JP6564601B2 - インバータ装置 - Google Patents

Description

本発明は、インバータ装置に係り、特にインバータ装置を構成する個々のパワー半導体素子接合部の寿命接近を予測し、寿命到達間近と判断された場合にその旨を報知するとともに、インバータ保護運転制御を行いパワー半導体素子の寿命を延長する手段を備えたインバータ装置に関する。

電力変換装置であるインバータ装置では、インバータ装置運転時の運転電流によって、インバータ装置の構成部品の一つであるパワー半導体素子の温度が上昇し、インバータ装置停止時にはパワー半導体素の温度が下降する。この時に生じる温度差が、パワー半導体素子接合部（はんだ付け部）に熱ストレスを与え、劣化を進める要因となる。熱ストレスの積み重ねによってパワー半導体素子接合部が破壊するまでの期間をパワーサイクル寿命と呼ぶ。パワー半導体素子接合部がパワーサイクル寿命に到達するとパワー半導体素子が機能停止となり、インバータ装置の動作も停止する。

パワーサイクル寿命によるインバータ装置動作の突然の停止は、熱ストレスによるパワー半導体素子接合部の劣化を予測・報知し、あるいは保護運転制御を行うことによる延命処置を講ずるなどしない限り避けられない問題である。

顧客先においては、例えば、常時運転を行う必要のあるデータセンター向けの空気調和機に関して、空気調和機に搭載されるインバータ装置がパワー半導体素子接合部寿命によって停止する以前にその予兆を予測・報知し延命処置を講じ、突然の停止を回避することが望まれる。

特許文献１は、パワー半導体素子直下のフィンに取り付けた温度センサで測定した温度から間接的にパワー半導体素子接合部の温度を推定し、パワーサイクル寿命を予測する手法を開示している。

特開２０１２−１９１８４９号公報

特許文献１の装置例では、温度センサを用いていることによる装置の大型化や、温度センサがパワー半導体素子接合部に取り付けられていないことによる測定温度誤差の発生が懸念される。

さらには、インバータ装置運転・停止が繰り返し行われた際の温度差が一定ではなく、一定温度差により規定されるパワーサイクル寿命を正確に予測することは困難であると考えられる。

以上のことから本発明の目的は、より正確に半導体素子の寿命予測を行い、信頼性を向上させたインバータ装置を提供することである。

以上のことから本発明においては、半導体素子が直列接続されて構成される複数のレグの両端は直流電源に接続され、各レグの半導体素子間と交流負荷の各相とが接続されることで交流負荷に直流電源を交流電源に変換して電力供給するインバータ装置であって、半導体素子の導通時の電圧が以前の導通時の電圧よりも所定以上の割合で増加した場合、半導体素子の異常と判定することを特徴とする。

本発明によれば、より正確に半導体素子の寿命予測を行い、信頼性を向上させたインバータ装置を提供することが可能となる。

本発明が適用されるインバータ装置の構成例を示す図。 ＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２で構成されるレグの構成（Ｕ相出力部）を抜粋した回路の模式図。 インバータ起動回数の増加とともにＩＧＢＴのコレクタ・エミッタ間電圧が増加することを示した概念図。 図３の特性線Ｌａ、Ｌｂを模擬した図。 ＦＩＦＯ形式のｎ桁のメモリにより移動平均を求める考え方を示した図。

以下、本発明の実施形態におけるインバータ装置について、図面に基づいて説明する。

図１は、本発明が適用されるインバータ装置の構成例を示す図である。

図１に示すように、交流電源２から、交流を直流に変換するコンバータ部３、平滑コンデンサ４を介して直流電源に接続され、原動機などの負荷７に給電すべく使用されるインバータ装置１は、直流を交流に変換するインバータ部５と、インバータ部５を制御するインバータ制御部１３により構成されている。なお図１では交流電源２は三相交流であるが、これは単相交流でもよい。

