特許 7561986 電力変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-26

(45)【発行日】2024-10-04

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/155 20060101AFI20240927BHJP

【ＦＩ】

H02M3/155 C

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2023525156

(86)(22)【出願日】2021-05-31

(86)【国際出願番号】 JP2021020656

(87)【国際公開番号】W WO2022254508

(87)【国際公開日】2022-12-08

【審査請求日】2023-11-24

(73)【特許権者】

【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】110001634

【氏名又は名称】弁理士法人志賀国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】宮田 裕司

(72)【発明者】

【氏名】中村 優太

(72)【発明者】

【氏名】後藤 勝敏

(72)【発明者】

【氏名】黒川 和成

(72)【発明者】

【氏名】鷺谷 吉則

(72)【発明者】

【氏名】加藤 拓馬

(72)【発明者】

【氏名】長澤 一哉

【審査官】清水 康

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１９／２４４６１４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０２０－００５４７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１９５２４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－２０７７６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０２４２８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０４６５４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１６９９９７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ３／００ － ３／４４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

チョッパ回路が相数に応じて複数並列に接続された多相変圧回路と、
前記チョッパ回路の相電流を検出する電流センサと、
前記相電流の偏流値を検出する偏流検出部と、
前記多相変圧回路の状態量に応じて故障検知しきい値を可変設定し、前記偏流値を前記故障検知しきい値と比較することにより前記チョッパ回路の故障を判定する故障判定部と
を備える電力変換装置。

【請求項2】

前記電流センサは、前記相電流の合計量を検出し、
前記故障判定部は、前記合計量から得られる前記状態量に基づいて前記故障検知しきい値を設定する請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項3】

前記電流センサに代えて、前記多相変圧回路の入力電流あるいは出力電流を検出する第２の電流センサをさらに備え、
前記故障判定部は、前記第２の電流センサの検出値に基づいて前記故障検知しきい値を設定する請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項4】

前記故障判定部は、前記状態量の大小に応じて複数の電流範囲に区分し、当該区分毎に前記故障検知しきい値を設定する請求項１～３のいずれか一項に記載の電力変換装置。

【請求項5】

故障した前記チョッパ回路を特定する故障特定部をさらに備える請求項１～４のいずれか一項に記載の電力変換装置。

【請求項6】

前記故障特定部は、
前記チョッパ回路を構成する半導体スイッチング素子の温度を各々検出する複数の温度センサと、
該温度センサの検出値に基づいて故障した前記半導体スイッチング素子を判定する判定部と
を備える請求項５に記載の電力変換装置。

【請求項7】

前記故障判定部は、前記状態量が小さい程、前記故障検知しきい値を小さく設定する請求項１～６のいずれか一項に記載の電力変換装置。

【請求項8】

前記状態量は、前記相電流の平均値あるいは実効値である請求項１～７のいずれか一項に記載の電力変換装置。

【請求項9】

前記状態量は、前記多相変圧回路の変圧比である請求項１～８のいずれか一項に記載の電力変換装置。

【請求項10】

前記多相変圧回路は、多相構成の昇降圧変換回路である請求項１～９のいずれか一項に記載の電力変換装置。

【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】

下記特許文献１には、スイッチング素子とスイッチング素子に接続されたリアクトルとを備えたチョッパ回路が並列に複数接続された多相コンバータを備える電力変換装置であって、チョッパ回路の一次側に設けられ、各スイッチング素子のオン状態及びオフ状態の双方において各リアクトルに流れる相電流を検出する単一の電流センサと、当該電流センサにより検出された相電流に基づいて各チョッパ回路における相電流の偏流を検出する偏流検出部とを備える電力変換装置が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】国際公開第２０１９／２４４６１４号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、上記従来の電力変換装置は、各チョッパ回路の相電流のピークを比較することにより相電流の偏流を検出するものなので、相電流が小さくなった場合に偏流の検出精度が低下する。そして、この結果として多相構成のチョッパ回路（多相変圧回路）の故障を誤検知する虞が上昇する。

【0005】

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、多相変圧回路における故障の誤検知を従来よりも低下させることが可能な電力変換装置の提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の第１の態様の電力変換装置は、チョッパ回路が相数に応じて複数並列に接続された多相変圧回路と、前記チョッパ回路の相電流を検出する電流センサと、前記相電流の偏流値を検出する偏流検出部と、前記多相変圧回路の状態量に応じて故障検知しきい値を可変設定し、前記偏流値を前記故障検知しきい値と比較することにより前記チョッパ回路の故障を判定する故障判定部とを備える。

【0007】

本開示の第２の態様の電力変換装置において、前記電流センサは、前記相電流の合計量を検出し、前記故障判定部は、前記合計量から得られる前記状態量に基づいて前記故障検知しきい値を設定する、としてもよい。

【0008】

本開示の第３の態様の電力変換装置において、前記電流センサに代えて、前記多相変圧回路の入力電流あるいは出力電流を検出する第２の電流センサをさらに備え、前記故障判定部は、前記第２の電流センサの検出値に基づいて前記故障検知しきい値を設定する、としてもよい。

【0009】

本開示の第４の態様の電力変換装置において、前記故障判定部は、前記状態量の大小に応じて複数の電流範囲に区分し、当該区分毎に前記故障検知しきい値を設定する、としてもよい。

