本发明涉及电力变换装置，尤其涉及由面向铁路车辆、大型工业的电动机的控制用、电力用半导体开关元件构成的电力变换装置的维护或者诊断技术。
背景技术：
在面向铁路车辆、大型工业的电动机的控制用途、电力系统用等大电容的频率变换装置等的电力变换装置中，使用大电容的功率半导体模块进行高电压且大电流的电力控制。在这种设备中，在运行过程中发生故障时导致系统的损坏、系统计划外的停止，从而有可能引起较大的经济损失。以防止这种状况为目的，需要检测电力变换装置的劣化、异常、防止由功能停止引起的破坏、向相关人员通知需要维护、以及对电力变换装置进行延命控制。
在大电容功率半导体模块上并联地连接有小容量的半导体芯片(晶体管、二极管)，设计成各半导体芯片均等地进行开关动作。
然而，当在电力变换装置的运行过程中功率半导体模块内的半导体芯片中即使是一个元件参数超过允许偏差的范围时，开关定时与其它芯片有所不同，从而产生流过该元件的电流集中或不容易流动等失衡。其结果，半导体模块整体发生热失控而有可能导致破坏。
因此，存在以下方法：在使用电力变换装置将电流导通切断的电力用半导体附近设置温度传感器，来检测电力用半导体的超温异常，但是由于电力用半导体内的热阻发生变化，因此难以检测半导体芯片的温度上升。因此，已知直接检测半导体芯片本身的温度(接合温度)异常的方法。作为这种示例，存在日本特开2013-142704(专利文献1)。在本例中公开了以下方法：通过检测igbt(insulatedgatebipolartransistor：绝缘栅双极型晶体管)元件的开关断开阶段中的栅极-发射极电压的特性的镜像平稳阶段(mirrorplateaustage)的开始和结束阶段时间延迟，决定igbt元件的接合部温度。
另外，在电力变换装置上搭载了冷却器，但是由于运行环境不同而有时冷却能力不足，还有时将温度传感器设置于冷却片、风扇上来进行监视、控制。
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：
本发明要解决的课题
如上所述，在电力变换装置的稳定运行中，对作为热源的功率半导体模块内的半导体芯片和冷却系统进行监视较为重要。
然而，电力变换装置的运行过程中半导体模块中存在每个芯片的热分布，热历史记录根据芯片的位置而不同。其结果，每个芯片的长期可靠性的偏差大于初始特性的偏差，存在对模块内一个芯片的温度异常进行检测的问题。这一点，在由并列芯片构成的模块中使用了日本特开2013-142704号公报的方法的情况下，作为结果表示并列芯片的平均温度。
另外，当对每个芯片上安装温度传感器时，半导体模块的成本增加。另外，由于热阻而精度下降。
另一方面，在电力变换装置中，由于运行中的冷却能力下降而需要定期地进行清洁等维护，没有办法确定电力变换装置的性能劣化、不良状况是半导体模块本身的温度上升还是冷却系统。
本发明的目的在于解决上述问题，并提供以下方法：通过简单的结构来高精度地检测电力用半导体以及与其相关联的电力变换装置的异常、劣化，高精度地防止故障等不良状况，进而能够长时间使用的方法。提供以下系统：不对功率半导体模块进行加工而获取整体平均温度和一个芯片的局部温度，将测定结果反馈至电动机控制并对功率模块实施延命处置，警告更换部件、维护冷却器。
用于解决课题的方法
发明者们发现了以下情况：在断开时的主电流(集电极电流)的第一设定值的波形延迟中，模块整体温度存在灵敏度而一个芯片局部温度不存在灵敏度。另一方面，在第二设定值中，模块整体和一个芯片局部温度均具有灵敏度。本发明是基于上述发现而提出的。
本发明的一个侧面是一种电力变换装置的诊断系统，该电力变换装置具备半导体装置，并进行将流过主电路的主电流导通、切断的开关动作。该系统具备用户界面部，该用户界面部根据晶体管的断开的主电流值的预先决定的两个设定值且从开关指令时间起的延迟时间，通过能够进行温度测定的温度检测部和温度检测结果来警告缓和运行的控制系统、异常模块显示、冷却系统检查指示、模块寿命。
