CN104412498B - 功率转换装置 - Google Patents

Abstract

功率转换装置(1)包括：电路(3)，该电路(3)包含发热源(31)；热管冷却器(9)，该热管冷却器(9)对发热源(31)进行冷却，并封入有制冷剂；冻结判定单元(25)，该冻结判定单元(25)判定制冷剂是否冻结；以及输出限制单元(22)，该输出限制单元(22)在冻结判定单元(25)判定为制冷剂冻结的情况下，限制输出。

Description

功率转换装置

技术领域

本发明涉及使用热管冷却器的功率转换装置。

背景技术

通常，功率转换装置中作为开关元件使用半导体元件。作为该半导体元件的冷却方法的一种已知有使用热管冷却器的冷却方法，该热管冷却器中，由于热管两端的温度差，热能经由封入于热管中的制冷液体(下面，称为制冷剂)从高温部移动到低温部，利用上述作用来进行冷却。

当热管冷却器在寒冷地区的室外等寒冷环境下使用时，若热管内的低温侧温度变为制冷剂凝固点以下，则低温侧的制冷剂会冻结。若热管冷却器中的制冷剂冻结，则会显著妨碍热能的移动，从而不能发挥充分的冷却效果。因而，当在热管冷却器的制冷剂冻结的状态下运行功率转换装置，则可能无法充分冷却半导体元件，而导致半导体元件超过允许温度并发生损坏。因此，为了不使热管的制冷剂冻结而采取了各种方法。作为该方法的一个示例公开有如下功率转换装置：即、对热管冷却器安装加热器(例如参照专利文献1)。

然而，在热管冷却器上安装有加热器的功率转换装置中，运行过程中热管冷却器的冷却能力下降，因此在利用加热器解冻制冷剂之前无法运行。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开平6－276742号公报

发明内容

本发明的目的在于，提供如下功率转换装置：即、即使热管冷却器的制冷剂冻结，也能开始运行。

基于本发明的观点的功率转换装置包括：电路，该电路包含发热源；热管冷却器，该热管冷却器对所述发热源进行冷却，并封入有制冷剂；冻结判定单元，该冻结判定单元判定所述制冷剂是否冻结；以及输出限制单元，该输出限制单元在所述冻结判定单元判定为所述制冷剂冻结的情况下，限制输出。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1所涉及的供电系统的结构的结构图。

图2是表示安装于实施方式1所涉及的功率转换装置1的热管冷却器的结构的结构图。

图3是表示安装于本发明的实施方式2所涉及的功率转换装置的热管冷却器的结构的结构图。

图4是表示安装于本发明的实施方式3所涉及的功率转换装置的热管冷却器的结构的结构图。

具体实施方式

下面，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。

(实施方式1)

图1是表示本发明的实施方式1所涉及的供电系统10的结构的结构图。图2是表示安装于本实施方式所涉及的功率转换装置1的热管冷却器9的结构的结构图。图2中所示的箭头表示自然对流。另外，对图中的相同部分标注相同标号并省略其详细说明，主要针对不同部分进行阐述。之后的实施方式中也同样省略重复说明。

供电系统10包括功率转换装置1、控制装置2、以及直流电源11。供电系统10与具备交流电源的交流电力系统15互连。

直流电源11向功率转换装置1提供直流电。直流电源11只要能给功率转换装置1提供直流电即可。例如，直流电源11为充电电池、光伏(PV,photovoltaic)电池单元(太阳能电池)、或燃料电池等。

