(57)【要約】  ワイドバンドギャップ半導体素子が高温動作しても安全に運転できる電力変換装置およびその制御方法を提供する。  交流電力を直流電力に変換する順変換器と、前記順変換器により変換された前記直流電力を平滑する中間回路と、前記中間回路により平滑された前記直流電力を交流電力に変換する逆変換器と、前記逆変換器を駆動する駆動回路と、前記駆動回路を制御する制御部と、前記逆変換器の温度を検出する温度検出部と、少なくとも前記逆変換器を封止する封止材と、を備える電力変換装置であって、前記制御部は、電力変換装置が前記温度検出部により検出した温度で運転を継続している運転時間を積算し、積算した前記運転時間と前記検出温度と電力変換装置の許容運転時間との関係に基づき、電力変換装置の出力抑制、または、運転停止を決定する。
2016135931.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電力を直流電力に変換する順変換器と、
前記順変換器により変換された前記直流電力を平滑する中間回路と、
前記中間回路により平滑された前記直流電力を交流電力に変換する逆変換器と、
前記逆変換器を駆動する駆動回路と、
前記駆動回路を制御する制御部と、
前記逆変換器の温度を検出する温度検出部と、
少なくとも前記逆変換器を封止する封止材と、
を備える電力変換装置であって、
前記制御部は、電力変換装置が前記温度検出部により検出した温度で運転を継続している運転時間を積算し、積算した前記運転時間と前記検出温度と電力変換装置の許容運転時間との関係に基づき、電力変換装置の出力抑制、または、運転停止を決定する電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記制御部は、前記検出温度が予め定めた所定の温度以上の場合に、前記電力変換装置の運転時間を積算し、積算した総運転時間が前記許容運転時間を超えている場合に、電力変換装置の出力抑制、または、運転停止を決定することを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記制御部は、前記温度検出部により検出した温度と各温度での積算した前記運転時間とに基づいて、各温度での前記許容運転時間に到達するまでの残時間を算出することを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記逆変換器は、前記駆動回路により駆動される、シリコンより広いバンドギャップを有する半導体のスイッチング素子を有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項１に記載の電力変換装置において、
さらに、前記逆変換器を有するパワーモジュールを備え、
前記逆変換器は、前記駆動回路により駆動される半導体スイッチング素子を有し、
前記温度検出部は、前記半導体スイッチング素子、または、前記パワーモジュールに設けられることを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
請求項５に記載の電力変換装置において、
前記温度検出部は、前記パワーモジュールに設けられ、
前記制御部は、さらに、前記温度検出部と前記半導体スイッチング素子との間の距離に基づいて、前記許容運転時間を変更することを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
請求項１に記載の電力変換装置において、
さらに、前記逆変換器を流れる電流を検出する電流検出部を備え、
前記制御部は、さらに、前記電流検出部で検出した電流値に基づいて、前記許容運転時間を変更することを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記制御部は、所定の検出温度範囲毎に電力変換装置の前記許容運転時間を定めることを特徴とする電力変換装置。
【請求項９】
交流電力を直流電力に変換する順変換器と、前記順変換器により変換された前記直流電力を平滑する中間回路と、前記中間回路により平滑された前記直流電力を交流電力に変換する逆変換器と、前記逆変換器を駆動する駆動回路と、前記駆動回路を制御する制御部と、前記逆変換器の温度を検出する温度検出部と、少なくとも前記逆変換器を封止する封止材とを備える電力変換装置の制御方法であって、
前記制御部が、電力変換装置が前記温度検出部により検出した温度で運転を継続している運転時間を積算するステップと、
前記制御部が、積算した前記運転時間と前記検出温度と電力変換装置の許容運転時間との関係に基づき、電力変換装置の出力抑制、または、運転停止を決定するステップと、
を有する電力変換装置の制御方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の電力変換装置の制御方法において、
前記制御部が、前記検出温度が予め定めた所定の温度以上の場合に、前記電力変換装置の運転時間を積算するステップと、
前記制御部が、積算した総運転時間と前記許容運転時間とを比較するステップと、
前記制御部が、積算した総運転時間が前記許容運転時間を超えている場合に、電力変換装置の出力抑制、または、運転停止を決定するステップと、
を有することを特徴とする電力変換装置の制御方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の電力変換装置の制御方法において、
