JP2016005289A - 劣化診断機能を有する電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 劣化の有無を検出するためには、ＩＧＢＴおよびＭＯＳＦＥＴを対象として温度に依存しない特性を用いて劣化診断する手段を検討する必要がある。【解決手段】 ゲート端子に入力される制御信号に応じて主電流が変化するスイッチング素子を含むスイッチング装置において、予め定められた基準電流と前記主電流が一致するときに前記スイッチング素子のゲート電圧を予め定められた診断電圧に切り替えるゲート電圧切替手段と、を有し、前記ゲート電圧切替手段が動作したときの主電流が前記基準電流と異なるとき、前記スイッチング素子のゲート端子にゲート停止の制御信号を入力する、またはアラームを出力する診断手段を有することを特徴とするスイッチング装置。【選択図】 図２

Description

本発明は劣化診断機能を有する電力変換装置に関する。

近年、電力変換装置ではスイッチング損失を低減するため、電圧駆動型スイッチング素子であるＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が適用されている。

これらのスイッチング素子は長期的に使用されることで経年劣化し、オン抵抗やオン電圧などの特性の劣化が報告されている。劣化が進行すると短絡や開放故障による電力変換装置の破壊原因となる。電力変換装置の破壊を未然に防ぐためにスイッチング素子の劣化を検出する技術が注目されている。

スイッチング素子のオン抵抗やオン電圧には温度依存性が存在するため、劣化を検出するためにはオン抵抗やオン電圧を検出するとともに、スイッチング素子のジャンクション温度を高精度に検出し、劣化を診断する必要がある。しかし、ジャンクション温度はスイッチング素子の状態に応じて時々刻々と変化し、温度の正確な検出は困難であるため、温度センサを用いずにスイッチング素子の劣化を診断する技術が求められている。

本技術分野の背景技術として特開２００９−１５９６７１号公報（特許文献１）がある。この公報には、「故障検出装置は電力用素子としてのＩＧＢＴの主電極間の電圧をダイオードを介して検出する。そして、故障検出装置はダイオードのアノード電圧が予め定める基準電圧より低電圧であるとき、ＩＧＢＴは短絡故障であると判定する。好ましくは、ダイオードのアノード電圧が予め定める基準電圧より高電圧であることを併せて判定すれば、フライホイールダイオードがオン状態である正常動作の場合を除外できる。」と記載されている（要約参照）。

また、他の背景技術として特開２０１０−２２０４７０号公報（特許文献２）がある。この公報には「故障診断装置はカソードがＩＧＢＴのコレクタに接続される整流素子と、一端が整流素子のアノードに接続され、他端にエミッタに対して正の電圧が印加される抵抗素子とＩＧＢＴの劣化を判定するための劣化判定部とを備える。劣化判定部は主電流の大きさが予め定める基準電流と一致するときに検出された、整流素子のアノードとＩＧＢＴのエミッタとの間の監視電圧が、基準電圧を超えるか否かを判定する。基準電流は主電流の大きさが第１の領域と第２の領域との境界である大きさに設定される。第１の領域はコレクタ・エミッタ間の電圧が負の温度依存性を有する領域であり、第２の領域はコレクタ・エミッタ間の電圧が正の温度依存性を有する領域である。」と記載されている（要約参照）。

特開２００９−１５９６７１ 特開２０１０−２２０４７０

上記の２つの先行技術文献はＩＧＢＴのコレクタ・エミッタ間電圧の主電流依存性において、温度特性のないクロスポイントを使用して故障もしくは劣化を診断する装置である。しかし、ＭＯＳＦＥＴのドレイン・ソース間電圧の主電流依存性にはクロスポイントが存在しないため、先行技術文献に記載の技術では、スイッチング素子のジャンクション温度を正確に検出しなければＭＯＳＦＥＴの劣化を診断できないという課題があった。

