JP2013172540A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング素子を搭載したパワーモジュールと、パワーモジュールを冷却する冷却器を備えている電力変換装置であって、冷却器の異常を判定する機能を有する電力変換装置を提供する。
【解決手段】冷却器３は、パワーモジュール６に取り付けられているヒートシンク７と、ヒートシンクに冷媒を送るブロア８と、冷媒の温度を計測する冷媒温度センサ１３と、ヒートシンクの温度を計測するヒートシンク温度センサ１４と、コントローラ５を備える。コントローラ５は、スイッチング素子がＯＦＦの期間において、第１時刻におけるヒートシンクの温度と冷媒温度の第１温度差と、第１時刻より後の第２時刻におけるヒートシンクの温度と冷媒温度の第２温度差を取得する。コントローラ５は、第２温度差が第１温度差以上である場合に冷却器に異常が生じていると判定する。
【選択図】図１

Description

本明細書が開示する技術は、スイッチング素子を搭載したパワーモジュールと、パワーモジュールを冷却する冷却器を備えている電力変換装置に関する。

ハイブリッド車などの分野において、モータ駆動用の大電流を制御するための電力変換装置の開発が盛んである。典型的な電力変換装置は、バッテリの電圧を変圧する電圧変換器や、直流電力を交流電力に変換するインバータである。それらの電力変換装置は、大電流を制御するスイッチング素子を多数備えている。スイッチング素子とは、典型的にはＩＧＢＴなどのトランジスタであり、電流を流したり止めたりする機能を有する素子である。本明細書では、スイッチング素子を搭載した基板をパワーモジュールと称する。典型的なパワーモジュールは、スイッチング素子を樹脂でモールドした構造を有している。スイッチング素子には大電流が流れるため、発熱量が大きく、電力変換装置はパワーモジュールを冷却する冷却器を備えることが多い。

冷却器に不具合が生じるとパワーモジュールの過熱を引き起こすため、冷却器の不具合を早期に検知する技術が望まれる。そのような技術が例えば特許文献１〜４に開示されている。

特許文献１には、冷媒温度センサの故障判定を行う際に誤判定を防止する技術が開示されている。特許文献１の装置は、スイッチング素子温度センサの検出値から冷媒温度を推定し、その推定値と冷媒温度センサの検出値を比較することによって冷媒温度センサの故障を判定する。ここで、冷却器は、冷媒温度の推定値が所定値以上のときには故障か否かの判定を禁止する。

また、特許文献２には、インバータの出力電流に基づいて、発熱量、冷却フィンの上昇温度、ユニット内部の温度などを推定し、推定値を温度センサの検出値と比較することによって、冷却器の異常発生を予測する技術が開示されている。特許文献２の装置は、インバータの出力電流から発熱量を演算で求め、この結果に基づいて素子の上昇温度およびインバータ内部上昇温度を演算にて推定する。また、インバータ内部上昇温度推定演算出力とインバータ内部測温出力から素子の理論温度を推定演算し、素子の上昇温度推定演算出力と素子の理論温度推定演算出力との和と素子の測温出力とを比較して警報を発する。

さらに、特許文献３には、インバータの冷却器の異常の有無を容易に診断する技術が開示されている。特許文献３の装置は、インバータの温度を検出する温度センサを備え、インバータの運転停止後に温度センサが計測する温度の時間変化率（傾き）を求め、その時間変化率の大きさから冷却器の異常の有無を診断する。

特許文献４には、ノイズ信号が多い環境や環境温度が大幅に変動したり、冷却性能が環
境状況に応じて変動する場合でも、インバータの異常発熱を正確に検出する技術が開示されている。特許文献４の装置は、複数の部位の温度を検出する複数の温度センサを備え、温度センサの出力値を統計処理してインバータの異常を検出する。具体的には、インバータの外の気温を検出するセンサと、半導体モジュールの下方の温度を検出する温度センサを備え、外気温から半導体モジュール下方の温度を推定し、その推定値と温度センサの検出値を比較してインバータの異常を判定する。