前記電力変換装置の出力抑制、または、運転停止を決定するステップは、
積算した総運転時間が前記許容運転時間を超えている場合に、電力変換装置の出力抑制を決定するするステップと、
前記電力変換装置の出力抑制をした後、所定の時間経過後に検出される温度が予め定めた温度以上かを判断するステップと、
所定の時間経過後に検出される温度が予め定めた温度以上の場合に、前記電力変換装置の運転停止を決定するステップと、
を備えることを特徴とする電力変換装置の制御方法。
【請求項１２】
請求項９に記載の電力変換装置の制御方法において、
さらに、前記制御部が、前記温度検出部により検出した温度と各温度での積算した前記運転時間とに基づいて、各温度での前記許容運転時間に到達するまでの残時間を算出するステップを備えることを特徴とする電力変換装置の制御方法。
【請求項１３】
請求項９に記載の電力変換装置の制御方法において、
前記逆変換器は、前記駆動回路により駆動される半導体スイッチング素子を有し、
さらに、前記制御部が、前記半導体スイッチング素子と前記温度検出器との距離に基づいて、前記許容運転時間を変更するステップを備えることを特徴とする電力変換装置の制御方法。
【請求項１４】
請求項９に記載の電力変換装置の制御方法において、
電力変換装置は、前記逆変換器を流れる電流を検出する電流検出部を備え、
さらに、前記制御部が、前記電流検出部で検出した電流値に基づいて、前記許容運転時間を変更するステップを備えることを特徴とする電力変換装置の制御方法。
【請求項１５】
請求項９に記載の電力変換装置の制御方法において、
前記制御部が、所定の検出温度範囲毎に電力変換装置の前記許容運転時間を定めることを特徴とする電力変換装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置およびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本技術分野の背景技術として、特開平９−２３３８３２号公報（特許文献１）がある。この公報には、「制御部の記憶装置に、インバータのスイッチング素子の定常ＯＮ損失，スイッチング損失，過渡熱インピーダンスなどのスイッチング特性およびスイッチング素子損失計算式をメモリとして格納しておき、制御部のＣＰＵにおいて、検出後矩形波に近似したインバータの出力電流と制御率及び出力周波数を変数として前記メモリされた定常ＯＮ損失，スイッチング損失などを取り入れて計算式によりスイッチング素子の損失を導出し、この損失とメモリの過渡熱インピーダンスを用いて素子ジャンクション温度を算出し、この温度が設定温度を超えないようにインバータの出力電流制御を行う。」と記載されている（要約参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−２３３８３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、シリコン（Ｓｉ）の物性値限界を乗り越える性能を有したワイドバンドギャップ（ＷＢＧ）半導体素子として炭化ケイ素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）などが注目を浴び、次世代のパワー半導体素子として期待されている。これらの材料は、Ｓｉに比べ、絶縁破壊電圧は約１０倍、熱伝導率は約３倍、融点は約２倍、飽和電子速度は約２倍という特徴を兼ね備えた半導体素子であり、特に、高い絶縁破壊電圧を持つため、耐圧を確保するためのドリフト層を１／１０程度まで薄くできパワー半導体のオン電圧を低くすることが可能である。このことは、これらの材料でパワー半導体素子を構成すれば、従来の代表的なパワー半導体素子であるＳｉ−ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ−Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）と比較して、発生損失を大幅に低減することができ、しいては、電力変換装置の大幅な小型化が達成できることが期待される。【０００５】
ＷＢＧ半導体素子のもう一つの特長は高温動作が可能という点である。Ｓｉ−ＩＧＢＴに代表されるＳｉ半導体素子の場合は通常１５０℃〜１７５℃程度が動作温度の限界とされるが、ＷＢＧ半導体素子の場合は３００℃以上でも動作が可能であり、素子単体の比較としてはＳｉ半導体素子を大幅に超えた高温動作が可能であるとされる。【０００６】
高温動作が可能なＷＢＧ半導体素子を電力変換装置に適用した場合、実際にＳｉ半導体素子以上の高温でＷＢＧ半導体を動作させるためには、はんだや封止材などの素子周辺部材も同様に高温動作可能な材質・性質を持つものに変更する必要がある。しかし、そのような素子周辺部材は、コストや製造プロセス、或いは接合剤の特性上問題などで電力変換装置に適用できない場合がある。この場合、素子周辺部材には、通常Ｓｉ半導体素子の動作温度と同等の使用定格温度を有するものを用いることになるため、過熱温度保護の対象は、ＷＢＧ半導体素子から、耐熱性がＷＢＧ半導体素子と比較して低い素子周辺部材へ変更する必要がある。しかしながら、耐熱性の低い素子周辺部材の使用定格温度に合わせて過熱保護をすれば、結果的にＷＢＧ半導体素子の動作温度が、従来のＳｉ半導体素子搭載時と同様なレベルに留まり、ＷＢＧ半導体素子の高耐熱性の利点が生かされない。【０００７】
