JP6786012B1 - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

スイッチング素子を備えた電力変換装置（２００Ａ）が、スイッチング素子に流れる電流値および制御信号に基づいて、スイッチング素子が格納されている半導体チップの温度変化を推定する温度変化推定部（６）と、温度変化に基づいて、半導体チップがパワーサイクルによって破壊されるまでのパワーサイクルの耐回数を演算する回数演算器（７）と、耐回数に基づいて、パワーサイクルに起因する半導体チップの劣化度を算出する劣化度演算器（８）と、を備え、温度変化推定部（６）は、半導体チップが温度上昇していると判断される際に許容される温度下降の閾値である第１の閾値と、半導体チップが温度下降していると判断される際に許容される温度上昇の閾値である第２の閾値とに基づいて、１回のパワーサイクルにおける半導体チップの温度の最大値および最小値を演算し、回数演算器（７）は、最大値および最小値に基づいて、耐回数を演算する。

Description

本発明は、スイッチング素子を備えた半導体チップの劣化度を算出する電力変換装置および機械学習装置に関する。

インバータといった半導体電力変換器（以下、電力変換器という）は、半導体スイッチング素子（以下、スイッチング素子という）を有している。電力変換器の運転時はスイッチング素子に損失が発生するので、スイッチング素子の温度は上昇し、電力変換器が停止するとスイッチング素子の温度が低下する。このスイッチング素子の温度の上昇と下降との繰り返しは、パワーサイクルと呼ばれており、スイッチング素子が配置される半導体チップの劣化（以下、パワーサイクル劣化という）を引き起こし、半導体チップの寿命を短くする。

電力変換器および電力変換器を制御する制御器を備える電力変換装置は、半導体チップ内の温度変化、すなわちジャンクション温度が分かれば、パワーサイクル劣化を推定することができるが、実際の電力変換装置が半導体チップ内のジャンクション温度を直接測定することは困難である。そこで、電力変換装置は、パワーサイクル劣化を予測し、予測結果に基づいて、パワーサイクルによる半導体チップの寿命予測を行っている。

特許文献１に記載のインバータの保護装置は、電力変換器のスイッチング周波数と交流の出力電流とから、交流１周期あたりのスイッチング素子の温度上昇時のピーク値と温度下降時のピーク値との差である温度変動値を計算している。特許文献１に記載のインバータの保護装置は、温度変動値からスイッチング素子のパワーサイクル劣化の度合いを推定している。

特開２００６−２５４５７４号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術では、電力変換器の出力周波数が低周波であり、電力変換器のスイッチング周波数が低く設定された場合には、出力周波数の１周期中において出力電流に大きな脈動（リプル）が発生する。特許文献１の技術では、このリプルに起因するスイッチング素子の損失に対応する温度変動は考慮することができなかったので、パワーサイクル劣化の推定精度が悪いという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、精度良くパワーサイクル劣化の度合いを推定することができる電力変換装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、スイッチング素子を備えた電力変換装置であって、制御信号を出力してスイッチング素子を制御する制御部と、制御信号に基づいてスイッチング素子を駆動する駆動部と、を備える。本発明の電力変換装置は、スイッチング素子に流れる電流値および制御信号に基づいて、スイッチング素子が格納されている半導体チップの温度変化を推定する温度変化推定部を備える。本発明の電力変換装置は、温度変化に基づいて、半導体チップの１回の温度の上昇と下降とを１回のパワーサイクルとした場合の前記パワーサイクルの繰り返しによって前記半導体チップが破壊されるまでのパワーサイクルの耐回数を演算する回数演算部と、耐回数に基づいて、パワーサイクルの繰り返しに起因する半導体チップの劣化度をパワーサイクル劣化度として算出する劣化度演算部と、を備える。温度変化推定部は、半導体チップが温度上昇していると判断される際に許容される温度下降の閾値である第１の閾値および温度変化に基づいて、１回のパワーサイクルにおける半導体チップの温度の最大値を演算する。温度変化推定部は、半導体チップが温度下降していると判断される際に許容される温度上昇の閾値である第２の閾値および温度変化に基づいて、１回のパワーサイクルにおける半導体チップの温度の最小値を演算し、最大値および最小値に基づいて、半導体チップの１回のパワーサイクルにおける温度変動差を演算し、回数演算部は、温度変動差に基づいて、耐回数を演算する。温度変化推定部は、スイッチング素子に流れる電流値と、制御信号とに基づいて、スイッチング素子に発生する電力損失を演算し、スイッチング素子の熱抵抗値の時間変化を示す過渡熱抵抗データおよびスイッチング素子の熱時定数を用いた一次遅れ項のデータから算出されたスイッチング素子の過渡熱抵抗と、電力損失と、に基づいて、温度変化を演算する。過渡熱抵抗は、複数の一次遅れ系の複数の熱伝達関数の和で表現されている。

本発明にかかる電力変換装置は、精度良くパワーサイクル劣化の度合いを推定することができるという効果を奏する。

実施の形態１にかかる電力変換装置が備える半導体モジュールの構成を示す図 実施の形態１にかかる電力変換装置によるパワーサイクル劣化度の推定処理の概念を説明するための図 実施の形態１にかかる電力変換装置を備える電力変換システムの構成を示す図 実施の形態１にかかる電力変換装置が備える電力損失演算器の構成を示す図 実施の形態１にかかる電力変換装置が備えるＩＧＢＴ損失演算器の構成を示す図 実施の形態１にかかる電力変換装置が備えるＦＷＤ損失演算器の構成を示す図 スイッチング素子の熱抵抗値の時間変化を説明するための模式図 実施の形態１にかかる電力変換装置が備えるチップ温度変化演算器の構成を示す図 実施の形態１にかかる電力変換装置が備えるチップ温度変化演算器の別構成例を示す図 実施の形態１にかかる電力変換装置が備える温度変化演算器の構成を示す図 実施の形態１にかかる電力変換装置が備える上昇最大値計算部の構成を示す図 実施の形態１にかかる電力変換装置が備える上昇最大値計算部の動作処理手順を示すフローチャート 実施の形態１にかかる電力変換装置が備える下降最小値計算部の構成を示す図 実施の形態１にかかる電力変換装置が備える下降最小値計算部の動作処理手順を示すフローチャート スイッチング素子の温度変動差に対するパワーサイクル寿命回数を説明するための模式図 実施の形態１にかかる電力変換装置を備える電力変換システムの他の構成例を示す図 図１６に示した電力変換装置が備える電流測定器の接続位置を説明するための図 実施の形態１にかかる電力変換装置が備える半導体モジュールに対し上側のスイッチング素子のコレクタ側に接続した電流測定器の接続位置を説明するための図 実施の形態２にかかる電力変換装置を備える電力変換システムの構成を示す図 実施の形態２にかかる電力変換装置が備えるチップ温度変化演算器の構成を示す図 実施の形態２にかかる電力変換装置が備えるチップ温度変化演算器の別構成例を示す図 実施の形態３にかかる電力変換装置を備える電力変換システムの構成を示す図 実施の形態３にかかる電力変換装置が備える電流推定部の構成を示す図 実施の形態３にかかる電力変換装置による学習処理および活用処理の処理手順を説明するための図 実施の形態３にかかる機械学習装置が用いるニューラルネットワークの構成を示す図 実施の形態３にかかる電力変換装置が備える電流推定部を実現するハードウェア構成例を示す図

以下に、本発明の実施の形態にかかる電力変換装置および機械学習装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、これらの実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかる電力変換装置が備える半導体モジュールの構成を示す図である。以下の説明では、電力変換装置がスイッチング素子（半導体スイッチング素子）を内蔵したパワー半導体モジュール（以下、半導体モジュールという）１を備えており、半導体モジュール１が、スイッチング素子として、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ：Insulated Gate Bipolar Transistor）およびＦＷＤ（フリーホイールダイオード：Free Wheel Diode）を備えている場合について説明する。

半導体モジュール１では、回路パターン１１１が塗布された基板１１４に、半導体チップ１１３Ａが半田１１０Ａで半田付けされ、半導体チップ１１３Ｂが半田１１０Ｂで半田付けされている。

第１のチップである半導体チップ１１３Ａには、ＩＧＢＴが格納されており、第２のチップである半導体チップ１１３Ｂには、ＦＷＤが格納されている。なお、半導体モジュール１には、複数組の半導体チップ１１３Ａ，１１３Ｂが配置されてもよい。

半導体モジュール１では、ワイヤ１１２が、回路パターン１１１および半導体チップ１１３Ａ，１１３Ｂに超音波でボンディングされている。基板１１４は、ベース板１１５に半田１１０Ｃで半田付けされている。以下、電力変換装置の構成、電力変換装置におけるスイッチング素子の温度変化の推定方法、パワーサイクル劣化の劣化度推定方法、パワーサイクルによる半導体チップ１１３Ａ，１１３Ｂの寿命（以下、パワーサイクル寿命という）の推定方法について説明する。本実施の形態の電力変換装置（後述する電力変換装置２００Ａ）は、スイッチング素子の温度変化として、スイッチング素子が格納されている半導体チップ１１３Ａ，１１３Ｂの温度変化を推定する。

図２は、実施の形態１にかかる電力変換装置によるパワーサイクル劣化度の推定処理の概念を説明するための図である。図２に示すグラフは、横軸が時間であり、縦軸がチップ温度である。

本実施の形態の電力変換装置２００Ａは、半導体モジュール１を流れる電流に基づいて、半導体チップ１１３Ａ，１１３Ｂの温度（以下、チップ温度という場合がある）を推定する。さらに、電力変換装置２００Ａは、チップ温度の変化に基づいて、パワーサイクルに起因するスイッチング素子の劣化度（パワーサイクル劣化度）を推定する。具体的には、電力変換装置２００Ａは、ＩＧＢＴが格納されている半導体チップ１１３Ａのチップ温度の変化に基づいて、ＩＧＢＴのパワーサイクルに起因するパワーサイクル劣化度を推定し、ＦＷＤが格納されている半導体チップ１１３Ｂのチップ温度の変化に基づいて、ＦＷＤのパワーサイクルに起因するパワーサイクル劣化度を推定する。

チップ温度は、時間の経過とともに上昇と下降とを繰り返す。電力変換装置２００Ａは、電力変換装置２００Ａが起動した後、チップ温度が上昇すると、１回のパワーサイクルにおけるチップ温度の最大値（後述するチップ温度上昇の最大値ΔＴｊmax）を更新する。

例えば、タイミングＱ１までチップ温度が上昇し、その後、チップ温度が下降したとする。この場合において、電力変換装置２００Ａは、タイミングＱ１でのチップ温度から、タイミングＱ２において、特定温度（後述する上昇変化閾値Ｘ）だけチップ温度が下がると、タイミングＱ１でのチップ温度を１回のパワーサイクルにおけるチップ温度上昇の最大値ΔＴｊmaxに設定する。

電力変換装置２００Ａは、タイミングＱ２からチップ温度が下降すると、このパワーサイクルにおけるチップ温度の最小値（後述するチップ温度下降の最小値ΔＴｊmin）を更新する。タイミングＱ２からタイミングＱ３までチップ温度が下降し、その後、チップ温度が上昇したとする。この場合において、電力変換装置２００Ａは、タイミングＱ３でのチップ温度から、タイミングＱ４において、特定温度（後述する下降変化閾値Ｙ）だけチップ温度が上がると、タイミングＱ３でのチップ温度を、このパワーサイクルにおけるチップ温度下降の最小値ΔＴｊminに設定する。

さらに、タイミングＱ４からタイミングＱ５までチップ温度が上昇し、その後、チップ温度が下降したとする。この場合において、電力変換装置２００Ａは、タイミングＱ５でのチップ温度から、タイミングＱ６において、特定温度だけチップ温度が下がると、タイミングＱ５でのチップ温度を、このパワーサイクルにおけるチップ温度上昇の最大値ΔＴｊmaxに設定する。電力変換装置２００Ａは、各パワーサイクルにおけるチップ温度上昇の最大値ΔＴｊmaxとチップ温度下降の最小値ΔＴｊminとを設定する処理を繰り返す。

