(57)【要約】【課題】  インバータ装置の入力側に接続され、かつ筐体内に格納されたコンデンサ装置において、インバータ装置での異常電流を検知可能な電流センサを効率的に配置する。【解決手段】  筐体１３０に格納されたコンデンサ装置１００は、インバータ装置３０の入力側に接続される。コンデンサ装置１００は、コンデンサ１１０からインバータ装置３０へ流れるコンデンサ電流ｉｄを測定可能なコアレス電流センサ１２０を筐体１３０に内蔵する。インバータ制御部３５およびコアレス電流センサ１２０の間では、筐体１３０に設けられた端子１３５および配線１２５を介して、電源供給および検出信号の授受が行なわれる。インバータ制御部３５は、電力用半導体素子４１〜４６のスイッチングパターンとコアレス電流センサ１２０によるコンデンサ電流ｉｄの検出値に基づいて、電力用半導体素子４１〜４６での短絡故障を検知する。【選択図】        図１
2005278296.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筐体内に格納されたコンデンサ装置であって、かつ当該コンデンサ装置は、正側母線および負側母線から直流電圧を受ける電力変換器と接続され、
コンデンサと、
前記コンデンサの電極の一方と前記正側母線との間を電気的に接続するための第１の端子と、
前記コンデンサの電極の他方と前記負側母線との間を電気的に接続するための第２の端子と、
前記コンデンサおよび前記電力変換器の間を流れる電流を測定するためのコアレス電流センサと、
前記コアレス電流センサと前記筐体外部との間を電気的に接続するための第３の端子とを備える、コンデンサ装置。
【請求項２】
前記第１の端子および前記電極の一方との間を接続する第１の導体板と、
前記第２の端子および前記電極の他方との間を接続する第２の導体板とをさらに備え、
前記コアレス電流センサは、前記第１の導体板および前記第２の導体板の少なくとも一方に対して、絶縁物を介して配置される、請求項１記載のコンデンサ装置。
【請求項３】
前記コアレス電流センサを搭載する基板によって前記絶縁物が構成される、請求項２記載のコンデンサ装置。
【請求項４】
前記コンデンサは、並列接続された複数のコンデンサ素子から構成され、
前記コアレス電流センサは、前記複数のコンデンサ素子の少なくとも一部に対応して複数個配置される、請求項２に記載のコンデンサ装置。
【請求項５】
前記コアレス電流センサは、磁気インピーダンス効果を利用した電流センサで構成される、請求項１から４のいずれか１項に記載のコンデンサ装置。
【請求項６】
前記コアレス電流センサは、磁気抵抗効果を利用した電流センサで構成される、請求項１から４のいずれか１項に記載のコンデンサ装置。
【請求項７】
前記コアレス電流センサは、ホール効果を利用した電流センサで構成される、請求項１から４のいずれか１項に記載のコンデンサ装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項の記載のコンデンサ装置と、
前記正側母線および前記負側母線と接続されて、前記コンデンサ装置から直流電圧を受けて交流電圧に変換する多相インバータ装置と、
前記多相インバータ装置からの前記交流電圧によって駆動される電気負荷と、
前記多相インバータ装置を構成する複数の電力用半導体素子の動作を制御するインバータ制御部とを備え、
前記インバータ制御部は、前記コンデンサ装置の前記第３の端子を介して伝達された前記コアレス電流センサからの信号に基づいて、前記複数の電力用半導体素子の短絡故障を検知する、電源システム。
【請求項９】
前記インバータ制御部は、前記複数の電力用半導体素子のオンおよびオフの組み合わせを示すスイッチングパターンと、前記コアレス電流センサでの測定電流が所定の閾値を超えるタイミングとに基づいて、前記短絡故障が発生した電力用半導体素子を特定する、請求項８に記載の電源システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、筐体内に格納されたコンデンサ装置に関し、より特定的には、インバータ装置の入力側に接続されるコンデンサ装置およびそれを備えた電源システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
各種の電源システムでは、直流電圧から交流成分を除去する電圧平滑用素子としてコンデンサが一般的に用いられる。特に、このようなコンデンサ装置は、直流−交流変換を行なうインバータ装置の入力側に設けられる場合が多い。