これに対し、前記特許文献１の過熱保護方法では、素子ジャンクション温度の温度上昇を計算し、温度上昇が設定値を超えた場合インバータの出力制限を行っている。そのため、ＷＢＧ半導体素子を用いた電力変換装置に前記特許文献１の過熱保護方法を適用した場合、素子周辺部材の保護を優先し、上記設定値を低く設定すると、ＷＢＧ半導体素子が過熱する度に電力変換装置の過熱温度保護のトリップが発生し、電力変換装置の運転停止や出力制限をすることになる。その結果、ＷＢＧ半導体素子の高温動作の利点を生かせない上に、安定した電力変換装置の運転も困難になる。一方、ＷＢＧ半導体素子の高温動作の利点を優先し、上記設定値を高く設定すると、ＷＢＧ半導体素子が、当該設定値以下の温度ながら素子周辺部材の耐熱性以上に過熱してしまった場合に、素子周辺部材を過熱から保護することが困難になり、安全面に問題が生じる。【０００８】
そこで本発明では、ＷＢＧ半導体素子の高温動作および電力変換装置の安全な運転を両立できる電力変換装置およびその制御方法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】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は、請求の範囲に記載の構成を採用する。【００１０】
本発明の代表的な電力変換装置の一例を挙げるならば、交流電力を直流電力に変換する順変換器と、前記順変換器により変換された前記直流電力を平滑する中間回路と、前記中間回路により平滑された前記直流電力を交流電力に変換する逆変換器と、前記逆変換器を駆動する駆動回路と、前記駆動回路を制御する制御部と、前記逆変換器の温度を検出する温度検出部と、少なくとも前記逆変換器を封止する封止材と、を備える電力変換装置であって、前記制御部は、電力変換装置が前記温度検出部により検出した温度で運転を継続している運転時間を積算し、積算した前記運転時間と前記検出温度と電力変換装置の許容運転時間との関係に基づき、電力変換装置の出力抑制、または、運転停止を決定するものである。【００１１】
また、本発明の代表的な電力変換装置の制御方法の一例を挙げるならば、交流電力を直流電力に変換する順変換器と、前記順変換器により変換された前記直流電力を平滑する中間回路と、前記中間回路により平滑された前記直流電力を交流電力に変換する逆変換器と、前記逆変換器を駆動する駆動回路と、前記駆動回路を制御する制御部と、前記逆変換器の温度を検出する温度検出部と、少なくとも前記逆変換器を封止する封止材とを備える電力変換装置の制御方法であって、前記制御部が、電力変換装置が前記温度検出部により検出した温度で運転を継続している運転時間を積算するステップと、前記制御部が、積算した前記運転時間と前記検出温度と電力変換装置の許容運転時間との関係に基づき、電力変換装置の出力抑制、または、運転停止を決定するステップと、を有するものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ＷＢＧ半導体素子の高温動作および電力変換装置の安全な運転を両立できる電力変換装置およびその制御方法を提供することができる。【００１３】
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施例１に係る電力変換装置の構成図の一例である。
【図２】従来の電力変換装置の順変換器及び逆変換器の内部回路構成例である。
【図３】従来の半導体モジュールの構造例である。
【図４】従来の半導体デバイス自体に温度センサーが内蔵されている場合において温度保護検出回路がＳｉ半導体素子を搭載した電力変換装置を保護する動作を表す概念図である。
【図５】従来の電力変換装置内のサーミスタで温度検出する場合において、温度保護検出回路がＳｉ半導体素子を搭載した電力変換装置を保護する動作を表す概念図である。
【図６】高温時のエポキシの重量減少に係る試験結果例である。
【図７】実施例１における各温度と許容運転時間（ｔ（Ｔ））の関係を表すディレーティングカーブである。
【図８】本発明における温度保護制御におけるフロー図である。
【図９】実施例３における各温度と許容運転時間（ｔ（Ｔ））の関係を表すディレーティングカーブである。
【図１０】実施例４における各温度と許容運転時間（ｔ（Ｔ））の関係を表すディレーティングカーブである。
【図１１】実施例５における各温度と許容運転時間（ｔ（Ｔ））の関係を表すディレーティングカーブである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。以下に説明する各実施例は図示例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００１６】
図１は、実施例１に係る電力変換装置の構成図の一例である。図１の電力変換装置３０は、順変換器１、逆変換器２、平滑用コンデンサ３、冷却ファン５、冷却フィン５Ａ、制御回路６、ドライブ回路（駆動回路）７、デジタル操作パネル８、シャント抵抗９、記憶部１２を備えて構成される。図１では、任意の入力電源として、図示しない交流電源を用いた場合を示す。順変換器１は、交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換する。平滑用コンデンサ３は、直流中間回路に備えられ、順変換器１によって変換された直流電力を平滑にする。逆変換器２は、ＷＢＧ半導体スイッチング素子を有し、半導体スイッチング素子の駆動により平滑用コンデンサで平滑された直流電力を任意の周波数の交流電力に変換する。逆変換器によって変換された交流電力は、例えば接続された交流電動機４に出力される。【００１７】
