JP2016103901A

JP2016103901A - パワーモジュール及びそれを備えた電力変換装置

Info

Publication number: JP2016103901A
Application number: JP2014240735A
Authority: JP
Inventors: 広行尾花; Hiroyuki Obana; 龍太郎中里; Ryutaro Nakazato
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2014-11-28
Filing date: 2014-11-28
Publication date: 2016-06-02
Anticipated expiration: 2034-11-28
Also published as: JP6277114B2

Abstract

【課題】冷却冷媒の温度及び流量に変動があっても、パワー半導体素子の発熱を抑制しながら電力変換装置の性能を最大限に利用することが可能な温度保護制御を行うことができる電力変換装置を低コストで実現することである。【解決手段】本発明に係るパワーモジュールは、半導体素子と、前記半導体素子の一方の電極とはんだ材を介して接続させる第１導体板と、前記半導体素子を挟んで前記第１導体板と対向して配置されかつ前記半導体素子の他方の電極とはんだ材を介して接続させる第２導体板と、前記第１導体板の一部と前記第２導体板の一部と前記半導体素子を封止する封止材と、前記封止材を収納しかつ前記半導体素子の放熱経路となるケースと、前記封止材から露出する前記第１導体板と前記ケースとの間に配置されかつ当該第１導体板及び当該ケースの内壁に接触する絶縁部材と、前記ケースの内壁に配置される温度検出素子と、を備える。【選択図】図４（ａ）

Description

本発明は、パワーモジュール及びそれを用いた電力変換装置に関し、特に車両に用いられるパワーモジュール及びそれを用いた電力変換装置に関する。

電気自動車やハイブリッド自動車には電力変換装置が用いられており、これは熱交換器などを用いて冷却され、電力変換装置に搭載されるパワーモジュール内のパワー半導体素子、例えば、IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor: 絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)、ダイオードは過温度に対する保護機能が必要である。温度保護制御の実施には、パワー半導体素子に近接して配置された温度検出素子で観測される温度、電力変換装置の駆動条件(出力電流、直流電圧、スイッチング周波数等)を用いて算出する損失に基づき過温度保護若しくは出力制限が行われる。

特許第５３７８２９３号公報２００７−２１５２５０号公報

パワー半導体素子近傍に温度検出素子が配置される従来のパワーモジュールでは、温度検出素子で観測される温度とパワー半導体素子のジャンクション温度には差異があり、温度検出素子の応答遅れも発生する。温度検出素子から遠い位置にあるパワー半導体素子が発熱する条件においては、温度検出素子で観測される温度を温度保護制御に用いるのは適さない。また、電力変換装置の冷却条件の変動、例えば、冷却冷媒の温度が高く、流量が少ない様な状況において、温度保護制御の設定値によっては、温度保護動作としての電流出力制限が過度に作用し電力変換装置の性能が低下したり、電流出力制限が不十分となったりする可能性がある。冷却冷媒の流量及び温度を温度保護制御の入力パラメータとすれば、温度保護制御の性能向上が期待できるが、冷却冷媒流量及び温度を直接検出するための検出手段を新たに追加するには、設置スペースの拡大による電力変換装置の大型化及び部品点数増加に伴うコスト増加を招く問題がある。

上記課題を達成するための本発明に係るパワーモジュールは、半導体素子と、前記半導体素子の一方の電極とはんだ材を介して接続させる第１導体板と、前記半導体素子を挟んで前記第１導体板と対向して配置されかつ前記半導体素子の他方の電極とはんだ材を介して接続させる第２導体板と、前記第１導体板の一部と前記第２導体板の一部と前記半導体素子を封止する封止材と、前記封止材を収納しかつ前記半導体素子の放熱経路となるケースと、前記封止材から露出する前記第１導体板と前記ケースとの間に配置されかつ当該第１導体板及び当該ケースの内壁に接触する絶縁部材と、前記ケースの内壁に配置される温度検出素子と、を備える。

また、本発明に係る電力変換装置は、上述したパワーモジュールを備える電力変換装置であって、複数のパワーモジュールを備え、冷媒を流す流路を形成し、前記複数のパワーモジュールは、前記冷媒の流れ方向に沿って直列配置され、前記複数のパワーモジュールのうち、前記冷媒の流れの最も下流に配置されたパワーモジュール及び少なくとも他一つのパワーモジュールは、前記ケースの内壁に前記温度検出素子が配置される電力変換装置。

