JP2017195734A - 交流回転機の制御装置及び制御方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】交流回転機を３相短絡状態にした場合に、電力変換器の上アームと下アームのスイッチング素子の同時オンによる直流電源のショートが継続することを防止する。
【解決手段】異常を検知した時に、上アームまたは下アームの何れか１つのアームに接続された複数のスイッチング素子をすべてオフにし、オフにしないアームに接続されている複数のスイッチング素子をすべてオンにするスイッチング停止手段１４と、スイッチング停止手段１４を作動させてもなお異常が検知され続ける場合、スイッチング停止手段１４による動作とはオンとオフが逆になるように、上アームと下アームに接続されたスイッチング素子をオンまたはオフにするスイッチング停止手段１５と、スイッチング停止手段１５を作動させてもなお異常が検知され続ける場合、上アームと下アームのすべてスイッチング素子をオフにするスイッチング停止手段１６を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流回転機の制御装置及び制御方法、特に、スイッチング素子に異常が発生した時の保護装置および保護方法を設けた交流回転機の制御装置及び制御方法に関するものである。
電気自動車やハイブリッド自動車の電動車両に搭載されて駆動用交流回転機と接続される交流回転機の制御装置は、直流電源から供給される交流回転機駆動用の直流電力を交流電力に変換したり、交流回転機から発生された交流電力を直流電源充電用の直流電力に変換したりする電力変換機能を有している。
このような電力変換機能を実現するために、交流回転機の制御装置では、MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)などのスイッチング素子が一般的に使用されている。
永久磁石同期交流回転機を搭載した電動車両の場合、交流回転機の回転数が上がるのに従ってロータに取り付けられている磁石から生じる誘起電圧が上昇する。この誘起電圧がスイッチング素子等の耐圧を超えないように交流回転機の制御装置で抑制する手段が設けられている。
例えば、特許文献１のインバータ保護方法およびその装置では、直流電源の高電圧側に接続される上アームのスイッチング素子、また直流電源の低電圧側に接続させる下アームのスイッチング素子のいずれか一方をすべてオン状態とし３相短絡状態とすることで交流回転機と交流回転機の制御装置間で電流を還流させて過電圧を抑制する。
特開２００２−１９９７４４号公報
スイッチング素子がオン状態のままとなるような短絡故障発生した場合でも過電圧を抑制するために３相短絡状態にするが、特許文献１のインバータ保護方法およびその装置では、上アームと下アームのどちらかのアームの全てのスイッチング素子をオンにするため、例えば上アームのどれかのスイッチング素子が短絡故障を発生している場合に下アームの全てのスイッチング素子をオンとする３相短絡を行うと、短絡故障を生じているスイッチング素子が存在する相で継続的に直流電源に短絡を生じさせてしまうという問題があった。
本発明は、上記のような課題を解消するためになされたもので、３相短絡状態にした場合に、上アームと下アームのスイッチング素子の同時オンによる直流電源の継続的な短絡を防止する交流回転機の制御装置及び制御方法を提供することを目的とする。
本発明に係る交流回転機の制御装置は、交流回転機の各相に駆動電流を供給する上アーム及び下アームにそれぞれ接続されたスイッチング素子を有する電力変換器と、交流回転機または交流回転機の制御装置の異常を検知する異常検知手段を備えた交流回転機の制御装置において、異常検知手段によって異常を検知した時に、上アームまたは下アームの何れか１つのアームに接続された複数のスイッチング素子をすべてオフにし、オフにしないアームに接続されている複数のスイッチング素子をすべてオンにする第１のスイッチング停止手段と、第１のスイッチング停止手段を作動させてもなお異常検知手段によって異常が検知され続ける場合、第１のスイッチング停止手段による動作とはオンとオフが逆になるように、上アームと下アームに接続されたスイッチング素子をオンまたはオフにする第２のスイッチング停止手段を備えている。
本発明に係る交流回転機の制御装置によれば、３相短絡状態にした場合に、上アームと下アームのスイッチング素子の同時オンによる直流電源の継続的な短絡を防止できる。また、上アームと下アームのどちらが異常かを検知することができる。
