(57)【要約】  内蔵された冷媒の沸騰現象を利用する沸騰冷却装置を用いてスイッチング素子の冷却を行うように構成された電力変換装置１８において、スイッチング素子の取付面の温度である素子取付面温度Ｔｆと、冷却装置吸気温度Ｔａとの偏差に基づいて電力変換装置１８の動作を制御する制御部１７を有する。この制御部１７は、素子取付面温度Ｔｆと、冷却装置吸気温度Ｔａとの偏差が所定の閾値を超えた場合に、電力変換装置１８を停止する制御を行う。
2013051133.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング素子のスイッチング動作により、入力された直流電力または交流電力を所望の交流電力に変換して出力し、内蔵された冷媒の沸騰現象を利用する冷却装置を用いて前記スイッチング素子の冷却を行うよう構成された電力変換装置において、
前記スイッチング素子もしくは当該スイッチング素子取付面の動作中温度と動作開始前の温度との偏差に基づいて前記電力変換装置の動作を制御する制御部を有し、
前記制御部は、前記偏差が所定の閾値を超えた場合に前記冷却装置の性能低下を表す冷却性能低下検知信号を生成して出力する検知部を有したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
スイッチング素子のスイッチング動作により、入力された直流電力または交流電力を所望の交流電力に変換して出力し、内蔵された冷媒の沸騰現象を利用する冷却装置を用いて前記スイッチング素子の冷却を行うよう構成された電力変換装置において、
前記スイッチング素子もしくは当該スイッチング素子取付面の温度と前記冷却装置に吸気される冷却風の温度との偏差に基づいて前記電力変換装置の動作を制御する制御部を有し、
前記制御部は、前記偏差が所定の閾値を超えた場合に前記冷却装置の性能低下を表す冷却性能低下検知信号を生成して出力する検知部を有したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記偏差が所定の閾値を超えた場合に前記電力変換装置を停止する制御を行うことを特徴とする請求項１または２の何れかに記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記検知部は、前記冷却風の温度に基づいて前記閾値を生成する閾値生成部を有し、
前記閾値生成部は、前記冷却風の温度が低いときよりも高いときの方が、前記閾値が小さくなるように生成することを特徴とする請求項１または２の何れかに記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記検知部は、前記スイッチング素子の損失に基づいて前記閾値を生成する閾値生成部を有し、
前記閾値生成部は、前記スイッチング素子の損失が小さいときよりも大きいときの方が、前記閾値が小さくなるように生成することを特徴とする請求項１または２の何れかに記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記検知部は、カレンダー機能を有し、当該カレンダー機能による季節情報に基づいて前記閾値を生成する閾値生成部を有し、
前記閾値生成部は、前記季節情報に基づいて予測される外気温が低いときよりも高いときの方が、前記閾値が小さくなるように生成することを特徴とする請求項１または２の何れかに記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記偏差が所定の閾値を超えた場合に前記スイッチング素子を動作させるスイッチング周波数を低下させる制御を行うことを特徴とする請求項１または２の何れかに記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記制御部は、前記偏差が所定の閾値を超えた場合に前記スイッチング素子に通流させる電流を制限する制御を行うことを特徴とする請求項１または２の何れかに記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記スイッチング素子を構成するトランジスタ素子およびダイオード素子のうちの少なくとも一つがワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項１または２の何れかに記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料または、ダイヤモンドを用いた半導体であることを特徴とする請求項９に記載の電力変換装置。
【請求項１１】
前記検知部は、カレンダー機能を有し、当該カレンダー機能による季節情報に基づいて前記閾値を生成する閾値生成部を有し、
前記閾値生成部は、前記季節情報に基づいて予測される外気温が低いときよりも高いときの方が、前記閾値が小さくなるように生成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１２】
前記制御部は、前記偏差が所定の閾値を超えた場合に前記スイッチング素子を動作させるスイッチング周波数を低下させる制御を行うことを特徴とする請求項１または１１に記載の電力変換装置。
【請求項１３】
前記制御部は、前記偏差が所定の閾値を超えた場合に前記スイッチング素子に通流させる電流を制限する制御を行うことを特徴とする請求項１または１１に記載の電力変換装置。
【請求項１４】
前記スイッチング素子を構成するトランジスタ素子およびダイオード素子のうちの少なくとも一つがワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項１または１１に記載の電力変換装置。
【請求項１５】
前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料または、ダイヤモンドを用いた半導体であることを特徴とする請求項１４に記載の電力変換装置。
【請求項１６】
スイッチング素子のスイッチング動作により、入力された直流電力または交流電力を所望の交流電力に変換して出力し、内蔵された冷媒の沸騰現象を利用する冷却装置を用いて前記スイッチング素子の冷却を行うよう構成された電力変換装置において、
前記スイッチング素子もしくは当該スイッチング素子取付面の温度と前記冷却装置への冷却風の温度との偏差に基づいて装置の運転を制御する制御部を有したことを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、沸騰冷却方式の冷却装置にて冷却可能に構成される電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置は、ＭＯＳＦＥＴ，ＩＧＢＴ等のスイッチング素子をスイッチング動作させて電力変換を行う。このとき、スイッチング素子のスイッチング動作に伴い、スイッチング損失が発生する。スイッチング損失が発生するとスイッチング素子の温度（以下「素子温度」という）が上昇する。それ故、素子温度の上昇を抑制するための冷却装置が不可欠となる。【０００３】
冷却装置は、素子の発熱を冷却するためのフィンを備える構成が一般的であるが、冷却能力をさらに高めるため、内蔵された冷媒の沸騰現象を利用する沸騰冷却方式を用いたものも数多く存在する。【０００４】
沸騰冷却方式による冷却装置（以下「沸騰冷却装置」と称する）では、フィン内部に冷媒が充填されており、素子の発熱で沸騰し、気化した冷媒を凝縮器を介して冷却風で冷却することにより素子を冷却する。【０００５】
沸騰冷却装置では、通常は冷媒（例えば、水またはフロリナート）が１００％満たされている。この冷媒が気化したときの圧力（蒸気圧）は、常温で概ね０．３気圧である。【０００６】
一方、沸騰冷却装置では、通常の使用環境下において、凝縮器の部分に微細な穴が空くことが知られている。微細な穴が空いた場合、凝縮器の内部は０．３気圧であるのに対し、凝縮器の外部は１気圧であるため、大気中の空気の凝縮器内への混入を管理することの重要性が指摘されている（例えば、下記特許文献１）。【０００７】
