WO2021255989A1 - インバータ装置 - Google Patents

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power device
voltage
inverter device
arm
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昌宏 土肥
毅雄 山下
光洋 岩崎
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日立Astemo株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an inverter device effective for diagnosing abnormalities driven by a power device.
  • An inverter device (hereinafter, may be simply referred to as an inverter) is a device that converts DC power into AC power, and an in-vehicle inverter device drives a motor with AC power converted from DC power such as a lithium-ion battery. By controlling, the driving force required for the vehicle is controlled. Since the AC power that drives the motor is extremely large, it is required to take functional safety measures to reduce the risk of serious failure by detecting the failure at an early stage and stopping the motor safely when a failure occurs. If the failure that has occurred cannot be detected, or if the detection is delayed and the safety control of the vehicle is delayed, it may lead to a more serious risk of vehicle failure due to the occurrence of a secondary failure, etc., and the failure is detected early. It is important to stop the vehicle safely.
  • the rotation speed of the motor is controlled by measuring the three-phase output AC current to the motor and the DC voltage of the input and switching and controlling the power devices of the three-phase upper arm and lower arm.
  • the motor is driven by controlling the required torque according to the current. Since the current response of the output AC current measured in this motor control is determined according to the magnitude of the inductance load of the motor, a sudden current change does not occur. Also, as for the input DC voltage, since a large capacitor is mounted in the inverter, sudden voltage changes are unlikely to occur.
  • Patent Document 1 "related to an inverter provided with a large-capacity power semiconductor module, in particular, at least one of the gate wirings (gate wire or emitter wire) is disconnected, poorly contacted, or forgotten to be connected.
  • a technique relating to an inverter device for detecting the occurrence of an abnormality such as the above before starting the inverter and a method for detecting an abnormality in the inverter device is disclosed.
  • the technique shown in Patent Document 1 is "a voltage value between a gate terminal and an emitter terminal of each power semiconductor element in the arm in a state where the drive signal is off for each arm in the diagnosis period before starting the inverter.
  • the rise time of the gate driver output voltage when a pulse-driven drive signal is applied from the gate driver to each drive gate terminal for abnormality diagnosis is detected as diagnostic data, and the detected diagnostic data and a predetermined value are used.
  • the abnormality of the gate wiring is detected before the start of the inverter.
  • the technique shown in Patent Document 1 is a technique for diagnosing a disconnection of a power device before starting the inverter device.
  • there are various failure modes of the inverter device such as a short circuit other than the disconnection, and it is necessary to detect these various failures and safely stop the inverter device.
  • An object of the present invention is to provide an inverter device capable of detecting an abnormality of a power device and a gate drive which is an output of the inverter device at an early stage and safely stopping and controlling the inverter device.
  • the inverter device includes a power device, a gate drive unit that drives the power device, and a microcontroller that controls the gate drive unit, and determines the gate voltage of the power device.
  • the gate voltage detector for detecting at the threshold voltage of the above is provided, the predetermined threshold voltage is a voltage lower than the threshold voltage of the power device, and the gate drive signal output from the microcontroller and the gate voltage detector output.
  • the inverter device includes a power device, a gate drive unit for driving the power device, and a microcontroller for controlling the gate drive unit, and the drain voltage of the power device is based on the source voltage.
  • a drain voltage detection unit that detects at a predetermined threshold voltage is provided, and the gate voltage is driven by comparing the gate drive signal output from the microcontroller with the drain voltage detection signal of the drain voltage detection unit.
  • a signal loop is formed by a path and a detection path, and when a forward current is flowing through the power device, the presence or absence of an abnormality in the power device is diagnosed.
  • the present invention it is possible to detect an abnormality in the power device and the gate drive at an early stage and safely stop the inverter device.
  • the configuration diagrams of FIGS. 1 to 5, the time charts of FIGS. 6 and 7, and the flow charts of FIGS. 8 and 9 are examples of the embodiments according to the present invention, and the claims are not limited.
  • the names of the terminals of the power device are unified as the gate terminal, the drain terminal, and the source terminal, but in the case of the IGBT, the drain terminal can be read as the collector terminal and the source terminal can be read as the emitter terminal.
  • power devices are described in IGBTs and SiCs, it is possible to target all power devices that control on / off switching by a gate voltage, and also as IGBTs, SiCs, Si- MOSFETs, and GaNs. good.
  • the isolator element is described by a transformer, all isolator elements can be targeted, and an isolator element using a photocoupler or a capacitor may be used.
  • the inverter device 1 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the inverter device 1 shown in FIG. 1 includes a high voltage battery 16 (such as a lithium ion battery), an upper arm power device 20A and an upper arm connected to a positive terminal VP and an output terminal (output voltage) VO of the high voltage battery 16. It is provided with a freewheeling diode 21A, a lower arm power device 22A and a lower arm freezing diode 23A connected to an output voltage VO and a negative terminal VN of a high voltage battery 16, and these upper and lower arms are alternately turned on and off to output a voltage. To drive the motor by switching.
  • a high voltage battery 16 such as a lithium ion battery
  • an upper arm power device 20A and an upper arm connected to a positive terminal VP and an output terminal (output voltage) VO of the high voltage battery 16.
  • It is provided with a freewheeling diode 21A, a lower arm power device 22A and a
  • the upper arm power device 20A and the lower arm power device 22A of this embodiment are described by IGBTs.
  • an in-vehicle inverter device drives a three-phase motor composed of a U-phase, a V-phase, and a W-phase, but here, the present embodiment will be described with an upper and lower arm for one phase.
  • the other two phases are controlled by the microcontroller 10 so as to have their respective AC outputs, but the configuration according to this embodiment is the same and is omitted.
  • the upper arm power device 20A and the lower arm power device 22A are controlled by PWM (Pulse Width Modulation) from the microcontroller 10, respectively, but the configuration according to this embodiment is the same for the upper and lower arms, so the upper arm power device 20A will be described. However, the lower arm power device 22A will be omitted.
  • PWM Pulse Width Modulation
  • the inverter device 1 shown in FIG. 1 includes a microcontroller (microcomputer) 10, and is a gate drive signal generation unit 11 of the microcontroller 10, which is a gate drive signal of a three-phase, upper and lower 6-arm power device for driving a motor. Generate 40.
  • the generated gate drive signal 40 of the upper arm is insulated by the isolator transmission unit 13A, the isolator element 15A, and the isolator receiving unit 14A between the low voltage region provided with the microcontroller 10 and the high voltage region provided with the power device (20A, 22A).
  • the unit 24 is communicated (communication between insulation), a signal is transmitted to the gate drive unit 17, and the gate voltage VG for turning on / off the upper arm power device 20A is driven by the gate drive unit 17.
  • the gate resistor 18A is a gate resistor for adjusting the slew rate of the output voltage VO when the power device is turned on and off, and for adjusting the surge voltage when the power device is turned off.
  • the gate voltage detection unit 19 for determining (detecting) the gate voltage VG at a predetermined threshold voltage lower than the threshold voltage of the power device is provided, and the detection result (output signal) of the gate voltage detection unit 19 is provided. Is transmitted to the microcontroller 10 as a gate voltage detection signal 41 via an isolator communication unit including an isolator transmission unit 13B, an isolator element 15B, and an isolator receiving unit 14B.
  • the gate abnormality diagnosis unit 12 compares the gate drive signal 40 (output from the gate drive signal generation unit 11) with the gate voltage detection signal 41 (output from the gate voltage detection unit 19).
  • the gate abnormality diagnosis unit 12 When the gate voltage detection signal 41 has a desired delay time with respect to the gate drive signal 40, a normal determination is made and the output of the gate drive signal 40 is continued. On the other hand, if the rising and falling edges of the gate voltage detection signal 41 exceed the desired delay time with respect to the rising and falling edges of the gate drive signal 40, respectively, the gate abnormality diagnosis unit 12 will perform an abnormal delay time. Diagnose abnormal gate voltage. Further, when the gate voltage detection signal 41 is fixed at a high level or a low level for a certain period of time, it is similarly diagnosed as an abnormality of the gate voltage.
  • the diagnosis result is transmitted from the gate abnormality diagnosis unit 12 to the gate drive signal generation unit 11, the gate drive signal 40 of the upper arm is stopped, and the lower arm Control to stop the gate drive signal 43 becomes possible.
