JP2010246246A

JP2010246246A - 電力供給装置

Info

Publication number: JP2010246246A
Application number: JP2009091495A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Otsu; 一宏大津
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-04-03
Filing date: 2009-04-03
Publication date: 2010-10-28

Abstract

【課題】駆動停止を繰り返す負荷、あるいは負荷量が急変するような負荷の駆動回路に用いられる電力変換装置の半導体素子における温度リップルを抑制し、該半導体素子の寿命を延ばすようにした電力供給装置を提供する。
【解決手段】交流電源１はコンバータ２で直流に変換され、平滑コンデンサ３により平滑されてインバータ装置４に供給される。インバータ装置４は、ＩＧＢＴなどの半導体素子を含んで構成されており、制御装置５の指令により動作し、供給された直流を交流に変換してモータ６に供給する。モータ６は巻上機７を介してかご８およびカウンターウェイト９を昇降させる。制御装置５は、インバータ装置４を構成する半導体モジュールの温度を温度検出手段１０により検出し、その検出結果に基づいてかご８の停止中にインバータ装置４のＩＧＢＴに電流を流すように制御する。
【選択図】図１

Description

この発明は、インバータ装置などの電力変換装置を介して駆動される負荷に対し電力を供給する電力供給装置に関するものである。

一般に、ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を含む半導体モジュールにより構成される電力変換装置、例えばインバータ装置を介して、エレベーターなどを駆動する交流電動機（以下、モータという。）は、三相交流電源を整流器により整流して直流に変換し、変換された直流をコンデンサで平滑したのち、インバータ装置で交流電力に変換して駆動されている。そして、このモータは、減速機等を介して直結された巻上機を回転させ、巻上機に対してロープでつるべ式に構成されたエレベーターかご（以下、かごと言う。）とカウンターウェイトを昇降させている。

このように構成されたエレベーターかごの運転が継続されると、インバータ装置を構成する半導体モジュールの発熱損失が徐々に蓄積されることになり、半導体モジュールが熱破壊に至る。更に説明すれば、ＩＧＢＴ内部の熱劣化は、構造的に２箇所の部位に起こり、各々要因に対する寿命として、ＩＧＢＴチップ上のアルミボンディングワイヤの半田部の熱披露寿命と、銅ベース板とＩＧＢＴチップ積載のためのセラミックス板との半田部の熱疲労寿命が知られており、また、半導体モジュールの内部温度は、通電電流に応じて上昇又は下降を繰り返すことも周知である。従って、運転停止が頻繁に繰り返されたり、あるいは負荷量が急変するエレベーターを駆動するモータへ電力を供給するインバータ装置においては、ＩＧＢＴチップのハンダ部に温度リップルによる熱応力が発生し、この熱応力の繰り返しにより、ＩＧＢＴチップの熱抵抗を増加させ、最終的にはチップの温度過熱によってＩＧＢＴは破壊に至ることになる。

ところで、ＩＧＢＴ等の主回路素子の寿命劣化故障を未然に防止するために、ＩＧＢＴチップを搭載するベース板温度のリップル温度を単位期間（例えば、インバータ装置の運転開始から次回の運転開始までの期間、あるいは測定温度が上昇し始めた時点から、次に上昇し始めるまでの期間）毎にカウントし、リップル温度に対する温度範囲別の寿命回数と実際の発生回数に従って寿命を推定する方法および装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−１０１６６８号公報（要約の欄、図１）

前記特許文献１の提案によれば、装置の運転状態で半導体の寿命判断ができ、しかも簡単な方法で予測することができる。しかし、特許文献１には、半導体の長寿命化については述べられていない。

この発明は、駆動停止を繰り返す負荷、あるいは負荷量が急変するような負荷の駆動回路に用いられる電力変換装置の半導体素子における温度リップルを抑制し、該半導体素子の寿命を延ばすようにした電力供給装置を提供するものである。

この発明に係る電力供給装置は、駆動停止を繰り返す負荷、あるいは負荷量が急変するような負荷の駆動回路に設けられると共に、半導体素子を有する半導体モジュールを含む電力変換装置と、前記電力変換装置を制御し、前記負荷への電力を制御する制御装置と、前記半導体モジュールの温度を検出する温度検出手段と、を備え、前記温度検出手段の検出結果に基づいて、前記負荷の停止中に前記制御装置により前記半導体素子に電流を供給するものである。

