功率转换装置、电动机控制系统和功率转换装置的诊断方法与流程

本发明涉及功率转换装置，特别涉及铁路车辆和大型工业用的电动机的控制用或功率用半导体开关元件构成的功率转换装置的维护或者诊断技术。

背景技术：

铁路车辆和大型工业用的电动机的控制用途或功率系统用等的大容量的频率转换装置等功率转换装置中，使用大容量的功率模块，进行高电压且大电流的功率控制。这样的设备中，存在运转中发生故障时发生系统损坏或计划外的系统停止，产生较大经济损失的可能性。为了防止这样的状况，需要检查功率转换装置的劣化和异常，防止功能停止导致的破坏，和对相关人员通知是否需要进行部件更换等的维护，进行功率转换装置的延长寿命控制。

大容量功率模块中，设计成将小容量的半导体芯片(晶体管和二极管)并联连接，且各半导体芯片均等地进行开关动作。

但是，只要在功率转换装置运转中功率模块内的半导体芯片中的一个的元件参数超过容许误差范围，开关的时序就会与其他芯片不同，发生该元件中流过的电流集中或难以流过等不均衡。其结果，存在功率模块整体热失控，导致破坏的可能性。

因此，有在各个半导体芯片中安装热敏电阻等温度传感器的方法，但存在成本增加和温度传感器自身的可靠性的问题。于是，已知直接检测半导体芯片自身的温度(结温)的异常的技术。作为这样的例子，有专利文献1。该例中，公开了通过检测igbt(insulatedgatebipolartransistor，绝缘栅双极晶体管)元件的开关关断阶段中的栅极-发射极电压的米勒平台阶段的开始和结束阶段时间延迟，来确定igbt元件的结温的方法。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2013-142704号公报。

技术实现要素：

发明要解决的技术问题

如上所述，对于功率转换装置的稳定运转，作为发热源的功率模块内的半导体芯片的温度和冷却系统的监视是重要的。

但是，存在功率转换装置运转中的功率模块内的各个芯片的热分布，热历程因芯片的位置而不同。其结果，各个芯片的长期可靠性的误差与初始特性的误差相比更大，所以要求精度良好地检测模块内的1个芯片的温度异常。关于这一点，在由并联芯片构成的模块中，使用专利文献1的方法的情况下，结果会表现出并联芯片的平均温度，不能精度良好地检测功率模块的温度异常。另外，在各个芯片中安装温度传感器时，功率模块的成本提高，并且温度传感器的可靠性低的情况下检测精度也会降低。

本发明目的在于提供一种能够精度良好地检测功率模块的温度异常的功率转换装置、电动机控制系统和功率转换装置的诊断方法。

用于解决问题的技术手段

本发明的功率转换装置，其包括具有开关元件的功率用半导体模块，该功率转换装置的特征在于，包括：栅极驱动电路，其驱动开关元件，发送开关元件的开关动作时产生的响应信号；控制部装置，其对栅极驱动电路输出用于开关的指令信号；温度检测部，其基于与指令信号对应的响应信号，计算开关元件的结温；和运算部，其根据由温度检测部计算出的结温和响应信号，判断功率用半导体模块的状态。

