(57)【要約】交流電源の交流電圧を整流して直流電圧に変換する順変換器と、前記順変換器で変換された直流電圧を平滑する平滑コンデンサを有する直流中間回路と、前記順変換器で変換された直流電圧を交流電圧に変換し、パワー半導体素子に温度検出用ダイオードを形成した半導体チップを備える逆変換器と、複数の設定温度を設定可能な操作部と、を備える電力変換装置である。
2014174651.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源の交流電圧を整流して直流電圧に変換する順変換器と、
前記順変換器で変換された直流電圧を平滑する平滑コンデンサを有する直流中間回路と、
前記順変換器で変換された直流電圧を交流電圧に変換し、パワー半導体素子に温度検出用ダイオードを形成した半導体チップを備える逆変換器と、
複数の設定温度を設定可能な操作部と、を備える電力変換装置。
【請求項２】
請求項１記載の電力変換装置であって、
前記操作部では、警告予告温度である第一の温度と警告温度である第二の温度とを設定可能であることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項２記載の電力変換装置であって、
前操作部では、該第一の温度および該第一の温度が算出された場合の処理内容と、該第二の温度および該第二の温度が算出された場合の処理内容とを設定可能であることを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項１記載の電力変換装置であって、
前記ダイオードの検出電圧に基づいて前記半導体チップの温度を算出するマイコンを備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項４記載の電力変換装置であって、
前記ダイオードの検出電圧は、前記ダイオードに定電流を供給し、温度変化による順方向降下電圧の変化を検出することにより求めることを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
請求項４記載の電力変換装置であって、
前記半導体チップの温度は、ダイオードの電圧と半導体チップの温度との関係に基づき算出されることを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
請求項１記載の電力変換装置であって、
前記半導体チップと前記ダイオードと前記マイコンとが一のパッケージに内装されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
請求項６記載の電力変換装置であって、
前記ダイオードの電圧と半導体チップの温度との関係は、ダイオードの順方向降下電圧と温度の相関式であることを特徴とする電力変換装置。
【請求項９】
請求項６記載の電力変換装置であって、
前記ダイオードの電圧と半導体チップの温度との関係は、予め定めたダイオードの順方向降下電圧と温度の相関データを格納した不揮発性のメモリであることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１０】
請求項２記載の電力変換装置であって、
前記警告予告温度となった場合に、該電力変換装置の出力は遮断されないことを特徴とする電力変換装置。
【請求項１１】
請求項２記載の電力変換装置であって、
前記警告温度となった場合に、該電力変換装置の出力は遮断されることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１２】
請求項１記載の電力変換装置であって、
前記複数の設定温度はそれぞれ個別に設定可能であることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１３】
請求項４記載の電力変換装置において、
前記操作部では、前記マイコンにて算出した前記半導体チップの温度を表示することを特徴とする電力変換装置。
【請求項１４】
請求項２記載の電力変換装置において、
前記操作部は、前記警告予告温度となった場合に前記警告予告温度を表示することを特徴とする電力変換装置。
【請求項１５】
請求項２記載の電力変換装置において、
前記操作部は、前記警告温度となった場合に前記警告温度を表示することを特徴とする電力変換装置。
【請求項１６】
請求項２記載の電力変換装置において、
前記操作部は、前記警告予告温度となった場合または前記警告温度となった場合に信号を表示する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、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置内のパワー半導体は、発生する損失による発熱を冷却する構造として、冷却フィンと冷却ファンとを備え、発熱体たるパワー半導体からの熱を冷却フィンに熱伝導させ、冷却ファンによって冷却フィンに空気を送って熱交換させ、空冷方式による放熱が一般的である。【０００３】
電力変換装置は、ＩＧＢＴなどのパワー半導体素子(電力用半導体素子)をスイッチング駆動させることにより電圧と周波数の可変制御が行われるが、小型化のため保護回路などの周辺回路を同一のパッケージに組込んだ半導体モジュール、いわゆるIPM(インテリジェント・パワー・モジュール)が用いられていることが多い。【０００４】
通常これらのパワー半導体素子には動作限界温度が定められており、パワー半導体の動作限界温度を超えてもなお発熱したままで使用すれば、そのパワー半導体素子を破壊させてしまう虞がある。【０００５】
このため、パワー半導体素子を動作限界温度以下で使用し、信頼性高く使いこなせるようにパワー半導体素子の温度を検出する検出素子を同一のパッケージに組込んだ半導体モジュールが一般的である。【０００６】
