(57)【要約】【課題】電力変換装置のインバータを構成する電力用半導体素子の温度を簡単な構成で推定すること。【解決手段】電力用半導体素子を用いて交流電力または直流電力を可変の周波数と可変の電圧の交流電力に変換する電力変換装置の診断装置は、出力端子において計測された電圧変化率の時間変化分を特徴量として抽出する特徴量抽出部と、異なるタイミングで計測された特徴量としての出力端子の電圧変化率同士の差である時間変化分に基づいて電力用半導体素子の温度を推定する温度推定部と、温度推定部によって推定された温度を表示する温度表示部と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力用半導体素子を用いて交流電力または直流電力を可変の周波数と可変の電圧の交流電力に変換する電力変換装置の出力端子において計測された電圧変化率の時間変化分を特徴量として抽出する特徴量抽出部と、
異なるタイミングで計測された前記特徴量としての前記出力端子の電圧変化率同士の差である時間変化分に基づいて前記電力用半導体素子の温度を推定する温度推定部と、
前記温度推定部によって推定された温度を表示する温度表示部と、
を備えることを特徴とする診断装置。
【請求項２】
前記特徴量抽出部は、
前記出力端子における電圧波形を抽出する波形抽出回路と、
２つの基準電圧を基準として前記電圧波形のうちターンオン時またはターンオフ時の電圧変化率の時間変化分を決定する比較回路と、
前記電圧変化率の時間変化分を前記特徴量として計測する時間計測回路と、
前記温度推定部は、
前記特徴量としての前記電圧変化率の時間変化分と前記電力用半導体素子の温度との相関関係を示す温度相関情報及び前記特徴量に基づいて、前記電力用半導体素子の温度を推定する
ことを特徴とする請求項１に記載の診断装置。
【請求項３】
前記温度推定部は、
前記温度相関情報を記憶可能な記憶回路と、
前記特徴量としての前記電圧変化率の時間変化分に基づいて前記電力用半導体素子の温度を推定する推定処理回路と、
を有することを特徴とする請求項２に記載の診断装置。
【請求項４】
前記温度推定部は、
前記特徴量及び前記推定した温度に対してタイムスタンプを付与することで紐付して管理することを特徴とする請求項１に記載の診断装置。
【請求項５】
前記温度推定部に対して前記温度相関情報を提供する一方、前記温度推定部によって推定された温度を受け取って解析する外部解析装置に対して外部から接続されることを特徴とする請求項２に記載の診断装置。
【請求項６】
前記温度推定部は、
前記特徴量及び前記推定した温度にタイムスタンプを付与して管理情報として蓄積し、
前記外部解析装置は、
前記管理情報を基に、前記電力用半導体素子の寿命を推定することを特徴とする請求項５に記載の診断装置。
【請求項７】
前記外部解析装置は、
前記管理情報を基に、前記電力用半導体素子の寿命をリアルタイムに予測することを特徴とする請求項６に記載の診断装置。
【請求項８】
前記外部解析装置に対して、前記温度相関情報と、前記電力変換装置の運転パタンを表す運転パタン情報と、前記電力変換装置のパワーサイクル試験の試験結果を示すパワーサイクル試験情報と、を提供する一方、前記外部解析装置に入力した各情報を前記外部解析装置での解析に利用される情報として設定する解析内容設定部を有することを特徴とする請求項５に記載の診断装置。
【請求項９】
電力用半導体素子を用いて交流電力または直流電力を可変の周波数と可変の電圧の交流電力に変換する電力変換装置の出力端子において計測された電圧変化率の時間変化分を特徴量として抽出する特徴量抽出部と、異なるタイミングで計測された前記出力端子の電圧変化率同士の差である時間変化分に基づいて前記電力用半導体素子の温度を推定する温度推定部と、を含む少なくとも１台の診断装置と、
前記診断装置に対してネットワーク網を介して接続されており、前記温度推定部によって推定された温度に基づいて前記電力変換装置を監視する監視サーバと、
を備えることを特徴とする診断システム。
【請求項１０】
電力用半導体素子を用いて交流電力または直流電力を可変の周波数と可変の電圧の交流電力に変換する電力変換装置の出力端子において計測された電圧変化率の時間変化分を特徴量として抽出する特徴量抽出部と、異なるタイミングで計測された前記特徴量としての前記出力端子の電圧変化率同士の差である時間変化分に基づいて前記電力用半導体素子の温度を推定する温度推定部と、を含む少なくとも１台の診断装置と、
前記診断装置に対してネットワーク網を介して接続されており、前記診断装置に対して外部から接続可能であって前記温度推定部によって推定された温度を受け取る外部解析装置による解析結果に基づいて前記電力変換装置を監視する監視サーバと、
