JP2017189049A - 温度推定装置、電力変換装置及び電力変換システム - Google Patents

Abstract

【課題】高精度な時間分解能を必要としないことを課題とする。
【解決手段】電流プローブ４０で測定された電流値を出力する出力電流検出回路１０２と、出力電流検出回路１０２の出力値からノイズを除去するノイズ除去フィルタ回路１０３と、ノイズ除去フィルタ回路１０３でノイズを除去された出力を積分し、出力する第１積分回路１０４と、ノイズ除去フィルタ回路１０３でノイズを除去された出力を積分し、出力する第２積分回路１０５と、マイコン１０１の指示に従って第１積分回路１０４と差動増幅回路１０８のとの接続をオン・オフする第１比較回路１０６と、マイコン１０１の指示に従って第２積分回路１０５と差動増幅回路１０８のとの接続をオン・オフする第２比較回路１０７と、第１比較回路１０６と、第２比較回路１０７との差分値を（増幅して）出力する差動増幅回路１０８と、差動増幅回路１０８の出力電圧のピーク値を保持する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体モジュールの温度を推定する温度推定装置、電力変換装置及び電力変換システムの技術に関する。

直流信号をパルス信号や、交流信号に変換する電力変換装置内の半導体モジュールの故障診断は種々の方法がある。例えば、電力用半導体チップ内、又は近傍に設けられたダイオードの静特性の温度変化から電力用半導体における接合部の温度を求める方法がある。また、半導体モジュールの放熱ブロックに設けられたサーミスタや熱電対から半導体素子の接合部の温度を間接的に求め、あらかじめ設定された接合部の温度を越えると異常又は故障と診断する方法もある。半導体モジュールに故障が発生してしまった場合、電力用半導体モジュールはもとより、電力用半導体モジュールと接続されているゲート駆動回路やコンデンサ等へも被害が波及するおそれがある。これにより、２次故障が発生することも考えられる。そのため、電力用半導体モジュールの再稼働までに故障個所すべての探索、部品交換等で多くの時間が費やされる。これにより、運用コストの損失が発生することが課題となっていた。

図７は、電力変換装置における半導体モジュールの断面を示す図である。
半導体モジュール４００は、ベース板４０３、絶縁基板４０７、電力用半導体素子４０９及びはんだ４０８，４１０から構成されている。出力電力がメガワット級の大電力用途にこのような半導体モジュール４００が使われる場合、電力用半導体素子４０９は多並列実装されていることが多い。図７に示す例では、冷却器４０１上に半導体モジュール４００が設けられているが、冷却器４０１上にグリス４０２を介して接着されたベース板４０３が設けられている。そして、ベース板４０３上には、メタル４０４、絶縁層４０５、メタル４０６からなる絶縁基板４０７がはんだ４０８を介して実装され、その上には電力用半導体素子４０９がはんだ４１０を介して実装される。

電力用半導体素子４０９としてはＳｉやＳｉＣやＧａＮを基板材料とするＩＧＢＴ（Insulated-Gate-Bipolar-Transistor）や、ＭＯＳ（Metal-Oxide-Semiconductor）型等のＦＥＴ(Field-Effect- Transistor)素子、ＨＥＭＴ素子（High-Electron-Mobility- Transistor）等が考えられる。電力変換装置の稼働時、電力半導体素子４０９で発生した熱ははんだ４１０を介して絶縁基板４０７、ベース板４０３、グリス４０２、冷却器４０１へ伝わる。

ここで、グリス４０２の枯渇、冷却器４０１の故障、半導体モジュール４００を制御、駆動する回路の異常動作や故障等により電力用半導体素子４０９における接合部の温度が高くなることがある。電力用半導体素子４０９の接合部の温度が高くなると、温度サイクルによる熱疲労からはんだ４０８，４１０に亀裂等が発生し、蓄積劣化が発生する。すると、はんだ４０８，４１０における熱抵抗が高くなり、最終的には電力用半導体素子４０９のチャネル抵抗が焼損し故障する。

このように半導体モジュール４００の温度を監視することで半導体モジュール４００、制御系、駆動系の異常を故障前に検出することが可能である。稼働時の瞬間的な半導体モジュール４００の温度変化を検出するには動作時のスイッチング波形から求める方法が有効である。

このような半導体モジュールの温度に基づいて、半導体素子の動作を監視する技術として、特許文献１に記載の技術がある。特許文献１には「ＩＧＢＴデバイスのスイッチオフ段階中のミラープラトー段階によって形成されたエッジと相関するパルスを取得するために、測定されるＩＧＢＴデバイスのゲート−エミッタ電圧の特性を受け取って、ゲート−エミッタ電圧の特性を区別する差動ユニット２１と、ＩＧＢＴデバイスのスイッチオフ段階中のミラープラトー段階の開始と終了とを示す、取得されたパルス間の時間遅延を測定するタイマユニット２３と、測定された時間遅延に基づいて、ＩＧＢＴデバイスの接合部温度を決定する接合部温度計算ユニット２５と、を具備する」ＩＧＢＴデバイスの動作状態を実時間で監視するシステムと方法が開示されている（要約参照）。

