(57)【要約】 【課題】安全性を担保する電力変換器、および、電動車両を提供する。【解決手段】直列に接続した一対の半導体スイッチを備えたスイッチ回路を並列に接続したインバータ２６と、冷却媒体が循環する空洞を内部に有する冷却器２７と、インバータ２６と冷却器２７との間に配置された絶縁体２５と、半導体スイッチの温度の情報および冷却媒体の温度の情報が入力される温度入力部２２１、２２２を有し、温度入力部２２１、２２２に入力された半導体スイッチの温度の情報と冷却媒体の温度の情報とに基づいて熱抵抗を演算し、冷却媒体の温度変化が所定の値以上か否か判断し、冷却媒体の温度変化が所定の値以上であり、かつ、熱抵抗が所定の値以上であるときに冷却性能が劣化していると判断する劣化診断部２２Ｄと、を含むコントローラ２２と、を備えたことを特徴とする電力変換器。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列に接続した一対の半導体スイッチを備えたスイッチ回路を並列に接続したインバータと、
冷却媒体が循環する空洞を内部に有する冷却器と、
前記インバータと前記冷却器との間に配置された絶縁体と、
前記半導体スイッチの温度の情報および前記冷却媒体の温度の情報が入力される温度入力部を有し、前記温度入力部に入力された前記半導体スイッチの温度の情報と前記冷却媒体の温度の情報とに基づいて熱抵抗を演算し、前記冷却媒体の温度変化が所定の値以上か否か判断し、前記冷却媒体の温度変化が所定の値以上であり、かつ、前記熱抵抗が所定の値以上であるときに冷却性能が劣化していると判断する劣化診断部と、を含むコントローラと、を備えたことを特徴とする電力変換器。
【請求項２】
直列に接続した一対の半導体スイッチを備えたスイッチ回路を並列に接続したインバータと、
冷却媒体が循環する空洞を内部に有する冷却器と、
前記インバータと前記冷却器との間に配置された絶縁体と、
前記半導体スイッチの温度の情報および前記冷却媒体の温度の情報が入力される温度入力部を有し、前記温度入力部に入力された値から前記冷却媒体の温度変化が所定の値以上か否かを判断し、前記冷却媒体の温度変化が所定の値以上であるときに、前記半導体スイッチ温度が所定の値となるまでの時間を計測し、計測した時間が所定の値を超えたときに冷却性能が劣化したと判定する劣化診断部と、を含むコントローラと、を備えたことを特徴とする電力変換器。
【請求項３】
前記冷却器内の空洞へ冷却媒体を送出する冷却媒体供給装置を更に備え、
前記劣化診断部は、冷却性能の劣化の判定に先立って前記冷却媒体供給装置へ起動信号或いは停止信号を出力することを特徴とする請求項１または請求項２記載の電力変換器。
【請求項４】
直列に接続した一対の半導体スイッチを備えたスイッチ回路を並列に接続したインバータと、
冷却媒体が循環する空洞を内部に有する冷却器と、
前記インバータと前記冷却器との間に配置された絶縁体と、
前記半導体スイッチの温度の情報および前記冷却媒体の温度の情報が入力される温度入力部を有し、冷却性能の劣化の判定に先立って前記半導体スイッチを切り替えて前記半導体スイッチへ電流を流し、前記半導体スイッチの温度の情報を受信し、前記温度入力部に入力された値から前記半導体スイッチの温度変化が所定の値以上か否かを判断し、前記半導体スイッチの温度変化が所定の値以上であるときに、前記半導体スイッチの温度が所定の値となるまでの時間を計測し、計測した時間が所定の値を超えたときに冷却性能が劣化したと判定する劣化診断部と、を含むコントローラと、を備えたことを特徴とする電力変換器。
【請求項５】
前記劣化診断部は、冷却性能が劣化したと判定したときに判定結果を示す信号を上位制御装置へ出力する請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の電力変換器。
【請求項６】
電源と、
請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の電力変換器と、
前記電力変換器から供給される電力により動作する交流電動機と、
前記交流電動機の動力により駆動される車軸と、を備え、
前記交流電動機は、直列に接続した一対の前記半導体スイッチの直列接続点と接続していることを特徴とする電動車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電力変換器、および、電動車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換器は、複数のスイッチング素子を有している。スイッチング素子は、導通して電流が流れることにより発熱し性能低下や故障、寿命低下することがある。スイッチング素子の温度上昇を抑制するために電力変換器には冷却装置が取り付けられている。
【０００３】
電力変換器に取り付けられる冷却装置には、例えば、高電圧を絶縁する絶縁体や、部品間の熱伝達率を上げるためグリースが使用されている。電力変換器を長時間使用すると、絶縁体やグリースは熱および経年により劣化する。絶縁体などの部品変形や、グリースの抜けが起きると、冷却装置の冷却性能が低下することがある。
【０００４】
