(57)【要約】【課題】電力変換器の動作状況を分析する。【解決手段】本発明の電力変換器（ＰＣ）の動作状況を分析する方法は、サンプルクロック信号（ＳＳ）を提供することと、電力変換器（ＰＣ）のパワー半導体装置（ＰＳ１）の少なくとも１つの作動変数を繰り返し決定することとを備え、繰り返すことは、サンプルクロック信号（ＳＳ）に同期している。所与の繰り返しの間の電力変換器（ＰＣ）の切替挙動に依存して、少なくとも１つの動作変数が計測されるか、又は少なくとも１つの動作変数の値が特定される。少なくとも１つの決定された動作変数に依存して電力変換器（ＰＣ）の動作状況が決定される。
2022501991.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換器（ＰＣ）の動作状況を分析する方法において、
サンプルクロック信号（ＳＳ）、特に電力変換器（ＰＣ）の動作に非同期のクロック信号（ＳＳ）を提供することと、
電力変換器（ＰＣ）のパワー半導体装置（ＰＳ１）の少なくとも１つの作動変数を繰り返し決定することであって、
繰り返すことは、サンプルクロック信号（ＳＳ）に同期し、
所与の繰り返しについて、少なくとも１つの作動変数を決定することは、所与の繰り返し内の電力変換器（ＰＣ）の切替挙動に依存して、少なくとも１つの動作変数を計測すること、又は前の繰り返しから少なくとも１つの動作変数の値を特定することとを備える、前記少なくとも１つの作動変数を繰り返し決定することと、
少なくとも１つの決定された動作変数に依存して電力変換器（ＰＣ）の動作状況を決定することとと、
を備える、方法。
【請求項２】
動作状況を決定することは、
少なくとも１つの決定された動作変数に依存して、パワー半導体装置（ＰＳ１）の電力損失の少なくとも１つの値を決定することと、
電力損失の少なくとも１つの値に基づいて動作状況を決定することと
を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
電力損失の少なくとも１つの値は、導通電力損失と、切替電力損失との少なくとも１つを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
電力損失の少なくとも１つの値は、サンプルクロック信号（ＳＳ）の周波数で定義される複数の連続するサンプル間隔（Ｓ１、…、Ｓ７）の各サンプル間隔の間又は各サンプル間隔の終わりに、決定される、請求項２又は３に記載の方法。
【請求項５】
少なくとも１つの動作変数は、
個々のサンプル間隔（Ｓ１、…、Ｓ７）以内のオンにするイベントの合計数と、
個々のサンプル間隔（Ｓ１、…、Ｓ７）以内のオフにするイベントの合計数と、
個々のサンプル間隔（Ｓ１、…、Ｓ７）以内のオン状態の持続時間の合計と、
の少なくとも１つを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
少なくとも１つの作動変数は、
パワー半導体装置（ＰＳ１）のオン状態、特にパワー半導体装置（ＰＳ１）のオン状態の電圧又はオン状態の電流と、
パワー半導体装置（ＰＳ１）のオフ状態、特にパワー半導体装置（ＰＳ１）のオフ状態の電圧と
の少なくとも１種類を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
変換器の動作に非同期のサンプルクロック信号（ＳＳ）は、電力変換器（ＰＣ）のベースクロック信号に非同期のサンプルクロック信号（ＳＳ）を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
電力変換器（ＰＣ）は、電力変換の切替手法を利用するように構成されていて、
電力変換器（ＰＣ）の動作に非同期のサンプルクロック信号（ＳＳ）は、切替手法の特徴信号、特にキャリア信号に非同期である、サンプルクロック信号（ＳＳ）を含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
動作状況は、パワー半導体装置（ＰＳ１）の接点温度を備える、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
パワー半導体装置（ＰＳ１）の接点温度を決定することは、
少なくとも１つの決定されている動作変数に依存して電力変換器（ＰＣ）の熱モデルを供給することと、