【0010】

本開示の第５の態様の電力変換装置において、故障した前記チョッパ回路を特定する故障特定部をさらに備える、としてもよい。

【0011】

本開示の第６の態様の電力変換装置において、前記故障特定部は、前記チョッパ回路を構成する半導体スイッチング素子の温度を各々検出する複数の温度センサと、該温度センサの検出値に基づいて故障した前記半導体スイッチング素子を判定する判定部とを備える、としてもよい。

【0012】

本開示の第７の態様の電力変換装置において、前記故障判定部は、前記状態量が小さい程、前記故障検知しきい値を小さく設定する、としてもよい。

【0013】

本開示の第８の態様の電力変換装置において、前記状態量は、前記相電流の平均値あるいは実効値である、としてもよい。

【0014】

本開示の第９の態様の電力変換装置において、前記状態量は、前記多相変圧回路の変圧比である、としてもよい。

【0015】

本開示の第１０の態様の電力変換装置において、前記多相変圧回路は、多相構成の昇降圧変換回路である、としてもよい。

【発明の効果】

【0016】

本開示によれば、多相変圧回路における故障の誤検知を従来よりも低下させることが可能な電力変換装置を提供することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本開示の第１実施形態に係る電力変換装置Ａの全体構成を示すブロック図である。

【図2】本開示の第１実施形態における故障検知しきい値Ｒの設定方法を示す特性図である。

【図3】本開示の第１実施形態において、リアクトル電流Ｉ、偏流値Ｈ及び昇圧比に応じた故障診断の信頼性を示す模式図である。

【図4】本開示の第２実施形態に係る電力変換装置Ａ１の全体構成を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、図面を参照して、本開示の実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
最初に、本開示の第１実施形態について図１～図３を参照して説明する。第１実施形態に係る電力変換装置Ａは、図１に示すように組電池Ｐと走行モータＭとの間に設けられ、直流電力と三相交流電力とを相互に変換する装置である。この電力変換装置Ａは、図示するように昇降圧コンバータＤ１、インバータＤ２及び制御駆動回路Ｄ３を備えている。このような電力変換装置Ａは、例えばハイブリッド自動車や電気自動車等の電動車両に搭載される。

【0019】

ここで、組電池Ｐは、プラス電極が上記昇降圧コンバータＤ１の一次側入力端子に接続され、マイナス電極が昇降圧コンバータＤ１の一次側ＧＮＤ端子に接続されている。この組電池Ｐは、リチウムイオン電池等の二次電池であり、直流電力の充放電とを行う。

【0020】

走行モータＭは、電動車両の走行動力を発生する三相同期電動機であり、インバータＤ２の負荷である。この走行モータＭは、インバータＤ２から入力される三相駆動電力（Ｕ相駆動電力、Ｖ相駆動電力及びＷ相駆動電力）によって回転駆動され、電動車両の駆動輪を回転させる。

【0021】

第１実施形態に係る電力変換装置Ａは、このような組電池ＰとモータＭとの間に設けられ、組電池Ｐから供給される直流電力を三相交流電力に変換してモータＭを駆動する力行機能と、モータＭの回生電力（三相交流電力）を直流電力に変換して組電池Ｐに供給する充電機能とを有する。

【0022】

なお、このような電力変換装置Ａを構成する昇降圧コンバータＤ１、インバータＤ２及び制御駆動回路Ｄ３のうち、昇降圧コンバータＤ１は、本開示の多相変圧回路に相当し、制御駆動回路Ｄ３は、本開示の偏流検出部及び故障判定部に相当する構成要素である。

【0023】

昇降圧コンバータＤ１は、磁気結合インターリーブ型チョッパ回路と言われる多相構成の昇降圧変換回路であり、図示するように第１コンデンサ１、トランス２、４つの変圧用ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）３ａ～３ｄ、第２コンデンサ４、一次電圧センサ５，二次電圧センサ６及び電流センサ７を備えている。

【0024】

この昇降圧コンバータＤ１は、制御駆動回路Ｄ３から入力される変圧用ゲート信号に基づいて直流電力を昇圧あるいは降圧して入出力する電力変換回路である。すなわち、この昇降圧コンバータＤ１は、組電池Ｐから一次側に入力された直流電力を昇圧してインバータＤ２に出力する昇圧動作と、インバータＤ２から入力された直流電力を降圧して組電池Ｐに出力する降圧動作とを択一的に行う。

【0025】

インバータＤ２は、３相に対応した３つのスイッチングレグ（合計６つの走行用ＩＧＢＴ）を備えており、制御駆動回路Ｄ３から入力される走行用ゲート信号に基づいて各走行用ＩＧＢＴがＯＮ／ＯＦＦ動作することによって、直流電力と三相交流電力との電力変換を行う。すなわち、このインバータＤ２は、昇降圧コンバータＤ１から入力される直流電力を三相交流電力に変換して走行モータＭに供給する力行動作と、走行モータＭから入力された三相交流電力を直流電力に変換して昇降圧コンバータＤ１に出力する回生動作とを択一的に行う。

【0026】

ここで、昇降圧コンバータＤ１についてさらに詳しく説明すると、第１コンデンサ１は、一端が組電池Ｐのプラス電極及びトランス２に接続され、他端が組電池Ｐのプラス電極に接続されている。このような第１コンデンサ１の両端は、昇降圧コンバータＤ１における一次側入出力端子である。

【0027】

すなわち、この第１コンデンサ１は、組電池Ｐに対して並列接続されており、昇圧動作時において組電池Ｐから昇降圧コンバータＤ１に入力される直流電力（電池電力）に含まれ得る高周波ノイズを除去し、また降圧動作時においてトランス２から入力される直流電力に含まれるリップルを平滑化する。

