(57)【要約】【課題】スイッチング素子の短絡故障や開放故障を少ない判定回数で検出し、開放固着しているアームを特定可能な電力変換装置を提供する。【解決手段】直流電源Ｅ１により充電されるコンデンサＣ１と、このコンデンサＣ１の両端に接続され、かつ複数の半導体スイッチング素子Ｑｕ〜Ｑｚをブリッジ接続してなる主回路ＩＮＶと、スイッチング素子Ｑｕ〜ＱｚをＯＮ，ＯＦＦするための駆動信号を生成する制御回路とを有する電力変換装置において、制御回路は、コンデンサＣ１を充電してその両端電圧が直流電圧規定値Ａ以上になった時に、充電を停止して主回路ＩＮＶの全相の上アームまたは下アームのスイッチング素子を同時にＯＮし、直流中間電圧の変化量ΔＶｄｃが変化量規定値Ｃを超えた場合に当該アームのスイッチング素子の何れかが短絡固着していると判断する故障診断部１５を備える。【選択図】図１
2020072503.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源から開閉手段を介して充電されるコンデンサと、このコンデンサの両端に接続され、かつ複数のスイッチング素子をブリッジ接続してなる主回路と、前記スイッチング素子をＯＮ，ＯＦＦするための駆動信号を生成する制御回路と、を備えた電力変換装置において、
前記制御回路は、
前記コンデンサを充電してその両端電圧が直流電圧規定値以上になった時に、前記コンデンサの充電を停止して前記主回路の全相の上アームまたは下アームのスイッチング素子を同時にＯＮし、前記両端電圧の変化量が変化量規定値を超えた場合に当該アームのスイッチング素子の何れかが短絡固着していると判断することを特徴とした電力変換装置。
【請求項２】
直流電源から開閉手段を介して充電されるコンデンサと、このコンデンサの両端に接続され、かつ複数のスイッチング素子をブリッジ接続してなる主回路と、前記スイッチング素子をＯＮ，ＯＦＦするための駆動信号を生成する制御回路と、を備えた電力変換装置において、
前記制御回路は、
前記主回路における互いに異なる相の上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子とを組み合わせてこれら２個のスイッチング素子を同時にＯＮするテストを行った時の前記コンデンサの両端電圧の変化量が変化量規定値を下回る時に、前記２個のスイッチング素子のうち少なくとも１個が開放固着していると判断して前記テストの不合格データを保存する処理を行い、
当該処理を前記主回路の全てのスイッチング素子について実行して得た前記不合格データに基づいて、何れかのスイッチング素子が開放固着していると判断することを特徴とした電力変換装置。
【請求項３】
直流電源から開閉手段を介して充電されるコンデンサと、このコンデンサの両端に接続され、かつ複数のスイッチング素子をブリッジ接続してなる主回路と、前記スイッチング素子をＯＮ，ＯＦＦするための駆動信号を生成する制御回路と、を備えた電力変換装置において、
前記制御回路は、
前記主回路における互いに異なる相の上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子とを組み合わせてこれら２個のスイッチング素子を同時にＯＮするテストを行なって一相の出力電流が零になった時に、前記２個のスイッチング素子のうち少なくとも１個が開放固着していると判断して前記テストの不合格データを保存する処理を行い、
当該処理を前記主回路の全てのスイッチング素子について実行して得た前記不合格データに基づいて、何れかのスイッチング素子が開放固着していると判断することを特徴とした電力変換装置。
【請求項４】
請求項２または３に記載した電力変換装置において、
前記制御回路は、
同時にＯＮした２個のスイッチング素子が何れも開放固着していないと判断した場合に、前記コンデンサを充電してその両端電圧が直流電圧規定値以上になったら前記コンデンサの充電を停止することを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項２に記載した電力変換装置において、
前記制御回路は、
何れかのスイッチング素子が開放固着していると判断した時に、
前記主回路の全てのスイッチング素子について、請求項２における２個のスイッチング素子の組み合わせとは異なる組み合わせによりそれぞれ選択した２個のスイッチング素子を対象として、前記テスト及び前記不合格データの保存を行うことにより２ｎ個（ｎは前記主回路の相数）の合否データを生成し、当該合否データを予め用意した故障マップと照合することにより開放固着しているスイッチング素子を特定することを特徴とした電力変換装置。
【請求項６】
請求項３に記載した電力変換装置において、
前記制御回路は、
何れかのスイッチング素子が開放固着していると判断した時に、
前記主回路の全てのスイッチング素子について、請求項３における２個のスイッチング素子の組み合わせとは異なる組み合わせによりそれぞれ選択した２個のスイッチング素子を対象として、前記テスト及び前記不合格データの保存を行うことにより２ｎ個（ｎは前記主回路の相数）の合否データを生成し、当該合否データを予め用意した故障マップと照合することにより開放固着しているスイッチング素子を特定することを特徴とした電力変換装置。
【請求項７】
請求項２または３に記載した電力変換装置において、
前記制御回路は、
前記不合格データが一つだけである時に、
