JP7133502B2 - 電力変換装置の診断装置及び電力変換装置の診断方法 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置の診断を行う診断装置及び診断方法に係り、特に、既設の電力変換装置の劣化診断に適用して有効な技術に関する。

エレベータや鉄道車両等に搭載される大容量の電力変換装置（インバータ回路）を構成するＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）デバイスは、発熱や冷却による温度サイクルが問題となることがある。デバイスの温度サイクルは、接合部の劣化に繋がり、最終的にはデバイスの劣化や故障に至る可能性がある。そこで、電力変換装置の故障原因の多くを占めるデバイス温度異常から劣化を診断するシステムが求められている。

ＩＧＢＴデバイスの接合部温度を計測する技術としては、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１には「ＩＧＢＴデバイスのスイッチオフ段階中のミラープラトー段階によって形成されたエッジと相関するパルスを取得するために、測定されるＩＧＢＴデバイスのゲート－エミッタ電圧の特性を受け取り、ゲート－エミッタ電圧の特性を区別する差動ユニットと、ＩＧＢＴデバイスのスイッチオフ段階中のミラープラトー段階の開始及び終了を示すものであって取得されたパルス間の時間遅延を測定するタイマユニットと、測定された時間遅延に基づいてＩＧＢＴデバイスの接合部温度を決定する接合部温度計算ユニットと、を具備するシステム」が開示されている。

特許文献１では、ゲート－エミッタ間のターンオフ電圧によりＩＧＢＴデバイスの動作状態をリアルタイムに監視している。

また、特許文献２には「スイッチング指令に応じて半導体素子の導通或いは非導通の制御を行なうスイッチ素子の駆動回路において、非導通のスイッチング指令が与えられた時点から半導体素子が非導通になる時点までの遅れ期間を検出して、この遅れ期間が所定期間を越えるとき異常信号を出力する異常検出手段が設けられた構成」が開示されている。

特許文献２では、バイポーラデバイスの動作状態をターンオフ電流によりリアルタイムに監視している。

また、特許文献３には「インバータ動作時のＩＧＢＴデバイスの温度変化をコレクタエミッタ電圧とエミッタ電流のターンオフ時間の周波数分析結果から求める構成」が開示されている。

いずれの特許文献も、デバイスのスイッチ動作時の電気波形からデバイスの動作状態を推定している。

特開２０１３－１４２７０４号公報 特開平７－１７０７２４号公報 特開２０１７－１２３７０４号公報

しかしながら、上記特許文献１では、各アームのＩＧＢＴデバイスのミラープラトー段階を検出する必要があるため、差動ユニット、タイマユニットをインバータ内部の各ＩＧＢＴ駆動回路近傍に設ける必要がある。

また、上記特許文献２では、各バイポーラデバイスに異常検出手段を設ける必要がある。

また、特許文献１及び特許文献２では、ＩＧＢＴデバイスやバイポーラデバイスなどの電力用半導体素子の動作状態を把握するための検出手段がデバイス近傍にデバイス毎に必要であるため、既設のインバータに後付けで取り付けることは困難である。

さらに、特許文献２では、指令信号からバイポーラデバイスに伝達するまでに接続される様々な電子部品の温度依存性もあり、精度よく電力用半導体素子の温度を推定することは困難である。

また、既に設備に組み込まれて運用が始まっている電力変換装置（インバータ回路）において、ＩＧＢＴやバイポーラなどの電力用半導体素子近傍に検出回路を取り付ける作業は専門的な知識と技術を必要とし、安全上も好ましくない。

そこで、本発明の目的は、電力変換装置と負荷の間に容易に着脱可能であり、なおかつ、電力変換装置のインバータ回路を構成する電力用半導体素子の温度を精度良く推定可能な電力変換装置の診断装置及び診断方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、電力変換装置と負荷の間に着脱可能な電力変換装置の診断装置であって、前記電力変換装置の出力電圧波形から当該電力変換装置を構成する電力用半導体素子のターンオフ時間を検出する特徴量変換部と、前記電力変換装置から出力される相電流を検出する相電流検出部と、前記特徴量変換部の出力と前記相電流検出部の出力との相関関係から相関パラメータを抽出する特徴量抽出部と、前記特徴量抽出部で抽出した相関パラメータと、外部の記憶媒体から取り込んだターンオフ時間と素子温度の相関データから前記電力用半導体素子の温度を推定する温度推定部と、前記温度推定部の出力と、外部の記憶媒体から取り込んだ温度劣化度相関データから前記電力用半導体素子の劣化度を推定する劣化度推定部と、前記劣化度推定部の出力を表示する表示部と、を備えることを特徴とする。

