(57)【要約】      （修正有）【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、比較的簡単な構成で半導体スイッチング素子の制御異常を高精度に検出可能な信頼性の高い電力変換装置を提供する。【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８ａ〜８ｆを備える電力変換装置１であって、前記スイッチング素子を駆動し、当該スイッチング素子のスイッチング動作に基づきフィードバック信号を出力するゲート駆動回路９ａ〜９ｆと、電力変換装置１の、上アームのフィードバック信号の変化を検知する第１検知部と、下アームのフィードバック信号の変化を検知する第２検知部と、第１検知部による信号変化の検知タイミングと第２検知部による信号変化の検知タイミングの差分を計測する時間計測部１４ａ〜１４ｃと、時間計測部１４ａ〜１４ｃによる計測結果に基づき電力変換装置１の診断を行う異常診断部１５と、を備える。【選択図】図１
2019187055.tif 000002
【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、当該スイッチング素子のスイッチング動作に基づきフィードバック信号を出力するゲート駆動回路と、
前記電力変換装置の上アームのフィードバック信号の変化を検知する第１検知部と、
前記電力変換装置の下アームのフィードバック信号の変化を検知する第２検知部と、
前記第１検知部による信号変化の検知タイミングと前記第２検知部による信号変化の検知タイミングの差分を計測する時間計測部と、
前記時間計測部による計測結果に基づき前記電力変換装置の診断を行う異常診断部と、
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、
前記異常診断部の診断結果に基づき前記スイッチング素子の動作タイミングを算出する論理部と、
前記論理部での算出結果に基づき前記ゲート駆動回路を制御する指令信号を出力する制御部と、
を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項２に記載の電力変換装置であって、
前記ゲート駆動回路からのフィードバック信号および前記制御部からの指令信号に基づき前記スイッチング素子のオン・オフ状態を判定するオン・オフ状態監視部を備え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、
前記ゲート駆動回路は、前記スイッチング素子のゲート−エミッタ間電圧が所定の基準電圧を超えた場合、前記フィードバック信号を出力す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であって、
前記時間計測部による計測結果が所定の閾値未満の場合、前記異常診断部は前記電力変換装置のデッドタイム不足と判定することを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
請求項１に記載の電力変換装置であって、
前記時間計測部による計測結果が所定の範囲内である場合、前記異常診断部は前記電力変換装置のセルフターンオン発生と判定することを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
請求項２に記載の電力変換装置であって、
前記ゲート駆動回路からのフィードバック信号および前記制御部からの指令信号に基づき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を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
請求項２に記載の電力変換装置であって、
前記異常診断部は前記論理部に内蔵されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項９】
電力変換装置の診断システムであって、
スイッチング素子を有する複数の電力用半導体モジュールと、
前記スイッチング素子を駆動し、当該スイッチング素子のスイッチング動作に基づきフィードバック信号を出力するゲート駆動回路と、
前記電力変換装置の上アームのフィードバック信号の変化を検知する第１検知部と、
前記電力変換装置の下アームのフィードバック信号の変化を検知する第２検知部と、
前記第１検知部による信号変化の検知タイミングと前記第２検知部による信号変化の検知タイミングの差分を計測する時間計測部と、
前記時間計測部による計測結果に基づき前記電力変換装置の診断を行う異常診断部と、
前記異常診断部の診断結果を出力する表示部と、
を備え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１０】
請求項９に記載の電力変換装置の診断システムであって、
前記異常診断部の診断結果に基づき前記スイッチング素子の動作タイミングを算出する論理部と、
前記論理部での算出結果に基づき前記ゲート駆動回路を制御する指令信号を出力する制御部と、
