(57)【要約】【課題】パワーサイクル劣化のような寿命をもつ半導体に対し、寿命を予測して保全交換の時期を確認し、交換を行ったり、運転方法や定数の変更を行うことで、所期の寿命を確保できるインバータの保護装置を提供する。【解決手段】可変電圧可変周波数インバータのパワー半導体素子に対する出力周波数指令値と出力電流値とに基づき、パワー半導体素子のジャンクション−ケース温度の上昇時のピーク値、下降時のピーク値を計算し、ジャンクション−ケース間温度ΔＴj-cに対する繰り返し耐量を表すパワーサイクル寿命曲線から、パワー半導体素子のパワーサイクル寿命に対する割合を計算、記憶し、パワー半導体素子のパワーサイクル寿命による破壊までの、寿命の割合を表示する信号を出力する監視手段１４を設けた。パワーサイクル寿命に対する割合を、パワーサイクル回数の１／Ｎで計算し、これを毎回加算していくことで、寿命の割合を保存、表示できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インバータ電圧の大きさおよび周波数の制御が可能なパワー半導体素子から構成される可変電圧可変周波数インバータの保護装置であって、
前記パワー半導体素子に対する出力周波数指令値と出力電流値とに基づき、前記パワー半導体素子のジャンクション−ケース温度の上昇時のピーク値、下降時のピーク値を計算し、前記パワー半導体素子が持つジャンクション−ケース間温度ΔＴj-cに対する繰り返し耐量を表すパワーサイクル寿命曲線から、パワー半導体素子のパワーサイクル寿命に対する割合を計算、記憶しておき、パワー半導体素子のパワーサイクル寿命による破壊までの、寿命の割合を表示する寿命割合表示信号を出力する監視手段を設けたことを特徴とするインバータの保護装置。
【請求項２】
前記パワー半導体素子の寿命が、前記パワーサイクル寿命曲線に対し、予め設定した割合を超えた場合にアラームを出力する手段を備えたことを特徴とする請求項１記載のインバータの保護装置。
【請求項３】
前記パワー半導体素子の寿命アラーム発生時のインバータの動作として、運転継続、減速停止、パワー半導体素子のゲートブロックを選択する手段を設けたことを特徴とする請求項２記載のインバータの保護装置。
【請求項４】
インバータ電圧の大きさ、周波数の制御が可能なパワー半導体素子から構成される可変電圧可変周波数インバータの保護装置であって、
前記インバータの主回路ヒューズに対する出力周波数指令値と出力電流値とに基づき、前記主回路ヒューズの繰り返し耐量を表すパワーサイクル寿命曲線から、主回路ヒューズのパワーサイクル寿命に対する割合を計算、記憶しておき、主回路ヒューズのパワーサイクル寿命による破壊までの、寿命の割合を表示する監視手段を設けたことを特徴とするインバータの保護装置。
【請求項５】
前記主回路ヒューズの寿命が、前記パワーサイクル寿命曲線に対し、予め設定した割合を超えた場合にアラームを出力する手段を備えたことを特徴とする請求項４記載のインバータの保護装置。
【請求項６】
前記主回路ヒューズの寿命アラーム発生時のインバータの動作として、運転継続、減速停止、パワー半導体素子のゲートブロックを選択する手段を設けたことを特徴とする請求項５記載のインバータの保護装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変電圧可変周波数インバータにおけるパワー半導体素子および主回路ヒューズの寿命予測・表示を行うことによりインバータを保護するインバータの保護装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータの保護装置として、従来からインバータの出力電流が所定の値を超えた場合にパワー半導体素子を遮断する過電流保護方式の保護装置がある。
また、出力電流とインバータ出力周波数により、パワー半導体素子のジャンクション温度を計算し、この温度が所定の値を超えた場合、パワー半導体素子を遮断する保護装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
このように、従来の保護装置は、瞬間的なパワー半導体素子の破壊を防ぐためのものである。
【０００３】
【特許文献１】特許第３２５３５０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような従来のインバータ保護装置では、パワー半導体素子の瞬間的な熱破壊に対しては保護が可能である。一方、パワー半導体素子は、比較的低い温度の繰り返しでも、パワーサイクル劣化により破壊することが知られているが、従来技術では、パワー半導体素子が持つパワーサイクル劣化による破壊に対しては予測、保護できないものとなっていた。