なお、この特許文献１に示される沸騰冷却装置（同文献では「沸騰冷却サイリスタ装置」として開示）では、大気中の非凝縮性ガスである空気が凝縮器内に混入すると凝縮器の上下に温度差が生じるため、この温度差を凝縮器表面周壁に設けられた複数の温度センサを用いて検出し、検出した温度差の情報に基づいて沸騰冷却装置の冷却性能を把握することとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平４−２８５４７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記では、凝縮器内の空気の混入により沸騰冷却装置の冷却性能が低下することについて説明したが、冷却性能の低下は、凝縮器内の空気の混入以外の要因、例えば冷却フィンの目詰まり等によっても生じる。このため、上記特許文献１に示される手法では、凝縮器内の空気混入による冷却性能低下を検出することはできても、その他の要因による性能低下を効果的に検出することができないという課題が認められる。【００１０】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、凝縮器内の空気混入を含めた要因による冷却性能低下を効果的に検出することができる沸騰冷却装置を備えた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】
【００１１】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる電力変換装置は、スイッチング素子のスイッチング動作により、入力された直流電力または交流電力を所望の交流電力に変換して出力し、内蔵された冷媒の沸騰現象を利用する冷却装置を用いて前記スイッチング素子の冷却を行うよう構成された電力変換装置において、前記スイッチング素子もしくは当該スイッチング素子取付面の温度と前記冷却装置への冷却風の温度との偏差に基づいて装置の動作を制御する制御部を有し、前記制御部は、前記偏差が所定の閾値を超えた場合に装置を停止する制御を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、凝縮器内の空気混入、目詰まり等の要因による冷却性能低下を効果的に検出することができる電力変換装置を提供できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、実施の形態１に係る電力変換装置に用いられて好適な冷却装置の一構成例を示す概観図である。
【図２】図２は、実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示す図である。
【図３】図３は、運転指令生成部の細部構成を示す図である。
【図４】図４は、電力変換回路制御部の細部構成を示す図である。
【図５】図５は、素子過温度検知部の細部構成を示す図である。
【図６】図６は、ΔＴｆ-ａ演算部の細部構成を示す図である。
【図７】図７は、冷却性能低下検知部の細部構成を示す図である。
【図８】図８は、運転者警告部の細部構成を示す図である。
【図９】図９は、高温時または高発熱時における冷却装置の動作を説明する図である。
【図１０】図１０は、低温時かつ低発熱時における冷却装置の動作を説明する図である。
【図１１】図１１は、電力変換装置の動作中における素子取付面温度の推移例を示す図である。
【図１２】図１２は、フィン内部に空気混入があった場合の素子取付面温度特性（周囲温度が高い場合）の変化を示す図である。
【図１３】図１３は、フィン内部に空気混入があった場合の素子取付面温度特性（周囲温度が低い場合）の変化を示す図である。
【図１４】図１４は、実施の形態２に係る電力変換装置の構成を示す図である。
【図１５】図１５は、ΔＴｆ-ｆ１演算部の細部構成を示す図である。
【図１６】図１６は、実施の形態２に係る冷却性能低下検知部の細部構成を示す図である。
【図１７】図１７は、実施の形態３に係る電力変換装置の構成を示す図である。
【図１８】図１８は、実施の形態３に係る冷却性能低下検知部の細部構成を示す図である。
【図１９】図１９は、損失演算部の細部構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照し、本発明の実施の形態にかかる電力変換装置について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。
【００１５】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置に用いられて好適な冷却装置の一構成例を示す概観図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。図１に示す冷却装置５０は、沸騰冷却方式による冷却装置（沸騰冷却装置）であり、放熱部としての凝縮器５２、吸熱部としての蒸発器５３、冷媒５４、フィン５５などを備えて構成される。後述する電力変換装置に設けられ、主回路を構成するスイッチング素子５７は蒸発器５３に接して取り付けられている（図１では、蒸発器５３の下部に取り付けられる構成を例示）。冷媒５４は、蒸発器５３の内部に設けられた冷媒室５６ａに封入されている。
【００１６】
スイッチング素子５７の取付面６０には、スイッチング素子５７の温度、もしくはその近傍の温度を計測するための温度センサ９ａ（例えばコンバータ回路用）および温度センサ９ｂ（例えばインバータ回路用）が設けられている。すなわち、温度センサ９ａ，９ｂは、スイッチング素子取付面の温度を計測することでスイッチング素子の温度を間接的に計測する温度センサとして配置されている。これら温度センサ９ａ，９ｂに加え、凝縮器５２の上部には、凝縮器５２の吸気温度を測定するための温度センサ９ｃが設けられている。なお、温度センサ９ｃは、凝縮器５２の吸気温度を測定することができる任意の位置に取り付けることが可能である。
【００１７】
スイッチング素子５７が発熱すると冷媒５４の温度が上昇する。冷媒５４の温度がある温度に達すると冷媒５４が沸騰し、気化した冷媒５４が凝縮器５２の内部に設けられた冷媒室５６ｂ内に浸入する。なお、冷却装置の構成によっては、フィンの内部にも気化した冷媒が浸入する構成のものもある。スイッチング素子５７の発熱によって生じた熱は、フィン５５によって放熱される。なお、図１に示すように、フィン５５に向けて冷却風５８を通風すれば、凝縮器５２を通過する温風５９の移動を促進することができ、冷却効率の高い冷却装置を実現できる。
【００１８】
図２は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示す図である。電力変換装置１８は、主回路８および制御部１７を備え、主回路８の入力端には交流電源部１４が接続され、主回路８の出力端には、三相交流で動作する電動機（例えば誘導電動機、同期電動機）１が接続されている。
【００１９】
主回路８は、インバータ主回路２、直流電源部５および、コンバータ主回路６を備えて構成される。
【００２０】
コンバータ主回路６は、スイッチング素子Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗで構成される正側アーム（例えばＵ相ではＩｕ）と、スイッチング素子Ｉｘ，Ｉｙ，Ｉｚで構成される負側アーム（例えばＵ相ではＩｘ）とがそれぞれ直列に接続された回路部（レグ）を有している。すなわち、インバータ主回路２には、３組（Ｕ相分、Ｖ相分、Ｗ相分）のレグを有する３相ブリッジ回路が構成されている。正側アームと負側アームの各接続点（各レグの中点）は、インバータ主回路２の交流端子を成し、電動機１と接続される。
【００２１】
直流電源部５は、直流電力を保持する構成部であり、図示の例では直流母線間に設けられるフィルタコンデンサＦＣにて構成されている。
【００２２】
コンバータ主回路６は、スイッチング素子Ｃｕ，Ｃｖで構成される正側アームと、スイッチング素子Ｃｘ，Ｃｙで構成される負側アームとがそれぞれ直列に接続された回路部（レグ）を有している。すなわち、コンバータ主回路６には、２組のレグを有する単相ブリッジ回路が構成されている。正側アームと負側アームの各接続点（各レグの中点）は、コンバータ主回路６の交流端子を成して交流電源部１４と接続される。
【００２３】
制御部１７は、素子過温度検知部１０、電力変換回路制御部１３、温度差演算部１５（図１では「ΔＴｆ-ａ演算部」と表記、なお「ΔＴｆ-ａ」の意味については後述）および、冷却性能低下検知部１６を備えて構成される。また、制御部１７の外部には、運転者警告部１１および運転指令生成部１２が設けられている。
