(57)【要約】【課題】複雑な温度検出部を設けることなく、半導体素子の温度を精度よく検出でき、小型化、軽量化を図ることのできる電力変換装置を提供することにある。【解決手段】本実施形態の電力変換装置は、電力変換器と、温度検出器と、制御部と、を備える。電力変換器は、半導体素子を有し、負荷に電力を供給する。温度検出器は、半導体素子を冷却する冷却器に搭載され、温度を検出する。制御部は、電力変換器に印加される電圧、及び流れる電流とから半導体素子の損失を算出し、算出した損失と、温度検出器が検出した温度と、に基づいて半導体素子の温度を算出する。【選択図】図１
2014239576.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子を有し、負荷に電力を供給する電力変換器と、
前記半導体素子を冷却する冷却器に搭載され、温度を検出する温度検出器と、
前記電力変換器に印加される電圧、及び流れる電流とから前記半導体素子の損失を算出する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
算出した前記損失と、前記温度検出器が検出した前記温度と、に基づいて前記半導体素子の温度を算出する、
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記制御部は、算出した前記損失に所定の係数を乗じた温度勾配に、前記温度検出器が検出した前記温度を加算して前記半導体素子の温度を算出する
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記所定の係数は、前記電力変換器の特性に基づいて決まる
ことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記電力変換器の特性は、前記半導体素子から前記温度検出器までの熱抵抗である
ことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記半導体素子のスイッチング素子に対してＰＷＭ信号を出力して前記スイッチング素子の導通、非導通を制御し、前記電力変換装置の動作を制御する制御装置であって、
前記温度検出器が算出する前記半導体素子の温度が、前記半導体素子の絶対最大定格温度により設定された温度を超えると、前記電力変換装置からの出力電流を下げるように前記ＰＷＭ信号の出力を変更する
ことを特徴とする請求項１から請求項４いずれか一項に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、鉄道車両用等の電動機制御においては、半導体素子を用いた電力変換装置によって所望の電力制御を行う方式のものが主流である。このような電力制御に用いられる電力変換装置は、半導体素子と、半導体素子を搭載する冷却器と、この冷却器に搭載される温度検出器と、を備え、温度検出器により半導体素子の温度を推定することが行われている。
【０００３】
しかしながら、温度検出器と半導体素子との間には温度勾配が生じるため、半導体素子の温度を精度よく推定する温度検出方式が望まれる。
この方式の一例として、電力変換装置の設計の際、温度検出器と半導体素子との間の温度勾配の最大値をそれぞれの部材について予め与えられた熱抵抗の最大値から計算し、温度検出器の検出温度に、この温度勾配の最大値を上乗せして、半導体素子の温度の最大値を推定する方式がある。
設計時は、半導体素子−温度検出器間の温度勾配を、想定される最大値で見積もっているため、実際の動作で温度勾配が見積り上の最大値に達していない状況では、温度勾配を過剰に上乗せして素子温度を推定することになる。つまり、設計時にオーバーマージンの設計を行う必要があるという問題がある。
【０００４】
一方、例えば特許文献１に記載されているように、半導体素子にダイレクトに温度検出器を取り付け、半導体素子の温度を推定する方式がある。この方式では、半導体素子が高電圧で動作する所謂高圧部となり、一方、電力変換装置の制御部は低電圧で動作する低圧部となるため、高圧部と低圧部との間を電気的に絶縁する必要が生じ、温度検出器の構成が複雑になってしまうという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−７１９１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、複雑な温度検出部を設けることなく、半導体素子の温度を精度よく検出でき、小型化、軽量化を図ることのできる電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本実施形態の電力変換装置は、電力変換器と、温度検出器と、制御部と、を備える。電力変換器は、半導体素子を有し、負荷に電力を供給する。温度検出器は、半導体素子を冷却する冷却器に搭載され、温度を検出する。制御部は、電力変換器に印加される電圧、及び流れる電流とから半導体素子の損失を算出し、算出した損失と、温度検出器が検出した温度と、に基づいて半導体素子の温度を算出する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態１の電力変換装置を適用した電気車制御装置の全体構成を示す図。
