(57)【要約】【課題】スイッチング素子と還流ダイオードの温度上昇をバランスさせ、より小型化を図ることが可能な電力変換装置を提供する。【解決手段】負荷への出力電流を検出する電流センサ５ａ〜５ｃからの検出信号に基づき過電流の有無を判定する過電流判定回路４と、スイッチング素子１のスイッチングを制御するとともに、過電流判定回路４による過電流判定後の予め設定された時間経過後にスイッチング素子１を全てオフする制御回路７とを備え、制御回路７は、過電流判定回路４による過電流判定からスイッチング素子１の全てをオフにするまでの期間中のデッドタイムを除く還流動作時に、還流電流が流れている還流ダイオード３に隣接するスイッチング素子１に対してこれをオフにするオフ指令を出力する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
逆導通特性を持つスイッチング素子と、上記スイッチング素子と逆並列に接続された還流ダイオードと、負荷への出力電流を検出する電流センサと、上記電流センサからの検出信号に基づいて過電流の有無を判定する過電流判定回路と、上記スイッチング素子のスイッチングを制御するとともに、上記過電流判定回路により過電流と判定された場合には、その判定後の予め設定された時間経過後に上記スイッチング素子を全てオフする制御回路と、を備え、
上記制御回路は、上記過電流判定回路により過電流と判定されてから上記スイッチング素子の全てをオフにするまでの期間中に含まれるデッドタイムを除く還流動作時に、還流電流が流れる上記還流ダイオードに隣接して対向配置されている上記スイッチング素子に対してこれをオフにするオフ指令を出力することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
上記過電流判定回路による過電流の判定値は、定格電流の１５０％から３００％の範囲であ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】
上記制御回路によって、上記過電流判定回路による過電流の判定後に、上記スイッチング素子を全てオフするまでの時間は、上記スイッチング素子と上記還流ダイオードを搭載するベース板の温度が変化しない時間内に収まるように設定されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
逆導通特性を持つスイッチング素子と、上記スイッチング素子と逆並列に接続された還流ダイオードと、負荷への出力電流を定格電流よりも増加させる信号を発生する外部制御回路と、上記スイッチング素子のスイッチングを制御するとともに、上記外部制御回路の信号を入力し、この信号に応じて上記負荷への出力電流を予め設定された一定期間だけ増加させる制御回路と、を備え、
上記制御回路は、上記外部制御回路から信号によって上記負荷への出力電流を増加させている上記一定期間に含まれるデッドタイムを除く還流動作時に、還流電流が流れる上記還流ダイオードに隣接して対向配置されている上記スイッチング素子に対してこれをオフにするオフ指令を出力することを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
上記外部制御回路により上記負荷への出力電流を増加させる上記一定期間は、上記スイッチング素子と上記還流ダイオードを搭載するベース板の温度が変化しない時間内に収まるように設定されることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項６】
上記負荷の力率を判定する負荷力率判定回路を備え、上記制御回路は、上記負荷力率判定回路によって判定される上記負荷の力率が予め設定された値よりも小さい場合には、上記還流動作時に、還流電流が流れている上記還流ダイオードに隣接して対向配置されている上記スイッチング素子に対してこれをオフにするオフ指令を出力することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項７】
上記スイッチング素子と上記還流ダイオードとをモジュール化したパワーモジュールと、上記パワーモジュールを冷却する冷却器と、上記冷却器または上記冷却器を固定するベース板の温度を検出する温度センサとを備え、上記制御回路は、上記温度センサの出力が予め設定された値よりも大きい場合にのみ、上記スイッチング素子に対して上記オフ指令を出力することを特徴とする請求項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８】
