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JP6447207B2 - Driving device for switching element - Google Patents
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JP6447207B2 JP2015023824A JP2015023824A JP6447207B2 JP 6447207 B2 JP6447207 B2 JP 6447207B2 JP 2015023824 A JP2015023824 A JP 2015023824A JP 2015023824 A JP2015023824 A JP 2015023824A JP 6447207 B2 JP6447207 B2 JP 6447207B2
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Description

本発明は、スイッチング素子の駆動装置に関するものである。   The present invention relates to a driving device for a switching element.

交流モータに接続される電力変換回路として、上アーム及び下アームに設けられ直列接続体をなす複数のスイッチング素子を備え、そのスイッチング素子をスイッチング動作させて電力変換を実施する構成が知られている。またこうした電力変換回路におけるスイッチング素子の故障判定手法として、上下アームのスイッチング素子の短絡発生時において、短絡電流を検出するとともに、その短絡電流が所定の閾値を超えた際に短絡発生とみなして、スイッチング素子の保護動作(シャットダウン)を実施する技術が知られている。   As a power conversion circuit connected to an AC motor, a configuration is known in which a plurality of switching elements provided in an upper arm and a lower arm and forming a serial connection body are provided, and power conversion is performed by switching the switching elements. . Moreover, as a failure determination method of the switching element in such a power conversion circuit, when a short circuit occurs in the upper and lower arm switching elements, the short circuit current is detected, and when the short circuit current exceeds a predetermined threshold, it is regarded as a short circuit occurrence, A technique for performing a protective operation (shutdown) of a switching element is known.

特開2012−253202号公報JP 2012-253202 A

しかしながら、上記のように短絡発生時における短絡電流に基づいて故障判定を実施する場合には、スイッチング素子の保護を図るために短絡判定を瞬時に行うことが必要であり、誤動作等の懸念が生じる。特に、損失低減のために半導体スイッチング素子を薄化した場合には、短絡耐量が低下する。そのため、短絡判定及び保護動作を一層迅速に行うことが要求されると考えられる。   However, when the failure determination is performed based on the short-circuit current at the time of occurrence of the short-circuit as described above, it is necessary to instantaneously perform the short-circuit determination in order to protect the switching element, which may cause a malfunction or the like. . In particular, when the semiconductor switching element is thinned to reduce the loss, the short-circuit withstand capability is reduced. Therefore, it is considered that it is required to perform the short-circuit determination and the protection operation more quickly.

本発明は上記事情を鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、スイッチング素子のオン故障時において適正なる保護を実現することを可能とするスイッチング素子の駆動装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and a main object of the present invention is to provide a driving device for a switching element that makes it possible to achieve appropriate protection when the switching element is on.

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について説明する。   Hereinafter, means for solving the above-described problems and the effects thereof will be described.

本発明におけるスイッチング素子の駆動装置は、上アーム及び下アームに設けられ直列接続体をなす複数のスイッチング素子(21〜26)と、前記複数のスイッチング素子にそれぞれ逆並列に接続されたフリーホイールダイオード(31〜36)とを有し、交流モータ(10)に電気的に接続された電力変換回路(11)に適用され、前記交流モータのコイルに流れる電流を所定の電流指令値に制御すべく前記複数のスイッチング素子をオンオフさせるものである。そして、上下アームのスイッチング素子のいずれかの側で前記フリーホイールダイオードに順方向電流が流れる期間において、当該フリーホイールダイオードが逆接続されている前記スイッチング素子をオフ状態にするスイッチ制御手段と、前記コイルに流れる電流の実際値と前記電流指令値とが乖離していることに基づいて、前記スイッチング素子がオン故障している旨を判定する判定手段と、を備えることを特徴とする。   A switching element driving apparatus according to the present invention includes a plurality of switching elements (21 to 26) provided in an upper arm and a lower arm to form a series connection body, and free wheel diodes connected in antiparallel to the plurality of switching elements, respectively. (31 to 36) and is applied to a power conversion circuit (11) electrically connected to the AC motor (10) to control the current flowing in the coil of the AC motor to a predetermined current command value. The plurality of switching elements are turned on and off. And in a period in which a forward current flows through the freewheel diode on either side of the switching element of the upper and lower arms, switch control means for turning off the switching element to which the freewheel diode is reversely connected, and And determining means for determining that the switching element is on-failed based on a difference between an actual value of the current flowing through the coil and the current command value.

交流モータのコイルに流れる電流を所定の電流指令値に制御すべく複数のスイッチング素子のオンオフを制御する場合において、上下アームのいずれかのスイッチング素子をオンする期間では、そのスイッチング素子を通じてコイルに電流が流れ、続いてそのスイッチング素子をオフする期間では、対向側のアームのフリーホイールダイオードを通じてコイルに電流(フリーホイールダイオードの順方向電流)が流れる。この場合、スイッチング素子が断続的にオンオフされることで電流の増加及び減少が生じ、それに伴いコイルに流れる電流が指令値に制御される。   When controlling on / off of a plurality of switching elements so as to control the current flowing through the coil of the AC motor to a predetermined current command value, during the period when one of the switching elements of the upper and lower arms is turned on, a current is supplied to the coil through the switching element. Then, during the period in which the switching element is turned off, a current (forward current of the free wheel diode) flows to the coil through the free wheel diode of the opposite arm. In this case, when the switching element is intermittently turned on / off, current increases and decreases, and accordingly, the current flowing through the coil is controlled to the command value.

ここで、例えば上アームスイッチング素子のオンオフによりコイルに正の出力電流が流れている際に、その上アームスイッチング素子のオン中にオン故障が生じた場合を考える。かかる場合、上記構成によれば、上アームスイッチング素子のオフによりフリーホイールダイオードに順方向電流が流れる期間では、そのフリーホイールダイオードが逆接続されているスイッチング素子(ここでは下アームスイッチング素子)がオフ状態にされている。そのため、上アームスイッチング素子がオン故障していても上下アームの短絡が生じることが抑制される。また、上アームスイッチング素子がオン故障している状態では、正常時とは異なりオフ時における出力電流の減少が生じないため、電流の実際値と電流指令値との乖離が生じ、その電流の乖離に基づいて、スイッチング素子のオン故障が発生していると判定できる。このとき、上下アームの短絡が生じる前にスイッチング素子のオン故障の発生を判定でき、スイッチング素子のオン故障時において適正なる保護を実現することが可能となる。   Here, for example, when a positive output current flows through the coil due to on / off of the upper arm switching element, a case where an on failure occurs while the upper arm switching element is on is considered. In such a case, according to the above configuration, the switching element (here, the lower arm switching element) to which the free wheel diode is reversely connected is turned off during the period in which the forward current flows through the free wheel diode due to the upper arm switching element being turned off. It is in a state. Therefore, even if the upper arm switching element is on-failed, the occurrence of a short circuit between the upper and lower arms is suppressed. In addition, when the upper arm switching element is in the on-failure state, the output current does not decrease when the upper arm switching element is off, which is different from the normal state. Therefore, there is a divergence between the actual current value and the current command value. Based on the above, it can be determined that an ON failure of the switching element has occurred. At this time, it is possible to determine the occurrence of an on-failure of the switching element before the upper and lower arms are short-circuited, and it is possible to realize proper protection when the switching element is on-failure.

実施形態におけるシステム構成図。The system block diagram in embodiment. (a)は、W相の上下アームの構成を示す図、(b)は、W相の上下アームの動作を説明するための図。(A) is a figure which shows the structure of the upper-lower arm of W phase, (b) is a figure for demonstrating operation | movement of the upper-lower arm of W phase. (a)は、W相の上下アームの構成を示す図、(b)は、W相の上下アームの動作を説明するための図。(A) is a figure which shows the structure of the upper-lower arm of W phase, (b) is a figure for demonstrating operation | movement of the upper-lower arm of W phase. フリーホイールダイオードの順方向電流Ifと電圧降下量Vfとの関係を示す図。The figure which shows the relationship between the forward direction current If of a freewheel diode, and the voltage drop amount Vf. 電流ベクトルの大きさ、位相角の乖離を説明するための図。The figure for demonstrating the magnitude | size of an electric current vector, and the deviation of a phase angle. 短絡電流が流れる場合と流れない場合との電流波形の違いを示す図。The figure which shows the difference in the current waveform with the case where a short circuit current flows, and the case where it does not flow. 電流検出値の乖離を説明するための図。The figure for demonstrating the deviation of a detected current value. オン故障判定に関する模擬実験の結果を示すタイムチャート。The time chart which shows the result of the simulation experiment regarding on failure determination. 電流検出値の乖離を説明するための図。The figure for demonstrating the deviation of a detected current value.

