JP2019047695A

JP2019047695A - 電力変換装置、電動機制御システム、および電力変換装置の診断方法

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Publication number: JP2019047695A
Application number: JP2017171303A
Authority: JP
Inventors: 木村　嘉伸; Yoshinobu Kimura; 嘉伸木村; 和樹谷; Kazuki Tani; 貴史小川; Takashi Ogawa; 鈴木　弘; Hiroshi Suzuki; 弘鈴木; 順一坂野; Junichi Sakano
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2017-09-06
Filing date: 2017-09-06
Publication date: 2019-03-22
Anticipated expiration: 2037-09-06
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Abstract

【課題】パワーモジュールの温度異常を精度よく検出する。【解決手段】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応答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指令信号を出力する制御部装置と、指令信号に対する応答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応答信号に応じて電力用半導体モジュールの状態を判定する演算部と、を備える。【選択図】図３

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、部品交換等の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、パワー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、個々の半導体チップにサーミスタなどの温度センサを実装する方法があるが、コストの増加や、温度センサそのものの信頼性の課題がある。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。

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モジュール内の半導体チップの温度と、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パワー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るため、モジュール内の１チップの温度異常を精度よく検出することが求められる。この点、並列チップで構成されたモジュールにおいて、特許文献１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ため、パワーモジュールの温度異常を精度よく検出することはできない。また、個々のチップに温度センサを実装すると、パワーモジュールのコストが高くなり、また、温度センサの信頼性が低い場合には検出精度も低下してしまう。

本発明は、パワーモジュールの温度異常を精度よく検出することが可能な電力変換装置、電動機制御システム、および電力変換装置の診断方法を提供することを目的とする。

本発明にかかる電力変換装置は、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応答信号を送信するゲート駆動回路と、前記ゲート駆動回路にスイッチするための指令信号を出力する制御部装置と、前記指令信号に対する前記応答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、前記温度検出部によって算出した接合温度と前記応答信号に応じて電力用半導体モジュールの状態を判定する演算部と、を備えることを特徴とする電力変換装置として構成される。

また、本発明は、上記電力変換装置を備えた電動機制御システム、および電力変換装置の診断方法としても把握される。

本発明によれば、パワーモジュールの温度異常を精度よく検出することができる。

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パワーモジュールを示すブロック図図１の指令信号と応答信号を取得する実施の形態示すブロック図実施例において平均温度が変化したときのターンオフでのゲート電圧波形と設定値を示す図実施例において、平均温度が同じで、温度アンバランスが生じたときのターンオフでのゲート電圧波形と設定値を示す図実施例において指令信号と応答信号を説明する図実施例において第１の応答信号の遅延時間の温度依存性を示す図実施例において素子温度の時系列データを示す図実施例における素子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実施例におけるＧＵＩを説明する図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

以下、本実施の形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。

＜１．システム全体構成＞
本実施例である診断システム１００を図１、図２、図１１を用いて説明する。
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の状態を監視するためのグラフィカルユーザーインターフェイス（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。ＧＵＩ９は、例えば、制御装置７と一体または別個に構成され、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等から構成されるディスプレイ装置である。

電力変換装置１は、直流６を３相交流に変換して電動機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と複数のパワーモジュール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。制御装置７は、パラメータ演算部７０１、温度検出部７０２、制御部７０３、論理部７０４、電流検出部７０５、指令応答送受信部７０６を備えている。さらに、温度検出部７０２は、信号分岐器３１、時間計測部３７を有している（図３）。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、パワーモジュール３ａ乃至３ｆの外側に配置されているが、パワーモジュール３ａ乃至３ｆに内蔵してもよい。これらの具体的な動作については後述する。

