電力変換器とその管理システム
【課題】
熱センサを用いることなく半導体電力変換器の電力半導体スイッチング素子の劣化状態を推定し、推定結果を表示する。
【解決手段】
本発明の電力変換器は、電力変換器の入力電流もしくは出力電流から電力半導体スイッチング素子の温度変動分を推定する温度変動幅推定器と、該温度変動幅推定器出力値から基準温度差の熱疲労サイクル回数に換算する熱疲労サイクル回数換算器と、熱サイクル回数から電力半導体スイッチング素子の劣化度を算出し、電力変換器の保守管理者もしくは所有者に通知する通知システムとを有する。
熱センサを用いることなく半導体電力変換器の電力半導体スイッチング素子の劣化状態を推定し、推定結果を表示する。
【解決手段】
本発明の電力変換器は、電力変換器の入力電流もしくは出力電流から電力半導体スイッチング素子の温度変動分を推定する温度変動幅推定器と、該温度変動幅推定器出力値から基準温度差の熱疲労サイクル回数に換算する熱疲労サイクル回数換算器と、熱サイクル回数から電力半導体スイッチング素子の劣化度を算出し、電力変換器の保守管理者もしくは所有者に通知する通知システムとを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電力半導体スイッチング素子を含む電力変換器に関するものであり、特に電力半導体スイッチング素子の寿命予測機能を有する電力変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータに代表される半導体電力変換器はＩＧＢＴやダイオードなどの電力半導体スイッチング素子を含む。電力変換器運転時は電力半導体スイッチング素子にスイッチング損失と通電損失が発生するため、電力半導体スイッチング素子の温度は上昇し、電力変換器が停止すると電力半導体スイッチング素子の温度が低下する。温度変化があると、接続物質の熱膨張係数の差があるため、電力半導体スイッチング素子の半田接合部には熱応力がかかる。
【０００３】
電力半導体スイッチング素子の劣化は半田接合部にかかる熱応力の繰り返しが主な原因である。図７にはＩＧＢＴの概略構成図を示す。シリコンチップ１０００はボンディングワイヤ１００１を介して主電極１００２に接続される。ボンディングワイヤ１００１とシリコンチップ１０００は半田で接合されている。また、主電極１００２は絶縁基板１００３に接合しており、絶縁基板１００３は半田で放熱用の銅ベース板１００４に接続されている。
【０００４】
熱応力を受ける半田接合部には、シリコンチップ１０００とボンディングワイヤ１００１を接続する部分と、絶縁基板１００３と銅ベース板１００４を接続する部分の２箇所がある。シリコンチップ１０００とボンディングワイヤ１００１の熱応力はジャンクション温度、絶縁基板と銅板の接続部の熱応力はケース温度の変動により発生する。
【０００５】
これら電力半導体スイッチング素子は定期点検時に抵抗値を測定することで異常の有無が判断され、異常と判断された場合は部品交換などの適切な処置が施されてきた。
【０００６】
また、インバータ素子のスイッチング回数により素子の寿命を推定する方法が特許文献１に、冷却フィン温度と電力変換器の出力電流より電力半導体スイッチング素子のジャンクション温度を推定して推定温度とパワーサイクルから寿命を推定する方法が特許文献２に、電力半導体スイッチング素子のケース温度から熱疲労サイクル回数を換算して劣化診断をする方法が特許文献３に開示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開平８−２７５５８６号公報（図５と、（００２９）段落、（００３０）段落の記載。）
【０００８】
【特許文献２】特許第２７６７９６５号公報（第２図と３ページ左欄４３行から３ページ右欄２５行の記載。）
【特許文献３】特開２００２−１０１６６８号公報（図１と、（００２２）段落から（００３６）段落にかけての記載。）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、銅ベース板１００４と絶縁基板１００３の半田部の熱劣化は抵抗値を測定しても異常を見つけることはできない。
【００１０】
一方、熱センサを用いて電力半導体スイッチング素子の温度から劣化診断を実施する方法では半田接合部にかかる熱応力を推定し、熱応力とその回数から半田接合部の劣化度合いを予測できるので電力半導体スイッチング素子の劣化をより高精度に判定できるが、電力半導体スイッチング素子ごとに熱センサが必要となり、装置が複雑になる。
【００１１】
本発明の目的は、電力半導体スイッチング素子ごとの熱センサを用いずに電力半導体スイッチング素子の寿命を推定することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、本発明の電力変換器では、電力変換器の入力電流もしくは出力電流から電力半導体スイッチング素子の温度変動分を推定する温度変動幅推定器と、該温度変動幅推定器により推定される温度変化幅により電力半導体スイッチング素子にかかる熱疲労を基準温度差のときの熱疲労サイクル回数に換算する熱サイクル回数算出器と、熱サイクル回数から電力半導体スイッチング素子の寿命を数値で示す表示器と、熱疲労サイクル回数の積算値が所定回数を超えると電力変換器の所有者もしくは保守管理者に警告を出力する警告表示器を有する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の電力変換器は、熱センサを設置せずに電力半導体スイッチング素子の寿命を推定し、電力変換器の所有者もしくは保守管理者に電力半導体スイッチング素子の寿命を事前に通知できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の詳細を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１５】
本実施例について図１を用いて説明する。図１は本実施例の電力変換器１、交流電源２、モータ６を示す。まず、電力変換器１の主回路について説明する。電力変換器１の主回路は、交流電力を整流するダイオード整流器３と、平滑コンデンサ４と、電力半導体スイッチング素子であるＩＧＢＴと、該ＩＧＢＴに逆並列に接続する還流ダイオードとを有するインバータ５により構成される。
【００１６】
インバータ５は波形制御器５００によって制御される。具体的には、波形制御器５００は電流検出器１０で検出した直流電流検出値、電圧検出器１１で検出した直流電圧検出値、位置センサ１２で検出した軸検出位置を入力とし、モータ６の回転数が指令値に追従するよう、インバータ５のゲート信号を算出する。波形制御器５００で算出されたゲート信号はゲートドライバ６００で増幅され、ゲート電圧としてＩＧＢＴに入力される。
【００１７】
以降、本発明の特徴である寿命推定器１００、表示器２１、および電力変換器１の保守サービス支援システム５０について説明する。本実施例の電力変換器はインバータ５のＩＧＢＴの寿命を推定する寿命推定器１００を有する。この寿命推定器１００は温度変動幅推定器１０１を備えている。温度変動幅推定器１０１は電力変換器１の運転中の最大ＩＧＢＴケース温度上昇分と停止時のＩＧＢＴケース温度低下分を推定し、１回の運転によるＩＧＢＴケース温度を推定する。具体的には、電流検出器１０の出力値をフィルタ２００に入力してスイッチングによるリプルを除去し、１度の運転中における電流検出器１０出力値の最大値を最大値検出器２０１で検出し、その出力である電流検出値最大値Ｉmax を熱テーブル２０２に入力する。出力電流が既知のとき、ＩＧＢＴで発生する損失やＩＧＢＴジャンクション温度、ケース温度はオフラインで計算できる。
