(57)【要約】電力変換装置（１）は、主電源（Ｖｓ）に接続された平滑コンデンサ（Ｃ0）の両端に、ＩＧＢＴ（１１，１２）とＩＧＢＴ（１３，１４）とＩＧＢＴ（１５，１６）とが直列に接続されて構成される。電力変換装置（１）は、主電源（Ｖｓ）の電圧、および平滑コンデンサ（Ｃ0）と各ＩＧＢＴ（１１〜１６）との間の主回路に含まれる所定部分の寄生インダクタンスの起電圧を測定する測定部（３１）と、主電源（Ｖｓ）の電圧および寄生インダクタンスの起電圧に基づき、ＩＧＢＴ（１１〜１６）のうち１つが動作している所定期間に亘って積分演算して得られた値を基準値と比較して判定する判定部（３３）とを備える。これにより、簡素な構成でありながら、電力用半導体素子およびこれに関連する各部位の異常や劣化を高精度に検出する。
2017085825.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主電源に接続された平滑コンデンサの両端に、少なくとも２つ以上の電力用半導体素子が直列に接続されて構成される電力変換装置において、
前記主電源の電圧、および前記平滑コンデンサと前記電力用半導体素子との間の主回路に含まれる所定部分のインダクタンスの起電圧を測定する測定手段と、
前記主電源の電圧および前記インダクタンスの起電圧に基づき、前記電力用半導体素子のうち１つが動作している所定期間に亘って積分演算して得られた値を基準値と比較して判定する判定手段と、
を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
各前記電力用半導体素子の駆動制御指令を行う駆動指令手段を更に備え、
前記駆動指令手段は、前記判定手段による判定結果に応じて、前記電力用半導体素子を遮断させるか、または前記電力用半導体素子の導通指令の時間幅を増減して導通時の最大電流値を制限する、
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記判定手段は、前記主電源の電圧、前記主回路に含まれる所定部分の前記インダクタンスの起電圧および前記主回路の全インダクタンスにもとづき、以下の式（８）により前記電力用半導体素子のエネルギ損失を算出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【数８】
2017085825.tif 000010
【請求項４】
前記判定手段は、前記電力用半導体素子のエネルギ損失から前記電力用半導体素子の接合温度を算出して、基準値と比較して判定する、
ことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記判定手段は、前記電力用半導体素子をターンオフしたのち、前記電力用半導体素子に印加される電圧が前記主電源の電圧を超えた時点から積分演算する、
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記判定手段は、２つ以上の直列接続された前記電力用半導体素子の一方がスイッチング動作する際に、直列接続された対となる他方が還流動作している期間に積分演算する、
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記基準値は、前記主電源の電圧、前記インダクタンスの起電圧から演算された値、電力変換装置内の温度のいずれか、またはこれらを組み合わせた値に応じて選定された値である、
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記主電源の電圧を測定する端子、または当該端子を接続可能な構造が設けられており、
前記主回路に含まれる所定部分のインダクタンスの起電圧を測定する端子、または当該端子を接続可能な構造が設けられており、
各前記端子は、電圧もしくはそれに相当する値を測定する回路を接続可能なコネクタに電気的に接続される、
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記測定手段が、前記主回路への接続または分離可能な構造を持ち、前記判定手段が判定を実施しない際には分離して稼動可能である、
ことを特徴とする請求項８に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のうちいずれか１項に記載の電力変換装置と、
前記測定手段による判定結果を外部に出力する通信手段と、を備える、
ことを特徴とする車両制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置およびそれを用いた車両制御システムに関し、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、電力用半導体素子により構成されるものに関わる。
【背景技術】
【０００２】
