JP2017079524A - スイッチングモジュールの冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＩＧＢＴモジュールを並列接続した装置では、ＩＧＢＴオフ時にFWDのアノードとカソード間にサージ電圧が発生し、エミッタ電流Ｉ_Eが大きいほど逆回復電流が大きくなってサージ電圧が高くなる。
【解決手段】並列接続された各ＩＧＢＴモジュールのヒートシンクにファンを設けると共に、各ＩＧＢＴモジュールの各エミッタ電流を検出する電流センサを設ける。並列接続された各ＩＧＢＴのオフ時に、フリーホイールダイオードを流れるエミッタ電流を電流センサで検出し、検出されたエミッタ電流に応じて制御手段を介してファンを各別に制御し、エミッタ電流の均等化をはかる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、スイッチングモジュールの冷却装置に係わり、特にスイッチング素子それぞれにフリーホイールダイオードを有する複数のスイッチングモジュールを並列接続したスイッチングモジュールの冷却装置に関するものである。

スイッチング素子としてＩＧＢＴが多く使用されており、図１１で示すように、電力変換装置には電流容量の増加を目的として複数のＩＧＢＴモジュールを並列接続して構成することが行われている。ＩＧＢＴモジュールには、ＩＧＢＴと逆並列にフリーホイールダイオード（図１１ではＤ₁，Ｄ₂、以下FWDという）が接続されており、ＩＧＢＴモジュールをオフにする際の電力変換装置内のインダクタンス成分の電磁誘導により生じる逆方向電流（エミッタ電流Ｉ_E1，Ｉ_E2）をFWDのＤ₁，Ｄ₂に流すことで、サージによるＩＧＢＴモジュールの過電圧破壊を防いでいる。

また、ＩＧＢＴモジュールは、電流が流れるときに損失を発生して発熱するため、特許文献１や特許文献２などで知られているようにＩＧＢＴモジュールに対し冷却を行っている。

特開２００３−１３４８２３ 特開２００７−２５９６７２

ＩＧＢＴモジュールが動作する際、スイッチングオフ動作時にはFWDにエミッタ電流Ｉ_Eが流れる。FWDに流れるエミッタ電流Ｉ_Eは、ＩＧＢＴのスイッチング動作に応じて通流／非通流するが、図１２で示すように通流→非通流に移行する過程で電流の減少率−ｄｉ／ｄｔに従い、FWDの寄生容量による蓄電電荷Ｑによって逆回復電流が図１１のＩ_E1，Ｉ_E2の矢印方向とは逆極性に短時間（図１２の斜線部の時間）流れる。この時、逆回復電流の減少率ｄｉ／ｄｔと電力変換装置内のインダクタンスＬによって、FWDのアノードとカソード間にサージ電圧が発生する。このサージ電圧はエミッタ電流Ｉ_Eが大きいほど逆回復電流が大きくなり、その結果サージ電圧が高くなる。

図１１で示したように、ＩＧＢＴモジュールを並列接続して使用する際、エミッタ電流Ｉ_EはＩ_E1，Ｉ_E2に分流してＤ₁，Ｄ₂に各別に流れる。図１３はFWDのエミッタ電圧−電流特性の例を示したものである。同図からFWDには温度特性に大きな差があることが確認できる。また、一般的にFWDは電圧−電流特性にも固体差があり、２並列に接続されたFWDにエミッタ電流Ｉ_Eが流れる際、Ｄ₁の順方向降下電圧Ｖ_f1，Ｄ₂の順方向降下電圧Ｖ_f2の差によりエミッタ電流Ｉ_E1，Ｉ_E2の大きさに不平衡が生じる。また、FWDの温度特性の差は、さらにエミッタ電流Ｉ_E1，Ｉ_E2の不平衡が大きくなる要因となっている。

エミッタ電流Ｉ_E1，Ｉ_E2の不平衡が大きいと、電流値が大きい方のFWDに過大なサージ電圧が発生してしまい、サージ電圧がFWDの許容耐電圧を超過してFWDが過電圧破壊する虞を有している。また、過電圧破壊に至らなくても、サージ電圧のFWDへの繰返しの印加はFWDの寿命の低下、すなわち、電力変換装置に対する長期信頼性低下の原因となっている。

