JP6405303B2 - 電力スイッチ正常性モニタリングのための装置および方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、一般に、電力変換器に関する。他の実施形態は、電力スイッチ正常性モニタリングに関する。

電車は、典型的に、機関車によって押されるか、または引かれる多数の車両を備えるのが特徴である。機関車は、線路と噛み合うトラクションホイールを有する。現代の設計では、電動ホイールモータにより、トラクションホイールを駆動する。電動ホイールモータは、機関車内に収容される１つまたは複数のエンジン駆動発電機から配電を介して電力供給される。トラクションホイールおよびホイールモータは、機関車を減速するためのブレーキの役目も果たすために、逆方向に動作するようにも構成することができる。

同様に、鉱山業では、オフハイウェイ車（ＯＨＶ）が、通常、車両を前進させるか、または減速させるため、電動モータホイールを使用する。特に、ＯＨＶは、典型的に、交流発電機、メイン・トラクション・インバータ、および車両の後輪内に収容された一組みのホイール駆動アセンブリと共に、大馬力ディーゼルエンジンを備える。ディーゼルエンジンは、ディーゼルエンジンが交流発電機を駆動するよう、交流発電機と直接関連付けられる。交流発電機は、メイン・トラクション・インバータに電力供給し、半導体電力スイッチが、交流発電機の出力電流を整流し、電力を、２つのホイール駆動アセンブリの電動駆動モータにもたらす。

機関車用途およびＯＨＶ用途の両方において、固体形状電力変換器を使用して、発電機、すなわち、交流発電機からホイールモータに高電圧電流をもたらす。そのような電力変換器は、降圧するための誘導コイルと、電流を整流するための半導体電力スイッチとを備える。上記の用途は典型的なものであるが、電力変換器は、多くの他の設定で使用することができることが理解されよう。

一般に、電力変換器の動作は、２つの異なるゲート電圧レベルを、対応するゲート駆動ユニットを介して、個々の半導体電力スイッチに交互に適用することによって実現される。電力半導体デバイス、すなわち、「電力スイッチ」が、繰返し熱応力を受けることは、既知の問題である。順方向にバイアスされる間、各半導体は、デバイス間に、比較的小さな電圧降下で、大きな電流を流す。順方向バイアスされた半導体の間での電圧が比較的低いにもかかわらず、抵抗加熱が生じる。順方向バイアスまたはゲート電圧が除かれた場合、各半導体は、伝導しなくなる。したがって、過度の漏れ電流がない場合、アンゲーテッド電力スイッチは、周囲温度に冷却すべきである。

半導体設計において耐久性を考慮すべきだが、電力スイッチのさまざまな層を、異なる熱特性、すなわち、熱膨張についての異なる係数を有する材料から製造することが、電気設計制約では必要である。したがって、ある時間にわたって、熱応力により、層間剥離、端子の剥離、または疲労クラックなどの機械的欠陥が引き起こされる。熱応力により、さらに、電流フィラメンティングおよびカーケンダルボイド形成などの電気化学的欠陥が引き起こされる可能性がある。

熱循環などの動作上のストレス源は、剥離または層間剥離によるスイッチ正常性の低下のため、電力スイッチの有用寿命を制限する。スイッチ寿命が正確に分からない場合、交換をあまりに早く行ったり、あまりに遅く行ったりする可能性があり、早い場合、不要なコストが発生したり、必要な動作を妨害する可能性があり、遅い場合、動作中に故障を引き起こす可能性がある。スイッチの実際の耐用寿命は、測定情報無しで予測することは困難である。典型的に、寿命を予測するために使用される測定値は、電力スイッチが取り付けられる電子システム、例えば、電力変換器などのシャットダウンまたはメンテナンスサイクル中にのみ取得される。理解されるであろうが、シャットダウンまたはメンテナンスサイクルは、所望の動作を妨害する。

したがって、動作中の電力スイッチの耐用寿命を正確に判断することが望ましい。

米国特許出願公開第２０１１／０２７８９１８号明細書

一実施形態において、本方法は、電力スイッチのゲート端子に接続されたゲート駆動ユニットを介して、電力スイッチの特性に対する標準値を取得することと、その特性の測定値を取得することとを備える。本方法はさらに、特性の測定値と標準値との比較に基づいて、電力スイッチの正常性状態を判断することを含む。他の実施形態において、正常性状態は、周期的に判断され、正常性モニタリング信号（正常状態についての情報を含む）は、電力スイッチを制御し、電力スイッチを交換すべきかを指示するなどの（オペレータなどへの）信号を生成する際に使用するために送信される。

本発明の他の実施形態において、ゲート駆動ユニットは、ゲート電圧を電力スイッチに送るよう構成される出力段と、電力スイッチの特性についての測定値を取得するよう構成されるセンサモジュールと、特性の測定値と標準値との比較に基づいて電力スイッチの正常性状態を判断するよう構成される制御器とを備える。他の実施形態において、制御器は、正常性状態を周期的に判断するよう構成され、さらに、正常性状態に基づいて電力スイッチを制御するよう構成してもよく、電力スイッチを交換すべきかなどを指示する（または、判断する際に使用するための）正常性モニタリング信号（正常性状態についての情報を含む）を送信するよう構成される。