【００１８】
熱テーブル２０２は図９に示される電流検出値最大値Ｉmax とＩＧＢＴケース温度の対応表を備える。ここで、Ｉｒは定格出力時の電流値、Ｔ１からＴ５はそれぞれの領域の電流値が流れたときにＩＧＢＴケース温度が上昇すると予想される温度幅の最大値であり、あらかじめ測定しておいた温度である。熱テーブル２０２はＩＧＢＴケース温度対応表の温度上昇幅Ｔ_maxを冷却演算器２０５と減算器２０６に出力する。
【００１９】
一方、電力変換器１への指令が停止指令となったとき、運転指令を入力とする反転器２０３の出力値はタイマ２０４の起動信号となり、タイマ２０４は停止時間tstop を計測する。冷却演算器２０５は熱テーブル２０２の出力値Ｔ_maxとタイマ２０４の出力値より温度低下分を算出する。
【００２０】
ケース温度は図２に示されるように冷却フィンの熱容量と熱抵抗で決まる時定数τで冷却されるため、冷却演算器２０５内部では（数１）式で示される演算を実施する。
【００２１】
Ｔ_min＝Ｔ_max×exp（−tstop／τ） …（数１）
熱テーブル２０２と冷却演算器２０５により算出されたＴ_maxとＴ_minは減算器２０６に入力され、温度変化幅ΔＴが算出される。
【００２２】
以上の方法により温度変動幅推定器１０１は電力変換器１の運転中の最大ＩＧＢＴケース温度上昇分と停止時のＩＧＢＴケース温度低下分を推定し、１回の運転によるＩＧＢＴケース温度変動幅を推定する。
【００２３】
温度変動幅推定器１０１の出力値ΔＴは熱疲労サイクル回数算出器１０３に入力される。熱疲労サイクル回数算出器１０３は運転指令が来るたびに前回の運転で発生した温度変動幅ΔＴを基準温度変動幅の熱疲労サイクル回数に換算する。
【００２４】
具体的には、図３に示すテーブルを用い、温度変動幅ΔＴに対して対応する熱疲労サイクル回数Ｎを出力する。ここで、Ｔref は基準温度変化幅である。履歴演算器１０４は熱疲労サイクル回数を積算し、比較器１０５、規格化演算器１０６、推定余命演算器１０７に出力する。比較器１０５は履歴演算器１０４の出力である熱疲労サイクル回数積算値と所定回数を比較し、比較結果を警告灯２０とネットワーク接続器２２に出力する。
【００２５】
ここで、所定回数とはＩＧＢＴのパワーサイクル寿命回数より少ない値とする。たとえば、本実施例では、パワーサイクル寿命回数に０.９を乗算した値とする。
【００２６】
警告灯２０は該積算値が所定回数以上であれば点灯する。警告灯２０の点灯により電力変換器１の保守管理者および所有者はＩＧＢＴの寿命が近いことを知ることができるため、ＩＧＢＴが破損する前にＩＧＢＴを交換することにより電力変換器の故障を防ぐことができる。
【００２７】
次に劣化表示について説明する。図１の規格化演算器１０６は熱疲労サイクル回数積算値を前記所定回数で規格化し、表示器２１とネットワーク接続器２２に規格化した劣化度を出力する。推定余命演算器１０７は一日ごとの熱疲労サイクル回数積算値を蓄積して線形近似し、熱疲労サイクル回数積算値が前記所定回数を超えるまでの期間である推定余命期間を算出し、その出力を表示器２１とネットワーク接続器２２に出力する。表示器２１は電力変換器１の表面に設置され、規格化演算器１０６と推定余命演算器１０７の出力値を数値表示する。
【００２８】
表示器２１に規格化された熱疲労サイクル回数積算値と、推定余命期間を、例えば劣化度６０％、推定寿命１０年などと表示することにより、電力変換器１の所有者もしくは保守管理者は電力半導体スイッチング素子の劣化度合いを数値で認識でき、推定余命期間がわかるため、電力変換器１の保守計画作成が容易になる。
【００２９】
次に本実施例の電力変換器保守サービス支援システムについて説明する。保守サービス支援システム５０はネットワーク接続器２２、インターネット２３、保守管理者情報端末２４により構成される。
【００３０】
ネットワーク接続器２２は比較器１０５、規格化演算器１０６、推定余命演算器１０７の出力値を熱疲労サイクル回数積算値が前記所定回数以上となればインターネット２３を介して電力変換器１の保守管理者情報端末２４に電力変換器１を識別するための製品番号、劣化度、推定余命を示す電子メールを送る。ここで、ネットワーク接続器２２とインターネット２３とを接続する通信回線は、有線回線であっても無線回線であっても良い。
【００３１】
以上により、本実施例の電力変換器は電力変換器の所有者もしくは保守管理者に警告灯の点灯と電力半導体スイッチング素子の寿命を通知する電子メールの送信により電力半導体スイッチング素子の寿命を事前に通知できるため、電力変換器１の保守管理者が遠隔地にいても電力半導体スイッチング素子の寿命を知ることができる。この通知により、電力変換器１の保守管理者はＩＧＢＴ破損前にＩＧＢＴの交換をすることで電力変換器１の故障を予防できる。
【００３２】
本実施例ではモータドライブ用インバータを例に説明をしたが、図８に示すような直流電源３０の電圧を昇圧リアクトル３１とチョッパ３２で電圧調整し、フィルタコンデンサ３３とフィルタリアクトル３４でスイッチングリプルを低減して負荷３５に電力を供給もしくは電力を回生する双方向チョッパでも同様である。
【００３３】
本実施例によれば、熱センサを用いずに電力半導体スイッチング素子の寿命を推定し、電力変換器の所有者もしくは保守管理者に電力半導体スイッチング素子の寿命を事前に通知できる。また、劣化度合いと、推定余命期間を表示することにより電力変換器の保守計画立案が容易になる。さらに保守管理者へ電力半導体スイッチング素子の寿命が電子メールで事前に通知されるため、電力変換器の保守管理者が遠隔地にいても電力半導体スイッチング素子の寿命を知ることができる。
【００３４】
なお、本実施例ではＩＧＢＴの寿命推定について説明してきたが、パワーＭＯＳＦＥＴであっても同様である。
【実施例２】
【００３５】
本実施例について図４を用いて説明する。本実施例と実施例１の差は温度変動幅推定器１０１に出力電力から電力半導体スイッチング素子で発生する損失を算出する損失算出器３００と、損失を入力とし、電力半導体スイッチング素子の温度を出力とした熱モデルを演算する熱モデル演算器３０１を有する点が異なる。これにより、運転時の出力電力変動が熱時定数より早く変動しても正確に温度変動を推定できる。
【００３６】
以下、実施例１と異なる点のみ説明する。また、図４において、図１と同一機能部は同一符号をつけ、重複する説明を省く。電流検出器１０で検出した電流検出値はフィルタ２００でスイッチングによるリプルを除去する。フィルタ２００の出力値は損失算出器３００に入力される。損失算出器３００はフィルタ２００の出力からＩＧＢＴで発生する損失の関係式を内部に有し、その演算結果Ｐlossを熱モデル演算器３０１に出力する。損失の関係式は事前に測定したフィルタ２００の出力値とＩＧＢＴの損失の関係を近似したものである。
【００３７】