本発明により、パワーモジュール及びそれを用いた電力変換装置におけるパワー半導体素子を過温度による熱破壊から保護する制御機能の性能向上を低コストで実現することができる。

本実施形態による電力変換装置を実装した車両システム図である。本実施形態による電力変換装置の電力変換回路である。パワーモジュール３００の外観斜視図である。図３（ａ）の平面Ｂの矢印方向から見た断面図である。フィルム型サーミスタ３３５の配置を分かり易くするために簡略化され、図３（ａ）の平面Ｃの矢印方向から見た断面図である。フィルム型サーミスタ３３５の外形を示す。従来型パワーモジュール３００のモールド型サーミスタ３３６の搭載位置を示すモールド型サーミスタ３３６外形を示す。パワーモジュール３００を冷却するための冷媒を流すための流路模式図である。本実施形態による電力変換装置の冷却冷媒流路位置における冷却冷媒温度を示す。パワー半導体素子近傍に配置されるモールド型サーミスタで検出される温度と出力制限電流の関係を示す。電流制限条件を決定した際の駆動条件における過渡時の波形である。過渡状態においてもパワー半導体素子のジャンクション温度が連続動作許容温度を超えないように出力制限を開始する温度を調整した時の波形である。制限条件を決定した際の駆動条件において、冷却冷媒流量が低減した場合の波形である。本実施形態による電力変換装置の両面冷却型パワーモジュール内のフィルム型サーミスタで検出できる冷却冷媒温度を示す。本実施形態による電力変換装置に実装する温度保護制御の制御ブロック図を示す。本実施形態による電力変換装置に実装する温度保護制御の出口配管部冷却冷媒温度と出力制限電流の関係を示す。電流制限条件を決定した際の駆動条件における過渡時の波形である。過渡状態においてもパワー半導体素子のジャンクション温度が連続動作許容温度を超えないように出力制限を開始する温度を調整した時の波形である。制限条件を決定した際の駆動条件において、冷却冷媒流量が低減した場合の波形である。

以下の説明に示された番号は、各図面に示された番号と対応する。

本発明の実施形態に係るパワーモジュールは両面冷却型構造を有し、これを用いた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る電力変換装置２００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。ここでは、代表例として、本発明の実施形態に係る電力変換装置を電気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に示すように、本例の電力変換装置２００を含む車両は、バッテリ１３５、電力変換装置２００、電動モータ１９２、減速機４、駆動軸５、車輪６、７、電動モータ１９２の回転センサ１９９を備えている。

バッテリ１３５は、車両の動力源である。電力変換装置２００は、直流電流を交流電流に変換するためのパワー半導体素子を有するパワーモジュールで構成される電力変換回路を有しており半導体素子をオン、オフを切り変えて所望の電流を流すことで電動モータ１９２の駆動を制御しバッテリ１３５と電動モータ１９２の間で直流電力と交流電力の変換を行う。

電動モータ１９２は、車両の駆動源であり、減速機４および駆動軸５を介し駆動輪に力を伝達する。バッテリ１３５は、電動モータ１９２の力行により放電され、電動モータ１９２の回生により充電される。

図２を用いて電力変換装置２００の回路構成について説明する。電力変換装置２００は、電力変換を行うインバータ部１４０と、直流電流を平滑化するためのコンデンサモジュール５００とを備えている。インバータ部１４０は、直流コネクタ１３８を介してバッテリ１３５と電気的に接続される。

インバータ部１４０は両面冷却構造を有するパワーモジュール３００を複数台、この実施例では３個、備えており、このパワーモジュール３００を接続することにより３相ブリッジ回路を構成している。電流容量が大きい場合には、更にパワーモジュール３００を並列接続し、これら並列接続を３相インバータ回路の各相に対応することにより、電流容量の増大にも対応可能である。

インバータ回路部１４４は、上アームとして動作するＩＧＢＴ３２８（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）及びダイオード１３６と、下アームとして動作するＩＧＢＴ３３０及びダイオード１６６と、からなる上下アーム直列回路を有するパワーモジュール３００を電動モータ１９２の各相巻線に対応して３相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）分を設けている。それぞれの上下アーム直列回路は、その中点部分（中間電極１６９）から交流端子１５９及び交流コネクタ１８８を通して電動モータ１９２への交流電力線１８６と接続する。