前記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、ゲート端子に入力される制御信号に応じて主電流が変化するスイッチング素子を含むスイッチング装置において、予め定められた基準電流と前記主電流が一致するときに前記スイッチング素子のゲート電圧を予め定められた診断電圧に切り替えるゲート電圧切替手段と、を有し、前記ゲート電圧切替手段が動作したときの主電流が前記基準電流と異なるとき、前記スイッチング素子のゲート端子にゲート停止の制御信号を入力する、またはアラームを出力する診断手段を有することを特徴とするスイッチング装置である。

本発明によれば、スイッチング素子のジャンクション温度によらずスイッチング素子の劣化の有無を検出することができる。

本発明の劣化診断手段で使用するＭＯＳＦＥＴ及びＩＧＢＴの特性を示すグラフである。 本発明の実施例１による劣化診断手段の処理を示すフローチャートである。 本発明の実施例１を適用した場合のゲート電圧等を示す図である。 本発明の劣化診断手段を適用した電力変換装置の回路図である。 本発明の劣化診断手段を適用した電力変換装置の回路図である。 本発明の実施例１で使用される劣化診断手段を実現する回路構成である。 本発明の実施例２の劣化診断手段で使用するＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴの特性を示すグラフである。 本発明の実施例２を実現する電力変換装置の回路図である。

以下、図面を用いて実施例を説明する。なお、図面及び実施例ではスイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴを取り上げるが、本発明はＩＧＢＴなどの電圧駆動型のスイッチング素子にも適用可能である。

実施例１ではＭＯＳＦＥＴの特性が劣化したことを検出する劣化診断手段について説明する。
（劣化診断で使用するＭＯＳＦＥＴの特性）
図１は、実施例１においてＭＯＳＦＥＴの劣化を診断するときに使用するＭＯＳＦＥＴの特性である。ＩＧＢＴの特性も図１と同様となる。横軸はＭＯＳＦＥＴのゲート端子に入力されるゲート電圧、縦軸はＭＯＳＦＥＴのドレイン電極およびソース電極に流れる主電流である。実線と破線はそれぞれスイッチング素子の温度が２５℃、１２５℃である場合のゲート電圧に対する飽和電流の特性を示している。

ＭＯＳＦＥＴはゲート端子にゲート電圧を印加することでオン・オフ状態を切り替える。このゲート電圧がＭＯＳＦＥＴのしきい値電圧Ｖｔｈ以上であればオン状態となりゲート電圧に対応した飽和電流がソース・ドレイン間を流れる。一方、ゲート電圧がＭＯＳＦＥＴのしきい値電圧未満であればオフ状態となる。ここで、しきい値電圧Ｖｔｈは温度によって変動し、一般的に２５℃に比べて１２５℃の方がしきい値電圧が低い値となる。例えば、２５℃では３．２Ｖに対して、１２５℃では２．５Ｖとなる。

ここで、図１に示す通り、異なる温度に対するＭＯＳＦＥＴのゲート電圧の飽和電流依存性には温度に依存しないクロスポイント１０２が存在する。このクロスポイント１０２よりもゲート電圧が低い領域では、ゲート電圧が一定であっても温度の増加につれて飽和電流が増加する。すなわち、この領域では飽和電流は正の温度依存性を有する。一方、クロスポイント１０２よりもゲート電圧が高い領域では、温度の増加につれて飽和電流が低下する。すなわち飽和電流は負の温度依存性を有する。

２つの領域の境界であるクロスポイント１０２におけるゲート電圧および飽和電流をそれぞれ劣化診断電圧１０３、基準電流１０１と設定する。クロスポイント１０２ではＭＯＳＦＥＴは温度による飽和電流の変化が無いため、クロスポイント１０２におけるゲート電圧と飽和電流の特性を検出することで、温度センサを必要としない劣化診断が可能となる。

本実施例では、ＭＯＳＦＥＴの導通損失を低減するため、通常時にオン状態とする場合、しきい値電圧Ｖｔｈよりも十分高い電圧をゲート電圧として印加する。この通常時のオン動作するゲート電圧を動作ゲート電圧１０５とする。一般的に劣化診断電圧１０３は動作ゲート電圧１０５より低い値となる。例えば、動作ゲート電圧１０５は１８Ｖに対して、劣化診断電圧１０３は９Ｖである。ただし、必ずしも劣化診断電圧１０３を動作ゲート電圧１０５より低い値とする必要はない。

