JP2013005067A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、電力変換装置における温度検出素子の時間変化率を検出し、温度上昇の事前予測によりフェールセーフをかけることで、発熱半導体素子の発熱抑制とモジュールケースの冷却構造最適化を実現することである。
【解決手段】上記課題を解決するために、前記半導体素子のモジュールケースまたは素子自体の温度の時間変化率を検出する検出手段と、素子のゲート抵抗値を可変にする抵抗可変回路とを設け、前記検出温度の時間変化率が所定の設定値以上になったと判断されたときは、ゲート抵抗値を前記抵抗可変回路により低減することを特徴とする電力変換装置を提供する。
【選択図】 図４

Description

電圧変換装置の駆動装置及びその駆動方法に関する。

昨今の地球温暖化という問題を回避するために電力駆動の車両が注目されている。電力駆動の車両は、電力変換装置によりバッテリから供給される直流電力を交流電力に変換し、該交流電力をモータに出力し、該モータを駆動する。この電力変換装置の発熱を抑制するためスイッチング損失低減が重要視されている。そのような問題を解決するために、例えばＩＧＢＴの入力抵抗を切り換えてスイッチングする技術が開発されている（例：特許文献１）。

特開平９−４６２０１号公報

しかしながら、上記記載した特許文献１のような技術だと、電力変換装置に内蔵された半導体素子の温度が高温になった場合、半導体素子のＯＦＦ状態のリーク電流が増大することで半導体素子発熱が起こり、その発熱がリーク電流増大を引き起こすフィードバックがかかり、最悪の場合半導体素子破壊に至るといった問題が生じる。

また、半導体素子の温度上昇差分ΔＴが大きい場合、半導体素子の昇温と降温の繰り返しにより、半導体素子とモジュールケースの接続に用いる半田やワイヤの接合部の応力ひずみが大きくなり、断線にいたるまでの熱疲労寿命が短くなる。

従来は半導体素子温度またはモジュールケース温度を検出するための温度検出素子であるサーミスタや感温ダイオードを設け、温度検出素子が所定の温度を検出した場合、電力変換装置動作を停止するフェールセーフ機能を持たせていた。

しかしながら、そのため、温度検出素子が温度異常を検知してからフェールセーフ開始するまでの期間を考慮した必要以上に大きい温度マージンを設計せざるをえず、信頼性向上とモジュールケースの冷却構造最適化が十分に考慮されていなかった。

そこで、本発明の目的は、電力変換装置における温度検出素子の時間変化率を検出し、温度上昇の事前予測によりフェールセーフをかけることで、発熱半導体素子の発熱抑制とモジュールケースの冷却構造最適化を実現することである。

上記課題を解決するために、例えば、半導体素子のモジュールケースや素子自体の温度の時間変化率を検出し、前記検出温度の時間変化率が所定の設定値以上になった場合にゲート抵抗値を低減するように構成すればよい。

本発明によれば、電力変換装置における温度検出素子の時間変化率を検出し、温度上昇の事前予測によりフェールセーフをかけることで、発熱半導体素子の発熱抑制とモジュールケースの冷却構造最適化を実現することができる。

ハイブリッド電気自動車の制御ブロックを示す図である。 インバータ回路部１４０，インバータ装置１４２の電気回路構成の説明図である。 本発明の実施形態に係わる電力変換装置の全体構成を各構成要素に分解した斜視図である。 本実施形態に係わるＩＧＢＴ１００の駆動装置のブロック構成図である。 本実施形態に係わる、ＩＧＢＴ１００のターンオン時のゲート抵抗切り換えタイミングを示す図である。 本実施形態に係わる、ＩＧＢＴ１００のターンオフ時のゲート抵抗切り換えタイミングを示す図である。 本実施例に係わる、フェールセーフ動作が必要ない場合のサーミスタ検知電圧を示した図である。 本実施例に係わる、フェールセーフ動作が必要の場合のサーミスタ検知電圧を示した図である。 本実施例に係わる、ゲート抵抗を切り換えた場合のモジュールケースおよびＩＧＢＴ温度を示した図である。 本実施例に係わる、出力電流実効値を制限した場合のモジュールケースおよびＩＧＢＴ温度を示した図である。 本実施例に係わる、キャリア周波数を低減した場合のモジュールケースおよびＩＧＢＴ温度を示した図である。 本実施例に係わる、冷却水路の水圧と流量を大きくした場合のモジュールケースおよびＩＧＢＴ温度を示した図である。

