JP2020043687A

JP2020043687A - パワー素子診断装置

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Publication number: JP2020043687A
Application number: JP2018169284A
Authority: JP
Inventors: 隼人越智; Hayato Ochi
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2018-09-11
Filing date: 2018-09-11
Publication date: 2020-03-19
Anticipated expiration: 2038-09-11
Also published as: JP6973336B2

Abstract

【課題】パワー素子診断装置において、新たな測定器や測定回路を追加せずにパワー素子のゲート閾値電圧の診断を行う。【解決手段】オン時間取得部６により、電力変換回路２に設けられたＳｉＣＭＯＳＦＥＴから成るパワー素子のオン時間の積算値を取得する。オフ時間取得部５により、パワー素子のオフ時間の積算値を取得する。閾値電圧変動テーブル７は、オン時間の積算値およびオフ時間の積算値に対応するゲート閾値電圧の変動値を収納する。異常診断部８は、オン時間取得部６で取得したオン時間の積算値およびオフ時間取得部５で取得したオフ時間の積算値に対応するゲート閾値電圧の変動値αと変動閾値βｏｎ，βｏｆｆとを比較して、パワー素子に異常が生じたか否かを診断する。結果通知部９は、異常診断部８の診断結果を通知する。【選択図】図３

Description

本発明は、電力変換回路に設けられたＳｉＣＭＯＳＦＥＴから成るパワー素子のゲート閾値電圧の診断装置に関する。

図１２は特許文献１における電力変換装置を示す構成図である。特許文献１には、直流電源の短絡事故を抑制する方法が開示されている。具体的には、自己消弧型半導体素子（ＧＴＯ）がターンオフの実行を開始すると、制御手段がＧＴＯのゲート電極とカソード電極間の電圧が閾値を超えるまでに要する時間を計測し、その時間からＧＴＯの遮断電流を推定する。

図１３は特許文献２における電力変換装置を示す構成図である。特許文献２には、１つまたは複数の単位変換器を直列接続して構成されたアームを備える電力変換装置が開示されている。系統の擾乱などによって直流コンデンサ電圧が変動すると、ゲート制御不能などの制御装置と単位変換器との通信異常が発生する恐れがある。特許文献２では、閾値電圧（直流コンデンサ電圧）を監視することで、前述した通信異常が発生した場合においても、各単位変換器の保護を実現している。

特許第３６３６６１５号ＷＯ２０１６／２０３５１６Ａ１

Aivars J. Lelis ,Ron Green ,Daniel B. Habersat, Mooro El,"Basic Mechanisms of Threshold‐Voltage Instability and Implications for Reliability Testing of SiC MOSFETs" IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL62, NO. 2,pp316‐323,FEBRUARY2015. 中川明夫，川口雄介，" 電源用パワーデバイスの技術動向，"ＩＥＥＪＪｏｕｒｎａｌ，ＶＯＬ１２５，Ｎｏ．１２，ｐｐ７５８‐７６１，２００５

しかし、特許文献１はマルチレベル電力変換装置等の短絡事故抑制方法を開示しているが、パワー素子のゲート閾値電圧の上昇は検知しない。

また、特許文献２はマルチレベル電力変換装置等の各単位変換器の保護方法を開示しているが、閾値電圧を直流コンデンサ電圧としている。そのため、パワー素子のゲート閾値電圧の上昇は検知しない。

また、特許文献１，２は装置の実現に電力変換回路以外の推定回路やセンサなどが別途必要となり、小型化には向いていない。

以上示したようなことから、パワー素子診断装置において、新たな測定器や測定回路を追加せずにパワー素子のゲート閾値電圧の診断を行うことが課題となる。

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、電力変換回路に設けられたＳｉＣＭＯＳＦＥＴから成るパワー素子のオン時間の積算値を取得するオン時間取得部と、前記パワー素子のオフ時間の積算値を取得するオフ時間取得部と、オン時間の積算値およびオフ時間の積算値に対応するゲート閾値電圧の変動値を収納する閾値電圧変動テーブルと、前記オン時間取得部で取得した前記オン時間の積算値および前記オフ時間取得部で取得したオフ時間の積算値に対応するゲート閾値電圧の変動値と変動閾値とを比較して、前記パワー素子に異常が生じたか否かを診断する異常診断部と、前記異常診断部の診断結果を通知する結果通知部と、を備えたことを特徴とする。

