本發(fā)明涉及一種電力轉(zhuǎn)換裝置，特別涉及一種用于面向鐵路車輛和大型工業(yè)的電動機的控制用途、電力系統(tǒng)用等的大容量頻率轉(zhuǎn)換裝置，由電力用半導體開關(guān)元件構(gòu)成的電力轉(zhuǎn)換裝置。

背景技術(shù)：

目前，作為用于避免在電力用半導體進行了異常動作時裝置產(chǎn)生損傷的技術(shù)，有將針對用于驅(qū)動電力用半導體的驅(qū)動電路的控制驅(qū)動指令信號與檢測出驅(qū)動電路為了接通或切斷電力用半導體而進行驅(qū)動的動作狀態(tài)的動作信息進行比較，當產(chǎn)生了某一定期間以上的不一致時，判定為驅(qū)動電路的異常動作(例如，參照專利文獻1)。

另外，目前作為直接檢測半導體芯片自身的溫度異常的技術(shù)，檢測控制指令信號和直到電力用半導體切斷為止的延遲時間，由此檢測出電力用雙極型晶體管的溫度上升(例如，參照專利文獻2)。

現(xiàn)有技術(shù)文獻

專利文獻

專利文獻1：日本專利第5049817號公報

專利文獻2：日本特開平7-170724號公報

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明要解決的課題

在面向鐵路車輛和大型工業(yè)的電動機的控制用途、電力系統(tǒng)用等的大容量頻率轉(zhuǎn)換裝置等電力轉(zhuǎn)換器中，進行高壓且大電流的電力控制，但是如果發(fā)生元件故障等則會發(fā)生電源短路等，有可能裝置陷于明顯故障的狀態(tài)。以防止這種狀況的目的，在電力用半導體進行了異常動作時，需要極力盡早使裝置停止，避免裝置的損傷。因此，采用以下的異常檢測方式，即將針對用于驅(qū)動電力用半導體的驅(qū)動電路的控制驅(qū)動指令信號與檢測驅(qū)動電路為了接通或切斷電力用半導體而進行驅(qū)動的動作狀態(tài)的動作信息進行比較，當產(chǎn)生了某一定期間以上的不一致時，判定為驅(qū)動電路的異常動作。作為這種方式的現(xiàn)有例子，列舉上述專利文獻1中記載的技術(shù)，圖7表示其結(jié)構(gòu)例。在使用了這種方式的情況下，能夠判定驅(qū)動電路的異常動作，但是在這種檢測方式中，電力半導體為電源短路的情況，能夠初次檢測異常，因此雖然防止裝置的損傷，但因為異常動作有可能重復發(fā)生等，所以在該狀態(tài)下繼續(xù)運轉(zhuǎn)變得難以進行。另外，在由于電力用半導體的故障等產(chǎn)生了電源短路的情況等中，運行本身變得不可能。

因此，最好事先檢測達到這種電源短路的裝置的異常，采取適當?shù)奶幚?。因此，存在例如在電力用半導體的附近設(shè)置溫度傳感器來檢測電力用半導體的過溫異常的方法，但是難以檢測出在電力用半導體內(nèi)的熱電阻的上升等造成的半導體芯片的溫度上升。因此最好直接檢測半導體芯片自身的溫度異常。作為這樣的例子，目前例如有上述專利文獻2中記載的技術(shù)。圖8表示其結(jié)構(gòu)例。在該例子中，通過檢測出控制指令信號和電力用半導體成為斷開之前的延遲時間，由此檢測電力用雙極型晶體管的溫度上升。

這種情況下，為了要檢測電力用半導體的溫度異常上升，需要用于判定電療半導體的輸出電壓的電路，但是由于在大容量的電力轉(zhuǎn)換裝置中控制高電壓，因此這樣的分壓電路的尺寸太大而難以設(shè)置、另外在控制3相交流的情況下等電力用半導體至少需要6個元件而為了評價它們的電壓最低也需要3個分壓電路、另外為了處理大電流在開關(guān)時的噪聲較大而需要應對該噪聲的對策，因此難以適用。

因此，通過簡單的結(jié)構(gòu)高精度地檢測出電力用半導體以及與其關(guān)聯(lián)的電力轉(zhuǎn)換裝置的異常和劣化來高精度地防止故障等不良成為課題，進一步提供能夠長期使用這些的方法成為課題。

