诊断装置以及诊断系统的制作方法

本发明涉及诊断装置以及诊断系统，尤其适合运用于涉及对逆变器中搭载的功率半导体元件的温度进行推断的技术的诊断装置。

背景技术：

构成大容量功率变换装置的逆变器的igbt(insulatedgatebipolartransistor)器件中，发热、冷却所引起的温度循环有时会成为问题。作为测量igbt器件的接合部温度的技术，例如有以下那样的技术。

作为第1现有技术，存在有实时监视igbt器件的动作状态的系统，尤其是确定igbt器件的接合部温度的系统(参考专利文献1)。第1现有技术中揭示了差动单元、计时器单元以及接合部温度计算单元，所述差动单元为了获取与因igbt器件的关断阶段中的米勒平台阶段而形成的边缘相关的脉冲而接收被测定的igbt器件的栅极-发射极电压的特性，并对栅极-发射极电压的特性进行区分，所述计时器单元测定获取到的脉冲间的时间延迟，所述脉冲间的时间延迟表示igbt器件的关断阶段中的米勒平台阶段的开始及结束，所述接合部温度计算单元根据测定出的时间延迟来确定igbt器件的接合部温度。在第1现有技术中，对igbt器件的动作状态进行了实时监视。

另一方面，作为第2现有技术，揭示了如下构成：一种开关元件的驱动电路，其以在逆变器以低频率运行的情况下进行保护以免开关元件的内部温度超过容许值为目的，根据开关指令来进行半导体元件的导通或不导通的控制，其中，设置有异常检测单元，所述异常检测单元检测从给出不导通的开关指令的时间点到半导体元件变为不导通为止的时间点的滞后期间，在该滞后期间超过规定期间时输出异常信号(参考专利文献2)。在第2现有技术中，揭示了一种通过关断电流来实时监视双极型器件的动作状态的系统。

两个专利文献都是根据器件的开关动作时的电气波形来推断器件的动作状态。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2013-142704号公报

专利文献2：日本专利特开平7-170721号公报

技术实现要素：

发明要解决的问题

然而，在上述第1现有技术中，需要检测各臂的igbt器件的米勒平台阶段，因此需要将差动单元、计时器单元设置在逆变器内部的各igbt驱动电路附近。另一方面，在上述第2现有技术中，需要对各双极型器件设置异常检测单元。

在第1现有技术及第2现有技术中，需要针对每一器件在器件附近设置用于掌握igbt器件、双极型器件等功率半导体元件的动作状态的检测单元，因此难以在既有的逆变器中以加装形式进行安装。而且，这些第1现有技术及第2现有技术还存在以从指令信号传递至双极型器件为止的方式连接的各种电子零件的温度依存性，从而难以高精度地推断功率半导体元件的温度。

本发明是考虑了以上问题而成，其目的在于提出一种可以通过能以加装形式进行安装的构成来高精度地推断功率半导体元件的温度的诊断装置以及诊断系统。

解决问题的技术手段

为了解决这样的问题，在本发明中，具备：特征量提取部，其提取在功率变换装置的输出端子上测量到的电压变化率的时间变化量作为特征量，所述功率变换装置使用功率半导体元件将交流电或直流电变换为可变频率和可变电压的交流电；温度推断部，其根据于不同时刻测量到的作为所述特征量的所述输出端子的电压变化率彼此的差即时间变化量来推断所述功率半导体元件的温度；以及温度显示部，其显示所述温度推断部推断出的温度。

此外，在本发明中，具备：至少1台诊断装置，其包含特征量提取部和温度推断部，所述特征量提取部提取在功率变换装置的输出端子上测量到的电压变化率的时间变化量作为特征量，所述功率变换装置使用功率半导体元件将交流电或直流电变换为可变频率和可变电压的交流电，所述温度推断部根据于不同时刻测量到的所述输出端子的电压变化率彼此的差即时间变化量来推断所述功率半导体元件的温度；以及监视服务器，其经由网络连接到所述诊断装置，根据所述温度推断部推断出的温度来监视所述功率变换装置。