また、その一態様として、前記電力変換回路は、３レベル以上のマルチレベル電力変換回路であり、前記異常診断部は、各パワー素子同士のオン時間の積算値の差、および、各パワー素子同士のオフ時間の積算値の差が時間差閾値よりも大きい場合に、前記パワー素子に異常が生じたと判断することを特徴とする。

また、その一態様として、前記ゲート閾値電圧の変動値に０＜ｋ＜１の係数ｋを乗算することを特徴とする。

本発明によれば、パワー素子診断装置において、新たな測定器や測定回路を追加せずにパワー素子のゲート閾値電圧の診断を行うことが可能となる。

ＳｉＣＭＯＳＦＥＴに正のゲート電圧を印加した場合のゲート閾値電圧変動を示すグラフ。ＳｉＣＭＯＳＦＥＴに負のゲート電圧を印加した場合のゲート閾値電圧変動を示すグラフ。実施形態１の制御ブロック図。実施形態１の動作を示すフローチャート。実施形態１における異常診断部の動作を示すフローチャート（オン時間）。実施形態１における異常診断部の動作を示すフローチャート（オフ時間）。３レベルインバータの回路例（１相分）を示す図。電圧指令値と搬送波を示すグラフ。３レベルインバータのスイッチングパターン例（１相分）を示す図。実施形態２における異常診断部の動作を示すフローチャート（オン時間）。実施形態２における異常診断部の動作を示すフローチャート（オフ時間）。特許文献１における電力変換装置を示す概略図。特許文献２における電力変換装置を示す概略図。

以下、本願発明におけるパワー素子診断装置の実施形態１〜３を図１〜図１１に基づいて詳述する。

［実施形態１］
実施形態１は、２レベル以上の電力変換回路に適用することを想定している。

現在流通しているＳｉＣＭＯＳＦＥＴはゲート−ソース間に電圧を印加すると、ゲート閾値電圧が変動するという問題がある。図１，図２に示すように、一般に、このゲート閾値電圧の変動ΔＶｔｈの変動量は印加する電圧値や印加時間に依存する。また、正のゲート−ソース間電圧を印加するとゲート閾値電圧が増加方向に変動し、負のゲート−ソース間電圧を印加するとゲート閾値電圧が減少方向に変動することが知られている（非特許文献１参照）。

ＳｉＣＭＯＳＦＥＴは機器の高パワー密度化を目的に使用されることが考えられる。その場合、新たな測定回路や測定機器を追加することは機器の大型化につながる。

図３に本実施形態１におけるパワー素子診断装置を示す。図３に示すように、ゲートドライブ制御部１から出力されたゲート信号が電力変換回路２内のパワー素子（ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ）に入力される。電力変換回路２は、パワー素子がスイッチングすることにより直流電力を交流電力に変換し、負荷３に出力する。

パワー素子診断装置４は、オフ時間取得部５と、オン時間取得部６と、閾値電圧変動テーブル７と、異常診断部８と、結果通知部９と、を備える。

オフ時間取得部５は、パワー素子のオフ時間を取得し、積算する。オン時間取得部６は、パワー素子のオン時間を取得し、積算する。閾値電圧変動テーブル７には、事前に取得したオン時間の積算値毎およびオフ時間の積算値毎のゲート閾値電圧の変動値αが収納してある。異常診断部８は、オン時間取得部６で取得したオン時間の積算値、オフ時間取得部５で取得したオフ時間の積算値、および、閾値電圧変動テーブル７から得た情報から、パワー素子を診断する。結果通知部９は、診断結果を通知する。

本実施形態１におけるパワー素子診断装置４の動作を示すフローチャートを図４に示す。Ｓ１において、電力変換回路２を駆動させる。次に、Ｓ２において、Ｓ１の電力変換回路２の駆動と同時に、オン時間取得部６、オフ時間取得部５により、オン時間およびオフ時間を任意の周期で取得し、積算する。Ｓ３では、オン時間取得部６で取得したオン時間の積算値およびオフ時間取得部５で取得したオフ時間の積算値に基づいて閾値電圧変動テーブル７を参照する。

