JP2017123704A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング素子に温度測定用の信号を印加することなく、通常のスイッチング動作をしながら、スイッチング素子の劣化状態の診断を行うことができる電力変換装置を提供する。
【解決手段】本発明の電力変換装置は、複数のスイッチング素子を含むブリッジ回路からなり、複数のスイッチング素子のスイッチング動作によって負荷を駆動するインバータ回路と、アナログ回路からなり、複数のスイッチング素子のスイッチング波形の波形特徴量を分析する波形特徴量分析部と、ディジタル回路からなり、波形特徴量分析部の分析結果に基づいて複数のスイッチング素子の劣化状態を診断する診断処理部と、を備えることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、電力変換装置に関し、特に、デバイスの劣化状態の診断が可能な電力変換装置に関する。

電力変換装置は、複数のスイッチング素子を含むインバータ回路を備えており、例えば、バッテリなどの直流電圧源から入力される直流電圧を交流電圧に変換して負荷に供給する。この電力変換装置において、インバータ回路を構成するスイッチング素子は、高温環境や温度変化により劣化・破壊が起こる。スイッチング素子は、シリコンなどの半導体材料および他の金属や、絶縁物からなる複合デバイスであり、素子間の熱膨張係数が異なることから熱応力による劣化を引き起こす場合や、半導体材料そのものが加熱によって劣化する場合がある。

このように温度環境とスイッチング素子の劣化との間には密接な関係がある。このことから、スイッチング素子の劣化状態を判断（診断）するために、スイッチング素子（ＩＧＢＴ、電流制御型素子）の温度を検出する手法が種々提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。

特許文献１には、「ＩＧＢＴのゲート−エミッタ端子間に高周波の交流電圧を印加し、この交流電圧によってＩＧＢＴのゲート端子に流れる電流に基づいて動作中のＩＧＢＴの静電容量を計測することができる。この静電容量は温度に対して相関関係を持っているため、静電容量を検出することによってＩＧＢＴの素子温度を計測することができる。」と記載されている。

特許文献２には、「電流制御型素子がオフしているときに、電流制御型素子がオンしない程度の微少な一定電流をベースに流し、ベース−エミッタ端子間ダイオードの順方向電圧の温度特性を利用して素子温度を検出するように構成したオンチップ温度検出装置。」と記載されている。

特開平５−５６５５３号公報 特開２００２−２８９８５６号公報

上記特許文献１，２に記載の従来技術はいずれも、スイッチング素子がオフしている期間に、スイッチング信号以外に温度測定用の信号をスイッチング素子に印加することによって温度測定を行う構成となっている。そのため、オフ期間が短いと、温度測定を行うことができない。例えば、出力が大きいときは、一般的に、スイッチング素子のオン期間が長く、オフ期間が短いために、大出力時の温度測定を行いたいにも拘わらず、オフ期間の短さから温度測定が困難になる。このように、特許文献１，２に記載の従来技術では、オフ期間が短いと、温度測定を行うことができないために、通常のスイッチング動作をしながら、温度測定（温度検出）によってスイッチング素子の劣化状態を診断することができない。

また、電力変換装置のインバータ回路では、上アームと下アームとで相補スイッチング動作をするにあたって、上下短絡を起こさないようにするためにデッドタイムを設けているのが一般的である。ところが、デッドタイム期間によって出力電流ひずみを引き起こすことから、デッドタイム期間をできるだけ短く設定することが望ましい。しかしながら、特許文献１，２に記載の従来技術にあっては、出力電流ひずみを引き起こすデッドタイム期間を長く設定しないと、温度測定によってスイッチング素子の劣化状態の診断を行えないことになる。

本発明は、スイッチング素子に温度測定用の信号を印加することなく、通常のスイッチング動作をしながら、スイッチング素子の劣化状態の診断を行うことができる電力変換装置を提供することを目的とする。

上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、
複数のスイッチング素子を含むブリッジ回路からなり、複数のスイッチング素子のスイッチング動作によって負荷を駆動するインバータ回路と、
アナログ回路からなり、複数のスイッチング素子のスイッチング波形の波形特徴量を分析する波形特徴量分析部と、
ディジタル回路からなり、波形特徴量分析部の分析結果に基づいて複数のスイッチング素子の劣化状態を診断する診断処理部と、
を備えることを特徴とする。

本発明によれば、スイッチング素子に温度測定用の信号を印加することなく、通常のスイッチング動作をしながら、スイッチング素子の劣化状態を診断を行うことができる。
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明によって明らかにされる。

本発明の一実施形態に係る電力変換装置、直流電圧源および負荷の全体構成の概略を示す回路構成図の例である。 診断装置の基本構成を示すブロック図の例である。 実施例１に係る診断装置の構成を示すブロック図の例である。の例である。 デバイス（スイッチング素子）のスイッチング波形の温度依存性を示す波形図の例である。 スイッチング素子のゲート−エミッタ間電圧Ｖgeの検出機能を有するゲート駆動装置の構成を示すブロック図の例である。 スイッチング素子のコレクタ−エミッタ間電圧Ｖceの検出機能を有するゲート駆動装置の構成を示すブロック図の例である。 スイッチング素子のコレクタ電流Ｉcの検出機能を有するゲート駆動装置の構成を示すブロック図の例である。 実施例２に係る診断装置の構成を示すブロック図の例である。の例である。 実施例３に係る診断装置の構成を示すブロック図の例である。 電流検知部としてのロゴスキコイルを用いるセンサ（ロゴスキセンサ）を示す構成図の例である。 周波数分析器に代えてウォルシュ分析器を用いる場合の診断装置の構成を示すブロック図の例である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、「実施形態」と記述する）について図面を用いて詳細に説明する。本発明は実施形態に限定されるものではなく、実施形態における種々の数値などは例示である。本明細書および図面において、同一の構成要素又は実質的に同一の機能を有する構成要素には同一の符号を付することとし、重複する説明は省略する。

