JPWO2017195247A1 - 電力変換装置の診断システム、半導体モジュールの診断方法、および、電力変換装置 - Google Patents

Abstract

半導体装置を備え、主回路へ主電流を導通、遮断するスイッチ動作を行う電力変換装置の診断システムが開示される。このシステムでは、スイッチ動作の基準時間を取得するトリガ回路と、主電流の第１の主電流設定値における第１の時間と、第２の主電流設定値における第２の時間とを取得し、第１の時間と基準時間との差の数値データと、第２の時間と基準時間の差の数値データを検出する遅延時間算出回路を備える。

Description

本発明は、電力変換装置に関連し、特に鉄道車両や大型産業向けの電動機の制御用や、電力用半導体スイッチ素子により構成される電力変換装置の保守あるいは診断技術に関わる。

鉄道車両や大型産業向けの電動機の制御用途や、電力系統用などの大容量の周波数変換装置などの電力変換装置では、大容量のパワー半導体モジュールを用いて、高電圧かつ大電流の電力制御を行う。このような機器では、稼働中に故障が発生するとシステムの損傷や、計画外のシステム停止が生じ、大きな経済的損失が発生る可能性がある。こうした状況を防止する目的で、電力変換装置の劣化や異常を検出し、機能停止による破壊防止や、保守必要性の関係者への通知、電力変換装置の延命制御が必要である。

大容量パワー半導体モジュールには、小容量の半導体チップ（トランジスタやダイオード）が並列に接続されており，各半導体チップが均等にスイッチ動作するように設計されている。

しかしながら、電力変換装置の稼働中にパワー半導体モジュール内の半導体チップ中のひとつの素子パラメータでも許容ばらつきの範囲を超えると、他のチップよりスイッチングのタイミングが異なり、その素子に流れる電流が集中したり、流れにくくなるなどのアンバランスが生ずる。その結果、半導体モジュール全体が熱暴走し、破壊に至る可能性がある。

このため、電力変換装置で電流を導通遮断する電力用半導体の近傍に温度センサを設け、電力用半導体の過温度異常を検出する方法があるが、電力用半導体内での熱抵抗が変化するため半導体チップの温度上昇を検出することが困難である。そこで半導体チップ自身の温度（接合温度）の異常を直接検知することが知られている。このような例としては、特開２０１３−１４２７０４（特許文献１）がある。この例では、IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）素子のスイッチオフ段階中のゲート―エミッタ電圧の特性のミラープラトー段階の開始と終了段階時間遅延を検出することで、IGBT素子の接合部温度を決定する方法が開示されている。

また、電力変換装置には、冷却器が搭載されているが、稼働環境によっては、冷却能力が不足する場合があり、冷却フィンやファンに温度センサを設け、監視や制御を行うこともある。

特開２０１３−１４２７０４号公報

上述のように、電力変換装置の安定稼働には、発熱源であるパワー半導体モジュール内の半導体チップと、冷却システムの監視が重要である。

しかしながら，電力変換装置の稼働中における半導体モジュール中の個々のチップの熱分布があり、熱履歴は、チップの位置により異なる。その結果、個々のチップの長期信頼性のばらつきは初期特性のばらつきに比べて大きくなり、モジュール内の１チップの温度異常を検出する課題がある。この点、並列チップで構成されたモジュールおいて、特開２０１３−１４２７０４号公報の手法を用いた場合、結果として並列チップの平均温度を示すことになる。

また、個々のチップに温度センサを実装すると、半導体モジュールのコストが高くなる。また、熱抵抗により精度が低くなる。

一方、電力変換装置によっては、稼働中の冷却能力低下のため、定期的にクリーニング等のメンテナンスが必要であり、電力変換装置の性能劣化や不具合が半導体モジュールそのものの温度上昇か、冷却系かを特定する方法はない。

本発明は、上記の課題を解決し、簡単な構成で電力用半導体ならびにこれに関連する電力変換装置の異常や劣化を高精度に検出し、故障等の不具合を高精度に防ぎ、さらに長期間使用可能とする方法を提供することを目的とする。パワー半導体モジュールを加工することなく、全体平均温度と１チップの局所温度を取得し、測定結果を電動機制御にフィードバックしパワーモジュールの延命処置を施し、部品交換や冷却器のメンテナンスを警告するシステムを提供する。