发明的效果

根据本发明，可以通过能以加装形式进行安装的构成来高精度地推断功率半导体元件的温度。

附图说明

图1为表示第1实施方式的逆变器诊断装置等的构成例的框图。

图2为在图1所示的构成中展示诊断装置的更具体的构成例的框图。

图3为表示推断功率半导体元件的温度的原理的图。

图4为表示到推断功率半导体元件的温度为止的次序的一例的流程图。

图5为表示功率半导体元件的构成例的电路图。

图6为表示功率半导体元件的构成例的截面图。

图7为表示功率半导体元件的功率循环试验结果的特性图。

图8为表示第2实施方式涉及的包含逆变器诊断装置(以下简记作“诊断装置”)及逆变器101等的功率变换装置1000x的构成例的框图。

图9为表示第3实施方式的逆变器诊断系统的构成例的框图。

具体实施方式

下面，根据附图，对本发明的一实施方式进行详细叙述。

(1)本实施方式的系统的构成

图1为表示第1实施方式的包含逆变器诊断装置(以下简记作“诊断装置”)109及逆变器101等的功率变换装置1000的构成例的框图。

逆变器101通过接地线106接地，连接有三相交流电源102以及三相马达等负载装置105。逆变器101在其输出端子uo、vo、wo中的一部分输出端子uo、vo上连接有诊断装置109。该逆变器101使用功率半导体元件u、v、w、x、y、z例如将交流电或直流电变换为可变频率和可变电压的交流电。

逆变器101具备交直流变换部103、平滑电容器104、功率半导体元件u、v、w、x、y、z、绝缘及驱动部107、控制部108以及输出端子uo、vo、wo。此处，功率半导体元件u、v、w、x、y、z加以统称而酌情记作功率半导体元件u～z。再者，交直流变换部103是逆变器101的一构成要素，但也可以使用直流电源来代替。

逆变器101例如将输入到作为3组二极管桥式电路的交直流变换部103的三相交流电源102等的交流电压像后文叙述那样暂时变换为直流电压。此时，该直流电的不需要的振动分量被平滑电容器104去除。

逆变器101中，功率半导体元件u与功率半导体元件x串联而构成u相支路(上下的臂)。同样地，功率半导体元件v与功率半导体元件y串联而构成v相支路，功率半导体元件w与功率半导体元件z串联而构成w相支路。这些成为u相、v相、w相的支路的串联电路分别连接在正极性的直流电源线p与负极性的直流电源线n之间。

此外，u相、v相、w相的支路中的各个连接在正极性的直流电源线p侧的功率半导体元件u、v、w与连接在负极性的直流电源线n侧的功率半导体元件x、y、z的连接点分别成为u相、v相、w相的输出端子uo、vo、wo。

功率半导体元件u～z通过后文叙述的控制部108及绝缘及驱动部107以从输出端子uo、vo、wo输出可变频率、可变电压的三相交流的方式加以统括控制。再者，输入至前文所述的交直流变换部103的三相交流的u相、v相、w相与输出至输出端子uo、vo、wo的三相交流的u相、v相、w相在电压及频率上不一样。功率半导体元件u～z分别具备反并联在一起的寄生二极管或者被给予的反并联二极管。

正极性的直流电源线p中以分布常数的方式存在有寄生电感，图1中图示为寄生电感115。另一方面，负极性的直流电源线n中也同样存在有寄生电感，但图示的例子中省略掉了。

绝缘及驱动部107一方面维持功率半导体元件u～z与控制部108的绝缘、另一方面驱动功率半导体元件u～z。

控制部108经由绝缘及驱动部107而像后文叙述那样控制功率半导体元件u～z，对通过交直流变换部103得到的直流电压进行pwm(pulsewidthmodulation)调制来生成交流电压，并从输出端子uo、vo、wo输出生成的交流电压来控制负载装置105的转速及转矩。

具体而言，控制部108参考由设置在功率半导体元件u～z的u相、v相、w相这三相交流电的输出端子uo、vo、wo上的电流检测部119、120、121检测到的信息(与相电流相关的信息)而经由绝缘及驱动部107来控制功率半导体元件u～z。即，控制部108对功率半导体元件u～z的开关动作进行统合控制。

电流检测部119、120、121例如配置在功率半导体元件u～z的u相、v相、w相这三相交流电的输出端子uo、vo、wo上，分别检测对应的u相、v相、w相的相电流。电流检测部119、120、121检测到的相电流的一部分变换为电压而被送至控制部108。