【００２４】
つぎに、制御部１７を構成する各部の構成および動作ならびに、制御部１７の周辺部に配置される各部の構成および機能について、図３〜図８の各図面を参照して説明する。ここで、図３は、運転指令生成部１２の細部構成を示す図であり、図４は、電力変換回路制御部１３の細部構成を示す図であり、図５は、素子過温度検知部１０の細部構成を示す図であり、図６は、ΔＴｆ-ａ演算部１５の細部構成を示す図であり、図７は、冷却性能低下検知部１６の細部構成を示す図であり、図８は、運転者警告部１１の細部構成を示す図である。
【００２５】
まず、運転指令生成部１２は、図３に示すように、力行・ブレーキ選択部１２ａを備えている。力行・ブレーキ選択部１２ａは、運転手による操作（ノッチ操作）が力行指示なのかブレーキ指示なのかを判断し、その判断結果を運転指令Ａとして電力変換回路制御部１３に出力する。
【００２６】
電力変換回路制御部１３は、図４に示すように、電流指令演算部１３ａ、電圧指令生成部１３ｂおよび主回路動作指令生成部１３ｃを備えている。また、電力変換回路制御部１３には、運転指令Ａ、モータ電流ＩＭ、コンバータ電流ＩＳ、モータ回転数ＦＭ、直流電圧ＥＦＣが入力される。モータ電流ＩＭは、電動機１に流れる電流であり、コンバータ電流ＩＳは、コンバータ主回路６に流出入する電流であり、モータ回転数ＦＭは、電動機１の回転数であり、直流電圧ＥＦＣは、直流電源部５を構成するフィルタコンデンサＦＣの電圧であり、これらの電気諸量または物理量の何れも、図２の構成の要所に配置される各種センサ（図２では図示を省略）にて検出される。
【００２７】
電流指令演算部１３ａは、運転指令Ａ、モータ電流ＩＭ、コンバータ電流ＩＳ、モータ回転数ＦＭおよび直流電圧ＥＦＣを適宜使用し、電動機１に流すべき電流指令（もしくは電動機１が出力すべき必要トルク）を演算し、次段の電圧指令生成部１３ｂに出力する。
【００２８】
電圧指令生成部１３ｂは、電流指令演算部１３ａから出力される電流指令もしくはトルク指令を元に、電動機１に印加すべき電圧の指令値である電圧指令を出力する。なお、これら電流指令演算部１３ａおよび電圧指令生成部１３ｂの細部構成については公知であるため、ここでの更に詳細な説明は省略する。
【００２９】
主回路動作指令生成部１３ｃは、電圧指令生成部１３ｂから出力される電圧指令を元に、インバータ主回路２のスイッチング素子（Ｉｕ〜Ｉｚ）をオン・オフ制御する信号（スイッチング指令）と、コンバータ主回路６のスイッチング素子（Ｃｕ，Ｃｖ，Ｃｘ，Ｃｙ）をオン・オフ制御する信号（スイッチング指令）とを主回路動作指令ＧＳとしてインバータ主回路２およびコンバータ主回路６に出力する。ただし、図示の通り、スイッチング素子の過温度を検知したときに生成される信号（素子過温度検知信号ＣＴＨ）もしくは、冷却性能の低下を検知したときに生成される信号（冷却性能低下検知信号ＲＬＤ）の何れかが入力されたときには、主回路動作不可となり、主回路動作指令ＧＳは出力されない。電力変換回路制御部１３からは、この主回路動作指令ＧＳの他に、スイッチング周波数ｆｓｗ、パルスモードＰＭ、モータ電流ＩＭ、コンバータ電流ＩＳなどの情報が出力される。主回路動作指令生成部１３ｃは、図示のように、変調波生成部１３ｃａ、搬送波生成部１３ｃｂ、比較器１３ｃｃなどを組み合わせて構成することができる。なお、主回路動作指令生成部１３ｃの細部の構成については公知であるため、ここでの更に詳細な説明は省略する。
【００３０】
素子過温度検知部１０は、図５に示すように、比較器１０ａ，１０ｂおよびＯＲ回路１０ｃを備えている。比較器１０ａには、温度センサ９ａが検知したコンバータ素子取付面温度Ｔｆｃと、内部的に生成されたコンバータ過温度検知設定信号Ｔｆｃ＿ｒｅｆが入力され、比較器１０ｂには、温度センサ９ｂが検知したインバータ素子取付面温度Ｔｆｉと、内部的に生成されたインバータ過温度検知設定信号Ｔｆｉ＿ｒｅｆとが入力される。比較器１０ａは、コンバータ素子取付面温度Ｔｆｃがコンバータ過温度検知設定信号Ｔｆｃ＿ｒｅｆを超えた場合にコンバータ素子の過温度を検出し、検出した信号をＯＲ回路１０ｃに出力する。同様に、比較器１０ｂは、インバータ素子取付面温度Ｔｆｉがインバータ過温度検知設定信号Ｔｆｉ＿ｒｅｆを超えた場合にインバータ素子の過温度を検出し、検出した信号をＯＲ回路１０ｃに出力する。ＯＲ回路１０ｃは、比較器１０ａ，１０ｂの論理和演算を行い、演算結果を素子過温度検知信号ＣＴＨとして出力する。すなわち、素子過温度検知部１０は、コンバータ素子取付面温度Ｔｆｃとインバータ素子取付面温度Ｔｆｉの少なくとも一方が検出閾値を超過した場合に、その旨を表す素子過温度検知信号ＣＴＨを出力する。なお、ここで生成された素子過温度検知信号ＣＴＨは、図２に示すように、電力変換回路制御部１３および運転者警告部１１に対する入力信号となる。
【００３１】
ΔＴｆ-ａ演算部１５は、図６に示すように、コンバータ主回路側の温度差を表す信号（コンバータ主回路側温度差信号、図６では「ΔＴｆｃ-ａ」と表記）を演算する演算部（図６では「Ｔｆｃ-Ｔａ」と表記）１５ａと、インバータ主回路側の温度差を表す信号（インバータ主回路側温度差信号、図６では「ΔＴｆｉ-ａ」と表記）を演算する演算部（図６では「Ｔｆi-Ｔａ」と表記）１５ｂとを備えている。ΔＴｆ-ａ演算部１５には、コンバータ素子取付面温度Ｔｆｃ、インバータ素子取付面温度Ｔｆｉおよび、温度センサ９ｃが検知した冷却装置吸気温度Ｔａが入力される。Ｔｆｃ-Ｔａ演算部１５ａは、コンバータ素子取付面温度Ｔｆｃと冷却装置吸気温度Ｔａの差分値（偏差）を演算し、その演算結果をコンバータ素子取付面温度−冷却装置吸気温度差ΔＴｆｃ-ａとして出力する。Ｔｆｉ-Ｔａ演算部１５ｂは、インバータ素子取付面温度Ｔｆｉと冷却装置吸気温度Ｔａの差分値（偏差）を演算し、その演算結果をインバータ素子取付面温度−冷却装置吸気温度差ΔＴｆｉ-ａとして出力する。なお、ここで生成されたコンバータ素子取付面温度−冷却装置吸気温度差ΔＴｆｃ-ａおよびインバータ素子取付面温度−冷却装置吸気温度差ΔＴｆｉ-ａは、図１に示すように、冷却性能低下検知部１６に対する入力信号となる。
【００３２】
冷却性能低下検知部１６は、図７に示すように、比較器１６ａ，１６ｂおよびＯＲ回路１６ｃを備えている。比較器１６ａには、ΔＴｆ-ａ演算部１５が生成したコンバータ素子取付面温度−冷却装置吸気温度差ΔＴｆｃ-ａと、冷却装置吸気温度Ｔａの関数（ｆ(Ｔａ)）として内部的に生成されたコンバータ冷却性能低下検知設定信号Ｔｒｌｄｃ＿ｒｅｆが入力され、比較器１６ｂには、ΔＴｆ-ａ演算部１５が生成したインバータ素子取付面温度−冷却装置吸気温度差ΔＴｆｉ-ａと、コンバータ側と同様に冷却装置吸気温度Ｔａの関数（ｆ(Ｔａ)）として内部的に生成されたインバータ冷却性能低下検知設定信号Ｔｒｌｄｉ＿ｒｅｆが入力される。比較器１６ａは、コンバータ素子取付面温度−冷却装置吸気温度差ΔＴｆｃ-ａがコンバータ冷却性能低下検知設定信号Ｔｒｌｄｃ＿ｒｅｆを超えた場合にコンバータ主回路側の冷却性能の低下を検出し、検出した信号をＯＲ回路１６ｃに出力する。同様に、比較器１６ｂは、インバータ素子取付面温度−冷却装置吸気温度差ΔＴｆｉ-ａがインバータ冷却性能低下検知設定信号Ｔｒｌｄｉ＿ｒｅｆを超えた場合にインバータ主回路側の冷却性能の低下を検出し、検出した信号をＯＲ回路１６ｃに出力する。ＯＲ回路１６ｃは、比較器１６ａ，１６ｂの論理和演算を行い、演算結果を冷却性能低下検知信号ＲＬＤとして出力する。すなわち、冷却性能低下検知部１６は、コンバータ素子取付面温度−冷却装置吸気温度差ΔＴｆｃ-ａとインバータ素子取付面温度−冷却装置吸気温度差ΔＴｆｉ-ａの少なくとも一方が検出閾値を超過した場合に、その旨を表す冷却性能低下検知信号ＲＬＤを出力する。なお、ここで生成された冷却性能低下検知信号ＲＬＤは、図２に示すように、電力変換回路制御部１３に対する入力信号となる。
【００３３】
運転者警告部１１は、図８に示すように、表示部１１ａおよび鳴動部１１ｂを具備している。表示部１１ａは、インバータ主回路２、コンバータ主回路６、冷却装置５０等の異常を運転者等のユーザに対し表示する機能を有する構成部である。また、鳴動部１１ｂは、インバータ主回路２、コンバータ主回路６、冷却装置５０等の異常情報を音に変換し運転者等のユーザに注意喚起する機能を有する構成部である。これらの各部の機能は、素子過温度検知部１０からの素子過温度検知信号ＣＴＨや、冷却性能低下検知部１６からの冷却性能低下検知信号ＲＬＤを元に実行される。