上記スイッチング素子と上記還流ダイオードの少なくとも一方は、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】
上記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドであることを特徴とする請求項８に記載の電力変換回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ワイドバンドギャップ半導体を用いたユニポーラ素子によって構成されたスイッチング素子を有する電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
スイッチング素子として使用されるワイドバンドギャップ半導体の一種であるＳｉＣ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｃａｒｂｉｄｅ：炭化珪素）からなるＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：電界効果トランジスタ）は、いわゆるボディダイオードが寄生するが、このボディダイオードに通電すると、ＳｉＣ半導体の結晶劣化が進行すると予想されている。結晶劣化が進行すると、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗が上昇して電力変換装置の電力損失が増加するため、電力変換装置の性能が悪化する。
【０００３】
そこで、従来技術では、ボディダイオードへの通電による電力変換装置の性能悪化を防ぐため、スイッチング素子に対して逆並列に接続された還流ダイオードのオン電圧を、スイッチング素子のボディダイオードの通電開始電圧よりも低く設定している。また、還流ダイオードと直列に存在する寄生インダクタンスを小さくして還流開始の過渡時にボディダイオードの両端に発生する電圧をボディダイオードの通電開始電圧よりも低く設定することで、ボディダイオードへの通電を抑止している（例えば下記の特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−５６８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
スイッチング素子となるＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴのボディダイオードへの通電を防ぐためには、スイッチング素子と逆並列に接続される還流ダイオードの面積を大きくしてインピーダンスを小さくしなければならない。
【０００６】
しかし、インバータ等の電力変換装置では、１つのレグを構成する上下アームのスイッチング素子が同時オンするのを防ぐためのデッドタイムが経過した後、一方のスイッチング素子にオン指令を与えるため、還流電流は還流ダイオードに流れず、ほとんどスイッチング素子のソースからドレインに流れてしまう。その場合、発熱がスイッチング素子に偏り、スイッチング素子の温度上昇が還流ダイオードに比べて大きくなり、スイッチング素子の温度が許容値を超える恐れがある。これを防ぐには、冷却能力の高い冷却器を使用する必要があるため、冷却器が大型化するという問題点があった。
【０００７】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、装置内のスイッチング素子と還流ダイオードの温度上昇をバランスさせ、冷却器の小型化を図ることが可能な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】
この発明に係る電力変換装置は、逆導通特性を持つスイッチング素子と、上記スイッチング素子と逆並列に接続された還流ダイオードと、負荷への出力電流を検出する電流センサと、上記電流センサからの検出信号に基づいて過電流の有無を判定する過電流判定回路と、上記スイッチング素子のスイッチングを制御するとともに、上記過電流判定回路により過電流と判定された場合には、その判定後の予め設定された時間経過後に上記スイッチング素子を全てオフする制御回路とを備え、上記制御回路は、上記過電流判定回路により過電流と判定されてから上記スイッチング素子の全てをオフにするまでの期間中に含まれるデッドタイムを除く還流動作時に、還流電流が流れる上記還流ダイオードに隣接して対向配置されている上記スイッチング素子に対してこれをオフにするオフ指令を出力することを特徴とする。
