JP2024003849A - Ｉｇｂｔパワーシステムおよび劣化診断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＩＧＢＴユニットに余分な計測機器を設けずに劣化を診断する。【解決手段】ＩＧＢＴパワーシステムは、ＩＧＢＴを備えた電力変換回路と、ＩＧＢＴを制御する制御装置４と、ＩＧＢＴの劣化を診断する劣化診断装置５と、を備える。劣化診断装置５は、事前準備時のＵ相電流が正ピーク時および負ピーク時、Ｖ相電流が正ピーク時および負ピーク時、Ｗ相電流が正ピーク時および負ピーク時の６モードの電圧指令値から劣化診断時の６モードの電圧指令値を減算した６モードの電圧指令差に基づいて、ＩＧＢＴの劣化判定を行う。【選択図】図４

Description

本発明は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）など半導体デバイスの劣化診断に関する。

デバイス電圧を使って半導体デバイスの劣化診断を行う先行技術として例えば非特許文献１が開示されている。

ＩＧＢＴの寿命の主要な原因の一つとして、オン／オフ動作によって生じる熱サイクル疲労により素子と端子の間のボンディングワイヤが破断することが知られている。そしてこの疲労劣化に伴いＶＣＥ飽和電圧が上昇していくことも知られている（非特許文献１）。図１に示すように、この疲労劣化によるデバイス電圧（ＶＣＥ飽和電圧）の上昇は出願人も実験により確認した。

ＶＣＥ飽和電圧とは、ＩＧＢＴオン時におけるＩＧＢＴのコレクタ－エミッタ間電圧のことである。ＩＧＢＴがオフのときはコレクタ－エミッタ間は絶縁状態で（数百ボルトの）電源電圧が掛かるが電流は流れない。ＩＧＢＴがオンになるとこの電圧が下がり電流が流れるようになるが、コレクタ－エミッタ間電圧はゼロにはならない。この残留電圧をＶＣＥ飽和電圧と呼ぶ。

図１はＩＧＢＴを継続的に運転して、クロスポイントと呼ばれるＶＣＥ飽和電圧が温度の影響を受けにくい電流値でＶＣＥ飽和電圧を繰り返し計測し、運転時間を横軸にプロットし、ＶＣＥ飽和電圧を縦軸にプロットしたものである。数値は最初の１日（２４時間）における計測値の平均が１になるよう正規化している。

なお、実験時に欠測があり３００～４００時間あたりなど一部の計測値が抜けている。また４５０時間を超えたところでＩＧＢＴが破壊している。ＶＣＥ飽和電圧は計測のバラつきにより幅を持っているが時間とともに上昇し、故障前に大きく上昇していることが見てとれる。

一方でＩＧＢＴはスイッチング時の過渡変動を緩和するためエミッタからコレクタへ電流を流す還流ダイオードを並列に接続してセットで使用する。実際のＩＧＢＴユニットは還流ダイオードを含んだものも多い。先の劣化事例はＩＧＢＴ素子に関するものだが、還流ダイオードも素子と端子の間をボンディングワイヤで繋いでいるのは同様であり、オンオフ動作による熱サイクルも同様になるので、還流ダイオードの劣化も同様と考えられる。

三相出力のＩＧＢＴパワー回路は図２のように、ＤＣ電源ＤＣのプラス側とマイナス側とにＩＧＢＴ－還流ダイオードのセットとしたユニットを相ごとに２つずつ接続し、その接続点から各相の負荷Ｕ，Ｖ，Ｗへ電力を供給する。

通常、ＩＧＢＴパワー回路はＰＷＭ制御により各ＩＧＢＴが毎秒数千回オンオフされることにより負荷に交流電流を送る。一つの相のプラス側のＩＧＢＴとマイナス側のＩＧＢＴが同時にオンになると回路が短絡するため、ある瞬間にはプラス側／マイナス側の一方のみがオンとなるように制御する。

