JP2018026946A - 電力変換装置、電力変換装置の寿命診断方法、電力変換装置のスイッチング素子温度検出方法および電力変換システム - 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行いながら、インバータ回路の出力電流である相電流か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】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、前記インバータ回路と前記負荷を接続する配線に流れる相電流を検出する電流検出器と、前記電流検出器から出力された相電流の特徴量を検出する特徴量計測器と、前記電流検出器の出力に基づき前記スイッチング素子の制御を行う中央演算処理装置と、前記特徴量計測器により検出した相電流の特徴量に基づき前記複数のスイッチング素子の温度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、電力変換装置の劣化状態の診断に適用して有効な技術に関する。

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（電流制御型素子、ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）の温度を検出する手法が種々提案されている。

本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献１のような技術がある。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。

また、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。

また、特許文献３には「半導体チップと、前記半導体チップの周辺に設けられた温度センサ」と記載されている。

特開平５−５６５５３号公報 特開２００２−２８９８５６号公報 特開２０１４−１７８２６４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、オフ期間が短い場合は温度測定を行うことができないため、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。

上記特許文献３は半導体パッケージや半導体モジュール内部に温度センサが設けられたものに適用範囲が限定される。

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。

また、これらの文献によると、異常を検出するための手段はインバータ回路内部に組み込む必要があるため汎用性が低く、電力変換装置の選択範囲が限られてしまう。

そこで、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行いながら、インバータ回路の出力電流である相電流か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、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、前記インバータ回路と前記負荷を接続する配線に流れる相電流を検出する電流検出器と、前記電流検出器から出力された相電流の特徴量を検出する特徴量計測器と、前記電流検出器の出力に基づき前記スイッチング素子の制御を行う中央演算処理装置と、前記特徴量計測器により検出した相電流の特徴量に基づき前記複数のスイッチング素子の温度を診断する診断処理部と、を備えることを特徴とする。

また、本願は、複数のスイッチング素子を含むブリッジ回路で構成され、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を備える電力変換装置の寿命診断方法であって、前記インバータ回路および前記負荷間に流れる相電流を検出し、前記検出した相電流から前記複数のスイッチング素子の電流特性の変化量を検出し、前記検出した電流特性の変化量から前記複数のスイッチング素子の温度を算出し、前記算出した複数のスイッチング素子の温度、および前記検出した相電流から前記インバータ回路の劣化状態を診断することを特徴とする。

また、本願は、複数のスイッチング素子を含むブリッジ回路で構成され、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を備える電力変換装置のスイッチング素子温度検出方法であって、前記インバータ回路および前記負荷間に流れる相電流を検出し、前記検出した相電流から前記複数のスイッチング素子の電流特性の変化量を検出し、前記検出した電流特性の変化量から前記複数のスイッチング素子の温度を算出す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行いながら、インバータ回路の出力電流である相電流か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。

本発明の第１の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。 本発明の第２の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。 本発明の第１の実施形態に係る動作波形の例である。 本発明の第１の実施形態に係る相電流の温度と遅延時間の相関図である。 本発明の第３の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。 本発明の第４の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。 本発明の電力変換装置の寿命診断方法およびスイッチング素子温度検出方法の例を示すフローチャートである。

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。なお、本発明は以下に説明する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説明を分かり易くするための例示である。また、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、本発明の第１の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１０１は、インバータ回路１０２、中央演算処理装置及び制御装置１０４、コンデンサ１０５、第１の特徴量計測器１０７、第２の特徴量計測器１０８、電流検出器１０９、診断処理部１１０を備えており、直流電圧源１０６の直流電力をインバータ回路１０２で交流電力に変換し、負荷の一例である三相交流電動機１０３に連続的に供給する。端子１１３は外部との接続端子である。コンデンサ１１２はインバータ回路１０２と三相交流電動機１０３を接続する配線と対地に存在する浮遊容量成分を示す。電流検出器１０９には、例えば、ロゴスキコイルやカレントトランス、光ファイバ型の検出器などから、コストと精度を考慮して選択して用いる。

