JP2012039745A

JP2012039745A - 電力変換装置

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Publication number: JP2012039745A
Application number: JP2010177384A
Authority: JP
Inventors: Toshihide Nakano; 俊秀中野; Kazunori Sanada; 和法真田; Masahiro Kinoshita; 雅博木下
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2010-08-06
Filing date: 2010-08-06
Publication date: 2012-02-23
Anticipated expiration: 2030-08-06
Also published as: JP5486434B2

Abstract

【課題】冷却ファンの冷却能力が低下した場合でも、半導体素子のジャンクション温度を正確に推定できる電力変換装置を提供する。
【解決手段】この電力変換装置１は、電力変換を行なうための半導体素子１１と、半導体素子１１を搭載した放熱フィン１２と、放熱フィン１２を冷却する冷却ファン１３と、放熱フィン１２の近傍の風速を検出する風速センサ１４と、検出した風速、半導体素子１１の損失、および半導体素子１１の周囲温度に基づいて半導体素子１１のジャンクション温度Ｔｊを推定する制御部４とを備える。したがって、冷却ファン１３が故障した場合でも、ジャンクション温度Ｔｊを正確に推定できる。
【選択図】図２

Description

この発明は電力変換装置に関し、特に、インバータ、コンバータなどの電力変換装置に関する。

インバータ、コンバータなどの電力変換装置は、電力変換用の半導体素子を含む。電力変換装置を駆動すると、半導体素子で損失が発生し、半導体素子のジャンクション温度が上昇する。ジャンクション温度が限界値を超えると半導体素子が破壊されるので、半導体素子を冷却ファンなどを用いて冷却するとともに、ジャンクション温度が限界値を超えないように半導体素子を制御する必要がある。しかし、半導体素子内のジャンクションの温度を直接検出することは困難である。そこで、特許文献１では、半導体素子の損失と周囲温度に基づいて半導体素子のジャンクション温度を推定している。

特開２００３−１３４８３９号公報

しかし、特許文献１では、たとえば故障によって冷却ファンの冷却能力が低下した場合、半導体素子のジャンクション温度の推定値と実際の温度との誤差が大きくなり、半導体素子が破壊されると言う問題があった。

それゆえに、この発明の主たる目的は、冷却ファンの冷却能力が低下した場合でも、半導体素子のジャンクション温度を正確に推定することが可能な電力変換装置を提供することである。

この発明に係る電力変換装置は、電力変換を行なうための半導体素子と、半導体素子の熱を空気中に放散させる放熱フィンと、放熱フィンを冷却する冷却ファンと、冷却ファンの冷却能力に関連するパラメータを検出する検出部と、検出部の検出結果、半導体素子の損失、および半導体素子の周囲温度に基づいて半導体素子のジャンクション温度を推定し、推定したジャンクション温度が予め定められた温度を超えないように半導体素子を制御する制御部とを備えたものである。

好ましくは、冷却ファンの冷却能力に関連するパラメータは放熱フィンの近傍の風速である。

また好ましくは、冷却ファンの冷却能力に関連するパラメータは冷却ファンの回転速度である。

また好ましくは、冷却ファンの冷却能力に関連するパラメータは冷却ファンの駆動電流である。

また好ましくは、制御部は、推定した半導体素子のジャンクション温度に基づいて冷却ファンの回転速度を制御する。

また好ましくは、冷却ファンは複数設けられ、冷却ファンの冷却能力に関連するパラメータは複数の冷却ファンの駆動電流の総和である。

また好ましくは、冷却ファンは複数設けられ、冷却ファンの冷却能力に関連するパラメータは各冷却ファンの駆動電流である。

また好ましくは、制御部は、検出部によって検出された各冷却ファンの駆動電流が予め定められた正常範囲内か否かを判別し、駆動電流が正常範囲内から外れた冷却ファンがある場合は、その冷却ファンを停止させるとともに、冷却ファンの異常を報知する信号を出力する。

また好ましくは、制御部は、半導体素子のジャンクション温度に基づいて、冷却ファンの運転台数を増減させる。

以上のように、この発明に係る電力変換装置では、冷却ファンの冷却能力に関連するパラメータを検出し、その検出結果に基づいて半導体素子のジャンクション温度を推定する。したがって、冷却ファンの冷却能力が低下した場合でも、半導体素子のジャンクション温度を正確に推定することができる。

