DE112014004807B4 - Bordseitige elektronische Vorrichtung - Google Patents

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Abstract

Bordseitige elektronische Vorrichtung (2), aufweisend:ein Element (Q1), welches Wärme erzeugt;ein Bauteil (76), welches zwischen dem Element (Q1) und einem das Element (Q1) kühlenden Kühlmittel vorgesehen ist und sich hinsichtlich des thermischen Ausdehnungskoeffizienten von dem Element (Q1) unterscheidet;einen Elementen-Temperatursensor (62), welcher eine Temperatur des Elements (Q1) erfasst;einen Kühlmittel-Temperatursensor (60), welcher eine Temperatur des Kühlmittels erfasst; undeine Steuerungsvorrichtung (50), welche den Betrieb des Elements (Q1) derart steuert, dass die zulässige Temperatur des Elements (Q1), wenn die Temperatur des Kühlmittels einer ersten Temperatur entspricht, niedriger ist als die zulässige Temperatur des Elements (Q1), wenn die Temperatur des Kühlmittels einer zweiten Temperatur entspricht, die höher als die erste Temperatur ist, wobeidie Steuerungsvorrichtung (50) den Betrieb des Elements (Q1) beschränkt, wenn die Temperatur des Elements (Q1) eine Schwelle überschreitet, unddie Schwelle dahingehend verändert wird, dass diese zunimmt, während die Temperatur des Kühlmittels ansteigt,dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsvorrichtung (50), wenn eine Zunahmerate der Temperatur des Elements (Q1) eine vorbestimmte Zunahmerate überschreitet, die Schwelle mit Bezug auf diejenige verringert, wenn die Zunahmerate der Temperatur des Elements (Q1) die vorbestimmte Zunahmerate nicht überschreitet.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine bordseitige bzw. bordeigene elektronische Vorrichtung.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Es ist ein Hybridfahrzeug (HV) verfügbar, bei welchem eine Lastfaktor- bzw. Auslastungsbeschränkung eines Aufwärtswandlers bzw. Hochsetzstellers verringert bzw. herabgesetzt ist, während die Temperatur einer Mehrzahl von Schaltelementen des Aufwärtswandlers ansteigt und außerdem die Temperatur von Kühlwasser, welches die Mehrzahl von Schaltelementen kühlt, ansteigt (siehe beispielsweise die japanische Patentveröffentlichung mit der Nummer JP 2013-095147 A ).
  • Da die Schaltelemente dieses Typs jedoch üblicherweise durch Verlöten oder dergleichen mit einem Substrat verbunden sind, stehen die Schaltelemente über eine Mehrzahl von Materialien mit einem Kühlmittel in Kontakt. Daher sind hinsichtlich der Wärmeerzeugung durch die Schaltelemente nicht nur der Wärmewiderstand bzw. die Wärmebeständigkeit, sondern ebenso thermische Spannungen problematisch, welche durch den Unterschied des thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen den Materialien hervorgerufen werden.
  • Diesbezüglich kann ein durch die thermischen Spannungen hervorgerufener Riss auftreten, da bei der in der JP 2013-095147 A beschriebenen Konfiguration lediglich die Wärmebeständigkeitstemperatur von Schaltelementen berücksichtigt wird. Beispielsweise steigt bei der in der JP 2013-095147 A beschriebenen Konfiguration die Temperatur der Elemente vielmehr dann signifikant, wenn die Kühlwassertemperatur niedrig ist. Wenn jedoch eine vergleichsweise große Zunahme der Elemententemperatur auftritt, nimmt die Differenz zwischen dem thermischen Verformungsbetrag der Schaltelemente und dem thermischen Verformungsbetrag eines unterhalb der Schaltelemente angeordneten Materials (Lot usw.) zu, wodurch die auf die Schaltelemente und das Material aufgebrachten thermischen Spannungen zunehmen. Diese thermischen Spannungen können zu einem Bruch der bzw. einem Riss in den Schaltelementen führen.
  • Darüber hinaus offenbart die DE 11 2011 105 027 T5 eine Überhitzungsschutz-Steuervorrichtung für einen Wechselrichter, der eine drehende elektrische Maschine antreibt, mit: einem Temperatursensor zum Messen der Temperatur eines Leistungssteuerelements in dem Wechselrichter und einer Steuervorrichtung, die den Lastfaktor der drehenden elektrischen Maschine begrenzt, wenn die durch den Temperatursensor gemessene Temperatur einen Schwellenwert erreicht. Die Steuervorrichtung modifiziert den Schwellenwert basierend auf einem Parameter, der eine Wärmeabstrahlung oder eine Kühlung des Wechselrichters beeinflusst. Vorzugsweise umfasst der Wechselrichter eine Vielzahl von Leistungssteuerelementen. Der Temperatursensor erfasst die Temperatur von einem oder mehreren, aber nicht allen, der Vielzahl von Leistungssteuerelementen. Der Parameter ist eine physikalische Größe, der die Temperaturdifferenz zwischen dem einen oder den mehreren Leistungssteuerelementen und einem anderen in dem Wechselrichter umfassten Leistungssteuerelement beeinflusst. Vorzugsweise wird der Wechselrichter durch ein Kühlmittelmedium gekühlt. Der Parameter ist die Temperatur des Kühlmittelmediums.
  • Die DE 102 03 790 A1 beschreibt, dass zur Vermeidung von Temperaturschwankungen in Halbleitern die Temperatur bei geringer elektrischer Belastung aktiv so angehoben wird, dass das Temperaturniveau des Halbleiterbauelementes dem bei einer vergleichsweise hohen elektrischen Belastung im Wesentlichen entspricht. Um eine Folge wechselnder Belastungen zu vermeiden, wird vorgeschlagen, die Temperatur auf einen möglichst konstanten Wert zu regeln. Das heißt für den Fall geringerer Belastung des Halbleiters wird die Temperatur durch verringerte Kühlung oder erhöhte Verluste oder Heizung auf einem konstanten Wert gehalten.
  • Kurzfassung der Erfindung
  • Die vorstehenden Probleme und die damit einhergehende Aufgabe werden durch die Gegenstände der Ansprüche 1, 3 und 4 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der sich daran anschließenden abhängigen Ansprüche.
  • Entsprechend sieht die Erfindung eine bordseitige elektronische Vorrichtung vor, bei welcher die Wahrscheinlichkeit eines Bruchs von Elementen, welcher durch thermische Spannungen hervorgerufen wird, reduziert werden kann.
  • Gemäß einem ersten erläuternden Aspekt der Offenbarung umfasst eine bordseitige elektronische Vorrichtung: ein Element, welches Wärme erzeugt; ein Bauteil, welches zwischen dem Element und einem das Element kühlenden Kühlmittels vorgesehen ist und sich hinsichtlich des thermischen Ausdehnungskoeffizienten von dem Element unterscheidet; einen Elementen-Temperatursensor, welcher eine Temperatur des Elements erfasst; einen Kühlmittel-Temperatursensor, welcher eine Temperatur des Kühlmittels erfasst; und eine Steuerungsvorrichtung, welche den Betrieb des Elements derart steuert, dass die zulässige Temperatur des Elements, wenn die Temperatur des Kühlmittels einer ersten Temperatur entspricht, niedriger ist als die zulässige Temperatur des Elements, wenn die Temperatur des Kühlmittels einer zweiten Temperatur entspricht, die höher als die erste Temperatur ist.
  • Eine bordseitige elektronische Vorrichtung gemäß einem zweiten erläuternden Aspekt der Offenbarung umfasst: ein Element, welches Wärme erzeugt; ein Bauteil, welches zwischen dem Element und einem das Element kühlenden Kühlmittels vorgesehen ist und sich hinsichtlich des thermischen Ausdehnungskoeffizienten von dem Element unterscheidet; einen Elementen-Temperatursensor, welcher eine Temperatur des Elements erfasst; und einen Kühlmittel-Temperatursensor, welcher eine Temperatur des Kühlmittels erfasst, wobei die Temperatur des Elements, bei welcher der Ausgang des Elements abnimmt bzw. abfällt, höher ist, wenn die Temperatur des Kühlmittels einer zweiten Temperatur entspricht, die höher als eine erste Temperatur ist, als in dem Fall, wenn die Temperatur des Kühlmittels der ersten Temperatur entspricht.
  • Gemäß den ersten und zweiten Aspekten wird der Zunahmebereich der Temperatur des wärmeerzeugenden Elements, welcher ermöglicht ist, wenn die Kühlmitteltemperatur der ersten Temperatur entspricht, beschränkt. Daher kann die Wahrscheinlichkeit, dass das wärmeerzeugende Element durch thermische Spannungen gebrochen wird, reduziert werden.
