(57)【要約】【課題】新たなセンサを用いることなくスイッチング素子の放熱性能を検出する。【解決手段】実施形態によれば、インバータ装置は、制御指令信号に基づいて、複数のスイッチング素子のオンオフをそれぞれ切替え可能であり、単相インバータとして動作可能である。上記インバータ装置は、検出部と、パルス幅変調器と、を備える。上記パルス幅変調器は、上記単相インバータとして動作する際、上記複数のスイッチング素子のうちの１つをオン状態にする際の電圧値を第１電圧とし、上記複数のスイッチング素子のうちの他の３つをオン状態にする際の電圧値を上記第１電圧より大きい第２電圧とする。上記検出部は、上記単相インバータとして動作する際の上記制御指令信号を検出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１ノードと第２ノードとの間に電気的に接続された第１スイッチング素子と、
第３ノードと前記第２ノードとの間に電気的に接続された第２スイッチング素子と、
前記第１ノードと第４ノードとの間に電気的に接続された第３スイッチング素子と、
前記第３ノードと前記第４ノードとの間に電気的に接続された第４スイッチング素子と、
前記第２ノード又は前記第４ノードに流れる電流を示す電流信号に基づき、前記第１乃至第４スイッチング素子のオンオフタイミングを制御するための制御指令信号を出力する電流フィードバック制御器と、
前記制御指令信号に基づき、前記第１乃至第４スイッチング素子のオンオフをそれぞれ切替え可能なパルス幅変調器と、
前記制御指令信号に基づき、前記第１乃至第４スイッチング素子の放熱特性を検出する検出部と、
を備え、
前記検出部が前記第１乃至第４スイッチング素子の放熱特性を検出する際、
前記パルス幅変調器は、前記第１乃至第４スイッチング素子のうちの１つをオン状態にする際の電圧値を第１電圧とし、前記第１乃至第４スイッチング素子のうちの他の３つをオン状態にする際の電圧値を前記第１電圧より大きい第２電圧とする、
インバータ装置。
【請求項２】
前記検出部は、
前記制御指令信号の上側包絡線及び下側包絡線を抽出し、
所定期間経過後における前記上側包絡線の値と前記下側包絡線の値との差に基づいて、前記第１電圧が入力されるスイッチング素子の放熱特性を検出する、
請求項１記載のインバータ装置。
【請求項３】
前記検出部は、前記差が所定の閾値を超えたか否かに基づいて、前記第１電圧が入力されるスイッチング素子の放熱特性を検出する、
請求項２記載のインバータ装置。
【請求項４】
前記パルス幅変調器は、第１乃至第４パルス幅変調信号を生成することによって、それぞれ前記第１乃至第４スイッチング素子のオンオフを切替える、請求項１記載のインバータ装置。
【請求項５】
前記検出部は、前記制御指令信号に基づき、前記第１電圧が入力されるスイッチング素子の放熱特性を検出する、請求項１記載のインバータ装置。
【請求項６】
前記第１ノードと第５ノードとの間に電気的に接続された第５スイッチング素子と、
前記第３ノードと前記第５ノードとの間に電気的に接続された第６スイッチング素子と、
を更に備え、
前記パルス幅変調器は、前記第１乃至第４スイッチング素子の放熱特性を検出する際、前記第５スイッチング素子及び前記第６スイッチング素子をオフ状態にする、
請求項１記載のインバータ装置。
【請求項７】
前記第１乃至第６スイッチング素子のオン抵抗は、
前記第１電圧によりオン状態となる場合、温度の上昇と共に減少し、
前記第２電圧によりオン状態となる場合、温度の上昇と共に増加する、
請求項６記載のインバータ装置。
【請求項８】
前記第１乃至第６スイッチング素子の各々は、並列に接続された複数の電界効果トランジスタを含む、請求項７記載のインバータ装置。
【請求項９】
前記複数の電界効果トランジスタの各々は、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）を含む、請求項８記載のインバータ装置。
【請求項１０】
制御指令信号に基づいて、複数のスイッチング素子のオンオフをそれぞれ切替え可能であり、単相インバータとして動作可能なインバータ装置であって、
前記単相インバータとして動作する際、前記複数のスイッチング素子のうちの１つをオン状態にする際の電圧値を第１電圧とし、前記複数のスイッチング素子のうちの他の３つをオン状態にする際の電圧値を前記第１電圧より大きい第２電圧とするパルス幅変調器と、
前記単相インバータとして動作する際の前記制御指令信号を検出する検出部と、
を備える、
インバータ装置。
【請求項１１】
モータコイルに流れる電流をフィードバックして生成される制御指令信号に基づいて生成された複数のパルス幅変調信号により、対応する複数のスイッチング素子のオンオフをそれぞれ切替え可能であり、単相インバータとして動作可能なインバータ装置が実行する放熱特性検出方法であって、
前記インバータ装置が前記単相インバータとして動作する際、
前記複数のスイッチング素子のうちの１つをオン状態にする際に、対応するパルス幅変調信号を第１電圧にし、他のスイッチング素子をオン状態にする際に、対応するパルス幅変調信号を前記第１電圧より大きい第２電圧にする過程と、
前記制御指令信号に基づき、前記第１電圧が印加されるスイッチング素子の放熱特性を検出する過程と、
を備える、放熱特性検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、スイッチング素子の放熱特性を検出可能なインバータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータ装置は、任意の周波数で電流を流すことによって交流モータを高効率で駆動することができるため、省エネルギー技術の中核技術として位置づけられる。インバータ装置は、例えば、電車等の産業用機器に用いられる交流モータの駆動、太陽光発電のパワーコンディショナ、又はＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）装置等、大電流が必要な様々な機器にも広く適用されている。
【０００３】
インバータ装置に大電流が流れると、内部に設けられたスイッチング素子は、発熱によって生じる熱応力のストレスを受け、放熱特性が劣化する。放熱特性が劣化したスイッチング素子は、更に発熱することによって安全動作領域から外れた領域で動作し得るため、インバータ装置の故障の原因となり得る。このようなインバータ装置の故障を未然に防止するため、スイッチング素子の放熱特性の劣化を検出する様々な技術が提案されている。
【０００４】
例えば、温度センサを取り付けることによってスイッチング素子の温度上昇をモニタし、放熱特性の劣化を検出する手法が知られている。
【０００５】
また、例えば、温度センサ及び電流センサから検出された温度及び電流の情報に基づいてスイッチング素子の電力損失を推定し、放熱特性の劣化を検出する手法が知られている。
【０００６】
スイッチング素子の放熱特性は、長期間にわたって少しずつ劣化するため、常時監視する必要はない。このように、常時監視する必要のない情報を取得するために、スイッチング素子毎に新たなセンサを取り付けることは、設計の観点からも効率的ではない。このため、インバータ装置に新たなセンサを用いることなく、スイッチング素子の放熱特性を検出できることが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３６６８７０８号公報
【特許文献２】国際公開第２０１３／１８７２０７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、新たなセンサを用いることなくスイッチング素子の放熱性能を検出することができるインバータ装置及びインバータ装置の放熱特性検出方法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】
【０００９】
