CN103843238B - 功率转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的功率转换装置(18)构成为使用利用了内置的制冷剂的沸腾现象的沸腾冷却装置对开关元件进行冷却，具有控制部(17)，该控制部(17)基于开关元件的安装面的温度即元件安装面温度(Tf)、与冷却装置进气温度(Ta)之间的偏差来控制功率转换装置(18)的动作。该控制部(17)在元件安装面温度(Tf)、与冷却装置进气温度(Ta)之间的偏差超过预定阈值时，进行控制以使功率转换装置(18)停止。

Description

功率转换装置
技术领域
本发明涉及一种构成为可利用沸腾冷却方式的冷却装置进行冷却的功率转换装置。
背景技术
功率转换装置使MOSFET、IGBT等开关元件进行开关动作以进行功率转换。此时，伴随着开关元件的开关动作，会发生开关损耗。若发生开关损耗，则开关元件的温度(以下称为“元件温度”)上升。因此，用于抑制元件温度上升的冷却装置是必不可少的。
冷却装置一般采用包括用于使元件发热冷却的翅片的结构，为了进一步提高冷却能力，还存在多种使用利用了内置的制冷剂的沸腾现象的沸腾冷却方式的冷却装置。
利用沸腾冷却方式的冷却装置(以下称为“沸腾冷却装置”)中，在翅片内部填充有制冷剂，通过使因元件的发热而沸腾并气化后的制冷剂经由冷凝器并利用冷却风进行冷却，从而使元件冷却。
沸腾冷却装置中，通常充满100%的制冷剂(例如，水或电子氟化液(Fluorinert))。该制冷剂气化时的压力(蒸气压)在常温下大致为0.3气压。
另一方面，沸腾冷却装置中，已知在通常的使用环境下，会在冷凝器的部分开有微细的孔。在开有微细的孔的情况下，与冷凝器内部为0.3气压不同，冷凝器外部为1气压，因此指出了对大气中的空气混入到冷凝器内进行管理的重要性(例如，下述专利文献1)。
此外，该专利文献1所示的沸腾冷却装置(该文献中作为“沸腾冷却晶闸管装置”披露)中，若大气中的非冷凝气体即空气混入到冷凝器内，则在冷凝器的上下会产生温度差，使用设置于冷凝器表面周壁上的多个温度传感器来检测该温度差，基于检测到的温度差信息来掌握沸腾冷却装置的冷却性能。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开平4－285470号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
上述中，虽然对由于空气混入到冷凝器内而导致沸腾冷却装置的冷却性能下降的情况进行了说明，但冷却性能的下降还会由于除了空气混入到冷凝器内以外的原因、例如冷却翅片的堵塞等而发生。因此，上述专利文献1所示的方法中，被认为存在如下问题：即使能够检测出因空气混入到冷凝器内而导致的冷却性能下降，也无法有效地检测出因其他原因而导致的性能下降。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于，提供包括沸腾冷却装置的功率转换装置：该沸腾冷却装置能够有效地检测出因包括空气混入到冷凝器内在内的原因而导致的冷却性能下降。
解决技术问题所采用的技术方案
为了解决上述问题，达到目的，本发明所涉及的功率转换装置采用如下结构：利用开关元件的开关动作，将所输入的直流电或交流电转换成所期望的交流电并输出，使用利用了内置的制冷剂的沸腾现象的冷却装置对所述开关元件进行冷却，其特征在于，所述功率转换装置具有：控制部，该控制部基于所述开关元件或该开关元件安装面的温度与进入到所述冷却装置的冷却风的温度之间的偏差来控制装置的动作，所述控制部在所述偏差超过预定阈值时进行控制以使装置停止。
发明效果
根据本发明，可起到如下效果：可提供能够有效地检测出因空气混入到冷凝器内、堵塞等原因而导致的冷却性能下降的功率转换装置。
附图说明
图1是表示实施方式1所涉及的功率转换装置所使用且优选的冷却装置的一个结构例的概要图。
图2是表示实施方式1所涉及的功率转换装置的结构的图。
图3是表示运行指令生成部的详细结构的图。
图4是表示功率转换电路控制部的详细结构的图。
图5是表示元件过温度检测部的详细结构的图。
图6是表示ΔTf-a运算部的详细结构的图。
图7是表示冷却性能下降检测部的详细结构的图。
图8是表示驾驶员警告部的详细结构的图。
图9是说明高温时或高发热时的冷却装置的动作的图。
图10是说明低温时且低发热时的冷却装置的动作的图。
图11是表示功率转换装置的动作过程中的元件安装面温度的变动例的图。
图12是表示翅片内部有空气混入时的元件安装面温度特性(周围温度较高时)的变化的图。
图13是表示翅片内部有空气混入时的元件安装面温度特性(周围温度较低时)的变化的图。
图14是表示实施方式2所涉及的功率转换装置的结构的图。
图15是表示ΔTf-f1运算部的详细结构的图。
图16是表示实施方式2所涉及的冷却性能下降检测部的详细结构的图。
图17是表示实施方式3所涉及的功率转换装置的结构的图。
图18是表示实施方式3所涉及的冷却性能下降检测部的详细结构的图。
图19是表示损耗运算部的详细结构的图。
具体实施方式
下面，参照附图，对本发明的实施方式所涉及的功率转换装置进行说明。此外，本发明并不局限于以下示出的实施方式。
实施方式1.
