JP2019075891A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パワー半導体素子の閾値電圧やオン電圧などの特性が経時劣化したとしても、各パワー半導体素子の発熱を均一化する。【解決手段】本発明の一態様の電力変換装置は、パワー半導体素子と、パワー半導体素子を駆動する駆動回路とを搭載した電力変換ユニットが並列に接続されて構成される。各電力変換ユニットの駆動回路を制御する制御回路部は、制御対象とする電力変換ユニットのうち各電力変換ユニットのパワー半導体素子の温度履歴に基づいて、最も温度変化が小さいパワー半導体素子の温度を基準温度として、基準温度よりも温度が高いパワー半導体素子のゲート電圧を下げ、基準温度よりも温度が低いパワー半導体素子のゲート電圧を上げる指令を、該当するパワー半導体素子に対応するゲート電圧可変回路部に出力する。【選択図】図１

Description

本発明は、インバータ装置及びコンバータ装置に好適な電力変換装置に関する。

電力変換装置として、直流電力を交流電力に変換するインバータ装置や、交流電力を直流電力に変換するコンバータ装置がある。これらの電力変換装置では、パワー半導体素子のスイッチング動作によって電力変換を行う訳であるが、変換電力容量を増大させることを目的として、複数のパワー半導体素子を並列に接続し、これら複数のパワー半導体素子を同時にスイッチング駆動するようにしている。

このように複数のパワー半導体素子を並列に接続して駆動する場合、個々のパワー半導体素子には閾値電圧やオン電圧などの素子固有の特性のばらつきが存在するため、それらが導通する際にそれぞれのパワー半導体素子に流れる電流値がアンバランスしてしまう課題がある。この電流値のアンバランス（以下「電流アンバランス」という。）を考慮して、従来は、パワー半導体素子を並列に接続する際に、各々の定格電流よりも小さい電流値で設計し、パワー半導体素子が異常な電圧や電流によって破壊されないようにする必要があった。それ故、パワー半導体素子の性能を最大限に発揮することができない。

また、パワー半導体素子の選別を行い、同じような特性を持つパワー半導体素子同士を組み合わせることで、上記の課題を解決できるものの、特性を選別する際のコスト増加及び並列数の制限が課題となる。これらの課題を解決する技術として、特許文献１に記載の電力変換装置が提案されている。

特許文献１には、「パワー半導体素子の特性情報を記憶する記憶部と、記憶部に記憶されている特性情報に基づいて、パワー半導体素子のゲート駆動条件を制御するゲート駆動制御部と、を備える。」と記載されている。

特開２０１７−４６４３８号公報

特許文献１に記載の従来技術は、記憶部に記憶されている閾値電圧などパワー半導体素子の特性情報に基づいて、パワー半導体素子のゲート駆動条件を個別制御することにより、電流アンバランスを改善することが特徴となっている。一般的に、主にパワー半導体素子の出荷検査時にパワー半導体素子の静特性情報として閾値電圧を得ることができるが、実際にパワー半導体素子が電力変換装置に実装されて実動作している際は、測定することが非常に困難である。

電力変換装置が運転開始され、実動作している場合はパワー半導体素子の閾値電圧が経時劣化して、その電圧値が変動することがある。閾値電圧が変動すると、並列接続されたパワー半導体素子の電流アンバランスが発生し、その電流アンバランスにより、パワー半導体素子の発熱が不均等になる。その結果、特定のパワー半導体素子に発熱が集中して電力変換装置としての信頼性が低下する問題がある。

上記の状況から、パワー半導体素子の閾値電圧やオン電圧などの特性が経時劣化したとしても、各パワー半導体素子の発熱を均一化することが望まれていた。

本発明の一態様の電力変換装置は、パワー半導体素子及びそのパワー半導体素子を駆動する駆動回路を搭載し、並列に接続されて用いられる複数の電力変換ユニットと、駆動回路を制御する制御回路部と、を備える。
上記駆動回路は、パワー半導体素子の温度を算出する温度算出部と、この温度算出部で算出されたパワー半導体素子の温度の情報を時系列で記憶する記憶部と、制御回路部からの指令に基づいて前記パワー半導体素子のゲート電圧を調整するゲート電圧可変回路部と、を有する。
制御回路部は、各電力変換ユニットの前記記憶部に記憶されている時系列の温度の情報である温度履歴情報に基づいて、最も温度変化が小さいパワー半導体素子の温度を基準温度として、基準温度よりも温度が高いパワー半導体素子のゲート電圧を下げ、基準温度よりも温度が低いパワー半導体素子のゲート電圧を上げる指令を、該当するパワー半導体素子に対応するゲート電圧可変回路部に出力する。

本発明の少なくとも一態様によれば、パワー半導体素子の特性が経時劣化した場合でも、各パワー半導体素子の発熱を均一化することができる。それにより、電力変換装置の信頼性向上と長寿命化を図ることができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置及びその駆動回路の構成例を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係る記憶部に記憶されている温度履歴情報の一例を示す説明図である。 本発明の第１の実施形態に係るゲート電圧制御の処理手順の一例を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置及びその駆動回路の構成例を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る情報端末のハードウェア構成例を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る温度履歴表示画面の一例を示す説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る電力変換装置が適用されたモータ駆動システムの構成例を示す概略図である。 本発明の第３の実施形態に係る記憶部に記憶されている温度履歴情報の一例を示す説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る電力変換装置が適用されたエレベーターシステムの構成例を示す概略図である。 ゲート電圧可変回路部の変形例を示す回路図である

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）の例について、添付図面を参照しながら説明する。添付図面において実質的に同一の機能又は構成を有する構成要素については、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

＜１．第１の実施形態＞
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（インバータ装置）、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（コンバータ装置）を有する。この種の電力変換装置は、例えば、蓄電池などに蓄えられたエネルギーを使って、サーバなどの負荷に対して交流の電力を途切れることなく供給することを目的とした無停電電源装置（Uninterruptible Power System：ＵＰＳ）に用いることができる。

ただし、ここで例示した用途は一例であって、無停電電源装置への用途に限られるものではない。すなわち、無停電電源装置の他、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、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など、種々の用途に用いることができる。