実施形態によれば、インバータ装置は、第１スイッチング素子と、第２スイッチング素子と、第３スイッチング素子と、第４スイッチング素子と、電流フィードバック制御器と、パルス幅変調器と、検出部と、を備える。上記第１スイッチング素子は、第１ノードと第２ノードとの間に電気的に接続される。上記第２スイッチング素子は、第３ノードと上記第２ノードとの間に電気的に接続される。上記第３スイッチング素子は、上記第１ノードと第４ノードとの間に電気的に接続される。上記第４スイッチング素子は、上記第３ノードと上記第４ノードとの間に電気的に接続される。上記電流フィードバック制御器は、上記第２ノード又は上記第４ノードに流れる電流を示す電流信号に基づき、上記第１乃至第４スイッチング素子のオンオフタイミングを制御するための制御指令信号を出力する。上記パルス幅変調器は、上記制御指令信号に基づき、上記第１乃至第４スイッチング素子のオンオフをそれぞれ切替え可能である。上記検出部は、上記制御指令信号に基づき、上記第１乃至第４スイッチング素子の放熱特性を検出する。上記第１乃至第４スイッチング素子の放熱特性を検出する際、上記パルス幅変調器は、上記第１乃至第４スイッチング素子のうちの１つをオン状態にする際に、対応するパルス幅変調信号を第１電圧とし、上記第１乃至第４スイッチング素子のうちの他の３つをオン状態にする際に、対応するパルス幅変調信号を上記第１電圧より大きい第２電圧とする。上記検出部は、上記制御指令信号に基づき、上記第１電圧が入力されるスイッチング素子の放熱特性を検出する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態に係るインバータ装置の構成の一例を説明するためのブロック図。
【図２】第１実施形態に係るインバータ装置のパワー素子の構成の一例を説明するための断面図。
【図３】第１実施形態に係るインバータ装置のパワー素子に設けられるトランジスタの特性を説明するためのダイアグラム。
【図４】第１実施形態に係るインバータ装置における全体動作を説明するためのフローチャート。
【図５】第１実施形態に係るインバータ装置における劣化検出モードの動作を説明するためのフローチャート。
【図６】第１実施形態に係るインバータ装置における劣化検出モードの動作を説明するためのタイミングチャート。
【図７】第１実施形態に係るインバータ装置におけるパワー素子モジュールの温度上昇量と制御指令信号の振幅の増分との関係を説明するためのダイアグラム。
【図８】第１実施形態に係るインバータ装置における劣化検出モードの包絡線抽出動作を説明するための模式図。
【図９】第１実施形態に係るインバータ装置における劣化検出モードの評価値算出動作を説明するためのダイアグラム。
【図１０】第１実施形態に係るインバータ装置における劣化検出モードの放熱特性劣化の判定動作を説明するためのダイアグラム。
【図１１】第１実施形態に係るインバータ装置における対象アーム毎の検査シーケンスの設定を説明するためのテーブル。
【図１２】第１実施形態に係るインバータ装置における劣化検出モードの包絡線抽出動作を説明するための模式図。
【図１３】第１実施形態に係るインバータ装置における劣化検出モードの評価値算出動作を説明するためのダイアグラム。
【図１４】第２実施形態に係るインバータ装置のパワー素子モジュールの構成を説明するための回路図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して実施形態について説明する。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する構成要素については、共通する参照符号を付す。
（第１実施形態）
第１実施形態に係るインバータ装置について説明する。
【００１２】
第１実施形態に係るインバータ装置は、例えば、電車、エレベータ、若しくは産業用ロボットに用いられる交流モータの駆動装置、太陽光発電設備に用いられるパワーコンディショナ、又はＭＲＩ装置等に広く適用可能である。また、インバータ装置は、例えば、その内部に設けられたスイッチング素子の放熱特性の劣化を検出し得る。
【００１３】
まず、第１実施形態に係るインバータ装置の構成について説明する。
【００１４】
図１は、第１実施形態に係るインバータ装置１の構成の一例を示すブロック図である。図１に示すように、インバータ装置１は、電源１０と、パワー素子モジュール２０と、モータコイル３０と、Ａ／Ｄ（Analog to Digital）変換器４０と、電流フィードバック制御器５０と、パルス幅変調器（ＰＷＭ：Pulse Width Modulator）６０と、劣化検出部７０と、を備えている。インバータ装置１は、いわゆる３相インバータの構成を有し、直流電流から任意の周波数の交流電流を生成することによって、当該交流電流をモータコイル３０内の負荷（図示せず）に供給する機能を有する。
【００１５】
電源１０は、パワー素子モジュール２０に直流電流を入力するための電圧を供給する。電源１０は、例えば、ノードＮ１及びＮ２に接続され、接地されたノードＮ１に対して、ノードＮ２に所定の電位差を発生させる。
【００１６】
パワー素子モジュール２０は、電源１０から入力された直流電流を任意の周波数の交流電流に変換し、モータコイル３０に出力する。パワー素子モジュール２０は、例えば、６つのアームＡ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５、及びＡ６を含む。アームＡ１〜Ａ６の各々は、例えば、少なくとも１つのパワー素子を含む。図１の例では、一例として、アームＡ１〜Ａ６がそれぞれ１つのパワー素子を含む場合が示されている。
【００１７】
各パワー素子は、例えば、１つのトランジスタと、１つのダイオードとを含む。トランジスタは、モータコイル３０へ供給される交流電流を生成するためのスイッチング素子として機能し、例えば、電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）が適用可能である。また、トランジスタは、例えば、ｎ型の極性を有し、チャネル領域にシリコンカーバイド（ＳｉＣ）を用いたものが適用可能である。ダイオードは、例えば、電源１０によって印加された電圧と逆向きの電流を流すための還流ダイオードとして機能する。
【００１８】
具体的には、アームＡ１は、トランジスタＴｒ１及びダイオードＤ１を含む。トランジスタＴｒ１は、例えば、ノードＮ２に接続されたドレイン端と、ノードＵに接続されたソース端及びバックゲートと、パルス幅変調器６０からパルス幅変調信号Ｐ１が入力されるゲートと、を含む。ダイオードＤ１は、ノードＵに接続された入力端と、ノードＮ２に接続された出力端と、を含む。
【００１９】
アームＡ２は、トランジスタＴｒ２及びダイオードＤ２を含む。トランジスタＴｒ２は、例えば、ノードＵに接続されたドレイン端と、ノードＮ１に接続されたソース端及びバックゲートと、パルス幅変調器６０からパルス幅変調信号Ｐ２が入力されるゲートと、を含む。ダイオードＤ２は、ノードＮ１に接続された入力端と、ノードＵに接続された出力端と、を含む。
【００２０】
アームＡ３は、トランジスタＴｒ３及びダイオードＤ３を含む。トランジスタＴｒ３は、例えば、ノードＮ２に接続されたドレイン端と、ノードＶに接続されたソース端及びバックゲートと、パルス幅変調器６０からパルス幅変調信号Ｐ３が入力されるゲートと、を含む。ダイオードＤ３は、ノードＶに接続された入力端と、ノードＮ２に接続された出力端と、を含む。
【００２１】
アームＡ４は、トランジスタＴｒ４及びダイオードＤ４を含む。トランジスタＴｒ４は、例えば、ノードＶに接続されたドレイン端と、ノードＮ１に接続されたソース端及びバックゲートと、パルス幅変調器６０からパルス幅変調信号Ｐ４が入力されるゲートと、を含む。ダイオードＤ４は、ノードＮ１に接続された入力端と、ノードＶに接続された出力端と、を含む。
【００２２】
アームＡ５は、トランジスタＴｒ５及びダイオードＤ５を含む。トランジスタＴｒ５は、例えば、ノードＮ２に接続されたドレイン端と、ノードＷに接続されたソース端及びバックゲートと、パルス幅変調器６０からパルス幅変調信号Ｐ５が入力されるゲートと、を含む。ダイオードＤ５は、ノードＷに接続された入力端と、ノードＮ２に接続された出力端と、を含む。
【００２３】
アームＡ６は、トランジスタＴｒ６及びダイオードＤ６を含む。トランジスタＴｒ６は、例えば、ノードＷに接続されたドレイン端と、ノードＮ１に接続されたソース端及びバックゲートと、パルス幅変調器６０からパルス幅変調信号Ｐ６が入力されるゲートと、を含む。ダイオードＤ６は、ノードＮ１に接続された入力端と、ノードＷに接続された出力端と、を含む。
【００２４】
モータコイル３０は、３つのノードＵ、Ｖ、及びＷにそれぞれ接続された３つの入力端を含む。モータコイル３０は、例えば、ノードＵ、Ｖ、Ｗを介してパワー素子モジュール２０から出力された交流電流に応じて回転力を発生させ、内部の負荷に当該回転力を伝達する。
【００２５】
以上のように構成することにより、電源１０、パワー素子モジュール２０、及びモータコイル３０から構成される回路は、アームＡ１〜Ａ６の選択の仕方に応じて、６通りの電流経路を選択することが出来る。上述の６通りの電流経路は、例えば、トランジスタＴｒ（Ｔｒ１〜Ｔｒ６）のオンオフ状態を切替えることによって、任意のタイミングで切替え可能となる。
【００２６】