【０００９】
また、この発明に係る電力変換装置は、逆導通特性を持つスイッチング素子と、上記スイッチング素子と逆並列に接続された還流ダイオードと、負荷への出力電流を定格電流よりも増加させる信号を発生する外部制御回路と、上記スイッチング素子のスイッチングを制御するとともに、上記外部制御回路の信号を入力し、この信号に応じて上記負荷への出力電流を予め設定された一定期間だけ増加させる制御回路と、を備え、
上記制御回路は、上記外部制御回路から信号によって上記負荷への出力電流を増加させている上記一定期間に含まれるデッドタイムを除く還流動作時に、還流電流が流れる上記還流ダイオードに隣接して対向配置されている上記スイッチング素子に対してこれをオフにするオフ指令を出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
この発明の電力変換装置によれば、負荷への出力電流が過電流であると判定された場合、または、外部制御回路からの信号によって負荷への出力電流を予め設定された一定期間だけ増加させる場合、その後のデッドタイムを除く還流動作時に、還流電流が流れている還流ダイオードに隣接して対向配置されているスイッチング素子に対してオフ指令を入力するので、還流動作時に積極的に還流ダイオードに還流電流を流すことができる。このため、スイッチング素子に発熱が偏るのを抑制してスイッチング素子と還流ダイオードの発熱をバランスさせることができ、冷却器を小型化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の実施の形態１における電力変換装置として、三相インバータに適用した場合の回路構成図である。
【図２】パワーモジュール内部の配置を示す平面図である。
【図３】パワーモジュールと冷却器の縦断面図である。
【図４】スイッチング素子のボディダイオードと還流ダイオードの出力特性図である。
【図５】インバータ出力電流と運転継続時間の関係の一例を示す説明図である。
【図６】１５０％出力電流時のチップ接合温度とベース板温度の変化を表す特性図である。
【図７】３００％出力電流時のチップ接合温度とベース板温度の変化を表す特性図である。
【図８】スイッチング素子と還流ダイオードの出力特性図である。
【図９】定格電流通電から３００％電流通電へ変化した場合の還流動作時のスイッチング素子の接合温度（ジャンクション温度）とベース板の温度の変化を示す特性図である。
【図１０】定格電流通電から３００％電流通電へ変化した場合の還流動作時の還流ダイオード３の接合温度（ジャンクション温度）とベース板１９の温度の変化を示す特性図である。
【図１１】この発明の実施の形態２における電力変換装置として、三相インバータに適用した場合の回路構成図である。
【図１２】この発明の実施の形態３における電力変換装置として、三相インバータに適用した場合の回路構成図である。
【図１３】この発明の実施の形態４における電力変換装置として、三相インバータに適用した場合の回路構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施の形態１．
図１はこの発明の電力変換装置として、三相インバータに適用した場合の回路構成図である。
【００１３】
この三相インバータは、上下２つのスイッチング素子１ａと１ｄ、１ｂと１ｅ、１ｃと１ｆを直列に接続して各レグを構成し、これらの各レグを並列に接続して構成されている。なお、電力変換装置としては、このような三相インバータに限らず、二相インバータなど他の電力変換装置にも適用可能である。
【００１４】
そして、この三相インバータの入力側には、交流電源からの交流電力を直流化するためのダイオードブリッジからなる全波制御回路８と、平滑コンデンサ９が接続されている。また、三相インバータの出力側には図示しないモータ等の負荷が接続される。
【００１５】
ここで、各スイッチング素子１ａ〜１ｆとして、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴを用いている。ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴをスイッチング素子１ａ〜１ｆとして使用する場合、必然的にボディダイオード２ａ〜２ｆが寄生している。
【００１６】
