JP4488824B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は産業機器や移動体等に搭載される電力変換装置に関し、特に、電力変換装置の異常検知技術に関する。

従来、直流電圧が約１０００V以上の高電圧における電力変換装置の構成に関する技術として、図６に示すものがある。

図６に示した構成図は、電力変換装置に関するものであり、図示していない外部の直流電源が接続された端子である、正極側端子３１と負極側端子３２の間に２個のパワー半導体Ｘ１，Ｘ２を直列に接続して構成してある。また、パワー半導体Ｘ１，Ｘ２の接続部には交流出力端子３０が接続してある。図６では、パワー半導体Ｘ１に対する駆動制御の構成を示してあるが、同様の構成がパワー半導体Ｘ２に対しても成される。ここで、パワー半導体Ｘ１又はＸ２に対してオン、オフさせるゲート制御信号を発生させる制御部１を備え、この制御部１が出力するゲート制御信号を、信号伝送部２を介してゲート駆動回路７に供給する構成としてある。このゲート駆動回路７に対してパワー半導体Ｘ１が接続してある。パワー半導体の構成は、例えば、トランジスタとダイオードの組み合わせによるものがある。なお、パワー半導体Ｘ１，Ｘ２について、共に、トランジスタが正極側端子３１からの正電流方向に接続してあり、一方、それぞれのトランジスタに対して並列に、ダイオードが逆方向に電流が流れるように接続してある。

ここで、制御部１からのゲート制御信号は、信号伝送部２内の電気信号を光信号に変換する電光変換部１５に供給される。電光変換部１５で変換された光信号は、光伝送手段８を介して光電変換部１３に供給され、電気信号に変換される。光電変換部１３で変換された電気信号は、ゲート駆動回路７内の増幅回路４に供給される。信号伝送部２内では、光信号に変換して伝送するため、電気絶縁性が高まることとなる。これにより、制御部１とゲート駆動回路７との間における高い絶縁性を確保できる。

増幅回路４で増幅されたゲート駆動信号は、パワー半導体Ｘ１のゲート端子に供給され、パワー半導体Ｘ１のオン・オフが制御される。ところで、パワー半導体Ｘ１，Ｘ２の間には、ゲート駆動回路７内の異常電流を検出する検出回路３が接続してある。そして、検出回路３の出力に基づいて、増幅回路４の増幅動作の制御を行うようにしてある。

ここで、パワー半導体Ｘ１，Ｘ２のいずれかが短絡等の状態に到った場合、過電流が一気に印加され、パワー半導体の破壊を引き起こす可能性がある。この破壊を回避するため、図６に示した構成では、パワー半導体Ｘ１，Ｘ２間の電流を検出する検出回路３を有している。この検出回路３でパワー半導体Ｘ１，Ｘ２を流れる電流値をチェックし、過電流を検知した場合は、常にオフ信号を出力するよう指令する。このようにしてあることで、パワー半導体Ｘ１，Ｘ２をオフ状態に保ち続け、パワー半導体Ｘ１，Ｘ２を保護することが可能となる。

特許文献１には、パワー半導体の保護のため、パワー半導体の過電流を検知し、速やかに電流の流入を停止させることについての記載がある。
特開２００１−１９００７６公報（図１）

大型産業装置や電車等の特に回路電圧の高い移動体に搭載される電力変換装置において、主回路電圧が、例えば、１５００Vである場合、パワー半導体の破壊による電力変換装置の破壊被害は大きいものとなる。

ところが電力変換装置の故障原因を調査したところ、制御部や駆動回路部等の数Ｖから数十Ｖ程度の低電圧回路の故障により、誤ったオン信号がパワー半導体に印加されてしまう。その結果として、パワー半導体に過電流、過電圧が印加され、パワー半導体が破壊される２次故障の場合が多い。

しかしながら、従来技術のパワー半導体の保護機能は、図６に示した構成のように、パワー半導体に電圧が印加された状態でなければ異常を検知できないものであった。そのため、保護機能部の動作が遅れた場合、パワー半導体が破壊される可能性があった。また、保護機能部が故障した場合、パワー半導体を正常に保護することが出来ない可能性もある。

