JP2017184298A - Electric power conversion system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数のパワー半導体モジュールが並列接続される電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device in which a plurality of power semiconductor modules are connected in parallel.
電力変換装置は、その主要部品であるパワー半導体モジュールに用いられるパワー半導体デバイスの技術革新により、より高速なスイッチング動作が実現されることで、パワー半導体デバイスから発する損失を低減させている。これにより、特に冷却器を小型化することができ、その結果、電力変換装置の小型化が実現されている。 The power conversion device reduces the loss generated from the power semiconductor device by realizing a higher-speed switching operation by technological innovation of the power semiconductor device used in the power semiconductor module which is a main component. Thereby, especially a cooler can be reduced in size, As a result, size reduction of a power converter device is realized.
電力変換装置であるインバータ、コンバータおよびチョッパなどは、UPS(Uninterruptible Power-supply System:無停電電源装置)、PCS(Power Conditioning System)、ACドライブ等の産業用電力変換装置や、ハイブリッド自動車(HEV:Hybrid Electric Vehicle)、電気自動車(EV:Electric Vehicle)等の車載用電力変換装置、更に家電用電力変換装置等として、多く採用されている。これら電力変換装置には、小型化に加え、電力変換効率に起因するランニングコストや、部品交換等のメンテナンスコストを低く抑えた長寿命な製品が要求されている。 Inverters, converters, and choppers that are power converters include UPS (Uninterruptible Power-supply System), PCS (Power Conditioning System), AC drive, and other industrial power converters, and hybrid vehicles (HEV: It is widely used as an in-vehicle power conversion device such as a hybrid electric vehicle (EV) and an electric vehicle (EV), and further as a power conversion device for home appliances. In addition to downsizing, these power conversion devices are required to have long-life products that have low running costs due to power conversion efficiency and low maintenance costs such as component replacement.
電力変換装置は、パワー半導体モジュールや冷却器に加え、各部品を電気的に接続するバスバー、直流電力を平滑化させるためのコンデンサ等の部品から構成される電力変換ユニットを含む。電力変換装置の出力をN倍化するためには、このような電力変換ユニットをN並列化する。 In addition to the power semiconductor module and the cooler, the power conversion device includes a power conversion unit including components such as a bus bar for electrically connecting the components and a capacitor for smoothing DC power. In order to multiply the output of the power converter by N, such power conversion units are made N parallel.
一方、電力変換装置におけるパワー半導体モジュールは長期間の稼働に伴い、内部の放熱特性等が経年劣化する。例えば、長期間の稼働条件下では、電力変換装置およびパワー半導体モジュールの電力負荷が変動(パワーサイクル)し、パワー半導体モジュールは高温状態と低温状態との間の遷移を繰り返す。 On the other hand, the power semiconductor module in the power conversion device deteriorates with time in internal heat radiation characteristics and the like with long-term operation. For example, under long-term operating conditions, the power load of the power conversion device and the power semiconductor module fluctuates (power cycle), and the power semiconductor module repeats a transition between a high temperature state and a low temperature state.
このとき、パワー半導体モジュールは熱膨張係数の異なる材料(銅配線、半田、シリコンチップ、樹脂等の絶縁部材、アルミ等金属ケースなど)で構成されているため、熱膨張、熱収縮の繰り返しによる熱応力の発生で、半田のクラックや、絶縁部材の剥離等が生じ、パワー半導体モジュールの絶縁特性や放熱特性(熱抵抗特性など)が劣化する。 At this time, since the power semiconductor module is composed of materials having different thermal expansion coefficients (copper wiring, solder, silicon chip, insulating member such as resin, metal case such as aluminum), the heat due to repeated thermal expansion and contraction The generation of stress causes solder cracks, peeling of the insulating member, and the like, and degrades the insulating characteristics and heat dissipation characteristics (thermal resistance characteristics, etc.) of the power semiconductor module.
このように、パワーサイクルによる熱疲労が進行すると、パワー半導体モジュールは故障し易くなる。そこで電力変換ユニットおよびパワー半導体モジュールの長寿命化には、熱疲労を進行させないような運転制御が要求される。 As described above, when thermal fatigue due to the power cycle proceeds, the power semiconductor module is likely to fail. Therefore, in order to extend the life of the power conversion unit and the power semiconductor module, operation control is required so as not to cause thermal fatigue.