インバータ装置１の主要部であるインバータ部５は、パワー半導体素子として６個のＩＧＢＴ１〜ＩＧＢＴ６により構成されている。インバータ装置１は、２組のＩＧＢＴが直列接続されてレグを構成し、３組のレグの両端をコンバータ部３のプラス電位端子８とマイナス電位端子９に共通に接続し、かつ３組のレグの上下ＩＧＢＴ接続点から原動機などの負荷７側の３相交流の各相端子１０、１１、１２に導くように構成されている。

各々のＩＧＢＴは、インバータ制御部１３内のインバータ駆動信号出力部６からの駆動信号を受けてスイッチング動作を行い、原動機７を動作させるために必要な電圧・周波数の３相交流出力を生み出している。

このように、図１のインバータ装置は、半導体素子が直列接続されて構成される複数のレグの両端は直流電源に接続され、各レグの半導体素子間と交流負荷の各相とが接続されることで交流負荷に直流電源を交流電源に変換して電力供給するように構成されている。

図２は、インバータ部５のレグのうちから、代表としてＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２で構成されるレグの構成（Ｕ相出力部）を抜粋した回路の模式図である。ＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２はインバータ制御部１３内のインバータ駆動信号出力部６からの駆動信号を受けて駆動される。

レグ両端の端子２６、２７はそれぞれコンバータ３出力後のプラス電位端子８、マイナス電位端子９に接続され、ＩＧＢＴ１とＩＧＢＴ２の中間の接続点２８は交流負荷側Ｕ相端子１０に接続される。

図２において、レグ両端の端子２６、２７間の電圧をＶ_Ｐと定義する。また、接続点２８と端子２７の間の電圧をＶ_Ｕと定義する。このとき、ＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２のコレクタ・エミッタ間電圧はそれぞれ、（１）式、（２）式で定義され、ここではそれぞれＶ_ＣＥＵ１、Ｖ_ＣＥＵ２と表記する。
［数１］
Ｖ_ＣＥＵ１＝Ｖ_Ｐ−Ｖ_Ｕ （１）
［数２］
Ｖ_ＣＥＵ２＝Ｖ_Ｕ （２）
なお、図２ではＵ相の電圧のみを定義しているが、このほかにＶ相の電圧としてＶ_ＣＥＶ１、Ｖ_ＣＥＶ２、Ｗ相の電圧としてＶ_ＣＥＷ１、Ｖ_ＣＥＷ２がある。

図１にもどり、次にインバータ制御部１３の構成について説明する。

インバータ制御部１３には、インバータ部５の両端から電圧が取り込まれている。まず直流側の電圧が、接続点８、９から取り込まれている。この電圧は、図２のレグ両端の端子２６、２７間の電圧Ｖ_Ｐに相当している。また交流側の電圧が、接続点１０、１１、１２から取り込まれている。これらの電圧は、図２の接続点２８と端子２７の間の電圧Ｖ_Ｕ、Ｖ_Ｖ、Ｖ_Ｗに相当している。これらの電圧は、インバータ制御部１３のパワー半導体素子コレクタ・エミッタ間検出回路１４に取り込まれている。

パワー半導体素子コレクタ・エミッタ間検出回路１４においては、接続点８、９の両端に抵抗Ｒ_Ｐ１とＲ_Ｐ２の直列回路が接続され、接続点１０の先には抵抗Ｒ_Ｕ１とＲ_Ｕ２の直列回路が接続され、接続点１１の先には抵抗Ｒ_Ｖ１とＲ_Ｖ２の直列回路が接続され、接続点１２の先には抵抗Ｒ_Ｗ１とＲ_Ｗ２の直列回路がそれぞれ接続されている。

これら抵抗の直列回路は分圧回路を構成したものであり、これにより、パワー半導体素子コレクタ・エミッタ間電圧検出部２０には、（１）、（２）式で求めたコレクタ・エミッタ電圧が、パワー半導体素子コレクタ・エミッタ間検出部２０で読み取り可能な電圧に分圧されたうえで取り込まれている。なお、２１、２２はパワー半導体素子コレクタ・エミッタ間検出部２０を動作させるための給電部である。

