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JP6420399B1 - パワー素子の故障検出機能を備えたコンバータ装置及びパワー素子の故障検出方法 - Google Patents

パワー素子の故障検出機能を備えたコンバータ装置及びパワー素子の故障検出方法 Download PDF

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Abstract

【課題】故障検出のためにパワー素子に点弧信号を入力しても、電源短絡により装置を破損させることのないコンバータ装置を提供する。【解決手段】コンバータ装置１００は、交流を直流に変換するコンバータ１と、コンバータの出力側に接続されたＤＣリンクコンデンサ２と、ＤＣリンクコンデンサ電圧を検出する電圧検出部３と、ＤＣリンクコンデンサを充電する充電回路４と、充電抵抗と並列に接続されたスイッチを制御する充電回路制御部５と、コンバータに流れる電流を検出する電流検出部６と、パワー素子の点弧を制御する点弧制御部７と、電源を接続／分離する開閉部８と、電源の接続状態を監視する電源監視部９と、第１閾値又は第２閾値を設定する閾値設定部１０と、電源分離直後のＤＣリンクコンデンサの電荷を利用してパワー素子の点弧時に流れる電流と第１閾値又は第２閾値とを比較して、パワー素子の故障を判定する故障検出部１１と、を具備する。【選択図】図１

Description

本発明はパワー素子の故障検出機能を備えたコンバータ装置及びパワー素子の故障検出方法に関する。
モータ駆動装置によりモータを駆動する方法として、主電源から入力される交流電圧を、パワートランジスタ（パワー素子）を備えたコンバータにより直流電圧に変換し、これをインバータにより交流電圧に変換してからモータを駆動する方法が一般的に知られている。ここで、パワートランジスタに異常が発生している状態で、主電源から交流電力を与えると、モータ駆動装置に損傷を与える恐れがある。そこで、コンバータに主電源からの交流電力を与える前に、パワートランジスタの故障の有無を検出することが重要である。
これまでに、インバータ装置のパワートランジスタ故障検出方法が報告されている（例えば、特許文献１）。従来のパワートランジスタ故障検出方法は、モータ巻線に流れる電流の大きさを検出する電流検出器を少なくともトランジスタペア数よりも１つ少ない数備えたインバータ装置のパワートランジスタ故障検出方法において、運転に先立って、パワートランジスタから構成されるインバータに低電圧を印加した状態でパワートランジスタを所定の順序、組み合わせで点弧及び消弧し、モータ巻線の各相に流れる電流を電流検出器で検出し、この電流の大きさ及び点弧順序、組み合わせに基づいて、パワートランジスタの故障の検出及びどのパワートランジスタが故障したかの検出を行うというものである。
特開平８−０８００５６号公報
しかしながら、コンバータ装置の場合、電源が接続された状態でパワー素子に点弧信号を入力すると、場合によっては電源短絡を引き起こしコンバータ装置を破損させる可能性があった。
本開示の実施例に係るコンバータ装置は、複数のパワー素子を備え、電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換して出力するコンバータと、コンバータの出力側に接続されたＤＣリンクコンデンサと、ＤＣリンクコンデンサの電圧を検出する電圧検出部と、コンバータとＤＣリンクコンデンサとの間に配置されＤＣリンクコンデンサを充電する充電回路と、充電回路において充電抵抗と並列に接続されたスイッチを制御する充電回路制御部と、コンバータとＤＣリンクコンデンサとの間に流れる電流を検出する電流検出部と、コンバータの複数のパワー素子の点弧を制御する点弧制御部と、電源とコンバータとを接続または分離する開閉部と、開閉部の開閉を制御すると共に、コンバータに入力される電圧を検出して、電源とコンバータとの接続の状態を監視する電源監視部と、複数のパワー素子の故障の有無を判定するための第１閾値または第２閾値を設定する閾値設定部と、開閉部により電源がコンバータから分離され、スイッチがオフされた直後のＤＣリンクコンデンサの電荷を利用して、コンバータのパワー素子を点弧した時に流れる電流と第１閾値または第２閾値とを比較してパワー素子の故障の有無を判定する故障検出部と、を具備する。
