WO2016207954A1 - 電力変換装置、電力変換装置の診断システム、および診断方法 - Google Patents

Abstract

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って、主電流の時間当たりの電流変化量を反映した数値データを取得する、電流変化量算出回路と、数値データを基準値と比較して前記電力変換装置の状態を判定する判定回路と、判定回路の判定結果を出力する出力回路と、を備える電力変換装置の診断システムが開示される。

Description

電力変換装置、電力変換装置の診断システム、および診断方法

　本発明は、電力変換器に関し、特に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に用いられる、電力用半導体スイッチ素子により構成される電力変換器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器では、高圧かつ大電流の電力制御を行う。このようは機器では、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する可能性がある。こうした状況を防止する目的で、破壊に至る前に劣化や異常を検出し、機能停止による破壊防止や、保守の必要性があるこの関係者への通知、劣化を抑える電力変換器の延命制御が必要である。

　このため、例えば電力変換器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手法があるが、電力用半導体内での熱抵抗の上昇などによる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異常を直接検知することが望まれる。このような例としては例えば、特開平７－１７０７２４（特許文献１）がある。この例では制御指令信号と電力用半導体が遮断となるまでの遅れ時間を検出することで、電力用バイポーラトランジスタの温度上昇を検出する手法が開示されている。

　また、素子の電流異常を検出する方法とし特開２０００－３２４８４６（特許文献２）がある。この例に拠れば、スイッチング素子の主端子に接続されるインダクタンスと、インダクタンスの両端に発生する電圧を積分する積分器を有することを特徴とする電力変換装置を用い、スイッチング素子の出力電流を求め、その値が規定値を超えた場合にスイッチング素子を遮断し、素子の破壊を防ぐ手法が開示されている。

特開平７－１７０７２４号公報 特開２０００－３２４８４６号公報

　特開平７－１７０７２４のような場合、電力用半導体の温度の異常な上昇を検知しようとするために、電療半導体の出力電圧を判定するための回路が必要となるが、大容量の電力変換装置では高電圧を制御するため、こうした分圧回路のサイズが大きく設置が困難であること、また３相交流を制御する場合などは、電力用半導体が少なくとも6素子必要であり、これらの電圧を評価するために多くの分圧回路が必要となること、また大電流かつ高速な電流のスイッチング時のアナログ値を扱うため、ノイズが大きくその対策が必要なことから適用が困難である。

　また、特開２０００－３２４８４６のような場合、電流値を求めて過電流の異常を検知し、電力用半導体を遮断することで破壊を防止することは可能であるが、素子やシステムの劣化や異常が進展し、電流異常に至る前の段階で事前に検出し、早期の保守による計画外のシステム停止の防止や、稼動期間を延長するために素子に印加するストレスを軽減する延命制御に適用することは困難である。

　本発明は、上記の課題を解決し、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。

　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、主電流の時間当たりの電流変化量を反映した数値データを取得する電流変化量算出回路と、数値データを基準値と比較して電力変換装置の状態を判定する判定回路と、判定回路の判定結果を出力する出力回路と、を備える。

　このシステムの好ましい態様では、数値データを取得する期間および基準値の少なくとも一つが設定可能である、数値データを取得する期間の典型例としては、スイッチング動作中の、主電流変動の変動がみられるタイミングがある。例えば、スイッチ遮断時における過渡電流が流れるタイミングである。

　このシステムの他の好ましい態様では、電流変化量算出回路は、数値データを取得する期間中、時間当たりの電流変化量を積分して数値データを得る。すなわち、所定時間幅における、電流変化量を算出する。

　このシステムの具体的な適用例では、電流変化量算出回路は、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、判定回路は、電流変化量算出回路と一体構成か、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、出力回路は、判定回路と一体構成か、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できる。

　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、主電流の時間当たりの電流変化量を検出する第１のステップと、電流変化量をデジタルまたはアナログ回路で所定の期間積分する第２のステップと、積分結果に基づいて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。

　具体的な構成例としては、検出される時間当たりの電流変化量として、瞬時の電流変化率を用い、これを積分して所定期間における電流変化量を得る。

　以上で得られた判定結果を用いて、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。

　本発明の他の側面は、電力変換装置において、電力用半導体により構成される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期間中の所定期間の電流変化量、もしくは所定の電流変化量を遷移するために要する時間を算出する回路を備え、電流変化量もしくは遷移に要する時間の基準値からの逸脱の有無を比較判定する。その結果を表示、出力もしくは、判定結果に応じ、電力変換装置の動作条件を制御する。

　動作条件制御の典型例を示すと、電力変換器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もしくはパワーMOSFET、もしくはMOSゲート制御型等の種々の電力半導体素子を用いることができる。

　本発明の具体的な例では、この電力変換装置において、基準値の範囲からの逸脱の比較判定を実施する条件として、電力変換装置の出力電流値、電力用半導体に流れる出力電流の方向、電力用半導体の出力端子間電圧、電源電圧、電力変換装置内の温度のいずれか、もしくはこれらを組み合わせた特定の駆動条件を設定する。