を備え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１１】
請求項１０に記載の電力変換装置の診断システムであって、
前記ゲート駆動回路からのフィードバック信号および前記制御部からの指令信号に基づき前記スイッチング素子のオン・オフ状態を判定するオン・オフ状態監視部を備え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１２】
請求項９に記載の電力変換装置の診断システムであって、
前記ゲート駆動回路は、前記スイッチング素子のゲート−エミッタ間電圧が所定の基準電圧を超えた場合、前記フィードバック信号を出力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１３】
請求項９に記載の電力変換装置の診断システムであって、
前記時間計測部による計測結果が所定の閾値未満の場合、前記異常診断部は前記電力変換装置のデッドタイム不足と判定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１４】
請求項９に記載の電力変換装置の診断システムであって、
前記時間計測部による計測結果が所定の範囲内である場合、前記異常診断部は前記電力変換装置のセルフターンオン発生と判定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１５】
請求項１０に記載の電力変換装置の診断システムであって、
前記ゲート駆動回路からのフィードバック信号および前記制御部からの指令信号に基づき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を備えることを特徴とする電力変換装置の診断システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置の構成に係り、特に、大容量の電力変換装置の診断に適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道や大型産業機器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。
【０００３】
このような機器では、稼動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、関係者への保守必要性の通知、電力変換装置の延命制御が必要である。
【０００４】
電力変換装置では半導体スイッチング素子を精密に制御することによって高効率な電力変換を実現している。
【０００５】
しかしながら、半導体スイッチング素子の制御のタイミングに何らかの異常が発生した場合、例えば、上アームを構成する半導体スイッチング素子と下アームを構成する半導体スイッチング素子が同時にオン状態になると半導体スイッチング素子が短絡し、過熱による素子劣化や、短絡破壊による装置重故障の発生が懸念される。
【０００６】
そのため、簡便な方法で電力変換装置の状態を監視する技術として、システム稼動中の制御異常やスイッチングのタイミング異常を検出する技術が検討されている。
【０００７】
本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１には「半導体スイッチング素子のオン・オフ状態を検出し、制御信号との整合性を監視する技術」が開示されている。
【０００８】
また、特許文献２には「電力変換器の保守点検時に半導体素子のスイッチングのタイミングが正常であるか点検する技術」が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１０−１１６６０号公報
【特許文献２】特開平９−１７２７８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記特許文献１では、制御信号からフィードバック信号までの時間差を検出する技術が開示されているが、上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子のスイッチングの時間差については考慮されていない。
【００１１】
上述したように、上下アームが同時にオン状態になると短絡状態となるため、上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子の時間差は電力変換装置の信頼性に対して重要なパラメータである。
【００１２】
また、上記特許文献２では、保守点検時に大電流・大電圧が印加されない状態において、上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子のスイッチングの時間差を測定する技術が開示されているが、大電流・大電圧が印加されている実稼動条件での計測については考慮されていない。
【００１３】
スイッチングのタイミングは主回路装置に印加される電圧・電流によって変化するため、電流・電圧が印加されない状態での計測では不十分であり、実稼動中に上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子の時間差を測定することが重要である。