さらに、出力電力をN倍化するために、複数のパワー半導体モジュールが並列接続される電力変換装置では、長期間稼働すると、各パワー半導体モジュールの初期特性や周囲温度分布の差に応じて、熱抵抗劣化の程度にばらつきが発生する。熱抵抗が劣化しているパワー半導体モジュールに、他のパワー半導体モジュールと同等の電流を流し続けると、一部のパワー半導体モジュールで素子発熱が増大し、それに伴い熱疲労現象が進行し、パワー半導体モジュールの早期故障につながる。そこで、電力変換装置の長寿命化のため、各パワー半導体モジュール間で熱疲労に起因する熱抵抗劣化を均等化するような制御が要求される。 Furthermore, in order to multiply the output power by N, a power conversion device in which a plurality of power semiconductor modules are connected in parallel is operated for a long period of time, depending on the initial characteristics of each power semiconductor module and the difference in ambient temperature distribution. Variations occur in the degree of resistance degradation. If a current equivalent to that of other power semiconductor modules continues to flow through a power semiconductor module whose thermal resistance has deteriorated, element heat generation will increase in some power semiconductor modules, and as a result, thermal fatigue will proceed, and power semiconductors This leads to premature module failure. Therefore, in order to extend the life of the power conversion device, control is required to equalize the thermal resistance degradation caused by thermal fatigue between the power semiconductor modules.
これに対し、特許文献1および特許文献2に記載の技術が知られている。
On the other hand, techniques described in Patent Document 1 and
特許文献1に記載される技術においては、並列動作する複数のトランジスタ等のスイッチング素子の有効寿命均一化のために、トランジスタの平均温度と各々のトランジスタの測定温度との温度差に基づいて、各トランジスタを熱的にバランスさせるように通電電流を制御する。 In the technique described in Patent Document 1, in order to make the effective lifetime of switching elements such as a plurality of transistors operating in parallel, based on the temperature difference between the average temperature of the transistors and the measured temperature of each transistor, The energization current is controlled so that the transistors are thermally balanced.
また、特許文献2に記載される技術においては、パワーサイクルに対する寿命予測のために、スイッチング素子の構成部材間の熱抵抗を求めて構成部材の劣化度を評価し、劣化を温度・熱抵抗との関係で判断する。
Further, in the technique described in
特許文献1に記載された技術は、複数の並列接続されたパワー半導体モジュールに適用しようとすると、素子温度は、パワー半導体モジュール外部の冷却器(空冷フィンやファン)の影響を受けるため、パワー半導体モジュール内部の劣化か、外部の劣化要因かの切り分けが困難であるため、電力変換装置を長寿命化することは難しい。 When the technique described in Patent Document 1 is applied to a plurality of power semiconductor modules connected in parallel, the element temperature is affected by a cooler (air cooling fin or fan) outside the power semiconductor module. Since it is difficult to distinguish between the deterioration inside the module and the external deterioration factor, it is difficult to extend the life of the power conversion device.
また、特許文献2ではパワーサイクルに対するパワー半導体モジュールの劣化情報を検知できるが、並列接続されたパワー半導体モジュールの寿命均等化、長寿命化については考慮されていない。
Further, in
そこで、本発明は、並列接続されたパワー半導体モジュールの寿命を向上できる電力変換装置を提供する。 Therefore, the present invention provides a power conversion device that can improve the life of power semiconductor modules connected in parallel.
上記課題を解決するために、本発明に係る電力変換装置は、並列接続される複数のパワー半導体モジュールと、複数のパワー半導体モジュールを制御する制御部と、を備えるものであって、制御部は、複数のパワーモジュールの内、熱抵抗の増分が最も大きなパワー半導体モジュールの負荷電流を低減する。 In order to solve the above problems, a power converter according to the present invention includes a plurality of power semiconductor modules connected in parallel and a control unit that controls the plurality of power semiconductor modules, and the control unit includes: The load current of the power semiconductor module having the largest thermal resistance increase among the plurality of power modules is reduced.
熱抵抗の増分が最も大きなパワー半導体モジュールの負荷電流を低減することにより、このパワー半導体モジュールの劣化の進行を抑制できる。これにより、電力変換装置の長寿命化が可能となる。 By reducing the load current of the power semiconductor module having the largest increase in thermal resistance, the progress of deterioration of the power semiconductor module can be suppressed. Thereby, the lifetime of a power converter device can be extended.