まず、本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置及びその駆動回路の構成例について、図１を参照して説明する。図１は、第１の実施形態に係る電力変換装置及びその駆動回路の構成例を示す。

図１において、電力変換装置１は、並列接続された３個の電力変換ユニット１１−１、電力変換ユニット１１−２、及び電力変換ユニット１１−３と、上位制御回路部６を備える。電力変換ユニット１１−１，１１−２，１１−３は、正側パワー端子１２と、負側パワー端子１３と、出力パワー端子９を共有している。電力変換ユニット１１−１には、パワー半導体モジュール１０−１が搭載されている。同様に、電力変換ユニット１１−２には、パワー半導体モジュール１０−２が搭載され、電力変換ユニット１１−３には、パワー半導体モジュール１０−３が搭載されている。

パワー半導体モジュール１０−１，１０−２，１０−３はそれぞれ、上アームパワー半導体素子２、下アームパワー半導体素子３、及びダイオード７，８を備える。上アームパワー半導体素子２、下アームパワー半導体素子３、及びダイオード７，８がモジュール化されてパワー半導体モジュール１０−１，１０−２，１０−３が構成される。パワー半導体素子２とパワー半導体素子３の各々には、ダイオード７又はダイオード８が逆極性で並列に接続されている。

以下、パワー半導体モジュール１０−１，１０−２，１０−３を区別しない場合には、パワー半導体モジュール１０−１，１０−２，１０−３を単にパワー半導体モジュール１０と記述する場合もある。また電力変換ユニット１１−１，１１−２，１１−３を区別しない場合には、電力変換ユニット１１−１，１１−２，１１−３を電力変換ユニット１１と記述する場合もある。

上アームパワー半導体素子２及び下アームパワー半導体素子３は、高電圧の電源電圧をゲート電圧に応じてスイッチングするスイッチング素子であり、このスイッチング動作によって電力変換を行う。以下、上アームパワー半導体素子２及び下アームパワー半導体素子３を単に、パワー半導体素子２及びパワー半導体素子３と記述する場合もある。パワー半導体素子２，３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 Gate Bipolar Transistor：ＩＧＢＴ）などを用いることができる。

上アームパワー半導体素子２及び下アームパワー半導体素子３は、電力変換装置１における主回路であり、高電位側電源（正側パワー端子１２）と低電位側電源（負側パワー端子１３）との間に直列に接続されている。すなわち、上アームパワー半導体素子２のコレクタが高電位側電源に接続され、下アームパワー半導体素子３のエミッタが低電位側電源に接続され、さらに上アームパワー半導体素子２のエミッタと下アームパワー半導体素子３のコレクタとが出力パワー端子９に共通に接続されている。そして、出力パワー端子９に導出される電圧（出力電圧）は、モータ８３（図７参照）等の負荷に供給される。このように、パワー半導体モジュール１０は、上アームとしてパワー半導体素子２を、下アームとしてパワー半導体素子３を搭載した２ｉｎ１構成である。

さらに、電力変換ユニット１１は、上アームパワー半導体素子２を駆動する上アーム駆動回路４と、下アームパワー半導体素子３を駆動する下アーム駆動回路５を有する構成となっている。以下、上アーム駆動回路４を単に駆動回路４と、下アーム駆動回路５を単に駆動回路５と記述する場合もある。

上位制御回路部６（制御回路部の一例）は、上アーム駆動回路４及び下アーム駆動回路５に対して、これらを制御するためのパルス列信号（制御信号）を供給する。パルス列信号は、例えば、一定の周波数でパルスのオンの時間幅が変化する搬送波を使用したパルス幅変調（Pulse Width Modulation：ＰＷＭ）信号である。パルス列信号がＰＷＭ信号である場合、搬送波の周波数を高くすることにより、制御の精度を高めることができる。

パワー半導体モジュール１０にはそれぞれ、温度検知素子（温度センサ）５０が搭載されている。温度検知素子５０は、上アームパワー半導体素子２及び下アームパワー半導体素子３の近傍に設置されており、測定対象のパワー半導体素子のジャンクション温度（「接合温度」、「素子温度」とも呼ばれる）に応じた信号を駆動回路へ出力する。なお、図１では、上アームパワー半導体素子２のジャンクション温度を検出する温度検知素子５０の図示を省略している。

上位制御回路部６は、パワー半導体モジュール１０−１，１０−２，１０−３の各々の温度検知素子５０を用いて得られたパワー半導体素子２，３の時系列の温度変化（温度履歴情報）に基づいて、上アーム駆動回路４及び下アーム駆動回路５に対してパルス列信号（駆動指令）を出力する。この上アーム駆動回路４、下アーム駆動回路５、及び上位制御回路部６の動作については、後に図２，３を用いて詳述する。

このような上アームパワー半導体素子２及び下アームパワー半導体素子３を搭載した電力変換ユニット１１を並列接続し、これら複数の電力変換ユニット１１内のパワー半導体素子２，３を同時にスイッチング駆動することにより、変換電力容量の増大を図ることができる。本例では、３個の並列接続を例に挙げたが、電力変換ユニット１１（パワー半導体素子２，３）の並列接続数は３個に限られるものではなく、並列接続数が多いほど変換電力容量の増大化の効果が大きくなる。

本例の場合、電力変換ユニット１１が３つであり、３つの電力変換ユニット１１−１，１１−２，１１−３が互いに並列接続されて用いられる。より具体的には、電力変換ユニット１１−１の上アームパワー半導体素子２のコレクタと、電力変換ユニット１１−２，１１−３の上アームパワー半導体素子２のコレクタとが正側パワー端子１２に共通に接続されている。また、電力変換ユニット１１−１の下アームパワー半導体素子３のエミッタと、電力変換ユニット１１−２，１１−３の下アームパワー半導体素子３のエミッタとが負側パワー端子１３に共通に接続されている。そして、電力変換ユニット１１−１及び電力変換ユニット１１−２，１１−３の上アームパワー半導体素子２のエミッタと下アームパワー半導体素子３のコレクタとが出力パワー端子９に共通に接続されている。