上アームのＩＧＢＴ３２８のコレクタ電極１５３は正極端子１５７を介してコンデンサモジュール５００の正極側のコンデンサの電極に、下アームのＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極は負極端子１５８を介してコンデンサモジュール５００の負極側にコンデンサ電極にそれぞれ電気的に接続されている。

ＩＧＢＴ３２８は、コレクタ電極１５３と、信号用エミッタ電極１５５と、ゲート電極１５４を備えている。また、ＩＧＢＴ３３０は、コレクタ電極１６３と、信号用エミッタ電極１６５と、ゲート電極１６４を備えている。ダイオード１３６が、コレクタ電極１５３とエミッタ電極との間に電気的に接続されている。また、ダイオード１６６が、コレクタ電極１６３とエミッタ電極との間に電気的に接続されている。

コンデンサモジュール５００は、正極側コンデンサ端子５０６と負極側コンデンサ端子５０４と直流コネクタ１３８を介してバッテリ１３５と電気的に接続されている。なお、インバータ部１４０は、直流正極端子３１４を介して正極側コンデンサ端子５０６と接続され、かつ直流負極端子３１６を介して負極側コンデンサ端子５０４と接続される。

制御部１７０は、インバータ回路部１４４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。ＩＧＢＴ３２８やＩＧＢＴ３３０は、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１３５から供給された直流電力が三相交流電力に変換され電動モータ１９２に供給される。

制御回路１７２には、ＩＧＢＴ３２８及びＩＧＢＴ３３０のスイッチングタイミングを演算処理するためにマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と記述する）が実装されている。マイコンには入力情報として、電動モータ１９２に対して要求される目標トルク値、パワーモジュール３００から電動モータ１９２に供給される電流値、電動モータ１９２の回転子の磁極位置と回転数、及び、コンデンサモジュール５００の正極側コンデンサ端子５０６と負極側コンデンサ端子５０４間の直流電圧が入力される。

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１８０から信号線１８２を介して出力された検出信号に基づくものである。電動モータ１９２の回転子磁極位置及び回転数は、電動モータ１９２に搭載された回転センサ１９９から信号線１９８を介して出力された検出信号に基づくものである。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、電動モータ１９２の回転数、及び、バッテリ１３５と電気的に接続するコンデンサモジュール５００の正極側コンデンサ端子５０６と負極側コンデンサ端子５０４間の直流電圧に基づいて電動モータ１９２の電流指令値を決定し、この電流指令値と、電流センサ１８０で検出され電流値との差分に基づき電圧指令値を演算する。この演算された電圧指令値を回転センサ１９９で検出された磁極位置に基づいてＵ相、Ｖ相、Ｗ相のＰＷＭ（パルス幅変調）信号を生成し、信号線１７６を介してドライバ回路１７４に出力する。

ドライバ回路１７４は、制御回路１７２から出力されたＰＷＭ信号に基づいて、上アームのＩＧＢＴ３２８，下アームＩＧＢＴ３３０をスイッチング動作させるための駆動信号を生成し、下アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号を増幅したドライブ信号を、対応する下アームのＩＧＢＴ３３０のゲート電極に出力する。また、ドライバ回路１７４は、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ＩＧＢＴ３２８のゲート電極にそれぞれ出力する。これにより、上アームＩＧＢＴ３２８，下アームＩＧＢＴ３３０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。

また、制御部１７０は、過電流や過温度等の異常検知や後述するパワー半導体素子のジャンクション温度が許容値を超えないように出力電流を制限する温度保護制御を行う。このため、制御部１７０にはセンシング情報が入力される。

例えば各アームの信号用エミッタ電極１５５及び信号用エミッタ電極１６５からは各ＩＧＢＴ３２８とＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極に流れる電流の情報が、対応するドライバ回路１７４に入力されている。これにより、ドライバ回路１７４は過電流検知を行い、過電流が検知された場合には対応するＩＧＢＴ３２８，ＩＧＢＴ３３０のスイッチング動作を安全に停止させ、対応するＩＧＢＴ３２８，ＩＧＢＴ３３０を過電流および停止時に発生るサージ電圧から保護する。