＜電力変換装置、直流電圧源および負荷の全体構成＞
電力変換装置は、直流電力を交流電力に変換するインバータ機能、あるいは、交流電力を直流電力に変換するコンバータ機能を有する。そして、インバータ機能を有する電力変換装置はインバータ装置と呼ばれ、コンバータ機能を有する電力変換装置はコンバータ装置と呼ばれている。

図１は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置、直流電圧源および負荷の全体構成の概略を示す回路構成図の例である。図１に示すように、本実施形態に係る電力変換装置１は、インバータ回路１０、制御装置２０および診断装置３０等を備えており、直流電圧源４０の直流電力をインバータ回路１０で交流電力に変換し、負荷の一例である三相交流電動機５０に連続的に供給する。本実施形態に係る電力変換装置１は、産業機器向け電力変換装置、鉄道向け電力変換装置、エレベータ向け電力変換装置、あるいは、自動車向け電力変換装置、家庭用電気製品向け電力変換装置等、種々の用途に用いることができる。

インバータ回路１０は、直流電圧源４０の正極側端子と負極側端子との間に複数のスイッチング素子、本例では三相交流電動機５０の負荷に対応した６個のスイッチング素子１１〜スイッチング素子１６がグレッツ結線されたブリッジ回路からなる。直流電圧源４０には、平滑コンデンサ６０が並列に接続されている。スイッチング素子１１〜スイッチング素子１６は、パワー半導体素子である。スイッチング素子１１〜スイッチング素子１６としては、電圧駆動型の素子の一例である、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Bipolar Transistor：ＩＧＢＴ）などを用いることができる。

スイッチング素子１１〜スイッチング素子１６は、高電位側電源（直流電圧源４０の正極側端子）にコレクタ端子が接続されたスイッチング素子１１，１３，１５と、低電位側電源（直流電圧源４０の負極側端子）にエミッタ端子が接続されたスイッチング素子１２，１４，１６とからなる。これらスイッチング素子１１〜スイッチング素子１６には、還流ダイオード２１〜還流ダイオード２６が逆並列接続されている。そして、高電位側のスイッチング素子１１，１３，１５および還流ダイオード２１，２３，２５からなるスイッチ群が上アームとなり、低電位側のスイッチング素子１２，１４，１６および還流ダイオード２２，２４，２６からなるスイッチ群が下アームとなる。インバータ回路１０の上アームおよび下アームは、例えばモジュール化されている。

スイッチング素子１１〜スイッチング素子１６のゲート端子には、これらスイッチング素子１１〜スイッチング素子１６をオン／オフ動作させる制御装置２０が接続されている。制御装置２０は、スイッチング素子１１〜スイッチング素子１６のゲート端子にオン／オフ動作のためのゲート駆動信号を与えることで、スイッチング素子１１〜スイッチング素子１６をオン／オフ動作させる。この制御装置２０によるスイッチング素子１１〜スイッチング素子１６のオン／オフ制御の下に、インバータ回路１０は、負荷である三相交流電動機５０に供給する相電流（駆動電流）を制御する。三相交流電動機５０に供給される相電流は、電流検出部７１〜７３で検出され、制御装置２０にフィードバックされる。

インバータ回路１０には、スイッチング素子１１〜スイッチング素子１６に対してそれぞれ直列に接続され、スイッチング素子１１〜スイッチング素子１６に流れる素子電流を検知する電流検知部８１〜電流検知部８６が設けられている。

診断装置３０は、電力変換装置１を構成するデバイス、具体的にはインバータ回路１０のスイッチング素子１１〜スイッチング素子１６の劣化状態を診断するための装置である。具体的には、診断装置３０は、スイッチング素子１１〜スイッチング素子１６の端子間にかかる電圧（以下、「素子電圧」と記述する場合がある）や、スイッチング素子１１〜スイッチング素子１６に流れる電流（以下、「素子電流」と記述する場合がある）に基づいて、スイッチング素子１１〜スイッチング素子１６の劣化状態を診断する。

ここで、スイッチング素子１１〜スイッチング素子１６の素子電圧は、スイッチング素子１６のゲート端子とエミッタ端子との間に印加されるゲート−エミッタ間電圧Ｖgeや、コレクタ端子とエミッタ端子との間に印加されるコレクタ−エミッタ間電圧Ｖceである。また、スイッチング素子１１〜スイッチング素子１６の素子電流は、スイッチング素子１１〜スイッチング素子１６に流れるコレクタ電流Ｉcである。

＜診断装置の構成＞
図２は、診断装置３０の基本構成を示すブロック図の例である。図２に示すように、本構成例に係る診断装置３０は、電圧検知部３１と、アナログ回路からなる波形特徴量分析部３２，３３と、ディジタル回路からなる診断処理部３４とを有する構成となっている。なお、ここでは、図面の簡略化のために、スイッチング素子１１〜スイッチング素子１６のうち、スイッチング素子１６の劣化状態を診断する回路部分の構成について図示している。他のスイッチング素子１１〜１５の劣化状態を診断する回路部分も同様の構成となっている。

図２のインバータ回路１０については、制御装置２０がその出力段に、スイッチング素子１１〜スイッチング素子１６の各々に対応して有するゲート駆動回路（ドライバ）のうち、スイッチング素子１５，１６に対応するゲート駆動回路２０５，２０６を含む形で図示している。ゲート駆動回路２０５，２０６は、スイッチング素子１５，１６のゲート端子にゲート駆動信号を与るえことで、スイッチング素子１５，１６をオン／オフ動作させる。