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、車載主機として回転機を備える車両(例えば、ハイブリッド車両や電気自動車)に適用した実施形態について説明する。   DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, an embodiment of the invention will be described with reference to the drawings. This embodiment demonstrates embodiment applied to the vehicle (for example, a hybrid vehicle and an electric vehicle) provided with a rotary machine as a vehicle-mounted main machine.

図1において、MG10(モータジェネレータ)は車載主機としての3相交流モータ(多相回転機)であり、図示しない駆動輪に連結されている。詳しくは、MG10は、U相コイル10u、V相コイル10v及びW相コイル10wを有するステータと、永久磁石を有してかつ駆動輪に機械的に連結される図示しないロータとを備える永久磁石同期モータ(例えば、SPMSMやIPMSM)である。なお、これらコイル10u,10v,10wは、それぞれの一端同士が中性点で接続されることによりY結線されている。   In FIG. 1, MG10 (motor generator) is a three-phase AC motor (multi-phase rotating machine) as an in-vehicle main machine, and is connected to driving wheels (not shown). Specifically, the MG 10 includes a permanent magnet synchronization including a stator having a U-phase coil 10u, a V-phase coil 10v, and a W-phase coil 10w, and a rotor (not shown) that has a permanent magnet and is mechanically coupled to a drive wheel. A motor (for example, SPMSM or IPMSM). The coils 10u, 10v, and 10w are Y-connected by connecting one end of each of the coils at a neutral point.

MG10は、電力変換回路としてのインバータ11を介して直流電源としての高電圧バッテリ12に接続されている。高電圧バッテリ12の出力電圧は、例えば百V以上である。高電圧バッテリ12としては、例えば、リチウムイオン蓄電池やニッケル水素蓄電池を用いることができる。なお、インバータ11と高電圧バッテリ12との間には、インバータ11の入力電圧を平滑化する平滑コンデンサ13が設けられている。   The MG 10 is connected to a high voltage battery 12 serving as a DC power source via an inverter 11 serving as a power conversion circuit. The output voltage of the high voltage battery 12 is, for example, 100 V or more. As the high voltage battery 12, for example, a lithium ion storage battery or a nickel hydride storage battery can be used. A smoothing capacitor 13 that smoothes the input voltage of the inverter 11 is provided between the inverter 11 and the high voltage battery 12.

インバータ11は、MG10の相ごとに2つずつ直列接続された複数のスイッチング素子21〜26を備えている。つまり、インバータ11は、スイッチング素子21,22の直列接続体と、スイッチング素子23,24の直列接続体と、スイッチング素子25,26の直列接続体とを備えている。これら各直列接続体の接続点は、U相コイル10u、V相コイル10v及びW相コイル10wの一端にそれぞれ接続されている。   The inverter 11 includes a plurality of switching elements 21 to 26 connected in series two by two for each phase of the MG 10. That is, the inverter 11 includes a series connection body of the switching elements 21 and 22, a series connection body of the switching elements 23 and 24, and a series connection body of the switching elements 25 and 26. A connection point of each series connection body is connected to one end of each of the U-phase coil 10u, the V-phase coil 10v, and the W-phase coil 10w.

本実施形態では、スイッチング素子21〜26として、ダイオード内蔵型の逆導通IGBT(RC−IGBT)が用いられている。スイッチング素子21〜26には、それぞれフリーホイールダイオード31〜36が逆並列に接続されている。この場合、逆導通IGBTは、IGBT素子とダイオード素子とが同一チップ上に設けられ、かつ、IGBT素子のエミッタとダイオード素子のアノードとが接続されるとともに、IGBT素子のコレクタとダイオード素子のカソードとが接続される構造を有している。   In the present embodiment, diode built-in reverse conducting IGBT (RC-IGBT) is used as the switching elements 21 to 26. Free wheel diodes 31 to 36 are connected in antiparallel to the switching elements 21 to 26, respectively. In this case, in the reverse conducting IGBT, the IGBT element and the diode element are provided on the same chip, the emitter of the IGBT element and the anode of the diode element are connected, and the collector of the IGBT element and the cathode of the diode element are connected to each other. Are connected.

制御装置14は、低電圧バッテリ15を電源とし、マイコンを主体として構成されている。制御装置14は、MG10の制御量(例えばトルクや回転速度)をその指令値に制御すべく、インバータ11を操作する。詳しくは、制御装置14は、インバータ11を構成するスイッチング素子21〜26を操作すべく、MG10のV相,W相の電流Iv,Iwを検出する電流センサ17a,17bや、MG10の回転角(電気角θe)を検出する回転角センサ18(例えばレゾルバ)等の検出値を取り込む。そして、制御装置14は、上記各種センサの検出値等に基づく周知の正弦波PWM制御等によってスイッチング素子21〜26ごとにハイロー2値の操作信号S1〜S6を生成し、その操作信号S1〜S6をドライブユニット41〜46に出力することで、各スイッチング素子21〜26のオンオフを操作する。こうしたスイッチング素子21〜26の操作により、MG10のコイルに流れる電流が所定の電流指令値に制御される。   The control device 14 is configured with a low voltage battery 15 as a power source and a microcomputer as a main component. The control device 14 operates the inverter 11 so as to control the control amount (for example, torque or rotation speed) of the MG 10 to the command value. Specifically, the control device 14 controls the switching elements 21 to 26 that constitute the inverter 11, and the current sensors 17 a and 17 b that detect the currents Iv and Iw of the MG 10 and the rotation angle of the MG 10 ( A detection value of a rotation angle sensor 18 (for example, a resolver) for detecting the electrical angle θe) is captured. And the control apparatus 14 produces | generates the high / low binary operation signal S1-S6 for every switching element 21-26 by the well-known sine wave PWM control etc. based on the detected value etc. of the said various sensors, The operation signal S1-S6 Is output to the drive units 41 to 46 to turn on / off the switching elements 21 to 26. By operating the switching elements 21 to 26, the current flowing through the coil of the MG 10 is controlled to a predetermined current command value.

上アーム(高電位側)のスイッチング素子21,23,25に対する操作信号S1,S3,S5と、対応する下アーム(低電位側)のスイッチング素子22,24,26に対する操作信号S2,S4,S6とは、互いに相補的な信号(論理が反転した信号)となっている。   Operation signals S1, S3, S5 for the switching elements 21, 23, 25 on the upper arm (high potential side) and operation signals S2, S4, S6 for the corresponding switching elements 22, 24, 26 on the lower arm (low potential side) Are complementary signals (inverted signals).

ちなみに、高電圧バッテリ12を備える高電圧システムと低電圧バッテリ15を備える低電圧システムとは互いに電気的に絶縁されており、これらの間の信号の授受は、例えばフォトカプラ等の絶縁素子を備えるインターフェース16を介して行われる。   Incidentally, the high voltage system including the high voltage battery 12 and the low voltage system including the low voltage battery 15 are electrically insulated from each other, and transmission / reception of signals between them includes an insulating element such as a photocoupler. This is done via the interface 16.

駆動回路としてのドライブユニット41〜46は、1チップ化された半導体集積回路であるドライブICを備える構成を有しており、各スイッチング素子21〜26にそれぞれ設けられ、制御装置14から出力される操作信号S1〜S6に基づいて各スイッチング素子21〜26をオン動作及びオフ動作させる。すなわち、ドライブユニット41〜46は、操作信号S1〜S6の立ち上がりに応じて各スイッチング素子21〜26をオン動作させるとともに、操作信号S1〜S6の立ち下がりに応じて各スイッチング素子21〜26をオフ動作させる。   The drive units 41 to 46 as drive circuits have a configuration including a drive IC which is a one-chip semiconductor integrated circuit. The drive units 41 to 46 are provided in the respective switching elements 21 to 26 and are output from the control device 14. The switching elements 21 to 26 are turned on and off based on the signals S1 to S6. That is, the drive units 41 to 46 turn on the switching elements 21 to 26 in response to the rising edges of the operation signals S1 to S6, and turn off the switching elements 21 to 26 in response to the falling edges of the operation signals S1 to S6. Let

また、ドライブユニット41〜46は、スイッチング素子21〜26のオン時及びオフ時におけるサージ電圧抑制を図るべく、ゲートの充放電処理を実施するものとなっている。すなわち、スイッチング素子21〜26のオン時には、スイッチング素子21〜26のゲートの充電電流を所定値に制御することで、ゲート充電処理を実施する。また、スイッチング素子21〜26のオフ時には、スイッチング素子21〜26のゲートの放電電流を所定値に制御することで、ゲート放電処理を実施する。このとき、ゲート放電処理として、例えばスイッチング素子21〜26のオン状態での通電電流に基づいて、放電電流を可変に設定する構成であってもよい。こうして放電電流を可変にすることで、都度のサージ電圧の大きさに応じてスイッチング素子21〜26の遮断速度を適宜調整することが可能となる。   In addition, the drive units 41 to 46 perform gate charge / discharge processing in order to suppress surge voltage when the switching elements 21 to 26 are turned on and off. That is, when the switching elements 21 to 26 are turned on, the gate charging process is performed by controlling the charging current of the gates of the switching elements 21 to 26 to a predetermined value. Further, when the switching elements 21 to 26 are turned off, the gate discharge process is performed by controlling the discharge currents of the gates of the switching elements 21 to 26 to a predetermined value. At this time, the gate discharge process may be configured such that the discharge current is variably set, for example, based on the energization current in the ON state of the switching elements 21 to 26. By making the discharge current variable in this way, it becomes possible to appropriately adjust the breaking speed of the switching elements 21 to 26 according to the magnitude of the surge voltage in each case.

