JP2020202648A - Deterioration diagnostic device of semiconductor power element and deterioration diagnostic method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体電力変換装置における、半導体電力素子（主にＩＧＢＴ；Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の飽和電圧検出および劣化診断に関する。 The present invention relates to saturation voltage detection and deterioration diagnosis of a semiconductor power element (mainly an IGBT; Integrated Gate Bipolar Transistor) in a semiconductor power converter.
従来、電力変換装置の半導体電力素子の故障を検出する装置は、例えば特許文献１に記載のものが提案されていた。図６に、特許文献１の実施の形態４（段落「００９７」〜「０１２０」）に開示されている、半導体電力素子（ＩＧＢＴ）Ｑ１の飽和電圧を検出するための回路を示す。
Conventionally, as a device for detecting a failure of a semiconductor power element of a power conversion device, for example, one described in
図６において、Ｑ１，Ｑ２は、インバータ回路の高圧ノードＰと低圧ノードＮ間に直列接続されたＵ相の上アームと下アームのＩＧＢＴである。ＵＡは、図示省略の制御用コンピュータから入力される制御信号Ｓ１を増幅してＩＧＢＴＱ１のゲートに出力するドライブ回路である。 In FIG. 6, Q1 and Q2 are IGBTs of the U-phase upper arm and lower arm connected in series between the high-voltage node P and the low-voltage node N of the inverter circuit. The UA is a drive circuit that amplifies the control signal S1 input from the control computer (not shown) and outputs it to the gate of the IGBT Q1.
ＩＧＢＴＱ１のコレクタは、高耐圧のダイオードＤ７のカソード、アノード、抵抗素子Ｒ４および直流電源Ｖ２を介して、ＩＧＢＴＱ１およびＱ２の共通接続点であるノードＮ１の基準電位ＶＮ１に接続されている。 The collector of the IGBT Q1 is connected to the reference potential VN1 of the node N1 which is a common connection point of the IGBT Q1 and Q2 via the cathode, the anode, the resistance element R4 and the DC power supply V2 of the high withstand voltage diode D7.
前記ＩＧＢＴＱ１、Ｑ２には、電流検出電極付きＩＧＢＴが用いられ、コレクタ電流（主電流）に応じて検出電流が流れる電流検出電極（センス電極）を有している。 An IGBT with a current detection electrode is used for the IGBT Q1 and Q2, and has a current detection electrode (sense electrode) through which a detection current flows according to a collector current (main current).
ＩＧＢＴＱ１のセンス電極とエミッタ電極の間には検出抵抗Ｒ７が設けられ、検出抵抗Ｒ７の両端電圧と、コレクタ電流の基準電流ＩＸに相当する電圧に設定された直流電源Ｖ６の電圧がコンパレータＣＡ４によって比較される。 A detection resistor R7 is provided between the sense electrode and the emitter electrode of the IGBT Q1, and the voltage across the detection resistor R7 and the voltage of the DC power supply V6 set to the voltage corresponding to the reference current IX of the collector current are compared by the comparator CA4. Will be done.
ＬＡ２は、制御信号Ｓ１がハイレベルであること（ＩＧＢＴＱ１をオン制御していること）とコンパレータＣＡ４の出力がハイレベルである（コレクタ電流が基準電流ＩＸよりも大きい）ことのアンド条件成立時にハイレベル信号を出力する論理回路である。 LA2 is high when the and condition that the control signal S1 is at a high level (IGBTQ1 is on-controlled) and the output of the comparator CA4 is at a high level (collector current is larger than the reference current IX) is satisfied. It is a logic circuit that outputs a level signal.
２４は、論理回路ＬＡ２の出力の立上がりエッジをトリガとして、１ショットパルスをサンプル・ホールド回路２６に出力する１ショットパルス発生回路である。
サンプル・ホールド回路２６は、１ショットパルス発生回路２４の出力がハイレベルのときに、ダイオードＤ７のアノード電圧（ＩＧＢＴＱ１のコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅ＿ｓａｔ（飽和電圧）＋ダイオードＤ７の順電圧ＶＦ）を保持し、その電圧はコンパレータＣＡ３において直流電源Ｖ５の電圧と比較される。
The
コンパレータＣＡ３は、ダイオードＤ７のアノード側電圧が直流電源Ｖ５の電圧値を超えたときにハイレベル信号を出力し、これによって素子寿命アラーム２８は、ＩＧＢＴＱ１が寿命劣化したことを報知する。
The comparator CA3 outputs a high level signal when the voltage on the anode side of the diode D7 exceeds the voltage value of the DC power supply V5, whereby the
前記ＩＧＢＴＱ１の主電流（コレクタ電流）と比較するための、前記直流電源Ｖ６の電圧に対応する基準電流ＩＸは、図７に示す、異なる温度に対するＩＧＢＴの電流−電圧（Ｉｃ−Ｖｃｅ）特性曲線のクロスポイントＣＰに設定している。 The reference current IX corresponding to the voltage of the DC power supply V6 for comparison with the main current (collector current) of the IGBT Q1 is the current-voltage (Ic-Vce) characteristic curve of the IGBT for different temperatures shown in FIG. It is set to the cross point CP.
このクロスポイントＣＰは、オン電圧が負の温度依存性を有する領域とオン電圧が正の温度依存性を有する領域の境界であり、温度依存性が無いポイントを意味している。 This cross-point CP is the boundary between the region where the on-voltage has a negative temperature dependence and the region where the on-voltage has a positive temperature dependence, and means a point where there is no temperature dependence.
