CN106716814A - 电力转换装置 - Google Patents

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CN106716814A CN201580048903.XA CN201580048903A CN106716814A CN 106716814 A CN106716814 A CN 106716814A CN 201580048903 A CN201580048903 A CN 201580048903A CN 106716814 A CN106716814 A CN 106716814A
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Abstract

将电力用半导体作为温度传感器来检测电力用半导体的温度异常，由此检测出元件和驱动电路、冷却系统的劣化和异常，事先采取适当的措施，由此能够防止运转时的故障并能够使系统寿命变长。具体地说，在具备电力用半导体和对其进行驱动指令的运算电路的电力转换装置中，根据电力用半导体的驱动指令、施加到电力半导体上的控制用驱动电压的延迟时间来检测电力用半导体的温度异常，保护电力转换装置。在具备了电力用半导体和对其进行驱动指令的运算电路的电力转换装置中，比较判定驱动指令、施加到电力半导体上的控制电压的延迟时间与基准值，根据其结果，使前期驱动指令以及上述驱动电压中的至少任意一方发生变化。

Description

电力转换装置
技术领域
本发明涉及一种电力转换装置，特别涉及一种用于面向铁路车辆和大型工业的电动机的控制用途、电力系统用等的大容量频率转换装置，由电力用半导体开关元件构成的电力转换装置。
背景技术
目前，作为用于避免在电力用半导体进行了异常动作时装置产生损伤的技术，有将针对用于驱动电力用半导体的驱动电路的控制驱动指令信号与检测出驱动电路为了接通或切断电力用半导体而进行驱动的动作状态的动作信息进行比较，当产生了某一定期间以上的不一致时，判定为驱动电路的异常动作(例如，参照专利文献1)。
另外，目前作为直接检测半导体芯片自身的温度异常的技术，检测控制指令信号和直到电力用半导体切断为止的延迟时间，由此检测出电力用双极型晶体管的温度上升(例如，参照专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第5049817号公报
专利文献2：日本特开平7-170724号公报
发明内容
发明要解决的课题
在面向铁路车辆和大型工业的电动机的控制用途、电力系统用等的大容量频率转换装置等电力转换器中，进行高压且大电流的电力控制，但是如果发生元件故障等则会发生电源短路等，有可能装置陷于明显故障的状态。以防止这种状况的目的，在电力用半导体进行了异常动作时，需要极力尽早使装置停止，避免装置的损伤。因此，采用以下的异常检测方式，即将针对用于驱动电力用半导体的驱动电路的控制驱动指令信号与检测驱动电路为了接通或切断电力用半导体而进行驱动的动作状态的动作信息进行比较，当产生了某一定期间以上的不一致时，判定为驱动电路的异常动作。作为这种方式的现有例子，列举上述专利文献1中记载的技术，图7表示其结构例。在使用了这种方式的情况下，能够判定驱动电路的异常动作，但是在这种检测方式中，电力半导体为电源短路的情况，能够初次检测异常，因此虽然防止装置的损伤，但因为异常动作有可能重复发生等，所以在该状态下继续运转变得难以进行。另外，在由于电力用半导体的故障等产生了电源短路的情况等中，运行本身变得不可能。
因此，最好事先检测达到这种电源短路的装置的异常，采取适当的处理。因此，存在例如在电力用半导体的附近设置温度传感器来检测电力用半导体的过温异常的方法，但是难以检测出在电力用半导体内的热电阻的上升等造成的半导体芯片的温度上升。因此最好直接检测半导体芯片自身的温度异常。作为这样的例子，目前例如有上述专利文献2中记载的技术。图8表示其结构例。在该例子中，通过检测出控制指令信号和电力用半导体成为断开之前的延迟时间，由此检测电力用双极型晶体管的温度上升。
这种情况下，为了要检测电力用半导体的温度异常上升，需要用于判定电疗半导体的输出电压的电路，但是由于在大容量的电力转换装置中控制高电压，因此这样的分压电路的尺寸太大而难以设置、另外在控制3相交流的情况下等电力用半导体至少需要6个元件而为了评价它们的电压最低也需要3个分压电路、另外为了处理大电流在开关时的噪声较大而需要应对该噪声的对策，因此难以适用。
因此，通过简单的结构高精度地检测出电力用半导体以及与其关联的电力转换装置的异常和劣化来高精度地防止故障等不良成为课题，进一步提供能够长期使用这些的方法成为课题。
用于解决课题的手段