インバータ11の基本動作について説明する。ここでは、図2(a)、(b)を用い、W相のコイル10wに正の向き(高電圧バッテリ12からコイル10wに向かう方向)の電流を流す場合を例にして、スイッチング素子25,26のスイッチング動作について説明する。図2(b)では、上アームのスイッチング素子25に対する操作信号S5と下アームのスイッチング素子26に対する操作信号S6とを示すとともに、各スイッチング素子25,26のスイッチング動作に伴う出力電流の変化を示しており、これら各操作信号S5,S6は互いに相補的にオンする。なお、図2(b)では、図2(a)のA1のように上アームのスイッチング素子25を介して出力電流が流れる期間を「IGBT」として示し、図2(a)のA2のように下アームのフリーホイールダイオード36を介して出力電流が流れる期間を「FWD」として示している。   The basic operation of the inverter 11 will be described. Here, with reference to FIGS. 2A and 2B, the switching element 25, as an example in which a current in a positive direction (a direction from the high voltage battery 12 toward the coil 10 w) is passed through the W-phase coil 10 w, The switching operation 26 will be described. FIG. 2B shows an operation signal S5 for the switching element 25 for the upper arm and an operation signal S6 for the switching element 26 for the lower arm, and also shows changes in the output current associated with the switching operation of the switching elements 25 and 26. These operation signals S5 and S6 are turned on complementarily. In FIG. 2B, the period during which the output current flows through the switching element 25 of the upper arm as indicated by A1 in FIG. 2A is indicated as “IGBT”, and as indicated by A2 in FIG. A period during which an output current flows through the free wheel diode 36 of the lower arm is indicated as “FWD”.

図2(a)、(b)において、上アームのスイッチング素子25のオン期間では、そのスイッチング素子25を介してA1のように出力電流が流れ、出力電流が徐々に増加する(IGBT期間)。そして上アームのスイッチング素子25がオフされ、かつ下アームのスイッチング素子26がオンされると、フリーホイールダイオード36を介してA2のようにコイル10wの出力電流が継続的に流れ、その際、出力電流が徐々に減少する(FWD期間)。つまり、FWD期間では、フリーホイールダイオード36に順方向電流(還流電流)が流れ、それに伴い出力電流が減少する。   2A and 2B, in the ON period of the switching element 25 of the upper arm, an output current flows like A1 through the switching element 25, and the output current gradually increases (IGBT period). When the upper arm switching element 25 is turned off and the lower arm switching element 26 is turned on, the output current of the coil 10w continuously flows through the freewheel diode 36 as in A2, and the output The current gradually decreases (FWD period). That is, in the FWD period, a forward current (return current) flows through the free wheel diode 36, and the output current decreases accordingly.

ここで、上アームのスイッチング素子25でオン故障が発生した場合を考える。かかる場合、オン故障の発生後に、上アームのスイッチング素子25をオフし、下アームのスイッチング素子26をオンすると、上下アームでの短絡が生じ、短絡電流に起因するスイッチング素子の破損のおそれが生じる。ゆえに、従来技術では、出力電流が短絡閾値を上回るか否かに基づいて短絡発生の有無を判定し、短絡発生時には通電をシャットダウンする等の保護処理を実施するようにしている。   Here, consider a case where an on-failure occurs in the switching element 25 of the upper arm. In such a case, if the upper arm switching element 25 is turned off and the lower arm switching element 26 is turned on after the occurrence of an on-failure, a short circuit occurs in the upper and lower arms, and the switching element may be damaged due to the short circuit current. . Therefore, in the prior art, the presence / absence of a short circuit is determined based on whether or not the output current exceeds the short circuit threshold value, and protection processing such as shutting down energization is performed when a short circuit occurs.

また、W相のコイル10wに負の向き(コイル10wから高電圧バッテリ12に向かう方向)の電流を流す場合には、図3(a)、(b)に示すように、下アームのスイッチング素子26のオン期間でスイッチング素子26を介してA3のように出力電流が流れ、出力電流が徐々に増加する(IGBT期間)。そして下アームのスイッチング素子26がオフされ、かつ上アームのスイッチング素子25がオンされると、フリーホイールダイオード35を介してA4のようにコイル10wの出力電流が継続的に流れ、その際、出力電流が徐々に減少する(FWD期間)。つまり、FWD期間では、フリーホイールダイオード35に順方向電流(還流電流)が流れ、それに伴い出力電流が減少する。   When a current in a negative direction (a direction from the coil 10w toward the high voltage battery 12) is supplied to the W-phase coil 10w, as shown in FIGS. 3A and 3B, the switching element of the lower arm During the ON period 26, an output current flows like A3 through the switching element 26, and the output current gradually increases (IGBT period). When the lower arm switching element 26 is turned off and the upper arm switching element 25 is turned on, the output current of the coil 10w continuously flows like the A4 via the freewheel diode 35, and the output The current gradually decreases (FWD period). That is, in the FWD period, a forward current (return current) flows through the freewheel diode 35, and the output current decreases accordingly.

従来技術では、やはり下アームのスイッチング素子26でオン故障が発生した場合に、出力電流が短絡閾値を上回るか否かに基づいて短絡発生の有無を判定し、短絡発生時には通電をシャットダウンする等の保護処理を実施するようにしている。   In the prior art, when an on-failure occurs in the switching element 26 of the lower arm, whether or not a short circuit has occurred is determined based on whether or not the output current exceeds the short circuit threshold value. The protection process is implemented.

スイッチング素子21〜26を確実に保護するには、いち早く短絡電流を検出し、さらにいち早く保護処理を実施する必要がある。しかしながら、短絡の発生後において、短絡判定には電流変化を待たなくてはならず、また、保護処理を実施する上で応答性には限界がある。また特に、スイッチング素子において薄膜化等により短絡耐量が低下されている場合には、短絡判定や保護処理を実施する上での時間的な余裕がより少なくなると考えられる。   In order to reliably protect the switching elements 21 to 26, it is necessary to detect the short-circuit current as soon as possible and to perform the protection process as soon as possible. However, after the occurrence of a short circuit, it is necessary to wait for a current change to determine the short circuit, and there is a limit to the responsiveness in performing protection processing. In particular, when the short-circuit tolerance is reduced due to thinning of the switching element, it is considered that there is less time margin for performing the short-circuit determination and the protection process.

そこで本実施形態では、上下アームのスイッチング素子21〜26のいずれかの側でフリーホイールダイオードに順方向電流が流れる期間(図2,図3のFWD期間)において、そのフリーホイールダイオードが逆接続されているスイッチング素子を強制的にオフ状態にするとともに、コイル10u,10v,10wに流れる電流の実際値と電流指令値とが乖離していることに基づいて、スイッチング素子がオン故障している旨を判定することとしている。かかる場合、上下アームのいずれか一方のスイッチング素子がオン故障していても、そのスイッチング素子のオフ後に上下アームの短絡が生じることが抑制される。また、一方のスイッチング素子がオン故障している状態では、正常時とは異なりオフ時における出力電流の減少が生じないため、電流の実際値と電流指令値との乖離が生じ、その電流の乖離に基づいて、スイッチング素子のオン故障が発生していると判定できる。このとき、上下アームの短絡が生じる前にスイッチング素子のオン故障の発生を判定することが可能となっている。   Therefore, in the present embodiment, the free wheel diode is reversely connected during the period in which the forward current flows through the free wheel diode on either side of the switching elements 21 to 26 of the upper and lower arms (the FWD period in FIGS. 2 and 3). The switching element is forcibly turned off, and the switching element is on-failed based on the difference between the actual value of the current flowing through the coils 10u, 10v, and 10w and the current command value. Is going to be judged. In such a case, even if any one of the switching elements of the upper and lower arms is turned on, the upper and lower arms are prevented from being short-circuited after the switching elements are turned off. In addition, when one of the switching elements is in an on-failure state, the output current does not decrease when the switch is off unlike normal operation. Therefore, there is a divergence between the actual current value and the current command value. Based on the above, it can be determined that an ON failure of the switching element has occurred. At this time, it is possible to determine the occurrence of the ON failure of the switching element before the upper and lower arms are short-circuited.

