KR20200006118A - 전력 변환 장치, 전동기 제어 시스템, 및 전력 변환 장치의 진단 방법 - Google Patents

전력 변환 장치, 전동기 제어 시스템, 및 전력 변환 장치의 진단 방법 Download PDF

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Abstract

파워 모듈의 온도 이상을 고정밀도로 검출한다. 스위칭 소자를 갖는 전력용 반도체 모듈을 구비하는 전력 변환 장치이며, 스위칭 소자를 구동하여, 스위칭 소자의 스위칭 동작 시에 따른 응답 신호를 송신하는 게이트 구동 회로와, 게이트 구동 회로에 스위치하기 위한 명령 신호를 출력하는 제어부 장치와, 명령 신호에 대한 응답 신호에 기초하여 스위칭 소자의 접합 온도를 산출하는 온도 검출부와, 온도 검출부에 의해 산출한 접합 온도와 응답 신호에 따라 전력용 반도체 모듈의 상태를 판정하는 연산부를 구비한다.

Description

전력 변환 장치, 전동기 제어 시스템, 및 전력 변환 장치의 진단 방법
본 발명은, 전력 변환 장치에 관한 것이며, 특히 철도 차량이나 대형 산업에 적합한 전동기의 제어용이나, 전력용 반도체 스위치 소자에 의해 구성되는 전력 변환 장치의 보수 혹은 진단 기술에 관한 것이다.
철도 차량이나 대형 산업에 적합한 전동기의 제어 용도나, 전력 계통용 등의 대용량의 주파수 변환 장치 등의 전력 변환 장치에서는, 대용량의 파워 모듈을 사용하여, 고전압 및 대전류의 전력 제어를 행한다. 이와 같은 기기에서는, 가동 중에 고장이 발생하면 시스템의 손상이나, 계획 외의 시스템 정지가 발생하여, 큰 경제적 손실이 발생할 가능성이 있다. 이러한 상황을 방지할 목적으로, 전력 변환 장치의 열화나 이상을 검출하여, 기능 정지에 의한 파괴 방지나, 부품 교환 등의 보수 필요성의 관계자에게의 통지, 전력 변환 장치의 연명 제어가 필요하다.
대용량 파워 모듈에는, 소용량의 반도체칩(트랜지스터나 다이오드)이 병렬로 접속되어 있고, 각 반도체칩이 균등하게 스위치 동작하도록 설계되어 있다.
그러나, 전력 변환 장치의 가동 중에 파워 모듈 내의 반도체칩 중의 하나인 소자 파라미터에서도 허용 변동의 범위를 초과하면, 다른 칩보다 스위칭의 타이밍이 상이하여, 그 소자에 흐르는 전류가 집중되거나, 흐르기 어려워지거나 하는 언밸런스가 발생한다. 그 결과, 파워 모듈 전체가 열 폭주하여, 파괴에 이를 가능성이 있다.
이 때문에, 개개의 반도체칩에 서미스터 등의 온도 센서를 실장하는 방법이 있지만, 비용의 증가나, 온도 센서 자체의 신뢰성의 과제가 있다. 그래서 반도체칩 자신의 온도(접합 온도)의 이상을 직접 검지하는 것이 알려져 있다. 이와 같은 예로서는, 특허문헌 1이 있다. 이 예에서는, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 소자의 스위치 오프 단계 중의 게이트-이미터 전압의 특성의 미러 플래토 단계의 개시와 종료 단계 시간 지연을 검출함으로써, IGBT 소자의 접합부 온도를 결정하는 방법이 개시되어 있다.
일본 특허 공개 제2013-142704호 공보
상술한 바와 같이, 전력 변환 장치의 안정 가동에는, 발열원인 파워 모듈 내의 반도체칩의 온도와, 냉각 시스템의 감시가 중요하다.
그러나, 전력 변환 장치의 가동 중에 있어서의 파워 모듈 중의 개개의 칩의 열 분포가 있으며, 열 이력은, 칩의 위치에 따라 상이하다. 그 결과, 개개의 칩의 장기 신뢰성의 변동은 초기 특성의 변동에 비해서 커지기 때문에, 모듈 내의 1 칩의 온도 이상을 고정밀도로 검출할 것이 요구된다. 이 점, 병렬 칩으로 구성된 모듈에 있어서, 특허문헌 1의 방법을 사용한 경우, 결과적으로 병렬 칩의 평균 온도를 나타내는 것이기 때문에, 파워 모듈의 온도 이상을 고정밀도로 검출할 수는 없다. 또한, 개개의 칩에 온도 센서를 실장하면, 파워 모듈의 비용이 높아지고, 또한, 온도 센서의 신뢰성이 낮은 경우에는 검출 정밀도도 저하되어 버린다.
본 발명은, 파워 모듈의 온도 이상을 고정밀도로 검출하는 것이 가능한 전력 변환 장치, 전동기 제어 시스템, 및 전력 변환 장치의 진단 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 전력 변환 장치는, 스위칭 소자를 갖는 전력용 반도체 모듈을 구비하는 전력 변환 장치이며, 상기 스위칭 소자를 구동하여, 상기 스위칭 소자의 스위칭 동작 시에 따른 응답 신호를 송신하는 게이트 구동 회로와, 상기 게이트 구동 회로에 스위치하기 위한 명령 신호를 출력하는 제어부 장치와, 상기 명령 신호에 대한 상기 응답 신호에 기초하여 상기 스위칭 소자의 접합 온도를 산출하는 온도 검출부와, 상기 온도 검출부에 의해 산출한 접합 온도와 상기 응답 신호에 따라 전력용 반도체 모듈의 상태를 판정하는 연산부를 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치로서 구성된다.