また、本発明は、電力変換装置の劣化度を診断する電力変換装置の診断方法であって、電力変換装置の出力電圧波形から当該電力変換装置を構成する電力用半導体素子のターンオフ時間を検出し、前記電力変換装置から出力される相電流を検出し、前記検出したターンオフ時間と前記検出した相電流の相関関係から相関パラメータを抽出し、前記抽出した相関パラメータと、外部の記憶媒体から取り込んだターンオフ時間と素子温度の相関データから前記電力用半導体素子の温度を推定し、前記推定した電力用半導体素子の温度と、外部の記憶媒体から取り込んだ温度劣化度相関データから前記電力用半導体素子の劣化度を推定することを特徴とする。

本発明によれば、電力変換装置と負荷の間に容易に着脱可能であり、なおかつ、電力変換装置のインバータ回路を構成する電力用半導体素子の温度を精度良く推定可能な電力変換装置の診断装置及び診断方法を実現することができる。

これにより、信頼性の高い電力変換装置と低コストな診断サービスの提供が可能となる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

第１の実施形態に係る電力変換装置及びその診断装置の構成を示す図である。 図１に示す構成において診断装置の診断手順を示すフローチャートである。 図１に示す構成において取得した電気波形から診断を行う原理を示す図である。 診断する電力用半導体素子を特定する方法を示す図である。 診断する電力用半導体素子を特定する方法を示す図である。 第２の実施形態に係る診断装置の特徴量変換部１２１と特徴量抽出部１２２の回路構成を示す図である。 第３の実施形態に係る電力変換装置及びその診断装置の構成を示す図である。 第４の実施形態に係る通信ネットワーク構成例を示す図である。 電力用半導体回路を示す図である。 電力用半導体素子部の実装断面を示す図である。 電力用半導体素子温度とターンオフ時間の関係を示す図である。 電力用半導体素子部の熱抵抗と電力用半導体素子温度の関係を示す図である。 電力用半導体素子部の熱抵抗とサイクル数の関係を示す図である。 はんだ剥離量と電力用半導体素子部の熱抵抗の関係を示す図である。 はんだ剥離量と電力変換装置（インバータ）運転時間の関係を示す図である。 第５の実施形態に係る診断イメージを示す図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。

≪本実施形態によるシステム構成≫
図１から図４Ｂを参照して、本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置の診断装置と診断方法について説明する。図１は、本実施形態の電力変換装置の診断装置１２０（以下、単に「診断装置」と省略する）及びインバータ（回路）１００等を含む電力変換装置Ｓ１の構成例を示すブロック図である。

インバータ（回路）１００は、接地線１０６によって接地されており、三相交流電源１０２、及び、三相モータ等の負荷装置１０５が接続されている。三相交流電源１０２は、入力端子１０１を介してインバータ１００に接続されており、負荷装置１０５は、出力端子１１６，１１７，１１８を介してインバータ１００に接続されている。

インバータ１００の出力端子１１６，１１７，１１８は、診断装置１２０に接続されている。このインバータ１００は、電力用半導体素子１１０，１１１，１１２，１１３，１１４，１１５を用いて、例えば、交流電力または直流電力を可変の周波数と可変の電圧の交流電力に変換する。

インバータ１００は、入力端子１０１、交流直流変換部１０３、平滑コンデンサ１０４、電力用半導体素子１１０，１１１，１１２，１１３，１１４，１１５、絶縁・駆動部１０７、制御部１０８及び出力端子１１６，１１７，１１８を備える。

ここで、電力用半導体素子１１０，１１１，１１２，１１３，１１４，１１５は、これらを総称して、適宜、電力用半導体素子１１０～１１５と表記する。なお、交流直流変換部１０３はインバータ１００の一構成要素となっているが、その代わりに直流電源を用いることもできる。

インバータ１００は、例えば３組のダイオードブリッジ回路である交流直流変換部１０３に入力された三相交流電源１０２などの交流電圧を、後述するように、一旦直流電圧に変換する。この時、この直流電力の不要な振動成分は、平滑コンデンサ１０４によって除去される。

インバータ１００では、電力用半導体素子１１０と電力用半導体素子１１１とが、直列に接続されてＵ相のレグ（上下のアーム）を構成する。同様に、電力用半導体素子１１２と電力用半導体素子１１３とが、直列に接続されてＶ相のレグを構成し、電力用半導体素子１１４と電力用半導体素子１１５とが、直列に接続されてＷ相のレグを構成する。これらのＵ相、Ｖ相、Ｗ相のレグとなる直列回路は、それぞれ、正極性の直流電源線Ｐと負極性の直流電源線Ｎとの間に接続される。

また、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のレグにおけるそれぞれの正極性の直流電源線Ｐ側に接続された電力用半導体素子１１０，１１２，１１４と、負極性の直流電源線Ｎ側に接続された電力用半導体素子１１１，１１３，１１５との接続点は、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の出力端子１１６，１１７，１１８となる。

