WO2021187534A1

WO2021187534A1 - 短絡故障検出装置および電力変換装置

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Publication number: WO2021187534A1
Application number: PCT/JP2021/010877
Authority: WO
Inventors: 那津子竹内; 松原　邦夫; 拡田久保
Original assignee: 富士電機株式会社
Priority date: 2020-03-18
Filing date: 2021-03-17
Publication date: 2021-09-23
Also published as: DE112021000086T5; US20220190590A1; CN114303068A; US11955791B2

Abstract

短絡故障検出装置１００は、負荷の短絡によって複数のアーム１０のうちの第１のアームに流れる電流である負荷短絡電流に応じた第１の検出信号Ｓ１を生成する第１のロゴスキーコイル１０１と、第１のアームまたは複数のアーム１０のうちの第２のアームの短絡によって当該第１のアームに流れる電流であるアーム短絡電流に応じた第２の検出信号Ｓ２を生成する第２のロゴスキーコイル１０２と、第１の検出信号Ｓ１に基づいて負荷の短絡を検出する負荷短絡検出回路１１１と、第２の検出信号Ｓ２に基づいて第１のアームまたは第２のアームの短絡を検出するアーム短絡検出回路１１２と、アーム短絡検出回路１１２の出力信号および前記負荷短絡検出回路１１１の出力信号に基づいて短絡故障を検出する短絡検出回路１２０とを有する。

Description

短絡故障検出装置および電力変換装置

　本発明は、短絡故障検出装置および電力変換装置に関する。

　モータ等の負荷を駆動する電力変換装置では、電力変換装置を構成する半導体スイッチに過大電流が流れる場合がある。このような過大電流が長時間に亙って流れると、半導体スイッチが破壊に至る恐れがある。そこで、短絡故障検出装置が電力変換装置に設けられる。短絡故障検出装置は、半導体スイッチに流れる過大電流を検知し、電力変換装置を停止させる。

　この種の短絡故障検出装置では、半導体スイッチに流れる電流を検出するために、シャント抵抗、ＣＴ（Current Transformer；変流器）、またはロゴスキーコイル等が利用される。これらの部品の中で、ロゴスキーコイルは、コアを有していない。このため、短絡故障検出装置の小型化と、大電流の測定が可能であるという利点がある。

　特許文献１は、半導体スイッチを含むアーム（アーム回路）を介して負荷を駆動する電力変換装置に関し、ロゴスキーコイルによりアームの短絡故障を検出する技術を開示している。図１７は、特許文献１に開示された装置の回路図である。図１７において、ゲート駆動回路９６は、ゲート抵抗９５を介して半導体スイッチ９１にゲート電圧を供給し、半導体スイッチ９１を駆動する。ロゴスキーコイル９７は、半導体スイッチ９１を流れる電流の時間勾配ｄｉ／ｄｔに比例した端子間電圧を生成（出力）する。短絡検出器９８は、ロゴスキーコイル９７の端子間電圧が一定時間以上に亘って大きな値を継続したことを検出する。この場合、短絡検出器９８は、アーム短絡が発生したと判定し、ゲート駆動回路６に半導体スイッチ９１の駆動を停止させる。

　しかしながら、電力変換装置において発生し得る短絡故障には、アーム短絡の他、電力変換装置の出力に接続された負荷が短絡状態となる負荷短絡がある。そこで、特許文献２は、アーム短絡電流を空芯コイルにより検出し、負荷短絡電流をＣＴ（Current Transformer；変流器）により検出する技術を開示している。

特開２００１－１６９５３３号公報

国際公開第２０１８／０７３９０９号

　特許文献１に開示の技術は、アーム短絡の検出には有効である。しかしながら、負荷短絡の検出が困難である。以下、この問題について説明する。

　図１８は、電力変換装置においてアーム短絡が発生した場合における短絡電流経路ＲＴ１を例示する回路図である。図１９は、同電力変換装置において負荷短絡が発生した場合における短絡電流経路ＲＴ２を例示する回路図である。

　図１８および図１９に例示する電力変換装置では、直流電圧Ｅvに充電されたコンデンサＣＥの両端子に、２つのアームが直列接続されている。２つのアームのうちの一つは、互いに逆並列接続された半導体スイッチＳＷ１およびフライホイールダイオードＤＩ１を有する。もう一つのアームは、互いに逆並列接続された半導体スイッチＳＷ２およびフライホイールダイオードＤＩ２を有する。また、コンデンサＣＥの両端子には、さらに２つのアームが直列接続されている。２つのアームのうちの一つは、互いに逆並列接続された半導体スイッチＳＷ３およびフライホイールダイオードＤＩ３を有する。もう一つは、互いに逆並列接続された半導体スイッチＳＷ４およびフライホイールダイオードＤＩ４を有する。そして、共通接続ノード９９＿１および９９＿２の間に負荷Ｚ（例えば、モータの巻き線）が接続されている。ここで、共通接続ノード９９＿１は、半導体スイッチＳＷ１およびＳＷ２の間にある。共通接続ノード９９＿２は、半導体スイッチＳＷ３およびＳＷ４の間にある。図１８および図１９において、Ｌ１は、アーム短絡が発生した際の短絡電流経路に介在する自己インダクタンスを示す。Ｌ２は、共通接続ノード９９＿１から負荷Ｚを介して共通接続ノード９９＿２に至る電流経路に介在する自己インダクタンスを示す。

　電力変換装置では、互いに直列接続された２つの半導体スイッチ（例えば、ＳＷ１およびＳＷ２）が同時にターンオンしないように、これらの半導体スイッチが制御される。これは、電源の短絡を防ぐためである。しかしながら、何らかの理由により、半導体スイッチが故障または誤動作することがある。同様に、フライホイールダイオードも故障することがある。このような場合には、以下に述べるアーム短絡が発生する。
　図１８に示す例では、半導体スイッチＳＷ１またはフライホイールダイオードＤＩ１が、何らかの理由により故障している場合を想定する。なお、図１８に示す「Ｘ（cross）」印は、これらの部品の故障を表す。このことは、図１９についても同様である。
　半導体スイッチＳＷ２がＯＮに制御される場合、半導体スイッチＳＷ１は、ＯＦＦに制御される。しかしながら、何らかの理由によって、半導体スイッチＳＷ１が意図しないオン状態において半導体スイッチＳＷ２がターンオンするとアーム短絡が発生する。この場合、電流経路ＲＴ１をアーム短絡電流ｉａが流れる。このことは、何らかの理由によって、フライホイールダイオードＤＩ１に逆流電流が流れた場合も同様である。このような場合、アーム短絡電流ｉａは、以下の順に流れる。

　コンデンサＣＥ→半導体スイッチＳＷ１→半導体スイッチＳＷ２→コンデンサＣＥ

　この場合、アーム短絡電流ｉａに関して次式が成立する。
　Ｅｖ＝Ｌ１×ｄｉａ／ｄｔ　　　　　　　　　　　……（１）

　半導体スイッチと同様に、何らかの理由により、負荷の短絡が発生することがある。図１９に示す例では、半導体スイッチＳＷ１およびＳＷ４がＯＮであり、半導体スイッチＳＷ２およびＳＷ３がＯＦＦであるときに、負荷Ｚの短絡故障が発生した場合を想定する。この場合、電流経路ＲＴ２を負荷短絡電流ｉｒが流れる。具体的には、負荷短絡電流ｉｒは、以下の順に流れる。

　コンデンサＣＥ→半導体スイッチＳＷ１→負荷Ｚ→半導体スイッチＳＷ４→コンデンサＣＥ

　この場合、負荷短絡電流ｉｒに関して次式が成立する。
　Ｅｖ＝（Ｌ１＋Ｌ２）×ｄｉｒ／ｄｔ　　　　　　……（２）

　ここで、自己インダクタンスＬ１およびＬ２間には、Ｌ１≪Ｌ２の関係が成立する。従って、上記式（１）および（２）から次式の成立することが分かる。
　ｄｉｒ／ｄｔ≪ｄｉａ／ｄｔ　　　　　　　　　……（３）

　図２０は、アーム短絡電流ｉａおよび負荷短絡電流ｉｒの波形を例示する図である。図２０において、横軸は時間ｔを示し、縦軸は電流（電流値）ｉを示す。まず、図１８に示すアーム短絡電流ｉａについて述べる。アーム短絡電流ｉａの経路ＲＴ１に介在する自己インダクタンスＬ１は小さい。このため、ｔ＝０において半導体スイッチＳＷ２がターンオンしたとすると、アーム短絡電流ｉａが急激に立ち上がり、アーム短絡電流ｉａの電流値が短時間のうちに増大する。その結果、コンデンサＣＥに蓄積された電荷が短時間のうちに放電する。このため、アーム短絡電流ｉａは、半導体スイッチＳＷ２のターンオン後の短時間のうちに発生する。一方、負荷短絡電流ｉｒの経路ＲＴ２に介在する自己インダクタンスＬ２は、自己インダクタンスＬ１に比べて非常に大きい。このため、負荷短絡電流ｉｒは、半導体スイッチＳＷ１およびＳＷ４のターンオン後、非常に緩やかな時間勾配で増加する。周波数領域に着目すると、アーム短絡電流の周波数帯域の上限周波数は、負荷短絡電流の周波数帯域の上限周波数に比べて非常に高い。

　時間勾配の小さな負荷短絡電流ｉｒを検出するための一つの方法は、ロゴスキーコイルの巻き数を多くし、ロゴスキーコイルの感度を高くすることである。この場合、ロゴスキーコイルによる負荷短絡電流の検出は、ロゴスキーコイルの大型化だけではなく、電力変換装置の大型化および複雑化も招く。

　ロゴスキーコイルの巻き数を多くすると、ロゴスキーコイルの自己インダクタンスが高くなる。この場合、アーム短絡の発生時および負荷短絡の発生時の双方において、ロゴスキーコイルの端子間電圧を精度よく検出するための方法の一つは、ロゴスキーコイルの自己インダクタンスを低くして、ＬＣ共振回路の共振周波数を十分に高くすることである。ここで、ＬＣ共振回路は、ロゴスキーコイルの自己インダクタンスと寄生容量とを有する。当該共振周波数が十分に高い場合、共振周波数を、アーム短絡の発生時におけるロゴスキーコイルの端子間電圧の周波数帯域の上限周波数よりも高くする必要がある。この共振周波数が当該周波数帯域内にあると、共振の影響によりロゴスキーコイルの端子間電圧波形が歪み、アーム短絡を検出することが困難になるからである。

　そこで、共振の影響を防ぐ一つの方法は、ロゴスキーコイルの自己インダクタンスを小さくし、共振周波数を高くすることである。しかし、ロゴスキーコイルの自己インダクタンスを小さくしようとすれば、ロゴスキーコイルの感度が低下する。負荷短絡電流ｉｒの時間勾配ｄｉａ／ｄｔが極めて小さいので、ロゴスキーコイルの端子間電圧がノイズに埋もれ、負荷短絡の検出が極めて困難である。

　特許文献２に開示の技術では、アーム短絡電流を空芯コイルにより検出し、負荷短絡電流をＣＴにより検出する。しかし、ＣＴを用いると、コストが増加するとともに、ディスクリート部品が多くなって電力変換装置の構成が複雑になる。

　この発明は、以上に説明した課題に鑑みてなされたものであり、ロゴスキーコイルを利用して、アーム短絡および負荷短絡のうちの少なくとも負荷短絡を検出可能な技術を提供することである。