なお、図１に示す本実施形態に係る電力変換装置１０１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１０２は、直流電圧源１０６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１０３の負荷に対応した６個のスイッチング素子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１０６には、平滑コンデンサ１０５が並列に接続されている。６個のスイッチング素子は、パワー半導体素子であり、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（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）などを用いることができる。なお、大電流用途では多くの場合、ハイブリッドモジュール化されている。

また、インバータ回路１０２は電流検出器１０９で検出した電流を基に、中央演算処理装置及び制御装置１０４により制御線１１１を介して三相交流電動機１０３に供給する電流を制御する。

インバータ回路１０２のスイッチング動作によって三相交流電動機１０３に電流が供給される。その間、インバータ回路１０２内のスイッチング素子は流れる電流により発熱する。

第１の特徴量計測器１０７は電流検出器１０９で検出された相電流からインバータ回路１０２のスイッチング素子の電流特性の変化量をアナログ回路で検出し、第２の特徴量計測器１０８のディジタル回路で信号処理し、診断処理部１１０で温度を求め、この温度診断結果と、電流検出器１０９の電流値を中央演算処理装置及び制御回路１０４で分析することでインバータ回路１０２の劣化状態を診断しつつ、インバータ回路１０２の運転制御の継続が可能となる。

図２は、本発明の第２の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。なお、図1の第１の実施例と重複する部分については同じ図番で示し説明は省略する。

インバータ回路１０２のスイッチング動作によって三相交流電動機１０３に電流が供給される。その間、インバータ回路１０２内のスイッチング素子は流れる電流により発熱する。

本実施形態の第１の特徴量計測器１０７は比較器で構成しており、予め設定した基準電圧発生回路１１４と比較し変化点を検出する。第２の特徴量計測器１０８には中央演算処理装置及び制御回路１０４からインバータ回路１０２の制御信号が制御線１１１を介して入力されており、この制御信号をトリガとして第１の特徴量計測器１０７で検出された変換点までの時間を計測するカウンタで構成することでトリガから電流変化点までの時間が計測できる。この計測時間から診断処理部１１０で温度を求める。求めた温度はインバータ回路１０２のスイッチング素子の温度状態を反映しており、温度が高いほど計測時間は長くなる。

電流検出器１０９で検出された相電流からインバータ回路１０２のスイッチング素子の電流特性の変化量をアナログ回路で検出し、第２の特徴量計測器１０８のディジタル回路で信号処理し、診断処理部１１０で温度を求めることでインバータ回路１０２の劣化状態を診断する。温度変化が小さければ劣化を小さく、温度変化が大きければ劣化が大きいと診断する。

図３は、本発明の第１の実施形態（図１）に係る波形図の例を示す。図１と図３を併せて説明する。

電力変換装置１０１がＰＷＭ制御（Pulse Width Modulation）されており、三相交流電動機１０３はVu、Vv、Vwのような電圧が印加され駆動しているとする。以下では、U相電流の場合について説明する。電流検出器１０９で検出されるU相電流には対地容量であるコンデンサ（浮遊容量成分）１１２が原因でノイズが重畳される。U相電流（拡大波形）を見ると、波形は温度が高くなると重畳されたノイズが遅延して発生することを発明者は実験から発見した。このノイズ振幅値から基準値を決定し、第１の特徴量計測器１０７では基準値と比較した結果、出力を変化させるアナログ回路で構成する。第２の特徴量計測器１０８では制御信号でカウントを開始し、第１の特徴量計測器の出力が変換するまでの時間をカウントする。

図３の例では温度２０℃の場合と８０℃の場合を示すが、このように温度により遅延時間が異なる。この遅延時間と温度の関係をあらかじめ評価し、そのテーブルデータや近似関数化された数式を診断処理部１１０のメモリに格納しておくことで、第２の特徴量計測器１０８の出力をもとに診断処理部１１０でインバータ回路１０２の温度診断が可能となる。この結果を中央演算処理装置及び制御回路１０４では電流検出器１０９で検出した電流と温度診断結果をもとに、インバータ回路１０２を制御することが可能になる。