【００３４】
図９は、高温時または高発熱時における冷却装置の動作を説明する図である。図９（ａ），（ｂ）共に、冷却装置に空気が混入した状態を示すものであるが、より詳細に説明すると、図９（ａ）は素子が発熱していない状態を示し、図９（ｂ）は高温状態（周囲温度が高い場合）もしくは高発熱状態を示している。
【００３５】
背景技術の項でも説明したが、腐食等により凝縮器に微細な穴が空くと、凝縮器の内部は０．３気圧（冷媒がフロリナートの場合）であるのに対し、凝縮器の外部は１気圧であるため、凝縮器の内部は空気が混入した状態となる。空気は、冷媒の気体よりも軽いため、凝縮器の上部を占有する。したがって、沸騰した冷媒は空気の下方にしか存在することができず、空気の存在する上方部は凝縮器が無いのに等しい冷却性能になってしまい、冷却装置の性能が低下してしまう（図９（ａ）参照）。
【００３６】
その一方で、図９（ａ）に示すような空気混入状態であっても高温時または高発熱時の場合には冷却性能の低下による影響が小さくなる。その理由は、例えば周囲温度が高い場合、冷媒の蒸気量も多くなるため、図９（ｂ）に示すように、凝縮器の上部を占めている空気が圧迫されて体積が減少するからである。結果として、高温時の場合には、冷却性能の低下は抑制される。
【００３７】
また、周囲温度が高くない場合であっても、高発熱時（素子の発熱量が大きい場合）においては、素子の発熱量の増大によって冷媒の蒸気量も多くなるため、凝縮器の上部を占めている空気が圧迫されて体積が減少する。その結果、高発熱時の場合でも高温時と同様に、冷却性能の低下が抑制されることになる。
【００３８】
これに対し、図１０は、低温時かつ低発熱時における冷却装置の動作を説明する図である。図１０（ａ）は、図９（ａ）を再掲したものであり、図１０（ｂ）は周囲温度が低い場合（低温状態）であり、かつ、低発熱状態（素子の発熱量が小さい場合）を示している。
【００３９】
低温時の場合、周囲温度も低温であるため、冷媒の蒸気量は少ない。さらに、素子の発熱量が小さい場合には、冷媒の蒸気量も多くならない。このため、図１０（ｂ）に示すように、空気が占有する体積は、高温時に比べて大きくなる。つまり、低温時かつ低発熱時の場合には、冷却性能の低下は大きくなり、素子に対するストレスは大きくなる。
【００４０】
つぎに、電力変換装置のヒートサイクル（熱サイクル）について説明する。図１１は、電力変換装置の動作中における素子取付面温度の推移例を示す図である。図１１において、実線部の波形は素子取付面温度Ｔｆを表している。また、時間軸と平行に引いた２つの破線のうち、下方部の破線は冷却装置吸気温度Ｔａ（温度センサ９ｃの出力、図２参照）を表し、上方部の破線は素子過温度検知信号ＣＴＨ（素子過温度検知部１０の出力、図２、図５参照）を表している。
【００４１】
例えば、鉄道車両用途の電力変換装置の場合、図１１に示すような動作と停止とを繰り返す制御が行われる。その結果、素子取付面温度Ｔｆは、動作中には増加し、停止中には減少する図１１に示すような三角波状の変動を繰り返す。このようなヒートサイクルは、例えばある駅を発車して次の停車駅に停車するまでの間の一例であり、一日の運行でもこのようなヒートサイクルが数多く繰り返されることになる。すなわち、鉄道車両用途の電力変換装置の場合、電力変換装置に搭載されるスイッチング素子は、過酷な動作環境下に置かれることになる。なお、本実施の形態の電力変換装置では、素子取付面温度Ｔｆと冷却装置吸気温度Ｔａとの間の温度差（Ｔｆ-ａ）を検出することになるが、この処理は、前述したようにＴｆ-ａ演算部１５によって実行される（図２、図６参照）。
【００４２】
つぎに、実施の形態１に係る電力変換装置の動作について説明する。制御部１７の最終段に位置する電力変換回路制御部１３からは、主回路動作指令ＧＳが出力される（図２、図４参照）。主回路動作指令ＧＳには、インバータ主回路２のスイッチング素子（Ｉｕ〜Ｉｚ）をオン・オフ制御する動作指令と、コンバータ主回路６のスイッチング素子（Ｃｕ，Ｃｖ，Ｃｘ，Ｃｙ）をオン・オフ制御する動作指令とが含まれる。コンバータ主回路６は、電力変換回路制御部１３から出力される主回路動作指令ＧＳに基づき、交流電源部１４から供給される交流電力を所望の直流電力に変換して直流電源部５に供給する。インバータ主回路２は、電力変換回路制御部１３から出力される主回路動作指令ＧＳに基づき、直流電源部５から供給される直流電力を可変振幅、可変周波数の三相交流電力に変換して電動機１に供給する。
【００４３】
上記のような制御を行った場合、当然のように、インバータ主回路２のスイッチング素子（Ｉｕ〜Ｉｚ）およびコンバータ主回路６のスイッチング素子（Ｃｕ，Ｃｖ，Ｃｘ，Ｃｙ）は発熱し、温度が上昇する。素子過温度検知部１０は、温度センサ９ａが検知したコンバータ素子取付面温度Ｔｆｃがコンバータ過温度検知設定信号Ｔｆｃ＿ｒｅｆを超えているか否かを判定することによりコンバータ素子の過温度を検出すると共に、インバータ素子取付面温度Ｔｆｉがインバータ過温度検知設定信号Ｔｆｉ＿ｒｅｆを超えているか否かを判定することによりインバータ素子の過温度を検出し、コンバータ素子およびインバータ素子のうちの少なくとも一方の過温度を検出した場合に素子過温度検知信号ＣＴＨを生成して運転者警告部１１および電力変換回路制御部１３に出力する。運転者警告部１１は、素子過温度検知信号ＣＴＨが入力された場合、スイッチング素子の過温度を運転者等のユーザ対し表示機能、鳴動機能にて通知する。また、電力変換回路制御部１３は、素子過温度検知信号ＣＴＨが入力された場合、主回路動作指令ＧＳの出力を遮断してインバータ主回路２およびコンバータ主回路６の動作を停止する。
【００４４】
上記のような素子過温度検知処理と共に、冷却装置の冷却性能低下検知処理も併せて行う。冷却性能低下検知部１６は、コンバータ素子取付面温度−冷却装置吸気温度差ΔＴｆｃ-ａがコンバータ冷却性能低下検知設定信号Ｔｒｌｄｃ＿ｒｅｆを超えているか否かを判定することによりコンバータ冷却性能の低下を検出すると共に、インバータ素子取付面温度−冷却装置吸気温度差ΔＴｆｉ-ａがインバータ冷却性能低下検知設定信号Ｔｒｌｄｉ＿ｒｅｆを超えているか否かを判定することによりインバータ冷却性能の低下を検出し、コンバータ冷却性能およびインバータ冷却性能のうちの少なくとも一方の冷却性能低下を検出した場合に冷却性能低下検知信号ＲＬＤを生成して運転者警告部１１および電力変換回路制御部１３に出力する。運転者警告部１１は、冷却性能低下検知信号ＲＬＤが入力された場合、冷却性能の低下を運転者等のユーザ対し表示機能、鳴動機能にて通知する。また、電力変換回路制御部１３は、冷却性能低下検知信号ＲＬＤが入力された場合、主回路動作指令ＧＳの出力を遮断してインバータ主回路２およびコンバータ主回路６の動作を停止する。
【００４５】
つぎに、実施の形態１に係る電力変換装置が有する効果について、図１２および図１３の図面を参照して説明する。図１２および図１３は、冷媒が充填されているフィン内部に空気混入があった場合の素子取付面温度特性の変化を示す図である。より詳細に説明すると、図１２（ａ）は、空気混入がなく、且つ、夏季のように周囲温度が高い場合（「夏季冷却装置正常時」として識別）の一例であり、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）との比較のための空気混入がある場合（「夏季冷却装置異常時」として識別）の一例である。また、図１３（ａ）は、空気混入がなく、且つ、冬季のように周囲温度が低い場合（「冬季冷却装置正常時」として識別）の一例であり、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）との比較のための空気混入がある場合（「冬季冷却装置異常時」として識別）の一例である。なお、これらの図に示される三角波状の波形は、図１０に示した電力変換装置のヒートサイクルである。
【００４６】
