(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換器において、
前記電力変換器は半導体素子および前記半導体素子を冷却する冷却器を有し、前記電力変換器は起動または停止を繰り返すものであり、前記電力変換器が停止してから起動するまでの時間に応じて前記冷却器の動作条件を変更することを特徴とし、前記冷却器は液体冷媒により冷却を行うことを特徴とする電力変換器。
【請求項２】
電力変換器において、
前記電力変換器は半導体素子および前記半導体素子を冷却する冷却器を有し、前記電力変換器は起動または停止を繰り返すものであり、前記電力変換器が停止してから起動するまでの時間に応じて前記冷却器の動作条件を変更することを特徴とし、  前記電力変換器を再起動するまでの時間が、所定の判定時間より短い場合は前記冷却器を運転継続し、判定時間より長い場合は前記冷却器を運転停止することを特徴とする電力変換器。
【請求項３】
請求項２に記載の電力変換器であって、前記冷却器は液体冷媒により冷却を行うことを特徴とする電力変換器。
【請求項４】
請求項２に記載の電力変換装置であって、前記冷却器は風により冷却を行うことを特徴とする電力変換器。
【請求項５】
請求項１あるいは３のいずれか１項に記載の電力変換器であって、前記電力変換器へ冷媒を流入または流出させる配管とともに、前記電力変換器へ前記冷媒を流入又は流出させない迂回配管を有し、前記
迂回配管の分岐点に流路を変更させる弁を有することを特徴とする電力変換器。
【請求項６】
請求項１あるいは３のいずれか１項に記載の電力変換器であって、前記電力変換器へ冷媒を流入または流出させる配管の入口および出口の両方または片方に流路を閉塞させる弁を有することを特徴とする
電力変換器。
【請求項７】
請求項５または６に記載の電力変換器であって、前記弁が外部信号によって開閉動作する電動弁であることを特徴とする電力変換器。
【請求項８】
請求項５ないし７のいずれかに記載の電力変換器であって、前記弁の動作は前記冷却器の動作に同期することを特徴とした電力変換器。
【請求項９】
請求項１あるいは３のいずれか１項に記載の電力変換器であって、前記冷却器の冷媒が純水、氷点下以下の温度で凍結しない不凍液または油であることを特徴とした電力変換器。
【請求項１０】
請求項４に記載の電力変換器であって、前記半導体素子を冷却する風はファンまたはブロアを使用することを特徴とした電力変換器。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれかに記載の電力変換器であって、前記冷却器の運転継続または停止を判断する判定時間は、前記冷却器を運転継続した際の半導体素子ベース温度の熱時定数より短くしたことを特徴とした電力変換器。
【請求項１２】
請求項１ないし１１のいずれかに記載の電力変換器であって、電力変換器を停止後、再度起動するまでの時間を、風況や日照度の予測をすることで決定することを特徴とした電力変換器。
【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。
【背景技術】
【０００２】
再生可能エネルギーの比率向上の観点から太陽光・風力等の自然エネルギーを利用した発電に注目が集まっている。自然エネルギーを用いた発電に適用される電力変換器は、一般産業機器と異なり天気・風況に左右され、電力変換器の運転が停止/待機/起動を頻繁に繰り返す。このような運転方法は半導体素子、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やダイオード等のオン/オフ動作によって生じる半導体素子の温度変化(以下、パワーサイクルと呼称)の他に、半導体素子のベース温度変化(以下、サーマルサイクルと呼称)による寿命が懸念され、上記2つの温度変化に耐えうる寿命設計を行っている。
【０００３】
パワーサイクルに起因する寿命に対しては、半導体素子のオン/オフを繰り返す周期を長くする方法がある。また、サーマルサイクルに起因する寿命に対しては、電力変換器停止時に半導体素子の冷却を停止させる等の施策がされている。また、冷却器の性能を向上させ、パワーサイクル・サーマルサイクル双方の温度変化を小さくし、寿命を向上させる等の施策がされている。