発明者らは、ターンオフ時の主電流（コレクタ電流）の第１の設定値での波形遅延では、モジュール全体温度に感度があり、１チップ局所温度に感度はない。一方、第２の設定値では、モジュール全体と１チップ局所温度に感度があることを見出した。本発明は、上記発見に基づくものである。

本発明の一側面は、半導体装置を備え、主回路を流れる主電流を導通、遮断するスイッチング動作を行う電力変換装置の診断システムである。このシステムは、トランジスタのターンオフの主電流値の予め定めた２つの設定値でスイッチ指令時間からの遅延時間に基づいて、温度測定可能な温度検出部と温度検出結果から緩和稼働する制御系、異常モジュール表示や冷却系点検指示、モジュール寿命を警告するユーザインターフェース部を備える。

このシステムの好ましい態様では、主電流のテール部（裾部）波形の裾部を計測するために温度検出部には、第１主電流設定値と第２主電流設定値をユーザが定めることができ、第２主電流設定領域の主電流波形遅延用にクリップ回路を備える。

このシステムの具体的な適用例では、温度検出部は、電力変換装置と一体構成か、あるいは、有線、無線、および端子による分離可能な接続のいずれかで接続される。また、ユーザーインターフェース部は、温度検出部と一体構成か、あるいは、有線、無線、および端子による分離可能な接続のいずれかで接続されている。この例では構成の自由度が高いので、例えば電車等に搭載した電力変換装置を遠隔にある監視システムで診断することも可能である。

本発明の他の側面は、半導体スイッチング素子を備え、主電流を導通、遮断するスイッチング動作を行う電力変換装置の診断方法である。この方法では、主電流の第１の設定値における遅延時間を検出する第１のステップと、第２の設定値における遅延時間を検出する第２のステップと、遅延時間に基づいて半導体モジュールの全体温度と局所１チップ温度を検出し、電力変換装置の状態を判定する第３のステップと、を備える。

具体的な構成としては、スイッチ遮断時の裾部の過渡電流を用い、所定期間における遅延量を得る。

遅延量の結果を用いて、電力変換装置の状態を診断することができる。また、診断結果に基づいて、電力変換装置の制御をすることもできる。また、電力変換装置の異常原因が半導体モジュールか冷却系か診断することができる。

動作条件制御の典型例を示すと、電力変換装置のスイッチ素子の導通時の最大電流の値の制限値を設ける（緩和稼働）こと等があげられる。また、スイッチ素子の具体例としては、電力用半導体として、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ等を用いることができる。また、電力半導体モジュールとして、小容量の半導体チップが並列に接続された大容量半導体モジュールを用いることができる。

本発明のさらに他の一側面は、半導体装置を備え、主回路へ主電流を導通、遮断するスイッチ動作を行う電力変換装置の診断システムである。このシステムでは、スイッチ動作の基準時間を取得するトリガ回路と、主電流の第１の主電流設定値における第１の時間と、第２の主電流設定値における第２の時間とを取得し、第１の時間と基準時間との差の数値データと、第２の時間と基準時間の差の数値データを検出する遅延時間算出回路を備える。

本発明のさらに他の一側面は、複数のスイッチング素子を搭載し、駆動指令信号に基づいて、主電流を導通および遮断するスイッチ動作を行う半導体モジュールの診断方法である。この方法では、主電流の遮断時における、スイッチ動作の基準時間を設定する基準時間設定ステップと、主電流の遮断時において、主電流が第１の主電流設定値になる第１の時間の、基準時間からの遅れを、第１遅延時間として計測する第１遅延時間計測ステップと、主電流の遮断時において、主電流が第２の主電流設定値になる第２の時間の、基準時間からの遅れを、第２遅延時間として計測する第２遅延時間計測ステップと、を備える。そして、第１の主電流設定値が、第２の主電流設定値よりも大きく設定される。