在诊断装置109中，特征量提取部110经由电压探头114以脉宽形式检测逆变器101的输出端子uo、vo、wo的端子间电压中的、功率半导体元件u～z关断时的电压变化率，在温度推断部111中对该检测的结果进行解析，由此来推断逆变器101中的功率半导体元件u～z的温度、或诊断伴随着这些温度变化的劣化量。

在本实施方式中，为了推断功率半导体元件u、x的温度，以检测输出端子vo与输出端子uo之间的电压的方式来连接诊断装置109，为了推断功率半导体元件v、y的温度，在输出端子wo与输出端子vo之间连接诊断装置109，为了推断功率半导体元件w、z的温度，在输出端子wo与输出端子uo之间连接诊断装置109。

在以上那样的构成中，逆变器101在交直流变换部103的各输入端子分别输入三相(u相、v相、w相)的交流电压。交直流变换部103将三相的交流电压变换为各相的直流电压，之后加以整流，并将其中的正极性的电压经由直流电源线p施加至平滑电容器104的一端，另一方面，将负极性的电压经由直流电源线n施加至平滑电容器104的另一端。

另一方面，诊断装置109具备特征量提取部110、温度推断部111、温度显示部112以及电源部113。电源部113向特征量提取部110、温度推断部111以及温度显示部112供电。该诊断装置109使用电压探头114来检测逆变器101的输出端子uo、vo、wo的各端子间电压。

例如，若以能够推定功率半导体元件u、x的温度这一情况为一例，则特征量提取部110提取在输出端子uo、vo上测量到的电压变化率的时间变化量作为特征量。具体而言，特征量提取部110经由电压探头114来提取衰减后的输出端子uo、vo的端子间电压波形，检测功率半导体元件u、x接通或关断时的电压变化率。

温度推断部111例如根据在不同时刻测量到的输出端子uo、vo的电压变化率彼此的差即时间变化量来推断功率半导体元件u、x的温度。具体而言，在温度推断部111中预先设定有功率半导体元件u～z的接通或关断时的电压变化率和功率半导体元件u～z的温度相关信息，根据特征量提取部110检测到的电压变化率来推断功率半导体元件u、x的温度。该温度相关信息是表示电压变化率的时间变化量与功率半导体元件u～z的温度的相关关系的信息。

温度显示部112显示温度推断部111推断出的功率半导体元件u、x的温度。

图2在图1所示的构成中展示诊断装置109的特征量提取部110及温度推断部111的更具体的构成例。在本实施方式中，作为一例，根据逆变器101的输出端子uo、vo的关断时的端子间电压来推断功率半导体元件u、x的温度。逆变器101的输出端子uo、vo、wo与马达等负载装置105连接。

前文所述的图1所示的特征量提取部110对应于图2所示的波形提取电路122、比较电路123以及时间测量电路124，前文所述的图1所示的温度推断部111对应于图2所示的推断处理电路125。

波形提取电路122利用电压探头114来提取该输出端子uo、vo的端子间电压。

比较电路123由2个比较电路构成，保有值不同的基准电压v1、v2，确定波形提取电路122提取到的电压波形中的关断时的电压变化率的电压变化量，而且确定接通时的电压变化率的电压变化量。基准电压v1、v2若在接通时和关断时设为相同值，则时间变化量不一样，因此推断处理电路125可以实现关断时与接通时的区分。

时间测量电路124测量相继输入的由比较电路123检测到的关断时的电压变化率的时间变化量，而且测量接通时的电压变化率的时间变化量。

推断处理电路125对该电压变化率的时间变化量(特征量)赋予时间戳而根据预先存储在存储电路127中的温度相关信息来推断功率半导体元件u、x的温度。

推断处理电路125向1个时间戳关联时间变化量的时间测量结果以及推断温度结果。再者，若检测到时间变化量时的相电流的值也加以关联，则推断温度的精度也会提高。

图3的(a)～图3的(c)示出推断功率半导体元件u～z的温度的原理。此处，对实施检测到功率半导体元件u、x的温度从t1变成t2时的温度推断的原理进行例示。

首先，图3的(a)展示了波形提取电路122(特征量提取部110)的输出的电气波形。再者，纵轴表示输出端子uo、vo间的端子间电压vuv，横轴表示时间t。温度t1时的提取波形以实线表示，另一方面，温度上升到t2时的提取波形以虚线表示。

