JP2010268614A - 過熱保護装置 - Google Patents

Abstract

【課題】使用条件に応じた過負荷保護を可能としながら、電力変換器の性能を最大限に利用することが可能な過熱保護装置を得る。
【解決手段】複数の半導体スイッチング素子で構成された電力変換器と、電力変換器の動作を制御する制御部１とを備えた電力変換装置に適用され、電力変換器を停止させる過負荷保護信号１２を制御部１に出力する過熱保護装置において、電力変換器から負荷４に供給される電流を検出し負荷電流検出値１０として出力する負荷電流検出部１４と、半導体スイッチング素子の周囲温度を検出し周囲温度検出値Ｔａとして出力する温度検出部５と、負荷電流検出値１０と周囲温度検出値Ｔａと基づいてインバータ主回路素子のジャンクション温度推定値１１を演算し、ジャンクション温度推定値１１と過負荷保護設定値７とに応じて過負荷保護信号１２を出力する過負荷保護部２０とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電力変換器に関するものであり、特に、電力変換器に使用される主回路素子の過熱保護を行う過熱保護装置に関するものである。

従来の電力変換器では、インバータの主回路素子や回生抵抗器または負荷等の保護対象の温度をサーミスタ等の温度検出器で検出し、その検出温度が予め設定された温度以上の時に、インバータを停止することにより過負荷保護を行うのが一般的である。ただし、主回路素子等の保護対象と温度検出器との設置状態によっては、熱伝導に時間がかかるため急速な温度上昇に対する過負荷保護を行うことができない場合があるという問題点があった。

一方、このような問題を解決する手段として、下記特許文献１に示される従来技術は、温度検出器を用いずに、電流指令や出力電流の積算値が予め設定された閾値を超えた場合にインバータを停止することにより過負荷保護を行うように構成されている。具体的には、負荷電流を検出し、当該負荷電流から主回路素子の電力損失を求め、電力損失の所定時間ごとの積算値を求めると、この積算値が所定時間内の電力損失量を示すことになる。その電力損失量に比例して温度が上昇するから、予め設定した値と比較し、測定積算値が設定値を超えると負荷電流の制限または遮断を行って装置の異常温度上昇を防止する。

特開平０５−０５６５５７号公報

しかしながら、上記特許文献１に示される従来技術は、使用環境(周囲温度)が低い場合、過負荷保護設定が保守的となり、主回路素子の性能を十分に発揮することができないという問題があった。すなわち、電力変換器は、周囲温度によって過負荷特性が変化するものであり、例えば、周囲温度が低い場合に主回路素子へ供給できる電力は、周囲温度が高い場合に主回路素子へ供給できる電力に比して大きくできる。したがって、従来のように周囲温度が高い場合を想定して過負荷保護を設定すると、周囲温度が低い環境下で電力変換器を運転したとき、主回路素子の性能を十分に利用することが出来ない場合があるという課題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、使用条件に応じた過負荷保護を可能としながら、電力変換器の性能を最大限に利用することが可能な過熱保護装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、複数の半導体スイッチング素子で構成された電力変換器と、前記電力変換器の動作を制御する制御部とを備えた電力変換装置に適用され、前記電力変換器を停止させる過負荷保護信号を前記制御部に出力する過熱保護装置において、前記電力変換器から負荷に供給される電流を検出し負荷電流検出値として出力する電流検出部と、インバータ主回路素子の周囲温度を検出し周囲温度検出値として出力する温度検出部と、前記負荷電流検出値と前記周囲温度検出値とに基づいて、前記インバータ主回路素子のジャンクション温度推定値を演算し、前記ジャンクション温度推定値の高低に応じて前記過負荷保護信号を出力する過負荷保護部と、を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、負荷電流を検出する負荷電流検出回路とインバータの放熱フィン等の温度を測定する温度検出部とを備え、電力変換器の運転環境に応じて主回路素子のジャンクション温度を推定するようにしたので、ジャンクション温度が閾値を超えた場合には電力変換器の運転を中断するので、使用条件に応じた過負荷保護を可能としながら、電力変換器の性能を最大限に利用することができるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態１にかかる過熱保護装置の構成を示す図である。 図２は、主回路素子にて発生した熱が放熱フィンの周囲に移動する状態を説明するための図である。 図３は、温度推定部の内部における状態オブザーバを説明するための図である。 図４は、電流指令値を入力とする過負荷保護部の構成を示す図である。 図５は、本発明の実施の形態２にかかる過熱保護装置の構成を示す図である。

以下に、本発明にかかる過熱保護装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる過熱保護装置の構成を示す図である。図１に示される電力変換器は、主たる構成としてコンバータ３およびインバータ２を有して構成されている。制御部１は電流指令値９を生成し、インバータ２はモータなどの負荷４に対して、当該電流指令値９に応じた負荷電流を供給する。

