JP2013207986A - Power conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体素子を保護する電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device for protecting a semiconductor element.
一般に、電力変換装置において、半導体素子を温度上昇による故障から保護するために半導体素子の温度を推定することが知られている。 Generally, in a power converter, it is known to estimate the temperature of a semiconductor element in order to protect the semiconductor element from a failure due to a temperature rise.
例えば、負荷電流と半導体スイッチング素子の周囲温度を検出して、温度を推定することが開示されている(例えば、特許文献1参照)。また、半導体素子の温度を推定するために、熱時定数の異なる複数の一次遅れ系伝達関数を用いて、半導体素子と温度センサにより測定された温度の温度差を演算することが開示されている(例えば、特許文献2参照)。 For example, it is disclosed that the temperature is estimated by detecting the load current and the ambient temperature of the semiconductor switching element (see, for example, Patent Document 1). Further, it is disclosed that a temperature difference between temperatures measured by a semiconductor element and a temperature sensor is calculated using a plurality of first-order lag transfer functions having different thermal time constants in order to estimate the temperature of the semiconductor element. (For example, refer to Patent Document 2).
しかしながら、半導体素子の温度を正確に推定するには、ターンオン損失、ターンオフ損失、及び導通損失を個別に演算し、これらを合計した素子損失を演算する。しかし、電力変換装置の運転中にこのような演算をすると、コンピュータに大きな演算負荷がかかる。 However, in order to accurately estimate the temperature of the semiconductor element, the turn-on loss, the turn-off loss, and the conduction loss are individually calculated, and the total element loss is calculated. However, if such calculation is performed during operation of the power converter, a large calculation load is applied to the computer.
そこで、本発明の目的は、コンピュータの演算負荷を軽減し、半導体素子の温度を高い精度で推定することのできる電力変換装置を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a power converter that can reduce the computational load of a computer and can estimate the temperature of a semiconductor element with high accuracy.
本発明の観点に従った電力変換装置は、スイッチング素子により構成された電力変換回路と、前記スイッチング素子に流れる電流を含む電流を検出する電流検出手段と、前記電力変換回路から出力される電圧を制御するための電圧指令値を演算する電圧指令値演算手段と、前記電流検出手段により検出された電流、前記電圧指令値演算手段により演算された前記電圧指令値、前記電流検出手段により検出された電流との積をとるための予め設定された第1の設定値、及び前記電圧指令値演算手段により演算された前記電圧指令値との積をとるための予め設定された第2の設定値に基づいて、前記スイッチング素子の損失を演算する損失演算手段と、前記損失演算手段により演算された前記スイッチング素子の損失に基づいて、前記スイッチング素子の素子温度を推定する素子温度推定手段とを備えている。 A power conversion device according to an aspect of the present invention includes a power conversion circuit configured by a switching element, current detection means for detecting a current including a current flowing through the switching element, and a voltage output from the power conversion circuit. Voltage command value calculation means for calculating a voltage command value for control, current detected by the current detection means, voltage command value calculated by the voltage command value calculation means, detected by the current detection means A first preset value for taking a product with the current and a second preset value for taking the product with the voltage command value calculated by the voltage command value calculating means. Based on the loss calculation means for calculating the loss of the switching element, and based on the loss of the switching element calculated by the loss calculation means And a device temperature estimation means for estimating the element temperature of the element.
本発明によれば、コンピュータの演算負荷を軽減し、半導体素子の温度を高い精度で推定することのできる電力変換装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the power converter device which can reduce the calculation load of a computer and can estimate the temperature of a semiconductor element with high precision can be provided.
