JP2019060792A - 電力変換装置の診断回路および診断システム - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換装置のインバータを構成する電力用半導体素子の温度を簡単な構成で推定すること。【解決手段】複数の電力用半導体素子を含んで構成されて交流電力または直流電力を可変の周波数と可変の電圧の交流電力に変換する電力変換装置において、電力変換装置の出力電流を検出する電流検出部と、電流検出部の検出による前記出力電流を基に前記電力用半導体素子のターンオフ時又はターンオン時の電流波形の特徴量を検出する特徴量検出部と、特徴量検出部の検出による特徴量を解析して電力用半導体素子の温度を推定する特徴量解析部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置の診断回路および診断システムに関する。

大容量の電力変換装置のインバータを構成するＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）デバイスの温度上昇が問題となることがある。ＩＧＢＴデバイスの接合部温度を計測する技術として、例えば特許文献１がある。

特許文献１の要約には、「［課題］ＩＧＢＴデバイスの動作状態を実時間で監視するシステム、特に、ＩＧＢＴデバイスの接合部温度を決定するシステムを提供する。［解決手段］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。」と記載され、ＩＧＢＴデバイスの動作状態を実時間で監視するシステムの技術が開示されている。

特開２０１３−１４２７０４号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、各アームのＩＧＢＴデバイスのミラープラトー段階を検出する必要がある。そのため、差動ユニット２１、タイマユニット２３はインバータ内部のＩＧＢＴ駆動回路近辺に設ける必要がある。しかも、これらの部品を各アームに設ける必要がある。

本発明は、前記した課題に鑑みて創案されたものであって、インバータを構成する電力用半導体素子の温度を簡単な構成で推定することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明は、複数の電力用半導体素子を含んで構成されて交流電力または直流電力を可変の周波数と可変の電圧の交流電力に変換する電力変換装置のインバータにおいて、前記インバータの出力電流を検出する電流検出部と、前記電流検出部の検出による前記出力電流を基に前記電力用半導体素子のターンオフ時又はターンオン時の電流波形の特徴量を検出する特徴量検出部と、前記特徴量検出部の検出による前記特徴量を解析して前記電力用半導体素子の温度を推定する特徴量解析部と、を備えることを特徴とする。また、その他の手段は、発明を実施するための形態のなかで説明する。

本発明によれば、電力変換装置のインバータを構成する電力用半導体素子の温度を簡単な構成で推定することができる。

本発明の第１実施形態に係るインバータの診断回路に関する電力変換装置を説明するブロック図である。 本発明の第１実施形態に係る電力変換装置を構成する電力用半導体素子の回路構成を示す構成図である。 本発明の第１実施形態に係る電力変換装置を構成する電力用半導体素子のＩＧＢＴの断面を示す断面図である。 本発明の第１実施形態に係る電力変換装置を構成する電力用半導体素子のパワーサイクル試験の試験結果を示す特性図である。 本発明の第１実施形態に係る電力変換装置を構成する電力用半導体素子のターンオフスイッチング特性の温度依存性を示す図であり、（ａ）は、素子温度Ｔ１、Ｔ２におけるスイッチング波形図、（ｂ）は、（ａ）の要部を拡大したスイッチング波形図である。 本発明の第１実施形態に係るインバータの診断回路の各部の波形を示す図であって、（ａ）は、相電流Ｉｕの波形図、（ｂ）は、（ａ）の要部を拡大した波形図、（ｃ）は、電流変化時間検出部の出力波形図、（ｄ）は、パルス変換部の出力波形図である。 本発明の第１実施形態に係るインバータの診断回路における電力用半導体素子の出力電流から特徴量を検出し、解析するまでのフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係るインバータの診断回路に関する電力変換装置を説明するブロック図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下においては「実施形態」と表記する）を、適宜、図面を参照して説明する。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態に係る電力変換装置のインバータ診断回路に関する電力変換装置Ｓ１を説明するブロック図である。

＜電力変換装置Ｓ１の概要＞
図１において、電力変換装置Ｓ１は、交流直流変換回路１０１、インバータ１００と、負荷装置１１１と、電流検出部１０５、１０６、１０７と、電流電圧変換部１３４と、特徴量検出部１２２、１２３、１２４と、特徴量解析部１２５と、を有して構成されている。

インバータ１００は、直流電源の代わりに、交流直流変換回路１０１を用いる場合、交流直流変換回路１０１に入力された三相交流などの交流電力を、一度、直流電力に変換する。そしてインバータ１００は、この直流電力を、再度、可変の周波数と可変の電圧の三相交流の電力（電圧）に変換して出力し、負荷装置１１１を駆動する。交流直流変換回路１０１は、例えば、３組のダイオードブリッジ回路で構成され、負荷装置１１１は、三相モータで構成される。

また、インバータ１００の出力電流に相当する相電流に発生する電力用半導体デバイスのターンオフ時の変化（電流勾配）が、特徴量として特徴量検出部１２２、１２３、１２４で検出され、各検出結果が特徴量解析部１２５で解析されることにより、インバータ１００における電力用半導体デバイスの素子温度や、それにともなう寿命予測が診断される。

また、本電力変換装置Ｓ１のインバータ１００は、３出力のため、インバータ１００には、後付け要素として、電流電圧変換部１３４の他に、電流検出部１０５、１０６、１０７と、特徴量検出部１２２、１２３、１２４が配置されている。

次に、以上の電力変換装置Ｓ１を構成する各装置、各部の構成と機能について、順に詳しく説明する。

＜インバータ１００＞
インバータ１００は、交流直流変換回路１０１、平滑コンデンサ１０２、複数の電力用半導体素子からなる電力用半導体素子ブロック１２７（以後、電力用半導体素子ブロック１２７）、絶縁駆動部（絶縁駆動回路）１０３、モータ制御部１０４を備えて構成される。なお、交流直流変換回路１０１をインバータ１００の一構成要素としているが、交流直流変換回路１０１の代わりに、直流電源を用いることができる。