图1是表示本发明的实施方式1所涉及的功率转换装置所使用且优选的冷却装置的一个结构例的概要图，(a)是正视图，(b)是侧视图。图1所示的冷却装置50是利用沸腾冷却方式的冷却装置(沸腾冷却装置)，包括作为散热部的冷凝器52、作为吸热部的蒸发器53、制冷剂54、翅片55等而构成。设置于后述的功率转换装置且构成主电路的开关元件57与蒸发器53相接安装(图1中，例示出安装于蒸发器53的下部的结构)。制冷剂54封入在设置于蒸发器53内部的制冷剂室56a中。
在开关元件57的安装面60上，设置有用于测量开关元件57的温度、或其附近的温度的温度传感器9a(例如整流器电路用)和温度传感器9b(例如逆变器电路用)。即，温度传感器9a、9b作为通过测量开关元件安装面温度从而间接地测量开关元件温度的温度传感器而配置。除了温度传感器9a、9b以外，在冷凝器52的上部还设置有用于测定冷凝器52的进气温度的温度传感器9c。此外，温度传感器9c可安装在能测定冷凝器52的进气温度的任意位置上。
若开关元件57发热，则制冷剂54的温度上升。若制冷剂54的温度达到某一温度，则制冷剂54沸腾，气化后的制冷剂54进入到设置于冷凝器52内部的制冷剂室56b内。此外，根据冷却装置的结构，还存在气化后的制冷剂也进入到翅片内部的结构。因开关元件57的发热而产生的热量通过翅片55散热。此外，如图1所示，若向翅片55流通冷却风58，则能够促进通过冷凝器52的暖风59的移动，能够实现冷却效率较高的冷却装置。
图2是表示本发明的实施方式1所涉及的功率转换装置的结构的图。功率转换装置18包括主电路8和控制部17，交流电源部14与主电路8的输入端相连接，以三相交流进行动作的电动机(例如感应电动机、同步电动机)1与主电路8的输出端相连接。
主电路8包括逆变器主电路2、直流电源部5、和整流器主电路6而构成。
整流器主电路6具有将由开关元件Iu、Iv、Iw构成的正侧臂(例如在U相中为Iu)、和由开关元件Ix、Iy、Iz构成的负侧臂(例如在U相中为Ix)分别串联连接的电路部(腿部)。即，在逆变器主电路2中，构成有具有3组(U相、V相、W相)腿部的三相桥式电路。正侧臂与负侧臂的各连接点(各腿部的中点)形成逆变器主电路2的交流端子，与电动机1相连接。
直流电源部5是保持直流功率的结构部，附图的示例中由设置在直流母线之间的滤波器电容器FC构成。
整流器主电路6具有将由开关元件Cu、Cv构成的正侧臂、和由开关元件Cx、Cy构成的负侧臂分别串联连接的电路部(腿部)。即，在整流器主电路6中，构成有具有2组腿部的单相桥式电路。正侧臂与负侧臂的各连接点(各腿部的中点)形成整流器主电路6的交流端子，与交流电源部14相连接。
控制部17包括元件过温度检测部10、功率转换电路控制部13、温度差运算部15(图1中记为“ΔTf-a运算部”，此外对“ΔTf-a”的含义进行后述)、和冷却性能下降检测部16而构成。另外，在控制部17的外部，设置有驾驶员警告部11和运行指令生成部12。
接下来，对于构成控制部17的各部的结构和动作、以及配置在控制部17的周边部的各部的结构和功能，参照图3～图8的各附图进行说明。这里，图3是表示运行指令生成部12的详细结构的图，图4是表示功率转换电路控制部13的详细结构的图，图5是表示元件过温度检测部10的详细结构的图，图6是表示ΔTf-a运算部15的详细结构的图，图7是表示冷却性能下降检测部16的详细结构的图，图8是表示驾驶员警告部11的详细结构的图。
首先，运行指令生成部12如图3所示，包括动力运行·制动选择部12a。动力运行·制动选择部12a判断驾驶员所进行的操作(档位操作)是动力运行指示还是制动指示，将该判断结果作为运行指令A输出到功率转换电路控制部13。
功率转换电路控制部13如图4所示，包括电流指令运算部13a、电压指令生成部13b和主电路动作指令生成部13c。另外，向功率转换电路控制部13输入运行指令A、电动机电流IM、整流器电流IS、电动机转速FM、直流电压EFC。电动机电流IM是流过电动机1的电流，整流器电流IS是流入流出整流器主电路6的电流，电动机转速FM是电动机1的转速，直流电压EFC是构成直流电源部5的滤波器电容器FC的电压，这些电气量或物理量都由配置于图2的结构要部的各种传感器(图2中省略示出)检测出。
电流指令运算部13a适当地使用运行指令A、电动机电流IM、整流器电流IS、电动机转速FM和直流电压EFC，计算出要流到电动机1的电流指令(或电动机1要输出的所需转矩)，并输出到下一级的电压指令生成部13b。
电压指令生成部13b基于从电流指令运算部13a输出的电流指令或转矩指令，输出要施加到电动机1的电压的指令值即电压指令。此外，关于这些电流指令运算部13a和电压指令生成部13b的详细结构是公知的，因此这里省略更为详细的说明。
主电路动作指令生成部13c基于从电压指令生成部13b输出的电压指令，将对逆变器主电路2的开关元件(Iu～Iz)进行导通·断开控制的信号(开关指令)、和对整流器主电路6的开关元件(Cu、Cv、Cx、Cy)进行导通·断开控制的信号(开关指令)作为主电路动作指令GS，来输出到逆变器主电路2和整流器主电路6。其中，如图所示，在输入了检测出开关元件的过温度时所生成的信号(元件过温度检测信号CTH)或检测出冷却性能下降时所生成的信号(冷却性能下降检测信号RLD)中的某一个信号时，主电路不可进行动作，不输出主电路动作指令GS。从功率转换电路控制部13除了输出该主电路动作指令GS以外，还输出开关频率fsw、脉冲模式PM、电动机电流IM、整流器电流IS等信息。主电路动作指令生成部13c如图所示，可由调制波生成部13ca、载波生成部13cb、比较器13cc等组合而构成。此外，主电路动作指令生成部13c的详细结构是公知的，因此这里省略更为详细的说明。
元件过温度检测部10如图5所示，包括比较器10a、10b及或电路10c。向比较器10a输入温度传感器9a所检测出的整流器元件安装面温度Tfc、和内部所生成的整流器过温度检测设定信号Tfc_ref，向比较器10b输入温度传感器9b所检测出的逆变器元件安装面温度Tfi、和内部所生成的逆变器过温度检测设定信号Tfi_ref。比较器10a在整流器元件安装面温度Tfc超过整流器过温度检测设定信号Tfc_ref时检测出整流器元件的过温度，将检测出的信号输出到或电路10c。同样地，比较器10b在逆变器元件安装面温度Tfi超过逆变器过温度检测设定信号Tfi_ref时检测出逆变器元件的过温度，将检测出的信号输出到或电路10c。或电路10c对比较器10a、10b进行逻辑或运算，将运算结果作为元件过温度检测信号CTH输出。即，元件过温度检测部10在整流器元件安装面温度Tfc和逆变器元件安装面温度Tfi中的至少一个超过检测阈值时，输出表示该含义的元件过温度检测信号CTH。此外，这里所生成的元件过温度检测信号CTH如图2所示，成为输入到功率转换电路控制部13和驾驶员警告部11的输入信号。