为了解决上述课题，本发明的电力转换装置是具备电力用半导体和对其进行驱动指令的运算电路的电力转换装置，具有计算接通或切断上述电力用半导体的驱动指令、根据上述驱动指令的变化而施加到电力半导体上的驱动电路的输出电压达到判定值之前的延迟时间的功能，比较判定特定的驱动条件下的上述延迟时间与基准值，将其判定结果进行记录或显示输出，或者根据比较判定的结果，使前期驱动指令以及上述驱动电压中的至少任意一方发生变化。
发明效果
根据本发明，通过简单的结构能够高精度地检测出电力用半导体以及与其关联的电力转换装置的异常和劣化，并高精度地防止故障等不良，进而提供能够长期使用这些的方法。
附图说明
图1是表示作为本发明第一实施方式的实施例1的电力转换装置的框图结构的图。
图2是表示作为本发明第一实施方式的实施例1的电力转换装置的各个信号的波形的图。
图3是表示作为本发明第二实施方式的实施例2的电力转换装置的框图结构的图。
图4是表示作为本发明第二实施方式的实施例2的电力转换装置的各个信号的波形的图。
图5是表示作为本发明第三实施方式的实施例3的电力转换装置的框图结构的图。
图6是表示作为本发明第四实施方式的实施例4的电力转换装置的框图结构的图。
图7是表示现有的电力转换装置的一例的图。
图8是表示现有的电力转换装置的其他一例的图。
具体实施方式
本发明的电力转换装置是具备电力用半导体和对其进行驱动指令的运算电路的电力转换装置，具有计算接通或切断上述电力用半导体的驱动指令、由此施加到电力半导体的驱动电路的输出电压达到判定值之前的延迟时间的功能，比较判定特定的驱动条件下的上述延迟时间与基准值，将其判定结果进行记录或显示输出，或者根据比较判定的结果，使前期驱动指令以及上述驱动电压中的至少任意一方发生变化。作为电力用半导体，可以使用绝缘栅双极型晶体管或功率MOSFET、或MOS栅极控制型的电力半导体元件。在这些结构中，与上述基准值进行比较判定时的特定驱动条件可以是上述电力转换装置的输出电流值、流过电力用半导体的输出电流的方向、电力用半导体的输出端子间电压、电源电压、电力转换装置内的温度的任意一个，或者是这些的组合。另外，作为与上述延迟时间进行比较判定的上述基准值，可以使用通过上述电力转换装置记录事先测量到的延迟时间且根据该值进行运算而求出的值。另外，可以构成为，记录上述比较判定的结果，在其次数或时间间隔满足某条件时，进行显示输出或者使前期驱动指令以及上述驱动电压中的至少任意一方变化。另外，可以构成为，根据上述比较判定的结果使上述驱动指令或上述驱动电压以在一定期间切断上述电力用半导体的方式而变化。另外，可以构成为，根据上述比较判定的结果，减少在上述驱动指令中的电力用半导体的导通指令的时间宽度。另外，可以构成为，具备在上述运算电路与上述电力用半导体之间对上述驱动指令的信号、驱动电路的输出电压达到判定值后的结果信号进行通信的单元，具备将上述通信单元的信号以及与上述特定驱动条件相关的信号设为输入，对上述延迟时间与基准值进行比较判定的判定电路，将其判定结果输出给上述运算电路或上述驱动电路。另外，可以构成为，具备记录上述判定结果并将该结果输出给外部的通信单元。
以下，作为各个实施例，根据附图详细说明本发明的电力转换装置的实施方式。
实施例1
图1表示本发明的电力转换装置的第一实施方式即实施例1的框图结构，图2表示其驱动信号、控制电压、判定输出波形的一例。图1中，本发明的电力转换装置通过驱动电路2将由驱动指令运算电路3生成的驱动指令转换为驱动电压，控制电力用半导体1的导通、切断，由此来驱动负荷9。进而针对驱动指令，由延迟计算电路4计算由于驱动指令的变化而驱动电压达到一定的判定值之前的延迟时间，通过异常判定电路5将该延迟的值与基准值进行比较，输出其结果。图2表示切断即断开电力用半导体时的本发明波形的实施方式。正常时针对相同的驱动指令，驱动电压具有某个延迟时间td而变化。然而根据电力半导体的特性该延迟时间根据条件而发生变化。根据我们的调查，该延迟时间被确认为依赖于电力用半导体的温度。关于这种温度依存性会在电力用半导体整体产生，但是与如双极型晶体管那样控制电路的输出电压在1V以下的情况相比，在MOS栅极控制型的元件中控制电路的输出电压振幅大到几V～±十几V，能够较大地取针对电力用半导体的导通、切断时产生的噪音的余量(Margin)，因此能够提高延迟时间的评价精度。
例如在作为MOS栅极控制型的电力用半导体的绝缘栅双极型晶体管即IGBT的情况下，在控制电路的电压振幅为+15V、-12V的通断的开关(switching)中，如果设定适当的状态判定电压，则能够通过测定来确认电力用半导体的温度每上升1℃时延迟时间增加1ns左右。这反映了电力转换装置的通断的控制电压的阈值、和由此导通、切断电流时的延迟时间的温度依存性。因此同样的温度依存性即使在功率MOSFET、其他的MOS控制型的电力转换装置中也会产生，通过延迟时间的判定能够检测温度变化。
