WO2018193712A1 - 電力変換装置、その診断システム、診断方法、及びそれを用いた電動機制御システム - Google Patents

電力変換装置、その診断システム、診断方法、及びそれを用いた電動機制御システム Download PDF

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power
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power conversion
temperature
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木村　嘉伸
順一 坂野
安井　感
宏行 松島
古田　太
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株式会社日立製作所
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/539—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters with automatic control of output wave form or frequency
    • H02M7/5395—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters with automatic control of output wave form or frequency by pulse-width modulation

Definitions

  • the present invention relates to a power conversion device, and in particular, relates to a maintenance or diagnostic technique for a power conversion device including a power semiconductor switching element.
  • Tj also called the junction temperature
  • a rating for example, 150 ° C. in the case of a Si semiconductor element
  • a technique for monitoring the state of the power converter by a simple method a technique for measuring the junction temperature during system operation is desired.
  • a method of incorporating a temperature sensor as an element into the semiconductor module but there are many problems because the element processing is costly and the response speed and reliability of the temperature sensor are required. For this reason, a technique for estimating a junction temperature using a thermal circuit model of a semiconductor element and temperature dependency of electrical characteristics is known.
  • Patent Document 1 is an example of a method for estimating the junction temperature from the temperature dependence of the switching characteristics of the semiconductor element.
  • the junction temperature of an IGBT element is determined by detecting the start and end stage time delays of the mirror plateau stage in the gate-emitter voltage characteristics during the switch-off stage of an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) element.
  • a method for detecting aging when a continuous increase in average junction temperature is recorded is disclosed.
  • Patent Document 1 it is necessary to provide a dedicated circuit for waveform change detection (two-point measurement during switching) in the high voltage (strong electric) portion, and consideration is not given to the point of application to an existing apparatus.
  • waveform change detection two-point measurement during switching
  • high voltage strong electric
  • the present invention provides a power conversion device having a plurality of power semiconductor modules, and a power conversion device capable of detecting an abnormality or damage of the power conversion device with a simple configuration without providing a temperature sensor, and its diagnosis.
  • An object is to provide a system, a diagnostic method, and an electric motor control system using the system.
  • the present invention is a power conversion device including a power semiconductor module having a switching element, which drives the switching element and provides feedback when the switching element is switched.
  • a gate drive circuit that transmits a signal, a control unit that outputs a PWM command signal for switching to the gate drive circuit, a temperature detection unit that calculates a junction temperature of the switching element based on the PWM command signal and the feedback signal, and a temperature
  • An arithmetic processing unit that analyzes the state of the power semiconductor module in accordance with the junction temperature calculated by the detection unit and the PWM command signal.
  • the present invention it is possible to provide a power conversion device, a diagnosis system, a diagnosis method, and an electric motor control system using the power conversion device that can detect an abnormality or damage of the power conversion device with high accuracy with a simple configuration. .
  • FIG. 1 is an overall block configuration diagram of a diagnostic system for a power conversion device in Embodiment 1.
  • FIG. It is a figure which shows a part of cross-sectional structure of the semiconductor module for electric power in Example 1.
  • FIG. It is a system block diagram at the time of applying the diagnostic system in Example 1 to a railway.
  • FIG. 6 is a flowchart for obtaining a bonding temperature in Example 2. It is a figure which shows the gate-emitter voltage waveform and feedback signal of the semiconductor module for electric power of the switch on in Example 2.
  • FIG. It is a figure which shows the gate-emitter voltage waveform and feedback signal of the semiconductor module for electric power of the switch-off in Example 2.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a GUI according to a third embodiment.
  • This example describes the overall configuration of the power conversion apparatus diagnosis system.
  • FIG. 1 is a block diagram of the entire system in this embodiment.
  • this system mainly includes a power conversion device 1, a three-phase motor 2 driven by the power conversion device 1 as a load, a graphical user interface (GUI) 9 for monitoring the states of the power conversion device 1 and the motor 2. It is configured.
  • the power converter 1 includes a control device 7. Between the power converter 1 and the electric motor 2, current sensors 8a and 8b for measuring a phase current supplied to the electric motor 2 are provided.
  • the power converter 1 is a device that controls the electric motor 2 by converting the DC voltage source 6 into a three-phase AC voltage.
  • the power conversion apparatus 1 includes a smoothing capacitor 5, a plurality of power semiconductor modules 3a to 3f, gate drive circuits 4a to 4f, and a control device 7.
  • the gate drive circuits 4a to 4f and the control device 7 are insulated by an insulating element 10 (an optical coupling element, a magnetic coupling element, an electrostatic coupling element, or the like).
  • the gate drive circuits 4a to 4f are arranged outside the power semiconductor modules 3a to 3f, but may be built in the power semiconductor modules 3a to 3f.
  • transistors such as IGBTs (insulated gate bipolar transistors) and diodes (PN diodes, Schottky barrier diodes, etc.) are connected in antiparallel.
  • IGBTs insulated gate bipolar transistors
  • PN diodes PN diodes, Schottky barrier diodes, etc.
  • the power semiconductor modules 3a to 3f are provided with an emitter terminal, a collector terminal, and a gate terminal.
  • IGBTs are used for the power semiconductor modules 3a to 3f.
  • MOS FETs when MOS FETs are used, the emitter terminal may be read as the source terminal and the collector terminal may be read as the drain terminal.
  • FIG. 2 shows a part of the cross-sectional structure of the power semiconductor module.
  • a semiconductor chip 31 is connected to a metal wiring 33 patterned on an insulating substrate 34 by solder 32 and a bond wire 30.
  • the insulating substrate 34 is connected to the metal base 36 with solder 35, and a cooler 38 is attached to the back surface of the metal base 36 using thermal grease 37.
  • the semiconductor chip 31 generates heat during operation, but the cooler 38 and the like are thermally designed so that the junction temperature is within the rating. However, from the viewpoint of long-term reliability, wear deterioration cannot be avoided.
  • the control device 7 includes a command feedback transmission / reception unit 11, a temperature detection unit 12, a control unit 13, a current detection unit 14, a parameter calculation unit 15, and a logic unit 16.
  • the command feedback transmission / reception unit 11 sends a PWM (pulse width modulation) command signal from the control unit 13 to the gate drive circuits 4a to 4f.
  • the gate drive circuits 4a to 4f switch the power semiconductor modules 3a to 3f based on the PWM command signal.