【０００３】
また、車両搭載時など配置制約が厳しい場合には、コンデンサ装置を含めて電源システム全体を限られたスペースに配置可能な構造とすることが要求される。
【０００４】
このような課題に対応するため、モータ制御用の三相インバータ回路、三相インバータ回路制御用の制御回路を基板上に実装し、かつ、円筒型の電界コンデンサを金属コンデンサケースに収納したコンデンサ装置を当該基板とブスバーなどにより結合した、車両搭載性に優れた三相インバータモジュールが開発されている（たとえば特許文献１）。
【０００５】
さらに、同様の目的に向けられた技術として、小型で安価な電力変換装置を提供するために半導体モジュール内に流れる電流をコアを介さずにホール素子を有する電流センサにより直接検出する構成（たとえば特許文献２）や、電流センサの配置個数を減らすためにインバータの直流入力側に電流センサを配置する構成（たとえば非特許文献１）についても提案されている。
【０００６】
また、コンデンサ装置にセンサを内蔵する技術としては、電解コンデンサに温度センサが密着するように両者をチューブ内に収容して、温度センサでの温度検出に基づいて実使用における残存寿命を演算・表示する構成が提案されている（たとえば特許文献３）。
【特許文献１】特開平１１−１３６９６０号公報
【特許文献２】特開２００３−２４３２６９号公報
【特許文献３】特開２００３−２９９３６４号公報
【非特許文献１】谷沢之彦他，「ＰＷＭインバータの三相出力電流の直流側での検出法」，電気学会産業電力電気応用研究会ＩＥＡ−９４−１７，電気学会，平成６年６月，ｐ．４５−４９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
インバータ装置によって交流モータ等の交流電気負荷を駆動する電源システムでは、電気負荷の安定的な駆動や電力効率向上のためにインバータ装置の制御性を向上させる必要がある。制御性向上のためにはインバータ装置に電流検出センサを配置することが必要となるため、電源システムの配置制約が厳しい車両等への搭載時には、電流検出センサを効率的に搭載することが課題となる。
【０００８】
したがって、筐体内に格納されたコンデンサ装置をインバータ装置と組合せて電源システムを構成する場合には、インバータ装置の制御に必要となる電流センサを効率的に配置した上で、コンデンサ装置とインバータ装置との間の電気的接続を確保することが求められる。
【０００９】
この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、インバータ装置の入力側に接続され、かつ筐体内に格納されたコンデンサ装置において、インバータ装置での異常電流を検知可能な電流センサを効率的に配置することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明によるコンデンサ装置は、筐体内に格納されたコンデンサ装置であって、かつ当該コンデンサ装置は正側母線および負側母線から直流電圧を受ける電力変換器と接続され、コンデンサと、第１、第２および第３の端子と、コアレス電流センサとを備える。第１の端子は、コンデンサの電極の一方と正側母線との間を電気的に接続するために設けられる。第２の端子は、コンデンサの電極の他方と負側母線との間を電気的に接続するために設けられる。コアレス電流センサは、コンデンサおよび電力変換器の間を流れる電流を測定する。第３の端子は、コアレス電流センサと筐体の外部との間を電気的に接続するために設けられる。
【００１１】
好ましくは、コンデンサ装置は、第１および第２の導体板をさらに備える。第１の導体板は、第１の端子および電極の一方との間を接続する。第２の導体板は、第２の端子および電極の他方との間を接続する。コアレス電流センサは、第１の導体板および第２の導体板の少なくとも一方に対して、絶縁物を介して配置される。
【００１２】
さらに好ましくは、コアレス電流センサを搭載する基板によって絶縁物が構成される。
【００１３】
また好ましくは、コンデンサは、並列接続された複数のコンデンサ素子から構成され、コアレス電流センサは、複数のコンデンサ素子の少なくとも一部に対応して複数個配置される。
【００１４】
好ましくは、コアレス電流センサは、磁気インピーダンス効果を利用した電流センサ、磁気抵抗効果を利用した電流センサ、あるいはホール効果を利用した電流センサで構成される。