なお、６通りの電流経路とは、具体的には、アームＡ１及びＡ４を通る経路（経路ａ）、アームＡ２及びＡ３を通る経路（経路ｂ）、アームＡ３及びＡ６を通る経路（経路ｃ）、アームＡ４及びＡ５を通る経路（経路ｄ）、アームＡ５及びＡ２を通る経路（経路ｅ）、並びにアームＡ６及びＡ１を通る経路（経路ｆ）である。経路ａと経路ｂとは、ノードＵ及びＶを介して、互いに反対方向の電流をモータコイル３０に供給する。経路ｃと経路ｄとは、ノードＶ及びＷを介して、互いに反対方向の電流をモータコイル３０に供給する。経路ｅと経路ｆとは、ノードＷ及びＵを介して、互いに反対方向の電流をモータコイル３０に供給する。すなわち、モータコイル３０は、経路ａ及び経路ｂを流れる電流と、経路ｃ及び経路ｄを流れる電流と、経路ｅ及び経路ｆを流れる電流と、を互いに異なる３つの交流電流であるものとして内部の負荷に供給することが出来る。
【００２７】
以下の説明では、説明を容易にするため、上述の６通りの電流経路のうち、経路ａ、経路ｃ、及び経路ｅを流れる方向の電流が正方向であるとして説明する。
【００２８】
Ａ／Ｄ変換器４０は、例えば、ノードＵ、Ｖ、Ｗのうちの任意の２つ（図１ではノードＵ及びＶ）を流れる電流の入力を受ける。Ａ／Ｄ変換器４０は、入力された電流に基づき、モータコイル３０に供給されている電流の大きさを評価し、当該電流の大きさに応じた電流信号を生成する。すなわち、電流信号は、モータコイル３０に実際に供給される交流電流の大きさを示す信号である。電流信号は、電流フィードバック制御器５０へ入力される信号の生成に用いられる。
【００２９】
電流フィードバック制御器５０は、モータコイル３０に供給されるべき交流電流の大きさを指示する電流指令信号と、電流信号との差分の信号が入力される。電流フィードバック制御器５０は、当該差分の信号の大きさに応じてベクトル制御を行い、パワー素子モジュール２０の動作制御を指示する制御指令信号を生成する。具体的には、例えば、電流フィードバック制御器５０は、電流指令信号が示す交流電流の値に対して、電流信号が示す交流電流の値が小さい場合には、パワー素子モジュール２０によって生成される交流電流の値を小さくする旨を指示する制御指令信号を生成する。また、例えば、電流フィードバック制御器５０は、電流指令信号が示す交流電流の値に対して、電流信号が示す交流電流の値が大きい場合には、パワー素子モジュール２０によって生成される交流電流の値を大きくする旨を指示する制御指令信号を生成する。このようにして生成された制御指令信号は、パルス幅変調器６０及び劣化検出部７０に出力される。
【００３０】
パルス幅変調器６０は、アームＡ１〜Ａ６の各々にそれぞれ接続された６つの出力端を含む。パルス幅変調器６０は、電流フィードバック制御器５０から制御指令信号を受けると、当該制御指令信号に応じて６つの異なるパルス幅変調信号Ｐ１〜Ｐ６を生成し、それぞれ６つの出力端を介してアームＡ１〜Ａ６に出力する。パルス幅変調信号は、トランジスタＴｒのオンオフ状態を切替え可能な２つの論理レベルを有する。すなわち、パルス幅変調信号は、“Ｈ”レベルの論理レベルを有する場合、トランジスタＴｒをオン状態とし、“Ｌ”レベルの論理レベルを有する場合、トランジスタＴｒをオフ状態とすることが出来る。なお、パルス幅変調器６０は、パルス幅変調信号Ｐ１〜Ｐ６の“Ｈ”レベルの際における電圧値が異なるように、少なくとも２種類以上の信号を生成可能である。これにより、パルス幅変調器６０は、トランジスタＴｒの電流の流れやすさ（例えばオン抵抗）を、トランジスタ毎に制御することが出来る。パルス幅変調器６０が出力するパルス幅変調信号Ｐ１〜Ｐ６については、後述する。
【００３１】
以上のように構成することにより、インバータ装置１は、実際にモータコイル３０に供給されている電流を、モータコイル３０に供給すべき電流に近づけるように制御可能な電流フィードバック制御系を構成する。すなわち、電流フィードバック制御器５０は、フィードバックの結果を制御指令信号に反映させることにより、パルス幅変調器６０を介してアームＡ１〜Ａ６のオンオフスイッチングのタイミングを制御する。
【００３２】
劣化検出部７０は、電流フィードバック制御器５０から制御指令信号を受けると、当該制御指令信号に基づき、パワー素子モジュール２０内のアームＡ１〜Ａ６の劣化を検出する。具体的には、劣化検出部７０は、トランジスタＴｒの放熱特性が劣化しているか否かを判定することができる。
【００３３】
具体的には、劣化検出部７０は、受信した制御指令信号を図示しないメモリに所定期間の間記憶し、当該制御指令信号の包絡線を抽出する。劣化検出部７０は、抽出した包絡線の所定時点における値に基づいて評価値を算出し、当該評価値が所定の閾値より大きいか否かを判定する。劣化検出部７０は、判定の結果に基づき、トランジスタＴｒの放熱特性の劣化を検出する。劣化検出部７０による動作の詳細は、後述する。
【００３４】
次に、第１実施形態に係るインバータ装置のパワー素子の構成について説明する。
【００３５】
図２は、第１実施形態に係るインバータ装置のパワー素子の構成を説明するための断面図である。図２の例では、パワー素子モジュール２０のうちの１つのパワー素子２８の積層構造を説明するための断面図が示されている。
【００３６】
図２に示すように、パワー素子２８は、ヒートシンク２１の上方に設けられる。これにより、インバータ装置１の駆動によってパワー素子２８が発熱した際、ヒートシンク２１を介して外部に熱を放出する放熱経路が形成される。
【００３７】
より具体的には、ヒートシンク２１の上面上には、ベースプレート２２が設けられる。ベースプレート２２は、絶縁層２４、回路層２５、はんだ２７、及びパワー素子２８を一体として積層するための基板であり、例えば、アルミニウム（Ａｌ）を含む。ベースプレート２２は、例えば、ネジ２３でヒートシンク２１にネジ止めされ、パワー素子２８とヒートシンク２１とを結合させる。
【００３８】
ベースプレート２２の上面上には、絶縁層２４が設けられる。絶縁層２４は、例えば、エポキシ樹脂を含む。
【００３９】
絶縁層２４の上方には、回路層２５が設けられる。回路層２５は、ワイヤ２６を介してパワー素子２８とボンディングされることにより、パワー素子２８に各種電圧その他の信号を供給する回路として機能する。回路層２５は、例えば、銅（Ｃｕ）による回路パターンが形成される。
【００４０】
回路層２５の上面上には、はんだ２７が設けられる。はんだ２７の上面上にパワー素子２８が設けられることによって、回路層２５とパワー素子２８とが結合される。
【００４１】
以上のように構成することにより、パワー素子２８で発生した熱は、はんだ２７、回路層２５、絶縁層２４、及びベースプレート２２を介してヒートシンク２１へ熱伝導し、外部へと放熱される。
【００４２】
しかしながら、この放熱経路における熱伝導度が何らかの原因で悪化（低下）した場合、パワー素子２８の発熱量に対して放熱量が小さくなり、放熱特性が劣化し得る。パワー素子２８の放熱特性が劣化する要因の１つとして、はんだ２７にクラックが発生することが挙げられる。はんだ２７には、パワー素子２８の発熱及び放熱のサイクルに伴い、熱応力のストレスが発生する。このため、はんだ２７に発生するクラックは経年に伴って徐々に成長し得る。したがって、はんだ２７に発生するクラックは、パワー素子２８の放熱特性を徐々に劣化させ、やがてインバータ装置１の動作に何らかの不具合を引き起こす要因となり得る。
【００４３】
次に、第１実施形態に係るインバータ装置に用いられるトランジスタの特性について説明する。
【００４４】
図３は、第１実施形態に係るインバータ装置のパワー素子に設けられるトランジスタの特性を説明するためのダイアグラムである。図３では、横軸をソース‐ドレイン間電圧ＶＤＳとし、縦軸をドレイン電流ＩＤとして、パワー素子２８内に設けられるトランジスタＴｒの有する特性が示される。また、図３では、トランジスタＴｒの特性が、印加されるゲート電圧Ｖ１、Ｖ２、及びＶ３の大きさに応じて示される。図３の例では、ゲート電圧Ｖ１はゲート電圧Ｖ２より大きく、ゲート電圧Ｖ３はゲート電圧Ｖ２より小さい（Ｖ１＞Ｖ２＞Ｖ３）。また、図３では、トランジスタＴｒの温度特性も併せて示される。具体的には、図３では、トランジスタＴｒが温度Ｔ１（例えば、常温（２５℃等））で動作する場合における特性が実線で示され、温度Ｔ２（＞Ｔ１）（例えば、高温（１００℃等）で動作する場合における特性が破線で示される。
【００４５】
図３に示すように、トランジスタＴｒは、常温動作時において、ゲート電圧が大きいほど、オン抵抗が小さくなる。つまり、同じ大きさのソース‐ドレイン間電圧ＶＤＳに対して流れるドレイン電流ＩＤの大きさは、ゲート電圧Ｖ１が印加されたトランジスタＴｒの方が、ゲート電圧Ｖ３が印加されたトランジスタＴｒよりも大きい。
【００４６】
