WO2017199405A1 - 電力変換装置 - Google Patents

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capacitor
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capacitors
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祐二 野尻
彰 畑井
翔太郎 永渕
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三菱電機株式会社
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    • 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
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion

Definitions

  • the present invention relates to a power conversion device including a power module.
  • Patent Document 1 has no means for detecting the failure of the capacitor built in the power module, and there is a possibility that the power supply is short-circuited when the capacitor is short-circuited. Therefore, in recent years, there has been a strong demand for improving the reliability of the power conversion device by detecting a failure of a capacitor built in the power module.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to obtain a power conversion device capable of detecting a failure of a capacitor built in a power module.
  • a power conversion device of the present invention is a power conversion device including a power module, and the power module is connected in parallel to a switching circuit having a switching element and the switching circuit.
  • a failure detection circuit that detects at least one short-circuit failure of the second capacitor.
  • the power conversion device has an effect that a failure of a capacitor built in the power module can be detected.
  • FIG. 1 The figure which shows the structural example of the power converter device which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. 1 The figure which shows the electric potential difference between a neutral point and a negative electrode line when the 1st and 2nd capacitor
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of the power conversion device according to the first embodiment.
  • the power conversion device 100 according to Embodiment 1 includes a power module 10, a first resistor 21 having one end connected to the positive electrode of the DC voltage source 1, and a second resistor connected to the negative electrode of the DC voltage source 1. 22.
  • the DC voltage source 1 may be a power supply outside the module package, or a capacitor or the like built in the package.
  • the power module 10 is a voltage type having an upper and lower arm configuration in which a first switching element 11a formed using silicon carbide (SiC) and a second switching element 11b formed using SiC are connected in series.
  • a bridge circuit 11 is provided.
  • the voltage source bridge circuit 11 may be a switching circuit including at least one switching element.
  • the power module 10 includes a capacitor pair 12 in which a first capacitor 12a for noise removal and a second capacitor 12b for noise removal are connected in series.
  • the capacitor pair 12 is connected in parallel to the voltage source bridge circuit 11. That is, the capacitor pair 12 is connected in parallel between the positive electrode and the negative electrode of the switching circuit.
  • the power module 10 includes a first terminal 13, which is a terminal connected between the first capacitor 12a and the second capacitor 12b, a second terminal 14, a third terminal 15, and a fourth terminal.
  • a terminal 16 and a fifth terminal 17 are provided.
  • the second terminal 14 is a terminal that is connected to the positive line 1a of the DC voltage source 1 and applies a first potential to one end of the voltage source bridge circuit 11 and the capacitor pair 12.
  • the third terminal 15 is a terminal that is connected to the negative electrode line 1 b of the DC voltage source 1 and applies a second potential to the other end of the voltage source bridge circuit 11 and the capacitor pair 12. The second potential is lower than the first potential.
  • a second switching element 11b and a second capacitor 12b are connected to the third terminal 15.
  • the fourth terminal 16 is connected to a connection point between the first switching element 11a and the second switching element 11b.
  • the power conversion device 100 also includes a failure detection circuit 2 that detects a short-circuit failure of the capacitor pair 12 and a drive control that controls the on / off operation of the first switching element 11a and the second switching element 11b in the voltage source bridge circuit 11. Circuit 3.
  • the drive control circuit 3 is connected to the fifth terminal 17, and the drive signal output from the drive control circuit 3 is input to the first switching element 11 a and the second switching element 11 b via the fifth terminal 17. Is done.
  • the first resistor 21 is connected to the positive electrode line 1a.
  • the positive terminal 1a is connected to the second terminal 14, that is, one end of the first switching element 11a and one end of the first capacitor 12a.
  • One end of the second resistor 22 is connected to the negative electrode line 1b.
  • the negative electrode 1b is connected to the third terminal 15, that is, one end of the second switching element 11b and one end of the second capacitor 12b.
  • the other ends of the first and second resistors 21 and 22 are connected to the first terminal 13.
  • a neutral point 12 c of the first capacitor 12 a and the second capacitor 12 b is connected to a connection point between the first resistor 21 and the second resistor 22 via the first terminal 13. That is, one end of the first resistor 21 is electrically connected to the positive electrode of the switching circuit described above, and the other end is connected to the first terminal 13.
  • the second resistor 22 has one end electrically connected to the negative electrode of the switching circuit described above and the other end connected to the first terminal 13.
  • the load device 4 is connected to the third terminal 15 and the fourth terminal 16.
  • An example of the load device 4 is a rotating electric machine.
  • the drive control circuit 3 generates a drive signal for driving the first and second switching elements 11a and 11b based on a voltage command given from the outside of the drive control circuit 3, and the generated drive signal is the fifth drive signal.
  • the first and second switching elements 11a and 11b are supplied to the first and second switching elements 11a and 11b via the terminal 17, and the first and second switching elements 11a and 11b are turned on / off, whereby a pseudo sine wave having a constant voltage and frequency is generated. It is supplied to the load device 4.
  • the failure detection circuit 2 detects at least one short-circuit failure in the first and second capacitors 12a and 12b based on a voltage generated in at least one of the first and second resistors 21 and 22.