図６のサンプル・ホールド回路２６には、ＩＧＢＴＱ１の飽和電圧Ｖｃｅ＿ｓａｔとダイオードＤ７の順電圧ＶＦが重畳された「Ｖｃｅ＿ｓａｔ＋ＶＦ」という信号が入力される。
The signal "Vce_sat + VF" in which the saturation voltage Vce_sat of the IGBT Q1 and the forward voltage VF of the diode D7 are superimposed is input to the
Ｖｃｅ＿ｓａｔ＋ＶＦについて、これにはオフセットが含まれ、劣化診断のデータとして扱う際にはこのオフセットＶＦを除く必要がある。また、このオフセットＶＦは、以下の２つの特性がある。 For Vce_sat + VF, this includes an offset, and it is necessary to remove this offset VF when handling it as deterioration diagnosis data. Further, this offset VF has the following two characteristics.
特性１；温度依存性があり、温度によりＶＦの大きさが変わる。 Characteristic 1; It is temperature-dependent, and the magnitude of VF changes depending on the temperature.
特性２；半導体電力素子（Ｑ１）の飽和電圧の大きさに応じ、ＶＦの大きさが変わる。 Characteristic 2; The magnitude of the VF changes according to the magnitude of the saturation voltage of the semiconductor power element (Q1).
まず、特性１について説明する。図８に、１５００Ｖ／０．５Ａのダイオードを例に、温度−順電圧特性を示す。
First,
ダイオード（Ｄ７）の順電圧ＶＦは、ダイオードを流れる電流（ＩＦ）を一定とすると、温度に対して負特性となる（例えば図８のＩＦ＝１ｍＡ時の特性はｙ＝−０．００３５ｘ＋１．１６２である）。ＩＦが変わっても傾き−０．００３５は変わらない。 The forward voltage VF of the diode (D7) has a negative characteristic with respect to temperature when the current (IF) flowing through the diode is constant (for example, the characteristic at IF = 1 mA in FIG. 8 is y = -0.0035x + 1.162). Is). Even if the IF changes, the slope -0.0035 does not change.
したがって、温度変化に応じて順電圧ＶＦを補正し、図６のサンプル・ホールド回路２６に入力される信号から、温度特性に応じて補正した順電圧ＶＦを差し引く必要がある。
Therefore, it is necessary to correct the forward voltage VF according to the temperature change and subtract the corrected forward voltage VF from the signal input to the
次に特性２について、図６の回路におけるサンプルホールド検出信号の大きさとダイオード電流の関係を示す図９とともに説明する。図６中のサンプル・ホールド回路２６の入力信号を、ＩＧＢＴＱ１の飽和電圧Ｖｃｅ＿ｓａｔとダイオードＤ７の順電圧ＶＦの和（Ｖｃｅ＿ｓａｔ＋ＶＦ）とすると、ダイオードＤ７を流れる電流ＩＦは、ＩＦ＝（Ｖ２−（Ｖｃｅ＿ｓａｔ＋ＶＦ））／Ｒ４（Ｖ２は直流電源Ｖ２の電圧、Ｒ４は抵抗素子Ｒ４の抵抗値）となる。
Next,
これは、サンプル・ホールド回路２６の入力信号の大きさ、すなわちＶｃｅ＿ｓａｔの大きさによりダイオードＤ７の順電圧ＶＦの大きさが変化することを意味する。
This means that the magnitude of the forward voltage VF of the diode D7 changes depending on the magnitude of the input signal of the
一般的に、ＩＧＢＴなどの半導体電力素子の飽和電圧（図７のＶｘ）は微小であるため、これらの特性を無視できず、無視すれば劣化判定を正しく行えない恐れがある。 In general, since the saturation voltage (Vx in FIG. 7) of a semiconductor power element such as an IGBT is very small, these characteristics cannot be ignored, and if they are ignored, deterioration determination may not be performed correctly.
本発明は、上記課題を解決するものであり、その目的は、半導体電力素子のオン時の飽和電圧を高精度で検出することができ、これによって正しい劣化診断を行うことができる半導体電力素子の劣化診断装置、方法を提供することにある。 The present invention solves the above problems, and an object of the present invention is to detect a saturation voltage of a semiconductor power device when it is on with high accuracy, thereby performing a correct deterioration diagnosis of the semiconductor power device. The purpose is to provide a deterioration diagnostic device and a method.