또한, 본 발명은, 상기 전력 변환 장치를 구비한 전동기 제어 시스템, 및 전력 변환 장치 진단 방법으로서도 파악된다.
본 발명에 따르면, 파워 모듈의 온도 이상을 고정밀도로 검출할 수 있다.
도 1은 전력 변환 장치의 실시 형태를 나타내는 블록도
도 2는 도 1의 병렬 칩으로 구성된 파워 모듈을 나타내는 블록도
도 3은 도 1의 명령 신호와 응답 신호를 취득하는 실시 형태를 나타내는 블록도
도 4는 실시예에 있어서 평균 온도가 변화하였을 때의 턴 오프에서의 게이트 전압 파형과 설정값을 나타내는 도면
도 5는 실시예에 있어서, 평균 온도가 동일하여, 온도 언밸런스가 발생하였을 때의 턴 오프에서의 게이트 전압 파형과 설정값을 나타내는 도면
도 6은 실시예에 있어서 명령 신호와 응답 신호를 설명하는 도면
도 7은 실시예에 있어서 제1 응답 신호의 지연 시간의 온도 의존성을 나타내는 도면
도 8은 실시예에 있어서 소자 온도의 시계열 데이터를 나타내는 도면
도 9는 실시예에 있어서의 소자 온도의 시계열 데이터를 히스토그램으로 변환한 온도 진폭 빈도 데이터를 나타내는 도면
도 10은 실시예에 있어서의 GUI를 설명하는 도면
도 11은 진단 시스템을 철도에 적용한 경우의 시스템 블록도
이하, 본 실시 형태를 첨부의 도면에 기초하여 상세하게 설명한다.
<1. 시스템 전체 구성>
본 실시예인 진단 시스템(100)을 도 1, 도 2, 도 11을 사용하여 설명한다.
도 1은, 본 실시예에 있어서의 시스템 전체의 블록 구성도이다. 도 1에 있어서, 본 시스템은, 주로, 전력 변환 장치(1), 이 전력 변환 장치(1)가 부하로서 구동하는 3상의 전동기(2), 전력 변환 장치(1) 및 전동기(2)의 상태를 감시하기 위한 그래피컬 유저 인터페이스(GUI)(9)로 구성되어 있다. 전력 변환 장치(1)에는, 제어 장치(7)가 포함된다. 전력 변환 장치(1)와 전동기(2)의 사이에는, 전동기(2)에 공급하는 상전류를 측정하는 전류 센서(8a, 8b)가 마련되어 있다. GUI(9)는, 예를 들어 제어 장치(7)와 일체 또는 별개로 구성되고, LCD(Liquid Crystal Display) 등으로 구성되는 디스플레이 장치이다.
전력 변환 장치(1)는, 직류(6)를 3상 교류로 변환하여 전동기(2)를 제어하는 장치이다. 전력 변환 장치(1)는, 평활 콘덴서(5)와 복수의 파워 모듈(3a 내지 3f)과 게이트 구동 회로(4a 내지 4f)와 제어 장치(7)를 구비하고 있다. 제어 장치(7)는, 파라미터 연산부(701), 온도 검출부(702), 제어부(703), 논리부(704), 전류 검출부(705), 명령 응답 송수신부(706)를 구비하고 있다. 또한, 온도 검출부(702)는, 신호 분기기(31), 시간 계측부(37)를 가지고 있다(도 3). 게이트 구동 회로(4a 내지 4f)와 제어 장치(7)는, 절연 소자(10)(광 결합형 소자, 자기 결합형 소자, 정전 결합형 소자 등)에 의해 절연되어 있다. 또한, 도 1에서는, 게이트 구동 회로(4a 내지 4f)는, 파워 모듈(3a 내지 3f)의 외측에 배치되어 있지만, 파워 모듈(3a 내지 3f)에 내장해도 된다. 이들의 구체적인 동작에 대해서는 후술한다.
파워 모듈(3a 내지 3f)은, 트랜지스터, 예를 들어 IGBT(절연 게이트 바이폴라 트랜지스터)나 MOSFET(금속-산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터)와 다이오드(PN 다이오드, 쇼트키 배리어 다이오드 등)가 역병렬로 접속되어 있는 스위칭 소자를 가진 전력용 반도체 모듈이다. 대전류를 제어하기 위해서, 파워 모듈(3a 내지 3f)(이하, 단순히 파워 모듈(3)이라고도 기재함.)에는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 복수의 소용량의 반도체칩(16a, 16b, 16c)이 병렬로 접속되어 있어도 된다. 파워 모듈(3)에는, 각각, 이미터 단자, 콜렉터 단자, 게이트 단자가 마련되어 있다. 또한, 본 실시예에서는, 파워 모듈(3)에 IGBT를 사용하고 있지만, MOSFET를 사용한 경우는, 이미터 단자를 소스 단자, 콜렉터 단자를 드레인 단자로 치환해도 된다.
