特開 2024-163797 電力変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024163797

(43)【公開日】2024-11-22

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20241115BHJP

   H02M 1/08 20060101ALI20241115BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 M

H02M1/08 A

H02M1/08 301A

H02M1/08 301B

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023079686

(22)【出願日】2023-05-12

(71)【出願人】

【識別番号】509186579

【氏名又は名称】日立Ａｓｔｅｍｏ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002365

【氏名又は名称】弁理士法人サンネクスト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】八幡 光一

(72)【発明者】

【氏名】ブイ チャン タオ

【テーマコード（参考）】

5H740

5H770

【Ｆターム（参考）】

5H740AA01

5H740AA03

5H740BA11

5H740BB05

5H740BB09

5H740BB10

5H740BC01

5H740BC02

5H740JA01

5H740JB01

5H740KK03

5H740KK04

5H740LL01

5H740MM01

5H770AA02

5H770BA01

5H770CA06

5H770DA03

5H770DA41

5H770EA01

5H770GA02

5H770GA04

5H770GA13

5H770HA02Y

5H770HA03W

5H770LA01X

(57)【要約】

【課題】ゲート抵抗の切替機能を有する電力変換装置の診断を実現してその信頼性を向上する。
【解決手段】スイッチング速度選択部３２は、電圧センサ１０と電流センサ２０によりそれぞれ計測された電圧ＨＶＤＣおよび電流Ｉｏの値に基づいて、パワートランジスタＴＰ１の目標スイッチング速度を選択し、目標スイッチング速度の選択結果に応じた切替指令Ｖｓｅｌをスイッチング速度切替部５３へ送信する。切替状態モニタ部７０は、スイッチング速度切替部５３においてスイッチング速度の切替に応じて変化するモニタ電圧Ｖｍｏｎを計測し、モニタ電圧Ｖｍｏｎのパルス幅を延長した診断用モニタ電圧Ｖｍｏｎｄを出力する。スイッチング速度切替診断部３３は、駆動信号ＰＷＭ、切替指令Ｖｓｅｌおよび診断用モニタ電圧Ｖｍｏｎｄに基づいて、スイッチング速度切替部５３の診断を行う。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数のパワー半導体素子を有し、前記パワー半導体素子のスイッチング動作によって直流電力を交流電力に変換する電力変換装置であって、
前記パワー半導体素子を駆動するゲート信号を生成して前記パワー半導体素子に出力するゲート信号生成部と、前記ゲート信号に応じた前記パワー半導体素子のスイッチング速度を切り替えるスイッチング速度切替部と、を有するドライブ回路と、
前記パワー半導体素子の駆動を制御する駆動信号を生成して前記ドライブ回路に出力する駆動信号生成部と、
前記直流電力の電圧を計測する電圧センサと、
前記交流電力の電流を計測する電流センサと、
前記電圧センサと前記電流センサによりそれぞれ計測された前記電圧および前記電流の値に基づいて、前記パワー半導体素子の目標スイッチング速度を選択し、前記目標スイッチング速度の選択結果に応じた切替指令を前記スイッチング速度切替部へ送信するスイッチング速度選択部と、
前記スイッチング速度切替部において前記スイッチング速度の切替に応じて変化するモニタ電圧を計測し、前記モニタ電圧のパルス幅を延長した診断用モニタ電圧を出力する切替状態モニタ部と、
前記駆動信号、前記切替指令および前記診断用モニタ電圧に基づいて、前記スイッチング速度切替部の診断を行うスイッチング速度切替診断部と、を備える電力変換装置。

【請求項2】

請求項１に記載の電力変換装置であって、
前記ゲート信号生成部は、所定のバイアス電圧が印加されたターンオン用ゲート抵抗と、前記パワー半導体素子の低電位側に接続された第１のターンオフ用ゲート抵抗と、を有し、前記パワー半導体素子のゲート端子の接続先を前記ターンオン用ゲート抵抗と前記第１のターンオフ用ゲート抵抗との間で切り替えることにより前記ゲート信号を生成し、
前記スイッチング速度切替部は、前記第１のターンオフ用ゲート抵抗と並列に接続された第２のターンオフ用ゲート抵抗と、前記第２のターンオフ用ゲート抵抗と前記パワー半導体素子の低電位側との間の電気的接続を前記切替指令に応じて導通または遮断するスイッチ素子と、を有し、
前記切替状態モニタ部は、前記第２のターンオフ用ゲート抵抗と前記スイッチ素子との間の電圧を前記モニタ電圧として計測する電力変換装置。

【請求項3】

請求項２に記載の電力変換装置であって、
前記スイッチング速度切替部は、前記切替指令がＬレベルのときには前記第２のターンオフ用ゲート抵抗と前記パワー半導体素子の低電位側との間の接続を遮断し、前記切替指令がＨレベルのときには前記第２のターンオフ用ゲート抵抗と前記パワー半導体素子の低電位側との間の接続を導通するように、前記スイッチ素子を動作させ、
前記スイッチング速度切替診断部は、
前記切替指令がＬレベルで前記駆動信号がオンからオフに変化したときに前記診断用モニタ電圧がＨレベルであり、かつ、前記切替指令がＨレベルで前記駆動信号がオンからオフに変化したときに前記診断用モニタ電圧がＬレベルである場合は、前記スイッチング速度切替部が正常であると判断し、
前記切替指令がＬレベルで前記駆動信号がオンからオフに変化したときに前記診断用モニタ電圧がＬレベルであり、かつ、前記切替指令がＨレベルで前記駆動信号がオンからオフに変化したときに前記診断用モニタ電圧がＬレベルである場合は、前記スイッチング速度切替部において前記スイッチ素子がオン固着状態であると判断し、
前記切替指令がＬレベルで前記駆動信号がオンからオフに変化したときに前記診断用モニタ電圧がＨレベルであり、かつ、前記切替指令がＨレベルで前記駆動信号がオンからオフに変化したときに前記診断用モニタ電圧がＨレベルである場合は、前記スイッチング速度切替部において前記スイッチ素子がオフ固着状態であると判断する電力変換装置。

【請求項4】

請求項３に記載の電力変換装置であって、
前記スイッチング速度切替診断部は、前記切替指令がＬレベルで前記駆動信号がオンからオフに変化したときに前記診断用モニタ電圧がＬレベルであり、かつ、前記切替指令がＨレベルで前記駆動信号がオンからオフに変化したときに前記診断用モニタ電圧がＨレベルである場合は、前記切替状態モニタ部が異常であると判断する電力変換装置。

【請求項5】

請求項２に記載の電力変換装置であって、
前記スイッチング速度切替部は、前記切替指令がＬレベルのときには前記第２のターンオフ用ゲート抵抗と前記パワー半導体素子の低電位側との間の接続を遮断し、前記切替指令がＨレベルのときには前記第２のターンオフ用ゲート抵抗と前記パワー半導体素子の低電位側との間の接続を導通するように、前記スイッチ素子を動作させ、
前記スイッチング速度切替診断部は、
前記診断用モニタ電圧の周期を計測し、
前記診断用モニタ電圧の周期が前記駆動信号の周期の２倍である場合は、前記スイッチング速度切替部が正常であると判断し、
前記診断用モニタ電圧の周期が計測できない場合は、前記スイッチング速度切替部において前記スイッチ素子がオン固着状態であると判断し、
前記診断用モニタ電圧の周期が前記駆動信号の周期と一致する場合は、前記スイッチング速度切替部において前記スイッチ素子がオフ固着状態であると判断する電力変換装置。

【請求項6】

請求項３から請求項５のいずれか一項に記載の電力変換装置であって、
前記スイッチング速度切替診断部により前記スイッチ素子がオン固着状態であると判断され、かつ、前記電圧センサによって計測された前記電圧の値が所定の制限電圧以上の場合、前記交流電力の電流を制限する電力変換装置。

【請求項7】

請求項１に記載の電力変換装置であって、
前記パワー半導体素子を上アームと下アームにそれぞれ配置した複数のレグが互いに並列接続されたインバータ回路を有し、
前記スイッチング速度切替診断部は、
前記インバータ回路の各上アームに対する前記駆動信号と前記切替指令を同期させたときの前記診断用モニタ電圧の論理積に基づいて、各上アームに対応して設けられた前記スイッチング速度切替部の診断をまとめて実施し、
前記インバータ回路の各下アームに対する前記駆動信号と前記切替指令を同期させたときの前記診断用モニタ電圧の論理積に基づいて、各下アームに対応して設けられた前記スイッチング速度切替部の診断をまとめて実施する電力変換装置。