電力変換装置２００Ａは、タイミングＱ１でのチップ温度とタイミングＱ３でのチップ温度との差分、すなわち１回のパワーサイクルにおけるチップ温度の最大値と最小値との差分（後述する温度変動差ΔＴｊ（max-min）を算出し、この差分に基づいてスイッチング素子の劣化度を推定する。このように、本実施の形態では、電力変換装置２００Ａの出力周波数の１周期毎ではなく、１回のパワーサイクルにおけるチップ温度上昇の最大値ΔＴｊmaxとチップ温度下降の最小値ΔＴｊminとの差分毎にスイッチング素子の劣化度を推定する処理を繰り返す。

電力変換装置２００Ａは、ＩＧＢＴが格納されている半導体チップ１１３Ａのパワーサイクル劣化度と、ＦＷＤが格納されている半導体チップ１１３Ｂのパワーサイクル劣化度とを別々に推定する。なお、ＩＧＢＴとＦＷＤが１つの半導体チップに格納されている場合、電力変換装置２００Ａは、ＩＧＢＴおよびＦＷＤが格納されている半導体チップのパワーサイクル劣化度を推定する。

このように、電力変換装置２００Ａは、半導体チップ１１３Ａ，１１３Ｂの温度上昇時のピーク値から閾値以上下降し、温度下降時のピーク値から閾値以上上昇した場合を、パワーサイクル１回分の温度変動として算出するようにしている。これにより、電力変換装置２００Ａは、出力周波数の１周期中において出力電流に大きな脈動（リプル）が発生したような場合でも、このリプルに起因するスイッチング素子の損失に対応する温度変動もパワーサイクル１回分の温度変動として算出できるようになる。したがって、電力変換装置２００Ａは、精度良くパワーサイクル劣化の度合いを推定することができる。

以下の説明では、半導体チップ１１３Ａのパワーサイクル劣化度をＩＧＢＴのパワーサイクル劣化度という場合がある。また、半導体チップ１１３Ｂのパワーサイクル劣化度をＦＷＤのパワーサイクル劣化度という場合がある。

図３は、実施の形態１にかかる電力変換装置を備える電力変換システムの構成を示す図である。電力変換システムは、商用電源１２と、コンバータ回路１３と、平滑コンデンサ１４と、電力変換装置２００Ａと、モータ２とを備えている。

電力変換装置２００Ａは、スイッチング素子に流れる電流値Ｉおよびスイッチング素子を制御するための制御信号Ｓ_Gに基づいて、スイッチング素子が格納されている半導体チップ１１３Ａ，１１３Ｂの温度変化を推定する。電力変換装置２００Ａは、温度変化に基づいて、半導体チップ１１３Ａ，１１３Ｂがパワーサイクルによって破壊されるまでのパワーサイクルの耐回数を演算し、耐回数に基づいて、パワーサイクルに起因する半導体チップ１１３Ａ，１１３Ｂの劣化度を算出する。電力変換装置２００Ａは、半導体チップ１１３Ａ，１１３Ｂの劣化度を別々に推定する。

電力変換装置２００Ａは、スイッチング素子を有した半導体モジュール１と、電流測定器３Ａと、制御器４と、駆動信号生成部５と、温度変化推定部６とを備えている。また、電力変換装置２００Ａは、回数演算器７と、劣化度演算器８と、アラーム表示器９と、劣化度表示器１０とを備えている。なお、アラーム表示器９および劣化度表示器１０は、電力変換装置２００Ａとは別構成としてもよい。

半導体モジュール１の例は、インバータ回路である。半導体モジュール１は、平滑コンデンサ１４およびコンバータ回路１３を介して商用電源１２に接続されている。また、半導体モジュール１は、モータ２および駆動信号生成部５に接続されている。

電力変換システムでは、半導体モジュール１と、コンバータ回路１３と、平滑コンデンサ１４とでモータ駆動装置が構成されている。このモータ駆動装置は、商用電源１２から交流電力の供給を受けてモータ２を駆動する。

コンバータ回路１３は、商用電源１２から印加される交流電圧を整流して直流電圧に変換する。コンバータ回路１３の一例は、ダイオードブリッジで構成された全波整流回路である。平滑コンデンサ１４は、コンバータ回路１３と半導体モジュール１とを接続する２本の直流母線に接続されている。平滑コンデンサ１４は、母線電圧を平滑する。

半導体モジュール１は、駆動信号生成部５から送られてくる駆動信号にしたがって動作する。半導体モジュール１は、平滑コンデンサ１４によって平滑された直流電圧を交流電圧に変換してモータ２に印加し、モータ２を駆動する。

半導体モジュール１は、スイッチング素子を備えている。半導体モジュール１が備えるスイッチング素子には、ＩＧＢＴおよびＦＷＤが含まれている。半導体モジュール１では、ＩＧＢＴとＦＷＤとが逆接続されている。

電流測定器３Ａは、半導体モジュール１とモータ２とを接続する接続線に接続されている。電流測定器３Ａは、半導体モジュール１とモータ２との間を流れる電流を測定することで、スイッチング素子に流れる電流を測定する。電流測定器３Ａは、測定結果である電流値Ｉを温度変化推定部６に送る。

なお、電流測定器３Ａは、スイッチング素子に流れる電流が測定できればよい。したがって、電流測定器３Ａの形態によって本実施の形態が限定されるものではない。電流測定器３Ａは、例えば、変流器（ＣＴ：Current Transformer）、抵抗などによって構成される。

制御部である制御器４は、半導体モジュール１に配置されているスイッチング素子を制御するための制御信号Ｓ_Gを生成して駆動信号生成部５に送る。また、制御器４は、制御信号Ｓ_Gを温度変化推定部６に送る。

駆動部である駆動信号生成部５は、制御信号Ｓ_Gに基づいて、半導体モジュール１に配置されているスイッチング素子を駆動する。駆動信号生成部５は、制御信号Ｓ_Gに基づいて、半導体モジュール１を駆動する駆動信号を生成し、半導体モジュール１に入力する。

温度変化推定部６は、スイッチング素子に流れる電流の測定値である電流値Ｉと、制御器４から入力される制御信号Ｓ_Gとに基づいて、スイッチング素子の半導体チップ１１３Ａ，１１３Ｂにおける温度変動差ΔＴｊ（max-min）を推定する。温度変動差ΔＴｊ（max-min）は、１回のパワーサイクルにおけるスイッチング素子の温度の最大値と最小値との差である。温度変化推定部６は、温度変動差ΔＴｊ（max-min）を回数演算器７に送る。

温度変化推定部６は、電力損失演算器６１と、チップ温度変化演算器６２Ａと、温度変化演算器６３とを備えている。電力損失演算器６１は、電流測定器３Ａが測定した電流値Ｉと、制御器４から入力される制御信号Ｓ_Gとに基づいて、スイッチング素子に発生する電力損失を演算する。温度変化推定部６は、ＩＧＢＴに発生する電力損失（後述する電力損失Ｐ_IGBT）と、ＦＷＤに発生する電力損失（後述する電力損失Ｐ_FWD）とを演算する。電力損失演算器６１は、演算した電力損失をチップ温度変化演算器６２Ａに送る。図３では、電力損失演算器６１がチップ温度変化演算器６２Ａに送る電力損失を電力損失Ｐ_Lossで示している。電力損失Ｐ_Lossは、電力損失Ｐ_IGBTおよび電力損失Ｐ_FWDである。

チップ温度変化演算器６２Ａは、スイッチング素子に発生する電力損失に基づいて、スイッチング素子を格納する半導体チップ１１３Ａ，１１３Ｂのチップ温度変化を演算する。すなわち、温度変化推定部６は、ＩＧＢＴのチップ温度変化ΔＴｊと、ＦＷＤのチップ温度変化ΔＴｊとを別々に演算する。ＩＧＢＴのチップ温度変化ΔＴｊは、半導体チップ１１３Ａにおける温度変化であり、ＦＷＤのチップ温度変化ΔＴｊは、半導体チップ１１３Ｂにおける温度変化である。

温度変化演算器６３は、チップ温度変化ΔＴｊの推移に基づいて、１回のパワーサイクルにおけるチップ温度上昇の最大値ΔＴｊmaxと、チップ温度下降の最小値ΔＴｊminとの差を、温度変動差ΔＴｊ（max-min）として演算する。温度変化演算器６３は、ＩＧＢＴの温度変動差ΔＴｊ（max-min）と、ＦＷＤの温度変動差ΔＴｊ（max-min）とを演算する。

回数演算部である回数演算器７は、温度変動差ΔＴｊ（max-min）に基づいて、スイッチング素子にかかるパワーサイクル劣化を、パワーサイクルの耐回数であるパワーサイクル寿命回数Ｎに換算する。回数演算器７は、予め備えているパワーサイクル寿命データに基づいて、温度変動差ΔＴｊ（max-min）に対応するパワーサイクル寿命回数Ｎを算出する。パワーサイクル寿命データは、温度変動差ΔＴｊ（max-min）と、パワーサイクル寿命回数Ｎとが対応付けされたデータである。パワーサイクル寿命回数Ｎは、スイッチング素子を備えた半導体チップ１１３Ａ，１１３Ｂがパワーサイクル（熱疲労）によって破壊するまでの耐回数である。回数演算器７は、ＩＧＢＴのパワーサイクル寿命回数Ｎと、ＦＷＤのパワーサイクル寿命回数Ｎとを別々に演算する。回数演算器７は、パワーサイクル寿命回数Ｎを劣化度演算器８に送る。

劣化度演算部である劣化度演算器８は、換算されたパワーサイクル寿命回数Ｎを積算することで、スイッチング素子のパワーサイクル劣化度Ｌ_P/Cを演算する。具体的には、劣化度演算器８は、パワーサイクル寿命回数Ｎに対して、パワーサイクル寿命に対する割合を１／Ｎとして算出し、算出したパワーサイクル寿命に対する割合を積算することによってパワーサイクル劣化度Ｌ_P/Cを演算する。劣化度演算器８は、ＩＧＢＴのパワーサイクル劣化度Ｌ_P/CとＦＷＤのパワーサイクル劣化度Ｌ_P/Cとを演算する。劣化度演算器８は、パワーサイクル劣化度Ｌ_P/Cをアラーム表示器９および劣化度表示器１０に送る。

アラーム表示器９は、パワーサイクル劣化度Ｌ_P/Cが基準値を超えた場合にアラームを表示する。アラーム表示器９は、予め設定しておいたアラームレベル（基準値）と、パワーサイクル劣化度Ｌ_P/Cとを比較し、パワーサイクル劣化度Ｌ_P/Cがアラームレベルを超えた場合にアラームを表示する。劣化度表示器１０は、パワーサイクル劣化度Ｌ_P/Cを表示する。パワーサイクル劣化度Ｌ_P/Cは、寿命までの劣化の進行具合（％）、寿命までの期間（年）などで表される。

なお、本実施の形態では、半導体モジュール１がスイッチング素子としてＩＧＢＴを含む場合について説明するが、スイッチング素子はＩＧＢＴに限定されない。スイッチング素子は、例えばＭＯＳＦＥＴ（電界効果トランジスタ：Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）であってもよい。

図４は、実施の形態１にかかる電力変換装置が備える電力損失演算器の構成を示す図である。電力損失演算器６１は、ＩＧＢＴ損失演算器６１１と、ＦＷＤ損失演算器６１２と、信号判断器６１３とを備えている。

