JP6385564B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明はパワーエレクトロニクス分野の電力変換装置に関する。
電力変換装置において、高圧ブロックと低圧ブロックは回路保護の観点からトランスや光モジュールなどの通信媒体を使うことで両ブロック間を電気的に絶縁している場合が多い。特に光モジュールを使った構成ではノイズの影響を受けにくいため産業用で使われることが多い。産業用電力変換装置は稼働率が高く、故障の原因はそれを構成するモーターの絶縁不良やインバータの温度以上によるものが多い。電力変換回路ではスイッチング誤動作やそれによるスイッチング素子の温度異常の蓄積による劣化故障が殆どである。〔特許文献1〕では、スイッチング素子が正常動作しているかをスイッチング動作時のゲート電圧、ゲート電流に基づき、ゲートモニタ信号(フィードバック信号)を生成し、信号処理部で診断する異常検出方法が開示されている。この方法は異常を検知すると全てのスイッチング素子の動作を強制停止しスイッチング素子を保護する。
しかしながら、従来の技術ではゲートモニタ信号からスイッチング素子が正常動作しているかを判定すると共に、新たな信号経路を用いずに、スイッチング素子の温度についても算出することは開示されていない。
特開2008-54375号公報
本発明は電力変換装置のゲートモニタ信号からスイッチング素子が正常動作しているかを判定すると共に、新たな信号経路を用いずに、電力変換装置を構成する電力変換回路スイッチング電圧の過渡状態から、スイッチング素子の温度を求め故障の前兆を予測する技術を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明は半導体スイッチング素子のスイッチング動作で電力変換を行う電力変換回路と、前記電力変換回路のスイッチング動作を制御する信号処理回路と、前記信号処理回路の出力信号に基づき、前記電力変換回路の制御端子に駆動信号を印加するゲート駆動回路と、前記ゲート駆動回路の駆動電圧と駆動電流に基づきモニタ信号を生成するゲート信号モニタ回路と、前記ゲート信号モニタ回路の出力信号を整形するフィルタ回路と、前記電力変換回路のスイッチング電圧を検出する電圧検出回路と、前記電圧検出回路からのスイッチング電圧から前記半導体スイッチング素子のターンオフ時間を抽出して、前記ターンオフ時間を示す温度検出信号を出力する温度検出回路と、前記信号処理回路からゲート駆動回路へ制御信号を伝送し、前記フィルタ回路から前記信号処理回路へゲートモニタ信号を伝送する光通信モジュールを有する電力変換装置において、前記フィルタ回路と光通信モジュールの間に前記ゲートモニタ信号と、温度検出信号を合成する合成回路を備え、前記合成回路からの信号を受信し、光信号に変換して送信する光モジュールと、前記光信号を受信する光モジュールと、前記光信号を受信する光モジュールと前記信号処理回路の間にゲートモニタ信号と温度検出信号を分離する分離回路を備え、前記信号処理回路で前記温度検出信号に基づいて前記半導体スイッチング素子の温度を算出する手段を備えたことを特徴とするものである。
更に、本発明は電力変換装置において、前記合成回路と前記分離回路は前記ゲートモニタ信号と前記温度検出信号とをSPDT(Single Pole Dual Throw)スイッチなどの時分割経路切り替え回路で合成することを特徴とするものである。
本発明によれば、電力変換装置内の電力変換回路の素子温度を既存の通信手段を使って検出できるため、低コストに故障の前兆を把握することができる。
図１は本発明の第１の実施形態による電力変換装置を示す。 図２は合成回路の信号波形を示す。
以下、本発明に係る電力変換装置の半導体モジュールと、電力変換装置について、図面を用いた実施形態を参照して詳細に説明する。
図１に本発明の第１の実施形態を示す。電力変換装置1は低圧ブロック２と通信ブロック３と高圧ブロック４を備えている。低圧ブロック２は信号処理回路４と分離回路１５を備えており、通信ブロック３は低圧ブロック側の光送受信モジュール６と高圧側の光送受信モジュール７を備えており、高圧ブロック４はゲート駆動回路８と電力変換回路９と電圧検出回路１０と温度検出回路１１とフィルタ回路１２と合成回路１４と負荷１６を備えている。