【００１５】
この発明による電源システムは、請求項１から７のいずれか１項の記載のコンデンサ装置と、多相インバータ装置と、電気負荷と、インバータ制御部とを備える。インバータ装置は、正側母線および負側母線と接続されて、コンデンサ装置から直流電圧を受けて交流電圧に変換する。電気負荷は、多相インバータ装置からの交流電圧によって駆動される。インバータ制御部は、多相インバータ装置を構成する複数の電力用半導体素子の動作を制御する。さらに、インバータ制御部は、コンデンサ装置の第３の端子を介して伝達されたコアレス電流センサからの信号に基づいて、複数の電力用半導体素子の短絡故障を検知する。
【００１６】
好ましくは、インバータ制御部は、複数の電力用半導体素子のオンおよびオフの組み合わせを示すスイッチングパターンと、コアレス電流センサでの測定電流が所定の閾値を超えるタイミングとに基づいて、短絡故障が発生した電力用半導体素子を特定する。
【発明の効果】
【００１７】
この発明によるコンデンサ装置は、筐体に格納されて電力変換器の入力側に接続され、かつ、コンデンサ装置および電力変換器の間の電流を検出可能なコアレス電流センサを当該筐体内に内蔵している。コアレス電流センサに対しては、第３の端子を介して筐体外部からの動作電源供給および筐体外部への検出値出力が可能である。したがって、筐体内の電流センサの電源が不要であるのでコンデンサ装置を大型化させることなく、かつ、電力変換器に電流センサを設けることなく、電力変換装置への入力電流を測定できる。さらに、コンデンサ装置および電力変換器の間にシャント抵抗を挿入する構成や、磁性体コアを用いた電流センサを設ける構成と比較して、両者間の寄生インダクタンスを増大させることがないので、サージ電圧の発生等を抑制して電力変換器を安定的に動作できる。
【００１８】
さらに、コンデンサの電極と第１および第２の端子間を接続する導体板へ絶縁物を介してコアレス電流センサを配置する構成とすることにより、コンデンサ装置でのコアレス電流センサ取付け機構を効率的に設けることができる。
【００１９】
また、コアレス電流センサは検出電流が流れる導体から絶縁して配置する必要があるが、当該コアレス電流センサを搭載する基板を絶縁体で構成することにより、コンデンサ装置におけるコアレス電流センサ取付け機構を小型化できる。
【００２０】
なお、コンデンサを複数のコンデンサ素子の並列接続によって構成する場合には、複数個のコアレス電流センサを配置することによって、各コアレス電流センサの測定電流を小さくして、装置の低コスト化および小型化を図ることができる。
【００２１】
また、コアレス電流センサには、磁気インピーダンス効果を利用したＭＲ電流センサ、磁気抵抗効果を利用したＭＩ電流センサ、ホール効果を利用した電流センサを用いることができる。
【００２２】
この発明による電源システムでは、筐体に格納されたコンデンサ装置を多相インバータ装置の入力側に接続し、かつ、コンデンサ装置から多相インバータ装置への入力電流を測定可能なコアレス電流センサをコンデンサ装置の筐体内に内蔵している。さらに、コアレス電流センサに対しては、筐体外部からの動作電源供給および筐体外部への検出値出力が可能な構成であるので、コンデンサ装置を大型化させることなく、かつ、電力用半導体素子で構成された多相インバータ装置に電流センサを設けることなく、電力用半導体素子の短絡故障を検知可能な構成とすることができる。特に、コンデンサ装置および多相インバータ装置間の寄生インダクタンスを増大させることがないので、多相インバータ装置に発生するサージ電圧等を抑制して、電源システム全体を安定的に動作させることができる。
【００２３】
また、多相インバータ装置における電力用半導体素子のスイッチングパターンとコアレス電流センサでの検出電流が異常に増大するタイミングとに基づいて、短絡故障が発生した電力用半導体素子を特定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下にこの発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中における同一または相当部分については同一符号を付して、その説明は原則として繰返さないものとする。
【００２５】
図１は、この発明によるコンデンサ装置を備えた電源システムの全体構成を示す回路図である。
【００２６】
