JP7072497B2 - Power converter and its status monitoring method - Google Patents
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Description
本発明は、電圧駆動型の半導体素子のゲート駆動回路および素子故障の予測方法に関する。 The present invention relates to a gate drive circuit of a voltage-driven semiconductor element and a method for predicting element failure.
高速にスイッチングが可能で、かつ大電力を制御できるIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)が、家庭用の小容量インバータから鉄道などで用いられる大容量インバータまで、幅広く利用されている。IGBTなど電圧駆動型の半導体素子を駆動する回路として、ゲートに印可する電圧を制御することにより半導体素子のオン・オフを制御するゲートドライバなどのゲート駆動回路が使われている。近年では、Si(シリコン)のIGBTに代わって、低損失なSiC(炭化ケイ素)のMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor:金属-絶縁体-半導体電界効果トランジスタ)を適用したインバータが普及しつつあり、鉄道用インバータでも、SiC-MOSFETの駆動に適したゲート駆動回路が求められている。 IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) that can switch at high speed and control high power are widely used from small-capacity inverters for home use to large-capacity inverters used in railways and the like. As a circuit for driving a voltage-driven semiconductor element such as an IGBT, a gate drive circuit such as a gate driver that controls on / off of the semiconductor element by controlling the voltage applied to the gate is used. In recent years, inverters that use low-loss SiC (silicon carbide) MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistors) have become widespread in place of Si (silicon) IGBTs. In the meantime, even in railway inverters, there is a demand for a gate drive circuit suitable for driving a SiC-PWM.
本願発明者がインバータの故障について鋭意検討した結果、次の知見を得るに至った。 As a result of diligent studies on the failure of the inverter by the inventor of the present application, the following findings have been obtained.
インバータ稼動中に故障が発生すると、システムの損傷や計画外のシステム停止が生じ、大きな経済的損失が発生する可能性がある。こうした状況を防止するには、半導体素子が故障に至る前に、半導体素子の劣化や異常を検出することが求められる。 Failure to occur while the inverter is running can result in system damage and unplanned system outages, which can result in significant economic loss. In order to prevent such a situation, it is required to detect deterioration or abnormality of the semiconductor element before the semiconductor element fails.
鉄道用3相交流インバータ(電力変換装置)では、UVWの各相は、直列に接続された半導体素子から構成される。架線電圧に近い高圧側の半導体素子は上アームの素子、グラウンド電位(レール)に近い低圧側の半導体素子は下アームの素子などと呼ばれる。 In a three-phase AC inverter (power conversion device) for railways, each phase of UVW is composed of semiconductor elements connected in series. The high-voltage side semiconductor element close to the overhead wire voltage is called the upper arm element, and the low-voltage side semiconductor element close to the ground potential (rail) is called the lower arm element.
電力変換装置を構成する素子としてSiC-MOSFETを適用する場合、鉄道用途では複数の素子を並列接続して駆動することが一般的である。すなわち、同一アーム内に複数の素子が並列に接続された状態で、ゲート駆動回路からの指令に従って個々の素子がオン・オフする。したがって、素子の特性ばらつきや主回路のインピーダンスばらつきに起因して、並列に接続された各素子を流れる電流が互いにアンバランスする可能性がある。並列素子間の電流が不均一になると、電流が多く流れる素子に発生するスイッチング損失(発熱)が大きくなるため、並列素子間で温度差が発生する。このため、電流が多く流れる素子では温度変化が大きくなって他の素子よりも寿命が低下し、インバータシステムの信頼性を低下させる懸念がある。 When a SiC- MOSFET is applied as an element constituting a power conversion device, it is common to connect and drive a plurality of elements in parallel in railway applications. That is, in a state where a plurality of elements are connected in parallel in the same arm, each element is turned on and off according to a command from the gate drive circuit. Therefore, the currents flowing through the elements connected in parallel may be unbalanced with each other due to the variation in the characteristics of the elements and the variation in the impedance of the main circuit. When the current between the parallel elements becomes non-uniform, the switching loss (heat generation) generated in the element through which a large amount of current flows increases, so that a temperature difference occurs between the parallel elements. For this reason, there is a concern that the temperature change of an element in which a large amount of current flows becomes large and the life of the element is shorter than that of other elements, which lowers the reliability of the inverter system.
そこで、各素子に流れる電流を計測・比較できれば、インバータ内の個々の素子を流れる電流の不均一性を評価できる。他の素子に比べて有意に電流値が異なる素子を検出することにより、素子が故障に至る前に劣化や異常を検出し、素子交換などの対策を素子の故障前に講じることにより、インバータシステムの寿命の低下を防ぐことができる。ここで、素子の故障とは、電圧駆動型の半導体素子の場合、ゲートに印可する電圧を制御することにより半導体素子のオン・オフを制御できなくなる状態などを言う。 Therefore, if the current flowing through each element can be measured and compared, the non-uniformity of the current flowing through each element in the inverter can be evaluated. By detecting an element whose current value is significantly different from that of other elements, deterioration or abnormality is detected before the element fails, and measures such as element replacement are taken before the element fails. It is possible to prevent the life of the device from being shortened. Here, the element failure refers to a state in which the on / off of the semiconductor element cannot be controlled by controlling the voltage applied to the gate in the case of a voltage-driven semiconductor element.
また、温度や電圧ではなく、電流を計測することの利点として、(1)素子自体の特性の変化(劣化)を検出できること、(2)同一アーム内に並列接続された素子にも適用できること、が挙げられる。(1)は、素子間の温度差は、素子の特性の変化だけではなく、インバータ内での各素子の設置場所による熱伝達率の違いや熱抵抗の経時変化など、素子自体の特性変化以外の要因によっても引き起こされるため、温度センサ等で素子直近の温度を計測するよりも、素子の電流や電圧を計測する方が、故障に至る前に素子の劣化や異常を検出する目的に適しているためである。(2)は、互いに並列接続された素子は同一の電圧値を示すため、各素子の電流を計測するほうが、並列素子間のアンバランスを検出する目的に適しているためである。 In addition, the advantages of measuring current instead of temperature and voltage are that (1) changes (deterioration) in the characteristics of the element itself can be detected, and (2) it can be applied to elements connected in parallel in the same arm. Can be mentioned. In (1), the temperature difference between the elements is not limited to the change in the characteristics of the element itself, such as the difference in heat transfer coefficient depending on the installation location of each element in the inverter and the change in thermal resistance over time. It is more suitable to measure the current and voltage of the element than to measure the temperature near the element with a temperature sensor etc. for the purpose of detecting deterioration or abnormality of the element before it leads to failure. Because it is. This is because the elements connected in parallel to each other show the same voltage value, and it is more suitable to measure the current of each element for the purpose of detecting the imbalance between the parallel elements.
素子の劣化や異常を検出する先行技術として、特許文献1がある。特許文献1では、素子(IGBT)の「電流波形の導通、遮断時の時間当たりの電流変化率は、電力用半導体の温度に依存する」ことを利用して、電流変化率の変動からIGBTの温度の検出を行う例が開示されている。しかしながら、発明者らの調査から、SiC-MOSFETの場合、特に電流の導通時(スイッチングのターンオン時)においては、温度によって電流変化率が変化しないことが確認された。したがって、特許文献1の手法をそのままSiC-MOSFETに適用することは困難である。
また、特許文献2には、短絡状態を判断するための半導体素子に流れる電流を計測するひとつの手段として、半導体素子の内部の寄生のインダクタンスの両端にスイッチング時に発生する電圧を積分することにより電流を計算する技術が開示されている。しかし、半導体素子が故障に至る前に、半導体素子の劣化や異常を検出することや、インバータ内の各素子に流れる電流を比較する手段は開示されていない。
Further, in
本発明の目的は、半導体素子に追加センサを設けることなく、半導体素子が故障に至る前に劣化や異常を検出することに関する。 An object of the present invention is to detect deterioration or abnormality of a semiconductor element before it causes a failure without providing an additional sensor on the semiconductor element.