【請求項8】

請求項１に記載の電力変換装置であって、
前記スイッチング速度切替診断部は、前記スイッチング速度切替部の診断を複数回行ったときの各診断結果に基づいて、前記スイッチング速度切替部に対する最終的な診断結果を決定する電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、電力変換装置の効率を向上させる技術として、特許文献１が知られている。特許文献１には、電流や電圧に応じてパワー半導体素子に接続されるゲート抵抗を切り替え、これによってパワー半導体素子のスイッチング速度を選択することで、特定領域のパワー半導体の損失を低減して電力変換装置の効率を向上させる技術が記載されている。

【0003】

特許文献１に記載の技術では、マイクロコンピュータからドライブ回路を介してＦＥＴ（Field Effect Transistor）等のスイッチ素子へ切替信号を出力することにより、スイッチ素子を介してゲート抵抗の切り替えを行っている。そのため、何らかの原因によってマイクロコンピュータからスイッチ素子へ切替信号を出力できない場合や、スイッチ素子がオン側またはオフ側に固着した場合は、ゲート抵抗の切り替えが実施不可能になるという問題がある。

【0004】

上記問題に関して、特許文献２が知られている。特許文献２には、インバータの主回路を構成するＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）に対してゲート信号を印加した際のコレクタ－エミッタ間電圧の状態を監視することにより、ＩＧＢＴの短絡故障を検出する手法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１６－５９０８９号公報

【特許文献2】特開２００１－６１２８１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、特許文献１のような回路構成では、ゲート抵抗の切替前後でゲート抵抗において生じる電圧変化は非常に短時間であるため、特許文献２の手法を適用しても、この電圧変化を精度良く検知することは難しい。このように、ゲート抵抗の切替機能を有する電力変換装置において、従来の手法ではその診断を行うことが困難であった。

【0007】

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、主な目的は、ゲート抵抗の切替機能を有する電力変換装置の診断を実現してその信頼性を向上することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明による電力変換装置は、複数のパワー半導体素子を有し、前記パワー半導体素子のスイッチング動作によって直流電力を交流電力に変換するものであって、前記パワー半導体素子を駆動するゲート信号を生成して前記パワー半導体素子に出力するゲート信号生成部と、前記ゲート信号に応じた前記パワー半導体素子のスイッチング速度を切り替えるスイッチング速度切替部と、を有するドライブ回路と、前記パワー半導体素子の駆動を制御する駆動信号を生成して前記ドライブ回路に出力する駆動信号生成部と、前記直流電力の電圧を計測する電圧センサと、前記交流電力の電流を計測する電流センサと、前記電圧センサと前記電流センサによりそれぞれ計測された前記電圧および前記電流の値に基づいて、前記パワー半導体素子の目標スイッチング速度を選択し、前記目標スイッチング速度の選択結果に応じた切替指令を前記スイッチング速度切替部へ送信するスイッチング速度選択部と、前記スイッチング速度切替部において前記スイッチング速度の切替に応じて変化するモニタ電圧を計測し、前記モニタ電圧のパルス幅を延長した診断用モニタ電圧を出力する切替状態モニタ部と、前記駆動信号、前記切替指令および前記診断用モニタ電圧に基づいて、前記スイッチング速度切替部の診断を行うスイッチング速度切替診断部と、を備える。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、ゲート抵抗の切替機能を有する電力変換装置の診断を実現してその信頼性を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の一実施形態に係る電力変換装置を含むモータ駆動システムの概略構成を示すブロック図である。

【図2】本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置の主要構成を示す回路ブロック図である。

【図3】目標スイッチング速度の選択条件の一例を示す図である。

【図4】スイッチング速度切替部が正常である場合のタイミングチャートの例を示す図である。

【図5】スイッチング速度切替部においてスイッチ素子がオン固着した場合のタイミングチャートの例を示す図である。

【図6】スイッチング速度切替部においてスイッチ素子がオフ固着した場合のタイミングチャートの例を示す図である。

【図7】本発明の第１の実施形態に係る診断処理の内容をまとめた表である。

【図8】リンプホーム処理の具体例を示す図である。

【図9】本発明の第２の実施形態に係る診断処理の内容をまとめた表である。

【図10】本発明の第３の実施形態に係る電力変換装置の主要構成を示す回路ブロック図である。

【図11】本発明の第３の実施形態に係るＡＮＤ回路の入力信号と出力信号の関係をまとめた真理値表である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

図１は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置を含むモータ駆動システムの概略構成を示すブロック図である。図１に示すモータ駆動システムにおいて、電力変換装置２００は、モータ９００と高圧バッテリ９０１の間に接続され、高圧バッテリ９０１から供給される直流電力を交流電力に変換してモータ９００へ出力することでモータ９００を駆動させる。電力変換装置２００と高圧バッテリ９０１の間には、これらの接続状態をコントロールするためのコンタクタ９０２が設けられている。

【0012】

電力変換装置２００は、コントローラ１００ａ、ドライバ１００ｂ、インバータ回路３００および電圧平滑用キャパシタ５００を備える。電力変換装置２００には、図示しない上位コントローラから、モータ９００を駆動するための指令（例えばトルクや回転指令など）が入力される。インバータ回路３００には、複数のパワー半導体素子を上アームと下アームにそれぞれ配置したレグが出力すべき交流電力の相数に対応して複数設けられており、これらのレグが互いに並列接続されることでブリッジ回路を構成している。図１の例では、モータ９００が三相交流モータであるため、電力変換装置２００はモータ９００へ三相交流電力を出力する。したがって、インバータ回路３００には三相分のレグが設けられている。

【0013】

また、電力変換装置２００は、高圧バッテリ９０１から供給される直流電力の電圧を計測する電圧センサ１０と、モータ９００へ出力される交流電力の電流を計測する電流センサ２０とを備える。コントローラ１００ａは、電圧センサ１０と電流センサ２０によりそれぞれ計測された直流電力の電圧値および交流電力の電流値に基づいて、上位コントローラからの指令に応じた駆動信号（ＰＷＭ信号）を生成し、ドライバ１００ｂへ出力する。ドライバ１００ｂは、インバータ回路３００の各パワー半導体素子に対してそれぞれ設けられた複数のドライブ回路５０を有し、各ドライブ回路５０によって対応する上アームまたは下アームの各パワー半導体素子をスイッチング制御する。これによりインバータ回路３００が動作し、高圧バッテリ９０１から供給される直流電力が交流電力に変換される。

【0014】

電圧平滑用キャパシタ５００は、高圧バッテリ９０１とインバータ回路３００の間に接続されており、電力変換時に変動するインバータ回路３００の印加電圧を平滑化する。電圧平滑用キャパシタ５００の両端電圧は、電圧センサ１０により、高圧バッテリ９０１からインバータ回路３００への印加電圧として計測される。

【0015】

次に、コントローラ１００ａとドライブ回路５０について、図面を参照しながら以下詳細に説明する。

【0016】

（第１の実施形態）
図２は、本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置の主要構成を示す回路ブロック図である。図２の回路ブロック図では、インバータ回路３００を構成する複数のパワー半導体素子の１つ（例えば、Ｕ相上アーム）について、コントローラ１００ａとドライブ回路５０を含んだ電力変換装置２００の主要部の回路構成を示している。なお、この回路ブロック図では、当該パワー半導体素子がＩＧＢＴ等のパワートランジスタＴＰ１と還流ダイオードＤＰ１の並列接続で構成された例を示しているが、例えばＭＯＳＦＥＴなど、他の種類の半導体素子を用いてもよい。

【0017】

コントローラ１００ａは、駆動信号生成部３１、スイッチング速度選択部３２およびスイッチング速度切替診断部３３の各機能ブロックを有する。コントローラ１００ａにおいて、これらの機能ブロックは、例えばマイコンが所定のプログラムを実行することによりそれぞれ実現される。