【図２】実施形態１の電力変換装置の内部構造を示す図。
【図３】図１に示す半導体素子５６の１つを拡大し、スイッチング素子について説明するための図。
【図４】スイッチング素子２６に印加される電圧２１、流れる電流２２、及び損失を説明するための図。
【図５】図１に示す半導体素子５６の１つを拡大し、ダイオード素子について説明するための図。
【図６】ダイオード素子３６に印加される電圧３２、流れる電流３１、及び損失を説明するための図。
【図７】実施形態２の電力変換装置の内部構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施形態の電力変換装置を、図面を参照して説明する。
図１は、実施形態１の電力変換装置を適用した電気車制御装置１０の全体構成を示す図である。
電気車制御装置１０は、パンタグラフ５１、直流側開放スイッチ５２、リアクトル５３、コンデンサ５４、インバータ部５５、温度検出器６、制御部１１、電圧検出器１７、電流検出器１８を有している。このうち、実施形態１の電力変換装置は、インバータ部５５、制御部１１、電圧検出器１７、電流検出器１８を有している。
また、制御部１１は、損失算出回路１２と、素子温度算出回路１３と、電流制限回路１４と、インバータ制御回路１５と、スイッチング素子駆動回路１６と、を備えている。
【００１０】
パンタグラフ５１は、直流架線と電気的に接続され、直流架線から電気車制御装置１０に直流電力を取り込む集電装置である。パンタグラフ５１は、直流側開放スイッチ５２及びリアクトル５３を介して、インバータ部５５の正極側に接続されている。パンタグラフ５１を介して取り込まれた直流電力は、インバータ部５５に供給される。
【００１１】
コンデンサ５４は、インバータ部５５の直流側の正極端子と負極端子との間に接続されている。リアクトル５３は、パンタグラフ５１とインバータ部５５の正極とを接続する電気経路に挿入されている。コンデンサ５４、及びリアクトル５３は、フィルタ回路を構成する。このフィルタ回路は、架線電力に含まれている電流リプルを低減する。
【００１２】
インバータ部５５は、６つの大電力用の半導体素子５６（ゲート絶縁形バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、及びこれと逆並列に接続されたダイオード）を有している。半導体素子５６のＩＧＢＴが、制御部１１のスイッチング素子駆動回路１６によりスイッチング制御される。
インバータ部５５は、力行時では、パンタグラフ５１により取り込まれた直流電力を交流電力に変換する。インバータ部５５は、変換した交流電力を電動機５７（負荷）に供給することにより、電動機５７を駆動制御する。インバータ部５５は、回生時では、電動機５７から発生した回生電力を直流電力に変換し、変換した直流電力を、パンタグラフ５１を介して直流架線に返還する。インバータ部５５は、パルス幅変調により制御されるＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）インバータである。また、インバータ部５５は、直流を任意の周波数の交流に変換するＶＶＶＦ（Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）インバータである。
【００１３】
温度検出器６は、インバータ部５５を構成する半導体素子５６を冷却する冷却器（図１において不図示）に搭載され、冷却器の温度を検出する。
【００１４】
電圧検出器１７は、コンデンサ５４の両端子間の電圧を測定することにより、インバータ部５５に入力される直流電圧を検出する。電圧検出器１７は、検出した直流電圧を制御部１１に対して出力する。
電流検出器１８は、交流電流検出器（それぞれ４Ｕ、４Ｗとする）を有している。電流検出器１８は、インバータ部５５から電動機５７に流れる三相交流電流を検出する。交流電流検出器４Ｕは、Ｕ相電流を検出する。交流電流検出器４Ｗは、Ｗ相電流を検出する。交流電流検出器４Ｕ，４Ｗは、それぞれが検出したＵ相電流、及びＷ相電流を制御部１１に対して出力する。電流検出器１８の取り付け箇所は、Ｕ相、Ｗ相に限定されず、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のうちの１つ以上に設置することで交流電流の検出が可能となる。