冷却装置の冷却性能が低下すると電力変換器の性能が低下するだけでなく、電力変換器が高温になり運転中に異常停止してしまうことがある。例えば、半導体製造などのプラントや原子力発電所の機器、医療機器、電車および自動車などの交通機関の機器、エレベータなど、電力変換器を異常停止させることが困難であるシステムに搭載された場合には、異常停止前に冷却性能の劣化を検出することが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４９５１６４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の実施形態によれば、安全性を担保する電力変換器、および、電動車両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】
【０００７】
実施形態によれば、直列に接続した一対の半導体スイッチを備えたスイッチ回路を並列に接続したインバータと、冷却媒体が循環する空洞を内部に有する冷却器と、前記インバータと前記冷却器との間に配置された絶縁体と、前記半導体スイッチの温度の情報および前記冷却媒体の温度の情報が入力される温度入力部を有し、前記温度入力部に入力された前記半導体スイッチの温度の情報と前記冷却媒体の温度の情報とに基づいて熱抵抗を演算し、前記冷却媒体の温度変化が所定の値以上か否か判断し、前記冷却媒体の温度変化が所定の値以上であり、かつ、前記熱抵抗が所定の値以上であるときに冷却性能が劣化していると判断する劣化診断部と、を含むコントローラと、を備えたことを特徴とする電力変換器が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、実施形態の電動車両の一構成例を概略的に示すブロック図である。
【図２】図２は、電力変換器の一構成例を概略的に示す図である。
【図３】図３は、電力変換器の半導体スイッチと冷却装置との構成の一例を概略的に示す図である。
【図４】図４は、劣化診断部の構成の一例を説明するためのブロック図である。
【図５】図５は、冷却媒体から半導体スイッチまでの各部品の熱容量を無視した簡易的な熱回路の一例を示す図である。
【図６】図６は、判定部における劣化判定の動作の一例を説明するためのフローチャートである。
【図７】図７は、劣化診断部の構成の一例を説明するためのブロック図である。
【図８】図８は、冷却媒体の温度変化を熱源とした冷却媒体から半導体スイッチまでの簡易的な熱回路の一例を示す図である。
【図９】図９は、冷却媒体の温度変化と半導体スイッチの温度変化との関係の一例を説明するための図である。
【図１０】図１０は、冷却媒体温度変化検出部、時間計測しきい値設定部、および、判定部における劣化判定の動作の一例を説明するためのフローチャートである。
【図１１】図１１は、冷却媒体の温度変化と半導体スイッチの温度変化との関係の一例を説明するための図である。
【図１２】図１２は、冷却媒体の温度変化以外に熱源がある場合の冷却媒体から半導体スイッチまでの簡易的な熱回路の一例を示す図である。
【図１３】図１３は、実施形態の電動車両の他の構成例を概略的に示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施形態の電力変換器、および、電動車両について、図面を参照して説明する。
【００１０】
図１は、第１実施形態の電動車両の一構成例を概略的に示すブロック図である。  
本実施形態の電動車両は、例えば、バッテリ１０と、電力変換装置と、モータ３０と、車輪ＷＬと、モータ３０の回転動力を車輪ＷＬへ伝達する車軸４０と、車両ＥＣＵ６０と、を備えた電気自動車である。電力変換装置は、電力変換器２０と、冷却媒体供給装置５０を含む冷却装置とを備える。
【００１１】
なお、電気自動車以外の電動車両は、例えばガソリンエンジンを搭載したハイブリッド電気自動車、燃料電池自動車など、インバータを搭載した車両である。
【００１２】
バッテリ１０は、例えばリチウムイオン電池、ニッケル水素電池等の蓄電池を搭載している。バッテリ１０から出力された直流電力は電力変換器２０へ供給されるとともに、電力変換器２０を介して接続されている機器、例えばモータ３０が発電する電気エネルギーを充電する。
【００１３】
電力変換器２０は、バッテリ１０の直流電力を例えば３相の交流電力に変換してモータ３０へ供給する。電力変換器２０は、後に図２に示すように、複数のスイッチング素子を含むインバータと、コントローラ２２とを備え、コントローラ２２が複数のスイッチング素子を開閉することによって、モータ３０へ供給する電流の制御を行う。
【００１４】
モータ３０は、電力変換器２０から供給された電流によりトルクを発生し、トルクを駆動力に変換して車両を力行運転させる。モータ３０の駆動力は車軸４０を介して車輪ＷＬに伝達される。また、モータ３０は、駆動力を電力に逆変換して回生運転する。モータ３０の回生運転による電力は電力変換器２０で直流電力へ変換されバッテリ１０に充電される。
【００１５】
冷却媒体供給装置５０は冷却媒体を電力変換器２０へ供給する。媒体には、エチレングリコールなどの添加した水や空気の他に、純水、水素、フロン類、アンモニア、二酸化炭素等を採用することができる。例えば、冷却媒体が液体である場合には、冷却媒体供給装置５０はポンプである。例えば、冷却媒体が気体である場合には、冷却媒体供給装置５０は送風ファンである。冷却媒体供給装置５０は、後述するヒートシンクとともに冷却装置に含まれる。
【００１６】
車両ＥＣＵ（electric control unit）６０は、電動車両に搭載された機器の動作を協調制御する。車両ＥＣＵ６０は、例えば、電力変換器２０から劣化判定信号を受信し、劣化判定信号の値に応じて警告ランプを点灯する。