電力用半導体素子１１０～１１５は、後述する制御部１０８及び絶縁・駆動部１０７によって、出力端子１１６，１１７，１１８から可変の周波数、可変の電圧の三相交流が出力されるように統括して制御される。

なお、前述した交流直流変換部１０３に入力される三相交流のｕ相、ｖ相、ｗ相と、出力端子１１６，１１７，１１８に出力される三相交流のＵ相、Ｖ相、Ｗ相とは、電圧及び周波数が異なっている。電力用半導体素子１１０～１１５は、それぞれ、逆並列に接続された寄生ダイオードまたは付与された逆並列ダイオードを備える。

正極性の直流電源線Ｐには、分布定数的に寄生インダクタンスが存在しており、図１では寄生インダクタンス１０９として図示している。一方、負極性の直流電源線Ｎにも、同様に寄生インダクタンスが存在しているが、図１では省略している。

絶縁・駆動部１０７は、電力用半導体素子１１０～１１５と制御部１０８との絶縁を維持しつつ電力用半導体素子１１０～１１５を駆動する。

制御部１０８は、絶縁・駆動部１０７を介して、後述するように電力用半導体素子１１０～１１５を制御し、交流直流変換部１０３で得た直流電圧をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）変調して交流電圧を生成し、生成した交流電圧を出力端子１１６，１１７，１１８から出力して負荷装置（三相モータ）１０５の回転数及びトルクを制御する。

具体的には、制御部１０８は、電力用半導体素子１１０～１１５のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相交流電力の出力端子１１６，１１７，１１８に設けられたインバータ制御用電流センサ（電流検出部）１１９－１，１１９－２，１１９－３によって検出された情報（相電流に関する情報）を参照し、絶縁・駆動部１０７を介して電力用半導体素子１１０～１１５を制御する。すなわち、制御部１０８は、電力用半導体素子１１０～１１５のスイッチング動作を統合的に制御している。

電流検出部１１９－１，１１９－２，１１９－３は、例えば、電力用半導体素子１１０～１１５のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相交流電力の出力端子１１６，１１７，１１８に配置されており、それぞれ対応するＵ相、Ｖ相、Ｗ相の相電流を検出する。電流検出部１１９－１，１１９－２，１１９－３で検出された相電流は電圧に変換され、制御部１０８に送られ、電力用半導体素子１１０～１１５のスイッチング動作を制御するための制御信号の一部として使われる。

また、負荷装置１０５がモータの場合、電力用半導体素子１１０～１１５のスイッチングで発生する高調波によりモータの振動が大きくなることや、インバータ１００とモータ（負荷装置１０５）の配線距離が長くなると配線の寄生容量に大きな充電電流が流れインバータ１００が保護機能により停止することがあるため、交流リアクトル１３８を搭載することがある。

以上のような構成において、インバータ１００では、交流直流変換部１０３のそれぞれの入力端子に三相（ｕ相、ｖ相、ｗ相）の交流電圧がそれぞれ入力される。交流直流変換部１０３は、三相の交流電圧を各相の直流電圧に変換した後に整流し、そのうち正極性の電圧を、直流電源線Ｐを介して平滑コンデンサ１０４の一端に印加する一方、負極性の電圧を、直流電源線Ｎを介して平滑コンデンサ１０４の他端に印加する。

一方、診断装置１２０は、特徴量変換部１２１、特徴量抽出部１２２、温度推定部１２４、劣化度推定部１２５、表示部１３０及び電源部１３１を備える。電源部１３１は、特徴量変換部１２１、特徴量抽出部１２２、温度推定部１２４、劣化度推定部１２５、表示部１３０に対して電力を供給する。特徴量変換部１２１の入力インピーダンスは電力変換装置Ｓ１の運用の妨げにならないように十分に高くする必要がある。

診断装置１２０では、インバータ１００の出力端子１１６，１１７，１１８の端子間で電力用半導体素子１１０～１１５のスイッチング動作で発生する電圧波形に含まれる温度情報を最適な電気波形に変換する特徴量変換部１２１の出力と、Ｕ相電流センサ１３５、Ｖ相電流センサ１３６、Ｗ相電流センサ１３７による各相電流の検出を行う相電流検出部１２３の出力を特徴量抽出部１２２で同期を取りつつ取り込み、記憶媒体１２７に予め作成し格納した特徴量（ターンオフ時間）と素子温度相関データ１２６から電力用半導体素子１１０～１１５の素子温度を推定し、同じようにして得た過去の温度履歴情報と予め作成した温度と劣化度の相関データ１２８を記憶媒体１２７から取り出し、現段階での劣化度を劣化度推定部１２５で推定し、劣化度推定結果１２９を表示部１３０に表示しつつ、記憶媒体１２７に書き込み、データとして蓄積する。