功率转换装置1将由直流电源11提供的直流电转换成与交流电力系统15同步的交流电。功率转换装置1向交流电力系统15提供交流电。

控制装置2向逆变器电路3输出栅极信号GT，对从功率转换装置1输出的交流电进行控制。

互连变压器12内置于功率转换装置1或者配置于功率转换装置1的外部。互连变压器12是用于使从逆变器电路3经由交流滤波器5输出的交流电与交流电力系统15互连的器件。

交流电流检测器13是用于对功率转换装置1的输出电流Iiv进行测量的检测器。交流电流检测器13将检测到的输出电流Iiv作为检测信号输出至控制装置2。交流电流检测器13设置于功率转换装置1的内部。在互连变压器12内置于功率转换装置1的情况下，交流电流检测器13配置于互连变压器12和交流电力系统15之间的电路上。在互连变压器12配置于功率转换装置1的外部的情况下，交流电流检测器13配置于交流滤波器5和互连变压器12之间的电路上。

交流电压检测器14是用于对功率转换装置1的输出电压Vr进行测量的检测器。交流电压检测器14将检测到的功率转换装置1的输出电压Vr作为检测信号输出至控制装置2。

功率转换装置1包括：逆变器电路3、平滑电容器4、交流滤波器5、直流电压检测器6、直流电流检测器7、温度传感器8、热管冷却器9、交流电流检测器13、以及交流电压检测器14。此外，功率转换装置1有时包括互连变压器12。

逆变器电路3由作为开关元件的半导体元件31构成。逆变器电路3是进行PWM(脉宽调制，Pulse Width Modulation)控制的电路。逆变器电路3利用由控制装置2输出的栅极信号Gt来驱动开关元件(开关)。由此，逆变器电路3进行功率转换。

平滑电容器4设置于逆变器电路3的直流侧。平滑电容器4对因逆变器电路3的开关元件的驱动而变动的直流电压进行平滑化。

交流滤波器5是由电抗器51及电容器52构成的滤波电路。交流滤波器5去除由逆变器电路3输出的谐波。

直流电压检测器6是用于对施加在逆变器电路3的直流侧的直流电压Vdc进行测量的检测器。直流電圧检测器6将检测到的直流电压Vdc作为检测信号输出至控制装置2。

直流电流检测器7是用于对输入至逆变器电路3的直流侧的直流电流Idc进行测量的检测器。直流电流检测器7将检测到的直流电流Idc作为检测信号输出至控制装置2。

温度传感器8设置于热管冷却器9的散热片93侧或散热片93附近，该热管冷却器9用于对构成逆变器电路3的半导体元件31进行冷却。热管冷却器9中，设有散热片93的上部变成低温。因而，温度传感器8优选为设置在制冷剂易于冻结的散热片93侧。温度传感器8检测出温度Td，该温度Td用于判定封入于热管冷却器9的制冷剂是否冻结。温度传感器8将检测到的温度作为检测信号输出至控制装置2。

热管冷却器9包括底板91、热管92、以及多个散热片93。热管冷却器9对构成逆变器电路3的发热源即半导体元件31进行冷却。

底板91与半导体元件31相接合。热管92以其下部埋于底板91的方式来插入于底板91。热管92的内部封入有挥发性的液体制冷剂。制冷剂是纯水、在纯水中混合了用于防止冻结的化学成分的液体、或氟利昂等化学物质等。热管92的上部设有多个散热片93。

接着，对利用热管冷却器9对半导体元件31进行冷却的原理进行说明。

底板91对由半导体元件31产生的热量进行吸收。底板91将从半导体元件31吸收到的热量传导到热管92。此时，滞留于热管92的下部(高温侧)的液体状态的冷却剂被从散热器91传导而来的热量加热，并变为蒸汽。变为蒸汽的制冷剂移动到温度较低的热管92的上部(低温侧)。

若加热后的蒸汽状态的制冷剂移动到热管92的上部(低温侧)，则热管92的上部的温度(低温侧)变得比周围的温度要高。若热管92的上部的温度比周围的温度要高，则从设置于热管92的上部(低温侧)的散热片93放出热能。

