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JP6342275B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電力変換装置に関し、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装置に関する。
従来、電力用半導体が異常な動作をした場合に装置が損傷するのを回避するための技術として、電力用半導体を駆動する駆動回路に対する制御駆動指令信号と、駆動回路が電力用半導体を導通または遮断にするよう駆動する動作状態を検出する動作情報とを比較し、ある一定期間以上の不一致が生じた時に、駆動回路の異常動作と判定するものがあった（例えば、特許文献１参照）。
また、従来、半導体チップ自身の温度異常を直接検知する技術として、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ものがあった（例えば、特許文献２参照）。
特許第５０４９８１７号公報 特開平７−１７０７２４号公報
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が、素子の故障などが発生すると電源短絡などが発生し、装置が著しく不具合な状態に陥る可能性がある。こうした状況を防止する目的で、電力用半導体が異常な動作をした場合、極力早く装置を停止させ、装置の損傷を避ける必要がある。このため、電力用半導体を駆動する駆動回路に対する制御駆動指令信号と、駆動回路が電力用半導体を導通または遮断にするよう駆動する動作状態を検出する動作情報とを比較し、ある一定期間以上の不一致が生じた時に、駆動回路の異常動作と判定する異常検出方式が採用されている。このような方式の従来例としては、上記の特許文献１に記載の技術が挙げられ、図７にその構成例を示す。このような方式を用いた場合、駆動回路の異常動作を判定することが可能となるが、このようは検出方式では、電力半導体が電源短絡された状況となって初めて異常の検知が可能となるため、装置の損傷は防げるものの、その状態で稼働を継続することは、異常動作の繰り返し発生等も懸念されるため困難である。また、電力用半導体の故障等で電源短絡が発生した場合などでは、運転そのものが不可となってしまう。
そこで、このような電源短絡に至るような装置の異常を事前に検知し、適切な処置を取ることが望ましい。このため、例えば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、従来、例えば、上記の特許文献２に記載された技術があった。その構成例を図８に示す。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。
このような場合、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最低でも3個の分圧回路が必要となること、また大電流を扱うためスイッチング時の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。
したがって、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て故障等の不具合を高精度に防ぐことが課題となり、さらには、それらを長期間使用可能とする方法を提供することが課題となる。
上記の課題を解決するため、本発明の電力変換装置は、例えば、電力用半導体とこれを駆動指令する演算回路を備えた電力変換装置であって、前記電力用半導体の導通もしくは遮断の駆動指令と、前記駆動指令の変化により電力半導体に印加する駆動回路の出力電圧が判定値に到達するまでの遅延時間を算出する機能を持ち、特定の駆動条件での前記遅延時間と基準値とを比較判定し、その判定結果を記録、もしくは表示出力する、もしくは比較判定した結果により、前記駆動指令および前記駆動電圧の少なくともいずれか一方を変化させ、前記演算回路と前記電力用半導体間に、前記駆動指令の信号、駆動回路の出力電圧が判定値に到達した結果の信号を通信する手段を備え、前記通信手段の信号および前記特定の駆動条件に関する信号を入力とする前記遅延時間と基準値とを比較判定する判定回路を備え、その判定結果を、前記演算回路もしくは前記駆動回路に出力することを特徴とする。
本発明によれば、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て故障等の不具合を高精度に防ぐことが可能となり、ひいては、それらを長期間使用可能とする方法を提供することが可能となる。
本発明の第１の実施形態である実施例１に係る電力変換装置のブロック構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態である実施例１に係る電力変換装置の各信号の波形を示す図である。 本発明の第２の実施形態である実施例２に係る電力変換装置のブロック構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態である実施例２に係る電力変換装置の各信号の波形を示す図である。 本発明の第３の実施形態である実施例３に係る電力変換装置のブロック構成を示す図である。 本発明の第４の実施形態である実施例４に係る電力変換装置のブロック構成を示す図である。 従来の電力変換装置の一例を示す図である。 従来の電力変換装置の他の一例を示す図である。