特開２０１３−１４２７０４

しかしながら、ミラープラトー時間は耐圧が１ｋＶ以上の高耐圧半導体素子や、それらが多並列接続された半導体モジュールでは顕著な温度依存性を持つが、低耐圧半導体素子や、単体素子ではミラープラトー時間の変化が小さいため、特許文献１に記載の技術には高精度な時間分解能を持つ検出回路が必要となるという問題がある。また、ミラープラトー時間が顕著な温度依存性をもつためには、耐圧が１ｋＶ以上必要であることから、特許文献１に記載の技術には、検出用の高速かつ高周波特性のよい絶縁回路が必要となる。

このような背景に鑑みて本発明がなされたのであり、本発明は、高精度な時間分解能を必要としない温度推定装置、電力変換装置及び電力変換システムを提供することを課題とする。

前記した課題を解決するため、本発明は、半導体モジュールにおいて電流が遮断された際の、前記半導体モジュールの出力値を取得する取得部と、前記出力値に対して、少なくとも２つの異なる閾値が設定されており、前記出力値が各閾値に達したときの時間差を検出する時間差検出部と、時間差と、温度との対応情報を基に、前記検出された時間差から前記半導体モジュールの温度を推定する算出部と、を有することを特徴とする。
その他の解決手段については、実施形態中に記載する。

本発明によれば、高精度な時間分解能を必要としない温度推定装置、電力変換装置及び電力変換システムを提供することができる。

第１実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。 第１比較回路及び第２比較回路の具体的な構成を示す図である。 本実施形態に係る電力変換装置１における各回路における出力値の波形を示す図であり、（ａ）はノイズ除去フィルタ回路における出力電流値の波形を示し、（ｂ）は第１比較回路における出力電圧値の波形を示し、（ｃ）は第２比較回路における出力電圧値の波形を示し、（ｄ）は差動増幅回路における出力電圧値の波形を示し、（ｅ）は最大値検出回路における出力電圧値の波形を示す。 ＩＧＢＴ素子のターンオフからある閾値に到達するまでの時間差の温度依存性を調べた結果である。 第２実施形態に係る電力変換装置の構成図である。 第３実施形態に係る電力変換システムの構成例を示す図である。 電力変換装置における半導体モジュールの断面を示す図である。

次に、本発明を実施するための形態（「実施形態」という）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。
電力変換装置１は、半導体モジュール２０、ゲート駆動回路３０、温度推定装置１０及び電流プローブ（取得部）４０を有している。なお、図１に示す電力変換装置１は直流電流をパルス電流に変換する装置である。
電力変換装置１は、外部の装置等と接続するための端子であるＰ端子Ｔ１、Ｎ端子Ｔ２、出力端子Ｔ３及びマイコン（マイクロコンピュータ、算出部）１０１への制御情報の入力や、マイコン１０１からの診断情報を出力する端子Ｔ４を有している。

ゲート駆動回路３０は、ＩＧＢＴ素子（半導体素子）２１のベースに流す電流を制御する。
電流プローブ４０は、ＩＧＢＴ素子２１のエミッタ側に流れる電流を測定する。図１において、電流プローブ４０は、ＩＧＢＴ素子２１のエミッタと端子Ｔ２側との間に設けられているが、Ｐ端子Ｔ１及び出力端子Ｔ３の接続点とコレクタとの間に設けてもよい。

温度推定装置１０は、半導体モジュール２０の温度を推定する。温度推定装置１０は、ゲート駆動回路３０と接続している端子Ｔ１１、電流プローブ４０と接続している端子Ｔ１２、マイコン１０１への制御情報の入力及びマイコン１０１からの診断情報の出力が行われる端子Ｔ１３を有している。
半導体モジュール２０は、還流用ダイオード２２が備えられているＩＧＢＴ素子２１を有している。半導体モジュール２０は、ＩＧＢＴ素子２１のコレクタ側がＰ端子Ｔ１及び出力端子Ｔ３と接続しており、ＩＧＢＴ端子のエミッタ側がＮ端子Ｔ２と接続しており、及び、ＩＧＢＴ素子２１のベース側が端子Ｔ２１と接続している。