この発明の実施の形態１による電力変換装置の構成を示すブロック図である。図１に示した電力変換部の要部を示す図である。図２に示した半導体素子のジャンクション温度の変化を例示するタイムチャートである。実施の形態１の変更例を示すブロック図である。実施の形態１の他の変更例を示すブロック図である。実施の形態１のさらに他の変更例を示すブロック図である。図６に示した回転速度変換部の構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態２による電力変換装置の要部を示すブロック図である。実施の形態２の効果を説明するためのブロック図である。この発明の実施の形態３による電力変換装置の要部を示すブロック図である。実施の形態３の効果を説明するためのブロック図である。この発明の実施の形態４による電力変換装置の要部を示すブロック図である。

[実施の形態１]
本願発明の実施の形態１による電力変換装置１は、図１に示すように、電力変換部２、負荷電流検出部３、および制御部４を備える。電力変換部２は、半導体素子を含み、電源５から供給される第１の電力（交流電力または直流電力）を第２の電力（交流電力または直流電力）に変換して負荷６に供給する。電力変換部２は、直流電力を交流電力に変換するインバータであってもよいし、交流電力を直流電力に変換するコンバータでもよいし、コンバータとインバータを直列接続したものでもよい。また、電力変換部２は、直流電圧を変換する直流−直流コンバータでもよい。

負荷電流検出部３は、電力変換部２から負荷６に流れる負荷電流を検出し、検出値を示す信号φＩを制御部４に与える。制御部４は、電流指令値φＩＴと負荷電流検出部３の出力信号φＩに基づき、負荷電流が電流指令値φＩＴにによって指令される目標電流に一致するように電力変換部２の半導体素子を制御する。また、制御部４は、電力変換部２からの信号φＴ，φＶと負荷電流検出部３の出力信号φＩとに基づいて半導体素子のジャンクション温度Ｔｊを推定し、そのジャンクション温度Ｔｊが規定値Ｔ０を超えないように半導体素子を制御する。信号φＴ，φＶについては後述する。

図２は、電力変換部２の要部を模式的に示す図である。図２において、電力変換部２は、金属製の筐体１０を備える。筐体１０の壁には、空気を通すための吸気口１０ａおよび排気口１０ｂが設けられている。筐体１０内には、モジュール型の半導体素子１１と、放熱フィン１２とが収容されている。半導体素子１１は、たとえば１つまたは複数のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を含む。放熱フィン１２は、熱伝導性の高い金属板（たとえば、アルミ板）の一方の表面（図２では下面）を加工して放熱用の多数の羽１２ａを形成したものである。半導体素子１１の金属ベース１１ａは、放熱フィン１２の他方の表面（図２では上面）に固定されている。半導体素子で発生した熱は、金属ベース１１ａおよび放熱フィン１２に伝導し、放熱フィン１２から空気中に放散される。

また、筐体１０には、半導体素子１１および放熱フィン１２に送風して冷却する冷却ファン１３が設けられている。冷却ファン１３は、羽１３ａとそれを回転させるモータ１３ｂを含む。モータ１３ｂは、電源５からの電力によって駆動され、羽１３ａを所定の回転速度で回転させる。冷却ファン１３が回転すると、吸気口１０ａ、冷却ファン１３、放熱フィン１２、排気口１０ｂの経路を通る空気流すなわち風が発生し、放熱フィン１２の近傍の空気が連続的に置換される。放熱フィン１２の熱を吸収した空気は、排気口１０ｂを介して筐体１０外に排出される。このようにして、半導体素子１１および放熱フィン１２が冷却される。

また、筐体１０内には、風速センサ１４および温度センサ１５が設けられている。風速センサ１４は、放熱フィン１２の近傍の風速を検出し、検出した風速を示す信号φＶを制御部４に与える。風速センサ１４は、たとえば、加熱された白金巻線に風を当てると白金巻線の温度が低下し、その抵抗値が変化することを利用した小型のセンサである。放熱フィン１２の近傍の風速が増大すると、放熱フィン１２から放散される熱量が増大する。したがって、放熱フィン１２の近傍の風速を検出することにより、冷却ファン１３の冷却能力を検出することができる。温度センサ１５は、半導体素子１１の周囲温度を検出し、検出した温度を示す信号φＴを制御部４に与える。

