JP3541460B2 - インバータ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、インバータ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
インバータ装置の主回路部を構成するコンバータ部のダイオード、インバータ部のトランジスタ及び帰還ダイオードなどの電力用半導体素子の寿命判定については、従来は定期点検時に電力用半導体素子の各端子間抵抗チェック等で行っていた。しかし、電力用半導体素子の寿命は周囲温度や使用条件により大きく左右され、劣化はある時期より急激に進むことが多いため、異常を発見できず使用中にインバータ装置の故障となる場合があった。
【０００３】
図８および図９は、例えば特開平３−２６１８７７号公報に示された従来のインバータ装置の構成図および電力用半導体素子の寿命を判定するインバータ装置内の制御部の構成図であり、電力用半導体素子内のジャンクション温度の上昇、下降による熱疲労により電力用半導体素子の寿命を推定し、寿命に達した部品を表示することにより、作業者が容易に判断できるようになり、故障を未然に防ぐというもので、以下説明する。
【０００４】
図８において、１００はインバータ装置、２００は交流電源、３００はインバータ装置１００の負荷としての誘導電動機、１０１は交流電源２００からの交流電力を直流電力に変換するコンバータ部、１０２は直流電力を交流電力に変換するインバータ部、１０３はコンバータ部１０１またはインバータ部１０２で生ずる電圧リプルを吸収する平滑回路部、１０４はコンバータ部１０１、インバータ部１０２及び平滑回路部１０３とから構成される主回路部である。主回路部１０４内において、１０５は整流ダイオード、１０６は平滑コンデンサ、１０７はトランジスタ、１０８はトランジスタ１０７と逆並列に接続される帰還ダイオードであり、整流ダイオード１０５、トランジスタ１０７及び帰還ダイオード１０８を以下電力用半導体素子と記す。
【０００５】
また、１１０はインバータ装置１００の出力電流を検出する電流検出部、１２０はインバータ装置の放熱フィン（図示せず）に取付けられた温度検出部、１３０は主回路部１０４を駆動するための制御信号を与える制御部、１３１は制御部１３０の指令によりトランジスタ１０７を駆動するトランジスタ駆動部、１４０は制御部１３０での演算結果や設定データ等を表示する表示部である。なお、主回路部１０４を構成する電力用半導体素子は、図示しない放熱フィンに取付けられている。
【０００６】
図９において１１０は電力用半導体素子に流れる電流に応じた電流を検出する電流検出部、１２０は放熱フィンの温度を検出する放熱フィン温度検出部、２０は電流検出部１１０より得られる検出電流と放熱フィン温度検出部１２０より得られる検出温度よりトランジスタのジャンクション温度を推定するトランジスタ温度推定部、２１はトランジスタのジャンクション温度の変化幅を検出し、トランジスタの疲労程度を示す熱ストレス回数を求めるトランジスタ温度変化幅熱ストレス演算部、２２は熱ストレス回数が疲労限界に達したことを判定するトランジスタ寿命判定部、１４０は熱ストレス回数が疲労限界に達したときアラームを表示する表示部である。図においてダイオード温度推定部３０、ダイオード温度変化幅熱ストレス演算部３１、ダイオード寿命判定部３２は対象をトランジスタからダイオードに置き換えたもので、トランジスタ温度推定部２０、トランジスタ温度変化幅熱ストレス演算部２１、トランジスタ寿命判定部２２と同様の処理を行うものである。
【０００７】
図１０はインバータ装置の運転、停止に伴う電力用半導体素子内部のジャンクション温度Ｔj の変化の一例を示すグラフである。図において、曲線１５０はトランジスタ温度推定部２０又はダイオード温度推定部３０で求めたトランジスタ又はダイオードのジャンクション温度の変化を示すもので、ＴjL0 ，ＴjL2 は極小値、ＴjU1 ，ＴjU2 は極大値、ＴjW1 ，ＴjW2 ，ＴjW3 はジャンクション温度の変化の振幅（以下、温度変化幅と記す）である。
【０００８】
また、図１１はトランジスタ温度変化幅熱ストレス演算部２１及びダイオード温度変化幅熱ストレス演算部３１の演算のフローチャートである。以下、図１１を中心に図８ないし図１０のトランジスタ１０７を例として動作の説明をする。図９のトランジスタ温度変化幅熱ストレス演算部２１では、トランジスタ温度推定部２０で推定した図８のトランジスタ１０７のジャンクション温度Ｔj の変化が図１０の曲線１５０に示すように上昇から下降、または下降から上昇との極値となったかを確認し、温度変化値の最大値、または最小値と判断し、温度変化幅を求め、この温度変化幅より熱ストレスを演算している。以下具体的な動作を図１１のフローによって説明する。図１１のステップ４１１は、トランジスタ１０７のジャンクション温度Ｔj が最大または最小かをチェックするもので、最大または最小でない場合は、ＮＯに進み無処理でエンドへ抜ける。
【０００９】
また、トランジスタジャンクション温度Ｔj が最大または最小の場合はＹＥＳに進み、ステップ４１２に於て最小値と次の最大値の差または最大値と次の最小値の差ΔＴjWを求め、即ち、図１０の、ΔＴjW1 ，ΔＴjW2 ，ΔＴjW3 を求め、次のステップ４１３で図８のトランジスタ１０７の寿命を、温度変化に起因する熱ストレスと置換え、１回の温度変化幅に対する熱ストレスを次式により算出し、熱ストレス回数とする。
ΔＳｔ1 ＝（ΔＴjW／ΔＴjs）2 ・１／２
ここで、ΔＳｔ1 は１回の温度変化幅に対する熱ストレス回数、ΔＴjWは温度変化幅、ΔＴjsは主回路部１０４のトランジスタ１０７の寿命を許容する熱ストレス回数と置き換える際の基準となる基準温度差である。
【００１０】
次にステップ４１４により累積値であるトランジスタ温度変化幅熱ストレス回数Ｓｔ1 に、１回の温度変化幅による熱ストレス回数ΔＳｔ1 を加算し、
Ｓｔ1←Ｓｔ1＋ΔＳｔ1
Ｓｔ1 を演算し、エンドとなる。
上記の様に、トランジスタのジャンクション温度Ｔj が極値となる毎に、トランジスタ温度変化幅熱ストレス回数Ｓｔ1 が更新されることになる。
【００１１】
次いで、図９のトランジスタ寿命判定部２２において、上記トランジスタ温度変化幅熱ストレス演算部２１で演算したトランジスタ温度変化幅熱ストレス回数Ｓｔ1 とあらかじめ設定したトランジスタ１０７の固有の寿命から求められたトランジスタ許容熱ストレス回数Ｓｔmax と比較することにより、トランジスタ１０７が疲労に達したか否かを判定し、トランジスタ温度変化幅熱ストレス回数Ｓｔ1 が許容熱ストレス回数を越えた場合には、図９の表示部１４０にてトランジスタ１０７が寿命となった旨アラーム表示をする。
【００１２】
又、上記では電力用半導体素子のうちトランジスタ１０７について説明したが、ダイオード１０５及び１０８についても同様であり、説明を省略する。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
以上、説明した様に従来のインバータ装置１００の主回路部１０４に使用されている電力用半導体素子の寿命については、電力用半導体素子で発生する熱の温度変化による疲労を、温度変化幅による熱ストレスとしてとらえ、判定を行っていた。
又、電力用半導体素子の実装においても、配線板上にダイボンディングされることが多くなってきている。即ち、図１２は図８のインバータ装置１００の主回路部１０４を構成するインバータ部１０２のトランジスタ１０７の実装における要部拡大図であって、トランジスタ１０７は図示するごとく、トランジスタ１０７の発熱を放出するためのヒートスプレッダ１６０上に接合部材１６１を介して保持され、ボンディングワイヤ１６２により配線板１６３上のリード１６４と接続されており、１６５は放熱フィンである。
又、図１２は電力用半導体素子としてトランジスタ１０７の例を示したがダイオード１０５及び１０８の場合も同様である。
【００１４】
従来のものは、熱ストレスにおいて図１２のトランジスタ１０７とヒートスプレッダ１６０とを同程度の温度として一緒に扱っていたが、急峻な立上り、立下りが要求される工作機械用、又は正転、逆転などの繰返し頻度の高い荷役搬送用などの用途においては、電力用半導体素子に流れる電流の急激な変化によるトランジスタ１０７などの電力用半導体素子とヒートスプレッダ１６０間に発生する温度差を考慮しなくては、電力用半導体素子とヒートスプレッダ間の接合部材１６１の疲労を十分に判断することができないという問題点があった。
【００１５】
また、電力用半導体素子の寿命となる疲労破壊のレベルに達した時点でアラームとする処理を行っていたため、寿命になる以前にインバータ装置の使用方法を改善するなどの延命処置ができないという問題点があった。
【００１６】
この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、電力用半導体素子とヒートスプレッダ間に発生する温度差を考慮した接合部材の疲労を判断することができるとともに、電力用半導体素子の寿命になる以前に使用方法を改善するなどの延命処置ができるインバータ装置を得ることを目的としている。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
この発明におけるインバータ装置は、電力用半導体素子に流れる電流に応じた電流を検出する電流検出手段からの検出電流と電力用半導体素子に発生する熱に応じた温度を検出する温度検出手段からの検出温度とに応じて温度推定手段で推定した電力用半導体素子の推定温度の変化における振幅に基いて電力用半導体素子の熱ストレスを演算し、積算する温度変化幅熱ストレス演算手段、及び推定温度の変化における割合に基いて電力用半導体素子の熱ストレスを演算し、積算する温度変化率熱ストレス演算手段の出力と電力用半導体素子の固有の許容熱ストレスとを使用して、電力用半導体素子の寿命を演算する寿命演算手段とを備えたものである。
【００１８】
また、この発明のインバータ装置は、電力用半導体素子に流れる電流に応じた電流を検出する電流検出手段からの検出電流と電力用半導体素子に発生する熱に応じた温度を検出する温度検出手段からの検出温度とに応じて温度推定手段で電力用半導体素子の温度を推定し、運転時間を設定する運転時間設定手段で設定された設定時間毎に電力用半導体素子の推定温度の変化における振幅に基いて電力用半導体素子の熱ストレスを演算する設定時間当り温度変化幅熱ストレス演算手段、及び、運転時間設定手段で設定された設定時間毎に電力用半導体素子の推定温度の変化における割合に基いて電力用半導体素子の熱ストレスを演算する設定時間当り温度変化率熱ストレス演算手段の出力に基いて算出した設定時間当りの熱ストレスと期待寿命時間設定手段で設定された電力用半導体素子の期待寿命時間から求められた設定時間当りの許容熱ストレスとを比較し、算出された電力用半導体素子の寿命が期待寿命時間を越えていないかを判定する設定時間当り寿命判定手段とを備えたものである。
【００１９】
また、この発明のインバータ装置は、電力用半導体素子に流れる電流に応じた電流を検出する電流検出手段からの検出電流と電力用半導体素子に発生する熱に応じた温度を検出する温度検出手段からの検出温度とに応じて温度推定手段で電力用半導体素子の温度を推定し、運転時間を設定する運転時間設定手段で設定された設定時間毎に電力用半導体素子の推定温度の変化における振幅に基いて電力用半導体素子の熱ストレスを演算する設定時間当り温度変化幅熱ストレス演算手段、及び運転時間設定手段で設定された設定時間毎に電力用半導体素子の推定温度の変化における割合に基いて電力用半導体素子の熱ストレスを演算する設定時間当り温度変化率熱ストレス演算手段の出力に基いて電力用半導体素子の運転可能寿命を推定する寿命推定手段とを備えたものである。
【００２０】
さらに、この発明によるインバータ装置は、電力用半導体素子に流れる電流に応じた電流を検出する電流検出手段からの検出電流と電力用半導体素子に発生する熱に応じた温度を検出する温度検出手段からの検出温度とに応じて温度推定手段で電力用半導体素子の温度を推定し、電力用半導体素子の期待される寿命時間を設定する期待寿命時間設定手段と、運転時間を設定する運転時間設定手段と、運転時間設定手段で設定された運転時間における電力用半導体素子の寿命の判定または寿命の推定の少くとも１つを実効するか否かの選択をする運転時間チェック選択手段とで設定された設定データを記憶する設定データ記憶手段と、運転時間チェック選択が無効の場合には電力用半導体素子の推定温度の変化における振幅に基いて電力用半導体素子の熱ストレスを演算・積算し、有効の場合には更に設定時間毎に電力用半導体素子の熱ストレスを演算する設定時間当り温度変化幅熱ストレス演算手段と、運転時間チェック選択が無効の場合には、電力用半導体素子の推定温度の変化における割合に基いて電力用半導体素子の熱ストレスを演算・積算し、有効の場合には更に設定時間毎に電力用半導体素子の熱ストレスを演算する設定時間当り温度変化率熱ストレス演算手段と、運転時間チェック選択が無効の場合には設定時間当り温度変化幅熱ストレス演算手段及び設定時間当り温度変化率熱ストレス演算手段の出力と電力用半導体素子の固有の熱ストレスとを比較し電力用半導体素子が寿命になったか否かを判定し、有効の場合には設定時間当り温度変化幅熱ストレス演算手段及び設定時間当り温度変化率熱ストレス演算手段の出力に基いて算出した設定時間当りの熱ストレスと期待寿命時間設定手段で設定された期待寿命時間から求められた設定時間当り許容熱ストレスとを比較し、電力用半導体素子の寿命が期待寿命時間を越えていないかを判定する設定時間当り寿命判定手段と、運転時間チェック選択が有効の場合、電力用半導体素子の運転可能寿命を推定する寿命推定手段とを備えたものである。