　本発明の第１の態様の短絡故障検出装置は、半導体スイッチを各々含む複数のアームを有し、前記複数のアームを介して負荷に電力を供給する電力変換装置の短絡故障検出装置において、前記負荷の短絡によって前記複数のアームのうちの第１のアームに流れる電流である負荷短絡電流に応じた第１の検出信号を生成する第１のロゴスキーコイルと、前記第１のアームまたは前記複数のアームのうちの第２のアームの短絡によって当該第１のアームに流れる電流であるアーム短絡電流に応じた第２の検出信号を生成する第２のロゴスキーコイルと、前記第１の検出信号に基づいて前記負荷の短絡を検出する負荷短絡検出回路と、前記第２の検出信号に基づいて前記第１のアームまたは前記第２のアームの短絡を検出するアーム短絡検出回路と、前記アーム短絡検出回路の出力信号および前記負荷短絡検出回路の出力信号に基づいて短絡故障を検出する短絡検出回路とを有することを特徴とする。

　本発明の第２の態様の短絡故障検出装置は、半導体スイッチを各々含む複数のアームを有し、前記複数のアームを介して負荷に電力を供給する電力変換装置の短絡故障検出装置において、前記負荷の短絡によって前記複数のアームのうちの第１のアームに流れる電流である負荷短絡電流に応じた検出信号を生成するロゴスキーコイルと、前記検出信号に基づいて前記負荷の短絡を判別する負荷短絡検出回路と、前記負荷短絡検出回路の出力信号に基づいて短絡故障を検出する短絡検出回路とを有することを特徴とする。

　本発明の第３の態様の電力変換装置は、第１の態様または第２の態様の短絡故障検出装置と、前記短絡故障検出装置が出力する短絡検出信号に基づいて、前記第１のアームに含まれる半導体スイッチの駆動を停止するゲート駆動回路とを含むことを特徴とする。

　本発明の第４の態様の電力変換装置は、半導体スイッチを各々含むＰ個（Ｐは２以上の整数）のアームを介して負荷に電力を供給する電力変換装置において、前記Ｐ個のアームのうちのＱ個（ＱはＰより小さい正の整数）のアームにそれぞれ対応するＱ個の短絡故障検出装置を有し、前記Ｑ個の短絡故障検出装置の各々は、前記負荷の短絡により、対応するアームに流れる電流に応じた第１の検出信号を出力する第１のロゴスキーコイルを具備し、前記第１の検出信号に基づいて短絡故障を検出することを特徴とする。

　本発明の第５の態様の電力変換装置は、半導体スイッチング素子を含むアームを介して負荷に電力を供給する電力変換装置において、前記負荷の短絡故障により前記アームに流れる電流に応じた第１の検出信号を出力する第１のロゴスキーコイルと、前記アームに直列接続されたダイオードの短絡故障により前記アームに流れる電流に応じた第２の検出信号を出力する第２のロゴスキーコイルと、前記第１の検出信号または前記第２の検出信号に基づいて短絡故障を検出する短絡故障検出装置とを含むことを特徴とする。

　この発明の第１の態様では、アーム短絡電流が第２のロゴスキーコイルにより検出され、負荷短絡電流が第１のロゴスキーコイルにより検出される。これにより、第１のロゴスキーコイルの感度が負荷短絡電流の検出に適した値に設定される。そのために第１のロゴスキーコイルの自己インダクタンスが増加しても、この増加が第２のロゴスキーコイルによるアーム短絡電流の検出の妨げになることはない。よって、アーム短絡および負荷短絡の双方を検出することができる。

　この発明の第２の態様では、負荷短絡電流が第１のロゴスキーコイルにより検出される。これにより、負荷短絡を検出することができる。

　この発明の第３の態様では、負荷短絡およびアーム短絡のうちの少なくとも負荷短絡を検出可能な電力変換装置が提供される。

　この発明の第４の態様では、第１のロゴスキーコイルを備える短絡故障検出装置が、複数のアームのうちの一部のアームの各々に設けられる。第１のロゴスキーコイルにより負荷短絡電流が検出される。第１のロゴスキーコイルを一部のアームに設ければ済むので、電力変換装置の大型化および複雑化を招くことなく負荷短絡電流を検出することができる。

　この発明の第５の態様では、負荷の短絡故障を、その検出に適した第１のロゴスキーコイルにより検出することができる。更に、アームに直列接続されたダイオードの短絡故障をその検出に適した第２のロゴスキーコイルにより検出することができる。

第１実施形態における短絡故障検出装置を含む電力変換装置の構成を示す回路図である。第１実施形態における短絡故障検出装置の構成を示す回路図である。第１実施形態の動作を示す波形図である。第１実施形態の動作を示す波形図である。第１実施形態の動作を示す波形図である。第１実施形態の第１具体例を示す図である。第１実施形態の第２具体例を示す図である。第１実施形態の第３具体例を示す図である。第１実施形態の第４具体例を示す図である。第１実施形態の第４具体例を示す図である。第１実施形態の第５具体例を示す図である。第２実施形態における電力変換装置の構成を示す回路図である。第２実施形態における短絡故障検出装置の構成を示す回路図である。第２実施形態の動作を示す波形図である。第２実施形態の動作を示す波形図である。第２実施形態の動作を示す波形図である。第２実施形態の第１動作例を示す回路図である。第２実施形態の第２動作例を示す回路図である。第２実施形態の第３動作例を示す回路図である。第２実施形態の具体例を示す図である。第２実施形態の具体例を示す図である。第２実施形態における短絡故障検出装置の他の電力変換装置への適用例を示す回路図である。従来の短絡故障検出装置の構成を示す回路図である。電力変換装置におけるアーム短絡電流の経路を示す回路図である。電力変換装置における負荷短絡電流の経路を示す回路図である。アーム短絡電流および負荷短絡電流の波形を示す図である。

１．第１実施形態
　以下、図面を参照しつつ、第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態における短絡故障検出装置を含む電力変換装置１の構成を示す回路図である。電力変換装置１において、コンデンサ３０は、直流電源４０によって充電され、直流電圧を安定化させる。コンデンサ３０の両端子には、アーム１０＿１および１０＿２が直列接続されている。これに加え、同両端子には、アーム１０＿３および１０＿４が直列接続されている。そして、アーム１０＿１および１０＿２間に共通接続ノードＮＤ１があり、アーム１０＿３および１０＿４間に共通接続ノードＮＤ２がある。共通接続ノードＮＤ１とＮＤ２との間に、負荷Ｚ（例えば、モータの巻き線）が配置され、負荷Ｚは、これらの共通接続ノードに接続される。各アーム１０＿１～１０＿４は、半導体スイッチを含む。ゲート駆動回路２０＿１～２０＿４は、アーム１０＿１～１０＿４にそれぞれ対応している。ゲート駆動回路２０＿１～２０＿４の各々は、ゲート信号を、対応するアームの半導体スイッチに与えることにより当該半導体スイッチを駆動する。このように電力変換装置１は、各々が半導体スイッチを含むアーム１０＿１～１０＿４を有しており、これらのアームを介して直流電源４０から負荷Ｚに電力を供給する。
　なお、アーム１０＿１および１０＿３の各々は、第１のアームの一例であり、アーム１０＿２および１０＿４の各々は、第２のアームの一例である。

　ここで、アーム１０＿１に着目し、アーム短絡について述べる。電源の短絡を防止するため、互いに直列接続された２つの半導体スイッチ１０＿１および１０＿２は、同時にターンオンしないように制御される。一例として、半導体スイッチ１０＿１がＯＮに制御され、半導体スイッチ１０＿２がＯＦＦに制御される場合を述べる。仮に、何らかの理由によってアーム１０＿２に短絡故障が発生している状態において、アーム１０＿１の半導体スイッチがターンオンした場合、半導体スイッチ１０＿２の意図しない短絡により、アーム１０＿１の半導体スイッチにアーム短絡電流が流れる。このほか、アーム１０＿２に短絡故障が発生していなくても、アーム１０＿２の半導体スイッチの誤動作によるターンオンにより、アーム１０＿１の半導体スイッチにアーム短絡電流が流れる。誤動作の原因の一つには、ノイズがある。以上の説明は、半導体スイッチ１０＿１がＯＦＦに制御され、半導体スイッチ１０＿２がＯＮに制御される場合についても当てはまる。
　アーム短絡の他、何らかの理由によって、負荷Ｚに短絡故障が発生した場合には、アーム１０＿１に負荷短絡電流が流れる。

　このようなアーム短絡電流または負荷短絡電流が長時間に亙ってアーム１０＿１に流れると、アーム１０＿１の正常な半導体スイッチが破壊に至る恐れがある。そこで、短絡故障検出装置１００＿１がアーム１０＿１に設けられる。短絡故障検出装置１００＿１は、アーム１０＿１に流れる電流に基づいてアーム短絡または負荷短絡の発生を検知し、ゲート駆動回路２０＿１による半導体スイッチの駆動を停止させる。他のアーム１０＿２～１０＿４にも同様なアーム短絡電流および負荷短絡電流が流れる可能性がある。そこで、短絡故障検出装置１００＿２がアーム１０＿２に設けられる。短絡故障検出装置１００＿３がアーム１０＿３に設けられる。短絡故障検出装置１００＿４がアーム１０＿４に設けられる。

　以下では、アーム１０＿１～１０＿４の各々を区別する必要がない場合に、アーム１０＿１～１０＿４をアーム１０と総称する。ゲート駆動回路２０＿１～２０＿４をゲート駆動回路２０と総称する。短絡故障検出装置１００＿１～１００＿４を短絡故障検出装置１００と総称する。

　図２は、第１実施形態における短絡故障検出装置１００の構成例を示す回路図である。なお、図２には、短絡故障検出装置１００に関する理解を容易にするため、アーム１０およびゲート駆動回路２０が短絡故障検出装置１００とともに示されている。

　図２において、アーム１０＿１～１０＿４の各々は、半導体スイッチ１１と、半導体スイッチ１１に逆並列接続されたフライホイールダイオード１２とを含む。この例において、半導体スイッチ１１は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor；金属－酸化膜－半導体構造の電解効果トランジスタ）である。半導体スイッチ１１は、ソース（ソース電極）と、ドレイン（ドレイン電極）と、ゲート（制御電極）とを有する。半導体スイッチ１１のドレインは、導線５１を介してコンデンサ３０または他のアームに接続されている。半導体スイッチ１１のソースは、導線５２を介してコンデンサ３０または他のアームに接続されている。半導体スイッチ１１のゲートは、ゲート駆動回路２０に接続されている。ゲート駆動回路２０は、半導体スイッチ１１のゲートにゲート信号を供給することにより半導体スイッチ１１のＯＮ／ＯＦＦ駆動を行う。

　図２に示す例では、第１のロゴスキーコイル１０１および第２のロゴスキーコイル１０２に導線５２が挿入されている。ここで、第１のロゴスキーコイル１０１は、負荷短絡電流を検出する。第２のロゴスキーコイル１０２は、アーム短絡電流を検出する。導線５２に電流が流れると、この電流を中心として、導線５２の周りに円状の磁界が発生する。この磁界の強度の時間変化に応じた電圧が第１のロゴスキーコイル１０１および第２のロゴスキーコイル１０２に誘起される。この結果、導線５２に流れる電流の時間勾配ｄｉ／ｄｔに比例した電圧波形を持つ第１の検出信号Ｓ１が第１のロゴスキーコイル１０１から出力される。同様に、導線５２に流れる電流の時間勾配ｄｉ／ｄｔに比例した電圧波形を持つ第２の検出信号Ｓ２が第２のロゴスキーコイル１０２から出力される。