特開２００９−２８４５９７号公報 特開２００２−０９５１５５号公報 特開２００８−１７２９３８号公報 特開２００５−１８４９７７号公報

特許文献１の技術は、素子の温度から冷媒温度を推定する。冷媒がガス（典型的には空気）の場合、ガスでは熱抵抗が大きいため、素子温度に基づく推定値では正確さに欠ける可能性がある。特許文献２と特許文献４の技術も温度の推定値を用いるものであり、推定値の正確性がどの程度保証されるか不明確である。特許文献３の技術はインバータの停止後に冷却器の異常を判定する技術であり、インバータの稼働中は異常を判定できない。

上記のごとく、従来の技術にはまだ改良の余地がある。本明細書は、従来技術よりも優れた異常判定（検知）技術を提供する。

本明細書が開示する技術は、素子の温度を直接に計測することなく、簡単な構成で冷媒がガスの場合であっても冷却器の異常を判定することができる装置を提供する。本明細書が開示する技術は、特に、インバータなどの電力変換装置における冷却対象であるスイッチング素子の特性を巧みに利用して、短時間で冷却器の異常を判定するものである。

本明細書が開示する技術は、スイッチング素子を搭載したパワーモジュールと、パワーモジュールを冷却する冷却器を備えている電力変換装置を対象とする。その冷却器は、パワーモジュールに取り付けられているヒートシンクと、ヒートシンクに冷媒を送るブロアと、冷媒温度センサと、ヒートシンク温度センサと、コントローラを備えている。コントローラは、スイッチング素子がＯＦＦの期間において、第１時刻におけるヒートシンクの温度Ｔｈｓと冷媒温度Ｔａの温度差（第１温度差）と、第１時刻より後の第２時刻におけるヒートシンクの温度Ｔｈｓと冷媒温度Ｔａの温度差（第２温度差）を取得する。そしてコントローラは、第２温度差が第１温度差以上である場合に冷却器に異常が生じていると判定する。

上記のごとく、本明細書が開示する電力変換装置は、発熱量の大きいスイッチング素子を冷却する冷却器を備えるが、スイッチング素子の温度を直接計測することなく、冷却器の異常の有無を判定（検知）する。本明細書が開示する技術は、素子を冷却するためのヒートシンクの温度と、ヒートシンクを流れる冷媒温度を比較する。ヒートシンクは冷媒に直接に接するため、冷媒がガスであってもヒートシンクの温度と冷媒温度は密接に関係する。従って本明細書が開示する技術は冷媒がガスのときに特に有効である。なお、冷媒が空気の場合は、電力変換装置の筐体内の雰囲気温度が冷媒温度に相当する。本明細書が開示する技術は冷媒が液体であってももちろん有効である。冷媒が液体の場合、「ヒートシンクに冷媒を送るブロア」は、冷媒をヒートシンクに送るポンプに相当する。

また、本明細書が開示する技術は、スイッチング素子に特有の動作を利用する。冷媒はヒートシンクに直接に触れるが、冷媒温度はヒートシンクの温度よりも低い。ここで、スイッチング素子はＯＮとＯＦＦを繰り返す素子であり、ＯＦＦの間は発熱量が極めて小さいので、ＯＦＦの間はヒートシンクの温度が冷媒温度に近づいていくはずである。本明細書が開示する技術は上記の点に着目し、スイッチング素子がＯＦＦの期間にヒートシンクの温度と冷媒温度の温度差が経時的に小さくならない場合に、冷却装置になんからの異常が生じていると判定する。

なお、冷却器は、冷媒がヒートシンクを通るように循環する冷媒循環型であると一層よい。冷媒循環型である場合、ヒートシンクの温度が冷媒温度に近づいて下降するのと同時に、冷媒温度もヒートシンクの温度に近づくように上昇する。即ち、スイッチング素子がＯＦＦの間、ヒートシンクの温度と冷媒温度は相互に近づいていき、その温度差は急速に小さくなる。従って、冷媒循環型の場合、スイッチング素子がＯＦＦの時間が短く、温度差を取得する第１時刻と第２時刻の時間差がわずかあっても、冷却器が正常であれば第２温度差は第１温度差よりも小さくなる。逆にいえば、第１時刻と第２時刻の時間差がわずかであっても、冷却器の異常を検知することができる。即ち、本明細書が開示する技術は、スイッチング素子がＯＦＦである短い期間に冷却器の異常の有無をチェックすることができ、異常を速やかに検知することができる。