このボディダイオード２ａ〜２ｆと並列に還流ダイオード３ａ〜３ｆが接続されており、これによって各スイッチング素子１ａ〜１ｆと各還流ダイオード３ａ〜３ｆは、互いに隣接して対向配置されている。そして、この還流ダイオード３ａ〜３ｆによって還流時のボディダイオード２ａ〜２ｆへの通電を防いでいる。還流ダイオード３ａ〜３ｆとして、ここではＳｉＣ−ＳＢＤ（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ  Ｂａｒｒｉｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）が使用されている。
【００１７】
なお、この実施の形態１では、各スイッチング素子１ａ〜１ｆや還流ダイオード３ａ〜３ｆがＳｉＣで形成されたものを示したが、ＳｉＣに限定されるものではなく、Ｓｉに比べてバンドギャップが大きい、例えば窒化ガリウム系材料やダイヤモンドなどのワイドバンドギャップ半導体によって形成しても良い。また、Ｓｉ等の半導体で形成しても良い。
【００１８】
以下では、スイッチング素子１ａ〜１ｆを総称するときには参照符号１を、ボディダイオード２ａ〜２ｆを総称するときには参照符号２を、還流ダイオード３ａ〜３ｆを総称するときには参照符号３を、それぞれ使用するものとする。
【００１９】
各スイッチング素子１ａ〜１ｆに対して個別にゲート駆動回路６ａ〜６ｆが設けられており、各ゲート駆動回路６ａ〜６ｆは、制御回路７からの指令を受けて、各スイッチング素子１ａ〜１ｆをスイッチングさせる。
【００２０】
また、この三相インバータの図示しない負荷への出力側には、各相の出力電流を検出する電流センサ５ａ〜５ｃが設けられている。また、上記各電流センサ５ａ〜５ｃからの検出信号に基づいて過電流の有無を判定する過電流判定回路４を備えている。
【００２１】
また、三相インバータは制御回路７を備えており、この制御回路７は、各ゲート駆動回路６ａ〜６ｆにゲート信号を出力することで、各スイッチング素子１ａ〜１ｆのスイッチングを制御するとともに、過電流判定回路４により過電流と判定された場合には、その判定後の予め設定された時間経過後に上記スイッチング素子１ａ〜１ｆを全てオフする。
【００２２】
ここで、三相インバータの動作時は、例えば１相分のレグに着目すると、上アームのスイッチング素子１ａと下アームのスイッチング素子１ｄの同時オンによる上下アーム短絡を防ぐため、上下アーム同時オフとなるデッドタイムを設ける。このとき、還流電流は還流ダイオード３ａあるいは３ｄに流れる。
【００２３】
電力変換装置に用いる半導体素子は、複数の半導体素子を１つのパッケージに収めたパワーモジュールとして提供されている。このパワーモジュールは、図１に示す三相インバータであれば、図２に示すような構造となる。
【００２４】
図２は、パワーモジュール１０を上から見た平面図である。
このパワーモジュール１０は、上アームのスイッチング素子１ａ〜１ｃおよび還流ダイオード３ａ〜３ｃの各半導体チップが同一の銅パターン１１上に配置されている。スイッチング素子１ａ〜１ｃの半導体チップの裏面はドレイン、還流ダイオード３ａ〜３ｃの半導体チップの裏面はカソードであり、銅パターン１１に半田等の手段によって接合されている。
【００２５】
下アームのスイッチング素子１ｄ〜１ｆおよび還流ダイオード３ｄ〜３ｆの各半導体チップは、各相に対応させてそれぞれ銅パターン１２〜１４上に半田等の手段によって接合されている。スイッチング素子１ｄ〜１ｆの表面はソース、還流ダイオード３ｄ〜３ｆの表面はアノードである。
【００２６】
上アームのスイッチング素子１ａ〜１ｃのソース、および還流ダイオード３ａ〜３ｃのアノードは、下アームの銅パターン１２〜１４にそれぞれワイヤボンド１５ａ〜１５ｃを介して接続されている。また、各相の下アームのスイッチング素子１ｄ〜１ｆのソース、および還流ダイオード３ｄ〜３ｆのアノードは、銅パターン１６にそれぞれワイヤボンド１５ｄ〜１５ｆを介して接続されている。図示していないが、銅パターン１１がＰ電位、銅パターン１６がＮ電位、銅パターン１２がＵ相電位、銅パターン１３がＶ相電位、銅パターン１４がＷ相電位としてモジュール外部に取り出されている。
【００２７】
図３にパワーモジュール１０を冷却器２１へ取り付けたときの縦断面図を示す。
絶縁体１７の表面側に銅パターン１１、１２〜１４、１６が、裏面側に銅パターン１８がそれぞれ形成されてなる絶縁基板が、銅製のベース板１９上に接続されている。そして、各銅パターン１１、１２〜１４上にスイッチング素子１ａ〜１ｆおよび還流ダイオード３ａ〜３ｆ（以下、これらの素子を総称して半導体チップ２０という）が接続されている。また、ベース板１９は冷却器２１へ熱伝導グリース２２を介して接続されている。そして、冷却器２１のフィン２１ａ間に図示しないファン等を用いて風を流すことによってパワーモジュール１０を冷却する。