ΔTf-a运算部15如图6所示，包括对表示整流器主电路侧的温度差的信号(整流器主电路侧温度差信号，图6中记为“ΔTfc-a”)进行计算的运算部(图6中记为“Tfc-Ta”)15a、以及对表示逆变器主电路侧的温度差的信号(逆变器主电路侧温度差信号，图6中记为“ΔTfi-a”)进行计算的运算部(图6中记为“Tfi-Ta”)15b。向ΔTf-a运算部15输入整流器元件安装面温度Tfc、逆变器元件安装面温度Tfi、以及温度传感器9c所检测出的冷却装置进气温度Ta。Tfc-Ta运算部15a对整流器元件安装面温度Tfc与冷却装置进气温度Ta的差分值(偏差)进行计算，将该计算结果作为整流器元件安装面温度-冷却装置进气温度差ΔTfc-a输出。Tfi-Ta运算部15b对逆变器元件安装面温度Tfi与冷却装置进气温度Ta的差分值(偏差)进行计算，将该计算结果作为逆变器元件安装面温度-冷却装置进气温度差ΔTfi-a输出。此外，这里所生成的整流器元件安装面温度-冷却装置进气温度差ΔTfc-a以及逆变器元件安装面温度-冷却装置进气温度差ΔTfi-a如图1所示，成为输入到冷却性能下降检测部16的输入信号。
冷却性能下降检测部16如图7所示，包括比较器16a、16b及或电路16c。向比较器16a输入ΔTf-a运算部15所生成的整流器元件安装面温度-冷却装置进气温度差ΔTfc-a、以及作为冷却装置进气温度Ta的函数(ｆ(Ta))而在内部生成的整流器冷却性能下降检测设定信号Trldc_ref，向比较器16b输入ΔTf-a运算部15所生成的逆变器元件安装面温度-冷却装置进气温度差ΔTfi-a、以及与整流器侧相同地作为冷却装置进气温度Ta的函数(f(Ta))而在内部生成的逆变器冷却性能下降检测设定信号Trldi_ref。比较器16a在整流器元件安装面温度-冷却装置进气温度差ΔTfc-a超过整流器冷却性能下降检测设定信号Trldc_ref时，检测出整流器主电路侧的冷却性能下降，将检测出的信号输出到或电路16c。同样地，比较器16b在逆变器元件安装面温度-冷却装置进气温度差ΔTfi-a超过逆变器冷却性能下降检测设定信号Trldi_ref时，检测出逆变器主电路侧的冷却性能下降，将检测出的信号输出到或电路16c。或电路16c对比较器16a、16b进行逻辑或运算，将运算结果作为冷却性能下降检测信号RLD输出。即，冷却性能下降检测部16在整流器元件安装面温度-冷却装置进气温度差ΔTfc-a和逆变器元件安装面温度-冷却装置进气温度差ΔTfi-a中的至少一个超过检测阈值时，输出表示该含义的冷却性能下降检测信号RLD。此外，这里所生成的冷却性能下降检测信号RLD如图2所示，成为输入到功率转换电路控制部13的输入信号。
驾驶员警告部11如图8所示，包括显示部11a和鸣叫部11b。显示部11a是具有如下功能的结构部：向驾驶员等用户显示逆变器主电路2、整流器主电路6、冷却装置50等的异常。鸣叫部11b是具有如下功能的结构部：将逆变器主电路2、整流器主电路6、冷却装置50等的异常信息转换成声音以引起驾驶员等用户的注意。这些各部的功能基于来自元件过温度检测部10的元件过温度检测信号CTH、来自冷却性能下降检测部16的冷却性能下降检测信号RLD来执行。
图9是说明高温时或高发热时的冷却装置的动作的图。图9(a)、(b)都表示冷却装置中混入有空气的状态，但若进行更加详细的说明，则图9(a)表示元件未发热的状态，图9(b)表示高温状态(周围温度较高时)或高发热状态。
在背景技术中也进行了说明，若因腐蚀等而导致在冷凝器中开有微细的孔，则冷凝器的内部成为0.3气压(制冷剂为电子氟化液时)，而冷凝器的外部成为1气压，因此冷凝器的内部成为混入有空气的状态。空气比制冷剂的空气要轻，因此占据冷凝器的上部。因而，沸腾后的制冷剂只能够存在于空气的下方，存在空气的上方部变成与没有冷凝器时相同的冷却性能，从而冷却装置的性能下降(参照图9(a))。
另一方面，即使是图9(a)所示的空气混入状态，在高温时或高发热时的情况下，冷却性能下降所带来的影响也较小。其理由在于，例如在周围温度较高的情况下，制冷剂的蒸气量也较多，如图9(b)所示，占据着冷凝器上部的空气受到压迫，体积减小。其结果是，在高温时的情况下，冷却性能的下降被抑制。
另外，即使是在周围温度不高的情况下，在高发热时(元件的发热量较大时)，因元件的发热量的增大而导致制冷剂的蒸气量也增多，因此占据着冷凝器上部的空气受到压迫，体积减小。其结果是，即使是在高发热时的情况下，也与高温时相同，冷却性能的下降被抑制。
与此不同的是，图10是说明低温时且低发热时的冷却装置的动作的图。图10(a)再现了图9(a)，图10(b)示出周围温度较低的情况(低温状态)、以及低发热状态(元件的发热量较小的情况)。
在低温时的情况下，周围温度也较低，因此制冷剂的蒸气量较少。而且，在元件的发热量较小的情况下，制冷剂的蒸气量也不会变多。因此，如图10(b)所示，空气所占据的体积与高温时相比会变大。即，在低温时以及低发热时的情况下，冷却性能的下降变大，对于元件的应力变大。
接下来，对功率转换装置的热循环(热循环)进行说明。图11是表示功率转换装置的动作过程中的元件安装面温度的变动例的图。图11中，实线部的波形表示元件安装面温度Tf。另外，与时间轴平行引出的两条虚线中下方部的虚线表示冷却装置进气温度Ta(温度传感器9c的输出，参照图2)，上方部的虚线表示元件过温度检测信号CTH(元件过温度检测部10的输出，参照图2、图5)。