　さらに本発明の他の具体的な例では、電力変換装置において、比較判定する基準値として、電力変換装置にて事前に計測したスイッチング動作期間中における所定期間の電流変化量もしくは所定の電流変化量を遷移するために要する時間と、その時点での電力変換装置の出力電流値、電力用半導体に流れる出力電流の方向、電力用半導体の出力端子間電圧、電源電圧、電力変換装置内の温度のいずれかの値から演算して求めた値を用いる。

　本発明の具体的な構成例では、電流変化量もしくは所定の電流変化量を遷移するために要する時間を算出する回路が、主電流の単位時間当たりの電流変化率に比例もしくはある関数で電流変化率に対応する電圧値を出力する回路を用い、その出力をスイッチング動作期間中における所定の期間積分した結果から、電流変化量を算出することを特徴とする。

　主電流の単位時間当たりの電流変化率に応じた電圧を出力する回路としては、例えば、主回路の配線に磁気結合した回路を用いることができる。また、電流変化率に応じた電圧を出力する回路として、主回路の配線中の少なくとも２点の電圧を出力する回路、もしくは、その出力電圧の差電圧を出力する回路を用いることができる。これらの構成によると、電流変化率の瞬時値を簡単な構成で測定することができる。また、瞬時値である電流変化率を積分することにより、所定期間における電流変化量を計算することができる。

　本発明の他の具体例では、電流変化率に比例もしくはある関数で電流変化率に対応する電圧値を入力とし、これを積分する抵抗、コンデンサ、演算増幅器による積分回路と、ある特定の期間に積分回路のコンデンサの電荷を放電してリセットする回路を有し、スイッチング動作期間中における所定期間において、リセットを解除する。

　さらに本発明の他の具体例では、電流変化率に応じた電圧出力のアナログ値を、周期的にデジタル値に変換して記録し、このデジタル値のある特定の期間分を加算した値と、その記録の周期からデジタル演算により電流変化量を算出する。

　さらに本発明の他の具体例では、判定結果もしくは電流変化量または所定の電流変化量を遷移するために要する時間を記録し、その記録結果を電力変換器もしくは電力変換器を搭載した装置から外部に出力する通信手段を備える。

　さらに本発明の他の具体例では、所定期間の電流変化量を算出する回路と、電流変化量が導通時の電流に応じ設定される基準値の範囲からの逸脱の有無を比較判定する回路と、その結果を表示、出力もしくは、判定結果に応じ、電力変換器のスイッチ素子の導通時の最大電流の値の制限値を出力する回路からなる診断部が、主回路へ接続、分離可能な構造を持ち、判定を実施しない際には分離して稼動可能な構成となっている。

　さらに本発明の他の具体例では、通信手段により出力された情報を受信し、これを記録する装置と演算回路を備え、受信した情報に基づいて診断する手段と、稼動条件を判定する手段と、これらに基づく出力もしくは表示を指示する手段を備える。

　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の異常や劣化を高精度に検出することができる。

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。 本発明の実施形態による電力変換装置の駆動指令と信号波形を示す波形図。 電力変換装置の電流変化量を算出する回路の実施形態を示すブロック図。 電力変換装置の電流変化量を算出する回路の別の実施形態を示すブロック図。 本発明による電力変換装置の別の実施形態を示すブロック図。 本発明による電力変換装置の判定方式の実施の形態を示す説明図。 本発明による電力変換装置の稼動指令ならびに表示内容の実施形態を示すチャート図。 本発明による電力変換装置を鉄道車両に搭載する場合の実施形態を示すブロック図。 本発明による電力変換装置の表示内容の実施形態を示す平面図。 本発明の実施形態において、電流変化率の測定条件、判定条件、判定を満たした場合の稼働制御の設定画面の例を示す平面図。

　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、本発明は以下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。

　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、数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が、他の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。

　図１は本発明の実施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の例を示している。図1の電力変換装置１には主回路９のＵ相のみを示しているが、他のＶ相、Ｗ相も同様な構成となっている。

　電力変換装置１では、駆動指令演算回路７により生成された駆動指令に基づいて、ゲートドライバ回路５、６によりそれぞれ電力用半導体であるＩＧＢＴ３，４の導通、遮断を制御し、これにより電動機２を駆動する。電力用半導体としては、他に絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、パワーMOSFET、MOSゲート制御型の電力半導体素子等、種々のデバイスを利用することができ、特に限定されない。

　この際に、電力変換装置1の主回路９を流れる主電流を導通、遮断するスイッチング動作中の所定期間において、電流変化量算出部１７にて、電圧出力回路１０から出力される電流変化率に比例した電圧から、電流変化量算出回路１２により主電流の変化量を算出する。判定回路１３にて、算出した電流変化量の、基準値からの逸脱の有無を比較判定し、その結果を出力回路１４にて出力するものである。

　発明者らの調査から、この電流波形の導通、遮断時の時間当たりの電流変化率は、電力用半導体の温度に依存することが確認された。さらに、この温度依存性は導通、遮断の過程のどの時点かにより変化することを見出した。このため、ある特定の期間を定めて、電流変化率を評価することで、電力用半導体の温度を検知可能なことを見出した。