  • the gate voltage detection unit 19 for determining (detecting) the gate voltage VG at a predetermined threshold voltage lower than the threshold voltage of the power device is provided, and the gate abnormality diagnosis unit 12 of the microcontroller 10 is provided.
  • the gate voltage VG is determined by comparing the gate drive signal 40 (output from the gate drive signal generation unit 11) with the gate voltage detection signal 41 (output from the gate voltage detection unit 19) and diagnosing normal operation.
  • the gate abnormality diagnosis unit 12 of the microcontroller 10 can reliably diagnose the abnormality within the period of one PWM cycle.
  • the gate drive signal 40 of the upper arm and the gate drive signal 43 of the lower arm can be stopped at an early stage, and the inverter device 1 can be safely stopped and controlled at an early stage when an abnormality occurs. It will be possible.
  • the inverter device 2 according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the inverter device 2 shown in FIG. 2 includes a drain voltage detection unit 30 and a drain abnormality diagnosis unit 25 in addition to the configuration of the first embodiment shown in FIG.
  • the cathode of the rectifying diode 31 is connected to the drain terminal of the upper arm power device 20B, and the anode of the rectifying diode 31 is connected to the drain voltage detection unit 30, so that when the upper arm power device 20B is turned on, the upper arm power device
  • the drain voltage detection unit 30 detects that the drain voltage of 20B has dropped with respect to the source voltage (output voltage VO).
  • the drain voltage detection unit 30 detects the drain voltage of the upper arm power device 20B at the source voltage (output voltage VO), but can detect it at a predetermined threshold voltage based on the source voltage (output voltage VO). ..
  • the signal detected by the drain voltage detection unit 30 is transmitted to the microcontroller 10 as a drain voltage detection signal 42 via the isolator transmission unit 13C, the isolator element 15C, and the isolator reception unit 14C.
  • the drain abnormality diagnosis unit 25 of the microcontroller 10 compares the gate drive signal 40 (output from the gate drive signal generation unit 11) with the drain voltage detection signal 42 (output from the drain voltage detection unit 30). Diagnose the normal operation of the drain voltage of the upper arm power device 20B.
  • the control when an abnormality in the drain voltage is diagnosed by the drain abnormality diagnosis unit 25 is the same as in the first embodiment.
  • the inverter device 2 since the inverter device 2 outputs an alternating current to the motor, the direction of the alternating current output from the output terminal VO changes in the forward direction and the reverse direction. If the current direction flowing from the output terminal VO to the motor is in the forward direction and the current direction flowing from the motor side to the output terminal VO is in the reverse direction, the upper arm power device 20B is turned on when the current flows in the forward direction. Occasionally, a current flows through the upper arm power device 20B, and when the upper arm power device 20B is off, a current flows through the lower arm recirculation diode 23B.
  • the drain voltage can be diagnosed by the drain abnormality diagnosis unit 25 of the microcontroller 10 when a forward current is flowing through the power device.
  • a three-phase motor driven by an in-vehicle inverter device senses the alternating current of each phase and uses it in the calculation of the microcontroller, and determines whether the current is in the forward direction or the reverse direction. be able to. This makes it possible to diagnose whether the on / off operation of the upper arm power device 20B is normal when the current is flowing in the forward direction, and when the current is flowing in the reverse direction, the lower arm power device constituting the reverse arm. It is possible to diagnose whether the on / off operation of 22B is normal.
  • the drain voltage of the upper arm power device 20B is determined by a predetermined threshold voltage based on the source voltage under the condition that a forward current flows through the upper arm power device 20B which is an output ( A drain voltage detection unit 30 for detection) is provided, and a gate drive signal 40 (output from the gate drive signal generation unit 11) and a gate drive signal 40 (output from the drain voltage detection unit 30) are provided by the drain abnormality diagnosis unit 25 of the microcontroller 10.
  • the drive path of the gate voltage VG the path connected from the microcontroller 10 to the upper arm power device 20B via the gate drive unit 17
  • the drain voltage are detected.
  • a signal loop is formed in the path (the path from the upper arm power device 20B to the microcontroller 10 via the drain voltage detection unit 30), and the drain abnormality diagnosis unit 25 of the microcontroller 10 checks for the presence or absence of an abnormality in the upper arm power device 20B.
  • the drain abnormality diagnosis unit 25 of the microcontroller 10 checks for the presence or absence of an abnormality in the upper arm power device 20B.
  • the drain abnormality diagnosis unit 25 of the microcontroller 10 will make an abnormality within the PWM1 cycle. Can be reliably diagnosed. Under the condition that a current flows in the reverse direction to the output, it is possible to reliably diagnose the normal operation of the lower arm power device 22B in the same manner.
  • the gate drive signal 40 of the upper arm and the gate drive signal 43 of the lower arm can be stopped at an early stage, and the inverter device 2 can be safely stopped and controlled at an early stage when an abnormality occurs. It will be possible.
  • the second embodiment inverter device 2 has a gate voltage detection unit 19 that detects the gate voltage VG of the power device at a predetermined threshold voltage and a drain voltage that detects the drain voltage at a predetermined threshold voltage.
  • a drain voltage detection unit 30 is provided, and the gate drive signal 40 and the gate voltage detection signal 41 are compared and diagnosed by the microcontroller 10, and the gate drive signal 40 and the drain voltage detection signal 42 are compared and diagnosed. It is possible to diagnose the normal drive and normal detection of the voltage VG and the normal drive and normal detection of the power device at an early stage. That is, by constantly monitoring the gate voltage and drain voltage that drive the power device, it is possible to detect (presence or absence) of an abnormality at an early stage and safely stop and control the inverter device.
  • the microcontroller 10 includes a dead time control unit 44, and the dead time control unit 44 detects the gate voltage of the lower arm.
  • the signal 32 and the gate voltage detection signal 41 of the upper arm are connected.
  • an upper arm power device 26A and a lower arm power device 28A described in SiC are provided.
  • the control voltage 66 of the target output voltage VO and the carrier wave 67 having a fixed cycle are compared.
  • the basic gate drive signal 68 is PWM generated. Further, it is necessary to control the dead times Td1 and Td2 in which both the upper arm and the lower arm are turned off so that the upper arm and the lower arm are not turned on at the same time. Generally, since the dead times Td1 and Td2 are set as fixed times, as shown in the left figure of FIG. 6, the time for the fixed dead times of Td1 and Td2 is subtracted from the basic gate drive signal 68.
  • a gate drive signal for the upper arm and a drive signal for the lower arm are generated to drive each arm.
  • This fixed dead time is set in consideration of the worst case of various variation factors such as the maximum and minimum values of the output current, the threshold variation of the power device, the capacity variation of the gate drive unit, and the variation of the gate drive adjustment resistor. It is necessary to set the time when the arm and the lower arm do not turn on at the same time.
  • the control to raise the gate drive signal of the arm by the falling edge of the gate voltage detection signal of the reverse arm in other words, the gate of the power device from the gate voltage detection signal of the counter power device.
  • the control to generate the drive signal in other words, the control to generate the gate drive signal of the reverse arm (counter-power device) from the gate voltage detection signal of the arm (power device), sufficiently lowers the gate voltage of the lower arm.
  • the gate voltage detection signal of the reverse arm does not fall, so that the gate drive signal of the arm does not become Hi, and the upper and lower arms due to the failure of the reverse arm Simultaneous on can also be avoided.
  • the power device such as SiC that can flow current in either the forward direction or the reverse direction that exerts the effect of reducing the heat loss of the freewheeling diode.
  • the power device is SiC, if a SiC body diode is used as the freewheeling diode, the forward voltage of the body diode is large and the diode loss is large, so that the effect is large.
  • FIG. 7 is a time chart when a forward current is flowing through the upper arm.
  • the gate voltage of the upper arm with the comparison voltage Vgref of the gate voltage detection unit 19
  • the off of the upper arm power device 26A is detected, and the gate drive signal 43 of the lower arm is set up.
  • the gate drive signal 40 of the upper arm is set up.
  • the shortening of the dead time by this control can be further shortened by shortening the signal transmission time from the gate voltage detection unit 19 to the microcontroller 10.
  • the gate voltage detector 19 By integrating (built-in) an isolator communication unit consisting of an isolator transmission unit 13B, an isolator element 15B, and an isolator reception unit 14B in a gate drive IC, the gate voltage state is transmitted to the microcontroller 10 at high speed, and the dead time is shortened. Can be increased.