  • Eine bordseitige elektronische Vorrichtung gemäß einem dritten erläuternden Aspekt der Offenbarung umfasst: ein Element, welches Wärme erzeugt; ein Bauteil, welches zwischen dem Element und einem das Element kühlenden Kühlmittel vorgesehen ist und sich hinsichtlich des thermischen Ausdehnungskoeffizienten von dem Element unterscheidet; einen Kühlmittel-Temperatursensor, welcher eine Temperatur des Kühlmittels erfasst; und eine Steuerungsvorrichtung, welche den Betrieb des Elements basierend auf der Temperatur des Kühlmittels derart beschränkt, dass eine Differenz zwischen der Temperatur des Kühlmittels und einer Temperatur des Elements in einen vorbestimmten Bereich fällt, wobei der Bereich, wenn die Kühlmitteltemperatur einer ersten Temperatur entspricht, gleich dem Bereich ist, wenn die Kühlmitteltemperatur einer zweiten Temperatur entspricht, die höher als die erste Temperatur ist.
  • Gemäß einem vierten erläuternden Aspekt der Offenbarung umfasst eine bordseitige elektronische Vorrichtung: ein Element, welches Wärme erzeugt; ein Bauteil, welches zwischen dem Element und einem das Element kühlenden Kühlmittel vorgesehen ist und sich hinsichtlich des thermischen Ausdehnungskoeffizienten von dem Element unterscheidet; und einen Temperatursensor, welcher eine Temperatur des Kühlmittels erfasst, wobei der Ausgang des Elements abnimmt bzw. abfällt, wenn eine Differenz zwischen der Temperatur des Kühlmittels und einer Temperatur des Elements einen vorbestimmten Bereich überschreitet, und der vorbestimmte Bereich, wenn die Temperatur des Kühlmittels einer ersten Temperatur entspricht, gleich dem vorbestimmten Bereich ist, wenn die Temperatur des Kühlmittels einer zweiten Temperatur entspricht, die höher als die erste Temperatur ist.
  • Gemäß den dritten und vierten Aspekten ist die Differenz der Temperatur zwischen dem Kühlmittel und dem Element derart beschränkt, dass diese den vorbestimmten Bereich nicht überschreitet. Daher kann die Wahrscheinlichkeit, dass das wärmeerzeugende Element durch thermische Spannungen gebrochen wird, reduziert werden. Ferner kann auch bei einer unterschiedlichen Kühlmitteltemperatur die Wahrscheinlichkeit reduziert werden, dass das wärmeerzeugende Element durch thermische Spannungen gebrochen wird, da der vorbestimmte Bereich, wenn die Kühlmitteltemperatur der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur entspricht, gleich ist.
  • Gemäß der Erfindung ist es möglich, eine bordseitige elektronische Vorrichtung zu erhalten, bei welcher die Wahrscheinlichkeit reduziert werden kann, dass das wärmeerzeugende Element durch thermische Spannungen gebrochen wird.
  • Figurenliste
  • Merkmale, Vorteile und die technische und industrielle Bedeutung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung sind nachstehend mit Bezug auf die beigefügten Abbildungen beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, und worin:
    • 1 ein Beispiel der Gesamtkonfiguration eines Motorantriebssystems 1 für ein Elektrofahrzeug darstellt;
    • 2 eine Querschnittsansicht ist, welche ein Beispiel der Kühlstruktur eines Wechselrichters darstellt;
    • 3 ein Flussdiagramm ist, welches ein Beispiel einer Verarbeitung darstellt, die durch eine Halbleiter-Steuerungsvorrichtung ausgeführt wird;
    • 4 ein Flussdiagramm ist, welches ein weiteres Beispiel einer Verarbeitung darstellt, die durch eine Halbleiter-Steuerungsvorrichtung ausgeführt wird;
    • 5 ein Beispiel der Beziehung zwischen einer vorbestimmten Schwelle Tth2 und einer Wassertemperatur Tw darstellt;
    • 6 eine beispielhafte Abbildung ist, welche das Erzeugungsprinzip eines Bruchs bzw. Risses (thermischer Bruch) eines Schaltelements darstellt, welcher durch thermische Spannungen hervorgerufen wird;
    • 7 ein Flussdiagramm ist, welches ein Beispiel eines Verfahrens zum Verändern der vorbestimmten Schwelle Tth2 unter Berücksichtigung der Elemententemperatur-Zunahmerate darstellt;
    • 8 ein Beispiel eines Verfahrens zum Verändern der vorbestimmten Schwelle Tth2 gemäß der Elemententemperatur-Zunahmerate darstellt; und
    • 9 eine beispielhafte Abbildung ist, welche das Erzeugungsprinzip eines Bruchs bzw. Risses (thermischer Bruch) eines Schaltelements darstellt, wenn die Elemententemperatur-Zunahmerate hoch ist.
  • Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
  • Ausführungsformen der Erfindung sind nachstehend mit Bezug auf die beigefügten Abbildungen detaillierter erläutert.
  • 1 stellt ein Beispiel der Gesamtkonfiguration des Motorantriebssystems 1 für ein Elektrofahrzeug dar. Mit dem Motorantriebssystem 1 wird ein Fahrzeug durch Betätigen eines Antriebsmotors 40 mit elektrischer Leistung von einer Batterie 10 angetrieben. Details mit Bezug auf das Verfahren und die Konfiguration des Elektrofahrzeugs sind unter der Voraussetzung, dass das Fahrzeug durch das Betätigten des Antriebsmotors 40 unter Verwendung der elektrischen Leistung gefahren wird, nicht beschränkt. Typische Beispiele des Elektrofahrzeugs umfassen ein Hybridfahrzeug unter Verwendung einer Maschine und des Antriebsmotors 40 als Leistungsquellen, und ein Elektrofahrzeug unter Verwendung lediglich des Antriebsmotors 40 als die Leistungsquelle.
  • Wie in 1 angegeben, ist das Motorantriebssystem 1 mit der Batterie 10, einem Gleichstrom-Gleichstrom (DC/DC)-Wandler 20, einem Wechselrichter 30, dem Antriebsmotor 40 und einer Halbleiter-Steuerungsvorrichtung 50 vorgesehen.
  • Die Batterie 10 entspricht irgendeiner Leistungsspeichervorrichtung, welche elektrische Leistung speichert und eine DC-Spannung ausgibt, und diese kann durch eine Nickel-Metallhydrid-Batterie oder eine Lithiumionen-Batterie aufgebaut sein, oder durch ein kapazitives Element, wie einem elektrischen Doppelschicht-Kondensator.
  • Der DC/DC-Wandler 20 kann ein bidirektionaler DC/DC-Wandler (ein Boost- bzw. Hochsetz-DC/DC-Wandler 20 eines reversiblen Chopper-Systems) sein. Der DC/DC-Wandler 20 kann die Spannung beispielsweise durch Hochsetzen von 200 V auf 650 V und Senken von 650 V auf 200 V umwandeln. Ein Glättungskondensator C1 kann zwischen einer negativen Elektrodenleitung und der Eingangsseite eines Reaktors (Spule) L1 des DC/DC-Wandlers 20 verbunden bzw. geschaltet sein.
  • Bei dem in der Figur dargestellten Beispiel besitzt der DC/DC-Wandler 20 zwei Schaltelemente Q22, Q24 und den Reaktor bzw. Induktor L1. Die beiden Schaltelemente Q22, Q24 sind zwischen der positiven Elektrodenleitung und der negativen Elektrodenleitung des Wechselrichters 30 in Reihe geschaltet. Der Reaktor L1 ist zu der positiven Elektrodenseite der Batterie 10 in Reihe geschaltet. Die Ausgangsseite des Reaktors L1 ist mit dem Verbindungspunkt der beiden Schaltelemente Q22, Q24 verbunden.
  • Bei dem in der Figur gezeigten Beispiel sind die beiden Schaltelemente Q22, Q24 des DC/DC-Wandlers 20 Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT). Die Schaltelemente Q22, Q24 können dem herkömmlichen IGBT unter Verwendung von Dioden (beispielsweise Freilaufdioden) D22, D24 als externe Elemente, oder einem rückwärtsleitenden IGBT (RC-IGBT), welcher die Dioden D22, D24 enthält, entsprechen. In jedem Fall ist der Kollektor des Schaltelements Q22 des oberen Arms mit der positiven Elektrodenleitung des Wechselrichters 30 verbunden, und der Emitter des Schaltelements Q22 des oberen Arms ist mit dem Kollektor des Schaltelements Q24 des unteren Arms verbunden. Der Emitter des Schaltelements Q24 des unteren Arms ist mit der negativen Elektrodenleitung des Wechselrichters 30 und der negativen Elektrode der Batterie 10 verbunden. Die Schaltelemente Q22, Q24 können außerdem andere Schaltelemente sein, welche sich von dem IGBT unterscheiden, beispielsweise Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET).