負荷電流検出部１４は、負荷４に供給される電流を検出し負荷電流検出値１０として出力する。温度検出部５は、インバータ主回路素子の放熱フィン付近に設置され、放熱フィンの周囲温度を検出し周囲温度検出値Ｔａとして出力する。過負荷保護部２０は、インバータ主回路素子のジャンクション温度を推定する温度推定部６と、比較部であるコンパレータ８とを有して構成されている。上述した負荷電流検出部１４、温度検出部５、および過負荷保護部２０を過熱保護装置と称する。

なお、周囲温度検出値Ｔａは、放熱フィンの周囲温度に限定されず、例えば、インバータ主回路素子の周囲温度を用いてもよい。また、インバータ２と負荷４とを接続する３本の結線の全てに電流検出手段を配置しなくとも、例えばｕ相とｖ相の２結線にＣＴを配置し、Ｗ相の結線にはＣＴを配置せず、Ｗ相の相電流ｉＷは演算によって求める構成でもよい。

（過負荷保護部）
以下、過負荷保護部２０の動作の概要を説明すると、まず温度推定部６は、負荷電流検出部１４にて検出された負荷電流検出値１０と温度検出部５からの周囲温度検出値Ｔａとに基づいて、インバータ主回路素子のジャンクション温度推定値（以下単に「推定値」と称する）１１を算出する。次に、コンパレータ８は、推定値１１と予め設定された過負荷保護設定値（以下単に「設定値」と称する）７を比較し、インバータ主回路素子のチップ温度Ｔｃが設定値７よりも大きい場合、過負荷保護信号１２を出力する。制御部１は、過負荷保護部２０から出力された過負荷保護信号１２に応じてインバータ２を停止し、電力変換器の過負荷保護を行う。

図２は、主回路素子にて発生した熱が放熱フィンの周囲に移動する状態を説明するための図であり、図３は、温度推定部の内部における状態オブザーバを説明するための図である。

図２において、主回路素子である半導体チップ３１が発熱すると、チップ温度Ｔｃが上昇するが、半導体チップ３１から放熱フィン３２に熱量Ｑｃｆが移動することによって、半導体チップ３１は冷却される。同様に、放熱フィン３２から外部に熱量Ｑｆａが移動することで放熱フィン３２は冷却される。このように、発熱と熱量の移動との関係から、図１に示される温度推定部６は半導体チップ３１の温度の推定を行う。

以下、温度推定部６による演算を詳説する。まず、演算に用いられる記号は下記のように定義される。
Ｔｃ：インバータ主回路素子のチップ温度
Ｔｆ：放熱フィン温度
Ｔａ：周囲温度検出値
Ｗ：単位時間当たりのチップ発熱量
Ｑｃｆ：半導体チップから放熱フィンへ移動した熱量
Ｑｆａ：放熱フィンから周囲に放熱された熱量
Ｃｃ：半導体チップの熱容量
Ｃｆ：放熱フィンの熱容量
Ｋｃｆ：半導体チップと放熱フィン間の熱抵抗の逆数に比例する定数
Ｋｆａ：放熱フィンと空気間の熱抵抗の逆数に比例する定数

半導体チップ３１から放熱フィン３２に移動する熱量Ｑｃｆは、（１）式に示すように両者の温度差に比例する。

半導体チップ３１の温度Ｔｃは、ジャンクションの温度に等しいとする。放熱フィン３２から外部に移動する熱量Ｑｆａは、（２）式に示すように両者の温度差に比例する。

半導体チップ３１の温度Ｔｃは、（３）式に示すように、半導体チップ３１に蓄積されている熱量に比例する。

単位時間当たりのチップ発熱量Ｗは（４）式で与えられる。ただし、Ｒｊはジャンクションの抵抗値である。このように、図３に示される損失計算部４０は、負荷電流検出値１０に基づいて熱損失であるチップ発熱量Ｗを演算する。

放熱フィン３２の温度Ｔｆは、（５）式に示すように、放熱フィン３２に蓄積されている熱量に比例する。

（３）式、（５）式を時間で微分して（１）式、（２）式を代入すると、（６）式、（７）式を得る。

（６）式、（７）式を、状態変数を［Ｔｃ Ｔｆ Ｔａ］として状態方程式で書く、（８）、（９）式を得る。

（８）式、（９）式を（１０）式のように表わす。

ただしＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，ｘ，ｙは以下の通りである。図３の上側には（１０）式の内容が示されている。

また、オブザーバゲインｈを用いて状態オブザーバを構築すると、図３の下側に示される状態オブザーバのシステム方程式は（１１）式のようになる。ただし、ｘ2は状態推定ベクトル、ｙ1は出力の推定信号である。