交流直流変換回路１０１のそれぞれの交流入力端子には、三相交流のｕ相、ｖ相、ｗ相をそれぞれ入力している。交流直流変換回路１０１は、三相交流を直流電流に変換し、変換された各相（ｕ相、ｖ相、ｗ相）の電流を整流し、整流された電圧（電力）のうち正極性の電圧（電力）を、直流電源線１０１Ｐを介して平滑コンデンサ１０２の一端に印加し、負極性の電圧（電力）を、直流電源線１０１Ｎを介して平滑コンデンサ１０２の他端に印加する。平滑コンデンサ１０２の両端に印加された電圧であって、脈流の乗る電圧は、平滑コンデンサ１０２で平滑化され、平滑化された直流電圧（電力）に変換される。

電力用半導体素子ブロック１２７は、電力用半導体デバイスとして、複数の電力用半導体素子１２６（１２６ａ〜１２６ｆ）を備えている。なお、図１において、電力用半導体素子１２６の符号は記されていないが、電力用半導体素子１２６ａ〜１２６ｆのいずれか、もしくはすべてを代表して、適宜、電力用半導体素子１２６と表記する。

電力用半導体素子ブロック１２７において、電力用半導体素子１２６ａと電力用半導体素子１２６ｄとが、直列に接続されてＵ相のレグを構成する。同様に、電力用半導体素子１２６ｂと電力用半導体素子１２６ｅとが、直列に接続されてＶ相のレグを構成し、電力用半導体素子１２６ｃと電力用半導体素子１２６ｆとが、直列に接続されてＷ相のレグを構成する。これらＵ相、Ｖ相、Ｗ相のレグとなる直列回路は、それぞれ、正極性の直流電源線１０１Ｐと負極性の直流電源線１０１Ｎとの間に接続される。

また、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のレグにおけるそれぞれの正極性の直流電源線１０１Ｐ側に接続された電力用半導体素子１２６ａ、１２６ｂ、１２６ｃと負極性の直流電源線１０１Ｎ側に接続された電力用半導体素子１２６ｄ、１２６ｅ、１２６ｆとの接続点は、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の出力端子となる。

電力用半導体素子ブロック１２７の電力用半導体素子１２６ａ〜１２６ｆは、後記するモータ制御部１０４および絶縁駆動部１０３によって、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の出力端子から可変の周波数、可変の電圧の三相交流が出力されるように、統括的に制御される。

そして、電力用半導体素子ブロック１２７の出力する、すなわちインバータ１００の出力する、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相交流電圧（電力）によって、負荷装置１１１が駆動される。

なお、交流直流変換回路１０１に入力される三相交流のｕ相、ｖ相、ｗ相と、電力用半導体素子ブロック１２７の出力のＵ相、Ｖ相、Ｗ相とは、電圧および周波数が異なる。

また、電力用半導体素子ブロック１２７を構成する複数の電力用半導体素子１２６ａ〜１２６ｆのそれぞれは、逆並列に接続された寄生ダイオード、もしくは付与された逆並列ダイオードを有している。

また、正極性の直流電源線１０１Ｐには、分布定数的に寄生インダクタンスを有している。この寄生インダクタンスを、寄生インダクタンス１３３を代表として、図１では表記している。負極性の直流電源線１０１Ｎにも寄生インダクタンスを有しているが、図１では表記を省略している。

また、負荷装置１１１を駆動する電力用半導体素子ブロック１２７の出力であるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相交流の配線には、寄生容量１０８、１０９、１１０が存在している。

絶縁駆動部（絶縁駆動回路、駆動回路）１０３は、電力用半導体素子１２６（１２６ａ〜１２６ｆ）と、モータ制御部１０４とを絶縁しつつ、電力用半導体素子１２６（１２６ａ〜１２６ｆ）を駆動する機能を有する。

モータ制御部１０４は、負荷装置１１１を駆動する電力用半導体素子ブロック１２７のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相交流電力の出力端子に備えられた電流検出部１０５、１０６、１０７の検出した情報（相電流に関する情報）を参照する。そして、モータ制御部１０４は、絶縁駆動部１０３を介して電力用半導体素子ブロック１２７を制御する。すなわち、電力用半導体素子１２６（１２６ａ〜１２６ｆ）のスイッチング動作を統合的に制御する。電流検出部１０５、１０６、１０７は、例えば、電力用半導体素子ブロック１２７のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相交流電力の出力端子に配置されて、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の相電流を検出する電流検出器で構成される。

また、電流検出部１０５、１０６、１０７で検出された電流（相電流）の一部は、電流電圧変換部１３４で電圧に変換される。電流電圧変換部１３４で変換された電圧は、モータ制御部１０４に送られる。

電力用半導体素子ブロック１２７は、モータ制御部１０４及び絶縁駆動部１０３と共に、交流直流変換回路１０１で得た直流電圧をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）変調して交流電圧を生成し、生成した交流電圧で負荷装置１１１の回転数、トルクを制御する。

また、電流電圧変換部１３４の出力による各相電流情報（Ｉ_Ｕ、Ｉ_Ｖ、Ｉ_Ｗ）は、それぞれの特徴量検出部１２２、１２３、１２４に送られる。図１では、相電流Ｉ_Ｕが特徴量検出部１２２に、相電流Ｉ_Ｖが特徴量検出部１２３に、相電流Ｉ_Ｗが特徴量検出部１２４に入力されている。

＜特徴量検出部１２２＞
特徴量検出部１２２は、電流変化時間検出部１１２と、パルス変換部１１３と、パルス幅計測部１１４と、信号処理部１１５と、第１通信部１１６とを備えており、相電流Ｉ_Ｕから電力用半導体スイッチ１２６ａと１２６ｄの温度推定に必要な特徴量検出と信号処理を行う。

