(57)【要約】【課題】半導体スイッチング素子のＩＧＢＴチップおよびＦＷＤチップのはんだ部に温度リップルによる熱応力に起因するサーマルサイクル寿命とＩＧＢＴチップのボンディング部の温度リップルによる熱応力に起因するパワーサイクル寿命を予測できる信頼性の高い半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置を提供する。【解決手段】寿命監視回路２０は、ＩＧＢＴチップ２９およびＦＷＤチップ３０のパワーサイクル寿命およびサーマルサイクル寿命について、それぞれ出力電流と寿命回数との関係を予め格納した記憶回路１６を備え、電流検出回路３１から検出した出力電流最大値の繰り返しの回数を計数し、計数値が記憶回路１６に格納された寿命回数に基づき求めたトリップ用基準値を越えたことにより半導体スイッチング素子６が寿命に達したと判断する。【選択図】図１
2008206217.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流入力電源（１）を整流して直流に変換する整流回路（３）と、
前記整流された直流を平滑する平滑回路（４）と、
少なくとも一つの半導体スイッチング素子（６）を具備し前記平滑された直流を任意の周波数に変換するインバータ回路（５）と、
前記インバータ回路（５）の出力電流を検出する電流検出回路（３１）と、
前記半導体スイッチング素子（６）の寿命を監視する寿命監視回路（２０）と、
を備えた半導体電力変換装置（２）において、
前記寿命監視回路（２０）は、
前記半導体スイッチング素子（６）の出力電流とパワーサイクル寿命回数との関係である第１の寿命特性および前記半導体スイッチング素子（６）の出力電流とサーマルサイクル寿命回数との関係である第２の寿命特性を予め格納した記憶回路（１６）と、
前記第１、第２の寿命特性に基づいて前記半導体スイッチング素子（６）の基準出力電流時におけるパワーサイクル寿命回数およびサーマルサイクル寿命回数をトリップ用基準値としてそれぞれ出力し、前記電流検出回路（３１）で検出した出力電流最大値と前記第１、第２の寿命特性に基づいて前記出力電流最大値の繰り返しの回数を前記基準出力電流時における繰り返しの回数にそれぞれ換算して出力する半導体スイッチ履歴演算回路（３２）と、
前記換算された繰り返しの回数をそれぞれ計数する第１のカウンタ（１４）と、を備え、
前記寿命監視回路（２０）は、前記第１のカウンタ（１４）による計数値が前記いずれかのトリップ用基準値に達したことをもって前記半導体スイッチング素子（６）が寿命に達したと判断することを特徴とする半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置。
【請求項２】
前記寿命監視回路（２０）は、
前記半導体スイッチング素子（６）が寿命に達したと判断した際に前記半導体電力変換装置（２）の運転を停止させるトリップ信号（１４ａ）を出力することを特徴とする請求項１に記載の半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置。
【請求項３】
前記半導体スイッチ履歴演算回路（３２）は、
前記半導体電力変換装置（２）に運転指令（９ａ）が入力されている累積時間を計測して累積稼働時間として前記記憶回路（１６）に記憶し、前記累積稼働時間、前記第１のカウンタ（１４）の計数値、前記トリップ用基準値に基づいて前記半導体スイッチング素子（６）の前記パワーサイクル寿命および前記サーマルサイクル寿命に達するまでの時間をそれぞれ予測して保守時間として出力することを特徴とする請求項１に記載の半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置。
【請求項４】
前記半導体スイッチ履歴演算回路（３２）は、前記記憶回路（１６）に記憶している前記第１、第２の寿命特性に基づいて前記半導体スイッチング素子（６）の基準出力電流時におけるパワーサイクル寿命回数およびサーマルサイクル寿命回数の警報値を警報用基準値としてそれぞれ出力し、
前記寿命監視回路（２０）は、前記換算された繰り返しの回数を計数しこの計数値が前記いずれかの警報用基準値を越えると警報信号（１３ａ）を出力する第２のカウンタ（１３）を備えたことを特徴とする請求項１に記載の半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置。
【請求項５】
