JP2020065386A - 電力変換装置及び電力変換装置の診断方法 - Google Patents
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Abstract
Description
よって、半導体スイッチング素子の熱インピーダンスは継時的に上昇し、半導体素子が過熱することがある。
半導体スイッチング素子の内部に温度センサを内蔵する方法があるが、センサを集積させることにコストがかかり、また温度センサの応答速度や信頼性の観点で課題が多い。
従って、例えば電力変換装置によってモータを制御する場合のように、電力変換装置が備える半導体スイッチング素子に印加される電圧及び半導体スイッチング素子に流れる電流が時々刻々と変化するシステムにおいては、スイッチオフ遅延時間のみならず、スイッチオフ時のコレクタ電流及びコレクタ電圧を精度よく検出し、これらの電流と電圧とスイッチオフ遅延時間との関係から接合温度を算出する必要がある。
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って明らかにされる。
制御部1は、PWM指令信号を出力し、フィードバック信号(FB)を入力する。
ゲート駆動回路3は、制御部1から受信したPWM指令信号に基づいて半導体スイッチング素子2を駆動すると共に、該駆動の結果に基づいて制御部1及び状態監視部6にフィードバック信号(FB)を送信する。
異常診断部7は、状態監視部6による電力変換装置の監視結果に基づいて、スイッチング素子2の異常及び劣化などの電力変換装置内の異常状態を判定する。
直流電力を交流電力に変換するインバータ8、該インバータ8が生成した3相交流電流(U相電流ium、V相電流ivm及びW相電流iwm)により駆動される3相交流式のモータ9及びインバータ8に制御用のPWM指令信号を送信する制御部1を備える。
インバータ8は、PWM変換部13から入力したPWM指令信号に基づいてモータ9の各相に駆動電流を出力し、モータ9を駆動する。
インバータ8は、直流電源17及び平滑コンデンサ18の正極側と負極側との間に接続され、入力電流を直流電力と交流電力の間で変換して出力する。このために、インバータ8は、複数の半導体スイッチング素子(2a〜2f)を備え、それぞれの出力線は、モータ9の3相(U相、V相及びW相)の巻き線に接続され、各半導体スイッチング素子(2a〜2f)のオン・オフを制御して、モータ9と直流電源17との接続を制御する。
ここで、半導体スイッチング素子(2a〜2f)としては、図示しているIGBTに限定するものではなく、トランジスタ、MOS−FET等、種々のスイッチング素子を採用できる。MOS−FETを用いた場合は、エミッタをソース、コレクタをドレインに読み替えることになる。
ゲート駆動回路3と制御部1とは、絶縁素子19a、19b(具体的には、光結合型素子、磁気結合型素子又は静電結合型素子等)によって絶縁されている。
図5に示すように、PWM変換部13から出力されたスイッチオンのPWM指令信号は、絶縁素子19bを含むゲート駆動回路3による回路遅延を経た後に、半導体スイッチング素子2のゲート端子にスイッチオン信号が入力される。半導体スイッチング素子2にスイッチオン信号が入力されると、ゲート抵抗と素子の容量に応じた時定数でゲート電圧が上昇する。ゲート電圧が該時定数による素子遅延を経てスイッチオン参照電圧に到達すると、比較器21が動作し、スイッチオンのフィードバック信号(FB)が出力される。フィードバック信号(FB)は、絶縁素子19aを含むゲート駆動回路3による回路遅延を経た後に、時間測定部23に入力される。
ここにおいて、発明者は、PWM指令信号、半導体スイッチング素子2のスイッチング波形及びフィードバック信号波形の相関を解析した。その結果、スイッチオンにおいて、素子遅延は、接合温度、コレクタ電流及び直流電源電圧に依存せずほぼ一定である。その一方で、スイッチオフにおいて、素子遅延は、接合温度、コレクタ電流及び直流電源電圧に依存して変化することを見出した。
図6の(a)は接合温度を(例として、40℃及び100℃の場合)、図6の(b)はコレクタ電流を(例として、600A、900A及び1200Aの場合)、図6の(c)は直流電源電圧を(例として、1100V、1300V及び1500Vの場合)、様々に変えた場合の波形を示している。なお、スイッチオンを判定するスイッチオン参照電圧は、一例として5Vに設定している。