本発明はこのような状況に鑑みて成されたものであり、高電圧が印加される電力変換装置におけるパワー半導体の破壊を低減することを目的とする。

本発明は、少なくとも１相分として半導体素子の直列接続体が直流電源に並列接続され、直列接続された半導体素子を交互にスイッチング制御することによって半導体素子の直列接続部から交流を出力する電力変換回路と、半導体素子をスイッチング制御させるためのゲート制御信号を出力する制御部と、ゲート制御信号を増幅し半導体素子をスイッチング駆動させるためのゲート駆動信号を出力する駆動回路部と、駆動回路部に駆動回路に対する故障診断を行う故障診断手段と、半導体素子に電圧を印加しない状態で制御部から故障診断手段へ診断開始信号を通信し、又は半導体素子に電圧を印加しない状態で故障診断手段の診断結果信号を故障診断手段から制御部へ無線通信する無線通信手段と、を備え、無線通信手段を、制御部から駆動回路部へのゲート制御信号の通信とは別個の通信系統とする。
また、本発明は、少なくとも１相分として半導体素子の直列接続体が直流電源に並列接続され、直列接続された半導体素子を交互にスイッチング制御することによって半導体素子の直列接続部から交流を出力する電力変換回路と、半導体素子をスイッチング制御させるためのゲート制御信号を出力する制御部と、ゲート制御信号を増幅回路で増幅し半導体素子をスイッチング駆動させるためのゲート駆動信号を出力する駆動回路部と、増幅回路に機能動作のための擬似信号を入力した際の出力信号に基づき駆動回路部に対する故障診断を行う故障診断手段と、半導体素子に電圧を印加しない状態で制御部から故障診断手段へ診断開始信号を通信し、又は半導体素子に電圧を印加しない状態で故障診断手段の診断結果信号を故障診断手段から制御部へ無線通信する無線通信手段と、を備え、無線通信手段を、制御部から駆動回路部へのゲート制御信号の通信とは別個の通信系統とする。

本発明によれば、駆動回路部内のオン・オフ機能やパワー半導体保護機能の故障を検知し、制御部に診断結果を送信できるので、故障検知時には、安全にパワー半導体をオフ状態にすることで、パワー半導体の破壊を防止できる。

また、制御部と駆動回路部間における通信手段のうち、制御部と故障診断手段との間を無線通信手段で行うことで、制御部と駆動回路部間の高い絶縁性を確保することができる。

さらに、制御部と駆動回路部間における通信手段のうち、制御信号の通信手段を無線通信手段で行うことで、取り扱いの難しい光ファイバ等を使用することなく、制御部と駆動回路部の間で高い絶縁性を確保することができる。

また、制御部にこうした無線通信手段を駆動回路部毎に個別に備えることで、速やかに信号を送受信することができるし、あるいは、制御部の送受信回路を一つにして複数の駆動回路部から一括通信することで、制御部内の回路接続を簡単にすることもできる。

また、故障診断手段の測定対象を駆動回路のダミー動作とすることに加えて、駆動回路部内の回路状態のフェール信号又は電圧値又は温度信号等を診断することもできる。

以下、本発明の第１の実施の形態を、図１及び図２を参照して説明する。本実施の形態では、鉄道車両に搭載される直流電圧を交流電圧に変換し、モータ駆動させる電力変換装置を例に説明する。

図１は、本例の電力変換装置の構成例を示した図であり、パワー半導体Ｘ１，Ｘ２が、２個を一組とするハーフブリッジ構成を成してある。２個のパワー半導体Ｘ１，Ｘ２は、図示していない外部の直流電源が接続された端子である、正極側端子３１と負極側端子３２の間に直列に接続して構成してある。直流電源としては、例えば１５００Ｖの電源を使用する。また、パワー半導体Ｘ１，Ｘ２の接続部には交流出力端子３０が接続してある。図１では、パワー半導体Ｘ１に対する駆動制御の構成を示してあるが、同様の構成がパワー半導体Ｘ２に対しても成される。

