JP2004332988A

JP2004332988A - インバータ装置

Info

Publication number: JP2004332988A
Application number: JP2003127651A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Tanaka; 毅田中
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-05-06
Filing date: 2003-05-06
Publication date: 2004-11-25

Abstract

【課題】頻繁に負荷変動する水冷方式のインバータ装置の温度変化が小さくなる冷却方式としてヒートサイクル寿命を長くしたインバータ装置を提供する。
【解決手段】インバータユニット、絶縁する絶縁基板、冷却器を積層し、それぞれ密着結合されたインバータモジュールと、冷却器に冷却水を通水する冷却水配管と、冷却水配管の途中に配置され、冷却水を通水する循環ポンプと、温度上昇した冷却水を冷却する熱交換器と、インバータモジュールの温度を検出する温度検出器と、循環ポンプの循環水流量を制御する循環ポンプ制御装置とを備え、循環ポンプ制御装置は、温度検出器により一定時間間隔でインバータモジュールの温度を検出し、直前検出温度との温度差に対応する発生熱量が冷却できる冷却水流量に変化するように循環水ポンプの回転数を制御する構成とした。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、特に負荷変動の激しい回路に使用されるインバータ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道車両等に使用されている駆動モータを制御するインバータ装置では、インバータユニットと絶縁基板を介して水冷却用の冷却器を積層し、各接合部はそれぞれ結合材を介して密着結合された構成であり、結合材としては通常半田が用いられ、冷却器には冷却水を通水してインバータユニットの温度が所定の温度以下に維持できるように構成されている。例えば鉄道車両用のインバータ装置では、加速、惰行、減速、停止が頻繁に繰り返され、インバータユニットは、加速または減速時に通流する電流に応じて温度上昇し、惰行または停止時には電流が流れないので冷却されて温度が下降する。また、インバータユニットには正常に動作する限界温度があり、その温度以下に維持することも必要である。
【０００３】
インバータ装置は、インバータユニットの温度上昇を所定値以下に保持するために、大容量の場合には上記のように冷却水を通流させて冷却する冷却器を備えた水冷式なっている。インバータユニットと絶縁基板と冷却器が結合材の半田で結合された構成では、その結合部がインバータユニット、絶縁基板、冷却器のそれぞれの結合部両側の温度膨張係数が異なるために、各部材の温度差によって伸縮し、その伸縮差により、結合材の部分に機械的応力が加わり、温度変化の繰り返し回数が多くなると、結合材の部分が疲労破壊して亀裂が発生して必要機能が満足しなくなる問題がある。インバータモジュールは温度の変化巾とその繰り返し回数によって疲労破壊するヒートサイクル寿命がある。ヒートサイクル寿命を長くするためには、温度の変化巾を小さくし、ヒートサイクルの繰り返し回数も少なくすることで長寿命化を図ることができる。
【０００４】
鉄道車両用インバータ装置では、所定のヒートサイクル寿命を得るために、複数のインバータユニットを並列接続し、１個当たりの通電電流を小さくして温度上昇を低く抑えて温度の変化巾を小さくする構成となっている。
【０００５】