前記半導体スイッチング素子（６）は、ＩＧＢＴチップ（２９）とフライホイールダイオードチップ（３０）を有し、前記第１の寿命特性および前記第２の寿命特性は、いずれも前記ＩＧＢＴチップ（２９）と前記フライホイールダイオードチップ（３０）の特性をそれぞれ含むことを特徴とする請求項１または４に記載の半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置。
【請求項６】
前記半導体スイッチ履歴演算回路（３２）は、
前記半導体電力変換装置（２）に運転指令（９ａ）が入力されている累積時間を計測して累積稼働時間として前記記憶回路（１６）に記憶し、前記累積稼働時間、前記第２のカウンタ（１３）の計数値、前記警報用基準値に基づいて前記半導体スイッチング素子（６）が前記パワーサイクル寿命および前記サーマルサイクル寿命の警報値に達するまでの時間をそれぞれ予測して保守時間として出力することを特徴とする請求項４に記載の半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置。
【請求項７】
前記寿命監視回路（２０）は、
前記保守時間を表示する表示部を備えたことを特徴とする請求項３または６に記載の半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機の速度制御等に用いられる半導体スイッチング素子を用いた半導体電力変換装置に関し、より詳しくは半導体スイッチング素子の通電による疲労または劣化による破壊を防止し保守の時期を把握するための半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置は、半導体スイッチング素子のベース板温度のリップル温度を単位計測期間毎に測定し、各リップル温度に対する発生回数を単位計測期間毎にカウントし、リップル温度に対する温度範囲別の寿命回数と実際の発生回数に従って寿命を推定している（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、半導体スイッチング素子のパワーサイクル特性からジャンクション温度差として入力した設定値に対応するパワーサイクルを求めることにより寿命を推定し、半導体スイッチング素子の寿命と推定したパワーサイクルに１未満の係数を乗じて基準値とすることにより、同半導体スイッチング素子を用いた装置の運転回数が基準値を越えた時に、保護指示信号を出力しているものもある（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
図３は、特許文献１により開示された第1従来技術を示す半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置の構成図である。
【０００５】
図３において、１は交流入力電源、３は整流回路、４は平滑回路、５はインバータ回路、７はモータ、１１はドライブ回路、１２はインバータ制御回路、２１は温度検出回路、２２はＡ／Ｄ変換器、２３は時間計測部、２４はリップル温度検出部、２５はカウンタ、２６は累積被害率演算部、２７は寿命算出部、２８は制御装置である。
【０００６】
以下、図３を用いて、第1従来技術による半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置の構成および動作を説明する。
【０００７】
半導体電力変換装置本体は、整流回路３による直流電力への変換と、この直流電力から主回路素子をＩＧＢＴとするインバータ回路５により電圧および周波数を制御した交流電力への変換で、負荷となるモータ７を駆動する。制御装置２８をマイクロプロセッサによるソフトウェア構成とする場合を示し、その情報処理機能を利用して半導体スイッチング素子の寿命監視回路２０を設ける。この寿命監視回路２０は、ハードウェアとしてはインバータ回路５のＩＧＢＴモジュールのケースである銅ベース板にサーミスタを取り付けてその温度を計測する温度検出回路２１と、この温度検出回路２１で検出した温度信号をディジタル値の温度データに変換するＡ／Ｄ変換器２２を設ける。寿命監視回路２０のソフトウェア構成としては、処理要素として時間計測部２３、リップル温度検出部２４、カウンタ２５、累積被害率演算部２６、および寿命算出部２７を設ける。時間計測部２３は、半導体電力変換装置の運転／停止指令から運転時間と停止期間の時間情報をもつ運転パターンＰＴを取り出す。リップル温度検出部２４は、時間計測部２３からの運転パターンＰＴとＡ／Ｄ変換器２２からの温度データから、単位計測期間内の最大温度と最小温度データを抽出し、リップル温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、・・・として算出する。次に、カウンタ２５は、単位計測期間毎にその期間のリップル温度の発生回数をカウントする。累積被害率演算部２６は、リップル温度範囲別の発生回数ｎ１、ｎ２、ｎ３、・・・と既知の寿命回数データＮ１、Ｎ２、Ｎ３、・・・とからＩＧＢＴの寿命を推定する。
