電力轉換裝置、電力轉換裝置的診斷系統以及診斷方法與流程

2023-07-03 19:28:16 7

本發明涉及電力轉換器，特別是涉及在鐵道車輛、大型產業用的電動機的控制用途、電力系統用等大容量的頻率轉換裝置中所使用的由電力用半導體開關元件構成的電力轉換器的保養或者診斷技術。

背景技術：

在鐵道車輛、大型產業用的電動機的控制用途、電力系統用等大容量的頻率轉換裝置等的電力轉換器中，進行高壓且大電流的電力控制。對於這樣的設備，若在運轉過程中發生故障，則有可能產生系統的損傷、計劃外的系統停止，造成巨大的經濟損失。出於防止這樣的狀況的目的，需要在造成破壞之前檢測出劣化、異常，防止機能停止造成破壞，通知有必要進行保養的其相關者，進行抑制劣化的電力轉換器的延長使用壽命控制。

因此，存在這樣的方法：例如在電力轉換器中，在將電流導通/切斷的電力用半導體的附近設有溫度傳感器，以檢測電力用半導體的溫度過高/過低異常。但是電力用半導體內的熱阻的上升等會致使該方法難以檢測出半導體晶片的溫度上升。因此，期望能直接檢測半導體晶片本身的溫度異常。作為這樣的例子，例如有日本特開平7－170724(專利文獻1)。該例子公開了這樣一種方法：通過檢測出到控制指令信號和電力用半導體成為切斷狀態為止的延遲時間，從而檢測出電力用雙極電晶體的溫度上升。

另外，作為檢測出元件的電流異常的方法，有日本特開2000－324846(專利文獻2)。根據該例子，其公開了一種方法，該方法使用電力轉換裝置，求出開關元件的輸出電流，在該值大於規定值的情況下切斷開關元件，防止元件的破壞，其中，該電力轉換裝置特徵在於具有與開關元件的主端子相連接的電感、對電感的兩端所產生的電壓進行積分運算的積分器。

現有技術文獻

專利文獻

專利文獻1日本特開平7－170724號公報

專利文獻2日本特開2000－324846號公報

技術實現要素：

發明要解決的課題

像日本特開平7－170724這樣的情況，由於想要檢測電力用半導體的溫度的異常上升，而需要用於判斷功率半導體的輸出電壓的電路。但是，大容量的電力轉換裝置的情況難以應用上述方案，原因如下：大容量的電力轉換裝置要控制高電壓，因此這樣的分壓電路的大小較大，難以設置，並且在控制3相交流的情況等情況下，電力用半導體至少需要六個元件，為了評價這些電壓需要許多分壓電路，而且由於處理大電流且高速電流的開關時的模擬值，所以噪音較大，需要相應的對策。

另外，像日本特開2000－324846這樣的情況，求出電流值，檢測過電流的異常，使電力用半導體成為切斷狀態，從而能夠防止破壞，但是難以將該方案應用於以下情況：元件、系統的劣化或異常進展，在出現電流異常之前的階段事先檢測出來，利用早期的保養防止計劃外的系統停止，進行為了延長運轉期間而減小作用於元件的應力的延長使用壽命控制。

本發明解決上述問題，其目的在於提供一種以簡單的結構高精度地檢測出電力用半導體以及與其相關的電力轉換裝置的異常、劣化，高精度地防止故障等不良狀況，進而能夠長期間使用的方法。

用於解決課題的手段

本發明的一個方面為一種電力轉換裝置的診斷系統，該電力轉換裝置具有半導體裝置，該電力轉換裝置進行將在主電路中流動的主電流導通、切斷的開關動作。該電力轉換裝置的診斷系統具有：電流變化量算出電路，其取得反映了主電流的每單位時間的電流變化量的數值數據；判斷電路，其將數值數據與基準值進行比較來判斷電力轉換裝置的狀態；以及輸出電路，其輸出判斷電路的判斷結果。

在該系統的優選方案中，能夠對取得數值數據的期間和基準值中的至少一者進行設定，作為取得數值數據的期間的典型例，有在開關動作中能夠看出主電流變動的變動的時刻。例如，在開關切斷時流有過渡電流的時刻。

在該系統的其他優選方案中，電流變化量算出電路在取得數值數據的期間內對每單位時間的電流變化量進行積分運算，來獲得數值數據。即、算出規定時間長度的電流變化量。

在該系統的具體應用例中，電流變化量算出電路與電力轉換裝置一體構成，或者，電流變化量算出電路利用有線連接、無線連接以及通過端子能夠分離的連接中的任一種方式與電力轉換裝置相連接。並且，判斷電路與電流變化量算出電路一體構成，或者，判斷電路利用有線連接、無線連接以及通過端子能夠分離的連接中的任一種方式與電流變化量算出電路相連接。並且，輸出電路與判斷電路一體構成，或者，輸出電路利用有線連接、無線連接以及通過端子能夠分離的連接中的任一種方式與判斷電路相連接。該例子的構成自由度高，因此例如能夠利用相距較遠的監視系統對搭載於電車等的電力轉換裝置進行診斷。

