JP4041297B2 - Power converter - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力変換用半導体スイッチング素子を電力変換の主回路要素とする電力変換装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
電力変換用半導体スイッチング素子は、モータドライブ用インバータや電力送電用変換器などの電力変換装置の基幹部品として広く使用されている。これらの電力変換装置には,故障によって社会に大きな影響を与えるものも多い。そのような電力変換装置は冗長設計をすることによって、電力変換用半導体スイッチング素子が故障しても運転を継続できるように講じられている。そして、定期点検時に故障した電力変換用半導体スイッチング素子を交換するように運用される。
【0003】
近年、電力変換用半導体スイッチング素子は高電圧・大電流に優れたゲートターンオフサイリスタ(GTO)に代わって、高電圧・大電流ならびに高速スイッチングに優れた絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)に代表される電圧駆動型の電力変換用半導体スイッチング素子(以下、単に半導体スイッチング素子と略称する)が使用される傾向にある。
【0004】
電力変換装置に使われる半導体スイッチング素子の数は,主回路やその装置容量によって異なっている。また、社会的に重要な装置ほど、許容される装置の停止時間が限られているため、故障している半導体スイッチング素子の場所を特定するための回路を設ける必要性もでてくる。
【0005】
図8は典型的な3相ブリッジ回路である。同図において、半導体スイッチング素子1及び還流ダイオード2を逆並列接続して片側のアーム3を形成し、このアーム3の直列接続回路を3個並列接続することによって3相ブリッジ回路4を構成している。そして、各アームの直列接続回路の両端に直流母線P,Nが接続され、これら直列接続された各アームの相互接続点に3相交流母線R,S,Tが接続される。
【0006】
図9は図8に示した半導体スイッチング素子1のゲート制御と素子故障検出を説明するために部分的にブロックで示した回路図である。ここで、半導体スイッチング素子1は、ゲート抵抗8を介して、ゲートGとエミッタEとの間にオン/オフのゲート電圧を印加することによってスイッチング動作を行う。このとき、半導体スイッチング素子1のコレクタCとエミッタEとの間には、そのオフ期間中に主回路電圧VCEがかかり、オン期間中はこの半導体スイッチング素子1のオン電圧(理想的には略ゼロの電圧)となる。半導体スイッチング素子1にそれぞれ対応して設けられる第1の制御回路5は、ゲート制御信号GP(正側アームを形成する半導体スイッチング素子に対してGP-U、負側アームを形成する半導体スイッチング素子に対してGP−X、・・であるがこれらをまとめてGPと略記する)を受けて、半導体スイッチング素子1にオン/オフのゲート電圧を印加する機能と、半導体スイッチング素子1のコレクタCとエミッタEとの間に印加する主回路電圧の有無を検出して第2の制御回路6に電圧監視信号CFを出力する機能とを備えている。
【0007】
図10はU相アームに対応して設けられる半導体スイッチング素子の異常検出回路の概略構成を示すブロック図で、第1の制御回路5中に比較手段51が設けられ、第2の制御回路6中に比較手段61が設けられている。ここで、比較手段51は、U相のC−E間電圧VCE-Uの基準値と実際に発生した電圧とを比較し、実際に発生した電圧が基準値を超えている場合、電圧ありとしてC−E間電圧監視信号CF-Uを出力する。そして、比較手段61はゲート制御信号GP-Uと,前述のC−E間電圧監視信号CF-Uとを比較し、本来、電圧が観測されなければならないタイミングに、電圧を観測できなかった場合,異常検出信号CFDを出力する構成になっている.
図11(a),(b)は半導体スイッチング素子の正常時と異常時の各動作を説明するためのタイムチャートである。正常時には、(a)に示すように、ゲート制御信号GP-Uに対して、ゲート回路が動作してゲートGとエミッタEとの間に正常なゲート電圧VGE-Uが印加される。半導体スイッチング素子1をオン状態にすればC−E間電圧VCE-Uはなくなり、オフ状態にすれば、C−E間の電圧VCE-Uが観測される。この電圧を比較手段51が基準値と比較し、観測電圧の有無としてC−E間の電圧と同相のC−E間の電圧監視信号CF-Uを出力する。この場合、ゲート制御信号GP-Uがゼロ、すなわち電力半導体素子1をオフ状態にしている間でC−E間に電圧を観測しており、比較手段61から故障検出信号CFDは出力されない。
【0008】
逆に、異常時には、(b)に示すように、ゲート制御信号GP-Uがゼロ、すなわち、電力半導体素子1をオフ状態にしているにもかかわらずC−E間の電圧監視信号CF-Uが観測されないとすれば、比較手段61は故障検出信号CFDを出力する。図10に示した比較手段61は故障検出信号CFDがどの個所に組み込まれた半導体スイッチング素子であるかの特定を可能にするので、素子交換の必要な場所が分かる。これにより、定期点検時や緊急の保守対応時に迅速に素子交換を行うことができる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
近年,装置の運転信頼性の更なる向上が要求されている。素子故障が発生してからではなく、どの素子が異常兆候を示したか、どの素子が、いつ頃、素子故障となるのかの予想ができれば、装置の稼動状況を考慮して装置の停止計画を組むことも可能である。一般に半導体スイッチング素子は手配してから納品されるまでのリードタイムが長いので、これらを事前に手配することもできる。
【0010】
本発明は,上記の事情を考慮してなされたもので、第1の目的はどの半導体スイッチング素子が異常兆候を示したかを検出することのできる電力変換装置を提供するにある。
【0011】
本発明の第2の目的は、どの半導体スイッチング素子がいつ頃、素子故障となるのかを予想することのできる電力変換装置を提供するにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
各種の素子耐量評価を実施した結果、原因については更なる究明が必要ではあるが,素子故障の事前兆候としてゲート漏れ電流が増加することが、実験的に見出された。そこで、本発明では、半導体スイッチング素子の故障の兆候を観測する状態量として、ゲート漏れ電流の変化をモニターするものである。この場合、漏れ電流が増加するとゲート電圧が低下する原理を用いて、回路構成の簡易化を実現することができる。
【0014】
そこで、請求項1に係る発明は、
ゲートターンオフサイリスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ等の電力変換用半導体スイッチング素子を電力変換の主回路要素とする電力変換装置において、
電力変換用半導体スイッチング素子のゲート漏れ電流を検出する漏れ電流検出手段と、
装置の使用開始時の漏れ電流を基準にして、その大きさが一定値以上変化したとき、異常の兆候を示す素子異常検出信号を出力する素子異常検出手段と、
を備えたことを特徴とする。
【0015】
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の電力変換装置において、漏れ電流検出手段として、電力変換用半導体スイッチング素子のゲート・エミッタ間の電圧を検出する電圧検出回路を設け、この電圧検出回路によってゲート漏れ電流を間接的に検出することを特徴とする。
【0016】