  • the gate drive circuits 4a to 4f have a switch-on reference voltage and a switch-off reference voltage set in advance, and transmit a feedback signal to the command feedback transmission / reception unit 11 by comparing the voltage between the gate and the emitter during the switching operation. .
  • the temperature detector 12 calculates a signal delay amount and a junction temperature based on the command signal and the feedback signal, and sends a signal to the controller 13 and the parameter calculator 15.
  • the parameter calculation unit 15 converts the time series data of the junction temperature into a temperature amplitude frequency distribution, which will be described later, calculates the degree of damage and remaining life of the power semiconductor modules 3a to 3f, and outputs the result to the power conversion device display unit 17. send. In addition, it is displayed on the GUI 9 outside the power converter.
  • the user can input an operation command for the power conversion device 1 based on the parameter calculation unit 15 and the environmental information acquisition unit 18 (weather data, load data, etc.), and the input data is sent to the logic unit 16. It is done.
  • the logic unit 16 limits the value of the maximum current when the switching element of the power semiconductor module is turned on based on the data of the GUI 9, the parameter calculation unit 15, weather information (not shown), and load information (not shown).
  • a relaxation drive command for performing a relaxation operation for providing a value is sent to the control unit 13.
  • the control unit 13 preferentially performs relaxation control.
  • the phase current value of the electric motor is sent from the current detection unit 14 to the logic unit 16.
  • the logic unit 16 sends a signal to the control unit 13 based on the temperature information to instruct relaxation operation.
  • the control unit 13 performs relaxation driving by the gate drive circuits 4a to 4f, and performs feedback control based on the result of the current detection unit 14.
  • the relaxation drive result is sent to the GUI 9.
  • the relaxation driving can be instructed by the user from the GUI 9.
  • instructions for cooling system maintenance and semiconductor module replacement are displayed on the GUI 9.
  • the inventors investigated the correlation between the PWM command signal output from the control device 7 of the power converter and the feedback signal output from the gate drive circuit when the semiconductor element is switched on or off, and the junction temperature dependence is investigated.
  • the delay amount of the feedback signal with respect to the switch-off command signal is proportional to the element temperature.
  • the command signal and the feedback signal are acquired on the low voltage (weak power) side via an insulating element such as a photocoupler, and the element temperature acquisition unit can be provided with a simple configuration.
  • the junction temperature can be estimated by measuring the delay amount based on the switch-on of the command signal and the feedback signal in the switch-on and switch-off single pulse waveforms.
  • the inventors have focused on monitoring damage imbalance of individual semiconductor elements in the power conversion device. This is because it is extremely rare for multiple semiconductor elements to fail at the same time, and it is common for one to break first.
  • the present embodiment is based on the above discovery and attention, and one aspect of the present embodiment relates to a diagnostic system for a power conversion device that includes a semiconductor device and performs a switching operation for conducting and cutting off a main current flowing through a main circuit.
  • This system includes a temperature detector capable of measuring temperature based on the delay time of the feedback signal from the switch-off command time of the transistor, and analyzes the state of the semiconductor module based on the temperature detection result and the switch-off command signal.
  • a control system that operates in a relaxed manner, an abnormal module display, a display unit that warns the module lifetime, and a user interface unit that includes a GUI are provided.
  • the temperature detection unit is provided with a switch abnormality detection circuit for comparing the PWM command signal and the feedback signal, and a temperature measurement circuit based on the delay amount of the switch-off feedback signal.
  • a memory circuit that accumulates time-series data of the switch-off command signal and the temperature measurement value is provided.
  • the arithmetic processing unit includes a circuit that counts the amplitude of the time-series data of the temperature accumulated in the buffer unit and converts it into a temperature amplitude frequency.
  • the user interface unit includes a display device that indicates the degree of damage or remaining life of individual semiconductor elements based on the temperature amplitude frequency.
  • the temperature detection unit is connected to either the power converter device or a separable connection by wire, wireless, or terminal.
  • the user interface unit is connected to either the temperature detection unit or a connection that can be separated by wire, wireless, and a terminal.
  • the degree of freedom of configuration is high, for example, it is possible to diagnose a power conversion device mounted on a train or the like, which will be described later, using a remote monitoring system.
  • another aspect of the present embodiment is a method for diagnosing a power conversion device that includes a semiconductor switching element and performs a switching operation for conducting and blocking a main current.
  • the first step of detecting the switch-off delay time of the feedback signal based on the PWM command signal, the second step of acquiring the junction temperature based on the delay time, and the temperature of the element temperature time-series data And a third step of frequency-converting the amplitude and determining the damaged state and remaining life of the semiconductor element.
  • a feedback signal generation circuit built in the gate drive circuit generates a switch-on and switch-off feedback signal by a comparator set with a suitable switch-on reference voltage and switch-off reference voltage. generate.
  • the feedback signal generated in the high voltage system is transferred to the low voltage system by the photocoupler and then acquires the switch-off delay amount.
  • the pattern of the PWM command signal varies depending on the load of the power converter, and therefore the switch-off delay amount corresponding to the PWM command pattern is also acquired.
  • the junction temperature is acquired by calculating the data set of the switch-off delay amount corresponding to the pattern of the PWM command signal.
  • the element temperature may be calculated every time the switch is turned off or an average value.
  • the damage state and the remaining life are displayed.
  • the power converter can be controlled based on the diagnosis result.
  • a specific example of the operating condition control is as follows: a relaxation operation that provides a limit value of the maximum current value when the switching element of the power converter is turned on, a suitable PWM command from a data set of PWM command signal and element temperature For example, optimization for generating a signal.
  • an insulated gate bipolar transistor (IGBT), a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET), or the like can be used as a power semiconductor element.
  • the semiconductor material silicon (Si), silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN), or the like can be used.
  • As the switching element a large-capacity semiconductor module in which small-capacity semiconductor chips are connected in parallel can be used.
  • FIG. 3 is a system block diagram when the diagnostic system in this embodiment is applied to a railway.
  • 20 is a railway vehicle
  • 21 is a vehicle information integration system
  • 22 is a central monitoring device
  • 23 is the Internet
  • 24 is a wireless route
  • 25 is an antenna
  • 1 is a power converter
  • M is an electric motor
  • 18 is environmental information acquisition. Part.
