JP2008206217A - Semiconductor power converter having lifetime monitor circuit of semiconductor switching element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電動機の速度制御等に用いられる半導体スイッチング素子を用いた半導体電力変換装置に関し、より詳しくは半導体スイッチング素子の通電による疲労または劣化による破壊を防止し保守の時期を把握するための半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor power conversion device using a semiconductor switching element used for speed control of an electric motor, and more specifically, a semiconductor for preventing breakdown due to fatigue or deterioration due to energization of a semiconductor switching element and grasping a maintenance timing. The present invention relates to a semiconductor power conversion device having a switching element lifetime monitoring circuit.
従来の半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置は、半導体スイッチング素子のベース板温度のリップル温度を単位計測期間毎に測定し、各リップル温度に対する発生回数を単位計測期間毎にカウントし、リップル温度に対する温度範囲別の寿命回数と実際の発生回数に従って寿命を推定している(例えば、特許文献1参照)。 A conventional semiconductor power conversion device having a semiconductor switching element lifetime monitoring circuit measures the ripple temperature of the base plate temperature of the semiconductor switching element for each unit measurement period, and counts the number of occurrences for each ripple temperature for each unit measurement period. The lifetime is estimated according to the number of lifetimes for each temperature range with respect to the ripple temperature and the actual number of occurrences (for example, see Patent Document 1).
また、半導体スイッチング素子のパワーサイクル特性からジャンクション温度差として入力した設定値に対応するパワーサイクルを求めることにより寿命を推定し、半導体スイッチング素子の寿命と推定したパワーサイクルに1未満の係数を乗じて基準値とすることにより、同半導体スイッチング素子を用いた装置の運転回数が基準値を越えた時に、保護指示信号を出力しているものもある(例えば、特許文献2参照)。 In addition, the life cycle is estimated by obtaining the power cycle corresponding to the set value input as the junction temperature difference from the power cycle characteristics of the semiconductor switching device, and the estimated power cycle is multiplied by a coefficient less than 1 to the estimated life cycle of the semiconductor switching device. By setting the reference value, there are some that output a protection instruction signal when the number of operations of the device using the semiconductor switching element exceeds the reference value (see, for example, Patent Document 2).
図3は、特許文献1により開示された第1従来技術を示す半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置の構成図である。
FIG. 3 is a configuration diagram of a semiconductor power conversion device having a life monitoring circuit of a semiconductor switching element showing the first prior art disclosed in
図3において、1は交流入力電源、3は整流回路、4は平滑回路、5はインバータ回路、7はモータ、11はドライブ回路、12はインバータ制御回路、21は温度検出回路、22はA/D変換器、23は時間計測部、24はリップル温度検出部、25はカウンタ、26は累積被害率演算部、27は寿命算出部、28は制御装置である。 In FIG. 3, 1 is an AC input power source, 3 is a rectifier circuit, 4 is a smoothing circuit, 5 is an inverter circuit, 7 is a motor, 11 is a drive circuit, 12 is an inverter control circuit, 21 is a temperature detection circuit, 22 is an A / A A D converter, 23 is a time measurement unit, 24 is a ripple temperature detection unit, 25 is a counter, 26 is a cumulative damage rate calculation unit, 27 is a lifetime calculation unit, and 28 is a control device.
以下、図3を用いて、第1従来技術による半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置の構成および動作を説明する。 Hereinafter, the configuration and operation of the semiconductor power conversion apparatus having the semiconductor switching element lifetime monitoring circuit according to the first prior art will be described with reference to FIG.
半導体電力変換装置本体は、整流回路3による直流電力への変換と、この直流電力から主回路素子をIGBTとするインバータ回路5により電圧および周波数を制御した交流電力への変換で、負荷となるモータ7を駆動する。制御装置28をマイクロプロセッサによるソフトウェア構成とする場合を示し、その情報処理機能を利用して半導体スイッチング素子の寿命監視回路20を設ける。この寿命監視回路20は、ハードウェアとしてはインバータ回路5のIGBTモジュールのケースである銅ベース板にサーミスタを取り付けてその温度を計測する温度検出回路21と、この温度検出回路21で検出した温度信号をディジタル値の温度データに変換するA/D変換器22を設ける。寿命監視回路20のソフトウェア構成としては、処理要素として時間計測部23、リップル温度検出部24、カウンタ25、累積被害率演算部26、および寿命算出部27を設ける。時間計測部23は、半導体電力変換装置の運転/停止指令から運転時間と停止期間の時間情報をもつ運転パターンPTを取り出す。リップル温度検出部24は、時間計測部23からの運転パターンPTとA/D変換器22からの温度データから、単位計測期間内の最大温度と最小温度データを抽出し、リップル温度T1、T2、T3、・・・として算出する。次に、カウンタ25は、単位計測期間毎にその期間のリップル温度の発生回数をカウントする。累積被害率演算部26は、リップル温度範囲別の発生回数n1、n2、n3、・・・と既知の寿命回数データN1、N2、N3、・・・とからIGBTの寿命を推定する。
The main body of the semiconductor power conversion device is a motor that becomes a load by conversion into DC power by the rectifier circuit 3 and conversion from the DC power to AC power whose voltage and frequency are controlled by an inverter circuit 5 having a main circuit element as an IGBT. 7 is driven. The case where the control device 28 has a software configuration by a microprocessor is shown, and the
図4は、特許文献2により開示された第2従来技術を示す半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置の構成図である。
FIG. 4 is a configuration diagram of a semiconductor power conversion device having a life monitoring circuit of a semiconductor switching element showing the second prior art disclosed in
図4において、1は交流入力電源、2は半導体電力変換装置、3は整流回路、4は平滑回路、5はインバータ回路、6は半導体スイッチング素子、7はモータ、8は回転速度指令値、9は運転指令器としてのスイッチ、9aは運転指令、10は制御回路、11はドライブ回路、12はインバータ制御回路、12a、12bはリセット信号、13、14はカウンタ、13aは警報信号、14aはトリップ信号、15は基準値演算回路、16はメモリ、17、18は係数設定用入力回路、19はジャンクション温度差設定用入力回路、20は寿命監視回路、29はIGBTチップ、30はFWD(フライホイールダイオード)チップである。
In FIG. 4, 1 is an AC input power source, 2 is a semiconductor power converter, 3 is a rectifier circuit, 4 is a smoothing circuit, 5 is an inverter circuit, 6 is a semiconductor switching element, 7 is a motor, 8 is a rotational speed command value, 9 Is a switch as an operation commander, 9a is an operation command, 10 is a control circuit, 11 is a drive circuit, 12 is an inverter control circuit, 12a and 12b are reset signals, 13 and 14 are counters, 13a is an alarm signal, and 14a is a
以下、図4を用いて、第2従来技術による半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置の構成および動作を説明する。 Hereinafter, the configuration and operation of a semiconductor power conversion apparatus having a semiconductor switching element lifetime monitoring circuit according to the second prior art will be described with reference to FIG.