本発明は、電圧駆動型の半導体素子を駆動するゲート駆動回路において、電力変換装置の各アームにある半導体素子のセンスエミッタ端子(SS)とエミッタ主端子(MS)との間の端子間電圧を測定し、これに基づいて当該素子に流れる電流を計算し、各素子に流れる電流の相対的変化から故障可能性のある素子を推定する構成に関する。 INDUSTRIAL APPLICABILITY In a gate drive circuit for driving a voltage-driven semiconductor element, the present invention applies a voltage between terminals between a sense emitter terminal (SS) and an emitter main terminal (MS) of the semiconductor element in each arm of a power conversion device. The present invention relates to a configuration in which a device is measured, a current flowing through the element is calculated based on the measurement, and an element having a possibility of failure is estimated from a relative change in the current flowing through each element.
本発明によれば、半導体素子に追加センサを設けることなく、当該半導体素子にかかる電流や電圧を他の半導体素子のそれと相対比較することにより、半導体素子間の温度差が予め設定した許容範囲を超えたか否か等を検知できるため、半導体素子が故障に至る前に劣化や異常を検出できる。したがって、電力変換装置の稼動中における故障発生を防止し、高信頼な電力変換装置やゲート駆動回路を提供できる。また、状態監視保全にも役立つ。 According to the present invention, by comparing the current and voltage applied to the semiconductor element relative to those of other semiconductor elements without providing an additional sensor in the semiconductor element, the allowable range in which the temperature difference between the semiconductor elements is set is set in advance. Since it is possible to detect whether or not the semiconductor element has been exceeded, deterioration or abnormality can be detected before the semiconductor element fails. Therefore, it is possible to prevent the occurrence of a failure during the operation of the power conversion device and provide a highly reliable power conversion device and a gate drive circuit. It is also useful for condition monitoring and maintenance.
実施例では、電力変換装置の各アームを構成する複数の半導体素子の状態監視方法であって、電力変換装置の故障予測部が、半導体素子のセンスエミッタ端子とエミッタ主端子との間のVe電圧を測定し、複数の半導体素子に流れる電流および/またはVe電圧の相対的変化から劣化または異常が発生した半導体素子を検出するものを開示する。 In the embodiment, it is a method of monitoring the state of a plurality of semiconductor elements constituting each arm of the power conversion device, and the failure prediction unit of the power conversion device determines the Ve voltage between the sense emitter terminal and the emitter main terminal of the semiconductor element. Disclosed is a device that detects a semiconductor device in which deterioration or abnormality has occurred from a relative change in current and / or Ve voltage flowing through a plurality of semiconductor devices.
また、実施例では、複数の半導体素子により各アームを構成する電力変換装置であって、半導体素子のセンスエミッタ端子とエミッタ主端子との間のVe電圧を測定し、複数の半導体素子に流れる電流および/またはVe電圧の相対的変化から劣化または異常が発生した半導体素子を検出する故障予測部を備えるものを開示する。 Further, in the embodiment, in a power conversion device in which each arm is composed of a plurality of semiconductor elements, the Ve voltage between the sense emitter terminal and the emitter main terminal of the semiconductor element is measured, and the current flowing through the plurality of semiconductor elements is measured. And / or those provided with a failure prediction unit for detecting a semiconductor element in which deterioration or abnormality has occurred from a relative change in Ve voltage are disclosed.
また、実施例では、故障予測部または電力変換装置のゲート駆動回路上にある電流検出部が、Ve電圧に基づいて半導体素子に流れる電流を計算することを開示する。 Further, in the embodiment, it is disclosed that the failure prediction unit or the current detection unit on the gate drive circuit of the power conversion device calculates the current flowing through the semiconductor element based on the Ve voltage.
また、実施例では、故障予測部が、測定されたVe電圧をそのまま相対比較することを開示する。 Further, in the embodiment, it is disclosed that the failure prediction unit directly compares the measured Ve voltage as it is.
また、実施例では、複数の半導体素子間の許容温度差に相当する複数の半導体素子間の電流差ΔIに基づいて、各半導体素子に流れる電流値が各半導体素子の平均電流値±ΔIを逸脱した半導体素子を劣化または異常が発生した半導体素子として検出することを開示する。 Further, in the embodiment, the current value flowing through each semiconductor element deviates from the average current value ± ΔI of each semiconductor element based on the current difference ΔI between the plurality of semiconductor elements corresponding to the allowable temperature difference between the plurality of semiconductor elements. It is disclosed that the semiconductor element is detected as a semiconductor element in which deterioration or abnormality has occurred.
また、実施例では、複数の半導体素子間の許容温度差に相当する複数の半導体素子間のVe電圧差ΔVeに基づいて、各半導体素子のVe電圧値が各半導体素子の平均Ve値±ΔVeを逸脱した半導体素子を劣化または異常が発生した半導体素子として検出することを開示する。 Further, in the embodiment, the Ve voltage value of each semiconductor element determines the average Ve value ± ΔVe of each semiconductor element based on the Ve voltage difference ΔVe between the plurality of semiconductor elements corresponding to the allowable temperature difference between the plurality of semiconductor elements. It is disclosed that a deviated semiconductor element is detected as a semiconductor element in which deterioration or abnormality has occurred.
また、実施例では、複数の半導体素子間の許容温度差に相当する複数の半導体素子間の電流差ΔIに基づいて、各半導体素子に流れる電流値が各半導体素子の初期電流値±ΔIを逸脱した半導体素子を劣化または異常が発生した半導体素子として検出することを開示する。 Further, in the embodiment, the current value flowing through each semiconductor element deviates from the initial current value ± ΔI of each semiconductor element based on the current difference ΔI between the plurality of semiconductor elements corresponding to the allowable temperature difference between the plurality of semiconductor elements. It is disclosed that the semiconductor element is detected as a semiconductor element in which deterioration or abnormality has occurred.
また、実施例では、複数の半導体素子間の許容温度差に相当する複数の半導体素子間のVe電圧差ΔVeに基づいて、各半導体素子のVe電圧値が各半導体素子の初期Ve値±ΔVeを逸脱した半導体素子を劣化または異常が発生した半導体素子として検出することを開示する。 Further, in the embodiment, the Ve voltage value of each semiconductor element sets the initial Ve value ± ΔVe of each semiconductor element based on the Ve voltage difference ΔVe between the plurality of semiconductor elements corresponding to the allowable temperature difference between the plurality of semiconductor elements. It is disclosed that a deviated semiconductor element is detected as a semiconductor element in which deterioration or abnormality has occurred.
また、実施例では、故障予測部が、一定の時間間隔ごとに複数の半導体素子に流れる電流値またはVe電圧値の最大値を相対比較することを開示する。また、一定の時間間隔は、電力変換装置が駆動する三相交流モータの交流電流の1周期分以上の時間間隔であることを開示する。 Further, in the embodiment, it is disclosed that the failure prediction unit relatively compares the maximum value of the current value or the Ve voltage value flowing through the plurality of semiconductor elements at regular time intervals. Further, it is disclosed that the constant time interval is a time interval of one cycle or more of the AC current of the three-phase AC motor driven by the power conversion device.
