(57)【要約】      （修正有）【課題】冷却器状態に応じて直接保護動作を実施することができる電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置１００において、制御部５０Ａは、半導体スイッチング素子１３ａ〜１３ｄのスイッチング状態と、リアクトル電流検出器１６ａ、１６ｂによるリアクトル電流検出値２３または出力電圧検出器１８による電圧検出値２１ｂとを用いて半導体スイッチング素子１３ａ〜１３ｄの損失を計算する半導体スイッチング素子損失計算部５２と、半導体スイッチング素子損失計算部５２の損失計算値２４及び温度検出器１７ａ〜１７ｄの温度検出値２２から冷却器３５の状態を推定する冷却器状態推定部５３と、を備える。冷却器３５の冷却器状態に基づいて、半導体スイッチング素子１３ａ〜１３ｄに流れる電流を制限する。【選択図】図１
2020198662.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング動作により電力を変換する半導体スイッチング素子と、前記半導体スイッチング素子を冷却する冷却器と、前記半導体スイッチング素子を制御する制御部と、前記半導体スイッチング素子の温度を検出する温度検出器と、前記半導体スイッチング素子に流れる電流を検出する電流検出器と、前記半導体スイッチング素子に印加される電圧を検出する電圧検出器とを備える電力変換装置において、
前記制御部は、前記半導体スイッチング素子のスイッチング状態と、電流検出値および電圧検出値の両方あるいはいずれか１つを用いて前記半導体スイッチング素子の損失を計算する半導体スイッチング素子損失計算部と、前記半導体スイッチング素子損失計算部の損失計算値と前記温度検出器の温度検出値とから前記冷却器の状態を推定する冷却器状態推定部とを備え、前記冷却器の冷却器状態に基づいて、前記半導体スイッチング素子に流れる電流を制限する電力変換装置。
【請求項２】
前記制御部は、さらに前記温度検出値に基づいて、前記半導体スイッチング素子に流れる電流を制限する請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記冷却器状態推定部は、
過去の温度検出値を保持する温度検出値保持部と、前記保持した温度検出値と前記半導体スイッチング素子の前記損失計算値とを用いて、温度検出推定値を推定する温度検出値推定部と、
前記温度検出推定値と前記温度検出値とを比較し、前記冷却器の前記冷却器状態を推定する冷却器状態判別部と、
を備える請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記温度検出値推定部は、前記半導体スイッチング素子の前記損失計算値に基づいて、前記保持した温度検出値と前記温度検出推定値との相関関係を０次以上の遅れ系で近似する請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記半導体スイッチング素子の前記損失計算値と、前記冷却器状態と、前記温度検出値とに基づいて、前記半導体スイッチング素子のジャンクション温度を推定するジャンクション温度計算部を備え、
前記ジャンクション温度に基づいて、前記半導体スイッチング素子に流れる電流を制限する請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記ジャンクション温度計算部は、
前記温度検出値と前記半導体スイッチング素子のジャンクションの間の温度差と、前記半導体スイッチング素子の前記損失計算値との相関関係を、前記冷却器状態に応じて選択するジャンクション温度特性選択部と、
前記ジャンクション温度特性選択部が選択した前記相関関係と、前記半導体スイッチング素子の前記損失計算値と、前記温度検出値とを用いて、前記温度検出値と前記半導体スイッチング素子のジャンクション温度との間の温度上昇値を計算するジャンクション温度上昇計算部を備え、
前記温度検出値と前記温度上昇値とを可算することで、前記半導体スイッチング素子のジャンクション温度を推定する請求項５に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記ジャンクション温度特性選択部が選択する前記相関関係は、０次以上の遅れ系で近似される請求項６記載の電力変換装置。
【請求項８】
複数の前記半導体スイッチング素子の温度と相関がある箇所の温度を検出する１つの前記温度検出器を備えた請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項９】
複数の前記半導体スイッチング素子の温度と相関がある箇所の温度を検出する１つの前記温度検出器を備えた前記半導体スイッチング素子と前記温度検出器との組を構成し、
前記半導体スイッチング素子と前記温度検出器との組を複数組備える請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記冷却器の前記冷却器状態は、正常状態と複数の異常状態とし、
前記複数の異常状態に基づいて、前記半導体スイッチング素子に流れる電流を制限する請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電動車両向け電力変換装置は、さまざまな条件で故障無く動作し、また異常時において車両の動作を継続することが求められる。
【０００３】
電力変換装置の半導体スイッチング素子は、スイッチング動作において電力損失が発生し、半導体スイッチング素子のジャンクション温度が所定の値を超えた場合、故障にいたる可能性がある。このジャンクション温度を正確に検出することが重要であるが、ジャンクションは半導体チップの接合部であり、直接測定することは難しい。
【０００４】