以下、図面を用いて発明を実施するための形態について説明する。

〔実施例〕
本発明の実施形態に係わる電力変換装置について、図面を参照しながら以下詳細に説明する。

本発明の実施形態に係わる電力変換装置は、ハイブリッド用の自動車や純粋な電気自動車に適用可能であるが、代表例として、本発明の実施形態に係わる電力変換装置をハイブリッド自動車に適用した場合の制御構成と電力変換装置の回路構成について、図１と図２を用いて説明する。図１はハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。

本発明の実施形態に係わる電力変換装置では、自動車に搭載される車載電機システムの車載用電力変換装置、特に、車両駆動用電機システムに用いられ、搭載環境や動作的環境などが大変厳しい車両駆動用インバータ装置を例に挙げて説明する。車両駆動用インバータ装置は、車両駆動用電動機の駆動を制御する制御装置として車両駆動用電機システムに備えられ、車載電源を構成する車載バッテリ或いは車載発電装置から供給された直流電力を所定の交流電力に変換し、得られた交流電力を車両駆動用電動機に供給して車両駆動用電動機の駆動を制御する。また、車両駆動用電動機は発電機としての機能も有しているので、車両駆動用インバータ装置は運転モードに応じ、車両駆動用電動機の発生する交流電力を直流電力に変換する機能も有している。変換された直流電力は車載バッテリに供給される。

なお、本実施形態の構成は、自動車やトラックなどの車両駆動用電力変換装置として最適であるが、これら以外の電力変換装置、例えば電車や船舶，航空機などの電力変換装置、さらに工場の設備を駆動する電動機の制御装置として用いられる産業用電力変換装置、或いは家庭の太陽光発電システムや家庭の電化製品を駆動する電動機の制御装置に用いられたりする家庭用電力変換装置に対しても適用可能である。

図１において、ハイブリッド電気自動車（以下、「ＨＥＶ」と記述する）１１０は１つの電動車両であり、２つの車両駆動用システムを備えている。その１つは、内燃機関であるエンジン１２０を動力源としたエンジンシステムである。エンジンシステムは、主としてＨＥＶの駆動源として用いられる。もう１つは、モータジェネレータ１９２，１９４を動力源とした車載電機システムである。

車載電機システムは、主としてＨＥＶの駆動源及びＨＥＶの電力発生源として用いられる。モータジェネレータ１９２，１９４は例えば同期機あるいは誘導機であり、運転方法によりモータとしても発電機としても動作するので、ここではモータジェネレータと記すこととする。

車体のフロント部には前輪車軸１１４が回転可能に軸支されている。前輪車軸１１４の両端には１対の前輪１１２が設けられている。車体のリア部には後輪車軸（図示省略）が回転可能に軸支されている。後輪車軸の両端には１対の後輪が設けられている。本実施形態のＨＥＶでは、動力によって駆動される主輪を前輪１１２とし、連れ回される従輪を後輪とする、いわゆる前輪駆動方式を採用しているが、この逆、すなわち後輪駆動方式を採用しても構わない。

前輪車軸１１４の中央部には前輪側デファレンシャルギア（以下、「前輪側ＤＥＦ」と記述する）１１６が設けられている。前輪車軸１１４は前輪側ＤＥＦ１１６の出力側に機械的に接続されている。前輪側ＤＥＦ１１６の入力側には変速機１１８の出力軸が機械的に接続されている。前輪側ＤＥＦ１１６は、変速機１１８によって変速されて伝達された回転駆動力を左右の前輪車軸１１４に分配する差動式動力分配機構である。

変速機１１８の入力側にはモータジェネレータ１９２の出力側が機械的に接続されている。モータジェネレータ１９２の入力側には動力分配機構１２２を介してエンジン１２０の出力側及びモータジェネレータ１９４の出力側が機械的に接続されている。尚、モータジェネレータ１９２，１９４及び動力分配機構１２２は、変速機１１８の筐体の内部に収納されている。