電流変化時間検出部１１２は、電流検出部１０５の検出による相電流Ｉ_Ｕを取り込み、電力用半導体素子１２６ａと１２６ｄがターンオフスイッチングしたときの相電流Ｉ_Ｕの変化を検出する。

パルス変換部１１３は、電流変化時間検出部１１２で検出した信号の発生期間をパルスで出力する。

パルス幅計測部１１４は、パルス変換部１１３から出力されたパルスの幅（パルス幅）を計測し、計測結果を信号処理部１１５に出力する。

信号処理部１１５は、電流電圧変換部１３４から電流変化時間検出部１１２と信号処理部１１５とに分岐された信号である、相電流Ｉ_Ｕの値を求め、得られた相電流Ｉ_Ｕの値と、パルス幅計測部１１４の計測によるパルス幅にタイムスタンプを付与し、相電流Ｉ_Ｕから電力用半導体スイッチ１２６ａと１２６ｄの温度推定に必要な特徴量検出と信号処理を行う。

第１通信部は、タイムスタンプ、パルス幅、電流（相電流Ｉ_Ｕの値）の情報を転送するため、タイムスタンプ、パルス幅、電流（相電流Ｉ_Ｕの値）の情報を変調信号に変換するなどの最適な転送形態に変換し、特徴量解析部１２５の第２通信部１１７からの要求があるまで待機する。

＜特徴量検出部１２３＞
特徴量検出部１２３は、相電流Ｉ_Ｖから電力用半導体スイッチ１２６ｂと１２６ｅの温度推定に必要な特徴量検出と信号処理を行う。特徴量検出部１２２と内容は同じのため、説明は省略する。

＜特徴量検出部１２４＞
特徴量検出部１２４は、相電流Ｉ_Ｗから電力用半導体スイッチ１２６ｃと１２６ｆの温度推定に必要な特徴量検出と信号処理を行う。特徴量検出部１２２と内容は同じのため、説明は省略する。

＜特徴量解析部１２５＞
特徴量解析部１２５は、第２通信部１１７と、解析部１１８と、解析内容設定部１１９と、表示部１２０と、第３通信部１２１とを備えており、特徴量検出部１２２、１２３、１２４の検出による特徴量を受け取り、電力用半導体素子１２６の温度、温度変化、寿命を推定する。

第２通信部１１７は、特徴量検出部１２２、１２３、１２４の第１通信部１１６を制御しつつ、且つ混信を避けつつ転送されてきたデータを第１通信部１１６から受信し、受信したデータを復調などで信号変換前のデータに復元し、復元されたデータを解析部１１８に混信することなく転送する。

解析部１１８は、特徴量検出部１２２、１２３、１２４の検出による特徴量を解析内容設定部１１９の設定情報を基にアルゴリズムに則り、電力用半導体素子１２６の運転サイクル、温度、温度変化、寿命をそれぞれ推定し、各推定結果を表示部１２０に出力する。例えば、解析部１１８は、相電流の電流勾配と電力用半導体素子１２６の温度との相関関係を示す温度相関情報と、電流変化時間検出部１１２の検出による電流勾配とから電力用半導体素子１２６の温度を推定し、パルス変換部（比較回路）１１３の出力から得られたパルス幅（パルス幅計測部１１４の出力）を基に電力用半導体素子１２６の温度変化を推定する。

表示部１２０は、解析部１１８の解析結果をモニタや警告灯に表示する。モニタには、インバータ１００の稼働状態と、電力用半導体素子ブロック１２７の稼働状態と、電力用半導体素子１２６の各温度と各寿命の推定結果などが表示される。特に、運転パタンの範囲内では、表示部１２０は、想定されていない急激な温度変化や寿命の急激な劣化、寿命が間近な電力用半導体素子１２６について、他の電力用半導体素子１２６とは異なる色で表示したり、警告灯を点灯表示、点滅表示したりするなどする。

解析内容設定部１１９は、解析部１１８に必要な解析アルゴリズムに関する情報、後述するサイクル数の解析に必要なインバータ１００の運転パタンに関する運転パタン情報、温度推定に必要な素子温度（電力用半導体素子１２６の温度）と各相電流の電流勾配との相関関係を示す温度相関情報（温度相関データ）、寿命推定に必要なパワーサイクル試験の試験結果を示すパワーサイクル試験結果情報を解析部１１８に与える。これらは第３通信部１２１を介して、外部サーバから設定可能である。

第３通信部１２１は、通信ネットワーク（図示せず）と接続され、間接的に特徴量解析部１２５が通信ネットワークに接続される。これにより、外部サーバで表示内容の管理、解析内容設定部１１９の設定内容の変更を可能となる。すなわち、第３通信部１２１は、通信ネットワークを介して、外部サーバに特徴量解析部１２５の解析結果を転送するためと、外部サーバからの解析アルゴリズム等の情報を特徴量解析部１２５にインストールするために使われる。

＜電力用半導体素子の温度上昇と、電力変換装置の劣化について＞
本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の診断回路は、インバータ１００の電力用半導体素子１２６の温度、温度上昇（温度変化）や、それにともなう装置の劣化によるインバータ１００の寿命予測を行うものである。この温度上昇や寿命予測においては、電力用半導体素子１２６の状態把握を課題としているので、次に電力用半導体素子１２６について詳しく説明する。

（電力用半導体素子１２６）
電力用半導体素子ブロック１２７を構成する電力用半導体素子１２６（１２６ａ〜１２６ｆ）について、図２および図３を参照して詳しく説明する。

図２は、本発明の第１実施形態に係るインバータ１００を構成する電力用半導体素子１２６の回路構成（電力用半導体回路２００）を示す構成図である。

図２に示すように、電力用半導体回路２００（電力用半導体素子１２６）は、ＩＧＢＴ２０１と、ＩＧＢＴ２０１のエミッタ端子とコレクタ端子との間に、逆方向に並列で接続されたダイオード２０２とを有して構成されている。ＩＧＢＴ２０１で構成される電力用半導体回路２００は、一般的によく知られているので、詳細な説明は省略する。