本発明の電力変換装置は、電力用半導体とこれを駆動指令する演算回路を備えた電力変換装置であって、前記電力用半導体の導通もしくは遮断の駆動指令と、これにより電力半導体に印加する駆動回路の出力電圧が判定値に到達するまでの遅延時間を算出する機能を持ち、特定の駆動条件での前記遅延時間と基準値とを比較判定し、その判定結果を記録、もしくは表示出力する、もしくは比較判定した結果により、前期駆動指令および前記駆動電圧の少なくともいずれか一方を変化させることを特徴とする。電力用半導体としては、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ゲート制御型の電力半導体素子を用いてもよい。これらの構成において、前記基準値と比較判定する際の特定の駆動条件が、前記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ものであるように構成してもよい。また、前記遅延時間と比較判定する前記基準値として、前記電力変換装置にて事前に計測した遅延時間を記録し、この値から演算して求めた値を用いてもよい。また、前記比較判定した結果を記録し、その回数もしくは時間間隔がある条件を満たした場合に、表示出力、もしくは前期駆動指令および前記駆動電圧の少なくともいずれか一方を変化させるように構成してもよい。また、前記比較判定した結果により、前記駆動指令もしくは前記駆動電圧を一定の期間、前記電力用半導体が遮断となるように変化させる構成としてもよい。また、前記比較判定した結果により、前記駆動指令での電力用半導体の導通指令の時間幅を減ずる構成としてもよい。また、前記演算回路と前記電力用半導体間に、前記駆動指令の信号、駆動回路の出力電圧が判定値に到達した結果の信号を通信する手段を備え、前記通信手段の信号および前記特定の駆動条件に関する信号を入力とする前記遅延時間と基準値とを比較判定する判定回路を備え、その判定結果を、前記演算回路もしくは前記駆動回路に出力する構成としてもよい。また、前記判定結果を記録し、その結果を外部に出力する通信手段を備える構成としてもよい。
以下、本発明の電力変換装置の実施形態を、各実施例として、図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の電力変換装置の第１の実施形態である実施例１のブロック構成を示し、図２はその駆動信号、制御電圧、判定出力波形の一例を示す。図１において本発明の電力変換装置は、駆動指令演算回路3により生成された駆動指令が駆動回路２により駆動電圧に変換され、電力用半導体1の導通、遮断を制御し、これにより負荷9を駆動する。さらに駆動指令に対し、駆動指令の変化により駆動電圧が一定の判定値に到達するまでの遅延時間を遅延算出回路4にて算出し、その遅延の値を異常判定回路5により基準値と比較し、その結果を出力するものである。図2は電力用半導体を遮断すなわちオフする場合の本発明の波形の実施の形態に示す。正常時には同一の駆動指令に対しある遅延時間ｔｄを持って駆動電圧が変化する。しかるに電力半導体の特性からこの遅延時間は条件により変化するものとなっている。我々の調査から、この遅延時間は、電力用半導体の温度に依存することが確認された。このような温度依存性に関しては電力用半導体全般に生じるが、バイポーラトランジスタのように制御回路の出力電圧が1Ｖ以下の場合に比べ、ＭＯＳゲート制御型の素子では制御回路の出力電圧が数Ｖ〜±10数Ｖと振幅が大きく、電力用半導体の導通、遮断時に発生するノイズに対するマージンが大きく取れるため、遅延時間の評価精度を高めることが可能となる。
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、制御回路の電圧振幅が+15Ｖ、-12Ｖのオン、オフのスイッチングにおいて、適当な状態判定電圧を設定すれば、電力用半導体の温度上昇1℃当たり1ns程度の遅延時間の増加が測定で確認できている。これは、電力変換装置のオン、オフする制御電圧のしきい値や、これにより電流を導通、遮断する際の遅延時間の温度依存性を反映したものである。このため同様の温度依存性は、パワーＭＯＳＦＥＴやそのほかのＭＯＳ制御型の電力変換装置でも生じ、遅延時間の判定で温度変化を検知可能である。
図２の信号波形から解るように、実施例１は、ある一定の温度上昇に相当する規定値以上に遅延時間ｔｄが増加した場合、異常の判定を出力する構成を示しており、これにより電力用半導体の温度が規定値以上となったことが検知され、その出力に応じで電力変換装置の損傷を防ぐための措置を取ることができる。図3は本発明の電力変換装置の別の実施の形態を示し、異常を判定した結果により、電力変換装置の損傷を防ぐため、駆動指令および駆動電圧を変化させる構成を示すものである。これらの実施例での電力変換装置の損傷を防ぐための具体的な措置としては、温度上昇が検知された電力用半導体を一定の期間オフする、もしくは装置内で温度上昇が検知された電力変換用半導体の温度上昇に関係する他の電力変換装置を一定の期間オフする、もしくは温度上昇が検知された電力変換用半導体の発熱を防ぐように、駆動指令を一定の期間変更して出力する構成がある。また、より高速に異常に対する処置を施すために、温度上昇が検知された判定出力により、駆動指令とは無関係に強制的に電力用半導体をオフさせる制御電圧を出力する構成でも良い。