負荷に含まれるインダクタンスにより負荷電流は高頻度なＩＧＢＴオンオフに追従しないため、タイミングにより電流がＩＧＢＴオンになっているユニットの還流ダイオードに流れる。従って負荷電流の多寡によりＩＧＢＴ／還流ダイオードともに流れる電流が変わり、それによる損失により熱サイクルが発生して劣化原因となる。

Nausicaa Dornic, Zoubir Khatir, Son Ha Tran, Ali Ibrahim, Richard Lallemand, Jean-Pierre Ousten, Jeffrey Ewanchuk, and Stefan V. Mollov, "Stress-Based Model for Lifetime Estimation of Bond Wire Contacts Using Power Cycling Tests and Finite-Element Modeling", IEEE JOURNAL OF EMERGING AND SELECTED TOPICS IN POWER ELECTRONICS, VOL. 7, NO. 3, SEPTEMBER, 2019

デバイス電圧（ＶＣＥ飽和電圧）を計測し続ければＩＧＢＴの劣化を捕捉できるが、現実的にはユニット（ＩＧＢＴと還流ダイオードのセット）ごとに追加の電圧計を取り付け、継続的に計測を続けることは困難である。

以上示したようなことから、ＩＧＢＴユニットに余分な計測機器を設けずに劣化を診断することが課題となる。

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、ＩＧＢＴを備えた電力変換回路と、前記ＩＧＢＴを制御する制御装置と、前記ＩＧＢＴの劣化を診断する劣化診断装置と、を備えたＩＧＢＴパワーシステムであって、前記劣化診断装置は、事前準備時のＵ相電流が正ピーク時および負ピーク時、Ｖ相電流が正ピーク時および負ピーク時、Ｗ相電流が正ピーク時および負ピーク時の６モードの電圧指令値から劣化診断時の前記６モードの電圧指令値を減算した前記６モードの電圧指令差に基づいて、前記ＩＧＢＴの劣化判定を行うことを特徴とする。

また、その一態様として、前記劣化診断装置は、事前準備時に、前記６モードの電圧指令値を記録し、劣化診断時に、前記６モードの電圧指令値を記録し、各モードの劣化診断時の電圧指令値から各モードの事前準備時の電圧指令値を減算して各モードの前記電圧指令差を算出し、各モードの前記電圧指令差の中から最大値を抽出し、前記最大値の相以外の相の前記電圧指令差の平均値を算出し、前記最大値と前記平均値に基づいて寿命判定を行い、判定結果を出力することを特徴とする。

また、その一態様として、前記劣化診断装置は、前記最大値から前記平均値の４割を差し引いた値が寿命とするデバイス電圧差の６割以上の場合に劣化と判定することを特徴とする。

また、その一態様として、前記電力変換回路から出力された各相の負荷電圧を計測し、事前準備時の電圧指令値および劣化診断時の電圧指令値から各相の前記負荷電圧を差し引いた値を事前準備時の電圧指令値および劣化診断時の電圧指令値として記録することを特徴とする。

また、その一態様として、前記電力変換回路から出力された線間電圧を計測し、前記線間電圧から各相の負荷電圧を算出し、事前準備時の電圧指令値および劣化診断時の電圧指令値から各相の前記負荷電圧を差し引いた値を事前準備時の電圧指令値および劣化診断時の電圧指令値として記録することを特徴とする。

本発明によれば、ＩＧＢＴユニットに余分な計測機器を設けずに劣化を診断することが可能となる。

ＩＧＢＴ運転時間によるＶｃｅ飽和電圧の推移を示す図。 従来のＩＧＢＴパワー回路の一例を示す回路図。 ＩＧＢＴユニットの構成を示す図。 実施形態１のＩＧＢＴパワーシステムを示す回路図。 劣化診断する電流位相を示す図。 実施形態１の電圧指令による劣化診断アルゴリズムを示すフローチャート。 実施形態２のＩＧＢＴパワーシステムを示す回路図。 実施形態２の電圧指令による劣化診断アルゴリズムを示すフローチャート。 実施形態３のＩＧＢＴパワーシステムを示す回路図。