【0028】

トランス２は、一次巻線２ａと二次巻線２ｂとを備えており、一次巻線２ａの一端及び二次巻線２ｂの一端が第１コンデンサ１の一端に接続されている。また、一次巻線２ａの他端は、第１の変圧用ＩＧＢＴ３ａのエミッタ端子及び第２の変圧用ＩＧＢＴ３ｂのコレクタ端子に接続され、二次巻線２ｂの他端は、第３の変圧用ＩＧＢＴ３ｃのエミッタ端子及び第４の変圧用ＩＧＢＴ３ｄのコレクタ端子に接続されている。

【0029】

このようなトランス２は、一次巻線２ａと二次巻線２ｂとが所定の結合係数ｋで電磁気的に結合している。すなわち、一次巻線２ａは、自身の巻き数等に応じた所定の第１自己インダクタンスＬａを有し、二次巻線２ｂは自身の巻き数等に応じた所定の第２自己インダクタンスＬｂを有している。また、一次巻線２ａと二次巻線２ｂとは、上述した第１自己インダクタンスＬａ、第２自己インダクタンスＬｂ及び結合係数ｋに基づく相互インダクタンスを有している。

【0030】

４つの変圧用ＩＧＢＴ３ａ～３ｄのうち、第１の変圧用ＩＧＢＴ３ａ及び第２の変圧用ＩＧＢＴ３ｂは、昇降圧コンバータＤ１におけるＡ相スイッチングレグを構成している。また、第３の変圧用ＩＧＢＴ３ｃ及び第４の変圧用ＩＧＢＴ３ｄは、昇降圧コンバータＤ１におけるＢ相スイッチングレグを構成している。このようなＡ相スイッチングレグとＢ相スイッチングレグとは、互いに逆位相でＯＮ／ＯＦＦ動作するスイッチングアームである。

【0031】

第１の変圧用ＩＧＢＴ３ａは、Ａ相スイッチングレグにおける上アームスイッチであり、第２の変圧用ＩＧＢＴ３ｂは、Ａ相スイッチングレグにおける下アームスイッチである。また、第３の変圧用ＩＧＢＴ３ｃは、Ｂ相スイッチングレグにおける上アームスイッチであり、第４の変圧用ＩＧＢＴ３ｄは、Ｂ相スイッチングレグにおける下アームスイッチである。

【0032】

第１の変圧用ＩＧＢＴ３ａは、コレクタ端子が第３の変圧用ＩＧＢＴ３ｃのコレクタ端子及び第２コンデンサ４の一端に共通接続されており、エミッタ端子が一次巻線２ａの他端及び第２の変圧用ＩＧＢＴ３ｂのコレクタ端子に共通接続され、ゲート端子が制御駆動回路Ｄ３の第１変圧用出力端子に接続されている。このような第１の変圧用ＩＧＢＴ３ａは、第１変圧用出力端子から入力される第１変圧用ゲート信号に基づいてＯＮ／ＯＦＦデューティ比が制御される半導体スイッチング素子である。

【0033】

第２の変圧用ＩＧＢＴ３ｂは、コレクタ端子が一次巻線２ａの他端及び第１の変圧用ＩＧＢＴ３ａのエミッタ端子に共通接続され、エミッタ端子が第４の変圧用ＩＧＢＴ３ｄのエミッタ端子、第１コンデンサ１の他端及び第２コンデンサ４の他端に共通接続され、ゲート端子が制御駆動回路Ｄ３の第２変圧用出力端子に接続されている。このような第２の変圧用ＩＧＢＴ３ｂは、第２変圧用出力端子から入力される第２変圧用ゲート信号に基づいてＯＮ／ＯＦＦデューティ比が制御される半導体スイッチング素子である。

【0034】

第３の変圧用ＩＧＢＴ３ｃは、コレクタ端子が第１の変圧用ＩＧＢＴ３ａのコレクタ端子及び第２コンデンサ４の一端に共通接続され、エミッタ端子が二次巻線２ｂの他端及び第４の変圧用ＩＧＢＴ３ｄのコレクタ端子に共通接続され、ゲート端子が制御駆動回路Ｄ３の第３変圧用出力端子に接続されている。このような第３の変圧用ＩＧＢＴ３ｃは、第３変圧用出力端子から入力される第３変圧用ゲート信号に基づいてＯＮ／ＯＦＦデューティ比が制御される半導体スイッチング素子である。

【0035】

第４の変圧用ＩＧＢＴ３ｄは、コレクタ端子が二次巻線２ｂの他端及び第３の変圧用ＩＧＢＴ３ｃのエミッタ端子に共通接続され、エミッタ端子が第１の変圧用ＩＧＢＴ３ａのエミッタ端子、第１コンデンサ１の他端及び第２コンデンサ４の他端に共通接続され、ゲート端子が制御駆動回路Ｄ３の第４変圧用出力端子に接続されている。このような第４の変圧用ＩＧＢＴ３ｄは、第４変圧用出力端子から入力される第４変圧用ゲート信号に基づいてＯＮ／ＯＦＦデューティ比が制御される半導体スイッチング素子である。