モータジェネレータ１９２，１９４は、回転子に永久磁石を備えた同期機であり、固定子の電機子巻線に供給される交流電力がインバータ装置１４２によって制御されることによりモータジェネレータ１９２，１９４の駆動が制御される。インバータ装置１４２にはバッテリ１３６が電気的に接続されており、バッテリ１３６とインバータ装置１４２との相互において電力の授受が可能である。

本実施形態では、モータジェネレータ１９２及びインバータ装置１４２からなる第１電動発電ユニットと、モータジェネレータ１９４及びインバータ装置１４２からなる第２電動発電ユニットとの２つを備え、運転状態に応じてそれらを使い分けている。すなわち、エンジン１２０からの動力によって車両を駆動している場合において、車両の駆動トルクをアシストする場合には第２電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第１電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。

また、同様の場合において、車両の車速をアシストする場合には第１電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第２電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。

また、本実施形態では、バッテリ１３６の電力によって第１電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させることにより、モータジェネレータ１９２の動力のみによって車両の駆動ができる。さらに、本実施形態では、第１電動発電ユニット又は第２電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力或いは車輪からの動力によって作動させて発電させることにより、バッテリ１３６の充電ができる。

インバータ装置１４２およびインバータ装置４３さらにコンデンサモジュール５００は電気的に密接な関係にある。さらに発熱に対する対策が必要な点が共通している。また装置の体積をできるだけ小さく作ることが望まれている。電力変換装置１は、インバータ装置１４２、さらにコンデンサモジュール５００を電力変換装置１の筐体内に内蔵している。この構成により、小型で信頼性の高い装置が実現できる。

またインバータ装置１４２、さらにコンデンサモジュール５００を一つの筐体に内蔵することで、配線の簡素化やノイズ対策で効果がある。またコンデンサモジュール５００とインバータ装置１４２およびインバータ装置４３との接続回路のインダクタンスを低減でき、スパイク電圧を低減できると共に、発熱の低減や放熱効率の向上を図ることができる。

次に、図２を用いてインバータ装置１４２の電気回路構成を説明する。尚、図１，図２に示す実施形態では、インバータ装置１４２をそれぞれ個別に構成する場合を例に挙げて説明する。インバータ装置１４２は同様の構成で同様の作用を為し、同様の機能を有しているので、ここでは、代表例としてインバータ装置１４２の説明を行う。

本実施形態に係わる電力変換装置１は、インバータ回路部１４０とコンデンサモジュール５００とを備え、インバータ回路部１４０はインバータ回路部１４０と制御部１７０とを有している。また、インバータ回路部１４０は、上アームとして動作するＩＧＢＴ１００（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）及びダイオード１５６と、下アームとして動作するＩＧＢＴ１００及びダイオード１５６と、からなる上下アーム直列回路１５０を複数有し、それぞれの上下アーム直列回路の中点部分から交流端子を通してモータジェネレータ１９２への交流電力線（交流バスバー）と接続する構成である。

また、制御部１７０はインバータ回路を駆動制御するドライバ回路１７４と、ドライバ回路１７４へ信号線１７６を介して制御信号を供給する制御回路１７２と、を有している。

上アームと下アームのＩＧＢＴ１００は、スイッチング用パワー半導体素子であり、制御部１７０から出力された駆動信号を受けて動作し、バッテリ１３６から供給された直流電力を３相交流電力に変換する。この変換された電力はモータジェネレータ１９２の電機子巻線に供給される。

インバータ回路部１４０は３相ブリッジ回路により構成されており、３相分の上下アーム直列回路がそれぞれ、バッテリ１３６の正極側と負極側に電気的に接続されている直流正極端子と直流負極端子の間に電気的に並列に接続されている。

本実施形態では、スイッチング用パワー半導体素子としてＩＧＢＴ１００を用いることを例示している。ＩＧＢＴ１００のコレクタ電極とエミッタ電極との間にはダイオード１５６が図示するように電気的に接続されている。