用于解決課題的手段

為了解決上述課題，本發(fā)明的電力轉(zhuǎn)換裝置是具備電力用半導體和對其進行驅(qū)動指令的運算電路的電力轉(zhuǎn)換裝置，具有計算接通或切斷上述電力用半導體的驅(qū)動指令、根據(jù)上述驅(qū)動指令的變化而施加到電力半導體上的驅(qū)動電路的輸出電壓達到判定值之前的延遲時間的功能，比較判定特定的驅(qū)動條件下的上述延遲時間與基準值，將其判定結(jié)果進行記錄或顯示輸出，或者根據(jù)比較判定的結(jié)果，使前期驅(qū)動指令以及上述驅(qū)動電壓中的至少任意一方發(fā)生變化。

發(fā)明效果

根據(jù)本發(fā)明，通過簡單的結(jié)構(gòu)能夠高精度地檢測出電力用半導體以及與其關(guān)聯(lián)的電力轉(zhuǎn)換裝置的異常和劣化，并高精度地防止故障等不良，進而提供能夠長期使用這些的方法。

附圖說明

圖1是表示作為本發(fā)明第一實施方式的實施例1的電力轉(zhuǎn)換裝置的框圖結(jié)構(gòu)的圖。

圖2是表示作為本發(fā)明第一實施方式的實施例1的電力轉(zhuǎn)換裝置的各個信號的波形的圖。

圖3是表示作為本發(fā)明第二實施方式的實施例2的電力轉(zhuǎn)換裝置的框圖結(jié)構(gòu)的圖。

圖4是表示作為本發(fā)明第二實施方式的實施例2的電力轉(zhuǎn)換裝置的各個信號的波形的圖。

圖5是表示作為本發(fā)明第三實施方式的實施例3的電力轉(zhuǎn)換裝置的框圖結(jié)構(gòu)的圖。

圖6是表示作為本發(fā)明第四實施方式的實施例4的電力轉(zhuǎn)換裝置的框圖結(jié)構(gòu)的圖。

圖7是表示現(xiàn)有的電力轉(zhuǎn)換裝置的一例的圖。

圖8是表示現(xiàn)有的電力轉(zhuǎn)換裝置的其他一例的圖。

具體實施方式

本發(fā)明的電力轉(zhuǎn)換裝置是具備電力用半導體和對其進行驅(qū)動指令的運算電路的電力轉(zhuǎn)換裝置，具有計算接通或切斷上述電力用半導體的驅(qū)動指令、由此施加到電力半導體的驅(qū)動電路的輸出電壓達到判定值之前的延遲時間的功能，比較判定特定的驅(qū)動條件下的上述延遲時間與基準值，將其判定結(jié)果進行記錄或顯示輸出，或者根據(jù)比較判定的結(jié)果，使前期驅(qū)動指令以及上述驅(qū)動電壓中的至少任意一方發(fā)生變化。作為電力用半導體，可以使用絕緣柵雙極型晶體管或功率MOSFET、或MOS柵極控制型的電力半導體元件。在這些結(jié)構(gòu)中，與上述基準值進行比較判定時的特定驅(qū)動條件可以是上述電力轉(zhuǎn)換裝置的輸出電流值、流過電力用半導體的輸出電流的方向、電力用半導體的輸出端子間電壓、電源電壓、電力轉(zhuǎn)換裝置內(nèi)的溫度的任意一個，或者是這些的組合。另外，作為與上述延遲時間進行比較判定的上述基準值，可以使用通過上述電力轉(zhuǎn)換裝置記錄事先測量到的延遲時間且根據(jù)該值進行運算而求出的值。另外，可以構(gòu)成為，記錄上述比較判定的結(jié)果，在其次數(shù)或時間間隔滿足某條件時，進行顯示輸出或者使前期驅(qū)動指令以及上述驅(qū)動電壓中的至少任意一方變化。另外，可以構(gòu)成為，根據(jù)上述比較判定的結(jié)果使上述驅(qū)動指令或上述驅(qū)動電壓以在一定期間切斷上述電力用半導體的方式而變化。另外，可以構(gòu)成為，根據(jù)上述比較判定的結(jié)果，減少在上述驅(qū)動指令中的電力用半導體的導通指令的時間寬度。另外，可以構(gòu)成為，具備在上述運算電路與上述電力用半導體之間對上述驅(qū)動指令的信號、驅(qū)動電路的輸出電壓達到判定值后的結(jié)果信號進行通信的單元，具備將上述通信單元的信號以及與上述特定驅(qū)動條件相關(guān)的信號設(shè)為輸入，對上述延遲時間與基準值進行比較判定的判定電路，將其判定結(jié)果輸出給上述運算電路或上述驅(qū)動電路。另外，可以構(gòu)成為，具備記錄上述判定結(jié)果并將該結(jié)果輸出給外部的通信單元。

