JP2020048276A - 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】インバータを構成する電力用半導体素子の温度を精度よく推定する。【解決手段】電力用半導体素子で構成された上下アームを相毎に有するインバータ回路と、インバータ回路の相電流を測定する電流センサと、各相の上下アームにターンオン指令信号とターンオフ指令信号を出力する制御部と、電流センサの出力から相電流に含まれるスイッチング成分を抽出する相電流除去回路と、スイッチング成分のうち相電流が正の期間でターンオフ成分を検出して第１の信号を出力する正極用検出回路と、スイッチング成分のうち相電流が負の期間でターンオフ成分を検出して第２の信号を出力する負極用検出回路と、上アームのターンオフ指令信号と正極用検出回路の第１の信号の時間差を測定する正極用時間測定部と、下アームのターンオフ指令信号と負極用検出回路からの第２の信号との時間差を測定する負極用時間測定部と、を有する。【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）デバイスなどのパワーデバイスの発熱と冷却による温度サイクルが問題となることがある。ＩＧＢＴデバイスの接合部温度を測定する技術として、例えば、特許文献１が知られている。

特許文献１には、「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ため、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、を有することを特徴とする。」と記載され、スイッチング素子であるＩＧＢＴなどのパワーデバイスの温度を推定する技術が開示されている。

特開２０１８−２６９４６号公報

しかしながら、特許文献１の図１、図２で開示されている技術の第１の特徴量計測器では、特徴量計測条件を変える手段がないため計測条件は固定である。従って、特許文献１の技術では、相電流とともに時系列的に変化する特徴量を検出することができない、という問題があった。

インバータは負荷に対する動作を相電流の大きさで制御するため、特徴量計測条件が固定された特許文献１の技術では、各相の片アームについて予め設定された電流値からしか温度を診断することができない。換言すれば、特許文献１の技術では、一方のアームについてのみ診断を実施するが、他方のアームについては診断を行うことができない、という問題があった。

インバータの診断精度を向上するには、各相の各アームを構成するパワーデバイスのそれぞれについて、相電流の変化に応じた特徴量の時系列的な変化から温度を推定することが重要である。

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精度よく推定することを目的とする。

本発明の一態様によれば、電力用半導体素子で構成された上アームと下アームを相毎に有して、前記上アームと下アームのスイッチング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が出力する相電流を測定する電流センサと、各相の前記上アームと下アームにターンオン指令信号とターンオフ指令信号を出力して前記インバータ回路を駆動する制御部と、前記電流センサの出力から相電流に含まれる前記電力用半導体素子によって発生したスイッチング成分を抽出する相電流除去回路と、前記相電流除去回路で抽出されたスイッチング成分のうち、前記相電流が正の期間で、ターンオン成分またはターンオフ成分を検出して、第１の信号を出力する正極用検出回路と、前記相電流除去回路で抽出されたスイッチング成分のうち、前記相電流が負の期間でターンオン成分またはターンオフ成分を検出して、第２の信号を出力する負極用検出回路と、前記制御部から出力される上アームのターンオン指令信号またはターンオフ指令信号と、前記正極用検出回路から出力される前記第１の信号との時間差を測定する正極用時間測定部と、前記制御部から出力される下アームのターンオン指令信号またはターンオフ指令信号と、前記負極用検出回路から出力される前記第２の信号との時間差を測定する負極用時間測定部と、前記電流センサの相電流の情報と前記正極用時間測定部と前記負極用時間測定部の測定結果を管理する信号処理部と、を有する。

本発明によれば、電力変換装置のインバータ回路を構成する上下のアームの電力用半導体素子の温度を高精度に推定することができる。

本明細書において開示される主題の、少なくとも一つの実施の詳細は、添付されている図面と以下の記述の中で述べられる。開示される主題のその他の特徴、態様、効果は、以下の開示、図面、請求項により明らかにされる。

本発明の実施例１に係る電力変換装置の診断回路を説明するブロック図である。 本発明の実施例１に係る特徴量抽出部の構成の一例を示すブロック図である。 本発明の実施例２に係る電流センサの出力波形を示すグラフと、ターンオフとターンオンの波形を示すグラフである。 本発明の実施例１に係る相電流除去部の出力波形を示すグラフである。 本発明の実施例１に係る正電流側のターンオフ検出波形と時間測定の関係を示すグラフである。 本発明の実施例１に係る負電流側のターンオフ検出波形と時間測定の関係を示すグラフである。 本発明の実施例１に係る電力用半導体素子の特徴量と温度の関係を示すグラフである。 本発明の実施例１に係るインバータの診断回路の特徴量を抽出するまでを示すフローチャートである。 本発明の実施例２に係る電力変換装置の診断回路を説明するブロック図である。 本発明の実施例３に係る電力変換装置の診断回路を説明するブロック図である。 本発明の実施例４に係る電力変換装置の診断回路を説明するブロック図である。 本発明の実施例５に係る電力変換装置の診断システムを説明するブロック図である。 本発明の実施例６に係る電力変換装置の診断システムを説明するブロック図である。 本発明の実施例１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。 本発明の実施例１に係る電力変換装置を構成する電力用半導体素子の断面を示す断面図である。 本発明の実施例２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結果を示す特性図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る電力変換装置の診断回路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、直流電源部１０２と、平滑コンデンサ１０３と、電力用半導体素子Ｕ、Ｖ、Ｗ、Ｘ、Ｙ、Ｚと、絶縁駆動部１０９と、制御部１１０と、Ｕ相電流を測定する電流センサ１０６と、Ｖ相電流を測定する電流センサ１０７と、Ｗ相電流を測定する電流センサ１０８とからなるインバータ１０１と、負荷装置１０５と、電力用半導体素子ＵとＸの温度を推定するための特徴量抽出部１１１と、電力用半導体素子ＶとＹの温度を推定するための特徴量抽出部１１２と、電力用半導体素子ＷとＺの温度を推定するための特徴量抽出部１１３と、特徴量抽出部の１１１、１１２、１１３の制御、特徴量の管理を行う信号処理部１１８を有して構成される。インダクタンス１０４はインバータ１０１の各所に点在する寄生インダクタンスを表している。