  • the inverter device 4 according to the fourth embodiment of the present invention will be described with reference to the configuration diagram of FIG. 4 and the control flow diagram of the inverter device at the time of failure diagnosis of FIG.
  • the inverter device 4 shown in FIG. 4 includes an overcurrent diagnosis unit 53 and an overtemperature diagnosis unit 69 of the microcontroller 10, and includes an overcurrent diagnosis unit 53 and an overtemperature diagnosis unit 53. It includes an abnormality determination unit 52 that determines the content of the abnormality diagnosis of the arm from the diagnosis results of the temperature diagnosis unit 69, the drain abnormality diagnosis unit 25, and the gate abnormality diagnosis unit 12.
  • the abnormality determination unit 52 of the microcontroller 10 stops and controls the inverter device according to the content of the abnormality of the arm according to the control flow diagram of the inverter device at the time of failure diagnosis shown in FIG.
  • the upper and lower active short-circuit control absorbs the regenerative energy from the motor by shorting the output voltage of each three-phase to the positive side terminal VP or the negative side terminal VN of the high-voltage battery, and gives the motor a strong torque in the stopping direction. It is possible to generate it and stop the motor at an early stage.
  • freewheel control the regenerative current from the motor is only regenerated by the freewheeling diode of the upper arm or lower arm, and the output voltage is not fixed, so the torque to stop the motor is weak and it takes time to stop the motor. It takes.
  • the control flow at the time of failure diagnosis in FIG. 8 is the control flow at the time of failure diagnosis of the inverter device whose stop control is predetermined.
  • the abnormality determination unit 52 if any abnormality diagnosis occurs from the results of the gate abnormality diagnosis unit 12, the drain abnormality diagnosis unit 25, the overcurrent diagnosis unit 53, and the overtemperature diagnosis unit 69, the failure occurrence determination (S70) is Yes. It becomes the flow of, and stop control is selected.
  • the stop control determination (S71) it is determined whether the preset stop control is the freewheel, and if Yes, the freewheel stop control is performed (S77). If No, the flow of stop control is upper arm active short or lower arm active short in the stop control judgment (S72), and if the upper and lower arms are broken in the failure arm judgment (S73, S75), the freewheel Stop control is performed (S77). Further, if the target arm to be actively short-circuited in the failure arm determination (S73, S75) is failed, the freewheel stop control is similarly performed (S77).
  • the abnormality determination unit 52 of this embodiment drains from the arm abnormality and drain voltage detection signal 42 detected by the gate abnormality diagnosis unit 12 from the gate voltage detection signal 41 described in the first and second embodiments.
  • the stop control of the other arm (the arm other than the arm among the 6 arms of the three-phase upper and lower arms) is changed according to the abnormality of the arm detected by the abnormality diagnosis unit 25.
  • the inverter device 4 is prevented from secondary failure by diagnosing not only the abnormality of each arm but also the abnormality such as the on-sticking of the gate voltage for each arm when an abnormality occurs. Safe stop control can be implemented.
  • the thermistor 61 for detecting the overtemperature of the upper arm power device 26B is provided, and the voltage dividing voltage of the resistor 62 and the thermistor 61 connected to the reference voltage VREF is measured by the overtemperature diagnostic unit. Diagnosed at 69.
  • This method of detecting overtemperature is shown as an example, and may be overtemperature detection using a heat-sensitive diode 64 (see FIG. 5).
  • the drain voltage detection unit that transmits the drain voltage detection signal 42 to the drain abnormality diagnosis unit 25 the resistors 47, 48 and the resistance 49 connected to the rectifier diode 31 are connected in series between the VCS potential and the VO, and the source voltage is connected. By detecting the change in the drain voltage with respect to the above with the detection voltage Vd by the comparator 45, the abnormality of the drain voltage is detected.
  • this drain voltage detection method is an example, and may be a detection method using another detection circuit.
  • the configuration of the rectifier diode 31 and the resistors 47, 48, 49 for detecting the drain voltage is diverted, and when the upper arm power device 26B is on.
  • the detection voltage Voc of the comparator 51 detects that an overcurrent is generated in the upper arm power device 26B because the drain voltage does not drop sufficiently.
  • the rectifying diode 31, the resistors 47, 48, 49, and the capacitance 46 are shared with the drain voltage detection unit is shown, but the configuration may be dedicated without sharing.
  • the gate voltage detection unit that transmits the gate voltage detection signal 41 to the gate abnormality diagnosis unit 12 is configured to detect with the detection voltage Vgref by the comparator 60, and this detection voltage Vgref is based on the threshold voltage of the upper arm power device 26B.
  • the comparator 60 outputs Low, which is a voltage lower than the detection voltage Vgref, and the comparator 60 can detect that the upper arm power device 26B is off.
  • the source potentials of the polyclonal 58 which are connected via the inverter element 57 and drive the gate voltage, are connected to the VCS and the VEE, the VCS is a voltage high enough to turn on the gate voltage, and the VEE is the gate voltage.
  • the VO potential of the source potential of the upper arm power device 26B or a negative potential lower than the VO potential is supplied to turn off the voltage.
  • the value of the gate resistance 18B for gate drive adjustment is adjusted for output slew rate control or output surge voltage control when the upper arm power device 26B is turned on.
  • the value of the gate resistance 18C for gate drive adjustment is adjusted for output slew rate control or output surge voltage control when the upper arm power device 26B is turned off.
  • the inverter device 5 according to the fifth embodiment of the present invention will be described with reference to the configuration diagram of FIG. 4 and the control flow diagram of the inverter device at the time of failure diagnosis of FIG.
  • the control flow at the time of failure diagnosis in FIG. 9 is a stop control flow in which the stop control at the time of failure is not determined in advance and the motor can be stopped in the shortest time according to the content of the failure.
  • the abnormality determination unit 52 determines whether the failure is gate-on sticking on either of the upper and lower arms by the gate-on sticking determination (S80). If a gate-on sticking failure occurs in either the upper or lower arm, it may turn on at the same time as the reverse arm is turned on, causing a secondary failure due to a large current, so both the upper and lower arms Off control is performed by freewheel control (S77). If the gate-on sticking failure has not occurred in the gate-on sticking determination (S80), the stop control is performed according to the failure arm in the failure arm determination (S81).
  • the stop control is performed by the freewheel stop control (S77). If the lower arm fails in the failure arm determination (S81), the stop control is performed by the upper arm active short stop control (S78). Similarly, in the case of a failure of the upper arm in the failure arm determination (S81), the stop control is performed by the lower arm active short stop control (S79).
  • the abnormality determination unit 52 of this embodiment detects an abnormality of the arm from the gate voltage detection signal 41 described in the first and second embodiments by the gate abnormality diagnosis unit 12.
  • the stop control of the other arm (among the 6 arms of the three-phase upper and lower arms, the arm other than the arm) is changed according to the abnormality of the arm detected by the drain abnormality diagnosis unit 25 from the drain voltage detection signal 42. It is a thing.
  • FIG. 5 The inverter device 6 according to the sixth embodiment of the present invention will be described with reference to the configuration diagram of FIG. 5 and the control flow diagram of the inverter device at the time of failure diagnosis of FIGS. 8 and 9.
  • the inverter device 6 shown in FIG. 5 is changed from the configuration of the fourth (or fifth) embodiment shown in FIG. 4 to the upper arm power device 20C and the lower arm power device 22C, and the circuit configuration of the IGBT is shown. There is.
  • the IGBT When the IGBT is used as a power device, as a method of detecting overcurrent, by connecting a shunt resistor 63 to the emitter terminal for overcurrent detection, the current flowing through the shunt resistor 63 and the voltage generated by the shunt resistor 63 are controlled by the resistor 50. By detecting with the detection voltage Voc of the comparator 51 via the detector, the overcurrent flowing through the upper arm power device 20C is detected.
  • the temperature detection unit 65 detects a decrease in the forward voltage of the heat sensitive diode 64 built in the upper arm power device 20C, and detects the overtemperature.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes various modifications.
  • the above-described embodiment has been described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and is not necessarily limited to the one including all the described configurations.
  • it is possible to replace a part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment.
  • control lines and information lines indicate those that are considered necessary for explanation, and do not necessarily indicate all control lines and information lines in the product. In practice, it can be considered that almost all configurations are interconnected.