制御部４は、負荷電流検出部３からの信号φＩと風速センサ１４からの信号φＶと温度センサ１５からの信号φＴとに基づいて、半導体素子１１のジャンクション温度Ｔｊを推定し、推定したジャンクション温度Ｔｊが規定値Ｔ０を超えないように、半導体素子１１を制御する。半導体素子１１のジャンクション温度Ｔｊが限界値Ｔmaxになると半導体素子１１が破壊されるとすると、この規定値Ｔ０は限界値Ｔmaxよりも所定温度だけ低い温度に設定される。制御部４は、推定したジャンクション温度Ｔｊが規定値Ｔ０に到達した場合、たとえば負荷電流を低減してジャンクション温度Ｔｊを低下させる。

図３は、半導体素子１１のジャンクション温度Ｔｊの推定値の変化を例示するタイムチャートである。図３を参照して、ある時刻ｔ０に電力変換装置１の運転が開始されると、半導体素子１１のジャンクション温度Ｔｊが電力変換装置１の設置場所の温度Ｔｃから徐々に上昇する。電力変換装置１が定格負荷で正常に運転されると、ジャンクション温度Ｔｊは規定値Ｔ０よりも十分に低い一定温度Ｔｊ（１００％）に飽和する。

電力変換装置１の運転中に吸気口１０ａにゴミが詰まって放熱フィン１２の近傍の風速が低下すると（時刻ｔ１）、冷却能力が低下するのでジャンクション温度Ｔｊが徐々に上昇し、ジャンクション温度Ｔｊが規定値Ｔ０に到達する（時刻ｔ２）。ジャンクション温度Ｔｊが規定値Ｔ０に到達すると、制御部４は、ジャンクション温度Ｔｊが規定値Ｔ０よりも低くなるように半導体素子１１のオン時間を短縮して負荷電流を低減させる。これにより、半導体素子１１が温度上昇によって破壊されるのを防止することができる。

この実施の形態１では、放熱フィン１２の近傍の風速に基づいて半導体素子１１のジャンクション温度を推定するので、冷却ファン１３が故障して停止した場合や、吸気口１０ａ、排気口１０ｂにゴミが詰まった場合にジャンクション温度が上昇して半導体素子１１が破壊されるのを防止することができる。

図４は、実施の形態１の変更例を示すブロック図である。図４において、この変更例では、電源５とモータ１３ｂの間にスイッチ１６が追加される。スイッチ１６は、制御部４によって制御される。制御部４は、推定したジャンクション温度Ｔｊに基づいて冷却ファン１３を所定時間停止させても問題ないか否かを判別する。制御部４は、冷却ファン１３を停止させても問題ないと判別した場合はスイッチ１６を所定時間だけオフさせて冷却ファン１３を停止させる。この変更例では、推定したジャンクション温度Ｔｊに基づいて冷却ファン１３を停止させるので、消費電力の低減化を図ることができる。

図５は、実施の形態１の他の変更例を示すブロック図である。図５において、この変更例では、冷却ファン１３およびスイッチ１６が複数組設けられる。各スイッチ１６の一方端子は電源５に接続され、その他方端子は対応のモータ１３ｂに接続される。制御部４は、推定したジャンクション温度Ｔｊに基づいて運転させる冷却ファン１３の台数を増減させる。たとえば、制御部４は、推定したジャンクション温度Ｔｊが所定の温度Ｔ１（ただし、Ｔ１＜Ｔ０である）よりも低い場合は冷却ファン１３の運転台数を減少させ、高い場合は冷却ファン１３の運転台数を増加させる。この変更例では、冷却ファン１３の運転台数を最適な台数に制御するので、消費電力と騒音レベルの低減化を図ることができる。