本発明のさらに他の一側面は、直流電流を入力とし、負荷に対して交流電流を出力する電力変換装置である。この装置では、複数の半導体モジュールと、複数の半導体モジュールにスイッチング動作を指示する制御指令信号発生部と、複数の半導体モジュールに夫々対応する複数の制御装置と、を備える。そして、複数の半導体モジュールの夫々は、並列接続された複数の半導体スイッチング素子を備え、制御指令信号発生部は、複数の半導体スイッチング素子に主電流の遮断を指示する制御指令信号を発生し、複数の制御装置の夫々は、複数の半導体モジュールの夫々について、２種類の温度を決定する温度検出部を備える。温度検出部は、制御指令信号から基準時間を設定するトリガ回路と、主電流の遮断時において、主電流が第１の主電流設定値になる第１の時間の、基準時間からの遅れを、第１遅延時間として計測する第１遅延時間計測部と、主電流の遮断時において、主電流が第２の主電流設定値になる第２の時間の、基準時間からの遅れを、第２遅延時間として計測する第２遅延時間計測部とを備え、第１遅延時間から第１の温度を決定し、第２遅延時間から第２の温度を決定する。

簡素な構成で，電力用半導体ならびにこれに関連する電力変換装置と冷却システムの異常や劣化を高精度に検出することができ、検出結果を緩和稼働にフィードバック、または、保守あるいは診断することが可能となる。

本発明による電力変換装置の実施形態を示すブロック図 図１の並列チップで構成された半導体モジュールを示すブロック図 半導体モジュール内の並列チップの配置を示す平面図 本発明による温度検出部の実施形態を示すブロック図 本発明による主電流波形取得方法を示す波形図 ターンオフ時の主電流波形の例を示すグラフ図 ターンオフ時の主電流波形の例を示すグラフ図 ハーンオフ時の主電流波形の遅延時間の温度変化依存性の例を示すグラフ図 ターンオフ時の主電流の遅延時間における主電流値依存性の例を示すグラフ図 本発明による電力変換装置の延命制御、診断、保守指示のフローを示す流れ図

以下、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。ただし、本発明はいかに示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。本発明の思想ないし趣旨から逸脱しない範囲で、その具体的構成を変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。

以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には、同一の符号を異なる図面間で共通して用い、重複する説明は省略することがある。実施例中、等価とみなせる構成要素が複数個存在する場合には、同一の符号に添え字を付けて区別することがある。ただし、特に個々を区別する必要がない場合は、添え字を省略して説明することがある。

本明細書等における「第１」、「第２」、「第３」などの表記は、構成要素を識別するために付するものであり、必ずしも、式または順序を限定するものではない。また、構成要素の識別のための番号は文脈毎に用いられ、一つの文脈で用いた番号が、他の文脈で必ずしも同一の構成を示すとは限らない。また、ある番号で識別された構成要素の機能を兼ねることを妨げるものではない。

図面等において示す各構成の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。

＜１．システム全体構成＞
本発明の一実施例である診断システムを図１、図２、図３を用いて説明する。

図１は実施例の診断システムの形態を示すブロック図である。電力変換装置１と、この電力変換装置１が負荷として駆動する３相の電動機２、及び電動機の状態監視のグラフィカルユーザインターフェス（GUI）９から構成されている。電力変換装置１には、制御装置７が含まれる。電力変換装置１と電動機２の間には、電動機に供給する相電流を測定する電流センサ８a,８bが設けられている。

電力変換装置１は、直流電圧源６を３相交流電圧に変換して電動機２を制御する装置である。電力変換装置１は、平滑コンデンサ５と、半導体モジュール３a乃至３fと、主電流センサ（たとえばロゴスキーコイルなど）４a乃至４fと、制御装置７を備えている。図１では、主電流センサ４a乃至４fは、半導体モジュール３a乃至３fの外側に配置されているが、半導体モジュール３a乃至３fに内蔵してもよい。

半導体モジュール３a乃至３fは、トランジスタ、例えばIGBT（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）とダイオード（PNダイオード、ショットキーバリアダイオードなど）が逆並列に接続されている。

図２に半導体モジュール３の具体例を示す。大電流を制御するために半導体モジュール３は大容量であり、複数の小容量の半導体チップ１６a乃至１６ｃが並列に接続されている。半導体チップ１６aは、トランジスタ１５とダイオード１４が同一半導体チップ上に逆並列に作製されているが、トランジスタ１５とダイオード１４が別々の半導体チップで作製され逆並列に接続されていてもよい。半導体モジュール３には、コレクタ端子１１、ゲート端子１２、エミッタ端子１３が設けられている。