信号判断器６１３は、制御器４から入力される制御信号Ｓ_Gに基づいて、ＩＧＢＴに発生する電力損失Ｐ_IGBTの演算に必要な情報を演算して出力する。具体的には、信号判断器６１３は、電力損失Ｐ_IGBTの演算に必要な情報として、ＩＧＢＴのスイッチング周波数ｆｃと、ＩＧＢＴのデューティ比Ｒ_dutyとを演算し、ＩＧＢＴ損失演算器６１１に出力する。ＩＧＢＴのデューティ比Ｒ_dutyは、ＩＧＢＴがスイッチングする際の、オン状態の時間とオフ状態の時間との比である。

また、信号判断器６１３は、制御器４から入力される制御信号Ｓ_Gに基づいて、ＦＷＤに発生する電力損失Ｐ_FWDの演算に必要な情報を演算して出力する。具体的には、信号判断器６１３は、電力損失Ｐ_FWDの演算に必要な情報として、ＦＷＤのスイッチング周波数ｆｃと、ＦＷＤのデューティ比Ｒ_dutyとを演算し、ＦＷＤ損失演算器６１２に出力する。ＦＷＤのデューティ比Ｒ_dutyは、ＦＷＤがスイッチングする際の、オン状態の時間とオフ状態の時間との比である。

デューティ比Ｒ_dutyは、スイッチング周波数ｆｃの周期に対してスイッチング素子がオンないし、オフする期間を設定する値である。したがって、ＩＧＢＴ損失演算器６１１およびＦＷＤ損失演算器６１２は、デューティ比Ｒ_dutyと電流測定器３Ａによって測定された電流値Ｉとに基づいて、スイッチング素子のＩＧＢＴに電流が流れている期間とＦＷＤに電流が流れている期間とを特定することが可能である。

ＩＧＢＴ損失演算器６１１は、電流測定器３Ａから入力される電流値Ｉ、ＩＧＢＴのスイッチング周波数ｆｃ、およびＩＧＢＴのデューティ比Ｒ_dutyに基づいて、スイッチング素子のうち、ＩＧＢＴの電力損失Ｐ_IGBTを演算する。

ＦＷＤ損失演算器６１２は、ＩＧＢＴ損失演算器６１１と同様に、電流測定器３Ａから入力される電流値Ｉ、ＦＷＤのスイッチング周波数ｆｃ、およびＦＷＤのデューティ比Ｒ_dutyに基づいて、スイッチング素子のうち、ＦＷＤの電力損失Ｐ_FWDを演算する。

このように、電力損失演算器６１は、ＩＧＢＴ損失演算器６１１によってＩＧＢＴの電力損失Ｐ_IGBTを算出し、ＦＷＤ損失演算器６１２によってＦＷＤの電力損失Ｐ_FWDを算出する。

ＩＧＢＴ損失演算器６１１は、電力損失Ｐ_IGBTを、チップ温度変化演算器６２Ａに出力する。ＦＷＤ損失演算器６１２は、電力損失Ｐ_FWDを、チップ温度変化演算器６２Ａに出力する。

図５は、実施の形態１にかかる電力変換装置が備えるＩＧＢＴ損失演算器の構成を示す図である。ＩＧＢＴ損失演算器６１１は、ＩＧＢＴ定常損失データテーブル６１４と、ＩＧＢＴオン損失データテーブル６１５と、ＩＧＢＴオフ損失データテーブル６１６と、演算器Ｐ１〜Ｐ３と、加算器Ａ１とを備えている。

ＩＧＢＴ定常損失データテーブル６１４は、ＩＧＢＴの定常時の損失特性を格納している。ＩＧＢＴ定常損失データテーブル６１４では、電流値Ｉと、ＩＧＢＴに電流値Ｉが導通した場合に発生する電圧Ｖｃｅとが対応付けされている。ＩＧＢＴ損失演算器６１１は、ＩＧＢＴ定常損失データテーブル６１４と、電流測定器３Ａによって測定された定常時の電流値Ｉとに基づいて、ＩＧＢＴに電流値Ｉが導通した場合に発生する電圧Ｖｃｅを演算し、演算器Ｐ１に送る。

ＩＧＢＴオン損失データテーブル６１５は、ＩＧＢＴのオン時の損失特性を格納している。ＩＧＢＴオン損失データテーブル６１５では、ＩＧＢＴがオフ状態からオン状態に移行する際の電流値Ｉと、ＩＧＢＴがオフ状態からオン状態に移行する際に発生するＩＧＢＴのターンオンエネルギーＥｏｎとが対応付けされている。ＩＧＢＴ損失演算器６１１は、ＩＧＢＴオン損失データテーブル６１５と、ＩＧＢＴがオフ状態からオン状態に移行する際に発生する電流値Ｉとに基づいて、電流値Ｉに対するＩＧＢＴのターンオンエネルギーＥｏｎを演算し、演算器Ｐ２に送る。

ＩＧＢＴオフ損失データテーブル６１６は、ＩＧＢＴのオフ時の損失特性を格納している。ＩＧＢＴオフ損失データテーブル６１６では、ＩＧＢＴがオン状態からオフ状態に移行する際の電流値Ｉと、ＩＧＢＴがオン状態からオフ状態に移行する際に発生するＩＧＢＴのターンオフエネルギーＥｏｆｆとが対応付けされている。ＩＧＢＴ損失演算器６１１は、ＩＧＢＴオフ損失データテーブル６１６と、ＩＧＢＴがオン状態からオフ状態に移行する際に発生する電流値Ｉとに基づいて、電流値Ｉに対するＩＧＢＴのターンオフエネルギーＥｏｆｆを演算し、演算器Ｐ３に送る。

演算器Ｐ１は、ＩＧＢＴの定常時の電流値Ｉと、電圧Ｖｃｅと、ＩＧＢＴのデューティ比Ｒ_dutyと、第１係数Ｋ１とを掛け合わせて、加算器Ａ１に送る。

演算器Ｐ２は、ＩＧＢＴのターンオンエネルギーＥｏｎと、ＩＧＢＴのスイッチング周波数ｆｃと、第２係数Ｋ２とを掛け合わせて、加算器Ａ１に送る。

演算器Ｐ３は、ＩＧＢＴのターンオフエネルギーＥｏｆｆと、ＩＧＢＴのスイッチング周波数ｆｃと、第３係数Ｋ３とを掛け合わせて、加算器Ａ１に送る。

加算器Ａ１は、演算器Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３から送られてきた値を加算することで、ＩＧＢＴの電力損失Ｐ_IGBTを算出する。すなわち、ＩＧＢＴ損失演算器６１１は、ＩＧＢＴの電力損失Ｐ_IGBTを、以下の式（１）によって計算する。

ここで、第１係数Ｋ１、第２係数Ｋ２、および第３係数Ｋ３は、正の符号をもつ値であれば、何れも任意の値を設定可能とする。加算器Ａ１は、ＩＧＢＴの電力損失Ｐ_IGBTをチップ温度変化演算器６２Ａに出力する。

図６は、実施の形態１にかかる電力変換装置が備えるＦＷＤ損失演算器の構成を示す図である。ＦＷＤ損失演算器６１２は、ＦＷＤ定常損失データテーブル６１７と、ＦＷＤリカバリー損失データテーブル６１８と、演算器Ｐ４，Ｐ５と、加算器Ａ２とを備えている。

ＦＷＤ定常損失データテーブル６１７は、ＦＷＤの定常時の損失特性を格納している。ＦＷＤ定常損失データテーブル６１７では、電流値Ｉと、ＦＷＤに電流値Ｉが導通した場合に発生する電圧Ｖｆとが対応付けされている。ＦＷＤ損失演算器６１２は、ＦＷＤ定常損失データテーブル６１７と、電流測定器３Ａによって測定された定常時の電流値Ｉとに基づいて、ＦＷＤに電流値Ｉが導通した場合に発生する電圧Ｖｆを演算し、演算器Ｐ４に送る。

ＦＷＤリカバリー損失データテーブル６１８は、ＦＷＤのリカバリーの損失特性を格納している。ＦＷＤリカバリー損失データテーブル６１８では、電流値Ｉと、電流値Ｉに対するＦＷＤのリカバリー特性によって発生するＦＷＤのターンオンエネルギーＥｒｅｃとが対応付けされている。ＦＷＤ損失演算器６１２は、ＦＷＤリカバリー損失データテーブル６１８と、電流測定器３Ａによって測定されたリカバリー時の電流値Ｉとに基づいて、リカバリー時の電流値Ｉに対するＦＷＤのターンオンエネルギーＥｒｅｃを演算し、演算器Ｐ５に送る。

演算器Ｐ４は、ＦＷＤの定常時の電流値Ｉと、電圧Ｖｆと、ＦＷＤのデューティ比Ｒ_dutyと、第４係数Ｋ４とを掛け合わせて、加算器Ａ２に送る。

演算器Ｐ５は、ＦＷＤのターンオンエネルギーＥｒｅｃと、ＦＷＤのスイッチング周波数ｆｃと、第５係数Ｋ５とを掛け合わせて、加算器Ａ２に送る。

加算器Ａ２は、演算器Ｐ４，Ｐ５から送られてきた値を加算することで、ＦＷＤの電力損失Ｐ_FWDを算出する。すなわち、ＦＷＤ損失演算器６１２は、ＦＷＤの電力損失Ｐ_FWDを、以下の式（２）によって計算する。

ここで、第４係数Ｋ４および第５係数Ｋ５は、正の符号をもつ値であれば、何れも任意の値を設定可能とする。加算器Ａ２は、ＦＷＤの電力損失Ｐ_FWDをチップ温度変化演算器６２Ａに出力する。

チップ温度変化演算器６２Ａは、ＩＧＢＴの過渡熱抵抗Ｒｔｈ（ｔ）のデータとＦＷＤの過渡熱抵抗Ｒｔｈ（ｔ）のデータとを格納している。過渡熱抵抗Ｒｔｈ（ｔ）のデータは、スイッチング素子の熱抵抗値の時間変化を示すデータである。

チップ温度変化演算器６２Ａは、ＩＧＢＴの過渡熱抵抗Ｒｔｈ（ｔ）のデータと、電力損失演算器６１によって算出された電力損失Ｐ_IGBTとに基づいて、ＩＧＢＴを格納する半導体チップ１１３Ａのチップ温度変化ΔＴｊを演算する。チップ温度変化演算器６２Ａは、ＦＷＤの過渡熱抵抗Ｒｔｈ（ｔ）のデータと、電力損失演算器６１によって算出された電力損失Ｐ_FWDとに基づいて、ＦＷＤを格納する半導体チップ１１３Ｂのチップ温度変化ΔＴｊを演算する。チップ温度変化演算器６２Ａは、ＩＧＢＴのチップ温度変化ΔＴｊおよびＦＷＤのチップ温度変化ΔＴｊを温度変化演算器６３に出力する。

図７は、スイッチング素子の熱抵抗値の時間変化を説明するための模式図である。図７では、スイッチング素子の熱抵抗値と、時間との関係、すなわち過渡熱抵抗Ｒｔｈ（ｔ）のデータを示している。図７の横軸が時間であり、縦軸が熱抵抗値である。

図７に示すように、スイッチング素子の熱抵抗値は、時間経過に伴って変化するものであり一定値ではない。時間経過に対応する熱抵抗が、過渡熱抵抗Ｒｔｈ（ｔ）である。

図８は、実施の形態１にかかる電力変換装置が備えるチップ温度変化演算器の構成を示す図である。チップ温度変化演算器６２Ａは、熱抵抗データＲｔｈと、スイッチング素子の熱時定数を用いた一次遅れ項１／ｓτのデータを備えており、これらの和によって、一次遅れ系の熱伝達関数で過渡熱抵抗を表現する。ここで、一次遅れ系の熱伝達関数は、熱抵抗（Ｒｔｈ）、熱時定数（τ）、ラプラス演算子（ｓ）を用いて、以下の式（３）で表される。なお、実際の過渡熱抵抗Ｒｔｈ（ｔ）は、図７に示したように、最初は緩やかに増大していき、その後、急峻に増大し、最終的に一定値へと飽和していく。