本明細書が開示する技術は、スイッチング素子がＯＦＦの期間におけるヒートシンクの温度と冷媒温度の温度差を利用することで、素子の温度を直接に計測することなく、しかも冷媒がガスの場合であっても有効な異常検知を実現する。さらに本明細書が開示する異常検知は、異常判定の基準となる温度マップなどのデータを用意する必要もない。本明細書が開示する技術は、さらに、迅速に冷却器の異常を検知することができる。

実施例のインバータの模式的ブロック図である。 スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ状態とヒートシンク及び冷媒の温度変化との関係を示すグラフである。 コントローラが実行する異常判定処理のフローチャート図である。

図１は実施例のインバータ２の模式的なブロック図である。インバータ２は、電力変換装置の一例に相当する。インバータ２は、様々な回路モジュールを備えているが、本実施例では一つの回路モジュール、即ち、スイッチング素子９を搭載したパワーモジュール６に注目する。インバータ２は、ハイブリッド車に搭載されるパワーユニットの一部であり、パワーモジュール６は、バッテリの直流電力を交流に変換するためのスイッチング素子９を樹脂でモールドしたパッケージである。ここで、スイッチング素子９は、典型的にはＩＧＢＴである。なお、インバータ２には多数のパワーモジュールが搭載されているが、本明細書実施例（図１）では一つのパワーモジュールのみに着目していることに留意されたい。

インバータ２は、パワーモジュール６を冷却する冷却器３を備えている。冷却器３は、幾つかの部品で構成されるが、その複数の部品はインバータ２の筐体１２内に分散しているため、図１では、インバータ２の全体を冷却器３と同一視する。冷却器３は、ヒートシンク７、ヒートシンク温度センサ１４、ブロア８、吸気温度センサ（冷媒温度センサ１３）、及び、コントローラ５で構成される。なお、ブロア８が送る空気は筐体１２の内部を循環するため、冷媒の循環路を構成する筐体１２も冷却器３の構成部品の一つである。図１中の白い矢印が冷媒（空気）の流れを示している。

ヒートシンク７は、パワーモジュール６に取り付けられている。ヒートシンク７は例えばアルミニウムで作られており、スイッチング素子９の熱を吸い上げる目的で備えられている。ヒートシンク７はフィンを有しており、そのフィンの間を空気（冷媒）が通ることで、ヒートシンク７の熱は拡散し、スイッチング素子９からの吸熱がさらに促進される。こうしてスイッチング素子９が冷却される。ヒートシンク温度センサ１４は、ヒートシンク７の温度を計測し、コントローラ５に送信する。ヒートシンク温度センサ１４は例えばサーミスタである。ブロア８は、ヒートシンク７のフィンに空気（冷媒）を送る。なお、フィンを通過した空気は筐体１２の内部を循環し、再びブロア８によってヒートシンク７へと送られる。即ち、インバータ２が有する冷却器３は、冷媒循環型である。インバータ２では空気が冷媒に相当する。吸気温度センサ（冷媒温度センサ１３）は、ブロア８に吸い込まれる空気（冷媒）の温度を計測し、コントローラ５へ送信する。吸気温度センサは、冷媒温度センサの一例に相当する。吸気温度センサは例えばサーミスタである。

コントローラ５は、ヒートシンク７の温度（ヒートシンク温度Ｔｈｓ）と、冷媒であるブロア吸気の温度（冷媒温度Ｔａ）に基づいて冷却器３に異常が発生していないかを常にチェックする。コントローラ５が実行する処理を説明する前に、ヒートシンク温度Ｔｈｓと、冷媒温度Ｔａの関係を説明する。

図２（Ａ）は、スイッチング素子９のＯＮとＯＦＦのタイミングチャートを示しており、図２（Ｂ）は、スイッチング素子９のＯＮ／ＯＦＦ動作（スイッチング動作）に応じて変化するヒートシンク温度Ｔｈｓと冷媒温度Ｔａの変化を示している。図２（Ａ）に示すように、スイッチング素子９は所定の周期でＯＮとＯＦＦを繰り返す。即ち、スイッチング素子９は所定の周期でスイッチング動作を繰り返す。なお、スイッチング信号がＯＮからＯＦＦに切り換わるときの段差は、信号の乱れを表している。図１（Ａ）の符号Ｓ１、Ｓ２、及び、Ｓ３は、説明のために個々のスイッチング信号に名称を付けたものである。

