(57)【要約】【課題】  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。【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。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１３−１４２７０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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。
【発明の効果】
【００１１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】実施例２における接合温度取得のフロー図である。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】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。
【図１１】実施例３における時系列データを示す図である。
【図１２】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。
【図１３】実施例３におけるＧＵＩを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【実施例１】
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【実施例２】
【００３７】
本実施例は、温度検出部について説明する。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【実施例３】
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【符号の説明】
【００５５】
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量、７６：スイッチオフフィードバック遅延量、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
【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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