(57)【要約】【課題】複数個が並列に接続された電力用半導体素子の温度を正確に求め、温度均一化制御を行うことができる電力変換装置を提供する。【解決手段】電力用半導体素子１の近傍に設置された温度センサ７とベース板４に取付けられた温度センサ８との２箇所に温度センサを備え、制御回路１１は２箇所の温度センサ７，８の検出温度から電力用半導体素子１の温度を算出して比較し、複数個が並列に接続された電力用半導体素子１の温度均一化制御を行うものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力用半導体素子が基板に取付けられベース板上に設置された電力用半導体モジュールの複数個が並列接続された変換器ユニットと、前記電力用半導体素子の動作を制御する制御回路とを備えた電力変換装置であって、前記基板と前記ベース板との少なくとも２箇所に設けられた温度センサを備え、前記制御回路は少なくとも２箇所の前記温度センサの検出温度から前記電力用半導体素子の温度を算出して比較し、複数個の前記電力用半導体素子の温度均一化制御を行うことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記電力用半導体素子から前記基板に設けられた前記温度センサまでの熱抵抗と、前記基板に設けられた前記温度センサから前記ベース板に設けられた前記温度センサまでの熱抵抗とを予め求めておき、前記制御回路は前記熱抵抗と前記温度センサの検出温度から前記電力用半導体素子の温度を算出することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
電力用半導体素子がベース板上に設置された電力用半導体モジュールの複数個が冷却器上に設置され並列接続された変換器ユニットと、前記電力用半導体素子の動作を制御する制御回路とを備えた電力変換装置であって、前記ベース板と前記冷却器との少なくとも２箇所に設けられた温度センサを備え、前記制御回路は少なくとも２箇所の前記温度センサの検出温度から前記電力用半導体素子の温度を算出して比較し、複数個の前記電力用半導体素子の温度均一化制御を行うことを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
前記電力用半導体素子から前記ベース板に設けられた前記温度センサまでの熱抵抗と、前記ベース板に設けられた前記温度センサから前記冷却器に設けられた前記温度センサまでの熱抵抗とを予め求めておき、前記制御回路は前記熱抵抗と前記温度センサの検出温度から前記電力用半導体素子の温度を算出することを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記制御回路は前記電力用半導体素子を駆動するゲート駆動回路に指令を与えて、温度が高い前記電力用半導体素子のゲート電圧を下げるとともに、温度が低い前記電力用半導体素子のゲート電圧を上げることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えばインバータなどに使用され、複数個の電力用半導体素子を並列に接続して構成された電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の電力変換装置においては、並列に接続された複数個のトランジスタ（電力用半導体素子）の温度が均一となるように、トランジスタの近傍に配置した温度センサ（ダイオード）を用いてトランジスタの温度を検出し、トランジスタの制御を行うものが提案されている。（例えば、特許文献１）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−８６８５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の電力変換装置においては、トランジスタの近傍に配置した温度センサによってトランジスタの温度を検出していた。しかし、トランジスタと熱的にカップリングした場所へ温度センサを配置するのは限度があるため、温度センサで検出した温度はトランジスタの温度と同一ではない。このため電力用半導体素子の正確な温度を元にした温度均一化制御ができないという課題があった。
【０００５】
この発明は以上のような課題を解決するためになされたもので、複数個が並列に接続されたトランジスタ（電力用半導体素子）の温度を正確に求め、温度均一化制御を行う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】
【０００６】