例如，在用于铁道车辆的功率转换装置的情况下，进行控制以反复进行图11所示的动作和停止。其结果是，元件安装面温度Tf在动作过程中增加，在停止过程中减小，反复进行图11所示的三角波状的变动。这样的热循环是例如从某一车站出发后直到下一停车站停车为止的期间的一个示例，一天的运行中也反复进行多次这样的热循环。即，在用于铁道车辆的功率转换装置的情况下，搭载于功率转换装置的开关元件放置在严酷的动作环境下。此外，本实施方式的功率转换装置中，要检测元件安装面温度Tf与冷却装置进气温度Ta之间的温度差(Tf-a)，但该处理如上所述由Tf-a运算部15来执行(参照图2、图6)。
接下来，对实施方式1所涉及的功率转换装置的动作进行说明。从位于控制部17的末级的功率转换电路控制部13输出主电路动作指令GS(参照图2、图4)。主电路动作指令GS中，包含对逆变器主电路2的开关元件(Iu～Iz)进行导通·断开控制的动作指令、以及对整流器主电路6的开关元件(Cu、Cv、Cx、Cy)进行导通·断开控制的动作指令。整流器主电路6根据从功率转换电路控制部13输出的主电路动作指令GS，将由交流电源部14提供的交流电转换成所期望的直流电并提供给直流电源部5。逆变器主电路2根据从功率转换电路控制部13输出的主电路动作指令GS，将由直流电源部5提供的直流电转换成可变振幅、可变频率的三相交流电并提供给电动机1。
在进行了上述那样的控制的情况下，显然逆变器主电路2的开关元件(Iu～Iz)和整流器主电路6的开关元件(Cu、Cv、Cx、Cy)会发热，温度会上升。元件过温度检测部10通过判定温度传感器9a所检测出的整流器元件安装面温度Tfc是否超过了整流器过温度检测设定信号Tfc_ref，从而检测出整流器元件的过温度，并且通过判定逆变器元件安装面温度Ti是否超过了逆变器过温度检测设定信号Tfi_ref，从而检测出逆变器的过温度，在检测出整流器元件和逆变器元件中的至少一个元件的过温度的情况下，生成元件过温度检测信号CTH并输出到驾驶员警告部11和功率转换电路控制部13。驾驶员警告部11在输入了元件过温度检测信号CTH的情况下，通过显示功能、鸣叫功能向驾驶员等用户通知开关元件的过温度。另外，功率转换电路控制部13在输入了元件过温度检测信号CTH的情况下，断开主电路动作指令GS的输出并停止逆变器主电路2和整流器主电路6的动作。
与上述的元件过温度检测处理一起，还进行冷却装置的冷却性能下降检测处理。冷却性能下降检测部16通过判定整流器元件安装面温度-冷却装置进气温度差ΔTfc-a是否超过了整流器冷却性能下降检测设定信号Trldc_ref，从而检测出整流器冷却性能的下降，并且通过判定逆变器元件安装面温度-冷却装置进气温度差ΔTfi-a是否超过了逆变器冷却性能下降检测设定信号Trldi_ref，从而检测出逆变器冷却性能的下降，在检测出整流器冷却性能和逆变器冷却性能中的至少一个冷却性能下降的情况下，生成冷却性能下降检测信号RLD并输出到驾驶员警告部11和功率转换电路控制部13。驾驶员警告部11在输入了冷却性能下降检测信号RLD的情况下，通过显示功能、鸣叫功能向驾驶员等用户通知冷却性能的下降。另外，功率转换电路控制部13在输入了冷却性能下降检测信号RLD的情况下，断开主电路动作指令GS的输出并停止逆变器主电路2和整流器主电路6的动作。
接下来，对于实施方式1所涉及的功率转换装置所具有的效果，参照图12和图13进行说明。图12和图13是表示在填充有制冷剂的翅片内部混入了空气时的元件安装面温度特性的变化的图。若更加详细地进行说明，则图12(a)是没有空气混入、且如夏季那样周围温度较高时(识别为“夏季冷却装置正常时”)的一个示例，图12(b)是用于与图12(a)进行比较的、有空气混入时(识别为“夏季冷却装置异常时”)的一个示例。另外，图13(a)是没有空气混入、且如冬季那样周围温度较低时(识别为“冬季冷却装置正常时”)的一个示例，图13(b)是用于与图13(a)进行比较的、有空气混入时(识别为“冬季冷却装置异常时”)的一个示例。此外，这些图中所示的三角波状的波形是图10所示的功率转换装置的热循环。
在夏季等冷却装置进气温度较高时、开关元件的发热量较大(开关损耗较大)时，如图9中所说明的那样，混入到翅片内部的空气从液相变化成气相，且被压缩(压迫)成进入到翅片内部的制冷剂水蒸气。因而，元件安装面温度Tf的最大值与冷却装置进气温度Ta之间的偏差(温度差)ΔTf-a如图12(a)、(b)所示，正常时与异常时之间的差异较小。因此，在夏季等冷却装置进气温度较高时，冷却性能的差异不太大，冷却性能显著恶化的概率较小。
另一方面，在冬季等冷却装置进气温度较低且开关元件的发热量较小(开关损耗较小)时，如图10中所说明的那样，从液相变化成气相的制冷剂水蒸气的量较小，混入到翅片内部的空气的影响较大。因而，元件安装面温度Tf的最大值与冷却装置进气温度Ta之间的偏差(温度差)ΔTf-a如图13(a)、(b)所示，正常时与异常时之间的差异较大。因此，在冬季等冷却装置进气温度较低时，冷却性能的差异显著，冷却性能下降的检测变得容易。
此外，也可使用将元件安装面温度Tf与元件过温度检测信号CTH进行比较的元件过温度检测部10的功能，来检测冷却性能下降。然而，在如冬季那样冷却装置进气温度较低时，与元件过温度检测信号CTH之间的温度差与夏季相比较大。因此，在冷却性能下降不太大的情况下，会漏掉该性能下降。因而，在冷却性能下降不太大的状态下持续使用开关元件时，与没有冷却性能下降时相比向开关元件持续施加热应力，并非是优选的状态。
另一方面，如实施方式1所示，若通过将元件安装面温度Tf与冷却装置进气温度Ta进行比较来检测冷却性能下降，则能够且容易发现冷却性能下降。因而，根据实施方式1的功率转换装置，容易检测出在以往的元件过温度检测中较为困难的冷却装置中的冷却性能下降。另外，由于容易检测出冷却性能下降，因此能提高预先防止因施加到开关元件的热应力过大而引起的元件损坏的效果。
另外，在背景技术中也进行了说明，冷却性能的下降还会因冷却翅片的堵塞等而发生，在现有的方法中，虽然也考虑了在冷却装置进气温度较高的夏季，通过元件过温度检测的功能能够偶然地发现翅片的堵塞的情况，但在冷却装置进气温度较低的冬季则难以发现。另一方面，实施方式1的功率转换装置中，还能够检测出这样的冷却性能下降。
如上所述，根据实施方式1的功率转换装置，在元件安装面温度与冷却装置进气温度之间的偏差超过预定阈值时，生成并输出表示冷却装置的性能下降的冷却性能下降检测信号，根据该冷却性能下降检测信号进行控制以使功率转换装置的动作停止，因此能够有效地检测出因空气混入到冷凝器内、冷却翅片的堵塞等原因而导致的冷却性能的下降。
实施方式2.