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である電力変換装置では、高圧かつ大電流の電力制御を行う。これら電力変換装置の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おそれがある。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との関係者への通知、劣化を抑える電力変換装置の延命制御などが必要である。【０００３】
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発熱の元となるスイッチング動作時の損失を、電力用半導体に印加される電流、電圧を測定しその結果を用いて算出して適切な処置を取る方法が提案されている。このような例は、特許文献１に記載されている。特許文献１の要約書の解決手段には、「電力変換装置（３０）は、駆動信号（ａ２）の値を補正する補正回路（３８）を含む。補正回路（３８）は、駆動信号（ａ２）、スイッチング素子（５）の出力電圧に応じた第１の信号（ａ８）およびスイッチング素子（５）の出力電流に応じた第２の信号（ａ９）が入力されると、第１の信号（ａ８）の値および第２の信号（ａ９）の値を演算処理してスイッチング損失を求め、スイッチング損失の値を第１の基準値と比較し、かつ、第１の信号（ａ８）の値を第２の基準値と比較し、スイッチング損失の値が第１の基準値を超えること、および、第１の信号（ａ８）の値が第２の基準値を超えることの少なくとも一方を満たす場合に、その超えた値が対応する基準値以下になるように駆動信号の値を補正する。」と記載されている。また、上記のように電力用半導体の電流を測定する場合に、特別な電流センサを用いずに評価する手法も提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３１２８１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の発明によれば、稼働中の損失を求めそれに応じて駆動制御を変更することで、電力半導体の接合温度を許容される値以下に抑えることができ、故障のリスクを低減することが可能であると考えられる。
しかし、故障を防止するという観点では、電力変換器で使用される素子全ての電流、電圧を評価することが必要となる。例えば、電力変換装置として信頼性の要求度が高い大容量の電動機駆動用などの２レベルの３相インバータを考えると、特許文献１に記載の発明によれば、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の各上下アームの６箇所の電力用半導体にて１０００Ａ級の大電流、数１０００Ｖ級の高電圧の評価が必要となる。電圧の測定には電力用半導体の２点をプローブする必要があるため、計１２点の電圧のプローブ用端子ならびに配線が必要である。これらは高電圧が印加されるため絶縁にも配慮が必要なこと、部位が多く構成が複雑になるなどコスト的な増加が否めない。【０００６】
また、電力変換器における第電流の評価については、ロゴスキーコイルやカレントトランスなどのセンサを６ヵ所に挿入する必要となる。これらのセンサは、大磁気的な結合を取るために、電力用半導体が制御する主回路の電流経路内に挿入する必要がある。このため既存の装置への適用が困難であり、また挿入する場合にも主回路の配線ループを広げる必要があり、主回路の寄生インダクタンスが増加してしまうなどシステム性能への影響も無視できない。また電流センサ自体の価格も高く、コスト的な増加も高いと考えられる。【０００７】
また、電力用半導体に直列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設け、電流を求める方法も考えられる。しかしこの場合、電流を評価する電力用半導体ごと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設ける必要があるため、電流を評価するための積分器が６箇所必要であり、その設置が困難である。また、電流を評価する回路の電位がスイッチング時に変動するため、診断のために電流の評価結果を外部に出力することが困難であることなどから現実的ではない。【０００８】
そこで、本発明は、上記の課題を解決し、簡素な構成でありながら、電力用半導体素子およびこれに関連する各部位の異常や劣化を高精度に検出する電力変換装置、およびこれを利用する車両制御システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記した課題を解決するため、請求項１に記載の電力変換装置は、主電源に接続された平滑コンデンサの両端に、少なくとも２つ以上の電力用半導体素子が直列に接続されて構成される。この電力変換装置は、前記主電源の電圧、および前記平滑コンデンサと前記電力用半導体素子との間の主回路に含まれる所定部分のインダクタンスの起電圧を測定する測定手段と、前記主電源の電圧および前記インダクタンスの起電圧に基づき、前記電力用半導体素子のうち１つが動作している所定期間に亘って積分演算して得られた値を基準値と比較して判定する判定手段とを備える。