この場合における温度検出素子としては、温度により抵抗値が変化する特性を持つサーミスタや温度により順方向降下電圧が変化する特性を持つダイオードを用いることが一般的である。【０００７】
しかし、パワー半導体素子の温度の正確な測定のためには、温度により順方向降下電圧が変化する特性を持つダイオードを用いることが必要である。【０００８】
例えば、特許文献1には、「温度検出手段を有する第１の半導体素子と、自身に流れる電流を検出する電流検出手段を有し、第１の半導体素子に並列接続された第２の半導体素子とにより構成されると共に、第１及び第２の半導体素子が同一の放熱板に千鳥状に配置された半導体電力変換回路と、第１の半導体素子の温度検出手段から得られる温度情報にもとづき第１及び第２の半導体素子の過熱保護を行う過熱保護回路と、第２の半導体素子の電流検出手段から得られる電流情報にもとづき第１及び第２の半導体素子の過電流保護を行う過電流保護回路と、半導体電力変換回路の出力電流を検出する電流センサーと、過電流保護回路若しくは過熱保護回路の動作時における電流センサーの検出値が予め定められた設定値以下の場合に、半導体電力変換回路の出力電流を抑制する手段とを備えたこと」（特許請求の範囲の請求項１）が開示されている。また、特許文献２には、「シリコンチップにパワー半導体素子と温度検出用ダイオードとを設けたパワー半導体装置の温度を検出するパワー半導体装置の温度測定回路であって、前記パワー素子がｎチャネル型であるときは、温度検出用ダイオードのアノードおよびカソードの電位をパワー半導体素子のエミッタ又はソース電位より負電位に保った状態で、当該アノードおよびカソード間に流した順電流を検出するように構成した温度測定回路」（特許請求の範囲の請求項１）が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第２４１７７３９２号
【特許文献２】特開２０１０−１９９４９０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１の段落[００１２]には、過熱保護回路５は、温度検出用ダイオード３に順方向電圧を発生させるための定電流源５ａと、温度検出用ダイオード３の順方向電圧と予め定められた基準電圧値とを比較する過熱判定用比較回路５ｂと、ＩＧＢＴ１が過熱状態と判定された場合にＩＧＢＴ１及びＩＧＢＴ２をオフさせる論理反転回路５ｃと、過熱状態を上位ＣＰＵ７に伝達するためのバッファ５ｄにより構成されることが開示されている。【００１１】
すなわち、温度検出用ダイオード３の順方向電圧が予め定められた基準電圧値に達した場合には、過熱状態と判定し自動的にＩＧＢＴ１及びＩＧＢＴ２をオフさせる構成であり、パワー半導体素子ＩＧＢＴを超えてはならない温度、すなわち予め定められた一つの基準電圧値に相当する温度から保護する目的が開示されている。【００１２】
また、段落[００１６]には、このように、過熱保護回路５と過電流保護回路６を備えることにより、ＩＧＢＴの過熱破壊や過電流破壊から防ぐことができる点が開示されている。【００１３】
しかし、パワー半導体素子ＩＧＢＴを超えてはならない温度、すなわち予め定められた一つの基準電圧値は、パワー半導体素子を使用するユーザが任意に設定変更できる構成ではなく、あくまでパワー半導体素子メーカ側にて予め決定された温度であり、パワー半導体素子をその動作限界温度以下で使用するために設けたものに過ぎない。【００１４】
また、特許文献２には、段落[００４１]に、シリコンチップにパワー半導体素子と温度検出用ダイオードとを設けたパワー半導体装置の温度を検出する場合に、温度検出用ダイオードのアノードおよびカソードの電位を、パワー半導体素子が有する複数の端子のうち低電位側の端子電位より、負電位に保った状態で、アノードおよびカソード間に流した順電流を検出するようにしたので、パワー半導体素子と温度検出用ダイオードの分離を、絶縁膜を介する高コストな構成ではなく、接合分離による低コストの構成でシリコンチップの温度を高精度で検出することが開示されている。【００１５】
段落[００５２]には、算出したシリコンチップ温度Ｔｃが第１の所定温度Ｔ１を超えているか否かを判定し、Ｔｃ≦Ｔ１であるときには正常状態であると判定して、そのままタイマ割込処理を終了する。Ｔｃ＜Ｔ１であるときにはステップＳ４に移行して、算出したシリコンチップ温度Ｔｃが第２の所定温度Ｔ２を超えているか否かを判定し、Ｔｃ≦Ｔ２であるときにはステップＳ５に移行する。ステップＳ５では、現在のＩＧＢＴ５又は６のゲートに供給しているゲート信号のスイッチング周波数を１／２に制限する保護信号Ｓｐ１をゲートドライバＩＣ７又は８に出力してからタイマ割込処理を終了し、所定のメインプログラムに復帰する。ステップＳ４でＴｃ＞Ｔ２であるときにはステップＳ６に移行して、ＩＧＢＴ５又は６に供給しているゲート信号を停止させる保護信号Ｓｐ２をゲートドライバＩＣ７又は８に出力してからタイマ割込処理を終了し、所定のメインプログラムに復帰する点が開示されている。【００１６】
しかし、第１の所定温度Ｔ１および第２の所定温度Ｔ２は、ユーザが設定変更できる構成ではなく、あくまでパワー半導体を搭載したパワーモジュールの製造メーカ側が予め決定した温度であり、パワー半導体素子を使用するユーザが任意に設定変更できる構成ではない点については、特許文献１と同様である。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するため、交流電源の交流電圧を整流して直流電圧に変換する順変換器と、前記順変換器で変換された直流電圧を平滑する平滑コンデンサを有する直流中間回路と、前記順変換器で変換された直流電圧を交流電圧に変換し、パワー半導体素子に温度検出用ダイオードを形成した半導体チップを備える逆変換器と、複数の設定温度を設定可能な操作部と、を備える電力変換装置とした。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ユーザの利便性を向上できる電力変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る電力変換装置の構成図である。