ここで、パワー半導体Ｘ１，Ｘ２をオン・オフさせるゲート制御信号を発生する制御部２２を用意し、その制御部２２から駆動回路部２０を介してパワー半導体Ｘ１にゲート制御信号を供給する。また、制御部２２から駆動回路部２１を介してパワー半導体Ｘ２にゲート制御信号を供給する。パワー半導体の構成は、例えば、トランジスタとダイオードの組み合わせによるものがある。なお、パワー半導体Ｘ１，Ｘ２について、共に、トランジスタが正極側端子３１からの正電流方向に接続してあり、一方、それぞれのトランジスタに対して並列に、ダイオードが逆方向に電流が流れるように接続してある。これらの制御部、駆動回路部、パワー半導体をまとめて本例における電力変換装置として構成してある。

制御部２２内には、駆動回路部２０，２１に対して、それぞれオン・オフのゲート制御信号を供給し、あるいは、後述する故障診断演算部１０に故障診断指令を供給する主演算部１６がある。また、制御部２２内には、電気信号を光信号に変換する機能を有する電光変換部１５ａ，１５ｂと、駆動回路部２０内の故障診断演算部１０に対して診断開始指令を送信し、診断結果を受信する送受信回路１７ａ，１７ｂがそれぞれ設置してあり、主演算部１６と接続してある。

駆動回路部２０内には、光信号を電気信号に変換する機能を有する光電変換部１３があり、制御部２２内の電光変換部１５ａに対応している。電光変換部１５ａと光電変換部１３との間は光信号を伝送する光ファイバ１８ａで接続してあり、高い絶縁性を確保してある。なお、駆動回路部２１内の光電変換部は図示していないが、駆動回路部２０の場合と同様に、制御部２２内の電光変換部１５ｂに対して光ファイバ１８ｂで接続してある。

駆動回路部２０内には、光電変換部１３から供給されるゲート制御信号を増幅し、その増幅されたゲート駆動信号をパワー半導体Ｘ１のゲート端子に印加する増幅回路１１を備える。そして、回路が正常に動作するかどうかを検証する機能を有する故障診断演算部１０を備え、この故障診断演算部１０が、駆動回路部２０内の各回路が正常に機能するかどうかを検証するようにしてある。故障診断演算部１０が正常に機能するかどうか検証する回路としては、増幅回路１１や、パワー半導体素子保護回路を含めた機能回路１２などがある。

また、駆動回路部２０内の故障診断演算部１０は、制御部２２側の主演算部１６からの診断開始指令が供給される構成としてある。即ち、主演算部１６からの診断開始指令を受信し、故障診断演算部１０から主演算部１６に対して診断結果を送信する送受信回路１４を備える。そして、制御部２２には、赤外線通信等の無線通信を行う送受信回路１７ａを設けてあり、送受信回路１７ａと送受信回路１４との間で、赤外線通信等の無線通信を行う。なお、駆動回路部２１内の送受信回路は図示していないが、同様に、送受信回路１７ｂと無線通信を行う送受信回路を設けてある。

次に本例の構成でのパワー半導体の制御動作を、パワー半導体Ｘ１を代表して説明する。パワー半導体Ｘ１をオン状態にする場合、制御部２２内の主演算部１６からパワー半導体Ｘ１に対して、オン信号のゲート制御信号が供給される。ゲート制御信号は電気信号であるため、制御部２２内の電光変換部１５において電気信号から光信号に変換される。光信号に変換されたゲート制御信号は光ファイバ１８ａを通じて駆動回路部２０に伝送され、駆動回路部２０の光電変換部１３に送られる。この光電変換部１３において、ゲート制御信号は、光信号から電気信号に変換される。電気信号となったゲート制御信号は増幅回路１１で増幅され、ゲート駆動信号としてパワー半導体Ｘ１のゲート端子に印加される。こうして、パワー半導体Ｘ１はオン状態となり正電圧が正極側端子３１から交流出力端子３０に印加される。なお、この時、パワー半導体Ｘ２はオフ状態である。

パワー半導体Ｘ１をオフ状態にする際には、制御部２２内の主演算部１６から駆動回路部２０に対して、オフ信号のゲート制御信号が出力される。オフ状態にする際のゲート制御信号の動作は、パワー半導体Ｘ１をオン状態にする場合の動作と同様である。こうして、パワー半導体Ｘ１はオフ状態となり、正極側端子３１から交流出力端子３０への電圧印加が停止する。