【００１４】
そこで、本発明の目的は、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、比較的簡単な構成で半導体スイッチング素子の制御異常を高精度に検出可能な信頼性の高い電力変換装置とその診断システム及び診断方法、並びにそれを用いた電動機制御システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明は、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、当該スイッチング素子のスイッチング動作に基づきフィードバック信号を出力するゲート駆動回路と、前記電力変換装置の上アームのフィードバック信号の変化を検知する第１検知部と、前記電力変換装置の下アームのフィードバック信号の変化を検知する第２検知部と、前記第１検知部による信号変化の検知タイミングと前記第２検知部による信号変化の検知タイミングの差分を計測する時間計測部と、前記時間計測部による計測結果に基づき前記電力変換装置の診断を行う異常診断部と、を備えることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明は、電力変換装置の診断システムであって、スイッチング素子を有する複数の電力用半導体モジュールと、前記スイッチング素子を駆動し、当該スイッチング素子のスイッチング動作に基づきフィードバック信号を出力するゲート駆動回路と、前記電力変換装置の上アームのフィードバック信号の変化を検知する第１検知部と、前記電力変換装置の下アームのフィードバック信号の変化を検知する第２検知部と、前記第１検知部による信号変化の検知タイミングと前記第２検知部による信号変化の検知タイミングの差分を計測する時間計測部と、前記時間計測部による計測結果に基づき前記電力変換装置の診断を行う異常診断部と、前記異常診断部の診断結果を出力する表示部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、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、比較的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することができる。
【００１８】
これにより、信頼性及び経済性に優れた電力変換装置、電力変換装置の診断システム及び診断方法、並びにそれを用いた電動機制御システムを提供できる。
【００１９】
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明によって明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る電力変換装置の診断システムの全体構成を示すブロック図である。（実施例１）
【図２】電力用半導体モジュールのスイッチオン時のゲート−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３】電力用半導体モジュールのスイッチオフ時のゲート−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４】デッドタイム不足異常の場合の上下アームのゲート−エミッタ間電圧波形、フィードバック信号、及び下アームのコレクタ−エミッタ間電流波形を示す図である。
【図５】セルフターンオン異常の場合の上下アームのゲート−エミッタ間電圧波形、フィードバック信号、及び下アームのコレクタ−エミッタ間電流波形を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る電力変換装置の診断システムの適用例を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態に係るＧＵＩを示す図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る電力変換装置の診断システムの一部構成を示すブロック図である。（実施例２）
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において、同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。
【実施例１】
【００２２】
図１から図７を参照して、実施例１の電力変換装置とその診断システム、及びそれを用いた電動機制御システムについて説明する。
【００２３】
図１は本実施例における電力変換装置の診断システムの全体構成を示すブロック図である。図１に示すように、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の状態監視用のグラフィカルユーザインターフェース（Graphical User Interface：ＧＵＩ）３から構成されている。電力変換装置１には、制御装置４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１８ａ，１８ｂが設置されている。また、電力変換装置１には状態監視による異常有無を表示する電力変換装置表示部５が設置されている。