以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(実施形態)
図1は、本発明の実施形態に係る電力変換装置10が適用された構成を示す構成図である。なお、図面における同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。
(Embodiment)
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a configuration to which a
電力変換装置10は、直流電源5から供給される直流電力を交流電力に変換して、負荷6に供給する。
The
電力変換装置10は、電力変換回路1、制御装置2、平滑コンデンサ3、及び電流検出器4を備えている。
The
電力変換回路1は、直流電源5から供給される直流電力を交流電力に変換する回路である。電力変換回路1は、4つのスイッチング素子11,12,13,14で構成されている。スイッチング素子11〜14には、それぞれ逆並列ダイオードが接続されている。
The power conversion circuit 1 is a circuit that converts DC power supplied from the DC power supply 5 into AC power. The power conversion circuit 1 includes four
4つのスイッチング素子11,12は、2つのアームを構成する。1つのアームは、2つのスイッチング素子11,12が直列に接続された回路である。もう1つのアームは、残りの2つのスイッチング素子13,14が直列に接続された回路である。スイッチング素子11〜14は、制御装置2から出力されるゲートパルス信号Gpにより駆動(スイッチング)する。スイッチング素子11〜14は、例えば、IGBT(insulated gate bipolar transistor)である。
The four
平滑コンデンサ3は、電力変換回路1に印加される直流電圧を平滑化する。 The smoothing capacitor 3 smoothes the DC voltage applied to the power conversion circuit 1.
電流検出器4は、電力変換回路1から出力される交流電流(出力電流)Ioutを検出する。電流検出器4は、検出した出力電流Ioutを制御装置2に出力する。
The
制御装置2は、コンピュータで演算処理する装置である。制御装置2は、電力変換回路1を制御する。具体的には、制御装置2は、検出された出力電流Ioutに基づいて、ゲートパルス信号Gpを電力変換回路1に出力することにより、負荷6に電力を供給するための制御をする。また、制御装置2は、電流検出器4により検出された出力電流Ioutに基づいて、スイッチング素子11〜14の温度を監視する。
The
図2は、本実施形態に係る制御装置2の構成を示す構成図である。
FIG. 2 is a configuration diagram showing the configuration of the
制御装置2は、電流制御部21、温度監視部22、及びゲートパルス生成部23を備えている。
The
電流制御部21には、電流指令値Ir及び電流検出器4により検出された出力電流Ioutが入力される。電流指令値Irは、例えば上位制御系から入力される。電流制御部21は、出力電流Ioutを電流指令値Irに追従させるように電圧指令値Ecを生成する。電圧指令値Ecは、変調率(0以上1以下の値)で決定される。電流制御部21は、生成した電圧指令値Ecを温度監視部22及びゲートパルス生成部23に出力する。
The
温度監視部22には、電流検出器4により検出された出力電流Iout及び電流制御部21により生成された電圧指令値Ecが入力される。温度監視部22は、出力電流Iout及び電圧指令値Ecに基づいて、各スイッチング素子11〜14の素子温度(ジャンクション温度又はチャネル温度)を推定するための演算をする。温度監視部22は、推定した素子温度が予め決められた許容範囲内にない場合(例えば、素子温度が予め設定された許容温度を超えたスイッチング素子11〜14が1つでもある場合)、スイッチング素子11〜14の温度上昇による故障から保護するための制御をする。具体的には、温度監視部22は、スイッチング素子11〜14をゲートブロックするための停止信号Stをゲートパルス生成部23に出力する。
The
ゲートパルス生成部23は、電流制御部21により演算された電圧指令値Ecに基づいて、ゲートパルス信号Gpを生成する。ゲートパルス生成部23は、生成したゲートパルス信号Gpを各スイッチング素子11〜14のゲート駆動回路に出力する。このようにして、ゲートパルス生成部23は、パルス幅変調によりスイッチング素子11〜14の駆動を制御する。
The
図3は、ゲートパルス生成部23によるゲートパルス信号Gpの生成方法を示す波形図である。なお、図3に示すゲートパルス信号Gpは、図1に示すスイッチング素子11を駆動するものであり、他のスイッチング素子11を駆動するゲートパルス信号Gpについては図示を省略する。
FIG. 3 is a waveform diagram showing a method for generating the gate pulse signal Gp by the
ゲートパルス生成部23は、搬送波Crを発生させる。なお、ここでは、搬送波Crは、一定周期の三角波としているが、搬送波Crは、一定周波数でなくてもよいし、三角波でなくてもよい。
The
まず、スイッチング素子11を駆動するゲートパルス信号Gpの生成方法について説明する。
First, a method for generating the gate pulse signal Gp for driving the