なお、ＷＢＧ半導体としては、ＳｉＣやＧａＮなどを用いる。また、ＷＢＧ半導体のスイッチング素子としては、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や、Ｊ（Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）−ＦＥＴを用いる。またＳｉＣのＭＯＳＦＥＴは、半導体スイッチング素子に逆並列に接続する還流ダイオードとしては、ＳｉＣのＳＢＤ（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ  Ｂａｒｒｉｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）を用いてもよいが、設けなくても良い場合も有り、その場合は、部品点数を低減することができる。【００１８】
逆変換器２の内部には温度保護検出回路が搭載されており、図１の様なサーミスタ１０を搭載して温度を検出する。また、逆変換器内の半導体素子に温度感知用のセンシング機能が内蔵されている場合も有る。【００１９】
冷却ファン５は、外気を取り込むことで電力変換装置３０の内部を冷却する。冷却フィン５Ａは、順変換器１や逆変換器２等で発生する熱を熱伝導により排熱する。駆動回路７は、逆変換器２を駆動し、制御回路６（制御部）は、冷却ファンと駆動回路７等の電力変換装置３０全体の運転を制御する。デジタル操作パネル８は、各種のデータの入力、および、制御部や記憶部１２から入力されたデータ等の表示を行う。シャント抵抗９は、電力変換装置３０内の電流値をモニタリングするために使用される。記憶部１２は、デジタル操作パネル８での各種データの入力値や制御部６からの入力値などを格納し、格納された入力値やデータ等をデジタル操作パネル８や制御部６に出力する。【００２０】
ここで、従来の温度保護制御について、図２〜５を用いて説明する。
図２は従来の電力変換装置の順変換器及び逆変換器の内部回路構成例、図３は従来の半導体モジュール構造例、図４は従来半導体デバイス自体に温度センサーが内蔵されている場合において、温度保護検出回路がＳｉ半導体素子を搭載した電力変換装置３０を保護する動作を表す概念図、図５は従来の電力変換装置３０内のサーミスタ１０で温度検出する場合において、温度保護検出回路がＳｉ半導体素子を搭載した電力変換装置３０を保護する動作を表す概念図である。【００２１】
従来の順変換器１及び逆変換器２の内部回路構成例を図２に示す。本図では、逆変換器２がＳｉ−ＩＧＢＴおよびＳｉ−ＦＲＤで構成されている場合であり、現在最も一般的な半導体モジュールの形態である。Ｓｉ−ＩＧＢＴは半導体スイッチング素子であり、駆動回路７によりスイッチング素子をオン／オフと駆動し、直流電力を交流電力に変換する。Ｓｉ−ＦＲＤは、Ｓｉ−ＩＧＢＴがオフになった場合に流れる交流電動機４からの還流電流を流す。【００２２】
従来の半導体モジュールの構造例を図３に示す。半導体モジュールは、順変換器モジュール１Ａと逆変換器モジュール２Ａを有し、それぞれモジュールケース１１に納められている。Ｓｉ半導体素子の場合は一般的には１５０℃〜１７５℃レベルが動作保証温度となる。そのため、電力変換装置３０内では、逆変換器２内に搭載され通常最も高温となるＳｉ−ＭＯＳＦＥＴやＳｉ−ＩＧＢＴを代表とするスイッチング用半導体素子の温度がその動作保証温度を超えない様に運転中は、サーミスタ１０等により常に温度のモニタリングを行っている。【００２３】
Ｓｉ半導体素子は、ベアチップ１４上に形成され、電力変換装置内では通常はんだに代表される接合材で絶縁基板１５に実装されている。また、ベアチップ１４やベアチップと絶縁基板上の各素子（例えばシャント抵抗９）とを電気的に接続するボンディングワイヤ１６などの周囲は、それらを保護するためにエポキシなどの樹脂やシリコーンゲルなどに代表される封止材１７で充填保護されている。これらの素子周辺部材の半導体素子に接する部分は半導体素子の温度とほぼ同等になることから、半導体素子の素子周辺部材も同様に１５０℃〜１７５℃レベルの動作保証を有する部材の選定が必要となる。【００２４】
一般的に、はんだが実装後に再溶融を起こすことは、半導体デバイスの裏面のめっき層や表面のワイヤーボンディング面へ化学的、物理的に余計なストレスがかかり信頼性低下に直結するため、はんだの温度が融点を超えることは瞬時でも避ける必要が有る。そのため、はんだは半導体素子の動作温度よりも確実に高い融点の材料を用いる。一般的なＳｎＡｇ系のＰｂフリーはんだの場合など、融点は２１５〜２２０℃程度であり、前述したＳｉの動作保証温度１５０℃レベルに比較して大幅に高い温度である。組成金属の組み合わせにより、より融点を高くしたはんだを用いれば、ＷＢＧ半導体素子の高温動作に耐えられる動作保証温度にすることができる。【００２５】