本開示の実施例に係るパワー素子の故障検出方法は、複数のパワー素子を備え、電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換して出力するコンバータと、コンバータの出力側に接続されたＤＣリンクコンデンサと、コンバータとＤＣリンクコンデンサとの間に流れる電流を検出する電流検出部と、電源とコンバータとを接続または分離する開閉部と、を備えるコンバータ装置の故障検出方法であって、開閉部を閉じてコンバータに電源を接続し、ＤＣリンクコンデンサを充電し、その後、開閉部を開状態になるように制御して電源をコンバータから分離し、電源がコンバータから分離された直後にコンバータとＤＣリンクコンデンサとの間に流れる電流を検出し、検出された電流と第１閾値または第２閾値とを比較してパワー素子の故障の有無を判定する。
本開示の実施例に係るパワー素子の故障検出機能を備えたコンバータ装置及びパワー素子の故障検出方法によれば、コンバータ装置のパワー素子の異常の有無を検出することができる。
実施例に係るコンバータ装置の構成図である。 実施例に係るコンバータ装置において、故障検出を行う際に流れる電流の経路の例を示す図である。 実施例に係るコンバータ装置の故障検出方法によるオープン故障検出手順を説明するためのフローチャートである。 実施例の変形例に係るコンバータ装置の故障検出方法による短絡故障検出手順を説明するためのフローチャートである。
以下、図面を参照して、本発明に係るパワー素子の故障検出機能を備えたコンバータ装置及びパワー素子の故障検出方法について説明する。ただし、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態には限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。
まず、本開示の実施例に係るパワー素子の故障検出機能を備えたコンバータ装置について説明する。図１に実施例に係るコンバータ駆動装置の構成図を示す。実施例に係るコンバータ装置１００は、コンバータ１と、ＤＣリンクコンデンサ２と、電圧検出部３と、充電回路４と、充電回路制御部５と、電流検出部６と、点弧制御部７と、開閉部８と、電源監視部９と、閾値設定部１０と、故障検出部１１と、を具備する。
コンバータ１は、複数（例えば、６個）のパワー素子（Ｔｒ1〜Ｔｒ6）を備えている。コンバータ１は、複数のパワー素子（Ｔｒ1〜Ｔｒ6）を選択的にスイッチング（点弧）することにより、電源２０から供給される交流電圧を直流電圧に変換して出力したり電源回生動作を行ったりする。なお、図１に示すようにパワー素子（Ｔｒ1〜Ｔｒ6）と逆並列に複数（例えば、６個）のダイオード（Ｄ1〜Ｄ6）を備えることが好ましい。パワー素子（Ｔｒ1〜Ｔｒ6）には、トランジスタ、ＦＥＴ、ＩＧＢＴ等を用いることができる。
ＤＣリンクコンデンサ２は、コンバータ１の出力側に接続されている。ＤＣリンクコンデンサ２は、コンバータ１から出力される直流電圧を平滑化する。平滑化された直流電圧はモータ駆動装置（図示せず）に供給される。
電圧検出部３は、ＤＣリンクコンデンサ２の電圧を検出する。具体的には、ＤＣリンクコンデンサ２の端子間に設けられた電圧センサ３１がＤＣリンクコンデンサ２の端子間電圧を検出し、検出結果を電圧検出部３に送信する。電圧検出部３が取得したＤＣリンクコンデンサ２の電圧は故障検出部１１に出力される。