  • Der Wechselrichter 30 ist durch U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasenarme aufgebaut, die zwischen der positiven Elektrodenleitung und der negativen Elektrodenleitung parallel zueinander angeordnet sind. Der U-Phasenarm ist durch eine Reihenschaltung von Schaltelementen (IGBT bei diesem Beispiel) Q1, Q2 aufgebaut, der V-Phasenarm ist durch eine Reihenschaltung von Schaltelementen (IGBT bei diesem Beispiel) Q3, Q4 aufgebaut, und der W-Phasenarm ist durch eine Reihenschaltung von Schaltelementen (IGBT bei diesem Beispiel) Q5, Q6 aufgebaut. Die Dioden D1 bis D6 sind derart angeordnet, dass der elektrische Strom ausgehend von der Emitterseite hin zu der Kollektorseite, jeweils zwischen dem Kollektor und dem Emitter der Schaltelemente Q1 bis Q6 fließt. Die Schaltelemente Q1 bis Q6 können andere Schaltelemente sein, die sich von dem IGBT unterscheiden, wie beispielsweise MOSFET.
  • Der Antriebsmotor 40 ist ein Dreiphasen-Permanentmagnetmotor und die drei U-, V-, und W-Phasenspulen sind jeweils mit einem Ende gemeinsam bei einem Mittelpunkt des Antriebsmotors 40 verbunden. Das andere Ende der U-Phasenspule ist mit einem Mittelpunkt M1 der Schaltelemente Q1, Q2 verbunden, das andere Ende der V-Phasenspule ist mit einem Mittelpunkt M2 der Schaltelemente Q3, Q4 verbunden und das andere Ende der W-Phasenspule ist mit einem Mittelpunkt M3 der Schaltelemente Q5, Q6 verbunden. Ein Glättungskondensator C2 ist zwischen dem Kollektor und der negativen Elektrodenleitung des Schaltelements Q1 verbunden bzw. geschaltet. Das Verbindungs- bzw. Schaltungsverfahren der drei U-, V-, und W-Phasenspulen kann außerdem eine Δ-Verbindung bzw. Schaltung sein. Ferner kann der Antriebsmotor 40 ein Hybrid-Dreiphasen-Motor sein, bei welchem ein Elektromagnet und ein Permanentmagnet kombiniert sind.
  • Ein zweiter Antriebsmotor oder ein Generator kann zusätzlich zu dem Antriebsmotor 40 außerdem parallel geschaltet sein. In diesem Fall ist der entsprechende Wechselrichter ebenso parallel hinzugefügt.
  • Die Halbleiter-Steuerungsvorrichtung 50 steuert den DC/DC-Wandler 20 und den Wechselrichter 30. Die Halbleiter-Steuerungsvorrichtung 50 kann als eine elektronische Steuerungseinheit (ECU) einschließlich eines Mikrocomputers implementiert sein. Verschiedene Funktionen (einschließlich der nachstehend beschriebenen Funktionen) der Halbleiter-Steuerungsvorrichtung 50 können durch irgendeine Hardware, Software und Firmware, oder eine Kombination davon realisiert sein. Beispielsweise können verschiedene Funktionen der Halbleiter-Steuerungsvorrichtung 50 durch eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) oder einen feldprogrammierbaren Gate-Array (FPGA) realisiert sein. Verschiedene Funktionen der Halbleiter-Steuerungsvorrichtung 50 können außerdem durch eine Mehrzahl von ECUs in einer kooperativen Art und Weise realisiert sein.
  • Im Grunde kann jedes Verfahren zum Steuern des DC/DC-Wandlers 20 verwendet werden. Typischerweise steuert die Halbleiter-Steuerungsvorrichtung 50 den DC/DC-Wandler 20 gemäß dem Betrieb (Leistungsbetrieb oder Regeneration) des Wechselrichters 30. Beispielsweise schaltet die Halbleiter-Steuerungsvorrichtung 50 während des Leistungsbetriebs lediglich das Schaltelement Q24 des unteren Arms des DC-DC-Wandlers 20 An/Aus (Ein-Arm-Antrieb, welcher mit dem unteren Arm durchgeführt wird), um die Spannung der Batterie 10 zu erhöhen und die erhöhte Spannung hin zu der Seite des Wechselrichters 30 auszugeben. In diesem Fall kann das Schaltelement Q24 des unteren Arms durch eine Pulsweitenmodulation (PWM) gesteuert werden. Ferner wird während der Regeneration lediglich das Schaltelement Q22 des oberen Arms des DC/DC-Wandlers 20 An/Aus geschaltet (Ein-Arm-Antrieb, welcher mit dem oberen Arm durchgeführt wird), so dass die Spannung auf der Seite des Wechselrichters 30 verringert wird und die verringerte Spannung hin zu der Seite der Batterie 10 ausgegeben wird. In diesem Fall kann das Schaltelement Q22 des oberen Arms durch PWM gesteuert werden. Ferner kann die Halbleiter-Steuerungsvorrichtung 50, wenn der in dem Reaktor L1 fließende Strom 0 kreuzt (zu der Zeit eines Nulldurchgangs), die beiden Schaltelemente Q22, Q24 in Gegenphasen auf An/Aus antreiben (Zwei-Arm-Antrieb).
  • Im Grunde kann jedes Verfahren zum Steuern des Wechselrichters 30 verwendet werden. Üblicherweise treibt die Halbleiter-Steuerungsvorrichtung 50 die beiden Schaltelemente Q1, Q2 mit Bezug auf die U-Phase auf An/Aus an, diese treibt die beiden Schaltelemente Q3, Q4 mit Bezug auf die V-Phase auf An/Aus an, und diese treibt die beiden Schaltelemente Q5, Q6 mit Bezug auf die W-Phase auf An/Aus an, so dass die in den Spulen der Phasen fließenden Phasenströme sinusförmige Wellenformen besitzen, welche in der Phase um 120° verschoben sind.
  • Ein Wasser-Temperatursensor 60 und ein Elementen-Temperatursensor 62 sind mit der Halbleiter-Steuerungsvorrichtung 50 verbunden.
  • Der Wasser-Temperatursensor 60 erfasst die Temperatur eines Kühlmittels, welches den Wechselrichter 30 kühlt. Das Kühlmittel kann Öl, Wasser oder Luft sein, und dieses ist üblicherweise Wasser (beispielsweise Kühlmittel mit langer Lebensdauer (LLC)). Bei dem vorliegenden Beispiel ist beispielhaft angenommen, dass das Kühlmittel Wasser ist.
  • Der Elementen-Temperatursensor 62 erfasst die Temperatur der Schaltelemente Q1 bis Q6, welche den Wechselrichter 30 bilden. Der Elementen-Temperatursensor 62 kann ein Sensor sein, welcher in jedem der Schaltelemente Q1 bis Q6 enthalten ist. Der Elementen-Temperatursensor 62 kann Elementen-Temperatursensoren umfassen, welche die Temperatur von jeder der Dioden D1 bis D6 erfassen.
  • 2 ist eine Querschnittsansicht, welche ein Beispiel einer Kühlstruktur 2 des Wechselrichters 30 darstellt. Der Wechselrichter 30 kann irgendeine Kühlstruktur besitzen, wobei ein Beispiel davon der in 2 dargestellten Konfiguration entspricht. 2 stellt den Abschnitt des Schaltelements Q1 dar, die gleiche Konfiguration kann jedoch für andere Schaltelemente Q2 bis Q6 verwendet werden. Die vertikale Richtung der Kühlstruktur 2 des Wechselrichters 30 unterscheidet sich gemäß dem Installationszustand der Kühlstruktur 2 des Wechselrichters 30, nachfolgend ist der Einfachheit halber jedoch diejenige Seite (obere Seite in 2), bei welcher das Schaltelement Q1 mit Bezug auf einen Wärmeverteiler 78 vorliegt, als die Oberseite angenommen.
  • Bei dem in 2 gezeigten Beispiel umfasst die Kühlstruktur 2 des Wechselrichters 30 einen Kühler 70, eine Wärmesenke bzw. einen Kühlkörper 72, ein Isolationselement 76 und den Wärmeverteiler 78.
  • Der Kühler 70 bildet einen Kühlmittel-Strömungspfad. Ein Wärmetauscher oder eine Pumpe (in der Figur nicht gezeigt) kann in dem Kühlmittel-Strömungspfad vorgesehen sein. Ferner ist der Wasser-Temperatursensor 60 in dem Kühlmittel-Strömungspfad vorgesehen. Der Wasser-Temperatursensor 60 kann bei irgendeiner Position des Kühlmittel-Strömungspfads innerhalb des Kühlers 70 angeordnet sein. Der Wasser-Temperatursensor 60 kann beispielsweise stromaufwärts (beispielsweise zwischen dem Wärmetauscher und dem Strömungspfadabschnitt mit Bezug auf den Wechselrichter 30) des Strömungspfadabschnitts mit Bezug auf den Wechselrichter 30 in dem Kühlmittel-Strömungspfad vorgesehen sein. Der Kühlmittel-Strömungspfad kann zusätzlich zu dem Wechselrichter 30 außerdem andere wärmeerzeugende Teile kühlen.