以下、本願発明におけるＩＧＢＴパワーシステムおよび劣化診断方法の実施形態１～３を図３～図９に基づいて詳述する。

［実施形態１］
インバータの制御装置４が生成する電圧指令値には負荷電圧のほかにＩＧＢＴのＶＣＥ飽和電圧や還流ダイオードの負荷電圧の影響も含まれる。これを使ってデバイスの劣化を把握する方式を説明する。

まず、ユニットの構成に関して説明する。一つのユニットは図３に示すようにＩＧＢＴ１のコレクタＣ、エミッタＥと還流ダイオード２のカソードＫ、アノードＡがそれぞれボンディングワイヤ３でモジュール端子に接続されている。ＩＧＢＴ１と還流ダイオード２が一つの素子になり共通のボンディングワイヤ３でモジュール端子に接続されたものもあるが、大電力を扱うＩＧＢＴユニットでは異なるボンディングワイヤ３でそれぞれに繋がっているものが多い。また、一配線がそれぞれ数本から十数本のワイヤからなる。

ＩＧＢＴ１はゲートＧ－エミッタＥ間に電圧を掛けないとコレクタＣ－エミッタＥ間は絶縁状態（オフ）だが、ゲートＧ－エミッタＥ間に（十数ボルトの）電圧を掛けるとオンになってコレクタＣ－エミッタＥ間の電圧が下がりコレクタ（Ｃ）－エミッタ（Ｅ）間に（上から下へ）電流が流れるようになる。

なお、還流ダイオード２はＩＧＢＴ１のスイッチングの際に（下から上へ）電流を流して電圧を吸収するためにある。従って、電流が上から下へ（ＩＧＢＴ１に）流れるときと、下から上へ（還流ダイオード２に）流れるときで通過するボンディングワイヤ３が異なる可能性があり、両者の劣化具合が異なる可能性がある。

なお、ゲートＧもボンディングワイヤ３でモジュール端子と接続されているがコレクタＣ－エミッタＥ間のように大電流が流れるわけではないので主な劣化原因とはならず図３では省略している。

実際の三相のパワー回路では図２のように図３のＩＧＢＴユニットを２つ直列につないで中間から電力を出力し、それらを３セット用意して三相インバータ回路を構成する。

このため、一相分の２ユニットを一つにまとめた２ｉｎ１モジュールや三相回路の６ユニットを一つにまとめた６ｉｎ１モジュールもある。故障前にモジュール交換の機会を得るために劣化診断することを考えると、２ｉｎ１モジュールでは三相のいずれのモジュールの劣化が進んでいるか分かれば良いし、６ｉｎ１モジュールではどこかの劣化が進んでいることが分かればよい。

図４に本実施形態１の劣化診断方法を行うＩＧＢＴパワーシステムの構成を示す。図４では、電力変換回路としてインバータ装置を適用している。図４に示すように、ＤＣ電源ＤＣの正極と負極との間にはユニットＵ＋，Ｕ－が直列接続される。また、ＤＣ電源ＤＣの正極と負極との間にはユニットＶ＋，Ｖ－が直列接続される。また、ＤＣ電源ＤＣの正極と負極との間にはユニットＷ＋，Ｗ－が直列接続される。ユニットＵ＋，Ｕ－，Ｖ＋，Ｖ－，Ｗ＋，Ｗ－でインバータ装置を構成している。