なお、パワー半導体Ｘ２をオン状態、オフ状態にする動作もパワー半導体Ｘ１をオン状態、オフ状態にする動作とそれぞれ同じである。

図２は、本例の故障診断演算部における故障診断手順を示す処理例のフローチャートである。以下に、故障診断手順の処理例をパワー半導体Ｘ１に対する動作を代表して説明する。

まず、パワー半導体Ｘ１，Ｘ２に電圧を印加しない状態において、制御部２２内の主演算部１６より送信された診断開始指令を、送受信回路１７ａから無線通信手段で、駆動回路部２０内の送受信回路１４で受信する。この診断開始指令は駆動回路部２０内の故障診断演算部１０で受信され、故障診断を開始する（ステップＳ１）。

次に、故障診断演算部１０は駆動回路部２０内の電源電圧や機能回路１２内の電圧値等が正常範囲に入っているか否か判定する（ステップＳ２）。次に、駆動回路部２０内の機能回路１２に機能動作のための擬似信号を入力し、正常な出力信号が得られるかどうか判定する（ステップＳ３）。次に、駆動回路部２０内の増幅回路１１に機能動作のための擬似信号を入力し、正常な出力信号が得られるかどうか判定する（ステップＳ４）。

そして、ステップＳ２〜Ｓ４で得られた診断結果を送受信回路１４に送信する。送受信回路１４は、無線通信手段で、送受信回路１７ａに診断結果を送信し、送受信回路１７ａより、主演算部１６に診断結果を送信する。主演算部１６は診断結果から駆動回路２０内のいずれかの回路に異常が見受けられる場合は、パワー半導体Ｘ１のゲート制御信号をオフ信号にする（ステップＳ５）。

以上のように、パワー半導体Ｘ１に電圧を印加せずに、駆動回路部２０内の各種回路に対する機能診断を行い、駆動回路部２０内の回路故障を検知することで、パワー半導体Ｘ１をオフ状態にし、パワー半導体Ｘ１の２次故障を防ぐことが出来る。

また、制御部２２と駆動回路部２０の間の無線通信する構成にすることで、設置取り扱いが難しく壊れやすい光ファイバの設置を回避できる。こうして制御部２２と駆動回路部２０間に高い絶縁性を確保することで、電力変換装置の絶縁破壊の可能性を低減させることが可能となる。

また、制御部２２と駆動回路部２０の間の通信を無線通信手段とすることで、速やかに信号を送受信することができる。

次に、本発明の第２の実施の形態を、図３を参照して説明する。図３において、既に説明した第１の実施の形態の図１に対応する部分には同一符号を付す。

図３は、本例の電力変換装置の構成例を示した図であり、パワー半導体Ｘ１，Ｘ２が、２個を一組とするハーフブリッジ構成を成してある。２個のパワー半導体Ｘ１，Ｘ２は、図示していない外部の直流電源が接続された端子である、正極側端子３１と負極側端子３２の間に直列に接続して構成してある。また、パワー半導体Ｘ１，Ｘ２の接続部には交流出力端子３０が接続してある。図３では、パワー半導体Ｘ１に対する駆動制御の構成を示してあるが、同様の構成がパワー半導体Ｘ２に対しても成される。

ここで、ゲート制御信号を発生する制御部２２から、駆動回路部２０，２１を介してパワー半導体Ｘ１，Ｘ２に、ゲート制御信号を供給する構成については、第１の実施の形態で説明した図１の構成と同じである。そして本例においては、制御部２２内に、駆動回路部２０，２１側の故障診断演算部１０と双方向に通信を行う送受信回路１７ａを、１組だけ設けた構成としてある。即ち、先に説明した第１の実施の形態で説明した図１の構成では、制御部２２内に、駆動回路部の数に対応した送受信回路１７ａ，１７ｂを設けた構成としたが、本例においては、１つの送受信回路１７ａで、全ての駆動回路部２０，２１側の送受信回路（送受信回路１４など）と無線通信を行うようにしてある。