本發明的另一方面為電力轉換裝置的診斷方法，該電力轉換裝置具有半導體開關元件，該電力轉換裝置進行將主電流導通、切斷的開關動作。該電力轉換裝置的診斷方法具有如下步驟：第1步驟，檢測主電流的每單位時間的電流變化量；第2步驟，利用數字或模擬電路對電流變化量在規定期間進行積分運算；以及第3步驟，基於積分結果判斷電力轉換裝置的狀態。

作為具體的構成例，作為要檢測的每單位時間的電流變化量，使用瞬時的電流變化率，對其進行積分運算來得到規定期間的電流變化量。

使用以上得到的判斷結果，能夠診斷電力轉換裝置的狀態。並且，還能夠基於診斷結果進行電力轉換裝置的控制。

本發明的另一方面為電力轉換裝置，具有：算出電流變化量或者變化規定電流變化量所需時間的電路，所述電流變化量是指將在由電力用半導體構成的主電路中流動的主電流導通、切斷的開關動作期間內的規定期間的電流變化量，該電力轉換裝置比較判斷電流變化量或者變化所需時間有沒有脫離基準值。進行該判斷結果的顯示、輸出，或者，與判斷結果相應地控制電力轉換裝置的動作條件。

作為動作條件控制的典型例，能夠列舉出對電力轉換器的開關元件的導通時的最大電流值的限制值進行設置等。並且，作為開關元件的具體例，電力用半導體能夠使用絕緣柵雙極電晶體或功率MOSFET、或者MOS柵極控制型等各種功率半導體元件。

作為本發明的具體例，在該電力轉換裝置中，作為實施脫離基準值的範圍的比較判斷的條件，設定：電力轉換裝置的輸出電流值、在電力用半導體中流過的輸出電流的方向、電力用半導體的輸出端子間電壓、電源電壓、電力轉換裝置內的溫度中的至少一者，或者將它們組合而成的特定條件。

另外，作為本發明的其他具體例，在電力轉換裝置中，作為進行比較判斷的基準值，使用根據利用電力轉換裝置事前計量得出的開關動作期間內的規定期間的電流變化量或者變化規定電流變化量所需的時間、以及在該時點電力轉換裝置的輸出電流值、在電力用半導體中流過的輸出電流的方向、電力用半導體的輸出端子間電壓、電源電壓、電力轉換裝置內的溫度中的任一值運算而求得的值。

本發明的具體構成例的特徵在於，算出電流變化量或者變化規定電流變化量所需的時間的電路使用與主電流的每單位時間的電流變化率成比例地輸出與電流變化率相應的電壓值，或者按照某函數輸出與電流變化率相應的電壓值的電路，根據對該輸出在開關動作期間內的規定期間進行積分運算而得出的結果，算出電流變化量。

作為輸出與主電流的每單位時間的電流變化率相應的電壓的電路，例如，能夠使用與主電路的配線磁耦合的電路。另外，作為輸出與電流變化率相應的電壓的電路，能夠使用輸出主電路的配線中的至少兩點的電壓的電路，或者，能夠使用輸出該輸出電壓的差動電壓的電路。採用這些特徵，能夠以簡單的結構測量電流變化率的瞬時值。並且，能夠通過對作為瞬時值的電流變化率進行積分運算，計算規定期間的電流變化量。

在本發明的其他具體例中，具有：基於電阻、電容器、運算放大器構成的積分電路，該積分電路與電流變化率成比例地輸入與電流變化率相應的電壓值或者按照某函數輸入與電流變化率相應的電壓值、並對其進行積分運算；在某特定期間使積分電路的電容器的電荷放電而復位的電路，在開關動作期間內的規定期間，解除復位。

在本發明的另一其他具體例中，將與電流變化率相應的電壓輸出的模擬值周期性地轉換為數字值並進行記錄，根據將對該數字值的某特定期間量進行加法運算而得到的值和該記錄的周期通過數字運算算出電流變化量。

在本發明的又一其他具體例中，具有通信單元，該通信單元將判斷結果或者電流變化量或者變化規定電流變化量所需的時間記錄下來，從電力轉換器或者搭載有電力轉換器的裝置向外部輸出該記錄結果。

在本發明的再一其他具體例中，診斷部構成為具有能夠與主電路連接、分離的構造，在不實施判斷時能夠分離地進行運轉，該診斷部由算出規定期間的電流變化量的電路、對電流變化量是否脫離根據導通時的電流設定的基準值的範圍進行比較判斷的電路、用於對該結果進行顯示、輸出或者根據判斷結果輸出電力轉換器的開關元件的導通時的最大電流值的限制值的電路構成。

在本發明的再一其他具體例中，具有接收由通信單元輸出的信息並將其記錄下來的裝置和運算電路，還具有基於接收到的信息進行診斷的單元、對運轉條件進行判斷的單元、對基於它們的輸出或者顯示進行指示的單元。