充電回路４は、コンバータ１とＤＣリンクコンデンサ２との間に配置されＤＣリンクコンデンサ２を充電する。ＤＣリンクコンデンサ２を充電する際に充電回路のスイッチ４２をオフすることにより、充電抵抗４１を介して充電が行われるため、ＤＣリンクコンデンサ２に大きな突入電流が流入することを回避することができる。
充電回路制御部５は、充電回路４において充電抵抗４１と並列に接続されたスイッチ４２を制御する。上述したように、ＤＣリンクコンデンサ２を充電する際に、充電回路制御部５は、スイッチ４２をオフし、ＤＣリンクコンデンサ２の充電が完了した場合、スイッチ４２をオンする。また、後述するパワー素子の故障検出時にはスイッチ４２をオフしてパワー素子に過大な電流が流れないようにする。
電流検出部６は、コンバータ１とＤＣリンクコンデンサ２との間に流れる電流を検出する。具体的には、コンバータ１とＤＣリンクコンデンサ２との間に電流センサ６１を設け、電流センサ６１が検出した電流の値を電流検出部６に送信する。電流検出部６が取得した電流の値は故障検出部１１に出力される。
点弧制御部７は、コンバータ１の複数のパワー素子（Ｔｒ1〜Ｔｒ6）の点弧を制御する。点弧制御部７からの信号に従って、コンバータ１は、複数のパワー素子（Ｔｒ1〜Ｔｒ6）を選択的に点弧することにより、電源２０から供給される交流電圧を直流電圧に変換して出力したり、電源回生動作を行ったりする。
開閉部８は、電源２０とコンバータ１とを接続または分離する。ここで、開閉部８は、三相交流電源である電源２０の各相に対応した、３つのスイッチを備えている。なお、図１には、電源２０として三相交流電源を用いた例を示したが、電源は三相交流電源には限られず、単相交流電源でもよい。
電源監視部９は、開閉部８の開閉を制御すると共に、コンバータ１に入力される電圧を検出して、電源２０とコンバータ１との接続の状態を監視する。電源監視部９による開閉部８の開閉制御の内容は故障検出部１１に通知される。開閉部８には、電磁接触器等を用いることができる。
開閉部８が閉じた状態（閉状態）とすることにより、電源２０がコンバータ１に接続され、コンバータ１に交流電圧が供給される。このとき、コンバータ１は交流電圧を直流電圧に変換し、ＤＣリンクコンデンサ２に直流電圧が印加され、充電が行われる。
一方、開閉部８が開いた状態（開状態）とすることにより、コンバータ１が電源２０から分離され、ＤＣリンクコンデンサ２に蓄積された電荷が放電する。
閾値設定部１０は、パワー素子（Ｔｒ1〜Ｔｒ6）の故障の有無を判定するための第１閾値ＩTH1と第２閾値ＩTH2を設定する。第１閾値ＩTH1は、パワー素子（Ｔｒ1〜Ｔｒ6）のオープン故障を検出する為の閾値であり、第２閾値ＩTH2は、パワー素子（Ｔｒ1〜Ｔｒ6）の短絡故障を検出する為の閾値とする。閾値設定部１０は、外部から入力された信号に基づいて、第１閾値ＩTH1と第２閾値ＩTH2を書き換え可能とすることができる。閾値の書き換えにより、使用条件に即した故障検出が可能になるという利点が生じる。
故障検出部１１は、開閉部８により電源２０がコンバータ１から分離され、スイッチ４２がオフされた直後のＤＣリンクコンデンサ２の電荷を利用して、コンバータ１のパワー素子を点弧した時に流れる電流と第１閾値ＩTH1及び第２閾値ＩTH2を比較してパワー素子の故障の有無を判定する。