チップ温度変化演算器６２Ａは、電力損失演算器６１によって算出された、スイッチング素子に発生する電力損失Ｐ_Lossと式（３）に基づく過渡熱抵抗Ｒｔｈ（ｔ）とを用いて、チップ温度変化ΔＴｊを算出する。チップ温度変化ΔＴｊの算出方法については、後述する。

図９は、実施の形態１にかかる電力変換装置が備えるチップ温度変化演算器の別構成例を示す図である。温度変化推定部６には、チップ温度変化演算器６２Ａの代わりに、チップ温度変化演算器６２Ｂが配置されてもよい。図９では、過渡熱抵抗Ｒｔｈ（ｔ）を高精度に模擬する際に適用されるチップ温度変化演算器６２Ｂの構成を示している。

チップ温度変化演算器６２Ｂは、複数の一次遅れ系の複数の熱伝達関数の和で過渡熱抵抗Ｒｔｈ（ｔ）を表現する。図９では、第１の熱抵抗データを熱抵抗データＲｔｈ１で示し、第ｋ（ｋは２以上の自然数）の熱抵抗データを熱抵抗データＲｔｈｋで示している。また、図９では、第１の熱時定数τをτ１で示し、第ｋの熱時定数τをτｋで示している。チップ温度変化演算器６２Ｂでは、第１から第ｋの一次遅れ系の熱伝達関数の和で過渡熱抵抗Ｒｔｈ（ｔ）を表現するので、過渡熱抵抗Ｒｔｈ（ｔ）を詳細に表現することが可能となる。チップ温度変化演算器６２Ｂの場合、過渡熱抵抗Ｒｔｈ（ｔ）は、以下の式（４）で表される。

式（４）において合算する熱伝達関数を増やすことで、高精度な過渡熱抵抗Ｒｔｈ（ｔ）を表現することが可能となる。

チップ温度変化演算器６２Ａは、電力損失演算器６１によって算出された、スイッチング素子に発生する電力損失Ｐ_Lossと式（３）に基づく過渡熱抵抗Ｒｔｈ（ｔ）とを用いて、以下の式（５）によってチップ温度変化ΔＴｊを算出することができる。

なお、チップ温度変化演算器６２Ｂが、電力損失演算器６１によって算出された、スイッチング素子に発生する電力損失Ｐ_Lossと式（４）に基づく過渡熱抵抗Ｒｔｈ（ｔ）とを用いて、以下の式（５）によってチップ温度変化ΔＴｊを算出してもよい。

式（５）におけるＰ_Lossは、電力損失Ｐ_IGBTまたは電力損失Ｐ_FWDである。式（５）を用いて、チップ温度変化演算器６２Ａ，６２Ｂの動作を具体的に説明する。なお、チップ温度変化演算器６２Ａ，６２Ｂの動作は同様であるので、以下ではチップ温度変化演算器６２Ａの動作について説明する。

チップ温度変化演算器６２Ａは、ＩＧＢＴの過渡熱抵抗Ｒｔｈ（t）_ＩＧＢＴと、ＩＧＢＴの電力損失Ｐ_IGBTと、以下の式（６）とを用いて、ＩＧＢＴのチップ温度変化ΔＴｊ_ＩＧＢＴを計算する。

また、チップ温度変化演算器６２Ａは、ＦＷＤの過渡熱抵抗Ｒｔｈ（ｔ）_ＦＷＤと、ＦＷＤの電力損失Ｐ_FWDと、以下の式（７）とを用いて、ＦＷＤのチップ温度変化ΔＴｊ_ＦＷＤを計算する。

チップ温度変化演算器６２Ａは、式（５）における電力損失Ｐ_LossをＩＧＢＴの電力損失Ｐ_IGBTないしＦＷＤの電力損失Ｐ_FWDと置換する。また、チップ温度変化演算器６２Ａは、式（５）における過渡熱抵抗Ｒｔｈ（ｔ）をＩＧＢＴの過渡熱抵抗Ｒｔｈ（ｔ）_ＩＧＢＴないしＦＷＤの過渡熱抵抗Ｒｔｈ（ｔ）_ＦＷＤに置換する。これらの置換により、チップ温度変化演算器６２Ａは、ＩＧＢＴのチップ温度変化ΔＴｊ_ＩＧＢＴ、およびＦＷＤのチップ温度変化ΔＴｊ_ＦＷＤのそれぞれを算出し、温度変化演算器６３に出力することができる。

ただし、本実施の形態は、ＩＧＢＴのチップ温度変化ΔＴｊ_ＩＧＢＴまたはＦＷＤのチップ温度変化ΔＴｊ_ＦＷＤの何れかを選択して出力することを制限するものではない。例えば、チップ温度変化演算器６２Ａが、式（６）に基づいて計算した結果をチップ温度変化ΔＴｊ_ＩＧＢＴとして出力することにより、電力変換装置２００Ａは、ＩＧＢＴのみのパワーサイクル寿命を推定することも可能である。

図３に戻って温度変化演算器６３について説明する。温度変化演算器６３は、チップ温度変化演算器６２Ａから入力されたチップ温度変化ΔＴｊに基づいて、スイッチング素子の温度変動差ΔＴｊ（max-min）を算出する。

図１０は、実施の形態１にかかる電力変換装置が備える温度変化演算器の構成を示す図である。温度変化演算器６３は、上昇最大値計算部６３１と、上昇変化閾値格納部６３２と、下降最小値計算部６３３と、下降変化閾値格納部６３４と、変動差計算部６３５とを備える。

上昇変化閾値格納部６３２は、第１の閾値である上昇変化閾値Ｘを格納しており、上昇最大値計算部６３１から上昇変化閾値Ｘが読み出される。上昇変化閾値Ｘは、チップ温度が上昇している時に、チップ温度が最大値であるか否かを判定するための閾値である。具体的には、上昇変化閾値Ｘは、半導体チップ１１３Ａ，１１３Ｂが温度上昇していると判断される際に許容される温度下降の閾値である。上昇変化閾値格納部６３２は、半導体チップ１１３Ａの上昇変化閾値Ｘと、半導体チップ１１３Ｂの上昇変化閾値Ｘとを格納している。

上昇最大値計算部６３１は、チップ温度が上昇している時に、チップ温度が、現在のパワーサイクルにおけるチップ温度の最大値から上昇変化閾値Ｘよりも多く下がると、このパワーサイクルにおけるチップ温度の最大値を、現在のチップ温度上昇の最大値ΔＴｊmaxに設定する。例えば、現在のチップ温度の最大値がＴ１であり、上昇変化閾値ＸがＴ２である場合、チップ温度がＴ１−Ｔ２よりも下がると、上昇最大値計算部６３１は、このパワーサイクルにおけるチップ温度上昇の最大値ΔＴｊmaxはＴ１であると判定する。

一方、上昇最大値計算部６３１は、チップ温度が上昇している時に、チップ温度が、現在のパワーサイクルにおけるチップ温度の最大値から上昇変化閾値Ｘの範囲内にしか下がらない場合は、チップ温度の下降が誤差範囲内であると判定する。この場合、上昇最大値計算部６３１は、チップ温度が上昇中であると判断し、現在のパワーサイクルにおけるチップ温度上昇の最大値ΔＴｊmaxを更新する。

このように、上昇最大値計算部６３１は、上昇変化閾値格納部６３２に格納されている上昇変化閾値Ｘに基づいて、チップ温度上昇の最大値ΔＴｊmaxを計算し、変動差計算部６３５に出力する。このチップ温度上昇の最大値ΔＴｊmaxが、スイッチング素子のチップ温度上昇時のピーク値（極大値）となる。

チップ温度上昇の最大値ΔＴｊmaxは、１回のパワーサイクルにおける半導体チップ１１３Ａ，１１３Ｂの温度の最大値である。上昇最大値計算部６３１は、半導体チップ１１３Ａにおけるチップ温度上昇の最大値ΔＴｊmaxと、半導体チップ１１３Ｂにおけるチップ温度上昇の最大値ΔＴｊmaxとを計算する。

同様に、下降変化閾値格納部６３４は、第２の閾値である下降変化閾値Ｙを格納しており、下降最小値計算部６３３から下降変化閾値Ｙが読み出される。下降変化閾値Ｙは、チップ温度が下降している時に、チップ温度が最小値であるか否かを判定するための閾値である。具体的には、下降変化閾値Ｙは、半導体チップ１１３Ａ，１１３Ｂが温度下降していると判断される際に許容される温度上昇の閾値である。下降変化閾値格納部６３４は、半導体チップ１１３Ａの下降変化閾値Ｙと、半導体チップ１１３Ｂの下降変化閾値Ｙとを格納している。

下降最小値計算部６３３は、チップ温度が下降している時に、チップ温度が、現在のパワーサイクルにおけるチップ温度下降の最小値ΔＴｊminから下降変化閾値Ｙよりも多く上がると、このパワーサイクルにおけるチップ温度の最小値を、チップ温度下降の最小値ΔＴｊminに設定する。例えば、現在のチップ温度の最小値がＴ３であり、下降変化閾値ＹがＴ４である場合、チップ温度がＴ３＋Ｔ４よりも上がると、下降最小値計算部６３３は、このパワーサイクルにおけるチップ温度下降の最小値ΔＴｊminはＴ３であると判定する。

一方、下降最小値計算部６３３は、チップ温度が下降している時に、チップ温度が、現在のパワーサイクルにおけるチップ温度の最小値から下降変化閾値Ｙの範囲内にしか上がらない場合は、チップ温度の上昇が誤差範囲内であると判定する。この場合、下降最小値計算部６３３は、チップ温度が下降中であると判断し、現在のパワーサイクルにおけるチップ温度下降の最小値ΔＴｊminを更新する。

このように、下降最小値計算部６３３は、下降変化閾値格納部６３４に格納されている下降変化閾値Ｙに基づいて、チップ温度下降の最小値ΔＴｊminを計算し、変動差計算部６３５に出力する。このチップ温度下降の最小値ΔＴｊminが、スイッチング素子のチップ温度下降時のピーク値（極小値）となる。

チップ温度下降の最小値ΔＴｊminは、１回のパワーサイクルにおける半導体チップ１１３Ａ，１１３Ｂの温度の最小値である。下降最小値計算部６３３は、半導体チップ１１３Ａにおけるチップ温度下降の最小値ΔＴｊminと、半導体チップ１１３Ｂにおけるチップ温度下降の最小値ΔＴｊminとを計算する。

変動差計算部６３５は、チップ温度の変動差を計算する。すなわち、変動差計算部６３５は、ΔＴｊmaxとΔＴｊminとの差である、温度変動差ΔＴｊ（max-min）を計算する。変動差計算部６３５は、温度変動差ΔＴｊ（max-min）を回数演算器７に送る。

図１１は、実施の形態１にかかる電力変換装置が備える上昇最大値計算部の構成を示す図である。上昇最大値計算部６３１は、上昇判断部６３６と、上昇比較部６３７と、最大値記憶部Ｍ１とを備えている。

最大値記憶部Ｍ１は、上昇判断部６３６から送られてくる、チップ温度上昇の最大値ΔＴｊmaxを記憶する。上昇判断部６３６は、チップ温度変化演算器６２Ａから入力されたチップ温度変化ΔＴｊに基づいて、半導体チップ１１３Ａ，１１３Ｂのチップ温度上昇の最大値ΔＴｊmaxを更新する。上昇判断部６３６は、新たに入力されたチップ温度変化ΔＴｊの方が最大値記憶部Ｍ１に格納されているチップ温度上昇の最大値ΔＴｊmaxよりも大きい値である場合、チップ温度上昇の最大値ΔＴｊmaxを新たに入力されたチップ温度変化ΔＴｊの値で更新する。この場合、上昇判断部６３６は、チップ温度変化演算器６２Ａから入力されたチップ温度変化ΔＴｊを上昇比較部６３７に送る。