波形提取电路122经由电压探头114提取逆变器101的输出端子uo、vo的端子间电压波形。展示了当温度升高时上升时间增大、电压变化率减小这一情况。基准电压v1、v2表示下一级的比较电路123中设定的基准电压。

比较电路123以2个基准电压v1、v2为基准来确定上述端子间电压波形中的接通时或关断时的电压变化率的时间变化量。比较电路123例如在由窗口比较器构成的情况下，以脉宽来输出提取到的电压波形从基准电压v1到达基准电压v2为止的时间。

图3的(b)展示了比较电路123的输出的电气波形。另外，温度t1时的输出波形以实线表示，另一方面，温度t2时的输出波形以虚线表示。

在时间测量电路中，当将温度t1的脉宽设为t1、另一方面将温度t2时的脉宽设为t2时，t1＜t2。因此，t2－t1成为与元件温度的相关信息。

图3的(c)示出了推断处理电路125的输出波形。推断处理电路125基于预先设定的功率半导体元件u的电压变化率的时间变化量与实际的功率半导体元件u的温度的相关信息，根据t2－t1来推断功率半导体元件u的温度。推断处理电路125向t2－t1和推断温度结果赋予时间戳，将这3个信息相互关联而作为管理信息加以积存。

图4展示到推断功率半导体元件的温度为止的次序的一例。推断处理电路125在测定开始时、更优选在测定开始前设定功率半导体元件u的温度与电压变化率的相关信息、时间测量电路124的设定信息、以及比较电路123的基准电压v1、v2(步骤s1)。

波形提取电路122提取输出端子uo、vo的端子间电压波形(步骤s2)。比较电路123输出以该输出波形的从基准电压v1到达基准电压v2为止的时间(时间测量结果)为脉宽的脉冲(步骤s3)。

时间测量电路124测量该脉冲的脉宽(步骤s4)。推断处理电路125利用根据该脉宽推导出的电压变化率、参考前文所述的温度相关信息来推断温度(推断温度结果)(步骤s5)，并利用时间戳将时间测量结果与推断温度结果加以关联而作为管理信息加以积存(步骤s6)。由此，能以时间戳为基准来管理逆变器101的功率半导体元件u～z的温度变化的历史。

在本实施方式中，实时推断了逆变器101的功率半导体元件u～z的温度、温度上升(温度变化)，但进一步地，也可推断逆变器101的功率半导体元件u～z的温度、温度上升(温度变化)，来实施基于伴随着该推断结果的装置的劣化的、逆变器101的寿命预测。在该温度推断或寿命预测中，是以功率半导体元件u～z的状态掌握为课题，因此，下面对功率半导体元件u～z进行详细说明。

图5为表示包含功率半导体元件u～z中的某一方的电路(以下统称为“功率半导体电路700”)的构成例的电路图。

功率半导体电路700具备igbt701和反向并联在igbt701的发射极端子与集电极端子之间的二极管702。

再者，igbt701也可替换为mosfet(metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor)。进而，在可以运用mosfet的寄生二极管代替二极管702的情况下，二极管702也可省略。

图6为表示图5所示的igbt701的截面的截面图。如前文所述，igbt701相当于各功率半导体元件u～z。

igbt701具备半导体元件部809、焊料层810、绝缘基板807、焊料层808以及底板803。再者，焊料层808、810有时会产生龟裂(crack)c。

绝缘基板807具有金属层806、绝缘层805以及金属层804。底板803对接在冷却器801上，在对接面上涂敷有油脂(グリス)802。油脂802提升导热效果。

如上所述，图5以igbt701的形式展示各功率半导体元件u～z，作为其构成要素，存在有半导体元件部809。

另一方面，图6中，1个功率半导体元件仅对应有1个半导体元件部809。然而，在构成1个功率半导体元件时，有时会使用多个半导体元件部809。例如，在运用于输出功率为兆瓦级的大功率用途的半导体模块中，通常是以并联方式安装大量半导体元件部809并作为一个功率半导体元件加以使用。