また、実施例では、電力変換装置の同一アームにおいて複数の半導体素子が並列接続されていることを開示する。また、並列接続された半導体素子間の電流差ΔIまたはVe電圧差ΔVに基づいて、並列接続された当該半導体素子それぞれのスイッチング時のゲート駆動電流を調整し、並列素子間の電流差またはVe電圧差を低減することを開示する。また、ゲート駆動回路が、並列接続された半導体素子間の電流差ΔIまたはVe電圧差ΔVに基づいて、並列素子間の電流差またはVe電圧差を低減するように、並列接続された当該半導体素子それぞれのスイッチング時のゲート駆動電流を調整することを開示する。 Further, in the embodiment, it is disclosed that a plurality of semiconductor elements are connected in parallel in the same arm of the power conversion device. Further, based on the current difference ΔI or Ve voltage difference ΔV between the semiconductor elements connected in parallel, the gate drive current at the time of switching of each of the semiconductor elements connected in parallel is adjusted, and the current difference or Ve voltage between the parallel elements is adjusted. Disclose that the difference is reduced. Further, the gate drive circuit is connected in parallel so as to reduce the current difference or Ve voltage difference between the parallel elements based on the current difference ΔI or Ve voltage difference ΔV between the semiconductor elements connected in parallel. It discloses that the gate drive current at each switching is adjusted.
また、実施例では、半導体素子がSiC-MOSFETであることを開示する。 Further, in the embodiment, it is disclosed that the semiconductor element is a SiC- MOSFET.
また、実施例では、半導体素子を駆動するゲート駆動回路が、短絡検知部およびゲート遮断部を有し、短絡検知部が、各半導体素子に流れる電流が規定値を超えたことを検知した場合に、故障予測部およびゲート駆動回路の上位にある指令論理部を介さずに、ゲート遮断部により半導体素子のゲートを遮断することを開示する。また、ゲート駆動回路が、各半導体素子に流れる電流が規定値を超えた場合に、故障予測部およびゲート駆動回路の上位にある指令論理部を介さずに、半導体素子のゲートを遮断することを開示する。また、規定値が、半導体素子の定格電流を超える電流値であることを開示する。
Further, in the embodiment, when the gate drive circuit for driving the semiconductor element has a short-circuit detection unit and a gate cut-off unit, and the short-circuit detection unit detects that the current flowing through each semiconductor element exceeds a specified value. Disclosed that the gate of the semiconductor element is blocked by the gate blocking section without going through the failure prediction section and the command logic section above the gate drive circuit. Further, when the current flowing through each semiconductor element exceeds the specified value, the gate drive circuit shuts off the gate of the semiconductor element without going through the failure prediction unit and the command logic unit above the gate drive circuit. Disclose. Further, it is disclosed that the specified value is a current value exceeding the rated current of the semiconductor element.
以下、上記およびその他の本発明の新規な特徴と効果について図面を参酌して説明する。なお、図面は専ら発明理解のために用いるものであり、権利範囲を減縮するものではない。 Hereinafter, the above and other novel features and effects of the present invention will be described with reference to the drawings. The drawings are used exclusively for understanding the invention and do not reduce the scope of rights.
図1は、本実施例にかかる鉄道用インバータシステムの構成図である。 FIG. 1 is a configuration diagram of a railway inverter system according to this embodiment.
本実施例にかかる鉄道用インバータシステムでは、MOSFET(電圧駆動型の半導体素子)101とフィルタコンデンサ103によりパワーユニット100を構成する。UVW相それぞれにおいて、MOSFET101が直列に接続されており、各MOSFET101には、通流方向が逆方向となるように還流ダイオード102が並列接続されている。また、各MOSFET101には、指令論理部105からの指令に従い、MOSFETを駆動させるゲート駆動回路104が配置されている。UVW相それぞれの上アームMOSFETと下アームMOSFETとの接続点は、パワーユニット100の出力としてモータ106と接続されている。また、各MOSFET101は、ゲート駆動回路104を介して故障予測部113に接続されている。指令論理部105は、故障予測部113に含まれている。故障予測部113は、各MOSFET101の電流を計測・比較し、故障可能性のある素子を予測する。
In the railway inverter system according to this embodiment, the
架線107からの直流電力は、集電装置108、複数の遮断機109およびフィルタリアクトル110を介して、平滑化され、ノイズを除去するためのフィルタコンデンサ103の高圧側に入力される。なお、フィルタコンデンサ103の低圧側は、車輪111を介して、電気的なグラウンドであるレール112に接続されている。そして、鉄道用インバータシステムは、パワーユニット内のUVW相のMOSFETを交互にスイッチングすることにより3相交流を生成してモータ106に送る。MOSFET101やフィルタコンデンサ103とともにパワーユニット100内に配置されているゲート駆動回路104は、指令論理部105からの指令に従い、MOSFET101を駆動する。指令論理部105は、演算装置、メモリおよび入出力手段を備え、所定のプログラムに従ってMOSFETを駆動する指令を出力する。なお、本実施例にかかるゲート駆動回路では、半導体素子としてMOSFETを駆動する例を説明するが、半導体素子はMOSFETに限らず、例えばIGBTでも良い。
The DC power from the
図2は、本実施例にかかる半導体素子の故障予測装置の構成図である。図1に示す鉄道用インバータシステムの構成図のうち、U相の上下アームのみ詳細に図示し、V相およびW相は同様の構成であるため、略記している。以降の説明においても同様である。電源電圧114(図1のフィルタコンデンサ103の印加電圧)とグラウンド電位115との間に、MOSFET101が直列に接続されており、各MOSFET101には、通流方向が逆方向となるように還流ダイオード102が並列接続されている。各MOSFET101には、センスエミッタ端子(SS)とエミッタ主端子(MS)が元来備わっており、ゲート駆動回路104には、MOSFET101のゲート端子(G)、SS端子、MS端子がそれぞれ接続されている。G端子、SS端子、MS端子は、インバータシステムに搭載できるよう半導体素子や還流ダイオードを一体化したパワー半導体モジュールにもともと備え付けられているため、故障予測のためだけの新たな端子をパワー半導体モジュールに取り付ける必要はない。各素子を駆動するゲート駆動回路104は、それぞれ上位の故障予測部113に接続されている。故障予測部113は、インターフェイス部1、指令論理部105、電流検出部2、相対比較部3、許容変動量指定部4、出力部5から構成される。
FIG. 2 is a configuration diagram of a failure prediction device for a semiconductor element according to this embodiment. Of the configuration diagrams of the railway inverter system shown in FIG. 1, only the upper and lower arms of the U phase are shown in detail, and the V phase and the W phase have the same configuration, and are therefore omitted. The same applies to the following description. A
指令論理部105からインターフェイス部1を介して駆動指令が各素子のゲート駆動回路104に入力される。ゲート駆動回路104は、駆動指令が入力されている間、MOSFET101のG-SS端子間にMOSFET101の閾値電圧を超える電圧を印加し(たとえば+15V)、MOSFET101をオンさせて電流を流す(ターンオン)。また、ゲート駆動回路104は、指令論理部105から駆動指令が入力されていない間は、MOSFET101のG-SS端子間に閾値電圧を下回る電圧を印加し(たとえば-10V)、MOSFET101をオフさせて電流を遮断する(ターンオフ)。
