JP2008054481A - 電力変換器の点検装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】環流ダイオードが並列接続された絶縁ゲート形パワー半導体素子（ＩＧＢＴ）が直並列接続されて構成された電力変換器において故障しているＩＧＢＴを判別のすることである。
【解決手段】環流ダイオードが並列接続されたＩＧＢＴモジュール１２が直並列接続されて構成された電力変換器１１の点検対象のＩＧＢＴモジュール１２のコレクタ−エミッタ間に試験電圧が印加された状態で、点検用電源１５から点検対象のＩＧＢＴモジュール１２のゲートにオンオフ信号を供給する。点検回路１６は、点検用電源１５から点検対象のＩＧＢＴモジュール１２のゲートにオンオフ信号が入力されたときの点検対象のＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間電圧、コレクタ電流またはゲート電流に基づいて点検対象のＩＧＢＴモジュール１２の短絡故障または断線故障を判定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、絶縁ゲート形パワー半導体素子が直並列接続されて構成された電力変換器の絶縁ゲート形パワー半導体素子の短絡故障や断線故障を点検する電力変換器の点検装置及び方法に関する。

一般に、電力変換器では、１個の半導体素子だけでは容量が不足する場合、複数個の半導体素子を並列接続したり直列接続したりして所定容量を得るようにしている。また、並列接続と直列接続とを組み合わせた電力変換器も採用されている。

このような複数個の半導体素子で構成された電力変換器においては、１個の半導体素子の故障により健全な半導体素子が負担する電流または電圧の責務が増えるので、半導体素子の故障は速やかに検出できることが要請されている。そして、複数個の半導体素子のいずれかが故障した場合には、電力変換器全体の故障に至らないように電力変換器の運転を停止するようにしている。

電力変換器を構成する半導体素子には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの絶縁ゲート形パワー半導体素子が用いられる。この絶縁ゲート形パワー半導体素子の故障には短絡故障と断線故障とがある。まず、絶縁ゲート形パワー半導体素子の短絡故障については、オフ時のコレクタ−エミッタ間電圧により故障検出を行う方法が広く知られている。絶縁ゲート形パワー半導体素子に短絡故障が発生するとオフ時のコレクタ−エミッタ間電圧がほぼ０Ｖになるため、短絡していることが検出できる。また、絶縁ゲート形パワー半導体素子の短絡故障を検出するものとして、ゲート電流のピーク値の大きさで短絡故障を判定し、絶縁ゲート形パワー半導体素子の故障を速やかに検出可能としたものがある（例えば、特許文献１参照）。

一方、絶縁ゲート形パワー半導体素子を並列接続していない場合は、絶縁ゲート形パワー半導体素子単体の断線故障が電力変換器全体の故障となり、電力変換器は運転停止になるので、各々の半導体素子の断線故障を特に検出する必要はなかった。また、半導体素子を並列接続している場合には、制御異常等で検出するまで運転を継続したり、微少抵抗を直列に接続してコレクタ−エミッタ間の電流を検出することなどで電力変換器を停止させていた。

また、絶縁ゲート形パワー半導体素子が並列接続された電力変換器の断線故障を検出するには、シャント抵抗、ホールＣＴ、温度センサ等の故障検出回路を絶縁ゲート形パワー半導体素子ごとに取り付けて検出するようにしたものもある。
特開２００２−２８１７３６号公報

しかしながら、特許文献１のものでは、ゲート電流のピーク値の大きさで短絡故障を判定しているので、大きなピーク値が出ない故障電流を検出することができない。例えば、短絡故障が発生した素子のオンゲート電流が健全な半導体素子と比べて、継続時間が長く電流増加量が少ない場合には、故障を検出することはできない。

また、絶縁ゲート形パワー半導体素子ごとに故障検出回路を設けたものでは、故障検出回路が絶縁ゲート形パワー半導体素子の個数分だけ必要になり、電力変換器の回路構成が複雑化する。また、１つもしくは複数の絶縁ゲート形パワー半導体素子が断線故障した場合、並列接続された絶縁ゲート形パワー半導体素子に一つでも健全な絶縁ゲート形パワー半導体素子があると断線故障を検出できない。これは、健全な絶縁ゲート形パワー半導体素子が通常のスイッチングを繰り返していると、短絡故障のようにコレクタ−エミッタ間の電圧やゲート電圧等に変化が現れないからである。従って、結果的に並列接続された絶縁ゲート形パワー半導体素子のいずれかの断線故障が短絡故障へ進展するまで故障が検出できないことになる。

例えば、絶縁ゲート形パワー半導体素子が３並列接続の電力変換器において、１つの絶縁ゲート形パワー半導体素子が断線した場合、２つの絶縁ゲート形パワー半導体素子で運転を継続することになるが、電力変換器が定格出力で運転すると残りの２つの健全な絶縁ゲート形パワー半導体素子に負担がかかるので、さらなる絶縁ゲート形パワー半導体素子の故障に発展する可能性がある。

また、従来のものでは、電力変換器の運転中において絶縁ゲート形パワー半導体素子の故障を検出するものであるので、運転中に絶縁ゲート形パワー半導体素子の故障を検出したとしても、その対策としては電力変換器の運転を停止するしかない。