前記不合格データを構成する上アームのスイッチング素子と他相の下アームのスイッチング素子とを組み合わせて前記テスト及び前記不合格データの保存を行い、かつ、前記不合格データを構成する下アームのスイッチング素子と他相の上アームのスイッチング素子とを組み合わせて前記テスト及び前記不合格データの保存を行うことにより、ｎ＋２個（ｎは前記主回路の相数）の合否データを生成し、当該合否データを予め用意した故障マップと照合することにより開放固着しているスイッチング素子を特定することを特徴とした電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体スイッチング素子の短絡故障、開放故障を検出する機能を備えたインバータ等の電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、インバータ等を構成する半導体スイッチング素子の短絡故障や開放故障を診断する技術が種々提案されている。
例えば、特許文献１には、インバータの直流電圧が所定値以下の状態で、インバータのスイッチング素子を選択的にＯＮした時の直流電圧または直流電流の変化に基づいてスイッチング素子の短絡故障や開放故障の有無を検出するようにした故障診断方法が記載されている。
【０００３】
また、特許文献２には、インバータを用いたモータ駆動システムにおけるスイッチング素子の故障診断方法が記載されている。
図１は、このモータ駆動システムの構成図であり、Ｅ１は直流電源、ＳＷ１は初期充電リレー、Ｒ１は限流用の抵抗、ＳＷ２はメインリレー、Ｃ１はフィルムコンデンサ等のコンデンサ、ＩＮＶは半導体スイッチング素子Ｑｕ，Ｑｖ，Ｑｗ，Ｑｘ，Ｑｙ，Ｑｚからなる三相のインバータ主回路、Ｍは主回路ＩＮＶの出力電圧が固定子巻線に印加される三相のモータである。
【０００４】
上記スイッチング素子Ｑｕ，Ｑｖ，Ｑｗ，Ｑｘ，Ｑｙ，Ｑｚを駆動する制御装置において、主回路ＩＮＶの出力電流は電流検出器１１及び交流電流検出回路１２により検出されて故障診断部１５に入力される。また、主回路ＩＮＶの直流入力電圧は電圧検出器１３及び直流中間電圧検出回路１４により検出されて故障診断部１５に入力される。故障診断部１５は、スイッチング素子Ｑｕ，Ｑｖ，Ｑｗ，Ｑｘ，Ｑｙ，Ｑｚの短絡故障、開放故障の有無を診断する機能と、各リレーＳＷ１，ＳＷ２を開閉制御する機能と、ゲート駆動回路１７に対する制御指令を生成する機能とを有し、ゲート駆動回路１７は制御指令に従ってスイッチング素子Ｑｕ，Ｑｖ，Ｑｗ，Ｑｘ，Ｑｙ，Ｑｚのゲート信号を出力する。
【０００５】
この従来技術における故障診断処理を、図１０のフローチャートに基づいて説明する。
図１の初期充電リレーＳＷ１をＯＮしてコンデンサＣ１の初期充電を開始し（ステップＳ１０）、これに合わせて故障診断部１５が計時を開始すると共に、直流中間電圧（コンデンサＣ１の電圧）及び主回路ＩＮＶの出力電流の監視を開始する。
故障診断部１５は、全てのスイッチング素子にＯＦＦ指令が与えられている状態で、計時開始から所定時間が経過するまでに直流中間電圧が所定電圧に到達しない場合には（Ｓ１１ Ｎｏ）、各相の上アームのスイッチング素子のうち少なくとも１個と同一相の下アームのスイッチング素子とに短絡故障が発生している（直流母線間が短絡している）と判断する（Ｓ１２）。その後、初期充電リレーＳＷ１をＯＦＦし（Ｓ１３）、短絡故障の表示や上位コントローラ等への通知を行い、通常運転への移行を禁止して処理を終了する（Ｓ１４）。
【０００６】
計時開始から所定時間内に直流中間電圧が所定電圧に到達した場合（Ｓ１１ Ｙｅｓ）、故障診断部１５は短絡故障なしと診断し、直流中間電圧が所定の診断用電圧に到達したか否かを判断する（Ｓ１５）。そして、直流中間電圧が上記診断用電圧以上になると初期充電リレーＳＷ１をＯＦＦし（Ｓ１５ Ｙｅｓ，Ｓ１６）、各スイッチング素子を短時間だけＯＮさせるようにゲート駆動回路１７から微小パルスを与え（Ｓ１７）、ＯＮさせるスイッチング素子を切り替えながらステップＳ１８以後の処理を行う。
【０００７】
故障診断部１５は、スイッチング素子がＯＮしている間の単位時間当たりの直流中間電圧低下率が、コンデンサＣ１の自然放電による電圧低下率よりも若干大きい所定値よりも大きいか否かを判断する（Ｓ１８）。上記低下率が所定値よりも小さい場合（Ｓ１８ Ｎｏ）、故障診断部１５は、ＯＮさせたスイッチング素子を含むアームと反対側の全アームのスイッチング素子は短絡故障していないと判断する。その後、故障診断部１５は、ステップＳ１７の処理に戻ってＯＮさせるスイッチング素子を順次切り替えながら全てのスイッチング素子につきステップＳ１８以降の処理を行う。
【０００８】
故障診断部１５は、直流中間電圧の低下率が所定値よりも大きい場合（Ｓ１８ Ｙｅｓ）、全相の出力電流がゼロであれば（Ｓ１９ Ｙｅｓ）、微小パルスを与えたスイッチング素子を含むアームと同一相の反対側アームのスイッチング素子が短絡故障していると判断する（Ｓ２０）。全相の出力電流がゼロでない場合には（Ｓ１９ Ｎｏ）、微小パルスを与えたスイッチング素子を含むアームとは異なる相の反対側アームの少なくとも１個のスイッチング素子が短絡故障していると判断する（Ｓ２１）。
【０００９】
故障診断部１５は、ステップＳ２１において、出力電流がゼロではない相から短絡故障しているスイッチング素子を特定する。例えば、Ｕ相上アームのスイッチング素子をＯＮした時にＷ相の出力電流がゼロであってＵ相，Ｖ相の出力電流がゼロでない場合は、Ｖ相下アームのスイッチング素子が短絡故障していると判断する。また、Ｖ相の出力電流がゼロであってＵ相，Ｗ相の出力電流がゼロでない場合にはＷ相下アームのスイッチング素子が短絡故障し、全相の出力電流がゼロでない場合にはＶ相下アーム及びＷ相下アームの両方のスイッチング素子が短絡故障していると判断する。