發明效果

能夠以簡單的結構，高精度地檢測出電力用半導體以及與其相關聯的電力轉換裝置的異常、劣化。

附圖說明

圖1是表示本發明的電力轉換裝置的實施方式的框圖。

圖2是表示本發明的實施方式的電力轉換裝置的驅動指令和信號波形的波形圖。

圖3是表示用於算出電力轉換裝置的電流變化量的電路的實施方式的框圖。

圖4是表示用於算出電力轉換裝置的電流變化量的電路的其他實施方式的框圖。

圖5是表示本發明的電力轉換裝置的其他實施方式的框圖。

圖6是表示本發明的電力轉換裝置的判斷方式的實施方式的說明圖。

圖7是表示本發明的電力轉換裝置的運轉指令以及顯示內容的實施方式的圖表。

圖8是表示將本發明的電力轉換裝置搭載於鐵道車輛的情況的實施方式的框圖。

圖9是表示本發明的電力轉換裝置的顯示內容的實施方式的俯視圖。

圖10是表示本發明的實施方式的電流變化率的測量條件、判斷條件、滿足判斷的情況下的運轉控制的設定畫面的例子的俯視圖。

具體實施方式

以下，基於附圖詳細地說明本發明的實施方式。但是，本發明不能解釋為限定於以下所示的實施方式的記載內容。對於本領域技術人員而言容易理解在不脫離本發明的思想或者主旨的範圍內，能夠改變其具體構成。

在以下說明的發明的構成中，對於同一部分或者具有同樣的功能的部分，有時在不同的附圖之間共同使用同一附圖標記，省略重複說明。

本說明書等中的「第1」、「第2」、「第3」等表述是為了識別構成要素而添加的，並非一定用於限定數量或者順序。另外，用於識別構成要素的序號針對每個關聯說明使用，在一個關聯說明中使用的序號在其他關聯說明中未必表示同一構成。並且，利用某一序號識別的構成要素不妨礙具有利用其他序號識別的構成要素的功能。

為了容易理解發明，有時附圖等中所示的各構成的位置、大小、形狀、範圍等並非表示實際情況的位置、大小、形狀、範圍等。因此，本發明並非一定限定於附圖等所公開的位置、大小、形狀、範圍等。

【實施例1】

圖1是表示本發明的實施方式的框圖。示出了電力轉換裝置1和被該電力轉換裝置1作為負載進行驅動的3相的電動機2的例子。圖1的電力轉換裝置1僅示出了主電路9的U相，其他的V相、W相也是同樣的結構。

在電力轉換裝置1中，基於由驅動指令運算電路7生成的驅動指令，利用柵極驅動電路5、6分別控制作為電力用半導體的IGBT3、4的導通、切斷，由此對電動機2進行驅動。作為電力用半導體，除此之外還能夠利用絕緣柵雙極電晶體、功率MOSFET、MOS柵極控制型的功率半導體元件等各種設備，並不特別限定。

此時，將在電力轉換裝置1的主電路9中流動的主電流導通、切斷的開關動作中的規定期間內，在電流變化量算出部17，基於從電壓輸出電路10輸出的與電流變化率成比例的電壓，利用電流變化量算出電路12算出主電流的變化量。在判斷電路13，比較判斷被算出的電流變化量有沒有脫離基準值，其結果利用輸出電路14輸出。

根據發明人的調查得知，該電流波形的導通、切斷時的每單位時間的電流變化率取決於電力用半導體的溫度。進而，發現了該取決於溫度的特性從導通、切斷的過程的什麼時點變化。因此，發現通過決定某特定的期間，評價電流變化率，能夠檢測得知電力用半導體的溫度。

例如在作為MOS柵極控制型的電力用半導體的絕緣柵雙極電晶體、即IGBT的情況下，電流切斷時的電流變化率的絕對值會由於溫度上升致使開關中的電流增加而降低。因此，若設定適當的驅動條件、判斷的時間範圍，則能夠根據電流變化率的變動檢測出溫度，這一點已經通過測量得到了確認。

例如，1A/μs的電流變化率的變化能夠檢測到1℃左右的溫差。利用該特性，評價適當的條件下的開關時的電流變化量，與由正常時的電流變化率決定的基準值進行比較判斷。根據該比較判斷結果，能夠檢測、診斷電力用半導體的異常的溫度上升、成為該異常的溫度上升的原因的元件、系統的劣化。其中，所述的數值為一個例子，電流變化率的變化與溫差的關係的值取決於元件的種類。另外，判斷可以是將測量出的電流變化率與基準值相比較，也可以是將電流變化率轉換為溫差之後再與基準值進行比較。

另外，以下，以由某一定期間內的電流變化量算出電流變化率的方式為中心，對本發明進行說明。不言而喻，也可以是，計量從某規定電流值變化為另一規定電流值為止所需時間，由此時的電流變化量和變化所需時間算出該電流變化率。此外，如後述那樣，診斷用的電流變化率由某期間內的電流變化量和該時間長度導出，不是將瞬時值作為診斷用的電流變化率，從而能夠避免噪音造成的影響。