【０００４】
このような技術は、例えば特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０―２０８７０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１は、「エレベータが起動したことをエレベータ制御用マイコン６の起動／停止判別部６ａが判別すると、リレー制御部６ｂは、この起動と連動してファン駆動用リレー８をＯＮ状態とする。この結果、ファン駆動電源７により冷却ファン９が駆動し、通電によるインバータ装置４のスイッチング素子の発熱を冷却しながら運転がなされる。そして、エレベータの運転が停止したことをエレベータ制御用マイコン６の起動／停止判別部６ａが判別すると、リレー制御部６ｂは、この停止と連動してファン駆動用リレー８をＯＦＦ状態とする。よって、ファン駆動電源７と冷却ファン９との間の回路が遮断し、冷却ファン９が停止する。これによりスイッチング素子の自然空冷がなされ、電流通電によって発熱されたスイッチング素子に急激な温度ストレスを与えないようにすることができる。」ことが記載されている。しかしながら、ファンが頻繁に起動、停止を繰り返すことによるストレスでファンの寿命が短くなる可能性がある。
【０００７】
本発明の目的は、電力変換器の運転状況に対し、半導体素子のサーマルサイクル耐量を向上させ、半導体素子の信頼性を向上させること、および、半導体素子を冷却する冷却器の信頼性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため本発明では、例えば、電力変換器において、電力変換器は半導体素子および半導体素子を冷却する冷却器を有し、電力変換器は起動または停止を繰り返すものであり、電力変換器が停止してから起動するまでの時間に応じて前記冷却器の動作条件を変更することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、電力変換器の運転状況に対し、半導体素子のサーマルサイクル耐量を向上させ、半導体素子の信頼性を向上させること、および、半導体素子を冷却する冷却器の信頼性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】電力変換器停止時の半導体素子ベース温度を示す。
【図２】一般的なサーマルサイクル特性を示す。
【図３】電力変換器および冷却器動作のフローチャートを示す。
【図４】電力変換器の運転停止後、運転再開した場合における半導体素子ベース温度を示す。
【図５（Ａ）】冷却に液体(工業用水・純水・不凍液等)を使用した際の実施例を示す。
【図５（Ｂ）】冷却に液体を使用した際の他の実施例を示す。
【図６（Ａ）】電力変換器の冷却構造の第一の例を示す。
【図６（Ｂ）】電力変換器の冷却構造の第二の例を示す。
【図７】電力変換器の冷却構造の第三の例を示す。
【図８】判定値Tth２０６の設定例を示す。
【図９】風力発電を例とし、風況を予測して冷却器の運転継続/停止を決定する例を示す。
【図１０】電力変換器に設けられる半導体素子の断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を用いながら本実施例の説明をする。
【００１２】
図１０は、電力変換器に設けられる半導体素子の断面図を示す。
半導体素子は、例えば銅のような金属のベース１００２上に絶縁基板１００５および半導体チップ１００６が半田１００３をかえして接合され、これらを樹脂製のケース１００７で封ししている。また、絶縁基板１００５にはベース１００２や半導体チップ１００６と接合させるための例えば銅のような金属１００４が存在する。半導体素子ベース温度とは、ベース１００２の温度を示す。また上記で半導体チップ等の接合は半田を用いると記載したが、半田以外での接合を用いた場合でもベース温度は同様の箇所を示す。なお一般的に半導体素子は冷却器１００１に取り付けられ、図示していないベース１００２と冷却器１００１の密着性を向上させるためのグリース等が塗布される。
【００１３】