在该系统的优选方式中，为了对主电流的尾部(基部)波形的基部进行测量，在温度检测部中用户能够决定第一主电流设定值和第二主电流设定值，并具备限幅电路用于第二主电流设定区域的主电流波形延迟。
在该系统的具体应用例中，温度检测部与电力变换装置一体地构成或者通过基于有线、无线以及端子可分离的连接中的任一个进行连接。另外，用户界面部与温度检测部一体地构成或者通过基于有线、无线以及端子的可分离的连接中的任一个进行连接。在本例中结构的自由度高，因此还能够使用远程的监视系统对例如搭载于电车等的电力变换装置进行诊断。
本发明的其它侧面是一种电力变换装置的诊断方法，该电力变换装置具备半导体开关元件，并进行将主电流导通、切断的开关动作。该方法具备：第一步骤，检测主电流的第一设定值的延迟时间；第二步骤，检测第二设定值的延迟时间；以及第三步骤，根据延迟时间来检测半导体模块的整体温度和局部一个芯片温度，并判断电力变换装置的状态。
作为具体结构，使用开关切断时的基部的过渡电流，得到预定期间的延迟量。
能够使用延迟量的结果对电力变换装置的状态进行诊断。另外，还能够根据诊断结果来控制电力变换装置。另外，能够诊断电力变换装置的异常原因是半导体模块还是冷却系统。
示出动作条件控制的典型例时，可举出设置电力变换装置的开关元件导通时的最大电流的值的限制值(缓和运行)等。另外，关于开关元件的具体例，能够使用绝缘栅双极型晶体管等作为功率用半导体。另外，作为功率半导体模块能够使用将小容量的半导体芯片并联地连接而得到的大容量半导体模块。
本发明的另一侧面是一种电力变换装置的诊断系统，该电力变换装置具备半导体装置，并进行将向主电路的主电流导通、切断的开关动作。该系统具备：触发电路，其获取开关动作的基准时间；以及延迟时间计算电路，其获取主电流的第一主电流设定值的第一时间以及第二主电流设定值的第二时间，并检测第一时间与基准时间的差的数值数据以及第二时间与基准时间的差的数值数据。
本发明的其它另一侧面是一种半导体模块的诊断方法，该半导体模块搭载有多个开关元件，并根据驱动指令信号来进行将主电流导通和切断的开关动作。该方法具备：基准时间设定步骤，设定主电流切断时的、开关动作的基准时间；第一延迟时间测量步骤，在主电流切断时，测量主电流成为第一主电流设定值的第一时间从基准时间起的延迟作为第一延迟时间；以及第二延迟时间测量步骤，在主电流切断时，测量主电流成为第二主电流设定值的第二时间从基准时间起的延迟作为第二延迟时间。而且，将第一主电流设定值设定得比第二主电流设定值大。
本发明的其它另一侧面是一种电力变换装置，其以直流电流为输入，对负载输出交流电流。该装置具备多个半导体模块、向多个半导体模块指示开关动作的控制指令信号产生部以及分别与多个半导体模块对应的多个控制装置。而且，多个半导体模块分别具备并联连接的多个半导体开关元件，控制指令信号产生部产生向多个半导体开关元件指示主电流的切断的控制指令信号，多个控制装置分别具备温度检测部，该温度检测部针对多个半导体模块的每个半导体模块决定两种温度。温度检测部具备：触发电路，其根据控制指令信号设定基准时间；第一延迟时间测量部，其在主电流切断时，测量主电流成为第一主电流设定值的第一时间从基准时间起的延迟作为第一延迟时间；以及第二延迟时间测量部，其在主电流的切断时，测量主电流成为第二主电流设定值的第二时间从基准时间起的延迟作为第二延迟时间，根据第一延迟时间决定第一温度，根据第二延迟时间决定第二温度。
发明效果
通过简单的结构，能够高精度地检测功率用半导体以及与其相关联的电力变换装置和冷却系统的异常、劣化，将检测结果反馈至缓和运行或者能够进行维护或者诊断。
附图说明
图1是表示本发明的电力变换装置的实施方式的框图。
图2是表示由图1的并列芯片构成的半导体模块的框图。
图3是表示半导体模块内的并列芯片的配置的平面图。
图4是表示本发明的温度检测部的实施方式的框图。
图5是表示本发明的主电流波形获取方法的波形图。
