(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子及び前記半導体素子を冷却するための冷却フィンを密着し、前記半導体素子と前記冷却フィンの接触面にグリースを塗布した前記半導体素子及び前記冷却フィンを複数備えた電力変換装置であって、
前記冷却フィンの温度を個別に検知する複数の温度センサと、
前記複数の冷却フィンを冷却するファンと、
前記複数の温度センサによって検知された前記複数の冷却フィンの温度の平均温度を算出する平均温度算出手段と、
前記冷却フィンの温度を設定するための基準温度を設定する基準温度設定手段と、
前記基準温度設定手段によって設定された基準温度に対する許容値を設定する許容値設定手段と、
前記平均温度算出手段によって算出された冷却フィンの平均温度が、前記基準温度設定手段によって設定された基準温度に対して前記許容値設定手段によって設定された許容値の範囲に含まれるように前記ファンの回転速度基準を設定する速度制御手段と、
を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記平均温度算出手段によって算出された冷却フィンの平均温度が、前記基準温度設定手段によって設定された基準温度に対する許容値をΔT4だけ超えたとき、前記基準温度設定手段は、当該超えた許容値ΔT4だけ前回設定された基準温度に加算した新たな基準温度を設定することを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記速度制御手段は、
前記平均温度算出手段によって算出された冷却フィンの平均温度と前記基準温度設定手段によって設定された基準温度との差分ΔTを、ＰＩＤ制御により制御し、前記ファンの回転速度基準を設定するＰＩＤ制御手段と、
前記ファンの回転速度を一定速度で回転する一定速回転手段と、
前記ＰＩＤ制御手段又は前記一定速回転手段の何れかに切り替えるＰＩＤ制御切替手段と、
を備え、
前記ＰＩＤ制御手段は、
前記ファンの回転速度がファンに対する速度指令によって設定され、当該速度指令に対して最低速度から最高速度１００％の間で速度レートを制御し、
前記一定速回転手段は、
ファンの回転速度を前記速度レートが１００％となる１００％一定速に制御することを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記複数の冷却フィンの温度の中の最大温度を検出する最大温度検出手段をさらに備え、
前記速度制御手段は、
前記最大温度検出手段によって検出された最大温度が保護温度に対して低い間は前記ＰＩＤ制御手段によるＰＩＤ制御を行い、最大温度が保護温度に対して高くなると前記一定速回転手段による１００％一定速に切り替えることを特徴とする請求項３記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電力変換装置内の半導体素子を取り付けた冷却フィンの温度変化幅を低減する電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置には、産業用インバータ又は産業用コンバータがある。近年、産業用インバータに対する用途が、従来のファン・ポンプ駆動などからクレーン・鉄鋼ラインなど、頻繁な負荷変動を伴う用途に拡大しつつある。
【０００３】
産業用インバータを構成する半導体素子には、温度変化の繰り返しに対する寿命特性があり、温度変化幅が小さいほど長寿命化を図ることができる。
【０００４】
これまでには、発熱部品を含む電源部が通電される通電状態と、休止状態が存在する場合において、発熱部品の温度を測定し、通電状態と休止状態での温度設定基準値を設定し、基準温度になるようにファンの回転数を制御する方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２３６１３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した半導体素子（例えば、IGBT素子など）には、この他に、当該半導体素子を冷却する冷却フィンとの間に塗布されるグリースが、グリース垂れを発生する場合があるという課題がある。グリース垂れは、半導体素子の温度変化による半導体素子ベース板の熱伸縮により、グリースが押し出されることで発生する。グリース垂れが発生すると、半導体素子と冷却フィンとの間の熱抵抗が上昇し、半導体素子の寿命が低下するという課題がある。