熱モデル演算器３０１は図５に示す等価回路によりＩＧＢＴの温度変動幅を演算する。ここで、図５の電流源７００はＩＧＢＴでの発生損失、抵抗７０１はジャンクション−ケース間熱抵抗、抵抗７０２はケース−フィン間熱抵抗、抵抗７０３はフィン熱抵抗、コンデンサ７０４はフィン熱容量である。図５で、電流源７００の電流値を損失Ｐloss［Ｗ］としたときの電位差Ｔｊ［Ｋ］はジャンクション温度変動幅、電位差Ｔｃ［Ｋ］はケース温度変動幅である。熱モデル演算器３０１により計算されたケース温度Ｔｃは最大値算出器３０２と最小値算出器３０３に入力される。
【００３８】
最大値算出器３０２は運転指令が入力されるたびにクリアされ、一度の運転中のケース温度変動幅Ｔｃの最大値Ｔ_maxを出力する。最小値算出器３０３は運転指令がネガティブになり停止指令になるたびにクリアされ、一度の停止中のケース温度変動幅Ｔｃの最小値Ｔ_minを出力する。減算器３０４はＴ_maxとＴ_minの差であるΔＴを算出し、熱疲労サイクル回数算出器１０３に出力する。
【００３９】
本実施例ではＩＧＢＴのケース温度を用いて絶縁基板と銅板の半田接合部の劣化度を推定するが、熱モデルで算出されるジャンクション温度変動幅Ｔｊを用いてチップと内部配線の半田接合部の劣化度も同時に推定しても良い。
【００４０】
本実施例でのＴ_maxの推定値を図６に示す。上のグラフは電力変換器１の入力電流Ｉ、下のグラフはそのときの最大温度Ｔ_maxである。図６で、実線で示すＴ_maxが本実施例で推定したＴ_maxである。本実施例では温度上昇時の熱時定数も用いているため、出力電力が冷却フィンの熱時定数より短い時間で変動する場合にも推定誤差が小さい。なお、熱時定数を無視すると図６の破線で示すような最大温度Ｔ_maxになる。
【００４１】
このように、本実施例では温度演算ブロックによりリアルタイムで温度推定を実施するため、推定誤差を低減することができるので、より正確な寿命推定が実現できる。
【００４２】
本実施例によれば、熱センサを用いずに電力半導体スイッチング素子の寿命を推定し、電力変換器の所有者もしくは保守管理者に電力半導体スイッチング素子の寿命を事前に通知できる。また、劣化度合いと、推定余命期間を表示することにより電力変換器の保守計画立案が容易になる。
【００４３】
さらに保守管理者へ電力半導体スイッチング素子の寿命が電子メールで事前に通知されるため、電力変換器の保守管理者が遠隔地にいても電力半導体スイッチング素子の寿命を知ることができる。加えて本実施例では電力半導体スイッチング素子の熱モデルを演算するため、より正確に電力半導体スイッチング素子の寿命推定が実現できる。
【実施例３】
【００４４】
本実施例について図１０を用いて説明する。本実施例と実施例２の差は温度変動幅推定器１０１の最大値算出器３０２と最小値算出器３０３のクリア条件を運転・停止指令ではなく、入力電流値と所定値の大小比較結果を用いる点のみが異なる。
【００４５】
以下、実施例２と異なる点のみを説明する。また、図１０において、図４と同一機能部は同じ符号をつけ、重複する説明を省く。電流検出器１０の出力値はフィルタ４００に入力される。フィルタ４００はスイッチングによる電流リプルを除去する。フィルタ４００の出力値と固定値である運転判定値は比較器４０１に入力され、その大小比較結果が最大値算出器３０２と最小値算出器３０３のクリア条件となる。
【００４６】
具体的には、フィルタ４００の出力値が運転判定値より大きくなったとき、最大値算出器３０２はクリアされ、フィルタ４００の出力値が運転判定値より小さくなったとき、最小値算出器３０３はクリアされる。
【００４７】
以上のように、インバータ５の入力電流が所定値を超えると電力変換器運転とみなしてＩＧＢＴ温度最大値の算出を開始し、入力電流が所定値を下回ると電力変換器停止とみなしてＩＧＢＴ温度最小値の算出を開始する。
【００４８】
ここで、本実施例の運転判定値は負荷がある状態を推定するための定数であるため、定格運転時の１０％〜５０％程度が良い。また、比較器４０１はフィルタ４００の出力値と運転判定値の大小比較値を出力するが、この出力値のばたつきを防ぐため、ヒステリシス特性を持たせても良い。比較器４０１の出力値は熱疲労サイクル回数算出器１０３にも入力される。熱疲労サイクル回数算出器１０３では比較器４０１の出力が変化する度に温度変動幅推定器１０１の出力から熱疲労サイクル回数を算出する。
【００４９】
以上より、本実施例の電力変換器は図１１に記載のような不規則な電流出力を伴う負荷変動に対してもＩＧＢＴ温度変動回数を適切に検出することができるため、より正確な寿命推定ができる。
【００５０】
本実施例によれば、熱センサを用いずに電力半導体スイッチング素子の寿命を推定し、電力変換器の所有者もしくは保守管理者に電力半導体スイッチング素子の寿命を事前に通知できる。また、劣化度合いと、推定余命期間を表示することにより電力変換器の保守計画立案が容易となる。
【００５１】
さらに保守管理者へ電力半導体スイッチング素子の寿命が電子メールで事前に通知されるため、電力変換器の保守管理者が遠隔地にいても電力半導体スイッチング素子の寿命を知ることができる。加えて本実施例では電力半導体スイッチング素子の熱モデルを計算し、さらに最大温度算出と最小温度算出の開始タイミングを、出力電流を用いて判定できるため、負荷変動が繰り返される電力変換器の電力半導体スイッチング素子の寿命推定がより正確にできる。
【実施例４】
【００５２】
本実施例を、図１２を用いて説明する。本実施例と実施例３の差は、保守サービス支援システム５０が電力半導体スイッチング素子の推奨交換時期算出器２５を有する点である。これにより、電力変換器の保守者と所有者に電力半導体スイッチング素子の推奨交換時期を通知できるため、電力変換器の保守がより容易になる。
【００５３】
以下、先の実施例と異なる点のみ説明する。また、図１２において、図１０と同一機能部は同一符号をつけ、重複する説明を省く。電力変換器１のネットワーク接続器２２はインターネット２３を介して保守管理者情報端末に規格化演算器１０６と推定余命演算器１０７の出力値を電子メールで保守管理者情報端末２４に送信する。
【００５４】
保守管理者情報端末２４により受信された推定余命演算器１０７の情報は推奨交換時期算出器２５に出力される。推奨交換時期算出器２５は熱疲労サイクル回数積算値が警告出力判定定数を超えると想定される時期より所定期間だけ前の時期を算出し、保守管理者情報端末２４に出力する。ここで、所定期間とは例えば１ヶ月程度である。
【００５５】
保守管理者情報端末２４は推奨交換時期算出器２５の出力値と規格化演算器１０６の出力値と推定余命演算器１０７の出力値と電力変換器１の製品番号が記載された電子メールを保守管理者情報端末２４と電力変換器１の所有者情報端末２６に送信する。
【００５６】
以上により、本実施例の保守システムでは電力半導体スイッチング素子の寿命を通知するのみでなく、電力半導体スイッチング素子の適切な交換時期を電力変換器の保守管理者もしくは所有者に自動通知できるため、電力変換器の保守計画立案をより容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】実施例１の電力変換器の説明図。
【図２】ケース温度の熱時定数の説明図。
【図３】実施例１で温度変動幅に対応する熱疲労サイクル回数を換算するテーブルの説明図。
【図４】実施例２の電力変換器の説明図。
【図５】実施例２の熱モデル演算器が用いる等価回路の説明図。
【図６】実施例２で推定したＴ_maxの説明図。
【図７】ＩＧＢＴの概略説明図。
【図８】実施例１の別の電力変換器の説明図。
【図９】実施例１の熱テーブルの説明図。