次に、故障診断部１５は、短絡故障の表示や上位コントローラ等への通知を行い、通常運転への移行を禁止して処理を終了する（Ｓ２２）。
【００１０】
また、ステップＳ１８において、直流中間電圧低下率が所定値よりも小さく（Ｓ１８ Ｎｏ）、全てのスイッチング素子が短絡故障していないと判断される場合は、開放故障診断であるステップＳ２３以下の処理を行う。故障診断部１５は、ゲート駆動回路１７により、何れかの相の上アームスイッチング素子と、この相とは異なる相の下アームスイッチング素子とをＯＮさせる微小パルスを印加する（Ｓ２３）。そして、故障診断部１５は、パルスを与えるスイッチング素子の組を順次切り替えながら、各組についてステップＳ２４〜Ｓ２６の処理を繰り返す。
【００１１】
故障診断部１５は、２個のスイッチング素子に微小パルスを与えている期間の直流中間電圧低下率が所定値（コンデンサＣ１の自然放電による電圧低下率）よりも大きい場合（Ｓ２４ Ｎｏ）には、上記２個のスイッチング素子の何れかが開放故障していると判断し（Ｓ２５）、開放故障表示及び通知を行って通常運転への移行を禁止する（Ｓ２６）。
これは、開放故障が発生しているスイッチング素子はＯＮパルスが与えられてもコレクタ−エミッタ間が短絡することはなく、微小パルスが与えられる２個のスイッチング素子の少なくとも一方が開放故障している場合にはモータＭの固定子巻線を経由する電流は流れず、コンデンサＣ１は自然放電を維持するので、直流中間電圧低下率が所定値より小さい場合にステップＳ２５，Ｓ２６を実行するということである。
【００１２】
また、故障診断部１５は、直流中間電圧の低下率が所定値よりも小さい場合に（Ｓ２４ Ｙｅｓ）、微小パルスを与えた２個のスイッチング素子の何れも開放故障していないと判断し、初期充電リレーＳＷ１を再度ＯＮする（Ｓ２７）。これにより、コンデンサＣ１の初期充電が再開されて直流中間電圧が上昇する。
故障診断部１５は直流中間電圧が所定電圧に到達したら、リレー駆動回路１６によりメインリレーＳＷ２をＯＮし（Ｓ２９）、コンデンサＣ１はメインリレーＳＷ２を介して完全にを充電する。コンデンサＣ１の充電が完了すると、故障診断部１５は、ゲート駆動回路１７に制御指令を送って通常の運転を許可する（Ｓ３０）。
【００１３】
以上のように、特許文献２のモータ駆動システムでは、コンデンサＣ１の初期充電を開始して所定時間が経過するまでの間に、全てのスイッチング素子の短絡故障の有無の診断（第１の短絡故障診断）を行い、コンデンサＣ１及び主回路ＩＮＶを直流電源Ｅ１から切り離した状態で、スイッチング素子の短絡故障及び開放故障の有無の診断（第２の短絡故障診断及び開放故障診断）を行っている。
このようにインバータの直流電圧が低い状態で診断を行うため、仮にスイッチング素子の短絡によって上下アームが短絡したとしても、正常なスイッチング素子が高電圧によって破壊される恐れはない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００４−３５７４３７号公報（段落［０００９］〜［００１９］、図１等）
【特許文献２】特開２０１７−１６３７１４号公報（段落［００２９］〜［００６４］、図２等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
特許文献１に記載された従来技術によれば、スイッチング素子の短絡故障や開放故障の有無を検出することが可能であるが、これらの故障が発生したスイッチング素子を特定することができない。
また、特許文献２に記載された従来技術では、前述したステップＳ２０，Ｓ２１により短絡故障しているスイッチング素子を特定できる一方、インバータの相数をｎ（ｎは３以上の整数）とすると、短絡故障を診断するための判定回数が２ｎ回必要であり、多相インバータでは診断時間が長期化するという問題がある。
更に、特許文献２におけるステップＳ２３以降の診断では、開放故障が発生したスイッチング素子を特定できないという問題もあった。
【００１６】
そこで、本発明の解決課題は、短絡固着や開放固着等の故障の有無を少ない判定回数により検出すると共に、開放固着が発生したスイッチング素子の特定も可能にした電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、直流電源から開閉手段を介して充電されるコンデンサと、このコンデンサの両端に接続され、かつ複数のスイッチング素子をブリッジ接続してなる主回路と、前記スイッチング素子をＯＮ，ＯＦＦするための駆動信号を生成する制御回路と、を備えた電力変換装置において、
前記制御回路は、
前記コンデンサを充電してその両端電圧が直流電圧規定値以上になった時に、前記コンデンサの充電を停止して前記主回路の全相の上アームまたは下アームのスイッチング素子を同時にＯＮし、前記両端電圧の変化量が変化量規定値を超えた場合に当該アームのスイッチング素子の何れかが短絡固着していると判断することを特徴とする。
【００１８】
請求項２に係る発明は、直流電源から開閉手段を介して充電されるコンデンサと、このコンデンサの両端に接続され、かつ複数のスイッチング素子をブリッジ接続してなる主回路と、前記スイッチング素子をＯＮ，ＯＦＦするための駆動信号を生成する制御回路と、を備えた電力変換装置において、
前記制御回路は、