【０００７】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたもので、負荷変動等に関わらず冷却フィンの平均温度と基準温度との温度差ΔTの変動を所定の許容値内にすることにより、半導体素子と冷却フィンとの間のグリース垂れを防止し、半導体素子と冷却フィンとの間の熱抵抗の変動を抑え、半導体素子の寿命低下を防止することができる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】
上記目的を達成するために、本発明の請求項記載の電力変換装置は、半導体素子及び前記半導体素子を冷却するための冷却フィンを密着し、前記半導体素子と前記冷却フィンの接触面にグリースを塗布した前記半導体素子及び前記冷却フィンを複数備えた電力変換装置であって、前記冷却フィンの温度を個別に検知する複数の温度センサと、前記複数の冷却フィンを冷却するファンと、前記複数の温度センサによって検知された前記複数の冷却フィンの温度の平均温度を算出する平均温度算出手段と、前記冷却フィンの温度を設定するための基準温度を設定する基準温度設定手段と、前記基準温度設定手段によって設定された基準温度に対する許容値を設定する許容値設定手段と、前記平均温度算出手段によって算出された冷却フィンの平均温度が、前記基準温度設定手段によって設定された基準温度に対して前記許容値設定手段によって設定された許容値の範囲に含まれるように前記ファンの回転速度基準を設定する速度制御手段と、を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、電力変換装置を構成する半導体素子と冷却フィンとの間のグリース垂れを防止することができるため、グリース垂れによる半導体素子と冷却フィンとの間の熱抵抗の変動を抑えることができ、半導体素子の寿命低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施例１に係る電力変換装置を構成する半導体素子の温度制御部のブロック図。
【図２】冷却フィンの温度と基準温度との関係を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、実施例１に係る電力変換装置を構成する半導体素子の温度制御部５０のブロック図である。温度制御部５０は、入力部１〜６、平均温度算出部７、最大温度算出部８、最低温度算出部９、差分算出部１０、デッドバンド（ＤＢＡＮＤ）判定部１１、基準温度設定部１２、過熱検出部１３、断線検出部１４、異常検出部１５、ＰＩＤ制御部１６、ＰＩＤ制御切替部１７、出力切替部１８などを有して構成される。
【００１３】
なお、図１には、電力変換装置を構成する半導体素子（IGBT素子）、当該半導体素子（IGBT素子）を冷却する冷却フィン及び当該冷却フィンの温度を検知する温度センサは省略してある。本発明の趣旨は、当該温度センサで検知した温度を基に、当該冷却フィンの平均温度と基準温度との温度差ΔＴを一定制御する温度制御部に特徴があり、当該冷却フィンの温度を検知する具体的な方法は従来技術で達成できる。
【００１４】
入力部１には、電力変換装置を構成する３相インバータの冷却フィンＵ１の温度（FIN_TMP_U1）、冷却フィンＶ１の温度（FIN_TMP_V1）及び冷却フィンＷ１の温度（FIN_TMP_W1）が、それぞれ入力される。入力部１は、入力された温度の合計温度を算出し、SUM1端子に出力する。入力部１は、入力された温度の中の最大温度を抽出し、MAX1端子に出力する。入力部１は、入力された温度の中の最低温度を抽出し、MIN1端子に出力する。
【００１５】