ゲートパルス生成部23は、搬送波Crと正弦波である電圧指令値Ecを比較する。ゲートパルス生成部23は、電圧指令値Ecが搬送波Crよりも大きい場合は、ゲートパルス信号Gpを‘1’にする。ゲートパルス生成部23は、電圧指令値Ecが搬送波Cr以下の場合は、ゲートパルス信号Gpを‘0’にする。このようにして、ゲートパルス生成部23は、スイッチング素子11を駆動するゲートパルス信号Gpを生成する。
The
スイッチング素子12を駆動するゲートパルス信号Gpは、スイッチング素子11を駆動するゲートパルス信号Gpを反転させた信号である。同様に、スイッチング素子13,14を駆動するゲートパルス信号Gpは、電圧指令値Ec(又は、搬送波Cr)を反転してキャリア比較することにより生成される信号である。
The gate pulse signal Gp for driving the switching element 12 is a signal obtained by inverting the gate pulse signal Gp for driving the
このように決定されたそれぞれのゲートパルス信号Gpにより、スイッチング素子11〜14が駆動され、電力変換回路1の出力電流Ioutが制御される。
The
次に、温度監視部22による素子温度の推定方法について説明する。
Next, a method for estimating the element temperature by the
温度監視部22は、出力電流Iout及び電圧指令値Ecから次式により素子損失Pを演算する。
The
P=k1×Iout×(1+k2×Ec) …式(1)
ここで、‘k1’及び‘k2’は、予め設定された定数である。定数k1,k2は、半導体素子の種類により異なる。また、‘Iout’は、瞬時値である。
P = k1 × Iout × (1 + k2 × Ec) (1)
Here, 'k1' and 'k2' are preset constants. The constants k1 and k2 vary depending on the type of semiconductor element. 'Iout' is an instantaneous value.
式(1)より演算される素子損失Pは、単位時間毎(例えば、マイクロコンピュータの演算周期毎)の値である。 The element loss P calculated from the equation (1) is a value per unit time (for example, every calculation cycle of the microcomputer).
温度監視部22は、演算された単位時間毎の素子損失Pを熱抵抗モデルで演算処理することで、素子温度を推定する。ここで、熱抵抗モデルは、従来から用いられているものでよい。
The
式(1)の2つの定数k1,k2の求め方について説明する。 A method for obtaining the two constants k1 and k2 of Expression (1) will be described.
まず、電力変換装置10を運用する前に、素子損失と出力電流Ioutとの対応関係及び素子損失と電圧指令値Ecとの対応関係をそれぞれ把握するためのデータを求める。
First, before operating the
ここで把握する素子損失は、ターンオン損失、ターンオフ損失、及び導通損失を個別に演算した合計の損失である。ゲートパルス信号Gpと出力電流Ioutからターンオン時の素子電流(IGBT電流)及びターンオフ時の素子電流を求める。ターンオン時の素子電流を‘Ion’、ターンオフ時の素子電流を‘Ioff’、導通時の素子電流を‘I’とし、ターンオン損失を‘Eon’、ターンオン損失を‘Eoff’、及び導通損失を‘EVce’とすると、次式のように表される。 The element loss grasped here is a total loss obtained by individually calculating the turn-on loss, the turn-off loss, and the conduction loss. From the gate pulse signal Gp and the output current Iout, the device current at turn-on (IGBT current) and the device current at turn-off are obtained. The device current at turn-on is' Ion ', the device current at turn-off is' Ioff', the device current at conduction is' I ', the turn-on loss is' Eon', the turn-on loss is' Eoff ', and the conduction loss is' Assuming EVce ′, it is expressed as follows.
Eon=fEon(Ion) (I>0) …式(2)
Eoff=fEoff(Ioff) (I>0) …式(3)
EVce=f(I) (I>0) …式(4)
ここで、‘Ion’、‘Ioff’及び‘I’は、瞬時値である。また、fEon(Ion)、fEoff(Ioff)、及びf(I)は、それぞれ‘Ion’、‘Ioff’、及び‘I’の関数である。
Eon = fEon (Ion) (I> 0) (2)
Eoff = fEoff (Ioff) (I> 0) Equation (3)
EVce = f (I) (I> 0) Formula (4)
Here, 'Ion', 'Ioff', and 'I' are instantaneous values. FEon (Ion), fEoff (Ioff), and f (I) are functions of 'Ion', 'Ioff', and 'I', respectively.