前記主回路における互いに異なる相の上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子とを組み合わせてこれら２個のスイッチング素子を同時にＯＮするテストを行った時の前記コンデンサの両端電圧の変化量が変化量規定値を下回る時に、前記２個のスイッチング素子のうち少なくとも１個が開放固着していると判断して前記テストの不合格データを保存する処理を行い、
当該処理を前記主回路の全てのスイッチング素子について実行して得た前記不合格データに基づいて、何れかのスイッチング素子が開放固着していると判断することを特徴とする。
【００１９】
請求項３に係る発明は、直流電源から開閉手段を介して充電されるコンデンサと、このコンデンサの両端に接続され、かつ複数のスイッチング素子をブリッジ接続してなる主回路と、前記スイッチング素子をＯＮ，ＯＦＦするための駆動信号を生成する制御回路と、を備えた電力変換装置において、
前記制御回路は、
前記主回路における互いに異なる相の上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子とを組み合わせてこれら２個のスイッチング素子を同時にＯＮするテストを行なって一相の出力電流が零になった時に、前記２個のスイッチング素子のうち少なくとも１個が開放固着していると判断して前記テストの不合格データを保存する処理を行い、
当該処理を前記主回路の全てのスイッチング素子について実行して得た前記不合格データに基づいて、何れかのスイッチング素子が開放固着していると判断することを特徴とする。
【００２０】
請求項４に係る発明は、請求項２または３に記載した電力変換装置において、
前記制御回路は、同時にＯＮした２個のスイッチング素子が何れも開放固着していないと判断した場合に、前記コンデンサを充電してその両端電圧が直流電圧規定値以上になったら前記コンデンサの充電を停止することを特徴とする。
【００２１】
請求項５に係る発明は、請求項２に記載した電力変換装置において、
前記制御回路は、
何れかのスイッチング素子が開放固着していると判断した時に、前記主回路の全てのスイッチング素子について、請求項２における２個のスイッチング素子の組み合わせとは異なる組み合わせによりそれぞれ選択した２個のスイッチング素子を対象として、前記テスト及び前記不合格データの保存を行うことにより２ｎ個（ｎは前記主回路の相数）の合否データを生成し、当該合否データを予め用意した故障マップと照合することにより開放固着しているスイッチング素子を特定することを特徴とする。
【００２２】
請求項６に係る発明は、請求項３に記載した電力変換装置において、
前記制御回路は、
何れかのスイッチング素子が開放固着していると判断した時に、前記主回路の全てのスイッチング素子について、請求項３における２個のスイッチング素子の組み合わせとは異なる組み合わせによりそれぞれ選択した２個のスイッチング素子を対象として、前記テスト及び前記不合格データの保存を行うことにより２ｎ個（ｎは前記主回路の相数）の合否データを生成し、当該合否データを予め用意した故障マップと照合することにより開放固着しているスイッチング素子を特定することを特徴とする。
【００２３】
請求項７に係る発明は、請求項２または３に記載した電力変換装置において、
前記制御回路は、
前記不合格データが一つだけである時に、前記不合格データを構成する上アームのスイッチング素子と他相の下アームのスイッチング素子とを組み合わせて前記テスト及び前記不合格データの保存を行い、かつ、前記不合格データを構成する下アームのスイッチング素子と他相の上アームのスイッチング素子とを組み合わせて前記テスト及び前記不合格データの保存を行うことにより、ｎ＋２個（ｎは前記主回路の相数）の合否データを生成し、当該合否データを予め用意した故障マップと照合することにより開放固着しているスイッチング素子を特定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
請求項１に係る発明によれば、特許文献２に記載された従来技術と比べて、主回路の上アーム全体または下アーム全体を短時間、同時にＯＮすることにより、短絡固着の有無を検出することができる。
また、請求項２〜４に係る発明においては、ｎ相のインバータであればｎ回の判定により開放固着しているスイッチング素子の有無を検出することができる。
更に、請求項５〜７に係る発明によれば、少ない判定回数により開放固着しているスイッチング素子を特定することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態が適用されるモータ駆動システムの構成図である。
【図２】本発明の実施形態が適用されるモータ駆動システムの他の例を示す構成図である。
【図３】本発明の実施形態における診断１を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施形態における診断２を示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施形態における診断２，３のテスト対象となるスイッチング素子を示す図である。
【図６】本発明の実施形態における診断３を示すフローチャートである。
【図７】三相インバータの何れかのアームの開放固着発生時の故障マップを示す図である。
【図８】三相インバータの１アームの開放固着発生時の故障マップを示す図である。
【図９】三相インバータの主回路の１アーム（図９（ａ））及び１レグ（図９（ｂ））の説明図である。
【図１０】特許文献２に記載された故障診断方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。本実施形態に係るインバータを備えたモータ駆動システムの全体的な構成は、前述した図１と同様であるため説明を省略する。