Ｓ４において、異常診断部８は事前に用意した閾値電圧変動テーブル７からオン時間の積算値に対応するゲート閾値電圧Ｖｔｈの変動値α、オフ時間の積算値に対応するゲート閾値電圧Ｖｔｈの変動値αを推測し、パワー素子に異常が生じているか判断する。パワー素子に異常が生じていない場合は、Ｓ５に移行し、電力変換回路２の駆動を継続し、Ｓ１に戻る。パワー素子に異常が生じている場合は、Ｓ６へ移行し、その結果を結果通知部９で表示することで、当該回路の使用者は結果通知部９の表示を確認してパワー素子の異常を確認できる。

オン時間は、例えばゲートドライブ制御部１において、ゲート信号がオフからオンに切り替わったタイミングから、ゲート信号がオンからオフに切り替わったタイミングまでのオン時間を計測することで取得できる。

オフ時間は、例えばゲートドライブ制御部１において、ゲート信号がオンからオフに切り替わったタイミングから、ゲート信号がオフからオンに切り替わったタイミングまでのオフ時間を計測することで取得できる。

また、事前に取得する閾値電圧変動テーブルは、例えば以下のような方法で作成する。まず、パワー素子に使用する値のＤＣ正ゲート−ソース電圧を一定時間継続して印加し、時間毎のゲート閾値電圧の変動をプロットしたもの用意する。これらのプロットの外挿から、電力変換回路の設計寿命時間までにＤＣ正ゲート−ソース電圧を継続して印加した場合の閾値電圧変動テーブル（正の閾値電圧変動テーブル）を得ることができる。

同様に、まずパワー素子に使用する値のＤＣ負ゲート−ソース電圧を一定時間継続して印加し、時間毎のゲート閾値電圧の変動をプロットしたもの用意する。これらのプロットの外挿から、電力変換回路の設計寿命時間までにＤＣ負ゲート−ソース電圧を継続して印加した場合の閾値電圧変動テーブル（負の閾値電圧変動テーブル）を得ることができる。このようにして、電力変換回路の設計寿命時間までの閾値電圧変動テーブルを作成できる。

次に、異常診断部８（Ｓ４）を図５に基づいて説明する。Ｓ１１において、取得したオン時間の積算値、オフ時間の積算値を異常診断部８に入力する。Ｓ１２において、正の閾値電圧変動テーブルからオン時間取得部６で取得したオン時間の積算値に対応する正のゲート閾値電圧の変動値αを取得する。

Ｓ１３において、異常診断部８は異常を通知する正側の変動閾値βｏｎと正のゲート閾値電圧の変動値αを比較し、正のゲート閾値電圧の変動値αが正側の変動閾値βｏｎより小さい場合は、Ｓ１９へ移行し、電力変換回路の駆動を継続する。正のゲート閾値電圧の変動値αが正側の変動閾値βｏｎ以上の場合、Ｓ１４でパワー素子に異常が生じたと判断し、Ｓ１５で結果通知部９にパワー素子の異常を通知する。異常が通知された場合、電力変換回路の使用者は装置の点検、メンテナンス等を行う。

パワー素子のオン抵抗はゲート閾値電圧に依存するため、例えば、一つのパワー素子のゲート閾値電圧が増加方向に変動した場合、オン抵抗の増加を招く恐れがある。そのため損失が増加し、当該パワー素子が異常発熱する恐れがある。そのため、正側の変動閾値βｏｎは、パワー素子が異常発熱する値に基づいて設定する。また、正側の変動閾値βｏｎはメーカで設定された値を用いてもよい。

次に、負のゲート閾値電圧の変動値αと負側の変動閾値βｏｆｆを比較する方法を図６に基づいて説明する。

ゲート閾値電圧変動のバラツキは、例えば一つのパワー素子のゲート閾値電圧が減少方向に変動した場合、当該素子が誤点弧しやすくなり、短絡する恐れがある（非特許文献２）。