【００１７】
図２は、電力変換器２０の一構成例を概略的に示す図である。  
電力変換器２０は、コントローラ２２と、入力電圧検出部２４と、インバータ２６と、負荷電流検出部２８と、を備えている。
【００１８】
入力電圧検出部２４は、電源とインバータ２６との接続ラインにおいて電源の電圧を検出し、入力電圧情報としてコントローラ２２へ出力する。なお、電動車両では電源としてバッテリ１０が採用されるが、他に、電源として交流電源も適用可能である。電源の電圧が一定である場合等、電源の電圧を監視する必要がない場合には、入力電圧検出部２４を省略することができる。
【００１９】
インバータ２６は、電源と負荷との間で電気的接続を切り替える複数の半導体スイッチを含む。インバータ２６は、例えば、並列接続された３つのスイッチング回路を含む。３つのスイッチング回路のそれぞれは、直列接続された２つの半導体スイッチ、例えば２つのＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ：Insulated Gate Bipolar Transistor）素子を備える。なお、ＩＧＢＴ素子以外の半導体スイッチとして、トランジスタ、ＦＥＴ（field effect transistor）、サイリスタ、ＧＴＯ（gate turn-off thyristor）等を採用することができる。
【００２０】
負荷電流検出部２８は、電力変換器２０から負荷へ流れる電流（あるいは負荷から電力変換器２０へ流れる電流）を検出して、負荷電流情報としてコントローラ２２へ出力する。なお、電動車両では負荷としてモータ３０が採用されるが、その他の負荷として熱エネルギーを発生する抵抗負荷等が適用可能である。
【００２１】
コントローラ２２は、電流指令設定部２２Ａと、負荷電流制御部２２Ｂと、スイッチ信号変換部２２Ｃと、劣化診断部２２Ｄと、を備えている。
【００２２】
電流指令設定部２２Ａは、例えば電力変換器運転指令となるトルク指令に基づいて、モータ３０が所定のトルクを実現する負荷電流指令を設定し、負荷電流制御部２２Ｂへ出力する。
【００２３】
負荷電流制御部２２Ｂは、負荷電流検出部２８が検出した負荷電流と、電流指令設定部２２Ａで設定した負荷電流指令とから負荷に印加する電圧指令を設定する。
【００２４】
スイッチ信号変換部２２Ｃは、入力電圧検出部２４が検出する電源電圧と、負荷電流制御部２２Ｂで設定した電圧指令から半導体スイッチ２６の開閉信号を設定する。
【００２５】
劣化診断部２２Ｄは、半導体スイッチ温度信号（半導体スイッチの温度の情報）と冷却媒体温度信号（冷却媒体の温度の情報）とに基づいて冷却性能の劣化を判定し、その結果を示す劣化判定信号を上位制御装置である車両ＥＣＵ６０へ出力する。
【００２６】
なお、劣化診断部２２Ｄが劣化診断を実施するときに、冷却媒体の温度を強制的に変化させる場合には、劣化診断部２２Ｄは冷却媒体供給装置５０を起動または停止させる冷却媒体供給装置起動信号または停止信号を冷却媒体供給装置５０へ出力してもよい。冷却媒体の温度を強制的に変化させない場合には、劣化診断部２２Ｄから出力される冷却媒体供給装置起動信号および停止信号は省略される。
【００２７】
図３は、電力変換器のインバータと冷却器との構成の一例を概略的に示す図である。
【００２８】
電力変換器２０のインバータ２６の下には、絶縁体２５を介して冷却装置の冷却器２７が配置されている。
【００２９】
絶縁体２５は、例えば樹脂材料やセラミック等により形成され、インバータ２６および電極と冷却器２７とを絶縁する。絶縁体２５は、例えば電力変換器２０を収容するケースの一部であってもよい。絶縁体２５は、インバータ２６と冷却器２７との間に介在して、冷却媒体や冷却器２７の筐体に高電圧がかかり、電力変換器２０外へ漏電することや、漏電による人の感電を防いでいる。
【００３０】
インバータ２６はスイッチ開閉信号を受信し、半導体スイッチにより２つの電極間を電気的に導通又は開放して、電力変換器２０から出力する電気エネルギー量を制御する。インバータ２６の半導体スイッチを導通させた場合には、半導体スイッチを介して電流が流れ、半導体スイッチが発熱する。
【００３１】
上記のインバータ２６や絶縁体２５は、導通して電流が流れることによる温度上昇により、熱的に破壊されることや、寿命低下を招くことが知られている。そのため、環境条件や使用条件が厳しい電力変換器には、冷却装置を取り付けて、高出力や高寿命を実現している。
【００３２】
冷却装置は、上述した冷却媒体供給装置５０と、内部に冷却媒体が循環する空洞を設けた冷却器２７とを有している。冷却器２７の空洞内には冷却媒体供給装置５０から排出された冷却媒体が循環し、冷却媒体により冷却された冷却器２７の筐体によりインバータ２６が冷却される。冷却媒体供給装置５０から排出された冷却媒体は冷却器２７の空洞内を循環した後に再び冷却媒体供給装置５０へ戻る。冷却器２７は上記のように冷却媒体が循環する管路を有するものでもよく、ヒートシンクでもよい。
【００３３】
図４は、電力変換器の制御装置の劣化診断部の構成の一例を説明するためのブロック図である。
【００３４】
劣化診断部２２Ｄは、冷却媒体温度入力部２２１と、半導体スイッチ温度入力部２２２と、冷却媒体温度変化検出部２２３と、冷却装置熱抵抗計算部２２４と、判定部２２５と、を備えている。
【００３５】