パワー半導体素子コレクタ・エミッタ間検出回路１４における（１）、（２）式の処理は、要するにレグのレグ両端間電圧を第１の電圧、レグの一方端と当該レグの半導体素子接続点間の電圧を第２の電圧とし、レグの他方端と当該レグの半導体素子接続点間に接続された第１の半導体素子が導通状態において第１の電圧と第２の電圧の差電圧を求め、当該差電圧を半導体素子の導通時電圧としたものである。

判定部１５は、パワー半導体素子コレクタ・エミッタ間検出部２０で読み取った電圧値Ｖ_Ｐ、Ｖ_Ｕ、Ｖ_Ｖ、Ｖ_Ｗが正常であるか異常であるかの判定を行う部分である。判定手法の考え方について、図３〜図５に基づいて以下に説明する。

図３は、インバータ起動回数の増加とともにＩＧＢＴのコレクタ・エミッタ間電圧が増加することを示した概念図である。この図では縦軸にＩＧＢＴのコレクタ・エミッタ間電圧値、横軸にインバータ起動回数を示している。なおこの場合のＩＧＢＴのコレクタ・エミッタ間電圧とは、当該ＩＧＢＴがオン状態にあるときのコレクタ・エミッタ間のサチュレーション電圧を意味している。またインバータ起動回数とは、インバータに外部電源から電圧印可して起動する回数のことではなく、インバータ内のＩＧＢＴが導通制御開始される回数を意味している。つまりインバータ装置は、レグ構成された半導体素子に点弧信号を継続して与える点弧期間と、半導体素子に点弧信号を継続して与えない無点弧期間を有し、インバータ起動とは無点弧期間から点弧期間に移動した状態をいう。

図３によれば、コレクタ・エミッタ間電圧（サチュレーション電圧）の増加割合は、パワー（ＩＧＢＴ）素子接合部が正常であるときと、パワー（ＩＧＢＴ）素子接合部が異常で素子寿命が間近であるパワー素子寿命接近状態であるときとで異なる推移を示す特徴を持つ。正常状態ではインバータ起動回数の増加に伴い特性Ｌａのように緩やかな電圧増加を示し、パワー素子寿命接近状態ではインバータ起動回数の増加に伴い特性Ｌｂのように急激な電圧増加を示す。つまり、ＩＧＢＴのコレクタ・エミッタ間電圧（サチュレーション電圧）は正常であれば緩やかな電圧増加を示すが、パワー素子の寿命が近くなると急激な電圧増加を示すという傾向がある。

従って、電圧増加の仕方の違いを読み取ることで、パワー半導体素子の正常・異常を判別することができる。緩やかな電圧増加を示すのであれば正常、急激な電圧増加を示すようになったら劣化が進展して寿命が近いということを区別することができる。

図４は、図３の特性線Ｌａ、Ｌｂを模擬した図である。ＩＧＢＴにおける実測特性から、計算により、あるいはメモリなどの表形式により正常遷移の特性線Ｌａと異常遷移の特性線Ｌｂを模擬したものである。具体的な起動回数ごとに境界となる電圧値を計算し、あるいは記憶したものである。

なお図４においてＶ_ｎは、ｎ回目のインバータ起動時に読み取ったＩＧＢＴのコレクタ・エミッタ電圧である。なお、Ｖ_ｎに入る値は、（１）式で求めたＶ_ＣＥＵ１、Ｖ_ＣＥＵ２、Ｖ_ＣＥＶ１、Ｖ_ＣＥＶ２、Ｖ_ＣＥＷ１、Ｖ_ＣＥＷ２のいずれかである。

図４に示すように、ｎ回目までのインバータ起動の後ｎ＋１回目のインバータ起動を行った際、コレクタ・エミッタ間電圧に大きな上昇が見られない場合を正常遷移Ｌａ、コレクタ・エミッタ間電圧に急激な上昇が見られた場合を異常遷移Ｌｂとする。ここで、正常遷移Ｌａと異常遷移Ｌｂとを判別する方法を、図５を用いて説明する。