本発明の他の実施形態は、電力変換器である。電力変換器は、複数の電力スイッチと複数のゲート駆動ユニットとを備える。ゲート駆動ユニットは、ゲート電圧を複数の電力スイッチに送るよう接続される各出力段を備える。１つまたは複数のゲート駆動ユニットは、さらに、電力変換器の動作中に、対応する電力スイッチの少なくとも１つの特性についての測定値を取得するよう接続される各センサモジュールを備える。電力変換器はまた、複数の測定値と、少なくとも１つの標準値との比較に基づいて、電力スイッチの正常性状態を判断するよう構成される、少なくとも１つの制御器を備える。実施形態において、判断された正常性状態は、１つまたは複数のスイッチを交換するべきかなどを指示する信号を生成するための基礎として、電力スイッチを制御するために使用される。

本明細書で使用する場合、「正常性状態」という用語は、スイッチを交換する必要があるかどうか（例えば、スイッチが故障したか、または指定された時間閾値内で故障する可能性が高いかどうか）についての指示をもたらす、電力スイッチの状態または条件を意味する。

本発明は、添付図面を参照して、非限定の実施形態について、以下の説明を読むことで、より良好に理解できるであろう。

本発明の一実施形態による、正常性モニタリングシステムおよび方法で使用するための、三相半導体電力変換器を備える、ディーゼル−電気牽引システムの模式図である。 本発明の一実施形態による、図１の電力変換器のスイッチ装置および正常性モニタリングシステムの模式図である。 図２のスイッチ装置の外側の透視図である。 図２の正常性モニタリングシステムの模式図である。 本発明の一実施形態による正常性モニタリング計算式である。 電力スイッチ内部のキャパシタンスの、ゲート電圧への依存度を示すグラフである。 電力スイッチ内部のキャパシタンスの、ゲート電圧への依存度を示すグラフである。 正常性が良好な状態での電力スイッチ内部の等価回路の模式図である。 ターンオンゲート電圧と、特定の種類の電力スイッチに対する接合部温度との例示的関係を示す図である。

本発明の例示的実施形態についての参照を以下に詳細に記載し、その例について、添付図面に図示する。可能な限り、図面全体を通じて使用される同じ参照符号は、同じか、または同様の要素に関する。本発明の例示的実施形態は、電力変換器に関して説明するが、本発明の実施形態はまた、一般に、電力半導体と共に使用するために適用可能である。

本発明の態様は、関連するゲート駆動ユニットで、電力スイッチの正常性を直接モニタリングする方法に関する。本発明の実施形態は、関連する電力スイッチの特性をモニタリングし、モニタリングされた特性をベースライン値と比較する、正常性モニタリングゲート駆動ユニットに関する。

実施形態において、電力変換器特性および電力スイッチ特性は、デジタルゲート駆動プラットフォームと共に（そのような機能のない電力変換器に対して）比較的小さな追加ハードウェアコンポーネントを使用して、電力変換器のゲート駆動で直接モニタリングされる。さらに、またはあるいは、ゲート駆動および中央制御器との間のデジタル通信により、正常性状態の分散測定および中央制御器でのすべての情報の中央収集を可能にする。この方法での正常性モニタリングにより、電力スイッチのより良好な使用、動作中の故障リスクの低減、および電力変換器のサービスならびにメンテナンスのためのスケジューリングの単純化が可能となる。

図１は、本発明の正常性モニタリング装置および方法の一実施形態で使用することができる、ディーゼル−電気牽引システム１００の模式図を示す。図のように、牽引システム１００では、燃焼機１０２が、三相発電機１０４を駆動する。発電機１０４によって生成されたＡＣ電圧は、ＤＣリンク１０７を介して、コンデンサ１０８および電力インバータ１１０に、電圧Ｖｄｃを伝達する三相ダイオードアレイ１０６によって整流される。電力インバータは、スイッチ装置、すなわち、「モジュール」１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、および１１６を備え、Ｖｄｃの方向を転換し、三相電力を、出力リード線１２０を介して、牽引モータ１３０に伝達する。各スイッチ装置は、図４を参照して以下でさらに説明するように、関連するゲート駆動ユニットによって制御される。

本発明は、電力インバータ１１０を形成するための、スイッチ装置１１１および１１２などの特定の構成によって限定されないことが理解されよう。むしろ、本発明は、他の実施形態に等しく適用可能であり、例えば、電力変換のために、単一のスイッチモジュールまたは一連のスイッチモジュールを使用することを含む。したがって、本発明の実施形態は、（図１に示すような）電力インバータまたは他の電力変換器に適用可能であり、一般に、指定された方法で、ある電力波形を、他の電力波形に変換するよう構成されるデバイスに関する。

図２は、スイッチモジュール１１２の模式図を示し、図３は、スイッチモジュール１１２のケース３２０の透視図を示す。図２に示すように、スイッチモジュール１１２は、そのケース３２０内に、電圧制御半導体電力スイッチ２２０およびフリー・ホイール・ダイオード２２１を備える。電力スイッチ２２０は、接合部２２４によって接合されたコレクタ２２２およびエミッタ２２３を有する。接合部２２４では、ゲート２２５が、関連するゲート駆動ユニット４０２から、ゲート電圧Ｖｇおよびゲート電流Ｉｇｅを受け取るために接続される。フリー・ホイール・ダイオード２２１は、電力スイッチ２２０に逆並列に接続され、言い換えると、フリー・ホイール・ダイオードのアノードが、電力スイッチのエミッタ２２３に接続され、一方、フリー・ホイール・ダイオードのカソードが、半導体コレクタ２２２に接続される。