  • Der Kühler 70 ist derart angeordnet, dass dieser mit Rippen 72a der Wärmesenke bzw. des Kühlkörpers 72 in Kontakt steht. Folglich kann das Kühlmittel, welches in dem Kühler 70 zirkuliert, Wärme von dem Kühlkörper 72 aufnehmen. Der Kühler 70 kann außerdem derart konfiguriert sein, dass dieser zusammen mit den Rippen 72a des Kühlkörpers 72 einen Wasserpfad bildet. In diesem Fall läuft bzw. strömt das Kühlmittel zwischen den Rippen 72a des Kühlkörpers 72 und nimmt Wärme von dem Kühlkörper 72 auf. Die Anzahl und die Anordnungsgestalt der Rippen 72a sind nicht beschränkt. Die Rippen 72a können Stiftrippen sein, welche in einem Zickzack-Muster angeordnet sind, oder gerade Rippen.
  • Die Wärmesenke bzw. der Kühlkörper 72 ist aus einem Material mit einer guten thermischen Leitfähigkeit, beispielsweise aus einem Material wie Aluminium, ausgebildet. Wie vorstehend erwähnt, ist der Kühlkörper 72 auf der Seite der unteren Oberfläche mit den Rippen 72a vorgesehen.
  • Das Isolationselement 76 ist aus einem Isolationsmaterial mit einer guten thermischen Leitfähigkeit ausgebildet, wie beispielsweise aus Aluminium. Das Isolationselement 76 kann außerdem aus einem Harzkleber oder einer Harzfolie ausgebildet sein. Dieses kann beispielsweise aus einem Harz einschließlich Aluminiumoxid als ein Füllmaterial ausgebildet sein.
  • Der Wärmeverteiler 78 entspricht einem Element, welches die durch das Schaltelement Q1 erzeugte Wärme absorbiert und verteilt. Der Wärmeverteiler 78 ist aus einem Material mit einer ausgezeichneten Wärmediffusionseigenschaft ausgebildet, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium. Die Seite der oberen Fläche (Seite, welche mit dem Schaltelement Q1 in Kontakt steht) des Wärmeverteilers 78 kann mit Metall überzogen sein (beispielsweise vernickelt), um die Lot-Benetzungsfähigkeit zu erhöhen bzw. zu verbessern.
  • Das Schaltelement Q1 ist durch ein Lötmittel 80 auf der Oberseite des Wärmeverteilers 78 verbunden. Eine Diode D1 kann zusammen mit dem Schaltelement Q1 auf dem Wärmeverteiler 78 montiert sein. In diesem Fall kühlt der Kühler 70 sowohl das Schaltelement Q1 als auch die Diode D1.
  • Der Kühler 70, der Kühlkörper 72 und das Isolationselement 76 können außerdem zusammen mit anderen Schaltelementen Q2 bis Q6, oder mit einigen der anderen Schaltelemente Q2 bis Q6, oder lediglich mit dem Schaltelement Q1 und der Diode D1 verwendet werden.
  • 3 ist ein Flussdiagramm, welches ein Beispiel einer Verarbeitung zeigt, welche durch die Halbleiter-Steuerungsvorrichtung 50 ausgeführt wird. Die in 3 dargestellte Verarbeitung kann beispielsweise bei vorbestimmten Periodenintervallen während des Betriebs des Wechselrichters 30 ausgeführt werden. Hier ist die Verarbeitung mit Bezug auf das Schaltelement Q1 beispielhaft beschrieben. Die gleiche Verarbeitung kann unabhängig mit Bezug auf andere Schaltelemente Q2 bis Q6 ausgeführt werden (die Verarbeitung von Schritt 300 kann dabei gleich sein).
  • Bei Schritt 300 wird die vorliegende Wassertemperatur Tw basierend auf den neuesten Informationen von dem Wasser-Temperatursensor 60 erfasst.
  • Bei Schritt 302 wird die vorliegende Elemententemperatur Ts des Schaltelements Q1 basierend auf den neuesten Informationen hinsichtlich des Schaltelements Q1 von dem Elementen-Temperatursensor 62 erfasst.
  • Bei Schritt 304 wird ermittelt, ob der Temperatur-Zunahmebetrag des Schaltelements Q1 mit Bezug auf die Kühlmitteltemperatur, das heißt, die Differenz (= Ts - Tw) zwischen der Elemententemperatur Ts und der Wassertemperatur Tw eine vorbestimmte Schwelle Tth1 überschritten hat. Die vorbestimmte Schwelle Tth1 entspricht dem unteren Grenzwert des Bereichs, welcher durch den Temperatur-Zunahmebetrag (Differenz zwischen der Elemententemperatur Ts und der Wassertemperatur Tw) des Schaltelements Q1 angenommen werden kann, wenn das Schaltelement Q1 aufgrund von thermischen Spannungen gebrochen wird (es treten Risse auf oder das Schaltelement trennt sich von dem Lötmittel 80). Diese vorbestimmte Schwelle kann experimentell oder analytisch ermittelt werden. In diesem Fall kann die vorbestimmte Schwelle Tth1 für jede Wassertemperatur (oder vorbestimmten Wassertemperaturbereich) eingestellt sein. Alternativ kann die vorbestimmte Schwelle Tth1 einfach einen konstanten Wert besitzen. Daher kann die vorbestimmte Schwelle Tth1 ungeachtet der Wassertemperatur oder der Elemententemperatur konstant sein. Die vorbestimmte Schwelle Tth1 ist jedoch derart eingestellt, dass die Elemententemperatur Ts die Wärmebeständigkeitstemperatur des Schaltelements Q1 nicht überschreitet. Daher kann, wenn eine Bedingung von (Wassertemperatur Tw + vorbestimmte Schwelle Tth1 ) ≥ (Wärmebeständigkeitstemperatur) erfüllt ist, die vorbestimmte Schwelle Tth1 einem Wert entsprechen, der durch Subtrahieren der Wassertemperatur Tw von der Wärmebeständigkeitstemperatur erhalten wird, (oder einem Wert, welcher durch weiteres Subtrahieren einer vorbestimmten Spanne erhalten wird). Die Wärmebeständigkeitstemperatur entspricht einer oberen Grenztemperatur, bei welcher das Schaltelement Q1 thermisch gebrochen wird, und dafür kann ein Auslegungswert verwendet werden.
  • Wenn die Differenz zwischen der Elemententemperatur Ts und der Wassertemperatur Tw bei dem vorliegenden Schritt 304 die vorbestimmte Schwelle Tth1 überschreitet, schreitet die Verarbeitung zu Schritt 306 voran, andererseits schreitet die Verarbeitung zu Schritt 308 voran.
  • Bei Schritt 306 wird der Betrieb des Wechselrichters 30 derart beschränkt, dass die Differenz zwischen der Elemententemperatur Ts und der Wassertemperatur Tw die vorbestimmte Schwelle Tth1 nicht überschreitet. Wenn der Betrieb des Wechselrichters 30 vorliegend bereits beschränkt wurde, wird der Beschränkungszustand aufrechterhalten und die Verarbeitung der vorliegenden Phase endet.