  • Gate drive adjustment gate resistor 19 ... Gate voltage detector 20A, 20B, 20C ... Upper arm power device 21A, 21B, 21C ... Upper Arm recirculation diode 22A, 22B, 22C ... Lower arm power device 23A, 23B, 23C ... Lower arm recirculation diode 24 ... Insulation part 25 ... Drain abnormality diagnosis unit 26A, 26B ... Upper arm power device 27A, 27B ... Upper arm recirculation diode 28A , 28B ... Lower arm power device 29A, 29B ... Lower arm freewheeling diode 30 ... Drain voltage detector 31 ... Rectification diode 32 ... Lower arm gate voltage detection signal 40 ... Upper arm gate drive signal 41 ... Gate voltage detection signal 42 ...

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Abstract

インバータ装置の出力であるパワーデバイスおよびゲート駆動の異常を早期に検知し、インバータ装置を安全に停止制御することができるインバータ装置を提供する。　インバータ装置（１）は、パワーデバイス（２０Ａ）のゲート電圧（ＶＧ）を所定の閾値電圧で検出するゲート電圧検出部（１９）を備え、前記所定の閾値電圧は、パワーデバイス（２０Ａ）のスレッショルド電圧より低い電圧であり、マイクロコントローラ（１０）でゲート駆動信号（４０）とゲート電圧検出信号（４１）とを比較することで、ゲート電圧の駆動経路と検出経路で信号ループを形成し、パワーデバイス（２０Ａ）のゲート電圧（ＶＧ）の異常の有無を診断する。

Description

インバータ装置
　本発明は、パワーデバイス駆動の異常診断に有効なインバータ装置に関する。
　インバータ装置（以下、単にインバータと称する場合がある）は、直流電力を交流電力に変換する装置であり、車載用インバータ装置は、リチウムイオンバッテリなどの直流電力から変換した交流電力でモータを駆動、制御することで、車両に必要な駆動力を制御している。モータを駆動する交流電力は非常に大きいため、故障発生時には早期に故障を検出してモータを安全に静止させることで重大な故障リスクを低減させる機能安全の対応が求められている。発生した故障が検出できなかったり、検出が遅れて車両の安全制御が遅れたりすると、２次的な故障の発生などにより、より重大な車両の故障リスクを招く場合があり、故障を早期に検出して車両を安全に停止させることが重要である。
　一般的に車載用インバータ装置では、モータへの３相の出力交流電流と、入力の直流電圧を計測し、３相の上アームと下アームのパワーデバイスをスイッチング制御することで、モータの回転数に応じて必要とされるトルクを制御してモータを駆動している。このモータ制御において計測している出力交流電流は、モータのインダクタンス負荷の大きさに応じて電流応答が決まるため、急激な電流変化は起こらない。また、入力直流電圧も、インバータ内に大きなコンデンサを搭載しているため、急峻な電圧変化は起こりにくい。そのため、これら出力交流電流や入力直流電圧の計測では、故障発生時すぐに故障を検知することが難しいため、過電流や過温度による２次的な故障が発生したりする可能性があるといった課題がある。これらの課題を解決するため、インバータの出力である３相の上アームと下アームの各パワーデバイスについて、様々な異常を検知する方法が開示されている。
　例えば、特許文献１では、「大容量の電力用半導体モジュールを備えたインバータに関連し、特に、ゲート配線（ゲート線もしくはエミッタ線）の少なくともいずれか１つに、断線、接触不良、もしくは接続忘れ等の異常が発生したことを、インバータの始動前に検出するためのインバータ装置およびインバータ装置の異常検出方法に関する」技術が開示されている。
特開２０１３－２４７７３４号公報
　特許文献１に示す技術は、「インバータの始動前の診断期間において、アーム毎に、ドライブ信号がオフしている状態でのアーム内の各パワー半導体素子のゲート端子とエミッタ端子間の電圧値、あるいは、それぞれの駆動用ゲート端子に異常診断用としてパルス駆動のドライブ信号をゲートドライバから印加した際のゲートドライバ出力電圧の立上り時間を診断用データとして検出し、検出した診断用データと所定値とを比較することにより、ゲート配線の異常をインバータの始動前に検出する」技術である。すなわち、特許文献１に示す技術は、インバータ装置の始動前にパワーデバイスの断線を診断する技術である。しかしながら、インバータ装置の故障モードは断線以外にも短絡など様々であり、これら様々な故障を検知し、インバータ装置を安全に停止させる必要がある。
　本発明の目的は、インバータ装置の出力であるパワーデバイスおよびゲート駆動の異常を早期に検知し、インバータ装置を安全に停止制御することができるインバータ装置を提供することにある。
　上記課題を解決するため、本発明に係るインバータ装置は、パワーデバイスと、該パワーデバイスを駆動するゲート駆動部と、該ゲート駆動部を制御するマイクロコントローラとを備え、パワーデバイスのゲート電圧を所定の閾値電圧で検出するゲート電圧検出部を備え、前記所定の閾値電圧は、前記パワーデバイスのスレショルド電圧より低い電圧であり、前記マイクロコントローラから出力されるゲート駆動信号と前記ゲート電圧検出部出力のゲート電圧検出信号とを前記マイクロコントローラで比較することで、ゲート電圧の駆動経路と検出経路で信号ループを形成し、前記パワーデバイスのゲート電圧の異常の有無を診断することを特徴とする。また、本発明に係るインバータ装置は、パワーデバイスと、該パワーデバイスを駆動するゲート駆動部と、該ゲート駆動部を制御するマイクロコントローラとを備え、パワーデバイスのドレイン電圧をソース電圧を基準にした所定の閾値電圧で検出するドレイン電圧検出部を備え、前記マイクロコントローラから出力されるゲート駆動信号と前記ドレイン電圧検出部のドレイン電圧検出信号とを前記マイクロコントローラで比較することで、ゲート電圧の駆動経路と検出経路で信号ループを形成し、前記パワーデバイスに順方向の電流が流れている時に、前記パワーデバイスの異常の有無を診断することを特徴とする。
　本発明によれば、パワーデバイスおよびゲート駆動の異常を早期に検知し、インバータ装置を安全に停止できる。
　上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
第１の実施例におけるインバータ装置の概略構成図である。 第２の実施例におけるインバータ装置の概略構成図である。 第３の実施例におけるインバータ装置の概略構成図である。 第４、第５の実施例におけるインバータ装置の概略構成図である。 第６の実施例におけるインバータ装置の概略構成図である。 第３から第６の実施例におけるデッドタイム制御のタイムチャートである。 第３から第６の実施例におけるデッドタイム制御の詳細タイムチャートである。 第１から第６の実施例における故障診断時の制御フロー図である。 第１から第６の実施例における故障診断時の制御フロー図である。
　以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。
　また、図１から図５の各構成図、図６、図７のタイムチャート、および図８、図９のフロー図は、本発明に係る実施形態の一例であり、請求項を限定するものではない。また、パワーデバイスの各端子の名称として、ゲート端子、ドレイン端子、ソース端子と統一したが、ＩＧＢＴの場合は、ドレイン端子をコレクタ端子、ソース端子をエミッタ端子と読み替えることができる。パワーデバイスは、ＩＧＢＴやＳｉＣで記述しているが、ゲート電圧によりオンとオフのスイッチングを制御するすべてのパワーデバイスを対象とすることが可能であり、ＩＧＢＴ、ＳｉＣ、Ｓｉ－ＭＯＳＦＥＴ、ＧａＮとしてもよい。また、アイソレータ素子は、トランスで記述しているが、すべてのアイソレータ素子を対象とすることが可能であり、フォトカプラやコンデンサを用いたアイソレータ素子であってもよい。