請求項3に係る発明は、請求項2に記載の電力変換装置において、素子異常検出手段は、装置の使用開始時のゲート・エミッタ間の電圧データを記憶する初期値記憶手段と、現在のゲート・エミッタ間の電圧の検出値と初期値記憶手段に記憶された電圧データとの差を演算する電圧差演算手段と、この電圧差演算手段で演算された電圧差が予め設定された基準値を超えたとき、素子異常検出信号を出力する比較手段とを備えたことを特徴とする。
【0017】
請求項4に係る発明は、請求項3に記載の電力変換装置において、装置の使用開始時からの使用時間を計測するタイマと、素子異常検出手段が素子異常検出信号を出力した時点におけるタイマの計測時間と、予め設定された基準値とに基づいて、電力変換用半導体スイッチング素子が故障に至るまでの寿命推定時間を予測する演算手段とを備えたことを特徴とする。
【0018】
請求項5に係る発明は、請求項4に記載の電力変換装置において、初期値記憶手段、電圧差演算手段、比較手段及びタイマを複数組備え、前機比較手段は電圧差演算部で演算された電圧差を互いに異なる基準値を用いて比較し、演算手段は比較手段から素子異常検出信号を受信する毎に、寿命推定時間を逐次予測することを特徴とする。
【0019】
請求項6に係る発明は、請求項1乃至5のいずれか1項に記載の電力変換装置において、電力変換用半導体スイッチング素子のゲート・エミッタ間の電圧を通常運転時よりも高くする高電圧印加手段を備え、装置の稼動に支障のない期間にこの高電圧印加手段を用いて漏れ電流を検出することを特徴とする。
【0020】
請求項7に係る発明は、請求項1乃至6のいずれか1項に記載の電力変換装置において、半導体基板の一方の主面にコレクタ電極を形成し、他方の主面に複数のエミッタ電極及びゲート電極を形成すると共に、前記ゲート電極の直近に隣接配置された前記エミッタ電極を電圧検出専用の電極とした電力変換用半導体スイッチング素子を用いて、電力変換の主回路要素としたことを特徴とする。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。図1は本発明に係る電力変換装置の第1の実施形態の構成を部分的にブロックで示した回路図であり、図中、従来装置を示す図9と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。この実施形態は、半導体スイッチング素子1のゲートGとエミッタEとの間の漏れ電流検出手段として、Rgと表されたゲート抵抗8及び半導体スイッチング素子1のゲートGの相互接続点と、半導体スイッチング素子1のエミッタEとの間に印加されるゲート電圧VGEを検出するVGE検出回路9を設け、その検出信号を第1の制御回路5Aへ伝送し,この第1の制御回路5Aによってモニター信号VGEを監視し、ゲート漏れ電流が増加していると判断したときに素子異常検出信号CFDLを第2の制御回路6に送信するように構成した点が図9と構成を異にし、これ以外は図9と同一に構成されている。なお、図9に示したゲート制御信号GP-U、GP−Xは図面の簡単化のために省略している。
【0023】
図2は第1の制御回路6の具体的構成例で、特にU相の正側アームについて示したものであり、VGE検出回路9からモニター信号VGE-Uを受信して異常判定をする部分を示したものである。ここで、U相に対応して設けられる第1の制御回路5Aは初期値記憶手段52と比較手段53とを含んでいる。このうち、初期値記憶手段52はVGE検出回路9により検出された半導体素子1の初期ゲート電圧値、例えば、使用開始から1時間後に手動又は自動にて登録するものであり、比較手段53は初期値記憶手段52に登録された初期ゲート電圧値と現在の電圧値との差を演算する電圧差演算手段を内蔵し、演算された電圧差が予め設定した基準値1より大きくなった段階で素子異常検出信号CFDLを出力するように構成されている。
【0024】
上記のように構成された第1の実施形態の動作を図3のタイムチャートをも参照して以下に説明する。3相ブリッジ回路4を最初に運転開始してから、例えば、1時間後に手動又は自動にてVGE検出回路9により検出された半導体素子1の初期ゲート電圧値、すなわち、ゲート・エミッタ間の電圧値を初期値記憶手段52に登録する。比較手段53は、図3のタイムチャートに示すように、VGE検出回路9によって検出されたモニター信号VGE-Uの初期値Viと現在値Vrとの差ΔVGE-Uを求め、続いて、この差ΔVGE-Uが予め設定した基準値1を超えたときに素子異常検出信号CFDLを出力して第2の制御回路6に加える。この場合、基準値1を適切に設定することによって、素子故障となる前に異常の兆候を検出することができる。
【0025】
以上、3相ブリッジ回路4を構成するU相の正側の半導体スイッチング素子1の異常検出について説明したが、他の半導体スイッチング素子1に対応して設けられる第1の制御回路5Aにもそれぞれ図2に示したと同様な素子異常検出手段が設けられており、これによって、素子故障となる前に異常兆候を示した素子を検出することができる。
【0026】
なお、上述した第1の実施形態では、実際のゲート駆動電圧の初期値Viと現在値Vrとの差ΔVGE-Uが基準値1を超えるか否かにより、素子異常検出を行ったが、図示を省略したもう一つのゲート電圧印加回路を設け、装置の稼動に支障の内期間に意図的に昇圧したゲート電圧を印加し、運転開始時における初期ゲート電圧値と、定期的に昇圧したゲート電圧を印加た場合のゲート電圧値との差を演算し、その差が基準値を超えたか否かを判断して異常の有無を判断するように構成することもできる。このように、通常運転時より高い電圧を使用することによって、素子異常の兆候をより早期に検出することができる。
【0027】
また、上記の実施形態では比較手段53が電圧差演算手段を内蔵したが、この代わりに、現在のゲート・エミッタ間の電圧の検出値と初期値記憶手段52に保持された電圧データとの差を演算する電圧差演算手段と、この電圧差演算手段で演算された電圧差が予め設定された基準値を超えたとき、素子異常検出信号を出力する比較手段とを別個に設けて構成することもできる。
【0028】
図4は本発明に係る電力変換装置の第2の実施形態の構成を部分的にブロックで示した回路図である。図中、第1の実施形態を示す図1と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。この第2の実施形態は第1の制御回路5Bにおいて、素子故障となる前の異常兆候に対応する異常検出を行って素子異常検出信号CFDLを第2の制御回路6に加えると共に、半導体スイッチング素子が故障状態に到達するまでの時間を演算して、寿命推定時間データtEを第2の制御回路6に加えるようにした点が第1の実施形態と構成を異にし、これ以外は第1の実施形態と同一に構成されている。
【0029】
図5は第1の制御回路5Bのうち、特に、異常検出及び寿命推定を行う部分の構成を示すブロック図である。これは、前述した初期値記憶手段52及び比較手段53を備え、さらに、装置の稼動時間を検出して比較手段53が異常の兆候を検出した時点の時間データt1を出力するタイマ54と、比較手段53が異常の兆候を検出してから素子故障判定値△VGEMに到達する時間tEを演算し、素子異常検出信号CFDLを出力すると共に、寿命推定時間データtEを出力する演算器55とを備えている。
【0030】
上記のように構成された第2の実施形態の動作について以下に説明する。3相ブリッジ回路4を最初に運転開始してから、例えば、1時間後に手動又は自動にてVGE検出回路9により検出された半導体素子1の初期ゲート電圧値を初期値記憶手段52に登録する。比較手段53は、VGE検出回路9によって検出されたモニター信号VGE-Uの初期値Viと現在値Vrとの差ΔVGE-Uを求め、続いて、この差ΔVGE-Uが予め設定した基準値1を超えたことを示す信号をタイマ54に加える。タイマ54は装置の運転開始からの時間を計時しており、比較手段53が素子異常検出信号CFDLを出力したとき、運転時間データt1を演算器55に加える。演算器55は予め入力してある基準値1と、運転時間データt1とに基づいて、モニター信号VGE-Uの初期値Viに対する差、すなわち、予め入力してある素子故障判定値△VGEに到達する寿命推定時間tEを、例えば、時間(又は時間の対数)に略比例するものとして演算し、前述の素子異常検出信号CFDLと併せて第2の制御回路6に伝送する。第2の制御回路6は素子異常検出信号CFDLが送り込まれたこと、故障に至るまでの寿命推定時間tEを表示する。これにより、素子故障に至るまでの予想時間を把握できる電力変換装置を提供することができる。