冷却媒体温度入力部２２１は、冷却媒体の温度信号（温度の情報）［Ｖ］を受信する。冷却媒体の温度は、冷却媒体と接触するように冷却器２７の筐体に取り付けられた、或いは、冷却器２７の冷却媒体近傍の位置の筐体に取り付けられた温度センサ（図示せず）により検出される。なお冷却器２７がヒートシンクの場合には温度センサはヒートシンクに取り付けられる。冷却媒体温度入力部２２１は、温度センサから受信した温度信号［Ｖ］を温度情報［℃］に変換して冷却媒体温度変化検出部２２３および冷却装置熱抵抗計算部２２４へ出力する。
【００３６】
半導体スイッチ温度入力部２２２は、半導体スイッチの温度信号（温度の情報）［Ｖ］を受信する。半導体スイッチの温度は、少なくとも１つの半導体スイッチに取り付けられた温度センサ（図示せず）により検出される。半導体スイッチ温度入力部２２２は、温度センサから受信した温度信号［Ｖ］を温度情報［℃］に変換して冷却装置熱抵抗計算部２２４へ出力する。なお、複数の半導体スイッチに温度センサが取り付けられている場合には、半導体スイッチ温度入力部２２２は複数の温度信号［Ｖ］を受信してもよい。
【００３７】
冷却媒体温度変化検出部２２３は、受信した冷却媒体の温度情報［℃］から、所定期間に変化した冷却媒体の温度を演算して判定部２２５へ出力する。
【００３８】
冷却装置熱抵抗計算部２２４は、冷却媒体の温度情報［℃］、半導体スイッチの温度情報[℃]、冷却装置の熱伝導の熱抵抗と、冷却装置と半導体スイッチとの間の熱伝達および半導体スイッチの熱伝導の熱抵抗と、電力変換器２０の外部への熱伝達の熱抵抗と、を用いて冷却装置の熱抵抗を計算する。
【００３９】
図５は、冷却媒体から半導体スイッチまでの各部品の熱容量を無視した簡易的な熱回路の一例を示す図である。
【００４０】
ここでは、冷却媒体の温度を熱源として、その熱源が冷却装置の熱伝導の熱抵抗Ｒ１[℃／Ｗ]、冷却装置と半導体スイッチとの間の熱伝達と半導体スイッチ熱抵抗Ｒ２[℃／Ｗ]、を介して半導体スイッチ外へ伝達されることを示している。
【００４１】
半導体スイッチ外部への熱伝達とは、半導体スイッチから周囲空気への熱伝達や、半導体スイッチの電極を介した電力変換器の電線への熱伝達であり、その熱抵抗Ｒ３[℃／Ｗ]は、冷却装置に関連した熱抵抗Ｒ１[℃／Ｗ]および熱抵抗Ｒ２[℃／Ｗ]より大きな値である。また各部品には熱容量が存在するが、冷却媒体の温度が半導体スイッチに熱伝達されるのに、十分な時間が経つことを条件に、無視することができる。
【００４２】
図５に示す回路に基づいて、半導体スイッチの温度変化Ｖ２は下記（式１）で表すことができる。  
Ｖ２＝（Ｒ３／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３））＊Ｖ      （式１）  
ここで、Ｖは、冷却媒体の温度変化である。
【００４３】
（式１）より、冷却装置と半導体スイッチとの間の絶縁体２５が劣化して熱抵抗値Ｒ２が増加した場合、半導体スイッチの温度変化Ｖ２が減少する。よって、冷却媒体温度変化Ｖと半導体スイッチの温度変化Ｖ２との比から冷却装置及び半導体スイッチの劣化を示す熱抵抗（Ｒ１＋Ｒ２）［℃／Ｗ］を（式２）のように求めることができる。  
（Ｒ１＋Ｒ２）＝Ｒ３（（Ｖ／Ｖ２）−１）      （式２）  
（式２）において、半導体スイッチ外部への熱伝達の熱抵抗Ｒ３［℃／Ｗ］が既知である必要があるが、半導体スイッチの構造および周囲状況が半導体スイッチを搭載しているインバータ２６および電力変換器２０の構造からあらかじめ把握可能であるため、熱抵抗Ｒ３［℃／Ｗ］の値は冷却装置熱抵抗計算部２２４に予め記憶させることができる。
【００４４】
なお、上記（式２）によれば、熱抵抗（Ｒ１＋Ｒ２）［℃／Ｗ］は冷却媒体が温度変化したときに求めることができない。なお、温度変化Ｖ２が極小の場合、式（２）より、（Ｒ１＋Ｒ２）は大きな値になり、熱抵抗が増大した、つまり劣化したと判断する。温度変化Ｖ２が０の場合は、式（２）の分母が０であり、（Ｒ１＋Ｒ２）が無限大の値となり、熱抵抗が増大した、つまり劣化したと判断する。したがって、熱抵抗（Ｒ１＋Ｒ２）［℃／Ｗ］は、冷却媒体の温度が変化したとき、あるいは、冷却媒体の温度と半導体スイッチの温度との両方が変化したときに求めることができる。
【００４５】
図６は、劣化診断部の判定部における劣化判定の動作の一例を説明するためのフローチャートである。
【００４６】
判定部２２５は、冷却媒体温度変化検出部２２３から所定期間に変化した冷却媒体の温度を受信し、冷却装置熱抵抗計算部２２４から熱抵抗（Ｒ１＋Ｒ２）［℃／Ｗ］を受信する（ステップＳＴＡ１）。
【００４７】
続いて、判定部２２５は、変化した冷却媒体の温度がしきい値以上か否かを判断する。判定部２２５は、冷却媒体の温度変化Ｖがしきい値未満であると判断した場合には、冷却性能が低下したか否かを判断することなく、処理を終了する（ステップＳＴＡ２）。
【００４８】
判定部２２５は、冷却媒体の温度変化Ｖがしきい値以上である場合にのみ、冷却性能が低下したか否か判断する。半導体スイッチの熱容量に比べて、冷却媒体の熱容量の方が大きい場合、半導体スイッチの温度変化により、冷却媒体温度が変化する量は小さい。よって、冷却媒体の温度が変化した時に半導体スイッチの温度が変化する量をもとに熱抵抗（Ｒ１＋Ｒ２）［℃／Ｗ］を演算する方が、信号ノイズなどの影響を受けることなく、高い精度で熱抵抗（Ｒ１＋Ｒ２）［℃／Ｗ］を計算することができる。そのため、判定部２２５は、冷却媒体温度変化検出部２２３から受け取る冷却媒体の温度変化Ｖがしきい値以上である場合に冷却性能の低下判定を実施することとしている。