なお、ＩＧＢＴ２０１は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）に置き換えてもよい。そして、ダイオード２０２に代えてＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードを適用できる場合には、ダイオード２０２は省略してもよい。

図３は、本発明の第１実施形態に係るインバータ１００を構成する電力用半導体素子１２６（ＩＧＢＴ２０１：図２）の断面を示す断面図である。

電力用半導体素子１２６は、半導体素子部３０９と、はんだ層３１０と、絶縁基板３０７と、はんだ層３０８と、ベース板３０３とを有して構成される。

なお、はんだ層３０８、３１０には亀裂（クラック）Ｃが発生することがある。

また、絶縁基板３０７は、メタル層３０６と、絶縁層３０５と、メタル層３０４とを有している。

ベース板３０３は、冷却器３０１に衝合され、衝合面にはグリス３０２が塗布されている。グリス３０２は、熱伝導を向上させるものである。

以上のように、図３は電力用半導体素子１２６を示し、その構成要素として半導体素子部３０９がある。

図３においては、１個の電力用半導体素子１２６に対して、半導体素子部３０９が１個のみを図示している。しかし、１個の電力用半導体素子１２６を構成するにあたって、複数個の半導体素子部３０９が用いられることがある。

例えば、出力電力がメガワット級の大電力用途に適用される半導体モジュールでは、半導体素子部３０９が多並列で実装されて、一つの電力用半導体素子１２６として用いられることが一般的である。

電力変換装置Ｓ１（図１）の稼働時において、図３における半導体素子部３０９で発生した熱は、はんだ層３１０を介して絶縁基板３０７、ベース板３０３、グリス３０２、および冷却器３０１に伝わる。

この電力変換装置Ｓ１（図１）の稼働時に、グリス３０２の枯渇、冷却器３０１の故障、モータ制御部１０４（図１）の異常動作や故障等により、電力用半導体素子１２６、および電力用半導体素子１２６の半導体素子部３０９の温度が異常に高くなることがある。

半導体素子部３０９の温度が異常に高くなると、温度サイクルによる熱疲労により、はんだ層３０８、３１０に亀裂Ｃや剥離等が発生する。このような事態が起こると、はんだ層３０８、３１０における熱抵抗が高くなり、亀裂Ｃや剥離等が成長することにより、蓄積劣化が生じる。

この結果、最終的には半導体素子部３０９のチャネル抵抗が焼損し、電力用半導体素子１２６が故障する。

したがって、電力用半導体素子１２６および半導体素子部３０９の温度を監視することにより、異常を故障前に検出することが望ましい。そして、温度検出を高精度化するには、半導体素子部３０９の表面温度を計測することが望ましい。

なお、仮に、電力用半導体素子１２６の裏面やベース板３０３の温度を計測したとしても、それぞれの熱時定数が加わるため、半導体素子部３０９の正確な温度変化を計測することは困難である。

＜パワーサイクル試験の試験結果＞
次に、電力用半導体素子１２６を温度上昇と元の温度に戻すパワーサイクル試験を実施したときの試験結果について説明する。

図４は、本発明の第１実施形態に係る電力用半導体素子ブロック１２７のパワーサイクル試験の試験結果を示す特性図である。

図４において、横軸は素子温度変化量ΔＴであり、縦軸はサイクル数（パワーサイクル数）Ｎ１である。なお、横軸および縦軸ともにログスケールの図である。

電力用半導体素子１２６に対して、「ある温度上昇ΔＴを与えて元の温度に戻す」という操作を「１サイクル」とし、これをＮ１サイクル実行したときに当該電力用半導体素子１２６が故障したとする。

なお、温度上昇が起こる前の素子温度（電力用半導体素子１２６の温度）をＴ０１とし、温度上昇が起こった後の素子温度をＴ０２とすると、温度上昇（変化量）ΔＴは、「Ｔ０２−Ｔ０１」に等しい。種々の温度上昇ΔＴに対して、サイクル数Ｎ１を実測することを「パワーサイクル試験」と呼び、図４に示す特性Ｆはその結果である。

ここで、ある温度上昇ΔＴが１回生じた場合における電力用半導体素子１２６のストレスＳを、「Ｓ＝１／Ｎ１」とする。素子温度Ｔ０２を保持する時間をｔｈ秒とすると、電力用半導体素子１２６の寿命ＬＦは「ＬＦ＝ｔｈ／Ｓ」秒後であると推測できる。

そして、電力用半導体素子１２６の新品時の予測残存寿命から、既に消費した寿命を減算すると、残存寿命を推測することができる。

図１における解析部１１８は、図４に示した特性Ｆを記憶しており、特性Ｆに基づいて、ストレスＳと寿命ＬＦとを推測する。そして、解析部１１８は、この予測結果に基づいて、電力用半導体素子１２６の残存寿命を予測する。

この時のサイクル回数、温度変化の範囲は、インバータ１００の運行パタンに基づいており、運行パタンに関する情報（運行パタン情報）は、解析内容設定部１１９に保持されている。

＜電力用半導体素子１２６のスイッチングノイズの温度依存性＞
前記したように、インバータ１００における電力用半導体素子１２６や半導体素子部３０９の温度変化を計測することは難しい。

さらに、インバータ１００が高電圧で用いられる場合には、耐圧の問題があるので、電力用半導体素子１２６や半導体素子部３０９の温度や温度変化を温度計で計測することは実用的ではない。

次に、電力用半導体素子１２６のスイッチング動作にともなうスイッチングノイズを計測することによって、電力用半導体素子１２６の温度変化を捉える方法について説明する。

このスイッチングノイズについて、図１を参照して説明する。図１において、前記したように、インバータ１００は、３相インバータである。電力用半導体素子１２６ａと電力用半導体素子１２６ｄとは直列に接続され、この直列回路の両端には直流電圧が印加されている。そして電力用半導体素子１２６ａと電力用半導体素子１２６ｄとの接続点（中間接続点）は負荷装置１１１に接続されている。また、他の電力用半導体素子１２６ｂ、１２６ｅ、そして電力用半導体素子１２６ｃ、１２６ｆも同様に、それぞれの直列回路の両端には直流電圧が印加され、それぞれの直列回路の中間接続点に負荷装置１１１が接続されている。