図３に半導体モジュール３の平面図を示す。半導体モジュール３には、半導体チップ１６a乃至１６fが絶縁基板上に配置され、金属プレートおよび金属ワイヤによって接続されている（図示せず）。半導体チップ１６a乃至１６fは、あらかじめ電気特性のばらつきが一定の範囲内に収まったものが選択され、電気的にバランスがとれるよう設計されている。半導体チップ１６a乃至１６fは、稼働中に発熱するが、熱分布が定格内に収まるように、熱設計が施されている。但し、長期信頼性の観点では、摩耗劣化を避けることはできず、電流アンバランスや半田（図示せず）やワイヤボンド部（図示せず）での熱抵抗変化が生ずる。よって、半導体モジュール内の各半導体チップの熱履歴に差が生じ、たとえばひとつの半導体チップ１６bの接合温度が異常温度になりうる。

図１に戻ると、制御装置７は、各半導体モジュール３の半導体チップ１６のゲート端子１２に駆動電圧を与えるゲート駆動部３２と、ゲート駆動部３２を制御する制御指令信号発生部３１を備えている。

また、制御指令信号発生部３１からのトリガ信号に基づいて主電流センサ４a乃至４fで取得した電流値から、半導体モジュール３内の半導体チップの全体平均接合温度Tj１と１チップ局所温度Tj２を検出する温度検出部２０が接続されている。

温度検出部２０で算出された各半導体モジュール３a乃至３fのTj１およびTj２は、パラメータ演算部３０に送られる。パラメータ演算部３０は所定の演算により温度異常を判定し、GUI9に温度異常情報を送る。

また、電動機の相電流値は電流センサ８a,８bからの信号により、電流検出器１０で検出される。相電流値は電流検出器１０からパラメータ演算部３０に送られる。パラメータ演算部３０は、温度情報に基づき制御指令信号発生部３１に信号を送り、緩和稼働を指示する。制御指令信号発生部３１からの指令により、ゲート駆動部３２は緩和駆動を行い、電流検出器１０からの信号に基づいてフィードバック制御を行う。緩和駆動結果は、GUI９に送られる。緩和駆動は、GUI９からユーザが指示を出すこともできる。緩和駆動後におけるTj1,Tj2の結果に基づいて、冷却系メンテナンス、半導体モジュール交換の指示をGUI９に表示する。

＜２．温度検出部＞
図４を用いて本発明における温度検出部２０の実施形態の一例を説明する。図４の温度検出部２０aは、主電流センサ４aからの信号を受ける部分の回路構成である。主電流センサ４b乃至４ｆに対する温度検出部も同様の構成でよい。図１の実施例の温度検出部２０は、図４に示す構成を６組備え、夫々の半導体モジュール３の温度をモニタすることになる。

主電流センサ４aからの信号をプリアンプ２１aにより、ラインレベルまで増幅する。増幅された信号は積分回路２２aを通して電流値に対応したアナログ電圧信号に変換する。この例では、主電流センサ４aがコイル等で電流の変化量を検出し、積分回路２２aで積分することで電流値を得ているが、他の方式でもよい。

図４の実施例では、半導体モジュール３の全体の温度を検出するブロック２０Xと半導体モジュール３の局所的な温度を検出するブロック２０Yを含んでおり、得られた電流値は分岐してそれぞれのブロックに入力される。

半導体モジュールの全体の温度を検出するブロック２０Xでは、制御指令信号発生部３１からの信号に基づいて、トリガ回路２４Xによって遅延時間の基準時間を定める。データ取得制御回路２６Xは、基準時間を始期として所定の期間を定めることにより、ターンオフ時の電流取得範囲を定める。積分回路２２aの出力は、電流取得範囲にわたって取得され、取得した電流波形は、A-D変換装置２３Xにより数値化される。

数値化データを波形データ蓄積部２７Xに蓄積し、第１主電流設定値（例えば30 A）に基づいた制御指令信号からの遅延時間t1を遅延時間算出部２８Xより算出する。このとき、遅延時間の基準時間はトリガ回路２４Xから得る。Tj1算出部２９Xでは、例えば、あらかじめ算出した室温での遅延時間との差にもとづき温度を算出する。Tj1の算出方法は、後に＜３．温度の算出方法＞で説明する。