夏季など冷却装置吸気温度が高いときや、スイッチング素子の発熱量が大きい（スイッチング損失が大きい）場合、図９において説明したように、フィン内部に混入した空気は、液相から気相に変化してフィン内部に進入する冷媒水蒸気に圧縮（圧迫）される。したがって、素子取付面温度Ｔｆの最大値と冷却装置吸気温度Ｔａとの偏差（温度差）ΔＴｆ-ａは、図１２（ａ），（ｂ）に示すように正常時と異常時との間の差異は小さい。このため、夏季などの冷却装置吸気温度が高いときには、冷却性能の差異はあまり大きくなく、冷却性能の悪化が顕在化する確率は小さくなる。
【００４７】
一方、冬季など冷却装置吸気温度が低く、且つ、スイッチング素子の発熱量が小さい（スイッチング損失が小さい）場合、図１０において説明したように、液相から気相に変化する冷媒水蒸気の量は小さく、フィン内部に混入した空気の影響が大きくなる。したがって、素子取付面温度Ｔｆの最大値と冷却装置吸気温度Ｔａとの偏差（温度差）ΔＴｆ-ａは、図１３（ａ），（ｂ）に示すように正常時と異常時との間の差異が大きくなる。このため、冬季などの冷却装置吸気温度が低いときには、冷却性能の差異が顕著となり、冷却性能低下の検知は容易となる。
【００４８】
なお、素子取付面温度Ｔｆを素子過温度検知信号ＣＴＨと比較する素子過温度検知部１０の機能を用いて冷却性能低下を検知することも可能である。しかしながら、冬季のように、冷却装置吸気温度が低い場合には、素子過温度検知信号ＣＴＨまでの温度差が夏季に比べて大きくなる。このため、冷却性能低下があまり大きくない場合には、この性能低下を見逃すことになる。したがって、冷却性能低下があまり大きくない状態下においてスイッチング素子を使用し続けるとき、スイッチング素子には、冷却性能低下がないときに比して熱ストレスが印加され続けることになり、好ましい状態ではない。
【００４９】
一方、実施の形態１のように、素子取付面温度Ｔｆを冷却装置吸気温度Ｔａと比較することにより冷却性能低下を検知するようにすれば、冷却性能低下を発見することが可能且つ容易となる。したがって、実施の形態１の電力変換装置によれば、従来の素子過温度検知では困難であった冷却装置における冷却性能低下の検出が容易となる。また、冷却性能低下の検出が容易となるため、スイッチング素子への熱ストレス過大による素子破壊を未然に防止する効果を高めることが可能となる。
【００５０】
また、背景技術の項でも触れたが、冷却性能の低下は、冷却フィンの目詰まり等によっても生じるが、従来の手法では、冷却装置吸気温度の高い夏季において、素子過温度検知の機能により、偶然的にフィンの目詰まりを発見できる場合も考えられるが、冷却装置吸気温度の低い冬季での発見は困難である。一方、実施の形態１の電力変換装置では、このような冷却性能の低下をも検出することが可能となる。
【００５１】
以上説明したように、実施の形態１の電力変換装置によれば、素子取付面温度と冷却装置吸気温度との偏差が所定の閾値を超えた場合に冷却装置の性能低下を表す冷却性能低下検知信号を生成して出力し、当該冷却性能低下検知信号に基づいて電力変換装置の動作を停止する制御を行うこととしたので、凝縮器内の空気混入や、冷却フィンの目詰まり等の要因による冷却性能の低下を効果的に検出することが可能となる。
【００５２】
実施の形態２．
つぎに、実施の形態２に係る電力変換装置について説明する。図１４は、実施の形態２に係る電力変換装置の構成を示す図である。実施の形態１では、冷却装置吸気温度Ｔａを温度センサ９ｃにより検出する構成であったが、実施の形態２では冷却装置吸気温度Ｔａを検出する温度センサ９ｃは設けてはいない点で相違している。このため、図２と図１４との比較から明らかなように、実施の形態２の電力変換装置では、ΔＴｆ-ａ演算部１５に代えてΔＴｆ-ｆ１演算部２０が設けられ、ΔＴｆ-ｆ１演算部２０の出力を入力信号として動作する実施の形態１とは細部構成の異なる冷却性能低下検知部１６Ａが設けられている。なお、その他の構成については、実施の形態１と同一または同等であり、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５３】
図１５は、ΔＴｆ-ｆ１演算部２０の細部構成を示す図である。ΔＴｆ-ｆ１演算部２０は、初期温度記憶部２０ａ，２０ｃと、コンバータ主回路側の温度差を表す信号（図１５では「ΔＴｆｃ-ｆｃ１」と表記）を演算する演算部（図１５では「Ｔｆ-ｆｃ１」と表記）２０ｂと、インバータ主回路側の温度差を表す信号（インバータ主回路側温度差信号、図１５では「ΔＴｆｉ-ｆｉ１」と表記）を演算する演算部（図１５では「Ｔｆ-ｆｉ１」と表記）２０ｄとを備えている。ΔＴｆ-ｆ１演算部２０には、コンバータ素子取付面温度Ｔｆｃおよびインバータ素子取付面温度Ｔｆｉが入力される。
【００５４】
初期温度記憶部２０ａは、コンバータ素子取付面温度Ｔｆｃの初期値（例えば１日のうちの動作開始前の温度）を記録すると共に、記録した初期値をコンバータ素子取付面初期温度Ｔｆｃ１としてＴｆ-ｆｃ１演算部２０ｂおよび外部に出力する。Ｔｆ-ｆｃ１演算部２０ｂは、コンバータ素子取付面温度Ｔｆｃとコンバータ素子取付面初期温度Ｔｆｃ１の差分値（偏差）を演算し、その演算結果をコンバータ素子取付面温度−初期温度差ΔＴｆｃ-ｆｃ１として外部に出力する。初期温度記憶部２０ｃは、インバータ素子取付面温度Ｔｆｉの初期値を記憶すると共に、記憶した初期値をインバータ素子取付面初期温度Ｔｆｉ１としてＴｆ-ｆｉ１演算部２０ｄおよび外部に出力する。Ｔｆ-ｆｉ１演算部２０ｄは、インバータ素子取付面温度Ｔｆｉとインバータ素子取付面初期温度Ｔｆｉ１の差分値（偏差）を演算し、その演算結果をインバータ素子取付面温度−初期温度差ΔＴｆｉ-ｆｉ１として外部に出力する。なお、ここで生成されたコンバータ素子取付面初期温度Ｔｆｃ１、コンバータ素子取付面温度−初期温度差ΔＴｆｃ-ｆｃ１、インバータ素子取付面初期温度Ｔｆｉ１および、インバータ素子取付面温度−初期温度差ΔＴｆｉ-ｆｉ１は、図１４に示すように、冷却性能低下検知部１６Ａに対する入力信号となる。
【００５５】
コンバータ素子取付面初期温度Ｔｆｃ１およびインバータ素子取付面初期温度Ｔｆｉ１は、電力変換装置が稼動するときの温度であり初期温度記憶部２０ａ，２０ｃによって保持される。ΔＴｆ-ｆ１演算部２０では、これらコンバータ素子取付面初期温度Ｔｆｃ１およびインバータ素子取付面初期温度Ｔｆｉ１は、実施の形態１の制御系における冷却装置吸気温度Ｔａと同等なものとして扱うが、冷却装置吸気温度Ｔａが大きく変化しない環境下にて電力変換装置を使用する場合、温度センサの数を低減できるという効果が得られる。
【００５６】
図１６は、冷却性能低下検知部１６Ａの細部構成を示す図である。冷却性能低下検知部１６Ａは、コンバータ冷却性能低下検知設定信号生成部１６Ａａ、インバータ冷却性能低下検知設定信号生成部１６Ａｂ、比較器１６Ａｃ，１６Ａｄおよび、ＯＲ回路１６Ａｅを備えている。この冷却性能低下検知部１６Ａには、コンバータ素子取付面温度−初期温度差ΔＴｆｃ-ｆｃ１、コンバータ素子取付面初期温度Ｔｆｃ１、インバータ素子取付面温度−初期温度差ΔＴｆｉ-ｆｉ１および、インバータ素子取付面初期温度Ｔｆｉ１が入力される。
【００５７】
コンバータ冷却性能低下検知設定信号生成部１６Ａａは、入力されるコンバータ素子取付面初期温度Ｔｆｃ１に基づき、コンバータ冷却性能低下検知設定信号Ｔｒｌｄｃ＿ｒｅｆを生成して比較器１６Ａｃに出力する。なお、このコンバータ冷却性能低下検知設定信号Ｔｒｌｄｃ＿ｒｅｆは、実施の形態１では内部的に生成していたが、実施の形態２では、外部からの入力信号、即ち周囲環境に応じた設定信号の変更が可能な構成となっている。この構成により、冷却装置吸気温度Ｔａに適した冷却性能低下検知設定信号Ｔｒｌｄｃ＿ｒｅｆ、Ｔｒｌｄｉ＿ｒｅｆを決定することができる。例えば、冷却装置吸気温度Ｔａが高い場合、素子の発熱量が大きくなるので、冷媒の蒸気量が多くなり、空気混入状態下における冷却装置の性能低下は小さくなる。したがって、コンバータ素子に対する熱ストレスの影響は冷却装置吸気温度Ｔａが低い場合に比して小さくなるので、冷却装置吸気温度Ｔａが高い場合には、コンバータ冷却性能低下検知設定信号Ｔｒｌｄｃ＿ｒｅｆの値を小さくすることができる。この制御により、装置の運用期間において、コンバータ素子に対する熱ストレスの変動を抑制することができ、装置の稼働率向上と、装置の延命化を図ることができるという効果が得られる。
【００５８】