また、温度上昇が検知された電力変換用半導体の発熱を防ぐように、駆動指令を一定の期間変更して出力する構成としては、温度上昇が検知された時点から一定の期間、該当する電力用半導体に流れる電流の上限値を制限して低下させることで電力変換用半導体の発熱を減少させる、もしくは電力用半導体をオンする導通指令の時間幅の上限を設けるもしくは減少させ、電流が流れ温度上昇する期間を減じて、オフして温度を低下する期間を増やす、もしくは制御周期を減じてスイッチングの回数を減らし、導通、遮断で発生するスイッチング損失を減少させる構成がある。
なお、図２の例では、規定値以上に遅延時間ｔｄが増加した場合、異常の判定を出力する構成であるが、素子の特性の違いや出力電流などの動作条件によっては温度上昇時に遅延時間が減少する場合もあるため、その場合には遅延時間ｔｄが減少した場合に異常判定するように規定値を設ければよい。
図３は本発明の電力変換装置の別の実施形態である実施例２のブロック構成を示し、図４はその信号波形を示す。本実施例は異常を判定する方式の点で実施例１と異なるが、その他の点は実施例１と同様である。この実施例では、電力変換装置で事前に計測した遅延時間Δtdを記録しておき、稼働中にこの値を基に演算して設定する遅延時間変化の許容範囲の最小値Δtdｍ、最大値Δtdpと比較し、この範囲を逸脱した場合に異常の判定を出力する構成を示しており、これにより電力用半導体の温度が規定値以上となったことが検知され、その出力に応じで電力変換装置の損傷を防ぐための措置を取ることができる。損傷を防ぐための措置としては、先に述べたものと同様の方法をとることができる。
図５は、本発明の電力変換装置の更に別の実施形態である実施例３のブロック構成を示し、電源15に接続され3相の電動機14を負荷とする3相の2レベルの電力変換装置を示すもので、特に遅延時間を判定する駆動条件と、判定結果の記録並びに判定結果に基づく駆動指令を変化させる構成の詳細を示すものである。図はU相下アームを制御する回路の詳細を示すが、U相上アームや、他のV相、W相も同様の構成となる。U相下アームの電力用半導体１１となるＩＧＢＴは、論理部25の駆動指令演算回路3からの駆動指令を通信部23の通信手段１８を経由し、駆動回路２の出力であるＩＧＢＴのゲートーエミッタ端子間に印加される駆動電圧により駆動される。この駆動電圧は電圧判定２０により、既定の値との大小を比較判定され、その結果が通信手段19を経由して論理部２５へ伝達される。駆動指令と、この伝達された判定結果との遅延時間が遅延算出回路にて算出され、記録判定回路6に入力する。記録判定回路6では、設定されたタイミングと駆動条件での遅延時間を記録する。この時駆動条件は駆動指令演算回路からの電流指令値などの駆動指令条件と、ＩＧＢＴの近傍に設置された温度センサ１６、電流センサ１７、電圧センサ１８からの信号から判定される温度、電流値並びに流れる方向、電力用半導体に印加される電圧の駆動条件の内、少なくとも1つ以上の条件があらかじめ設定した駆動条件に合致する場合に当たる。ここで、電圧センサは電力用半導体の印加電圧をモニタするものであるが、電源１５の電圧をモニタしても良い。また設定するタイミングは、装置の稼働開始時や、メンテナンス完了時など、電力変換装置の経時劣化が無視できる場合が望ましい。
このようにして記録した遅延時間と、その後電力変換装置が稼働した際の規定の駆動条件での遅延時間を定期的に比較し、遅延時間の変化量が設定した値を超た場合、もしくは超えた回数がある一定の頻度を超えた場合に異常として判定する。また、遅延時間を一定のタイミングもしくは異常判定された時点で記録し、その間の遅延時間の変化量が一定の変化量を超えた場合に異常として判定することも可能である。なお、ここで規定する遅延時間を記録もしくは判定する駆動条件は、1つの条件である必要はなく、条件数を増やすことで温度上昇の判定精度をさらに高めることが可能である。
上記の記録判定回路６で記録された遅延時間とその際の駆動条件は、併せて外部出力回路８により出力する構成となっており、外部のPC等でその数値解析や履歴の調査が可能で、異常の有無や残寿命の詳細評価が可能となる。さらに異常判定の結果に応じ、指令演算回路７で駆動指令を変更することで、電力用半導体の発熱を低減することが可能となり、電力用半導体の劣化が生じても、既に述べたような方法で、電力用半導体の出力を軽減することで長期間使用することが可能となる。