另外，本发明也可以理解为具有上述功率转换装置的电动机控制系统和功率转换装置的诊断方法。

发明效果

根据本发明，能够精度良好地检测功率模块的温度异常。

附图说明

图1是表示功率转换装置的实施方式的框图。

图2是表示图1的由并联芯片构成的功率模块的框图。

图3是表示图1的取得指令信号和响应信号的实施方式的框图。

图4是表示实施例中平均温度变化时的关断下的栅极电压波形和设定值的图

图5是表示实施例中平均温度相同且发生温度不均衡时的关断下的栅极电压波形和设定值的图。

图6是说明实施例中的指令信号和响应信号的图。

图7是表示实施例中的第一响应信号的延迟时间的温度依赖性的图。

图8是表示实施例中的元件温度的时序数据的图。

图9是表示将实施例中的元件温度的时序数据转换为直方图得到的温度振幅频度数据的图。

图10是说明实施例中的gui的图。

图11是将诊断系统应用于铁路的情况下的系统框图。

具体实施方式

以下，对于本实施方式基于附图详细说明。

＜1.系统整体结构＞

对于本实施例的诊断系统100使用图1、图2、图11进行说明。

图1是本实施例中的系统整体的模块结构图。图1中，本系统主要由功率转换装置1、该功率转换装置1作为负载所驱动的三相电动机2、用于监视功率转换装置1和电动机2的状态的图形用户界面(gui)9构成。功率转换装置1中包括控制装置7。在功率转换装置1与电动机2之间设置有用于测定对电动机2供给的相电流的电流传感器8a、8b。gui9例如是与控制装置7一体或分体地形成的由lcd(liquidcrystaldisplay：液晶显示器)等构成的显示装置。

功率转换装置1是将直流6转换为三相交流而控制电动机2的装置。功率转换装置1包括平滑电容器5、多个功率模块3a～3f、栅极驱动电路4a～4f和控制装置7。控制装置7包括参数运算部701、温度检测部702、控制部703、逻辑部704、电流检测部705、指令响应发送接收部706。而且，温度检测部702具有信号分支器31、时间计测部37(图3)。栅极驱动电路4a～4f和控制装置7被绝缘元件10(光耦合型元件、磁耦合型元件、静电耦合型元件等)绝缘。另外，图1中栅极驱动电路4a～4f被配置在功率模块3a～3f的外侧，但也可以内置在功率模块3a～3f中。关于它们的具体动作在后文中叙述。

功率模块3a～3f是具有将晶体管例如igbt(绝缘栅双极型晶体管)或mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)与二极管(pn二极管、肖特基势垒二极管等)逆并联连接的开关元件的功率用半导体模块。为了控制大电流，可以在功率模块3a～3f(以下简记作功率模块3)中，如图2所示地并联连接多个小容量的半导体芯片(16a、16b、16c)。功率模块3中分别设置有发射极端子、集电极端子和栅极端子。另外，本实施例中，在功率模块3中使用了igbt，但使用mosfet的情况下，将发射极端子改为源极端子、集电极端子改为漏极端子即可。

在图2中示出功率模块3的具体例。为了控制大电流，各功率模块3是大容量的，将多个小容量的半导体芯片16a～16c并联连接而成。半导体芯片16a在同一半导体芯片上逆并联地制作了晶体管15和二极管14，但也可以将晶体管15和二极管14制作在不同的半导体芯片上并进行逆并联连接。在功率模块3中设置有集电极端子11、栅极端子12、发射极端子13。

图3表示由图1所示的本系统生成指令信号和响应信号，并取得延迟时间的具体例。参数运算部701经由指令响应发送接收部706对温度检测部702输出生成的pwm指令信号32a，并且经由绝缘耦合元件10a设定第一驱动电压设定值30a和第二驱动电压设定值30b作为比较器36的参考电压。如后所述，对于第一驱动电压设定值30a，设定比第二驱动电压设定值30b更小的值。温度检测部702对于由参数运算部701生成的pwm指令信号32a，用信号分支器31使其分支为开始指令信号32b和停止指令信号32c。停止指令信号32c用经过绝缘耦合元件10a后的停止指令信号32d驱动栅极驱动电路371。

比较器36由使用了运算放大器的比较器电路构成，与各功率模块3的栅极和发射极连接，用第一驱动电压设定值30a和第二驱动电压设定值30b作为基准的参考电压，发生与停止指令信号32d对应的响应信号33a。响应信号33a经由绝缘耦合元件10b成为响应信号33b，对温度检测部702的时间计测部37传输。时间计测部37对从信号分支器31输出的开始指令信号32b与响应信号33b的时间差进行计测，作为响应信号33c对参数运算部701发送。时间计测部37例如由使用了时间/数字转换器的电路构成。响应信号33d作为响应信号33b的分支信号，对参数运算部701传输。本实施例中，因为用绝缘耦合元件10a在低电压下进行时间计测，所以能够减少噪声的影响。