電圧検知部３１は、スイッチング素子１６の素子電圧、即ちスイッチング素子１６のゲート−エミッタ間電圧Ｖgeや、コレクタ−エミッタ間電圧Ｖceを検知する。

波形特徴量分析部（電流）３２は、電流検知部８６が検知するスイッチング素子１６の素子電流信号を入力とし、当該素子電流信号に基づいてスイッチング素子１６の電流に関するスイッチング波形の波形特徴量を分析する。波形特徴量分析部（電圧）３３は、電圧検知部３１が検知するスイッチング素子１６の素子電圧信号を入力とし、当該素子電圧信号に基づいてスイッチング素子１６の電圧に関するスイッチング波形の波形特徴量を分析する。

診断処理部３４は、入力段にＡ／Ｄ変換器（アナログ／ディジタル変換器）９１，９２を備えており、波形特徴量分析部（電流）３２および波形特徴量分析部（電圧）３３の各分析結果をＡ／Ｄ変換器９１，９２でディジタル化する。そして、診断処理部３４は、Ａ／Ｄ変換器９１，９２でディジタル化したディジタル値を基にスイッチング素子１６の劣化状態を診断する。

スイッチング素子１１〜スイッチング素子１６のスイッチング波形は温度依存性を有する。具体的には、スイッチング素子１１〜スイッチング素子１６の接合温度が上昇すると、スイッチング素子１１〜スイッチング素子１６のスイッチング波形が遅延する（その詳細については後述する）。したがって、スイッチング素子１１〜スイッチング素子１６のスイッチング波形の波形特徴量、具体的にはスイッチング波形の遅延時間からスイッチング素子１１〜スイッチング素子１６の接合温度を推定することができる。

先述したように、環境温度とスイッチング素子１１〜スイッチング素子１６の劣化との間には密接な関係がある。具体的には、スイッチング素子１１〜スイッチング素子１６は、シリコンなどの半導体材料および他の金属や、絶縁物からなる複合デバイスであり、素子間の熱膨張係数が異なることから熱応力による劣化を引き起こす場合や、半導体材料そのものが加熱によって劣化する場合がある。

したがって、本実施形態に係る診断装置３０においては、スイッチング素子１１〜スイッチング素子１６のスイッチング波形の波形特徴量を分析することにより、スイッチング素子１１〜スイッチング素子１６の接合温度を推定することができる。そして、その推定した接合温度を基に劣化診断を行うことで、スイッチング素子１１〜スイッチング素子１６に温度測定用の信号を印加することなく、通常のスイッチング動作をしながら、スイッチング素子１１〜スイッチング素子１６の劣化状態の診断を行うことができる。

また、本実施形態に係る診断装置３０は、上アームと下アームとで相補スイッチング動作をするにあたって、上下短絡を起こさないようにするためにデッドタイムを設ける場合にも対応できる。すなわち、本実施形態に係る診断装置３０によれば、出力電流ひずみを引き起こすデッドタイム期間が短くても（換言すれば、デッドタイム期間を長く設定しなくても）、スイッチング素子１１〜スイッチング素子１６の劣化状態の診断を行うことができる。

以下に、診断装置３０の具体的な実施例について説明する。

［実施例１］
図３は、実施例１に係る診断装置３０の構成を示すブロック図の例である。図３に示すように、実施例１に係る診断装置３０は、波形特徴量分析部（電流）３２および波形特徴量分析部（電圧）３３が、周波数分析器（電流）３５および周波数分析器（電圧）３６からなる構成となっている。

（波形特徴量分析部の構成）
周波数分析器（電流）３５は、発振器３５１と、Ｎ個の乗算器３５２_{_1}〜３５２_{_N}と、Ｎ＋１個のスイッチ３５３_{_0}〜３５３_{_N}と、Ｎ＋１個の積分器３５４_{_0}〜３５４_{_N}と、マルチプレクサ３５５とによって構成されるアナログ回路である。Ｎ個の乗算器３５２_{_1}〜３５２_{_N}は縦続接続されている。Ｎ＋１個のスイッチ３５３_{_0}〜３５３_{_N}およびＮ＋１個の積分器３５４_{_0}〜３５４_{_N}は共に、並列に配置されている。

周波数分析器（電流）３５において、発振器３５１は余弦波信号（ＣＯＳ信号）を生成する。初段の乗算器３５２_{_1}およびスイッチ３５３_{_0}には、電流検知部８６が検知するスイッチング素子１６の素子電流信号が入力される。発振器３５１で生成された余弦波信号は、縦続接続されたＮ個の乗算器３５２_{_1}〜３５２_{_N}において、１〜Ｎ回乗算される。この乗算回数Ｎは、入力信号、即ちスイッチング素子１６の素子電流信号の分析次数Ｎに対応している。したがって、スイッチング素子１６の素子電流信号に関して、より高い周波数分析を行う場合は乗算回数Ｎを増やせばよい。乗算回数Ｎは乗算器３５２_{_1}〜３５２_{_N}の個数Ｎに一対一で対応している。

入力信号（スイッチング素子１６の素子電流信号）および乗算器３５２_{_1}〜３５２_{_N}で１回からＮ回まで乗算されたＮ個の信号は、それぞれの信号に対応するスイッチ３５３_{_0}〜３５３_{_N}を介して、それぞれの信号に対応する積分器３５４_{_0}〜３５４_{_N}に入力される。

積分器３５４_{_0}〜３５４_{_N}の積分結果は、積分器３５４_{_0}〜３５４_{_N}の出力段にホールドされる形となる。したがって、後述する診断処理部３４でのＡ／Ｄ変換器９１によるＡ／Ｄ変換を、積分器３５４_{_0}〜３５４_{_N}のホールド期間中に実行すればよいことになる。このホールド期間は、周波数分析の対象となる時間の長さと周波数分析の周期によって決められる。