【０００８】
図４は、特許文献２により開示された第２従来技術を示す半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置の構成図である。
【０００９】
図４において、１は交流入力電源、２は半導体電力変換装置、３は整流回路、４は平滑回路、５はインバータ回路、６は半導体スイッチング素子、７はモータ、８は回転速度指令値、９は運転指令器としてのスイッチ、９ａは運転指令、１０は制御回路、１１はドライブ回路、１２はインバータ制御回路、１２ａ、１２ｂはリセット信号、１３、１４はカウンタ、１３ａは警報信号、１４ａはトリップ信号、１５は基準値演算回路、１６はメモリ、１７、１８は係数設定用入力回路、１９はジャンクション温度差設定用入力回路、２０は寿命監視回路、２９はＩＧＢＴチップ、３０はＦＷＤ（フライホイールダイオード）チップである。
【００１０】
以下、図４を用いて、第２従来技術による半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置の構成および動作を説明する。
【００１１】
半導体電力変換装置２は、第1従来技術と同じく、整流回路３と平滑回路４とインバータ回路５から構成され、インバータ回路５にはパワートランジスタやＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子６が適当数含まれている。半導体電力変換装置２に対する制御回路１０は、ドライブ回路１１とインバータ制御回路１２から構成される。インバータ制御回路１２には回転速度指令値８と、運転指令器としてのスイッチ９を通して運転指令９ａが入力されるほか、寿命監視回路２０から警報信号１３ａ及びトリップ信号１４ａが入力される。寿命監視回路２０は、カウンタ１３及びカウンタ１４と、基準値演算回路１５と、メモリ１６から構成される。各カウンタ１３、１４には運転指令器９のオン毎に運転指令９ａが入力される。基準値演算回路１５には係数Ｋ1、Ｋ2  およびジャンクション温度差の設定値が入力され、インバータ制御回路１２からリセット信号１２ａ、１２ｂが入力される。基準値演算回路１５からは基準値Ｋ1 ＣP、Ｋ2 ＣP が出力される。
【００１２】
以上の構成において、メモリ１６に記憶した半導体スイッチング素子のパワーサイクル特性からジャンクション温度差として入力した設定値に対応するパワーサイクルを求めることにより寿命を推定し、半導体スイッチング素子の寿命と推定したパワーサイクルＣPに１未満の係数Ｋ1、Ｋ2  を乗じて基準値Ｋ1 ＣP、Ｋ2 ＣPとする。同半導体スイッチング素子を用いた半導体電力変換装置の運転回数が、基準値Ｋ1 ＣP、Ｋ2 ＣPを越えた時に保護指示信号を出力する。
【００１３】
このように、第1従来技術による半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置は、主回路素子のベース板温度のリップル温度を単位計測期間毎に測定し、各リップル温度に対する発生回数を単位計測期間毎にカウントし、リップル温度に対する温度範囲別の寿命回数と実際の発生回数に従って寿命を推定している。
【００１４】
また、第２従来技術による半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置は、半導体スイッチング素子のパワーサイクル特性からジャンクション温度差として入力した設定値に対応するパワーサイクルを求めることにより寿命を推定し、半導体スイッチング素子の寿命と推定したパワーサイクルに１未満の係数を乗じて基準値とし、同半導体スイッチング素子を用いた装置の運転回数が基準値を越えた時に、保護指示信号を出力している。
【特許文献１】特開２００２−１０１６６８号公報（第1図）
【特許文献２】特開平０８−５１７６８号公報（第1図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、第1従来技術による半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置は、主回路素子のベース板温度のリップル温度を測定しているため、ＩＧＢＴチップのはんだ部の緩やかな温度リップルによる熱応力に起因する寿命は予測できるが、ＩＧＢＴチップのボンディング部の瞬間的な温度リップルによる熱応力が発生する寿命は予測できないという問題があった。さらに、ＦＷＤチップのはんだ部およびボンディング部の寿命も予測できないとういような問題もあった。