  • Zum Beschränken des Betriebs des Wechselrichters 30 bei Schritt 306 kann irgendein Verfahren verwendet werden. Die Beschränkung des Betriebs des Wechselrichters 30 kann durch Beschränken des Ausgangs des Wechselrichters 30 realisiert werden. Das Beschränken des Ausgangs des Wechselrichters 30 kann beispielsweise durch Korrigieren des erforderlichen Drehmoments realisiert werden, welches gemäß dem Gaspedal-Niederdrückbetrag und der Fahrzeuggeschwindigkeit ermittelt wird (in der Abnahmerichtung korrigiert). Die Korrektur in der Abnahmerichtung kann mit Bezug auf das erforderliche Drehmoment oder mit Bezug auf einen anderen Steuerungswert (beispielsweise einen Ziel-Spannungswert, einen Ziel-Stromwert und eine Ziel-Betriebszeit) ausgeführt werden, welcher gemäß dem erforderlichen Drehmoment hergeleitet ist. Ferner kann die Beschränkung des Ausgangs des Wechselrichters 30 ebenso durch Korrigieren (korrigieren in der Abnahmerichtung) des oberen Grenzwerts (obere Grenz-Schutzwert) für das erforderliche Drehmoment oder eines Steuerungswerts basierend darauf realisiert werden. Die Beschränkung des Betriebs des Wechselrichters 30 kann außerdem durch Korrigieren (Korrigieren in der Abnahmerichtung) der Trägerfrequenz der Betriebszeitsteuerung realisiert werden. Darüber hinaus kann die Beschränkung des Betriebs des Wechselrichters 30 in einer stufenartigen Weise ausgeführt werden. Beispielsweise wenn die Differenz zwischen der Elemententemperatur Ts und der Wassertemperatur die vorbestimmte Schwelle Tth1 überschreitet, die Elemententemperatur Ts sich jedoch nicht nahe an der Wärmebeständigkeitstemperatur befindet, kann die Beschränkung des Betriebs des Wechselrichters 30 durch Korrigieren (Korrigieren in der Abnahmerichtung) der Trägerfrequenz der Betriebszeitsteuerung realisiert werden, und wenn die Differenz zwischen der Elemententemperatur Ts und der Wassertemperatur die vorbestimmte Schwelle Tth1 überschreitet und sich die Elemententemperatur Ts nahe der Wärmebeständigkeitstemperatur befindet, kann die Beschränkung des Betriebs des Wechselrichters 30 durch Steuern des Ausgangs des Wechselrichters 30 realisiert werden. Ferner kann der Grad bzw. das Ausmaß der Beschränkung des Betriebs des Wechselrichters 30 (der Betrag des Verringerns des Ausgangs des Wechselrichters 30 oder die Abnahmerate des Ausgangs des Wechselrichters 30) gemäß der Differenz zwischen der Elemententemperatur Ts und der Wassertemperatur oder der Elemententemperatur Ts verändert werden. Beispielsweise kann der Grad der Beschränkung des Betriebs des Wechselrichters 30 mit der Zunahme der Differenz zwischen der Elemententemperatur Ts und der Wassertemperatur erhöht sein. In diesem Fall können eine Mehrzahl von Schwellen gemäß der vorbestimmten Schwelle Tth1 vorbereitet sein und der Grad der Beschränkung des Betriebs des Wechselrichters 30 kann mit einer hohen Anzahl von Schritten verändert werden. Alternativ kann, wenn sich die Elemententemperatur Ts nahe der Wärmebeständigkeitstemperatur befindet, der Grad der Beschränkung erhöht sein, während sich die Elemententemperatur Ts der Wärmebeständigkeitstemperatur annähert.
  • Bei Schritt 308 wird die Betriebsbeschränkung des Wechselrichters 30 aufgehoben. Daher wird die Betriebsbeschränkung bei Schritt 306, welche in der vorhergehenden Phase ausgeführt oder aufrechterhalten wurde, aufgehoben. Wenn der Betrieb des Wechselrichters 30 zu der vorliegenden Zeit nicht beschränkt ist, wird der nicht beschränkte Zustand aufrechterhalten und die Verarbeitung der vorliegenden Phase endet.
  • Da sich die vorstehend beschriebene Verarbeitung auf das Schaltelement Q1 bezieht, kann die Beschränkung des Betriebs des Wechselrichters 30 bei Schritt 306 lediglich mit Bezug auf den Arm bezüglich des Schaltelements Q1 ausgeführt werden, oder diese kann mit Bezug auf den gesamten Wechselrichter 30 ausgeführt werden.
  • Bei der in 3 dargestellten Verarbeitung wird die Elemententemperatur Ts des Schaltelements Q1 überwacht, es kann jedoch ebenso die Elemententemperatur der Diode D1 überwacht werden, welche parallel zu dem Schaltelement Q1 geschaltet ist.
  • Ferner bezieht sich die in 3 dargestellte Verarbeitung auf das Schaltelement Q1, diese kann jedoch ebenso mit Bezug auf den gesamten Wechselrichter 30 (die Schaltelemente Q1 bis Q6) ausgeführt werden. In diesem Fall kann die Verarbeitung von Schritt 304 in gleicher Art und Weise mit Bezug auf die Elemententemperatur Ts von anderen Schaltelementen Q2 bis Q6 ausgeführt werden. In diesem Fall kann, wenn die Differenz zwischen der Elemententemperatur Ts und der Wassertemperatur Tw für zumindest irgendeines der Schaltelemente Q1 bis Q6 die vorbestimmte Schwelle Tth1 überschreitet, die Verarbeitung zu Schritt 306 voranschreiten, und wenn die Differenz zwischen der Elemententemperatur Ts und der Wassertemperatur Tw für sämtliche der Schaltelemente Q1 bis Q6 die vorbestimmte Schwelle Tth1 nicht überschreitet, kann die Verarbeitung zu Schritt 308 voranschreiten. Alternativ kann die Verarbeitung zu Schritt 306 voranschreiten, wenn die Differenz zwischen dem Durchschnittswert der Elemententemperaturen Ts der Schaltelemente Q1 bis Q6 und die Wassertemperatur Tw die vorbestimmte Schwelle Tth1 überschreitet. Andernfalls kann die Verarbeitung zu Schritt 308 voranschreiten.
  • 4 ist ein Flussdiagramm, welches ein weiteres Beispiel der durch die Halbleiter-Steuerungsvorrichtung 50 ausgeführten Verarbeitung darstellt. Die in 4 dargestellte Verarbeitung kann während des Betriebs des Wechselrichters 30 bei vorbestimmten Periodenintervallen ausgeführt werden. Die in 4 dargestellte Verarbeitung ist im Wesentlichen äquivalent zu dieser, welche in 3 dargestellt ist, und lediglich die Verarbeitung von Schritt 403 und Schritt 404 ist unterschiedlich. Die Verarbeitung von Schritt 400, Schritt 402, Schritt 406 und Schritt 408 kann gleich der Verarbeitung von Schritt 300, Schritt 302, Schritt 306 bzw. Schritt 308 sein.
  • Bei Schritt 403 wird die vorbestimmte Schwelle Tth2 gemäß der bei Schritt 400 erfassten Wassertemperatur Tw eingestellt. Die vorbestimmte Schwelle Tth2 kann derart verändert werden, dass diese zunimmt, während die Wassertemperatur Tw ansteigt. Die vorbestimmte Schwelle Tth2 entspricht dem unteren Grenzwert des Bereichs, welcher durch die Elemententemperatur Ts des Schaltelements Q1 angenommen werden kann, wenn das Schaltelement Q1 aufgrund von thermischen Spannungen gebrochen wird. Diese vorbestimmte Schwelle kann experimentell oder analytisch ermittelt werden. Die vorbestimmte Schwelle Tth2 kann auf einfache Art und Weise einem Wert entsprechen, welcher um einen vorbestimmten Wert ΔT höher als die Wassertemperatur Tw ist. In diesem Fall entspricht der vorbestimmte Wert ΔT der vorbestimmten Schwelle Tth1 bei dem in 3 dargestellten Beispiel, und bei diesem Aspekt ist die in 4 dargestellte Verarbeitung im Wesentlichen äquivalent zu dieser bei dem in 3 dargestellten Beispiel. Die vorbestimmte Schwelle Tth2 kann eine Wärmebeständigkeitstemperatur des Schaltelements Q1 (oder einen Wert, welcher durch Subtrahieren einer vorbestimmten Spanne von der Wärmebeständigkeitstemperatur erhalten wird) als den oberen Grenzwert besitzen.
  • Bei Schritt 404 wird ermittelt, ob die bei Schritt 402 erfasste Elemententemperatur Ts die vorbestimmte Schwelle Tth2 überschreitet, welche bei Schritt 403 eingestellt wurde. Wenn die Elemententemperatur Ts die vorbestimmte Schwelle Tth2 überschreitet, schreitet die Verarbeitung zu Schritt 406 voran. Andernfalls schreitet die Verarbeitung zu Schritt 408 voran.
  • Bei der in 4 dargestellten Verarbeitung wird die Elemententemperatur Ts des Schaltelements Q1 überwacht, es kann jedoch ebenso die Elemententemperatur der parallel zu dem Schaltelement Q1 geschalteten Diode D1 überwacht werden.
  • Ferner bezieht sich die in 4 dargestellte Verarbeitung auf das Schaltelement Q1, diese kann jedoch ebenso mit Bezug auf den gesamten Wechselrichter 30 (die Schaltelemente Q1 bis Q6) ausgeführt werden. In diesem Fall kann die Verarbeitung von Schritt 404 in ähnlicher Art und Weise mit Bezug auf die Elemententemperatur Ts von anderen Schaltelementen Q2 bis Q6 ausgeführt werden. Wenn die Elemententemperatur Ts für zumindest irgendeines der Schaltelemente Q1 bis Q6 die vorbestimmte Schwelle Tth2 überschreitet, kann die Verarbeitung zu Schritt 406 voranschreiten, und wenn die Elemententemperatur Ts für sämtliche Schaltelemente Q1 bis Q6 die vorbestimmte Schwelle Tth2 nicht überschreitet, kann die Verarbeitung zu Schritt 408 voranschreiten. Alternativ, wenn der Durchschnittswert der Elemententemperaturen Ts der Schaltelemente Q1 bis Q6 die vorbestimmte Schwelle Tth2 überschreitet, kann die Verarbeitung zu Schritt 406 voranschreiten. Andernfalls kann die Verarbeitung zu Schritt 408 voranschreiten.