なお、本例では、電力変換ユニット１１に、高電位側の上アームパワー半導体素子２、及び低電位側の下アームパワー半導体素子３の両方を搭載した２ｉｎ１構成のパワー半導体モジュール１０を例示したが、これに限られない。すなわち、本実施形態のパワー半導体モジュール１０は、２ｉｎ１構成の他、片方のアームのパワー半導体素子を搭載した１ｉｎ１構成であってもよい。

電力変換ユニット１１及び電力変換装置１の外観構成は、例えば特許文献１の図３に記載された構成を採用することができる。ただし、電力変換装置の構成は一例であり、この構成に限られるものではない。

［駆動回路］
次に、パワー半導体素子２，３の駆動回路４，５、及び上位制御回路部６について図１〜図３を参照して詳細に説明する。以下では、電力変換ユニット１１の下アーム駆動回路５の具体的な構成について説明するが、上アーム駆動回路４も同じ構成となっている。下アーム駆動回路５（以下、単に「駆動回路５」と記述する）は、温度算出部５１、記憶部（記憶装置）５２、及びゲート電圧可変回路部５３を備えている。

温度算出部５１は、温度検知素子５０から測定対象のパワー半導体素子３の温度に応じた信号を定期的に受信し、その信号からパワー半導体素子３の温度を算出する。例えば温度算出部５１は、温度検知素子５０から受信した信号（アナログ信号）をアナログ／デジタル変換して温度を算出し、温度情報のデジタルデータを記憶部５２に出力する。

記憶部５２は、温度算出部５１が算出したパワー半導体素子３の温度情報のデータを時系列で記憶する。すなわち、記憶部５２には、パワー半導体素子３の時系列の温度情報である温度履歴情報が記憶される。記憶部５２は、ＲＡＭ等の揮発性メモリでもよいし、不揮発性メモリでもよい。

電力変換ユニット１１には、駆動回路５の上位制御系として、上位制御回路部６が搭載されている。上位制御回路部６は、不図示のインターフェース回路部を介して、各電力変換ユニット１１の記憶部５２からパワー半導体素子３の温度履歴情報を読み出す機能を備える。また、上位制御回路部６は、各々のパワー半導体素子３の温度履歴情報に基づいてゲート電圧制御量を算出し、各々のゲート電圧可変回路部５３にゲート電圧指令（パルス列信号）を伝達する機能を有する。

ゲート電圧可変回路部５３は、上位制御回路部６から受信したゲート電圧指令に基づき、パワー半導体素子３に供給するゲート電圧を調整する。オン状態（定常状態）におけるパワー半導体素子３の出力電流（コレクタ電流）は、ゲート印加電圧（Ｖｇｅ）と閾値電圧との差分に比例し、オン電圧は出力電流に比例する。よって、ゲート印加電圧を調整することにより、パワー半導体素子３の出力電流を制御することができる。

一方、詳細な内部構成は図示していないが、電力変換ユニット１１−１，１１−２，１１−３にそれぞれ搭載されたパワー半導体モジュール１０−１，１０−２，１０−３の高電位側の上アームパワー半導体素子２には、駆動回路５と同様な構成の駆動回路４がそれぞれ接続されている。また、高電位側における駆動回路４に搭載された記憶部（記憶部５２に相当）には、上アームパワー半導体素子２の温度履歴情報が記録されている。そして、上アームパワー半導体素子２を駆動する際には、上位制御回路部６は、下アームパワー半導体素子３を駆動する場合と同様に、上アームパワー半導体素子２の温度履歴情報に基づいて駆動回路４を制御する。

なお、本実施形態では、並列接続された３個の電力変換ユニット１１の例を説明したが、本発明は各電力変換ユニット１１のパワー半導体素子２，３のゲート電圧を独立に制御できるため、３個以上の電力変換ユニット１１が並列接続された構成にも対応可能である。

［温度履歴情報］
次に、第１の実施形態に係る駆動回路５の記憶部５２に記憶されている温度履歴情報について図２を参照して説明する。図２は、第１の実施形態に係る記憶部５２に記憶されている温度履歴情報の一例を示す説明図である。ここでは、各パワー半導体モジュール１０の下アームパワー半導体素子３の温度履歴情報について説明する。図２の横軸は運転時間、縦軸はパワー半導体素子のジャンクション温度Ｔｊを示している。

電力変換装置１は、各電力変換ユニット１１に搭載されているパワー半導体モジュール１０のパワー半導体素子３の閾値電圧のデータを、出荷検査時に取得済みであるとする。運転開始後の初期においては、上位制御回路部６は、各パワー半導体素子３の閾値電圧に対応してゲート電圧を個別制御しているため、各パワー半導体素子３の出力電流（コレクタ電流）の均等化が図られている。熱損失が均等になるため、各パワー半導体素子３のジャンクション温度Ｔｊも均等化されている。図２では、パワー半導体モジュール１０−１，１０−２，１０−３の各々のパワー半導体素子３を、素子３−１，素子３−２，３−３と表記している。

運転開始後は、定期的に各電力変換ユニット１１の駆動回路５に搭載されている温度算出部５１によって算出された温度を、温度履歴として記憶部５２に記録する。ただし、温度算出部５１によって温度を算出する際の条件としては、常に実質的に同一環境温度下かつ同一負荷電流下であることを前提とする。環境温度は、例えば各電力変換ユニット１１の周囲温度であり、不図示の温度検知素子により検知した電力変換装置内部の温度である。例えば上位制御回路部６は、周囲温度がある一定値になったときに、あるいは、周囲温度がある一定値を維持している間に一定の時間間隔で、温度検知素子５０から測定データを取得する。負荷電流は、オン状態（定常状態）のパワー半導体素子２，３に流れるコレクタ電流である。

電力変換装置１が一定期間運転を継続すると、パワー半導体素子３の閾値電圧の特性変動により、出力電流の分担に差異が生じる。この出力電流の分担の差異により、パワー半導体素子のジャンクション温度Ｔｊが不均等となる。このジャンクション温度Ｔｊの不均等が発生した場合、特定のパワー半導体素子３に熱負荷が集中し、電力変換装置１全体の信頼性が低下する恐れがある。