【0036】

このような第１～第４の変圧用ＩＧＢＴ３ａ～３ｄは、図示するように各々に還流ダイオードを備えている。すなわち、この還流ダイオードは、各々のＩＧＢＴについて、カソード端子がコレクタ端子に接続され、またアノード端子がエミッタ端子に接続されている。このような還流ダイオードは、ＩＧＢＴがＯＦＦ状態の時にアノード端子からカソード端子に還流電流を流す。

【0037】

第２コンデンサ４は、一端が第１の変圧用ＩＧＢＴ３ａのコレクタ端子及び第３の変圧用ＩＧＢＴ３ｃのコレクタ端子に接続され、他端が第２の変圧用ＩＧＢＴ３ｂのエミッタ端子、第４の変圧用ＩＧＢＴ３ｄのエミッタ端子及び第１コンデンサ１の他端に共通接続されている。このような第２コンデンサ４の両端は、昇降圧コンバータＤ１における二次側入出力端子である。

【0038】

このような第２コンデンサ４は、昇圧動作においてＡ相スイッチングレグ及びＢ相スイッチングレグから入力される直流電力（昇圧電力）に含まれ得るリップルを平滑化する。また、この第２コンデンサ４は、降圧動作時においてインバータＤ２から入力される直流電力（回生電力）に含まれ得るリップルを平滑化する。

【0039】

ここで、上述した第１コンデンサ１、トランス２の一次巻線２ａ及び二次巻線２ｂ、４つの変圧用ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）３ａ～３ｄ及び第２コンデンサ４のうち、第１コンデンサ１、一次巻線２ａ、第１、第２の変圧用ＩＧＢＴ３ａ、３ｂ（Ａ相スイッチングレグ）及び第２コンデンサ４は、第１のチョッパ回路を構成している。

【0040】

また、第１コンデンサ１、二次巻線２ｂ、第３、第４の変圧用ＩＧＢＴ３ｃ、３ｄ（Ｂ相スイッチングレグ）及び第２コンデンサ４は、第２のチョッパ回路を構成している。このような第１のチョッパ回路及び第２のチョッパ回路は、相数が２に対応する２相変圧回路（多相変圧回路）を構成しており、当該相数（つまり２）に応じて複数（２つ）並列に接続されている。

【0041】

一次電圧センサ５は、昇降圧コンバータＤ１の一次側つまり組電池Ｐ側の一次電圧Ｖ１を検出する電圧センサであり、昇降圧コンバータＤ１の状態量である一次電圧Ｖ１を制御駆動回路Ｄ３に出力する。この一次電圧Ｖ１は、昇降圧コンバータＤ１の昇圧動作における入力電圧であり、また昇降圧コンバータＤ１の降圧動作における出力電圧である。

【0042】

二次電圧センサ６は、昇降圧コンバータＤ１の二次側つまりインバータＤ２側の二次電圧Ｖ２を検出する電圧センサであり、昇降圧コンバータＤ１の状態量である二次電圧Ｖ２を制御駆動回路Ｄ３に出力する。この二次電圧Ｖ２は、昇降圧コンバータＤ１の昇圧動作における出力電圧であり、また昇降圧コンバータＤ１の降圧動作における入力電圧である。

【0043】

電流センサ７は、トランス２の一次巻線２ａに流れる一次電流と二次巻線２ｂに流れる二次電流との合計量（合計電流）をリアクトル電流Ｉとして検出する電流センサである。この電流センサ７は、上記リアクトル電流Ｉを制御駆動回路Ｄ３に出力する。

【0044】

上記一次電流は、一次巻線２ａに接続されたＡ相スイッチングレグのＯＮ／ＯＦＦ動作によって一次巻線２ａに流れるＡ相電流Ｉａであり、昇降圧コンバータＤ１の一次側から二次側に流れる力行電流あるいは昇降圧コンバータＤ１の二次側から一次側に流れる回生電流である。

【0045】

また、上記二次電流は、二次巻線２ｂに接続されたＢ相スイッチングレグのＯＮ／ＯＦＦ動作によって二次巻線２ｂに流れるＢ相電流Ｉｂであり、昇降圧コンバータＤ１の一次側から二次側に流れる力行電流あるいは昇降圧コンバータＤ１の二次側から一次側に流れる回生電流である。

【0046】

ここで、図示するように、インバータＤ２と走行モータＭとを接続する三相電力線には各々に電流センサが設けられている。すなわち、Ｕ相電力線にはＵ相電流センサ８が設けられ、Ｖ相電力線にはＶ相電流センサ９が設けられ、またＷ相電力線にはＷ相電流センサ１０が設けられている。

【0047】

Ｕ相電流センサ８は、Ｕ相電力線に流れるＵ相駆動電流あるいはＵ相回生電流を検出し、その検出値を示すＵ相電流検出信号を制御駆動回路Ｄ３に出力する。Ｖ相電流センサ９は、Ｖ相電力線に流れるＶ相駆動電流あるいはＶ相回生電流を検出し、その検出値を示すＶ相電流検出信号を制御駆動回路Ｄ３に出力する。またＷ相電流センサ１０は、Ｗ相電力線に流れるＷ相駆動電流あるいはＷ相回生電流を検出し、その検出値を示すＷ相電流検出信号を制御駆動回路Ｄ３に出力する。

【0048】

続いて、制御駆動回路Ｄ３の詳細について説明する。この制御駆動回路Ｄ３は、図示するように偏流検出部１１、平均電流検出部１２、制御部１３、また２つのゲート信号生成部１４、１５を備えている。