【0018】

図１において説明したように、電圧センサ１０は高圧バッテリ９０１から供給される直流電力の電圧ＨＶＤＣを計測し、その計測結果に応じた電圧信号Ｖ－ｈｖｄｃをコントローラ１００ａに出力する。また、電流センサ２０はモータ９００へ出力される交流電力のうち、パワートランジスタＴＰ１に対応する相の電流Ｉｏを計測し、その計測結果に応じた電圧信号Ｖ－ｉｏをコントローラ１００ａに出力する。

【0019】

駆動信号生成部３１は、電圧センサ１０と電流センサ２０からそれぞれ入力される電圧信号Ｖ－ｈｖｄｃおよび電圧信号Ｖ－ｉｏに基づいて、これらの信号が表す電圧ＨＶＤＣおよび電流Ｉｏの値を取得する。そして、取得した電圧ＨＶＤＣおよび電流Ｉｏの値と、図示しない上位コントローラからの指令とに基づいて、パワートランジスタＴＰ１の駆動を制御するための駆動信号ＰＷＭを生成してドライブ回路５０へ出力する。駆動信号生成部３１は、例えば周知のフィードバック制御によるパルス幅変調を行うことで、駆動信号ＰＷＭを生成することができる。

【0020】

スイッチング速度選択部３２は、電圧センサ１０と電流センサ２０からそれぞれ入力される電圧信号Ｖ－ｈｖｄｃおよび電圧信号Ｖ－ｉｏに基づいて、これらの信号が表す直流電圧ＨＶＤＣおよび交流電流Ｉｏの値を取得する。そして、取得した直流電圧ＨＶＤＣと交流電流Ｉｏの値に基づいて、パワートランジスタＴＰ１の目標スイッチング速度を「低速」または「高速」のいずれかより選択して、その選択結果に応じた切替指令Ｖｓｅｌをドライブ回路５０へ出力する。

【0021】

スイッチング速度切替診断部３３は、駆動信号生成部３１とスイッチング速度選択部３２からドライブ回路５０にそれぞれ出力される駆動信号ＰＷＭおよび切替指令Ｖｓｅｌと、切替状態モニタ部７０から入力される診断用モニタ電圧Ｖｍｏｎｄとに基づいて、ドライブ回路５０が有するスイッチング速度切替部５３の診断を行う。なお、切替状態モニタ部７０から入力される診断用モニタ電圧Ｖｍｏｎｄの詳細については後述する。

【0022】

コントローラ１００ａとドライブ回路５０の間には、絶縁素子４０，４１，４２が設けられている。これらの絶縁素子には、例えばフォトカプラやトランス等が用いられる。

【0023】

ドライブ回路５０は、ゲート信号制御部５１、ゲート信号生成部５２およびスイッチング速度切替部５３を有する。

【0024】

ゲート信号制御部５１には、駆動信号生成部３１から出力された駆動信号ＰＷＭが絶縁素子４０を介して入力される。ゲート信号制御部５１は、駆動信号ＰＷＭに基づいて、ゲート信号生成部５２が有するバッファトランジスタＴＲ１，ＴＲ３の動作をそれぞれ制御することにより、ゲート信号生成部５２にゲート信号を生成させる。

【0025】

ゲート信号制御部５１は、ターンオン用ゲート抵抗Ｒｏｎ、ターンオフ用ゲート抵抗Ｒｏｆｆ１およびバッファトランジスタＴＲ１，ＴＲ３を有する。ターンオン用ゲート抵抗Ｒｏｎの一端側には所定のバイアス電圧が印加されており、他端側はバッファトランジスタＴＲ３を介してパワートランジスタＴＰ１のゲート端子に接続されている。ターンオフ用ゲート抵抗Ｒｏｆｆ１の一端側はパワートランジスタＴＰ１の低電位側（エミッタ側）に接続されており、他端側はバッファトランジスタＴＲ１を介してパワートランジスタＴＰ１のゲート端子に接続されている。バッファトランジスタＴＲ１，ＴＲ３は、ゲート信号制御部５１からの制御信号に応じてオンまたオフにそれぞれ切り替えられることで、パワートランジスタＴＰ１のゲート端子の接続先を切り替える。バッファトランジスタＴＲ１，ＴＲ３は、例えばＭＯＳＦＥＴを用いて構成される。

【0026】

パワートランジスタＴＰ１をターンオンさせる場合、ゲート信号制御部５１は、バッファトランジスタＴＲ３をオン、バッファトランジスタＴＲ１をオフにそれぞれ切り替えるように、ゲート信号生成部５２を制御する。これにより、ターンオン用ゲート抵抗Ｒｏｎを介してパワートランジスタＴＰ１のゲート端子にバイアス電圧が印加され、パワートランジスタＴＰ１がターンオンする。一方、パワートランジスタＴＰ１をターンオフさせる場合、ゲート信号制御部５１は、バッファトランジスタＴＲ３をオフ、バッファトランジスタＴＲ１をオンにそれぞれ切り替えるように、ゲート信号生成部５２を制御する。これにより、ターンオフ用ゲート抵抗Ｒｏｆｆ１を介してパワートランジスタＴＰ１のゲート端子がエミッタ端子と同電位になり、パワートランジスタＴＰ１がターンオフする。

【0027】

スイッチング速度切替部５３は、ターンオフ用ゲート抵抗Ｒｏｆｆ１と並列に接続されたターンオフ用ゲート抵抗Ｒｏｆｆ２と、スイッチ素子ＴＲ２とを有する。スイッチング速度切替部５３には、スイッチング速度選択部３２から出力された切替指令Ｖｓｅｌが絶縁素子４１を介して入力される。スイッチ素子ＴＲ２は、例えばＭＯＳＦＥＴを用いて構成される。スイッチング速度切替部５３は、切替指令Ｖｓｅｌに応じてスイッチ素子ＴＲ２のオンオフが切り替えられることで、パワートランジスタＴＰ１のゲート端子とエミッタ端子の間におけるターンオフ用ゲート抵抗Ｒｏｆｆ２の接続状態を切り替える。これにより、パワートランジスタＴＰ１がターンオフする際の抵抗値を切り替えて、パワートランジスタＴＰ１のスイッチング速度を変更する。

【0028】

スイッチング速度選択部３２においてパワートランジスタＴＰ１の目標スイッチング速度が「低速」に選択され、これに応じた切替指令Ｖｓｅｌがスイッチング速度切替部５３に入力されている場合、スイッチ素子ＴＲ２がオフに切り替えられる。これにより、パワートランジスタＴＰ１のターンオフ時の抵抗値は、ターンオフ用ゲート抵抗Ｒｏｆｆ１の抵抗値となる。一方、スイッチング速度選択部３２においてパワートランジスタＴＰ１の目標スイッチング速度が「高速」に選択され、これに応じた切替指令Ｖｓｅｌがスイッチング速度切替部５３に入力されている場合、スイッチ素子ＴＲ２がオンに切り替えられる。これにより、パワートランジスタＴＰ１のターンオフ時の抵抗値は、ターンオフ用ゲート抵抗Ｒｏｆｆ１，Ｒｏｆｆ２の合成抵抗値となり、これはターンオフ用ゲート抵抗Ｒｏｆｆ１単体での抵抗値よりも小さい。したがって、目標スイッチング速度が「低速」である場合と比べて、パワートランジスタＴＰ１のスイッチング速度が高速化される。

【0029】

図３は、スイッチング速度選択部３２における目標スイッチング速度の選択条件の一例を示す図である。図３において、横軸はパワートランジスタＴＰ１に流れるコレクタ電流Ｉｃの電流実行値（Ａｒｍｓ）、縦軸はパワートランジスタＴＰ１に印加されるコレクタ－エミッタ間のピーク電圧値Ｖｃｅｐ（Ｖ）をそれぞれ表している。

【0030】

コレクタ電流Ｉｃが所定の電流閾値Ｉｇｃよりも大きい場合、スイッチング速度選択部３２は、パワートランジスタＴＰ１の目標スイッチング速度を「低速」に選択する。これにより、スイッチング速度切替部５３においてスイッチ素子ＴＲ２がオフに切り替えられ、ターンオフ用ゲート抵抗Ｒｏｆｆ１の抵抗値に応じたスイッチング速度でパワートランジスタＴＰ１がターンオフされる。ターンオフ用ゲート抵抗Ｒｏｆｆ１の抵抗値は、例えば曲線３２１で示したように、大電流時においてもピーク電圧値ＶｃｅｐがパワートランジスタＴＰ１の耐圧Ｖｌｉｍｉｔを超えないように調整されている。