半導体チップ１６の温度を検出するブロック２０Yは、ブロック２０Xと類似する構成を備える。類似する構成については、同じ符号に異なる添え字をつける。異なる部分を説明すると、ここで、主電流の最大値が1000 Aの場合、波高分解能が8bitA-D変換装置を用いると、量子化誤差が4A程度であるので、主電流のテール部（低電流側）の計測には適さない。そこで、本実施例のブロック２０Yでは、クリップ回路２５を用いた構成を用いて主電流信号を分岐するのが望ましい。トリガ回路２４Yでは、制御指令信号発生部３１からの信号に基づき、主電流波形の第２主電流設定値（例えば20 A）でクリップ回路２５を動作させアナログ信号を抽出する。

抽出したアナログ信号は、データ取得制御回路２６Yの指令に基づいてA-D変換装置２３Yにより数値化し波形データ蓄積部２７Yに蓄積し、トリガ回路２４Yから得られる遅延時間の基準時間に基づいて、遅延時間算出部２８Yにより第２主電流設定値からの遅延時間t2を算出する。Tj2算出部２９Yでは、例えば、あらかじめ算出した室温での遅延時間との差にもとづき温度を算出する。Tj2の算出方法は、後に＜３．温度の算出方法＞で説明する。

A-D変換装置２３X、２３Yのサンプリングレートは、１Gbps以上が望ましい。また、A-D変換装置２３X、２３Yの波高分解能は、サンプリングレートが下がらなければ8bit以上が望ましい。Tj1、Tj2の結果は、パラメータ演算部３０に送られる。

なお、図４の実施例では、8bitA-D変換装置の使用を前提にして、ブロック２０Xとブロック２０Yの２ブロック構成としたが、A-D変換装置２３Xとして12bit以上のA-D変換装置を使えば、ブロック２０Yを省略してブロック２０Xのみの構成とし、Tj2算出をTj1算出部２９Xで行うこともできる。

＜３．温度の算出方法＞
本発明の半導体モジュール内の平均接合温度Tj１と局所接合温度Tj2の算出方法の実施例を図５乃至図８を用いて説明する。以下の結果は、発明者らの研究によって、得られた結果である。

図５(a)は、制御指令信号発生部３１から出力されるトランジスタのゲート（例えば１２）駆動に用いる駆動指令信号（矩形波）４０であり、ターンオン（スイッチオン）、ターンオフ（スイッチオフ）を指令する。トリガ回路２４はトリガしきい電圧４１aを定め、立下り点４２aを基準時間t0とする。

図５（ｂ）は、図５（a）の駆動指令信号４０に基づいた主電流波形４３である。主電流が第１主電流設定値４１ｂ（好適には、50 A）となる時間t１から遅延時間Δt1=t1-t0が求まる。同様に第２主電流設定値４１c（好適には、3 A）となる時間t2から遅延時間Δt2=t2-t0が求まる。主電流の立下りが鈍くなると、Δt1、Δt2の値が大きくなる。

第１主電流設定値４１ｂと第２主電流設定値４１cの値は、厳密には測定対象となるデバイスの特性に依存して決めることが望ましい。このためには、例えば後に図６Ａ，図６Ｂ，図７で説明するようなデータを測定することにより、値を適切に定めることができる。一般的な電力用半導体スイッチ素子では、上記のように第１主電流設定値４１ｂを50 A程度、第２主電流設定値４１cを3 A程度に定めればよい。この場合、第１主電流設定値４１ｂは、第２主電流設定値４１cより、１０倍以上大きな値となる。

図６Ａ（a）は、1000Aの主電流をターンオフした場合の主電流波形５０aであり、半導体モジュール全体温度が25℃の波形５１aと125℃の波形５２aである。縦軸が対数軸表示であることに注意されたい。第１主電流設定値４１bでは、５２aは、５１aに対して約1μｓほど変化しているのが判る。

図６Ａ（b）は、ターンオフでの主電流のテール部の波形５０bであり、半導体モジュール全体温度が７５℃の波形５１ｂと半導体モジュール全体が75℃で１チップ局所温度が150℃の波形５２bである。第２主電流設定値４１cでは、５２bは、５２aに対して約0.2μｓほど変化しているのが判る。

図６Ｂは、1200Aの主電流をターンオフした場合の主電流波形５０aであり、半導体モジュール全体温度が25℃の波形５１aと125℃の波形５２aである。縦軸を線形軸表示としているが、図６Ａ（b）で示した変化は、主電流波形を線形軸表示で表示した場合には見え難い。半導体モジュール全体温度を変化させた図６Ａ（a）の場合と比べると、変化量が１０倍以上異なるからである。