图6a是表示断开(turnoff)时的主电流波形的示例的图表。
图6b是表示断开时的主电流波形的示例的图表。
图7是表示断开时的主电流波形的延迟时间的温度变化依赖性的示例的图表。
图8是表示断开时的主电流的延迟时间的主电流值依赖性的示例的图表。
图9是表示本发明的电力变换装置的延长寿命控制、诊断、维护指示的流程的流程图。
具体实施方式
以下，根据附图详细说明本发明的实施方式。但是，本发明并不限定地解释以下示出的实施方式的记载内容。在不脱离本发明的思想或者宗旨的范围内能够变更其具体结构，这一情况对于本领域技术人员而言是容易理解的。
在以下说明的发明的结构中，对于同一部分或者具有同样功能的部分，有时将相同的附图标记共用于不同的附图之间，而省略重复的说明。在实施例中，在存在多个被视为等效的构成要素的情况下，有时附加下标来区分相同的附图标记。但是，在不需要每个都特别进行区分的情况下，有时省略说明下标。
本说明书等中的“第一”、“第二”、“第三”等标记为用于识别构成要素而附加的，并一定必须限定公式或者顺序。另外，在每个上下文中使用用于识别构成要素的编号，在一个上下文中使用的编号并不一定在其它上下文中必须表示相同的结构。另外，并不妨碍兼顾使用某一编号来识别的构成要素的功能。
为了使发明更容易理解，在附图等中表示的各结构的位置、大小、形状、范围等有时不一定表示实际的位置、大小、形状、范围等。因此，本发明不一定必须限定于在附图等中公开的位置、大小、形状、范围等。
实施例1
<1.系统整体结构>
使用图1、图2、图3说明作为本发明的一个实施例的诊断系统。
图1是表示实施例的诊断系统的方式的框图。由电力变换装置1、将该电力变换装置1作为负载而驱动的三相电动机2以及电动机的状态监视的图形用户界面(gui)9构成。在电力变换装置1中包含控制装置7。在电力变换装置1与电动机2之间设有电流传感器8a、8b，该电流传感器8a、8b测定提供给电动机的相电流。
电力变换装置1为将直流电压源6变换为三相交流电压而控制电动机2的装置。电力变换装置1具备平流电容器5、半导体模块3a至3f、主电流传感器(例如，罗氏线圈(rogowskicoil)等)4a至4f以及控制装置7。在图1中，主电流传感器4a至4f配置于半导体模块3a至3f的外侧，但是也可以内置于半导体模块3a至3f。
在半导体模块3a至3f中，晶体管、例如igbt(绝缘栅双极型晶体管)与二极管(pn二极管、肖特基势垒二极管(schottkybarrierdiode)等)被反并列地连接。
图2示出半导体模块3的具体例。为了控制大电流，半导体模块3具有大电容，并列地连接有小电容的多个半导体芯片16a至16c。关于半导体芯片16a，在同一半导体芯片上反并列地制作晶体管15和二极管14，但是也可以在不同的半导体芯片上分开制作晶体管15和二极管14并反并列地连接。在半导体模块3上设置有集电极端子11、栅极端子12、发射极端子13。
图3示出半导体模块3的平面图。在半导体模块3上，在绝缘基板上配置半导体芯片16a至16f，通过金属板和金属线相连接(未图示)。半导体芯片16a至16f预先选择电特性的偏差收敛于固定范围内的芯片，被设计成取得电平衡。半导体芯片16a至16f在运行过程中发热，但是以热分布处于额定内的方式实施热设计。但是，根据长期可靠性的观点，无法避免磨损劣化，在电流失衡、焊锡(未图示)、焊线(wirebond)部(未图示)中发生热阻变化。因此，半导体模块内的各半导体芯片的热履历发生偏差，例如一个半导体芯片16b的接合温度可成为异常温度。
返回至图1，控制装置7具备：栅极驱动部32，其对各半导体模块3的半导体芯片16的栅极端子12施加驱动电压；以及控制指令信号产生部31，其控制栅极驱动部32。
另外，连接有温度检测部20，该温度检测部20根据来自控制指令信号产生部31的触发信号由主电流传感器4a至4f获取到的电流值，检测半导体模块3内的半导体芯片的整体平均接合温度tj1和一个芯片局部温度tj2。