その他の部分については、図１に示した構成と同様である。即ち、駆動回路部２０内には、光信号を電気信号に変換する機能を有する光電変換部１３があり、制御部２２内の電光変換部１５ａに対応している。電光変換部１５ａと光電変換部１３との間は光信号を伝送する光ファイバ１８ａで接続してあり、高い絶縁性を確保してある。なお、駆動回路部２１内の光電変換部は図示していないが、駆動回路部２０の場合と同様に、制御部２２内の電光変換部１５ｂに対して光ファイバ１８ｂで接続してある。

駆動回路部２０内には、光電変換部１３とゲート制御信号を増幅し、ゲート駆動信号をパワー半導体Ｘ１に印加する機能を有する増幅回路１１が接続してある。そして、回路が正常に動作するかどうかを検証する機能を有する故障診断演算部１０が、増幅回路１１と、駆動回路部２０内の電圧等を検知可能な機能回路１２とにそれぞれ接続してある。

また、駆動回路部２０内には、主演算部１６から故障診断演算部１０に対して供給される診断開始指令を受信し、あるいは、故障診断演算部１０から主演算部１６に対して診断結果を送信する送受信回路１４と、故障診断演算部１０が接続してある。そして、赤外線通信等で無線通信を行う送受信回路１７ａと送受信回路１４を設けてある。なお、駆動回路部２１内の送受信回路は図示していないが、同様に、赤外線通信等で無線通信を行う送受信回路を設けてある。

このように構成したことで、第１の実施の形態の場合と同様に、故障診断演算部１０が駆動回路部２０内の故障診断を行うことができ、同様の効果を有する。本例の場合には、制御部２２側の１個の送受信回路１４が複数の駆動回路部２０，２１と通信を行う必要があるので、制御部２２と駆動回路部２０，２１間の通信に関して、インバータ駆動前の故障診断等、信号の伝送速度を要求されない場合に好適な構成である。また、制御部２２側の送受信回路１７ａを１つにして、複数の駆動回路部から一括通信することで、送受信回路１７ａと主演算部１６の回路接続を簡略化することが可能である。

次に、本発明の第３の実施の形態を、図４を参照して説明する。図４において、既に説明した第１の実施の形態の図１に対応する部分には同一符号を付す。

図４は、本例の電力変換装置の構成例を示した図であり、パワー半導体Ｘ１，Ｘ２が、２個を一組とするハーフブリッジ構成を成してある。２個のパワー半導体Ｘ１，Ｘ２は、図示していない外部の直流電源が接続された端子である、正極側端子３１と負極側端子３２の間に直列に接続して構成してある。また、パワー半導体Ｘ１，Ｘ２の接続部には交流出力端子３０が接続してある。図４では、パワー半導体Ｘ１に対する駆動制御の構成を示してあるが、同様の構成がパワー半導体Ｘ２に対しても成される。

ここで、パワー半導体Ｘ１，Ｘ２をオン・オフさせるゲート制御信号を発生する制御部２２を用意し、その制御部２２から駆動回路部２０を介してパワー半導体Ｘ１にゲート制御信号を供給する。また、制御部２２から駆動回路部２１を介してパワー半導体Ｘ２にゲート制御信号を供給する。パワー半導体の構成は、例えば、トランジスタとダイオードの組み合わせによるものがある。なお、パワー半導体Ｘ１，Ｘ２について、共に、トランジスタが正極側端子３１からの正電流方向に接続してあり、一方、それぞれのトランジスタに対して並列に、ダイオードが逆方向に電流が流れるように接続してある。これらの制御部、駆動回路部、パワー半導体をまとめて本例における電力変換装置として構成してある。

制御部２２内には、駆動回路部２０，２１に対して、それぞれオン・オフのゲート制御信号を供給し、あるいは、駆動回路部２０内の回路に対して故障診断を行う故障診断演算部１０に故障診断指令を供給する主演算部１６がある。また、制御部２２内には、駆動回路部２０に対して、駆動回路部２０側の送受信回路１４と双方向の無線通信を行う送受信回路１７ａが設置してある。駆動回路部２０側の送受信回路１４は、増幅回路１１と故障診断演算部１０に接続してあり、送受信回路１４が受信したゲート制御信号を増幅回路１１に供給する。また、送受信回路１４が受信した故障診断指令を故障診断演算部１０に供給する。また、故障診断演算部１０が診断した結果を、送受信回路１４から制御部２２側の送受信回路１４に送る。