その他の手段については、発明を実施するための形態のなかで説明する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、簡素な構成でありながら、電力用半導体素子およびこれに関連する各部位の異常や劣化を高精度に検出する電力変換装置、およびこれを利用する車両制御システムを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態における電力変換装置を示す概略の構成図である。
【図２】電力変換装置の回路動作を示すものである。
【図３】ターンオフ時の測定電圧と測定電流の波形図である。
【図４】ターンオフ時の測定電圧と演算にて算出した電圧の波形図である。
【図５】ターンオフ時の測定電流と演算にて算出した電流の波形図である。
【図６】ターンオン時の測定電圧と演算にて算出した電圧の波形図である。
【図７】ターンオン時の測定電流と演算にて算出した電流の波形図である。
【図８】各温度条件における電力変換装置の測定電圧と測定電流の波形図である。
【図９】電力変換装置の温度条件と電圧偏差との関係を示すグラフである。
【図１０】電力変換装置の駆動波形を示す図である。
【図１１】電力変換装置の実装例を示す図である。
【図１２】診断回路を示す構成図である。
【図１３】電力変換装置による診断処理を示すフローチャートである。
【図１４】本実施形態の電力変換装置を鉄道車両に搭載した車両制御システムを示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を各図に基づいて詳細に説明する。
図１は、本実施形態における電力変換装置１を示す概略の構成図である。電力変換装置１は、負荷として３相の電動機９を駆動するＩＧＢＴ１１〜１６を電力用半導体素子として用いる２レベルインバータである。この電力変換装置１は、駆動指令演算回路２７と、ゲートドライバ回路部２１〜２６と、ＩＧＢＴ１１〜１６と、平滑コンデンサＣ0と、診断回路３０とを含んで構成される。
【００１３】
駆動指令演算回路２７は、駆動指令を生成し、ゲートドライバ回路部２１，２２により、それぞれ電力用半導体素子であるＵ相の上アームのＩＧＢＴ１１、下アームのＩＧＢＴ１２を制御する。同様に駆動指令演算回路２７は、ゲートドライバ回路部２３，２４によりＶ相の上アームのＩＧＢＴ１３、下アームのＩＧＢＴ１４を制御し、ゲートドライバ回路部２５，２６によりＷ相の上アームのＩＧＢＴ１５、下アームのＩＧＢＴ１６の導通、遮断を制御する。これにより電力変換装置１は、電動機９を駆動することができる。
電力変換装置１において、各相のＩＧＢＴ１１〜１６は、バスバーの上アーム側の寄生インダクタンスＬｓｕ、下アーム側の寄生インダクタンスＬｓｌ，Ｌｓｍを含む主回路配線により、主電源に接続された平滑コンデンサＣ0と接続されている。この平滑コンデンサＣ0は、直流電力を供給する主電源Ｖｓに接続されている。
【００１４】
なお、主回路配線の全寄生インダクタンスＬｓは、各ＩＧＢＴ１１〜１６のモジュール内や平滑コンデンサＣ0の内部にも分布しており、その一部分が寄生インダクタンスＬｓｕ，Ｌｓｌ，Ｌｓｍである。この例で寄生インダクタンスＬｓｍは、下アームの平滑コンデンサＣ0寄りのバスバーの所定部分としているが、各相の電流が共通して流れる部位であれば、他の部分の寄生インダクタンスであってもよい。
【００１５】
平滑コンデンサＣ0の近傍には、主電源電圧Ｖｄｃを測定する端子と、寄生インダクタンスＬｓｍの起電圧Ｖｓｍを測定する端子とが、それぞれ設けられている。
診断回路３０の測定部３１は、主電源電圧Ｖｄｃと、平滑コンデンサＣ0と各ＩＧＢＴ１１〜１６との間の主回路に含まれる所定部分の寄生インダクタンスＬｓｍにおける起電圧Ｖｓｍを測定する。
演算部３２は、測定部３１が測定した主電源電圧Ｖｄｃと起電圧Ｖｓｍの値に基づき、各相のＩＧＢＴ１１〜１６の電流・電圧を、各ＩＧＢＴ１１〜１６のうち１つが動作している所定期間に亘って積分演算して算出し、損失を算出する。
判定部３３は、演算部３２が算出した各結果と、事前に設定した各基準値とを比較して判定する。
記録・出力部３４は、判定部３３が判定した結果を記録もしくは出力し、更に駆動指令演算回路２７へ出力して駆動指令を状況に応じて故障が生じないように変更する。
また、ここで電圧を測定する端子の基準を、主回路電源のグランドと共通電位にできる端子とすることで、測定部３１が測定する電圧の変動が抑えられ、測定電圧信号へのノイズの低減や、外部への信号出力のエラー低減、また測定用の高圧配線本数の低減などが可能となり、診断回路３０による診断が高精度化される。
【００１６】
駆動制御指令を変更する内容とは、例えば、ＩＧＢＴ１１〜１６の導通時の最大電流の値の制限値を設けて導通・遮断時の損失を低減させること、ＩＧＢＴ１１〜１６で損出が発生しないように遮断すること、またはＩＧＢＴ１１〜１６の導通指令の時間幅を増減させることで、ＩＧＢＴ１１〜１６に流れる電流値を低下させて損失を低減させることなどがある。
【００１７】
