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公開番号2025043991
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-04-01
出願番号2023151632
出願日2023-09-19
発明の名称電力変換装置、電力変換装置の遠隔監視システム及び電力変換装置の寿命推定方法
出願人株式会社日立産機システム
代理人青稜弁理士法人
主分類H02M 7/48 20070101AFI20250325BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】リアルタイムのジャンクション温度に基づき、従来よりも精度の高い損失演算を行い、スイッチング素子の劣化度の推定精度を向上する電力変換装置、その遠隔監視システム及び寿命推定方法を提供する。
【解決手段】電力変換装置は、ジャンクションーフィン間温度を演算可能なジャンクションーフィン間温度演算器と、フィン温度を検出可能なフィン温度センサを備える。ジャンクションーフィン間温度演算器は、ジャンクションーフィン間温度とフィン温度の和より、ジャンクション温度を演算し、演算されたジャンクション温度から、その時のジャンクション温度に基づく損失特性を呼び出し、より正確な損失を演算する。演算された損失と過渡熱特性テーブルより、温度を推定し、続いて劣化度を演算する。
【選択図】図12
特許請求の範囲【請求項１】
モータを駆動するための電力を供給する温度センサを備えたインバータと、モータを制御するモータ制御部を備える主回路と、
モータ制御部から受け取ったインバータの駆動周期と、温度センサから得られた温度変化の履歴情報に基づき素子の損傷度合を求める損傷演算部と、
損傷演算部から得られた損傷度合に基づき素子の残り寿命を求める寿命推定部を備える寿命推定装置と、
寿命推定部が求めた残り寿命を出力するインターフェース装置を備える電力変換装置。
続きを表示（約 1,100 文字）【請求項２】
請求項１に記載の電力変換装置において、
温度センサはインバータのヒートシンクに設置され、損傷演算部は温度センサから得られたヒートシンクの温度変化を素子の接合部の温度変化に変換し、素子の損傷度合を求める電力変換装置。
【請求項３】
請求項１に記載の電力変換装置において、
寿命推定装置はインバータの駆動周期から温度変化の累積回数を求め、温度センサから上昇温度を求め、温度変化の累積回数と上昇温度から温度変化の履歴情報を求める温度履歴演算部を備え、温度履歴演算部が求めた温度変化の履歴情報から損傷演算部が素子の損傷度合を求める電力変換装置。
【請求項４】
請求項１に記載の電力変換装置において、
寿命推定装置は損傷演算部から得られた素子の損傷度合から素子の累積損傷を求める累積損傷演算部を備え、寿命推定部は累積損傷演算部が求めた素子の累積損傷から素子の残り寿命を求める電力変換装置。
【請求項５】
請求項３に記載の電力変換装置において、
寿命推定装置はインバータのヒートシンクの温度と素子の温度との対応関係を格納した熱特性テーブルを備え、温度履歴演算部は熱特性テーブルを参照し、素子の温度変化の履歴情報を求める電力変換装置。
【請求項６】
主回路がモータを駆動するための電力を供給し、インバータに備え付けられた温度センサがインバータの温度出力し、モータ制御部がインバータの駆動周期を出力し、
寿命推定装置が備える損傷演算部がモータ制御部から受け取ったインバータの駆動周期と、温度センサから得られた温度変化の履歴情報に基づき素子の損傷度合を求め、
寿命推定部が損傷演算部から得られた損傷度合に基づき素子の残り寿命を求め、
インターフェース装置が寿命推定部が求めた残り寿命を出力する電力変換装置の寿命推定方法。
【請求項７】
モータを駆動するための電力を供給する温度センサを備えたインバータと、モータを制御するモータ制御部を備える主回路と、
モータ制御部から受け取ったインバータの駆動周期と、温度センサから得られた温度変化の履歴情報に基づき素子の損傷度合を求める損傷演算部と、
損傷演算部から得られた損傷度合に基づき素子の残り寿命を求める寿命推定部を備える寿命推定装置と、
寿命推定部が求めた残り寿命を出力するインターフェース装置を備える複数の電力変換装置と監視装置がネットワークで接続され、
監視装置は電力変換装置から送付されたインバータの残り寿命を受付け、受付けたインバータの残り寿命とインバータの識別子を対応付けて出力する電力変換装置の遠隔監視システム。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は電力変換装置、電力変換装置の遠隔監視システム及び電力変換装置の寿命推定方法に関する。
続きを表示（約 1,400 文字）【背景技術】
【０００２】
電力変換装置のひとつであるインバータは、産業界で製造装置、昇降装置、搬送装置等におけるモータ駆動装置として幅広く用いられている。そうした様々な用途において、インバータは安定稼働が求められる。万一、インバータが故障した場合は、工場の生産停止や設備の稼働停止が起こり、甚大な影響を及ぼす。
【０００３】
インバータは、ＩＧＢＴやダイオードなどのパワー半導体デバイスで電流の通流、遮断を制御し、所望の電力変換を行う。パワー半導体デバイスは、ワイヤーボンディング、または、絶縁基板上に形成された銅箔パターンなどとはんだで接合されており、これによってパワー半導体デバイス外部の回路と電気的に接続される。絶縁基板は金属ベース上に実装され、パワー半導体デバイスは金属ベースを介して冷却される。このように外部回路との電気的接続構造や冷却構造を備えたハウジングにパワー半導体デバイスを内蔵した部品はパワーモジュールと呼ばれる。
【０００４】
パワー半導体デバイスに電流が通流、遮断する際、パワー半導体デバイスは発熱し、パワー半導体デバイスの接合部（デバイスとワイヤーボンディングとの接合部、デバイスと銅箔パターンとの接合部）とフィン（冷却構造を備えた金属ベース）間に温度差（以下、△Ｔと呼ぶ）が発生する。インバータの停止時には発熱がなくなり、△Ｔは小さくなる。
【０００５】
上記のパワー半導体デバイスの接合部は、異なる熱膨張率の材料が用いられるため、△Ｔの変動により、接合部に熱応力が加わる。ΔＴの変動が繰り返すと、接合部に剥離や亀裂が生じ故障に至る。このような故障に至るまでの時間は、ΔＴの程度、頻度によって異なる。ΔＴの程度、頻度は電力変換装置の使用方法、電力変換装置によって駆動する装置によって様々である。
【０００６】
また、装置の使用状況によって、ＩＧＢＴとダイオードにかかる負荷の割合も異なる。したがって、このような故障を予防するためには、電力変換装置の使用状況に応じて、ＩＧＢＴとダイオードにかかる負荷の程度を把握するための処置が必要である。
【０００７】
本技術分野における従来技術として特許文献１がある。特許文献１では、スイッチング素子を備えた電力変換装置であり、スイッチング素子に流れる電流と、損失データテーブルからスイッチング素子の損失を演算する。演算した温度変化と過渡熱抵抗特性から、スイッチング素子（ジャンクション）の温度変化を演算する。演算した温度変化とパワーサイクル寿命回数の関係から、スイッチング素子の劣化度を推定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
ＷＯ２０２１―１０６１７５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１では、スイッチング素子の損失を演算するのに、一定の損失データテーブルを用いている。しかしながら、スイッチング素子の損傷度合はスイッチング素子のジャンクション温度を応じて大きく異なる。
【００１０】
つまり、特許文献１の方法では、その場のジャンクション温度と損失データテーブルの差異に起因して、演算する損失の精度、ならびに、これに続く、温度、劣化度の演算の精度が低いという課題がある。
【課題を解決するための手段】
（【００１１】以降は省略されています）

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