また、制御部２２内に、駆動回路部２１内の図示しない送受信回路と双方向の無線通信を行う送受信回路１７ｂが設置してある。

また、制御部２２内の送受信回路１７ａと、駆動回路部２０内の送受信回路１４との間は、赤外線通信等の無線通信を行う。制御部２２内の送受信回路１７ｂと、駆動回路部２１側の送受信回路との間についても、赤外線通信等の無線通信を行う。

なお、制御部２２から各駆動回路部２０へのゲート制御信号の伝送については、シリアル通信化するようにしてある。即ち、パワー半導体Ｘ１，Ｘ２は短絡しないように両方ともオフ状態になるタイミングを必ず設けなければならないので、シリアル信号はオフ時間＋オン時間の組み合わせで伝送するようにし、パワー半導体Ｘ１，Ｘ２間のオフタイミングを調整する構成としてある。

次に、本例の構成でのパワー半導体の制御動作を、パワー半導体Ｘ１を代表して説明する。パワー半導体Ｘ１をオン状態にする場合、制御部２２内の主演算部１６からパワー半導体Ｘ１に対して、オン信号のゲート制御信号が出力され、制御部２２内の送受信回路１７ａから無線通信で駆動回路部２０内の送受信回路１４に到る。さらに、送受信回路１４から増幅回路１１にゲート制御信号は送信され、増幅回路１１で増幅され、ゲート駆動信号としてパワー半導体Ｘ１のゲート端子に印加される。こうして、パワー半導体Ｘ１はオン状態となり正電圧が正極側端子３１から交流出力端子３０に印加される。なお、この時、パワー半導体Ｘ２はオフ状態である。

パワー半導体Ｘ１をオフ状態にする際には、制御部２２内の主演算部１６から駆動回路部２０に対して、オフ信号のゲート制御信号が出力される。オフ状態にする際のゲート制御信号の動作は、パワー半導体Ｘ１をオン状態にする場合の動作と同様である。こうして、パワー半導体Ｘ１はオフ状態となり、正極側端子３１から交流出力端子３０への電圧印加が停止する。

なお、パワー半導体Ｘ２をオン状態、オフ状態にする動作もパワー半導体Ｘ１をオン状態、オフ状態にする動作とそれぞれ同じである。

なお、故障診断演算部１０の動作は、第１の実施の形態における図２の処理例によるフローチャートと同様である。

本例では、制御部２２内の主演算部１６からパワー半導体Ｘ１に対して、ゲート制御信号を供給する通信手段と、主演算部１６が故障診断演算部１０側と通信を行う通信手段を、送受信回路１７ａで兼用した点が、特徴である。

上述した第１の実施の形態においては、制御部２２から駆動回路部２０へのゲート制御信号は光ファイバ１８を介して伝送していたが、本例においては、無線通信手段を用いるため、光ファイバ等の信号伝送媒体を必要としない。例えば、光ファイバは折り曲げ限界があるので、設置の取り扱いが困難であるため、光伝送の故障が発生しやすいが、無線通信手段ではそうした問題が発生しない。

ここで、制御部と駆動回路部を絶縁して信号を伝送する技術として、パルストランスが従来技術として上げられる。しかしながら、パルストランスの絶縁耐量を上げながら高速通信するのは難しく、また、パルストランスの場合、制御部と駆動回路部間の絶縁破壊の可能性があるので、絶縁の高信頼性を要求される高電圧電力変換装置においては使用しにくい。また、光ファイバを使用すると、ゲート制御信号のオンオフ幅に従った信号を伝送できるが、無線通信手段では数ミリ秒程度の長いオン信号を直接伝送することが出来ない。

従って、ゲート制御信号をシリアル通信化する必要がある。パワー半導体Ｘ１，Ｘ２は短絡しないように両方ともオフ状態になるタイミングを必ず設けなければならないが、本例においては、シリアル信号はオフ時間＋オン時間の組み合わせで伝送するようにし、パワー半導体Ｘ１，Ｘ２間のオフタイミングを調整するようしたので、良好にパワー半導体Ｘ１，Ｘ２を制御できる。

