JP6754438B2 - 電気機器および電気機器の診断装置 - Google Patents
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Description
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、簡素な構成で半導体の素子温度を推定できる電気機器および電気機器の診断装置を提供することを目的とする。
〈第1実施形態の構成〉
図1は、本発明の第1実施形態による電力変換システムS1(電気機器)のブロック図である。
図1において電力変換システムS1は、直流電源150(直流電圧電源)と、該直流電源150の出力電圧を交流電圧に変換する電力変換装置100と、該電力変換装置100によって駆動される負荷装置120と、制御部130と、解析・表示部140と、を有している。
図2に示すように、電力用半導体素子104は、IGBT601と、逆方向に接続されたダイオード602とを有している。なお、IGBT601はMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)に置き換えてもよい。そして、ダイオード602に代えてMOSFETの寄生ダイオードを適用できる場合には、ダイオード602は省略してもよい。以上、電力用半導体素子104の構成について説明したが、電力用半導体素子106も同様に構成されている。
電力用半導体素子104は、ベース板803と、はんだ層808と、絶縁基板807と、はんだ層810と、半導体素子部809とを有している。また、絶縁基板807は、メタル層804と、絶縁層805と、メタル層806とを有している。ベース板803は、冷却器801に衝合され、衝合面にはグリス802が塗布されている。なお、電力用半導体素子106も電力用半導体素子104と同様に構成されている。
次に、図4(a)〜(f)を参照し、本実施形態の動作を説明する。ここで、図4(a)〜(e)は、各々制御信号Va、電流Isw、スイッチングノイズIn、パルス信号Vpおよびパルス信号Vqの波形図であり、図4(f)は、半導体素子部809(図2参照)の温度(以下、素子温度Tという)の特性図である。
次に、図4(d)におけるパルス信号Vp1,Vp2は、素子温度T1,T2におけるパルス信号Vpである。パルス信号Vpは、スイッチングノイズInのエンベロープレベルが所定値以上になると立ち上がり、該所定値未満になると立ち下がる波形を有している。
以上のように、本実施形態によれば、簡易な構成で、電力用半導体素子104,106の素子温度Tを計測できる。さらに、電流センサ114、パルス変換部112、エッジ間隔検出部111等の回路は、電力用半導体素子104,106の双方に対して共用することができ、一層小規模な回路で、電力用半導体素子104,106の素子温度Tを計測できる。
次に、再び図1を参照し、本発明の第2実施形態による電力変換システムの構成を説明する。
本実施形態において、制御部130は、図1において破線で示した関係記憶部132と、温度推定部138とを有している。関係記憶部132は、図4(f)に示した偏差時間tnと素子温度Tとの関係を、テーブルまたは関数の形式で記憶している。
上述した以外の本実施形態の構成、動作は第1実施形態のものと同様である。これにより、本実施形態によれば、第1実施形態と同様の効果を奏する。さらに、本実施形態によれば、制御部130は、リアルタイムに素子温度Tの推定値を求めることができる。
次に、再び図1を参照し、本発明の第3実施形態による電力変換システムの構成を説明する。本実施形態において、制御部130は、図1において破線で示した関係記憶部132と、温度推定部138とに加えて、残存寿命推定部139を有している。残存寿命推定部139は、電力用半導体素子104,106の残存寿命を推定する機能を有している。上記以外の構成は、第2実施形態のものと同様である。
図5は、パワーサイクル試験の試験結果を示す図である。
電力用半導体素子104または106に対して、「ある温度上昇ΔTを与えて元の温度に戻す」という操作を「1サイクル」とし、これをN1サイクル実行したときに当該電力用半導体素子104または106が故障したとする。なお、温度上昇が起こる前の素子温度をT01とし、温度上昇が起こった後の素子温度をT02とすると、温度上昇ΔTは、「T02−T01」に等しい。種々の温度上昇ΔTに対して、サイクル数N1を実測することを「パワーサイクル試験」と呼び、図5はに示す特性Fはその結果である。なお、図5は、縦横軸ともにログスケールのグラフであり、縦軸はサイクル数N1、横軸は温度上昇ΔTである。