図7の(a)と(b)は接合温度を(例として、40℃及び100℃の場合)、図7の(c)と(d)はコレクタ電流を(例として、600A、900A及び1200Aの場合)、図7の(e)と(f)は直流電源電圧を(例として、1100V、1300V及び1500Vの場合)、様々に変えた場合の波形を示している。なお、スイッチオフを判定するスイッチオフ参照電圧は、一例として−5Vに設定している。
また、図7の(b)、(d)及び(f)に示すように、スイッチオフのフィードバック信号(FB)が出力されるタイミングは、ゲート電圧がスイッチオフ参照電圧に到達するまでの遅延時間に応じて変化することが分かる。
従って、スイッチオフ時の素子遅延は、接合温度、コレクタ電流及び直流電源電圧に依存して変化することが分かる。
回路遅延については、ゲート駆動回路3の雰囲気温度によって変化することを確認し、スイッチオン時の回路遅延の変化とスイッチオフ時の回路遅延の変化が同等であることを確認した。この結果により、PWM指令信号とフィードバック信号(FB)のパルス幅とを比較すれば、ゲート駆動回路による回路遅延の温度変化の影響を相殺できることを見出した。もし、スイッチオン時とスイッチオフ時の回路遅延の温度依存性が異なるような回路構成の場合は、ゲート駆動回路に温度計を設置するなどして、回路遅延の変化を補正すればよい。
実施例1では、上述の関係を用いて、PWM指令信号幅やキャリア周期等の制御用の内部パラメータ及びモータ相電流を電流算出部4に入力し、ターンオフ時のコレクタ電流を算出している。実施例1によれば、従来から用いられていたモータ制御用に検出した電流値を用いて、ターンオフ時のコレクタ電流を精度良く推定することができる。
また、状態監視部6には、時間比較部25により算出されたスイッチオフ遅延時間と、電流算出部4によって算出されたターンオフ時の推定コレクタ電流と、電圧算出部5によって算出されたターンオフ時の直流電源電圧とが入力され、これらの遅延時間と電流及び電圧との関係から、スイッチング毎に半導体スイッチング素子2の接合温度が推定される。その様子を、例示的に図9の(d)に示す。
状態監視部6は、例えば図10に示すように、各モータ相電流(Im)の一周期において、最大値(Tmax)及び最小値(Tmin)でのスイッチング動作時の接合温度を監視し、その温度差と回数を熱サイクルの頻度分布としてメモリ等に記憶する手段を有する。この熱サイクルを頻度に変換する方法としては、例えばレインフローアルゴリズムがある。
図12は、その(a)に、正常動作時及び地絡発生時のモータ相電流(Im)の変化を示し、その(b)に、スイッチオフ遅延時間と算出された推定接合温度(Tj)との関係を示す図である。
その結果、図12の(b)に示すように、地絡が発生した場合はスイッチオフ遅延時間が正常動作時に比べて短くなるため、スイッチオフ遅延時間とコレクタ電流及びコレクタ電圧の各推定値に基づいて、状態監視部6で推定される半導体スイッチング素子2の接合温度(Tj)は正常動作時と比較して低く推定される。また、スイッチオフ遅延時間の電流依存性が大きいため、状態監視部6では半導体スイッチング素子2の接合温度(Tj)は急激に低下した異常な結果を出力する。
実施例2によれば、状態監視部6から異常監視部7に入力された接合温度(Tj)の時系列データにおいて、接合温度変化が所定の値より大きい異常な値を出力した場合に電流値の異常を判定することができる。
従って、実施例2に係る異常検知方法によって、システムの損傷を防止あるいは軽減することが可能となる。
図13は、実施例3に係る制御部1の一部の構成を、ゲート駆動回路3と共に示す図である。
先の実施例1では、時間測定部23及び24により、フィードバック信号(FB)及びPWM指令信号の各パルス幅をそれぞれ測定し、時間比較部25にてスイッチオフ遅延時間を算出した。実施例3においては、先の実施例1の構成に加えてさらにパルス回数測定部26を備え、時間測定部23及び24の出力結果に基づいてフィードバック信号(FB)及びPWM指令信号の各パルス回数をカウントすることを特徴とする。
ゲート駆動回路3は、周辺環境や電力変換装置自身の動作の影響を受けて誤動作する可能性があることが知られている。ゲート駆動回路3が誤動作によって意図せずに動作すると、電力変換装置の短絡が発生する場合があり、システムが損傷する懸念がある。
しかしながら、図5に示すように、正常動作時において、PWM指令信号とフィードバック信号との間には、回路遅延や素子遅延による動作遅延が存在するため、異常判定のための出力不一致期間の閾値を大きくする必要がある。このように、出力不一致期間の閾値を大きくすると、短期間の誤動作を検出できないため、システムに劣化や損傷をもたらす懸念がある。
