JP2018046609A - 電力変換装置および電力変換装置の監視システム - Google Patents

Abstract

【課題】高い絶縁性を保ちながら電力変換装置の余寿命や異常診断を行う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、スイッチング素子と、スイッチング素子のスイッチングノイズの電磁波を受信するノイズ受信部２２と、スイッチング素子の駆動タイミングを取得するタイミング取得部２３と、ノイズ受信部の受信結果とタイミング取得部の取得結果に基づいてスイッチング素子を診断する診断部２１と、を備えるようにした。より詳細には、診断部は、タイミング取得部で取得した所定スイッチング素子の駆動タイミングと、ノイズ受信部で受信した所定スイッチング素子のスイッチングノイズの受信タイミングとの時間差であるターンオフ遅延時間に基づいて診断を行うようにした。【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング素子の寿命検出を行える電力変換装置およびその監視システムに関する。

従来の電力変換装置では，電力変換装置の出力電力を測ることや、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）デバイス等のスイッチング素子の温度を測定することで、電力変換装置の異常やスイッチング素子の寿命推定を行っていた。

例えば、特許文献１は，電力変換装置に内蔵されたスイッチング素子の異常を検出するため、各スイッチング素子に温度センサを備え、各素子の温度差が閾値を超えた場合、スイッチング素子に異常が生じたと診断する技術を開示している。
また、特許文献２は、ＩＧＢＴデバイスのゲート−エミッタ電圧のスイッチオフ特性を分析して、ＩＧＢＴデバイスの接合部温度及び／又は残りの寿命を決定する技術を開示している。

特開２０１３−０３８８２８号公報 特開２０１３−１４２７０４号公報

上記の特許文献１や特許文献２によれば、スイッチング素子の異常や余寿命の推定が可能となる。
しかし、系統連系に用いられる電力変換装置では、スイッチング素子が高電圧駆動するため、スイッチング素子に温度センサを付けることによる絶縁性の低下や、ゲート−エミッタ電圧の測定回路による絶縁性の低下が問題となる。

本発明の電力変換装置は、このような点に鑑みなされたもので，高い絶縁性を保ちながら電力変換装置の余寿命や異常診断を行うことを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明の電力変換装置は、スイッチング素子と、前記スイッチング素子のスイッチングノイズの電磁波を受信するノイズ受信部と、前記スイッチング素子の駆動タイミングを取得するタイミング取得部と、前記ノイズ受信部の受信結果と前記タイミング取得部の取得結果に基づいて前記スイッチング素子を診断する診断部と、を備えるようにした。

より詳細には、前記診断部は、前記タイミング取得部で取得した所定スイッチング素子の駆動タイミングと、前記ノイズ受信部で受信した前記所定スイッチング素子のスイッチングノイズの受信タイミングとの時間差であるターンオフ遅延時間に基づいて診断を行うようにした。

本発明によれば、スイッチング素子のスイッチングノイズの電磁波を受信して、スイッチング素子やスイッチング素子を駆動する回路の診断を行うので、電力変換装置の絶縁性を低下することなく、電力変換装置の余寿命や異常診断を行うことができる。

電力変換装置の概略構成を示す図である。 電力変換装置のゲート信号とスイッチングノイズの関係を説明する図である。 スイッチング素子とアンテナの設置状態を説明する図である。 スイッチング素子とアンテナの他の設置状態を説明する図である。 診断部の処理フロー図である。 電力変換装置の全体構成を示す図である。 診断サーバのネットワーク構成を説明する図である。 電力変換装置の概略構成を示す図である。 診断サーバの概略構成を示す図である。 診断サーバの処理フロー図である。

本発明の電力変換装置および電力変換装置の監視システムでは、電力変換装置の絶縁性能の低下を抑止するために、電力変換装置のスイッチング素子が発する電磁波（ノイズ）を受信し、受信した電磁波の受信タイミングとスイッチング素子の駆動タイミングとの時間差（遅延時間）を求めている。

より詳細には、電力変換装置のスイッチング素子では、ターンオフ時に発生するスパイク／リンギング電圧により、スパイク／リンギング電流が生じて、高周波の電流／電圧ノイズの発生源となることが知られている。
また、スイッチング素子の駆動タイミングからスイッチング素子がターンオフまでの遅延時間（ターンオフ遅延時間）は、スイッチング素子の接合部温度と相関があり、遅延時間は接合部温度の線形関係にあることが知られている。