  • the operation at the time of failure detection by the failure detection circuit 2 will be specifically described.
  • FIG. 2 is a diagram showing a potential difference between the neutral point and the negative electrode line when the first and second capacitors shown in FIG. 1 are normal.
  • FIG. 3 is a diagram showing a potential difference between the neutral point and the negative electrode line when the first capacitor shown in FIG. 1 is short-circuited.
  • FIG. 4 is a diagram showing a potential difference between the neutral point and the negative electrode line when the second capacitor shown in FIG. 1 is short-circuited.
  • the potential difference between the neutral point 12c and the negative line 1b is half of the output voltage of the DC voltage source 1 as shown in FIG. Value.
  • the neutral point potential is 300V.
  • the potential difference between the neutral point 12c and the negative line 1b is a DC voltage source as shown in FIG. It becomes the same value as the output voltage of 1.
  • the neutral point potential is 600V.
  • the potential difference between the neutral point 12c and the negative electrode line 1b is 0V as shown in FIG. .
  • the output voltage of the DC voltage source 1 is assumed to be 600V, but the neutral point potential is 0V.
  • the failure detection circuit 2 shown in FIG. 1 detects a voltage generated in at least one of the first resistor 21 and the second resistor 22, and at least one of the first and second capacitors 12a and 12b is detected based on the detected voltage. Detect a short-circuit fault.
  • the capacitor built in the power module 10 is not easy to replace.
  • the power module 10 having a structure in which the capacitor is covered with resin it may be difficult to replace the capacitor pair 12.
  • the user may not be aware of the failure of the capacitor. Therefore, the power supply from the DC voltage source 1 to the power module 10 may continue to cause a power supply short-circuit with the capacitor short-circuited. There is.
  • the failure detection circuit 2 continues the connection between the DC voltage source 1 and the power module 10 when no capacitor failure is detected.
  • the switch is controlled so that a capacitor failure is detected, the switch is controlled so that the connection between the DC voltage source 1 and the power module 10 is released.
  • a switch control function may be provided in the failure detection circuit 2 or in the drive control circuit 3.
  • the drive control circuit 3 takes in information indicating the presence or absence of failure detection from the failure detection circuit 2 and outputs an opening / closing command to the switch.
  • the power conversion device 100 According to the power conversion device 100 according to the first embodiment, it is possible to detect a failure of a capacitor built in the power module 10, and thus it is possible to suppress the occurrence of a power supply short circuit. Moreover, according to the power converter device 100 which concerns on Embodiment 1, since it can suppress that the power module 10 leads to destruction by the excessive electric current by a power supply short circuit, the reliability of power converter device 100 itself can be improved.
  • the voltage-type bridge circuit 11 has been described as an example of a switching circuit having a switching element. That is, although the voltage-type bridge circuit 11 which is an upper and lower arm composed of two switching elements is described as the switching circuit, only one switching element may be used.
  • the configuration in which the power module 10 includes a single-phase upper and lower arm is disclosed, but a plurality of upper and lower arms such as a three-phase upper and lower arm may be provided.
  • power conversion device 100 includes a diode connected in antiparallel to each switching element.
  • the diode may be included in the switching element or includes the diode itself. It does not have to be.
  • the switching circuit is connected between the positive electrode and the negative electrode of the DC voltage source 1 .
  • the present embodiment can be applied to a switching circuit portion where a snubber circuit is conventionally provided. . That is, this embodiment can be applied to some switching circuits in the entire circuit.
  • FIG. FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration example of the power conversion device according to the second embodiment.
  • the power conversion device 100-2 according to the second embodiment can detect the short-circuit fault and the open-circuit fault of each of the first and second capacitors 12a and 12b.
  • the configuration of power module 10 of power converter 100-2 according to the second embodiment is the same as that of the first embodiment. Differences between the first embodiment and the second embodiment are as follows. (1)
  • the power conversion device 100-2 includes a failure detection circuit 2-2 instead of the failure detection circuit 2 of the first embodiment.
  • the power conversion device 100-2 includes the first opening / closing part 31 and the second opening / closing part 32 in addition to the first resistor 21, the second resistor 22, and the power module 10 of the first embodiment. .
  • the first opening / closing part 31 is an opening / closing means for connecting or separating the first resistor 21 and the first terminal 13, and is disposed between the other end of the first resistor 21 and the first terminal 13.
  • the Specifically, one end of the first opening / closing part 31 is connected to the other end of the first resistor 21, and the other end of the first opening / closing part 31 is connected to one end of the second opening / closing part 32 and the first terminal 13. And connected to.
  • the second opening / closing part 32 is an opening / closing means for connecting or separating the second resistor 22 and the first terminal 13, and is disposed between the other end of the second resistor 22 and the first terminal 13.
  • the failure detection circuit 2-2 controls on / off of the first and second open / close sections 31 and 32, and detects voltages applied to both ends of the first and second resistors 21 and 22, respectively. This voltage corresponds to the transient response voltage of the CR circuit.
  • the failure detection circuit 2-2 detects a voltage generated in at least one of the first and second resistors 21 and 22, thereby detecting at least one short-circuit failure or opening of the first and second capacitors 12a and 12b. Detect failure.