A drive command is input from the
また、ゲート駆動回路104は、MS-SS端子間の電圧(図2のVe電圧)を測定しており、MOSFET101に流れる電流を測定する。Ve電圧とMS-SS端子間を流れる電流(I)との間には(式1)の関係がある。
Ve=-Le*dI/dt・・・(式1)
ここで、LeはMS-SS端子間の寄生インダクタンス、dI/dtはMS-SS端子間を流れる電流(I)の時間変化率である。負号は、電流の変化を妨げる向きに逆起電力Veが発生することを意味する。また、MS-SS端子間を流れる電流は、MOSFET101を流れる電流と等しい。したがって、(式1)より、Leの値を予め測定しておけば、ゲート駆動回路104に入力されたVe電圧を用いてMOSFET101のdI/dtを検出することができ、さらにそれを時間積分すれば、MOSFET101を流れる電流(I)を検出することができる。
Further, the
Ve = -Le * dI / dt ... (Equation 1)
Here, Le is the parasitic inductance between the MS and SS terminals, and dI / dt is the time change rate of the current (I) flowing between the MS and SS terminals. A negative sign means that the counter electromotive force Ve is generated in a direction that hinders the change in current. Further, the current flowing between the MS and SS terminals is equal to the current flowing through the
電力変換装置の各相各アームにあるすべての素子のVe電圧は、ゲート駆動回路104を介して、上位の故障予測部113に集約される。図1では、U相上アームのVe電圧をU1、U相下アームのVe電圧をU2で示した(V相およびW相も同様である)。故障予測部113の中の電流検出部2では、上述のようにVe電圧を積分して、各素子を流れる電流を計算する。Ve電圧の積分は、アナログ回路で構成してもよいし、デジタル積分器等で計算しても良い。なお、図2では、上位の故障予測部113に各素子のVe電圧を集約させた後に、故障予測部113の内部の電流検知部2で電流計算する例を示したが、各素子のゲート駆動回路104の内部に電流検知部2を設け、各素子においてVe電圧から電流値を計算した後に、上位の故障予測部113に各素子の電流値を集約する構成であっても良い。
The Ve voltage of all the elements in each phase and each arm of the power conversion device is collected in the upper
電流検出部2で計算された各アームにあるすべての素子の電流値は、故障予測部113の内部の相対比較部3で互いに比較され、他の素子に対して相対的に有意な差で電流値が逸脱した素子については、故障可能性のある素子として検出し、出力部5に表示する。他の素子に対して相対的に有意な差で電流値が逸脱したか否かは、許容変動量指定部4が指定する変動幅を逸脱するか否かで判定する。
The current values of all the elements in each arm calculated by the
図3は、本実施例にかかる半導体素子の故障予測装置の詳細構成図を示す。相対比較部3は、記憶部6、比較部7から構成される。記憶部6は、電流検出部2で計算された各相各アームの電流値を保持する。許容変動量指定部4は、他の素子に対して相対的に有意な差で電流値が逸脱したか否かを判定するために、許容される変動範囲(上限値:UL、下限値:LL)を比較部7に指定する。比較部7では、各相各アームごとに、記憶部6で保持されている電流値(Ical)と、許容変動量指定部4から指定された許容変動範囲とを比較し、LL≦Ical≦ULの場合は正常とし、Ical<LLまたはUL<Icalの場合は故障が予測される素子として検出する。出力部5は、比較部7で故障が予測された素子が検出された場合、その情報を外部に出力してユーザに明示する。本構成により、故障の可能性のある素子を故障前に検出できるため、保守や部品(素子)交換のタイミングを適正化でき、インバータシステムの長寿命化と保守コストの低減につながる。
FIG. 3 shows a detailed configuration diagram of the failure prediction device for the semiconductor element according to this embodiment. The
時間と共に素子が劣化していく原因としては、特定の素子に電流が集中して過熱を引き起こし、当該素子の特性が変化することが考えられる。そこで、記憶部6で各相各アームの素子に流れる電流を保持する手段としては、電流のピーク値(最大値)を保持しても良い。その場合、各素子間で電流値を相対比較する際は、相またはアームが異なる素子ではピーク電流が流れるタイミングが時間的にずれるため、故障検知部113に時々刻々と入力される各素子の電流情報を同時刻で比較する方法は必ずしも適切ではない。そこで、図3に示すように、比較タイミングを指定する構成(比較タイミング指定部8)を設けても良い。比較タイミング指定部8は、比較部7に接続され、電流値の比較タイミングを指定する。PWM制御の3相交流インバータの場合では、モータ106を流れる交流電流の1周期の時間内に、インバータを構成する各素子に原理的に少なくとも1回はピーク電流が流れることを利用する。たとえば、電鉄用のモータ電流の周波数は概ね0~200Hzの範囲内にあるため、100Hzでは10msの間に電力変換装置内の各素子に少なくとも1回はピーク電流が流れる。そこで、比較タイミング指定部8は10ms以上の時間間隔を空けて比較タイミングを比較部7に指示することにより、各素子のピーク電流を相対比較することが可能になる。
It is conceivable that the cause of the deterioration of the element with time is that the current concentrates on a specific element and causes overheating, and the characteristics of the element change. Therefore, as a means for holding the current flowing through the element of each phase and each arm in the
図4は、許容変動量指定部4が比較部7に与える許容変動範囲(上限値:UL、下限値:LL)の導出手順を示す。インバータシステムを構成する半導体素子の寿命に影響する主な要因としては、素子(MOSFET)の特性劣化やはんだ接合部の熱疲労などが挙げられる。MOSFETの閾値電圧の変動やばらつきに伴って電流アンバランスが発生することで特定の素子のスイッチング損失(発熱)が増大し、素子間の温度差が拡大する。素子間の温度差が大きくなると、温度変化が相対的に大きい素子の方がはんだ接合部の熱疲労が進展するため、他の素子に対して寿命が低下し、結果インバータシステム全体の信頼性を損なう要因となる。特に、SiC-MOSFETを適用した鉄道用インバータの場合、同一のアーム内に複数の素子を並列接続して使用することが一般的であるため、アーム間だけでなく、同一アーム内に並列接続された素子間の温度差を低減することも重要である。以下では、同一アーム内に並列接続された2つの素子(MOSFET)の場合を例に、故障素子を予測するための許容変動範囲の導出手順を説明するが、別のアーム間で比較する場合や、IGBTなど他の電圧駆動型の半導体素子を対象とした場合でも同様の手法が適用できる。
FIG. 4 shows a procedure for deriving an allowable fluctuation range (upper limit value: UL, lower limit value: LL) given to the comparison unit 7 by the allowable fluctuation
MOSFETのスイッチング中の電流変化率(dI/dt)は、(式2)で表せる。ここで、gmは相互コンダクタンス、dVgs/dtはゲート‐ソース間電圧(Vgs)の時間変化率である。スイッチング時のdI/dtが発生するタイミングでは、MOSFETは飽和領域で動作しているため、gmは(式3)で表せる。ここで、βは利得係数、VthはMOSFETの閾値電圧である。
dI/dt=gm*dVgs/dt・・・(式2)
gm=β*(Vgs-Vth)・・・(式3)
並列接続された2素子間では、同一のVgsが印加するため、(式2)(式3)より、2素子間におけるスイッチング時のdI/dtのアンバランス(したがって電流のアンバランス)は、Vthの差に大きく依存する。
The current change rate (dI / dt) during switching of the MOSFET can be expressed by (Equation 2). Here, gm is the mutual conductance, and dVgs / dt is the time change rate of the gate-source voltage (Vgs). Since the MOSFET is operating in the saturation region at the timing when dI / dt is generated during switching, gm can be expressed by (Equation 3). Here, β is a gain coefficient and Vth is the threshold voltage of the MOSFET.
dI / dt = gm * dVgs / dt ... (Equation 2)
gm = β * (Vgs-Vth) ... (Equation 3)
Since the same Vgs is applied between two elements connected in parallel, the imbalance of dI / dt (hence the imbalance of current) at the time of switching between the two elements is Vth from (Equation 2) and (Equation 3). It depends greatly on the difference between.