上記の診断手順（方法）を図２のフローチャートに示す。

先ず、指定した相電流の特徴量を特徴量抽出部１２２により抽出する。

次に、特徴量抽出部１２２の出力（抽出結果）と、記憶媒体１２７に予め格納（記憶）された特徴量（ターンオフ時間）と素子温度相関データ１２６に基づいて、温度推定部１２４で電力用半導体素子１１０～１１５の素子温度を推定する。

続いて、温度推定部１２４の出力（推定結果）と、記憶媒体１２７に予め格納（記憶）された温度履歴情報と温度劣化度相関データ１２８に基づいて、劣化度推定部１２５で温度履歴情報から温度上昇分を求め、現段階での電力用半導体素子１１０～１１５の劣化度を推定する。

最後に、劣化度推定部１２５での推定結果（劣化度）を表示部１３０に表示しつつ、記憶媒体１２７などの外部装置に出力する。

図３を用いて、図１の構成において取得した電気波形から診断を行う原理を説明する。図３の（ａ），（ｂ）は第１の実施形態による端子間電圧に含まれる温度情報を抽出するのに最適な電気波形に変換する特徴量変換部１２１の動作原理図を示す。図１を交えながら説明する。また、本実施例では電力用半導体素子はＩＧＢＴを例にして説明する。

電力用半導体素子１１０を診断するものとして、Ｕ相電流が正で出力端子間電圧（ａ）は電力変換装置の出力端子１１６と１１７の端子間電圧波形を示す。横軸は時間、縦軸は端子間電圧を示す。電力用半導体素子内部にある空乏層容量は半導体容量であるため温度依存性を持ち、素子温度がＴ１からＴ２に上昇するとターンオフ波形が実線から破線のように電圧変化率の時間変化分が大きくなる。

出力端子間電圧に対して閾値電圧Ｖ１とＶ２とすると、端子間電圧がＶ１からＶ２に遷移する時間は（ｂ）のようにパルス幅として変換される。（ｂ）の横軸はターンオフ時間、縦軸は電圧振幅値であるが縦軸は重要ではない。素子温度Ｔ１からＴ２の変化がパルス幅ｔ１からｔ２に変換されたことになる。このパルス幅が素子の温度情報を持ち、温度が高くなるとパルス幅が広くなる。Ｖ１とＶ２は特徴量抽出部１２２で管理されている。

図３の（ｃ），（ｄ）は第１の実施形態による温度推定部１２４の動作を説明した図である。（ｃ）の縦軸はターンオフ時間、横軸は相電流を示す。本実施例ではターンオフ時間と相電流は直線相関があるものとして図示しているが、必ずしもこの限りではない。

素子温度が上昇するとターンオフ時間は相電流との相関関係を保ちつつ、ターンオフ時間が長い方にシフトする（Δｔ）。ある相電流Ｉ１の時のターンオフ時間をｔ１とし温度上昇によりｔ２になったとする。予め取得し、記憶媒体１２７に格納しておいたターンオフ時間と素子温度相関データ１２６から、（ｄ）のように素子温度がＴ１からＴ２へ上昇したことがわかる。これは電力変換装置の定期メンテナンスで前回測定時のターンオフ時間ｔ１が今回の測定時ではｔ２に変わったことから温度がＴ１からＴ２に上昇していることがわかることを示している。但し、前回測定と今回測定の環境温度の差分などを考慮したうえでの温度推定が必要である。そのため図１では環境温度センサ１４３を設けている。

従って、温度推定部１２４は、電力変換装置Ｓ１（インバータ１００）の環境温度に基づいて、記憶媒体１２７から取り込む温度推定モデル（特徴量（ターンオフ時間）と素子温度相関データ１２６）を選択し、電力用半導体素子１１０～１１５の温度を推定することが望ましい。

図３の（ｅ），（ｆ）は第１の実施形態による劣化度推定部１２５の動作を説明した図である。

本発明での劣化度は半田（はんだ）の剥離量であり、これは熱抵抗の変化として観測できる。よって、記憶媒体１２７に予め取得し格納しておいた素子温度－劣化度相関データ（ｅ）から半田（はんだ）剥離量がわかり、（ｆ）のように時系列で劣化度を表示することで半田（はんだ）剥離の進行具合がわかる。以上の手順（方法）により劣化度を推定する。

図４Ａ及び図４Ｂは端子間電圧の波形の抽出方法を示す図である。図１を交え説明する。

診断する電力用半導体素子を特定するために電流センサ１３５，１３６，１３７を用いる。各相のレグを構成する上下アームの接続から負荷装置１０５に流れる電流を正方向、その逆を負方向とすると、Ｕ相電流センサ１３５で検出した電流が正方向なら電力用半導体素子１１０のスイッチング動作によりＵ相電流が制御されているため、電力用半導体素子１１０の電圧変化が出力端子１１６と出力端子１１７の間と出力端子１１６と出力端子１１８の間に発生するため診断が可能となる（図４Ａ）。

