專利名稱：電力變換裝置和功率循環(huán)壽命預(yù)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力變換裝置和功率循環(huán)壽命預(yù)測(cè)方法。
背景技術(shù)：
以產(chǎn)業(yè)界為始，在家電制品中，也大多采用作為電力變換裝置的 變換器(,y^—夕)作為電動(dòng)機(jī)的速度控制裝置。由于電力變換裝 置內(nèi)的功率半導(dǎo)體產(chǎn)生大的損失，采用冷卻由這種損失產(chǎn)生的熱量的
結(jié)構(gòu)。即，具有冷卻翅片(7o)和冷卻風(fēng)扇(:77乂)，將從成為 發(fā)熱體的功率半導(dǎo)體產(chǎn)生的熱傳熱至冷卻翅片，利用冷卻風(fēng)扇將空氣 送至冷卻翅片，進(jìn)行熱交換，利用空冷方式放熱。
在將升降機(jī)和業(yè)務(wù)用洗滌機(jī)(投幣式洗衣機(jī)(〕^ y ， 乂卜、、y —)) 等起動(dòng)和停止頻繁地反復(fù)的用途中，產(chǎn)生大的損失的功率半導(dǎo)體內(nèi)部
的芯片的結(jié)(-卞:/夕、>3>0溫度Tj重復(fù)成為高溫狀態(tài)(裝置運(yùn)轉(zhuǎn)
時(shí)，硅芯片的結(jié)溫度上升)一中溫狀態(tài)(裝置停止時(shí)硅芯片的結(jié)溫度 降低)4高溫狀態(tài)(裝置運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)硅芯片的結(jié)溫度上升)的所謂功率循 環(huán)。由于眾所周知的功率循環(huán)的壽命，產(chǎn)生上述功率半導(dǎo)體熱疲勞破 壞的現(xiàn)象。
由于功率半導(dǎo)體由熱膨脹系數(shù)不同的材料(硅芯片，銅熱擴(kuò)散板， 塑料，硅凝膠等)構(gòu)成，由于熱膨脹和熱收縮的反復(fù)引起的熱應(yīng)力， 產(chǎn)生鋁接合線的剝離或焊劑開裂，最終功率半導(dǎo)體破壞。將這種現(xiàn)象 稱為功率循環(huán)。
在日本特開平3-261877號(hào)公報(bào)中說(shuō)明了下述技術(shù)，即，利用電流 和冷卻翅片的溫度推斷功率半導(dǎo)體的結(jié)溫度，利用該推斷值和功率半 導(dǎo)體的運(yùn)轉(zhuǎn)履歷計(jì)算裝置推斷功率半導(dǎo)體的疲勞程度，當(dāng)該疲勞推斷 值超過(guò)規(guī)定值時(shí)，顯示壽命。
在日本特開平7-135731號(hào)公報(bào)中說(shuō)明了下述技術(shù)，即，利用電流， 電壓和冷卻翅片的溫度推斷功率半導(dǎo)體的結(jié)溫度，利用該推斷值推斷功率半導(dǎo)體的疲勞程度，當(dāng)該疲勞推斷值超過(guò)規(guī)定值時(shí)，斷開功率半 導(dǎo)體。
在日本特開平8-51768號(hào)公報(bào)中說(shuō)明了下述技術(shù)，g卩，輸入設(shè)定變 換器裝置運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)和停止時(shí)的功率元件的結(jié)溫度差，從功率循環(huán)壽命曲 線推斷功率半導(dǎo)體的疲勞程度，當(dāng)該疲勞推斷值超過(guò)規(guī)定值時(shí)，斷開 功率半導(dǎo)體。
在日本特開2006-254574號(hào)公報(bào)中說(shuō)明了下述技術(shù)，即，利用輸出 頻率指令值和輸出電流值推斷功率半導(dǎo)體的結(jié)溫度差，從功率循環(huán)壽 命曲線顯示功率半導(dǎo)體的功率循環(huán)壽命的殘存率。
這樣，通過(guò)推斷功率半導(dǎo)體的結(jié)溫度推測(cè)功率半導(dǎo)體的疲勞程度， 推斷功率半導(dǎo)體零件的壽命。
在頻繁地反復(fù)升降機(jī)和業(yè)務(wù)用洗滌機(jī)(投幣式洗衣機(jī))等起動(dòng)和 停止的用途中，產(chǎn)生大的損失的功率半導(dǎo)體內(nèi)部的芯片的結(jié)溫度Tj重 復(fù)成為高溫狀態(tài)(裝置運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，硅芯片的結(jié)溫度上升)一中溫狀態(tài)(裝 置停止時(shí)硅芯片的結(jié)溫度降低)一高溫狀態(tài)(裝置運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，硅芯片的 結(jié)溫度上升)的所謂功率循環(huán)，由于眾所周知的功率循環(huán)的壽命，產(chǎn) 生上述功率半導(dǎo)體熱疲勞破壞的現(xiàn)象。
特別是在升降機(jī)等的用途中，當(dāng)在上述功率循環(huán)壽命中，上述功 率半導(dǎo)體熱疲勞破壞，電力變換裝置發(fā)生故障時(shí)，存在升降機(jī)不動(dòng)作 的情況，因此希望能夠根據(jù)用途診斷功率半導(dǎo)體的功率循環(huán)壽命的時(shí) 期。
在上述專利文獻(xiàn)中說(shuō)明的技術(shù)為，通過(guò)推斷功率半導(dǎo)體的結(jié)溫度， 推測(cè)功率半導(dǎo)體的疲勞程度，推定零件的壽命。
但是，是在設(shè)備工作2年后或3年后警告功率半導(dǎo)體疲勞的，為 在緊急情況下的功率半導(dǎo)體即將疲勞破壞前進(jìn)行判別方式。即，在設(shè) 備導(dǎo)入的試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，不能從實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)圖形(A夕一y)的狀況，推斷 功率半導(dǎo)體的疲勞壽命，沒有從設(shè)備的使用方便性方面加以考慮。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是考慮上述問(wèn)題而提出的，其目的是提供實(shí)現(xiàn)了設(shè)備側(cè)的 使用方便性的提高的電力變換裝置。另一個(gè)目的是提供可提高設(shè)備的使用方便性的功率循環(huán)壽命預(yù)測(cè)方法。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的電力變換裝置的具體形式為，包括: 供給電壓可變頻率可變的交流電力的電力變換電路；檢測(cè)上述電力 變換電路內(nèi)的功率半導(dǎo)體的溫度的檢測(cè)電路；和利用上述檢測(cè)電路 的檢測(cè)值，診斷上述功率半導(dǎo)體的功率循環(huán)壽命的計(jì)算裝置。