本発明の目的は、環流ダイオードが並列接続された絶縁ゲート形パワー半導体素子が直並列接続されて構成された電力変換器の絶縁ゲート形パワー半導体素子の故障を運転休止中または運転前後に検出できる電力変換器の点検装置及び方法を提供することである。

請求項１の発明に係わる電力変換器の点検装置は、環流ダイオードが並列接続された絶縁ゲート形パワー半導体素子が直並列接続されて構成された電力変換器の点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子のコレクタ−エミッタ間に試験電圧が印加された状態で点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子のゲートにオンオフ信号を供給する点検用電源と、前記点検用電源から点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子のゲートにオンオフ信号が入力されたときの点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子のコレクタ−エミッタ間電圧、コレクタ電流またはゲート電流に基づいて点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子の断線故障または短絡故障もしくは環流ダイオードの短絡故障を判定する点検回路とを備えたことを特徴とする。

請求項２の発明に係わる電力変換器の点検装置は、請求項１の発明において、前記点検回路は、点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子のゲートにオン信号が入力された状態で点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子のコレクタ−エミッタ間電圧が所定値より大きいときは点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子の断線故障であると判定し、点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子のゲートにオフ信号が入力された状態で点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子のコレクタ−エミッタ間電圧の絶対値が所定値より小さいときは点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子または環流ダイオードの短絡故障であると判定することを特徴とする。

請求項３の発明に係わる電力変換器の点検装置は、請求項１の発明において、前記点検回路は、点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子のゲートにオン信号が入力された状態で点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子のコレクタ電流が所定値より小さいときは点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子の断線故障であると判定し、点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子のゲートにオフ信号が入力された状態で点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子のコレクタ電流の絶対値が所定値より大きいときは点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子または環流ダイオードの短絡故障であると判定することを特徴とする。

請求項４の発明に係わる電力変換器の点検装置は、請求項１の発明において、前記点検回路は、点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子のゲートにオン信号が入力された状態で点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子のゲート電流が所定値より小さいときは点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子の断線故障であると判定し、点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子のゲートにオフ信号が入力された状態で点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子のコレクタ電流の絶対値が所定値より大きいときは点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子または環流ダイオードの短絡故障であると判定することを特徴とする。

請求項５の発明に係わる電力変換器の点検装置は、請求項１の発明において、前記点検回路は、点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子のコレクタ−エミッタ間電圧を増加させたときに点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子のコレクタ電流が飽和するときは点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子の部分断線故障であると判定することを特徴とする。

請求項６の発明に係わる電力変換器の点検方法は、環流ダイオードが並列接続された絶縁ゲート形パワー半導体素子が直並列接続されて構成された電力変換器の点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子のコレクタ−エミッタ間に試験電圧を印加し、試験電圧が印加された状態で点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子のゲートにオンオフ信号を供給し、点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子のゲートにオンオフ信号が入力されたときの点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子のコレクタ−エミッタ間電圧、コレクタ電流またはゲート電流に基づいて点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子の断線故障または短絡故障もしくは環流ダイオードの短絡故障を判定することを特徴とする。

請求項７の発明に係わる電力変換器の点検方法は、請求項６の発明において、並列接続された絶縁ゲート形パワー半導体素子が多直列されている場合には、点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子および多直列されたすべての絶縁ゲート形パワー半導体素子をオンとし、点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子に並列接続された他の絶縁ゲート形パワー半導体素子をオフして、並列接続された絶縁ゲート形パワー半導体素子を１個ずつ点検することを特徴とする。

請求項８の発明に係わる電力変換器の点検方法は、請求項６の発明において、並列接続された絶縁ゲート形パワー半導体素子が多直列されている場合には、多直列された各々の並列接続の絶縁ゲート形パワー半導体素子の同一系列の１個の絶縁ゲート形パワー半導体素子を点検対象とし、残りの絶縁ゲート形パワー半導体素子をオフとして、同一系列で直列接続された複数個の絶縁ゲート形パワー半導体素子を一括して点検し、その同一系列に故障の絶縁ゲート形パワー半導体素子が含まれると判定されたときは、その同一系列の直列接続された複数個の絶縁ゲート形パワー半導体素子に対して１個ずつ点検することを特徴とする。

本発明によれば、電力変換器の運転休止中に絶縁ゲート形パワー半導体素子の断線故障や短絡故障の点検を行えるので、電力変換器の運転前に点検が可能となる。また、故障の絶縁ゲート形パワー半導体素子が検出されたとしても、出力を制限して運転を優先させることも可能となり、電力変換器１１の稼働率が向上する。また、断線故障や短絡故障を事前に把握できるため事故の未然防止が行える。

図１は本発明の第１の実施の形態に係わる電力変換器の点検装置の構成図である。電力変換器１１は複数個の絶縁ゲート形パワー半導体素子（以下、ＩＧＢＴという）が並列接続されて構成されている。図１では、ＩＧＢＴおよび環流ダイオードで構成された２個のＩＧＢＴモジュール１２ａ、１２ｂが並列接続された場合を示している。通常運転時においては、スイッチＳ１、Ｓ２は閉じられており、制御保護盤１３からの制御指令によりゲート電源駆動回路１４が制御され、ゲート抵抗Ｒg1、Ｒg2を介して各々のＩＧＢＴモジュール１２ａ、１２ｂにゲート信号が入力されてオンオフ制御される。