なお、特徴量抽出部１１１〜１１３と信号処理部１１８が、電力変換装置Ｓ１の診断回路として機能する。

直流電源１０２は交流電源をコンバータや整流回路から電力変換して得られるもので、得られた直流電圧を安定化させるために直流電源１０２の端子間にはコンデンサ１０３が接続されている。

インバータ１０１は、電力用半導体素子Ｕ、Ｘ、Ｖ、Ｙ、Ｗ、Ｚをスイッチング素子として直流電源１０２の電力を可変の周波数と可変の電圧の三相交流電力に変換して出力し、負荷装置１０５を駆動する。負荷装置１０５は三相モータで構成される。

電力用半導体素子ＵとＸの温度は、Ｕ相電流から推定することが可能である。Ｕ相電流Ｉｕは負荷装置１０５に向かって流れる場合は、電力用半導体素子Ｕのスイッチングにより制御され、負荷装置１０５から流れ出す場合は電力用半導体素子Ｘのスイッチングにより制御される。このため、信号処理部１１８は、スイッチング特性の温度依存性から電力用半導体素子ＵとＸの温度を推定することができる。同じように、信号処理部１１８は、電力用半導体素子ＶとＹの温度はＶ相電流から、電力用半導体素子ＷとＺの温度はＷ相電流から推定できる。信号処理部１１８は、インバータ１０１を構成する電力用半導体素子Ｕ、Ｘ、Ｖ、Ｙ、Ｗ、Ｚの温度推定とそれに伴う劣化量を診断することが可能となる。

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１０１＞
インバータ１０１は、直流電源部１０２、平滑コンデンサ１０３、電力用半導体素子Ｕ、Ｖ、Ｗ、Ｘ、Ｙ、Ｚ、絶縁駆動部１０９、制御部１１０、配線などの寄生インダクタンス１０４から構成される。なお、直流電源部１０２はコンバータや整流回路などの交流直流変換回路を用いることができ、このときに発生する脈流の乗る電圧は、平滑コンデンサ１０３で平滑化される。

電力用半導体素子はＵ、Ｖ、Ｗ、Ｘ、Ｙ、Ｚのすべてを代表して、適宜、電力用半導体素子Ｕ〜Ｚと表記する。

インバータ１０１は電力用半導体素子Ｕと電力用半導体素子Ｘ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Ｖと電力用半導体素子Ｙ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Ｗと電力用半導体素子Ｚ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、直流電源部１０２のＰ端子とＮ端子との間に接続される。

なお、電力用半導体素子Ｕは上アームを構成し、電力用半導体素子Ｘは下アームを構成する。電力用半導体素子Ｖ、Ｙ、Ｗ、Ｚについてもそれぞれが上下のアームを構成する。

また、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のレグにおけるそれぞれのＰ端子に接続された電力用半導体素子Ｕ、Ｖ、ＷとＮ端子側に接続された電力用半導体素子Ｘ、Ｙ、Ｚとの接続点は、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の出力端子となり、負荷装置１０５に接続される。

電力用半導体素子Ｕ〜Ｚは、後記する制御部１１０および絶縁駆動部１０９によって、負荷装置１０５を可変の周波数及び可変の電圧の三相交流で統括的に制御する。

電力用半導体素子Ｕ〜Ｚ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、インバータ１０１は配線などにより分布定数的に寄生インダクタンスを有している。図１では、この寄生インダクタンスを、寄生インダクタンス１０４を代表として直流電源部１０２のＰ端子側に表記している。

絶縁駆動部１０９は、電力用半導体素子Ｕ〜Ｚと、制御部１１０とを絶縁し、電力用半導体素子Ｕ〜Ｚを駆動する機能を有する。

制御部１１０は、負荷装置１０５を駆動する電力用半導体素子Ｕ〜ＺのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相交流電力の出力端子で電流センサ１０６、１０７、１０８が検出した情報（相電流に関する情報）を参照する。