図６は、実施の形態１のさらに他の変更例を示すブロック図である。図６において、この変更例では、電源５とモータ１３ｂの間に回転速度変換部２０が追加される。電源５は、商用周波数の交流電力を供給する。回転速度変換部２０は、制御部４によって制御され、商用周波数と異なる周波数の交流電力を冷却ファン１３に供給して冷却ファン１３の回転速度を変更する。

回転速度変換部２０は、図７に示すように、コンバータ２１、インバータ２２、および切換回路２３を含む。コンバータ２１は、制御部４によって制御され、電源５からの商用周波数の交流電源を直流電力に変換する。インバータ２２は、制御部４によって制御され、コンバータ２１で生成された直流電力を商用周波数よりも高い所定周波数の交流電力に変換する。切換回路２３は、制御部４によって制御され、電源５からの商用周波数の電力とインバータ２２で生成された交流電力とのうちのいずれか一方の交流電力をモータ１３ｂに与える。

制御部４は、推定したジャンクション温度Ｔｊが所定の温度Ｔ１よりも低い場合は、コンバータ２１およびインバータ２２の運転を停止させるとともに、電源５からの商用周波数の交流電力を切換回路２３を介して冷却ファン１３に与える。また、制御部４は、推定したジャンクション温度が所定の温度Ｔ１よりも高い場合は、コンバータ２１およびインバータ２２を運転させるとともに、インバータ２２で生成された商用周波数よりも高い所定周波数の交流電力を切換回路２３を介して冷却ファン１３に与え、冷却ファン１３の回転速度を高める。

この変更例では、推定したジャンクション温度Ｔｊに基づいて冷却ファン１３の回転速度を変えるので、消費電力の低減化を図ることができる。また、通常時はコンバータ２１およびインバータ２２を停止させるので、効率が高い。

また、さらに他の変更例では、図６および図７の構成は同じであるが、インバータ２２で生成される交流電力の周波数は商用交流電力の周波数よりも低く設定される。また、制御部４は、推定したジャンクション温度Ｔｊが所定の温度Ｔ１よりも低い場合は、コンバータ２１およびインバータ２２を運転させるとともに、インバータ２２で生成された商用周波数よりも低い周波数の交流電力を切換回路２３を介して冷却ファン１３に与える。また、制御部４は、推定したジャンクション温度Ｔｊが所定の温度Ｔ１よりも高い場合は、コンバータ２１およびインバータ２２の運転を停止させるとともに、電源５からの商用周波数の交流電力を切換回路２３を介して冷却ファン１３に与え、冷却ファン１３の回転速度を高める。

この変更例では、推定したジャンクション温度Ｔｊに基づいて冷却ファン１３の回転速度を変えるので、消費電力の低減化を図ることができる。また、この変更例では、通常時は商用周波数よりも低い周波数の交流電力で冷却ファン１３を回転させるので、騒音レベルの低減化を図ることができる。また、この変更例は、商用周波数の交流電力で冷却ファン１３を回転させると、回転速度が速すぎたり、騒音レベルが大きい場合に有効である。

[実施の形態２]
図８は、この発明の実施の形態２による電力変換装置の要部を示す図であって、図２と対比される図である。図８を参照して、この電力変換装置が図１および図２の電力変換装置と異なる点は、風速センサ１４が回転速度センサ２４で置換されている点である。

回転速度センサ２４は、冷却ファン１３の回転速度（たとえば、モータ１３ｂの回転軸の回転速度）を検出し、検出した回転速度を示す信号φＲを制御部４に与える。冷却ファン１３の回転速度が増大すると、放熱フィン１２の近傍の風速が増大し、放熱フィン１２から放散される熱量が増大する。したがって、冷却ファン１３の回転速度を検出することにより、冷却ファン１３の冷却能力を検出することができる。制御部４は、負荷電流検出部３からの信号φＩと回転速度センサ２４からの信号φＲと温度センサ１５からの信号φＴとに基づいて、半導体素子１１のジャンクション温度Ｔｊを推定し、推定したジャンクション温度Ｔｊが規定値Ｔ０を超えないように半導体素子１１を制御する。

この実施の形態２では、冷却ファン１３の回転速度に基づいて半導体素子１１のジャンクション温度Ｔｊを推定するので、冷却ファン１３が故障して停止した場合にジャンクション温度Ｔｊが上昇して半導体素子１１が破壊されるのを防止することができる。