入力部２〜入力部ｎも入力部１と同様に構成されており、それぞれの入力部に入力された合計温度は、SUM（SUM1〜SUMnの総称）端子に出力される。入力された温度の中の最大温度はMAX（MAX1〜MAXnの総称）端子に出力される。同様に、入力された温度の中の最低温度はMIN（MIN1〜MINnの総称）端子に出力される。
【００１６】
入力部１〜入力部nのSUM端子から出力された合計温度は、平均温度算出部（平均温度算出手段）７に入力される。平均温度算出部７は、入力部１〜入力部nから出力された合計温度SUM1〜SUMnの総合計温度TSUMを下記数式（１）に基づき算出後、下記数式（２）に基づき、総合計温度TSUMを温度の総数（=n）で除して平均温度を算出し、AVE端子に出力する。
【００１７】
TSUM=SUM1+SUM2+SUM3+SUM4・・・+SUMn・・・・・・・・・・・・・（１）
AVE=TSUM/n・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
入力部１〜入力部６からそれぞれ出力された最大温度MAXは、最大温度算出部８に入力される。最大温度算出部８は、入力部１〜入力部６からそれぞれ出力された最大温度MAXの中の最大温度（FIN_TMP_MAX）を抽出し、抽出した最大温度（FIN_TMP_MAX）をMAX端子に出力する。
【００１８】
入力部１〜入力部６からそれぞれ出力された最低温度MINは、最低温度算出部９に入力される。最低温度算出部９は、入力部１〜入力部６からそれぞれ出力された最低温度MINの中の最低温度（FIN_TMP_MIN）を抽出し、抽出した最低温度（FIN_TMP_MIN）をMIN端子に出力する。
【００１９】
平均温度算出部７で算出された平均温度（冷却フィン平均温度）は、AVE端子に出力される。差分算出部１０は、AVE端子に出力された冷却フィン平均温度（信号名：FIN_TMP_FBK）と、前回までの基準温度（信号名：FIN_TMP_REF_OLD）との温度差である差分ΔTを下記数式（３）に基づき算出する。
【００２０】
ΔT=（FIN_TMP_FBK）-（FIN_TMP_REF_OLD）・・・・・・・・・・（３）
図２は、冷却フィン平均温度（FIN_TMP_FBK）と基準温度（FIN_TMP_REF）との関係を説明する図である。以下、時間の経過に従って、基準温度（FIN_TMP_REF）がどのように変化するかを説明する。
【００２１】
（１）タイミング０〜ｔ１の間：
タイミングｔ０のときの冷却フィン平均温度（FIN_TMP_FBK）の値はT1であり、前回までの基準温度（FIN_TMP_REF_OLD）の値はT2である。このときの、冷却フィン平均温度（FIN_TMP_FBK）T1は、前回までの基準温度（FIN_TMP_REF_OLD）T2以下であり、かつ、数式（３）で算出した差分ΔT1が基準温度（FIN_TMP_REF_OLD）に対する許容値として設定したデッドバンド（DBAND）以内になっている。従ってこの場合には、基準温度（FIN_TMP_REF）の更新は行われない。
【００２２】
（２）タイミングｔ１のとき：
タイミングｔ１のとき、冷却フィン平均温度（FIN_TMP_FBK）の値はT1からT3に上昇し、数式（３）で算出した差分ΔT2だけ、タイミングｔ１以前に設定した基準温度（FIN_TMP_REF_OLD）を超える。しかしながら、差分ΔT2が基準温度（FIN_TMP_REF_OLD）に対する許容値として設定したデッドバンド（DBAND）以内になっており、この場合も、基準温度（FIN_TMP_REF_OLD）の更新は行われない。
【００２３】
（３）タイミングｔ２のとき：
タイミングｔ２のとき、冷却フィンの温度（FIN_TMP_FBK）の値はT3からT4に上昇し、数式（３）で算出した差分ΔT3だけ、タイミングｔ２以前に設定した基準温度（FIN_TMP_REF_OLD）を超え、かつ、数式（３）で算出した差分ΔT3が基準温度（FIN_TMP_REF_OLD）に対する許容値として設定したデッドバンド（DBAND）を超える。従って、この場合には、基準温度（FIN_TMP_REF_OLD）の値がT2からT5に更新され、新たな基準温度（FIN_TMP_REF）となる。