  • 5 stellt ein Beispiel der Beziehung zwischen der vorbestimmten Schwelle Tth2 und der Wassertemperatur Tw, wie bei dem in 4 dargestellten Schritt S403 verwendet, dar.
  • Bei dem in 5 dargestellten Beispiel ist, wenn die Wassertemperatur in einem Bereich von T0 bis T1 liegt, die vorbestimmte Schwelle Tth2 als ein Wert angenommen, der um den vorbestimmten Wert ΔT höher als eine vorbestimmte Temperatur (beispielsweise T0) zwischen T0 und T1 ist. Wenn sich die Wassertemperatur in einem Bereich von T1 bis T2 befindet, ist die vorbestimmte Schwelle Tth2 als ein Wert angenommen, welcher um den vorbestimmten Wert ΔT höher als eine vorbestimmte Temperatur zwischen T1 und T2 (beispielsweise T1) ist. Wenn sich die Wassertemperatur in einem Bereich von T2 bis T3 befindet, ist die vorbestimmte Schwelle Tth2 als ein Wert angenommen, welcher um den vorbestimmten Wert ΔT höher als eine vorbestimmte Temperatur zwischen T2 und T3 (beispielsweise T2) ist. Wenn die Wassertemperatur höher oder gleich T3 ist, ist die vorbestimmte Schwelle Tth2 als ein Wert angenommen (bei dem in 5 dargestellten Beispiel eine Wärmebeständigkeitstemperatur Tmax), welcher um den vorbestimmten Wert ΔT höher als eine vorbestimmte Temperatur (beispielsweise T3) ist, die höher oder gleich T3 ist.
  • Bei dem in 5 dargestellten Beispiel ist der vorbestimmte Wert ΔT in einfacher Art und Weise für sämtliche Bereiche gleich, es kann jedoch ebenso ein geeigneter Wert gemäß experimentellen oder analytischen Ergebnissen eingestellt sein (ein Wert, welcher sich zwischen den Bereichen unterscheiden kann). In einem Bereich niedriger Wassertemperatur (beispielsweise wenn sich die Wassertemperatur in einem Bereich von T0 bis T1 befindet), ist die vorbestimmte Schwelle Tth2 jedoch als wesentlich kleiner als die Wärmebeständigkeitstemperatur Tmax angenommen. Dies erfolgt, um zu verhindern, dass das Schaltelement Q1 aufgrund von thermischen Spannungen bricht (nachfolgend beschrieben). Bei dem in 5 dargestellten Beispiel ist der Wassertemperaturbereich in vier Sektoren bzw. Bereiche (T0 bis T1, T1 bis T2, T2 bis T3, und T3 oder höher) aufgeteilt, die Form der Aufteilung (Anzahl oder Breite der Sektoren) ist jedoch nicht beschränkt. Beispielsweise ist der Fall, bei welchem der Wassertemperaturbereich in eine hohe Anzahl von Sektoren aufgeteilt ist und die Sektoren den gleichen vorbestimmten Wert ΔT besitzen, äquivalent zu dem Fall, bei welchem die bei der in 3 dargestellten Verarbeitung verwendete vorbestimmte Schwelle Tth1 konstant ist.
  • 6 ist eine beispielhafte Abbildung, welche das Erzeugungsprinzip eines Bruchs bzw. Risses (thermischer Bruch) des Schaltelements Q1 zeigt, der durch thermische Spannungen hervorgerufen wird. Die durch 6 dargestellte Erläuterung bezieht sich auf das Schaltelement Q1, diese kann jedoch ebenso auf andere Schaltelemente Q2 bis Q6 angewendet werden.
  • Wenn der Wärmeerzeugungsbetrag des Schaltelements Q1 ausgehend von einem Zustand, bei welchem die Elemententemperatur Ts des Schaltelements Q1 gleich der Wassertemperatur Tw ist, zunimmt, bewirkt die erzeugte Wärme üblicherweise eine Differenz, welche zwischen dem thermischen Verformungsbetrag des Schaltelements Q1 und dem thermischen Verformungsbetrag der unterhalb des Schaltelements Q1 angeordneten Bauelemente (Kühlkörper 72, Isolationselement 76, Wärmeverteiler 78 und Lötmittel 80) auftritt. Diese Differenz des thermischen Verformungsbetrags wird durch die Differenz des thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Schaltelement Q1 und den unterhalb des Schaltelements Q1 angeordneten Bauelementen, und die Differenz zwischen der Elemententemperatur Ts des Schaltelements Q1 und der Wassertemperatur Tw hervorgerufen. Diese Differenz des thermischen Verformungsbetrags bewirkt thermische Spannungen (Druck oder Zugspannungen) in dem Schaltelement Q1. Bei dem in 6 dargestellten Beispiel ist der thermische Ausdehnungskoeffizient des Schaltelements Q1 wesentlich niedriger als dieser des Kühlkörpers 72, des Wärmeverteilers 78 und des Lötmittels 80. In diesem Fall wird der Betrag der thermischen Ausdehnung der unterhalb des Schaltelements Q1 angeordneten Bauelemente größer als dieser des Schaltelements Q1, und wie in 6 schematisch dargestellt ist, werden in dem Schaltelement Q1 Zugspannungen S erzeugt. Wenn die in dem Schaltelement Q1 erzeugten Spannungen hoch sind, können diese den Bruch des Schaltelements Q1 hervorrufen. Daher wäre es nützlich, den Betrieb des Schaltelements Q1 zu beschränken, so dass die durch eine solche Differenz des thermischen Verformungsbetrags hervorgerufenen Spannungen, wenn sich die Elemententemperatur Ts des Schaltelements Q1 verändert, ein Niveau nicht erreichen können, bei welchem das Schaltelement Q1 gebrochen werden kann.
  • In diesem Fall steht, wie vorstehend erwähnt, die Differenz des thermischen Verformungsbetrags, wenn sich die Elemententemperatur Ts des Schaltelements Q1 verändert, mit der Differenz zwischen der Elemententemperatur Ts des Schaltelements Q1 und der Wassertemperatur Tw in Beziehung. Daher ist, wenn die Wassertemperatur Tw beispielsweise 0 Grad beträgt und die Elemententemperatur Ts ausgehend von 0 Grad auf 100 Grad ansteigt (nachfolgend als „Fall 1“ bezeichnet), und wenn die Wassertemperatur Tw 80 Grad beträgt und die Elemententemperatur Ts ausgehend von 80 Grad auf 100 Grad ansteigt (nachfolgend als „Fall 2“ bezeichnet), die Differenz des thermischen Verformungsbetrags zwischen dem Schaltelement Q1 und den unterhalb des Schaltelements Q1 angeordneten Bauelementen im Fall 1 größer als im Fall 2. Daher unterscheidet sich die Wahrscheinlichkeit, dass das Schaltelement Q1 gebrochen wird, in Abhängigkeit der Differenz der Wassertemperatur Tw zu dieser Zeit, auch wenn die Elemententemperatur Ts auf das gleiche Niveau (100 Grad) ansteigt. Dies liegt daran, da der Verlängerungsbetrag (thermischer Ausdehnungsbetrag) des unterhalb des Schaltelements Q1 angeordneten Lötmittels 80, welcher auftritt, wenn sich die Elemententemperatur Ts des Schaltelements Q1 verändert, bei Fall 1 größer ist als bei Fall 2. Der Effekt wird tatsächlich ebenso durch die thermische Verformung der unterhalb des Lötmittels 80 angeordneten Bauelemente (Kühlkörper 72, Isolationselement 76 und Wärmeverteiler 78) hervorgerufen, die Differenz des thermischen Verformungsbetrags ist bei Fall 1 jedoch grundsätzlich höher als bei Fall 2, und die Wahrscheinlichkeit, dass das Schaltelement Q1 gebrochen wird, nimmt zu.
  • Diesbezüglich wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Betrieb des Wechselrichters 30 gemäß der Differenz zwischen der Elemententemperatur Ts des Schaltelements Q1 und der Wassertemperatur Tw beschränkt, wie vorstehend beschrieben, und daher kann die Wahrscheinlichkeit, dass das Schaltelement Q1 aufgrund von thermischen Spannungen gebrochen wird bzw. bricht, reduziert werden.
  • 7 ist ein Flussdiagramm, welches ein Beispiel eines Verfahrens zum Verändern der vorbestimmten Schwelle Tth2 unter Berücksichtigung der Elemententemperatur-Zunahmerate darstellt. Die in 7 dargestellte Verarbeitungsroutine kann beispielsweise bei vorbestimmten Periodenintervallen während des Betriebs des Wechselrichters 30 ausgeführt werden. Die in 7 dargestellte Verarbeitungsroutine kann optional zwischen der Verarbeitung von Schritt 403 und der Verarbeitung von Schritt 404 bei der in 4 dargestellten Verarbeitung enthalten sein.