  • the power conversion device display unit 17 can notify the maintenance worker by installing the power conversion device display unit 17 outside the power conversion device 1 (eg, VVVF inverter) at the lower part of the railway vehicle 20. Further, since the location of the abnormal semiconductor module can be recognized on the spot, maintenance work efficiency is improved. In addition to the semiconductor module, a warning that prompts the cleaning of the cooler 38 can be issued on the power conversion device display unit 17.
  • the GUI 9 can also be included in the vehicle information integration system 21.
  • the vehicle information integration system 21 is a system that monitors air conditioning, doors, lighting, and the like in the vehicle, and is installed in the driver's seat. It is also possible to transmit information on the GUI 9 to the central monitoring device 22 via the Internet 23 which is a network through the wireless path 24 by the vehicle antenna 25.
  • a more efficient maintenance plan can be formulated.
  • the maintenance cost can be reduced by improving the efficiency of arranging the members.
  • a method can be provided that can be used. Also, without processing the power semiconductor element, obtain the junction temperature and the remaining life of each power semiconductor element in the power converter, feed back the measurement results to the motor control, and extend the life of the power module, A system can be provided that warns of part replacement.
  • the temperature detection unit will be described.
  • FIG. 4 is a flowchart for obtaining the junction temperature in this embodiment.
  • the number L of measurement points to be acquired is input.
  • the number of measurement points can be input from the GUI 9. Further, it can be automatically input by the logic unit 16.
  • L is calculated from the measurement time and the carrier frequency of the power converter. For example, when the carrier frequency is 1 kHz, the number of data points for one day is about 86 ⁇ 10 6 . If the amount of data is large, L may be divided, and after acquiring temperature amplitude frequency data, which will be described later, the acquired data may be deleted and the data acquisition may be repeated.
  • step S42 the command feedback transmission / reception unit 11 acquires a PWM command signal.
  • the PWM command signal is transmitted to the gate drive circuits 4a to 4f to drive the power semiconductor modules 3a to 3f.
  • step S43 feedback signals are output from the gate drive circuits 4a to 4f and acquired by the command feedback transmission / reception unit 11.
  • step S44 the temperature detection unit 12 compares the command signal and the feedback signal to confirm switch on and switch off. If there is a switch failure, the process returns to step S42. If the switch operation is normal, the switch-off delay amount with respect to the command signal is acquired in step S45, and the measurement number counter is incremented.
  • step S46 the junction temperature is calculated from the switch-off delay amount.
  • the acquired bonding temperature is temporarily accumulated in step S47.
  • step S48 the above junction temperature acquisition is repeated up to the number L of measurement points.
  • FIG. 5 shows an example of the gate-emitter voltage 52 and the feedback signal 54 of the switch-on power semiconductor module.
  • the feedback signal 54 is acquired by the command feedback transmission / reception unit 11.
  • the switch-on reference voltage 53 (8 V in this embodiment) set in advance and the gate-emitter voltage 52 are compared by a comparator, and when the gate-emitter voltage 52 exceeds the switch-on reference voltage 53, a trigger signal is generated. And a feedback signal 54 is output.
  • FIG. 6 is an example of the gate-emitter voltage 62 and the switch-off feedback signal 64 of the power semiconductor module that is switched off.
  • the switch-off feedback signal 64 is acquired by the command feedback transmission / reception unit 11.
  • the preset switch-off reference voltage 63 (-5 V in this embodiment) and the gate-emitter voltage 62 are compared by a comparator, and the trigger is triggered when the gate-emitter voltage 62 becomes lower than the switch-off reference voltage 63. Signal is generated and a switch-off feedback signal 64 is output.
  • FIG. 7 is a diagram showing a PWM command signal and a feedback signal acquired by the command feedback transmission / reception unit 11.
  • 71 is a switch-on command
  • 72 is a switch-off command
  • 73 is a switch-on feedback
  • 74 is a switch-off feedback.
  • the circuit delay causes a switch-on feedback delay ( ⁇ t_on) 75 and a switch-off feedback delay ( ⁇ t_off) 76. Therefore, if the time is shifted by the circuit delay amount, it can be confirmed that the command signal corresponds to the feedback signal.
  • FIG. 8 is a diagram showing that the power semiconductor module did not switch according to the command signal due to the influence of noise or the like.
  • the feedback signal 83 may be obtained.
  • a switch-on failure occurs in the switch-on command 82, a feedback signal 84 (no signal) may be generated. Therefore, in this embodiment, when the switch is defective, the junction temperature information cannot be obtained from the feedback signal, and is excluded.
  • the delay amount ( ⁇ t_off) of the switch-off feedback signal increases.
  • the feedback delay amount increases evenly with the temperature rise of the gate drive circuit. In order to eliminate the temperature effect of the circuit part, the switch-off delay is measured with reference to the switch-on feedback signal of the corresponding pulse.
  • FIG. 9 shows the junction temperature dependence of the switch-off signal based on the switch-on reference in the switch-on / off pulse.
  • the feedback signal 91 has a junction temperature of 50 ° C.
  • the feedback signal 92 has a junction temperature of 150 ° C.
  • the junction temperature sensitivity of the delay amount is measured by setting a threshold value 93, for example.
  • FIG. 10 shows an example of the junction temperature sensitivity of the delay amount.
  • the amount of delay is proportional to the junction temperature, and the sensitivity is 1.6 ns / ° C.
  • the junction temperature difference can be determined from the delay amount ⁇ t.
  • the junction temperature can be acquired based on the room temperature before operation.
  • the temperature detection unit converts the feedback signal into a digital signal by an AD converter.
  • the sampling rate of the AD converter is desirably 1 Gbps or more.
  • the temperature acquisition unit is on the low voltage (low power) side, it can be configured with a standard circuit.
  • the junction temperature converted into the digital signal is accumulated in step S47 of FIG. 4 and transferred to the parameter calculation unit 15, and the element damage degree and the remaining life of each of the power semiconductor modules 3a to 3f are estimated.
  • the junction temperature and the remaining life of each power semiconductor element in the power converter are acquired, the measurement result is fed back to the motor control, and the life extension of the power module is performed.
  • a system can be provided that warns of replacement.
  • This embodiment will explain the damage degree and remaining life estimation method of the power semiconductor module.
  • the parameter calculation unit 15 shown in FIG. 1 estimates the damage degree and the remaining life of the power semiconductor module by calculation using the PWM command signal and the time series data of the junction temperature.