半導体電力変換装置2は、第1従来技術と同じく、整流回路3と平滑回路4とインバータ回路5から構成され、インバータ回路5にはパワートランジスタやIGBT等の半導体スイッチング素子6が適当数含まれている。半導体電力変換装置2に対する制御回路10は、ドライブ回路11とインバータ制御回路12から構成される。インバータ制御回路12には回転速度指令値8と、運転指令器としてのスイッチ9を通して運転指令9aが入力されるほか、寿命監視回路20から警報信号13a及びトリップ信号14aが入力される。寿命監視回路20は、カウンタ13及びカウンタ14と、基準値演算回路15と、メモリ16から構成される。各カウンタ13、14には運転指令器9のオン毎に運転指令9aが入力される。基準値演算回路15には係数K1、K2 およびジャンクション温度差の設定値が入力され、インバータ制御回路12からリセット信号12a、12bが入力される。基準値演算回路15からは基準値K1 CP、K2 CP が出力される。
The semiconductor
以上の構成において、メモリ16に記憶した半導体スイッチング素子のパワーサイクル特性からジャンクション温度差として入力した設定値に対応するパワーサイクルを求めることにより寿命を推定し、半導体スイッチング素子の寿命と推定したパワーサイクルCPに1未満の係数K1、K2 を乗じて基準値K1 CP、K2 CPとする。同半導体スイッチング素子を用いた半導体電力変換装置の運転回数が、基準値K1 CP、K2 CPを越えた時に保護指示信号を出力する。 In the above configuration, the lifetime is estimated by obtaining the power cycle corresponding to the set value input as the junction temperature difference from the power cycle characteristics of the semiconductor switching device stored in the memory 16, and the estimated power cycle of the semiconductor switching device. reference value K 1 C P is multiplied by a coefficient K 1, K 2 of less than 1 to C P, and K 2 C P. Operating frequency of the semiconductor power conversion device using the same semiconductor switching elements, a reference value K 1 C P, and outputs a protection instruction signal when it exceeds K 2 C P.
このように、第1従来技術による半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置は、主回路素子のベース板温度のリップル温度を単位計測期間毎に測定し、各リップル温度に対する発生回数を単位計測期間毎にカウントし、リップル温度に対する温度範囲別の寿命回数と実際の発生回数に従って寿命を推定している。 As described above, the semiconductor power conversion device having the life monitoring circuit of the semiconductor switching element according to the first conventional technique measures the ripple temperature of the base plate temperature of the main circuit element every unit measurement period, and calculates the number of occurrences for each ripple temperature. Counting is performed for each unit measurement period, and the lifetime is estimated according to the number of lifetimes for each temperature range relative to the ripple temperature and the actual number of occurrences.
また、第2従来技術による半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置は、半導体スイッチング素子のパワーサイクル特性からジャンクション温度差として入力した設定値に対応するパワーサイクルを求めることにより寿命を推定し、半導体スイッチング素子の寿命と推定したパワーサイクルに1未満の係数を乗じて基準値とし、同半導体スイッチング素子を用いた装置の運転回数が基準値を越えた時に、保護指示信号を出力している。
しかしながら、第1従来技術による半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置は、主回路素子のベース板温度のリップル温度を測定しているため、IGBTチップのはんだ部の緩やかな温度リップルによる熱応力に起因する寿命は予測できるが、IGBTチップのボンディング部の瞬間的な温度リップルによる熱応力が発生する寿命は予測できないという問題があった。さらに、FWDチップのはんだ部およびボンディング部の寿命も予測できないとういような問題もあった。 However, the semiconductor power conversion device having the life monitoring circuit of the semiconductor switching element according to the first prior art measures the ripple temperature of the base plate temperature of the main circuit element, and therefore, due to the moderate temperature ripple of the solder part of the IGBT chip. Although the lifetime due to thermal stress can be predicted, there is a problem that the lifetime in which thermal stress is generated due to instantaneous temperature ripple at the bonding portion of the IGBT chip cannot be predicted. Further, there is a problem that the life of the solder part and the bonding part of the FWD chip cannot be predicted.
また、第2従来技術による半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置は、半導体スイッチング素子に流れる電流を測定していないために正確な寿命監視ができないという問題があった。 In addition, the semiconductor power conversion device having the life monitoring circuit for the semiconductor switching element according to the second prior art has a problem that the life monitoring cannot be performed accurately because the current flowing through the semiconductor switching element is not measured.