次に、図6を参照し、本発明の第4実施形態による電力変換システムS4(電気機器)の構成を説明する。なお、図6において、図1〜図5の各部に対応する部分には、同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
図6において電力変換システムS4は、電力変換装置500と、診断回路501と、3相交流電源502と、3相モータ506とを有している。
次に、本発明の第5実施形態による電力変換システムの構成を説明する。本実施形態のハードウエア構成および動作は、第4実施形態のものと同様である。但し、本実施形態において、制御部508は、偏差時間tnと素子温度Tとの関係を表す図4(f)に示した偏差時間tnと素子温度Tとの関係を、テーブルまたは関数の形式で記憶している。これにより、制御部508(図6参照)は、電力変換装置500の稼働時におけるIGBT505a〜505fの各素子温度Tを求めることができる。また、本実施形態の制御部508は、出力端子518を介して、求めた素子温度Tを外部に出力する。
次に、本発明の第6実施形態による電力変換システムの構成を説明する。
本実施形態のハードウエア構成および動作は、第5実施形態のものと同様である。但し、本実施形態において、制御部508は、第3実施形態における残存寿命推定部139(図1参照)と同様の機能を有している。これにより、制御部508は、IGBT505a〜505fの各々について、残存寿命を予測し、出力端子518を介して、予測した残存寿命を出力する。以上のように、本実施形態によれば、第5実施形態と同様の効果を奏するとともに、第3実施形態と同様に、IGBT505a〜505fの各々の残存寿命も高精度に予測できる。
次に、図7を参照し、本発明の第7実施形態による電力変換監視システムS7の構成を説明する。なお、図7において、図1〜図6の各部に対応する部分には、同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
図7において、電力変換監視システムS7は、電力変換システム710a,710b,710c,710dと、サーバ機720(電気機器の診断装置)と、を有している。これらは通信ネットワーク網700を介して相互に通信可能になっている。
図8において、表示画面740は、システム欄742と、デバイス欄744(デバイス情報)と、温度欄746と、予測残存寿命欄748とを有している。システム欄742は、対象となる電力変換システム(710a〜710d)のうち何れかを特定する情報を表示する。また、デバイス欄744は、対応する電力変換システムに含まれる何れかのデバイス(例えばIGBT505a〜505f)のうち何れかを特定する情報を表示する。
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施形態は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について削除し、若しくは他の構成の追加・置換をすることが可能である。また、図中に示した制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上で必要な全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。上記実施形態に対して可能な変形は、例えば以下のようなものである。
107,108 絶縁・駆動回路(駆動回路)
111 エッジ間隔検出部(偏差時間計測部)
112 パルス変換部
114 電流センサ(検出器)
132 関係記憶部
136 時間計測部(偏差時間計測部)
138 温度推定部
139 残存寿命推定部
150 直流電源(直流電圧電源)
502 3相交流電源(直流電圧電源)
503 整流部(直流電圧電源)
504 平滑コンデンサ(直流電圧電源)
505a〜505f IGBT(半導体素子)
511 絶縁・駆動回路(駆動回路)
513 電流センサ(検出器)
515 エッジ検出部(偏差時間計測部)
516 時間計測部(偏差時間計測部)
700 通信ネットワーク網