熱モデルに従って接点温度をシミュレーションすることとを備える、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
熱モデルに供給されるデータは、パワー半導体装置（ＰＳ１）の自己加熱電力損失を備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
熱モデルに供給されるデータは、電力変換器（ＰＣ）のさらなる装置を原因とするクロスカップリング電力損失を備える、請求項９又は１０に記載の方法。
【請求項１３】
サンプルクロック信号の期間は、０．２ｍｓと２ｍｓとの間の値、特に０．８ｍｓと１．２ｍｓとの間の値、例えば１．０ｍｓである、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
サンプルクロック信号（ＳＳ）、特に電力変換器（ＰＣ）の動作に非同期のサンプルクロック信号（ＳＳ）を提供するように構成されているクロック生成部（ＳＣ）と、
電力変換器（ＰＣ）のパワー半導体装置（ＰＳ１）の少なくとも１つの動作変数を繰り返し決定するように構成されている計測ユニット（ＭＵ）と、
を備える、電力変換器（ＰＣ）の動作状況を分析する回路において、
繰り返すことは、サンプルクロック信号（ＳＳ）に同期していて、
所与の繰り返しについて、少なくとも１つの動作変数を決定することは、所与の繰り返し内の電力変換器（ＰＣ）の切替挙動に依存して、少なくとも１つの動作変数を計測するか、又は前の繰り返しから少なくとも１つの動作変数の値を特定することを備え、
少なくとも１つの決定された動作変数に基づいて電力変換器（ＰＣ）の動作状況を決定するように構成されている評価ユニット（ＥＵ）を備える、電力変換器（ＰＣ）の動作状況を分析する回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換器の動作状況を分析する方法及び回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
動作状況を分析するため、電力変換器における計測が電力変換器の切替イベントと一致する場合、計測の実行が妨げられるおそれがある。電力変換器は通常、例えばパルス幅変調、ＰＷＭ、切替パターンを導出するために使用されるベースクロックを備えている。これは、例えば、電力変換器の装置切替を制御するＰＷＭ方形波を生成するために使用されるキャリア、特に三角キャリアであり得る。
【０００３】
既存のアプローチでは、計測値はベースクロックに同期する。特に、三角搬送波信号のピークは、切替が発生しない保証された期間を提供する場合がある。
【０００４】
しかしながら、動作状況の分析に使用される装置が電力変換器モジュール内に実装されていない場合、例えば、その装置がスタンドアロンハードウェアとして実装されている場合、電力変換器のキャリア信号は、装置にアクセスできないので、計測の同期には使用できない。ＰＷＭ方形波も、典型的には不規則なエッジを持つゆえ、計測同期に適していない。
【０００５】
さらに、電力変換器の動作への同期が可能であるとしても、電力変換器は、実行可能な状態分析には低すぎる又は高すぎる切替周波数で動作する可能性があるため、そのような同期は問題となるおそれがある。例えば、周波数が低すぎると分析の達成可能な解像度に影響し、周波数が高すぎると不当な計算作業につながるおそれがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、本発明の課題は、より多様な電力に適用可能な電力変換器の動作状況を分析するための改良された概念を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題は、独立請求項の主題によって達成される。さらなる実装形態及び実施態様は、従属請求項の主題である。
【０００８】
改良された概念は、電力変換器の動作から独立した専用のサンプルクロック信号を提供し、電力変換器の動作変数の計測値をサンプルクロック信号に同期させるという考えに基づいている。計測間隔内の切替動作に応じて、動作変数が計測されるか、前の計測間隔から取得される。それから、計測された動作変数に応じて動作状況が決定される。
【０００９】