一方、スイッチング素子の寿命は、繰り返し熱応力の印加による熱ストレスの蓄積に依存している。つまり、熱ストレスの蓄積によるスイッチング素子の接合部温度の温度上昇がスイッチング素子の余寿命に相関していると言える。
以上から、スイッチングノイズの遅延時間の変化からスイッチング素子の接合部温度の上昇を推定することができ、スイッチング素子の駆動電力に応じた熱ストレスによる寿命予測を行うことができる。

本発明の電力変換装置は、上述に基づいて、スイッチングノイズのターンオフ遅延時間と駆動電力による余寿命テーブルを作成しておき、スイッチングノイズを検知して求めたターンオフ遅延時間と、スイッチング素子の駆動電力から、余寿命テーブルを参照して、余寿命を推定する。
また、本発明の電力変換装置は、複数のスイッチング素子について、スイッチングノイズのターンオフ遅延時間を比較することで、スイッチング素子の異常診断を行う。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本実施形態の電力変換装置１の概略構成を示す図である。
本実施形態の電力変換装置１は、インバータを構成するフルブリッジ接続されたスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４を有して電力変換を行うとともに、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の異常診断や余寿命推定を行う。

スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４は、高電圧が印加されるゲート部基板に実装され、スイッチング素子駆動回路１１により周知の動作パターンで駆動されている。
診断部基板には、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４のスイッチングノイズを検出するノイズ受信部２２と、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の駆動タイミングを取得するタイミング取得部２３と、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の駆動電力を取得する駆動電力取得部２４と、ノイズ受信部２２とタイミング取得部２３と駆動電力取得部２４とに接続して、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の異常判定や余寿命推定を行う診断部２１と、が実装されている。

より詳細には、ノイズ受信部２２は、スイッチングノイズを受信できるアンテナだけでなく、フォトダイオード等の高ゲインアンプを内蔵するセンサにより構成される。
また、駆動電力取得部２４で取得する直流電圧は、入力電圧を抵抗器で分圧しても良いが、抵抗のばらつきや温度による変化による誤差、マイコンのＡＤコンバータの精度、絶縁性などが問題となることがある。このような場合は、入力電圧を外部から情報として取得する。前段が太陽光パネルなどであればパワーコンディショナなどが該当する。

ゲート部基板は数千ボルト以上の強電回路となっているが、診断部基板のノイズ受信部２２でスイッチングノイズを検出してスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の状態を検出するようにしたので、診断部基板とゲート部基板とを分離して絶縁性を高めることができる。

次に、図２により、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４のオン／オフを制御するゲート信号と、スイッチングノイズの関係を説明する。図２の中段の図は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４が正常な状態の時の、スイッチングノイズの電磁波の強度を示す概念図である。図２の下段の図は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４が劣化状態の時の、スイッチングノイズの電磁波の強度を示す概念図である。

スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４のゲート信号がＯＮからＯＦＦするターンオフ時（Ｔ０）に、スパイク／リンギング電流が生じる。
スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４に劣化がない正常状態（図２の中段図）では、このスパイク／リンギング電流が、素子特性に基づく所定のターンオフ遅延時間後（Ｔ１）に発生し、電磁波の強度Ｈ１のスイッチングノイズとして検出される。

スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の劣化が進んだ状態（図２の下段図）では、素子劣化による接合部温度の上昇により、ターンオフ遅延時間が増加し、時刻Ｔ２のときにターンオフしてスパイク／リンギング電流が生じる。そして、電磁波の強度Ｈ１のスイッチングノイズとして検出される。
ここで、時刻Ｔ１やＴ２は、例えば、電磁波強度のピーク値を検出した時刻とする。

本実施形態の電力変換装置１の診断部２１は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４のゲート信号がＯＮからＯＦＦするターンオフに同期してスイッチングノイズの検出を継続して行う。そして、時刻Ｔ１と時刻Ｔ２の差を求め、この差分の変化からスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の余寿命を推定する。

また、本実施形態の電力変換装置１の診断部２１は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４のそれぞれの素子のターンオフ遅延時間（Ｔ１またはＴ２）を比較し、素子間のターンオフ遅延時間のばらつきを算出する。そして、ターンオフ遅延時間のばらつきが、所定値を超えていれば、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４のいずれかの素子が異常と判定する。