この問題を解決するため、半導体スイッチング素子の温度を検出し、温度検出値と半導体スイッチング素子の動作から計算した損失を用いてジャンクション温度を推定する手法が開示されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５８８０７３４号公報（段落［００２３］−［００３１］および図１、２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１開示手法では、ジャンクション温度を、計算した損失と温度上昇の相関関係から推定しているが、冷却器状態の変化が考慮されない。したがって、冷却器状態が変化した場合、ジャンクション温度を正確に推定できず、確実な保護が実施できない問題がある。
【０００７】
本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、冷却器状態を判定することで、冷却器状態に応じて直接保護動作を実施することができる電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願に開示される電力変換装置は、スイッチング動作により電力を変換する半導体スイッチング素子と、半導体スイッチング素子を冷却する冷却器と、半導体スイッチング素子を制御する制御部と、半導体スイッチング素子の温度を検出する温度検出器と、半導体スイッチング素子に流れる電流を検出する電流検出器と、半導体スイッチング素子に印加される電圧を検出する電圧検出器とを備え、制御部は、半導体スイッチング素子のスイッチング状態と、電流検出値および電圧検出値の両方あるいはいずれか１つを用いて半導体スイッチング素子の損失を計算する半導体スイッチング素子損失計算部と、半導体スイッチング素子損失計算部の損失計算値と温度検出器の温度検出値とから冷却器の状態を推定する冷却器状態推定部とを備え、冷却器の冷却器状態に基づいて、半導体スイッチング素子に流れる電流を制限するものである。
【発明の効果】
【０００９】
本願に開示される電力変換装置によれば、冷却器状態が変化した場合においても、確実に保護動作を行うことができる電力変換装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１による電力変換装置の構成を示すブロック図である。
【図２】実施の形態１による電力変換装置に係る冷却器状態の変化の影響を説明する冷却器熱回路網の概要図である。
【図３】実施の形態１による電力変換装置に係る冷却器状態推定部の構成を示すブロック図である。
【図４】実施の形態２による電力変換装置に係る制御部の構成を示すブロック図である。
【図５】実施の形態２による電力変換装置のジャンクション温度計算部の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
実施の形態１は、電力を変換する半導体スイッチング素子と、半導体スイッチング素子を冷却する冷却器と、半導体スイッチング素子を制御する制御部と、半導体スイッチング素子の温度を検出する温度検出器と、半導体スイッチング素子に流れる電流を検出する電流検出器と、半導体スイッチング素子に印加される電圧を検出する電圧検出器とを備え、制御部は、半導体スイッチング素子のスイッチング状態と、電流検出値あるいは電圧検出値を用いて半導体スイッチング素子の損失を計算し、この損失計算値と温度検出値とから冷却器の状態を推定し、冷却器の冷却器状態に基づいて、半導体スイッチング素子に流れる電流を制限する電力変換装置に関するものである。
【００１２】
以下、実施の形態１に係る電力変換装置の構成および動作について、電力変換装置の構成を示すブロック図である図１、冷却器状態の変化の影響を説明する冷却器熱回路網の概要図である図２、および冷却器状態推定部の構成を示すブロック図である図３に基づいて説明する。
【００１３】
まず、実施の形態１の電力変換装置１００の構成を図１に基づいて説明する。
電力変換装置１００は、電力変換回路１０、および制御部５０Ａを備える。
実施の形態１の電力変換装置１００は、電気自動車およびプラグインハイブリッド自動車などの電動車両で使用され、高電圧バッテリーの電力で動力となるモータを駆動するための電力変換装置を想定している。
電力変換装置１００は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、およびＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ―Ｏｘｉｄｅ―Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ―Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の半導体スイッチング素子を用いたスイッチング動作によって電力を変換する。
【００１４】
電力変換回路１０は、二相インターリーブ方式の昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータ回路である。電力変換回路１０は、大きく入力部、電力変換部、および出力部に分けられる。
電力変換回路１０の入力部は、入力平滑コンデンサ１１と、昇圧リアクトル１２ａ、１２ｂとを備える。ここで、入力電圧をＶｉとしている。
電力変換回路１０の電力変換部は、それぞれスイッチング素子対である半導体スイッチング素子１３ａ、１３ｂ、および半導体スイッチング素子１３ｃ、１３ｄを備える。
図１において、半導体スイッチング素子１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄは、それぞれ半導体モジュール３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄに内蔵されている。
電力変換回路１０の出力部は、出力平滑コンデンサ１４を備える。ここで、出力電圧をＶｏとしている。
【００１５】
さらに、電力変換回路１０は、半導体スイッチング素子１３ａ〜１３ｄを冷却する冷却器３５を備える。実施の形態１の電力変換装置１００の冷却器３５は、水冷冷却器を想定している。