【００２４】
以下、基準温度（FIN_TMP_REF）の更新方法を説明する。
【００２５】
差分算出部１０で算出された差分ΔTは、デッドバンド判定部１１に入力される。デッドバンド判定部１１は、入力された差分ΔTが、前回までに設定された基準温度（FIN_TMP_REF_OLD）からの許容値DBAND以内になっているか判定する。
【００２６】
デッドバンド判定部１１の判定の結果、許容値を超える場合、基準温度設定部１２は、前回までに設定された基準温度（FIN_TMP_REF_OLD）に差分ΔＴを加算した値から許容値DBANDを減算した値を新たな基準温度（FIN_TMP_REF）に設定する（下記、数式（４）参照。）。
【００２７】
（FIN_TMP_REF）=（FIN_TMP_REF_OLD）+ΔT-（DBAND）・・・・・・（４）
数式（４）に基づいて新たな基準温度（FIN_TMP_REF）を設定することにより、冷却フィン平均温度（FIN_TMP_FBK）と新たな基準温度（FIN_TMP_REF）との差分ΔTを許容値として設定したデッドバンド（DBAND）以内にすることができる。このようにして設定された新たな基準温度（FIN_TMP_REF）に基づき、後述するファンの速度制御を行う。図２の場合、下記数式（５）で示す温度が新たな基準温度（FIN_TMP_REF）になる。
【００２８】
ΔT4=（FIN_TMP_FBK）-（FIN_TMP_REF_OLD）-（DBAND）
（FIN_TMP_REF）=（FIN_TMP_REF_OLD）+ΔT4・・・・・・・・・・・・（５）
以上の処理を行うことにより、冷却フィン平均温度（FIN_TMP_FBK）が許容値DBANDを超えた場合であっても、超えた差分ΔT4を前回までに設定した基準温度（FIN_TMP_REF_OLD）に加算して算出した新たな基準温度（FIN_TMP_REF）とすることにより、冷却フィン平均温度（FIN_TMP_REF）と基準温度（FIN_TMP_REF）の差分ΔTを許容値DBAND以内にすることができる。
【００２９】
すなわち、冷却フィンの温度が高い場合は基準温度も高く設定し、冷却フィンの温度が低い場合は基準温度も低く設定する。このような設定をすることにより、冷却フィン平均温度（FIN_TMP_FBK）の温度変化を設定した許容値BDAND以内にすることができる。
【００３０】
なお、上記差分ΔT4が正の値場合は、新たに設定された基準温度（FIN_TMP_REF）は、前回設定された基準温度に対してΔT4だけ高い温度に設定される。一方、上記差分ΔT4が負の場合は、新たに設定された基準温度（FIN_TMP_REF）は、前回設定された基準温度に対してΔT4だけ低い温度に設定される。
【００３１】
ファンの回転速度は、ＰＩＤ制御部１６によって制御される。なお、ＰＩＤ制御部１６は、Ｐ動作（Proportional Action :比例動作）、Ｉ動作（Integral Action：積分動作）及びＤ動作（Derivative Action：微分動作）を加算した制御を行う制御部である。
【００３２】
図では、新たな基準温度（FIN_TMP_REF）と、冷却フィン平均温度（FIN_TMP_FBK）の差分が、上述したＰＩＤ制御部１６に供給され、当該ＰＩＤ制御部１６によりＰＩＤ制御が行われる。
【００３３】
ＰＩＤ制御部１６に、制御要素として外部からファンのイネーブル制御信号、ファンの速度リミット制御信号及び負荷電流急変時用微分要素信号が供給される。
【００３４】
ファンイネーブル制御信号は、負荷の大きさ等外部要因により、ファンの種類又はファンを駆動する時間を選択する必要がある場合には、当該イネーブル制御信号により、ファンの駆動タイミングを制限する場合に使用される。当該イネーブル制御信号が有効な場合にＰＩＤ制御が有効になる。
【００３５】