도 2에, 파워 모듈(3)의 구체예를 나타낸다. 대전류를 제어하기 위해서, 각각의 파워 모듈(3)은 대용량이며, 복수의 소용량의 반도체칩(16a 내지 16c)이 병렬로 접속되어 있다. 반도체칩(16a)은, 트랜지스터(15)와 다이오드(14)가 동일 반도체칩 상에 역병렬로 제작되어 있지만, 트랜지스터(15)와 다이오드(14)가 따로 따로의 반도체칩으로 제작되어 역병렬로 접속되어 있어도 된다. 파워 모듈(3)에는, 콜렉터 단자(11), 게이트 단자(12), 이미터 단자(13)가 마련되어 있다.
도 3은, 도 1에 나타낸 본 시스템에 의해 명령 신호와 응답 신호를 생성하고, 지연 시간을 취득하는 구체예를 나타낸다. 파라미터 연산부(701)는, 명령 응답 송수신부(706)를 통해, 생성한 PWM 명령 신호(32a)를 온도 검출부(702)에 출력 함과 함께, 절연 결합 소자(10a)를 통해, 비교기(36)의 참조 전압으로서 제1 구동 전압 설정값(30a)과 제2 구동 전압 설정값(30b)을 설정한다. 후술하는 바와 같이, 제1 구동 전압 설정값(30a)에는, 제2 구동 전압 설정값(30b)보다도 작은 값이 설정된다. 온도 검출부(702)는, 파라미터 연산부(701)에서 생성된 PWM 명령 신호(32a)를, 신호 분기기(31)에 의해, 스타트 명령 신호(32b)와 스톱 명령 신호(32c)로 분기된다. 스톱 명령 신호(32c)는, 절연 결합 소자(10a)를 통한 스톱 명령 신호(32d)에 의해 게이트 구동 회로(371)를 구동한다.
비교기(36)는, 연산 증폭기를 사용한 비교기 회로로 구성되어 있고, 각각의 파워 모듈(3)의 게이트와 이미터에 접속되어, 제1 구동 전압 설정값(30a)과 제2 구동 전압 설정값(30b)을 기준으로 한 참조 전압으로서, 스톱 명령 신호(32d)에 대한 응답 신호(33a)를 발생시킨다. 응답 신호(33a)는, 절연 결합 소자(10b)를 통해 응답 신호(33b)로서, 온도 검출부(702)의 시간 계측부(37)에 전송된다. 시간 계측부(37)는, 신호 분기기(31)로부터 출력된 스타트 명령 신호(32b)와 응답 신호(33b)의 시간차를 계측하고, 응답 신호(33c)로서 파라미터 연산부(701)에 보내진다. 시간 계측부(37)는, 예를 들어 타임/디지털 컨버터를 사용한 회로로 구성된다. 응답 신호(33d)는, 응답 신호(33b)의 분기 신호로서, 파라미터 연산부(701)에 전송된다. 본 실시예에서는, 절연 결합 소자(10a)에 의해, 저전압 하에서 시간 계측이 행해지기 때문에, 노이즈의 영향을 저감할 수 있다.
제1 구동 전압 설정값(30a)과 제2 구동 전압 설정값(30b)의 예에 대해서, 도 4를 사용하여 나타낸다. 이하에 나타내는 제1 구동 전압 설정값(30a) 내지 제2 구동 전압 설정값(30b)은, 발명자들의 발견에 기초한 것이다. 도 4 상단에 나타내는 바와 같이, 턴 오프의 게이트 전압 파형(40)은, 파워 모듈(3)의 온도 상승에 수반하여, 영역(41)에서 지연된다. 예를 들어, 도 4 하단의 확대도에, 실온의 파형(42), 70℃의 파형(43), 110℃의 파형(44), 150℃의 파형(45)을 나타낸다. 본 실시예에서는, 제1 구동 전압 설정값(30a)을 제1 역치(47), 제2 구동 전압 설정값(30b)을 제2 역치(46)로 하여 나타냈다. 파워 모듈(3)의 온도가 균일(파워 모듈(3)끼리의 온도 언밸런스가 극히 작으면)하면, 제1 구동 전압 설정값(30a) 및 제2 구동 전압 설정값(30b)에 있어서의 파형 지연량은, 파워 모듈의 온도에 비례한다. 예를 들어, 도 7에 나타내는 파형 지연량의 온도 의존성을 나타내는 그래프와 같이, 파워 모듈의 온도가 상승함에 따라, 파형 지연량이 커진다. 따라서, 도 4에 나타내는 파형 중, 파형(45)의 지연량이 가장 커진다는 것을 알 수 있다.
도 5는, 각각의 파워 모듈(3)의 온도가 균일한 파형(51)과, ±30℃ 언밸런스가 발생하고 있는 파형(52)을 나타낸다. 파형(51), 파형(52) 모두, 평균 온도는 70℃이다. 제1 구동 전압 설정값(30a)을 나타내는 제1 역치(47)에서는, 파형(51)과 파형(52)에서의 지연량의 차는 없다. 한편, 제2 구동 전압 설정값(30b)을 나타내는 제2 역치(46)에서는, 온도 언밸런스가 발생하고 있기 때문에, 파형(51)은 파형(52)에 비해서 지연 시간이 작다. 따라서, 제1 역치(46)에서의 지연 시간은, 파워 모듈의 평균 온도를 나타내고, 제2 역치(47)는, 언밸런스를 나타낸다는 것을 알아냈다.