  • the operation at the time of failure detection by the failure detection circuit 2-2 will be specifically described.
  • FIG. 6 is a diagram showing a state where the first capacitor shown in FIG.
  • FIG. 7 is a diagram showing a neutral point voltage detected when the first capacitor shown in FIG.
  • the neutral point 12c is controlled by the failure detection circuit 2-2 when the first switch 31 is controlled from OFF to ON while the second switch 32 is OFF.
  • the voltage V1 applied to is changed with the transient response shown in FIG.
  • FIG. 8 is a diagram showing a state where the first capacitor shown in FIG.
  • FIG. 9 is a diagram showing a neutral point voltage detected when the first capacitor shown in FIG.
  • the neutral point 12c is controlled by the failure detection circuit 2-2 when the first switch 31 is controlled from OFF to ON while the second switch 32 is OFF.
  • the voltage V2 applied to the voltage changes with the transient response shown in FIG.
  • the time constant ⁇ of the transient response of the voltage V2 shown in FIG. 9 is shorter than the time constant ⁇ of the transient response of the voltage V1 shown in FIG. This is because when the first capacitor 12a has an open circuit failure, the capacitance value decreases and the transient response time constant ⁇ decreases.
  • FIG. 10 is a diagram showing a state where the second capacitor shown in FIG.
  • FIG. 11 is a diagram showing a neutral point voltage detected when the second capacitor shown in FIG.
  • the neutral point 12c is controlled by the failure detection circuit 2-2 when the second switch 32 is controlled from OFF to ON while the first switch 31 is OFF.
  • the voltage V3 applied to the voltage changes with the transient response shown in FIG.
  • FIG. 12 is a diagram showing a state where the second capacitor shown in FIG.
  • FIG. 13 is a diagram showing a neutral point voltage detected when the second capacitor shown in FIG. 5 has an open failure.
  • the neutral point 12c is detected by the failure detection circuit 2-2 when the second switch 32 is controlled from OFF to ON while the first switch 31 is OFF.
  • the voltage V4 applied to the voltage changes with the transient response shown in FIG.
  • the time constant ⁇ of the transient response of the voltage V4 shown in FIG. 13 is shorter than the time constant ⁇ of the transient response of the voltage V3 shown in FIG. This is because when the second capacitor 12b has an open circuit failure, the capacitance value decreases and the time constant ⁇ of the transient response decreases.
  • the failure detection circuit 2-2 has the time constant of the transient response of the voltage applied to the neutral point 12c before and after controlling each of the first and second switching units 31 and 32. Can be used to detect a capacitor open failure. If a capacitor fails open, surge voltage and noise can increase. Since power converter 100-2 according to the second embodiment can detect a capacitor open failure, it is possible to take measures such as disconnecting DC voltage source 1 and power module 10 by using the detection result. Become. Therefore, increase of surge voltage and noise can be suppressed even when the capacitor is broken open.
  • the failure detection circuit 2-2 controls each of the first and second open / close sections 31 and 32 to be in the on state
  • the first and second switching circuits are detected by detecting the voltage in the same manner as in the first embodiment.
  • the short-circuit fault of each of the two capacitors 12a and 12b can be detected. Further, since it is possible to detect if the output voltage of the DC voltage source 1 is applied, it is not necessary to cut off the connection between the DC voltage source 1 and the power module 10.
  • the first and second switching elements 11a and 11b formed of SiC are used, but the first and second switching elements 11a and 11b are mainstream as semiconductor materials. Silicon (Si) may be used.
  • the first and second switching elements 11a and 11b formed of SiC are known to have a large voltage oscillation called ringing, while having a low loss. Along with this, there is a concern about noise increase due to ringing in a power conversion device using a switching element formed of SiC.
  • the power module 10 having a structure in which the first and second switching elements 11a and 11b formed of SiC are covered with resin is used, noise due to ringing is reduced, and a capacitor failure is prevented. It can be detected. Therefore, the power converters according to Embodiments 1 and 2 can ensure reliability while exhibiting low loss of SiC.
  • the switching circuits of the first and second embodiments have an upper and lower arm configuration in which two switching elements are connected in series.
  • the failure detection circuits of the first and second embodiments are configured such that the voltage generated in the second resistor when the first and second capacitors are normal and the second when the first or second capacitor is short-circuited or opened. A short-circuit fault or an open-circuit fault of the first or second capacitor is detected by comparing the voltage generated in the resistance of the first or second capacitor.
  • the failure detection circuits of the first and second embodiments are configured such that the voltage generated in the first resistor when the first and second capacitors are normal and the first and second capacitors when the first or second capacitor is short-circuited or opened.
  • a short-circuit fault or an open-circuit fault of the first or second capacitor is detected by comparing the voltage generated in the resistance of the first or second capacitor.
  • the connection between the DC voltage power supply and the power module is cut off when the failure detection circuit detects at least one short-circuit failure or open-circuit failure of the first and second capacitors.
  • a switch is provided.
  • the failure detection circuit is configured based on a time constant of a transient response of a voltage generated in at least one of the first resistor and the second resistor when the first switching unit or the second switching unit is connected or disconnected. Detect at least one short or open fault in the first and second capacitors.