【００１６】
また、第２従来技術による半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置は、半導体スイッチング素子に流れる電流を測定していないために正確な寿命監視ができないという問題があった。
【００１７】
ここで半導体スイッチング素子の寿命について述べる。半導体電力変換装置の運転時には電流が流れて半導体スイッチング素子が発熱し、並列に接続されているＩＧＢＴチップおよびＦＷＤチップのジャンクション温度が上昇する。一方、半導体電力変換装置の停止時には発熱が止ってジャンクション温度が低下する。そのため、運転と停止の繰り返しにより半導体スイッチング素子のＩＧＢＴチップおよびＦＷＤチップ部分が熱膨脹と熱収縮を繰り返す。半導体スイッチング素子は一般に熱膨脹係数の異なる種々の材料を使って組み立てられているため、特にチップ直下のはんだ部とボンディングワイヤ部が熱劣化する。前者をサーマルサイクル寿命、後者をパワーサイクル寿命と呼ばれている。前者は洗濯機などの運転と停止の繰り返しで生じる比較的緩やかで大きな温度変化によりチップ直下のはんだ部に亀裂が入り熱破壊に至る。後者はエレベータ、クレーン、工作機械などの運転と停止の繰り返し頻度が高い用途では温度変化による熱膨張応力でボンディングワイヤが剥離して不良あるいは破壊に至る。尚、半導体スイッチング素子のＩＧＢＴチップとＦＷＤチップは、各々にサーマルサイクル寿命とパワーサイクル寿命がある。
【００１８】
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、ＩＧＢＴチップおよびＦＷＤチップのはんだ部に温度リップルにより発生する熱応力に起因するサーマルサイクル寿命とＩＧＢＴチップのボンディング部に温度リップルにより発生する熱応力に起因するパワーサイクル寿命を予測できる信頼性の高い半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換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】
【００１９】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
【００２０】
請求項１に記載の発明は、交流入力電源を整流して直流に変換する整流回路と、前記整流された直流を平滑する平滑回路と、少なくとも一つの半導体スイッチング素子を具備し前記平滑された直流を任意の周波数に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路の出力電流を検出する電流検出回路と、前記半導体スイッチング素子の寿命を監視する寿命監視回路と、を備えた半導体電力変換装置において、前記寿命監視回路は、前記半導体スイッチング素子の出力電流とパワーサイクル寿命回数との関係である第１の寿命特性および前記半導体スイッチング素子の出力電流とサーマルサイクル寿命回数との関係である第２の寿命特性を予め格納した記憶回路と、前記第１、第２の寿命特性に基づいて前記半導体スイッチング素子の基準出力電流時におけるパワーサイクル寿命回数およびサーマルサイクル寿命回数をトリップ用基準値としてそれぞれ出力し、前記電流検出回路で検出した出力電流最大値と前記第１、第２の寿命特性に基づいて前記出力電流最大値の繰り返しの回数を前記基準出力電流時における繰り返しの回数にそれぞれ換算して出力する半導体スイッチ履歴演算回路と、前記換算された繰り返しの回数をそれぞれ計数する第１のカウンタと、を備え、前記寿命監視回路は、前記第１のカウンタによる計数値が前記いずれかのトリップ用基準値に達したことをもって前記半導体スイッチング素子が寿命に達したと判断することを特徴としている。
【００２１】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置において、前記寿命監視回路は、前記半導体スイッチング素子が寿命に達したと判断した際に前記半導体電力変換装置の運転を停止させるトリップ信号を出力することを特徴としている。
【００２２】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置において、前記半導体スイッチ履歴演算回路は、前記半導体電力変換装置に運転指令が入力されている累積時間を計測して累積稼働時間として前記記憶回路に記憶し、前記累積稼働時間、前記第１のカウンタの計数値、前記トリップ用基準値に基づいて前記半導体スイッチング素子の前記パワーサイクル寿命および前記サーマルサイクル寿命に達するまでの時間をそれぞれ予測して保守時間として出力することを特徴としている。