造成溫度上升的劣化的主要原因可以認為有：因安裝構造的熱疲勞等引起的冷卻系統的熱阻的增大、電力用半導體的絕緣劣化導致的洩漏電流增加、電力用半導體的特性變動、驅動控制電路的經時變化等導致的電力用半導體產生的損失的增加等。在本實施例中，通過間接地測量電力用半導體的溫度上升，從而能夠在電力用半導體成為不能使用以前診斷故障的預兆。

另外，即使在將多個元件並聯連接以使電力用半導體的功率容量增加的情況下，由於若某特定的元件的溫度上升，則並聯連接的元件的總電流的電流變化率的絕對值也會降低，因此能夠利用溫度上升導致的電流變化率變化檢測出異常。因此，本實施例尤其是可以適用於被進行許多並聯連接地使用的機率較大的MOS柵極控制型的電力用半導體的診斷。

此外，電流變化率為電源電壓或者向元件施加的施加電壓、輸出電流值發生變化或在其方向上發生變化，因此為了提高基於基準值的判斷精度，期望設有圖1所示那樣的電壓檢測單元15、電流檢測單元19。另外，電力用半導體的溫度受周圍溫度的影響，因此設有溫度檢測單元16，對實施判斷的時機、電流變化率的判斷基準值進行修正，從而能夠進行更高精度的判斷。

另外，作為輸出與電流變化率成比例的電壓的電壓輸出電路10，能夠利用與主電路9的磁耦合而輸出與電流變化率成比例的電壓的羅氏線圈等。採用使用了磁耦合的檢測出方法，即使主電流是驅動電車用的馬達這樣的大電流，也能夠利用簡單的結構檢測出來。

圖2是用於說明本實施例的動作的時序圖。橫軸表示時間，圖2的(a)表示驅動指令，圖2的(b)表示電流變化率，圖2的(c)表示輸出電流(主電流)的各波形，以電流切斷的動作為例。

如圖2的(a)所示，在由驅動指令運算電路7生成的驅動指令自作為電力用半導體3、4導通的接通狀態變化為電力用半導體3、4切斷的斷開狀態時，主電流延遲某延遲時間之後降低，開始切斷。此時，在如前面所述那樣電力用半導體3、4出現異常、溫度比設想的值高的情況下，主電流波形如圖2的(c)中用虛線表示的那樣變化，如圖2的(b)所示那樣電流變化率的絕對值降低(切斷動作中電流變化率是負的，因此從數值看，電流變化率增加)。

電流變化率在開關期間內也發生變化，因此如圖2的(b)的期間Z1、Z2那樣設定期間，設置各期間的電流變化率的基準值A、B，這樣能夠使溫度檢測進一步高精度化。在Z1、Z2的各區間內，如從圖2的(c)所示的實線和虛線的曲線圖可以看出的那樣，每單位時間的電流的變化量不同。能夠通過檢測該現象，對裝置的故障的前兆進行診斷。

例如在規定圖2的(b)的期間Z2的開始時間時，以如圖2的(a)所示那樣驅動指令從導通向切斷變化的變化點起算的時間T1、電流切斷開始起算的時間T2任意設定即可。另外，Z2的結束時間設定為確保為了計量用於算出電流變化率的電流變化量所而必要的期間的時間長度即可。這些期間Z1、Z2等的設定例如能夠通過收集裝置的異常和主電流的變化的模式的採樣，通過統計來確定。

另外，不言而喻，在所述判斷方法中，由開關開始時的電流、電流變化量和相應的期間的長度的乘積也能夠算出電流值本身，因此也能夠將基準值換算為電流值本身後再進行判斷。在該情況下，對於如圖2的(b)的期間Z2那樣電流變化率發生多次變化之後的期間，能夠根據各期間的電流變化量算出整個期間的合計的電流變化量，根據該合計的電流變化量和切斷開始前的電流值算出電流值來進行判斷。

在本發明中，檢測出異常的情況下，能夠根據偏離正常時的電流變化率的變化程度適當地進行控制，例如能夠通過對出現脫離基準值的情況的顯示、向外部的信號輸出、電力轉換裝置的輸出電流值的限制、停止等早期且高精度地提取裝置的異常、劣化，防止故障。另外，在圖2的(a)中，在期間Z1以及期間Z2的電流變化率被判斷為脫離正常時較多的情況下，出於保護裝置，使異常檢測後的控制指令輸出停止的情況利用虛線201表示。與此相對地，正常時(判斷為沒有脫離基準值)的情況利用實線202表示。

另外，在本實施例中，在脫離基準值較少的情況下，也可以不使輸出完全停止，而以使接通的控制指令的最大時間長度的限制、控制的指令的時間間隔增大的方式進行驅動。由此，能夠一邊使電力用半導體產生的損失降低，抑制溫度上升，避免元件的劣化，一邊使裝置動作，防止計劃外的停止並使裝置運轉，從而能夠實現裝置的延長使用壽命、由此增大運轉期間。