パワーモジュール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）やＭＯＳＦＥＴ（金属-酸化物-半導体電界効果トランジスタ）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スイッチング素子を有した電力用半導体モジュールである。大電流を制御するために、パワーモジュール３ａ乃至３ｆ（以下、単にパワーモジュール３とも記す。）には、図２に示すように、複数の小容量の半導体チップ（１６ａ、１６ｂ、１６c）が並列に接続されていてもよい。パワーモジュール３には、それぞれ、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、パワーモジュール３にＩＧＢＴを用いているが、ＭＯＳＦＥＴ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に、パワーモジュール３の具体例を示す。大電流を制御するために、それぞれのパワーモジュール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。パワーモジュール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は、図１に示した本システムにより指令信号と応答信号を生成し、遅延時間を取得する具体例を示す。パラメータ演算部７０１は、指令応答送受信部７０６を介して、生成したＰＷＭ指令信号３２ａを温度検出部７０２に出力するとともに、絶縁結合素子１０ａを介して、比較器３６の参照電圧として第１の駆動電圧設定値３０ａと第２の駆動電圧設定値３０ｂを設定する。後述するように、第１の駆動電圧設定値３０ａには、第２の駆動電圧設定値３０ｂよりも小さい値が設定される。温度検出部７０２は、パラメータ演算部７０１で生成されたＰＷＭ指令信号３２ａを、信号分岐器３１によって、スタート指令信号３２ｂとストップ指令信号３２ｃに分岐する。ストップ指令信号３２ｃは、絶縁結合素子１０aを介したストップ指令信号３２ｄによってゲート駆動回路３７１を駆動する。

比較器３６は、オペアンプを用いたコンパレータ回路で構成されており、それぞれのパワーモジュール３のゲートとエミッタに接続され、第１の駆動電圧設定値３０ａと第２の駆動電圧設定値３０ｂを基準とした参照電圧として、ストップ指令信号３２ｄに対する応答信号３３aを発生する。応答信号３３aは、絶縁結合素子１０ｂを介して応答信号３３ｂとして、温度検出部７０２の時間計測部３７に伝送される。時間計測部３７は、信号分岐器３１から出力されたスタート指令信号３２ｂと応答信号３３ｂの時間差を計測し、応答信号３３ｃとしてパラメータ演算部７０１に送られる。時間計測部３７は、例えば、タイム/デジタルコンバータを用いた回路で構成される。応答信号３３ｄは、応答信号３３ｂの分岐信号として、パラメータ演算部７０１に伝送される。本実施例では、絶縁結合素子１０aによって、低電圧下で時間計測が行われるため、ノイズの影響を低減できる。

第１の駆動電圧設定値３０ａと第２の駆動電圧設定値３０ｂの例について、図４を用いて示す。以下に示す第１の駆動電圧設定値３０ａ乃至第２の駆動電圧設定値３０ｂは、発明者らの発見に基づくものである。図４上段に示すように、ターンオフのゲート電圧波形４０は、パワーモジュール３の温度上昇に伴い、領域４１で遅延する。例えば、図４下段の拡大図に、室温の波形４２、７０℃の波形４３、１１０℃の波形４４、１５０℃の波形４５を示す。本実施例では、第１の駆動電圧設定値３０ａを第１の閾値４７、第２の駆動電圧設定値３０ｂを第２の閾値４６として示した。パワーモジュール３の温度が均一（パワーモジュール３同士の温度アンバランスが極めて小さければ）であれば、第１の駆動電圧設定値３０ａおよび第２の駆動電圧設定値３０ｂにおける波形遅延量は、パワーモジュールの温度に比例する。例えば、図７に示す波形遅延量の温度依存性をあらわすグラフのように、パワーモジュールの温度が上昇するにつれて、波形遅延量が大きくなる。したがって、図４に示す波形のうち、波形４５の遅延量が最も大きくなることがわかる。

図５は、それぞれのパワーモジュール３の温度が均一の波形５１と、±３０℃アンバランスが生じている波形５２を示す。波形５１、波形５２ともに、平均温度は７０℃である。第１の駆動電圧設定値３０ａを示す第１の閾値４７では、波形５１と波形５２での遅延量の差はない。一方、第２の駆動電圧設定値３０ｂを示す第２の閾値４６では、温度アンバランスが生じているため、波形５１は波形５２に比べて遅延時間が小さい。よって、第１の閾値４６での遅延時間は、パワーモジュールの平均温度を示し、第２の閾値４７は、アンバランスを示すことを発見した。

指令信号と応答信号の例を図６に示す。指令信号６０は、ＰＷＭ指令信号３２ａの一部であり、応答信号６１は比較器３６で生成された応答信号３３ｂの一部である。時間計測部３７では、遅延時間６２を計測する。波形６３は、ターンオフの応答信号のパワーモジュール温度依存性を示す。図６に示す波形は、第１の駆動電圧設定値３０ａで示される設定電圧で生成された応答信号の波形であり、図４のゲート波形に対応している。すなわち、それぞれ、波形６４が室温の波形４２、波形６５が７０℃の波形４３、波形６６が１１０℃の波形４４、波形６７が１５０℃の波形４５を示す。遅延時間は、たとえば、応答信号の２.５Vでの値を用いている。温度検出部７０２は、予め取得した較正データもしくは回帰モデルを参照して、遅延時間から温度を算出する。温度検出部７０２は、指令信号と応答信号に基づいて、信号遅延量と接合温度を算出し、制御部７０３およびパラメータ演算部７０１に信号を送る。