上記課題を解決するための請求項１に記載の半導体電力素子の劣化診断装置は、
電力変換装置の主回路を構成し、オン、オフ制御がなされる半導体電力素子のオン時の飽和電圧に基いて、半導体電力素子の劣化診断を行う装置であって、
前記半導体電力素子のコレクタ−エミッタ間に直列に接続されたダイオードおよび抵抗素子と、
前記ダイオード近傍の温度を検出する温度検出部と、
前記ダイオードおよび抵抗素子の共通接続点の電圧を検出する電圧検出部と、
前記温度検出部および電圧検出部の各検出データを変換して半導体電力素子のオン時の飽和電圧を求めるデータ変換部と、を備え、
前記データ変換部は、
前記半導体電力素子のコレクタ−エミッタ間を短絡させた第１の状態において、前記温度検出部の温度検出データおよび前記電圧検出部の電圧検出データを記録・保存し、
前記コレクタ−エミッタ間短絡を解除し半導体電力素子を主回路に接続して通常運転させた第２の状態において、前記電圧検出部により検出され、半導体電力素子のオン時の飽和電圧および前記ダイオードの順電圧を含んだ、前記ダイオードおよび抵抗素子の共通接続点電圧から、前記第１の状態で記録・保存されたデータに基いて求めた温度変化による前記ダイオードの第１の順電圧変化量と、前記第２の状態における半導体電力素子のオン時の飽和電圧の大きさに依存し、前記ダイオードに流れる電流変化によるダイオードの第２の順電圧変化量とを差し引いて、半導体電力素子のオン時の飽和電圧を求めることを特徴とする。
The deterioration diagnostic device for a semiconductor power element according to
It is a device that constitutes the main circuit of a power conversion device and performs deterioration diagnosis of the semiconductor power element based on the saturation voltage at the time of turning on the semiconductor power element that is controlled to be turned on and off.
A diode and a resistance element connected in series between the collector and the emitter of the semiconductor power element,
A temperature detection unit that detects the temperature near the diode, and
A voltage detector that detects the voltage at the common connection point of the diode and the resistance element, and
A data conversion unit that converts each detection data of the temperature detection unit and the voltage detection unit to obtain the saturation voltage when the semiconductor power element is turned on is provided.
The data conversion unit
In the first state in which the collector and the emitter of the semiconductor power element are short-circuited, the temperature detection data of the temperature detection unit and the voltage detection data of the voltage detection unit are recorded and stored.
In the second state in which the collector-emitter short circuit is released and the semiconductor power element is connected to the main circuit for normal operation, the saturation voltage when the semiconductor power element is turned on and the saturation voltage of the diode detected by the voltage detector are detected. The first forward voltage change amount of the diode due to the temperature change obtained based on the data recorded and stored in the first state from the common connection point voltage of the diode and the resistance element including the forward voltage. It depends on the magnitude of the saturation voltage when the semiconductor power element is turned on in the second state, and the amount of change in the second forward voltage of the diode due to the change in the current flowing through the diode is subtracted from that when the semiconductor power element is turned on. The feature is to obtain the saturation voltage.
請求項２に記載の半導体電力素子の劣化診断装置は、請求項１において、
前記ダイオードの第１の順電圧変化量は、温度−順電圧特性の負特性により求め、
前記ダイオードの第２の順電圧変化量は、ダイオードに流れる電流（ＩＦ）毎のダイオードの順電圧（ＶＦ）の特性から求めることを特徴とする。
The deterioration diagnostic apparatus for a semiconductor power device according to
The first forward voltage change amount of the diode is obtained from the negative characteristic of the temperature-forward voltage characteristic.
The second amount of change in the forward voltage of the diode is obtained from the characteristics of the forward voltage (VF) of the diode for each current (IF) flowing through the diode.
請求項３に記載の半導体電力素子の劣化診断方法は、
電力変換装置の主回路を構成し、オン、オフ制御がなされる半導体電力素子のコレクタ−エミッタ間に直列に接続されたダイオードおよび抵抗素子と、前記ダイオード近傍の温度を検出する温度検出部と、前記ダイオードおよび抵抗素子の共通接続点の電圧を検出する電圧検出部と、を備えた装置における半導体電力素子の劣化診断方法であって、
前記半導体電力素子のコレクタ−エミッタ間を短絡させた第１の状態において、前記温度検出部の温度検出データおよび前記電圧検出部の電圧検出データを記録・保存するステップと、
前記コレクタ−エミッタ間短絡を解除し半導体電力素子を主回路に接続して通常運転させた第２の状態において、前記電圧検出部により検出され、半導体電力素子のオン時の飽和電圧および前記ダイオードの順電圧を含んだ、前記ダイオードおよび抵抗素子の共通接続点電圧から、温度−順電圧特性の負特性により求めた温度変化によるダイオードの第１の順電圧変化量と、前記第２の状態における半導体電力素子のオン時の飽和電圧の大きさに依存し、前記ダイオードに流れる電流変化によるダイオードの第２の順電圧変化量とを差し引いて、半導体電力素子のオン時の飽和電圧を求めるステップと、
前記求められたオン時の飽和電圧に基いて半導体電力素子の劣化診断を行うステップと、を備えたことを特徴とする。
The method for diagnosing deterioration of a semiconductor power device according to
A diode and a resistance element connected in series between a collector and an emitter of a semiconductor power element that constitutes the main circuit of a power converter and is controlled to be turned on and off, a temperature detector that detects the temperature in the vicinity of the diode, and a temperature detector. A method for diagnosing deterioration of a semiconductor power element in a device provided with a voltage detection unit that detects a voltage at a common connection point between the diode and the resistance element.
A step of recording and storing the temperature detection data of the temperature detection unit and the voltage detection data of the voltage detection unit in the first state in which the collector and the emitter of the semiconductor power element are short-circuited.
In the second state in which the collector-emitter short circuit is released and the semiconductor power element is connected to the main circuit for normal operation, the saturation voltage when the semiconductor power element is turned on and the saturation voltage of the diode detected by the voltage detector are detected. The first forward voltage change amount of the diode due to the temperature change obtained from the common connection point voltage of the diode and the resistance element including the forward voltage by the negative characteristic of the temperature-forward voltage characteristic, and the semiconductor in the second state. A step of obtaining the saturation voltage when the semiconductor power element is on by subtracting the second forward voltage change amount of the diode due to the change in the current flowing through the diode, which depends on the magnitude of the saturation voltage when the power element is on.