  • the configuration described in the above embodiment shows an example of the contents of the present invention, and can be combined with another known technique, and can be combined with other configurations without departing from the gist of the present invention. It is also possible to omit or change the part.
  • 1 DC voltage source 1a positive line, 1b negative line, 2, 2-2 failure detection circuit, 3 drive control circuit, 4 load device, 10 power module, 11 voltage source bridge circuit, 11a first switching element, 11b 1st 2 switching elements, 12 capacitor pairs, 12a first capacitor, 12b second capacitor, 12c neutral point, 13 first terminal, 14 second terminal, 15 third terminal, 16 fourth terminal, 17 5th terminal, 21 1st resistor, 22 2nd resistor, 31 1st switch part, 32 2nd switch part, 100, 100-2 power converter.

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Abstract

電力変換装置１００のパワーモジュール１０は、スイッチング素子を有するスイッチング回路と、スイッチング回路に並列接続され第１および第２のコンデンサ１２ａ，１２ｂを直列接続したコンデンサ対１２と、第１および第２のコンデンサ１２ａ，１２ｂ間に接続された端子とを備え、電力変換装置１００は、スイッチング回路の正極と前記端子との間に電気的に接続された第１の抵抗２１と、スイッチング回路の負極と前記端子との間に電気的に接続された第２の抵抗２２と、第１の抵抗２１および第２の抵抗２２の少なくとも１つに生じた電圧に基づいて、第１および第２のコンデンサ１２ａ，１２ｂの少なくとも１つの短絡故障を検出する故障検出回路２とを備える。

Description

電力変換装置
　本発明は、パワーモジュールを備える電力変換装置に関する。
　従来の電力変換装置では、電力変換装置が備えるパワーモジュールに搭載されたスイッチング素子のスイッチングによってサージ電圧および電磁ノイズが発生するため、サージ電圧により電力変換装置が故障し、また電磁ノイズによって電力変換装置の周囲の環境を悪化させる可能性がある。特許文献１に示される電力変換装置では、スイッチング素子が搭載されるパワーモジュールにサージを抑制するためのコンデンサが内蔵される。このコンデンサは配線インダクタンスを小さくし、配線インダクタンスに蓄積されたエネルギを低減するように作用する。そのため配線インダクタンスに蓄積されていたエネルギに起因して発生するサージ電圧が低減される共に電磁ノイズが抑制される。
特開２０１４－１８７８７４号公報
　しかしながら特許文献１に示される電力変換装置は、パワーモジュールに内蔵されるコンデンサの故障を検出する手段がなく、コンデンサが短絡故障した場合には電源短絡する恐れがある。そのため近年ではパワーモジュールに内蔵されるコンデンサの故障を検出することにより電力変換装置の信頼性を高めたいという要望が強くなっている。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、パワーモジュールに内蔵されるコンデンサの故障を検出可能な電力変換装置を得ることを目的とする。
　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、パワーモジュールを備える電力変換装置であって、パワーモジュールは、スイッチング素子を有するスイッチング回路と、スイッチング回路に並列接続され第１および第２のコンデンサを直列接続したコンデンサ対と、第１および第２のコンデンサ間に接続された端子とを備え、スイッチング回路の正極と端子との間に電気的に接続された第１の抵抗と、スイッチング回路の負極と端子との間に電気的に接続された第２の抵抗と、第１の抵抗および第２の抵抗の少なくとも１つに生じた電圧に基づいて、第１および第２のコンデンサの少なくとも１つの短絡故障を検出する故障検出回路と、を備える。
　本発明に係る電力変換装置は、パワーモジュールに内蔵されるコンデンサの故障を検出できるという効果を奏する。