　例えばMOSゲート制御型の電力用半導体である絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、すなわちＩＧＢＴの場合、電流遮断時の電流変化率の絶対値は、温度上昇によりスイッチング中の電流が増加するために低下する。このため、適当な駆動条件や判定する時間範囲を設定すれば、電流変化率の変動から温度の検出が可能であることを測定で確認できている。

　例えば１Ａ／μｓの電流変化率の変化で、１℃程度の温度差の検知が期待できる。この特性を利用し、適当な条件下でのスイッチング時の電流変化量を評価し、正常時の電流変化率から決定される基準値と比較判定する。この比較判定結果によることで、電力用半導体の異常な温度上昇やその原因となる素子やシステムの劣化を検知、診断することが可能である。なお、上記の数値は一例であり、電流変化率の変化と温度差の関係の値は、素子の種類に依存する。また、判定は、測定した電流変化率を基準値と比較してもよいし、電流変化率を温度差に変換してから基準値と比較してもよい。

　なお、以下ではある一定の期間内の電流変化量から電流変化率を算出する方式を中心に本発明を説明する。言うまでもないがこの電流変化率は、ある所定の電流値から、別の所定の電流値に変化するまでに要する時間を計測し、このときの電流変化量と変化するまでに要する時間から算出しても良い。さらに、後で述べるように診断に用いる電流変化率としては、瞬時値ではなくある期間内の電流変化量とその時間幅から導出することで、ノイズによる影響を避けることが可能となる。

　温度上昇を発生させる劣化の要因としては、実装構造の熱疲労等に起因する冷却系の熱抵抗の増大や、電力用半導体の絶縁劣化によるリーク電流増加、電力用半導体の特性変動、駆動制御回路の経時変化等による電力用半導体の発生損失の増加などが考えられる。本実施例では、電力用半導体の温度上昇を間接的に測定することにより、電力用半導体が使用不能になる以前に、故障の予兆を診断することができる。

　また、電力用半導体の電力容量を増加させるため、複数個の素子を並列接続した場合においても、ある特定の素子が温度上昇すれば、並列接続された素子の全電流の電流変化率の絶対値も低下するため、温度上昇による電流変化率変化で異常を検出することが可能である。このため、本実施例は特に、多並列接続して使用される機会の多いMOSゲート制御型の電力用半導体の診断に適していると考えられる。

　さらに、電流変化率は、電源電圧もしくは素子への印加電圧、出力電流値やその方向で変化するため、基準値との判定精度を向上するために、図１に示すような電圧検知手段１５や電流検知手段１９を設けることが望ましい。また、電力用半導体の温度は周囲温度の影響を受けるため、温度検知手段１６を設け、判定を実施するタイミングや、電流変化率の判定基準値を補正することでより高精度な判定が可能となる。

　なお、電流変化率に比例した電圧を出力する電圧出力回路１０としては、主回路９との磁気結合により電流変化率に比例した電圧を出力するロゴスキーコイルなどを利用出来る。磁気結合を用いた検出方法によれば、主電流が電車用のモーターを駆動するような大電流であっても、簡単な構成で検出することができる。

　図２は本実施例の動作を説明するタイミングチャートである。横軸に時間を示し、図２(a)は駆動指令、図２(b)は電流変化率、図２(c)は出力電流（主電流）の各波形を、電流遮断の動作を例に採って示すものである。

　図２(a)に示すように、駆動指令演算回路7により生成された駆動指令が、電力用半導体３，４の導通であるオン状態から、遮断となるオフ状態に変化すると、ある遅延時間を持って主電流が低下し遮断が開始される。この際に先に述べたように電力用半導体３，４に異常があり、温度が想定される値より高くなった場合では、図２(c)に点線で示すように主電流波形が変化し、図２(b)のように電流変化率はその絶対値が低下する（遮断動作で電流変化率が負であるため、数値としては電流変化率は増加する）。

　電流変化率はスイッチング期間内でも変化するため、図２(b)の期間Ｚ１，Ｚ２のように期間を設定し、それぞれ期間での電流変化率の基準値Ａ、Ｂを設ければ、温度検出をさらに高精度化できる。Ｚ１，Ｚ２の各区間において、図２(c)に示す実線と点線のグラフに見られるように、時間当たりの電流の変化量が異なっている。この現象を検出することで、装置の故障の前兆を診断することができる。

　例えば図２(b)の期間Ｚ２の開始時間を規定するには、図２(a)に示すように駆動指令の導通から遮断への変化点からの時間Ｔ１や、電流遮断開始からの時間Ｔ２で任意に設定すればよい。また、Ｚ２の終了時間は、電流変化率を算出するための電流変化量を計測するために必要な期間の時間幅を確保するように設定すればよい。これらの期間Ｚ１、Ｚ２等の設定は、例えば装置の異常と主電流の変化のパターンのサンプルを集積することにより、統計的に決めることができる。

　なお、言うまでもないが、上記の判定の手法では、スイッチング開始時の電流と、電流変化量とその期間の幅の積から電流値自体も算出できるため、基準値を電流値自体に換算して判定することも可能である。この場合、図２(b)の期間Ｚ２のように電流変化率が複数回変化した後の期間でも、各期間ごとの電流変化量から全期間の合計の電流変化量を算出し、これと遮断開始前の電流値から、電流値を算出して判定することが可能である。