Ｕ相電流センサ１３５で検出した電流が負方向なら電力用半導体素子１１１にスイッチング動作によりＵ相電流が制御されるため、電力用半導体素子１１１の電圧変化が出力端子１１７と出力端子１１６の間と出力端子１１８と出力端子１１６の間に発生するため診断が可能である（図４Ｂ）。

このように電圧の極性も反転する。同じようにＶ相電流センサ１３６で検出した電流が正方向であれば電力用半導体素子１１２の診断が可能であり、Ｖ相電流センサ１３６で検出した電流が負方向であれば電力半導体用素子１１３の診断が可能となる。また、Ｗ相電流センサ１３７で検出した電流が正方向であれば電力用半導体素子１１４の診断が可能であり、Ｗ相電流センサ１３７で検出した電流が負方向であれば電力用半導体素子１１５の診断が可能である。

よって、診断装置１２０が電力用半導体素子１１０～１１５を特定しながら診断するには相電流検出部１２３は電流値と極性の変化を検出し、特徴量抽出部１２２は相電流の極性の変化に応じて特徴量変換部１２１の変換条件（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４）を実時間で切り替えて特徴量抽出部１２２で抽出する必要がある。

また、インバータ１００を制御するために設置しているインバータ制御用電流センサ（電流検出部）１１９－１，１１９－２，１１９－３の各出力が特徴量抽出部１２２または相電流検出部１２３と接続可能であり、各相の電流値を抽出できる場合は、外付けの電流センサ１３５，１３６，１３７を設ける必要はない。

以上説明したように、本実施形態の診断装置は、電力変換装置Ｓ１（インバータ１００）と負荷装置（三相モータ）１０５の間に着脱可能であり、電力変換装置Ｓ１（インバータ１００）の出力電圧波形から電力変換装置Ｓ１（インバータ１００）を構成する電力用半導体素子１１０－１１５のターンオフ時間を検出する特徴量変換部１２１と、電力変換装置Ｓ１（インバータ１００）から出力される相電流を検出する相電流検出部１２３と、特徴量変換部１２１の出力と相電流検出部１２３の出力との相関関係から相関パラメータを抽出する特徴量抽出部１２２と、特徴量抽出部１２２で抽出した相関パラメータと、外部の記憶媒体１２７から取り込んだターンオフ時間と素子温度の相関データ１２６から電力用半導体素子１１０－１１５の温度を推定する温度推定部１２４と、温度推定部１２４の出力と、外部の記憶媒体１２７から取り込んだ温度劣化度相関データ１２８から電力用半導体素子１１０－１１５の劣化度を推定する劣化度推定部１２５と、劣化度推定部１２５の出力を表示する表示部１３０を備えている。

また、特徴量変換部１２１は、電力変換装置Ｓ１（インバータ１００）の出力端子１１６－１１８間において計測された電圧変化率の時間変化分に基づいて電力用半導体素子１１０－１１５のターンオフ時間を検出する。

また、特徴量抽出部１２２は、相電流検出部１２３の検出した極性に基づいて相関パラメータを抽出する電力用半導体素子１１０－１１５を選択する。

これにより、電力変換装置と負荷の間に容易に着脱可能であり、なおかつ、電力変換装置のインバータ回路を構成する電力用半導体素子の温度を精度良く推定可能な電力変換装置の診断装置及び診断方法を提供することができる。

図５を参照して、本発明の第２の実施形態に係る診断装置の構成について説明する。

電力用半導体素子１１０の温度を推定することを例にして説明すると、出力端子１１６と出力端子１１８のそれぞれの電圧を分圧回路で分圧し、その電圧差を差動アンプで検出する。

比較回路では２つの基準電圧を使って差動出力の波形からターンオフ時間をパルス幅として２値化して抽出し、そのパルス幅を時間計測部１４１で計測する。

信号処理部１４２では電流センサ１３５の正極性の時のターンオフ時間だけを抽出する。温度推定部１２４では、この抽出結果から温度推定を行う。

つまり、本実施形態では、特徴量変換部１２１は、入力された出力電圧波形を分圧する分圧回路と、分圧回路の出力電圧差を出力する差動増幅回路と、差動増幅回路の出力の電圧変化率の時間変化分を２値化して出力する比較回路と、を有しており、特徴量抽出部１２２は、比較回路で２値化された信号が出力されている時間を計測する時間計測部１４１と、時間計測部の出力をトリガにして、時間計測部の出力と相電流検出部１２３の出力をタイムスタンプで管理する信号処理部１４２を有している。