を備えることを特徴とする診断システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、診断装置及び診断システムに関し、特に、インバータに搭載された電力用半導体素子の温度を推定する技術に関する診断装置に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
大容量の電力変換装置のインバータを構成するＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）デバイスは、発熱や冷却による温度サイクルが問題となることがある。ＩＧＢＴデバイスの接合部温度を計測する技術としては、例えば、以下のような技術が存在している。
【０００３】
第１の従来技術としては、ＩＧＢＴデバイスの動作状態をリアルタイムに監視するシステム、特に、ＩＧＢＴデバイスの接合部温度を決定するシステムが存在している（特許文献１参照）。第１の従来技術では、ＩＧＢＴデバイスのスイッチオフ段階中のミラープラトー段階によって形成されたエッジと相関するパルスを取得するために、測定されるＩＧＢＴデバイスのゲート−エミッタ電圧の特性を受け取り、ゲート−エミッタ電圧の特性を区別する差動ユニットと、ＩＧＢＴデバイスのスイッチオフ段階中のミラープラトー段階の開始及び終了を示すものであって取得されたパルス間の時間遅延を測定するタイマユニットと、測定された時間遅延に基づいてＩＧＢＴデバイスの接合部温度を決定する接合部温度計算ユニットと、が開示されている。第１の従来技術では、ＩＧＢＴデバイスの動作状態をリアルタイムに監視している。
【０００４】
一方、第２の従来技術としては、インバータが低周波で運転された場合に、スイッチ素子の内部温度が許容値を越えないように保護することを目的として、スイッチング指令に応じて半導体素子の導通或いは非導通の制御を行なうスイッチ素子の駆動回路において、非導通のスイッチング指令が与えられた時点から半導体素子が非導通になるまで時点までの遅れ期間を検出して、この遅れ期間が所定期間を越えるとき異常信号を出力する異常検出手段が設けられた構成が開示されている（特許文献２参照）。第２の従来技術では、バイポーラデバイスの動作状態をターンオフ電流によりリアルタイムに監視するシステムが開示されている。
【０００５】
いずれの特許文献も、デバイスのスイッチ動作時の電気波形からデバイスの動作状態を推定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−１４２７０４号公報
【特許文献２】特開平７−１７０７２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した第１の従来技術では、各アームのＩＧＢＴデバイスのミラープラトー段階を検出する必要があるため、差動ユニット、タイマユニットをインバータ内部の各ＩＧＢＴ駆動回路近傍に設ける必要がある。一方、上述した第２の従来技術では、各バイポーラデバイスに異常検出手段を設ける必要がある。
【０００８】
第１及び第２の従来技術では、ＩＧＢＴデバイスやバイポーラデバイスなどの電力用半導体素子の動作状態を把握するための検出手段がデバイス近傍にデバイス毎に必要であるため、既設のインバータに後付けで取り付けることは困難である。しかも、これら第１及び第２の従来技術では、指令信号からバイポーラデバイスに伝達するまでに接続される様々な電子部品の温度依存性もあり、精度よく電力用半導体素子の温度を推定することは困難である。
【０００９】
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、後付けで取り付け可能な構成により電力用半導体素子の温度を精度良く推定可能な診断装置及び診断システムを提案しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
かかる課題を解決するため、本発明においては、電力用半導体素子を用いて交流電力または直流電力を可変の周波数と可変の電圧の交流電力に変換する電力変換装置の出力端子において計測された電圧変化率の時間変化分を特徴量として抽出する特徴量抽出部と、異なるタイミングで計測された前記特徴量としての前記出力端子の電圧変化率同士の差である時間変化分に基づいて前記電力用半導体素子の温度を推定する温度推定部と、前記温度推定部によって推定された温度を表示する温度表示部と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明においては、電力用半導体素子を用いて交流電力または直流電力を可変の周波数と可変の電圧の交流電力に変換する電力変換装置の出力端子において計