実施の形態１に係る電力変換装置の構成例を示す図 図１に示す第１および第２のコンデンサが正常時に中性点と負極線との間の電位差を示す図 図１に示す第１のコンデンサが短絡故障時に中性点と負極線との間の電位差を示す図 図１に示す第２のコンデンサが短絡故障時に中性点と負極線との間の電位差を示す図 実施の形態２に係る電力変換装置の構成例を示す図 図５に示す第１のコンデンサが開放故障していない状態を示す図 図５に示す第１のコンデンサが開放故障していないときに検出される中性点の電圧を示す図 図５に示す第１のコンデンサが開放故障している状態を示す図 図５に示す第１のコンデンサが開放故障しているときに検出される中性点の電圧を示す図 図５に示す第２のコンデンサが開放故障していない状態を示す図 図５に示す第２のコンデンサが開放故障していないときに検出される中性点の電圧を示す図 図５に示す第２のコンデンサが開放故障している状態を示す図 図５に示す第２のコンデンサが開放故障しているときに検出される中性点の電圧を示す図
　以下に、本発明の実施の形態に係る電力変換装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態１．
　図１は実施の形態１に係る電力変換装置の構成例を示す図である。実施の形態１に係る電力変換装置１００は、パワーモジュール１０と、一端が直流電圧源１の正極に接続される第１の抵抗２１と、直流電圧源１の負極に接続された第２の抵抗２２とを備える。直流電圧源１は、モジュールパッケージ外部の電源であっても良いし、パッケージ内部に内蔵されたコンデンサ等であっても良い。
　パワーモジュール１０は、炭化珪素（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｃａｒｂｉｄｅ：ＳｉＣ）を用いて形成された第１のスイッチング素子１１ａとＳｉＣを用いて形成された第２のスイッチング素子１１ｂとを直列接続した上下アーム構成の電圧形ブリッジ回路１１を備える。電圧形ブリッジ回路１１は、スイッチング素子を少なくとも１つ備えるスイッチング回路であってもよい。またパワーモジュール１０は、ノイズ除去用の第１のコンデンサ１２ａとノイズ除去用の第２のコンデンサ１２ｂとを直列接続したコンデンサ対１２を備える。コンデンサ対１２は電圧形ブリッジ回路１１に並列接続される。すなわち、コンデンサ対１２は、上記のスイッチング回路の正極と負極間に並列接続される。
　またパワーモジュール１０は、第１のコンデンサ１２ａおよび第２のコンデンサ１２ｂの間に接続された端子である第１の端子１３と、第２の端子１４と、第３の端子１５と、第４の端子１６と、第５の端子１７を備える。
　第２の端子１４は、直流電圧源１の正極線１ａに接続され、電圧形ブリッジ回路１１およびコンデンサ対１２の一端に第１の電位を与える端子である。第３の端子１５は、直流電圧源１の負極線１ｂに接続され、電圧形ブリッジ回路１１およびコンデンサ対１２の他端に第２の電位を与える端子である。第２の電位は第１の電位よりも低い電位である。第３の端子１５には第２のスイッチング素子１１ｂおよび第２のコンデンサ１２ｂが接続される。第４の端子１６には、第１のスイッチング素子１１ａと第２のスイッチング素子１１ｂとの接続点に接続される。
　また電力変換装置１００は、コンデンサ対１２の短絡故障を検出する故障検出回路２と、電圧形ブリッジ回路１１内の第１のスイッチング素子１１ａおよび第２のスイッチング素子１１ｂのオンオフ動作を制御する駆動制御回路３とを備える。駆動制御回路３は第５の端子１７に接続され、駆動制御回路３から出力される駆動信号は、第５の端子１７を介して第１のスイッチング素子１１ａと第２のスイッチング素子１１ｂとに入力される。
　正極線１ａには第１の抵抗２１が接続される。また正極線１ａには第２の端子１４、すなわち第１のスイッチング素子１１ａの一端と第１のコンデンサ１２ａの一端とが接続される。負極線１ｂには第２の抵抗２２の一端が接続される。また負極線１ｂには第３の端子１５、すなわち第２のスイッチング素子１１ｂの一端と第２のコンデンサ１２ｂの一端とが接続される。
　第１および第２の抵抗２１，２２のそれぞれの他端は第１の端子１３に接続される。第１のコンデンサ１２ａおよび第２のコンデンサ１２ｂの中性点１２ｃは、第１の端子１３を介して、第１の抵抗２１と第２の抵抗２２との接続点に接続される。すなわち、第１の抵抗２１は一端が前述したスイッチング回路の正極と電気的に接続され、他端が第１の端子１３に接続される。また、第２の抵抗２２は、一端が前述したスイッチング回路の負極と電気的に接続され、他端が第１の端子１３に接続される。
　第３の端子１５および第４の端子１６には負荷装置４が接続される。負荷装置４としては回転電機を例示できる。
　以下に電力変換装置１００の動作を説明する。駆動制御回路３は、駆動制御回路３の外部から与えられる電圧指令に基づき、第１および第２のスイッチング素子１１ａ，１１ｂを駆動する駆動信号を生成し、生成された駆動信号は、第５の端子１７を介して第１および第２のスイッチング素子１１ａ，１１ｂに与えられ、第１および第２のスイッチング素子１１ａ，１１ｂではオンオフ動作が行われることにより、一定の電圧および周波数の擬似正弦波が負荷装置４に供給される。
　故障検出回路２は、第１および第２の抵抗２１，２２の少なくとも１つに生じた電圧により、第１および第２のコンデンサ１２ａ，１２ｂの少なくとも１つの短絡故障を検出する。以下、故障検出回路２による故障検出時の動作を具体的に説明する。
　図２は図１に示す第１および第２のコンデンサが正常時に中性点と負極線との間の電位差を示す図である。図３は図１に示す第１のコンデンサが短絡故障時に中性点と負極線との間の電位差を示す図である。図４は図１に示す第２のコンデンサの短絡故障時に中性点と負極線との間の電位差を示す図である。