【図１０】実施例３の電力変換器の説明図。
【図１１】負荷変動の説明図。
【図１２】実施例４の電力変換器の説明図。
【符号の説明】
【００５８】
１…電力変換器、２…交流電源、３…ダイオード整流器、４…平滑コンデンサ、５…インバータ、６…モータ、１０…電流検出器、１１…電圧検出器、１２…位置センサ、２０…警告灯、２１…表示器、２２…ネットワーク接続器、２３…インターネット、２４…保守管理者情報端末、２５…推奨交換時期算出器、２６…所有者情報端末、３０…直流電源、３１…昇圧リアクトル、３２…チョッパ、３３…フィルタコンデンサ、３４…フィルタリアクトル、３５…負荷、５０…保守サービス支援システム、１００…寿命推定器、１０１…温度変動幅推定器、１０３…熱疲労サイクル回数算出器、１０４…履歴演算器、１０５、４０１…比較器、１０６…規格化演算器、１０７…推定余命演算器、２００、４００…フィルタ、２０１…最大値検出器、２０２…熱テーブル、２０３…反転器、２０４…タイマ、２０５…冷却演算器、２０６、３０４…減算器、３００…損失算出器、３０１…熱モデル演算器、３０２…最大値算出器、３０３…最小値算出器、５００…波形制御器、６００…ゲートドライバ、７００…電流源、７０１〜７０３…抵抗、７０４…コンデンサ、１０００…シリコンチップ、１００１…ボンディングワイヤ、１００２…主電極、１００３…絶縁基板、１００４…銅ベース板。
【技術分野】
【０００１】
本発明は電力半導体スイッチング素子を含む電力変換器に関するものであり、特に電力半導体スイッチング素子の寿命予測機能を有する電力変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータに代表される半導体電力変換器はＩＧＢＴやダイオードなどの電力半導体スイッチング素子を含む。電力変換器運転時は電力半導体スイッチング素子にスイッチング損失と通電損失が発生するため、電力半導体スイッチング素子の温度は上昇し、電力変換器が停止すると電力半導体スイッチング素子の温度が低下する。温度変化があると、接続物質の熱膨張係数の差があるため、電力半導体スイッチング素子の半田接合部には熱応力がかかる。
【０００３】
電力半導体スイッチング素子の劣化は半田接合部にかかる熱応力の繰り返しが主な原因である。図７にはＩＧＢＴの概略構成図を示す。シリコンチップ１０００はボンディングワイヤ１００１を介して主電極１００２に接続される。ボンディングワイヤ１００１とシリコンチップ１０００は半田で接合されている。また、主電極１００２は絶縁基板１００３に接合しており、絶縁基板１００３は半田で放熱用の銅ベース板１００４に接続されている。
【０００４】
熱応力を受ける半田接合部には、シリコンチップ１０００とボンディングワイヤ１００１を接続する部分と、絶縁基板１００３と銅ベース板１００４を接続する部分の２箇所がある。シリコンチップ１０００とボンディングワイヤ１００１の熱応力はジャンクション温度、絶縁基板と銅板の接続部の熱応力はケース温度の変動により発生する。
【０００５】
これら電力半導体スイッチング素子は定期点検時に抵抗値を測定することで異常の有無が判断され、異常と判断された場合は部品交換などの適切な処置が施されてきた。
【０００６】
また、インバータ素子のスイッチング回数により素子の寿命を推定する方法が特許文献１に、冷却フィン温度と電力変換器の出力電流より電力半導体スイッチング素子のジャンクション温度を推定して推定温度とパワーサイクルから寿命を推定する方法が特許文献２に、電力半導体スイッチング素子のケース温度から熱疲労サイクル回数を換算して劣化診断をする方法が特許文献３に開示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開平８−２７５５８６号公報（図５と、（００２９）段落、（００３０）段落の記載。）
【０００８】
【特許文献２】特許第２７６７９６５号公報（第２図と３ページ左欄４３行から３ページ右欄２５行の記載。）
【特許文献３】特開２００２−１０１６６８号公報（図１と、（００２２）段落から（００３６）段落にかけての記載。）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、銅ベース板１００４と絶縁基板１００３の半田部の熱劣化は抵抗値を測定しても異常を見つけることはできない。
【００１０】
一方、熱センサを用いて電力半導体スイッチング素子の温度から劣化診断を実施する方法では半田接合部にかかる熱応力を推定し、熱応力とその回数から半田接合部の劣化度合いを予測できるので電力半導体スイッチング素子の劣化をより高精度に判定できるが、電力半導体スイッチング素子ごとに熱センサが必要となり、装置が複雑になる。
【００１１】
本発明の目的は、電力半導体スイッチング素子ごとの熱センサを用いずに電力半導体スイッチング素子の寿命を推定することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、本発明の電力変換器では、電力変換器の入力電流もしくは出力電流から電力半導体スイッチング素子の温度変動分を推定する温度変動幅推定器と、該温度変動幅推定器により推定される温度変化幅により電力半導体スイッチング素子にかかる熱疲労を基準温度差のときの熱疲労サイクル回数に換算する熱サイクル回数算出器と、熱サイクル回数から電力半導体スイッチング素子の寿命を数値で示す表示器と、熱疲労サイクル回数の積算値が所定回数を超えると電力変換器の所有者もしくは保守管理者に警告を出力する警告表示器を有する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の電力変換器は、熱センサを設置せずに電力半導体スイッチング素子の寿命を推定し、電力変換器の所有者もしくは保守管理者に電力半導体スイッチング素子の寿命を事前に通知できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の詳細を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１５】
本実施例について図１を用いて説明する。図１は本実施例の電力変換器１、交流電源２、モータ６を示す。まず、電力変換器１の主回路について説明する。電力変換器１の主回路は、交流電力を整流するダイオード整流器３と、平滑コンデンサ４と、電力半導体スイッチング素子であるＩＧＢＴと、該ＩＧＢＴに逆並列に接続する還流ダイオードとを有するインバータ５により構成される。
【００１６】
インバータ５は波形制御器５００によって制御される。具体的には、波形制御器５００は電流検出器１０で検出した直流電流検出値、電圧検出器１１で検出した直流電圧検出値、位置センサ１２で検出した軸検出位置を入力とし、モータ６の回転数が指令値に追従するよう、インバータ５のゲート信号を算出する。波形制御器５００で算出されたゲート信号はゲートドライバ６００で増幅され、ゲート電圧としてＩＧＢＴに入力される。
【００１７】