另外，在上述電力變換裝置中，優(yōu)選的方式如下所述。
(1) 上述計(jì)算裝置根據(jù)上述電力變換裝置的起動(dòng)和停止的運(yùn)轉(zhuǎn) 圖形的最大溫度上升值，計(jì)算上述功率半導(dǎo)體的功率循環(huán)壽命。
(2) 上述檢測(cè)電路設(shè)置在上述功率半導(dǎo)體內(nèi)部，使用來(lái)自設(shè)置
在功率半導(dǎo)體組件內(nèi)部的溫度檢測(cè)元件的溫度檢測(cè)信號(hào)，計(jì)算上述 功率半導(dǎo)體的功率循環(huán)壽命。
(3) 包括搭載有上述功率半導(dǎo)體的冷卻翅片，使用來(lái)自設(shè)置在
該冷卻翅片上的溫度檢測(cè)元件的溫度檢測(cè)信號(hào)，計(jì)算上述功率半導(dǎo) 體的功率循環(huán)壽命。
(4) 在上述(2) (3)中，上述溫度檢測(cè)電路內(nèi)的溫度檢測(cè)元件 由表示與溫度成比例的電阻值的熱敏電阻構(gòu)成。
(5) 包括根據(jù)由上述檢測(cè)電路檢測(cè)的溫度顯示功率循環(huán)壽命年 數(shù)的顯示部。
(6) 在具有顯示部的裝置中，在該顯示部上顯示上述功率循環(huán)壽 命年數(shù)計(jì)算時(shí)的溫度差。
(7) 如上述(5) (6)那樣，在具有顯示部的電力變換裝置中， 還具有設(shè)定該電力變換裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)條件的操作板，上述顯示部設(shè)在該 操作板上。
(8) 在具有操作板的電力變換裝置中，能夠從上述操作板選擇試 運(yùn)轉(zhuǎn)模式作為該電力變換裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)條件。
(9) 在選擇了試運(yùn)轉(zhuǎn)模式的情況下，作為該電力變換裝置的運(yùn)轉(zhuǎn) 條件，能夠從上述操作板設(shè)定"每單位時(shí)間反復(fù)的起動(dòng) 停止的反復(fù) 次數(shù)"、"一日的工作時(shí)間"和"一年的工作日數(shù)"。
另外，為了達(dá)到上述目的，功率循環(huán)壽命預(yù)測(cè)方法的具體形式為， 一種診斷設(shè)置在供給電壓可變頻率可變的交流電力的電力變換電路 中的功率半導(dǎo)體的功率循環(huán)壽命的功率循環(huán)壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于檢測(cè)所述功率半導(dǎo)體的溫度，根據(jù)檢測(cè)出的所述功率半導(dǎo)體 的溫度的最大溫度上升值，計(jì)算所述功率半導(dǎo)體的功率循環(huán)壽命。
采用本發(fā)明，能夠提供設(shè)備使用方便性提高的電力變換裝置和功 率循環(huán)壽命預(yù)測(cè)方法。
本發(fā)明的這些和其他特點(diǎn)、目的和優(yōu)點(diǎn)能夠從下面結(jié)合附圖的說(shuō) 明中得到更清楚的闡釋。


圖1為電力變換裝置的主電路構(gòu)成圖； 圖2為電力變換裝置的主電路零件配置圖的一個(gè)例子； 圖3為運(yùn)轉(zhuǎn)圖形和溫度檢測(cè)器的檢測(cè)溫度的一個(gè)例子； 圖4為功率半導(dǎo)體的功率循環(huán)壽命曲線；
圖5為基于功率循環(huán)壽命的熱疲勞時(shí)期的推斷預(yù)知診斷的實(shí)施例； 圖6為本發(fā)明的流程圖的實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
這里，雖然對(duì)本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施方式進(jìn)行了列舉和說(shuō)明，但是需 要理解的是，對(duì)實(shí)施方式進(jìn)行允許的變更和改進(jìn)將不會(huì)脫離本發(fā)明的 范圍。因此，本發(fā)明并不局限于闡述的實(shí)施方式，所有落入附屬權(quán)利 要求書的范圍內(nèi)的變更和改進(jìn)均將被本發(fā)明所覆蓋。
以下，利用

本發(fā)明的實(shí)施方式。圖1為表示根據(jù)本發(fā)明 的實(shí)施方式的電力變換裝置的主電路的構(gòu)成圖。本實(shí)施方式的電力變 換電路具有對(duì)交流電源的交流電壓進(jìn)行整流變換為直流電壓的順變換 器1、平滑該順變換器1的直流電壓的平滑用電容器2和將順變換器1 的直流電壓變換為交流電壓的逆變換器3，并且將電壓可變頻率可變的 交流電力輸出至交流電動(dòng)機(jī)4。
本實(shí)施方式的電力變換裝置的各種控制數(shù)據(jù)可以利用數(shù)字操作板 8進(jìn)行設(shè)定變更。在該數(shù)字操作板8上設(shè)有顯示部，為進(jìn)行異常顯示的 結(jié)構(gòu)。
順變換器1和逆變換器3內(nèi)的功率半導(dǎo)體組件搭載在后述的冷卻 翅片上，利用冷卻風(fēng)扇6，按空冷方式冷卻。這些具體的結(jié)構(gòu)以后說(shuō)明。溫度檢測(cè)器7搭載在冷卻翅片上，檢測(cè)順變換器1和逆變換器3內(nèi)的 功率半導(dǎo)體組件的加熱。