由温度检测部20计算出的各半导体模块3a至3f的tj1和tj2被发送至参数运算部30。参数运算部30通过预定的运算来判定温度异常，并向gui9发送温度异常信息。
另外，电流检测器10根据来自电流传感器8a、8b的信号来检测电动机的相电流值。相电流值从电流检测器10被发送至参数运算部30。参数运算部30根据温度信息向控制指令信号产生部31发送信号，并指示缓和运行。栅极驱动部32根据来自控制指令信号产生部31的指令来进行缓和驱动，根据来自电流检测器10的信号进行反馈控制。缓和驱动结果被发送至gui9。关于缓和驱动，用户还能够从gui9发出指示。根据缓和驱动后的tj1、tj2的结果，在gui9中显示冷却系统维护、半导体模块更换的指示。
<2.温度检测部>
使用图4说明本发明的温度检测部20的实施方式的一例。图4的温度检测部20a为接受来自主电流传感器4a的信号的部分的电路结构。相对于主电流传感器4b至4f的温度检测部也具有相同的结构。图1的实施例的温度检测部20具备6组图4示出的结构，对各半导体模块3的温度进行监视。
使用前置放大器21a将来自主电流传感器4a的信号放大至线路电平。放大后的信号通过积分电路22a变换为与电流值对应的模拟电压信号。在本例中，主电流传感器4a使用线圈等来检测电流的变化量，使用积分电路22a进行积分而得到电流值，但是也可以使用其它方式。
在图4的实施例中，包括对半导体模块3的整体温度进行检测的模块20x以及对半导体模块3的局部温度进行检测的模块20y，得到的电流值分支而被输入到各模块。
在对半导体模块的整体温度进行检测的模块20x中，触发电路24x根据来自控制指令信号产生部31的信号来决定延迟时间的基准时间。数据获取控制电路26x以基准时间为开端来决定预定期间，由此决定断开时的电流获取范围。在整个电流获取范围内获取积分电路22a的输出，通过a-d变换装置23x将获取到的电流波形数值化。
将数值化数据存储到波形数据存储部27x，使用延迟时间计算部28x计算出基于第一主电流设定值(例如30a)的来自控制指令信号的延迟时间t1。此时，从触发电路24x得到延迟时间的基准时间。在tj1计算部29x中，例如根据与预先计算出的室温下的延迟时间的差来计算出温度。在后文的<3.温度的计算方法>中说明tj1的计算方法。
对半导体芯片16的温度进行检测的模块20y具备与模块20x类似的结构。关于类似的结构，对相同附图标记添加不同的注释。说明不同部分，在此，在主电流的最大值为1000a的情况下，若使用波高分辨率为8bit的a-d变化装置，则量子化误差为4a左右，因此不适于主电流的尾部(低电流侧)的测量。因此，在本实施例的模块20y中，期望使用包括限幅电路(clipcircuit)25的结构来使主电流信号分支。在触发电路24y中，根据来自控制指令信号产生部31的信号，使用主电流波形的第二主电流设定值(例如20a)使限幅电路25进行动作来提取模拟信号。
a-d变换装置23y根据数据获取控制电路26y的指令将提取的模拟信号数值化并存储到波形数据存储部27y，延迟时间计算部28y根据从触发电路24y得到的延迟时间的基准时间来计算来自第二主电流设定值的延迟时间t2。在tj2计算部29y中，例如根据与预先计算出的室温下的延迟时间的差来计算出温度。在后文的<3.温度的计算方法>中说明tj2的计算方法。
a-d变换装置23x、23y的采样率期望为1gbps以上。另外，如果采样率不下降，则a-d变换装置23x、23y的波高分辨率期望为8bit以上。将tj1、tj2的结果发送至参数运算部30。
此外，在图4的实施例中，以使用8bit的a-d变换装置为前提，设为模块20x和模块20y这两块结构，但是如果作为a-d变换装置23x而使用12bit以上的a-d变换装置，则省略模块20y而设为仅模块20x的结构，还能够通过tj1计算部29x进行tj2计算。
<3.温度的计算方法>