　図１に示す第１のコンデンサ１２ａおよび第２のコンデンサ１２ｂが正常な場合、図２に示すように中性点１２ｃと負極線１ｂとの間の電位差は直流電圧源１の出力電圧の半分の値になる。図２では直流電圧源１の出力電圧を６００Ｖと仮定しているため中性点電位は３００Ｖである。
　図１に示す第１のコンデンサ１２ａが短絡故障し、かつ、第２のコンデンサ１２ｂが正常である場合、図３に示すように中性点１２ｃと負極線１ｂとの間の電位差は直流電圧源１の出力電圧と同じ値になる。図３では直流電圧源１の出力電圧を６００Ｖと仮定しているため中性点電位は６００Ｖである。
　図１に示す第１のコンデンサ１２ａが正常であり、かつ、第２のコンデンサ１２ｂが短絡故障した場合、図４に示すように中性点１２ｃと負極線１ｂとの間の電位差は０Ｖになる。図４では直流電圧源１の出力電圧を６００Ｖと仮定しているが、中性点電位は０Ｖである。
　図１に示す故障検出回路２は、第１の抵抗２１および第２の抵抗２２の少なくとも一方に生じた電圧を検出し、検出した電圧により第１および第２のコンデンサ１２ａ，１２ｂの少なくとも１つの短絡故障を検出する。
　パワーモジュール１０に内蔵されたコンデンサは交換が容易ではなく、特にコンデンサが樹脂で覆われた構造のパワーモジュール１０ではコンデンサ対１２の交換が困難な場合がある。またコンデンサが短絡故障した場合、ユーザはコンデンサの故障に気付かない可能性があるため、コンデンサが短絡故障した状態で直流電圧源１からパワーモジュール１０への通電が継続して電源短絡を引き起こす可能性がある。
　実施の形態１に係る電力変換装置１００によれば、パワーモジュール１０に内蔵されたコンデンサの短絡故障を検出できるため、検出結果を利用することによって直流電圧源１とパワーモジュール１０とを切り離すといった措置を取ることが可能になる。一例としては、正極線１ａまたは負極線１ｂに開閉器が設置されている構成において、故障検出回路２は、コンデンサ故障を検出していない場合、直流電圧源１とパワーモジュール１０との接続が継続されるように開閉器を制御し、コンデンサ故障を検出した場合、直流電圧源１とパワーモジュール１０との接続が解除されるように開閉器を制御する。このような開閉器制御機能は故障検出回路２に設けてもよいし駆動制御回路３に設けてもよい。駆動制御回路３に設けた場合、駆動制御回路３は故障検出回路２から故障検出の有無を示す情報を取り込み、開閉器に対する開閉指令を出力する構成とする。
　実施の形態１に係る電力変換装置１００によれば、パワーモジュール１０に内蔵されるコンデンサの故障を検出できるため、電源短絡の発生を抑制できる。また実施の形態１に係る電力変換装置１００によれば、電源短絡による過大な電流によってパワーモジュール１０が破壊に至ることを抑制できるため、電力変換装置１００自体の信頼性を高めることができる。
　なお、実施の形態１では、スイッチング素子を有するスイッチング回路の一例として、電圧形ブリッジ回路１１を用いて説明した。すなわち、スイッチング回路として２つのスイッチング素子で構成される上下アームである電圧形ブリッジ回路１１を用いて説明したが、１つのスイッチング素子のみを用いてもよい。
　本実施の形態では、パワーモジュール１０が一相の上下アームを備える構成を開示したが、三相の上下アームなど、複数の上下アームを備えていてもよい。
　また、本実施の形態に係る電力変換装置１００は、各スイッチング素子に逆並列に接続されたダイオードを備えているが、当該ダイオードはスイッチング素子に内蔵されていてもよいし、ダイオード自体を備えていなくてもよい。
　また、本実施の形態では、直流電圧源１の正極と負極との間にスイッチング回路が接続された場合について説明したが、従来、スナバ回路が設けられるスイッチング回路部分に本実施の形態は適用できる。すなわち、回路全体のうち、一部のスイッチング回路について本実施の形態は適用できる。
実施の形態２．
　図５は実施の形態２に係る電力変換装置の構成例を示す図である。実施の形態２に係る電力変換装置１００－２は、第１および第２のコンデンサ１２ａ，１２ｂのそれぞれの短絡故障と開放故障を検出可能である。実施の形態２に係る電力変換装置１００－２のパワーモジュール１０の構成は実施の形態１と同様である。実施の形態１と実施の形態２の相違点は以下の通りである。
（１）電力変換装置１００－２は、実施の形態１の故障検出回路２の代わりに故障検出回路２－２を備える。
（２）電力変換装置１００－２は、実施の形態１の第１の抵抗２１、第２の抵抗２２およびパワーモジュール１０に加えて、第１の開閉部３１および第２の開閉部３２を備える。
　第１の開閉部３１は、第１の抵抗２１と第１の端子１３とを接続または分離する開閉手段であり、第１の抵抗２１の他端と第１の端子１３との間に配置される。具体的には、第１の開閉部３１の一端は第１の抵抗２１の他端に接続され、第１の開閉部３１の他端は第２の開閉部３２の一端と第１の端子１３とに接続される。
　第２の開閉部３２は、第２の抵抗２２と第１の端子１３とを接続または分離する開閉手段であり、第２の抵抗２２の他端と第１の端子１３との間に配置される。具体的には、第２の開閉部３２の一端は第２の抵抗２２の他端に接続され、第２の開閉部３２の他端は第１の開閉部３１の一端と第１の端子１３とに接続される。