図２は、電力スイッチが絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）である例示的実施形態を具体的に図示するが、本発明はまた、非限定的な例として、バイモード絶縁ゲートトランジスタ、逆導通ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、またはＪＦＥＴを含む、他の電圧制御半導体デバイスに適用可能である。さらに、図２は、フリー・ホイール・ダイオードを示すが、他のデバイスまたは構造体が、反転電流を導くために代用可能であることが理解されよう。図２は、電力スイッチおよびフリー・ホイール・ダイオードの両方をパッケージングするスイッチモジュールを示すが、これらのコンポーネントは、別々にパッケージングしてもよい。非限定的な例として、いくつかの電力スイッチを、スイッチモジュール内に共にパッケージングすることができ、一方、関連するダイオードを、ダイオードモジュール内に共にパッケージングすることができる。

スイッチモジュール１１２の外部で、コレクタ２２２は、出力リード線１２０の１つに接続され、スイッチ・モジュール・ケース３２０に含まれるコレクタ端子３２２を介して、電気的に隣接するスイッチモジュール１１３に接続される。エミッタ２２３は、スイッチ・モジュール・ケース３２０に含まれるエミッタ端子３２３を介して、コンデンサ１０８および整流器１０６の低圧側でＤＣリンク１０７に接続される。

一実施形態において、ゲート駆動ユニット４０２は、図２から図４を参照して以下でさらに説明するように、それぞれ、感知端子３２４ならびに３２５、および制御端子３２６を介して、電力スイッチコレクタ２２２、エミッタ２２３、およびゲート２２５に接続される。ゲート駆動ユニット４０２はまた、スイッチ・モジュール・ケース３２０に取り付けられた、サーミスタ３２７に接続される。

図３を参照すると、サーミスタ３２７は、電力スイッチ接合部２２４（図２）に近接するスイッチ・モジュール・ケース３２０で温度Ｔｃを感知するよう位置づけられる。さらに、電力スイッチ接合部温度の第１の値Ｔｊ１は、ゲート駆動ユニット４０２からの電流を電力スイッチに供給し、電力スイッチのスイッチオン時点での閾値電圧Ｖｇｅｔｈを、Ｖｇｅｔｈ＝ｆ（Ｔｊ１，Ｉｇｅ）に従って測定する「仮想温度センサ」を使用して感知することができる。ＶｇｅｔｈおよびＴｊは、以下でさらに説明する。

ケース温度Ｔｃに基づいて、ＶｃｅおよびＩｃｅのサンプリングと組み合わせて、電力スイッチ接合部温度Ｔｊ２の第２の推定値を、Ｔｊ２＝Ｔｃ＋Ｐｌｏａｄ（Ｖｃｅ，Ｉｃｅ）×Ｒｔｈに従って取得することができる。Ｔｊ１とＴｊ２とを比較することによって、電力スイッチ接合部２２４からスイッチ・モジュール・ケース３２０への熱抵抗Ｒｔｈを推定することが可能であり、推定された熱抵抗は、追跡され、層間剥離などの、電力スイッチ半導体構造の劣化を識別することができる。

態様によっては、ゲート駆動ユニット４０２は、中間熱抵抗ＲｔｈｊｃおよびＲｔｈ，ｃｈｓを、Ｒｔｈ＝Ｒｔｈｊｃ＋Ｒｔｈ，ｃｈｓに従って、さらに推定するよう構成することができる。そのような態様において、Ｒｔｈｊｃは、Ｚｔｈｊｃ（熱インピーダンス）から区別され、後者において、（チップ、はんだ層などの）熱キャパシタンスの影響は大きい。Ｒｔｈｊｃの変化は、層間剥離を示す可能性がある。Ｒｔｈ，ｃｈｓの変化は、電力スイッチ１１２およびスイッチ・モジュール・ケース３２０の間の熱界面材料の変化／経年変化を反映している可能性がある。接合部−ケース熱回路の時定数より大きな時間間隔でペア（Ｖｃｅ，Ｔｃ）をモニタリングすることによって、Ｒｔｈｊｃを取得することができる。例えば、大きな（＞１０００Ａ）ＩＧＢＴに対する適切な時間間隔は、５００ｍｓ程度であろう。

図４は、スイッチモジュール１１２に接続される、例示的なゲート駆動ユニット４０２の模式図を示し、本発明の一実施形態により、正常性をモニタリングするために構成される。正常性モニタリングゲート駆動ユニット４０２は、プログラマブルロジック制御器（ＰＬＣ）を備え、プログラマブルロジック制御器（ＰＬＣ）は、一実施形態において、ＦＰＧＡ４２０（フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ）とすることが可能である。ゲート駆動ユニット４０２はまた、ＤＣ電源装置４２１、信号変換器４２２、多重（ＭＵＸ）ＡＤＣ（アナログ−デジタル信号変換器）４２４、メモリ４２６、およびいくつかの信号接続部を備える。特に、制御／データ信号接続部４２８は、オペレータ制御信号ＯＣ１、ＯＣ２などを含むデータを送受信し、一方、ＰＬＣ４２０は、ＡＤＣ４２４を介して、センサ信号接続部４３０、４３２、および４３４から、Ｖｆ、Ｔｊ、およびＶｅの測定値を直接受信する。

電力スイッチ２２０に接続された正常性モニタリングゲート駆動ユニット４０２では、複数の特性の１つまたは複数が測定され、電力変換器および／または電力スイッチの正常性状態を判断することができる。正常性状態は、正常性状態を周期的に再判断することによって、モニタリングすることができる。本発明の一態様によれば、これらの特性は、（コミッショニングまたはプレコミッショニング中に）変換器の第１の動作で判断される標準値と比較され、コミッショニング後（通電期間後、またはコミッショニング時以外のベンチテスト中など）に比較的すぐの他の時点で判断され、または製造者によって提供される。図４に示す実施形態によれば、測定された特性および／または標準値は、メモリ４２６に格納される。メモリ４２６は、正常性モニタリングゲート駆動ユニット４０２に組み込まれる。あるいは、測定された特性および／または標準値は、制御／データ接続部４２８を介して正常性モニタリングゲート駆動ユニット４０２と通信可能に接続される、中央制御器４９０のメモリに格納することができる（「中央」とは、ゲート駆動ユニットの少なくとも一部ではないことを意味し、例えば、変換器の複数のゲート駆動ユニットを制御する制御器である）。