温度推定装置１０は、マイコン１０１、出力電流検出回路（取得部）１０２、ノイズ除去フィルタ回路１０３、第１積分回路（時間差検出部、積分部）１０４、第２積分回路（時間差検出部、積分部）１０５、第１比較回路（時間差検出部、比較部）１０６、第２比較回路（時間差検出部、比較部）１０７、差動増幅回路（時間差検出部、差分部）１０８及び最大値検出回路（時間差検出部、最大値検出部）１０９を有している。

出力電流検出回路１０２は、電流プローブ４０で測定された電流値を出力する。
ノイズ除去フィルタ回路１０３は、出力電流検出回路１０２の出力値からノイズを除去する。
第１積分回路１０４は、ノイズ除去フィルタ回路１０３でノイズを除去された出力を積分し、出力する。
第２積分回路１０５は、ノイズ除去フィルタ回路１０３でノイズを除去された出力を積分し、出力する。なお、第１積分回路１０４の積分条件と、第２積分回路１０５の積分条件は同じとなるように設定されていることが望ましい。

第１比較回路１０６は、マイコン１０１の指示に従って第１積分回路１０４と差動増幅回路１０８のとの接続をオン・オフする。
第２比較回路１０７は、マイコン１０１の指示に従って第２積分回路１０５と差動増幅回路１０８のとの接続をオン・オフする。
差動増幅回路１０８は、第１比較回路１０６と、第２比較回路１０７との差分値を（増幅して）出力する。
最大値検出回路１０９は、差動増幅回路１０８の出力電圧のピーク値を保持する。

マイコン１０１は、ゲート駆動回路３０の制御を行う。また、マイコン１０１は、電流プローブ４０で検出された電流値が第１閾値に到達すると、第１比較回路１０６をオン（第１積分回路１０４と差動増幅回路１０８とを接続する）とする指示を出力する。同様に、マイコン１０１は、電流プローブ４０で検出された電流値が第２閾値（＜第１閾値）に到達すると、第２比較回路１０７をオン（第２積分回路１０５と差動増幅回路１０８とを接続する）とする指示を出力する。
さらに、マイコン１０１は、最大置検出回路１０９の出力電圧値と、半導体モジュール２０の温度との対応情報である電圧値−温度対応情報（時間差と、温度との対応情報、電圧値と、温度との対応情報）１１１を保持しており、最大値検出回路１０９の出力と、電圧値−温度対応情報１１１とを基に、半導体モジュール２０の温度を推測する。
なお、電圧値−温度対応情報１１１は、電圧値と、温度との対応マップの形式でもよいし、電圧値と、温度との対応グラフの形式でもよいし、電圧値と、温度との関数の形式でもよい。

図２は、第１比較回路及び第２比較回路の具体的な構成を示す図である。
なお、第１比較回路１０６及び第２比較回路１０７は別体であるが、図２では省略して１つの装置として示してある。
図２に示すように、第１比較回路１０６及び第２比較回路１０７は、スイッチ構成を有しており、マイコン１０１からの指示に従って、スイッチ構成をオンとしたり、オフとしたりする。ここで、第１比較回路１０６及び第２比較回路１０７のスイッチ構成をオンするとは、第１積分回路１０４又は第２積分回路１０５と、差動増幅回路１０８とを接続状態とすることである。また、第１比較回路１０６及び第２比較回路１０７のスイッチ構成をオフするとは、差動増幅回路１０８の入力側と、接地側とを接続するということである。

ここで、図１を参照して、電力変換装置１による電力変換動作を説明する。
まず、端子Ｔ４及び端子Ｔ１３を介して、制御情報がマイコン１０１に入力される。マイコン１０１は、入力された制御情報を基に駆動信号を生成し、端子Ｔ１１を介して駆動信号をゲート駆動回路３０に出力する。ゲート駆動回路３０は、この駆動信号を増幅し端子Ｔ２１から、ＩＧＢＴ素子２１に供給する。このゲート駆動回路３０から出力される駆動信号に従って、ＩＧＢＴ素子２１がターンオン又はターンオフする。ＩＧＢＴ素子２１に流れる電流（出力電流）は電流プローブ４０で検出される。

次に、図３を参照して、温度推定装置１０における半導体モジュール２０の温度推定について説明する。適宜、図１及び図２を参照する。
図３は、本実施形態に係る電力変換装置１における各回路における出力値の波形を示す図であり、（ａ）はノイズ除去フィルタ回路における出力電流値の波形を示し、（ｂ）は第１比較回路における出力電圧値の波形を示し、（ｃ）は第２比較回路における出力電圧値の波形を示し、（ｄ）は差動増幅回路における出力電圧値の波形を示し、（ｅ）は最大値検出回路における出力電圧値の波形を示す。なお、図３の各グラフにおいて横軸は時間を示す。
また、図３において、実線は半導体モジュール２０の温度がＴｈ１のときの波形を示し、破線は半導体モジュール２０の温度がＴｈ２のときの波形を示す。ただし、Ｔｈ１＜Ｔｈ２である。