  • FIG. 11 is a diagram showing time-series data in this embodiment, FIG. 11A shows a PWM command signal, and FIG. 11B shows a chip junction temperature.
  • the PWM command signal 101 has a large duty ratio, and the PWM command signal 102 has a small duty ratio.
  • the junction temperature time series data 107 includes, for example, a maximum value 103 and a minimum value 104, and the duty ratio changes in a vibrational manner.
  • One of the focus points of this embodiment is to detect an imbalance of damage of a plurality of power semiconductor modules in the power converter and prevent a system failure beforehand.
  • FIG. In the thermal cycle of the junction temperature shown, the frequency distribution of the thermal cycle of the junction temperature is acquired. As a method for converting a thermal cycle into a frequency, for example, there is a rain flow algorithm.
  • FIG. 12 shows an example of the temperature amplitude frequency obtained by converting the time series data of the junction temperature into a histogram.
  • the temperature amplitude ⁇ T on the horizontal axis is set in increments of 5 ° C., for example.
  • the vertical axis is a logarithmic display with the number of cycles.
  • the thermal cycle rating 110 uses a power cycle test result provided at the time of shipment of the power semiconductor module.
  • Ni is the maximum number of cycles at the temperature Ti
  • ni is the number of cycles obtained by the parameter calculator 15 at the temperature Ti.
  • FIG. 13 shows a specific example of GUI9.
  • the average junction temperature and the maximum junction temperature of each power semiconductor module can be displayed on the temperature display unit 121, and the damage degree 123 can be displayed on the life display unit 122.
  • weather data, operation data, and the like are acquired from the environment information acquisition unit 18, a relaxation command is generated by the logic unit 16 based on the command signal, the junction temperature, and the degree of damage, and a relaxation control PWM command signal is output by the control unit 13.
  • GUI9 can also be included in a vehicle information integration system. Moreover, if it is included in the central monitoring system, it is possible to monitor a plurality of vehicles and to optimize the maintenance plan.
  • the current change rate of the power semiconductor is detected and compared with the reference value, so that the abnormality and damage of the power semiconductor and the power converter related thereto can be accurately detected. It is possible to provide a power conversion device that can detect and prevent failures such as failures with high accuracy and can be used for a long period of time.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications.
  • a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment.

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Abstract

複数の電力用半導体モジュールを有する電力変換装置において、温度センサを設けることなく、安価で動作時にスイッチング素子の温度を検出して、電力変換装置の状態を診断、制御することを目的とする。　上記目的を達成するために、スイッチング素子を有する電力用半導体モジュールを備える電力変換装置であって、スイッチング素子を駆動し、スイッチング素子のスイッチング動作時によるフィードバック信号を送信するゲート駆動回路と、ゲート駆動回路にスイッチするためのＰＷＭ指令信号を出力する制御部と、ＰＷＭ指令信号とフィードバック信号に基づいてスイッチング素子の接合温度を算出する温度検出部と、温度検出部によって算出した接合温度とＰＷＭ指令信号に応じて電力用半導体モジュールの状態を解析する演算処理部とを備える。

Description

電力変換装置、その診断システム、診断方法、及びそれを用いた電動機制御システム