ゲート電源駆動回路１４に並列に点検用電源１５が設けられ、２個のＩＧＢＴモジュール１２ａ、１２ｂの点検時にゲート抵抗Ｒg1、Ｒg2を介して各々のＩＧＢＴモジュール１２ａ、１２ｂに点検用のオンオフ信号が入力される。また、点検回路１６は電力変換器１１が運転休止中に、電力変換器１１の点検対象のＩＧＢＴモジュール１２ａ、１２ｂのコレクタ−エミッタ間に試験電圧が印加された状態で、点検信号を入力して点検対象のＩＧＢＴモジュール１２ａ、１２ｂの点検を行うものである。

例えば、ＩＧＢＴモジュール１２ａを点検するときには、スイッチＳ１、Ｓ２がオフの状態で、点検対象のＩＧＢＴモジュール１２ａのコレクタ−エミッタ間に試験電圧を印加し、この状態で、点検回路１６の制御手段１７はスイッチＳ１をオンし、点検対象であるＩＧＢＴモジュール１２ａのゲート抵抗Ｒg1に点検用のオンオフ信号を入力する。同様に、ＩＧＢＴモジュール１２ｂを点検するときは、スイッチＳ１、Ｓ２がオフの状態で、点検対象のＩＧＢＴモジュール１２ｂのコレクタ−エミッタ間に試験電圧を印加し、この状態で、点検回路１６の制御手段１７はスイッチＳ２をオンし、点検対象であるＩＧＢＴモジュール１２ｂのゲート抵抗Ｒg2に点検用のオンオフ信号を入力する。以下、ＩＧＢＴモジュール１２ａが点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子である場合について説明する。

点検対象のＩＧＢＴモジュール１２ａのゲート抵抗Ｒg1に点検用のオンオフ信号を入力したときのコレクタ−エミッタ間電圧Ｖceをコレクタ−エミッタ間電圧検出器１８で検出し、コレクタ電流検出器１９でコレクタ電流を検出し、ゲート電流検出器２０ａでゲート抵抗電圧降下Ｖg1をそれぞれ検出する。コレクタ−エミッタ間電圧検出器１８で検出されたコレクタ−エミッタ間電圧Ｖce、コレクタ電流検出器１９で検出されたコレクタ電流Ｉc、ゲート電流検出器２０ａで検出されたゲート抵抗電圧降下Ｖg1は、点検回路１６の検出手段２１に入力され、ゲート抵抗電圧降下Ｖg1はゲート電流Ｉg1に変換されて判定手段２２に入力される。

判定手段２２は、点検対象のＩＧＢＴモジュール１２ａのコレクタ−エミッタ間電圧Ｖce、コレクタ電流Ｉcまたはゲート電流Ｉg1に基づいて、点検対象のＩＧＢＴモジュール１２ａの短絡故障または断線故障を判定する。そして、その判定結果は表示装置２３に表示出力される。

図２は、本発明の第１の実施の形態に係わる電力変換器の点検装置の動作を示すフローチャートである。まず、点検回路１６は電力変換器１１が運転休止中に、電力変換器１１のＩＧＢＴモジュール１２ａ、１２ｂを点検するものであるから、スイッチＳ１、Ｓ２の双方がオフとなっていることを確認する（Ｐ１）。そして、点検対象のＩＧＢＴモジュール１２ａのコレクタ−エミッタ間に試験電圧を印加する（Ｐ２）。この状態で、点検回路１６の制御手段１７はスイッチＳ１をオンし（Ｐ３）、点検対象であるＩＧＢＴモジュール１２ａのゲート抵抗Ｒg1に点検用のオンオフ信号を入力し、点検回路１６の判定手段２２はＩＧＢＴモジュール１２ａが正常動作しているか否かを判定する（Ｐ４）。

この判定で正常動作していないと判定したときは、判定手段２２は故障表示出力を表示装置２３に出力する（Ｐ５）。そして、スイッチＳ１をオフし（Ｐ６）、点検対象のＩＧＢＴモジュール１２ａのコレクタ−エミッタ間に試験電圧を０Ｖとし（Ｐ７）、処理を終了する。

一方、ステップＳ４の判定でＩＧＢＴモジュール１２ａが正常動作しているときは、スイッチＳ１をオフし（Ｐ８）、スイッチＳ２をオンして（Ｐ９）、次の点検対象であるＩＧＢＴモジュール１２ｂが正常動作しているか否かの判定を行う（Ｐ１０）。

この判定で、ＩＧＢＴモジュール１２ａが正常動作しているときは処理を終了し、正常動作していないと判定したときは、判定手段２２は故障表示出力を表示装置２３に出力する（Ｐ１１）。そして、スイッチＳ２をオフし（Ｐ１２）、点検対象のＩＧＢＴモジュール１２ｂのコレクタ−エミッタ間に試験電圧を０Ｖとして（Ｐ１３）、処理を終了する。