【００１６】
半導体スイッチング素子１３ａ〜１３ｄは、ソース・ドレイン間にダイオードが内蔵されたＭＯＳＦＥＴである。
なお、半導体スイッチング素子の種類、個数、および電力変換装置の種類はこれに限ったものでなく、例えばＩＧＢＴおよびＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチング素子でもよく、電力変換装置はインバータ等でもよい。
【００１７】
次に、電力変換回路１０が備える検出器を説明する。
電力変換回路１０の電力変換部には、半導体スイッチング素子１３ａ〜１３ｄの温度を検出するために、それぞれ半導体モジュール３０ａ〜３０ｄの内部または近傍に温度検出器としての温度検出器１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄがそれぞれ設置されている。
なお、半導体スイッチング素子１３ａ〜１３ｄの温度を検出する温度検出器１７ａ〜１７ｄは、半導体モジュール３０ａ〜３０ｄの内部に設置されてもよいし、半導体モジュール３０ａ〜３０ｄが設置される基板上に半導体モジュール３０ａ〜３０ｄの近傍に設置されてもよい。温度検出器はサーミスタを想定している。
【００１８】
電力変換回路１０の入力部は、入力電圧検出器１５、およびリアクトル電流検出器１６ａ、１６ｂを備える。
電力変換回路１０の出力部は、出力電圧検出器１８を備える。
【００１９】
次に制御部５０Ａについて説明する。
制御部５０Ａは、半導体スイッチング素子損失計算部５２、冷却器状態推定部５３、昇圧動作制御部５４ａ、およびゲートドライブ回路５５を備える。
なお、図１において、半導体スイッチング素子損失計算部を素子損失計算部と記載している。
【００２０】
制御部５０Ａの機能、動作を説明する前に、各検出器および機能部の出力信号について説明する。
入力電圧検出器１５の検出値は入力電圧検出値２１ａ、リアクトル電流検出器１６ａ、１６ｂの検出値はリアクトル電流検出値２３ａ、２３ｂ、温度検出器１７ａ〜１７ｄの検出値は温度検出値２２ａ〜２２ｄ、および出力電圧検出器１８の検出値は出力電圧検出値２１ｂとしている。
なお、温度検出値２２ａ〜２２ｄは、特に区別する必要がない場合は、適宜温度検出値２２と記載する。また、リアクトル電流検出値２３ａ、２３ｂは、適宜リアクトル電流検出値２３と記載する。
また、図１において、リアクトル電流検出値２３ａ、２３ｂおよび温度検出値２２ａ〜２２ｄの記載は省略している。
【００２１】
半導体スイッチング素子損失計算部５２の出力信号を半導体スイッチング素子損失計算値２４、冷却器状態推定部５３の出力信号を冷却器状態情報２５、昇圧動作制御部５４ａの出力信号を半導体スイッチング素子損失計算情報２６およびゲート制御信号２７、およびゲートドライブ回路５５の出力信号をゲート駆動信号２８としている。
【００２２】
半導体スイッチング素子損失計算部５２は、昇圧動作制御部５４ａからの半導体スイッチング素子損失計算情報２６を入力として、半導体スイッチング素子の損失を計算し、半導体スイッチング素子損失計算値２４を出力する。
冷却器状態推定部５３は、半導体スイッチング素子損失計算部５２からの半導体スイッチング素子損失計算値２４および温度検出器１７ａ〜１７ｄの温度検出値２２を入力として、冷却器３５の状態を推定し、冷却器状態情報２５を出力する。
【００２３】
昇圧動作制御部５４ａの入力は、冷却器状態推定部５３からの冷却器状態情報２５、さらに入力電圧検出器１５からの入力電圧検出値２１ａ、リアクトル電流検出器１６ａ、１６ｂからのリアクトル電流検出値２３、および出力電圧検出器１８からの出力電圧検出値２１ｂである。
昇圧動作制御部５４ａはこれらを入力として、半導体スイッチング素子１３ａ〜１３ｄのオンオフによって電力変換回路１０の昇圧動作を制御するためのゲート制御信号２７を出力する。昇圧動作制御部５４ａは、また半導体スイッチング素子損失計算情報２６を出力する。
【００２４】
ゲートドライブ回路５５は、昇圧動作制御部５４ａが生成したゲート制御信号２７をゲート駆動信号２８に変換する。
【００２５】
次に、実施の形態１の電力変換装置１００の機能、動作を理解しやすくするために、半導体スイッチング素子のジャンクション温度上昇と冷却器の冷却効果について、図２に基づいて説明する。
図２は、冷却器３５を用いた電力変換装置の一例における、半導体スイッチング素子と、温度検出器と、冷却器３５との熱回路網を示したものである。
冷却器状態の変化に伴う熱抵抗あるいは電気損失と温度上昇の相関関係の変化について説明する。なお、冷却器３５は水冷冷却器を想定している。
【００２６】
冷却器熱回路網を構成する各要素について、図２に基づいて説明する。
半導体モジュール３０は半導体スイッチング素子１３、バスバー３１、はんだ３２、基板３３、温度検出器１７から構成されている。
基板３３上に半導体スイッチング素子１３と温度検出器１７が設置され、バスバー３１は、はんだ３２によって半導体スイッチング素子１３上に接続されている。
また、半導体モジュール３０は絶縁部材３４によって冷却器３５に接合されており、冷却器３５は冷却水３６によって冷却されている。
【００２７】
温度検出器１７は半導体スイッチング素子１３のジャンクション温度を検出する目的で設置されるが、構造上ジャンクション部に直接設置できないため、図２に示すように、半導体スイッチング素子１３の近傍に設置される。
【００２８】
次に、熱回路網を構成する熱抵抗について説明する。
半導体スイッチング素子１３のジャンクション部から温度検出器１７へ直接の熱伝達経路となる熱抵抗を熱抵抗３７、３８ａ、３８ｂ、４０としている。
冷却器３５を介した熱伝達経路の熱抵抗を熱抵抗３９ａ、３９ｂ、３９ｃ、４１ａ、４１ｂとしている。
また冷却水３６への放熱経路の熱抵抗を熱抵抗４２ａ、４２ｂ、４２ｃとしている。
【００２９】