まず、半導体モジュール２０の温度がＴｈ１である場合について説明する。
電流プローブ４０で出力電流が定常時（ｔ０からｔ１ａまでの間)であるとき、マイコン１０１により、第１比較回路１０６及び第２比較回路１０７は接地状態にあるため（図２参照）、第１比較回路１０６及び第２比較回路１０７の出力電圧値は０となる。なお、「定常時」とは、ＩＧＢＴ素子２１がオン状態であり、ＩＧＢＴ素子２１に一定の電流が流れている時のことである。
そして、時刻ｔ１ａから時刻ｔ４ａにかけて、ＩＧＢＴ素子２１がターンオフする。

ＩＧＢＴ素子２１のターンオフ時、ＩＧＢＴ素子２１の流れる電流が減衰を始める。
マイコン１０１では、定常時におけるＩＧＢＴ素子２１に流れる電流値に対して、２つの電流閾値（第１閾値３０１及び第２閾値３０２）が設定されている。
この減衰時間は温度依存性を持ち、半導体モジュール２０の温度が高くなると、遮断開始時刻（図３の時刻ｔ１ａ及びｔ１ｂ参照）が遅延するのと、遮断開始からの電流の減衰時間が長くなる２つの現象が発生する。

図４は、ＩＧＢＴ素子２１に流れる電流がターンオフする時の第１閾値から第２閾値に到達するまでの時間差（図３における時刻ｔ２ａから時刻ｔ３ａ、時刻ｔ２ｂから時刻ｔ３ｂの間）の温度依存性を示すグラフである。グラフの横軸は半導体モジュールの温度（セッ氏）を示し、縦軸は第１閾値から第２閾値までの到達時間を示している。

図４に示すように、２５℃では９８０ｎｓの時間差に対し、５０℃では１１３０ｎｓ、１２５℃では１７７０ｎｓと大きくなっている。これは温度が高くなると減衰時間が長くなることを示している。この時間差から、温度分解能を１００度とする場合、１３ＭＨｚ程度のカウンタがあれば温度差を検出することができる。温度分解能を２５度とする場合、６７ＭＨｚ程度のカウンタがあれば温度を検出することができる。特許文献１に記載の技術と同様、この時間差を検出するにはディジタル信号に変換するため、基準発振源を発生する回路が必要となる。この基準発振回路は高速なため出力電圧値が小さくインバータ等の実環境では雑音の影響を受けやすく、アナログ回路処理による時間差検出が有効だと考えられる。

図３の説明に戻る。
定常時では、第１比較回路１０６が接地側に接続していることから（図２参照）、第１積分回路１０４の出力は接地状態となっている。従って、第１積分回路１０６では積分動作が生じていない。第２積分回路１０７も同様である。
そして、ＩＧＢＴ素子２１の出力電流が第１閾値３０１に達すると（時刻ｔ２ａ）マイコン１０１は、第１比較回路１０６の接続先を接地から差動増幅回路１０８側に接続させる（図２参照）。これにより、第１積分回路１０４の出力が閉じ、第１積分回路１０４が積分動作を開始する。
第１積分回路１０４の出力は急峻に立ち上がることになるので、第１比較回路１０６からの出力電圧値も急峻に立ち上がることとなる。

次に、ＩＧＢＴ素子２１の出力電流が第２閾値３０２に達すると（時刻ｔ３ａ）マイコン１０１は、第２比較回路１０７の接続先を接地から第２積分回路１０５側に接続させる（図２参照）。これにより、第２積分回路１０５の出力が閉じ、第２積分回路１０５が積分動作を開始する。
第２積分回路１０５の出力は急峻に立ち上がることになるので、第２比較回路１０７からの出力電圧値も急峻に立ち上がることとなる。

そして、時刻ｔ４ａでＩＧＢＴ素子２１の出力電流が０となるため、第１積分回路１０４及び第２積分回路１０５は放電し、その出力が０となる。これにより、第１積分回路１０４及び第２積分回路１０５の出力は所定時間かけて０となる。従って、第１比較回路１０６及び第２比較回路１０７の出力も時刻ｔ４ａから、所定時間かけて０となる。
このとき、（ｔ４ａ−ｔ２ａ）＞（ｔ４ａ−ｔ３ａ）が成立している。