以降、本発明の特徴である寿命推定器１００、表示器２１、および電力変換器１の保守サービス支援システム５０について説明する。本実施例の電力変換器はインバータ５のＩＧＢＴの寿命を推定する寿命推定器１００を有する。この寿命推定器１００は温度変動幅推定器１０１を備えている。温度変動幅推定器１０１は電力変換器１の運転中の最大ＩＧＢＴケース温度上昇分と停止時のＩＧＢＴケース温度低下分を推定し、１回の運転によるＩＧＢＴケース温度を推定する。具体的には、電流検出器１０の出力値をフィルタ２００に入力してスイッチングによるリプルを除去し、１度の運転中における電流検出器１０出力値の最大値を最大値検出器２０１で検出し、その出力である電流検出値最大値Ｉmax を熱テーブル２０２に入力する。出力電流が既知のとき、ＩＧＢＴで発生する損失やＩＧＢＴジャンクション温度、ケース温度はオフラインで計算できる。
【００１８】
熱テーブル２０２は図９に示される電流検出値最大値Ｉmax とＩＧＢＴケース温度の対応表を備える。ここで、Ｉｒは定格出力時の電流値、Ｔ１からＴ５はそれぞれの領域の電流値が流れたときにＩＧＢＴケース温度が上昇すると予想される温度幅の最大値であり、あらかじめ測定しておいた温度である。熱テーブル２０２はＩＧＢＴケース温度対応表の温度上昇幅Ｔ_maxを冷却演算器２０５と減算器２０６に出力する。
【００１９】
一方、電力変換器１への指令が停止指令となったとき、運転指令を入力とする反転器２０３の出力値はタイマ２０４の起動信号となり、タイマ２０４は停止時間tstop を計測する。冷却演算器２０５は熱テーブル２０２の出力値Ｔ_maxとタイマ２０４の出力値より温度低下分を算出する。
【００２０】
ケース温度は図２に示されるように冷却フィンの熱容量と熱抵抗で決まる時定数τで冷却されるため、冷却演算器２０５内部では（数１）式で示される演算を実施する。
【００２１】
Ｔ_min＝Ｔ_max×exp（−tstop／τ） …（数１）
熱テーブル２０２と冷却演算器２０５により算出されたＴ_maxとＴ_minは減算器２０６に入力され、温度変化幅ΔＴが算出される。
【００２２】
以上の方法により温度変動幅推定器１０１は電力変換器１の運転中の最大ＩＧＢＴケース温度上昇分と停止時のＩＧＢＴケース温度低下分を推定し、１回の運転によるＩＧＢＴケース温度変動幅を推定する。
【００２３】
温度変動幅推定器１０１の出力値ΔＴは熱疲労サイクル回数算出器１０３に入力される。熱疲労サイクル回数算出器１０３は運転指令が来るたびに前回の運転で発生した温度変動幅ΔＴを基準温度変動幅の熱疲労サイクル回数に換算する。
【００２４】
具体的には、図３に示すテーブルを用い、温度変動幅ΔＴに対して対応する熱疲労サイクル回数Ｎを出力する。ここで、Ｔref は基準温度変化幅である。履歴演算器１０４は熱疲労サイクル回数を積算し、比較器１０５、規格化演算器１０６、推定余命演算器１０７に出力する。比較器１０５は履歴演算器１０４の出力である熱疲労サイクル回数積算値と所定回数を比較し、比較結果を警告灯２０とネットワーク接続器２２に出力する。
【００２５】
ここで、所定回数とはＩＧＢＴのパワーサイクル寿命回数より少ない値とする。たとえば、本実施例では、パワーサイクル寿命回数に０.９を乗算した値とする。
【００２６】
警告灯２０は該積算値が所定回数以上であれば点灯する。警告灯２０の点灯により電力変換器１の保守管理者および所有者はＩＧＢＴの寿命が近いことを知ることができるため、ＩＧＢＴが破損する前にＩＧＢＴを交換することにより電力変換器の故障を防ぐことができる。
【００２７】
次に劣化表示について説明する。図１の規格化演算器１０６は熱疲労サイクル回数積算値を前記所定回数で規格化し、表示器２１とネットワーク接続器２２に規格化した劣化度を出力する。推定余命演算器１０７は一日ごとの熱疲労サイクル回数積算値を蓄積して線形近似し、熱疲労サイクル回数積算値が前記所定回数を超えるまでの期間である推定余命期間を算出し、その出力を表示器２１とネットワーク接続器２２に出力する。表示器２１は電力変換器１の表面に設置され、規格化演算器１０６と推定余命演算器１０７の出力値を数値表示する。
【００２８】
表示器２１に規格化された熱疲労サイクル回数積算値と、推定余命期間を、例えば劣化度６０％、推定寿命１０年などと表示することにより、電力変換器１の所有者もしくは保守管理者は電力半導体スイッチング素子の劣化度合いを数値で認識でき、推定余命期間がわかるため、電力変換器１の保守計画作成が容易になる。
【００２９】
次に本実施例の電力変換器保守サービス支援システムについて説明する。保守サービス支援システム５０はネットワーク接続器２２、インターネット２３、保守管理者情報端末２４により構成される。
【００３０】
ネットワーク接続器２２は比較器１０５、規格化演算器１０６、推定余命演算器１０７の出力値を熱疲労サイクル回数積算値が前記所定回数以上となればインターネット２３を介して電力変換器１の保守管理者情報端末２４に電力変換器１を識別するための製品番号、劣化度、推定余命を示す電子メールを送る。ここで、ネットワーク接続器２２とインターネット２３とを接続する通信回線は、有線回線であっても無線回線であっても良い。
【００３１】
以上により、本実施例の電力変換器は電力変換器の所有者もしくは保守管理者に警告灯の点灯と電力半導体スイッチング素子の寿命を通知する電子メールの送信により電力半導体スイッチング素子の寿命を事前に通知できるため、電力変換器１の保守管理者が遠隔地にいても電力半導体スイッチング素子の寿命を知ることができる。この通知により、電力変換器１の保守管理者はＩＧＢＴ破損前にＩＧＢＴの交換をすることで電力変換器１の故障を予防できる。
【００３２】
本実施例ではモータドライブ用インバータを例に説明をしたが、図８に示すような直流電源３０の電圧を昇圧リアクトル３１とチョッパ３２で電圧調整し、フィルタコンデンサ３３とフィルタリアクトル３４でスイッチングリプルを低減して負荷３５に電力を供給もしくは電力を回生する双方向チョッパでも同様である。
【００３３】
本実施例によれば、熱センサを用いずに電力半導体スイッチング素子の寿命を推定し、電力変換器の所有者もしくは保守管理者に電力半導体スイッチング素子の寿命を事前に通知できる。また、劣化度合いと、推定余命期間を表示することにより電力変換器の保守計画立案が容易になる。さらに保守管理者へ電力半導体スイッチング素子の寿命が電子メールで事前に通知されるため、電力変換器の保守管理者が遠隔地にいても電力半導体スイッチング素子の寿命を知ることができる。
【００３４】
なお、本実施例ではＩＧＢＴの寿命推定について説明してきたが、パワーＭＯＳＦＥＴであっても同様である。
【実施例２】
【００３５】
本実施例について図４を用いて説明する。本実施例と実施例１の差は温度変動幅推定器１０１に出力電力から電力半導体スイッチング素子で発生する損失を算出する損失算出器３００と、損失を入力とし、電力半導体スイッチング素子の温度を出力とした熱モデルを演算する熱モデル演算器３０１を有する点が異なる。これにより、運転時の出力電力変動が熱時定数より早く変動しても正確に温度変動を推定できる。
【００３６】
以下、実施例１と異なる点のみ説明する。また、図４において、図１と同一機能部は同一符号をつけ、重複する説明を省く。電流検出器１０で検出した電流検出値はフィルタ２００でスイッチングによるリプルを除去する。フィルタ２００の出力値は損失算出器３００に入力される。損失算出器３００はフィルタ２００の出力からＩＧＢＴで発生する損失の関係式を内部に有し、その演算結果Ｐlossを熱モデル演算器３０１に出力する。損失の関係式は事前に測定したフィルタ２００の出力値とＩＧＢＴの損失の関係を近似したものである。
【００３７】