It is characterized by including a step of diagnosing deterioration of a semiconductor power element based on the obtained saturation voltage at the time of on.
（１）請求項１〜３に記載の発明によれば、半導体電力素子のオン時の飽和電圧を高精度で検出することができ、これによって正しい劣化診断を行うことができる。
(1) According to the inventions of
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the following examples of embodiments.
図１は、三相インバータのＵ相側の構成を表しているが、他の相についても同様に構成されるものである。図１において、５０Ｕ，５０Ｘは、半導体電力素子、例えばＩＧＢＴであり、５０ＵはＵ相の上アームのＩＧＢＴ、５０ＸはＵ相の下アーム（Ｘ相）のＩＧＢＴを示している。 FIG. 1 shows the configuration on the U-phase side of the three-phase inverter, but the other phases are similarly configured. In FIG. 1, 50U and 50X are semiconductor power elements, for example, IGBTs, 50U is an IGBT of the upper arm of the U phase, and 50X is an IGBT of the lower arm (X phase) of the U phase.
ＩＧＢＴ５０Ｕ，５０Ｘには、還流ダイオード５１Ｕ，５１Ｘが各々逆並列接続されている。ＩＧＢＴ５０Ｕのコレクタ−エミッタ間には、高耐圧（例えば１２００Ｖ耐圧）のダイオード６１のカソード、アノード、抵抗６２（抵抗値Ｒ１）および抵抗６３（抵抗値Ｒ２）が順次直列に接続されている。
ダイオード６１および抵抗６２の共通接続点とＩＧＢＴ５０Ｕのエミッタの間には図示極性のダイオード６４およびツェナーダイオード６５が接続されている。
A
６６は、一端が直流電源ＶＤＤ＿ｎに接続された抵抗であり、その他端は、前記ダイオード６１の近傍に設けられたサーミスタ６７に接続されている。このサーミスタ６７はダイオード６１近傍の温度によってその抵抗値が変化する温度検出素子である。
６８は、ＩＧＢＴ５０Ｕおよび５０Ｘの共通接続点に接続されるＵ相出力線に流れる電流を検出する変流器（ＨＣＴ）である。
前記ダイオード６１、６４、ツェナーダイオード６５、抵抗６２、６３、６６、直流電源ＶＤＤ＿ｎ、サーミスタ６７、変流器６８によって検出部６０を構成している。また、ダイオード６１、抵抗６２、６３によってＩＧＢＴの飽和電圧検出部が構成され、直流電源ＶＤＤ＿ｎ、抵抗６６およびサーミスタ６７によって温度検出部が構成され、変流器６８によって電流検出部が構成されている。
The
ダイオード６１および抵抗６２の共通接続点には抵抗７１の一端が接続されている。抵抗７１の他端は、プッシュプル回路を構成するＮＰＮ型のトランジスタ７２およびＰＮＰ型のトランジスタ７３に接続されている。
One end of the
抵抗７１およびトランジスタ７２の共通接続点とトランジスタ７３のコレクタの間には直流電源７４（ＶＣＣ１）および直流電源７５（ＶＣＣ２）が直列に接続され、直流電源７４および７５の共通接続点はＩＧＢＴ５０Ｕのエミッタに接続されている。
A DC power supply 74 (VCC1) and a DC power supply 75 (VCC2) are connected in series between the common connection point of the
７６は、図示省略のインバータ制御部からのゲート指令を入力とし、そのゲート指令に対応したＯＮ，ＯＦＦ制御信号（ハイレベル信号、ローレベル信号）をトランジスタ７２、７３の各ベースに出力する絶縁・ドライブＩＣである。
トランジスタ７２および７３のエミッタどうしの共通接続点から出力される信号を駆動抵抗７８（Ｒｇ）を介してＩＧＢＴ５０Ｕのゲートに供給することにより、ＩＧＢＴ５０ＵがＯＮ，ＯＦＦ制御される。
By supplying the signal output from the common connection point between the emitters of the
前記抵抗７１、７８、トランジスタ７２、７３、直流電源７４、７５、絶縁・ドライブＩＣ７６によって駆動部７０を構成している。
The drive unit 70 is composed of the
前記ダイオード６１、および抵抗６２、６３の分圧で決まる、ダイオード６１および抵抗６２の共通接続点の電圧を検出した電圧検出信号は、絶縁素子８１の入力側に導入される。絶縁素子８１の出力信号は高速アンプ８２で増幅された後、高速Ａ／Ｄ変換器８３によってディジタル信号に変換される。
The voltage detection signal that detects the voltage at the common connection point of the
前記抵抗６６およびサーミスタ６７の共通接続点電位として出力されるサーミスタ６７の温度検出信号は絶縁素子８４の入力側に導入される。絶縁素子８４の出力信号は高速アンプ８５で増幅された後、高速Ａ／Ｄ変換器８６によってディジタル信号に変換される。
The temperature detection signal of the
前記変流器６８の電流検出信号は高速アンプ８７で増幅された後、高速Ａ／Ｄ変換器８８によってディジタル信号に変換される。
The current detection signal of the
高速Ａ／Ｄ変換器８３，８６，８８の出力は、各種演算を行ってＩＧＢＴ（５０Ｕ）のオン時の飽和電圧を求める演算部９０に入力される。この演算部９０は、ＰＬＤ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）やＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）によって構成されている。
The outputs of the high-speed A /
前記絶縁素子８１，８４、高速アンプ８２，８５，８７、高速Ａ／Ｄ変換器８３，８６，８８および演算部９０によってデータ変換部８０を構成している。
The
次に、本実施形態例における、ダイオード（６１）の２つの順電圧変化量を除去する補正の様子を、ダイオードの順電圧対順電流（ＶＦ−ＩＦ）特性（非線形）を示す図２とともに説明する。 Next, the state of correction for removing the two forward voltage changes of the diode (61) in the present embodiment will be described together with FIG. 2 showing the forward voltage vs. forward current (VF-IF) characteristic (non-linear) of the diode. To do.