　本発明は、電力変換装置に関し、特に、電力用半導体スイッチング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、大容量の電力用半導体素子を用いて、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する可能性がある。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。
　電力変換装置の故障要因として、半導体素子の過熱がある。半導体チップの接合温度Ｔｊ（ジャンクション温度とも呼ばれる）が定格以上（例えばＳｉ半導体素子の場合１５０℃）になると破壊する。このため、電力変換装置には放熱設計が施されている。
　しかしながら、半導体素子の内部には、半導体チップと熱膨張係数の異なった材料が積層されており、稼働中の熱歪によりはんだ等の材料が経年劣化することは避けられない。よって、電力変換装置を定格内で稼働していても、半導体素子の熱インピーダンスは経時的に上昇し、放熱不良によって半導体素子が過熱してしまうことがある。また、電力用半導体素子を装置から取り外すことの手間や検査コストの事情により、通常の保全作業では、電力用半導体素子そのものを点検することは極めて少なく、不具合や故障が生じた場合に処置する。
　それために、簡便な方法で電力変換装置を状態監視する技術として、システム稼働中に接合温度を測定する技術が望まれている。半導体モジュール内部に素子として温度センサを取り込む方法があるが、素子加工にコストがかかり、また温度センサの応答速度や信頼性が要求されるため課題が多い。このため、半導体素子の熱回路モデルや電気特性の温度依存性を利用して接合温度を推定する技術が知られている。
　例えば、半導体素子のスイッチング特性の温度依存性から接合温度を推定する方法の例とし、特許文献１がある。特許文献１では、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）素子のスイッチオフ段階中のゲート―エミッタ電圧特性における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素子の接合温度を決定し、平均接合温度の持続的な上昇が記録された場合に、老朽化を検出する方法が開示されている。
特開２０１３－１４２７０４号公報
　特許文献１では、高電圧（強電）部に波形変化検知（スイッチング中に２点測定）のための専用回路を設ける必要があり、既存の装置に適用する点について考慮されていない。また、半導体素子の寿命を予測するための長期間のデータ蓄積および解析を行う必要があり、寿命を予測するためには、老朽化が認められるまで、すなわち、平均接合温度上昇が認められるまでデータを継続的に取得するためにコストが必要であり、その点について考慮されていない。
　そこで、本発明は、複数の電力用半導体モジュールを有する電力変換装置において、温度センサを設けることなく、簡単な構成で電力変換装置の異常や損傷を高精度に検出できる、電力変換装置、その診断システム、診断方法、及びそれを用いた電動機制御システムを提供することを目的とする。
　本発明は、上記背景技術及び課題に鑑み、その一例を挙げるならば、スイッチング素子を有する電力用半導体モジュールを備える電力変換装置であって、スイッチング素子を駆動し、スイッチング素子のスイッチング動作時によるフィードバック信号を送信するゲート駆動回路と、ゲート駆動回路にスイッチするためのＰＷＭ指令信号を出力する制御部と、ＰＷＭ指令信号とフィードバック信号に基づいてスイッチング素子の接合温度を算出する温度検出部と、温度検出部によって算出した接合温度とＰＷＭ指令信号に応じて電力用半導体モジュールの状態を解析する演算処理部とを備える。
　本発明によれば、簡素な構成で、電力変換装置の異常や損傷を高精度に検出することができる、電力変換装置、その診断システム、診断方法、及びそれを用いた電動機制御システムを提供できる。
実施例１における電力変換装置の診断システムの全体のブロック構成図である。 実施例１における電力用半導体モジュールの断面構造の一部を示す図である。 実施例１における診断システムを鉄道に適用した場合のシステムブロック図である。 実施例２における接合温度取得のフロー図である。 実施例２におけるスイッチオンの電力用半導体モジュールのゲート―エミッタ間電圧波形とフィードバック信号を示す図である。 実施例２におけるスイッチオフの電力用半導体モジュールのゲート―エミッタ間電圧波形とフィードバック信号を示す図である。 実施例２における正常時のＰＷＭ指令信号とフィードバック信号の関係を示す図である。 実施例２におけるスイッチ不良時のＰＷＭ指令信号とフィードバック信号の関係を示す図である。 実施例２におけるフィードバック信号の遅延を示す図である。 実施例２における遅延時間の温度依存性を示す図である。 実施例３における時系列データを示す図である。 実施例３における接合温度の時系列データをヒストグラムに変換した温度振幅頻度データを示す図である。 実施例３におけるＧＵＩを説明する図である。
　以下、本発明の実施例を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例に限定して解釈されるものではない。
　本実施例は電力変換装置の診断システムの全体構成について説明する。
　図１は本実施例におけるシステム全体のブロック構成図である。図１において、本システムは、主として、電力変換装置１、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、電力変換装置１及び電動機２の状態監視のグラフィカルユーザインターフェイス（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２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と複数の電力用半導体モジュール３ａ乃至３ｆとゲート駆動回路４ａ乃至４ｆと制御装置７を備えている。ゲート駆動回路４ａ乃至４ｆと制御装置７は、絶縁素子１０（光結合型素子、磁気結合型素子、静電結合型素子等）によって絶縁されている。なお、図１では、ゲート駆動回路４ａ乃至４ｆは、電力用半導体モジュール３ａ乃至３ｆの外側に配置されているが、電力用半導体モジュール３ａ乃至３ｆに内蔵してもよい。
　電力用半導体モジュール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。大電流を制御するために電力用半導体モジュールには、複数の小容量の半導体チップが並列に接続されていてもよい。電力用半導体モジュール３ａ乃至３ｆには、エミッタ端子、コレクタ端子、ゲート端子が設けられている。なお、本実施例では、電力用半導体モジュール３ａ乃至３ｆにＩＧＢＴを用いているが、ＭОＳＦＥＴを用いた場合は、エミッタ端子をソース端子、コレクタ端子をドレイン端子に読み替えればよい。
　図２は電力用半導体モジュールの断面構造の一部を示したものである。図２に示すように、電力用半導体モジュールの内部には、半導体チップ３１が絶縁基板３４上にパターニングされた金属配線３３の上にはんだ３２とボンドワイヤ３０によって接続されている。絶縁基板３４は金属ベース３６の上にはんだ３５で接続され、金属ベース３６の裏面には、冷却器３８が、サーマルグリス３７を用いて取り付けられている。半導体チップ３１は、稼働中に発熱するが、接合温度が定格内に収まるように、冷却器３８等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、モジュール内の個々の半導体チップの電流アンバランスやはんだ３２、はんだ３５、ボンドワイヤ３０の半導体チップ３１との接触部での熱インピーダンスの変化が生ずる。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の接合温度が異常温度になりうる。また、電力用半導体モジュール３a乃至３fの少なくとも１つのモジュールが異常温度になりうる。