【００２４】
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７と複数のパワー半導体モジュール８a〜８fとゲート駆動回路９a〜９fと制御装置４を備えている。ゲート駆動回路９a〜９fと制御装置４は、絶縁結合素子１０によって絶縁されている。絶縁結合素子１０には、例えば光結合型素子や磁気結合型素子、静電結合型素子等が用いられる。なお、図１ではゲート駆動回路９a〜９fは、パワー半導体モジュール８a〜８fの外側に配置されているが、パワー半導体モジュール８a〜８fにそれぞれ内蔵してもよい。
【００２５】
パワー半導体モジュール８a〜８fは、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等のトランジスタとＰＮダイオードやショットキーバリアダイオード等のダイオードが逆並列に接続されて構成されている。パワー半導体モジュール８a〜８fには、エミッタ端子、コレクタ端子、ゲート端子がそれぞれ設けられている。なお、本実施例ではパワー半導体モジュール８a〜８fにＩＧＢＴを用いているが、ＭＯＳＦＥＴ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。
【００２６】
制御装置４は、論理部１１、制御部１２、信号変化検知部１３a〜１３f、時間計測部１４a〜１４c、異常診断部１５、電流検出部１７から構成されている。
【００２７】
制御部１２は、論理部１１からのＰＷＭ（パルス幅変調）指令信号をゲート駆動回路９a〜９fに送る。ゲート駆動回路９a〜９fには、所定のスイッチオン基準電圧と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端子とエミッタ端子間の電圧を比較することにより、フィードバック信号を信号変化検知部１３a〜１３fに送信する。
【００２８】
信号変化検知部１３a〜１３fはオペアンプやコンパレータ、ハイパスフィルタ等で構成されており、スイッチング動作によるフィードバック信号の変化を検出し、信号を時間計測部１４a〜１４cに送信する。
【００２９】
時間計測部１４a〜１４cでは、同相の上下アーム間（つまり、信号変化検知部１３ａと信号変化検知部１３ｂ間、信号変化検知部１３ｃと信号変化検知部１３ｄ間、信号変化検知部１３ｅと信号変化検知部１３ｆ間）の信号の時間差を測定し、測定した時間差を異常診断部１５に送信する。
【００３０】
異常診断部１５は、送信された時間差に基づいてスイッチング制御の異常の有無を診断し、診断結果を論理部１１に送信する。また、電力変換装置１の外部に設置されたＧＵＩ３及び電力変換装置表示部５に表示（出力）する。
【００３１】
ＧＵＩ３からは、論理部１１や環境情報取得部１６（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１１に送信される。
【００３２】
論理部１１は、ＧＵＩ３からの入力データ、異常診断部１５のデータ、電流検出部１７のデータ、及び環境情報取得部１６からの気象情報や負荷情報に基づき、パワー半導体モジュール８ａ〜８ｆのスイッチングタイミングを算出（演算）する。制御部１２は、論理部１１での算出（演算）結果に基づき、最大電流の制限やスイッチングタイミングの余裕度を拡げる緩和駆動指令をゲート駆動回路９a〜９fに送信する。
【００３３】
ゲート駆動回路９ａ〜９ｆによってパワー半導体モジュール８ａ〜８ｆは緩和駆動を行い、緩和駆動結果はＧＵＩ３に送られる。パワー半導体モジュール８ａ〜８ｆの緩和駆動はＧＵＩ３からユーザが直接指示を出すこともできる。緩和駆動後の異常診断部１５の診断結果に基づいて電力変換装置１のメンテナンス指示をＧＵＩ３に表示する。
【００３４】
なお、本実施例の診断システムの具体的な構成例としては、緩和駆動指令の時系列データや、電流検出部データ、気象データ、負荷データの時系列データ、時間計測部１４ａ〜１４ｃ及び異常診断部１５の時系列データを蓄積するメモリ回路を備えるのが好適である。過去のデータに基づいて、より精度の高いスイッチングタイミングの算出（演算）やパワー半導体モジュールの緩和駆動制御ができるためである。
【００３５】
また、論理部１１と異常診断部１５は一体のユニットで構成されていてもよい。例えば異常診断部１５を論理部１１に内蔵することで、論理部１１と異常診断部１５間の通信のタイムラグ（時間差）が解消されてより高精度な制御が可能となる。
【００３６】
また、本システムの具体的な適用例では、信号変化検知部１３ａ〜１３ｆ、時間計測部１４ａ〜１４ｃ、異常診断部１５の各々は、電力変換装置１と一体で構成するか、或いは、各ユニット間を有線通信、無線通信、及び端子接続による分離可能な接続のいずれかで接続することも可能である。
【００３７】