本実施形態では、既存のシステムを変更せず、かつ電圧のプロービングが容易な主電源の平滑コンデンサＣ0とバスバーの電圧値に基づき、ＩＧＢＴ１１〜１６の損失を算出できる。電圧のプロービング場所も２点と非常に少なく、簡素な構成で異常や劣化の有無を診断することが可能となる。
【００１８】
本実施形態での演算処理と診断判定処理とを以下に説明する。各相のＩＧＢＴ１１〜１６が導通・遮断動作する際に、主電流の電流変化率ｄＩ／ｄｔが変化し、その絶対値が増加する。電力変換装置１の駆動指令演算回路２７は、通常動作にて、同時に複数の相のスイッチングが生じないよう制御する。このとき、寄生インダクタンスＬｓｍには、起電圧Ｖｓｍ＝Ｌｓｍ・ｄＩ／ｄｔが生じる。この式の右辺を起電圧Ｖｓｍが生じた期間で積分することで、式（１）に示すように、このときにスイッチングしたＵ、Ｖ、Ｗ相の上下アームのいずれかのＩＧＢＴ１１〜１６に流れる電流Ｉｃｘを算出可能である。
【数１】
2017085825.tif 000003
【００１９】
この場合、スイッチングはしていないが導通状態にある他の相間に流れる電流も、主回路に同時に流れる。しかし、検討の結果、主回路の全インダクタンスＬｓに対して負荷のインダクタンスＬloadは十分に大きく、負荷を経由しないスイッチング時のｄＩ／ｄｔ＝Ｖｄｃ／Ｌｓは、負荷を経由して流れる相関が導通する場合のｄＩ／ｄｔ＝Ｖｄｃ／Ｌloadに対して十分大きいことがわかった。例として鉄道用の電動機の場合では、Ｌloadは数ｍＨオーダーであるのに対し、Ｌｓは１００ｎＨ程度と約１／１０００である。このため、起電圧Ｖｓｍに含まれる他相の導通時のｄＩ／ｄｔによる起電圧は十分に小さく、式（１）で相電流を求めても十分な精度が得られる。
【００２０】
さらに、スイッチング時に主電源電圧Ｖｄｃは、主回路の寄生インダクタンスＬｓで発生する起電圧Ｖｓ＝Ｌｓ・ｄＩ／ｄｔとスイッチングする相の上下アームの素子で分担され、式（２）の関係にある。ここで電圧Ｖcex1，Ｖcex2は、各相の上アームと下アームのＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間の電圧である。
【数２】
2017085825.tif 000004
【００２１】
このとき、例として下アームで電流を遮断するターンオフのスイッチング動作が生じる場合を考える。
図２は、電力変換装置１の回路動作を示すものである。図１の主回路の１相分の回路動作を簡素化して記載しており、負荷となる電動機９インダクタンスＬloadが他相の上アームがオンしていて、電源電圧の上アーム側に接続された状況を示している。
ターンオフ動作により図中の電流経路ａで下アーム素子に流れた電流は、電流経路ｂに変化してゆく。
式（２）から下アームのコレクタ−エミッタ間の電圧Ｖcex2は、以下の式（３）で算出される。
【数３】
2017085825.tif 000005
【００２２】
上アームのＩＧＢＴ１１側でダイオード還流する電流経路ｂ（図２参照）の時であれば、電圧Ｖcex2は以下の式（４）で算出される。
【数４】
2017085825.tif 000006
【００２３】
ここで電圧ＶＦは、ＩＧＢＴのダイオード還流状態のオン電圧である。電圧ＶＦは、電流や温度、動作のモード、時間により変化する。しかし電圧ＶＦは、下アームでのターンオフ時の初期、かつダイオードのターンオン遷移期間である順方向回復期間を除けば、数Ｖである。主電源電圧Ｖｄｃに比べて電圧ＶＦは、１／１００〜１／１０００程度と十分低く、式（２）は、式（５）のように近似可能である。
【数５】
2017085825.tif 000007
【００２４】
このとき全インダクタンスＬｓと、寄生インダクタンスＬｓｍの比率を事前に求めておけば、Ｖｓｍ＝Ｌｓｍ・ｄＩ／ｄｔより、ｄＩ／ｄｔ＝Ｖｓｍ／Ｌｓｍであるから、式（５）から式（６）のように電圧Ｖcex2は与えられる。
【数６】
2017085825.tif 000008
【００２５】
このような検討から主電源電圧Ｖｄｃと、寄生インダクタンスＬｓｍの起電圧Ｖｓｍを評価することで、ダイオード還流期間中の下アーム素子の電圧Ｖcex2を抽出することが可能であることがわかった。なお、いうまでもないが、これらの式の符号は、電圧や電流の向きの定義に依存しており、これを変更した場合は符号が逆となる場合もある。
【００２６】
さらに式（７）のように、この期間のＶｃｅと、式（１）から求められる電流Ｉcx1の積を取り、時間積分することで、その期間に発生するターンオフ損失Ｅoffx2を算出することが可能となる。
【００２７】
【数７】
2017085825.tif 000009
【００２８】
ここで積分期間は、ダイオードが還流する期間である。このダイオードが還流する期間は、対アームのダイオードが順バイアスとなる、すなわちこの場合では電圧Ｖcex1が負となることに当たるため、電圧Ｖcex2が主電源電圧Ｖｄｃを超えることに相当し、式（６）から解るように、起電圧Ｖｓｍの値から決定できる。
【００２９】