電力用半導体素子１２６がスイッチング動作することで負荷装置１１１に電力を供給する。このとき、配線の寄生インダクタンス１３３、電力用半導体素子１２６と負荷装置１１１と接続する配線と近隣の配線との寄生容量１０８、１０９、１１０を有するため、電力用半導体素子１２６がスイッチングすると、電力用半導体素子ブロック１２７と負荷装置１１１を接続するモータ線を流れる相電流にノイズが発生する。そして、このノイズは、電流検出部１０５、１０６、１０７、電流電圧変換部１３４を介して各特徴量検出部１２２、１２３、１２４に入力される。このとき、特徴量検出部１２２には、電力用半導体素子１２６ａと１２６ｄのスイッチングノイズが重畳された相電流Ｉ_Ｕ、特徴量検出部１２３には、電力用半導体素子１２６ｂと１２６ｅのスイッチングノイズが重畳された相電流Ｉ_Ｖ、特徴量検出部１２４には、電力用半導体素子１２６ｃと１２６ｆのスイッチングノイズが重畳された相電流Ｉ_Ｗが入力されている。

このスイッチングノイズは、電力用半導体素子１２６のターンオフ、ターンオンのタイミングで発生し、特にターンオフ時の発生タイミングは、後記するように温度依存性を有する。

＜電力用半導体素子のターンオフスイッチング特性の温度依存性について＞
電力用半導体素子１２６のターンオフスイッチング特性の温度依存性について説明する。

図５は、本発明の第１実施形態に係るインバータ１００を構成する電力用半導体素子１２６のターンオフスイッチング特性の温度依存性を示す図であり、（ａ）は素子温度Ｔ１とＴ２におけるスイッチング波形図、（ｂ）は（ａ）の時間軸を拡大したスイッチング波形図である。素子温度の関係はＴ２＞Ｔ１でその温度差は約９５度とする。

図５（ａ）、（ｂ）において、横軸は制御電圧の立上がり（ターンオフ）を基準とした時間経過を示しており、縦軸のうち、左軸は、モータ制御部１０４の出力で電力用半導体素子１２６ａを制御する電圧指令信号の電圧（制御電圧）を示し、右軸は、相電流Ｉ_Ｕの大きさを示している。また、制御電圧の立上がり信号を基に電力用半導体素子１２６ａがターンオフする。この時、相電流Ｉ_Ｕには、寄生インダクタンス１３３、寄生容量１０８によりスイッチングノイズが重畳し、相電流Ｉ_Ｕがスイッチングノイズによって振動する。

図５（ａ）では、制御電圧は、温度Ｔ１、Ｔ２での差はなく、温度による影響がないことがわかる。一方、相電流Ｉ_Ｕは、温度Ｔ１、Ｔ２で差があり、素子温度の変化によって波形が変化している。

図５（ｂ）から、素子温度が高くなると、相電流Ｉ_Ｕに発生するスイッチングノイズの発生タイミングが遅れ、１回目の立下がり波形の電流勾配（di/dt）が変化することがわかる。

相電流Ｉ_Ｕにおいて判定閾値１（７．８アンペア）と判定閾値２（５．５アンペア）とし、温度Ｔ１のときの判定閾値１をＭ１、判定閾値２をＭ２、温度Ｔ２のときの判定閾値１をＭ３、判定閾値２をＭ４とすると、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４の各読み値は表１の通りとなる。

表１のＭ３とＭ１の差、Ｍ４とＭ２の差から、判定閾値１から判定閾値２までの遷移時間がわかる。温度Ｔ１における遷移時間は、８６ナノ秒（相電流Ｉ_Ｕが、相電圧の立上がりからの時間であって、判定閾値１以下となるまでの時間（９４４．０）と判定閾値２以下となるまでに時間（１０３０．０）との差の時間）に対し、温度Ｔ２の遷移時間は、１１６ナノ秒と３０ナノ秒長くなっている。温度差は９５度であることから、電力用半導体素子１２６ａは、温度が1度上昇すると遷移時間が約３１５ピコ秒長くなることがわかる。この遷移時間の変化量に対する温度の変化量を感度と定義する。

図１では、電力用半導体素子ブロック１２７内の寄生インダクタンス１３３は１つのエレメントで表現されているが、実際には各所に分布しており、電力用半導体素子１２６の配置により寄生インダクタンス１３３、寄生容量１０８、１０９、１１０の値が異なるため、各電力用半導体素子１２６の感度は、相電流に応じて求めることができる。例えば、相電流Ｉ_Ｕの正サイクルから電力用半導体素子１２６ａの感度を求めることができる。同じように、相電流Ｉ_Ｕの負サイクルから電力用半導体素子１２６ｄの感度、相電流Ｉ_Ｖの正サイクルから電力用半導体素子１２６ｂの感度、相電流Ｉ_Ｖの負サイクルから電力用半導体素子ｅの感度、相電流Ｉｗの正サイクルから電力用半導体素子１２６ｃの感度、相電流Ｉｗの負サイクルから電力用半導体素子ｆの感度を求めることができる。

図５において、ターンオフ時のスイッチングノイズはＭ１からＭ２のように相電流が減少する方向から振動を開始する。一方、ターンオン時は相電流が増加する方向から振動を開始するため、ターンオフ時とは極性が異なる。これにより、ターンオフとターンオンの判別が可能である。ターンオン時、相電流に発生する1つめの振動の立ち上がりの電流勾配を特徴量とすることでターンオン時でも温度を推定することが可能である。

