(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷（２）に電力を供給するようにコンバータ（３）を動作させるための方法であって、
過負荷電力が前記負荷（２）に印加されるように、与えられる過負荷時間の間前記コンバータ（３）を制御するステップと、
休止電力が前記負荷（２）に印加されるように、与えられる休止時間の間前記コンバータ（３）を制御するステップとを備え、
前記過負荷電力は前記コンバータ（３）の定常状態動作限界に対応する公称電力よりも高く、前記休止電力は前記公称電力よりも低く、
前記コンバータ（３）は外部から与えられる情報に応答して制御され、前記負荷（２）に印加される前記電力は、前記外部から与えられる情報によって前記コンバータ（３）が所与の最大過負荷時間よりも長い間過負荷電力を与えるようになるや否や制限され、
前記最大過負荷時間の後、前記負荷（２）に印加されるべき前記電力は、予め定められた時間特性に応じて、前記過負荷電力から前記公称電力へと許容可能電力を低減する限界値を与える制限関数に応じて制限され、
前記最大過負荷時間は、前記コンバータ（３）中の温度が予め定められた最大温度限界に達する期間である、方法。
【請求項２】
前記休止電力および休止時間は、少なくとも１つのパラメータ、特に前記コンバータ（３）の温度、が前記過負荷時間の始めに初期値に戻るように設定される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記過負荷電力および過負荷時間は、少なくとも１つのパラメータ、特に前記コンバータの温度、が前記過負荷時間の間限界を超えないように設定される、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記休止時間は過負荷期間に直接に従う、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記過負荷時間および前記休止時間は周期的に繰返される、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記予め定められた時間特性は、前記過負荷電力から前記公称電力への線形のまたは指数関数的傾斜を規定する、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はパワーコンバータに関し、特に昇圧モードでパワーコンバータを動作させるための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
関連技術
パワーコンバータは、モータなどのすべての種類の電力機器を駆動するのに用いられる。そのようなパワーコンバータは、ＭＯＳＦＥＴ、サイリスタ、ＩＧＢＴなど、その中で用いられる半導体装置の過熱またはそれらに対する他の損傷のおそれなく永続的に供給される電力の量を示すそれらの公称電力で指定される。半導体装置の公称電力は通常、供給される際に、半導体装置内の温度が、半導体装置の半導体接合部の最大許容可能温度によって規定される温度限界を超えないようにする電力として定義される。
【０００３】
文献Murdock, D. A. et al., "Active Thermal Control of Power Eletronic Modules", IEEE Transactions on industry applications, Volume 42, No. 2, pp. 552-558, March-April 2006からは、電力電子モジュールが熱的制御によって定常状態動作を制御して、最大可能連続動作に達することが公知である。
【０００４】
文献ＷＯ２００９／０３３９９９Ａ２は、半導体構成要素の実際の温度値が測定され、実際の温度値および目標温度値に基づいてモータ冷却システムなどの温度制御装置のアクチュエータが作動されて実際の温度値を調整する方法を開示する。実際の温度値は温度モデルに基づいて測定される。
【０００５】
文献特開２０１１−２２３６７８号Ａは、保護部を有する装置を開示する。算出部は、端子抵抗およびその熱時定数から、スイッチング素子のジャンクション温度と近接部の温度とを算出する。補正部は、温度差に基づいてスイッチング素子のジャンクション温度を補正する。ゲート駆動回路または制御部は、補正されたスイッチング素子のジャンクション温度が温度限界値を超えないように制御される。
【０００６】
文献ＷＯ２００６／０８７６１８Ａ１は、インバータの温度を検出する温度検出部を有するレギュレータを開示する。限界温度設定部は、検出された温度の変更値が予め設定された値を下回ると、限界温度を、検出された温度に対して平滑化プロセスを行なうことによって得られる平滑温度に設定する。演算部は、指示温度が上昇するにつれてインバータの動作を制限する。
【０００７】
文献ＳＵ１４１０１７９Ａは、コンバータを動作させるための方法であって、サイリスタのｐ−ｎ接合部の温度に比例する信号が、最大許容温度に比例する固定設定と比較される、方法を開示する。ｐ−ｎ接合部の温度が最大許容温度を超えると、アクチュエータがコンバータを遮断するかまたはサイリスタを通る電流を制限する。
【０００８】
文献ＵＳ５，３７３，２０５は、ピーク電流にデフォルト設定される電流限界を規定する制御方法を提供し、最大許容可能温度を超える温度が検出されるのに応答して公称電流限界が設定される。電流限界リセットは、温度が予め定められた大きさだけ最大許容可能温度を下回ったことが検出された後にピーク電流にリセットされる。