信号処理回路５で生成された制御信号は光モジュール６、７を介して、ゲート駆動回路８で電圧変換され、電力変換回路９を構成する半導体素子(IGBT)を駆動するのに十分な電荷を生成する。ゲート信号モニタ回路１４では、この時に半導体素子の制御端子に印加された電圧と電流から半導体素子が問題なくスイッチング動作し、電得力変換回路９を正常動作しているかを判定する図２に示すゲートモニタ信号２０２を生成する。電力変換回路９内のスイッチング素子の電流入出力端子間には電圧が発生する。電圧検出回路１０ではスイッチング時の半導体素子の過渡電圧と定常電圧を検出しており、通常は定常状態の電圧に異常がないか検知するのに使われている。温度検出回路１１では過渡状態であるスイッチング時のターンオフ時間を抽出する。スイッチング素子の温度が高くなるとターンオフ時間は遅延するため、その遅延量から素子の温度を知ることが可能である。温度検出回路１１から出力される図２に示す温度検出信号２０４はターンオフ時間をAD変換回路などでディジタル信号に変換した信号となっている。
温度検出信号２０４は合成回路１３により、ゲート信号モニタ回路１４からの出力信号であるゲートモニタ信号２０２と合成され、合成回路出力信号２０６として光モジュール６、７を介して低圧ブロック２の分離回路１５に入力される。分離回路１５ではゲートモニタ信号２０２と温度検出信号２０４に分離し、信号処理回路５に入力され、ゲートモニタ信号２０２は従来通り異常検知し、温度検出信号２０４からはターンオフ時間を復調し、信号処理回路内ではターオフ時間と温度の相間式やルックアップテーブルをもとにスイッチング素子の温度を算出する。この算出したスイッチング素子の温度を用いて異常の有無を判定する。
次に、本発明の第２の実施例を示す。前述の第１の実施例によれば、光モジュール６、７の間は、合成回路１３から出力される合成回路出力信号２０６が伝送され、この合成回路出力信号２０６はパルス幅とパルス間隔のみの情報しか持たない。これに対して、本発明の第2の実施例によれば、合成回路１３と分離回路１５とのやり取りする信号を時分割で伝送路切り替えが可能なSPDTスイッチで構成することが可能である。ゲートモニタ信号２０２を伝送するタイミングと、温度検出信号２０４を伝送するタイミングを時間で切り替えて伝送することで、ゲートモニタ信号２０２と温度検出信号２０４の合成と分離を行う。そして、前述の第１の実施例と同様の構成によりゲートモニタ信号２０２と、温度検出信号２０４からスイッチング素子の温度を算出することが実現できる。
以上により、本発明の第２の実施例によれば、前述の第１の実施例と同様にスイッチング素子の温度を算出し、スイッチング素子の異常を検出することが可能となる。
本発明はパワーエレクトロニクス分野の電力変換装置に適用することで、故障の前兆を予測することが実現できる。
1…電圧変換装置
2…低圧ブロック
3…通信ブロック
4…高圧ブロック
5…信号処理回路
6,7…光モジュール
8…ゲート駆動回路
9…電力変換回路
10… 電圧検出回路
11…温度検出回路
12…フィルタ回路
13…合成回路
14…ゲートモニタ回路
15…分離回路

Claims (2)

  1. 半導体スイッチング素子のスイッチング動作で電力変換を行う電力変換回路と、
    前記電力変換回路のスイッチング動作を制御する信号処理回路と、
    前記信号処理回路の出力信号に基づき、前記電力変換回路の制御端子に駆動信号を印加するゲート駆動回路と、
    前記ゲート駆動回路の駆動電圧と駆動電流に基づきモニタ信号を生成するゲート信号モニタ回路と、
    前記ゲート信号モニタ回路の出力信号を整形するフィルタ回路と、
    前記電力変換回路のスイッチング電圧を検出する電圧検出回路と、
    前記電圧検出回路からのスイッチング電圧から前記半導体スイッチング素子のターンオフ時間を抽出して、前記ターンオフ時間を示す温度検出信号を出力する温度検出回路と、
    前記信号処理回路からゲート駆動回路へ制御信号を伝送し、前記フィルタ回路から前記信号処理回路へゲートモニタ信号を伝送する光通信モジュールを有する電力変換装置において、
    前記フィルタ回路と光通信モジュールの間に前記ゲートモニタ信号と、温度検出信号を合成する合成回路を備え、
    前記合成回路からの信号を受信し、光信号に変換して送信する光モジュールと、
    前記光信号を受信する光モジュールと、
    前記光信号を受信する光モジュールと前記信号処理回路の間にゲートモニタ信号と温度検出信号を分離する分離回路を備え、
    前記信号処理回路で前記温度検出信号に基づいて前記半導体スイッチング素子の温度を算出する手段を備えたことを特徴とする電力変換装置。
  2. 請求項1の電力変換装置において、
    前記合成回路と前記分離回路は前記ゲートモニタ信号と前記温度検出信号とをSPDT(Single Pole Dual Throw)スイッチなどの時分割経路切り替え回路で合成したことを特徴とする電力変換装置。
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