クロスポイント１０２における基準電流１０１および劣化診断電圧１０３は個々のＭＯＳＦＥＴによって異なるが、一般的に基準電流１０１は電流定格の０．８倍程度であり、劣化診断電圧１０３はゲート電圧の耐圧以内である。すなわち、ＭＯＳＦＥＴをその定格以内で動作させていれば、劣化を診断することができる。 ＭＯＳＦＥＴが劣化している場合には、ＭＯＳＦＥＴのしきい値電圧Ｖｔｈやトランスコンダクタンス等の特性は、初期状態から変化する。そのため、素子の劣化により初期状態に比べて変化している場合に、クロスポイント１０２の劣化診断電圧１０３で動作させると、主電流は基準電流１０１と異なる電流値となる。例えば、基準電流１０１よりも低い主電流（動作ポイント１０４の飽和電流）が流れる。すなわち、劣化診断電圧１０３で動作させた場合の主電流を検出し、基準電流１０１と一致しているかどうかを確認することによって、スイッチング素子の温度に寄らず、スイッチング素子の劣化を診断することができる。
（劣化診断のフローチャート）
次に図２及び図３を用いて劣化診断手段１００のフローチャートを説明する。図２は、劣化診断のフローチャートを示している。

図２を参照して、ステップ１でＭＯＳＦＥＴのゲート端子にゲート信号および動作ゲート電圧１０５が入力され、ＭＯＳＦＥＴがオン状態となる。この動作を正常に完了するとステップ２に移行する。

ステップ２ではＭＯＳＦＥＴにゲート信号および動作ゲート電圧１０５が入力されている期間中にＭＯＳＦＥＴに流れる主電流を検出し、ステップ３に移行する。

ステップ３では図１に示すクロスポイント１０２で動作させるか否かを判定するため、ＭＯＳＦＥＴの主電流と基準電流１０１が一致するか否かを判定する。ここで、主電流と基準電流１０１が一致しなければステップ１に戻り、ＭＯＳＦＥＴには所定のゲート信号と動作ゲート電圧１０５が入力され続け、主電流と基準電流１０１が一致したときに初めてステップ４に移行する。

ステップ４ではゲート電圧切替手段の動作が開始することで、ＭＯＳＦＥＴのゲート端子には劣化診断電圧１０３が印加され、ステップ５に移行する。

ステップ５ではゲート電圧切替手段が動作している期間中のＭＯＳＦＥＴの飽和電流を検出し、ステップ６に移行する。

ステップ６ではＭＯＳＦＥＴの飽和電流と基準電流１０１を比較することでＭＯＳＦＥＴの劣化を診断する。前述のようにＭＯＳＦＥＴが劣化していなければ飽和電流は基準電流１０１と一致することになる。飽和電流と基準電流１０１とが一致する場合は、ステップ１へ戻る。

一方、ＭＯＳＦＥＴが劣化している場合には、劣化診断電圧１０３で動作時の飽和電流が基準電流とは異なる値となるため、主電流と基準電流１０１が異なり、初期状態のクロスポイント１０２ではなく動作ポイント１０４で動作する。このような場合にはステップ７へ移行する。劣化したＭＯＳＦＥＴを使用し続けると電力変換装置の破壊につながるため、ステップ７ではＭＯＳＦＥＴのゲート信号およびゲート電圧を速やかに停止する。または、ゲート信号停止の代わりに、劣化を知らせるアラームを出力しても良い。
図３は、上記したフローチャートに従って劣化診断を行った場合のゲート電圧、ドレイン電圧及び主電流の時間変化を示す図である。まず、ステップ１からステップ３の処理が繰り返されるｔ１からｔ５の期間について説明する。ゲート信号に基づいてオン信号が入力された場合は、動作ゲート電圧１０５（例えば、１８Ｖ）がゲートに印加され、オフ信号が入力された場合は低電圧（例えば、０Ｖ）がゲートに印加される。オン状態（ｔ１〜ｔ２、ｔ３〜ｔ４）の期間は、ドレイン電圧が０Ｖとなり、主電流が徐々に増加する。オフ状態（ｔ２〜ｔ３、ｔ４〜ｔ５）の期間は、ドレイン電圧が入力電圧（例えば、６００Ｖ）となり、主電流が０Ａとなる。