【0049】

偏流検出部１１は、電流センサ７から入力されるリアクトル電流Ｉに基づいて、当該リアクトル電流Ｉに含まれるリップル成分に基づいて偏流値Ｈを検出する。すなわち、この偏流検出部１１は、リアクトル電流Ｉからリップル成分を抽出し、当該リップル成分に含まれる２つのピーク値の差分を偏流値Ｈとして制御部１３に出力する。

【0050】

上述したようにリアクトル電流Ｉは、トランス２の一次巻線２ａに流れるＡ相電流Ｉａと二次巻線２ｂに流れるＢ相電流Ｉｂとの合計電流である。Ａ相電流Ｉａは、Ａ相スイッチングレグのＯＮ／ＯＦＦ動作に同期した位相のリップルを含む直流電流であり、またＢ相電流Ｉｂは、Ｂ相スイッチングレグのＯＮ／ＯＦＦ動作に同期した位相のリップルを含む直流電流である。

【0051】

また、Ａ相スイッチングレグとＢ相スイッチングレグとは互いに逆位相でＯＮ／ＯＦＦ動作するので、Ａ相電流Ｉａのリップル成分は、Ｂ相電流Ｉｂのリップル成分に対して位相が逆位相となる。

【0052】

昇降圧コンバータＤ１におけるＡ相スイッチングレグとＢ相スイッチングレグとが正常に動作している場合つまりＡ相電流ＩａとＢ相電流Ｉｂとが略等しい場合、リアクトル電流Ｉのリップル成分は、Ａ相電流Ｉａのリップル成分とＢ相電流Ｉｂのリップル成分とが合計（加算）されることにより比較的小さな値となる。

【0053】

すなわち、昇降圧コンバータＤ１におけるＡ相スイッチングレグとＢ相スイッチングレグとが正常に動作している場合、Ａ相電流Ｉａのリップル成分のピーク値とＢ相電流Ｉｂのリップル成分のピーク値との差分である偏流値Ｈは、比較的小さなものとなる。

【0054】

これに対して、Ａ相スイッチングレグあるいはＢ相スイッチングレグのいずれかが故障状態に至ると、Ａ相電流Ｉａの大きさとＢ相電流Ｉの大きさとが異なる大きなになるので、Ａ相電流Ｉａのリップル成分のピーク値とＢ相電流Ｉｂのリップル成分のピーク値との差分である偏流値Ｈは、正常動作時に比べて大きさとなる。なお、このことは上述した特許文献１にも記載されている。

【0055】

このように、リアクトル電流Ｉの偏流値Ｈは、Ａ相電流Ｉａの大きさとＢ相電流Ｉｂの大きさとの比率に応じて変動する状態量、つまりＡ相スイッチングレグとＢ相スイッチングレグとのいずれか一方が故障状態に陥っていることを示す状態量と言えるものである。

【0056】

平均電流検出部１２は、電流センサ７から入力されるリアクトル電流Ｉに基づいて、当該リアクトル電流Ｉの平均値（電流平均値Ｇ）を検出する。すなわち、この平均電流検出部１２は、リアクトル電流Ｉにフィルタ処理の一種である移動平均処理を施すことにより、リップル成分（偏流）を平均化した電流値を電流平均値Ｇとして制御部１３に出力する。

【0057】

制御部１３は、一次電圧センサ５から入力される一次電圧Ｖ１、二次電圧センサ６から入力される二次電圧Ｖ２、電流センサ７から入力されるリアクトル電流Ｉ及び上位制御装置から入力される制御指令等に基づいて、第１～第４変圧用ゲート信号の生成に必要な第１～第４変圧用Ｄｕｔｙ指令値を生成する。

【0058】

これら第１～第４変圧用Ｄｕｔｙ指令値は、ＰＷＭ信号である第１～第４変圧用ゲート信号のデューティ比を指定する信号である。制御部１３は、このような第１～第４変圧用Ｄｕｔｙ指令値を第1のゲート信号生成部１４に出力する。

【0059】

また、制御部１３は、二次電圧センサ６から入力される二次電圧Ｖ２、Ｕ相電流センサ８から入力されるＵ相電流検出信号、Ｖ相電流センサ９から入力されるＶ相電流検出信号、Ｗ相電流センサ１０から入力されるＷ相電流検出信号及び上位制御装置から入力される制御指令等に基づいて、第１～第４走行用ゲート信号の生成に必要な第１～第４走行用Ｄｕｔｙ指令値を生成する。

【0060】

これら第１～第４走行用Ｄｕｔｙ指令値は、ＰＷＭ信号である第１～第４走行用ゲート信号のデューティ比を指定する信号である。制御部１３は、このような第１～第４走行用Ｄｕｔｙ指令値を第２のゲート信号生成部１５に出力する。

【0061】

さらに、制御部１３は、昇降圧コンバータＤ１の故障診断機能を有する。すなわち、この制御部１３は、偏流検出部１１から入力される偏流値Ｈ、平均電流検出部１２から入力される電流平均値Ｇ、また昇降圧コンバータＤ１の動作状態に１つである変圧比等に基づいて、Ａ相スイッチングレグとＢ相スイッチングレグとのいずれか一方が故障状態に陥っているか否かを診断する。