　本実施形態において、第１のロゴスキーコイル１０１は、負荷短絡電流の検出に最適化されたコイルである。第２のロゴスキーコイル１０２は、アーム短絡電流の検出に最適化されたコイルである。ここで、検出すべき電流の時間勾配ｄｉ／ｄｔに対する感度（すなわち、電流の時間勾配ｄｉ／ｄｔに対するロゴスキーコイルの出力電圧の比）に着目すると、第２のロゴスキーコイル１０２の感度は、第１のロゴスキーコイル１０１の感度よりも低い。具体的には、第２のロゴスキーコイル１０２の巻き数は、第１のロゴスキーコイル１０１の巻き数よりも少ない。第２のロゴスキーコイル１０２の感度が第１のロゴスキーコイル１０１の感度よりも低い理由は、次のとおりである。第２のロゴスキーコイル１０２の自己インダクタンスが低くければ、第２のロゴスキーコイル１０２の自己インダクタンスと寄生容量とを有するＬＣ共振回路の共振周波数が高くなり、この共振周波数がアーム短絡電流の周波数帯域の範囲から外れるからである。また、第１のロゴスキーコイル１０１の感度が第２のロゴスキーコイル１０２の感度よりも高ければは、時間勾配の小さな負荷短絡電流を精度よく検出することができる。

　アーム短絡検出回路１１２は、第２の検出信号Ｓ２に基づいて、電力変換装置１においてアーム短絡が発生したことを検出する。具体的には、アーム短絡検出回路１１２は、第２の基準時間Ｔｒｅｆ２を超えて第２の検出信号Ｓ２が第２の基準レベルＶｒｅｆ２よりも高いレベルに維持された場合に、アーム短絡が発生したと判定する。アーム短絡検出回路１１２は、アーム短絡を検出した場合、短絡検出信号Ｅ２を非アクティブレベル“０”からアクティブレベル“１”に変更する。

　負荷短絡検出回路１１１は、第１の検出信号Ｓ１に基づいて、電力変換装置１において負荷短絡が発生したことを検出する。具体的には、負荷短絡検出回路１１１は、第１の基準時間Ｔｒｅｆ１を超えて第１の検出信号Ｓ１が第１の基準レベルＶｒｅｆ１よりも高いレベルに維持された場合に、負荷短絡が発生したと判定する。負荷短絡検出回路１１１は、負荷短絡を検出した場合、短絡検出信号Ｅ１を非アクティブレベル“０”からアクティブレベル“１”に変更する。

　短絡検出回路１２０は、アーム短絡検出回路１１２が出力する短絡検出信号Ｅ２および負荷短絡検出回路１１１が出力する短絡検出信号Ｅ１に基づいて、電力変換装置１において何等かの短絡故障が発生したことを示す短絡検出信号Ｅを生成する。この例において、短絡検出回路１２０は、ＯＲ回路であって、短絡検出信号Ｅ２と短絡検出信号Ｅ１の論理和を短絡検出信号Ｅとして出力する。ゲート駆動回路２０は、短絡検出信号Ｅがアクティブレベル“１”に変化した場合に半導体スイッチ１１を駆動する動作を停止する。

　図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃの各々は、第１実施形態の動作例を示す波形図である。図３Ａには、（ａ）通常時、（ｂ）アーム短絡の発生時および（ｃ）負荷短絡の発生時の各々について、（１）導線５２に流れる電流ｉの波形、（２）第２の検出信号Ｓ２の波形、（３）アーム短絡検出回路１１２内で生成されるレベル判定信号Ｄ２の波形、および（４）アーム短絡検出回路１１２が出力する短絡検出信号Ｅ２の波形が示されている。図３Ｂには、（ａ）通常時、（ｂ）アーム短絡の発生時および（ｃ）負荷短絡の発生時の各々について、（１）導線５２に流れる電流ｉの波形、（２）第１の検出信号Ｓ１の波形、（３）負荷短絡検出回路１１１内で生成されるレベル判定信号Ｄ１の波形、および（４）負荷短絡検出回路１１１が出力する短絡検出信号Ｅ１の波形が示されている。また、図３Ｃには、（ａ）通常時、（ｂ）アーム短絡の発生時および（ｃ）負荷短絡の発生時の各々について、（１）導線５２に流れる電流ｉの波形、（２）アーム短絡検出回路１１２が出力する短絡検出信号Ｅ２の波形、（３）負荷短絡検出回路１１１が出力する短絡検出信号Ｅ１の波形、および（４）短絡検出回路１２０が出力する短絡検出信号Ｅの波形が示されている。これらの図において、横軸は時間ｔを示す。縦軸は電圧、電流および真理値のいずれかを示す。

　まず、図３Ａを参照し、アーム短絡検出回路１１２の動作を説明する。アーム短絡検出回路１１２は、第２のロゴスキーコイル１０２から出力される第２の検出信号Ｓ２を第２の基準レベルＶｒｅｆ２と比較する。アーム短絡検出回路１１２は、第２の検出信号Ｓ２が第２の基準レベルＶｒｅｆ２を超過した場合にレベル判定信号Ｄ２をアクティブレベル“１”に設定する。アーム短絡の発生時には、時間勾配ｄｉ／ｄｔの大きな電流ｉが導線５２に流れる。従って、アーム短絡検出回路１１２には、このような大きな時間勾配ｄｉ／ｄｔを検出することが求められる。このため、第２の基準レベルＶｒｅｆ２は、アーム短絡が発生した場合の第２の検出信号Ｓ２と比較するのに適切な十分に大きな電圧を持つ。また、アーム短絡検出回路１１２は、レベル判定信号Ｄ２が第２の基準時間Ｔｒｅｆ２を超えてアクティブレベル“１”に維持された場合に短絡検出信号Ｅ２をアクティブレベル“１”に設定する。アーム短絡の発生時において、導線５２に流れる時間勾配ｄｉ／ｄｔの大きな電流ｉは、半導体スイッチ１１を瞬時に故障させる値を持つ。よって、アーム短絡の発生時において、時間勾配ｄｉ／ｄｔの大きな電流ｉが導線５２に流れる時間は短い。このため、第２の基準時間Ｔｒｅｆ２は、アーム短絡を検出することができる十分に短い時間（例えば１０ｎｓから１００ｎｓのオーダー）である。

　通常時、半導体スイッチ１１のターンオンにより、導線５２に流れる電流ｉが立ち上がる。この電流ｉの立ち上がり期間において、電流ｉの時間勾配ｄｉ／ｄｔを示す第２の検出信号Ｓ２が第２の基準レベルＶｒｅｆ２を超え、レベル判定信号Ｄ２がアクティブレベル“１”に維持される。しかし、電流ｉの立ち上がり期間は短く、レベル判定信号Ｄ１がアクティブレベル“１”に維持される期間は、第２の基準時間Ｔｒｅｆ２より短い。従って、短絡検出信号Ｅ２がアクティブレベル“１”に変化することはない。

　負荷短絡の発生時は、半導体スイッチ１１のターンオンにより、導線５２に流れる電流ｉが立ち上がる。その後、負荷短絡電流の経路に介在する自己インダクタンスにより定まる時間勾配で電流ｉが増加する。この場合において、電流ｉの立ち上がり期間、第２の検出信号Ｓ２が第２の基準レベルＶｒｅｆ２を超える。しかし、通常時と同様、電流ｉの立ち上がり期間は短い。これに加え、レベル判定信号Ｄ２がアクティブレベル“１”に維持される期間は、第２の基準時間Ｔｒｅｆ２より短い。従って、短絡検出信号Ｅ２がアクティブレベル“１”に変化することはない。

　アーム短絡の発生時におけるアーム短絡検出回路１１２の動作は、次のようになる。各アーム１０の半導体スイッチ１１のターンオンにより、半導体スイッチ１１と直列接続された他のアーム１０に短絡故障が発生している場合を想定する。この場合、導線５２に流れる電流ｉが当該電流ｉの経路に介在する自己インダクタンスにより定まる時間勾配で立ち上がる。この結果、第２の検出信号Ｓ２が第２の基準レベルＶｒｅｆ２を超え、レベル判定信号Ｄ２がアクティブレベル“１”に変化する。この場合、電流ｉの立ち上がり期間は、通常時における電流ｉの立ち上がり期間よりは長く、レベル判定信号Ｄ２は、第２の基準時間Ｔｒｅｆ２を超えてアクティブレベル“１”に維持される。このため、短絡検出信号Ｅ２がアクティブレベル“１”に変化する。

　この例において、第２のロゴスキーコイル１０２は、第２の検出信号Ｓ２が範囲Ａ２ｐ内または範囲Ａ２ｎ内に収まる電流の時間勾配ｄｉ／ｄｔを高精度で検出する。そして、第２の基準レベルＶｒｅｆ２は、範囲Ａ２ｐ内にある。そのため、アーム短絡検出回路１１２は、精度よくアーム短絡を検出することができる。

　次に図３Ｂを参照し、負荷短絡検出回路１１１の動作を説明する。負荷短絡検出回路１１１は、第１のロゴスキーコイル１０１から出力される第１の検出信号Ｓ１を第１の基準レベルＶｒｅｆ１と比較する。負荷短絡検出回路１１１は、第１の検出信号Ｓ１が第１の基準レベルＶｒｅｆ１を超過した場合に、レベル判定信号Ｄ１をアクティブレベル“１”に設定する。負荷短絡の発生時には、時間勾配ｄｉ／ｄｔの小さな電流ｉが導線５２に流れる。従って、負荷短絡検出回路１１１には、このような小さな時間勾配ｄｉ／ｄｔを検出することが求められる。このため、第１の基準レベルＶｒｅｆ１は、負荷短絡が発生した場合の第１の検出信号Ｓ１と比較するのに適切な十分に小さな電圧を持つ。また、負荷短絡検出回路１１１は、レベル判定信号Ｄ１が第１の基準時間Ｔｒｅｆ１を超えてアクティブレベル“１”に維持された場合に、短絡検出信号Ｅ１をアクティブレベル“１”に設定する。負荷短絡の発生時において、導線５２に流れる電流ｉの時間勾配ｄｉ／ｄｔが大きくなる時間は、通常時およびアーム短絡の発生時と比べて長い。このため、第１の基準時間Ｔｒｅｆ１は、通常動作あるいはアーム短絡が負荷短絡であると誤認されることがない十分に長い時間（例えば基準時間Ｔｒｅｆ１の数十倍～数百倍）に設定される。

　通常時、半導体スイッチ１１のターンオンにより、導線５２に流れる電流ｉが立ち上がる。その後、この電流ｉの立ち上がり期間において、電流ｉの時間勾配ｄｉ／ｄｔを示す第１の検出信号Ｓ１が第１の基準レベルＶｒｅｆ１を超え、レベル判定信号Ｄ１がアクティブレベル“１”に変化する。しかし、レベル判定信号Ｄ１がアクティブレベル“１”に維持される期間は、第１の基準時間Ｔｒｅｆ１より短い。従って、短絡検出信号Ｅ１がアクティブレベル“１”に変化することはない。

　半導体スイッチ１１と直列接続された半導体スイッチが短絡故障した状態で、半導体スイッチ１１のターンオンが発生すると、アーム短絡が発生する。この場合、導線５２に流れる電流ｉが、アーム短絡電流の経路に介在する自己インダクタンスにより定まる時間勾配で立ち上がる。この結果、第１の検出信号Ｓ１が第１の基準レベルＶｒｅｆ１を超え、レベル判定信号Ｄ１がアクティブレベル“１”に変化する。しかしながら、アーム短絡の発生時においては、第２の検出信号Ｓ２も第２の基準レベルＶｒｅｆ２を超え、レベル判定信号Ｄ２がアクティブレベル“１”に変化する。アーム短絡の検出に要する時間と負荷短絡の検出に要する時間との間には、Ｔｒｅｆ２＜＜Ｔｒｅｆ１の関係がある。このため、アーム短絡が発生すると、短絡検出信号Ｅ２が短絡検出信号Ｅ１より先にアクティブレベル“１”に変化する。このため、アーム短絡の発生に起因して負荷短絡が検出されることはない。