次に、第１比較回路１０６の出力と第２比較回路１０７の出力を、差動増幅回路１０８が差動増幅する。差動増幅回路１０８の出力電圧値の波形を図３（ｄ）に示す。
図３（ｄ）に示すように、差動増幅回路１０８における出力電圧値の立ち上がり時刻は、ＩＧＢＴ素子２１の出力電流が第１閾値３０１に達した時刻ｔ２ａである。そして、差動増幅回路１０８の出力がピークとなる時刻は、ＩＧＢＴ素子２１の出力電流が第２閾値３０２に到達した時間ｔ３ａとなる。また、差動増幅回路１０８の出力が０となる時刻は、ＩＧＢＴ素子２１の出力電流が０となる時刻である。

差動増幅回路１０８の出力電圧は最大値検出回路１０９に入力される。
図３（ｅ）に示すように、最大値検出回路１０９は、時刻ｔ２ａから時刻ｔ３ａまでは差動増幅回路１０８の波形と同じ波形を出力する。
そして、時刻ｔ３ａで差動増幅回路１０８の出力電圧がピーク値に達した後、減衰していくと、最大値検出回路１０９は、時刻ｔ３ａの時点の差動増幅回路１０８の出力電圧のピーク値を保持する。

最大値検出回路１０９は、マイコン１０１に出力電圧を出力する。マイコン１０１では、時刻ｔ２ａにおける最大値検出回路１０９の出力電圧値と、時刻ｔ３ａ以降における最大値検出回路１０９の出力電圧値の差を基に、電圧値−温度対応情報１１１を参照して、半導体モジュール２０の温度を推定する。

半導体モジュール２０の温度がＴｈ２のときにおけるマイコン１０１及び各回路１０２〜１０９の動作は、温度がＴｈ１のときと同様となる（図３の破線参照）。
ここで、時刻ｔ２ａ〜ｔ４ａまでのＩＧＢＴ素子２１の出力電流の積分値をＩｎｔ１とし、時刻ｔ２ｂ〜ｔ４ｂまでのＩＧＢＴ素子２１の出力電流の積分値をＩｎｔ２とすると、Ｉｎｔ１＜Ｉｎｔ２となる。そのため、時刻ｔ２ｂ以降における第１積分回路１０４の出力値（第１比較回路１０６の出力値）は、時刻ｔ２ａ以降における第１積分回路１０４の出力値（第１比較回路１０６の出力値）より大きくなる。第２積分回路１０５の出力値（第２比較回路１０７の出力値）も同様である。

従って、温度Ｔｈ２における差増増幅回路１０８のピーク値（時刻ｔ３ｂの時の値）は、温度Ｔｈ１における差増増幅回路１０８のピーク値（時刻ｔ３ａの時の値）よりも大きくなる。
これにより、温度Ｔｈ２における最大値検出回路１０９の最大出力値Ｖｔｈ２は、温度Ｔｈ１における最大値検出回路１０９の最大出力値Ｖｔｈ１よりも大きな値となる。すなわち、最大値検出回路の１０９の出力電圧値は、半導体モジュール２０の温度に依存する値となる。

本実施形態における温度推定装置１０は、ＩＧＢＴ素子２１のターンオフ後における電流の減衰過程において、少なくとも２つの閾値を設けている。そして、温度推定装置１０は各閾値に達する時間の差分を電圧値に変換している。このような構成とすることで、本実施形態に係る温度推定装置１０は、高精度な時間分解能を有する回路を用いずに、半導体モジュール２０の温度を推定することができる。すなわち、マイコン１０１に内蔵されている低速Ａ／Ｄ変換器で半導体モジュール２０の温度を推定することができる。従って、コストの低下を図ることができる。

また、前記構成を有することで、容易に検出でき、かつ、高精度な時間分解能を必要としないので、雑音に強い温度推定装置１０を提供することができる。従って、実用性のある検出精度を実現することができる。
さらに、本実施形態における温度推定装置１０は、耐圧電圧が低い半導体素子を有する半導体モジュール２０にも適用することができる。
そして、半導体モジュール２０の温度を推定することで、半導体モジュール２０における損失や、熱抵抗等の評価を行うことが可能となる。

なお、本実施形態では、ＩＧＢＴ素子２１のターンオフの判定を、ＩＧＢＴ素子２１の出力電流値を基に行っているが、マイコン１０１に入力されるＩＧＢＴ素子２１の制御情報、もしくは、マイコン１０１がゲート駆動回路に出力する制御信号を基に、ＩＧＢＴ素子２１のターンオフが判定されてもよい。