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。 Problems, configurations, and effects other than those described above will become apparent from the following description of embodiments.
以下、図を参照して本発明の実施例について説明する。各図において、参照番号が同一のものは同一の構成要件あるいは類似の機能を備えた構成要件を示している。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In each figure, the same reference numerals indicate the same constituent elements or constituent elements having similar functions.
以下の各実施例は、三相インバータ回路に適用されるものであるが、これに限らず単相インバータ回路、コンバータ回路、DC−DC変換回路などにも適用することが可能である。 Each of the following embodiments is applied to a three-phase inverter circuit, but is not limited thereto, and can be applied to a single-phase inverter circuit, a converter circuit, a DC-DC conversion circuit, and the like.
図1は、本発明の実施例1である電力変換装置の回路図である。なお、本実施例1の電力変換装置は、三相インバータである。 FIG. 1 is a circuit diagram of a power conversion apparatus that is Embodiment 1 of the present invention. In addition, the power converter device of the present Example 1 is a three-phase inverter.
図1が示すように、インバータ1030は、PN間の直流電力を3相交流電力に変換する。U相変換器301、V相変換器302およびW相変換器303は、パワー半導体デバイス(図1中の21,22,23,24)からなるパワー半導体モジュール20を備える。PN端子から供給される直流電力が、各相に備えられた上アームのスイッチング素子21および整流素子23と、下アームのスイッチング素子22および整流素子24とにおいて、インバータ制御回路304でスイッチングタイミングを制御することにより交流電力に変換される。そして、交流電力は、U相変換器301、V相変換器302およびW相変換器303の各交流端子502(U,V,W)に出力される。
As shown in FIG. 1, the
本実施例1においては、スイッチング素子21,22としてIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)が用いられ、整流素子23,24としてダイオードが用いられる。なお、これらのパワー半導体デバイスに限らず、他の種類の素子を適用することも可能である(以下同様)。なお、各相のパワー半導体モジュール20には、平滑コンデンサ25が外付けされている。
In the first embodiment, IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) are used as the
また、本実施例1のインバータ1030は、上アームのスイッチング素子21および整流素子23と、下アームのスイッチング素子22および整流素子24と、が直列に接続された2レベルハーフブリッジ回路20を基本構成としている。ここで、各アームにおいて、スイッチング素子と整流素子は逆並列に接続され、整流素子は環流ダイオードとして機能する。なお、後述するような本実施例1における制御手段は、3レベルを基本構成としたインバータ、コンバータ、昇圧回路などに適用することも可能である。
The
図2は、パワー半導体モジュール20のパワーサイクル寿命特性例を示す。
FIG. 2 shows an example of power cycle life characteristics of the
図2に示すように、パワー半導体モジュール20は熱膨張係数の異なる材料(銅配線、半田、シリコンチップ、樹脂等の絶縁部材、アルミ等からなる金属ベース、樹脂ケースなど)で構成されているため、熱膨張および熱収縮の繰り返しによる熱応力の発生で、半田のクラックや、絶縁部材の剥離等が生じ、パワー半導体モジュールの絶縁特性や放熱特性(熱抵抗特性)が劣化する。このとき、パワー半導体モジュールの温度変化ΔTが大きいと、内部熱応力が大きくなるため、パワー半導体モジュールの特性が劣化するまでのパワーサイクル寿命回数Ncは少なくなる。
As shown in FIG. 2, the
図3は、本実施例1における、インバータ1030の構成図を示す。
FIG. 3 is a configuration diagram of the