測された電圧変化率の時間変化分を特徴量として抽出する特徴量抽出部と、異なるタイミングで計測された前記出力端子の電圧変化率同士の差である時間変化分に基づいて前記電力用半導体素子の温度を推定する温度推定部と、を含む少なくとも１台の診断装置と、前記診断装置に対してネットワーク網を介して接続されており、前記温度推定部によって推定された温度に基づいて前記電力変換装置を監視する監視サーバと、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、後付けで取り付け可能な構成により電力用半導体素子の温度を精度良く推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施の形態に係るインバータ診断装置等の構成例を示すブロック図である。
【図２】図１に示す構成において診断装置のより具体的な構成例を示すブロック図である。
【図３】電力用半導体素子の温度を推定する原理を示す図である。
【図４】電力用半導体素子の温度を推定するまでの手順の一例を示すフローチャートである。
【図５】電力用半導体素子の構成例を示す回路図である。
【図６】電力用半導体素子の構成例を示す断面図である。
【図７】電力用半導体素子のパワーサイクル試験結果を示す特性図である。
【図８】第２の実施の形態に係るインバータ診断装置（以下「診断装置」と省略する）及びインバータ１０１などを含む電力変換装置１０００Ｘの構成例を示すブロック図である。
【図９】第３の実施の形態に係るインバータ診断システムの構成例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面について、本発明の一実施の形態について詳述する。
【００１５】
（１）本実施の形態によるシステムの構成
図１は、第１の実施の形態に係るインバータ診断装置（以下「診断装置」と省略する）１０９及びインバータ１０１等を含む電力変換装置１０００の構成例を示すブロック図である。
【００１６】
インバータ１０１は、接地線１０６によって接地されており、三相交流電源１０２、及び、三相モータ等負荷装置１０５が接続されている。インバータ１０１は、その出力端子Ｕｏ，Ｖｏ、Ｗｏのうち一部の出力端子Ｕｏ，Ｖｏに診断装置１０９が接続されている。このインバータ１０１は、電力用半導体素子Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚを用いて、例えば、交流電力または直流電力を可変の周波数と可変の電圧の交流電力に変換する。
【００１７】
インバータ１０１は、交流直流変換部１０３、平滑コンデンサ１０４、電力用半導体素子Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚ、絶縁・駆動部１０７、制御部１０８及び出力端子Ｕｏ，Ｖｏ，Ｗｏを備える。ここで、電力用半導体素子Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚは、これらを総称して、適宜、電力用半導体素子Ｕ〜Ｚと表記する。なお、交流直流変換部１０３はインバータ１０１の一構成要素となっているが、その代わりに直流電源を用いることもできる。
【００１８】
インバータ１０１は、例えば３組のダイオードブリッジ回路である交流直流変換部１０３に入力された三相交流電源１０２などの交流電圧を後述するように、一旦直流電圧に変換する。このとき、この直流電力の不要な振動成分は、平滑コンデンサ１０４によって除去される。
【００１９】
インバータ１０１では、電力用半導体素子Ｕと電力用半導体素子Ｘとが、直列に接続されてＵ相のレグ（上下のアーム）を構成する。同様に、電力用半導体素子Ｖと電力用半導体素子Ｙとが、直列に接続されてＶ相のレグを構成し、電力用半導体素子Ｗと電力用半導体素子Ｚとが、直列に接続されてＷ相のレグを構成する。これらＵ相、Ｖ相、Ｗ相のレグとなる直列回路は、それぞれ、正極性の直流電源線Ｐと負極性の直流電源線Ｎとの間に接続される。
【００２０】
また、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のレグにおけるそれぞれの正極性の直流電源線Ｐ側に接続された電力用半導体素子Ｕ，Ｖ，Ｗと、負極性の直流電源線Ｎ側に接続された電力用半導体素子Ｘ，Ｙ，Ｚとの接続点は、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の出力端子Ｕｏ，Ｖｏ，Ｗｏとなる。
【００２１】