次に、判定対象のスイッチング素子の特定方法について図３と図４により説明する。
フルブリッジ接続されたスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４では、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３とスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４が異なるタイミングでオン／オフし、スイッチング素子Ｑ１とＱ３やスイッチング素子Ｑ２とＱ４は、略同じタイミングでオン／オフしている。

このため、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３とスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４のそれぞれのスイッチングノイズは、異なるタイミングとなるため、判定対象を特定することができる。
しかし、スイッチング素子Ｑ１とＱ３のそれぞれのスイッチングノイズは、略同じタイミングとなるため、判定対象を特定することができない。スイッチング素子Ｑ２とＱ４の特定も同様である。

そこで、図３に示すように、スイッチング素子Ｑ１とＱ３のそれぞれについて等距離ｒ１にアンテナ（ノイズ受信部）を診断部基板に設ける。このとき、アンテナ間の距離ｒ２は、他のスイッチング素子のスイッチングノイズの影響が小さくなるような距離（ｒ２＞＞ｒ１）として、それぞれのアンテナが独立してスイッチングノイズを検出できるようにする。

スイッチング素子Ｑ２とＱ４のそれぞれについてもアンテナを設けて、スイッチング素子とアンテナを対に構成することが望ましいが、図４に示すようにして、スイッチング素子Ｑ１とＱ２のそれぞれのアンテナを共用することもできる。
電磁波の強度は、スイッチング素子と受信部の距離に反比例する。そこで、スイッチング素子Ｑ１からの距離がｒ１、スイッチング素子Ｑ２からの距離がｒ３となる位置にアンテナ（ノイズ受信部）を設ける。これにより、相対的に強度が異なるスイッチングノイズを検出できるので、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のスイッチングノイズを識別することができる。同様に、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４のアンテナを共用できる。
もちろん、スイッチング素子Ｑ２とＱ４の駆動タイミングは、スイッチング素子Ｑ２とＱ４の駆動タイミングは異なるので、これを利用してもよい。

上記のように少なくとも２つのアンテナ（ノイズ受信部）を所定の位置関係になるように設けることによって、判定対象のスイッチング素子を特定することができる。

次に、図５により、診断部２１（図１参照）の処理フローを説明する。
スイッチング素子の接合部温度は駆動電力により異なるため、駆動電力取得部２４により、現時点の駆動電力を取得する（Ｓ５１）。

ステップＳ５２で、タイミング取得部２３により、スイッチング素子のゲート信号のターンオフタイミングを検出し、ターンオフ遅延時間の基準時刻（Ｔ０）を取得する。
そして、ノイズ受信部２２により、スイッチングノイズを受信して、スイッチングノイズの受信時刻（Ｔ２）を取得する（Ｓ５３）。

ステップＳ５４で、スイッチングノイズの受信時刻（Ｔ２）と基準時刻（Ｔ０）との差分を求めて、ターンオフ遅延時間を算出し、算出したターンオフ遅延時間に基づいて、スイッチング素子の余寿命算出や素子異常判定処理を行う。

詳しくは、算出したターンオフ遅延時間が所定時間より大きい場合には、遅延時間の増加量に応じた余寿命を求める。例えば、予め、駆動電力とターンオフ遅延時間毎に余寿命値を登録した余寿命テーブルを用意し、ステップＳ５１で取得した駆動電力とステップＳ５４で算出したターンオフ遅延時間に基づいてテーブル参照して余寿命を求める。
また、ステップＳ５４では、複数のスイッチング素子について求めたターンオフ遅延時間のばらつきが、所定値を超えているか否かを求め、超えていれば、スイッチング素子異常と判定する。
このとき、少なくとも２つのアンテナ（ノイズ受信部）が所定位置に設置されていれば、フルブリッジ接続されたスイッチング素子中の異常なスイッチング素子を特定できる。

ステップＳ５５で、余寿命値や素子異常の判定結果が正常であるか否かを判定し、正常であれば（Ｓ５５のＹｅｓ）、処理を終了する。異常であれば（Ｓ５５のＮｏ）、保守警告表示を行い（Ｓ５６）、処理を終了する。

スイッチング素子のゲート信号をフォトカプラを介して駆動する構成の場合には、ステップＳ５４の異常判定処理によって、フォトカプラの駆動遅延も含めて検出される。

図６は、実施形態の電力変換装置１の全体構成を示す図である。
実施形態の電力変換装置１は、複数の電力変換部（セル＃１、セル＃２、セル＃３）が、入力側が並列接続で、出力側が直列接続されて構成されている。