명령 신호와 응답 신호의 예를 도 6에 나타낸다. 명령 신호(60)는, PWM 명령 신호(32a)의 일부이며, 응답 신호(61)는 비교기(36)에서 생성된 응답 신호(33b)의 일부이다. 시간 계측부(37)에서는, 지연 시간(62)을 계측한다. 파형(63)은, 턴 오프의 응답 신호의 파워 모듈 온도 의존성을 나타낸다. 도 6에 나타내는 파형은, 제1 구동 전압 설정값(30a)에 있어서 나타나는 설정 전압으로 생성된 응답 신호의 파형이며, 도 4의 게이트 파형에 대응하고 있다. 즉, 각각, 파형(64)이 실온의 파형(42), 파형(65)이 70℃의 파형(43), 파형(66)이 110℃의 파형(44), 파형(67)이 150℃의 파형(45)를 나타낸다. 지연 시간은, 예를 들어 응답 신호의 2.5V에서의 값을 사용하고 있다. 온도 검출부(702)는, 미리 취득한 교정 데이터 혹은 회귀 모델을 참조하여, 지연 시간으로부터 온도를 산출한다. 온도 검출부(702)는, 명령 신호와 응답 신호에 기초하여, 신호 지연량과 접합 온도를 산출하여, 제어부(703) 및 파라미터 연산부(701)에 신호를 보낸다.
이와 같이, 본 실시예에 의하면, 전력 변환 장치(1) 내의 개개의 전력용 반도체 소자의 접합 온도와 온도 언밸런스를 취득하여, 측정 결과를 전동기 제어에 피드백하여 전력용 모듈의 연명 처치를 실시하고, 부품 교환을 경고하는 시스템을 제공할 수 있다.
계속해서, 파워 모듈(3)의 손상도와 남은 수명 추정 방법에 대해서 설명한다.
파라미터 연산부(701)는, 온도 검출부(702)로부터 얻어진 PWM 명령 신호와 접합 온도의 시계열 데이터를 사용하여, 연산에 의해, 파워 모듈(3)의 손상도와 남은 수명을 추정한다. 상기 시계열 데이터는, 온도 검출부(702)로부터 얻어진 과거의 PWM 명령 신호와 접합 온도이며, 파라미터 연산부(701)가 갖는 메모리 칩에 축적되어 있다.
도 8은, 본 실시예에 있어서의 시계열 데이터를 나타내는 도면이며, 도 8의 (a)는 PWM 명령 신호, 도 8의 (b)는 칩의 온도(접합 온도), 도 8의 (c)는 냉각기(38)(도 11)의 온도의 추이를 각각 나타내고 있다. 가동 환경에 따라서는 냉각 능력이 부족한 경우가 있기 때문에, 전력 변환 장치(1)에 탑재되는 냉각기(38)의 감시나 제어가 행해진다.
도 8의 (a)에 있어서, PWM 명령 신호(101)는 듀티비가 크고, PWM 명령 신호(102)는 듀티비가 작다. 이들 PWM 명령 신호에 대응하여, 접합 온도는, 도 8의 (b)와 같이, 접합 온도의 시계열 데이터(107)는, 예를 들어 극대값(103)과 극소값(104)을 갖고, 진동적으로 변화한다. 듀티비가 큰 PWM 명령 신호(101)에서는, 접합 온도는 상승 경향이 있고, 듀티비가 작은 PWM 명령 신호(102)에서는, 접합 온도는 하강 경향이다. 또한, 도 8의 (c)에 나타내는 바와 같이, 냉각기 온도의 시계열 데이터(108)는, 도 8의 (b)에 나타내는 바와 같이 상기 접합 온도가 추이하는 경우, 그 추이에 따라 냉각기(38)의 온도가 약간 지연되어서 완만하게 추이한다. 예를 들어, 시각 t1에서 t2까지 상기 접합 온도가 상승 경향이 있는 경우에는, 냉각기(38)의 온도가 그 후의 타이밍에 극대값(106)으로 된다. 또한, 상기 접합 온도가 하강 경향으로부터 상승 경향으로 바뀌는 타이밍에 극소값(105)을 취한다.
본 실시예의 착안점의 하나는, 전력 변환 장치(1) 내의 복수의 파워 모듈(3)끼리의 손상의 언밸런스를 검지하여, 시스템의 고장을 미연에 방지하는 것이다. 따라서, 파라미터 연산부(701)는, 도 8의 (b)에 나타내는 접합 온도의 열 사이클에 있어서, 접합 온도의 열 사이클의 빈도 분포를 취득한다. 열 사이클을 빈도로 변환하는 방법으로서, 예를 들어 레인 플로우 알고리즘을 사용하면 된다.
도 9에, 접합 온도의 시계열 데이터를 히스토그램으로 변환한 온도 진폭 빈도의 예를 나타낸다. 횡축의 온도 진폭 ΔT는, 예를 들어 GUI(9)로부터 5℃ 간격으로 설정한다. 종축은, 사이클 수로 대수 표시이다. 열 사이클 정격(110)은, 파워 모듈의 출하 시에 제공되는 파워 사이클 시험 결과를 사용한다. Ni는 온도 Ti에 있어서의 최대 사이클 수, ni는 온도 Ti에 있어서 파라미터 연산부(701)에 의해 얻어진 사이클 수이다.