また、詳細な説明は省略するが、電力用半導体素子が電流を導通する際のターンオンスイッチング時も、上記の式は成立する。そのため主電源電圧Ｖｄｃと起電圧Ｖｓｍとを評価することで同様にして対アームがダイオード還流期間中の電圧Ｖｃｅが算出でき、この期間のスイッチング損失を求めることが可能である。本実施形態では、このようにして求められるスイッチング中のある期間の損失を用い、電力変換器が稼働中に想定される損失と比較し想定値との差がある一定の範囲を超えた場合に、劣化または異常が生じたと判定し、その結果を記録もしくは出力し、保守や交換等の判断に供することで稼働中の故障を防止するものである。
【００３０】
なお、本方式により、式（１）と式（６）とから全相の電力用半導体の電流と電圧が求められるため、稼働中に想定される電流、電圧波形や、これらから演算処理で抽出可能な遅延時間などの特徴量との比較により、異常の有無を診断することも可能である。
【００３１】
また、本発明の手法では全相の電力用半導体の診断を一括で実施する。診断の結果、異常の確認後に保守を実施し、その際に具体的な異常部位を特定して修理や交換等を実施する。さらに保守を簡素化するために異常が発生しているアームを特定することが必要な場合には、駆動指令演算の駆動パターンの仕様や、駆動指令信号などの追加の情報により、Ｖｓｍの信号の発生しているアームを解析により特定することで可能となる。
【００３２】
図３から図７は、電力変換装置１の測定電圧と測定電流の波形図である。これら図３から図７は、電力変換器を模擬したＬ負荷のＩＧＢＴによる２レベルインバータ主回路の実測のＶｃｅ、Ｉｃターンオフ波形と、本発明の方式により演算処理で抽出した波形とを比較するものである。
図３は、電流、電圧プローブによる下アーム素子の電圧Ｖｃｅ、電流Ｉｃ、起電圧Ｖｓｍの評価波形である。
図４は、この波形から求めた電圧Ｖｃｅの計算値を実線で示している。
図５は、この波形から求めた電流Ｉｃの計算値を実線で示している。
なおここでは、起電圧Ｖｓｍのみ符号を逆転して表記している。図４と図５の縦の破線より右側の期間が本方式で着目するダイオードが還流する期間である。図４と図５に示されるように、本方式によってこの期間の電圧Ｖｃｅと電流Ｉｃが高精度に演算で再構成され、抽出することができる。
【００３３】
図６は、電力変換器を模擬したＬ負荷のＩＧＢＴによる２レベルインバータ主回路の実測したＶｃｅターンオン波形と、この波形から求めた電圧Ｖｃｅの計算値とを示している。
図７は、電力変換器を模擬したＬ負荷のＩＧＢＴによる２レベルインバータ主回路の実測のＩｃターンオン波形と、この波形から求めた電流Ｉｃの計算値とを示している。
図６と図７にて、２本の縦の破線に挟まれた期間が本方式で着目するダイオードが還流する期間である。図６と図７に示されるように、本方式によってこの期間の電圧Ｖｃｅと電流Ｉｃが高精度に演算で再構成され、抽出することができる。
【００３４】
図８と図９は、本発明による電力変換装置の温度を診断する実施形態である。
図８は、Ｌ負荷のＩＧＢＴによる２レベルインバータ主回路でのターンオフ波形と、その際のスイッチング損失Ｅの例を示す。
実線は、ＩＧＢＴが２５℃の場合におけるターンオフ波形と、その際のスイッチング損失Ｅの例を示す。破線は、ＩＧＢＴの温度を１２５℃とした場合のターンオフ波形と、その際のスイッチング損失Ｅの例を示す。
スイッチング損失Ｅは、本方式で算出可能な図中の縦の点線より右側の、本方式で着目するダイオードが還流する期間で発生する部分の全体に占める比率が大きく、本方式で抽出可能な損失が電力用半導体の発熱に大きな影響を持ち、診断に適用可能であることがわかる。
【００３５】
さらに、スイッチング損失Ｅは温度の上昇により上昇するが、温度による損失への影響は主として、ダイオードが還流する期間以降で発生しており、本方式でこの期間の損失をモニタすることで、素子の劣化や駆動の異常などによる損失の増加だけでなく、電力用半導体を冷却する冷却系の熱抵抗の増大などで発生する温度の上昇についても診断が可能である。
図９は、電力用半導体素子の接合温度と損失の変化量ΔＥの関係を示すグラフである。
ここで接合温度が０℃の場合にΔＥを０として、接合温度が変化したときの損失の変化量をそれぞれ示している。
接合温度と損失の変化量ΔＥとの間には相関関係がある。そのため、主電源電圧Ｖｄｃと電流Ｉｃの関係を事前に評価しておけば、本実施形態で演算処理により評価した損失と、その際に用いた主電源電圧Ｖｄｃならびに演算によって求めた電流Ｉｃから、接合温度を推定することが可能となる。このように、本実施形態では主電源電圧Ｖｄｃと起電圧Ｖｓｍの評価から、電力変換器の全アームの電力用半導体の接合温度の推定も可能である。
【００３６】
また、電力用半導体の接合温度の基準値は、電力用半導体素子の周囲の温度、または冷却系の温度により決定される。この基準値を、電力用半導体の接合温度の推定値と比較することで、電力用半導体の接合温度が想定から程度乖離しているか判定することが可能となる。よって、電力変換器の劣化や異常の検出や健全性の程度の判定精度を高めることが可能である。
【００３７】