本発明の態様において、その標準値から離れた、電力スイッチの任意の測定された特性の変化は、電力スイッチの正常性状態を判断するための基礎として使用することができ、例えば、スイッチが近い将来に故障する（例えば、電力スイッチが、指定された時間閾値の範囲から外れる可能性が高い）と予測するために使用することができる、電力スイッチ損傷の指示として使用することができる。別の態様において、その標準値から離れた、電力スイッチの任意の測定された特性におけるドリフト（ドリフトとは、例えば、指定された閾値を超える、ある時間にわたる変化を意味する）を、同様に使用することができる。いずれか、または両方の場合において、そのような情報は、電力変換器の中央制御器４９０に送信され、オペレータまたは他の構成要素に、システムがメンテナンスを要求していると通知し、電力変換器の複数の電力スイッチの特定の電力スイッチが、交換または修理が必要であると報告することもできる。このことは、制御／データ接続部４２８を介して、中央制御器４９０とＦＰＧＡ４２０との間の通信を必要とする。

いくつかの測定された特性およびそれらの測定ポイントを、図２に示す。測定された特性から、より多くの他の記述的特性を、以下に説明するように、導出または推定することができる。

変換器正常性を説明する（より一般的に、電力スイッチの正常性状態を判断するために使用することができる）特性の１つは、整流インダクタンスＬｃｏｍである。Ｌｃｏｍは、電力半導体が切り替えられた場合の、整流パス全体の漂遊インダクタンスである。母線層間剥離の場合、接続の緩み、またはコンデンサの損傷により、Ｌｃｏｍは増加する。Ｌｃｏｍは、各電力スイッチ間で、ターンオン時の誘起電圧降下に、およびターンオフ時の電圧オーバーシュートに反映される。ターンオフ時の電圧オーバーシュートの場合、さらに、ダイオードの順方向回復を考慮してもよい。Ｖｃｅおよびｄｉｃｅ／ｄｔは、ゲート駆動ユニットで測定され、整流インダクタンスは、関係式Ｌｃｏｍ＝ｄｅｌｔａＶｃｅ／ｄｉｃｅ／ｄｔに従って算出される。

個々の電力スイッチの正常性状態を説明することができる他の特性は、順方向電圧（Ｖｆ）、閾値電圧（Ｖｇｅｔｈ）、入力容量（Ｃｇｅ）ならびにミラー容量（Ｃｃｇ）、モジュールインダクタンス（Ｌｍｏｄ）、および接合部とケース間の熱抵抗（Ｒｔｈｊｃ）がある。

Ｌｍｏｄは、既知の電流変化の間、電力スイッチの補助端子および電力エミッタ端子間で測定することによって推定され、モジュールインダクタンス間の電圧降下Ｖｌｍｏｄを取得することができる。次いで、モジュールインダクタンスは、Ｌｍｏｄ＝Ｖｌｍｏｄ／ｄｉｃｅ／ｄｔに従って決定することができる。Ｌｍｏｄの増加は、半導体デバイス端子の剥離を示す可能性がある。

順方向電圧Ｖｆは、電流が流れている場合の電力スイッチ間の電圧降下である。一般的な関係式は、Ｖｆ＝ｆ（Ｉｃｅ，Ｔｊ，Ｖｇｅ）である。伝導モードでは、Ｉｃｅは、制御目的で通常測定される、位相出力電圧に等しい。したがって、Ｉｃｅの値は、中央制御器で利用可能であり、Ｔｊは、Ｖｆから算出可能である。

一実施形態において、図２に示すように、Ｖｆは、ブロックダイオード２２８を通ってコレクタ２２２に接続される電流源２２７で測定される。ブロックダイオード２２８は、電源がターンオフされた場合に、高ＤＣリンク電圧をブロックする。オン状態では、電源の接続部とブロックダイオードとの間の電圧Ｖｆは、電力スイッチのコレクタ−エミッタ電圧に従う。Ｖｆがそのベースライン値よりも高くなることは、電力スイッチに対する層間剥離または他の損傷を示す可能性がある。

Ｖｇｅｔｈは、電力スイッチが電流を流し始めた場合のゲート電圧閾値であり、一般的な関係式は、Ｖｇｅｔｈ＝Ｖｇｅｔｈ（Ｔｊ）＝Ｖｇ（Ｉｃｅ〜ＯＡ）である。関数Ｖｇｅｔｈ（Ｔｊ）は、一般に、負勾配で線形であり、特定の関数パラメータを、個々の電力スイッチのコミッショニングでのベンチテストによって確立することができる。一実施形態において、ゲート電圧は、ＡＤＣで連続的にサンプリングされ、電流伝導の開始時点のサンプルは、Ｖｇｅｔｈとして取得される。他の実施形態において、ゲート電圧は、電力スイッチが電流を流し始めた場合に、一度、サンプリングされる。電力スイッチが電流を流し始める時間は、電力スイッチ電流測定または推定によって検出することができる。例えば、Ｖｇｅｔｈは、電源電流が、ある所定のレベルを初めて超過した場合のターンオン中にサンプリングすることができる。