在功率半導(dǎo)體組件的內(nèi)部設(shè)有溫度檢測(cè)器11。該溫度檢測(cè)器11設(shè) 在硅芯片附近。作為這些溫度檢測(cè)器7， 11，電阻值根據(jù)溫度變化的熱 敏電阻合適。熱敏電阻也可以為與溫度上升的同時(shí)電阻值上升的特性， 也可以為與溫度上升的同時(shí)，電阻值減小的特性。
作為在逆變換機(jī)3中使用的功率半導(dǎo)體的開關(guān)元件由搭載有微型 計(jì)算機(jī)的控制電路5控制。該控制電路5進(jìn)行擔(dān)任電力變換裝置全體 的控制的動(dòng)作。具體的是，構(gòu)成為根據(jù)從數(shù)字操作板8輸入的各種控 制數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的控制處理。另外，由符號(hào)12表示的部分為驅(qū)動(dòng)逆變 換器3的開關(guān)元件的驅(qū)動(dòng)器電路。
圖2為主電路零件配置圖的一個(gè)例子。在一個(gè)組件內(nèi)搭載有順變 換器1、逆變換器3和溫度傳感器7的作為集合功率半導(dǎo)體的復(fù)合組件 13搭載在冷卻翅片14上，用于冷卻冷卻翅片14的冷卻風(fēng)扇6 (圖中 的虛線部分)安裝在冷卻翅片的上面。
由于作為集合功率半導(dǎo)體構(gòu)成的復(fù)合組件13產(chǎn)生大的損失，所以 基于該損失產(chǎn)生的發(fā)熱傳熱至冷卻翅片14，利用冷卻風(fēng)扇6冷卻冷卻 翅片14。利用該冷卻風(fēng)扇6能夠從溫度上升的過(guò)熱保護(hù)作為集合功率 半導(dǎo)體的復(fù)合組件13。
這里，在電力變換裝置的周圍溫度異常高的情況下，吸入這個(gè)周 圍溫度的冷卻風(fēng)扇的吸氣溫度變高，冷卻效率降低，當(dāng)由溫度檢測(cè)器7 檢測(cè)的溫度為預(yù)先設(shè)定的溫度以上時(shí)，停止電力變換裝置，顯示功率 半導(dǎo)體的溫度過(guò)熱。
在頻繁地反復(fù)升降機(jī)和業(yè)務(wù)用洗滌機(jī)(投幣式洗衣機(jī))等起動(dòng)和 停止的用途中，產(chǎn)生大的損失的功率半導(dǎo)體內(nèi)部的芯片的結(jié)溫度Tj重 復(fù)成為高溫狀態(tài)(裝置運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，硅芯片的結(jié)溫度上升)一中溫狀態(tài)(裝 置停止時(shí)硅芯片的結(jié)溫度降低)一高溫狀態(tài)(裝置運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)硅芯片的結(jié) 溫度上升)的所謂功率循環(huán)。通過(guò)這些反復(fù)，雖然功率半導(dǎo)體不會(huì)達(dá) 到溫度過(guò)熱，但是也會(huì)由于功率循環(huán)壽命，產(chǎn)生功率半導(dǎo)體熱疲勞破 壞的現(xiàn)象。
在升降機(jī)等的用途中，由于根據(jù)功率循環(huán)壽命，在功率半導(dǎo)體熱疲勞破壞且電力變換裝置故障的情況下，升降機(jī)不動(dòng)作，因此希望能 夠根據(jù)用途診斷功率半導(dǎo)體的功率循環(huán)壽命的時(shí)期。
專利文獻(xiàn)中說(shuō)明的內(nèi)容為從結(jié)溫度推斷功率半導(dǎo)體的功率循環(huán)壽 命的方式，可以考慮利用運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)，在設(shè)備工作后接近1年的時(shí)間， 發(fā)出壽命警告。即，本身存在設(shè)備工作后哪一年出現(xiàn)壽命問(wèn)題為不可 預(yù)知的問(wèn)題。在試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，不能預(yù)先知道在設(shè)備工作后比較短的期間 中，是否發(fā)生功率循環(huán)壽命引起的熱疲勞破壞。
在這種情況下，由于發(fā)出功率半導(dǎo)體的壽命警告，可避免設(shè)備停 止，但即使發(fā)出壽命警告，如果在工作后僅1年中發(fā)生由功率循環(huán)壽 命引起的熱疲勞破壞，則是作為設(shè)備的問(wèn)題，存在設(shè)備試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不能 預(yù)先驗(yàn)證電力變換裝置的容量選定有差錯(cuò)的可能性的問(wèn)題。
圖3為頻繁地反復(fù)起動(dòng)和停止的升降機(jī)用途的運(yùn)轉(zhuǎn)圖形的一個(gè)例 子。散熱片的檢測(cè)溫度為搭載在圖1的冷卻翅片上的溫度檢測(cè)器7的 檢測(cè)溫度。如果升降機(jī)起動(dòng)，到達(dá)指定的層則停止，這時(shí)，在電力變
換裝置內(nèi)，產(chǎn)生大的損失的功率半導(dǎo)體9內(nèi)部的芯片結(jié)溫度Tj成為高
溫狀態(tài)(裝置運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，硅芯片的結(jié)溫度上升)一中溫狀態(tài)(裝置停止 時(shí)，硅芯片的結(jié)溫度降低)一高溫狀態(tài)(裝置運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，硅芯片的結(jié)溫 度上升)。
在頻繁地反復(fù)起動(dòng)和停止的運(yùn)轉(zhuǎn)圖形中，功率半導(dǎo)體9的內(nèi)部芯
片溫度使所謂的功率循環(huán)反復(fù)。
在這種情況下，當(dāng)然，從成為發(fā)熱體的功率半導(dǎo)體發(fā)生的熱傳熱
至冷卻翅片，冷卻功率半導(dǎo)體的冷卻翅片的溫度Tc也與芯片結(jié)溫度Tj 有一定的相關(guān)，而上升下降。如果監(jiān)視設(shè)置在該運(yùn)轉(zhuǎn)圖形的功率半導(dǎo) 體9附近的冷卻翅片14上的溫度檢測(cè)器7的檢測(cè)溫度，則能夠預(yù)知該 運(yùn)轉(zhuǎn)圖形下的功率循環(huán)壽命次數(shù)。