ユニットＵ＋，Ｕ－の接続点、ユニットＶ＋，Ｖ－の接続点、ユニットＷ＋，Ｗ－の接続点にはそれぞれ負荷Ｕ，Ｖ，Ｗが接続される。ここで６つのユニットＵ＋～Ｗ－はＩＧＢＴ１と還流ダイオード２からなる図３のようなユニットである。また、ＩＧＢＴパワーシステムには、制御装置４，劣化診断装置５，各相の負荷電流（Ｕ相電流Ｉ_Ｕ，Ｖ相電流Ｉ_Ｖ，Ｗ相電流Ｉ_Ｗ）を検出する電流検出器６が設けられる。

図４では６ユニットで記載しているが、プラス側／マイナス側を合わせた２ｉｎ１モジュールを３つあるいは６ｉｎ１モジュール１つを使った構成でも同様である。なお、図４はＤＣ電源ＤＣで記載しているが、交流から直流を作るコンバータ装置を含め交流電源を入力とするコンバータ－インバータ装置であっても良い。

制御装置４は、電流検出器６で計測した負荷電流（Ｕ相電流Ｉ_Ｕ，Ｖ相電流Ｉ_Ｖ，Ｗ相電流Ｉ_Ｗ）に基づいて必要な出力電流を出力するための電圧指令値を計算する。そこからＰＷＭ周期ごとに相ごとのマイナス側とプラス側のデューティ（重み）を算出し、それにより各ユニットＵ＋～Ｗ－へ各瞬間におけるＩＧＢＴのオンオフ信号を送出する。また劣化診断のために各瞬間の電圧指令値と負荷電流（Ｕ相電流Ｉ_Ｕ，Ｖ相電流Ｉ_Ｖ，Ｗ相電流Ｉ_Ｗ）を劣化診断装置５に送出する。

劣化診断装置５は制御装置４から受け取った電圧指令値および負荷電流（Ｕ相電流Ｉ_Ｕ，Ｖ相電流Ｉ_Ｖ，Ｗ相電流Ｉ_Ｗ）を基に劣化度合を示す数値（劣化指標値）を計算して劣化状態を診断する。図４において劣化診断装置５はインバータ装置に半分含まれる表記をしているが、内蔵していても良いし外付け装置でも良い。

診断結果は劣化指標値を随時表示したり閾値を超えた時点で警報したりする。表示や警報の手段としては現場でパネルなどによって提示したり通信回線を使って外部へ連絡したりする方法がある。

本実施形態１では、診断対象のインバータ装置の負荷が変化しない場合、あるいは変化しても外部条件を整えて定期的に同じ負荷条件で運転できることを想定する。診断用負荷を用意しても良い。

あらかじめ上記負荷条件で正弦波電流を作るよう制御して運転し、図５のような電流位相の６時点でそれぞれの電圧指令値を取得・記録する。

電圧指令値を取得する６時点（モード）は以下の（Ｕ＋）～（Ｗ－）である。
（Ｕ＋） Ｕ相電流Ｉ_Ｕが正ピークで、Ｖ相電流Ｉ_Ｖ・Ｗ相電流Ｉ_Ｗが負でほぼ等しいときのＵ相電圧指令値の絶対値。
（Ｖ＋） Ｖ相電流Ｉ_Ｖが正ピークで、Ｕ相電流Ｉ_Ｕ・Ｗ相電流Ｉ_Ｗが負でほぼ等しいときのＶ相電圧指令値の絶対値。
（Ｗ＋） Ｗ相電流Ｉ_Ｗが正ピークで、Ｕ相電流Ｉ_Ｕ・Ｖ相電流Ｉ_Ｖが負でほぼ等しいときのＷ相電圧指令値の絶対値。
（Ｕ－） Ｕ相電流Ｉ_Ｕが負ピークで、Ｖ相電流Ｉ_Ｖ・Ｗ相電流Ｉ_Ｗが正でほぼ等しいときのＵ相電圧指令値の絶対値。
（Ｖ－） Ｖ相電流Ｉ_Ｖが負ピークで、Ｕ相電流Ｉ_Ｕ・Ｗ相電流Ｉ_Ｗが正でほぼ等しいときのＶ相電圧指令値の絶対値。
（Ｗ－） Ｗ相電流Ｉ_Ｗが負ピークで、Ｕ相電流Ｉ_Ｕ・Ｖ相電流Ｉ_Ｖが正でほぼ等しいときのＷ相電圧指令値の絶対値。