また、温度がＴ１から温度Ｔ２に上昇した場合、トランジスタＴｒは、例えば、ゲート電圧Ｖ２が印加される場合付近を境にして、特性の変化の仕方が異なる。具体的には、トランジスタＴｒは、ゲート電圧Ｖ２が印加される場合、温度が上昇しても、オン抵抗がほとんど変化しない。一方、トランジスタＴｒは、ゲート電圧Ｖ１が印加される場合、温度が上昇すると、オン抵抗が増加する。他方、トランジスタＴｒは、ゲート電圧Ｖ３が印加される場合、温度が上昇すると、オン抵抗が減少する。
【００４７】
はんだ２７にクラックが発生することによってパワー素子２８の放熱特性が劣化すると、トランジスタＴｒの温度上昇量が大きくなる。このため、放熱特性が劣化したパワー素子２８内のトランジスタＴｒは、放熱特性が正常なパワー素子２８内のトランジスタＴｒよりも、ゲート電圧Ｖ１が印加される場合にはオン抵抗の増加量がより大きくなり、ゲート電圧Ｖ３が印加される場合にはオン抵抗の減少量がより大きくなる。
【００４８】
次に、第１実施形態に係るインバータ装置の動作について説明する。
【００４９】
第１実施形態に係るインバータ装置の全体動作について説明する。
【００５０】
図４は、第１実施形態に係るインバータ装置の全体動作を説明するためのフローチャートである。図４に示すように、インバータ装置１は、例えば、上位システム（図示せず）からの指示に応じて、通常モード、及び劣化検出モードの２つのモードで動作可能である。
【００５１】
ステップＳＴ１０において、インバータ装置１は、通常モードで動作する。通常モードは、インバータ装置１を含む全体システム（例えば、電車、エレベータ、エスカレータ、又は産業用ロボット等）がその目的を達するために動作している状態であり、インバータ装置１を３相インバータとして動作させる。例えば、通常モードは、インバータ装置１を含む全体システムが電車の場合、電車が乗客を乗せて稼働している営業運転の際に適用される。通常モードによる動作の際、モータコイル３０内の負荷の大きさは常に変化するため、モータコイル３０に流れる電流の大きさは、常に変動し得る。
【００５２】
ステップＳＴ２０において、インバータ装置１は、劣化検出モードで動作する。劣化検出モードは、通常モードとは異なる時間帯において適用される状態であり、インバータ装置１を単相インバータとして動作させる。例えば、劣化検出モードは、インバータ装置１を含む全体システムが電車の場合、上述の営業運転前後の時間帯や、営業運転が停止する夜間、又は定期検査の際に適用される。劣化検出モードにおいて、モータコイル３０内の負荷は一定であり、電流フィードバック制御器５０は、モータコイル３０に所定の大きさ及び周波数の交流電流が所定の検査シーケンスにしたがって流れるように制御指令信号を生成する。具体的には、例えば、劣化検出モードでは、モータコイル３０に流れる交流電流が、数アンペアの振幅で１０Ｈｚ程度の正弦波となるように制御される。劣化検出モードの詳細については、後述する。
【００５３】
ステップＳＴ３０において、劣化検出部７０は、劣化検出モードにおいて実行された検査シーケンスの結果に基づいて、パワー素子モジュール２０内のアームＡ１〜Ａ６の各々について、放熱特性が劣化しているか否かを判定する。劣化検出部７０は、判定の結果、アームＡ１〜Ａ６のいずれについても放熱特性の劣化が検出されなかった場合（ステップＳＴ３０；ｎｏ）、動作を終了する。また、劣化検出部７０は、アームＡ１〜Ａ６のうちのいずれか１つでも放熱特性の劣化が検出された場合（ステップＳＴ３０；ｙｅｓ）、ステップＳＴ４０に進む。
【００５４】
ステップＳＴ４０において、劣化検出部７０は、放熱特性の劣化が検出されたアームを示す情報を、上位のシステムへ通知する。
【００５５】
以上のように動作することにより、インバータ装置１は、通常動作を行わない時間帯にアームＡ１〜Ａ６内の放熱特性の劣化を検出することができる。このため、通常動作時に不具合が発生することを防止できる。
【００５６】
次に、上述した第１実施形態に係るインバータ装置における全体動作のうち、放熱特性の劣化の検出動作を含む劣化検出モードにおける動作について説明する。なお、通常モードについては、放熱特性の劣化の検出動作を含まないため、その説明を省略する。
【００５７】
第１実施形態に係るインバータ装置における劣化検出モードのフローチャートについて、図５を用いて説明する。図５は、図４において示したステップＳＴ２０の詳細を説明するものである。
【００５８】
図５に示すように、ステップＳＴ２１において、パルス幅変調器６０は、劣化検出モードにおいて構成される単相インバータにおけるアームの組み合わせを決定する。
【００５９】
ステップＳＴ２２において、パルス幅変調器６０は、ステップＳＴ２１で決定されたアームの組の中から、パワー素子２８の放熱特性が劣化しているか否かが判定されるアームを決定する。以下の説明では、パワー素子２８の放熱特性が劣化しているか否かが判定されるアームは、「放熱特性の劣化検出対象アーム」（単に、「対象アーム」とも言う。）と言う。
【００６０】
ステップＳＴ２３において、インバータ装置１は、ステップＳＴ２２で決定された対象アームの放熱特性が劣化しているか否かを判定するための検査シーケンスを実行する。検査シーケンスの詳細は、後述する。劣化検出部７０は、検査シーケンス時に生成された制御指令信号を、例えば図示しないメモリに記憶する。
【００６１】
ステップＳＴ２４において、劣化検出部７０は、ステップＳＴ２３において生成された制御指令信号について、包絡線を抽出する。劣化検出部７０は、制御指令信号の振幅が極大となる点を包絡する上側包絡線と、振幅が極小となる点を包絡する下側包絡線と、をそれぞれ抽出する。
【００６２】
ステップＳＴ２５において、劣化検出部７０は、ステップＳＴ２４において抽出された包絡線に基づき、対象アームの放熱特性が劣化しているか否かの判定に用いる評価値を算出する。具体的には、劣化検出部７０は、検査シーケンスの開始時点から所定期間経過後における上側包絡線及び下側包絡線との差に基づき、評価値を算出する。
【００６３】
ステップＳＴ２６において、劣化検出部７０は、ステップＳＴ２５において算出された評価値に基づいて、対象アームの放熱特性の劣化の有無を判定する。具体的には、劣化検出部７０は、評価値が所定の閾値を上回るか否かに基づいて、対象アームの放熱特性の劣化の有無を判定する。
【００６４】
ステップＳＴ２７において、インバータ装置１は、単相インバータを構成する全てのアームについて、放熱特性の劣化の有無の判定が完了したか否かを判定する。インバータ装置１は、単相インバータを構成するアームのうちのいずれかについて放熱特性の劣化の有無の判定が完了していない場合（ステップＳＴ２７；ｎｏ）、ステップＳＴ２２に戻り、放熱特性の劣化の有無の判定が完了していないアームを対象アームとして決定し、ステップＳＴ２３〜ＳＴ２６を再度実行する。インバータ装置１は、単相インバータを構成する全てのアームについて放熱特性の劣化の有無の判定が完了している場合（ステップＳＴ２７；ｙｅｓ）、ステップＳＴ２８に進む。
【００６５】
ステップＳＴ２８において、インバータ装置１は、全てのアームについて、放熱特性の劣化の有無の判定が完了したか否かを判定する。インバータ装置１は、全てのアームのうちのいずれかについて放熱特性の劣化の有無の判定が完了していない場合（ステップＳＴ２８；ｎｏ）、ステップＳＴ２１に戻り、放熱特性の劣化の有無の判定が完了していないアームを含む単相インバータを構成するためのアームの組を決定し、ステップＳＴ２２〜ＳＴ２６を再度実行する。インバータ装置１は、全てのアームについて放熱特性の劣化の有無の判定が完了している場合（ステップＳＴ２８；ｙｅｓ）、劣化検出モードを終了する。
【００６６】
次に、第１実施形態に係るインバータ装置における劣化検出モードの検査シーケンスについて説明する。
【００６７】
図６は、第１実施形態に係るインバータ装置における劣化検出モードの検査シーケンスを説明するためのタイミングチャートである。図６は、図５において説明したステップＳＴ２３に対応する。すなわち、図６では、横軸を位相、縦軸を振幅として、検査シーケンスの際に電流フィードバック制御器５０及びパルス幅変調器６０に入出力される各種信号が示される。
【００６８】
なお、図６の例では、図５において説明したステップＳＴ２１において、アームＡ１〜Ａ６のうちのアームＡ１〜Ａ４によって単相インバータが構成された場合における検査シーケンスの一部（１波長分）が示される。また、図６の例では、図５において説明したステップＳＴ２２において、単相インバータを構成するアームＡ１〜Ａ４のうち、アームＡ１が対象アームとして決定された場合における検査シーケンスの一部が示される。
【００６９】
