(57)【要約】【課題】電力変換装置を構成する半導体素子の劣化を、装置から取り外すことなく簡単かつ安価に判断できるようにする。【解決手段】半導体素子（ＩＧＢＴ）Ｑ１１〜Ｑ２３からなる電力変換装置Ｃｏｎｖの直流充電部（Ｃｄ）の両端に抵抗Ｒ１，Ｒ２の直列回路を接続し、抵抗Ｒ１，Ｒ２の中性点と交流出力端子ｕ，ｖ，ｗ間にスイッチＳ１と電流検出器ＣＴとを設け、直流電圧印加時でＱ１１〜Ｑ２３がオフ状態中にスイッチＳ１を閉じ、そのとき流れる電流の方向と電流値から、素子Ｑ１１〜Ｑ２３の劣化判定ができるようにする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子で構成された電力変換装置において、
その直流充電部の両端に抵抗の直列回路を接続し、その抵抗の中性点と前記電力変換装置の交流出力端子間にスイッチと、このスイッチに流れる電流を検出する電流検出手段とを設け、直流電圧印加時の半導体素子がオフ状態中に前記スイッチを閉じたときの、そのスイッチに流れる電流の値と方向から劣化判定を行なうことを特徴とする電力変換装置を構成する半導体素子の劣化判定方法。
【請求項２】
前記電流検出手段からの検出電流値を用いることにより、劣化の定量的な判定を可能にしたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置を構成する半導体素子の劣化判定方法。
【請求項３】
前記電力変換装置の交流出力端子電圧を検出する電圧検出手段を付加し、その検出電圧値に応じて前記スイッチをオン，オフさせることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置を構成する半導体素子の劣化判定方法。
【請求項４】
前記スイッチの代わりに双方向スイッチを用いることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の電力変換装置を構成する半導体素子の劣化判定方法。
【請求項５】
前記直流充電部の直流電圧値と前記電流検出手段からの検出電流値とを監視する監視手段を設け、前記電力変換装置停止後の直流電圧が下降する期間に、前記監視手段により直流電圧値と検出電流値とを複数回監視し、その関係から劣化判定を行なうことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の電力変換装置を構成する半導体素子の劣化判定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電力変換装置を構成する半導体素子を装置から取り外すことなく、容易に劣化判定が可能な半導体素子の劣化判定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力変換装置を構成する半導体素子の劣化診断を行なう方法として、高圧端子に電圧を印加して漏れ電流を測定する例を図１７（ａ）に示す。なお、ここでは半導体素子としてＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）の例で説明する。
まず、半導体素子Ｑ（例えば、図１７（ａ）のＱ２３）を電力変換装置Ｃｏｎｖから取り外し、半導体素子Ｑ２３のゲート端子Ｇとエミッタ端子Ｅとを短絡して半導体素子Ｑ２３をオフ状態にし、測定器ＭＵを図１７（ｂ）のように接続する。
【０００３】
測定器ＭＵは、可変電圧ＶＲと電流を制限する抵抗Ｒｒ、半導体素子Ｑ２３に流れる電流を検出する抵抗Ｒｓと電流計、半導体素子Ｑ２３の両端の電圧を測定する電圧計等を備えている。
図１７（ｂ）のように接続した状態で可変電圧ＶＲを徐々に上げて行き、半導体素子Ｑ２３に印加される電圧が図１７（ｃ）に示す基準電圧値Ｖｒｅｆに達したときに、半導体素子Ｑ２３に流れる漏れ電流Ｉｌｅａｋを測定する。漏れ電流Ｉｌｅａｋと基準値Ｉｒｅｆとを比較した結果により、劣化可否の判断を行なう。図１７（ｃ）の例では▲１▼が正常、▲２▼が劣化したときに測定される特性例をそれぞれ示す。
