(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒートシンクに装着した半導体素子を主回路スイッチ素子とし、ヒートシンクを空冷用ファンのオン・オフ制御で半導体素子を熱破壊から保護する保護装置を備えたインバータにおいて、
前記保護装置は、前記ヒートシンクに取り付けた感温素子により検出する半導体素子の温度検出値のうち、設定時間内の最低温度と現在の温度検出値との偏差ΔＴを求め、この偏差ΔＴが前記ファンのオン条件差分温度ΔＴｏｎよりも大きいときに前記ファンをオン制御し、前記偏差ΔＴが前記ファンのオフ条件差分温度ΔＴｏｆｆよりも小さいときに前記ファンをオフ制御する保護手段を備えたことを特徴とするインバータ。
【請求項２】
前記保護装置は、インバータの負荷電流ｉの設定時間内の積分値Ｉが感温素子異常判定値ＴＨｅｒｒより大きいときに前記感温素子の異常と判定して保護出力を得る保護手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載のインバータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子を主回路スイッチ素子とするインバータに係り、特にファンのオン・オフ制御で半導体素子を空冷する保護装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の保護装置を備えたインバータの構成例を図４に示す。インバータ本体は、整流器１で交流電力を直流に変換し、電解コンデンサ２で平滑し、逆変換器３で直流から電圧と周波数を制御した交流出力を得て負荷となるモータ４等に供給する。ＰＷＭ制御回路５は、モータ速度指令とモータ４の速度検出器６の検出信号を比較し、さらにＰＷＭ波形にして逆変換器３のゲート信号を得る。
【０００３】
保護装置７は、インバータの運転における電圧や電流を監視し、過電流や過電圧、不足電圧の検出でインバータの出力制限や遮断器解離等の保護出力を得る。この保護装置７は、他の保護機能として、逆変換器３に設けられる半導体素子の温度保護機能が設けられる。
【０００４】
この温度保護機能を説明する。逆変換器３は、ヒートシンク８に複数（例えば６アーム）の半導体素子９を装着してそのゲート信号によりオン・オフ制御され、このときの半導体素子９の発熱をヒートシンク８を通して放熱することで半導体素子９の熱破壊を防止する。ヒートシンク８の周辺には空冷用ファン１０を設ける。また、ヒートシンク８にはその温度検出器としてのサーミスタ１１を接触させる。
【０００５】
保護装置７は、サーミスタ１１で検出するヒートシンク８の温度Ｔｈを監視し、この温度Ｔｈがファン１０のオン条件温度Ｔｏｎ以上になったときにファン１０をオン制御することで半導体素子を過熱から保護し、温度Ｔｈがファン１０のオフ条件温度Ｔｏｆｆ以下になったときにファン１０をオフ制御することでファンの電力消費を抑制する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
（１）温度サイクルの問題点
従来の温度保護方式では、インバータの周囲温度Ｔａを考慮することなくヒートシンク８の検出温度に基づいてのみファン制御するため、周囲温度Ｔａが低い状態ではヒートシンク８の温度上昇値（ΔＴ＝Ｔｈ−Ｔａ）が大きくなってもファンはオン制御されない。例えば、Ｔｏｎ＝６０℃に設定され、Ｔａ＝０℃のときには ΔＴ＝６０℃の温度上昇までファンがオン制御されない。
【０００７】
このため、例えば、インバータがモータ４の断続運転や加減速運転を繰り返し、ヒートシンク８の温度が０℃→６０℃→０℃という温度サイクルを繰り返した場合、ヒートシンク８に取り付けられた半導体素子９が熱疲労により破壊してしまう恐れがある。
【０００８】
（２）サーミスタ異常の問題点
従来の温度保護方式では、ファン１０の制御はサーミスタ１１の検出温度に依存しているため、サーミスタの温度検出回路に異常が発生した場合、ΔＴが許容値を超えた場合にもファンをオンすることができず、半導体素子９の熱破壊の原因となる。
【０００９】
この対策として、従来装置ではサーミスタ１１の回路がオープンまたはショートした場合にその検出で異常と判定し、運転停止等の保護動作を得るようにしている。しかし、サーミスタ１１の回路がオープンでもショートでもない異常発生、例えばヒートシンク８へのサーミスタ１１の取り付け不良等が発生した場合、温度異常を検出できず、半導体素子９の熱破壊を起こしてしまう。
【００１０】