以下，作為各個實施例，根據(jù)附圖詳細說明本發(fā)明的電力轉(zhuǎn)換裝置的實施方式。

實施例1

圖1表示本發(fā)明的電力轉(zhuǎn)換裝置的第一實施方式即實施例1的框圖結(jié)構(gòu)，圖2表示其驅(qū)動信號、控制電壓、判定輸出波形的一例。圖1中，本發(fā)明的電力轉(zhuǎn)換裝置通過驅(qū)動電路2將由驅(qū)動指令運算電路3生成的驅(qū)動指令轉(zhuǎn)換為驅(qū)動電壓，控制電力用半導體1的導通、切斷，由此來驅(qū)動負荷9。進而針對驅(qū)動指令，由延遲計算電路4計算由于驅(qū)動指令的變化而驅(qū)動電壓達到一定的判定值之前的延遲時間，通過異常判定電路5將該延遲的值與基準值進行比較，輸出其結(jié)果。圖2表示切斷即斷開電力用半導體時的本發(fā)明波形的實施方式。正常時針對相同的驅(qū)動指令，驅(qū)動電壓具有某個延遲時間td而變化。然而根據(jù)電力半導體的特性該延遲時間根據(jù)條件而發(fā)生變化。根據(jù)我們的調(diào)查，該延遲時間被確認為依賴于電力用半導體的溫度。關(guān)于這種溫度依存性會在電力用半導體整體產(chǎn)生，但是與如雙極型晶體管那樣控制電路的輸出電壓在1V以下的情況相比，在MOS柵極控制型的元件中控制電路的輸出電壓振幅大到幾V～±十幾V，能夠較大地取針對電力用半導體的導通、切斷時產(chǎn)生的噪音的余量(Margin)，因此能夠提高延遲時間的評價精度。

例如在作為MOS柵極控制型的電力用半導體的絕緣柵雙極型晶體管即IGBT的情況下，在控制電路的電壓振幅為+15V、-12V的通斷的開關(guān)(switching)中，如果設(shè)定適當?shù)臓顟B(tài)判定電壓，則能夠通過測定來確認電力用半導體的溫度每上升1℃時延遲時間增加1ns左右。這反映了電力轉(zhuǎn)換裝置的通斷的控制電壓的閾值、和由此導通、切斷電流時的延遲時間的溫度依存性。因此同樣的溫度依存性即使在功率MOSFET、其他的MOS控制型的電力轉(zhuǎn)換裝置中也會產(chǎn)生，通過延遲時間的判定能夠檢測溫度變化。

根據(jù)圖2的信號波形可知實施例1表示在延遲時間td增加到相當于某一定的溫度上升的預定值以上時，輸出異常判定的結(jié)構(gòu)，由此檢測出電力用半導體的溫度為預定值以上，根據(jù)其輸出能夠采取用于防止電力轉(zhuǎn)換裝置的損傷的措施。圖3表示本發(fā)明的電力轉(zhuǎn)換裝置的其他實施方式，表示根據(jù)判定為異常的結(jié)果，為了防止電力轉(zhuǎn)換裝置的損傷，使驅(qū)動指令以及驅(qū)動電壓發(fā)生變化的結(jié)構(gòu)。在這些實施例中作為用于防止電力轉(zhuǎn)換裝置的損傷的具體措施，有以下結(jié)構(gòu)，即將被檢測到溫度上升的電力用半導體斷開一定期間、或者將在裝置內(nèi)與被檢測到溫度上升的電力轉(zhuǎn)換用半導體的溫度上升相關(guān)的其他電力轉(zhuǎn)換裝置斷開一定期間、或者為了防止被檢測到溫度上升的電力轉(zhuǎn)換用半導體的發(fā)熱，而對驅(qū)動指令進行一定期間變更并輸出。另外，也可以構(gòu)成為，為了更高速實施針對異常的處理，通過檢測到溫度上升的判定輸出，來輸出與驅(qū)動指令無關(guān)地強制地斷開電力用半導體的控制電壓。

