CN111092563A

CN111092563A - 功率变换装置以及功率变换装置的诊断方法

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Publication number: CN111092563A
Application number: CN201910985749.9A
Authority: CN
Inventors: 谷和树
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2018-10-18
Filing date: 2019-10-17
Publication date: 2020-05-01
Anticipated expiration: 2039-10-17
Also published as: JP7085453B2; JP2020065386A; CN111092563B

Abstract

本发明提供一种功率变换装置以及功率变换装置的诊断方法，在线监视功率变换装置的运转状态，使设备更新的定时单独地最佳化。具备：栅极驱动电路，根据用于驱动构成功率变换装置的开关元件的PWM指令信号，驱动开关元件；电流计算部及电压计算部，进行用于分别推测开关元件成为截止的定时下的集电极电流或漏极电流以及集电极电压或漏极电压的计算；状态监视部，根据PWM指令信号、伴随开关元件的开关动作而生成的反馈信号、集电极电流或漏极电流的推测电流以及集电极电压或漏极电压的推测电压，推测功率变换装置的运转状态；以及异常诊断部，根据状态监视部所推测的功率变换装置的运转状态，判定功率变换装置的异常。

Description

功率变换装置以及功率变换装置的诊断方法

技术领域

本发明涉及具备异常诊断功能的功率变换装置以及功率变换装置的诊断方法，特别是适用于大电容的功率变换装置的异常诊断。

背景技术

为了控制面向铁路、大型工业设备的电动机而使用的功率变换装置、或在功率系统用等的大电容的频率变换中使用的功率变换装置使用大电容的功率用半导体元件进行高电压并且大电流的功率控制。

在这样的设备中，如果在工作中发生故障，则存在如下可能性：引起系统的损坏、计划外的系统停止，发生大的经济损失。以防止这样的状况为目的，需要检测功率变换装置的劣化、异常，通过停止功能来防止毁坏、向有关人员通知更新设备的必要性、以及进行功率变换装置的延长寿命控制等。

作为功率变换装置的故障要因，已知半导体开关元件的过热。半导体开关元件在其接合温度(Tj)高到额定以上的状态下动作时导致毁坏。因此，对功率变换装置实施了散热设计。

在此，关于半导体元件，为了安装而层叠有热膨胀系数与半导体芯片不同的材料，所以由于因工作中的半导体芯片的自发热所引起的热应力的积蓄，无法避免焊料、焊线经年劣化。

因此，有时半导体开关元件的热阻抗随着时间而上升，半导体元件过热。

另一方面，功率变换装置由于以无保养为前提，所以在通常的养护作业中极少检查半导体开关元件自身，在从开始使用起经过一定期间的定时(timing)进行设备自身的更新。

然而，功率变换装置根据其使用环境而劣化的发展加速，功率变换装置的寿命各不相同。因此，优选为在线地监视各个功率变换装置的状态，使设备更新的定时单独地最佳化从而降低保养成本。

其中，作为用简便的方法对功率变换装置进行状态监视的技术，已知在系统工作中测定接合温度的技术。

虽然有在半导体开关元件的内部内置温度传感器的方法，但传感器的集成花费成本，另外在温度传感器的响应速度、可靠性的观点上存在许多课题。

另外，已知利用半导体开关元件的电气特性的温度依赖性来推测接合温度的技术。例如，在专利文献1中公开了如下方法：在IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)元件的开关断开阶段的栅极-发射极电压特性中，检测米勒平台(Miller plateau)的开始阶段至结束阶段的延迟时间，从而决定IGBT元件的接合温度，在记录有平均接合温度的持续性的上升的情况下，检测出元件的老化。

现有技术文献

专利文献1：日本特开2013-142704号公报

发明内容

在上述专利文献1记载的方法中，根据米勒平台的开始至结束的开关断开的延迟时间，推测IGBT元件的接合温度，但没有提及如下情况：开关断开延迟时间不仅根据IGBT元件的接合温度而变化，而且根据即将进行开关断开之前的集电极电流及集电极电压也变化。