　本発明で異常が検知された場合、正常時の電流変化率からの変化の度合いに応じて適切に制御する事が可能であり、例えば基準値からの逸脱が発生したことの表示や外部への信号出力、電力変換装置の出力電流値の制限や停止、等により装置の異常や劣化を早期かつ高精度に抽出し故障を防ぐことが可能である。なお図２(a)では、期間Ｚ１並びに期間Ｚ２での電流変化率が、正常時からの逸脱が大きいと判定された場合、装置を保護するため、異常検知後の制御指令を出力停止とした場合が点線201で示されている。これに対して、正常時（基準値からの逸脱判定無し）の場合を実践202で示す。

　また本実施例では、基準値からの逸脱が軽微な場合には、出力を完全には停止させず、オンの制御指令の最大時間幅の制限や、制御の指令の時間間隔を広げるよう駆動することもできる。これにより電力用半導体の発生損失を低減させ温度上昇を抑制し、素子の劣化を回避しつつ動作させ、計画外の停止を防止しながら装置を稼動させる事で、装置の延命やこれによる稼動期間の拡大が可能となる。

　またこれらの電流変化率や、診断の判定結果を記録し、異常の発生回数、発生期間の間隔、電流変化率の変動状況を基に、稼動期間の拡大に向け制御条件を調整することが可能である。また、上記記録から、装置の点検、保守の推奨時期を算出し運用に反映することで、より高精度に装置の計画外停止の防止や稼動期間の拡大が可能となる。なお、言うまでもないが同様の電流変化率による判定や診断は電流導通のスイッチング動作時においても可能である。

　図３は本発明の別の実施形態で、電流変化量算出部１７の変化量算出回路１２の詳細な方式を示すものである。この実施例では、電流変化率に比例した電圧出力回路１０の出力が電圧制限回路２７を経由し、積分回路２０に入力され、電流変化率を規定の期間の間積分した電流変化量が出力される。この電流変化量を、判定回路１３で基準値と比較し、診断する。

　積分回路２０は抵抗器２４、演算増幅器２３、コンデンサ２５、双方向スイッチ２６から構成される。双方向スイッチ２６は、積分期間司令部２１の指令によりリセット信号生成部２２で生成される駆動信号で駆動され、積分回路２０の出力電圧をリセットする期間は、オン状態となり、コンデンサ２５を短絡して高速に放電させ、出力を０Ｖにリセットする。

　ここで電圧制限回路２７は積分回路２０への入力電圧が許容電圧を超えないよう、適当な比率で分圧する、電圧出力回路の出力電圧に上限を設ける、もしくはその双方の機能を組み合わせたものである。このような機能により、積分回路２０の破壊を防止し、かつより絶対値の小さな電流変化量を高精度に検出することが可能である。これは例えば図２の期間Ｚ２のような期間で診断する場合、診断精度を向上するには電圧出力回路１０の出力電圧が高いことが望ましいが、その場合その前の期間Ｚ１では電圧出力回路１０の出力電圧はさらに高くなるため、積分回路２０の入力電圧範囲を超過しない、また積分回路が飽和しないよう制限することが出来るからである。

　また、瞬時の電流変化率である電圧出力回路１０の出力をそのまま用いず、積分して電流変化量に換算して判定するのは、スイッチング期間が短く、電圧出力が高速であるため、これに追従して診断判定することが困難であること、並びにスイッチング時のＬＣ共振などによるノイズの影響を積分により排除するためである。このため、スイッチングの速度が低くかつノイズが比較的小さな用途の場合では、より簡便な抵抗と容量によるローパスフィルタのような積分回路構成としても良い。

　本実施例で図２の期間Ｚ２のように電流変化率の絶対値が低い領域で診断する場合、それ以前の期間Ｚ１の積分値に対応するコンデンサ２５の電荷が双方向スイッチ２６により放電され積分回路の出力がリセットされるため、電流変化量の大きな期間Ｚ１での積分回路の飽和が発生しない。そのため、期間Ｚ２の電流変化量のみが積分され出力されるため、電流変化量を高精度に検出可能である。

　なお、期間Ｚ１，Ｚ２双方を高精度に診断するには、電流変化量算出部１７をそれぞれに最適化した電流変化量算出部として別個に設けるなどすればよい。また、診断する期間を設定する方法としては、電圧制限回路２７にスイッチ機能を設け、積分期間指令部２１の指令により、積分する期間以外は電圧制限回路２７の出力を短絡し０Ｖとしても良い。

　図４は、本発明の別の実施形態であり、特に電圧出力回路１０、電流変化量算出回路１２の別の実施形態を示すものである。なお、図４では電力用半導体４の実施例として、複数の電力用ＭＯＳトランジスタ３５，３６，３７を並列接続した素子を用いた主回路の構成例を示している。

　この実施例では、電圧出力回路１０は主回路の１アーム３０の主回路配線のある２点間の電位差を出力する構成である。このとき出力電圧は前記２点間の寄生インダクタンス３１と電流変化率の積となる。寄生インダクタンスを利用しているので、新たに追加の回路を用いることなく、主回路の配線を使用して目的とする電圧変化率に比例した電圧を出力できる。このため、装置の低コスト、小型化、簡素化に適している。