【００４９】
判定部２２５は、冷却媒体の温度変化Ｖがしきい値以上であると判断した場合、冷却装置熱抵抗計算部２２４から受信した熱抵抗（Ｒ１＋Ｒ２）［℃／Ｗ］の値がしきい値以上か否か判断する（ステップＳＴＡ３）。
【００５０】
熱抵抗（Ｒ１＋Ｒ２）［℃／Ｗ］の値がしきい値以上であった場合、判定部２２５は、冷却装置の冷却性能が低下したと判定する（ステップＳＴＡ４）。
【００５１】
熱抵抗（Ｒ１＋Ｒ２）［℃／Ｗ］の値がしきい値未満であった場合、判定部２２５は、冷却装置の冷却性能が低下していないと判定する（ステップＳＴＡ５）。
【００５２】
なお、熱抵抗値（Ｒ１＋Ｒ２）［℃／Ｗ］のしきい値は、冷却性能が低下していないときの熱抵抗値より大きい値であって、かつ、冷却性能が低下して電力変換器が停止してしまう時の熱抵抗値（Ｒ１＋Ｒ２）［℃／Ｗ］よりも小さい値にする必要がある。
【００５３】
判定部２２５は、ステップＳＴＡ４およびステップＳＴＡ５の後に、冷却性能の劣化判定結果を示す劣化判定信号を車両ＥＣＵ６０へ出力する（ステップＳＴＡ６）。なお、ステップＳＴＡ５で劣化なしと判定した場合には、車両ＥＣＵ６０への劣化判定信号の出力を省略してもよい。
【００５４】
また、前述のとおり、冷却媒体温度に変化がない（あるいは変化が小さい）場合には、冷却性能の劣化判定を実施することはできないため、その条件下では劣化診断部２２Ｄは劣化判定信号を出力せずに、電力変換器２０を誤って停止しないことが望ましい。
【００５５】
なお、熱抵抗（Ｒ１＋Ｒ２）［℃／Ｗ］は半導体スイッチ２６の温度変化Ｖ２が小さいときに大きくなる値であるため、ステップＳＴＡ３において半導体スイッチ２６の温度変化Ｖ２が所定の値よりも小さいか否かを判断してもよい。その場合には、判定部２２５は、半導体スイッチ２６の温度変化Ｖ２が所定の値よりも小さいときに冷却性能が劣化していると判断し、半導体スイッチ２６の温度変化Ｖ２が所定の値以上であるときに冷却性能が劣化していないと判断する。
【００５６】
上述のように、本実施形態によれば、半導体スイッチ２６を動作させることなく、半導体スイッチ２６の冷却性能の劣化を判定することができ、安全性を担保する電力変換器２０、および、電動車両を提供することができる。
【００５７】
なお、電力変換器には、直流電気エネルギーを交流電気エネルギーに変換する電力変換器や、直流電気エネルギーから直流電気エネルギーおよび、交流電気エネルギーから直流電気エネルギー、交流電気エネルギーから交流電気エネルギーに変換するコンバータに適用することができる。
【００５８】
次に、第２実施形態の電力変換器、および、電動車両について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明において上述の第１実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
【００５９】
本実施形態の電力変換器および電動車両は、半導体スイッチと冷却装置の冷却性能の劣化判断との動作が上述の第１実施形態と異なっている。
【００６０】
図７は、劣化診断部の構成の一例を説明するためのブロック図である。なお、図７に示すブロック図の説明において、図４に示すブロック図と同様の構成については同一の符号を付して、同様の構成および動作については説明を省略する。
【００６１】
本実施形態では、劣化診断部２２Ｄは、上記第１実施形態の冷却装置熱抵抗計算部を備えず、時間計測しきい値設定部２２６を備えるとともに、冷却媒体温度変化検出部２２３および判定部２２５の動作が異なっている。
【００６２】
冷却媒体温度変化検出部２２３は、冷却媒体温度入力部２２１から冷却媒体温度情報［℃］を受信して、冷却媒体の温度［℃］がしきい値よりも大きくなった場合に、計測開始指令を時間計測しきい値設定部２２６へ出力する。
【００６３】
時間計測しきい値設定部２２６は、計測開始指令を受信すると、時間計測を開始するとともに、到達温度しきい値と到達時間しきい値とを設定する。時間計測しきい値設定部２２６は、冷却媒体の温度がしきい値を超えてから到達温度しきい値に到達するまでに要した時間（計測時間）と、到達時間しきい値とを判定部２２５へ出力する。
【００６４】
ここで、冷却媒体の温度変化とその温度変化に要する時間との関係の一例について説明する。  
図８は、冷却媒体の温度変化を熱源とした冷却媒体から半導体スイッチまでの簡易的な熱回路の一例を示す図である。
【００６５】
本実施形態では、比較的短時間における温度変化を検討するために、第１実施形態における半導体スイッチ外への熱伝達の熱抵抗Ｒ３を無視して、冷却装置の熱容量Ｃ１と半導体スイッチの熱容量Ｃ２とを考慮している。
【００６６】
冷却媒体の温度変化Ｖにより、熱流量Ｉが冷却装置に伝達される。熱流量Ｉは冷却媒体と冷却器２７と絶縁体２５とからなる冷却装置の熱伝導抵抗Ｒ１と、冷却装置の熱容量Ｃ１と、冷却装置と半導体スイッチとの間の熱抵抗と半導体スイッチの熱伝導とを合わせた熱抵抗Ｒ２と、半導体スイッチの熱容量Ｃ２とにより半導体スイッチに熱伝達される。
【００６７】
図７において、冷却媒体の温度変化Ｖから半導体スイッチの温度変化Ｖ２への伝達関数は一次遅れ時定数Ｔ１＝（Ｒ１Ｃ１）と一次遅れ時定数Ｔ２＝（Ｒ２Ｃ２）とを合わせた２次遅れ系であり、（式３）で表すことができる。なお、（式３）中の記号ｓはラプラス演算子である。  
Ｖ２＝｛１／（１＋ｓＴ１）｝×｛１／（１＋ｓＴ２）｝×Ｖ        （式３）