図６に示すように、パルス幅変調器６０には、電流フィードバック制御器５０からの制御指令信号と、当該制御指令信号からパルス幅変調信号Ｐ１〜Ｐ６を生成するための基準信号となる三角波とが入力される。三角波は、例えば、制御指令信号より高い周波数及び振幅を有し、制御指令信号よりも振幅の値が大きい時間帯と小さい時間帯との２つの時間帯に分類される。
【００７０】
パルス幅変調器６０は、三角波と制御指令信号とを比較し、三角波の振幅が制御指令信号の振幅よりも大きい場合には、パルス幅変調信号Ｐ１及びＰ４を“Ｌ”レベルにし、パルス幅変調信号Ｐ２及びＰ３を“Ｈ”レベルにする。一方、パルス幅変調器６０は、三角波と制御指令信号とを比較し、三角波の振幅が制御指令信号の振幅よりも小さい場合には、パルス幅変調信号Ｐ２及びＰ３を“Ｌ”レベルにし、パルス幅変調信号Ｐ１及びＰ４を“Ｈ”レベルにする。なお、パルス幅変調器６０は、当該検査シーケンスにおいては、パルス幅変調信号Ｐ５及びＰ６を常に“Ｌ”レベルにする。
【００７１】
以上のように動作させることにより、アームＡ１及びＡ４の組と、アームＡ２及びＡ３の組とは、周期的にオンオフが切替わる。これにより、ノードＵを流れる電流は、パルス幅変調信号Ｐ１及びＰ４が“Ｈ”レベルの場合には正方向に流れるように、パルス幅変調信号Ｐ２及びＰ３が“Ｈ”レベルの場合には負方向に流れるように、その振幅が増減する。
【００７２】
ここで、パルス幅変調器６０は、対象アームであるアームＡ１のトランジスタＴｒ１には、“Ｈ”レベルのパルス幅変調信号Ｐ１としてゲート電圧Ｖ３を印加する。一方、パルス幅変調器６０は、対象アームでないアームＡ２〜Ａ４のトランジスタＴｒ２〜Ｔｒ４には、“Ｈ”レベルのパルス幅変調信号Ｐ２〜Ｐ４としてゲート電圧Ｖ１を印加する。これにより、トランジスタＴｒ１は、他のトランジスタＴｒ２〜Ｔｒ４よりもオン抵抗が大きくなる。このため、制御指令信号の振幅が上下対称の形状である場合、アームＡ１及びＡ４を経由する電流は、アームＡ２及びＡ３を経由する電流よりも、小さくなってしまう。
【００７３】
そこで、電流フィードバック制御器５０は、電流信号を電流指令信号に追従させるため、アームＡ１及びＡ４を経由して電流が流れる際には、アームＡ２及びＡ３を経由して電流が流れる際よりも制御指令信号の振幅が大きくなるように、制御指令信号を生成する。これにより、トランジスタＴｒ１のオン抵抗が他のトランジスタＴｒ２〜Ｔｒ４のオン抵抗より大きい影響を考慮しつつ、電流信号を電流指令信号に追従させることができる。
【００７４】
なお、当該検査シーケンス中において、電源１０、パワー素子モジュール２０、及びモータコイル３０で形成される回路の特性は、変化し得る。これに伴い、電流指令信号と、電流信号との間にずれが発生し得る。この場合、電流フィードバック制御器５０は、電流信号と、電流指令信号との差分の大きさに応じて、制御指令信号を更に補正する。より具体的には、電流フィードバック制御器５０は、電流信号の振幅が電流指令信号の振幅よりも小さいと判定した場合、制御指令信号の振幅を大きくする。また、電流フィードバック制御器５０は、電流信号の振幅が電流指令信号の振幅よりも大きいと判定した場合、制御指令信号の振幅を小さくする。これにより、電流フィードバック制御器５０は、電流指令信号と、電流信号との差分が小さくなるように制御指令信号にフィードバックをかけることが出来る。したがって、パルス幅変調器６０は、当該補正された制御指令信号に応じたパルス幅変調信号Ｐ１〜Ｐ４を生成することができる。
【００７５】
なお、上述のような回路内の特性の変化が発生する主な要因の一つとして、例えば、パワー素子モジュール２０の温度上昇に伴うトランジスタＴｒのオン抵抗の変化が挙げられる。
【００７６】
図７は、第１実施形態に係るインバータ装置におけるパワー素子モジュールの温度上昇量と制御指令信号の振幅の増分との関係を説明するためのダイアグラムである。
【００７７】
図７では、図６において説明された検査シーケンスについて、当該検査シーケンスの開始時点を起点として、温度上昇量に対する制御指令信号の振幅の増分が示される。図７に示すように、制御指令信号の振幅の増分は、電流の方向に応じて異なる。
【００７８】
まず、パルス幅変調信号Ｐ２及びＰ３が“Ｈ”レベルとなる場合（アームＡ３、モータコイル３０、及びアームＡ２の順に電流が流れる場合）について説明する。
【００７９】
上述の通り、ゲート電圧Ｖ１が印加されるトランジスタＴｒ２及びＴｒ３は、温度上昇に伴いオン抵抗が増加する。トランジスタＴｒ２及びＴｒ３のオン抵抗が増加すると、電流フィードバック制御器５０は、電流信号の減少を抑制するため、制御指令信号の振幅を大きくする。したがって、図７に示すように、パルス幅変調信号Ｐ２及びＰ３が“Ｈ”レベルとなる場合、制御指令信号の振幅は、温度の上昇に伴って増加する。
【００８０】
次に、パルス幅変調信号Ｐ１及びＰ４が“Ｈ”レベルとなる場合（アームＡ１、モータコイル３０、及びアームＡ４の順に電流が流れる場合）について説明する。
【００８１】
上述の通り、トランジスタＴｒ４にはゲート電圧Ｖ１が印加されるため、温度上昇に伴いオン抵抗が増加する。しかしながら、ゲート電圧Ｖ３が印加されるトランジスタＴｒ１は、温度上昇に伴いオン抵抗が減少する。また、図３に示される通り、同じ大きさのドレイン電流ＩＤが流れる場合において、温度上昇に伴うオン抵抗の変化量は、ゲート電圧Ｖ３が印加される場合の方が、ゲート電圧Ｖ１が印加される場合よりも大きい。このため、パルス幅変調信号Ｐ１及びＰ４が“Ｈ”レベルとなる場合、回路全体のオン抵抗は、温度上昇に伴って減少する。また、そのオン抵抗の減少量は、パルス幅変調信号Ｐ２及びＰ３が“Ｈ”レベルとなる場合よりも大きい。したがって、図７に示すように、パルス幅変調信号Ｐ１及びＰ４が“Ｈ”レベルとなる場合、制御指令信号の振幅は、温度の上昇に伴って減少し、その変化量の絶対値は、パルス幅変調信号Ｐ２及びＰ３が“Ｈ”レベルとなる場合よりも大きい。
【００８２】
次に、第１実施形態に係るインバータ装置における劣化検出モードでの制御指令信号の包絡線抽出動作について、図８を用いて説明する。
【００８３】
図８は、図５において説明されたステップＳＴ２４に対応する。図８では、横軸に検査シーケンス開始からの経過時間ｔを取り、縦軸を制御指令信号とすることによって、当該制御指令信号の包絡線が抽出される様子が模式的に示される。なお、図８の例では、制御指令信号の１周期に対して横軸である経過時間ｔのスケールが長いため、制御指令信号は、その詳細な変動が省略され、振幅の極値が境界線となるハッチングとして示されている。具体的には、制御指令信号の振幅の極大値が上側包絡線Ｈ１（ｔ）として示され、極小値が下側包絡線Ｌ１（ｔ）として示される。
【００８４】
図８に示すように、制御指令信号の上側包絡線Ｈ１（ｔ）は、検査シーケンス開始時点（ｔ＝０）における点Ｘ１（０、Ｈ１（０））から、振幅が減少する方向に推移し、所定期間経過後（ｔ＝Ｔ０）において点Ｘ３（Ｔ０、Ｈ１（Ｔ０））に達する。下側包絡線Ｌ１（ｔ）は、検査シーケンス開始時点（ｔ＝０）における点Ｘ２（０、Ｌ１（０））から、振幅が増加する方向に推移し、所定期間経過後（ｔ＝Ｔ０）において点Ｘ４（Ｔ０、Ｌ１（Ｔ０））に達する。
【００８５】
電流が流れることによってトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４は温度が上昇し、オン抵抗が変化する。ここで、図７において説明したように、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４の温度変化量が全て同等であった場合でも、上側包絡線Ｈ１（ｔ）の変化量は、下側包絡線Ｌ１（ｔ）の変化量に対して大きい。これに加え、トランジスタＴｒ１は他のトランジスタＴｒ２〜Ｔｒ４よりもオン抵抗が大きいため、発熱量が大きく、より温度上昇しやすい。このため、上側包絡線Ｈ１（ｔ）の変化量は、下側包絡線Ｌ１（ｔ）の変化量よりも更に大きくなる。
【００８６】
次に、第１実施形態に係るインバータ装置における劣化検出モードでの評価値算出動作及び放熱特性劣化の判定動作について説明する。
【００８７】
図９は、第１実施形態に係るインバータ装置における劣化検出モードでの評価値算出動作を説明するためのダイアグラムである。図９は、図５において説明されたステップＳＴ２５に対応する。図９では、横軸に検査シーケンス開始からの経過時間ｔを取り、縦軸に包絡線の初期値からの差を取ることにより、算出される評価値が示される。具体的には、図９では、下側包絡線の初期値からの差ΔＬ１（ｔ）＝｜Ｌ１（ｔ）｜−｜Ｌ１（０）｜と、上側包絡線の初期値からの差ΔＨ１（ｔ）＝｜Ｈ１（ｔ）｜−｜Ｈ１（０）｜とが示される。
【００８８】
