(57)【要約】【課題】各電力用半導体素子の寿命を均一にさせる電力変換器を得ること。【解決手段】  電力変換器1は並列接続されると共に、出力電流を流し得る複数の電力用半導体素子１１ｎと、出力電流指令値に基づく電力用半導体素子１１ｎの動作により所望の出力電流を発生させる制御部２０と、出力電流指令値に基づいて電力用半導体素子１１ｎを選択して電流を流す選択部２１，２２と、を備え、選択部２１，２２は、電力用半導体素子１１ｎを選択する際の優先度を決定するため、電力用半導体素子１１ｎのストレス値を温度上昇に基づいて求め、ストレス値が均一になるように選択する、ものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
並列接続されると共に、出力電流を流し得る複数の電力用半導体素子と、
該出力電流指令値に基づく前記電力用半導体素子の動作により所望の前記出力電流を発生させる制御手段と、
前記出力電流指令値に基づいて前記電力用半導体素子を選択して電流を流す選択手段と、を備え、
前記選択手段は、前記電力用半導体素子を選択する際の優先度を決定するため、前記電力用半導体素子のストレス値を温度上昇に基づいて求め、前記ストレス値が均一になるように前記電力用半導体素子を選択する、
ことを特徴とする電力変換器。
【請求項２】
前記電力用半導体素子の温度上昇を検知する温度検知手段を備え、
前記ストレス値は、重み関数に基づいて定める、
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
【請求項３】
前記電力用半導体素子の出力電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段の検出値が閾値以上となった場合に異常信号を発生する過電流検出手段と、
前記電力用半導体素子の並列数に基づいて前記閾値を可変とする可変閾値手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換器。
【請求項４】
前記電力用半導体素子は、シリコンカーバイト(ＳｉＣ)を母材とする、
ことを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の電力変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の電力変換器は下記特許文献１に示すように、並列接続され、それぞれが駆動信号によってオン・オフされる複数の電力用半導体素子と、各電力用半導体素子に対する駆動信号を生成する信号生成回路とを備え、各駆動信号は異なるタイミングで各電力用半導体素子をオン・オフするものである。
かかる電力変換器によれば、各電力用半導体素子のゲート駆動回路に入力される駆動信号が異なるタイミングで各電力用半導体素子をオン・オフするようにしているため、電流アンバランスに起因する熱集中が緩和されると共に、電力用半導体素子の長寿命化、熱集中に伴う半導体素子の破壊を防止することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１７７２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記電力変換器では、電力用半導体素子のスイッチング時において、各電力用半導体素子間に電流アンバランスを均衡することを主としている。
しかしながら、電力変換器は多数の電力用半導体素子を有しており、電力用半導体素子の定常状態において、電力用半導体素子の特性差により電流が流れ易い電力用半導体素子と、電流が流れにくい電力用半導体素子が存在し、電流が流れ易い電力用半導体素子が固定されているため、特定の電力用半導体素子の寿命が短くなったり、長くなったりして各電力用半導体素子間において寿命の違いが生じていた。このため、電力変換器の保守周期が短くなっていた。
さらに、一つのモジュールの中に多数の電力用半導体素子を有していると、一つの電力用半導体素子の寿命により、他の電力用半導体素子の寿命がまだ充分あるにも拘わらず、一つのモジュールそのものを交換しなければならず、非効率であるという課題があった。
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、電力変換器を成す複数の各電力用半導体素子の累積ストレス値に基づいて各電力用半導体素子の寿命を均一にさせる電力変換器を得ることを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る電力変換器は、並列接続されると共に、出力電流を流し得る複数の電力用半導体素子と、該出力電流指令値に基づく前記電力用半導体素子の動作により所望の前記出力電流を発生させる制御手段と、前記出力電流指令値に基づいて前記電力用半導体素子を選択して電流を流す選択手段と、を備え、前記選択手段は、前記電力用半導体素子を選択する際の優先度を決定するため、前記電力用半導体素子のストレス値を温度上昇に基づいて求め、前記ストレス値が均一になるように前記電力用半導体素子を選択する、ことを特徴とするものである。