図５は、インバータ起動回数を重ねる度に遷移するコレクタ・エミッタ間電圧の電圧データ格納テーブル３６Ｕ１〜３６Ｕ３内の状態１〜３を示している。ここでは要するに、連続するｎ回の起動時ごとにコレクタ・エミッタ間電圧を測定し、連続するｎ個の電圧の平均（移動平均）を求めている。そして次回計測電圧が移動平均から大きく相違しているなら異常、移動平均値に類似の値なら正常としている。なお、この判定は移動平均を基準として次回値を評価判定しているが、移動平均値自体の大きさが所定値を超えたことで異常と判定するものであってもよい。

図５は、ＦＩＦＯ（Ｆｉｒｓｔ Ｉｎ Ｆｉｒｓｔ Ｏｕｔ）形式のｎ桁のメモリにより移動平均を求める考え方を示している。３６Ｕは、Ｕ相のコレクタ・エミッタ間電圧データを格納する移動平均産出用メモリであって、状態１では当該ＩＧＢＴの起動時刻がＤ１からＤｎのｎ回の時刻において観測されたＵ相のコレクタ・エミッタ間電圧データ（Ｖ１からＶｎ）を記憶したことを表している。そしてＶ１からＶｎの移動平均と次回の計測電圧Ｖｎ＋１とを比較することを表している。

状態２では当該ＩＧＢＴの起動時刻がＤ２からＤｎ＋１のｎ回の時刻において観測されたＵ相のコレクタ・エミッタ間電圧データ（Ｖ２からＶｎ＋１）を記憶したことを表している。つまり、最も古い計測値Ｖ１を破棄して最新の計測値Ｖｎ＋１を加味して移動平均を求め、そしてＶ２からＶｎ＋１の移動平均と次回の計測電圧Ｖｎ＋２とを比較することを表している。

状態３では当該ＩＧＢＴの起動時刻がＤ３からＤｎ＋２のｎ回の時刻において観測されたＵ相のコレクタ・エミッタ間電圧データ（Ｖ３からＶｎ＋２）を記憶したことを表している。つまり、最も古い計測値Ｖ２を破棄して最新の計測値Ｖｎ＋２を加味して移動平均を求め、そしてＶ３からＶｎ＋２の移動平均と次回の計測電圧Ｖｎ＋３とを比較することを表している。

ここでは、Ｕ相を例として想定しているため、格納テーブル３６の数字の直後にアルファベット「Ｕ」を付しているが、これは対象とする相によって「Ｖ」「Ｗ」と考えることが可能である。１つのデータテーブルには、インバータ起動回数次の少ないものがＤ１から順にＤｎまで合計ｎ個セットされ状態１を作る。次にｎ＋１個目のデータがＤｎにセットされるとともに、Ｄ１のデータが吐き出され、状態２を作る。さらに同様にしてｎ＋２個目のデータがＤｎにセットされるとともに、Ｄ２データが吐き出され、状態３を作る。

状態１〜３のそれぞれにおいて、（１）（２）式により時刻Ｄ１〜Ｄｎの平均値Ｖ_ａｖｇを求め、各状態に対応するＤ_ｎ＋１の値と比較を行う。前記比較の結果、平均値Ｖ_ａｖｇとＤ_ｎ＋１の値の差が急激に開いた時、異常の判定を下す。

図１の判定部１５において異常の判定が下った際は、判定結果報知信号生成部１８を介して報知手段１９によりインバータ寿命が間近に迫っていることを報知するとともに、インバータ保護運転制御指令信号生成部１６を介して、インバータ保護運転制御指令信号をインバータ駆動信号生成部１７に伝える。インバータは運転電流を減らす保護運転モードに入り、パワー半導体素子接合部温度の変動幅を抑え寿命を延長する運転へと切り替わる。

なおパワー半導体素子コレクタ・エミッタ間検出回路１４においては、ＩＧＢＴがオンしているときのコレクタ・エミッタ間電圧（サチュレーション電圧）を測定している。このために、パワー半導体素子コレクタ・エミッタ間検出回路１４には、インバータ駆動信号出力部６から当該ＩＧＢＴのオン制御信号が伝達され、同期タイミングを計ったうえでコレクタ・エミッタ間電圧（サチュレーション電圧）を計測していることは言うまでもない。