【図２】本発明に係る電力変換装置の配置図である。
【図３】本発明に係る電力変換装置の逆変換器内部における1アーム構成図の一例である。
【図４】逆変換器内部における1アーム構成図の他の一例である。
【図５】逆変換器内部おける詳細なアーム構成図の一例である。
【図６】複合モジュールのアーム構成図の一例である。
【図７】順変換器部と逆変換器部のアーム構成図の一例である。
【図８】温度検出用ダイオードの順方向降下電圧と温度の相関を示す特性図である。
【図９】不揮発メモリに予め格納されている温度検出用ダイオードの順方向降下電圧とその電圧に相当する温度データの一例である。
【図１０】第1の温度設定値および第２の温度設定値とダイオード順方向降下電圧値の設定の一例である。
【図１１】本発明に係るデジタル操作パネルに表示される温度設定機能一覧である。
【図１２】本発明に係る電力変換装置を自立盤内に収納した図である。
【図１３】パワー半導体素子のチップ上に温度検出用のダイオードが形成された構成図の一例である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００２０】
以下図面を用いて本発明について説明する。なお、各図における共通の構成については同一の参照番号を付してある。また、本発明は図示例に限定されるものではない。【００２１】
図１は、本発明に係る電力変換装置１７の構成図である。
図１の電力変換装置１７は、交流電動機４に出力する周波数と電圧を制御するものであり、順変換器１、平滑用コンデンサ２、逆変換器３、制御回路５、冷却ファン６、デジタル操作パネル７、電源回路８、温度検出用ダイオード９、駆動回路１０、コネクタ１１、パワー半導体モジュール１３、電流抑制抵抗ＲＢを備えて構成される。【００２２】
順変換器１は、交流電力を直流電力に変換する。
逆変換器３は、直流電力を任意の周波数の交流電力に変換する。
半導体モジュール１３は、順変換器１と突入抑制回路１２と逆変換器３などを備える。【００２３】
冷却ファン６は、パワー半導体モジュール１３を冷却する。ＲＢは、突入抑制回路１２に並列に接続された電流抑制抵抗である。
デジタル操作パネル７は、電力変換装置１７への各種制御データを設定、変更および異常表示を行う。異常表示が可能な表示部が設けられており、電力変換装置における異常が検出されると当該表示部に表示される。【００２４】
本実施例の操作パネル７としては、特に種類が限られるものではないが、デジタル操作パネルとして装置使用者の操作性を考慮して表示部の表示を見ながら操作が行えるように構成している。
なお、表示部は必ずしも操作パネル７と一体に構成する必要はないが、デジタル操作パネル７の操作者が、表示を見ながら操作できるように一体構成とすることが望ましい。【００２５】
操作パネル７から入力された電力変換装置の各種制御データは図示しない記憶部に格納される。【００２６】
制御回路５には、マイコン（制御演算装置）が搭載されており、マイコンＭＣＵ１は、各種の制御データが格納された記憶部の記憶データからの情報に基づいて演算を行い、デジタル操作パネル７から入力される各種の制御データに応じて装置全体に必要な制御処理が行えるように構成されている。なお、このデジタル操作パネル７には異常が発生した場合にその異常や警告が表示される構成になっている。【００２７】
電源回路８は、回路内にスイッチングレギュレータ回路(ＤＣ／ＤＣコンバータ)が搭載されており、電力変換装置の運転に必要な各直流電圧を生成し、これらを各構成に対して供給している。【００２８】
駆動回路１０は、逆変換器を駆動する。駆動回路１０内には、主スイッチング素子を駆動するドライブ回路１６とマイコンMCU２が組み込まれており、マイコンMCU２は制御回路５からの指令に基づいて、ドライバ回路１６に逆変換器３のスイッチング素子を駆動する信号などを送受信(MCU１とMCU２が通信)している。ここで、図１ではマイコンＭＣＵ２は逆変換器３に内蔵されているが、ＭＣＵ２は逆変換器３の外に配置されていても良い。【００２９】
コネクタ１１は、パワー半導体モジュール１３のモジュールケース上に設けられたコネクタであり、電源回路８に接続され種々の入出力信号を制御回路５と信号の授受を行っている。【００３０】
温度検出用のダイオード９は、パワー半導体素子の一種であるスイッチング素子、例えば、ＩＧＢＴのチップ上に形成されている。【００３１】
例えば、図１３（ａ）に示すように、パワー半導体素子であるシリコンのＩＧＢＴチップ上にｐｎ接合の温度検出用のダイオード９が形成された構成とすればよい。【００３２】
ＩＧＢＴチップ上に温度検出用のダイオード９が形成された構成のものがＩＢＧＴＤチップ（半導体チップ）である。もちろんシリコンチップ（Ｓi）のみに限定されたものではない。例えば、炭化珪素チップ（ＳｉＣ）や窒化ガリウムチップ（ＧａＮ）でも同様である。【００３３】
温度検出用ダイオード９には、ドライブ回路１６から定電流が供給され、温度変化による順方向降下電圧が変化する特性を利用してパワー半導体素子チップの温度を検出する。【００３４】
この温度特性を利用し、当該ダイオードの両端電圧をドライブ回路１６内で検出する構成になっている。
例えば、デジタル操作パネル７から、パワー半導体素子チップの検出温度である第１の温度設定値と第２の温度設定値をそれぞれ個別に設定できる構成にしてある。
この設定値は、制御回路５内のＭＣＵ１から駆動回路１０内のＭＣＵ２へ送信される。【００３５】
Ｗ−ＯＨは警告予告温度に達したことを示す出力信号であり、Ａ−ＯＨは警告温度に達したことを示す出力信号である。【００３６】