【００２１】
さらにまた、この発明によるインバータ装置は、寿命判定手段、設定時間当り寿命判定手段または寿命推定手段の出力を表示する表示手段を備えたものである。
【００２２】
【作用】
この発明におけるインバータ装置はその寿命演算手段が、電力用半導体素子の推定温度の変化における振幅に基いて前記電力用半導体素子の熱ストレスを演算し、積算する温度変化幅熱ストレス演算手段及び電力用半導体素子の推定温度の変化における割合に基いて前記電力用半導体素子の熱ストレスを演算し、積算する温度変化率熱ストレス演算手段の出力と電力用半導体素子の固有の許容熱ストレスとを使用して、電力用半導体素子の寿命を演算するので、電力用半導体素子に流れる電流の急激な変化による電力半導体素子とヒートスプレッダ間に発生する温度差にも考慮されたものとなる。
【００２３】
また、この発明のインバータ装置は、その設定時間当り寿命判定手段が、寿命時間を比較する運転時間を設定する運転時間設定手段で設定された設定時間毎に電力用半導体素子の推定温度の変化における振幅に基いて電力用半導体素子の熱ストレスを演算する設定時間当り温度変化幅熱ストレス演算手段、及び運転時間設定手段で設定された設定時間毎に電力用半導体素子の推定温度の変化における割合に基いて電力用半導体素子の熱ストレスを演算する設定時間当り温度変化率熱ストレス演算手段の出力に基いて算出した設定時間当りの熱ストレスと期待寿命時間設定手段で設定された電力用半導体素子の期待寿命時間から求められた設定時間当りの許容熱ストレスとを比較し、算出された電力用半導体素子の寿命が前記期待寿命時間を越えていないかを判定したので、設定時間の運転で期待寿命時間だけ運転可能か否かの判定が可能となる。
【００２４】
また、この発明によるインバータ装置は、その寿命判定手段が、寿命時間を比較する運転時間を設定する運転時間設定手段で設定された設定時間毎に電力用半導体素子の推定温度の変化における振幅に基いて電力用半導体素子の熱ストレスを演算する設定時間当り温度変化幅熱ストレス演算手段、及び運転時間設定手段で設定された設定時間毎に電力用半導体素子の推定温度の変化における割合に基いて電力用半導体素子の熱ストレスを演算する設定時間当り温度変化率熱ストレス演算手段の出力に基いて電力用半導体素子の運転可能寿命を推定するので、その運転可能寿命がわかる。
【００２５】
また、この発明のインバータ装置によれば、その運転時間チェック選択手段が、寿命時間を比較する運転時間を設定する運転時間設定手段で設定された運転時間における電力用半導体素子の寿命の判定または寿命の推定の少くとも１つを実効するか否かの選択をする。
また、この発明の設定時間当り温度変化幅熱ストレス演算手段は、運転時間チェック選択が無効の場合には電力用半導体素子の推定温度の変化における振幅に基いて電力用半導体素子の熱ストレスを演算・積算し、有効の場合には更に設定時間毎に電力用半導体素子の熱ストレスを演算する。
また、この発明の設定時間当り温度変化率熱ストレス演算手段は、運転時間チェック選択が無効の場合には、電力用半導体素子の推定温度の変化における割合に基いて電力用半導体素子の熱ストレスを演算・積算し、有効の場合には更に設定時間毎に前記電力用半導体素子の熱ストレスを演算する。また、この発明の設定時間当り寿命判定手段は、運転時間チェック選択が無効の場合には設定時間当り温度変化幅熱ストレス演算手段及び設定時間当り温度変化率熱ストレス演算手段の出力と電力用半導体素子の固有の熱ストレスとを比較し電力用半導体素子が寿命になったか否かを判定し、有効の場合には設定時間当り温度変化幅熱ストレス演算手段及び設定時間当り温度変化率熱ストレス演算手段の出力に基いて算出した設定時間当りの熱ストレスと期待寿命時間設定手段で設定された期待寿命時間から求められた設定時間当り許容熱ストレスとを比較し、電力用半導体素子の寿命が期待寿命時間を越えていないかを判定する。また、この発明の寿命推定手段は、運転時間チェック選択が有効の場合、電力用半導体素子の運転可能寿命を推定する。
【００２６】
さらにまた、この発明のインバータ装置によれば、表示手段は寿命判定手段、設定時間当り寿命判定手段、または寿命推定手段の出力を表示するので、電力用半導体素子の寿命、また設定時間の運転で期待寿命だけ運転可能か否か、また設定時間の運転における運転可能寿命が容易に判別できる。
【００２７】
【実施例】
実施例１．
図１は、この発明の一実施例による電力用半導体素子の寿命を判定する制御部の構成図である。図において、図８〜図１２と同一符号は同一又は相当部分を示すもので、２３は電力用半導体素子としての図８のトランジスタ１０７の温度変化の割合に基いてトランジスタ１０７の熱ストレス回数を演算・積算するトランジスタ温度変化率熱ストレス演算部、２２ａはトランジスタ温度変化幅熱ストレス演算部２１とトランジスタ温度変化率熱ストレス演算部２３の出力に基いてトランジスタ１０７の寿命を演算するトランジスタ寿命演算部、３３は図８のダイオード１０５及び１０８の温度変化の割合に基いてダイオード１０５及び１０８の熱ストレス回数を演算・積算するダイオード温度変化率熱ストレス演算部、３２ａはダイオード温度変化幅熱ストレス演算部３１とダイオード温度変化率熱ストレス演算部３３の出力に基いてダイオード１０５及び１０９の寿命を演算するダイオード寿命演算部である。また、３８はトランジスタ温度変化幅熱ストレス演算部２１、トランジスタ温度変化率熱ストレス演算部２３、トランジスタ寿命判定部２２ａ、ダイオード温度変化幅熱ストレス演算部３１、ダイオード温度変化率熱ストレス演算部３３、ダイオード寿命判定部３２ａの出力データを記憶する記憶部、３９はトランジスタおよびダイオードの固有の寿命を設定する設定部である。
【００２８】
図２はインバータ装置の運転、停止に伴う電力用半導体素子内部のジャンクション温度Ｔj 及び温度変化率｜ｄＴj ／ｄｔ｜の変化の一例を示すグラフである。図において、曲線１５１は電力用半導体素子のジャンクション温度Ｔj の時間変化の例、曲線１５２はジャンクション温度Ｔj の変化に対応したジャンクション温度Ｔj の変化の割合（温度変化率｜ｄＴj ／ｄｔ｜）を示しており、電力用半導体素子を流れる急激な電流の変化により発生する熱により、図１２のトランジスタ１０７とヒートスプレッダ１６０間に生ずる温度差を考慮した熱ストレス回数を算出するために使用する。
【００２９】
また、図３は図１のトランジスタ温度変化率熱ストレス演算部２３及びダイオード温度変化率熱ストレス演算部３３の演算のフローチャートである。以下、この発明の実施例１について図３のフローチャートを中心に図８のトランジスタ１０７を例として図１及び図２により動作の説明をする。まずステップ５０１に於て、図１のトランジスタ温度変化率熱ストレス演算部２３では、トランジスタ温度推定部２０の出力である図２（ａ）のトランジスタジャンクション温度Ｔj の時間変化曲線１５１から、温度の変化の割合（以後、温度変化率と記す）ΔＴjaを、例えばあらかじめ設定したごく短い一定時間Δｔ内のトランジスタジャンクション温度Ｔj の温度変化幅として次式
ΔＴja＝｜ΔＴj ／Δｔ｜
として算出する。
次に、ステップ５０２で温度変化率ΔＴjaを電力用半導体素子の固有な式として、例えばΔＳｔ2 ＝ｍ（ｎ・｜ΔＴja｜）k を用い、Δｔ時間当りの温度変化率熱ストレス回数ΔＳｔ2 を算出する。ここで、ｍ，ｎ，ｋは電力用半導体素子の形状、部材の材質によって決まる定数である。
【００３０】
次にステップ５０３によりΔｔ時間当りの温度変化率熱ストレス回数ΔＳｔ2 と、所定値ΔＳｔ2Sと大小比較を行い、ΔＳｔ2 ＜ΔＳｔ2Sの場合にはＮＯへ進み無処理でエンドへ抜ける。
また、ΔＳｔ2 ≧ΔＳｔ2Sの場合は、ＹＥＳに進みステップ５０４により積算値であるトランジスタ温度変化率熱ストレス回数Ｓｔ2 にΔｔ時間当りの温度変化率熱ストレス回数ΔＳｔ2 を加算し、
Ｓｔ2 ←Ｓｔ2 ＋ΔＳｔ2
Ｓｔ2 を演算し、エンドとなる。
【００３１】
上記図３のフローチャートではΔｔ時間当りの温度変化率熱ストレス回数ΔＳｔ2 が、所定値ΔＳｔ2S以上の場合のみ、トランジスタ温度変化率熱ストレス回数Ｓｔ2 に加算したが、大小判別せずに加算してもよい。
【００３２】
次に、図１のトランジスタ寿命演算部２２ａでは、熱ストレス回数Ｓｔをトランジスタ温度変化幅熱ストレス演算部２１で演算し、積算したトランジスタ温度変化幅熱ストレス回数Ｓｔ1 とトランジスタ温度変化率熱ストレス演算部２３で演算し、積算したトランジスタ温度変化率熱ストレス回数Ｓｔ2 とを加算し、
Ｓｔ＝Ｓｔ1 ＋Ｓｔ2
あらかじめ設定されたトランジスタ１０７固有の寿命から求められた許容熱ストレス回数Ｓｔmax と比較することにより、トランジスタ１０７が疲労に達したか否かを判定し、熱ストレス回数Ｓｔが許容熱ストレス回数を越えた場合には、図１の表示部１４０に対してトランジスタ１０７が寿命となった旨のアラーム表示指令などのアラーム処理を行う。
又、許容熱ストレス回数Ｓｔmax から熱ストレス回数Ｓｔを減算し、あらかじめ設定されたトランジスタ１０７固有の寿命をｔmax として下式により、残りの寿命時間ｔrem を求め、
ｔrem ＝ｔmax ×｛（Ｓｔmax −Ｓｔ）／Ｓｔmax ｝
図１の表示部１４０に残りの寿命時間として表示指令を行う。
【００３３】
又、上記図３及び図１１の熱ストレス回数Ｓｔ1 、Ｓｔ2 の演算のフローチャートはインバータ装置の電源投入後は繰り返し起動され、常時熱ストレス回数Ｓｔ1 、Ｓｔ2 を積算するものである。
又、上記説明では１回の温度変化幅によるトランジスタ温度変化幅熱ストレス回数ΔＳｔ1 の算出において、インバータ装置１００の運転中についてトランジスタ１０７のジャンクション温度Ｔj の最大値、最小値の判定を極値であるか否かで判定している例を示したが、電源投入後の初回のΔＳｔ1 算出については、電源投入時に電流検出部１１０の検出した検出電流及び放熱フィン温度検出部１２０の検出した検出温度に応じてトランジスタ温度推定部２０で推定した温度を初回の最小値または最大値として使用する。
又、電源ＯＦＦを含む１回の温度変化幅によるトランジスタ温度変化幅熱ストレス回数ΔＳｔ1 の算出については、電源ＯＦＦ時に最後に判定したトランジスタ１０７のジャンクション温度Ｔj の極値及び電源ＯＦＦ時の検出電流、検出温度を記憶部（図示せず）にセーブしておき、次回電源投入時に行うようにすることで対応可能である。
上記のようにトランジスタ温度変化幅熱ストレス回数とトランジスタ温度変化率熱ストレス回数とから求めた熱ストレス回数をトランジスタの許容熱ストレス回数と比較して、トランジスタの疲労を判定するようにしたので、トランジスタに流れる電流の急激な変化によりトランジスタとヒートスプレッダ間に発生する温度差をも考慮したトランジスタの寿命判定ができるようになる。
又、上記では電力用半導体素子のうち図８のトランジスタ１０７について説明したが、ダイオード１０５及び１０８についても同様であり、説明を省略する。
【００３４】
実施例２．
図４はこの発明の他の実施例による電力用半導体素子の寿命を判定又は推測する制御部の構成図である。図において、図１と同一符号は同一又は相当部分を示し、その説明を省略する。３８ａはトランジスタサイクル時間温度変化幅熱ストレス演算部２４、トランジスタサイクル時間温度変化率熱ストレス演算部２５、トランジスタサイクル時間寿命判定部２６、ダイオードサイクル時間温度変化幅熱ストレス演算部３４、ダイオードサイクル時間温度変化率熱ストレス演算部３５、ダイオードサイクル時間寿命判定部３６の出力データを記憶する記憶部、３９ａはトランジスタおよびダイオードの固有の寿命を設定する設定部である。４０は接合部材をも考慮した電力用半導体素子の期待寿命ｔ1 を設定する期待寿命時間設定部、４１は設定期間当りの平均熱ストレス回数を求めるためのサイクル時間ｔc を設定する運転時間設定手段としてのサイクル時間設定部、４２はサイクル時間設定部４１で設定されたサイクル時間ｔc により電力用半導体素子の寿命の判定または寿命の推定の少くとも１つを実効するか否かの選択を行うサイクル時間チェック選択部、４３は期待寿命時間設定部４０、サイクル時間設定部４１及びサイクル時間チェック選択部４２で設定された設定データを記憶する設定データ記憶部である。
【００３５】