図１は、電力変換器停止時の半導体素子ベース温度を示す。横軸は時間、縦軸は半導体素子ベース温度を示す。
【００１４】
電力変換器は、半導体素子ベース温度２０１で推移しているが、時間ｔ１で電力変換器を停止させると、冷却器の運転を継続させた場合、図１の破線２０３で示すように半導体素子ベース温度は低下する。このときの半導体素子ベース温度は式１に従って低下する。時間が十分経過したのち、半導体素子ベース温度は２０２に漸近する。一方、冷却器の運転を停止させた場合は、図１の実線２０４で示すように半導体素子ベース温度は低下する。このとき、半導体素子ベース温度は式２に従って低下する。
【００１５】
ここで、Tsは電力変換器を停止した際の半導体素子ベース温度、Texは外気温度、Δtは電力変換器停止からの時間変化、τは冷却器の熱容量および熱抵抗によって決まる熱時定数である。なおτ1は冷却器の運転を継続した場合、τ2は冷却器の運転を停止した場合の熱時定数であり、一般的にτ1<τ2である。
【００１６】
【数１】
0006602665.tif 000002
【００１７】
【数２】
0006602665.tif 000003
【００１８】
図２は、一般的なサーマルサイクル特性を示す。
【００１９】
横軸は半導体素子ベース温度変化、縦軸はサイクル数である。サーマルサイクル(Cycle)と半導体素子ベース温度変化(ΔTc)の関係は式３に近似される(α>0、β<0)。αおよびβは使用する半導体素子固有の値であり、ΔTcを小さくすることでサーマルサイクルを向上することが可能となる。
【００２０】
【数３】
0006602665.tif 000004
【００２１】
図３は、電力変換器および冷却器動作のフローチャートを示す。
【００２２】
まず、電力変換器は待機状態(Ｓ３０１)であり、風況・日照条件によって運転範囲にあるかを判定し、運転範囲にある場合は（Ｓ３０２のＹＥＳ）電力変換器を起動させる動作へ遷移する。一方、運転範囲にない場合は（Ｓ３０２のＮＯ）、待機状態のままである。
【００２３】
電力変換器が起動動作に遷移する場合（Ｓ３０２のＹＥＳ）、冷却器の運転状態を判定し(Ｓ３０３)、冷却器が停止している場合は（Ｓ３０３のＮＯ）、冷却器を運転開始させ(Ｓ３０４)、その後変換器の運転開始を行う（Ｓ３０５）。一方、冷却器が運転している場合は（Ｓ３０３のＹＥＳ）電力変換器運転開始へ遷移する(Ｓ３０５)。Ｓ３０５の後は、風況・日照条件によって運転範囲を外れる場合、または、メンテナンス等によって電力変換器を停止させる判定を行う(Ｓ３０６)。Ｓ３０６のＮＯとなった場合は、電力変換器の運転を停止させる（Ｓ３０７）。その後、電力変換器の運転を停止させてから電力変換器を再度起動させるまでの時間(Trestart)により冷却器の運転停止/運転継続を判断する(Ｓ３０８)。ここで冷却器の運転停止/運転継続を判断するため、判定値(Tth)を持つ。TrestartとTthの大小関係により冷却器の運転停止/運転継続を決定する。
【００２４】
図4は、電力変換器の運転停止後、運転再開した場合における半導体素子ベース温度を示す。
【００２５】
電力変換器の運転停止（時間ｔ３）後、判定値(Tth)(時間ｔ４)より前、すなわち期間４０５で電力変換器を再度起動させる場合、半導体素子ベース温度の低下量は小さいため、冷却器は運転を継続させる。これにより冷却器の運転/停止の繰り返し回数が低減され、冷却器の信頼性が向上する。
【００２６】
一方、電力変換器の運転停止後、判定値(Tth)(時間ｔ４)より後に電力変換器を再度起動させる場合において、運転停止と同時に冷却器の運転を停止させると実線２０４に示す半導体素子ベース温度となる。時間ｔ５において温度３０４ｂにおいて電力変換器を再起動させると、時間ｔ５以降は徐々に温度が上昇する。このとき、半導体素子ベース温度の変化量は、図４の４０３となる。
【００２７】
一方、電力変換器の運転停止後、判定値(Tth)(時間ｔ４)より後に電力変換器を再度起動させる場合において、冷却器の運転を継続させると破線２０３に示す半導体素子ベース温度となる。時間ｔ５において温度３０４aにおいて電力変換器を再起動させると、時間ｔ５以降は徐々に温度が上昇する。このとき、半導体素子ベース温度の変化量は、４０２となる。