接下来，对实施方式2所涉及的功率转换装置进行说明。图14是表示实施方式2所涉及的功率转换装置的结构的图。实施方式1中，采用了利用温度传感器9c来检测冷却装置进气温度Ta的结构，而实施方式2中，在未设置检测冷却装置进气温度Ta的温度传感器9c这一点上不同。因此，由图2和图14的比较可知，实施方式2的功率转换装置中，设置有ΔTf-f1运算部20以取代ΔTf-a运算部15，设置有以ΔTf-f1运算部20的输出作为输入信号进行动作的详细结构与实施方式1不同的冷却性能下降检测部16A。此外，关于其他结构，与实施方式1相同或等同，附加相同标号，并省略详细说明。
图15是表示ΔTf-f1运算部20的详细结构的图。ΔTf-f1运算部20包括：初始温度存储部20a、20c；对表示整流器主电路侧的温度差的信号(图15中记为“ΔTfc-fc1”)进行计算的运算部(图15中记为“Tf-fc1”)20b；以及对表示逆变器主电路侧的温度差的信号(逆变器主电路侧温度差信号，图15中记为“ΔTfi-fi1”)进行计算的运算部(图15中记为“Tf-fi1”)20d。向ΔTf-f1运算部20输入整流器元件安装面温度Tfc和逆变器元件安装面温度Tfi。
初始温度存储部20a记录整流器元件安装面温度Tfc的初始值(例如一天中动作开始前的温度)，并且将所记录的初始值作为整流器元件安装面初始温度Tfc1输出到Tf-fc1运算部20b及外部。Tf-fc1运算部20b对整流器元件安装面温度Tfc与整流器元件安装面初始温度Tfc1的差分值(偏差)进行计算，将该计算结果作为整流器元件安装面温度-初始温度差ΔTfc-fc1输出到外部。初始温度存储部20c存储逆变器元件安装面温度Tfi的初始值，并且将所存储的初始值作为逆变器元件安装面初始温度Tfi1输出到Tf-fi1运算部20d及外部。Tf-fi1运算部20d对逆变器元件安装面温度Tfi与逆变器元件安装面初始温度Tfi1的差分值(偏差)进行计算，将该计算结果作为逆变器元件安装面温度-初始温度差ΔTfi-fi1输出到外部。此外，这里所生成的整流器元件安装面初始温度Tfc1、整流器元件安装面温度－初始温度差ΔTfc-fc1、逆变器元件安装面初始温度Tfi1、和逆变器元件安装面温度－初始温度差ΔTfi-fi1如图14所示，成为输入到冷却性能下降检测部16A的输入信号。
整流器元件安装面初始温度Tfc1和逆变器元件安装面初始温度Tfi1为功率转换装置工作时的温度，由初始温度存储部20a、20c保持。ΔTf-f1运算部20中，这些整流器元件安装面初始温度Tfc1和逆变器元件安装面初始温度Tfi1作为与实施方式1的控制系统中的冷却装置进气温度Ta等同的温度进行处理，而在冷却装置进气温度Ta变化不大的环境下使用功率转换装置时，可得到能够减少温度传感器数量的效果。
图16是表示冷却性能下降检测部16A的详细结构的图。冷却性能下降检测部16A包括整流器冷却性能下降检测设定信号生成部16Aa、逆变器冷却性能下降检测设定信号生成部16Ab、比较器16Ac、16Ad以及或电路16Ae。向该冷却性能下降检测部16A输入整流器元件安装面温度－初始温度差ΔTfc-fc1、整流器元件安装面初始温度Tfc1、逆变器元件安装面温度－初始温度差ΔTfi-fi1、和逆变器元件安装面初始温度Tfi1。
整流器冷却性能下降检测设定信号生成部16Aa根据所输入的整流器元件安装面初始温度Tfc1，生成整流器冷却性能下降检测设定信号Trldc_ref并输出到比较器16Ac。此外，该整流器冷却性能下降检测设定信号Trldc_ref在实施方式1中在内部生成，但在实施方式2中，采用可对来自外部的输入信号、即与周围环境相对应的设定信号进行改变的结构。利用该结构，能够决定适合于冷却装置进气温度Ta的冷却性能下降检测设定信号Trldc_ref、Trldi_ref。例如，在冷却装置进气温度Ta较高的情况下，元件的发热量变大，因此制冷剂的蒸气量变多，空气混入状态下的冷却装置的性能下降变小。因而，对于整流器元件的热应力的影响与冷却装置进气温度Ta较低时相比会变小，因此在冷却装置进气温度Ta较高的情况下，能够减小整流器冷却性能下降检测设定信号Trldc_ref的值。利用该控制，能够在装置的运用期间中，抑制对于整流器元件的热应力的变动，可得到能够提高装置的运转率、延长装置的寿命的效果。
返回到图16，比较器16Ac在整流器元件安装面温度－初始温度差ΔTfc-fc1超过整流器冷却性能下降检测设定信号Trldc_ref时，检测出整流器主电路侧的冷却性能的下降，将检测出的信号输出到或电路16Ae。逆变器侧的处理也相同，首先，逆变器冷却性能下降检测设定信号生成部16Ab根据所输入的逆变器元件安装面初始温度Tfi1，生成逆变器冷却性能下降检测设定信号Trldi_ref并输出到比较器16Ad。比较器16Ad在逆变器元件安装面温度－初始温度差ΔTfi-fi1超过逆变器冷却性能下降检测设定信号Trldi_ref时，检测出逆变器主电路侧的冷却性能的下降，将检测出的信号输出到或电路16Ae。或电路16Ae对比较器16Ac、16Ad进行逻辑或运算，将运算结果作为冷却性能下降检测信号RLD输出。即，在整流器元件安装面温度－初始温度差ΔTfc-fc1和逆变器元件安装面温度－初始温度差ΔTfi-fi1中的至少一个超过检测阈值时，生成表示该含义的冷却性能下降检测信号RLD并输出到功率转换电路控制部13。此外，之后的处理与实施方式1相同。
此外，图16中，整流器冷却性能下降检测设定信号生成部16Aa的内部所生成的整流器冷却性能下降检测设定信号Trldc_ref也可通过函数计算来求出，也可通过参照保持于内部的表格来求出。逆变器冷却性能下降检测设定信号生成部16Ab的内部所生成的逆变器冷却性能下降检测设定信号Trldi_ref也相同。
如上所述，根据实施方式2的功率转换装置，在开关元件或开关元件安装面的动作过程中温度与动作开始前温度之间的偏差超过预定阈值时，生成并输出表示冷却装置的性能下降的冷却性能下降检测信号，根据该冷却性能下降检测信号来进行控制以使功率转换装置的动作停止，因此能够有效地检测出因空气混入到冷凝器内、冷却翅片的堵塞等原因而导致的冷却性能的下降。
实施方式3.