この発明に係る電力変換装置は、電力用半導体素子が基板に取付けられベース板上に設置された電力用半導体モジュールの複数個が並列接続された変換器ユニットと、前記電力用半導体素子の動作を制御する制御回路とを備えた電力変換装置であって、前記基板と前記ベース板との少なくとも２箇所に設けられた温度センサを備え、前記制御回路は少なくとも２箇所の前記温度センサの検出温度から前記電力用半導体素子の温度を算出して比較し、複数個の前記電力用半導体素子の温度均一化制御を行うことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、電力用半導体素子が基板に取付けられベース板上に設置された電力用半導体モジュールの複数個が並列接続された変換器ユニットと、前記電力用半導体素子の動作を制御する制御回路とを備えた電力変換装置であって、前記基板と前記ベース板との少なくとも２箇所に設けられた温度センサを備え、前記制御回路は少なくとも２箇所の前記温度センサの検出温度から前記電力用半導体素子の温度を算出して比較し、複数個の前記電力用半導体素子の温度均一化制御を行うものであるため、前記制御回路は少なくとも２箇所の前記温度センサの検出温度から前記電力用半導体素子の温度を正確に求めることができ、複数個の前記電力用半導体素子の温度を均一化することができる電力変換装置を得ることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施の形態１における電力変換装置を示す概略構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１における電力変換装置の冷却器に搭載された電力用半導体モジュールを断面で示す構成図である。
【図３】この発明の実施の形態１における電力変換装置の一実施例を説明する説明図である。
【図４】この発明の実施の形態１における電力変換装置の電力用半導体素子から冷却器までの熱回路網を説明する説明図である。
【図５】この発明の実施の形態２における電力変換装置の冷却器に搭載された電力用半導体モジュールを断面で示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、この発明の実施の形態について説明するが、各図において同一、または相当部分については同一符号を付して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における電力変換装置を示す概略構成図、図２はこの発明の実施の形態１における電力変換装置の冷却器に搭載された電力用半導体モジュールを断面で示す構成図、図３はこの発明の実施の形態１における電力変換装置の一実施例を説明する説明図、図４はこの発明の実施の形態１における電力変換装置の電力用半導体素子から冷却器までの熱回路網を説明する説明図である。
【００１０】
まず図２にもとづき電力用半導体モジュールについて説明する。電力用半導体素子１は、はんだ２によって基板３の配線パターン３ａ上に実装されている。基板３は配線パターンと絶縁体３ｂおよび裏面パターン３ｃによって構成されている。基板３はベース板４に搭載され、電力用半導体素子１からベース板４までで電力用半導体モジュールが構成されている。電力用半導体モジュールは、熱伝導グリース５を介して、冷却器６に搭載されている。冷却器６は冷却用の空気を通すための冷却フィン６ａが設けられている。電力用半導体素子１が実装されている近傍の配線パターン３ａに、温度センサ７が配置され、ベース板４の温度を測定するために、温度センサ８がベース板４に埋め込まれている。なお、図２では基板３に１個の電力用半導体素子１が実装されているが、複数個の電力用半導体素子１が実装されていても良い。また、図２では冷却器６の上に電力用半導体モジュールを１つ配置した構成であるが、一つの冷却器６上に複数の電力用半導体モジュールを配置しても良い。
【００１１】
図２のように構成された電力用半導体モジュールは、図１に示すように電力用半導体素子１を駆動するためのゲート電圧を出力するゲート駆動回路９が取付けられて変換器ユニット１０を構成している。図１では３個の変換器ユニット１０の電力用半導体素子１の動作をゲート駆動回路９を介して制御回路１１で制御している。制御回路１１には温度センサ７および８で検出した温度が入力され、後で詳細に動作説明する温度均一化制御が実施される。図３はインバータの接続例を示しており、電力用半導体素子１が２個使用された電力用半導体モジュール１０ａが３並列に接続された変換器ユニット１０が３個設けられており、商用交流電源１２から交直変換用の変換器ユニット１０ｂを介して得られた直流電力を蓄電した電力用コンデンサ１３からの直流電力を使用して、変換器ユニット１０で交流電力に変換して負荷用交流電源１４に出力する。３個の変換器ユニット１０は負荷用交流電源１４のＵ相，Ｖ相，Ｗ相にそれぞれ接続されている。
【００１２】
なお、電力用半導体モジュール１０ａは、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）またはＧＣＴ（Ｇａｔｅ  Ｃｏｍｍｕｔａｔｅｄ  Ｔｕｒｎ−ｏｆｆ  ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）などとして知られるスイッチング素子である。また、図３では変換器ユニット１０には電力用半導体モジュール１０ａが３並列に接続されているが、３並列に限定されるものではなく、必要に応じて複数の電力用半導体モジュール１０ａが並列に接続されていても良い。
【００１３】
次に動作について説明する。図４は電力用半導体素子１の発熱量をＰとし、冷却器６の冷却フィン６ａに入る空気の温度をＴａとした場合の熱回路網を示しており、電力用半導体素子１の温度をＴｊ、基板３に配置された温度センサ７で検出された温度をＴ１、ベース板４に取付けられた温度センサ８で検出された温度をＴ２、電力用半導体素子１から温度センサ７までの熱抵抗をＲｊ１、温度センサ７から温度センサ８までの熱抵抗をＲ１２、温度センサ８から冷却用空気までの熱抵抗をＲ２ａで表しており、熱抵抗Ｒｊ１および熱抵抗Ｒ１２は予め試験等を実施して求めておく。制御回路１１では所定間隔で温度センサ７により検出された温度Ｔ１および温度センサ８により検出された温度Ｔ２を取り込んで、予め求めている熱抵抗Ｒｊ１，Ｒ１２を使用して電力用半導体素子１の温度ＴｊをＴｊ＝Ｔ１+（Ｔ１−Ｔ２）×Ｒｊ１／Ｒ１２で算出する。