本発明の第２の実施形態では第１の特徴量計測器１０７を比較器、第２の特徴量計測器１０８をディジタルカウンタ、診断処理部１１０をメモリやマイコンで実現可能である。また、診断処理部１１０は中央演算処理装置及び制御回路１０４内で構成してもよい。なお、第２の特徴量計測器１０８をディジタルカウンタに替えて積分回路で構成することも可能である。

図４は本発明の第１の実施形態に係る相電流の温度と遅延時間の相関図である。縦軸に相電流、横軸に遅延時間を示す。温度３０℃から８０℃まで１０℃刻みで示している。図４から分かるように、相電流は温度上昇に対して遅延時間が大きくなる傾向がある。

図５に本発明の第３の実施形態を示す。電力変換装置１０１の中央演算処理装置及び制御回路１０４の外部端子１１３にパソコン１１５を接続し、中央演算処理装置及び制御回路１０４で処理された診断結果をパソコン１１５で管理することで過去の診断結果の履歴を記録することが可能となる。更にはパソコン１１５にソフトを組み込むことで履歴と、パソコン１１５に入力された今後の稼働パターンや運行パターン（例えば、鉄道の運行計画）等をもとに劣化を予測し、インバータ回路１０２の寿命予測が可能となる。

図６に本発明の第４の実施形態を示す。パソコン１１５で得られた電力変換装置１０１の診断結果を通信網ネットワーク１１６を介して他のパソコンやサーバ１１７により管理することで、例えば、遠隔地に設けられた電力変換装置のインバータ回路１０２の診断が可能な診断サービスを提供することができる。

図７を用いて、本発明の電力変換装置の寿命診断方法およびスイッチング素子温度検出方法の例を説明する。なお、図７に示す方法は、実施例１（図１）で説明した第１の実施形態に係る電力変換装置による基本的なフローであり、他の実施例の電力変換装置によるフローは、図７のフローに各実施例で説明したフローが追加または一部のステップを置き換えたものとなる。

図７を参照して、先ず、電流検出器によりインバータ回路と負荷の間に流れる相電流を検出する。（ステップＳ１）
次に、ステップＳ１で検出した相電流から、例えばアナログ回路で構成される第１の特徴量計測器によりインバータ回路を構成する複数のスイッチング素子の電流特性の変化量を検出する。（ステップＳ２）
続いて、例えばディジタル回路で構成される第２の特徴量計測器により信号処理が施される。（ステップＳ３）
続いて、診断処理部で複数のスイッチング素子の温度を算出する。（ステップＳ４）
さらに、ステップＳ４で算出した複数のスイッチング素子の温度と、ステップＳ１で検出した相電流からインバータ回路の劣化状態を診断する。（ステップＳ５）
以上のフローにより、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行いながら、インバータ回路の出力電流である相電流からスイッチング素子の温度検出と劣化状態の診断、およびそのインバータ回路が搭載される電力変換装置の寿命診断を行うことができる。

なお、各実施例において、例えばインバータ回路１０２を複数のスイッチング素子が直列接続または多並列接続されることでモジュール化したパワーモジュールで構成し、パワーモジュールに温度を検出する温度センサを設けて、診断処理部１１０で温度センサの検出温度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ようにしてもよい。

また、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。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に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例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。

１０１…電力変換装置、１０２…インバータ回路、１０３…三相交流電動機、１０４…中央演算処理装置及び制御装置、１０５…コンデンサ（平滑コンデンサ）、１０６…直流電圧源、１０７…第１の特徴量計測器、１０８…第２の特徴量計測器、１０９…電流検出器、１１０…診断処理部、１１１…制御線、１１２…コンデンサ（浮遊容量成分）、１１３…端子、１１４…基準電圧発生回路、１１５…パソコン、１１６…通信網ネットワーク、１１７…パソコン／サーバ。

Claims (14)