なお、制御誤差を考慮して電流の数十サイクル分を使って同条件の電圧指令値を取得し、それぞれのモードでの平均値を初期状態（事前準備）でのそのモードの電圧指令値として記録する。

その後も劣化診断時に定期的に同じ負荷条件でモードごとに電流数十サイクル分の電圧指令値を取得し、平均値をそのとき（劣化診断時）のそのモードでの電圧指令値とする。各モードでの劣化診断時の電圧指令値から同じモードの初期状態（事前準備時）での電圧指令値を差し引き、各モードでの電圧指令差を算出する。

この電圧指令差の大きさで劣化度合が分かり、各モードでの電圧指令差の比較によりどのデバイスの劣化がより進んでいるかが分かる。以下にこの理由を述べる。

上記６モードでの電圧指令差と同じタイミングでの各デバイス電圧の差との関係は近似的に下記の（１）～（６）式を満たす。ボンディングワイヤ３が熱サイクル劣化したことによる抵抗増加でデバイス電圧が増加することを考えると劣化によるデバイス電圧や電圧指令値の増加は電流の位相と一致すると想定できる。

下記（１）式～（６）式で、Ｄ_ｕ，Ｄ_ｖ，Ｄ_ｗは各相のプラス側がオンになる時間の割合（デューティ）であり、その和Ｄ_ｕ＋Ｄ_ｖ＋Ｄ_ｗは三相交流の特性として３／２となる。ｄＶ_{ｃｍｄ？？}は各モード（？？＝Ｕ＋，Ｖ＋，Ｗ＋，Ｕ－，Ｖ－，Ｗ－）での電圧指令値の絶対値の劣化診断時と事前準備時（初期状態）との差（電圧指令差）である。

各式右辺のｄＶ_ｃｅ？？は各ユニット（？？＝Ｕ＋，Ｖ＋，Ｗ＋，Ｕ－，Ｖ－，Ｗ－）のＩＧＢＴのそのモード時点でのデバイス電圧の劣化診断時と事前準備時（初期状態）との差（デバイス電圧差）である。各式右辺のｄＶ_{ｆｗｄ？？}は各ユニット（？？＝Ｕ＋，Ｖ＋，Ｗ＋，Ｕ－，Ｖ－，Ｗ－）の還流ダイオードのそのモード時点でのデバイス電圧の劣化診断時と事前準備時（初期状態）との差（デバイス電圧差）である。ただし、モードごとに電流位相が異なるためデューティやデバイス電圧の値は同じデバイスでも異なる。Ｉ_Ｕ，Ｉ_Ｖ，Ｉ_Ｗは、負荷電流（Ｕ相電流Ｉ_Ｕ，Ｖ相電流Ｉ_Ｖ，Ｗ相電流Ｉ_Ｗ）である。

各モードでの電圧指令差ｄＶ_{ｃｍｄ？？}とその時のデバイス電圧差の関係式は、以下の（１）式～（６）式となる。

ｄＶ_{ｃｍｄＵ＋}を例に電圧指令差とデバイス電圧差ｄＶ_ｃｅ？？，ｄＶ_{ｆｗｄ？？}について説明する。これはＵ相電流が正ピークのときの値なのでＵ相デバイス電圧はピークになる。しかし、他相のデバイス電圧は電流が半分のときのものである。そのため、Ｕ相デバイス電圧差ｄＶ_ｃｅＵ＋，ｄＶ_{ｆｗｄＵ－}がともに０．１Ｖのとき、他相のデバイス電圧差ｄＶ_{ｆｗｄＶ＋}，ｄＶ_ｃｅＶ－，ｄＶ_{ｆｗｄＷ＋}，ｄＶ_ｃｅＷ－は同様の劣化で０．０５Ｖが妥当である。ゆえに、電圧指令差ｄＶ_{ｃｍｄＵ＋}＝０．１Ｖとなる。劣化がどのデバイスも同等と考えるとき他モードでの電圧指令差も同じになる。