そこで、本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、パワーサイクル劣化のような寿命をもつ半導体と主回路ヒューズに対し、寿命を予測して保全交換の時期を確認し、交換を行ったり、運転方法や定数の変更を行うことで、所期の寿命を確保することができるインバータの保護装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記問題を解決するため、本発明の第１の構成は、インバータ電圧の大きさおよび周波数の制御が可能なパワー半導体素子から構成される可変電圧可変周波数インバータの保護装置であって、パワー半導体素子に対する出力周波数指令値と出力電流値とに基づき、パワー半導体素子のジャンクション−ケース温度の上昇時のピーク値、下降時のピーク値を計算し、パワー半導体素子が持つジャンクション−ケース間温度ΔＴj-cに対する繰り返し耐量を表すパワーサイクル寿命曲線から、パワー半導体素子のパワーサイクル寿命に対する割合を計算、記憶しておき、パワー半導体素子のパワーサイクル寿命による破壊までの、寿命の割合を表示する寿命割合表示信号を出力する監視手段を設けたものである。
本発明の第２の構成は、パワー半導体素子の寿命が、パワーサイクル寿命曲線に対し、予め設定した割合を超えた場合にアラームを出力するようにしたものである。
本発明の第３の構成は、パワー半導体素子の寿命アラーム発生時のインバータの動作として、運転継続を行うか、減速停止を行うか、パワー半導体素子のゲートブロックを行うかを選択するようにしたものである。
本発明の第４の構成は、インバータ電圧の大きさ、周波数の制御が可能なパワー半導体素子から構成される可変電圧可変周波数インバータの保護装置であって、前記インバータの主回路ヒューズに対する出力周波数指令値と出力電流値とに基づき、前記主回路ヒューズの繰り返し耐量を表すパワーサイクル寿命曲線から、主回路ヒューズのパワーサイクル寿命に対する割合を計算、記憶しておき、主回路ヒューズのパワーサイクル寿命による破壊までの、寿命の割合を表示する監視手段を設けたものである。
本発明の第５の構成は、前記主回路ヒューズの寿命が、前記パワーサイクル寿命曲線に対し、予め設定した割合を超えた場合にアラームを出力する手段を備えたものである。
本発明の第６の構成は、前記主回路ヒューズの寿命アラーム発生時のインバータの動作として、運転継続、減速停止、パワー半導体素子のゲートブロックを選択する手段を設けたものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の第１の構成によると、パワー半導体素子のパワーサイクル劣化による破壊までの寿命が判ることにより、パワー半導体素子の寿命前の保全交換をすることができる。また、パワーサイクル寿命を延ばすため、インバータの加減速時間の設定を変更したり、繰り返しの運転にならないように、運転方法を変更するなど、パワー半導体素子の寿命が延びるような設定に変更することも可能となり、インバータ運転中のパワーサイクル劣化破壊を防ぐことができる。
本発明の第２の構成によると、パワーサイクル劣化による破壊前にパワー半導体素子を交換する時期を設定することができる。
本発明の第３の構成によると、パワーサイクル劣化による破壊前にアラームを出すように設定した場合でも、設備の重要度により、運転継続などの方法を選択することが可能となる。
本発明の第４〜６の構成では、インバータの主回路ヒューズに対しても、パワーサイクル劣化の曲線があることから、第１〜第３の構成におけるパワー半導体素子と同様の手段を、主回路ヒューズに対して適用したものであり、これにより、主回路ヒューズのパワーサイクル劣化による破壊前に、保全交換、インバータの運転方法変更などで、主回路ヒューズのインバータ運転中のパワーサイクル劣化破壊を防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施の形態に係るインバータの保護装置を、図面を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係るインバータ装置の保護装置を適用したインバータ装置の構成を示すブロック図である。図１において、１は商用電源、２はダイオードコンバータ部、３は平滑用コンデンサ、４はパワー半導体素子により構成されたインバータ部、５，６は電流検出器、７は電動機、８はＣＰＵ（演算処理部）、９はＲＯＭ（リード・オン・メモリ）、１０はＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）、１１は表示器、１２はインバータの駆動回路、１３は電流検出回路、１４はパワー半導体素子や主回路ヒューズの寿命を監視する監視手段である。図１において、一点鎖線で囲んだ部分が、保護装置を含む制御装置Ｃである。
【０００８】
本実施の形態では、商用電源１から供給される一定電圧で一定周波数の交流電力をダイオードコンバータ部２で整流し、平滑コンデンサ３で平滑して直流とし、インバータ部４により可変電圧可変周波数の交流電力に変換し、電動機７を加変速運転させる。
インバータ部４に使用されるパワー半導体素子の損失Ｐは、定常損失をＰsat、ターンオン損失をＰon、ターンオフ損失をＰoffとすると、
Ｐ＝Ｐsat＋Ｐon＋Ｐoff
で表される。ここで、一般にこれらの損失は次のように近似できる。
Ｐsat＝Ｋ1（Ｖsat＊Ｉ）
Ｐon＝Ｋ2（Ｅon＊Ｉ＊ｆc）
Ｐoff＝Ｋ3（Ｅoff＊Ｉ＊ｆc）
ここで、Ｋ1、Ｋ2、Ｋ3、Ｅon、Ｅoffは係数、Ｖsatはオン電圧、ｆcはスイッチング周波数
したがって、損失Ｐは
Ｐ＝Ｋ1(Ｖsat＊Ｉ)＋Ｋ2(Ｅon＊Ｉ＊ｆｃ)＋Ｋ3(Ｅoff＊Ｉ＊ｆｃ)・・・（１）