図１０は、電力変換装置１の駆動波形を示す図である。この図１０は、３相インバータを診断する際の波形例を示す。図１０の上段には、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の上下アームの導通と遮断の指令信号を示している。その下には、Ｕ，Ｖ．Ｗ相の出力電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗと、主電源電圧Ｖｄｃと、寄生インダクタンスＬｓｍの起電圧Ｖｓｍの波形を示している。
当初、Ｕ相下アームのＩＧＢＴ１２と、Ｖ相上アームのＩＧＢＴ１３と、Ｗ相上アームのＩＧＢＴ１５とがオンしている。
【００３８】
時刻ｔ０にて導通中のＵ相下アームのＩＧＢＴ１２に遮断指令信号が出力され、時刻ｔ１にてＩＧＢＴ１２がターンオフして遮断状態となる。
時刻ｔ２にてＵ相上アームのＩＧＢＴ１１がターンオンして導通状態となり、時刻ｔ３にてＩＧＢＴ１１がターンオフする。その後、時刻ｔ４にてＩＧＢＴ１２がターンオンする。
時刻ｔ５にて導通中のＶ相上アームのＩＧＢＴ１３に遮断指令信号が出力され、時刻ｔ６にてＩＧＢＴ１３がターンオフして遮断状態となる。その後、時刻ｔ７にてＶ相下アームのＩＧＢＴ１４がターンオンする。
【００３９】
本実施形態では、インバータの全相の電力用半導体素子を主電源電圧Ｖｄｃと起電圧Ｖｓｍの２点の電圧波形から一括して診断するが、図のようにターンオン、ターンオフで起電圧Ｖｓｍの波形の変化の形状、向きが異なるため、波形形状からスイッチングのモードを特定することが可能である。本実施形態ではこの様にしてオン、オフのモードを判定し、これと計算で求めた電流Ｉｃｘ、主電源電圧Ｖｄｃ、先に述べた周囲の温度などから判定基準値を選定する。
【００４０】
なお、起電圧Ｖｓｍの値が、スイッチング期間以外で若干正になっているのは、負荷に流している電流による起電圧の影響であり、図では強調して表記しているが、実際の波形では先に述べたようにスイッチング時の起電圧Ｖｓｍに対して無視できるレベルである。また、電流を算出する積分演算は、起電圧Ｖｓｍが変動するスイッチング期間で実施すればよい。
例えば、ターンオフ時は、起電圧Ｖｓｍがある基準値以下となる期間を、起電圧Ｖｓｍの評価波形から抽出してその時間範囲で積分し、積分が終了した時点での電流が０Ａとなるよう積分値を補正する。
またターンオン時は、起電圧Ｖｓｍが正に振れた時点から積分を開始し、起電圧Ｖｓｍのピークまでの期間で積分すればよく、かつ起電圧Ｖｓｍが初めに正に振れた時点で電流が０Ａとなるよう補正する。
【００４１】
損失を積分する期間は、対アームのダイオードが還流している期間である。
ターンオフにて損失を積分する期間は、図４と図５に示した縦の破線以降であり、起電圧Ｖｓｍがある基準値以下となる期間で積分すればよい。
ターンオンにて損失を積分する期間は、図６と図７に示した縦の２本の破線の区間であり、起電圧Ｖｓｍが初めに正に振れた時点から、正側のピークに到達した時点までの期間で積分すればよい。このように積分期間は、起電圧Ｖｓｍの波形から判定可能なため、起電圧Ｖｓｍの測定とその数値演算により積分期間を決定することができる。
【００４２】
図１１は、電力変換装置１の実装例を示す図である。
主電源の平滑コンデンサＣ0に主回路配線の負電位側のバスバー４１と正電位側のバスバー４２が接続され、これに上下アームのＩＧＢＴ１１，１２が接続されている。上下アームの電力用半導体モジュール間はバスバー４３で電気的に接続され、冷却部４８とは熱的に接続されている。冷却部４８に接して電力変換器の周囲温度を評価する目的で温度センサ３１１が設けられている。バスバー４２には主電源電圧Ｖｄｃ評価用の端子４４が設けられている。バスバー５０には主電源電圧Ｖｄｃ評価用の端子４５が設けられている。バスバー４１には起電圧Ｖｓｍ評価用の端子４６，４７が設けられている。
この例では電圧測定の基準点グラウンドを端子４５と端子４６を分けているが、端子４５と、端子４６を兼用してもよい。電圧測定の基準点グラウンドを端子４５、または端子４６の一方とし、端子４４，４７の電圧を測定することで装置の簡素化が可能である。
また、端子４７を設ける位置により、寄生インダクタンスＬｓｍの値が調整可能である。寄生インダクタンスＬｓｍの部位は、起電圧Ｖｓｍの値が過小や過大にならず、診断に適する適切な範囲となるように選定することが可能である。
【００４３】
なお、電圧の評価は端子４４〜４７で直接評価することも可能であるが、実装や診断の自由度を高めるため、これらの端子４４〜４７から配線を引き出して電力変換器の他の部位や電力変換器の外部にて電圧を評価できるようにコネクタ４９を設ける、もしくはこれらの主電源電圧Ｖｄｃや起電圧Ｖｓｍの電圧をあらかじめ抵抗で分圧する分圧回路を設け、その電圧を配線により引き出してコネクタ４９を設けることも有効である。このような構成とすることで、診断回路３０を電力変換器に常時搭載しなくても、稼動時間が経過し装置の診断が必要な時期に、装置内の診断装置を後付でして診断する、もしくは装置外部の診断装置に接続して診断することが可能となり、装置の価格を上昇させずに必要な診断を実際することが可能となる。また、分圧回路を設ける場合は引き出し配線の電圧を低電圧化でき、ノイズ結合の低減や絶縁の信頼性を高めることが可能になるため、特に装置外部の診断装置に接続して診断する場合に有効である。また、言うまでもないが、端子４４〜４７は、既存の主回路配線内に設けられた接続用の各種の端子が利用できる場合には、これらに電圧測定用の回路を取り付けるものであってもよい。