インバータ装置で頻繁に負荷が変動する構成において、所定のヒートサイクル寿命を長くする得る手段としては、特許文献１に示されたものがある。特許文献１の場合は、インバータが無負荷状態になると冷却ファンを停止して冷却能力を落とすことで、インバータモジュールの冷却を抑え、頻繁に動作させる構成では、温度が下がりきらないうちにつぎの運転に入ることになり、インバータモジュールの温度の変化巾が小さくなって、ヒートサイクル寿命が長くなることが示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−２９８９６４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来の負荷が頻繁に変化するインバータ装置では、ヒートサイクル寿命を長くするために、インバータユニットを複数とし、１個当たりの通電電流を小さくして温度の変化巾を小さくしたり、インバータが無負荷になったときに冷却ファンを停止する方法が採られていたが、インバータユニットの数を多くする方法では、多数のインバータユニットを必要とするので、コストが高くなり、寸法も大きくなる問題点があった。また、無負荷時に冷却ファンを停止する方法では、大容量の水冷式のような場合に適用できないという問題点があった。
【０００８】
この発明は、頻繁に負荷変動する水冷方式のインバータ装置の温度変化が小さくなる冷却方式としてヒートサイクル寿命を長くしたインバータ装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るインバータ装置は、インバータユニット、絶縁する絶縁基板、冷却器が積層され、それぞれ密着結合されたインバータモジュールと、冷却器に冷却水を通水する冷却水配管と、冷却水配管の途中に配置され、冷却水を通水する循環ポンプと、温度上昇した冷却水を冷却する熱交換器と、上記インバータモジュールの温度を検出する温度検出器と、上記循環ポンプの通水量を制御する循環ポンプ制御装置とを備えた構成とし、上記循環ポンプ制御装置は、上記温度検出器により一定時間間隔でインバータモジュールの温度を検出し、直前検出温度との温度差に対応する発生熱量が冷却できる冷却水流量を変化させるように上記循環水ポンプの回転数を制御する構成とした。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は車両の駆動モータの制御を行う例えば絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）であるインバータモジュールの構成を示した断面図である。図１に示したインバータモジュール１０は、駆動モータを制御する制御素子が組み込まれたインバータユニット１、板状のセラミック２ａの両面に銅などの金属層２ｂ、２ｃが形成された絶縁基板２および冷却器３が積層されて、インバータユニット１、絶縁基板２，冷却器３の接合部は半田等により結合した結合部４および５で構成され、インバータユニット１において発生した熱は、絶縁基板２を介して冷却器３に伝達され、冷却器３において放熱される。
【００１１】
このように構成されたインバータモジュール１０が、例えば、車両用インバータ装置の電力変換回路に使用された場合、車両は加速、惰行、減速、停止が頻繁に繰り返されるために負荷変動が激しく、インバータモジュール１０も負荷変動に応じて激しく温度変化する。
インバータモジュール１０は、インバータユニット１、絶縁基板２、冷却器３の各部の温度膨張係数が異なっており、温度が変化すると各部の膨張・伸縮の度合いが異なるために、温度変化する毎に結合材４、５に繰り返し応力が加わり、膨張・収縮の回数が多くなると、結合部４、５に亀裂が発生し、インバータユニット１の発生熱が冷却器３に伝達されなくなって使用不能となる。以下、膨張、収縮の繰り返しにより亀裂が進展して使用不能となるまでの期間をヒートサイクル寿命と呼称する。
【００１２】