蒸汽状态的制冷剂通过冷却散热片93而被冷却。通过对散热片93进行冷却而被加热的冷却风从设置于功率转换装置1的上部的散热用排气口EX排出到外部。若制冷剂被冷却，则从蒸汽恢复到液体。恢复到液体的制冷剂因温度差而在热管9内部流传，从热管92的上部(低温侧)回到热管92的下部(高温部)。通过反复进行上述一系列的动作，热管冷却器9对半导体元件31进行冷却。

控制装置2基于由交流电流检测器13检测出的功率转换装置1的输出电流Iiv、由交流电压检测器14检测出的功率转换装置1的输出电压Vr、由直流电压检测器6检测出的直流电压Vdc、由直流电流检测器7检测出的直流电流Idc、由温度传感器8检测出的温度Td，控制功率转换装置1的输出功率。

控制装置2包括电流指令运算部21、限制器22、电流控制部23、栅极信号生成部24、以及冻结状态判定部25。

电流指令运算部21基于输出电流Iiv、输出电压Vr、直流电压Vdc、以及直流电流Idc，运算电流指令值Ir0。电流指令值Ir0是对于逆变器电路3的输出电流Iiv的指令值。电流指令运算部21将运算得到的电流指令值Ir0输出至限制器22。

冻结状态判定部25基于由温度传感器8检测到的温度Td，判定热管冷却器9的制冷剂是否冻结。制冷剂冻结的状态是指热管冷却器9无法充分发挥冷却功能的状态。冻结状态判定部25中作为基准温度预先设定有判断为制冷剂冻结的最高温度。在由温度传感器8检测出的温度Td低于预先设定的基准温度的情况下，冻结状态判定部25判定为制冷剂冻结。在由温度传感器8检测出的温度Td高于预先设定的基准温度的情况下，冻结状态判定部25判定为制冷剂未冻结。

冻结状态判定部25在判定为制冷剂冻结的情况下，向限制器22输出用于对由电流指令运算部21运算得到的电流指令值Ir0进行限制的信号。冻结状态判定部25在判定为制冷剂未冻结的情况下，向限制器22输出用于不对由电流指令运算部21运算得到的电流指令值Ir0进行限制的信号。另外，冻结状态判定部25在限制器22进行限制或在限制器22不进行限制的任一种情况下也可以不输出任何信号。

限制器22中作为上限值设定有热管冷却器9的制冷剂冻结时可输出的最大电流值。该可输出的最大电流值是制冷剂冻结状态下的热管冷却器9能对构成逆变器电路3的半导体元件31充分进行冷却的逆变器电路3的最大输出电流值。换言之，可输出的最大电流值是利用制冷剂处于冻结状态的热管冷却器9的情况下，半导体元件31不会因过热而产生破损的条件下，逆变器电路3持续输出的最大电流值。

限制器22在冻结状态判定部25判定为制冷剂冻结的情况下，利用所设定的上限值对由电流指令运算部21运算得到的电流指令值Ir0进行限制。限制器22将限制后的电流指令值Ir1输出至电流控制部23。另一方面，限制器22在冻结状态判定部25判定为制冷剂未冻结的情况下，将不对由电流指令运算部21运算得到的电流指令值Ir0进行限制的电流指令值Ir1输出至电流控制部23。在该情况下，从限制器22输出的电流指令值Ir1与由电流指令运算部21运算得到的电流指令值Ir0相同。

电流指令值Ir1从电流指令运算部21经由限制器22输入至电流控制部23。电流控制部23对用于控制输出电流Iiv的电压指令值Vivr进行运算，以使得逆变器电路3的输出电流追随电流指令值Ir1。电压指令值Vivr是对于逆变器电路3的输出电压的指令值。电流控制部23将运算得到的电压指令值Vivr输出至栅极信号生成部24。

栅极信号生成部24基于由电流控制部23运算得到的电压指令值Vivr生成栅极信号Gt。栅极信号生成部24将生成的栅极信号Gt输出至逆变器电路3。栅极信号Gt对逆变器电路3的开关元件进行驱动。由此，对逆变器电路3的输出电压进行控制。