図７（a）に、第１主電流設定値が50 Aの場合の遅延時間変化の半導体モジュール全体温度依存性６０aを示す。第１主電流設定値を好適に定めると６１aのように温度変化に比例する。第１主電流設定値は、半導体チップやトランジスタ動作条件に依存するため、あらかじめ好適条件を定めておく。

図７（b）に、第２主電流設定値が3 Aの場合の遅延時間変化の半導体モジュール全体温度が７５℃かつ１チップ温度変化依存性６０bを示す。第２主電流設定値を好適に定めると６１bのように温度変化に比例する。第２主電流設定値は、半導体チップやトランジスタ動作条件に依存するため、あらかじめ好適条件を定めておく。

図８を例に、半導体モジュール内の全体チップ温度Tj1と１チップ局所温度Tj2を算出する実施例について説明する。

図８（a）で、曲線７１aは、モジュール全体温度が75℃から150℃に上昇したときの遅延時間変化量の第１主電流設定値依存性、曲線７２aは、モジュール全体温度が75℃で1チップ局所温度が75℃から150℃に上昇したときの遅延時間変化量の第１主電流設定値依存性を示している。第１主電流値での遅延時間変化量は、全体温度変化で感度があるが、１チップ局所温度変化では、感度がないことが判る。

図８（b）の第２主電流設定値では、全体温度変化、１チップ局所温度変化ともに感度があることが判る。以上、第１主電流設定値と第２主電流設定値での遅延時間変化量からモジュール全体の接合温度Tj１と局所１チップ接合温度Tj2を温度検出部２０で得られることが判る。図８（a）と図８（b）において、横軸のスケールが２桁異なる点に留意されたい。

実施例１を用いて、電力変換装置の状態監視による致命的破壊防止、メンテナンス支援、あるいは延命制御による稼働期間延長を行うシステムの実施例２を説明する。

図９を用いて、実施例２の処理フローを説明する。モジュール全体接合温度Tj1と局所１チップ接合温度Tj2が、ユーザが設定する最大接合温度Tjmaxを下回っていれば、温度に問題がないので、継続稼働である（８０−８２）。最大接合温度Tjmaxは、装置の仕様により適宜設定が可能であるが、例えばシリコン素子の場合は、１５０℃程度であり、好適には１５０℃以下を設定する。

一方、Tj2のみがTjmaxを超えていれば、特定の半導体チップ１６が過熱していると判断できる。この場合、特定の半導体チップ１６の異常が想定されるので、稼働を停止し、当該半導体チップ１６を含む半導体モジュール３を交換する（８０−８１、８３−８４）。

異常となっている半導体チップのみを現場で交換することも考えられるが、通常は半導体モジュールは一体構成になっているため、半導体モジュール３ごと交換することが効率的である。

また、Tj１>Tjmaxであれば、半導体モジュール３全体の温度が上昇していることが想定され、この場合は緩和稼働する（８０−８５）。

緩和稼動の後、Tj1<Tjmaxとなり（８６a）、Tj2>Tjmaxであれば（８６b）、やはり、特定の半導体チップ１６が過熱していると判断できるので、半導体モジュール３を交換する。

一方、Tj2<Tjmaxであれば（８６ｂ）、半導体モジュール３全体が加熱する要因として、例えば冷却系の異常が考えられる。これに対しては、例えば冷却系の点検を指示する（８７）。指示は例えば、図１のグラフィカルユーザインターフェス（GUI）９に表示される。指示をうけて、保守要員は冷却系のファンやフィンをクリーニング、ファン動作確認等を実施する。

その後通常稼働にて、Tj1<Tjmaxであれば（８９）、稼働を継続する（９０）。Tj>Tjmaxであれば（８９）、モジュール全体が摩耗劣化し寿命が近づいていることを警告し（９１）、緩和稼働する（９２）。その後、Tj<Tjmaxであれば（９３）、緩和稼働を継続する（９４）。

Tj>Tjmaxとなった場合は（９３）、バックアップモジュールに交換するか（９５，９７）、緩和レベルを低下させてそのまま稼働する（９６）。

以上の例では、Tj1に対する閾値とTj2に対する閾値には、同じTjmaxを用いたが、異なる閾値を用いてもよい。

GUI９には、８３、８５、８７、９１，９２、９５等をユーザに表示し、また管理者モードでは、ログ情報も表示できるようにする。ユーザーインターフェース部は、温度検出部と一体構成か、あるいは、有線、無線、および端子による分離可能な接続のいずれかで接続されている。分離可能な例では構成の自由度が高いので、例えば電車等に搭載した電力変換装置を遠隔にある監視システムで診断することも可能である。また、無線通信によって、必要な情報を保守要員が携帯する携帯端末に表示させることも可能である。

