电力变换装置的诊断系统、半导体模块的诊断方法以及电力变换装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种电力变换装置的诊断系统，该电力变换装置具备半导体装置，并进行将向主电路的主电流导通、切断的开关动作。该系统具备：触发电路，其获取开关动作的基准时间；以及延迟时间计算电路，其获取主电流的第一主电流设定值的第一时间以及第二主电流设定值的第二时间，并检测第一时间与基准时间的差的数值数据以及第二时间与基准时间的差的数值数据。

Diagnostic system of power conversion device, diagnosis method of semiconductor module and power conversion device

The invention discloses a diagnosis system of an electric power conversion device, which has a semiconductor device and performs switching actions of conducting and cutting off the main current to the main circuit. The system consists of a trigger circuit, which obtains the reference time of the switch operation, and a delay time calculation circuit, which obtains the first time of the first main current setting value and the second time of the second main current setting value, and detects the numerical data of the difference between the first time and the reference time as well as the second time and the reference time. Time difference numerical data.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电力变换装置的诊断系统、半导体模块的诊断方法以及电力变换装置
本专利技术涉及电力变换装置，尤其涉及由面向铁路车辆、大型工业的电动机的控制用、电力用半导体开关元件构成的电力变换装置的维护或者诊断技术。
技术介绍
在面向铁路车辆、大型工业的电动机的控制用途、电力系统用等大电容的频率变换装置等的电力变换装置中，使用大电容的功率半导体模块进行高电压且大电流的电力控制。在这种设备中，在运行过程中发生故障时导致系统的损坏、系统计划外的停止，从而有可能引起较大的经济损失。以防止这种状况为目的，需要检测电力变换装置的劣化、异常、防止由功能停止引起的破坏、向相关人员通知需要维护、以及对电力变换装置进行延命控制。在大电容功率半导体模块上并联地连接有小容量的半导体芯片(晶体管、二极管)，设计成各半导体芯片均等地进行开关动作。然而，当在电力变换装置的运行过程中功率半导体模块内的半导体芯片中即使是一个元件参数超过允许偏差的范围时，开关定时与其它芯片有所不同，从而产生流过该元件的电流集中或不容易流动等失衡。其结果，半导体模块整体发生热失控而有可能导致破坏。因此，存在以下方法：在使用电力变换装置将电流导通切断的电力用半导体附近设置温度传感器，来检测电力用半导体的超温异常，但是由于电力用半导体内的热阻发生变化，因此难以检测半导体芯片的温度上升。因此，已知直接检测半导体芯片本身的温度(接合温度)异常的方法。作为这种示例，存在日本特开2013-142704(专利文献1)。在本例中公开了以下方法：通过检测IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor：绝缘栅双极型晶体管)元件的开关断开阶段中的栅极-发射极电压的特性的镜像平稳阶段(mirrorplateaustage)的开始和结束阶段时间延迟，决定IGBT元件的接合部温度。另外，在电力变换装置上搭载了冷却器，但是由于运行环境不同而有时冷却能力不足，还有时将温度传感器设置于冷却片、风扇上来进行监视、控制。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特开2013-142704号公报