【００４４】
図１２は、診断回路３０を示す構成図である。
診断回路３０では、まず測定部３１にて主電源電圧Ｖｄｃの端子４４，４５の電圧が分圧回路３１３で、起電圧Ｖｓｍの端子４６，４７の電圧の分圧回路３１２でそれぞれ分圧され、周囲温度が温度センサ３１１で検出され、これらの値がＡ／Ｄ変換回路３１４でデジタル値に変換される。
次にデジタル変換された値は演算部３２に入力され、電圧・電流演算部３２１にて先に述べた方法で演算により電圧波形と電流波形とが算出される。これらの値より損失演算部３２２にて損失または接合温度が算出される。さらに、このようにして求めた電流、電圧とセンサで評価した周囲温度から、該当条件での損失もしくは接合温度もしくはこれに相当する値の許容値が基準値として判定基準部３２３で選定される。
判定部３３は、算出された損失または接合温度とその基準値とを比較し、その基準値からの乖離の量に応じた処理を判定し、記録・出力部３４にてその結果を記録または出力する。
【００４５】
判定基準の選定においては、装置の以前の稼動状態での損失や接合温度もしくはこれらに相当する値を、あらかじめ記録・出力部３４に記録しておき、その値を判定基準部３２３に入力して基準値の設定に使用することも可能である。こうすることで、装置固有のばらつきの影響を抑えより高精度に診断することが可能となる。また、一定期間で特定条件での損失や接合温度などを記録しておく、もしくは損失もしくは接合温度が時間経過に伴って増加する変化量がある一定の値となった時期を記録することで、変換装置の劣化の時間経過が定量化でき、保守時期の推定や余寿命の推定が高精度に可能となる。
【００４６】
図１３は、電力変換装置１による診断処理を示すフローチャートである。
いずれかの相にてダイオードが環流を開始すると、図１２の処理が開始する。
最初に、測定部３１は、主電源の電圧と寄生インダクタンスの起電圧を測定する（ステップＳ１０）。演算部３２は、この主電源の電圧と寄生インダクタンスの起電圧に基づき、積分演算によりＩＧＢＴの電流・電圧および損失を算出し（ステップＳ１１）、ＩＧＢＴの損失からＩＧＢＴの接合温度を算出する（ステップＳ１２）。
【００４７】
次に、判定部３３は、ＩＧＢＴの損失と基準値とを比較する（ステップＳ１３）。ＩＧＢＴの損失が第１基準値未満であり、正常範囲であったならば、図１２の処理を終了する。ＩＧＢＴの損失が第１基準値以上かつ第２基準値未満であったならは、このＩＧＢＴの導通指令の時間幅を減少させる（ステップＳ１４）。これにより電力変換装置１の性能を損なわず、かつ故障を防止しつつ長期間稼動させることが可能となる。ＩＧＢＴの損失が第２基準値以上であったならは、このＩＧＢＴを遮断させる（ステップＳ１５）。これにより、ＩＧＢＴの過熱を防ぐことができる。
【００４８】
図１４は、本実施形態の電力変換装置１を列車６に搭載した車両制御システムを示す構成図である。
列車６は、複数の鉄道車両６１ａ〜６１ｄから構成されている。鉄道車両６１ａには、車上制御装置７２と、これに接続される車上アンテナ７０、車上表示装置７１とが搭載される。鉄道車両６１ｂは、電力変換装置１ａと、これにより駆動される電動機９ａ〜９ｄが搭載される。鉄道車両６１ｄは、電力変換装置１ｂと、これにより駆動される電動機９ｅ〜９ｈが搭載される。
車上制御装置７２から車上通信手段により電力変換装置１ａ，１ｂが制御されており、電力変換装置１ａの出力により電動機９ａ〜９ｄが駆動され、電力変換装置１ｂの出力により電動機９ｅ〜９ｈが駆動される。
車上制御装置７２は、車上アンテナ７０を介して、列車６外の地上診断装置８と通信することができる。また、車上制御装置７２には車上表示装置７１が接続され、警告や稼働状況を表示可能である。
【００４９】
地上診断装置８には、地上アンテナ８１と地上通信手段８２が設けられ、演算装置８３と表示端末８４、記憶装置８５、診断手段８６、稼動条件判定手段８７、出力指示手段８８が設けられている。
【００５０】
車上制御装置７２は、本手法で算出した損失や接合温度、もしくはその結果に基づく判定結果に相当する情報を定期的に車上アンテナ７０から、地上診断装置８に送信する。
地上診断装置８は、その情報を地上アンテナ８１と地上通信手段８２と演算装置８３を経由して記憶装置８５に記憶し、その情報に基づいて診断手段８６にて電力変換装置１ａ，１ｂの劣化を定量化し、電力変換装置１ａ，１ｂのそれぞれの状態から、個々の電力変換装置１ａ，１ｂおよび列車６全体としての稼動条件を、稼動条件判定手段８７にて決定する。
【００５１】