図１を参照して、この発明による電源システム１０は、直流電源であるバッテリ２０と、インバータ装置３０と、インバータ装置３０の入力側に接続されたコンデンサ装置１００と、「電気負荷」に相当する三相交流モータ７０とを備える。
【００２７】
バッテリ２０の正極はバッテリ正ライン２１と接続され、バッテリ２０の負極はバッテリ負ライン２２と接続される。
【００２８】
コンデンサ装置１００は、バッテリ正ライン２１およびバッテリ負ライン２２、ならびに、「正側母線」に相当するＰバスバー３１および「負側母線」に相当するＮバスバー３２と接続される。
【００２９】
「多相インバータ装置」の代表例として示される三相のインバータ装置３０は、インバータ制御部３５と、電力用半導体素子４１〜４６と、ダイオード５１〜５６とを含む。電力用半導体素子４１〜４６としては、代表的にはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor-Field Effect Transistor）が用いられる。電力用半導体素子４１〜４６は、インバータ制御部３５からのゲート制御信号に基づいてオン・オフされる。ダイオード５１〜５６は、電力用半導体素子４１〜４６の逆並列ダイオードとしてそれぞれ設けられる。
【００３０】
電力用半導体素子４１〜４６によって、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の各相アームが構成される。たとえば、電力用半導体素子４１および４２は、Ｐバスバー３１およびＮバスバー３２の間に直列接続されて、Ｕ相アームを構成する。同様にして、電力用半導体素子４３および４４によってＶ相アームが構成され、電力用半導体素子４５および４６によってＷ相アームが構成される。
【００３１】
電力用半導体素子４１および４２の接続ノードは出力導体６０ｕと接続され、電力用半導体素子４３および４４の接続ノードは出力導体６０ｖと接続される。同様に、電力用半導体素子４５および４６の接続ノードは出力導体６０ｗと接続される。
【００３２】
三相交流モータ７０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相コイル７５ｕ，７５ｖ，７５ｗを含む。Ｕ相コイル７５ｕは、中性点７６とインバータ装置３０の出力導体６０ｕとの間に接続される。同様に、Ｖ相コイル７５ｖは、中性点７６および出力導体６０ｖの間に接続され、Ｗ相コイル７５ｗは、中性点７６および出力導体６０ｗの間に接続される。
【００３３】
コンデンサ装置１００は、筐体１３０に格納され、かつ、導体１０１〜１０４と、コンデンサ１１０と、コアレス電流センサ１２０と、端子１３１〜１３５とを有する。
【００３４】
端子１３１は、バッテリ正ライン２１とコンデンサ１１０の電極の一方（Ｐ電極）とを接続するために設けられ、導体１０１は、コンデンサ１１０のＰ電極とバッテリ正ライン２１との間を接続する。同様に、端子１３２は、バッテリ負ライン２２とコンデンサ１１０の電極の他方（Ｎ電極）とを接続するために設けられ、導体１０２は、コンデンサ１１０のＮ電極とバッテリ負ライン２２との間を接続する。
【００３５】
この発明における「第１の端子」に相当する端子１３３は、Ｐバスバー３１とコンデンサ１１０のＰ電極とを接続するために設けられる。導体１０３は、端子１３３およびコンデンサ１１０のＰ電極の間を接続する。
【００３６】
この発明における「第２の端子」に相当する端子１３４は、Ｎバスバー３２とコンデンサ１１０のＮ電極とを接続するために設けられる。導体１０４は、端子１３４およびコンデンサ１１０のＮ電極の間を接続する。
【００３７】
このように、コンデンサ装置１００は、端子１３１，１３２によってバッテリ正ライン２１およびバッテリ負ライン２２と接続され、かつ、端子１３３，１３４によってＰバスバー３１およびＮバスバー３２と接続される。
【００３８】
このように、Ｐバスバー３１およびＮバスバー３２は、バッテリ正ライン２１およびバッテリ負ライン２２とそれぞれ電気的に接続される。Ｐバスバー３１およびＮバスバー３２の間には、コンデンサ１１０によって平滑化された、バッテリ２０からの直流出力が発生する。
【００３９】
コアレス電流センサ１２０は、コンデンサ１１０およびインバータ装置３０の間を流れるコンデンサ電流ｉｄ、すなわちインバータ装置３０への入力電流を測定する。
【００４０】