根据本实施方式，可获得以下的作用效果。

即使热管冷却器9的制冷剂冻结，由于设置有底板91，因此能进行某种程度的冷却。此外，功率转换装置1的内部处于制冷剂会冻结的程度的低温状态，因此能抑制在逆变器电路3的半导体元件31的允许温度以下。

因而，判定热管冷却器9的制冷剂是否冻结，在判定为制冷剂冻结的情况下，利用限制器22对电流指令值Ir1进行限制，从而即使在热管冷却器9的制冷剂冻结的状态下，功率转换装置1也能安全地运行。由此，功率转换装置1适用于太阳能发电用功率调节器(PCS,Power Conditioning System)那样、即使较小的输出也要求较早起动的功率转换装置。

此外，开始运行后，利用半导体元件31或安装于功率转换装置1的各种器件等对热管冷却器9进行加热，从而制冷剂被解冻。功率转换装置1利用温度传感器8检测出制冷剂被解冻，从而解除限制器22所进行的电流指令值Ir1的限制。由此，功率转换装置1能切换到进行没有限制器22所进行的限制的输出的通常运行状态。

(实施方式2)

图3是表示安装于本发明的实施方式2所涉及的功率转换装置1A的热管冷却器9的结构的结构图。图3中所示的箭头表示自然对流。

本实施方式中，除了将图2所示的实施方式1所涉及的功率转换装置1替换为图3所示的功率转换装置1A这一点以外，与实施方式1相同。

功率转换装置1A在图2所示的实施方式1所涉及的功率转换装置1中，将交流滤波器5的电抗器51配置于热管冷却器9的散热片93的下侧，设有隔板DV。关于其它方面，功率转换装置1A与实施方式1的功率转换装置1相同。

电抗器51相对于热管冷却器9设置于功率转换装置1的内部产生的从下部朝向上部流动的自然对流的逆风方向。电抗器51为用于对热管冷却器9进行加热的发热源。

为了区分空气污染度等，隔板DV设置为用于隔开作为发热源的半导体元件31和电抗器51之间。

接着，说明电抗器51的配置位置对热管冷却器9的作用。

在热管冷却器9的制冷剂冻结的状态下，在起动功率转换装置1的情况下，最初通过被限制器22所限制的电流指令值Ir1而运行。功率转换装置1起动后，通过从逆变器电路3输出的电流对电抗器51进行加热。通过电抗器51的加热，升温后的空气上升，从而产生从功率转换装置1A的下部朝向上部的对流。通过该加热后的空气的对流，设置于电抗器51的上方的热管冷却器9被加热。通过加热热管冷却器9，促进了所封入的冻结状态的制冷剂的解冻。功率转换装置1A在判定为热管冷却器9的制冷剂被解冻的情况下，解除限制器22所进行的电流指令值Ir1的限制。由此，功率转换装置1A切换到不进行限制器22所进行的限制的通常运行。

此处，利用电抗器51的发热而升温的空气的温度与半导体元件31的温度相比，充分低。因此，即使利用电抗器51对空气加热，也几乎不会对冷却热管冷却器9的散热片93的效果产生影响。

根据本实施方式，除了实施方式1的作用效果，还能获得以下的作用效果。

通过将电抗器51配置在功率转换装置1的内部产生的空气对流的逆风方向，以使得对热管冷却器9进行加热，从而能促进热管冷却器9的冻结状态的制冷剂的解冻。

由此，作为对热管冷却器9进行加热的器件，通过使用电抗器51那样构成电路的器件，从而没有加热器那样的功耗，也不会像加热器那样进行加热而阻碍了热管冷去器9的冷却功能。

(实施方式3)