　負荷短絡の発生時、半導体スイッチ１１のターンオンにより、導線５２に流れる電流ｉが立ち上がる。その後、負荷短絡電流の経路に介在する自己インダクタンスにより定まる時間勾配で電流ｉが増加する。このように、電流ｉの立ち上がり直後から電流ｉが一定の時間勾配で増加する期間において、第１の検出信号Ｓ１が第１の基準レベルＶｒｅｆ１を超え、レベル判定信号Ｄ１がアクティブレベル“１”に変化する。負荷短絡の発生時、レベル判定信号Ｄ１は、第１の基準時間Ｔｒｅｆ１を超えて、アクティブレベル“１”に維持される。従って、短絡検出信号Ｅ２がアクティブレベル“１”に変化する。

　この例において、第１のロゴスキーコイル１０１は、第１の検出信号Ｓ１が範囲Ａ１内に収まる電流の時間勾配ｄｉ／ｄｔを高精度で検出する。そして、第１の基準レベルＶｒｅｆ１は、範囲Ａ２内にある。そのため、負荷短絡により発生する第１の検出信号Ｓ１を精度よく検出することができる。

　次に図３Ｃを参照し、短絡検出回路１２０の動作を説明する。図３Ｃに示すように、短絡検出回路１２０は、短絡検出信号Ｅ１と短絡検出信号Ｅ２の論理和を短絡検出信号Ｅとして出力する。従って、アーム短絡または負荷短絡が発生した場合には、短絡検出信号Ｅがゲート駆動回路２０に出力される。これにより、ゲート駆動回路２０によって、半導体スイッチ１１の駆動が停止される。

　以上説明したように、本実施形態によれば、ロゴスキーコイルを利用して、電力変換装置において発生するアーム短絡および負荷短絡の両方を精度よく検出することができる。また、本実施形態によれば、短絡電流を検出するために、ＣＴ等のディスクリート部品を利用しないので、コストを下げ、かつ、短絡故障検出装置の大型化を回避することができる。

　以下、第１実施形態の各種具体例について説明する。

＜第１具体例＞
　第１具体例は、２つのロゴスキーコイルに関する。ロゴスキーコイルの一つは、アーム短絡の発生時に適切な大きさの第２の検出信号Ｓ２を生成する第２のロゴスキーコイル１０２である。もう一つは、負荷短絡の発生時に適切な大きさの第１の検出信号Ｓ１を生成する第１のロゴスキーコイル１０１である。後述の第２および第３具体例についても同様である。

　図４は、第１実施形態の第１具体例を示す図である。第１具体例において、アーム短絡を検出するための第２のロゴスキーコイル１０２Ａは、第１部分４１と、第２部分４２とを有する。第１部分４１は、１本の導線（配線）の一端から当該導線の所定点までの部分がトロイダルコイル状に巻かれた部分である。第２部分４２は、当該導線の所定点からその他端までの部分がトロイダルコイルの中を通り、当該他端が当該一端まで戻る部分である。負荷短絡を検出するための第１のロゴスキーコイル１０１Ａも、第１部分４１と同様な第１部分４３と、第２部分４２と同様な第２部分４４とを有する。第１具体例では、アーム短絡を検出するための第２のロゴスキーコイル１０２Ａの巻き数ｎ２が、負荷短絡を検出するための第１のロゴスキーコイル１０１Ａの巻き数ｎ１と異なる。具体的には、第２のロゴスキーコイル１０２Ａの第１部分４１の巻き数ｎ２と、第１のロゴスキーコイル１０１Ａの第１部分４３の巻き数ｎ１との間には、ｎ１＞ｎ２の関係がある。以下、その理由について説明する。

　各ロゴスキーコイルに誘起される電圧ｖは、次式により与えられる。
　ｖ＝－μ・（ＳＱ・ｎ／ＬＧ）・（ｄｉ／ｄｔ）　　　　　……（４）
　ここで、μは空気の透磁率（真空の透磁率と同じ）を示す。ＳＱは各ロゴスキーコイルの磁路断面積を示す。ｎは各ロゴスキーコイルの巻き数を示す。ＬＧは各ロゴスキーコイルの磁路長を示す。ｄｉ／ｄｔは、各ロゴスキーコイルによって検出される電流ｉの時間勾配を示す。磁路断面積ＳＱとは、各ロゴスキーコイルの第１部分（４１または４３）を構成するトロイダルコイルにより囲まれた空間の断面積である。磁路長は、各ロゴスキーコイルのトロイダルコイルにより囲まれた空間の長さであり、第２部分（４２または４４）の長さに略等しい。

　式（４）を巻き数ｎについて解くと、次式が得られる。
　ｎ＝－（ＬＧ・ｖ）／（μ・ＳＱ・（ｄｉ／ｄｔ））　　　……（５）
　式（５）は、電流の時間勾配ｄｉ／ｄｔが小さい場合において、十分な大きさの電圧ｖをロゴスキーコイルから得るためには、巻き数ｎを増やす必要があることを示している。

　検出すべき電流の時間勾配ｄｉ／ｄｔが小さいため、第１具体例においては、第１のロゴスキーコイル１０１Ａの巻き数ｎ１が、第２のロゴスキーコイル１０２Ａの巻き数ｎ２よりも多い。具体的には、式（５）において、アーム短絡の発生時における電流の時間勾配ｄｉ／ｄｔが、負荷短絡の発生時における電流の時間勾配ｄｉ／ｄｔの例えば１０倍に設定され、これにより、巻き数ｎ１およびｎ２が計算される。ロゴスキーコイル１０１Ａおよび１０２Ａは、式（５）によって求められた巻き数ｎ１およびｎ２をそれぞれ有するので、アーム短絡および負荷短絡の両者を精度良く検出することができる。

＜第２具体例＞
　図５は、第１実施形態の第２具体例を示す図である。第２具体例では、アーム短絡を検出するための第２のロゴスキーコイル１０２Ｂの磁路断面積ＳＱ２が、負荷短絡を検出するための第１のロゴスキーコイル１０１Ｂの磁路断面積ＳＱ１と異なる。具体的には、磁路断面積ＳＱ１およびＳＱ２間に、ＳＱ１＞ＳＱ２の関係がある。

　式（５）を磁路断面積ＳＱについて解くと、次式が得られる。
　ＳＱ＝－（ＬＧ・ｖ）／（μ・ｎ・（ｄｉ／ｄｔ））　　　……（７）
　式（７）は、電流の時間勾配ｄｉ／ｄｔが小さい場合において、十分な大きさの電圧ｖをロゴスキーコイルから得るためには、磁路断面積ＳＱを増やす必要があることを示している。

　そこで、第２具体例においては、検出すべき電流の時間勾配ｄｉ／ｄｔが小さいため、第１のロゴスキーコイル１０１Ｂの磁路断面積ＳＱ１が、第２のロゴスキーコイル１０２Ｂの磁路断面積ＳＱ２よりも大きい。具体的には、式（７）において、アーム短絡の発生時の電流の時間勾配ｄｉ／ｄｔを負荷短絡の発生時における電流の時間勾配ｄｉ／ｄｔが、例えば１０倍に設定され、これにより、磁路断面積ＳＱ１およびＳＱ２が計算される。ロゴスキーコイル１０１Ｂおよび１０２Ｂは、式（７）によって求められた磁路断面積ＳＱ１およびＳＱ２をそれぞれ有するので、アーム短絡および負荷短絡の両者を精度良く検出することができる。

＜第３具体例＞
　図６は、第１実施形態の第３具体例を示す図である。第３具体例では、アーム短絡を検出するための第２のロゴスキーコイル１０２Ｃの磁路長ＬＧ２が、負荷短絡を検出するための第１のロゴスキーコイル１０１Ｃの磁路長ＬＧ１と異なる。具体的には、磁路長ＬＧ１およびＬＧ２間に、ＬＧ１＜ＬＧ２の関係がある。第１のロゴスキーコイル１０１Ｃの磁路長ＬＧ１が、第２のロゴスキーコイル１０２Ｃの磁路長ＬＧ２よりも短い。

　式（５）を磁路長ＬＧについて解くと、次式が得られる。
　ＬＧ＝－（μ・ＳＱ・ｎ・（ｄｉ／ｄｔ））／ｖ　　　……（８）
　第３具体例では、式（８）において、アーム短絡の発生時の電流の時間勾配ｄｉ／ｄｔが、負荷短絡の発生時の電流の時間勾配ｄｉ／ｄｔの例えば１０倍に設定され、これにより、磁路長ＬＧ１およびＬＧ２が計算される。ロゴスキーコイル１０１Ｃおよび１０２Ｃは、式（８）によって求められた磁路長ＬＧ１およびＬＧ２をそれぞれ有するので、アーム短絡および負荷短絡の両者を精度良く検出することができる。

＜第４具体例＞
　第４具体例は、第１のロゴスキーコイル１０１および第２のロゴスキーコイル１０２の実装に関する。図７Ａおよび図７Ｂは、第１実施形態の第４具体例を示す図である。ここで、図７Ａは、図７Ｂの半導体スイッチ１１Ｄから見た第１のロゴスキーコイル１０１Ｄおよび第２のロゴスキーコイル１０２Ｄを示す図である。また、図７Ｂは、図７ＡのＡ－Ａ’線断面図である。

　図７Ｂにおいて、半導体スイッチ１１Ｄと主配線基板７０との間には、多層配線基板が挟まれている。多層配線基板は、第１層配線基板６１と、第２層配線基板６２と、第３層配線基板６３とを有する。第１層配線基板６１は主配線基板７０から離間し、第２層配線基板６２は第１層配線基板６１から離間し、第３層配線基板６３は第２層配線基板６２から離間し、半導体スイッチ１１Ｄは第３層配線基板６３から離間している。

　導線５１および５２は、図２の導線５１および５２にそれぞれ相当する。導線５１は、半導体スイッチ１１Ｄのソースに接続されている。導線５２は、半導体スイッチ１１Ｄのドレインに接続されている。これらの導線５１および５２は、第３層配線基板６３と、第２層配線基板６２と、第１層配線基板６１とを介して、主配線基板７０に接続されている。半導体スイッチ１１Ｄは、導線５１または５２と、主配線基板７０とを介して、電力変換装置１に設けられた他の半導体スイッチまたは電源線に接続されている。

　アーム短絡を検出するための第２のロゴスキーコイル１０２Ｄは、導線５１を取り囲むように、第１層配線基板６１と、第２層配線基板６２と、第３層配線基板６３に配置されている。また、負荷短絡を検出するための第１のロゴスキーコイル１０１Ｄは、導線５２を取り囲むように、第１層配線基板６１と、第２層配線基板６２と、第３層配線基板６３に配置されている。

　さらに詳述すると、第２のロゴスキーコイル１０２Ｄは、第１部分４１と、第２部分４２とを有する。第１部分４１は、１本の導線（配線）の一端から当該導線の所定点までの部分がトロイダルコイル状に巻かれた部分である。第２部分４２は、当該導線の所定点からその他端までの部分がトロイダルコイルの中を通り、当該他端が当該一端まで戻る部分である。第２部分４２は、第２層配線基板６２に配置される。また、第１部分４１は、（i）第１層配線基板６１上の配線と、（i i）第２層配線基板６２に配置されたスルーホールを介して第１層配線基板６１から第３層配線基板６３に至る配線と、（i i i）第３層配線基板６３上の配線とにより構成される。第１のロゴスキーコイル１０１Ｄも、第２のロゴスキーコイル１０２Ｄの第１部分４１と同様な第１部分４３と、第２部分４２と同様な第２部分４４を有する。