図２において、例えばＩＧＢＴ５０Ｕのコレクタ−エミッタ間を短絡させた第１の状態でダイオード初期状態のＩＦ、ＶＦ、温度の各データ（例えばＩＦ＝１７ｍＡ、ＶＦ＝１．３５Ｖ、２０℃）を記録・保存する。
In FIG. 2, for example, IF, VF, and temperature data (for example, IF = 17mA, VF = 1.35V, 20 ° C.) in the initial diode state are recorded in the first state in which the collector and the emitter of the
次に、前記コレクタ−エミッタ間短絡を解除してＩＧＢＴ５０Ｕを主回路に接続して通常運転させた第２の状態で、前記ダイオード初期状態のデータを基に「温度変化に対する補正（線形補正）」および「検出大きさに対する補正（対数近似または非線形補間）」を行う。
Next, in the second state in which the collector-emitter short circuit is released and the
この「温度変化に対する補正」時の補正量（ダイオードの第１の順電圧変化量に相当）は、前記図８の「特性１」で述べた温度−順電圧特性の直線傾きを用いて、変化量ΔＦ＝−０．００３５×Δ温度により求められる。
The correction amount (corresponding to the first forward voltage change amount of the diode) at the time of this "correction for temperature change" changes by using the linear slope of the temperature-forward voltage characteristic described in "
また「検出大きさに対する補正」時の補正量（ダイオードの第２の順電圧変化量に相当）は、図９で述べた「特性２」（ＩＧＢＴの飽和電圧の大きさに応じてダイオードの順電圧ＶＦの大きさが変わること）に対処するため、例えば図５に示す順電流対順電圧の特性から得た累乗近似式から求められる。 The correction amount (corresponding to the second forward voltage change amount of the diode) at the time of "correction for the detection size" is the "characteristic 2" (the order of the diode according to the magnitude of the saturation voltage of the IGBT) described in FIG. In order to deal with the change in the magnitude of the voltage VF), it can be obtained from, for example, a power approximation equation obtained from the characteristics of the forward current vs. the forward voltage shown in FIG.
図５は、恒温槽により２０℃一定でダイオードの順電流ＩＦに対する順電圧ＶＦを測定したデータを表し、累乗近似式はｙ＝１．８５８５ｘ0.0786（実測データに対する決定係数Ｒ2＝０．９９９９）である。 FIG. 5 shows the data obtained by measuring the forward voltage VF with respect to the forward current IF of the diode at a constant temperature of 20 ° C., and the power approximation formula is y = 1.8585 x 0.0786 (coefficient of determination R 2 = 0.9999 for the measured data). Is.
上記２つの補正によって「推定する値」、すなわちＩＧＢＴ飽和電圧計測時に含まれるダイオードの第１、第２の順電圧変化量を求め、計測したＩＧＢＴ飽和電圧から差し引くものである。 The "estimated value", that is, the amount of change in the first and second forward voltages of the diode included in the measurement of the IGBT saturation voltage is obtained by the above two corrections, and is subtracted from the measured IGBT saturation voltage.
尚、図２における「検出大きさに対する補正」は、本実施形態例では累乗近似式で行うが、これに限らずスプライン補間などの手法を用いてもよい。 The "correction for the detected size" in FIG. 2 is performed by a power approximation formula in the example of the present embodiment, but the present invention is not limited to this, and a method such as spline interpolation may be used.
次に、図１のように構成された回路における劣化診断時の動作を、図１の要部回路のみを図示した図３、図４とともに説明する。 Next, the operation at the time of deterioration diagnosis in the circuit configured as shown in FIG. 1 will be described together with FIGS. 3 and 4 in which only the main circuit of FIG. 1 is illustrated.
（１）まず、図３に示すようにＩＧＢＴ５０Ｕのコレクタ−エミッタ間に相当する箇所を導体、例えばＰ板（プリント板）で短絡させて第１の状態とする。
(1) First, as shown in FIG. 3, a portion corresponding to the collector-emitter of the
この第１の状態時の、ダイオード６１の順電圧ＶＦ（ダイオード６１および抵抗６２の共通接続点電圧；初期ＶＦ）と、その時のサーミスタ６７の温度データ（初期ＶＦ計測時温度）とをデータ変換部８０に取り込み、「初期ＶＦとＩＦ」と温度条件として図示省略のメモリなどに記録・保存する。
The data conversion unit converts the forward voltage VF of the diode 61 (common connection point voltage of the
例えば「サーミスタ温度２０℃のとき、初期ＶＦ0が１．０Ｖ、初期ＩＦ0が１７ｍＡ」のように、第１の状態における温度検出データ、電圧検出部の検出データおよびダイオードの初期順電流データを記録・保存する。尚、初期ＩＦ0は設計値を用いる。 For example, when the thermistor temperature is 20 ° C., the initial VF 0 is 1.0 V and the initial IF 0 is 17 mA. Record and save. The design value is used for the initial IF 0 .