図3に示すように、三相インバータを構成する各相(U相変換器301、V相変換器302、W相変換器303)は、それぞれ二つのパワー半導体モジュール20で構成される。パワー半導体モジュールPM1,PM2はパワー半導体モジュール内部のパワー半導体デバイス21,22,23,24のチップジャンクション温度(Tj)をモニタする温度センサ31を具備している。温度センサ31により得られる温度情報が制御部304へ入力される。
As shown in FIG. 3, each phase (
また並列接続されたパワー半導体モジュールPM1,PM2の出力端子には、各パワー半導体モジュールの負荷電流を検出する電流センサ32が設けられる。電流センサにより得られる負荷電流情報が制御部304へ入力される。
Further,
図4は、パワー半導体モジュール20の概略構成例を示す縦方向断面図である。
FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing a schematic configuration example of the
図4に示すように、パワー半導体モジュールにおいては、金属ベース1002上に絶縁基板1003が載置され、絶縁基板1003と金属ベース1002は、半田などの接合材によって接合される。絶縁基板1003の表面上にはパワー半導体デバイス1004が載置され、パワー半導体デバイス1004と絶縁基板1003は、半田などの接合材によって接合される。また、金属ベース1002上には樹脂ケース1005が接着され、絶縁基板1003およびパワー半導体デバイス1004は、樹脂ケース1005内に格納される。このような構成のパワー半導体モジュールは放熱フィン1001上に載置される。ここで、金属ベース1002が放熱フィン1001と面接触する。
As shown in FIG. 4, in the power semiconductor module, an insulating
パワー半導体デバイス1004の電力損失によって発生する熱は、パワー半導体デバイス1004、絶縁基板1003、金属ベース1002、放熱フィン1001をこの順に流れ、大気中に放散される。この時、パワー半導体デバイス1004と他の部材(絶縁基板1003、金属ベース1002、放熱フィン1001、大気)との間の熱抵抗(Rth)は、パワー半導体デバイス1004の温度(Tj)、他の部材の温度(T)、電力損失(P)によって計測できる(Rth=(Tj−T)/P)。パワーサイクルによる熱応力を受けると、接合材にクラックが生じたり、部材間の剥離が生じたりするため、熱抵抗が増加して、放熱性能が劣化する。
Heat generated by power loss of the
図4のパワー半導体モジュールにおいては、樹脂ケース1005内のパワー半導体デバイス1004の近傍に温度センサ(図2の符号31に対応)を設けて、パワー半導体デバイス1004の温度(Tj)を測定する。また、放熱フィン1001における金属ベース1002の近傍に温度センサを設けて、放熱フィン1001の温度(Tc(ケース温度))を測定する。なお、電力損失(P)は、電流センサ32(図2)によって計測される電流情報に基づいて計測される。例えば、電流情報と電力損失情報の関係を予め制御部304(図2)で記憶し、制御部304が、この関係を用いて、電流情報から電力損失情報を演算する。なお、各相の電圧情報を検出し、検出された電圧情報と電流情報とから、電力損失情報を演算しても良い。これらTj,Tc,Pから、制御部304は、パワー半導体デバイス1004と金属ベース1002との間の熱抵抗(Rth(j−c))を算出する(Rth(j−c)=(Tj−Tc)/P)。
In the power semiconductor module of FIG. 4, a temperature sensor (corresponding to reference numeral 31 in FIG. 2) is provided in the vicinity of the
なお、放熱フィン1001に限らず、パワー半導体デバイス1004と他の部材との間の熱抵抗を算出しても良い。例えば、パワー半導体デバイス1004と大気との間の熱抵抗を計測する場合には、他の部材の温度として気温あるいは室温を用いればよい。気温を用いる場合、温度センサにより計測しても良いし、気象データを用いても良い。
Note that the thermal resistance between the
図5は、本実施例1における、パワー半導体モジュールPM1,PM2の負荷電流調整制御フローを示す。 FIG. 5 shows a load current adjustment control flow of the power semiconductor modules PM1 and PM2 in the first embodiment.
まず、初期稼働時において、パワー半導体モジュールPM1,PM2は、各パワー半導体モジュールPM1,PM2の負荷電流が均等となるように、運転制御される。 First, during initial operation, the power semiconductor modules PM1 and PM2 are controlled so that the load currents of the power semiconductor modules PM1 and PM2 are equal.