改良された概念によれば、電力変換器の動作状況を分析するための方法が提供される。この方法は、一定のサンプル周波数を有するサンプルクロック信号を提供することを備える。その中で、サンプルクロック信号は、特に、電力変換器の動作、特に動作周波数に対して非同期であり、独立している。電力変換器の電力半導体装置の少なくとも１つの動作変数が繰り返し決定され、その繰り返しはサンプルクロック信号に同期している。
所与の繰り返し内の電力変換器の切替動作に応じて、所与の繰り返しにおける少なくとも１つの動作変数を決定することは、所与の繰り返し中に少なくとも１つの動作変数を計測すること、あるいは、特に先行する１つ繰り返しから、特に所与の繰り返し直前の繰り返しから少なくとも１つの動作変数の値を特定することを備える。電力変換器の動作状況は、少なくとも１つの決定された動作変数に依存して決定される。
【００１０】
さらに与えられた繰り返し内の電力変換器の切替動作に依存して、動作変数の少なくとも１つは、さらに与えられた繰り返しに対して決定されない場合がある。
【００１１】
所与の繰り返しで決定された少なくとも１つの動作変数が２つ以上の変数を備える場合、少なくとも１つの動作変数のうちの１つ以上が計測されてもよく、少なくとも１つの動作変数のうちの１つ又はそれ以上が特定されるか先行する繰り返しから取得されてもよい。
【００１２】
サンプルクロック信号に同期する繰り返しは、電力変換器のパワー半導体装置の動作変数の少なくとも１つが、サンプル信号の周波数、特にサンプルクロック信号の逆数で定義される継続時間を持つ一連のサンプル間隔の各サンプル間隔の間又は各サンプル間隔の終わりに、繰り返し決定されることを意味する。
【００１３】
上記の改良された概念による方法により、動作状況の分析は、電力変換器の動作、特に、電力変換器のベースクロック信号又は変換器のＰＷＭキャリア信号にと非同期に実行され得る。それゆえ、電力変換器の切替周波数は、方法の適用性に影響を与えず、電力変換器の特定のハードウェアアーキテクチャ又は方法を実行するためのシステムにも影響を与えない。したがって、改良された方法による電力変換器の動作状況の分析は、普遍的に実行してよく、それは、多種多様な電力変換器、特にほとんどの電力変換器に重大な制限がない。特に、この方法では、標準ポートを介して電力変換器に接続してよいスタンドアロンハードウェアとして、改良された概念に従って方法を実行するシステムを実装することにより、電力変換器の後付けを可能にする。
【００１４】
この方法のいくつかの実装形態によれば、動作状況を決定することは、少なくとも１つの決定された動作変数に依存して、パワー半導体装置の電力損失について少なくとも１つの値を決定することを備える。動作状況は、それから、電力損失の少なくとも１つの値に依存して決定される。
【００１５】
いくつかの実装形態によれば、各繰り返しの間に、静的なオン又はオフ状態に対応するゼロの切替イベントがあるか、又は正確に１つの切替イベント、つまり１つのオン又はオフにするイベントがあるか、又は正確に２つの切替イベント、つまり１つのオンにするイベントと１つのオフにするイベント、又は３つ以上の切替イベントがある。動作変数の決定は、リストされたケースのどれがそれぞれの繰り返しに存在するかによって異なる。
【００１６】
いくつかの実装形態によれば、動作状況を決定することは、パワー半導体装置の接合部温度を決定することを含み、特に、動作状況は接合部温度に対応する。
【００１７】
いくつかの実装形態によれば、電力損失の少なくとも１つの値は、電力半導体装置の導通電力損失及び／又は切替電力損失を含む。
【００１８】
サンプル間隔の導通電力損失は、例えば、次の式に従って計算してよい。
Ｐｃ＝Ｖｏｎ＊Ｉｏｎ＊ｔｏｎ／Ｔｓ      （１）
ここで、Ｐｃは導通電力損失、Ｖｏｎはオン状態、つまり順方向、パワー半導体装置の電圧、Ｉｏｎはパワー半導体装置のオン状態の電流、ｔｏｎは考慮されたサンプル間隔内のパワー半導体装置の合計オン状態継続時間、Ｔｓはサンプル間隔の継続時間である。
【００１９】
サンプル間隔の切替電力損失は、例えば、次の式に従って計算できる。
Ｐｓｗ＝（Ｎｏｎ＊Ｅｏｎ＋Ｎｏｆｆ＊Ｅｏｆｆ）／Ｔｓ      （２）
【００２０】