そこで本実施形態では、記憶部５２に記録されている温度履歴情報から、最も温度経時変化が小さいパワー半導体素子（素子３−２）の温度を基準温度として、所定の上限のジャンクション温度Ｔｊｍａｘを超えたパワー半導体素子（素子３−１）が存在する場合は、該当パワー半導体素子の電流分担が大きいことから閾値電圧が低下したと推定し、該当パワー半導体素子に印加するゲート電圧を下げる制御を行う。また、所定の下限のジャンクション温度Ｔｊｍｉｎより温度が低いパワー半導体素子（素子３−３）が存在する場合は、該当パワー半導体素子の電流分担が小さいことから閾値電圧が上昇したと推定し、該当パワー半導体素子に印加するゲート電圧を上げる制御を行う。

すなわち上位制御回路部６は、基準温度に第１の所定値を加えた温度よりも高いジャンクション温度Ｔｊのパワー半導体素子のゲート電圧を下げる。第１の所定値は、基準温度に第１の所定値を加えた温度が上限値Ｔｊｍａｘを上回らない範囲で任意に設定することができる。また、上位制御回路部６は、基準温度から第２の所定値を差し引いた温度よりも低いジャンクション温度Ｔｊのパワー半導体素子のゲート電圧を上げる指令を、該当するパワー半導体素子に対応するゲート電圧可変回路部５３に出力する。第２の所定値は、基準温度から第２の所定値を差し引いた温度が上限値Ｔｊｍｉｎを下回らない範囲で任意に設定することができる。このように基準温度から高い方向と低い方向に幅を持たせることにより、外部環境及び負荷電流の測定誤差、ノイズ等の影響を極力排除することができる。

上述したとおり、パワー半導体素子３の閾値電圧を直接測定しなくても、閾値電圧が基準値より上昇したか、もしくは下降したかを、パワー半導体素子３の温度変化から推定し、ゲート電圧を再設定することでパワー半導体素子３のジャンクション温度Ｔｊの均一化が図れる。

各パワー半導体モジュール１０の上アームパワー半導体素子２の温度履歴情報、及び、駆動回路４の動作についても同様である。なお、パワー半導体モジュール１０が、上アームパワー半導体素子２のジャンクション温度を検出するための温度検知素子５０を有しない構成でもよい。電力変換ユニット１１の小型化が進んでいるため、下アームパワー半導体素子３を制御するために設けられた温度検知素子５０の検知結果を用いて、上アームパワー半導体素子２を適切に制御することが可能である。この場合、駆動回路４はゲート電圧可変回路部５３のみを備える。

［ゲート電圧制御の処理手順］
次に、電力変換装置１の駆動回路によるゲート電圧制御の処理手順について図３を参照して説明する。図３は、ゲート電圧制御の処理手順の一例を示すフローチャートである。ここでは、駆動回路５によるゲート電圧制御の処理手順を例に説明する。

電力変換装置１のゲート電圧制御の処理手順としては、まず初期条件として各パワー半導体素子３の閾値電圧の特性データに基づき、各パワー半導体素子３に対応する駆動回路５に搭載されたゲート電圧可変回路部５３によって個別調整を行い、並列接続された電力変換ユニット１１間の電流均等化制御を行う（Ｓ１）。

次に、駆動回路５は、運転開始後は定期的に各電力変換ユニット１１に備えた温度検知素子５０を用いてパワー半導体素子３の温度を検知し、記憶部５２に記録する（Ｓ２）。駆動回路５に搭載されている温度算出部５１は、温度検知素子５０が出力する信号に基づいて温度を算出し、算出した温度情報を記憶部５２に温度履歴情報として記録する。ただし、温度算出部５１によって温度を算出する際の条件としては、常に実質的に同一環境温度下かつ同一負荷電流下であることを前提とする。

次に、電力変換装置１が一定期間運転を継続し、パワー半導体素子３の閾値電圧の特性変動により出力電流分担に差異が生じた場合には、上位制御回路部６は、各駆動回路５の記憶部５２に記録された温度履歴情報から、温度変化が最も小さいパワー半導体素子３の温度を基準に設定する（Ｓ３）。この基準に設定されたパワー半導体素子３を「基準素子」と記述する。

次に、上位制御回路部６は、ジャンクション温度Ｔｊが基準素子（図２では素子３−２）の基準温度の上限値Ｔｊｍａｘよりも高いパワー半導体素子３が存在するか否かを判定する（Ｓ４）。基準温度の上限値Ｔｊｍａｘよりも高いジャンクション温度Ｔｊであるパワー半導体素子３が存在する場合には（Ｓ４のＹＥＳ）、上位制御回路部６は、例えば該当するパワー半導体素子３の閾値電圧が低下したことが推定されるため、印加するゲート電圧の設定値（目標値）を小さくする（Ｓ５）。

基準温度の上限値Ｔｊｍａｘよりも高いジャンクション温度Ｔｊであるパワー半導体素子３が存在しない場合には（Ｓ４のＮＯ）、上位制御回路部６は、ジャンクション温度Ｔｊが基準素子の基準温度の下限値Ｔｊｍｉｎよりも低いパワー半導体素子３が存在するか否かを判定する（Ｓ６）。基準温度の下限値Ｔｊｍｉｎよりも低いジャンクション温度Ｔｊであるパワー半導体素子３が存在する場合には（Ｓ６のＹＥＳ）、上位制御回路部６は、例えば該当するパワー半導体素子３の閾値電圧が上昇したことが推定されるため、印加するゲート電圧の設定値（目標値）を大きくする（Ｓ７）。基準温度の下限値Ｔｊｍｉｎよりも低いジャンクション温度Ｔｊであるパワー半導体素子３が存在しない場合には（Ｓ６のＮＯ）、本フローチャートの処理を終了する。