ヒートサイクル寿命は、温度の変化巾に大きく左右され、温度の変化巾が大きいと亀裂が発生するまでの繰り返し回数が少なくなる。例えば、車両のモータを制御するインバータ装置では、頻繁に加速、惰行、減速、停止が繰り返されるので、温度変化の回数が多く、短期間でヒートサイクル寿命に到達してしまう問題点がある。したがって、インバータモジュール１０を長期間使用するためには、インバータモジュール１０の温度の変化巾を小さくすることで長期間使用できるようになる。
【００１３】
図２は、例えば車両モータを制御するインバータ装置の温度変化の巾を小さくする構成のブロック図である。この構成は、インバータモジュール１０の冷却器３に冷却水を循環させる循環ポンプ１４と熱交換器１３を配管１２により直列に接続し、冷却器３の表面に温度検出器１１を装着した構成である。循環ポンプ１４の回転数を制御する循環ポンプ制御装置２０は、直前検出温度ｔ（ｎ−１）を記憶する直前検出温度記憶部２２、現在検出温度ｔ（ｎ）と直前検出温度ｔ（ｎ−１）とを比較して温度差Δｔを演算する温度比較器２３、温度差Δｔに対応する追加冷却水流量ΔＱを演算する流量演算部２４、無負荷時に通流する最低流量指令値Ｑｍｉｎを記憶する最低流量指令値記憶部２５、温度差Δｔに対応する追加冷却水流量ΔＱと最低流量指令値Ｑｍｉｎを加算して循環ポンプ１４の流量指令値Ｑｒを演算する冷却水量加算器２６、流量指令値Ｑｒになるように循環ポンプ１４の回転数を制御する循環ポンプ制御回路２７で構成されている。
【００１４】
図２の構成において、最低流量指令値Ｑｍｉｎは、冷却水系統の通流状態が維持される程度の流量とする。インバータモジュール１０がスイッチインされて運転状態になると、温度検出器１１が検出する温度ｔ（ｎ）と直前検出温度ｔ（ｎ−１）との差はなく、温度差Δｔに対応する追加冷却水流量ΔＱは零であり、循環ポンプ１４の流量は最低流量指令値Ｑｍｉｎの流量となるように運転される。インバータに負荷がかかると、温度検出器１１の検出温度ｔ（ｎ）と直前検出温度ｔ（ｎ−１）との差はΔｔとなり、流量指令値ＱｒはΔＱ＋Ｑｍｉｎとなり、循環ポンプ１４は流量がΔＱ＋Ｑｍｉｎとなるように回転数を制御して運転される。検出温度がさらに上昇すると、同様にして追加冷却水流量ΔＱを演算し、演算した追加冷却水流量ΔＱを加えた流量となるように運転される。
【００１５】
また、インバータモジュール１０の負荷が減少し、温度検出器１１の検出温度ｔ（ｎ）が直前検出温度ｔ（ｎ−１）よりも低くなると、負の温度差に対応する追加冷却水流量ΔＱを演算して現在流量指令値よりも追加冷却水流量ΔＱを減じた流量が冷却流量指令値Ｑｒとなる。インバータモジュール１０の負荷がなくなると検出温度ｔ（ｎ）と直前検出温度ｔ（ｎ−１）との差は負となり、その温度差Δｔに対応した追加冷却水流量ΔＱだけ冷却水流量指令値Ｑｒを減少するように制御され、最低流量指令値Ｑｍｉｎになるまで繰り返される。
【００１６】
以上のようにインバータ装置の冷却水流量を制御すると、インバータ装置に発生する熱量に比例した冷却水流量を流しているので、負荷時の温度上昇巾が小さくなり、無負荷状態では冷却水流量は最低流量指令値Ｑｍｉｎによる流量を流しているので、過度に冷却されることもなくなり、インバータモジュール１０の温度の変化巾が小さく抑えられる。
【００１７】
以上のように構成されたインバータ装置が列車に使用された場合の車両の運転状態と車両速度とインバータ装置の温度変化の関係を示すと図３（ａ）のようになる。比較するためにインバータ装置の冷却水流量を一定とした場合を図３（ｂ）に示す。インバータの発生熱量に比例した冷却水流量とした図３（ａ）の場合は、冷却水流量を一定とした図３（ｂ）の場合に比較して温度の変化巾が狭くなっており、ヒートサイクル寿命が改善されている。
【００１８】
図２の温度検出器１１は冷却器に装着した構成で示したが、熱を発生するのはインバータユニットであり、温度検出器１１はインバータユニット１に直接取付すると、温度変化の応答が早くなり、温度差に対応する追加冷却水流量ΔＱがより適切な値で指令できる構成となる。
【００１９】
実施の形態２．