　第４具体例においても、アーム短絡および負荷短絡の双方を精度よく検出することができる。また、第４具体例では、前掲図２の構成と異なり、第２のロゴスキーコイル１０２Ｄが半導体スイッチ１１Ｄのソースに対応する位置に配置され、第１のロゴスキーコイル１０１Ｄが半導体スイッチ１１Ｄのドレインに対応する位置に配置されている。すなわち、第４具体例では、アーム１０を経由する電流経路において、半導体スイッチ１１Ｄのソースに接続された導線５１に第２のロゴスキーコイル１０２Ｄが配置されている。更に、半導体スイッチ１１Ｄのドレインに接続された導線５２に第１のロゴスキーコイル１０１Ｄが配置されている。つまり、アーム１０を経由する電流経路に、第２のロゴスキーコイル１０２Ｄ、半導体スイッチ１１Ｄおよび第１のロゴスキーコイル１０１Ｄが順に配置されている。このため、図７Ｂに示すように、２つのロゴスキーコイルをアームの下に配置することができる。第４具体例では、互いに直列接続された２つの半導体スイッチ１１Ｄの間の配線長と、コンデンサ３０（図１参照）の配線長とを短くすることができる。

＜第５具体例＞
　図８は、第１実施形態の第５具体例を示す図である。第５具体例では、ブスバー１０４を覆うように、アーム短絡を検出するための第２のロゴスキーコイル１０２Ｅと、負荷短絡を検出するための第１のロゴスキーコイル１０１Ｅが配置される。ブスバー１０４は、被測定電流経路の一例である。そして、第５具体例では、第２のロゴスキーコイル１０２Ｅと第１のロゴスキーコイル１０１Ｅとの間に、シールド板１０３が配置される。シールド板１０３は、例えば、金属である。第５具体例によれば、第２のロゴスキーコイル１０２Ｅに流れる電流と第１のロゴスキーコイル１０１Ｅに流れる電流とが互いに干渉しあうのを防ぐことができる。

＜第１実施形態の変形例＞
　第１実施形態は、以下のように変形し得る。

（１）第１実施形態では、短絡故障検出装置を４個のアームを有する２相のインバータに適用した。しかし、短絡故障検出装置の適用範囲はこれに限定されるものではない。短絡故障検出装置は、２相以外の相数のインバータ、例えば３相のインバータに適用してもよい。また、短絡故障検出装置は、インバータ以外の電力変換装置、例えばＤＣ／ＤＣコンバータに適用してもよい。

（２）第１実施形態では、半導体スインチの例としてＭＯＳＦＥＴを挙げたが、半導体スイッチはこれに限定されるものではなく、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor；絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）等の他の半導体スイッチであってもよい。

（３）上記第１具体例～第５具体例のうちの任意の２つ、３つ、４つまたは全部を組み合わせてもよい。例えば第２のロゴスキーコイル１０２の巻き数よりも第１のロゴスキーコイル１０１の巻き数が多く、かつ、第２のロゴスキーコイル１０２の断面積よりも第１のロゴスキーコイル１０１の断面積が大きくてもよい。さらに、第２のロゴスキーコイル１０２の磁路長よりも第１のロゴスキーコイル１０１の磁路長が短くてもよい。

（４）第４具体例では、第２のロゴスキーコイル１０２Ｄおよび第１のロゴスキーコイル１０１Ｄの両方が、第１層配線基板６１、第２層配線基板６２および第３層配線基板６３に配置されたが、第１のロゴスキーコイル１０１Ｄおよび第２のロゴスキーコイル１０２Ｄの少なくとも一方が配線基板（第１層配線基板６１、第２層配線基板６２および第３層配線基板６３）に配置されていればよい。
　また、第４具体例では、アーム１０を経由する電流経路に、第２のロゴスキーコイル１０２Ｄ、半導体スイッチ１１Ｄおよび第１のロゴスキーコイル１０１Ｄが順に配置されている。しかしながら、これとは逆に、アーム１０を経由する電流経路に、第１のロゴスキーコイル１０１Ｄ、半導体スイッチ１１Ｄおよび第２のロゴスキーコイル１０２Ｄが順に配置されていてもよい。つまり、半導体スイッチ１１Ｄおよび第１のロゴスキーコイル１０１Ｄは、その順に配置されていてもよいし、その逆順に配置されていてもよい。

（５）第１実施形態では、アーム短絡検出回路１１２、負荷短絡検出回路１１１および短絡検出回路１２０は個別であるが、これらの回路が一つの回路であっても良い。

（６）第１実施形態では、短絡検出信号Ｅがゲート駆動回路２０に入力されていたが、短絡検出信号Ｅ１，Ｅ２を直接ゲート駆動回路２０に入力しても良い。また、次のように、短絡検出信号によって保護動作を変えても良い。（i）短絡検出信号Ｅ２が出力された場合は、アーム短絡が発生している。このため、ゲート駆動回路２０の停止後にゲート駆動回路２０の再起動を禁止してもよい。（ii）短絡検出信号Ｅ１が出力された場合は、負荷短絡が発生している。このため、ゲート駆動回路２０の停止後に負荷の短絡が解除されれば、ゲート駆動回路２０を再起動してもよい。

２．第２実施形態
　以下、図面を参照しつつ、第２実施形態について説明する。図９は、第２実施形態における電力変換装置１Ａの構成を示す回路図である。電力変換装置１Ａにおいて、コンデンサ３０は、直流電源４０によって充電され、直流電圧を安定化させる。コンデンサ３０の両端子には、アーム１０＿１および１０＿２が直列接続されている。これに加え、同両端子には、アーム１０＿３および１０＿４が直列接続されている。更に、同両端子には、アーム１０＿５および１０＿６が直列接続されている。そして、アーム１０＿１および１０＿２間に共通接続ノードＮＤ１があり、アーム１０＿３および１０＿４間に共通接続ノードＮＤ２があり、アーム１０＿５および１０＿６間に共通接続ノードＮＤ３がある。これらのノードＮＤ１，ＮＤ２およびＮＤ３に対し、負荷Ｚ（例えば、モータの巻き線）が接続される。アーム１０＿１～１０＿６の各々は、半導体スイッチを含む。ゲート駆動回路２０＿１～２０＿６は、アーム１０＿１～１０＿６にそれぞれ対応している。ゲート駆動回路２０＿１～２０＿６の各々は、ゲート信号を、対応するアームの半導体スイッチのゲートに与えることにより、当該半導体スイッチを駆動する。このように電力変換装置１１Ａは、各々が半導体スイッチを含む２以上のアーム１０＿１～１０＿６を有しており、これらのアームを介して直流電源４０から負荷Ｚに電力を供給する。

　ここで、アーム１０＿２に着目し、アーム短絡について述べる。電源の短絡を防止するため、互いに直列接続された２つの半導体スイッチ１０＿１および１０＿２は、同時にターンオンしないように制御される。この点については、第１実施形態と同様である。一例として、半導体スイッチ１０＿１がＯＦＦに制御され、半導体スイッチ１０＿２がＯＮに制御される場合を述べる。仮に、当該アーム１０＿１に短絡故障が発生している状態で、アーム１０＿２の半導体スイッチがターンオンした場合、半導体スイッチ１０＿１の意図しない短絡により、アーム１０＿２の半導体スイッチにアーム短絡電流が流れる。このほか、アーム１０＿１に短絡故障が発生していなくても、アーム１０＿１の半導体スイッチの誤動作によるターンオンにより、アーム１０＿２の半導体スイッチにアーム短絡電流が流れる。また、電力変換装置１Ａにおいて、負荷Ｚの短絡故障が発生した場合には、アーム１０＿２に負荷短絡電流が流れる。

　このようなアーム短絡電流または負荷短絡電流が長時間に亙ってアーム１０＿２に流れると、アーム１０＿２の正常な半導体スイッチが破壊に至る恐れがある。そこで短絡故障検出装置１００＿２がアーム１０＿２に対応して設けられる。他のアーム１０＿１、１０＿３～１０＿６にも同様なアーム短絡電流および負荷短絡電流が流れる可能性がある。そこで、本実施形態では、電力変換装置１Ａは、Ｐ個（Ｐは２以上の正の整数。例えば、Ｐ＝６。）のアームのうちのＱ個（ＱはＰより小さい正の整数。例えば、Ｑ＝３。）のアームにそれぞれ対応するＱ個の短絡故障検出装置を有する。つまり、６個のアーム１０＿１～１０＿６のうちの一部のアームの各々に短絡故障検出装置が設けられる。図９の例では、アーム１０＿２、１０＿４および１０＿６に、短絡故障検出装置１００＿２、１００＿４および１００＿６がそれぞれに設けられる。これらのアーム１０＿２、１０＿４および１０＿６は、全アームのうちの半数に当たる（つまり、Ｑ＝Ｐ／２）。

　以下では、アーム１０＿１～１０＿６の各々を区別する必要がない場合に、アーム１０＿１～１０＿６をアーム１０と総称する。同様に、ゲート駆動回路２０＿１～２０＿６をゲート駆動回路２０と総称する。短絡故障検出装置１００＿２、１００＿４および１～１００＿６を短絡故障検出装置１００と総称する。

　本実施形態において、アーム１０＿２、１０＿４および１０＿６に対して、短絡故障検出装置１００＿２、１００＿４および１００＿６をそれぞれ設けた理由は次の通りである。

　アーム短絡電流が通過する電流経路には、次の３つのパターンがある。
（１）アーム１０＿１および１０＿２を通る電流経路Ｒ１２：アーム１０＿１または１０＿２の一方に短絡故障が発生すると、この電流経路Ｒ１２にアーム短絡電流が流れる。
（２）アーム１０＿３および１０＿４を通る電流経路Ｒ３４：アーム１０＿３または１０＿４の一方に短絡故障が発生すると、この電流経路Ｒ３４にアーム短絡電流が流れる。
（３）アーム１０＿５および１０＿６を通る電流経路Ｒ５６：アーム１０＿５または１０＿６の一方に短絡故障が発生すると、この電流経路Ｒ５６にアーム短絡電流が流れる。

　全ての電流経路についてアーム短絡電流を検出するためには、（i）アーム１０＿１または１０＿２の一方と、（ii）アーム１０＿３または１０＿４の一方と、（iii）アーム１０＿５または１０＿６の一方に短絡故障検出装置１００を設ける必要がある。これが条件１である。

　負荷短絡電流が通過する電流経路には、次の６つのパターンがある。
（１）アーム１０＿１および１０＿４を通る電流経路Ｒ１４：負荷Ｚを通る、アーム１０＿１から１０＿４までの区間に短絡故障が発生すると、この電流経路Ｒ１４に負荷短絡電流が流れる。
（２）アーム１０＿３および１０＿２を通る電流経路Ｒ３２：負荷Ｚを通る、アーム１０＿３から１０＿２までの区間に短絡故障が発生すると、この電流経路Ｒ３２に負荷短絡電流が流れる。
（３）アーム１０＿３および１０＿６を通る電流経路Ｒ３６：負荷Ｚを通る、アーム１０＿３から１０＿６までの区間に短絡故障が発生すると、この電流経路Ｒ３６に負荷短絡電流が流れる。
（４）アーム１０＿５および１０＿４を通る電流経路Ｒ５４：負荷Ｚを通る、アーム１０＿５から１０＿４までの区間に短絡故障が発生すると、この電流経路Ｒ５４に負荷短絡電流が流れる。
（５）アーム１０＿５および１０＿２を通る電流経路Ｒ５２：負荷Ｚを通る、アーム１０＿５から１０＿２までの区間に短絡故障が発生すると、この電流経路Ｒ５２に負荷短絡電流が流れる。
（６）アーム１０＿１および１０＿６を通る電流経路Ｒ１６：負荷Ｚを通る、アーム１０＿１から１０＿６までの区間に短絡故障が発生すると、この電流経路Ｒ１６に負荷短絡電流が流れる。

　全ての電流経路について負荷短絡電流を検出するためには、（i）アーム１０＿１または１０＿４の一方と、（i i）アーム１０＿３または１０＿２の一方と、（i i i）アーム１０＿３または１０＿６の一方と、（iv）アーム１０＿５または１０＿４の一方と、（v）アーム１０＿５または１０＿２の一方と、（vi）アーム１０＿１または１０＿６の一方に短絡故障検出装置１００を設ける必要がある。これが条件２である。