发明人发现开关断开延迟时间不仅受到IGBT元件的接合温度的影响，而且还敏感地受到即将进行开关断开之前的集电极电流及集电极电压的影响。

因此，例如如通过功率变换装置控制马达的情况那样，在施加于功率变换装置所具备的半导体开关元件的电压以及在半导体开关元件中流过的电流时时刻刻变化的系统中，需要不仅高精度地检测开关断开延迟时间，而且高精度地检测开关断开时的集电极电流及集电极电压，根据这些电流、电压以及开关断开延迟时间的关系计算接合温度。

如上所述，半导体开关元件由于热应力的积蓄而焊料、焊线经年劣化，所以成为热应力的起源的温度振动的监视是极其重要的。为此，需要在对工作中的半导体开关元件施加的各种电流以及电压的条件下，持续地监视接合温度，监视温度振动的积蓄。

但是，在半导体开关元件的截止(TURN OFF)动作中电流以及电压急剧地变化，所以存在极其难以与开关动作的定时同步地检测集电极电流这样的课题。

因此，本发明的目的在于提供一种在具有半导体开关元件的功率变换装置中通过简便的结构能够高精度地检测自身的异常、磨损度的功率变换装置以及为此的诊断方法。

为了解决上述课题，本发明所涉及的功率变换装置的特征在于，具备：栅极驱动电路，根据用于驱动构成功率变换装置的开关元件的PWM指令信号，驱动开关元件；电流计算部及电压计算部，进行用于分别推测开关元件成为截止的定时下的集电极电流或漏极电流以及集电极电压或漏极电压的计算；状态监视部，根据PWM指令信号、伴随开关元件的开关动作而生成的反馈信号、集电极电流或漏极电流的推测电流以及集电极电压或漏极电压的推测电压，推测功率变换装置的运转状态；以及异常诊断部，根据状态监视部所推测的功率变换装置的运转状态，判定该功率变换装置的异常。

根据本发明，能够提供通过简便的结构能够高精度地检测自身的异常、磨损度的功率变换装置以及为此的诊断方法。

上述以外的课题、结构以及效果通过以下的实施方式的说明而变得明确。

附图说明

图1是示出实施例1所涉及的功率变换装置的结构的一个例子的框图。

图2是示出在实施例1所涉及的功率变换装置中将电流计算部、电压计算部、状态监视部以及异常诊断部集中到控制部的结构的一个例子的框图。

图3是示出实施例1所涉及的逆变器的具体结构的一个例子的图。

图4是示出用于计算开关断开延迟时间的控制部的具体的电路结构的一个例子的图。

图5是示出PWM指令信号、栅极电压以及反馈信号、3者相互的时间关系的图。

图6是示出半导体开关元件的开关接通时的开关波形的图。

图7是示出半导体开关元件的开关断开时的开关波形以及反馈信号波形的图。

图8是示出PWM指令信号、载波信号、马达相电流、为了用于马达控制而检测的马达电流值以及截止时的推测集电极电流、各自的关系的图。

图9是关于开关断开延迟时间分别示出与半导体开关元件的接合温度的关系、与集电极电流的关系、与直流电源电压的关系的图。

图10是示出马达相电流的经时变化以及接合温度成为最大以及最小的点的图。

图11是示出将接合温度的时间序列数据变换为直方图的温度振幅频度数据的一个例子的图。

图12是示出实施例2所涉及的正常动作时以及发生接地故障时的马达相电流的变化、开关断开延迟时间和计算的推测接合温度的关系的图。

图13是将实施例3所涉及的控制部的一部分的结构与栅极驱动电路一起示出的图。

图14是示出PWM指令信号以及反馈信号的各脉冲数的关系的一个例子的图。

(符号说明)

1：控制部；2(2a～2f)：半导体开关元件；3(3a～3f)：栅极驱动电路；4：电流计算部；5：电压计算部；6：状态监视部；7：异常诊断部；8：逆变器；9：马达；10：转矩指令计算部；11：电流指令计算部；12：电流指令/3相电压指令变换部；13：PWM变换部；14：电流回授变换部；15：PWM指令信号宽度计算部；16：反馈信号宽度计算部；17：直流电源；18：平滑电容器；19(19a、19b)：绝缘元件；20：栅极驱动部；21、22：比较器；23、24：时间测定部；25：时间比较部；26：脉冲次数测定部。