他の実施形態において、電源電流のスルーレートが測定され、ある所定のレベルに対して比較され、電力スイッチが伝導を始めた時間を検出することができる。電力スイッチが伝導を始めると、電流のスルーレートが上がる。例えば、電力スイッチのスルーレートは、電力スイッチモジュール内部漂遊インダクタンス間の電圧降下として測定することができる。Ｖｇｅｔｈの測定は、Ｔｊの確立のために、さらに、半導体層の層間剥離を検出するため、もしくはゲート端子の剥離を検出するために、有用であろう。

ゲートとエミッタとの間の入力キャパシタンス（Ｃｇｅ）およびミラーキャパシタンス（ＣｍｉｌｌｅｒまたはＣｃｇ）は、どちらも、電力スイッチの各スイッチング時点で、ゲートを通じて放充電される。図５、図６、および図７は、入力キャパシタンスおよびミラーキャパシタンスと、他の電気パラメータとの一般的な関係を示す。コミッショニング（標準またはベースライン）値からのキャパシタンスの変化は、層間剥離、すなわち、電流チャネリングを検出するのに有用であろう。例えば、スイッチＯＮまたはスイッチＯＦＦの間のゲート電流Ｉｇｅの積分（図５参照）は、Ｃｇｅを取得することができる、ゲートでの充電の推定をもたらす。Ｃｇｅは、ヒステリシスまたは処理依存度を示し、したがって、Ｃｇｅのいくつかのベースライン値は、さまざまな過度変動に対応し、不揮発性メモリ（メモリ４２６など）に格納することができる。後に、特定の過度変動が通常動作で繰り返された場合、Ｃｇｅが再び推定され、その過度変動に対するベースライン値と比較することができる。次いで、ある時間にわたるＣｇｅの変化は、（スイッチ半導体の層間での）電力スイッチのキャパシタンスの処理依存変化を示す。インピーダンス分光を使用して、故障位置を、電力スイッチ内の特定の層または界面に対して診断することができる。

図８は、電力スイッチの、選択された内部インダクタンス、抵抗、およびキャパシタンスに対する例示的な等価回路を示す。図８において、ゲート電圧Ｖｇは、ゲートドライバ出力で測定してもよい。

図５に示すように、電力スイッチがターンオンまたはターンオフされた場合のゲート電流Ｉｇｅの時間積分は、ミラーキャパシタンスおよび入力キャパシタンスに対する総充電をもたらす。ゲート電圧レベルＶｇｅ＿ｏｎおよびＶｇｅ＿ｏｆｆは、全動作範囲にわたって一定であり、ゲート駆動ユニット４０２内で測定される。Ｖｇｅ＿ｏｆｆは、ＤＣリンク１０７での電圧に等しく、容易に測定可能である。図２および図４に示す配線の場合、Ｖｇｅ＿ｏｎ＝Ｖｇｅ＿ｏｎ−Ｖｆである。同じ動作条件の場合のゲート電流積分の比較は、電力スイッチ正常性状態についての情報をもたらす。一実施形態において、ゲート電流積分の小数部のみが、ただ１つのキャパシタンスが充電された場所を与える。

Ｒｔｈｊｃ、半導体デバイス接合部からスイッチ・モジュール・ケースへの熱抵抗は、電力スイッチ正常性状態をモニタリングするための、他の有用な特性である。Ｒｔｈｊｃは、電力スイッチの層が剥離し始めた場合に増加し、デバイスの熱的過負荷を引き起こす可能性がある。基本関係式は、Ｒｔｈｊｃ＝（Ｔｊ−Ｔｃ）／Ｐｌｏｓｓであり、Ｐｌｏｓｓは、Ｐｌｏｓｓ＝Ｉｃｅ×Ｖｃｅとして、伝導モードで判断される。

Ｔｊは、電力スイッチコミッショニングで確立した実験的関係に基づいて推定することができ、例えば、Ｔｊ＝Ｔｊ（Ｖｇｅｔｈ）であり、Ｖｇｅｔｈは、接合部温度の一般的に線形に減少する関数として特徴づけられる。Ｖｇｅｔｈ関数パラメータは、個々の電力スイッチの酸化物層およびチャネル構造に依存する。酸化物層構造における変化（例えば、層間剥離）によるＴｊエラーの導入を避けるために、Ｔｊはまた、インターロッキング（ゼロ電流）期間の間、Ｖｇｅｔｈを駆動するために電流源を使用することによって測定することができる。図９は、例示的なＶｇｅｔｈ（Ｔｊ）プロファイルを示し、２．５ｋＶブロック電圧および１２００Ａ公称電流のＨｉｔａｃｈｉ ｔｙｐｅ ＩＧＢＴを使用する。例において、２０００ｍＡ駆動電流（＝２Ａ）によって規定されるＶｇｅｔｈは、２５℃で６．４Ｖであり、１２５℃で５．６Ｖであるため、ＶｇｅｔｈのＴｊに対する負の関係を示す。

測定されたか、または導出された任意の特性に対し、ベースライン／標準値が、正常性モニタリングのための比較を可能にするために必要となる。一実施形態において、モニタリングされた特性の標準値は、事前コミッショニング・ベンチ・テストの間に取得される。次いで、標準値は、ゲート駆動ユニット４０２のメモリ４２６に、および／またはゲート駆動ユニットから離れた所にある制御器４９０のメモリに格納される。他の実施形態において、１つまたは複数のベースライン／標準値は、変換器がスイッチを入れられるか、またはアイドル状態にある場合に行われるルーチンテストの間に確立される。ルーチンテストの一態様において、電力スイッチは、所定のスケジュールに従って切り替えられ、電力スイッチおよび全変換器の特性が、測定および／または算出される。標準（例えば、オン−コミッショニング）値との比較により、変換器および電力スイッチの正常性状態についての状態がもたらされ、変換器および電力スイッチの正常性状態を判断するために使用される。動作中、実施形態において、選択された特性の連続的または周期的な測定値が、次いで、電力変換器および電力スイッチの正常性をモニタリングするために、ベースライン値と比較される。比較は、ゲート駆動ユニット（例えば、ＰＬＣ４２０）の制御器内で、または中央制御器４９０で行うことができる。

