(57)【要約】【課題】電流センサの数を少なくして低コスト化を図りつつ電流センサの故障を検出し、高速スイッチング素子を使用可能にした三相インバータ装置を提供する。【解決手段】主回路３１と制御回路２０とを備えた三相インバータ装置において、Ｕ，Ｗ相の出力電流をそれぞれ検出する電流センサ７ｕ，７ｗと、Ｖ相の下アームに設けられる電流センス付きスイッチング素子４Ａと、を有し、制御回路２０は、電流センサ７ｕ，７ｗによる電流検出値を用いて主回路３１のスイッチング素子１〜３，４Ａ，５，６の駆動信号を生成する駆動信号生成手段２１と、電流センス付きスイッチング素子４Ａによる検出信号に基づいてＶ相の出力電流を推定する検出特性補正手段２２Ｖと、電流センサ７ｕ，７ｗによる電流検出値と検出特性補正手段２２Ｖによる電流推定値とに基づいて、電流センサ７ｕ，７ｗの故障を検出する故障検出手段２３と、を備える。【選択図】図１
2017060276.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下アームに半導体スイッチング素子をそれぞれ有する一相分のスイッチング素子直列回路を三相分備え、前記上下アームの半導体スイッチング素子同士の直列接続点が各相の交流出力端子として負荷にそれぞれ接続されるインバータ主回路と、
前記インバータ主回路の出力電流検出値を用いて前記半導体スイッチング素子の駆動信号を生成する制御回路と、を備えた三相インバータ装置において、
前記インバータ主回路の二相の出力電流をそれぞれ検出する電流センサと、
前記電流センサにより出力電流が検出される相以外の一相の上アームまたは下アームにおける前記半導体スイッチング素子として設けられる電流センス付きスイッチング素子と、
を有し、
前記制御回路は、
前記電流センサによる電流検出値を用いて前記駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、
前記電流センス付きスイッチング素子による検出信号に基づいて前記電流センス付きスイッチング素子が設けられた一相の出力電流を推定する電流推定手段と、
前記電流センサによる電流検出値と前記電流推定手段による電流推定値とに基づいて、前記電流センサの故障を検出する故障検出手段と、
を備えたことを特徴とする三相インバータ装置。
【請求項２】
上下アームに半導体スイッチング素子をそれぞれ有する一相分のスイッチング素子直列回路を三相分備え、前記上下アームの半導体スイッチング素子同士の直列接続点が各相の交流出力端子として負荷にそれぞれ接続されるインバータ主回路と、
前記インバータ主回路の出力電流検出値を用いて前記半導体スイッチング素子の駆動信号を生成する制御回路と、を備えた三相インバータ装置において、
前記インバータ主回路の二相の出力電流をそれぞれ検出する電流センサと、
前記電流センサにより出力電流が検出される二相の上アームまたは下アームにおける前記半導体スイッチング素子としてそれぞれ設けられる電流センス付きスイッチング素子と、
を有し、
前記制御回路は、
前記電流センサによる電流検出値を用いて前記駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、
前記電流センス付きスイッチング素子による検出信号に基づいて、前記電流センス付きスイッチング素子が設けられた二相の出力電流をそれぞれ推定する電流推定手段と、
前記電流センサによる電流検出値と前記電流推定手段による電流推定値とに基づいて、前記電流センサの故障を検出する故障検出手段と、
を備えたことを特徴とする三相インバータ装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載した三相インバータ装置において、
前記電流センス付きスイッチング素子の出力端子の電位を、前記制御回路の基準電位と同一にしたことを特徴とする三相インバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三相インバータ装置の出力電流センサの故障を検出する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図３は、特許文献１に記載されているモータ駆動システムの構成図である。
図３において、１０１は直流電源、１０２は三相のインバータ、１０３ｕ，１０３ｖ，１０３ｗはインバータ１０２の各相出力電流を検出する電流センサ、２００は制御装置、２０１は電流検出部、２０２は電流推定部、２０３は電流センサ故障推定部、２０４は制御回路、Ｍはモータである。