另外，作為為了防止被檢測到溫度上升的電力轉(zhuǎn)換用半導體的發(fā)熱，而對驅(qū)動指令進行一定期間變更并輸出的結(jié)構(gòu)有以下幾種結(jié)構(gòu)：從檢測到溫度上升的時間點在一定期間，限制并使流過相應的電力用半導體的電流的上限值下降，由此減少電力轉(zhuǎn)換用半導體的發(fā)熱，或者設(shè)置或減少接通電力用半導體的導通指令的時間寬度的上限的結(jié)構(gòu)，或者減少電流流過溫度上升的期間，增加切斷使溫度下降的期間，或者減少控制周期并減少開關(guān)的次數(shù)，減少由于導通、切斷而產(chǎn)生的開關(guān)損耗。

另外，在圖2的例子中，是當延遲時間td增加到預定值以上時，輸出異常的判定的結(jié)構(gòu)，但是也有根據(jù)元件特性不同和輸出電流等動作條件而在溫度上升時延遲時間減少的情況，因此這時設(shè)置預定值使得在延遲時間td減少時進行異常判定即可。

實施例2

圖3表示作為本發(fā)明電力轉(zhuǎn)換裝置的其他實施方式的實施例2的框圖結(jié)構(gòu)，圖4表示其信號波形。本實施例在判定異常的方式方面與實施例1不同，但是其他方面與實施例1相同。在該實施例中，表示以下結(jié)構(gòu)，即通過電力轉(zhuǎn)換裝置記錄事先測量到的延遲時間Δtd，在運轉(zhuǎn)中與根據(jù)該值進行運算并設(shè)定的延遲時間變化的容許范圍的最小值Δtdm、最大值Δtdp進行比較，在脫離該范圍時輸出異常的判定，由此檢測到電力用半導體的溫度為預定值以上，能夠根據(jù)其輸出采取用于防止電力轉(zhuǎn)換裝置的損傷的措施。作為用于防止損傷的措施，能夠采用與之前描述的措施相同的方法。

實施例3

圖5表示作為本發(fā)明的電力轉(zhuǎn)換裝置的其他實施方式的實施例3的框圖結(jié)構(gòu)，表示與電源15連接并將3相的電動機14設(shè)為負荷的3相的兩電平(2level)的電力轉(zhuǎn)換裝置，特別表示使判定延遲時間的驅(qū)動條件、基于判定結(jié)果的記錄以及判定結(jié)果的驅(qū)動指令發(fā)生變化的結(jié)構(gòu)的細節(jié)。圖中表示控制U相下臂的電路的細節(jié)，但是U相上臂、其他V相、W相也是同樣的結(jié)構(gòu)。關(guān)于成為U相下臂的電力用半導體11的IGBT，通過使來自邏輯部25的驅(qū)動指令運算電路3的驅(qū)動指令經(jīng)由通信部23的通信單元18而施加到驅(qū)動電路2的輸出即IGBT的柵極-發(fā)射極端子間的驅(qū)動電壓來驅(qū)動。該驅(qū)動電壓通過電壓判定20進行與既定值的大小的比較判定，其結(jié)果經(jīng)由通信單元19被傳輸給邏輯部25。通過延遲計算電路計算驅(qū)動指令與該傳輸?shù)呐卸ńY(jié)果的延遲時間，并輸入到記錄判定電路6。在記錄判定電路6中，記錄所設(shè)定的定時和驅(qū)動條件下的延遲時間。此時驅(qū)動條件相當于來自驅(qū)動指令運算電路的電流指令值等驅(qū)動指令條件、根據(jù)來自設(shè)置在IGBT附近的溫度傳感器16、電流傳感器17、電壓傳感器18的信號而判定的溫度、電流值以及流向、施加給電力用半導體的電壓的驅(qū)動條件中的至少一個以上的條件與預先設(shè)定的驅(qū)動條件一致的情況。這里，電壓傳感器是監(jiān)視電力用半導體的施加電壓的傳感器，但是也可以監(jiān)視電源15的電壓。另外，所設(shè)定的定時優(yōu)選是裝置的運轉(zhuǎn)開始時、維護結(jié)束時等能夠忽略電力轉(zhuǎn)換裝置的老化的情況。