この発明によれば、駆動停止を繰り返す負荷、あるいは負荷量が急変するような負荷の駆動回路に設けられると共に、半導体素子を有する半導体モジュールを含む電力変換装置と、前記電力変換装置を制御し、前記負荷への電力を制御する制御装置と、前記半導体モジュールの温度を検出する温度検出手段と、を備え、前記温度検出手段の検出結果に基づいて、前記負荷の停止中に前記制御装置により前記半導体素子に電流を供給するようにしたので、負荷の停止中、あるいは負荷量が急減した場合における半導体素子の温度低下を防ぎ、半導体素子の温度リップルを抑制することができるため、半導体素子の寿命を延ばすことが可能となる。

この発明の実施の形態１に係るエレベーター装置を示すブロック構成図である。この発明の実施の形態１に係るエレベーター装置に用いられるインバータ装置の内部回路図である。図２のインバータ装置を構成する半導体モジュールの断面図である。半導体モジュールの温度リップルを示す図である。ＩＧＢＴの出力特性図である。

以下、添付の図面を参照して、この発明に係る電力供給装置について好適な実施の形態を説明する。なお、以下の説明においては、この発明をエレベーター装置に適用した実施の形態について説明するが、この発明はこれに限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るエレベーター装置を示すブロック構成図である。図１において、交流電源１はコンバータ２で直流に変換され、平滑コンデンサ３により平滑されて電力変換装置、例えばインバータ装置４に供給される。インバータ装置４は、図２に示すように、ＩＧＢＴなどの半導体素子を含んで構成されており、制御装置５の指令により動作し、供給された直流を交流に変換してモータ６に供給する。これにより、モータ６は巻上機７を介してかご８およびカウンターウェイト９を昇降させる。また、制御装置５は、後述するように、インバータ装置４を構成する半導体モジュールの温度を温度検出手段１０により検出し、その検出結果に基づいてかご８の停止中にインバータ装置４のＩＧＢＴに電流を流すように制御する。

図２は、インバータ装置４の内部回路図である。図２に示すように、インバータ装置４は半導体モジュール２０により構成され、その内部はＩＧＢＴ４１Ｐ、ＩＧＢＴ４１Ｎ、ＩＧＢＴ４２Ｐ、ＩＧＢＴ４２Ｎ、ＩＧＢＴ４３Ｐ、ＩＧＢＴ４３Ｎ、および各ＩＧＢＴに逆並列接続されたダイオードＤ１〜Ｄ６から構成されている。なお、実施の形態１では１つの半導体モジュール２０に６つのＩＧＢＴとダイオードが内蔵された構成となっているが、半導体モジュール２０に内蔵される半導体素子数はこの限りでなく、複数の半導体モジュールから構成されるものであれば同様である。また、実施の形態１では半導体素子としてＩＧＢＴ素子を使用しているが、半導体モジュール２０を構成する半導体素子はＩＧＢＴに限定されるものではなく、その他の電圧駆動型の半導体素子であればよい。

また、図３は、半導体モジュール２０の断面図を示し、この図３に示すように、半導体モジュール２０は、ベース板３０と、ベース板３０に載せられた第１半田付け部３１を介して設けられた絶縁基板３２と、第２半田付け部３３を介して設けられた半導体素子３４によって構成され、絶縁基板３２と第１半田付け部３１の接着性を高めるために第１下地層３５が設けられており、絶縁基板３２と第２半田付け部３３の接着性を高めるために第２下地層３６が設けられている。なお、半導体モジュール２０は放熱器３７に固定されており、更に、温度検出手段１０として、半導体素子３４の温度を検出するためにジャンクション温度検出器１０ａが、ベース板温度を検出するためにベース板温度検出器１０ｂが、放熱器３７の温度を検出するために放熱器温度検出器１０ｃが設けられている。

実施の形態１に係るエレベーター装置は前記のように構成されており、次に動作について説明する。
図４は、半導体モジュール２０の温度リップルを示す図である。図４（ａ）に示すように、かご８の停止中に半導体素子３４に電流を流して半導体素子３４の温度を一定温度に保つことにより、かご８が駆動停止を繰り返した際に発生する半導体モジュール２０の温度リップルを図４（ｂ）に示す通常時に比べ抑制することが可能となる。