ここで、Ｐｓｗは切替電力損失、Ｎｏｎはサンプル間隔内のオンにするイベントの総数、Ｎｏｆｆはサンプル間隔内のオフにするイベントの総数、ＥｏｎとＥｏｆｆはそれぞれオンにするエネルギーとオフにするエネルギーである。オンにする及びオフにするエネルギーはそれぞれ、オン状態の電流Ｉｏｎ、オフ状態の電圧Ｖｏｆｆ及び／又はパワー半導体装置の接合部温度に依存する。オンにするエネルギー及びオフにするエネルギーは、例えば、ルックアップテーブルから取得してよい。例えば、ルックアップテーブルは、事前に決定されてもよく、以前推定された接合部温度（複数の値）から取得されてもよい。
【００２１】
いくつかの実装形態によれば、パワー半導体装置の動作状況を決定することは、電力変換器の熱モデルに、少なくとも１つの決定された動作変数に依存するデータを供給し、熱モデルに従って接合部温度をシミュレートすることを備える。
【００２２】
いくつかの実装形態によれば、動作状況の決定は、電力変換器の熱モデルへの入力として電力損失の少なくとも１つの値を供給すること、及び熱モデルの出力に依存して動作状況、特に接合部温度を決定することを備える。
【００２３】
その中で、導通電力損失及び／又は切替電力損失、及び／又は伝導及び切替電力損失の合計は、熱モデルに供給され得る。導通電力損失と切替電力損失の合計は、パワー半導体装置の自己発熱による自己発熱電力損失を表す。
【００２４】
いくつかの実装形態によれば、クロスカップリング電力損失が決定され、さらなる入力として熱モデルに供給される。クロスカップリング電力損失は、パワー半導体装置の接合部温度に影響を与える可能性のある、電力変換器の追加の装置又はいくつかの追加の装置によるものである。
【００２５】
いくつかの実装形態によれば、電力損失の少なくとも１つの値は、サンプル間隔全体を通して静的なオフ状態を示すそのようなサンプル間隔を除いて、複数の連続するサンプル間隔のそれぞれの間又は終了時に決定される。
【００２６】
いくつかの実装形態によれば、少なくとも１つの動作変数は、それぞれのサンプル間隔内のオンにするイベントの総数及び／又はそれぞれのサンプル間隔内のオフにするイベントの総数及び／又はオン状態の合計期間を備える。
【００２７】
いくつかの実装形態によれば、少なくとも１つの動作変数は、パワー半導体装置のオン状態の状況、特に、それぞれのサンプル間隔中のオン状態の電圧又はオン状態の電流を備える。
【００２８】
いくつかの実装形態によれば、オン状態の電圧又はオン状態の電流が計測される、複数のオン状態期間を伴うサンプル間隔において、オン状態の電圧又はオン状態の電流は、オン状態の期間のただ１期間について計測される。代替的に、それは、複数のオン状態の期間について計測されてもよく、対応する平均値は、さらなる分析のために使用されてもよい。代替的に、平均値の代わりに、別のタイプの集計値、例えば中央値を使用してもよい。
【００２９】
いくつかの実装形態によれば、少なくとも１つの動作変数は、パワー半導体装置のオフ状態の状況、特にそれぞれのサンプル間隔中のオフ状態の電圧を備える。
【００３０】
いくつかの実装形態によれば、オフ状態が計測される複数のオフ状態期間を伴うサンプル間隔では、オフ状態の電圧は、オフ状態期間のうちの１つについてのみ計測される。代替的に、それは、複数のオフ状態期間について計測されてもよく、対応する平均値又は他の総計値が、さらなる分析のために使用されてもよい。
【００３１】
いくつかの実装形態によれば、変換器の動作に非同期であるサンプルクロック信号は、変換器のベースクロック信号に非同期であるサンプルクロック信号を備える。特に、ベースクロック信号の周波数がサンプルクロック信号の周波数と異なるか、及び／又はベースクロック信号の位相がサンプルクロック信号の位相に対してずれている。
【００３２】
いくつかの実装形態によれば、電力変換器は、電力変換のために切替方式、特にＰＷＭ方式を利用するように構成される。変換器の動作に非同期であるサンプルクロック信号は、切替方式の特性信号、特にキャリア信号に非同期であるサンプルクロック信号を備える。
【００３３】
いくつかの実装形態によれば、搬送波信号は、三角波形又はのこぎり波又はランプ波形を有する。
【００３４】
いくつかの実装形態によれば、サンプル信号の周期、つまり周波数の逆数が、システムの処理速度と熱時定数の間の妥協点として選択される。
【００３５】