図１に示したノイズ受信部２２とタイミング取得部２３と駆動電力取得部２４は電力変換部（セル＃１、セル＃２、セル＃３）のそれぞれに設置され、電力変換部毎の診断部２１が統合されて診断装置２として設置される。
つまり、電力変換部（セル＃１、セル＃２、セル＃３）のそれぞれに設置されたノイズ受信部２２とタイミング取得部２３と駆動電力取得部２４と診断装置２により、電力変換部（セル＃１、セル＃２、セル＃３）から成る電力変換装置の監視システムを構成している。

図６の電力変換装置１では、セル＃３の電力変換部の出力インバータは高電圧駆動となる。しかし、インバータ側のスイッチング素子の診断は、ノイズ受信部２２を介して行うので、絶縁低下の問題はない。
また、図６の電力変換装置１の出力は、電力変換部（セル＃１、セル＃２、セル＃３）の直列接続となっている。スイッチング素子のターンオフ遅延時間のばらつきは、出力波形ひずみとなる。実施形態の電力変換装置１では、ターンオフ遅延時間のばらつきを算出しているので、出力波形ひずみの原因となっている電力変換部を容易に特定することができる。

上述では、電力変換装置１のフルブリッジ構成のスイッチング素子について説明したが、ハーフブリッジ構成のスイッチング素子や高電圧駆動を行うスイッチング素子にも適用できる。また、電力変換装置１の出力側のインバータ以外にも適用できる。

図６には、診断装置２が設けられた電力変換装置を示したが、複数の電力変換装置を統合して診断する診断サーバ３を設けるようにしてもよい。
例えば、図７に示すように、診断サーバ３に、ネットワークを介して、複数の電力変換装置（１ａ、１ｂ、１ｃ）を接続して、電力変換装置のネットワーク診断を構築することもできる。

図８は、図７に示した診断サーバ３で、複数の電力変換装置（１ａ、１ｂ、１ｃ）を統合して診断する場合の、各電力変換装置（１ａ、１ｂ、１ｃ）の概略構成を示す図である。
この電力変換装置（１ａ、１ｂ、１ｃ）は、図１により説明した電力変換装置１とは、診断部２１を備えず、情報取得部２５とネットワーク接続部２６が設けられている点が異なる。

情報取得部２５は、駆動電力取得部２４からスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の駆動電力を取得し、タイミング取得部２３からスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の駆動タイミングを取得し、ノイズ受信部２２で検出したスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４のスイッチングノイズを取得する。
情報取得部２５は、取得したスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の駆動タイミングとスイッチングノイズとから、ターンオフ遅延時間を算出する。
そして、情報取得部２５は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の駆動電力とターンオフ遅延時間を、ネットワーク接続部２６を介して、診断サーバ３に取得情報を通知する。

図９は、診断サーバ３の概略構成を示す図である。
ネットワーク接続部３３は、電力変換装置（１ａ、１ｂ、１ｃ）のそれぞれのネットワーク接続部２６に接続し、電力変換装置から、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の駆動電力とターンオフ遅延時間の情報を取得する。

診断部３２は、取得した情報に基づいて、それぞれの電力変換装置（１ａ、１ｂ、１ｃ）について、スイッチング素子の異常判定や余寿命算出を行う。
劣化特性データベース３１は、診断部３２により参照され、ネットワーク接続部３３を介して取得した電力変換装置の取得情報を蓄積するとともに、駆動電力毎のゲート信号とスイッチングノイズの間の遅延時間と寿命の相関情報、スイッチング素子の型番毎の寿命特性や、過去にスイッチング素子等の構成部品が劣化・故障した際の障害事例などを記録している。

次に、診断サーバ３の処理フローを図１０により説明する。
診断サーバ３は、まず、診断対象の電力変換装置の駆動電力を取得する（Ｓ１０１）。
次に、診断対象の電力変換装置のターンオフ遅延時間を取得し（Ｓ１０２）、診断対象の電力変換装置について、ターンオフ遅延時間のばらつきを算出する（Ｓ１０３）