本発明は上記した実施形態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、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が可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の実施例の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

以上詳細に説明した本実施例によれば、電力用半導体の電流変化率を検出し基準値と比較判定することで、電力用半導体ならびにこれに関連する電力変換装置の異常や劣化を高精度に検出し、故障等の不具合を高精度に防ぎ、さらに長期間使用可能な電力変換装置を提供可能である。

各種の電力半導体等の保守点検分野に利用が可能である。

１ 電力変換装置
２ 電動機
３、３a、３b、３c、３d、３e、３f パワー半導体モジュール
４a、４b、４c、４d、４e、４f 主電流センサ
５ 平滑コンデンサ
６ 直流電圧源
７ 制御装置
８a、8b 相電流センサ
９ GUI
１０ 電流検出器
１１ コレクタ端子
１２ ゲート端子
１３ エミッタ端子
１４ ダイオード
１５ トランジスタ
１６a、１６b、１６c、１６d、１６e、１６f 半導体チップ
２０、２０a、２０ｂ 温度検出部
２１ プリアンプ
２２ 積分回路
２３X、２３Y A-D変換装置
２４X、２４Y トリガ回路
２５ クリップ回路
２６X、２６Y データ取得制御回路
２７X、２７Y 波形データ蓄積部
２８X、２８Y 遅延時間算出部
２９X Tj１算出部
２９Y Tj２算出部
３０ パラメータ演算部
３１ 制御指令信号発生部
３２ ゲート駆動部
５０a、５０b ターンオフ主電流波形
５１a、５１b ターンオフ主電流波形
５２a、５２b ターンオフ主電流波形
６０a、６０b ターンオフでの主電流波形遅延量の温度依存性
６０a、６０b ターンオフでの主電流波形遅延量の温度依存性
６１b 第２のしきい電流での遅延時間の温度依存性
７０a、７０b ターンオフでの主電流波形遅延量変化の主電流設定値依存性
７１a、７１b モジュール内全体温度変化
７２a、７２b モジュール内局所温度変化

Claims (15)