次に、インバータ1030の制御部304では、稼働中、温度センサ31および電流センサ32によって、それぞれ得られる温度情報および負荷電流情報に基づいて、二つのパワー半導体モジュールPM1,PM2の熱抵抗の計測値を算出する。さらに、制御部304は、算出した現熱抵抗の計測値と、予め制御部304に設定される初期熱抵抗値とを比較し、熱抵抗の増分を表す指標として、二つのパワー半導体モジュールPM1,PM2における、現熱抵抗の計測値と初期熱抵抗値との差分(現熱抵抗の計測値−初期熱抵抗値)すなわち熱抵増分値を算出する。ここで、初期熱抵抗値は、初期稼動時に、制御部304が同様に算出しても良いし、別の手段で予め計測して、制御部304に設定しても良い。また、初期熱抵抗値として、仕様上の熱抵抗値を用いても良い。制御部304は、パワー半導体モジュールPM1,PM2のいずれかの熱抵抗増分値が、第1の規定値(規定値1)以上であるかを判定する。
Next, during operation, the
長期間の稼働により、少なくとも1つのパワー半導体モジュールの熱抵抗増分値が規定値1以上となった場合、すなわち、パワーサイクルに伴う熱疲労によるパワー半導体モジュール内部の熱抵抗が劣化(増加)し、規定値1以上となった場合(yes)、熱抵抗が劣化しているパワー半導体モジュールの負荷電流を低減し、もう一方のパワー半導体モジュールの負荷電流を増加する負荷電流アンバランス運転へと移行する。また、いずれのパワー半導体モジュールの熱抵抗増分値も、規定値1以上であるとは判定されなかった場合(no)、負荷電流均等運転が継続される。 When the thermal resistance increment value of at least one power semiconductor module becomes a specified value 1 or more due to long-term operation, that is, the thermal resistance inside the power semiconductor module due to thermal fatigue accompanying power cycle deteriorates (increases), When the specified value is 1 or more (yes), the load current of the power semiconductor module whose thermal resistance is deteriorated is reduced, and the load current unbalanced operation for increasing the load current of the other power semiconductor module is started. . Moreover, when it is not determined that the thermal resistance increment value of any power semiconductor module is equal to or greater than the specified value 1 (no), the load current equalization operation is continued.
負荷電流アンバランス運転負荷電流アンバランス運転に移行すると、次に、二つのパワー半導体モジュールPM1,PM2の熱抵抗増分値を比較し、熱抵抗増分値が大きい方のパワー半導体モジュールの熱抵抗が劣化していると判定する。 Load current unbalanced operation After shifting to load current unbalanced operation, the thermal resistance increment values of the two power semiconductor modules PM1 and PM2 are compared, and the thermal resistance of the power semiconductor module with the larger thermal resistance increment value deteriorates. It is determined that
パワー半導体モジュールPM1の熱抵抗が劣化していると判定される場合、制御部304では、パワー半導体モジュールPM1のゲート駆動電圧Vg(PM1)をパワー半導体モジュールPM2のゲート駆動電圧Vg(PM2)よりも低くして、パワー半導体モジュールPM1の負荷電流(I_PM1)およびパワー半導体モジュールPM1の素子温度(Tj_PM1)が、それぞれパワー半導体モジュールPM2の負荷電流(I_PM2)およびパワー半導体モジュールPM2の素子温度(Tj_PM2)よりも小さくなるようにする。
When it is determined that the thermal resistance of the power semiconductor module PM1 is deteriorated, the
パワー半導体モジュールPM1の熱抵抗が劣化していると判定される場合、制御部304では、パワー半導体モジュールPM1のゲート駆動電圧Vg(PM1)をパワー半導体モジュールPM2のゲート駆動電圧Vg(PM2)よりも低くして、パワー半導体モジュールPM1の負荷電流(I_PM1)およびパワー半導体モジュールPM1の素子温度(Tj_PM1)が、それぞれパワー半導体モジュールPM2の負荷電流(I_PM2)およびパワー半導体モジュールPM2の素子温度(Tj_PM2)よりも小さくなるようにする。
When it is determined that the thermal resistance of the power semiconductor module PM1 is deteriorated, the
また、パワー半導体モジュールPM2の熱抵抗が劣化していると判定される場合、制御部304では、パワー半導体モジュールPM2のゲート駆動電圧Vg(PM2)をパワー半導体モジュールPM2のゲート駆動電圧Vg(PM1)よりも低くして、パワー半導体モジュールPM2の負荷電流(I_PM2)およびパワー半導体モジュールPM2の素子温度(Tj_PM2)が、それぞれパワー半導体モジュールPM1の負荷電流(I_PM1)およびパワー半導体モジュールPM1の素子温度(Tj_PM1)よりも小さくなるようにする。
When it is determined that the thermal resistance of the power semiconductor module PM2 is deteriorated, the