예를 들어, 도 8의 (b)에 나타낸 접합 온도의 시계열 데이터(107)에서는, 온도 진폭 ΔT에 있어서의 소정 시간 t1에서 t2까지의 사이의 사이클 수는 4로 된다. 파라미터 연산부(701)는, 이와 같이 하여 얻어진 사이클 수의 대수를, 온도 진폭 ΔT에 있어서의 빈도로서 가산한다. 출하 당초에 있어서의 온도에 따른 열 사이클 수는 열 사이클 정격(110)이기 때문에, 각 온도 Ti의 손상도 Di는 Di＝ni/Ni으로 부여된다. 따라서, 전체 손상도는, 각 온도에 있어서의 손상도의 총합인 D＝ΣDi로 부여된다. 본 방법에서는, 손상도가, 종래법보다 커지는 방향이지만, 파워 모듈의 언밸런스 검지의 정밀도는 향상된다. 파라미터 연산부(701)는, 상기 연산 결과에 기초하여, 전력 변환 장치 표시부(17)나 GUI(9)에 손상 모듈을 나타낼 수 있다.
도 10에, 전력 변환 장치 표시부(17)의 구체예를 나타낸다. 전력 변환 장치 표시부(17)는, 예를 들어 액정 패널로 구성되고, 도 10에 나타내는 바와 같이, 온도 표시부(121)와, 수명 표시부(122)와, 손상도(123)를, 파워 모듈마다 표시한다. 파라미터 연산부(701)는, 온도 표시부(121)에 개개의 파워 모듈의 평균 접합 온도나 최대 접합 온도를 표시하고, 수명 표시부(122)에 손상도(123)를 표시할 수 있다. 평균 접합 온도는, 파워 모듈(3)을 구성하는 개개의 반도체칩(16)의 접합 온도의 평균값이다. 최대 접합 온도는, 파워 모듈(3)을 구성하는 개개의 반도체칩(16) 중 접합 온도의 최댓값이다. 물론, 파라미터 연산부(701)는, 파워 모듈(3)을 구성하는 개개의 반도체칩(16) 중 접합 온도의 최솟값이나, 개개의 반도체칩(16)의 접합 온도의 중앙값을 표시해도 된다.
또한, 환경 정보 취득부(18)가, 외 기온 등의 기상 데이터나 철도 등의 교통 기관의 운행 데이터를 비롯한 외부 환경 데이터를 취득하고, 파라미터 연산부(701)가, 명령 신호, 접합 온도, 손상도에 기초하여, 논리부(704)에서 완화 명령을 생성하여, 제어부(703)에서 완화 제어 PWM 명령 신호를 출력할 수도 있다. 환경 정보 취득부(18)는, 온도 센서를 비롯한 각종 센서를 가진 칩 등의 연산 장치로 구성된다. 또한, GUI(9)는, 차량 정보 통합 시스템(21)(도 11)에 포함할 수도 있다. 또한, 차량의 상태를 감시하기 위한 모니터를 구비한 중앙 감시 장치(22)(도 11)에 포함하면, 복수의 차량의 감시가 가능하여, 보전 계획의 최적화가 가능하다.
이상 상세하게 설명한 본 실시예에 의하면, 전력용 반도체의 전류 변화율을 검출하여 기준값과 비교 판정함으로써, 전력용 반도체 그리고 이것에 관련된 전력 변환 장치의 이상이나 손상을 고정밀도로 검출하여, 고장 등의 문제를 고정밀도로 방지하고, 또한 장기간 사용 가능한 전력 변환 장치를 제공 가능하다.
도 11은, 본 실시예에 있어서의 진단 시스템(100)을 철도에 적용한 철도 진단 시스템(200)의 블록도이다. 도 11에 나타내는 바와 같이, 철도 진단 시스템(200)은, 철도 차량(20), 차량 정보 통합 시스템(21), 중앙 감시 장치(22), 인터넷(23), 무선 경로(24), 환경 정보 취득부(18)를 가지고 있다. 철도 차량(20)은, 안테나(25), 전력 변환 장치(1), 전동기(M)를 가지고 있다. 또한, 전력 변환 장치(1)는, 도 11 하부에 나타내는 바와 같이, 전력 변환 장치 표시부(17), 냉각기(38), 냉각기 표시부(39)를 가지고 있다. 냉각기(38)는, 파워 모듈(3)을 냉각하기 위한 장치이며, 예를 들어 파워 모듈마다 하나의 냉각기(38)가 마련된다. 냉각기(38)는, 냉각 핀이나 팬을 구비하고 있고, 이들에 온도 센서를 마련하고 있다. 전력 변환 장치(1)는, 온도 센서를 감시하여 냉각기(38)를 적정한 온도로 제어하고 있다.
전력 변환 장치 표시부(17)는, 철도 차량(20) 하부에 있는 전력 변환 장치(1)(VVVF 인버터 등)의 시인 가능한 표면(도 11에서는 차량 측면)에 설치함으로써, 도 10에 나타낸 온도 표시나 수명 표시나 손상도를, 파워 모듈마다 표시하여, 보수 작업자에게 통지할 수 있다. 또한, 온도 표시나 수명 표시나 손상도가 소정의 역치를 초과하고 있는 이상을 나타내는 파워 모듈을 그 자리에서 인식하여 특정할 수 있다는 점에서, 보전 작업 효율이 향상된다. 전력 변환 장치 표시부(17)에는, 파워 모듈에 관한 표시 이외에도, 예를 들어 냉각기(38)의 청소를 촉구하는 경고를 냉각기 표시부(39)에 표시할 수 있다.