そして、制御部１１０は、絶縁駆動部１０９を介して電力用半導体素子Ｕ〜Ｚを制御する。すなわち、制御部１１０は、電力用半導体素子Ｕ〜Ｚのスイッチング動作を統合的に制御する。電流センサ１０６、１０７、１０８は、例えば、電力用半導体素子Ｕ〜ＺのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相交流電力の出力端子と負荷装置１０５を接続する配線上に配置されて、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の相電流を検出するように構成される。

制御部１１０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の上アームと下アームにターンオン指令信号とターンオフ指令信号を出力して上下のアームのスイッチングを制御する。

また、電流センサ１０６、１０７、１０８で測定された検出された電流（相電流）の一部は電圧に変換され、制御部１１０、特徴量抽出部１１１〜１１３に出力される。

電力用半導体素子Ｕ〜Ｚは、制御部１１０及び絶縁駆動部１０９の制御によって、直流電源部１０２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１０５の回転数、トルクを制御する。

＜特徴量抽出部１１１＞
特徴量抽出部１１１は、相電流除去部１１４と、ターンオフ検出部１１５と、時間測定部１１６、１１７を有しており、電流センサ１０６で測定したＵ相電流から電力用半導体素子ＵとＸの温度推定に必要な特徴量の検出を行う。

特徴量抽出部１１１は、電流センサ１０６のＵ相電流の出力波形のうち、電流が正のサイクルでは電力用半導体素子Ｕによるターンオフの発生タイミングでパルス波を生成する。特徴量抽出部１１１は、このパルス波と制御部１１０から出力された電力用半導体素子Ｕのターンオフ指令信号との時間差を時間測定部１１６で測定する。

また、特徴量抽出部１１１は、電流が負のサイクルでは電力用半導体素子Ｘによるターンオフタイミングでパルス波を生成し、このパルス波と制御部１１０から出力された電力用半導体素子Ｘのターンオフ指令信号との時間差を時間測定部１１７で測定する。特徴量抽出部１１１は、正負のサイクルのそれぞれで、ターンオフ指令信号のエッジからパルス波のエッジまでの時間差を後述するように測定し、測定結果を信号処理部１１８に出力する。

信号処理部１１８には、相電流値と制御部１１０のターンオフ指令信号を基準とした電力用半導体素子Ｕ〜Ｚのターンオフ発生タイミングの温度依存性との相関情報があらかじめ設定されており、特徴量抽出部１１１で検出した時間差から電力用半導体素子ＵとＸの素子温度を後述するように推定する。

特徴量抽出部１１１について、図２Ａ〜図２Ｅ、図３を使って更に詳しく説明する。

図２Ａ〜図２Ｅは本発明の実施例１の特徴量抽出部１１１で行われる処理を詳細に示した図である。インバータ１０１のＵ相電流から電力用半導体素子Ｕ、Ｘの素子温度を推定する例を説明する。電流センサ１０６の出力は電圧（図中Ｖ）であるが、電流として説明する。

図２Ａは、特徴量抽出部１１１の構成の一例を示すブロック図である。図２Ｂは、電流センサ１０６の出力波形を示すグラフと、ターンオフとターンオンの波形を示すグラフである。図２Ｃは、相電流除去部の出力波形を示すグラフである。図２Ｄは、正電流側のターンオフ検出波形と時間測定の関係を示すグラフである。図２Ｅは、正電流側のターンオフ検出波形と時間測定の関係を示すグラフである。図３は、測定した時間差Δｔ（特徴量）と温度変化ΔＴの関係を示すグラフである。なお、時間差Δｔと温度変化ΔＴの関係は、予め設定されたものである。

図２Ａにおいて、電流センサ１０６はＵ相の電流波形を抽出（図２Ａの（１））し、特徴量抽出部１１１の相電流除去部１４４に入力されるが、その波形は図２Ｂに示したように正弦波となっている。

電流波形を拡大すると、図２Ｂで示すように、相電流の正のサイクルでは電力用半導体素子Ｕのスイッチングにより電流が急激に変化する部分が発生する。下向きの電流変化はターンオフ、上向きの電流変化はターンオン時に発生する。

同様に、図２Ｂにおいて、相電流の負のサイクルでは電力用半導体素子Ｘにより上向きの電流変化がターンオフ、下向きの電流変化がターンオン時に発生する。このように相電流の極性によりターンオフとターンオンの極性も変わる。

相電流除去部１１４では相電流を除去し、図２Ｃに示したように、ターンオフとターンオンのスイッチング成分のみを抽出する。ターンオフ検出部１１５の＋端子は、図２Ｄに示したように下向きの電流変化を抽出してパルス波に変換する。パルス波に変換するのは時間測定部１１７がディジタル回路で構成されるため入力信号を２値化する必要があるためである。なお、ターンオフ検出部１１５は、下向きの電流変化が所定の閾値Ｔｈ１を超えたときに「１」を出力する。

時間測定部１１７では、制御部１１０から出力された電力用半導体素子Ｕの指令信号と２値化されたターンオフのパルス波の時間差Δｔを測定する。なお、時間測定部１１７は、指令信号のエッジ（立ち上がり）からターンオフのパルス波のエッジ（立ち上がり）までの時間差を測定する。