本実施形態では、インバータ１００の電力用半導体素子１１０～１１５の温度上昇（温度変化）から劣化度を推定するが、ここで、温度上昇と劣化度の関係について説明する。

図８は、電力用半導体素子１１０～１１５のいずれかを含む回路（以下「電力用半導体回路８００」と総称する）の構成例を示す回路図である。

電力用半導体回路８００は、ＩＧＢＴ８０１と、ＩＧＢＴ８０１のエミッタ端子とコレクタ端子との間に逆方向に並列接続されたダイオード８０２と、を備えている。

なお、ＩＧＢＴ８０１は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）に置き換えてもよい。さらにダイオード８０２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８０２は省略してもよい。

図９は、図８に示すＩＧＢＴ８０１の実装断面を示す図である。前述したようにＩＧＢＴ８０１は、各電力用半導体素子１１０～１１５に相当する。ＩＧＢＴ８０１は、半導体素子部９０９、半田（はんだ）層９１０、絶縁基板９０７、半田（はんだ）層９０８及びベース板９０３を備える。なお、半田（はんだ）層９０８，９１０には亀裂（クラック）Ｃが発生することがある。

絶縁基板９０７は、上部メタル層９０６、絶縁層９０５及び下部メタル層９０４を有する。ベース板９０３は、冷却器９０１に衝合され、衝合面にはグリス９０２が塗布されている。グリス９０２は、熱伝導を向上させるものである。

以上のように、図８はＩＧＢＴ８０１として各電力用半導体素子１１０～１１５を示し、その構成要素として半導体素子部９０９が存在している。

一方、図９においては、１個の電力用半導体素子に対して半導体素子部９０９が１個のみが対応している。しかしながら、１個の電力用半導体素子を構成するにあたって、複数個の半導体素子部９０９が用いられることがある。例えば、出力電力がメガワット級の大電力用途に適用される半導体モジュールでは、多数の半導体素子部９０９が並列に実装されて、一つの電力用半導体素子として用いられることが一般的である。

前述した電力変換装置Ｓ１が稼働した際には、各電力用半導体素子１１０～１１５は負荷装置１０５に流す電流を制御するため、半導体素子部９０９は電流を流している期間は熱を発生し、その熱は、半田（はんだ）層９１０を介して絶縁基板９０７、ベース板９０３、グリス９０２及び冷却器９０１に伝わる。

半導体素子部９０９には大きな温度サイクルが発生し、半導体素子部９０９と絶縁基板９０７とベース板９０３との熱膨張係数の違いにより半田（はんだ）層９１０と半田（はんだ）層９０８に半田（はんだ）剥離部Ｃが発生した後、剥離がさらに進行し、放熱性が損なわれるため、熱抵抗が上昇し、最終的には半導体素子部９０９は素子の限界温度を超えてチャネル抵抗が焼損し破壊に至る。

電力変換装置Ｓ１が正常に稼働していれば、半田（はんだ）剥離は１０年、１５年という長い年月をかけて進行していくものであるが、使用される環境により温度差が大きくなると進行は加速する。

従って、電力用半導体素子１１０（半導体素子部９０９）の素子温度履歴から熱抵抗、半田（はんだ）剥離量の経年変化を（以後、「劣化度」と呼ぶ）を定量的に評価することができる。

素子温度履歴から劣化度を評価するためには幾つかの事前評価結果を使った換算が必要になる。これについて、以下で説明する。

≪ターンオフ時間と素子温度の評価≫
図１０はダブルパルス試験などで取得した電流Ｉ（Ｉ_１＞Ｉ_２＞Ｉ_３）の違いによるターンオフ時間と素子温度の関係を示すグラフであり、縦軸は電力用半導体素子の温度、横軸はターンオフ時間を示す。素子温度が一定であれば電流が大きいほどターンオフ時間は短くなることと、電流が一定であれば、素子温度が高いほどターンオフ時間は大きくなることからこのような特性となる。このことから、ターンオフ時間と電流値から素子温度を求めることが可能となる。

≪熱抵抗評価≫
図１１は熱抵抗測定装置で取得した電流Ｉ_１のときの電力用半導体素子の素子温度と熱抵抗の関係を示すグラフで、縦軸は熱抵抗、横軸は素子温度を示す。熱抵抗測定時、電力用半導体素子を自己発熱させるために電圧と電流を印加するため、電力用半導体素子の静特性から素子温度を求めることができる。上記のターンオフ時間と素子温度の評価結果を基に、ターンオフ時間から熱抵抗を知ることが可能となる。

≪パワーサイクル寿命加速試験と超音波映像評価≫
図１２はパワーサイクル寿命加速試験などで取得したパワーサイクル数と熱抵抗の関係を示すグラフであり、図１３は熱抵抗と超音波映像などで取得した半田（はんだ）剥離量の関係を示すグラフである。これらの関係から、ターンオフ時間から半田（はんだ）剥離量（＝劣化度）を求めることが可能となる。