電力用半導体素子Ｕ〜Ｚは、後述する制御部１０８及び絶縁・駆動部１０７によって、出力端子Ｕｏ，Ｖｏ，Ｗｏから可変の周波数、可変の電圧の三相交流が出力されるように統括して制御される。なお、前述した交流直流変換部１０３に入力される三相交流のｕ相、ｖ相、ｗ相と、出力端子Ｕｏ、Ｖｏ、Ｗｏに出力される三相交流のＵ相、Ｖ相、Ｗ相とは、電圧及び周波数が異なっている。電力用半導体素子Ｕ〜Ｚは、それぞれ、逆並列に接続された寄生ダイオードまたは付与された逆並列ダイオードを備える。
【００２２】
正極性の直流電源線Ｐには、分布定数的に寄生インダクタンスが存在しており、図１では寄生インダクタンス１１５として図示している。一方、負極性の直流電源線Ｎにも、同様に寄生インダクタンスが存在しているが、図示の例では省略している。
【００２３】
絶縁・駆動部１０７は、電力用半導体素子Ｕ〜Ｚと制御部１０８との絶縁を維持しつつ電力用半導体素子Ｕ〜Ｚを駆動する。
【００２４】
制御部１０８は、絶縁・駆動部１０７を介して後述するように電力用半導体素子Ｕ〜Ｚを制御し、交流直流変換部１０３で得た直流電圧をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）変調して交流電圧を生成し、生成した交流電圧を出力端子Ｕｏ，Ｖｏ，Ｗｏから出力して負荷装置１０５の回転数及びトルクを制御する。
【００２５】
具体的には、制御部１０８は、電力用半導体素子Ｕ〜ＺのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相交流電力の出力端子Ｕｏ，Ｖｏ，Ｗｏに設けられた電流検出部１１９，１２０，１２１によって検出された情報（相電流に関する情報）を参照し、絶縁・駆動部１０７を介して電力用半導体素子Ｕ〜Ｚを制御する。すなわち、制御部１０８は、電力用半導体素子Ｕ〜Ｚのスイッチング動作を統合的に制御している。
【００２６】
電流検出部１１９，１２０，１２１は、例えば、電力用半導体素子Ｕ〜ＺのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相交流電力の出力端子Ｕｏ，Ｖｏ，Ｗｏに配置されており、それぞれ対応するＵ相、Ｖ相、Ｗ相の相電流を検出する。電流検出部１１９，１２０，１２１で検出された相電流の一部は電圧に変換され、制御部１０８に送られる。
【００２７】
診断装置１０９では、インバータ１０１の出力端子Ｕｏ，Ｖｏ，Ｗｏの端子間電圧における、電力用半導体素子Ｕ〜Ｚのターンオフ時の電圧変化率を、電圧プローブ１１４を介して特徴量抽出部１１０でパルス幅として検出し、温度推定部１１１でその検出の結果を解析することにより、インバータ１０１における電力用半導体素子Ｕ〜Ｚの温度を推定したり、それらの温度変化に伴う劣化量を診断する。
【００２８】
本実施の形態では、電力用半導体素子Ｕ，Ｘの温度を推定するために出力端子Ｖｏと出力端子Ｕｏとの間の電圧を検出するように診断装置１０９が接続されており、電力用半導体素子Ｖ，Ｙの温度を推定するために出力端子Ｗｏと出力端子Ｖｏとの間に診断装置１０９が接続されており、電力用半導体素子Ｗ，Ｚの温度を推定するために出力端子Ｗｏと出力端子Ｕｏとの間に診断装置１０９が接続されている。
【００２９】
以上のような構成において、インバータ１０１では、交流直流変換部１０３のそれぞれの入力端子に三相（ｕ相、ｖ相、ｗ相）の交流電圧がそれぞれ入力される。交流直流変換部１０３は、三相の交流で圧を各相の直流電圧に変換した後に整流し、そのうち正極性の電圧を、直流電源線Ｐを介して平滑コンデンサ１０４の一端に印加する一方、負極性の電圧を、直流電源線Ｎを介して平滑コンデンサ１０４の他端に印加する。
【００３０】
一方、診断装置１０９は、特徴量抽出部１１０、温度推定部１１１、温度表示部１１２及び電源部１１３を備える。電源部１１３は、特徴量抽出部１１０、温度推定部１１１及び温度表示部１１２に対して電力を供給する。この診断装置１０９は、電圧プローブ１１４を用いてインバータ１０１の出力端子Ｕｏ，Ｖｏ、Ｗｏの各端子間電圧を検出する。
【００３１】
特徴量抽出部１１０は、例えば電力用半導体素子Ｕ，Ｘの温度を空いて伊勢得ることを一例とすると、出力端子Ｕｏ，Ｖｏにおいて計測された電圧変化率の時間変化分を特徴量として抽出する。具体的には、特徴量抽出部１１０は、電圧プローブ１１４を介して減衰した出力端子Ｕｏ，Ｖｏの端子間電圧波形を抽出し、電力用半導体素子Ｕ，Ｘがターンオンまたはターンオフしたときの電圧変化率を検出する。
【００３２】
温度推定部１１１は、例えば、異なるタイミングで計測された出力端子Ｕｏ，Ｖｏの電圧変化率同士の差である時間変化分に基づいて電力用半導体素子Ｕ，Ｘの温度を推定する。具体的には、温度推定部１１１では、電力用半導体素子Ｕ〜Ｚのターンオンまたはターンオフ時の電圧変化率と電力用半導体素子Ｕ〜Ｚの温度相関情報が予め設定されており、特徴量抽出部１１０で検出した電圧変化率から電力半導体素子Ｕ，Ｘの温度を推定する。この温度相関情報は、電圧変化率の時間変化分と電力用半導体素子Ｕ〜Ｚの温度との相関関係を示す情報である。