なお、本発明は、図２に示すように、図１における電流検出器１１及び交流電流検出回路１２を除去し、直流中間電圧のみを検出してスイッチング素子を駆動するインバータ等にも適用可能である。これは、インバータの出力電流は瞬時に変化するため計測が難しいのに対し、直流中間電圧は変化が比較的緩やかであって計測が容易であるためである。
【００２７】
次に、本実施形態の特徴である故障診断部１５の診断内容について説明する。
この故障診断は、大別して、インバータの上アームまたは下アームのスイッチング素子の短絡固着（短絡故障が継続すること）の有無を検出する診断１と、上アームまたは下アームのスイッチング素子の開放固着（開放故障が継続すること）の有無を検出する診断２と、診断２によって開放固着ありと診断された場合に該当するスイッチング素子を特定するための診断３と、からなる。
故障診断の対象となるインバータのスイッチング素子は、図１に示すＩＧＢＴのほかＭＯＳＦＥＴやパワートランジスタであっても良く、その種類は何ら限定されない。
【００２８】
始めに、図３に基づいて診断１を説明する。この診断１は、モータＭが静止していてインバータ主回路ＩＮＶの全てのスイッチング素子がＯＦＦしている状態で開始する。
まず、故障診断部１５がリレー駆動回路１６に指令を送って初期充電リレーＳＷ１をＯＮし、抵抗Ｒ１を介してコンデンサＣ１を充電する（ステップＳ１０１）。
【００２９】
次に、初期充電リレーＳＷ１をＯＮしてから所定時間を経過するまでに、直流中間電圧検出回路１４により検出される直流中間電圧Ｖｄｃが規定値Ａ以上になった否かを判断する（Ｓ１０２）。ここで、直流中間電圧Ｖｄｃの上昇率は、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１の容量とに依存する。しかし、主回路ＩＮＶの同一相の上アーム及び下アームに短絡故障したスイッチング素子がある場合、例えば、Ｕ相の上下アームのスイッチング素子Ｑｕ，Ｑｘが短絡固着していると、正負の直流母線の短絡により直流中間電圧Ｖｄｃは上記所定時間内に規定値Ａ以上になることはない。また、Ｕ相の上アームスイッチング素子ＱｕとＶ相の下アームスイッチング素子Ｑｙとが短絡固着していると、初期充電中にＱｕ→モータＭの固定子巻線→Ｑｙという経路で通流するため、直流中間電圧Ｖｄｃの上昇は緩やかになり、やはり、上記所定時間内に規定値Ａ以上になることはない。
【００３０】
従って、故障診断部１５は、初期充電リレーＳＷ１をＯＮしてから所定時間を経過するまでに直流中間電圧Ｖｄｃが規定値Ａ以上にならない場合（Ｓ１０２ Ｎｏ）には、上下アームのそれぞれ少なくとも１個以上のスイッチング素子が短絡固着していると判断することができる（Ｓ１０４）。インバータをＰＷＭ（パルス幅変調）制御する場合、１アームでも短絡固着していると運転不可能であるため、ステップＳ１０４により重故障発生と判断し、初期充電リレーＳＷ１をＯＦＦして運転を停止する（Ｓ１０５）。
【００３１】
上述したステップＳ１０１，Ｓ１０２，Ｓ１０４，１０５は、コンデンサＣ１の初期充電時に行われる短絡固着の有無の診断である。仮に、スイッチング素子に短絡固着があったとしても、主回路ＩＮＶに流入する電流は抵抗Ｒ１によって制限されているため、抵抗Ｒ１の値を適切に選定することで、正常なスイッチング素子や直流電源Ｅ１、モータＭ等に過電流が流れることはなく、故障が波及するのを防止することができる。また、ステップＳ１０２における所定時間や規定値Ａを低めに設定することで、短絡固着の診断に要する時間の短縮も可能になる。
【００３２】
所定時間内に直流中間電圧Ｖｄｃが規定値Ａ以上になった場合（Ｓ１０２ Ｙｅｓ）には、上下アームにそれぞれ短絡固着しているスイッチング素子はないと判断して初期充電リレーＳＷ１をＯＮ状態に保ち、抵抗Ｒ１を介してコンデンサＣ１の初期充電を継続する。
上下アームにそれぞれ短絡固着しているスイッチング素子がない場合は直流中間電圧Ｖｄｃが上昇し続け、この電圧Ｖｄｃが規定値Ｂ（請求項における直流電圧規定値）以上になったら初期充電リレーＳＷ１をＯＦＦして初期充電を完了する（Ｓ１０３ Ｙｅｓ，Ｓ１０６）。
【００３３】
初期充電リレーＳＷ１をＯＦＦすることにより、主回路ＩＮＶは直流電源Ｅ１と切り離される。この時、コンデンサＣ１に蓄積されているエネルギー、言い換えれば直流中間電圧Ｖｄｃは限定的であるため、この電圧Ｖｄｃを用いてスイッチング素子の故障診断を行ったとしてもスイッチング素子を破損する恐れはない。また、ステップＳ１０３における規定値Ｂを低めに設定すれば、より安全に故障診断を行うことができる。
主回路ＩＮＶを直流電源Ｅ１と切り離した状態では、直流中間電圧Ｖｄｃの変化はコンデンサＣ１の自然放電と故障診断に伴う放電のみによって生じる。コンデンサＣ１の自然放電による電圧の変化量は事前に把握可能であるから、後述するステップＳ１０８のように、コンデンサＣ１の自然放電による電圧変化量を考慮した直流中間電圧Ｖｄｃの変化量ΔＶｄｃを所定の規定値Ｃ（請求項における変化量規定値）と比較することにより、スイッチング素子の短絡固着の有無を検出することができる。
【００３４】
次に、初期充電リレーＳＷ１をＯＦＦした後に、下アームまたは上アームにおける短絡固着の有無を診断するために、短時間だけ、全相の上アームのスイッチング素子を同時にＯＮする（Ｓ１０７）。