上昇比較部６３７は、最大値記憶部Ｍ１に格納されているチップ温度上昇の最大値ΔＴｊmaxと、上昇変化閾値格納部６３２から入力された上昇変化閾値Ｘとの差であるΔＴｊmax−Ｘを算出する。また、上昇比較部６３７は、ΔＴｊ＜ΔＴｊmax−Ｘであるか否かを判断し、ΔＴｊ＜ΔＴｊmax−Ｘである場合には、チップ温度上昇の最大値ΔＴｊmaxを変動差計算部６３５に出力する。ΔＴｊ≧ΔＴｊmax−Ｘである場合、上昇判断部６３６によるチップ温度上昇の最大値ΔＴｊmaxの更新処理が継続される。

図１２は、実施の形態１にかかる電力変換装置が備える上昇最大値計算部の動作処理手順を示すフローチャートである。上昇最大値計算部６３１は、チップ温度変化演算器６２Ａからチップ温度変化ΔＴｊを受付けて上昇判断部６３６に入力する（ステップＳ１０）。

上昇判断部６３６は、最大値記憶部Ｍ１に格納されているチップ温度上昇の最大値ΔＴｊmaxと、新たに入力されたチップ温度変化ΔＴｊとを比較する。上昇判断部６３６は、ΔＴｊ＞ΔＴｊmaxであるか否かを判断する（ステップＳ２０）。すなわち、上昇判断部６３６は、新たに入力されたチップ温度変化ΔＴｊが、格納されているチップ温度上昇の最大値ΔＴｊmaxよりも大きい値であるか否かを判断する。

上昇判断部６３６が、ΔＴｊ＞ΔＴｊmaxであると判断した場合（ステップＳ２０、Ｙｅｓ）、上昇判断部６３６は、チップ温度上昇の最大値ΔＴｊmaxを、新たに入力されたチップ温度変化ΔＴｊの値で更新する（ステップＳ３０）。この場合、上昇判断部６３６は、更新した新たな最大値ΔＴｊmaxを最大値記憶部Ｍ１に格納する。上昇最大値計算部６３１は、ステップＳ３０の処理の後、ステップＳ２０の処理に戻る。

ΔＴｊ＞ΔＴｊmaxである間は、上昇判断部６３６が、最大値ΔＴｊmaxの更新を継続する。したがって、スイッチング素子のチップ温度が上昇している場合には、チップ温度上昇の最大値ΔＴｊmaxが、入力されたチップ温度変化ΔＴｊで常に更新されることとなる。

上昇判断部６３６が、ΔＴｊ≦ΔＴｊmaxであると判断した場合（ステップＳ２０、Ｎｏ）、上昇判断部６３６は、入力されたチップ温度変化ΔＴｊを上昇比較部６３７に入力する。すなわち、上昇判断部６３６が、新たに入力されたチップ温度変化ΔＴｊがチップ温度上昇の最大値ΔＴｊmax以下の値であると判断した場合、チップ温度変化ΔＴｊを上昇比較部６３７に入力する。

上昇比較部６３７は、最大値記憶部Ｍ１に格納されているチップ温度上昇の最大値ΔＴｊmaxと、上昇変化閾値格納部６３２から入力された上昇変化閾値Ｘとの差であるΔＴｊmax−Ｘを算出する。上昇比較部６３７は、ΔＴｊmax−Ｘと、入力されたチップ温度変化ΔＴｊとを比較する。

上昇比較部６３７は、ΔＴｊ＜ΔＴｊmax−Ｘであるか否かを判断する（ステップＳ４０）。すなわち、上昇比較部６３７は、入力されたチップ温度変化ΔＴｊが、ΔＴｊmax−Ｘよりも小さな値であるか否かを判断する。

上昇比較部６３７が、ΔＴｊ≧ΔＴｊmax−Ｘであると判断した場合（ステップＳ４０、Ｎｏ）、上昇最大値計算部６３１は、ステップＳ２０の処理に戻り、ステップＳ２０からＳ４０の処理を実行する。

上昇比較部６３７が、ΔＴｊ＜ΔＴｊmax−Ｘであると判断した場合（ステップＳ４０、Ｙｅｓ）、上昇比較部６３７は、現在のチップ温度上昇の最大値ΔＴｊmaxを変動差計算部６３５に出力する（ステップＳ５０）。

このように、上昇最大値計算部６３１は、チップ温度変化演算器６２Ａから入力されたチップ温度変化ΔＴｊが、チップ温度上昇の最大値ΔＴｊmaxから上昇変化閾値Ｘよりも多く低下した場合にΔＴｊmaxを出力する。この後、上昇最大値計算部６３１は、ステップＳ２０の処理に戻り、ステップＳ２０からＳ５０の処理を繰り返す。

図１３は、実施の形態１にかかる電力変換装置が備える下降最小値計算部の構成を示す図である。下降最小値計算部６３３は、下降判断部６３８と、下降比較部６３９と、最小値記憶部Ｍ２とを備えている。

最小値記憶部Ｍ２は、下降判断部６３８から送られてくるチップ温度下降の最小値ΔＴｊminを記憶する。下降判断部６３８は、チップ温度変化演算器６２Ａから入力されたチップ温度変化ΔＴｊに基づいて、半導体チップ１１３Ａ，１１３Ｂのチップ温度下降の最小値ΔＴｊminを更新する。下降判断部６３８は、新たに入力されたチップ温度変化ΔＴｊの方が格納されているチップ温度下降の最小値ΔＴｊminよりも小さい値である場合、チップ温度下降の最小値ΔＴｊminを新たに入力されたチップ温度変化ΔＴｊの値で更新する。この場合、下降判断部６３８は、チップ温度変化演算器６２Ａから入力されたチップ温度変化ΔＴｊを下降比較部６３９に送る。

下降比較部６３９は、最小値記憶部Ｍ２に格納されているチップ温度下降の最小値ΔＴｊminと、下降変化閾値格納部６３４から入力された下降変化閾値Ｙとの差であるΔＴｊmin＋Ｙを算出する。また、下降比較部６３９は、ΔＴｊ＞ΔＴｊmin＋Ｙであるか否かを判断し、ΔＴｊ＞ΔＴｊmin＋Ｙである場合には、チップ温度下降の最小値ΔＴｊminを変動差計算部６３５に出力する。ΔＴｊ≦ΔＴｊmin＋Ｙである場合、下降判断部６３８によるチップ温度下降の最小値ΔＴｊminの更新処理が継続される。

図１４は、実施の形態１にかかる電力変換装置が備える下降最小値計算部の動作処理手順を示すフローチャートである。下降最小値計算部６３３は、チップ温度変化演算器６２Ａからチップ温度変化ΔＴｊを受付けて下降判断部６３８に入力する（ステップＳ１１０）。

下降判断部６３８は、最小値記憶部Ｍ２に格納されているチップ温度下降の最小値ΔＴｊminと、新たに入力されたチップ温度変化ΔＴｊとを比較する。下降判断部６３８は、ΔＴｊ＜ΔＴｊminであるか否かを判断する（ステップＳ１２０）。すなわち、下降判断部６３８は、新たに入力されたチップ温度変化ΔＴｊが、格納されているチップ温度下降の最小値ΔＴｊminよりも小さい値であるか否かを判断する。

下降判断部６３８が、ΔＴｊ＜ΔＴｊminであると判断した場合（ステップＳ１２０、Ｙｅｓ）、下降判断部６３８は、チップ温度下降の最小値ΔＴｊminを、新たにを入力されたチップ温度変化ΔＴｊの値で更新する（ステップＳ１３０）。この場合、下降判断部６３８は、更新した新たな最小値ΔＴｊminを最小値記憶部Ｍ２に格納する。下降最小値計算部６３３は、ステップＳ１３０の処理の後、ステップＳ１２０の処理に戻る。

ΔＴｊ＜ΔＴｊminである間は、下降判断部６３８が、最小値ΔＴｊminの更新を継続する。したがって、スイッチング素子のチップ温度が下降している場合には、チップ温度下降の最小値ΔＴｊminが、入力されたチップ温度変化ΔＴｊで常に更新されることとなる。

下降判断部６３８が、ΔＴｊ≧ΔＴｊminであると判断した場合（ステップＳ１２０、Ｎｏ）、下降判断部６３８は、入力されたチップ温度変化ΔＴｊを下降比較部６３９に入力する。すなわち、下降判断部６３８が、新たに入力されたチップ温度変化ΔＴｊがチップ温度下降の最小値ΔＴｊmin以下の値であると判断した場合、チップ温度変化ΔＴｊを下降比較部６３９に入力する。

下降比較部６３９は、最小値記憶部Ｍ２に格納されているチップ温度下降の最小値ΔＴｊminと、下降変化閾値格納部６３４から入力された下降変化閾値Ｙとの和であるΔＴｊmin＋Ｙを算出する。下降比較部６３９は、ΔＴｊmin＋Ｙと、入力されたチップ温度変化ΔＴｊとを比較する。

下降比較部６３９は、ΔＴｊ＞ΔＴｊmin＋Ｙであるか否かを判断する（ステップＳ１４０）。すなわち、下降比較部６３９は、入力されたチップ温度変化ΔＴｊが、ΔＴｊmin＋Ｙよりも大きな値であるか否かを判断する。

下降比較部６３９が、ΔＴｊ≦ΔＴｊmin＋Ｙであると判断した場合（ステップＳ１４０、Ｎｏ）、下降最小値計算部６３３は、ステップＳ１２０の処理に戻り、ステップＳ１２０からＳ１４０の処理を実行する。

下降比較部６３９が、ΔＴｊ＞ΔＴｊmin＋Ｙであると判断した場合（ステップＳ１４０、Ｙｅｓ）、下降比較部６３９は、現在のチップ温度下降の最小値ΔＴｊminを変動差計算部６３５に出力する（ステップＳ１５０）。

このように、下降最小値計算部６３３は、チップ温度変化演算器６２Ａから入力されたチップ温度変化ΔＴｊが、チップ温度下降の最小値ΔＴｊminから下降変化閾値Ｙよりも多く上昇した場合にΔＴｊminを出力する。この後、下降最小値計算部６３３は、ステップＳ１２０の処理に戻り、ステップＳ１２０からＳ１５０の処理を繰り返す。

なお、温度変化演算器６３において、上昇変化閾値Ｘと下降変化閾値Ｙとは同じ値であってもよいし、異なる値であってもよい。

ところで、温度変化演算器６３が算出する温度変動差ΔＴｊ（max-min）において、電力変換装置２００Ａに期待する寿命に対してパワーサイクル劣化度Ｌ_P/Cが非常に小さく影響が極めて少ないチップ温度変化の範囲が除外されるよう、上昇変化閾値Ｘが設定されることが望ましい。

例えば、スイッチング素子の電力損失Ｐ_Lossが同じである場合、熱抵抗が大きな値となるスイッチング素子の場合は、熱抵抗が小さなスイッチング素子と比較して、チップ温度変化ΔＴｊの変動が大きくなることは自明である。したがって、スイッチング素子の損失の算出結果に意図しないノイズが流入すると、温度変動差ΔＴｊ（max-min）の算出値に誤差が発生する可能性がある。この誤差が経年によってパワーサイクル劣化度Ｌ_P/Cに大きな影響を与えた場合、電力変換装置２００Ａに期待する寿命よりも短い期間でパワーサイクル寿命に達すると誤認識してしまう可能性がある。