【００３３】
温度表示部１１２は、温度推定部１１１によって推定された電力半導体素子Ｕ，Ｘの温度を表示する。
【００３４】
図２は、図１に示す構成において診断装置１０９の特徴量抽出部１１０及び温度推定部１１１のより具体的な構成例を示す。本実施の形態では、一例として、インバータ１０１の出力端子Ｕｏ，Ｖｏのターンオフ時の端子間電圧から電力用半導体素子Ｕ，Ｘの温度を推定する。インバータ１０１は、その出力端子Ｕｏ，Ｖｏ，Ｗｏがモータなどの負荷装置１０５と接続されている。
【００３５】
前述した図１に示す特徴量抽出部１１０は、図２に示す波形抽出回路１２２、比較回路１２３及び時間計測回路１２４に対応しており、前述した図１に示す温度推定部１１１は、図２に示す推定処理回路１２５に対応している。
【００３６】
波形抽出回路１２２は、この出力端子Ｕｏ，Ｖｏの端子間電圧を電圧プローブ１１４で抽出する。
【００３７】
比較回路１２３は、２つの比較回路で構成されており、値の異なる基準電圧Ｖ１，Ｖ２を保有し、波形抽出回路１２２で抽出した電圧波形のうち、ターンオフ時の電圧変化率の電圧変化分を決定するとともにターンオン時の電圧変化率の電圧変化分を決定する。基準電圧Ｖ１，Ｖ２は、ターンオン時とターンオフ時とで同じ値にすると時間変化分が相違するため、推定処理回路１２５は、ターンオフ時とターンオン時との区別が可能である。
【００３８】
時間計測回路１２４は、次々と入力される比較回路１２３で検出したターンオフ時の電圧変化率の時間変化分を計測するとともにターンオン時の電圧変化率の時間変化分を計測する。
【００３９】
推定処理回路１２５は、この電圧変化率の時間変化分（特徴量）にタイムスタンプを付与して予め記憶回路１２７に記憶されている温度相関情報をもとに、電力用半導体素子Ｕ，Ｘの温度を推定する。
【００４０】
推定処理回路１２５は、１つのタイムスタンプに、時間変化分の時間計測結果及び推定温度結果を紐付ける。なお、時間変化分を検出した時の相電流の値も紐付されば推定温度の精度も向上する。
【００４１】
図３（Ａ）〜図３（Ｃ）は、電力用半導体素子Ｕ〜Ｚの温度を推定する原理を示す。ここでは、電力用半導体素子Ｕ，Ｘの温度がＴ１からＴ２に変化したことが検出されたときの温度推定を実施する原理を例示する。
【００４２】
まず、図３（Ａ）は、波形抽出回路１２２（特徴量抽出部１１０）の出力の電気波形を示している。なお、縦軸は、出力端子Ｕｏ，Ｖｏ間の端子間電圧ＶＵＶを示し、横軸は時間ｔを示す。温度Ｔ１のときの抽出波形は実線で示す一方、温度がＴ２に上昇したときの抽出波形は破線で示している。
【００４３】
波形抽出回路１２２は、電圧プローブ１１４を介してインバータ１０１の出力端子Ｕｏ，Ｖｏの端子間電圧波形を抽出している。温度が高くなると、立上り時間が大きくなり電圧変化率が小さくなったことを示す。基準電圧Ｖ１，Ｖ２は、次段の比較回路１２３に設定された基準電圧を示している。
【００４４】
比較回路１２３は、２つの基準電圧Ｖ１，Ｖ２を基準として上記端子間電圧波形のうちターンオン時またはターンオフ時の電圧変化率の時間変化分を決定する。比較回路１２３は、例えばウィンドウコンパレータで構成されている場合、抽出した電圧波形が基準電圧Ｖ１から基準電圧Ｖ２に到達するまでの時間をパルス幅で出力する。
【００４５】
図３（Ｂ）は、比較回路１２３の出力の電気波形を示している。なお、温度Ｔ１のときの出力波形を実線で示す一方、温度Ｔ２のときの出力波形を破線で示す。
【００４６】
時間計測回路温度Ｔ１のパルス幅をｔ１とする一方、温度Ｔ２の時のパルス幅をｔ２とすると、ｔ１＜ｔ２となる。よって、ｔ２−ｔ１が素子温度との相関情報となる。
【００４７】
図３（Ｃ）は、推定処理回路１２５の出力波形を示している。推定処理回路１２５は、予め設定されている電力用半導体素子Ｕの電圧変化率の時間変化分と、実際の電力用半導体素子Ｕの温度との相関情報をもとに、ｔ２−ｔ１から電力用半導体素子Ｕの温度を推定する。推定処理回路１２５は、ｔ２−ｔ１と推定温度結果にタイムスタンプを付与し、この３つの情報を互いに紐付けて管理情報として蓄積する。
【００４８】
図４は、電力用半導体素子の温度を推定までの手順の一例を示す。推定処理回路１２５は、測定開始時に、より好ましくは測定開始前に、電力用半導体素子Ｕの温度と電圧変化率との相関情報、時間計測回路１２４の設定情報、及び、比較回路１２３の基準電圧Ｖ１，Ｖ２を設定する（ステップＳ１）。
【００４９】