ここで、冷却器３５の冷却器状態が正常な場合、冷却水３６の温度を基準として半導体スイッチング素子１３が発生する損失に応じた温度上昇が、図２の熱回路網によって決定される。
したがって、半導体スイッチング素子１３のジャンクション温度と、温度検出器１７の温度検出値と、冷却水３６の温度は、一意に決まる。
図２の熱回路網を既知とすることで、温度検出器１７の検出温度から半導体スイッチング素子１３のジャンクション温度を推定できる。
【００３０】
しかし、冷却器３５の冷却器状態の変化の例として冷却水漏れの場合、冷却水３６が流出するため、冷却水３６への放熱経路が失われる。この場合、図２の熱回路網における熱抵抗４２ａ〜４２ｃがなくなる。
図２では簡素化のため熱回路網を熱抵抗でのみ記載しているが、実際には熱抵抗に並列に熱容量を有する。半導体スイッチング素子１３のジャンクション温度と温度検出器１７の検出温度は、冷却水３６が失われた温度分布を初期状態とした、熱容量が支配的な過渡温度推移となる。
【００３１】
以上のように、冷却器３５の冷却器状態が変化した場合、熱回路網が変化し、そのため半導体スイッチング素子１３のジャンクション温度と温度検出器１７の検出温度の関係が変化する。
【００３２】
実施の形態１の電力変換装置１００は、冷却器３５の冷却器状態が変化に対応して、適切に電力変換動作を継続できることを目的としている。
【００３３】
以下、実施の形態１に係る電力変換装置１００の基本的な動作原理を説明する。
制御部５０Ａにおいて、昇圧動作制御部５４ａは、入力電圧検出器１５からの入力電圧検出値２１ａと、出力電圧検出器１８からの出力電圧検出値２１ｂと、リアクトル電流検出器１６ａ、１６ｂからのリアクトル電流検出値２３とに基づいて、出力電圧Ｖｏが目標値となるように半導体スイッチング素子１３ａ〜１３ｄのスイッチングパターンを決定し、制御する。また、昇圧動作制御部５４ａは、冷却器状態推定部５３からの冷却器状態情報２５と、温度検出器１７ａ〜１７ｄからの温度検出値２２とに基づいて、冷却器３５の冷却器状態、および温度検出値２２に応じて所定の保護動作を行う。
【００３４】
次に、実施の形態１に係る電力変換装置１００の主要技術である冷却器３５の冷却器状態の推定方法について説明する。
冷却器状態推定部５３は半導体スイッチング素子損失計算部５２の半導体スイッチング素子損失計算値２４と温度検出値２２とに基づいて冷却器３５の冷却器状態を推定する。
【００３５】
半導体スイッチング素子１３ａ〜１３ｄの損失は、昇圧動作制御部５４ａから出力される半導体スイッチング素子損失計算情報２６に基づいて計算される。
半導体スイッチング素子損失計算情報２６は、昇圧動作制御部５４ａが生成するキャリア周波数とスイッチングオン時間、またリアクトル電流検出器１６ａ〜１６ｂによるリアクトル電流検出値２３、入力電圧検出器１５による入力電圧検出値２１ａ、出力電圧検出器１８による出力電圧検出値２１ｂに基づいて計算される。
【００３６】
半導体スイッチング素子損失計算部５２は、あらかじめスイッチング素子および還流ダイオードの損失特性を保持しており、これらを用いてスイッチング素子および還流ダイオードの各々について計算した導通損失とスイッチング損失との合計値を、半導体スイッチング素子損失計算値２４として計算する。
【００３７】
半導体スイッチング素子損失計算部５２で行う半導体スイッチング素子損失計算値２４の計算は、半導体スイッチング損失に関連する上記で説明したすべての情報を用いて行ってもよいし、必要最小限の情報、例えばキャリア周波数とスイッチングオン時間、およびリアクトル電流検出値２３または出力電圧検出値２１ｂを用いて行ってもよい。
【００３８】
次に冷却器状態推定部５３の構成、機能について、図３に基づいて説明する。
図３は、冷却器状態推定部５３の構成を示すブロック図である。
冷却器状態推定部５３は、温度検出値保持部５３Ａ、温度検出値推定部５３Ｂ、加減算器５３Ｃ、および冷却器状態判別部５３Ｄを備える。
【００３９】
温度検出値保持部５３Ａは、温度検出器１７ａ〜１７ｄが検出した過去の温度検出値２２を保持する。
温度検出値推定部５３Ｂは、温度検出値保持部５３Ａが保持している過去の温度検出値２２と、半導体スイッチング素子損失計算部５２からの半導体スイッチング素子損失計算値２４とに基づいて、現在の温度検出値を推定する。
加減算器３Ｃは、現在の温度検出値の推定値と温度検出値２２の差分をとる。
冷却器状態判別部５３Ｄは、加減算器５３Ｃの出力（現在の温度検出値の推定値と温度検出値２２の差分）から冷却器３５の冷却器状態を判別する。
【００４０】
ここで、実施の形態１の電力変換装置１００の冷却器３５は水冷冷却器を想定しており、冷却器状態判別部５３Ｄが判別する冷却器３５の冷却器状態は冷却器正常状態と、冷却水漏れによる冷却器異常状態の２種類とする。
【００４１】
温度検出値推定部５３Ｂには、温度検出値２２と半導体スイッチング素子損失の相関関係があらかじめ記憶されている。
温度検出値推定部５３Ｂは、現在の半導体スイッチング素子損失と、過去の温度検出値２２と、温度検出値推定部５３Ｂが記憶している相関関係とに基づいて、現在の検出されるべき温度検出値を推定する。「推定された検出されるべき温度検出値」を「温度検出値の推定値」と記載する。
ここで、検出されるべき温度検出値とは、冷却器３５が冷却器正常状態における温度検出値とする。
【００４２】
冷却器状態判別部５３Ｄは、温度検出値の推定値と温度検出値２２の差分に対し閾値を設定し、この差分が設定した閾値を超えた場合、冷却器状態情報２５として冷却器異常を出力する。
【００４３】
温度検出値２２と半導体スイッチング素子損失の相関関係は、０次以上の遅れ要素により近似される。
時間的要素を考えなくてよい定常動作における保護を目的とするのであれば、０次（熱抵抗のみによる近似）の近似でよく、制御部５０Ａにおける処理負荷を低減できる。
また、電力変換回路１０の出力変動が大きく時間的要素を考える必要があれば、１次以上の遅れ要素（熱抵抗と熱容量による近似）の近似が望ましい。相関関係の次数を大きくするほどより高い精度で相関関係を近似できるが、制御部５０Ａにおける処理負荷が大きくなるため、適切に選択する必要がある。