さらに、負荷電流アンバランス運転において、制御部304は、パワー半導体モジュールPM1,PM2のいずれかの熱抵抗増分値が、規定値1よりも大きな第2の規定値(規定値2)以上であるかを判定する。少なくとも1つのパワー半導体モジュールの熱抵抗増分値が規定値2以上と判定される場合(yes)、すなわち、パワー半導体モジュールPM1,PM2のいずれかの熱抵抗がシステム仕様を満足しないまで劣化した場合、制御部304は、パワー半導体モジュール故障と判定して、インバータを停止させるなどの異常時制御を実行する。また、いずれのパワー半導体モジュールの熱抵抗増分値も、規定値2以上であるとは判定されなかった場合(no)、負荷電流アンバランス運転が継続される。すなわち、負荷電流アンバランス運転において、各パワー半導体モジュールの熱抵抗増分値が規定値2より小さい間、制御部304は、二つのパワー半導体モジュールPM1,PM2の熱抵増分値を算出し、上述したようにパワー半導体モジュールPM1,PM2の負荷電流を制御する。
Further, in the load current unbalanced operation, the
図6は、本実施例1における、稼働時間と、各パワー半導体モジュールの負荷電流アンバランス比(I_PM2/I_PM1)、各パワー半導体モジュールのパワー半導体デバイスと放熱フィン間の熱抵抗(Rjc_PM1,Rjc_PM2)並びに各パワー半導体モジュールの素子温度(Tj_PM1,Tj_PM2)の関係の例を示す。なお、ここではPM1,PM2の熱抵抗の初期値は実質同じ値であるとし、熱抵抗の増分を表す指標として、上述の熱抵抗増分値に代えて、熱抵抗値を用いている。 FIG. 6 shows the operating time, the load current unbalance ratio (I_PM2 / I_PM1) of each power semiconductor module, and the thermal resistance (Rjc_PM1, Rjc_PM2) between the power semiconductor device and the radiation fin of each power semiconductor module in the first embodiment. An example of the relationship between the element temperatures (Tj_PM1, Tj_PM2) of each power semiconductor module is shown. Here, it is assumed that the initial values of the thermal resistances of PM1 and PM2 are substantially the same, and the thermal resistance value is used instead of the above-described thermal resistance increment value as an index representing the increase in thermal resistance.
パワー半導体モジュールPM1,PM2の熱抵抗がいずれも規定値1以下である場合、各パワー半導体モジュールは、負荷電流アンバランス比=1すなわち負荷電流均等運転となるように制御される。 When the thermal resistances of the power semiconductor modules PM1 and PM2 are both less than or equal to the specified value 1, each power semiconductor module is controlled so that the load current unbalance ratio = 1, that is, the load current equal operation.
ある制御周期で、パワー半導体モジュールPM1の熱抵抗Rjc_PM1が規定値1をこえたと判定される場合、負荷電流アンバランス比>1である負荷電流アンバランス運転へ移行する。この時、パワー半導体モジュールPM1,PM2は、パワー半導体モジュールPM1の負荷電流(I_PM1)および素子温度(Tj_PM1)が、それぞれパワー半導体モジュールPM2の負荷電流(I_PM2)および素子温度(Tj_PM2)よりも小さくなるように制御される。 When it is determined that the thermal resistance Rjc_PM1 of the power semiconductor module PM1 exceeds the specified value 1 in a certain control cycle, the operation shifts to a load current unbalance operation in which the load current unbalance ratio> 1. At this time, in the power semiconductor modules PM1 and PM2, the load current (I_PM1) and the element temperature (Tj_PM1) of the power semiconductor module PM1 are smaller than the load current (I_PM2) and the element temperature (Tj_PM2) of the power semiconductor module PM2, respectively. To be controlled.
これにより、負荷電流および素子温度が低減されたパワー半導体モジュールPM1では、パワー半導体モジュール内部のはんだや絶縁基板にかかる熱応力が軽減され、熱抵抗の劣化進展を抑制できる。一方、パワー半導体モジュールPM2では、熱応力が増大し、パワー半導体モジュールPM1よりも熱抵抗の劣化が進行する。従って、パワー半導体モジュールPM1,PM2の各熱抵抗はバランスしていく。 Thereby, in the power semiconductor module PM1 in which the load current and the element temperature are reduced, the thermal stress applied to the solder and the insulating substrate inside the power semiconductor module is reduced, and the progress of deterioration of the thermal resistance can be suppressed. On the other hand, in the power semiconductor module PM2, the thermal stress increases, and the thermal resistance deteriorates more than in the power semiconductor module PM1. Accordingly, the thermal resistances of the power semiconductor modules PM1 and PM2 are balanced.