又、図において２４はサイクル時間チェック選択部４２の選択が無効の場合にはトランジスタ温度推定部２０の出力である推定温度の変化における振幅に基いてトランジスタ１０７の熱ストレスを演算・積算し、有効の場合には更にサイクル時間設定部４１で設定されたサイクル時間ｔc （一般にはサイクル運転の運転時間、又は電源が投入されてから遮断されるまでの運転時間として設定される）毎に熱ストレスを演算するトランジスタサイクル時間温度変化幅熱ストレス演算部である。２５はサイクル時間チェック選択部４２の選択が無効の場合には、トランジスタ温度推定部２０の出力である推定温度の変化における割合に基いてトランジスタ１０７の熱ストレスを演算・積算し、有効の場合には更にサイクル時間設定部４１で設定されたサイクル時間ｔc 毎に熱ストレスを演算するトランジスタサイクル時間温度変化率熱ストレス演算部であり、通算の運転時間を積算するタイマー機能を有する。２６はサイクル時間チェック選択部４２の選択が無効の場合には、トランジスタサイクル時間温度変化幅熱ストレス演算部２４及びトランジスタサイクル時間温度変化率熱ストレス演算部２５の出力とあらかじめ設定されたトランジスタ１０７固有の寿命から求められた許容熱ストレス回数と比較してトランジスタ１０７が疲労に達したか否かを判定し、有効の場合にはトランジスタサイクル時間温度変化幅熱ストレス演算部２４及びトランジスタサイクル時間温度変化率熱ストレス演算部２５の出力に基いて算出したサイクル時間当りの熱ストレス回数と期待寿命時間設定手段４０で設定された期待寿命時間から求められたサイクル時間当り許容熱ストレス回数とを比較し、トランジスタ１０７の寿命が期待寿命時間を越えていないかを判定するトランジスタサイクル時間寿命判定部である。２７はサイクル時間チェック選択部４２の選択が有効の場合、トランジスタサイクル時間温度変化幅熱ストレス演算部２４及びトランジスタサイクル時間温度変化率熱ストレス演算部２５の出力に基いて算出したサイクル時間当りの熱ストレス回数よりトランジスタ１０７の運転可能寿命を推定するトランジスタ寿命推定部である。また、３４はダイオードサイクル時間温度変化幅熱ストレス演算部、３５はダイオードサイクル時間温度変化率熱ストレス演算部、３６はダイオードサイクル時間寿命判定部、３７はダイオード寿命推定部であり、これら３４〜３７については、上記トランジスタサイクル時間温度変化幅熱ストレス演算部２４、トランジスタサイクル時間温度変化率熱ストレス演算部２５、トランジスタサイクル時間寿命判定部２６、トランジスタ寿命判定部２７のトランジスタをダイオードに置き換えたものであり、同様の働きであるので説明は省略する。
【００３６】
図５は、図４のトランジスタサイクル時間温度変化幅熱ストレス演算部２４及びダイオードサイクル時間温度変化幅熱ストレス演算部３４における演算のフローチャートである。以下、この発明の実施例２の演算部２４、３４のうち、トランジスタ１０７を例として説明をする。
先ず、ステップ４２０より図４のサイクル時間チェック選択部４２の選択が有効か無効かをチェックする。ここで、ＹＥＳの有効の場合にはステップ４２１で引き続き、サイクル時間チェック処理中１フラグＯＮかをチェックし、ＮＯ（ＯＦＦ）の場合にはステップ４２２に於てサイクル時間確認のため、タイマの時間ｔを初期化してカウントを開始するとともに、トランジスタ温度変化幅熱ストレス回数Ｓｔ1 をサイクル時間当りのトランジスタ温度変化幅熱ストレス回数の初期値Ｓｔ10としてセットし、サイクル時間チェック処理中１フラグをＯＮとする。またステップ４２０でＮＯの無効の場合及びステップ４２１でＹＥＳ（ＯＮ）の場合には無処理でステップ４２３に進む。
【００３７】
次いで、図５のステップ４２３によりトランジスタ温度推定部２０で推定したトランジスタ１０７のジャンクション温度Ｔj が最大または最小かをチェックし、最大または最小でないＮＯの場合は無処理でエンドに抜ける。
ここで、ステップ４２３がＹＥＳとなると、ステップ４２４により図１１のステップ４１２ないしステップ４１４と同様に１回の温度変化幅ΔＴjwを算出し、１回の温度変化幅に対する熱ストレス回数ΔＳｔ1 を算出するとともに、積算値であるトランジスタ温度変化幅熱ストレス回数Ｓｔ1 を演算する（Ｓｔ1 ←Ｓｔ1 ＋ΔＳｔ1 ）。
【００３８】
次いで、ステップ４２５でサイクル時間チェック選択部４２の選択が有効か無効かをチェックし、無効のＮＯの場合は無処理でエンドに抜ける。ここで、有効のＹＥＳの場合は、ステップ４２６によりカウントしているｔが図４のサイクル時間設定部４１で設定されたサイクル時間ｔc に達したかどうかチェックし、ｔ＜ｔc の場合には無処理でエンドに抜ける。又、ｔ≧ｔc の場合には、次のステップ４２７に進みトランジスタ温度変化幅熱ストレス回数Ｓｔ1 をサイクル時間ｔc 運転後のトランジスタ温度変化幅熱ストレス回数Ｓｔ11としてセットするとともに、サイクル時間当りのトランジスタ温度変化幅熱ストレス回数Ｓｔ1cとして、上記Ｓｔ11とＳｔ10との差を求め、Ｓｔ1c、Ｓｔ11とを図４のトランジスタサイクル時間寿命判定部２６に送信するとともに、サイクル時間チェック処理中１フラグをＯＦＦとする。
【００３９】
図６は、図４のトランジスタサイクル時間温度変化率熱ストレス演算部２５及びダイオードサイクル時間温度変化率熱ストレス演算部３５における演算のフローチャートである。以下、この発明の実施例２の演算部２５、３５の動作のうち、図８のトランジスタ１０７を例として説明する。
先ず、ステップ５２０により図４のサイクル時間チェック選択部４２の選択が有効か無効かをチェックする。ここで、有効のＹＥＳの場合にはステップ５２１により引き続き、サイクル時間チェック処理中２フラグＯＮかをチェックし、ＮＯ（ＯＦＦ）の場合にはステップ５２２によりサイクル時間確認のため、時間ｔを初期化してカウントを開始するとともに、トランジスタ温度変化率熱ストレス回数Ｓｔ2 をサイクル時間当りのトランジスタ温度変化率熱ストレス回数の初期値Ｓｔ20としてセットし、サイクル時間チェック処理中２フラグをＯＮとする。またステップ５２０で無効のＮＯの場合およびステップ５２１でＹＥＳ（ＯＮ）の場合には無処理でステップ５２３に進む。
【００４０】
次いで、ステップ５２３により図３のステップ５０１ないしステップ５０４と同様に、温度変化率ΔＴjaを算出し、温度変化率ΔＴjaに対する熱ストレス回数ΔＳｔ2 を算出するとともに、積算値であるトランジスタ温度変化率熱ストレス回数Ｓｔ2 を演算する（Ｓｔ2 ←Ｓｔ2 ＋ΔＳｔ2 ）。
【００４１】
次いで、ステップ５２４でサイクル時間チェック選択部４２の選択が有効か無効かをチェックし、無効のＮＯの場合は無処理でエンドに抜ける。ここで、有効のＹＥＳの場合は、ステップ５２５によりカウントしているｔがサイクル時間ｔc に達したかどうかチェックし、ｔ＜ｔc の場合には無処理でエンドに抜ける。又、ｔ≧ｔc の場合には、ステップ５２６へと進みトランジスタ温度変化率熱ストレス回数Ｓｔ2 をサイクル時間ｔc 運転後のトランジスタ温度変化率熱ストレス回数Ｓｔ21としてセットするとともに、サイクル時間当りのトランジスタ温度変化率熱ストレス回数Ｓｔ2cとして、上記Ｓｔ21とＳｔ20との差を求め、Ｓｔ2c、Ｓｔ21とを図４のトランジスタサイクル時間寿命判定部２６に送信するとともに、サイクル時間チェック処理中２フラグをＯＦＦとする。
【００４２】
図７は、図４のトランジスタサイクル時間寿命判定部２６及びダイオードサイクル時間寿命判定部３６の寿命判定のフローチャートである。以下、この発明の実施例２の判定部２６、３６のうち、トランジスタ１０７を例として説明する。先ず、ステップ６００により図４のサイクル時間チェック選択部４２の選択が有効か無効かをチェックする。ここで、有効のＹＥＳの場合には引き続きステップ６０１によりサイクル時間チェック処理中３フラグＯＮかをチェックし、ＮＯ（ＯＦＦ）の場合にはステップ６０２によりサイクル時間確認のためタイマの時間ｔを初期化してカウントを開始するとともに、サイクル時間チェック処理中３フラグをＯＮする。
次いで、ステップ６０３でカウントしているｔがサイクル時間ｔc に達したかどうかチェックし、ｔ＜ｔc の場合は無処理でエンドに抜ける。
ここで、ｔ≧ｔc となった場合に次のステップ６０４が実行される。即ちこのステップは、トランジスタサイクル時間温度変化幅熱ストレス演算部２４及びトランジスタサイクル時間温度変化率熱ストレス演算部２５から出力されたトランジスタ温度変化幅熱ストレス回数Ｓｔ11、サイクル時間当りのトランジスタ温度変化幅熱ストレス回数Ｓｔ1c、トランジスタ温度変化率熱ストレス回数Ｓｔ21及びサイクル時間当りのトランジスタ温度変化率熱ストレス回数Ｓｔ2cを取込み、サイクル時間当りのトランジスタ熱ストレス回数Ｓｔc を、Ｓｔc ＝Ｓｔ1c＋Ｓｔ2cとして算出する。
次に、図４の期待寿命時間設定部４０で設定された期待寿命時間ｔ1 とサイクル時間設定部４１で設定されたサイクル時間ｔc とあらかじめ設定されたトランジスタ１０７の固有の寿命から求められたトランジスタ許容熱ストレス回数Ｓｔmax とトランジスタ温度変化幅熱ストレス回数Ｓｔ11及びトランジスタ温度変化率熱ストレス回数Ｓｔ21と、通算の運転時間ｔ2 から、下式によりトランジスタのサイクル時間当り許容熱ストレス回数Ｓｔcmaxを求め、
Ｓｔcmax＝｛Ｓｔmax −（ｓｔ11＋Ｓｔ21）｝×（ｔc ／ｔ1 −ｔ2 ）
サイクル時間チェック処理中３フラグをＯＦＦすることになる。
【００４３】
次にステップ６０５にて、サイクル時間当りのトランジスタ熱ストレス回数Ｓｔc が、トランジスタのサイクル時間当り許容熱ストレス回数Ｓｔcmaxを越えていないかをチェックし、Ｓｔc ＜Ｓｔcmaxの場合には、無処理でエンドに抜け、Ｓｔc ≧Ｓｔcmaxの場合にはステップ６０６によりサイクル時間ｔc として設定した運転を継続した場合のトランジスタ１０７の寿命が期待寿命時間ｔ1 だけの使用が出来ないことになるので、図４の表示部１４０に対してのアラーム表示指令などアラーム処理を行う。
【００４４】
上記ステップ６００のサイクル時間チェック選択部４２の選択がＮＯの無効となっている場合には、ステップ６１０により図４のトランジスタサイクル時間温度変化幅熱ストレス演算部２４及びトランジスタサイクル時間温度変化率熱ストレス演算部２５で算出したトランジスタ温度変化幅熱ストレス回数Ｓｔ1 及びトランジスタ温度変化率熱ストレス回数Ｓｔ2 よりトランジスタの熱ストレス回数Ｓｔを求める（Ｓｔ＝Ｓｔ1 ＋Ｓｔ2 ）。
【００４５】
次に、ステップ６１１によりトランジスタの熱ストレス回数Ｓｔとあらかじめ設定されたトランジスタ１０７の固有の寿命から求められたトランジスタ許容熱ストレス回数Ｓｔmax とを比較し、Ｓｔ＜Ｓｔmax の場合には、無処理でエンドに抜け、Ｓｔ≧Ｓｔmax の場合にはステップ６１２により図４の表示部１４０に対してのアラーム表示指令などアラーム処理を行う。
【００４６】
図４のトランジスタ寿命推定部２７の処理について以下説明する。あらかじめ設定されたトランジスタ１０７の固有の寿命から求められたトランジスタ許容熱ストレス回数Ｓｔmax と、トランジスタ温度変化幅熱ストレス回数Ｓｔ11、サイクル時間当りのトランジスタ温度変化幅熱ストレス回数Ｓｔ1cとトランジスタ温度変化率熱ストレス回数Ｓｔ21、サイクル時間当りのトランジスタ温度変化率熱ストレス回数Ｓｔ2c、サイクル時間設定部４１で設定されたサイクル時間ｔc とを使用して、下式により運転可能寿命ｔr を推定し、
ｔr ＝［｛Ｓｔmax −（Ｓｔ11＋Ｓｔ21）｝／（Ｓｔ1c＋Ｓｔ2c）］×ｔc
表示部１４０に対して出力する。
上記のように、サイクル時間当りのトランジスタ温度変化幅熱ストレス回数とサイクル時間当りトランジスタ温度変化率熱ストレス回数をもとにトランジスタのサイクル時間当りの許容熱ストレス回数と比較し、トランジスタの寿命が期待寿命だけの使用が出来るか否かの判定及びまたトランジスタの運転可能寿命を推定するようにしたので、トランジスタに流れる電流の急激な変化によりトランジスタとヒートスプレッダ間に発生する温度差をも考慮した正確なトランジスタの期待寿命までの使用の可否判定及びトランジスタの運転可能寿命の推定ができるようになる。
【００４７】
上記では、電力用半導体素子のトランジスタ１０７について説明したがダイオード１０５及び１０８についても同様であり、説明を省略する。
【００４８】
又、上記実施例ではトランジスタサイクル時間寿命判定部２６とトランジスタ寿命推定部２７とを独立したものとして、直列に接続した例を示したが、単独でもよく、又並列に接続してもよく、又トランジスタサイクル時間寿命判定部２６の寿命判定とトランジスタ寿命推定部２７の寿命推定とを合せて行い、結果を同時に表示するようにしてもよい、又、この場合トランジスタサイクル時間寿命判定部２６とトランジスタ寿命推定部２７とを合せて一つの処理部としても同等の効果が得られる。
【００４９】