一方、本実施の形態の電力変換装置２００Ａには、チップ温度上昇の最大値ΔＴｊmaxないしチップ温度下降の最小値ΔＴｊminに対する閾値（上昇変化閾値Ｘ、下降変化閾値Ｙ）が設けられている。したがって、電力変換装置２００Ａは、閾値以内のチップ温度変化に対しては温度変動差ΔＴｊ（max-min）として算出しないので、上述した誤認識を防止することが可能となる。

図１５は、スイッチング素子の温度変動差に対するパワーサイクル寿命回数を説明するための模式図である。図１５では、スイッチング素子の温度変動差ΔＴｊ（max-min）と、パワーサイクル寿命回数Ｎとの関係であるパワーサイクル寿命データを示している。図１５の横軸が温度変動差ΔＴｊ（max-min）であり、縦軸がパワーサイクル寿命回数Ｎである。

図１５に示すように、スイッチング素子の温度変動差ΔＴｊ（max-min）が大きくなるにつれて、スイッチング素子の耐回数であるパワーサイクル寿命回数Ｎは少なくなっている。

回数演算器７は、図１５に示したパワーサイクル寿命データを保持しておき、パワーサイクル寿命データを用いて、温度変動差ΔＴｊ（max-min）に対応するパワーサイクル寿命回数Ｎを算出する。回数演算器７は、劣化度演算器８にパワーサイクル寿命回数Ｎを送る。

回数演算器７は、例えば温度変化毎にパワーサイクル寿命データのデータテーブルを保持しておき、温度変化毎に、温度変動差ΔＴｊ（max-min）をパワーサイクル寿命回数Ｎに換算する。例えば、回数演算器７は、温度変動差ΔＴｊ（max-min）＝Ａの時、Ｎ＝Ｂといった、パワーサイクル寿命データのデータテーブルを保持しておくことで、算出した温度変動差ΔＴｊ（max-min）に対するパワーサイクル寿命回数Ｎを求めることができる。

なお、回数演算器７は、パワーサイクル寿命データの近似式を格納しておき、パワーサイクル寿命データの近似式を用いて、温度変動差ΔＴｊ（max-min）に対するパワーサイクル寿命回数Ｎを算出してもよい。パワーサイクル寿命データの近似式は、温度変動差ΔＴｊ（max-min）をパワーサイクル寿命回数Ｎに近似する式である。

スイッチング素子を備えた半導体チップ１１３Ａ，１１３Ｂに温度変化が生じると、半導体チップ１１３Ａ，１１３Ｂの線膨張係数とワイヤ１１２の線膨張係数との差によって、ボンディング界面に剪断歪が生じる。半導体チップ１１３Ａ，１１３Ｂへの熱ストレスの繰り返しによってボンディング界面の亀裂が進行すると、ワイヤ１１２が剥がれ、残ったワイヤ１１２に電流が集中するので半導体チップ１１３Ａ，１１３Ｂが劣化し、破壊に至る。半導体チップ１１３Ａ，１１３Ｂを使用する際の温度上昇が大きいほどボンディング界面に加わる剪断歪が大きくなり、パワーサイクル劣化の進行を加速させる。したがって、パワーサイクル劣化度合は、半導体チップ１１３Ａ，１１３Ｂの温度変化と、その温度変化のサイクル数とによって決まる。

例えば、電力変換装置への入力電流または出力電流の電流値と閾値とを比較することで、電力変換装置が運転状態であるか停止状態であるかを判定する方法がある。この方法では、運転状態におけるスイッチング素子の温度上昇値と、停止状態におけるスイッチング素子の温度下降値と、からスイッチング素子の温度変動幅が推定され、温度変動幅からパワーサイクル劣化度が推定されている。この方法の場合、閾値を上回る電流値が、時間経過に伴って上昇し、その後、当初の閾値を上回る電流値に戻る場合の温度変動を考慮できない。同様に、閾値を下回る電流値が、時間経過に伴って下降し、その後、当初の閾値を下回る電流値に戻る場合の温度変動は考慮できない。すなわち、閾値を跨がないような温度変動に対してはパワーサイクル劣化が考慮されない。このため、パワーサイクル劣化度の推定精度が悪くなる。この場合、考慮できないパワーサイクル劣化分を見込んで、パワーサイクル寿命の長いスイッチング素子を適用する必要があるので、電力変換装置の製造コストが増大する。

一方、本実施の形態の電力変換装置２００Ａは、１回のパワーサイクルにおける温度変動差ΔＴｊ（max-min）に基づいて、パワーサイクル劣化度Ｌ_P/Cを推定するので、正確にパワーサイクル劣化度Ｌ_P/Cを推定することができる。したがって、必要以上にパワーサイクル寿命の長いスイッチング素子を適用する必要がなく、電力変換装置２００Ａの製造コストを抑制することができる。

ここで、実施の形態１に係る電力変換装置２００Ａの変形例について説明する。電力変換装置２００Ａでは、電流測定器３Ａが接続される場所は、半導体モジュール１とモータ２の間に限られない。

図１６は、実施の形態１にかかる電力変換装置を備える電力変換システムの他の構成例を示す図である。図１６の各構成要素のうち図３に示す電力変換装置２００Ａと同一機能を達成する構成要素については同一符号を付しており、重複する説明は省略する。

電力変換装置２００Ｂでは、電流測定器３Ｂが、半導体モジュール１の下側のスイッチング素子のエミッタ側に接続されることによって、スイッチング素子に流れる電流を測定する。電流測定器３Ｂは、半導体モジュール１とコンバータ回路１３との間の下側の母線に接続されるとともに、温度変化推定部６に接続されている。

電力変換装置２００Ｂでは、電力変換装置２００Ａと比較して、電流の測定方法のみが異なり、スイッチング素子の温度変化推定方法、パワーサイクル寿命の推定方法などについては、電力変換装置２００Ａと同様であるため、説明を省略する。

図１７は、図１６に示した電力変換装置が備える電流測定器の接続位置を説明するための図である。半導体モジュール１は、６つのスイッチング素子を備えている。各スイッチング素子は、ＩＧＢＴとダイオードとで構成されている。６つのスイッチング素子のうち右端の２つのスイッチング素子で第１のレグが構成され、右から２つめの２つのスイッチング素子で第２のレグが構成され、左端の２つのスイッチング素子で第３のレグが構成されている。

電流測定器３Ｂは３つの電流測定器を備えている。電流測定器３Ｂのうちの第１の電流測定器は、第１のレグに含まれる下アームのスイッチング素子のエミッタ側に接続されている。電流測定器３Ｂのうちの第２の電流測定器は、第２のレグに含まれる下アームのスイッチング素子のエミッタ側に接続されている。電流測定器３Ｂのうちの第３の電流測定器は、第３のレグに含まれる下アームのスイッチング素子のエミッタ側に接続されている。

図１７に示すように、電流測定器３Ｂを下アームのスイッチング素子のエミッタ側に接続した場合、下側のスイッチング素子に流れる電流を測定することはできるが、上側のスイッチング素子に流れる電流を直接測定することができない。電力変換装置２００Ｂでは、電流測定器３Ｂで得られる下側のスイッチング素子に流れる電流の大きさと、制御器４で制御しているスイッチングパターンと、三相交流の電流の瞬時値との三相の和が常に０になることに基づいて、上側のスイッチング素子に流れる電流を推測することができる。

なお、電流測定器３Ｂは、上側のスイッチング素子のコレクタ側に接続されてもよい。図１８は、実施の形態１にかかる電力変換装置が備える半導体モジュールに対し上側のスイッチング素子のコレクタ側に接続した電流測定器の接続位置を説明するための図である。

電流測定器３Ｃは３つの電流測定器を備えている。電流測定器３Ｃのうちの第１の電流測定器は、第１のレグに含まれる上アームのスイッチング素子のコレクタ側に接続されている。電流測定器３Ｃのうちの第２の電流測定器は、第２のレグに含まれる上アームのスイッチング素子のコレクタ側に接続されている。電流測定器３Ｃのうちの第３の電流測定器は、第３のレグに含まれる上アームのスイッチング素子のコレクタ側に接続されている。

図１８に示すように、電流測定器３Ｃを上アームのスイッチング素子のコレクタ側に接続した場合、上側のスイッチング素子に流れる電流を測定することはできるが、下側のスイッチング素子に流れる電流を直接測定することができない。電流測定器３Ｃを備えた電力変換装置２００Ｂでは、電流測定器３Ｃで得られる上側のスイッチング素子に流れる電流の大きさと、制御器４で制御しているスイッチングパターンと、三相交流の電流の瞬時値との三相の和が常に０になることに基づいて、下側のスイッチング素子に流れる電流を推測することができる。

このように実施の形態１では、電力変換装置２００Ａが、上昇変化閾値Ｘに基づいて、チップ温度上昇の最大値ΔＴｊmaxを設定し、下降変化閾値Ｙに基づいて、チップ温度下降の最小値ΔＴｊminを設定している。これにより、電力変換装置２００Ａは、運転時における電流値変化、電力変換装置２００Ａの出力周波数に依存せずに温度変動を検出できる。したがって、電力変換装置２００Ａは、パワーサイクル劣化度Ｌ_P/Cを精度良く推定することができる。これにより、電力変換装置２００Ａは、スイッチング素子の寿命を精度良く推定できるので、信頼性の高い電力変換装置２００Ａを提供することができる。

また、図１７および図１８に示すように、電流測定位置を変えても、運転状態によらず、高精度にパワーサイクル劣化度Ｌ_P/Cの推定を行うことができる。

実施の形態２．
つぎに、図１９から図２１を用いてこの発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２では、半導体モジュール１の基準温度を用いて、パワーサイクル劣化度Ｌ_P/Cを推定する。

図１９は、実施の形態２にかかる電力変換装置を備える電力変換システムの構成を示す図である。図１９の各構成要素のうち図３に示す電力変換装置２００Ａと同一機能を達成する構成要素については同一符号を付しており、重複する説明は省略する。

実施の形態２の電力変換システムは、商用電源１２と、コンバータ回路１３と、平滑コンデンサ１４と、電力変換装置２００Ｃと、モータ２とを備えている。電力変換装置２００Ｃは、電力変換装置２００Ａが備える構成要素に加えて、半導体モジュール１の基準温度Ｔｔｈを測定する基準温度測定器１１を備えている。また、温度変化推定部６は、電力損失演算器６１と、チップ温度変化演算器６２Ｃと、温度変化演算器６３とを備えている。チップ温度変化演算器６２Ｃは、電力損失演算器６１および温度変化演算器６３に接続されている。

基準温度測定器１１は、半導体モジュール１の基準温度Ｔｔｈを測定し、測定した基準温度Ｔｔｈをチップ温度変化演算器６２Ｃに出力する。

例えば、電力変換器を低周波数で運転した場合、温度変動差ΔＴｊ（max-min）を計算する間に、スイッチング素子を備えた半導体チップの周辺温度が変動すると、温度変動差ΔＴｊ（max-min）に対して影響を与えてしまう。チップ温度が上昇している間にスイッチング素子のベース温度が上昇し、その後、チップ温度が下降している間にスイッチング素子のベース温度が他の影響によって下降しない場合がある。この場合、電力変換装置は、ベース温度の増加分が考慮されないため、過剰な温度変動差ΔＴｊ（max-min）を算出してしまう。

このため、本実施の形態では、電力変換装置２００Ｃが、スイッチング素子を備えた半導体チップ１１３Ａ，１１３Ｂ以外の温度の変化を考慮して、温度変動差ΔＴｊ（max-min）を算出する。

具体的には、電力変換装置２００Ｃは、予め基準となる温度（半導体モジュール１の基準温度Ｔｔｈ）を測定し、基準温度Ｔｔｈおよびチップ温度変化から、半導体チップ１１３Ａ，１１３Ｂのジャンクション温度を推定して温度変動差ΔＴｊ（max-min）を算出する。これにより、電力変換装置２００Ｃは、スイッチング素子の温度を精度良く推定することができる。