後述するが、パワーモジュール３００には、温度検出素子としてフィルム型サーミスタ又はモールド型サーミスタ３３６が配置されており、それにより検知されるに温度に基づきパワー半導体素子のジャンクション温度が連続動作許容温度を超えないように出力電流を制限する温度保護制御や最高使用温度に到達させないために電流出力を停止する過温度検知ができる構成となっている。

しかしながら、パワー半導体素子近傍にモールド型サーミスタ３３６が配置される従来のパワーモジュールでは、モールド型サーミスタ３３６で検出される温度とパワー半導体素子のジャンクション温度には差が有り、またパワー半導体素子発熱時のジャンクション温度の変化はモールド型サーミスタ３３６で検知される温度の時定数に比べて極めて早いために、モールド型サーミスタ３３６で検出される温度に基づき温度保護制御や過温度検知を実施してもパワー半導体素子が連続動作許容温度を超える可能性があった。

特に、冷却冷媒の温度が高い状態で、冷却冷媒流量が制御され変動したり、冷却冷媒の循環が停止してしまった時には、温度保護制御及び過温度検知の設定値により、保護動作による電流出力制限が過度に作用してしまい電力変換装置の性能が悪化したり、温度保護動作が不十分となる。

温度保護制御及び過温度検知の精度を向上するために、冷却冷媒の流量及び温度を温度保護制御の入力パラメータとすることが考えられる。これらの情報が不図示の上位の制御装置から車載ネットワークを介して電力変換装置に伝達されケースもあるが、それ以外の場合には、冷却冷媒流量及び温度を直接計測するための計測器を新たに追加する必要があり、設置スペースの拡大による電力変換装置の大型化及び部品点数増加に伴うコスト増加を招く問題がある。

従って、上記課題を解決するために電力変換装置内に構成された冷却冷媒の流路に挿入されて流路を形成する両面冷却パワーモジュール３００は、前記流路に流れる冷却冷媒の温度を検出するための温度検出素子としてフィルム型サーミスタ３３５を備えている。一般的にモールド型サーミスタ３３６に比べて、フィルム型サーミスタ３３５は、使用温度上限が低く、パワー半導体素子の温度検出には適さなかった。しかし、フィルム型サーミスタ３３５は薄型であり、応答が比較的に早く冷却冷媒の温度検出には適している。

図３、図４を用いて、本実施形態に係るパワーモジュール３００の詳細を説明する。図３（ａ）は、パワーモジュール３００の外観斜視図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）の平面Ｂの矢印方向から見た断面図である。

上下アーム直列回路を構成するＩＧＢＴ３２８、ＩＧＢＴ３３０、ダイオード１３３及びダイオード１６６（これらをパワー半導体素子と総称する）が、導体板３１５や導体板３１９によって、両面から挟んで、はんだ材を介して固着される。これら導体板３１５、３１９には、信号端子３２５Ｕや信号端子３２５Ｌである信号配線を一体にトランスファーモールドして成る補助モールド体６００が組み付けられる。導体板３１５等は、その放熱面が露出した状態で第一封止樹脂３４８によって封止され、当該放熱面に、絶縁部材として機能する絶縁シート３３３が熱圧着される。第一封止樹脂３４８により封止されたモジュール一次封止体３０２は、ケース３０４の中に挿入して絶縁シート３３３を挟んで、ＣＡＮ型冷却器であるケース３０４の内面に熱圧着される。ここで、ＣＡＮ型冷却器とは、一面に挿入口３０６と他面に底を有する筒形状をした冷却器であり、対向した放熱ベース３０７Ａ及び３０７Ｂを有する。

ケース３０４は、アルミ合金材料例えばＡｌ，ＡｌＳｉ，ＡｌＳｉＣ，Ａｌ−Ｃ等から構成される。ケース３０４は、挿入口３０６以外に開口を設けない構造である。また、図３（ａ）に示されるように、他の面より広い面を有する放熱ベース３０７Ａ及び第２放熱面３０７Ｂがそれぞれ対向した状態で配置され、当該対向する放熱ベース３０７Ａと第２放熱面３０７Ｂと繋ぐ３つの面は、当該放熱ベース３０７Ａ及び第２放熱面３０７Ｂより狭い幅で密閉された面を構成し、残りの一辺の面に挿入口３０６が形成される。また、対向した放熱ベース３０７Ａと第２放熱面３０７Ｂに、フィン３０５がそれぞれ均一に形成される。