　このような構成の場合、電圧出力回路１０は各アームに設ける必要があるが、電圧を出力する２点を図１に示した主回路コンデンサ８の近傍に設け、同時に駆動指令演算回路７の指令から、スイッチング動作している該当アームを特定して判定を実施すれば、１つの電圧出力回路１０で複数のアームの電力用半導体を診断することが可能である。

　次に、電流変化量算出回路１２では、電圧出力回路１０の出力を入力とし、電圧制限回路２７とフィルタ３２を経由しＡＤ変換回路３３に入力され、電圧のアナログ値を、あるサンプリング周期でデジタル値に変換する。このデジタル値とサンプリング周期から次段の積分演算回路３４にて、積分期間司令部２１の指令に基づいてデジタル演算により該当期間の電流変化量を算出する。このようなデジタル演算で積分する構成とする事で、簡素な構成で積分回路の飽和による電流変化量の誤差を回避でき、高精度に電流変化量を算出可能である。

　図５は本発明の別の実施例で、特に電力変換装置を診断する際に本発明の機能を追加で設ける構成を示すものである。図１との相違点を中心に説明すると、図５の例では、電力変換装置４２に電圧出力回路１０、電圧センサ１５を設け、コネクタ１１、４１を経由して、別体の診断装置４０に信号を入力する。また、制御指令演算回路７から、電流検出手段１９、温度手段１６の信号の値ならびに、駆動指令演算部７の駆動指令信号がコネクタ４３、４４を経由して診断装置４０に信号を入力する構成となっている。ここで、電流検出手段１９、温度手段１６は、電力変換装置で駆動指令演算に使用している回路である。

　このような構成とすることで、既存の製品への最小限の回路の追加で温度異常の診断や保守の時期を推定する機能を付加することが可能となる。さらに、通常の稼動時は診断回路４０を接続せず、定期検査などの際に一時的に診断装置４０を接続して電力変換装置を稼働させ、電流変化量を評価する事で電力変換装置の健全性の確認や診断が可能となる。

　例えば本実施例を鉄道車輌の駆動用の電力変換装置に適用した場合、定期的にメンテナンス時に上記診断装置４０を外部接続して診断すれば良く、電力変換装置の小型化が可能となる。また、この際に記録装置に蓄積されたデータを車両の認識番号と供にデータセンタに定期的に蓄積し、劣化の動向を同様な構成の他の鉄道車輌を含む変換器の母集団と比較する事で、より高精度の診断が可能となる。

　なお、図５では、電動機のＵ相に接続される電力変換装置４２を示しているが、Ｖ相、Ｗ相にも同様の電力変換回路４２が存在する。診断装置４０は、各電力変換回路４２を診断する毎に各電力変換回路４２のコネクタ１１、４３につなぎかえて使用すれば、１つの装置で診断が可能である。

　図6は本発明による電力変換装置の判定方式の実施の形態を示すものである。この例では所定期間内の電流変化量ΔIから、当初の正常な場合の電力用半導体の温度からの温度変化量であるΔTを算出し、その値の含まれる温度変化量の領域Ａから領域Ｄに応じて、稼動条件の設定や警告表示するものである。図6(a)では、電流変化量と電力用半導体の温度の関係は、線形の関係を想定している。

　図6(a)において、領域Ａは正常な場合の電力用半導体の温度（ΔT＝０）に近いため、電力用半導体の劣化がない、もしくは軽微であり、標準的な稼動が可能である領域で、図中の電流変化量がDIminからDImaxまでの範囲にあたる。

　領域Ｂは若干劣化が見られるものの、稼動は可能で、劣化の進展を抑制するため特に高い負荷がかからないよう、電力用半導体の最大電流値を制限することで延命稼動する領域で、図中のDImaxからDIinsの範囲にあたる。この領域では例えば鉄道車両のように複数の電力変換器が稼動する場合には、別の正常な領域Ａで稼動している電力変換装置の出力を許容される範囲で高める等の対応をすることで、システム全体での出力は低減させることなく、当初の性能が維持可能である。

　領域Ｃではさらに劣化が進展し、稼動は可能であるが、システムとしての性能が維持できず、保守点検が必要となる場合が想定される領域で、電流変化量がDIins以上にあたる。この場合も稼動条件を緩和した延命条件で稼動するが、システム全体の性能も制限される状態であるため、保守点検を実施するよう指示する警告と、出力を制限している状況を表示するものである。

　領域Ｄは電力用半導体の温度が当初の正常な場合に対して低くなっている場合で、電流変化量がDImin以下の領域である。この場合、電力用半導体自体の劣化は見られないものの、診断に用いる計測装置や診断回路に異常が発生している可能性があることから、保守点検を実施するよう警告表示するものである。

　このような判定の定義は、システムの適用分野や状況に応じて定め、図6(b)に示すようなデータとして、判定回路１３に記憶しておくことができる。

　図7は、電力変換装置の制御、ならびに表示内容の詳細な実施形態の例を、横軸に時間軸をとって示すグラフ図である。ここでは、電流変化量ΔIと温度変化量ΔTの関係は、図6(a)で示したものを例にして説明する。図7の実施例は、電流変化量の値だけでなく、その値が図6(a)で示した標準稼動する領域Aの範囲を超えた回数も含めて判定する方式を示すものである。