こうしたことから、制御部と駆動回路部間の絶縁信号伝送を無線通信手段で行う本例は電力変換装置の高信頼化に寄与できるものである。

また、電光変換部、光電変換部、光ファイバを用いないため、制御部、駆動回路部ともに構成を簡略化することが可能である。

また、制御部２２と駆動回路部２０との間は完全に絶縁距離が確保できるため、電力変換装置の故障原因となりうる接触による短絡等の事故は発生しない。

また、制御部２２と駆動回路部２０の間の通信を無線通信とすることで、速やかに信号を送受信することができる。

こうして、パワー半導体Ｘ１に電圧を印加せずに、駆動回路部２０内の各種回路に対する機能診断を行い、駆動回路部２０内の回路故障を検知することで、パワー半導体Ｘ１をオフ状態にし、パワー半導体Ｘ１の２次故障を防ぐことが出来る。

また、制御部２２と駆動回路部２０の間を無線通信することで、設置取り扱いの難しく壊れやすい光ファイバの設置を回避できる。こうして制御部２２と駆動回路部２０間に高い絶縁性を確保することで、電力変換装置の絶縁破壊の可能性を低減させることが可能となる。

なお、上述した第１〜第３の実施の形態では、故障診断演算部１０による故障診断は、インバータ駆動つまりモータを回転させる前に診断するものであるが、インバータ駆動中に診断することも可能である。

また、上述した第１〜第３の実施の形態では駆動回路部内の回路動作について診断を行ったが、例えば、電圧値又は駆動回路部温度又は機能回路のフェール信号等を故障診断演算部１０などで常時監視し、制御部２２の主演算部１６にデータを送信することにより、常時故障診断を行うことも可能である。

ここで、ここまで説明した各実施の形態の構成が適用される構成について説明する。図５は第１〜３の実施の形態に示した電力変換装置を鉄道車両１００に搭載した構成の例であり、以下にこの構成を説明する。本例の鉄道車両１００には、車輪１０１を回転駆動させるモータ１１２が取り付けてあり、モータ１１２は、高出力の直流電流を交流電流に変換する電力変換装置１１１で変換された交流電源が供給される。そして、電力変換装置１１１には、電力変換装置１１１内の図示していない内部回路の状態を診断可能な演算装置１１０が備えてある。

鉄道車両１００は、電力変換装置１１１によりモータ１１２を駆動して、車輪１０１を回転駆動させることができる。ここで、電力変換装置１１１からの故障診断結果を鉄道車両１００に搭載される演算装置１１０に伝送することで、電力変換装置１１１の外部で異常検知の判定を行うこともできる。

また、電力変換装置１１１内の図示していない故障診断演算部から、電力変換装置１１１内の図示していない駆動回路部の温度情報等を演算装置１１０に伝送し、演算装置１１０内で電力変換装置１１１の異常判定を行ってもよい。

あるいは、電力変換装置１１１の内部に演算装置１１０を組み込んで異常検知の判定を行うこともできる。

この演算装置１１０による電力変換装置１１１の診断判定に従うことで、電力変換装置１１１が故障する前に交換することが可能となる。

あるいは、発熱を抑制するために演算装置１１０による電力変換装置１１１への運転指令を変更することで、鉄道車両１００の故障を事前に防止することが可能となる。

また、電力変換装置１１１と演算装置１１０の間の通信手段を光ファイバによる光信号、あるいは、無線通信手段を用いることで絶縁距離を確保し、電力変換装置１１１の短絡電流等による演算装置１１０に対する破壊を防止することが可能となる。

また、電力変換装置１１１の駆動中に電力変換装置１１１の内部回路を診断したり、電圧値又は駆動回路部温度又は機能回路のフェール信号等を常時監視することにより、常時故障診断を行ってもよい。

本発明の第１の実施の形態における電力変換装置の例を示した構成図である。 本発明の第１の実施の形態における、故障診断手順の処理例を示したフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態における電力変換装置の例を示した構成図である。 本発明の第３の実施の形態における電力変換装置の例を示した構成図である。 本発明の第１〜３の実施の形態における電力変換装置を搭載した鉄道車両の例を示した構成図である。 従来の電力変換装置の例を示した構成図である。