【０００４】
上記の方法は例えば特許文献１に示される、カーブトレーサと呼ばれる測定器を用いる方法である。なお、劣化診断の他の方法として、電力変換装置に取り付けられた半導体素子の電圧と電流を測定して劣化を判定するもの（特許文献２）や、半導体素子に電圧を印加したときに流れる漏れ電流の高周波成分と直流成分とを検出し、その比率に従って耐圧良否を判定するもの（特許文献３）などがある。
【０００５】
【特許文献１】
特開平０５−１５７８０１号公報（第頁２−３、図１）
【特許文献２】
特開平０９−２５７８７０号公報（第２頁、図１）
【特許文献３】
特開２０００−１１１６０６号公報（第４−５頁、図３）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１では半導体素子を装置から一端取り外さなければならないと言う問題がある。また、特許文献２，３では電圧測定器，電流測定器およびそれらの測定結果を判定する判定回路を設けるなど、正確な漏れ電流を測定し劣化診断を行なうため回路が複雑化するだけでなく、高性能の測定装置を必要とするため装置に内蔵させようとすると、装置のコストアップにつながる。
したがって、この発明の課題は、半導体素子を装置から一端取り外すことなく、しかも簡単かつ安価に半導体素子の劣化を判定できるようにすることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、半導体素子で構成された電力変換装置において、
その直流充電部の両端に抵抗の直列回路を接続し、その抵抗の中性点と前記電力変換装置の交流出力端子間にスイッチと、このスイッチに流れる電流を検出する電流検出手段とを設け、直流電圧印加時の半導体素子がオフ状態中に前記スイッチを閉じたときの、そのスイッチに流れる電流の値と方向から劣化判定を行なうことを特徴とする。
この請求項１の発明においては、前記電流検出手段からの検出電流値を用いることにより、劣化の定量的な判定を可能にすることができる（請求項２の発明）。
【０００８】
上記請求項１または２の発明においては、前記電力変換装置の交流出力端子電圧を検出する電圧検出手段を付加し、その検出電圧値に応じて前記スイッチをオン，オフさせることができ（請求項３の発明）、請求項１ないし３のいずれかの発明においては、前記スイッチの代わりに双方向スイッチを用いることができ（請求項４の発明）、請求項１ないし４のいずれかの発明においては、前記直流充電部の直流電圧値と前記電流検出手段からの検出電流値とを監視する監視手段を設け、前記電力変換装置停止後の直流電圧が下降する期間に、前記監視手段により直流電圧値と検出電流値とを複数回監視し、その関係から劣化判定を行なうことができる（請求項５の発明）。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の第１の実施の形態を示す回路図である。
図示のように、直流充電部としてのコンデンサＣｄと並列に抵抗Ｒ１，Ｒ２の直列接続回路を接続し、その抵抗Ｒ１とＲ２の接続点にそれぞれスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３を介して半導体素子の出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗに接続する。また、スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３に流れる電流を検出する電流検出器ＣＴを接続する。図１の機能，作用について図２〜図７を参照して説明する。
【００１０】
図２には、電力変換装置の１相分を示す。スイッチおよび半導体素子に「ｎ」を付して３相のうちの任意の１つであることを示し、以下同様とする。