時刻ｔ１において、ステップ１でオンのゲート信号が入力されると、ステップ２で主電流Ｉｄが検出される。時刻ｔ１では電流がまだ立ち上がっていないため、ここでは主電流はゼロＡとなる。そのため、ステップ３で主電流（ゼロＡ）と基準電流１０１を比較しても両者は一致しないため、処理がステップ１に戻る。この処理は、主電流と基準電流が一致するまで繰り返される。

主電流が徐々に増加して、時刻ｔ６で主電流が基準電流の値まで増加すると、処理がステップ４に進み、ゲート電圧切替手段の動作が開始する。つまり、時刻ｔ６では、ゲート電圧を動作ゲート電圧１０５の１８Ｖから劣化診断電圧１０３は９Ｖまで減少させる。劣化診断電圧１０３は、クロスポイント１０２のゲート電圧と同じ値に設定されているため、スイッチング素子が劣化していない場合には、図３に示すように、スイッチング素子の温度に関わらず、クロスポイント１０２における飽和電流（基準電流）が主電流としてＭＯＳＦＥＴに流れる。もし、スイッチング素子が劣化している場合には、図１に示すように、動作ポイントが１０４に変化しているため、飽和電流が基準電流１０１よりも低い値となる。

そのため、図３で示す例では、ｔ６からｔ７の期間において、ステップ５で検出した主電流は基準電流と一致し、ステップ６で主電流と基準電流が一致することが確認できるため、処理がステップ１に戻る。一方、ステップ５で検出した主電流が基準電流と一致しない場合には、スイッチング素子が劣化していると判断できるため、処理がステップ７に進みゲート信号が停止される。

（劣化診断機能を有する電力変換装置）
図４は実施例１の劣化診断手段が適用されたモータ駆動用電力変換装置の回路図である。電力変換装置３は三相インバータを示しており、コンデンサ２とＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ６とＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ６を駆動するためのゲート信号およびゲート電圧を印加するゲート駆動回路６ａ〜６ｆとダイオードＤ１〜Ｄ６で構成される。直流電力１の安定化を目的として直流電力１には並列にコンデンサ２が接続されている。

ＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ６のうちＱ１とＱ２が直列接続されることでＵ相を形成し、Ｖ相はＱ３とＱ４、Ｗ相はＱ５とＱ６がそれぞれ直列に接続されることでＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相インバータを構築している。ここでは三相インバータを例としてあげるが、単相インバータやコンバータなどの電力用スイッチング素子を用いた電力変換装置であれば他の回路方式でも良い。

各相に直列接続された２つのＭＯＳＦＥＴの間の接続点からは電力線が引き出されており、モータ５に接続されている。モータ５はリアクトル５ａ〜５ｃを用いた等価回路で記述している。ここで、モータはスター結線で記載しているが、他の結線方法でもよい。また、電力変換装置３の出力はモータ５が接続されているが、商用電源等の系統でも良い。

電力変換装置３はＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ６のオン状態とオフ状態を切り替えることによって直流電力１を交流電力に変換して出力する。変換された交流電力はＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相それぞれに流れることでモータ５を駆動する。

ＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ６のオン状態とオフ状態の切り替えはそれぞれゲート駆動回路６ａ〜６ｆを用いて駆動される。直流電力１を交流電力へ変換するときには、ゲート信号として例えばパルス幅変調（ＰＷＭ：Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）が用いられる。ＰＷＭを用いることでモータ５へ流れる電流の周波数およびピーク値を制御することができる。