図２に、実施例に係るコンバータ装置において、故障検出を行う際に流れる電流の例を示す。図２に示すように、電源２０がコンバータ１から分離された直後のＤＣリンクコンデンサ２に蓄えられた電荷を利用してパワー素子の点弧を行い、流れる電流によってパワー素子の故障を検出する。コンバータ１の６つのパワー素子（Ｔｒ1〜Ｔｒ6）のうち、Ｔｒ1、Ｔｒ3、Ｔｒ5が上アーム１０１のパワー素子であり、Ｔｒ2、Ｔｒ4、Ｔｒ6が下アーム１０２のパワー素子である。さらに、三相交流の場合、Ｔｒ1及びＴｒ2をＵ相用パワー素子、Ｔｒ3及びＴｒ4をＶ相用パワー素子、Ｔｒ5及びＴｒ6をＷ相用パワー素子としてもよい。図２に示すように、例えば、同じ相であるＵ相の上アームのパワー素子Ｔｒ1と下アームのパワー素子Ｔｒ2を同時にオンし、流れる電流によってパワー素子のオープン故障の有無を判定する。例えば、図２に示した矢印Ａのように電流が流れた場合には、コンバータ装置１００は正常と判定することができる。一方、電流センサ６１で検出された電流が第１閾値ＩTH1以下の場合は、オープン故障が生じていると判定することができる。
ここで、点弧制御部７がパワー素子を点弧する時は、パワー素子に過大な電流が流れないように充電回路制御部５によって充電回路４を制御することが好ましい。即ち、電源２０がコンバータ１から分離された直後のＤＣリンクコンデンサ２と上下アーム（１０１、１０２）のパワー素子（Ｔｒ1〜Ｔｒ6）を点弧してパワー素子の故障検出を行うが、この時、充電回路４のスイッチ４２をオフしてパワー素子に流れる電流を制限することが好ましい。これは、電流を制限する要素がない場合は、単純にＤＣリンクコンデンサ２の両端を短絡することになり、パワー素子（Ｔｒ1〜Ｔｒ6）の破損を招くからである。
さらに、故障検出部１１は、コンバータ１の上アーム１０１及び下アーム１０２のいずれか一方のパワー素子（例えば、Ｔｒ1）をオンした時に流れる電流に応じて、上アーム及び下アームの他方のパワー素子（例えば、Ｔｒ2）の短絡故障の有無を検出することができる。図２に示した例では、Ｔｒ1をオンし、Ｔｒ2をオフした場合、Ｔｒ2が正常であれば、Ｔｒ2には電流が流れないため、電流センサ６１では電流は検出されない。一方、Ｔｒ2がオフしているにも関わらず、電流センサ６１で所定以上の電流Ｉ（＞ＩTH2）が検出された場合には、Ｔｒ2は短絡故障していると判定することができる。
以上のように、本実施例に係るコンバータ装置によれば、電源をコンバータから分離した直後にＤＣリンクコンデンサに蓄積された電荷を用いて、パワー素子をオンすることに伴って流れる電流によって、パワー素子のオープン故障及び短絡故障の有無を判定することができる。
故障検出部１１は、パワー素子のオープン故障または短絡故障を検出した場合は、ランプやアラーム信号等によって異常が発生したことを通知するようにしてもよい。作業者は、パワー素子に異常が発生したことを認識することにより、コンバータ装置への電源の再投入を防止することができる。
次に、実施例に係るコンバータ装置を用いたパワー素子のオープン故障の検出方法について説明する。図３は、実施例に係るコンバータ装置のパワー素子のオープン故障の検出方法による故障検出手順を説明するためのフローチャートである。まず、ステップＳ１０１において、電源監視部９が開閉部８を閉じてコンバータ１に電源２０を接続する。その結果、電源２０からコンバータ１へ供給された交流電圧は直流電圧に変換されてＤＣリンクコンデンサ２に出力される。
次に、ステップＳ１０２において、ＤＣリンクコンデンサ２を充電する。ＤＣリンクコンデンサ２は、端子間電圧がコンバータ１から出力される直流電圧に等しくなるまで充電される。その後、モータ駆動装置が動作可能な状態となる。
次に、ステップＳ１０３において、電源監視部９が開閉部８を開状態になるように制御し、スイッチ４２をオフして、パワー素子に点弧信号を出力する。具体的には、同じ相に接続されている上アームと下アームのパワー素子のみをオンするように点弧信号を出力する。ステップＳ１０３を実行するタイミングは、ステップＳ１０１において開閉部８を閉状態にしてからＤＣリンクコンデンサ２の充電が十分に行われたと想定される時間が経過した後に行うのが好ましい。具体的にはモータ駆動装置などが動作した後に非常停止などの指令が入力された場合などが想定される。