　条件１および２の両方を満たすための方法には、次の２つがある。第１の方法は、アーム１０＿１、１０＿３および１０＿５に短絡故障検出装置１００を設けることである。第２の方法は、アーム１０＿２、１０＿４および１０＿６に短絡故障検出装置１００を設けることである。本実施形態では、全ての電流経路について、アーム短絡電流および負荷短絡電流を検出するために第２の方法を採用している。

　図１０は、第２実施形態における短絡故障検出装置１００の構成例を示す回路図である。なお、図１０には、短絡故障検出装置１００に関する理解を容易にするため、アーム１０およびゲート駆動回路２０が短絡故障検出装置１００とともに示されている。

　図１０において、各アーム１０は、半導体スイッチ１１と、半導体スイッチ１１に逆並列接続されたフライホイールダイオード１２とを含む。半導体スイッチ１１およびゲート駆動回路２０は、第１実施形態のものと同様なので、その詳細な説明を省略する。

　図１０に示す例では、第１のロゴスキーコイル１０１および第２のロゴスキーコイル１０２に導線５２が挿入されている。第１のロゴスキーコイル１０１および第２のロゴスキーコイル１０２は、第１実施形態のものと同様なので、その詳細な説明を省略する。

　アーム短絡検出回路１１２は、第２の検出信号Ｓ２に基づいて、電力変換装置１Ａにおいてアーム短絡が発生したことを検出する回路である。アーム短絡検出回路１１２は、第１実施形態のものと同様なので、その詳細な説明を省略する。

　負荷短絡検出回路１１１は、第１の検出信号Ｓ１に基づいて、電力変換装置１Ａにおいて負荷短絡が発生したことを検出する回路である。負荷短絡検出回路１１１は、第１実施形態のものと同様なので、その詳細な説明を省略する。

　遮断制御回路１２１は、アーム短絡検出回路１１２が出力する短絡検出信号Ｅ２および負荷短絡検出回路１１１が出力する短絡検出信号Ｅ１に基づいて、電力変換装置１Ａにおいて何等かの短絡故障が発生したことを検出する。この場合、遮断制御回路１２１は、短絡検出信号Ｅを生成する。この例において、遮断制御回路１２１は、ＯＲ回路を含み、当該ＯＲ回路は、短絡検出信号Ｅ１と短絡検出信号Ｅ２の論理和を短絡検出信号Ｅとして生成する。

　また、遮断制御回路１２１は、短絡検出信号Ｅを生成した場合に、アーム短絡電流または負荷短絡電流を遮断するための制御を行う。さらに詳述すると、遮断制御回路１２１は、短絡検出信号Ｅ２が発生した場合には、遮断信号Ｃを出力する。遮断信号Ｃは、短絡故障検出装置１００が設けられたアーム１０（例えば、１０＿２）の半導体スイッチ１１と、短絡故障検出装置１００が設けられていないアーム１０（例えば、１０＿１）の半導体スイッチ１１の駆動を停止させるための信号である。具体的には、図９の短絡故障検出装置１００＿２においてアーム短絡（短絡検出信号Ｅ２）が発生した場合を想定する。この場合、短絡故障検出装置１００＿２の遮断制御回路１２１は、アーム短絡電流の検出されたアーム１０＿２のゲート駆動回路２０＿２に遮断信号Ｃ２を出力し、アーム１０＿１のゲート駆動回路２０＿１に遮断信号Ｃ１を出力する。
　また、当該遮断制御回路１２１は、短絡検出信号Ｅ１が発生した場合には、負荷短絡電流が検出されたアーム１０のゲート駆動回路２０に対し、当該アーム１０の半導体スイッチ１１の駆動を停止させる遮断信号Ｃを出力する。

　また、遮断制御回路１２１は、短絡検出信号Ｅが発生した場合に、故障信号Ｆを制御装置１０００に対して出力する。故障信号Ｆを受け取った制御装置１０００は、電力変換装置１Ａを停止させる制御を開始する。

　図１１Ａ、図１１Ｂおよび図１１Ｃの各々は、第２実施形態の動作例を示す波形図である。図１１Ａには、（ａ）通常時、（ｂ）アーム短絡の発生時および（ｃ）負荷短絡の発生時の各々について、（１）導線５２に流れる電流ｉの波形、（２）第２の検出信号Ｓ２の波形、（３）アーム短絡検出回路１１２内で生成されるレベル判定信号Ｄ２の波形、および（４）アーム短絡検出回路１１２が出力する短絡検出信号Ｅ２の波形が示されている。図１１Ｂには、（ａ）通常時、（ｂ）アーム短絡の発生時および（ｃ）負荷短絡の発生時の各々について、（１）導線５２に流れる電流ｉの波形、（２）第１の検出信号Ｓ１の波形、（３）負荷短絡検出回路１１１内で生成されるレベル判定信号Ｄ１の波形、および（４）負荷短絡検出回路１１１が出力する短絡検出信号Ｅ１の波形が示されている。また、図１１Ｃには、（ａ）通常時、（ｂ）アーム短絡の発生時および（ｃ）負荷短絡の発生時の各々について、（１）導線５２に流れる電流ｉの波形、（２）アーム短絡検出回路１１２が出力する短絡検出信号Ｅ２の波形、（３）負荷短絡検出回路１１１が出力する短絡検出信号Ｅ１の波形、および（４）遮断制御回路１２１が出力する短絡検出信号Ｅの波形が示されている。これらの図において、横軸は時間ｔを示す。縦軸は電圧、電流または真理値のいずれかを示す。

　まず、図１１Ａを参照し、アーム短絡検出回路１１２の動作を説明する。アーム短絡検出回路１１２は、第２のロゴスキーコイル１０２から出力される第２の検出信号Ｓ２を第２の基準レベルＶｒｅｆ２と比較する。アーム短絡検出回路１１２は、第２の検出信号Ｓ２が第２の基準レベルＶｒｅｆ２を超過した場合に、レベル判定信号Ｄ２をアクティブレベル“１”に設定する。この点については、第１実施形態と同様である。また、アーム短絡検出回路１１２は、レベル判定信号Ｄ２が第２の基準時間Ｔｒｅｆ２を超えてアクティブレベル“１”に維持された場合に、アーム短絡検出信号Ｅ２をアクティブレベル“１”に設定する。この点についても、第１実施形態と同様である。

　通常時、半導体スイッチ１１のターンオンにより、導線５２に流れる電流ｉが立ち上がる。この電流ｉの立ち上がり期間において、電流ｉの時間勾配ｄｉ／ｄｔを示す第２の検出信号Ｓ２が第２の基準レベルＶｒｅｆ２を超え、レベル判定信号Ｄ２がアクティブレベル“１”に維持される。この点については、第１実施形態と同様である。第１実施形態において述べた同じ理由により、短絡検出信号Ｅ２がアクティブレベル“１”に変化することはない。

　負荷短絡の発生時は、半導体スイッチ１１のターンオンにより、導線５２に流れる電流ｉが立ち上がる。その後、負荷短絡電流の経路に介在する自己インダクタンスにより定まる時間勾配で電流ｉが増加する。この点については、第１実施形態と同様である。第１実施形態において述べた同じ理由により、短絡検出信号Ｅ２がアクティブレベル“１”に変化することはない。

　アーム短絡の発生時におけるアーム短絡検出回路１１２の動作は、第１実施形態におけるアーム短絡検出回路１１２の動作と同様である。レベル判定信号Ｄ２は、第２の基準時間Ｔｒｅｆ２を超えてアクティブレベル“１”に維持される。第１実施形態において述べた同じ理由により、短絡検出信号Ｅ２がアクティブレベル“１”に変化する。

　次に図１１Ｂを参照し、負荷短絡検出回路１１１の動作を説明する。負荷短絡検出回路１１１は、第１のロゴスキーコイル１０１から出力される第１の検出信号Ｓ１を第１の基準レベルＶｒｅｆ１と比較する。負荷短絡検出回路１１１は、第１の検出信号Ｓ１が第１の基準レベルＶｒｅｆ１を超過した場合に、レベル判定信号Ｄ１をアクティブレベル“１”に設定する。この点については、第１実施形態と同様である。また、負荷短絡検出回路１１１は、レベル判定信号Ｄ１が第１の基準時間Ｔｒｅｆ１を超えてアクティブレベル“１”に維持された場合に、短絡検出信号Ｅ１をアクティブレベル“１”に設定する。この点についても、第１実施形態と同様である。

　通常時、半導体スイッチ１１のターンオンにより、導線５２に流れる電流ｉが立ち上がる。その後、この電流ｉの立ち上がり期間において、電流ｉの時間勾配ｄｉ／ｄｔを示す第１の検出信号Ｓ１が第１の基準レベルＶｒｅｆ１を超え、レベル判定信号Ｄ１がアクティブレベル“１”に変化する。この点については、第１実施形態と同様である。第１実施形態において述べた同じ理由により、短絡検出信号Ｅ１がアクティブレベル“１”に変化することはない。

　半導体スイッチ１１と直列接続された半導体スイッチが短絡故障した状態で、半導体スイッチ１１のターンオンが発生すると、アーム短絡が発生する。この場合、第１実施形態において述べた同じ理由により、第１の検出信号Ｓ１が第１の基準レベルＶｒｅｆ１を超え、レベル判定信号Ｄ１がアクティブレベル“１”に変化する。しかしながら、アーム短絡の発生時においては、第２の検出信号Ｓ２も第２の基準レベルＶｒｅｆ２を超え、レベル判定信号Ｄ２がアクティブレベル“１”に変化する。また、第１実施形態において述べた同じ理由により、アーム短絡の発生に起因して負荷短絡が検出されることはない。

　負荷短絡の発生時、電流ｉの立ち上がり直後から電流ｉが一定の時間勾配で増加する期間において、第１の検出信号Ｓ１が第１の基準レベルＶｒｅｆ１を超え、レベル判定信号Ｄ１がアクティブレベル“１”に変化する。この点については、第１実施形態と同様である。また、第１実施形態において述べた同じ理由により、短絡検出信号Ｅ１がアクティブレベル“１”に変化する。

　この例において、第１のロゴスキーコイル１０１は、第１の検出信号Ｓ１が範囲Ａ１内に収まる電流の時間勾配ｄｉ／ｄｔを高精度で検出する。そして、第１の基準レベルＶｒｅｆ１は、範囲Ａ１内にある。そのため、負荷短絡により発生する第１の検出信号Ｓ１を精度よく検出することができる。

　次に図１１Ｃを参照し、遮断制御回路１２１の動作を説明する。図１１Ｃに示すように、遮断制御回路１２１は、短絡検出信号Ｅ１と短絡検出信号Ｅ２の論理和を短絡検出信号Ｅとして出力する。従って、アーム短絡または負荷短絡が発生した場合には、短絡検出信号Ｅがゲート駆動回路２０に出力される。これにより、ゲート駆動回路２０によって、半導体スイッチ１１の駆動が停止される。

　次に第２実施形態の全体的な動作例について説明する。図１２は、第２実施形態の第１動作例を示す回路図である。第１動作例では、アーム１０＿１に短絡故障が発生している。なお、図１２に示す「Ｘ（cross）」印は、当該短絡故障を表す。このことは、図１３および図１４についても同様である。例えば、この短絡故障は、アーム１０＿１の半導体スイッチ１１の故障である。例えば、この短絡故障は、ノイズ等によって、半導体スイッチ１１の誤動作によってＯＮになる事象でもあり得る。第１動作例では、アーム１０＿１の短絡故障に起因したアーム短絡電流が、ＯＮ状態のアーム１０＿２に流れている。