このように、本実施例によれば、電力変換装置１内の個々の電力用半導体素子の接合温度と温度アンバランスを取得し、測定結果を電動機制御にフィードバックして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。

続いて、パワーモジュール３の損傷度と余寿命推定方法について説明する。
パラメータ演算部７０１は、温度検出部７０２から得られた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、パワーモジュール３の損傷度と余寿命を推定する。上記時系列データは、温度検出部７０２から得られた過去のＰＷＭ指令信号と接合温度であり、パラメータ演算部７０１が有するメモリチップに蓄積されている。

図８は、本実施例における時系列データを示す図であり、図８（a）はＰＷＭ指令信号、図８（ｂ）はチップの温度（接合温度）、図８（ｃ）は冷却器３８（図１１）の温度の推移をそれぞれ示している。稼働環境によっては冷却能力が不足する場合があるため、電力変換装置１に搭載される冷却器３８の監視や制御が行われる。

図８（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。これらのＰＷＭ指令信号に対応して、接合温度は、図８（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。また、図８（ｃ）に示すように、冷却器温度の時系列データ１０８は、図８（ｂ）に示したように上記接合温度が推移する場合、その推移に応じて冷却器３８の温度がやや遅れて緩やかに推移する。例えば、時刻ｔ１からｔ２まで上記接合温度が上昇傾向にある場合には、冷却器３８の温度がその後のタイミングで極大値１０６となる。また、上記接合温度が下降傾向から上昇傾向に転ずるタイミングで極小値１０５をとる。

本実施例の着眼点の一つは、電力変換装置１内の複数のパワーモジュール３同士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。したがって、パラメータ演算部７０１は、図８（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を用いればよい。

図９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、ＧＵＩ９から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、パワー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における最大サイクル数、ｎｉは温度Ｔｉにおいてパラメータ演算部７０１によって得られたサイクル数である。

例えば、図８（ｂ）に示した接合温度の時系列データ１０７では、温度振幅ΔＴにおける所定時間ｔ１からｔ２までの間のサイクル数は４となる。パラメータ演算部７０１は、このようにして得られたサイクル数の対数を、温度振幅ΔＴにおける頻度として加算する。出荷当初における温度に応じた熱サイクル数は熱サイクル定格１１０であるため、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、各温度における損傷度の総和である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、パワーモジュールのアンバランス検知の精度は向上する。パラメータ演算部７０１は、上記演算結果に基づいて、電力変換装置表示部１７やＧＵＩ９に損傷モジュールを示すことができる。

図１０に、電力変換装置表示部１７の具体例を示す。電力変換装置表示部１７は、例えば、液晶パネルから構成され、図１０に示すように、温度表示部１２１と、寿命表示部１２２と、損傷度１２３とを、パワーモジュールごとに表示する。パラメータ演算部７０１は、温度表示部１２１に個々のパワー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。平均接合温度は、パワーモジュール３を構成する個々の半導体チップ１６の接合温度の平均値である。最大接合温度は、パワーモジュール３を構成する個々の半導体チップ１６のうちの接合温度の最大値である。もちろん、パラメータ演算部７０１は、パワーモジュール３を構成する個々の半導体チップ１６のうちの接合温度の最小値や、個々の半導体チップ１６の接合温度の中央値を表示してもよい。

また、環境情報取得部１８が、外気温等の気象データや鉄道等の交通機関の運行データをはじめとする外部環境データを取得し、パラメータ演算部７０１が、指令信号、接合温度、損傷度に基づき、論理部７０４で緩和指令を生成し、制御部７０３で緩和制御ＰＷＭ指令信号を出力することもできる。環境情報取得部１８は、温度センサをはじめとする各種センサを有したチップ等の演算装置から構成される。また、ＧＵＩ９は、車両情報統合システム２１（図１１）に含めることもできる。また、車両の状態を監視するためのモニタを備えた中央監視装置２２（図１１）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。