【００１５】
制御部１１の損失算出回路１２は、電圧検出器１７が出力する直流電圧、Ｕ相電流、及びＷ相電流から、インバータ部５５を構成する半導体素子５６において発生する損失を、後述する式に従って算出する。
素子温度算出回路１３は、損失算出回路１２が算出した損失と、温度検出器６が検出した温度と、に基づいて半導体素子５６の温度を算出する（詳細後述）。
【００１６】
電流制限回路１４は、素子温度算出回路１３が算出した半導体素子５６の温度と、予め設定された温度（例えば、半導体素子５６の絶対最大定格により定まる絶対最大定格温度）と、を比較し、半導体素子５６の温度の温度が予め設定された温度を超えると、電流制限指令をインバータ制御回路１５に対して出力する。
車両制御部１９は、所定のトルクを、電動機５７に発生させるために、電流指令をインバータ制御回路１５に対して出力する。このとき車両制御部１９は、制御部１１内に設けられていてもよい。
【００１７】
インバータ制御回路１５は、電流制限指令が入力されない通常動作では、車両制御部１９からの電流指令に対応したトルクを電動機５７に発生させるため、ＰＷＭ指令信号を、スイッチング素子駆動回路１６に対して出力する。ここで、ＰＷＭ指令信号とは、ＰＷＭ信号のＯＮ状態、ＯＦＦ状態を含むＰＷＭ信号の周期のことを指す。一方、インバータ制御回路１５は、電流制限指令が入力される保護動作では、インバータ電流を下げるようにＰＷＭ指令信号を変更する。そして、その変更されたＰＷＭ指令信号を、スイッチング素子駆動回路１６に対して出力する。
【００１８】
スイッチング素子駆動回路１６は、インバータ制御回路１５に電流制限指令が入力されない通常動作では、インバータ制御回路１５からのＰＷＭ指令信号により、インバータ部５５がＰＷＭ制御により交流電圧を所望の値にするように、インバータ部５５のスイッチング素子に対して、所定のＰＷＭ信号を出力する。一方、スイッチング素子駆動回路１６は、インバータ制御回路１５に電流制限指令が入力される保護動作では、インバータ電流を下げるようにＰＷＭ信号を変更して出力する。
【００１９】
続いて、制御部１１における温度検出の手法について、図面を参照して説明する。
図２は、実施形態１の電力変換装置の内部構造を示す図である。図１に示す半導体素子５６は半導体チップ１、基板２、ベース板３、及びケース７から構成される。基板２は、半田５により半導体チップ１と接続されている。また、ベース板３は、半田５により基板２と接続されている。つまり、半導体素子５６を構成する半導体チップ１、基板２、ベース板３は、ケース７において互いに半田５により電気的に接続される。また、半導体素子５６は、半導体素子を冷却するための冷却器８に取り付けられている。さらに、冷却器８の温度を監視するため、図１に示す温度検出器６が、この冷却器８に取り付けられている。
【００２０】
インバータ部５５を構成する半導体素子５６は、制御部１１によるスイッチング制御、及び半導体チップ１を流れる電流により発熱するが、半導体素子５６は使用可能な温度に温度上限（上述の絶対最大定格）が存在し、この温度上限を超えて使用すると故障するおそれがある。このため、上述の様に半導体チップ１の温度を推定し、この推定温度が温度上限を超えそうに成る場合、動作を停止する、あるいはインバータ部５５の出力を下げる保護動作を行う必要がある。
【００２１】
以下、半導体素子５６に損失が発生するメカニズムについて説明する。
図３は、図１に示す半導体素子５６の１つを拡大し、スイッチング素子について説明するための図である。半導体素子５６は、上述したように、スイッチング素子２６（ＩＧＢＴ）とダイオード２７により構成される。まず、図３に示すスイッチング素子２６に着目して、スイッチング素子２６がオフ状態（ゲート端子に入力されるＰＷＭ信号がＬレベルであり、スイッチング素子が非導通の状態）にあるとき、スイッチング素子２６に印加される電圧２１をＶｃｅ（コレクタ端子とエミッタ端子との間の電圧）とする。また、スイッチング素子２６がオン状態（ゲート端子に入力されるＰＷＭ信号がＨレベルであり、スイッチング素子が導通の状態）にあるとき、スイッチング素子のコレクタ端子とエミッタ端子との間に流れる電流２２をＩｃ（コレクタ電流）とする。半導体素子５６のスイッチング素子に電流Ｉｃが流れることにより、損失（熱量）が発生する。
【００２２】
図４は、スイッチング素子２６に印加される電圧２１、流れる電流２２、及び損失を説明するための図である。図４（ａ）は、スイッチング素子２６がオフ状態（ＯＦＦ状態）からターンオンしてオン状態（ＯＮ状態）へ移行し、その後ターンオフしてＯＦＦ状態へ移行する場合の、電圧２１（Ｖｃｅ）、及び電流２２（Ｉｃｅ）の時間変化を示している。