使用图5至图8说明本发明的半导体模块内的平均接合温度tj1和局部接合温度tj2的计算方法的实施例。以下的结果是通过发明者们的研究得到的结果。
图5的(a)为从控制指令信号产生部31输出的使用于晶体管的栅极(例如12)驱动的驱动指令信号(矩形波)40，指令接通(开关打开)、断开(开关关闭)。触发电路24决定触发阈值电压41a，将下降点42a设为基准时间t0。
图5的(b)是基于图5的(a)的驱动指令信号40的主电流波形43。从主电流成为第一主电流设定值41b(优选为50a)的时间t1求出延迟时间δt1＝t1-t0。同样地，从主电流成为第二主电流设定值41c(优选为3a)的时间t2求出延迟时间δt2＝t2-t0。当主电流的下降变得迟缓时，δt1、δt2的值变大。
严格地说期望依赖于成为测定对象的设备的特性来决定第一主电流设定值41b和第二主电流设定值41c的值。因此，例如通过对在后文的图6a、图6b、图7中说明的那样的数据进行测定，能够适当地决定值。在通常的电力用半导体开关元件中，如上所述将第一主电流设定值41b决定为50a左右、将第二主电流设定值41c决定为3a左右即可。在该情况下，第一主电流设定值41b的值为比第二主电流设定值41c大10倍以上的值。
图6a的(a)为将1000a的主电流断开时的主电流波形50a，是半导体模块整体温度为25℃的波形51a和125℃的波形52a。请注意纵轴为对数轴显示的情况。在第一主电流设定值41b中，可知52a相对于51a大约变化1μs左右。
图6a的(b)为断开下的主电流的尾部的波形50b，是半导体模块整体温度为75℃的波形51b和半导体模块整体为75℃且一个芯片局部温度为150℃的波形52b。在第二主电流设定值41c中，可知52b相对于52a大约变化0.2μs左右。
图6b为将1200a的主电流断开时的主电流波形50a，是半导体模块整体温度为25℃的波形51a和125℃的波形52a。将纵轴设为线形轴显示，但是在图6a的(b)中示出的变化在通过线形轴显示来显示主电流波形的情况下很难看见。这是因为与使半导体模块整体温度变化的图6a的(a)的情况相比，变化量相差10倍以上。
图7的(a)示出第一主电流设定值为50a的情况下的延迟时间变化的半导体模块整体温度依赖性60a。当优选决定第一主电流设定值时如61a那样与温度变化成正比。第一主电流设定值依赖于半导体芯片、晶体管动作条件，因此预先决定优选条件。
图7的(b)示出第二主电流设定值为3a的情况下的延迟时间变化的半导体模块整体温度为75℃且一个芯片温度变化依赖性60b。当优选决定第二主电流设定值时如61b那样与温度变化成正比。第二主电流设定值依赖于半导体芯片、晶体管动作条件，因此预先决定优选条件。
以图8为例说明对半导体模块内的整体芯片温度tj1和一个芯片局部温度tj2进行计算的实施例。
在图8的(a)中，曲线71a表示模块整体温度从75℃上升至150℃时的延迟时间变化量的第一主电流设定值依赖性，曲线72a表示模块整体温度为75℃且一个芯片局部温度从75℃上升至150℃时的延迟时间变化量的第一主电流设定值依赖性。可知第一主电流值下的延迟时间变化量在整体温度变化中存在灵敏度，但是在一个芯片局部温度变化中不存在灵敏度。
在图8的(b)的第二主电流设定值中，可知整体温度变化、一个芯片局部温度变化均存在灵敏度。以上，可知根据第一主电流设定值和第二主电流设定值下的延迟时间变化量，由温度检测部20得到模块整体的接合温度tj1和一个芯片局部接合温度tj2。在图8的(a)和图8的(b)中，请注意横轴的刻度相差两位数。
实施例2
使用实施例1说明基于电力变换装置的状态监视的致命的破坏防止、维护辅助或者基于延长寿命控制的进行运行期间延长的系统的实施例2。
使用图9说明实施例2的处理流程。如果模块整体接合温度tj1和一个芯片局部接合温度tj2低于用户设定的最大接合温度tjmax，则温度不存在问题，因此使运行持续(80-82)。根据装置的规格能够适当地设定最大接合温度tjmax，但是例如在硅元件的情况下，设定为150℃左右，优选设定为150℃以下。