尚、第１の状態における抵抗６３の両端電圧は初期ＶＦ・Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）である。
The voltage across the
（２）次に、図３のコレクタ−エミッタ間短絡を解除し、図４のようにＩＧＢＴ５０Ｕを主回路に接続して通常運転させた状態を第２の状態とする。
(2) Next, the state in which the collector-emitter short circuit of FIG. 3 is released, the
この第２の状態において、ダイオード６１および抵抗６２の共通接続点の検出電圧、サーミスタ６７の検出温度および変流器６８による検出電流をデータ変換部８０に入力してデータ変換を行う。
In this second state, the detection voltage of the common connection point of the
この時点でのダイオード６１および抵抗６２の共通接続点の電圧検出データには、飽和電圧Ｖｃｅ＿ｓａｔと、オフセット成分であるＶＦ（ダイオード６１の順電圧）が含まれる。
The voltage detection data of the common connection point of the
尚、第２の状態における抵抗６３の両端電圧は、（Ｖｃｅ＿ｓａｔ＋ＶＦ）・Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）である。
The voltage across the
（３）次に、図４の電圧検出データ（通常検出データ）から、図３で計測したＶＦがオフセットとなっているので、この成分を差し引く。この際、図８から算出される温度変化によるＶＦ変化量（ダイオードの第１の順電圧変化量）と、検出値（飽和電圧Ｖｃｅ＿ｓａｔ）の大きさに依存する、ダイオード６１に流れる電流変化によるＶＦ変化量（ダイオードの第２の順電圧変化量）、の２種類を差し引く。
(3) Next, since the VF measured in FIG. 3 is an offset from the voltage detection data (normal detection data) in FIG. 4, this component is subtracted. At this time, the VF due to the change in the current flowing through the
すなわちＩＧＢＴ５０Ｕのオン時の飽和電圧は、
（飽和電圧Ｖｃｅ＿ｓａｔ）＝（通常検出データ）−（温度変化によるＶＦ変化量）−（ＩＦ−ＶＦ変換係数×ＩＦ変化量）
を演算部９０により演算することで求められる。
That is, the saturation voltage when the
(Saturation voltage Vce_sat) = (normal detection data)-(VF change amount due to temperature change)-(IF-VF conversion coefficient x IF change amount)
Is calculated by the
前記「通常検出データ」は、図４のダイオード６１および抵抗６２の共通接続点電圧Ｖｃｅ＿ｓａｔ＋ＶＦである。
The "normal detection data" is the common connection point voltage Vce_sat + VF of the
前記「温度変化によるＶＦ変化量」（ダイオードの第１の順電圧変化量ＶＦ１）は、例えば図８に示すダイオードの温度対順電圧の特性の場合は、０．００３５Ｖ／℃になる（すなわち変化量ΔＦ＝−０．００３５×Δ温度）。 The "VF change amount due to temperature change" (first forward voltage change amount VF1 of the diode) is 0.0035 V / ° C. (that is, change) in the case of the temperature vs. forward voltage characteristic of the diode shown in FIG. 8, for example. Quantity ΔF = −0.0035 × Δtemperature).
前記「ＩＦ−ＶＦ変換係数×ＩＦ変化量」（ダイオードの第２の順電圧変化量ＶＦ２）」は、例えば図５のように、温度２０℃でＩＦ／ＶＦ特性を実測により収集し近似式を求める。例えば、累乗近似で近似式を作成すると下式となる。 The "IF-VF conversion coefficient x IF change amount" (second forward voltage change amount VF2 of the diode) "is, for example, as shown in FIG. 5, the IF / VF characteristics are collected by actual measurement at a temperature of 20 ° C. and an approximate expression is obtained. Ask. For example, if an approximate expression is created by exponentiation, it becomes the following equation.
ＶＦ２＝１．８５８５×ＩＦ＾0.0786
温度２０℃でＩＦ−ＶＦ特性を取得した場合の「温度変化によるＶＦ変化量」（ダイオードの第１の順電圧変化量ＶＦ１）は下式となる。
VF2 = 1.8585 x IF ^ 0.0786
The "VF change amount due to temperature change" (first forward voltage change amount VF1 of the diode) when the IF-VF characteristic is acquired at a temperature of 20 ° C. is given by the following equation.
ＶＦ１＝−０．００３５×（Ｔ−２０℃）
Ｔ：Ｖｃｅ＿ｓａｔ計測時の温度
これらから、Ｖｃｅ＿ｓａｔを求める式は下式となる。
VF1 = -0.0035 × (T-20 ° C)
T: Temperature at the time of Vce_sat measurement From these, the formula for obtaining Vce_sat is the following formula.
Ｖｃｅ＿ｓａｔ＝（通常検出データ）−ＶＦ１−ＶＦ２
＝（通常検出データ）＋０．００３５×（Ｔ−２０℃）−１．８５８５×ＩＦ＾0.0786となる。
Vce_sat = (normal detection data) -VF1-VF2
= (Normal detection data) +0.0035 × (T-20 ° C.) 1.8585 × IF ^ 0.0786 .