ユーザインターフェース部（ＧＩＵ３）は、異常診断部１５と一体で構成するか、或いは、ＧＵＩ３と異常診断部１５を有線通信、無線通信、及び端子接続による分離可能な接続のいずれかで接続することも可能である。各ユニットを分離して設置し、各ユニット間を有線通信や無線通信で接続することで、システム構成の自由度が高まり、例えば、後述する電車等に搭載した電力変換装置を遠隔地にある監視システムで診断することも可能である。
【００３８】
信号変化検知部１３ａ〜１３ｆは、オペアンプ、ハイパスフィルタ、比較器等で構成されており、３．３Ｖ若しくは５Ｖの矩形波の信号を時間計測部１４ａ〜１４ｃに送信する。時間計測部１４ａ〜１４ｃの一例として、ＴＤＣ（Time-to-Digital-Converter）回路とマイクロコンピュータによる構成が考えられる。
【００３９】
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、上下アームのパワー半導体モジュールのフィードバック信号変化の時間差に基づいて制御の異常を判定する機能を備える。
【００４０】
次に、図２から図５を用いて、本実施例の診断システムの具体的な動作について説明する。
【００４１】
図２はパワー半導体モジュールのスイッチオン（ターンオン）時のゲート−エミッタ間電圧波形２０とフィードバック信号２１の推移を示している。ゲート−エミッタ間電圧２０が上昇し、所定のスイッチオン基準電圧２３を超えると、ゲート駆動回路９ａ〜９ｆの回路遅延時間２４経過後に、ゲート駆動回路９ａ〜９ｆ内に内蔵された比較器によってフィードバック信号２１が出力され、絶縁結合素子１０を介して信号変化検知部１３ａ〜１３ｆに送信される。
【００４２】
図３はパワー半導体モジュールのスイッチオフ（ターンオフ）時のゲート−エミッタ間電圧波形３０とフィードバック信号３１の推移を示している。ゲート−エミッタ間電圧３０が低下し、所定のスイッチオフ基準電圧３３を超えると、ゲート駆動回路９ａ〜９ｆの回路遅延時間３４経過後に、ゲート駆動回路９ａ〜９ｆ内に内蔵された比較器によってフィードバック信号３１が出力され、絶縁結合素子１０を介して信号変化検知部１３ａ〜１３ｆに送信される。
【００４３】
信号変化検知部１３ａ〜１３ｆでは入力されたフィードバック信号をスイッチオン（ターンオン）時は立ち上がりのパルス信号、スイッチオフ（ターンオフ）時は立下りのパルス信号に変換し、時間計測部１４ａ〜１４ｃに送信し、変化の無い期間においては信号を出力しない。
【００４４】
それぞれの時間計測部１４ａ〜１４ｃには同相の上下アームのパルス信号（１３ａと１３ｂ，１３ｃと１３ｄ，１３ｅと１３ｆ）が入力され、上下アーム間の信号の時間差を測定する。時間計測部１４ａ〜１４ｃで測定された時間（時間差）は異常診断部１５に送信され、スイッチング制御の異常を診断する。
【００４５】
図４に制御異常のひとつであるデッドタイム不足の模式図を示す。図４（ａ）は上アームを構成するパワー半導体モジュール８ａ，８ｃ，８ｅのゲート−エミッタ間電圧波形４１とフィードバック信号４２の推移、図４（ｂ）は下アームを構成するパワー半導体モジュール８ｂ，８ｄ，８ｆのゲート−エミッタ間電圧波形４３とフィードバック信号４４の推移、図４（ｃ）は下アームのコレクタ−エミッタ間電流波形４５の推移をそれぞれ示している。
【００４６】
図４の本模式図では、下アームのスイッチオフが完了する前に上アームのスイッチオンが開始しているため、上下アームが共にスイッチオンとなる期間において短絡状態となり、素子に過大な電流が流れ、短絡破壊に到る場合もある。従って、デッドタイム不足の状態を避けるためには上下アームのスイッチングの時間差を十分取る必要がある。
【００４７】
一方、電力変換効率を向上するには上下アームのスイッチングの時間差を短く設定する必要があり、効率と信頼性の間にトレードオフ関係が生ずる。従って、電力変換の高効率化と制御の高信頼性を両立するためには本実施例による上下アームのスイッチングの時間差の監視による動的なスイッチング時間差制御が重要である。
【００４８】
図５に制御異常のひとつであるデッドタイム不足の別の例を示す。図５（ａ）は上アームを構成するパワー半導体モジュール８ａ，８ｃ，８ｅのゲート−エミッタ間電圧波形５１とフィードバック信号５２の推移、図５（ｂ）は下アームを構成するパワー半導体モジュール８ｂ，８ｄ，８ｆのゲート−エミッタ間電圧波形５３とフィードバック信号５４の推移、図５（ｃ）は下アームのコレクタ−エミッタ間電流波形５５の推移をそれぞれ示している。
【００４９】
図５の本模式図では、下アームのスイッチオフ後、上アームのスイッチオン時に下アーム素子のゲート電圧が一時的に上昇して下アーム素子がスイッチオン状態となり、上下アーム間で短絡状態となるセルフターンオン不良を示している。下アーム素子のゲート電圧が一時的に上昇する原因は、上アーム素子のスイッチオン時に下アーム素子のコレクタ−エミッタ間電圧が急激に変化するために下アーム素子のゲート−コレクタ間容量を介してゲートに電流が注入されるためである。
【００５０】
セルフターンオン不良を抑制するために、通常はスイッチオン速度の低減やゲート−エミッタ間への規制容量の挿入が行われるが、前者は電力変換効率の低下、後者はゲート−エミッタ間容量増加による制御性の悪化というデメリットがあり、制御の最適化のためには本実施例によるセルフターンオンの監視が必要となる。