コンデンサ装置１００内のコアレス電流センサ１２０は、端子１３５によって、筐体１３０の外部と接続可能である。この実施の形態においては、コアレス電流センサ１２０は、配線１２５によってインバータ制御部３５と電気的に接続される。これにより、コアレス電流センサ１２０は、インバータ制御部３５から動作電源の供給を受けることができ、かつ、検出した電流値を示す信号をインバータ制御部３５へ伝達することができる。後程詳細に説明するように、インバータ制御部３５は、電力用半導体素子４１〜４６のスイッチングパターンとコアレス電流センサ１２０によるコンデンサ電流ｉｄの検出値に基づいて、電力用半導体素子４１〜４６での短絡故障を検知する。
【００４１】
コアレス電流センサ１２０は、この発明の実施の形態においては、変流器（ＣＴ：current transformer）として用いられる磁性体コアを用いることなく電流測定可能な電流センサを総称的に示している。たとえば、コアレス電流センサ１２０としては、ホール効果を利用したホールセンサや、磁界強度の変化に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗（Magneto-Resistive）効果を利用したＭＲセンサ、あるいはパルス電流通電時に鉄コバルト系アモルファスワイヤのインピーダンスが外部磁界の変化に鋭敏に応答する磁気インピーダンス（ＭＩ）効果を利用したＭＩセンサ等を適用することができる。
【００４２】
このようなコアレス電流センサを用いることにより、コンデンサ１１０とインバータ装置３０との間で、電流センサの配置によって寄生インダクタンスの増大を招くことがない。
【００４３】
コンデンサ装置１００内のコンデンサ１１０は、バッテリ２０からの直流電源によって充電される。インバータ装置３０は、コンデンサ１１０からＰバスバー３１およびＮバスバー３２の間に供給された直流電圧を、電力用半導体素子４１〜４６のスイッチング動作によって三相交流電圧に変換して、三相交流モータ７０へ供給する。三相交流モータ７０は、インバータ装置３０からの三相交流電圧によって回転駆動される。
【００４４】
あるいは、三相交流モータ７０の回生制動動作時には、三相交流モータ７０によって発電された三相交流電圧がインバータ装置３０によって直流電圧に変換され、変換された直流電圧によって、コンデンサ１１０およびバッテリ２０が充電される。
【００４５】
インバータ制御部３５は、電気負荷である三相交流モータ７０をトルク指令値等のモータ指令値に従って駆動するように、センサ出力（モータ回転数、各種電圧・電流等）を基に、インバータ装置３０を制御する。これにより、インバータ装置３０から三相交流モータ７０へは、三相交流モータ７０をモータ指令値に従って駆動可能な交流電圧が供給される。
【００４６】
以下では、筐体内にコアレス電流センサを備えたこの発明によるコンデンサ装置の構成例を詳細に説明する。
【００４７】
図２は、コンデンサ装置１００の第１の構成例を示す平面図である。図３は図２に対応する底面図である。すなわち、コンデンサ装置１００の同一部分を図２は上面視したものであり、図３は下面視したものである。
【００４８】
図２および図３を参照して、導体１０１〜１０４は、所定形状に加工された金属等の導体板によって構成される。主に図２から理解されるように、コンデンサ１１０のＮ電極１３８と接続される導体１０２および１０４は、Ｎ電極１３８との接続部分を共有し、かつ、途中から枝分かれするようなＴ字形状で設けられる。同様に、主に図３から理解されるように、コンデンサ１１０のＰ電極１３７と接続される導体１０１および１０３は、Ｐ電極１３７との接続部分を共有し、かつ、途中から枝分かれするようなＴ字形状で設けられる。なお、導体１０３はこの発明における「第１の導体板」を構成し、導体１０４はこの発明における「第２の導体板」を構成する。
【００４９】
さらに、導体１０１および１０２と、導体１０３および１０４とは、平面的に重なり合うように配置されている。このため、端子１３１および１３２ならびに、端子１３３および１３４についても、上面視（図２）および下面視（図３）では重なり合うように配置される。
【００５０】
コンデンサ１１０は、たとえばフィルムコンデンサで構成される。コアレス電流センサ１２０は、Ｎ電極側の導体１０４（または１０２）の上面に配置された絶縁物で構成されたプリント基板１５０上に配置される。
【００５１】
図４は、図２におけるＩＶ−ＩＶ断面図である。
【００５２】
図４を参照して、絶縁物で構成されたプリント基板１５０によって、コアレス電流センサ１２０と導体１０４（または１０２）との間の絶縁が確保される。これにより、コアレス電流センサ１２０の取付け機構を小型化できる。