【００２８】
図４はスイッチング素子のボディダイオード２と還流ダイオード３の出力特性図であり、図中符号Ｘ１はボディダイオード２の出力特性、Ｘ２はチップ面積拡大前の還流ダイオードの出力特性、Ｘ３はチップ面積拡大後の出力特性をそれぞれ示している。
【００２９】
ここで、三相インバータの最大電流Ｉｏｕｔ＿ｍａｘが流れた場合、チップ面積拡大前の還流ダイオード３の順電圧ＶＦ１がボディダイオード２のオン電圧ＶＢＤを超えると、ボディダイオード２が優先的に通電してしまう。このため、従来から還流ダイオード３のチップ面積を大きくしてインピーダンスを下げ、インバータの最大電流Ｉｏｕｔ＿ｍａｘが流れた場合、チップ面積拡大後の還流ダイオード３の順電圧ＶＦ２がボディダイオード２のオン電圧ＶＢＤ以下になるようにしてボディダイオード２への通電を防いでいる。
【００３０】
過電流判定回路４は、各相の出力電流を検出する電流センサ５ａ〜５ｃの出力信号を受けて、過電流であるかを判定する。過電流の判定は、出力電流レベルと出力継続時間で規定されており、スイッチング素子の接合温度が許容温度以下となるように設定されている。そのため、出力電流が大きくなるほど、出力継続時間は短く設定されている。なお、過電流が発生するのは、例えば負荷の容量が変化した場合や、発電機の励磁装置において系統事故発生により発電電力を増加させる必要が生じた場合などがその原因となる。
【００３１】
次に動作について説明する。
図１に示す三相インバータの動作時に、電流センサ５ａ〜５ｃで検出される三相インバータの出力電流が定格電流を超えたときに、その電流値に応じて次の動作を行う。
【００３２】
図５に三相インバータの出力電流と運転継続時間の例を示す。三相インバータの出力電流の値に応じて、三相インバータにはスイッチング損失と導通損失が発生し、発生した損失に応じて、図３に示す半導体チップ２０から冷却器２１まで温度が上昇する。この場合、スイッチング素子１や還流ダイオード３の接合温度が許容値以下となるように、出力電流と運転継続時間が設定される。運転継続時間としては、出力電流の大きさに応じて数秒程度、数分程度の値が取られるが、ここでは一例として１秒と１分を設定している。
【００３３】
図５に示すように、三相インバータの出力電流が定格電流を超えるまでは、運転継続時間に制限はない。三相インバータの出力電流がその定格電流を超えて定格電流の１５０％までは、運転継続時間は１分に制限される。そして、三相インバータの出力電流が定格電流の１５０％を超えて３００％までは、運転継続時間は１秒に制限される。
【００３４】
図６に三相インバータの出力電流を、定格電流通電から定格電流の１５０％まで上げた場合の半導体チップ２０の接合温度（ジャンクション温度）とベース板１９の温度を示す。１５０％電流の運転継続時間である１分間では、半導体チップ２０の接合温度は飽和しない。また、ベース板１９の温度も上昇し始める。
【００３５】
図７に三相インバータの出力電流を、定格電流通電から定格電流の３００％まで上げた場合の半導体チップ２０の接合温度（ジャンクション温度）とベース板１９の温度を示す。３００％までの運転継続時間である１秒以内では、ベース板１９の熱容量が大きいため、ベース板１９の温度は上昇しない。
【００３６】
そして、図５に示したように、電流センサ５ａ〜５ｃの出力が三相インバータの定格電流を越えて１５０％までの値の範囲では１分間の持続時間が経過した後、制御回路７は、スイッチング素子１ａ〜１ｆを全てオフする。また、電流センサ５ａ〜５ｃの出力が三相インバータの定格電流の１５０％を超え、３００％以下の範囲では１秒間の持続時間が経過した後、制御回路７は、スイッチング素子１ａ〜１ｆを全てオフする。さらに、三相インバータの出力電流が、定格電流の３００％を超えるとスイッチング素子１の破壊の可能性があるため、制御回路７は、過電流判定後、瞬時に全てのスイッチング素子１ａ〜１ｆをオフにして動作を停止する。
【００３７】
この場合、過電流の判定後に、全てのスイッチング素子１（１ａ〜１ｆ）をオフするまでに要する時間は、スイッチング素子１と還流ダイオード３を搭載するベース板１９の温度が変化しない時間内（例えば３秒以下）に収まるように設定される。
【００３８】