本発明の実施の形態１による交流回転機の制御装置示す概略構成図である。 本発明の実施の形態１による交流回転機の制御装置の処理を示すフローチャートである。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による交流回転機の制御装置の概略構成を示している。なお、本発明に係る交流回転機の制御方法も、交流回転機の制御装置の動作において同時に説明される。
交流回転機の制御装置１は、上アームのスイッチング素子２と下アームのスイッチング素子５のセット、上アームのスイッチング素子３と下アームのスイッチング素子６のセット、上アームのスイッチング素子４と下アームのスイッチング素子７のセットの３セットで構成された電力変換器（インバータ制御装置ともいう）を有しており、各々のスイッチング素子２〜７を電力変換器制御部（インバータ制御部ともいう）であるマイコン８の指示でオン、オフすることで直流電源９から得られた直流電力を交流電力に変換したり、交流回転機１０から得られた交流電力を直流電力に変換したりする装置である。
平滑コンデンサ１１は、上アームのスイッチング素子２〜４と下アームのスイッチング素子５〜７のオン、オフ切り替え時に生じるサージ電圧や力行回生時の電源電圧を平滑化するために設けられている。
コンタクタ１２は直流電源９と交流回転機の制御装置１との電力授受の遮断と導通を切り替えるスイッチである。
マイコン８には、交流回転機または交流回転機の制御装置の異常（例えば、スイッチング素子に過電流が流れた等）を検知する異常検知手段１３と、各々のスイッチング素子を断続的にオンすることを停止する第１のスイッチング停止手段１４（スイッチング停止手段Ａとも称す）、第２のスイッチング停止手段１５（スイッチング停止手段Ｂとも称す）、第３のスイッチング停止手段１６（スイッチング停止手段Ｃとも称す）と、上アームのスイッチング素子２〜４と下アームのスイッチング素子５〜７の故障を検出する第１のアーム故障検出手段１７（アーム故障検出手段Ａとも称す）、第２のアーム故障検出手段１８（アーム故障検出手段Ｂとも称す）が設けられている。
図２は、本発明の実施の形態１における交流回転機の制御装置１の処理を示すフローチャートであり、マイコン８内で処理する。ここで、処理は、マイコン８内で処理するとしたが、倫理回路等のハードウェア回路で構成しても良い。
以下、図２のフローチャートを参照しながら、本発明の実施の形態１に係る交流回転機の制御装置について説明する。
まず、ステップＳ１０１において、故障検知したか否かを判定する。
実施の形態１では故障として上アーム又は下アームのスイッチング素子の少なくともどれか１つが短絡故障（オン状態が維持される）を生じた場合として動作を説明する。
例えば上アームのスイッチング素子２に短絡故障が発生すると、下アームのスイッチング素子５が断続的にオンに制御される毎に直流電源９または平滑コンデンサ１１が交流回転機の制御装置１内の回路によって短絡になり、上アームのスイッチング素子２と下アームのスイッチング素子５に過電流が流れる。過電流は、例えば、過電流を検知する機能が付いたプリドライバＩＣ（図示せず）等で、スイッチング素子の端子電圧（例えば、MOSFETの場合、過電流になるとドレイン-ソース間に大電流が流れるため、ドレイン-ソース間の電位差が大きくなる）が所定値以上か否かを判定することにより検出される。
ステップＳ１０１において、断続的に過電流が検出されることで故障検知したと判定した場合は、ステップＳ１０２に進む。この故障検知ステップは、図１の第１の異常検知手段１３によって実施される。
ステップＳ１０１において、故障検知していないと判定した場合はすべてのスイッチング素子が正常動作状態であると判断して、処理を終了する。
ステップＳ１０２では、上アームまたは下アームのどちらか片方のアームの全てのスイッチング素子をオフにする指令をマイコン８から出力する。さらに、オフにしなかったアームの全てのスイッチング素子をオンにする指令をマイコン８から出力する。この指令は、図１の第１のスイッチング停止手段１４によって第１のスイッチング停止ステップとして実施される。その後、ステップＳ１０３に進み、故障検知したか否かを判定する。この故障検知ステップは、図１の異常検知手段１３によって実施される。
ステップＳ１０３において、故障検知したと判定した場合は、ステップＳ１０５に進む。