図5に、半導体素子の閾値電圧の大小とスイッチング波形との関係の説明図を示す。また、図6に、半導体素子の閾値電圧の差とスイッチング損失の差の関係の説明図を示す。図5に示すように、2素子のうちVthが小さい方の素子(素子1)が他方(素子2)よりも早くターンオンし、逆にオフ時はVthの大きい方の素子(素子2)が他方(素子1)よりも早くターンオフするため、オン時、オフ時ともにVthの小さい方の素子1に電流が集中する。したがって、Vthの小さい方の素子1のスイッチング損失が相対的に大きくなり、並列接続された2素子間で温度差が発生する。したがって、図6に示すように、並列素子間でVthの平均からの差分(ΔVth)を横軸に、スイッチング損失の平均からの差分(ΔE)を縦軸にとってグラフ化すると、原点を通る右肩下がりの関係性が得られる。
FIG. 5 shows an explanatory diagram of the relationship between the magnitude of the threshold voltage of the semiconductor element and the switching waveform. Further, FIG. 6 shows an explanatory diagram of the relationship between the difference in the threshold voltage of the semiconductor element and the difference in the switching loss. As shown in FIG. 5, of the two elements, the element with the smaller Vth (element 1) turns on earlier than the other (element 2), and conversely, when it is off, the element with the larger Vth (element 2) is the other. Since the turn-off is faster than that of (element 1), the current is concentrated on the
以上の原理を基に、許容変動量指定部4が比較部7に与える許容変動範囲(上限値:UL、下限値:LL)の導出手順を示す。
Based on the above principle, the procedure for deriving the permissible fluctuation range (upper limit value: UL, lower limit value: LL) given to the comparison unit 7 by the permissible fluctuation
[手順1]許容温度差の指定
素子間の許容温度差(ΔT)をユーザ側が指定する。並列接続される素子間の温度差(ΔT)は、素子の熱抵抗(Rth)と素子間のスイッチング損失の差(ΔE)の積として(式4)で推定でき、ΔTに対応するΔEを導出する。
ΔT=Rth*ΔE・・・(式4)
[Procedure 1] Specifying the allowable temperature difference The user specifies the allowable temperature difference (ΔT) between the elements. The temperature difference (ΔT) between the elements connected in parallel can be estimated by (Equation 4) as the product of the thermal resistance (Rth) of the elements and the difference in switching loss (ΔE) between the elements, and ΔE corresponding to ΔT is derived. do.
ΔT = Rth * ΔE ... (Equation 4)
[手順2]閾値電圧差とスイッチング損失差との関係の導出
前述のようにΔEは、2素子間のVthの差(ΔVth)に大きく依存するため、図6に示すようなΔEとΔVthの相関関係を導出する。ΔEとΔVthの関係は、半導体素子の種類や主回路条件(電源電圧、駆動電流)、ゲート駆動条件(駆動周波数)、温度に依存するため、実験的・統計的に導出してもよいし、素子を解析モデル化(回路モデル、物理モデル)して回路シミュレーションで予め算出することも可能である。
[Procedure 2] Derivation of the relationship between the threshold voltage difference and the switching loss difference As described above, ΔE largely depends on the difference in Vth (ΔVth) between the two elements, and therefore, the correlation between ΔE and ΔVth as shown in FIG. Derive the relationship. Since the relationship between ΔE and ΔVth depends on the type of semiconductor element, main circuit conditions (power supply voltage, drive current), gate drive conditions (drive frequency), and temperature, it may be derived experimentally or statistically. It is also possible to analyze and model the element (circuit model, physical model) and calculate in advance by circuit simulation.
[手順3]許容される閾値電圧差の導出(許容ΔVthの導出)
(式4)と手順2で導出したΔE-ΔVth関係より、ΔTを許容温度差以下に抑制するために許容される閾値電圧差(ΔVth_clit)が推定できる。
[Procedure 3] Derivation of allowable threshold voltage difference (derivation of allowable ΔVth)
From the relationship between (Equation 4) and ΔE−ΔVth derived in
[手順4]許容される電流変化率の差の導出(許容ΔdI/dtの導出)
ΔVth_clitに対応する並列接続された2素子間のスイッチング時のdI/dtの差(ΔdI/dt)を導出する。実験的・統計的に導出してもよいし、(式2)(式3)から解析的に算出してもよい。
[Procedure 4] Derivation of the difference in the permissible current change rate (derivation of the permissible ΔdI / dt)
The difference in dI / dt (ΔdI / dt) at the time of switching between two elements connected in parallel corresponding to ΔVth_clit is derived. It may be derived experimentally or statistically, or it may be calculated analytically from (Equation 2) and (Equation 3).
[手順5]許容される電流差の導出(許容ΔIの導出)
手順4のΔdI/dtに半導体素子のスイッチング時間を乗じることで、ΔTを許容温度差以下に抑制するために許容される電流差(ΔI)を導出できる。
[Procedure 5] Derivation of allowable current difference (derivation of allowable ΔI)
By multiplying ΔdI / dt in
[手順6]許容変動量指定部への入力
手順5で導出したΔIに基づいて、許容変動量指定部4に許容変動範囲(上限値:UL、下限値:LL)を入力する。
[Procedure 6] Input to the permissible fluctuation amount designation unit Based on the ΔI derived in
図7は、電力変換装置の各相各アームにある半導体素子を流れる電流の相対比較により、故障が予測される素子を検出する方法の説明図である。許容温度差(ΔT)に相当する各素子間の電流差(ΔI)に基づいて、各素子に流れる電流値が、各素子の電流平均値(Iave)±ΔIから逸脱した素子を故障が予測される素子として検出する。すなわち、許容変動量指定部4に与える許容変動範囲として、上限値をUL=Iave+ΔIとし、下限値をLL=Iave-ΔIとする。
FIG. 7 is an explanatory diagram of a method of detecting an element in which a failure is predicted by a relative comparison of currents flowing through a semiconductor element in each phase and each arm of the power conversion device. Based on the current difference (ΔI) between each element corresponding to the allowable temperature difference (ΔT), a failure is predicted for an element in which the current value flowing through each element deviates from the current average value (Iave) ± ΔI of each element. Detect as an element. That is, as the permissible fluctuation range given to the permissible fluctuation
以上の方法により、並列接続される素子間の温度差を許容値以下(例えばΔT≦5K)に抑制するためのΔIを導出でき、各相各アームの素子に流れる電流値を相対比較することで、素子間の温度差が予め指定した許容量を逸脱するか否かを判定し、故障可能性のある素子を検出することが可能となる。なお、許容温度差(ΔT)は素子が故障する温度よりも十分に低く設定することにより、故障可能性のある素子を故障前の段階で検出することができる。本手法では、温度センサや電流センサを素子自体に追加で設ける必要がないため、低コストであるとともにインバータ装置の小型化に寄与する。さらに、各素子の電流を測定・比較することで、同一アーム内に複数の素子が並列接続される場合にも適用できる利点がある。 By the above method, ΔI for suppressing the temperature difference between the elements connected in parallel to the allowable value or less (for example, ΔT ≦ 5K) can be derived, and the current values flowing through the elements of each phase and each arm can be compared relative to each other. It is possible to determine whether or not the temperature difference between the elements deviates from the allowable amount specified in advance, and to detect the element having a possibility of failure. By setting the permissible temperature difference (ΔT) sufficiently lower than the temperature at which the element fails, the element that may fail can be detected at the stage before the failure. In this method, it is not necessary to additionally provide a temperature sensor and a current sensor in the element itself, which contributes to low cost and miniaturization of the inverter device. Further, by measuring and comparing the currents of each element, there is an advantage that it can be applied even when a plurality of elements are connected in parallel in the same arm.