図９に示すように、筐体１０に複数組の半導体素子１１および放熱フィン１２が収容され、１台の冷却ファン１３だけが設けられている場合、各放熱フィン１２の近傍に風速センサ１４を設けると部品数が増加し、コスト高になる。これに対して本実施の形態２では、１台の冷却ファン１３の回転速度を検出する回転速度センサ２４のみを設ければよいので、部品数の低減化、低コスト化を図ることができる。

[実施の形態３]
図１０は、この発明の実施の形態３による電力変換装置の要部を示す図であって、図２と対比される図である。図１０を参照して、この電力変換装置が図１および図２の電力変換装置と異なる点は、風速センサ１４が電流センサ２５で置換されている点である。

電流センサ２５は、電源５から冷却ファン１３のモータ１３ｂに流れる電流を検出し、検出した電流を示す信号φＩｍを制御部４に与える。冷却ファン１３のモータ１３ｂの駆動電流が増大すると、放熱フィン１２の近傍の風速が増大し、放熱フィン１２から放散される熱量が増大する。したがって、冷却ファン１３の駆動電流を検出することにより、冷却ファン１３の冷却能力を検出することができる。制御部４は、負荷電流検出部３からの信号φＩと電流センサ２５からの信号φＩｍと温度センサ１５からの信号φＴとに基づいて、半導体素子１１のジャンクション温度Ｔｊを推定し、推定したジャンクション温度Ｔｊが規定値Ｔ０を超えないように半導体素子１１を制御する。

この実施の形態３では、冷却ファン１３の駆動電流に基づいて半導体素子１１のジャンクション温度Ｔｊを推定するので、冷却ファン１３が故障した場合にジャンクション温度Ｔｊが上昇して半導体素子１１が破壊されるのを防止することができる。

図１１に示すように、筐体１０に複数組の半導体素子１１および放熱フィン１２が収容され、複数台の冷却ファン１３が設けられている場合、各冷却ファン１３毎に回転速度センサ２４を設けると部品数が増加し、コスト高になる。これに対して本実施の形態３では、電源５から複数台の冷却ファン１３に流れる電流を検出する１つの電流センサ２５のみを設ければよいので、部品数の低減化、低コスト化を図ることができる。

[実施の形態４]
図１２は、この発明の実施の形態４による電力変換装置の要部を示す図であって、図２と対比される図である。図１２を参照して、この電力変換装置が図１および図２の電力変換装置と異なる点は、風速センサ１４が除去され、冷却ファン１３が複数（図１２では２つ）設けられ、スイッチ３１，３２、電流センサ３３，３４、および報知部３５が追加されている点である。

スイッチ３１は、制御部４からの制御信号φＳ１によって制御され、電源５の出力ノードと一方の冷却ファン１３のモータ１３ｂとの間に接続される。スイッチ３２は、制御部４からの制御信号φＳ２によって制御され、電源５の出力ノードと他方の冷却ファン１３のモータ１３ｂとの間に接続される。

電流センサ３３は、電源５から一方の冷却ファン１３のモータ１３ｂに流れる電流を検出し、検出した電流を示す信号φＩｍ１を制御部４に与える。電流センサ３４は、電源５から他方の冷却ファン１３のモータ１３ｂに流れる電流を検出し、検出した電流を示す信号φＩｍ２を制御部４に与える。

２つの冷却ファン１３のモータ１３ｂの駆動電流が増大すると、放熱フィン１２の近傍の風速が増大し、放熱フィン１２から放散される熱量が増大する。したがって、２つの冷却ファン１３の駆動電流を検出することにより、２つの冷却ファン１３の冷却能力を検出することができる。制御部４は、負荷電流検出部３からの信号φＩと電流センサ３３，３４からの信号φＩｍ１，φＩｍ２と温度センサ１５からの信号φＴとに基づいて、半導体素子１１のジャンクション温度Ｔｊを推定し、推定したジャンクション温度Ｔｊが規定値Ｔ０を超えないように半導体素子１１を制御する。