710a〜710d 電力変換システム(電気機器)
720 サーバ機(電気機器の診断装置)
722 受信部
724 表示制御部
730 ディスプレイ
744 デバイス欄(デバイス情報)
S1,S4 電力変換システム(電気機器)
S7 電力変換監視システム(電気機器)
T 素子温度
In スイッチングノイズ(ノイズ成分)
Va 制御信号
Vp1,Vp2,Vp パルス信号(矩形波パルス)
tn1,tn2 偏差時間
Claims (5)
- 複数の半導体素子と、
複数の前記半導体素子のオン状態またはオフ状態を指令する制御信号を受信して、前記制御信号に基づいて複数の前記半導体素子を駆動する駆動回路と、
複数の前記半導体素子に出力電力を与える直流電圧電源と、
前記直流電圧電源の出力に重畳された、複数の前記半導体素子で発生したノイズ成分を検出する検出器と、
複数の前記半導体素子の各々について、前記制御信号が前記オフ状態を指令したタイミングと、前記ノイズ成分の発生タイミングとの差である偏差時間を計測する偏差時間計測部と、
前記ノイズ成分を矩形波パルスに変換するパルス変換部と、
を有し、
前記偏差時間計測部は、前記制御信号の変化タイミングと、前記矩形波パルスの変化タイミングとに基づいて、前記偏差時間を計測するものである
ことを特徴とする電気機器。 - 前記偏差時間と、前記半導体素子の温度である素子温度との関係を記憶する関係記憶部と、
前記偏差時間と、前記関係記憶部の記憶内容とに基づいて前記素子温度を推定する温度推定部と、
をさらに有することを特徴とする請求項1に記載の電気機器。 - 前記素子温度に基づいて、前記半導体素子の予測残存寿命を推定する残存寿命推定部
をさらに有することを特徴とする請求項2に記載の電気機器。 - 複数の半導体素子と、
複数の前記半導体素子のオン状態またはオフ状態を指令する制御信号を受信して、前記制御信号に基づいて複数の前記半導体素子を駆動する駆動回路と、
複数の前記半導体素子に出力電力を与える直流電圧電源と、
前記直流電圧電源の出力に重畳された、複数の前記半導体素子で発生したノイズ成分を検出する検出器と、
複数の前記半導体素子の各々について、前記制御信号が前記オフ状態を指令したタイミングと、前記ノイズ成分の発生タイミングとの差である偏差時間を計測する偏差時間計測部と、
前記偏差時間と、前記半導体素子の温度である素子温度との関係を記憶する関係記憶部と、
前記偏差時間と、前記関係記憶部の記憶内容とに基づいて前記素子温度を推定する温度推定部と、
前記素子温度に基づいて、前記半導体素子の予測残存寿命を推定する残存寿命推定部と、
複数の前記半導体素子を識別する情報であるデバイス情報と、各々の前記半導体素子に係る前記素子温度と、各々の前記半導体素子に係る前記予測残存寿命と、をディスプレイに表示させる表示制御部と、
を有し、
前記表示制御部は、前記素子温度が所定温度以上である前記半導体素子の前記デバイス情報を、他の前記半導体素子の前記デバイス情報とは異なる表示態様で表示する
ことを特徴とする電気機器。 - 複数の半導体素子と、複数の前記半導体素子のオン状態またはオフ状態を指令する制御信号を受信して、前記制御信号に基づいて複数の前記半導体素子を駆動する駆動回路と、複数の前記半導体素子に出力電力を与える直流電圧電源と、前記直流電圧電源の出力に重畳された、複数の前記半導体素子で発生したノイズ成分を検出する検出器と、複数の前記半導体素子の各々について、前記制御信号が前記オフ状態を指令したタイミングと、前記ノイズ成分の発生タイミングとの差である偏差時間を計測する偏差時間計測部と、前記ノイズ成分を矩形波パルスに変換するパルス変換部と、を各々が有し、前記偏差時間計測部は、前記制御信号の変化タイミングと、前記矩形波パルスの変化タイミングとに基づいて、前記偏差時間を計測するものである複数の電気機器から、通信ネットワーク網を介して前記偏差時間を受信する受信部と、
前記偏差時間と、複数の前記半導体素子の温度である素子温度との関係を記憶する関係記憶部と、
前記偏差時間と、前記関係記憶部の記憶内容とに基づいて前記素子温度を推定する温度推定部と、
前記素子温度に基づいて、複数の前記半導体素子の予測残存寿命を推定する残存寿命推定部と、
を有することを特徴とする電気機器の診断装置。
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