なお、スイッチング素子21〜26とこれに逆並列に接続されたフリーホイールダイオード31〜36とを同一チップ上に備える逆導通IGBT(RC−IGBT)では、図4に示すように、フリーホイールダイオード31〜36に順方向電流Ifが流れる状況下において、スイッチング素子21〜26のゲートに電圧が印加される場合、電圧が印加されない場合と比較してフリーホイールダイオード31〜36における電圧降下量Vfが大きくなる。電圧降下量Vfが大きくなると、フリーホイールダイオードにおける電力損失が増大する。このため、上下アームのスイッチング素子のいずれかの側でフリーホイールダイオード31〜36に順方向電流Ifが流れる期間(図2,図3のFWD期間)においては、フリーホイールダイオード31〜36での電力損失を抑制すべく、電流フィードバック制御を行うこととしている。   In the reverse conducting IGBT (RC-IGBT) provided with the switching elements 21 to 26 and the free wheel diodes 31 to 36 connected in antiparallel with the switching elements 21 to 26 on the same chip, as shown in FIG. When a voltage is applied to the gates of the switching elements 21 to 26 under a situation where a forward current If flows through .about.36, the voltage drop amount Vf in the freewheel diodes 31 to 36 is larger than when no voltage is applied. Become. When the voltage drop amount Vf increases, the power loss in the free wheel diode increases. Therefore, during the period in which the forward current If flows through the freewheel diodes 31 to 36 on either side of the switching elements of the upper and lower arms (the FWD period in FIGS. 2 and 3), the power in the freewheel diodes 31 to 36 In order to suppress loss, current feedback control is performed.

電流フィードバック制御は、フリーホイールダイオード31〜36に順方向電流が流れる期間において、その順方向電流が流れるフリーホイールダイオード31〜36と同一チップ上に備えられたスイッチング素子21〜26のゲート電荷が充電されることを禁止する制御である。これにより、順方向電流が流れるフリーホイールダイオード31〜36と同一チップ上に備えられたスイッチング素子21〜26の操作信号が無効化される。   In the current feedback control, the gate charges of the switching elements 21 to 26 provided on the same chip as the free wheel diodes 31 to 36 in which the forward current flows are charged during the period in which the forward current flows in the free wheel diodes 31 to 36. It is a control that prohibits being performed. Thereby, the operation signals of the switching elements 21 to 26 provided on the same chip as the free wheel diodes 31 to 36 through which the forward current flows are invalidated.

本実施形態では、各ドライブユニット41〜46が電流フィードバック制御の機能を有しており、各ドライブユニット41〜46において操作信号S1〜S6を無効化することでスイッチング素子21〜26を強制的にオフ状態にするようにしている。具体的には、各ドライブユニット41〜46において、自ユニットに接続されたフリーホイールダイオードに順方向電流が流れているか否かを判定する。この処理は、例えばスイッチング素子21〜26のセンス電圧に基づいて実施される。そして、順方向電流が流れていると判定された場合に、電流フィードバック制御として、自ユニットに入力された操作信号を強制的にオフ操作指令に変更する処理を行う。これにより、ゲート電荷の充電が禁止され、スイッチング素子がオフ状態で維持される。   In this embodiment, each drive unit 41-46 has a function of current feedback control, and the switching elements 21-26 are forcibly turned off by invalidating the operation signals S1-S6 in each drive unit 41-46. I try to make it. Specifically, in each of the drive units 41 to 46, it is determined whether or not a forward current is flowing through the free wheel diode connected to the unit. This process is performed based on the sense voltage of the switching elements 21 to 26, for example. And when it determines with the forward current flowing, the process which changes the operation signal input into the own unit into an OFF operation command as current feedback control is performed. Thereby, charging of the gate charge is prohibited, and the switching element is maintained in the off state.

次に、スイッチング素子21〜26のオン故障の判定手順について説明する。このスイッチング素子21〜26のオン故障判定は、制御装置14において、各コイル10u,10v,10wの相電流の電流検出値(実電流)と電流指令値とが乖離していることに基づいて実施される。   Next, a procedure for determining an on failure of the switching elements 21 to 26 will be described. The on failure determination of the switching elements 21 to 26 is performed in the control device 14 based on the difference between the current detection value (actual current) of the phase current of each of the coils 10u, 10v, and 10w and the current command value. Is done.

詳しくは、制御装置14は、各相の電流指令値に基づいて電流指令ベクトルを算出するとともに、電流センサ17a,17bにより検出された各相の電流検出値に基づいて実際の電流ベクトルを算出し、それら電流指令ベクトルと実際の電流ベクトルとに基づいて、各スイッチング素子21〜26のオン故障の有無を判定する。   Specifically, the control device 14 calculates a current command vector based on the current command value of each phase, and calculates an actual current vector based on the detected current value of each phase detected by the current sensors 17a and 17b. Based on the current command vector and the actual current vector, it is determined whether or not each of the switching elements 21 to 26 has an on-failure.

電流ベクトルの算出方法の一例を以下に示す。制御装置14は、電流センサ17a,17bにより検出されたV相電流Iv及びW相電流Iwと、回転角センサ18により検出された電気角θeとに基づいて、3相固定座標系におけるU相電流Iu,V相電流Iv,W相電流Iwを2相回転座標系(dq座標系)におけるd軸電流Idr及びq軸電流Iqrに変換する。ここで、2相回転座標系とは、3相固定座標系における相電流の基本波成分の変動角速度と同じ角速度で回転する座標系のことである。なお、U相電流Iuは、キルヒホッフの法則に基づき、V相電流Iv及びW相電流Iwから算出されればよい。   An example of a current vector calculation method is shown below. Based on the V-phase current Iv and W-phase current Iw detected by the current sensors 17 a and 17 b and the electrical angle θe detected by the rotation angle sensor 18, the control device 14 uses the U-phase current in the three-phase fixed coordinate system. Iu, V-phase current Iv, and W-phase current Iw are converted into d-axis current Idr and q-axis current Iqr in a two-phase rotational coordinate system (dq coordinate system). Here, the two-phase rotation coordinate system is a coordinate system that rotates at the same angular velocity as the fluctuation angular velocity of the fundamental wave component of the phase current in the three-phase fixed coordinate system. The U-phase current Iu may be calculated from the V-phase current Iv and the W-phase current Iw based on Kirchhoff's law.

また、制御装置14は、三平方の定理によりd軸電流Idr及びq軸電流Iqrから実際の電流ベクトルの大きさである電流振幅Iarを算出するとともに、逆三角関数により2相回転座標系におけるq軸と電流ベクトルとのなす角度(通電位相角βr)を算出する。また一方で、制御装置14は、各相の電流指令値と、それに対応する電気角とに基づいて、電流指令ベクトルを算出する。そして、制御装置14は、電流指令ベクトルに対する実際の電流ベクトルの乖離量に基づいて、スイッチング素子21〜26のオン故障の有無を判定する。   Further, the control device 14 calculates a current amplitude Iar, which is the magnitude of the actual current vector, from the d-axis current Idr and the q-axis current Iqr by the three-square theorem, and uses the inverse trigonometric function to calculate the q An angle between the axis and the current vector (energization phase angle βr) is calculated. On the other hand, the control device 14 calculates a current command vector based on the current command value of each phase and the corresponding electrical angle. And the control apparatus 14 determines the presence or absence of the ON failure of the switching elements 21-26 based on the deviation | shift amount of the actual current vector with respect to a current command vector.

具体的には、図5(a)に示すように、電流指令ベクトルI*の電流振幅(大きさ)を基準にして所定幅の正常範囲K1を定めておく。そして、制御装置14は、実際の電流ベクトルの電流振幅Iarが正常範囲K1に入っているか否かを判定し、入っていなければ、各コイル10u,10v,10wの相電流の電流検出値(実電流)と電流指令値とが所定以上乖離しているとし、スイッチング素子21〜26のオン故障が生じている旨を判定する。   Specifically, as shown in FIG. 5A, a normal range K1 having a predetermined width is determined based on the current amplitude (magnitude) of the current command vector I *. Then, the control device 14 determines whether or not the current amplitude Iar of the actual current vector is within the normal range K1, and if not, the detected current value (actual value) of the phase current of each of the coils 10u, 10v, and 10w is determined. Current) and the current command value are different from each other by a predetermined amount or more, it is determined that an ON failure has occurred in the switching elements 21 to 26.

