[发明专利]电力转换装置、其诊断系统、诊断方法和使用它的电动机控制系统

说明书

本发明的目的在于，在具有多个功率半导体器件的电力转换装置中，不设置温度传感器而廉价地在动作时检测开关元件的温度，诊断、控制电力转换装置的状态。为了达到上述目，本发明提供一种包括具有开关元件的功率半导体器件的电力转换装置，其包括：用于驱动开关元件的栅极驱动电路，其能够发送开关元件进行开关动作时的反馈信号；将用于进行开关的PWM指令信号输出至栅极驱动电路的控制部；基于PWM指令信号和反馈信号计算开关元件的结温度的温度检测部；和基于由温度检测部计算出的结温度和PWM指令信号来分析功率半导体器件的状态的运算处理部。

技术领域

本发明涉及电力转换装置，特别涉及由功率半导体开关元件构成的电力转换装置的维护或诊断技术。

背景技术

在铁路车辆和适用于大型工业的电动机的控制用途和电力系统用等的大容量的频率转换装置等的电力转换装置中，使用大容量的功率半导体器件，进行高电压且大电流的电力控制。在这样的设备中，如果在运行期间发生故障则会产生系统的损伤、计划外的系统停止，存在发生大的经济损失的可能性。为了防止这样的状况，需要检测电力转换装置的劣化和异常，防止功能停止引起的损坏、向相关人员通知维护必要性、进行电力转换装置的延命控制。

作为电力转换装置的主要故障原因，有半导体元件的过热。当半导体芯片的结温度Tj(也称为结温)成为额定值以上(例如在Si半导体元件的情况下为150℃)时发生损坏。因此，在电力转换装置实施散热设计。

但是，在半导体元件的内部层叠有热膨胀系数与半导体芯片不同的材料，无法避免由于运行期间的热应变而焊料等的材料发生老化。由此，即使使电力转换装置在额定值内运行，半导体元件的热阻抗也会随着时间的经过而上升，存在由于散热不良而使得半导体元件过热的情况。此外，根据将功率半导体器件从装置取下花费的时间人力和检查成本的情况，在通常的维护工作中极少检查功率半导体器件本身，而是在发生问题和故障的情况下进行处置。

因此，作为利用简便的方法监视电力转换装置的状态的技术，期望在系统运行期间测量结温度的技术。虽然存在在半导体器件内部作为元件放入温度传感器的方法，但是在元件加工上耗费成本，且由于要求温度传感器的响应速度和可靠性而问题多多。因此，已知有利用半导体元件的热电路模型及电特性的温度依赖性来推测结温度的技术。

例如，作为根据半导体元件的开关特性的温度依赖性推测结温度的方法的例子，有专利文献1。在专利文献1中公开有如下方法：通过检测IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor：绝缘栅双极晶体管)元件的开关截止阶段中的栅极-发射极电压特性的镜像平台(ミラープラトー)阶段的开始和结束阶段时间延迟，决定IGBT元件的结温度，在记录到平均结温度持续上升的情况下，检测老化。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2013-142704号公报

发明内容

发明所要解决的问题

在专利文献1中，需要在高电压(强电)部设置用于波形变化检测(在开关中进行2点测量)的专用电路，未考虑到适用于已有的装置这一点。此外，需要进行用于预测半导体元件的寿命的长期的数据累积和分析，而为了预测寿命，要持续获取数据直至确认老化、即直至确认平均结温度上升为止，因此需要成本，对这一点亦未考虑。

因此，本发明的目的在于，在具有多个功率半导体器件的电力转换装置中，提供能够不设置温度传感器，而以简单的结构高精度地检测电力转换装置的异常和损伤的电力转换装置、其诊断系统、诊断方法和使用它的电动机控制系统。

用于解决问题的技术方案