図４（ａ）は、フィルム型サーミスタ３３５の配置を分かり易くするために簡略化され、図３（ａ）の平面Ｃの矢印方向から見た断面図である。図４（a）に示されるように、冷却冷媒温度を検出するためのフィルム型サーミスタ３３５が、第一封止樹脂３４８により封止された前記モジュール一次封止体３０２と接触せず、且つ、フィン３０５が形成される放熱ベース３０７Ａに絶縁シート３３３を介さずに直接貼り付けられる。従って、前記フィルム型サーミスタ３３５は、パワー半導体素子の発生熱の影響受け難くい。

また、フィルム型サーミスタ３３５は薄型構造で、放熱ベース３０７Ａと隙間なく貼りつけることが可能であり、隙間層の断熱効果がなくなり、冷却冷媒の温度上昇がフィルム型サーミスタ３３５の熱時定数よりも緩やかであるため、フィルム型サーミスタ３３５の応答遅れを無視できるようになる。図４（ｂ）は、フィルム型サーミスタ３３５の外形を示す。

図４（ｃ）は、従来型パワーモジュール３００のモールド型サーミスタ３３６の搭載位置を示しており、図４（ｄ）は搭載するモールド型サーミスタ３３６外形を示す。モールド型サーミスタ３３６は、第一封止樹脂３４８により封止され、かつ絶縁シート３３３と接触する導体板３１５に搭載される。

図５は、パワーモジュール３００を冷却するための冷媒を流すための流路模式図である。冷媒流路は、直列または並列で構成できるが、直列に構成した場合に冷媒流量を容易に均一に制御するため、冷媒が入口配管４０１に流入し、出口配管４０２から流出する。Ｕ相とＶ相とＷ相のそれぞれを構成するパワーモジュール３００は、冷媒がＵ相下アーム側の回路、Ｕ相上アーム側の回路、Ｖ相上アーム側の回路、Ｖ相下アーム側の回路、Ｗ相下アーム側の回路、Ｗ相上アーム側の回路の順に流れるように、配置される。

図６に示すように電力変換装置内の冷却冷媒温度はパワーモジュール３００のパワー半導体素子の発生熱を順次冷却するために上昇し、流路位置により温度勾配が発生する。特に、冷却冷媒の流量が少ない場合には、この温度勾配は急となる。

パワー半導体素子のジャンクション温度は、各パワーモジュール３００が挿入される流路位置における冷却冷媒温度を基準とし、電力変換装置の駆動条件に基づくパワー半導体素子の損失及びパワー半導体素子から冷却冷媒までの熱抵抗により決まる。

電力変換装置の通常駆動モードにおいて、制御回路１７２で出力するPWM信号を基本的な上下アーム対称パターンとすれば、上下アームでの損失は同等となり、冷却冷媒流路の最下流に配置されるパワーモジュール３００に搭載されるパワー半導体素子のジャンクション温度が最も高くなる。本実施例では、W相のパワーモジュール３００の上アーム回路に搭載されるパワー半導体素子である。

ジャンクション温度がパワー半導体素子の連続動作許容温度を定常的に超えないように温度保護制御を実施する必要がある。パワー半導体素子のジャンクション温度が許容値を超えないようにするには、パワー半導体素子近傍に配置された温度検出素子、例えばモールド型サーミスタ３３６により得られる温度に基づきパワー半導体素子のジャンクション温度を推定し、この温度が許容値を超えないように制御することが考えられる。

しかし、モールド型サーミスタ３３６で観測される温度とパワー半導体素子のジャンクション温度には差異があり、モールド型サーミスタ３３６時定数分の遅れも発生する。また、車両駆動用電力変換装置では冷却冷媒温度及び流量情報が得られない場合があり、このような場合には、予め代表駆動条件を定めて温度保護制御の設定値を決定する必要があり、温度保護動作の出力制限が過度に作用し電力変換装置の性能が悪化したり、若しくは、温度保護動作が不十分となる可能性がある。

図７に、冷却冷媒流路の最下流に配置されるパワーモジュール３００に搭載されるパワー半導体素子のジャンクション温度が連続動作許容温度となる時のフィルム型サーミスタ３３５で検出される温度と出力電流の制限値の関係を示す。電流制限カーブを決定する際の電力変換装置駆動条件は、実際に電力変換装置が使用される条件においてジャンクション温度が最も高くなるものを選ぶ。制御回路１７２に搭載されるマイコンは、モールド型サーミスタ３３６で検出される温度により、上記の関係により出力電流を制限する。