【００４４】
次に、実施の形態１の電力変換装置１００における所定の保護動作について説明する。
所定の保護動作は、温度検出値２２に対して閾値を設け、この閾値を超えた場合に、半導体スイッチング素子１３ａ〜１３ｄを流れる電流を制限するように半導体スイッチング素子１３ａ〜１３ｄのスイッチングパターンを制御する。
【００４５】
この閾値は冷却器３５の冷却器状態が正常であることを前提として設定され、所定の動作範囲を超過した場合に対し、保護動作を実施する目的で設定される。
【００４６】
また、電力変換装置１００は、冷却器状態推定部５３の出力である冷却器状態情報２５が冷却器異常であれば、同様に、半導体スイッチング素子１３ａ〜１３ｄの電流を制限するように半導体スイッチング素子１３ａ〜１３ｄのスイッチングパターンを制御する。
【００４７】
以上に説明したように、実施の形態１の電力変換装置１００は、冷却器３５の冷却器状態を推定し、冷却器状態に応じて保護動作を行う。このため、従来の方法では、適切に保護することができなかった冷却器３５の冷却器状態が変化した場合においても確実に保護動作を行うことができる。
【００４８】
また、冷却器３５の冷却器状態の推定を０次以上の遅れ要素の相関関係を用いて行うことで、制御部５０Ａの処理負荷を抑えつつ、時間的な出力変化に対しても正確に追従し冷却器状態を推定できる。
【００４９】
上記説明のように、実施の形態１の電力変換装置は、電力を変換する半導体スイッチング素子と、半導体スイッチング素子を冷却する冷却器と、半導体スイッチング素子を制御する制御部と、半導体スイッチング素子の温度を検出する温度検出器と、半導体スイッチング素子に流れる電流を検出する電流検出器と、半導体スイッチング素子に印加される電圧を検出する電圧検出器とを備え、制御部は、半導体スイッチング素子のスイッチング状態と、電流検出値あるいは電圧検出値を用いて半導体スイッチング素子の損失を計算し、この損失計算値と温度検出値とから冷却器の状態を推定し、冷却器の冷却器状態に基づいて、半導体スイッチング素子に流れる電流を制限するものである。
このため、実施の形態１の電力変換装置は、冷却器状態が変化した場合においても、確実に保護動作を行うことができる。
【００５０】
実施の形態２．
実施の形態２の電力変換装置は、実施の形態１の電力変換装置の制御部にジャンクション温度計算部を追加して、ジャンクション温度計算値に基づく保護動作も行うようにしたものである。
【００５１】
以下、実施の形態２に係る電力変換装置の動作について、制御部の構成を示すブロック図である図４、およびジャンクション温度計算部の構成を示すブロック図である図５に基づいて、実施の形態１との差異を中心に説明する。
実施の形態２の制御部の構成を示すブロック図である図４において、実施の形態１と同一あるいは相当部分は、同一の符号を付している。
また、実施の形態１と区別するために、電力変換装置２００、制御部５０Ｂ、昇圧動作制御部５４ｂとしている。
【００５２】
実施の形態２の電力変換装置２００は、電力変換回路１０および制御部５０Ｂを備える。電力変換回路１０は、実施の形態１の電力変換装置１００と同じであるため、制御部５０Ｂについて、構成、機能を説明する。
【００５３】
制御部５０Ｂは、半導体スイッチング素子損失計算部５２、冷却器状態推定部５３、昇圧動作制御部５４ｂ、ゲートドライブ回路５５、さらにジャンクション温度計算部５６を備える。
そして、ジャンクション温度計算部５６は、ジャンクション温度上昇特性選択部５６Ａ、ジャンクション温度上昇計算部５６Ｂ、および加減算器５６Ｃを備える。
【００５４】
制御部５０Ｂの機能、動作を説明する前に、実施の形態１の電力変換装置に追加された情報について説明する。
ジャンクション温度計算部５６の出力信号をジャンクション温度計算値２９としている。さらに、ジャンクション温度上昇特性選択部５６Ａの出力信号をジャンクション温度上昇特性２９ａと、ジャンクション温度上昇計算部５６Ｂの出力信号をジャンクション温度上昇値２９ｂとしている。
【００５５】
半導体スイッチング素子損失計算部５２は、昇圧動作制御部５４ｂからの半導体スイッチング素子損失計算情報２６を入力として、半導体スイッチング素子の損失を計算し、半導体スイッチング素子損失計算値２４を出力する。
冷却器状態推定部５３は、半導体スイッチング素子損失計算部５２からの半導体スイッチング素子損失計算値２４および温度検出器１７ａ〜１７ｄの温度検出値２２を入力として、冷却器３５の状態を推定し、冷却器状態情報２５を出力する。
【００５６】
昇圧動作制御部５４ｂの入力は、冷却器状態推定部５３からの冷却器状態情報２５、さらに入力電圧検出器１５からの入力電圧検出値２１ａ、リアクトル電流検出器１６ａ、１６ｂからのリアクトル電流検出値２３、および出力電圧検出器１８からの出力電圧検出値２１ｂである。
昇圧動作制御部５４ｂは、これらを入力として、半導体スイッチング素子１３ａ〜１３ｄのオンオフによって電力変換回路１０の昇圧動作を制御するためのゲート制御信号２７を出力する。昇圧動作制御部５４ｂは、また半導体スイッチング素子損失計算情報２６を出力する。
【００５７】
ゲートドライブ回路５５は、昇圧動作制御部５４ａが生成したゲート制御信号２７をゲート駆動信号２８に変換する。
【００５８】
ジャンクション温度計算部５６は、冷却器状態推定部５３からの冷却器状態情報２５、半導体スイッチング素子損失計算部５２からの半導体スイッチング素子損失計算値２４、温度検出値２２を入力として、ジャンクション温度計算値２９を出力する。
【００５９】
実施の形態２に係る電力変換装置２００の制御部５０Ｂの昇圧動作制御部５４ｂは、実施の形態１の制御部５０Ａの昇圧動作制御部５４ａ同様に出力電圧Ｖｏが目標値となるように半導体スイッチング素子１３ａ〜１３ｄのスイッチングパターンを決定し制御する。  また、昇圧動作制御部５４ｂは、冷却器状態推定部５３からの冷却器状態情報２５と、ジャンクション温度計算部５６からのジャンクション温度計算値２９と、温度検出器１７ａ〜１７ｄからの温度検出値２２とに基づいて、所定の保護動作を行う。