一方、組成金属の組合わせを変えることで比較的に融点の操作が容易なはんだに比べて、封止材１７は一般的には高温動作保証が困難な材料である。これは、例えばエポキシ系樹脂の場合などは、内在する様々な有機成分が高温時の反応で特性が変化したり、成分の一部が分解して外部に抜け出てしまうことに起因しており、前者はガラス転移温度に代表され、後者は重量減少の現象などに代表される。このため、エポキシ系樹脂は比較的高温動作系のものでもＳｉと同一の１５０℃付近を動作保証温度としているものが一般的である。【００２６】
このように、封止材１７は、エポキシなどの樹脂の場合、通常ガラス転移温度により使用可能な定格温度が定められている。しかし、これは溶融温度とは異なり、膨張係数などの特性が変化し始める変化点の温度であり、短時間であれば同温度を超えても直ちに製品の品質に問題が起きるレベルには至らない。【００２７】
従って、はんだの溶融温度よりも低い温度領域内では、この封止材の定格温度を超えた場合には運転時間に制限を設ける制御を行うことで、電力変換装置が従来のＳｉチップ時の使用可能温度を超える高温動作時でも直ちにトリップには至らない持続性に優れた電力変換装置の運転を行うことが可能となる。【００２８】
図４は、Ｓｉ半導体デバイス自体に温度センサーが内蔵されている場合において、温度保護検出回路がＳｉ半導体素子を搭載した電力変換装置３０を保護する動作を表す概念図である。この場合、温度検出時の温度（Ｔｊ）と実際のＳｉ半導体素子の温度との間にタイムラグがほとんど無いため、図４に示すように、動作保証温度を１５０℃として、１５０℃まで運転を継続することが可能である。しかしながら、検出した温度が、ひとたび１５０度を超えると、電力変換装置３０の運転停止や出力制限などを行い、Ｓｉ半導体素子を過熱から保護する。【００２９】
一方、図５は、電力変換装置３０内のサーミスタ１０で温度検出する場合において、温度保護検出回路がＳｉ半導体素子を搭載した電力変換装置３０を保護する動作を表す概念図である。この場合では、Ｓｉ半導体デバイスの最高温度部位に対しサーミスタ実装部の温度（Ｔｔｈ）にタイムラグが発生するため、図５に示すように、予め半導体素子や封止材の動作保証温度よりも低い温度でサーミスタ１０の温度検出による保護をかけるのが一般的である。図５は１００℃の場合だがサーミスタの位置などにより適切な温度を選定する必要が有る。【００３０】
例えば、Ｓｉ半導体素子の近傍にサーミスタ１０を設置するのであれば、Ｓｉ半導体素子の温度とサーミスタで検出する温度との間のタイムラグは小さくなるので、高めの動作保証温度に設定すればよい。逆に、Ｓｉ半導体素子から離れてサーミスタ１０を設置するのであれば、当該タイムラグは大きくなるので、低めの動作保証温度に設定すればよい。
ここまで、従来の電力変換装置の運転時の温度保護の概略を説明した。【００３１】
ここで、Ｓｉ半導体素子がＷＢＧ半導体素子に変わった場合を想定する。ＷＢＧ半導体素子の動作可能な温度は前記Ｐｂフリーはんだよりも遥かに高く、３００℃以上でもＷＢＧ半導体素子は破壊されることなく動作可能である。この場合、素子周辺部材として、はんだを更に高融点のもの、或いは、銀の焼結材の様な非はんだ系の高融点の金属で代替えすること自体は可能である。しかし、材料コストや製造プロセスはまだまだ従来のはんだに及ばないのが実情である。【００３２】
また、封止材１７に関しても高温動作可能な高耐熱樹脂の研究は進んでいるものの、はんだ代替えと同様でリーズナブルな量産性には課題も多く残る状況である。従って、当面は高温動作が必須である部品以外は、従来のはんだ及び封止材を適用する選択も十分想定されることになる。【００３３】
ここで、ＷＢＧ半導体素子は、Ｓｉ−ＩＧＢＴと比較して高温動作が可能である利点の他に、Ｓｉ−ＩＧＢＴと比較して低損失であるという利点もある。そのため、ある程度の小型化を行っても、従来のＳｉ同様の温度上昇レベルを保てるので、１５０℃レベルの動作温度を最大とする従来の制御を行えば、ＷＢＧ半導体素子が持つ低損失という利点を享受できる。しかし、更なる大幅な小型化を望む様な場合や、従来以上の高温環境下での運転を行う様な場合は、ＷＢＧ半導体素子の温度が、１５０℃レベルの動作温度を超えてしまうことが十分に起こり得る。この場合、ＷＢＧ半導体素子自体は高温動作も可能であるが、ＷＢＧ半導体素子を実装するための素子周辺部材であるはんだ及び封止材にも同一高温下で問題が生じないことが要求される事は言うまでもない。この様なはんだ及び封止材の使用可能温度がＷＢＧ半導体素子よりも低い場合には、結果的にＷＢＧ半導体素子の特長を最大限に生かし切れない電力変換装置となってしまうことになる。【００３４】
ここで前記封止材のエポキシを例にして述べると、ガラス転移温度（Ｔｇ）を超えると線膨張係数が大きくなるため熱応力が増大する。又、Ｂｒ系の難燃剤が高温時に分解を始めることにより、エポキシの重量減少が起こる場合も多い。高温時のエポキシの重量減少に係る試験結果例を図６に示す。一般的に３％前後の重量が減少すると樹脂に割れや膨れの変形が発生することが多く、重量減少許容値の目安と言われている。ガラス転移温度を超えた場合、線膨張係数の影響は、電力変換装置３０の運転状態が大きく変化し温度の上下動が伴わないと応力変化には結びつかない。しかし、エポキシの重量減少は、図６に示すように、高温状態が維持されるとそれ自体で進行してしまう。また、エポキシの重量減少は、維持される温度によって、重量減少の速度が異なっている。従って、半導体素子の高温動作時には、エポキシの重量減少に対しより注意を払うことが必要である。【００３５】