図１１は、本実施例における診断システム１００を鉄道に適用した鉄道診断システム２００のブロック図である。図１１に示すように、鉄道診断システム２００は、鉄道車両２０、車両情報統合システム２１、中央監視装置２２、インターネット２３、無線経路２４、環境情報取得部１８を有している。鉄道車両２０は、アンテナ２５、電力変換装置１、電動機Ｍを有している。さらに、電力変換装置１は、図１１下部に示すように、電力変換装置表示部１７、冷却器３８、冷却器表示部３９を有している。冷却器３８は、パワーモジュール３を冷却するための装置であり、例えば、パワーモジュールごとに１つの冷却器３８が設けられる。冷却器３８は、冷却フィンやファンを備えており、これらに温度センサを設けられている。電力変換装置１は、温度センサを監視して冷却器３８を適正な温度に制御している。

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）の視認可能な表面（図１１では車両側面）に設置することにより、図１０に示したような温度表示や寿命表示や損傷度を、パワーモジュールごとに表示し、保守作業者に通知することができる。また、温度表示や寿命表示や損傷度が所定の閾値を超えているような異常を示すパワーモジュールをその場で認識して特定することができることから、保全作業効率が向上する。電力変換装置表示部１７には、パワーモジュールに関する表示以外にも、例えば、冷却器３８の清掃を促す警告を冷却器表示部３９に表示することができる。

例えば、電力変換装置１は、冷却器３８に設けられた温度センサが所定の温度に達しているか否かを判定し、所定の温度に達していると判定した場合、冷却フィンやファンの汚れ等によって冷却性能が低下したと判断し、図１１下部に示すように、パワーモジュールに対応して設けられた冷却器３８の冷却器表示部３９における表示を冷却器３８１のように点灯や点滅させる等して、保守作業者に通知する。このように冷却器３８に関する表示をすることにより、パワーモジュール３と同様に、保守作業者は、冷却器３８の異常をその場で認識して特定することができる。

また、図８で説明したように、パワーモジュール３の接合温度の推移と冷却器３８の温度の推移とには関連性がある。したがって、保守作業者は、冷却器表示部３９および電力変換装置表示部１７に異常が表示されている場合には、冷却器３８の異常はパワーモジュール３に伴うものであると判断することができる。一方、冷却器表示部３９に異常が表示される一方電力変換装置表示部１７に異常が表示されていない場合、保守作業者は、その異常は冷却器３８に起因する異常であると判断することができる。

従来、電力変換装置１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となるところ、電力変換装置１の性能劣化や不具合がパワーモジュール摩耗による温度上昇に起因するものであるか、冷却系に起因するものであるかを特定する方法がなかったが、本実施例によれば、温度異常の原因がいずれの装置（パワーモジュール３あるいは冷却器３８）であるのかを特定することができる。

なお、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、発明者らは、ターンオフ時のゲート電圧波形の第１の設定値である第１の駆動電圧設定値３０ａの指令信号に対する応答信号遅延は、パワーモジュール平均温度に感度があり、一方、第２の設定値である第２の駆動電圧設定値３０ｂの指令信号に対する応答信号遅延は、パワーモジュール内の半導体チップの温度アンバランスに感度があることを見出した。

上記発見に基づいて、本システムは、これまで説明したように、パワーモジュールのターンオフのゲート電圧値の予め定めた２つの設定値である第１の駆動電圧設定値３０ａおよび第２の駆動電圧設定値３０ｂを用いて生成される応答信号の指令信号に対する遅延時間に基づいて算出される温度検出部７０２と、温度検出部７０２による温度検出と温度アンバランス検出結果から、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をする制御系、異常パワー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ーインターフェース部であるＧＵＩ９を備えている。

また、ゲート電圧波形の遅延を計測するために、温度検出部７０２には、第１の駆動電圧設定値３０ａおよび第２の駆動電圧設定値３０ｂをユーザが定めることができ、駆動電圧設定値を参照電圧にした比較器３６を備えている。