ここで、ダイオード（６１）の順電圧ＶＦ（第１の順電圧変化量、又は第１および第２の順電圧変化量を含めた順電圧）の具体的数式を以下に示す。 Here, a specific mathematical formula of the forward voltage VF of the diode (61) (the first forward voltage change amount or the forward voltage including the first and second forward voltage change amounts) is shown below.
まず、図５のＩＦ−ＶＦ特性に基く累乗近似式から求められるＶＦは、
ＶＦ＝１．８５８５×ＩＦ＾0.0786…（１）である。
First, the VF obtained from the power approximation formula based on the IF-VF characteristic of FIG. 5 is
VF = 1.8585 × IF ^ 0.0786 ... (1).
これに温度変化を考慮すると図８の温度−順電圧特性からΔＶＦ＝−０．００３５×ΔＴを追加し、
ＶＦ＝１．８５８５×ＩＦ＾0.0786−０．００３５（Ｔ−２０）…（２）となる。
Considering the temperature change, ΔVF = -0.0035 × ΔT was added from the temperature-forward voltage characteristic in FIG.
VF = 1.8585 × IF ^ 0.0786 -0.0035 (T-20) ... (2).
さらに、図３の初期状態（第１の状態）で測定して記録・保存した初期値の、部品個体差による誤差（バラツキ）を考慮すると、補正係数Ｋを追加し、以下の式となる。 Further, considering the error (variation) of the initial values measured, recorded and saved in the initial state (first state) of FIG. 3 due to individual differences in parts, the correction coefficient K is added and the following equation is obtained.
ＶＦ＝１．８５８５×ＩＦ＾0.0786−０．００３５（Ｔ−２０）＋Ｋ…（３）
前記補正係数Ｋは、前記第１の状態で測定した初期値（ＩＦ0，ＶＦ0，Ｔ0，）に対する「ずれ値」として次式で表される。
VF = 1.8585 x IF ^ 0.0786 -0.0035 (T-20) + K ... (3)
The correction coefficient K is expressed by the following equation as a "deviation value" with respect to the initial values (IF 0 , VF 0 , T 0 ,) measured in the first state.
Ｋ＝ＶＦ0−１．８５８５×ＩＦ0＾0.0786＋０．００３５（Ｔ0−２０）…（４）
このためＩＧＢＴ飽和電圧Ｖｃｅ＿ｓａｔの推定式は、
（ＩＧＢＴ飽和電圧）＝（オフセットを含んだＩＧＢＴ飽和電圧（通常検出データ））−式（３）のＶＦ…（５）となる。
K = VF 0 -1.8585 × IF 0 ^ 0.0786 +0.0035 (T 0 -20) ... (4)
Therefore, the estimation formula of the IGBT saturation voltage Vce_sat is
(IGBT saturation voltage) = (IGBT saturation voltage including offset (normal detection data))-VF of equation (3) ... (5).
したがって、求める飽和電圧Ｖｃｅ＿ｓａｔは、
Ｖｃｅ＿ｓａｔ＝（通常検出データ）＋０．００３５（Ｔ0−２０）−１．８５８５×ＩＦ0＾0.0786−Ｋ
となる。
Therefore, the desired saturation voltage Vce_sat is
Vce_sat = (normal detection data) +0.0035 (T 0 -20) -1.8585 × IF 0 ^ 0.0786 -K
Will be.
上記のようにして求められたＩＧＢＴ５０Ｕのオン時の飽和電圧Ｖｃｅ＿ｓａｔに基いて、演算部９０又は図示省略の劣化診断部においてＩＧＢＴの劣化診断が行われる。
Based on the saturation voltage Vce_sat when the
このため、ＩＧＢＴ５０Ｕのオン時の飽和電圧Ｖｃｅ＿ｓａｔを高精度で検出することができ、これによって正しい劣化診断を行うことができる。
Therefore, the saturation voltage Vce_sat when the
上記の動作は、インバータの他の相のＩＧＢＴについても同様となる。また、半導体電力素子はＩＧＢＴに限らず他の素子であってもよい。 The above operation is the same for the IGBTs of the other phases of the inverter. Further, the semiconductor power element is not limited to the IGBT, and may be another element.
５０Ｕ，５０Ｘ…ＩＧＢＴ
５１Ｕ，５１Ｘ…還流ダイオード
６０…検出部
６１，６４…ダイオード
６２，６３，６６，７１，７８…抵抗
６５…ツェナーダイオード
６７…サーミスタ
６８…変流器
７０…駆動部
７２，７３…トランジスタ
７４，７５…直流電源
７６…絶縁・ドライブＩＣ
８０…データ変換部
８１，８４…絶縁素子
８２，８５，８７…高速アンプ
８３，８６，８８…高速Ａ／Ｄ変換器
９０…演算部
50U, 50X ... IGBT
51U, 51X ... Freewheeling
80 ...