接下来，对实施方式3所涉及的功率转换装置进行说明。图17是表示实施方式3所涉及的功率转换装置的结构的图。实施方式1中，采用了向冷却性能下降检测部16输入整流器元件安装面温度－冷却装置进气温度差ΔTfc-a、逆变器元件安装面温度－冷却装置进气温度差ΔTfi-a和冷却装置进气温度Ta的结构，但实施方式3中采用输入由损耗运算部22所生成的整流器损耗Qc和逆变器损耗Qi以取代冷却装置进气温度Ta的结构。即，实施方式3的功率转换装置中，设置损耗运算部22，并且设置有以ΔTf-a运算部15的输出和损耗运算部22的输出作为输入信号进行动作的详细结构与实施方式1不同的冷却性能下降检测部16B。此外，关于其他结构，与实施方式1相同或等同，附加相同标号，并省略详细说明。
图18是表示冷却性能下降检测部16B的详细结构的图。冷却性能下降检测部16B包括整流器冷却性能下降检测设定信号生成部16Ba、逆变器冷却性能下降检测设定信号生成部16Bb、比较器16Bc、16Bd以及或电路16Be。向该冷却性能下降检测部16B输入整流器元件安装面温度－冷却装置进气温度差ΔTfc-a、整流器损耗Qc、逆变器元件安装面温度－冷却装置进气温度差ΔTfi-a、和逆变器损耗Qi。
整流器冷却性能下降检测设定信号生成部16Ba根据所输入的整流器损耗Qc，生成整流器冷却性能下降检测设定信号Trldc_ref并输出到比较器16Bc。此外，该整流器冷却性能下降检测设定信号Trldc_ref在实施方式1中在内部生成，但在实施方式3中，采用可对与整流器损耗Qc相对应的设定信号进行改变的结构。利用该结构，能够决定与整流器损耗Qc相对应的整流器冷却性能下降检测设定信号Trldc_ref。例如，在整流器损耗Qc较大的情况下，元件的发热量变大，因此制冷剂的蒸气量变多，空气混入状态下的冷却装置的性能下降变小。其中，ΔTfc-a并非与整流器损耗Qc成比例地变大，ΔTfc-a具有与冷却器相对应的特性。因此，阈值优选采用具有整流器损耗Qc和ΔTfc-a的特性的值。利用这样的处理，能够在装置的运用期间中，抑制对于整流器元件的热应力的变动，可得到能够提高装置的运转率、延长装置的寿命的效果。
返回到图18，比较器16Bc在整流器元件安装面温度－冷却装置进气温度差ΔTfc-a超过整流器冷却性能下降检测设定信号Trldc_ref时，检测出整流器主电路侧的冷却性能的下降，将检测出的信号输出到或电路16Be。逆变器侧的处理也相同，首先，逆变器冷却性能下降检测设定信号生成部16Bb根据所输入的逆变器损耗Qi，生成逆变器冷却性能下降检测设定信号Trldi_ref并输出到比较器16Bd。即，实施方式3的结构中，采用可对与逆变器损耗Qi相对应的设定信号进行改变的结构。利用该结构，能够决定与逆变器损耗Qi相对应的逆变器冷却性能下降检测设定信号Trldi_ref。比较器16Bd在逆变器元件安装面温度－冷却装置进气温度差ΔTfi-a超过逆变器冷却性能下降检测设定信号Trldi_ref时，检测出逆变器主电路侧的冷却性能的下降，将检测出的信号输出到或电路16Be。或电路16Be对比较器16Bc、16Bd进行逻辑或运算，将运算结果作为冷却性能下降检测信号RLD输出。即，在整流器元件安装面温度－冷却装置进气温度差ΔTfc-a和逆变器元件安装面温度－冷却装置进气温度差ΔTfi-a中的至少一个超过检测阈值时，生成表示该含义的冷却性能下降检测信号RLD并输出到功率转换电路控制部13。此外，之后的处理与实施方式1相同。
图19是表示损耗运算部22的详细结构的图。损耗运算部22包括计算整流器损耗Qc的整流器损耗运算部22a、以及计算逆变器损耗Qi的逆变器损耗运算部22b。另外，向损耗运算部22输入功率转换电路控制部13所生成的开关频率fsw、脉冲模式PM、整流器电流IS和电动机电流IM。整流器损耗运算部22a使用开关频率fsw、脉冲模式PM、整流器电流IS和电动机电流IM，来计算表示整流器主电路6的损耗量的整流器损耗Qc，并输出到上述的冷却性能下降检测部16B。逆变器损耗运算部22b使用开关频率fsw、脉冲模式PM、整流器电流IS和电动机电流IM，来计算表示逆变器主电路2的损耗量的逆变器损耗Qi，并输出到冷却性能下降检测部16B。此外，由于整流器损耗Qc和逆变器损耗Qi的计算方法是公知的，因此这里省略详细说明。
此外，图18中，整流器冷却性能下降检测设定信号生成部16Ba的内部所生成的整流器冷却性能下降检测设定信号Trldc_ref也可通过函数计算来求出，也可通过参照保持于内部的表格来求出。逆变器冷却性能下降检测设定信号生成部16Bb的内部所生成的逆变器冷却性能下降检测设定信号Trldi_ref也相同。
如上所述，根据实施方式3的功率转换装置，在元件安装面温度与冷却装置进气温度之间的偏差超过预定阈值时进行控制以使功率转换装置的动作停止，此时根据开关元件的损耗来改变该阈值，因此能够抑制对于开关元件的热应力的变动，能够提高装置的运转率、延长装置的寿命。