【0062】

次に、本実施形態に係る電力変換装置Ａの動作について、図２及び図３をも参照して詳しく説明する。

【0063】

制御部１３は、一次電圧Ｖ１、二次電圧Ｖ２、リアクトル電流Ｉ及び制御指令等を所定のタイムインターバル順次取り込むことにより、各時刻における第１～第４変圧用Ｄｕｔｙ指令値を生成し、昇降圧コンバータＤ１に出力する。また、制御部１３は、二次電圧Ｖ２、Ｕ相電流検出信号、Ｖ相電流検出信号、Ｗ相電流検出信号及び制御指令等を所定のタイムインターバル順次取り込むことにより、各時刻における第１～第６走行用Ｄｕｔｙ指令値を生成し、インバータＤ２に出力する。

【0064】

例えば、昇降圧コンバータＤ１を昇圧動作かつインバータＤ２を力行動作させて走行モータＭを回転駆動する場合、制御部１３は、昇降圧コンバータＤ１が所定の昇圧比となるように第１～第４変圧用Ｄｕｔｙ指令値を生成し、またインバータＤ２が昇降圧コンバータＤ１から入力される直流電力を所定の駆動電流値の三相交流電力に変換するように第１～第６走行用Ｄｕｔｙ指令値を生成する。この結果、走行モータＭは、制御指令で指定されたトルク及び回転数で回転し、電動車両を走行させる。

【0065】

そして、第1のゲート信号生成部１４は、制御部１３から入力される第１～第４変圧用Ｄｕｔｙ指令値に基づいて第１～第４変圧用ゲート信号を生成して昇降圧コンバータＤ１に出力する。また、第２のゲート信号生成部１５は、制御部１３から入力される第１～第６走行用Ｄｕｔｙ指令値に基づいて第１～第６走行用ゲート信号を生成してインバータＤ２に出力する。

【0066】

ここで、Ａ相スイッチングレグを構成する第１、第２の変圧用ＩＧＢＴ３ａ、３ｂを駆動する第１、第２変圧用ゲート信号は、Ｂ相スイッチングレグを構成する第３、第４変圧用ＩＧＢＴ３ｃ、３ｄを駆動する第３、第４変圧用ゲート信号に対して位相が１８０°異なる。したがって、第１、第２の変圧用ＩＧＢＴ３ａ、３ｂと第３、第４変圧用ＩＧＢＴ３ｃ、３ｄとは、位相が１８０°異なる状態でＯＮ／ＯＦＦする。

【0067】

この結果、トランス２の一次巻線２ａに流れるＡ相電流Ｉａ及びトランス２の二次巻線２ｂに流れるＢ相電流Ｉｂは、リップル成分の位相が１８０°異なる関係となる。電流センサ７は、このようなＡ相電流ＩａとＢ相電流Ｉｂとの合計電流であるリアクトル電流Ｉを常時検出し、偏流検出部１１及び平均電流検出部１２に出力する。

【0068】

そして、偏流検出部１１は、リアクトル電流Ｉに基づいて偏流値Ｈを順次検出して制御部１３に出力し、平均電流検出部１２は、リアクトル電流Ｉに基づいて電流平均値Ｇを順次検出して制御部１３に出力する。そして、制御部１３は、偏流値Ｈ及び電流平均値Ｇに基づいて以下のようＡ相スイッチングレグとＢ相スイッチングレグとのいずれか一方が故障状態に陥っているか否かを診断する。

【0069】

すなわち、制御部１３は、図２に示すように、偏流値Ｈ及び電流平均値Ｇに応じてＡ相スイッチングレグ及びＢ相スイッチングレグの故障検知しきい値Ｒを可変設定する。そして、制御部１３は、偏流値Ｈが故障検知しきい値Ｒ以上の場合はＡ相スイッチングレグとＢ相スイッチングレグとのいずれか一方が故障状態に陥っていると判定し、偏流値Ｈが故障検知しきい値Ｒを超えない場合には、Ａ相スイッチングレグ及びＢ相スイッチングレグがいずれも正常であると判定する。

【0070】

なお、図２の横軸は電流平均値Ｇを示しているが、リアクトル電流Ｉには流れ方向は、昇降圧コンバータＤ１が昇圧動作をしている場合と降圧動作をしている場合とで異なる。上記故障検知しきい値Ｒは、この図２に示すように、リアクトル電流の２つの流れ方向に対して同様に、つまり電流平均値Ｇが「０」となる縦軸（偏流値Ｈの軸）に対して左右対称となるように設定されている。

【0071】

また、この故障検知しきい値Ｒは、図示するように電流平均値Ｇの大きさ（絶対値）が小さい程小さな値に設定されており、電流平均値Ｇの大きさ（絶対値）が大きい程大きな値に設定されている。例えば、故障検知しきい値Ｒは、図２に示すように、電流平均値Ｇの大小に応じて大、中、小の３電流領域（大領域、中領域及び小領域）に区分され、各電流範囲について個別に設定されている。

【0072】

このような故障検知しきい値Ｒの設定方法は、図３に示すように、同一の昇圧比で比較した場合、リアクトル電流Ｉが小さい程つまり電流平均値Ｇの絶対値が小さい程にリアクトル電流Ｉのリップル成分が小さくなるので、Ａ相スイッチングレグあるいはＢ相スイッチングレグの故障判定の信頼性が低下するためである。

【0073】

なお、リアクトル電流Ｉのリップル成分は、図３に示すように、同一のリアクトル電流Ｉで比較した場合、昇圧比Ｓが小さい程に小さくなる。すなわち、Ａ相スイッチングレグあるいはＢ相スイッチングレグの故障判定の信頼性は、昇圧比Ｓが小さい程に低下する傾向がある。このことを考慮すると、故障検知しきい値Ｒを昇圧比Ｓが小さい程に小さな値に設定してもよい。