【００１４】
一般に、温度センサ７は電力用半導体素子１との絶縁を確保しなければならないため、電力用半導体素子１に設置することはできず、電力用半導体素子１の温度そのものを測定することはできない。また、電力用半導体素子１の正確な温度を推定するためには、電力用半導体素子１の発熱量を求めなければならないが、電流や電圧の測定から電力用半導体素子１の発熱量を求めるためには、高精度の測定機器を製品に組み込まねばならず、コスト的に現実的ではない。しかし、上記説明のように２個の温度センサ７，８で検出した温度Ｔ１，Ｔ２を使用して電力用半導体素子１の温度Ｔｊを求めることで、電力用半導体素子１の発熱量Ｐが不明であっても、電力用半導体素子１の温度Ｔｊを正確に算出することが出来る。
【００１５】
次に、制御回路１１は変換器ユニット１０を構成する複数の電力用半導体素子１の算出した温度Ｔｊを比較して、温度Ｔｊの高い電力用半導体素子１のゲート駆動回路９に対して温度下げ指令（または、電圧下げ指令）を送信し、温度Ｔｊの低い電力用半導体素子１のゲート駆動回路９に対して温度上げ指令（または、電圧上げ指令）を送信する。制御回路１１から指令を受けたゲート駆動回路９は、温度下げ指令であれば、ゲート電圧を下げて設定して電力用半導体素子１の駆動を実施することで、電力用半導体素子１に流れる電流が減少して、電力用半導体素子１の発熱量Ｐが減少するため温度が低下する。また、温度上げ指令であれば、ゲート電圧を上げて設定して電力用半導体素子１の駆動を実施することで、電力用半導体素子１に流れる電流が増加して、電力用半導体素子１の発熱量Ｐが増加するため温度が上昇する。このような制御動作を所定間隔で実施することで、並列に接続した複数の電力用半導体素子１の温度のばらつきを抑えて均一化することができ、余分なマージンを含まない設計が可能となるため、変換器ユニット１０の小型化や低コスト化を図ることができる。なお、上記説明では変換器ユニット１０について説明したが、交直変換用の変換器ユニット１０ｂにおいても、複数の電力用半導体素子１が並列に接続されておれば、本件発明を同様に実施することが可能である。
【００１６】
実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２における電力変換装置の冷却器に搭載された電力用半導体モジュールを断面で示す構成図である。上記実施の形態１では、電力用半導体モジュール内の基板３に温度センサ７が配置され、ベース板４に温度センサ８が埋め込まれている場合について説明したが、実施の形態２では電力用半導体モジュール内に温度センサが取付けられない場合について説明する。
【００１７】
図５において、温度センサ８がベース板４に埋め込まれ、冷却器６に温度センサ１５が埋め込まれている。なお、その他部分の構成については上記実施の形態１と同様であるため説明を省略する。
【００１８】
次に動作について説明する。実施の形態２の場合には、図４は電力用半導体素子１の発熱量をＰとし、冷却器６の冷却フィン６ａに入る空気の温度をＴａとした場合の熱回路網を示しており、電力用半導体素子１の温度をＴｊ、ベース板４に取付けられた温度センサ８で検出された温度をＴ１、冷却器６に取付けられた温度センサ１５で検出された温度をＴ２、電力用半導体素子１から温度センサ８までの熱抵抗をＲｊ１、温度センサ８から温度センサ１５までの熱抵抗をＲ１２、温度センサ１５から冷却用空気までの熱抵抗をＲ２ａで表しており、熱抵抗Ｒｊ１および熱抵抗Ｒ１２は予め試験等を実施して求めておく。制御回路１１では所定間隔で温度センサ８により検出された温度Ｔ１および温度センサ１５により検出された温度Ｔ２を取り込んで、予め求めている熱抵抗Ｒｊ１，Ｒ１２を使用して電力用半導体素子１の温度ＴｊをＴｊ＝Ｔ１+（Ｔ１−Ｔ２）×Ｒｊ１／Ｒ１２で算
出する。
【００１９】
上記説明のように２個の温度センサ８，１５で検出した温度Ｔ１，Ｔ２を使用して電力用半導体素子１の温度Ｔｊを求めることで、電力用半導体モジュール内に温度センサが取付けられない場合においても、電力用半導体素子１の温度Ｔｊを正確に算出することが出来る。なお、以降の動作については上記実施の形態１と同様であるため説明を省略する。
【００２０】
なお、この発明は、その発明の範囲内において各実施の形態を自由に組み合わせたり、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００２１】
１  電力用半導体素子、２  はんだ、３  基板、４  ベース板、５  熱伝導グリース、６  冷却器、７  温度センサ、８  温度センサ、９  ゲート駆動回路、１０  変換器ユニット、１１  制御回路、１２  商用交流電源、１３  電力用コンデンサ、１４  負荷用交流電源、１５  温度センサ
【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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