波形抽出回路１２２は、出力端子Ｕｏ，Ｖｏの端子間電圧波形を抽出する（ステップＳ２）。比較回路１２３は、その出力波形の基準電圧Ｖ１から基準電圧Ｖ２に到達するまでの時間（時間計測結果）をパルス幅とするパルスを出力する（ステップＳ３）。
【００５０】
時間計測回路１２４は、このパルスのパルス幅を計測する（ステップＳ４）。推定処理回路１２５は、このパルス幅から導き出される電圧変化率から、前述した温度相関情報を参照して温度（推定温度結果）を推定し（ステップＳ５）、時間計測結果と推定温度結果をタイムスタンプで紐付けして管理情報として蓄積する（ステップＳ６）。これにより、タイムスタンプを基準にインバータ１０１の電力用半導体素子Ｕ〜Ｚの温度変化の履歴を管理することができる。
【００５１】
本実施の形態では、インバータ１０１の電力用半導体素子Ｕ〜Ｚの温度、温度上昇（温度変化）をリアルタイムに推定していたが、さらに、インバータ１０１の電力用半導体素子Ｕ〜Ｚの温度、温度上昇（温度変化）を推定し、その推定結果に伴う装置の劣化によるインバータ１０１の寿命予測を実施するようにしても良い。この温度推定や寿命予測においては、電力用半導体素子Ｕ〜Ｚの状態把握を課題としているので、次に電力用半導体素子Ｕ〜Ｚについて詳しく説明する。
【００５２】
図５は、電力用半導体素子Ｕ〜Ｚのいずれかを含む回路（以下「電力用半導体回路７００」と総称する）の構成例を示す回路図である。
【００５３】
電力用半導体回路７００は、ＩＧＢＴ７０１と、ＩＧＢＴ７０１のエミッタ端子とコレクタ端子との間に逆方向に並列接続されたダイオード７０２と、を備えている。
【００５４】
なお、ＩＧＢＴ７０１は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）に置き換えてもよい。さらにダイオード７０２に代えてＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードを適用できる場合には、ダイオード７０２は省略してもよい。
【００５５】
図６は、図５に示すＩＧＢＴ７０１の断面を示す断面図である。前述したようにＩＧＢＴ７０１は、各電力用半導体素子Ｕ〜Ｚに相当する。
【００５６】
ＩＧＢＴ７０１は、半導体素子部８０９、はんだ層８１０、絶縁基板８０７、はんだ層８０８及びベース板８０３を備える。なお、はんだ層８０８，８１０には亀裂（クラック）Ｃが発生することがある。
【００５７】
絶縁基板８０７は、メタル層８０６、絶縁層８０５及びメタル層８０４を有する。ベース板８０３は、冷却器８０１に衝合され、衝合面にはグリス８０２が塗布されている。グリス８０２は、熱伝導を向上させるものである。
【００５８】
以上のように、図５はＩＧＢＴ７０１として各電力用半導体素子Ｕ〜Ｚを示し、その構成要素として半導体素子部８０９が存在している。
【００５９】
一方、図６においては、１個の電力用半導体素子に対して半導体素子部８０９が１個のみが対応している。しかしながら、１個の電力用半導体素子を構成するにあたって、複数個の半導体素子部８０９が用いられることがある。例えば、出力電力がメガワット級の大電力用途に適用される半導体モジュールでは、多数の半導体素子部８０９が並列に実装されて、一つの電力用半導体素子として用いられることが一般的である。
【００６０】
前述した電力変換装置１０００が稼働した際には、図６に示す半導体素子部８０９で発生した熱は、はんだ層８１０を介して絶縁基板８０７、ベース板８０３、グリス８０２及び冷却器８０１に伝わる。
【００６１】
この電力変換装置１０００が稼働した際には、グリス８０２の枯渇、冷却器８０１の故障、制御部の異常動作や故障等により、電力用半導体素子Ｕ〜Ｚ、及び電力用半導体素子Ｕ〜Ｚの半導体素子部８０９の温度が異常に高くなることがある。
【００６２】
半導体素子部８０９の温度が異常に高くなると、温度サイクルによる熱疲労により、はんだ層８０８，８１０に亀裂Ｃや剥離などの事態が発生する。このような事態が起こると、はんだ層８０８，８１０における熱抵抗が高くなり、亀裂Ｃや剥離等が成長することにより、蓄積劣化が生じる。この結果、最終的には半導体素子部８０９のチャネル抵抗が焼損し、電力用半導体素子が故障する。
【００６３】
従って、電力用半導体素子及び半導体素子部８０９の温度を監視することにより、故障前に異常を検出することが望ましい。さらに、高い精度で温度を検出するには、半導体素子部８０９の表面の温度を計測することが望ましい。
【００６４】
次に、電力用半導体素子について温度を上昇させたり元の温度に戻すパワーサイクル試験を実施した場合における試験結果の一例について説明する。
【００６５】
図７は、電力用半導体素子Ｕ〜Ｚのパワーサイクル試験の試験結果を示す特性図である。横軸は素子温度変化量ΔＴを示し、縦軸はサイクル数（パワーサイクル数）Ｎ１を示す。なお、横軸及び縦軸はともにログスケールを用いて表されている。