一方、Ｕ相デバイスのみ劣化していてＵ相デバイス電圧差ｄＶ_ｃｅＵ＋，ｄＶ_{ｆｗｄＵ－}が０．１Ｖで、他相のデバイス電圧差ｄ_{ＶｃｅＶ－}，ｄＶ_{ｆｗｄＶ＋}，ｄＶ_ｃｅＷ－，ｄＶ_{ｆｗｄＷ－}が０Ｖ差のとき電圧指令差ｄＶ_{ｃｍｄＵ＋}＝０．０６６…Ｖとなる。電圧指令差ｄＶ_{ｃｍｄＵ－}も同じである。それ以外のモードでは電流がピークの半分でデバイス電圧差ｄＶ_{ｆｗｄＵ＋}，ｄＶ_ｃｅＵ－は０．０５Ｖとなるので、他相の電圧指令差ｄＶ_{ｃｍｄＶ＋}，ｄＶ_{ｃｍｄＷ＋}，ｄＶ_{ｃｍｄＶ－}，ｄＶ_{ｃｍｄＷ－}は０．０１６６…Ｖ差とＵ相の電圧指令差ｄＶ_ｃｍｄ＋，ｄＶ_ｃｍｄ－の１／４になる。

従って、デバイス劣化が最も進んでいる相の電圧指令差はデバイス電圧差の２／３倍から同じくらいになる。ただし、電圧指令差が２／３倍となるのは一相のみ劣化して他相は全く劣化しない場合であり現実的ではない。

デバイス電圧は５％ほど増加すると寿命が近いとされる。ピークのデバイス電圧２．２Ｖのとき、これは０．１１Ｖに相当する。これを基に以下の手順で劣化判定する。

［１］６モードの電圧指令差で最も大きいもの（劣化の激しいもの）を選択する。以下これがｄＶ_ｃｍｄ＋とする。

［２］他２相の電圧指令差の平均値ｄＶ_{ｃｍｄｏｔｈｅｒ}を以下の（７）式により算出する。

［３］以下の（８）式のように、最も劣化したモードの電圧指令差から他２相の平均値の４割を差し引いたものが寿命とするデバイス電圧差ｄＶ_{ｄｅｖｅｎｄ}の６割以上なら寿命が近いと判定する。

ここで、寿命とするデバイス電圧差ｄＶ_{ｄｅｖｅｎｄ}は寿命が近いと判断するデバイス電圧差（上の例で０．１１Ｖ）である。

［３］で寿命が近いと判定されたときデバイスの劣化が進んでおり［１］で選択された相のデバイスが最も劣化が進んでいる。

ここでは、Ｕ相の電流が最大の場合について説明したが、他相の電流が最大の場合も同様にして劣化判定が可能である。

以上の本実施形態１の劣化診断アルゴリズムのフローチャートを図６に示す。本実施形態１では事前準備時と劣化診断時は同じ負荷条件とする。図６に示すように、事前準備としてＳ１で、６モードの電圧指令値（各モード数十サイクルの平均）を記録する。

次に、劣化診断としてＳ２で、６モードの電圧指令値（各モード数十サイクルの平均）を記録する。Ｓ３では、６モードの事前準備時の電圧指令値と劣化診断時の電圧指令値の電圧指令差を算出する。Ｓ４では、６モードの電圧指令差のうち最大値ｄＶ_ＭＡＸを抽出する。Ｓ５では、他相の電圧指令差の平均値ｄＶ_{ＯＴＨＥＲ}を（７）式により算出する。Ｓ６では、（８）式のｄＶ_ＭＡＸ－０．４ｄＶ_{ＯＴＨＥＲ}≧０．６ｄＶ_ＥＮＤに基づいて、寿命判定を行う。Ｓ７では、寿命判定の結果を出力する。