そして、ステップＳ６又はステップＳ７の処理が終了後、上位制御回路部６は、該当駆動回路５のゲート電圧可変回路部５３へ制御信号を出力し、再設定したゲート電圧で運転を継続するようゲート電圧可変回路部５３を制御する（Ｓ８）。ステップＳ８の処理後、本フローチャートの処理を終了する。駆動回路４についても上記と同様のゲート電圧制御を行う。

上述した構成の第１の実施形態によれば、パワー半導体素子２，３の温度履歴情報を利用して、パワー半導体素子２，３の閾値電圧やオン電圧などの特性の個体差によって生じる電流アンバランスを改善することができ、パワー半導体素子２，３の選別を不要とする。また、電流アンバランスの改善により、電力変換ユニット１１の並列数の増加及び電力変換装置１の信頼性の向上を図ることができる。

さらに、パワー半導体素子２，３の閾値電圧などの特性が経時劣化した場合でも、パワー半導体素子２，３の温度履歴情報に基づき、該当パワー半導体素子のゲート電圧を再調整することにより、経時劣化による電流アンバランスの悪化を改善することが可能となる。それにより、各パワー半導体素子の発熱を均一化することができ、電力変換装置１の信頼性向上と長寿命化を図ることができる。

＜２．第２の実施形態＞
次に、電力変換装置１の運用方法の一例として、パワー半導体素子２，３の遠隔診断及び遠隔調整について図４〜図６を参照して説明する。図４は、第２の実施形態に係る電力変換装置及びその駆動回路の構成例を示すブロック図である。

図４に示す電力変換装置１Ａと、図１に示した電力変換装置１との違いは、上位制御回路部６に通信インターフェース６１が接続されている点である。通信インターフェース６１は、情報端末７０と無線もしくは有線で通信し、データの送信及び受信が可能である。電力変換装置１Ａのその他の構成は、電力変換装置１と同じである。上位制御部６が、通信インターフェース６１を内蔵する構成でもよい。情報端末７０は、電力変換装置１の各記憶部５２から読み出した温度履歴情報を表示する表示部７５を備える。

［情報端末のハードウェア構成］
図５は、情報端末７０のハードウェア構成例を示すブロック図である。情報端末７０としては、例えばパーソナルコンピューターやタブレット端末などを用いることができる。

情報端末７０は、バス７４にそれぞれ接続されたＣＰＵ（Central Processing Unit）７１、ＲＯＭ（Read Only Memory）７２、ＲＡＭ（Random Access Memory）７３を備える。さらに、情報端末７０は、表示部７５、操作部７６、不揮発性ストレージ７７、通信インターフェース７８を備える。

ＣＰＵ７１は、制御部の一例であり、本実施形態に係る各機能を実現するソフトウェアのプログラムコードをＲＯＭ７２（記録媒体の一例）から読み出して実行する。これらのハードウェアとソフトウェアが協働することで、情報端末７０の遠隔診断機能及び遠隔調整機能が実現される。なお、情報端末７０は、ＣＰＵ７１の代わりに、ＭＰＵ（Micro-Processing Unit）等の処理装置を備えるようにしてもよい。ＲＡＭ７３には、演算処理の途中に発生した変数やパラメータ等が一時的に書き込まれる。

表示部７５は、例えば、液晶ディスプレイモニタであり、パワー半導体素子２，３の遠隔診断及び遠隔調整を行うためのＧＵＩ（Graphical User Interface）画面を表示する。
操作部７６には、例えば、キーボード、マウス又はタッチパネル等が用いられ、保守員が所定の操作入力、指示を行うことが可能である。

不揮発性ストレージ７７としては、例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）、フレキシブルディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード等が用いられる。この不揮発性ストレージ７７には、ＯＳ（Operating System）や各種のパラメータの他に、情報端末７０を機能させるためのプログラムが記録されていてもよい。

通信インターフェース７８には、例えば、ＮＩＣ（Network Interface Card）等が用いられ、ＬＡＮ等のネットワークＮを介して通信インターフェース６１との間で各種のデータを送受信することが可能である。通信インターフェース７８は、無線もしくは有線の通信プロトコルに対応している。

上記構成を備える情報端末７０は、通信インターフェース６１を介して電力変換装置１Ａで得られた各パワー半導体素子２，３の温度履歴情報を表示する機能と、上位制御回路部６を介して各パワー半導体素子２，３のゲート電圧可変回路部５３を制御する機能を有する。

［温度履歴表示画面］
図６は、情報端末７０に表示される温度履歴表示画面の一例を示す説明図である。保守員は、情報端末７０の表示部７５に表示された温度履歴表示画面７５ｓによって、各パワー半導体素子の温度履歴を確認（遠隔診断）することができる。図６には、各パワー半導体素子３（素子３−１，３−２，３−３）の温度履歴が表示されている。各パワー半導体素子のジャンクション温度が不均一となっている場合には、保守員は、情報端末７０の操作部７６を操作して温度を均一化するための調整（遠隔調整）を行うことが可能である。

さらに、保守員は、温度履歴表示画面７５ｓによって、調整後のパワー半導体素子３の温度履歴も確認することが可能である。それ故、保守員は、電力変換装置１Ａによるゲート電圧制御の効果を一目瞭然に確認することができる。なお、図６の温度履歴表示画面７５ｓに表示された内容は、図２に対応して表示されたものである。図６では、パワー半導体素子３−１，３−３のゲート電圧を適切に調整したことにより（図２参照）、その後パワー半導体素子３−１，３−３のジャンクション温度Ｔｊが、基準のパワー半導体素子３−２のジャンクション温度Ｔｊに近づいていることがわかる。すなわち、パワー半導体素子３−１，３−２，３−３の出力電流（コレクタ電流）が均等化されている。

第２の実施形態において、保守員がパワー半導体素子のゲート電圧の制御量を決定してゲート電圧を調整する例を示したが、この例に限られない。情報端末７０が、上位制御回路部６により各電力変換ユニット１１の駆動回路４，５を自動で制御するよう設定する機能を備え、保守員が情報端末７０のこの設定機能をオンすることにより、上位制御回路部６が各電力変換ユニット１１の駆動回路４，５を自動で制御する構成としてもよい。また、情報端末７０が上位制御回路部６の機能（電流均等化制御、後述の電流集中制御）を備え、
情報端末７０が温度履歴情報の表示と並行して、各電力変換ユニット１１の駆動回路４，５に制御信号を送信し、パワー半導体素子２，３を制御してもよい。