負荷電流アンバランス比>1である負荷電流アンバランス運転に移行後、ある制御周期で、パワー半導体モジュールPM2の熱抵抗Rjc_PM2がパワー半導体モジュールPM1の熱抵抗Rjc_PM1よりも大きいと判定されると、負荷電流アンバランス比<1である負荷電流アンバランス運転へ移行する。この時、熱抵抗値の大きいパワー半導体モジュールPM2の熱応力を軽減し、熱抵抗の劣化進展を抑制するように、パワー半導体モジュールPM1,PM2が制御される。 When it is determined that the thermal resistance Rjc_PM2 of the power semiconductor module PM2 is greater than the thermal resistance Rjc_PM1 of the power semiconductor module PM1 in a certain control cycle after shifting to the load current unbalanced operation where the load current imbalance ratio> 1. Shift to load current unbalanced operation in which current unbalance ratio <1. At this time, the power semiconductor modules PM1 and PM2 are controlled so as to reduce the thermal stress of the power semiconductor module PM2 having a large thermal resistance value and suppress the progress of deterioration of the thermal resistance.
本実施例1では、上述のように、パワー半導体モジュールPM1,PM2の熱抵抗増分値あるいは熱抵抗値の大小関係に応じて、負荷電流アンバランス比が予め設定され、負荷電流アンバランス比に応じたゲート電圧の値が予め設定される。なお、熱抵抗劣化の進行程度を示す、熱抵抗の増分を表す指標として、熱抵抗増分値を用いれば、熱抵抗の初期値にばらつきがあっても熱抵抗劣化の進行を精度よく計測できる。 In the first embodiment, as described above, the load current unbalance ratio is set in advance according to the thermal resistance increment value of the power semiconductor modules PM1 and PM2 or the magnitude relationship between the thermal resistance values, and the load current unbalance ratio is set according to the load current unbalance ratio. The value of the gate voltage is preset. It should be noted that if the thermal resistance increment value is used as an index representing the degree of progress of thermal resistance degradation and indicates the increment of thermal resistance, the progress of thermal resistance degradation can be accurately measured even if the initial value of thermal resistance varies.
上述のように、本実施例1によれば、電力変換装置において並列接続された複数のパワー半導体モジュールにおいて、各モジュールの初期特性や周囲温度分布の差により、熱抵抗劣化の進行程度にばらつきが発生する場合においても、熱抵抗に関する情報に基づいて、劣化程度が大きなパワー半導体モジュールの負荷電流を低減し、熱疲労の進行を抑えるように運転制御することにより、熱疲労に起因する各パワー半導体モジュールの寿命を均等化し、一部のパワー半導体モジュールの早期故障を回避できる。これにより、電力変換装置の長寿命化が可能となる。 As described above, according to the first embodiment, in the plurality of power semiconductor modules connected in parallel in the power conversion device, the degree of progress of the thermal resistance deterioration varies depending on the initial characteristics of each module and the difference in ambient temperature distribution. Even if it occurs, each power semiconductor caused by thermal fatigue is controlled by reducing the load current of the power semiconductor module with a large degree of deterioration based on information on thermal resistance and suppressing the progress of thermal fatigue. It is possible to equalize the module life and avoid early failure of some power semiconductor modules. Thereby, the lifetime of a power converter device can be extended.