本発明が目的とするところは、FWDを有するスイッチングモジュールの並列接続時におけるエミッタ電流の不平衡を抑制する冷却装置を提供することにある。

本発明は、スイッチング素子とフリーホイールダイオードを逆並列に接続してヒートシンクと一体的にスイッチングモジュールを構成し、スイッチングモジュールを並列接続して構成する電力変換装置において、
前記並列接続された各スイッチングモジュールのヒートシンクに設けられたファンと、
前記並列接続された各スイッチングモジュールの各エミッタ電流を検出する電流センサと、
前記並列接続されたスイッチングモジュールの各スイッチング素子のオフ時に、フリーホイールダイオードを流れるエミッタ電流を前記電流センサで検出し、検出されたエミッタ電流に応じて前記ファンを各別に制御する制御手段を備えたことを特徴としたものである。

本発明の制御手段は、並列接続されたスイッチングモジュールの合計されたエミッタ電流から算出された各スイッチング素子のエミッタ電流平均値を基準値とし、この基準値と、検出された個別のスイッチングモジュールを流れるエミッタ電流との差分を算出して比例・積分演算するＰＩ演算部と、
ＰＩ演算部の出力信号と三角波の比較からデューティー比の指令を生成する比較器と、
生成されたデューティー比に基づいて各別にチョッパを介して前記各ファンを制御するよう構成したことを特徴としたものである。

本発明は、スイッチング素子とフリーホイールダイオードを逆並列に接続し、冷却水の流路を有する水冷ヒートシンクと一体的にスイッチングモジュールを構成し、スイッチングモジュールを並列接続して構成する電力変換装置において、
前記各水冷ヒートシンクの冷却水の各入口側流路と各水冷ヒートシンク流路間に設けられたボールバルブと、
前記並列接続された各スイッチングモジュールの各エミッタ電流を検出する電流センサと、
前記並列接続されたスイッチングモジュールの各スイッチング素子のオフ時に、フリーホイールダイオードを流れるエミッタ電流を前記電流センサで検出し、検出されたエミッタ電流に応じて前記ボールバルブを各別に回動させる制御手段を備えたことを特徴としたものである。

本発明のボールバルブは第１のボールバルブと第２のボールバルブを備え、前記制御手段は、並列接続されたスイッチングモジュールの合計されたエミッタ電流から算出された各スイッチング素子の平均値を基準値とし、この基準値と、検出された個別のスイッチングモジュールを流れるエミッタ電流との差分を算出して比例・積分演算して角度指令を生成するＰＩ演算部と、
ＰＩ演算部からの角度指令と前記第１のボールバルブを駆動するモータの角度検出信号との差分から電流指令を生成する第１のＰＩ演算部と、
前記角度指令の極性を反転し、反転された角度指令と前記第２のボールバルブを駆動するモータの角度検出信号との差分から電流指令を生成する第２のＰＩ演算部と、
第１，第２のＰＩ演算部で生成された電流指令に基づいて前記各ボールバルブを駆動するモータを各別に制御するインバータを備えたことを特徴としたものである。

以上のとおり、本発明によれば、エミッタ電流の均等化が図られ、電流が大きい方のFWDに印加される過大なサージ電圧が低減される。これにより、サージ電圧がFWDの許容耐電圧を超過したときに生じる過電圧によるFWDの破壊防止が可能となる。また、サージ電圧のFWDへの繰返しの印加による寿命の低下が抑制され、電力変換装置に対する長期信頼性が向上するものである。

本発明の実施形態を示すヒートシンクの構成図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は説明用断面図。 エミッタ電流検出図。 ＩＧＢＴモジュールの冷却制御装置の構成図。 ファン用電源電圧のデューティー比の説明図。 ファン用電源電圧のデューティー比の説明図。 ファン用電源電圧のデューティー比の説明図。 ファン用電源電圧のデューティー比の説明図。 本発明の概略構成図。 ボールバルブの動作説明図。 ＩＧＢＴモジュールの冷却制御装置の構成図。 ＩＧＢＴモジュールの並列接続図。 エミッタ電流の逆回復電流特性図。 FWDのエミッタ電圧ー電流特性図。

本発明は、並列接続されたＩＧＢＴモジュールの各エミッタ電流を検出する電流センサを設ける。ＩＧＢＴのオフ時に、フリーホイールダイオードを流れるエミッタ電流を電流センサで検出し、検出されたエミッタ電流に応じて制御手段を介してヒートシンクを冷却することでエミッタ電流の均等化を図るものである。以下、図に基づいて説明する。