図４は実施の形態２のインバータ装置の構成を示すブロック図である。この構成は、インバータモジュール１０および冷却水経路の温度検出器１１、冷却水配管１２、冷却器１３、循環ポンプ１４は実施の形態１の図２と同一であり、循環ポンプ制御装置３０は、実施の形態１の図２と同一の、直前検出温度記憶部２２、温度比較器２３、最低流量指令値記憶部２５、流量加算器２６、循環ポンプ制御回路２７と、温度上昇がない場合に追加冷却水流量は０、温度が上昇した時の追加冷却水量ΔＱを選択する冷却水量選択スイッチ３４とを備えた構成である。
追加冷却水流量ΔＱは、インバータ装置に加わる負荷による発熱量が冷却できる適正水量に設定する。
【００２０】
図４の構成において、実施の形態１の場合と同様にインバータモジュール１０がスイッチインされて運転状態になると、温度検出器１１が検出する温度は変化していないので、温度差Δｔ＝０であり追加する追加冷却水流量ΔＱは零であり、循環ポンプ１４の流量Ｑｒは最低流量指令値Ｑｍｉｎの流量となるように運転される。インバータに負荷が加わると、温度検出器１１の検出温度ｔ（ｎ）と直前検出温度ｔ（ｎ−１）との差はΔｔとなり、冷却水量選択スイッチ３４は追加冷却水流量ΔＱを選択する。流量加算器２６において、追加冷却水流量ΔＱと最低流量指令値Ｑｍｉｎとを加算して流量指令値Ｑｒ（＝ΔＱ＋Ｑｍｉｎ）を循環ポンプ制御回路２７に出力する。循環ポンプ制御回路２７は循環ポンプ１４の回転数を流量指令値Ｑｒとなるように制御する。
【００２１】
インバータ装置の負荷がなくなると、温度検出器１１の検出温度は下降し、直前検出温度との差Δｔは負となり、冷却水量選択スイッチ３４は追加冷却水流量は０を選択し、流量指令値ＱｒはＱｍｉｎを出力し、循環ポンプ制御回路２７は循環ポンプ１４の回転数を最低流量指令値Ｑｍｉｎとなるように制御する。
【００２２】
この実施形態２の構成は、インバータ装置の負荷が毎回同じように加わる場合に適した構成であり、冷却水量の制御部分が簡単な構成で実施の形態１と同様に、インバータ装置に発生する熱量に比例した冷却水流量を流しているので、負荷時の温度上昇巾が小さくなり、無負荷状態では冷却水流量は最低流量指令値Ｑｍｉｎによる流量を流しているので、過度に冷却されることもなくなり、インバータモジュールの温度変化の巾が低く抑えられ、ヒートサイクル寿命が長くなる。
【００２３】
実施の形態３．
図５は実施の形態３のインバータ装置の構成のブロック図である。図５の構成は、実施の形態２において、温度比較器２３の検出温度ｔ（ｎ）と比較する温度が直前検出温度ｔ（ｎ−１）であったものを、予め設定した基準温度としたものである。その他の構成は実施の形態２と同一の構成である。図５のインバータモジュール１０および冷却水経路の温度検出器１１、冷却水配管１２、冷却器１３、循環ポンプ１４は実施の形態１の図２、実施の形態２の図４と同一であり、循環ポンプ制御装置４０は、実施の形態２の図４と同一の、最低流量記憶部２５、流量加算器２６、循環ポンプ制御回路２７、冷却水量選択スイッチ３４と、基準温度記憶部４２、温度比較器４３とで構成されている。追加冷却水流量ΔＱは、実施の形態２の場合と同様に、インバータ装置に加わる負荷による発熱量が冷却できる適正水量に設定する。
【００２４】
図５の構成における動作は、実施の形態２の場合は温度比較器２３の比較対照が直前検出温度であったものを、予め設定した基準温度とした点が異なり、それ以外については実施の形態２と同一であり、同様の効果を奏する。
【００２５】
この実施形態３の構成もインバータ装置の負荷が毎回同じように加わる場合に適した構成であり、追加冷却水流量ΔＱの制御部分が簡単な構成で実施の形態１、実施の形態２と同様に、負荷時の温度上昇巾が小さくなり、無負荷状態では冷却水流量は最低流量指令値Ｑｍｉｎによる流量を流しているので、過度に冷却されることもなくなり、インバータモジュールの温度の変化巾が低く抑えられ、ヒートサイクル寿命が長くなる。