次に、ステップＳ４、Ｓ１０でのＩＧＢＴが正常動作しているか否かの判定方法について説明する。ＩＧＢＴモジュール１２ａ、１２ｂが正常動作しているか否かは、以下の３通りの判定方法で判定する。

（１）コレクタ−エミッタ間電圧Ｖceを判定する
点検対象ＩＧＢＴにオフ信号
Ｖce ＞Ｖcet1(判定基準値１)⇒ＩＧＢＴ断線
点検対象ＩＧＢＴにオフ信号
｜Ｖce｜＜Ｖcet2(判定基準値２)⇒ＩＧＢＴあるいは環流ダイオード短絡
点検対象であるＩＧＢＴのゲートにオン信号を入力し、コレクタ−エミッタ間電圧ＶceがＶcet1(判定基準値１)より大きいときはＩＧＢＴの断線故障であると判定する。すなわち、正常なＩＧＢＴのゲートにオン信号を入力したときは導通状態となり、コレクタ−エミッタ間電圧ＶceがＶcet1(判定基準値１)より小さい状態となる。従って、ゲートにオン信号を入力したにもかかわらず、コレクタ−エミッタ間電圧ＶceがＶcet1(判定基準値１)より大きい状態はＩＧＢＴが非導通状態であり、ＩＧＢＴの断線故障であると判定できる。

点検対象であるＩＧＢＴのゲートにオフ信号を入力し、コレクタ−エミッタ間電圧の絶対値｜Ｖce｜がＶcet2(判定基準値２)より小さいときはＩＧＢＴあるいは環流ダイオードの短絡故障であると判定する。すなわち、正常なＩＧＢＴのゲートにオフ信号を入力したときは非導通状態となり、コレクタ−エミッタ間電圧ＶceがＶcet2(判定基準値２)より大きい状態となる。従って、ゲートにオフ信号を入力したにもかかわらず、コレクタ−エミッタ間電圧ＶceがＶcet2(判定基準値２)より小さい状態はＩＧＢＴが導通状態であり、ＩＧＢＴまたは環流ダイオードの短絡故障であると判定できる。

（２）コレクタ電流Ｉcを判定する
点検対象ＩＧＢＴにオン信号
０＜Ｉc ＜Ｉct1(判定基準値１)⇒ＩＧＢＴ断線
点検対象ＩＧＢＴにオフ信号
｜Ｉc｜＞Ｉct2 (判定基準値２)⇒ＩＧＢＴあるいは環流ダイオード短絡
点検対象であるＩＧＢＴのゲートにオン信号を入力し、コレクタ電流Ｉcが０より大きくＩct1(判定基準値１)より小さいときはＩＧＢＴの断線故障であると判定する。すなわち、正常なＩＧＢＴのゲートにオン信号を入力したときは導通状態となり、コレクタ電流ＩcがＩct1(判定基準値１)より大きい状態となる。従って、ゲートにオン信号を入力したにもかかわらず、コレクタ電流ＩcがＩct1(判定基準値１)より小さい状態はＩＧＢＴが非導通状態であり、ＩＧＢＴの断線故障であると判定できる。

点検対象であるＩＧＢＴのゲートにオフ信号を入力し、コレクタ電流の絶対値｜Ｉc｜がＩct2(判定基準値２)より大きいときはＩＧＢＴあるいは環流ダイオードの短絡故障であると判定する。すなわち、正常なＩＧＢＴのゲートにオフ信号を入力したときは非導通状態となり、コレクタ電流ＩcがＩct2(判定基準値２)より大きい状態となる。従って、ゲートにオフ信号を入力したにもかかわらず、コレクタ電流ＩcがＩct2(判定基準値２)より大きい状態はＩＧＢＴが導通状態であり、ＩＧＢＴまたは環流ダイオードの短絡故障であると判定できる。

（３）ゲート電流Ｉgを判定する
点検対象ＩＧＢＴにオン信号
｜Ｉg ｜＜Ｉgt1(判定基準値１)⇒ＩＧＢＴ断線
点検対象ＩＧＢＴにオフ信号
｜Ｉg ｜＞Ｉgt2(判定基準値２)⇒ＩＧＢＴ短絡
点検対象であるＩＧＢＴのゲートにオン信号を入力し、ゲート電流ＩgがＩgt1(判定基準値１)より小さいときはＩＧＢＴの断線故障であると判定する。すなわち、正常なＩＧＢＴのゲートにオン信号を入力したときは導通状態となり、ゲート電流ＩgがＩgt1(判定基準値１)より大きい状態となる。従って、ゲートにオン信号を入力したにもかかわらず、ゲート電流ＩgがＩgt1(判定基準値１)より小さい状態はＩＧＢＴが非導通状態であり、ＩＧＢＴの断線故障であると判定できる。