図１はスイッチング素子としてＩＧＢＴを用いたモジュールのヒートシンク構成の概略図を示したものである。図１で示すヒートシンクは、図２で示すようにＩＧＢＴモジュールＭ１，Ｍ２の２組を並列接続し、各ＩＧＢＴモジュールＭ１，Ｍ２はそれぞれ２個のヒートシンクＨ1，Ｈ2を取り付けた場合の例を示したものである。また、各ヒートシンクＨ1，Ｈ2にはそれぞれ冷却用のファンＦ1，Ｆ2が配設され、ファンＦ1，Ｆ2が回転することで図１（ｂ）で示すように冷却風は矢印で示す方向に流通し、流通する冷却風の速度が速いほど冷却効果は高くなる。

並列接続されたＩＧＢＴモジュールＭ１，Ｍ２の回路において、ＩＧＢＴモジュールに流れるエミッタ電流を検出するための電流センサＣＴが配設されるが、この電流センサＣＴは、ＩＧＢＴモジュールＭ１，Ｍ２の各エミッタにそれぞれ設けてもよいが、ここでは、エミッタ電流Ｉ_Eの共通回路に第１の電流センサＣＴ1が取り付けられ、エミッタ電流Ｉ_Eが分岐する何れか一方のＩＧＢＴモジュール側（図２ではＩＧＢＴモジュールＭ１）に第２の電流センサＣＴ2が取り付けられている。電流センサＣＴ2のないＩＧＢＴモジュールＭ２のエミッタ電流Ｉ_E2（＝Ｉ_E−Ｉ_E1）は、電流センサＣＴ1と電流センサＣＴ2の差により求めることができる。

なお、電流センサＣＴ1，ＣＴ2を各ＩＧＢＴモジュールＭ１，Ｍ２のエミッタに配設した場合のエミッタ電流Ｉ_E（＝Ｉ_E1＋Ｉ_E2）は、電流センサＣＴ1の検出値とＣＴ2の検出値との和により求めることができ、ＩＧＢＴモジュールが２個以上の並列接続の場合も同様である。

図１のようにＩＧＢＴモジュールＭ１，Ｍ２毎にヒートシンクＨ1，Ｈ2、およびファンＦ1，Ｆ2を有した構成とすることで、各ファン２Ｆ1，Ｆ2風速を制御することでＩＧＢＴモジュールＭ１，Ｍ２を個別に冷却することが可能となる。後述のように各ファンＦ1，Ｆ2の電源電圧は、任意のデューティー比の直流電圧を出力するチョッパ回路により供給される。また、検出されたエミッタ電流の値により各チョッパ回路のデューティー比を変えて各ファンＦ1，Ｆ2の風速を制御する。このため、ファンＦ1，Ｆ2はデューティー比、すなわち電源電圧値で回転数が容易に制御可能な直流ファンが使用される。

図３はヒートシンク内の風速制御装置を示す回路図である。制御部１の減算部１１では、図２で示す電流センサＣＴ1が検出したエミッタ電流Ｉ_Eを１／２とした値を基準としたＩ_E／２基準値と、電流センサＣＴ2の検出値Ｉ_E1との差分を算出する。差分はＰＩ演算部１２で比例・積分演算されてＰＩ制御出力を生成し、比較器１３に入力される。比較器１３では三角波と比較されてデューティー指令を生成し、主回路部２へ出力する。

図３でのデューティー指令値は、三角波＞ＰＩ制御出力の場合、比較器１３の出力はオンデューティー指令となり、デューティー指令の一つはチョッパ２１に入力され、また、もう一つは反転回路１４を介してチョッパ２２に入力される。チョッパ２１，２２は直流電源２３，２４を有し、入力されたデューティー指令に基づいたデューティー比で直流出力電圧を生成してファン２５（Ｆ1）とファン２６（Ｆ2）の電源電圧となる。

図４〜図６はデューティー比の例を示したもので、各図のＦan1はＩＧＢＴモジュールＭ１側のファン２５の電源電圧を、Ｆan2はＩＧＢＴモジュールＭ１側のファン２６の電源電圧を示したものである。

Ｉ_E／２≦Ｉ_E1であれば、エミッタ電流Ｉ_E1が流れるＩＧＢＴモジュールＭ１の温度を下げてエミッタ電流Ｉ_E1の値を低くする。そのために、ＩＧＢＴモジュールＭ１側ファンＦ1の電源電圧のデューティー比を大きくし、ＩＧＢＴモジュールＭ２側ファンＦ2の電源電圧のデューティー比を小さくする（図５の状態）ことでファンＦ1風速＞ファンＦ2風速に制御する。