ここで半導体スイッチング素子の寿命について述べる。半導体電力変換装置の運転時には電流が流れて半導体スイッチング素子が発熱し、並列に接続されているIGBTチップおよびFWDチップのジャンクション温度が上昇する。一方、半導体電力変換装置の停止時には発熱が止ってジャンクション温度が低下する。そのため、運転と停止の繰り返しにより半導体スイッチング素子のIGBTチップおよびFWDチップ部分が熱膨脹と熱収縮を繰り返す。半導体スイッチング素子は一般に熱膨脹係数の異なる種々の材料を使って組み立てられているため、特にチップ直下のはんだ部とボンディングワイヤ部が熱劣化する。前者をサーマルサイクル寿命、後者をパワーサイクル寿命と呼ばれている。前者は洗濯機などの運転と停止の繰り返しで生じる比較的緩やかで大きな温度変化によりチップ直下のはんだ部に亀裂が入り熱破壊に至る。後者はエレベータ、クレーン、工作機械などの運転と停止の繰り返し頻度が高い用途では温度変化による熱膨張応力でボンディングワイヤが剥離して不良あるいは破壊に至る。尚、半導体スイッチング素子のIGBTチップとFWDチップは、各々にサーマルサイクル寿命とパワーサイクル寿命がある。 Here, the life of the semiconductor switching element will be described. During operation of the semiconductor power conversion device, a current flows, the semiconductor switching element generates heat, and the junction temperature of the IGBT chip and the FWD chip connected in parallel rises. On the other hand, when the semiconductor power converter is stopped, heat generation stops and the junction temperature decreases. For this reason, the IGBT chip and FWD chip portion of the semiconductor switching element repeats thermal expansion and thermal contraction due to repeated operation and stoppage. Since the semiconductor switching element is generally assembled using various materials having different thermal expansion coefficients, the solder portion and the bonding wire portion directly under the chip are particularly thermally deteriorated. The former is called the thermal cycle life, and the latter is called the power cycle life. In the former, a relatively slow and large temperature change caused by repeated operation and stoppage of the washing machine or the like causes a crack in the solder portion immediately below the chip, leading to thermal destruction. In the latter case, the bonding wire peels off due to the thermal expansion stress due to temperature change in an application such as an elevator, crane, machine tool, etc. where the frequency of operation and stop is high, resulting in failure or destruction. The IGBT chip and the FWD chip of the semiconductor switching element each have a thermal cycle life and a power cycle life.
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、IGBTチップおよびFWDチップのはんだ部に温度リップルにより発生する熱応力に起因するサーマルサイクル寿命とIGBTチップのボンディング部に温度リップルにより発生する熱応力に起因するパワーサイクル寿命を予測できる信頼性の高い半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and is generated due to thermal cycle life caused by thermal stress generated by temperature ripple in the solder portion of the IGBT chip and FWD chip and by temperature ripple in the bonding portion of the IGBT chip. An object of the present invention is to provide a semiconductor power conversion device having a highly reliable semiconductor switching element life monitoring circuit capable of predicting a power cycle life caused by thermal stress.
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。 In order to solve the above problem, the present invention is configured as follows.
請求項1に記載の発明は、交流入力電源を整流して直流に変換する整流回路と、前記整流された直流を平滑する平滑回路と、少なくとも一つの半導体スイッチング素子を具備し前記平滑された直流を任意の周波数に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路の出力電流を検出する電流検出回路と、前記半導体スイッチング素子の寿命を監視する寿命監視回路と、を備えた半導体電力変換装置において、前記寿命監視回路は、前記半導体スイッチング素子の出力電流とパワーサイクル寿命回数との関係である第1の寿命特性および前記半導体スイッチング素子の出力電流とサーマルサイクル寿命回数との関係である第2の寿命特性を予め格納した記憶回路と、前記第1、第2の寿命特性に基づいて前記半導体スイッチング素子の基準出力電流時におけるパワーサイクル寿命回数およびサーマルサイクル寿命回数をトリップ用基準値としてそれぞれ出力し、前記電流検出回路で検出した出力電流最大値と前記第1、第2の寿命特性に基づいて前記出力電流最大値の繰り返しの回数を前記基準出力電流時における繰り返しの回数にそれぞれ換算して出力する半導体スイッチ履歴演算回路と、前記換算された繰り返しの回数をそれぞれ計数する第1のカウンタと、を備え、前記寿命監視回路は、前記第1のカウンタによる計数値が前記いずれかのトリップ用基準値に達したことをもって前記半導体スイッチング素子が寿命に達したと判断することを特徴としている。 The first aspect of the present invention includes a rectifying circuit that rectifies an AC input power source to convert it to DC, a smoothing circuit that smoothes the rectified DC, and at least one semiconductor switching element, the smoothed DC In the semiconductor power conversion device, comprising: an inverter circuit that converts a current into an arbitrary frequency; a current detection circuit that detects an output current of the inverter circuit; and a life monitoring circuit that monitors a life of the semiconductor switching element. The monitoring circuit has a first lifetime characteristic that is a relationship between the output current of the semiconductor switching element and the number of power cycle lifetimes, and a second lifetime characteristic that is a relationship between the output current of the semiconductor switching element and the number of thermal cycle lifetimes. A storage circuit stored in advance and a reference output of the semiconductor switching element based on the first and second life characteristics The number of power cycle lifetimes and the number of thermal cycle lifetimes during running are output as trip reference values, respectively, and the maximum output current is determined based on the maximum output current value detected by the current detection circuit and the first and second lifetime characteristics. A semiconductor switch history calculation circuit that converts and outputs the number of repetitions of the value to the number of repetitions at the reference output current, and a first counter that counts the converted number of repetitions, respectively, The life monitoring circuit is characterized by determining that the semiconductor switching element has reached the life when the count value of the first counter reaches one of the trip reference values.