点検対象であるＩＧＢＴのゲートにオフ信号を入力し、ゲート電流の絶対値｜Ｉg｜がＩgt2(判定基準値２)より大きいときはＩＧＢＴの短絡故障であると判定する。すなわち、正常なＩＧＢＴのゲートにオフ信号を入力したときは非導通状態となり、ゲート電流ＩgがＩgt2(判定基準値２)より小さい状態となる。従って、ゲートにオフ信号を入力したにもかかわらず、ゲート電流ＩgがＩgt2(判定基準値２)より大きい状態はＩＧＢＴが導通状態であり、ＩＧＢＴの短絡故障であると判定できる。なお、この場合、環流ダイオードの短絡は検出できない。また、いずれの判定方法でも環流ダイオードの断線は検出できない。

以上の説明では、コレクタ−エミッタ間電圧Ｖce、コレクタ電流Ｉc、ゲート電流Ｉgのうち、いずれかの単独で故障判定をするようにしたが、コレクタ−エミッタ間電圧Ｖceとコレクタ電流Ｉcとの両方を用いて、ＩＧＢＴの部分断線も検出できる。ここで、部分断線とは、複数本のエミッタワイヤのうち一部のワイヤのみが断線した状態を指す。

図３は、ＩＧＢＴの複数のエミッタワイヤのうち切断本数をパラメータとしたコレクタ−エミッタ間電圧Ｖceとコレクタ電流Ｉcとの特性図である。６００Ｖ−５０Ａ級のモジュール型ＩＧＢＴではエミッタワイヤが複数本（例えば６本）で構成されている。そこで、複数本のエミッタワイヤを人為的に切断することにより、エミッタワイヤの切断本数をパラメータとして、コレクタ−エミッタ間電圧Ｖceとコレクタ電流Ｉcとの関係を検証した。特性曲線Ｗ０はすべてのエミッタワイヤが正常である場合の特性曲線、特性曲線Ｗ１は１本のエミッタワイヤを切断した場合の特性曲線、特性曲線Ｗ２は２本のエミッタワイヤを切断した場合の特性曲線、特性曲線Ｗ３は３本のエミッタワイヤを切断した場合の特性曲線、特性曲線Ｗ４は４本のエミッタワイヤを切断した場合の特性曲線、特性曲線Ｗ５は５本のエミッタワイヤを切断した場合の特性曲線である。

図３から分かるように、３本以上のエミッタワイヤが断線していると、コレクタ−エミッタ間電圧Ｖceが高くなってもコレクタ電流は飽和する。この特性から点検対象のＩＧＢＴの部分断線故障を判定できる。

図４は電力変換器１１のＩＧＢＴの故障検出の際に検出不能期間が発生しないことの説明図であり、図４（ａ）は直流を三相交流に変換する電力変換器の構成図、図４（ｂ）は電力変換器の動作を示すタイムチャートである。

図４（ａ）の電力変換器１１では、三相の各相につき環流ダイオードが並列接続されたＩＧＢＴで上下アーム対を構成している。図４（ａ）に示すように、電力変換器１１は直流電源２４からの直流を三相交流に変換し変圧器２５で昇圧して遮断器２６を介して三相交流系統に三相交流電力を供給する。電力変換器１１は三相の各相につき、１対のＩＧＢＴが設けられている。すなわち、Ｕ相にはＩＧＢＴモジュール１２Ｕ、１２Ｘの上下アーム対が設けられ、Ｖ相にはＩＧＢＴモジュール１２Ｖ、１２Ｙの上下アーム対が設けられ、Ｗ相にはＩＧＢＴモジュール１２Ｗ、１２Ｚの上下アーム対が設けられている。

これらのＩＧＢＴモジュール１２の点検時には、交流側の遮断器２６を開放しておき、直流電源２４のプリチャージ期間中に変圧器２５の変換器１１側の巻線により回路を構成し、点検用のオンオフ信号を点検対象のＩＧＢＴモジュール１２に入力し通電することにより断線短絡故障を検出する。

図４（ｂ）は、通常運転時のＵ相電圧指令値Ｖuref、キャリアＣ、ＩＧＢＴモジュール１２Ｕへのオンオフ信号、ＩＧＢＴモジュール１２Ｘへのオンオフ信号、Ｕ相電圧Ｖu（Ｕ相電圧Ｖuの基本波ｖu）、Ｕ相電流ｉuを示している。この場合、図４（ｂ）に示すように、ＩＧＢＴモジュール１２Ｕに「Ｕオン」の期間で導通するのは、Ｕ相電流ｉuから分かるように、ＵアームのＩＧＢＴモジュール１２Ｕまたは環流ダイオードＤＵであり、「Ｕオフ」の期間で導通するのは、ＸアームのＩＧＢＴモジュール１２Ｘまたは環流ダイオードＤＸのみである。従って、ＩＧＢＴモジュール１２Ｕの「Ｕオフ」の期間に、Ｕアームの環流ダイオードＤＵが導通することはない。