従って、実施例3に係る異常検知方法によって、システムの損傷を防止あるいは軽減することが可能となる。
3(3a〜3f)…ゲート駆動回路、4…電流算出部、5…電圧算出部、
6…状態監視部、7…異常診断部、8…インバータ、9…モータ、
10…トルク指令算出部、11…電流指令算出部、
12…電流指令/3相電圧指令変換部、13…PWM変換部、
14…電流帰還変換部、15…PWM指令信号幅算出部、
16…フィードバック信号幅算出部、17…直流電源、18…平滑コンデンサ、
19(19a・19b)…絶縁素子、20…ゲート駆動部、21・22…比較器、
23・24…時間測定部、25…時間比較部、26…パルス回数測定部
Claims (18)
- スイッチング素子を有する電力変換装置であって、
前記スイッチング素子を駆動するためのPWM指令信号に基づいて前記スイッチング素子を駆動するゲート駆動回路と、
前記スイッチング素子がターンオフするタイミングにおける、コレクタ電流又はドレイン電流及びコレクタ電圧又はドレイン電圧をそれぞれ推定するための算出を行う電流算出部及び電圧算出部と、
前記PWM指令信号、前記スイッチング素子のスイッチング動作に伴って生成するフィードバック信号、前記コレクタ電流又は前記ドレイン電流の推定電流及び前記コレクタ電圧又は前記ドレイン電圧の推定電圧に基づいて、前記電力変換装置の運転状態を推定する状態監視部と、
前記状態監視部が推定した前記電力変換装置の運転状態に基づいて当該電力変換装置の異常を判定する異常診断部と
を備える電力変換装置。 - 請求項1に記載の電力変換装置であって、
前記フィードバック信号は、前記スイッチング素子のスイッチング動作時におけるゲートとエミッタ又はソースとの間の電圧と、スイッチオン参照電圧及びスイッチオフ参照電圧とをそれぞれ比較することにより生成される
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1又は2に記載の電力変換装置であって、
前記PWM指令信号のオン期間又はオフ期間を測定する第1の時間測定部と、
前記フィードバック信号のオン期間又はオフ期間を測定する第2の時間測定部と
を備え、
前記第1の時間測定部により測定された前記PWM指令信号のオン期間又はオフ期間と、前記第2の時間測定部により測定された前記フィードバック信号のオン期間又はオフ期間とに基づいて、前記スイッチング素子のスイッチオフ遅延時間を算出する
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1又は2に記載の電力変換装置であって、
前記PWM指令信号のスイッチオフから前記フィードバック信号のスイッチオフまでの時間を測定する時間測定部を備え、
前記時間測定部の測定値に基づいて前記スイッチング素子のスイッチオフ遅延時間を算出する
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1から4のいずれか1項に記載の電力変換装置であって、
前記電圧算出部は、前記電力変換装置の直流電源側の正極と負極との間に設けたコンデンサの測定電圧に基づいて前記コレクタ電圧又は前記ドレイン電圧の推定電圧を算出する
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1から5のいずれか1項に記載の電力変換装置であって、
前記電流算出部は、前記電力変換装置が出力する各相電流の測定電流、前記PWM指令信号及び前記コレクタ電圧又は前記ドレイン電圧の推定電圧に基づいて、前記スイッチング素子がスイッチオフするタイミングにおける前記コレクタ電流又は前記ドレイン電流の推定電流を算出する
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項3、請求項4、請求項3以降の1つの請求項を引用する請求項5及び請求項6、のいずれか1項に記載の電力変換装置であって、
前記状態監視部は、前記スイッチオフ遅延時間、前記コレクタ電流又は前記ドレイン電流の推定電流及び前記コレクタ電圧又は前記ドレイン電圧の推定電圧に基づいて、前記スイッチング素子の接合温度を算出する
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項7に記載の電力変換装置であって、