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置において、前記寿命監視回路は、前記半導体スイッチング素子が寿命に達したと判断した際に前記半導体電力変換装置の運転を停止させるトリップ信号を出力することを特徴としている。
Moreover, in the semiconductor power conversion device having the life monitoring circuit for the semiconductor switching element according to
また、請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置において、前記半導体スイッチ履歴演算回路は、前記半導体電力変換装置に運転指令が入力されている累積時間を計測して累積稼働時間として前記記憶回路に記憶し、前記累積稼働時間、前記第1のカウンタの計数値、前記トリップ用基準値に基づいて前記半導体スイッチング素子の前記パワーサイクル寿命および前記サーマルサイクル寿命に達するまでの時間をそれぞれ予測して保守時間として出力することを特徴としている。 According to a third aspect of the present invention, in the semiconductor power conversion device having the life monitoring circuit of the semiconductor switching element according to the first aspect, the semiconductor switch history calculation circuit inputs an operation command to the semiconductor power conversion device. The accumulated accumulated time is measured and stored in the storage circuit as accumulated operating time, and the power cycle of the semiconductor switching element is based on the accumulated operating time, the count value of the first counter, and the trip reference value. The service life and the time to reach the thermal cycle life are predicted and output as maintenance time.
また、請求項4に記載の発明は、請求項1に記載の半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置において、前記半導体スイッチ履歴演算回路は、前記記憶回路に記憶している前記第1、第2の寿命特性に基づいて前記半導体スイッチング素子の基準出力電流時におけるパワーサイクル寿命回数およびサーマルサイクル寿命回数の警報値を警報用基準値としてそれぞれ出力し、前記寿命監視回路は、前記換算された繰り返しの回数を計数しこの計数値が前記いずれかの警報用基準値を越えると警報信号を出力する第2のカウンタを備えたことを特徴としている。 According to a fourth aspect of the present invention, in the semiconductor power converter having the life monitoring circuit for the semiconductor switching element according to the first aspect, the semiconductor switch history calculation circuit is stored in the storage circuit. 1. Based on the second life characteristics, the alarm values of the power cycle life frequency and the thermal cycle life frequency at the reference output current of the semiconductor switching element are output as alarm reference values, respectively, and the life monitoring circuit A second counter is provided that counts the number of repeated times and outputs a warning signal when the counted value exceeds any one of the warning reference values.
また、請求項5に記載の発明は、請求項1または4に記載の半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置において、前記半導体スイッチング素子は、IGBTチップとフライホイールダイオードチップを有し、前記第1の寿命特性および前記第2の寿命特性は、いずれも前記IGBTチップと前記フライホイールダイオードチップの特性をそれぞれ含むことを特徴としている。 According to a fifth aspect of the present invention, in the semiconductor power converter having the semiconductor switching element life monitoring circuit according to the first or fourth aspect, the semiconductor switching element includes an IGBT chip and a flywheel diode chip. The first lifetime characteristic and the second lifetime characteristic both include the characteristics of the IGBT chip and the flywheel diode chip, respectively.
また、請求項6に記載の発明は、請求項4に記載の半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置において、前記半導体スイッチ履歴演算回路は、前記半導体電力変換装置に運転指令が入力されている累積時間を計測して累積稼働時間として前記記憶回路に記憶し、前記累積稼働時間、前記第2のカウンタの計数値、前記警報用基準値に基づいて前記半導体スイッチング素子が前記パワーサイクル寿命および前記サーマルサイクル寿命の警報値に達するまでの時間をそれぞれ予測して保守時間として出力することを特徴としている。 According to a sixth aspect of the present invention, in the semiconductor power conversion device having the life monitoring circuit for the semiconductor switching element according to the fourth aspect, the semiconductor switch history calculation circuit inputs an operation command to the semiconductor power conversion device. The accumulated switching time is measured and stored as the accumulated operating time in the storage circuit, and the semiconductor switching element is connected to the power cycle based on the accumulated operating time, the count value of the second counter, and the alarm reference value. The service life and the time until reaching the alarm value of the thermal cycle life are predicted and output as maintenance time.
また、請求項7に記載の発明は、請求項3または6に記載の半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置において、前記寿命監視回路は、前記保守時間を表示する表示部を備えたことを特徴としている。 According to a seventh aspect of the present invention, in the semiconductor power conversion device having the life monitoring circuit for the semiconductor switching element according to the third or sixth aspect, the life monitoring circuit includes a display unit for displaying the maintenance time. It is characterized by that.
請求項1に記載の発明によると、半導体スイッチング素子のチップ直下のはんだ部の緩やかな温度リップルによる熱応力に起因するサーマルサイクル寿命とチップのボンディング部の瞬間的な温度リップルによる熱応力に起因するパワーサイクル寿命とを予測することができ、信頼性の高い半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置を得ることができる。 According to the first aspect of the present invention, the thermal cycle life caused by the gentle temperature ripple of the solder portion immediately below the chip of the semiconductor switching element and the thermal stress caused by the instantaneous temperature ripple of the bonding portion of the chip are caused. A power cycle life can be predicted, and a semiconductor power conversion device having a highly reliable semiconductor switching element life monitoring circuit can be obtained.
また、請求項2に記載の発明によると、トリップ信号を利用することにより半導体スイッチング素子の破壊前に同素子を用いている半導体電力変換装置の運転を停止して新品と交換することができ、信頼性の高い半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置を得ることができる。
Further, according to the invention of
また、請求項3に記載の発明によると、サーマルサイクル寿命およびパワーサイクル寿命によるトリップまでの時間が判るので、寿命に達するまでの時間を利用することにより、事前に同素子を新品に交換すべき保守の時期の計画を立案することが出来、信頼性の高い半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置を得ることができる。 Further, according to the invention described in claim 3, since the time until the trip due to the thermal cycle life and the power cycle life is known, the same element should be replaced with a new one in advance by using the time until the lifetime is reached. A plan for a maintenance period can be made, and a semiconductor power conversion device having a highly reliable semiconductor switching element lifetime monitoring circuit can be obtained.