此外，对于上述实施方式1～3所示的结构和控制方式，可进行各种改变或变形。例如，实施方式1中，对于用于检测冷却性能下降的阈值即整流器冷却性能下降检测设定信号Trldc_ref、和逆变器冷却性能下降检测设定信号Tfldi_ref，假设其是冷却装置进气温度Ta的函数(f(Ta))来进行了说明，但若使得其是根据冷却风的温度来动态地改变阈值本身的值，则能够有效地进行冷却性能下降检测。具体而言，优选为将阈值生成为以使得冷却风温度较高时的阈值比冷却风温度较低时的阈值要小。冷却风温度较高时的冷却装置性能比冷却风温度较低时的冷却装置性能要上升，其理由在于，冷却风温度较高时的制冷剂的蒸气量较多。因而，意味着相比于冷却风温度较高时，冷却风温度较低时才能够掌握真正的冷却性能。根据这一观点，在冷却风温度较高时，通过将阈值设定得较小，从而能准确地掌握真正的冷却性能。
另外，实施方式3中，假设用于检测冷却性能下降的阈值即整流器冷却性能下降检测设定信号Trldc_ref是整流器损耗Qc的函数(f(Qc))，逆变器冷却性能下降检测设定信号Trldi_ref是逆变器损耗Qi的函数(f(Qi))来进行了说明，但若使得根据整流器损耗Qc和逆变器损耗Qi来动态地改变阈值本身的值，则能够有效地进行冷却性能下降检测。整流器损耗Qc(逆变器损耗Qi)较大时的冷却装置性能比整流器损耗Qc(逆变器损耗Qi)较小时的冷却装置性能要上升，其理由在于，整流器损耗Qc(逆变器损耗Qi)较大时的制冷剂蒸气量较多。因而，ΔTf-a并非与整流器损耗Qc(逆变器损耗Qi)成比例地变大，具有与冷却器相对应的特性，因此阈值优选采用具有整流器损耗Qc(逆变器损耗Qi)和ΔTf-a的特性的值。根据这一观点，通过使阈值采用具有整流器损耗Qc(逆变器损耗Qi)和ΔTf-a的特性的值，从而能够准确地掌握真正的冷却性能。
另外，实施方式1～3的结构中，使冷却性能下降检测部16(16A、16B)具有日历功能，若使其具有以下功能：即，根据该日历功能所得到的季节信息来预测外部气温，并在预测出的外部气温较高时，改变阈值以使其变得更小，则成为更加优选的实施方式。根据该实施方式，也与上述相同，能够准确地掌握真正的冷却性能。
另外，实施方式1～3中，在偏差超过预定阈值时，进行控制以使开关元件进行动作的开关频率降低成为更加优选的实施方式，在使装置停止的过程中，并非使装置立即停止，如果能够进行控制以使开关频率降低，则能够减小开关元件的发热量，例如如果是用于铁道车辆的功率转换装置，则能够继续运行直到最近的车站、车辆段为止。
另外，实施方式1～3中，在偏差超过预定阈值时，进行控制以限制流通到开关元件中的电流成为更加优选的实施方式。与上述相同，在使装置停止的过程中，并非使装置立即停止，如果能够进行控制以限制流通到开关元件中的电流，则能够减小开关元件的发热量，例如如果是用于铁道车辆的功率转换装置，则能够继续运行直到最近的车站、车辆段为止。
实施方式4.
实施方式4中，对逆变器主电路和整流器主电路所具备的开关元件进行说明。作为功率转换装置中使用的开关元件，通常采用将以硅（Si）为原材料的半导体晶体管元件（IGBT、MOSFET等）、和同样以硅为原材料的二极管元件反向并联连接的结构。上述实施方式1、2中说明的技术能够用于具备该通常的开关元件的逆变器主电路和整流器主电路。
另一方面，上述实施方式1～4的技术并不限于以硅为原材料来形成的开关元件。当然也能用于具备以近年来备受瞩目的碳化硅（SiC）来代替硅作为原材料的开关元件的逆变器主电路和整流器主电路。
这里，由于碳化硅具有能在高温下使用的特征，因此，若将以碳化硅为原材料的开关元件用作为逆变器主电路或整流器主电路所具备的开关元件，则能降低搭载开关元件的半导体模块的开关损耗。因此，在使用以碳化硅作为原材料的开关元件时，由于开关损耗变小，因此冷却装置容易陷入沸腾不稳定区域，但本发明中即使在冷却装置转移到沸腾不稳定区域的情况下，也能使开关损耗增加，从而阻止其进入到沸腾不稳定区域。
另外，由于碳化硅（SiC）的带隙大于硅（Si）这一特性，因此碳化硅是被称为宽带隙半导体的一个例子。除了该碳化硅以外，例如使用氮化镓类材料、或金刚石所形成的半导体也属于宽带隙半导体，它们的特性在很多方面也与碳化硅类似。因此，使用碳化硅以外的其它宽带隙半导体的结构也能实现本发明的技术思想。
此外，由于由这种宽带隙半导体形成的晶体管元件、二极管元件的耐电压特性较好，且允许电流密度也较大，因此能实现晶体管元件、二极管元件的小型化，通过使用这些小型化后的晶体管元件、二极管元件，从而能够使安装了这些元件的半导体模块小型化。
另外，由于由宽带隙半导体形成的晶体管元件、二极管元件的耐热性也较好，因此能使散热器的散热翅片小型化，从而能使半导体模块进一步小型化。
而且，由宽带隙半导体形成的晶体管元件、二极管元件的功率损耗较小，因此能提高开关元件、二极管元件的效率，进而能提高半导体模块的效率。
此外，优选为开关元件、二极管元件这两者由宽带隙半导体形成，但也可为其中任一个元件由宽带隙半导体形成，能够得到上述实施方式所记载的效果。
工业上的实用性
如上所述，本发明所涉及的功率转换装置作为能够有效地检测出因沸腾冷却装置中的冷凝器内混入空气以外的原因而导致的冷却性能下降的发明是有用的。
标号说明
1 电动机
2 逆变器主电路
5 直流电源部
6 整流器主电路
8 主电路
9a、9b、9c 温度传感器
10 元件过温度检测部
10a、10b 比较器
10c 或电路
11 驾驶员警告部
11a 显示部
11b 鸣叫部
12 运行指令生成部
12a 动力运行·制动选择部
13 功率转换电路控制部
13a 电流指令运算部
13b 电流指令生成部
13c 主电路动作指令生成部
13ca 调制波生成部
13cb 载波生成部
13cc 比较器