従って、ＩＧＢＴモジュール１２Ｕを点検する際においても同様に、点検対象のＩＧＢＴモジュール１２Ｕに「Ｕオン」の期間で導通するのは、点検対象のＩＧＢＴモジュール１２Ｕまたは環流ダイオードＤＵであり、「Ｕオフ」の期間で導通するのは、ＸアームのＩＧＢＴモジュール１２Ｘまたは環流ダイオードＤＸのみであり、点検対象のＩＧＢＴモジュール１２Ｕの「Ｕオフ」の期間に、点検対象の環流ダイオードＤＵが導通することはない。このことから、点検対象のＩＧＢＴの環流ダイオードが導通状態にあるときに、対向アームのＩＧＢＴ及び環流ダイオードが導通状態となることはなく、検出不能期間は発生しない。

以上の説明では、点検用電源１５を独立して設け制御手段１７から点検用のオンオフ信号を出力するようにしたが、ゲート電源駆動回路１４のゲート電源を点検用電源として使用し、ゲート電源駆動回路１４から点検用のオンオフ信号を出力するようにしてもよい。

第１の実施の形態によれば、電力変換器１１の運転休止中に点検を行うことができるので、電力変換器１１の運転前に点検が行える。従って、故障のＩＧＢＴがあったとしても、出力を制限して運転を優先させることも可能となり、電力変換器１１の稼働率や信頼性が向上する。すなわち、絶縁ゲート形パワー半導体素子の故障を検出したときは、故障の絶縁ゲート形パワー半導体素子の取り替え作業までの間に運転出力の調整等により運転継続が可能かどうかを判断する。また、ＩＧＢＴの直並列数に影響なく検出できる。

図５は本発明の第２の実施の形態に係わる電力変換器の点検装置の構成図である。この第２の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、点検用のスイッチＳ１、Ｓ２をゲート抵抗Ｒg1、Ｒg2に直列に接続することに代えて、並列に接続したものである。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

図５に示すように、点検用のスイッチＳ１、Ｓ２はゲート抵抗Ｒg1、Ｒg2に並列に接続されている。ＩＧＢＴモジュール１２ａを点検する場合には、スイッチＳ１、Ｓ２がオフしている状態で、点検対象のＩＧＢＴモジュール１２ａのコレクタ−エミッタ間に試験電圧を印加し、その後に、点検回路１６の制御手段１７により、点検対象のＩＧＢＴモジュール１２ａ、１２ｂのスイッチＳ１、Ｓ２のみをオンする。そして、制御手段１７は、点検用電源１５から直接的に点検対象であるＩＧＢＴモジュール１２ａ、１２ｂのゲートに点検用のオンオフ信号を入力する。

この状態で、点検回路１６の検出手段２１は、コレクタ−エミッタ間電圧検出器１８で検出されたコレクタ−エミッタ間電圧Ｖce、コレクタ電流検出器１９で検出されたコレクタ電流Ｉc、ゲート電流検出器２０ａ、２０ｂで検出されたゲート抵抗電圧降下Ｖg1、Ｖg2を入力する。検出手段２１は、入力したコレクタ−エミッタ間電圧Ｖce、コレクタ電流Ｉcを判定手段２２に出力するとともに、ゲート抵抗電圧降下Ｖg1、Ｖg2をゲート電流Ｉg1、Ｉg2に変換して判定手段２２に出力する。判定手段２２は、入力したコレクタ−エミッタ間電圧Ｖce、コレクタ電流Ｉc、ゲート電流Ｉg1、Ｉg2に基づいて故障判定を行う。

図６は、電力変換器１１の点検時の等価回路の回路図である。図６に示すように、スイッチＳ２がオフの状態でスイッチＳ１をオンしてＩＧＢＴモジュール１２ａの点検中は、ゲート電源駆動回路１４の電圧は０Ｖであるので、ＩＧＢＴモジュール１２ｂへの回り込み回路は形成されない。同様に、スイッチＳ１がオフの状態でスイッチＳ２をオンしてＩＧＢＴモジュール１２ｂの点検中においても、ゲート電源駆動回路１４の電圧は０Ｖであるので、ＩＧＢＴモジュール１２ａへの回り込み回路は形成されない。従って、ＩＧＢＴモジュール１２の点検中に並列接続されたＩＧＢＴモジュール１２に影響を与えないので精度良く点検できる。

第２の実施の形態によれば、点検用のスイッチＳ１、Ｓ２をゲート抵抗Ｒg1、Ｒg2に並列に接続しているので、電力変換器１１の通常運転中において、スイッチＳ１、Ｓ２が故障しても、電力変換器１１のＩＧＢＴモジュール１２ａ、１２ｂの動作に影響を与えることがないので、電力変換器１１の信頼性が向上する。

次に、並列接続のＩＧＢＴが多直列接続された場合の点検方法について説明する。図７は、並列接続のＩＧＢＴが多直列接続された場合の点検方法の一例の説明図である。図７では、３個のＩＧＢＴモジュール１２が並列接続されたものを３段に直列接続して構成された場合を示しており、ＩＧＢＴモジュール１２ｃ１が点検対象であるとする。

このように、並列接続されたＩＧＢＴモジュール１２が多直列されている場合には、点検対象のＩＧＢＴモジュール１２ｃ１をオンとし、点検対象のＩＧＢＴモジュール１２ｃ１に並列接続された１２ａ１、１２ｂ１をオフとする。また、残りの各段の多直列された並列接続のすべてのＩＧＢＴモジュール１２ａ２〜１２ｃ３をオンとする。この状態で、点検対象のＩＧＢＴモジュール１２ｃ１のゲートに点検用のオンオフ信号を入力し故障を点検する。