又、上記実施例では期待寿命時間設定部４０、サイクル時間設定部４１及びサイクル時間チェック選択部４２の設定データを一旦設定データ記憶部４３に記憶する例を示したが、期待寿命時間設定部４０、サイクル時間設定部４１及びサイクル時間チェック選択部４２を例えばカウンタ、ボリュームなどを利用し、トランジスタサイクル時間温度変化幅熱ストレス演算部２４、トランジスタサイクル時間温度変化率熱ストレス演算部２５、トランジスタサイクル時間寿命判定部２６及びトランジスタ寿命推定部２７等を処理時に直接設定データを見にいくようにしてもよい。
【００５０】
又、上記実施例ではトランジスタ許容熱ストレス回数Ｓｔmax をあらかじめ設定されたトランジスタ１０７の固有の寿命から求めるものとしたが、トランジスタ許容熱ストレス回数Ｓｔmax としてあらかじめ設定しておいてもよく、入力手段を利用して設定してもよい。
【００５１】
又、上記実施例では電流検出部１１０としてインバータ部の出力電流３相分を検出した例を示したが、２相分の出力電流を検出し、他の１相分を算出して求めても同等の効果が得られる。更に、簡便な方法としては各相等価であるとして、１相分の出力電流を検出することも可能である。
【００５２】
更に、上記実施例ではインバータ部の出力電流を検出した例を示したが、電力用半導体素子に流れる電流に応じた電流を検出出来ればよく、電流検出部はインバータ部の入力側の直流母線に設けてもよく、又直接電力半導体素子に流れる電流を検出するようにしてもよい。
【００５３】
又、上記実施例では放熱フィンの温度を検出した例を示したが、電力用半導体素子に発生した熱に応じた温度を検出することが出来ればよく、温度検出部を例えば配線板上とか電力用半導体素子の近傍などに設けてもよい。
【００５４】
又、上記実施例では電力用半導体素子として、トランジスタ及びダイオードの例を示したが、サイリスタ、ＧＴＯ（ゲート ターン オフ サイリスタ）、ＭＯＳ ＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等においても同様である。
【００５５】
又、上記実施例では３相インバータ装置について説明したが、単相インバータ装置や多相インバータ装置にも同様に実施することが出来、インバータ装置以外の例えば直流電源装置等にも実施することが出来る。
【００５６】
【発明の効果】
以上のように、この発明のインバータ装置によれば、寿命判定手段は、電力用半導体素子の推定温度の変化における振幅に基いて電力用半導体素子の熱ストレスを演算・積算する温度変化幅熱ストレス演算手段及び電力用半導体素子の推定温度の変化における割合に基いて電力用半導体素子の熱ストレスを演算・積算する温度変化率熱ストレス演算手段の出力を電力用半導体素子の固有の許容熱ストレスと使用して、電力用半導体素子の寿命を演算するので、電力用半導体素子に流れる電流の急激な変化による電力用半導体素子とヒートスプレッダ間に発生する温度差にも考慮したより正確な電力用半導体素子の寿命の演算が可能となる。
【００５７】
また、この発明のインバータ装置によれば、設定時間当り寿命判定手段は、寿命時間を比較する運転時間を設定する運転時間設定手段で設定された設定時間毎に電力用半導体素子の推定温度の変化における振幅に基いて電力用半導体素子の熱ストレスを演算する設定時間当り温度変化幅熱ストレス演算手段及び運転時間設定手段で設定された設定時間毎に温度の変化における割合に基いて電力用半導体素子の熱ストレスを演算する設定時間当り温度変化率熱ストレス演算手段の出力に基いて算出した設定時間当りの熱ストレスと期待寿命時間設定手段で設定された電力用半導体素子の期待寿命時間から求められた設定時間当りの許容熱ストレスとを比較するようにしたので、設定時間の運転で期待寿命時間だけ運転可能か否かの判定が可能となり、インバータ装置の負荷状況及び使用頻度など使用方法を改善するなどの延命処置が可能となる。
【００５８】
更に、この発明のインバータ装置によれば、寿命推定手段は、寿命時間を比較する運転時間を設定する運転時間設定手段で設定された設定時間毎に電力用半導体素子の推定温度の変化における振幅に基いて電力用半導体素子の熱ストレスを演算する設定時間当り温度変化幅熱ストレス演算手段及び運転時間設定手段で設定された設定時間毎に電力用半導体素子の推定温度の変化における割合に基いて電力用半導体素子の熱ストレスを演算する設定時間当り温度変化率熱ストレス演算手段の出力に基いて電力用半導体素子の運転可能寿命を推定するようにしたので、電力用半導体素子またはインバータ装置の交換時期の予測が可能となる。
【００５９】
更に、この発明のインバータ装置によれば、運転時間チェック選択手段は、寿命時間を比較する運転時間を設定する運転時間設定手段で設定された設定時間における電力用半導体素子の寿命の判定または寿命の推定の少くとも１つを実効するか電力用半導体素子の積算した熱ストレスにより電力用半導体素子の寿命の判定をするか選択できるようにし、更に設定時間当り温度変化幅熱ストレス演算手段、設定時間当り温度変化率熱ストレス演算手段及び設定時間当り寿命判定手段は運転時間チェック選択手段の選択により設定時間当りの熱ストレスと積算した熱ストレスとの両者を扱えるようにしたので、例えばインバータ装置の使用方法を決定した時とか変更した時に設定時間当りの熱ストレスを使用して期待寿命時間設定手段で設定された電力用半導体素子の期待寿命時間から求められた設定時間当りの許容熱ストレスとの比較により設定時間の運転で期待寿命時間だけ運転可能か否かの判定または電力用半導体素子の運転可能寿命の推定を行い、インバータ装置の使用方法を変更せずに運転する場合に積算した熱ストレスを使用して電力用半導体素子が寿命となったか否かの判定を行うなど適宜使い分けが可能となり、インバータ装置の使用方法を決定した時とか変更した時に、インバータ装置の負荷状況及び使用頻度など使用方法を改善するなどの延命処置ができるとともに、電力用半導体素子またはインバータ装置の交換時期ができ、一旦決められた使用方法で運転する場合に電力用半導体素子の寿命の判定ができるという、経過に対応した電力用半導体素子の寿命管理が可能となる。
【００６０】
更に、この発明のインバータ装置によれば、寿命判定手段、設定時間当り寿命判定手段または寿命推定手段の出力を表示する表示手段を備え、電力用半導体素子の寿命、また設定時間の運転で期待寿命だけ運転可能か否か、また設定時間の運転における運転可能寿命が容易に判断できるようにしたので、寿命の判定が可能となると共に、インバータ装置の使用方法の改善などの延命処理及びインバータ装置の交換時期の予測が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例１による電力用半導体素子の寿命を判定する制御部の構成図である。
【図２】この発明の実施例１によるインバータ装置の運転、停止に伴う電力用半導体素子のジャンクション温度Ｔj 及び温度変化率｜ｄＴj ／ｄｔ｜の変化の一例を示すグラフである。
【図３】この発明の実施例１によるトランジスタ温度変化率熱ストレス演算部及びダイオード温度変化率熱ストレス演算部の演算のフローチャートである。
【図４】この発明の実施例２による電力用半導体素子の寿命を判定又は推測する制御部の構成図である。
【図５】この発明の実施例２によるトランジスタサイクル時間温度変化幅熱ストレス演算部及びダイオードサイクル時間温度変化幅熱ストレス演算部の演算のフローチャートである。
【図６】この発明の実施例２によるトランジスタサイクル時間温度変化率熱ストレス演算部及びダイオードサイクル時間温度変化率熱ストレス演算部の演算のフローチャートである。
【図７】この発明の実施例２によるトランジスタサイクル時間寿命判定部及びダイオードサイクル時間寿命判定部の寿命判定のフローチャートである。
【図８】従来並びにこの発明に共通なインバータ装置の構成図である。
【図９】従来のインバータ装置において、電力用半導体素子の寿命を判定する制御部の構成図である。
【図１０】インバータ装置の運転、停止に伴う電力用半導体素子のジャンクション温度Ｔj の変化の一例を示す図である。
【図１１】従来のトランジスタ温度変化幅熱ストレス演算部及びダイオード温度変化幅熱ストレス演算部の演算のフローチャートである。
【図１２】従来並びにこの発明に共通なインバータ装置の主回路部を構成するトランジスタの実装における要部拡大図である。
【符号の説明】
２０ トランジスタ温度推定部、２１ トランジスタ温度変化幅熱ストレス演算部、２２ トランジスタ寿命判定部、２２ａ トランジスタ寿命演算部、２３トランジスタ温度変化率熱ストレス演算部、２４ トランジスタサイクル時間温度変化幅熱ストレス演算部、２５ トランジスタサイクル時間温度変化率熱ストレス演算部、２６ トランジスタサイクル時間寿命判定部、２７ トランジスタ寿命推定部、３０ ダイオード温度推定部、３１ ダイオード温度変化幅熱ストレス演算部、３２ ダイオード寿命判定部、３２ａ ダイオード寿命演算部、３３ ダイオード温度変化率熱ストレス演算部、３４ ダイオードサイクル時間温度変化幅熱ストレス演算部、３５ ダイオードサイクル時間温度変化率熱ストレス演算部、３６ ダイオードサイクル時間寿命判定部、３７ ダイオード寿命推定部、３８，３８ａ 記憶部、３９，３９ａ 寿命設定部、４０ 期待寿命時間設定部、４１ サイクル時間設定部、４２ サイクル時間チェック選択部、４３ 設定データ記憶部、１００ インバータ装置、１０１ コンバータ装置、１０２ インバータ部、１０３ 平滑回路部、１０４ 主回路部、１０５ ダイオード、１０６ 平滑コンデンサ、１０７ トランジスタ、１０８ 帰還ダイオード、１１０ 電流検出部、１２０ 温度検出部、１３０，１３０ａ，１３０ｂ 制御部、１３１ トランジスタ駆動部、１４０ 表示部、１６０ ヒートスプレッダ、１６１ 接合部材、１６２ ボンディングワイヤ、１６３ 配線板、１６４ リード、１６５ 放熱フィン、２００ 交流電源、３００ 誘導電動機。
【産業上の利用分野】
この発明は、インバータ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
インバータ装置の主回路部を構成するコンバータ部のダイオード、インバータ部のトランジスタ及び帰還ダイオードなどの電力用半導体素子の寿命判定については、従来は定期点検時に電力用半導体素子の各端子間抵抗チェック等で行っていた。しかし、電力用半導体素子の寿命は周囲温度や使用条件により大きく左右され、劣化はある時期より急激に進むことが多いため、異常を発見できず使用中にインバータ装置の故障となる場合があった。
【０００３】
図８および図９は、例えば特開平３−２６１８７７号公報に示された従来のインバータ装置の構成図および電力用半導体素子の寿命を判定するインバータ装置内の制御部の構成図であり、電力用半導体素子内のジャンクション温度の上昇、下降による熱疲労により電力用半導体素子の寿命を推定し、寿命に達した部品を表示することにより、作業者が容易に判断できるようになり、故障を未然に防ぐというもので、以下説明する。
【０００４】
図８において、１００はインバータ装置、２００は交流電源、３００はインバータ装置１００の負荷としての誘導電動機、１０１は交流電源２００からの交流電力を直流電力に変換するコンバータ部、１０２は直流電力を交流電力に変換するインバータ部、１０３はコンバータ部１０１またはインバータ部１０２で生ずる電圧リプルを吸収する平滑回路部、１０４はコンバータ部１０１、インバータ部１０２及び平滑回路部１０３とから構成される主回路部である。主回路部１０４内において、１０５は整流ダイオード、１０６は平滑コンデンサ、１０７はトランジスタ、１０８はトランジスタ１０７と逆並列に接続される帰還ダイオードであり、整流ダイオード１０５、トランジスタ１０７及び帰還ダイオード１０８を以下電力用半導体素子と記す。
【０００５】
また、１１０はインバータ装置１００の出力電流を検出する電流検出部、１２０はインバータ装置の放熱フィン（図示せず）に取付けられた温度検出部、１３０は主回路部１０４を駆動するための制御信号を与える制御部、１３１は制御部１３０の指令によりトランジスタ１０７を駆動するトランジスタ駆動部、１４０は制御部１３０での演算結果や設定データ等を表示する表示部である。なお、主回路部１０４を構成する電力用半導体素子は、図示しない放熱フィンに取付けられている。
【０００６】
図９において１１０は電力用半導体素子に流れる電流に応じた電流を検出する電流検出部、１２０は放熱フィンの温度を検出する放熱フィン温度検出部、２０は電流検出部１１０より得られる検出電流と放熱フィン温度検出部１２０より得られる検出温度よりトランジスタのジャンクション温度を推定するトランジスタ温度推定部、２１はトランジスタのジャンクション温度の変化幅を検出し、トランジスタの疲労程度を示す熱ストレス回数を求めるトランジスタ温度変化幅熱ストレス演算部、２２は熱ストレス回数が疲労限界に達したことを判定するトランジスタ寿命判定部、１４０は熱ストレス回数が疲労限界に達したときアラームを表示する表示部である。図においてダイオード温度推定部３０、ダイオード温度変化幅熱ストレス演算部３１、ダイオード寿命判定部３２は対象をトランジスタからダイオードに置き換えたもので、トランジスタ温度推定部２０、トランジスタ温度変化幅熱ストレス演算部２１、トランジスタ寿命判定部２２と同様の処理を行うものである。