　図7(a)に示すように、電流変化量は稼動中のある特定の条件で測定され、その値がどの範囲に存在するか判定される。判定結果を図7(a)のプロットで示す。

　そして、例えば、図6(a)の領域Aの標準稼動の温度範囲を超えた領域に該当した回数を、図7(b)のように記録する。図7(a)(b)では、最初の標準可動期間（図7(c)参照）の間に、領域Aの標準稼動の温度範囲を５回超えているので、図7(b)では異常判定回数が５回カウントされている。

　可動条件と異常判定回数の組合せに対しては、判定回数条件が設定されている。例えば、「標準稼働時に領域Aの標準稼動の温度範囲を５回超える」という条件が、「判定回数条件＃１」として設定される。また、「緩和稼働時に領域Aの標準稼動の温度範囲を４回超える」という条件が、「判定回数条件＃２」として設定される。また、また、「緩和稼働点検表示時に領域Aの標準稼動の温度範囲を４回超える」という条件が、「判定回数条件＃３」として設定される。

　その判定した回数と領域からこれに対応する判定回数条件を超えた場合、稼働条件を変更する。例えば、図7(c)、図7(d)のように、「判定回数条件＃１」を満たした場合、最大電流をＩｍ２に低下させ、「判定回数条件＃２」を満たした場合、最大電流をＩｍ３に低下させ、判定回数条件＃３」を満たした場合、最大電流をＩｍ４に低下させる。

　このように緩和稼動することで電力用半導体の導通時の最大電流を制限し、更なる劣化を抑制するとともに点検を促すよう警告表示するものである。すなわち、図7(c)では緩和稼働の条件として、導通時の最大電流の値をＩｍ１からＩｍ４に順次小さくすることで、装置への負荷を小さくしている。

　さらに、電流変化量の当初からの変化量が大きく、継続した稼動が困難と判定された場合には、破壊を回避するため稼動を停止し、点検するよう表示してもよい。例えば、図7(a)の右端では、所定期間電流変化がDlinsを超えているため、直ちに稼働を停止するように構成してもよい。

　以上のように、この実施例では、所定の条件で比較判定した結果を記録し、その回数や時間間隔がある条件を満たした場合に、その結果を表示、出力、もしくは、判定結果に応じた電力変換装置の制御を行う。上記の例では、電力変換器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例や、電力用半導体が遮断となるように制御する例を示したが、制御の例はこれに限るものではない。電力用半導体を遮断するには、周知のように、電力用半導体の駆動指令や、電力用半導体に印加される駆動電圧を、一定の期間制御すればよい。

　このような方式とすることで、稼動条件の緩和や点検時期を表示することで、電力変換装置を用いたシステムの計画外の停止や破壊を高精度に防ぐことが可能であり、さらには、低コストでシステム自体の寿命も延長可能な電力変換装置が提供可能となる。

　図8は本発明による電力変換装置を鉄道車両に搭載する場合の実施形態を示すものである。鉄道車両50の車上制御装置52から車上通信手段53により電力変換装置54、55が制御されており、これらの電力変換装置の出力により電動機56、57、58、59、62、63、64、65が駆動されている。

　電力変換装置54,55の構成は、図1の電力変換装置１のような構成とすることができる。

　図8では、車上制御装置52には車上アンテナ60が設けられ車輌外の地上診断装置70と通信する構成となっている。また、車上制御装置52には車上表示装置61が接続され、警告や稼働状況を表示可能となっている。地上診断装置70には地上アンテナ71と地上通信手段72が設けられ、演算装置73と表示端末74、記憶装置75、診断手段76、稼動条件判定手段77、出力指示手段78が設けられている。

　この構成では、例えば図7に示した所定期間の電流変化量やそれに対応する温度変化量の範囲に相当する情報を定期的に車上アンテナ61から、地上診断装置70に送信する。具体的には、例えば、図１の判定回路13の出力を車上アンテナ61から送信する。あるいは、図１の電圧検知回路15、温度検知回路16、電流変化量算出回路17、電流検知回路19の出力を車上アンテナ61から送信してもよい。この場合は、地上診断装置70側に判定回路13の機能を備えるものとする。あるいは、図5の端子11,43の出力信号を車上アンテナ61から送信してもよい。この場合は、地上診断装置70側に電流変化算出回路12、判定回路13の機能を備えるものとする。このように、車上側と地上側で診断機能を分離することができる。なお、車上側と地上側の交信方法は、無線でも有線でもよい。

　車上アンテナ61からの情報を、演算装置73を経由して記憶装置75に記憶し、その情報に基づいて診断手段76にて電力変換装置54、55の劣化を定量化し、電力変換装置54、55のそれぞれの状態から個々の電力変換装置ならびに鉄道車両全体としての稼動条件を稼動条件判定手段77にて決定する。例えば、電力変換装置54を延命稼動しその不足分の出力を電力変換装置55の出力を上昇させ補う稼動制御方法が考えられる。