【００２６】
実施の形態４．
図６は実施の形態４のインバータ装置の構成のブロック図である。図６の構成は、車両用インバータ装置の場合の構成であり、車両の走行を制御する運転台のノッチ位置を検出し、ノッチ位置に対応して追加冷却水流量ΔＱを選択するように構成したものである。
図６の構成は、インバータモジュール１０および冷却水経路の温度検出器１１、冷却水配管１２、冷却器１３、循環ポンプ１４は実施の形態１の図２、実施の形態２の図４および実施の形態３の図５と同一であり、循環ポンプ制御装置５０は、実施の形態３の図５と同一の、最低流量記憶部２５、流量加算器２６、循環ポンプ制御回路２７と、ノッチ位置検出器５２、ノッチ対応冷却水量選択器５３で構成されている。
【００２７】
ノッチ対応冷却水量選択器５３はノッチ毎に追加冷却水流量ΔＱ１・・Ｑｎを設定しておき、ノッチ検出器５２が検出したノッチ位置に対応して追加冷却水流量Ｑ１・・Ｑｎを選択する。列車が惰行または停止しているときには、追加冷却水流量は０を選択する。冷却水量加算器２６では、選択されたノッチ対応の追加冷却水流量Ｑ１・・Ｑｎのいずれかと、最低流量指令値Ｑｍｉｎとを加算して冷却水流量指令値Ｑｒを循環ポンプ制御回路２７に出力し、循環ポンプ１４の回転数を冷却水流量指令値Ｑｒとなるように制御する。
【００２８】
この実施形態４の構成は車両などのように負荷が段階的に変わる場合に適しており、追加冷却水流量ΔＱが負荷に応じて適正な冷却水流量となり、温度上昇が低く抑えられ、無負荷状態では冷却水流量は最低流量指令値Ｑｍｉｎによる流量を流しているので、過度に冷却されることもなくなり、ヒートサイクル寿命が長くなる。
【００２９】
【発明の効果】
この発明に係るインバータ装置は、温度検出器により一定時間間隔でインバータモジュールの温度を検出し、直前検出温度との温度差に対応する発生熱量が冷却できる冷却水流量を変化させるように循環水ポンプの回転数を制御する構成としたものであり、負荷時の温度上昇巾が小さくなり、無負荷状態では冷却水流量は最低流量指令値による流量を流しているので、過度に冷却されることもなくなり、インバータモジュールの温度の変化巾が小さくなり、ヒートサイクル寿命が長くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】インバータモジュールの構成を模式的に示した説明図である。
【図２】実施の形態１の構成を示すブロック図である。
【図３】実施の形態１のインバータモジュールの温度変化に状況を示す説明図である。
【図４】実施の形態２の構成を示すブロック図である。
【図５】実施の形態３の構成を示すブロック図である。
【図６】実施の形態４の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０インバータモジュール、１１温度検出器、１２冷却水配管、
１３熱交換器、１４循環ポンプ、２０循環ポンプ制御装置、
２２直前検出温度記憶部、２３温度比較器、２４流量演算部、
２５最低流量指令値記憶部、２６冷却水量加算器、
２７循環ポンプ制御回路、３０循環ポンプ制御装置、
３４冷却水量選択スイッチ、４０循環ポンプ制御装置、
４２基準温度記憶部、４３温度比較器、５０循環ポンプ制御装置、
５２ノッチ位置検出器、５３ノッチ対応冷却水量選択器。

Claims

負荷を制御するインバータユニット、このインバータユニットを対地電位から絶縁する絶縁基板、および冷却水を通水して冷却する冷却器が積層され、それぞれの接合部が結合材を介して結合されたインバータモジュールと、上記冷却器に冷却水を通水する冷却水配管と、該冷却水配管の途中に配置され、冷却水を循環させる循環ポンプと、温度上昇した冷却水を冷却する熱交換器と、上記インバータモジュールの温度を検出する温度検出器と、上記循環ポンプの回転数を制御する循環ポンプ制御装置とを備え、上記循環ポンプ制御装置は、上記温度検出器により一定時間間隔で上記インバータモジュールの温度を検出し、検出温度と直前検出温度との温度差に対応する発生熱量が冷却できる冷却水流量を通水するように上記循環ポンプの回転数を制御することを特徴とするインバータ装置。