ダイオード１５６は、カソード電極及びアノード電極の２つの電極を備えており、ＩＧＢＴ１００のエミッタ電極からコレクタ電極に向かう方向が順方向となるように、カソード電極がＩＧＢＴ１００のコレクタ電極に、アノード電極がＩＧＢＴ１００のエミッタ電極にそれぞれ電気的に接続されている。

ここで、スイッチング用パワー半導体素子としてはＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いてもよく、この場合はダイオード１５６は不要となる。

上下アーム直列回路は、モータジェネレータ１９２の電機子巻線の各相巻線に対応して３相分設けられている。３つの上下アーム直列回路１５０はそれぞれ、ＩＧＢＴ１００のエミッタ電極とＩＧＢＴ１００のコレクタ電極を接続する中間電極，交流端子を介してモータジェネレータ１９２へのＵ相，Ｖ相，Ｗ相を形成している。上下アーム直列回路同士は電気的に並列接続されている。

上アームのＩＧＢＴ１００のコレクタ電極は正極端子（Ｐ端子）を介してコンデンサモジュール５００の正極側コンデンサ電極に、下アームのＩＧＢＴ１００のエミッタ電極は負極端子（Ｎ端子）を介してコンデンサモジュール５００の負極側コンデンサ電極にそれぞれ電気的に接続（直流バスバーで接続）されている。

各アームの中点部分（上アームのＩＧＢＴ１００のエミッタ電極と下アームのＩＧＢＴ１００のコレクタ電極との接続部分）にあたる中間電極は、モータジェネレータ１９２の電機子巻線の対応する相巻線に交流コネクタ１８８を介して電気的に接続されている。

コンデンサモジュール５００は、ＩＧＢＴ１００のスイッチング動作によって生じる直流電圧の変動を抑制する平滑回路を構成するためのものである。コンデンサモジュール５００の正極側コンデンサ電極にはバッテリ１３６の正極側が、コンデンサモジュール５００の負極側コンデンサ電極にはバッテリ１３６の負極側がそれぞれ直流コネクタを介して電気的に接続されている。

これにより、コンデンサモジュール５００は、上アームＩＧＢＴ１００のコレクタ電極とバッテリ１３６の正極側との間と、下アームＩＧＢＴ１００のエミッタ電極とバッテリ１３６の負極側との間で接続され、バッテリ１３６と上下アーム直列回路に対して電気的に並列接続される。

制御部１７０はＩＧＢＴ１００を作動させるためのものであり、他の制御装置やセンサなどからの入力情報に基づいて、ＩＧＢＴ１００のスイッチングタイミングを制御するためのタイミング信号を生成する制御回路１７２と、制御回路１７２から出力されたタイミング信号に基づいて、ＩＧＢＴ１００をスイッチング動作させるためのドライブ信号を生成するドライバ回路１７４とを備えている。

制御回路１７２は、ＩＧＢＴ１００のスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と記述する）を備えている。マイコンには入力情報として、モータジェネレータ１９２に対して要求される目標トルク値、上下アーム直列回路１５０からモータジェネレータ１９２の電機子巻線に供給される電流値、及びモータジェネレータ１９２の回転子の磁極位置が入力されている。

目標トルク値は、不図示の上位の制御装置から出力された指令信号に基づくものである。電流値は、電流センサ（不図示）から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。磁極位置は、モータジェネレータ１９２に設けられた回転磁極センサ（不図示）から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。本実施形態では３相の電流値を検出する場合を例に挙げて説明するが、２相分の電流値を検出するようにしても構わない。

制御回路１７２内のマイコンは、目標トルク値に基づいてモータジェネレータ１９２のｄ，ｑ軸の電流指令値を演算し、この演算されたｄ，ｑ軸の電流指令値と、検出されたｄ，ｑ軸の電流値との差分に基づいてｄ，ｑ軸の電圧指令値を演算し、この演算されたｄ，ｑ軸の電圧指令値を、検出された磁極位置に基づいてＵ相，Ｖ相，Ｗ相の電圧指令値に変換する。そして、マイコンは、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の電圧指令値に基づく基本波（正弦波）と搬送波（三角波）との比較に基づいてパルス状の変調波を生成し、この生成された変調波をＰＷＭ（パルス幅変調）信号としてドライバ回路１７４に出力する。