　また、その結果は出力指示手段78を介して、地上の表示端末やメールとして関連部署に送信されるとともに、鉄道車輌側にも通信手段を介して送信され、その情報に基づいて車上制御装置52にて稼動条件を調整し稼動状態に反映するものである。

　ここで、前記通信の時期や頻度としては、たとえば地上診断装置70を車輌基地などに設置して定期的な保守点検などの際に通信し、診断と必要に応じ稼動条件の調整や保守を実施することなどが考えられる。あるいは、リアルタイムで監視診断することも可能である。

　また、地上診断装置70の記憶装置、診断手段、判定手段の部分を個別の車輌基地に分割せず、一体に統合したデータセンターに配置し、類似する型式の電力変換装置の情報を収集出来るようにすれば、診断する対象件数が増加するため、これまで述べた方式に加え、統計的な手法による判定基準値の高精度化も可能となる。このように、地上診断装置70は単体のコンピュータで構成してもよいし、あるいは、任意の部分が、ネットワークで接続された他のコンピュータで構成され、作業を分担してもよい。

　図９は本発明による電力変換装置の表示内容の実施形態を示すものである。図8の例であれば車上表示装置61や地上の表示端末74で出力される表示内容に相当する。表示端末はキーボード等の入力装置を備えており、診断における各種の設定を可能としている。

　表示内容の例としては図９（a）に示すような判定結果に基づく、運転状況と保守点検状況をまず表示する。「点検対象」ボタンの選択により、詳細の点検対象を階層サブメニューとして図９（ｂ）のように表示する。

　図９（ｂ）では、変換器54、55から点検対象を選択して指定する。選択した変換器の機器コードは自動的に表示される。点検対象から特定の対象を選択すると、階層メニューで図９（ｃ）のように点検内容が表示され、その手順に関して情報を提供する。点検内容としえては、例えば、装置の中の電力用半導体を特定する。なお、点検手順に基づいて点検した結果についても図９（d）のように「設定値変更」から設定値を入力することができ、診断や稼動条件の判定に反映されるものである。　図１０は、本発明の実施形態において、電流変化率の測定条件、判定条件、判定を満たした場合の稼働制御の設定の例である。図９と同様に表示される。表示タイミングとしては、上述のように、点検時でもよいし、任意のタイミングで設定することもできる。

　図１０(a)は、電流遮断時の測定条件の設定画面例であり、診断対象の装置ごとに設定できる。図１０(a)の例では、図２に示した、期間Ｚ１，Ｚ２を設定する。このとき同時に図２のような参考画像を表示してもよい。このように、測定する時間を限定すると、診断に意味のあるタイミングを指定することにより、データを記録する量を圧縮したり、判定を容易にしたりすることができる。

　図１０(b)は、電流遮断時の期間Ｚ１の判定条件と、判定を満たした場合の稼働制御の設定の例である。例えば、図２に示した期間Ｚ１，Ｚ２における電流変化量から温度変化量を算出し、温度変化量に対して制御の内容を定める。例えば、図６の温度変化領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ等の範囲を設定する。図６では温度変化量ΔTで定義しているが、基準温度を例えば室温にとれば、温度そのものを入力することもできる。また、同じあるいは別画面で、当該領域における稼働制御の内容（モード）を設定することもできる。このとき、同時に図6、図7のような図を参考に表示してもよい。

　図９、図１０で入力した条件を設定するデータは、判定回路13や地上診断装置70の記憶装置に記憶しておくことができる。

　以上、本実施例による電力用半導体の電流変化量に基づく異常や劣化の診断、保護や劣化の進展を緩和し長期間の稼動を可能とする制御手法について説明したが、言うまでもないが、同様の電力用半導体の温度異常を生じる電力用半導体以外で生じる電力変換装置の各部の劣化や異常に関しても、同様の方法で診断や保護が可能である。これらの異常の例としては、冷却装置の性能劣化や通信回路の信号劣化、ゲートドライバの駆動波形異常などが挙げられる。

　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。

　各種の電力用半導体等の保守点検分野に利用が可能である。

１、４２　電力変換装置
２　電動機
３、４　ＩＧＢＴ
５、６　ゲートドライバ回路
７　駆動制御回路
８　主回路コンデンサ
９　主回路
１０　電圧出力回路
１１、４１、４３　コネクタ
１２　電流変化量算出回路
１３　判定回路
１４　出力回路
１５　電圧検知手段
１６　温度検知手段
１７　電流変化量算出部
１８　診断部
１９　電流検知手段
２０　積分回路
２１　積分期間司令部
２２　リセット信号生成部
２３　演算増幅器
２４　抵抗器
２５　コンデンサ
２６　双方向スイッチ
２７　電圧制限回路
３０　主回路の１アーム
３１　主回路の寄生インダクタンス
３２　フィルタ回路
３３　ＡＤ変換回路
３４　積分演算回路
３５，３６，３７　ＭＯＳトランジスタ
４０　診断装置
５０　鉄道車両
５１　車輌
５２　車上制御装置
５３　車上通信手段
５４　、５５　電力変換装置
５６、５７、５８、５９、６２、６３、６４、６５　電動機
６０　車上アンテナ
６１　車上表示装置
７０　地上診断装置
７１　地上アンテナ
７２　送受信部
７３　演算装置
７４　表示端末
７５　記憶装置
７６　診断手段
７７　稼動条件判定手段
７８　出力指示手段