いくつかの実装形態によれば、サンプルクロック信号の周期は、０．２ミリ秒から２ミリ秒の間、特に０．８ミリ秒から１．２ミリ秒の間であり、例えば、周波数は１ミリ秒又は１．０ミリ秒である。
【００３６】
いくつかの実装形態によれば、パワー半導体装置は、ＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴを備える。少なくとも１つの動作変数を決定することは、ＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴのオフにするイベント中に、ＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴのゲート電圧、特にＩＧＢＴのゲートエミッタ電圧を計測することを備える。ゲート電圧は、特にオフにするイベント直前のゲート電圧によって与えられる。
【００３７】
いくつかの実装形態によれば、電力変換器の動作状況を決定することは、オン状態の電圧及びゲート電圧に依存して接合部温度を決定することを備える。
【００３８】
いくつかの実装形態によれば、電力変換器の動作状況を決定することは、特にパワー半導体装置の切替周波数を決定することを備える。切替周波数は、例えば、オンにするイベントの総数及びオフにするイベントの総数に依存して決定してよい。
【００３９】
いくつかの実装形態によれば、電力変換器の動作状況を決定することは、特にパワー半導体装置のデューティ比を決定することを備える。デューティ比は、例えば、状態の合計継続時間及びサンプル間隔の継続時間から決定されてもよい。
【００４０】
いくつかの実装形態によれば、電力変換器の動作状況を決定することは、パワー半導体装置のＤＣリンク又はＤＣ供給電圧を決定することを備える。ＤＣリンク又はＤＣ供給電圧は、オフ状態の電圧から決定されてもよく、特にオフ状態の電圧に等しくてもよい。
【００４１】
いくつかの実装形態によれば、電力変換器の動作状況を決定することは、例えば、ＡＣ周波数、ＡＣ電流、ＡＣ電圧及び／又は力率という、パワー半導体装置の特徴的なＡＣ量の決定を含む。力率は、ＡＣ電流とＡＣ電圧の間の位相シフト角、又は位相シフト角の余弦によって与えられる。ＡＣ電圧及びＡＣ電流は、例えば、それぞれの二乗平均平方根値によって与えられるだろう。ＡＣ周波数は、基本ＡＣ周波数及び／又は高次高調波ＡＣ周波数を含んでよい。
【００４２】
いくつかの実装形態によると、特徴的なＡＣ量には、高速フーリエ変換ＦＦＴが含まれる。
【００４３】
改良された概念によれば、電力変換器の動作状況を分析するための回路も提供される。特に、回路は、改良された概念に従って方法を実行するように構成される。
【００４４】
この回路は、クロック生成器、計測ユニット、及び評価ユニットを備える。クロック生成器は、一定のサンプル周波数を有するサンプルクロック信号を提供するように構成され、サンプルクロック信号は、特に、電力変換器の動作に対して非同期である。計測ユニットは、電力変換器の電力半導体装置の少なくとも１つの動作変数を繰り返し決定するように構成される。その中で、繰り返しはサンプルクロック信号に同期している。所与の繰り返しについて、少なくとも１つの動作変数を決定することは、所与の繰り返し内の電力変換器の切替挙動に依存して、少なくとも１つの動作変数を計測するか、又は前の繰り返しから少なくとも１つの動作変数の値を特定することを備える。評価ユニットは、少なくとも１つの決定された動作変数に基づいて電力変換器の動作状況を決定するように構成される。
【００４５】
いくつかの実装形態によれば、パワー半導体装置は、ダイオード、特にＰＩＮダイオード又はショットキーダイオード又はサイリスタ、あるいは例えば、ＭＯＳＦＥＴ、ＨＥＭＴ又はＪＦＥＴの電界効果トランジスタ、あるいは例えば、ＩＧＢＴ又はＢＪＴのバイポーラトランジスタを備える。
【００４６】
改良された概念による回路のさらなる実装及び実施形態は、改良された概念による方法の様々な実装及び実施形態のそれぞれから容易に続き、逆もまた同様である。
【００４７】
以下では、本発明は、図面を参照することにより、例示的な実装に関して詳細に説明される。
【００４８】
図面は、以下のものである。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】図１は、電力変換器のブロック図と、改良された概念による回路の例示的な実施形態を示す。