＜特徴量の検出から解析とフローチャート＞
図１のインバータ１００の出力であるＵ相電流Ｉ_Ｕで負荷装置１１１が駆動するに際して、電流検出部１０５が、Ｕ相電流Ｉ_Ｕを検出すると、Ｕ相電流Ｉ_Ｕは、図６（ａ）に示すように変化する。電流検出部１０５の検出によるＵ相電流Ｉ_Ｕは、特徴量検出部１２２内の信号処理部１１５と、電流変化時間検出部１１２に入力される。

電流変化時間検出部１１２に入力されたＵ相電流Ｉ_Ｕは、図６（ｂ）に示すように、正サイクルの領域では、図１の電力用半導体素子１２６ａのターンオフによって発生するノイズを含んでいる。すでに説明したとおり、１つめの振動の立下がりの勾配（電流勾配）は、電力用半導体素子１２６ａの温度と相関を持つため、電流変化時間検出部１１２ではこの部分を検出すればよく、電流変化時間検出部１１２に属する微分回路（図示せず）でＵ相電流Ｉ_Ｕを検出（微分）すると、図６（ｃ）に示すように、Ｕ相電流Ｉ_Ｕの立下がりの間だけ電圧を得ることができる。パルス変換部１１３は、図６（ｄ）に示すように、微分回路の出力と、設定された閾値とを比較することで、電流変化時間検出部１１２が出力している間、閾値以下の電圧がパルスの幅（パルス幅）となるパルス波をパルス幅計測部１１４に出力する。パルス幅計測部１１４は、パルス幅を温度の変化として計測し、計測結果を信号処理部１１５に転送する。

次に、本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の診断回路における電力用半導体素子の出力電流から特徴量を検出し、解析するまで処理を図７のフローチャートに従って説明する。まず、測定が開始されると、電流検出部１０５、１０６、１０７による検出電流（相電流）が電流電圧変換部１３４を介して電流変化時間検出部１１２に入力され、電流変化時間検出部１１２で相電流のターンオフによる変化を検出する処理（相電流を微分する処理）が実行される（Ｓ１）。この後、電流変化時間検出部１１２の処理結果がパルス変換部１１３に入力されると、パルス変換部１１３で、検出信号（相電流を微分して得られた信号）の幅をパルス波に変換する処理が実行される（Ｓ２）。次に、パルス幅計測部１１４で、パルス変換部１１３の出力によるパルス波のパルス幅を計測し、計測結果を信号処理部１１５に出力する処理が実行される（Ｓ３）。この後、信号処理部１１５で、相電流、パルス幅の計測結果にタイムスタンプを付与する処理が実行される（Ｓ４）。

この際、信号処理部１１５では、パルス幅計測部１１４の計測結果を受け取ったタイミングをトリガとして、電流電圧変換部１３４から出力された一方の電流値（相電流の値）を計測し、計測結果にタイムスタンプを付与して、パルス幅の計測結果と電流値（計測値）とを紐付けし、紐付されたデータとして管理し、管理されたデータを管理情報として蓄積する。この時、電流計測のタイミングは、相電流のノイズによる振動が落ち着いた後からターンオンするまでの間に行うと計測精度がよい。また、電流検出部１０５、１０６、１０７は、インバータ出力端子に近い方がモータ線のインダクタンスなどによるフィルタの影響が少なくてよい。また、信号処理部１１５は、電流変化時間検出部１１２の処理結果である相電流の電流勾配にタイムスタンプを付与し、相電流の電流勾配と相電流の計測結果とを紐付けし、紐付されたデータ（素子の温度相関データ）として管理することができる。さらに、信号処理部１１５は、電流検出部１０５、１０６、１０７の検出結果から電力用半導体素子１２６のターンオフ時の電流勾配を算出し、算出結果にタイムスタンプを付与し、相電流の電流勾配と相電流の計測結果とを紐付けし、紐付されたデータ（素子の温度相関データ）として管理することもできる。

信号処理部１１５で紐付されたデータは、第１通信部１１６から、特徴量解析部１２５の第２通信部１１７に転送される（Ｓ５）。第２通信部１１７で受け取ったデータは、第２通信部１１７から解析部１１８に転送され、解析部１１８で、解析内容設定部１１９に設定されている解析に必要なパワーサイクル試験結果、素子の温度相関データ（電力用半導体素子の温度と電流勾配との相関関係を示す温度相関情報）と解析アルゴリズムに則り、各電力用半導体素子１２６の運転パタン、温度（素子温度）、寿命を推定する（Ｓ６）。この際、解析部１１８は、解析内容設定部１１９から、パルス幅-温度相関情報（パルス幅と電力用半導体素子の温度変化との相関関係を示す情報）、運行パタンに関する運行パタン情報と電流の値（相電流の値）、パワーサイクル試験結果に関する情報を入力する（Ｓ７）。また、タイムスタンプは実働サイクル数、パルス幅は温度変化、電流値は運転状態を求めるのに必要である。解析部１１８は、これらを基に電力用半導体素子１２６の寿命を推定する。

この後、表示部で１２０が、電力用半導体素子１２６の寿命を表示し（Ｓ８）、このルーチンでの処理を終了する。

なお、特徴量検出部１２２と特徴量解析部１２５は別基板で構成した例を提示したが、同一基板上に構成してもよい。

＜第１実施形態の効果＞
本発明の第１実施形態によれば、電力変換装置Ｓ１におけるインバータ１００の電力用半導体素子ブロック１２７を構成する電力用半導体素子１２６（１２６ａ〜１２６ｆ）の素子温度を簡易な構成で推定することができる。また、電流検出部１０５、１０６、１０７、特徴量検出部１２２、１２３、１２４、特徴量解析部１２５、第３通信部１２１からなる診断回路を既設の電力変換装置に後付けすることで、電力用半導体素子１２６（１２６ａ〜１２６ｆ）の素子温度と寿命を推定することもできる。