［第１の実施例］
　図１を参照して、本発明の第１の実施例に係るインバータ装置１について説明する。図１に示すインバータ装置１は、高電圧バッテリ１６（リチウムイオンバッテリなど）と、高電圧バッテリ１６のプラス側端子ＶＰと出力端子（出力電圧）ＶＯに接続される上アームパワーデバイス２０Ａおよび上アーム還流ダイオード２１Ａと、出力電圧ＶＯと高電圧バッテリ１６のマイナス側端子ＶＮに接続される下アームパワーデバイス２２Ａおよび下アーム還流ダイオード２３Ａとを備え、これら上下アームを交互にオン、オフして出力電圧をスイッチングしてモータを駆動する。なお、本実施例の上アームパワーデバイス２０Ａと下アームパワーデバイス２２Ａは、ＩＧＢＴで記述している。一般的に車載用インバータ装置はＵ相、Ｖ相、Ｗ相で構成される３相モータを駆動するが、ここでは１相分の上下アームで本実施例を説明する。他の２相については、マイクロコントローラ１０によりそれぞれの交流出力となるよう制御されるが、本実施例に関する構成は同様のため省略する。また、上アームパワーデバイス２０Ａと下アームパワーデバイス２２Ａは、マイクロコントローラ１０からそれぞれＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ　Ｗｉｄｔｈ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御されるが、本実施例に関する構成は上下アームで同様のため上アームパワーデバイス２０Ａに関して説明し、下アームパワーデバイス２２Ａについては省略する。
　図１に示すインバータ装置１は、マイクロコントローラ（マイコン）１０を備え、マイクロコントローラ１０のゲート駆動信号生成部１１で、モータを駆動するための３相、上下の６アームのパワーデバイスのゲート駆動信号４０を生成する。生成された上アームのゲート駆動信号４０は、アイソレータ送信部１３Ａ、アイソレータ素子１５Ａ、アイソレータ受信部１４Ａによりマイクロコントローラ１０が備わる低電圧領域とパワーデバイス（２０Ａ、２２Ａ）が備わる高電圧領域間の絶縁部２４を通信（絶縁間通信）し、ゲート駆動部１７に信号伝達され、ゲート駆動部１７にて上アームパワーデバイス２０Ａをオン、オフするためのゲート電圧ＶＧが駆動される。ここでゲート抵抗１８Ａは、パワーデバイスがオン、オフする際の、出力電圧ＶＯのスルーレートを調整したり、パワーデバイスがオフする際のサージ電圧を調整したりするためのゲート抵抗である。
　ここで、本実施例では、ゲート電圧ＶＧを、パワーデバイスのスレショルド電圧より低い所定の閾値電圧で判定（検出）するゲート電圧検出部１９を備え、ゲート電圧検出部１９の検出結果（出力信号）をアイソレータ送信部１３Ｂ、アイソレータ素子１５Ｂ、アイソレータ受信部１４Ｂからなるアイソレータ通信部を介してマイクロコントローラ１０にゲート電圧検出信号４１として伝達する。マイクロコントローラ１０では、ゲート異常診断部１２にて（ゲート駆動信号生成部１１から出力された）ゲート駆動信号４０と（ゲート電圧検出部１９から出力された）ゲート電圧検出信号４１とを比較することで、ゲート電圧検出信号４１がゲート駆動信号４０に対して所望の遅延時間の場合は正常判定し、ゲート駆動信号４０の出力を継続する。一方、ゲート電圧検出信号４１の立上りや立下りがそれぞれゲート駆動信号４０の立上りや立下りに対して、所望の遅延時間を超えて異常な遅延時間が発生した場合は、ゲート異常診断部１２でゲート電圧の異常を診断する。また、ゲート電圧検出信号４１がハイレベルやローレベルに一定時間固定している場合も、同様にゲート電圧の異常と診断する。ゲート異常診断部１２にてゲート電圧の異常が診断されると、ゲート異常診断部１２からゲート駆動信号生成部１１に診断結果が伝達され、上アームのゲート駆動信号４０を停止させ、下アームのゲート駆動信号４３を停止させる制御が可能となる。
　このように、本実施例では、ゲート電圧ＶＧを、パワーデバイスのスレショルド電圧より低い所定の閾値電圧で判定（検出）するゲート電圧検出部１９を備え、マイクロコントローラ１０のゲート異常診断部１２にて（ゲート駆動信号生成部１１から出力された）ゲート駆動信号４０と（ゲート電圧検出部１９から出力された）ゲート電圧検出信号４１とを比較し、正常動作を診断することにより、ゲート電圧ＶＧの駆動経路（マイクロコントローラ１０からゲート駆動部１７を介してパワーデバイスのゲート電圧ＶＧに繋がる経路）とゲート電圧ＶＧの検出経路（パワーデバイスのゲート電圧ＶＧからゲート電圧検出部１９を介してマイクロコントローラ１０に繋がる経路）で信号ループを形成してマイクロコントローラ１０のゲート異常診断部１２でゲート電圧ＶＧの異常の有無を診断することにより、ゲート電圧ＶＧの正常動作を確実に診断することが可能となる。例えば、マイクロコントローラ１０からゲート電圧ＶＧまでの信号経路における断線や短絡などの故障が発生した場合であっても、ゲート電圧ＶＧからマイクロコントローラ１０までの検出経路における断線や短絡などの故障が発生した場合であっても、マイクロコントローラ１０のゲート異常診断部１２にてＰＷＭ１周期の期間内で異常を確実に診断できる。
　また、この早期の異常診断により、上アームのゲート駆動信号４０および下アームのゲート駆動信号４３を早期に停止させることが可能であり、異常発生時にインバータ装置１を早期に安全停止制御させることが可能となる。
［第２の実施例］
　図２を参照して、本発明の第２の実施例に係るインバータ装置２について説明する。図２に示すインバータ装置２は、図１に示した第１の実施例の構成に加えて、ドレイン電圧検出部３０とドレイン異常診断部２５を備える。上アームパワーデバイス２０Ｂのドレイン端子に整流ダイオード３１のカソードが接続され、整流ダイオード３１のアノードがドレイン電圧検出部３０に接続されることで、上アームパワーデバイス２０Ｂがオンした時に、上アームパワーデバイス２０Ｂのドレイン電圧がソース電圧（出力電圧ＶＯ）に対して低下したことをドレイン電圧検出部３０で検出する。ここでドレイン電圧検出部３０は、上アームパワーデバイス２０Ｂのドレイン電圧をソース電圧（出力電圧ＶＯ）で検出しているが、ソース電圧（出力電圧ＶＯ）を基準にした所定の閾値電圧で検出できる。ドレイン電圧検出部３０で検出した信号は、アイソレータ送信部１３Ｃ、アイソレータ素子１５Ｃ、アイソレータ受信部１４Ｃを介して、ドレイン電圧検出信号４２としてマイクロコントローラ１０へ伝達される。マイクロコントローラ１０のドレイン異常診断部２５は、（ゲート駆動信号生成部１１から出力された）ゲート駆動信号４０と（ドレイン電圧検出部３０から出力された）ドレイン電圧検出信号４２を比較することで、上アームパワーデバイス２０Ｂのドレイン電圧の正常動作を診断する。なお、ドレイン異常診断部２５にてドレイン電圧の異常が診断された場合の制御は第１の実施例と同様である。
　ここでインバータ装置２は、交流電流をモータに出力するため、出力端子ＶＯから出力される交流電流は順方向と逆方向に電流の向きが変化する。出力端子ＶＯからモータへ流れる電流方向を順方向、逆にモータ側から出力端子ＶＯに流れる電流方向を逆方向とすると、順方向に電流が流れる場合は、上アームパワーデバイス２０Ｂがオンしている時に上アームパワーデバイス２０Ｂに電流が流れ、上アームパワーデバイス２０Ｂがオフしている時は、下アーム還流ダイオード２３Ｂに電流が流れる。逆に、逆方向に電流が流れる場合は、下アームパワーデバイス２２Ｂがオンしている時は、下アームパワーデバイス２２Ｂに電流が流れ、下アームパワーデバイス２２Ｂがオフしている時は、上アーム還流ダイオード２１Ｂか上アームパワーデバイス２０Ｂに電流が流れる。すなわち、逆方向に電流が流れている場合は、上アームパワーデバイス２０Ｂがオンしていても上アーム還流ダイオード２１Ｂに電流が流れるため、上アームパワーデバイス２０Ｂのドレイン電圧はソース電圧に対して低下する。