예를 들어, 전력 변환 장치(1)는, 냉각기(38)에 마련된 온도 센서가 소정의 온도에 달하여 있는지 여부를 판정하여, 소정의 온도에 달해 있다고 판정한 경우, 냉각 핀이나 팬의 더러움 등에 의해 냉각 성능이 저하되었다고 판단하여, 도 11 하부에 나타내는 바와 같이, 파워 모듈에 대응하여 마련된 냉각기(38)의 냉각기 표시부(39)에 있어서의 표시를 냉각기(381)와 같이 점등이나 점멸시키거나 하여, 보수 작업자에게 통지한다. 이와 같이 냉각기(38)에 관한 표시를 함으로써, 파워 모듈(3)과 마찬가지로, 보수 작업자는, 냉각기(38)의 이상을 그 자리에서 인식하여 특정할 수 있다.
또한, 도 8에서 설명한 바와 같이, 파워 모듈(3)의 접합 온도의 추이와 냉각기(38)의 온도의 추이에는 관련성이 있다. 따라서, 보수 작업자는, 냉각기 표시부(39) 및 전력 변환 장치 표시부(17)에 이상이 표시되어 있는 경우에는, 냉각기(38)의 이상은 파워 모듈(3)에 수반하는 것라고 판단할 수 있다. 한편, 냉각기 표시부(39)에 이상이 표시되는 한편 전력 변환 장치 표시부(17)에 이상이 표시되어 있지 않은 경우, 보수 작업자는, 그 이상은 냉각기(38)에 기인한 이상이라고 판단할 수 있다
종래, 전력 변환 장치(1)에 의해서는, 가동 중의 냉각 능력 저하 때문에, 정기적으로 클리닝 등의 메인터넌스가 필요해지는바, 전력 변환 장치(1)의 성능 열화나 문제가 파워 모듈 마모에 의한 온도 상승에 기인한 것인지, 냉각계에 기인한 것인지를 특정하는 방법이 없었지만, 본 실시예에 의하면, 온도 이상의 원인이 어느 장치(파워 모듈(3) 혹은 냉각기(38))인 것인지를 특정할 수 있다.
또한, 차량 정보 통합 시스템(21)은, 차량 내의 공조, 도어, 조명 등을 감시하는 시스템이며, 운전석에 설치된다. 또한, GUI(9)의 정보를 차량의 안테나(25)에 의해, 무선 경로(24)로 네트워크인 인터넷(23)을 통해 중앙 감시 장치(22)에 송신하는 것도 가능하다. 또한, 인터넷(23)을 통해서, 다른 차량 정보를 취득함으로써, 보다 효율적인 보전 계획을 책정할 수 있다. 또한, 부재의 수배의 효율화에 의한 보전 비용의 저감이 가능해진다. 또한, 환경 정보 취득부(18)에 의해, 기상정보나 승객 정보를 취득함으로써, 적합한 차량 배치가 가능해진다.
이와 같이, 발명자들은, 턴 오프 시의 게이트 전압 파형의 제1 설정값인 제1 구동 전압 설정값(30a)의 명령 신호에 대한 응답 신호 지연은, 파워 모듈 평균 온도에 감도가 있고, 한편, 제2 설정값인 제2 구동 전압 설정값(30b)의 명령 신호에 대한 응답 신호 지연은, 파워 모듈 내의 반도체칩의 온도 언밸런스에 감도가 있다는 것을 알아냈다.
상기 발견에 기초하여, 본 시스템은, 지금까지 설명한 바와 같이, 파워 모듈의 턴 오프의 게이트 전압값의 미리 정한 두 설정값인 제1 구동 전압 설정값(30a) 및 제2 구동 전압 설정값(30b)을 사용하여 생성되는 응답 신호의 명령 신호에 대한 지연 시간에 기초하여 산출되는 온도 검출부(702)와, 온도 검출부(702)에 의한 온도 검출과 온도 언밸런스 검출 결과로부터, 전력 변환 장치의 스위치 소자의 도통 시의 최대 전류의 값의 제한값을 마련하는 완화 가동을 하는 제어계, 이상 파워 모듈 표시나 냉각계 점검 지시, 모듈 수명을 경고하는 유저 인터페이스부인 GUI(9)를 구비하고 있다.
또한, 게이트 전압 파형의 지연을 계측하기 위해서, 온도 검출부(702)에는, 제1 구동 전압 설정값(30a) 및 제2 구동 전압 설정값(30b)을 유저가 정할 수 있고, 구동 전압 설정값을 참조 전압으로 한 비교기(36)를 구비하고 있다.
또한, 본 시스템에서는, 온도 검출부(702)는, 전력 변환 장치와 일체 구성이거나, 혹은, 유선, 무선, 및 단자에 의한 분리 가능한 접속의 어느 것으로 접속된다. 또한, GUI(9)는, 온도 검출부(702)와 일체 구성이거나, 혹은, 유선, 무선, 및 단자에 의한 분리 가능한 접속의 어느 것으로 접속되어도 된다. 본 실시예에서는 구성의 자유도가 높으므로, 예를 들어 전철 등에 탑재한 전력 변환 장치를 원격으로 어떤 감시 시스템으로 진단하는 것도 가능하다.