前文所述的功率变换装置1000运作时，图6所示的半导体元件部809产生的热经由焊料层810传递至绝缘基板807、底板803、油脂802以及冷却器801。

该功率变换装置1000运作时，存在因油脂802的干涸、冷却器801的故障、控制部的异常动作或故障等而导致功率半导体元件u～z以及功率半导体元件u～z的半导体元件部809的温度异常地升高的情况。

当半导体元件部809的温度异常地升高时，温度循环带来的热疲劳会导致焊料层808、810产生龟裂c或剥离等情况。当发生这样的情况时，焊料层808、810中的热阻升高，龟裂c或剥离等蔓延开来，从而产生累积劣化。结果，最终导致半导体元件部809的沟道电阻烧毁、功率半导体元件发生故障。

因而，较理想为通过监视功率半导体元件及半导体元件部809的温度而在故障前检测到异常。进一步地，要以高精度检测温度，较理想为测量半导体元件部809表面的温度。

接着，对针对功率半导体元件实施了使温度上升并回到原温度的功率循环试验的情况下的试验结果的一例进行说明。

图7为表示功率半导体元件u～z的功率循环试验的试验结果的特性图。横轴表示元件温度变化量δt，纵轴表示循环数(功率循环数)n1。再者，横轴及纵轴均使用对数尺来表示。

针对于某一功率半导体元件，将“施加某一温度上升δt并回到原温度”这一操作视为“1循环”，在执行了n1循环的这一操作时，该功率半导体元件发生了故障。

再者，若将发生温度上升之前的元件温度(功率半导体元件的温度)设为t01、将发生了温度上升后的元件温度设为t02，则温度上升(变化量)δt等于t02－t01。将对各种温度上升δt作循环数n1的实测这一情况称为“功率循环试验”，图7所示的特性f表现了该功率循环试验的结果的一例。

此处，将发生了1次某一温度上升δt的情况下的功率半导体元件的应力s设为s＝1/n1。若将保持元件温度t02的时间设为th秒，则可以推测功率半导体元件的寿命lf为lf＝th/s秒后。由此，从功率半导体元件的新品时的预测剩余寿命减去已消耗的寿命的话，则可以推测出剩余寿命。

存储电路127存储有图7所示的特性f。推断处理电路125根据特性f来推测应力s以及功率半导体元件的寿命lf，并根据该推测的结果来预测功率半导体元件的剩余寿命。

此时的循环次数、温度变化的范围是基于逆变器101的运行模式，与运行模式相关的信息(以下称为“运行模式信息”)保持在存储电路127中。

根据第1实施方式，可以使用简易且能加装的构成的诊断装置109来简单、高精度地推断功率变换装置1000中的逆变器101的功率半导体元件u～z的元件温度。

(2)第2实施方式

图8展示第2实施方式的包含逆变器诊断装置(以下简称为“诊断装置”)及逆变器101等的功率变换装置1000x的构成例。在第2实施方式中，对于与第1实施方式同样的构成及动作将省略说明，下面以两者的不同点为中心来进行说明。

在第2实施方式中，外部解析装置126从外部连接至诊断装置109(的温度推断部111)。该外部解析装置126例如向温度推断部111提供温度相关信息、或接收温度推断部111推断出的温度(温度推断结果)来进行解析。

诊断装置109具有解析内容设定部(未图示)，所述解析内容设定部向外部解析装置126提供温度相关信息、表示逆变器101的运行模式的运行模式信息、以及表示逆变器101的功率循环试验的试验结果的功率循环试验信息，另一方面，是将输入到外部解析装置126的各信息设定为用于外部解析装置126中的解析的信息。

外部解析装置126根据温度推断部111的处理算法的设定、经由温度推断部111的特征量提取部110的设定、温度显示部112的设定、以及通过温度推断部111得到的时间戳、时间测量结果及温度推断结果来推断构成逆变器101的功率半导体元件u～z的寿命。

再者，由于根据功率半导体元件u～z开关时的波形的电压变化率的变化来算出功率半导体元件u～z的温度的变化，因此，可以减小热时间常数而对于高速的温度变化也能实现检测。