【０００３】
このシステムの通常の動作としては、電流センサ１０３ｕ，１０３ｖ，１０３ｗ及び電流検出部２０１により取得した各相の電流検出値ｉｕ，ｉｖ，ｉｗに基づき、制御回路２０４がスイッチング指令を生成してインバータ１０２の半導体スイッチング素子をオン・オフ制御することにより、インバータ１０２から所定の大きさ及び周波数の三相交流電圧を出力してモータＭを駆動する。
【０００４】
電流推定部２０２は、電流検出値ｉｕ，ｉｖ，ｉｗのうち任意の二相、例えばＵ，Ｖ相の電流検出値ｉｕ，ｉｖを用いて残りのＷ相の電流検出値を推定し（その電流推定値をｉｗａ＝−（ｉｕ＋ｉｖ）とする）、電流センサ故障推定部２０３に出力する。この動作、すなわち、任意の二相の電流検出値の選択及び残り一相の電流推定値の演算を一定周期で繰り返し実行することにより、電流センサ故障推定部２０３には、各相の電流検出値ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ及び電流推定値ｉｕａ，ｉｖａ，ｉｗａが逐次、入力されることになる。
【０００５】
電流センサ故障推定部２０３は、三相各相について、一周期分の電流検出値及び電流推定値を用いて各平均値をそれぞれ求め、その平均値が０になっていない相の電流センサが故障していると推定する。仮に、Ｗ相の電流センサ１０３ｗの故障が推定される場合には、その情報を電流検出部２０１に送り、電流検出部２０１からはＷ相を除いたＵ，Ｖ相の電流検出値ｉｕ，ｉｖを制御回路２０４に出力し、Ｗ相については、電流推定部２０２により求めた電流推定値ｉｗａを制御回路２０４に出力する。
上記の動作により、制御回路２０４は、電流検出値ｉｕ，ｉｖ及び電流推定値ｉｗａを用いて所定の演算処理を行い、スイッチング指令を生成するものである。
【０００６】
特許文献１に記載された技術によれば、ある相の電流センサが故障していても、その相の電流推定値と他の正常な二相の電流検出値とを用いることで、インバータ１０２によりモータＭを支障なく駆動することができる。
しかしながら、この先行技術では電流センサを三相分、備える必要があるため、装置が大型化し、コストが増加するという問題がある。
なお、電流センサの故障検出方法としては、電流センサを二重化して各センサの検出値を比較する方法が知られているが、このような冗長化対策では前記同様に大型化や高コスト化を避けることができない。
【０００７】
一方、特許文献２には、電流センサを用いずに、いわゆる電流センス付きの半導体スイッチング素子により各相の電流を検出する技術が開示されている。
図４は、特許文献２に記載されたモータ駆動システムの構成図であり、３００はインバータ、３０１〜３０６は半導体スイッチング素子、３０７はコンデンサ、３０８ａ，３０８ｂ，３１０ａ，３１０ｂ，３１２ａ，３１２ｂは電流検出部、３０９，３１１，３１３は加算器、４００は制御回路である。なお、インバータ３００の各相の下アームのスイッチング素子３０２，３０４，３０６には、センスエミッタ及びセンスダイオードをそれぞれ備えた電流センス付きの素子が使用されている。
【０００８】
上記インバータ３００では、スイッチング素子３０２，３０４，３０６のセンスエミッタ及びセンスダイオードに流れる電流を電流検出部３０８ａ，３０８ｂ，３１０ａ，３１０ｂ，３１２ａ，３１２ｂによってそれぞれ検出すると共に、これらの電流検出値を加算器３０９，３１１，３１３にて相ごとに加算することにより、インバータ３００の各相の出力電流を離散的な正弦波電流として推定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−２２６４５号公報（段落［００２３］〜［００２８］、図１，図２等）
【特許文献２】特許第５３０４９６７号公報（段落［０００５］〜［０００７］、図１，図１０等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献２に記載された技術によれば、特許文献１における各相の電流センサ１０３ｕ，１０３ｖ，１０３ｗが不要になるので、装置の小型化やコストの低減が可能である。
しかし、特許文献２では、下アームのスイッチング素子３０２，３０４，３０６に対する駆動パルスの幅が狭くなると出力電流の推定が困難になるため、インバータ３００をＰＷＭ制御する場合のスイッチング周波数や電圧振幅指令の上限値が制約を受ける。