図９に示すように、劣化検出部７０は、所定期間Ｔ０が経過した後において、下側包絡線の初期値からの差ΔＬ１（Ｔ０）と、上側包絡線の初期値からの差ΔＨ１（Ｔ０）との差の絶対値を評価値として算出する。すなわち、評価値は、｜ΔＬ１（Ｔ０）−ΔＨ１（Ｔ０）｜と表される。
【００８９】
上側包絡線と下側包絡線のとの差を取ることにより、モータコイル３０内の負荷や配線ケーブルの寄生抵抗といった、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４の温度上昇に伴うオン抵抗の変化以外に起因する制御指令信号の変動要因を相殺することができる。
【００９０】
なお、上述の通り、検査シーケンスが実行されるのは、例えば、定期検査時である。このため、検査シーケンスが実行される間隔は、日又は月単位で離れている可能性があり、検査シーケンス毎に算出される評価値は、当該日又は月単位での経時的な変動の影響を受ける可能性がある。具体的には、検査シーケンス毎に算出される評価値は、電流信号をセンスする電流センサの出力が経時的に変化する影響を受け得る。このため、評価値は、包絡線の所定期間経過後の値と、初期値との差分を取る。これにより、電流信号そのものにあらわれる経時的な変動を相殺することができ、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４の温度上昇に伴うオン抵抗の変化に起因する制御指令信号の変化量を精度良く抽出することができる。
【００９１】
なお、対象アームであるトランジスタＴｒ１は、他のトランジスタＴｒ２〜Ｔｒ４よりも印加されるゲート電圧が低いため、温度上昇に伴うオン抵抗の変化量も大きく、制御指令信号の振幅の変化量に対する寄与が大きい。このため、対象アームに放熱特性の劣化が発生していた場合、放熱特性の劣化に伴う対象アームの温度上昇量が制御指令信号の振幅の変化量に有意に寄与し、評価値が大きく上昇する。
【００９２】
一方、他のトランジスタＴｒ２〜Ｔｒ４は、温度上昇に伴うオン抵抗の変化量は小さく、制御指令信号の振幅の変化量に対する寄与が小さい。このため、対象アーム以外のアームに放熱特性の劣化が発生していた場合、放熱特性の劣化に伴う対象アーム以外のアームの温度上昇量は制御指令信号の振幅の変化量に有意に寄与せず、評価値はほとんど上昇しない。
【００９３】
このように、評価値は、対象アームの放熱特性が劣化していた場合に、大きく上昇し得る。したがって、劣化検出部７０は、評価値として値｜ΔＬ１（Ｔ０）−ΔＨ１（Ｔ０）｜の変化を監視することによって、対象アームの放熱特性の劣化を検出することができる。
【００９４】
図１０は、第１実施形態に係るインバータ装置における劣化検出モードでの放熱特性劣化の判定動作を説明するためのダイアグラムである。図１０は、図５において説明されたステップＳＴ２６に対応する。図１０では、横軸にインバータ装置１を始動させてからの検査回数を取り、縦軸に検査実施の際に得られた評価値を取ることにより、放熱特性劣化の有無が判定される様子が模式的に示される。
【００９５】
図１０に示すように、劣化検出部７０は、インバータ装置１が始動してから同一対象アームについて算出された評価値を、図示しないメモリに時系列で記憶しておく。劣化検出部７０は、評価値が所定の閾値（図１０では閾値Ｔｈと記載されている。）を超えたか否かを判定し、当該判定結果に基づき、対象アームの放熱特性劣化の有無を判定する。なお、劣化検出部７０は、評価値が閾値Ｔｈを超えた場合に、即座に対象アームの放熱特性劣化の有無を判定するのみならず、任意の判定基準が設けられていてもよい。
【００９６】
図１０の例では、劣化検出部７０は、評価値が２回連続で閾値Ｔｈを超えた場合に、対象アームの放熱特性が劣化したと判定する場合が示される。これによれば、劣化検出部７０は、ｍ回目で評価値が閾値Ｔｈを上回った場合でも、（ｍ＋１）回目で閾値Ｔｈを下回れば、対象アームの放熱特性が劣化したとは判定しない。そして、劣化検出部７０は、Ｍ回目で評価値が閾値Ｔｈを上回り、かつ（Ｍ＋１）回目で閾値Ｔｈを上回った場合、対象アームの放熱特性が劣化したと判定する。これにより、検査ごとのばらつきによって一時的に評価値が閾値Ｔｈを上回ってしまう場合等を排除することができる。
【００９７】
次に、第１実施形態に係るインバータ装置における劣化検出モードでの他のアームの検査シーケンスから放熱特性劣化の判定動作までについて説明する。
【００９８】
図１１は、第１実施形態に係るインバータ装置における検査シーケンスでの対象アーム毎の設定内容の相違点を説明するためのテーブルである。図１１は、図５において説明されたステップＳＴ２７及びＳＴ２８に対応する。
【００９９】
図１１に示すように、対象アームとしてアームＡ１が選択された場合、上述の通り、単相インバータを構成するアームの組は、アームＡ１〜Ａ４となる。アームＡ１に対する検査シーケンスから放熱特性劣化の判定動作まで（図１１における検査番号１）が終了すると、同一の単相インバータ構成における他のアームＡ２〜Ａ４を対象アームとする、検査シーケンスから放熱特性劣化の判定動作まで（図１１における検査番号２〜４）が順次実行される。単相インバータを構成する全てのアームＡ１〜Ａ４について検査シーケンスから放熱特性劣化の判定動作まで（図１１における検査番号１〜４）が終了すると、新たな単相インバータを構成するアームの組が決定される（図１１の例では、アームＡ３〜Ａ６が選択されている）。そして、新たな単相インバータを構成するアームＡ３〜Ａ６の組のうち、放熱特性劣化が判定されていないアームＡ５及びＡ６について、検査シーケンスから放熱特性劣化の判定動作まで（図１１における検査番号５及び６）が実行される。
【０１００】
以上のように動作することにより、全てのアームＡ１〜Ａ６について、放熱特性劣化の有無が判定される。
【０１０１】
なお、劣化検出部７０によって抽出される包絡線は、対象アームに流れる電流が正方向であるか、負方向であるかによって、その形状が異なる。
【０１０２】
図１２は、第１実施形態に係るインバータ装置の劣化検出モードでの制御指令信号の包絡線抽出動作を説明するための模式図であり、図８に対応する。図８では、対象アームに流れる電流が正方向である場合（例えば、図１１に示された検査番号１、すなわち対象アームはアームＡ１）における包絡線が示されていたのに対し、図１２では、対象アームに流れる電流が負方向である場合（例えば、図１１に示された検査番号２、すなわち対象アームはアームＡ２）における包絡線が示される。以下の説明では、図１２は、対象アームがアームＡ２であるものとして説明する。
【０１０３】
図１２に示すように、対象アームに流れる電流が負方向である場合、図８に示された包絡線と上下方向に反転した形状となる。具体的には、制御指令信号の振幅の極大値が上側包絡線Ｈ２（ｔ）として示され、極小値が下側包絡線Ｌ２（ｔ）として示される。制御指令信号の上側包絡線Ｈ２（ｔ）は、検査シーケンス開始時点（ｔ＝０）における点Ｘ５（０、Ｈ２（０））から、振幅が増加する方向に推移し、所定期間経過後（ｔ＝Ｔ０）において点Ｘ７（Ｔ０、Ｈ２（Ｔ０））に達する。下側包絡線Ｌ２（ｔ）は、検査シーケンス開始時点（ｔ＝０）における点Ｘ６（０、Ｌ２（０））から、振幅が減少する方向に推移し、所定期間経過後（ｔ＝Ｔ０）において点Ｘ８（Ｔ０、Ｌ２（Ｔ０））に達する。
【０１０４】
図１３は、第１実施形態に係るインバータ装置における劣化検出モードでの評価値算出動作を説明するためのダイアグラムであり、図９に対応する。図１３では、下側包絡線の初期値からの差ΔＬ２（ｔ）＝｜Ｌ２（ｔ）｜−｜Ｌ２（０）｜と、上側包絡線の初期値からの差ΔＨ２（ｔ）＝｜Ｈ２（ｔ）｜−｜Ｈ２（０）｜とが示される。
【０１０５】
図１３に示すように、図１２と同様、劣化検出部７０は、所定期間Ｔ０が経過した後において、下側包絡線の初期値からの差ΔＬ２（Ｔ０）と、上側包絡線の初期値からの差ΔＨ２（Ｔ０）との差の絶対値を評価値として算出する。すなわち、評価値は、｜ΔＬ２（Ｔ０）−ΔＨ２（Ｔ０）｜と表される。
【０１０６】
第１実施形態によれば、新たなセンサを用いることなく、スイッチング素子の放熱性能の劣化を検出することが出来る。本効果につき、以下説明する。
【０１０７】
第１実施形態に係るインバータ装置１は、３相インバータを構成して動作する通常モードに加えて、単相インバータを構成して動作する劣化検出モードを有する。劣化検出モードでは、電流フィードバック制御器５０は、所定の期間、所定の電流がモータコイル３０に供給されるように、モータコイル３０に流れる電流をフィードバックすることによって制御指令信号を生成する。パルス幅変調器６０は、劣化検出モードで動作する際、単相インバータを構成するアームのうちの対象アームを除く３つに出力されるパルス幅変調信号について、“Ｈ”レベルをゲート電圧Ｖ１にする。また、パルス幅変調器６０は、劣化検出モードで動作する際、単相インバータを構成するアームのうちの対象アームに出力されるパルス幅変調信号について、“Ｈ”レベルをゲート電圧Ｖ１より低いゲート電圧Ｖ３にする。