積分器３５４_{_0}〜３５４_{_N}の出力端にはマルチプレクサ３５５が接続されている。マルチプレクサ３５５を接続する目的は、Ｎ個の乗算器３５２_{_1}〜３５２_{_N}一つ一つに対応してＡ／Ｄ変換器を設置することなく、一つのＡ／Ｄ変換器で周波数分析を実現するためである。周波数分析器（電流）３５（以下、「周波数分析器３５」と記述する場合がある）は、以上のような構成となっている。周波数分析器（電圧）３６（以下、「周波数分析器３６」と記述する場合がある）も周波数分析器３５と同じ構成のアナログ回路である。

上記構成の周波数分析器３５（周波数分析器３６も同じ）では、アナログ回路により、スイッチング素子１６の電流に関するスイッチング波形や電圧に関するスイッチング波形の波形特徴量を分析する処理、具体的にはフーリエ分析する処理が行われる。そして、フーリエ分析によって各次数成分の値が得られ、この各次数成分の値は、マルチプレクサ３５５を介して次段の診断処理部３４に対して出力される。

ここで、周波数分析器３５（周波数分析器３６も同じ）の原理について、図４に示すスイッチング波形を例に挙げて説明する。図４は、デバイス（スイッチング素子）のスイッチング波形の温度依存性を示す波形図の例である。図４Ａは、スイッチング素子のゲート−エミッタ間電圧Ｖgeの時刻暦波形を示し、図４Ｂは、スイッチング素子のコレクタ−エミッタ間電圧Ｖceの時刻暦波形を示し、図４Ｃは、スイッチング素子のコレクタ電流Ｉcの時刻暦波形を示している。図４Ａ〜図４Ｃの各時刻暦波形はいずれも、スイッチング素子がターンオフする際の過渡応答波形である。

図４Ａ〜図４Ｃにおいて、各波形の実線はデバイスの接合温度がＴ１［ｄｅｇ］の状態の特性、破線はＴ２［ｄｅｇ］の状態の特性であり、Ｔ１＜Ｔ２の関係がある。このことから、デバイスの接合温度が上昇すると、デバイスの過渡応答波形が遅延することがわかる。一例として、デバイスの半導体材料がシリコンの場合、接合温度が１［℃］上昇すると、１［ｎｓｅｃ］前後の遅延が生じる。

周波数分析器３５で用いる周波数分析の手法は、スイッチング波形を時刻ｔ＝０からｔ＝ｔ₀までの区間で切り出してフーリエ級数による分析を行うものである。図４に示すように、スイッチング波形は、おおむねステップ上に変化する非周期的な波形であるが、精度よく周波数分析するために、無限に続く周期的な関数ｆ（ｔ）のうち時刻ｔ＝０からｔ＝ｔ₀までの波形が測定できると仮定する。関数ｆ（ｔ）は時刻ｔ＝０からｔ＝ｔ₀までの区間で図４の波形と一致する。周期は２ｔ₀とする。

また、ｎは任意の整数で、ｆ（ｔ＋２ｎｔ₀）＝ｆ（−ｔ＋２ｎｔ₀）を満たす（即ち、ｔ＝０を中心とする偶関数である）。このとき、関数ｆ（ｔ）は、余弦フーリエ級数展開できる。そして、周波数１／（２ｔ₀）を基本周波数としたときのｋ次の係数ａ_kは、式（１）のように表される。

このとき、積分区間はｔ＝０からｔ＝ｔ₀のため、関数ｆ（ｔ）は実スイッチング波形の計測によって実現できる。上記の式（１）では、関数ｆ（ｔ）とｋ次の余弦関数ｃｏｓ（ｋπｔ／ｔ₀）を乗算することでフーリエ係数ａ_kを求める、フーリエ余弦係数の原理式だが、これをアナログ回路で実装する場合、複数の周波数次数の余弦信号を発生させる必要がある。

図３に例示した周波数分析器３５では、式（１）を変形することで、回路構成の簡単化を図っている。より具体的には、式（１）の右辺をｃｏｓ（πｔ／ｔ₀）の累乗の和で表せることを利用することで、単一周波数の発振器でフーリエ級数展開を実現している。一例として、ｋ＝２〜５までの場合について、式（１）の右辺を展開してみると、式（２）〜式（５）のようになる。ｋ＝６以上についても同様に余弦の累乗和で表せるが、ここでは省略する。

ここで、ｆ（ｔ）と余弦成分のｍ乗の積を定積分したときの係数Ａ_mは、次式（６）となる。

すなわち、フーリエ係数ａ_kは、係数Ａ_mを用いて、式（７）〜式（１２）のように表される。

フーリエ係数ａ_kをアナログ回路で直接演算させる場合には、必要な次数成分の周波数発振器信号が一つ一つ必要となり、発振器の個数が増える問題がある。これに対し、係数Ａ_mを求めるアナログ回路は、単一周波数の発振器を用いて構成できるため、回路構成を簡素化できる利点がある。

係数Ａ_mを求めるアナログ回路を具現化すると、図３の回路例では、発振器３５１で生成された余弦波信号は入力信号と１〜Ｎ回、例えば１〜５回乗算される。乗算される回数は６回以上でもよく、フーリエ級数展開で分析する次数に対応する。Ｎ次の周波数分析を行う場合は乗算回数をＮとすればよい。先述したように、乗算回数Ｎは乗算器３５２_{_1}〜３５２_{_N}の個数Ｎに一対一で対応している。