【００５１】
表１に上下アームの信号変化検知部１３ａ〜１３ｆの出力、時間計測部１４ａ〜１４ｃの時間計測値と異常診断部１５の異常診断出力の関係を示す。
【００５２】
上下アームのうち、いずれか一方のアームがスイッチオフしてから所定の期間よりも短い期間（負の期間を含む）にもう一方のアームがスイッチオンするとデッドタイム不足と判定される。（表１のNo.2，No.6のパターン）
一方、上下アームのうち、いずれか一方のアームがスイッチオフしてから所定の期間の範囲内にもう一方のアームがスイッチオンすると正常と判定される。（表１のNo.1，No.5のパターン）
また、上下アームのうち、いずれか一方のアームがスイッチオフしてからもう一方のアームのスイッチオンが所定の期間よりも遅れるとターンオン失敗と判定される。（表１のNo.3，No.7のパターン）
また、上下アームのうち、いずれか一方のアームがスイッチオンして一定期間内にもう一方のアームがスイッチオンするとセルフターンオンと判定される。（表１のNo.4，No.8のパターン）
【００５３】
【表１】
2019187055.tif 000003
【００５４】
なお、制御異常検知による動作条件制御の具体例を示すと、電力変換装置１のパワー半導体モジュール８ａ〜８ｆの最大電流の値の制限値を設けることや、上アームと下アームのスイッチングの時間差の余裕度を増加する緩和駆動を行うことが一例として挙げられる。
【００５５】
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）や、金属酸化物半導体電界効果型トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）等を用いることができる。
【００５６】
スイッチング素子（電力用半導体素子）の半導体材料としては、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。
【００５７】
次に、図６を用いて、本実施例の電力変換装置の診断システムの適用例について説明する。図６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。
【００５８】
電力変換装置表示部５は、鉄道車両６０下部にある電力変換装置１（例えばＶＶＶＦインバータ等）の外側に（外部から視認可能な位置に）設置することにより、保守作業者に異常診断部１５の診断結果を通知することができる。また、制御異常が生じているパワー半導体モジュールの場所がその場で認識（特定）できることから、保全作業効率が向上する。
【００５９】
また、電力変換装置表示部５には、パワー半導体モジュールの制御異常を示す表示以外にも、例えば冷却器６６の清掃（メンテナンス）を促す警告なども出力することができる。
【００６０】
車両情報統合システム６１は、鉄道車両６０内の空調やドアの開閉状態、照明等を監視するシステムであり、運転席に設置される。ＧＵＩ３は、この車両情報統合システム６１に含めることも可能である。また、ＧＵＩ３の情報を鉄道車両６０に設置されたアンテナ６５により、無線経路６４でネットワークであるインターネット６３を介して中央監視装置６２に送信することも可能である。
【００６１】
また、インターネット６３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、保全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１６により気象情報や乗客情報を取得することで、より好適な車両配置が可能になる。
【００６２】
図７は中央監視装置６２と一体化しているＧＵＩ３の具体的な構成例のひとつである。各車両のモータ電流と各インバータの異常の有無が明確に判別できる表示形態であり、また各インバータの各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の詳細な情報も参照可能である。本実施例の電力変換装置の診断システムを、図７のようなグラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ３）と組み合わせて構成することで、複数の車両の監視が可能となり、保全計画の最適化が可能になる。
【００６３】
以上説明したように、本実施例によれば、比較的簡単な構成で電力用半導体ならびにそれを用いた電力変換装置の異常や損傷を高精度に検出し、故障等の不具合を防ぎ、さらに長期間使用可能とすることができる。
【実施例２】
【００６４】
図８を参照して、実施例２の電力変換装置とその診断システムについて説明する。図８は本実施例における電力変換装置の診断システムの一部構成を示すブロック図である。本実施例では、制御診断部（制御装置４）に冗長性を持たせる構成について説明する。
【００６５】