ステップＳ１０３において、故障検知していないと判定した場合は、ステップＳ１０４に進み、ステップＳ１０２でオンにした側のアームのスイッチング素子の少なくとも１つに異常が発生していると判断して、処理を終了する。この判断は、図１の第１のアーム故障検出手段１７によって第１のアーム故障検出ステップとして実施される。
ステップＳ１０５では、ステップＳ１０２でオンにしたアームの全てのスイッチング素子をオフにする指令をマイコン８から出力する。さらに、ステップＳ１０２でオフにしたアームの全てのスイッチング素子をオンにする指令をマイコン８から出力する。この指令は、図１の第２のスイッチング停止手段１５によって第２のスイッチング停止ステップとして実施される。その後、ステップＳ１０６に進み、故障検知したか否かを判定する。この故障検知ステップは、図１の異常検知手段１３によって実施される。
ステップＳ１０６において、故障検知したと判定した場合は、ステップＳ１０８に進む。ステップＳ１０６において、故障検知していないと判定した場合は、ステップＳ１０７に進み、ステップＳ１０５でオンにした側のアームのスイッチング素子の少なくとも１つに異常が発生していると判断して、処理を終了する。この判断は、図１の第１のアーム故障検出手段１７によって第１のアーム故障検出ステップとして実施される。
ステップＳ１０８では、上アームと下アームの全てのスイッチング素子をオフにする指令をマイコン８から出力する。この指令は、図１の第３のスイッチング停止手段１６によって第３のスイッチング停止ステップとして実施される。その後、ステップＳ１０９に進み、上アームのスイッチング素子の少なくとも１つに異常が発生しており、かつ下アームのスイッチング素子の少なくとも１つに異常が発生していると判断（両アームの異常と判定）して、処理を終了する。この判断は、図１の第２のアーム故障検出手段１８によって第２のアーム故障検出ステップとして実施される。
このように、本実施の形態によれば、第１のスイッチング停止手段１４による第１のスイッチング停止ステップ、第２のスイッチング停止手段１５による第２のスイッチング停止ステップ、および第３のスイッチング停止手段１６による第３のスイッチング停止ステップのそれぞれにおいて、異常検知を行うことにより、３相短絡状態にした場合に、上アームと下アームのスイッチング素子の同時オンによる直流電源の継続的な短絡を防止できる。また、上アームと下アームのどちらが異常かを検知することができる。
本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、その発明の範囲において、実施の形態を適宜変更することができる。
１ 交流回転機の制御装置、２〜７ スイッチング素子、８ マイコン、９ 直流電源、１０ 交流回転機、１１ 平滑コンデンサ、１２ コンタクタ、１３ 異常検知手段、１４ 第１のスイッチング停止手段、１５ 第２のスイッチング停止手段、１６ 第３のスイッチング停止手段、１７ 第１のアーム故障検出手段、１８ 第２のアーム故障検出手段
本発明に係る交流回転機の制御装置は、交流回転機の各相に駆動電流を供給する上アーム及び下アームにそれぞれ接続されたスイッチング素子を有する電力変換器と、交流回転機または交流回転機の制御装置の異常を検知する異常検知手段を備えた交流回転機の制御装置において、異常検知手段によって異常を検知した時に、上アームまたは下アームの何れか１つのアームに接続された複数のスイッチング素子をすべてオフにし、オフにしないアームに接続されている複数のスイッチング素子をすべてオンにする第１のスイッチング停止手段と、第１のスイッチング停止手段を作動させてもなお異常検知手段によって異常が検知され続ける場合、第１のスイッチング停止手段による動作とはオンとオフが逆になるように、上アームと下アームに接続されたスイッチング素子をオンまたはオフにする第２のスイッチング停止手段と、第１のスイッチング停止手段が作動した時、または、第２のスイッチング停止手段が作動した時のどちらで異常検知手段によって異常を検出しなくなったかにより、第１のスイッチング停止手段または第２のスイッチング停止手段でオンしたスイッチング素子を有するアームの異常と判定し、上アームの故障か下アームの故障か判定する第１のアーム故障検出手段と、第２のスイッチング停止手段を作動させてもなお異常検知手段によって異常が検知され続ける場合、上アームと下アームのすべてのスイッチング素子をオフにする第３のスイッチング停止手段と、第３のスイッチング停止手段が作動した場合は、上アームと下アームの両方が故障と判定する第２のアーム故障検出手段とを備えている。