　図１において、制御装置７は、指令フィードバック送受信部１１、温度検出部１２、制御部１３、電流検出部１４、パラメータ演算部１５、論理部１６から構成されている。
　指令フィードバック送受信部１１は、制御部１３からのＰＷＭ（パルス幅変調）指令信号をゲート駆動回路４ａ乃至４ｆに送る。ゲート駆動回路４ａ乃至４ｆは、ＰＷＭ指令信号に基づいて電力用半導体モジュール３ａ乃至３ｆをスイッチする。ゲート駆動回路４ａ乃至４ｆは、スイッチオン基準電圧、スイッチオフ基準電圧が予め設定されており、スイッチング動作時にゲートとエミッタ間の電圧を比較することにより、フィードバック信号を指令フィードバック送受信部１１に送信する。
　温度検出部１２は、指令信号とフィードバック信号に基づいて、信号遅延量と接合温度を算出し、制御部１３およびパラメータ演算部１５に信号を送る。
　パラメータ演算部１５は、接合温度の時系列データを、後述する温度振幅頻度分布に変換し、電力用半導体モジュール３ａ乃至３ｆの損傷度、余寿命を算出し、結果を電力変換装置表示部１７に送る。また、電力変換装置の外のＧＵＩ９に表示する。
　ＧＵＩ９からは、パラメータ演算部１５や環境情報取得部１８（気象データ、負荷データ等）に基づき、ユーザが電力変換装置１の運転指令を入力することができ、入力データは、論理部１６に送られる。
　論理部１６は、ＧＵＩ９、パラメータ演算部１５のデータ、および気象情報（図示せず）、負荷情報（図示せず）に基き、電力用半導体モジュールのスイッチング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を行う緩和駆動指令を制御部１３に送る。温度検出部１２から過熱情報が送られてきた場合は、優先的に制御部１３で緩和制御する。また、電動機の相電流値は電流検出部１４から論理部１６に送られる。論理部１６は、温度情報に基づき制御部１３に信号を送り、緩和稼働を指示する。
　制御部１３は、ゲート駆動回路４ａ乃至４ｆにより緩和駆動を行い、電流検出部１４の結果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半導体チップの接合温度Ｔｊ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。
　ここで、発明者らは、電力変換装置の制御装置７から出力されるＰＷＭ指令信号と半導体素子がスイッチオンまたはスイッチオフ時にゲート駆動回路から出力されるフィードバック信号の相関を調べ、接合温度依存性を解析した。その結果、スイッチオフ指令信号に対するフィードバック信号の遅延量は、素子温度に比例することを見出した。なお、指令信号およびフィードバック信号は、フォトカプラなどの絶縁素子を経由して低電圧（弱電）側で取得しており、素子温度取得部を簡素な構成で提供できる。また、スイッチオンとスイッチオフの単パルス波形において、指令信号とフィードバック信号のスイッチオンを基準とした遅延量を測定することでも接合温度を推定できることを見出した。
　さらに、発明者らが着目した点は、電力変換装置内の個々の半導体素子の損傷アンバランスを監視することである。なぜなら、複数の半導体素子が同時に故障することは、極めてまれであり、まずは１つが壊れるのが一般的であるからである。
　本実施例は、上記発見および着眼に基づくものであり、本実施例の一側面は、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に関する。このシステムは、トランジスタのスイッチオフ指令時間からのフィーバック信号の遅延時間に基づいて、温度測定可能な温度検出部を備え、温度検出結果とスイッチオフ指令信号に基づいて半導体モジュールの状態を解析する演算処理部、演算処理部の結果に基づいて、緩和稼働する制御系、異常モジュール表示や、モジュール寿命を警告する表示部やＧＵＩからなるユーザーインターフェース部を備える。
　このシステムの好ましい具体例としては、温度検出部には、ＰＷＭ指令信号とフィードバック信号の比較処理するスイッチ異常検出回路と、スイッチオフのフィードバック信号の遅延量に基づいた温度測定回路を備える。また、スイッチオフ指令信号と温度測定値の時系列データを蓄積するメモリ回路を備える。演算処理部には、バッファ部に蓄積された温度の時系列データの振幅を計数処理し温度振幅頻度に変換する回路を備える。ユーザーインターフェース部には、温度振幅頻度に基づいた個々の半導体素子の損傷度、もしくは残存寿命を示す表示装置を備える。
　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、後述する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、本実施例の他の側面は、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、ＰＷＭ指令信号に基づいて、フィードバック信号のスイッチオフ遅延時間を検出する第１のステップと、遅延時間に基づいて接合温度を取得する第２のステップと、素子温度時系列データの温度振幅を頻度変換し、半導体素子の損傷状態および余寿命を判定する第３のステップと、を備える。
　具体的な構成としては、ゲート駆動回路に内蔵されたフィードバック信号発生回路は、好適なスイッチオンの参照電圧、スイッチオフの参照電圧で設定された比較器により、スイッチオンおよびスイッチオフのフィードバック信号を発生させる。高電圧系で発生されたフィードバック信号は、フォトカプラによって低電圧系に転送された後、スイッチオフ遅延量を取得する。実稼働状態では、電力変換器の負荷に応じて、ＰＷＭ指令信号のパターンは異なるため、ＰＷＭ指令パターンに対応したスイッチオフ遅延量も取得する。ＰＷＭ指令信号のパターンに対応したスイッチオフ遅延量のデータセットを演算処理することで接合温度取得する。素子温度の演算は、スイッチオフごとの場合や平均値の場合がある。素子温度の時系列データを温度振幅と頻度に変換することにより、損傷状態および余寿命を表示する。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、電力変換装置の個々の電力用半導体モジュールの中で損傷の進行が異常な素子を抽出し、素子交換の優先順位を定めることができる。
　動作条件制御の具体例を示すと、電力変換装置のスイッチング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を行うこと、ＰＷＭ指令信号と素子温度とのデータセットから好適なＰＷＭ指令信号を生成する最適化等があげられる。また、スイッチング素子の具体例としては、電力用半導体素子として、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭОＳＦＥＴ）等を用いることができる。半導体材料として、シリコン（Ｓi）、シリコンカーバイド（ＳiＣ）、ガリウムナイトライド（ＧａＮ）等を用いることができる。また、スイッチング素子として、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。
　図３は、本実施例における診断システムを鉄道に適用した場合のシステムブロック図である。図３において、２０は鉄道車両、２１は車両情報統合システム、２２は中央監視装置、２３はインターネット、２４は無線経路、２５はアンテナ、１は電力変換装置、Ｍは電動機、１８は環境情報取得部である。