熱劣化や経年劣化により絶縁体の性能劣化が発生した場合、図７の冷却装置と半導体スイッチとの間の熱伝達抵抗Ｒ２が増加する。
【００６８】
図９は、冷却媒体の温度変化と半導体スイッチの温度変化との関係の一例を説明するための図である。  
ここでは、水循環ポンプや送風ファンなどの冷却媒体供給装置が起動して、強制的に冷却媒体温度が急変したときの半導体スイッチの温度変化の一例を示す。冷却媒体の温度が徐々に変化するときには、以下で説明する冷却媒体の温度変化を到達時間しきい値を考慮することが望ましい。
【００６９】
冷却装置が劣化すると上記の２次遅れ系の時定数Ｔ１、Ｔ２が大きくなることを意味している。時定数Ｔ１、Ｔ２が大きくなると、冷却媒体から半導体スイッチへの温度の伝達が遅くなる。前述の冷却媒体温度および半導体スイッチの温度の変化から冷却装置の熱抵抗を求めることができる。
【００７０】
グラフ８Ａは、上記（式３）に、１次遅れ時定数Ｔ１＝０．８秒、１次遅れ時定数Ｔ２＝０．０８秒、および、冷却媒体の温度変化Ｖ＝１００℃を適用した時の半導体スイッチ温度変化Ｖ２を示している。すなわち、グラフ８Ａは、冷却性能が低下していないときに、冷却媒体の温度が０℃から１００℃へ変化した場合の、半導体スイッチ２６の温度変化を示している。
【００７１】
（式３）は２次遅れ系であるため、半導体スイッチ温度が１００℃に対して６３．２％に達する時間は、上記の１次遅れ時定数Ｔ１＝０．８秒と１次遅れ時定数Ｔ２＝０．０８秒の合計時間０．８８秒よりも長くなり、１．２１秒かかる。
【００７２】
グラフ８Ｂは、上記（式３）１次遅れ時定数Ｔ１＝０．８秒、１次遅れ時定数Ｔ２＝０．１６秒、および、温度変化Ｖ＝１００℃を適用した時の半導体スイッチ温度の変化を示している。このグラフ８Ｂは、冷却性能の低下により、１次遅れ時定数Ｔ２がグラフ８Ａの２倍である０．１６秒となった場合であり、冷却性能が低下しているときに、冷却媒体の温度が０℃から１００℃へ変化した場合の、半導体スイッチの温度変化を示している。
【００７３】
このとき、半導体スイッチ２６の温度変化が１００℃に対して６３．２％に達するまでに１．４４秒要し、冷却性能の低下により、半導体スイッチの温度上昇が０．２３秒増加している。
【００７４】
このように、冷却媒体温度が変化した時に、半導体スイッチの温度が設定した到達温度しきい値に到達するまでの時間を計測して、この計測時間を第１実施形態における熱抵抗相当として、半導体スイッチと冷却性能の低下判定を実施することも可能である。
【００７５】
なお、上記の到達温度しきい値は、冷却媒体の変化前温度と冷却媒体の変化後温度との間の値とする。この到達温度しきい値は冷却媒体の変化後温度に近いほど、劣化なしの場合と劣化ありの場合との半導体スイッチ温度の到達時間の差が大きくなり、劣化判定精度を高めることができる。
【００７６】
半導体スイッチが到達温度しきい値に到達するまでの時間は、前述したように、少なくとも熱回路の１次遅れ時定数Ｔ１および１次遅れ時定数Ｔ２の合計値より大きい値となることが望ましい。
【００７７】
図１０は、冷却媒体温度変化検出部、時間計測しきい値設定部、および、判定部における劣化判定の動作の一例を説明するためのフローチャートである。
【００７８】
冷却媒体温度変化検出部２２３は、冷却媒体温度入力部２２１から冷却媒体の温度情報[℃]を受信する（ステップＳＴＢ１）。
【００７９】
冷却媒体温度変化検出部２２３は、所定の期間に変化した冷却媒体の温度変化Ｖがしきい値より大きいか否か判断する（ステップＳＴＢ２）。ここで、冷却媒体温度変化しきい値は、温度信号に含まれるノイズ成分の影響を受けない程度の値とすることが望ましい。
【００８０】
冷却媒体の温度変化Ｖがしきい値以下である場合、冷却媒体温度変化検出部２２３は再びステップＳＴＢ１へ戻って処理を行う。冷却媒体の温度変化Ｖがしきい値よりも大きい場合、冷却媒体温度変化検出部２２３は、時間計測しきい値設定部２２６へ計測開始指令を送信する。
【００８１】
時間計測しきい値設定部２２６は、計測開始指令を受信すると時間計測を開始して、到達温度しきい値と到達時間しきい値とを設定する。到達温度しきい値は、冷却媒体の温度変化前と温度変化後との間の値であって、例えば、冷却媒体温度の変化Ｖの６３．２％の値である。到達時間しきい値は、冷却性能が低下していないときの時定数Ｔ１と時定数Ｔ２との合計値より大きく、冷却性能が低下して電力変換器の出力性能が低下するような時定数Ｔ２と時定数Ｔ１との合計値より小さい値に設定する。また、到達時間しきい値は、半導体スイッチ２６に対する冷却性能が低下して電力変換器２０が停止してしまう熱抵抗時の熱回路において、上述で設定した半導体スイッチ温度のしきい値に到達する時間よりも、小さい値を劣化判定のしきい値に設定する。（ステップＳＴＢ３）。
【００８２】
時間計測しきい値設定部２２６は、半導体スイッチ温度入力部２２２から半導体スイッチ温度情報[℃]を受信する（ステップＳＴＢ４）。
【００８３】
時間計測しきい値設定部２２６は、半導体スイッチの温度情報[℃]が到達温度しきい値に到達したか否かを判断する（ステップＳＴＢ５）。半導体スイッチの温度情報[℃]が到達温度しきい値に到達しない場合は、ステップＳＴＢ４に戻り半導体スイッチの温度情報を受信する。
【００８４】