【０００７】
図１０はインバータ装置の運転、停止に伴う電力用半導体素子内部のジャンクション温度Ｔj の変化の一例を示すグラフである。図において、曲線１５０はトランジスタ温度推定部２０又はダイオード温度推定部３０で求めたトランジスタ又はダイオードのジャンクション温度の変化を示すもので、ＴjL0 ，ＴjL2 は極小値、ＴjU1 ，ＴjU2 は極大値、ＴjW1 ，ＴjW2 ，ＴjW3 はジャンクション温度の変化の振幅（以下、温度変化幅と記す）である。
【０００８】
また、図１１はトランジスタ温度変化幅熱ストレス演算部２１及びダイオード温度変化幅熱ストレス演算部３１の演算のフローチャートである。以下、図１１を中心に図８ないし図１０のトランジスタ１０７を例として動作の説明をする。図９のトランジスタ温度変化幅熱ストレス演算部２１では、トランジスタ温度推定部２０で推定した図８のトランジスタ１０７のジャンクション温度Ｔj の変化が図１０の曲線１５０に示すように上昇から下降、または下降から上昇との極値となったかを確認し、温度変化値の最大値、または最小値と判断し、温度変化幅を求め、この温度変化幅より熱ストレスを演算している。以下具体的な動作を図１１のフローによって説明する。図１１のステップ４１１は、トランジスタ１０７のジャンクション温度Ｔj が最大または最小かをチェックするもので、最大または最小でない場合は、ＮＯに進み無処理でエンドへ抜ける。
【０００９】
また、トランジスタジャンクション温度Ｔj が最大または最小の場合はＹＥＳに進み、ステップ４１２に於て最小値と次の最大値の差または最大値と次の最小値の差ΔＴjWを求め、即ち、図１０の、ΔＴjW1 ，ΔＴjW2 ，ΔＴjW3 を求め、次のステップ４１３で図８のトランジスタ１０７の寿命を、温度変化に起因する熱ストレスと置換え、１回の温度変化幅に対する熱ストレスを次式により算出し、熱ストレス回数とする。
ΔＳｔ1 ＝（ΔＴjW／ΔＴjs）2 ・１／２
ここで、ΔＳｔ1 は１回の温度変化幅に対する熱ストレス回数、ΔＴjWは温度変化幅、ΔＴjsは主回路部１０４のトランジスタ１０７の寿命を許容する熱ストレス回数と置き換える際の基準となる基準温度差である。
【００１０】
次にステップ４１４により累積値であるトランジスタ温度変化幅熱ストレス回数Ｓｔ1 に、１回の温度変化幅による熱ストレス回数ΔＳｔ1 を加算し、
Ｓｔ1←Ｓｔ1＋ΔＳｔ1
Ｓｔ1 を演算し、エンドとなる。
上記の様に、トランジスタのジャンクション温度Ｔj が極値となる毎に、トランジスタ温度変化幅熱ストレス回数Ｓｔ1 が更新されることになる。
【００１１】
次いで、図９のトランジスタ寿命判定部２２において、上記トランジスタ温度変化幅熱ストレス演算部２１で演算したトランジスタ温度変化幅熱ストレス回数Ｓｔ1 とあらかじめ設定したトランジスタ１０７の固有の寿命から求められたトランジスタ許容熱ストレス回数Ｓｔmax と比較することにより、トランジスタ１０７が疲労に達したか否かを判定し、トランジスタ温度変化幅熱ストレス回数Ｓｔ1 が許容熱ストレス回数を越えた場合には、図９の表示部１４０にてトランジスタ１０７が寿命となった旨アラーム表示をする。
【００１２】
又、上記では電力用半導体素子のうちトランジスタ１０７について説明したが、ダイオード１０５及び１０８についても同様であり、説明を省略する。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
以上、説明した様に従来のインバータ装置１００の主回路部１０４に使用されている電力用半導体素子の寿命については、電力用半導体素子で発生する熱の温度変化による疲労を、温度変化幅による熱ストレスとしてとらえ、判定を行っていた。
又、電力用半導体素子の実装においても、配線板上にダイボンディングされることが多くなってきている。即ち、図１２は図８のインバータ装置１００の主回路部１０４を構成するインバータ部１０２のトランジスタ１０７の実装における要部拡大図であって、トランジスタ１０７は図示するごとく、トランジスタ１０７の発熱を放出するためのヒートスプレッダ１６０上に接合部材１６１を介して保持され、ボンディングワイヤ１６２により配線板１６３上のリード１６４と接続されており、１６５は放熱フィンである。
又、図１２は電力用半導体素子としてトランジスタ１０７の例を示したがダイオード１０５及び１０８の場合も同様である。
【００１４】
従来のものは、熱ストレスにおいて図１２のトランジスタ１０７とヒートスプレッダ１６０とを同程度の温度として一緒に扱っていたが、急峻な立上り、立下りが要求される工作機械用、又は正転、逆転などの繰返し頻度の高い荷役搬送用などの用途においては、電力用半導体素子に流れる電流の急激な変化によるトランジスタ１０７などの電力用半導体素子とヒートスプレッダ１６０間に発生する温度差を考慮しなくては、電力用半導体素子とヒートスプレッダ間の接合部材１６１の疲労を十分に判断することができないという問題点があった。
【００１５】
また、電力用半導体素子の寿命となる疲労破壊のレベルに達した時点でアラームとする処理を行っていたため、寿命になる以前にインバータ装置の使用方法を改善するなどの延命処置ができないという問題点があった。
【００１６】
この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、電力用半導体素子とヒートスプレッダ間に発生する温度差を考慮した接合部材の疲労を判断することができるとともに、電力用半導体素子の寿命になる以前に使用方法を改善するなどの延命処置ができるインバータ装置を得ることを目的としている。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
この発明におけるインバータ装置は、電力用半導体素子に流れる電流に応じた電流を検出する電流検出手段からの検出電流と電力用半導体素子に発生する熱に応じた温度を検出する温度検出手段からの検出温度とに応じて温度推定手段で推定した電力用半導体素子の推定温度の変化における振幅に基いて電力用半導体素子の熱ストレスを演算し、積算する温度変化幅熱ストレス演算手段、及び推定温度の変化における割合に基いて電力用半導体素子の熱ストレスを演算し、積算する温度変化率熱ストレス演算手段の出力と電力用半導体素子の固有の許容熱ストレスとを使用して、電力用半導体素子の寿命を演算する寿命演算手段とを備えたものである。
【００１８】
また、この発明のインバータ装置は、電力用半導体素子に流れる電流に応じた電流を検出する電流検出手段からの検出電流と電力用半導体素子に発生する熱に応じた温度を検出する温度検出手段からの検出温度とに応じて温度推定手段で電力用半導体素子の温度を推定し、運転時間を設定する運転時間設定手段で設定された設定時間毎に電力用半導体素子の推定温度の変化における振幅に基いて電力用半導体素子の熱ストレスを演算する設定時間当り温度変化幅熱ストレス演算手段、及び、運転時間設定手段で設定された設定時間毎に電力用半導体素子の推定温度の変化における割合に基いて電力用半導体素子の熱ストレスを演算する設定時間当り温度変化率熱ストレス演算手段の出力に基いて算出した設定時間当りの熱ストレスと期待寿命時間設定手段で設定された電力用半導体素子の期待寿命時間から求められた設定時間当りの許容熱ストレスとを比較し、算出された電力用半導体素子の寿命が期待寿命時間を越えていないかを判定する設定時間当り寿命判定手段とを備えたものである。
【００１９】
また、この発明のインバータ装置は、電力用半導体素子に流れる電流に応じた電流を検出する電流検出手段からの検出電流と電力用半導体素子に発生する熱に応じた温度を検出する温度検出手段からの検出温度とに応じて温度推定手段で電力用半導体素子の温度を推定し、運転時間を設定する運転時間設定手段で設定された設定時間毎に電力用半導体素子の推定温度の変化における振幅に基いて電力用半導体素子の熱ストレスを演算する設定時間当り温度変化幅熱ストレス演算手段、及び運転時間設定手段で設定された設定時間毎に電力用半導体素子の推定温度の変化における割合に基いて電力用半導体素子の熱ストレスを演算する設定時間当り温度変化率熱ストレス演算手段の出力に基いて電力用半導体素子の運転可能寿命を推定する寿命推定手段とを備えたものである。
【００２０】
さらに、この発明によるインバータ装置は、電力用半導体素子に流れる電流に応じた電流を検出する電流検出手段からの検出電流と電力用半導体素子に発生する熱に応じた温度を検出する温度検出手段からの検出温度とに応じて温度推定手段で電力用半導体素子の温度を推定し、電力用半導体素子の期待される寿命時間を設定する期待寿命時間設定手段と、運転時間を設定する運転時間設定手段と、運転時間設定手段で設定された運転時間における電力用半導体素子の寿命の判定または寿命の推定の少くとも１つを実効するか否かの選択をする運転時間チェック選択手段とで設定された設定データを記憶する設定データ記憶手段と、運転時間チェック選択が無効の場合には電力用半導体素子の推定温度の変化における振幅に基いて電力用半導体素子の熱ストレスを演算・積算し、有効の場合には更に設定時間毎に電力用半導体素子の熱ストレスを演算する設定時間当り温度変化幅熱ストレス演算手段と、運転時間チェック選択が無効の場合には、電力用半導体素子の推定温度の変化における割合に基いて電力用半導体素子の熱ストレスを演算・積算し、有効の場合には更に設定時間毎に電力用半導体素子の熱ストレスを演算する設定時間当り温度変化率熱ストレス演算手段と、運転時間チェック選択が無効の場合には設定時間当り温度変化幅熱ストレス演算手段及び設定時間当り温度変化率熱ストレス演算手段の出力と電力用半導体素子の固有の熱ストレスとを比較し電力用半導体素子が寿命になったか否かを判定し、有効の場合には設定時間当り温度変化幅熱ストレス演算手段及び設定時間当り温度変化率熱ストレス演算手段の出力に基いて算出した設定時間当りの熱ストレスと期待寿命時間設定手段で設定された期待寿命時間から求められた設定時間当り許容熱ストレスとを比較し、電力用半導体素子の寿命が期待寿命時間を越えていないかを判定する設定時間当り寿命判定手段と、運転時間チェック選択が有効の場合、電力用半導体素子の運転可能寿命を推定する寿命推定手段とを備えたものである。
【００２１】
さらにまた、この発明によるインバータ装置は、寿命判定手段、設定時間当り寿命判定手段または寿命推定手段の出力を表示する表示手段を備えたものである。
【００２２】
【作用】
この発明におけるインバータ装置はその寿命演算手段が、電力用半導体素子の推定温度の変化における振幅に基いて前記電力用半導体素子の熱ストレスを演算し、積算する温度変化幅熱ストレス演算手段及び電力用半導体素子の推定温度の変化における割合に基いて前記電力用半導体素子の熱ストレスを演算し、積算する温度変化率熱ストレス演算手段の出力と電力用半導体素子の固有の許容熱ストレスとを使用して、電力用半導体素子の寿命を演算するので、電力用半導体素子に流れる電流の急激な変化による電力半導体素子とヒートスプレッダ間に発生する温度差にも考慮されたものとなる。
【００２３】
また、この発明のインバータ装置は、その設定時間当り寿命判定手段が、寿命時間を比較する運転時間を設定する運転時間設定手段で設定された設定時間毎に電力用半導体素子の推定温度の変化における振幅に基いて電力用半導体素子の熱ストレスを演算する設定時間当り温度変化幅熱ストレス演算手段、及び運転時間設定手段で設定された設定時間毎に電力用半導体素子の推定温度の変化における割合に基いて電力用半導体素子の熱ストレスを演算する設定時間当り温度変化率熱ストレス演算手段の出力に基いて算出した設定時間当りの熱ストレスと期待寿命時間設定手段で設定された電力用半導体素子の期待寿命時間から求められた設定時間当りの許容熱ストレスとを比較し、算出された電力用半導体素子の寿命が前記期待寿命時間を越えていないかを判定したので、設定時間の運転で期待寿命時間だけ運転可能か否かの判定が可能となる。
【００２４】
また、この発明によるインバータ装置は、その寿命判定手段が、寿命時間を比較する運転時間を設定する運転時間設定手段で設定された設定時間毎に電力用半導体素子の推定温度の変化における振幅に基いて電力用半導体素子の熱ストレスを演算する設定時間当り温度変化幅熱ストレス演算手段、及び運転時間設定手段で設定された設定時間毎に電力用半導体素子の推定温度の変化における割合に基いて電力用半導体素子の熱ストレスを演算する設定時間当り温度変化率熱ストレス演算手段の出力に基いて電力用半導体素子の運転可能寿命を推定するので、その運転可能寿命がわかる。
【００２５】
また、この発明のインバータ装置によれば、その運転時間チェック選択手段が、寿命時間を比較する運転時間を設定する運転時間設定手段で設定された運転時間における電力用半導体素子の寿命の判定または寿命の推定の少くとも１つを実効するか否かの選択をする。