　よって、マイクロコントローラ１０のドレイン異常診断部２５によるドレイン電圧の診断は、パワーデバイスに順方向の電流が流れている場合に診断することができる。一般的に車載用インバータ装置で駆動される３相モータは、各相毎の交流電流をセンスしてマイクロコントローラの演算に用いており、電流が順方向であるか逆方向であるかを判定することができる。これにより、順方向に電流が流れている時は、上アームパワーデバイス２０Ｂのオンオフ動作が正常かどうかを診断でき、逆方向に電流が流れている時は、逆アームを構成する下アームパワーデバイス２２Ｂのオンオフ動作が正常かどうかを診断できる。
　このように、本実施例では、出力である上アームパワーデバイス２０Ｂに順方向の電流が流れる条件下において、上アームパワーデバイス２０Ｂのドレイン電圧をソース電圧を基準にした所定の閾値電圧で判定（検出）するドレイン電圧検出部３０を備え、マイクロコントローラ１０のドレイン異常診断部２５にて（ゲート駆動信号生成部１１から出力された）ゲート駆動信号４０と（ドレイン電圧検出部３０から出力された）ドレイン電圧検出信号４２とを比較し、正常動作を診断することにより、ゲート電圧ＶＧの駆動経路（マイクロコントローラ１０からゲート駆動部１７を介して上アームパワーデバイス２０Ｂに繋がる経路）とドレイン電圧の検出経路（上アームパワーデバイス２０Ｂからドレイン電圧検出部３０を介してマイクロコントローラ１０に繋がる経路）で信号ループを形成してマイクロコントローラ１０のドレイン異常診断部２５で上アームパワーデバイス２０Ｂの異常の有無を診断することにより、上アームパワーデバイス２０Ｂの正常動作（オンオフ動作）を確実に診断することが可能となる。例えば、マイクロコントローラ１０からゲート電圧ＶＧまでの信号経路における断線や短絡などの故障が発生した場合であっても、上アームパワーデバイス２０Ｂの断線や短絡などの故障が発生した場合であっても、上アームパワーデバイス２０Ｂのドレイン電圧からマイクロコントローラ１０までの検出経路における断線や短絡などの故障が発生した場合であっても、マイクロコントローラ１０のドレイン異常診断部２５にてＰＷＭ１周期の期間内で異常を確実に診断できる。出力に逆方向の電流が流れる条件下においては、同様に下アームパワーデバイス２２Ｂの正常動作を確実に診断することが可能となる。
　また、この早期の異常診断により、上アームのゲート駆動信号４０および下アームのゲート駆動信号４３を早期に停止させることが可能であり、異常発生時にインバータ装置２を早期に安全停止制御させることが可能となる。
　なお、第２の実施例インバータ装置２は、図２に示すように、パワーデバイスのゲート電圧ＶＧを所定の閾値電圧で検出するゲート電圧検出部１９と、ドレイン電圧を所定の閾値電圧で検出するドレイン電圧検出部３０とを備えており、マイクロコントローラ１０でゲート駆動信号４０とゲート電圧検出信号４１とを比較診断し、ゲート駆動信号４０とドレイン電圧検出信号４２とを比較診断することで、ゲート電圧ＶＧの正常な駆動と正常な検出、およびパワーデバイスの正常な駆動と正常な検出を早期に診断することが可能である。つまり、パワーデバイスを駆動するゲート電圧、ドレイン電圧を常時監視することで、異常（の有無）を早期に検知し、インバータ装置を安全に停止制御することが可能となる。
［第３の実施例］
　図３の構成図と、図６および図７のタイムチャートを参照して、本発明の第３の実施例に係るインバータ装置３について説明する。図３に示すインバータ装置３は、図２に示した第２の実施例の構成に加えて、マイクロコントローラ１０にデッドタイム制御部４４を備え、このデッドタイム制御部４４に下アームのゲート電圧検出信号３２と上アームのゲート電圧検出信号４１を接続する。また、パワーデバイスとして、ＳｉＣで記述する上アームパワーデバイス２６Ａおよび下アームパワーデバイス２８Ａを備える。
　ここで、図６の左図で示すように、インバータ装置では出力電圧ＶＯの平均電圧を制御するために、目標とする出力電圧ＶＯの制御電圧６６と一定周期の搬送波６７とを比較することで基本ゲート駆動信号６８をＰＷＭ生成している。また、上アームと下アームが同時にオンしないように上アームと下アームが両方オフするデッドタイムＴｄ１、Ｔｄ２を制御する必要がある。一般的に、このデッドタイムＴｄ１、Ｔｄ２は固定時間で設定されるため、図６の左図で示すように、基本ゲート駆動信号６８からＴｄ１、Ｔｄ２の固定のデッドタイム分の時間を差し引いて、上アームのゲート駆動信号と下アームの駆動信号を生成し、それぞれのアームを駆動する。この固定のデッドタイムは、出力電流の最大値や最小値、パワーデバイスの閾値ばらつき、ゲート駆動部の能力ばらつき、ゲート駆動調整抵抗のばらつきなど、様々なばらつき要素の最悪ケースを考慮して、上アームと下アームが同時にオンしない時間に設定する必要がある。
　一方で、このデッドタイム期間中は上アームと下アームのパワーデバイスが両方オフしており、出力電流は、上アームか下アームの還流ダイオード（２７Ａ、２９Ａ）を介して流れ、このデッドタイム期間中は還流ダイオード（２７Ａ、２９Ａ）の熱損失が大きくなる。
　本実施例では、図６の右図に示すように、基本ゲート駆動信号６８がＨｉレベルの時に、デッドタイム制御部４４で下アームのゲート電圧検出信号３２が立下ったら上アームのゲート駆動信号４０を立上げ、同様に基本ゲート駆動信号６８がＬｏｗレベルの時に、デッドタイム制御部４４で上アームのゲート電圧検出信号４１が立下ったら下アームのゲート駆動信号４３を立上げる。また、上アームと下アームのゲート駆動信号４０とゲート駆動信号４３の立下りは、それぞれ基本ゲート駆動信号６８の立下りと立上りに同期させる。これにより、上アームと下アームが共にオフするデッドタイムＴｄ１Ａ、Ｔｄ１Ｂ、Ｔｄ１Ｃ、Ｔｄ２Ａ、Ｔｄ２Ｂ、Ｔｄ２Ｃを（固定ではなく）アクティブに可変制御する。
　このように、本実施例では、逆アームのゲート電圧検出信号の立下りにより、当該アームのゲート駆動信号を立上げる制御、換言すれば、対抗パワーデバイスのゲート電圧検出信号から当該パワーデバイスのゲート駆動信号を生成する制御、さらに言い換えれば、当該アーム（パワーデバイス）のゲート電圧検出信号から逆アーム（対抗パワーデバイス）のゲート駆動信号を生成する制御により、下アームのゲート電圧が十分に低下して下アームがオフしていることを検知し、上アームをオンさせることで、上アームと下アームの同時オンを防止しつつ、出力電流条件やパワーデバイスの閾値ばらつき、ゲート駆動部の能力ばらつき、ゲート駆動調整抵抗などの様々なばらつき条件下において、アクティブにデッドタイムが可変となり、デッドタイムを短縮することが可能となる。このデッドタイムの短縮により、デッドタイム期間中に還流ダイオードで発生する熱損失を低減することができる。
　さらに、逆アームのゲート電圧がハイレベルに固着故障した場合も、逆アームのゲート電圧検出信号が立ち下らないことで、当該アームのゲート駆動信号がＨｉにならず、逆アームの故障による上下アームの同時オンも回避することができる。
　このデッドタイムの短縮により、還流ダイオードの熱損失の低減の効果を発揮するのは、ＳｉＣなどの順方向と逆方向のどちらでも電流を流すことが可能なパワーデバイスである。パワーデバイスがＳｉＣの場合に、還流ダイオードにＳｉＣのボディダイオードを使用すると、ボディダイオードの順方向電圧が大きく、ダイオードの損失も大きいため、効果が大きい。
　ここで、図７により詳細なタイムチャートを示すが、これは上アームに順方向の電流が流れている時のタイムチャートである。図７の右図のように、上アームのゲート電圧をゲート電圧検出部１９の比較電圧Ｖｇｒｅｆで検出することで、上アームパワーデバイス２６Ａのオフを検出し、下アームのゲート駆動信号４３を立上げ、同様に下アームのゲート電圧を比較電圧Ｖｇｒｅｆで検出することで、下アームパワーデバイス２８Ａのオフを検出し、上アームのゲート駆動信号４０を立上げることで、デッドタイム期間の還流ダイオードに電流が流れる期間が短縮できている。
　この制御によるデッドタイムの短縮は、ゲート電圧検出部１９からマイクロコントローラ１０までの信号伝達の時間を短くすることでより短縮することができる。一般的にディスクリート半導体を１つの半導体に集積することで、デバイスサイズの低減による寄生容量などの低減で信号伝達を高速化することが可能であり、本実施例では、ゲート電圧検出部１９、およびアイソレータ送信部１３Ｂ、アイソレータ素子１５Ｂ、アイソレータ受信部１４Ｂからなるアイソレータ通信部をゲート駆動ＩＣに集積（内蔵）することで、ゲート電圧の状態を高速でマイクロコントローラ１０に伝達し、デッドタイムの短縮効果を大きくすることが可能である。
［第４の実施例］