【００６６】
ある電力用半導体素子に対して、「ある温度上昇ΔＴを与えて元の温度に戻す」という操作を「１サイクル」とし、これをＮ１サイクル実行したときに当該電力用半導体素子が故障したとする。
【００６７】
なお、温度上昇が起こる前の素子温度（電力用半導体素子の温度）をＴ０１とし、温度上昇が起こった後の素子温度をＴ０２とすると、温度上昇（変化量）ΔＴは、Ｔ０２−Ｔ０１に等しい。種々の温度上昇ΔＴに対して、サイクル数Ｎ１を実測することを「パワーサイクル試験」と呼び、図７に示す特性Ｆは、そのパワーサイクル試験の結果の一例を表している。
【００６８】
ここで、ある温度上昇ΔＴが１回生じた場合における電力用半導体素子のストレスＳを、Ｓ＝１／Ｎ１とする。素子温度Ｔ０２を保持する時間をｔｈ秒とすると、電力用半導体素子の寿命ＬＦは、ＬＦ＝ｔｈ／Ｓ秒後であると推測することができる。これにより、電力用半導体素子の新品時の予測残存寿命から、既に消費した寿命を減算すると、残存寿命を推測することができることになる。
【００６９】
記憶回路１２７は、図７に示した特性Ｆを記憶している。推定処理回路１２５は、特性Ｆに基づいて、ストレスＳ及び電力用半導体素子の寿命ＬＦを推測し、この推測の結果に基づいて、電力用半導体素子の残存寿命を予測する。
【００７０】
この時のサイクル回数、温度変化の範囲は、インバータ１０１の運行パタンに基づいており、運行パタンに関する情報（以下「運行パタン情報」と呼称する）は、記憶回路１２７に保持されている。
【００７１】
第１の実施の形態によれば、簡易かつ後付け可能な構成な診断装置１０９を用いて簡単に、電力変換装置１０００におけるインバータ１０１の電力用半導体素子Ｕ〜Ｚの素子温度を精度良く推定することができる。
【００７２】
（２）第２実施形態
図８は、第２の実施の形態に係るインバータ診断装置（以下「診断装置」と省略する）及びインバータ１０１などを含む電力変換装置１０００Ｘの構成例を示す。第２の実施の形態では、第１の実施の形態と同様な構成及び動作については説明を省略し、以下両者の異なる点を中心として説明する。
【００７３】
第２の実施の形態では、診断装置１０９（の温度推定部１１１）に対して外部から、外部解析装置１２６が接続される。この外部解析装置１２６は、例えば温度推定部１１１に対して温度相関情報を提供したり温度推定部１１１によって推定された温度（温度推定結果）を受け取って解析する。
【００７４】
診断装置１０９は、外部解析装置１２６に対して、温度相関情報と、インバータ１０１の運転パタンを表す運転パタン情報と、インバータ１０１のパワーサイクル試験の試験結果を示すパワーサイクル試験情報と、を提供する一方、外部解析装置１２６に入力した各情報を外部解析装置１２６での解析に利用される情報として設定する解析内容設定部（図示せず）を有する。
【００７５】
外部解析装置１２６は、温度推定部１１１による処理アルゴリズムの設定、温度推定部１１１を介した特徴量抽出部１１０の設定、温度表示部１１２の設定、並びに、温度推定部１１１によって得られたタイムスタンプ、時間計測結果及び温度推定結果をもとに、インバータ１０１を構成する電力用半導体素子Ｕ〜Ｚの寿命を推定する。
【００７６】
なお、電力用半導体素子Ｕ〜Ｚの温度の変化を、電力用半導体素子Ｕ〜Ｚのスイッチング時の波形の電圧変化率の変化から算出するため、熱時定数を小さくし、高速な温度変化に対しても検出可能となっている。
【００７７】
第２の実施の形態では、外部解析装置１２６が、図７に示した特性Ｆを記憶している。推定処理回路１２５は、外部解析装置１２６から取得した特性Ｆに基づいて、ストレスＳ及び電力用半導体素子の寿命ＬＦを推測し、この推測の結果に基づいて、電力用半導体素子の残存寿命を予測する。
【００７８】
この時のサイクル回数、温度変化の範囲は、インバータ１０１の運行パタンに基づいている。外部解析装置１２６は、前述した運行パタン情報を有する。
【００７９】
第２の実施の形態によれば、後付け可能な構成の診断装置１０９を用いて簡単に、電力用半導体素子Ｕ〜Ｚの温度や寿命を精度良く推定することができる。
【００８０】
（３）第３実施形態
第３の実施の形態では、前述した各実施の形態と同様な構成及び動作については説明を省略し、以下両者の異なる点を中心として説明する。
【００８１】
図９は、第３の実施の形態に係るインバータ診断システム１１００の構成例を示す。図示の例では、前述した各実施の形態に係る電力変換装置１０００に相当する電力変換装置１０００Ａ，１０００Ｂ，１０００Ｃ，１０００Ｄ及び１台の監視サーバ１００２がそれぞれ通信部１２１を介して通信ネットワーク網１００１に接続されている。