また、本実施形態では、ＩＧＢＴ素子２１に流れる電流値を検出しているが、これに限らず、ＩＧＢＴ素子２１のコレクタ−エミッタ間の電圧値が取得されてもよい。あるいは、ＩＧＢＴ素子２１に流れる電流値と、コレクタ−エミッタ間の電圧値とが取得されてもよい。
なお、本実施形態では、半導体モジュール２０を１ｉｎ１構成としたが、モジュール構成を限定するものではなく、２ｉｎ１構成、６ｉｎ１構成等でもよい。
さらに、本実施形態では、閾値、積分回路、比較回路が、それぞれ２つずつ備えられている構成となっているが、それぞれ３つ以上備えられていてもよい。この場合、差動増幅回路１０９は、それぞれの比較回路間の出力の差分値を出力するようにしてもよい。この場合、差動増幅回路１０９が複数備えられていてもよい。

［第２実施形態］
図５は、第２実施形態に係る電力変換装置の構成図である。適宜、図１を参照する。
図５に示す電力変換装置１ａは、図１における電力変換装置１が２つ並列（ハーブブリッジ型）に接続されている構成となっている。すなわち、一方の電力変換装置１（図１）におけるＰ端子Ｔ１と、他方の電力変換装置１におけるＮ端子Ｔ２で接続され、出力端子Ｔ３が共有となっている。
図５において、温度推定装置１０ａ、ＩＧＢＴ素子２１ａ、還流用ダイオード２２ａ、ゲート回路３０ａで構成されるものをハイサイド側と称する。同様に、温度推定装置１０ｂ、ＩＧＢＴ素子２１ｂ、還流用ダイオード２２ｂ、ゲート回路３０ｂで構成されるものをローサイド側と称する。

半導体モジュール２０ｃは、ハイサイド側のＩＧＢＴ素子２１ａと、ローサイド側のＩＧＢＴ素子２１ｂとを有している。ＩＧＢＴ素子２１ａ，２１ｂは、それぞれ還流用ダイオード２２ａ，２２ｂを備えている。ハイサイド側のＩＧＢＴ素子２１ａの入力電流を検出し、その検出結果をハイサイド側の温度推定装置１０ａに入力する電流プローブ４０ａが、ＩＧＢＴ素子２１ａのコレクタ側に備えられている。また、ローサイド側のＩＧＢＴ素子２１ｂの出力電流を検出し、その検出結果をローサイド側の温度推定装置１０ｂに入力する電流プローブ４０ｂが、ＩＧＢＴ素子２１ｂのエミッタ側に備えられている。
なお、ハイサイド側の温度推定装置１０ａ及びローサイド側の温度推定装置１０ｂの構成は、図１の温度推定装置１０と同様であるので、ここでの図示及び説明は省略する。

ハイサイド側のＩＧＢＴ素子２１ａがオフ、ローサイド側のＩＧＢＴ素子２１ｂがオンの状態からローサイド側のＩＧＢＴ素子２１ｂがオフの状態となったとする。このとき、ローサイド側の電流プローブ４０ｂはターンオフ時の出力電流を検出する。
このときのローサイド側の温度推定装置１０ｂにおけるマイコン１０１及び各回路１０２〜１０９（図１）は図２に示す各波形を出力する。すなわち、ローサイド側の温度推定装置１０ｂは、図１の温度推定装置１０と同様の処理が行われ、半導体モジュール２０ｃの温度が推定される。

ローサイド側のＩＧＢＴ素子２１ｂがオフ、ハイサイド側のＩＧＢＴ素子２１ａがオンの状態からハイサイド側のＩＧＢＴ素子２１ａがオフの状態となった場合でも、ハイサイド側の温度推定装置１０ａは、第１実施形態の温度推定装置１０と同様の処理を行う。
また、ローサイド側のＩＧＢＴ素子２１ｂ及びハイサイド側のＩＧＢＴ素子２１ａが共にオンの状態から、ハイサイド側のＩＧＢＴ素子２１ａ及びローサイド側のＩＧＢＴ素子２１ｂが共にオフの状態となった場合でも、ハイサイド側の温度推定装置１０ａ及びローサイド側の温度推定装置１０ｂのそれぞれは、第１実施形態の温度推定装置１０と同様の処理を行う。

なお、端子Ｔ４ａ，Ｔ４ｂ，Ｔ１１ａ〜Ｔ１３ａ，Ｔ１１ｂ〜Ｔ１３ｂ，Ｔ２１ａ，Ｔ２１ｂのそれぞれは、図１における端子Ｔ４，Ｔ１１〜Ｔ１３，Ｔ２１に相当するため、ここでの説明を省略する。

また、図５において、ハイサイド側のＩＧＢＴ素子２１ａの入力電流を検出するための電流プローブ４０ａ、及びローサイド側のＩＧＢＴ素子２１ｂの出力電流を検出するための電流プローブ４０ｂと、電流プローブ４０（図１）が２つ使用されている。しかしながら、これに限らず、マイコン１０１の端子ａからの制御信号による動作状況を把握できていれば電流プローブ４０はハイサイド側のＩＧＢＴ素子２１ａ、ローサイド側のＩＧＢＴ素子２１ｂ及び出力端子Ｔ３の間に１つ設置されるだけでもよい。
また、第２実施形態では、２つの電力変換装置１が接続されている構成となっているが、これに限らず、３つ以上の電力変換装置１が接続されてもよい。