ファンの速度リミット制御信号は、ファンの回転速度の速度を制限する信号で、ファンの速度リミット制御信号が出力された場合には、ＰＩＤ制御がホールドされる。この制御信号は、ファン回転速度が所定の回転数に達した場合又は冷却フィン測定部（図示しない）の異常が検出され、冷却フィンの温度測定ができなくなった場合などに出力される。
【００３６】
負荷電流急変時用微分要素信号は、上述したＰＩＤ制御部１６の、Ｄ動作のための入力信号である。負荷電流を微分することにより、負荷電流の偏差が増加傾向にあるか、減少傾向にあるかを検出することができ、その偏差の大きさに比例した修正量を出力するための要素信号である。負荷電流急変時用微分要素信号を用いることにより、負荷急変時にもファンの回転速度をスムーズに追従させ、基準温度を一定に保持する効果がある。
【００３７】
ＰＩＤ制御部１６は、上記新たな基準温度（FIN_TMP_REF）対して、ファンイネーブル制御信号、ファンの速度リミット信号及び負荷電流急変時用微分要素信号による制限及び修正が加えられた基準温度でＰＩＤ制御を行い、制御量としてファンの回転速度基準を設定する。ＰＩＤ制御部１６は、上述したＰＩＤ制御を用いて以下の制御を行う。
【００３８】
（１）ＰＩＤ制御による速度制御は、ファンの速度指令を１００％としたとき、制御量としてのファンの回転速度は、当該速度指令に対して最低速から最高速１００％の間の回転速度を制御する。
【００３９】
（２）ＰＩＤ制御による速度制御を行うか、ファンの速度指令による一定速度にするかは切り替えることができる。一定速度にする場合には、速度基準（速度指令によって設定されるファンの回転速度の基準値）に対する設定レートを１００％に設定する（以下、１００％一定速と称する。）。基本的には、冷却フィンの最大温度（FIN_TMP_MAX）が保護温度に対して低い間はＰＩＤ制御を行い、保護温度に対して高くなると１００％一定速に切り替える。
【００４０】
ＰＩＤ制御切替部１７は、上記ＰＩＤ制御によって設定されたファンの回転速度を、１００％一定速に切り替えるＰＩＤ制御切替信号をｂ端子に出力する。ＰＩＤ制御切替部１７のｂ端子は、出力切替部１８のｄ端子に接続されており、ＰＩＤ制御切替信号が出力されると、ファンの回転速度は１００％一定速に設定される。
【００４１】
ＰＩＤ制御切替部１７は、少なくとも、以下（１）〜（３）の場合にＰＩＤ制御切替信号を出力する。
【００４２】
（１）冷却フィンの最大温度が所定の基準温度を超え過熱検出部１３により検出されたとき。
【００４３】
（２）冷却フィンの最低温度が所定の基準温度より低く、断線検出部により、冷却フィンの温度を測定する冷却フィンの温度センサの断線が検出されたとき。
【００４４】
（３）各基板の通信状態が動作していないため、冷却フィン温度が読み取れないとき。
【００４５】
以上のようにして設定されたファンの回転速度は、図示しないインバータ制御部に与えられ、インバータの負荷となるファンを、当該設定された回転速度で回転する。
【００４６】
以上説明したように、本発明の実施例によれば、負荷変動等により冷却フィン温度と、基準温度との差がデッドバンド（DBAND）を超えて変化した場合には、基準温度を更新し、冷却フィン温度と基準温度との温度差ΔTの変動を一定にすることにより、半導体素子の温度変化による半導体素子ベース板の熱伸縮を抑えることができ、課題であった電力変換装置を構成する半導体素子と冷却フィンとの間のグリース垂れを防止し、半導体素子と冷却フィンとの間の熱抵抗の変動を抑えることができ、半導体素子の寿命低下を防止することができる電力変換装置を提供することができる。
【符号の説明】
【００４７】
１〜６  入力部
７  平均温度算出部
８  最大温度算出部
９  最低温度算出部
１０  差分算出部
１１  デッドバンド判定部
１２  基準温度設定部
１３  過熱検出部
１４  断線検出部
１５  異常検出部
１６  ＰＩＤ制御部
１７  ＰＩＤ制御切替部
１８  出力切替部
【図１】
0006336944.tif 000002
【図２】
0006336944.tif 000003