として表すことができ、ｆcが一定であれば電流Ｉの関数Ｐ（Ｉ）とおくことができる。
【０００９】
インバータ部４に使用されるパワー半導体素子は、図３に示すように、時間に対するジャンクション温度の熱抵抗（Ｒthj-c）曲線が存在し、ある電力損失が継続すると、パワー半導体素子のジャンクション−ケース間の温度は、電力損失＊熱抵抗＊時間で計算することができる。
Ｔj-ｃ＝Ｐ(Ｉ)＊Ｒthj-c＊ｔ                              ・・・（２）
【００１０】
インバータの出力は、図４(Ａ)のように、交流の電流となっており、１つのパワー半導体素子に流れる電流は、正弦波の半分の区間となる。
このときのパワー半導体素子のジャンクション−ケース間の温度Ｔj-cは、図４（Ｂ）のようになり、１周期に１度、温度上昇のピークと温度下降のピークの差ΔＴj-cが計算できる。
ここで、図５に示す曲線は、パワー半導体素子のΔＴj-cに対するパワーサイクル耐量を表すパワーサイクル寿命曲線であり、ΔＴj-cより、何回、パワーサイクル耐量があるかということが示されている。
【００１１】
この曲線は、以下の式で表すことができる。
Ｐ．Ｃ．ＬＩＦＥ（Ｎ）＝１０＾(Ｋ4−Ｋ5＊ＬＯＧ10(ΔＴj-c))・・・（３）
ここで、Ｋ4、Ｋ5は係数、Ｎはパワーサイクル回数
【００１２】
図２に示すように、監視手段１４では、ＣＰＵ８から指令されるインバータ部４の出力周波数ｆcと、インバータ出力電流Ｉの検出結果より求めたΔＴj-cと、図５のパワーサイクル寿命曲線より、このΔＴj-cに対する１周期あたりのパワーサイクル回数Ｎが計算できる。このパワーサイクル回数をＮとすると、パワーサイクル寿命に対する割合は、逆数の１／Ｎで計算できる。
この１／Ｎを毎回加算していき、その値をＲＡＭ１０に保存していくことで、現在までのパワー半導体素子の消費した寿命の割合を保存することができる。この消費した寿命の割合ＬCは、次式で表される。
ＬC＝（１／Ｎ1＋１／Ｎ2＋１／Ｎ3＋・・・＋１／ＮP）×１００％・・・（４）
ただし、Ｎ1，Ｎ2，Ｎ3，・・・，ＮPは、それぞれ１回目，２回目，３回目，・・・，現在のパワーサイクル回数を示す。
例えば、Ｎ1＝１００，Ｎ2＝５０，Ｎ3＝２００，Ｎ4＝２０とすると、
ＬC＝（１／１００＋１／５０＋１／２００＋１／２０）×１００＝８．５％
となる。
この消費した寿命の割合ＬCが１００％に達すると、このパワー半導体素子は故障する計算になる。
この値を表示器１１に表示することで、現在のパワー半導体素子の寿命の割合が判る。
【００１３】
また、割合を設定し、計算されたパワー半導体素子の寿命の割合が設定値（例えば８０％，９０％）を超えた場合に、アラームとして出力させることができる。
また、パワー半導体素子の寿命アラーム発生時のインバータの動作として、運転継続を行うか、減速停止を行うか、パワー半導体素子のゲートブロックを行うかを選択するように構成することができる。これにより、パワーサイクル劣化による破壊前にアラームを出すように設定した場合でも、設備の重要度により、運転継続などの方法を選択することが可能となる。
【００１４】
以上は、パワー半導体素子に対する監視、保護を行う例を示したが、インバータの主回路ヒューズにおいてもパワー半導体素子と同様にパワーサイクル寿命曲線が存在するため、主回路ヒューズにおいても、現在の寿命表示、残り寿命表示、パワーサイクル寿命に対し設定された割合のアラーム表示、アラーム発生時の動作選択を可能とすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００１５】
本発明は、パワー半導体素子や主回路ヒューズのパワーサイクル劣化による破壊までの寿命が判ることにより、これらの部品の寿命前の保全交換日の検討、運転方法、キャリア周波数などの設定値変更による検討が現場で可能となる技術として、可変電圧可変周波数インバータ等のインバータの保護の分野において利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態に係るインバータの制御装置のブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る制御回路のブロック図である。
【図３】パワー半導体素子の時間−熱抵抗曲線である。
【図４】本発明の実施の形態の動作を説明するための電流変化と温度変化のタイムチャートである。
【図５】パワー半導体素子のジャンクション−ケース間温度に対するパワーサイクル寿命曲線である。
【符号の説明】
【００１７】
１  商用電源
２  ダイオードコンバータ部
３  平滑コンデンサ
４  インバータ部
５,６  電流検出器
７  電動機
８  ＣＰＵ（演算処理部）
９  ＲＯＭ
１０  ＲＡＭ
１１  表示器
１２  駆動回路
１３  電流検出回路
１４  監視手段
Ｃ  制御回路
【図１】
2006254574.tif 000003
【図２】
2006254574.tif 000004
【図３】
2006254574.tif 000005
【図４】
2006254574.tif 000006
【図５】
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