【００２３】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置において、前記半導体スイッチ履歴演算回路は、前記記憶回路に記憶している前記第１、第２の寿命特性に基づいて前記半導体スイッチング素子の基準出力電流時におけるパワーサイクル寿命回数およびサーマルサイクル寿命回数の警報値を警報用基準値としてそれぞれ出力し、前記寿命監視回路は、前記換算された繰り返しの回数を計数しこの計数値が前記いずれかの警報用基準値を越えると警報信号を出力する第２のカウンタを備えたことを特徴としている。
【００２４】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１または４に記載の半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置において、前記半導体スイッチング素子は、ＩＧＢＴチップとフライホイールダイオードチップを有し、前記第１の寿命特性および前記第２の寿命特性は、いずれも前記ＩＧＢＴチップと前記フライホイールダイオードチップの特性をそれぞれ含むことを特徴としている。
【００２５】
また、請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置において、前記半導体スイッチ履歴演算回路は、前記半導体電力変換装置に運転指令が入力されている累積時間を計測して累積稼働時間として前記記憶回路に記憶し、前記累積稼働時間、前記第２のカウンタの計数値、前記警報用基準値に基づいて前記半導体スイッチング素子が前記パワーサイクル寿命および前記サーマルサイクル寿命の警報値に達するまでの時間をそれぞれ予測して保守時間として出力することを特徴としている。
【００２６】
また、請求項７に記載の発明は、請求項３または６に記載の半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置において、前記寿命監視回路は、前記保守時間を表示する表示部を備えたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００２７】
請求項１に記載の発明によると、半導体スイッチング素子のチップ直下のはんだ部の緩やかな温度リップルによる熱応力に起因するサーマルサイクル寿命とチップのボンディング部の瞬間的な温度リップルによる熱応力に起因するパワーサイクル寿命とを予測することができ、信頼性の高い半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置を得ることができる。
【００２８】
また、請求項２に記載の発明によると、トリップ信号を利用することにより半導体スイッチング素子の破壊前に同素子を用いている半導体電力変換装置の運転を停止して新品と交換することができ、信頼性の高い半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置を得ることができる。
【００２９】
また、請求項３に記載の発明によると、サーマルサイクル寿命およびパワーサイクル寿命によるトリップまでの時間が判るので、寿命に達するまでの時間を利用することにより、事前に同素子を新品に交換すべき保守の時期の計画を立案することが出来、信頼性の高い半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置を得ることができる。
【００３０】
また、請求項４に記載の発明によると、警報信号を利用することにより、半導体スイッチング素子の破壊前に同素子を新品に交換すべき保守の時期と判断したり、同素子を用いている装置の運転を停止して同素子の破壊を防止したりすることが可能となり、より信頼性の高い半導体電力変換装置を得ることができる。
【００３１】
また、請求項５に記載の発明によると、各々ＩＧＢＴチップ、ＦＷＤチップごとに半導体スイッチング素子のチップ直下のはんだ部の緩やかな温度リップルによる熱応力に起因するサーマルサイクル寿命とチップのボンディング部の瞬間的な温度リップルによる熱応力に起因するパワーサイクル寿命とを予測することができ、信頼性の高い半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置を得ることができる。
【００３２】
また、請求項６に記載の発明によると、サーマルサイクル寿命およびパワーサイクル寿命の警報に達するまでの時間が判るので、警報に達するまでの時間を利用することにより、事前に同素子を新品に交換すべき保守の時期の計画を立案することが出来、より信頼性の高い半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置を得ることができる。