次に、ステップＳ１０４において、コンバータ１とＤＣリンクコンデンサ２との間に流れる電流ＩDCを検出する。電源監視部９は開閉部８を開状態にすると同時に、開閉部８を開状態になるように制御したことを故障検出部１１に通知している。故障検出部１１は、この通知を受信した直後に電流検出部６からコンバータとＤＣリンクコンデンサ２との間に流れる電流ＩDCの検出結果を受信する。
次に、ステップＳ１０５において、故障検出部１１が、コンバータ１とＤＣリンクコンデンサ２との間に流れる電流ＩDCが第１閾値ＩTH1より大きいか否かを判定する。ＩDCが第１閾値ＩTH1より大きい場合は、パワー素子にはオープン故障は生じていないものと判定される。従って、この場合は、ステップＳ１０６において、故障検出部１１がコンバータ装置１００のパワー素子は正常と判定する。
一方、ＩDCが第１閾値ＩTH1以下の場合は、パワー素子にはオープン故障が生じていると判定される。従って、この場合は、ステップＳ１０７において、故障検出部１１がコンバータ装置１００のパワー素子にはオープン故障が生じていると判定する。
次に、実施例に係るコンバータ装置を用いて、パワー素子の短絡故障を検出する方法について説明する。図４に実施例の変形例に係るコンバータ装置の故障検出方法による短絡故障検出手順を説明するためのフローチャートを示す。ステップＳ２０１〜Ｓ２０２は、上述したオープン故障の検出手順におけるステップＳ１０１〜Ｓ１０２と同様である。ステップＳ２０３において、電源２０がコンバータ１から分離されスイッチ４２がオフされた直後にコンバータ１の上下アームのいずれか一方のパワー素子をオンする。例えば、図２において、Ｕ相の上アームのパワー素子Ｔｒ1をオンし、他のパワー素子Ｔｒ2〜Ｔｒ6はオフしたままとする。
ステップＳ２０４において、コンバータ１とＤＣリンクコンデンサ２との間に流れるＩDCを検出する。検出した電流値ＩDCは故障検出部１１に送信される。
次に、ステップＳ２０５において、電流ＩDCが第２閾値ＩTH2より小さいか否かを判定する。電流ＩDCが第２閾値ＩTH2以上の場合は、ステップＳ２０６において、コンバータ装置１００のパワー素子は短絡故障していると判定する。
一方、電流ＩDCが第２閾値ＩTH2より小さい場合は、ステップＳ２０７において、コンバータ装置１００のパワー素子は正常と判定する。
以上説明したように、本実施例の変形例に係る故障検出方法によれば、故障検出部１１は、コンバータの上アーム及び下アームのいずれか一方のパワー素子をオンした時に流れる電流に応じて、上アーム及び下アームの他方のパワー素子の短絡故障の有無を検出することができる。
１ コンバータ
２ ＤＣリンクコンデンサ
３ 電圧検出部
４ 充電回路
５ 充電回路制御部
６ 電流検出部
７ 点弧制御部
８ 開閉部
９ 電源監視部
１０ 閾値設定部
１１ 故障検出部
２０ 電源

Claims (10)

  1. 複数のパワー素子を備え、電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換して出力するコンバータと、
    前記コンバータの出力側に接続されたＤＣリンクコンデンサと、
    前記ＤＣリンクコンデンサの電圧を検出する電圧検出部と、
    前記コンバータと前記ＤＣリンクコンデンサとの間に配置され前記ＤＣリンクコンデンサを充電する充電回路と、
    前記充電回路において充電抵抗と並列に接続されたスイッチを制御する充電回路制御部と、
    前記コンバータと前記ＤＣリンクコンデンサとの間に流れる電流を検出する電流検出部と、
    前記コンバータの前記複数のパワー素子の点弧を制御する点弧制御部と、
    電源と前記コンバータとを接続または分離する開閉部と、