另外，將這些電流變化率、診斷的判斷結果記錄下來，能夠基於異常的發生次數、發生期間的間隔、電流變化率的變動狀況，向著增大運轉期間的方向調整控制條件。並且，根據所述記錄算出裝置的檢查、保養的推薦時期，反映到運用中，從而能夠更高精度地實現裝置的計劃外停止的防止、運轉期間的增大。另外，不言而喻，同樣的利用電流變化率進行的判斷、診斷在電流導通的開關動作時也能夠進行。

【實施例2】

圖3是本發明的其他實施方式，示出了電流變化量算出部17的變化量算出電路12的詳細的方式。在該實施例中，電壓輸出電路10的與電流變化率成比例的輸出經由電壓限制電路27，輸入積分電路20，輸出在規定的期間之內對電流變化率進行積分運算而得到的電流變化量。利用判斷電路13將該電流變化量與基準值進行比較，而進行診斷。

積分電路20由電阻器24、運算放大器23、電容器25、雙向開關26構成。雙向開關26被在積分期間司令部21的指令下由復位信號生成部22生成的驅動信號驅動，在使積分電路20的輸出電壓復位的期間為接通狀態，使電容器25短路而高速放電，使輸出復位為0V。

這裡，電壓限制電路27具有以輸入積分電路20的輸入電壓不超過容許電壓的方式以適當的比例分壓的功能、對電壓輸出電路的輸出電壓設置上限的功能、或者兼具這兩個功能。通過這樣的功能，能夠防止積分電路20的破壞，且高精度地檢測出絕對值較小的電流變化量。這樣設置的原因如下，例如在如圖2的期間Z2這樣的期間進行診斷的情況下，為了提高診斷精度而期望電壓輸出電路10的輸出電壓高，這樣，在之前的期間Z1電壓輸出電路10的輸出電壓會更高，因此這樣設置能夠限制不會超過積分電路20的輸入電壓範圍，並且使積分電路不會飽和。

另外，作為瞬時的電流變化率的電壓輸出電路10的輸出不直接使用，而使進行積分運算，換算為電流變化量之後再進行判斷，其原因如下：由於開關期間短，電壓輸出為高速，因而追隨它進行診斷判斷困難，以及要利用積分排除開關時的LC共振等導致的噪音的影響。因此，在開關的速度低且噪音比較小的用途的情況下，也可以採用較簡便的電阻和電容構成的低通濾波器這樣的積分電路結構。

利用本實施例在如圖2的期間Z2這樣的電流變化率的絕對值低的區域進行診斷的情況下，電容器25的與以前的期間Z1的積分值相應的電荷在雙向開關26的操作下放電，積分電路的輸出復位，因此積分電路在電流變化量較大的期間Z1不會出現飽和。因此，只有期間Z2的電流變化量被積分運算並輸出，所以能夠高精度地檢測出電流變化量。

另外，為了高精度地診斷期間Z1、Z2這兩者，採用分別設置電流變化量算出部17作為最適合期間Z1、Z2的電流變化量算出部的方案等即可。另外，作為設定診斷的期間的方法，也可以是，在電壓限制電路27上設置開關功能，利用積分期間指令部21的指令在進行積分運算的期間以外使電壓限制電路27的輸出短路，成為0V。

【實施例3】

圖4表示本發明的其他實施方式，尤其是表示電壓輸出電路10、電流變化量算出電路12的其他實施方式。另外，圖4示出了作為電力用半導體4的實施例使用了多個電力用MOS電晶體35、36、37並聯連接而成的元件的主電路的構成例。

在該實施例中，電壓輸出電路10是輸出主電路的一臂30的主電路配線的某兩點間的電位差的結構。此時，輸出電壓為所述兩點間的寄生電感31和電流變化率的乘積。利用了寄生電感，因此不需要使用新增加的電路，能夠使用主電路的配線輸出目標的與電壓變化率成比例的電壓。因此，適合裝置的低成本、小型化、簡單化。

這樣結構的情況下，電壓輸出電路10需要設於各臂，將輸出電壓的兩點設於圖1所示的主電路電容器8的附近，同時，根據驅動指令運算電路7的指令，確定正進行開關動作的該臂，實施判斷，則能夠利用一個電壓輸出電路10診斷多個臂的電力用半導體。

接著，在電流變化量算出電路12，將電壓輸出電路10的輸出作為輸入，經由電壓限制電路27和濾波器32輸入AD轉換電路33，將電壓的模擬值在某採樣周期轉換為數字值。由該數字值和採樣周期利用下一階段的積分運算電路34基於積分期間司令部21的指令通過數字運算算出該期間的電流變化量。利用這樣的數字運算進行積分運算，從而能夠以簡單的結構避免積分電路的飽和導致的電流變化量的誤差，能夠高精度地算出電流變化量。