例えば、第１温度設定値に達し警告予告温度信号Ｗ−ＯＨが出力された場合には、警告を出すのみで電力変換装置の出力は遮断されず、第２温度設定値に達し警告温度信号Ａ−ＯＨが出力された場合には、電力変換装置の出力が遮断される構成にしている。【００３７】
図２は、本発明に係る電力変換装置の配置図である。
図２に示した電力変換装置は、順変換器１と逆変換器３及び駆動回路１０が一個のモジュール内に搭載された複合モジュール（ＩＰＭ）である。複合モジュール（ＩＰＭ）として構成されたパワー半導体モジュール１３を冷却する冷却フィン１４と冷却ファン６とを備え、発熱体であるパワー半導体１３からの熱を冷却フィン１４に熱伝導させ、冷却ファン６によって冷却フィンに空気を送り熱交換させて放熱させる構造となっている。【００３８】
８は電源基板で、１５は樹脂モールドケースである。
複合モジュールとして構成されたパワー半導体１３の中には、温度検出用ダイオードが搭載されており、パワー半導体素子の温度を検出する。この温度検出用ダイオードには定電流が供給され、温度により順方向降下電圧が変化する特性を利用して当該ダイオードの両端電圧を検出する。【００３９】
ダイオードに定電流を流した場合、その順方向降下電圧は温度に比例した線形特性を示す。【００４０】
図８は、温度検出用ダイオードの順方向降下電圧ＶＦと温度Ｔの相関を示す特性図である。【００４１】
図３は、本発明に係る電力変換装置の逆変換器内部における1アーム構成図の一例である。
三相出力端子Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各アームに対応した主素子がＵ相は上アームであるＵＰと下アームであるＵＮで構成されている。
また、Ｕ相のパワー半導体素子ＵＰチップ上に設けられた上アームパワー半導体素子チップの温度検出用のダイオードが９ＵＰであり、下アームパワー半導体素子ＵＮチップ上の温度検出用のダイオードが９ＵＮである。
当該ダイオードには、ドライブ回路１６の各々の定電流回路１８ＵＰと１８ＵＮからそれぞれ定電流が供給され、温度変化による順方向降下電圧の変化を検出する。そして、ドライブ回路１６内で検出した当該ダイオードの各々の両端電圧である検出電圧値ＶＦ−ＵＰとＶＦ−ＵＮはマイコンＭＣＵ２のＡ／Ｄ変換器に伝送され、マイコンＭＣＵ２にてその値に対応したパワー半導体素子チップの温度を算出できる構成にしてある。【００４２】
本発明では、順方向降下電圧が変化する特性を利用してパワー半導体素子チップの温度を検出する点に特徴の一つを有する。この温度特性を利用し、当該ダイオードの各々の両端電圧ＶＦ−ＵＰとＶＦ−ＵＮをドライブ回路１６内で検出する構成になっている。【００４３】
当該ダイオードの各々の検出電圧値ＶＦ−ＵＰとＶＦ−ＵＮがマイコンＭＣＵ２のＡ／Ｄ変換器に伝送され、マイコンＭＣＵ２にてその値に対応したパワー半導体素子チップの温度を算出できる構成にしてある。【００４４】
当該ダイオードの両端電圧の検出値から図８に示した温度検出用ダイオードの順方向降下電圧と温度の相関を示す特性式ＶＦ＝−Ａ＊Ｔ＋Ｂを用いて、当該両端電圧の検出値に相当するパワー半導体素子チップの温度を演算する。【００４５】
予め演算で求めておいた温度検出用ダイオードの順方向降下電圧とパワー半導体素子チップの温度との相関データとして不揮発性のメモリに記憶させておき、不揮発性のメモリから逐次読み出す構成にしても本発明の意図を損なうものではない。【００４６】
マイコンの負荷率から判断しても、毎回当該両端電圧の検出値毎に特性式ＶＦ＝−Ａ＊Ｔ＋Ｂに従ってマイコンＭＣＵ２に演算させるより、温度検出用ダイオードの順方向降下電圧とパワー半導体素子チップの温度の相関データとして予め不揮発性のメモリに記憶させ、当該両端電圧の検出値毎に不揮発性のメモリから検出電圧値に対応した温度を逐次読み出す構成にしておく方が、より現実的なシステム構成であると言える。【００４７】
温度検出用ダイオードの順方向降下電圧とパワー半導体素子チップの温度の相関データに関する不揮発性メモリ内容の一例を図９に示してある。【００４８】
該メモリ内容は、実際には二進数で格納されているが、理解し易くするため十進数で記載しているだけで、本発明の意図を損なうものではない。【００４９】
また、上述した実施例は、マイコンＭＣＵ２にてパワー半導体素子チップの温度を算出する例を示したが、マイコンＭＣＵ２の代わりに制御回路５のマイコンＭＣＵ１にて算出してもよい。
また、記載された各数値は、一例でありこの数値に限定されるものでもない。【００５０】
図１０は、ユーザがデジタル操作パネル７から設定したパワー半導体素子チップの第１温度設定値およびパワー半導体素子チップの第２温度設定値とその際のパワー半導体素子チップにおける温度検出用ダイオード順方向降下電圧値の一例である。【００５１】
ユーザにて設定されたパワー半導体素子チップの第１温度設定値が８０℃の場合、この設定温度に対応した温度検出用ダイオードの順方向降下電圧値は、図９の不揮発性メモリから読み出された値、すなわちＶＦ＝１．７６９（Ｖ）であることが判る。【００５２】
また、ユーザにて設定されたパワー半導体素子チップの第２温度設定値が１４０℃の場合、この設定温度に対応した温度検出用ダイオードの順方向降下電圧値は、やはり図９の不揮発性メモリから読み出された値、すなわちＶＦ＝１.５３８（Ｖ）であることが判る。【００５３】
もちろん、温度検出用ダイオードの順方向降下電圧値を小数点以下３桁まで記載したが、３桁に限定するものではない。【００５４】
例えば、第１温度設定値が８０℃の場合、温度検出用ダイオードの順方向降下電圧ＶＦの検出値が１.７６９（Ｖ）以上となった時点で、駆動回路１０内のＭＣＵ２が電力変換装置の出力は遮断せず、該温度値と警告予告温度異常を識別できる記号あるいは文字を制御回路内のＭＣＵ１に送信し、ＭＣＵ１から表示部に表示する指令をデジタル操作パネル７に指令し、さらに、警告予告温度に達したことを示す出力信号Ｗ−ＯＨを制御回路５から出力する。【００５５】