本発明はこの部分に着目し、電力変換装置において、ＷＢＧ半導体素子の温度が、エポキシ封止材の動作温度を超えた場合でも短時間であれば運転可能とし、且つ、長時間連続した場合の重量減少を管理することで安全な運転を可能にする。尚、本発明ではコントロールが必要な特性として重量減少を例に説明を行うが、その他にも高温維持の際に経時的な劣化を有する特性が有る場合、そちらを優先した運転制御を行っても良く、高温時に最も劣化の進行が早い特性を制御対象にすることが望ましい。【００３６】
図６と図７を用いて本発明における温度保護制御について説明する。図７は、実施例１における各温度と許容運転時間（ｔ（Ｔ））の関係を表すディレーティングカーブである。図７に示すディレーティングカーブでは、ＷＢＧ半導体素子に形成した温度センサなどにより、ＷＢＧ半導体素子の温度を直接検出する場合の温度（Ｔｊ）を想定し、各温度と許容運転時間（ｔ（Ｔj））の関係を表している。図７のディレーティングカーブは、図６において、一定の温度で維持した場合に０．３％の重量減少に到達する時間を数点プロットし、関数として近似したものである。なお、上記した図６の説明では、重量減少の許容値の目安を３％としたが、これに更に十分なマージンをとり、１/１０の０．３％レベルの重量減少を上限値と設定し許容運転時間を取り決めている。該上限値は信頼性の余裕度を示すので、製品により適当なレベルとする必要が有ることは言うまでもない。
なお、図７において、プロットする数が多いほど、関数の精度が高まり、各温度での許容運転時間をより精度高く管理することができる。【００３７】
本温度保護制御では、エポキシの動作保証温度である１５０℃を超えた場合に、運転可能時間に時限特性（許容運転時間）を有する制御を行う。図７では、半導体素子自身に温度をセンシングする素子が形成され、ＷＢＧ半導体素子の温度を半導体素子から直にセンシングした場合の温度（Ｔｊ）を想定しているので、１５０℃以上での運転時間のディレーティングとしてある。なお、ディレーティングカーブは樹脂の特性やＷＢＧ半導体素子の温度を検出する位置に応じたマージンのとり方で決定するものであり、本図の例に限定されるものではない。【００３８】
本温度保護制御では、図７に示すように、各温度に応じて許容運転時間を設定している。そして、電力変換装置３０がエポキシの動作保証温度以上の温度で運転している時間が許容運転時間を超えた場合に、電力変換装置３０の運転停止や出力制限等の動作を行うようにする。つまり、例えば、検出した温度が１７０℃である状態で電力変換装置３０が運転している場合、電力変換装置３０は４００ｈまで運転を継続する。そして、その状態で電力変換装置３０の運転時間が４００ｈを超えれば、電力変換装置３０の出力電流の低減やＷＢＧ半導体素子のスイッチング周波数を減少させることなどにより温度を低減させる出力制限の運転モードに入る。さらに、出力制限の運転モードで一定時間（ｔ０）後でも温度が下がらない場合は、強制的に電力変換装置の運転停止を行う。【００３９】
これにより、ＷＢＧ半導体素子が高温になり、エポキシの動作保証温度を超えたとしても、電力変換装置３０の運転停止や出力制限をすることなく、エポキシを安全に使える範囲の中で電力変換装置３０の運転を安定して継続することが可能になる。【００４０】
また、本温度保護制御において、図７の様に連続した曲線に限定されるわけではなく、例えばある温度から難燃剤の分解やはんだの溶融などが急激に起こる場合などは、該温度以上は許容運転時間をゼロとしてもよい。これにより、安全な範囲で電力変換装置３０の運転をしつつ、検出された温度が該温度以上であれば、直ちに電力変換装置３０の運転停止や出力制限を行うことができ、より安全に電力変換装置３０を運転することができる。【００４１】
図１および図８を用い、本温度保護制御における各動作とそのフローを説明する。図８は、本発明における温度保護制御におけるフロー図である。これらの温度保護制御は、図１の制御回路６（制御部）内部のマイコンにより、半導体素子からの直接のセンシング温度或いはサーミスタ１０で検出された温度に応じて制御される。各温度による許容運転時間ｔ（Ｔ）は、例えばエポキシの動作保証のマージンに応じて記憶部１２に予め格納しておく。【００４２】
制御部は、検出される温度（Ｔ）が予め定めた温度（Ｔ０）以上かどうかを判断する（ＳＴＥＰ１）。上記した本実施例の説明では１５０℃としている。制御部は、検出された温度が上記予め定めた温度以上の場合に、検出される温度に応じて、該温度での電力変換装置３０の運転時間（ｔ）の積算を開始し（ＳＴＥＰ２）、積算した運転時間（ｔ）が記憶部１２に格納された許容運転時間（ｔ（Ｔ））を超えたかどうかの判断をする（ＳＴＥＰ３）。制御部は、積算した運転時間が許容運転時間を超えている場合に、電力変換装置３０の出力制限を行う（ＳＴＥＰ４）。更に制御部は、所定の時間（ｔ０）を経過後に検出される温度（Ｔ）が予め定めた温度（Ｔ０）以上かどうかの判断を行い（ＳＴＥＰ５）、（Ｔ）≧（Ｔ０）の場合は電力変換装置３０の運転を停止する（ＳＴＥＰ６）。ここで制御部は、ＳＴＥＰ３において積算した運転時間（ｔ）が許容運転時間（ｔ（Ｔ））を超えていない場合、または、ＳＴＥＰ５においてＴ＜Ｔ０の場合には、ＳＴＥＰ１に戻り、Ｔ≧Ｔ０かどうかを判断する。これにより、Ｔ≧Ｔ０において運転時間を積算している間に、Ｔ＜Ｔ０となれば、運転時間の積算を止めることができる。【００４３】