定格電流通電を行う通常の制御動作時において、制御回路７は、例えば一つのレグを構成する上アームのスイッチング素子１ａと下アームのスイッチング素子１ｄの同時オンによる上下アーム短絡を防ぐため、上下アーム同時オフとなるデッドタイムを設けているが、このとき、負荷から三相インバータへ流れ込む還流電流は、還流ダイオード３に流れる。デッドタイムが経過すると、還流ダイオード３と並列に接続されているスイッチング素子１にオン指令が与えられる。これに応じてスイッチング素子１がオンすると、スイッチング素子１のソースからドレインへと還流電流が流れる。
【００３９】
図８はスイッチング素子１の出力特性と還流ダイオード３の出力特性を示したものである。図８において、符号Ｙ１（破線）はスイッチング素子１の出力特性、Ｙ２（１点鎖線）は還流ダイオード３の出力特性、Ｙ３（実線）はＹ１とＹ２を合算した出力特性をそれぞれ示している
【００４０】
三相インバータの定格電流ＩＲを通電する際のデッドタイムを除く還流動作時にスイッチング素子１をオンにすると、スイッチング素子１に電流ＩＭＯＳ１が流れ、また還流ダイオード３には電流ＩＤ１が流れ、この場合の出力電圧はＶＦ１となる。すなわち、還流電流はスイッチング素子１に多く流れ、還流ダイオード３に流れる還流電流が小さくなるため、還流ダイオード３の導通損失は小さい。
【００４１】
一方、定格電流ＩＲを通電する際のデッドタイムを除く還流動作時にスイッチング素子１をオフにすると、還流電流は全て還流ダイオード３に流れるので、出力電圧はＶＦ２となる。ここでＶＦ２＞ＶＦ１となるため、発生する導通損失はスイッチング素子１をオフにして還流ダイオード３のみに通電させる方が大きくなる。換言すれば、定格電流ＩＲを通電する場合には、デッドタイムを除く還流動作時にスイッチング素子１をオンした方がオフした場合よりも発熱を小さくできる。
【００４２】
これに対して、定格電流ＩＲを越える（例えば、定格電流の１５０％〜３００％）出力電流が発生する場合、デッドタイムを除く還流動作中、スイッチング素子１をオンにすると、還流電流は主にスイッチング素子１に流れるので、スイッチング素子１の温度上昇が還流ダイオード３の温度上昇に比べて大きくなり、スイッチング素子１の接合温度が許容値を超えてしまう恐れがある。
【００４３】
そこで、この発明では、電流センサ５ａ〜５ｃの出力がインバータ定格電流の１５０％を超え、３００％以下の過電流が流れて、過電流判定回路４によって過電流発生と判定されてからスイッチング素子１の全てをオフにするまでの期間中に含まれるデッドタイムを除く還流動作時に、還流電流が流れる還流ダイオード３に対して並列接続されているスイッチング素子１へオフ指令を与えるものである。この点について、次に説明する。
【００４４】
図９は定格電流の通電から定格電流の３００％電流通電へ変化した場合の還流動作時のスイッチング素子１の接合温度（ジャンクション温度）とベース板１９の温度とを示している。また、図１０は定格電流の通電から定格電流の３００％電流通電へ変化した場合の還流動作時の還流ダイオード３の接合温度（ジャンクション温度）とベース板１９の温度とを示している。なお、図９および図１０のいずれについても、定格電流の３００％電流通電における還流動作時に、スイッチング素子１へオン指令を与えた場合と、オフ指令を与えた場合とを比較して示している。
【００４５】
図９から分かるように、デッドタイムを除く還流動作時にスイッチング素子１にオフ指令を与えると、３００％電流通電時のスイッチング素子１の損失が低下するため、スイッチング素子１の接合温度が低下し、許容値以下へと収まる。なお、ベース板１９の温度は、温度時定数の関係で定格電流通電から３００％電流通電へ変化しても短時間であれば変化しない。
【００４６】
一方、図１０から分かるように、デッドタイムを除く還流動作時にスイッチング素子１にオフ指令を与えると、３００％電流通電時の還流ダイオード３の導通損失が増加するため、還流ダイオード３の接合温度が増加する。ただし、還流ダイオード３は、原理的にスイッチング損失が発生せず導通損失のみであること、また、スイッチング素子１のボディダイオード２への通電を回避するために、十分にオン電圧が低くなるようにチップ面積が設計されていることから、還流ダイオード３の接合温度は許容値以下へと収まる。
なお、図９に示した場合と同様、ベース板１９の温度は、温度時定数の関係で定格電流通電から３００％電流通電へ変化しても短時間であれば変化しない。
【００４７】