ドライバ回路１７４は、下アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する下アームのＩＧＢＴ１００のゲート電極に、上アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号の基準電位のレベルを上アームの基準電位のレベルにシフトしてからＰＷＭ信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する上アームのＩＧＢＴ１００のゲート電極にそれぞれ出力する。これにより、各ＩＧＢＴ１００は、入力されたドライブ信号に基づいてスイッチング動作する。

図３は、本発明の実施形態に係わる電力変換装置の全体構成を各構成要素に分解した斜視図を示す。

図３に示すように、筐体１２の中ほどに冷却水流路１９が設けられ、前記冷却水流路１９の上部には流れの方向に並んで２組の開口が形成されている。前記２組の開口がそれぞれインバータ装置１４２で塞がれる様に２個のインバータ装置１４２が前記冷却水流路１９の上面に固定されている。各インバータ装置１４２には放熱のためのフィンが設けられており、各インバータ装置１４２のフィンはそれぞれ前記冷却水流路１９の開口から冷却水の流れの中に突出している。

前記冷却水流路１９の下側にはアルミ鋳造を行いやすくするための開口４０４が形成されており、前記開口はカバー４２０で塞がれている。また前記冷却水流路１９の下側には補機用のインバータ装置４３が取り付けられている。前記補機用のインバータ装置４３は、インバータ回路１４４と同様の回路が内蔵されており、前記インバータ回路１４４を構成しているパワー半導体素子を内蔵したインバータ回路を有している。補機用のインバータ装置４３は前記内蔵している前記インバータ回路の放熱金属面が前記冷却水流路１９の下面に対向するようにして、前記冷却水流路１９の下面に固定されている。

さらに前記冷却水流路１９の下部に放熱作用を為す下部ケース１６が設けられ、前記下部ケース１６にはコンデンサモジュール５００が、コンデンサモジュール５００の金属材からなるケースの放熱面が前記下部ケース１６の面に対向するようにして前記下部ケース１６の面に固定されている。この構造により冷却水流路１９の上面と下面とを利用して効率良く冷却することができ、電力変換装置全体の小型化に繋がる。

入出口配管１３，１４からの冷却水が冷却水流路１９を流れることによって、併設されている２個のインバータ装置１４２が有する放熱フィンが冷却され、前記２個のインバータ装置１４２全体が冷却される。冷却水流路１９の下面に設けられた補機用のインバータ装置４３も同時に冷却する。

さらに冷却水流路１９が設けられている筐体１２が冷却されることにより、筐体１２の下部に設けられた下部ケース１６が冷却され、この冷却によりコンデンサモジュール５００の熱が下部ケース１６および筐体１２を介して冷却水に熱的伝導され、コンデンサモジュール５００が冷却される。

インバータ装置１４２の上方には制御回路基板２０と駆動回路基板２２とが配置され、駆動回路基板２２にはドライバ回路１７４が搭載され、制御回路基板２０にはＣＰＵを有する制御回路１７２が搭載される。また、駆動回路基板２２と制御回路基板２０の間には金属ベース板１１が配置され、金属ベース板１１は両基板２２，２０に搭載される回路群の電磁シールドの機能を奏すると共に駆動回路基板２２と制御回路基板２０とが発生する熱を逃がし、冷却する作用を有している。

このように筐体１９の中央部に冷却水流路１９を設け、その一方の側に車両駆動用のインバータ装置１４２を配置し、また他方の側に補機用のインバータ装置４３を配置することで、少ない空間で効率良く冷却でき、電力変換装置全体の小型化が可能となる。また筐体中央部の冷却水流路１９の主構造を筐体１２と一体にアルミ材の鋳造で作ることにより、冷却水流路１９は冷却効果に加え機械的強度を強くする効果がある。またアルミ鋳造で作ることで筐体１２と冷却水流路１９とが一体構造となり、熱伝導が良くなり冷却効率が向上する。