また、この発明の設定時間当り温度変化幅熱ストレス演算手段は、運転時間チェック選択が無効の場合には電力用半導体素子の推定温度の変化における振幅に基いて電力用半導体素子の熱ストレスを演算・積算し、有効の場合には更に設定時間毎に電力用半導体素子の熱ストレスを演算する。
また、この発明の設定時間当り温度変化率熱ストレス演算手段は、運転時間チェック選択が無効の場合には、電力用半導体素子の推定温度の変化における割合に基いて電力用半導体素子の熱ストレスを演算・積算し、有効の場合には更に設定時間毎に前記電力用半導体素子の熱ストレスを演算する。また、この発明の設定時間当り寿命判定手段は、運転時間チェック選択が無効の場合には設定時間当り温度変化幅熱ストレス演算手段及び設定時間当り温度変化率熱ストレス演算手段の出力と電力用半導体素子の固有の熱ストレスとを比較し電力用半導体素子が寿命になったか否かを判定し、有効の場合には設定時間当り温度変化幅熱ストレス演算手段及び設定時間当り温度変化率熱ストレス演算手段の出力に基いて算出した設定時間当りの熱ストレスと期待寿命時間設定手段で設定された期待寿命時間から求められた設定時間当り許容熱ストレスとを比較し、電力用半導体素子の寿命が期待寿命時間を越えていないかを判定する。また、この発明の寿命推定手段は、運転時間チェック選択が有効の場合、電力用半導体素子の運転可能寿命を推定する。
【００２６】
さらにまた、この発明のインバータ装置によれば、表示手段は寿命判定手段、設定時間当り寿命判定手段、または寿命推定手段の出力を表示するので、電力用半導体素子の寿命、また設定時間の運転で期待寿命だけ運転可能か否か、また設定時間の運転における運転可能寿命が容易に判別できる。
【００２７】
【実施例】
実施例１．
図１は、この発明の一実施例による電力用半導体素子の寿命を判定する制御部の構成図である。図において、図８〜図１２と同一符号は同一又は相当部分を示すもので、２３は電力用半導体素子としての図８のトランジスタ１０７の温度変化の割合に基いてトランジスタ１０７の熱ストレス回数を演算・積算するトランジスタ温度変化率熱ストレス演算部、２２ａはトランジスタ温度変化幅熱ストレス演算部２１とトランジスタ温度変化率熱ストレス演算部２３の出力に基いてトランジスタ１０７の寿命を演算するトランジスタ寿命演算部、３３は図８のダイオード１０５及び１０８の温度変化の割合に基いてダイオード１０５及び１０８の熱ストレス回数を演算・積算するダイオード温度変化率熱ストレス演算部、３２ａはダイオード温度変化幅熱ストレス演算部３１とダイオード温度変化率熱ストレス演算部３３の出力に基いてダイオード１０５及び１０９の寿命を演算するダイオード寿命演算部である。また、３８はトランジスタ温度変化幅熱ストレス演算部２１、トランジスタ温度変化率熱ストレス演算部２３、トランジスタ寿命判定部２２ａ、ダイオード温度変化幅熱ストレス演算部３１、ダイオード温度変化率熱ストレス演算部３３、ダイオード寿命判定部３２ａの出力データを記憶する記憶部、３９はトランジスタおよびダイオードの固有の寿命を設定する設定部である。
【００２８】
図２はインバータ装置の運転、停止に伴う電力用半導体素子内部のジャンクション温度Ｔj 及び温度変化率｜ｄＴj ／ｄｔ｜の変化の一例を示すグラフである。図において、曲線１５１は電力用半導体素子のジャンクション温度Ｔj の時間変化の例、曲線１５２はジャンクション温度Ｔj の変化に対応したジャンクション温度Ｔj の変化の割合（温度変化率｜ｄＴj ／ｄｔ｜）を示しており、電力用半導体素子を流れる急激な電流の変化により発生する熱により、図１２のトランジスタ１０７とヒートスプレッダ１６０間に生ずる温度差を考慮した熱ストレス回数を算出するために使用する。
【００２９】
また、図３は図１のトランジスタ温度変化率熱ストレス演算部２３及びダイオード温度変化率熱ストレス演算部３３の演算のフローチャートである。以下、この発明の実施例１について図３のフローチャートを中心に図８のトランジスタ１０７を例として図１及び図２により動作の説明をする。まずステップ５０１に於て、図１のトランジスタ温度変化率熱ストレス演算部２３では、トランジスタ温度推定部２０の出力である図２（ａ）のトランジスタジャンクション温度Ｔj の時間変化曲線１５１から、温度の変化の割合（以後、温度変化率と記す）ΔＴjaを、例えばあらかじめ設定したごく短い一定時間Δｔ内のトランジスタジャンクション温度Ｔj の温度変化幅として次式
ΔＴja＝｜ΔＴj ／Δｔ｜
として算出する。
次に、ステップ５０２で温度変化率ΔＴjaを電力用半導体素子の固有な式として、例えばΔＳｔ2 ＝ｍ（ｎ・｜ΔＴja｜）k を用い、Δｔ時間当りの温度変化率熱ストレス回数ΔＳｔ2 を算出する。ここで、ｍ，ｎ，ｋは電力用半導体素子の形状、部材の材質によって決まる定数である。
【００３０】
次にステップ５０３によりΔｔ時間当りの温度変化率熱ストレス回数ΔＳｔ2 と、所定値ΔＳｔ2Sと大小比較を行い、ΔＳｔ2 ＜ΔＳｔ2Sの場合にはＮＯへ進み無処理でエンドへ抜ける。
また、ΔＳｔ2 ≧ΔＳｔ2Sの場合は、ＹＥＳに進みステップ５０４により積算値であるトランジスタ温度変化率熱ストレス回数Ｓｔ2 にΔｔ時間当りの温度変化率熱ストレス回数ΔＳｔ2 を加算し、
Ｓｔ2 ←Ｓｔ2 ＋ΔＳｔ2
Ｓｔ2 を演算し、エンドとなる。
【００３１】
上記図３のフローチャートではΔｔ時間当りの温度変化率熱ストレス回数ΔＳｔ2 が、所定値ΔＳｔ2S以上の場合のみ、トランジスタ温度変化率熱ストレス回数Ｓｔ2 に加算したが、大小判別せずに加算してもよい。
【００３２】
次に、図１のトランジスタ寿命演算部２２ａでは、熱ストレス回数Ｓｔをトランジスタ温度変化幅熱ストレス演算部２１で演算し、積算したトランジスタ温度変化幅熱ストレス回数Ｓｔ1 とトランジスタ温度変化率熱ストレス演算部２３で演算し、積算したトランジスタ温度変化率熱ストレス回数Ｓｔ2 とを加算し、
Ｓｔ＝Ｓｔ1 ＋Ｓｔ2
あらかじめ設定されたトランジスタ１０７固有の寿命から求められた許容熱ストレス回数Ｓｔmax と比較することにより、トランジスタ１０７が疲労に達したか否かを判定し、熱ストレス回数Ｓｔが許容熱ストレス回数を越えた場合には、図１の表示部１４０に対してトランジスタ１０７が寿命となった旨のアラーム表示指令などのアラーム処理を行う。
又、許容熱ストレス回数Ｓｔmax から熱ストレス回数Ｓｔを減算し、あらかじめ設定されたトランジスタ１０７固有の寿命をｔmax として下式により、残りの寿命時間ｔrem を求め、
ｔrem ＝ｔmax ×｛（Ｓｔmax −Ｓｔ）／Ｓｔmax ｝
図１の表示部１４０に残りの寿命時間として表示指令を行う。
【００３３】
又、上記図３及び図１１の熱ストレス回数Ｓｔ1 、Ｓｔ2 の演算のフローチャートはインバータ装置の電源投入後は繰り返し起動され、常時熱ストレス回数Ｓｔ1 、Ｓｔ2 を積算するものである。
又、上記説明では１回の温度変化幅によるトランジスタ温度変化幅熱ストレス回数ΔＳｔ1 の算出において、インバータ装置１００の運転中についてトランジスタ１０７のジャンクション温度Ｔj の最大値、最小値の判定を極値であるか否かで判定している例を示したが、電源投入後の初回のΔＳｔ1 算出については、電源投入時に電流検出部１１０の検出した検出電流及び放熱フィン温度検出部１２０の検出した検出温度に応じてトランジスタ温度推定部２０で推定した温度を初回の最小値または最大値として使用する。
又、電源ＯＦＦを含む１回の温度変化幅によるトランジスタ温度変化幅熱ストレス回数ΔＳｔ1 の算出については、電源ＯＦＦ時に最後に判定したトランジスタ１０７のジャンクション温度Ｔj の極値及び電源ＯＦＦ時の検出電流、検出温度を記憶部（図示せず）にセーブしておき、次回電源投入時に行うようにすることで対応可能である。
上記のようにトランジスタ温度変化幅熱ストレス回数とトランジスタ温度変化率熱ストレス回数とから求めた熱ストレス回数をトランジスタの許容熱ストレス回数と比較して、トランジスタの疲労を判定するようにしたので、トランジスタに流れる電流の急激な変化によりトランジスタとヒートスプレッダ間に発生する温度差をも考慮したトランジスタの寿命判定ができるようになる。
又、上記では電力用半導体素子のうち図８のトランジスタ１０７について説明したが、ダイオード１０５及び１０８についても同様であり、説明を省略する。
【００３４】
実施例２．
図４はこの発明の他の実施例による電力用半導体素子の寿命を判定又は推測する制御部の構成図である。図において、図１と同一符号は同一又は相当部分を示し、その説明を省略する。３８ａはトランジスタサイクル時間温度変化幅熱ストレス演算部２４、トランジスタサイクル時間温度変化率熱ストレス演算部２５、トランジスタサイクル時間寿命判定部２６、ダイオードサイクル時間温度変化幅熱ストレス演算部３４、ダイオードサイクル時間温度変化率熱ストレス演算部３５、ダイオードサイクル時間寿命判定部３６の出力データを記憶する記憶部、３９ａはトランジスタおよびダイオードの固有の寿命を設定する設定部である。４０は接合部材をも考慮した電力用半導体素子の期待寿命ｔ1 を設定する期待寿命時間設定部、４１は設定期間当りの平均熱ストレス回数を求めるためのサイクル時間ｔc を設定する運転時間設定手段としてのサイクル時間設定部、４２はサイクル時間設定部４１で設定されたサイクル時間ｔc により電力用半導体素子の寿命の判定または寿命の推定の少くとも１つを実効するか否かの選択を行うサイクル時間チェック選択部、４３は期待寿命時間設定部４０、サイクル時間設定部４１及びサイクル時間チェック選択部４２で設定された設定データを記憶する設定データ記憶部である。
【００３５】
又、図において２４はサイクル時間チェック選択部４２の選択が無効の場合にはトランジスタ温度推定部２０の出力である推定温度の変化における振幅に基いてトランジスタ１０７の熱ストレスを演算・積算し、有効の場合には更にサイクル時間設定部４１で設定されたサイクル時間ｔc （一般にはサイクル運転の運転時間、又は電源が投入されてから遮断されるまでの運転時間として設定される）毎に熱ストレスを演算するトランジスタサイクル時間温度変化幅熱ストレス演算部である。２５はサイクル時間チェック選択部４２の選択が無効の場合には、トランジスタ温度推定部２０の出力である推定温度の変化における割合に基いてトランジスタ１０７の熱ストレスを演算・積算し、有効の場合には更にサイクル時間設定部４１で設定されたサイクル時間ｔc 毎に熱ストレスを演算するトランジスタサイクル時間温度変化率熱ストレス演算部であり、通算の運転時間を積算するタイマー機能を有する。２６はサイクル時間チェック選択部４２の選択が無効の場合には、トランジスタサイクル時間温度変化幅熱ストレス演算部２４及びトランジスタサイクル時間温度変化率熱ストレス演算部２５の出力とあらかじめ設定されたトランジスタ１０７固有の寿命から求められた許容熱ストレス回数と比較してトランジスタ１０７が疲労に達したか否かを判定し、有効の場合にはトランジスタサイクル時間温度変化幅熱ストレス演算部２４及びトランジスタサイクル時間温度変化率熱ストレス演算部２５の出力に基いて算出したサイクル時間当りの熱ストレス回数と期待寿命時間設定手段４０で設定された期待寿命時間から求められたサイクル時間当り許容熱ストレス回数とを比較し、トランジスタ１０７の寿命が期待寿命時間を越えていないかを判定するトランジスタサイクル時間寿命判定部である。２７はサイクル時間チェック選択部４２の選択が有効の場合、トランジスタサイクル時間温度変化幅熱ストレス演算部２４及びトランジスタサイクル時間温度変化率熱ストレス演算部２５の出力に基いて算出したサイクル時間当りの熱ストレス回数よりトランジスタ１０７の運転可能寿命を推定するトランジスタ寿命推定部である。また、３４はダイオードサイクル時間温度変化幅熱ストレス演算部、３５はダイオードサイクル時間温度変化率熱ストレス演算部、３６はダイオードサイクル時間寿命判定部、３７はダイオード寿命推定部であり、これら３４〜３７については、上記トランジスタサイクル時間温度変化幅熱ストレス演算部２４、トランジスタサイクル時間温度変化率熱ストレス演算部２５、トランジスタサイクル時間寿命判定部２６、トランジスタ寿命判定部２７のトランジスタをダイオードに置き換えたものであり、同様の働きであるので説明は省略する。
【００３６】
図５は、図４のトランジスタサイクル時間温度変化幅熱ストレス演算部２４及びダイオードサイクル時間温度変化幅熱ストレス演算部３４における演算のフローチャートである。以下、この発明の実施例２の演算部２４、３４のうち、トランジスタ１０７を例として説明をする。