いま、下アームのスイッチング素子は全てＯＦＦのはずであるから、下アームのスイッチング素子に異常がなければ電流は流れず、変化量ΔＶｄｃはコンデンサＣ１の自然放電に起因する電圧低下によるものだけである。しかし、変化量ΔＶｄｃが、自然放電による電圧低下量よりやや大きめの規定値Ｃを超える場合（Ｓ１０８ Ｎｏ）には、下アームの何れかのスイッチング素子が短絡固着しており、ステップＳ１０７による全相の上アームスイッチング素子のＯＮによって直流母線間が短絡した結果、コンデンサＣ１が放電して変化量ΔＶｄｃが規定値Ｃを超えたと推測することができる。
従って、この場合には、下アームの少なくとも１個以上のスイッチング素子の短絡固着による重故障と判断し、初期充電リレーＳＷ１をＯＦＦして運転を停止する（Ｓ１１０，Ｓ１１１）。
【００３５】
また、変化量ΔＶｄｃが規定値Ｃ以下である場合（Ｓ１０８ Ｙｅｓ）、下アームのスイッチング素子は全てＯＦＦであるから、変化量ΔＶｄｃはコンデンサＣ１の自然放電によるものと判断して次のステップに移り、短時間だけ、全相の下アームのスイッチング素子を同時にＯＮする（Ｓ１０９）。
その後に、前記ステップＳ１０８，Ｓ１１０，Ｓ１１１と同様の処理を行って上アームの何れかのスイッチング素子の短絡固着による重故障の有無を判断する（ステップＳ１１２，Ｓ１１４，Ｓ１１５）。そして、ステップＳ１１２の判断結果がＹｅｓであれば、「下アームのスイッチング素子に短絡固着がなく、または、全相の上アームのスイッチング素子が開放固着している。」あるいは、「上アームのスイッチング素子に短絡固着がなく、または、全相の下アームのスイッチング素子が開放固着している。」と判断し、図４の診断２に移行する（Ｓ１１３）。
【００３６】
このように、ステップＳ１０７〜Ｓ１１５では、下アームまたは上アームのスイッチング素子の短絡固着の有無を診断している。この点、図１０の従来技術では、１アームずつＯＮさせて診断する必要がある（ステップＳ１７等）のに対し、本実施形態では、上アームまたは下アームをそれぞれ一括してＯＮさせながら診断するので、三相インバータの場合、処理の手順は１／３に低減される。
【００３７】
次いで、図４を参照しつつ診断２について説明する。この診断は、主回路ＩＮＶにおける上下アームの何れかのスイッチング素子の開放固着の有無を検出するものである。
まず、主回路ＩＮＶの互いに異なる相の上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子とを組み合わせ、これらを同時に短時間だけＯＮする。ここでは、一例として、Ｕ相の上アームスイッチング素子ＱｕとＶ相の下アームスイッチング素子Ｑｙとを同時にＯＮする（Ｓ２０１）。
この状態で、直流中間電圧Ｖｄｃの変化量ΔＶｄｃを規定値Ｄ（請求項における変化量規定値）と比較する（Ｓ２０２）。規定値Ｄは、コンデンサＣ１の自然放電による電圧低下量よりやや大きめの値とする。
なお、図１のように各相の出力電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを測定している場合、ステップＳ２０２では、ΔＶｄｃとＤとの比較に代えて、Ｉｗ＝０，Ｉｕ＝−Ｉｖ＞０であることを判断しても良い。
【００３８】
仮に、スイッチング素子Ｑｕ，Ｑｙが開放固着していなければ、これらのスイッチング素子Ｑｕ，ＱｙとモータＭの固定子巻線とを介して二相に通流するので、変化量ΔＶｄｃはコンデンサＣ１の自然放電による電圧低下量より大きい規定値Ｄ以上になる（Ｓ２０２ Ｙｅｓ）。
また、変化量ΔＶｄｃが規定値Ｄ以上でなければ（Ｓ２０２ Ｎｏ）、スイッチング素子Ｑｕ，Ｑｙのうち少なくとも１個が開放固着していると判断できるから、これらのスイッチング素子Ｑｕ，Ｑｙについてのテスト（Ｑｕ，Ｑｙテスト）が不合格であることを示す不合格データをメモリに保存する（Ｓ２０６）。
【００３９】
変化量ΔＶｄｃが規定値Ｄ以上である場合（Ｓ２０２ Ｙｅｓ）、スイッチング素子Ｑｕ，Ｑｙが何れも開放固着しておらず、二相通流によりコンデンサＣ１が放電して直流中間電圧Ｖｄｃが低下したと判断されるため、初期充電リレーＳＷ１を再びＯＮしてコンデンサＣ１を充電する（Ｓ２０３）。
その後、図３のステップＳ１０３，Ｓ１０６と同様に、直流中間電圧Ｖｄｃが規定値Ｂ（請求項における直流電圧規定値）以上になったら、初期充電リレーＳＷ１をＯＦＦする（Ｓ２０４ Ｙｅｓ，Ｓ２０５）。
【００４０】
上記のＱｕ，Ｑｙテスト（Ｓ２０７）と同様に、Ｖ相の上アームスイッチング素子Ｑｖ及びＷ相の下アームスイッチング素子Ｑｚを組み合わせてＱｖ，Ｑｚテスト（Ｓ２１７）を実施すると共に、Ｗ相の上アームスイッチング素子Ｑｗ及びＵ相の下アームスイッチング素子Ｑｘを組み合わせてＱｗ，Ｑｘテスト（Ｓ２２７）を実施することにより、主回路ＩＮＶの全てのスイッチング素子を対象として開放固着の有無を診断する。
その後、各テストについて不合格データが無い場合には全てのスイッチング素子が開放固着しておらず、全アームがＯＮ／ＯＦＦ可能であると判断して初期診断を終了する（Ｓ２３０ Ｙｅｓ，Ｓ２３１）。
また、不合格データがある場合には（Ｓ２３０ Ｎｏ）、何れかのスイッチング素子が開放固着していると判断し、当該スイッチング素子を特定するために診断３に移行する。
以上のように、診断２では、互いに異なる相の上下アームのスイッチング素子を短時間ＯＮさせてテストを行うものであり、ｎ相（ｎは３以上の整数）のインバータに対してはｎ回のテストによって開放固着の有無を検出することができる。
【００４１】
次に、診断３について説明する。なお、図５には診断３の主要部を抽出して示してあり、その詳細は図６のフローチャートに示す通りである。