符号ｔｏｆｆは、スイッチング素子９がＯＮからＯＦＦへ切り換わる立ち下がりタイミングを示しており、符号ｔｏｎが示すタイミングは、スイッチング素子９がＯＦＦからＯＮに切り換わる立ち上がりタイミングを示している。時刻ｔｏｆｆからｔｏｎまでの期間が、スイッチング素子９がＯＦＦの期間の一つに相当する。

図２（Ｂ）に示すように、スイッチング素子９がＯＮになると発熱が始まり、ヒートシンク温度Ｔｈｓが急激に立ち上がる。スイッチング素子９がＯＦＦになると、ヒートシンク温度Ｔｈｓは急激に低下するが、ある程度低下すると、その減少率は緩やかとなる。なお、スイッチング信号のＯＮからＯＦＦに切り換わるときの段差に対応して、ヒートシンク温度Ｔｈｓにも段差が生じている。図２（Ｂ）に示す時間幅ｄｔは、スイッチング素子がＯＮからＯＦＦに切り換わった直後のヒートシンク温度Ｔｈｓが急激に変化する時間幅を示している。

スイッチング動作の繰り返しに伴ってヒートシンク温度Ｔｈｓも概括的な傾向として温度が上昇する。また、スイッチング信号Ｓ３の直後にスイッチング動作が停止したため、ヒートシンク温度Ｔｈｓも緩やかに下降する。

前述したように、冷却器３は冷媒循環型であるので、ヒートシンク温度Ｔｈｓの概括的な傾向と同期するように冷媒温度Ｔａも変化する。特に、スイッチング素子９がＯＮしている間はヒートシンク７はスイッチング素子９の発熱を吸収するため急激に温度が上昇するが、スイッチング素子９がＯＦＦになると吸熱が止まるのでヒートシンク温度Ｔｈｓは急激に冷媒温度Ｔａに近づくことになる。コントローラ５はこの事象を利用して短時間に冷却器３の異常判定（異常検知）を行う。

図３にコントローラ５が実行する冷却器異常判定処理のフローチャートを示す。コントローラ５は、図３の処理を所定時間毎、例えば制御周期毎に繰り返し実行する。コントローラ５は、まず、スイッチング素子９がＯＮの状態であるかＯＦＦの状態であるかを判断する（Ｓ２）。スイッチング素子９がＯＮである間は異常判定を行わない（Ｓ２：ＮＯ、リターン）。スイッチング素子９がＯＦＦであると（Ｓ２：ＹＥＳ）、コントローラ５はｄｔ時間が過ぎるまで待つ（Ｓ３）。所定の時間幅ｄｔだけ待つのは、前述したようにＯＮからＯＦＦに切り換わった直後のヒートシンク温度Ｔｈｓの急変期間を避けるためと、何らかの原因でスイッチング素子９が瞬間的にＯＦＦとなった場合を避けるためである。

ｄｔ時間経過後、コントローラ５は、時刻ｔ１にてヒートシンク温度センサ１４と冷媒温度センサ１３のセンサデータから第１温度差ｄＴ１＝Ｔｈｓ−Ｔａを算出する（Ｓ４）。時刻ｔ１は、スイッチング信号の立ち下がりタイミングｔｏｆｆから時間幅ｄｔよりも長い時間が経過した時刻に相当する。次に、コントローラ５は、さらに所定の時間だけ待ち（Ｓ５）、時刻ｔ１より後の時刻ｔ２にてヒートシンク温度センサ１４と冷媒温度センサ１３のセンサデータから第２温度差ｄＴ２＝Ｔｈｓ−Ｔａを算出する（Ｓ６）。そしてコントローラ５は、第２温度差ｄＴ２が第１温度差ｄＴ１以上である場合、冷却器３のどこかに異常が発生している判定する（Ｓ７：ＮＯ、Ｓ８）。他方、コントローラ５は、第２温度差ｄＴ２が第１温度差ｄＴ１よりも小さい場合、冷却器３に異常は発生していないと判定する（Ｓ７：ＹＥＳ、リターン）。