また、請求項4に記載の発明によると、警報信号を利用することにより、半導体スイッチング素子の破壊前に同素子を新品に交換すべき保守の時期と判断したり、同素子を用いている装置の運転を停止して同素子の破壊を防止したりすることが可能となり、より信頼性の高い半導体電力変換装置を得ることができる。
According to the invention described in
また、請求項5に記載の発明によると、各々IGBTチップ、FWDチップごとに半導体スイッチング素子のチップ直下のはんだ部の緩やかな温度リップルによる熱応力に起因するサーマルサイクル寿命とチップのボンディング部の瞬間的な温度リップルによる熱応力に起因するパワーサイクル寿命とを予測することができ、信頼性の高い半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置を得ることができる。 According to the invention described in claim 5, the thermal cycle life and the moment of bonding of the chip due to the thermal stress caused by the gradual temperature ripple of the solder part immediately below the chip of the semiconductor switching element for each IGBT chip and FWD chip. Therefore, it is possible to predict a power cycle life caused by thermal stress due to a typical temperature ripple, and to obtain a semiconductor power conversion device having a highly reliable semiconductor switching element life monitoring circuit.
また、請求項6に記載の発明によると、サーマルサイクル寿命およびパワーサイクル寿命の警報に達するまでの時間が判るので、警報に達するまでの時間を利用することにより、事前に同素子を新品に交換すべき保守の時期の計画を立案することが出来、より信頼性の高い半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置を得ることができる。 Further, according to the invention described in claim 6, since the time until the alarm of the thermal cycle life and the power cycle life is reached is known, the same element is replaced with a new one in advance by using the time until the alarm is reached. A plan for the time of maintenance to be performed can be made, and a semiconductor power conversion device having a semiconductor switching element life monitoring circuit with higher reliability can be obtained.
また、請求項7に記載の発明によると、表示部によりサーマルサイクル寿命およびパワーサイクル寿命に達するまでの時間が簡単に判るので、寿命に達するまでの時間を利用することにより、事前に同素子を新品に交換すべき保守の時期の計画を立案することが出来、信頼性の高い半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置を得ることができる。
Further, according to the invention described in
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明を示す半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置の構成図である。 FIG. 1 is a configuration diagram of a semiconductor power conversion device having a life monitoring circuit for a semiconductor switching element according to the present invention.
図1において、1は交流入力電源、2は半導体電力変換装置、3は交流入力電源を整流して直流に変換する整流回路、4は整流された直流を平滑する平滑回路、5は半導体スイッチング素子の少なくとも一つを配置し、直流を任意の周波数に変換するインバータ回路、6はIGBTチップとFWDチップからなる半導体スイッチング素子、7はモータ、8は回転速度指令値、9は運転指令器としてのスイッチ、9aは運転指令、10は制御回路、11はドライブ回路、12はインバータ制御回路、12a、12bはリセット信号、13、14はカウンタ、13aは警報信号、14aはトリップ信号、16は記憶回路であるメモリ、17、18は係数設定用入力回路、20は寿命監視回路、29はIGBTチップ、30はFWDチップ、31は出力電流を検出する電流検出回路、32は半導体スイッチ履歴演算回路、33は保守時間である。また、K1、K2は係数であり、PCはパワーサイクル、TCはサーマルサイクルの略称である。 In FIG. 1, 1 is an AC input power source, 2 is a semiconductor power converter, 3 is a rectifier circuit that rectifies and converts the AC input power source into DC, 4 is a smoothing circuit that smoothes the rectified DC, and 5 is a semiconductor switching element. Inverter circuit for converting DC to any frequency, 6 is a semiconductor switching element comprising IGBT chip and FWD chip, 7 is a motor, 8 is a rotational speed command value, 9 is an operation command device Switch, 9a is an operation command, 10 is a control circuit, 11 is a drive circuit, 12 is an inverter control circuit, 12a and 12b are reset signals, 13 and 14 are counters, 13a is an alarm signal, 14a is a trip signal, 16 is a memory circuit , 17 and 18 are coefficient setting input circuits, 20 is a life monitoring circuit, 29 is an IGBT chip, 30 is an FWD chip, and 31 is Current detecting circuit for detecting a force current, 32 denotes a semiconductor switching history calculation circuit, 33 is the maintenance time. K 1 and K 2 are coefficients, PC is an abbreviation for power cycle, and TC is an abbreviation for thermal cycle.