【0031】
図6は本発明に係る電力変換装置の第3の実施形態の一部要素、すなわち、第1の制御回路の構成を示すブロック図である。ここで、比較手段53A〜53C、タイマ54A〜54C及び演算器56はいずれも図4中の第1の制御回路5Bにそれぞれ設けられるもので、比較手段53A〜53Cはそれぞれ図示を省略した初期値記憶手段52を付帯し、このうち、比較手段53Aはモニター信号VGE-Uの初期値Viと現在値Vrとの差ΔVGE-Uを求め、この差ΔVGE-Uが予め設定した基準値1を超えたことを示す信号をタイマ54Aに加える。比較手段53Bはモニター信号VGE-Uの初期値Viと現在値Vrとの差ΔVGE-Uを求め、この差ΔVGE-Uが予め設定した基準値2(>基準値1)を超えたことを示す信号をタイマ54Bに加える。比較手段53Cはモニター信号VGE-Uの初期値Viと現在値Vrとの差ΔVGE-Uを求め、この差ΔVGE-Uが予め設定した基準値3(>基準値2)を超えたことを示す信号をタイマ54Cに加える。
【0032】
タイマ54A〜54Cはそれぞれ基準値を超えたことを示す信号を受信する毎に、受信時の運転時間データt1〜t3を演算器56に加えるものである。演算器56はタイマ54A〜54Bからそれぞれ運転時間データt1〜t3と、基準値1〜3とに基づいて、故障に至るまでの寿命推定時間tEを予測する。
【0033】
次に、図6に示した第3の実施形態について、その動作を説明する。図5に示した実施形態は、モニター信号VGE-Uの初期値Viと現在値Vrとの差ΔVGE-Uが時間(又は時間の対数)に略比例することを前提として素子故障判定値△VGEに到達する寿命推定時間tEを演算した。しかし、ゲート電圧の初期値に対する差分ΔVGE-Uは、半導体スイッチング素子1の使用を開始した直後の時間変化率が比較的大きく、寿命推定時間tEに到達する直前における時間変化率がより大きくなるというような特性を有する。図6に示した第3の実施形態は半導体スイッチング素子1の特性に応じて予め設定した大きさの異なる基準値ごとに寿命推定時間tEの演算修正を行うものである。
【0034】
そこで、ゲート電圧の初期値に対する差分ΔVGE-Uが基準値1に到達したとき、実験又はシミュレーション等で得られた半導体スイッチング素子1自体の特性を加味して寿命推定時間tEを演算し、その後、ゲート電圧の差分ΔVGE-Uが基準値2に到達したとき寿命推定時間tEを演算修正し、さらに、ゲート電圧の差分ΔVGE-Uが基準値3に到達したとき寿命推定時間tEを再び演算修正する。これによって、寿命推定時間tEを正確に検出することができる。なお、この場合、演算器56は素子異常検出信号として、基準値1,2,3をそれぞれ超えたことを区別して第2の制御回路6に送信すると共に、その時の寿命推定時間tEの演算結果を第2の制御回路6に送信する。第2の制御回路6ではこれらの信号を受信した順に表示したり、あるいは、表示値を変更、修正したりする。この結果、故障に至るまでの寿命推定時間tEの予測値を修正して、第2の実施形態よりも正確な情報を提供することができる。
【0035】
なお、第3の実施形態では、レベルの異なる3種類の基準値1,2,3を用いたが、比較手段及びタイマの組み合わせ回路をより多く設け、演算回数を増やすことによって、素子故障に至る時間の推定精度をさらに向上させることができる。また、半導体スイッチング素子1の特性が安定している場合には図6に示した比較手段53C及びタイマ54Cを除去して演算を2回しか行わないように構成することももちろん可能であり、この場合でも図5に示した第2の実施形態よりも素子故障に至る時間の推定精度を向上させることができる。
【0036】
なお、上記の各実施形態では、初期値記憶手段52、比較手段53,53A,53B,53C、タイマ54,54A,54B,54C及び演算器55,56を全て第1の制御回路5に設けたが、これらの構成要素を第1の制御回路5及び第2の制御回路6に分割して設けても、さらに、第2の制御回路6にのみ設けても上述したと同様な効果が得られる。
【0037】
図7(a),(b)は本発明に係る電力変換装置に使用するのに好適な半導体スイッチング素子1の構成を示す平面図及びその断面図である。同図において、半導体基板10の一方の主面にコレクタを形成するコレクタ電極13が形成され、他方の主面にエミッタを構成する複数のエミッタ電極14、ゲート・エミッタ間の電圧の検出のためのみに用いるエミッタ電極15及びゲートを構成するゲート電極16が形成されている。この場合、ゲート電極16の周囲をエミッタ電極15によって包囲し、さらに、コレクタ電極側とエミッタ電極側との沿面絶縁を図るために、エミッタ電極14,15が形成される主面の全周縁部に絶縁物11が突出した状態に形成されている。
【0038】
この場合、エミッタ電極14は図中、左右2列に配置されているが、一方の列のエミッタ電極14の一つを、ゲート電極16を平面的に包囲するように変形して形成し、このエミッタ電極をゲート漏れ電流の検出用、すなわち、VGE検出用のエミッタ電極15としたものである。このように、他のエミック電極14と比較して、ゲート電極16に対して最も近い位置にVGE検出用のエミック電極15を配置することによって、
ゲートGとエミッタEとの間の電圧を正確に検出することができる。
【0039】
【発明の効果】
以上の説明によって明らかなように、本発明によれば、どの半導体スイッチング素子が異常兆候を示したかを検出することができる。また、どの半導体スイッチング素子がいつ頃、素子故障となるのかを予想することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る電力変換装置の第1の実施形態の構成を部分的にブロックで示した回路図。
【図2】図1に示した第1の実施形態を構成する第1の制御回路の具体的構成を示すブロック図。
【図3】図1及び図2に示した第1の実施形態の動作を説明するためのタイムチャート。
【図4】本発明に係る電力変換装置の第2の実施形態の構成を部分的にブロックで示した回路図。
【図5】図4に示した第2の実施形態を構成する第1の制御回路の具体的構成を示すブロック図。
【図6】本発明に係る第3の実施形態の一部の要素の詳細な構成を示すブロック図。
【図7】本発明を適用するに好適な電力変換用半導体スイッチング素子として、絶縁ゲートバイポーラトランジスタの構成を示す平面図及び断面図。
【図8】電力変換装置を構成する典型的な3相ブリッジ回路の構成を示す回路図。
【図9】図8に示した半導体スイッチング素子1のゲート制御と素子故障検出を説明するために、部分的にブロックで示した回路図。
【図10】図9に示した回路のU相に対応して設けられる半導体スイッチング素子の異常検出回路の概略構成を示すブロック図。
【図11】図10に示した異常検出回路の動作を説明するためのタイムチャート。
【符号の説明】
1 電力変換用半導体スイッチング素子
2 還流ダイオード
3 アーム
4 3相ブリッジ回路
5,5A,5B 第1の制御回路
6 第2の制御回路
8 ゲート抵抗
9 VGE検出回路
10 半導体基板
13 コレクタ電極
14,15 エミッタ電極
16 ゲート電極
51,61 比較手段
52 初期値記憶手段
53,53A,53B,53C 比較手段
54,54A,54B,54C タイマ
55,56 演算器