　故障検出回路２－２は、第１および第２の開閉部３１，３２のそれぞれのオンオフを制御し、第１および第２の抵抗２１，２２のそれぞれの両端に印加される電圧を検出する。この電圧はＣＲ回路の過渡応答電圧に相当する。故障検出回路２－２は、第１および第２の抵抗２１，２２の少なくとも１つに生じた電圧を検出することで、第１および第２のコンデンサ１２ａ，１２ｂの少なくとも１つの短絡故障または開放故障を検出する。以下、故障検出回路２－２による故障検出時の動作を具体的に説明する。
（第１のコンデンサの開放故障の検出）
　図６は図５に示す第１のコンデンサが開放故障していない状態を示す図である。図７は図５に示す第１のコンデンサが開放故障していないときに検出される中性点の電圧を示す図である。第１のコンデンサ１２ａが開放故障していないとき、故障検出回路２－２によって第２の開閉部３２がオフのまま第１の開閉部３１がオフからオンに制御されると、中性点１２ｃに印加される電圧Ｖ１は図７に示す過渡応答で変化する。
　図８は図５に示す第１のコンデンサが開放故障している状態を示す図である。図９は図５に示す第１のコンデンサが開放故障しているときに検出される中性点の電圧を示す図である。第１のコンデンサ１２ａが開放故障しているとき、故障検出回路２－２によって第２の開閉部３２がオフのまま第１の開閉部３１がオフからオンに制御されると、中性点１２ｃに印加される電圧Ｖ２は図９に示す過渡応答で変化する。
　図９に示す電圧Ｖ２の過渡応答の時定数τは図７に示す電圧Ｖ１の過渡応答の時定数τよりも短くなる。これは第１のコンデンサ１２ａが開放故障している場合、キャパシタンスの値が小さくなり過渡応答の時定数τが短くなるためである。
（第２のコンデンサの開放故障の検出）
　図１０は図５に示す第２のコンデンサが開放故障していない状態を示す図である。図１１は図５に示す第２のコンデンサが開放故障していないときに検出される中性点の電圧を示す図である。第２のコンデンサ１２ｂが開放故障していないとき、故障検出回路２－２によって第１の開閉部３１がオフのまま第２の開閉部３２がオフからオンに制御されると、中性点１２ｃに印加される電圧Ｖ３は図１１に示す過渡応答で変化する。
　図１２は図５に示す第２のコンデンサが開放故障している状態を示す図である。図１３は図５に示す第２のコンデンサが開放故障しているときに検出される中性点の電圧を示す図である。第２のコンデンサ１２ｂが開放故障しているとき、故障検出回路２－２によって第１の開閉部３１がオフのまま第２の開閉部３２がオフからオンに制御されると、中性点１２ｃに印加される電圧Ｖ４は図１３に示す過渡応答で変化する。
　図１３に示す電圧Ｖ４の過渡応答の時定数τは図１１に示す電圧Ｖ３の過渡応答の時定数τよりも短くなる。これは第２のコンデンサ１２ｂが開放故障している場合、キャパシタンスの値が小さくなり過渡応答の時定数τが短くなるためである。
　このように実施の形態２に係る故障検出回路２－２は、第１および第２の開閉部３１，３２のそれぞれを制御する前後において中性点１２ｃに印加される電圧の過渡応答の時定数を比較することにより、コンデンサの開放故障を検出できる。コンデンサが開放故障した場合、サージ電圧およびノイズが増大する可能性がある。実施の形態２に係る電力変換装置１００－２によればコンデンサの開放故障を検出できるため、検出結果を利用することによって直流電圧源１とパワーモジュール１０とを切り離すといった措置を取ることが可能になる。従ってコンデンサが開放故障した場合でもサージ電圧およびノイズの増大を抑制できる。
　なお故障検出回路２－２が第１および第２の開閉部３１，３２のそれぞれをオン状態に制御した状態で、実施の形態１と同様の方法で電圧を検出することにより、第１および第２のコンデンサ１２ａ，１２ｂのそれぞれの短絡故障を検出できる。また直流電圧源１の出力電圧が印加されていれば検出することが可能であるため、直流電圧源１とパワーモジュール１０との接続を遮断する必要はない。
　なお実施の形態１，２ではＳｉＣで形成された第１および第２のスイッチング素子１１ａ，１１ｂが用いられているが、第１および第２のスイッチング素子１１ａ，１１ｂは半導体材料としては主流であるケイ素（Ｓｉｌｉｃｏｎ：Ｓｉ）でもよい。ＳｉＣで形成された第１および第２のスイッチング素子１１ａ，１１ｂは、低損失な反面、リンギングという電圧振動が大きいことが知られている。それに伴いＳｉＣで形成されたスイッチング素子を用いた電力変換装置ではリンギングによるノイズの増大が懸念される。実施の形態１，２ではＳｉＣで形成された第１および第２のスイッチング素子１１ａ，１１ｂを樹脂で覆う構造のパワーモジュール１０が用いられるため、リンギングによるノイズが軽減され、かつ、コンデンサの故障を検出できる。そのため実施の形態１，２に係る電力変換装置は、ＳｉＣの低損失性を発揮しながら信頼性を確保できる。