在第2实施方式中，外部解析装置126存储有图7所示的特性f。推断处理电路125根据从外部解析装置126获取到的特性f来推测应力s以及功率半导体元件的寿命lf，并根据该推测的结果来预测功率半导体元件的剩余寿命。

此时的循环次数、温度变化的范围是基于逆变器101的运行模式。外部解析装置126具有前文所述的运行模式信息。

根据第2实施方式，可以使用能加装的构成的诊断装置109来简单、高精度地推断功率半导体元件u～z的温度、寿命。

(3)第3实施方式

在第3实施方式中，对于与前文所述的各实施方式同样的构成及动作将省略说明，下面以两者的不同点为中心来进行说明。

图9展示第3实施方式的逆变器诊断系统1100的构成例。在图示的例子中，相当于前文所述的各实施方式的功率变换装置1000的功率变换装置1000a、1000b、1000c、1000d以及1台监视服务器1002分别经由通信部121连接到通信网络1001。

监视服务器1002分别监视各功率变换装置1000a、1000b、1000c、1000d所搭载的逆变器。此处所说的逆变器相当于前文所述的各实施方式中的逆变器101等。

第3实施方式的逆变器诊断系统1100具备至少1台诊断装置109和监视服务器1002，所述诊断装置109已在图1等当中进行过叙述，包含特征量提取部110及温度推断部111(以及优选包含温度显示部112)，所述监视服务器1002经由网络连接到诊断装置109，根据温度推断部111推断出的温度来监视至少1台功率变换装置(相当于各功率变换装置1000a、1000b、1000c、1000d)。

通过以上构成，使用1台监视服务器1002来监视多个逆变器101而推断属于各逆变器101的半导体器件u～z的元件温度，进而推断寿命。

根据以上那样的构成，可以使用1台监视服务器1002来远程监视多个逆变器101，高精度地推断属于各逆变器101的半导体器件u～z的元件温度，进而推断寿命。

进一步地，监视服务器1002也可根据外部解析装置126的解析结果来监视各逆变器101，该外部解析装置126像前文所述那样能够从外部连接至诊断装置109并接收温度推断部111推断出的温度。

(4)其他实施方式

上述实施方式是用于说明本发明的示例，并非旨在将本发明仅仅限定于这些实施方式。本发明只要不脱离其宗旨，就能以各种形态加以实施。例如，作为功率变换装置，可以使用包含多个功率半导体元件而构成、将交流电变换为可变频率和可变电压的交流电的功率变换装置。此外，也可以根据功率半导体元件u～z接通时的电压变化率来推断功率半导体元件u～z的温度、温度变化、寿命等。此外，例如可以利用配备有cpu(centralprocessingunit)、存储器、输入输出接口等信息处理资源的电脑装置来构成诊断装置109。

此外，上述的各构成、功能等例如可通过利用集成电路进行设计等而以硬件来实现它们的一部分或全部。此外，上述的各构成、功能等也可通过由处理器解释并执行实现各功能的程序而以软件来实现。实现各功能的程序、表格、文件等信息可以记录、存放在存储器、硬盘、ssd(solidstatedrive)等记录装置或者ic卡、sd卡、dvd等记录介质中。

产业上的可利用性

本发明可以广泛运用于对逆变器中搭载的功率半导体元件的温度进行推断的诊断装置以及诊断系统。

符号说明

101…逆变器，102…三相交流电源，103…交直流变换部，104…平滑电容器，105…负载装置，106…接地线，107…绝缘及驱动部，108…控制部，109、109a…诊断装置，110…特征量提取部，111…温度推断部，112…温度显示部，113…电源部，114…电压探头，115…寄生电感，119、120、121…电流检测部，122…波形提取电路，123…比较电路，124…时间测量电路，125…推断处理电路，126…外部解析装置，701…igbt，702…二极管，800…功率半导体电路，801…冷却器，802…油脂，803…底板，804、806…金属层，805…绝缘层，807…绝缘基板，808、810…焊料层，809…半导体元件部，1000…功率变换装置，1002…监视服务器，1100…逆变器诊断系统，1001…通信网络，1002…服务器，1000a、1000b、1000c、1000d…功率变换装置。