以下、同様に、点検対象のＩＧＢＴモジュール１２が含まれない各段のすべてのＩＧＢＴモジュール１２をオンとし、点検対象のＩＧＢＴモジュール１２が含まれる段のＩＧＢＴモジュール１２はオフとし、並列接続されたＩＧＢＴモジュール１２を１個ずつ点検する。

図８は、直列接続された複数個の絶縁ゲート形パワー半導体素子を一括して点検する方法の一例の説明図である。図８では直流電源２４からの直流電力を三相交流電源に変換する電力変換器１１を示している。

Ｕ相は２個のＩＧＢＴモジュール１２Ｕａ、１２Ｕｂが並列接続されものがｎ段に直列接続され、Ｖ相は２個のＩＧＢＴモジュール１２Ｖａ、１２Ｖｂが並列接続されものがｎ段に直列接続され、Ｗ相は２個のＩＧＢＴモジュール１２Ｗａ、１２Ｗｂが並列接続されものがｎ段に直列接続されている。同様に、Ｘ相は２個のＩＧＢＴモジュール１２Ｘａ、１２Ｘｂが並列接続されものがｎ段に直列接続され、Ｙ相は２個のＩＧＢＴモジュール１２Ｙａ、１２Ｙｂが並列接続されものがｎ段に直列接続され、Ｚ相は２個のＩＧＢＴモジュール１２Ｚａ、１２Ｚｂが並列接続されものがｎ段に直列接続されている。

このように、多直列された各々の並列接続のＩＧＢＴモジュール１２に対し、いま、交直変換時に形成される回路、すなわち、Ｕアーム・（ＹアームorＺアーム）、Ｖアーム・（ＸアームorＺアーム）、Ｗアーム・（ＺアームorＹアーム）の３パターンの直列回路を考える。例えば、ＵアームとＹアームとの直列回路においては、並列接続されるＩＧＢＴモジュール１２は２個であるので並列回路数は２個となる。すなわち、ａ系列のＩＧＢＴモジュール１２Ｕａ１〜１２Ｕａｎ及び１２Ｙａ１〜１２Ｙａｎの直列回路と、ｂ系列のＩＧＢＴモジュール１２Ｕｂ１〜１２Ｕｂｎ及び１２Ｙｂ１〜１２Ｙｂｎの直列回路との並列回路が形成される。

そこで、点検にあたっては、ＵアームとＹアームとの直列回路については、ａ系列のＩＧＢＴモジュール１２Ｕａ１〜１２Ｕａｎ及び１２Ｙａ１〜１２Ｙａｎの直列回路を一括して点検し、また、ｂ系列のＩＧＢＴモジュール１２Ｕｂ１〜１２Ｕｂｎ及び１２Ｙｂ１〜１２Ｙｂｎの直列回路を一括して点検する。すなわち、各々の並列接続されたＩＧＢＴモジュール１２の同一系列（ａ系列またはｂ系列）のいずれか１個のＩＧＢＴモジュール１２を点検対象とし、残りのＩＧＢＴモジュール１２をオフとし、同一系列で直列接続された複数個のＩＧＢＴモジュール１２を一括して点検する。

例えば、ａ系列のＩＧＢＴモジュール１２Ｕａ１〜１２Ｕａｎ及び１２Ｙａ１〜１２Ｙａｎの直列回路を点検対象とする場合には、ｂ系列のＩＧＢＴモジュール１２Ｕｂ１〜１２Ｕｂｎ及び１２Ｙｂ１〜１２Ｙｂｎの直列回路はもちろん、ＵアームとＺアーム、Ｖアーム・（ＸアームorＺアーム）、Ｗアーム・（ＺアームorＹアーム）で形成される直列回路のすべてのＩＧＢＴモジュール１２をオフとする。これにより、一括しての点検回数は、Ｕアーム・（ＹアームorＺアーム）、Ｖアーム・（ＸアームorＺアーム）、Ｗアーム・（ＺアームorＹアーム）の３パターン×並列数となる。

このようにして一括して点検を行い、故障のＩＧＢＴモジュール１２が含まれることを検出したら、その系列のＩＧＢＴモジュール１２を個別に点検する。これにより、さらに点検時間を短縮できる。

ここで、この点検方法の場合には、各々のＩＧＢＴモジュール１２のコレクタ−エミッタ間に、ある程度の電圧を印加する必要がある。その際、実際に断線したＩＧＢＴがあった場合には、その断線故障したＩＧＢＴで点検用の直流電圧を負担することになるので、点検用の直流電圧としては、定格直流電圧より十分低いＩＧＢＴモジュール１２のコレクタ−エミッタ間の電圧負担が少ない電圧で実施する。

この点検方法は、連続的に行うことが可能であり数秒程度で終了する。また、故障がない場合にはＩＧＢＴモジュール１２の個別素子毎にを点検する必要がないので、大幅に点検時間を短縮できる。