以上、ターンオフ時間から劣化度を求めることができる。

本発明の第１の実施形態と第２の実施形態はターンオフ時間を計測する構成と、計測したターンオフ時間を基に、上記のターンオフ時間と素子温度の評価結果の算出、パワーサイクル寿命加速試験と超音波映像評価結果の算出、ターンオフ時間から劣化度の算出を経て、インバータの劣化診断を実現するものである。

パワーサイクル寿命加速試験は、電力用半導体素子に電流を断続的に流し発熱させることで、半田（はんだ）層９１０，９０８に与えるストレスを加速させて半田（はんだ）剥離を加速させることが可能である。半田（はんだ）剥離が進行し放熱ができずに、電力用半導体素子の限界温度に到達する点を、図１２に示した限界線を定義することができる。サイクル数を実際のインバータ運行時間に換算し、図１４に示すように半田（はんだ）剥離とインバータ運行時間の関係を求めることでき、これを寿命モデル、寿命関数化することが可能となる。

図６を参照して、本発明の第３の実施形態に係る診断装置の構成について説明する。本実施形態では、診断装置１２０に劣化度推定部１２５の結果と記憶媒体１２７に格納された寿命モデル・寿命関数データ１３９を基に寿命を推定する寿命推定部１３４を備えることでインバータ１００の寿命を推定する。

寿命モデル・寿命関数データ１３９は、上述したパワーサイクル寿命加速試験により、半田（はんだ）剥離とインバータ運行時間の関係を求め、これを寿命モデル、寿命関数化することで取得する。

本実施形態によれば、インバータ１００が寿命（故障）に至る前に事前にインバータ１００を交換、修理することで電力変換装置Ｓ１が予期なく停止することを防ぐことができる。

図７を参照して、本発明の第４の実施形態に係る診断装置の構成について説明する。図７は本実施形態の通信ネットワーク構成例である診断装置７００を示している。

電力変換装置Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ１ｃ，Ｓ１ｄは、それぞれ第１の実施形態で示した電力変換装置Ｓ１に相当しており、各電力変換装置の外部端子１３３は通信ネットワーク網７０１を介して管理（監視）サーバ７０２に接続されている。

各電力変換装置（診断装置）の診断結果は、外部端子１３３と通信ネットワーク網７０１を介して管理（監視）サーバ７０２で管理されており、劣化度が予め設定した閾値を越えたり、閾値近くになったり、寿命間近である場合、管理者は対象の電力変換装置（診断装置）の運用計画を見直し、部品交換や修理の手配をする。これにより、電力変換装置を故障することなく運用することが可能となる。

図１５を参照して、第５の実施形態に係る診断装置による診断方法（診断イメージ）について説明する。

図１５は電力変換装置Ｓ１を示しており、負荷装置（三相モータ）１０５をインバータ１００で制御して運用している。診断装置１２０は各出力端子１１６，１１７，１１８と端子台１４０にて接続され、端子台１４０直近のモータ線に電流センサ１３５，１３６，１３７が接続されている。

また、電力半導体素子の環境温度を取得するため、電力用半導体素子１１０～１１５近傍に温度センサ部１４３が配置されている。

上記の各実施形態で説明した診断装置１２０（７００）を、図１５のように既設または新設の電力変換装置Ｓ１に接続することで、電力変換装置Ｓ１のインバータ（回路）１００を構成する電力用半導体素子１１０～１１５の温度を精度良く推定することができ、低コストで信頼性の高い電力変換装置Ｓ１の診断サービスを提供することができる。

例えば、本発明の診断装置及び診断方法を、エレベータに搭載された電力変換装置に適用することで、エレベータの信頼性向上と診断サービスの低コスト化が図れる。

なお、上記の各実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その趣旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。例えば、電力変換装置として、複数の電力用半導体素子を含んで構成されて、交流電力を可変の周波数と可変の電圧の交流電力に変換する電力変換装置を用いることができる。

また、電力用半導体素子１１０～１１５のターンオン時の電圧変化率を基に電力用半導体素子１１０～１１５の温度、温度変化、寿命等を推定することもできる。また、診断装置１２０（７００）を、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリ、入出力インタフェース等の情報処理資源を備えたコンピュータ装置で構成することもできる。

また、上記の各構成、機能等は、それらの一部又は全部を、例えば、集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリやハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に記録しておくことができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、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、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