Ｉ_E／２≧Ｉ_E1であれば、エミッタ電流Ｉ_E2が流れるＩＧＢＴモジュールＭ２の温度を下げてエミッタ電流Ｉ_E2の値を低くする。そのために、ＩＧＢＴモジュールＭ２側ファンＦ2の電源電圧のデューティー比を大きくし、ＩＧＢＴモジュールＭ1側ファンＦ1の電源電圧のデューティー比を小さくする（図６の状態）ことでファンＦ2風速＞ファンＦ1風速に制御する。

図７はエミッタ電流検出時のタイミング図を示したものである。同図は、図３で示すエミッタ電流Ｉ_EとＩ_E1の矢印方向を負として示したもので、FWDには斜線で示した部分でエミッタ電流が流れている。各エミッタ電流の検出は、この斜線部分においてａ〜ｄ点で示したタイミングで、且つ電流センサＣＴ1とＣＴ2とが同時に検出する。

以上、本実施例によれば、ファンＦ1，Ｆ2の電源電圧を制御することで、ヒートシンクの温度が変化する。更に、ＩＧＢＴモジュールのFWDには図１３で示す温度特性が有り、順方向降下電圧が同一の場合、温度が低いほどエミッタ電流Ｉ_Eは低下する。したがって、図３で示す手段によりヒートシンクに取り付けたファンにより風速を制御することによって、エミッタ電流がFWDに大きく流れていた方のヒートシンクの温度を下げることができるため、エミッタ電流Ｉ_E1とＩ_E2の均等化ができ、電流が大きい方のFWDに印加される過大なサージ電圧が低減される。

図８は水冷ヒートシンクで構成した第２の実施例を示したものである。並列接続されたＩＧＢＴモジュールＭ１，Ｍ２にはそれぞれ流路Ｗを有する水冷ヒートシンクを備えている。Ｐは冷却水を供給するポンプ、Ｗ1は入口側流路、Ｗ2は出口側流路で、入口側流路Ｗ1と水冷ヒートシンクの流路Ｗとの間の流路にそれぞれボールバルブＢv1，Ｂv2が配設されている。このボールバルブＢv1，Ｂv2は、装置を構成する各ＩＧＢＴモジュールの流路Ｗに各別に配設される。

ボールバルブＢv1は、図９で示すようにボールバルブＢv1を回転駆動させるモータを備え、バルブ角度が図９（ａ）で示す位置にあるときには流水を遮断する。ボールバルブＢv2も同様である。モータを回転駆動させてバルブ角度が図９（ｂ）の位置にきたとき流路Ｗに冷却水を流し、その流水量は回転駆動の制御角度に応じて調節される。したがって、各ＩＧＢＴモジュールは各別に流量調節が可能となっている。

図１０はボールバルブＢv1，Ｂv2を駆動するモータ制御回路を示したものである。制御部１０の減算部１１では、電流センサＣＴ1が検出したエミッタ電流Ｉ_Eを１／２にしたＩ_E／２基準値と、電流センサＣＴ2の検出値Ｉ_E1との差分を算出する。差分はＰＩ演算部１２に入力されて比例・積分演算されて角度指令を生成し、角度指令は減算部１８と反転回路１５を介し符号反転された角度指令が減算部１９にそれぞれ出力される。

減算部１８，１９には、モータ３２，３４の角度検出信号がそれぞれ入力されており、減算部１８，１９において角度指令と角度検出信号との差分が検出される。各差分はそれぞれＰＩ演算部１６，１７に入力されて電流指令が生成される。主回路部３０では、各電流指令に基づいてインバータ３１，３３はモータへ印加する電圧を出力してボールバルブＢv1，Ｂv2駆動用のモータ３２，３４を制御する。

図１０において、Ｉ_E／２≦Ｉ_E1であれば、角度指令によりＰＩ演算部１６、インバータ３１、およびモータ３２を介してボールバルブＢv1を回動させ、流水量が多くなる方向にバルブ開度を制御し、ＩＧＢＴモジュールＭ1を冷却する。
さらに、角度指令は、反転回路１５、減算部１９、ＰＩ演算部１７を経て電流指令となり、インバータ３３およびモータ３４を介してボールバルブＢv2を回動させる。この回動方向は流水量が少なくなる方向にバルブ開度が制御され、ＩＧＢＴモジュールＭ2の流量は減少される。