なお、その際、（Ｔ０）以上の各温度（Ｔ）に対する積算時間（ｔ）は初期化されることはなく、電力変換装置の高温時の総運転時間として情報が保持されるものとし、再度ＳＴＥＰ１においてＴ≧Ｔ０となれば、保持していた積算時間（ｔ）から運転時間の積算を始める。【００４４】
なお、記憶部１２は、ＨＨＤやＳＳＤ、メモリ等、各温度と許容運転時間の関係を格納できればいずれでもかまわない。また、記憶部１２は、電力変換装置３０内に設けてもよいし、外部機器に設けてもよい。さらに、本温度保護制御を、全て外部機器の制御によって行っても良い。その際は、図示しない外部入出力端子を介して、外部機器との信号のやり取りを行う。【００４５】
以上、本実施例によれば、エポキシのような封止材に代表される素子周辺部材を動作保証温度以上で使用する場合に、その状態を管理して素子周辺部材を保護することができるようになる。また、検出される温度が動作保証温度を超えても、電力変換装置３０は運転停止や出力制限をすることなく、連続して安定した運転をすることができるようになる。つまり、高温動作時での電力変換装置の温度保護のトリップによる運転停止が安全性を保った上で抑制され、トリップレスの連続運転性に優れる電力変換装置となる。
【実施例２】
【００４６】
本実施例では、上記した実施例１に、各温度での運転時間を積算し、運転許容時間の残時間を算出する制御アルゴリズムを追加する制御の例について説明する。実施例１と重複する説明については省略する。本実施例について、図７を用いて説明する。【００４７】
例えばＷＢＧ半導体素子の温度が１７０℃と１８０℃の状態で各１００ｈ運転した場合について説明する。図７より、１７０℃と１８０℃の各許容運転時間は、それぞれ４００ｈと２００ｈなので、連続運転した時間は、各々の運転許容時間の１/４、１/２となり、合計としては１５０℃以上の領域で可能な各温度での許容運転時間に対して３/４を消費した状態であると言える。従って、次にＷＢＧ半導体素子の温度が１７０℃で運転を行う場合は、１７０℃での全体の許容運転時間のうちの残り１/４、つまり、１００ｈが許容運転時間に到達するまでの残時間として運転可能な時間である。【００４８】
このケースでは、１７０℃で１００ｈを超えると１５０℃以上の高温動作で運転可能な許容運転時間の残量はゼロと判断し、電力変換装置３０の出力電流の低減やＷＢＧ半導体素子のスイッチング周波数を減少させることなどより温度を低減させる出力制限の運転モードに入る。さらに、出力制限の運転モードで一定時間後でも温度が下がらない場合は、強制的に電力変換装置の運転停止を行う。これにより、封止材の保護を確実に行うことができる。また、今後は１５０℃を半導体モジュールの最大動作温度として新たに設定し、電力変換装置３０としては運転時間に依らず、出力制限モード或いは運転停止の判断を行うようにする。これらの制御及び各運転状態の記憶を図１の制御回路６（制御部）で行うものとする。
なお、検出されたＷＢＧ半導体素子の温度が動作保証温度以上にある時間の積算は、当該マイコンで行っても良いし、タイマー回路などのハード構成で行っても良い。【００４９】
このように、各温度での運転時間を積算し、各温度での運転許容時間の残時間を算出することで、電力変換装置３０の運転状況に応じて、精度良く運転許容時間を管理することができるようになる。さらに、その結果、ＷＢＧ半導体素子が素子周辺部材の動作保証温度以上の温度になったとしても、素子周辺部材を保護することができるので、電力変換装置３０がより安定して安全に運転することができるようになる。
【実施例３】
【００５０】
本実施例では、上記した実施例１または実施例２において、サーミスタ１０を用いてＷＢＧ半導体素子の温度を検出する場合の温度保護制御の例について説明する。実施例１または実施例２と重複する部分の説明は省略する。【００５１】
図９は、実施例３における各温度と許容運転時間（ｔ（Ｔ））の関係を表すディレーティングカーブである。図９に示すディレーティングカーブでは、サーミスタ等でＷＢＧ半導体素子の温度を間接的に検出する場合の温度（Ｔｔｈ）を想定し、各温度と許容運転時間（ｔ（Ｔｔｈ））の関係を表している。図７に示す許容運転時間は、ＷＢＧ半導体素子の温度を素子から直にセンシング可能な場合を想定しているが、一般的には半導体モジュール内の温度検出は図１、図２に示す様にサーミスタ１０を用いることが多い。半導体モジュール内のサーミスタ１０で温度検出する場合、ＷＢＧ半導体素子の最高温度部位とサーミスタ１０実装部の温度との間に温度上昇のタイムラグが発生する。そのため、図５の様に予めサーミスタとしてはＷＢＧ半導体素子や封止材の動作保証温度よりも低い温度で保護をかけるのが一般的であることは前述した通りである。【００５２】
従って、図９は、図７において、この温度上昇のタイムラグを考慮し、サーミスタで検出した温度（Ｔｔｈ）と許容運転時間の関係を示すディレーティングカーブとしている。図７で１５０℃から始まったディレーティングカーブが１２０℃から開始される例となる。ディレーティング開始温度はサーミスタ１０の位置などにより適切な温度を選定する必要が有る。すなわち、ＷＢＧ半導体素子とサ−ミスタとの距離に基づいて許容運転時間を変更する。このディレーティングカーブは、記憶部１２に格納され、制御部によって適宜記憶部から参照され、積算した運転時間ｔが許容運転時間ｔ（T）を超えているかどうかの判断に用いられる。【００５３】