14 交流电源部
15 ΔTf-a运算部(温度差运算部)
15a Tfc-Ta运算部
15b Tfi-Ta运算部
16 冷却性能下降检测部
16a、16b 比较器
16c 或电路
16A 冷却性能下降检测部
16Aa 整流器冷却性能下降检测设定信号生成部
16Ab 逆变器冷却性能下降检测设定信号生成部
16Ac、16Ad 比较器
16Ae 或电路
16B 冷却性能下降检测部
16Ba 整流器冷却性能下降检测设定信号生成部
16Bb 逆变器冷却性能下降检测设定信号生成部
16Bc、16Bd 比较器
16Be 或电路
17 控制部
18 功率转换装置
20 ΔTf-f1运算部
20a、20c 初始温度存储部
20b Tf-fc1运算部
20d Tf-fi1运算部
22 损耗运算部
22a 整流器损耗运算部
22b 逆变器损耗运算部
50 冷却装置
52 冷凝器
53 蒸发器
54 制冷剂
55 翅片
56a、56b 制冷剂室
57 开关元件
58 冷却风
59 暖风
60 安装面

Claims (11)

1.一种功率转换装置，采用如下结构：利用开关元件的开关动作，将所输入的直流电或交流电转换成所期望的交流电并输出，使用利用了内置的制冷剂的沸腾现象的沸腾冷却装置对所述开关元件进行冷却，其特征在于，所述功率转换装置具有：
控制部，该控制部基于所述开关元件或该开关元件安装面的温度与进气到所述沸腾冷却装置中的冷却风的温度之间的偏差，来控制所述功率转换装置的动作，
所述沸腾冷却装置的性能取决于进气到所述沸腾冷却装置中的冷却风的温度，
所述控制部具有检测部，该检测部在所述偏差超过预定阈值时，生成并输出表示所述沸腾冷却装置性能下降的冷却性能下降检测信号。
2.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，
所述检测部具有阈值生成部，该阈值生成部基于所述冷却风的温度来生成所述阈值，
所述阈值生成部生成所述阈值，以使得所述冷却风的温度较高时的所述阈值比所述冷却风的温度较低时的所述阈值要小。
3.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，
所述检测部具有阈值生成部，该阈值生成部基于所述开关元件的损耗来生成所述阈值，
所述阈值生成部生成所述阈值，以使得所述开关元件的损耗较大时的所述阈值比所述开关元件的损耗较小时的所述阈值要小。
4.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，
所述检测部具有阈值生成部，该阈值生成部具有日历功能，并且基于该日历功能所得到的季节信息来生成所述阈值，
所述阈值生成部生成所述阈值，以使得基于所述季节信息预测到的外部气温较高时的所述阈值比基于所述季节信息预测到的外部气温较低时的所述阈值要小。
5.一种功率转换装置，采用如下结构：利用开关元件的开关动作，将所输入的直流电或交流电转换成所期望的交流电并输出，使用利用了内置的制冷剂的沸腾现象的冷却装置对所述开关元件进行冷却，其特征在于，所述功率转换装置具有：
控制部，该控制部基于所述开关元件或该开关元件安装面的动作过程中温度与动作开始前温度之间的偏差来控制所述功率转换装置的动作，
所述控制部具有检测部，该检测部在所述偏差超过预定阈值时，生成并输出表示所述冷却装置性能下降的冷却性能下降检测信号，
所述检测部具有阈值生成部，该阈值生成部基于所述开关元件的损耗来生成所述阈值，以使得所述开关元件的损耗较大时的所述阈值比所述开关元件的损耗较小时的所述阈值要小。
6.一种功率转换装置，采用如下结构：利用开关元件的开关动作，将所输入的直流电或交流电转换成所期望的交流电并输出，使用利用了内置的制冷剂的沸腾现象的冷却装置对所述开关元件进行冷却，其特征在于，所述功率转换装置具有：
控制部，该控制部基于所述开关元件或该开关元件安装面的动作过程中温度与动作开始前温度之间的偏差，来控制所述功率转换装置的动作，
所述控制部具有检测部，该检测部在所述偏差超过预定阈值时，生成并输出表示所述冷却装置性能下降的冷却性能下降检测信号，
所述检测部具有阈值生成部，该阈值生成部具有日历功能，并且基于该日历功能所得到的季节信息来生成所述阈值，
所述阈值生成部生成所述阈值，以使得基于所述季节信息预测到的外部气温较高时的所述阈值比基于所述季节信息预测到的外部气温较低时的所述阈值要小。
7.如权利要求1、5、6中的任一项所述的功率转换装置，其特征在于，
所述控制部在所述偏差超过预定阈值时进行控制以使所述功率转换装置停止。
8.如权利要求1、5、6中的任一项所述的功率转换装置，其特征在于，
所述控制部在所述偏差超过预定阈值时进行控制以使所述开关元件进行动作的开关频率降低。
9.如权利要求1、5、6中的任一项所述的功率转换装置，其特征在于，
所述控制部在所述偏差超过预定阈值时进行控制以限制流通到所述开关元件中的电流。
10.如权利要求1、5、6中的任一项所述的功率转换装置，其特征在于，
构成所述开关元件的晶体管元件和二极管元件中的至少一个元件由宽带隙半导体形成。
11.如权利要求10所述的功率转换装置，其特征在于，
所述宽带隙半导体是使用了碳化硅、氮化镓类材料、或者金刚石的半导体。
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