Ｓ１，Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ１ｃ，Ｓ１ｄ…電力変換装置、
１００…インバータ（回路）
１０１…入力端子
１０２…三相交流電源
１０３…交流直流変換部
１０４…平滑コンデンサ
１０５…負荷装置（三相モータ）
１０６…接地線
１０７…絶縁・駆動部
１０８…制御部
１０９…寄生インダクタンス
１１０－１１５…電力用半導体素子
１１６，１１７，１１８…出力端子
１１９…インバータ制御用電流センサ（電流検出部）
１２０，７００…（電力変換装置の）診断装置
１２１…特徴量変換部
１２２…特徴量抽出部
１２３…相電流検出部
１２４…温度推定部
１２５…劣化度推定部
１２６…特徴量（ターンオフ時間）と素子温度相関データ
１２７…記憶媒体（部）
１２８…温度履歴情報と温度劣化度相関データ
１２９…劣化度推定結果
１３０…表示部
１３１…電源部
１３３…外部端子
１３４…寿命推定部
１３５，１３６，１３７…（診断用）電流センサ
１３８…交流リアクトル
１４０…端子台
１４１…時間計測部
１４２…信号処理部
１４３…温度センサ部（環境温度センサ）
７０１…通信ネットワーク網
７０２…管理（監視）サーバ
８０１…ＩＧＢＴ
８０２…ダイオード
８００…電力用半導体回路
９０１…冷却器
９０２…グリス
９０３…ベース板
９０４，９０６…メタル層
９０５…絶縁層
９０７…絶縁基板
９０８，９１０…半田（はんだ）層
９０９…半導体素子部

Claims (9)

1. 電力変換装置と負荷の間に着脱可能な電力変換装置の診断装置であって、
   前記電力変換装置の出力電圧波形から当該電力変換装置を構成する電力用半導体素子のターンオフ時間を検出する特徴量変換部と、
   前記電力変換装置から出力される相電流を検出する相電流検出部と、
   前記特徴量変換部の出力と前記相電流検出部の出力との相関関係から相関パラメータを抽出する特徴量抽出部と、
   前記特徴量抽出部で抽出した相関パラメータと、外部の記憶媒体から取り込んだターンオフ時間と素子温度の相関データから前記電力用半導体素子の温度を推定する温度推定部と、
   前記温度推定部の出力と、外部の記憶媒体から取り込んだ温度劣化度相関データから前記電力用半導体素子の劣化度を推定する劣化度推定部と、
   前記劣化度推定部の出力を表示する表示部と、
   を備えることを特徴とする電力変換装置の診断装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置の診断装置であって、
   前記特徴量変換部は、入力された前記出力電圧波形を分圧する分圧回路と、
   前記分圧回路の出力電圧差を出力する差動増幅回路と、
   前記差動増幅回路の出力の電圧変化率の時間変化分を２値化して出力する比較回路と、を有し、
   前記特徴量抽出部は、前記比較回路で２値化された信号が出力されている時間を計測する時間計測部と、
   前記時間計測部の出力をトリガにして、前記時間計測部の出力と前記相電流検出部の出力をタイムスタンプで管理する信号処理部と、を有することを特徴とする電力変換装置の診断装置。
3. 請求項１に記載の電力変換装置の診断装置であって、
   前記劣化度推定部の出力と外部の記憶媒体から取り込んだ寿命モデルまたは寿命関数に基づいて前記電力変換装置の寿命診断を行う寿命推定部を有することを特徴とする電力変換装置の診断装置。
4. 請求項１に記載の電力変換装置の診断装置であって、
   前記特徴量変換部は、前記電力変換装置の出力端子間において計測された電圧変化率の時間変化分に基づいて前記電力用半導体素子のターンオフ時間を検出することを特徴とする電力変換装置の診断装置。
5. 請求項１に記載の電力変換装置の診断装置であって、
   前記特徴量抽出部は、前記相電流検出部の検出した極性に基づいて前記相関パラメータを抽出する電力用半導体素子を選択することを特徴とする電力変換装置の診断装置。
6. 請求項１に記載の電力変換装置の診断装置であって、
   前記診断装置は、通信ネットワーク網を介して監視サーバに接続されることを特徴とする電力変換装置の診断装置。
7. 請求項１に記載の電力変換装置の診断装置であって、
   前記電力変換装置は、エレベータに搭載された電力変換装置であることを特徴とする電力変換装置の診断装置。
8. 請求項７に記載の電力変換装置の診断装置であって、
   前記温度推定部は、前記電力変換装置の環境温度に基づいて前記記憶媒体から取り込む温度推定モデルを選択し、前記電力用半導体素子の温度を推定することを特徴とする電力変換装置の診断装置。
9. 電力変換装置の劣化度を診断する電力変換装置の診断方法であって、
   電力変換装置の出力電圧波形から当該電力変換装置を構成する電力用半導体素子のターンオフ時間を検出し、
   前記電力変換装置から出力される相電流を検出し、
   前記検出したターンオフ時間と前記検出した相電流の相関関係から相関パラメータを抽出し、
   前記抽出した相関パラメータと、外部の記憶媒体から取り込んだターンオフ時間と素子温度の相関データから前記電力用半導体素子の温度を推定し、
   前記推定した電力用半導体素子の温度と、外部の記憶媒体から取り込んだ温度劣化度相関データから前記電力用半導体素子の劣化度を推定することを特徴とする電力変換装置の診断方法。

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