駆動回路基板２２には、金属ベース板１１を通り抜けて、制御回路基板２０の回路群との接続を行う基板間コネクタ２３が設けられている。また、制御回路基板２０には外部との電気的接続を行うコネクタ２１が設けられている。コネクタ２１により電力変換装置の外の、例えばバッテリ１３６として車に搭載されているリチウム電池モジュールとの信号の伝送が行われ、リチウム電池モジュールから電池の状態を表す信号やリチウム電池の充電状態などの信号が送られてくる。

前記制御回路基板２０に保持されている制御回路１７２との信号の授受を行うために前記基板間コネクタ２３が設けられており、図示を省略しているが信号線１７６が設けられ、この信号線１７６と基板間コネクタ２３を介して制御回路基板２０からインバータ回路のスイッチングタイミングの信号が駆動回路基板２２に伝達され、駆動回路基板２２で駆動信号であるゲート駆動信号を発生し、インバータ回路のゲート電極にそれぞれ印加される。

筐体１２の上部と下部には開口が形成され、これら開口はそれぞれ上部ケース１０と下部ケース１６が例えばネジ等で筐体１２に固定されることにより塞がれる。筐体１２の中央に冷却水流路１９が設けられ、前記冷却水流路１９にインバータ装置１４２やカバー４２０を固定する。このようにして冷却水流路１９を完成させ、水路の水漏れ試験を行う。
水漏れ試験に合格した場合に、次に前記筐体１２の上部と下部の開口から基板やコンデンサモジュール５００を取り付ける作業を行うことができる。

このように中央に冷却水流路１９配置し、次に前記筐体１２の上部と下部の開口から必要な部品を固定する作業が行える構造を為しており、生産性が向上する。また冷却水流路１９を最初に完成させ、水漏れ試験の後その他の部品を取り付けることが可能となり、生産性と信頼性の両方が向上する。

図４は、本実施形態に係わるＩＧＢＴ１００の駆動装置のブロック構成図である。本図では駆動の対象となるＩＧＢＴ１００のみが表示され、ＩＧＢＴ１００に接続される負荷やその他のＩＧＢＴ装置の構成は省略されている。

本実施の形態の駆動装置は、駆動回路Ａ７０１と、駆動回路Ｂ７０２と、駆動回路Ｃ７０３と、駆動回路Ｄ７０４と、駆動回路につながるドライバ回路１７４と、モジュールケース及びＩＧＢＴ１００の温度を検知するサーミスタ６０１と、サーミスタ温度の時間変化率を検知する電圧変化率検出回路６０２と、モジュールケースを冷却する冷却水路用ポンプ６０３と、ドライバ回路と冷却水路用ポンプを制御する制御回路１７２を有する。電圧変化率検出回路６０２は制御回路１７２に内蔵されている。モジュールケース及びＩＧＢＴ１００の温度を検知する素子は、温度を検知する機能を有していれば、サーミスタでなくとも構わない。

モジュールケース及びＩＧＢＴ１００の信頼性が保証される温度を１５０℃とし、電圧変化率検出回路６０２が電圧変化率を検出するサーミスタ温度を１５０℃より小さい１４０℃とする。信頼性が保証される温度より低い温度で電圧変化率を検出する機能を有していれば、本実施形態と同一の温度でなくても構わない。

図７は、１４０℃における電圧変化率が所定のｄｖ／ｄｔ絶対値より小さい場合のサーミスタ検知電圧と検知温度を示した図である。

サーミスタ温度の時間変化率は、制御回路１７２に内蔵された電圧変化率検出回路６０２で検出し、電圧変化率が所定のｄｖ／ｄｔ絶対値より小さい場合、１５０℃を超えないと判断する。

図８は、１４０℃における電圧変化率が所定のｄｖ／ｄｔ絶対値より大きい場合のサーミスタ検知電圧と検知温度を示した図である。

ここで、電圧変化率が所定のｄｖ／ｄｔ絶対値より大きい場合、１５０℃を超えると判断し、フェールセーフ動作が必要となる。以下、詳述する。

図５と図６は、電圧変化率検出回路６０２が検出する電圧変化率が、所定のｄｖ／ｄｔ絶対値より大きく、モジュールケース及びＩＧＢＴ１００の保証温度１５０℃を超えると判断した場合の、ＩＧＢＴ１００のゲート抵抗切り換えタイミングを示す図である。制御回路１７２がこのゲート抵抗切り換え動作処理を行う。