本発明の目的は、前記の課題を解決したインバータを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、サーミスタ等の感温素子の検出温度履歴からヒートシンクの周囲温度を予測し、この温度がファンのオン、オフ条件差分温度内に検出温度が入るようファンを制御することにより、温度サイクルによる半導体素子の熱疲労を防止するものであり、以下の構成を特徴とする。
【００１２】
（１）ヒートシンクに装着した半導体素子を主回路スイッチ素子とし、ヒートシンクを空冷用ファンのオン・オフ制御で半導体素子を熱破壊から保護する保護装置を備えたインバータにおいて、
前記保護装置は、前記ヒートシンクに取り付けた感温素子により検出する半導体素子の温度検出値のうち、設定時間内の最低温度と現在の温度検出値との偏差ΔＴを求め、この偏差ΔＴが前記ファンのオン条件差分温度ΔＴｏｎよりも大きいときに前記ファンをオン制御し、前記偏差ΔＴが前記ファンのオフ条件差分温度ΔＴｏｆｆよりも小さいときに前記ファンをオフ制御する保護手段を備えたことを特徴とする。
【００１３】
なお、前記保護装置は、前記感温素子の温度検出値Ｔｈが前記ファンのオン条件温度設定値Ｔｏｎよりも大きいときに前記ファンをオン制御し、前記温度検出値Ｔｈが前記ファンのオフ条件温度設定値Ｔｏｆｆよりも小さいときに前記ファンをオフ制御する保護手段を備えるのが好ましい。
【００１４】
また、本発明は、インバータの負荷電流の積分値を感温素子の検出温度に対応付けることで、サーミスタ回路の接触不良等の異常検出を可能にし、さらにサーミスタ回路を不要にしたもので、以下の構成を特徴とする。
【００１５】
（２）ヒートシンクに装着した半導体素子を主回路スイッチ素子とし、ヒートシンクを空冷用ファンのオン・オフ制御で半導体素子を熱破壊から保護する保護装置を備えたインバータにおいて、
前記保護装置は、インバータの負荷電流ｉの設定時間内の積分値Ｉが感温素子異常判定値ＴＨｅｒｒより大きいときに前記感温素子の異常と判定して保護出力を得る保護手段を備えたことを特徴とする。
【００１６】
なお、前記感温素子異常判定値ＴＨｅｒｒは、前記設定時間内の負荷電流パターンのうち、半導体素子の温度上昇が最も小さくなる運転パターンでの温度偏差ΔＴがファンのオン制御差分温度ΔＴｏｎに一致する電流積分値とするのが好ましい。
【００１７】
また、前記保護装置は、前記感温素子の温度検出値Ｔｈが前記ファンのオン条件温度設定値Ｔｏｎよりも大きいときに前記ファンをオン制御し、前記温度検出値Ｔｈが前記ファンのオフ条件温度設定値Ｔｏｆｆよりも小さいときに前記ファンをオフ制御する保護手段を備えるのが好ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図１は、実施形態１の保護処理フローであり、保護装置７をマイクロプロセッサによるソフトウェア構成とする場合での前記の温度サイクルの問題を解消した保護方式である。
【００２１】
保護装置７は、サーミスタ１１の検出温度Ｔｈを周期的に読み込み（Ｓ１）、この温度Ｔｈについて設定時間（例えば過去４時間）内の最低温度Ｔｍｉｎを記録更新を繰り返しておく（Ｓ２）。この処理Ｓ２は、最低温度Ｔｍｉｎを半導体素子またはヒートシンクの現在の周囲温度として求めておくものである。
【００２２】
次に、保護装置７は、サーミスタ１１の検出温度Ｔｈを読み込む毎に、検出温度Ｔｈと最低温度Ｔｍｉｎとの偏差ΔＴ（＝Ｔｈ−Ｔｍｉｎ）を求め（Ｓ３）、このΔＴがファン１０のオン条件差分温度ΔＴｏｎ（例えば１５℃）よりも大きいか否かを判定し（Ｓ４）、ΔＴｏｎよりも大きいときにファン１０のオン制御を行う（Ｓ５）。
【００２３】
ΔＴがΔＴｏｎよりも小さいとき、ΔＴがファン１０のオフ条件差分温度ΔＴｏｆｆ（例えば１５℃）よりも大きいか否かを判定し（Ｓ６）、ΔＴｏｆｆよりも小さいときにファン１０のオフ制御を行う（Ｓ７）。
【００２４】
したがって、サーミスタ１１で検出するヒートシンクの温度（半導体素子９の温度）Ｔｈがファンのオン条件温度Ｔｏｎまたはオフ条件温度にならない場合、従来ではファンのオン・オフ制御がなされないが、本実施形態では、上限が差分温度ΔＴｏｎ以上、または下限が差分温度ΔＴｏｆｆ以下になる場合にファン制御がなされ、半導体素子が広い温度範囲で温度サイクルが発生してその熱疲労を招くのを防止し、半導体素子の寿命を大幅に改善できる。
【００２５】
（実施形態２）
図２は、実施形態２の保護処理フローを示し、サーミスタ回路の異常を検出することにより半導体素子を保護する場合である。
【００２６】
保護装置７は、過電流保護のためのインバータの出力電流検出信号を負荷電流ｉとして周期的に読み込み（Ｓ１１）、この負荷電流ｉについて設定時間（例えば１６分間）での積分値Ｉを演算・更新しておく（Ｓ１２）。この電流積分値Ｉは、設定時間での負荷電流の平均値に対応するものであり、この負荷電流の大小が半導体素子の発熱量に相関性をもつことから、サーミスタ１１の検出信号に対応する量として求めるものである。