本発明が従来技術と異なる点は、本発明の半導体電力変換装置2における寿命監視回路20は、半導体スイッチング素子6の出力電流とパワーサイクル寿命回数との関係である第1の寿命特性および半導体スイッチング素子6の出力電流とサーマルサイクル寿命回数との関係である第2の寿命特性を予め格納した記憶回路16と、第1、第2の寿命特性に基づいて半導体スイッチング素子6の基準出力電流時におけるパワーサイクル寿命回数およびサーマルサイクル寿命回数をトリップ用基準値としてそれぞれ出力し、電流検出回路31で検出した出力電流最大値と第1、第2の寿命特性に基づいて出力電流最大値の繰り返しの回数を基準出力電流時における繰り返しの回数にそれぞれ換算して出力する半導体スイッチ履歴演算回路32と、換算された繰り返しの回数をそれぞれ計数する第1のカウンタ14と、を備え、寿命監視回路20は、第1のカウンタ14による計数値がいずれかのトリップ用基準値に達したことをもって半導体スイッチング素子6が寿命に達したと判断するようにしている点である。
The present invention is different from the prior art in that the
以下、図1を用いて、本実施例の半導体スイッチング素子の寿命監視回路20を有する半導体電力変換装置の全体構成およびその動作を説明する。
Hereinafter, the overall configuration and operation of the semiconductor power conversion apparatus having the
交流入力電源1から、例えば商用三相交流を入力して整流回路3と平滑回路4とにより直流電力に変換し、直流電力をインバータ回路5内のIGBTチップ29のスイッチングにより、例えば三相の所定周波数の交流に変換し、モータ7に与える。その結果、モータ7はインバータ回路5から与えられる交流電力の周波数に応じた回転速度で駆動される。
For example, commercial three-phase alternating current is input from the AC
制御回路10は、ドライブ回路11とインバータ制御回路12から構成される。インバータ制御回路12には、回転速度指令値8と、運転指令器としてのスイッチ9を通して運転指令9aが入力されるだけでなく、後述する寿命監視回路20のカウンタ13から警報信号13aが入力され、寿命監視回路20のカウンタ14からトリップ信号14aが入力される。また、インバータ制御回路12からは寿命監視回路20のカウンタ13、14に対し、後述する如く制御信号としてリセット信号12a、12bが出力される。
The control circuit 10 includes a
制御回路10の動作として、スイッチ9がオンの間は、電流検出回路31で検出した電流値から回転速度指令値8に応じた周波数の交流電力をインバータ回路5が生成するに必要な各半導体スイッチング素子6のオン/オフを行なわせるためのタイミング制御信号を、回転速度指令値8に応じてインバータ制御回路12が生成し、このタイミング制御信号を半導体スイッチング素子6がオン/オフするのに必要なレベルまでドライブ回路11が増幅して、半導体スイッチング素子6をオン/オフさせる。即ち、スイッチ9がオンの間、半導体電力変換装置2が運転状態になり、モータ7が回転する。但し、スイッチ9がオンの間でも、トリップ信号14aを入力した場合には、インバータ制御回路12は全ての半導体スイッチ素子6をオフにさせる制御信号を生成し、半導体電力変換装置2を強制的に停止させる。また、警報信号13aを入力した場合には、インバータ制御回路12は、図示しない警報器を作動させ、半導体スイッチング素子6を保守すべき時期が来たことを係員に知らせて、新品との交換を促す。半導体スイッチング素子6を新品と交換した場合は、図示しないリセットスイッチ等により係員が入力することにより、インバータ制御回路12から寿命監視回路20に対してリセット信号12a、12bを出力する。
As the operation of the control circuit 10, while the switch 9 is on, each semiconductor switching required for the inverter circuit 5 to generate AC power having a frequency corresponding to the rotational speed command value 8 from the current value detected by the current detection circuit 31. A timing control signal for turning on / off the element 6 is generated by the
スイッチ9がオフの間は、インバータ制御回路12は、インバータ回路5内の全ての半導体スイッチング素子6をオフにさせる制御信号を生成する。即ち、スイッチ9がオフの時、半導体電力変換装置2が停止状態になり、モータ7が停止する。
While the switch 9 is off, the
図2は、本実施例におけるメモリ16に格納されている寿命特性の例であり、(a)はサーマルサイクル寿命特性、(b)はパワーサイクル寿命特性の例であり、いずれも縦軸は寿命回数、横軸は半導体スイッチング素子6の出力電流である。 2A and 2B are examples of life characteristics stored in the memory 16 in this embodiment. FIG. 2A is an example of thermal cycle life characteristics, and FIG. 2B is an example of power cycle life characteristics. The number of times and the horizontal axis represent the output current of the semiconductor switching element 6.
以下、図1、2を用いて、本実施例の半導体電力変換装置における半導体スイッチング素子の寿命監視回路20の詳細構成およびその動作を説明する。
Hereinafter, the detailed configuration and operation of the
寿命監視回路20は、メモリ16と、電流検出回路31から検出したモータ7の起動停止時などに流れる出力電流最大値の繰り返しの回数を半導体スイッチング素子6の基準出力電流時の寿命回数に換算してこれを積算して通電の履歴を演算する半導体スイッチ履歴演算回路32と、カウンタ13及びカウンタ14から構成される。
The
メモリ16には、電力変換装置2に用いられているパワースイッチング素子6のIGBTチップ29、FWDチップ30ごとの、サーマルサイクル寿命特性とパワーサイクル寿命特性、すなわち図2に示すような出力電流と寿命回数との相関関係が予めテーブルの形で格納されている。
In the memory 16, thermal cycle life characteristics and power cycle life characteristics for each of the IGBT chip 29 and the FWD chip 30 of the power switching element 6 used in the
半導体スイッチ履歴演算回路32は、電流検出回路31から検出した出力電流最大値が繰り返し入力された回数をメモリ16に記憶している半導体スイッチング素子のサーマルサイクル寿命特性およびパワーサイクル寿命特性に基づいて半導体スイッチング素子の基準出力電流時における繰り返しの回数にそれぞれ換算してカウンタ13およびカウンタ14に与える。更に、半導体スイッチ履歴演算回路32は、係数設定用入力回路17により係数K1 (0<K1 <1)が設定されると、記憶回路16に予め格納されたIGBTチップ29、FWDチップ30のパワーサイクル寿命特性およびサーマルサイクル寿命特性に基づいて半導体スイッチング素子の基準出力電流時におけるIGBTチップ29とFWDチップ30各々のパワーサイクル寿命回数およびサーマルサイクル寿命回数を求め、それぞれの寿命回数に係数K1 を乗じ、その値を警報用基準値としてそれぞれカウンタ13に与える。同様に、係数設定用入力回路18により係数K2 (K1<K2 <1)が設定されると、各々の寿命回数に係数K2 を乗じ、その値をトリップ用基準値としてそれぞれカウンタ14に与える。
The semiconductor switch
カウンタ13は、カウントアップ形のものであり、半導体スイッチ履歴演算回路32から与えられたIGBTチップ29、FWDチップ30のパワーサイクル寿命およびサーマルサイクル寿命のそれぞれの警報用基準値を設定値とし、電流検出回路31から検出した出力電流最大値が繰り返し入力された回数、すなわちIGBTチップ29、FWDチップ30の基準出力電流時に換算されたパワーサイクル回数およびサーマルサイクル回数をそれぞれカウントし、カウント値が増大していずれかの警報用基準値を越えた時に、警報信号13aをインバータ制御回路12及び外部に出力する。なお、カウンタ13は、インバータ制御回路12からリセット信号12aを入力すると、警報信号13aの出力を停止し、同時にカウント値をゼロに戻す。
The