基準温度測定器１１が測定する基準温度Ｔｔｈは、半導体モジュール１内の基板温度またはベース板１１５の温度である。したがって、基準温度測定器１１は、半導体チップ１１３Ａ，１１３Ｂの底面またはベース板１１５の上面などに配置される。

なお、電力変換装置２００Ｃは、半導体モジュール１に冷却器（冷却フィン）を取り付け、この冷却器の温度を測定することによってベース板１１５の温度を測定してもよい。

また、基準温度測定器１１は、基準温度Ｔｔｈを測定するものであれば、その構成は問わない。基準温度測定器１１は、例えば、サーミスタ、光学系温度センサなどで構成されうる。

図２０は、実施の形態２にかかる電力変換装置が備えるチップ温度変化演算器の構成を示す図である。図２０の各構成要素のうち図８に示すチップ温度変化演算器６２Ａと同一機能を達成する構成要素については同一符号を付しており、重複する説明は省略する。

チップ温度変化演算器６２Ｃは、実施の形態１のチップ温度変化演算器６２Ａと同様に、電力損失演算器６１から入力された電力損失Ｐ_Lossに基づいて、チップ温度変化ΔＴｊを算出する。

チップ温度変化演算器６２Ｃは、電力損失Ｐ_Lossおよび過渡熱抵抗Ｒｔｈ（ｔ）を用いて算出したチップ温度変化ΔＴｊに対して、基準温度測定器１１から入力された基準温度Ｔｔｈを加算する。チップ温度変化演算器６２Ｃは、チップ温度変化ΔＴｊに基準温度Ｔｔｈを加算した加算結果を、チップ温度Ｔｊとして温度変化演算器６３に出力する。

図２１は、実施の形態２にかかる電力変換装置が備えるチップ温度変化演算器の別構成例を示す図である。図２１の各構成要素のうち図９に示すチップ温度変化演算器６２Ｂと同一機能を達成する構成要素については同一符号を付しており、重複する説明は省略する。

温度変化推定部６には、チップ温度変化演算器６２Ｃの代わりに、チップ温度変化演算器６２Ｄが配置されてもよい。図２１では、過渡熱抵抗Ｒｔｈ（ｔ）を高精度に模擬する際に適用されるチップ温度変化演算器６２Ｄの構成を示している。

チップ温度変化演算器６２Ｄは、実施の形態１のチップ温度変化演算器６２Ｂと同様に、複数の一次遅れ系の複数の熱伝達関数の和で過渡熱抵抗Ｒｔｈ（ｔ）を表現する。チップ温度変化演算器６２Ｄは、電力損失Ｐ_Lossおよび過渡熱抵抗Ｒｔｈ（ｔ）を用いて算出したチップ温度変化ΔＴｊに対して、基準温度測定器１１から入力された基準温度Ｔｔｈを加算する。チップ温度変化演算器６２Ｄは、チップ温度変化ΔＴｊに基準温度Ｔｔｈを加算した加算結果を、チップ温度Ｔｊとして温度変化演算器６３に出力する。

実施の形態１では、温度変化演算器６３が、チップ温度変化ΔＴｊに基づいて、スイッチング素子の温度変動差ΔＴｊ（max-min）を算出したが、実施の形態２では、温度変化演算器６３が、チップ温度Ｔｊに基づいて、スイッチング素子の温度変動差ΔＴｊ（max-min）を算出する。実施の形態２の温度変化演算器６３は、実施の形態１の温度変化演算器６３と同様の処理によって、温度変動差ΔＴｊ（max-min）を算出する。

電力変換装置２００Ｃにおける、回数演算器７、劣化度演算器８、アラーム表示器９、および劣化度表示器１０は、電力変換装置２００Ａにおける、回数演算器７、劣化度演算器８、アラーム表示器９、および劣化度表示器１０と同様の処理を実行する。

このように、実施の形態２では、電力変換装置２００Ｃが、基準温度Ｔｔｈを考慮してパワーサイクル劣化度Ｌ_P/Cを推定するので、電力変換装置２００Ａよりも精度良くパワーサイクル劣化度Ｌ_P/Cを推定することができる。

実施の形態３．
つぎに、図２２から図２６を用いてこの発明の実施の形態３について説明する。実施の形態３では、電流測定器３Ａによって測定された電流値Ｉからノイズの影響を除外した実電流値を学習し、学習した実電流値を用いてパワーサイクル劣化度Ｌ_P/Cを推定する。

図２２は、実施の形態３にかかる電力変換装置を備える電力変換システムの構成を示す図である。図２２の各構成要素のうち図３に示す電力変換装置２００Ａと同一機能を達成する構成要素については同一符号を付しており、重複する説明は省略する。

実施の形態３の電力変換システムは、商用電源１２と、コンバータ回路１３と、平滑コンデンサ１４と、電力変換装置２００Ｄと、モータ２とを備えている。電力変換装置２００Ｄは、電力変換装置２００Ａが備える構成要素に加えて、データロガー１５を備えている。また、温度変化推定部６は、電力損失演算器６１と、チップ温度変化演算器６２Ａと、温度変化演算器６３と、電流推定部６４とを備えている。

データロガー１５は、スイッチング素子に流れる実電流波形を測定する測定器の一例である。データロガー１５は、測定した実電流波形を電流推定部６４に送る。なお、データロガー１５は、電力変換装置２００Ｄと別構成であってもよい。

電力変換装置２００Ｄでは、電流測定器３Ａによって測定された電流値Ｉが、電流推定部６４に送られる。また、制御器４は、制御信号Ｓ_Gを駆動信号生成部５、電力損失演算器６１、および電流推定部６４に送る。

電流推定部６４は、電流測定器３Ａによって測定された電流値Ｉと制御器４から入力される制御信号Ｓ_Gとに基づいて、電流値Ｉからノイズの影響を除外した実電流値Ｉ_AIを出力する。

例えば、電力変換器を低電流で運転した場合、電流測定器３Ａによって測定された電流値Ｉにノイズが重畳されると、電力損失演算器６１による電力損失Ｐ_Lossの計算に誤差が生じる可能性がある。電力損失Ｐ_Lossの計算に誤差が生じた場合には、パワーサイクル劣化度Ｌ_P/Cの推定精度が低下する。

このため、本実施の形態では、電力変換装置２００Ｄが、電流値Ｉに重畳されているノイズを計算し、ノイズの含まれていない実電流値Ｉ_AIを学習し、実電流値Ｉ_AIを用いて、パワーサイクル劣化度Ｌ_P/Cを推定する。

図２３は、実施の形態３にかかる電力変換装置が備える電流推定部の構成を示す図である。電流推定部６４は、機械学習装置６４１と、推定電流出力部６４５とを備えている。機械学習装置６４１は、データ取得部６４２と、状態観測部６４３と、学習部６４４とを含んでいる。

状態観測部６４３は、電流測定器３Ａから出力される電流値Ｉと、制御器４から出力される制御信号Ｓ_Gとを、状態変数として観測し、学習部６４４に出力する。データ取得部６４２は、学習段階において、データロガー１５などの電流検出装置からスイッチング素子に流れる電流の実電流波形を取得し、学習部６４４に出力する。

学習段階の実電流波形は、ノイズが重畳されていない実際の電流波形とする。例えば、半導体モジュール１を開封して、スイッチング素子に直接、電流検出装置を取り付けて測定された電流波形が、学習段階の実電流波形である。

学習部６４４は、状態観測部６４３から出力される状態変数と、データ取得部６４２から出力される実電流波形との組合せに基づいて作成されるデータセットに基づいて、電流値Ｉに対応する実電流値Ｉ_AIを算出するための算出モデルを学習する。データセットは、状態変数および実電流波形（判定データ）を互いに関連付けたデータである。状態観測部６４３から出力される状態変数は、電流測定器３Ａから出力された電流値Ｉ、および制御器４から出力された制御信号Ｓ_Gである。

推定電流出力部６４５は、活用段階において、状態観測部６４３から出力される、電流値Ｉおよび制御信号Ｓ_Gを、学習部６４４を介して受け付けると、学習部６４４で学習した学習モデルである算出モデルを用いて、実電流値Ｉ_AIを算出し、電力損失演算器６１に出力する。

推定電流出力部６４５が電力損失演算器６１に出力する実電流値Ｉ_AIは、実施の形態１，２における電流値Ｉ（電流測定器３Ａから出力される電流値Ｉ）に相当する。すなわち、実電流値Ｉ_AIは、電力損失演算器６１が、電力損失Ｐ_Lossを演算するために用いる電流値である。

電流推定部６４は、学習段階では、実電流値Ｉ_AIを算出する算出モデルを学習し、活用段階では、算出モデルを用いて実電流値Ｉ_AIを算出する。これにより、電流推定部６４は、パワーサイクル劣化度Ｌ_P/Cを推定する際に用いられる、ノイズの無い実電流値Ｉ_AIを学習する。

図２４は、実施の形態３にかかる電力変換装置による学習処理および活用処理の処理手順を説明するための図である。電流推定部６４は、学習段階では、算出モデルの学習処理を行い、活用段階では、実電流値Ｉ_AIの算出処理を行う。

（学習段階）
データ取得部６４２が、データロガー１５などの電流検出装置からスイッチング素子に流れる電流の実電流波形を取得する。また、状態観測部６４３が、電流測定器３Ａから出力される電流値Ｉと、制御器４から出力される制御信号Ｓ_Gとを、状態変数として観測する。学習部６４４は、状態観測部６４３から出力される状態変数と、データ取得部６４２から出力される実電流波形との組合せに基づいて作成されるデータセットに基づいて、実電流値Ｉ_AIを算出するための算出モデルを学習する。

（活用段階）
電流推定部６４は、学習部６４４が学習した算出モデルを用いて実電流値Ｉ_AIを算出する。具体的には、電流推定部６４は、電流測定器３Ａから出力される電流値Ｉと、制御器４から出力される制御信号Ｓ_Gとを算出モデルに入力することで、実電流値Ｉ_AIを算出する。電力変換装置２００Ｄは、実電流値Ｉ_AIを用いて、パワーサイクル劣化度Ｌ_P/Cを推定する。

なお、機械学習装置６４１は、電力変換装置２００Ｄに設けられなくてもよく、電力変換装置２００Ｄの外部に設けられてもよい。機械学習装置６４１は、ネットワークを介して電力変換装置２００Ｄに接続可能な装置に設けられてもよい。すなわち、機械学習装置６４１は、ネットワークを介して電力変換装置２００Ｄに接続された別個のコンポーネントであってもよい。また、機械学習装置６４１は、クラウドサーバ上に存在していてもよい。

学習部６４４は、例えば、ニューラルネットワークモデルにしたがって、いわゆる教師あり学習により、電流値Ｉに対応する実電流値Ｉ_AIを学習する。ここで、教師あり学習とは、ある入力と結果（ラベル）のデータの組を大量に学習装置に与えることで、それらのデータセットにある特徴を学習し、入力から結果を推定するモデルをいう。

ニューラルネットワークは、複数のニューロンからなる入力層、複数のニューロンからなる中間層（隠れ層）、および複数のニューロンからなる出力層で構成される。中間層は、１層でもよいし２層以上でもよい。

図２５は、実施の形態３にかかる機械学習装置が用いるニューラルネットワークの構成を示す図である。例えば、図２５に示すような３層のニューラルネットワークであれば、複数の入力が入力層Ｘ１〜Ｘ３に入力されると、その値に重みｗ１１〜ｗ１６を掛けて中間層Ｙ１，Ｙ２に入力され、その結果にさらに重みｗ２１〜ｗ２６を掛けて出力層Ｚ１〜Ｚ３から出力される。この出力結果は、重みｗ１１〜ｗ１６および重みｗ２１〜ｗ２６の値によって変わる。