まず、電力変換装置すべての半導体素子にオフ信号を与える。これにより、電力変換装置が停止し、半導体素子Ｑ１ｎ，Ｑ２ｎの素子電圧はそれぞれの素子の寄生容量比で分圧し、半導体素子Ｑ１ｎ，Ｑ２ｎが同じ特性であれば、それぞれＥｄ／２に収束する。その様子を図３に示す。ＶＣＥ１は信号ＯＮ／ＯＦＦ１で駆動される半導体素子Ｑ１ｎの素子電圧（コレクタ−エミッタ間電圧）であり、ＶＣＥ２は信号ＯＮ／ＯＦＦ２で駆動される半導体素子Ｑ２ｎの素子電圧である。
【００１１】
半導体素子Ｑ１ｎ，Ｑ２ｎのオフ状態での漏れ電流成分は、図４（ｂ）のような抵抗Ｒｃｅ１，Ｒｃｅ２で示すことができる。
ここで、半導体素子の電圧電流特性を図５に示す。同図では、半導体素子の特性を▲１▼，▲１▼’なる曲線で示している。すなわち、半導体素子に電圧Ｅｄ／２が印加されたときに、▲１▼，▲１▼’の曲線で示される特性がＩ１＜Ｉ１’とすれば、１／Ｒｃｅ１＜１／Ｒｃｅ１’である。ゆえに、Ｒｃｅ１＞Ｒｃｅ１’であり、▲１▼’は▲１▼に比べて抵抗値が減少したことになる。
【００１２】
いま、半導体素子Ｑ１ｎが劣化し漏れ電流が増加した状態とすると、Ｒｃｅ１の抵抗値は減少したことになる。これにより、抵抗Ｒｃｅ１とＲｃｅ２との接続点の電位Ｖａｃは、抵抗Ｒ１とＲ２との接続点の電位Ｅｄ／２に対して、Ｖａｃ＞Ｅｄ／２となることから、スイッチＳｎを閉じると電流ｉの流れる方向は図６のようになる。
これに対し、半導体素子Ｑ２ｎが劣化した場合はＲｃｅ２が減少するため、Ｖａｃ＜Ｅｄ／２となり電流ｉの流れる方向は、図７のように図６とは逆になる。
【００１３】
よって、図６，図７の関係から、スイッチＳｎ（電流検出器ＣＴ）に流れる電流の方向を判別することにより、半導体素子Ｑ１ｎ，Ｑ２ｎで漏れ電流の大きい素子を判別することができる。
さらに、図５に示した特性曲線に対応する半導体素子の漏れ電流特性と、装置に適用する場合の抵抗値を事前に測定しておけば、スイッチＳｎを流れる電流値を測定することにより、半導体素子の漏れ電流値が定量化でき、劣化判定が可能となる。
【００１４】
図８はこの発明の第２の実施の形態を示す回路図である。
これは交流端子電圧Ｖａｃを検出する電圧検出器Ｖｓを付加した点が特徴である。スイッチＳｎはその出力によりオン，オフされる。
電力変換装置を制御信号によりすべてオフすると、交流端子電圧Ｖａｃは半導体素子Ｑ１ｎ，Ｑ２ｎの寄生容量比で分圧した値になるのは図２，図３の場合と同様である。ここで、図９に示すように交流端子電圧Ｖａｃの検出電圧、すなわちＶＣＥ２がＥｄ／２±αの範囲内に上昇または下降したときに、電圧検出器ＶｓはスイッチＳｎを投入する信号を出力する。そこで、スイッチＳｎが投入されたときに、スイッチＳｎに流れる電流値を電流検出器ＣＴで測定すれば、図１と同様にして半導体素子の劣化判定が可能となる。この場合、制御装置からの制御信号が必要無くなるので、構成が簡単になる。
【００１５】
図１０はこの発明の第３の実施の形態を示す回路図である。
これは、スイッチＳｎをスイッチＳ１１とＳ１２の逆直列回路としたものである。その動作について、図１１を参照して説明する。
スイッチＳ１１をオンさせたときは図１１（ａ）のように、Ｒｃｅ１＞Ｒｃｅ２のときのみＳｎに電流が流れ、Ｒｃｅ１＜Ｒｃｅ２のときにはＳ１２のダイオードで阻止されてＳｎには電流は流れない。
【００１６】
また、スイッチＳ１２をオンさせたときは図１１（ｂ）のように、Ｒｃｅ１＜Ｒｃｅ２のときのみＳｎに電流が流れ、Ｒｃｅ１＞Ｒｃｅ２のときにはＳ１１のダイオードで阻止されてＳｎには電流は流れない。
以上のことから、スイッチＳｎに与えたオン，オフ信号とそのときの電流の有無や電流値を検出することで、図１と同様にして半導体素子の劣化判定が可能となる。
【００１７】
図１２はこの発明の第４の実施の形態を示す回路図である。