また、第２温度設定値が１４０℃の場合、温度検出用ダイオードの順方向降下電圧ＶＦの検出値が１.５３８（Ｖ）以上となった時点で、駆動回路１０内のＭＣＵ２が電力変換装置の出力を遮断し、該温度値と警告温度異常を識別できる記号あるいは文字を制御回路内のＭＣＵ１に送信し、ＭＣＵ１から表示部に表示する指令をデジタル操作パネル７に指令し、さらに、警告温度に達したことを示す出力信号Ａ−ＯＨを制御回路５から出力する。【００５６】
もちろん、温度検出用ダイオードの順方向降下電圧ＶＦの検出値が１.７６９（Ｖ）以上となった時点で、駆動回路１０内のＭＣＵ２が電力変換装置の出力は遮断せず、該温度値を制御回路内のＭＣＵ１に送信し、ＭＣＵ１が該温度値に対応する警告予告温度異常であることを識別できる記号あるいは文字をデジタル操作パネル７に指令し表示部に表示させ、さらに、警告予告温度に達したことを示す出力信号Ｗ−ＯＨを制御回路５から出力してもよい。このことは、第２温度設定値が１４０℃の場合における警告温度異常の処理についても同様である。【００５７】
すなわち、ＭＣＵ１とＭＣＵ２の処理内容の分担を限定するものではなく、そのシステム構成により自由に対応可能である。【００５８】
例えば、表示部の表示内容として、警告予告温度異常を意味するＷ−ＯＨ（ワーニング-オーバーヒート）であっても良い。この表示内容については、その表示の意味が装置使用者に区別できる形態であれば十分であり、表示文字を限定するものではない。【００５９】
このようにデジタル操作パネル７に結果を表示することにより、操作者にパワー半導体素子チップの温度状況を知らしめることができるため、その表示内容から状況を明確に判断することができる。【００６０】
もちろん、パワー半導体素子チップには動作限界温度が規定されている（例えば、Ｓｉチップの場合は１５０℃）ため、この温度以上にはデジタル操作パネル７から設定できないように、予め温度設定範囲を制限しておけば、パワー半導体素子チップを熱破壊させる心配を回避可能である。【００６１】
ユーザが欲しい情報は、パワー半導体素子チップが何度で動作しているかであり、温度検出用ダイオードの順方向降下電圧ＶＦ値ではない。この意味で、本発明の特徴の一つは、ユーザが直接デジタル操作パネル７からパワー半導体素子チップの温度を直接設定できる点にある。【００６２】
つまり、過熱保護が動作し電力変換装置が停止するという事象が発生し、システム全体が突然停止してしまう虞を回避させることが可能となる点が重要であり、この点が特徴の一つである。
【実施例２】
【００６３】
図４は、逆変換器内部における１アーム構成図の他の実施例である。
図３とは、駆動回路１０内にはドライブ回路１６のみで、マイコンＭＣＵ２が搭載されていない点で異なる。【００６４】
温度検出用ダイオードの順方向降下電圧ＶＦの検出値をコネクタ１１を通して制御回路５に搭載されたマイコンＭＣＵ１のＡ／Ｄ変換器に伝送し、ユーザがデジタル操作パネル７から設定したパワー半導体素子チップの第１温度設定値およびパワー半導体素子チップの第２温度設定値に対応した温度検出用ダイオードの順方向降下電圧値ＶＦを各々不揮発性メモリから読み出し、当該順方向降下電圧値ＶＦとＡ／Ｄ変換器に伝送された検出電圧とを常に比較管理できる構成にしてある。【００６５】
このように構成することにより、図３の実施例同様に、第１温度設定値が８０℃の場合、温度検出用ダイオードの順方向降下電圧ＶＦの検出値が１．７６９（Ｖ）以上となった時点で、電力変換装置の出力は遮断されず、該温度値と警告予告温度異常と識別できる記号あるいは文字を表示部に表示し、警告予告温度に達したことを示す出力信号Ｗ−ＯＨを制御回路５から出力することができる。【００６６】
また、第２温度設定値が１４０℃の場合、温度検出用ダイオードの順方向降下電圧ＶＦの検出値が１.５３８（Ｖ）以上となった時点で、電力変換装置の出力を遮断し、該温度値と警告温度異常と識別できる記号あるいは文字を表示部に表示し、警告温度に達したことを示す出力信号Ａ−ＯＨを制御回路５から出力することが可能である。【００６７】
図５は、逆変換器内部における詳細なアーム構成図の一例である。
図３と図４は、逆変換器内部における１アーム構成図について説明したが、三相の場合の全アームＵＰ、ＵＮ、ＶＰ、ＶＮ、ＷＰ、ＷＮについて、各温度検出用ダイオード９ＵＰ、９ＵＮ、９ＶＰ、９ＶＮ、９ＷＰ、９ＷＮにドライブ回路から定電流が供給され全アームの温度検出用ダイオードの順方向降下電圧ＶＦをマイコンＭＣＵ２のＡ／Ｄ変換器に伝送される構成になっている。
【実施例３】
【００６８】
図６は、複合モジュールのアーム構成図に関する他の実施例である。
図５においては、パワー半導体チップで構成された複合モジュール１３内の逆変換器部３の温度検出用ダイオードを搭載したパワー半導体スイッチング素子に関して詳細に説明した。【００６９】
図６は、パワー半導体チップで構成された複合モジュール１３内の順変換器部１と突入抑制回路１２と逆変換器部３について、温度検出用ダイオードを搭載した全てのパワー半導体素子に関して開示したものである。【００７０】
例えば、図１３（ｂ）に示すように、パワー半導体素子の一種であるシリコンの整流ダイオードＤチップ上にｐｎ接合の温度検出用のダイオード９ＴＰが形成された構成とすればよい。【００７１】
整流ダイオードＤチップ上に温度検出用のダイオード９ＴＰが形成された構成のものがＤＤチップ（半導体チップ）である。【００７２】
全１３個のパワー半導体素子で構成された各々の半導体素子のチップ上に形成された温度検出用ダイオード９ＲＰ、９ＲＮ、９ＳＰ、９ＳＮ、９ＴＰ、９ＴＮ、９ＴＨ、９ＵＰ、９ＵＮ、９ＶＰ、９ＶＮ、９ＷＰ、９ＷＮ各々に駆動回路１０内に搭載された図示していない定電流回路から電流を供給し、当該ダイオードの各々の検出電圧値ＶＦが図５と同様にマイコンＭＣＵ２のＡ／Ｄ変換器に伝送され、その値に対応したパワー半導体素子チップの温度を算出できる構成にしてある。【００７３】