実施の形態３のニューラルネットワークは、状態観測部６４３によって観測される、電流値Ｉおよび制御信号Ｓ_Gと、データ取得部６４２が取得する実電流波形と、の組合せに基づいて作成されるデータセットに従って、いわゆる教師あり学習により、実電流値Ｉ_AIを学習する。

すなわち、ニューラルネットワークは、入力層Ｘ１〜Ｘ３に電流値Ｉおよび制御信号Ｓ_Gを入力して出力層Ｚ１〜Ｚ３から出力された結果が、実電流波形に近づくように重みｗ１１〜ｗ１６，ｗ２１〜ｗ２６を調整することで実電流値Ｉ_AIを学習する。学習部６４４は、重みｗ１１〜ｗ１６，ｗ２１〜ｗ２６を調整したニューラルネットワークを推定電流出力部６４５に送る。

また、学習部６４４は、複数の電力変換装置に対して作成されるデータセットにしたがって、実電流値Ｉ_AIを学習するようにしてもよい。また、学習部６４４は、同一の現場で使用される複数の電力変換装置からデータセットを取得してもよいし、或いは、異なる現場で独立して稼働する複数の電力変換装置から収集されるデータセットを利用して実電流値Ｉ_AIを学習してもよい。さらに、データセットを収集する電力変換装置を途中で対象に追加し、或いは、逆に対象から除去することも可能である。また、ある電力変換装置に関して実電流値Ｉ_AIを学習した機械学習装置を、これとは別の電力変換装置に取り付け、当該別の電力変換装置に関して実電流値Ｉ_AIを再学習して更新するようにしてもよい。

また、学習部６４４に用いられる学習アルゴリズムとしては、特徴量そのものの抽出を学習する、深層学習（Deep Learning）を用いることもでき、他の公知の方法、例えば遺伝的プログラミング、機能論理プログラミング、サポートベクターマシンなどにしたがって機械学習を実行してもよい。

電流推定部６４は、算出モデルを用いて算出した実電流値Ｉ_AIを、電力損失演算器６１に出力する。電力損失演算器６１は、電流推定部６４から取得した実電流値Ｉ_AIと、制御器４から入力される制御信号Ｓ_Gとに基づいて、スイッチング素子に発生する電力損失Ｐ_Lossを演算する。以下、実施の形態１で説明した手順に従って、電力変換装置２００Ｄは、パワーサイクル劣化度Ｌ_P/Cを推定する。なお、電流推定部６４は、電力変換装置２００Ａ，２００Ｂ，２００Ｃに適用されてもよい。

ここで、電流推定部６４のハードウェア構成について説明する。図２６は、実施の形態３にかかる電力変換装置が備える電流推定部を実現するハードウェア構成例を示す図である。

電流推定部６４は、入力装置１５１、プロセッサ１５２、メモリ１５３、および出力装置１５４により実現することができる。プロセッサ１５２の例は、ＣＰＵ（Central Processing Unit、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）ともいう）またはシステムＬＳＩ（Large Scale Integration）である。メモリ１５３の例は、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）である。

電流推定部６４は、プロセッサ１５２が、メモリ１５３で記憶されている電流推定部６４の動作を実行するための、コンピュータで実行可能な、実電流値Ｉ_AIの学習プログラムを読み出して実行することにより実現される。電流推定部６４の動作を実行するためのプログラムである学習プログラムは、電流推定部６４の手順または方法をコンピュータに実行させるものであるともいえる。

電流推定部６４で実行される学習プログラムは、機械学習装置６４１と、推定電流出力部６４５とを含むモジュール構成となっており、これらが主記憶装置上にロードされ、これらが主記憶装置上に生成される。

入力装置１５１は、電流値Ｉ、制御信号Ｓ_G、実電流波形などを受け付けてプロセッサ１５２に送る。メモリ１５３は、プロセッサ１５２が各種処理を実行する際の一時メモリに使用される。メモリ１５３は、例えば、学習プログラム、電流値Ｉ、制御信号Ｓ_G、実電流波形などを記憶する。出力装置１５４は、実電流値Ｉ_AIを電力損失演算器６１に出力する。

学習プログラムは、インストール可能な形式または実行可能な形式のファイルで、コンピュータが読み取り可能な記憶媒体に記憶されてコンピュータプログラムプロダクトとして提供されてもよい。また、学習プログラムは、インターネットなどのネットワーク経由で電流推定部６４に提供されてもよい。

なお、電流推定部６４の機能について、一部を専用回路などの専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現するようにしてもよい。また、電力変換装置２００Ａ〜２００Ｃの一部が、図２６のハードウェアで構成されてもよい。

このように、実施の形態３では、電流推定部６４が、電流値Ｉ、制御信号Ｓ_G、および実電流波形に基づいて、電流値Ｉに対応する実電流値Ｉ_AIを学習し、電力変換装置２００Ｄは、電流値Ｉのノイズによる影響を低減させた実電流値Ｉ_AIを用いてパワーサイクル劣化度Ｌ_P/Cを推定する。これにより、電流値Ｉのノイズによる影響を抑制したパワーサイクル劣化度Ｌ_P/Cを推定することができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 半導体モジュール、２ モータ、３Ａ〜３Ｃ 電流測定器、４ 制御器、５ 駆動信号生成部、６ 温度変化推定部、７ 回数演算器、８ 劣化度演算器、９ アラーム表示器、１０ 劣化度表示器、１１ 基準温度測定器、１２ 商用電源、１３ コンバータ回路、１４ 平滑コンデンサ、１５ データロガー、６１ 電力損失演算器、６２Ａ〜６２Ｄ チップ温度変化演算器、６３ 温度変化演算器、６４ 電流推定部、１１１ 回路パターン、１１２ ワイヤ、１１３Ａ，１１３Ｂ 半導体チップ、１１４ 基板、１１５ ベース板、１５１ 入力装置、１５２ プロセッサ、１５３ メモリ、１５４ 出力装置、２００Ａ〜２００Ｄ 電力変換装置、６１１ ＩＧＢＴ損失演算器、６１２ ＦＷＤ損失演算器、６１３ 信号判断器、６１４ ＩＧＢＴ定常損失データテーブル、６１５ ＩＧＢＴオン損失データテーブル、６１６ ＩＧＢＴオフ損失データテーブル、６１７ ＦＷＤ定常損失データテーブル、６１８ ＦＷＤリカバリー損失データテーブル、６３１ 上昇最大値計算部、６３２ 上昇変化閾値格納部、６３３ 下降最小値計算部、６３４ 下降変化閾値格納部、６３５ 変動差計算部、６３６ 上昇判断部、６３７ 上昇比較部、６３８ 下降判断部、６３９ 下降比較部、６４１ 機械学習装置、６４２ データ取得部、６４３ 状態観測部、６４４ 学習部、６４５ 推定電流出力部、Ａ１，Ａ２ 加算器、Ｍ１ 最大値記憶部、Ｍ２ 最小値記憶部、Ｐ１〜Ｐ５ 演算器。

Claims (7)

1. スイッチング素子を備えた電力変換装置であって、
   制御信号を出力して前記スイッチング素子を制御する制御部と、
   前記制御信号に基づいて前記スイッチング素子を駆動する駆動部と、
   前記スイッチング素子に流れる電流値および前記制御信号に基づいて、前記スイッチング素子が格納されている半導体チップの温度変化を推定する温度変化推定部と、
   前記温度変化に基づいて、前記半導体チップの１回の温度の上昇と下降とを１回のパワーサイクルとした場合の前記パワーサイクルの繰り返しによって前記半導体チップが破壊されるまでの前記パワーサイクルの耐回数を演算する回数演算部と、
   前記耐回数に基づいて、前記パワーサイクルの繰り返しに起因する前記半導体チップの劣化度をパワーサイクル劣化度として算出する劣化度演算部と、
   を備え、
   前記温度変化推定部は、
   前記半導体チップが温度上昇していると判断される際に許容される温度下降の閾値である第１の閾値および前記温度変化に基づいて、前記１回のパワーサイクルにおける前記半導体チップの温度の最大値を演算し、前記半導体チップが温度下降していると判断される際に許容される温度上昇の閾値である第２の閾値および前記温度変化に基づいて、前記１回のパワーサイクルにおける前記半導体チップの温度の最小値を演算し、前記最大値および前記最小値に基づいて、前記半導体チップの前記１回のパワーサイクルにおける温度変動差を演算し、
   前記回数演算部は、前記温度変動差に基づいて、前記耐回数を演算し、
   前記温度変化推定部は、
   前記スイッチング素子に流れる電流値と、前記制御信号とに基づいて、前記スイッチング素子に発生する電力損失を演算し、前記スイッチング素子の熱抵抗値の時間変化を示す過渡熱抵抗データおよび前記スイッチング素子の熱時定数を用いた一次遅れ項のデータから算出された前記スイッチング素子の過渡熱抵抗と、前記電力損失と、に基づいて、前記温度変化を演算し、
   前記過渡熱抵抗は、
   複数の一次遅れ系の複数の熱伝達関数の和で表現されている、
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記スイッチング素子に流れる電流値を測定する電流測定器をさらに備え、
   前記温度変化推定部は、
   前記スイッチング素子に流れる電流値からノイズが重畳されていない電流値である実電流値を推定する電流推定部を備え、
   前記電流推定部は、
   前記スイッチング素子に流れる電流値から前記実電流値を算出する算出モデルを学習する機械学習装置と、
   前記機械学習装置が学習した結果に基づいて前記実電流値を推定する推定電流出力部と、
   を有し、
   前記機械学習装置は、
   前記制御信号および前記電流測定器が測定した電流値を状態変数として観測する状態観測部と、
   前記スイッチング素子に流れる実際の電流波形を取得するデータ取得部と、
   前記状態変数および前記電流波形の組合せに基づいて作成されるデータセットにしたがって、前記スイッチング素子に流れる電流値に対応する前記実電流値を学習する学習部と、
   を具備し、
   前記温度変化推定部は、前記学習部が学習した実電流値を、前記スイッチング素子に流れる電流値として前記温度変化を推定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記温度変化推定部は、
   前記制御信号に基づいて、前記スイッチング素子のスイッチング周波数と、前記スイッチング素子のスイッチングのデューティ比とを演算し、
   前記スイッチング素子に流れる電流値と、前記スイッチング素子に流れる電流値に対応する前記スイッチング素子の損失特性と、前記スイッチング周波数と、前記デューティ比と、に基づいて、前記電力損失とを演算する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記回数演算部は、前記温度変動差と前記耐回数との対応関係を示すパワーサイクル寿命データと、前記温度変動差とに基づいて、前記耐回数を演算する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記半導体チップが格納された半導体モジュールの温度を、前記半導体チップの基準となる基準温度として測定する基準温度測定器をさらに備え、
   前記温度変化推定部は、前記基準温度が加算された前記温度変化を推定する、
   ことを特徴とする請求項１から４の何れか１つに記載の電力変換装置。
6. 前記スイッチング素子は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタおよびフリーホイールダイオードであり、
   前記半導体チップは、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタを格納する第１のチップと、前記フリーホイールダイオードを格納する第２のチップとを含み、
   前記温度変化推定部は、前記第１のチップの温度変化と前記第２のチップの温度変化とを別々に演算し、
   前記回数演算部は、前記第１のチップの耐回数と前記第２のチップの耐回数とを別々に演算し、
   前記劣化度演算部は、前記第１のチップの劣化度と前記第２のチップの劣化度とを別々に演算する、
   ことを特徴とする請求項１から５の何れか１つに記載の電力変換装置。
7. 前記パワーサイクル劣化度が基準値を超えた場合にアラームを表示するアラーム表示器と、
   前記パワーサイクル劣化度を表示する劣化度表示器と、
   をさらに備える、
   ことを特徴とする請求項１から６の何れか１つに記載の電力変換装置。

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