图4是表示安装于本发明的实施方式3所涉及的功率转换装置1B的热管冷却器9的结构的结构图。图4中所示的箭头表示自然对流。

本实施方式中，除了将图3所示的实施方式2所涉及的功率转换装置1A替换为图4所示的功率转换装置1B这一点以外，与实施方式2相同。

功率转换装置1B在图3所示的实施方式2所涉及的功率转换装置1A中，设有快门16以堵住排气口EX。关于其它方面，功率转换装置1B与实施方式2的功率转换装置1A结构相同。

快门16是根据功率转换装置1B的内部温度来开闭排气口EX的双金属快门。双金属快门是使用热膨胀率不同的2种金属、根据温度自动进行开闭的器件。快门16在推定热管冷却器9的制冷剂冻结的温度下，堵住排气口EX，在推定热管冷却器9的制冷剂未冻结的温度下，打开排气口EX。

接着，说明快门16对热管冷却器9的作用。

在热管冷却器9的制冷剂冻结的状态下，在起动功率转换装置1B的情况下，最初通过被限制器22所限制的电流指令值Ir1而运行。功率转换装置1B起动后，包含安装于功率转换装置1B的内部的电抗器51在内的各种器件进行发热。由此，功率转换装置1B的内部温度上升。若功率转换装置1B的内部温度上升，则加热后的空气从排气口EX排出。

在功率转换装置1B的内部温度为热管冷却器9的制冷剂冻结的温度的情况下，由于快门16堵住了排气口EX，因此不进行散热。因而，功率转换装置1B的内部温度进一步上升。由此，促进了热管冷却器9的制冷剂的解冻。

若功率转换装置1B的内部温度上升，达到热管冷却器9的制冷剂完全解冻的温度，则快门16打开排气口EX。由此，功率转换装置1B的内部进行散热。功率转换装置1B在判定为热管冷却器9的制冷剂被解冻的情况下，解除限制器22所进行的电流指令值Ir1的限制。由此，功率转换装置1B切换到不进行限制器22所进行的限制的通常运行。

根据本实施方式，除了实施方式2的作用效果，还能获得以下的作用效果。

功率转换装置1B的内部温度在热管冷却器9的制冷剂冻结温度以下时，通过设置堵住排气口EX的快门16，从而能促进热管冷却器9的冻结状态的制冷剂的解冻。

另外，各实施方式中，功率转换装置1～1B并不限于说明的结构。各实施方式中，说明了控制装置2与功率转换装置1～1B分开的结构，但控制装置2也可以组装于功率转换装置1～1B。

各实施方式中，供电系统10也可以没有互连变压器12。无论是否有互连变压器12均可，功率转换装置1～1B可以设有互连变压器或互连电抗器的其中一个，也可以设有双方。这些互连变压器及互连电抗器也可以与交流滤波器5的电抗器51一体化。交流电压检测器14只要能测量系统母线15的系统电压Vr，可以设置在任意处。也可以在功率转换装置1～1B的直流侧设置对直流电压进行调整的斩波电路或直流电抗器。

各实施方式中，将温度传感器8设置于散热片93，但也可以设置于功率转换装置1的任意处。例如，温度传感器8也可以设置于散热器91。即，温度传感器8能测定可判定热管冷却器9的制冷剂是否冻结的温度即可。此外，温度传感器8也可以不一定测量温度。例如，温度传感器8可以仅输出表示热管冷却器9的制冷剂比冻结温度高还是低的触点信号。

各实施方式中，说明了功率转换装置1～1B通过自然对流进行自然风冷的情况，但也可以采用使用冷却扇的强制风冷。通过将由强制风冷产生的对流视作与自然风冷的自然对流相同，从而能同样地构成利用强制风冷的功率转换装置1～1B。

各实施方式中，限制器22所进行的电流指令值Ir0的限制也可以配合温度阶段性地或比例性地进行限制。此外，制冷剂解冻后、限制器22所进行的电流指令值Ir0的限制解除也同样。