【0074】

ここで、本第１実施形態における電流平均値Ｇ及び昇圧比Ｓは、本開示の状態量に相当する。すなわち、電流平均値Ｇ及び昇圧比Ｓは、昇降圧コンバータＤ１の動作状態を示す量である。

【0075】

さらに、リアクトル電流Ｉが小さい場合つまり電流平均値Ｇの絶対値が小さい場合には、Ａ相スイッチングレグとＢ相スイッチングレグとのいずれか一方が故障状態に陥っている場合の偏流値Ｈと、Ａ相スイッチングレグ及びＢ相スイッチングレグがいずれも正常である場合の偏流値Ｈとに有意な差異が発生しないことが懸念される。

【0076】

このような場合を考慮すると、図２に領域Ｔｍ、Ｔｓとして示すように、電流平均値Ｇに故障診断を行わない領域を設定してもよい。これら２つの領域Ｔｍ、Ｔｓのうち、領域Ｔｍは、図示するように電流平均値Ｇにおいて領域Ｔｓよりもより小さくかつより狭い領域に設定されるものであり、昇圧比を大、中、小の３領域に区分した場合に中以上の場合に設定される診断不実行領域である。

【0077】

一方、領域Ｔｓは、電流平均値Ｇにおいて領域Ｔｍを包含すると共に領域Ｔｍよりもより広い領域に設定されるものであり、昇圧比が小の場合に設定される診断不実行領域である。昇圧比が小の場合は昇圧比が中以上の場合よりも偏流値Ｈが小さくなる傾向があるので、昇圧比が小の場合には、昇圧比が中以上の場合よりも電流平均値Ｇのより広い範囲で診断を停止させる。

【0078】

このような第１実施形態によれば、第１、第２のチョッパ回路の状態量に応じて故障検知しきい値Ｒを可変設定し、偏流値Ｈを故障検知しきい値Ｒと比較することにより第１、第２のチョッパ回路を構成するＡ相スイッチングレグあるいはＢ相スイッチングレグの故障を判定するので、Ａ相スイッチングレグとＢ相スイッチングレグにおける故障の誤検知を従来よりも低下させることが可能である。

【0079】

〔第２実施形態〕
次に、本開示の第２実施形態について図４を参照して説明する。この図４は、第２実施形態に係る電力変換装置Ａ１の全体構成を示しており、第１実施形態に係る電力変換装置Ａの全体構成を示す図１と同一の構成要素については同一符号を付している。

【0080】

図４を図１と対比すると分かるように、第２実施形態に係る電力変換装置Ａ１は、第１実施形態に係る電力変換装置Ａに４つの温度センサ１６～１９を追加し、また第１実施形態に係る電力変換装置Ａの制御部１３に代えて制御部１３Ａを備える。

【0081】

このような４つの温度センサ１６～１９及び制御部１３Ａは、本開示の故障特定部を構成している。また、４つの温度センサ１６～１９及び制御部１３Ａのうち、４つの温度センサ１６～１９は、本開示の温度センサに相当し、また制御部１３Ａは、本開示の判定部に相当する。

【0082】

すなわち、４つの温度センサ１６～１９及び制御部１３Ａは、第１のチョッパ回路のＡ相スイッチングレグあるいは第２のチョッパ回路のＢ相スイッチングレグのうち、いずれのスイッチングレグが故障したかを特定する。また、４つの温度センサ１６～１９及び制御部１３Ａは、故障したチョッパ回路のスイッチングレグについて上アームスイッチと下アームスイッチのうち、故障したスイッチ（半導体スイッチング素子）を特定するものである。

【0083】

また、このような４つの温度センサ１６～１９及び制御部１３Ａのうち、４つの温度センサ１６～１９は、第１，第２のチョッパ回路を構成する第１～第４の変圧用ＩＧＢＴ３ａ～３ｄ（半導体スイッチング素子）の温度を各々検出するものである。

【0084】

第１の温度センサ１６は、第１の変圧用ＩＧＢＴ３ａの動作温度を検出するセンサであり、検出値を第１温度検出信号として制御部１３Ａに出力する。また、第２の温度センサ１７は、第２の変圧用ＩＧＢＴ３ｂの動作温度を検出するセンサであり、検出値を第２温度検出信号として制御部１３Ａに出力する。

【0085】

第３の温度センサ１８は、第３の変圧用ＩＧＢＴ３ｃの動作温度を検出するセンサであり、検出値を第３温度検出信号として制御部１３Ａに出力する。また、第４の温度センサ１９は、第４の変圧用ＩＧＢＴ３ｄの動作温度を検出するセンサであり、検出値を第４温度検出信号として制御部１３Ａに出力する。

【0086】

一方、制御部１３Ａは、第１実施形態の制御部１３Ａの機能に加えて、故障した変圧用ＩＧＢＴを特定する機能を備える。この制御部１３Ａは、４つ（複数）の温度センサ１６～１９の検出値に基づいて故障した半導体スイッチング素子つまり第１～第４の変圧用ＩＧＢＴ３ａ～３ｄのいずれかを判定する。

【0087】

すなわち、制御部１３Ａは、偏流値Ｈを故障検知しきい値Ｒと比較することによりＡ相スイッチングレグあるいはＢ相スイッチングレグの故障を判定すると、後処理として故障と判定したスイッチングレグを構成する２つの変圧用ＩＧＢＴのうち、いずれが故障したかを第１～第４温度検出信号に基づいて判定する。