    前記開閉部の開閉を制御すると共に、前記コンバータに入力される電圧を検出して、電源と前記コンバータとの接続の状態を監視する電源監視部と、
    前記複数のパワー素子の故障の有無を判定するための第１閾値または第２閾値を設定する閾値設定部と、
    前記開閉部により電源が前記コンバータから分離され、前記スイッチがオフされた直後の前記ＤＣリンクコンデンサの電荷を利用して、前記コンバータのパワー素子を点弧した時に流れる電流と前記第１閾値または第２閾値とを比較して前記パワー素子の故障の有無を判定する故障検出部と、
    を具備するコンバータ装置。
  2. 前記点弧制御部がパワー素子を点弧する時は、前記パワー素子に過大な電流が流れないように前記充電回路制御部によって前記充電回路を制御する、請求項１に記載のコンバータ装置。
  3. 前記故障検出部は、前記コンバータの同じ相に接続されている上アームと下アームのパワー素子を同時にオンした時に流れる電流と前記第１閾値とを比較して、上アームと下アームのパワー素子のオープン故障の有無を検出する、請求項１または２に記載のコンバータ装置。
  4. 前記故障検出部は、前記コンバータの上アーム及び下アームのいずれか一方のパワー素子をオンした時に流れる電流と前記第２閾値とを比較して、上アーム及び下アームの他方のパワー素子の短絡故障の有無を検出する、請求項１または２に記載のコンバータ装置。
  5. 前記閾値設定部は、外部から入力された信号に基づいて、前記第１閾値または第２閾値を書き換え可能である、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のコンバータ装置。
  6. 複数のパワー素子を備え、電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換して出力するコンバータと、
    前記コンバータの出力側に接続されたＤＣリンクコンデンサと、
    前記コンバータと前記ＤＣリンクコンデンサとの間に流れる電流を検出する電流検出部と、
    電源と前記コンバータとを接続または分離する開閉部と、を備えるコンバータ装置のパワー素子の故障検出方法であって、
    前記開閉部を閉じて前記コンバータに電源を接続し、
    前記ＤＣリンクコンデンサを充電し、
    その後、前記開閉部を開状態になるように制御して電源を前記コンバータから分離し、
    電源が前記コンバータから分離された直後に前記コンバータと前記ＤＣリンクコンデンサとの間に流れる電流を検出し、
    検出された前記電流と第１閾値または第２閾値とを比較して前記パワー素子の故障の有無を判定する、
    パワー素子の故障検出方法。
  7. 前記パワー素子を点弧する時は、前記パワー素子に過大な電流が流れないように前記コンバータと前記ＤＣリンクコンデンサとの間に配置され前記ＤＣリンクコンデンサを充電する充電回路を制御する、請求項６に記載のパワー素子の故障検出方法。
  8. 前記コンバータの同じ相に接続されている上アームと下アームのパワー素子を同時にオンした時に流れる電流と前記第１閾値とを比較して、上アームと下アームのパワー素子のオープン故障の有無を検出する、請求項６または７に記載のパワー素子の故障検出方法。
  9. 前記コンバータの上アーム及び下アームのいずれか一方のパワー素子をオンした時に流れる電流と前記第２閾値とを比較して、上アーム及び下アームの他方のパワー素子の短絡故障の有無を検出する、請求項６または７に記載のパワー素子の故障検出方法。
  10. さらに、閾値設定部が、外部から入力された信号に基づいて前記第１閾値または第２閾値を書き換え可能である、請求項６乃至９のいずれか一項に記載のパワー素子の故障検出方法。
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