  • Bei Schritt 700 wird die Zunahmerate dTs/dt der Elemententemperatur Ts pro Zeiteinheit (nachfolgend als Elemententemperatur-Zunahmerate dTs/dt bezeichnet) berechnet. Die Elemententemperatur-Zunahmerate dTs/dt kann der Zunahmerate der Elemententemperatur Ts bezogen auf irgendeine Zeiteinheit entsprechen. Die Elemententemperatur-Zunahmerate dTs/dt kann beispielsweise der Differenz zwischen vorhergehenden und vorliegenden Werten der Elemententemperatur Ts entsprechen.
  • Bei Schritt 702 wird ermittelt, ob die Elemententemperatur-Zunahmerate dTs/dt größer als ein vorbestimmter Wert α ist. Ein Beispiel eines Verfahrens zum Einstellen des vorbestimmten Werts α ist nachfolgend beschrieben. Wenn die Elemententemperatur-Zunahmerate dTs/dt größer als der vorbestimmte Wert α ist, schreitet die Verarbeitung zu Schritt 704 voran. Andernfalls schreitet die Verarbeitung zu Schritt 706 voran.
  • Bei Schritt 704 wird die vorbestimmte Schwelle Tth2 in der Abnahmerichtung korrigiert. Daher wird die vorbestimmte Schwelle Tth2 korrigiert, um die Beschränkung des Betriebs des Wechselrichters 30 zu vereinfachen.
  • Bei Schritt 706 wird die vorbestimmte Schwelle Tth2 so belassen, das heißt, ohne eine Korrektur. Wenn die in 7 dargestellte Verarbeitungsroutine zwischen der Verarbeitung von Schritt 403 und der Verarbeitung von Schritt 404 bei der in 4 dargestellten Verarbeitung enthalten ist, wird auf die Verarbeitung von Schritt 706 verzichtet und die vorbestimmte Schwelle Tth2 , welche bei Schritt 403 eingestellt wurde, wird so bei Schritt 404 verwendet.
  • 8 stellt ein Beispiel eines Verfahrens zum Verändern der vorbestimmten Schwelle Tth2 gemäß der Elemententemperatur-Zunahmerate dar, welche mit der in 7 dargestellten Verarbeitung in Zusammenhang steht.
  • In 8 ist die vorbestimmte Schwelle Tth2 nach der Korrektur (Schritt 704) durch eine strichpunktierte Linie als „vorbestimmten Schwelle T'th2“ dargestellt. Bei dem in 8 dargestellten Beispiel wird die vorbestimmte Schwelle T'th2 im Vergleich zu dem in 5 dargestellten Beispiel durch Verändern des vorbestimmten Werts ΔT auf einen vorbestimmten Wert ΔT' eingestellt. Daher wird die vorbestimmte Schwelle T'th2 gemäß der Wassertemperatur in der gleichen Art und Weise wie die vorbestimmte Schwelle Tth2 vor der Korrektur ermittelt, der vorbestimmte Wert ΔT' ist jedoch derart eingestellt, dass dieser kleiner als der vorbestimmte Wert ΔT ist.
  • 9 ist eine beispielhafte Abbildung, welche das Erzeugungsprinzip eines Bruchs (thermischen Bruchs) des Schaltelements Q1 zeigt, wenn die Elemententemperatur-Zunahmerate hoch ist.
  • Wenn die Elemententemperatur des Schaltelements Q1 rapide ansteigt (wenn die Elemententemperatur-Zunahmerate hoch ist), nimmt die Differenz zwischen der Elemententemperatur Ts des Schaltelements Q1 und der Temperatur der unterhalb des Schaltelements Q1 angeordneten Bauelemente zu, da die Wärme nicht unmittelbar hin zu den unterhalb des Schaltelements Q1 angeordneten Bauelementen (beispielsweise dem Kühlkörper 72 und dem Isolationselement 76) übertragen wird. Daher nimmt, auch wenn die Zunahme der Elemententemperatur Ts des Schaltelements Q1 gleich ist, die Differenz zwischen der Elemententemperatur Ts des Schaltelements Q1 und der Temperatur der unterhalb des Schaltelements Q1 angeordneten Bauelemente temporär zu, während die Zunahmerate der Elemententemperatur Ts des Schaltelements Q1 zunimmt.
  • In diesem Fall spannen die unterhalb des Schaltelements Q1 angeordneten Bauelemente die Endabschnitte des Schaltelements Q1 temporär ein bzw. halten diese fest und das Schaltelement Q1 verformt sich in der Richtung eines Ausbeulens, um eine Gestalt anzunehmen, die nach oben konvex bzw. nach außen gewölbt ist, wie in 9 durch einen Pfeil P schematisch dargestellt ist. Folglich tritt in dem Schaltelement Q1 temporär eine Druckspannung S1 auf. Wenn eine solche Druckspannung S1 zunimmt, kann diese den Bruch des Schaltelements Q1 hervorrufen. Wenn sich die Elemententemperatur des Schaltelements Q1 rasch verändert, wäre es daher sinnvoll, den Betrieb des Schaltelements Q1 zu beschränken, so dass eine solche Druckspannung S1 kein Niveau erreichen kann, bei welchem das Schaltelement Q1 gebrochen werden kann.
  • Diesbezüglich wird gemäß der in 7 dargestellten Verarbeitung der Betrieb des Wechselrichters 30 auf einfache Art und Weise beschränkt, wenn die Elemententemperatur-Zunahmerate hoch ist, wie vorstehend beschrieben, und daher kann die Wahrscheinlichkeit reduziert werden, dass das Schaltelement Q1 aufgrund einer solchen Druckspannung S1 gebrochen wird.
  • Der vorbestimmte Wert α, welcher bei dem in 7 dargestellten Schritt 702 verwendet wird, kann ausgehend von diesem Standpunkt eingestellt sein. Der vorbestimmte Wert α entspricht beispielsweise dem unteren Grenzwert des Bereichs, welcher durch die Elemententemperatur-Zunahmerate angenommen werden kann, bei welchem die Druckspannung S1 erzeugt wird, die in der Lage ist, das Schaltelement Q1 zu brechen, und dieser vorbestimmte Wert kann experimentell oder analytisch ermittelt werden. Ferner kann der vorbestimmte Wert α für jede Wassertemperatur Tw (oder für jeden vorbestimmten Wassertemperaturbereich) eingestellt sein. Alternativ kann der vorbestimmte Wert α ungeachtet der Wassertemperatur Tw auf einfache Art und Weise konstant gestaltet sein.
  • Bei der in 7 dargestellten Verarbeitung ist die vorbestimmte Schwelle Tth2 demgemäß, ob die Elemententemperatur-Zunahmerate dTs/dt den vorbestimmten Wert α überschreitet, auf zwei Niveaus eingestellt, die vorbestimmte Schwelle Tth2 kann jedoch ebenso gemäß der Elemententemperatur-Zunahmerate dTs/dt feiner variiert werden. In diesem Fall kann die vorbestimmte Schwelle Tth2 variiert (korrigiert) werden, um einen kleineren Wert anzunehmen, während die Elemententemperatur-Zunahmerate dTs/dt zunimmt.
  • Bei der in 7 dargestellten Verarbeitung wird die vorbestimmte Schwelle Tth2 derart korrigiert, dass die vorbestimmte Schwelle Tth2 abnimmt, während die Elemententemperatur-Zunahmerate dTs/dt zunimmt, ein äquivalenter Ansatz kann jedoch das Erhöhen des Beschränkungsgrades bzw. -ausmaßes des Betriebs des Wechselrichters 30, während die Elemententemperatur-Zunahmerate dTs/dt zunimmt, enthalten.
  • Ferner kann die in 7 dargestellte Verarbeitungsroutine optional zwischen der Verarbeitung von Schritt 302 und der Verarbeitung von Schritt 304 bei der in 3 dargestellten Verarbeitung enthalten bzw. aufgenommen sein. In diesem Fall kann bei Schritt 704 die bei Schritt 304 verwendete vorbestimmte Schwelle Tth1 in der Abnahmerichtung korrigiert werden. Daher kann die vorbestimmte Schwelle Tth1 korrigiert werden, um die Beschränkung des Betriebs des Wechselrichters 30 zu vereinfachen.
  • Die Ausführungsformen sind vorstehend detailliert beschrieben, die spezifischen Ausführungsformen stellen jedoch keine Beschränkung dar. Ferner können sämtliche Bauelemente oder eine Mehrzahl davon bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen kombiniert sein.