【０１０８】
ここで、トランジスタＴｒには、ＭＯＳＦＥＴが適用される。これにより、トランジスタＴｒは、図３において説明したような温度に依存するオン抵抗の特性を有する。すなわち、トランジスタＴｒのオン抵抗は、ゲート電圧Ｖ１が印加された場合より、ゲート電圧Ｖ３が印加された場合の方が大きい、という特性を有する。これにより、対象アームのオン抵抗は、対象アーム以外のアームのオン抵抗よりも大きくなる。このため、電流フィードバック制御器５０は、包絡線の一方（包絡線の値が大きい側）が他方（包絡線の値が小さい側）よりも有意に大きくなる制御指令信号を生成することができる。
【０１０９】
また、トランジスタＴｒは、ゲート電圧Ｖ１が印加された場合に温度上昇に伴いオン抵抗が増加し、ゲート電圧Ｖ１より小さいゲート電圧Ｖ３が印加された場合に温度上昇に伴いオン抵抗が減少する、という特性を有する。また、ゲート電圧Ｖ３が印加された場合の温度上昇に伴う電圧降下の減少量は、ゲート電圧Ｖ１が印加された場合の温度上昇に伴う電圧降下の減少量よりも大きい。これにより、単相インバータに電流が流れることによって各アームの温度が上昇した際、包絡線の値が大きい側（例えば、上側包絡線Ｈ１（ｔ））の変化量は、包絡線の値が小さい側（例えば、下側包絡線Ｌ１（ｔ））の変化量に対して、有意に大きくなる。このため、劣化検出部７０は、単相インバータとして動作する際の制御指令信号を検出することによって、包絡線の値が大きい側の値に基づいて評価値を算出することができ、ひいては、対象アームの放熱特性が劣化していることを特定することができる。
【０１１０】
また、ゲート電圧Ｖ３が印加されるアームは、オン抵抗が大きいため、少ない電流で発熱することができる。これにより、モータコイル３０内の負荷や配線等に流れる電流を小さくすることができ、ひいては対象アームの発熱量に対する負荷や配線等の発熱量を少量に抑えることができる。このため、対象アームの発熱に伴う制御指令信号の変化の感度を向上させることができる。
【０１１１】
なお、トランジスタＴｒは、シリコンカーバイドを用いたＭＯＳＦＥＴが適用されることができる。このため、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等をスイッチング素子として用いる場合よりも、高効率に動作させることができる。
【０１１２】
また、劣化検出部７０は、評価値として、所定期間経過後における、包絡線の値が大きい側の値と初期値との差（例えば、ΔＨ１（Ｔ０））に基づいて評価値を算出する。これにより、インバータ装置１が始動してからの電流センサの経時的な変化が評価値に与える影響を相殺することができる。
【０１１３】
より具体的には、劣化検出部７０は、評価値として、包絡線の値が大きい側の値と初期値との差ΔＨ１（Ｔ０）と、包絡線の値が小さい側の値と初期値との差（例えば、ΔＬ１（Ｔ０）に基づいて評価値を算出する。すなわち、劣化検出部７０は、評価値として｜ΔＬ１（Ｔ０）−ΔＨ１（Ｔ０）｜を算出する。これにより、温度上昇に伴うオン抵抗変化以外の要因による制御指令信号の変化が評価値に合立てる影響を相殺することができる。
【０１１４】
また、劣化検出部７０は、当該算出された評価値｜ΔＬ１（Ｔ０）−ΔＨ１（Ｔ０）｜が所定の閾値Ｔｈを超えるか否かに基づき、対象アームの放熱特性が劣化しているか否かを判定する。これにより、インバータ装置１が始動してから放熱特性が徐々に劣化していく様子をモニタすることができると共に、パワー素子２８の動作が支障をきたす程度に劣化が進行する前に、対象アームの交換作業などを実施することができる。なお、はんだ２７に発生するクラックは、月〜年程度のスパンで緩やかに成長する。このため、放熱特性の劣化は、インバータ装置１が通常モードで動作している間に逐一モニタする必要はなく、定期検査毎に間欠的にモニタすれば、パワー素子２８の動作が支障をきたす前に十分検出することが可能である。
【０１１５】
したがって、第１実施形態に係るインバータ装置１は、温度センサ等の新たなセンサを用いることなく、スイッチング素子の放熱性能の劣化を検出することが出来る。これにより、新たなセンサを追加することによるサイズの増加を抑制することができ、インバータ装置１の小型化に資することができる。
（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係るインバータ装置について説明する。
【０１１６】
第１実施形態では、パワー素子モジュール内の各アーム内に、１つのパワー素子が設けられる場合について説明したが、これに限られない。第２実施形態に係るインバータ装置は、パワー素子モジュール内の各アーム内に、並列に接続された複数のパワー素子が設けられる点において、第１実施形態に係るインバータ装置と相違する。第２実施形態に係るインバータ装置は、例えば、電車等の巨大なシステムに適用されることによって、より大きな電流を流す必要がある場合が想定される。以下の説明では、第１実施形態と同一の構成及び動作についてはその説明を省略し、第１実施形態と異なる構成及び動作について主に説明する。
【０１１７】
第２実施形態に係るインバータ装置のパワー素子モジュールの構成について説明する。
【０１１８】
図１４は、第２実施形態に係るインバータ装置のパワー素子モジュールの構成を説明するための回路図である。図１４は、第１実施形態において説明された図１のパワー素子モジュール２０の一部に対応する。より具体的には、図１４では、パワー素子モジュール２０内のアームＡ１及びＡ２が、一例として示される。
【０１１９】
図１４に示すように、アームＡ１は、トランジスタＴｒ１１、Ｔｒ１２、Ｔｒ１３、及びＴｒ１４、並びにダイオードＤ１１、Ｄ１２、Ｄ１３、及びＤ１４を含む。トランジスタＴｒ１１及びダイオードＤ１１の組、トランジスタＴｒ１２及びダイオードＤ１２の組、トランジスタＴｒ１３及びダイオードＤ１３の組、並びにトランジスタＴｒ１４及びダイオードＤ１４の組は、ノードＮ２とノードＵとの間に並列に接続される。具体的には、トランジスタＴｒ１１〜Ｔｒ１４の各々は、ノードＮ２に接続されたドレイン端と、ノードＵに接続されたソース端及びバックゲートと、パルス幅変調器６０からパルス幅変調信号Ｐ１が入力されるゲートと、を含む。ダイオードＤ１１〜Ｄ１４の各々は、ノードＵに接続された入力端と、ノードＮ２に接続された出力端と、を含む。
【０１２０】
アームＡ２は、トランジスタＴｒ２１、Ｔｒ２２、Ｔｒ２３、及びＴｒ２４、並びにダイオードＤ２１、Ｄ２２、Ｄ２３、及びＤ２４を含む。トランジスタＴｒ２１及びダイオードＤ２１の組、トランジスタＴｒ２２及びダイオードＤ２２の組、トランジスタＴｒ２３及びダイオードＤ２３の組、並びにトランジスタＴｒ２４及びダイオードＤ２４の組は、ノードＵとノードＮ１との間に並列に接続される。具体的には、トランジスタＴｒ２１〜Ｔｒ２４の各々は、ノードＵに接続されたドレイン端と、ノードＮ１に接続されたソース端及びバックゲートと、パルス幅変調器６０からパルス幅変調信号Ｐ２が入力されるゲートと、を含む。ダイオードＤ２１〜Ｄ２４の各々は、ノードＮ１に接続された入力端と、ノードＵに接続された出力端と、を含む。
【０１２１】
なお、アームＡ３及びＡ４の組、並びにアームＡ５及びＡ６の組は、アームＡ１及びＡ２の組と同様の構成を有する。
【０１２２】
具体的には、アームＡ３は、図示しないトランジスタＴｒ３１、Ｔｒ３２、Ｔｒ３３、及びＴｒ３４、並びにダイオードＤ３１、Ｄ３２、Ｄ３３、及びＤ３４を含む。トランジスタＴｒ３１及びダイオードＤ３１の組、トランジスタＴｒ３２及びダイオードＤ３２の組、トランジスタＴｒ３３及びダイオードＤ３３の組、並びにトランジスタＴｒ３４及びダイオードＤ３４の組は、ノードＮ２とノードＶとの間に並列に接続される。具体的には、トランジスタＴｒ３１〜Ｔｒ３４の各々は、ノードＮ２に接続されたドレイン端と、ノードＶに接続されたソース端及びバックゲートと、パルス幅変調器６０からパルス幅変調信号Ｐ３が入力されるゲートと、を含む。ダイオードＤ３１〜Ｄ３４の各々は、ノードＶに接続された入力端と、ノードＮ２に接続された出力端と、を含む。
【０１２３】
アームＡ４は、トランジスタＴｒ４１、Ｔｒ４２、Ｔｒ４３、及びＴｒ４４、並びにダイオードＤ４１、Ｄ４２、Ｄ４３、及びＤ４４を含む。トランジスタＴｒ４１及びダイオードＤ４１の組、トランジスタＴｒ４２及びダイオードＤ４２の組、トランジスタＴｒ４３及びダイオードＤ４３の組、並びにトランジスタＴｒ４４及びダイオードＤ４４の組は、ノードＶとノードＮ１との間に並列に接続される。具体的には、トランジスタＴｒ４１〜Ｔｒ４４の各々は、ノードＶに接続されたドレイン端と、ノードＮ１に接続されたソース端及びバックゲートと、パルス幅変調器６０からパルス幅変調信号Ｐ４が入力されるゲートと、を含む。ダイオードＤ４１〜Ｄ４４の各々は、ノードＮ１に接続された入力端と、ノードＶに接続された出力端と、を含む。