電力変換装置３を構成するＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ６には並列にダイオードＤ１〜Ｄ６が接続される。このダイオードＤ１〜Ｄ６はＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ６がオフしている状態においてモータ５に流れている電流を還流させるために接続されている。ダイオードＤ１〜Ｄ６はＭＯＳＦＥＴの構造上生成されるボディダイオードあるいは外付けダイオードのどちらでも良い。外付けの場合はＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ６のドレイン電極にダイオードＤ１〜Ｄ６のカソード、ＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ６のソース電極にダイオードＤ１〜Ｄ６のアノードを接続する。また、Ｑ１〜Ｑ６がＭＯＳＦＥＴではなくＩＧＢＴのときはダイオードＤ１〜Ｄ６を接続する必要がある。

本発明の中で劣化の有無を診断するためには、電力変換装置３の主電流を検出する必要がある。図４に示すように、電力変換装置３とモータ５を接続する電力線に電流センサ４ａ〜４ｃを挿入することで主電流を検出することが可能である。ここで、電流センサはモータ５のＵ相、Ｖ相、Ｗ相にそれぞれ１つずつ接続されていればよい。もしくは図５に示すようにＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ６のドレイン電極に電流センサ７ａ〜７ｆを挿入してもよい。また、電流センサではなく電流を検出できる手段であればよい。

（劣化診断手段の回路構成）
図６は図２の劣化診断手段１００のフローチャートを実現する回路構成の一例である。以下では例として図４のＭＯＳＦＥＴＱ１を対象とした劣化診断手段の動作を説明する。ＭＯＳＦＥＴＱ２〜Ｑ６も同様の回路構成で劣化診断することが可能である。

ＭＯＳＦＥＴＱ１にはゲート駆動回路２０３が接続されている。ゲート駆動回路２０３はゲート信号２０２に応じてＭＯＳＦＥＴＱ１のオン・オフ状態を切り替える。ここで、ゲート信号２０２がオン信号を出力したときはトランジスタ２０１ａが動作し、ゲート端子にはゲート電圧として動作ゲート電圧１０５の電圧が印加される。ＭＯＳＦＥＴＱ１をオンするにはＭＯＳＦＥＴＱ１のしきい値電圧以上のゲート電圧を印加する必要がある。例えばしきい値電圧が３．２Ｖであれば、動作ゲート電圧１０５は１８Ｖ程度である。

一方、ゲート信号２０２がオフ信号を出力したときはトランジスタ２０１ｂが動作し、ゲート端子にはゲート電圧として直流電源２１１の電圧が印加される。ＭＯＳＦＥＴＱ１をオフするにはＭＯＳＦＥＴＱ１のしきい値電圧未満のゲート電圧を印加する必要がある。これらの直流電源２１１、動作ゲート電圧１０５はＭＯＳＦＥＴＱ１の最大定格以内の値でなければならない。また、オン・オフ状態を切り替えるゲート信号は例えば上記のＰＷＭである。

以下ではゲート電圧切替手段２１３の動作を説明する。論理回路２０９は直流電源２１７から電力を供給されることで常に動作しており、ＭＯＳＦＥＴＱ１に流れる主電流２１０と基準電流１０１が一致するか否かを判定する。ここで、主電流２１０は電流センサ４ａを用いて測定され、モータへの電力線に電流センサ４ａを挿入しているが、ＭＯＳＦＥＴＱ１のドレイン電極またはＭＯＳＦＥＴのソース電極に挿入しても良い。

論理回路２０９の出力には半導体スイッチ２０８ａ、２０８ｂが接続されている。主電流２１０と基準電流１０１が一致しないときにはローレベルを出力することで半導体スイッチ２０８ａがオン状態となり、一致したときにはハイレベルを出力することで半導体スイッチ２０８ｂがオン状態となる。

論理回路２０９がローレベルを出力し、半導体スイッチ２０８ａがオンしているときＭＯＳＦＥＴＱ１に印加されるゲート電圧を説明する。ゲート信号２０２がオン信号を出力するとトランジスタ２０１ａがオンすることでゲート端子にはゲート電圧として動作ゲート電圧１０５が印加される。一方、ゲート信号２０２がオフ信号を出力するとトランジスタ２０１ｂがオンすることでゲート端子にはゲート電圧として直流電源２１１が印加される。すなわち、論理回路２０９がローレベルを出力したときは、ＭＯＳＦＥＴＱ１の劣化診断をしないため、動作ゲート電圧１０５が印加される。