【００５３】
コアレス電流センサ１２０は一般にＩＣ（Integrated Circuit）チップ化されているので、プリント基板１５０上に形成されたパターンに対して、コアレス電流センサ１２０のＩＣピン１２２をはんだ付け等で接続することにより、コアレス電流センサ１２０取付けることができる。
【００５４】
また、Ｐ電極側の導体１０３（または１０１）とＮ電極側の導体１０４（または１０２）との間は、絶縁物１６０によって絶縁されている。
【００５５】
さらに、信号端子１３５とコアレス電流センサ１２０との間に設けられた配線１３６によって、筐体外部（ここではインバータ制御部３５）との間で、電源電圧の供給や信号の授受が可能となる。すなわち、配線１２５（図１）および１３６は、コアレス電流センサ１２０への電源供給線や、コアレス電流センサ１２０との間で電気信号を授受する信号線等を総括的に示している。
【００５６】
また、フィルムコンデンサ素子１１０♯を複数個積層配置して、コンデンサ１１０を構成してもよい。この場合には、積層配置された複数のフィルムコンデンサ素子１１０♯の間で、Ｐ電極１３７同士およびＮ電極１３８同士をそれぞれ並列接続する必要がある。
【００５７】
この場合には、積層配置された複数のフィルムコンデンサ１１０♯の少なくとも一部に対して、コアレス電流センサ１２０を複数個配置する構成としてもよい。これにより、コアレス電流センサ１個当たりでの測定電流を小さくして、装置の低コスト化および小型化を図ることができる。
【００５８】
コアレス電流センサ１２０の配置は、図２および図３に示した構成例に限定されるものではなく、筐体１３０内の導体１０３，１０４の電流測定が可能であれば任意の箇所に配置できる。
【００５９】
図５は、コンデンサ装置１００の第２の構成例を示す平面図である。図６は図５に対応する底面図である。すなわち、コンデンサ装置１００の同一部分を図５は上面視したものであり、図６は下面視したものである。
【００６０】
図５および図６に示すように、フィルムコンデンサ１１０のＰ電極１３７と出力端子１３３との間を接続する導体１０３の上面に、プリント基板１５０を介してコアレス電流センサ１２０を配置してもよい。
【００６１】
図５および図６の構造では、端子１３１および１３２、ならびに端子１３３および１３４の位置が上下方向に重ならないように導体１０１，１０３の端部形状が加工されている。これにより、コンデンサ装置１００の接続作業をより簡易に行なうことができる。
【００６２】
この他にも、導体１０１〜１０４の形状を限定することなく、また、各導体の上面および下面のいずれに対しても、同様にコアレス電流センサを配置可能である。
【００６３】
以上説明したように、この発明によるコンデンサ装置では、コアレス電流センサ１２０を筐体１３０内部に効率的に配置して、コンデンサ１１０の電流を測定することが可能となる。またその測定電流は、端子１３５を介して外部（この実施の形態ではインバータ制御部３５）から検知可能である。これにより、インバータ装置３０に電流センサを設けることなく、インバータ装置３０への入力電流を測定できる。
【００６４】
さらに、コアレス電流センサ１２０の動作電源についても、コンデンサ装置１００すなわち筐体１３０の外部から供給することが可能な構成となっているので、筐体１３０内部にコアレス電流センサ１２０の動作電源を配置する必要がなく、コンデンサ装置１００の大型化を防いで、搭載効率を確保できる。
【００６５】
再び図１を参照して、この発明によるコンデンサ装置１００では、インバータ装置３０へ供給されるコンデンサ電流ｉｄを、コアレス電流センサ１２０によって検出可能である。この直流電流であるコンデンサ電流ｉｄより、三相インバータであるインバータ装置の三相出力電流を検出する方法は、たとえば上記非特許文献１に開示されている。
【００６６】
この実施の形態では、コアレス電流センサ１２０の検出値を用いて、インバータ装置３０を構成する電流用半導体素子４１〜４６の短絡故障を検出する手法について代表的に説明する。
【００６７】
図７は、インバータ装置３０のスイッチングパターンとコンデンサ電流ｉｄとの正常時における関係を示す図であり、図８は、図７に示した各スイッチングパターンにおけるインバータ電流を説明する回路図である。
【００６８】