【００６０】
実施の形態２に係る電力変換装置２００の主要技術であるジャンクション温度の推定方法について説明する。
ジャンクション温度計算部５６は、半導体スイッチング素子損失計算部５２からの半導体スイッチング素子損失計算値２４と、冷却器状態推定部５３からの冷却器状態情報２５と、温度検出器１７ａ〜１７ｄからの温度検出値２２とに基づいて、半導体スイッチング素子１３ａ〜１３ｄのジャンクション温度を計算する。
【００６１】
ここで、半導体スイッチング素子損失計算部５２に、ジャンクション温度計算部５６が出力するジャンクション温度計算値２９をフィードバックして入力とすることができる。
半導体スイッチング素子損失計算部５２に、ジャンクション温度計算値２９を入力することで、半導体スイッチング素子損失計算部５２において、あらかじめ保持するスイッチング素子および還流ダイオードを損失特性にジャンクション温度依存性を追加することができる。このため、半導体スイッチング素子損失計算部５２は、さらに正確に半導体スイッチング素子損失を導出できる。
【００６２】
次にジャンクション温度計算部５６の機能について、図５に基づいて説明する。
ジャンクション温度上昇特性選択部５６Ａは、冷却器状態推定部５３からの冷却器状態情報２５を入力として、冷却器３５の冷却器状態に応じたジャンクション温度上昇特性２９ａを選択する。
ジャンクション温度上昇計算部５６Ｂは、ジャンクション温度上昇特性選択部５６Ａからの
ジャンクション温度上昇特性２９ａと、半導体スイッチング素子損失計算部からの半導体スイッチング素子損失計算値２４を入力として、ジャンクション温度上昇値２９ｂを計算する。
加減算器５６Ｃは、ジャンクション温度上昇計算部５６Ｂからのジャンクション温度上昇値２９ｂと、温度検出値２２を加算することでジャンクション温度計算値２９を求める。
【００６３】
実施の形態２の電力変換装置２００の冷却器３５は、実施の形態１と同様に水冷冷却器を想定しており、冷却器状態判別部５３Ｄが判別する冷却器３５の冷却器状態は冷却器正常状態と、冷却水漏れによる冷却器異常状態の２種類とする。
また、ジャンクション温度上昇特性選択部５６Ａが選択するジャンクション温度上昇特性２９ａは、冷却器３５の冷却器正常状態時と冷却水漏れによる冷却器異常状態時の２種類における温度上昇特性とする。
【００６４】
ジャンクション温度上昇特性選択部５６Ａは、温度検出器１７ａ〜１７ｄと半導体スイッチング素子１３ａ〜１３ｄのジャンクションの間の温度差と、半導体スイッチング素子損失との相関関係を冷却器３５の冷却器状態ごとにあらかじめ記録している。ジャンクション温度上昇特性選択部５６Ａは、冷却器３５の冷却器状態情報２５に基づいて適切な相関関係を選択して出力する。
【００６５】
ここで温度検出器１７ａ〜１７ｄと半導体スイッチング素子１３ａ〜１３ｄのジャンクションの間の温度差と、半導体スイッチング素子損失との相関関係は、温度検出値２２と半導体スイッチング素子損失の相関関係と同様の理由で、０次以上の遅れ要素により近似される。
【００６６】
実施の形態２の電力変換装置２００における所定の保護動作について説明する。
所定の保護動作は、ジャンクション温度計算値２９に対して閾値を設け、この閾値を超えた場合に、半導体スイッチング素子を流れる電流を制限するように半導体スイッチング素子１３ａ〜１３ｄのスイッチングパターンを制御する。
【００６７】
この閾値は冷却器３５の冷却器状態が正常であることを前提として設定され、所定の動作範囲を超過した場合に対し保護動作を実施する目的で設定される。
【００６８】
また、冷却器状態情報２５が冷却器異常であれば、半導体スイッチング素子１３ａ〜１３ｄのジャンクション温度が規定の閾値以下となるように、半導体スイッチング素子１３ａ〜１３ｄのスイッチングパターンを制御し、電流を制限する。
【００６９】
以上に説明したように、実施の形態２に係る電力変換装置２００では、冷却器３５の冷却器状態に応じて、温度検出器１７ａ〜１７ｄと半導体スイッチング素子１３ａ〜１３ｄのジャンクションの間の温度差と、半導体スイッチング素子損失との相関関係を適切に選択し、ジャンクション温度を推定する。
このため、冷却器３５の冷却器状態が変化しても正確に半導体スイッチング素子１３ａ〜１３ｄのジャンクション温度を推定でき、冷却器異常状態においてもジャンクション温度を監視することで確実に保護動作を行うことができる。
【００７０】
実施の形態２の電力変換装置は、実施の形態１の電力変換装置の制御部にジャンクション温度計算部を追加して、ジャンクション温度計算値に基づく保護動作も行うようにしたものである。
したがって、実施の形態２の電力変換装置は、冷却器状態が変化した場合においても、確実に保護動作を行うことができる。さらに、ジャンクション温度を監視することで確実に保護動作を行うことができる。
【００７１】
実施の形態３．
実施の形態３の電力変換装置は、冷却器正常を基本として、複数の冷却器異常状態を判別し、各異常状態に応じた所定の適切な保護動作を行うものである。
また、実施の形態３において、実施の形態１および２の電力変換装置の変形例を説明する。
【００７２】
以下、実施の形態３に係る電力変換装置の構成は、実施の形態１および２の電力変換装置の構成と同じである。
実施の形態３に係る電力変換装置の動作について、実施の形態１および２との差異を中心に説明する。
【００７３】
実施の形態１および２の電力変換装置では、冷却器３５の状態は正常と異常の２種類を想定していた。
しかし、冷却器３５の異常は、冷却水の喪失だけでなく、冷却水漏れ等異なるレベルが考えられる。
実施の形態３の電力変換装置では、冷却器正常を基本として、異常状態の軽微な水漏れから冷却水の喪失までを複数の段階に分けて、各段階に対して所定の適切な保護動作を行う。