これは、電力変換装置が運転停止後、コンデンサＣｄに充電された電圧Ｅｄを放電させるために、抵抗ＲｄとスイッチＳｄとの直列回路を直流充電部と並列に接続するとともに、直流電圧検出値Ｖｄと電流検出器ＣＴの検出電流値Ｉｓを記憶する記憶部Ｍを付加したものである。その動作について、図１３〜１６を参照して説明する。
【００１８】
まず、図１３の時刻ｔ１において、半導体素子Ｑ１ｎ，Ｑ２ｎに対しオフ信号が与えられると、半導体素子Ｑ１ｎ，Ｑ２ｎが劣化していない場合は、各半導体素子の両端電圧はＥｄ／２に収束する。その後、図１４に示すように、直流電圧Ｅｄを放電させるためにスイッチＳｄを閉じると、コンデンサＣｄに蓄えられた電圧Ｅｄは、抵抗Ｒｄを通して点線で示すような経路で放電される。
【００１９】
このとき、図１５に示すように、スイッチＳｄを閉じた時刻ｔ２０からｔ２１，ｔ２２，ｔ２３，ｔ２４のように一定間隔で、直流電圧ＶｄとスイッチＳｎに流れる電流値Ｉｓを記憶部Ｍで記憶する。ここで、半導体素子Ｑ１ｎ，Ｑ２ｎが劣化していない場合は、スイッチＳｎに流れる電流Ｉｓは図１６の▲１▼で示されるように、ほぼ０になる。また、半導体素子Ｑ１ｎが劣化していれば、スイッチＳｎには図１４に矢印で示す向きに電流が流れ、図１６の▲２▼のような特性が得られ、さらに半導体素子Ｑ２ｎが劣化している場合は、スイッチＳｎには図１４とは逆向きの電流が流れ、図１６の▲３▼のような特性が得られることになる。
【００２０】
以上のことから、スイッチＳｎに流れる電流の方向を判別して劣化している半導体素子を特定することに加え、劣化している半導体素子の電圧と電流の関係を記憶部で把握でき、詳細な劣化特性を確認することができる。なお、半導体素子の電圧と電流を一定間隔で記憶したが、不等間隔または連続的に記憶しても同等の結果が得られることは言うまでもない。また、直流電圧が放電で変化する例を説明したが、直流電圧が垂下する状態、たとえば制御電源などによる直流電圧垂下時に測定するようにしても良い。
【００２１】
なお、この発明は半導体素子としてＩＧＢＴだけでなく、各種トランジスタ，各種サイリスタまたは各種ダイオードの劣化判定等に適用することができる。
【００２２】
【発明の効果】
この発明によれば、電力変換装置を構成する半導体素子を、装置から取り外すことなく劣化を判定することが可能となる。また、特に高性能の測定器を必要としないため、装置に内蔵できる利点がもたらされる。スイッチに流れる電流を検出するための電流検出器を、電力変換装置の主電流とは別位置に配置したため、測定範囲が微小電流範囲のみで十分となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態を示す回路図
【図２】図１の任意の１相分を示す回路図
【図３】図２のオン，オフ信号と素子電圧の推移説明図
【図４】素子の漏れ電流説明図
【図５】素子の電圧電流特性図
【図６】素子の劣化による電流方向説明図
【図７】素子の劣化による逆電流方向説明図
【図８】この発明の第２の実施の形態を示す回路図
【図９】図８のオン，オフ信号と素子電圧の推移説明図
【図１０】この発明の第３の実施の形態を示す回路図
【図１１】図１０の動作説明図
【図１２】この発明の第４の実施の形態を示す回路図
【図１３】図１２のオン，オフ信号と素子電圧の推移説明図
【図１４】図１２における放電時の動作説明図
【図１５】図１４での記憶タイミング説明図
【図１６】図１２，１４に示す記憶部の動作説明図
【図１７】従来例を説明する説明図
【符号の説明】
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓｎ，Ｓｄ…スイッチ、ＣＴ…電流検出器、Ｖｓ…電圧検出器、Ｑ１１〜Ｑ２３，Ｑ１ｎ，Ｑ２ｎ…半導体素子、Ｍ…記憶部、Ｒ１，Ｒ２，Ｒｒ，Ｒｓ…抵抗、Ｃｄ…コンデンサ、ＭＵ…測定器。
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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