【図２】図２は、改良された概念による方法の例示的な実装形態を概略的に示す図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００５０】
図１は、電力変換器ＰＣのブロック図と、改良された概念による回路Ｃの例示的な実施形態を示す。回路Ｃにいかなる制限もなしに、電力変換器は、例えば、複数のパワー半導体装置ＰＳ１、ＰＳ２…ＰＳ６（６は例示的な数としてのみ示される。ＩＧＢＴの回路記号は、任意のパワー半導体装置の場所保持部としてだけの意味である。）と、駆動制御ユニットＤＣＵとを備えてよい。図１の例では、（パワー半導体）装置ＰＳ１、．．．、ＰＳ６は、電力変換器の標準適用である６スイッチ三相２レベルインバーターの一部として描かれている。しかしながら、これは説明のためにのみ行われ、改良された概念はそのような構造に依存しないため、この例が制限を課すものではない。電力変換器ＰＣは、切替信号ＳＳ、例えば、ＰＷＭ信号を生成するための回路をさらに備えることがある。ＰＷＭ信号は、ＰＷＭキャリア信号に基づいて生成されてよい。キャリア信号又は切替信号ＳＳは、例えば、電力変換器ＰＣのベースクロック生成器（図示せず）によって生成されたベースクロック信号又はシステムクロック信号に基づいて生成され得る。
【００５１】
回路Ｃは、例えば電力変換器ＰＣの外側に配置されていて、電力変換器ＰＣに結合されている。回路Ｃは、評価ユニットＥＵ及び計測ユニットＭＵを備える。さらに、回路はクロック生成器ＣＧを備える。任意選択で、回路Ｃは、記憶ユニット（図示せず）を備えてよい。
【００５２】
回路Ｃの動作は、図２に示されるように、改良された概念による方法の例示的な実装に関して説明される。
【００５３】
クロック生成器ＣＧは、一定のサンプル周波数を有するサンプルクロック信号ＳＣを提供する。図２では、７つの連続したサンプル間隔ＳＩ、Ｓ２、．．．、Ｓ７で、例えば反転したサンプル周波数に対応する等しい継続時間がある。特に、サンプルクロック信号ＳＣは、例えば、ベースクロック信号又は切替信号ＳＳの、電力変換器ＰＣの動作と非同期であるか、又は独立していてもよい。
【００５４】
計測ユニットＭＵは、サンプル間隔Ｓ１、．．．、Ｓ７のそれぞれの間の、パワー半導体装置ＰＳ１、．．．、ＰＳ６、の例えば装置ＰＳ１の、１つの動作変数を決定するように構成されている。
示されている例では、動作変数には、装置ＰＳ１のオン状態の電圧Ｖｏｎ、オン状態の電流Ｉｏｎ、及びオフ状態の電圧Ｖｏｆｆが含まれる。
【００５５】
さらに、動作変数は、サンプル間隔内のオンにするイベントの総数Ｎｏｎ及びオフにするイベントの総数Ｎｏｆｆを備えてよい。オンにするイベントは、切替信号ＳＳの論理０から論理１への切替イベントであり、オフにするイベントは、切替信号ＳＳの論理１から論理０への切替イベントである。したがって、示されている例では、サンプル間隔Ｓ７の間に２つのオンにするイベントがあり、サンプル間隔Ｓ３、Ｓ５、Ｓ６のそれぞれの間にオンにするイベントが１つある。サンプル間隔Ｓ１、Ｓ２、Ｓ４の間、オンにするイベントはない。さらに、サンプル間隔Ｓ６には２つのオフにするイベントがあり、サンプル間隔Ｓ１、Ｓ５、Ｓ７のそれぞれに１つのそれぞれのオフにするイベントがある。サンプル間隔Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４の間、オフにするイベントはない。
【００５６】
電力変換器ＰＣの切替挙動、特に切替信号ＳＳに依存して、特定のサンプル間隔ＳＩ、…、Ｓ７内で、動作変数のいくつかは、サンプル間隔の間又は終了時に計測されてもよく、先行のサンプル間隔から取得してもよい。これは、図２に関して、以下に例示的に説明されている。
【００５７】