カウンタ14は、カウンタ13と同じくカウントアップ形のものであり、半導体スイッチ履歴演算回路32から与えられたIGBTチップ29、FWDチップ30のパワーサイクル寿命およびサーマルサイクル寿命のそれぞれのトリップ用基準値を設定値とし、電流検出回路31から検出した出力電流最大値が繰り返し入力された回数、すなわちIGBTチップ29、FWDチップ30の基準出力電流時に換算されたパワーサイクル回数およびサーマルサイクル回数をそれぞれカウントし、カウント値が増大していずれかのトリップ用基準値を越えた時に、トリップ信号14aをインバータ制御回路12及び外部に出力する。なお、カウンタ14は、インバータ制御回路12からリセット信号12bを入力すると、トリップ信号14aの出力を停止し、同時にカウント値をゼロに戻す。
The
また、半導体スイッチ履歴演算回路32は、メモリ16に記憶している累積稼働時間をカウンタ13の計数値でそれぞれ割算した値を、警報用基準値からカウンタ13の計数値を差し引いた警報までの残回数に掛け算することによりIGBTチップ29、FWDチップ30のパワーサイクル寿命およびサーマルサイクル寿命の警報に達するまでの保守時間33をそれぞれ予測して、図示しない表示器により、半導体スイッチング素子6を保守すべき時期が来たことを係員に知らせて、新品との交換を促す。さらに、メモリ16に記憶している累積稼働時間をカウンタ14の計数値で割算した値を、IGBTチップ29、FWDチップ30それぞれについてトリップ用基準値からカウンタ14の計数値を差し引いたトリップまでの残寿命回数に掛け算することによりIGBTチップ29、FWDチップ30のパワーサイクル寿命およびサーマルサイクル寿命によるトリップ信号が発生するまでの保守時間33をそれぞれ予測して、図示しない表示器により、半導体スイッチング素子6を保守すべき時期が来たことを係員に知らせて、新品との交換を促す。
Further, the semiconductor switch
以上述べたように、本実施例に係わる半導体スイッチング素子6の寿命監視回路20を有する半導体電力変換装置2は、IGBTチップ29とFWDチップ30それぞれのサーマルサイクル寿命特性およびパワーサイクル寿命特性を予め格納した記憶回路16を備え、電流検出回路31で検出した出力電流最大値の繰り返しの回数を計数し、その計数値が記憶回路16に格納されたサーマルサイクル寿命特性およびパワーサイクル寿命特性から求めた寿命回数であるトリップ用基準値を越えたことに基づいて半導体スイッチング素子6が寿命に達したと判断するようにしているので、IGBTチップ29のボンディング部の瞬間的な温度リップルによる熱応力に起因するパワーサイクル寿命も予測することができ、FWDチップ30のはんだ部のサーマルサイクル寿命およびボンディング部のパワーサイクル寿命も予測することができる。さらに、モータ7の起動停止時などに半導体スイッチング素子6に流れる出力電流最大値を電流検出回路31で測定し、記憶しているパワーサイクル寿命特性およびサーマルサイクル寿命特性に基づいて半導体スイッチング素子6の基準出力電流時における繰り返しの回数に換算して寿命を予測するようにしているため正確な寿命監視ができるのである。
As described above, the semiconductor
本発明は、洗濯機、エレベータ、クレーン、工作機械など繰り返し運転を行なう用途に用いられる半導体電力変換装置に適用でき、特に、信頼性を要求される用途におけるサーボドライバ、インバータ装置などの半導体電力変換装置に好適である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be applied to a semiconductor power conversion device used for applications such as washing machines, elevators, cranes, and machine tools that perform repeated operations, and in particular, semiconductor power conversion for servo drivers, inverter devices, etc. in applications that require reliability. Suitable for the device.
1 交流入力電源
2 半導体電力変換装置
3 整流回路
4 平滑回路
5 インバータ回路
6 半導体スイッチング素子
7 モータ
8 回転速度指令値
9 運転指令器(スイッチ)
9a 運転指令
10 制御回路
11 ドライブ回路
12 インバータ制御回路
12a、12b リセット信号
13、14、25 カウンタ
13a 警報信号
14a トリップ信号
15 基準値演算回路
16 メモリ(記憶回路)
17、18 係数設定用入力回路
19 ジャンクション温度差設定用入力回路
20 寿命監視回路
21 温度検出回路
22 A/D変換器
23 時間計測部
24 リップル温度検出部
26 累積被害率演算部
27 寿命算出部
28 制御装置
29 IGBTチップ
30 FWDチップ
31 電流検出回路
32 半導体スイッチ履歴演算回路
33 保守時間
DESCRIPTION OF
9a Operation command 10
17, 18 Coefficient setting input circuit 19 Junction temperature difference setting
Claims (7)
前記整流された直流を平滑する平滑回路(4)と、
少なくとも一つの半導体スイッチング素子(6)を具備し前記平滑された直流を任意の周波数に変換するインバータ回路(5)と、
前記インバータ回路(5)の出力電流を検出する電流検出回路(31)と、
前記半導体スイッチング素子(6)の寿命を監視する寿命監視回路(20)と、
を備えた半導体電力変換装置(2)において、
前記寿命監視回路(20)は、
前記半導体スイッチング素子(6)の出力電流とパワーサイクル寿命回数との関係である第1の寿命特性および前記半導体スイッチング素子(6)の出力電流とサーマルサイクル寿命回数との関係である第2の寿命特性を予め格納した記憶回路(16)と、
前記第1、第2の寿命特性に基づいて前記半導体スイッチング素子(6)の基準出力電流時におけるパワーサイクル寿命回数およびサーマルサイクル寿命回数をトリップ用基準値としてそれぞれ出力し、前記電流検出回路(31)で検出した出力電流最大値と前記第1、第2の寿命特性に基づいて前記出力電流最大値の繰り返しの回数を前記基準出力電流時における繰り返しの回数にそれぞれ換算して出力する半導体スイッチ履歴演算回路(32)と、
前記換算された繰り返しの回数をそれぞれ計数する第1のカウンタ(14)と、を備え、
前記寿命監視回路(20)は、前記第1のカウンタ(14)による計数値が前記いずれかのトリップ用基準値に達したことをもって前記半導体スイッチング素子(6)が寿命に達したと判断することを特徴とする半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置。 A rectifier circuit (3) for rectifying the AC input power supply (1) and converting it to DC;
A smoothing circuit (4) for smoothing the rectified direct current;
An inverter circuit (5) comprising at least one semiconductor switching element (6) and converting the smoothed direct current into an arbitrary frequency;
A current detection circuit (31) for detecting an output current of the inverter circuit (5);
A life monitoring circuit (20) for monitoring the life of the semiconductor switching element (6);
In the semiconductor power conversion device (2) provided with
The life monitoring circuit (20)
A first lifetime characteristic that is a relationship between the output current of the semiconductor switching element (6) and the number of power cycle lifetimes, and a second lifetime that is a relationship between the output current of the semiconductor switching element (6) and the number of thermal cycle lifetimes. A storage circuit (16) pre-stored with characteristics;
Based on the first and second lifetime characteristics, the number of power cycle lifetimes and the number of thermal cycle lifetimes at the time of the reference output current of the semiconductor switching element (6) are output as trip reference values, respectively, and the current detection circuit (31 Semiconductor switch history for converting the number of repetitions of the maximum output current value into the number of repetitions at the reference output current based on the maximum output current value detected in step (1) and the first and second life characteristics. An arithmetic circuit (32);