負荷を制御するインバータユニット、このインバータユニットを対地電位から絶縁する絶縁基板および冷却水を通水して冷却する冷却器が積層され、それぞれの接合部は結合材を介して結合されたインバータモジュールと、上記冷却器に冷却水を通水する冷却水配管と、該冷却水配管の途中に配置され、冷却水を循環させる循環ポンプと、温度上昇した冷却水を冷却する熱交換器と、上記インバータモジュールの温度を検出する温度検出器と、上記循環ポンプの回転数を制御する循環ポンプ制御装置とを備え、上記循環ポンプ制御装置は、上記温度検出器により一定時間間隔で上記インバータモジュールの温度を検出し、この検出温度と直前検出温度との温度差が正の場合には、予め設定された冷却水流量が増加し、温度差が負の場合には、予め設定された冷却水流量が減少するように、上記循環水ポンプの回転数を制御することを特徴とするインバータ装置。
上記循環ポンプ制御装置には、最低流量指令値記憶部を有し、上記温度検出器により検出された温度が変化しないかまたは下降している場合には、最低流量指令値による冷却水流量となるように循環ポンプの回転数を制御することを特徴とする請求項１または請求項２記載のインバータ装置。
負荷を制御するインバータユニット、このインバータユニットを対地電位から絶縁する絶縁基板、および冷却水を通水して冷却する冷却器が積層され、それぞれの接合部は結合材を介して結合されたインバータモジュールと、上記冷却器に冷却水を通水する冷却水配管と、該冷却水配管の途中に配置され、冷却水を循環させる循環ポンプと、温度上昇した冷却水を冷却する熱交換器と、上記インバータモジュールの温度を検出する温度検出器と、上記循環ポンプの回転数を制御する循環ポンプ制御装置とを備え、上記循環ポンプ制御装置は、最低流量指令値記憶部および冷却水流量を増加させる基準温度を記憶する基準温度記憶部を有し、上記温度検出器により一定時間間隔でインバータモジュールの温度を検出し、この検出温度と上記基準温度とを比較し、検出温度が基準温度を超えている場合には、予め設定された冷却水流量を増加させ、基準温度よりも低い場合には、最低流量指令値による冷却水流量となるように上記循環ポンプの回転数を制御することを特徴とするインバータ装置。
車両電動機を制御するインバータユニット、このインバータユニットを対地電位から絶縁する絶縁基板、および冷却水を通水して冷却する冷却器が積層され、それぞれの接合部は結合材を介して結合されたインバータモジュールと、上記冷却器に冷却水を通水する冷却水配管と、該冷却水配管の途中に配置され、冷却水を通水させる循環ポンプと、温度上昇した冷却水を冷却する熱交換器と、上記インバータモジュールの温度を検出する温度検出器と、上記循環ポンプの回転数を制御する循環ポンプ制御装置とを備え、上記循環ポンプ制御装置は、最低流量指令値、ノッチ位置検出器、ノッチ対応冷却水量選択器および循環ポンプ制御回路を有し、無負荷時は冷却水流量が最低流量指令値であり、車両の加速または減速時には、上記ノッチ位置検出器が検出したノッチ位置に対応するノッチ対応冷却水量を増加させ、惰行および停車時には、上記最低流量指令値の冷却水流量となるように、上記循環ポンプの回転数を制御することを特徴とするインバータ装置。
上記インバータモジュールの温度を検出する温度検出器は、上記冷却器に装着されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載のインバータ装置。
上記インバータモジュールの温度を検出する温度検出器は、上記インバータユニットの表面に装着されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載のインバータ装置。