図３に示した電力用半導体素子の温度変化と時間差Δｔの関係に示す通り、電力用半導体素子Ｕは、温度が高くなると時間差Δｔは大きくなる。信号処理部１１８はこの温度変化ΔＴと時間差Δｔの相関データ（図３）を参照することで、時間差Δｔから電力用半導体素子Ｕの温度（温度変化）を推定することができる。

ターンオフ検出部１１５の−端子は図２Ｅに示したように上向きの電流変化を抽出し２値化し、時間測定部１１６で電力用半導体素子Ｘの指令信号との時間差Δｔを測定する。なお、ターンオフ検出部１１５は、上向きの電流変化が所定の閾値Ｔｈ２を超えたときに「１」を出力する。

そして、時間測定部１１６は、指令信号のエッジ（立ち上がり）からターンオフのパルス波のエッジ（立ち上がり）までの時間差Δｔを測定する。信号処理部１１８は、温度変化ΔＴと時間差Δｔの相関データ（図３）を参照することで、時間差Δｔからで電力用半導体素子Ｘの温度を推定することができる。

相電流が正のサイクルのターンオフと、負のサイクルのターンオンは下向きの電流変化のため、ターンオフ検出部１１５の＋端子では誤検出が懸念されるが、時間差Δｔの時間幅（許容時間）を信号処理部１１８に設定しておくことで、回避することができる。

例えば、制御部１１０がターンオフ指令を出力した時点から、絶縁駆動部１０９により電力用半導体素子Ｕがターンオフするまでの遅れ時間（時間差Δｔ）の最小値と、温度上昇による時間差Δｔの最大値から時間幅（許容時間）を予め決定しておく。そして、信号処理部１１８に許容時間を予め設定することで、信号処理部１１８は設定された時間幅内でのみ温度推定（時間差の測定）を行うことができる。または、信号処理部１１８では図１に示す通り、電流センサ１０６、１０７、１０８のセンサ情報を有するため、これらのセンサ情報を基に極性を判定するとよい。また、信号処理部１１８は、測定した時間差Δｔが許容時間を超えた場合には、測定された時間差Δｔを破棄してもよい。

同様にして、電力用半導体素子ＶとＹの温度推定は電流センサ１０７と特徴量抽出部１１２と信号処理部１１８で行い、電力用半導体素子ＷとＺの温度推定は電流センサ１０８と特徴量抽出部１１３と信号処理部１１８で誤りなく検出できる。

また、電流センサ１０６、１０７、１０８はターンオン、ターンオフを検出できるメガヘルツ以上の広帯域なものが望ましく、インバータ１０１に搭載されている電流センサが広帯域であれば兼用することも可能である。

本実施例１では、特徴量抽出部１１１〜１１３と信号処理部１１８が電力変換装置Ｓ１の診断回路を構成する例を示したが、信号処理部１１８は制御部１１０で実現してもよい。また、本実施例１の診断回路（特徴量抽出部１１１〜１１３と信号処理部１１８）は、既存のインバータ１０１に付加することができる。

図４は、特徴量抽出部１１１と信号処理部１１８が相電流から特徴量を検出し、温度を推定するまでのフローチャートを示す。この処理は、制御部１１０の指令信号をトリガとしてこのフローチャートを繰り返す。

まず、信号処理部１１８は、図３に示した時間差（測定時間）Δｔと温度変化ΔＴの関係（時間−温度相関情報）を読み込む。また、信号処理部１１８は、ターンオフ検出部１１５に閾値Ｔｈ１、Ｔｈ２を設定し、時間測定部１１６、１１７で許容する時間幅を設定する（Ｓ１）。

次に、信号処理部１１８は、時間測定部１１６、１１７に制御部１１０からの指令信号が入力されるのを待つ（Ｓ２、Ｓ３）。信号処理部１１８は、時間測定部１１６、１１７に指令信号が入力されると、ステップＳ４に進む。

特徴量抽出部１１１では、電流センサ１０６〜１０８の信号から相電流除去部１１４で相電流を除去し、電流のサイクルに応じたターンオフを検出し、パルス波を生成する（Ｓ４）。指令信号に対応する時間測定部１１６、１１７では、指令信号のエッジからターンオフのエッジまでの時間差Δｔを測定する（Ｓ５）。

信号処理部１１８は、時間測定部１１６、１１７で測定された時間差Δｔを取得して、図３に示した時間−温度相関情報を参照して電力用半導体素子Ｕ〜Ｚの温度を推定する（Ｓ６）。信号処理部１１８は、推定した温度（温度変化）を出力する。

上記処理を繰り返すことで、信号処理部１１８は、各アームの電力用半導体素子Ｕ〜Ｚについてそれぞれ温度を推定することができる。

＜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＞
本発明は電力用半導体素子Ｕ〜Ｚの温度推定及び、寿命予測を目的としており、温度と劣化の関係について説明する。