このように、図６では、事前準備は最初に一度行い、劣化診断は定期的に実施する。

以上示したように、本実施形態１によれば、ＩＧＢＴパワーシステムにおいて劣化診断のためにデバイスやユニットごとに電圧計を設置することなく既に制御のために算出している電圧指令値を利用して劣化診断することができる。

［実施形態２］
図７に本実施形態２の劣化診断方法を行うＩＧＢＴパワーシステムの構成を示す。本実施形態２では、実施形態１のシステムに対し、三相の負荷電圧を計測する電圧計７を追加している。計測した各相の負荷電圧は劣化診断装置５に送られ、劣化診断に利用する。

実施形態１では定期的に同じ負荷条件で電圧指令値を記録できることを想定したが、これは困難であることが多い。本実施形態２では負荷電圧を計測することで負荷の影響を取り除く。なお、電流波形がおおよそ三相正弦波になることを前提とする。

実施形態１との違いは、電圧指令値を記録する際に電圧指令値から同じ時刻で計測した各相の負荷電圧を差し引いて記録する点である。電圧指令差はこの記録した事前準備時の電圧指令値と劣化診断時の電圧指令値の差とするので負荷電圧の違いが除かれる。

後の処理は実施形態１と同様になる。本実施形態２の劣化診断アルゴリズムのフローチャートを図８に示す。図８に示すように、Ｓ８では、Ｓ１と同様に事前準備において６モードの電圧指令値（各モード数十サイクルの平均）を記録する。ただし、実施形態１とは異なり電圧指令値から同時刻の負荷電圧を差し引いた値を記録する。

Ｓ９では、Ｓ２と同様に劣化診断において、６モードの電圧指令値（各モード数十サイクルの平均）を記録する。ただし、実施形態１と異なり電圧指令値から同時刻の負荷電圧を差し引いた値を記録する。Ｓ３以降は実施形態１と同様である。

以上示したように、本実施形態２は実施形態１と同様の作用効果を奏する。また、本実施形態２は同じ負荷条件でなくても劣化診断を行うことが可能となる。また、電圧指令値から負荷電圧を引いた値を用いることで劣化診断の精度を高めることができる。

［実施形態３］
図９に本実施形態３の劣化診断方法を行うＩＧＢＴパワーシステムの構成を示す。本実施形態３は実施形態２と同様に負荷電圧を計測することで劣化診断の条件を緩和している。ただし、負荷電圧は中性点との間の相電圧でなく線間電圧を計測する。これにより電圧計測をインバータ装置内に局所化できる。

実施形態１で記録する電圧指令値から同じ時刻で計測した負荷電圧を差し引いて記録するのは実施形態２と同様である。ただし、実施形態２と異なり計測する負荷電圧は相電圧でなく線間電圧であるので、これを相電圧に換算する計算が追加される。

線間電圧をＶ_ＵＶ，Ｖ_ＶＷ，Ｖ_ＷＵ、相電圧をＶ_Ｕ，Ｖ_Ｖ，Ｖ_Ｗとするとき、以下の（９）式～（１２）式により、相電圧Ｖ_Ｕ，Ｖ_Ｖ，Ｖ_Ｗは（１３）式～（１５）式となる。

劣化診断装置５は、（１３）式～（１５）式により線間電圧Ｖ_ＵＶ，Ｖ_ＶＷ，Ｖ_ＷＵに基づいて、相電圧（各相の負荷電圧）Ｖ_Ｕ，Ｖ_Ｖ，Ｖ_Ｗを算出する。そして、電圧指令値から相電圧（各相の負荷電圧）Ｖ_Ｕ，Ｖ_Ｖ，Ｖ_Ｗを差し引いて記録する。