半導体スイッチの温度情報[℃]が到達温度しきい値に到達した場合、時間計測しきい値設定部２２６は、半導体スイッチの温度情報[℃]が到達温度しきい値に到達したときの計測時間を記録して（ステップＳＴＢ６）、その計測時間と到達時間しきい値とを判定部２２５へ出力する。
【００８５】
判定部２２５は、計測時間が到達時間しきい値を超えたか否か判断する（ステップＳＴＢ７）。判定部２２５は、計測時間が到達時間しきい値を超えていると判断した場合、冷却性能の低下があると判定し（ステップＳＴＢ８）、計測時間が到達時間しきい値以下であると判断した場合、冷却性能の低下がないと判定する（ステップＳＴＢ９）。
【００８６】
判定部２２５は、ステップＳＴＢ８およびステップＳＴＢ９の後に、それぞれ判定結果を通知する劣化判定信号を車両ＥＣＵ６０へ出力する（ステップＳＴＢ１０）。なお、ステップＳＴＢ９で劣化なしと判定した場合には、車両ＥＣＵ６０への劣化判定信号の出力を省略してもよい。
【００８７】
上述のように、本実施形態によれば、半導体スイッチを動作させることなく、冷却性能の低下を判定することができ、安全性を担保する電力変換器、および、電動車両を提供することができる。
【００８８】
次に、第３実施形態の電力変換器、および、電動車両について、図面を参照して説明する。
【００８９】
本実施形態では、劣化診断を実施する前に、半導体スイッチに電流がかかるようにスイッチ開閉信号を設定する。半導体スイッチに流れる電流により、劣化診断開始時において半導体スイッチ温度は、冷却媒体温度よりも高くなる。
【００９０】
図１１は、冷却媒体の温度変化と半導体スイッチの温度変化との関係の一例を説明するための図である。  
ここでは、インバータ２６の半導体スイッチに電流を流して１００℃に温度上昇をさせた後に、半導体スイッチの電流を０Ａにしたときの半導体スイッチ温度の時間変化を示す。なお、このグラフにおいて、冷却性能が低下していないときには、一次遅れ時定数Ｔ１＝０．８秒、Ｔ２＝０．０８秒である。冷却性能が低下しているときには、一次遅れ時定数Ｔ１＝０．８秒、Ｔ２＝０．１６秒である。
【００９１】
半導体スイッチの開閉信号を停止させた後の半導体スイッチ温度は図８に示した熱回路により２次遅れ系の応答特性となり、冷却媒体温度に近づく。この例では、冷却媒体温度は変化せず、半導体スイッチの温度は電流が流れることにより高くなった値から冷却媒体温度へと変化する。これは、上述の第１実施形態における、冷却媒体温度が変化した時の半導体スイッチの温度変化挙動と同様に扱うことが可能であり、第１実施形態や第２実施形態と同様の方法により、劣化診断を行うことができる。
【００９２】
図１１には、第２実施形態と同様に半導体スイッチ温度の到達温度しきい値を設定して、到達時間を計測した結果の一例を示している。冷却性能が低下している場合には、半導体スイッチの到達温度しきい値への到達時間は０．１１秒である。冷却性能が低下している場合には、その到達時間は０．１９秒に変化する。
【００９３】
上記のように、冷却性能の低下の有無により、半導体スイッチの温度が所定の温度となるまでに０．０８秒差が生じるため、この時間を計測して所定のしきい値と比較することにより冷却性能の低下判定を行うことができる。
【００９４】
冷却媒体温度変化検出部２２３は、冷却媒体温度入力部２２１から冷却媒体の温度情報［℃］を受信する。冷却媒体温度変化検出部２２３は、半導体スイッチ温度入力部２２２から半導体スイッチの温度情報［℃］を受信する。
【００９５】
冷却媒体温度変化検出部２２３は、インバータ２６の半導体スイッチの温度が所定の値まで上昇したか否か判断する。
【００９６】
半導体スイッチの温度変化が所定の値以上となったら、冷却媒体温度変化検出部２２３は、時間計測しきい値設定部２２６へ計測開始指令を送信する。
【００９７】
時間計測しきい値設定部２２６は、計測開始指令を受信すると時間計測を開始して、到達温度しきい値と到達時間しきい値とを設定する。到達温度しきい値は、半導体スイッチの温度変化前と温度変化後との間の値であって、例えば、半導体スイッチ温度の変化Ｖの３６．８％の値である。到達時間しきい値は、冷却性能が低下していないときの時定数の合計値より大きく、冷却性能が低下して電力変換器の出力性能が低下するような時定数の合計値より小さい値に設定する。
【００９８】
時間計測しきい値設定部２２６は、半導体スイッチ温度入力部２２２から半導体スイッチ温度情報［℃］を受信する。
【００９９】
時間計測しきい値設定部２２６は、半導体スイッチの温度情報［℃］が到達温度しきい値に到達したか否かを判断する。半導体スイッチの温度情報［℃］が到達温度しきい値に到達しない場合は、再度半導体スイッチの温度情報を受信する。
【０１００】
半導体スイッチの温度情報［℃］が到達温度しきい値に到達した場合、時間計測しきい値設定部２２６は、半導体スイッチの温度情報［℃］が到達温度しきい値に到達したときの計測時間を記録して、その計測時間と到達時間しきい値とを判定部２２５へ出力する。
【０１０１】
判定部２２５は、計測時間が到達時間しきい値を超えたか否か判断する。判定部２２５は、計測時間が到達時間しきい値を超えていると判断した場合、冷却性能の低下があると判定し、計測時間が到達時間しきい値以下であると判断した場合、冷却性能の低下がないと判定する。
【０１０２】
続いて、判定部２２５は、それぞれ判定結果を通知する劣化判定信号を車両ＥＣＵ６０へ出力する。なお、劣化なしと判定した場合には、車両ＥＣＵ６０への劣化判定信号の出力を省略してもよい。
【０１０３】