かくして、Ｎ個の信号は、それぞれの信号に対応するスイッチ３５３_{_0}〜３５３_{_N}を介して、それぞれの信号に対応する積分器３５４_{_0}〜３５４_{_N}に入力される。ここで、スイッチ３５３_{_0}〜３５３_{_N}は、周波数分析の対象とする時間を定める機能を有し、また積分器の過大な積算値によるオーバーフローを防ぐ役割も担う。このように積分された結果は係数Ａ_mとして積分器３５４_{_0}〜３５４_{_N}の出力段にホールドされる。そして、このホールド期間中に、後述する診断処理部３４でのＡ／Ｄ変換が行われる。

上述したように、本実施例に係る周波数分析器３５（周波数分析器３６）にあっては、フーリエ分析によって得られる各次数成分の値を、マルチプレクサ３５５を介して出力する構成となっている。この構成により、次段の診断処理部３４では、一つのＡ／Ｄ変換器９１（９２）で各次数成分の値をディジタル化できることになるため、Ａ／Ｄ変換器の数を、各次数に対応する個数設ける場合に比べて大幅に削減でき、それに伴って低コスト化を図ることができる。

また、Ａ／Ｄ変換器９１（９２）として、動作周波数の低い低速のＡ／Ｄ変換器を用いることができる。一例として、周波数分析対象の信号（スイッチング素子１６の素子電流信号や素子電圧信号）の周波数が１［ＧＨｚ］程度であると仮定すると、マルチプレクサ３５５を用いない場合には、Ａ／Ｄ変換器９１（９２）として、高速のＡ／Ｄ変換器を用いる必要がある。これに対し、マルチプレクサ３５５を用いることで、Ａ／Ｄ変換器９１（９２）として、１［ＭＨｚ］程度の低速で、低価格のＡ／Ｄ変換器を用いることができる。

（診断処理部の構成）
周波数分析器（電流）３５および周波数分析器（電圧）３６の後段に配される回路は、ディジタル回路で構成される診断処理部３４である。この診断処理部３４は、周波数分析器（電流）３５および周波数分析器（電圧）３６による分析結果を基にスイッチング素子１１〜スイッチング素子１６の劣化状態の診断を行う。診断処理部３４は、Ａ／Ｄ変換器９１，９２を介して入力される電流・電圧の周波数分析値から原波形を復元するための電圧・電流波形復元部３４１を初段に有する。この電圧・電流波形復元部３４１は、周波数成分を時間成分に逆変換する機能を有する。

すなわち、Ａ／Ｄ変換器９１，９２を介して入力された係数Ａ_mを式（７）〜式（１２）で示したような計算でフーリエ係数ａ_kを算出したあと、フーリエ係数ａ_kから時間領域波形を演算することはディジタル的に容易に可能である。ここでのフーリエ係数ａ_kから時間領域波形の算出は極めて一般的な内容であるので、その詳細については省略する。

診断処理部３４は、電圧・電流波形復元部３４１の他に、損失演算部３４２、温度演算部３４３、熱抵抗・熱容量計算部３４４および劣化診断部３４５を備えている。損失演算部３４２は、電圧・電流波形復元部３４１でディジタル的に復元された電圧・電流波形に基づいて損失演算を行う。損失演算の処理は、電圧波形と電流波形とを乗算し、ディジタル的な区間積分によって平均化する処理となる。

温度演算部３４３は、電圧・電流波形復元部３４１でディジタル的に復元された電圧・電流波形に基づいて温度演算を行う。温度演算の処理は、図４に示す波形図に基づいて温度を求める処理となる。

診断装置３０では、デバイスのスイッチング波形の波形特徴量、具体的にはデバイスの過渡応答波形の遅延時間からデバイスの接合温度を推定する技術を用いている。図４に示したように、デバイスのスイッチング波形の遅延は、ゲート−エミッタ間電圧Ｖge（図４Ａ）、コレクタ−エミッタ間電圧Ｖce（図４Ｂ）、コレクタ電流Ｉc（図４Ｃ）に現れる。図４Ａ〜図４Ｃでは、スイッチング波形の波形特徴量である過渡応答波形の遅延時間に関して、スイッチング素子がターンオフする際の過渡応答波形を例示しているが、ターンオンする際の過渡応答波形についても同様である。

熱抵抗・熱容量計算部３４４は、損失演算部３４２の演算結果と、温度演算部３４３の演算結果とに基づいて、熱抵抗および熱容量を求める。先述したように、インバータ回路１０の上アームおよび下アームは、モジュール化されており、パワーモジュールと呼ばれている。そして、パワーモジュールには、冷却フィンが取り付けられている。この冷却フィン付きのパワーモジュールにおいて、「熱抵抗」は、パワーモジュールから冷却フィンまでの間の熱の伝わり易さを数値化したものである。また、「熱容量」は、デバイスの温度を一定の温度だけ上昇させるのに必要な熱量のことである。

先述したように、環境温度とスイッチング素子の劣化との間には密接な関係がある。また、スイッチング素子のスイッチング波形は温度依存性を有し、スイッチング素子の接合温度が上昇すると、スイッチング素子のスイッチング波形が遅延する。そこで、診断装置３０では、診断装置３０における周波数分析器（電流）３５および周波数分析器（電圧）３６の解析結果を基に、スイッチング波形の遅延時間の計測が行われる。具体的には、図４Ａ〜図４Ｃの接合温度Ｔ１［ｄｅｇ］と接合温度Ｔ２［ｄｅｇ］との関係からスイッチング波形の遅延時間を計測することができる。