上述した第２の実施形態によれば、情報端末７０の表示部７５に各パワー半導体素子の温度履歴を表示し、保守員が各パワー半導体素子の温度履歴を確認（診断）することができる。また、各パワー半導体素子のジャンクション温度が不均一となっている場合には、保守員は、情報端末７０の操作部７６を操作して温度を均一化するための調整を手動で行うことが可能である。さらに、保守員は、遠隔地に置かれた情報端末７０を用いることで、上記パワー半導体素子の温度履歴を確認する作業（遠隔診断）と、各パワー半導体素子の温度を均一化するための調整を遠隔操作により実現できる。

＜３．第３の実施形態＞
次に、第３の実施形態として、本発明に係る電力変換装置をモータ駆動システムに適用した場合の例について、図７及び図８を参照して説明する。第３の実施形態は、上述した実施形態に係る駆動回路を利用して特定の電力変換ユニットの出力電流が大きくなるように制御し（電流集中制御）、特定の電力変換ユニットに熱負荷をかける例である。

図７は、第３の実施形態に係る電力変換装置が適用されたモータ駆動システムの構成例を示す概略図である。図８は、第３の実施形態に係る記憶部５２に記憶されている温度履歴情報の一例を示す説明図である。

図７に示すモータ駆動システム８０は、直流電源８１、インバータシステム８２、上位制御回路部６、及びモータ８３を備える。このモータ駆動システム８０は、エレベーターシステムに適用した例である。

インバータシステム８２は、電力変換ユニット１１−１、１１−２、１１−３の並列接続の回路構成を有し、直流電源８１の直流電力を交流に変換し、モータ（巻上機）８３を駆動する。なお、モータ駆動システム８０は、一般的に三相であるが、図７はそのうちの一相分のみを図示したものである。

本実施形態では、並列接続された電力変換ユニット１１−１，１１−２，１１−３のうち、電力変換ユニット１１−１のみに回路を遮断する遮断装置８４，８５が接続されている。遮断装置８４，８５には、主回路に過大な電流が流れたときに溶けて回路を遮断する配線部材であるヒューズや、ある量以上の電力を使ったり異常電流が流れたりすると、回路を自動的に遮断する遮断器などが用いられる。なお、２個以上の電力変換ユニット１１に遮断装置を接続してもよい。

また、本実施形態に係る上位制御回路部６は、運転初期からパワー半導体素子３−１の駆動回路５のゲート電圧設定値を他のパワー半導体素子３−１，３−２よりも大きくなるように設定し、パワー半導体素子３−１の電流分担を大きくして電流集中制御を行う（図８参照）。一方、他のパワー半導体素子３−２，３−３は、第１の実施形態及び第２の実施形態に記載した電流均等化制御の対象とする。

その結果、図８に示すように、パワー半導体素子３−１のジャンクション温度Ｔｊは、常に他のパワー半導体素子３−２，３−３よりも高くなっている。このため、パワー半導体素子３−１は、運転が継続されると他のパワー半導体素子３−２，３−３よりも確実に寿命が短くなり、最初に壊れることが予想できる。また、パワー半導体素子３−１を搭載した電力変換ユニット１１−１が壊れた場合には、遮断装置８４，８５によって電力変換ユニット１１−１をインバータシステム８２から切り離すことで、モータ駆動システム８０は停止することなく、縮退運転で継続して運転することが可能である。なお、インバータシステム８２から電力変換ユニット１１−１が切り離された場合に、電力変換ユニット１１−１の電力の減少分を、電力変換ユニット１１−２，１１−３が補うように制御してもよい。

上述した第３の実施形態によれば、最初に壊れるパワー半導体素子３−１がわかる（寿命をコントロールできる）ため、対応する電力変換ユニット１１−１のみに保護装置である遮断装置８４，８５を設ければよい。このように構成することにより、モータ駆動システム８０全体の寿命管理の精度が向上し、モータ駆動システム８０の計画外の停止を防ぐことが可能である。例えば、あるパワー半導体素子を他より早めに故障するようにコントロールし、そのパワー半導体素子だけ交換周期を早めることで、他のパワー半導体素子の交換時期の目安とすることができる。

＜４．第４の実施形態＞
次に、第４の実施形態として、本発明に係る電力変換装置をエレベーターシステムに適用した場合の例について、図９を参照して説明する。図９は、第４の実施形態に係る電力変換装置が適用されたエレベーターシステムの構成例を示す概略図である。

図９に示すエレベーターシステム９０は、系統９１から供給される交流の電力を、高周波等のノイズを除去するフィルタ回路９２を介して、コンバータシステム１００により直流の電力に変換する。コンバータシステム１００は、上述した実施形態に係る駆動回路を用いた電力変換ユニット１０１−１〜１０１−Ｎを複数個並列に接続したものである。各電力変換ユニット１０１−１〜１０１−Ｎは、上位制御回路部６の指令に基づいて動作する。電力変換ユニット１０１−１〜１０１−Ｎの各々は、上述した電力変換ユニット１１を用いてコンバータ装置として構成することができる。

また、エレベーターシステム９０は、コンバータシステム１００から出力される直流の電力を、インバータシステム１１０により交流の電力に変換する。インバータシステム１１０は、上述した実施形態に係る駆動回路を用いた電力変換ユニット１１１−１〜１１１−Ｎを複数個並列に接続したものである。各電力変換ユニット１１１−１〜１１１−Ｎは、上位制御回路部６の指令に基づいて動作する。そして、エレベーターシステム９０は、インバータシステム１１０から出力される交流の電力を、フィルタ回路９３を介してモータ（巻上機）８３に供給し、モータ８３を駆動する。

モータ８３の負荷としては、ロープ９４に繋がれたエレベーターシステム９０のかご９５と、かご９５と釣り合いをとるためのおもり９６とがある。モータ８３の電力は、ロープ９４を介してかご９５を上下させるために消費される。