図8は、個々の半導体素子を流れる電流の時間変化の追跡により、故障が予測される素子を検出する方法の説明図である。許容温度差(ΔT)に相当する各素子間の電流差(ΔI)に基づいて、各素子に流れる電流値が、初期値(I0)±ΔIを逸脱した素子を故障が予測される素子として検出する。すなわち、許容変動量指定部4に与える許容変動範囲として、上限値をUL=I0+ΔIとし、下限値をLL=I0-ΔIとする。図7の場合は、各素子の相対的な電流の変化を検出するため、仮にすべての素子の電流が同様に変動した場合はほとんど変化を検出できないが、本手法では各素子の電流の時間変化を追跡できるため、検出が可能になる利点がある。
FIG. 8 is an explanatory diagram of a method of detecting an element in which a failure is predicted by tracking a time change of a current flowing through each semiconductor element. An element in which the current value flowing through each element deviates from the initial value (I 0 ) ± ΔI based on the current difference (ΔI) between each element corresponding to the allowable temperature difference (ΔT) is regarded as an element in which failure is predicted. To detect. That is, as the permissible fluctuation range given to the permissible fluctuation
図9は、本実施例にかかる半導体素子の故障予測装置の構成図を示す。本実施例では、実施例1と異なり、インターフェイス部1と相対比較部3との間に電流検出部2が介在せず、半導体素子のMS-SS端子間の電圧(Ve電圧)を各相各アーム間で相対比較する。つまり、Ve電圧を積分せずに、Ve電圧のまま相対比較する。
FIG. 9 shows a configuration diagram of a failure prediction device for a semiconductor element according to this embodiment. In this embodiment, unlike the first embodiment, the
実施例1に比較して、電流検出部2を設けない分、故障予測部113の構成が簡易化できるのに加え、前述のように、Ve電圧は、素子の電流変化率(dI/dt)や閾値電圧の変動(ΔVth)を大きく反映した物理パラメータであるため、上記の素子特性の変化を計測・比較する目的に適した手法である。
Compared with the first embodiment, since the
許容変動量指定部4が指定する許容変動範囲(上限値:UL、下限値:LL)の導出手順としては、実施例1で示した手順5、手順6を手順5´、手順6´に置き換えれば、許容温度差(ΔT)に対応するVe電圧の差(ΔVe)が導出できる。
As a procedure for deriving the allowable fluctuation range (upper limit value: UL, lower limit value: LL) designated by the allowable fluctuation
[手順1~手順4]
実施例1と同じである。
[
It is the same as Example 1.
[手順5´]許容されるVe電圧差の導出
Ve電圧は、MS-SS間の寄生インダクタンス(Le)と電流変化率(dI/dt)の積で表されるため、手順4のΔdI/dtにLeを乗じることで、ΔTを許容温度差以下に抑制するために許容されるVe電圧差(ΔVe)を導出できる。
[Procedure 5'] Derivation of allowable Ve voltage difference Since the Ve voltage is expressed by the product of the parasitic inductance (Le) between MS and SS and the current change rate (dI / dt), ΔdI / dt in
[手順6´]
手順5´で導出したΔVeに基づいて、許容変動量指定部4に許容変動範囲(上限値:UL、下限値:LL)を入力する。すなわち、許容変動量指定部4に与える許容変動範囲として、上限値をUL=Veave(平均値)+ΔVeとし、下限値をLL=Veave(平均値)-ΔVeとする。
[Procedure 6']
Based on the ΔVe derived in step 5', the allowable fluctuation range (upper limit value: UL, lower limit value: LL) is input to the allowable fluctuation
図10は、本実施例にかかる半導体素子の故障予測装置の構成図を示す。本実施例では、同一アーム内に複数の素子が並列接続され、各素子に流れる電流を均一化するように、各素子を駆動するゲート電流を補正する。以下、実施例1および2との相違点を中心に説明する。 FIG. 10 shows a configuration diagram of a failure prediction device for a semiconductor element according to this embodiment. In this embodiment, a plurality of elements are connected in parallel in the same arm, and the gate current for driving each element is corrected so that the current flowing through each element is made uniform. Hereinafter, the differences from Examples 1 and 2 will be mainly described.
MOSFET101aおよび101bは同一アーム内に2並列に接続され、各素子のVe電圧(Ve1、Ve2)がゲート駆動回路104aに入力されている。U相下アームおよび他相のアームについても、同様の接続様態であり、全相全アームのVe電圧は、上位の故障検知部113に集約される。
The
差動増幅部12が、故障予測部113内の相対比較部3と指令論理部105との間に接続される。ゲート駆動回路104a内には、駆動制御部9、第1のゲート電流制御部10、第2のゲート電流制御部11が設けられている。駆動制御部9はインターフェイス部1を介して指令論理部105に接続されている。第1のゲート電流制御部10は第1のMOSFET101aのゲート端子と駆動制御部9との間に、第2のゲート電流制御部11は第2のMOSFET101bのゲート端子と駆動制御部9との間に接続されている。U相下アームおよび他相のアームのゲート駆動回路においても、同様の接続様態である。
The
各相各アームのMOSFET101aおよび101bを流れる電流は電流検出部2でそれぞれ計算され、相対比較部3で比較される。相対比較部3で検出されたMOSFET101aと101bを流れる電流の差分は、差動増幅部12で増幅され、指令論理部105に送られる。このとき、指令論理部105は、MOSFET101aと101bの駆動指令に加えて、ゲート電流制御信号をゲート駆動回路104a内の駆動制御部9に送信する。駆動制御部9は、ゲート電流制御信号の値に応じて、MOSFET101aと101bを流れる電流の差を減少させるように、第2のゲート電流制御部11を調整し、第2のゲート電流(Ig2)を制御する。たとえば、MOSFET101aを流れる電流が101bを流れる電流よりも大きい場合には、Ig2を増大させてMOSFET101bを流れる電流を増加させ、並列素子間の電流を均一化させる。本実施例では、第2のゲート電流制御部11のみを調整し、第1のゲート電流10は固定したが、もちろん、両方を調整して電流アンバランスを低減させる方式でも良い。ゲート電流(Ig1、Ig2)を調整する手段としては、定電圧源とMOSFET101のゲート端子との間のゲート抵抗(Rg1、Rg2)を可変させる方式でも良いし、可変電流源とMOSFET101のゲート端子を接続してゲート電流を制御しても良い。
The currents flowing through the
本実施例では、各素子の電流差を検出するのみならず、電流アンバランスを抑制するような駆動制御が可能となる利点がある。 In this embodiment, there is an advantage that not only the current difference of each element can be detected but also the drive control that suppresses the current imbalance becomes possible.
図11は、本実施例にかかる半導体素子の故障予測装置の構成図を示す。本実施例では、短絡が発生した際に、上位の指令論理部を介することなく、各アームにあるゲート駆動回路において当該素子のゲートを遮断する。以下、実施例1乃至3との相違点を中心に説明する。 FIG. 11 shows a configuration diagram of a failure prediction device for a semiconductor element according to this embodiment. In this embodiment, when a short circuit occurs, the gate of the element is cut off in the gate drive circuit in each arm without going through the upper command logic unit. Hereinafter, the differences from the first to third embodiments will be mainly described.