根据图2的信号波形可知实施例1表示在延迟时间td增加到相当于某一定的温度上升的预定值以上时，输出异常判定的结构，由此检测出电力用半导体的温度为预定值以上，根据其输出能够采取用于防止电力转换装置的损伤的措施。图3表示本发明的电力转换装置的其他实施方式，表示根据判定为异常的结果，为了防止电力转换装置的损伤，使驱动指令以及驱动电压发生变化的结构。在这些实施例中作为用于防止电力转换装置的损伤的具体措施，有以下结构，即将被检测到温度上升的电力用半导体断开一定期间、或者将在装置内与被检测到温度上升的电力转换用半导体的温度上升相关的其他电力转换装置断开一定期间、或者为了防止被检测到温度上升的电力转换用半导体的发热，而对驱动指令进行一定期间变更并输出。另外，也可以构成为，为了更高速实施针对异常的处理，通过检测到温度上升的判定输出，来输出与驱动指令无关地强制地断开电力用半导体的控制电压。
另外，作为为了防止被检测到温度上升的电力转换用半导体的发热，而对驱动指令进行一定期间变更并输出的结构有以下几种结构：从检测到温度上升的时间点在一定期间，限制并使流过相应的电力用半导体的电流的上限值下降，由此减少电力转换用半导体的发热，或者设置或减少接通电力用半导体的导通指令的时间宽度的上限的结构，或者减少电流流过温度上升的期间，增加切断使温度下降的期间，或者减少控制周期并减少开关的次数，减少由于导通、切断而产生的开关损耗。
另外，在图2的例子中，是当延迟时间td增加到预定值以上时，输出异常的判定的结构，但是也有根据元件特性不同和输出电流等动作条件而在温度上升时延迟时间减少的情况，因此这时设置预定值使得在延迟时间td减少时进行异常判定即可。
实施例2
图3表示作为本发明电力转换装置的其他实施方式的实施例2的框图结构，图4表示其信号波形。本实施例在判定异常的方式方面与实施例1不同，但是其他方面与实施例1相同。在该实施例中，表示以下结构，即通过电力转换装置记录事先测量到的延迟时间Δtd，在运转中与根据该值进行运算并设定的延迟时间变化的容许范围的最小值Δtdm、最大值Δtdp进行比较，在脱离该范围时输出异常的判定，由此检测到电力用半导体的温度为预定值以上，能够根据其输出采取用于防止电力转换装置的损伤的措施。作为用于防止损伤的措施，能够采用与之前描述的措施相同的方法。
实施例3
图5表示作为本发明的电力转换装置的其他实施方式的实施例3的框图结构，表示与电源15连接并将3相的电动机14设为负荷的3相的两电平(2level)的电力转换装置，特别表示使判定延迟时间的驱动条件、基于判定结果的记录以及判定结果的驱动指令发生变化的结构的细节。图中表示控制U相下臂的电路的细节，但是U相上臂、其他V相、W相也是同样的结构。关于成为U相下臂的电力用半导体11的IGBT，通过使来自逻辑部25的驱动指令运算电路3的驱动指令经由通信部23的通信单元18而施加到驱动电路2的输出即IGBT的栅极-发射极端子间的驱动电压来驱动。该驱动电压通过电压判定20进行与既定值的大小的比较判定，其结果经由通信单元19被传输给逻辑部25。通过延迟计算电路计算驱动指令与该传输的判定结果的延迟时间，并输入到记录判定电路6。在记录判定电路6中，记录所设定的定时和驱动条件下的延迟时间。此时驱动条件相当于来自驱动指令运算电路的电流指令值等驱动指令条件、根据来自设置在IGBT附近的温度传感器16、电流传感器17、电压传感器18的信号而判定的温度、电流值以及流向、施加给电力用半导体的电压的驱动条件中的至少一个以上的条件与预先设定的驱动条件一致的情况。这里，电压传感器是监视电力用半导体的施加电压的传感器，但是也可以监视电源15的电压。另外，所设定的定时优选是装置的运转开始时、维护结束时等能够忽略电力转换装置的老化的情况。
定期比较这样进行记录的延迟时间与之后电力转换装置运转时的预定驱动条件下的延迟时间，当延迟时间的变化量超过所设定的值时，或者超过的次数超过了某一定频率时，判定为异常。另外，当在一定的定时或异常判定的时间点记录延迟时间，在此期间的延迟时间的变化量超过了一定变化量时，判定为异常。另外，这里记录或判定预定的延迟时间的驱动条件不需要是一个条件，而能够通过增加条件数量进一步提高温度上升的判定精度。
将在上述记录判定电路6记录的延迟时间和此时的驱动条件一并通过外部输出电路8输出，能够用外部的PC等分析该数值和调查履历，能够进行异常的有无和剩余寿命的详细评价。进一步根据异常判定的结果，通过指令运算电路7变更驱动指令，由此能够降低电力用半导体的发热，即使发生电力用半导体的劣化，通过已经描述的方法也能够降低电力用半导体的输出，从而能够长期使用。
实施例4