［第３実施形態］
図６は、第３実施形態に係る電力変換システムの構成例を示す図である。適宜、図１を参照する。
図６に示す電力変換システムＺは、３相モータドライブ用の電力変換装置１の遠隔監視の例である。
電力変換システムＺは、複数（本実施形態では３つ）の電力変換装置１Ａ〜１Ｃを有しており、各電力変換装置１Ａ〜１Ｃは第１実施形態における電力変換装置１と同様の構成を有している。つまり、各電力変換装置１Ａ〜１Ｃは、第１実施形態における電力変換装置１と同様の処理により、各電力変換装置１Ａ〜１Ｃに備えられている半導体モジュール２０の温度を推測している。

各電力変換装置１Ａ〜１ＣのＰ端子Ｔ１（図１）及びＮ端子Ｔ２（図１）には、電力変換装置１Ａ〜１Ｃを駆動するための直流電源２が接続されている。なお、直流電源２と並列にバイパスコンデンサ３が設けられている。
また、図６の例では、３相モータ４が、各電力変換装置１Ａ〜１Ｃに接続されている。３相モータ４の各入力端子は、各電力変換装置１Ａ〜１Ｃの出力端子Ｔ３（図１）に接続されている。

また、各電力変換装置１Ａ〜１Ｃで推測された半導体モジュール２０の温度情報は通信回路５で膨大なデータを効率よく連続送信するため圧縮され、通信網６を介してサーバ７に送信される。通信回路５と通信網６の間、及び通信網６とサーバ７との間の通信媒体は無線でも有線でもよく、現場環境に合わせて決めていけばよい。なお、第３実施形態において、温度推定装置１０のマイコン１０１は、送信部としても動作する。
サーバ７には各電力変換装置１Ａ〜１Ｃの制御情報や、駆動情報や、電力変換装置１Ａ〜１Ｃの稼働情報や、使用している半導体モジュール２０の寿命曲線等を別途管理している。そして、サーバ７は、電力変換装置１Ａ〜１Ｃの温度推定装置１０から取得した半導体モジュール２０の温度情報を基に半導体モジュール２０の寿命を予測する。さらに、サーバ７は、予測された半導体モジュール２０の寿命を基に、各電力変換装置１Ａ〜１Ｃにおける半導体モジュール２０の温度が上昇しないように延命制御したり、メンテナンス計画、部品手配等を提示したりする。

なお、本実施形態では、半導体素子としてＩＧＢＴ素子２１（２１ａ，２１ｂ）を用いているが、バイポーラトランジスタや、ＭＯＳ型等のＦＥＴ、ＨＥＭＴ素子等が用いられてもよい。

本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を有するものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

また、前記した各構成、機能、各回路１０２〜１０９、マイコン１０１等は、それらの一部又はすべてを、例えば集積回路で設計すること等によりハードウェアで実現してもよい。また、図１に示すように、前記した各構成、機能等は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサ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してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、ＨＤ（Hard Disk）に格納すること以外に、メモリや、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、又は、ＩＣ（Integrated Circuit）カードや、ＳＤ（Secure Digital）カード、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）等の記録媒体に格納することができる。
また、各実施形態において、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしもすべての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には、ほとんどすべての構成が相互に接続されていると考えてよい。

１，１ａ，１Ａ〜１Ｃ 電力変換装置
２ 直流電源
３ バイパスコンデンサ
４ ３相モータ
５ 通信回路
６ 通信網
７ サーバ
１０，１０ａ，１０ｂ 温度推定装置
２０，２０ｃ，４００ 半導体モジュール
２１，２１ａ，２１ｂ ＩＧＢＴ素子（半導体素子）
２２，２２ａ，２２ｂ 還流用ダイオード
３０，３０ａ，３０ｂ ゲート駆動回路
４０，４０ａ，４０ｂ 電流プローブ（取得部）
１０１ マイコン（算出部）
１０２ 出力電流検出回路（取得部）
１０３ ノイズ除去フィルタ回路
１０４ 第１積分回路（時間差検出部、積分部）
１０５ 第２積分回路（時間差検出部、積分部）
１０６ 第１比較回路（時間差検出部、比較部）
１０７ 第２比較回路（時間差検出部、比較部）
１０８ 差動増幅回路（時間差検出部、差分部）
１０９ 最大値検出回路（時間差検出部、最大値検出部）
１１１ 電圧値−温度対応情報（時間差と、温度との対応情報、電圧値と、温度との対応情報）
４０１ 冷却器
４０２ グリス
４０３ ベース板
４０４，４０６ メタル
４０５ 絶縁層
４０７ 絶縁基板
４０８，４１０ はんだ
４０９ 電力用半導体素子
Ｔ１ Ｐ端子
Ｔ２ Ｎ端子
Ｔ３ 出力端子
Ｔ４，Ｔ４ａ，Ｔ４ｂ，Ｔ１１〜Ｔ１３，Ｔ１１ａ〜Ｔ１３ａ，Ｔ１１ｂ〜Ｔ１３ｂ，Ｔ２１，Ｔ２１ａ，Ｔ２１ｂ 端子
Ｚ 電力変換システム