診断３では、互いに異なる相の上下アームのスイッチング素子の組み合わせを診断２とは異なるように生成し、その組み合わせを対象として診断２と同じ内容のテストを行う。
【００４２】
例えば、Ｕ相の上アームスイッチング素子ＱｕとＷ相の下アームスイッチング素子Ｑｚとを組み合わせてＱｕ，Ｑｚテストを行い（後述する図６のステップＳ３１１，Ｓ３２２）、Ｖ相の上アームスイッチング素子ＱｖとＵ相の下アームスイッチング素子Ｑｘとを組み合わせてＱｖ，Ｑｘテストを行い（Ｓ３２１，Ｓ３３２）、Ｗ相の上アームスイッチング素子ＱｗとＶ相の下アームスイッチング素子Ｑｙとを組み合わせてＱｗ，Ｑｙテストを行う（Ｓ３１２，Ｓ３３１）。
各テストにおいては、診断２（図４）のステップＳ２０７と同様に、２個のスイッチング素子の同時ＯＮ→直流中間電圧の変化量ΔＶｄｃと規定値Ｄとの比較（または、前述した各相の出力電流に関する監視）→初期充電リレーＳＷ１のＯＮ→直流中間電圧Ｖｄｃと規定値Ｂとの比較→初期充電リレーＳＷ１のＯＦＦ、及び不合格データの保存を行う。
【００４３】
ここで、図５（ａ），（ｂ）は、診断２の対象となる上下アームのスイッチング素子の組み合わせ（一点鎖線）の例と、診断３の対象となる上下アームのスイッチング素子の組み合わせ（破線）の例とを示している。本発明の故障診断技術はｎ相（ｎは３以上の整数）のインバータに適用可能であるため、図５（ａ），（ｂ）では、各相の上アームのスイッチング素子をＱＨ１〜ＱＨｎとし、下アームのスイッチング素子をＱＬ１〜ＱＬｎとして示している。
図５（ａ），（ｂ）の何れも、診断２の対象となる上下アームのスイッチング素子の組み合わせ（一点鎖線）は同じであり、図５（ａ）では、診断３の対象となる上下アームのスイッチング素子の組み合わせ（破線）を隣接する相のＱＨ２，ＱＬ１やＱＨ３，ＱＬ２……とし、図５（ｂ）では、診断３の対象となる上下アームのスイッチング素子の組み合わせ（破線）を、一つの相を間に挟んだＱＨ１，ＱＬ３やＱＨ２，ＱＬ３……としている。
【００４４】
何れにしても、診断３では、診断２と異なる上下アームのスイッチング素子の組み合わせを対象としてテストを行うので、図４から明らかなように、三相のインバータでは、診断２で３回のテスト（Ｑｕ，Ｑｙテスト、Ｑｖ，Ｑｚテスト、Ｑｗ，Ｑｘテスト）を行い、診断３では、最大で３回のテスト（Ｑｕ，Ｑｚテスト、Ｑｖ，Ｑｘテスト、Ｑｗ，Ｑｙテスト）を行う。これをｎ相のインバータに一般化すると、診断２，３の両方では、最大で２ｎ回のテストを行えば良いことになる。
なお、図４では、診断３の３回のテスト（Ｑｕ，Ｑｚテスト、Ｑｖ，Ｑｘテスト、Ｑｗ，Ｑｙテスト）を直列的に表示してあるが、実際には、後述の図６によって説明するように、診断２の３回のテスト（Ｑｕ，Ｑｙテスト、Ｑｖ，Ｑｚテスト、Ｑｗ，Ｑｘテスト）のうち不合格とされたものについて、Ｑｕ，Ｑｚテスト、Ｑｖ，Ｑｘテスト、Ｑｗ，Ｑｙテストのうち二つのテスト、つまり２回のテストを実施することになる。従って、診断２，３により合計５回のテストを行えば、開放固着しているスイッチング素子を特定することができる。
【００４５】
図４において、診断３の全てのテストを終了したら、その結果を予め用意した故障マップ５００とそれぞれ照合して運転の可否を判断する（Ｓ３１３，Ｓ３２３，Ｓ３３３）。
この判断の結果、１アームだけの開放固着のように縮退運転可能な軽故障であれば、開放固着しているスイッチング素子を特定して初期診断を終了する（Ｓ３１４，Ｓ３１５，Ｓ３２４，Ｓ３２５，Ｓ３３４，Ｓ３３５）。ここで、三相インバータでは、１アームのスイッチング素子が開放固着していても、他のスイッチング素子が健全であれば単相インバータとして縮退運転が可能である。
また、２アームが開放固着しているような重故障であれば、運転不可能と判断して初期診断を終了する（Ｓ３１６，Ｓ３２６，Ｓ３３６）。
【００４６】
診断３の具体的な処理内容を、図６に基づいて詳細に説明する。
前述したごとく、診断２による３回のテスト（Ｑｕ，Ｑｙテスト、Ｑｖ，Ｑｚテスト、Ｑｗ，Ｑｘテスト）を行った結果、開放固着ありと診断された場合（Ｓ２３０ Ｎｏ）に、図６の診断３に移行する。
図６において、始めに、不合格となったテストが１つか否かを判断し、２つ以上である場合には、複数アームの開放固着による多重故障が発生したと判断して初期診断を終了する（Ｓ３０１ Ｎｏ，Ｓ３０３）。
【００４７】
不合格となったテストが１つの場合（Ｓ３０１ Ｙｅｓ）、そのテストは診断２の３回のテスト（Ｑｕ，Ｑｙテスト、Ｑｖ，Ｑｚテスト、Ｑｗ，Ｑｘテスト）のうちのどれであるかを判断する（Ｓ３０２）。その結果、不合格のテストがＱｕ，Ｑｙテスト（Ｓ２０７）であればステップＳ３１１以降の処理を、同じくＱｖ，Ｑｚテスト（Ｓ２１７）であればステップＳ３２１以降の処理を、同じくＱｗ，Ｑｘテスト（Ｓ２２７）であればステップＳ３３１以降の処理を、それぞれ実行する。
【００４８】
例えば、不合格のテストがＱｕ，Ｑｙテスト（Ｓ２０７）である場合、開放固着しているスイッチング素子は、Ｑｕのみ、Ｑｙのみ、Ｑｕ，Ｑｙの両方、というケースが考えられるが、ステップＳ３１１以降の処理によってどのケースであるかを判別する。
まず、Ｕ相の上アームスイッチング素子ＱｕとＷ相の下アームスイッチング素子Ｑｚとの組み合わせについて、ステップＳ２０７と同様に、２個のスイッチング素子の同時ＯＮ→直流中間電圧の変化量ΔＶｄｃと規定値Ｄとの比較→初期充電リレーＳＷ１のＯＮ→直流中間電圧Ｖｄｃと規定値Ｂとの比較→初期充電リレーＳＷ１のＯＦＦ、及び不合格データの保存を行って、Ｑｕ，Ｑｚテストを実行する（Ｓ３１１）。