このように、特許文献２ではスイッチング周波数等の制約があるため、例えば、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）等のワイドバンドギャップ半導体材料を用いた高速スイッチング素子を使用した場合に、その利点である高速化、低損失等の利点を十分に活かすことができないという問題があった。
【００１１】
そこで、本発明の解決課題は、電流センサの数を減らして装置の小型化、低コスト化を図りつつ電流センサの故障を検出し、更に、スイッチング周波数等の制約を受けることなく高速スイッチング素子を使用可能にした三相インバータ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、上下アームに半導体スイッチング素子をそれぞれ有する一相分のスイッチング素子直列回路を三相分備え、前記上下アームの半導体スイッチング素子同士の直列接続点が各相の交流出力端子として負荷にそれぞれ接続されるインバータ主回路と、
前記インバータ主回路の出力電流検出値を用いて前記半導体スイッチング素子の駆動信号を生成する制御回路と、を備えた三相インバータ装置において、
前記インバータ主回路の二相の出力電流をそれぞれ検出する電流センサと、
前記電流センサにより出力電流が検出される相以外の一相の上アームまたは下アームにおける前記半導体スイッチング素子として設けられる電流センス付きスイッチング素子と、
を有し、
前記制御回路は、
前記電流センサによる電流検出値を用いて前記駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、
前記電流センス付きスイッチング素子による検出信号に基づいて前記電流センス付きスイッチング素子が設けられた一相の出力電流を推定する電流推定手段と、
前記電流センサによる電流検出値と前記電流推定手段による電流推定値とに基づいて、前記電流センサの故障を検出する故障検出手段と、を備えたものである。
【００１３】
請求項２に係る発明は、上下アームに半導体スイッチング素子をそれぞれ有する一相分のスイッチング素子直列回路を三相分備え、前記上下アームの半導体スイッチング素子同士の直列接続点が各相の交流出力端子として負荷にそれぞれ接続されるインバータ主回路と、
前記インバータ主回路の出力電流検出値を用いて前記半導体スイッチング素子の駆動信号を生成する制御回路と、を備えた三相インバータ装置において、
前記インバータ主回路の二相の出力電流をそれぞれ検出する電流センサと、
前記電流センサにより出力電流が検出される二相の上アームまたは下アームにおける前記半導体スイッチング素子としてそれぞれ設けられる電流センス付きスイッチング素子と、
を有し、
前記制御回路は、
前記電流センサによる電流検出値を用いて前記駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、
前記電流センス付きスイッチング素子による検出信号に基づいて、前記電流センス付きスイッチング素子が設けられた二相の出力電流をそれぞれ推定する電流推定手段と、
前記電流センサによる電流検出値と前記電流推定手段による電流推定値とに基づいて、前記電流センサの故障を検出する故障検出手段と、を備えたものである。
【００１４】
請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載した三相インバータ装置において、前記電流センス付きスイッチング素子の出力端子の電位を、前記制御回路の基準電位と同一にしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、三相全ての出力電流を電流センサにより検出する場合に比べて電流センサの数が少なくて済むため、装置の小型化、低コスト化が可能であると共に、電流センサの故障を容易に検出することができる。
また、スイッチング素子の駆動信号は、二相の電流検出値に基づいて生成しているので、電流センス付きスイッチング素子による電流推定値に基づいて駆動信号を生成する場合に比べ、インバータをＰＷＭ制御する際のスイッチング周波数や電圧振幅指令の制約を受けにくいという効果がある。従って、三相インバータ装置としてワイドバンドギャップ半導体材料からなる高速かつ低損失のスイッチング素子を用いる場合に、これらの素子が有する利点を十分に発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１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】本発明の第２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３】特許文献１に記載されたモータ駆動システムの構成図である。