ゲート駆動回路104c内には、短絡検知部13、ゲート遮断部14が設けられている。その他の接続様態は、実施例3と同様である。短絡検知部13の入力部は、電圧駆動型の半導体素子101のMS-SS端子間に接続され、短絡検知部13の出力部はゲート遮断部14を介して、電圧駆動型の半導体素子101のゲート端子(G)に接続される。U相下アームおよび他相のアームについても、同様の接続様態である。
A short
短絡検知部13は、MS-SS端子間電圧(Ve電圧)に基づいて素子に流れる電流を計算し、所定の電流値を超えた場合にはアーム短絡が発生したと判断する。このとき、実施例3のように、上位の指令論理部105や故障予測部113を介さずに、ゲート遮断部14が電圧駆動型の半導体素子101のゲートをオフ状態にし、アーム短絡によって半導体素子が破壊される前に素子に流れる電流を遮断し、インバータシステムの破壊規模を最小化し、システムの復旧コストを低減できる。
The short
特に、SiC-MOSFETは飽和電流がSi-IGBTよりも大きいため、SiC-MOSFETを適用したインバータでは、アーム短絡を高速検知し、素子を破壊から保護する必要があるため、本実施例の構成は有効である。 In particular, since the saturation current of the SiC- MOSFET is larger than that of the Si-IGBT, it is necessary to detect the arm short circuit at high speed and protect the element from the destruction in the inverter to which the SiC- MOSFET is applied. It is valid.
アーム短絡が起きたか否かを判断するためには、短絡検知部13の内部に検知レベルを設定しておき、Ve電圧から計算される電流値が上記検知レベルを超えるか否かで判断できる。たとえば、SiC-MOSFETの短絡電流(飽和電流)は定格時の駆動電流よりも十分に大きいため(例えば15倍)、定格の2~3倍に検知レベルを設定しておけば、通常駆動時は誤検知することなく、アーム短絡の発生時のみ高速検知できる。また、図11ではU相上アームのみ短絡検知部13とゲート遮断部14を図示したが、全相全アームの素子に同様の構成を設けるため、たとえば、下アームの素子がオン中に、上アームの素子が突然破壊した場合などは、下アームの素子のゲート駆動回路104dがアーム短絡を検知・遮断可能であり、あらゆるモードでのアーム短絡に対応できる利点がある。
In order to determine whether or not an arm short circuit has occurred, a detection level is set inside the short
なお、実施例1乃至4を組み合わせて、故障予測精度、駆動制御、短絡保護機能を向上させてもよい。 In addition, the failure prediction accuracy, the drive control, and the short circuit protection function may be improved by combining Examples 1 to 4.
1:インターフェイス部
2:電流検出部
3:相対比較部
4:許容変動量指定部
5:出力部
6:記憶部
7:比較部
8:比較タイミング指定部
9:駆動制御部
10: 第1のゲート電流制御部
11: 第2のゲート電流制御部
12:差動増幅部
13:短絡検知部
14:ゲート遮断部
100:パワーユニット
101:電圧駆動型の半導体素子(IGBT、MOSFETなど)
102:還流ダイオード
103:フィルタコンデンサ
104:ゲート駆動回路
105:指令論理部
106:モータ
107:架線
108:集電装置
109:遮断機
110:フィルタリアクトル
111:車輪
112:レール
113:故障予測部
114:電源電圧
115:グラウンド電位
G:半導体素子のゲート端子
SS:半導体素子のセンスエミッタ端子
MS:半導体素子のエミッタ主端子
Le:SSとMSとの間の寄生インダクタンス
Ve:SSとMSとの間の端子間電圧
Vth:半導体素子の閾値電圧
1: Interface unit 2: Current detection unit 3: Relative comparison unit 4: Allowable fluctuation amount specification unit 5: Output unit 6: Storage unit 7: Comparison unit 8: Comparison timing specification unit 9: Drive control unit 10: First gate Current control unit 11: Second gate current control unit 12: Differential amplification unit 13: Short circuit detection unit 14: Gate cutoff unit 100: Power unit 101: Voltage-driven semiconductor element (IGBT, MOSFET, etc.)
102: Freewheeling diode 103: Filter capacitor 104: Gate drive circuit 105: Command logic unit 106: Motor 107: Overhead wire 108: Current collector 109: Breaker 110: Filter reactor 111: Wheel 112: Rail 113: Failure prediction unit 114: Power supply voltage 115: Ground potential G: Gate terminal of semiconductor element SS: Sense emitter terminal of semiconductor element MS: Emitter main terminal of semiconductor element Le: Parasitic inductance between SS and MS Ve: Terminal between SS and MS Intermittent voltage Vth: Threshold voltage of semiconductor element
Claims (22)
電力変換装置の故障予測部が、前記半導体素子のセンスエミッタ端子とエミッタ主端子との間のVe電圧を測定し、前記複数の半導体素子に流れる電流および/または前記Ve電圧の相対的変化から劣化または異常が発生した前記半導体素子を検出する状態監視方法。 It is a method for monitoring the state of a plurality of semiconductor elements constituting each arm of a power conversion device.
The failure prediction unit of the power conversion device measures the Ve voltage between the sense emitter terminal and the emitter main terminal of the semiconductor element, and deteriorates from the relative change of the current and / or the Ve voltage flowing through the plurality of semiconductor elements. Alternatively, a state monitoring method for detecting the semiconductor element in which an abnormality has occurred.
前記故障予測部、または電力変換装置のゲート駆動回路にある電流検出部が、前記Ve電圧に基づいて前記半導体素子に流れる電流を計算することを特徴とする状態監視方法。 In the condition monitoring method according to claim 1,
A state monitoring method characterized in that a failure prediction unit or a current detection unit in a gate drive circuit of a power conversion device calculates a current flowing through the semiconductor element based on the Ve voltage.
前記故障予測部が、測定されたVe電圧をそのまま相対比較することを特徴とする状態監視方法。 In the condition monitoring method according to claim 1,
A condition monitoring method in which the failure prediction unit directly compares the measured Ve voltage as it is.
前記複数の半導体素子間の許容温度差に相当する前記複数の半導体素子間の電流差Δ IまたはVe電圧差ΔVeに基づいて、各半導体素子に流れる電流値が各半導体素子の平均電流値±ΔIもしくは初期電流値±ΔIを逸脱した半導体素子、または各半導体素子のVe電圧値が各半導体素子の平均Ve値±ΔVeもしくは各半導体素子の初期Ve値± ΔVeを逸脱した半導体素子を、劣化または異常が発生した半導体素子として検出することを特徴とする状態監視方法。 In the condition monitoring method according to any one of claims 1 to 3,
Based on the current difference ΔI or Ve voltage difference ΔV between the plurality of semiconductor elements corresponding to the permissible temperature difference between the plurality of semiconductor elements, the current value flowing through each semiconductor element is the average current value ± ΔI of each semiconductor element. Alternatively, the semiconductor element that deviates from the initial current value ± ΔI, or the semiconductor element whose Ve voltage value of each semiconductor element deviates from the average Ve value ± ΔVe of each semiconductor element or the initial Ve value ± ΔVe of each semiconductor element is deteriorated or abnormal. A state monitoring method characterized by detecting as a semiconductor element in which a current is generated.
前記故障予測部が、一定の時間間隔ごとに前記複数の半導体素子に流れる電流値またはVe電圧値の最大値を相対比較することを特徴とする状態監視方法。 In the condition monitoring method according to any one of claims 1 to 4,
A condition monitoring method, wherein the failure prediction unit makes a relative comparison of the maximum values of current values or Ve voltage values flowing through the plurality of semiconductor elements at regular time intervals.