図８にパワー半導体素子のジャンクション温度、モールド型サーミスタ３３６で検出される温度及び、出力電流の過渡状態の波形を示す。

図８(a)は、電流制限条件を決定した際の駆動条件における過渡時の波形である。定常状態においては、出力電流は適正に制限されパワー半導体素子のジャンクション温度は連続動作許容温度となる。但し、過渡状態においては、モールド型サーミスタ３３６時定数による検出遅れを含む温度に基づき出力制限を実施するためにパワー半導体素子のジャンクション温度は最高使用温度を超える可能性がある。

図８(ｂ)は、過渡状態においてもパワー半導体素子のジャンクション温度が連続動作許容温度を超えないように出力制限を開始する温度を調整した時の波形である。定常状態においてはパワー半導体素子のジャンクション温度が連続動作許容温度に達していないにも関わらず、出力制限を実施してしまうため電力変換装置の性能が十分に発揮できない。

図８(c)は、制限条件を決定した際の駆動条件において、冷却冷媒流量が低減した場合の波形である。パワー半導体素子のジャンクション温度が連続動作許容温度に制限できず、さらには最高使用温度を超えるため故障に至る可能性が高くなる。

これらの課題を解決するために、本実施形態は流路に流れる冷却冷媒の温度を検出するためのフィルム型サーミスタ３３５を備える前記パワーモジュール３００を用いて冷却冷媒温度を検出し、冷却冷媒の温度上昇量に基づく流量推定を実施し、出口配管部４０２の冷却冷媒温度を基準とした温度保護制御による電流制限を実施する。これにより、パワー半導体素子の過温度による熱破壊に対する保護の信頼性を高め、且つ電力変換装置の性能も向上できる。

図９に示すように、電力変換装置が電流を出力している時には、電力変換装置内の冷却冷媒温度はパワーモジュール３００のパワー半導体素子発生熱が順次冷却されるため温度勾配が発生する。パワーモジュール３００内に配置されるフィルム型サーミスタ３３５によって検出される冷却冷媒温度に基づき、制御回路１７２に搭載されるマイコンは電力変換装置における冷却冷媒温度上昇量を算出する。本実施形態では、パワーモジュール３００内に配置されるフィルム型サーミスタ３３５によって検出される冷却冷媒温度は、冷却冷媒の入口温度(T₁)、及び、V、W相に配置されるパワーモジュール損失による発熱を受熱後の温度(T₂またはT₃)となり電力変換装置の冷却冷媒温度上昇量の算出は数(１)となる。
ΔT_w3: 冷却冷媒温度上昇[℃] (入口温度と出口温度差)
ΔT_w2: 冷却冷媒温度上昇[℃] (入口温度T1とT2[またはT3]との温度差)
T₁: U相パワーモジュール位置冷却冷媒温度[℃]
T₂: V相パワーモジュール位置冷却冷媒温度[℃] (若しくはW相)

前記の電力変換装置での冷却冷媒温度上昇量及び電力変換装置の駆動条件である直流電圧、電流、スイッチング周波数、変調率、及び、力率に基づく三相分のパワーモジュール３００の損失に基づき、冷却冷媒の流量を数(２)により推定することができる。冷却冷媒密度及び冷却冷媒比熱は冷却冷媒の温度により変動する。
Fr: 冷却冷媒流量推定値[L/min]
Q: 三相分パワーモジュール損失[Ｗ]
ΔT_w3: 冷却冷媒温度上昇[℃] (入口温度と出口温度差)
ρ: 冷却冷媒密度[kg/L]
c: 冷却冷媒比熱[J/gK]

また、制御回路１７２に搭載されるマイコンで実現する温度保護制御の基準温度となる
出口配管部４０２の冷却冷媒温度は数(３)により計算することができる。
T_{w_out}: 冷却冷媒出口配管部温度[℃]
T_{w_in}: 冷却冷媒入口配管部温度[℃] (サーミスタで検出するT1)
T₁: U相パワーモジュール位置冷却冷媒温度[℃]
T₂: V相パワーモジュール位置冷却冷媒温度[℃] (若しくはW相)