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a power conversion device having a power conversion semiconductor switching element as a main circuit element for power conversion.
[0002]
[Prior art]
BACKGROUND ART Power conversion semiconductor switching elements are widely used as basic components of power conversion devices such as motor drive inverters and power transmission converters. Many of these power converters have a great impact on society due to failures. Such a power conversion device is designed to be able to continue operation even if a semiconductor switching element for power conversion breaks down by performing a redundant design. And it operates so that the semiconductor switching element for power conversion which failed at the time of periodic inspection may be replaced.
[0003]
In recent years, semiconductor switching elements for power conversion are replaced with gate turn-off thyristors (GTOs) that excel in high voltage and large current, and voltages represented by insulated gate bipolar transistors (IGBT) that excel in high voltage, large current and high-speed switching. Drive-type power conversion semiconductor switching elements (hereinafter simply referred to as semiconductor switching elements) tend to be used.
[0004]
The number of semiconductor switching elements used in the power converter varies depending on the main circuit and the capacity of the device. In addition, since a socially important device has a limited allowable stop time of the device, it is necessary to provide a circuit for specifying the location of the failed semiconductor switching element.
[0005]
FIG. 8 shows a typical three-phase bridge circuit. In the figure, a semiconductor switching element 1 and a freewheeling diode 2 are connected in reverse parallel to form an arm 3 on one side, and a three-phase bridge circuit 4 is configured by connecting three series connection circuits of the arms 3 in parallel. Yes. The DC buses P and N are connected to both ends of the series connection circuit of each arm, and the three-phase AC buses R, S, and T are connected to the interconnection points of the arms connected in series.
[0006]
FIG. 9 is a circuit diagram partially shown in blocks for explaining gate control and element failure detection of the semiconductor switching element 1 shown in FIG. Here, the semiconductor switching element 1 performs a switching operation by applying an on / off gate voltage between the gate G and the emitter E via the gate resistor 8. At this time, the main circuit voltage VCE is applied between the collector C and the emitter E of the semiconductor switching element 1 during the OFF period, and the ON voltage of the semiconductor switching element 1 (ideally substantially zero during the ON period. Voltage). The first control circuit 5 provided corresponding to each of the semiconductor switching elements 1 includes a gate control signal GP (GP-U for the semiconductor switching element forming the positive arm, and the semiconductor switching element forming the negative arm). GP-X,... (Which are collectively abbreviated as GP), and a function of applying an on / off gate voltage to the semiconductor switching element 1, and a collector C and an emitter of the semiconductor switching element 1. A function of detecting the presence or absence of a main circuit voltage applied between the second control circuit 6 and the voltage control signal CF.