次に、かご８の停止中に半導体素子３４に電流を流す一例について説明する。図５はＩＧＢＴの出力特性図であるが、この図５に示すように、ＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅとコレクタ電流Ｉｃは、ゲート電圧Ｖｇｅによって変化する。これを利用し、かご８の停止中に，同一相、例えばＵ相であればＩＧＢＴ４１Ｐ及びＩＧＢＴ４１ＮのＶｇｅ電圧を操作することで、Ｐ−Ｎ間の母線電圧をＩＧＢＴ４１ＰおよびＩＧＢＴ４１ＮのＶｃｅで分圧して、任意のコレクタ電流Ｉｃを流すことが可能となる。

これにより半導体素子３４の温度や、ベース板３０の温度をそれぞれの温度検出器１０ａ、１０ｂで検出して、コレクタ電流Ｉｃを制御することで、半導体素子３４やベース板３０の温度を所望の温度と制御することができる。また、放熱器３７とベース板３０間や、放熱器３７と半導体素子３４間の熱抵抗と、ＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅおよびコレクタ電流Ｉｃから求められる発生損失から、放熱器温度検出器１０ｃのみを使用することで、半導体素子３４やベース板３０の温度を推定することも可能となり、その場合はジャンクション温度検出器１０ａ及びベース板温度検出器１０ｂは不要となる。

次に、かご８の停止中の半導体モジュール２０の温度を決める一例について説明する。半導体モジュール２０の寿命は、半導体モジュール２０の温度リップルに影響を受ける。温度リップルが小さいほど長寿命となるため、エレベーターの使用条件から半導体モジュール２０に要求する寿命とその際に必要な温度リップルが算出可能となる。この温度リップル以内におさまるように、かご８の停止中における半導体モジュール２０の温度を決定すればよい。

以上説明したように、この発明の実施の形態１によれば半導体モジュール２０の温度リップルを抑制することが可能となり、半導体モジュール２０の長寿命化が可能となる。

なお、実施の形態１においては、この発明をエレベーター装置に適用した場合について図示説明したが、この発明は、エレベーター装置以外に、駆動停止を繰り返す負荷、あるいは負荷量が急変するような負荷に適用することができ、実施の形態１と同等の効果を奏するものである。

１交流電源
２コンバータ
３平滑コンデンサ
４インバータ装置
５制御装置
６モータ
７巻上機
８かご
９カウンターウェイト
１０温度検出手段
１０ａジャンクション温度検出器
１０ｂベース板温度検出器
１０ｃ放熱器温度検出器
２０半導体モジュール
４１Ｐ、４１Ｎ、４２Ｐ、４２Ｎ、４３Ｐ、４３ＮＩＧＢＴ
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６ダイオード
３０ベース板
３１第１半田付け部
３２絶縁基板
３３第２半田付け部
３４半導体素子
３５第１下地層
３６第２下地層
３７放熱器

Claims

駆動停止を繰り返す負荷、あるいは負荷量が急変するような負荷の駆動回路に設けられると共に、半導体素子を有する半導体モジュールを含む電力変換装置と、
前記電力変換装置を制御し、前記負荷への電力を制御する制御装置と、
前記半導体モジュールの温度を検出する温度検出手段と、を備え、
前記温度検出手段の検出結果に基づいて、前記負荷の停止中に前記制御装置により前記半導体素子に電流を供給することを特徴とする電力供給装置。
前記温度検出手段は、前記半導体モジュールのジャンクション温度あるいはベース板温度を検出することを特徴とする請求項１に記載の負荷へ電力を供給する装置。
前記温度検出手段は、前記半導体モジュールを冷却する放熱器の温度を検出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の負荷へ電力を供給する装置。
前記半導体素子は、電圧駆動型の半導体素子で、前記半導体素子を駆動するゲート駆動電圧を制御することにより前記半導体素子に電流を流すことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の負荷へ電力を供給する装置。
前記半導体モジュールの必要寿命から求められる温度リップルに基づき、前記負荷の停止中における前記半導体素子の温度を決定することを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の負荷へ電力を供給する装置。
前記負荷は、エレベーターかごを上下方向に運転する交流電動機であることを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか一項に記載の負荷へ電力を供給する装置。