本発明の一実施形態において、電力スイッチの正常性状態は、（例えば、メモリから取得される）電力スイッチの特性に対する標準値を取得すること、ゲート電圧を電力スイッチにもたらすよう接続されるゲート駆動ユニットを介して、特性の測定値を取得すること、および特性の測定値を標準値と比較することによって判断される。測定値は、ゲート駆動ユニット内、またはゲート駆動ユニットとは別々の制御器内の、標準値と比較してもよい。ある態様において、ゲート駆動ユニットは、正常性モニタリング信号を、ゲート駆動ユニットとは別々の中央制御器に周期的に送信することができ、例えば、正常性モニタリング信号は、周期的に判断されるような正常性状態の情報を含む。いくつかの実施形態において、測定された特性は、Ｌｃｏｍ（電力スイッチがスイッチオンまたはオフされた場合の電力スイッチと関連する整流パスの漂遊インダクタンス）を含み、端子剥離を検出するために使用することができる。いくつかの実施形態において、測定された特性は、Ｒｔｈｊｃ（電力スイッチ接合部から電力スイッチケースへの熱伝達に対する推定される熱抵抗）を含む可能性があり、半導体層間剥離を検出するために使用することができる。いくつかの実施形態において、測定された特性は、Ｖｆ（電力スイッチが伝導している間の電力スイッチ間の電圧降下）および／またはＶｇｅｔｈ（電力スイッチが伝導を始めた場合のゲート電圧閾値レベル）を含む可能性があり、ゲート酸化膜劣化を検出するために使用することができる。いくつかの実施形態において、測定された特性は、Ｃｍｉｌｌｅｒ、Ｃｃｇ、またはＣｇｅ（電力スイッチ内の欠陥位置を分離するために使用することができるキャパシタンス）を含むことができる。いくつかの実施形態において、測定された特性は、電力スイッチを通る電流について説明する時間関数のパラメータ、例えば、スイッチング電流スルーを含むことができる。したがって、ある実施形態において、故障位置は、一連の出力過度変動の間の、特性の測定値と特性の標準値との比較の繰返しに基づいて報告することができる。

一実施形態によれば、ゲート駆動ユニットは、ゲート電圧を電力スイッチに送るよう構成される出力段と、電力スイッチの特性の測定値を取得するよう構成されるセンサモジュールとを備える。さらに、制御器は、測定値と特性の標準値との比較に基づいて、電力スイッチの正常性状態を判断するよう構成される。例えば、特性は、Ｌｃｏｍ、Ｒｔｈｊｃ、Ｖｆ、Ｖｇｅｔｈ、Ｃｍｉｌｌｅｒ、Ｃｃｇ、電流スルー、またはＣｇｅのいずれかを含むことができる。制御器は、ゲート駆動ユニットに組み込んでもよい。あるいは、制御器は、ゲート駆動ユニットと別々でもよく、他のゲート駆動ユニットと通信するよう構成してもよい。ある実施形態において、ゲート駆動ユニットは、正常性モニタリング信号を、ゲート駆動ユニットとは別々の中央制御器に周期的に送信するよう構成してもよく、例えば、正常性モニタリング信号は、周期的に判断されるような正常性状態の情報を含む。

他の実施形態によれば、電力変換器は、複数の電力スイッチと複数のゲート駆動ユニットとを備える。ゲート駆動ユニットは、それぞれ、ゲート電圧を複数の電力スイッチに送るよう接続される出力段と、電力変換器の動作中に、電力スイッチの１つまたは複数の特性についての測定値を取得するよう接続されるセンサモジュールとを備える。例えば、１つまたは複数の特性は、Ｌｃｏｍ、Ｒｔｈｊｃ、Ｖｆ、Ｖｇｅｔｈ、Ｃｍｉｌｌｅｒ、Ｃｃｇ、電流スルー、またはＣｇｅのいずれか１つまたは複数を含むことができる。電力変換器はまた、複数の測定値と、少なくとも１つの標準値との比較に基づいて、電力スイッチの各正常性状態を判断するよう構成される、少なくとも１つの制御器を備える。ある実施形態において、複数の制御器を設けてもよく、各制御器は、複数のゲート駆動ユニットの１つに組み込んでもよい。いくつかの実施形態において、少なくとも１つの制御器は、判断された正常性状態に基づいて、電力スイッチ故障の危険性を報告するよう構成される。他の実施形態において、変換器全体の正常性状態は、電力スイッチの正常性状態の周期的な判断に従ってモニタリングされる。

他の実施形態において、本方法は、電力変換器内の複数の電力スイッチの各正常性状態をモニタリングすることと、正常性状態についての情報を、電力変換器から離れた所にある受信部（離れた所にある、とは、制御器や他の受信部が、変換器のハウジング内にはない、などの、電力変換器の中にはないこと意味する）に通信することとを備える。正常性状態をモニタリングするステップは、メモリユニットから、電力スイッチの１つまたは複数の特性に対する１つまたは複数の各標準値を取得することと、電力変換器の動作中に、電力スイッチの１つまたは複数の特性の測定値を周期的に取得することと、測定値と標準値との比較に基づいて、正常性状態を周期的に判断することとを備える。遠隔受信部に通信される情報により、複数の電力スイッチの１つまたは複数が修復または交換対象であるかを識別することができる。