【0088】

例えば、Ａ相スイッチングレグを構成する第１の変圧用ＩＧＢＴ３ａがＯＦＦ状態（開状態）に固定される故障（開故障）をした場合、第１の変圧用ＩＧＢＴ３ａにはＡ相電流Ｉａが通電されなくなるので、動作温度が正常時よりも大幅に低下する。これに対して、故障していない他の第２～第４の変圧用ＩＧＢＴ３ｂ～３ｄの動作温度には大きな変化は発生しない。

【0089】

制御部１３Ａは、このような第１～第４の変圧用ＩＧＢＴ３ａ～３ｄの動作温度を第１～第４温度検出信号に基づいて評価することにより、故障した変圧用ＩＧＢＴを特定する。そして、制御部１３Ａは、故障した変圧用ＩＧＢＴを上位制御装置に通知する。

【0090】

このような第２実施形態によれば、第１実施形態と同様にＡ相スイッチングレグとＢ相スイッチングレグにおける故障の誤検知を従来よりも低下させることが可能であることに加え、故障した変圧用ＩＧＢＴを特定することが可能なので、昇降圧コンバータＤ１の修理を容易に行うことができる。

【0091】

なお、本開示は上記各実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形が考えられる。
（１）上記各実施形態では、第１、第２のチョッパ回路の動作状態を示す状態量として電流平均値Ｇを採用したが、本開示はこれに限定されない。電流平均値Ｇつまりリアクトル電流Ｉの平均値に代えてあるいは電流平均値Ｇに加えて、リアクトル電流Ｉの実効値や変圧比（昇圧比あるいは降圧比）を第１、第２のチョッパ回路の状態量とし、このような状態量に応じて故障検知しきい値Ｒを可変設定してもよい。

【0092】

（２）上記各実施形態では、平均電流検出部１２で生成した電流平均値Ｇを状態量としたが、本開示はこれに限定されない。例えば、昇降圧コンバータＤ１の昇圧動作時における入力電流つまり組電池Ｐの出力電流（バッテリ電流）を検出する電流センサ（第２の電流センサ）を別途設け、当該第２の電流センサの検出値を状態量としてもよい。上記バッテリ電流は、リップル成分がリアクトル電流Ｉに比べて十分に小さいので、故障検知しきい値Ｒを可変設定するための状態量として採用することが可能である。

【0093】

また、昇降圧コンバータＤ１の昇圧動作時における出力電流つまりインバータＤ２の入力電流を検出する電流センサ（第２の電流センサ）を別途設け、当該第２の電流センサの検出値を状態量としてもよい。上記出力電流は、リップル成分がリアクトル電流Ｉに比べて十分に小さいので、故障検知しきい値Ｒを可変設定するための状態量として採用することが可能である。

【0094】

（３）上記各実施形態では、トランス２の一次巻線２ａに流れる一次電流つまりＡ相スイッチングレグに流れるＡ相電流Ｉａと二次巻線２ｂに流れる二次電流つまりＢ相スイッチングレグに流れるＢ相電流Ｉｂとの合計量を検出する電流センサ７を採用した。すなわち、この電流センサ７は、Ａ相電流Ｉａ及びＢ相電流Ｉｂという２つの相電流の合成電流をリアクトル電流Ｉとして検出するものである。しかしながら、本開示における電流センサは、電流センサ７に限定されない。例えば、Ａ相電流ＩａとＢ相電流Ｉｂとを個別に検出する２つの電流センサを採用してもよい。

【0095】

（４）上記各実施形態では、本開示を２相変圧回路に適用した場合について説明したが、本開示はこれに限定されない。すなわち、本開示は、２相変圧回路以外の多相変圧回路、例えば３相変圧回路や４相変圧回路、さらには５相構成以上の変圧回路にも適用することができる。

【0096】

（５）上記各実施形態では、半導体スイッチング素子としてＩＧＢＴを採用する昇降圧コンバータＤ１（多相変圧回路）に本開示を適用した場合について説明したが、本開示はこれに限定されない。本開示は、ＩＧＢＴ以外の半導体スイッチング素子、例えばＭＯＳトランジスタを採用する多相変圧回路にも適用可能である。

【0097】

（６）上記各実施形態では、多相変圧回路の一種である昇降圧コンバータＤ１に本開示を適用した場合について説明したが、本開示はこれに限定されない。本開示は、昇圧動作のみを行う多相昇圧回路や降圧動作のみを行う多相降圧回路にも適用することができる。

【産業上の利用可能性】

【0098】

本開示は、電力変換装置に利用することができる。

【符号の説明】

【0099】

Ａ、Ａ１ 電力変換装置
Ｄ１ 昇降圧コンバータ
Ｄ２ インバータ
Ｄ３ 制御駆動回路
１ 第１コンデンサ
２ トランス
２ａ 一次巻線
２ｂ 二次巻線
３ａ～３ｄ 変圧用ＩＧＢＴ
４ 第２コンデンサ
５ 一次電圧センサ
６ 二次電圧センサ
７ 電流センサ
８ Ｕ相電流センサ
９ Ｖ相電流センサ
１０ Ｗ相電流センサ
１１ 偏流検出部
１２ 平均電流検出部
１３ 制御部
１４、１５ ゲート信号生成部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】