ａ）は短絡故障以外のすべての正常なＩＧＢＴモジュールのＩＧＢＴを通電した状態を示し、ＦＩＧ．９（Ｂ）はそのときの電流波形を示す。
　本実施形態では、ＦＩＧ．３のフローチャートのステップＳ５において、短絡故障以外のすべての正常なＩＧＢＴモジュールのＩＧＢＴが通電する。この場合の電流波形がＦＩＧ．９（Ｂ）に示される。Ｕ相電流Ｉｕ，Ｖ相電流Ｉｖ及びＷ相電流Ｉｗは大きさが同じであり、お互いの位相差が１２０度である。なおこの電流波形は第１実施形態のＦＩＧ．４Ｅと同じになる。このようにしても第３実施形態と同様の作用効果が得られる。ただし本実施形態では、母線間がショートするので、コンデンサー４０に残留電荷が存在する場合には、ＤＣ短絡電流を生じる可能性がある。そこで母線間コンデンサー電圧Ｖｃが抵抗放電などで十分に小さくなってからＩＧＢＴをオンさせればよい。
　（第５実施形態）
　ＦＩＧ．１０は本発明によるインバーター保護装置の第５実施形態を示す図である。
　本実施形態では、ＦＩＧ．３のフローチャートのステップＳ５において、正側Ｖ相ＩＧＢＴモジュール１３ＶＰのＩＧＢＴが通電する。このようにしても相電流を小さくすることができる。
　以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。
　たとえば、上記各実施形態においては、ステップＳ１で短絡故障が検出されたら、ステップＳ２でリレー３０が遮断され、ステップＳ３で短絡故障モジュールが特定されるが、短絡故障モジュールが特定されることなく、少なくとも２つのスイッチングモジュールのスイッチング素子が通電されてもよい。実際の使用シーンでは、複数のスイッチングモジュールが同時に短絡故障する確率はとても低く、いずれか１つのスイッチングモジュールが短絡故障することがほとんどである。したがって、少なくとも２つのスイッチングモジュールのスイッチング素子が通電されれば、仮に２つのスイッチングモジュールのうち一方が短絡故障していても、他方は短絡故障していない。そこで、少なくとも２つのスイッチングモジュールのスイッチング素子が通電されれば、短絡故障モジュールが特定されなくても、短絡故障していないスイッチングモジュールに対して確実に通電される。ゆえに、これによれば、簡易な制御で、上記各実施形態と同様の効果が得られる。
　また短絡故障モジュールが特定されることなく、すべてのスイッチングモジュールのスイッチング素子が通電されてもよい。これによれば、仮に複数のスイッチングモジュールで短絡故障が生じても、簡易な制御で、上記各実施形態と同様の効果が得られる。
　さらにまた、第１実施形態のように短絡故障している負側Ｕ相ＩＧＢＴモジュール１３ＵＮに接続する負側直流電力線１１ｎに接続される負側Ｗ相ＩＧＢＴモジュール１３ＵＷや負側Ｖ相ＩＧＢＴモジュール１３ＵＶのスイッチング素子ＩＧＢＴが通電する場合には、リレー３０が遮断されなくてもよい。
　また正負の直流電力線間の電位差が小さければ、大きな短絡電流は生じない。したがって正負の直流電力線間の電位差が通電判定電位差よりも大きいときに上記実施形態の制御が実行されてもよい。なお通電判定電位差は、回路特性などが考慮されて実験などによって予め設定される。
　さらに上記各実施形態は、ＩＧＢＴモジュールのＩＧＢＴが短絡故障するだけでなく、整流素子ＦＷＤが短絡故障する場合であっても、同様の制御によって同様の効果が得られる。
　以上の説明に関して、２００９年４月２０日を出願日とする日本国における特願２００９−１０１６６５の内容をここに引用により組み込む。
　この発明の実施形態が包含する排他的性質又は特徴は以下のようにクレームされる。

Claims (10)

  1. 　バッテリーと交流モーターとの間に設けられるインバーターを保護する装置であって、
    　インバーターの直流電力線と交流電力線とに接続されるスイッチングモジュールの中に、短絡故障しているスイッチングモジュールがあるか否かを判定する短絡故障判定部と、
    　短絡故障しているスイッチングモジュールがあると判定された場合に、所定のスイッチングモジュールのスイッチング素子を通電する通電制御部と、
    を備えることを特徴とするインバーター保護装置。
  2. 　請求項１に記載のインバーター保護装置において、
    　前記通電制御部は、少なくともふたつのスイッチングモジュールのスイッチング素子を通電する、
    ことを特徴とするインバーター保護装置。
  3. 　請求項１又は請求項２に記載のインバーター保護装置において、
    　前記通電制御部は、すべてのスイッチングモジュールのスイッチング素子を通電する、
    ことを特徴とするインバーター保護装置。
  4. 　請求項１に記載のインバーター保護装置において、
    　短絡故障しているスイッチングモジュールがあると判定された場合に、すべてのスイッチングモジュールのスイッチング素子に対して遮断を指令する遮断制御部と、
    　遮断指令された後、短絡故障しているスイッチングモジュールを特定する短絡故障モジュール特定部と、
    をさらに備え、
    　前記通電制御部は、短絡故障しているスイッチングモジュールが特定された後、正常なスイッチングモジュールのうち少なくともひとつのスイッチングモジュールのスイッチング素子を通電する、
    ことを特徴とするインバーター保護装置。
  5. 　請求項４に記載のインバーター保護装置において、
    　前記遮断制御部は、短絡故障しているスイッチングモジュールがあると判定された場合に、さらに、バッテリーとインバーターとの間の通電を遮断する、
    ことを特徴とするインバーター保護装置。
  6. 　請求項４又は請求項５に記載のインバーター保護装置において、
    　前記短絡故障モジュール特定部は、交流電力線を流れる電流の正負に基づいて、正側の直流電力線に接続されるスイッチングモジュールが短絡故障しているのか負側の直流電力線に接続されるスイッチングモジュールが短絡故障しているのかを特定する、
    ことを特徴とするインバーター保護装置。
  7. 　請求項４から請求項６までのいずれか１項に記載のインバーター保護装置において、
    　前記通電制御部は、正常なスイッチングモジュールのうち、少なくとも短絡故障しているスイッチングモジュールを接続する直流電力線に接続されるスイッチングモジュールのスイッチング素子を通電する、
    ことを特徴とするインバーター保護装置。
  8. 　請求項４から請求項７までのいずれか１項に記載のインバーター保護装置において、
    　前記通電制御部は、遮断指令された後であってモーターの回転速度が通電基準速度よりも大きいときに、スイッチングモジュールのスイッチング素子を通電する、
    ことを特徴とするインバーター保護装置。
  9. 　請求項４から請求項８までのいずれか１項に記載のインバーター保護装置において、
    　前記通電制御部は、遮断指令された後であって正負の直流電力線間の電位差が通電判定電位差よりも大きいときに、スイッチングモジュールのスイッチング素子を通電する、
    ことを特徴とするインバーター保護装置。
  10. 　請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載のインバーター保護装置において、
    　前記短絡故障判定部は、短絡故障判定値よりも大きい電流が流れる場合に、短絡故障しているスイッチングモジュールがあると判定する、
    ことを特徴とするインバーター保護装置。
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