かかる電力変換器によれば、制御手段が出力電流指令値を生成し、該出力電流指令値に基づいて電力用半導体素子から所望の出力電流を発生し、選択手段が電力用半導体素子を選択する際の優先度を決定するため、電力用半導体素子のストレス値を電力用半導体素子の温度上昇に基づいて求め、前記ストレス値が均一になるように電力用半導体素子を選択する。
これにより、各電力用半導体素子のストレス値を均一化し得るので、電力変換器を成す電力用半導体素子の寿命を均一化できる。
【０００７】
本発明の電力変換器は、電力用半導体素子の温度上昇を検知する温度検知手段を備え、ストレス値は、重み関数に基づいて定める、ことが好ましい。
したがって、各電力用半導体素子のストレス値を重み関数に基づいて求めることにより、電力変換器を成す電力用半導体素子の寿命をより均一化できる。
【０００８】
本発明の電力変換器は、電力用半導体素子の出力電流を検出する電流検出手段と、電流検出手段の検出値が閾値以上となった場合に異常信号を発生する過電流検出手段と、電力用半導体素子の並列数に基づいて閾値を可変とする可変閾値手段と、を備えることが好ましい。
これにより、電力用半導体素子の並列数に応じて電力用半導体素子に流れる過電流から適切に保護できる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の電力変換器によれば、電力変換器を成す複数の各電力用半導体素子の累積ストレス値に基づいて各電力用半導体素子の寿命を均一にさせる電力変換器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施の形態を示す電力変換器の全体構成図である。
【図２】本発明の一実施の形態による電力変換器の第１の半導体素子群を含む回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
本発明の一実施の形態を図１及び図２によって説明する。図１は本発明の一実施の形態を示す電力変換器の全体構成図、図２は本発明の一実施の形態による電力変換器の第１の半導体素子群を含む回路図である。
図１において、電力変換器１は、母線の一方に接続された第１の電力用半導体素子群１１と、第１の電力用半導体素子群１１に一方が接続されると共に、他方が母線に接続された第２の電力用半導体素子群１２とを有している。さらに、電力変換器１は制御部２０を有しており、制御部２０は、電力変換器１の出力電流指令値を生成して第１の選択部２１を介して第１の電力用半導体素子群１１をオン・オフするように形成し、第２の選択部２２を介して第２の電力用半導体素子群１２をオン・オフするように形成されている。また、第１の選択部２１、第２の選択部２２は、電力用半導体素子を選択して動作させる際の優先度を決定するため、電力用半導体素子のストレス値を温度上昇に基づいて定める第１のストレス演算部２１Ｓ、第２のストレス演算部２２をそれぞれ有している。
【００１２】
図１において、電力変換器１は、電力用半導体素子群１１,１２の出力電流を検出する電流検出手器３０と、電流検出器３０の検出電流値が閾値以上となった場合に異常信号を発生する過電流検出部４０と、を備えている。過電流検出部４０には、電力用半導体素子群１１，１２における電力用半導体素子の並列数に基づいて閾値設定部５０を介して閾値を可変とする可変閾値設定部４３を有している。
【００１３】
図２において、電力用半導体素子群１１は、多数の電力用半導体素子１１ａ，１１ｂ・・・１１ｎが並列接続されており、各電力用半導体素子１１ａ，１１ｂ・・・１１ｎの温度をそれぞれ検知する温度検出器６０ａ，６０ｂ・・・６０ｎを有しており、温度検出器６０ａ，６０ｂ・・・６０ｎの温度検出値が第１のストレス演算部２１ａに入力されている。
なお、第２の電力用半導体素子群１２は、第１の電力用半導体素子群１１と同様に形成されており、各電力用半導体素子の温度をそれぞれ検知する温度検出器を有しており、温度検出部の温度検出値が第２のストレス演算部２２ａに入力されている。
【００１４】
第１のストレス演算部２１ａは、各電力用半導体素子１１ａ，１１ｂ・・・１１ｎの温度上昇ΔＴｉがＬ回発生した時の累積ストレス値Ｓは、下記となる。
Ｓ＝Σ１／Ｌｉ  （ｉ＝1，2，3，・・・）
また、上記Ｌは下記である。
Ｌ＝Ａ×ΔＴｉ−Ｂ 
ここに、Ａ，Ｂ：電力用半導体素子により定まる定数
上記累積ストレス値Ｓを各電力用半導体素子１１ａ，１１ｂ・・・１１ｎ毎に求めて記憶する。第１の選択部２１は、各々の累積ストレス値Ｓを確認しながら、最も累積ストレス値Ｓの低い電力用半導体素子１１ａ，１１ｂ・・・１１ｎを選択して動作することにより、各電力用半導体素子１１ａ，１１ｂ・・・１１ｎの累積ストレス値を均一化している。
なお、第２のストレス演算部２２ａは第１のストレス演算部２１ａと同様に形成される。