【００７４】
次に、実施の形態３の電力変換装置の冷却器状態と、保護動作について説明する。
冷却器正常状態を想定した温度検出器１７の温度の推定値と、温度検出値との差分に対して、冷却器３５の状態に応じた複数の閾値を設けて、冷却器３５の異常状態を判別する。
【００７５】
実施の形態３の電力変換装置は、判別した冷却器３５の複数の異常状態に応じて、所定の保護動作を実施する。
所定の保護動作の一例は電流制限であり、具体的には、半導体スイッチング素子１３ａ〜１３ｄを流れる電流を制限するように半導体スイッチング素子１３ａ〜１３ｄのスイッチングパターンを制御する。冷却器３５の状態に応じて、電流制限値を変更、あるいは半導体スイッチング素子１３ａ〜１３ｄの動作を停止する。
【００７６】
冷却器３５の異常状態に応じて、保護動作を最適に設定することで、異常状態時における電力変換装置としての機能損失を最小限に抑えつつ保護動作を行うことができる。
【００７７】
次に、実施の形態１および２の電力変換装置の変形例を説明する。
【００７８】
実施の形態１および実施の形態２の電力変換装置における半導体モジュール３０は１つの半導体スイッチング素子１３と１つの温度検出器１７で構成されるとしたが、これに限るものでない。例えば、複数の半導体スイッチング素子と１つの温度検出器で構成されるとしてもよい。
【００７９】
この場合、各々の半導体スイッチング素子の温度と相関がある所定の場所に１つの温度検出器を設置する。
ここで、温度検出値と各半導体スイッチング素子損失の相関関係はそれぞれ０次以上の遅れ系で近似され、温度検出値推定部５３Ｂは、０次以上の遅れ系で近似された相関関係の和を記録する。そして、冷却器状態推定部５３は相関関係の和を用いて冷却器の冷却器状態を判定する。
【００８０】
半導体スイッチング素子の各ジャンクション温度の推定は、半導体スイッチング素子ごとに、１つの温度検出器と半導体スイッチング素子のジャンクションの間の温度差と、半導体スイッチング素子損失との相関関係をそれぞれ０次以上の遅れ系で近似化したものをジャンクション温度上昇特性選択部５６Ａが記録し、ジャンクション温度計算部５６は半導体スイッチング素子ごとに相関関係を用いてジャンクション温度を計算することで行う。
この構成とすることで、１つの温度検出器で複数の半導体スイッチング素子の保護を実現することができ、部品点数を増加させずに過熱保護を行うことができ、電力変換装置の低コスト化、小型化が可能になる。
【００８１】
実施の形態１及び実施の形態２に係る電力変換装置において、半導体スイッチング素子と、半導体スイッチング素子の近傍の温度検出器とを、複数組備えてもよい。
ジャンクション温度の推定において、半導体スイッチング素子と温度検出器の熱的な相関は強く、他の半導体スイッチング素子からの干渉は小さいほど精度が高い。
複数の半導体スイッチング素子で電力変換装置を構成する場合、複数の半導体スイッチング素子に１つの温度検出器の組を複数組備えた構成とすることで、１つの温度検出器に対して干渉する半導体スイッチング素子の要素が減るため、ジャンクション温度の推定精度を高めることができる。
【００８２】
実施の形態１及び実施の形態２に係る電力変換装置において、冷却器は水冷冷却器であり冷却器状態は冷却器正常状態と冷却水漏れを想定したがこれに限るものでなく、例えば、冷却器温度異常等を判別項目としてもよい。
【００８３】
実施の形態１及び実施の形態２に係る電力変換装置において、冷却器は水冷冷却器としたがこれに限るものでなく、例えば、冷却ファンでもよい。この場合判断する冷却器状態は冷却器正常と、冷却ファン異常、ファン目詰まり等が想定される。
【００８４】
実施の形態３の電力変換装置は、冷却器正常を基本として、複数の冷却器異常状態を判別し、各異常状態に応じた所定の適切な保護動作を行うものである。
したがって、本実施の形態３の電力変換装置は、冷却器状態が変化した場合においても、確実に保護動作を行うことができる。さらに、冷却器の異常状態に応じた、最適な保護動作を行うことができる。
【００８５】
本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
したがって、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
【符号の説明】
【００８６】
１０  電力変換回路、１１  入力平滑コンデンサ、１２ａ，１２ｂ  昇圧リアクトル、１３，１３ａ〜１３ｄ  半導体スイッチング素子、１４  出力平滑コンデンサ、
１５  入力電圧検出器、１６ａ，１６ｂ  リアクトル電流検出器、
１７，１７ａ〜１７ｄ  温度検出器、１８  出力電圧検出器、
２１ａ，２１ｂ  入力電圧検出値、２２  温度検出値、２３  リアクトル電流検出値、
２４  半導体スイッチング素子損失計算値、２５  冷却器状態情報、
２６  半導体スイッチング素子損失計算情報、２７  ゲート制御信号、
２８  ゲート駆動信号、２９  ジャンクション温度計算値、
２９ａ  ジャンクション温度上昇特性、２９ｂ  ジャンクション温度上昇値、
３０，３０ａ〜３０ｄ  半導体モジュール、３１  バスバー、３２  はんだ、
３３  基板、３４  絶縁部材、３５  冷却器、３６  冷却水、
３７  熱抵抗（半導体スイッチング素子ジャンクション−基板間）、
３８ａ〜３８ｂ  熱抵抗（基板内）、３９ａ〜３９ｃ  熱抵抗（基板−冷却器間）、
４０  熱抵抗（サーミスタ−基板間）、４１ａ，４１ｂ  熱抵抗（冷却器内）、
４２ａ〜４２ｃ  熱抵抗（冷却水−冷却器間）、５０Ａ，５０Ｂ  制御部、
５２  半導体スイッチング素子損失計算部、５３  冷却器状態推定部、
５３Ａ  温度検出値保持部、５３Ｂ  温度検出値推定部、５３Ｃ，５６Ｃ  加減算器、
５３Ｄ  冷却器状態判別部、５４ａ，５４ｂ  昇圧動作制御部、
５５  ゲートドライブ回路、５６  ジャンクション温度計算部、