図６は図５と同様の構成で動作し、負のゲート閾値電圧の変動値αの推定（Ｓ２３）、異常診断部８の動作（Ｓ２３）のアルゴリズムのみ異なる。

Ｓ２２において、負の閾値電圧変動テーブルから、オフ時間取得部５で取得したオフ時間の積算値に対応する負のゲート閾値電圧の変動値αを取得する。

Ｓ２３において、異常診断部８は負側の変動閾値βｏｆｆと負のゲート閾値電圧の変動値αを比較し、負のゲート閾値電圧の変動値αが負側の変動閾値βｏｆｆ以上の時、パワー素子に異常が生じたと判断する。

なお、負側の変動閾値βｏｆｆは、各回路構成に応じて、パワー素子の誤点呼、短絡しない値に設定する。

本実施形態１の構成によれば、電力変換回路に新たな測定器や測定回路の追加せずに、パワー素子のゲート閾値電圧を診断する装置ならびに当該診断装置を備えた電力変換回路を提供することが可能となる。

また、本実施形態１によれば、パワー素子のオン抵抗が増加し、パワー素子が異常発熱することを抑制すると共に、パワー素子の誤点呼、短絡を抑制することが可能となる。

［実施形態２］
本実施形態２は、３レベル電力変換回路に適用することを想定している。３レベル以上のマルチレベル電力変換回路は、負荷（例えばモータ）の運転状態によって、各パワー素子のスイッチングパターンが異なり、各パワー素子でオン時間、オフ時間が異なる。

図７は、３レベルインバータの回路例（１相分）を示す概略図である。図７に示すように、第１，第２直流電源ＤＣ１，ＤＣ２が直列接続される。第１直流電源ＤＣ１の正極と第２直流電源ＤＣ２の負極との間には、第１，第４パワー素子Ｑ１，Ｑ４が直列接続される。第１，第２直流電源ＤＣ１，ＤＣ２の接続点と第１，第４パワー素子Ｑ１，Ｑ４の接続点との間に第２，第３パワー素子Ｑ２，Ｑ３が逆直列接続される。第１，第４パワー素子Ｑ１，Ｑ４の接続点が交流端子ＡＣとなる。

図８に示すように、電圧指令値と第１，第２パワー素子Ｑ１，Ｑ２の搬送波および第３，第４パワー素子Ｑ３，Ｑ４の搬送波が比較され、図９に示すように、第１〜第４パワー素子Ｑ１〜Ｑ４のオンオフが決定される。

このように、３レベル以上のマルチレベル電力変換回路は、運転状況によって各パワー素子のオン時間、オフ時間が異なるため、ゲート閾値電圧の変動に大きなバラツキが生じる可能性がある。

そこで、本実施形態２では、正のゲート閾値電圧の変動値αと正側の変動閾値βｏｎ，負のゲート閾値電圧の変動値αと負側の変動閾値βｏｆｆを比較するのみではなく、各パワー素子同士のオン時間の積算値の差，オフ時間の積算値の差を算出する。各パワー素子のオン時間の積算値の差，オフ時間の積算値の差が大きい場合は、制御が不安定、出力波形が歪む、デッドタイム以上の差となると短絡する恐れがある。そのため、本実施形態２では、各パワー素子のオン時間の積算値の差、オフ時間の積算値の差が時間差閾値以上の場合は異常が生じている可能性があると判断する。

本実施形態２における処理を図１０，図１１に示す。図１０は実施形態１にＳ１６〜Ｓ１８を追加したものであり、Ｓ１１〜Ｓ１５，Ｓ１９は実施形態１と同様であるため、説明を省略する。

正のゲート閾値電圧の変動値αが正側の変動閾値βｏｎ以上でない場合、Ｓ１６において、各パワー素子同士のオン時間の積算値の差（以下、オン時間差と称する）γｏｎを算出する。Ｓ１７において、正側の時間差閾値δｏｎとオン時間差γｏｎを比較する。オン時間差γｏｎが正側の時間差閾値δｏｎ以上の時、Ｓ１４でパワー素子に異常が生じたと判断し、Ｓ１５でその結果を結果通知部で表示することで、当該回路の使用者は結果通知部９の表示を確認してパワー素子の異常を確認できる。オン時間差γｏｎが正側の時間差閾値δｏｎ以上でない場合、Ｓ１８において、パワー素子に異常が生じていないと判断し、Ｓ１９において、電力変換回路２での駆動を継続する。