図６は本発明の電力変換装置の更に別の実施形態である実施例４のブロック構成を示し、特に既存の電力変換装置に本発明の機能を追加で設ける構成を示すものである。この例では、論理部２５と接続される通信部２３、センサ部３３の間に、信号分岐回路３１を設け、追加型判定回路３６にて異常判定するものである。信号分岐回路では、光もしくは電気信号の分岐回路を備え、その結果を追加型判定回路３６に伝達するための出力バッファ回路３２を備える。その出力はレベル判定回路３４で数値安定され、延時間と駆動条件として遅延時間算出異常判定回路３５に入力され、これに基づく判定結果が、外部出力回路８、もしくは論理部２５に出力される。このような構成とすることで、既存の製品に追加で温度異常の検知や余寿命を評価する機能を付加することが可能となる。また、電力変換装置の定期検査などの際に、一時的に信号分岐回路３１と追加型判定回路３６とを挿入して稼働させ、遅延時間を評価することで、電力変換装置の健全性の確認が可能となる。
以上、本発明の上記各実施例によれば、電力用半導体への駆動指令と駆動電圧の遅延時間から温度を検出することで、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な電力変換装置を提供可能である。
なお、上記においては、本発明による電力用半導体の温度上昇検知による異常や劣化診断、保護の手法について説明したが、同様の温度異常を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とは言うまでもない。
１ 電力用半導体
２ 駆動回路
３ 駆動指令演算回路
４ 遅延算出回路
５ 異常判定回路
６ 記録判定回路
７ 指令演算回路
８ 外部出力回路
９ 負荷
１１、１２ ＩＧＢＴ
１３ 電流センサ
１４ 電動機
１５ 電源
１６ 温度センサ
１７ 電圧センサ
１８、１９ 通信手段
２０ 電圧判定回路
２１、２２ 駆動部
２３、２４ 通信部
２５ 論理部
３１ 信号分岐回路
３２ 出力バッファ回路
３３ センサ部
３４ レベル判定回路
３５ 遅延算出・異常判定回路
３６ 追加型判定回路

Claims (8)

  1. 電力用半導体とこれを駆動指令する演算回路を備えた電力変換装置であって、
    前記電力用半導体の導通もしくは遮断の駆動指令と、前記駆動指令の変化により電力半導体に印加する駆動回路の出力電圧が判定値に到達するまでの遅延時間を算出する機能を持ち、特定の駆動条件での前記遅延時間と基準値とを比較判定し、その判定結果を記録、もしくは表示出力する、もしくは比較判定した結果により、前記駆動指令および前記駆動電圧の少なくともいずれか一方を変化させ、
    前記演算回路と前記電力用半導体間に、前記駆動指令の信号、駆動回路の出力電圧が判定値に到達した結果の信号を通信する手段を備え、前記通信手段の信号および前記特定の駆動条件に関する信号を入力とする前記遅延時間と基準値とを比較判定する判定回路を備え、その判定結果を、前記演算回路もしくは前記駆動回路に出力する
    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において、
    前記電力用半導体は、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ゲート制御型の電力半導体素子で構成される
    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において、
    前記基準値と比較判定する際の特定の駆動条件が、前記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、もしくはこれらの組合せで構成される
    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において、
    前記遅延時間と比較判定する前記基準値として、前記電力変換装置にて事前に計測した遅延時間を記録し、この値から演算して求めた値を用いる
    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において、
    前記比較判定した結果を記録し、その回数もしくは時間間隔がある条件を満たした場合に、表示出力、もしくは前記駆動指令および前記駆動電圧の少なくともいずれか一方を変化させる
    ことを特徴とする電力変換装置。
  6. 請求項１に記載の電力変換装置において、
    前記比較判定した結果により、前記駆動指令もしくは前記駆動電圧を一定の期間、前記電力用半導体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。
  7. 請求項１に記載の電力変換装置において、
    前記比較判定した結果により、電力用半導体に通流する電流の上限値を減ずる、もしくは前記駆動指令での電力用半導体の導通指令の時間幅を減ずる、もしくは導通、遮断の制御の周波数を減ずる
    ことを特徴とする電力変換装置。
  8. 請求項１に記載の電力変換装置において、
    前記判定結果を記録し、その結果を外部に出力する通信手段を更に備える
    ことを特徴とする電力変換装置。
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