Claims (15)

1. 　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って、
   　前記主電流の時間当たりの電流変化量を反映した数値データを取得する、電流変化量算出回路と、
   　前記数値データを基準値と比較して前記電力変換装置の状態を判定する判定回路と、
   　前記判定回路の判定結果を出力する出力回路と、
   　を備える電力変換装置の診断システム。
2. 　前記数値データを取得する期間および前記基準値の少なくとも一つが設定可能である、
   　請求項１記載の電力変換装置の診断システム。
3. 　前記電流変化量算出回路は、
   　前記数値データを取得する期間中、時間当たりの電流変化量を積分して前記数値データを得る、
   　請求項２記載の電力変換装置の診断システム。
4. 　前記電流変化量算出回路は、
   　前記電力変換装置と一体構成か、あるいは、有線接続、無線接続、および端子による分離可能な接続の少なくとも一つで接続され、
   　前記判定回路は、
   　前記電流変化量算出回路と一体構成か、あるいは、有線接続、無線接続、および端子による分離可能な接続の少なくとも一つで接続され、
   　前記出力回路は、
   　前記判定回路と一体構成か、あるいは、有線接続、無線接続、および端子による分離可能な接続の少なくとも一つで接続されている、
   　請求項１記載の電力変換装置の診断システム。
5. 　電力変換装置において、電力用半導体により構成される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期間中の所定期間の電流変化量、もしくは所定の電流変化量を遷移するために要する時間を算出する電流変化量算出部を備え、
   　前記電流変化量もしくは遷移に要する時間の基準値からの逸脱の有無を比較判定し、
   　その判定結果の表示、出力、および、前記判定結果に応じた前記電力用半導体であるスイッチ素子の動作条件制御の少なくとも一つを行うことを特徴とする電力変換装置。
6. 　請求項５の電力変換装置において、
   　前記基準値の範囲からの逸脱の比較判定を実施する条件は、前記電力変換装置の出力電流値、前記電力用半導体に流れる出力電流の方向、前記電力用半導体の出力端子間電圧、電源電圧、電力変換装置内の温度の少なくとも一つ、もしくはこれらを組み合わせた特定の条件であることを特徴とする電力変換装置。
7. 　請求項５の電力変換装置において、
   　前記スイッチ素子の動作条件制御として、前記スイッチ素子の導通時の最大電流の値の制限値を設け、あるいは、前記スイッチ素子に印加される駆動電圧を一定の期間、前記スイッチ素子が遮断となるように変化させることを特徴とする電力変換装置。
8. 　請求項５の電力変換装置において、
   　前記比較判定した結果を記録し、所定条件を満たす結果の回数および時間間隔の少なくとも一つがある条件を満たした場合に、その結果を表示、出力、および、判定結果に応じた前記スイッチ素子の動作条件制御の少なくとも一つを行うことを特徴とする電力変換装置。
9. 　請求項５の電力変換装置において、
   　前記比較判定した結果により、前記スイッチ素子の導通指令の時間幅を減ずる、および、導通指令の時間間隔を増加させることの少なくとも一つを行うことを特徴とする電力変換装置。
10. 　前記請求項５の電力変換装置において、
    　前記電流変化量算出部が、
    　前記主電流の単位時間当たりの電流変化率に比例もしくはある関数で電流変化率に対応する電圧値を出力する電圧出力回路を備え、その出力を前記スイッチング動作期間中における所定の期間積分した結果から、電流変化量を算出することを特徴とする電力変換装置。
11. 　請求項１０の電力変換装置において、
    　前記主電流の単位時間当たりの電流変化率に応じた電圧を出力する電圧出力回路が、
    　前記主回路の配線に磁気結合した回路であることを特徴とする電力変換装置。
12. 　請求項１０の電力変換装置において、
    　前記主電流の単位時間当たりの電流変化率に応じた電圧を出力する電圧出力回路が、
    　前記主回路の配線中の少なくとも２点の電圧を出力し、その出力電圧の差電圧を出力する回路であることを特徴とする電力変換装置。
13. 　請求項１０の電力変換装置において、
    　前記電流変化率に比例もしくはある関数で電流変化率に対応する電圧値を入力とし、これを積分する抵抗、コンデンサ、演算増幅器による積分回路と、ある特定の期間に前記積分回路のコンデンサの電荷を放電してリセットする回路を有し、前記スイッチング動作期間中における所定期間において、リセットを解除することを特徴とする電力変換装置。
14. 　請求項５の電力変換装置において、
    　前記電流変化率に応じた電圧出力のアナログ値を、周期的にデジタル値に変換して記録し、このデジタル値のある特定の期間分を加算した値と、その記録の周期からデジタル演算により前記電流変化量を算出することを特徴とする電力変換装置。
15. 　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って、
    　前記主電流の時間当たりの電流変化量を検出する第１のステップと、
    　前記電流変化量をデジタルまたはアナログ回路で所定の期間積分する第２のステップと、
    　前記積分結果に基づいて前記電力変換装置の状態を判定する第３のステップと、
    　を備える電力変換装置の診断方法。

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