　また実施の形態１，２のスイッチング回路は、２つのスイッチング素子が直列接続された上下アーム構成を有する。また実施の形態１，２の故障検出回路は、第１および第２のコンデンサが正常時に第２の抵抗に生じる電圧と、第１または第２のコンデンサが短絡故障または開放故障した際に第２の抵抗に生じる電圧と、を比較することによって、第１または第２のコンデンサの短絡故障または開放故障を検出する。また実施の形態１，２の故障検出回路は、第１および第２のコンデンサが正常時に第１の抵抗に生じる電圧と、第１または第２のコンデンサが短絡故障または開放故障した際に第１の抵抗に生じる電圧と、を比較することによって、第１または第２のコンデンサの短絡故障または開放故障を検出する。また実施の形態１，２の電力変換装置は、故障検出回路が第１および第２のコンデンサの少なくとも１つの短絡故障または開放故障を検出した場合に、直流電圧電源とパワーモジュールとの接続を遮断する開閉器を備える。また故障検出回路は、第１の開閉部または第２の開閉部の接続または分離時に、第１の抵抗および第２の抵抗の少なくとも１つに生じる電圧の過渡応答の時定数に基づいて、第１および第２のコンデンサの少なくとも１つの短絡故障または開放故障を検出する。
　以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
　１　直流電圧源、１ａ　正極線、１ｂ　負極線、２，２－２　故障検出回路、３　駆動制御回路、４　負荷装置、１０　パワーモジュール、１１　電圧形ブリッジ回路、１１ａ　第１のスイッチング素子、１１ｂ　第２のスイッチング素子、１２　コンデンサ対、１２ａ　第１のコンデンサ、１２ｂ　第２のコンデンサ、１２ｃ　中性点、１３　第１の端子、１４　第２の端子、１５　第３の端子、１６　第４の端子、１７　第５の端子、２１　第１の抵抗、２２　第２の抵抗、３１　第１の開閉部、３２　第２の開閉部、１００，１００－２　電力変換装置。

Claims (8)

  1. 　パワーモジュールを備える電力変換装置であって、
    　前記パワーモジュールは、スイッチング素子を有するスイッチング回路と、前記スイッチング回路に並列接続され第１および第２のコンデンサを直列接続したコンデンサ対と、前記第１および第２のコンデンサ間に接続された端子とを備え、
    　前記スイッチング回路の正極と前記端子との間に電気的に接続された第１の抵抗と、
    　前記スイッチング回路の負極と前記端子との間に電気的に接続された第２の抵抗と、
    　前記第１の抵抗および前記第２の抵抗の少なくとも１つに生じた電圧に基づいて、前記第１および第２のコンデンサの少なくとも１つの短絡故障を検出する故障検出回路と、
    　を備えた電力変換装置。
  2. 　パワーモジュールを備える電力変換装置であって、
    　前記パワーモジュールは、スイッチング素子を有するスイッチング回路と、前記スイッチング回路に並列接続され第１および第２のコンデンサを直列接続したコンデンサ対と、前記第１および第２のコンデンサ間に接続された端子とを備え、
    　一端が前記スイッチング回路の正極に接続された第１の抵抗と、
    　前記第１の抵抗の他端と前記端子との間に配置され、前記第１の抵抗と前記端子とを接続または分離する第１の開閉部と、
    　一端が前記スイッチング回路の負極に接続された第２の抵抗と、
    　前記第２の抵抗の他端と前記端子との間に配置され、前記第２の抵抗と前記端子とを接続または分離する第２の開閉部と、
    　前記第１の抵抗および前記第２の抵抗の少なくとも１つに生じた電圧に基づいて、前記第１および第２のコンデンサの少なくとも１つの短絡故障または開放故障を検出する故障検出回路を備えた電力変換装置。
  3. 　前記スイッチング回路は、２つのスイッチング素子が直列接続された上下アーム構成を有することを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
  4. 　前記故障検出回路は、前記第１および第２のコンデンサが正常時に前記第２の抵抗に生じる電圧と、前記第１または第２のコンデンサが短絡故障または開放故障した際に前記第２の抵抗に生じる電圧と、を比較することによって、前記第１または第２のコンデンサの短絡故障または開放故障を検出することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  5. 　前記故障検出回路は、前記第１および第２のコンデンサが正常時に前記第１の抵抗に生じる電圧と、前記第１または第２のコンデンサが短絡故障または開放故障した際に前記第１の抵抗に生じる電圧と、を比較することによって、前記第１または第２のコンデンサの短絡故障または開放故障を検出することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  6. 　前記故障検出回路が前記第１および第２のコンデンサの少なくとも１つの短絡故障または開放故障を検出した場合に、直流電圧電源と前記パワーモジュールとの接続を遮断する開閉器を備えたことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  7. 　前記故障検出回路は、前記第１の開閉部または前記第２の開閉部の接続または分離時に、前記第１の抵抗および前記第２の抵抗の少なくとも１つに生じる電圧の過渡応答の時定数に基づいて、前記第１および第２のコンデンサの少なくとも１つの短絡故障または開放故障を検出することを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
  8. 　前記第１および第２のスイッチング素子は炭化珪素を用いて形成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の電力変換装置。
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