Claims (8)

1. 半導体モジュールにおいて電流が遮断された際の、前記半導体モジュールの出力値を取得する取得部と、
   前記出力値に対して、少なくとも２つの異なる閾値が設定されており、前記出力値が各閾値に達したときの時間差を検出する時間差検出部と、
   時間差と、温度との対応情報を基に、前記検出された時間差から前記半導体モジュールの温度を推定する算出部と、
   を有することを特徴とする温度推定装置。
2. 前記時間差と、温度との対応情報は、電圧値と、前記温度との対応情報であり、
   前記時間差検出部は、
   前記出力値の積分値を出力する少なくとも２つの積分部と、
   前記出力値が所定の閾値に到達すると、前記積分部の出力値を出力する少なくとも２つの比較部と、
   それぞれの前記比較部の出力値を差分する差分部と、
   前記差分部の出力の最大値を出力する最大値検出部と、
   を有し、
   前記少なくとも２つの比較回路のそれぞれは、前記少なくとも２つの積分回路に対応して設けられているとともに、前記少なくとも２つの閾値に対応して設けられており、前記対応している閾値に前記出力値が達すると作動する
   ことを特徴とする請求項１に記載の温度推定装置。
3. 半導体素子を有する半導体モジュールと、
   前記半導体モジュールにおいて電流が遮断された際の、前記半導体モジュールの出力値を取得する取得部と、
   前記出力値に対して、少なくとも２つの異なる閾値が設定されており、前記出力値が各閾値に達したときの時間差を検出する時間差検出部と、
   時間差と、温度との対応情報を基に、前記検出された時間差から前記半導体モジュールの温度を推定する算出部と、
   を有することを特徴とする電力変換装置。
4. 前記時間差と、温度との対応情報は、電圧値と、前記温度との対応情報であり、
   前記時間差検出部は、
   前記出力値の積分値を出力する少なくとも２つの積分部と、
   前記出力値が所定の閾値に到達すると、前記積分部の出力値を出力する少なくとも２つの比較部と、
   それぞれの前記比較部の出力値を差分する差分部と、
   前記差分部の出力の最大値を出力する最大値検出部と、
   を有し、
   前記少なくとも２つの比較回路のそれぞれは、前記少なくとも２つの積分回路に対応して設けられているとともに、前記少なくとも２つの閾値に対応して設けられており、前記対応している閾値に前記出力値が達すると作動する
   ことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
5. 複数の前記電力変換装置が接続されている
   ことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
6. 半導体モジュールにおいて電流が遮断された際の、前記半導体モジュールの出力値を取得する取得部と、
   前記出力値に対して、少なくとも２つの異なる閾値が設定されており、前記出力値が各閾値に達したときの時間差を検出する時間差検出部と、
   時間差と、温度との対応情報を基に、前記検出された時間差から前記半導体モジュールの温度を推定する算出部と、
   前記推定した温度に関する情報をサーバへ送信する送信部と、
   を有する
   電力変換装置を備えるとともに、
   前記電力変換装置から送信された前記温度に関する情報を受信するサーバを有する
   ことを特徴とする電力変換システム。
7. 前記時間差と、温度との対応情報は、電圧値と、前記温度との対応情報であり、
   前記時間差検出部は、
   前記出力値の積分値を出力する少なくとも２つの積分部と、
   前記出力値が所定の閾値に到達すると、前記積分部の出力値を出力する少なくとも２つの比較部と、
   それぞれの前記比較部の出力値を差分する差分部と、
   前記差分部の出力の最大値を出力する最大値検出部と、
   を有し、
   前記少なくとも２つの比較回路のそれぞれは、前記少なくとも２つの積分回路に対応して設けられているとともに、及び、前記少なくとも２つの閾値に対応して設けられており、前記対応している閾値に前記出力値が達すると作動する
   ことを特徴とする請求項６に記載の電力変換システム。
8. 前記電力変換システムを複数有する
   ことを特徴とする請求項６に記載の電力変換システム。

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