【0031】

コレクタ電流Ｉｃが電流閾値Ｉｇｃ以下の場合、スイッチング速度選択部３２は、パワートランジスタＴＰ１の目標スイッチング速度を「高速」に選択する。これにより、スイッチング速度切替部５３においてスイッチ素子ＴＲ２がオンに切り替えられ、ターンオフ用ゲート抵抗Ｒｏｆｆ１，Ｒｏｆｆ２の合成抵抗値Ｒｏｆｆ１・Ｒｏｆｆ２／（Ｒｏｆｆ１＋Ｒｏｆｆ２）に応じたスイッチング速度でパワートランジスタＴＰ１がターンオフされる。この合成抵抗値はターンオフ用ゲート抵抗Ｒｏｆｆ１の抵抗値よりも小さいため、スイッチ素子ＴＲ２がオフの場合よりもスイッチング速度が高速化される。

【0032】

なお、図３の例ではパワートランジスタＴＰ１のコレクタ電流Ｉｃと電流閾値Ｉｇｃとの比較結果に応じて目標スイッチング速度を切り替えているが、例えば電圧センサ１０による直流電力の電圧ＨＶＤＣの計測結果など、他の指標を切替条件に用いて目標スイッチング速度を切り替えてもよい。また、図３の例では目標スイッチング速度を「低速」または「高速」の２段階で切り替える例を示しているが、複数の切替条件を設定することで３段階以上の切替を行ってもよい。

【0033】

図２の説明に戻ると、スイッチング速度切替部５３において、ターンオフ用ゲート抵抗Ｒｏｆｆ２とスイッチ素子ＴＲ２の間には、絶縁素子４２を介して切替状態モニタ部７０が接続されている。切替状態モニタ部７０は、この接続点の電圧変化を、スイッチング速度切替部５３においてスイッチング速度の切替に応じて変化するモニタ電圧Ｖｍｏｎとして計測する。そして、計測したモニタ電圧Ｖｍｏｎのパルス幅を延長し、これを診断用モニタ電圧Ｖｍｏｎｄとして出力する。

【0034】

スイッチング速度切替部５３においてパワートランジスタＴＰ１をターンオフした際のモニタ電圧Ｖｍｏｎは、スイッチ素子ＴＲ２の切替状態に応じて変化する。すなわち、スイッチ素子ＴＲ２がオフに切り替えられている場合は、パワートランジスタＴＰ１がターンオフする際に、ゲート端子からターンオフ用ゲート抵抗Ｒｏｆｆ１に電流が流れることでモニタ電圧Ｖｍｏｎが瞬間的に上昇し、その後はゲート端子の電圧低下に伴ってモニタ電圧Ｖｍｏｎも次第に低下する。一方、スイッチ素子ＴＲ２がオンに切り替えられている場合は、パワートランジスタＴＰ１がターンオフしても、上記接続点はパワートランジスタＴＰ１のエミッタ端子と同電位のままであるため、モニタ電圧Ｖｍｏｎは変化しない。したがって、パワートランジスタＴＰ１をターンオフした際のモニタ電圧Ｖｍｏｎの変化を観測し、その観測結果がスイッチ素子ＴＲ２の切替状態と適合しているか否かを確認することで、スイッチング速度切替部５３が正常に動作しているか否かを診断することができる。

【0035】

しかしながら、パワートランジスタＴＰ１のターンオフ時にモニタ電圧Ｖｍｏｎが上昇している時間、すなわちバッファトランジスタＴＲ３をオフ、バッファトランジスタＴＲ１をオンにそれぞれ切り替えてからゲート端子の電圧が０Ｖに低下するまでの時間は、一般的にコントローラ１００ａの演算周期と比べると極めて短時間である。そのため、コントローラ１００ａでモニタ電圧Ｖｍｏｎをそのまま計測しても、その変化を検知するのは困難である。そこで、本実施形態の電力変換装置２００は、スイッチング速度切替部５３においてモニタ電圧Ｖｍｏｎの上昇が計測された場合、そのパルス幅を切替状態モニタ部７０で延長して診断用モニタ電圧Ｖｍｏｎｄを得るようにしている。このときの延長後のパルス幅は、コントローラ１００ａが確実に検知できる時間であればよく、例えば数１０～１００μｓ程度の範囲内で任意に設定することができる。切替状態モニタ部７０は、例えば一般的なワンショット回路等を用いて実現できる。

【0036】

なお、図２の回路構成では切替状態モニタ部７０を絶縁素子４２の後段に配置しているが、絶縁素子４２の前段に配置してもよい。

【0037】

切替状態モニタ部７０から出力される診断用モニタ電圧Ｖｍｏｎｄは、コントローラ１００ａに入力される。コントローラ１００ａにおいて、スイッチング速度切替診断部３３は、この診断用モニタ電圧Ｖｍｏｎｄをモニタ電圧Ｖｍｏｎの代わりに用いて、スイッチング速度切替部５３の診断を行う。すなわち、診断用モニタ電圧Ｖｍｏｎｄがスイッチ素子ＴＲ２の切替状態に応じて前述のような変化をするか否かを確認することで、スイッチング速度切替部５３が正常に動作しているか否かを診断することができる。

【0038】

次に、図４～図６のタイミングチャートを用いて、スイッチング速度切替診断部３３が行うスイッチング速度切替部５３の診断の具体例を説明する。

【0039】

図４は、スイッチング速度切替部５３が正常である場合のタイミングチャートの例を示す図である。図４では上から順に、駆動信号ＰＷＭ、パワートランジスタＴＰ１のゲート電圧Ｖｇｅ、切替指令Ｖｓｅｌ、スイッチ素子ＴＲ２のゲート－ソース間電圧Ｖｇｓ、モニタ電圧Ｖｍｏｎ、診断用モニタ電圧Ｖｍｏｎｄの時間変化をそれぞれ表している。

【0040】

まず、時刻ｔ０では、駆動信号ＰＷＭと切替指令ＶｓｅｌがともにＬレベルであり、このとき診断用モニタ電圧ＶｍｏｎｄはＬレベルとなっている。

【0041】

次に、時刻ｔ１において、駆動信号生成部３１が駆動信号ＰＷＭをオフ（Ｌレベル）からオン（Ｈレベル）に変化させると、ドライブ回路５０はゲート信号制御部５１によりバッファトランジスタＴＲ１，ＴＲ３を制御して、パワートランジスタＴＰ１のゲート端子にバイアス電圧を印加する。これにより、ゲート電圧Ｖｇｅが上昇してパワートランジスタＴＰ１がターンオンする。このときモニタ電圧Ｖｍｏｎは、バッファトランジスタＴＲ１がオフになっているため、ゲート電圧Ｖｇｅが変化してもＬレベルから変化しない。したがって、診断用モニタ電圧ＶｍｏｎｄもＬレベルから変化しない。

【0042】

次に、時刻ｔ２において、駆動信号生成部３１が駆動信号ＰＷＭをオン（Ｈレベル）からオフ（Ｌレベル）に変化させると、ドライブ回路５０はゲート信号制御部５１によりバッファトランジスタＴＲ１，ＴＲ３を制御して、パワートランジスタＴＰ１のゲート端子に対するバイアス電圧の印加を停止する。これにより、ゲート電圧Ｖｇｅが下降して０Ｖになり、パワートランジスタＴＰ１がターンオフする。このとき、スイッチ素子ＴＲ２のドレイン－ソース間にゲート電圧Ｖｇｅが印加されることで、モニタ電圧Ｖｍｏｎが瞬間的に上昇し、その後はゲート電圧Ｖｇｅと同様に０Ｖまで下降する。通常、このモニタ電圧Ｖｍｏｎの上昇から下降までの時間は数μｓｅｃ～１μｓｅｃ程度と非常に短く、コントローラ１００ａが駆動信号ＰＷＭの変化をトリガにして計測するのは困難である。

【0043】

モニタ電圧Ｖｍｏｎが上記のように変化すると、切替状態モニタ部７０はそのパルス幅を延長し、診断用モニタ電圧Ｖｍｏｎｄとして出力する。これにより、診断用モニタ電圧Ｖｍｏｎｄは、時刻ｔ２から所定のパルス幅でＨレベルとなる。