５６Ａ  ジャンクション温度上昇特性選択部、５６Ｂ  ジャンクション温度上昇計算部、１００，２００  電力変換装置。
【図１】
2020198662.tif 000003
【図２】
2020198662.tif 000004
【図３】
2020198662.tif 000005
【図４】
2020198662.tif 000006
【図５】
2020198662.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】令和2年8月26日(2020.8.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング動作により電力を変換する半導体スイッチング素子と、前記半導体スイッチング素子を冷却する冷却器と、前記半導体スイッチング素子を制御する制御部と、前記半導体スイッチング素子の温度を検出する温度検出器と、前記半導体スイッチング素子に流れる電流を検出する電流検出器と、前記半導体スイッチング素子に印加される電圧を検出する電圧検出器とを備える電力変換装置において、
前記制御部は、前記半導体スイッチング素子のスイッチング状態と、電流検および電圧検出値の両方あるいはいずれか１つを用いて前記半導体スイッチング素子の損失を計算する半導体スイッチング素子損失計算部と、前記半導体スイッチング素子損失計算部の損失計算値と前記温度検出器の温度検出値とから前記冷却器の状態を推定する冷却器状態推定部とを備え、前記冷却器の冷却器状態に基づいて、前記半導体スイッチング素子に流れる電流を制限し、
前記冷却器状態推定部は、
過去の温度検出値を保持する温度検出値保持部と、前記保持した温度検出値と前記半導体スイッチング素子の前記損失計算値とを用いて、温度検出推定値を推定する温度検出値推定部と、
前記温度検出推定値と前記温度検出値とを比較し、前記冷却器の前記冷却器状態を推定する冷却器状態判別部と、
を備える電力変換装置。
【請求項２】
前記制御部は、さらに前記温度検出値に基づいて、前記半導体スイッチング素子に流れる電流を制限する請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記温度検出値推定部は、前記半導体スイッチング素子の前記損失計算値に基づいて、前記保持した温度検出値と前記温度検出推定値との相関関係を０次以上の遅れ系で近似する請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記半導体スイッチング素子の前記損失計算値と、前記冷却器状態と、前記温度検出値とに基づいて、前記半導体スイッチング素子のジャンクション温度を推定するジャンクション温度計算部を備え、
前記ジャンクション温度に基づいて、前記半導体スイッチング素子に流れる電流を制限する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記ジャンクション温度計算部は、
前記温度検出値と前記半導体スイッチング素子のジャンクションの間の温度差と、前記半導体スイッチング素子の前記損失計算値との相関関係を、前記冷却器状態に応じて選択するジャンクション温度特性選択部と、
前記ジャンクション温度特性選択部が選択した前記相関関係と、前記半導体スイッチング素子の前記損失計算値とを用いて、前記温度検出値と前記半導体スイッチング素子のジャンクション温度との間の温度上昇値を計算するジャンクション温度上昇計算部を備え、
前記温度検出値と前記温度上昇値とを可算することで、前記半導体スイッチング素子のジャンクション温度を推定する請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記ジャンクション温度特性選択部が選択する前記相関関係は、０次以上の遅れ系で近似される請求項５記載の電力変換装置。
【請求項７】
複数の前記半導体スイッチング素子の温度と相関がある箇所の温度を検出する１つの前記温度検出器を備えた請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項８】
複数の前記半導体スイッチング素子の温度と相関がある箇所の温度を検出する１つの前記温度検出器を備えた前記半導体スイッチング素子と前記温度検出器との組を構成し、
前記半導体スイッチング素子と前記温度検出器との組を複数組備える請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記冷却器の前記冷却器状態は、正常状態と複数の異常状態とし、
前記複数の異常状態に基づいて、前記半導体スイッチング素子に流れる電流を制限する請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
本願に開示される電力変換装置は、スイッチング動作により電力を変換する半導体スイッチング素子と、半導体スイッチング素子を冷却する冷却器と、半導体スイッチング素子を制御する制御部と、半導体スイッチング素子の温度を検出する温度検出器と、半導体スイッチング素子に流れる電流を検出する電流検出器と、半導体スイッチング素子に印加される電圧を検出する電圧検出器とを備え、制御部は、半導体スイッチング素子のスイッチング状態と、電流検出値および電圧検出値の両方あるいはいずれか１つを用いて半導体スイッチング素子の損失を計算する半導体スイッチング素子損失計算部と、半導体スイッチング素子損失計算部の損失計算値と温度検出器の温度検出値とから冷却器の状態を推定する冷却器状態推定部とを備え、冷却器の冷却器状態に基づいて、半導体スイッチング素子に流れる電流を制限し、冷却器状態推定部は、過去の温度検出値を保持する温度検出値保持部と、保持した温度検出値と半導体スイッチング素子の損失計算値とを用いて、温度検出推定値を推定する温度検出値推定部と、温度検出推定値と温度検出値とを比較し、冷却器の冷却器状態を推定する冷却器状態判別部と、を備えるものである。