同様に、Ｗ相の上アームスイッチング素子ＱｗとＶ相の下アームスイッチング素子Ｑｙとの組み合わせについて、Ｑｗ，Ｑｙテストを実行する（Ｓ３１２）。
その後、各テストの結果を、予め用意しておいた故障マップ５００と照合することにより、開放固着しているスイッチング素子の特定、及び運転可否を判断する（Ｓ３１３）。
【００４９】
図７は、故障マップ５００の一例を示している。この故障マップ５００は、三相インバータの全てのアーム（スイッチング素子Ｑｕ，Ｑｖ，Ｑｗ，Ｑｘ，Ｑｙ，Ｑｚ）における開放固着の有無（Ｎｏ.１〜Ｎｏ.６４までの６４通り）と、これらの各ケースに応じた診断２，３による各テスト（診断２のＱｕ，Ｑｙテスト、Ｑｖ，Ｑｚテスト、Ｑｗ，Ｑｘテスト、及び、診断３のＱｕ，Ｑｚテスト、Ｑｖ，Ｑｘテスト、Ｑｗ，Ｑｙテスト）の合否とを対応させて示したものである。また、図８は、図７の故障マップ５００から、全てのアームが正常なケース（Ｎｏ.１）と１アームのスイッチング素子が開放故障している全てのケース（Ｎｏ.２〜Ｎｏ.７）とを抜き出したものである。
【００５０】
例えば、図８のＮｏ.２はスイッチング素子Ｑｚのみが開放固着しているケースであり、この場合には、診断２のＱｖ，Ｑｚテスト（Ｓ２１７）と診断３のＱｕ，Ｑｚテスト（Ｓ３２２）の結果が不合格（否）になる。また、図８のＮｏ.３はスイッチング素子Ｑｙのみが開放固着しているケースであり、この場合には、診断２のＱｕ，Ｑｙテスト（Ｓ２０７）と診断３のＱｗ，Ｑｙテスト（Ｓ３１２）の結果が不合格（否）になる。
従って、１アームのスイッチング素子の開放固着に限って言えば、図８の故障マップ５００における「診断２，３による合否」のパターン（○，×のパターン）に基づいて、開放固着しているアーム（スイッチング素子）を特定することが可能である。
【００５１】
前述したステップＳ３１３に戻ると、このステップＳ３１３は、診断２のＱｕ，Ｑｙテスト（Ｓ２０７）が不合格であったため、図８によればＮｏ.３（Ｑｙが開放固着）またはＮｏ.７（Ｑｕが開放固着）が該当する。そして、Ｎｏ.３のケースであれば、診断３のＱｗ，Ｑｙテスト（Ｓ３１２）が不合格になり、Ｎｏ.７のケースであれば、診断３のＱｕ，Ｑｚテスト（Ｓ３１１）が不合格になるはずである。
このため、図６に示すように、Ｑｕ，Ｑｚテスト（Ｓ３１１）及びＱｗ，Ｑｙテスト（Ｓ３１２）を行い、図４の診断２におけるＱｕ，Ｑｙテスト（Ｓ２０７）を含めた３つのテストの結果を、図８の故障マップ５００の「診断２，３による合否」欄と照合することにより、開放固着しているアームを特定する。
【００５２】
具体的には、Ｑｗ，Ｑｙテスト（Ｓ３１２）が不合格であればＮｏ.３によってＱｙの開放固着と判断でき、Ｑｕ，Ｑｚテスト（Ｓ３１１）が不合格であればＮｏ.７によってＱｕの開放固着と判断できる。また、これら２回のテストが何れも不合格である（Ｎｏ.３及びＮｏ.７が同時に成立する）場合には、Ｑｕ，Ｑｙの両方が開放固着していると判断することができる。
上記のように、図６のステップＳ３１３の処理により、ＱｕまたはＱｙの１アーム開放固着（Ｓ３１４，Ｓ３１５）、あるいは、Ｑｕ，Ｑｙの２アーム開放固着（Ｓ３１６）と判断して初期診断を終了する。なお、１アーム開放固着は軽故障、２アーム開放固着は重故障に相当する。
同様にして、診断２のＱｖ，Ｑｚテスト（Ｓ２１７）が不合格である場合には、図６のステップＳ３２１〜Ｓ３２６を実行して初期診断を終了し、また、診断２のＱｗ，Ｑｘテスト（Ｓ２２７）が不合格である場合には、図６のステップＳ３３１〜Ｓ３３６を実行して初期診断を終了する。
【００５３】
図６から明らかなように、診断２による３回のテスト（Ｑｕ，Ｑｙテスト、Ｑｖ，Ｑｚテスト、Ｑｗ，Ｑｘテスト）のうち不合格となったテストに応じて、診断３ではそれぞれ２回のテスト（Ｓ３１１，Ｓ３１２、または、Ｓ３２１，Ｓ３２２、または、Ｓ３３１，Ｓ３３２）を行うことで、開放固着しているスイッチング素子の特定が可能である。
つまり、三相インバータであれば、診断２，３による合計５回のテストを行えば良く、一般にｎ相インバータであれば、（ｎ＋２）回のテストを行えば良い。
【００５４】
なお、図７の故障マップ５００におけるＮｏ.６３，Ｎｏ.６４のケースのように、診断２，３による合否が全てのテストについて同じになる場合があり、Ｑｚ以外のスイッチング素子が開放固着している（Ｎｏ.６３）のか、全てのスイッチング素子が開放固着している（Ｎｏ.６４）のか、判別できない場合も存在する。しかし、Ｎｏ.６３やＮｏ.６４のような多重故障はレアケースであり、本実施形態によれば、少なくとも、図９（ａ）に破線で囲んだ１アームの開放固着や図９（ｂ）に破線で囲んだ１レグ（同一相の上下アーム）の開放固着については検出可能であるため、本発明の有用性は大きいと言える。
【符号の説明】
【００５５】
Ｅ１：直流電源
Ｃ１：コンデンサ 
ＳＷ１：初期充電リレー
ＳＷ２：メインリレー 
Ｒ１：抵抗
Ｑｕ，Ｑｖ，Ｑｗ，Ｑｘ，Ｑｙ，Ｑｚ，ＱＨ１〜ＱＨｎ，ＱＬ１〜ＱＬｎ：半導体スイッチング素子
ＩＮＶ：インバータ主回路
Ｍ：モータ
１１：電流検出器
１２：交流電流検出回路
１３：電圧検出器
１４：直流中間電圧検出回路
１５：故障診断部
１６：リレー駆動回路
１７：ゲート駆動回路
５００：故障マップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2020072503.tif 000010
【図９】
2020072503.tif 000011
【図１０】
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