　アーム１０＿２に対応する短絡故障検出装置１００＿２は、アーム短絡検出回路１１２が短絡検出信号Ｅ２を生成する。遮断制御回路１２１がアーム１０＿２のゲート駆動回路２０＿２に遮断信号Ｃ２を出力し、アーム１０＿１のゲート駆動回路２０＿１に遮断信号Ｃ１を出力する。これにより、アーム１０＿１および１０＿２を通る電流経路に流れるアーム短絡電流が遮断される。また、短絡故障検出装置１００＿２では、遮断制御回路１２１が制御装置１０００に対して故障信号Ｆ２を出力する。これにより、制御装置１０００は、電力変換装置１を停止させるための制御を開始する。

　図１３は、第２実施形態の第２動作例を示す回路図である。第２動作例では、アーム１０＿１がＯＮ状態であるときに、アーム１０＿１に接続されたアーム１０＿２に短絡故障が発生し、アーム短絡電流がアーム１０＿１を介してアーム１０＿２に流れている。

　この場合も、アーム１０＿２に対応する短絡故障検出装置１００＿２では、アーム短絡検出回路１１２が短絡検出信号Ｅ２を生成する。遮断制御回路１２１がアーム１０＿２のゲート駆動回路２０＿２に遮断信号Ｃ２を出力し、アーム１０＿１のゲート駆動回路２０＿１に遮断信号Ｃ１を出力する。これにより、アーム１０＿１がＯＮ状態からＯＦＦ状態に変化する。その結果、アーム１０＿１および１０＿２を通る電流経路に流れるアーム短絡電流が遮断される。また、この場合も、短絡故障検出装置１００＿２では、遮断制御回路１２１が制御装置１０００に対して故障信号Ｆ２を出力する。

　図１４は、本実施形態の第３動作例を示す回路図である。第３動作例では、負荷Ｚを通り、アーム１０＿１から１０＿４までの区間に短絡が発生した場合を想定する。この場合において、アーム１０＿１および１０＿４がＯＮ状態であるときに、負荷短絡電流がアーム１０＿１および１０＿４に流れている。

　アーム１０＿４に対応する短絡故障検出装置１００＿４では、負荷短絡検出回路１１１が短絡検出信号Ｅ１を生成し、遮断制御回路１２１がアーム１０＿４のゲート駆動回路２０＿４に遮断信号Ｃ４を出力する。これにより、アーム１０＿１および１０＿４を通る電流経路に流れる負荷短絡電流が遮断される。また、短絡故障検出装置１００＿４では、遮断制御回路１２１が制御装置１０００に対して故障信号Ｆ２を出力する。

　以上説明したように、電力変換装置１Ａは、Ｐ個（例えば、Ｐ＝６）のアーム１０のうちのＱ個（例えば、Ｑ＝３）のアーム（例えば、１０＿２，１０＿４，１０＿６）にそれぞれ対応するＱ個の短絡故障検出装置（例えば、１００＿２，１００＿４，１００＿６）を有する。つまり、全てのアームのうちの一部のアームのみに短絡故障検出装置が設けられる。６個の短絡故障検出装置１００の各々は、負荷の短絡により、対応するアーム（例えば、１０＿２）に流れる電流に応じた第１の検出信号Ｓ１を出力する第１のロゴスキーコイル１０１を有し、第１の検出信号Ｓ１およびに基づいて短絡故障を検出する。これに加え、各短絡故障検出装置１００は、対応するアーム（例えば、１０＿２）または６個のアーム１０のうちの他のアーム（例えば、１０＿１）の短絡により、当該対応するアームに流れる電流に応じた第２の検出信号Ｓ２を出力する第２のロゴスキーコイル１０２を有し、第２の検出信号Ｓ２に基づいて短絡故障を検出する。

　本実施形態によれば、ロゴスキーコイルを利用して、電力変換装置１Ａにおいて発生するアーム短絡および負荷短絡の両方を精度よく検出することができる。また、本実施形態によれば、短絡電流を検出するために、ＣＴ等のディスクリート部品を利用しないので、コストを下げ、かつ、短絡故障検出装置の大型化を回避することができる。

　また、本実施形態では、Ｑ個の短絡故障検出装置１００の各々は、遮断制御回路１２１を含む。遮断制御回路１２１は、短絡故障を検出した場合に、対応するアーム（例えば、１０＿２）の半導体スイッチ１１と、Ｑ個の短絡故障検出装置のいずれにも設けられていない他のアーム（例えば、１０＿１）の半導体スイッチ１１との駆動を停止する。従って、複数のアーム１０の各々の半導体スイッチ１１を短絡故障から保護しつつ、電力変換装置１Ａの小型化および低コスト化を実現することができる。

　本実施形態では、２つのロゴスキーコイルが必要である。その一つは、負荷短絡の発生時に適切な大きさの第１の検出信号Ｓ１を生成する第１のロゴスキーコイル１０１であり、もう一つは、アーム短絡の発生時に適切な大きさの第２の検出信号Ｓ２を生成する第２のロゴスキーコイル１０２である。以下、第２実施形態における第１のロゴスキーコイル１０１および第２のロゴスキーコイル１０２の具体例を挙げる。

＜第１具体例＞
　第１具体例では、アーム短絡を検出するための第２のロゴスキーコイル１０２の巻き数ｎ２が、負荷短絡を検出するための第１のロゴスキーコイル１０１の巻き数ｎ１と異なる。この点については、第１実施形態の第１具体例と同様である。この第１具体例から得られる効果も、第１実施形態の第１具体例の効果と同様である。

＜第２具体例＞
　第２具体例では、負荷短絡を検出するための第１のロゴスキーコイル１０１の磁路断面積ＳＱ１が、アーム短絡を検出するための第２のロゴスキーコイル１０２の磁路断面積ＳＱ２が異なる。この点については、第１実施形態の第２具体例と同様である。この第２具体例から得られる効果も、第１実施形態の第２具体例の効果と同様である。

＜第３具体例＞
　第３具体例では、負荷短絡を検出するための第１のロゴスキーコイル１０１の磁路長ＬＧ１が、アーム短絡を検出するための第２のロゴスキーコイル１０２の磁路長ＬＧ２と異なる。この点については、第１実施形態の第３具体例と同様である。この第３具体例から得られる効果も、第１実施形態の第３具体例の効果と同様である。

＜第４具体例＞
　第４具体例は、第１のロゴスキーコイル１０１および第２のロゴスキーコイル１０２の実装に関する。図１５Ａおよび図１５Ｂは、第２実施形態の第４具体例を示す図である。ここで、図１５Ａは、図７Ｂの半導体スイッチ１１から見た第１のロゴスキーコイル１０１および第２のロゴスキーコイル１０２を示す図である。また、図１５Ｂは、図１５ＡのＡ－Ａ’線断面図である。

　図１５Ｂにおいて、半導体スイッチ１１と主配線基板７０との間には、多層配線基板が挟まれている。多層配線基板は、第１層配線基板６１と、第２層配線基板６２と、第３層配線基板６３とを有する。この点については、第１実施形態の第４具体例と同様である。

　導線５１および５２は、図１０の導線５１および５２にそれぞれ相当する。導線５１は、半導体スイッチ１１のソースに接続されている。導線５２は、半導体スイッチ１１のドレインに接続されている。これらの点については、第１実施形態の第４具体例と同様である。

　アーム短絡を検出するための第２のロゴスキーコイル１０２は、導線５１を取り囲むように、第１層配線基板６１と、第２層配線基板６２と、第３層配線基板６３に配置されている。また、負荷短絡を検出するための第１のロゴスキーコイル１０１は、導線５２を取り囲むように、第１層配線基板６１と、第２層配線基板６２と、第３層配線基板６３に配置されている。これらの点についても、第１実施形態の第４具体例と同様である。

　この第４具体例においても、第１実施形態の第４具体例の効果と同様の効果が得られる。つまり、アーム短絡および負荷短絡の双方を精度よく検出することができる。また、アーム１０を経由する電流経路に、第２のロゴスキーコイル１０２Ｄ、半導体スイッチ１１Ｄおよび第１のロゴスキーコイル１０１Ｄが順に配置されている。このため、第４具体例では、互いに直列接続された２つの半導体スイッチ１１の間の配線長と、コンデンサ３０（図９参照）の配線長とを短くすることができる。

＜第５具体例＞
　第５具体例では、ブスバーを覆うように、アーム短絡を検出するための第２のロゴスキーコイル１０２と、負荷短絡を検出するための第１のロゴスキーコイル１０１が配置される。この点については、第１実施形態の第５具体例と同様ある。第５具体例から得られる効果も、第１実施形態の第５具体例の効果と同様である。

　図１６は、第２実施形態における短絡故障検出装置１００の他の電力変換装置への適用例を示す回路図である。図１６には適用例として降圧チョッパ１２２が示されている。図１６において、上述した図９および図１０に示された部分に対応する部分には同一の符号が付されている。

　図１６において、アーム１０は、半導体スイッチ１１と、半導体スイッチ１１に逆並列接続されたフライホイールダイオード１２とを含む。この例においても、半導体スイッチ１１は、ＭＯＳＦＥＴである。半導体スイッチ１１のドレインは、導線５１を介して、直流電源４０の正極およびコンデンサ３０の一方の電極に接続されている。半導体スイッチ１１のソースは、導線５２を介して、ダイオード３０２のカソードに接続されている。ダイオード３０２のアノードは、直流電源４０の負極およびコンデンサ３０の他方の電極に接続されている。すなわち、ダイオード３０２は、アーム１０に直列接続されている。リアクトル３０１および負荷Ｚａは、互いに直列接続されており、ダイオード３０２は、これらリアクトル３０１および負荷Ｚａに並列接続されている。ゲート駆動回路２０は、半導体スイッチ１１に対してゲート信号を供給することにより半導体スイッチ１１のＯＮまたはＯＦＦを制御する。

　半導体スイッチ１１がＯＮである期間、導線５１、半導体スイッチ１１、導線５２およびリアクトル３０１を介して、コンデンサ３０から負荷Ｚａに電流が流れる。半導体スイッチ１１がＯＦＦに変化すると、リアクトル３０１に蓄積された電気エネルギーが放出される。そして、リアクトル３０１、負荷Ｚａおよびダイオード３０２によって構成されるループに電流が流れる。このように、電力変換装置としての降圧チョッパ１２２は、半導体スイッチ１１を含むアーム１０を介して負荷Ｚａに電力を供給する。

　図１６に示す構成では、半導体スイッチ１１およびダイオード３０２間の導線５２が第１のロゴスキーコイル１０１および第２のロゴスキーコイル１０２に挿通されている。第１のロゴスキーコイル１０１は、負荷短絡電流の検出に最適化されたコイルである。第２のロゴスキーコイル１０２は、ダイオード３０２の短絡故障によりアーム１０に流れる短絡電流の検出に最適化されたコイルである。

　アーム短絡検出回路１１２は、第２のロゴスキーコイル１０２から得られる第２の検出信号Ｓ２に基づいて、降圧チョッパ１２２においてダイオード３０２の短絡故障が発生したことを検出する回路である。具体的には、アーム短絡検出回路１１２は、第２の基準時間Ｔｒｅｆ２を超えて、第２の検出信号Ｓ２が第２の基準レベルＶｒｅｆ２よりも高いレベルに維持された場合に、ダイオード３０２の短絡が発生したことを検出する。この場合、アーム短絡検出回路１１２は、短絡検出信号Ｅ２を非アクティブレベル“０”からアクティブレベル“１”に変更する。

　負荷短絡検出回路１１１は、第１のロゴスキーコイル１０１から得られる第１の検出信号Ｓ１に基づいて、降圧チョッパ１２２において負荷短絡が発生したことを検出する回路である。具体的には、負荷短絡検出回路１１１は、第１の基準時間Ｔｒｅｆ１を超えて、第１の検出信号Ｓ１が第１の基準レベルＶｒｅｆ１よりも高いレベルに維持された場合に、負荷短絡が発生したことを検出する。この場合、負荷短絡検出回路１１１は、短絡検出信号Ｅ１を非アクティブレベル“０”からアクティブレベル“１”に変更する。