【實施例4】

圖5表示本發明的另一實施例，尤其是表示在診斷電力轉換裝置時追加設置本發明的功能的結構。以與圖1的不同點為中心進行說明，在圖5的例子中，在電力轉換裝置42設有電壓輸出電路10、電壓傳感器15，經由連接器11、41將信號輸入相對獨立的診斷裝置40。並且，電流檢出單元19、溫度單元16的信號的值以及驅動指令運算部7的驅動指令信號從控制指令運算電路7經由連接器43、44向診斷裝置40輸入信號。這裡，電流檢出單元19、溫度單元16是在電力轉換裝置中用於驅動指令運算的電路。

採用這樣的結構，能夠以向現有製品的最小限度的電路的追加添加推定溫度異常的診斷、保養的時期的功能。並且，通常的運轉時不連接診斷電路40，在定期檢查等時，暫時性地連接診斷裝置40，使電力轉換裝置運轉，評價電流變化量，從而能夠進行電力轉換裝置的健全性的確認、診斷。

例如在將本實施例應用於鐵道車輛的驅動用的電力轉換裝置的情況下，定期維護時外部連接所述診斷裝置40後進行診斷即可，能夠實現電力轉換裝置的小型化。另外，此時，將存儲於記錄裝置的數據連同車輛的識別序號一起定期地存儲於數據中心，將劣化的動向與包含同樣結構的其他鐵道車輛的轉換器的統計總體相比較，能夠進行更高精度的診斷。

另外，在圖5中，示出了與電動機的U相連接的電力轉換裝置42，在V相、W相也存在同樣的電力轉換電路42。診斷裝置40若在每次診斷各電力轉換電路42時都與各電力轉換電路42的連接器11、43後再使用，則能夠使用一臺裝置進行診斷。

【實施例5】

圖6表示本發明的電力轉換裝置的判斷方式的實施方式。在該例中，由規定期間內的電流變化量ΔI算出自最初的正常情況下的電力用半導體的溫度起算的溫度變化量即ΔT，與包含該值的溫度變化量的區域A～區域D相應地進行運轉條件的設定、警告顯示。在圖6的(a)中，電流變化量與電力用半導體的溫度之間的關係設想成了線形的關係。

在圖6的(a)中，區域A是接近正常情況下的電力用半導體的溫度(ΔT＝0)、因此電力用半導體沒有劣化、或者輕微劣化、能夠進行標準的運轉的區域，圖中的電流變化量為DImin～DImax的範圍。

區域B是能夠看出少許劣化、但能夠運轉、為了抑制劣化的進展、特別是不承載高負載而限制電力用半導體的最大電流值、從而延長使用壽命運轉的區域，相當於圖中的DImax～DIins的範圍。對於該區域的情況，例如像鐵道車輛那樣多個電力轉換器運轉的情況下，進行使在別的正常的區域A運轉的電力轉換裝置的輸出在容許範圍內提高等應對，從而能夠不使系統整體的輸出降低，維持最初的性能。

區域C是設想為劣化進一步進展、能夠運轉、但是無法維持系統的性能、需要進行保養檢查的情況的區域，電流變化量為DIins以上。該情況下也是在對運轉條件進行了緩和的延長使用壽命條件下運轉、系統整體的性能也受到限制的狀態，因此顯示指示要實施保養檢查的警告和輸出受到了限制的狀況。

區域D是電力用半導體的溫度相對於最初的正常情況變低的情況，是電流變化量為DImin以下的區域。在該情況下，雖然不能看出電力用半導體本身的劣化，但是診斷用的計量裝置、診斷電路可能出現異常，因此警告顯示要實施保養檢查。

這樣的判斷的定義，根據系統的應用領域、狀況來定，圖6的(b)所示那樣的數據可以存儲於判斷電路13。

【實施例6】

圖7是以橫軸為時間軸地表示電力轉換裝置的控制以及顯示內容的詳細的實施方式的例子的曲線圖。這裡，對於電流變化量ΔI與溫度變化量ΔT的關係，以圖6的(a)所示內容為例進行說明。圖7的實施例示出了這樣的方式：不僅電流變化量的值，還將該值超過圖6的(a)所示的標準運轉的區域A的範圍的次數包含在內地進行判斷。

如圖7的(a)所示，電流變化量在運轉中的某特定條件下測量得出，並判斷該值在哪個範圍內。判斷結果用圖7的(a)的圖示表示。

然後，例如，將符合超過了圖6的(a)的區域A的標準運轉的溫度範圍的區域次數如圖7的(b)這樣記錄下來。在圖7的(a)(b)中，在最初的標準可動期間(參照圖7的(c))內，超過區域A的標準運轉的溫度範圍5次，因此在圖7的(b)中異常判斷次數被記作5次。

針對可動條件和異常判斷次數的組合，設定了判斷次數條件。例如，將「在標準運轉時超過區域A的標準運轉的溫度範圍5次」這樣的條件設定為「判斷次數條件#1」。另外，將「在緩和運轉時超過區域A的標準運轉的溫度範圍4次」這樣的條件設定為「判斷次數條件#2」。此外，將「在緩和運轉檢查顯示時超過區域A的標準運轉的溫度範圍4次」這樣的條件設定為「判斷次數條件#3」。