定格電流通電時にスイッチング素子１へオフ指令を与えると、スイッチング素子１と還流ダイオード３の損失の和が増加するため、ベース板１９の温度は上昇する。定格電流通電時に増加したベース板１９の温度の分だけ、３００％電流通電時のチップの接合温度も上昇するため、３００％通電時のみスイッチング素子１にオフ指令を入れた方がスイッチング素子１の接合温度を低減できる。以上のことから、定格電流通電から３００％電流通電へ変化した場合のデッドタイムを除く還流動作時には、スイッチング素子１をオンするよりもオフする方が全体の損失を低く抑えることができる。
【００４８】
以上のように、この実施の形態１では、過電流判定回路４によって、三相インバータの出力電流が定格電流を越えて過電流と判定された場合には、過電流と判定されてからスイッチング素子の全てをオフにするまでの期間中に含まれるデッドタイムを除く還流動作時に、還流電流が流れる還流ダイオード３に隣接して対向配置されているスイッチング素子１に対してオフ指令を入力するので、還流動作時に積極的に還流ダイオード３に還流電流を流すことができる。このため、スイッチング素子１に発熱が偏るのを抑制してスイッチング素子１と還流ダイオード３の発熱をバランスさせることができ、冷却器２１を小型化することが可能となる。また、パワーモジュール１０内のスイッチング素子１と還流ダイオード３の発熱を一様にすることができるため、効率よく冷却することができる。
【００４９】
実施の形態２．
図１１はこの発明の電力変換装置として、三相インバータに適用した場合の回路構成図であり、図１に示した実施の形態１と対応もしくは相当する構成部分には同一の符号を付す。
【００５０】
実施の形態１では、過電流判定回路４において、電流センサ５ａ〜５ｃの検出出力に基づいて、三相インバータの出力電流が定格電流を越えて過電流になっているかどうかを判定し、過電流と判定した場合には、その出力電流と運転継続時間に応じて、スイッチング素子１の全てをオフにするまでの期間中に含まれるデッドタイムを除く還流動作時に還流電流が流れる還流ダイオード３に並列接続されているスイッチング素子１に対してオフ指令を与えていた。
【００５１】
一方、この実施の形態２では、予め三相インバータの出力電流を定格電流よりも増やすことを決定する外部制御回路２４が設けられている。そして、この外部制御回路２４から制御回路７に対して、三相インバータの出力電流として、定格電流よりも大きな電流（例えば定格電流の２００％の出力電流）を出力すべき指令信号ＳＯＬを一定期間にわたって送信する。この場合、外部制御回路２４が負荷への出力電流を増加させる指令信号ＳＯＬを出力する一定期間は、スイッチング素子１と還流ダイオード３を搭載するベース板１９の温度が変化しない時間内（例えば３秒以下）に収まるように設定される。
【００５２】
なお、このように、外部制御回路２４によって定格電流よりも大きな出力電流を増やすべき指令信号ＳＯＬを送信する必要性が生じるのは、例えば発電機の励磁装置において系統事故発生に応じて発電電力の増加分が予め設定されているような場合である。
【００５３】
制御回路７は、外部制御回路２４から定格電流よりも出力電流を増やすべき指令信号ＳＯＬが入力されている間、過電流判定回路４の判定結果よりも優先して、三相インバータの還流動作時に、還流電流が流れる還流ダイオード３に並列接続されているスイッチング素子１に対してオフ指令を入力する。その場合のスイッチング素子１や還流ダイオード３の損失の関係は、実施の形態１の場合と同様である。また、過電流判定回路４が過電流を判定する場合の動作については、実施の形態１の場合と同様であるので、ここでは詳しい説明は省略する。
【００５４】
この実施の形態２は、実施の形態１の場合に比べて、外部制御回路２４からの指令信号ＳＯＬに応じて、制御回路７は出力電流増加と還流動作時のスイッチング素子１へのオフ指令を同時に出すことができる。このため、電流センサ５ａ〜５ｃを用いた場合の制御の遅れが生じず、スイッチング素子１の接合温度の上昇を迅速に抑制でき、冷却器２１の小型化を図ることができる。
【００５５】
実施の形態３．
図１２はこの発明の電力変換装置として、三相インバータに適用した場合の回路構成図であり、図１に示した実施の形態１と対応もしくは相当する構成部分には同一の符号を付す。
【００５６】
この実施の形態３の特徴は、電流センサ５ａ〜５ｃに加えて、電圧センサ２５および負荷力率判定回路２６を設け、電流センサ５ａ〜５ｃと電圧センサ２５の出力を負荷力率判定回路２６へ入力する。負荷力率判定回路２６は、入力された電流と電圧の位相差θを測定し、負荷力率ｃｏｓθが予め設定されたしきい値ａ１よりも小さい場合には、制御回路７に対して過電流判定許可信号ＳＰＦを出力する。制御回路７は、過電流判定許可信号ＳＰＦを受けた場合のみ、実施の形態１で説明した場合と同様に、過電流判定回路４での過電流の判定に基づいて、三相インバータの還流動作時に、還流電流が流れる還流ダイオード３に並列接続されているスイッチング素子１に対してオフ指令を入力する。