【００８２】
監視サーバ１００２は、各電力変換装置１０００Ａ，１０００Ｂ，１０００Ｃ，１０００Ｄが搭載するインバータをそれぞれ監視している。ここでいうインバーターは、前述した各実施の形態におけるインバータ１０１などに相当する。
【００８３】
第３の実施の形態に係るインバータ診断システム１１００は、図１等において前述した特徴量抽出部１１０及び温度推定部１１１（並びに好ましくは温度表示部１１２）を含む少なくとも１台の診断装置１０９と、診断装置１０９に対してネットワーク網を介して接続されており温度推定部１１１によって推定された温度に基づいて少なくとも１台の電力変換装置（各電力変換装置１０００Ａ，１０００Ｂ，１０００Ｃ，１０００Ｄに相当）を監視する監視サーバ１００２と、を備える。
【００８４】
以上の構成によって、１台の監視サーバ１００２を用いて複数のインバータ１０１を監視し、各インバータ１０１に属する半導体デバイスＵ〜Ｚの素子温度を推定したり、さらには寿命を推定する。
【００８５】
以上のような構成によれば、１台の監視サーバ１００２を用いて複数のインバータ１０１を遠隔的に監視し、各インバータ１０１に属する半導体デバイスＵ〜Ｚの素子温度を精度良く推定したり、さらには寿命を推定することができる。
【００８６】
さらに監視サーバ１００２は、前述したように、外部から診断装置１０９に対して接続可能であって温度推定部１１１によって推定された温度を受け取る外部解析装置１２６による解析結果に基づいて各インバータ１０１を監視するようにしても良い。
【００８７】
（４）その他の実施形態
上記実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その趣旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。例えば、電力変換装置として、複数の電力用半導体素子を含んで構成されて、交流電力を可変の周波数と可変の電圧の交流電力に変換する電力変換装置を用いることができる。また、電力用半導体素子Ｕ〜Ｚのターンオン時の電圧変化率を基に電力用半導体素子Ｕ〜Ｚの温度、温度変化、寿命等を推定することもできる。また、診断装置１０９を、例えば、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）、メモリ、入出力インタフェース等の情報処理資源を備えたコンピュータ装置で構成することができる。
【００８８】
また、上記の各構成、機能等は、それらの一部又は全部を、例えば、集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、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、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid  State  Drive）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に記録して置くことができる。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明は、インバータに搭載された電力用半導体素子の温度を推定する診断装置及び診断システムに広く適用することができる。
【符号の説明】
【００９０】
１０１……インバータ、１０２……三相交流電源、１０３……交流直流変換部、１０４……平滑コンデンサ、１０５……負荷装置、１０６……接地線、１０７……絶縁・駆動部、１０８……制御部、１０９，１０９Ａ……診断装置、１１０……特徴量抽出部、１１１……温度推定部、１１２……温度表示部、１１３……電源部、１１４……電圧プローブ、１１５……寄生インダクタンス、１１９，１２０，１２１……電流検出部、１２２……波形抽出回路、１２３……比較回路、１２４……時間計測回路、１２５……推定処理回路、１２６……外部解析装置、７０１……ＩＧＢＴ、７０２……ダイオード、８００……電力用半導体回路、８０１……冷却器、８０２……グリス、８０３……ベース板、８０４，８０６……メタル層、８０５……絶縁層、８０７……絶縁基板、８０８，８１０……はんだ層、８０９……半導体素子部、１０００……電力変換装置、１００２……監視サーバ、１１００……インバータ診断システム、１００１……通信ネットワーク網、１００２……サーバ、１０００Ａ，１０００Ｂ，１０００Ｃ，１０００Ｄ……電力変換装置。
【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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