　電力変換装置表示部１７は、鉄道車両２０下部にある電力変換装置１（ＶＶＶＦインバータなど）の外側に設置することにより、保守作業者に通知することができる。また、異常半導体モジュールの場所がその場で認識できることから、保全作業効率が向上する。電力変換装置表示部１７には、半導体モジュール以外にも冷却器３８の清掃を促す警告も出すことができる。ＧＵＩ９は、車両情報統合システム２１に含めることも可能である。車両情報統合システム２１は、車両内の空調、ドア、照明等の監視するシステムであり、運転席に設置される。また、ＧＵＩ９の情報を車両のアンテナ２５により、無線経路２４でネットワークであるインターネット２３を介して中央監視装置２２に送信することも可能である。また、インターネット２３を通じて、他の車両情報を取得することにより、より効率的な保全計画を策定することができる。また、部材の手配の効率化による保全コストの低減が可能となる。また、環境情報取得部１８により、気象情報や乗客情報を取得することにより、好適な車両配置が可能になる。
　このように、本実施例によれば、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損傷を高精度に検出し、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できる。また、電力用半導体素子を加工することなく、電力変換器内の個々の電力用半導体素子の接合温度と余寿命を取得し、測定結果を電動機制御にフィードバックし電力用モジュールの延命処置を施し、部品交換を警告するシステムを提供することができる。
　本実施例は、温度検出部について説明する。
　図４は、本実施例における接合温度の取得のフロー図である。まず、ステップＳ４１で、取得する測定点数Ｌを入力する。測定点数の入力は、ＧＵＩ９から入力することができる。また、論理部１６により、自動的に入力することもできる。Ｌは、測定時間と電力変換装置のキャリア周波数から算出する。例えば、キャリア周波数が１ｋＨｚの場合、１日分のデータ点数は、約８６×１０６である。データ量が多い場合はＬを分割し、後述の温度振幅頻度データ取得の後、取得データを消去して、引き続きデータ取得を繰り替えしてもよい。
　次に、ステップＳ４２で、ＰＷＭ指令信号を指令フィードバック送受信部１１で取得する。ＰＷＭ指令信号は、ゲート駆動回路４a乃至４ｆに送信され、電力用半導体モジュール３ａ乃至３ｆを駆動する。ステップＳ４３では、ゲート駆動回路４a乃至４ｆからフィードバック信号が出力され、指令フィードバック送受信部１１で取得する。ステップＳ４４では、温度検出部１２で、指令信号とフィードバック信号との比較を行いスイッチオンおよびスイッチオフを確認する。スイッチ不良があれば、ステップＳ４２に戻る。スイッチ動作が正常であれば、ステップＳ４５によって、指令信号に対するスイッチオフの遅延量を取得し、測定数カウンタをインクリメントする。次にステップＳ４６において、スイッチオフ遅延量から接合温度を算出する。取得した接合温度は、ステップＳ４７で一時的に蓄積される。ステップＳ４８で以上の接合温度取得を測定点数Lまで繰り返す。
　次に、図５と図６を用いて、フィードバック信号出力について説明する。
　図５は、スイッチオンの電力用半導体モジュールのゲート―エミッタ間電圧５２とフィードバック信号５４の実施例である。フィードバック信号５４は、指令フィードバック送受信部１１で取得する。予め設定したスイッチオン基準電圧５３（本実施例では、８Ｖ）とゲート―エミッタ間電圧５２をコンパレータによって比較して、ゲート―エミッタ間電圧５２がスイッチオン基準電圧５３を超えたときにトリガ信号を発生し、フィードバック信号５４が出力される。
　図６は、スイッチオフの電力用半導体モジュールのゲート―エミッタ間電圧６２とスイッチオフフィードバック信号６４の実施例である。スイッチオフフィードバック信号６４は、指令フィードバック送受信部１１で取得する。予め設定したスイッチオフ基準電圧６３（本実施例では、－５Ｖ）とゲート―エミッタ間電圧６２をコンパレータによって比較して、ゲート―エミッタ間電圧６２がスイッチオフ基準電圧６３より低くなったときにトリガ信号を発生し、スイッチオフフィードバック信号６４が出力される。
　図７は、指令フィードバック送受信部１１で取得したＰＷＭ指令信号とフィードバック信号を示す図である。７１はスイッチオン指令、７２はスイッチオフ指令であり、７３はスイッチオンフィードバック、７４はスイッチオフフィードバックである。図７に示すように、回路遅延により、スイッチオンフィードバック遅延（Δｔ_ｏｎ）７５とスイッチオフフィードバック遅延（Δｔ_ｏｆｆ）７６が生ずる。そのため、回路遅延量分だけ時間移動すれば、指令信号とフィードバック信号が対応していることを確認できる。
　図８は、ノイズ等の影響で、指令信号通りに電力用半導体モジュールがスイッチしなかったことを示す図である。図８において、例えばスイッチオフ指令８１でスイッチオフ不良が生じた場合、フィードバック信号８３になる場合がある。また、スイッチオン指令８２でスイッチオン不良が生じた場合、フィードバック信号８４（信号なし）になる場合がある。そのため、本実施例では、スイッチ不良の場合は、フィードバック信号から接合温度の情報は得られないので除外する。
　接合温度が上昇すると、スイッチオフのフィードバック信号の遅延量（Δｔ_ｏｆｆ）は増加する。スイッチオンの遅延量（Δｔ_ｏｎ）も増加するが、（Δｔ_ｏｆｆ）より一桁以上小さいことを発明者らは発見した。ゲート駆動回路の温度上昇によってもフィードバック遅延量は一様に増加する。回路部分の温度効果をなくすために、対応するパルスのスイッチオンのフィードバック信号を基準にしてスイッチオフ遅延を測定する。
　図９は、スイッチオンオフパルスにおいて、スイッチオン基準にしたスイッチオフ信号の接合温度依存性を示す。例えば、フィードバック信号９１は、接合温度が５０℃であり、フィードバック信号９２は、接合温度が１５０℃である。遅延量の接合温度感度は、例えば、しきい値９３を設定して、計測する。
　図１０は遅延量の接合温度感度の例である。遅延量は、接合温度に比例しており、感度は、１．６ｎｓ／℃である。遅延量Δｔから接合温度差が判り、たとえば、稼働前の室温を基準にすれば、接合温度を取得できる。フィードバック信号は、アナログ信号のため、温度検出部では、ＡＤ変換器によって、デジタル信号に変換する。１℃の精度を取得するために、ＡＤ変換器のサンプリングレートは１Ｇｂｐｓ以上が望ましい。温度取得部は、低電圧（弱電）側なので、標準の回路で構成できる。デジタル信号に変換された接合温度は、図４のステップＳ４７で蓄積され、パラメータ演算部１５に転送され、電力用半導体モジュールの３ａ乃至３ｆのそれぞれの素子損傷度や余寿命が推定される。
　このように、本実施例によれば、電力変換器内の個々の電力用半導体素子の接合温度と余寿命を取得し、測定結果を電動機制御にフィードバックし電力用モジュールの延命処置を施し、部品交換を警告するシステムを提供することができる。
　本実施例は電力用半導体モジュールの損傷度と余寿命推定方法について説明する。
　図１に示すパラメータ演算部１５で、ＰＷＭ指令信号と接合温度の時系列データを用いて、演算によって、電力用半導体モジュールの損傷度と余寿命を推定する。
　図１１は本実施例における時系列データを示す図であり、図１１（Ａ）はＰＷＭ指令信号、図１１（Ｂ）はチップの接合温度を示している。