关于第一驱动电压设定值30a和第二驱动电压设定值30b的例子，用图4示出。以下示出的第一驱动电压设定值30a和第二驱动电压设定值30b是基于发明人的发现而得到的。如图4上部所示，关断的栅极电压波形40随着功率模块3的温度上升而在区域41中延迟。例如，在图4下部的放大图中，示出室温的波形42、70℃的波形43、110℃的波形44和150℃的波形45。本实施例中，将第一驱动电压设定值30a作为第一阈值47、将第二驱动电压设定值30b作为第二阈值46示出。如果功率模块3的温度均匀(功率模块3之间的温度不均衡非常小)，则第一驱动电压设定值30a和第二驱动电压设定值30b中的波形延迟量与功率模块的温度成正比。例如，如图7所示的表示波形延迟量的温度依赖性的曲线图所示，随着功率模块的温度上升，波形延迟量增大。从而，可知图4所示的波形中波形45的延迟量最大。

图5表示各功率模块3的温度均匀的波形51、和发生了±30℃不均衡的波形52。波形51、波形52中平均温度都是70℃。在表示第一驱动电压设定值30a的第一阈值47，不存在波形51与波形52的延迟量的差。另一方面，在表示第二驱动电压设定值30b的第二阈值46，因为发生了温度不均衡，所以波形51与波形52相比延迟时间更小。因此，发现了在第一阈值46的延迟时间表示功率模块的平均温度，第二阈值47表示不均衡。

在图6中示出指令信号和响应信号的例子。指令信号60是pwm指令信号32a的一部分，响应信号61是用比较器36生成的响应信号33b的一部分。用时间计测部37计测延迟时间62。波形63表示关断的响应信号的功率模块温度依赖性。图6所示的波形，是用第一驱动电压设定值30a所示的设定电压生成的响应信号的波形，对应于图4的栅极波形。即，波形64表示室温的波形42，波形65表示70℃的波形43，波形66表示110℃的波形44，波形67表示150℃的波形45。延迟时间例如使用响应信号的2.5v下的值。温度检测部702参考预先取得的校正数据或回归模型，根据延迟时间计算出温度。温度检测部702基于指令信号和响应信号，计算出信号延迟量和结温，对控制部703和参数运算部701发送信号。

这样，根据本实施例，能够提供一种系统，其取得功率转换装置1内的各个功率用半导体元件的结温和温度不均衡，将测定结果反馈至电动机控制而实施功率用模块的延长寿命措施，警告交换部件。

接着，对于功率模块3的损伤度和剩余寿命推定方法进行说明。

参数运算部701使用从温度检测部702得到的pwm指令信号和结温的时序数据，通过运算来推定功率模块3的损伤度和剩余寿命。上述时序数据，是从温度检测部702得到的过去的pwm指令信号和结温，蓄积在参数运算部701具有的存储器芯片中。

图8是表示本实施例中的时序数据的图，图8(a)表示pwm指令信号，图8(b)表示芯片的温度(结温)，图8(c)表示冷却器38(图11)的温度的推移。因为存在冷却能力因运转环境而不足的情况，所以进行功率转换装置1中搭载的冷却器38的监视和控制。

图8(a)中，pwm指令信号101占空比大，pwm指令信号102占空比小。与这些pwm指令信号对应地，结温如图8(b)所示，结温的时序数据107例如具有极大值103和极小值104，振动地变化。占空比大的pwm指令信号101下，结温具有上升倾向，占空比小的pwm指令信号102下，结温具有下降倾向。另外，如图8(c)所示，冷却器温度的时序数据108在如图8(b)所示上述结温推移的情况下，与该推移相应地冷却器38的温度略微延迟地缓慢推移。例如，从时刻t1到t2上述结温具有上升倾向的情况下，冷却器38的温度在之后的时刻成为极大值106。另外，在上述结温从下降倾向转为上升倾向的时刻成为极小值105。