　遮断制御回路１２１は、短絡検出信号Ｅ１およびＥ２に基づいて、降圧チョッパ１２２において何等かの短絡故障が発生したことを検出する。この場合、遮断制御回路１２１は、半導体スイッチ１１の駆動を停止させる遮断信号Ｃを出力する。これに加え、遮断制御回路１２１は、故障信号Ｆを制御装置１０００（図９参照）に出力する。

　この降圧チョッパ１２２においても、前掲図９の電力変換装置１Ａと同様な効果が得られる。

＜第２実施形態の変形例＞
　第２実施形態は、以下のように変形し得る。

（１）第２実施形態は、他の種類の電力変換装置、例えば、３相以外のインバータあるいは降圧チョッパ以外のＤＣ／ＤＣコンバータに適用してもよい。

（２）第２実施形態では、半導体スインチの例としてＭＯＳＦＥＴを挙げたが、半導体スイッチはこれに限定されるものではなく、例えばＩＧＢＴ等の他の半導体スイッチであってもよい。

（３）第２実施形態では、アーム短絡検出回路１１２、負荷短絡検出回路１１１および遮断制御回路１２１をそれぞれ個別に設けたが、これらは、一つの回路として構成されても良い。

（４）図９の構成では、電力変換装置１Ａは、６個のアームのうちの３個のアーム１０にそれぞれ対応する３個の短絡故障検出装置１００を有する。しかしながら、アーム１０の個数Ｐを超えない範囲内において、少なくとも半数のアーム１０にそれぞれ対応する短絡故障検出装置１００が設けられていてもよい。つまり、アーム１０の個数Ｑは、少なくとも、アーム１０の全個数Ｐの半分であればよい。これにより、電力変換装置１Ａの冗長性が増し、その安全性を高めることができる。

（５）図９の構成では、電力変換装置１Ａは、アーム（下アームと呼ばれる）１０＿２、１００＿４および１００＿６にそれぞれ対応する短絡故障検出装置１００＿２、１００＿４および１００＿６を有する。更に、各短絡故障検出装置１００は、第１のロゴスキーコイル１０１および第２のロゴスキーコイル１０２の両方を有している。これにより、上述した条件１および２が満たされた。

　しかし、本実施形態は、これに限定されない。電力変換装置１Ａは、Ｐ個のアームのうちのＱ個のアーム１０にそれぞれ対応するＱ個の短絡故障検出装置１００を有し、Ｑ個の短絡故障検出装置１００の各々は、第１のロゴスキーコイル１０１のみを有していてもよい。これに加え、電力変換装置１Ａは、Ｐ個のアームのうちのＲ個（Ｒは（Ｐ－Ｑ）を超えない正の整数）のアーム１０であって、Ｑ個のアーム１０と異なるＲ個のアーム１０にそれぞれ対応するＲ個の短絡故障検出装置１００を有していてもよい。ただし、Ｒ個の短絡故障検出装置の各々は、第２のロゴスキーコイルのみを有している。つまり、第１のロゴスキーコイル１０１のみを具備する短絡故障検出装置と、第２のロゴスキーコイル１０２のみを具備する短絡故障検出装置が、互いに異なるアーム１０に設けられていてもよい。これにより、条件１および２が満たされてもよい。

　また、Ｑ個の短絡故障検出装置１００の各々は、遮断制御回路１２１を含んでいてもよい。Ｒ個の短絡故障検出装置の各々も、遮断制御回路を含んでいてもよい。

　例えば、第１のロゴスキーコイル１０１のみを各々具備する３個の短絡故障検出装置１００が、３個の上アーム１０（例えば、１０＿１、１０＿３および１０＿５）にそれぞれ設けられてもよい。これら上アームは、高電位電源と負荷Ｚとの間に配置されている。更に、第２のロゴスキーコイル１０２を各々具備する短３個の絡故障検出装置１００が、下アーム１０（例えば、１０＿２、１０＿４および１０＿６）にそれぞれ設けられてもよい。これら下アームは、低電位電源と負荷Ｚとの間に設けられている。この態様においても、条件１および２が満たされる。

１００……電力変換装置、３０……コンデンサ、４０……直流電源、１０＿１～１０＿６，１０……アーム、２０＿１～２０＿６，２０……ゲート駆動回路、１００＿１～１００＿６，１００……短絡故障検出装置、１１，１１Ｄ……半導体スイッチ、１２……フライホイールダイオード、５１，５２……導線、１０１，１０１Ａ，１０１Ｂ，１０１Ｃ，１０１Ｄ，１０１Ｅ……第１のロゴスキーコイル、１０２，１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ，１０２Ｄ，１０２Ｅ……第２のロゴスキーコイル、４１，４３……第１部分、４２，４４……第２部分、７０……主配線基板、６１……第１層配線基板、６２……第２層配線基板、６３……第３層配線基板、１１１……アーム短絡検出回路、１１２……負荷短絡検出回路、１２０……短絡検出回路、１２１……遮断制御回路、１２２……降圧チョッパ、１０３……シールド板、Ｚ……負荷。

Claims

　半導体スイッチを各々含む複数のアームを有し、前記複数のアームを介して負荷に電力を供給する電力変換装置の短絡故障検出装置において、
　前記負荷の短絡によって前記複数のアームのうちの第１のアームに流れる電流である負荷短絡電流に応じた第１の検出信号を生成する第１のロゴスキーコイルと、
　前記第１のアームまたは前記複数のアームのうちの第２のアームの短絡によって当該第１のアームに流れる電流であるアーム短絡電流に応じた第２の検出信号を生成する第２のロゴスキーコイルと、
　前記第１の検出信号に基づいて前記負荷の短絡を検出する負荷短絡検出回路と、
　前記第２の検出信号に基づいて前記第１のアームまたは前記第２のアームの短絡を検出するアーム短絡検出回路と、
　前記アーム短絡検出回路の出力信号および前記負荷短絡検出回路の出力信号に基づいて短絡故障を検出する短絡検出回路と
　を有することを特徴とする短絡故障検出装置。
　前記第２のロゴスキーコイルの巻き数よりも前記第１のロゴスキーコイルの巻き数が多いことを特徴とする請求項１に記載の短絡故障検出装置。
　前記第２のロゴスキーコイルの断面積よりも前記第１のロゴスキーコイルの断面積が大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の短絡故障検出装置。
　前記第２のロゴスキーコイルの磁路長よりも前記第１のロゴスキーコイルの磁路長が短いことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の短絡故障検出装置。
　前記第１のロゴスキーコイルおよび前記第２のロゴスキーコイルの少なくとも一方が配線基板に配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の短絡故障検出装置。
　前記第１のアームを経由する電流経路に、前記第２のロゴスキーコイル、前記第１のアームに含まれる半導体スイッチおよび前記第１のロゴスキーコイルが順に、または、その逆順に配置されたことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の短絡故障検出装置。
　前記第１のロゴスキーコイルと前記第２のロゴスキーコイルとの間に配置されたシールドを更に備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の短絡故障検出装置。
　前記第１のアームおよび前記第２のアームは、互いに直列に接続されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の短絡故障検出装置。
　半導体スイッチを各々含む複数のアームを有し、前記複数のアームを介して負荷に電力を供給する電力変換装置の短絡故障検出装置において、
　前記負荷の短絡によって前記複数のアームのうちの第１のアームに流れる電流である負荷短絡電流に応じた検出信号を生成するロゴスキーコイルと、
　前記検出信号に基づいて前記負荷の短絡を判別する負荷短絡検出回路と、
　前記負荷短絡検出回路の出力信号に基づいて短絡故障を検出する短絡検出回路と
　を有することを特徴とする短絡故障検出装置。
　請求項１または９に記載の短絡故障検出装置と、
　前記短絡故障検出装置が出力する短絡検出信号に基づいて、前記第１のアームに含まれる半導体スイッチの駆動を停止するゲート駆動回路と
　を含むことを特徴とする電力変換装置。
　半導体スイッチを各々含むＰ個（Ｐは２以上の整数）のアームを介して負荷に電力を供給する電力変換装置において、
　前記Ｐ個のアームのうちのＱ個（ＱはＰより小さい正の整数）のアームにそれぞれ対応するＱ個の短絡故障検出装置を有し、
　前記Ｑ個の短絡故障検出装置の各々は、
　前記負荷の短絡により、対応するアームに流れる電流に応じた第１の検出信号を出力する第１のロゴスキーコイルを具備し、
　前記第１の検出信号に基づいて短絡故障を検出することを特徴とする電力変換装置。
　前記Ｑ個の短絡故障検出装置の各々は、
　前記対応するアームまたは前記Ｐ個のアームのうちの他のアームの短絡により、当該対応するアームに流れる電流に応じた第２の検出信号を出力する第２のロゴスキーコイルを更に具備し、
　前記第２の検出信号に基づいて短絡故障を検出することを特徴とする請求項１１に記載の電力変換装置。
　前記Ｐ個のアームのうちのＲ個（Ｒは（Ｐ－Ｑ）を超えない正の整数）のアームであって、前記Ｑ個のアームと異なるＲ個のアームにそれぞれ対応するＲ個の短絡故障検出装置を更に有し、
　前記Ｒ個の短絡故障検出装置の各々は、
　前記対応するアームまたは前記Ｐ個のアームのうちの他のアームの短絡により、当該対応するアームに流れる電流に応じた第２の検出信号を出力する第２のロゴスキーコイルを具備し、
　前記第２の検出信号に基づいて短絡故障を検出することを特徴とする請求項１１に記載の電力変換装置。
　前記Ｑは、少なくとも、前記Ｐの半分であることを特徴とする請求項１２に記載の電力変換装置
　前記対応するアームを経由する電流経路に、前記第２のロゴスキーコイル、前記対応するアームに含まれる半導体スイッチおよび前記第１のロゴスキーコイルが順に、または、その逆順に配置されたことを特徴とする請求項１２または１４に記載の電力変換装置。
　前記Ｑ個の短絡故障検出装置の各々は、
　短絡故障を検出した場合に、
　前記対応するアームの半導体スイッチと、前記Ｑ個の短絡故障検出装置のいずれにも設けられていない他のアームの半導体スイッチとの駆動を停止する遮断制御回路を含むことを特徴とする請求項１２から１４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
　前記Ｑ個の短絡故障検出装置の各々は、
　短絡故障を検出した場合に、
　前記対応するアームの半導体スイッチと、前記Ｑ個の短絡故障検出装置のいずれにも設けられていない他のアームの半導体スイッチとの駆動を停止する遮断制御回路を含み、
　前記Ｒ個の短絡故障検出装置の各々は、
　短絡故障を検出した場合に、
　前記対応するアームの半導体スイッチと、前記Ｒ個の短絡故障検出装置のいずれにも設けられていない他のアームの半導体スイッチとの駆動を停止する遮断制御回路を含むことを特徴とする請求項１３に記載の電力変換装置。
　前記対応するアームおよび前記他のアームは、互いに直列に接続されていることを特徴とする請求項１２または１３に記載の電力変換装置。
　半導体スイッチング素子を含むアームを介して負荷に電力を供給する電力変換装置において、
　前記負荷の短絡故障により前記アームに流れる電流に応じた第１の検出信号を出力する第１のロゴスキーコイルと、
　前記アームに直列接続されたダイオードの短絡故障により前記アームに流れる電流に応じた第２の検出信号を出力する第２のロゴスキーコイルと、
　前記第１の検出信号または前記第２の検出信号に基づいて短絡故障を検出する短絡故障検出装置と
　を含むことを特徴とする電力変換装置。