測定したデータに基づいて、素子損失と出力電流Ioutとの対応関係及び素子損失と電圧指令値Ecとの対応関係をそれぞれグラフに表す。2つの定数k1,k2は、式(1)により表されるグラフが2つの対応関係を表すグラフと比例近似するように決定する。 Based on the measured data, the correspondence relationship between the element loss and the output current Iout and the correspondence relationship between the element loss and the voltage command value Ec are respectively shown in graphs. The two constants k1 and k2 are determined so that the graph represented by the equation (1) is proportionally approximated with the graph representing the two correspondences.
本実施形態によれば、以下の作用効果を得ることができる。 According to this embodiment, the following effects can be obtained.
素直に損失を求めるのであれば、ターンオン損失Eon、ターンオン損失Eoff、導通損失EVceをそれぞれ個別に求めて合計する演算をマイクロコンピュータで実施しなければならない。しかし、このような演算を電力変換装置10の運転中に常時行うとすると、マイクロコンピュータに大きな演算負荷が掛かることになる。
If the loss is to be obtained in a straightforward manner, the microcomputer must carry out a calculation for individually obtaining and summing the turn-on loss Eon, the turn-on loss Eoff, and the conduction loss EVce. However, if such calculation is always performed during operation of the
そこで、本実施形態のように、予め求めた式(1)に示される1つの演算式で、出力電流Iout及び電圧指令値Ecに基づいて、素子損失Pを演算することができるため、コンピュータの演算負荷を軽減することができる。 Therefore, as in the present embodiment, the element loss P can be calculated based on the output current Iout and the voltage command value Ec with one arithmetic expression shown in the expression (1) obtained in advance. Calculation load can be reduced.
また、温度センサを用いずに、素子温度を推定することができるため、小型化及び製造コストの低減をすることができる。 In addition, since the element temperature can be estimated without using a temperature sensor, it is possible to reduce the size and the manufacturing cost.
なお、スイッチング素子11〜14は、IGBTに限らない。半導体素子であれば、どのようなスイッチング素子を用いてもよい。監視対象とするスイッチング素子の特性に合わせて、式(1)の2つの定数k1,k2を変更することで、電力変換装置10をそのスイッチング素子の特性に合わせた構成にすることができる。
Note that the switching
また、電力変換回路1は、半導体素子で構成されていればどのような構成でもよい。例えば、電力変換回路1は、単相交流電力に変換する回路、三相交流電力に変換する回路、交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路、ハーフブリッジ回路、フルブリッジ回路、2レベルインバータ回路、多レベルインバータ回路等、どのような回路でもよい。 Further, the power conversion circuit 1 may have any configuration as long as it is configured by a semiconductor element. For example, the power conversion circuit 1 is a circuit that converts to single-phase AC power, a circuit that converts to three-phase AC power, a converter circuit that converts AC power to DC power, a half-bridge circuit, a full-bridge circuit, a two-level inverter circuit, Any circuit such as a multi-level inverter circuit may be used.
さらに、直流電源5は、直流電力を出力する装置であればどの装置でもよい。例えば、直流電源5は、交流電力を直流電力に変換するコンバータでもよい。 Further, the DC power source 5 may be any device as long as it is a device that outputs DC power. For example, the DC power supply 5 may be a converter that converts AC power into DC power.
また、実施形態では、電力変換装置10を、直流電源5から供給される直流電力を交流電力に変換して負荷6に供給する装置としたが、これに限らない。電力変換装置10は、交流電力を直流電力に変換するコンバータとして用いてもよいし、交流電力と直流電力を相互に変換する装置として用いてもよい。
In the embodiment, the
さらに、実施形態では、出力電流Ioutを用いて素子損失Pを演算したが、監視対象となるスイッチング素子11〜14に流れる電流が含まれるのであれば、他の箇所の電流でもよい。例えば、出力電流Ioutの代わりに、スイッチング素子11〜14に流れる素子電流又はスイッチング素子11〜14により構成されるアームに流れるアーム電流を測定して用いてもよい。
Furthermore, in the embodiment, the element loss P is calculated using the output current Iout. However, as long as the current flowing through the switching
また、素子損失Pを演算するための演算式は、式(1)に示すように一次式としたが、演算負荷を軽減できるのであれば、2次以上の式で表してもよい。 In addition, the arithmetic expression for calculating the element loss P is a linear expression as shown in Expression (1), but may be expressed by a secondary or higher expression if the calculation load can be reduced.