先ず、ステップ４２０より図４のサイクル時間チェック選択部４２の選択が有効か無効かをチェックする。ここで、ＹＥＳの有効の場合にはステップ４２１で引き続き、サイクル時間チェック処理中１フラグＯＮかをチェックし、ＮＯ（ＯＦＦ）の場合にはステップ４２２に於てサイクル時間確認のため、タイマの時間ｔを初期化してカウントを開始するとともに、トランジスタ温度変化幅熱ストレス回数Ｓｔ1 をサイクル時間当りのトランジスタ温度変化幅熱ストレス回数の初期値Ｓｔ10としてセットし、サイクル時間チェック処理中１フラグをＯＮとする。またステップ４２０でＮＯの無効の場合及びステップ４２１でＹＥＳ（ＯＮ）の場合には無処理でステップ４２３に進む。
【００３７】
次いで、図５のステップ４２３によりトランジスタ温度推定部２０で推定したトランジスタ１０７のジャンクション温度Ｔj が最大または最小かをチェックし、最大または最小でないＮＯの場合は無処理でエンドに抜ける。
ここで、ステップ４２３がＹＥＳとなると、ステップ４２４により図１１のステップ４１２ないしステップ４１４と同様に１回の温度変化幅ΔＴjwを算出し、１回の温度変化幅に対する熱ストレス回数ΔＳｔ1 を算出するとともに、積算値であるトランジスタ温度変化幅熱ストレス回数Ｓｔ1 を演算する（Ｓｔ1 ←Ｓｔ1 ＋ΔＳｔ1 ）。
【００３８】
次いで、ステップ４２５でサイクル時間チェック選択部４２の選択が有効か無効かをチェックし、無効のＮＯの場合は無処理でエンドに抜ける。ここで、有効のＹＥＳの場合は、ステップ４２６によりカウントしているｔが図４のサイクル時間設定部４１で設定されたサイクル時間ｔc に達したかどうかチェックし、ｔ＜ｔc の場合には無処理でエンドに抜ける。又、ｔ≧ｔc の場合には、次のステップ４２７に進みトランジスタ温度変化幅熱ストレス回数Ｓｔ1 をサイクル時間ｔc 運転後のトランジスタ温度変化幅熱ストレス回数Ｓｔ11としてセットするとともに、サイクル時間当りのトランジスタ温度変化幅熱ストレス回数Ｓｔ1cとして、上記Ｓｔ11とＳｔ10との差を求め、Ｓｔ1c、Ｓｔ11とを図４のトランジスタサイクル時間寿命判定部２６に送信するとともに、サイクル時間チェック処理中１フラグをＯＦＦとする。
【００３９】
図６は、図４のトランジスタサイクル時間温度変化率熱ストレス演算部２５及びダイオードサイクル時間温度変化率熱ストレス演算部３５における演算のフローチャートである。以下、この発明の実施例２の演算部２５、３５の動作のうち、図８のトランジスタ１０７を例として説明する。
先ず、ステップ５２０により図４のサイクル時間チェック選択部４２の選択が有効か無効かをチェックする。ここで、有効のＹＥＳの場合にはステップ５２１により引き続き、サイクル時間チェック処理中２フラグＯＮかをチェックし、ＮＯ（ＯＦＦ）の場合にはステップ５２２によりサイクル時間確認のため、時間ｔを初期化してカウントを開始するとともに、トランジスタ温度変化率熱ストレス回数Ｓｔ2 をサイクル時間当りのトランジスタ温度変化率熱ストレス回数の初期値Ｓｔ20としてセットし、サイクル時間チェック処理中２フラグをＯＮとする。またステップ５２０で無効のＮＯの場合およびステップ５２１でＹＥＳ（ＯＮ）の場合には無処理でステップ５２３に進む。
【００４０】
次いで、ステップ５２３により図３のステップ５０１ないしステップ５０４と同様に、温度変化率ΔＴjaを算出し、温度変化率ΔＴjaに対する熱ストレス回数ΔＳｔ2 を算出するとともに、積算値であるトランジスタ温度変化率熱ストレス回数Ｓｔ2 を演算する（Ｓｔ2 ←Ｓｔ2 ＋ΔＳｔ2 ）。
【００４１】
次いで、ステップ５２４でサイクル時間チェック選択部４２の選択が有効か無効かをチェックし、無効のＮＯの場合は無処理でエンドに抜ける。ここで、有効のＹＥＳの場合は、ステップ５２５によりカウントしているｔがサイクル時間ｔc に達したかどうかチェックし、ｔ＜ｔc の場合には無処理でエンドに抜ける。又、ｔ≧ｔc の場合には、ステップ５２６へと進みトランジスタ温度変化率熱ストレス回数Ｓｔ2 をサイクル時間ｔc 運転後のトランジスタ温度変化率熱ストレス回数Ｓｔ21としてセットするとともに、サイクル時間当りのトランジスタ温度変化率熱ストレス回数Ｓｔ2cとして、上記Ｓｔ21とＳｔ20との差を求め、Ｓｔ2c、Ｓｔ21とを図４のトランジスタサイクル時間寿命判定部２６に送信するとともに、サイクル時間チェック処理中２フラグをＯＦＦとする。
【００４２】
図７は、図４のトランジスタサイクル時間寿命判定部２６及びダイオードサイクル時間寿命判定部３６の寿命判定のフローチャートである。以下、この発明の実施例２の判定部２６、３６のうち、トランジスタ１０７を例として説明する。先ず、ステップ６００により図４のサイクル時間チェック選択部４２の選択が有効か無効かをチェックする。ここで、有効のＹＥＳの場合には引き続きステップ６０１によりサイクル時間チェック処理中３フラグＯＮかをチェックし、ＮＯ（ＯＦＦ）の場合にはステップ６０２によりサイクル時間確認のためタイマの時間ｔを初期化してカウントを開始するとともに、サイクル時間チェック処理中３フラグをＯＮする。
次いで、ステップ６０３でカウントしているｔがサイクル時間ｔc に達したかどうかチェックし、ｔ＜ｔc の場合は無処理でエンドに抜ける。
ここで、ｔ≧ｔc となった場合に次のステップ６０４が実行される。即ちこのステップは、トランジスタサイクル時間温度変化幅熱ストレス演算部２４及びトランジスタサイクル時間温度変化率熱ストレス演算部２５から出力されたトランジスタ温度変化幅熱ストレス回数Ｓｔ11、サイクル時間当りのトランジスタ温度変化幅熱ストレス回数Ｓｔ1c、トランジスタ温度変化率熱ストレス回数Ｓｔ21及びサイクル時間当りのトランジスタ温度変化率熱ストレス回数Ｓｔ2cを取込み、サイクル時間当りのトランジスタ熱ストレス回数Ｓｔc を、Ｓｔc ＝Ｓｔ1c＋Ｓｔ2cとして算出する。
次に、図４の期待寿命時間設定部４０で設定された期待寿命時間ｔ1 とサイクル時間設定部４１で設定されたサイクル時間ｔc とあらかじめ設定されたトランジスタ１０７の固有の寿命から求められたトランジスタ許容熱ストレス回数Ｓｔmax とトランジスタ温度変化幅熱ストレス回数Ｓｔ11及びトランジスタ温度変化率熱ストレス回数Ｓｔ21と、通算の運転時間ｔ2 から、下式によりトランジスタのサイクル時間当り許容熱ストレス回数Ｓｔcmaxを求め、
Ｓｔcmax＝｛Ｓｔmax −（ｓｔ11＋Ｓｔ21）｝×（ｔc ／ｔ1 −ｔ2 ）
サイクル時間チェック処理中３フラグをＯＦＦすることになる。
【００４３】
次にステップ６０５にて、サイクル時間当りのトランジスタ熱ストレス回数Ｓｔc が、トランジスタのサイクル時間当り許容熱ストレス回数Ｓｔcmaxを越えていないかをチェックし、Ｓｔc ＜Ｓｔcmaxの場合には、無処理でエンドに抜け、Ｓｔc ≧Ｓｔcmaxの場合にはステップ６０６によりサイクル時間ｔc として設定した運転を継続した場合のトランジスタ１０７の寿命が期待寿命時間ｔ1 だけの使用が出来ないことになるので、図４の表示部１４０に対してのアラーム表示指令などアラーム処理を行う。
【００４４】
上記ステップ６００のサイクル時間チェック選択部４２の選択がＮＯの無効となっている場合には、ステップ６１０により図４のトランジスタサイクル時間温度変化幅熱ストレス演算部２４及びトランジスタサイクル時間温度変化率熱ストレス演算部２５で算出したトランジスタ温度変化幅熱ストレス回数Ｓｔ1 及びトランジスタ温度変化率熱ストレス回数Ｓｔ2 よりトランジスタの熱ストレス回数Ｓｔを求める（Ｓｔ＝Ｓｔ1 ＋Ｓｔ2 ）。
【００４５】
次に、ステップ６１１によりトランジスタの熱ストレス回数Ｓｔとあらかじめ設定されたトランジスタ１０７の固有の寿命から求められたトランジスタ許容熱ストレス回数Ｓｔmax とを比較し、Ｓｔ＜Ｓｔmax の場合には、無処理でエンドに抜け、Ｓｔ≧Ｓｔmax の場合にはステップ６１２により図４の表示部１４０に対してのアラーム表示指令などアラーム処理を行う。
【００４６】
図４のトランジスタ寿命推定部２７の処理について以下説明する。あらかじめ設定されたトランジスタ１０７の固有の寿命から求められたトランジスタ許容熱ストレス回数Ｓｔmax と、トランジスタ温度変化幅熱ストレス回数Ｓｔ11、サイクル時間当りのトランジスタ温度変化幅熱ストレス回数Ｓｔ1cとトランジスタ温度変化率熱ストレス回数Ｓｔ21、サイクル時間当りのトランジスタ温度変化率熱ストレス回数Ｓｔ2c、サイクル時間設定部４１で設定されたサイクル時間ｔc とを使用して、下式により運転可能寿命ｔr を推定し、
ｔr ＝［｛Ｓｔmax −（Ｓｔ11＋Ｓｔ21）｝／（Ｓｔ1c＋Ｓｔ2c）］×ｔc
表示部１４０に対して出力する。
上記のように、サイクル時間当りのトランジスタ温度変化幅熱ストレス回数とサイクル時間当りトランジスタ温度変化率熱ストレス回数をもとにトランジスタのサイクル時間当りの許容熱ストレス回数と比較し、トランジスタの寿命が期待寿命だけの使用が出来るか否かの判定及びまたトランジスタの運転可能寿命を推定するようにしたので、トランジスタに流れる電流の急激な変化によりトランジスタとヒートスプレッダ間に発生する温度差をも考慮した正確なトランジスタの期待寿命までの使用の可否判定及びトランジスタの運転可能寿命の推定ができるようになる。
【００４７】
上記では、電力用半導体素子のトランジスタ１０７について説明したがダイオード１０５及び１０８についても同様であり、説明を省略する。
【００４８】
又、上記実施例ではトランジスタサイクル時間寿命判定部２６とトランジスタ寿命推定部２７とを独立したものとして、直列に接続した例を示したが、単独でもよく、又並列に接続してもよく、又トランジスタサイクル時間寿命判定部２６の寿命判定とトランジスタ寿命推定部２７の寿命推定とを合せて行い、結果を同時に表示するようにしてもよい、又、この場合トランジスタサイクル時間寿命判定部２６とトランジスタ寿命推定部２７とを合せて一つの処理部としても同等の効果が得られる。
【００４９】
又、上記実施例では期待寿命時間設定部４０、サイクル時間設定部４１及びサイクル時間チェック選択部４２の設定データを一旦設定データ記憶部４３に記憶する例を示したが、期待寿命時間設定部４０、サイクル時間設定部４１及びサイクル時間チェック選択部４２を例えばカウンタ、ボリュームなどを利用し、トランジスタサイクル時間温度変化幅熱ストレス演算部２４、トランジスタサイクル時間温度変化率熱ストレス演算部２５、トランジスタサイクル時間寿命判定部２６及びトランジスタ寿命推定部２７等を処理時に直接設定データを見にいくようにしてもよい。
【００５０】
又、上記実施例ではトランジスタ許容熱ストレス回数Ｓｔmax をあらかじめ設定されたトランジスタ１０７の固有の寿命から求めるものとしたが、トランジスタ許容熱ストレス回数Ｓｔmax としてあらかじめ設定しておいてもよく、入力手段を利用して設定してもよい。
【００５１】
又、上記実施例では電流検出部１１０としてインバータ部の出力電流３相分を検出した例を示したが、２相分の出力電流を検出し、他の１相分を算出して求めても同等の効果が得られる。更に、簡便な方法としては各相等価であるとして、１相分の出力電流を検出することも可能である。
【００５２】
更に、上記実施例ではインバータ部の出力電流を検出した例を示したが、電力用半導体素子に流れる電流に応じた電流を検出出来ればよく、電流検出部はインバータ部の入力側の直流母線に設けてもよく、又直接電力半導体素子に流れる電流を検出するようにしてもよい。
【００５３】
又、上記実施例では放熱フィンの温度を検出した例を示したが、電力用半導体素子に発生した熱に応じた温度を検出することが出来ればよく、温度検出部を例えば配線板上とか電力用半導体素子の近傍などに設けてもよい。
【００５４】
又、上記実施例では電力用半導体素子として、トランジスタ及びダイオードの例を示したが、サイリスタ、ＧＴＯ（ゲート ターン オフ サイリスタ）、ＭＯＳ ＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等においても同様である。
【００５５】
又、上記実施例では３相インバータ装置について説明したが、単相インバータ装置や多相インバータ装置にも同様に実施することが出来、インバータ装置以外の例えば直流電源装置等にも実施することが出来る。
【００５６】
【発明の効果】
以上のように、この発明のインバータ装置によれば、寿命判定手段は、電力用半導体素子の推定温度の変化における振幅に基いて電力用半導体素子の熱ストレスを演算・積算する温度変化幅熱ストレス演算手段及び電力用半導体素子の推定温度の変化における割合に基いて電力用半導体素子の熱ストレスを演算・積算する温度変化率熱ストレス演算手段の出力を電力用半導体素子の固有の許容熱ストレスと使用して、電力用半導体素子の寿命を演算するので、電力用半導体素子に流れる電流の急激な変化による電力用半導体素子とヒートスプレッダ間に発生する温度差にも考慮したより正確な電力用半導体素子の寿命の演算が可能となる。
【００５７】