例えば、電力変換装置１ａで損失が過大に発生しているもしくは接合温度が過大となる状況が生じた場合を考える。このとき故障を防ぐために電力変換装置１ａの出力を低減させる延命稼動とし、その不足分の出力を、同様に診断して損失や接合温度に余裕がある電力変換装置１ｂの出力を上昇させて補う稼動制御とする。これにより鉄道車両６１ａ〜６１ｄの性能を損なわず、かつ故障を防止しつつ長期間稼動させることが可能となる。
この診断結果は出力指示手段８８を介して、地上の表示端末８４やメールとして関連部署に送信され、発生した異常の程度に応じて、保守点検のスケジュールや車輌の運行スケジュールに反映する。この診断結果は更に、鉄道車輌側にも通信手段を介して送信され、稼動制御の変更が必要な場合は、その情報に基づいて車上制御装置７２にて稼動条件を調整し稼動状態に反映する。ここで、前記通信の時期や頻度としては、例えば地上診断装置８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。
【００５２】
また、地上診断装置８０の記憶装置８５、診断手段８６、稼動条件判定手段８７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１の情報を収集できるようにすれば、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。
【００５３】
以上、本発明による電力変換装置１の異常や劣化の診断を、システムの変更を伴わずに損失や接合温度を評価して実施する手法を、鉄道車両６０ａ〜６０ｄなどＩＧＢＴを用いた大容量変換器を例に説明した。言うまでもないが、電力用半導体としてはＩＧＢＴに限定されるものではなく、パワーＭＯＳＦＥＴやダイオードを初めとする他の電力用半導体にも適用可能であり、また他の電力変換システムにおいても適用可能である。
更に、本発明の効果として電力変換装置１の主回路を構成する電力用半導体の損失や温度の異常を診断する手法を示した。同時に電力変換装置１の論理部を初めとする他の構成部位の劣化や異常に関しても、電力用半導体素子の損失や温度をモニタすることで検出が可能である。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、論理回路の誤動作、ゲートドライバの駆動波形異常などが挙げられる。
【００５４】
以上詳細に説明したように、本発明により電力変換装置１の主電源の電圧と、主電流が流れる主回路に含まれるインダクタンスの起電圧とを測定する手段を備え、主電源電圧とインダクタンスの起電圧を演算して得られた値を基準値と比較判定することにより、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、システムとしての機能を損なわずに長期間使用可能とする方法を提供可能である。
【００５５】
（変形例）
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。例えば上記した実施形態は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態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。
【００５６】
上記の各構成、機能、処理部、処理手段などは、それらの一部または全部を、例えば集積回路などのハードウェアで実現してもよい。上記の各構成、機能などは、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈して実行することにより、ソフトウェアで実現してもよい。
【００５７】
各実施形態に於いて、制御線や情報線は、説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には、殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
【符号の説明】
【００５８】
１，１ａ，１ｂ  電力変換装置
１１〜１６  ＩＧＢＴ  （電力用半導体素子）
２１〜２６  ゲートドライバ回路部
２７  駆動指令演算回路
３０  診断回路
３１  測定部
３１１  温度センサ
３１２  分圧回路
３１３  分圧回路
３１４  Ａ／Ｄ変換回路
３２  演算部
３２１  電圧・電流演算部
３２２  損失演算部
３２３  判定基準部
３３  判定部
３４  記録・出力部
４１〜４３  バスバー
４４〜４７  端子
４８  冷却部
４９  コネクタ
６０  鉄道車両
７０  車上アンテナ
７１  車上表示装置
７２  車上制御装置
８  地上診断装置
８１  地上アンテナ
８２  地上通信手段
８３  演算装置
８４  表示端末
８５  記憶装置
８６  診断手段
８７  稼動条件判定手段
８８  出力指示手段
９  電動機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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