さらに、実施形態では、スイッチング素子11〜14の温度が許容範囲内になかった場合、温度上昇による故障から保護するための制御として、スイッチング素子11〜14のゲートブロックをする構成としたが、これに限らない。これ以上の素子温度の上昇を防止できれば、どのような動作をさせてもよい。例えば、このような制御としては、電力変換回路1の運転停止又は負荷電流の抑制でもよい。
Furthermore, in the embodiment, when the temperature of the switching
また、式(2)の2つの定数k1,k2の求め方は、実施形態に限らない。電力変換装置10を運用しながら定数k1,k2を決定してもよいし、経験則を用いて決定してもよい。
In addition, the method of obtaining the two constants k1 and k2 in Expression (2) is not limited to the embodiment. The constants k1 and k2 may be determined while operating the
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. Moreover, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
1…電力変換回路、2…制御装置、3…平滑コンデンサ、4…電流検出器、5…直流電源、6…負荷、10…電力変換装置、11〜14…スイッチング素子。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Power converter circuit, 2 ... Control apparatus, 3 ... Smoothing capacitor, 4 ... Current detector, 5 ... DC power supply, 6 ... Load, 10 ... Power converter, 11-14 ... Switching element.
Claims (6)
前記スイッチング素子に流れる電流を含む電流を検出する電流検出手段と、
前記電力変換回路から出力される電圧を制御するための電圧指令値を演算する電圧指令値演算手段と、
前記電流検出手段により検出された電流、前記電圧指令値演算手段により演算された前記電圧指令値、前記電流検出手段により検出された電流との積をとるための予め設定された第1の設定値、及び前記電圧指令値演算手段により演算された前記電圧指令値との積をとるための予め設定された第2の設定値に基づいて、前記スイッチング素子の損失を演算する損失演算手段と、
前記損失演算手段により演算された前記スイッチング素子の損失に基づいて、前記スイッチング素子の素子温度を推定する素子温度推定手段と
を備えたことを特徴とする電力変換装置。 A power conversion circuit composed of switching elements;
Current detection means for detecting a current including a current flowing through the switching element;
Voltage command value calculating means for calculating a voltage command value for controlling the voltage output from the power conversion circuit;
A preset first set value for taking the product of the current detected by the current detection means, the voltage command value calculated by the voltage command value calculation means, and the current detected by the current detection means Loss calculating means for calculating the loss of the switching element based on a second preset value for taking a product of the voltage command value calculated by the voltage command value calculating means;
An element temperature estimating means for estimating an element temperature of the switching element based on the loss of the switching element calculated by the loss calculating means.
を備えたことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 2. The apparatus according to claim 1, further comprising a failure prevention unit that performs control to prevent a failure due to a temperature rise of the switching element when the element temperature estimated by the element temperature estimation unit is not within an allowable range. The power converter device described in 1.
を特徴とする請求項1又は請求項2に記載の電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1, wherein the current detection unit detects an output current of the power conversion circuit.
を特徴とする請求項1又は請求項2に記載の電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1, wherein the current detection unit detects a current flowing through the switching element.
を特徴とする請求項1又は請求項2に記載の電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1, wherein the current detection unit detects a current flowing in an arm configured by the switching element.
前記スイッチング素子に流れる電流を含む電流を検出し、
前記電力変換回路から出力される電圧を制御するための電圧指令値を演算し、
検出した電流及び演算した前記電圧指令値に基づいて、前記スイッチング素子の損失を演算し、
演算した前記スイッチング素子の損失に基づいて、前記スイッチング素子の素子温度を推定すること
を含むことを特徴とする電力変換装置の制御方法。 A method for controlling a power conversion device including a power conversion circuit configured by a switching element,
Detecting a current including a current flowing through the switching element;
A voltage command value for controlling the voltage output from the power conversion circuit is calculated,
Based on the detected current and the calculated voltage command value, calculate the loss of the switching element,
A control method for a power converter, comprising estimating an element temperature of the switching element based on the calculated loss of the switching element.
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