（電力用半導体素子Ｕ〜Ｚ）
電力用半導体素子Ｕ〜Ｚについて、図１０および図１１を参照して詳しく説明する。

図１０は、本発明の実施例１に係るインバータ１０１を構成する電力用半導体素子Ｕ〜Ｚの回路構成（電力用半導体回路１０００）を示す構成図である。

図１０に示すように、電力用半導体回路１０００（電力用半導体素子Ｕ）は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）１００１と、ＩＧＢＴ１００１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１００２とを有して構成されている。ＩＧＢＴ１００１で構成される電力用半導体回路１０００は、周知または公知の技術を適用すればよいので、詳細な説明は省略する。

なお、ＩＧＢＴ１００１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１００２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１００２は省略してもよい。素子を構成する材料Ｓｉ（シリコン）、ＳｉＣ（エスアイシー）、ＧａＮ（ガリウムナイトライライド）などがあるが、本発明はデバイス構造、デバイス材料で制限されるものではない。

図１１は、本発明の実施例１に係るインバータ１０１を構成する電力用半導体素子Ｕ〜Ｚ（ＩＧＢＴ１００１：図１０）の断面を示す断面図である。

電力用半導体素子Ｕ〜Ｚは、半導体素子部１１０９と、はんだ層１１１０と、絶縁基板１１０７と、はんだ層１１０８と、ベース板１１０３とを有して構成される。

なお、はんだ層１１０８、１１１０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１１０７は、メタル層１１０６と、絶縁層１１０５と、メタル層１１０４とを有している。

ベース板１１０３は、冷却器１１０１に衝合され、衝合面にはグリス１１０２が塗布されている。グリス１１０２は、熱伝導を向上させるものである。

以上のように、図１０は電力用半導体素子Ｕ〜Ｚを示し、その構成要素として半導体素子部１１０９がある。

図１１においては、１個の電力用半導体素子Ｕに対して、半導体素子部１１０９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Ｕを構成するにあたって、複数個の半導体素子部１１０９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１１０９が多並列で実装されて、一つの電力用半導体素子Ｕ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１１における半導体素子部１１０９で発生した熱は、はんだ層１１１０を介して絶縁基板１１０７、ベース板１１０３、グリス１１０２、および冷却器１１０１に伝わる。

この電力変換装置Ｓ１（図１）の稼働時に、グリス１１０２の枯渇や、冷却器１１０１の故障、制御部１１０（図１）の異常動作や故障等により、電力用半導体素子Ｕ〜Ｚ、および電力用半導体素子Ｕ〜Ｚの半導体素子部１１０９の温度が非常に高くなることがある。

半導体素子部１１０９の温度が非常 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１１０８、１１１０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１１０８、１１１０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１１０９のチャネル抵抗が焼損し、電力用半導体素子Ｕが故障する。

したがって、電力用半導体素子Ｕおよび半導体素子部１１０９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１１０９の表面温度を測定することが望ましい。

なお、仮に、電力用半導体素子Ｕの裏面やベース板１１０３の温度を測定したとしても、それぞれの熱時定数が加わるため、半導体素子部１１０９の正確な温度変化を測定することは困難である。

なお、上記実施例１では、診断回路（特徴量抽出部１１１〜１１３と信号処理部１１８）が電力用半導体素子Ｕ〜Ｚのターンオフを検出して、温度変化ΔＴを推定する例を示したが、これに限定されるものではない。

例えば、診断回路が電力用半導体素子Ｕ〜Ｚのターンオンを検出して、指令信号との時間差を測定してもよい。電力用半導体素子の種類に応じてターンオフまたはターンオンを用いることで、電力用半導体素子の温度変化ΔＴを高精度で推定することができる。また、電力用半導体素子Ｕ〜Ｚの種類に応じて、ターンオンとターンオフのいずれかを選択するするようにしてもよい。

＜実施例１の効果＞
本発明の実施例１によれば、電力変換装置Ｓ１におけるインバータ１０１の電力用半導体素子Ｕ〜Ｚの素子温度を簡易かつ後付け可能な構成で推定することができる。

また、電力用半導体素子Ｕ〜Ｚの素子温度の変化を、電力用半導体素子Ｕ〜Ｚのスイッチング波形から算出するため、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。

図５は、本発明の実施例２に係る電力変換装置の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。

信号処理部１１８は、時間測定部１１６、１１７の測定結果と時間−温度相関情報から温度を推定する温度推定部１１９と、温度の推定結果と相電流（１０６、１０７、１０８）情報にタイムスタンプを付与する時間管理部１２１と、時間−温度相関情報と、信号処理アルゴリズムなどを格納したメモリ部１２２と、演算処理を行う演算部１２０を含む。その他の構成については、前記実施例１と同様である。

時間管理部１２１が推定結果にタイムスタンプを付与することで温度変化の履歴を解析することが可能となる。診断回路の利用者は、温度の異常が発生した時刻が分かると、負荷装置１０５の運行パタンと比較して原因を解析することが可能となる。