各实施方式中，在判定为热管冷却器9的制冷剂冻结的情况下，采用限制功率转换装置1～1B的输出电流的结构，但只要是限制来自功率转换装置1～1B的输出，也可以限制输出功率或输出电压等电流以外的电气量。

各实施方式中，对功率转换装置1～1B为将直流电转换成交流电的逆变器的情况进行了说明，但也可以是将交流电转换成直流电的整流器。此外，在整流器的结构中，在热管冷却器9的制冷剂冻结的情况下，也可以限制直流侧的输出。

实施方式2及实施方式3中，作为发热源使用了电抗器51，但不限于此。只要是如下器件即可：为构成电路(逆变器电路3)的器件，因功率转换装置1A、1B的运行而发热，且在热管冷却器9的制冷剂解冻后，以不会阻碍热管冷却器9的冷却功能的程度发热的器件。例如，将互连变压器或互连电抗器安装于功率转换装置1A、1B，可以将它们作为发热源。

实施方式3中，将电抗器51配置为对热管冷却器9的制冷剂进行加热，并在排气口EX设置快门16，但也可以不考虑电抗器51的配置。仅通过设置快门16，也能够促进冻结状态的制冷剂的解冻。

实施方式3中，快门16为双金属快门，但并不限于此。只要是在热管冷却器9的制冷剂冻结的温度下堵住排气口EX的器件，可以是任何器件。排气口EX自身也可以具有这样的堵塞功能。此外，并不限于双金属快门那样自身进行开闭的器件，也可以是根据温度传感器等的信息进行开闭的设备。此外，控制装置2中对于这样的器件，具有输出用于开闭的指令的功能。

另外，本发明并不局限于上述实施方式本身，在实施阶段能够在不脱离其要点的范围内，可对构成要素进行变形以使其具体化。此外，通过将上述实施方式中所公开的多个构成要素进行适当组合，从而能够形成各种发明。例如，可以从实施方式所示的所有构成要素中删除几个构成要素。另外，也可以将不同的实施方式中的结构要素进行适当组合。

工业上的实用性

根据本发明，能提供如下功率转换装置：即、即使热管冷却器的制冷剂冻结，也能开始运行。

Claims (6)

1.一种功率转换装置，其特征在于，包括：

电路，该电路包含发热源；

热管冷却器，该热管冷却器对所述发热源进行冷却，并封入有制冷剂；

冻结判定单元，该冻结判定单元判定所述制冷剂是否冻结；以及

输出限制单元，该输出限制单元在所述冻结判定单元判定为所述制冷剂冻结的情况下，限制输出，

构成所述电路的至少一个器件配置为对所述热管冷却器进行加热。

2.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，

所述器件相对于所述热管冷却器配置在空气对流的逆风方向。

3.如权利要求1或2所述的功率转换装置，其特征在于，

包括开闭单元，处于使所述制冷剂冻结的温度以下的情况下，该开闭单元堵住排出热量的排气口。

4.如权利要求3所述的功率转换装置，其特征在于，

所述开闭单元是双金属快门。

5.一种功率转换装置的控制装置，该控制装置对功率转换装置进行控制，该功率转换装置包括包含发热源的电路，并利用封入有制冷剂的热管冷却器对所述发热源进行冷却，该控制装置的特征在于，包括：

冻结判定单元，该冻结判定单元判定所述制冷剂是否冻结；以及

输出限制单元，该输出限制单元在所述冻结判定单元判定为所述制冷剂冻结的情况下，限制输出，

构成所述电路的至少一个器件配置为对所述热管冷却器进行加热。

6.一种功率转换装置的控制方法，该控制方法对功率转换装置进行控制，该功率转换装置包括包含发热源的电路，并利用封入有制冷剂的热管冷却器对所述发热源进行冷却，该控制方法的特征在于，包括：

判定所述制冷剂是否冻结；以及

在判定为所述制冷剂冻结的情况下，限制输出，

构成所述电路的至少一个器件配置为对所述热管冷却器进行加热。