そして、それぞれのターンオフ遅延時間が所定値以内か、ターンオフ遅延時間のばらつきが所定範囲以内かを求めて、ターンオフ遅延時間が正常か否かを判定する（Ｓ１０４）。ターンオフ遅延時間が正常であれば（Ｓ１０４のＹｅｓ）、診断処理を終了し、ターンオフ遅延時間が正常でなければ（Ｓ１０４のＮｏ）、ステップＳ１０５に進む。

ステップＳ１０５で、ターンオフ遅延時間に基づいて、スイッチング素子の余寿命算出や素子異常判定処理を行う。このとき、劣化特性データベース３１を参照して処理を行うことにより、判定精度を向上する。

詳しくは、劣化特性データベース３１に記録されている駆動電力とターンオフ遅延時間毎に余寿命値を登録した余寿命テーブルを参照して余寿命を求める際に、劣化特性データベース３１であれば、精緻なデータを記録できるので、判定精度を向上することができる。また、複数の電力変換装置の駆動履歴を蓄積することで、寿命予測の精度を向上することができる。
さらに、スイッチング素子の障害事例を参照することで、劣化したスイッチング素子の特定精度を向上することができる。

ステップＳ１０６で、余寿命値や素子異常の判定結果が正常であるか否かを判定し、正常であれば（Ｓ１０６のＹｅｓ）、判定処理を終了する。異常であれば（Ｓ１０６のＮｏ）、保守警告表示を行い（Ｓ１０８）、判定処理を終了する。

上記では、電力変換装置をネットワーグ接続する診断サーバ３の診断部３２に劣化特性データベース３１を接続する例を説明したが、図１の診断部２１が、ネットワーク接続により劣化特性データベース３１を参照できるように構成してもよい。
劣化特性データベース３１の情報を使うことで、診断の信頼性を向上させる効果がある。

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。上記の実施例は本発明で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、また、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。

２１ 診断部
２２ ノイズ受信部
２３ タイミング取得部
２４ 駆動電力取得部
１１ スイッチング素子駆動回路

Claims (8)

1. スイッチング素子と、
   前記スイッチング素子のスイッチングノイズの電磁波を受信するノイズ受信部と、
   前記スイッチング素子の駆動タイミングを取得するタイミング取得部と、
   前記ノイズ受信部の受信結果と前記タイミング取得部の取得結果に基づいて前記スイッチング素子を診断する診断部と、
   を備えた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において、
   前記診断部は、前記タイミング取得部で取得した所定スイッチング素子の駆動タイミングと、前記ノイズ受信部で受信した前記所定スイッチング素子のスイッチングノイズの受信タイミングとの時間差であるターンオフ遅延時間に基づいて診断を行う
   ことを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項２に記載の電力変換装置において、
   さらに、前記スイッチング素子の駆動電力を取得する駆動電力取得部を備え、
   前記診断部は、前記スイッチング素子の駆動電力と前記ターンオフ遅延時間に基づいてスイッチング素子の余寿命を求める
   ことを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項２に記載の電力変換装置において、
   前記診断部は、複数のスイッチング素子間の前記ターンオフ遅延時間ばらつきにより、素子異常判定を行う
   ことを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項２に記載の電力変換装置において、
   前記ノイズ受信部は、同一の駆動タイミングで駆動されるスイッチング素子毎に個別にスイッチングノイズの電磁波を受信するように、スイッチング素子から等距離に複数個設けられる
   ことを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項２に記載の電力変換装置において、
   前記ノイズ受信部は、異なる駆動タイミングで駆動されるスイッチング素子のスイッチングノイズの電磁波を共用して受信するように、スイッチング素子から異なる距離に設けられる
   ことを特徴とする電力変換装置。
7. 電力変換装置のスイッチング素子が発するスイッチングノイズの電磁波を受信するノイズ受信部と、
   電力変換装置のスイッチング素子の駆動タイミングを取得するタイミング取得部と、
   前記ノイズ受信部の受信結果と前記タイミング取得部の取得結果に基づいて前記スイッチング素子を診断する診断部と、
   を備えたことを特徴とする電力変換装置の監視システム。
8. 請求項７に記載の電力変換装置の監視システムにおいて、
   前記診断部は、前記タイミング取得部で取得した所定スイッチング素子の駆動タイミングと、前記ノイズ受信部で受信した前記所定スイッチング素子のスイッチングノイズの受信タイミングとの時間差であるターンオフ遅延時間に基づいて診断を行う
   ことを特徴とする電力変換装置の監視システム。

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