（パワーサイクル試験の試験結果）

次に、電力用半導体素子Ｕの温度を上昇させてから、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１２は、本発明の実施例２に係る電力用半導体素子Ｕ〜Ｚ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１２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Ｕ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Ｕ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Ｕ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１２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Ｕ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Ｕ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Ｕ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６におけるメモリ部１２２には、図１２に示した特性Ｆが格納されており、演算部１２０は特性Ｆに基づいて、ストレスＳと寿命ＬＦとを推測する。そして、演算部１２０は、この予測結果に基づいて、電力用半導体素子Ｕの残存寿命を予測する。

この場合のサイクル回数、温度変化の範囲は、インバータ１０１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、メモリ部１２２に保持されている。

＜実施例２の効果＞
本発明の実施例２によれば、電力変換装置Ｓ１におけるインバータ１０１の電力用半導体素子Ｕ〜Ｚの素子温度が異常となった時刻を知ることができ、電力変換装置Ｓ１の運行パタンと比較して原因を解析することができる。

図６は、本発明の実施例３に係る電力変換装置Ｓ１の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

相電流除去部１１４は、相電流の周波数である約１００Ｈｚ以下を遮断し、制御部１１０の指令信号の周波数である約１ｋＨｚ以上を通過させるハイパスフィルタで構成される。

ターンオフ検出部は、＋側検出用比較回路１２３と−側検出用比較回路１２４で構成され、比較回路の基準電圧は信号処理部１１８から任意に変更することができる。その他の構成については、前記実施例１と同様である。

相電流に含まれるターンオフ成分の大きさはインバータ１０１の電力容量を決める電力用半導体素子Ｕ〜Ｚの仕様によって異なるため、仕様の異なる電力変換装置Ｓ１に適用するには＋側検出用比較回路１２３、−側検出用比較回路１２４の基準電圧を任意に変更できることが好ましい。図６では信号処理部１１８と、比較回路は直結されているが、実際には信号処理部１１８の基準電圧信号を電圧に変換するＤＡ変換回路とドライバ回路を省略している。

＜実施例３の効果＞
本発明の実施例３によれば、ターンオフの検出値が異なる電力変換装置Ｓ１において、基準電圧を変更できるため、診断できる電力変換装置Ｓ１の適用範囲を広くすることができる。

図７は、本発明の実施例４に係る電力変換装置Ｓ１の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

信号処理部１１８と解析表示部１２５が接続され、解析表示部１２５は通信端子１２６を有する。その他の構成については、前記実施例１と同様である。

解析表示部１２５は信号処理部１１８で算出した温度の推定結果を基に電力変換装置Ｓ１の劣化具合や、電力用半導体素子Ｕの残存寿命などを診断し、表示する。診断された結果をサーバなどに格納するために通信端子１２６を有する。劣化具合、寿命の推定方法は上述の通りである。

＜実施例４の効果＞
本発明の実施例４によれば、電力用半導体素子Ｕ〜Ｚの温度推定結果から寿命を予測することができる。

図８は、本発明の実施例５に係る電力変換装置Ｓ１の診断ネットワークシステムを説明するブロック図である。

本発明の実施例５において、電力変換装置Ｓ１は通信端子１２６と通信網８０１を介してサーバ８０２に接続されており、診断結果はサーバ８０２で管理され、電力変換装置Ｓ１の状態を監視する診断ネットワークシステム８００を構成している。診断の結果、電力変換装置Ｓ１のメンテナンス、インバータ１０１の部品交換が必要となれば、作業員を派遣する。

＜実施例５の効果＞
本発明の実施例５によれば、電力変換装置Ｓ１の状態を遠隔地から監視することが可能となる。

図９は、本発明の実施例６に係る電力変換装置の診断ネットワークシステムを説明するブロック図である。

本発明の実施例６の電力変換装置Ｓ１は、電力変換装置Ｓ１ａ、Ｓ１ｂ、Ｓ１ｃ、Ｓ１ｄのように複数設置されており、それぞれの通信端子１２６を介して通信網８０１と接続されている。通信網８０１に接続されたサーバ８０２は、これらの複数の電力変換装置Ｓ１ａ〜Ｓ１ｄの診断結果を管理する診断ネットワークシステムを構成し、電力変換装置Ｓ１のメンテナンスや、部品交換が必要な電力変換装置の拠点に作業員を派遣する。

＜実施例６の効果＞
本発明の実施例６によれば、１台のサーバ８０２で複数のインバータ１０１を監視し、各インバータ１０１に属する電力用半導体素子Ｕ〜Ｚの素子温度推定、寿命推定が可能となる。

なお、本発明は上記した各実施例１〜６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、コンバータのような複数の電力用半導体素子を含んで構成されて、交流電力を直流電力に変換電力変換装置に適用することもできる。また、電力用半導体素子Ｕ〜Ｚはターンオンの方に温度依存性がある場合は、ターンオンで電力用半導体素子Ｕ〜Ｚの温度、温度変化、寿命等を推定することもできる。