　図４の構成図と、図８の故障診断時のインバータ装置の制御フロー図を参照して、本発明の第４の実施例に係るインバータ装置４について説明する。図４に示すインバータ装置４は、図３に示した第３の実施例の構成に加えて、マイクロコントローラ１０の過電流診断部５３、過温度診断部６９を備え、過電流診断部５３、過温度診断部６９、ドレイン異常診断部２５、およびゲート異常診断部１２の診断結果から当該アームの異常診断の内容を判定する異常判定部５２を備える。マイクロコントローラ１０の異常判定部５２では、図８に示す故障診断時のインバータ装置の制御フロー図に従い、当該アームの異常内容に応じてインバータ装置を停止制御する。
　ここで、一般的に車載用インバータ装置では、故障診断時の出力（パワーデバイス）の停止制御として、３相のすべての上下アームの６アームを全てオフ制御して、３相の還流電流を還流ダイオードで高電圧バッテリに回生するフリーホイール制御と、３相の上アームの３アームを全てオンさせ、逆に３相の下アームの３アームを全てオフさせることで、上アームで回生する上アームアクティブショート制御と、さらに反対に３相の下アームの３アームを全てオンさせ、逆に３相の上アームの３アームを全てオフさせることで、下アームで回生する下アームアクティブショート制御とがある。上下のアクティブショート制御は、各３相の出力電圧を高電圧バッテリのプラス側端子ＶＰかマイナス側端子ＶＮにショートすることで、モータからの回生エネルギーを吸収し、モータに停止方向の強いトルクを発生させ、早期にモータを停止させることが可能である。一方でフリーホイール制御では、モータからの回生電流を上アームもしくは下アームの還流ダイオードで回生するのみであり、出力電圧が固定されないため、モータを停止させるトルクは弱く、モータを停止させるのに時間がかかる。故障発生時は、３相アクティブショートにより、モータを早期に停止させることが、車両としてはより安全であるが、故障内容の判定を誤り、アクティブショートを実施した場合、予期せぬ２次的な故障などが発生する場合がある。そのため、故障の内容を正しく判定し、フリーホイール制御か、上下のアクティブショート制御による停止かを選択する必要がある。
　図８の故障診断時の制御フローは、停止制御が事前に決められているインバータ装置の、故障診断時の制御フローである。異常判定部５２では、ゲート異常診断部１２、ドレイン異常診断部２５、過電流診断部５３、過温度診断部６９の結果から、何らかの異常診断が発生した場合は、故障発生判断（Ｓ７０）でＹｅｓのフローとなり、停止制御を選択する。
　停止制御判断（Ｓ７１）で、事前に設定されている停止制御がフリーホイールかを判断し、Ｙｅｓであれば、フリーホイール停止制御する（Ｓ７７）。Ｎｏであれば、停止制御判断（Ｓ７２）で停止制御が上アームアクティブショートか下アームアクティブショートかのフローとなり、故障アーム判断（Ｓ７３、Ｓ７５）で上下アームが故障している場合は、フリーホイール停止制御となる（Ｓ７７）。また、故障アーム判断（Ｓ７３、Ｓ７５）でアクティブショートする対象アームが故障していれば、同様にフリーホイール停止制御となる（Ｓ７７）。故障アーム判断（Ｓ７３、Ｓ７５）で対象アームが故障していない場合でも、アクティブショートする対象アームの逆アームがゲートオン固着している場合は、ゲートオン固着判断（Ｓ７４、Ｓ７６）でＹｅｓ判定され、フリーホイール停止制御となる（Ｓ７７）。ゲートオン固着の故障が発生している場合は、逆アームをオンさせると同時にオンが発生して大電流による２次的な故障が発生する可能性があるため、上下アーム共にフリーホイール制御でオフ制御する。故障アーム判断（Ｓ７３、Ｓ７５）でアクティブショートする対象アームが故障しておらず、且つゲートオン固着判断（Ｓ７４、Ｓ７６）でアクティブショートする対象アームの逆アームがゲートオン固着していない場合に、それぞれ上アームアクティブショート（Ｓ７８）、下アームアクティブショート（Ｓ７９）が選択され、停止制御が実施される。
　すなわち、本実施例の異常判定部５２は、第１、第２の実施例で説明したゲート電圧検出信号４１からゲート異常診断部１２にて検知した当該アームの異常、ドレイン電圧検出信号４２からドレイン異常診断部２５にて検知した当該アームの異常などに応じて他アーム（３相の上下アームの６アームのうち、当該アーム以外のアーム）の停止制御を変更するものである。
　このように、本実施例では、異常発生時に各アームの異常判定だけでなく、ゲート電圧のオン固着などの異常をアーム毎に診断することで、２次的な故障を防ぎつつ、インバータ装置４の安全な停止制御を実施できる。
　ここで図４に示すインバータ装置４では、上アームパワーデバイス２６Ｂの過温度を検知するためのサーミスタ６１を備え、基準電圧ＶＲＥＦに接続された抵抗６２とサーミスタ６１の分圧電圧を過温度診断部６９で診断している。この過温度の検出方法は一例を示したものであって、感熱ダイオード６４（図５参照）を使用した過温度検出であってもよい。
　また、ドレイン異常診断部２５にドレイン電圧検出信号４２を伝送するドレイン電圧検出部について、整流ダイオード３１に接続される抵抗４７、４８と抵抗４９をＶＣＣ電位とＶＯ間に直列に接続し、ソース電圧に対するドレイン電圧の変化をコンパレータ４５で検知電圧Ｖｄで検知することで、ドレイン電圧の異常を検知する。ただし、このドレイン電圧の検知方法は一例であって、他の検知回路による検知方法であってもよい。さらに、過電流診断部５３での過電流診断のために、ドレイン電圧の検知のための整流ダイオード３１と抵抗４７、４８、４９の構成を流用し、上アームパワーデバイス２６Ｂがオンしている時にドレイン電圧が十分に低下しないことで上アームパワーデバイス２６Ｂに過電流が発生していることを抵抗５０を介してコンパレータ５１の検知電圧Ｖｏｃで検知する。
ここで、整流ダイオード３１や抵抗４７、４８、４９、容量４６をドレイン電圧検出部と共有している例を示しているが、共有しないで専用の構成としてもよい。
　また、ゲート異常診断部１２にゲート電圧検出信号４１を伝送するゲート電圧検出部は、コンパレータ６０で検知電圧Ｖｇｒｅｆで検知する構成としており、この検知電圧Ｖｇｒｅｆは、上アームパワーデバイス２６Ｂの閾値電圧よりも低い電圧であり、コンパレータ６０は、ゲート電圧ＶＧが検知電圧Ｖｇｒｅｆよりも低い電圧であるＬｏｗを出力し、上アームパワーデバイス２６Ｂがオフしていることを検知できる。
　さらに、インバータ素子５７を介して接続され、ゲート電圧を駆動するＰＭＯＳ５８、ＮＭＯＳ５９のソース電位はＶＣＣとＶＥＥに接続されており、ＶＣＣはゲート電圧をオンさせるのに十分高い電圧で、ＶＥＥはゲート電圧をオフさせるために上アームパワーデバイス２６Ｂのソース電位のＶＯ電位か、またはＶＯ電位より低い負電位が供給される。
ゲート駆動調整用ゲート抵抗１８Ｂは、上アームパワーデバイス２６Ｂのオン時の出力スルーレート制御、または出力サージ電圧制御のために値が調整される。ゲート駆動調整用ゲート抵抗１８Ｃは、同様に上アームパワーデバイス２６Ｂをオフする時の出力スルーレート制御、または出力サージ電圧制御のために値が調整される。
　これら、ゲート駆動部、ゲート電圧検出部、過電流検出部、ドレイン電圧検出部、過温度検出部の詳細回路例を示したが、一例であり、請求項を制限するものではない。
［第５の実施例］
　図４の構成図と、図９の故障診断時のインバータ装置の制御フロー図を参照して、本発明の第５の実施例に係るインバータ装置５について説明する。図９の故障診断時の制御フローは、故障発生時の停止制御が事前に決定しておらず、故障の内容に応じで最短でモータを停止できる停止制御フローである。
　まず、異常判定部５２では、故障発生判断（Ｓ７０）で故障が診断されると、故障が上下アームのどちらでもゲートオン固着していないかをゲートオン固着判断（Ｓ８０）で判定する。上下アームのどちらかでゲートオン固着の故障が発生している場合は、逆アームをオンさせると同時にオンが発生して大電流による２次的な故障が発生する可能性があるため、上下アーム共にフリーホイール制御でオフ制御する（Ｓ７７）。ゲートオン固着判断（Ｓ８０）でゲートオン固着の故障が発生していない場合は、故障アーム判断（Ｓ８１）で故障アームに応じて停止制御を行う。故障アーム判断（Ｓ８１）で上下両アームで故障が発生している場合は、フリーホイール停止制御（Ｓ７７）で停止制御する。故障アーム判断（Ｓ８１）で下アームの故障の場合は、上アームアクティブショート停止制御（Ｓ７８）で停止制御する。同様に故障アーム判断（Ｓ８１）で上アームの故障の場合は、下アームアクティブショート停止制御（Ｓ７９）で停止制御する。