另一方面，如果仅tj2超过tjmax，则能够判断为特定的半导体芯片16处于过热。在该情况下，假设特定的半导体芯片16的异常，因此使运行停止而更换包括该半导体芯片16的半导体模块3(80-81、83-84)。
还考虑在现场仅更换发生异常的半导体芯片，但是，半导体模块通常形成一体结构，因此更换每个半导体模块3较有效。
另外，如果tj1>tjmax，则假设为半导体模块3的整体温度上升，在该情况下进行缓和运行(80-85)。
在缓和运行之后，成为tj1<tjmax(86a)，如果tj2>tjmax(86b)，则仍能够判断为特定半导体芯片16处于过热，因此更换半导体模块3。
另一方面，如果tj2<tjmax(86b)，则作为对半导体模块3整体进行加热的原因，例如考虑冷却系统的异常。与此相对，例如指示冷却系统的检查(87)。例如在图1的图形用户界面(gui)9中显示指示。维护人员收到指示而对冷却系统的风扇、冷却片进行清洁、实施风扇动作确认等。
之后，通过通常运行，如果tj1<tjmax(89)，则使运行继续(90)。如果tj>tjmax(89)，则警告模块整体为磨损劣化而接近寿命这一情况(91)，而进行缓和运行(92)。之后，如果tj<tjmax(93)，使缓和运行继续(94)。
在成为tj>tjmax的情况下(93)，更换备份模块(95、97)或者使缓和水平下降而直接运行(96)。
在上述示例中，对于针对tj1的阈值和针对tj2的阈值使用了相同tjmax，但是也可以使用不同的阈值。
在gui9上将83、85、87、91、92、95等显示给用户，另外，在管理者模式下还能够显示日志信息。用户接口部与温度检测部一体地构成或者通过基于有线、无线以及端子可分离的连接中的任一个进行连接。在可分离的示例中结构的自由度高，因此还能够使用远程的监视系统对例如搭载于电车等的电力变换装置进行诊断。另外，使用无线通信，还能够使所需的信息显示于维护人员所便携带的便携式终端。
本发明并不限定于上述实施方式，包括各种变形例。例如，能够将某一实施例的结构的一部分替换为其它实施例的结构，另外，能够对某一实施例的结构附加其它实施例的结构。另外，能够对各实施例的结构的一部分进行其它实施例的结构的追加、删除、替换。
根据上述详细说明的本实施例，能够提供以下一种电力变换装置：对电力用半导体的电流变化率进行检测并与基准值进行比较判断，由此高精度地检测电力用半导体以及与之相关联的电力变换装置的异常、劣化，高精度地防止故障等不良状况，进而能够长时间使用。
工业可利用性
能够使用于各种电力半导体等的维护检查领域。
附图说明
1：电力变换装置；2：电动机；3、3a、3b、3c、3d、3e、3f：电力半导体模块；4a、4b、4c、4d、4e、4f：主电流传感器；5：平流电容器；6：直流电压源；7：控制装置；8a、8b：相电流传感器；9：gui；10：电流检测器；11：集电极端子；12：栅极端子；13：发射极端子；14：二极管；15：晶体管；16a、16b、16c、16d、16e、16f：半导体芯片；20、20a、20b：温度检测部；21：前置放大器；22：积分电路；23x、23y：a-d变换装置；24x、24y：触发电路；25：限幅电路；26x、26y：数据获取控制电路；27x、27y：波形数据存储部；28x、28y：延迟时间计算部；29x：tj1计算部；29y：tj2计算部；30：参数运算部；31：控制指令信号产生部；32：栅极驱动部；50a、50b：断开主电流波形；51a、51b：断开主电流波形；52a、52b：断开主电流波形；60a、60b：断开下的主电流波形延迟量的温度依赖性；60a、60b：断开下的主电流波形延迟量的温度依赖性；61b：第二阈值电流下的延迟时间的温度依赖性；70a、70b：断开下的主电流波形延迟量变化的主电流设定值依赖性；71a、71b：模块内整体温度变化；72a、72b：模块内局部温度变化。