最初のサンプル間隔Ｓ１では、切替信号ＳＳはオン状態で始まり、１つのオフにするイベントがある。オン状態の電流Ｉｏｎは、オンにするイベント後の非常に短い期間の後に安定しているため、Ｉｏｎは間隔ＳＩの間に計測される。代替的に、オン状態の電流イオンは、前のサンプル間隔（図示せず）から取得してよい。電流と比較して、オン状態の電圧Ｖｏｎは、オンにするイベント後により長い時間を必要とする。したがって、例えば、オン状態の電圧Ｖｏｎは、Ｓ１中に計測されるのではなく、前のサンプル間隔から取得される。それぞれのオン状態パルスの幅が十分に大きいならば、オン状態の電圧ＶｏｎもＳ１中に計測可能でもあることに注意する。オフにする電圧Ｖｏｆｆは、Ｓ１中、例えばオフにするイベント時又はオフにするイベント直後に計測される。しかしながら、これは制限ではなく、オフ状態の電圧Ｖｏｆｆは、間隔Ｓ１の後のある時点にも同様に計測可能であろう。このようにして決定された変数に基づいて、評価ユニットＥＵは、通電エネルギーＥｃ＝Ｖｏｎ＊Ｉｏｎ＊ｔｏｎを計算してよい。これから、上記の式（１）に従って得られた導通電力損失Ｐｃ、すなわちＰｃ＝Ｅｃ／Ｔｓであり、ここで、Ｔｓは、各サンプル間隔ＳＩ、．．．、Ｓ７の継続時間である。さらに、評価ユニットＥＵは、切替エネルギーＥｓｗ＝Ｎｏｎ＊Ｅｏｎ＋Ｎｏｆｆ＊Ｅｏｆｆを計算してよく、ここで、Ｅｏｎ及びＥｏｆｆは、パワー半導体装置ＰＳ１のオン状態の電流Ｉｏｎ、オフ状態の電圧Ｖｏｆｆ及び接合部温度の関数であってよい。ＥｏｎとＥｏｆｆの対応する値は、例えば、それぞれのルックアップテーブルから得られるだろう。次に、上記の式（２）で与えられる切替電力損失Ｐｓｗ、つまりＰｓｗ＝Ｅｓｗ／Ｔｓである。
【００５８】
第２のサンプル間隔Ｓ２では、切替信号ＳＳはオフ状態で始まり、オンにするイベントがない。したがって、切替及び伝導エネルギーＥｓｗ、Ｅｃは両方ともゼロである。オン状態の電流及び電圧Ｉｏｎ、Ｖｏｎは、定義により間隔Ｓ２に対して決定できない。オフ状態の電圧Ｖｏｆｆは、しかしながら任意選択で計測されてもよい。
【００５９】
第３のサンプル間隔Ｓ３では、切替信号ＳＳはオフ状態で始まり、１つのオンにするイベントを持つ。この場合、オン状態の電流と電圧のＩｏｎ、Ｖｏｎ、及びオフ状態の電圧Ｖｏｆｆの３つ全てをＳ３中に計測してよい。代替的に、オフ状態の電圧Ｖｏｆｆは、例えば、間隔Ｓ２から取得されてよい。切替エネルギーＥｓｗ及び伝導エネルギーＥｃは上記のように決定してよい。代替的に、オン状態の電圧Ｖｏｎは、例えば、間隔Ｓ１から得てよい。これは、Ｓ３のオンにするイベント後のＳ３内のオン状態の継続時間が、オン状態の電圧Ｖｏｎが安定するには短すぎる場合に有利だろう。
【００６０】
４番目のサンプル間隔Ｓ４では、切替信号ＳＳはオン状態で始まり、オフにするイベントはない。したがって、オフ状態の電圧Ｖｏｆｆは、間隔Ｓ４に対して、定義によって決定することはできず、切替エネルギーＥｓｗはゼロである。オン状態の電流Ｉｏｎ及び電圧Ｖｏｎは、Ｓ４の間に計測されてよく、通電エネルギーＥｃは、上記のように決定され得る。
【００６１】
第５のサンプル間隔Ｓ５では、切替信号ＳＳはオン状態で始まり、１つのオフにするイベントとそれに続く１つのオンにするイベントを有する。したがって、オン状態の電流Ｉｏｎ、オン状態の電圧Ｖｏｎ、及びオフ状態の電圧Ｖｏｆｆの３つ全てをＳ５中に計測してよい。切替エネルギーＥｓｗ及び通電エネルギーＥｃは上記のように決定してよい。代替的に、オン状態の電圧Ｖｏｎは、例えば、間隔Ｓ４から得てよい。これは、Ｓ５の２番目のオンにするイベント後のＳ５内のオン状態の継続時間が、オン状態の電圧Ｖｏｎが安定するには短すぎる場合に有利だろう。
【００６２】
第６のサンプル間隔Ｓ６では、切替信号ＳＳはオン状態で始まり、オフにするイベントがあり、その後にオンにするイベント及び別のオフにするイベントが続く。したがって、オン状態の電流Ｉｏｎ、オン状態の電圧Ｖｏｎ、及びオフ状態の電圧Ｖｏｆｆの３つ全てをＳ６中に計測してよい。切替エネルギーＥｓｗ及び通電エネルギーＥｃは上記のように決定してよい。代替的に、オン状態の電圧Ｖｏｎは、例えば、間隔Ｓ５から得てよい。これは、Ｓ５の２番目のオンにするイベント後のＳ５内のオン状態の継続時間が、オン状態の電圧Ｖｏｎが安定するには短すぎる場合に有利だろう。
【００６３】
第７のサンプル間隔Ｓ７において、切替信号ＳＳは、オフ状態で始まり、オンにするイベントがあり、その後にオフにするイベント及び別のオンにするイベントが続く。したがって、オン状態の電流Ｉｏｎ、オン状態の電圧Ｖｏｎ、及びオフ状態の電圧Ｖｏｆｆの３つ全てをＳ７中に計測してよい。切替エネルギーＥｓｗ及び通電エネルギーＥｃは上記のように決定してよい。代替的に、オン状態の電圧Ｖｏｎは、例えば、間隔Ｓ６から得られる。これは、Ｓ７での最初のオンにするイベント後の最初のオン状態期間と、２番目のオンにするイベント後のＳ７内の２番目のオン状態期間の両方が短すぎて、オン状態の電圧Ｖｏｎが安定しない場合に有利だろう。