＜まとめ＞
以上のように、上記実施例１〜５の電力変換装置（Ｓ１）の診断回路（特徴量抽出部１１１〜１１３と信号処理部１１８）は、電力用半導体素子（Ｕ〜Ｚ）で構成された上アーム（Ｕ）と下アーム（Ｘ）を相毎に有して、前記上アームと下アームのスイッチングによって負荷を駆動するインバータ回路（１０１）と、前記インバータ回路が出力する相電流を測定する電流センサ（１０６〜１０８）と、各相の前記上アームと下アームにターンオン指令信号とターンオフ指令信号を出力して前記インバータ回路を駆動する制御部（１１０）と、前記電流センサの出力から相電流に含まれる前記電力用半導体素子によって発生したスイッチング成分を抽出する相電流除去回路（１１４）と、前記相電流除去回路で抽出されたスイッチング成分のうち、前記相電流が正の期間で、ターンオン成分またはターンオフ成分を検出して、パルスを出力する正極用検出回路（１１５）と、前記相電流除去回路で抽出されたスイッチング成分のうち、前記相電流が負の期間でターンオン成分またはターンオフ成分を検出して、パルスを出力する負極用検出回路（１１５）と、前記制御部から出力される上アームのターンオン指令信号またはターンオフ指令信号と、前記正極用検出回路から出力される前記パルスとの時間差を測定する正極用時間測定部（１１７）と、前記制御部から出力される下アームのターンオン指令信号またはターンオフ指令信号と、前記負極用検出回路から出力される前記パルスとの時間差を測定する負極用時間測定部（１１６）と、前記電流センサの相電流の情報と前記正極用時間測定部と前記負極用時間測定部の測定結果を管理する信号処理部（１１８）と、を有する。

上記の構成により、信号処理部（１１８は、電力変換装置Ｓ１におけるインバータ１０１の電力用半導体素子Ｕ〜Ｚの温度を簡易かつ後付け可能な構成で推定することができる。

また、前記正極用検出回路（１１５）は、前記相電流除去回路で抽出されたスイッチング成分のうち、前記相電流が正の期間で、ターンオフ成分を検出して、パルスを出力し、前記負極用検出回路（１１５）は、前記相電流除去回路で抽出されたスイッチング成分のうち、前記相電流が負の期間で、ターンオフ成分を検出して、パルスを出力し、前記正極用時間測定部（１１７）は、前記制御部から出力される上アームのターンオフ指令信号と、前記正極用検出回路から出力される前記パルスとの時間差を測定し、前記負極用時間測定部（１１６）は、前記制御部から出力される下アームのターンオフ指令信号と、前記負極用検出回路から出力される前記パルスとの時間差を測定する。

上記の構成により、信号処理部（１１８は、電力変換装置Ｓ１におけるインバータ１０１の電力用半導体素子Ｕ〜Ｚの温度をターンオフ成分で推定することができる。

また、前記信号処理部（１１８）は、前記正極用時間測定部（１１７）と前記負極用時間測定部（１１６）の出力から前記電力用半導体素子の温度変化を推定する温度推定部（１１９）と、前記温度推定部の推定結果と前記電流センサで検出された相電流の値に時間情報を付与する時間管理部（１２１）と、を有する。

上記の構成により、信号処理部（１１８）は、電力変換装置におけるインバータ回路の電力用半導体素子の温度が異常となった時刻を知ることができ、電力変換装置の運行パタンと比較して原因を解析することができる。

また、前記相電流除去回路（１１４）は、ハイパスフィルタで構成され、前記正極用検出回路と前記負極用検出回路（１１５）は、基準端子に入力される電圧値と、入力端子に入力される電圧値とを比較する比較回路で構成され、前記入力端子には前記相電流除去回路の出力が入力され、前記比較回路の基準端子の電圧値を前記信号処理部で（１１８）設定する。

上記の構成により、ターンオフの検出値が異なる電力変換装置において、信号処理部（１１８）は、基準電圧を変更できるため、診断できる電力変換装置の適用範囲を広くすることができる。

また、前記信号処理部（１１８）から前記推定結果を取得して蓄積し、前記推定結果の履歴を解析して前記電力用半導体素子の劣化状態または寿命を診断し、当該診断結果を出力する解析表示部（１２５）と、前記診断結果を送信する通信端子（１２６）と、をさらに有する。

上記の構成により、信号処理部（１１８）は、電力用半導体素子の温度の推定結果から寿命を予測することができる。

また、前記正極用時間測定部（１１７）と前記負極用時間測定部（１１６）は、前記時間差の測定を所定の許容時間内で実施する。

上記の構成により、時間差の測定を正確に実施することが可能となる。

また、前記解析表示部（１２５）は、通信ネットワーク（８０１）を介してサーバ（８０２）に接続される。

上記の構成により、電力変換装置Ｓ１の状態を遠隔地から監視することが可能となる。

また、前記サーバ（８０２）は、複数の電力変換装置Ｓ１の診断回路（特徴量抽出部１１１〜１１３と信号処理部１１８）を管理する。

上記の構成により、１台のサーバで複数のインバータを監視し、各インバータに属する半導体デバイスの温度の推定と、寿命推定が可能となる。

また、信号処理部１１８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含んだ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、処理部、及び処理手段等は、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、及び機能等は、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。