チップ温度推定値Ｔｃ1は、状態推定ベクトルｘ2から（１２）式で求められる。（１２）式で求められたチップ温度推定値Ｔｃ1には、図１に示される周囲温度検出値Ｔａが加算され、ジャンクション温度推定値１１としてコンパレータ８に出力される。

このように、図３に示される第１の制御系４１は、チップ発熱量Ｗに基づいてインバータ主回路素子のフィン温度を推定する。第２の制御系４２は、第１の制御系４１と同等の制御系を有し、インバータ主回路素子のフィン温度を推定し、第１の制御系４１が推定したフィン温度と自己が推定したフィン温度との差分値に、オブザーバゲインｈを乗じてフィードバックするフィードバック系が組み込まれたオブザーバとして機能する。

図１に示されるコンパレータ８は、温度推定部６から出力された推定値１１と設定値７とを比較し、推定値１１が設定値７よりも大きな値の場合、過負荷保護信号１２を制御部１に出力し、制御部１はインバータ２を停止する。このようにして本実施の形態にかかる過熱保護装置は、電力変換器の過負荷保護を行う。

なお、本実施の形態にかかる過熱保護装置は、負荷電流検出値１０の代わりに電流指令値９を使用して推定値１１を演算する構成であってもよい。図４は、電流指令値９を入力とする過負荷保護部２０の構成を示す図である。

図５に示される推定部６は、周囲温度検出値Ｔａと電流指令値９とに基づいて推定値１１を出力する。この場合、図３に示された損失計算部４０は、母線電流値検出値１３に基づいてチップ発熱量Ｗを演算する。

以上に説明したように、本実施の形態にかかる過熱保護装置は、放熱フィン３２の周囲温度検出値Ｔａと負荷電流検出値１０とを用いてインバータ主回路素子のジャンクション温度を推定するようにしたので、主回路素子の周囲温度が低い環境下で電力変換器を運転したときに、主回路素子の性能を十分に利用することが出来ないということが解消され、電力変換器の性能を最大限に引き出しながら過負荷保護を行うことが可能である。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２にかかる過熱保護装置の構成を示す図である。以下、実施の形態１と同様の部分については、同じ符号を付してその説明を省略し、異なる部分についてのみ述べる。本実施の形態２にかかる過熱保護装置は、コンバータ主回路素子を保護するために、コンバータ主回路素子の周囲温度を検出するとともに、母線電流値検出値１３を使用して過負荷保護信号１２を出力するように構成されている。

本実施の形態２にかかる過熱保護装置、コンパレータ８および温度推定部６を有する過負荷保護２０と、コンバータ３の主回路素子の放熱フィン３２付近に設置された温度検出部５とで構成される。

温度推定部６は、母線電流検出部１５にて検出された母線電流値検出値１３と周囲温度検出値Ｔａと基づいて、実施の形態１で説明した演算によりコンバータ主回路素子のジャンクション温度推定値１１を算出する。なお、周囲温度検出値Ｔａは、放熱フィンの周囲温度に限定されず、コンバータ主回路素子の周囲温度を用いてもよい。

図５に示される推定部６は、周囲温度検出値Ｔａと母線電流値検出値１３とに基づいて推定値１１を出力する。この場合、図３に示された損失計算部４０は、母線電流値検出値１３に基づいてチップ発熱量Ｗを演算する。

コンパレータ８は、実施の形態１と同様に、推定値１１と設定値７とを比較し、推定値１１が設定値７よりも大きな値の場合、過負荷保護信号１２を制御部１に出力し、制御部１はインバータ２を停止する。このようにして本実施の形態にかかる過熱保護装置は、電力変換器の過負荷保護を行う。

以上に説明したように、本実施の形態にかかる過熱保護装置は、コンバータ主回路素子の周囲温度検出値Ｔａと母線電流値検出値１３とを用いて、コンバータ主回路素子のジャンクション温度を推定するようにしたので、電力変換器の性能を最大限に引き出しながら過負荷保護を行うことが可能である。

以上のように、本発明に係る過熱保護装置は、主回路素子の過熱保護を行う過熱保護装置に適用可能であり、特に、様々な温度環境下で使用される電力変換器の性能を、最大限に利用することが可能な発明として有用である。

１ 制御部
２ インバータ
３ コンバータ
４ 負荷
５ 温度検出部
６ 温度推定部
７ 過負荷保護設定値
８ コンパレータ（比較部）
９ 電流指令値
１０ 負荷電流検出値
１１ ジャンクション温度推定値
１２ 過負荷保護信号
１３ 母線電流値検出値
１４ 負荷電流検出部
１５ 母線電流検出部
２０ 過負荷保護部
３１ 半導体チップ
３２ 放熱フィン
４０ 損失計算部
４１ 第１の制御系
４２ 第２の制御系
Ｔｃ インバータ主回路素子のチップ温度
Ｔｆ 放熱フィン温度
Ｔａ 周囲温度検出値
Ｗ 単位時間当たりのチップ発熱量
Ｑｃｆ 半導体チップから放熱フィンへ移動した熱量
Ｑｆａ 放熱フィンから周囲に放熱された熱量