【００２８】
このように、冷却器の稼働ありの場合となしの場合において、温度４０６の差が生じ、冷却器の可動がない場合は半導体素子ベース温度の低下を緩慢にすることができ、半導体素子ベース温度の変化量を小さくすることが可能となる。このことにより、半導体素子ベース温度の変化量(ΔTc)を抑制し、かつ、冷却器の運転停止/起動の回数を低減することが可能となり、半導体素子および冷却器の信頼性を向上することが可能となる。
【００２９】
図5（A）は、冷却に液体(工業用水・純水・不凍液等)を使用した際の実施例を示す。
【００３０】
電力変換器５０１には入水側配管504および排水側配管５０５が接続されており、さらに両配管５０４および５０５には外部信号によって動作する三方弁５０６が取り付けられている。また、電力変換器をバイパスする配管５０７を持つ。図示しない三方弁のコントローラにより外部信号を与え、実施例1で示した判定結果をもとに、冷媒を電力変換器へ通流する/通流しないを切り替える。本構成のようにバイパスにより、電力変換器５０１に冷媒を流さずに他の機器に冷媒を流すことが可能となる。
【００３１】
図５(Ｂ)は、冷却に液体(工業用水・純水・不凍液等)を使用した際の他の実施例を示す。電力変換器５０１には、入水側配管５０４および排水側配管５０５が接続されており、両配管には外部信号で動作するストップ弁５０９が設けられている。図示しないストップ弁のコントローラにより外部信号を与え、実施例1で示した判定結果をもとに、冷媒を電力変換器へ通流する/通流しないを切り替える。
【００３２】
図６（Ａ）は、電力変換器の冷却構造の第一の例を示す。
【００３３】
電力変換器盤の側面に少なくとも２つの通風孔６０５を持ち、ファンまたはブロア６０１ａ、６０１ｂを用いて電力変換器盤内外の空気を交換する。半導体素子は該空気６０２ａ、６０２ｂの流れによって冷却される。なお図６(Ａ)では空気の流入孔および流出孔を電力電力変換器盤側面の同じ高さに図示したが、流入孔を盤下部に、流出孔を盤上部に設けることが望ましい。冷却風によって暖められた空気を盤上部から排出する方が公知る的だからである。ただし、電力電力変換器盤内の損失、冷却器と半導体素子の配置や冷却器の能力によっては、流入孔と流出孔の高さが同じでも問題ない。
【００３４】
図６(Ｂ)は、電力変換器の冷却構造の第二の例を示す。電力変換器盤天井部に通風孔６０６およびファンまたはブロア６０３を持ち、少なくとも1つの通風孔６０５から取り入れた空気を排出する。このとき、通風孔６０５にはファンまたはブロアを取り付け、天井部のファンまたはブロアからの排出を助ける、または単にフィルター６０４a、６０４ｂを取り付ける。
【００３５】
なお図６(Ａ)および(Ｂ）とも、ファンまたはブロアの動作は上述した判定結果をもとに運転/停止を行う。
【００３６】
図７は、電力変換器の冷却構造の第三の例を示す。なお図を簡略化するため、電力変換器５０１の構成部品の内、本発明に関係するもののみ示した。この例は、半導体素子７０１および冷却器(ヒートシンク)７０２に対して一台のファンまたはブロア７０３を設けている。本実施例に於いても、上述した判定結果をもとにファンまたはブロア７０３の運転/停止を行う。なお、半導体素子７０１および冷却器７０２ファンは複数台設けていてもよく、ファンまたはブロア７０３は各冷却器(ヒートシンク)７０２に対し個別に設ける、または一括に設ける。任意のブロア７０３を停止した際は、冷却器(ヒートシンク)周辺の他のブロア７０３による自然対流によって半導体素子が冷却される。
【００３７】
図８は、判定値Tth２０６の設定例を示す。
【００３８】
本例では、電力変換器停止時２０５から熱的応答性の度合いを表す定数である熱時定数の時間を考慮し、任意の熱時定数の時間だけ経過するまでの時間８０１に判定値Tth２０６を設ける。なお、電力変換器の起動/停止の頻度および半導体素子のサーマルサイクル耐量を考慮し、判定値Tth２０６を任意に決定することもできる。
【００３９】