次に論理回路２０９がハイレベルを出力し、半導体スイッチ２０８ｂがオンしているときＭＯＳＦＥＴＱ１に印加されるゲート電圧を説明する。ゲート信号２０２がオフ信号を出力したときにはトランジスタ２０１ｂがオン状態となり、ＭＯＳＦＥＴＱ１のゲート端子にはゲート電圧として直流電源２１１が印加される。一方、ゲート信号２０２がオン信号を出力したときは半導体スイッチ２０８ｂがオン状態となっているため、ＭＯＳＦＥＴＱ１のゲート端子にはゲート電圧として、ツェナーダイオード２０７を介して動作ゲート電圧１０５が印加されるため、動作ゲート電圧１０５からツェナー電圧分だけ低下した電圧がゲート端子に印加される。このツェナーダイオードのツェナー電圧を調整して、劣化診断電圧１０３を生成し、ＭＯＳＦＥＴＱ１のゲート端子に劣化診断電圧１０３が印加される。

例えば、動作ゲート電圧１０５を１８Ｖ、劣化診断電圧を９Ｖとするとツェナーダイオード２０７のツェナー電圧は９Ｖとなる。ここでツェナーダイオード２０７の電流定格を超過しないよう抵抗２０６で抑制し、コンデンサ２０５はツェナーダイオード２０７のノイズ除去および抵抗２０６の電圧を安定させるために追加している。ここで、ゲート電圧を切り替え手段としてツェナーダイオード２０７、抵抗２０６、コンデンサ２０５を用いたが、他の手段を用いても良い。

次に劣化診断部２１９の動作を説明する。前述の論理回路２０９からハイレベルが出力されると半導体スイッチ２１５がオン状態となり、直流電源２１６から論理回路２１７へ電力が供給されることで論理回路２１７の動作が開始する。すなわち、ＭＯＳＦＥＴＱ１の飽和電流と基準電流１０１が一致したときに論理回路２０９が動作し、ＭＯＳＦＥＴＱ１の劣化診断部２１９が動作を開始する。

この論理回路２１７はＭＯＳＦＥＴＱ１の飽和電流と基準電流１０１を比較することでＭＯＳＦＥＴＱ１の劣化を診断する。具体的には飽和電流と基準電流１０１が一致しているときはローレベルを出力し、ＭＯＳＦＥＴＱ１が劣化していないと判定する。一方、飽和電流と基準電流１０１が異なるときＭＯＳＦＥＴＱ１は初期状態から特性が変動している、すなわち劣化していると判定するため論理回路２１７はハイレベルを出力する。

劣化しているＭＯＳＦＥＴを使用し続けると劣化が進行し、短絡や開放故障が発生し、電力変換装置の破壊につながる。ＭＯＳＦＥＴＱ１が劣化していると判定し、論理回路２１７がハイレベルを出力したときは電力変換装置３の動作を速やかに停止する必要があるため、ゲート停止信号２１８を出力しＭＯＳＦＥＴＱ１のゲート信号２０２の出力を停止する。または、ゲートを停止する代わりに、ＭＯＳＦＥＴＱ１が劣化していることを知らせるアラームを出すようにしても良い。または、ゲート停止信号及びアラームの双方を出力するようにしても良い。

また、図４における電力変換装置のＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ６の何れか１つの劣化が明らかとなったとき、該当のＭＯＳＦＥＴだけでなくＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ６すべてのゲート停止信号を出力する。ＭＯＳＦＥＴＱ１のゲート信号２０２のみを停止しても他の相のＭＯＳＦＥＴが動作することで交流電力がモータへ供給され続けるため、これを防ぐためである。

図７は本発明の実施例２を実現するＭＯＳＦＥＴの特性である。本発明の劣化診断手段では、実施例１に記述の通り、ＭＯＳＦＥＴのドレイン電極若しくはソース電極に流れる電流のゲート電圧依存性を用いる。本発明はこの特性の中で、温度依存性の無いクロスポイントを用いて劣化診断することは実施例１と同様であるので説明を省略する。