[0007]
FIG. 10 is a block diagram showing a schematic configuration of an abnormality detection circuit for a semiconductor switching element provided corresponding to the U-phase arm. In the second control circuit 6, a comparison means 51 is provided in the first control circuit 5. The comparison means 61 is provided. Here, the comparing means 51 compares the reference value of the U-phase CE voltage VCE-U with the actually generated voltage, and if the actually generated voltage exceeds the reference value, it is determined that there is a voltage. The voltage monitoring signal CF-U between CE is output. Then, the comparing means 61 compares the gate control signal GP-U with the CE voltage monitoring signal CF-U described above, and when the voltage cannot be observed at the timing when the voltage should be originally observed. , The abnormality detection signal CFD is output.
FIGS. 11A and 11B are time charts for explaining each operation when the semiconductor switching element is normal and abnormal. In the normal state, as shown in (a), the gate circuit operates and the normal gate voltage VGE-U is applied between the gate G and the emitter E with respect to the gate control signal GP-U. If the semiconductor switching element 1 is turned on, the CE voltage VCE-U disappears. If the semiconductor switching element 1 is turned off, the CE voltage VCE-U is observed. The comparison means 51 compares this voltage with a reference value, and outputs a voltage monitoring signal CF-U between CE in phase with the voltage between CE as presence / absence of the observation voltage. In this case, the gate control signal GP-U is zero, that is, the voltage is observed between CE while the power semiconductor element 1 is in the OFF state, and the failure detection signal CFD is not output from the comparison means 61.
[0008]
On the contrary, at the time of abnormality, as shown in (b), the gate control signal GP-U is zero, that is, the voltage monitoring signal CF-U between CE even though the power semiconductor element 1 is in the OFF state. Is not observed, the comparison means 61 outputs a failure detection signal CFD. The comparison means 61 shown in FIG. 10 makes it possible to specify the semiconductor switching element in which the failure detection signal CFD is incorporated, so that the place where element replacement is necessary can be known. As a result, it is possible to quickly replace the element at the time of periodic inspection or emergency maintenance response.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In recent years, there has been a demand for further improvement in the operational reliability of equipment. If it is possible to predict which element has shown an abnormal sign, and which element will have an element failure, rather than after the occurrence of an element failure, make an equipment shutdown plan in consideration of the operation status of the equipment. It is also possible. In general, since the semiconductor switching element has a long lead time from when it is arranged to when it is delivered, it can also be arranged in advance.
[0010]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and a first object of the invention is to provide a power conversion device that can detect which semiconductor switching element shows an abnormal sign.
[0011]
A second object of the present invention is to provide a power conversion device capable of predicting when and when which semiconductor switching element will cause an element failure.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
As a result of conducting various device immunity evaluations, it was experimentally found that the gate leakage current increases as a preliminary sign of device failure, although further investigation is necessary for the cause. Therefore, in the present invention, a change in gate leakage current is monitored as a state quantity for observing a sign of failure of the semiconductor switching element. In this case, the circuit configuration can be simplified using the principle that the gate voltage decreases as the leakage current increases.
[0014]
Therefore, the invention according to claim 1
In a power conversion device having a power conversion semiconductor switching element such as a gate turn-off thyristor or an insulated gate bipolar transistor as a main circuit element for power conversion,
A leakage current detecting means for detecting a gate leakage current of the semiconductor switching element for power conversion;
An element abnormality detection means for outputting an element abnormality detection signal indicating a sign of abnormality when the magnitude of the leakage current at the start of use of the device changes as a reference value or more,
It is provided with.
[0015]
According to a second aspect of the present invention, in the power conversion device according to the first aspect, a voltage detection circuit for detecting a voltage between the gate and the emitter of the semiconductor switching element for power conversion is provided as a leakage current detection means, and this voltage detection A gate leakage current is indirectly detected by a circuit.
[0016]
According to a third aspect of the present invention, in the power conversion device according to the second aspect, the element abnormality detecting means includes initial value storage means for storing voltage data between the gate and the emitter at the start of use of the apparatus, and a current gate. A voltage difference calculation means for calculating the difference between the detected value of the voltage between the emitters and the voltage data stored in the initial value storage means, and a reference value in which the voltage difference calculated by the voltage difference calculation means is set in advance. Comparing means for outputting an element abnormality detection signal when exceeding is provided.
[0017]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a power conversion device according to the third aspect, wherein a timer for measuring a usage time from the start of use of the device and a timer at the time when the element abnormality detection means outputs an element abnormality detection signal. And a calculation means for predicting a life estimation time until the power conversion semiconductor switching element is failed based on a measurement time and a preset reference value.
[0018]
The invention according to claim 5 is the power conversion device according to claim 4, comprising a plurality of sets of initial value storage means, voltage difference calculation means, comparison means, and timer, and the front machine comparison means is calculated by the voltage difference calculation unit. The voltage difference is compared using different reference values, and the calculation means sequentially predicts the estimated life time each time an element abnormality detection signal is received from the comparison means.
[0019]
According to a sixth aspect of the present invention, in the power conversion device according to any one of the first to fifth aspects, a high voltage application for increasing the voltage between the gate and the emitter of the semiconductor switching element for power conversion is higher than that during normal operation. Means for detecting leakage current using the high voltage applying means during a period in which the operation of the apparatus is not hindered.