また、本システムでは、温度検出部７０２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、ＧＵＩ９は、温度検出部７０２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よい。本実施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、本システムで行われる処理方法では、時間計測部３７は、駆動電圧の第１の駆動電圧設定値３０ａで生成された応答信号の指令信号に対する第１遅延時間を検出し、第２の駆動電圧設定値３０ｂで生成された応答信号の指令信号に対する第２遅延時間を検出し、温度検出部７０２は、第１遅延時間に基づいて算出されるパワーモジュール３の温度と第２遅延時間に基づいて算出されるそれぞれのパワーモジュール３の温度アンバランスとを検出し、パラメータ演算部７０１が、温度検出部７０２によって算出された接合温度と前記応答信号に応じて電力用半導体モジュールおよび電力変換装置の状態を判定する。

具体的な構成としては、スイッチ遮断時のゲート駆動電圧を用い、所定期間における指令信号に対する応答信号の遅延時間を得る。

そして、遅延時間を用いて、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パワーモジュールか冷却系か診断することができる。

また、本システムは、スイッチ動作の基準時間を取得するトリガ回路と、ゲート駆動電圧の第１の駆動電圧設定値３０ａにおいて生成される応答信号の第１の時間と、第２の駆動電圧設定値３０ｂにおいて生成される応答信号の第２の時間とを取得し、第１の時間と基準時間との差を示す数値データと、第２の時間と基準時間の差を示す数値データを検出する遅延時間算出回路を備える。トリガ回路および遅延時間算出回路は、時間計測部３７に備えられる。

また、本システムでは、時間計測部３７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し、主電流の遮断時において、駆動電圧が第１の駆動電圧設定値３０ａ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し、主電流の遮断時において、駆動電圧が第２の駆動電圧設定値３０ｂ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。そして、第１の駆動電圧設定値３０ａが、第２の駆動電圧設定値３０ｂよりも小さく設定される。

また、本システムでは、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を備えている。この装置では、複数のパワーモジュールと、複数のパワー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であるパラメータ演算部７０１と、複数のパワー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、複数のパワー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、パラメータ演算部７０１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、複数のパワー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７０２を備える。温度検出部７０２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、制御電圧が第１の主電圧設定値になる第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し、主電流の遮断時において、制御電圧が第２の制御電圧設定値になる第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時間計測部３７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。

したがって、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、電力変換装置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。また、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応答、または、保守あるいは診断することが可能となる。

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。

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、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ：パワーモジュール、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ：ゲー駆動回路、７：制御装置、９：ＧＵＩ、７０６：指令応答送受信部、７０２：温度検出部、７０３：制御部、７０５：電流検出部、７０１：パラメータ演算部、７０４：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、１２１：温度表示部、１２２：寿命表示部、１２３：損傷度。

Claims

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応答信号を送信するゲート駆動回路と、
前記ゲート駆動回路にスイッチするための指令信号を出力する制御部装置と、
前記指令信号に対する前記応答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、
前記温度検出部によって算出した接合温度と前記応答信号に応じて電力用半導体モジュールの状態を判定する演算部と、
を備えることを特徴とする電力変換装置。
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、少なくとも２値のスイッチオフ基準電圧である第１の駆動電圧設定値または第２の駆動電圧設定値とに基づいて、前記応答信号を生成する、
ことを特徴とする電力変換装置。
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、前記指令信号と前記応答信号に基づいて前記スイッチング素子の遅延量を算出することにより前記接合温度を算出し、前記電力用半導体モジュールの温度アンバランスを検知する、
ことを特徴とする電力変換装置。
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、
前記演算部が判定した複数の前記電力用半導体モジュールの状態を、複数の前記電力用半導体モジュールごと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。
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電力変換装置と、前記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応答信号を送信するゲート駆動回路と、
前記ゲート駆動回路にスイッチするための指令信号を出力する制御部装置、
前記指令信号に対する前記応答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、
前記温度検出部によって算出した接合温度と前記応答信号に応じて電力用半導体モジュールの状態を判定する演算部と、を備え、
前記演算部が判定した前記電力用半導体モジュールの状態を、複数の前記電力用半導体モジュールごと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。
請求項５に記載の電動機制御システムであって、
前記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を備え、
前記演算部が判定した前記電力用半導体モジュールの状態を示す情報を、前記ネットワークを介して前記中央監視装置に送信し、前記中央監視装置のモニタに表示する、
ことを特徴とする電動機制御システム。
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応答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、
前記算出した接合温度と前記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。
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である第１の駆動電圧設定値または第２の駆動電圧設定値とに基づいて、前記応答信号を生成し、
前記指令信号と前記応答信号に基づいて前記スイッチング素子の遅延量を算出し、前記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。
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。