【0044】

その後、時刻ｔ２から所定の待機時間（診断用モニタ電圧Ｖｍｏｎｄのパルス幅以内の時間）を経過した時刻ｔ３において、スイッチング速度切替診断部３３は、診断用モニタ電圧ＶｍｏｎｄがＨレベルであることを確認する。これにより、切替指令ＶｓｅｌがＬレベルであるときの期間Ｔｒｌにおけるスイッチング速度切替部５３の診断を行うことができる。

【0045】

その後、時刻ｔ４において、スイッチング速度選択部３２が切替指令ＶｓｅｌをＬレベルからＨレベルに変化させると、これに応じてスイッチ素子ＴＲ２のゲート－ソース間電圧ＶｇｓがＬレベルからＨレベルに変化することで、スイッチ素子ＴＲ２がオンに切り替えられる。

【0046】

次に、時刻ｔ５において、駆動信号生成部３１が駆動信号ＰＷＭをオフ（Ｌレベル）からオン（Ｈレベル）に変化させると、時刻ｔ１と同様に、ドライブ回路５０はゲート信号制御部５１によりバッファトランジスタＴＲ１，ＴＲ３を制御して、パワートランジスタＴＰ１のゲート端子にバイアス電圧を印加する。これにより、ゲート電圧Ｖｇｅが上昇してパワートランジスタＴＰ１がターンオンする。このとき、モニタ電圧Ｖｍｏｎと診断用モニタ電圧Ｖｍｏｎｄも時刻ｔ１と同様に、Ｌレベルから変化しない。

【0047】

次に、時刻ｔ６において、駆動信号生成部３１が駆動信号ＰＷＭをオン（Ｈレベル）からオフ（Ｌレベル）に変化させると、時刻ｔ２と同様に、ドライブ回路５０はゲート信号制御部５１によりバッファトランジスタＴＲ１，ＴＲ３を制御して、パワートランジスタＴＰ１のゲート端子に対するバイアス電圧の印加を停止する。これにより、ゲート電圧Ｖｇｅが下降して０Ｖになり、パワートランジスタＴＰ１がターンオフする。一方、このときスイッチ素子ＴＲ２がオンであるため、モニタ電圧Ｖｍｏｎは時刻ｔ２とは異なり、Ｌレベルのままで変化しない。したがって、診断用モニタ電圧ＶｍｏｎｄもＬレベルから変化しない。

【0048】

その後、時刻ｔ６から前述の待機時間を経過した時刻ｔ７において、スイッチング速度切替診断部３３は、診断用モニタ電圧ＶｍｏｎｄがＬレベルのままで変化しないことを確認する。これにより、切替指令ＶｓｅｌがＨレベルであるときの期間Ｔｒｈにおけるスイッチング速度切替部５３の診断を行うことができる。

【0049】

最後に、時刻ｔ８において、スイッチング速度切替診断部３３は一連の診断を終了する。スイッチング速度切替診断部３３による診断結果は、例えばコントローラ１００ａから上位コントローラへ出力される。

【0050】

図５は、スイッチング速度切替部５３においてスイッチ素子ＴＲ２がオン固着した場合のタイミングチャートの例を示す図である。スイッチ素子ＴＲ２のオン固着とは、例えば絶縁素子４１の出力異常やスイッチ素子ＴＲ２のショート故障等により、スイッチ素子ＴＲ２が切替指令Ｖｓｅｌに関わらず常にオン状態となる場合のことである。なお、図５において表される各信号は、図４と同様である。

【0051】

まず、時刻ｔ０では、駆動信号ＰＷＭと切替指令ＶｓｅｌがともにＬレベルである。このとき、スイッチ素子ＴＲ２がオン固着していることでゲート－ソース間電圧ＶｇｓがＨレベルとなっているが、モニタ電圧ＶｍｏｎはＬレベルのままであるため、診断用モニタ電圧Ｖｍｏｎｄは図４の場合と同様にＬレベルとなっている。

【0052】

次に、時刻ｔ１において、駆動信号生成部３１が駆動信号ＰＷＭをオフ（Ｌレベル）からオン（Ｈレベル）に変化させると、ドライブ回路５０はゲート信号制御部５１によりバッファトランジスタＴＲ１，ＴＲ３を制御して、パワートランジスタＴＰ１のゲート端子にバイアス電圧を印加する。これにより、ゲート電圧Ｖｇｅが上昇してパワートランジスタＴＰ１がターンオンする。このとき診断用モニタ電圧Ｖｍｏｎｄは、図４の場合と同様にＬレベルから変化しない。

【0053】

次に、時刻ｔ２において、駆動信号生成部３１が駆動信号ＰＷＭをオン（Ｈレベル）からオフ（Ｌレベル）に変化させると、ドライブ回路５０はゲート信号制御部５１によりバッファトランジスタＴＲ１，ＴＲ３を制御して、パワートランジスタＴＰ１のゲート端子に対するバイアス電圧の印加を停止する。これにより、ゲート電圧Ｖｇｅが下降して０ＶになりパワートランジスタＴＰ１がターンオフするが、図４の場合とは異なり、スイッチ素子ＴＲ２がオンであるため、モニタ電圧ＶｍｏｎはＬレベルから変化しない。したがって、診断用モニタ電圧ＶｍｏｎｄもＬレベルのままとなる。

【0054】

その後、時刻ｔ２から所定の待機時間を経過した時刻ｔ３において、スイッチング速度切替診断部３３は、診断用モニタ電圧Ｖｍｏｎｄが正常時にはＨレベルとなるべきところ、Ｌレベルのままで変化しないことを確認する。これにより、切替指令ＶｓｅｌがＬレベルであるときの期間Ｔｒｌにおける診断結果として、スイッチング速度切替部５３が異常であると判断できる。

【0055】

時刻ｔ４以降は、図４の場合と同様であるため、説明を省略する。

【0056】

図６は、スイッチング速度切替部５３においてスイッチ素子ＴＲ２がオフ固着した場合のタイミングチャートの例を示す図である。スイッチ素子ＴＲ２のオフ固着とは、例えば絶縁素子４１の出力異常やスイッチ素子ＴＲ２のオープン故障等により、スイッチ素子ＴＲ２が切替指令Ｖｓｅｌに関わらず常にオフ状態となる場合のことである。なお、図６において表される各信号は、図４、図５と同様である。

【0057】

時刻ｔ０～ｔ３では、図４の場合と同様であるため、説明を省略する。

【0058】

時刻ｔ４において、スイッチング速度選択部３２が切替指令ＶｓｅｌをＬレベルからＨレベルに変化させる。このとき、スイッチ素子ＴＲ２がオフ固着しているため、ゲート－ソース間電圧ＶｇｓはＬレベルのままで変化しない。

【0059】

次に、時刻ｔ５において、駆動信号生成部３１が駆動信号ＰＷＭをオフ（Ｌレベル）からオン（Ｈレベル）に変化させると、ドライブ回路５０はゲート信号制御部５１によりバッファトランジスタＴＲ１，ＴＲ３を制御して、パワートランジスタＴＰ１のゲート端子にバイアス電圧を印加する。これにより、ゲート電圧Ｖｇｅが上昇してパワートランジスタＴＰ１がターンオンする。このとき診断用モニタ電圧Ｖｍｏｎｄは、図４の場合と土曜にＬレベルから変化しない。

【0060】

次に、時刻ｔ６において、駆動信号生成部３１が駆動信号ＰＷＭをオン（Ｈレベル）からオフ（Ｌレベル）に変化させると、ドライブ回路５０はゲート信号制御部５１によりバッファトランジスタＴＲ１，ＴＲ３を制御して、パワートランジスタＴＰ１のゲート端子に対するバイアス電圧の印加を停止する。これにより、ゲート電圧Ｖｇｅが下降して０ＶになりパワートランジスタＴＰ１がターンオフする。このとき図４の場合とは異なり、スイッチ素子ＴＲ２がオフであるため、時刻ｔ２と同様に、スイッチ素子ＴＲ２のドレイン－ソース間にゲート電圧Ｖｇｅが印加されることで、モニタ電圧Ｖｍｏｎが瞬間的に上昇し、その後はゲート電圧Ｖｇｅと同様に０Ｖまで下降する。切替状態モニタ部７０は、このときのモニタ電圧Ｖｍｏｎのパルス幅を延長し、診断用モニタ電圧Ｖｍｏｎｄとして出力する。これにより、診断用モニタ電圧Ｖｍｏｎｄは、時刻ｔ６から所定のパルス幅でＨレベルとなる。