具体实施方式

以下，作为用于实施本发明的方式，使用附图来说明本发明所涉及的实施例1～3。此外，在各附图中，对同一结构附加同一符号，关于重复的部分，省略其详细的说明。

【实施例1】

控制部1输出PWM指令信号，输入反馈信号(FB)。

栅极驱动电路3根据从控制部1接收到的PWM指令信号来驱动半导体开关元件2，并且根据该驱动的结果，向控制部1以及状态监视部6发送反馈信号(FB)。

状态监视部6根据电流计算部4计算的半导体开关元件2的截止时的推测集电极电流、电压计算部5计算的半导体开关元件2的截止时的推测集电极电压、先前的PWM指令信号以及先前的反馈信号(FB)，监视由半导体开关元件2构成的功率变换装置的运转状态。

异常诊断部7根据由状态监视部6监视功率变换装置得到的监视结果，判定开关元件2的异常以及劣化等功率变换装置内的异常状态。

图2是示出在实施例1所涉及的功率变换装置中将电流计算部4、电压计算部5、状态监视部6以及异常诊断部7集中到控制部1的结构的一个例子的框图。

具备将直流电变换为交流电的逆变器8、通过该逆变器8生成的3相交流电流(U相电流ium、V相电流ivm以及W相电流iwm)来驱动的3相交流式的马达9、以及向逆变器8发送控制用的PWM指令信号的控制部1。

控制部1包括具有CPU、存储器等的微型计算机，作为构成要素具备电流计算部4、电压计算部5、状态监视部6、异常诊断部7、转矩指令计算部10、电流指令计算部11、电流指令/3相电压变换部12、PWM变换部13、电流回授变换部14、PWM指令信号宽度计算部15以及反馈信号宽度计算部16。

电流回授变换部14将由U相电流传感器、V相电流传感器以及W相电流传感器(都未图示)检测出的各相的马达驱动电流，通过使用马达9的旋转角度θ的坐标变换而变换为d轴电流id以及q轴电流iq，并输入到电流指令/3相电压变换部12。

电流指令计算部11根据从转矩指令计算部10输入的转矩指令值，依照预先制作的表格等来计算d轴电流指令值id^*以及q轴电流指令值iq^*，并输入到电流指令/3相电压变换部12。

电流指令/3相电压变换部12在根据d轴电流指令值id^*、q轴电流指令值iq^*以及从电流回授变换部14输入的d轴电流id和q轴电流iq生成d轴以及q轴的电压指令值之后，使用马达9的旋转角度θ将该电压指令值变换为3相交流电压指令值Vu^*、Vv^*以及Vw^*，并输入到PWM变换部13。

PWM变换部13根据输入的3相交流电压指令值Vu^*、Vv^*以及Vw^*生成PWM指令信号(uh、ul、vh、vl、wh以及wl)，并输入到逆变器8。

逆变器8根据从PWM变换部13输入的PWM指令信号，向马达9的各相输出驱动电流，驱动马达9。

图3是示出由开关元件2构成的逆变器8的具体结构的一个例子的图。

逆变器8连接于直流电源17以及平滑电容器18的正极侧与负极侧之间，将输入电流在直流电与交流电之间进行变换并输出。因此，逆变器8具备多个半导体开关元件(2a～2f)，各自的输出线与马达9的3相(U相、V相以及W相)的绕组连接，控制各半导体开关元件(2a～2f)的接通(ON)/断开(OFF)，而控制马达9和直流电源17的连接。

栅极驱动电路3a～3f根据从控制部1发送的PWM指令信号来驱动各半导体开关元件(2a～2f)，并且根据其驱动结果向控制部1发送反馈信号(FB)。

在此，作为半导体开关元件(2a～2f)，不限定于图示的IGBT，而能够采用晶体管、MOS-FET等各种开关元件。在使用MOS-FET的情况下，将发射极改称为源极，将集电极改称为漏极。