符号の説明

１…制御部、２…信号伝送部、４…増幅回路、３…検出回路、７…ゲート駆動回路、８…光伝送手段、１０…故障診断演算部、１１…増幅回路、１２…機能回路、１３…光電変換部、１４…送受信回路、１５，１５ａ，１５ｂ…電光変換部、１６…主演算部、１７ａ，１７ｂ…送受信回路、１８ａ，１８ｂ…光ファイバ、２０…駆動回路部、２１…駆動回路部、２２…制御部、３０…交流出力端子、３１…正極側端子、３２…負極側端子、Ｘ１…パワー半導体、Ｘ２…パワー半導体、１００…鉄道車両、１０１…車輪、１１０…演算装置、１１１…電力変換装置、１１２…モータ

Claims (9)

1. 少なくとも１相分として半導体素子の直列接続体が直流電源に並列接続され、前記直列接続された半導体素子を交互にスイッチング制御することによって前記半導体素子の直列接続部から交流を出力する電力変換回路と、
   前記半導体素子をスイッチング制御させるためのゲート制御信号を出力する制御部と、
   前記ゲート制御信号を増幅し前記半導体素子をスイッチング駆動させるためのゲート駆動信号を出力する駆動回路部と、
   前記駆動回路部に対する故障診断を行う故障診断手段と、
   前記半導体素子に電圧を印加しない状態で前記制御部から前記故障診断手段へ診断開始信号を通信し、又は、前記半導体素子に電圧を印加しない状態で前記故障診断手段の診断結果信号を前記故障診断手段から前記制御部へ無線通信する無線通信手段と、を備え、
   前記無線通信手段を、前記制御部から前記駆動回路部への前記ゲート制御信号の通信とは別個の通信系統とすることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１記載の電力変換装置において、
   前記制御部から前記駆動回路部への前記ゲート制御信号の通信手段を光通信手段としたことを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１記載の電力変換装置において、
   前記制御部から前記駆動回路部への前記ゲート制御信号の通信手段を無線通信手段としたことを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
   前記故障診断手段は、前記駆動回路部の診断結果を前記制御部に送信すると共に、前記駆動回路部のフェール信号又は電圧値又は温度信号を前記制御部に送信することを特徴とする電力変換装置。
5. 少なくとも１相分として半導体素子の直列接続体が直流電源に並列接続され、前記直列接続された半導体素子を交互にスイッチング制御することによって前記半導体素子の直列接続部から交流を出力する電力変換回路と、
   前記半導体素子をスイッチング制御させるためのゲート制御信号を出力する制御部と、
   前記ゲート制御信号を増幅回路で増幅し、前記半導体素子をスイッチング駆動させるためのゲート駆動信号を出力する駆動回路部と、
   前記増幅回路に機能動作のための擬似信号を入力した際の出力信号に基づき前記駆動回路部に対する故障診断を行う故障診断手段と、
   前記半導体素子に電圧を印加しない状態で前記制御部から前記故障診断手段へ診断開始信号を通信し、又は前記半導体素子に電圧を印加しない状態で前記故障診断手段の診断結果信号を前記故障診断手段から前記制御部へ無線通信する無線通信手段と、を備え、
   前記無線通信手段を、前記制御部から前記駆動回路部への前記ゲート制御信号の通信とは別個の通信系統とすることを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項５記載の電力変換装置において、
   前記半導体素子を保護する保護回路とを備え、
   前記故障診断手段は、前記駆動回路部の故障診断に加え、前記保護回路に機能動作のための擬似信号を入力した際の出力信号に基づき前記保護回路に対する故障診断を行うことを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項５又は６に記載の電力変換装置において、
   前記制御部から前記駆動回路部への前記ゲート制御信号の通信手段を光通信手段としたことを特徴とする電力変換装置。
8. 請求項５又は６に記載の電力変換装置において、
   前記制御部から前記駆動回路部への前記ゲート制御信号の通信手段を無線通信手段としたことを特徴とする電力変換装置。
9. 請求項５から請求項８のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
   前記故障診断手段は、前記駆動回路部の診断結果を前記制御部に送信すると共に、前記駆動回路部のフェール信号又は電圧値又は温度信号を前記制御部に送信することを特徴とする電力変換装置。

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