又は、図5(b)に示すように、電流指令ベクトルI*の通電位相角を基準にして所定幅の正常範囲K2を定めておく。そして、制御装置14は、実際の電流ベクトルの通電位相角βrが正常範囲K2に入っているか否かを判定し、入っていなければ、各コイル10u,10v,10wの相電流の電流検出値(実電流)と電流指令値とが所定以上乖離しているとし、スイッチング素子21〜26のオン故障が生じている旨を判定する。   Alternatively, as shown in FIG. 5B, a normal range K2 having a predetermined width is determined based on the energization phase angle of the current command vector I *. Then, the control device 14 determines whether or not the energization phase angle βr of the actual current vector is within the normal range K2, and if not, the detected current value of the phase current of each coil 10u, 10v, 10w ( It is determined that the ON failure of the switching elements 21 to 26 has occurred, assuming that the actual current) and the current command value are different from each other by a predetermined amount or more.

電流ベクトルの乖離が生じた場合には、制御装置14は、その電流ベクトルの乖離が所定時間継続した際にオン故障の旨を判定するとよい。また、通電対象となるコイル(すなわち各コイルの通電の向き)が切り替わるタイミングまでに、オン故障の旨を判定するとよい。なお、電流振幅Iarが正常範囲K1に入っていないこと、及び通電位相角βrが正常範囲K2に入っていないことの両方に基づいて、スイッチング素子21〜26のオン故障が生じている旨を判定することも可能である。   When the current vector divergence occurs, the control device 14 may determine that there is an on-failure when the current vector divergence continues for a predetermined time. Moreover, it is good to determine the effect of an on failure by the timing at which the coil to be energized (that is, the direction of energization of each coil) is switched. Note that it is determined that an on-failure of the switching elements 21 to 26 has occurred based on both that the current amplitude Iar is not in the normal range K1 and that the energization phase angle βr is not in the normal range K2. It is also possible to do.

制御装置14は、スイッチング素子21〜26のオン故障が生じていると判定した場合に、直ちにスイッチング素子21〜26のシャットダウンを実施する。この場合、制御装置14は、スイッチング素子21〜26の通常オフ時と同程度のサージ電圧抑制を想定した遮断速度(通常遮断速度)でスイッチング素子21〜26をオフさせる。本実施形態のシステムでは、スイッチング素子21〜26のオン故障が発生した状態でも、上下アームにおける短絡が生じることはなく、仕様範囲(正常動作を想定した電流範囲)を超えるような短絡電流は生じない。つまり、図6(a)に示すように、上下アームの短絡が生じると数千A程度の短絡電流が流れるのに対し、本実施形態の構成では上下アームの短絡が回避できるため、図6(b)に示すように、スイッチング素子21〜26のオン故障が発生しても電流が数百A程度に抑えられる。そのため、短絡電流が流れる場合を想定して特殊な遮断処理が実施される必要は無く、遮断処理の複雑化を招くといった不都合は生じない。   When it is determined that the on failure of the switching elements 21 to 26 has occurred, the control device 14 immediately shuts down the switching elements 21 to 26. In this case, the control device 14 turns off the switching elements 21 to 26 at a cut-off speed (normal cut-off speed) that assumes the same surge voltage suppression as when the switching elements 21 to 26 are normally off. In the system according to the present embodiment, even when the switching elements 21 to 26 are turned on, a short circuit does not occur in the upper and lower arms, and a short circuit current exceeding the specification range (current range assuming normal operation) occurs. Absent. That is, as shown in FIG. 6A, when the upper and lower arms are short-circuited, a short-circuit current of about several thousand A flows, whereas in the configuration of this embodiment, the upper and lower arms can be prevented from being short-circuited. As shown in b), even if an ON failure occurs in the switching elements 21 to 26, the current is suppressed to about several hundred A. For this reason, it is not necessary to perform special interruption processing assuming that a short-circuit current flows, and there is no inconvenience that the interruption processing becomes complicated.

また、上記の電流ベクトルによる判定手法に代えて、電流センサ17a,17bにより検出された各相の電流検出値と電流指令値とを直接比較することに基づいて、各スイッチング素子21〜26のオン故障の有無を判定することも可能である。これを図7を用いて説明する。図7には、MG10における各相電流Iu〜Iwの推移を示している。各相電流Iu〜Iwは、それぞれ360°を1周期として正弦波状に変動し、相ごとには120°ずつ位相がずらされている。図7では、電流指令値を破線で示し、電流検出値を実線で示しており、各スイッチング素子21〜26が正常状態でスイッチング動作しているタイミングt1以前においては、電流指令値に対して電流検出値(実電流)の位相及び振幅が一致する。また、タイミングt1において、スイッチング素子21〜26のいずれかでオン故障が生じると、電流指令値に対して電流検出値(実電流)の位相及び振幅が不一致となる。   Further, instead of the determination method based on the current vector described above, the switching elements 21 to 26 are turned on based on a direct comparison between the detected current value of each phase detected by the current sensors 17a and 17b and the current command value. It is also possible to determine the presence or absence of a failure. This will be described with reference to FIG. FIG. 7 shows changes in the phase currents Iu to Iw in the MG 10. Each of the phase currents Iu to Iw fluctuates in a sine wave shape with 360 ° as one cycle, and the phase is shifted by 120 ° for each phase. In FIG. 7, the current command value is indicated by a broken line, the current detection value is indicated by a solid line, and the current is compared with the current command value before the timing t1 when the switching elements 21 to 26 perform the switching operation in a normal state. The phase and amplitude of the detected value (actual current) match. In addition, when an on-failure occurs in any of the switching elements 21 to 26 at timing t1, the phase and amplitude of the current detection value (actual current) do not match the current command value.

ここで、制御装置14は、いずれかの相電流について電流指令値の振幅と電流検出値の振幅とを算出し、電流指令値の振幅に対して電流検出値の振幅が所定値以上乖離している場合に、スイッチング素子21〜26のオン故障が生じている旨を判定する。このとき、いずれかのスイッチング素子21〜26でオン故障が生じている場合には、図7(a)のt1後に示すように、電流検出値の振幅が、電流指令値の振幅を基準にして定められた所定幅の正常範囲K3から外れる。これにより、スイッチング素子21〜26のオン故障が判定される。   Here, the control device 14 calculates the amplitude of the current command value and the amplitude of the current detection value for any phase current, and the amplitude of the current detection value deviates by more than a predetermined value from the amplitude of the current command value. If there is, it is determined that the on failure of the switching elements 21 to 26 has occurred. At this time, if an on failure has occurred in any of the switching elements 21 to 26, the amplitude of the current detection value is based on the amplitude of the current command value as shown after t1 in FIG. It deviates from the normal range K3 having a predetermined width. Thereby, the on failure of the switching elements 21 to 26 is determined.

又は、制御装置14は、いずれかの相電流について電流指令値の位相と電流検出値の位相とを算出し、電流指令値の位相に対して電流検出値の位相が所定値以上乖離している場合に、スイッチング素子21〜26のオン故障が生じている旨を判定する。このとき、いずれかのスイッチング素子21〜26でオン故障が生じている場合には、図7(b)のt1後に示すように、電流検出値の位相が、電流指令値の位相を基準にして定められた所定幅の正常範囲K4から外れる。これにより、スイッチング素子21〜26のオン故障が判定される。   Alternatively, the control device 14 calculates the phase of the current command value and the phase of the current detection value for any of the phase currents, and the phase of the current detection value deviates from the phase of the current command value by a predetermined value or more. In this case, it is determined that an ON failure has occurred in the switching elements 21 to 26. At this time, if an on-failure has occurred in any of the switching elements 21 to 26, as shown after t1 in FIG. 7B, the phase of the current detection value is based on the phase of the current command value. It deviates from the normal range K4 having a predetermined width. Thereby, the on failure of the switching elements 21 to 26 is determined.

なお、電流指令値の振幅に対して電流検出値の振幅が所定値以上乖離していること、及び電流指令値の位相に対して電流検出値の位相が所定値以上乖離していることの両方に基づいて、スイッチング素子21〜26のオン故障が生じている旨を判定することも可能である。   Both the amplitude of the current detection value deviates from the current command value amplitude by a predetermined value or more, and the current detection value phase deviates from the current command value phase by a predetermined value or more. Based on the above, it is also possible to determine that an ON failure has occurred in the switching elements 21 to 26.