Claims (7)

1. 複数の半導体スイッチング素子で構成された電力変換器と、前記電力変換器の動作を制御する制御部とを備えた電力変換装置に適用され、前記電力変換器を停止させる過負荷保護信号を前記制御部に出力する過熱保護装置において、
   前記電力変換器から負荷に供給される電流を検出し負荷電流検出値として出力する電流検出部と、
   インバータ主回路素子の周囲温度を検出し周囲温度検出値として出力する温度検出部と、
   前記負荷電流検出値と前記周囲温度検出値とに基づいて、前記インバータ主回路素子のジャンクション温度推定値を演算し、前記ジャンクション温度推定値の高低に応じて前記過負荷保護信号を出力する過負荷保護部と、
   を備えたことを特徴とする過熱保護装置。
2. 複数の半導体スイッチング素子で構成された電力変換器と、前記電力変換器の動作を制御する制御部とを備えた電力変換装置に適用され、前記電力変換器を停止させる過負荷保護信号を前記制御部に出力する過熱保護装置において、
   インバータ主回路素子の周囲温度を検出し周囲温度検出値として出力する温度検出部と、
   前記制御部から出力され前記電力変換器の動作を制御する電流指令値と前記周囲温度検出値とに基づいて、前記インバータ主回路素子のジャンクション温度推定値を演算し、前記ジャンクション温度推定値の高低に応じて前記過負荷保護信号を出力する過負荷保護部と、
   を備えたことを特徴とする過熱保護装置。
3. 前記過負荷保護部は、
   前記負荷電流検出値または前記電流指令値と前記周囲温度検出値と基づいて、前記ジャンクション温度推定値を演算する温度推定部と、
   前記ジャンクション温度推定値と前記所定の閾値とを比較し、前記ジャンクション温度推定値が前記所定の閾値を越えた場合、前記過負荷保護信号を出力する比較部と、
   を有することを特徴とする請求項１または２に記載の過熱保護装置。
4. 前記温度推定部は、
   前記負荷電流検出値または前記電流指令値に基づいて熱損失を演算する損失計算部と、
   前記熱損失に基づいて前記インバータ主回路素子のフィン温度を推定する第１の制御系と、
   前記第１の制御系と同等の制御系を有して前記インバータ主回路素子のフィン温度を推定し、前記第１の制御系が推定したフィン温度と自己が推定したフィン温度との差分値にオブザーバゲインを乗じてフィードバックするフィードバック系が組み込まれたオブザーバとしての第２の制御系と、
   を備え、
   前記ジャンクション温度推定値は、
   前記第２の制御系の内部から引き出された値を使用することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の過熱保護装置。
5. 複数の半導体スイッチング素子で構成された電力変換器と、前記電力変換器を制御する制御部とを備えた電力変換装置に適用され、前記電力変換器を停止させる過負荷保護信号を前記制御部に出力する過熱保護装置において、
   母線電流を検出し母線電流値検出値として出力する電流検出部と、
   コンバータ主回路素子の周囲温度を検出し周囲温度検出値として出力する温度検出部と、
   前記母線電流値検出値と前記周囲温度検出値とに基づいて、前記コンバータ主回路素子のジャンクション温度推定値を演算し、前記ジャンクション温度推定値の高低に応じて前記過負荷保護信号を出力する過負荷保護部と、
   を備えたことを特徴とする過熱保護装置。
6. 前記過負荷保護部は、
   前記母線電流値検出値と前記周囲温度検出値と基づいて、前記ジャンクション温度推定値を演算する温度推定部と、
   前記ジャンクション温度推定値と前記所定の閾値とを比較し、前記ジャンクション温度推定値が前記所定の閾値を越えた場合、前記過負荷保護信号を出力する比較部と、
   を有することを特徴とする請求項５に記載の過熱保護装置。
7. 前記温度推定部は、
   前記母線電流値検出値に基づいて熱損失を演算する損失計算部と、
   前記熱損失に基づいて前記コンバータ主回路素子のフィン温度を推定する第１の制御系と、
   前記第１の制御系と同等の制御系を有して前記コンバータ主回路素子のフィン温度を推定し、前記第１の制御系が推定したフィン温度と自己が推定したフィン温度との差分値にオブザーバゲインを乗じてフィードバックするフィードバック系が組み込まれたオブザーバとしての第２の制御系と、
   を備え、
   前記ジャンクション温度推定値は、
   前記第２の制御系の内部から引き出された値を使用することを特徴とする請求項５または６に記載の過熱保護装置。

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