ＭＯＳＦＥＴの特性には同じ型式の製品を用いても、製造上の理由によりその特性に若干の個体差が生じる。しきい値電圧に関して例を挙げるならば、代表値は３．２Ｖに対してその最大値は４．８Ｖである。この結果、図７に示すようにしきい値電圧が異なるＭＯＳＦＥＴ１とＭＯＳＦＥＴ２の特性を比較すると、主電流のゲート電圧依存性において温度依存性のないクロスポイントが異なる。これらの特性の個体差は予め特性を測定することで取得することができる。

ＭＯＳＦＥＴ１はクロスポイント１０２ａで動作させて劣化診断するため、主電流が基準電流１０１ａとなったときにゲート端子に劣化診断電圧１０３ａを印加する必要があり、ＭＯＳＦＥＴ２の劣化を診断するときにはクロスポイント１０２ｂで動作するために、主電流が基準電流１０１ｂとなったときにゲート端子に劣化診断電圧１０３ｂを印加する必要がある。すなわち、劣化診断手段が動作すべきクロスポイントが各々のＭＯＳＦＥＴによって異なる。

図８は特性の異なる６つのＭＯＳＦＥＴを用いて構成した電力変換装置の回路図である。この電力変換装置はＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ６を有し、それぞれゲート駆動回路６ａ〜６ｆによってオン・オフ状態が切り替えられる。ゲート駆動回路および劣化診断手段の構成は実施例１の図６と同様の構成であるため、説明を省略する。ここでは、各ＭＯＳＦＥＴが異なるクロスポイントで動作する方法のみを記述するため、ゲート駆動回路６ａ〜６ｆは論理回路３０１ａ〜３０１ｆの動作に着目する。

ＭＯＳＦＥＴＱ１において劣化診断を開始するのは主電流が基準電流１０１ａとなったときである。すなわち、ＭＯＳＦＥＴＱ１の論理回路３０１ａは主電流と基準電流１０１ａを比較し、劣化診断電圧１０３ａを出力する。劣化診断電圧１０３を出力した後の劣化診断部の動作は実施例１と同様であるため説明を省略する。一方、ＭＯＳＦＥＴＱ２の劣化診断時には、論理回路３１０ｂは主電流と基準電流１０１ｂを比較することで劣化診断電圧１０３ｂを出力する。

このように特性の異なる複数のＭＯＳＦＥＴを用いた電力変換装置では劣化診断のための基準電流および劣化診断用ゲート電圧を各々のＭＯＳＦＥＴが有するクロスポイントに設定することで、各々のＭＯＳＦＥＴの劣化を正確に検出できる。そのため、劣化が生じた場合にのみゲート信号の停止や劣化アラーム出力を行うことができ、電力変換装置の稼働率を向上さえることができる。

同様にＭＯＳＦＥＴＱ３〜Ｑ６に対しても予めクロスポイントを測定し、基準電流および劣化診断電圧を論理回路に入力することで、ＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ６の個体差の影響を排除して劣化のみを検出することが可能となる。

上述した各実施例におけるＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴを用いたスイッチング素子は、例えば、シリコン又はシリコンより大きいバンドギャップを有する半導体材料を母材として構成される。

Ｑ１〜Ｑ６ スイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ）
Ｄ１〜Ｄ６ ダイオード
１ 直流電力
２ コンデンサ
３ 電力変換装置
４ａ〜４ｃ 電流センサ
５ モータ
５ａ〜５ｃ リアクトル
６ａ〜６ｆ ゲート駆動回路
７ａ〜７ｆ 電流センサ
１００ 劣化診断手段
１０１ 基準電流
１０１ａ〜１０１ｆ ＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ６の基準電流
１０２ クロスポイント
１０２ａ、１０２ｂ ＭＯＳＦＥＴ１、ＭＯＳＦＥＴ２のクロスポイント
１０３ 劣化診断電圧
１０３ａ〜１０３ｂ ＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ６の劣化診断電圧
１０４ 劣化時の動作ポイント
２００ スイッチング装置
２０１ａ、２０１ｂ トランジスタ
２０２ ゲート信号（ＰＷＭ）
２０３ ゲート駆動回路
２０５ コンデンサ
２０６ 抵抗
２０７ ツェナーダイオード
２０８ａ、２０８ｂ 半導体スイッチ
２０９ 論理回路（第１の論理回路）
２１０ 主電流
２１１ 直流電源（第１の直流電源）
２１３ ゲート電圧切替装置
２１５ 半導体スイッチ
２１６ 直流電源（第３の直流電源）
２１７ 論理回路（第２の論理回路）
２１８ ゲート停止信号
２１９ 劣化診断部
３０１ａ〜３０１ｆ ＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ６の論理回路