图4是示出用于根据PWM指令信号以及反馈信号(FB)计算开关断开延迟时间的控制部1的具体的电路结构的一个例子的图。

栅极驱动电路3和控制部1通过绝缘元件19a、19b(具体而言，光耦合型元件、磁耦合型元件或者静电耦合型元件等)而被绝缘。

栅极驱动电路3包括绝缘元件19a和19b、驱动半导体开关元件2的栅极驱动部20、比较栅极电压和开关接通参考电压来判定开关接通的比较器21、以及比较栅极电压和开关断开参考电压来判定开关断开的比较器22。根据比较器21以及比较器22的动作，将反馈信号(FB)从栅极驱动电路3发送到控制部1。

在控制部1中，从栅极驱动电路3接收到的反馈信号(FB)被输入到内置的时间测定部23，测定基于反馈信号(FB)的脉冲宽度。另外，从PWM变换部13输出的PWM指令信号不仅被输入到栅极驱动电路3，而且还被输入到控制部1内置的时间测定部24，测定PWM指令信号脉冲宽度。在此，时间测定部23以及时间测定部24具有例如10纳秒以下的时间分辨率。由时间测定部23以及时间测定部24测定出的反馈信号(FB)以及PWM指令信号的各脉冲宽度分别被输入到时间比较部25，通过比较两方的值能够计算开关断开延迟时间。

另外，在上述控制部1中，通过时间测定部23以及24分别测定反馈信号(FB)以及PWM指令信号的各脉冲宽度，但也可以代替这些，而设置对从PWM指令信号的开关断开至反馈信号(FB)的开关断开为止的时间进行测定的其他时间测定部(未图示)，并根据其测定时间来计算开关断开延迟时间。

图5是示出PWM指令信号、栅极电压以及反馈信号(FB)、3者相互的时间关系的图。

如图5所示，关于从PWM变换部13输出的开关接通的PWM指令信号，在经过由包括绝缘元件19b的栅极驱动电路3引起的电路延迟之后，开关接通信号被输入到半导体开关元件2的栅极端子。如果开关接通信号被输入到半导体开关元件2，则栅极电压按照与栅极电阻和元件的电容对应的时间常数而上升。如果栅极电压经过基于该时间常数的元件延迟而达到开关接通参考电压，则比较器21动作，输出开关接通的反馈信号(FB)。反馈信号(FB)在经过由包括绝缘元件19a的栅极驱动电路3引起的电路延迟之后被输入到时间测定部23。

另外同样地，如果从PWM变换部13输出开关断开的PWM指令信号，则在经过由包括绝缘元件19b的栅极驱动电路3引起的电路延迟之后，开关断开信号被输入到半导体开关元件2的栅极端子。如果开关断开信号被输入到半导体开关元件2，则栅极电压按照与栅极电阻和元件的电容对应的时间常数而下降。如果栅极电压经过基于该时间常数的元件延迟而达到开关断开参考电压，则比较器22动作，输出开关断开的反馈信号(FB)。反馈信号(FB)在经过由包括绝缘元件19a的栅极驱动电路3引起的电路延迟之后被输入到时间测定部23。

时间测定部23根据开关接通的反馈信号(FB)以及开关断开的反馈信号(FB)的各输入，测定反馈信号(FB)的脉冲宽度。

在此，发明人分析了PWM指令信号、半导体开关元件2的开关波形以及反馈信号波形的相关性。其结果，在开关接通中，元件延迟不依赖于接合温度、集电极电流以及直流电源电压而大致恒定。另一方面，发现了在开关断开中元件延迟依赖于接合温度、集电极电流以及直流电源电压而变化。

图6是示出在其(a)～(c)中在使电路延迟时间恒定地一致的条件下在开关接通时将PWM指令信号输出时作为基准时间的情况的开关波形的图。

图6的(a)示出使接合温度(作为例子，40℃以及100℃的情况)各种各样地变动的情况的波形，图6的(b)示出使集电极电流(作为例子，600A、900A以及1200A的情况)各种各样地变动的情况的波形，图6的(c)示出使直流电源电压(作为例子，1100V、1300V以及1500V的情况)各种各样地变动的情况的波形。此外，判定开关接通的开关接通参考电压作为一个例子设定为5V。

如图6的(a)～(c)所示，不依赖于接合温度、集电极电流以及直流电源电压，栅极电压达到开关接通参考电压的定时大致恒定。因此，可知在开关接通时的元件延迟中，针对接合温度、集电极电流以及直流电源电压的依赖性非常小。