もちろん、図４で記載した通り、駆動回路１０内にはドライブ回路１６のみで、マイコンは搭載されている必要はなく、温度検出用ダイオードの順方向降下電圧ＶＦの検出値をコネクタ１１を通して制御回路５に搭載されたマイコンＭＣＵ１のＡ／Ｄ変換器に伝送され、ユーザがデジタル操作パネル７から設定したパワー半導体素子の一種である整流ダイオードＤチップやサイリスタＴＨＹチップの第１温度設定値および第２温度設定値に対応した温度検出用ダイオードの順方向降下電圧値ＶＦを各々不揮発性メモリから読み出し、当該順方向降下電圧値ＶＦとＡ／Ｄ変換器に伝送された検出電圧とを常に比較管理しても問題ない。
【実施例４】
【００７４】
図７は順変換器部と逆変換器部におけるアーム構成図の他の実施例である。
図６におけるパワー半導体１３を構成する順変換器部１と突入抑制回路１２と逆変換器部３が分離した構成である。【００７５】
順変換器部１を構成するパワー半導体モジュール２１と突入抑制回路１２と逆変換器部３を構成するパワー半導体モジュール２０とに分離され、パワー半導体モジュール２１内部の各々のパワー半導体のチップ上に形成された温度検出用ダイオード９ＲＰ、９ＲＮ、９ＳＰ、９ＳＮ、９ＴＰ、９ＴＮとパワー半導体モジュール２０内部の各々のパワー半導体のチップ上に形成された温度検出用ダイオード９ＴＨ、９ＵＰ、９ＵＮ、９ＶＰ、９ＶＮ、９ＷＰ、９ＷＮとで構成された例である。【００７６】
パワー半導体モジュール２１内の半導体のチップ上に形成された温度検出用ダイオード９ＲＰ、９ＲＮ、９ＳＰ、９ＳＮ、９ＴＰ、９ＴＮ各々に駆動回路１９内に搭載された図示していない定電流回路から電流を供給し、当該温度検出用ダイオードの各々の検出電圧値VFが図５と同様にマイコンのＡ／Ｄ変換器に伝送され、その値に対応したパワー半導体素子チップの温度を算出できる構成にしてある。【００７７】
また、パワー半導体モジュール２０内の半導体のチップ上に形成された温度検出用ダイオード９ＴＨ、９ＵＰ、９ＵＮ、９ＶＰ、９ＶＮ、９ＷＰ、９ＷＮ各々に駆動回路１９内に搭載された図示していない定電流回路から電流を供給し、当該ダイオードの各々の検出電圧値ＶＦが図５と同様にマイコンのＡ／Ｄ変換器に伝送され、その値に対応したパワー半導体素子チップの温度を算出できる構成にしてある。【００７８】
もちろん、図４で記載した通り、駆動回路１０および１９内にはドライブ回路のみで、マイコンは搭載されている必要はなく、温度検出用ダイオードの順方向降下電圧ＶＦの検出値をコネクタ１１を通して制御回路５に搭載されたマイコンＭＣＵ１のＡ／Ｄ変換器に伝送され、ユーザがデジタル操作パネル７から設定したパワー半導体素子チップの第１温度設定値およびパワー半導体素子チップの第２温度設定値に対応した温度検出用ダイオードの順方向降下電圧値ＶＦを各々不揮発性メモリから読み出し、当該順方向降下電圧値ＶＦとＡ／Ｄ変換器に伝送された検出電圧とを常に比較管理しても問題ない。【００７９】
また、実施例１から実施例３で温度検出用ダイオードの第１の温度設定値と第２の温度設定値をそれぞれ個別に設定できることを開示したが、温度設定値を２個に限定する必要は全くない。ｎ個の温度を設定値できる構成であっても同様の効果を奏することができる。【００８０】
すなわち、温度設定値をユーザに開放することで、設定温度に達したかどうかをユーザにフィードバックすることができ、過熱保護が動作し突然電力変換装置が停止することなく、電力変換装置の状況を的確に判断し、次のアクションをユーザが実施できる。
【実施例５】
【００８１】
図１１は、本発明に係るデジタル操作パネルに表示される温度設定機能一覧である。【００８２】
デジタル操作パネル７を用いて、（a）に示した第１温度設定欄から第ｎ温度設定欄までの各項目である設定温度、警告処理、制御処理について数値を入力したり、前もって設定された項目から選定することにより、電力変換装置に搭載されたパワー半導体モジュール１３内の半導体チップの温度が設定温度に達したかどうかをユーザにフィードバックすることができ、さらには、設定温度に達した際に、前もって設定された項目から電力変換装置の制御処理方法を選定できるため、不用意に電力変換装置を停止させることなく電力変換装置を最適に制御することができる。【００８３】
本実施例は、過熱保護が動作し突然電力変換装置が停止することなく、前もって設定された項目から電力変換装置の制御方法を選定できるため、ユーザにとっては、不用意に電力変換装置を停止させ、システムダウンを引き起こす心配がない。【００８４】
例えば、予め第１温度設定値から第ｎ温度設定値における各々の設定温度とその際の警告信号の取扱い（警告信号か警告予告信号か選択）と電力変換装置の制御方法（自動運転継続か自動過負荷制限機能動作かユーザ側対応か出力遮断か）などを選択できる構成にしておけばよい。この場合の設定例として、デジタル操作パネル７から第１温度設定値を８０℃に設定、第２温度設定値を１００℃に設定、第３温度設定値を１２０℃に設定、第４温度設定値を１４０℃に設定した場合、第１温度設定値に達した際に警告予告信号をユーザに告知し、さらに第２温度設定値にも達した際には警告予告信号出力と過負荷制限機能を動作させ、スイッチング素子の過電流を抑制させ、さらに第３温度設定値にも達した際には警告予告信号出力し、この際にはユーザ側で負荷を減少させるなどの手段を講じ、スイッチング素子に流れる電流を抑制してスイッチング素子の損失を減少させ、過熱保護が動作し突然電力変換装置が停止するという事象が発生し、システム全体を停止させてしまう虞を回避させることが可能となる。【００８５】
このように、ユーザ側でパワー半導体の検出温度を任意に設定できるとすることにより、設定した温度に達した場合、その原因を除去あるいは電力変換装置の制御動作を変更あるいは負荷を小さくするなどを対処できる時間の猶予が設けられるため、ユーザ側の予防保全の面から設備を突然不用意に停止させる心配をなくすことができるという大きな効果があり、この点が本発明の特徴である。【００８６】