當(dāng)然，能夠利用下述式子，從上述冷卻翅片上的溫度Tc推斷芯片 結(jié)溫度Tj，從該結(jié)溫度Tj預(yù)知功率循環(huán)壽命次數(shù)，本實(shí)施方式的意圖
沒有任何改變。 Tj=Tc+Rjc*Pl
式中，Rjc為結(jié)和殼體間的熱電阻值，Pl為電力變換裝置的運(yùn)轉(zhuǎn) 圖形下的功率半導(dǎo)體9的損失。該損失P1—般用下式表示。Pl=Pon+Poff+Psat
式中，Pon為功率半導(dǎo)體9從斷開狀態(tài)移至接通狀態(tài)時(shí)的接通損 失，Poff為功率半導(dǎo)體9從接通狀態(tài)移至斷開狀態(tài)時(shí)的斷開損失，Psat 為定常損失
由于高精度地檢測(cè)計(jì)算上述功率半導(dǎo)體9的損失P1相當(dāng)麻煩，這 里說(shuō)明使用上述冷卻翅片的檢測(cè)溫度Tc的方法。
圖4為功率半導(dǎo)體9的功率循環(huán)壽命曲線。該壽命曲線為功率半 導(dǎo)體固有的，不是功率半導(dǎo)體的周圍溫度，而是利用功率半導(dǎo)體的溫 度上升值從根本上決定的，這點(diǎn)是重要的。
艮口，如果殼體溫度的上升值確定，則能夠從上述功率循環(huán)壽命曲 線簡(jiǎn)單地讀取循環(huán)壽命次數(shù)。
例如，在求得殼體溫度的最大溫度上升值A(chǔ)Tc2下的循環(huán)壽命次數(shù) 的情況下，從圖4可知，與ATc2和循環(huán)壽命曲線的交點(diǎn)A相應(yīng)的循 環(huán)壽命次數(shù)Nc2為其解。
試著實(shí)際地代入數(shù)值，定量地求循環(huán)壽命次數(shù)Nc2。
必需求上述殼體溫度的最大溫度上升值A(chǔ)Tc2下的升降機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn) 圖形循環(huán)。這里，該運(yùn)轉(zhuǎn)圖形以15秒(相當(dāng)于圖3的At2) —次的頻 度反復(fù)，在一日工作IO小時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)條件下， 一年的運(yùn)轉(zhuǎn)圖形循環(huán)次數(shù) X反復(fù)，
X= (60/15) *60*10*365=876000次/年的起動(dòng)和停止。
式中，60/15: —分鐘的升降機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和停止次數(shù)，
60/15*60: 1小時(shí)的升降機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)和停止次數(shù)，
60/15*60*10: 1日的升降機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)和停止次數(shù)。
當(dāng)在這個(gè)條件下的殼體溫度的最大溫度上升值A(chǔ)Tc2下的功率循 環(huán)壽命次數(shù)Nc2為1000， 000次(圖4的交點(diǎn)A)時(shí)，該運(yùn)轉(zhuǎn)圖形條 件下的功率半導(dǎo)體9的功率循環(huán)壽命年數(shù)Y為
Y=l 000000/876000=1.1年。
艮口，如果按上述運(yùn)轉(zhuǎn)圖形運(yùn)轉(zhuǎn)，則在升降機(jī)工作后僅1年多，功 率半導(dǎo)體9就熱疲勞破壞，升降機(jī)設(shè)備停止。
專利文獻(xiàn)中說(shuō)明的內(nèi)容為從結(jié)溫度推斷功率半導(dǎo)體的功率循環(huán)壽 命的方式，可以考慮利用運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)，在設(shè)備工作后接近1年的時(shí)間，發(fā)出壽命警告。即，本身存在設(shè)備工作后哪一年出現(xiàn)壽命問(wèn)題為不可 預(yù)知的問(wèn)題。在試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，不能預(yù)先知道在設(shè)備工作后比較短的期間 中，是否發(fā)生功率循環(huán)壽命引起的熱疲勞破壞。
在這種情況下，由于發(fā)出功率半導(dǎo)體的壽命警告，可避免設(shè)備停 止，但即使發(fā)出壽命警告，由于工作后經(jīng)過(guò)近1年，開始按照壽命警 告信號(hào)等判定發(fā)生由功率循環(huán)壽命引起的熱疲勞破壞，這是作為設(shè)備 的問(wèn)題，存在設(shè)備試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，不能預(yù)先驗(yàn)證電力變換裝置的容量選定 出現(xiàn)差錯(cuò)的可能性的問(wèn)題。
圖5為在設(shè)備試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)鑒于上述問(wèn)題提出的電力變換裝置內(nèi) 的功率半導(dǎo)體的功率循環(huán)壽命引起的熱疲勞的時(shí)期進(jìn)行推斷預(yù)知診斷 的方法的實(shí)施方式。
求上述功率循環(huán)壽命年數(shù)時(shí)必要的要素具體地為以下的事項(xiàng)。
(1) 設(shè)置對(duì)從設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)圖形的起動(dòng)，停止時(shí)到下一起動(dòng)時(shí)的功率 半導(dǎo)體的最大溫度上升差進(jìn)行檢測(cè)的溫度檢測(cè)電路17;
(2) 設(shè)置存儲(chǔ)功率半導(dǎo)體的功率循環(huán)壽命曲線的存儲(chǔ)裝置(例如， 非易失性存儲(chǔ)器16);