또한, 본 시스템에서 행해지는 처리 방법에서는, 시간 계측부(37)는, 구동 전압의 제1 구동 전압 설정값(30a)에 있어서 생성된 응답 신호의 명령 신호에 대한 제1 지연 시간을 검출하고, 제2 구동 전압 설정값(30b)에 있어서 생성된 응답 신호의 명령 신호에 대한 제2 지연 시간을 검출하며, 온도 검출부(702)는, 제1 지연 시간에 기초하여 산출되는 파워 모듈(3)의 온도와 제2 지연 시간에 기초하여 산출되는 각각의 파워 모듈(3)의 온도 언밸런스를 검출하여, 파라미터 연산부(701)가, 온도 검출부(702)에 의해 산출된 접합 온도와 상기 응답 신호에 따라 전력용 반도체 모듈 및 전력 변환 장치의 상태를 판정한다.
구체적인 구성으로서는, 스위치 차단 시의 게이트 구동 전압을 사용하고, 소정 기간에 있어서의 명령 신호에 대한 응답 신호의 지연 시간을 얻는다.
그리고, 지연 시간을 이용하여, 전력 변환 장치의 상태를 진단할 수 있다. 또한, 진단 결과에 기초하여, 전력 변환 장치의 제어를 할 수도 있다. 또한, 전력 변환 장치의 이상 원인이 파워 모듈인지 냉각계인지 진단할 수 있다.
또한, 본 시스템은, 스위치 동작의 기준 시간을 취득하는 트리거 회로와, 게이트 구동 전압의 제1 구동 전압 설정값(30a)에 있어서 생성되는 응답 신호의 제1 시간과, 제2 구동 전압 설정값(30b)에 있어서 생성되는 응답 신호의 제2 시간을 취득하고, 제1 시간과 기준 시간의 차를 나타내는 수치 데이터와, 제2 시간과 기준 시간의 차를 나타내는 수치 데이터를 검출하는 지연 시간 산출 회로를 구비한다. 트리거 회로 및 지연 시간 산출 회로는, 시간 계측부(37)에 구비된다.
또한, 본 시스템에서는, 시간 계측부(37)는, 주 전류의 차단 시에 있어서의, 스위치 동작의 기준 시간을 설정하여, 주 전류의 차단 시에 있어서, 구동 전압이 제1 구동 전압 설정값(30a)이 되는 제1 시간의, 기준 시간으로부터의 지연을, 제1 지연 시간으로서 계측하고, 주 전류의 차단 시에 있어서, 구동 전압이 제2 구동 전압 설정값(30b)이 되는 제2 시간의, 기준 시간으로부터의 지연을, 제2 지연 시간으로서 계측한다. 그리고, 제1 구동 전압 설정값(30a)이, 제2 구동 전압 설정값(30b)보다도 작게 설정된다.
또한, 본 시스템에서는, 직류 전류를 입력으로 하고, 부하에 대해서 교류 전류를 출력하는 전력 변환 장치를 구비하고 있다. 이 장치에서는, 복수의 파워 모듈과, 복수의 파워 모듈에 스위칭 동작을 지시하는 제어 명령 신호 발생부인 파라미터 연산부(701)와, 복수의 파워 모듈에 각각 대응하는 복수의 제어 장치를 구비한다. 그리고, 복수의 파워 모듈의 각각은, 병렬 접속된 복수의 반도체 스위칭 소자를 구비하고, 파라미터 연산부(701)는, 복수의 반도체 스위칭 소자에 주 전류의 차단을 지시하는 제어 명령 신호를 발생하고, 복수의 제어 장치의 각각은, 복수의 파워 모듈의 각각에 대해서, 2종류의 온도를 결정하는 온도 검출부(702)를 구비한다. 온도 검출부(702)는, 제어 명령 신호로부터 기준 시간을 설정하는 트리거 회로와, 주 전류의 차단 시에 있어서, 제어 전압이 제1 주 전압 설정값이 되는 제1 시간의, 기준 시간으로부터의 지연을, 제1 지연 시간으로서 계측하고, 주 전류의 차단 시에 있어서, 제어 전압이 제2 제어 전압 설정값이 되는 제2 시간의, 기준 시간으로부터의 지연을, 제2 지연 시간으로서 계측하는 시간 계측부(37)를 구비하고, 제1 지연 시간으로부터 제1 온도를 결정하고, 제2 지연 시간으로부터 제2 온도를 결정한다.
따라서, 본 실시예에 의하면, 간단한 구성으로 전력용 반도체 그리고 이것에 관련된 전력 변환 장치의 이상이나 손상을 고정밀도로 검출하여, 고장 등의 문제를 고정밀도로 방지하고, 또한 장기간 사용 가능하게 하는 방법을 제공할 수 있다. 또한, 전력용 반도체 소자를 가공하지 않고, 전력 변환 장치 내의 개개의 전력용 반도체 소자의 접합 온도와 남은 수명을 취득하여, 측정 결과를 전동기 제어에 피드백하여 전력용 모듈의 연명 처치를 실시하고, 부품 교환을 경고하는 시스템을 제공할 수 있다. 또한, 간소한 구성으로, 전력용 반도체 그리고 이것에 관련된 전력 변환 장치와 냉각 시스템의 이상이나 열화를 고정밀도로 검출할 수 있어, 검출 결과를 완화 가동에 응답, 또는, 보수 혹은 진단하는 것이 가능해진다.
이상 실시예에 대해서 설명하였지만, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 여러 가지 변형예가 포함된다. 예를 들어, 어떤 실시예의 구성의 일부를 다른 실시예의 구성으로 치환하는 것이 가능하고, 또한, 어떤 실시예의 구성에 다른 실시예의 구성을 첨가하는 것도 가능하다. 또한, 각 실시예의 구성의 일부에 대해서, 다른 구성의 추가, 삭제, 치환을 하는 것도 가능하다.