熱モデル演算器３０１は図５に示す等価回路によりＩＧＢＴの温度変動幅を演算する。ここで、図５の電流源７００はＩＧＢＴでの発生損失、抵抗７０１はジャンクション−ケース間熱抵抗、抵抗７０２はケース−フィン間熱抵抗、抵抗７０３はフィン熱抵抗、コンデンサ７０４はフィン熱容量である。図５で、電流源７００の電流値を損失Ｐloss［Ｗ］としたときの電位差Ｔｊ［Ｋ］はジャンクション温度変動幅、電位差Ｔｃ［Ｋ］はケース温度変動幅である。熱モデル演算器３０１により計算されたケース温度Ｔｃは最大値算出器３０２と最小値算出器３０３に入力される。
【００３８】
最大値算出器３０２は運転指令が入力されるたびにクリアされ、一度の運転中のケース温度変動幅Ｔｃの最大値Ｔ_maxを出力する。最小値算出器３０３は運転指令がネガティブになり停止指令になるたびにクリアされ、一度の停止中のケース温度変動幅Ｔｃの最小値Ｔ_minを出力する。減算器３０４はＴ_maxとＴ_minの差であるΔＴを算出し、熱疲労サイクル回数算出器１０３に出力する。
【００３９】
本実施例ではＩＧＢＴのケース温度を用いて絶縁基板と銅板の半田接合部の劣化度を推定するが、熱モデルで算出されるジャンクション温度変動幅Ｔｊを用いてチップと内部配線の半田接合部の劣化度も同時に推定しても良い。
【００４０】
本実施例でのＴ_maxの推定値を図６に示す。上のグラフは電力変換器１の入力電流Ｉ、下のグラフはそのときの最大温度Ｔ_maxである。図６で、実線で示すＴ_maxが本実施例で推定したＴ_maxである。本実施例では温度上昇時の熱時定数も用いているため、出力電力が冷却フィンの熱時定数より短い時間で変動する場合にも推定誤差が小さい。なお、熱時定数を無視すると図６の破線で示すような最大温度Ｔ_maxになる。
【００４１】
このように、本実施例では温度演算ブロックによりリアルタイムで温度推定を実施するため、推定誤差を低減することができるので、より正確な寿命推定が実現できる。
【００４２】
本実施例によれば、熱センサを用いずに電力半導体スイッチング素子の寿命を推定し、電力変換器の所有者もしくは保守管理者に電力半導体スイッチング素子の寿命を事前に通知できる。また、劣化度合いと、推定余命期間を表示することにより電力変換器の保守計画立案が容易になる。
【００４３】
さらに保守管理者へ電力半導体スイッチング素子の寿命が電子メールで事前に通知されるため、電力変換器の保守管理者が遠隔地にいても電力半導体スイッチング素子の寿命を知ることができる。加えて本実施例では電力半導体スイッチング素子の熱モデルを演算するため、より正確に電力半導体スイッチング素子の寿命推定が実現できる。
【実施例３】
【００４４】
本実施例について図１０を用いて説明する。本実施例と実施例２の差は温度変動幅推定器１０１の最大値算出器３０２と最小値算出器３０３のクリア条件を運転・停止指令ではなく、入力電流値と所定値の大小比較結果を用いる点のみが異なる。
【００４５】
以下、実施例２と異なる点のみを説明する。また、図１０において、図４と同一機能部は同じ符号をつけ、重複する説明を省く。電流検出器１０の出力値はフィルタ４００に入力される。フィルタ４００はスイッチングによる電流リプルを除去する。フィルタ４００の出力値と固定値である運転判定値は比較器４０１に入力され、その大小比較結果が最大値算出器３０２と最小値算出器３０３のクリア条件となる。
【００４６】
具体的には、フィルタ４００の出力値が運転判定値より大きくなったとき、最大値算出器３０２はクリアされ、フィルタ４００の出力値が運転判定値より小さくなったとき、最小値算出器３０３はクリアされる。
【００４７】
以上のように、インバータ５の入力電流が所定値を超えると電力変換器運転とみなしてＩＧＢＴ温度最大値の算出を開始し、入力電流が所定値を下回ると電力変換器停止とみなしてＩＧＢＴ温度最小値の算出を開始する。
【００４８】
ここで、本実施例の運転判定値は負荷がある状態を推定するための定数であるため、定格運転時の１０％〜５０％程度が良い。また、比較器４０１はフィルタ４００の出力値と運転判定値の大小比較値を出力するが、この出力値のばたつきを防ぐため、ヒステリシス特性を持たせても良い。比較器４０１の出力値は熱疲労サイクル回数算出器１０３にも入力される。熱疲労サイクル回数算出器１０３では比較器４０１の出力が変化する度に温度変動幅推定器１０１の出力から熱疲労サイクル回数を算出する。
【００４９】
以上より、本実施例の電力変換器は図１１に記載のような不規則な電流出力を伴う負荷変動に対してもＩＧＢＴ温度変動回数を適切に検出することができるため、より正確な寿命推定ができる。
【００５０】
本実施例によれば、熱センサを用いずに電力半導体スイッチング素子の寿命を推定し、電力変換器の所有者もしくは保守管理者に電力半導体スイッチング素子の寿命を事前に通知できる。また、劣化度合いと、推定余命期間を表示することにより電力変換器の保守計画立案が容易となる。
【００５１】
さらに保守管理者へ電力半導体スイッチング素子の寿命が電子メールで事前に通知されるため、電力変換器の保守管理者が遠隔地にいても電力半導体スイッチング素子の寿命を知ることができる。加えて本実施例では電力半導体スイッチング素子の熱モデルを計算し、さらに最大温度算出と最小温度算出の開始タイミングを、出力電流を用いて判定できるため、負荷変動が繰り返される電力変換器の電力半導体スイッチング素子の寿命推定がより正確にできる。
【実施例４】
【００５２】
本実施例を、図１２を用いて説明する。本実施例と実施例３の差は、保守サービス支援システム５０が電力半導体スイッチング素子の推奨交換時期算出器２５を有する点である。これにより、電力変換器の保守者と所有者に電力半導体スイッチング素子の推奨交換時期を通知できるため、電力変換器の保守がより容易になる。
【００５３】
以下、先の実施例と異なる点のみ説明する。また、図１２において、図１０と同一機能部は同一符号をつけ、重複する説明を省く。電力変換器１のネットワーク接続器２２はインターネット２３を介して保守管理者情報端末に規格化演算器１０６と推定余命演算器１０７の出力値を電子メールで保守管理者情報端末２４に送信する。
【００５４】
保守管理者情報端末２４により受信された推定余命演算器１０７の情報は推奨交換時期算出器２５に出力される。推奨交換時期算出器２５は熱疲労サイクル回数積算値が警告出力判定定数を超えると想定される時期より所定期間だけ前の時期を算出し、保守管理者情報端末２４に出力する。ここで、所定期間とは例えば１ヶ月程度である。
【００５５】
保守管理者情報端末２４は推奨交換時期算出器２５の出力値と規格化演算器１０６の出力値と推定余命演算器１０７の出力値と電力変換器１の製品番号が記載された電子メールを保守管理者情報端末２４と電力変換器１の所有者情報端末２６に送信する。
【００５６】
以上により、本実施例の保守システムでは電力半導体スイッチング素子の寿命を通知するのみでなく、電力半導体スイッチング素子の適切な交換時期を電力変換器の保守管理者もしくは所有者に自動通知できるため、電力変換器の保守計画立案をより容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】実施例１の電力変換器の説明図。
【図２】ケース温度の熱時定数の説明図。
【図３】実施例１で温度変動幅に対応する熱疲労サイクル回数を換算するテーブルの説明図。
【図４】実施例２の電力変換器の説明図。
【図５】実施例２の熱モデル演算器が用いる等価回路の説明図。