このように、スイッチング波形の波形特徴量を分析することで、スイッチング素子の接合温度を推定できるため、その推定した接合温度を基に劣化診断を行うことができる。そして、劣化診断部３４５は、周波数分析器（電流）３５および周波数分析器（電圧）３６の解析結果に基づくスイッチング波形の遅延時間や、熱抵抗・熱容量計算部３４４が求めた熱抵抗および熱容量に基づいて、スイッチング素子１１〜スイッチング素子１６の劣化状態の診断（判断）を行う。

上述したように、診断処理部３４では、ディジタル回路によるディジタル処理により、周波数分析器（電流）３５および周波数分析器（電圧）３６による分析結果を基に、パワーモジュールにおける熱抵抗および熱容量を求めることで、スイッチング素子１１〜スイッチング素子１６の劣化状態の診断が行われる。

なお、診断処理部３４の各機能部（３４１〜３４５）については、マイクロコンピュータがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することにより、ソフトウェアで実現することができる。また、上記の各機能部（３４１〜３４５）については、それらの一部または全部を、例えば集積回路で設計することにより、ハードウェアで実現することもできる。

（ゲート駆動回路の構成）
ここで、スイッチング素子のゲート−エミッタ間電圧Ｖge、コレクタ−エミッタ間電圧Ｖce、コレクタ電流Ｉcを検出する機能を有するゲート駆動回路の構成について説明する。このゲート駆動回路は、図３のゲート駆動回路（ドライバ）２０５，２０６に相当し、制御装置２０（図１参照）の出力段に設けられている。ゲート駆動回路は、スイッチング素子１１〜スイッチング素子１６に共通である。したがって、以下では、図３に対応して１つのスイッチング素子１６のゲート駆動回路について代表して説明する。

・ゲート−エミッタ間電圧検出機能を有するゲート駆動装置
図５は、スイッチング素子のゲート−エミッタ間電圧Ｖgeの検出機能を有するゲート駆動装置の構成を示すブロック図の例である。なお、ゲート駆動装置が有する、スイッチング素子のゲート−エミッタ間電圧Ｖgeの検出機能は、図３に示す電圧検知部３１の機能である。

図５に示すように、ゲート−エミッタ間電圧検出機能を有するゲート駆動装置１００Ａは、ゲートドライバ１０１、ゲート抵抗１０２および差動電圧検出器１０３を有する構成となっている。ゲートドライバ１０１は、パルス幅変調（Pulse Width Modulation：ＰＷＭ）制御のためのゲート指令信号を、スイッチング素子１６を駆動するゲート駆動信号（ゲート駆動用電圧）として出力する。ゲート指令信号は、通常、電力変換装置１の目標となる出力を実現するものである。

ゲートドライバ１０１から出力されたゲート駆動信号は、ゲート抵抗１０２を介してスイッチング素子１６のゲート端子に印加される。差動電圧検出器１０３は、２つの入力端がスイッチング素子１６のゲート端子とエミッタ端子との間に接続されており、スイッチング素子１６の接合温度を検出するためのゲート−エミッタ間電圧Ｖgeを検出する。この検出されたゲート−エミッタ間電圧Ｖgeは、図３の周波数分析器（電圧）３６に供給される。周波数分析器（電圧）３６は、ゲート−エミッタ間電圧Ｖgeを用いてスイッチング波形の波形特徴量の分析を行う。このゲート−エミッタ間電圧Ｖgeに基づく解析結果は、診断装置３０におけるスイッチング波形の遅延時間の計測に用いられる。

・コレクタ−エミッタ間電圧検出機能を有するゲート駆動装置
図６は、スイッチング素子のコレクタ−エミッタ間電圧Ｖceの検出機能を有するゲート駆動装置の構成を示すブロック図の例である。なお、ゲート駆動装置が有する、スイッチング素子のコレクタ−エミッタ間電圧Ｖceの検出機能は、図３に示す電圧検知部３１の機能である。

図６に示すように、コレクタ−エミッタ間電圧検出機能を有するゲート駆動装置１００Ｂは、図５のゲート駆動装置１００Ａと同様に、ゲートドライバ１０１、ゲート抵抗１０２および差動電圧検出器１０３を有する構成となっている。図５のゲート駆動装置１００Ａでは、差動電圧検出器１０３の２つの入力端がスイッチング素子１６のゲート端子とエミッタ端子との間に接続されている。

これに対して、ゲート駆動装置１００Ｂでは、差動電圧検出器１０３の２つの入力端がスイッチング素子１６のコレクタ端子とエミッタ端子との間に接続されている。これにより、差動電圧検出器１０３は、スイッチング素子１６の接合温度を検出するためのコレクタ−エミッタ間電圧Ｖceを検出する。この検出されたコレクタ−エミッタ間電圧Ｖceは、図３の周波数分析器（電圧）３６に供給される。周波数分析器（電圧）３６は、コレクタ−エミッタ間電圧Ｖceを用いてスイッチング波形の波形特徴量の分析を行う。このコレクタ−エミッタ間電圧Ｖceに基づく解析結果は、診断装置３０におけるスイッチング波形の遅延時間の計測に用いられる。

・コレクタ電流検出機能を有するゲート駆動装置
図７は、スイッチング素子のコレクタ電流Ｉcの検出機能を有するゲート駆動装置の構成を示すブロック図の例である。なお、ゲート駆動装置が有する、スイッチング素子のコレクタ電流Ｉcの検出機能は、図３に示す電流検知部８６の機能である。

図７に示すように、コレクタ電流検出機能を有するゲート駆動装置１００Ｃは、ゲートドライバ１０１、ゲート抵抗１０２および電流検出器１０４を有する構成となっている。ゲートドライバ１０１およびゲート抵抗１０２の機能は、図５のゲート駆動装置１００Ａの場合と同じである。