【０００９】
文献ＥＰ０９７１５７３Ｂ１は、レギュレータを冷却するための冷却媒体の量が必要な温度に従って制御される、冷却媒体によって冷却される牽引駆動装置のためのレギュレータを開示する。
【００１０】
文献ＥＰ１８１６７３３Ａ２は、周期的に変化する負荷特性を有する周波数コンバータを動作させるための方法を開示する。新周期の始めに、周波数コンバータのパワー半導体などの極めて重要な構成要素の温度が予測される。極めて重要な構成要素の過熱が予測された場合、負荷サイクルの間に過熱を防止できるように、周波数コンバータに対しては低減された負荷しか許容されない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、パワーコンバータの公称電力を超える電力消費を有する電気機器のための過熱保護動作を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の要約
上記目的は、請求項１に従う、電気機器に電気エネルギを与えるためのパワーコンバータを動作させるための方法、ならびにさらなる独立クレームに従う機構およびシステムによって達成されている。
【００１３】
従属請求項にさらなる実施形態を示す。
第１の局面に従うと、負荷に電力を供給するようにコンバータを動作させるための方法が提供され、方法は、
過負荷電力が負荷に印加されるように、与えられる過負荷時間の間コンバータを制御するステップと、
休止電力が負荷に印加されるように、与えられる休止時間の間コンバータを制御するステップとを備え、
過負荷電力はコンバータの定常状態動作限界に対応する公称電力よりも高く、休止電力は公称電力よりも低く、
コンバータ（３）は外部から与えられる情報に応答して制御され、負荷（２）に印加される電力は、外部から与えられる情報によってコンバータ（３）が所与の最大過負荷時間よりも長い間過負荷電力を与えるようになるや否や制限され、
最大過負荷時間の後、負荷（２）に印加されるべき電力は、予め定められた時間特性に応じて、過負荷電力から公称電力へと許容可能電力を低減する限界値を与える制限関数に応じて制限される。
【００１４】
本発明の１つの概念は、パワーコンバータが、特定の休止時間の間公称電力以下の休止電力を供給するようにその後動作される限り、特定の過負荷時間の間公称電力を超える過負荷電力を与えることができるようにパワーコンバータを動作させることができるようにすることである。この動作方式は、電気機器がそれに接続されるパワーコンバータの公称電力を超える電力を短期間消費しても、パワーコンバータを有する電気機器の使用を許容する。したがって、たとえばシステム全体が冷却するまたは落ち着く休止時間が後に存在するという条件で、パワーコンバータがその公称動作点を超えて昇圧されることが許され、特定の過負荷時間の間の過負荷動作が許容される。過負荷電力動作は、時間および過負荷電力の関数としての過負荷可能性許容量のプロファイルに従う過負荷時間について設計されてもよい。
【００１５】
発明に従うと、コンバータは、外部から与えられる情報に応答して制御され、負荷に印加される電力は、外部から与えられる情報によってコンバータが所与の最大過負荷時間よりも長い間過負荷電力を与えるようになるや否や制限され、最大過負荷時間の後、負荷に印加されるべき電力は、予め定められた時間特性に応じて、過負荷電力から公称電力へと許容電力を低減する限界値を与える制限関数に応じて制限されてもよい。
【００１６】
コンバータを動作させるためのこの方法は、前もって分かっているはずがないいずれの過負荷電力条件でもコンバータを動作させることができるという利点を有する。コンバータは、特に、前もって分かっていない過負荷電力条件に対応することができる。
【００１７】
さらに、休止電力および休止期間は、少なくとも１つのパラメータ、特にコンバータの温度、が過負荷期間の始めにその初期値に戻るように設定されてもよい。
【００１８】
過負荷電力および過負荷時間は、少なくとも１つのパラメータ、特にコンバータの温度、が過負荷時間の間に限界を超えないように設定されることにされてもよい。
【００１９】
さらに、休止時間は時間過負荷期間に直接に従ってもよい。
さらに、過負荷時間および休止時間は周期的に繰返されてもよい。
【００２０】
最大過負荷時間は、コンバータ中の温度が予め定められた最大温度限界に達する期間であってもよい。
【００２１】
さらに、予め定められた時間特性は、過負荷電力から公称電力への線形のまたは指数関数的傾斜を規定してもよい。
【００２２】
さらなる局面に従うと、負荷に電力を供給するようにコンバータを動作させるための機構が提供され、これは、
過負荷電力が負荷に印加されるように、与えられる過負荷時間の間コンバータを制御する、かつ
休止電力が負荷に印加されるように、与えられる休止時間の間コンバータを制御する、ように構成される制御部を備え、
過負荷電力はコンバータの定常状態動作限界に対応する公称電力よりも高く、休止電力は公称電力よりも低い。
【００２３】
別の局面に従うと、負荷と、電力を負荷に供給するためのコンバータと、上記機構とを備えるシステムが提供される。
【００２４】
本発明の好ましい実施形態を添付の図面と関連してより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】電気機器に電気エネルギを供給するパワーコンバータを有するシステムを示す図である。