警告処理で選択する１.警告予告、２.警告や制御処理で選択する１.運転継続、２.過負負荷制限機能、３.過電流抑制機能、４.出力遮断などは一実施例であり、これらの項目に限定されるものではない。【００８７】
また、図１１（ｂ）に第１温度設定欄における各項目の入力数値あるいは項目を設定した例を示す。【００８８】
設定温度を８０.０と入力して、警告処理としては２.警告予告を選択し、制御処理としては１.運転継続を選択した場合の例である。この場合の電力変換装置としての動作は、パワー半導体モジュール内のパワー半導体チップの温度が設定温度である８０.０℃以上になった時点で、警告予告が出力され、制御処理として選択された運転継続、すなわち電力変換装置は警告を出力するが電力変換装置の出力を遮断せず電動機を駆動し続ける動作となる。【００８９】
このため、温度設定値をユーザに開放することで、設定温度に達したかどうかをユーザにフィードバックすることができ、過熱保護が動作し突然電力変換装置が停止することなく、電力変換装置の状況を的確に判断し、次のアクションをユーザが実施できる。【００９０】
最終的にスイッチング素子やその他のパワー半導体素子を異常過熱から保護するのは第４温度設定値であり、この温度に達した場合には、電力変換装置自体を遮断するように構成されている。
【実施例６】
【００９１】
図１２は、本発明に係る電力変換装置を自立盤内に収納した図である。自立盤２１内に多数台の電力変換装置１７(例:１２台)を収納してある。この実施例の場合、盤内に設置された多数台の電力変換装置および図には開示していない周辺装置などの損失による発熱が自立盤内に籠もり、電力変換装置で駆動される電動機の負荷が小さい（発熱が少ない）場合でも、夏場など外気温度が高い場合に、パワー半導体の温度検出器による過熱保護が動作し、電力変換装置が突然停止する場合がある。【００９２】
盤内の上部に配置された電力変換装置は、それより下部に配置された他の電力変換装置の排熱影響を受けるため、盤内の上部に配置された電力変換装置ほど周囲温度は高くなる。【００９３】
電力変換装置が温度異常で突然停止する要因は、盤内の換気が不十分であることによる。【００９４】
盤内に設置された多数台の電力変換装置および周辺装置などは発熱するため、盤内を換気する目的で外気ファンが用いられるが、外気の空気を盤内に吸込むために盤表面にエア用フィルタ付の吸入空気口が設けられる。【００９５】
外気に浮遊する塵埃および綿塵などを盤内に吸い込むことを防止するため、目の細かいエア用フィルタが用いられるが、逆にその塵埃および綿塵がエア用フィルタを目詰まりさせ、外気の空気を盤内に吸込む妨げになり、結果的に盤内に熱が籠もり、盤内の温度が異常に上昇し、電力変換装置の負荷が小さい（発熱が少ない）場合においても、盤内に設置された電力変換装置の製品周囲温度仕様を大きく上回る結果となる。【００９６】
すなわち、外気ファンの寿命による回転数低下（風量低下）ではないが、塵埃および綿塵などが多く含まれる設置環境においては、外気の空気を盤内に吸込むエア用フィルタの吸入空気口２２に塵埃および綿塵などが目詰まりし、盤内の熱を充分に排出できなくなり自立盤内に熱が籠もると電力変換装置の負荷が低いにもかかわらず、盤内温度が上昇し、電力変換装置の周囲温度を異常上昇させ、電力変換装置内に搭載されたパワー半導体の温度検出器による過熱保護が動作し、電力変換装置が突然停止することが発生する。【００９７】
使用者（ユーザ）は、予め設備の運転条件や多数台の電力変換装置の負荷率などから発生損失を求め、盤内を排熱するための外気ファンの風量と個数およびエア用フィルタ付の吸入空気口の大きさ（寸法）を設計して盤寸法を決定している。このため、使用者は、電力変換装置の過熱保護が動作することなど全く想定していない。にもかかわらず、電力変換装置の過熱保護が動作し突然停止した場合、想定外のためその原因が何によるものかを特定するまでに時間が掛かり、設備不稼動時間の大きな障害となっていた。【００９８】
このため、図１１に示した温度設定機能一覧を標準で備えた電力変換装置１７を収納することにより、自立盤内に温度を監視する特別の温度検出器を設置することなく、電力変換装置内に設けられた温度設定機能を活用することにより、操作者は温度異常の過熱異常信号として制御端子台２５から遠隔操作盤側にて監視でき、遠隔操作盤に表示された警告予告温度信号Ｗ−ＯＨ（電力変換装置の出力を遮断しない状態）により、自立盤内の内部温度が異常に高くなったことを知ることができる。【００９９】
この温度異常の情報と電力変換装置の負荷率を勘案し、温度異常の原因が、外気ファンの寿命による回転数低下（風量低下）か、あるいは、エア用フィルタの目詰まりかを直ちに確認し、原因の除去に対処できる時間の猶予が設けられるため、使用者側の予防保全の面から設備を突然不用意に停止させる心配をなくすことができるという大きな効果がある。【０１００】
ユーザが電力変換装置内に設けられた本機能を活用して、検出温度設定や警告処理選択や制御処理選択を行うことができる点に本発明の特徴の一つがある。【０１０１】
すなわち、自立盤内に熱が停滞したことによる要因で、電力変換装置（インバータ）内の主素子の温度検出器が加熱を検出して、電力変換装置が突然過熱保護停止することを未然に防止でき、予防保守が可能となり設備の不稼動時間を大幅に短縮できる。【０１０２】
また、警告予告温度表示としてＯＨ−ＡＭＢ（オーバーヒート要因：周囲温度が高いという意味）をデジタル操作パネル７に表示させてもよい。【０１０３】
この表示内容については、その表示の意味が装置使用者であるユーザに区別できる形態であれば十分であり、表示文字を限定するものではない。【０１０４】