(3) 具備能夠設(shè)定運(yùn)轉(zhuǎn)模式選擇和設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)圖形的每單位時(shí)間的 反復(fù)次數(shù)M的操作板；
(4) 設(shè)置當(dāng)從上述操作板設(shè)定每單位時(shí)間的反復(fù)次數(shù)M時(shí)，從
上述功率半導(dǎo)體的最大溫度上升差和上述存儲(chǔ)功率循環(huán)壽命曲線數(shù)據(jù)
計(jì)算功率循環(huán)壽命年數(shù)Y的裝置(例如微型計(jì)算機(jī)15);
(5) 具備設(shè)有顯示上述計(jì)算的功率循環(huán)壽命年數(shù)的顯示部的操作板。
圖6為上述事項(xiàng)的本實(shí)施方式的流程圖。
在頻繁地反復(fù)起動(dòng)和停止的升降機(jī)等用途中，設(shè)備試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，利
用搭載在電力變換裝置中的數(shù)字操作板8選擇試運(yùn)轉(zhuǎn)模式，輸入設(shè)置 在試運(yùn)轉(zhuǎn)模式欄的試運(yùn)轉(zhuǎn)單位時(shí)間內(nèi)反復(fù)的起動(dòng)和停止的次數(shù)M、 一 日的工作時(shí)間H和一年的工作日數(shù)D。另外，在試運(yùn)轉(zhuǎn)模式中，預(yù)先 將多個(gè)有代表性的運(yùn)轉(zhuǎn)圖形存儲(chǔ)在存儲(chǔ)裝置中，從這些圖形適當(dāng)?shù)剡x 擇也可以。在顯示有代表性的運(yùn)轉(zhuǎn)圖形的基礎(chǔ)上，設(shè)定者增減該顯示 的運(yùn)轉(zhuǎn)圖形，設(shè)定M、 H、 D也可以。開始試運(yùn)轉(zhuǎn)，反復(fù)起動(dòng)和停止。這時(shí)，通過(guò)溫度檢測(cè)電路17，將 搭載在功率半導(dǎo)體附近的溫度檢測(cè)器7的信號(hào)傳送至微型計(jì)算機(jī)15。
溫度檢測(cè)器7為熱敏電阻。這種情況的熱敏電阻的溫度特性取在
溫度上升的同時(shí)其電阻值減小的情況為例進(jìn)行說(shuō)明。
溫度T下的熱敏電阻的電阻值RT用下式表示。 RT=R25*exp[B*{l/ (T+273) -1/ (T25+273) }]." (1) 式中，R25:溫度25。C的熱敏電阻的電阻值，
T25:溫度25。C (T25=25)，
B:常數(shù)
當(dāng)熱敏電阻的溫度上升時(shí)，熱敏電阻的電阻值RT減小。通過(guò)搭載 在溫度檢測(cè)電路17中的分壓電阻Rl，微型計(jì)算機(jī)15的模擬口端子 AD的輸入電壓增大。根據(jù)該電壓值，微型計(jì)算機(jī)從上述(1)式實(shí)時(shí) 地計(jì)算溫度T。
另外，上述(1)式的計(jì)算復(fù)雜，可以從上述(1)式求得表示與 熱敏電阻的電阻值成比例的模擬口端子AD的輸入電壓和熱敏電阻的 溫度相關(guān)的數(shù)據(jù)，預(yù)先將該數(shù)據(jù)作為表數(shù)據(jù)保持在非易失性的存儲(chǔ)器 16中，從該表數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地調(diào)出熱敏電阻的溫度T也可以。
開始最嚴(yán)峻的運(yùn)轉(zhuǎn)圖形的試運(yùn)轉(zhuǎn)，計(jì)算圖2所示的起動(dòng)和停止期 間Atl的功率半導(dǎo)體9的溫度上升差A(yù)Tcl，計(jì)算下一起動(dòng)和停止期間 At2的功率半導(dǎo)體9的溫度上升差A(yù)Tc2。
依次通過(guò)計(jì)算求起動(dòng)和停止期間Atn的功率半導(dǎo)體9的溫度上升 差A(yù)Tcn，從這些溫度上升差A(yù)Tcn中，保持最高的溫度上升差A(yù)Tcj。
這里，從上述最高的溫度上升差A(yù)Tcj只除去初次的溫度上升差A(yù) Tcl也可以。即，意味著從溫度上升差A(yù)Tc2以后中，保持最高的溫度 上升差A(yù)Tcj也可以。
這里，說(shuō)明能夠除去初次的溫度上升差A(yù)Tcl這點(diǎn)。
在復(fù)合組件13中安裝有構(gòu)成逆變換器3的IGBT的芯片。
該IGBT芯片的溫度特性為正反饋，如果芯片溫度上升，則芯片的 集電極和發(fā)射極之間的電壓Vcht增加(正反饋)。
當(dāng)然，將IGBT芯片的溫度特性設(shè)計(jì)成負(fù)反饋(如果芯片溫度上升， 則芯片的集電極和發(fā)射極之間的電壓VCEsat減少)也可以。該溫度特性為IGBT芯片設(shè)計(jì)時(shí)的設(shè)計(jì)思想。
例如，在制造額定電流為600A的IGBT組件的情況下，并列連接 3個(gè)200A的芯片或并列連接2個(gè)300A的芯片，比制造1個(gè)600A的 芯片，在芯片成品率方向是有利的。由于這樣， 一般，并列連接多個(gè) 小的額定電流的芯片，制造大的額定電流的組件。
由于并列連接多個(gè)芯片，在考慮將芯片的溫度特性設(shè)計(jì)成正反饋 特性或設(shè)計(jì)成負(fù)反饋特性的情況下，當(dāng)然設(shè)計(jì)成正反饋特性是有利的。
在并列連接兩個(gè)芯片的情況下，如果兩個(gè)并列芯片為完全相同的 特性，則流動(dòng)的電流在兩個(gè)芯片中均等地流動(dòng)。但是，實(shí)際上兩個(gè)芯 片的特性不會(huì)完全相同，必然產(chǎn)生特性偏差。
假設(shè)考慮并列連接兩個(gè)設(shè)計(jì)成負(fù)反饋特性的芯片的情況，則在芯 片的集電極(〕k夕夕)和發(fā)射極(工$ 、乂夕)之間的電壓VcEw低的 芯片中，電流偏流，當(dāng)該電流使芯片溫度上升時(shí)，由于設(shè)計(jì)成負(fù)反饋 特性，在溫度上升的同時(shí)，集電極和發(fā)射極之間的電壓Vo^進(jìn)一步降 低，該芯片的電流增加，集電極和發(fā)射極之間的電壓Vo^t高的芯片的 分擔(dān)電流減少。