【０１２４】
アームＡ５は、図示しないトランジスタＴｒ５１、Ｔｒ５２、Ｔｒ５３、及びＴｒ５４、並びにダイオードＤ５１、Ｄ５２、Ｄ５３、及びＤ５４を含む。トランジスタＴｒ５１及びダイオードＤ５１の組、トランジスタＴｒ５２及びダイオードＤ５２の組、トランジスタＴｒ５３及びダイオードＤ５３の組、並びにトランジスタＴｒ５４及びダイオードＤ５４の組は、ノードＮ２とノードＷとの間に並列に接続される。具体的には、トランジスタＴｒ５１〜Ｔｒ５４の各々は、ノードＮ２に接続されたドレイン端と、ノードＷに接続されたソース端及びバックゲートと、パルス幅変調器６０からパルス幅変調信号Ｐ５が入力されるゲートと、を含む。ダイオードＤ５１〜Ｄ５４の各々は、ノードＷに接続された入力端と、ノードＮ２に接続された出力端と、を含む。
【０１２５】
アームＡ６は、トランジスタＴｒ６１、Ｔｒ６２、Ｔｒ６３、及びＴｒ６４、並びにダイオードＤ６１、Ｄ６２、Ｄ６３、及びＤ６４を含む。トランジスタＴｒ６１及びダイオードＤ６１の組、トランジスタＴｒ６２及びダイオードＤ６２の組、トランジスタＴｒ６３及びダイオードＤ６３の組、並びにトランジスタＴｒ６４及びダイオードＤ６４の組は、ノードＷとノードＮ１との間に並列に接続される。具体的には、トランジスタＴｒ６１〜Ｔｒ６４の各々は、ノードＷに接続されたドレイン端と、ノードＮ１に接続されたソース端及びバックゲートと、パルス幅変調器６０からパルス幅変調信号Ｐ６が入力されるゲートと、を含む。ダイオードＤ６１〜Ｄ６４の各々は、ノードＮ１に接続された入力端と、ノードＷに接続された出力端と、を含む。
【０１２６】
以上のように構成することにより、通常モードにおいて大電流を流す必要がある場合においても、同一アーム内で並列に接続された複数のトランジスタで当該大電流を分散させることができる。なお、図１４の例では、並列に接続されるトランジスタの数が４個である場合について説明したが、これに限らず、任意の数のトランジスタが並列に接続可能である。
【０１２７】
一般に、同一アーム内で並列に接続されるトランジスタの数が増えると、当該複数のトランジスタのうちの１つの放熱特性が劣化したことによる制御指令信号の振幅の変化量は、小さくなる。これは、アーム全体のオン抵抗の変化量は、並列接続されていない１つのトランジスタが温度上昇する場合よりも、並列接続された複数のトランジスタのうちの１つが温度上昇する場合の方が小さいからである。このため、同一アーム内で複数のトランジスタが並列に接続される場合、制御指令信号の振幅の変化量が小さくなることによって、評価値に基づく放熱特性の劣化有無の判定ができなくなる可能性がある。
【０１２８】
しかしながら、第２実施形態では、第１実施形態と同様、パルス幅変調器６０は、劣化検出モードで動作する際、単相インバータを構成するアームのうちの対象アームを除く３つに出力されるパルス幅変調信号について、“Ｈ”レベルをゲート電圧Ｖ１にする。また、パルス幅変調器６０は、劣化検出モードで動作する際、単相インバータを構成するアームのうちの対象アームに出力されるパルス幅変調信号について、“Ｈ”レベルをゲート電圧Ｖ１より低いゲート電圧Ｖ３にする。ゲート電圧Ｖ１が印加されるアームは、温度上昇によりオン抵抗が増加し、ゲート電圧Ｖ３が印加されるアームは、温度上昇によりオン抵抗が減少する。
【０１２９】
これにより、仮に対象アーム内の或るトランジスタの放熱特性が劣化していた場合（以下、便宜上、当該或るトランジスタを「劣化トランジスタ」と言い、対象アーム内の他のトランジスタを「非劣化トランジスタ」と言う。）、劣化トランジスタは、他の各非劣化トランジスタよりも温度が上昇し、オン抵抗が減少する。このため、対象アーム内において劣化トランジスタに流れる電流は、他の各非劣化トランジスタに流れる電流よりも多くなる。すると、劣化トランジスタは、更に温度が上昇し、更にオン抵抗が減少する。
【０１３０】
このように、劣化トランジスタは、温度の上昇とオン抵抗の減少を連鎖的に繰り返すこととなり、劣化トランジスタのオン抵抗変化が電流制御系に及ぼす影響を大きくすることができる。
【０１３１】
したがって、第２実施形態によれば、同一アーム内において複数のトランジスタを並列に接続する場合においても、制御指令信号の振幅の変化を大きくすることができ、ひいては、新たなセンサを用いることなくスイッチング素子の放熱性能の劣化を検出することができる。
【０１３２】
なお、上述の第１実施形態及び第２実施形態に係るインバータ装置は、上述の例に限らず、種々の変形が適用可能である。
（第１変形例）
上述の通り、第１実施形態及び第２実施形態（特に第２実施形態）における通常モードでは、インバータ装置１が電車等の巨大なシステムに適用される場合、大電流を流す必要がある。これに伴い、電源１０は、電圧が１０００Ｖ以上の非常に高い電圧となる可能性がある。このような場合、オン抵抗変化に起因するソース‐ドレイン間電圧ＶＤＳの変化量は、電源１０の電圧の大きさに比べて非常に小さくなる。このため、制御指令信号の振幅の大きさに対する、オン抵抗変化に起因する制御指令信号の振幅の変化量が小さくなり、放熱特性の劣化を検出することが困難となり得る。
【０１３３】
第１変形例に係るインバータ装置１では、オン抵抗変化に起因する制御指令信号の振幅変化の感度を向上させることを目的として、以下の措置を適用することが考えられる。
【０１３４】
まず、インバータ装置１は、劣化検出モードで動作する際、電源１０の電圧の大きさを通常モードよりも小さくする。これにより、制御指令信号の振幅の大きさに対する、オン抵抗変化に起因する制御指令信号の振幅の変化量の割合を大きくすることができる。
【０１３５】
また、パルス幅変調器６０は、劣化検出モードで動作する際、三角波の周波数を通常モードよりも小さくする。また、パルス幅変調器６０は、通常モードと同程度の時間分解能にするために、三角波の振幅を通常モードよりも大きくする。これにより、パルス幅変調信号の時間分解能を通常モードにおける時間分解能と同程度に保ちつつ、制御対象の見かけ上のゲインを下げることができる。
【０１３６】
また、パルス幅変調器６０は、劣化検出モードで動作する際、三角波の振幅を上述の方策時よりも更に大きくする。これにより、パルス幅変調信号の時間分解能を通常モードよりも向上させることができ、制御対象の見かけ上のゲインを更に下げることができる。
【０１３７】
したがって、電車等のように、高電圧の電源１０にパワー素子モジュール２０が接続される場合においても、制御指令信号の振幅の大きさに対する、オン抵抗変化に起因する制御指令信号の振幅の変化量を大きくすることができ、放熱特性の劣化を検出することができる。
（第２変形例）
上述の第２実施形態では、同一のアーム内において並列に接続された複数のトランジスタの各々のゲートには、同一のパルス幅変調信号が入力される場合について説明したが、これに限られない。
【０１３８】
第２変形例によれば、同一のアーム内において並列に接続された複数のトランジスタの各々のゲートには、異なるパルス幅変調信号が独立に入力されるように構成してもよい。以上のように構成することにより、対象アームへゲート電圧Ｖ３を印加するトランジスタを対象アームのうちの１つのトランジスタに限定することができる。このため、対象アーム内のいずれのトランジスタにおいて放熱特性の劣化が発生しているかを特定することができる。
【０１３９】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【０１４０】
１…インバータ装置、１０…電源、２０…パワー素子モジュール、２１…ヒートシンク、２２…ベースプレート、２３…ネジ、２４…絶縁層、２５…回路層、２６…ワイヤ、２７…はんだ、２８…パワー素子、３０…モータコイル、４０…Ａ／Ｄ変換器、５０…電流フィードバック制御器、６０…パルス幅変調器、７０…劣化検出部。
【図１】
2019110671.tif 000003
【図２】
2019110671.tif 000004
【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】
2019110671.tif 000010
【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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