本实施例的着眼点之一在于检测功率转换装置1内的多个功率模块3之间的损伤的不均衡，对系统故障防患于未然。从而，参数运算部701在图8(b)所示的结温的热循环中，取得结温的热循环的频度分布。作为将热循环转换为频度的方法，例如使用雨流计数算法即可。

在图9中示出将结温的时序数据转换为直方图得到的温度振幅频度的例子。横轴的温度振幅δt例如从gui9按5℃刻度地设定。纵轴是循环数的对数表示。热循环额定值110使用在功率模块出厂时提供的功率模块试验结果。ni是温度ti下的最大循环数，ni是在温度ti下由参数运算部701得到的循环数。

例如，图8(b)所示的结温的时序数据107中，温度振幅δt下的规定时间t1到t2之间的循环数是4。参数运算部701将这样得到的循环数的对数作为温度振幅δt下的频度相加。出厂时与温度相应的热循环数是热循环额定值110，所以各温度ti的损伤度di由di＝ni/ni得出。由此，总损伤度由各温度下的损伤度的总和d＝σdi得出。本方法中，损伤度处于与现有方法相比更大的方向，但功率模块的不均衡检测的精度提高。参数运算部701能够基于上述运算结果，在功率转换装置显示部17和gui9上示出损伤模块。

在图10中示出功率转换装置显示部17的具体例。功率转换装置显示部17例如由液晶面板构成，如图10所示，对于每个功率模块显示温度显示部121、寿命显示部122和损伤度123。参数运算部701能够在温度显示部121中显示各个功率模块的平均结温和最大结温，在寿命显示部122中显示损伤度123。平均结温是构成功率模块3的各个半导体芯片16的结温的平均值。最大结温是构成功率模块3的各个半导体芯片16中的结温的最大值。当然，参数运算部701也可以显示构成功率模块3的各个半导体芯片16中的结温的最小值、和各个半导体芯片16的结温的中值。

另外，也能够由环境信息取得部18取得外部气温等气象数据和铁路等交通工具的运行数据等外部环境数据，参数运算部701也能够基于指令信号、结温、损伤度用逻辑部704生成缓和指令，用控制部703输出缓和控制pwm指令信号。环境信息取得部18由具有温度传感器等各种传感器的芯片等运算装置构成。另外，gui9也能够包括在车辆信息综合系统21(图11)中。另外，如果包括在具备用于监视车辆状态的监视器的中央监视装置22(图11)中，则能够监视多个车辆，能够优化维护计划。

根据以上详细说明的本实施例，能够提供一种功率转换装置，其通过检测功率用半导体的电流变化率并与基准值进行比较判断，从而高精度地检测功率用半导体以及与其相关的功率转换装置的异常和损伤，高精度地防止故障等问题，能够更长时间使用。

图11是将本实施例中的诊断系统100应用于铁路的铁路诊断系统200的框图。如图11所示，铁路诊断系统200具有铁路车辆20、车辆信息综合系统21、中央监视装置22、互联网23、无线通路24、环境信息取得部18。铁路车辆20具有天线25、功率转换装置1、电动机m。进而，功率转换装置1如图11下部所示，功率转换装置显示部17、冷却器38、冷却器显示部39。冷却器38是用于对功率模块3进行冷却的装置，例如对于每个功率模块设置1个冷却器38。冷却器38具备冷却翅片或风扇，在其上安装了温度传感器。功率转换装置1对温度传感器进行监视而将冷却器38控制为适当的温度。