Claims (3)
前記半導体電力素子のコレクタ−エミッタ間に直列に接続されたダイオードおよび抵抗素子と、
前記ダイオード近傍の温度を検出する温度検出部と、
前記ダイオードおよび抵抗素子の共通接続点の電圧を検出する電圧検出部と、
前記温度検出部および電圧検出部の各検出データを変換して半導体電力素子のオン時の飽和電圧を求めるデータ変換部と、を備え、
前記データ変換部は、
前記半導体電力素子のコレクタ−エミッタ間を短絡させた第１の状態において、前記温度検出部の温度検出データおよび前記電圧検出部の電圧検出データを記録・保存し、
前記コレクタ−エミッタ間短絡を解除し半導体電力素子を主回路に接続して通常運転させた第２の状態において、前記電圧検出部により検出され、半導体電力素子のオン時の飽和電圧および前記ダイオードの順電圧を含んだ、前記ダイオードおよび抵抗素子の共通接続点電圧から、前記第１の状態で記録・保存されたデータに基いて求めた温度変化による前記ダイオードの第１の順電圧変化量と、前記第２の状態における半導体電力素子のオン時の飽和電圧の大きさに依存し、前記ダイオードに流れる電流変化によるダイオードの第２の順電圧変化量とを差し引いて、半導体電力素子のオン時の飽和電圧を求めることを特徴とする半導体電力素子の劣化診断装置。 It is a device that constitutes the main circuit of a power conversion device and performs deterioration diagnosis of the semiconductor power element based on the saturation voltage at the time of turning on the semiconductor power element that is controlled to be turned on and off.
A diode and a resistance element connected in series between the collector and the emitter of the semiconductor power element,
A temperature detection unit that detects the temperature near the diode, and
A voltage detector that detects the voltage at the common connection point of the diode and the resistance element, and
A data conversion unit that converts each detection data of the temperature detection unit and the voltage detection unit to obtain the saturation voltage when the semiconductor power element is turned on is provided.
The data conversion unit
In the first state in which the collector and the emitter of the semiconductor power element are short-circuited, the temperature detection data of the temperature detection unit and the voltage detection data of the voltage detection unit are recorded and stored.
In the second state in which the collector-emitter short circuit is released and the semiconductor power element is connected to the main circuit for normal operation, the saturation voltage when the semiconductor power element is turned on and the saturation voltage of the diode detected by the voltage detector are detected. The first forward voltage change amount of the diode due to the temperature change obtained based on the data recorded and stored in the first state from the common connection point voltage of the diode and the resistance element including the forward voltage. It depends on the magnitude of the saturation voltage when the semiconductor power element is turned on in the second state, and the amount of change in the second forward voltage of the diode due to the change in the current flowing through the diode is subtracted from that when the semiconductor power element is turned on. A deterioration diagnostic device for a semiconductor power element, which is characterized by obtaining a saturation voltage.
前記ダイオードの第２の順電圧変化量は、ダイオードに流れる電流（ＩＦ）毎のダイオードの順電圧（ＶＦ）の特性から求めることを特徴とする請求項１に記載の半導体電力素子の劣化診断装置。 The first forward voltage change amount of the diode is obtained from the negative characteristic of the temperature-forward voltage characteristic.
The deterioration diagnostic apparatus for a semiconductor power device according to claim 1, wherein the second forward voltage change amount of the diode is obtained from the characteristics of the forward voltage (VF) of the diode for each current (IF) flowing through the diode. ..
前記半導体電力素子のコレクタ−エミッタ間を短絡させた第１の状態において、前記温度検出部の温度検出データおよび前記電圧検出部の電圧検出データを記録・保存するステップと、
前記コレクタ−エミッタ間短絡を解除し半導体電力素子を主回路に接続して通常運転させた第２の状態において、前記電圧検出部により検出され、半導体電力素子のオン時の飽和電圧および前記ダイオードの順電圧を含んだ、前記ダイオードおよび抵抗素子の共通接続点電圧から、温度−順電圧特性の負特性により求めた温度変化によるダイオードの第１の順電圧変化量と、前記第２の状態における半導体電力素子のオン時の飽和電圧の大きさに依存し、前記ダイオードに流れる電流変化によるダイオードの第２の順電圧変化量とを差し引いて、半導体電力素子のオン時の飽和電圧を求めるステップと、
前記求められたオン時の飽和電圧に基いて半導体電力素子の劣化診断を行うステップと、を備えたことを特徴とする半導体電力素子の劣化診断方法。 A diode and a resistance element connected in series between a collector and an emitter of a semiconductor power element that constitutes the main circuit of a power converter and is controlled to be turned on and off, a temperature detector that detects the temperature in the vicinity of the diode, and a temperature detector. A method for diagnosing deterioration of a semiconductor power element in a device provided with a voltage detection unit that detects a voltage at a common connection point between the diode and the resistance element.
A step of recording and storing the temperature detection data of the temperature detection unit and the voltage detection data of the voltage detection unit in the first state in which the collector and the emitter of the semiconductor power element are short-circuited.
In the second state in which the collector-emitter short circuit is released and the semiconductor power element is connected to the main circuit for normal operation, the saturation voltage when the semiconductor power element is turned on and the saturation voltage of the diode detected by the voltage detector are detected. The first forward voltage change amount of the diode due to the temperature change obtained from the common connection point voltage of the diode and the resistance element including the forward voltage by the negative characteristic of the temperature-forward voltage characteristic, and the semiconductor in the second state. A step of obtaining the saturation voltage when the semiconductor power element is on by subtracting the second forward voltage change amount of the diode due to the change in the current flowing through the diode, which depends on the magnitude of the saturation voltage when the power element is on.
A method for diagnosing deterioration of a semiconductor power element, which comprises a step of diagnosing deterioration of the semiconductor power element based on the obtained saturation voltage at the time of on.
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