図８に示すように、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の状態監視用のＧＵＩ３から構成されている。なお、図８では構成を分かり易くするため、３相交流電力のうち１相分のみを図示している。
【００６６】
図８に示す本実施例の構成について、主に実施例１との相違点を説明する。本実施例の診断システムでは、制御部１２と絶縁結合素子１０の間及び、絶縁結合素子１０と信号変化検知部１３ａ，１３ｂの間に信号分岐器８１ａ〜８１ｄを設けている。指令信号とフィードバック信号を分岐する信号分岐器８１ａ〜８１ｄからはオン・オフ状態監視部８２ａ，８２ｂに信号が分岐され、指令信号とフィードバック信号のオン・オフ状態を判定する。
【００６７】
なお、オン・オフ状態監視部８２ａ，８２ｂに時間差を計測する機能を追加し、指令信号と制御信号の時間差からパワー半導体モジュール８ｂの素子接合温度を推定する構成も考えられる。
【００６８】
本実施例の診断システムの具体的な動作について説明する。信号変化検知部１３ａ，１３ｂでの判定結果（観測結果）を一定間隔（例えば１μｓ間隔）で異常診断部１５に送信し、異常診断部１５に入力された時間計測部１４ａのデータと比較する。信号変化検知部１３ａ，１３ｂでの判定結果（観測結果）と時間計測部１４ａのデータが整合していない場合（例えばオン・オフ状態監視部８２ａ，８２ｂではオフ状態と判定しているが、時間計測部１４ａのデータからはスイッチオンの信号が出力された場合）は、時間計測部１４ａの出力を誤検知したと判定し、論理部１１に診断結果を送信しないという制御を行う。
【００６９】
このため、例えばシステム稼動中のノイズにより時間計測部１４ａが誤検知した場合には、誤検知によるデータを論理部１１に送信することを回避できるため、時間計測部１４ａがノイズで誤検知した場合であっても、誤検知による制御異常（例えば不要な緩和駆動、システム遮断等）を防止することが可能になり、システム全体の信頼性を向上することができる。
【００７０】
以上説明したように、本実施例によれば、実施例１と同様に、比較的簡単な構成で電力用半導体ならびにそれを用いた電力変換装置の異常や損傷を高精度に検出し、故障等の不具合を防ぎ、さらに長期間使用可能とすることができる。
【００７１】
また、電力変換装置１の制御装置４に、制御部１２（論理部１１）からのＰＷＭ（パルス幅変調）指令信号及びゲート駆動回路９a〜９fからのフィードバック信号を分岐する信号分岐器８１ａ〜８１ｄと、信号分岐器８１ａ〜８１ｄからの信号を入力としてスイッチング素子（パワー半導体モジュール）のオン・オフ状態を監視するオン・オフ状態監視部８２ａ，８２ｂを設けることで、ノイズ等による誤検知を防止し、電力変換装置１による安定した負荷（電動機２）の駆動制御を行うことができる。
【００７２】
なお、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、上記した実施例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。また、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・置換をすることが可能である。
【００７３】
また、本発明は以下の特徴も有している。
【００７４】
［付記１］
電動機を駆動制御する電動機制御システムであって、
スイッチング素子を有する複数の電力用半導体モジュールと、
前記スイッチング素子を駆動し、当該スイッチング素子のスイッチング動作に基づきフィードバック信号を出力するゲート駆動回路と、
前記電力変換装置の上アームのフィードバック信号の変化を検知する第１検知部と、
前記電力変換装置の下アームのフィードバック信号の変化を検知する第２検知部と、
前記第１検知部による信号変化の検知タイミングと前記第２検知部による信号変化の検知タイミングの差分を計測する時間計測部と、
前記時間計測部による計測結果に基づき前記電力変換装置の診断を行う異常診断部と、
を備えることを特徴とする電動機制御システム。
【００７５】
［付記２］
付記１に記載の電動機制御システムであって、
前記異常診断部の診断結果に基づき前記スイッチング素子の動作タイミングを算出する論理部と、
前記論理部での算出結果に基づき前記ゲート駆動回路を制御する指令信号を出力する制御部と、
を備えることを特徴とする電動機制御システム。
【００７６】
［付記３］
付記２に記載の電動機制御システムであって、
前記ゲート駆動回路からのフィードバック信号および前記制御部からの指令信号に基づき前記スイッチング素子のオン・オフ状態を判定するオン・オフ状態監視部を備えることを特徴とする電動機制御システム。
【００７７】
［付記４］
付記１に記載の電動機制御システムであって、
前記ゲート駆動回路は、前記スイッチング素子のゲート−エミッタ間電圧が所定の基準電圧を超えた場合、前記フィードバック信号を出力することを特徴とする電動機制御システム。
【００７８】
［付記５］
付記１に記載の電動機制御システムであって、
前記時間計測部による計測結果が所定の閾値未満の場合、前記異常診断部は前記電力変換装置のデッドタイム不足と判定することを特徴とする電動機制御システム。