このＶｃｅとＩｃｅをＶｃｅ×Ｉｃｅと掛け合わせることにより、図４（ｂ）に示すスイッチング素子２６の損失波形が得られる。
【００２３】
図４（ｂ）に示す損失波形のうち、スイッチング素子２６がオンした時に発生する損失をターンオン損失と定義する。また、スイッチング素子２６がターンオンしている間、すなわちスイッチング素子２６が飽和状態にあるときに発生する損失を定常損失と定義する。また、スイッチング素子がオフ状態に移行する際の損失をターンオフ損失と定義する。
【００２４】
次に、図５は、図１に示す半導体素子５６の１つを拡大し、ダイオード素子について説明するための図である。図５に示すダイオード素子３６に着目して、ダイオード素子３６が逆阻止状態（オフ状態）にあるときのダイオード素子３６のカソード端子とアノード素子との間に印加される電圧３２をＶｆとする。また、ダイオード素子３６のアノード端子からカソード端子に対して順方向電流が流れている状態、すなわちオン状態での電流３１の大きさをＩｆとする。
【００２５】
図６は、ダイオード素子３６に印加される電圧３２、流れる電流３１、及び損失を説明するための図である。図６（ａ）は、ダイオード素子３６がオン状態（導通状態）からオフしてオフ状態（逆阻止状態）へ移行し、その後オンしてオン状態へ移行する場合の、電圧３２（Ｖｆ）、及び電流３１（Ｉｆ）の時間変化を示している。このＶｆとＩｆをＶｆ×Ｉｆと掛け合わせることにより、図６（ｂ）に示すダイオード素子３６の損失波形が得られる。
【００２６】
図６（ｂ）に示す損失波形のうち、ダイオード素子３６がリカバリする際（オン状態からオフ状態に戻る際）に発生する損失をリカバリ損失と定義する。また、ダイオード素子３６がオンしている間、すなわちダイオード素子３６に順方向電流が流れているときに発生する損失を定常損失と定義する。
【００２７】
次に、上記各損失の算出方法について説明する。上述したように、インバータ部５５に流れる電流は、電流検出器１８により検出され、この検出された電流は損失算出回路１２に入力される。また、インバータ部５５に印加される電圧は、電圧検出器１７により、検出され、この検出された電圧は損失算出回路１２に入力される。また、車両制御部１９から制御部１１への電流指令に含まれる各ＰＷＭ信号のＨレベル／Ｌレベルの期間が、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相への通電パターンに応じて決まっている。そのため、検出された電圧、及び電流が、インバータ部５５を構成する半導体素子５６のうち、どのスイッチング素子２６、及びダイオード素子３６に対応するものであるかについて、演算の際に用いることができる。また、温度検出器６と半導体チップ１（すなわち、スイッチング素子、またはダイオード素子）との間の温度勾配は、上述した各損失に比例するものと考えられる。
【００２８】
これにより、損失算出回路１２は、スイッチング素子２６、ダイオード素子３６のそれぞれについて、損失に所定の係数を乗じて、温度検出器６と各素子との間の温度勾配を求める。なお、ここでの所定の係数とは、本実施形態の電力変換装置を製造後、実験等により、温度検出器６の検出温度、電圧検出器１７の検出電圧、電流検出器１８の検出電流、半導体素子５６の温度を測定することにより、予め求めることができる。また、温度勾配を算出する演算は、所定のサンプリング周波数で定期的に行なう構成としてよい。
【００２９】
また、素子温度算出回路１３は、温度検出器６が検出した温度（冷却器８上の温度）に、損失算出回路１２が算出した温度勾配を加算することにより、半導体チップ１の温度を推定する。
電流制限回路１４は、素子温度算出回路１３が算出した半導体チップ１の温度と、予め半導体チップ１の上限温度に応じて予め設定される温度との比較を行い、算出した半導体チップ１の温度が予め設定される温度を超えた場合、上述の様に、電流制限指令をインバータ制御回路１５に対して出力する。インバータ制御回路１５では、スイッチング素子駆動回路１６を介して、インバータ部５５の出力を下げることができる。
【００３０】
以上述べた第１の実施形態の電力変換装置によれば、複雑な温度検出部を設けることなく、半導体素子５６の温度を、検出電流と検出電圧との積に所定の係数を乗じることにより温度勾配を精度よく検出できる。また、電力変換機の設計に際し、予め冷却器８などの温度勾配に関してオーバーマージンの設計を行なう必要はなく、小型化、軽量化を図ることのできる電力変換装置を提供することができる。
【００３１】
