JP4041297B2 - Power converter - Google Patents
Power converter Download PDFInfo
- Publication number
- JP4041297B2 JP4041297B2 JP2001257901A JP2001257901A JP4041297B2 JP 4041297 B2 JP4041297 B2 JP 4041297B2 JP 2001257901 A JP2001257901 A JP 2001257901A JP 2001257901 A JP2001257901 A JP 2001257901A JP 4041297 B2 JP4041297 B2 JP 4041297B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- power conversion
- voltage
- gate
- semiconductor switching
- switching element
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Images
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
[0006]
FIG. 9 is a circuit diagram partially shown in blocks for explaining gate control and element failure detection of the
[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
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
[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
[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
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
[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
[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
[0023]
FIG. 2 shows a specific configuration example of the
[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
[0025]
The abnormality detection of the U-phase positive
[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
[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
[0029]
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of a part of the
[0030]
The operation of the second embodiment configured as described above will be described below. The initial gate voltage value of the
[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
[0032]
Each time the
[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
[0034]
Therefore, when the difference ΔVGE-U with respect to the initial value of the gate voltage reaches the
[0035]
In the third embodiment, three kinds of
[0036]
In each of the above embodiments, the initial value storage means 52, the comparison means 53, 53A, 53B, and 53C, the
[0037]
FIGS. 7A and 7B are a plan view and a cross-sectional view showing the configuration of the
[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
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
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
Claims (7)
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:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001257901A JP4041297B2 (en) | 2001-08-28 | 2001-08-28 | Power converter |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001257901A JP4041297B2 (en) | 2001-08-28 | 2001-08-28 | Power converter |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2003070231A JP2003070231A (en) | 2003-03-07 |
JP4041297B2 true JP4041297B2 (en) | 2008-01-30 |
Family
ID=19085503
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2001257901A Expired - Lifetime JP4041297B2 (en) | 2001-08-28 | 2001-08-28 | Power converter |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4041297B2 (en) |
Families Citing this family (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011071174A (en) * | 2009-09-24 | 2011-04-07 | Renesas Electronics Corp | Semiconductor device and method of detecting characteristic degradation of semiconductor device |
JP5805962B2 (en) * | 2011-02-25 | 2015-11-10 | ナブテスコ株式会社 | Electronic equipment health monitoring device |
KR102005450B1 (en) | 2012-03-14 | 2019-07-30 | 삼성전자주식회사 | Power module comprising leakage current protecting circuit |
US20180252761A1 (en) * | 2015-09-09 | 2018-09-06 | Schlumberger Technology Corporation | Tool Lifespan Parameter Detector |
US10491096B2 (en) * | 2017-08-22 | 2019-11-26 | General Electric Company | System and method for rapid current sensing and transistor timing control |
JP7295519B2 (en) | 2020-04-03 | 2023-06-21 | 学校法人長崎総合科学大学 | Degradation estimating device and degradation estimating program for power converter |
US20240006978A1 (en) | 2020-12-28 | 2024-01-04 | Mitsubishi Electric Corporation | Semiconductor driving device and power conversion device using same |
-
2001
- 2001-08-28 JP JP2001257901A patent/JP4041297B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2003070231A (en) | 2003-03-07 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7330046B2 (en) | Circuits and methods for failure prediction of parallel MOSFETs | |
US9535107B2 (en) | Apparatus for diagnosing DC link capacitor of inverter | |
US20170282720A1 (en) | Power Converting Device | |
JP2007028741A (en) | Power converter and its management system | |
JP4041297B2 (en) | Power converter | |
CN110710095A (en) | Power conversion device, motor control system, and diagnostic method for power conversion device | |
JP5911014B2 (en) | Inverter device and abnormality detection method for inverter device | |
US20200007027A1 (en) | Power conversion device | |
KR101978268B1 (en) | Fault diagnosis circuit of battery management system | |
WO2019198775A1 (en) | Diagnostic device and diagnostic system | |
JP2011015597A (en) | Power conversion apparatus | |
KR100557715B1 (en) | Aging Diagnosis Method and Apparatus for Power Conversion Systems | |
WO2015092522A1 (en) | Drive control apparatus for semiconductor device | |
JP6517024B2 (en) | Test apparatus and test method | |
JP2020065386A (en) | Power converter and diagnostic method therefor | |
JP6072877B1 (en) | Power converter | |
JP5665952B1 (en) | Abnormality detection device for power converter | |
US20230021073A1 (en) | Method for operating an electrical circuit comprising at least one switching element of a motor vehicle, and a motor vehicle | |
JP2018196293A (en) | Failure detection device for battery pack | |
EP3955013B1 (en) | Power device monitoring system and monitoring method | |
JP2011114981A (en) | Protection relay device and method for diagnosing deterioration of power supply for the same | |
KR102157504B1 (en) | Apparatus for predicting residual life of power semiconductor elements of traction inverter of railway vehicle and method thereof | |
JP7072497B2 (en) | Power converter and its status monitoring method | |
WO2022264270A1 (en) | Service life diagnostic device and power conversion device | |
JP6289587B1 (en) | Power converter |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712 Effective date: 20040922 |
|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20040924 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20070620 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070626 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070822 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20071102 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20071109 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101116 Year of fee payment: 3 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 4041297 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111116 Year of fee payment: 4 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121116 Year of fee payment: 5 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121116 Year of fee payment: 5 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131116 Year of fee payment: 6 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
EXPY | Cancellation because of completion of term |