【００３３】
また、請求項７に記載の発明によると、表示部によりサーマルサイクル寿命およびパワーサイクル寿命に達するまでの時間が簡単に判るので、寿命に達するまでの時間を利用することにより、事前に同素子を新品に交換すべき保守の時期の計画を立案することが出来、信頼性の高い半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【００３５】
図１は、本発明を示す半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置の構成図である。
【００３６】
図１において、１は交流入力電源、２は半導体電力変換装置、３は交流入力電源を整流して直流に変換する整流回路、４は整流された直流を平滑する平滑回路、５は半導体スイッチング素子の少なくとも一つを配置し、直流を任意の周波数に変換するインバータ回路、６はＩＧＢＴチップとＦＷＤチップからなる半導体スイッチング素子、７はモータ、８は回転速度指令値、９は運転指令器としてのスイッチ、９ａは運転指令、１０は制御回路、１１はドライブ回路、１２はインバータ制御回路、１２ａ、１２ｂはリセット信号、１３、１４はカウンタ、１３ａは警報信号、１４ａはトリップ信号、１６は記憶回路であるメモリ、１７、１８は係数設定用入力回路、２０は寿命監視回路、２９はＩＧＢＴチップ、３０はＦＷＤチップ、３１は出力電流を検出する電流検出回路、３２は半導体スイッチ履歴演算回路、３３は保守時間である。また、Ｋ1、Ｋ2は係数であり、ＰＣはパワーサイクル、ＴＣはサーマルサイクルの略称である。
【００３７】
本発明が従来技術と異なる点は、本発明の半導体電力変換装置２における寿命監視回路２０は、半導体スイッチング素子６の出力電流とパワーサイクル寿命回数との関係である第１の寿命特性および半導体スイッチング素子６の出力電流とサーマルサイクル寿命回数との関係である第２の寿命特性を予め格納した記憶回路１６と、第１、第２の寿命特性に基づいて半導体スイッチング素子６の基準出力電流時におけるパワーサイクル寿命回数およびサーマルサイクル寿命回数をトリップ用基準値としてそれぞれ出力し、電流検出回路３１で検出した出力電流最大値と第１、第２の寿命特性に基づいて出力電流最大値の繰り返しの回数を基準出力電流時における繰り返しの回数にそれぞれ換算して出力する半導体スイッチ履歴演算回路３２と、換算された繰り返しの回数をそれぞれ計数する第１のカウンタ１４と、を備え、寿命監視回路２０は、第１のカウンタ１４による計数値がいずれかのトリップ用基準値に達したことをもって半導体スイッチング素子６が寿命に達したと判断するようにしている点である。
【００３８】
以下、図１を用いて、本実施例の半導体スイッチング素子の寿命監視回路２０を有する半導体電力変換装置の全体構成およびその動作を説明する。
【００３９】
交流入力電源１から、例えば商用三相交流を入力して整流回路３と平滑回路４とにより直流電力に変換し、直流電力をインバータ回路５内のＩＧＢＴチップ２９のスイッチングにより、例えば三相の所定周波数の交流に変換し、モータ７に与える。その結果、モータ７はインバータ回路５から与えられる交流電力の周波数に応じた回転速度で駆動される。
【００４０】
制御回路１０は、ドライブ回路１１とインバータ制御回路１２から構成される。インバータ制御回路１２には、回転速度指令値８と、運転指令器としてのスイッチ９を通して運転指令９ａが入力されるだけでなく、後述する寿命監視回路２０のカウンタ１３から警報信号１３ａが入力され、寿命監視回路２０のカウンタ１４からトリップ信号１４ａが入力される。また、インバータ制御回路１２からは寿命監視回路２０のカウンタ１３、１４に対し、後述する如く制御信号としてリセット信号１２ａ、１２ｂが出力される。
【００４１】
制御回路１０の動作として、スイッチ９がオンの間は、電流検出回路３１で検出した電流値から回転速度指令値８に応じた周波数の交流電力をインバータ回路５が生成するに必要な各半導体スイッチング素子６のオン／オフを行なわせるためのタイミング制御信号を、回転速度指令値８に応じてインバータ制御回路１２が生成し、このタイミング制御信号を半導体スイッチング素子６がオン／オフするのに必要なレベルまでドライブ回路１１が増幅して、半導体スイッチング素子６をオン／オフさせる。即ち、スイッチ９がオンの間、半導体電力変換装置２が運転状態になり、モータ７が回転する。但し、スイッチ９がオンの間でも、トリップ信号１４ａを入力した場合には、インバータ制御回路１２は全ての半導体スイッチ素子６をオフにさせる制御信号を生成し、半導体電力変換装置２を強制的に停止させる。また、警報信号１３ａを入力した場合には、インバータ制御回路１２は、図示しない警報器を作動させ、半導体スイッチング素子６を保守すべき時期が来たことを係員に知らせて、新品との交換を促す。半導体スイッチング素子６を新品と交換した場合は、図示しないリセットスイッチ等により係員が入力することにより、インバータ制御回路１２から寿命監視回路２０に対してリセット信号１２ａ、１２ｂを出力する。