以上示したように、本実施形態３によれば実施形態１と同様の作用効果を奏する。また、実施形態２と同様に、同じ負荷条件でなくても適用可能となる。また、計測コストを下げつつ、劣化診断を行うことが可能となる。

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…ＩＧＢＴ
２…還流ダイオード
３…ボンディングワイヤ
ＤＣ…ＤＣ電源
ＵＶＷ…負荷
Ｃ…コレクタ
Ｅ…エミッタ
Ｇ…ゲート
Ｋ…カソード
Ａ…アノード
Ｕ＋，Ｕ－，Ｖ＋，Ｖ－，Ｗ＋，Ｗ－…ユニット
４…制御装置
５…劣化診断装置
６…電流検出器
７…電圧計

Claims (6)

1. ＩＧＢＴを備えた電力変換回路と、
   前記ＩＧＢＴを制御する制御装置と、
   前記ＩＧＢＴの劣化を診断する劣化診断装置と、
   を備えたＩＧＢＴパワーシステムであって、
   前記劣化診断装置は、
   事前準備時のＵ相電流が正ピーク時および負ピーク時、Ｖ相電流が正ピーク時および負ピーク時、Ｗ相電流が正ピーク時および負ピーク時の６モードの電圧指令値から劣化診断時の前記６モードの電圧指令値を減算した前記６モードの電圧指令差に基づいて、前記ＩＧＢＴの劣化判定を行うことを特徴とするＩＧＢＴパワーシステム。
2. 前記劣化診断装置は、
   事前準備時に、前記６モードの電圧指令値を記録し、
   劣化診断時に、前記６モードの電圧指令値を記録し、
   各モードの劣化診断時の電圧指令値から各モードの事前準備時の電圧指令値を減算して各モードの前記電圧指令差を算出し、
   各モードの前記電圧指令差の中から最大値を抽出し、
   前記最大値の相以外の相の前記電圧指令差の平均値を算出し、
   前記最大値と前記平均値に基づいて寿命判定を行い、
   判定結果を出力することを特徴とする請求項１記載のＩＧＢＴパワーシステム。
3. 前記劣化診断装置は、
   前記最大値から前記平均値の４割を差し引いた値が寿命とするデバイス電圧差の６割以上の場合に劣化と判定することを特徴とする請求項２記載のＩＧＢＴパワーシステム。
4. 前記電力変換回路から出力された各相の負荷電圧を計測し、事前準備時の電圧指令値および劣化診断時の電圧指令値から各相の前記負荷電圧を差し引いた値を事前準備時の電圧指令値および劣化診断時の電圧指令値として記録することを特徴とする請求項２記載のＩＧＢＴパワーシステム。
5. 前記電力変換回路から出力された線間電圧を計測し、前記線間電圧から各相の負荷電圧を算出し、事前準備時の電圧指令値および劣化診断時の電圧指令値から各相の前記負荷電圧を差し引いた値を事前準備時の電圧指令値および劣化診断時の電圧指令値として記録することを特徴とする請求項２記載のＩＧＢＴパワーシステム。
6. ＩＧＢＴを備えた電力変換回路と、
   前記ＩＧＢＴを制御する制御装置と、
   前記ＩＧＢＴの劣化を診断する劣化診断装置と、
   を備えたＩＧＢＴパワーシステムの劣化診断方法であって、
   前記劣化診断装置は、
   事前準備時のＵ相電流が正ピーク時および負ピーク時、Ｖ相電流が正ピーク時および負ピーク時、Ｗ相電流が正ピーク時および負ピーク時の６モードの電圧指令値から劣化診断時の前記６モードの電圧指令値を減算した前記６モードの電圧指令差に基づいて、前記ＩＧＢＴの劣化判定を行うことを特徴とする劣化診断方法。

Images