また、電力用半導体素子１２６の素子温度の変化を、電力用半導体素子１２６が発生するノイズの変化から算出するため、熱時定数は小さく高速の温度変化に対しても検出できる。

〔第２実施形態〕
本発明の第２実施形態の電力変換装置のインバータ診断システムについて説明する。
図８は、本発明の第２実施形態に係る電力変換装置のインバータ診断システム８００について説明する図である。

図８において、前記した電力変換装置Ｓ１の機能構成を有する電力変換装置Ｓ１ａ、Ｓ１ｂ、Ｓ１ｃ、Ｓ１ｄが、それぞれ第３通信部１２１を介して通信ネットワーク網８０１に接続されている。

また、サーバ８０２が通信ネットワーク網８０１に接続され、１台のサーバ８０２で電力変換装置Ｓ１ａ、Ｓ１ｂ、Ｓ１ｃ、Ｓ１ｄ内の複数のインバータ１００（図示せず）を監視している。

以上の構成によって、１台のサーバ８０２で複数のインバータ１００を監視し、各インバータ１００に属する電力用半導体素子１２６（１２６ａ〜１２６ｆ）の素子温度推定、寿命推定、などを実施する。

なお、サーバ８０２は、パソコンで代用することも可能である。

＜第２実施形態の効果＞
１台のサーバ８０２で複数のインバータ１００を監視し、各インバータ１００に属する電力用半導体素子１２６（１２６ａ〜１２６ｆ）の素子温度推定、寿命推定が可能となる効果がある。

なお、本発明は上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、電力変換装置として、複数の電力用半導体素子を含んで構成されて、交流電力を可変の周波数と可変の電圧の交流電力に変換する電力変換装置を用いることができる。また、電力用半導体素子１２６のターンオン時の電流勾配や相電流を基に電力用半導体素子１２６の温度、温度変化、寿命等を推定することもできる。また、特徴量検出部１２２、１２３、１２４と特徴量解析部１２５を、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ、入出力インタフェース等の情報処理資源を備えたコンピュータ装置で構成することができる。上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。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、上記の各構成、機能等は、それらの一部又は全部を、例えば、集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、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、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に記録して置くことができる。

Ｓ１ 電力変換装置、１００ インバータ、１０１ 交流直流変換回路、１０２ 平滑コンデンサ、１０３ 絶縁駆動部、１０４ モータ制御部、１０５、１０６、１０７ 電流検出部、１０８、１０９、１１０ 寄生容量、１１１ 負荷装置、１１２ 電流変化時間検出部、１１３ パルス変換部、１１４ パルス幅計測部、１１５ 信号処理部、１１６ 第１通信部、１１７ 第２通信部、１１８ 解析部、１１９ 解析内容設定部、１２０ 表示部、１２１ 第３通信部、１２２、１２３、１２４ 特徴量検出部、１２５ 特徴量解析部、１２６ 電力用半導体素子、１２７ 電力用半導体素子ブロック、２００ 電力用半導体回路、２０１ ＩＧＢＴ、２０２ ダイオード、３０１ 冷却器、３０２ グリス、３０３ ベース板、３０４、３０６ メタル層、３０５ 絶縁層、３０７ 絶縁基板、３０８、３１０ はんだ層、３０９ 半導体素子部、８００ 電力変換装置のインバータ診断システム、８０１ 通信ネットワーク網、８０２ サーバ、Ｓ１ａ、Ｓ１ｂ、Ｓ１ｃ、Ｓ１ｄ 電力変換装置

Claims (15)