技术实现思路
本专利技术要解决的课题如上所述，在电力变换装置的稳定运行中，对作为热源的功率半导体模块内的半导体芯片和冷却系统进行监视较为重要。然而，电力变换装置的运行过程中半导体模块中存在每个芯片的热分布，热历史记录根据芯片的位置而不同。其结果，每个芯片的长期可靠性的偏差大于初始特性的偏差，存在对模块内一个芯片的温度异常进行检测的问题。这一点，在由并列芯片构成的模块中使用了日本特开2013-142704号公报的方法的情况下，作为结果表示并列芯片的平均温度。另外，当对每个芯片上安装温度传感器时，半导体模块的成本增加。另外，由于热阻而精度下降。另一方面，在电力变换装置中，由于运行中的冷却能力下降而需要定期地进行清洁等维护，没有办法确定电力变换装置的性能劣化、不良状况是半导体模块本身的温度上升还是冷却系统。本专利技术的目的在于解决上述问题，并提供以下方法：通过简单的结构来高精度地检测电力用半导体以及与其相关联的电力变换装置的异常、劣化，高精度地防止故障等不良状况，进而能够长时间使用的方法。提供以下系统：不对功率半导体模块进行加工而获取整体平均温度和一个芯片的局部温度，将测定结果反馈至电动机控制并对功率模块实施延命处置，警告更换部件、维护冷却器。用于解决课题的方法专利技术者们发现了以下情况：在断开时的主电流(集电极电流)的第一设定值的波形延迟中，模块整体温度存在灵敏度而一个芯片局部温度不存在灵敏度。另一方面，在第二设定值中，模块整体和一个芯片局部温度均具有灵敏度。本专利技术是基于上述发现而提出的。本专利技术的一个侧面是一种电力变换装置的诊断系统，该电力变换装置具备半导体装置，并进行将流过主电路的主电流导通、切断的开关动作。该系统具备用户界面部，该用户界面部根据晶体管的断开的主电流值的预先决定的两个设定值且从开关指令时间起的延迟时间，通过能够进行温度测定的温度检测部和温度检测结果来警告缓和运行的控制系统、异常模块显示、冷却系统检查指示、模块寿命。在该系统的优选方式中，为了对主电流的尾部(基部)波形的基部进行测量，在温度检测部中用户能够决定第一主电流设定值和第二主电流设定值，并具备限幅电路用于第二主电流设定区域的主电流波形延迟。在该系统的具体应用例中，温度检测部与电力变换装置一体地构成或者通过基于有线、无线以及端子可分离的连接中的任一个进行连接。另外，用户界面部与温度检测部一体地构成或者通过基于有线、无线以及端子的可分离的连接中的任一个进行连接。在本例中结构的自由度高，因此还能够使用远程的监视系统对例如搭载于电车等的电力变换装置进行诊断。本专利技术的其它侧面是一种电力变换装置的诊断方法，该电力变换装置具备半导体开关元件，并进行将主电流导通、切断的开关动作。该方法具备：第一步骤，检测主电流的第一设定值的延迟时间；第二步骤，检测第二设定值的延迟时间；以及第三步骤，根据延迟时间来检测半导体模块的整体温度和局部一个芯片温度，并判断电力变换装置的状态。作为具体结构，使用开关切断时的基部的过渡电流，得到预定期间的延迟量。能够使用延迟量的结果对电力变换装置的状态进行诊断。另外，还能够根据诊断结果来控制电力变换装置。另外，能够诊断电力变换装置的异常原因是半导体模块还是冷却系统。示出动作条件控制的典型例时，可举出设置电力变换装置的开关元件导通时的最大电流的值的限制值(缓和运行)等。另外，关于开关元件的具体例，能够使用绝缘栅双极型晶体管等作为功率用半导体。另外，作为功率半导体模块能够使用将小容量的半导体芯片并联地连接而得到的大容量半导体模块。本专利技术的另一侧面是一种电力变换装置的诊断系统，该电力变换装置具备半导体装置，并进行将向主电路的主电流导通、切断的开关动作。该系统具备：触发电路，其获取开关动作的基准时间；以及延迟时间计算电路，其获取主电流的第一主电流设定值的第一时间以及第二主电流设定值的第二时间，并检测第一时间与基准时间的差的数值数据以及第二时间与基准时间的差的数值数据。本专利技术的其它另一侧面是一种半导体模块的诊断方法，该半导体模块搭载有多个开关元件，并根据驱动指令信号来进行将主电流导通和切断的开关动作。