【００６４】
このようにして、導通損失Ｐｃ及び電力損失Ｐｓｗは、電力変換器ＰＣのベースクロックとは独立して、サンプル間隔Ｓ１、．．．、Ｓ７のそれぞれについて決定されるだろう。
【００６５】
通電損失Ｐｃ及び切替電力損失Ｐｓｗは、評価ユニットＥＵによって加算されて、熱モデルへの入力として使用され得るパワー半導体装置ＰＳ１の自己発熱電力損失ＰＳｈを得られるだろう。熱モデルの出力は、パワー半導体装置ＰＳ１の接合部温度を決定するために使してよい。
【００６６】
任意選択で、クロスカップリング電力損失は、例えば評価ユニットＥＵによって決定され、精度を向上させるために熱モデルへの追加入力として使用される。クロスカップリング電力損失は、電力変換器ＰＣのさらなる装置、例えば、さらなる半導体装置ＰＳ２、…、ＰＳ６、及びそれらがパワー半導体装置ＰＳ１の接合部温度に及ぼす影響から生じるだろう。
【００６７】
改良された概念による方法又は回路によって、電力変換器の動作状況、特に電力変換器の電力半導体装置の接合部温度は、多種多様に適用可能な普遍的な方法で決定されるだろう。これには、スタンドアロン解決手段だけでなく、改良された概念自体による回路を備える電力変換器も含まれる。これは、動作状況分析の目的で固定されて選択されたサンプルクロックを確立することによって、達成される。計測は、サンプルクロック周期で定義されたサンプル間隔内の切替パターンに従って行われるため、電力損失が正しく計算され、計測が適切に行われるだろう。
【００６８】
改良された概念は、通常のＰＷＭ、例えば正弦波ＰＷＭ、３次高調波注入、空間ベクトルＰＷＭ、不連続ＰＷＭ、例えば過変調、マルチレベル変換器、不規則なＰＷＭ、例えば直接トルク制御、ヒステリシス制御、ライン周波数切替、例えばモジュラーマルチレベルアプリケーション、高速モータードライブ操作、あるいは、例えばバック及びブーストＤＣ−ＤＣ変換器のＤＣチョッパー、を備える電力変換器の任意の切替方式と互換性がある。
【００６９】
さらに、改良された概念は、電力変換器の幅広い切替周波数、例えば数百Ｈｚから数十ｋＨｚと互換性がある。５０Ｈｚから２００Ｈｚの範囲の変調周波数と同じくらい低い周波数でも可能である。
【００７０】
改良された概念によって、改良された概念自体に従って、回路から離れた絶縁バリアを越えて配置された異なるハードウェアに共通の同期基準も提供される。
【００７１】
改良された概念は、所与のサンプル間隔中に同じ動作変数を２回以上頻繁に決定し、電力損失計算のためにそれぞれの平均値又は他の集計値を計算することによってさらに強化されるだろう。これにより、高周波切替の適用の場合の精度が向上するだろう。
【００７２】
改良された概念に従った実装には、パワー半導体装置の接合部温度推定が含まれる場合がある。これは、次世代の「スマート」電力変換器のいくつもの特徴を可能にする。その特徴には、動的定格制御（インテリジェントなオーバーレート／ディレート）、最適化された並列インバータースタックの電流共有、状態監視（摩耗と異常動作の検出、予知保全の提供）、温度サイクルのカウントと残りの耐用年数の見積もり、開発及びタイプテスト中のインバータースタック設計の検証の改善、過熱検出の改善が含まれる。
【符号の説明】
【００７３】
ＰＣ  電力変換器
ＤＣＵ  駆動制御ユニット
ＰＳ１，…，ＰＳ６  パワー半導体装置
Ｃ  回路
ＥＵ  評価ユニット
ＣＧ  サンプルクロック生成部
ＭＵ  計測ユニット
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７  サンプリング間隔
ＳＣ  サンプルクロック信号
ＳＳ  切替信号
Ｔｓ  サンプリング間隔持続時間
ｔｏｎ  オン状態の持続時間
Ｉｏｎ  オン状態の電流
Ｖｏｎ  オン状態の電圧
Ｖｏｆｆ  オフ状態の電圧
Ｎｏｎ  オンにする数
Ｎｏｆｆ  オフにする数
Ｅｃ  導電エネルギー
Ｅｓｗ  切替エネルギー
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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