Ｓ１ 電力変換装置
１０１ インバータ
１０２ 直流電源
１０３ 平滑コンデンサ
１０４ 寄生インダクタンス
１０５ 負荷装置
１０６ 電流センサ（Ｕ相）
１０７ 電流センサ（Ｖ相）
１０８ 電流センサ（Ｗ相）
１０９ 絶縁駆動回路
１１０ 制御部
１１１ 特徴量抽出部（Ｕ相）
１１２ 特徴量抽出部（Ｖ相）
１１３ 特徴量抽出部（Ｗ相）
１１４ 相電流除去部
１１５ ターンオフ検出部
１１６、１１７ 時間測定部
１１８ 信号処理部
１１９ 温度推定部
１２０ メモリ部
１２１ 時間管理部
１２２ 演算部
１２３ ターンオフ検出部（＋）
１２４ ターンオフ検出部（−）
１２５ 解析表示部
１２６ 通信端子
８００ ネットワーク
８０１ 通信網
８０２ サーバ
Ｓ１ａ、Ｓ１ｂ、Ｓ１ｃ、Ｓ１ｄ 電力変換装置
１００１ ＩＧＢＴ
１００２ ダイオード
１１０１ 冷却器
１１０２ グリス
１１０３ ベース板
１１０４、１１０６ メタル層
１１０５ 絶縁層
１１０７ 絶縁基板
１１０８、１１１０ はんだ層
１１０９ 半導体素子部

Claims (8)

1. 電力用半導体素子で構成された上アームと下アームを相毎に有して、前記上アームと下アームのスイッチング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が出力する相電流を測定する電流センサと、
   各相の前記上アームと下アームにターンオン指令信号とターンオフ指令信号を出力して前記インバータ回路を駆動する制御部と、
   前記電流センサの出力から相電流に含まれる前記電力用半導体素子によって発生したスイッチング成分を抽出する相電流除去回路と、
   前記相電流除去回路で抽出されたスイッチング成分のうち、前記相電流が正の期間で、ターンオン成分またはターンオフ成分を検出して、第１の信号を出力する正極用検出回路と、
   前記相電流除去回路で抽出されたスイッチング成分のうち、前記相電流が負の期間でターンオン成分またはターンオフ成分を検出して、第２の信号を出力する負極用検出回路と、
   前記制御部から出力される上アームのターンオン指令信号またはターンオフ指令信号と、前記正極用検出回路から出力される前記第１の信号との時間差を測定する正極用時間測定部と、
   前記制御部から出力される下アームのターンオン指令信号またはターンオフ指令信号と、前記負極用検出回路から出力される前記第２の信号との時間差を測定する負極用時間測定部と、
   前記電流センサの相電流の情報と前記正極用時間測定部と前記負極用時間測定部の測定結果を管理する信号処理部と、
   を有す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であって、
   前記正極用検出回路は、
   前記相電流除去回路で抽出されたスイッチング成分のうち、前記相電流が正の期間で、ターンオフ成分を検出して、前記第１の信号を出力し、
   前記負極用検出回路は、
   前記相電流除去回路で抽出されたスイッチング成分のうち、前記相電流が負の期間で、ターンオフ成分を検出して、前記第２の信号を出力し、
   前記正極用時間測定部は、
   前記制御部から出力される上アームのターンオフ指令信号と、前記正極用検出回路から出力される前記第１の信号との時間差を測定し、
   前記負極用時間測定部は、
   前記制御部から出力される下アームのターンオフ指令信号と、前記負極用検出回路から出力される前記第２の信号との時間差を測定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であって、
   前記信号処理部は、
   前記正極用時間測定部と前記負極用時間測定部の出力から前記電力用半導体素子の温度変化を推定する温度推定部と、
   前記温度推定部の推定結果と前記電流センサで検出された相電流の値に時間情報を付与する時間管理部と、
   を有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であって、
   前記相電流除去回路は、
   ハイパスフィルタで構成され、
   前記正極用検出回路と前記負極用検出回路は、
   基準端子に入力される電圧値と、入力端子に入力される電圧値とを比較する比較回路で構成され、前記入力端子には前記相電流除去回路の出力が入力され、前記比較回路の基準端子の電圧値を前記信号処理部で設定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３に記載の電力変換装置の診断回路であって、
   前記信号処理部から前記推定結果を取得して蓄積し、前記推定結果の履歴を解析して前記電力用半導体素子の劣化状態または寿命を診断し、当該診断結果を出力する解析表示部と、
   前記診断結果を送信する通信端子と、
   をさらに有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１に記載の電力変換装置の診断回路であって、
   前記正極用時間測定部と前記負極用時間測定部は、前記時間差の測定を所定の許容時間内で実施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５に記載の電力変換装置の診断回路と計算機を有する診断システムであって、
   前記解析表示部は、
   通信ネットワークを介してサーバに接続されていることを特徴とする診断システム。
8. 請求項７に記載の診断システムであって、
   前記サーバは、
   複数の電力変換装置の診断回路を管理することを特徴とする診断システム。

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