각종의 전력 반도체 등의 보수 점검 분야에 이용이 가능하다.
1: 전력 변환 장치
2: 전동기
3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f: 파워 모듈
4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f: 게이트 구동 회로
7: 제어 장치
9: GUI
706: 명령 응답 송수신부
702: 온도 검출부
703: 제어부
705: 전류 검출부
701: 파라미터 연산부
704: 논리부
17: 전력 변환 장치 표시부
18: 환경 정보 취득부
20: 철도 차량
21: 차량 정보 통합 시스템
22: 중앙 감시 장치
25: 안테나
121: 온도 표시부
122: 수명 표시부
123: 손상도

Claims (9)

  1. 스위칭 소자를 갖는 전력용 반도체 모듈을 구비하는 전력 변환 장치이며,
    상기 스위칭 소자를 구동하여, 상기 스위칭 소자의 스위칭 동작 시에 따른 응답 신호를 송신하는 게이트 구동 회로와,
    상기 게이트 구동 회로에 스위치하기 위한 명령 신호를 출력하는 제어부 장치와,
    상기 명령 신호에 대한 상기 응답 신호에 기초하여 상기 스위칭 소자의 접합 온도를 산출하는 온도 검출부와,
    상기 온도 검출부에 의해 산출한 접합 온도와 상기 응답 신호에 따라 전력용 반도체 모듈의 상태를 판정하는 연산부
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 게이트 구동 회로는, 상기 스위칭 소자의 스위칭 동작 시에 게이트와 이미터 사이의 전압과, 적어도 2치의 스위치 오프 기준 전압인 제1 구동 전압 설정값 또는 제2 구동 전압 설정값에 기초하여, 상기 응답 신호를 생성하는,
    것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 온도 검출부는, 상기 명령 신호와 상기 응답 신호에 기초하여 상기 스위칭 소자의 지연량을 산출함으로써 상기 접합 온도를 산출하고, 상기 전력용 반도체 모듈의 온도 언밸런스를 검지하는,
    것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전력용 반도체 모듈을 복수 갖고,
    상기 연산부가 판정한 복수의 상기 전력용 반도체 모듈의 상태를, 복수의 상기 전력용 반도체 모듈마다 표시하는 표시부를 구비하는,
    것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  5. 스위칭 소자를 갖는 전력용 반도체 모듈을 구비하는 전력 변환 장치와, 상기 전력 변환 장치에 의해 제어되는 전동기를 갖는 전동기 제어 시스템이며,
    상기 전력 변환 장치는 상기 전력용 반도체 모듈을 복수 갖고,
    상기 스위칭 소자를 구동하여, 상기 스위칭 소자의 스위칭 동작 시에 따른 응답 신호를 송신하는 게이트 구동 회로와,
    상기 게이트 구동 회로에 스위치하기 위한 명령 신호를 출력하는 제어부 장치,
    상기 명령 신호에 대한 상기 응답 신호에 기초하여 상기 스위칭 소자의 접합 온도를 산출하는 온도 검출부와,
    상기 온도 검출부에 의해 산출한 접합 온도와 상기 응답 신호에 따라 전력용 반도체 모듈의 상태를 판정하는 연산부를 구비하고,
    상기 연산부가 판정한 상기 전력용 반도체 모듈의 상태를, 복수의 상기 전력용 반도체 모듈마다 표시하는 표시부를 구비하는,
    것을 특징으로 하는 전동기 제어 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전동기 제어 시스템과 네트워크를 통해 접속되는 중앙 감시 장치를 구비하고,
    상기 연산부가 판정한 상기 전력용 반도체 모듈의 상태를 나타내는 정보를, 상기 네트워크를 통해 상기 중앙 감시 장치에 송신하고, 상기 중앙 감시 장치의 모니터에 표시하는,
    것을 특징으로 하는 전동기 제어 시스템.
  7. 스위칭 소자를 갖는 전력용 반도체 모듈을 구비하는 전력 변환 장치의 진단 방법이며,
    상기 스위칭 소자를 구동하기 위한 명령 신호와,
    상기 스위칭 소자의 스위칭 동작 시에 따른 응답 신호에 기초하여 상기 스위칭 소자의 접합 온도를 산출하고,
    상기 산출한 접합 온도와 상기 명령 신호에 따라 상기 전력용 반도체 모듈의 이상을 판정하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 진단 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 스위칭 소자의 스위칭 동작 시에 게이트와 이미터 사이의 전압과 스위치 오프 기준 전압인 제1 구동 전압 설정값 또는 제2 구동 전압 설정값에 기초하여, 상기 응답 신호를 생성하고,
    상기 명령 신호와 상기 응답 신호에 기초하여 상기 스위칭 소자의 지연량을 산출하고, 상기 지연량에 기초하여 상기 접합 온도를 산출하는,
    것을 특징으로 하는 전력 변환 장치 진단 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 접합 온도의 시계열 데이터를 온도 진폭 빈도로 변환하고, 미리 정한 사이클 수를 기준값으로 하여, 상기 온도 진폭 빈도로부터 상기 전력 변환 장치의 이상을 판정하는,
    것을 특징으로 하는 전력 변환 장치 진단 방법.
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