　すなわち、本実施例の異常判定部５２は、第４の実施例と同様、第１、第２の実施例で説明したゲート電圧検出信号４１からゲート異常診断部１２にて検知した当該アームの異常、ドレイン電圧検出信号４２からドレイン異常診断部２５にて検知した当該アームの異常などに応じて他アーム（３相の上下アームの６アームのうち、当該アーム以外のアーム）の停止制御を変更するものである。
　このように、本実施例では、ゲート電圧のオン固着などの異常をアーム毎に診断することで、２次的な故障を防ぎつつ、インバータ装置５の安全な停止制御を実施できる。
　ここで、図８、図９の制御フローでは、アクティブショートとして３相アクティブショートのみを例として記載したが、異常診断の内容を判断し、３相のうち、２相のみや１相のみをショートさせることも可能である。
［第６の実施例］
　図５の構成図と、図８、図９の故障診断時のインバータ装置の制御フロー図を参照して、本発明の第６の実施例に係るインバータ装置６について説明する。図５に示すインバータ装置６は、図４に示した第４（または第５）の実施例の構成から、上アームパワーデバイス２０Ｃおよび下アームパワーデバイス２２Ｃに変更し、ＩＧＢＴの回路構成を示している。ＩＧＢＴをパワーデバイスとする場合は、過電流検出の方法として、過電流検知用エミッタ端子にシャント抵抗６３を接続することで、シャント抵抗６３に流れる電流とシャント抵抗６３で発生する電圧を抵抗５０を介してコンパレータ５１の検知電圧Ｖｏｃで検知することで、上アームパワーデバイス２０Ｃに流れる過電流を検知する。
　また、上アームパワーデバイス２０Ｃの過温度を検知する方法として、上アームパワーデバイス２０Ｃに内蔵される感熱ダイオード６４の順方向電圧の低下を温度検出部６５で検出し、過温度を検出する。
　このように、過電流検出と過温度検出の方法は、パワーデバイスの種類に応じて様々であるが、本実施例で示した、図８、図９の診断フローは同様に適用することが可能である。
　なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。
例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
　また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
　１…インバータ装置（第１の実施例）
　２…インバータ装置（第２の実施例）
　３…インバータ装置（第３の実施例）
　４…インバータ装置（第４の実施例）
　５…インバータ装置（第５の実施例）
　６…インバータ装置（第６の実施例）
　１０…マイクロコントローラ（マイコン）
　１１…ゲート駆動信号生成部
　１２…ゲート異常診断部
　１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ、１３Ｅ…アイソレータ送信部
　１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ、１４Ｅ…アイソレータ受信部
　１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ、１５Ｄ、１５Ｅ…アイソレータ素子
　１６…高電圧バッテリ
　１７…ゲート駆動部
　１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄ、１８Ｅ…ゲート駆動調整用ゲート抵抗
　１９…ゲート電圧検出部
　２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ…上アームパワーデバイス
　２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ…上アーム還流ダイオード
　２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ…下アームパワーデバイス
　２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ…下アーム還流ダイオード
　２４…絶縁部
　２５…ドレイン異常診断部
　２６Ａ、２６Ｂ…上アームパワーデバイス
　２７Ａ、２７Ｂ…上アーム還流ダイオード
　２８Ａ、２８Ｂ…下アームパワーデバイス
　２９Ａ、２９Ｂ…下アーム還流ダイオード
　３０…ドレイン電圧検出部
　３１…整流ダイオード
　３２…下アームゲート電圧検出信号
　４０…上アームゲート駆動信号
　４１…ゲート電圧検出信号
　４２…ドレイン電圧検出信号
　４３…下アームゲート駆動信号
　４４…デッドタイム制御部
　４５…コンパレータ
　４６…容量
　４７、４８、４９、５０…抵抗
　５１…コンパレータ
　５２…異常判定部
　５３…過電流診断部
　５７…インバータ素子
　５８…ＰＭＯＳ
　５９…ＮＭＯＳ
　６０…コンパレータ
　６１…サーミスタ
　６２…抵抗
　６３…シャント抵抗
　６４…感熱ダイオード
　６５…温度検出部
　６６…制御電圧
　６７…搬送波
　６８…基本ゲート駆動信号
　６９…過温度診断部
　Ｓ７０…故障発生判断
　Ｓ７１、Ｓ７２…停止制御判断
　Ｓ７３、Ｓ７５、Ｓ８１…故障アーム判断
　Ｓ７４、Ｓ７６、Ｓ８０…ゲートオン固着判断
　Ｓ７７…フリーホイール停止制御
　Ｓ７８…上アームアクティブショート停止制御
　Ｓ７９…下アームアクティブショート停止制御

Claims (7)

  1. 　パワーデバイスと、該パワーデバイスを駆動するゲート駆動部と、該ゲート駆動部を制御するマイクロコントローラとを備えるインバータ装置であって、
    　パワーデバイスのゲート電圧を所定の閾値電圧で検出するゲート電圧検出部を備え、前記所定の閾値電圧は、前記パワーデバイスのスレショルド電圧より低い電圧であり、前記マイクロコントローラから出力されるゲート駆動信号と前記ゲート電圧検出部出力のゲート電圧検出信号とを前記マイクロコントローラで比較することで、ゲート電圧の駆動経路と検出経路で信号ループを形成し、前記パワーデバイスのゲート電圧の異常の有無を診断することを特徴とするインバータ装置。
  2. 　パワーデバイスと、該パワーデバイスを駆動するゲート駆動部と、該ゲート駆動部を制御するマイクロコントローラとを備えるインバータ装置であって、
    　パワーデバイスのドレイン電圧をソース電圧を基準にした所定の閾値電圧で検出するドレイン電圧検出部を備え、前記マイクロコントローラから出力されるゲート駆動信号と前記ドレイン電圧検出部のドレイン電圧検出信号とを前記マイクロコントローラで比較することで、ゲート電圧の駆動経路と検出経路で信号ループを形成し、前記パワーデバイスに順方向の電流が流れている時に、前記パワーデバイスの異常の有無を診断することを特徴とするインバータ装置。
  3. 　請求項１に記載のインバータ装置であって、
    　前記ゲート電圧検出信号から逆アームのゲート駆動信号を生成することで、上下アームが同時にオンすることを防止し、上下アームが共にオフするデッドタイムを可変制御することで、デッドタイムを短縮してデッドタイム期間中の前記パワーデバイスの損失を低減することを特徴とするインバータ装置。
  4. 　請求項３に記載のインバータ装置であって、
    　前記パワーデバイスはＳｉＣであることを特徴とするインバータ装置。
  5. 　請求項１に記載のインバータ装置であって、
    　前記ゲート電圧検出信号から当該パワーデバイスで構成されるアームの異常を検知し、検知した異常に応じて他アームの停止制御を変えることを特徴とするインバータ装置。
  6. 　請求項１に記載のインバータ装置であって、
    　前記ゲート電圧検出部と前記ゲート電圧検出部の出力信号を前記マイクロコントローラに伝達するアイソレータ通信部とをゲート駆動ＩＣに内蔵することで、ゲート電圧の状態を高速で前記マイクロコントローラに伝達することを特徴とするインバータ装置。
  7. 　請求項２に記載のインバータ装置であって、
    　前記ドレイン電圧検出信号から当該パワーデバイスで構成されるアームの異常を検知し、検知した異常に応じて他アームの停止制御を変えることを特徴とするインバータ装置。
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