1. 半導体装置を備え、主回路へ主電流を導通、遮断するスイッチ動作を行う電力変換装置の診断システムであって、
   前記スイッチ動作の基準時間を取得するトリガ回路と
   前記主電流の第１の主電流設定値における第１の時間と、第２の主電流設定値における第２の時間とを取得し、前記第１の時間と前記基準時間との差の数値データと、前記第２の時間と前記基準時間の差の数値データを検出する遅延時間算出回路を備える、
   電力変換装置の診断システム。
2. 前記第１の時間と前記基準時間との差の数値データと、前記第２の時間と前記基準時間の差の数値データから、前記半導体装置の接合温度を算出することを特徴とする、
   請求項１に記載の電力変換装置の診断システム。
3. 前記接合温度は、前記半導体装置に含まれる複数の半導体チップの平均の接合温度Tj1と、前記複数の半導体チップの一部のみの局所的な接合温度Tj2であることを特徴とする、
   請求項２に記載の電力変換装置の診断システム。
4. 予め定めたTjmaxを基準値とし、前記接合温度Tj1とTj2との大小関係から、前記電力変換装置を制御することを特徴とする、
   請求項３に記載の電力変換装置の診断システム。
5. 予め定めたTjmaxを基準値とし、前記接合温度Tj1とTj2との大小関係から、前記半導体装置の異常を警告することを特徴とする、
   請求項３に記載の電力変換装置の診断システム。
6. 予め定めたTjmaxを基準値とし、前記接合温度Tj1とTj2との大小関係から、前記電力変換装置の冷却系の異常を警告することを特徴とする
   請求項３に記載の電力変換装置の診断システム。
7. 複数のスイッチング素子を搭載し、駆動指令信号に基づいて、主電流を導通および遮断するスイッチ動作を行う半導体モジュールの診断方法であって、
   前記主電流の遮断時における、前記スイッチ動作の基準時間を設定する基準時間設定ステップと、
   前記主電流の遮断時において、前記主電流が第１の主電流設定値になる第１の時間の、前記基準時間からの遅れを、第１遅延時間として計測する第１遅延時間計測ステップと、
   前記主電流の遮断時において、前記主電流が第２の主電流設定値になる第２の時間の、前記基準時間からの遅れを、第２遅延時間として計測する第２遅延時間計測ステップと、
   を備え、
   前記第１の主電流設定値が、前記第２の主電流設定値よりも大きく設定される、
   半導体モジュールの診断方法。
8. 前記第１遅延時間に基づいて、前記半導体モジュールの全体の温度を決定し、
   前記第２遅延時間に基づいて、前記半導体モジュールの一部の温度を決定する、
   請求項７記載の半導体モジュールの診断方法。
9. 前記第１遅延時間に基づいて、第１の温度を決定し、当該第１の温度と第１の閾値を比較し、
   前記第２遅延時間に基づいて、第２の温度を決定し、当該第２の温度と第２の閾値を比較し、
   第１の温度が第１の閾値を超えた場合には、第１の制御を行い、
   第１の温度が第１の閾値を超えず、かつ、第２の温度が第２の閾値を超えた場合には、第２の制御を行う、
   請求項７記載の半導体モジュールの診断方法。
10. 前記第１の制御は、前記半導体モジュールの緩和稼動であり、
    前記第２の制御は、前記半導体モジュールの異常を知らせる警報である、
    請求項９記載の半導体モジュールの診断方法。
11. 前記緩和稼動の結果、
    第１の温度が第１の閾値を超えず、かつ、第２の温度が第２の閾値を超えない場合には、
    前記半導体モジュールの保守を指示する警告を行う、
    請求項１０記載の半導体モジュールの診断方法。
12. 前記第２遅延時間の計測精度を、前記第１遅延時間の計測精度より高くする、
    請求項７記載の半導体モジュールの診断方法。
13. 前記第１遅延時間計測ステップにおいて、前記主電流を示す信号をＡＤ変換する第１ＡＤ変換器を用い、デジタル信号に基づいて前記第１遅延時間を計測し、
    前記第２遅延時間計測ステップにおいて、前記主電流を示す信号をＡＤ変換する第２ＡＤ変換器を用い、デジタル信号に基づいて前記第２遅延時間を計測し、
    前記第２遅延時間の計測精度を、前記第１遅延時間の計測精度より高くするために、
    前記第２ＡＤ変換器の前段にクリップ回路を挿入する、
    請求項１２記載の半導体モジュールの診断方法。
14. 前記第１遅延時間計測ステップにおいて、前記主電流を示す信号をＡＤ変換する第１ＡＤ変換器を用い、デジタル信号に基づいて前記第１遅延時間を計測し、
    前記第２遅延時間計測ステップにおいて、前記第１ＡＤ変換器を用い、デジタル信号に基づいて前記第２遅延時間を計測し、
    前記前記第１ＡＤ変換器として、12bit以上のＡＤ変換器を用いる、
    請求項７記載の半導体モジュールの診断方法。
15. 直流電流を入力とし、負荷に対して交流電流を出力する電力変換装置であって、
    複数の半導体モジュールと、複数の前記半導体モジュールにスイッチング動作を指示する制御指令信号発生部と、複数の前記半導体モジュールに夫々対応する複数の制御装置と、を備え、
    複数の前記半導体モジュールの夫々は、並列接続された複数の半導体スイッチング素子を備え、
    前記制御指令信号発生部は、複数の前記半導体スイッチング素子に主電流の遮断を指示する制御指令信号を発生し、
    前記制御装置は、前記半導体モジュールについて、２種類の温度を決定する温度検出部を備え、
    前記温度検出部は、
    前記制御指令信号から基準時間を設定するトリガ回路と、
    前記主電流の遮断時において、前記主電流が第１の主電流設定値になる第１の時間の、前記基準時間からの遅れを、第１遅延時間として計測する第１遅延時間計測部と、
    前記主電流の遮断時において、前記主電流が第２の主電流設定値になる第２の時間の、前記基準時間からの遅れを、第２遅延時間として計測する第２遅延時間計測部と、
    を備え、
    前記第１遅延時間から第１の温度を決定し、前記第２遅延時間から第２の温度を決定する電力変換装置。

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