[0020]
The invention according to claim 7 is the power conversion device according to any one of claims 1 to 6, wherein the collector electrode is formed on one main surface of the semiconductor substrate, and a plurality of emitter electrodes are formed on the other main surface. A power conversion semiconductor switching element having a gate electrode formed and the emitter electrode disposed adjacent to and adjacent to the gate electrode as a dedicated electrode for voltage detection is used as a main circuit element for power conversion. To do.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on preferred embodiments shown in the drawings. FIG. 1 is a circuit diagram partially showing in block form the configuration of a first embodiment of a power converter according to the present invention. In FIG. 1, the same elements as those in FIG. A description thereof will be omitted. In this embodiment, as a leakage current detection means between the gate G and the emitter E of the semiconductor switching element 1, the interconnection point of the gate resistor 8 represented by Rg and the gate G of the semiconductor switching element 1, and the semiconductor switching element A VGE detection circuit 9 for detecting a gate voltage VGE applied to one emitter E is provided, and the detection signal is transmitted to the first control circuit 5A, and the monitor signal VGE is transmitted by the first control circuit 5A. 9 is different from FIG. 9 in that the device abnormality detection signal CFDL is transmitted to the second control circuit 6 when it is monitored and it is determined that the gate leakage current is increasing. It is configured identically. Note that the gate control signals GP-U and GP-X shown in FIG. 9 are omitted for simplification of the drawing.
[0023]
FIG. 2 shows a specific configuration example of the first control circuit 6 and particularly shows the U-phase positive side arm. The portion for receiving the monitor signal VGE-U from the VGE detection circuit 9 and judging the abnormality is shown. It is shown. Here, the first control circuit 5 </ b> A provided corresponding to the U phase includes an initial value storage means 52 and a comparison means 53. Among these, the initial value storage means 52 is an initial gate voltage value of the semiconductor element 1 detected by the VGE detection circuit 9, for example, manually or automatically registered one hour after the start of use, and the comparison means 53 is an initial value. Built-in voltage difference calculation means for calculating the difference between the initial gate voltage value registered in the value storage means 52 and the current voltage value, and the element when the calculated voltage difference becomes larger than a preset reference value 1 An abnormality detection signal CFDL is output.
[0024]
The operation of the first embodiment configured as described above will be described below with reference to the time chart of FIG. For example, the initial gate voltage value of the semiconductor element 1 detected by the VGE detection circuit 9 manually or automatically after one hour from the start of the operation of the three-phase bridge circuit 4, that is, the voltage value between the gate and the emitter. Is registered in the initial value storage means 52. As shown in the time chart of FIG. 3, the comparison means 53 obtains a difference ΔVGE-U between the initial value Vi of the monitor signal VGE-U detected by the VGE detection circuit 9 and the current value Vr, and subsequently the difference. When ΔVGE-U exceeds a preset reference value 1, an element abnormality detection signal CFDL is output and applied to the second control circuit 6. In this case, by appropriately setting the reference value 1, an abnormality sign can be detected before an element failure occurs.
[0025]
The abnormality detection of the U-phase positive semiconductor switching element 1 constituting the three-phase bridge circuit 4 has been described above. The first control circuit 5A provided corresponding to the other semiconductor switching element 1 is also illustrated in FIG. Element abnormality detection means similar to that shown in FIG. 2 is provided, whereby an element showing an abnormality sign before an element failure can be detected.
[0026]
In the first embodiment described above, the element abnormality is detected depending on whether or not the difference ΔVGE-U between the actual initial value Vi of the gate drive voltage and the current value Vr exceeds the reference value 1. Another gate voltage application circuit is provided, and an intentionally boosted gate voltage is applied during the period that hinders the operation of the device, and the initial gate voltage value at the start of operation and the periodically boosted gate voltage It is also possible to calculate the difference from the gate voltage value when the voltage is applied, and to determine whether or not there is an abnormality by determining whether or not the difference exceeds a reference value. Thus, by using a higher voltage than during normal operation, it is possible to detect signs of device abnormality earlier.
[0027]
In the above embodiment, the comparison means 53 includes the voltage difference calculation means. Instead, the difference between the current detected value of the voltage between the gate and the emitter and the voltage data held in the initial value storage means 52 is used. The voltage difference calculation means for calculating the difference and the comparison means for outputting an element abnormality detection signal when the voltage difference calculated by the voltage difference calculation means exceeds a preset reference value are configured separately. You can also.
[0028]
FIG. 4 is a circuit diagram partially showing in block form the configuration of the second embodiment of the power converter according to the present invention. In the figure, the same reference numerals are given to the same elements as those in FIG. 1 showing the first embodiment, and the description thereof is omitted. In the second embodiment, in the first control circuit 5B, abnormality detection corresponding to an abnormality sign before an element failure is performed and an element abnormality detection signal CFDL is added to the second control circuit 6, and the semiconductor switching element The configuration is different from the first embodiment in that the time until the failure state is calculated and the estimated life time data tE is added to the second control circuit 6 is different from the first embodiment. The configuration is the same as that of the embodiment.
[0029]
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of a part of the first control circuit 5B that particularly performs abnormality detection and life estimation. This is provided with the initial value storage means 52 and the comparison means 53 described above, and further compares with a timer 54 that detects the operating time of the apparatus and outputs time data t1 when the comparison means 53 detects an abnormality sign. A calculating unit 55 for calculating a time tE to reach the element failure determination value ΔVGEM after the sign of abnormality is detected by the means 53, outputting an element abnormality detecting signal CFDL, and outputting life estimation time data tE; ing.
[0030]
The operation of the second embodiment configured as described above will be described below. The initial gate voltage value of the semiconductor element 1 detected by the VGE detection circuit 9 is registered in the initial value storage means 52, for example, manually or automatically after one hour from the start of the operation of the three-phase bridge circuit 4. The comparison means 53 obtains a difference ΔVGE-U between the initial value Vi of the monitor signal VGE-U detected by the VGE detection circuit 9 and the current value Vr, and then the difference ΔVGE-U is set to a reference value 1 set in advance. Is added to the timer 54. The timer 54 measures the time from the start of operation of the apparatus, and adds the operation time data t1 to the calculator 55 when the comparison means 53 outputs the element abnormality detection signal CFDL. The arithmetic unit 55 reaches the difference with respect to the initial value Vi of the monitor signal VGE-U based on the reference value 1 inputted in advance and the operation time data t1, that is, the element failure judgment value ΔVGE inputted in advance. The estimated lifetime tE to be calculated is calculated, for example, as being approximately proportional to time (or logarithm of time), and is transmitted to the second control circuit 6 together with the element abnormality detection signal CFDL. The second control circuit 6 displays that the element abnormality detection signal CFDL has been sent and the estimated lifetime tE until failure. Thereby, the power converter device which can grasp | ascertain the estimated time until it reaches an element failure can be provided.