　図１１（Ａ）において、ＰＷＭ指令信号１０１はデューティー比が大きく、ＰＷＭ指令信号１０２はデューティー比が小さい。ＰＷＭ指令信号に対応して、接合温度は、図１１（Ｂ）のように、接合温度の時系列データ１０７は、例えば極大値１０３と極小値１０４を有し、振動的に変化する、デューティー比が大きいＰＷＭ指令信号１０１では、接合温度は上昇傾向にあり、デューティー比が小さいＰＷＭ指令信号１０２では、接合温度は下降傾向である。
　本実施例の着眼点の一つは、電力変換器内の複数の電力用半導体モジュールの損傷のアンバランスを検知して、システムの故障を未然に防ぐことであるので、図１１（Ｂ）に示す接合温度の熱サイクルにおいて、接合温度の熱サイクルの頻度分布を取得する。熱サイクルを頻度に変換する方法として、たとえばレインフローアルゴリズムがある。
　図１２に接合温度の時系列データをヒストグラムに変換した温度振幅頻度の例を示す。横軸の温度振幅ΔＴは、たとえば５℃刻みで設定する。縦軸は、サイクル数で対数表示である。熱サイクル定格１１０は、電力用半導体モジュールの出荷時に提供されるパワーサイクル試験結果を用いる。Ｎｉは温度Ｔｉの最大サイクル数、ｎｉは温度Ｔｉのパラメータ演算部１５によって得られたサイクル数である。各温度Ｔｉの損傷度ＤｉはＤｉ＝ｎｉ／Ｎｉで与えられる。よって、全損傷度は、Ｄ＝ΣＤｉで与えられる。本方法では、損傷度が、従来法より大きくなる方向であるが、電力用半導体モジュールのアンバランス検知の精度は向上する。上記演算結果に基づいて、電力変換装置表示部１７に損傷モジュールを示すことができる。
　図１３にＧＵＩ９の具体例を示す。図１３に示すように、温度表示部１２１に個々の電力用半導体モジュールの平均接合温度や最大接合温度を表示し、寿命表示部１２２に損傷度１２３を表示することができる。また、環境情報取得部１８から気象データや運行データ等を取得し、指令信号、接合温度、損傷度に基づき、論理部１６で緩和指令を生成し、制御部１３で緩和制御ＰＷＭ指令信号を出力することもできる。また、ＧＵＩ９は、車両情報統合システムに含めることもできる。また、中央監視システムに含めれば、複数の車両の監視が可能であり、保全計画の最適化が可能である。
　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損傷を高精度に検出し、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。
　以上実施例について説明したが、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、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、置換をすることも可能である。
１：電力変換装置、２：電動機、３a、３b、３c、３d、３e、３f：電力用半導体モジュール、４a、４b、４c、４d、４e、４f：ゲート駆動回路、７：制御装置、９：ＧＵＩ、１１：指令フィードバック送受信部、１２：温度検出部、１３：制御部、１４：電流検出部、１５：パラメータ演算部、１６：論理部、１７：電力変換装置表示部、１８：環境情報取得部、２０：鉄道車両、２１：車両情報統合システム、２２：中央監視装置、２５：アンテナ、３０：ボンドワイヤ、３１：半導体チップ、３２、３５：はんだ、３３：金属配線、３４：絶縁基板、３６：金属ベース、３７：サーマルグリス、３８：冷却器、５２：スイッチオンのゲートエミッタ間電圧、５３：スイッチオン基準電圧、５４：スイッチオンフィードバック信号、６２：スイッチオフのゲートエミッタ間電圧、６３：スイッチオフ基準電圧、６４：スイッチオフフィードバック信号、７１：スイッチオン指令、７２：スイッチオフ指令、７３：スイッチオンフィードバック、７４：スイッチオフフィードバック、７５：スイッチオンフィードバック遅延、７６：スイッチオフフィードバック遅延、１０１、１０２：ＰＷＭ指令信号、１０３　接合温度極大値、１０４：接合温度極小値、１０７：接合温度の時系列データ、１１０：熱サイクル定格、１２１：温度表示部、１２２：寿命表示部、１２３：損傷度

Claims (9)

  1. 　スイッチング素子を有する電力用半導体モジュールを備える電力変換装置であって、
    　前記スイッチング素子を駆動し、前記スイッチング素子のスイッチング動作時によるフィードバック信号を送信するゲート駆動回路と、
    　該ゲート駆動回路にスイッチするためのＰＷＭ指令信号を出力する制御部と、
    　前記ＰＷＭ指令信号と前記フィードバック信号に基づいて前記スイッチング素子の接合温度を算出する温度検出部と、
    　該温度検出部によって算出した接合温度と前記ＰＷＭ指令信号に応じて電力用半導体モジュールの状態を解析する演算処理部と、
    　を備えることを特徴とする電力変換装置。
  2. 　請求項１に記載の電力変換装置であって、
    　前記ゲート駆動回路は、前記スイッチング素子のスイッチング動作時にゲートとエミッタ間の電圧とスイッチオフ基準電圧とを比較することにより前記フィードバック信号を生成することを特徴とする電力変換装置。
  3. 　請求項１に記載の電力変換装置であって、
    　前記温度検出部は、前記ＰＷＭ指令信号と前記フィードバック信号に基づいて前記スイッチング素子のスイッチオフ遅延量を算出し前記接合温度を算出することを特徴とする電力変換装置。
  4. 　請求項１に記載の電力変換装置であって、
    　前記電力用半導体モジュールを複数有し、
    　前記演算処理部で解析した前記電力用半導体モジュールの状態を前記複数の電力用半導体モジュール毎に個々に表示する表示部を備えることを特徴とする電力変換装置。
  5. 　請求項１に記載の電力変換装置と、該電力変換装置によって制御される電動機を有する電動機制御システムであって、
    　前記電力変換装置は前記電力用半導体モジュールを複数有し、
    　前記演算処理部で解析した前記電力用半導体モジュールの状態を前記複数の電力用半導体モジュール毎に個々に表示する表示部を備えることを特徴とする電動機制御システム。
  6. 　請求項５に記載の電動機制御システムと、該電動機制御システムとネットワークを介して接続される中央監視装置からなる電力変換装置の診断システムであって、
    　前記演算処理部で解析した前記電力用半導体モジュールの状態を前記ネットワークを介して前記中央監視装置が取得することを特徴とする電力変換装置の診断システム。
  7. 　スイッチング素子を有する電力用半導体モジュールを備える電力変換装置の診断方法であって、
    　前記スイッチング素子を駆動するためのＰＷＭ指令信号と、
    　前記スイッチング素子のスイッチング動作時によるフィードバック信号に基づいて前記スイッチング素子の接合温度を算出し、
    　該算出した接合温度と前記ＰＷＭ指令信号に応じて前記電力用半導体モジュールの異常を判定することを特徴とする電力変換装置の診断方法。
  8. 　請求項７に記載の電力変換装置の診断方法であって、
    　前記スイッチング素子のスイッチング動作時にゲートとエミッタ間の電圧とスイッチオフ基準電圧とを比較することにより前記フィードバック信号を生成し、
    　前記ＰＷＭ指令信号と前記フィードバック信号に基づいて前記スイッチング素子のスイッチオフ遅延量を算出し、該スイッチオフ遅延量に基づいて前記接合温度を算出することを特徴とする電力変換装置の診断方法。
  9. 　請求項７または８に記載の電力変換装置の診断方法であって、
    　前記接合温度の時系列データを温度振幅頻度に変換し、予め定めたサイクル数を基準値として、前記温度振幅頻度から前記電力変換装置の異常を判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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