图7是示出在其(a)～(f)中在使电路延迟时间恒定地一致的条件下在开关断开时将PWM指令信号输出时作为基准时间的情况的开关波形((a)、(c)以及(e))和反馈信号波形((b)、(d)以及(f))的图。

图7的(a)和(b)示出使接合温度(作为例子，40℃以及100℃的情况)各种各样地变动的情况的波形，图7的(c)和(d)示出使集电极电流(作为例子，600A、900A以及1200A的情况)各种各样地变动的情况的波形，图7的(e)和(f)示出使直流电源电压(作为例子，1100V、1300V以及1500V的情况)各种各样地变动的情况的波形。此外，判定开关断开的开关断开参考电压作为一个例子设定为-5V。

可知在图7的(a)中接合温度上升时、在图7的(c)中集电极电流减少时、并且在图7的(e)中直流电源电压上升时，直至栅极电压达到开关断开参考电压为止的延迟时间分别变大。已知主要通过元件的回授电容针对各参数的依赖性能够说明这些现象。

另外，如图7的(b)、(d)以及(f)所示，可知输出开关断开的反馈信号(FB)的定时根据直至栅极电压达到开关断开参考电压为止的延迟时间而变化。

因此，可知开关断开时的元件延迟依赖于接合温度、集电极电流以及直流电源电压而变化。

根据以上的结果，如果比较PWM指令信号和反馈信号(FB)的脉冲宽度，则发现能够测定开关断开时的元件延迟的变化。

关于电路延迟，确认了根据栅极驱动电路3的环境温度而变化，并确认了开关接通时的电路延迟的变化和开关断开时的电路延迟的变化相等。根据其结果，如果比较PWM指令信号和反馈信号(FB)的脉冲宽度，则发现能够相互抵消由栅极驱动电路引起的电路延迟的温度变化的影响。假设在开关接通时和开关断开时的电路延迟的温度依赖性不同那样的电路结构的情况下，对栅极驱动电路设置温度计等而校正电路延迟的变化即可。

根据上述的研究结果，为了推测半导体开关元件2的接合温度，需要检测截止时的直流电源电压以及集电极电流，根据上述元件的延迟时间与检测到的电流以及电压的关系，计算接合温度。

关于直流电源电压的检测，在实施例1中，对平滑电容器18的正极侧和负极侧的电压进行测定来计算。另一方面，关于集电极电流的检测，由于在截止动作时集电极电流急剧地变化，所以与截止的定时匹配地对电流进行采样是极其困难的。另外，如图2所示，为了用于马达控制而对马达各相的电流进行采样，但一般而言与载波信号同步地在PWM指令信号的接通/断开的各中点进行采样，所以在马达控制中未使用在截止的定时检测电流的方案。

在此，发明人分析了PWM指令信号、为了用于马达控制而与载波信号同步地采样的马达相电流值以及截止时的集电极电流的关系。其结果，发现根据由各相的PWM指令信号的组合得到的马达各相的电压、基于直流电源电压、马达感应电压Em及马达常数(电感L)计算的马达相电流(ium、ivm以及iwm)的变化率、通过载波同步来采样的马达相电流值、以及PWM指令信号的脉冲宽度和半导体开关元件2的动作延迟所致的相位差，能够推测截止时的集电极电流。在实施例1中，半导体开关元件2的动作延迟是10微秒以下，预先设定为常数，但在马达相电流的变化率小的情况下，即使忽略动作延迟的影响也能够充分地提高电流精度。

图8是示出PWM指令信号、载波信号、马达相电流(Im)、为了用于马达控制而检测的马达电流值(电流采样)以及截止时的推测集电极电流各自的关系的图。

在实施例1中，使用上述关系，将PWM指令信号宽度、载波周期等控制用的内部参数以及马达相电流输入到电流计算部4，计算截止时的集电极电流。根据实施例1，能够使用以往使用的为了用于马达控制而检测出的电流值，高精度地推测截止时的集电极电流。

在图9中，关于开关断开延迟，在其(a)中示出与半导体开关元件2的接合温度(Tj)的关系，在其(b)中示出与集电极电流(Ice)的关系，在其(c)中示出与直流电源电压(Vce)的关系。