前記状態監視部は、算出された前記接合温度の時系列データから当該接合温度が変化する温度振幅及び当該接合温度が当該温度振幅で変化する回数を算出し、当該温度振幅と当該回数に基づいて前記スイッチング素子の摩耗度を算出する
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項3、請求項4及び請求項3以降の1つの請求項を引用する請求項5〜8、のいずれか1項に記載の電力変換装置であって、
前記異常診断部は、前記スイッチオフ遅延時間、前記コレクタ電圧又は前記ドレイン電圧の推定電圧及び前記コレクタ電流又は前記ドレイン電流の推定電流に基づいて、前記コレクタ電流又は前記ドレイン電流の電流値の異常を判定する
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1から9のいずれか1項に記載の電力変換装置であって、
前記PWM指令信号のパルス回数及び前記フィードバック信号のパルス回数をそれぞれ測定するパルス回数測定部を備え、測定されたそれぞれの前記パルス回数の比較結果に基づいて前記ゲート駆動回路の誤動作を検知する
ことを特徴とする電力変換装置。 - 電力変換装置を構成するスイッチング素子がターンオフするタイミングにおける、コレクタ電流又はドレイン電流及びコレクタ電圧又はドレイン電圧をそれぞれ推定する第1のステップと、
前記スイッチング素子を駆動するためのPWM指令信号、前記スイッチング素子のスイッチング動作に伴って生成するフィードバック信号、前記コレクタ電流又は前記ドレイン電流の推定電流及び前記コレクタ電圧又は前記ドレイン電圧の推定電圧に基づいて、前記電力変換装置の運転状態を推定する第2のステップと、
推定した前記電力変換装置の運転状態に基づいて当該電力変換装置の異常を判定する第3のステップと
を有する電力変換装置の診断方法。 - 請求項11に記載の電力変換装置の診断方法であって、
前記フィードバック信号を、前記スイッチング素子のスイッチング動作時におけるゲートとエミッタ又はソースとの間の電圧と、スイッチオン参照電圧及びスイッチオフ参照電圧とをそれぞれ比較することにより生成する
ことを特徴とする電力変換装置の診断方法。 - 請求項11又は12に記載の電力変換装置の診断方法であって、
前記PWM指令信号のオン期間又はオフ期間及び前記フィードバック信号のオン期間又はオフ期間を測定する第4のステップと、
測定した前記PWM指令信号のオン期間又はオフ期間と、測定した前記フィードバック信号のオン期間又はオフ期間とに基づいて、前記スイッチング素子のスイッチオフ遅延時間を算出する第5のステップと
を更に有する電力変換装置の診断方法。 - 請求項11又は12に記載の電力変換装置の診断方法であって、
前記PWM指令信号のスイッチオフから前記フィードバック信号のスイッチオフまでの時間を測定する第4のステップと、
測定した前記時間に基づいて前記スイッチング素子のスイッチオフ遅延時間を算出する第5のステップと
を更に有する電力変換装置の診断方法。 - 請求項13又は14に記載の電力変換装置の診断方法であって、
前記スイッチオフ遅延時間、前記コレクタ電流又は前記ドレイン電流の推定電流及び前記コレクタ電圧又は前記ドレイン電圧の推定電圧に基づいて、前記スイッチング素子の接合温度を算出する第6のステップ
を更に有する電力変換装置の診断方法。 - 請求項15に記載の電力変換装置の診断方法であって、
算出された前記接合温度の時系列データから前記接合温度が変化する温度振幅及び当該接合温度が当該温度振幅で変化する回数を算出し、当該温度振幅と当該回数に基づいて前記スイッチング素子の摩耗度を算出する第7のステップ
を更に有する電力変換装置の診断方法。 - 請求項13から16のいずれか1項に記載の電力変換装置の診断方法であって、
前記スイッチオフ遅延時間、前記コレクタ電圧又は前記ドレイン電圧の推定電圧及び前記コレクタ電流又は前記ドレイン電流の推定電流に基づいて、前記コレクタ電流又は前記ドレイン電流の電流値の異常を判定する第8のステップ
を更に有する電力変換装置の診断方法。 - 請求項11から17のいずれか1項に記載の電力変換装置の診断方法であって、
前記PWM指令信号のパルス回数及び前記フィードバック信号のパルス回数をそれぞれ測定する第9のステップと、
測定したそれぞれの前記パルス回数の比較結果に基づいて前記スイッチング素子のゲート駆動回路の誤動作を検知する第10のステップと
を更に有する電力変換装置の診断方法。
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