【図４】特許文献２に記載されたモータ駆動システムの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の第１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１において、三相のインバータ主回路３１は、直流電源１０と、その両端に接続された半導体スイッチング素子１〜３，４Ａ，５，６のブリッジ回路とから構成されている。スイッチング素子１，２の直列接続点はＵ相出力端子、スイッチング素子３，４Ａの直列接続点はＶ相出力端子、スイッチング素子５，６の直列接続点はＷ相出力端子として、負荷であるモータＭに接続されている。このモータＭには、回転子の回転角度を検出する角度センサ８が取り付けられている。
【００１８】
なお、Ｕ相出力電流、Ｗ相出力電流は電流センサ７ｕ，７ｗによってそれぞれ検出され、後述する制御回路２０に入力されている。この制御回路２０により生成されたゲート信号Ｇ１〜Ｇ６により、ゲート駆動回路１１〜１６を介してスイッチング素子１〜３，４Ａ，５，６がそれぞれオン・オフ制御される。
【００１９】
ここで、電流センサが設けられていないＶ相の下アームのスイッチング素子４Ａには、センスエミッタ４ｅ及びセンスダイオード４ｄを備えた電流センス付きのスイッチング素子が用いられている。そして、センスエミッタ４ｅ及びセンスダイオード４ｄはセンス検出信号処理回路１７に接続されている。なお、下アームのスイッチング素子４Ａに代えて、上アームのスイッチング素子３に電流センス付きのスイッチング素子を用いても良い。
【００２０】
本実施形態において、電流センス付きのスイッチング素子は、電流センサによって出力電流を検出している二相（図１の例ではＵ相、Ｗ相）以外の相（同じくＶ相）の下アームまたは上アームに設ければ良い。なお、図１に示すように、下アームのスイッチング素子４Ａを電流センス付きの素子とし、そのエミッタ電位を制御回路２０の基準電位（接地電位）と同一にすれば、インバータ主回路３１と制御回路２０との絶縁対策が不要になり、装置の低コスト化、小型化に有効である。
【００２１】
スイッチング素子１〜３，４Ａ，５，６には、ＳｉＣ等のワイドバンドギャップ半導体材料を用いた高速動作可能で低損失の素子を用いることが望ましい。また、スイッチング素子１〜３，４Ａ，５，６の種類としては、図示するようなＩＧＢＴだけでなく、ＦＥＴやバイポーラトランジスタであっても良い。
【００２２】
一方、制御回路２０は、駆動信号生成手段２１と、電流推定手段としての検出特性補正手段２２Ｖと、電流センサ故障検出手段２３とを備えている。
駆動信号生成手段２１は、電流センサ７ｕ，７ｗによるＵ相電流検出値ｉｕ及びＷ相電流検出値ｉｗと、角度センサ８による角度検出値と、トルク指令とに基づいて、スイッチング素子１〜３，４Ａ，５，６のゲート信号Ｇ１〜Ｇ６を生成する。
【００２３】
検出特性補正手段２２Ｖにはセンス検出信号処理回路１７の出力信号が入力されており、検出特性補正手段２２Ｖの出力であるＶ相電流推定値ｉｖａは、Ｕ相電流検出値ｉｕ及びＷ相電流検出値ｉｗと共に電流センサ故障検出手段２３に入力されている。この故障検出手段２３から、電流センサ７ｕまたは７ｗが故障していることを示す電流センサ故障検出信号が出力される。
検出特性補正手段２２Ｖの機能は、例えば図４における電流検出部３０８ａ，３０８ｂ及び加算器３０９が有する機能に相当している。つまり、検出特性補正手段２２Ｖは、センスエミッタ４ｅに流れる電流情報とセンスダイオード４ｄに流れる逆方向の電流（回生電流）情報との加算結果に基づいて、離散的な正弦波状のＶ相電流推定値ｉｖａを得る。
【００２４】
電流センサ故障検出手段２３は、入力されたＵ相電流検出値ｉｕ、Ｗ相電流検出値ｉｗ、及びＶ相電流推定値ｉｖａに基づいて、電流センサ７ｕまたは７ｗの故障を検出する。例えば、ｉｕ，ｉｗ，ｉｖａの和が０でない場合に、電流センサ７ｕ，７ｗの何れかが故障していると判断する。あるいは、一周期分の電流検出値ｉｕ，ｉｗの平均値をそれぞれ求め、その平均値が０になっていない相の電流センサが故障していると判断しても良い。
【００２５】
次に、この実施形態の動作を説明する。