  • Beispielsweise wird bei den Ausführungsformen der Betrieb des Wechselrichters 30 unter Verwendung des Erfassungsergebnisses hinsichtlich der Elemententemperatur Ts beschränkt, es ist jedoch ebenso möglich, das Erfassungsergebnis hinsichtlich der Elemententemperatur Ts lediglich mit Bezug auf die Wärmebeständigkeitstemperatur zu verwenden und den Betrieb des Wechselrichters 30 gemäß der Wassertemperatur Tw zu beschränken. Daher kann der Betrieb des Wechselrichters 30 gemäß der Wassertemperatur Tw in einem Elemententemperaturbereich beschränkt werden, in welchem die Elemententemperatur Ts die Wärmebeständigkeitstemperatur nicht erreicht (oder sich dieser nicht annähert). In diesem Fall kann der Betrieb des Wechselrichters 30 ebenso derart beschränkt werden, dass sich die Differenz zwischen der Wassertemperatur Tw und der Elemententemperatur Ts , in bzw. unterhalb des vorbestimmten Werts ΔT befindet. Beispielsweise kann der obere Grenzwert (oberer Grenz-Schutzwert) entsprechend dem erforderlichen Drehmoment oder einem Steuerungswert basierend darauf gemäß der Wassertemperatur Tw ermittelt werden. In diesem Fall kann der obere Grenz-Schutzwert experimentell oder analytisch für jede Wassertemperatur Tw ermittelt werden, so dass sich die Differenz zwischen der Wassertemperatur Tw und der Elemententemperatur Ts innerhalb bzw. unterhalb des vorbestimmten Werts ΔT befindet. Der vorbestimmte Wert ΔT kann derart ausgestaltet sein, wie in 4 und 5 erläutert ist. In diesem Fall kann der gleiche Effekt erhalten werden, wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen, ohne das Erfassungsergebnis der Elemententemperatur Ts zu verwenden (lediglich unter Verwendung in Zusammenhang mit der Wärmebeständigkeitstemperatur).
  • Ferner steuert die Halbleiter-Steuerungsvorrichtung 50 bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen den Wechselrichter 30 und den DC/DC-Wandler 20, es kann jedoch ebenso eine Konfiguration verwendet werden, bei welcher lediglich der Wechselrichter 30 gesteuert wird. Ferner sind die detaillierten Merkmale des Motorantriebssystems 1 nicht beschränkt. Beispielsweise kann ebenso eine Konfiguration verwendet werden, bei welcher das Motorantriebssystem 1 nicht mit dem DC/DC-Wandler 20 vorgesehen ist.
  • Ferner wird bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen die Kühlstruktur 2 für den Wechselrichter für ein Fahrzeug verwendet, die Kühlstruktur 2 kann jedoch ebenso für den DC/DC-Wandler 20 und ein Modul mit anderen wärmeerzeugenden Elementen (beispielsweise dem Glättungskondensator C2) verwendet werden. Daher ist ein Beispiel der bordseitigen elektronischen Vorrichtung bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen durch den Wechselrichter 30, die Halbleiter-Steuerungsvorrichtung 50, den Wasser-Temperatursensor 60 und den Elementen-Temperatursensor 62 ausgebildet, ein Beispiel der bordseitigen elektronischen Vorrichtung kann jedoch ebenso durch den DC/DC-Wandler 20, die Halbleiter-Steuerungsvorrichtung 50, einen Wasser-Temperatursensor und einen Elementen-Temperatursensor ausgebildet sein. In diesem Fall kann der Wasser-Temperatursensor die Temperatur des Kühlmittels erfassen, welches die Schaltelemente Q22, Q24 des DC/DC-Wandler 20 kühlt, und der Elementen-Temperatursensor kann die Temperatur der Elemente, wie der Schaltelemente Q22, Q24, erfassen.
  • Ferner entspricht das Substrat, mit welchem das Schaltelement Q1 oder dergleichen verbunden ist, bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen dem Wärmeverteiler, das Schaltelement Q1 oder dergleichen kann jedoch auf irgendeinem anderen Substrat angeordnet sein. Beispielsweise kann das Substrat zum Verbinden des Schaltelements Q1 oder dergleichen ein Direkt-Löt-Aluminium (DBA)-Substrat, welches mit einem Aluminiumblech auf beiden Seiten eines keramischen Substrats ausgerüstet ist, oder ein Direkt-Löt-Kupfer (DBC)-Substrat, welches auf beiden Seiten eines keramischen Substrats mit einem Kupferblech ausgerüstet ist, sein.

Claims (4)

  1. Bordseitige elektronische Vorrichtung (2), aufweisend: ein Element (Q1), welches Wärme erzeugt; ein Bauteil (76), welches zwischen dem Element (Q1) und einem das Element (Q1) kühlenden Kühlmittel vorgesehen ist und sich hinsichtlich des thermischen Ausdehnungskoeffizienten von dem Element (Q1) unterscheidet; einen Elementen-Temperatursensor (62), welcher eine Temperatur des Elements (Q1) erfasst; einen Kühlmittel-Temperatursensor (60), welcher eine Temperatur des Kühlmittels erfasst; und eine Steuerungsvorrichtung (50), welche den Betrieb des Elements (Q1) derart steuert, dass die zulässige Temperatur des Elements (Q1), wenn die Temperatur des Kühlmittels einer ersten Temperatur entspricht, niedriger ist als die zulässige Temperatur des Elements (Q1), wenn die Temperatur des Kühlmittels einer zweiten Temperatur entspricht, die höher als die erste Temperatur ist, wobei die Steuerungsvorrichtung (50) den Betrieb des Elements (Q1) beschränkt, wenn die Temperatur des Elements (Q1) eine Schwelle überschreitet, und die Schwelle dahingehend verändert wird, dass diese zunimmt, während die Temperatur des Kühlmittels ansteigt, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsvorrichtung (50), wenn eine Zunahmerate der Temperatur des Elements (Q1) eine vorbestimmte Zunahmerate überschreitet, die Schwelle mit Bezug auf diejenige verringert, wenn die Zunahmerate der Temperatur des Elements (Q1) die vorbestimmte Zunahmerate nicht überschreitet.
  2. Bordseitige elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsvorrichtung (50), wenn die Temperatur des Elements (Q1) die Schwelle überschreitet, ein Beschränkungsausmaß für den Betrieb des Elements (Q1) mit Bezug auf dieses erhöht, wenn die Temperatur des Elements (Q1) die Schwelle nicht überschreitet.
  3. Bordseitige elektronische Vorrichtung (2), aufweisend: ein Element (Q1), welches Wärme erzeugt; ein Bauteil (76), welches zwischen dem Element (Q1) und einem das Element kühlenden Kühlmittel vorgesehen ist und sich hinsichtlich des thermischen Ausdehnungskoeffizienten von dem Element (Q1) unterscheidet; einen Elementen-Temperatursensor (62), welcher eine Temperatur des Elements (Q1) erfasst; einen Kühlmittel-Temperatursensor (60), welcher eine Temperatur des Kühlmittels erfasst; und eine Steuerungsvorrichtung (50), welche den Betrieb des Elements (Q1) derart steuert, dass die zulässige Temperatur des Elements (Q1), wenn die Temperatur des Kühlmittels einer ersten Temperatur entspricht, niedriger ist als die zulässige Temperatur des Elements (Q1), wenn die Temperatur des Kühlmittels einer zweiten Temperatur entspricht, die höher als die erste Temperatur ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsvorrichtung (50) den Betrieb des wärmeerzeugenden Elements (Q1) beschränkt, wenn eine Differenz zwischen der Temperatur des Kühlmittels und der Temperatur des Elements (Q1) eine Schwelle überschreitet, und die Schwelle, wenn die Temperatur des Kühlmittels der ersten Temperatur entspricht, gleich der Schwelle ist, wenn die Temperatur des Kühlmittels der zweiten Temperatur entspricht.
  4. Bordseitige elektronische Vorrichtung (2), dadurch gekennzeichnet, dass diese aufweist: ein Element (Q1), welches Wärme erzeugt; ein Bauteil (76), welches zwischen dem Element (Q1) und einem das Element (Q1) kühlenden Kühlmittel vorgesehen ist und sich hinsichtlich des thermischen Ausdehnungskoeffizienten von dem Element (Q1) unterscheidet; und einen Temperatursensor (60), welcher eine Temperatur des Kühlmittels erfasst, wobei der Ausgang des Elements (Q1) abnimmt, wenn eine Differenz zwischen der Temperatur des Kühlmittels und einer Temperatur des Elements (Q1) einen vorbestimmten Bereich überschreitet, und der vorbestimmte Bereich, wenn die Temperatur des Kühlmittels einer ersten Temperatur entspricht, gleich dem vorbestimmten Bereich ist, wenn die Temperatur des Kühlmittels einer zweiten Temperatur entspricht, die höher als die erste Temperatur ist.
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