なお、コンバータシステム１００及びインバータシステム１１０に対し、別個に上位制御回路部６を設けてもよい。

かご９５に載せた重量物を速く移動させるためには、モータ８３の出力パワーを増やす必要があり、出力パワーを増やすためには、コンバータシステム１００及びインバータシステム１１０に搭載された電力変換ユニットの並列数を増加させる必要がある。電力変換ユニットの並列数が増加すれば、パワー半導体素子の閾値電圧等の変化による出力電流（コレクタ電流）の不均一化の影響が増大するが、上記実施形態に係る電流均等化制御技術を使えば、パワー半導体素子の出力電流の不均一化の影響をなくし、エレベーターシステム９０の信頼性を向上させることが期待できる。

図９に示すように、本発明の各実施形態に係る電力変換装置は、エレベーターシステム９０の他にも、記述のとおり種々のシステムに適用することが可能である。しかし、電力変換装置が適用されるシステムが大型化すればするほど、パワー半導体素子の破壊が発生してからシステムを復帰するまでに要する時間が増大する。上述した第４の実施形態における遠隔診断及び遠隔調整により、保守員がシステムに用いられる電力変換装置を遠隔で制御し、かつ長寿命化が期待できる。

さらに、上述した第５の実施形態のように、特定の電力変換ユニットに対して電流集中制御を行うことにより、エレベーターシステム９０全体の寿命管理の精度を向上させることが可能である。

なお、以上説明した各実施形態では、電流均等化制御を行うパワー半導体素子（パワー半導体モジュール）が２並列もしくは３並列の場合を例に挙げて説明したが、この例に限られない。例えば、パワー半導体素子の並列数をｎ個（ｎは４以上の整数）に増やした電力変換装置に対しても、本実施形態に係る駆動回路及びその駆動方法（電流均等化制御）は適用可能である。同様に、電流集中制御を行うパワー半導体素子（パワー半導体モジュール）が１つの場合を例に挙げて説明したが、２つ以上のパワー半導体素子が並列接続されていてもよい。

＜５．変形例＞
［変形例１］
上述した各実施形態に係るパワー半導体素子の駆動回路４，５におけるゲート電圧可変回路部５３の具体例を説明する。ゲート電圧可変回路部５３は、一例として特許文献１（図１４参照）に示されたように、ゲート電源と、スイッチ制御部と、抵抗素子と、ツェナー電圧が異なる例えば３個のツェナーダイオード（定電圧ダイオード）と、３個のスイッチと、により構成することができる。３個のスイッチを切り替えることで、ツェナー電圧の異なるツェナーダイオードの接続が切り替わることになるので、ツェナー電圧が変化することによってパワー半導体素子のゲート印加電圧を変えることが可能である。

一般的には、パワー半導体素子のゲート印加電圧を変化させることにより、オン電圧とオン電流の特性が変化するため、定常電流を変化させることができる。したがって、記憶部５２に記憶される特性情報及びジャンクション温度Ｔｊに基づいて、パワー半導体素子のゲート電圧を制御することにより、定常動作時の電流アンバランスを改善することができる。

［変形例２］
図１０は、各駆動回路が備えるゲート電圧可変回路部５３の変形例を示す回路図である。すなわち図１０は、ゲート電圧可変回路部５３における可変電圧源の回路構成例を示す。

図１０に示すように、可変電圧源１２０は、絶縁トランス１３０と、絶縁トランス１３０の１次巻線１３１に接続されるＤＣ／ＤＣコントローラ１４０と、絶縁トランス１３０の２次巻線１３３に接続されるダイオード整流器１５０と、可変電圧源１２０の出力電圧値を設定するためのポテンショメータ（可変抵抗器）１６０を主要部品として構成される。

ここで、ＤＣ／ＤＣコントローラ１４０は、絶縁トランス１３０の１次巻線１３１に接続されるインバータを構成する半導体スイッチと、インバータに直流電力を供給すると共に半導体スイッチを制御する制御回路とを備えており、他の部品と共に、可変電圧源１２０の主回路部となるＤＣ／ＤＣコンバータ回路を構成する。なお、ＤＣ／ＤＣコントローラ１４０、又はＤＣ／ＤＣコントローラ１４０が備える制御回路は、集積回路としてもよい。

１次側正電源入力端子１４２と１次側負電源入力端子１４１の端子間、すなわちＤＣ／ＤＣコントローラ１４０の直流入力端子間に、図示されない直流電源から１次側直流電圧が与えられる。ＤＣ／ＤＣコントローラ１４０は、直流電源から入力する電力を、絶縁トランス１３０を介して２次側に伝送する。伝送される電力は、ダイオード整流器１５０を介してコンデンサ１５１に蓄積される。これにより、２次側の正バイアス端子１２１と負バイアス端子１２２の端子間に２次側直流電圧が出力される。また、中間電位端子１２４の電位が、定電圧ダイオード１５３と抵抗１５２によって設定される。

ＤＣ／ＤＣコントローラ１４０によって伝送される電力の一部は、絶縁トランス１３０の補助巻線１３２、及び補助巻線１３２に接続される整流ダイオード１６３を介して、コンデンサ１６２に蓄積される。なお、コンデンサ１５１の両端の電圧とコンデンサ１６２の両端の電圧に発生する電圧は比例する。

コンデンサ１６２の両端には、フィードバック端子１６１を備えるポテンショメータ１６０が接続される。ポテンショメータ１６０は、ＤＣ／ＤＣコントローラ１４０に指令を与えて可変電圧源１２０の出力電圧を制御するためのものである。コンデンサ１６２の両端電圧はフィードバック端子１６１によって抵抗分圧され、抵抗分圧比はポテンショメータ制御端子１６４に与えられる指令信号によって制御される。したがって、ポテンショメータ１６０の抵抗分圧比を制御することによって、正バイアス端子１２１と負バイアス端子１２２の端子間の電圧、すなわち可変電圧源１２０の出力電圧（ゲート電圧）を制御することができる。