這樣，盡管并列連接相同的額定電流的芯片，但是在兩個(gè)芯片中 流動(dòng)的分擔(dān)電流不均等，只有一個(gè)芯片過(guò)負(fù)荷。
這樣，在設(shè)計(jì)芯片的溫度特性的情況下，必然是設(shè)計(jì)成正反饋特 性有利。
如果根據(jù)芯片的溫度特性考慮，則芯片自身與周圍溫度相同的試 運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的初次的溫度上升差A(yù)Tcl在溫度上升差A(yù)Tcn中不是最高的。
當(dāng)然，在實(shí)施圖形運(yùn)轉(zhuǎn)中，在芯片溫度上升的過(guò)程中，芯片產(chǎn)生 的損失增大，容易想象，溫度上升差A(yù)Tcj可能成為最高。
從這種研究考慮，除去初次的溫度上升差A(yù)Tcl，也可以從上述最 高的溫度上升差A(yù)Tcj進(jìn)行除去。
從預(yù)先存放在非易失性存儲(chǔ)器中的功率循環(huán)壽命曲線數(shù)據(jù)讀取與 該溫度上升差A(yù)Tcj相當(dāng)?shù)墓β恃h(huán)壽命次數(shù)Nj。
在非易失性存儲(chǔ)器16中作為表數(shù)據(jù)，預(yù)先具有表示與功率循環(huán)曲 線的溫度的相關(guān)的數(shù)據(jù)，從該表數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地調(diào)出溫度的功率循環(huán)壽命 也可以。其次，利用從數(shù)字操作板8設(shè)定輸入的1小時(shí)內(nèi)反復(fù)的起動(dòng)和停
止的次數(shù)M和1日的工作時(shí)間H與一年的工作日數(shù)D的數(shù)據(jù)，利用下 式計(jì)算在該運(yùn)轉(zhuǎn)圖形條件下的功率半導(dǎo)體9的功率循環(huán)壽命年數(shù)Y。 Y=a*Nj/ (M*H*D)
a為從數(shù)字操作板可以設(shè)定輸入的安全系數(shù)(a《l)。 在上述操作板8的顯示部顯示該計(jì)算壽命年數(shù)的結(jié)果。 在上述操作板8的顯示部上也可顯示上述溫度上升差A(yù)Tcj。 這樣，在設(shè)備試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，能夠預(yù)先知道設(shè)備的電力變換裝置的容
量選定是否正確。
這里，上述起動(dòng)和停止的設(shè)定次數(shù)M即使不是每1小時(shí)的量，而
是每一分鐘的量，發(fā)明的意圖也不變。
如果看見在上述操作板8上顯示的計(jì)算壽命年數(shù)的值為預(yù)先作為
目標(biāo)的壽命年數(shù)(例如10年)以下，則在設(shè)備試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，能夠采取滿
足目標(biāo)壽命年數(shù)的對(duì)策。
作為這種對(duì)策有以下的方法。
(1) 降低電力變換裝置的切換頻率，降低功率半導(dǎo)體發(fā)生的損失。
(2) 提高電力變換裝置本身的容量，降低功率半導(dǎo)體的溫度上升差。
(3) 提高電力變換裝置內(nèi)部的功率半導(dǎo)體本身的容量，降低功率 半導(dǎo)體的溫度上升差。
(4) 減少升降機(jī)裝置的最大搭乘人數(shù)，降低功率半導(dǎo)體發(fā)生的損失。
選擇上述對(duì)策方案中的任何一個(gè)，再次在試運(yùn)轉(zhuǎn)模式下，求功率 半導(dǎo)體9的功率循環(huán)壽命年數(shù)Y，實(shí)施滿足目標(biāo)壽命年數(shù)的對(duì)策也可 以。
采用上述實(shí)施方式，在試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，能夠預(yù)先知道在設(shè)備工作后比 較短的期間，是否產(chǎn)生由功率循環(huán)壽命引起的熱疲勞破壞。
具體地是，由于使用電力變換裝置內(nèi)的功率半導(dǎo)體的溫度檢測(cè)電 路的檢測(cè)溫度和功率半導(dǎo)體的功率循環(huán)壽命曲線，能夠在設(shè)備試運(yùn)轉(zhuǎn) 時(shí)診斷功率半導(dǎo)體的功率循環(huán)壽命的時(shí)期，因此可以簡(jiǎn)單地判斷在設(shè) 備工作后的什么時(shí)間更換功率半導(dǎo)體或電力變換裝置本身是合適的。另外，由于在設(shè)備試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，能夠診斷功率循環(huán)壽命的時(shí)期，因 此能夠在試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，預(yù)先知道在設(shè)備工作后比較短的期間，是否發(fā)生 由功率循環(huán)壽命引起的熱疲勞破壞。
在本實(shí)施方式中，從操作板輸入電力變換裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)條件或運(yùn)轉(zhuǎn) 圖形，能夠使用在該運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下功率半導(dǎo)體的溫度檢測(cè)電路的檢測(cè)溫 度和功率半導(dǎo)體的功率循環(huán)壽命曲線。
特別是，在頻繁地反復(fù)使用電力變換裝置的起動(dòng)和停止的用途中， 能夠在設(shè)備導(dǎo)入的試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，推斷功率半導(dǎo)體的疲勞壽命，能夠在試 運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，預(yù)先知道在設(shè)備工作后比較短的期間是否發(fā)生功率循環(huán)壽命 引起的熱疲勞破壞。這樣，由于在設(shè)備試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)能夠推斷判斷電力變 換裝置的容量選定是否合適，又由于沒有在存在不安的狀態(tài)下進(jìn)入設(shè) 備工作中，所以擁有能夠提高設(shè)備使用的方便性和大大縮短設(shè)備不工 作的時(shí)間的效果。