図１０は、本実施例における電力変換装置の温度保護制御による電流制限を実施するためのモデルである。通常モードにおいて電流指令値を決定する電流制御部９０１、三相分のパワーモジュール３００のおける損失計算を行う三相分パワーモジュール損失計算部９０２、冷却冷媒の流量を推定する冷媒流量推定部９０３、冷却冷媒流量推定値及び出口配管部４０２の冷却冷媒温度に基づき電流制限値を決定する電流制限計算部９０４、電流制御部９０１で決定した電流指令値が電流制限計算部９０４で決定した電流制限値より大きい場合に、電流指令値を切り替える指令切替部９０５より構成される。

三相分パワーモジュール損失は、出力電流、スイッチング周波数、直流電圧、変調率、及び、力率から計算できるが、駆動条件が予め分かっている場合に変動が小さく影響の少ないパラメータを固定値とすることにより、制御回路１７２に搭載されるマイコンのスループット低減することも可能である。

電流制限計算部９０４が出力する電流制限値の決定方法を説明する。予め電力変換装置の各駆動条件において、パワーモジュール損失計算及び冷却冷媒流路の最下流に配置されるパワーモジュール３００のパワー半導体素子ジャンクション温度が連続動作許容温度となる時の出口配管部４０２の冷却冷媒温度と出力電流の関係を求める。この際に、電力変換装置の駆動条件として直流電圧、スイッチング周波数、変調率、力率のワースト条件を用いる。そのため実際の電力変換装置駆動条件が変動してもパワー半導体素子ジャンクション温度は連続動作許容温度よりも低くなるため出力電流を制限する必要はない。

図１１に、電流制限計算部９０４で用いる出力電流の制限カーブを示す。冷却冷媒流量の変動により電流制限を開始する出口配管部４０２の冷却冷媒温度も変動する。制御回路１７２に搭載されるマイコンのスループットを低減するために、冷却冷媒流量が最も多い条件において電流制限の傾きを求め全ての冷却冷媒流量条件に適用し電流制限を開始する出口配管部４０２の冷却冷媒温度を冷却冷媒流量推定値の近似関数としても良い。

図１２にパワー半導体素子のジャンクション温度、パワーモジュール３００に搭載される冷却冷媒温度検出用のフィルム型サーミスタ３３５で検出される温度及び、出力電流の過渡状態の波形を示す。

図１２(a)は、電流制限条件を決定した際の駆動条件における過渡時の波形である。定常状態においては、出力電流は適正に制限されパワー半導体素子のジャンクション温度は連続動作許容温度となる。過渡状態においては、フィルム型サーミスタ３３５時定数による検出遅れを含む温度に基づき出力制限を実施されるためにパワー半導体素子のジャンクション温度は連続動作許容温度を超えるが、図８(a)に示したパワー半導体素子近傍に配置されたモールド型サーミスタ３３６より得られる温度に基づく電流制限に比べてパワー半導体素子のジャンクション温度の連続動作許容温度超過量は極めて小さくでき、最高使用温度を超過させないことが可能となる。

図１２(b)は、過渡状態においてもパワー半導体素子のジャンクション温度が連続動作許容温度を超えないように出力制限を開始する温度を調整した時の波形である。フィルム型サーミスタ３３５時定数による検出遅れを含む温度に基づき出力制限を実施されるためにパワー半導体素子のジャンクション温度は連続動作許容温度を超えるが、図８(ｂ)に示したパワー半導体素子近傍に配置されたモールド型サーミスタ３３６より得られる温度に基づく電流制限に比べて、定常状態における出力制限量を小さくでき電力変換装置の性能を向上できる。

図１２(c)は、制限条件を決定した際の駆動条件において、冷却冷媒流量が低減した場合の波形である。図８(c)に示したパワー半導体素子近傍に配置されたモールド型サーミスタ３３６より得られる温度に基づく電流制限に比べて、パワー半導体素子のジャンクション温度の連続動作許容温度超過量は極めて小さくなり、最高使用温度を超過しない駆動及び環境条件の範囲を広げることができる。

上述した温度保護制御により、パワーモジュール３００のパワー半導体素子の過温度による熱破壊に対する保護の信頼性を高め、且つ電力変換装置の性能を低コストで向上できる。