【００７９】
［付記６］
付記１に記載の電動機制御システムであって、
前記時間計測部による計測結果が所定の範囲内である場合、前記異常診断部は前記電力変換装置のセルフターンオン発生と判定することを特徴とする電動機制御システム。
【００８０】
［付記７］
付記２に記載の電動機制御システムであって、
前記ゲート駆動回路からのフィードバック信号および前記制御部からの指令信号に基づき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を備えることを特徴とする電動機制御システム。
【００８１】
［付記８］
付記２に記載の電動機制御システムであって、
前記異常診断部は前記論理部に内蔵されていることを特徴とする電動機制御システム。
【００８２】
［付記９］
スイッチング素子を有する複数の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、
前記電力変換装置の上アームのフィードバック信号の変化と下アームのフィードバック信号の変化を検知し、
前記上アームのフィードバック信号の変化と前記下アームのフィードバック信号の変化の差分を算出し、
当該算出した差分に基づき前記電力変換装置の診断を行うことを特徴とする電力変換装置の診断方法。
【００８３】
［付記１０］
付記９に記載の電力変換装置の診断方法であって、
前記電力変換装置の診断結果に基づき前記スイッチング素子の動作タイミングを算出し、
当該算出結果に基づき前記スイッチング素子のゲート駆動回路を制御することを特徴とする電力変換装置の診断方法。
【００８４】
［付記１１］
付記１０に記載の電力変換装置の診断方法であって、
前記ゲート駆動回路からのフィードバック信号および前記ゲート駆動回路への指令信号に基づき前記スイッチング素子のオン・オフ状態を判定することを特徴とする電力変換装置の診断方法。
【００８５】
［付記１２］
付記９に記載の電力変換装置の診断システムであって、
前記スイッチング素子のゲート−エミッタ間電圧が所定の基準電圧を超えた場合、当該スイッチング素子のフィードバック信号を出力することを特徴とする電力変換装置の診断方法。
【００８６】
［付記１３］
付記９に記載の電力変換装置の診断方法であって、
前記算出した差分が所定の閾値未満の場合、当該電力変換装置のデッドタイム不足と判定することを特徴とする電力変換装置の診断方法。
【００８７】
［付記１４］
付記９に記載の電力変換装置の診断方法であって、
前記算出した差分が所定の範囲内である場合、当該電力変換装置のセルフターンオン発生と判定することを特徴とする電力変換装置の診断方法。
【００８８】
［付記１５］
付記１０に記載の電力変換装置の診断方法であって、
前記ゲート駆動回路からのフィードバック信号および前記ゲート駆動回路への指令信号に基づき前記スイッチング素子の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。
【符号の説明】
【００８９】
１…電力変換装置、２…電動機、３…ＧＵＩ、４…制御装置、５…電力変換装置表示部、６…直流電圧源、７…平滑コンデンサ、８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ，８ｅ，８ｆ…パワー半導体モジュール、９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅ，９ｆ…ゲート駆動回路、１０…絶縁結合素子、１１…論理部、１２…制御部、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆ…信号変化検知部、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ…時間計測部、１５…異常診断部、１６…環境情報取得部、１７…電流検出部、１８ａ，１８ｂ…電流センサ、２０…ゲート−エミッタ間電圧（波形）、２１…フィードバック信号、２３…スイッチオン基準電圧、２４…回路遅延時間、３０…ゲート−エミッタ間電圧（波形）、３１…フィードバック信号、３３…スイッチオフ基準電圧、３４…回路遅延時間、４１…上アームゲート−エミッタ間電圧（波形）、４２…上アームフィードバック信号、４３…下アームゲート−エミッタ間電圧（波形）、４４…下アームフィードバック信号、４５…コレクタ−エミッタ間電流（波形）、５１…上アームゲート−エミッタ間電圧（波形）、５２…上アームフィードバック信号、５３…下アームゲート−エミッタ間電圧（波形）、５４…下アームフィードバック信号、５５…上アームコレクタ−エミッタ間電流（波形）、６０…鉄道車両、６１…車両情報統合システム、６２…中央監視装置、６３…インターネット、６４…無線経路、６５…アンテナ、６６…冷却器、８１ａ，８１ｂ，８１ｃ，８１ｄ…信号分岐器、８２ａ，８２ｂ…オン・オフ状態監視部。
【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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