【図６】実施例２で推定したＴ_maxの説明図。
【図７】ＩＧＢＴの概略説明図。
【図８】実施例１の別の電力変換器の説明図。
【図９】実施例１の熱テーブルの説明図。
【図１０】実施例３の電力変換器の説明図。
【図１１】負荷変動の説明図。
【図１２】実施例４の電力変換器の説明図。
【符号の説明】
【００５８】
１…電力変換器、２…交流電源、３…ダイオード整流器、４…平滑コンデンサ、５…インバータ、６…モータ、１０…電流検出器、１１…電圧検出器、１２…位置センサ、２０…警告灯、２１…表示器、２２…ネットワーク接続器、２３…インターネット、２４…保守管理者情報端末、２５…推奨交換時期算出器、２６…所有者情報端末、３０…直流電源、３１…昇圧リアクトル、３２…チョッパ、３３…フィルタコンデンサ、３４…フィルタリアクトル、３５…負荷、５０…保守サービス支援システム、１００…寿命推定器、１０１…温度変動幅推定器、１０３…熱疲労サイクル回数算出器、１０４…履歴演算器、１０５、４０１…比較器、１０６…規格化演算器、１０７…推定余命演算器、２００、４００…フィルタ、２０１…最大値検出器、２０２…熱テーブル、２０３…反転器、２０４…タイマ、２０５…冷却演算器、２０６、３０４…減算器、３００…損失算出器、３０１…熱モデル演算器、３０２…最大値算出器、３０３…最小値算出器、５００…波形制御器、６００…ゲートドライバ、７００…電流源、７０１〜７０３…抵抗、７０４…コンデンサ、１０００…シリコンチップ、１００１…ボンディングワイヤ、１００２…主電極、１００３…絶縁基板、１００４…銅ベース板。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともひとつの電力半導体スイッチング素子を有し、運転中は電力半導体スイッチング素子の温度が上昇し、停止中は温度が低下する電力変換器であって、
電力変換器の入力電流もしくは出力電流を用いて電力変換器の運転、停止により発生する電力半導体スイッチング素子の温度変化幅を推定する手段と、
該温度変動幅が予め定めた温度変動幅を超えた回数をカウントするカウント手段と、
該カウント値もしくはカウント値を規格化した値を劣化度として表示する手段とを有することを特徴とする電力変換器。
【請求項２】
請求項１記載の電力変換器において、前記カウント手段が、電力変換器の運転による電力半導体スイッチング素子の熱疲労を前記温度変化幅により補正する補正手段を有し、該補正手段の出力値を前記カウント手段の出力値とすることを特徴とする電力変換器。
【請求項３】
少なくともひとつの電力半導体スイッチング素子を有し、運転中は電力半導体スイッチング素子の温度が上昇し、停止中は温度が低下する電力変換器であって、
該電力変換器の入力電流もしくは出力電流と所定値とを比較する比較手段と、
前記入力電流もしくは出力電流が前記所定値より大きい場合の温度上昇幅を推定する温度上昇幅推定手段と、
前記入力電流もしくは出力電流が前記所定値より小さい場合の温度低下を推定する温度低下幅推定手段と、
前記温度上昇推定幅手段の出力値と温度低下推定幅手段の出力値とから温度変化幅を推定する手段と、
該温度変化幅から前記電力半導体スイッチング素子の熱疲労を算出する手段と、該算出した熱疲労を積算する手段と、
該積算値もしくは積算値を規格化した値を劣化度として表示する表示手段とを有することを特徴とする電力変換器。
【請求項４】
請求項３に記載の電力変換器において、前記表示手段が、前記電力半導体スイッチング素子の劣化度を数値表示することを特徴とする電力変換器。
【請求項５】
請求項３に記載の電力変換器において、前記表示手段が、前記電力半導体スイッチング素子の前記劣化度の経時変化を用いて、劣化度が所定値を超えるまでの推定余命を算出する余命演算手段を備え、該算出した推定余命を表示することを特徴とする電力変換器。
【請求項６】
請求項５に記載の電力変換器において、前記電力半導体スイッチング素子の劣化度もしくは推定余命を、該電力変換器の保守管理者もしくは所有者に通信回線を介して送信する送信手段を有することを特徴とする電力変換器。
【請求項７】
請求項３に記載の電力変換器において、前記電力半導体スイッチング素子としてＩＧＢＴを備えていることを特徴とする電力変換器。
【請求項８】
請求項７に記載の電力変換器において、前記電力半導体スイッチング素子としてさらにダイオードを備えていることを特徴とする電力変換器。
【請求項９】
請求項３に記載の電力変換器において、前記温度変化幅を推定する手段が、前記電力半導体スイッチング素子のケース温度の温度変化幅を推定することを特徴とする電力変換器。
【請求項１０】
請求項３に記載の電力変換器において、前記温度変化幅を推定する手段が、前記電力半導体スイッチング素子のジャンクション温度の温度変化幅を推定することを特徴とする電力変換器。
【請求項１１】
請求項３に記載の電力変換器において、前記温度変化幅を推定する手段が、電力変換器の入力電流もしくは出力電流に対応する電力半導体スイッチング素子の温度上昇幅を出力する温度テーブルと、電力変換器の停止時間を計測する停止時間計測手段と、前記温度テーブルと停止時間計測手段の出力から電力半導体スイッチング素子の温度低下幅を推定する冷却換算手段とを有することを特徴とする電力変換器。
【請求項１２】
請求項３記載の電力変換器において、前記温度変化幅を推定する手段が、入力電流もしくは出力電流が所定値より大きいときに、入力電流もしくは出力電流に対応する電力半導体スイッチング素子の温度上昇幅を出力する温度テーブルと、入力電流もしくは出力電流が所定値より小さい期間の時間を計測する時間計測手段と、前記温度テーブルと時間計測手段との出力から、電力半導体スイッチング素子の温度低下幅を推定する冷却換算手段を有することを特徴とする電力変換器。
【請求項１３】
請求項３に記載の電力変換器において、前記温度変化幅を推定する手段が、電力変換器の入力電流もしくは出力電流から電力半導体スイッチング素子の損失を換算する損失換算手段と、算出した損失を入力して電力半導体スイッチング素子の温度を推定する熱モデルとを有することを特徴とする電力変換器。
【請求項１４】
請求項１３に記載の電力変換器において、前記温度変化幅を推定する手段が、運転時の推定温度最高値と、停止時の推定温度最小値の差を出力することを特徴とする電力変換器。
【請求項１５】
請求項１３記載の電力変換器において、前記温度変化幅を推定する手段が、入力電流もしくは出力電流が所定値を超えたときの推定温度の最高値と、入力電流もしくは出力電流が諸定値を下回るときの推定温度最小値との差を出力することを特徴とする電力変換器。
【請求項１６】
電力半導体スイッチング素子を有する電力変換器の管理システムであって、
該電力変換器の管理システムが、電力変換器に備えた寿命推定手段と、保守通知手段とを備え、
前記寿命推定手段が、前記電力変換器の入力電流もしくは出力電流と所定値とを比較する比較手段と、
前記入力電流もしくは出力電流が前記所定値より大きい場合の温度上昇幅を推定する温度上昇幅推定手段と、
前記入力電流もしくは出力電流が前記所定値より小さい場合の温度低下を推定する温度低下幅推定手段と、
前記温度上昇推定幅手段の出力値と温度低下推定幅手段の出力値とから温度変化幅を推定する手段と、
該温度変化幅から前記電力半導体スイッチング素子の熱疲労を算出する手段と、該算出した熱疲労を積算する手段と、