図１６に戻り、比較器１６Ａｃは、コンバータ素子取付面温度−初期温度差ΔＴｆｃ-ｆｃ１がコンバータ冷却性能低下検知設定信号Ｔｒｌｄｃ＿ｒｅｆを超えた場合にコンバータ主回路側の冷却性能の低下を検出し、検出した信号をＯＲ回路１６Ａｅに出力する。インバータ側の処理も同様であり、まず、インバータ冷却性能低下検知設定信号生成部１６Ａｂは、入力されるインバータ素子取付面初期温度Ｔｆｉ１に基づき、インバータ冷却性能低下検知設定信号Ｔｒｌｄｉ＿ｒｅｆを生成して比較器１６Ａｄに出力する。比較器１６Ａｄは、インバータ素子取付面温度−初期温度差ΔＴｆｉ-ｆｉ１がインバータ冷却性能低下検知設定信号Ｔｒｌｄｉ＿ｒｅｆを超えた場合にインバータ主回路側の冷却性能の低下を検出し、検出した信号をＯＲ回路１６Ａｅに出力する。ＯＲ回路１６Ａｅは、比較器１６Ａｃ，１６Ａｄの論理和演算を行い、演算結果を冷却性能低下検知信号ＲＬＤとして出力する。すなわち、コンバータ素子取付面温度−初期温度差ΔＴｆｃ-ｆｃ１とインバータ素子取付面温度−初期温度差ΔＴｆｉ-ｆｉ１のうちの少なくとも一方が検出閾値を超過した場合に、その旨を表す冷却性能低下検知信号ＲＬＤが生成されて電力変換回路制御部１３に出力される。なお、その後の処理は、実施の形態１と同様である。
【００５９】
なお、図１６において、コンバータ冷却性能低下検知設定信号生成部１６Ａａの内部で生成されるコンバータ冷却性能低下検知設定信号Ｔｒｌｄｃ＿ｒｅｆは、関数計算により求めてもよいし、内部に保持するテーブルを参照することにより求めてもよい。インバータ冷却性能低下検知設定信号生成部１６Ａｂの内部で生成されるインバータ冷却性能低下検知設定信号Ｔｒｌｄｉ＿ｒｅｆについても同様である。
【００６０】
以上説明したように、実施の形態２の電力変換装置によれば、スイッチング素子もしくはスイッチング素子取付面の動作中温度と動作開始前の温度との偏差が所定の閾値を超えた場合に冷却装置の性能低下を表す冷却性能低下検知信号を生成して出力し、当該冷却性能低下検知信号に基づいて電力変換装置の動作を停止する制御を行うこととしたので、凝縮器内の空気混入や、冷却フィンの目詰まり等の要因による冷却性能の低下を効果的に検出することが可能となる。
【００６１】
実施の形態３．
つぎに、実施の形態３に係る電力変換装置について説明する。図１７は、実施の形態３に係る電力変換装置の構成を示す図である。実施の形態１では、冷却性能低下検知部１６にはコンバータ素子取付面温度−冷却装置吸気温度差ΔＴｆｃ-ａ、インバータ素子取付面温度−冷却装置吸気温度差ΔＴｆｉ-ａおよび冷却装置吸気温度Ｔａが入力される構成であったが、実施の形態３では冷却装置吸気温度Ｔａに代えて損失演算部２２が生成するコンバータ損失Ｑｃおよびインバータ損失Ｑｉが入力される構成である。即ち、実施の形態３の電力変換装置では、損失演算部２２が設けられると共に、ΔＴｆ-ａ演算部１５の出力と損失演算部２２の出力とを入力信号として動作する実施の形態１とは細部構成の異なる冷却性能低下検知部１６Ｂが設けられている。なお、その他の構成については、実施の形態１と同一または同等であり、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００６２】
図１８は、冷却性能低下検知部１６Ｂの細部構成を示す図である。冷却性能低下検知部１６Ｂは、コンバータ冷却性能低下検知設定信号生成部１６Ｂａ、インバータ冷却性能低下検知設定信号生成部１６Ｂｂ、比較器１６Ｂｃ，１６Ｂｄおよび、ＯＲ回路１６Ｂｅを備えている。この冷却性能低下検知部１６Ｂには、コンバータ素子取付面温度−冷却装置吸気温度差ΔＴｆｃ-ａ、コンバータ損失Ｑｃ、インバータ素子取付面温度−冷却装置吸気温度差ΔＴｆｉ-ａおよび、インバータ損失Ｑｉが入力される。
【００６３】
コンバータ冷却性能低下検知設定信号生成部１６Ｂａは、入力されるコンバータ損失Ｑｃに基づき、コンバータ冷却性能低下検知設定信号Ｔｒｌｄｃ＿ｒｅｆを生成して比較器１６Ｂｃに出力する。なお、このコンバータ冷却性能低下検知設定信号Ｔｒｌｄｃ＿ｒｅｆは、実施の形態１では内部的に生成していたが、実施の形態３では、コンバータ損失Ｑｃに応じた設定信号の変更が可能な構成となっている。この構成により、コンバータ損失Ｑｃに応じたコンバータ冷却性能低下検知設定信号Ｔｒｌｄｃ＿ｒｅｆを決定することができる。例えば、コンバータ損失Ｑｃが大きい場合、素子の発熱量が大きくなるので、冷媒の蒸気量が多くなり、空気混入状態下における冷却装置の性能低下は小さくなる。ただし、コンバータ損失Ｑｃに比例してΔＴｆc-ａが大きくなるわけではなく、ΔＴｆc-ａは、冷却器に応じた特性を持つことになる。このため、閾値は、コンバータ損失ＱｃとΔＴｆｃ-ａの特性を持ったものにすることが好ましい。このような処理により、装置の運用期間において、コンバータ素子に対する熱ストレスの変動を抑制することができ、装置の稼働率向上と、装置の延命化を図ることができるという効果が得られる。
【００６４】
図１８に戻り、比較器１６Ｂｃは、コンバータ素子取付面温度−冷却装置吸気温度差ΔＴｆｃ-ａがコンバータ冷却性能低下検知設定信号Ｔｒｌｄｃ＿ｒｅｆを超えた場合にコンバータ主回路側の冷却性能の低下を検出し、検出した信号をＯＲ回路１６Ｂｅに出力する。インバータ側の処理も同様であり、まず、インバータ冷却性能低下検知設定信号生成部１６Ｂｂは、入力されるインバータ損失Ｑｉに基づき、インバータ冷却性能低下検知設定信号Ｔｒｌｄｉ＿ｒｅｆを生成して比較器１６Ｂｄに出力する。即ち、実施の形態３の構成では、インバータ損失Ｑｉに応じた設定信号の変更が可能な構成となっている。この構成により、インバータ損失Ｑｉに応じたインバータ冷却性能低下検知設定信号Ｔｒｌｄｉ＿ｒｅｆを決定することができる。比較器１６Ｂｄは、インバータ素子取付面温度−冷却装置吸気温度差ΔＴｆｉ-ａがインバータ冷却性能低下検知設定信号Ｔｒｌｄｉ＿ｒｅｆを超えた場合にインバータ主回路側の冷却性能の低下を検出し、検出した信号をＯＲ回路１６Ｂｅに出力する。ＯＲ回路１６Ｂｅは、比較器１６Ｂｃ，１６Ｂｄの論理和演算を行い、演算結果を冷却性能低下検知信号ＲＬＤとして出力する。すなわち、コンバータ素子取付面温度−冷却装置吸気温度差ΔＴｆｃ-ａとインバータ素子取付面温度−冷却装置吸気温度差ΔＴｆｉ-ａのうちの少なくとも一方が検出閾値を超過した場合に、その旨を表す冷却性能低下検知信号ＲＬＤが生成されて電力変換回路制御部１３に出力される。なお、その後の処理は、実施の形態１と同様である。
【００６５】
図１９は、損失演算部２２の細部構成を示す図である。損失演算部２２は、コンバータ損失Ｑｃを演算するコンバータ損失演算部２２ａと、インバータ損失Ｑｉを演算するインバータ損失演算部２２ｂとを備えている。また、損失演算部２２には、電力変換回路制御部１３が生成したスイッチング周波数ｆｓｗ、パルスモードＰＭ、コンバータ電流ＩＳおよびモータ電流ＩＭが入力される。コンバータ損失演算部２２ａは、スイッチング周波数ｆｓｗ、パルスモードＰＭ、コンバータ電流ＩＳおよびモータ電流ＩＭを用いてコンバータ主回路６の損失量を表すコンバータ損失Ｑｃを演算して上述した冷却性能低下検知部１６Ｂに出力する。インバータ損失演算部２２ｂは、スイッチング周波数ｆｓｗ、パルスモードＰＭ、コンバータ電流ＩＳおよびモータ電流ＩＭを用いてインバータ主回路２の損失量を表すインバータ損失Ｑｉを演算して冷却性能低下検知部１６Ｂに出力する。なお、コンバータ損失Ｑｃおよびインバータ損失Ｑｉの算出手法は公知であるため、ここでの詳細な説明は省略する。
【００６６】
なお、図１８において、コンバータ冷却性能低下検知設定信号生成部１６Ｂａの内部で生成されるコンバータ冷却性能低下検知設定信号Ｔｒｌｄｃ＿ｒｅｆは、関数計算により求めてもよいし、内部に保持するテーブルを参照することにより求めてもよい。インバータ冷却性能低下検知設定信号生成部１６Ｂｂの内部で生成されるインバータ冷却性能低下検知設定信号Ｔｒｌｄｉ＿ｒｅｆについても同様である。
【００６７】
以上説明したように、実施の形態３の電力変換装置によれば、素子取付面温度と冷却装置吸気温度との偏差が所定の閾値を超えた場合に電力変換装置の動作を停止する制御を行う際に、当該閾値をスイッチング素子の損失に基づいて変更することとしたので、スイッチング素子に対する熱ストレスの変動を抑制することができ、装置の稼働率向上と、装置の延命化を図ることが可能となる。