该方法具备：基准时间设定步骤，设定主电流切断时的、开关动作的基准时间；第一延迟时间测量步骤，在主电流切断时，测量主电流成为第一主电流设定值的第一时间从基准时间起的延迟作为第一延迟时间；以及第二延迟时间测量步骤，在主电流切断时，测量主电流成为第二主电流设定值的第二时间从基准时间起的延迟作为第二延迟时间。而且，将第一主电流设定值设定得比第二主电流设定值大。本专利技术的其它另一侧面是一种电力变换装置，其以直流电流为输入，对负载输出交流电流。该装置具备多个半导体模块、向多个半导体模块指示开关动作的控制指令信号产生部以及分别与多个半导体模块对应的多个控制装置。而且，多个半导体模块分别具备并联连接的多个半导体开关元件，控制指令信号产生部产生向多个半导体开关元件指示主电流的切断的控制指令信号，多个控制装置分别具备温度检测部，该温度检测部针对多个半导体模块的每个半导体模块决定两种温度。温度检测部具备：触发电路，其根据控制指令信号设定基准时间；第一延迟时间测量部，其在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电力变换装置的诊断系统，该电力变换装置具备半导体装置，并进行将向主电路的主电流导通、切断的开关动作，其特征在于，该诊断系统具备：触发电路，其获取上述开关动作的基准时间；以及延迟时间计算电路，其获取上述主电流的第一主电流设定值的第一时间以及第二主电流设定值的第二时间，并检测上述第一时间与上述基准时间的差的数值数据以及上述第二时间与上述基准时间的差的数值数据。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种电力变换装置的诊断系统，该电力变换装置具备半导体装置，并进行将向主电路的主电流导通、切断的开关动作，其特征在于，该诊断系统具备：触发电路，其获取上述开关动作的基准时间；以及延迟时间计算电路，其获取上述主电流的第一主电流设定值的第一时间以及第二主电流设定值的第二时间，并检测上述第一时间与上述基准时间的差的数值数据以及上述第二时间与上述基准时间的差的数值数据。2.根据权利要求1所述的电力变换装置的诊断系统，其特征在于，根据上述第一时间与上述基准时间的差的数值数据以及上述第二时间与上述基准时间的差的数值数据，计算出上述半导体装置的接合温度。3.根据权利要求2所述的电力变换装置的诊断系统，其特征在于，上述接合温度为上述半导体装置所包含的多个半导体芯片的平均接合温度Tj1以及上述多个半导体芯片的仅一部分的局部接合温度Tj2。4.根据权利要求3所述的电力变换装置的诊断系统，其特征在于，以预先决定的Tjmax为基准值，根据上述接合温度Tj1与Tj2的大小关系来控制上述电力变换装置。5.根据权利要求3所述的电力变换装置的诊断系统，其特征在于，以预先决定的Tjmax为基准值，根据上述接合温度Tj1与Tj2的大小关系来警告上述半导体装置的异常。6.根据权利要求3所述的电力变换装置的诊断系统，其特征在于，以预先决定的Tjmax为基准值，根据上述接合温度Tj1与Tj2的大小关系来警告上述电力变换装置的冷却系统的异常。7.一种半导体模块的诊断方法，该半导体模块搭载有多个开关元件，并根据驱动指令信号来进行将主电流导通和切断的开关动作，其特征在于，该诊断方法具备如下步骤：基准时间设定步骤，设定上述主电流切断时的、上述开关动作的基准时间；第一延迟时间测量步骤，在上述主电流切断时，测量上述主电流成为第一主电流设定值的第一时间从上述基准时间起的延迟作为第一延迟时间；以及第二延迟时间测量步骤，在上述主电流切断时，测量上述主电流成为第二主电流设定值的第二时间从上述基准时间起的延迟作为第二延迟时间，将上述第一主电流设定值设定得比上述第二主电流设定值大。8.根据权利要求7所述的半导体模块的诊断方法，其特征在于，根据上述第一延迟时间决定上述半导体模块整体的温度，根据上述第二延迟时间决定上述半导体模块一部分的温度。9.根据权利要求7所述的半导体模块的诊断方法，其特征在于，根据上述第一延迟时间决定第一温度，并将该第一温度与第一阈值进行比较，根据上述第二延迟时间决定第二温度，并将该第二温度与第二阈值进行比较，在第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：木村嘉伸，坂野顺一，古川公久，小川贵史，山田廉一，
申请(专利权)人：株式会社日立制作所，
类型：发明
国别省市：日本,JP