[0031]
FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a part of the third embodiment of the power conversion device according to the present invention, that is, the first control circuit. Here, the comparison means 53A to 53C, the timers 54A to 54C, and the arithmetic unit 56 are all provided in the first control circuit 5B in FIG. 4, and the comparison means 53A to 53C are initial values not shown. The storage means 52 is attached, and the comparison means 53A calculates the difference ΔVGE-U between the initial value Vi of the monitor signal VGE-U and the current value Vr, and the difference ΔVGE-U exceeds the preset reference value 1. A signal indicating this is added to the timer 54A. The comparison means 53B obtains a difference ΔVGE-U between the initial value Vi of the monitor signal VGE-U and the current value Vr, and indicates that the difference ΔVGE-U exceeds a preset reference value 2 (> reference value 1). A signal is applied to timer 54B. The comparison means 53C obtains a difference ΔVGE-U between the initial value Vi and the current value Vr of the monitor signal VGE-U, and indicates that the difference ΔVGE-U exceeds a preset reference value 3 (> reference value 2). A signal is applied to timer 54C.
[0032]
Each time the timers 54 </ b> A to 54 </ b> C receive a signal indicating that the reference value has been exceeded, the operation time data t <b> 1 to t <b> 3 at the time of reception is added to the calculator 56. The computing unit 56 predicts the estimated life time tE until failure based on the operation time data t1 to t3 and the reference values 1 to 3 from the timers 54A to 54B, respectively.
[0033]
Next, the operation of the third embodiment shown in FIG. 6 will be described. The embodiment shown in FIG. 5 assumes that the difference ΔVGE-U between the initial value Vi of the monitor signal VGE-U and the current value Vr is approximately proportional to time (or the logarithm of time), and the element failure determination value ΔVGE. The estimated life time tE to reach is calculated. However, the difference ΔVGE-U with respect to the initial value of the gate voltage has a relatively large time change rate immediately after the use of the semiconductor switching element 1 is started, and the time change rate immediately before reaching the estimated life time tE becomes larger. It has the following characteristics. In the third embodiment shown in FIG. 6, calculation and correction of the estimated lifetime tE is performed for each reference value having a different size set in advance according to the characteristics of the semiconductor switching element 1.
[0034]
Therefore, when the difference ΔVGE-U with respect to the initial value of the gate voltage reaches the reference value 1, the lifetime estimation time tE is calculated in consideration of the characteristics of the semiconductor switching element 1 itself obtained by experiments or simulations, and then When the gate voltage difference ΔVGE-U reaches the reference value 2, the life estimation time tE is calculated and corrected, and when the gate voltage difference ΔVGE-U reaches the reference value 3, the life estimation time tE is calculated and corrected again. . Thereby, the life estimation time tE can be accurately detected. In this case, the calculator 56 transmits to the second control circuit 6 as an element abnormality detection signal, distinguishing that the reference values 1, 2, and 3 have been exceeded, and calculating the lifetime estimated time tE at that time. Is transmitted to the second control circuit 6. The second control circuit 6 displays these signals in the order received, or changes or corrects the display values. As a result, it is possible to provide more accurate information than in the second embodiment by correcting the predicted value of the estimated lifetime tE until failure.
[0035]
In the third embodiment, three kinds of reference values 1, 2, and 3 having different levels are used. However, by providing more combination circuits of comparison means and timers and increasing the number of operations, an element failure occurs. The time estimation accuracy can be further improved. Further, when the characteristics of the semiconductor switching element 1 are stable, it is of course possible to remove the comparison means 53C and the timer 54C shown in FIG. 6 and perform the calculation only twice. Even in this case, it is possible to improve the estimation accuracy of the time required for the device failure than in the second embodiment shown in FIG.
[0036]
In each of the above embodiments, the initial value storage means 52, the comparison means 53, 53A, 53B, and 53C, the timers 54, 54A, 54B, and 54C, and the arithmetic units 55 and 56 are all provided in the first control circuit 5. However, even if these components are provided separately in the first control circuit 5 and the second control circuit 6, or provided only in the second control circuit 6, the same effect as described above can be obtained. .
[0037]
FIGS. 7A and 7B are a plan view and a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor switching element 1 suitable for use in the power converter according to the present invention. In the figure, a collector electrode 13 for forming a collector is formed on one main surface of a semiconductor substrate 10, and a plurality of emitter electrodes 14 constituting an emitter are formed on the other main surface, only for detection of a gate-emitter voltage. An emitter electrode 15 and a gate electrode 16 constituting a gate are formed. In this case, the periphery of the gate electrode 16 is surrounded by the emitter electrode 15, and further, in order to achieve creeping insulation between the collector electrode side and the emitter electrode side, the entire periphery of the main surface on which the emitter electrodes 14 and 15 are formed is provided. The insulator 11 is formed in a protruding state.
[0038]
In this case, the emitter electrodes 14 are arranged in two rows on the left and right in the figure, but one of the emitter electrodes 14 in one row is formed so as to surround the gate electrode 16 in a plan view. The emitter electrode is used for detecting the gate leakage current, that is, the emitter electrode 15 for detecting VGE. In this way, by arranging the VGE detection emic electrode 15 at a position closest to the gate electrode 16 as compared with the other emic electrode 14,
The voltage between the gate G and the emitter E can be accurately detected.
[0039]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the present invention, it is possible to detect which semiconductor switching element has shown an abnormality sign. It is also possible to predict when and which semiconductor switching element will cause an element failure .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram partially showing in block form the configuration of a first embodiment of a power conversion device according to the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing a specific configuration of a first control circuit constituting the first embodiment shown in FIG. 1;
FIG. 3 is a time chart for explaining the operation of the first embodiment shown in FIGS. 1 and 2;
FIG. 4 is a circuit diagram partially showing in block form the configuration of a second embodiment of the power conversion device according to the present invention.