以上、本実施例によれば、半導体スイッチング素子と温度検出器（サーミスタ１０）との距離に基づいて許容運転時間を変更するので、サーミスタ１０を用いて温度検出を行う場合でも、素子周辺部材の管理を精度よく行い、電力変換装置３０の安全な運転を安定して行うことができる。
【実施例４】
【００５４】
本実施では、図１０を用いて、上記した実施例１〜３のいずれかに、電力変換装置３０の出力電流に応じて許容運転時間を変更する制御を追加した例を説明する。上記した実施例１〜３で重複する説明については省略する。【００５５】
図１０は、実施例４における各温度Ｔｔｈと許容運転時間（ｔ（Ｔ））の関係を表すディレーティングカーブである。半導体モジュール内に搭載の半導体素子の温度は、電力変換装置の受電電圧や出力電流値によって変化するが、とりわけ出力電流値には大きく依存する。図７、図９のディレーティングカーブは電力変換装置の定格電流出力時を想定しているが、電力変換装置は一般的には短時間で有れば前記定格値以上の過電流の出力を許容する機能を有しており、この場合は瞬時に半導体モジュール内の素子温度が上昇することになる。そのため、サーミスタ１０による温度検出は図９よりも更に温度上昇時間にタイムラグが発生することになるから、より早いディレーティング開始が必要となる。【００５６】
過電流レベルによりこのタイムラグの程度が異なることを考慮すると、該過電流レベル毎に適したディレーティングカーブ（温度と許容運転時間の関係）を予め記憶部１２に備えて置き、必要に応じて適時選択した制御を行う機能を図１の制御回路６（制御部）に持たせておくことが有効である。本ケースにおける過電流レベル毎のディレーティングカーブの例を図１０に示す。過電流レベルの設定は更に細かくしても良いし、過電流レベルの範囲毎で適当な代表カーブを選択することにしても問題無い。これらのディレーティングカーブは、記憶部１２に格納され、制御部によって適宜記憶部から参照され、積算した運転時間ｔが許容運転時間ｔ（Ｔ）を超えているかどうかの判断に用いられる。【００５７】
以上、本実施例によれば、過電流を考慮して各温度での許容運転時間を設定するので、より精度良く素子周辺部材の管理をし、電力変換装置３０の安全な運転を安定して行うことができる。
【実施例５】
【００５８】
本実施例では、図１１を用い、実施例１〜４において、ディレーティングカーブを階段状にして許容運転時間を設定し、温度保護制御を行う例について説明する。実施例１〜４と重複する部分については説明を省略する。【００５９】
図１１は、実施例５における各温度Ｔｔｈと許容運転時間（ｔ（Ｔ））の関係を表すディレーティングカーブである。図７、９、１０のディレーティングカーブは、検出する温度とそれに応じた電力変換装置３０の許容運転時間の連続曲線としてある。しかし、図１の制御回路６（制御部）内の演算の負荷を下げるために、このディレーティングカーブを意図的に階段状として許容運転時間を設定するものが図１１である。所定の温度範囲毎に対して許容運転時間を設定し、階段状となる温度の刻み幅を適度に調整すれば、この様なレベルの保護でもエポキシの様な樹脂であれば、はんだとは異なり瞬時に溶融することは無いので十分保護が可能である。この階段状のディレーティングカーブは、記憶部１２に格納され、制御部によって適宜記憶部から参照され積算した運転時間ｔが許容運転時間ｔ（Ｔ）を超えているかどうかの判断に用いられる。【００６０】
以上、本実施例によれば、所定の温度範囲毎に許容運転時間を設定しているので、制御部への演算負荷を減らしつつ、素子周辺部材の管理をし、電力変換装置の安全な運転を安定して行う事ができる。【００６１】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために、詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
例えば、実施例１〜５について、ＷＢＧ半導体素子を用いているが、従来のＳｉ半導体素子を用いる場合でも、該Ｓｉ半導体素子の動作保証温度より低い動作保証温度の素子周辺部材を適用する場合にも、本発明は実施例１〜５で説明した作用効果を得ることができる。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
【符号の説明】
【００６２】
１  順変換器
２  逆変換器
３  平滑用コンデンサ
４  交流電動機
５  冷却ファン
６  制御回路
７  ドライバ回路
８  デジタル操作パネル
９  シャント抵抗
１０  サーミスタ
１１  モジュールケース
１２  記憶部
１Ａ  順変換器モジュール
２Ａ  逆変換器モジュール
５Ａ  冷却フィン
１４  ベアチップ
１５  絶縁基板
１６  ボンディングワイヤ
１７  封止材
３０  電力変換装置
【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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【国際調査報告】
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