続いて、第２の実施形態の電力変換装置について説明する。第２の実施形態においては、第１の実施形態において、素子温度算出回路１３が半導体素子５６の温度算出を行う際に用いる所定の係数として、電力変換装置の各部材の熱抵抗を用いる場合について、説明する。
図７は、実施形態２の電力変換装置の内部構造を示す図である。また、図７は、実施形態２の電力変換装置の温度算出を説明するための熱抵抗の分布図を示しており、図２に示す、実施形態１の電力変換装置の内部構造に対応させるとともに、部材間の熱抵抗を併せて示している。なお、図２と同一の部分には同一の符号を付している。
【００３２】
また、図７において、符号６３はスイッチング素子６１の温度を、符号６４はダイオード素子６２の温度を、符号６５はベース板３の温度を、符号６６は冷却器８の温度を、符号６７は温度検出器６における検出温度を、それぞれ示す。また、図７において、符号６８はスイッチング素子６１とベース板３との間の熱抵抗を、符号６９はダイオード素子６２とベース板３との間の熱抵抗を、符号７０はベース板３と冷却器８との間の熱抵抗を、符号７１は冷却器８と温度検出器６との間の熱抵抗を、それぞれ示す。これらの熱抵抗は、各部材において、設計における計算、或いは評価における測定により、予めその値が定まっているものである。
【００３３】
図７では、図１に示す半導体素子５６は、スイッチング素子６１、及びダイオード素子（それぞれ半導体チップ）、基板２、ベース板３、及びケース７から構成される。基板２は、半田５により半導体チップと接続されている。また、ベース板３は、半田５により基板２と接続されている。つまり、半導体素子５６を構成する半導体チップ、基板２、ベース板３は、ケース７において互いに半田５により電気的に接続される。また、半導体素子５６は、半導体素子を冷却するための冷却器８に取り付けられている。さらに、冷却器８の温度を監視するため、図１に示す温度検出器６が、この冷却器８に取り付けられている。
【００３４】
図１に示す損失算出回路１２は、実施形態１の電力変換装置において上述したように、スイッチング素子６１の発生損失（以下、Ｐｉとする）、ダイオード素子６２の発生損失（以下、Ｐｄとする）を、それぞれ算出し、算出した発生損失Ｐｉ、発生損失Ｐｄを素子温度算出回路１３に対して出力する。
【００３５】
素子温度算出回路１３では、これらの発生損失Ｐｉ、発生損失Ｐｄから、スイッチング素子の温度６３（以下、Ｔｊｉとする）、ダイオード素子の温度６４（以下、Ｔｊｄ）を、それぞれ、以下の各式を用いて算出する。
Ｔｆ＝Ｔｔｈ＋（Ｐｉ＋Ｐｄ）×Ｒｔｈ（ｆ−ｔ）
Ｔｃ＝Ｔｆ＋（Ｐｉ＋Ｐｄ）×Ｒｔｈ（ｃ−ｆ）
Ｔｊｉ＝Ｔｃ＋Ｐｉ×Ｒｔｈｉ（ｊ−ｃ）
Ｔｊｄ＝Ｔｃ＋Ｐｄ×Ｒｔｈ（ｊ−ｃ）
なお、上記式において、Ｔｔｈは温度検出器６の検出温度６７を、Ｔｆは冷却器の温度６６を、Ｔｃはベース板３の温度６５を、それぞれ示す。また、Ｒｔｈｉ（ｊ−ｃ）は熱抵抗６８を、Ｒｔｈｄ（ｊ−ｃ）は熱抵抗６９を、Ｒｔｈ（ｃ−ｆ）は熱抵抗７０を、Ｒｔｈ（ｆ−ｔ）は熱抵抗７１を、それぞれ示す。
【００３６】
以上述べた第２の実施形態の電力変換装置によれば、第１の実施形態について述べた所定の係数として、電力変換器の特性に基づいて決まる係数（半導体素子の熱損失特性、半導体素子、冷却器、及び温度検出器の配置、冷却器の性能等）のうち、半導体素子から温度検出器までの熱抵抗を用いた。そのため、第２の実施形態の電力変換装置によれば、より電力変換器の部材の特性を反映した精度の高い温度推定を行うことができる。
【００３７】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００３８】
１…半導体素子
２…基板
３…ベース板
５…半田
６…温度検出器
７…ケース７
８…冷却器
１０…電気車制御装置
１１…制御部
１２…損失算出回路
１３…素子温度算出回路
１４…電流制限回路
１５…インバータ制御回路
１６…スイッチング素子駆動回路
１７…電圧検出器
１８…電流検出器
１９…車両制御部
２１，３２…電圧
２２，３１…電流
２６…スイッチング素子
２７，３６…ダイオード素子
２３，２４，２５，３３，３４…損失
５１…パンタグラフ
５２…直流側開放スイッチ
５３…リアクトル
５４…コンデンサ
５５…インバータ部
５６…半導体素子
５７…電動機
６３，６４，６５，６６，６７…温度
６８，６９，７０，７１…熱抵抗
【図１】
2014239576.tif 000003
【図２】
2014239576.tif 000004
【図３】
2014239576.tif 000005
【図４】
2014239576.tif 000006
【図５】
2014239576.tif 000007
【図６】
2014239576.tif 000008
【図７】
2014239576.tif 000009