【００４２】
スイッチ９がオフの間は、インバータ制御回路１２は、インバータ回路５内の全ての半導体スイッチング素子６をオフにさせる制御信号を生成する。即ち、スイッチ９がオフの時、半導体電力変換装置２が停止状態になり、モータ７が停止する。
【００４３】
図２は、本実施例におけるメモリ１６に格納されている寿命特性の例であり、（ａ）はサーマルサイクル寿命特性、（ｂ）はパワーサイクル寿命特性の例であり、いずれも縦軸は寿命回数、横軸は半導体スイッチング素子６の出力電流である。
【００４４】
以下、図１、２を用いて、本実施例の半導体電力変換装置における半導体スイッチング素子の寿命監視回路２０の詳細構成およびその動作を説明する。
【００４５】
寿命監視回路２０は、メモリ１６と、電流検出回路３１から検出したモータ７の起動停止時などに流れる出力電流最大値の繰り返しの回数を半導体スイッチング素子６の基準出力電流時の寿命回数に換算してこれを積算して通電の履歴を演算する半導体スイッチ履歴演算回路３２と、カウンタ１３及びカウンタ１４から構成される。
【００４６】
メモリ１６には、電力変換装置２に用いられているパワースイッチング素子６のＩＧＢＴチップ２９、ＦＷＤチップ３０ごとの、サーマルサイクル寿命特性とパワーサイクル寿命特性、すなわち図２に示すような出力電流と寿命回数との相関関係が予めテーブルの形で格納されている。
【００４７】
半導体スイッチ履歴演算回路３２は、電流検出回路３１から検出した出力電流最大値が繰り返し入力された回数をメモリ１６に記憶している半導体スイッチング素子のサーマルサイクル寿命特性およびパワーサイクル寿命特性に基づいて半導体スイッチング素子の基準出力電流時における繰り返しの回数にそれぞれ換算してカウンタ１３およびカウンタ１４に与える。更に、半導体スイッチ履歴演算回路３２は、係数設定用入力回路１７により係数Ｋ1 （０＜Ｋ1 ＜１）が設定されると、記憶回路１６に予め格納されたＩＧＢＴチップ２９、ＦＷＤチップ３０のパワーサイクル寿命特性およびサーマルサイクル寿命特性に基づいて半導体スイッチング素子の基準出力電流時におけるＩＧＢＴチップ２９とＦＷＤチップ３０各々のパワーサイクル寿命回数およびサーマルサイクル寿命回数を求め、それぞれの寿命回数に係数Ｋ1 を乗じ、その値を警報用基準値としてそれぞれカウンタ１３に与える。同様に、係数設定用入力回路１８により係数Ｋ2 （Ｋ1＜Ｋ2 ＜１）が設定されると、各々の寿命回数に係数Ｋ2 を乗じ、その値をトリップ用基準値としてそれぞれカウンタ１４に与える。
【００４８】
カウンタ１３は、カウントアップ形のものであり、半導体スイッチ履歴演算回路３２から与えられたＩＧＢＴチップ２９、ＦＷＤチップ３０のパワーサイクル寿命およびサーマルサイクル寿命のそれぞれの警報用基準値を設定値とし、電流検出回路３１から検出した出力電流最大値が繰り返し入力された回数、すなわちＩＧＢＴチップ２９、ＦＷＤチップ３０の基準出力電流時に換算されたパワーサイクル回数およびサーマルサイクル回数をそれぞれカウントし、カウント値が増大していずれかの警報用基準値を越えた時に、警報信号１３ａをインバータ制御回路１２及び外部に出力する。なお、カウンタ１３は、インバータ制御回路１２からリセット信号１２ａを入力すると、警報信号１３ａの出力を停止し、同時にカウント値をゼロに戻す。
【００４９】
カウンタ１４は、カウンタ１３と同じくカウントアップ形のものであり、半導体スイッチ履歴演算回路３２から与えられたＩＧＢＴチップ２９、ＦＷＤチップ３０のパワーサイクル寿命およびサーマルサイクル寿命のそれぞれのトリップ用基準値を設定値とし、電流検出回路３１から検出した出力電流最大値が繰り返し入力された回数、すなわちＩＧＢＴチップ２９、ＦＷＤチップ３０の基準出力電流時に換算されたパワーサイクル回数およびサーマルサイクル回数をそれぞれカウントし、カウント値が増大していずれかのトリップ用基準値を越えた時に、トリップ信号１４ａをインバータ制御回路１２及び外部に出力する。なお、カウンタ１４は、インバータ制御回路１２からリセット信号１２ｂを入力すると、トリップ信号１４ａの出力を停止し、同時にカウント値をゼロに戻す。