另外，向状态监视部6输入由时间比较部25计算出的开关断开延迟时间、由电流计算部4计算出的截止时的推测集电极电流、以及由电压计算部5计算出的截止时的直流电源电压，根据这些延迟时间与电流以及电压的关系，针对每次开关，推测半导体开关元件2的接合温度。在图9的(d)中例示性地示出其样子。

如以上那样，实施例1的着眼点之一在于，监视功率变换装置内的多个半导体开关元件2的磨损度，未然地防止系统的故障，通知合适的设备更新的时期。

图10是示出马达相电流的经时变化以及接合温度成为最大和最小的点的图。

状态监视部6具有如下单元，该单元例如如图10所示，在各马达相电流(Im)的一个周期中，监视最大值(Tmax)以及最小值(Tmin)下的开关动作时的接合温度，将其温度差和次数作为热循环的频度分布而存储到存储器等。作为将该热循环变换为频度的方法，例如有雨流(Rainflow)算法。

图11是示出接合温度的时间序列数据和变换为直方图的温度振幅频度的例子的图。横轴的温度振幅ΔT例如以5℃刻度来设定。纵轴是循环数N的对数显示(logN)。作为热循环额定，使用在半导体开关元件2的出厂时提供的功率循环试验。在图11中，Ni是温度振幅Ti的容许最大循环数，ni(图11所示的涂黑部分)是通过状态监视部6得到的温度振幅Ti的循环数。另外，通过ni/Ni给出各温度振幅Ti的磨损度Di，通过ΣDi给出整体的磨损度。

由状态监视部6计算出的ΣDi被发送到异常诊断部7。异常诊断部7在所输入的ΣDi超过规定值的情况下判定元件的磨损劣化，将判定结果通知给有关人员。此时，异常诊断部7也可以具备催促设备更新的GUI(Graphical User Interface，图形用户界面)。另外，还能够将异常判定结果发送给车辆信息综合系统，而且如果使异常判定结果包含于中央监视系统，则能够实现多个车辆的监视，能够对养护计划的最佳化作出贡献。

如以上那样，根据实施例1，储存半导体开关元件的接合温度变化的时间序列数据并与基准值进行比较判定，从而能够高精度地检测半导体开关元件以及与其关联的功率变换装置的磨损度，高精度地防止故障等不良现象，并且实现设备更新、养护的最佳化。

【实施例2】

实施例2提供一种使用本发明所涉及的结构来探测在功率变换装置中发生的突发性的异常的方法。具体而言，是由功率变换装置的接地故障等引起的电流值的异常的探测方法，以下说明该方法。

图12是在其(a)中示出正常动作时以及发生接地故障时的马达相电流(Im)的变化、并在其(b)中示出开关断开延迟时间和计算出的推测接合温度(Tj)的关系的图。

如图12的(a)所示，在发生接地故障时马达相电流(Im)的变化率与正常动作时相比变大，所以相比于由电流计算部4计算出的集电极电流的推测值，实际上使半导体开关元件2通电的集电极电流变大。

其结果，如图12的(b)所示，在发生接地故障的情况下开关断开延迟时间与正常动作时相比变短，所以根据开关断开延迟时间和集电极电流及集电极电压的各推测值，由状态监视部6推测的半导体开关元件2的接合温度(Tj)被推测为比正常动作时低。另外，由于开关断开延迟时间的电流依赖性大，所以在状态监视部6中，输出半导体开关元件2的接合温度(Tj)急剧地降低的异常的结果。

根据以上，能够根据开关断开延迟时间、集电极电流及集电极电压的各推测值，判定由接地故障等引起的集电极电流值的异常。

根据实施例2，在从状态监视部6输入到异常监视部7的接合温度(Tj)的时间序列数据中，在输出了接合温度变化比预定的值大的异常的值的情况下，能够判定电流值的异常。

一般而言，关于接地故障、短路的探测，预先设置参考电流值，在成为超过该参考电流值的过电流状态的情况下探测，所以存在探测定时延迟的课题。在实施例2的接地故障探测中，在未达到过电流状态的低电流区域中的动作中也能够针对每次开关判定有无异常，所以具有能够更早期地实施系统的保护的优点。