図７に示すように、時刻ｔ１〜ｔ２間には、Ｕ相では上アームの電力用半導体素子４１がオンされ、Ｖ相およびＷ相では下アームの電力用半導体素子４４および４６がオンされる。一方、電力用半導体素子４２，４３，４５はオフされる。このような電力用半導体素子４１〜４６のオン・オフの組み合わせを、スイッチングパターンＡとする。
【００６９】
スイッチングパターンＡでは、図８（ａ）に示されるように、Ｐバスバー３１から電力用半導体素子４１−出力導体６０ｕ−Ｕ相コイル７５ｕ−中性点７６へ至る電流経路が形成され、さらに、中性点７６からは、Ｗ相コイル７５ｗ−出力導体６０ｗ−電力用半導体素子５４を経てＮバスバー３２へ至る電流経路が形成される。この結果、図７に示されるように、コンデンサ電流ｉｄとしては、Ｕ相電流が測定される。
【００７０】
一方、時刻ｔ２〜ｔ３間では、スイッチングパターンＡと比較して、Ｖ相において上アームおよび下アームの電力用半導体素子のオン・オフが入れ替る。すなわち、電力用半導体素子４１，４３，４６はオンされる一方で、電力用半導体素子４２，４４，４５はオフされる。このような電力用半導体素子４１〜４６のオン・オフの組み合わせを、スイッチングパターンＢとする。
【００７１】
スイッチングパターンＢでは、図８（ｂ）に示されるように、Ｐバスバー３１と中性点７６との間には、電電力用半導体素子４１−出力導体６０ｕ−Ｕ相コイル７５ｕを経る電流経路と、電力用半導体素子４３−出力導体６０ｖ−Ｖ相コイル７５ｖを経る電流経路とが並列に形成される。さらに中性点７６およびＮバスバー３２の間には、Ｗ相コイル７５ｗ−出力導体６０ｗ−電力用半導体素子４６の電流経路が形成される。これにより、図７に示すように、時刻ｔ２〜ｔ３の間では、Ｕ相電流およびＶ相電流の和がコンデンサ電流ｉｄとして計測される。
【００７２】
次に、時刻ｔ３〜ｔ４の間では、スイッチングパターンＢと比較して、Ｗ相において上アームおよび下アームの電力用半導体素子のオン・オフが入れ替る。すなわち、電力用半導体素子４１，４３，４５はオンされる一方で、電力用半導体素子４２，４４，４６はオフされる。このような電力用半導体素子４１〜４６のオン・オフの組み合わせを、スイッチングパターンＣとする。
【００７３】
スイッチングパターンＣでは、図８（ｃ）に示されるように、Ｐバスバー３１および中性点７６の間には、スイッチングパターンＢと同様に、電力用半導体素子４１−出力導体６０ｕ−Ｕ相コイル７５ｕを経る電流経路と、電力用半導体素子４３−出力導体６０ｖ−Ｖ相コイル７５ｖを経る電流経路とが並列に形成される。中性点７６に流入した電流は、Ｗ相コイル７５ｗ−出力導体６０ｗ−逆並列ダイオード５５を介して、Ｐバスバー３１へ還流される。この結果、図７に示すように、時刻ｔ３〜ｔ４間では、コンデンサ電流ｉｄ＝０となる。
【００７４】
時刻ｔ４〜ｔ５間、時刻ｔ５〜ｔ６間および時刻ｔ６〜ｔ７間では、スイッチングパターンＣ、スイッチングパターンＢおよびスイッチングパターンＡがそれぞれ実現される。
【００７５】
次に、たとえばＶ相の下アーム素子である電力用半導体素子４４に短絡故障が発生した場合に、コンデンサ電流ｉｄがどのように変化するかについて説明する。
【００７６】
図９は、インバータ装置３０のスイッチングパターンとコンデンサ電流ｉｄとの異常時における関係を示す図であり、図１０は、図９に示した各スイッチングパターンにおけるインバータ電流を説明する回路図である。
【００７７】
図９を参照して、時刻ｔ１〜ｔ７のそれぞれにおけるスイッチングパターンは図７と同様である。すなわち、スイッチングパターンＡ，ＢおよびＣが図７と同様の順序で実現されている。
【００７８】
図１０（ａ）を参照して、スイッチングパターンＡでは、短絡故障したＶ相下アーム素子である電力用半導体素子４４（故障素子）と同相の上アーム素子（電力用半導体素子４３）がオフされているため、インバータ内の電流経路は図８（ａ）の場合と同様である。このため、図９に示すように、コンデンサ電流ｉｄも図７と同様に測定される。
【００７９】
これに対して、図１０（ｂ）に示されるスイッチングパターンＢでは、故障素子と同相の上アーム素子である電力用半導体素子４３がターンオンされる。これにより、図８（ｂ）に示した通常の電流経路に加えて、ターンオンされた電力用半導体素子４３および短絡故障の電力用半導体素子４４を介してＰバスバー３１およびＮバスバー３２の間に短絡経路２００が形成される。これにより大きな短絡電流が発生し、図９に示されるように、コンデンサ電流ｉｄが異常に増大する。
【００８０】