このように本発明では、半導体素子の導通時の電圧が以前の導通時の電圧よりも所定以上の割合で増加した場合、半導体素子の異常と判定している。本発明の実施例によれば、より誤差が小さく、装置の小型化が可能な手法によりパワー半導体素子の寿命予測を行い、インバータ保護運転制御を行うことでインバータの動作寿命を延長し、寿命によるインバータ停止の前に部品交換のサービスを確実に実施できる。

１：インバータ装置
２：交流電源
３：コンバータ部
４：平滑コンデンサ
５：インバータ部
６：インバータ駆動信号出力部
７：原動機（負荷）
８：接続点
９：続接点
１０：接続点
１１：接続点
１２：接続点
１３：インバータ制御部
１４：パワー半導体素子コレクタ・エミッタ間電圧検出回路
１５：判定部
１６：インバータ保護運転制御指令信号生成部
１７：インバータ駆動信号生成部
１８：判定結果報知信号生成部
１９：報知手段
２０：パワー半導体素子コレクタ・エミッタ間電圧検出部
２１：給電部
２２：給電部
２３：ＩＧＢＴ駆動部
２４：ＩＧＢＴ_１
２５：ＩＧＢＴ_２
２６：接続点
２７：接続点
２８：接続点
Ｌａ：正常遷移
Ｌｂ：異常遷移
３６Ｕ１：状態１のＵ相コレクタ・エミッタ間電圧データ格納テーブル
３６Ｕ２：状態２のＵ相コレクタ・エミッタ間電圧データ格納テーブル
３６Ｕ３：状態３のＵ相コレクタ・エミッタ間電圧データ格納テーブル

Claims (7)

1. 半導体素子が直列接続されて構成される複数のレグの両端は直流電源に接続され、各レグの半導体素子間と交流負荷の各相とが接続されることで前記交流負荷に前記直流電源を交流電源に変換して電力供給するインバータ装置であって、
   前記半導体素子の導通時の電圧が以前の導通時の電圧よりも所定以上の割合で増加した場合、前記半導体素子の異常と判定するとともに、
   インバータ装置の起動の都度求めた前記半導体素子の導通時電圧を、ＦＩＦＯ形式のメモリに順次記憶して記憶したｎ個の導通時電圧から、通電時電圧の移動平均を求め、次回検知の導通時電圧と移動平均の比較により前記半導体素子の異常を判別することを特徴とするインバータ装置。
2. 請求項１に記載のインバータ装置であって、
   前記レグのレグ両端間電圧を第１の電圧、前記レグの一方端と当該レグの半導体素子間の電圧を第２の電圧とし、前記レグの他方端と当該レグの半導体素子間に接続された第１の半導体素子が導通状態において前記第１の電圧と第２の電圧の差電圧を求め、当該差電圧を前記半導体素子の導通時電圧として前記半導体素子の異常を判別することを特徴とするインバータ装置。
3. 請求項１に記載のインバータ装置であって、
   レグ構成された半導体素子に点弧信号を継続して与える点弧期間と、半導体素子に点弧信号を継続して与えない無点弧期間を有し、前記インバータ装置の起動とは無点弧期間から点弧期間に移動した状態をいうことを特徴とするインバータ装置。
4. 請求項１に記載のインバータ装置であって、
   パワー半導体素子として６個のＩＧＢＴで構成されていることを特徴とするインバータ装置。
5. 請求項２に記載のインバータ装置であって、
   第１の電圧及び第２の電圧を分圧して得ることを特徴とするインバータ装置。
6. 請求項１に記載のインバータ装置であって、
   インバータ装置の起動の都度求めた前記半導体素子の導通時電圧を、ＦＩＦＯ形式のメモリに順次記憶して記憶したｎ個の導通時電圧から、通電時電圧の移動平均を求め、移動平均と基準値の比較により前記半導体素子の異常を判別することを特徴とするインバータ装置。
7. 請求項１に記載のインバータ装置であって、
   前記半導体素子の異常を判別したときに、異常発生を外部報知し、または前記半導体素子に流れる電流を制限して運転継続することを特徴とするインバータ装置。

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