【００５０】
また、半導体スイッチ履歴演算回路３２は、メモリ１６に記憶している累積稼働時間をカウンタ１３の計数値でそれぞれ割算した値を、警報用基準値からカウンタ１３の計数値を差し引いた警報までの残回数に掛け算することによりＩＧＢＴチップ２９、ＦＷＤチップ３０のパワーサイクル寿命およびサーマルサイクル寿命の警報に達するまでの保守時間３３をそれぞれ予測して、図示しない表示器により、半導体スイッチング素子６を保守すべき時期が来たことを係員に知らせて、新品との交換を促す。さらに、メモリ１６に記憶している累積稼働時間をカウンタ１４の計数値で割算した値を、ＩＧＢＴチップ２９、ＦＷＤチップ３０それぞれについてトリップ用基準値からカウンタ１４の計数値を差し引いたトリップまでの残寿命回数に掛け算することによりＩＧＢＴチップ２９、ＦＷＤチップ３０のパワーサイクル寿命およびサーマルサイクル寿命によるトリップ信号が発生するまでの保守時間３３をそれぞれ予測して、図示しない表示器により、半導体スイッチング素子６を保守すべき時期が来たことを係員に知らせて、新品との交換を促す。
【００５１】
以上述べたように、本実施例に係わる半導体スイッチング素子６の寿命監視回路２０を有する半導体電力変換装置２は、ＩＧＢＴチップ２９とＦＷＤチップ３０それぞれのサーマルサイクル寿命特性およびパワーサイクル寿命特性を予め格納した記憶回路１６を備え、電流検出回路３１で検出した出力電流最大値の繰り返しの回数を計数し、その計数値が記憶回路１６に格納されたサーマルサイクル寿命特性およびパワーサイクル寿命特性から求めた寿命回数であるトリップ用基準値を越えたことに基づいて半導体スイッチング素子６が寿命に達したと判断するようにしているので、ＩＧＢＴチップ２９のボンディング部の瞬間的な温度リップルによる熱応力に起因するパワーサイクル寿命も予測することができ、ＦＷＤチップ３０のはんだ部のサーマルサイクル寿命およびボンディング部のパワーサイクル寿命も予測することができる。さらに、モータ７の起動停止時などに半導体スイッチング素子６に流れる出力電流最大値を電流検出回路３１で測定し、記憶しているパワーサイクル寿命特性およびサーマルサイクル寿命特性に基づいて半導体スイッチング素子６の基準出力電流時における繰り返しの回数に換算して寿命を予測するようにしているため正確な寿命監視ができるのである。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、洗濯機、エレベータ、クレーン、工作機械など繰り返し運転を行なう用途に用いられる半導体電力変換装置に適用でき、特に、信頼性を要求される用途におけるサーボドライバ、インバータ装置などの半導体電力変換装置に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明を示す半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置の構成図
【図２】本実施例におけるメモリ１６に格納されているサーマルサイクル寿命特性とパワーサイクル寿命特性の例
【図３】第１従来技術を示す半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置の構成図
【図４】第２従来技術を示す半導体スイッチング素子の寿命監視回路を有する半導体電力変換装置の構成図
【符号の説明】
【００５４】
１  交流入力電源
２  半導体電力変換装置
３  整流回路
４  平滑回路
５  インバータ回路
６  半導体スイッチング素子
７  モータ
８  回転速度指令値
９  運転指令器（スイッチ）
９ａ  運転指令
１０  制御回路
１１  ドライブ回路
１２  インバータ制御回路
１２ａ、１２ｂ  リセット信号
１３、１４、２５  カウンタ
１３ａ  警報信号
１４ａ  トリップ信号
１５  基準値演算回路
１６  メモリ(記憶回路)
１７、１８  係数設定用入力回路
１９  ジャンクション温度差設定用入力回路
２０  寿命監視回路
２１  温度検出回路
２２  Ａ／Ｄ変換器
２３  時間計測部
２４  リップル温度検出部
２６  累積被害率演算部
２７  寿命算出部
２８  制御装置
２９  ＩＧＢＴチップ
３０  ＦＷＤチップ
３１  電流検出回路
３２  半導体スイッチ履歴演算回路
３３  保守時間
【図１】
2008206217.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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