【図２】図１に従うシステムのパワーコンバータの電力出力およびパワーコンバータ中の半導体スイッチの結果的に得られる接合温度を図示する図である。
【図３】図１に従うシステムのパワーコンバータの電力出力、電力限界、およびパワーコンバータの半導体スイッチング装置の結果的に得られる接合温度を図示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
実施形態の詳細な説明
図１は、電気エネルギを負荷（被電気駆動部）２に与えるためのシステム１を示す。負荷２は製造設備の一部であってもよく、周期的に工具部品を駆動するように用いられてもよい。たとえば、負荷２は、パワードライブまたは同様の負荷であってもよい。
【００２７】
電気エネルギは、予め定められた量の電力を負荷２に与えるように、スイッチング装置３１を含んだパワーコンバータ３によって負荷２に与えられる。スイッチング装置３１は、パワーＭＯＳＦＥＴ、サイリスタ、ＩＧＢＴ、ＩＧＣＴなどのパワー半導体装置として構成されてもよい。スイッチング装置は、パワーインバータ、ハーフブリッジ構成、フルブリッジ構成などのドライバ構成の中に配置されてもよい。
【００２８】
スイッチング装置の熱感度により、パワーコンバータ３は、その上限がその中で用いられる半導体装置の最大ｐ−ｎ接合温度で決まる制限温度動作範囲を有する。最大許容可能接合温度を超えることは半導体スイッチング装置の動作性および／または寿命に影響することがあるので、最大許容可能温度を超えてはならない。
【００２９】
パワーコンバータ３については、このように、パワーコンバータ３の電力出力を表わす公称電力が連続動作に基づいて規定されており、公称電力は、半導体装置の接合温度が通常の予め規定された環境条件下では最大許容可能温度に近づくかまたはそれに達するパワーコンバータ３の最大電力出力を示す。
【００３０】
負荷２は、不連続な態様で、すなわち周期的にまたは間欠的に、パワーコンバータ３の公称電力出力を超える電力を消費するように構成されてもよい。
【００３１】
図２の図に示されるように、電気機器２は、特定の過負荷時間の間過負荷電力を消費することが許される。過負荷電力は、たとえば、定常状態動作限界を規定する公称電力を４０％まで上回ることができる一方で、過負荷時間は、固定して設定され得るかまたは負荷によって要求される過負荷電力の量に依存し得る予め定められた持続時間に設定される。
【００３２】
過負荷電力が負荷２に供給される過負荷時間の後、電力出力は、特定の休止時間の間公称電力よりも低い電力レベルに低減される。休止電力および休止時間は、最大許容可能温度よりも低い予め定められた温度に半導体装置を冷却することができるように適合され得る。過負荷電力および休止電力を供給する周期的動作の場合、休止期間および休止電力は、休止期間の終わりに接合温度が初期温度に到達するように適合され、温度は、次の（後続の）過負荷期間の間過負荷電力を印加する際にその初期温度から上昇し得る。
【００３３】
制御信号ＣＳに依存してパワーコンバータ３を制御する制御部４が設けられる。制御信号ＣＳは、プロセス制御などによって与えられ得る外部から与えられる信号Ｅに従う予め規定された方式に従って生成される。外部から与えられる信号Ｅは、負荷２がその電力で実際に動作される電力を示す。
【００３４】
さらに、負荷２に供給されている実際の電力の量をパワーコンバータ３または制御部４からそれぞれ永久的に、定期的に、または周期的に受信する監督部５が設けられる。主に、監督部５は、予め定められた過負荷期間しきい値を超える過負荷時間の間過負荷電力が負荷２に印加される場合に、応じてコンバータ部３に指令することによって、電力制限を適用する。制限は、パワーコンバータ３が限界値Ｌに応じてその電力出力を制限するように、限界値Ｌをパワーコンバータ３に与えることによって行なわれる。
【００３５】
図３の図に示されるように、制限は、図３の図中の曲線Ｋ１（必要とされる電力）によって示されるような、予め定められた最大過負荷時間ＴＰよりも長い間過負荷電力が必要とされる場合に有効である。最大過負荷時間ＴＰは、接合温度が、過負荷電力が印加される過負荷時間の始まりに初期温度から始まり温度限界に達する期間によって規定される。
【００３６】
制限は、最大過負荷時間ＴＰ後に過負荷電力から公称電力への減少を与え得る制限曲線Ｋ２（制限関数）に応じてなされるので、接合温度は温度限界に保たれてもよく、もはや上昇しない。過負荷電力を与えることと公称電力との間の遷移は、負荷２の電力供給を公称電力に戻すように制限する線形の傾斜としてまたは指数関数的特性で形作られ得る。過負荷電力レベルから公称電力への傾斜の勾配は、装着される負荷２の種類、過負荷電力の量、過負荷期間の持続時間などに依存してもよい。本質的に、接続配線での反射、電磁干渉などの望まれない影響による、負荷２に印加される電力の段階的な（突然の）低減は回避されるべきである。
【００３７】
電力制限は、パワーコンバータ３の出力電流を制限することによって、パワーコンバータ３の出力電圧を制限することによって、パワーコンバータ３のスイッチング周波数を制限する（または低減する）ことなどによって、行なうことができる。
【符号の説明】
【００３８】
参照符号の一覧
１  システム、２  負荷、３  パワーコンバータ、４  制御部、５  監督部、３１  半導体装置
【図１】
0005851658.tif 000002
【図２】
0005851658.tif 000003
【図３】
0005851658.tif 000004