A first counter (14) for counting the converted number of repetitions, respectively.
The life monitoring circuit (20) determines that the semiconductor switching element (6) has reached the end of life when the count value of the first counter (14) reaches any of the trip reference values. A semiconductor power conversion device having a life monitoring circuit for a semiconductor switching element.
前記半導体スイッチング素子(6)が寿命に達したと判断した際に前記半導体電力変換装置(2)の運転を停止させるトリップ信号(14a)を出力することを特徴とする請求項1に記載の半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置。 The life monitoring circuit (20)
2. The semiconductor according to claim 1, wherein a trip signal (14 a) for stopping the operation of the semiconductor power conversion device (2) is output when it is determined that the semiconductor switching element (6) has reached the end of its life. A semiconductor power conversion device having a switching element lifetime monitoring circuit.
前記半導体電力変換装置(2)に運転指令(9a)が入力されている累積時間を計測して累積稼働時間として前記記憶回路(16)に記憶し、前記累積稼働時間、前記第1のカウンタ(14)の計数値、前記トリップ用基準値に基づいて前記半導体スイッチング素子(6)の前記パワーサイクル寿命および前記サーマルサイクル寿命に達するまでの時間をそれぞれ予測して保守時間として出力することを特徴とする請求項1に記載の半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置。 The semiconductor switch history calculation circuit (32)
The accumulated time during which the operation command (9a) is input to the semiconductor power conversion device (2) is measured and stored in the storage circuit (16) as the accumulated operating time, and the accumulated operating time, the first counter ( 14) predicting the time until the power cycle life and the thermal cycle life of the semiconductor switching element (6) are reached based on the count value of 14) and the trip reference value, and outputting the predicted time as a maintenance time. The semiconductor power converter device which has a lifetime monitoring circuit of the semiconductor switching element of Claim 1.
前記寿命監視回路(20)は、前記換算された繰り返しの回数を計数しこの計数値が前記いずれかの警報用基準値を越えると警報信号(13a)を出力する第2のカウンタ(13)を備えたことを特徴とする請求項1に記載の半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置。 The semiconductor switch history calculation circuit (32) has a power cycle life at a reference output current of the semiconductor switching element (6) based on the first and second life characteristics stored in the memory circuit (16). The alarm value of the number of times and the number of times of thermal cycle life is output as the alarm reference value.
The life monitoring circuit (20) counts the converted number of repetitions and outputs a second counter (13) that outputs an alarm signal (13a) when the counted value exceeds any one of the alarm reference values. The semiconductor power converter device which has the lifetime monitoring circuit of the semiconductor switching element of Claim 1 provided.
前記半導体電力変換装置(2)に運転指令(9a)が入力されている累積時間を計測して累積稼働時間として前記記憶回路(16)に記憶し、前記累積稼働時間、前記第2のカウンタ(13)の計数値、前記警報用基準値に基づいて前記半導体スイッチング素子(6)が前記パワーサイクル寿命および前記サーマルサイクル寿命の警報値に達するまでの時間をそれぞれ予測して保守時間として出力することを特徴とする請求項4に記載の半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置。 The semiconductor switch history calculation circuit (32)
The accumulated time during which the operation command (9a) is input to the semiconductor power conversion device (2) is measured and stored in the storage circuit (16) as the accumulated operation time, and the accumulated operation time, the second counter ( 13) Predicting the time until the semiconductor switching element (6) reaches the alarm value of the power cycle life and the thermal cycle life based on the count value of 13) and the reference value for alarm, and outputting as a maintenance time A semiconductor power conversion device comprising a semiconductor switching element life monitoring circuit according to claim 4.
前記保守時間を表示する表示部を備えたことを特徴とする請求項3または6に記載の半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置。 The life monitoring circuit (20)
7. The semiconductor power conversion apparatus having a semiconductor switching element life monitoring circuit according to claim 3, further comprising a display unit for displaying the maintenance time.
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