图6表示作为本发明的电力转换装置的其他实施方式的实施例4的框图结构，特别表示在已经存在的电力转换装置追加设置本发明的功能的结构。在该例子中，在与逻辑部25连接的通信部23、传感器部33之间设置信号分支电路31，通过追加型判定电路36进行异常判定。在信号分支电路中具备光或电气信号的分支电路，具备用于将其结果传输给追加型判定电路36的输出缓冲电路32。其输出由电平判定电路34进行数值稳定，作为延迟时间和驱动条件被输入给延迟时间计算异常判定电路35，据此的判定结果被输出到外部输出电路8或逻辑部25中。通过这样的结构，能够通过追加将温度异常的检测和评价剩余寿命的功能附加给已经存在的产品。另外，在电力转换装置的定期检查等时，暂时插入信号分支电路31和追加型判定电路36而使其运转，并评价延迟时间，由此能够确认电力转换装置的健全性。
以上，根据本发明的上述各实施例，能够提供一种电力转换装置，根据针对电力用半导体的驱动指令和驱动电压的延迟时间来检测温度，由此能够通过简单的结构高精度地检测出电力用半导体以及与其关联的电力转换装置的异常和劣化，能够高精度地防止故障等不良，进而能够长期使用。
另外，以上说明了通过本发明的电力用半导体的温度上升检测进行的异常和劣化诊断、保护的方法，当然即使关于产生同样的温度异常的电力转换装置的各部劣化和异常，也能够通过同样的方法诊断和保护。
附图标记的说明
1：电力用半导体、2：驱动电路、3：驱动指令运算电路、4：延迟计算电路、5：异常判定电路、6：记录判定电路、7：指令运算电路、8：外部输出电路、9：负荷、11、12：IGBT、13：电流传感器、14：电动机、15：电源、16：温度传感器、17：电压传感器、18、19：通信单元、20：电压判定电路、21、22：驱动部、23、24：通信部、25：逻辑部、31：信号分支电路、32：输出缓冲电路、33：传感器部、34：电平判定电路、35：延迟计算/异常判定电路、36：追加型判定电路。

Claims (9)

1.一种电力转换装置，具备电力用半导体和对其进行驱动指令的运算电路，其特征在于，
该电力转换装置具有计算接通或切断上述电力用半导体的驱动指令、根据上述驱动指令的变化施加到电力半导体上的驱动电路的输出电压达到判定值为止的延迟时间的功能，比较判定在特定的驱动条件下的上述延迟时间和基准值，将其判定结果进行记录或显示输出，或者根据比较判定的结果，使上述驱动指令以及上述驱动电压中的至少任意一方发生变化。
2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
上述电力用半导体由绝缘栅双极型晶体管或功率MOSFET、或者MOS栅极控制型的电力半导体元件构成。
3.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
与上述基准值进行比较判定时的特定驱动条件由上述电力转换装置的输出电流值、流过电力用半导体的输出电流的方向、电力用半导体的输出端子间电压、电源电压、电力转换装置内的温度中的任意一个或他们的组合构成。
4.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
作为与上述延迟时间进行比较判定的上述基准值，使用对通过上述电力转换装置事先测量到的延迟时间进行记录并根据该值运算而求出的值。
5.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
记录上述比较判定的结果，当其次数或时间间隔满足某条件时，进行显示输出，或者使前期驱动指令以及上述驱动电压中的至少一方发生变化。
6.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
根据上述比较判定的结果，使上述驱动指令或上述驱动电压以在一定期限内切断上述电力用半导体的方式而变化。
7.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
根据上述比较判定的结果，减少在电力用半导体中流通的电流上限值，或者减少在上述驱动指令中的电力用半导体的导通指令的时间宽度，或者减少导通、切断的控制频率。
8.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
该电力转换装置具备在上述运算电路和上述电力用半导体之间对上述驱动指令的信号、驱动电路的输出电压达到判定值的结果的信号进行通信的通信单元，
该电力转换装置具备将上述通信单元的信号以及上述特定驱动条件相关的信号作为输入，对上述延迟时间与基准值进行比较判定的判定电路，将其判定结果输出给上述运算电路或上述驱动电路。
9.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
该电力转换装置还具备：通信单元，其记录上述判定结果，将该结果输出给外部。
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