電流検出器１０４は、スイッチング素子１６に対して直列に接続されており、スイッチング素子１６の接合温度を検出するためのコレクタ電流Ｉcを検出する。この検出されたコレクタ電流Ｉcは、図３の周波数分析器（電流）３５に供給される。周波数分析器（電流）３５は、コレクタ電流Ｉcを用いてスイッチング波形の波形特徴量の分析を行う。このコレクタ電流Ｉcに基づく解析結果は、診断装置３０におけるスイッチング波形の遅延時間の計測に用いられる。

上述した図５のゲート駆動装置１００Ａ、図６のゲート駆動装置１００Ｂ、図７のゲート駆動装置１００Ｃは、アプリケーションに応じていずれか１つが、一つの電力変換装置に組み込まれる構成であってもよい。また、一つの電力変換装置にゲート−エミッタ間電圧検出、コレクタ−エミッタ間電圧検出およびコレクタ電流検出の各機能を複合したゲート駆動装置を備える構成であってもよい。

［実施例２］
図８は、実施例２に係る診断装置３０の構成を示すブロック図の例である。図８に示すように、実施例２に係る診断装置３０は、波形特徴量分析部（電流）３２としての周波数分析器（電流）３５、波形特徴量分析部（電圧）３３としての周波数分析器（電圧）３６および診断処理部３４に加えて、温度センサ９０を有する構成となっている。

冷却フィン付きパワーモジュールにおいて、温度センサ９０は、冷却フィンまたはその近傍の温度（以下、「モジュール・フィン温度」と記述する）を計測することで、スイッチング素子１１〜スイッチング素子１６を含むパワーモジュールの温度を直接検出する。温度センサ９０が検出したモジュール・フィン温度の計測情報は、スイッチング素子１１〜スイッチング素子１６の接合温度に対応する計測情報として、Ａ／Ｄ変換器９３でディジタル化されて診断処理部３４に入力される。

診断処理部３４において、Ａ／Ｄ変換器９３でディジタル化されて入力されたモジュール・フィン温度の計測情報は、熱抵抗・熱容量計算部３４４に入力される。熱抵抗・熱容量計算部３４４は、損失演算部３４２の演算結果と、温度演算部３４３の演算結果と、Ａ／Ｄ変換器９３でディジタル化されたモジュール・フィン温度の計測情報とに基づいて、熱抵抗および熱容量を求める。

上述した実施例２に係る診断装置３０によれば、実施例１に係る診断装置３０による診断に加えて、温度センサ９０が検出したモジュール・フィン温度の計測情報を用いて劣化診断を行うようにしている。すなわち、スイッチング素子１１〜スイッチング素子１６の接合温度に対応するモジュール・フィン温度を温度センサ９０で直接計測し、その計測結果を劣化診断に反映させるようにしているため、スイッチング素子１１〜スイッチング素子１６の劣化状態をより精度よく診断することができる。

［実施例３］
図９は、実施例３に係る診断装置３０の構成を示すブロック図の例である。本実施例では、電流検知部８６としてロゴスキコイルからなるセンサ（以下、「ロゴスキセンサ」と記述する）を用いている。ロゴスキセンサは、スイッチング素子１６に流れる素子電流Ｉを検出し、微分波形信号ｄＩ／ｄｔとして出力する。ロゴスキセンサの詳細については後述する。

実施例３に係る診断装置３０は、実施例１，２の周波数分析器３５，３６に代えて、第１の積分回路３７、第２の積分回路３８および乗算回路３９を有する構成となっている。第１の積分回路３７は、入力抵抗３７１と、演算増幅器３７２と、演算増幅器３７２の反転（−）入力端と出力端との間に接続されたコンデンサ３７３と、コンデンサ３７３に並列に接続されたスイッチ３７４とから構成されている。

第２の積分回路３８は、入力抵抗３８１と、演算増幅器３８２と、演算増幅器３８２の反転入力端と出力端との間に接続されたコンデンサ３８３と、コンデンサ３８３に並列に接続されたスイッチ３８４とから構成されている。第１の積分回路３７のスイッチ３７４および第２の積分回路３８のスイッチ３８４は、制御装置２０（図１参照）から出力されるリセット信号に応じてオン／オフ動作を行うことによって積分期間を決める。乗算回路３９は、入力トランジスタ３９１と、演算増幅器３９２と、演算増幅器３９２の反転入力端と出力端との間に接続された抵抗３９３とから構成されている。

電流検知部８６で検出された微分波形信号ｄＩ／ｄｔは、第１の積分回路３７に入力される。第１の積分回路３７は、微分波形信号ｄＩ／ｄｔを積分することによってスイッチング素子１６に流れる素子電流（コレクタ電流Ｉｃ）を再現する。この再現された素子電流は、第２の積分回路３８に供給されるとともに、乗算回路３９の入力トランジスタ３９１のゲート端子に与えられる。

第２の積分回路３８は、素子電流（コレクタ電流Ｉｃ）をさらに積分し、素子電流の振幅情報として劣化状態分析部２３のＡ／Ｄ変換器９１に供給する。これは、スイッチング素子１６の温度を推定するためである。より具体的な物理現象としては、コレクタ電流Ｉｃの積分値はスイッチング素子のチャネルの蓄積電荷量を表し、この物理量は温度に影響を受ける。このことから、素子電流の積分値からスイッチング素子１６の温度を推定することができる。乗算回路３９は、電圧検知部３１が検知するスイッチング素子１６の素子電圧と、第１の積分回路３７で再現された素子電流とを乗算することによってスイッチング素子１６の損失を算出し、劣化状態分析部２３のＡ／Ｄ変換器９２に供給する。