另外，在設(shè)備試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，能夠推定和預(yù)先診斷將可變電壓可變頻 率的交流電力供給交流電動(dòng)機(jī)的電力變換裝置的功率半導(dǎo)體的功率循 環(huán)壽命引起的熱疲勞的時(shí)期，能夠在大大縮短設(shè)備的不工作時(shí)間的功 率循環(huán)壽命預(yù)測(cè)中加以利用。
權(quán)利要求
1.一種電力變換裝置，其特征在于，包括供給電壓可變頻率可變的交流電力的電力變換電路；檢測(cè)所述電力變換電路內(nèi)的功率半導(dǎo)體的溫度的檢測(cè)電路；和利用所述檢測(cè)電路檢測(cè)的檢測(cè)值，診斷所述功率半導(dǎo)體的功率循環(huán)壽命的計(jì)算裝置。
2. 如權(quán)利要求1所述的電力變換裝置，其特征在于所述計(jì)算裝置根據(jù)所述電力變換裝置的起動(dòng)和停止的運(yùn)轉(zhuǎn)圖形 的最大溫度上升值，計(jì)算所述功率半導(dǎo)體的功率循環(huán)壽命。
3. 如權(quán)利要求1所述的電力變換裝置，其特征在于所述檢測(cè)電路設(shè)置在所述功率半導(dǎo)體內(nèi)部，使用來(lái)自設(shè)置在功 率半導(dǎo)體組件內(nèi)部的溫度檢測(cè)元件的溫度檢測(cè)信號(hào)，計(jì)算所述功率 半導(dǎo)體的功率循環(huán)壽命。
4. 如權(quán)利要求1所述的電力變換裝置，其特征在于 包括搭載有所述功率半導(dǎo)體的冷卻翅片，使用來(lái)自設(shè)置在該冷卻翅片上的溫度檢測(cè)元件的溫度檢測(cè)信號(hào)，計(jì)算所述功率半導(dǎo)體的 功率循環(huán)壽命。
5. 如權(quán)利要求1所述的電力變換裝置，其特征在于 所述檢測(cè)電路設(shè)置在所述功率半導(dǎo)體內(nèi)部，使用來(lái)自設(shè)置在功率半導(dǎo)體組件內(nèi)部的溫度檢測(cè)元件的溫度檢測(cè)信號(hào)，計(jì)算所述功率 半導(dǎo)體的功率循環(huán)壽命，所述溫度檢測(cè)電路內(nèi)的溫度檢測(cè)元件由表 示與溫度成比例的電阻值的熱敏電阻構(gòu)成。
6. 如權(quán)利要求1所述的電力變換裝置，其特征在于 包括搭載有所述功率半導(dǎo)體的冷卻翅片，使用來(lái)自設(shè)置在該冷卻翅片上的溫度檢測(cè)元件的溫度檢測(cè)信號(hào)，計(jì)算所述功率半導(dǎo)體的功率循環(huán)壽命，所述溫度檢測(cè)電路內(nèi)的溫度檢測(cè)元件由表示與溫度 成比例的電阻值的熱敏電阻構(gòu)成。
7. 如權(quán)利要求1所述的電力變換裝置，其特征在于 包括根據(jù)由所述檢測(cè)電路檢測(cè)的溫度顯示功率循環(huán)壽命年數(shù)的顯示部。
8. 如權(quán)利要求1所述的電力變換裝置，其特征在于 所述計(jì)算裝置根據(jù)所述電力變換裝置的起動(dòng)和停止的運(yùn)轉(zhuǎn)圖形的最大溫度上升值，計(jì)算所述功率半導(dǎo)體的功率循環(huán)壽命，包括根 據(jù)由所述檢測(cè)電路檢測(cè)的溫度顯示功率循環(huán)壽命年數(shù)的顯示部。
9. 如權(quán)利要求1所述的電力變換裝置，其特征在于 所述檢測(cè)電路設(shè)置在所述功率半導(dǎo)體內(nèi)部，使用來(lái)自設(shè)置在功率半導(dǎo)體組件內(nèi)部的溫度檢測(cè)元件的溫度檢測(cè)信號(hào)，計(jì)算所述功率 半導(dǎo)體的功率循環(huán)壽命，包括根據(jù)由所述檢測(cè)電路檢測(cè)的溫度顯示 功率循環(huán)壽命年數(shù)的顯示部。
10. 如權(quán)利要求1所述的電力變換裝置，其特征在于-包括搭載有所述功率半導(dǎo)體的冷卻翅片，使用來(lái)自設(shè)置在該冷卻翅片上的溫度檢測(cè)元件的溫度檢測(cè)信號(hào)，計(jì)算所述功率半導(dǎo)體的 功率循環(huán)壽命，包括根據(jù)由所述檢測(cè)電路檢測(cè)的溫度顯示功率循環(huán)壽命年數(shù)的顯示部。
11. 如權(quán)利要求1所述的電力變換裝置，其特征在于 所述檢測(cè)電路設(shè)置在所述功率半導(dǎo)體內(nèi)部，使用來(lái)自設(shè)置在功率半導(dǎo)體組件內(nèi)部的溫度檢測(cè)元件的溫度檢測(cè)信號(hào)，計(jì)算所述功率 半導(dǎo)體的功率循環(huán)壽命，所述溫度檢測(cè)電路內(nèi)的溫度檢測(cè)元件由表 示與溫度成比例的電阻值的熱敏電阻構(gòu)成，包括根據(jù)由所述檢測(cè)電 路檢測(cè)的溫度顯示功率循環(huán)壽命年數(shù)的顯示部。
12. 如權(quán)利要求1所述的電力變換裝置，其特征在于-包括搭載有所述功率半導(dǎo)體的冷卻翅片，使用來(lái)自設(shè)置在該冷 卻翅片上的溫度檢測(cè)元件的溫度檢測(cè)信號(hào)，計(jì)算所述功率半導(dǎo)體的 功率循環(huán)壽命，所述溫度檢測(cè)電路內(nèi)的溫度檢測(cè)元件由表示與溫度 成比例的電阻值的熱敏電阻構(gòu)成，包括根據(jù)由所述檢測(cè)電路檢測(cè)的 溫度顯示功率循環(huán)壽命年數(shù)的顯示部。
13. 如權(quán)利要求1所述的電力變換裝置，其特征在于 包括根據(jù)由所述檢測(cè)電路檢測(cè)的溫度顯示功率循環(huán)壽命年數(shù)和所述功率循環(huán)壽命年數(shù)計(jì)算時(shí)的溫度差的顯示部。