【0061】

その後、時刻ｔ６から所定の待機時間を経過した時刻ｔ７において、スイッチング速度切替診断部３３は、診断用モニタ電圧Ｖｍｏｎｄが正常時にはＬレベルとなるべきところ、Ｈレベルであることを確認する。これにより、切替指令ＶｓｅｌがＨレベルであるときの期間Ｔｒｈにおける診断結果として、スイッチング速度切替部５３が異常であると判断できる。

【0062】

最後に、時刻ｔ８において、スイッチング速度切替診断部３３は一連の診断を終了し、その診断結果を上位コントローラへ出力する。

【0063】

図７は、本発明の第１の実施形態に係るスイッチング速度切替診断部３３による診断処理の内容をまとめた表である。図７の表３３０に示したように、スイッチング速度切替診断部３３は、駆動信号ＰＷＭがオン（Ｈレベル）からオフ（Ｌレベル）に変化したときの切替指令Ｖｓｅｌと診断用モニタ電圧Ｖｍｏｎｄの組み合わせにより、スイッチング速度切替部５３の状態を判断する。

【0064】

表３３０において、行３３１は、図４で説明した正常状態を表している。この場合、切替指令ＶｓｅｌがＬレベルで駆動信号ＰＷＭがオンからオフに変化したときには、診断用モニタ電圧ＶｍｏｎｄがＨレベルであり、かつ、切替指令ＶｓｅｌがＨレベルで駆動信号ＰＷＭがオンからオフに変化したときには、診断用モニタ電圧ＶｍｏｎｄがＬレベルであることを確認することで、スイッチング速度切替部５３が正常であると判断できる。

【0065】

表３３０において、行３３２は、図５で説明したスイッチ素子ＴＲ２のオン固着状態を表している。この場合、切替指令ＶｓｅｌがＬレベルで駆動信号ＰＷＭがオンからオフに変化したときには、診断用モニタ電圧ＶｍｏｎｄがＬレベルであり、かつ、切替指令ＶｓｅｌがＨレベルで駆動信号ＰＷＭがオンからオフに変化したときには、診断用モニタ電圧ＶｍｏｎｄがＬレベルであることを確認することで、スイッチング速度切替部５３においてスイッチ素子ＴＲ２がオン固着状態であると判断できる。

【0066】

スイッチ素子ＴＲ２がオン固着状態の場合、パワートランジスタＴＰ１のゲート抵抗は、常にターンオフ用ゲート抵抗Ｒｏｆｆ１，Ｒｏｆｆ２の合成抵抗値となる。そのため、大電流時には通常よりもゲート抵抗が低い状態となることでサージ電圧が増加し、これがパワートランジスタＴＰ１の耐圧を超えると、パワートランジスタＴＰ１が故障してしまう危険がある。こうした事態を避けるため、スイッチング速度切替診断部３３によりスイッチング速度切替部５３の異常（スイッチ素子ＴＲ２のオン固着）が診断された場合は、電力変換装置２００において、表３３０の行３３２に示すように、電圧センサ１０から得られる直流電圧ＨＶＤＣの状態に応じてインバータ回路３００の出力電流を絞る等のリンプホーム処理を行うことが好ましい。なお、リンプホーム処理の具体例については、後で図８を参照して説明する。

【0067】

表３３０において、行３３３は、図６で説明したスイッチ素子ＴＲ２のオフ固着状態を表している。この場合、切替指令ＶｓｅｌがＬレベルで駆動信号ＰＷＭがオンからオフに変化したときには、診断用モニタ電圧ＶｍｏｎｄがＨレベルであり、かつ、切替指令ＶｓｅｌがＨレベルで駆動信号ＰＷＭがオンからオフに変化したときには、診断用モニタ電圧ＶｍｏｎｄがＨレベルであることを確認することで、スイッチング速度切替部５３においてスイッチ素子ＴＲ２がオフ固着状態であると判断できる。

【0068】

スイッチ素子ＴＲ２がオフ固着状態の場合、パワートランジスタＴＰ１のゲート抵抗は、常にターンオフ用ゲート抵抗Ｒｏｆｆ１となる。そのため、小電流時には通常よりもゲート抵抗が高い状態となることでパワートランジスタＴＰ１の損失が増加するが、これによってパワートランジスタＴＰ１の故障が生じることはない。そのため、この場合は診断結果に対するアラームを出力して、リンプホームは実施しない。

【0069】

表３３０において、行３３４は、図４～図６で説明した以外の場合を表している。この場合、切替指令ＶｓｅｌがＬレベルで駆動信号ＰＷＭがオンからオフに変化したときには、診断用モニタ電圧ＶｍｏｎｄがＬレベルであり、かつ、切替指令ＶｓｅｌがＨレベルで駆動信号ＰＷＭがオンからオフに変化したときには、診断用モニタ電圧ＶｍｏｎｄがＨレベルである。すなわち、切替指令Ｖｓｅｌと診断用モニタ電圧Ｖｍｏｎｄの関係が正常時とは反対になっており、これは通常ではありえない状態である。そのため、このような状態を確認した場合、スイッチング速度切替診断部３３は、切替状態モニタ部７０が異常であると判断して、診断結果に対するアラームを出力する。

【0070】

図８は、リンプホーム処理の具体例を示す図である。前述のように、スイッチング速度切替診断部３３においてスイッチ素子ＴＲ２のオン固着が診断された場合、電力変換装置２００は、インバータ回路３００の出力電流を絞るためのリンプホーム処理を実施する。図８では、このリンプホーム処理の具体例の概要を示している。図８において、横軸はパワートランジスタＴＰ１に流れるコレクタ電流Ｉｃの電流実行値（Ａｒｍｓ）、縦軸はパワートランジスタＴＰ１に印加されるコレクタ－エミッタ間のピーク電圧値Ｖｃｅｐ（Ｖ）をそれぞれ表している。

【0071】

図３で説明したように、スイッチ素子ＴＲ２が正常である場合は、コレクタ電流Ｉｃが電流閾値Ｉｇｃよりも大きい場合はスイッチ素子ＴＲ２がオフに切り替えられることで、パワートランジスタＴＰ１のゲート抵抗値を大きくして、ピーク電圧値ＶｃｅｐがパワートランジスタＴＰ１の耐圧Ｖｌｉｍｉｔを超えないように制御される。しかしながら、スイッチ素子ＴＲ２がオン固着の場合は、パワートランジスタＴＰ１のゲート抵抗値を大きくすることができないため、そのままではピーク電圧値Ｖｃｅｐが図８の曲線８１に示すように変化し、耐圧Ｖｌｉｍｉｔを超えてしまうことがある。

【0072】

そこで、スイッチング速度切替診断部３３でスイッチ素子ＴＲ２のオン固着が診断された場合、駆動信号生成部３１は、駆動信号ＰＷＭの生成処理において、コレクタ電流Ｉｃが耐圧Ｖｌｉｍｉｔに対応する上限値Ｉｃ＿ｌｉｍｉｔを超えないように制限するリンプホーム処理を行う。これにより、スイッチ素子ＴＲ２がオン固着した場合であっても、パワートランジスタＴＰ１が大電流によって破壊されてしまうのを防ぐことができる。

【0073】

ただし、高圧バッテリ９０１からインバータ回路３００に印加される直流電圧ＨＶＤＣが所定の制限電圧ＨＶＤＣ－ｌｉｍｐよりも低い場合は、スイッチ素子ＴＲ２がオン固着しても、ピーク電圧値Ｖｃｅｐは図８の曲線８２に示すように変化し、パワートランジスタＴＰ１の耐圧Ｖｌｉｍｉｔを超えるおそれがない。したがってこの場合には、リンプホーム処理を行わなくてもよい。