因此，通过实施例2所涉及的异常探测方法，能够防止或者减轻系统的损坏。

【实施例3】

实施例3提供使用本发明所涉及的结构来探测在功率变换装置中发生的突发性的异常的另一方法。具体而言，是栅极驱动电路的误动作的探测方法，以下说明该探测方法。

图13是将实施例3所涉及的控制部1的一部分的结构与栅极驱动电路3一起示出的图。

在前面的实施例1中，通过时间测定部23以及24分别测定反馈信号(FB)以及PWM指令信号的各脉冲宽度，通过时间比较部25计算开关断开延迟时间。在实施例3中，特征在于，除了前面的实施例1的结构以外还具备脉冲次数测定部26，根据时间测定部23以及24的输出结果，对反馈信号(FB)以及PWM指令信号的各脉冲次数进行计数。

图14是示出由实施例3所涉及的脉冲次数测定部26所计数的PWM信号以及反馈信号(FB)的各脉冲数的关系的图。

已知栅极驱动电路3有可能受到周边环境、功率变换装置自身的动作的影响而进行误动作。如果栅极驱动电路3由于误动作而意外地动作，则有时发生功率变换装置的短路，有可能系统受到损坏。

因此，一般而言比较PWM指令信号以及反馈信号的各输出，监视栅极驱动电路是否正常地动作，在PWM指令信号以及反馈信号的各输出的不一致期间大于预定的值的情况下，判定栅极驱动电路误动作。

然而，如图5所示，在正常动作时，在PWM指令信号与反馈信号之间存在由电路延迟、元件延迟引起的动作延迟，所以需要增大用于异常判定的输出不一致期间的阈值。这样，如果增大输出不一致期间的阈值，则无法检测短期间的误动作，所以有可能对系统造成劣化、损坏。

根据实施例3，基于PWM指令信号以及反馈信号(FB)的各脉冲数的比较来检测栅极驱动电路3的误动作，所以具有能够检测短期间的误动作的优点。而且，如图14所示，通过时间测定部23还能够测定反馈信号(FB)的脉冲宽度，所以还能够检测误动作期间。

因此，通过实施例3所涉及的异常探测方法，能够防止或者减轻系统的损坏。

Claims

1.一种功率变换装置，是具有开关元件的功率变换装置，其中，

所述功率变换装置具备：

栅极驱动电路，根据用于驱动所述开关元件的PWM指令信号，驱动所述开关元件；

电流计算部及电压计算部，进行用于分别推测所述开关元件成为截止的定时下的集电极电流或漏极电流以及集电极电压或漏极电压的计算；

状态监视部，根据所述PWM指令信号、伴随所述开关元件的开关动作而生成的反馈信号、所述集电极电流或所述漏极电流的推测电流以及所述集电极电压或所述漏极电压的推测电压，推测所述功率变换装置的运转状态；以及

异常诊断部，根据所述状态监视部所推测的所述功率变换装置的运转状态，判定该功率变换装置的异常。

2.根据权利要求1所述的功率变换装置，其中，

通过将所述开关元件的开关动作时的栅极与发射极或源极之间的电压、和开关接通参考电压及开关断开参考电压分别进行比较，生成所述反馈信号。

3.根据权利要求1或者2所述的功率变换装置，其中，

所述功率变换装置具备：

第1时间测定部，测定所述PWM指令信号的接通期间或断开期间；以及

第2时间测定部，测定所述反馈信号的接通期间或断开期间，

根据由所述第1时间测定部测定的所述PWM指令信号的接通期间或断开期间、和由所述第2时间测定部测定的所述反馈信号的接通期间或断开期间，计算所述开关元件的开关断开延迟时间。

4.根据权利要求1或者2所述的功率变换装置，其中，

所述功率变换装置具备时间测定部，该时间测定部测定从所述PWM指令信号的开关断开至所述反馈信号的开关断开的时间，

根据所述时间测定部的测定值，计算所述开关元件的开关断开延迟时间。

5.根据权利要求1或者2所述的功率变换装置，其中，

所述电压计算部根据在所述功率变换装置的直流电源侧的正极与负极之间设置的电容器的测定电压，计算所述集电极电压或所述漏极电压的推测电压。

6.根据权利要求1或者2所述的功率变换装置，其中，

所述电流计算部根据所述功率变换装置输出的各相电流的测定电流、所述PWM指令信号以及所述集电极电压或所述漏极电压的推测电压，计算所述开关元件成为开关断开的定时下的所述集电极电流或所述漏极电流的推测电流。