該積算値もしくは積算値を規格化した値を出力する手段とを有し、
前記寿命推定手段が出力する保守情報を前記保守通知手段を介して前記電力変換器の保守管理者あるいは所有者に送信することを特徴とする電力変換器の管理システム。
【請求項１】
少なくともひとつの電力半導体スイッチング素子を有し、運転中は電力半導体スイッチング素子の温度が上昇し、停止中は温度が低下する電力変換器であって、
電力変換器の入力電流もしくは出力電流を用いて電力変換器の運転、停止により発生する電力半導体スイッチング素子の温度変化幅を推定する手段と、
該温度変動幅が予め定めた温度変動幅を超えた回数をカウントするカウント手段と、
該カウント値もしくはカウント値を規格化した値を劣化度として表示する手段とを有することを特徴とする電力変換器。
【請求項２】
請求項１記載の電力変換器において、前記カウント手段が、電力変換器の運転による電力半導体スイッチング素子の熱疲労を前記温度変化幅により補正する補正手段を有し、該補正手段の出力値を前記カウント手段の出力値とすることを特徴とする電力変換器。
【請求項３】
少なくともひとつの電力半導体スイッチング素子を有し、運転中は電力半導体スイッチング素子の温度が上昇し、停止中は温度が低下する電力変換器であって、
該電力変換器の入力電流もしくは出力電流と所定値とを比較する比較手段と、
前記入力電流もしくは出力電流が前記所定値より大きい場合の温度上昇幅を推定する温度上昇幅推定手段と、
前記入力電流もしくは出力電流が前記所定値より小さい場合の温度低下を推定する温度低下幅推定手段と、
前記温度上昇推定幅手段の出力値と温度低下推定幅手段の出力値とから温度変化幅を推定する手段と、
該温度変化幅から前記電力半導体スイッチング素子の熱疲労を算出する手段と、該算出した熱疲労を積算する手段と、
該積算値もしくは積算値を規格化した値を劣化度として表示する表示手段とを有することを特徴とする電力変換器。
【請求項４】
請求項３に記載の電力変換器において、前記表示手段が、前記電力半導体スイッチング素子の劣化度を数値表示することを特徴とする電力変換器。
【請求項５】
請求項３に記載の電力変換器において、前記表示手段が、前記電力半導体スイッチング素子の前記劣化度の経時変化を用いて、劣化度が所定値を超えるまでの推定余命を算出する余命演算手段を備え、該算出した推定余命を表示することを特徴とする電力変換器。
【請求項６】
請求項５に記載の電力変換器において、前記電力半導体スイッチング素子の劣化度もしくは推定余命を、該電力変換器の保守管理者もしくは所有者に通信回線を介して送信する送信手段を有することを特徴とする電力変換器。
【請求項７】
請求項３に記載の電力変換器において、前記電力半導体スイッチング素子としてＩＧＢＴを備えていることを特徴とする電力変換器。
【請求項８】
請求項７に記載の電力変換器において、前記電力半導体スイッチング素子としてさらにダイオードを備えていることを特徴とする電力変換器。
【請求項９】
請求項３に記載の電力変換器において、前記温度変化幅を推定する手段が、前記電力半導体スイッチング素子のケース温度の温度変化幅を推定することを特徴とする電力変換器。
【請求項１０】
請求項３に記載の電力変換器において、前記温度変化幅を推定する手段が、前記電力半導体スイッチング素子のジャンクション温度の温度変化幅を推定することを特徴とする電力変換器。
【請求項１１】
請求項３に記載の電力変換器において、前記温度変化幅を推定する手段が、電力変換器の入力電流もしくは出力電流に対応する電力半導体スイッチング素子の温度上昇幅を出力する温度テーブルと、電力変換器の停止時間を計測する停止時間計測手段と、前記温度テーブルと停止時間計測手段の出力から電力半導体スイッチング素子の温度低下幅を推定する冷却換算手段とを有することを特徴とする電力変換器。
【請求項１２】
請求項３記載の電力変換器において、前記温度変化幅を推定する手段が、入力電流もしくは出力電流が所定値より大きいときに、入力電流もしくは出力電流に対応する電力半導体スイッチング素子の温度上昇幅を出力する温度テーブルと、入力電流もしくは出力電流が所定値より小さい期間の時間を計測する時間計測手段と、前記温度テーブルと時間計測手段との出力から、電力半導体スイッチング素子の温度低下幅を推定する冷却換算手段を有することを特徴とする電力変換器。
【請求項１３】
請求項３に記載の電力変換器において、前記温度変化幅を推定する手段が、電力変換器の入力電流もしくは出力電流から電力半導体スイッチング素子の損失を換算する損失換算手段と、算出した損失を入力して電力半導体スイッチング素子の温度を推定する熱モデルとを有することを特徴とする電力変換器。
【請求項１４】
請求項１３に記載の電力変換器において、前記温度変化幅を推定する手段が、運転時の推定温度最高値と、停止時の推定温度最小値の差を出力することを特徴とする電力変換器。
【請求項１５】
請求項１３記載の電力変換器において、前記温度変化幅を推定する手段が、入力電流もしくは出力電流が所定値を超えたときの推定温度の最高値と、入力電流もしくは出力電流が諸定値を下回るときの推定温度最小値との差を出力することを特徴とする電力変換器。
【請求項１６】
電力半導体スイッチング素子を有する電力変換器の管理システムであって、
該電力変換器の管理システムが、電力変換器に備えた寿命推定手段と、保守通知手段とを備え、
前記寿命推定手段が、前記電力変換器の入力電流もしくは出力電流と所定値とを比較する比較手段と、
前記入力電流もしくは出力電流が前記所定値より大きい場合の温度上昇幅を推定する温度上昇幅推定手段と、
前記入力電流もしくは出力電流が前記所定値より小さい場合の温度低下を推定する温度低下幅推定手段と、
前記温度上昇推定幅手段の出力値と温度低下推定幅手段の出力値とから温度変化幅を推定する手段と、
該温度変化幅から前記電力半導体スイッチング素子の熱疲労を算出する手段と、該算出した熱疲労を積算する手段と、
該積算値もしくは積算値を規格化した値を出力する手段とを有し、
前記寿命推定手段が出力する保守情報を前記保守通知手段を介して前記電力変換器の保守管理者あるいは所有者に送信することを特徴とする電力変換器の管理システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
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【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００７−２８７４１（Ｐ２００７−２８７４１Ａ）
【公開日】平成１９年２月１日（２００７．２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２０５０３６（Ｐ２００５−２０５０３６）
【出願日】平成１７年７月１４日（２００５．７．１４）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年２月１日（２００７．２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年７月１４日（２００５．７．１４）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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