図8は、オン故障判定に関する模擬実験の結果を示すタイムチャートである。図8では、上から順に、W相上アームのスイッチング素子のオン故障タイミング、各相の電流検出値、W相上アームのゲート入力、W相下アームのゲート入力、W相上アームのIGBT電流、W相上アームのFWD電流、W相下アームのFWD電流、W相下アームのIGBT電流を示している。なお、図8では、オン故障の判定後にもスイッチング素子のオンオフが継続されるものとしている。   FIG. 8 is a time chart showing the result of a simulation experiment regarding on-failure determination. In FIG. 8, in order from the top, the ON failure timing of the switching element of the W-phase upper arm, the current detection value of each phase, the gate input of the W-phase upper arm, the gate input of the W-phase lower arm, and the IGBT current of the W-phase upper arm , W-phase upper arm FWD current, W-phase lower arm FWD current, W-phase lower arm IGBT current. In FIG. 8, it is assumed that the switching element continues to be turned on / off even after the on failure is determined.

図8において、タイミングt11〜t12は正の向きでW相電流が流れる期間であり、タイミングt12〜t13は負の向きでW相電流が流れる期間である。タイミングt11〜t12の期間では、W相上アームのゲート入力が所定のオンオフ比でオンオフされ、その際、W相下アームのゲート入力は0Vに保持されている(図中の変動分はノイズである)。このとき、W相上アームのゲート入力に応じて、W相上アームのIGBT電流とW相下アームのFWD電流とが相補的に流れ、これにより電流検出値が正弦波状に変化している。W相下アームでは、タイミングt11〜t12の期間に、フリーホイールダイオードに順方向電流が流れる期間が存在する。   In FIG. 8, timings t11 to t12 are periods in which a W-phase current flows in a positive direction, and timings t12 to t13 are periods in which a W-phase current flows in a negative direction. During the period from timing t11 to t12, the gate input of the W-phase upper arm is turned on / off at a predetermined on / off ratio, and at that time, the gate input of the W-phase lower arm is held at 0 V (the fluctuation in the figure is noise). is there). At this time, according to the gate input of the W-phase upper arm, the IGBT current of the W-phase upper arm and the FWD current of the W-phase lower arm flow in a complementary manner, whereby the current detection value changes in a sine wave shape. In the W-phase lower arm, there is a period during which forward current flows in the freewheeling diode during the period from timing t11 to t12.

また、タイミングt12〜t13の期間では、W相下アームのゲート入力が所定のオンオフ比でオンオフされ、その際、W相上アームのゲート入力は0Vに保持されている(図中の変動分はノイズである)。このとき、W相下アームのゲート入力に応じて、W相下アームのIGBT電流とW相上アームのFWD電流とが相補的に流れ、これにより電流検出値が正弦波状に変化している。W相上アームでは、タイミングt12〜t13の期間に、フリーホイールダイオードに順方向電流が流れる期間が存在する。   In the period from timing t12 to t13, the gate input of the W-phase lower arm is turned on / off at a predetermined on / off ratio, and at that time, the gate input of the W-phase upper arm is held at 0 V (the fluctuation amount in the figure is Noise). At this time, in accordance with the gate input of the W-phase lower arm, the IGBT current of the W-phase lower arm and the FWD current of the W-phase upper arm flow in a complementary manner, whereby the current detection value changes in a sine wave shape. In the W-phase upper arm, there is a period during which forward current flows in the freewheeling diode during the period from timing t12 to t13.

そして、タイミングt14においてW相上アームのスイッチング素子でオン故障が生じると、それ以降、電流検出値の振幅及び位相にずれが生じることからオン故障発生の旨が判定される(図のX参照)。このとき、W相上アームのスイッチング素子がオン故障している状態では、正常時とは異なりW相下アームのFWD電流が流れないため、W相上アームのIGBT電流の減少が生じないものとなっている。したがって、電流検出値の変化波形にずれが生じ、オン故障の判定が可能となっている。   Then, when an on-failure occurs in the switching element of the W-phase upper arm at timing t14, the fact that the on-failure has occurred is determined since the amplitude and phase of the current detection value are subsequently shifted (see X in the figure). . At this time, in the state in which the switching element of the W-phase upper arm is on-failed, the FWD current of the W-phase lower arm does not flow unlike normal times, and therefore the IGBT current of the W-phase upper arm does not decrease. It has become. Therefore, a shift occurs in the change waveform of the current detection value, and it is possible to determine an on failure.

なお、W相上アームのスイッチング素子がオン故障した時点では、上下アームでの短絡が生じないため、W相電流が過剰に上昇することが回避されている。   In addition, when the switching element of the W-phase upper arm is turned on, a short circuit does not occur in the upper and lower arms, so that an excessive increase in the W-phase current is avoided.

以上詳述した本実施形態によれば、以下の優れた効果が得られる。   According to the embodiment described in detail above, the following excellent effects can be obtained.

フリーホイールダイオード31〜36に順方向電流が流れる期間において、そのフリーホイールダイオード31〜36が逆接続されているスイッチング素子21〜26をオフ状態にする構成とした。また、こうした構成に加え、コイル10u,10v,10wに流れる電流の実際値である電流検出値と電流指令値とが乖離していることに基づいて、スイッチング素子21〜26がオン故障している旨を判定する構成とした。これにより、上下アームの短絡が生じる前にスイッチング素子21〜26のオン故障の発生を判定でき、スイッチング素子21〜26のオン故障時において適正なる保護を実現することが可能となる。   The switching elements 21 to 26 to which the free wheel diodes 31 to 36 are reversely connected are turned off during a period in which a forward current flows through the free wheel diodes 31 to 36. In addition to such a configuration, the switching elements 21 to 26 are on-failed based on the difference between the current detection value that is the actual value of the current flowing through the coils 10u, 10v, and 10w and the current command value. It was set as the structure which determines that. Accordingly, it is possible to determine the occurrence of an on-failure of the switching elements 21 to 26 before the short circuit between the upper and lower arms occurs, and it is possible to realize appropriate protection when the switching elements 21 to 26 are on-failure.

なお、従来技術のように、スイッチング素子のオン故障が生じた場合に、上下アームの短絡に伴う短絡電流が流れたことに基づいてスイッチング素子のオン故障を判定する手法では、スイッチング素子の保護のためには短絡発生後における短絡電流をいち早く検出する必要があり、具体的には短絡電流が流れ始めてから200ns以内に、短絡電流の検出を行う必要がある。この場合、誤動作の発生が懸念される。これに対して上記構成では、従来技術と比較してオン故障判定に必要な時間を十分に確保でき、誤動作の防止が可能となる。   Note that, as in the prior art, when a switching element on-failure occurs, a method of determining an on-failure of the switching element based on a short-circuit current associated with a short circuit between the upper and lower arms flows to protect the switching element. Therefore, it is necessary to detect the short-circuit current immediately after the occurrence of the short-circuit, and specifically, it is necessary to detect the short-circuit current within 200 ns after the short-circuit current starts to flow. In this case, there is a concern about the occurrence of malfunction. On the other hand, in the above configuration, it is possible to sufficiently secure the time required for the on-failure determination as compared with the prior art, and it is possible to prevent malfunction.

また、本実施形態は上下アームの短絡動作をさせない構成であるため、スイッチング素子21〜26の短絡耐量が低下していても、そのスイッチング素子21〜26の適正なる保護を実現できる。   Moreover, since this embodiment is a structure which does not perform the short circuit operation | movement of an upper and lower arm, even if the short circuit tolerance of the switching elements 21-26 is falling, the appropriate protection of the switching elements 21-26 is realizable.

上下アームの短絡発生に伴う短絡電流を検出する従来方式では、短絡電流(通常使用レベル以上の大電流)が流れるため、スイッチング素子のオフ時には通常時とは異なる遮断速度の調整が必要となる。また、電圧クランプ後遮断や、耐圧違いによる遮断順序の変更等の処置が必要になることも考えられる。これに対し本実施形態では、スイッチング素子21〜26のオン故障時に、通常のスイッチング素子21〜26のオンオフ時と同様の遮断速度(通常遮断速度)により、オン状態のスイッチング素子21〜26をオフさせる構成とした。つまり本実施形態の方式では、短絡電流が流れることがないため、通常動作と同様の遮断処理を実施すればよく、スイッチング素子21〜26のオン故障を想定した上でも、構成の煩雑化を招くことを抑制できる。   In the conventional method for detecting a short-circuit current associated with the occurrence of a short circuit between the upper and lower arms, a short-circuit current (a large current that is higher than the normal use level) flows. In addition, it may be necessary to take measures such as interruption after voltage clamping or change of the interruption order due to a difference in withstand voltage. On the other hand, in this embodiment, when the switching elements 21 to 26 are turned on, the switching elements 21 to 26 in the on state are turned off at the same cutoff speed (normal cutoff speed) as when the normal switching elements 21 to 26 are turned on and off. The configuration is to That is, in the method of the present embodiment, since a short-circuit current does not flow, it is only necessary to perform a cutoff process similar to the normal operation, and the configuration becomes complicated even assuming an ON failure of the switching elements 21 to 26. This can be suppressed.