コントローラ５は、冷却器３に異常が発生していると判定した場合（Ｓ８）、すなわち、異常を検知した場合、異常に対応した処理を行うようにプログラムされている。異常に対応した処理とは、例えば、運転席のコンソールに冷却器異常を示すアラームを表示する処理や、ハイブリッド車のモータへの指令値の上限値を下げる処理である。モータへの指令値の上限値を下げることは、インバータ２の最大出力を下げることであり、スイッチング素子の発熱量を抑制することになる。この処理は即ち、スイッチング素子の過熱を抑制する処理に相当する。また、ハイブリッド車がサービスセンタと通信する機能を有している場合、コントローラ５は、冷却器の異常を判定すると、その旨を示すデータを自動的にサービスセンタへ送信するようにプログラムされていることも好適である。

実施例のインバータ２は、時刻ｔ１と時刻ｔ２における、スイッチング素子がＯＦＦの間のヒートシンク温度Ｔｈｓと冷媒温度Ｔａの温度差ｄＴから冷却器の異常を判定する。図２（Ｂ）に示したように、スイッチング素子がＯＦＦの間、温度差ｄＴは急激に小さくなるから、温度差ｄＴを用いることによって、時刻ｔ１と時刻ｔ２の間が短くとも異常判定（異常検知）ができるという利点がある。この点を、図２（Ｂ）を使って例示する。スイッチング信号Ｓ１の立ち下がりから次のスイッチング信号Ｓ２の立ち上がりまでのＯＦＦの期間において、時刻ｔ１におけるヒートシンク温度Ｔｈｓと冷媒温度Ｔａの温度差はｄＴ１（第１温度差）であり、時刻ｔ１より後の時刻ｔ２における温度差はｄＴ２（第２温度差）である。図から理解されるように、スイッチング信号Ｓ１の立ち下がり後は、ヒートシンク温度Ｔｈｓが低下するとともに冷媒温度Ｔａが上昇するため、時刻ｔ１とｔ２の間が短いにも関わらず、第２温度差ｄＴ２は第１温度差ｄＴ１よりも明確に小さくなる。即ち、正常であれば、時刻ｔ１と時刻ｔ２の間が短くとも、時刻ｔ２における温度差ｄＴ２は時刻ｔ１における温度差ｄＴ１よりも明確に小さくなる。逆に、そうでない場合（即ち、第２温度差ｄＴ２が第１温度差ｄＴ１以上である場合）は、何らかの異常が冷却器で発生している蓋然性が高い。

上記説明したように、実施例のインバータ２は、インバータ２が稼働中であっても冷却器の異常発生を短時間で判定（検知）することができる。

実施例の技術に関する留意点を述べる。実施例の電力変換装置はインバータであったが、本明細書が開示する技術はインバータに限られない。実施例に示した技術は、スイッチング素子を有する他の電力変換装置、例えば、昇圧器や降圧器に適用することができる。

実施例においては冷媒は空気であったが、本明細書が開示する技術は冷媒が液体であっても成立する。ただし、本明細書が開示する技術は、冷媒と接するヒートシンクと冷媒との温度差を利用しているので、熱抵抗が高い空気であっても冷却器の異常を判定することができる。それゆえ、本明細書が開示する技術は、特に空冷の電力変換装置に適している。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：インバータ（電力変換装置）
３：冷却器
５：コントローラ
６：パワーモジュール
７：ヒートシンク
８：ブロア
９：スイッチング素子
１２：筐体
１３：冷媒温度センサ（吸気温度センサ）
１４：ヒートシンク温度センサ

Claims (2)

1. スイッチング素子を搭載したパワーモジュールと、パワーモジュールを冷却する冷却器を備えている電力変換装置であって、
   冷却器は、
   パワーモジュールに取り付けられているヒートシンクと、
   ヒートシンクに冷媒を送るブロアと、
   冷媒の温度を計測する冷媒温度センサと、
   ヒートシンクの温度を計測するヒートシンク温度センサと、
   コントローラと、を備えており、
   コントローラは、
   スイッチング素子がＯＦＦの期間において、第１時刻におけるヒートシンクの温度と冷媒温度の第１温度差と、第１時刻より後の第２時刻におけるヒートシンクの温度と冷媒温度の第２温度差を取得し、
   第２温度差が第１温度差以上である場合に冷却器に異常が生じていると判定する、
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 冷却器は、冷媒がヒートパイプを通って循環する冷媒循環型であることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。

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