【００１５】
上記のように構成された電力変換器の動作を図１及び図２を参照して説明する。まず、作業者は電力用半導体素子１１ａ，１１ｂ・・・１１ｎの数に応じて閾値設定部５０から閾値を入力して可変閾値部４３に閾値を設定する。制御部２０は生成した出力電流指令値を第１の選択部２１，第２の選択部２２を介して第１及び第２の半導体素子群１１，１２をオン・オフ動作して電流を制御しながら負荷(図示せず)に供給する。
【００１６】
第１のストレス演算部２１ｓは、温度検出器６０ａ，６０ｂ・・・６０ｎからの温度検出値から温度上昇ΔＴｉを求め、各電力用半導体素子１１ａ，１１ｂ・・・１１ｎの累積ストレス値Ｓを求めて記憶する。
第１の選択部２１は、各々の累積ストレス値Ｓを確認しながら、出力電流指令値に基づいて累積ストレス値Ｓの低い電力用半導体素子１１ａ，１１ｂ・・・１１ｎを動作する。
【００１７】
電力半導体素子１１ａ・・１１ｎは、自己消弧型のＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等が適用できる。ここで、これらの半導体素子と並列接続されたフライホイル用のダイオードにシリコン（Ｓｉ）を母材に用いると、順電圧の温度特性が負であるため、並列接続した場合、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴと比較して電流のアンバランスが生じ易い。これを解決するのに、シリコンカーバイト(ＳｉＣ)を母材にしたダイオードにすることが好ましい。これにより、ＳｉＣを母材にしたダイオードでは、順電圧の温度特性が正であるため、Ｓｉを母材にしたダイオードよりも電流アンバランスが発生しにくく、各ダイオード間の寿命差も小さくなる。
また、自己消弧型の電力半導体素子１１ａ・・１１ｎは、母材としてシリコンカーバイト(ＳｉＣ)を用いることにより、損失が低減して寿命が延びる。
【００１８】
上記のように構成された電力変換器１は、並列接続されると共に、出力電流を流し得る複数の電力用半導体素子１１ａ，１１ｂ・・１１ｎと、該出力電流指令値に基づいて電力用半導体素子１１ａ，１１ｂ・・１１ｎから所望の出力電流を発生させる制御部２０と、出力電流指令値に基づいて電力用半導体素子１１ａ，１１ｂ・・１１ｎを選択して電流を流す第１，第２の選択部２１，２２と、を備え、第１，第２の選択部２１，２２は、電力用半導体素子１１ａ，１１ｂ・・１１ｎを選択する際の優先度を決定するため、電力用半導体素子１１ａ，１１ｂ・・１１ｎのストレス値を温度上昇に基づいて求め、ストレス値が均一になるように電力用半導体素子１１ａ，１１ｂ・・１１ｎを選択する、ものである。
【００１９】
かかる電力変換器１によれば、制御部２０が出力電流指令値を生成し、該出力電流指令値に基づいて電力用半導体素子１１ａ，１１ｂ・・１１ｎから所望の出力電流を発生し、選択部２１が電力用半導体素子１１ａ，１１ｂ・・１１ｎを選択する際の優先度を決定するため、第１のストレス演算部２１Ｓが電力用半導体素子１１ａ，１１ｂ・・１１ｎのストレス値を電力用半導体素子１１ａ，１１ｂ・・１１ｎの温度上昇に基づいて求め、ストレス値が均一になるように電力用半導体素子１１ａ，１１ｂ・・１１ｎを選択する。
これにより、各電力用半導体素子１１ａ，１１ｂ・・１１ｎのストレス値を均一化し得るので、電力変換器１を成す電力用半導体素子１１ａ，１１ｂ・・１１ｎの寿命を均一化できる。
【００２０】
電力変換器１は、電力用半導体素子１１ａ，１１ｂ・・１１ｎの温度上昇を検知する温度検知器６０ａ,６０ｂ・・・６０ｎを備え、ストレス値は、重み関数に基づいて定める、ことが好ましい。
したがって、各電力用半導体素子１１ａ，１１ｂ・・１１ｎのストレス値を重み関数に基づいて求めることにより、電力変換器１を成す電力用半導体素子１１ａ，１１ｂ・・１１ｎの寿命をより均一化できる。
【００２１】
電力変換器１は、電力用半導体素子の出力電流を検出する電流検出器３０と、電流検出器３０の検出値が閾値以上となった場合に異常信号を発生する過電流検出部４０と、電力用半導体素子１１ａ，１１ｂ・・１１ｎの並列数に基づいて閾値を可変とする可変閾値部４３と、を備えることが好ましい。
これにより、電力用半導体素子１１ａ，１１ｂ・・１１ｎの並列数に応じて電力用半導体素子１１ａ，１１ｂ・・１１ｎに流れる過電流から適切に保護できる。
【符号の説明】
【００２２】
１  電力変換器、１１  第１の半導体素子群、１２  第２の半導体素子群、２０  制御部、２１  第１の選択部、２１Ｓ  第１のストレス演算部、２２  第２の選択部、２２Ｓ  第２のストレス演算部、３０  電流検出器、４０  過電流検出部。
【図１】
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【図２】
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