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、
   前記インバータ回路と前記負荷を接続する配線に流れる相電流を検出する電流検出器と、
   前記電流検出器から出力された相電流の特徴量を検出する特徴量計測器と、
   前記電流検出器の出力に基づき前記スイッチング素子の制御を行う中央演算処理装置と、
   前記特徴量計測器により検出した相電流の特徴量に基づき前記複数のスイッチング素子の温度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. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記特徴量計測器は、第１の特徴量計測器と第２の特徴量計測器の２つの特徴量計測器からなり、
   前記第１の特徴量計測器は、予め設定した基準値と前記電流検出器の出力を比較する比較器であり、
   前記第２の特徴量計測器は、前記中央演算処理装置から出力される前記複数のスイッチング素子の制御信号をトリガとして前記比較器の出力が変化するまでの時間をカウントするディジタルカウンタであることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記特徴量計測器は、前記相電流に重畳された前記複数のスイッチング素子のスイッチング動作で発生するノイズの遅延時間を検出することを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記診断処理部は、前記中央演算処理装置内に構成されることを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記診断処理部の温度診断結果の履歴から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電力変換装置。
6. 請求項５に記載の電力変換装置であって、
   前記インバータ回路は、前記複数のスイッチング素子が直列接続または多並列接続されることでモジュール化し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、
   前記診断処理部は、前記温度センサの検出温度に基づき、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電力変換装置。
7. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記中央演算処理装置は、パソコンに接続されており、
   前記パソコンは、前記診断処理部の温度診断結果の履歴と、今後の運行パターンから予測される温度変化に基づき、前記複数のスイッチング素子の寿命予測を行うことを特徴とする電力変換装置。
8. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記中央演算処理装置は、パソコンに接続されており、
   前記パソコンは、通信網ネットワークに接続されており、
   前記通信網ネットワークに接続された他のパソコンまたはサーバと前記診断処理部の温度診断結果を共有し、
   当該共有した温度診断結果に基づき、前記電力変換装置の遠隔運転制御または稼働状態の遠隔監視を行うことを特徴とする電力変換装置。
9. 複数のスイッチング素子を含むブリッジ回路で構成され、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を備える電力変換装置の寿命診断方法であって、
   前記インバータ回路および前記負荷間に流れる相電流を検出し、
   前記検出した相電流から前記複数のスイッチング素子の電流特性の変化量を検出し、
   前記検出した電流特性の変化量から前記複数のスイッチング素子の温度を算出し、
   前記算出した複数のスイッチング素子の温度、および前記検出した相電流から前記インバータ回路の劣化状態を診断することを特徴とする電力変換装置の寿命診断方法。
10. 請求項９に記載の電力変換装置の寿命診断方法であって、
    前記検出した相電流と予め設定した基準値を比較することで、前記複数のスイッチング素子の電流特性の変化量を検出することを特徴とする電力変換装置の寿命診断方法。
11. 請求項１０に記載の電力変換装置の寿命診断方法であって、
    前記複数のスイッチング素子の制御信号をトリガとして前記複数のスイッチング素子の電流特性が変化するまでの時間を検出することで、前記インバータ回路の劣化状態を診断することを特徴とする電力変換装置の寿命診断方法。
12. 請求項９に記載の電力変換装置の寿命診断方法であって、
    前記検出する複数のスイッチング素子の電流特性の変化量は、前記相電流に重畳された前記複数のスイッチング素子のスイッチング動作で発生するノイズの遅延時間であることを特徴とする電力変換装置の寿命診断方法。
13. 複数のスイッチング素子を含むブリッジ回路で構成され、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を備える電力変換装置のスイッチング素子温度検出方法であって、
    前記インバータ回路および前記負荷間に流れる相電流を検出し、
    前記検出した相電流から前記複数のスイッチング素子の電流特性の変化量を検出し、
    前記検出した電流特性の変化量から前記複数のスイッチング素子の温度を算出することを特徴とする電力変換装置のスイッチング素子温度検出方法。
14. 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、
    前記インバータ回路と前記負荷を接続する配線に流れる相電流を検出する電流検出器と、
    前記電流検出器から出力された相電流の特徴量を検出する特徴量計測器と、
    前記電流検出器の出力に基づき前記スイッチング素子の制御を行う中央演算処理装置と、
    前記特徴量計測器により検出した相電流の特徴量に基づき前記複数のスイッチング素子の温度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システム。

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