【００２７】
次に、保護装置７は、電流積分値Ｉが設定値ＴＨｅｒｒよりも大きいか否かを判定し（Ｓ１３）、大きい場合にはサーミスタ回路の異常と判定してその出力で保護動作を行う（Ｓ１４）。また、小さいは場合にはサーミスタ回路の正常として次回の保護処理に戻る。
【００２８】
ここで、設定値ＴＨｅｒｒの算出を説明する。電流積分値Ｉが設定値ＴＨｅｒｒに一致すれば、常にΔＴ＞ΔＴｏｎでなければ、誤検出してしまう。そこで、設定時間の電流パターンの中で、温度上昇が最も小さくなるパターンによりインバータ運転を行い、このときのΔＴ＝ΔＴｏｎとなる平均電流を求めてＴＨｅｒｒとする。
【００２９】
この方式を採用することにより、サーミスタ異常を検出した時点でも、半導体素子の動作保証温度範囲内で確実に保護をかけることが可能となる。
【００３０】
したがって、本実施形態によれば、設定時間での負荷電流の積分値を基にしてサーミスタ回路の異常を検出することができ、サーミスタ回路の接触不良などの異常にもその確実な検出ができ、ひいては半導体素子の保護を確実にする。
【００３１】
なお、負荷電流の検出を出力電流から求めるのに代えて、インバータの直流電流を検出することでもよい。
【００３２】
（実施形態３）
図３は、実施形態３の保護処理フローであり、保護装置７をマイクロプロセッサによるソフトウェア構成とする場合でのサーミスタ回路の異常にも保護を可能にする方式である。
【００３３】
保護装置７は、実施形態２と同様に、インバータ直流回路の電流検出信号を負荷電流ｉとして周期的に読み込み（Ｓ２１）、この負荷電流ｉについて設定時間（例えば１６分間）での積分値Ｉを演算・更新する（Ｓ２２）。
【００３４】
次に、保護装置７は、電流積分値Ｉを求める毎に、この積分値Ｉがファン１０のオン条件電流設定値Ｉｏｎよりも大きいか否かを判定し（Ｓ２３）、Ｉｏｎよりも大きいときにファン１０のオン制御を行う（Ｓ２４）。
【００３５】
ＩがＩｏｎよりも小さいとき、Ｉがファン１０のオフ条件電流設定値Ｉｏｆｆよりも大きいか否かを判定し（Ｓ２５）、Ｉｏｆｆよりも小さいときにファン１０のオフ制御を行う（Ｓ２６）。
【００３６】
ここで、電流設定値Ｉｏｎの算出は、設定時間での電流パターンの中で、温度上昇が最も大きくなるパターンによりインバータ運転を行い、ΔＴ＝ΔＴｏｎとなる電流積分値をＩｏｎとする。同様に、電流設定値Ｉｏｆｆの算出は、設定時間での電流パターンの中で、温度上昇が最も大きくなるパターンによりインバータ運転を行い、ΔＴ＝ΔＴｏｆｆとなる電流積分値をＩｏｆｆとする。
【００３７】
したがって、サーミスタ１１で検出するヒートシンクの温度（半導体素子９の温度）Ｔｈを基にしたファン制御に代えて、負荷電流ｉの平均値Ｉを基にしたファン制御を行うことができ、サーミスタによる温度検出が不要になる。
【００３８】
なお、以上までの各実施形態は、逆変換器３の温度保護方式を示すが、整流器１に代えて半導体素子構成の順変換器を設ける場合は、該順変換器の保護に適用して同等の作用を効果を得ることができる。また、保護装置をソフトウェア構成とする場合で示すが、これらをハードウェア構成に置換できるのは勿論である。また、各実施形態を従来の保護方式と併用して、半導体素子の保護が一層効果的となる。また、温度検出素子としてサーミスタを示すが他の感温素子で置換できるし、インバータの制御方式はＰＷＭ方式に限られるものではない。さらに、負荷はモータに限らない。
【００３９】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、感温素子の検出温度履歴からヒートシンクの周囲温度を予測し、ファンのオン、オフ条件差分温度内に検出温度が入るようファンを制御するようにしたため、半導体素子に加えられる温度サイクルによる熱疲労で素子が破壊するのを防止できる。
【００４０】
また、本発明によれば、インバータの負荷電流の積分値を感温素子の検出温度に対応付けた保護を行うようにしたため、サーミスタ回路の接触不良等の異常検出が可能になるし、サーミスタ回路が不要になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１の保護処理フロー。
【図２】本発明の実施形態２の保護処理フロー。
【図３】本発明の実施形態３の保護処理フロー。
【図４】インバータの構成例。
【符号の説明】
１…整流器
２…電界コンデンサ
３…逆変換器
４…モータ
５…ＰＷＭ制御回路
７…保護装置
８…ヒートシンク
９…半導体素子
１０…ファン
１１…サーミスタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
0003818082.tif 000005