【0074】

以上、本発明の第１の実施形態によれば、スイッチング速度切替部５３の診断により、電力変換装置２００の信頼性を向上させることが可能となる。

【0075】

以上説明した本発明の第１の実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。

【0076】

（１）電力変換装置２００は、複数のパワー半導体素子（パワートランジスタＴＰ１）を有し、パワートランジスタＴＰ１のスイッチング動作によって直流電力を交流電力に変換する。電力変換装置２００は、パワートランジスタＴＰ１を駆動するゲート信号を生成してパワートランジスタＴＰ１に出力するゲート信号生成部５２と、ゲート信号に応じたパワートランジスタＴＰ１のスイッチング速度を切り替えるスイッチング速度切替部５３と、を有するドライブ回路５０と、パワートランジスタＴＰ１の駆動を制御する駆動信号ＰＷＭを生成してドライブ回路５０に出力する駆動信号生成部３１と、直流電力の電圧ＨＶＤＣを計測する電圧センサ１０と、交流電力の電流Ｉｏを計測する電流センサ２０と、スイッチング速度選択部３２と、切替状態モニタ部７０と、スイッチング速度切替診断部３３とを備える。スイッチング速度選択部３２は、電圧センサ１０と電流センサ２０によりそれぞれ計測された電圧ＨＶＤＣおよび電流Ｉｏの値に基づいて、パワートランジスタＴＰ１の目標スイッチング速度を選択し、目標スイッチング速度の選択結果に応じた切替指令Ｖｓｅｌをスイッチング速度切替部５３へ送信する。切替状態モニタ部７０は、スイッチング速度切替部５３においてスイッチング速度の切替に応じて変化するモニタ電圧Ｖｍｏｎを計測し、モニタ電圧Ｖｍｏｎのパルス幅を延長した診断用モニタ電圧Ｖｍｏｎｄを出力する。スイッチング速度切替診断部３３は、駆動信号ＰＷＭ、切替指令Ｖｓｅｌおよび診断用モニタ電圧Ｖｍｏｎｄに基づいて、スイッチング速度切替部５３の診断を行う。このようにしたので、ゲート抵抗の切替機能を有する電力変換装置２００の診断を実現して信頼性を向上することができる。

【0077】

（２）ゲート信号生成部５２は、所定のバイアス電圧が印加されたターンオン用ゲート抵抗Ｒｏｎと、パワートランジスタＴＰ１の低電位側に接続された第１のターンオフ用ゲート抵抗Ｒｏｆｆ１と、を有し、パワートランジスタＴＰ１のゲート端子の接続先をターンオン用ゲート抵抗Ｒｏｎとターンオフ用ゲート抵抗Ｒｏｆｆ１との間で切り替えることによりゲート信号を生成する。スイッチング速度切替部５３は、ターンオフ用ゲート抵抗Ｒｏｆｆ１と並列に接続された第２のターンオフ用ゲート抵抗Ｒｏｆｆ２と、ターンオフ用ゲート抵抗Ｒｏｆｆ２とパワートランジスタＴＰ１の低電位側との間の電気的接続を切替指令Ｖｓｅｌに応じて導通または遮断するスイッチ素子ＴＲ２と、を有する。切替状態モニタ部７０は、ターンオフ用ゲート抵抗Ｒｏｆｆ２とスイッチ素子ＴＲ２との間の電圧をモニタ電圧Ｖｍｏｎとして計測する。このようにしたので、スイッチ素子ＴＲ２の状態に応じて変化するモニタ電圧Ｖｍｏｎを計測することができる。

【0078】

（３）スイッチング速度切替部５３は、切替指令ＶｓｅｌがＬレベルのときにはターンオフ用ゲート抵抗Ｒｏｆｆ２とパワートランジスタＴＰ１の低電位側との間の接続を遮断し、切替指令ＶｓｅｌがＨレベルのときにはターンオフ用ゲート抵抗Ｒｏｆｆ２とパワートランジスタＴＰ１の低電位側との間の接続を導通するように、スイッチ素子ＴＲ２を動作させる。スイッチング速度切替診断部３３は、
（ａ）切替指令ＶｓｅｌがＬレベルで駆動信号ＰＷＭがオンからオフに変化したときに診断用モニタ電圧ＶｍｏｎｄがＨレベルであり、かつ、切替指令ＶｓｅｌがＨレベルで駆動信号ＰＷＭがオンからオフに変化したときに診断用モニタ電圧ＶｍｏｎｄがＬレベルである場合は、スイッチング速度切替部５３が正常であると判断し（図７の行３３１）、
（ｂ）切替指令ＶｓｅｌがＬレベルで駆動信号ＰＷＭがオンからオフに変化したときに診断用モニタ電圧ＶｍｏｎｄがＬレベルであり、かつ、切替指令ＶｓｅｌがＨレベルで駆動信号ＰＷＭがオンからオフに変化したときに診断用モニタ電圧ＶｍｏｎｄがＬレベルである場合は、スイッチング速度切替部５３においてスイッチ素子ＴＲ２がオン固着状態であると判断し（図７の行３３２）、
（ｃ）切替指令ＶｓｅｌがＬレベルで駆動信号ＰＷＭがオンからオフに変化したときに診断用モニタ電圧ＶｍｏｎｄがＨレベルであり、かつ、切替指令ＶｓｅｌがＨレベルで駆動信号ＰＷＭがオンからオフに変化したときに診断用モニタ電圧ＶｍｏｎｄがＨレベルである場合は、スイッチング速度切替部５３においてスイッチ素子ＴＲ２がオフ固着状態であると判断する（図７の行３３３）。
このようにしたので、スイッチ素子ＴＲ２のオン固着状態やオフ固着状態が生じた場合に、これを確実に判断することができる。

【0079】

（４）スイッチング速度切替診断部３３は、切替指令ＶｓｅｌがＬレベルで駆動信号ＰＷＭがオンからオフに変化したときに診断用モニタ電圧ＶｍｏｎｄがＬレベルであり、かつ、切替指令ＶｓｅｌがＨレベルで駆動信号ＰＷＭがオンからオフに変化したときに診断用モニタ電圧ＶｍｏｎｄがＨレベルである場合は、切替状態モニタ部７０が異常であると判断する（図７の行３３４）。このようにしたので、切替状態モニタ部７０が異常である場合にもこれを確実に判断することができる。

【0080】

（５）スイッチング速度切替診断部３３によりスイッチ素子ＴＲ２がオン固着状態であると判断され、かつ、電圧センサ１０によって計測された電圧ＨＶＤＣの値が所定の制限電圧ＨＶＤＣ－ｌｉｍｐ以上の場合、図８に示したリンプホーム処理によって交流電力の電流を制限することが好ましい。このようにすれば、スイッチ素子ＴＲ２がオン固着した場合であっても、パワートランジスタＴＰ１が大電流によって破壊されてしまうのを防ぐことができる。

【0081】

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について、図９を用いて説明する。本実施形態に係る電力変換装置は、第１の実施形態と同様の構成を有している。本実施形態と第１の実施形態との相違点は、スイッチング速度切替診断部３３におけるスイッチング速度切替部５３の診断方法にある。

【0082】

本実施形態では、スイッチング速度切替診断部３３は、診断用モニタ電圧Ｖｍｏｎｄの周期を計測し、その計測結果に基づいてスイッチング速度切替部５３の状態を判断する。具体的には、以下で説明する図９の表にしたがって、スイッチング速度切替部５３が正常であるか異常であるかを判断し、スイッチング速度切替部５３の診断を行う。

【0083】

図９は、本発明の第２の実施形態に係るスイッチング速度切替診断部３３による診断処理の内容をまとめた表である。図９の表３４０に示したように、スイッチング速度切替診断部３３は、診断用モニタ電圧Ｖｍｏｎｄの周期を計測し、その周期を駆動信号ＰＷＭの周期と比較することにより、スイッチング速度切替部５３の状態を判断する。

【0084】

表３４０において、行３４１は、スイッチ素子ＴＲ２のオフ固着状態を表している。この場合、切替指令ＶｓｅｌがＬレベルとＨレベルであるときに駆動信号ＰＷＭをそれぞれオンオフする処理を１セットとして、この処理を周期的に繰り返すと、診断用モニタ電圧ＶｍｏｎｄがＨレベルとなる周期は、図６で示したように駆動信号ＰＷＭの周期と一致する。これを確認することで、スイッチング速度切替部５３においてスイッチ素子ＴＲ２がオフ固着状態であると判断できる。