7.根据引用权利要求1的权利要求3或者4所述的功率变换装置，其中，

所述状态监视部根据所述开关断开延迟时间、所述集电极电流或所述漏极电流的推测电流以及所述集电极电压或所述漏极电压的推测电压，计算所述开关元件的接合温度。

8.根据权利要求7所述的功率变换装置，其中，

所述状态监视部根据计算出的所述接合温度的时间序列数据，计算该接合温度变化的温度振幅以及该接合温度以该温度振幅变化的次数，并根据该温度振幅和该次数来计算所述开关元件的磨损度。

9.根据引用权利要求1的权利要求3或者4所述的功率变换装置，其中，

所述异常诊断部根据所述开关断开延迟时间、所述集电极电压或所述漏极电压的推测电压以及所述集电极电流或所述漏极电流的推测电流，判定所述集电极电流或所述漏极电流的电流值的异常。

10.根据权利要求1或者2所述的功率变换装置，其中，

所述功率变换装置具备脉冲次数测定部，该脉冲次数测定部分别测定所述PWM指令信号的脉冲次数以及所述反馈信号的脉冲次数，

根据所测定的各个所述脉冲次数的比较结果，探测所述栅极驱动电路的误动作。

11.一种功率变换装置的诊断方法，具有：

第1步骤，分别推测构成功率变换装置的开关元件成为截止的定时下的集电极电流或漏极电流以及集电极电压或漏极电压；

第2步骤，根据用于驱动所述开关元件的PWM指令信号、伴随所述开关元件的开关动作而生成的反馈信号、所述集电极电流或所述漏极电流的推测电流以及所述集电极电压或所述漏极电压的推测电压，推测所述功率变换装置的运转状态；以及

第3步骤，根据所推测的所述功率变换装置的运转状态，判定该功率变换装置的异常。

12.根据权利要求11所述的功率变换装置的诊断方法，其中，

13.根据权利要求11或者12所述的功率变换装置的诊断方法，其中，还具有：

第4步骤，测定所述PWM指令信号的接通期间或断开期间以及所述反馈信号的接通期间或断开期间；以及

第5步骤，根据所测定的所述PWM指令信号的接通期间或断开期间、和所测定的所述反馈信号的接通期间或断开期间，计算所述开关元件的开关断开延迟时间。

14.根据权利要求11或者12所述的功率变换装置的诊断方法，其中，还具有：

第4步骤，测定从所述PWM指令信号的开关断开至所述反馈信号的开关断开的时间；以及

第5步骤，根据所测定的所述时间，计算所述开关元件的开关断开延迟时间。

15.根据引用权利要求11的权利要求13或者14所述的功率变换装置的诊断方法，其中，还具有：

第6步骤，根据所述开关断开延迟时间、所述集电极电流或所述漏极电流的推测电流以及所述集电极电压或所述漏极电压的推测电压，计算所述开关元件的接合温度。

16.根据权利要求15所述的功率变换装置的诊断方法，其中，还具有：

第7步骤，根据计算出的所述接合温度的时间序列数据，计算所述接合温度变化的温度振幅以及该接合温度以该温度振幅变化的次数，并根据该温度振幅和该次数来计算所述开关元件的磨损度。

17.根据引用权利要求11的权利要求13或者14所述的功率变换装置的诊断方法，其中，还具有：

第8步骤，根据所述开关断开延迟时间、所述集电极电压或所述漏极电压的推测电压以及所述集电极电流或所述漏极电流的推测电流，判定所述集电极电流或所述漏极电流的电流值的异常。

18.根据权利要求11或者12所述的功率变换装置的诊断方法，其中，还具有：

第9步骤，分别测定所述PWM指令信号的脉冲次数以及所述反馈信号的脉冲次数；以及

第10步骤，根据所测定的各个所述脉冲次数的比较结果，探测所述开关元件的栅极驱动电路的误动作。