前記一定の時間間隔は、電力変換装置が駆動する三相交流モータの交流電流の1周期分以上の時間間隔であることを特徴とする状態監視方法。 In the condition monitoring method according to claim 5,
The state monitoring method, wherein the fixed time interval is a time interval of one cycle or more of the alternating current of the three-phase alternating current motor driven by the power conversion device.
前記電力変換装置の同一アームにおいて複数の半導体素子が並列接続されていることを特徴とする状態監視方法。 In the condition monitoring method according to any one of claims 1 to 6,
A condition monitoring method characterized in that a plurality of semiconductor elements are connected in parallel in the same arm of the power conversion device.
並列接続された半導体素子間の電流差ΔIまたはVe電圧差ΔVに基づいて、並列接続された当該半導体素子それぞれのスイッチング時のゲート駆動電流を調整し、並列素子間の電流差またはVe電圧差を低減することを特徴とする状態監視方法。 In the condition monitoring method according to claim 7,
Based on the current difference ΔI or Ve voltage difference ΔV between the semiconductor elements connected in parallel, the gate drive current at the time of switching of each of the semiconductor elements connected in parallel is adjusted, and the current difference or Ve voltage difference between the parallel elements is adjusted. A state monitoring method characterized by reduction.
前記半導体素子がSiC-MOSFETであることを特徴とする状態監視方法。 In the condition monitoring method according to any one of claims 1 to 8,
A condition monitoring method characterized in that the semiconductor element is a SiC-PWM.
前記半導体素子を駆動するゲート駆動回路が、短絡検知部およびゲート遮断部を有し、前記短絡検知部が、各半導体素子に流れる電流が規定値を超えたことを検知した場合に、前記故障予測部および前記ゲート駆動回路の上位にある指令論理部を介さずに、前記ゲート遮断部により前記半導体素子のゲートを遮断することを特徴とする状態監視方法。 In the condition monitoring method according to any one of claims 1 to 9,
When the gate drive circuit for driving the semiconductor element has a short-circuit detection unit and a gate cut-off unit, and the short-circuit detection unit detects that the current flowing through each semiconductor element exceeds a specified value, the failure prediction is performed. A state monitoring method comprising blocking the gate of the semiconductor element by the gate blocking section without going through the section and the command logic section above the gate drive circuit.
前記規定値が、前記半導体素子の定格電流を超える電流値であることを特徴とする状態監視方法。 In the condition monitoring method according to claim 10,
A condition monitoring method, wherein the specified value is a current value that exceeds the rated current of the semiconductor element.
前記半導体素子のセンスエミッタ端子とエミッタ主端子との間のVe電圧を測定し、前記複数の半導体素子に流れる電流および/または前記Ve電圧の相対的変化から劣化または異常が発生した前記半導体素子を検出する故障予測部を備える電力変換装置。 A power conversion device that constitutes each arm with a plurality of semiconductor elements.
The Ve voltage between the sense emitter terminal and the emitter main terminal of the semiconductor element is measured, and the semiconductor element whose deterioration or abnormality has occurred due to the relative change of the current and / or the Ve voltage flowing through the plurality of semiconductor elements is obtained. A power conversion device equipped with a failure prediction unit for detection.
前記故障予測部、または電力変換装置のゲート駆動回路上にある電流検出部が、前記Ve電圧に基づいて前記半導体素子に流れる電流を計算することを特徴とする電力変換装置。 In the power conversion device according to claim 12,
A power conversion device characterized in that a failure prediction unit or a current detection unit on a gate drive circuit of the power conversion device calculates a current flowing through the semiconductor element based on the Ve voltage.
前記故障予測部が、測定されたVe電圧をそのまま相対比較することを特徴とする電力変換装置。 In the power conversion device according to claim 12,
A power conversion device characterized in that the failure prediction unit directly compares the measured Ve voltage as it is.
前記複数の半導体素子間の許容温度差に相当する前記複数の半導体素子間の電流差ΔIまたはVe電圧差ΔVeに基づいて、各半導体素子に流れる電流値が各半導体素子の平均電流値±ΔIもしくは初期電流値±ΔIを逸脱した半導体素子、または各半導体素子のVe電圧値が各半導体素子の平均Ve値±ΔVeもしくは各半導体素子の初期Ve値±ΔVeを逸脱した半導体素子を、劣化または異常が発生した半導体素子として検出することを特徴とする電力変換装置。 In the power conversion device according to any one of claims 12 to 14,
Based on the current difference ΔI or Ve voltage difference ΔVe between the plurality of semiconductor elements corresponding to the permissible temperature difference between the plurality of semiconductor elements, the current value flowing through each semiconductor element is the average current value ± ΔI of each semiconductor element or Deterioration or abnormality of a semiconductor element that deviates from the initial current value ± ΔI, or a semiconductor element whose Ve voltage value of each semiconductor element deviates from the average Ve value ± ΔVe of each semiconductor element or the initial Ve value ± ΔVe of each semiconductor element. A power conversion device characterized in that it is detected as a generated semiconductor element.
前記故障予測部が、一定の時間間隔ごとに前記複数の半導体素子に流れる電流値またはVe電圧値の最大値を相対比較することを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to any one of claims 12 to 15.
A power conversion device, wherein the failure prediction unit makes a relative comparison of the maximum values of current values or Ve voltage values flowing through the plurality of semiconductor elements at regular time intervals.
前記一定の時間間隔は、電力変換装置が駆動する三相交流モータの交流電流の1周期分以上の時間間隔であることを特徴とする電力変換装置。 In the power conversion device according to claim 16,
The power conversion device is characterized in that the fixed time interval is a time interval of one cycle or more of the AC current of the three-phase AC motor driven by the power conversion device.
同一アームにおいて複数の半導体素子が並列接続されていることを特徴とする電力変換装置。 In the power conversion device according to any one of claims 12 to 17.
A power conversion device characterized in that a plurality of semiconductor elements are connected in parallel on the same arm.
ゲート駆動回路が、並列接続された半導体素子間の電流差ΔIまたはVe電圧差ΔVに基づいて、並列素子間の電流差またはVe電圧差を低減するように、並列接続された当該半導体素子それぞれのスイッチング時のゲート駆動電流を調整することを特徴とする電力変換装置。 In the power conversion device according to claim 18,
The gate drive circuit of each of the semiconductor elements connected in parallel so as to reduce the current difference or Ve voltage difference between the parallel elements based on the current difference ΔI or Ve voltage difference ΔV between the semiconductor elements connected in parallel. A power conversion device characterized by adjusting the gate drive current during switching.
前記半導体素子がSiC-MOSFETであることを特徴とする電力変換装置。 In the power conversion device according to any one of claims 12 to 19.
A power conversion device characterized in that the semiconductor element is a SiC- MOSFET.
ゲート駆動回路が、各半導体素子に流れる電流が規定値を超えた場合に、前記故障予測部および前記ゲート駆動回路の上位にある指令論理部を介さずに、前記半導体素子のゲートを遮断することを特徴とする電力変換装置。 In the power conversion device according to any one of claims 12 to 20,
When the current flowing through each semiconductor element exceeds a specified value, the gate drive circuit shuts off the gate of the semiconductor element without going through the failure prediction unit and the command logic unit above the gate drive circuit. A power conversion device characterized by.
前記規定値が、前記半導体素子の定格電流を超える電流値であることを特徴とする電力変換装置。 In the power conversion device according to claim 21,
A power conversion device characterized in that the specified value is a current value exceeding the rated current of the semiconductor element.
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