また、この発明のインバータ装置によれば、設定時間当り寿命判定手段は、寿命時間を比較する運転時間を設定する運転時間設定手段で設定された設定時間毎に電力用半導体素子の推定温度の変化における振幅に基いて電力用半導体素子の熱ストレスを演算する設定時間当り温度変化幅熱ストレス演算手段及び運転時間設定手段で設定された設定時間毎に温度の変化における割合に基いて電力用半導体素子の熱ストレスを演算する設定時間当り温度変化率熱ストレス演算手段の出力に基いて算出した設定時間当りの熱ストレスと期待寿命時間設定手段で設定された電力用半導体素子の期待寿命時間から求められた設定時間当りの許容熱ストレスとを比較するようにしたので、設定時間の運転で期待寿命時間だけ運転可能か否かの判定が可能となり、インバータ装置の負荷状況及び使用頻度など使用方法を改善するなどの延命処置が可能となる。
【００５８】
更に、この発明のインバータ装置によれば、寿命推定手段は、寿命時間を比較する運転時間を設定する運転時間設定手段で設定された設定時間毎に電力用半導体素子の推定温度の変化における振幅に基いて電力用半導体素子の熱ストレスを演算する設定時間当り温度変化幅熱ストレス演算手段及び運転時間設定手段で設定された設定時間毎に電力用半導体素子の推定温度の変化における割合に基いて電力用半導体素子の熱ストレスを演算する設定時間当り温度変化率熱ストレス演算手段の出力に基いて電力用半導体素子の運転可能寿命を推定するようにしたので、電力用半導体素子またはインバータ装置の交換時期の予測が可能となる。
【００５９】
更に、この発明のインバータ装置によれば、運転時間チェック選択手段は、寿命時間を比較する運転時間を設定する運転時間設定手段で設定された設定時間における電力用半導体素子の寿命の判定または寿命の推定の少くとも１つを実効するか電力用半導体素子の積算した熱ストレスにより電力用半導体素子の寿命の判定をするか選択できるようにし、更に設定時間当り温度変化幅熱ストレス演算手段、設定時間当り温度変化率熱ストレス演算手段及び設定時間当り寿命判定手段は運転時間チェック選択手段の選択により設定時間当りの熱ストレスと積算した熱ストレスとの両者を扱えるようにしたので、例えばインバータ装置の使用方法を決定した時とか変更した時に設定時間当りの熱ストレスを使用して期待寿命時間設定手段で設定された電力用半導体素子の期待寿命時間から求められた設定時間当りの許容熱ストレスとの比較により設定時間の運転で期待寿命時間だけ運転可能か否かの判定または電力用半導体素子の運転可能寿命の推定を行い、インバータ装置の使用方法を変更せずに運転する場合に積算した熱ストレスを使用して電力用半導体素子が寿命となったか否かの判定を行うなど適宜使い分けが可能となり、インバータ装置の使用方法を決定した時とか変更した時に、インバータ装置の負荷状況及び使用頻度など使用方法を改善するなどの延命処置ができるとともに、電力用半導体素子またはインバータ装置の交換時期ができ、一旦決められた使用方法で運転する場合に電力用半導体素子の寿命の判定ができるという、経過に対応した電力用半導体素子の寿命管理が可能となる。
【００６０】
更に、この発明のインバータ装置によれば、寿命判定手段、設定時間当り寿命判定手段または寿命推定手段の出力を表示する表示手段を備え、電力用半導体素子の寿命、また設定時間の運転で期待寿命だけ運転可能か否か、また設定時間の運転における運転可能寿命が容易に判断できるようにしたので、寿命の判定が可能となると共に、インバータ装置の使用方法の改善などの延命処理及びインバータ装置の交換時期の予測が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例１による電力用半導体素子の寿命を判定する制御部の構成図である。
【図２】この発明の実施例１によるインバータ装置の運転、停止に伴う電力用半導体素子のジャンクション温度Ｔj 及び温度変化率｜ｄＴj ／ｄｔ｜の変化の一例を示すグラフである。
【図３】この発明の実施例１によるトランジスタ温度変化率熱ストレス演算部及びダイオード温度変化率熱ストレス演算部の演算のフローチャートである。
【図４】この発明の実施例２による電力用半導体素子の寿命を判定又は推測する制御部の構成図である。
【図５】この発明の実施例２によるトランジスタサイクル時間温度変化幅熱ストレス演算部及びダイオードサイクル時間温度変化幅熱ストレス演算部の演算のフローチャートである。
【図６】この発明の実施例２によるトランジスタサイクル時間温度変化率熱ストレス演算部及びダイオードサイクル時間温度変化率熱ストレス演算部の演算のフローチャートである。
【図７】この発明の実施例２によるトランジスタサイクル時間寿命判定部及びダイオードサイクル時間寿命判定部の寿命判定のフローチャートである。
【図８】従来並びにこの発明に共通なインバータ装置の構成図である。
【図９】従来のインバータ装置において、電力用半導体素子の寿命を判定する制御部の構成図である。
【図１０】インバータ装置の運転、停止に伴う電力用半導体素子のジャンクション温度Ｔj の変化の一例を示す図である。
【図１１】従来のトランジスタ温度変化幅熱ストレス演算部及びダイオード温度変化幅熱ストレス演算部の演算のフローチャートである。
【図１２】従来並びにこの発明に共通なインバータ装置の主回路部を構成するトランジスタの実装における要部拡大図である。
【符号の説明】
２０ トランジスタ温度推定部、２１ トランジスタ温度変化幅熱ストレス演算部、２２ トランジスタ寿命判定部、２２ａ トランジスタ寿命演算部、２３トランジスタ温度変化率熱ストレス演算部、２４ トランジスタサイクル時間温度変化幅熱ストレス演算部、２５ トランジスタサイクル時間温度変化率熱ストレス演算部、２６ トランジスタサイクル時間寿命判定部、２７ トランジスタ寿命推定部、３０ ダイオード温度推定部、３１ ダイオード温度変化幅熱ストレス演算部、３２ ダイオード寿命判定部、３２ａ ダイオード寿命演算部、３３ ダイオード温度変化率熱ストレス演算部、３４ ダイオードサイクル時間温度変化幅熱ストレス演算部、３５ ダイオードサイクル時間温度変化率熱ストレス演算部、３６ ダイオードサイクル時間寿命判定部、３７ ダイオード寿命推定部、３８，３８ａ 記憶部、３９，３９ａ 寿命設定部、４０ 期待寿命時間設定部、４１ サイクル時間設定部、４２ サイクル時間チェック選択部、４３ 設定データ記憶部、１００ インバータ装置、１０１ コンバータ装置、１０２ インバータ部、１０３ 平滑回路部、１０４ 主回路部、１０５ ダイオード、１０６ 平滑コンデンサ、１０７ トランジスタ、１０８ 帰還ダイオード、１１０ 電流検出部、１２０ 温度検出部、１３０，１３０ａ，１３０ｂ 制御部、１３１ トランジスタ駆動部、１４０ 表示部、１６０ ヒートスプレッダ、１６１ 接合部材、１６２ ボンディングワイヤ、１６３ 配線板、１６４ リード、１６５ 放熱フィン、２００ 交流電源、３００ 誘導電動機。
Claims (5)
- ヒートスプレッダに装着された複数の電力用半導体素子を有するインバータ装置において、前記電力用半導体素子に流れる電流またはこの電流に応じた電流を検出する電流検出手段と、前記電力用半導体素子に発生する熱に応じた温度を検出する温度検出手段と、前記電流検出手段からの検出電流と前記温度検出手段からの検出温度とに応じて前記電力用半導体素子の温度を推定する温度推定手段と、前記温度推定手段で推定した推定温度の変化における振幅に基いて前記電力用半導体素子の熱ストレスを演算し、積算する温度変化幅熱ストレス演算手段と、前記温度推定手段で推定した推定温度の変化における割合に基いて前記電力用半導体素子の熱ストレスを演算し、積算する温度変化率熱ストレス演算手段と、前記温度変化幅熱ストレス演算手段及び前記温度変化率熱ストレス演算手段の出力と前記電力用半導体素子の固有の許容熱ストレスとを使用して、前記電力用半導体素子の寿命を演算する寿命演算手段と、を備えたことを特徴とするインバータ装置。
- ヒートスプレッダに装着された複数の電力用半導体素子を有するインバータ装置において、前記電力用半導体素子に流れる電流またはこの電流に応じた電流を検出する電流検出手段と、前記電力用半導体素子に発生する熱に応じた温度を検出する温度検出手段と、前記電流検出手段からの検出電流と前記温度検出手段からの検出温度とに応じて前記電力用半導体素子の温度を推定する温度推定手段と、前記電力用半導体素子の期待される寿命時間を設定する期待寿命時間設定手段と、運転時間を設定する運転時間設定手段と、前記運転時間設定手段で設定された設定時間毎に前記温度推定手段で推定した推定温度の変化における振幅に基いて前記電力用半導体素子の熱ストレスを演算する設定時間当り温度変化幅熱ストレス演算手段と、前記運転時間設定手段で設定された設定時間毎に前記温度推定手段で推定した推定温度の変化における割合に基いて前記電力用半導体素子の熱ストレスを演算する設定時間当り温度変化率熱ストレス演算手段と、前記設定時間当り温度変化幅熱ストレス演算手段及び前記設定時間当り温度変化率熱ストレス演算手段の出力に基いて算出した設定時間当りの熱ストレスと前記期待寿命時間設定手段で設定された期待寿命時間から求められた設定時間当りの許容熱ストレスとを比較し、前記電力用半導体素子の寿命が前記期待寿命時間を越えていないかを判定する設定時間当り寿命判定手段と、を備えたことを特徴とするインバータ装置。
- ヒートスプレッダに装着された複数の電力用半導体素子を有するインバータ装置において、前記電力用半導体素子に流れる電流またはこの電流に応じた電流を検出する電流検出手段と、前記電力用半導体素子に発生する熱に応じた温度を検出する温度検出手段と、前記電流検出手段からの検出電流と前記温度検出手段からの検出温度とに応じて前記電力用半導体素子の温度を推定する温度推定手段と、運転時間を設定する運転時間設定手段と、前記運転時間設定手段で設定された設定時間毎に前記温度推定手段で推定した推定温度の変化における振幅に基いて前記電力用半導体素子の熱ストレスを演算する設定時間当り温度変化幅熱ストレス演算手段と、前記運転時間設定手段で設定された設定時間毎に前記温度推定手段で推定した推定温度の変化における割合に基いて前記電力用半導体素子の熱ストレスを演算する設定時間当り温度変化率熱ストレス演算手段と、前記設定時間当り温度変化幅熱ストレス演算手段及び前記設定時間当り温度変化率熱ストレス演算手段の出力に基いて前記電力用半導体素子の運転可能寿命を推定する寿命推定手段と、を備えたことを特徴とするインバータ装置。
- ヒートスプレッダに装着された複数の電力用半導体素子を有するインバータ装置において、前記電力用半導体素子に流れる電流またはこの電流に応じた電流を検出する電流検出手段と、前記電力用半導体素子に発生する熱に応じた温度を検出する温度検出手段と、前記電流検出手段からの検出電流と前記温度検出手段からの検出温度とに応じて前記電力用半導体素子の温度を推定する温度推定手段と、前記電力用半導体素子の期待される寿命時間を設定する期待寿命時間設定手段と、運転時間を設定する運転時間設定手段と、前記運転時間設定手段で設定された運転時間における前記電力用半導体素子の寿命の判定または寿命の推定の少くとも１つを実効するか否かの選択をする運転時間チェック選択手段と、前記期待寿命時間設定手段、前記運転時間設定手段および前記運転時間チェック選択手段で設定された設定データを記憶する設定データ記憶手段と、前記運転時間チェック選択手段の選択が無効の場合には前記温度推定手段で推定した推定温度の変化における振幅に基いて前記電力用半導体素子の熱ストレスを演算・積算し、有効の場合には更に前記運転時間設定手段で設定された設定時間毎に前記電力用半導体素子の熱ストレスを演算する設定時間当り温度変化幅熱ストレス演算手段と、前記運転時間チェック選択手段の選択が無効の場合には、前記温度推定時間で推定した推定温度の変化における割合に基いて前記電力用半導体素子の熱ストレスを演算・積算し、有効の場合には更に前記運転時間設定手段で設定された設定時間毎に前記電力用半導体素子の熱ストレスを演算する設定時間当り温度変化率熱ストレス演算手段と、前記運転時間チェック選択手段の選択が無効の場合には前記設定時間当り温度変化幅熱ストレス演算手段及び前記設定時間当り温度変化率熱ストレス演算手段の出力と前記電力用半導体素子の固有の熱ストレスとを比較し前記電力用半導体素子が寿命になったか否かを判定し、有効の場合には前記設定時間当り温度変化幅熱ストレス演算手段及び前記設定時間当り温度変化率熱ストレス演算手段の出力に基いて算出した設定時間当りの熱ストレスと前記期待寿命時間設定手段で設定された期待寿命時間から求められた設定時間当り許容熱ストレスとを比較し、前記電力用半導体素子の寿命が前記期待寿命時間を越えていないかを判定する設定時間当り寿命判定手段と、前記運転時間チェック選択手段の選択が有効の場合、前記電力用半導体素子の運転可能寿命を推定する寿命推定手段と、を備えたことを特徴とするインバータ装置。
- 寿命判定手段、設定時間当り寿命判定手段または寿命推定手段の出力を表示する表示手段を備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のインバータ装置。
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