功率转换装置显示部17通过设置在位于铁路车辆20下部的功率转换装置1(vvvf逆变器等)的能够辨认的表面(图11中是车辆侧面)，而能够对于每个功率模块显示如图10所示的温度显示和寿命显示和损伤度，对维护作业人员通知。另外，能够当场识别并确定表现出温度显示、寿命显示和损伤度超过规定阈值的异常的功率模块，所以维护作业效率提高。在功率转换装置显示部17上，在关于功率模块的显示以外，例如也能够在冷却器显示部39中显示提醒清扫冷却器38的警告。

例如，功率转换装置1判断冷却器38中设置的温度传感器是否达到了规定温度，判断达到了规定温度的情况下，判断冷却性能因冷却翅片或风扇的脏污等而降低，如图11下部所示，使与功率模块对应地设置的冷却器38的冷却器显示部39中的显示如冷却器381一般点亮或闪烁等，对维护作业人员通知。通过这样进行关于冷却器38的显示，与功率模块3同样，维护作业人员能够当场识别并确定冷却器38的异常。

另外，如图8所说明，功率模块3的结温的推移与冷却器38的温度的推移具有相关性。从而，维护作业人员在冷却器显示部39和功率转换装置显示部17上显示了异常的情况下，能够判断冷却器38的异常是伴随功率模块3发生的。另一方面，冷却器显示部39上显示异常但功率转换装置显示部17上没有显示异常的情况下，维护作业人员能够判断该异常是由冷却器38引起的异常。

以往，不存在用功率转换装置1确定在因为运转中的冷却能力降低而需要定期地清扫等维护时，功率转换装置1的性能劣化和故障是由功率模块损耗导致的温度上升引起，还是由冷却系统引起的方法，但根据本实施例，能够确定温度异常的原因是哪个装置(功率模块3或冷却器38)。

另外，车辆信息综合系统21是监视车辆内的空调、门、照明等的系统，设置在驾驶座处。另外，也能够用车辆的天线25将gui9的信息用无线通路24经由网络即互联网23发送至中央监视装置22。另外，也能够通过互联网23取得其他车辆信息，由此制定更高效的维护计划。另外，也能够通过部件准备的高效化而降低维护成本。另外，通过用环境信息取得部18取得气象信息和乘客信息，能够进行适当的车辆配置。

如上所述，发明人发现了相对于关断时的栅极电压波形的第一设定值即第一驱动电压设定值30a的指令信号的响应信号延迟，对于功率模块平均温度具有灵敏度，另一方面，相对于第二设定值即第二驱动电压设定值30b的指令信号的响应信号延迟，对于功率模块内的半导体芯片的温度不均衡具有灵敏度。

基于上述发现，本系统如以上所说明，具有基于使用功率模块的关断的栅极电压值的预先决定的2个设定值即第一驱动电压设定值30a和第二驱动电压设定值30b生成的响应信号相对于指令信号的延迟时间计算的温度检测部702，和根据温度检测部702进行的温度检测和温度不均衡检测结果，进行设定功率转换装置的开关元件的导通时的最大电流的值的限制值的缓和运转的控制系统，和进行异常功率模块显示和冷却系统检查指示、警告模块寿命的用户界面部即gui9。

另外，为了计测栅极电压波形的延迟，温度检测部702中包括能够由用户决定第一驱动电压设定值30a和第二驱动电压设定值30b并将驱动电压设定值作为参考电压的比较器36。

另外，本系统中，温度检测部702与功率转换装置是一体结构，或者通过有线、无线和使用端子的可分离的连接中的某一方连接。另外，gui9可以与温度检测部702是一体结构，或者通过有线、无线、和使用端子的可分离的连接中的某一方连接。本实施例中结构的自由度高，所以例如也能够用远程的监视系统对电车等中搭载的功率转换装置进行诊断。

另外，本系统中进行的处理方法中，时间计测部37检测用驱动电压的第一驱动电压设定值30a生成的响应信号相对于指令信号的第一延迟时间，并检测用第二驱动电压设定值30b生成的响应信号相对于指令信号的第二延迟时间，温度检测部702检测基于第一延迟时间计算出的功率模块3的温度和基于第二延迟时间计算出的各功率模块3的温度不均衡，参数运算部701根据用温度检测部702计算出的结温和上述响应信号，判断功率用半导体模块和功率转换装置的状态。