逆に、Ｉ_E／２≧Ｉ_E1の場合には、角度指令はＩＧＢＴモジュールＭ1の流量の減少、すなわち、エミッタ電流Ｉ_E2を減少させる方向に角度設定される。例えば、エミッタ電流Ｉ_E1側の角度指令が−１０度の時、エミッタ電流Ｉ_E2側の角度指令を＋１０度とし、ここでは、角度指令の極性が正方向のときに流量が多くなる角度方向に設定される。

この実施例によれば、水冷ヒートシンクの流路にボールバルブを設け、その角度を制御することでヒートシンクに流れる冷却水の流量を可変してヒートシンクの温度を調整するものである。これにより、エミッタ電流が大きく流れているＩＧＢＴモジュール側のヒートシンクの温度を下げることができるため、エミッタ電流Ｉ_E1とＩ_E2の電流均等化が可能となり、電流の大きい方のFWDに印加される過大なサージ電圧が低減される。なお、各エミッタ電流の検出タイミングは、実施例１と同じである。

１、１０… 制御部
２、３０… 主回路部
Ｍ1、Ｍ2… スイッチングモジュール（ＩＧＢＴモジュール）
Ｄ1，Ｄ2… フリーホイールダイオード
Ｈ1，Ｈ2… ヒートシンク
Ｆ1，ｆ2… ファン
Ｐ… ポンプ
Ｂv1，Ｂv2… ボールバルブ
Ｗ… 流路

Claims (4)

1. スイッチング素子とフリーホイールダイオードを逆並列に接続してヒートシンクと一体的にスイッチングモジュールを構成し、スイッチングモジュールを並列接続して構成する電力変換装置において、
   前記並列接続された各スイッチングモジュールのヒートシンクに設けられたファンと、
   前記並列接続された各スイッチングモジュールの各エミッタ電流を検出する電流センサと、
   前記並列接続されたスイッチングモジュールの各スイッチング素子のオフ時に、フリーホイールダイオードを流れるエミッタ電流を前記電流センサで検出し、検出されたエミッタ電流に応じて前記ファンを各別に制御する制御手段を備えたことを特徴としたスイッチングモジュールの冷却装置。
2. 前記制御手段は、並列接続されたスイッチングモジュールの合計されたエミッタ電流から算出された各スイッチング素子のエミッタ電流平均値を基準値とし、この基準値と、検出された個別のスイッチングモジュールを流れるエミッタ電流との差分を算出して比例・積分演算するＰＩ演算部と、
   ＰＩ演算部の出力信号と三角波の比較からデューティー比の指令を生成する比較器と、
   生成されたデューティー比に基づいて各別にチョッパを介して前記各ファンを制御するよう構成したことを特徴とした請求項１記載のスイッチングモジュールの冷却装置。
3. スイッチング素子とフリーホイールダイオードを逆並列に接続し、冷却水の流路を有する水冷ヒートシンクと一体的にスイッチングモジュールを構成し、スイッチングモジュールを並列接続して構成する電力変換装置において、
   前記各水冷ヒートシンクの冷却水の各入口側流路と各水冷ヒートシンク流路間に設けられたボールバルブと、
   前記並列接続された各スイッチングモジュールの各エミッタ電流を検出する電流センサと、
   前記並列接続されたスイッチングモジュールの各スイッチング素子のオフ時に、フリーホイールダイオードを流れるエミッタ電流を前記電流センサで検出し、検出されたエミッタ電流に応じて前記ボールバルブを各別に回動させる制御手段を備えたことを特徴としたスイッチングモジュールの冷却装置。
4. 前記ボールバルブは、第１のボールバルブと第２のボールバルブを備え、前記制御手段は、並列接続されたスイッチングモジュールの合計されたエミッタ電流から算出された各スイッチング素子の平均値を基準値とし、この基準値と、検出された個別のスイッチングモジュールを流れるエミッタ電流との差分を算出して比例・積分演算して角度指令を生成するＰＩ演算部と、
   ＰＩ演算部からの角度指令と前記第１のボールバルブを駆動するモータの角度検出信号との差分から電流指令を生成する第１のＰＩ演算部と、
   前記角度指令の極性を反転し、反転された角度指令と前記第２のボールバルブを駆動するモータの角度検出信号との差分から電流指令を生成する第２のＰＩ演算部と、
   第１，第２のＰＩ演算部で生成された電流指令に基づいて前記各ボールバルブを駆動するモータを各別に制御するインバータを備えたことを特徴とした請求項３記載のスイッチングモジュールの冷却装置。
   

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