また、図１１に示すように、負のゲート閾値電圧の変動値αが負側の変動閾値βｏｆｆ以上でない場合、Ｓ２６において、各パワー素子同士のオフ時間の積算値の差（以下、オフ時間差と称する）γｏｆｆを算出し、Ｓ２７において、負側の時間差閾値δｏｆｆとオフ時間差γｏｆｆを比較する。オフ時間差γｏｆｆが負側の時間差閾値δｏｆｆ以上の時、Ｓ１４において、パワー素子に異常が生じたと判断し、Ｓ１５において、その結果を結果通知部９で表示することで、当該電力変換回路２の使用者は結果通知部９の表示を確認してパワー素子の異常を確認できる。オフ時間差γｏｆｆが負側の時間差閾値δｏｆｆ以上でない場合、Ｓ１８でパワー素子に異常が生じていないと判断し、Ｓ１９で電力変換回路の駆動を継続する。

なお、正側の時間差閾値δｏｎ、負側の時間差閾値δｏｆｆは、ゲート閾値電圧の変動により制御が不安定になる、出力波形が歪む、短絡が生じる等の問題が生じる時間差を回路構成等に応じて予め決定するものとする。

以上示したように、本実施形態２によれば、実施形態１の作用効果に加え、各パワー素子のオン時間の積算値の差、オフ時間の積算値の差により、制御が不安定になる、出力波形が歪む、短絡が生じる等の問題が生じるのを抑制することが可能となる。

［実施形態３］
図１、図２で示したゲート閾値電圧の変動ΔＶｔｈは、正の電圧を印加し続けた場合、負の電圧を印加し続けた場合のチャートである。しかし、実際運転する場合は、正の電圧、負の電圧を連続して印加し続けることはなく、正の電圧を印加したり、負の電圧を印加したりしている。

そのため、実際のゲート閾値電圧の変動は、図１，図２に示すよりも小さな値となる。すなわち、図１，図２は、最悪の場合を想定したものであり、実際とは異なる。そこで、本実施形態３では、正のゲート閾値電圧の変動値α、負のゲート閾値電圧の変動値αに係数ｋを乗算する。ここで、係数ｋは０＜ｋ＜１とする。

これにより、ゲート閾値電圧の変動値αを、より実際に近いものとすることが可能となる。

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

１…ゲートドライブ制御部
２…電力変換回路
３…負荷
４…パワー素子診断装置
５…オフ時間取得部
６…オン時間取得部
７…閾値電圧変動テーブル
８…異常診断部
９…結果通知部

Claims

電力変換回路に設けられたＳｉＣＭＯＳＦＥＴから成るパワー素子のオン時間の積算値を取得するオン時間取得部と、
前記パワー素子のオフ時間の積算値を取得するオフ時間取得部と、
オン時間の積算値およびオフ時間の積算値に対応するゲート閾値電圧の変動値を収納する閾値電圧変動テーブルと、
前記オン時間取得部で取得した前記オン時間の積算値および前記オフ時間取得部で取得したオフ時間の積算値に対応するゲート閾値電圧の変動値と変動閾値とを比較して、前記パワー素子に異常が生じたか否かを診断する異常診断部と、
前記異常診断部の診断結果を通知する結果通知部と、
を備えたことを特徴とするパワー素子診断装置。
前記電力変換回路は、３レベル以上のマルチレベル電力変換回路であり、
前記異常診断部は、
各パワー素子同士のオン時間の積算値の差、および、各パワー素子同士のオフ時間の積算値の差が時間差閾値よりも大きい場合に、前記パワー素子に異常が生じたと判断することを特徴とする請求項１記載のパワー素子診断装置。
前記ゲート閾値電圧の変動値に０＜ｋ＜１の係数ｋを乗算することを特徴とする請求項１または２記載のパワー素子診断装置。