【００５７】
三相インバータから見た負荷の力率が低いと、スイッチング素子１のドレインからソースに電流が流れる時間よりも、ソースからドレインに流れる時間（すなわち、還流電流が流れる時間）の方が長くなり、還流電流による損失の割合が多くなる。このため、還流時にスイッチング素子１をオフすると還流電流による損失の割合を抑えることができて、スイッチング素子１の接合温度を低減させる効果が大きくなる。したがって、負荷の力率が低くてスイッチング素子１の接合温度を低減させる効果が大きい場合のみ、還流動作時にスイッチング素子１のオフ動作を行えば、制御の簡素化を図ることができる。
【００５８】
なお、この発明は実施の形態３の構成に限定されず、例えば図１１に示した実施の形態２の構成に対して、負荷力率判定回路２６を設け、力率が低くてスイッチング素子１の接合温度を低減させる効果が大きい場合のみ、実施の形態２の動作を行う構成とすることが可能である。
【００５９】
実施の形態４．
図１３はこの発明の電力変換装置として、三相インバータに適用した場合の回路構成図であり、図１に示した実施の形態１と対応もしくは相当する構成部分には同一の符号を付す。
【００６０】
この実施の形態４の特徴は、図２および図３に示したように、スイッチング素子１と還流ダイオード３とがパワーモジュール１０としてモジュール化されている場合に、冷却器２１またはこの冷却器２１を固定するベース板１９の温度を検出する温度センサ２７を設けたものである。その他の構成は実施の形態１と同様である。
【００６１】
温度センサ２７の出力が予め定めたしきい値Ｔ１よりも大きくなると、制御回路７へ過電流判定許可信号ＳＴ１を出力する。制御回路７は、過電流判定許可信号ＳＴ１を受けた場合のみ、実施の形態１で説明した場合と同様に、過電流判定回路４での過電流の判定に基づいて、三相インバータの還流動作時に還流電流が流れている還流ダイオード３に並列接続されているスイッチング素子１に対してオフ指令を入力する。
【００６２】
スイッチング素子１の接合温度は、三相インバータが定格電流を越える出力電流（例えば１５０％出力電流）を通電した場合でも、ベース板１９とほぼ同じ温度から上昇する。ベース板１９の温度が低い場合は、実施の形態１で述べたように、還流動作時に還流電流が流れている還流ダイオード３に並列接続されているスイッチング素子１へオフ指令を与えなくとも、スイッチング素子１の接合温度が最大許容値を超えないため、上記制御を敢えて行わなくてもよい。
【００６３】
この実施の形態４では、ベース板１９の温度が既に高くて温度センサ２７の出力が予め定めたしきい値Ｔ１よりも大きくなる場合のみ、三相インバータの還流動作時に、スイッチング素子にオフ指令を与えるので、制御の簡素化を図ることができる。
【００６４】
なお、この発明は実施の形態４の構成に限定されず、例えば図１１に示した実施の形態２の構成、あるいは図１２に示した実施の形態３に対して、温度センサ２７を設け、温度センサ２７の出力が予め定めたしきい値Ｔ１よりも大きくなる場合のみ、実施の形態２あるいは実施の形態３の動作を行う構成とすることが可能である。
【００６５】
また、この発明は上記の各実施の形態１〜４の構成のみに限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、各実施の形態１〜４の構成に変形を加えたり、構成を省略することができる。また、各実施の形態１〜４の構成を適宜に組み合わせることが可能である。
【符号の説明】
【００６６】
１（１ａ〜１ｆ）  スイッチング素子、２（２ａ〜２ｆ）  ボディダイオード、
３（３ａ〜３ｆ）  還流ダイオード、４  過電流判定回路、５ａ〜５ｃ  電流センサ、
６ａ〜６ｆ  ゲート駆動回路、７  制御回路、１０  パワーモジュール、
２０  半導体チップ、２１  冷却器、２４  外部制御回路、２５  電圧センサ、
２６  負荷力率判定回路、２７  温度センサ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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