いま、電流センサ７ｕ，７ｗが正常に動作している場合、駆動信号生成手段２１は、Ｕ相電流検出値ｉｕ及びＷ相電流検出値ｉｗと、ｉｖ＝−（ｉｕ＋ｉｗ）により求めたＶ相電流演算値ｉｖとを電流情報として用い、更にトルク指令及び角度検出値に基づいて所定の演算を行うことにより、ゲート信号Ｇ１〜Ｇ６を生成する。
この間、電流センサ故障検出手段２３により、電流センサ７ｕまたは７ｗの故障が検出されることはない。
【００２６】
電流センサ７ｕ，７ｗの何れかに故障が発生すると、電流センサ故障検出手段２３は、Ｕ相電流検出値ｉｕ、Ｗ相電流検出値ｉｗ、及びＶ相電流推定値ｉｖａの合計値が０にならないことから、電流センサ７ｕ，７ｗの何れかが故障したと判断して電流センサ故障検出信号を出力する。あるいは、電流センサが故障している相の電流検出値ｉｕまたはｉｗの一周期分の平均値が０ではなくなることにより、該当する相の電流センサ７ｕまたは７ｗが故障したと判断して電流センサ故障検出信号を出力する。
【００２７】
次に、図２は、本発明の第２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１と同一の機能を有する部品には同一の番号を付してあり、以下では図１と異なる部分を中心に説明する。
図２に示すインバータ主回路３２では、Ｕ相及びＷ相の下アームのスイッチング素子２Ａ，６Ａが電流センス付きのスイッチング素子であり、他のスイッチング素子１，３〜５は電流センス機能を備えていない。なお、図２において、２ｅ，６ｅはセンスエミッタ、２ｄ，６ｄはセンスダイオード、１８，１９はセンス検出信号処理回路である。
【００２８】
センス検出信号処理回路１８，１９の出力信号は、制御回路２５内の電流推定手段としての検出特性補正手段２２Ｕ，２２Ｗにそれぞれ入力され、これらの補正手段２２Ｕ，２２Ｗから出力されるＵ相電流推定値ｉｕａ、Ｗ相電流推定値ｉｗａが電流センサ故障検出手段２４に入力されている。なお、図１と同様に、Ｕ相電流検出値ｉｕ及びＷ相電流検出値ｉｗは、駆動信号生成手段２１と電流センサ故障検出手段２４とに入力されている。
つまり、この実施形態では、電流センス付きのスイッチング素子を用いる相と、電流センサ７ｕ，７ｗを設ける相とが一致（すなわち、Ｕ相，Ｗ相）している。
【００２９】
この実施形態における駆動信号生成手段２１の動作は図１と同様であり、Ｕ相電流検出値ｉｕ及びＷ相電流検出値ｉｗとＶ相電流演算値ｉｖとを電流情報として用い、更にトルク指令及び角度検出値に基づいて所定の演算を行うことにより、ゲート信号Ｇ１〜Ｇ６を生成する。
【００３０】
また、検出特性補正手段２２Ｕ，２２Ｗは、Ｕ相電流推定値ｉｕａ、Ｗ相電流推定値ｉｗａをそれぞれ求めて電流センサ故障検出手段２４に出力する。電流センサ故障検出手段２４にはＵ相電流検出値ｉｕ及びＷ相電流検出値ｉｗが入力されているので、Ｕ相電流検出値ｉｕをＵ相電流推定値ｉｕａと突き合わせ、Ｗ相電流検出値ｉｗをＷ相電流推定値ｉｗａと突き合わせれば、電流センサ７ｕ，７ｗの故障を検出して電流センサ故障検出信号を出力することが可能である。あるいは、電流センサが故障している相の電流検出値ｉｕまたはｉｗの一周期分の平均値が０ではなくなることにより、該当する相の電流センサ７ｕまたは７ｗが故障したと判断しても良い。
【００３１】
なお、電流センサ故障検出信号の利用方法としては、例えば、駆動信号生成手段２１を介してゲート信号Ｇ１〜Ｇ６を遮断し、または、アラームを発生させて電流センサの点検を促す等、特に限定されるものではない。
更に、本発明における故障検出手段は、インバータ主回路の三相全てに電流センサを有する三相インバータ装置にも適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、モータ駆動システム以外にも、種々の交流負荷を駆動する三相インバータ装置に利用することができる。
【符号の説明】
【００３３】
１〜６，２Ａ，４Ａ，６Ａ：半導体スイッチング素子
２ｄ，４ｄ，６ｄ：センスダイオード
２ｅ，４ｅ，６ｅ：センスエミッタ
７ｕ，７ｗ：電流センサ
８：角度センサ
１１〜１６：ゲート駆動回路
１７〜１９：センス検出信号処理回路
２０，２５：制御回路
２１：駆動信号生成手段
２２Ｕ，２２Ｖ，２２Ｗ：検出特性補正手段
２３，２４：電流センサ故障検出手段
３１，３２：インバータ主回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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