電流検出値に基づき算出した実際の電流ベクトルと電流指令値に基づき算出した電流指令ベクトルとの比較により、電流検出値と電流指令値とが乖離していることの判定を実施する構成とした。この場合、スイッチング素子21〜26のオン故障に伴う相電流のずれをいち早く検知する上で好適なる構成を実現できる。   It is configured that it is determined that the current detection value and the current command value are different from each other by comparing the actual current vector calculated based on the current detection value and the current command vector calculated based on the current command value. In this case, it is possible to realize a configuration that is suitable for quickly detecting a phase current shift caused by an on-failure of the switching elements 21 to 26.

又は、各相の電流検出値及び電流指令値における電流振幅及び位相の少なくともいずれかの比較により、スイッチング素子21〜26のオン故障を判定する構成にした場合には、電流検出値の座標変換により電流ベクトルを算出する処理を実施しなくてもよく、演算処理の簡素化を図りつつ所望のオン故障判定を実現できる。   Alternatively, when the on-failure of the switching elements 21 to 26 is determined by comparing at least one of the current amplitude and phase in the current detection value and current command value of each phase, the coordinate detection of the current detection value is performed. The processing for calculating the current vector need not be performed, and a desired on-failure determination can be realized while simplifying the arithmetic processing.

本実施形態では、スイッチング素子21〜26としてダイオード内蔵型の逆導通IGBT(RC−IGBT)を用いた上で、上述の電流フィードバック制御を実施する構成とした。これにより、フリーホイールダイオード31〜36における電圧降下量の増大が回避され、ひいてはフリーホイールダイオード31〜36の電力損失の増大が抑制される。   In the present embodiment, a diode built-in reverse conducting IGBT (RC-IGBT) is used as the switching elements 21 to 26, and the above-described current feedback control is performed. As a result, an increase in the amount of voltage drop in the free wheel diodes 31 to 36 is avoided, and as a result, an increase in power loss of the free wheel diodes 31 to 36 is suppressed.

(他の実施形態)
上記実施形態を例えば次のように変更してもよい。
(Other embodiments)
You may change the said embodiment as follows, for example.

・電流検出値の振幅に基づいてスイッチング素子21〜26のオン故障を判定する構成において、電流波形のゼロクロス点からの半周期の期間における電流検出値の推移に基づいてオン故障判定を実施する構成としてもよい。すなわち、コイル10u,10v,10wに流れる電流は正弦波状に交流変化する。かかる場合、図9に示すように、電流の向きが正負反転するゼロクロス点からの半周期の期間TAにおいて、交流変化の振幅中心Cからの電流検出値の振幅が減少傾向となる期間(図のTB)が、1/4周期(交流周期の1/4)よりも短い場合に、電流検出値と電流指令値とが乖離している旨を判定する。   In the configuration for determining the on-failure of the switching elements 21 to 26 based on the amplitude of the current detection value, the configuration for performing the on-failure determination based on the transition of the current detection value in a half cycle period from the zero cross point of the current waveform It is good. That is, the current flowing through the coils 10u, 10v, and 10w changes in an alternating manner in a sine wave shape. In such a case, as shown in FIG. 9, in the period TA of a half cycle from the zero cross point where the direction of the current is reversed, the amplitude of the current detection value from the amplitude center C of the AC change tends to decrease (in the figure). When (TB) is shorter than 1/4 period (1/4 of AC period), it is determined that the current detection value and the current command value are different.

ここで、こうした電流乖離判定をドライブユニット41〜46が実施する構成が考えられる。この場合、制御装置14は、ドライブユニット41〜46に対して既述の操作信号S1〜S6に加え、MG10の電気周期の情報を送信する。また、ドライブユニット41〜46は、例えばスイッチング素子21〜26のセンス電流を電流検出値として取得する。そして、ドライブユニット41〜46は、電気周期の情報に基づいて、スイッチング素子21〜26に電流が流れ始めるタイミングをゼロクロス点として決め、そのゼロクロス点からの半周期の期間において、電流検出値と電流指令値とが乖離していることの判定を実施する。   Here, a configuration in which the drive units 41 to 46 perform such current deviation determination is conceivable. In this case, the control device 14 transmits information on the electrical cycle of the MG 10 to the drive units 41 to 46 in addition to the operation signals S1 to S6 described above. In addition, the drive units 41 to 46 acquire, for example, sense currents of the switching elements 21 to 26 as current detection values. Then, the drive units 41 to 46 determine the timing at which current starts to flow through the switching elements 21 to 26 as the zero cross point based on the electrical cycle information, and the current detection value and the current command in the half cycle period from the zero cross point. Judgment that the value deviates.

かかる構成では、ドライブユニット41〜46において故障判定が実施されるため、制御装置14での演算負荷の軽減を図ることができる。またこの場合、スイッチング素子21〜26の故障判定に際して、制御装置14とドライブユニット41〜46との間の信号伝達の遅延を伴うことなく故障判定を実施できるため、故障発生からその判定までの時間を短縮することが可能となる。ただし、ゼロクロス点を基準とする電流検出値の推移に基づき実施される故障判定の処理を、制御装置14において実施することも可能である。   In such a configuration, since the failure determination is performed in the drive units 41 to 46, the calculation load in the control device 14 can be reduced. Further, in this case, when determining the failure of the switching elements 21 to 26, the failure determination can be performed without causing a delay in signal transmission between the control device 14 and the drive units 41 to 46. Therefore, the time from the occurrence of the failure to the determination is reduced. It can be shortened. However, it is also possible for the control device 14 to perform the failure determination process that is performed based on the transition of the current detection value with the zero cross point as a reference.

上記のようにドライブユニット41〜46において故障判定が実施される場合には、その故障判定の結果に基づいてドライブユニット41〜46がスイッチング素子のシャットダウン処理(保護処理)を実施してもよい。この場合、少なくともオン故障の該当スイッチング素子についてドライブユニット41〜46がシャットダウン処理を実施し、それ以外のスイッチング素子については制御装置14がシャットダウン処理を実施する構成でもよい。又は、各ドライブユニット41〜46における相互の信号伝達を可能として、各ドライブユニット41〜46が個々にシャットダウン処理を実施する構成でもよい。   When failure determination is performed in the drive units 41 to 46 as described above, the drive units 41 to 46 may perform shutdown processing (protection processing) of the switching elements based on the result of the failure determination. In this case, the drive units 41 to 46 may perform the shutdown process for at least the corresponding switching element having an on failure, and the control device 14 may perform the shutdown process for the other switching elements. Alternatively, the drive units 41 to 46 may perform a shutdown process individually by enabling mutual signal transmission in the drive units 41 to 46.

・上記実施形態では、電流フィードバック制御の実行主体をドライブユニット41〜46としたがこれに限らない。例えば、制御装置14を実行主体としてもよい。この場合、電流センサ17a,17bの出力値から算出される相電流に基づき電流フィードバック制御を行えばよい。具体的には、制御装置14は、各スイッチング素子21〜26の操作状態と、上記相電流とに基づいてフリーホイールダイオード31〜36に順方向電流が流れるか否かを判断する。また、制御装置14は、順方向電流が流れると判断された場合に、順方向電流が流れると判断されたフリーホイールダイオード31〜36に対応するスイッチング素子21〜26について操作信号S1〜S6を強制的にオフ操作指令に変更する処理を行う。かかる場合には、上下アームの各操作信号が互いに相補的な信号として出力される構成に代えて、上下アームの各操作信号のいずれかのみがハイレベルとなる操作信号が出力されることとなる。   In the above embodiment, the current feedback control execution entity is the drive units 41 to 46, but is not limited thereto. For example, the control device 14 may be the execution subject. In this case, current feedback control may be performed based on the phase current calculated from the output values of the current sensors 17a and 17b. Specifically, the control device 14 determines whether or not forward current flows through the free wheel diodes 31 to 36 based on the operation state of each of the switching elements 21 to 26 and the phase current. Further, when it is determined that the forward current flows, the control device 14 forces the operation signals S1 to S6 for the switching elements 21 to 26 corresponding to the free wheel diodes 31 to 36 determined to have the forward current flowing. To change to an off operation command. In such a case, instead of a configuration in which the operation signals for the upper and lower arms are output as complementary signals, an operation signal for outputting only one of the operation signals for the upper and lower arms is output. .