実施例２においては、冷却冷媒の温度を検出するためのフィルム型サーミスタ３３５を備える前記パワーモジュール３００を図４のU相、V相に配置し、従来型のパワー半導体素子近傍に配置されたモールド型サーミスタ３３６を有するパワーモジュールをW相に配置する。

これにより実施例１と同様に、出口配管部４０２の冷却冷媒温度及び冷却冷媒流量推定値を得ることができ、且つ、W相に配置されたパワーモジュールに搭載されるモールド型サーミスタ３３６で検出される温度に基づきパワー半導体素子のジャンクション温度を精度良く求めることができる。

４…減速機、５…駆動軸、６…車輪、７…車輪、１３５…バッテリ、１３６…ダイオード、１３８…直流コネクタ、１４０…インバータ部、１４４…インバータ回路部、１５３…コレクタ電極、１５４…ゲート電極、１５５…信号用エミッタ電極、１５６…ダイオード、１５７…正極端子、１５８…負極端子、１５９…交流端子、１６３…コレクタ電極、１６４…ゲート電極、１６５…信号用エミッタ電極、１６６…ダイオード、１６９…中点部分(中間電極）、１７０…制御部、１７２…制御回路、１７４…ドライバ回路、１７６…信号線、１８０…電流センサ、１８２…信号線、１８６…交流電力線、１８８…交流コネクタ、１９２…電動モータ、１９８…信号線、１９９…回転センサ、２００…電力変換装置、３００…パワーモジュール、３０２…モジュール一次封止体、３０４…ケース、３０５…フィン、３０６…挿入口、３０７Ａ…放熱ベース、３０７Ｂ…放熱ベース、３１４…直流正極端子、３１５…導体板、３１６…直流負極端子、３１９…導体板、３２５Ｌ…信号端子、３２５Ｕ…信号端子、３２８…ＩＧＢＴ、３３０…ＩＧＢＴ、３３５…フィルム型サーミスタ、３３６…モールド型サーミスタ、３３３…絶縁シート、３４８…第一封止樹脂、４０１…入口配管、４０２…出口配管、５００…コンデンサモジュール、５０４…負極側コンデンサ端子、５０６…正極側コンデンサ端子、６００…補助モールド体、９０１…電流制御部、９０２…三相分パワーモジュール損失計算部、９０３…冷却冷媒推定部、９０４…電流制限計算部、９０５…指令切替部

Claims

半導体素子と、
前記半導体素子の一方の電極とはんだ材を介して接続させる第１導体板と、
前記半導体素子を挟んで前記第１導体板と対向して配置されかつ前記半導体素子の他方の電極とはんだ材を介して接続させる第２導体板と、
前記第１導体板の一部と前記第２導体板の一部と前記半導体素子を封止する封止材と、
前記封止材を収納しかつ前記半導体素子の放熱経路となるケースと、
前記封止材から露出する前記第１導体板と前記ケースとの間に配置されかつ当該第１導体板及び当該ケースの内壁に接触する絶縁部材と、
前記ケースの内壁に配置される温度検出素子と、を備えるパワーモジュール。
請求項１に記載のパワーモジュールを備える電力変換装置であって、
複数のパワーモジュールを備え、
冷媒を流す流路を形成し、
前記複数のパワーモジュールは、前記冷媒の流れ方向に沿って直列に配置され、
前記複数のパワーモジュールのうち、前記冷媒の流れの最も下流に配置されたパワーモジュール及び少なくとも他一つのパワーモジュールは、前記ケースの内壁に前記温度検出素子が配置される電力変換装置。
請求項２に記載の電力変換装置であって、
前記温度検出素子で取得する温度に基づき、前記流路の出口配管部の冷媒温度を算出することを特徴とする電力変換装置。
請求項２に記載の電力変換装置であって、
前記温度検出素子で取得する温度に基づき、冷却冷媒流量を推定する冷却冷媒流量推定部を備える電力変換装置。
請求項２ないし４に記載のいずれかの電力変換装置であって、
前記電力変換装置の駆動条件に基づき、前記パワーモジュールの損失を計算する損失計算部を備える電力変換装置。
請求項２ないし５に記載のいずれかの電力変換制御装置であって、
前記パワー半導体素子のジャンクション温度が許容値を超えないように、
前記電力変換装置の出力電流を制限しパワー半導体素子を過温度から保護する電力変換装置。