根據該判斷的次數和區域，在超過與之相應的判斷次數條件的情況下，改變運轉條件。例如，如圖7的(c)、圖7的(d)那樣，在滿足「判斷次數條件#1」的情況下，使最大電流降低至Im2，在滿足「判斷次數條件#2」的情況下，使最大電流降低至Im3，在滿足「判斷次數條件#3」的情況下，使最大電流降低至Im4。

這樣進行緩和運轉，從而對電力用半導體的導通時的最大電流進行限制，抑制進一步的劣化，並警告顯示以促使進行檢查。即、在圖7的(c)中，作為緩和運轉的條件，使導通時的最大電流的值從Im1向Im4依次減小，從而減小裝置承載的負載。

進而，在判斷為電流變化量的偏離最初時值的變化量較大、繼續運轉困難的情況下，也可以為了避免破壞而停止運轉，顯示要進行檢查。例如，也可以構成為：在圖7的(a)的右端，規定期間電流變化超過Dlins，因此立即停止運轉。

如上所述，在該實施例中，將以規定條件比較判斷的結果記錄下來，在其次數、時間間隔滿足某條件的情況下，顯示、輸出該結果，或者，與判斷結果相應地對電力轉換裝置進行控制。在所述例中，示出了設置電力轉換器的開關元件的導通時的最大電流的值的限制值的例子、使電力用半導體成為切斷狀態地進行控制的例子，但控制的例子不限於此。在將電力用半導體切斷時，眾所周知，對電力用半導體的驅動指令、施加於電力用半導體的驅動電壓進行一定的期間控制即可。

通過採用這樣的方式，顯示運轉條件的緩和、檢查時期，從而能夠高精度地防止使用了電力轉換裝置的系統的計劃外的停止、破壞，進而，能夠提供低成本且系統本身的壽命也能延長的電力轉換裝置。

【實施例7】

圖8表示將本發明的電力轉換裝置搭載於鐵道車輛的情況的實施方式。由鐵道車輛50的車上控制裝置52通過車上通信單元53控制電力轉換裝置54、55，利用這些電力轉換裝置的輸出來驅動電動機56、57、58、59、62、63、64、65。

電力轉換裝置54、55的結構能夠採用圖1的電力轉換裝置1這樣的結構。

在圖8中，車上控制裝置52上設有車上天線60，成為能夠與車輛外的地上診斷裝置70通信的結構。另外，車上控制裝置52上連接有車上顯示裝置61，能夠顯示警告、運轉狀況。地上診斷裝置70設有地面天線71和地上通信單元72、運算裝置73和顯示終端74、存儲裝置75、診斷單元76、運轉條件判斷單元77、輸出指示單元78。

採用該結構，將與例如圖7所示的規定期間的電流變化量、與之相應的溫度變化量的範圍相當的信息定期地由車上天線61向地上診斷裝置70發送。具體而言，例如，將圖1的判斷電路13的輸出由車上天線61發送出去。或者，也可以是將圖1的電壓檢測電路15、溫度檢測電路16、電流變化量算出電路17、電流檢測電路19的輸出由車上天線61發送出去。在該情況下，使地上診斷裝置70側具備判斷電路13的功能。或者，也可以是將圖5的端子11、43的輸出信號由車上天線61發送出去。在該情況下，使地上診斷裝置70側具備電流變化算出電路12、判斷電路13的功能。這樣，能夠在車上側和地上側將診斷功能分離開。另外，車上側和地上側的相互通訊方法可以採用無線，也可以採用有線。

將來自車上天線61的信息經由運算裝置73存儲於存儲裝置75，基於該信息利用診斷單元76將電力轉換裝置54、55的劣化定量化，利用運轉條件判斷單元77根據電力轉換裝置54、55各自的狀態決定各電力轉換裝置以及作為鐵道車輛整體的運轉條件。例如，能夠想到這樣的運轉控制方法：使電力轉換裝置54進行延長使用壽命運轉，使電力轉換裝置55的輸出上升，彌補電力轉換裝置54的不足部分的輸出。

並且，其結果經由輸出指示單元78通過地上的顯示終端、郵件向關聯崗位發送，並且在鐵道車輛側也經由通信單元發送信息，基於該信息利用車上控制裝置52調整運轉條件，反映到運轉狀態。

這裡，作為所述通信的時期、頻度，可以想到下述方式等：例如將地上診斷裝置70設置於車輛基地等，在進行定期的保養檢查等時進行通信，實施診斷和根據需要進行運轉條件的調整、保養。或者，也能夠實時進行監視診斷。

另外，地上診斷裝置70的存儲裝置、診斷單元、判斷單元這部分不分設於個別的車輛基地，而是配置於統合為一體的數據中心，能夠收集類似的型式的電力轉換裝置的信息，這樣，由於診斷對象件數增加，因此在這之前所述的方式的基礎上，還能夠利用統計學的方法實現判斷基準值的高精度化。像這樣，地上診斷裝置70也可以由單個計算機構成，或者，也可以是任意的部分由通過網絡連接的其他計算機構成，分擔作業。