【００６８】
なお、以上の実施の形態１−３に示した構成および制御態様については、種々の変更もしくは変形が可能である。例えば、実施の形態１では、冷却性能の低下を検知するための閾値であるコンバータ冷却性能低下検知設定信号Ｔｒｌｄｃ＿ｒｅｆおよびインバータ冷却性能低下検知設定信号Ｔｒｌｄｉ＿ｒｅｆは冷却装置吸気温度Ｔａの関数（ｆ(Ｔａ)）であるとして説明したが、冷却風の温度に基づいて閾値自体の値を動的に変更するようにすれば、冷却性能低下検知を効果的に行うことができる。具体的には、冷却風の温度が低いときよりも高いときの方が、閾値が小さくなるように生成されることが好ましい。冷却風の温度が低いときよりも高いときの方が冷却装置の性能が上昇するが、その理由は、冷却風の温度が高いときの方が、冷媒の蒸気量が多くなるからである。したがって、冷却風の温度が低いときの方が高いときよりも真の冷却性能を把握できることを意味する。この観点により、冷却風の温度が高い場合には、閾値を小さく設定することにより、真の冷却性能を的確に把握することが可能となる。
【００６９】
また、実施の形態３では、冷却性能の低下を検知するための閾値であるコンバータ冷却性能低下検知設定信号Ｔｒｌｄｃ＿ｒｅｆはコンバータ損失Ｑｃの関数（ｆ(Ｑｃ)）であるとし、インバータ冷却性能低下検知設定信号Ｔｒｌｄｉ＿ｒｅｆはインバータ損失Ｑｉの関数（ｆ(Ｑｉ)）であるとして説明したが、コンバータ損失Ｑｃおよびインバータ損失Ｑｉに基づいて閾値自体の値を動的に変更するようにすれば、冷却性能低下検知を効果的に行うことができる。コンバータ損失Ｑｃ（インバータ損失Ｑｉ）が小さいときよりも大きいときの方が冷却装置の性能が上昇するが、その理由は、コンバータ損失Ｑｃ（インバータ損失Ｑｉ）が大きいときの方が、冷媒の蒸気量が多くなるからである。よって、コンバータ損失Ｑｃ（インバータ損失Ｑｉ）に比例してΔＴｆ-ａが大きくなるわけではなく、冷却器に応じた特性を持つことになるため、閾値は、コンバータ損失Ｑｃ（インバータ損失Ｑｉ）とΔＴｆ-ａの特性を持ったものにすることが好ましい。この観点により、閾値は、コンバータ損失Ｑｃ（インバータ損失Ｑｉ）とΔＴｆ-ａの特性を持ったものとすることにより、真の冷却性能を的確に把握することが可能となる。
【００７０】
また、実施の形態１−３の構成において、冷却性能低下検知部１６（１６Ａ，１６Ｂ）にカレンダー機能を持たせ、このカレンダー機能による季節情報に基づいて外気温を予測し、予測した外気温が高い場合には、閾値がより小さくなるように変更する機能を持たせれば、より好ましい実施態様となる。この実施態様によっても、上記と同様に、真の冷却性能の的確な把握が可能となる。
【００７１】
また、実施の形態１−３の構成において、偏差が所定の閾値を超えた場合に、スイッチング素子の動作させるスイッチング周波数を低下させる制御を行うことは、より好ましい実施態様となる。装置を停止する過程において、装置を即座に停止するのではなく、スイッチング周波数を低下させる制御を行えばスイッチング素子の発熱量を小さくすることができ、例えば鉄道車両用途の電力変換装であれば、最寄りの駅や車両基地までの運行継続が可能となる。
【００７２】
また、実施の形態１−３の構成において、偏差が所定の閾値を超えた場合に、スイッチング素子に通流させる電流を制限する制御を行うことは、より好ましい実施態様となる。上記と同様に、装置を停止する過程において、装置を即座に停止するのではなく、スイッチング素子に通流させる電流を制限する制御を行えばスイッチング素子の発熱量を小さくすることができ、例えば鉄道車両用途の電力変換装であれば、最寄りの駅や車両基地までの運行継続が可能となる。
【００７３】
実施の形態４．
実施の形態４では、インバータ主回路およびコンバータ主回路に具備されるスイッチング素子について説明する。電力変換装置で用いられるスイッチング素子としては、珪素（Ｓｉ）を素材とする半導体トランジスタ素子（ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴなど）と、同じく珪素を素材とするダイオード素子とを逆並列に接続した構成のものが一般的である。上記実施の形態１，２で説明した技術は、この一般的なスイッチング素子を具備するインバータ主回路およびコンバータ主回路に用いることができる。
【００７４】
一方、上記実施の形態１−４の技術は、珪素を素材として形成されたスイッチング素子に限定されるものではない。この珪素に代え、近年注目されている炭化珪素（ＳｉＣ）を素材とするスイッチング素子を具備するインバータ主回路およびコンバータ主回路に用いることも無論可能である。
【００７５】
ここで、炭化珪素は、高温度での使用が可能であるという特徴を有しているので、インバータ主回路またはコンバータ主回路に具備されるスイッチング素子として炭化珪素を素材とするものを用いれば、スイッチング素子を搭載する半導体モジュールのスイッチング損失を低減することが可能である。このため、炭化珪素を素材とするスイッチング素子を用いた場合、スイッチング損失が小さくなるため冷却装置が沸騰不安定領域に陥りやすくなるが、本発明では冷却装置が沸騰不安定領域に遷移してしまった場合でも、スイッチング損失を増加させ、沸騰不安定領域に入るのを阻止することが可能である。
【００７６】
なお、炭化珪素（ＳｉＣ）は、珪素（Ｓｉ）よりもバンドギャップが大きいという特性を捉えて、ワイドバンドギャップ半導体と称される半導体の一例である。この炭化珪素以外にも、例えば窒化ガリウム系材料または、ダイヤモンドを用いて形成される半導体もワイドバンドギャップ半導体に属しており、それらの特性も炭化珪素に類似した点が多い。したがって、炭化珪素以外の他のワイドバンドギャップ半導体を用いる構成も、本発明の要旨を成すものである。
【００７７】
また、このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたトランジスタ素子やダイオード素子は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、トランジスタ素子やダイオード素子の小型化が可能であり、これら小型化されたトランジスタ素子やダイオード素子を用いることにより、これらの素子を組み込んだ半導体モジュールの小型化が可能となる。
【００７８】
また、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたトランジスタ素子やダイオード素子は、耐熱性も高いため、ヒートシンクの放熱フィンの小型化が可能となり、半導体モジュールの更なる小型化が可能になる。
【００７９】
さらに、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたトランジスタ素子やダイオード素子は、電力損失が低いため、スイッチング素子やダイオード素子の高効率化が可能であり、延いては半導体モジュールの高効率化が可能になる。
【００８０】
なお、スイッチング素子やダイオード素子の両方がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることが望ましいが、いずれか一方の素子がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていてもよく、上記実施の形態に記載の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
以上のように、本発明に係る電力変換装置は、沸騰冷却装置における凝縮器内の空気混入以外の要因による冷却性能低下を効果的に検出することができる発明として有用である。
【符号の説明】
【００８２】
１  電動機
２  インバータ主回路
５  直流電源部
６  コンバータ主回路
８  主回路
９ａ，９ｂ，９ｃ  温度センサ
１０  素子過温度検知部
１０ａ，１０ｂ  比較器
１０ｃ  ＯＲ回路
１１  運転者警告部
１１ａ  表示部
１１ｂ  鳴動部
１２  運転指令生成部
１２ａ  力行・ブレーキ選択部
１３  電力変換回路制御部
１３ａ  電流指令演算部
１３ｂ  電圧指令生成部
１３ｃ  主回路動作指令生成部
１３ｃａ  変調波生成部