なお、本実施形態において、劣化判定開始前に半導体スイッチに流れる電流は、負荷にかかる電流であってもよく、電源を短絡にする電流であっても構わない。
【０１０４】
上記のように、インバータ２６の半導体スイッチの温度を変化させて冷却性能の劣化を診断しても上述の第１実施形態および第２実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１０５】
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。これら新規な実施形態は、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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。
【０１０６】
なお、劣化診断開始した後に、冷却媒体の温度変化以外の熱源による半導体スイッチの温度変化Ｖ３がある場合、到達温度しきい値は、半導体スイッチの雰囲気温度や他部品への熱伝達する分の熱回路など、図８に示した熱回路上で省略されている熱回路分の影響を考慮して決定することが望ましい。半導体スイッチに電流が流れて発熱しているなど、半導体スイッチ温度が冷却媒体温度以外で増加する要因がある場合には、上記の到達温度しきい値を冷却媒体の変化前温度と変化後温度との間ではない値に設定してもよい。
【０１０７】
図１２は、冷却媒体の温度変化以外に熱源がある場合の冷却媒体から半導体スイッチまでの簡易的な熱回路の一例を示す図である。電力変換器に対して温度変化以外の熱源を考慮すべきである場合には、図１２に示す熱回路を採用して上述の第１乃至第３実施形態と同様に冷却性能の劣化を判定することができる。このとき、半導体スイッチ熱容量Ｃ２が冷却装置熱容量Ｃ１より十分に小さい場合には、冷却装置温度変化Ｖ１及び冷却媒体温度変化Ｖの上昇は、ほとんどないものとして扱うことができる。
【０１０８】
また、上述の実施形態では、電力変換器を電動車両に搭載した例について説明したが、上述の電力変換器を他の機器に搭載しても同様の効果を得ることができる。例えば、連続運転する機器に使用する電力変換器は、機器を停止させて電力変換器を取り外して、定期的に寿命診断やメンテナンスを実施することは難しい。一方で、機器が連続運転中に電力変換器の半導体スイッチ及び冷却性能の低下により、電力変換器が停止した場合、連続運転する機器全体が異常停止してしまい、大きな損害につながる。例えば、連続運転する機器が半導体製造装置や原子力発電所の機器である場合、プラント全体を停止させてしまい、復旧に多くの人手と時間を要する。また、例えば、連続運転する機器が自動車や電車等の交通機関、エレベータなどの移動機器や、病院などで使用する医療機器である場合には、連続運転する機器を使用者の人命に関わる場合がある。
【０１０９】
このことから、連続運転を行う機器においては電力変換器が異常停止することを防ぐ必要があり、上述の実施形態の電力変換器において冷却性能の性能劣化判定を実施して警告信号を出力することで、不意に電力変換器が異常停止することを回避することができる。
【０１１０】
また、上述の実施形態の電力変換器を電車に適用することもできる。
【０１１１】
図１３は、実施形態の電動車両の他の構成例を概略的に示すブロック図である。この例において、上述の実施形態の電動車両と異なる点は、電動車両内にバッテリ１０がない点、および、電力変換器２０がコンバータである点である。
【０１１２】
電車は、架線等を介して外部電源から電圧を供給される。外部電源の電圧は交流であっても直流であっても構わない。
【０１１３】
コンバータは、外部電源から電圧が供給され、電車のモータが所望のトルクを発生するようにモータへ電流を流す。外部電源が交流電源である場合、コンバータは、内部で交流電圧を直流電圧へ変換してからモータに印加する交流電圧に変換してもよく、例えばマトリクスコンバータのように、直接交流電圧からモータに印加する交流電圧を生成しても良い。
【０１１４】
上述の実施形態の電力変換器を電車に搭載した場合であっても、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【０１１５】
ＷＬ…車輪、Ｖ２…半導体スイッチの温度変化、Ｖ…冷却媒体の温度変化、１０…電源（バッテリ）２０…電力変換器、２２…コントローラ、２２Ａ…電流指令設定部、２２Ｂ…負荷電流制御部、２２Ｃ…スイッチ信号変換部、２２Ｄ…劣化診断部、２４…入力電圧検出部、２５…絶縁体、２６…インバータ（或いはコンバータ）、２７…冷却器、２８…負荷電流検出部、３０…負荷（モータ）、４０…車軸、５０…冷却媒体供給装置、６０…上位制御装置（車両ＥＣＵ）、２２１…冷却媒体温度入力部、２２２…半導体スイッチ温度入力部、２２３…冷却媒体温度変化検出部、２２４…冷却装置熱抵抗計算部、２２５…判定部、２２６…時間計測しきい値設定部。
【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】
2015053774.tif 000010
【図９】
2015053774.tif 000011
【図１０】
2015053774.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
2015053774.tif 000014
【図１３】
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