圖9表示本發明的電力轉換裝置的顯示內容的實施方式。對於圖8的例子而言，相當於由車上顯示裝置61、地上的顯示終端74輸出的顯示內容。顯示終端具有鍵盤等輸入裝置，能夠進行診斷的各種設定。

作為顯示內容的例子，基於圖9的(a)所示這樣的判斷結果，首先顯示運轉狀況和保養檢查狀況。通過選擇「檢查對象」按鈕，詳細的檢查對象以階層子菜單的方式如圖9的(b)這樣顯示出來。

在圖9的(b)中，從轉換器54、55選擇指定檢查對象。所選擇的轉換器的設備代碼自動顯示出來。從檢查對象選擇特定的對象，則以分層菜單如圖9的(c)這樣顯示檢查內容，對其程序提供信息。作為檢查內容，例如，特別指定裝置中的電力用半導體。另外，對於基於檢查程序檢查的結果，也能夠如圖9的(d)這樣由「設定值變更」輸入設定值，反映到診斷、運轉條件的判斷。圖10是本發明的實施方式的電流變化率的測量條件、判斷條件、滿足判斷的情況下的運轉控制的設定的例子。與圖9同樣地被顯示出來。作為顯示時機，如上所述，可以是在檢查時，也能夠在任意時間進行設定。

圖10的(a)是電流切斷時的測量條件的設定畫面例，能夠針對各診斷對象的裝置進行設定。在圖10的(a)的例子中，對圖2所示的期間Z1、Z2進行設定。此時，也可以同時顯示圖2那樣的參考圖像。像這樣，限定測量的時間，則通過指定對診斷有意義的時機，能夠壓縮記錄數據的量、使判斷容易進行等。

圖10的(b)是電流切斷時的期間Z1的判斷條件和滿足判斷的情況下的運轉控制的設定的例子。例如，由圖2所示的期間Z1、Z2的電流變化量算出溫度變化量，針對溫度變化量確定控制的內容。例如，設定圖6的溫度變化區域A、B、C、D等範圍。在圖6中，以溫度變化量ΔT進行定義，但是若基準溫度設為例如室溫，則也能夠輸入溫度本身。另外，也能夠在相同畫面或者其他畫面設定該區域的運轉控制的內容(模式)。此時，也可以同時顯示圖6、圖7那樣的圖，以作參考。

在圖9、圖10輸入的設定條件的數據能夠存儲於判斷電路13、地上診斷裝置70的存儲裝置。

以上，說明了本實施例的基於電力用半導體的電流變化量對異常、劣化的診斷、保護、緩和劣化的進展、能夠進行長期間的運轉的控制方法，但是，不言而喻，關於會產生同樣的電力用半導體的溫度異常的在電力用半導體以外產生的電力轉換裝置的各部分的劣化、異常，也能夠利用同樣的方法進行診斷、保護。作為這些異常的例子，能夠列舉出冷卻裝置的性能劣化、通信電路的信號劣化、門驅動器的驅動波形異常等。

本發明不限於所述實施方式，包含各種各樣的變形例。例如，能夠將某實施例的構成的一部分置換為其他實施例的構成，另外，能夠在某實施例的構成上增加其他實施例的構成。此外，對於各實施例的構成的一部分能夠進行其他實施例的構成的追加、削除、置換。

採用以上詳細說明的本實施例，檢測出電力用半導體的電流變化率，與基準值進行比較判斷，從而能夠高精度地檢測出電力用半導體以及與其相關的電力轉換裝置的異常、劣化，高精度地防止故障等不良狀況，進而能夠提供能夠長期間使用的電力轉換裝置。

產業上的可利用性

能夠利用於各種的電力用半導體等的保養檢查領域。

符號說明

1、42 電力轉換裝置

2 電動機

3、4 IGBT

5、6 柵極驅動電路

7 驅動控制電路

8 主電路電容器

9 主電路

10 電壓輸出電路

11、41、43 連接器

12 電流變化量算出電路

13 判斷電路

14 輸出電路

15 電壓檢測單元

16 溫度檢測單元

17 電流變化量算出部

18 診斷部

19 電流檢測單元

20 積分電路

21 積分期間司令部

22 復位信號生成部

23 運算放大器

24 電阻器

25 電容器

26 雙向開關

27 電壓限制電路

30 主電路的一臂

31 主電路的寄生電感

32 濾波電路

33 AD轉換電路

34 積分運算電路

35、36、37 MOS電晶體

40 診斷裝置

50 鐵道車輛

51 車輛

52 車上控制裝置

53 車上通信單元

54、55 電力轉換裝置

56、57、58、59、62、63、64、65 電動機

60 車上天線

61 車上顯示裝置

70 地上診斷裝置

71 地面天線

72 收發部

73 運算裝置

74 顯示終端

75 存儲裝置

76 診斷單元

77 運轉條件判斷單元

78 輸出指示單元