このようにデジタル操作パネル７に結果を表示することにより、操作者にパワー半導体素子チップの温度状況を知らしめることができるため、その表示内容から状況を的確に判断することができる。【０１０５】
さらに、温度設定欄における各項目である設定温度、警告処理、制御処理について数値を入力したり、前もって設定された処理項目から選定することにより、電力変換装置に搭載されたパワー半導体モジュール２１内の半導体チップの温度が第２温度設定に達した際に、電力変換装置を運転継続させるため、電力変換装置が実行する制御機能である自動過負荷制限機能動作を行うか、自動過電流抑制機能動作させるかを選択でき、電力変換装置を不用意に停止させることがなくなる。【０１０６】
本発明によれば、デジタル操作パネル７を用いて、（a）に示した第１温度設定欄から第ｎ温度設定欄までの各項目である設定温度、警告処理、制御処理について数値を入力したり、前もって設定された処理項目から選定することにより、電力変換装置に搭載されたパワー半導体モジュール２１内の半導体チップの温度が設定温度に達したかどうかをユーザにフィードバックすることができるため、自立盤内の温度を検出するための特別の温度検出器を設置する必要がなく、操作者は温度異常のアラーム警告信号を制御端子台２５から遠隔操作盤側にて監視でき、遠隔操作盤に表示された警告信号により、自立盤内の内部温度が異常に高くなったことを知ることができる。【０１０７】
このため、自立盤内に熱が停滞したことによる要因で、電力変換装置内の主素子の温度検出器が温度異常を検出して、電力変換装置が突然過熱保護停止することから未然に防止でき、保守の時間を短縮、しいては設備の不稼動時間を大幅に短縮できるという効果がある。【０１０８】
以上説明した通り、本発明の特徴の一つは下記のように表される。【０１０９】
すなわち、例えば、第1の温度設定値と第２の温度設定値をそれぞれ個別に設定し、第1の温度設定値を警告予告温度として、この警告予告温度に達した場合は電力変換装置の出力は遮断せず、警告予告温度に達したことを上位に信号出力する構成にする。【０１１０】
そして、第２の温度設定値は警告温度として、警告温度に達したときは電力変換装置の出力を遮断するように構成することにより、パワー半導体素子を動作限界温度以下で使用し、パワー半導体の有効利用を図りつつ、使用者側の利便性、すなわち、予防保全の面から設備を不用意に停止させる心配をなくすことができる。【０１１１】
温度検出用ダイオードの第１の温度設定値と第２の温度設定値をそれぞれ個別に設定でき、第１の温度設定値は警告予告温度とし、警告予告温度に達したときは電力変換装置の出力は遮断せず、第２の温度設定値は警告温度とし、警告温度に達したときは電力変換装置の出力を遮断するように構成することにより、パワー半導体素子を動作限界温度以下で使用し、パワー半導体の有効利用を図りつつ、ユーザの利便性を向上できる電力変換装置を提供することにある。【０１１２】
すなわち、温度設定値をユーザに開放することで、設定温度に達したかどうかをユーザにフィードバックすることができるため、過熱保護が動作し突然電力変換装置が停止することなく、電力変換装置の状況を的確に判断し、次のアクションをユーザが実施できる。【０１１３】
また、設定温度に達した際に電力変換装置の制御方法を選定できるため、不用意に電力変換装置を停止させることなく、電力変換装置を最適に制御できるという効果もある。
【符号の説明】
【０１１４】
１… 順変換器、２… 平滑用電解コンデンサ、３… 逆変換器、４… 交流電動機、５… 制御回路、６… 冷却ファン、７… デジタル操作パネル、８… 電源回路、ＶＰＮ… 直流電圧、１０… 駆動回路、１１… コネクタ、１２… 突入抑制回路、１３、２０、２１… パワー半導体、１４… 冷却フィン、１５… モールド樹脂ケース 、１６…ドライブ回路、１７… 電力変換装置、１８ＵＰ,１８ＵＮ… 定電流回路、１９… 温度検出回路、２０… 外気ファン、２１… 自立盤、２２… エア用フィルタ付の吸入空気口、２３… 排気、２４… 吸気、２５… 制御端子台、ＭＣＵ１,ＭＣＵ２… マイコン、ＲＢ… 限流抵抗、Ａ… 直線の傾き、Ｂ… 直線の切片、*… 乗算演算子、Ｗ−ＯＨ… 警告予告温度に達したことを示す出力信号、Ａ−ＯＨ… 警告温度に達したことを示す出力信号、
UP,UN,VP,VN,WP,WN… 主スイッチング素子、９,９ＵＰ,９ＶＰ,９ＷＰ,９ＵＮ,９ＶＮ，９ＷＮ,９ＲＰ,９ＳＰ,９ＴＰ, ９ＲＮ，９ＳＮ,９ＴＮ，９ＴＨ… 温度検出用ダイオード、ＶＦ−ＵＰ… Ｕ相上アームＵＰチップの温度検出用ダイオード順方向降下電圧、ＶＦ−ＵＮ… Ｕ相下アームＵＮチップの温度検出用ダイオード順方向降下電圧、ＭＣＵ１,ＭＣＵ２… マイコン、ＲＢ… 限流抵抗、Ａ… 直線の傾き、Ｂ… 直線の切片、*… 乗算演算子、Ｗ−ＯＨ… 警告予告温度に達したことを示す出力信号、Ａ−ＯＨ… 警告温度に達したことを示す出力信号
【図１】
2014174651.tif 000003
【図２】
2014174651.tif 000004
【図３】
2014174651.tif 000005
【図４】
2014174651.tif 000006
【図５】
2014174651.tif 000007
【図６】
2014174651.tif 000008
【図７】
2014174651.tif 000009
【図８】
2014174651.tif 000010
【図９】
2014174651.tif 000011
【図１０】
2014174651.tif 000012
【図１１】
2014174651.tif 000013
【図１２】
2014174651.tif 000014
【図１３】
2014174651.tif 000015
【国際調査報告】
2014174651.tif 000016
2014174651.tif 000017
2014174651.tif 000018
2014174651.tif 000019