上述したように、実施例３に係る診断装置３０では、電流検知部８６で検出された微分波形信号ｄＩ／ｄｔを、第１の積分回路３７および第２の積分回路３８による２回の積分によってスイッチング素子の温度状態を推定できる、スイッチング素子のチャネルの蓄積電荷量が検出される。また、乗算回路３９によるスイッチング素子１６の素子電流と素子電圧との乗算によってスイッチング素子の損失状態が検出される。そして、これらの検出結果を基に、診断処理部３４において、スイッチング素子１６の劣化状態について、高い信頼性の下に診断処理が行われることになる。

ここで、ロゴスキセンサの詳細について説明する。図１０は、電流検知部８６としてのロゴスキセンサ（ロゴスキコイルを用いるセンサ）を示す構成図の例である。ロゴスキセンサは、磁界の検出にコアを使用しないコアレス電流センサである。

図１０に示すように、ロゴスキコイルを用いる電流検知部８６は、一次導体８６１の周辺に空芯のコイル８６２を配した構成となっている。この電流検知部８６では、一次導体８６１に流れる電流に対応した電圧がコイル８６２の両端に誘起する。この電圧（誘起起電力）としては、一次導体８６１に流れる電流の微分波形信号ｄＩ／ｄｔとして端子８６３ａ，８６３ｂ間に導出される。この端子８６３ａ，８６３ｂ間に導出される微分波形信号ｄＩ／ｄｔは、スイッチング素子に流れる素子電流に応じた情報として、図９の第１の積分回路３７に供給される。

＜変形例＞
なお、本発明は、上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例を含む。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細したものであり、必ずしも全ての構成を備えるものに限定されるものではない。具体的には、例えば、負荷として三相交流電動機を例示したが、三相に限られるものではなく、三相以外の多相であっても同様の効果を得ることができる。さらに、電力変換装置は、多相のスイッチングデバイスを有する場合においても、ゲート指令信号を基準として信号の遅延時間の計測を実施することで、これまでに説明してきた実施例と同等の効果を得ることができる。さらに、負荷としての電動機は一例であって、電動機に限られるものではない。

また、実施例１および実施例２では、波形特徴量分析部（電流）６２および波形特徴量分析部（電圧）６３として、周波数分析器（電流）３５および周波数分析器（電圧）３６を用いるとしたが、周波数分析器に代えてウォルシュ（Ｗａｌｓｈ）分析器を用いるようにしてもよい。図１１は、周波数分析器に代えてウォルシュ分析器を用いる場合の診断装置３０の構成を示すブロック図の例である。ウォルシュ分析器を用いる場合は、図１１に示すように、スイッチ３５３_{_0}〜３５３_{_N}の前段に、図３（実施例１）の発振器３５１および乗算器３５２_{_1}〜３５２_{_N}に代えて、ウォルシュ変換回路３５６を設けるようにすればよい。

１…電力変換装置、 １０…インバータ回路、 １１〜１６…スイッチング素子、 ２０…制御装置、 ３０…診断装置、 ３１…、電圧検知部、 ３２，３３…波形特徴量分析部（アナログ回路）、 ３４…診断処理部（ディジタル回路）、 ３５，３６…周波数分析器、 ３７…第１の積分回路、 ３８…第２の積分回路、 ３９…乗算回路、 ４０…直流電圧源、 ５０…三相交流電動機、 ８１〜８６…電流検知部、 ９０…温度センサ、 ９１，９２，９３…Ａ／Ｄ変換器、 １００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ…ゲート駆動装置

Claims (7)

1. 複数のスイッチング素子を含むブリッジ回路からなり、前記複数のスイッチング素子のスイッチング動作によって負荷を駆動するインバータ回路と、
   アナログ回路からなり、前記複数のスイッチング素子のスイッチング波形の波形特徴量を分析する波形特徴量分析部と、
   ディジタル回路からなり、前記波形特徴量分析部の分析結果に基づいて前記複数のスイッチング素子の劣化状態を診断する診断処理部と、
   を備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記スイッチング波形の波形特徴量は、前記複数のスイッチング素子の過渡応答波形の遅延時間である
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記波形特徴量分析部は、前記複数のスイッチング素子のスイッチング波形を周波数分析し、
   前記診断処理部は、前記スイッチング波形の周波数分析結果に基づいて前記複数のスイッチング素子の劣化状態を診断する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記波形特徴量分析部は、前記複数のスイッチング素子のスイッチング波形をフーリエ変換し、各次数成分の値を出力する
   ことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記診断処理部は、前記各次数成分の値をディジタル化し、そのディジタル値に基づいて前記複数のスイッチング素子の劣化状態を診断する
   ことを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
6. 前記インバータ回路がモジュール化されたパワーモジュールの温度を検出する温度センサを備えており、
   前記診断処理部は、前記温度センサの検出温度を前記劣化状態の診断に用いる
   ことを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。
7. 前記複数のスイッチング素子の端子間にかかる電圧を検知する電圧検知部と、
   前記複数のスイッチング素子に流れる電流を微分波形信号として検知する電流検知部と、を備えており、
   前記波形特徴量分析部は、
   前記微分波形信号を積分して前記複数のスイッチング素子に流れる電流を再現する第１の積分回路と、
   前記第１の積分回路で再現された電流を積分することよって前記複数のスイッチング素子のチャネルの蓄積電荷量を検出する第２の積分回路と、
   前記第１の積分回路で再現された電流と前記電圧検知部によって検知された電圧とを乗算することによって前記複数のスイッチング素子の損失状態を検出する乗算回路と、を有しており、
   前記診断処理部は、前記複数のスイッチング素子のチャネルの蓄積電荷量と前記複数のスイッチング素子の損失状態とに基づいて、前記複数のスイッチング素子の劣化状態を診断する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。

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