本発明の第１の実施の形態に係わる電力変換器の点検装置の構成図。 本発明の第１の実施の形態に係わる電力変換器の点検装置の動作を示すフローチャート。 本発明の第１の実施の形態におけるＩＧＢＴの複数のエミッタワイヤのうち切断本数をパラメータとしたコレクタ−エミッタ間電圧Ｖceとコレクタ電流Ｉcとの特性図。 本発明の実施の形態における電力変換器のＩＧＢＴの故障検出の際に検出不能期間が発生しないことの説明図。 本発明の第２の実施の形態に係わる電力変換器の点検装置の構成図。 本発明の第２の実施の形態における電力変換器の点検時の等価回路の回路図。 並列接続のＩＧＢＴが多直列接続された場合の点検方法の一例の説明図。 直列接続された複数個の絶縁ゲート形パワー半導体素子を一括して点検する方法の一例の説明図。

符号の説明

１１…電力変換器、１２…ＩＧＢＴ、１３…制御保護盤、１４…ゲート電源駆動回路、１５…点検用電源、１６…点検回路、１７…制御手段、１８…コレクタ−エミッタ間電圧検出器、１９…コレクタ電流検出器、２０…ゲート電流検出器、２１…検出手段、２２…判定手段、２３…表示装置、２４…直流電源、２５…変圧器、２６…遮断器

Claims (8)

1. 環流ダイオードが並列接続された絶縁ゲート形パワー半導体素子が直並列接続されて構成された電力変換器の点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子のコレクタ−エミッタ間に試験電圧が印加された状態で点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子のゲートにオンオフ信号を供給する点検用電源と、前記点検用電源から点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子のゲートにオンオフ信号が入力されたときの点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子のコレクタ−エミッタ間電圧、コレクタ電流またはゲート電流に基づいて点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子の断線故障または短絡故障もしくは環流ダイオードの短絡故障を判定する点検回路とを備えたことを特徴とする電力変換器の点検装置。
2. 前記点検回路は、点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子のゲートにオン信号が入力された状態で点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子のコレクタ−エミッタ間電圧が所定値より大きいときは点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子の断線故障であると判定し、点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子のゲートにオフ信号が入力された状態で点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子のコレクタ−エミッタ間電圧の絶対値が所定値より小さいときは点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子または環流ダイオードの短絡故障であると判定することを特徴とする請求項１記載の電力変換器の点検装置。
3. 前記点検回路は、点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子のゲートにオン信号が入力された状態で点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子のコレクタ電流が所定値より小さいときは点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子の断線故障であると判定し、点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子のゲートにオフ信号が入力された状態で点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子のコレクタ電流の絶対値が所定値より大きいときは点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子または環流ダイオードの短絡故障であると判定することを特徴とする請求項１記載の電力変換器の点検装置。
4. 前記点検回路は、点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子のゲートにオン信号が入力された状態で点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子のゲート電流が所定値より小さいときは点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子の断線故障であると判定し、点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子のゲートにオフ信号が入力された状態で点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子のコレクタ電流の絶対値が所定値より大きいときは点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子または環流ダイオードの短絡故障であると判定することを特徴とする請求項１記載の電力変換器の点検装置。
5. 前記点検回路は、点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子のコレクタ−エミッタ間電圧を増加させたときに点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子のコレクタ電流が飽和するときは点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子の部分断線故障であると判定することを特徴とする請求項１記載の電力変換器の点検装置。
6. 環流ダイオードが並列接続された絶縁ゲート形パワー半導体素子が直並列接続されて構成された電力変換器の点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子のコレクタ−エミッタ間に試験電圧を印加し、試験電圧が印加された状態で点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子のゲートにオンオフ信号を供給し、点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子のゲートにオンオフ信号が入力されたときの点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子のコレクタ−エミッタ間電圧、コレクタ電流またはゲート電流に基づいて点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子の断線故障または短絡故障もしくは環流ダイオードの短絡故障を判定することを特徴とする電力変換器の点検方法。
7. 並列接続された絶縁ゲート形パワー半導体素子が多直列されている場合には、点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子および多直列されたすべての絶縁ゲート形パワー半導体素子をオンとし、点検対象の絶縁ゲート形パワー半導体素子に並列接続された他の絶縁ゲート形パワー半導体素子をオフして、並列接続された絶縁ゲート形パワー半導体素子を１個ずつ点検することを特徴とする請求項６記載の電力変換器の点検方法。
8. 並列接続された絶縁ゲート形パワー半導体素子が多直列されている場合には、多直列された各々の並列接続の絶縁ゲート形パワー半導体素子の同一系列の１個の絶縁ゲート形パワー半導体素子を点検対象とし、残りの他の系列の絶縁ゲート形パワー半導体素子をオフとして、同一系列で直列接続された複数個の絶縁ゲート形パワー半導体素子を一括して点検し、その同一系列に故障の絶縁ゲート形パワー半導体素子が含まれると判定されたときは、その同一系列の直列接続された複数個の絶縁ゲート形パワー半導体素子に対して１個ずつ点検することを特徴とする請求項６記載の電力変換器の点検方法。
   

Images