1. 複数の電力用半導体素子を含んで構成されて交流電力または直流電力を可変の周波数と可変の電圧の交流電力に変換する電力変換装置において、
   前記電力変換装置の出力電流を検出する電流検出部と、
   前記電流検出部の検出による前記出力電流を基に前記電力用半導体素子のターンオフ時又はターンオン時の電流波形の特徴量を検出する特徴量検出部と、
   前記特徴量検出部の検出による前記特徴量を解析して前記電力用半導体素子の温度を推定する特徴量解析部と、を備えることを特徴とする電力変換装置の診断回路。
2. 請求項１に記載の電力変換装置の診断回路おいて、
   前記特徴量検出部は、
   前記電流検出部の検出による前記出力電流を基に前記電力用半導体素子のターンオフ時又はターンオン時の電流勾配を前記特徴量として検出し、
   前記特徴量解析部は、
   前記電流勾配と前記電力用半導体素子の温度との相関関係を示す温度相関情報と、前記特徴量検出部の検出による前記電流勾配とから前記電力用半導体素子の温度を推定する解析部を有することを特徴とする電力変換装置の診断回路。
3. 請求項１に記載の電力変換装置の診断回路おいて、
   前記特徴量検出部は、
   前記電力用半導体素子のターンオフ時又はターンオン時の相電流を微分する微分回路と、前記微分回路の出力と閾値とを比較する比較回路を有し、
   前記比較回路は、
   前記比較結果を、前記電力用半導体素子のターンオフ時又はターンオン時の出力電流の変化量として２値化して出力し、
   前記解析部は、
   前記比較回路の出力を基に前記電力用半導体素子の温度変化を推定することを特徴とする電力変換装置の診断回路。
4. 請求項１に記載の電力変換装置の診断回路おいて、
   前記特徴量検出部は、
   前記電流検出部の検出による前記出力電流に含まれる前記電力用半導体素子のターンオフ時又はターンオン時の電流波形の変化している時間を検出する電流変化時間検出部と、
   前記電流変化時間検出部の検出による前記時間をパルス波に変換するパルス変換部と、
   前記パルス変換部で変換された前記パルス波のパルス幅を計測するパルス幅計測部と、
   前記電流変化時間検出部の検出結果又は前記電流検出部の検出結果から前記電力用半導体素子のターンオフ時又はターンオン時の電流勾配を算出する信号処理部を有し、
   前記特徴量解析部は、
   前記信号処理部により算出された前記電流勾配と、前記電流勾配と前記電力用半導体素子の温度との相関関係を示す温度相関情報とから前記電力用半導体素子の温度を推定する解析部を有することを特徴とする電力変換装置の診断回路。
5. 請求項４に記載の電力変換装置の診断回路おいて、
   前記解析部は、
   前記パルス幅計測部の計測による前記パルス波のパルス幅から前記電力用半導体素子の温度変化を推定することを特徴とする電力変換装置の診断回路。
6. 請求項４に記載の電力変換装置の診断回路おいて、
   前記信号処理部は、
   前記算出した電流勾配と、前記パルス幅計測部の計測による前記パルス波のパルス幅、及び前記電流検出部の検出による前記出力電流にそれぞれタイムスタンプを付与して管理し、前記管理した内容を管理情報として蓄積し、
   前記解析部は、
   前記信号処理部により蓄積された前記管理情報を基に前記電力用半導体素子の運転サイクルと寿命を推定することを特徴とする電力変換装置の診断回路。
7. 請求項６に記載の電力変換装置の診断回路おいて、
   前記解析部は、
   前記信号処理部により蓄積された前記管理情報を基に前記電力用半導体素子の寿命を実時間で予測することを特徴とする電力変換装置の診断回路。
8. 請求項４、６、７のうちいずれか１項に記載の電力変換装置の診断回路おいて、
   前記温度相関情報と、前記電力変換装置の運転パタンを示す運転パタン情報と、前記電力変換装置のパワーサイクル試験の試験結果を示すパワーサイクル試験情報をそれぞれ入力し、前記入力した各情報を前記解析部での解析に利用される情報として設定する解析内容設定部を有することを特徴とする電力変換装置の診断回路。
9. 請求項８に記載の電力変換装置の診断回路おいて、
   前記特徴量解析部は、
   前記解析部の解析結果を取り込み、前記解析部で推定された前記電力用半導体素子の寿命を表示すると共に、寿命劣化の進行の著しい電力用半導体素子の寿命を他の電力用半導体素子の寿命とは異なる色で表示する表示部と、
   前記表示部の表示内容と前記解析部の解析結果を外部サーバへ送信し、前記解析内容設定部に設定される情報を前記外部サーバから受信する通信部を有する電力変換装置の診断回路。
10. 複数の電力変換装置が通信ネットワーク網を介してサーバに接続される診断システムであって、
    前記各々の電力変換装置は、
    複数の電力用半導体素子を含んで構成されて交流電力または直流電力を可変の周波数と可変の電圧の交流電力に変換する電力変換装置と、
    前記電力変換装置の出力電流を検出する電流検出部と、
    前記電流検出部の検出による前記出力電流を基に前記電力用半導体素子のターンオフ時又はターンオン時の電流波形の特徴量を検出する特徴量検出部と、
    前記特徴量検出部の検出による前記特徴量を解析して前記電力用半導体素子の温度を推定する特徴量解析部と、
    前記特徴量解析部の解析結果を、前記通信ネットワーク網を介して前記サーバに送信する通信部と、を有し、
    前記サーバは、
    前記各々の電力変換装置に属する前記通信部と通信を行って、前記各々の電力変換装置における前記特徴量解析部の解析結果を監視することを特徴とする診断システム。
11. 請求項１０に記載の診断システムにおいて、
    前記特徴量検出部は、
    前記電流検出部の検出による前記出力電流を基に前記電力用半導体素子のターンオフ時又はターンオン時の電流勾配を前記特徴量として検出し、
    前記特徴量解析部は、
    前記電流勾配と前記電力用半導体素子の温度との相関関係を示す温度相関情報と、前記特徴量検出部の検出による前記電流勾配とから前記電力用半導体素子の温度を推定する解析部を有することを特徴とする診断システム。
12. 請求項１０に記載の診断システムにおいて、
    前記特徴量検出部は、
    前記電力用半導体素子のターンオフ時又はターンオン時の相電流を微分する微分回路と、前記微分回路の出力と閾値とを比較する比較回路を有し、
    前記比較回路は、
    前記比較結果を、前記電力用半導体素子のターンオフ時又はターンオン時の出力電流の変化量として２値化して出力し、
    前記解析部は、
    前記比較回路の出力を基に前記電力用半導体素子の温度変化を推定することを特徴とする診断システム。
13. 請求項１０に記載の診断システムにおいて、
    前記特徴量検出部は、
    前記電流検出部の検出による前記出力電流に含まれる前記電力用半導体素子のターンオフ時又はターンオン時の電流波形の変化している時間を検出する電流変化時間検出部と、
    前記電流変化時間検出部の検出による前記時間をパルス波に変換するパルス変換部と、
    前記パルス変換部で変換された前記パルス波のパルス幅を計測するパルス幅計測部と、
    前記電流変化時間検出部の検出結果又は前記電流検出部の検出結果から前記電力用半導体素子のターンオフ時又はターンオン時の電流勾配を算出する信号処理部を有し、
    前記特徴量解析部は、
    前記信号処理部により算出された前記電流勾配と、前記電流勾配と前記電力用半導体素子の温度との相関関係を示す温度相関情報とから前記電力用半導体素子の温度を推定する解析部を有することを特徴とする診断システム。
14. 請求項１３に記載の診断システムにおいて、
    前記解析部は、
    前記パルス幅計測部の計測による前記パルス波のパルス幅から前記電力用半導体素子の温度変化を推定することを特徴とする診断システム。
15. 請求項１３に記載の診断システムにおいて、
    前記信号処理部は、
    前記算出した電流勾配と、前記パルス幅計測部の計測による前記パルス波のパルス幅、及び前記電流検出部の検出による前記出力電流にそれぞれタイムスタンプを付与して管理し、前記管理した内容を管理情報として蓄積し、
    前記解析部は、
    前記信号処理部により蓄積された前記管理情報を基に前記電力用半導体素子の運転サイクルと寿命を推定することを特徴とする診断システム。

Images