また、冷却ファン１３が故障すると、拘束電流が流れて冷却ファン１３の駆動電流が規定値を超える。たとえば一方の冷却ファン１３が故障した場合、制御部４は、信号φＩｍ１から一方の冷却ファン１３が故障したことを検出し、制御信号φＳ１によってスイッチ３１をオフさせてその冷却ファン１３に駆動電流が流れるのを停止させるとともに、冷却ファン１３が故障したことを報知する信号を報知部３５に出力する。報知部３５は、その信号に応答して、音（たとえば、ブザー）、光（たとえば、警告灯）などによって冷却ファン１３が故障したことを作業員に報知する。また、制御部４は、残りの１台の冷却ファン１３の駆動電流を電流センサ３４の信号φＩｍ２から検出し、その駆動電流に基づいてジャンクション温度Ｔｊを推定する。

この実施の形態４では、複数の冷却ファン１３のうちの１台が故障した場合でも、残りの冷却ファン１３によって半導体素子１１を冷却することができる。また、冷却ファン１３が故障したことを作業員に報知することができる。

なお、冷却ファン１３が自己保護機能を有する場合は、冷却ファン１３が故障すると冷却ファン１３の駆動電流が０になる。この場合、スイッチ３１，３２は不要であるので、スイッチ３１，３２を除去することができる。また、制御部４は、冷却ファン１３の駆動電流が０になった場合に冷却ファン１３が故障したと判別する。また、制御部４は、冷却ファン１３の保護機能の有無に関係無く、冷却ファン１３が正常範囲の上限値を上回った場合および下限値を下回った場合に冷却ファン１３が故障したと判別することも可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１電力変換装置、２電力変換部、３負荷電流検出部、４制御部、５電源、６負荷、１０筐体、１０ａ吸気口、１０ｂ排気口、１１半導体素子、１１ａ金属ベース、１２放熱フィン、１２ａ羽、１３冷却ファン、１３ａ羽、１３ｂモータ、１４風速センサ、１５温度センサ、１６スイッチ、２０回転速度変換部、２１コンバータ、２２インバータ、２３切換回路、２４回転速度センサ、２５，３３，３４電流センサ、３１，３２スイッチ、３５報知部。

Claims

電力変換を行なうための半導体素子と、
前記半導体素子の熱を空気中に放散させる放熱フィンと、
前記放熱フィンを冷却する冷却ファンと、
前記冷却ファンの冷却能力に関連するパラメータを検出する検出部と、
前記検出部の検出結果、前記半導体素子の損失、および前記半導体素子の周囲温度に基づいて前記半導体素子のジャンクション温度を推定し、推定したジャンクション温度が予め定められた温度を超えないように前記半導体素子を制御する制御部とを備える、電力変換装置。
前記冷却ファンの冷却能力に関連するパラメータは前記放熱フィンの近傍の風速である、請求項１に記載の電力変換装置。
前記冷却ファンの冷却能力に関連するパラメータは前記冷却ファンの回転速度である、請求項１に記載の電力変換装置。
前記冷却ファンの冷却能力に関連するパラメータは前記冷却ファンの駆動電流である、請求項１に記載の電力変換装置。
前記制御部は、推定した前記半導体素子のジャンクション温度に基づいて前記冷却ファンの回転速度を制御する、請求項１から請求項４までのいずれかに記載の電力変換装置。
前記冷却ファンは複数設けられ、
前記冷却ファンの冷却能力に関連するパラメータは複数の前記冷却ファンの駆動電流の総和である、請求項１に記載の電力変換装置。
前記冷却ファンは複数設けられ、
前記冷却ファンの冷却能力に関連するパラメータは各冷却ファンの駆動電流である、請求項１に記載の電力変換装置。
前記制御部は、前記検出部によって検出された各冷却ファンの駆動電流が予め定められた正常範囲内か否かを判別し、駆動電流が正常範囲内から外れた冷却ファンがある場合は、その冷却ファンを停止させるとともに、冷却ファンの異常を報知する信号を出力する、請求項７に記載の電力変換装置。
前記制御部は、前記半導体素子のジャンクション温度に基づいて、前記冷却ファンの運転台数を増減させる、請求項６から請求項８までのいずれかに記載の電力変換装置。