通常時および１４０℃における電圧変化率が所定のｄｖ／ｄｔ絶対値より小さい場合は、ターンオン時は駆動回路Ａ７０１単独でＩＧＢＴ１００のゲート容量に電荷供給する。ターンオフ時は、駆動回路Ｃ７０３単独でＩＧＢＴ１００のゲート容量に蓄積された電荷を放出する。

１４０℃における電圧変化率が所定のｄｖ／ｄｔ絶対値より大きい場合は、ターンオン時は駆動回路Ａ７０１及び駆動回路Ｂ７０２同時にＩＧＢＴ１００のゲート容量に電荷供給する。ターンオフ時は、駆動回路Ｃ７０３及び駆動回路Ｄ７０４同時にＩＧＢＴ１００のゲート容量に蓄積された電荷を放出する。

このように駆動回路を並列で同時に使用することでゲート抵抗が小さくなり、ＩＧＢＴ１００の電流ＯＮ／ＯＦＦを切り換えるスイッチング時間が短縮される。

図９は、１４０℃における電圧変化率が所定のｄｖ／ｄｔ絶対値より大きく、ゲート抵抗を切り換えた場合のモジュールケースおよびＩＧＢＴ１００の温度を示した図である。

ゲート抵抗を切り換えたことにより、ＩＧＢＴ１００のスイッチング損失が小さくなり、モジュールケース及びＩＧＢＴ１００の温度上昇が抑制され、モジュールケース及びＩＧＢＴ１００の信頼性が保証される温度１５０℃を超えないフェールセーフを実現することができる。

別の実施形態としては、電圧変化率が所定のｄｖ／ｄｔ絶対値より大きい場合は、制御回路１７２が出力電圧ｄｕｔｙ比を制限し、出力電流実効値を抑えるといった構成が考えられる。以下、説明する。

図１０は、１４０℃における電圧変化率が所定のｄｖ／ｄｔ絶対値より大きく、出力電流実効値を抑えた場合のモジュールケースおよびＩＧＢＴ１００の温度を示した図である。出力電流実効値を抑えることにより、ＩＧＢＴ１００のスイッチング損失が小さくなり、モジュールケース及びＩＧＢＴ１００の温度上昇が抑制され、モジュールケース及びＩＧＢＴ１００の信頼性が保証される温度１５０℃を超えないフェールセーフを実現することができる。

また、別の実施形態としては、電圧変化率が所定のｄｖ／ｄｔ絶対値より大きい場合は、制御回路１７２が出力キャリア周波数を制限するといった構成が考えられる。以下、説明する。

図１１は、１４０℃における電圧変化率が所定のｄｖ／ｄｔ絶対値より大きく、キャリア周波数を制限した場合のモジュールケースおよびＩＧＢＴ１００の温度を示した図である。

キャリア周波数を制限したことにより、ＩＧＢＴ１００のスイッチング損失が小さくなり、モジュールケース及びＩＧＢＴ１００の温度上昇が抑制され、モジュールケース及びＩＧＢＴ１００の信頼性が保証される温度１５０℃を超えないフェールセーフを実現することができる。

また、別の実施形態としては、電圧変化率が所定のｄｖ／ｄｔ絶対値より大きい場合は、冷却性能を向上させるために、制御回路１７２が冷却水路用ポンプ６０３の水圧および流量を大きくするといった構成も考えられる。以下、説明する。

図１２は、１４０℃における電圧変化率が所定のｄｖ／ｄｔ絶対値より大きく、冷却水の水圧および流量を大きくし冷却性能を向上させた場合のモジュールケースおよびＩＧＢＴ１００の温度を示した図である。

ここで、冷却水の水圧および流量を大きくし冷却性能を向上させたことにより、モジュールケース及びＩＧＢＴ１００の温度上昇が抑制され、モジュールケース及びＩＧＢＴ１００の信頼性が保証される温度１５０℃を超えないフェールセーフを実現することができる。