定期比較這樣進行記錄的延遲時間與之后電力轉(zhuǎn)換裝置運轉(zhuǎn)時的預定驅(qū)動條件下的延遲時間，當延遲時間的變化量超過所設(shè)定的值時，或者超過的次數(shù)超過了某一定頻率時，判定為異常。另外，當在一定的定時或異常判定的時間點記錄延遲時間，在此期間的延遲時間的變化量超過了一定變化量時，判定為異常。另外，這里記錄或判定預定的延遲時間的驅(qū)動條件不需要是一個條件，而能夠通過增加條件數(shù)量進一步提高溫度上升的判定精度。

將在上述記錄判定電路6記錄的延遲時間和此時的驅(qū)動條件一并通過外部輸出電路8輸出，能夠用外部的PC等分析該數(shù)值和調(diào)查履歷，能夠進行異常的有無和剩余壽命的詳細評價。進一步根據(jù)異常判定的結(jié)果，通過指令運算電路7變更驅(qū)動指令，由此能夠降低電力用半導體的發(fā)熱，即使發(fā)生電力用半導體的劣化，通過已經(jīng)描述的方法也能夠降低電力用半導體的輸出，從而能夠長期使用。

實施例4

圖6表示作為本發(fā)明的電力轉(zhuǎn)換裝置的其他實施方式的實施例4的框圖結(jié)構(gòu)，特別表示在已經(jīng)存在的電力轉(zhuǎn)換裝置追加設(shè)置本發(fā)明的功能的結(jié)構(gòu)。在該例子中，在與邏輯部25連接的通信部23、傳感器部33之間設(shè)置信號分支電路31，通過追加型判定電路36進行異常判定。在信號分支電路中具備光或電氣信號的分支電路，具備用于將其結(jié)果傳輸給追加型判定電路36的輸出緩沖電路32。其輸出由電平判定電路34進行數(shù)值穩(wěn)定，作為延遲時間和驅(qū)動條件被輸入給延遲時間計算異常判定電路35，據(jù)此的判定結(jié)果被輸出到外部輸出電路8或邏輯部25中。通過這樣的結(jié)構(gòu)，能夠通過追加將溫度異常的檢測和評價剩余壽命的功能附加給已經(jīng)存在的產(chǎn)品。另外，在電力轉(zhuǎn)換裝置的定期檢查等時，暫時插入信號分支電路31和追加型判定電路36而使其運轉(zhuǎn)，并評價延遲時間，由此能夠確認電力轉(zhuǎn)換裝置的健全性。

以上，根據(jù)本發(fā)明的上述各實施例，能夠提供一種電力轉(zhuǎn)換裝置，根據(jù)針對電力用半導體的驅(qū)動指令和驅(qū)動電壓的延遲時間來檢測溫度，由此能夠通過簡單的結(jié)構(gòu)高精度地檢測出電力用半導體以及與其關(guān)聯(lián)的電力轉(zhuǎn)換裝置的異常和劣化，能夠高精度地防止故障等不良，進而能夠長期使用。

另外，以上說明了通過本發(fā)明的電力用半導體的溫度上升檢測進行的異常和劣化診斷、保護的方法，當然即使關(guān)于產(chǎn)生同樣的溫度異常的電力轉(zhuǎn)換裝置的各部劣化和異常，也能夠通過同樣的方法診斷和保護。

附圖標記的說明

1：電力用半導體、2：驅(qū)動電路、3：驅(qū)動指令運算電路、4：延遲計算電路、5：異常判定電路、6：記錄判定電路、7：指令運算電路、8：外部輸出電路、9：負荷、11、12：IGBT、13：電流傳感器、14：電動機、15：電源、16：溫度傳感器、17：電壓傳感器、18、19：通信單元、20：電壓判定電路、21、22：驅(qū)動部、23、24：通信部、25：邏輯部、31：信號分支電路、32：輸出緩沖電路、33：傳感器部、34：電平判定電路、35：延遲計算/異常判定電路、36：追加型判定電路。