変形例２において、ポテンショメータ制御端子１６４に与えられる指令信号は、上位制御回路部６から送信されるゲート電圧目標指令である。ゲート電圧目標指令に応じてポテンショメータ１６０の抵抗分圧比が設定されるので、可変電圧源１２０はゲート電圧目標指令の示すゲート駆動電圧値の電源電圧を出力する。

さらに、本発明は上述した各実施形態例に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、その他種々の応用例、変形例を取り得ることは勿論である。例えば、上述した実施形態例は本発明を分かりやすく説明するために装置及びシステムの構成を詳細且つ具体的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ない。また、ある実施形態例の構成の一部を他の実施形態例の構成に置き換えることは可能である。また、ある実施形態例の構成に他の実施形態例の構成を加えることも可能である。また、各実施形態例の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。

また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、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、例えば上位制御回路部６が備える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、又はＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。

また、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、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

１，１Ａ…電力変換装置、 ２…上アームパワー半導体素子、 ３（３−１，３−２，３−３）…下アームパワー半導体素子、 ４…上アーム駆動回路、 ５…下アーム駆動回路、 ６…上位制御回路部、 ７，８…ダイオード、 ９…出力パワー端子、 １０−１，１０−２，１０−３…パワー半導体モジュール、 １１−１、１１−２、１１−３…電力変換ユニット、 １２…正側パワー端子、 １３…負側パワー端子、 ５０…温度検知素子（温度センサ）、 ５１…温度算出部、 ５２…記憶部、 ５３…ゲート電圧可変回路部、 ６１…通信インターフェース、 ７０…情報端末、 ７５…表示部、 ７５ｓ…温度履歴表示画面、 ８０…モータ駆動システム、 ８４，８５…遮断装置、 ９０…エレベーターシステム、 １００…コンバータシステム、 １１０…インバータシステム

Claims (6)

1. パワー半導体素子及び前記パワー半導体素子を駆動する駆動回路を搭載し、並列に接続されて用いられる複数の電力変換ユニットと、
   前記駆動回路を制御する制御回路部と、を備え、
   前記駆動回路は、
   前記パワー半導体素子の温度を算出する温度算出部と、
   前記温度算出部で算出された前記パワー半導体素子の温度の情報を時系列で記憶する記憶部と、
   前記制御回路部からの指令に基づいて前記パワー半導体素子のゲート電圧を調整するゲート電圧可変回路部と、を有し、
   前記制御回路部は、制御対象とする電力変換ユニットのうち各電力変換ユニットの前記記憶部に記憶されている時系列の温度の情報である温度履歴情報に基づいて、最も温度変化が小さいパワー半導体素子の温度を基準温度として、前記基準温度よりも温度が高いパワー半導体素子のゲート電圧を下げ、前記基準温度よりも温度が低いパワー半導体素子のゲート電圧を上げる指令を、該当するパワー半導体素子に対応する前記ゲート電圧可変回路部に出力する
   電力変換装置。
2. 前記制御回路部は、前記指令として、前記基準温度に第１の所定値を加えた温度よりも高い温度のパワー半導体素子のゲート電圧を下げ、前記基準温度から第２の所定値を差し引いた温度よりも低い温度のパワー半導体素子のゲート電圧を上げる指令を出力する
   請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記制御回路部は、通信部を介して表示部を備えた情報端末と通信可能であり、
   前記制御回路部は、各電力変換ユニットの前記記憶部に記憶された前記パワー半導体素子の前記温度履歴情報を前記通信部から前記情報端末に送信し、前記温度履歴情報を前記表示部に表示させる
   請求項１又は２に記載の電力変換装置。
4. 前記制御回路部は、情報端末と通信を行う通信部を備え、
   前記制御回路部は、前記通信部により前記情報端末から受信した制御信号に基づいて、各駆動回路の前記ゲート電圧可変回路部に前記指令を出力する
   請求項１又は２に記載の電力変換装置。
5. 少なくとも一つの前記電力変換ユニットに接続された遮断装置、を更に備え、
   前記制御回路部は、前記遮断装置が接続された前記電力変換ユニットの前記ゲート電圧可変回路部に、前記パワー半導体素子に対して他の前記電力変換ユニットのパワー半導体素子のゲート電圧よりも高いゲート電圧を印加する指令を出力し、また、前記遮断装置が接続されていない前記電力変換ユニットの前記記憶部に記憶されている前記温度履歴情報に基づいて、最も温度変化が小さいパワー半導体素子の温度を基準温度として、前記基準温度よりも温度が高いパワー半導体素子のゲート電圧を下げ、前記基準温度よりも温度が低いパワー半導体素子のゲート電圧を上げる指令を、該当する前記ゲート電圧可変回路部に出力する
   請求項１又は２に記載の電力変換装置。
6. ２つのパワー半導体素子が直列に接続されたパワー半導体モジュール、及び前記パワー半導体素子の各々に対応して設けられ、前記パワー半導体素子を駆動する駆動回路を搭載し、並列に接続されて用いられる複数の電力変換ユニットと、
   複数の前記電力変換ユニットの前記パワー半導体モジュール内に設けられ、前記パワー半導体素子の温度に応じた信号を出力する複数の温度検知素子と、
   前記駆動回路を制御する制御回路部と、を備え、
   前記駆動回路は、
   前記温度検知素子から出力された前記信号に基づいて前記パワー半導体素子の温度を算出する温度算出部と、
   前記温度算出部で算出された前記パワー半導体素子の温度の情報を時系列で記憶する記憶部と、
   前記制御回路部からの指令に基づいて前記パワー半導体素子のゲート電圧を調整するゲート電圧可変回路部と、を有し、
   前記制御回路部は、制御対象とする電力変換ユニットのうち各電力変換ユニットの前記記憶部に記憶されている時系列の温度の情報である温度履歴情報に基づいて、最も温度変化が小さいパワー半導体素子の温度を基準温度として、前記基準温度よりも温度が高いパワー半導体素子のゲート電圧を下げ、前記基準温度よりも温度が低いパワー半導体素子のゲート電圧を上げる指令を、該当する前記ゲート電圧可変回路部に出力する
   電力変換装置。

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