１ 電力変換装置
４３，１４２ インバータ装置
１００ ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）
１１０ ハイブリッド電気自動車
１１２ 前輪
１１４ 前輪車軸
１１６ 前輪側デファレンシャルギア
１１８ 変速機
１２０ エンジン
１２２ 動力分配機構
１３６ バッテリ
１４０ インバータ回路部
１５０ 上下アーム直列回路
１５６ ダイオード
１７０ 制御部
１７２ 制御回路
１７４ ドライバ回路
１７６ 信号線
１９２，１９４ モータジェネレータ
６０１ サーミスタ
６０２ 電圧変化率検出回路
６０３ 冷却水路用ポンプ
７０１ 駆動回路Ａ
７０２ 駆動回路Ｂ
７０３ 駆動回路Ｃ
７０４ 駆動回路Ｄ

Claims (7)

1. 半導体素子と前記半導体素子を駆動するゲート駆動回路とを備えた電力変換装置において、
   前記半導体素子を囲う筐体または半導体素子自体の温度の時間変化率を検出する検出手段と、
   前記半導体素子のゲート抵抗値を可変にするゲート抵抗値可変手段と、
   前記検出手段により検出された温度の時間変化率が所定の設定値以上になった場合にゲート抵抗値を低減するゲート抵抗値低減手段と、
   前記検出手段によりモジュールケースまたは前記半導体素子の温度の時間変化率を用いて、モジュールケースまたは素子自体の信頼性が保証される上限温度値よりも低くなるよう前記ゲート抵抗値低減手段によりゲート抵抗値を制御する制御手段を備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１記載の電力変換装置において、
   前記筐体または前記半導体素子自体の温度の時間変化率を検出する際の温度は、前記筐体または前記半導体素子自体の信頼性が保証される上限温度よりも低いことを特徴とする電力変換装置。
3. モジュール化された電力用半導体素子を駆動するゲート駆動回路を備える電力変換装置において、
   前記電力用半導体素子のモジュールケースまたは前記電力用半導体素子自体の温度の時間変化率を検出する検出手段と、
   前記素子自体の温度の時間変化率を前記電力変換装置のキャリア周波数にフィードバックするフィードバック手段とを設け、
   前記検出温度の時間変化率がある設定値以上になった場合には、前記電力変換装置のキャリア周波数を低減するよう制御する制御手段を備えることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項３記載の電力変換装置において、
   前記モジュールケースまたは前記電力用半導体素子自体の温度の時間変化率を検出する際の温度は、前記モジュールケースまたは電力用半導体素子自体の信頼性が保証される上限温度よりも低いことを特徴とする電力変換装置。
5. 電力用半導体素子を駆動するゲート駆動回路を備える電力変換装置において、
   前記電力用半導体素子のモジュールケースまたは前記電力用半導体素子自体の温度の時間変化率を検出する検出手段と、
   前記モジュールケースに接続された冷却水路と、
   前記冷却水路を通る冷却水の水圧および流量を可変にする水圧流量可変手段と、
   前記検出温度の時間変化率がある設定値以上になったと判断されたときは、前記冷却水の水圧および流量を大きくするよう前記冷却水の水圧および流量を制御する制御手段とを備えることを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項５記載の電力変換装置において、
   前記モジュールケースまたは前記電力用半導体素子自体の温度の時間変化率を検出する際の温度は、前記モジュールケースまたは前記電力用半導体素子自体の信頼性が保証される上限温度よりも低いことを特徴とする電力変換装置。
7. 半導体素子と前記半導体素子を駆動するゲート駆動回路とを備えた電力変換装置において、
   前記半導体素子のモジュールケースまたは前記半導体素子自体の温度の時間変化率を検出する検出手段と、
   前記半導体素子自体の温度の時間変化率を前記電力変換装置の出力電流にフィードバックするフィードバック手段と、
   前記検出手段により検出温度の時間変化率がある設定値以上になった場合に前記電力変換装置の出力電流の実効値を低減するよう前記出力電流の実行値を制御する制御手段とを備えることを特徴とする電力変換装置。