【0085】

表３４０において、行３４２は、スイッチング速度切替部５３が正常な状態を表している。この場合、上記処理を周期的に繰り返すと、診断用モニタ電圧ＶｍｏｎｄがＨレベルとなる周期は、図４で示したように駆動信号ＰＷＭの周期の２倍（１周期当たりの回数が半分）となる。これを確認することで、スイッチング速度切替部５３においてスイッチング速度切替部５３が正常であると判断できる。

【0086】

表３４０において、行３４３は、スイッチ素子ＴＲ２のオン固着状態を表している。この場合、図５で示したように診断用モニタ電圧ＶｍｏｎｄはＨレベルとならないため、上記処理を周期的に繰り返しても、診断用モニタ電圧ＶｍｏｎｄがＨレベルとなる周期は計測不能である。これを確認することで、スイッチング速度切替部５３においてスイッチ素子ＴＲ２がオン固着状態であると判断できる。

【0087】

なお、図７に示した表３３０における行３３４の状態、すなわち切替指令Ｖｓｅｌと診断用モニタ電圧Ｖｍｏｎｄの関係が正常時とは反対になっている場合に、診断用モニタ電圧ＶｍｏｎｄがＨレベルとなる周期は、正常時と同様に駆動信号ＰＷＭの周期の２倍となる。そのため、この場合は切替状態モニタ部７０が異常の可能性があるが、本実施形態では正常と判断する。

【0088】

以上、本発明の第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、スイッチング速度切替部５３の診断により、電力変換装置２００の信頼性を向上させることが可能となる。

【0089】

以上説明した本発明の第２の実施形態によれば、スイッチング速度切替部５３は、切替指令ＶｓｅｌがＬレベルのときにはターンオフ用ゲート抵抗Ｒｏｆｆ２とパワートランジスタＴＰ１の低電位側との間の接続を遮断し、切替指令ＶｓｅｌがＨレベルのときにはターンオフ用ゲート抵抗Ｒｏｆｆ２とパワートランジスタＴＰ１の低電位側との間の接続を導通するように、スイッチ素子ＴＲ２を動作させる。スイッチング速度切替診断部３３は、診断用モニタ電圧Ｖｍｏｎｄの周期を計測し、その周期に基づいて、スイッチング速度切替部５３の診断を行う。具体的には、
（ａ）診断用モニタ電圧Ｖｍｏｎｄの周期が駆動信号ＰＷＭの周期の２倍である場合は、スイッチング速度切替部５３が正常であると判断し（図９の行３４２）、
（ｂ）診断用モニタ電圧Ｖｍｏｎｄの周期が計測できない場合は、スイッチング速度切替部５３においてスイッチ素子ＴＲ２がオン固着状態であると判断し（図９の行３４３）、
（ｃ）診断用モニタ電圧Ｖｍｏｎｄの周期が駆動信号ＰＷＭの周期と一致する場合は、スイッチング速度切替部５３においてスイッチ素子ＴＲ２がオフ固着状態であると判断する（図９の行３４１）。
このようにしたので、第１の実施形態と同様に、スイッチ素子ＴＲ２のオン固着状態やオフ固着状態を確実に判断することができる。

【0090】

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について、図１０および図１１を用いて説明する。

【0091】

図１０は、本発明の第３の実施形態に係る電力変換装置の主要構成を示す回路ブロック図である。図１０の回路ブロック図において、第１の実施形態で説明した図２の回路ブロック図との相違点は、切替状態モニタ部７０とコントローラ１００ａの間にＡＮＤ回路８０が設けられている点である。

【0092】

ＡＮＤ回路８０は、インバータ回路３００において上アームを構成する３つのパワートランジスタに対して共通に設けられており、これら上３アーム分のパワートランジスタの各切替状態モニタ部７０から診断用モニタ電圧Ｖｍｏｎｄが入力される。ＡＮＤ回路８０は、入力された上３アーム分の診断用モニタ電圧Ｖｍｏｎｄの論理積を演算し、その演算結果をコントローラ１００ａに出力する。なお、各アームの駆動信号ＰＷＭおよび切替指令Ｖｓｅｌは、互いに同期して出力されるものとする。

【0093】

スイッチング速度切替診断部３３は、ＡＮＤ回路８０から入力される上３アーム分の診断用モニタ電圧Ｖｍｏｎｄの論理積に基づいて、上３アーム分のスイッチング速度切替部５３の診断をまとめて行う。これにより、ソフト側の負荷を低減して、より効率的にスイッチング速度切替部５３の診断を行うことが可能となる。なお、下３アームについても同様の構成が可能である。

【0094】

図１１は、本発明の第３の実施形態に係るＡＮＤ回路８０の入力信号と出力信号の関係をまとめた真理値表である。図１１の表に示すとおり、ＡＮＤ回路８０に入力される上３アーム分の診断用モニタ電圧Ｖｍｏｎｄのうちいずれか１アームでもＬレベルになると、ＡＮＤ回路８０からの出力信号はＬレベルとなる。なお、この出力信号による上３アーム分のスイッチング速度切替部５３の診断は、第１の実施形態で説明した図７の表３３０に従って、第１の実施形態と同様に行うことができる。

【0095】

以上説明した本発明の第３の実施形態によれば、電力変換装置２００は、パワー半導体素子を上アームと下アームにそれぞれ配置した複数のレグが互いに並列接続されたインバータ回路３００を有する。スイッチング速度切替診断部３３は、インバータ回路３００の各上アームに対する駆動信号ＰＷＭと切替指令Ｖｓｅｌを同期させたときの診断用モニタ電圧Ｖｍｏｎｄの論理積に基づいて、各上アームに対応して設けられたスイッチング速度切替部５３の診断をまとめて実施する。また、インバータ回路３００の各下アームに対する駆動信号ＰＷＭと切替指令Ｖｓｅｌを同期させたときの診断用モニタ電圧Ｖｍｏｎｄの論理積に基づいて、各下アームに対応して設けられたスイッチング速度切替部５３の診断をまとめて実施する。このようにしたので、インバータ回路３００の各アームに対して設けられたスイッチング速度切替部５３の診断を効率的に行うことができる。

【0096】

なお、以上説明した各実施形態では、切替指令ＶｓｅｌがＬレベルとＨレベルであるときに駆動信号ＰＷＭをオンオフする処理を１周期ずつ行い、このときの診断用モニタ電圧Ｖｍｏｎｄを用いてスイッチング速度切替部５３の診断を行っているが、誤診断を防止するため、スイッチング速度切替部５３の診断を複数回行ったときの各診断結果に基づいて、スイッチング速度切替部５３に対する最終的な診断結果を得るようにしてもよい。例えば、切替指令ＶｓｅｌがＬレベルとＨレベルであるときに、駆動信号ＰＷＭをそれぞれ複数回ずつオンオフし、その都度スイッチング速度切替部５３の診断を行う。そして、得られた各診断結果の合計値を、最終的な診断結果として用いることができる。

【0097】

また、以上説明した各実施形態において、スイッチング速度切替診断部３３がスイッチング速度切替部５３の診断を行うタイミングは、任意に設定することができる。例えば、電力変換装置２００に起動時に初期診断として実施してもよいし、電力変換装置２００の運用中にリアルタイムで実施してもよい。

【0098】

また、以上説明した各実施形態では、パワートランジスタＴＰ１のターンオフ側のスイッチング切替機能について説明しているが、同様の機能を用意すれば、ターンオン側についても適用可能である。

【0099】

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記の各実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。

【0100】

なお、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

【符号の説明】

【0101】

１０：電圧センサ、２０：電流センサ、３１：駆動信号生成部、３２：スイッチング速度選択部、３３：スイッチング速度切替診断部、４０，４１，４２：絶縁素子、５０：ドライブ回路、５１：ゲート信号制御部、５２：ゲート信号生成部、５３：スイッチング速度切替部、７０：切替状態モニタ部、８０：ＡＮＤ回路、１００ａ：コントローラ、１００ｂ：ドライバ、２００：電力変換装置、３００：インバータ回路、５００：電圧平滑用キャパシタ、９００：モータ、９０１：高圧バッテリ、ＴＰ１：パワートランジスタ、ＤＰ１：還流ダイオード、Ｒｏｎ：ターンオン用ゲート抵抗、Ｒｏｆｆ１，Ｒｏｆｆ２：ターンオフ用ゲート抵抗、ＴＲ１，ＴＲ３：バッファトランジスタ、ＴＲ２：スイッチ素子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】