容易に理解されるであろうが、本発明の態様において、１つまたは複数の電力スイッチの正常性状態は、動作中に連続的にモニタリングすることができる（正常性状態の各判断は、不連続な時間で行うが、可能な限り早く正常性状態を再判断すること、すなわち、予期される電力スイッチ過度変動に対して比較的短い間隔で正常性状態を再判断することにより、実質的に連続的なモニタリングをもたらす）。したがって、差し迫った故障の徴候を検出すること、および故障の危険性のあるデバイスを未然に交換することが可能である。同時に、正常なデバイスの検査またはスケジュールされた交換のために、不要に設備をシャットダウンすることを防ぐことが可能である。結果として、動作およびメンテナンスのコストを削減することができる。

上記の説明は例示的なものであり、制限するものではないことが理解されよう。例えば、上記の実施形態（および／またはその態様）は、互いに組み合わせて使用してもよい。さらに、本発明の範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるために、多くの変形を行うことができる。本明細書で説明した材料の寸法および種類は、本発明のパラメータを定義することを意図するが、それらは、限定するものではなく、例示的な実施形態である。他の多くの実施形態が、上記説明を検討することにより、当業者に明らかになるであろう。したがって、本発明の範囲が、添付の特許請求の範囲、およびそのような特許請求の範囲による等価物の全範囲を参照して判断される。添付の特許請求の範囲において、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」および「ｉｎ ｗｈｉｃｈ」という用語は、それぞれ「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」および「ｗｈｅｒｅｉｎ」という用語のプレーンイングリッシュ的同等語として使用される。さらに、添付の特許請求の範囲において、「第１」「第２」「第３」「上側」「下側」「底部」「上部」などの用語は、単なる符号として使用され、それらの物体について、数的要件または位置的要件を課すことを意図しない。さらに、添付の特許請求の範囲の限定は、そのような特許請求の範囲が、フレーズ「ための手段（ｍｅａｎｓ ｆｏｒ）」と、その後に続くさらなる構造の機能的空所の文を明示的に使用しない限り、および使用するまで、ミーンズ・プラス・ファンクションのフォーマットで記載されず、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１２２の第６パラグラフに基づいて解釈されることを意図しない。

ここでの記述は、最良の態様を含む本発明のいくつかの実施形態を開示し、さらに、任意のデバイスまたはシステムを作成および使用すること、および任意の組み込み方法を実行することを含む、当業者が本発明の実施形態を実施することを可能にするための例を使用する。本発明の特許可能な範囲は特許請求の範囲によって定義され、当業者が行う他の例を含むことができる。このような他の実施例は、特許請求の範囲の文言との差がない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言との実質的な差がない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にある。

本明細書で使用する場合、単数形で書かれた要素またはステップおよび単語「ａ」もしくは「ａｎ」が前に付く要素またはステップは、例外であることが明示されない限り、前記要素またはステップが複数である可能性を除外しないことを理解すべきである。さらに、本発明の「一実施形態」という言及は、記載した特徴を含む追加の実施形態の存在を除外すると解釈されるべきではない。さらに、明示的に反対のことが言及されない限り、特定の特性を有する一要素または複数の要素を「備える」「含む」または「有する」実施形態は、その特性を有さない、そのような追加の要素を含む可能性がある。

本明細書における本発明の主旨および範囲から逸脱することなく、電力スイッチ正常性モニタリングのための上記の装置および方法に何らかの変更を行ってもよいので、上記の説明および添付図面における発明の主題のすべては、本明細書の発明の概念を単に例示的に示すものとして解釈されるべきであり、本発明を限定するものと解釈されるべきではない。

１００ 牽引システム
１０２ 燃焼機
１０４ 三相発電機
１０６ 三相ダイオードアレイ
１０７ ＤＣリンク
１０８ コンデンサ
１１０ 電力インバータ
１１１ スイッチ装置
１１２ スイッチ装置、スイッチモジュール
１１３ スイッチ装置
１１４ スイッチ装置
１１５ スイッチ装置
１１６ スイッチ装置
１２０ 出力リード線
１３０ 牽引モータ
２２０ 電力スイッチ
２２１ フリー・ホイール・ダイオード
２２２ コレクタ
２２３ エミッタ
２２４ 接合部
２２５ ゲート
２２７ 電流源
２２８ ブロックダイオード
３２０ ケース
３２３ エミッタ端子
３２４ 感知端子
３２５ 感知端子
３２６ 制御端子
３２７ サーミスタ
４０２ ゲート駆動ユニット
４２０ ＦＰＧＡ
４２１ ＤＣ電源装置
４２２ 信号変換器
４２４ 多重（ＭＵＸ）ＡＤＣ（アナログ−デジタル信号変換器）
４２６ メモリ
４２８ 制御／データ信号接続部
４３０ センサ信号接続部
４３２ センサ信号接続部
４３４ センサ信号接続部
４９０ 中央制御器

Claims (11)