図１０（ｃ）を参照して、スイッチングパターンＣにおいても、図８（ｃ）に示した通常の電流経路に加えて、電力用半導体素子４３および４４による短絡電流経路が形成されて、コンデンサ電流ｉｄとして現れる。
【００８１】
図９に示されるように、故障素子と同相アームを構成する電力用半導体素子４３がターンオンするようにスイッチングパターンを切換えたタイミングから短絡電流が発生し、コンデンサ電流ｉｄが増大する。
【００８２】
したがって、インバータ制御部３５は、コアレス電流センサ１２０によるコンデンサ電流ｉｄによって測定されるコンデンサ電流ｉｄが所定の閾値（たとえば図９におけるｉｔｈ）を超えるのを検知することにより、電力用半導体素子４１〜４６のいずれかでの短絡故障を検知できる。短絡故障の検知時には、たとえばインバータ装置３０の動作を強制停止するために、各電力用半導体素子４１および４６に対して強制的なオフ指令がインバータ制御部３５から発せられる。
【００８３】
また、インバータ制御部３５は、コンデンサ電流ｉｄが所定の閾値を超えたタイミングと、電力用半導体素子４１〜４６のスイッチングパターンとの関係に基づいて、電力用半導体素子４１〜４６から故障素子を特定できる。
【００８４】
以上説明したように、この発明によるコンデンサ装置を備えた電源システムでは、インバータ装置の入力側に接続されたコンデンサ装置を筐体内に格納してコンパクトな構成とするとともに、当該筐体内にインバータ装置の短絡故障を検出可能な電流センサをも格納することが可能な構成としたので、電源システム全体の搭載効率を向上させることができる。
【００８５】
さらに、コンデンサ装置の筐体内にコアレス電流センサを配置した構成とするため、コンデンサ電流を測定するために、コンデンサ装置とインバータ装置との間にシャント抵抗を挿入する構成や、磁性体コアを用いた電流センサを設ける構成と比較して、コンデンサ装置とインバータ装置との間の寄生インダクタンス値を低下させることができる。これにより、インバータ装置を構成する電力用半導体素子に発生するサージ電圧等を抑制して、電源システム全体を安定的に動作させることができる。
【００８６】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】この発明によるコンデンサ装置を備えた電源システムの全体構成を示す回路図である。
【図２】図１に示したコンデンサ装置の第１の構成例を示す平面図である。
【図３】図２に対応する底面図である。
【図４】図２におけるＩＶ−ＩＶ断面図である。
【図５】図１に示したコンデンサ装置の第２の構成例を示す平面図である。
【図６】図５に対応する底面図である。
【図７】インバータ装置のスイッチングパターンとコンデンサ電流ｉｄとの正常時における関係を示す図である。
【図８】図７に示した各スイッチングパターンにおけるインバータ電流を説明する回路図である。
【図９】インバータ装置のスイッチングパターンとコンデンサ電流ｉｄとの異常時における関係を示す図である。
【図１０】図９に示した各スイッチングパターンにおけるインバータ電流を説明する回路図である。
【符号の説明】
【００８８】
１０  電源システム、２０  バッテリ、２１  バッテリ正ライン、２２  バッテリ負ライン、３０  三相インバータ装置、３１  Ｐバスバー（正側母線）、３２  Ｎバスバー（負側母線）、３５  インバータ制御部、４１〜４６  電力用半導体素子、５１〜５６  逆並列ダイオード、６０ｕ，６０ｖ，６０ｗ  出力導体、７０  三相交流モータ、７５ｕ，７５ｖ，７５ｗ  各相コイル、７６  中性点、１００   コンデンサ装置、１０１〜１０４  導体、１１０  コンデンサ（フィルムコンデンサ）、１１０♯  フィルムコンデンサユニット、１２０  コアレス電流センサ、１２２  ＩＣピン、１２５  配線、１５０  プリント基板、１３０  筐体、１３１〜１３５  端子、１３７  Ｐ電極、１３８  Ｎ電極、１６０  絶縁物、２００  短絡経路、ｉｄ  コンデンサ電流。
【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】
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【図９】
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【図１０】
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