Claims (10)

1. ゲート端子に入力される制御信号に応じて主電流が変化するスイッチング素子を含むスイッチング装置において、
   予め定められた基準電流と前記主電流が一致するときに前記スイッチング素子のゲート電圧を予め定められた診断電圧に切り替えるゲート電圧切替手段と、を有し、
   前記ゲート電圧切替手段が動作したときの主電流が前記基準電流と異なるとき、前記スイッチング素子のゲートを停止させる、またはアラームを出力する診断手段を有することを特徴とするスイッチング装置。
2. 請求項１に記載のスイッチング装置において、
   ゲート電圧に対する飽和電流がスイッチング素子の温度に依存しないクロスポイントにおけるゲート電圧を前記診断電圧とし、
   前記クロスポイントにおける飽和電流を前記基準電流とすることを特徴とするスイッチング装置。
3. 請求項１乃至請求項２の何れか一項に記載のスイッチング装置において、
   前記ゲート電圧切替手段は、前記基準電流と前記主電流が一致するか否かを判定する第１の論理回路と、第１のツェナーダイオードと第１の抵抗から構成され前記第１の論理回路が前記基準電流と前記主電流が一致すると判断した場合に第１の直流電源から前記診断電圧を生成する診断電圧生成回路と、を備えることを特徴とするスイッチング装置。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載のスイッチング装置において、
   前記診断手段は、前記基準電流と前記飽和電流が一致するか否かを判定する第２の論理回路と、前記ゲート電圧切替手段が動作したときの主電流が前記基準電流と異なるとき、前記スイッチング素子のゲート端子にゲート停止の制御信号を入力する、またはアラームを出力する装置と、を備えることを特徴とするスイッチング装置。
5. 請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載のスイッチング装置において、
   前記スイッチング素子は、シリコン又はシリコンより大きいバンドギャップを有する半導体材料を母材とすることを特徴とするスイッチング装置。
6. 請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載のスイッチング装置において、
   前記スイッチング素子は、ＭＯＳＦＥＴの電圧駆動型素子であることを特徴とするスイッチング装置。
7. 請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載のスイッチング装置において、前記ゲート電圧切替手段が動作したときの主電流が前記基準電流と異なるとき、前記スイッチング素子の前記ゲート端子に入力される前記制御信号を停止することを特徴とするスイッチング装置。
8. 請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載のスイッチング装置を複数用いて、直流電力を交流電力に変換して当該交流電力をモータへ供給する電力変換装置において、前記主電流は、前記電力変換装置とモータを接続する電力線に挿入された電流センサ、または、前記スイッチング素子のドレイン電極に挿入された電流センサにより計測されることを特徴とする電力変換装置。
9. 請求項１乃至請求項８の何れか一項に記載のスイッチング装置を複数用いた電力変換装置において、前記劣化診断手段が何れか一つのスイッチング素子の主電流が前記基準電流と異なるとき、前記複数のスイッチング素子の前記ゲート端子に入力される前記制御信号をすべて停止することを特徴とする電力変換装置。
10. 請求項１乃至請求項９の何れか一項に記載のスイッチング装置を複数用いた電力変換装置において、
    前記複数のスイッチング装置は、各々異なる前記基準電流と前記劣化診断電圧に基づいてゲート停止、またはアラームの出力の可否を判断することを特徴とする電力変換装置。