1. 電力スイッチ（２２０）の接合部（２２４）からケース（３２０）への熱抵抗に対する標準値を取得するステップと、
   中央制御器（４９０）、および、前記電力スイッチ（２２０）のゲート端子と前記中央制御器（４９０）との間で通信可能に接続されたゲート駆動ユニット（４０２）のうちの少なくとも１つの前記標準値を格納するステップと、
   前記電力スイッチ（２２０）の動作中に、前記ゲート駆動ユニット（４０２）において、同じ電力スイッチの接合部からケースへの熱抵抗の測定値を取得するステップと、
   前記中央制御器（４９０）または前記ゲート駆動ユニット（４０２）において、前記測定値と接合部からケースへの熱抵抗の標準値との比較に基づいて前記電力スイッチ（２２０）の正常性状態を判断するステップと、
   を含み、
   前記接合部からケースへの熱抵抗の測定値は、前記電力スイッチ（２２０）の瞬時電力と、測定された前記電力スイッチ（２２０）のケースの温度と、測定されたゲート閾値電圧に基づいて推定された前記電力スイッチ（２２０）の接合部温度とに基づいて取得される、
   方法。
2. 前記ゲート駆動ユニット（４０２）は、正常性モニタリング信号を、前記ゲート駆動ユニット（４０２）から離れた所にある前記中央制御器（４９０）に周期的に送信し、前記正常性モニタリング信号は、前記正常性状態の情報を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記測定値が、前記ゲート駆動ユニット（４０２）から離れた所にある前記中央制御器（４９０）内で前記標準値と比較される、請求項１または２に記載の方法。
4. 一連の電力過度変動の間の、前記特性の先記測定値と前記特性の前記標準値との比較の繰返しに基づいて、前記電力スイッチ（２２０）内の故障位置を報告するステップをさらに備える、請求項１から３のいずれかに記載の方法。
5. 前記電力スイッチ（２２０）の前記判断された正常性状態に基づいて、前記電力スイッチ（２２０）の交換を勧めるステップをさらに備える、請求項１から４のいずれかに記載の方法。
6. ゲート電圧および／またはゲート電流を電力スイッチ（２２０）に送るよう構成される出力段と、
   前記電力スイッチ（２２０）の動作中の接合部（２２４）からケース（３２０）への熱抵抗の測定値を取得するよう構成されるセンサモジュールと、
   を備える、ゲート駆動ユニット（４０２）と、
   前記測定値と、前記ゲート駆動ユニット（４０２）および中央制御器（４９０）のうちの少なくとも１つに従前に格納された接合部（２２４）からケース（３２０）への熱抵抗の標準値との比較に基づいて、前記電力スイッチ（２２０）の正常性状態を判断するよう構成される制御器（４９０）と、
   を備え、
   前記接合部からケースへの熱抵抗の測定値は、前記電力スイッチ（２２０）の瞬時電力と、測定された前記電力スイッチ（２２０）のケースの温度と、測定されたゲート閾値電圧に基づいて推定された前記電力スイッチ（２２０）の接合部温度とに基づいて取得される、
   システム。
7. 前記制御器（４９０）が、前記ゲート駆動ユニット（４０２）と別々であり、他のゲート駆動ユニットと通信するよう構成される、請求項６に記載のシステム。
8. 前記制御器（４９０）が、正常性モニタリング信号を、別の制御器に周期的に送信するよう構成され、前記正常性モニタリング信号が、前記正常性状態についての情報を含む、請求項６または７に記載のシステム。
9. 電力変換器であって、
   複数の電力スイッチ（２２０）と、
   前記複数の電力スイッチ（２２０）にゲート電圧ならびに／もしくはゲート電流を送るよう接続される出力段、および
   前記電力変換器の動作中に前記複数の電力スイッチ（２２０）のそれぞれの接合部からケースへの熱抵抗の測定値を取得するよう接続されるセンサモジュール、
   を備える複数のゲート駆動ユニット（４０２）と、
   前記複数の測定値と、前記ゲート駆動ユニット（４０２）のうちの少なくとも１つまたは制御器（４９０）のうちの少なくとも１つに従前に格納された少なくとも１つの標準値との比較に基づいて、前記電力スイッチ（２２０）の正常性状態を判断するよう構成される少なくとも１つの制御器（４９０）と、
   を備え、
   前記接合部からケースへの熱抵抗の測定値は、前記電力スイッチ（２２０）の瞬時電力と、測定された前記電力スイッチ（２２０）のケースの温度と、測定されたゲート閾値電圧に基づいて推定された前記電力スイッチ（２２０）の接合部温度とに基づいて取得される、
   電力変換器。
10. 前記少なくとも１つの制御器（４９０）が、判断された正常性状態に基づいて、電力スイッチ故障の危険性を報告するよう構成される、請求項９に記載の電力変換器。
11. 電力変換器内の複数の電力スイッチ（２２０）の各正常性状態をモニタリングするステップと、
    前記正常性状態についての情報を前記電力変換器から離れた所にある受信部に通信するステップと、
    を含み、
    前記正常性状態をモニタリングする前記ステップが、前記電力スイッチ（２２０）のゲート端子と通信可能に接続されたゲート駆動ユニット（４０２）、および、複数のゲート駆動ユニット（４０２）と通信可能に接続された中央制御器（４９０）のうちの少なくとも１つにおいて、
    メモリユニットから、前記電力スイッチ（２２０）の接合部からケースへの熱抵抗に対する１つまたは複数の各標準値を取得するステップと、
    前記電力変換器の動作中に、前記電力スイッチ（２２０）の前記接合部からケースへの熱抵抗の測定値を取得するステップと、
    前記測定値と前記標準値との比較に基づいて、前記正常性状態を判断するステップと、
    を含み、
    前記接合部からケースへの熱抵抗の測定値は、前記電力スイッチ（２２０）の瞬時電力と、測定された前記電力スイッチ（２２０）のケースの温度と、測定されたゲート閾値電圧に基づいて推定された前記電力スイッチ（２２０）の接合部温度とに基づいて取得される、
    方法。