作为具体的结构，使用开关关断时的栅极驱动电压，得到规定期间中的响应信号相对于指令信号的延迟时间。

然后，能够使用延迟时间，对功率转换装置的状态进行诊断。另外，也能够基于诊断结果，进行功率转换装置的控制。另外，能够诊断功率转换装置的异常原因是功率模块还是冷却系统。

另外，本系统包括取得开关动作的基准时间的触发电路，和取得在栅极驱动电压的第一驱动电压设定值30a下生成的响应信号的第一时间、和在第二驱动电压设定值30b下生成的响应信号的第二时间，检测表示第一时间与基准时间的差的数值数据和表示第二时间与基准时间的差的数值数据的延迟时间计算电路。触发电路和延迟时间计算电路设置在时间计测部37中。

另外，本系统中，时间计测部37设定主电流切断时的开关动作的基准时间，计测主电流切断时驱动电压成为第一驱动电压设定值30a的第一时间与基准时间相比的延迟作为第一延迟时间，计测主电流切断时驱动电压成为第二驱动电压设定值30b的第二时间与基准时间相比的延迟作为第二延迟时间。然后，第一驱动电压设定值30a被设定为比第二驱动电压设定值30b更小。

另外，本系统中，包括用直流电流作为输入，对负载输出交流电流的功率转换装置。该装置中，包括多个功率模块、指示多个功率模块进行开关动作的控制指令信号发生部即参数运算部701和与多个功率模块分别对应的多个控制装置。然后，多个功率模块分别包括并联连接的多个半导体开关元件，参数运算部701发生指示多个半导体开关元件切断主电流的控制指令信号，多个控制装置分别包括对于多个功率模块分别决定2种温度的温度检测部702。温度检测部702包括根据控制指令信号设定基准时间的触发电路，和计测主电流切断时控制电压成为第一主电压设定值的第一时间与基准时间相比的延迟作为第一延迟时间，计测主电流切断时控制电压成为第二控制电压设定值的第二时间与基准时间相比的延迟作为第二延迟时间的时间计测部37，根据第一延迟时间确定第一温度，根据第二延迟时间确定第二温度。

从而，根据本实施例，能够提供一种方法，用简单的结构高精度地检测功率用半导体以及与其相关的功率转换装置的异常和损伤，高精度地防止故障等问题，能够更长时间使用。另外，能够提供一种系统，无需对功率用半导体元件进行加工，就能够取得功率转换装置内的各个功率用半导体元件的结温和剩余寿命，将测定结果反馈至电动机控制而实施功率用模块的延长寿命措施，警告交换部件。另外，能够用简单的结构高精度地检测功率用半导体以及与其相关的功率转换装置和冷却系统的异常和劣化，能够将检测结果返回至缓和运转或者维护或诊断。

以上对于实施例进行了说明，但本发明不限定于上述实施例，包括各种变形例。例如，能够将某个实施例的结构的一部分置换为其他实施例的结构，也能够在某个实施例的结构上添加其他实施例的结构。另外，对于各实施例的结构的一部分，能够追加、删除、置换其他结构。

产业上的利用可能性

能够用于各种功率半导体等的维护检查领域。

附图标记的说明

1：功率转换装置，2：电动机，3a、3b、3c、3d、3e、3f：功率模块，4a、4b、4c、4d、4e、4f：栅极驱动电路，7：控制装置，9：gui，706：指令响应发送接收部，702：温度检测部，703：控制部，705：电流检测部，701：参数运算部，704：逻辑部，17：功率转换装置显示部，18：环境信息取得部，20：铁路车辆，21：车辆信息综合系统，22：中央监视装置，25：天线，121：温度显示部，122：寿命显示部，123：损伤度。