・電力変換回路における複数のスイッチング素子は、ダイオード内蔵型の逆導通IGBT(RC−IGBT)に限定されない。要は、複数のスイッチング素子とそれに逆並列に接続されたフリーホイールダイオードとを有する構成であれば、他のスイッチング素子であってもよい。   The plurality of switching elements in the power conversion circuit are not limited to diode built-in reverse conducting IGBTs (RC-IGBTs). In short, any other switching element may be used as long as it has a plurality of switching elements and a freewheel diode connected in reverse parallel thereto.

・本発明の適用対象となる電力変換回路は、インバータ11に限らず、DCDCコンバータであってもよい。また、電力変換回路は、車両に搭載される電力変換回路に限らず、車両以外の移動体に搭載されるもの、あるいは定置装置に搭載されるものであってもよい。   The power conversion circuit to which the present invention is applied is not limited to the inverter 11 but may be a DCDC converter. Further, the power conversion circuit is not limited to the power conversion circuit mounted on the vehicle, and may be mounted on a moving body other than the vehicle or mounted on a stationary device.

10…MG(交流モータ)、11…インバータ(電力変換回路)、14…制御装置、21〜26…スイッチング素子、31〜36…フリーホイールダイオード、41〜46…ドライバユニット。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... MG (AC motor), 11 ... Inverter (power conversion circuit), 14 ... Control apparatus, 21-26 ... Switching element, 31-36 ... Free wheel diode, 41-46 ... Driver unit.

Claims (7)

上アーム及び下アームに設けられ直列接続体をなす複数のスイッチング素子(21〜26)と、前記複数のスイッチング素子にそれぞれ逆並列に接続されたフリーホイールダイオード(31〜36)とを有し、交流モータ(10)のコイルに電気的に接続された電力変換回路(11)又は電圧変換用のコイルを備えるDCDCコンバータよりなる電力変換回路に適用され、前記コイルに流れる電流を所定の電流指令値に制御すべく前記複数のスイッチング素子をオンオフさせるスイッチング素子の駆動装置(14,41〜46)であって、
上下アームのスイッチング素子のうち一方のスイッチング素子をオン状態とオフ状態とで交互に切り替えるとともに、当該一方のスイッチング素子が交互にオンオフされる期間において、前記一方のスイッチング素子のオフ時に他方のスイッチング素子側のフリーホイールダイオードに順方向電流が流れる状態とし、かつ前記他方のスイッチング素子をオフ状態にするスイッチ制御手段と、
前記一方のスイッチング素子が交互にオンオフされる期間において当該スイッチング素子がオン故障していることを、前記コイルに流れる電流の実際値と前記電流指令値とが乖離していることに基づいて判定する判定手段と、
を備えることを特徴とするスイッチング素子の駆動装置。
A plurality of switching elements (21 to 26) provided in the upper arm and the lower arm to form a series connection body, and free wheel diodes (31 to 36) connected in reverse parallel to the plurality of switching elements, respectively. coil electrically connected to the power conversion circuit of an AC motor (10) (11) or is applied to the power conversion circuit composed of a DCDC converter comprising a coil for voltage conversion, before Kiko yl current flowing through a predetermined current A switching element drive device (14, 41 to 46) for turning on and off the plurality of switching elements to control to a command value,
One of the switching elements of the upper and lower arms is alternately switched between the on state and the off state, and the other switching element is turned off when the one switching element is turned off during the period in which the one switching element is alternately turned on and off. Switch control means for setting a forward current to flow through the freewheel diode on the side and turning off the other switching element;
It is determined, based on the fact that the actual value of the current flowing through the coil is different from the current command value , that the switching element is in an on-failure period during which the one switching element is alternately turned on / off. A determination means;
A drive device for a switching element, comprising:
前記コイルの通電のための前記スイッチング素子のオンオフに際し、前記スイッチング素子のオフ時の遮断速度を通常遮断速度とし、その通常遮断速度で前記スイッチング素子をオフさせる駆動装置であって、
前記判定手段により前記スイッチング素子がオン故障している旨判定された場合に、前記通常遮断速度により、オン状態の前記スイッチング素子をオフさせる請求項1に記載のスイッチング素子の駆動装置。
When the switching element for energizing the coil is turned on and off, a cutoff speed when the switching element is turned off is a normal cutoff speed, and the switching element is turned off at the normal cutoff speed,
The switching element drive device according to claim 1, wherein when the determination unit determines that the switching element is in an on-failure, the switching element in the on state is turned off by the normal cutoff speed.
前記コイルに流れる電流を電流検出手段(17a,17b)により検出し、その電流検出値を用いた座標変換により電流ベクトルを算出する駆動装置であって、
前記判定手段は、前記電流検出値に基づき算出した実際の電流ベクトルと前記電流指令値に基づき算出した電流指令ベクトルとの比較により、前記電流の実際値と前記電流指令値とが乖離していることの判定を実施する請求項1又は2に記載のスイッチング素子の駆動装置。
A driving device for detecting a current flowing through the coil by current detection means (17a, 17b) and calculating a current vector by coordinate conversion using the detected current value;
The determination means has a difference between the actual current value and the current command value by comparing the actual current vector calculated based on the detected current value and the current command vector calculated based on the current command value. The switching element driving device according to claim 1, wherein the determination is performed.
前記判定手段は、前記実際の電流ベクトル及び前記電流指令ベクトルにおける大きさ及び位相の少なくともいずれかに基づいて、前記電流の実際値と前記電流指令値とが乖離していることの判定を実施する請求項3に記載のスイッチング素子の駆動装置。   The determination means determines that the actual value of the current and the current command value are different from each other based on at least one of a magnitude and a phase in the actual current vector and the current command vector. The switching element driving device according to claim 3. 前記コイルに流れる電流を電流検出手段(17a,17b)により検出し、その電流検出値を取得する駆動装置であって、
前記判定手段は、前記電流検出値及び前記電流指令値における電流振幅及び位相の少なくともいずれかの比較により、前記電流の実際値と前記電流指令値とが乖離していることの判定を実施する請求項1又は2に記載のスイッチング素子の駆動装置。
A drive device for detecting a current flowing through the coil by current detection means (17a, 17b) and obtaining a current detection value thereof,
The determination means performs a determination that an actual value of the current is different from the current command value by comparing at least one of a current amplitude and a phase in the current detection value and the current command value. Item 3. The switching element drive device according to Item 1 or 2.
前記コイルに流れる電流を電流検出手段(17a,17b,41〜46)により検出し、その電流検出値を取得する駆動装置であって、
前記判定手段は、前記コイルに流れる電流の正弦波状の交流変化に際し当該電流の向きが正負反転するゼロクロス点からの半周期の期間において、前記交流変化の振幅中心からの前記電流検出値の振幅が減少傾向となる期間が1/4周期よりも短い場合に、前記コイルに流れる電流の実際値と前記電流指令値とが乖離している旨を判定する請求項1又は2に記載のスイッチング素子の駆動装置。
A driving device for detecting a current flowing in the coil by current detection means (17a, 17b, 41 to 46) and obtaining a current detection value thereof;
The determination means is configured such that the amplitude of the detected current value from the center of the amplitude of the AC change is a half cycle period from the zero cross point where the direction of the current reverses between positive and negative when the current flowing through the coil is a sinusoidal AC change. 3. The switching element according to claim 1, wherein when the period of decreasing trend is shorter than ¼ period, it is determined that the actual value of the current flowing through the coil is deviated from the current command value. Drive device.
前記複数のスイッチング素子をオンオフさせる操作信号を生成し出力する制御部(14)と、前記複数のスイッチング素子に各々設けられ、前記制御部から出力される前記操作信号に基づいて前記スイッチング素子をオン動作及びオフ動作させる駆動回路(41〜46)とを備え、
前記制御部は、前記交流モータの電気周期を前記駆動回路に出力し、
前記駆動回路は、前記交流モータの電気周期に基づいて、前記スイッチング素子に電流が流れ始めるタイミングを前記ゼロクロス点とし、そのゼロクロス点からの半周期の期間において、前記判定手段として前記電流の実際値と前記電流指令値とが乖離していることの判定を実施する請求項6に記載のスイッチング素子の駆動装置。
A control unit (14) that generates and outputs an operation signal for turning on and off the plurality of switching elements, and is provided in each of the plurality of switching elements, and the switching element is turned on based on the operation signal output from the control unit. A drive circuit (41 to 46) for operating and turning off,
The control unit outputs an electric cycle of the AC motor to the drive circuit,
The drive circuit sets the timing at which current starts to flow to the switching element based on the electrical cycle of the AC motor as the zero cross point, and the actual value of the current as the determination means in a half cycle period from the zero cross point The switching element drive device according to claim 6, wherein it is determined that the current command value is deviated from the current command value.
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