図９は、風力発電を例とし、風況を予測して冷却器の運転継続/停止を決定する例を示す。図９の上部は時間に対する風速予測、図９の下部は時間に対する変換器運転状態を示している。風力発電では、一般に発電可能となる風速に上限９０１・下限９０２が存在する。この上・下限で決定される運転範囲９０３を逸脱した場合、電力変換器は停止し（９０４）、再度運転範囲内に入った際、電力変換器は起動する（９０５）。例えば、電力変換器が停止（９０４）した後、電力変換器停止から再起動までの時間９０７aが経過したのち、再度電力変換器を起動させる（９０５）。
【００４０】
ここで電力変換器停止時２０５からの風速予想を行い、電力変換器停止時２０５から上述の実施例で設定した判定値Tth２０６が経過するより早く風況が電力変換器の運転範囲に入り（９０６a）電力変換器を再度起動させる場合(９０７a)、冷却器は運転継続させる。また、電力変換器停止時２０５から上述の判定値Tth２０６が経過した後に風況が電力変換器の運転範囲に入り（９０６ｂ）電力変換器を再度起動させる場合(90７b)、冷却器は電力変換器の停止と同時に停止させる。
【００４１】
本実施例では風力発電を例としたが、日照度の予測を利用することで太陽光発電用電力変換器にも適用可能である。また、これまで述べてきた自然エネルギーを利用した電力電力変換器とは別に、予め走行時間・停車時間が決められている鉄道車両用電力変換器にも適用可能である。
【符号の説明】
【００４２】
101…電力変換器待機状態、102…電力変換器運転条件成立/不成立判定、103…冷却器運転状態判定、104…冷却器運転開始、105…電力変換器運転開始、106…電力変換器運転条件成立/不成立判定、107…電力変換器運転停止、108…電力変換器再起動までの時間判定、109…冷却器運転停止、201…電力変換器運転停止時の半導体ベース温度(Ts)、202…外気温度(Tex)、203…冷却器運転継続時の半導体ベース温度、204…冷却器運転停止時の半導体ベース温度(Ts)、205…電力変換器停止する時間、206…判定値(Tth)、301…電力変換器が再度起動する時間、302…冷却器が運転継続した場合に於ける半導体素子ベースの温度変化(ΔTc1)、303…冷却器の運転を停止した場合に於ける半導体素子ベースの温度変化(ΔTc2)、304a…冷却器の運転を継続した場合における電力変換器再起動時の半導体素子ベース温度、304b…冷却器の運転を停止した場合における電力変換器再起動時の半導体素子ベース温度、305…電力変換器停止から判定値(Tth)までの期間、306…冷却器運転継続/停止により生じる電力変換器再起動時に半導体素子ベース温度の差分、501…電力電力変換器盤、502…電力系統への接続、503…発電機への接続、504…電力電力変換器への入水配管、505…電力電力変換器からの排水配管、506…三方弁、507…バイパス配管、508a・508b…冷媒の流れる方向、509…ストップ弁、601a・601b…ファンまたはブロア、602a・602b・602c…冷却風の向き、603…ファンまたはブロア、604a・604b…ファン・ブロアまたはフィルター、605…電力変換器盤側面の通風孔、701…半導体素子、702…冷却器(ヒートシンク)、703…ファンまたはブロア、704a・704b…冷却風の向き、801…電力変換器停止時から熱時定数経過した時間、901…電力変換器運転範囲上限、902…電力変換器運転範囲下限、903…電力変換器運転範囲、904…電力変換器停止状態、905…電力変換器運転状態、906a・906b…電力変換器停止後の風速予想曲線、907a・907b…電力変換器停止から再起動までの時間
【図１】
0006602665.tif 000005
【図２】
0006602665.tif 000006
【図３】
0006602665.tif 000007
【図４】
0006602665.tif 000008
【図５（Ａ）】
0006602665.tif 000009
【図５（Ｂ）】
0006602665.tif 000010
【図６（Ａ）】
0006602665.tif 000011
【図６（Ｂ）】
0006602665.tif 000012
【図７】
0006602665.tif 000013
【図８】
0006602665.tif 000014
【図９】
0006602665.tif 000015
【図１０】
0006602665.tif 000016