Claims (10)

  1. 交流回転機の各相に駆動電流を供給する上アーム及び下アームにそれぞれ接続されたスイッチング素子を有する電力変換器と、前記交流回転機または前記交流回転機の制御装置の異常を検知する異常検知手段を備えた交流回転機の制御装置において、
    前記異常検知手段によって異常を検知した時に、前記上アームまたは前記下アームの何れか１つのアームに接続された複数のスイッチング素子をすべてオフにし、オフにしないアームに接続されている複数のスイッチング素子をすべてオンにする第１のスイッチング停止手段と、前記第１のスイッチング停止手段を作動させてもなお前記異常検知手段によって異常が検知され続ける場合、前記第１のスイッチング停止手段による動作とはオンとオフが逆になるように、前記上アームと前記下アームに接続されたスイッチング素子をオンまたはオフにする第２のスイッチング停止手段を備えたことを特徴とする交流回転機の制御装置。
  2. 前記第１のスイッチング停止手段が作動した時、または、前記第２のスイッチング停止手段が作動した時のどちらで前記異常検知手段によって異常を検出しなくなったかにより前記上アームの故障か前記下アームの故障か判定する第１のアーム故障検出手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の交流回転機の制御装置。
  3. 前記第２のスイッチング停止手段を作動させてもなお前記異常検知手段によって異常が検知され続ける場合、前記上アームと前記下アームのすべてのスイッチング素子をオフにする第３のスイッチング停止手段を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の交流回転機の制御装置。
  4. 前記第３のスイッチング停止手段が作動した場合は、前記上アームと前記下アームの両方が故障と判定する第２のアーム故障検出手段を備えたことを特徴とする請求項３に記載の交流回転機の制御装置。
  5. 前記異常検知手段は、前記スイッチング素子の過電流を検知することを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の交流回転機の制御装置。
  6. 交流回転機の各相に駆動電流を供給する上アーム及び下アームにそれぞれ接続されたスイッチング素子を有する電力変換器を制御して前記交流回転機の制御を行う制御方法において、前記交流回転機または前記交流回転機の制御装置の異常を検知した時に、前記上アームまたは下アームの何れか１つのアームに接続された複数のスイッチング素子をすべてオフにし、オフにしないアームに接続されている複数のスイッチング素子をすべてオンにする第１のスイッチング停止ステップと、前記第１のスイッチング停止ステップを作動させてもなお異常が検知され続ける場合、前記第１のスイッチング停止ステップによる動作とはオンとオフが逆になるように、前記上アームと前記下アームに接続されたスイッチング素子をオンまたはオフにする第２のスイッチング停止ステップを有したことを特徴とする交流回転機の制御方法。
  7. 前記第１のスイッチング停止ステップが作動した時、または、前記第２のスイッチング停止ステップが作動した時のどちらで異常を検出しなくなったかにより前記上アームの故障か前記下アームの故障か判定する第１のアーム故障検出ステップを有したことを特徴とする請求項６に記載の交流回転機の制御方法。
  8. 前記第２のスイッチング停止ステップを作動させてもなお異常が検知され続ける場合、前記上アームと前記下アームのすべてのスイッチング素子をオフにする第３のスイッチング停止ステップを有したことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の交流回転機の
    制御方法。
  9. 前記第３のスイッチング停止ステップが作動した場合は、前記上アームと前記下アームの両方が故障と判定する第２のアーム故障検出ステップを有したことを特徴とする請求項８に記載の交流回転機の制御方法。
  10. 異常検知は、前記スイッチング素子の過電流を検知することを特徴とする請求項６から請求項９の何れか一項に記載の交流回転機の制御方法。
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