14. 如權(quán)利要求1所述的電力變換裝置，其特征在于 包括根據(jù)由所述檢測(cè)電路檢測(cè)的溫度設(shè)定功率循環(huán)壽命年數(shù)和該電力變換裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)條件的操作板，所述顯示部設(shè)在該操作板上。
15. 如權(quán)利要求1所述的電力變換裝置，其特征在于 包括根據(jù)由所述檢測(cè)電路檢測(cè)的溫度顯示功率循環(huán)壽命年數(shù)和所述功率循環(huán)壽命年數(shù)計(jì)算時(shí)的溫度差的顯示部，及設(shè)定該電力變 換裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)條件的操作板，所述顯示部設(shè)在該操作板上。
16. 如權(quán)利要求1所述的電力變換裝置，其特征在于 包括根據(jù)由所述檢測(cè)電路檢測(cè)的溫度設(shè)定功率循環(huán)壽命年數(shù)和該電力變換裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)條件的操作板，所述顯示部設(shè)在該操作板上， 能夠從所述操作板選擇試運(yùn)轉(zhuǎn)模式作為該電力變換裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)條件。
17. 如權(quán)利要求1所述的電力變換裝置，其特征在于 包括根據(jù)由所述檢測(cè)電路檢測(cè)的溫度顯示功率循環(huán)壽命年數(shù)和所述功率循環(huán)壽命年數(shù)計(jì)算時(shí)的溫度差的顯示部，及設(shè)定該電力變 換裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)條件的操作板，所述顯示部設(shè)在該操作板上，能夠從 所述操作板選擇試運(yùn)轉(zhuǎn)模式作為該電力變換裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)條件。
18. 如權(quán)利要求1所述的電力變換裝置，其特征在于包括根據(jù)由所述檢測(cè)電路檢測(cè)的溫度設(shè)定功率循環(huán)壽命年數(shù)和 該電力變換裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)條件的操作板，所述顯示部設(shè)在該操作板上， 能夠從所述操作板選擇試運(yùn)轉(zhuǎn)模式作為該電力變換裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)條 件，并且，當(dāng)選擇所述試運(yùn)轉(zhuǎn)模式時(shí)，作為該電力變換裝置的運(yùn)轉(zhuǎn) 條件，能夠從所述操作板設(shè)定每單位時(shí)間反復(fù)的起動(dòng)，停止的反復(fù) 次數(shù)、 一日的工作時(shí)間和一年的工作日數(shù)。
19. 如權(quán)利要求1所述的電力變換裝置，其特征在于 包括根據(jù)由所述檢測(cè)電路檢測(cè)的溫度顯示功率循環(huán)壽命年數(shù)和所述功率循環(huán)壽命年數(shù)計(jì)算時(shí)的溫度差的顯示部，及設(shè)定該電力變 換裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)條件的操作板，所述顯示部設(shè)在該操作板上，能夠從 所述操作板選擇試運(yùn)轉(zhuǎn)模式作為該電力變換裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)條件，并且， 當(dāng)選擇所述試運(yùn)轉(zhuǎn)模式時(shí)，作為該電力變換裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)條件，能夠 從所述操作板設(shè)定每單位時(shí)間反復(fù)的起動(dòng) 停止的反復(fù)次數(shù)、 一日 的工作時(shí)間和一年的工作日數(shù)。
20. —種診斷設(shè)置在供給電壓可變頻率可變的交流電力的電力 變換電路中的功率半導(dǎo)體的功率循環(huán)壽命的功率循環(huán)壽命預(yù)測(cè)方 法，其特征在于檢測(cè)所述功率半導(dǎo)體的溫度，根據(jù)檢測(cè)出的所述功率半導(dǎo)體的 溫度的最大溫度上升值，計(jì)算所述功率半導(dǎo)體的功率循環(huán)壽命。
全文摘要
本發(fā)明提供了在使用電力變換裝置，頻繁地反復(fù)起動(dòng)和停止的用途中加以使用的情況下，提高了設(shè)備的使用方便性的電力變換裝置和功率循環(huán)壽命預(yù)測(cè)方法。該電路變換裝置包括供給電壓可變頻率可變的交流電力的電力變換電路(1～3)；檢測(cè)上述電力變換電路內(nèi)的功率半導(dǎo)體(9)的溫度的檢測(cè)電路(11)；和利用上述檢測(cè)電路(11)檢測(cè)的檢測(cè)值，診斷功率半導(dǎo)體(9)的功率循環(huán)壽命的計(jì)算裝置，其中，計(jì)算裝置根據(jù)由檢測(cè)電路(11)檢測(cè)的最大溫度上升值，計(jì)算功率半導(dǎo)體(9)的功率循環(huán)壽命。
文檔編號(hào)G01R31/26GK101299577SQ20081008608
公開日2008年11月5日 申請(qǐng)日期2008年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月20日
發(fā)明者井堀敏, 平賀正宏, 廣田雅之, 毛江鳴, 龜澤友哉 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日立產(chǎn)機(jī)系統(tǒng)