１３ｃｂ  搬送波生成部
１３ｃｃ  比較器
１４  交流電源部
１５  ΔＴｆ-ａ演算部（温度差演算部）
１５ａ  Ｔｆｃ-Ｔａ演算部
１５ｂ  Ｔｆｉ-Ｔａ演算部
１６  冷却性能低下検知部
１６ａ，１６ｂ  比較器
１６ｃ  ＯＲ回路
１６Ａ  冷却性能低下検知部
１６Ａａ  コンバータ冷却性能低下検知設定信号生成部
１６Ａｂ  インバータ冷却性能低下検知設定信号生成部
１６Ａｃ，１６Ａｄ  比較器
１６Ａｅ  ＯＲ回路
１６Ｂ  冷却性能低下検知部
１６Ｂａ  コンバータ冷却性能低下検知設定信号生成部
１６Ｂｂ  インバータ冷却性能低下検知設定信号生成部
１６Ｂｃ，１６Ｂｄ  比較器
１６Ｂｅ  ＯＲ回路
１７  制御部
１８  電力変換装置
２０  ΔＴｆ-ｆ１演算部
２０ａ，２０ｃ  初期温度記憶部
２０ｂ  Ｔｆ-ｆｃ１演算部
２０ｄ  Ｔｆ-ｆｉ１演算部
２２  損失演算部
２２ａ  コンバータ損失演算部
２２ｂ  インバータ損失演算部
５０  冷却装置
５２  凝縮器
５３  蒸発器
５４  冷媒
５５  フィン
５６ａ，５６ｂ  冷媒室
５７  スイッチング素子
５８  冷却風
５９  温風
６０  取付面
【図１】
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【図２】
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【図３】
2013051133.tif 000005
【図４】
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【図５】
2013051133.tif 000007
【図６】
2013051133.tif 000008
【図７】
2013051133.tif 000009
【図８】
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【図９】
2013051133.tif 000011
【図１０】
2013051133.tif 000012
【図１１】
2013051133.tif 000013
【図１２】
2013051133.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年6月7日(2012.6.7)
【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】
スイッチング素子のスイッチング動作により、入力された直流電力または交流電力を所望の交流電力に変換して出力し、内蔵された冷媒の沸騰現象を利用する冷却装置を用いて前記スイッチング素子の冷却を行うよう構成された電力変換装置において、
前記スイッチング素子もしくは当該スイッチング素子取付面の温度と前記冷却装置に吸気される冷却風の温度との偏差に基づいて前記電力変換装置の動作を制御する制御部を有し、
前記制御部は、前記偏差が所定の閾値を超えた場合に前記冷却装置の性能低下を表す冷却性能低下検知信号を生成して出力する検知部を有したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
スイッチング素子のスイッチング動作により、入力された直流電力または交流電力を所望の交流電力に変換して出力し、内蔵された冷媒の沸騰現象を利用する冷却装置を用いて前記スイッチング素子の冷却を行うよう構成された電力変換装置において、
前記スイッチング素子もしくは当該スイッチング素子取付面の温度と前記冷却装置に吸気される冷却風の温度との偏差に基づいて前記電力変換装置の動作を制御する制御部を有したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
前記検知部は、前記冷却風の温度に基づいて前記閾値を生成する閾値生成部を有し、
前記閾値生成部は、前記冷却風の温度が低いときよりも高いときの方が、前記閾値が小さくなるように生成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４】
前記検知部は、前記スイッチング素子の損失に基づいて前記閾値を生成する閾値生成部を有し、
前記閾値生成部は、前記スイッチング素子の損失が小さいときよりも大きいときの方が、前記閾値が小さくなるように生成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５】
前記検知部は、カレンダー機能を有し、当該カレンダー機能による季節情報に基づいて前記閾値を生成する閾値生成部を有し、
前記閾値生成部は、前記季節情報に基づいて予測される外気温が低いときよりも高いときの方が、前記閾値が小さくなるように生成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６】
スイッチング素子のスイッチング動作により、入力された直流電力または交流電力を所望の交流電力に変換して出力し、内蔵された冷媒の沸騰現象を利用する冷却装置を用いて前記スイッチング素子の冷却を行うよう構成された電力変換装置において、
前記スイッチング素子もしくは当該スイッチング素子取付面の動作中温度と動作開始前の温度との偏差に基づいて前記電力変換装置の動作を制御する制御部を有し、
前記制御部は、前記偏差が所定の閾値を超えた場合に前記冷却装置の性能低下を表す冷却性能低下検知信号を生成して出力する検知部を有し、
前記検知部は、前記スイッチング素子の損失に基づいて前記スイッチング素子の損失が小さいときよりも大きいときの方が、前記閾値が小さくなるように前記閾値を生成する閾値生成部を有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
スイッチング素子のスイッチング動作により、入力された直流電力または交流電力を所望の交流電力に変換して出力し、内蔵された冷媒の沸騰現象を利用する冷却装置を用いて前記スイッチング素子の冷却を行うよう構成された電力変換装置において、
前記スイッチング素子もしくは当該スイッチング素子取付面の動作中温度と動作開始前の温度との偏差に基づいて前記電力変換装置の動作を制御する制御部を有し、
前記制御部は、前記偏差が所定の閾値を超えた場合に前記冷却装置の性能低下を表す冷却性能低下検知信号を生成して出力する検知部を有し、
前記検知部は、カレンダー機能を有し、当該カレンダー機能による季節情報に基づいて前記閾値を生成する閾値生成部を有し、
前記閾値生成部は、前記季節情報に基づいて予測される外気温が低いときよりも高いときの方が、前記閾値が小さくなるように生成することを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
前記制御部は、前記偏差が所定の閾値を超えた場合に前記電力変換装置を停止する制御を行うことを特徴とする請求項１、６または７に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記制御部は、前記偏差が所定の閾値を超えた場合に前記スイッチング素子を動作させるスイッチング周波数を低下させる制御を行うことを特徴とする請求項１、６または７に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記制御部は、前記偏差が所定の閾値を超えた場合に前記スイッチング素子に通流させる電流を制限する制御を行うことを特徴とする請求項１、６または７に記載の電力変換装置。
【請求項１１】
前記スイッチング素子を構成するトランジスタ素子およびダイオード素子のうちの少なくとも一つがワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項１、６または７に記載の電力変換装置。
【請求項１２】
前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料または、ダイヤモンドを用いた半導体であることを特徴とする請求項１１に記載の電力変換装置。
【国際調査報告】
2013051133.tif 000022
2013051133.tif 000023
2013051133.tif 000024
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