FIG. 5 is a block diagram showing a specific configuration of a first control circuit constituting the second embodiment shown in FIG. 4;
FIG. 6 is a block diagram showing a detailed configuration of some elements according to the third embodiment of the present invention.
7A and 7B are a plan view and a cross-sectional view showing a configuration of an insulated gate bipolar transistor as a power conversion semiconductor switching element suitable for applying the present invention.
FIG. 8 is a circuit diagram showing a configuration of a typical three-phase bridge circuit constituting the power converter.
9 is a circuit diagram partially shown in blocks for explaining gate control and element failure detection of the semiconductor switching element 1 shown in FIG. 8. FIG.
10 is a block diagram showing a schematic configuration of an abnormality detection circuit for a semiconductor switching element provided corresponding to the U phase of the circuit shown in FIG. 9;
11 is a time chart for explaining the operation of the abnormality detection circuit shown in FIG. 10;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor switching element 2 for power conversion Free-wheeling diode 3 Arm 4 Three-phase bridge circuit 5, 5A, 5B 1st control circuit 6 2nd control circuit 8 Gate resistance 9 VGE detection circuit 10 Semiconductor substrate 13 Collector electrodes 14, 15 Emitter Electrode 16 Gate electrodes 51, 61 Comparison means 52 Initial value storage means 53, 53A, 53B, 53C Comparison means 54, 54A, 54B, 54C Timers 55, 56

Claims (7)

ゲートターンオフサイリスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ等の電力変換用半導体スイッチング素子を電力変換の主回路要素とする電力変換装置において、
前記電力変換用半導体スイッチング素子のゲート漏れ電流を検出する漏れ電流検出手段と、
装置の使用開始時の漏れ電流を基準にして、その大きさが一定値以上変化したとき、異常の兆候を示す素子異常検出信号を出力する素子異常検出手段と、
を備えたことを特徴とする電力変換装置。
In a power conversion device having a power conversion semiconductor switching element such as a gate turn-off thyristor or an insulated gate bipolar transistor as a main circuit element for power conversion,
Leakage current detecting means for detecting a gate leakage current of the semiconductor switching element for power conversion;
An element abnormality detection means for outputting an element abnormality detection signal indicating a sign of abnormality when the magnitude of the leakage current at the start of use of the device changes as a reference value or more,
A power conversion device comprising:
前記漏れ電流検出手段として、前記電力変換用半導体スイッチング素子のゲート・エミッタ間の電圧を検出する電圧検出回路を設け、この電圧検出回路によって前記ゲート漏れ電流を間接的に検出することを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。  As the leakage current detecting means, a voltage detection circuit for detecting a voltage between a gate and an emitter of the semiconductor switching element for power conversion is provided, and the gate leakage current is indirectly detected by the voltage detection circuit. The power conversion device according to claim 1. 前記素子異常検出手段は、装置の使用開始時のゲート・エミッタ間の電圧データを記憶する初期値記憶手段と、現在のゲート・エミッタ間の電圧の検出値と前記初期値記憶手段に記憶された電圧データとの差を演算する電圧差演算手段と、この電圧差演算手段で演算された電圧差が予め設定された基準値を超えたとき、素子異常検出信号を出力する比較手段とを備えたことを特徴とする請求項2に記載の電力変換装置。  The element abnormality detection means is stored in the initial value storage means for storing the voltage data between the gate and the emitter at the start of use of the device, and the current detection value of the voltage between the gate and the emitter and the initial value storage means. Voltage difference calculation means for calculating a difference with voltage data, and comparison means for outputting an element abnormality detection signal when the voltage difference calculated by the voltage difference calculation means exceeds a preset reference value. The power conversion device according to claim 2. 装置の使用開始時からの使用時間を計測するタイマと、前記素子異常検出手段が素子異常検出信号を出力した時点における前記タイマの計測時間と、予め設定された前記基準値とに基づいて、前記電力変換用半導体スイッチング素子が故障に至るまでの寿命推定時間を予測する演算手段とを備えたことを特徴とする請求項3に記載の電力変換装置。  Based on the timer that measures the usage time from the start of use of the device, the measurement time of the timer when the element abnormality detection means outputs the element abnormality detection signal, and the preset reference value, The power conversion device according to claim 3, further comprising a calculation unit that predicts an estimated life time until the semiconductor switching element for power conversion reaches a failure. 前記初期値記憶手段、電圧差演算手段、比較手段及びタイマを複数組備え、前機比較手段は前記電圧差演算部で演算された電圧差を互いに異なる基準値を用いて比較し、前記演算手段は前記比較手段から素子異常検出信号を受信する毎に、前記寿命推定時間を逐次予測することを特徴とする請求項4に記載の電力変換装置。  The initial value storage means, the voltage difference calculation means, the comparison means, and a timer are provided in a plurality of sets, and the front unit comparison means compares the voltage difference calculated by the voltage difference calculation section using different reference values, and the calculation means 5. The power conversion device according to claim 4, wherein the life estimation time is sequentially predicted every time an element abnormality detection signal is received from the comparison unit. 前記電力変換用半導体スイッチング素子のゲート・エミッタ間の電圧を通常運転時よりも高くする高電圧印加手段を備え、装置の稼動に支障のない期間にこの高電圧印加手段を用いて漏れ電流を検出することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の電力変換装置。  It is equipped with high voltage application means that makes the voltage between the gate and emitter of the semiconductor switching element for power conversion higher than that during normal operation, and leakage current is detected using this high voltage application means during periods when there is no hindrance to the operation of the device. The power conversion device according to any one of claims 1 to 5, wherein: 半導体基板の一方の主面にコレクタ電極を形成し、他方の主面に複数のエミッタ電極及びゲート電極を形成すると共に、前記ゲート電極の直近に隣接配置された前記エミッタ電極を電圧検出専用の電極とした電力変換用半導体スイッチング素子を用いて、電力変換の主回路要素としたことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の電力変換装置。 The collector electrode is formed on one main surface of the semiconductor substrate, the other to form a plurality of emitter electrodes and gate electrodes on a main surface, nearest to the adjacent arranged the emitter electrode of the voltage detection dedicated electrode of said gate electrode The power conversion device according to claim 1, wherein the power conversion semiconductor switching element is used as a main circuit element for power conversion.
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