図7は、本発明の実施例2である電力変換装置の回路図である。本実施例2の電力変換装置は、実施例1と同様に三相インバータである。なお、本図7は、三相インバータの一相分(U相)の回路構成を示す。以下、主に、実施例1と異なる点について説明する。
FIG. 7 is a circuit diagram of a power conversion apparatus that is
図7に示すように、制御部304は、負荷電流・電圧―損失データテーブル305と、熱抵抗記憶メモリ306と、熱抵抗算出回路307と、負荷電流アンバランス判定回路308と、ゲート駆動電圧調整回路309とを含む。
As shown in FIG. 7, the
負荷電流センサ32からの出力負荷電流情報と、出力電圧情報が、負荷電流・電圧―損失データテーブル305へ入力される。負荷電流・電圧―損失データテーブル305は、出力負荷電流情報、および出力電圧情報からパワー半導体モジュール20の損失情報を算出して出力する。
Output load current information and output voltage information from the load
熱抵抗算出回路307には、負荷電流・電圧―損失データテーブル305から出力された損失情報と、パワー半導体モジュールPM1,PM2の素子温度情報と、電力変換ユニット301に含まれるパワー半導体モジュール用冷却フィンの温度情報とが、入力される。熱抵抗算出回路307では、これら損失情報、素子温度情報および冷却フィンの温度情報から、パワー半導体モジュール20の内部熱抵抗を算出して出力する。そして、算出されたパワー半導体モジュールPM1,PM2のそれぞれの熱抵抗情報は、負荷電流アンバランス判定回路308へと入力される。
The thermal
負荷電流アンバランス判定回路308には、負荷電流センサ32からの出力負荷電流情報と、熱抵抗算出回路307から出力されたパワー半導体モジュールPM1,PM2のそれぞれの熱抵抗情報と、熱抵抗記憶メモリ306からのパワー半導体モジュールPM1,PM2のそれぞれの初期熱抵抗情報が入力される。
The load current
負荷電流アンバランス判定回路308では、図5に示す負荷電流調整制御フローに従い、負荷電流アンバランス運転への移行判定、および、負荷電流アンバランス運転の際の熱抵抗増分値が大きいパワー半導体モジュールの選定、および負荷電流調整量の判定を行う。
In the load current
負荷電流均等運転において、長期間の稼働により、少なくとも1つのパワー半導体モジュールの熱抵抗増分値が規定値1以上となった場合、すなわち、パワーサイクルに伴う熱疲労によりパワー半導体モジュール内部の熱抵抗が劣化し、規定値1以上となった場合、熱抵抗が劣化している一方のパワー半導体モジュールの負荷電流を低減し、他方のパワー半導体モジュールの負荷電流を増加する負荷電流アンバランス運転へと移行する。 In the load current equal operation, when the thermal resistance increment value of at least one power semiconductor module becomes a specified value 1 or more due to long-term operation, that is, the thermal resistance inside the power semiconductor module is reduced due to thermal fatigue accompanying power cycle. When the specified value is 1 or more, the load current of one power semiconductor module whose thermal resistance has deteriorated is reduced, and the load current unbalanced operation is increased to increase the load current of the other power semiconductor module. To do.
次に、二つのパワー半導体モジュールPM1,PM2の算出熱抵抗増分値を比較し、熱抵抗増分値が大きいパワー半導体モジュールの負荷電流を低減する。例えば、パワー半導体モジュールPM1の熱抵抗増分値が、パワー半導体モジュールPM2の熱抵抗増分値よりも大きい場合、制御部304は、パワー半導体モジュールPM1のゲート駆動電圧Vg(PM1)を低減して、パワー半導体モジュールPM1の負荷電流(I_PM1)および素子温度(Tj_PM1)を、それぞれパワー半導体モジュールPM2の負荷電流(I_PM2)および素子温度(Tj_PM2)よりも小さくなるように調整する。
Next, the calculated thermal resistance increment values of the two power semiconductor modules PM1 and PM2 are compared, and the load current of the power semiconductor module having a large thermal resistance increment value is reduced. For example, when the thermal resistance increment value of the power semiconductor module PM1 is larger than the thermal resistance increment value of the power semiconductor module PM2, the
更に負荷電流アンバランス運転において、少なくとも1つのパワー半導体モジュールの熱抵抗増分値が規定値2以上となった場合、すなわち、パワー半導体モジュールPM1,PM2のいずれかの熱抵抗がシステム仕様を満足しないまでに劣化したとき、パワー半導体モジュールが故障していると判定する。
Further, in the load current unbalanced operation, when the thermal resistance increment value of at least one power semiconductor module becomes a specified
一方、負荷電流アンバランス運転において、各パワー半導体モジュールの熱抵抗増分値が規定値2以下の間、制御部304では、2つのパワー半導体モジュールPM1,PM2の熱抵増分値を算出し、熱抵抗増分値が大きいパワー半導体モジュールの負荷電流を低減するように制御する。
On the other hand, in the load current unbalanced operation, while the thermal resistance increment value of each power semiconductor module is equal to or less than the specified
本実施2によれば、パワー半導体モジュールの素子温度センサと、パワー半導体モジュール冷却器の温度センサと、負荷電流・電圧情報を用いて、各パワー半導体モジュールの熱抵抗が算出可能となる。さらに、各モジュールの初期特性や周囲温度分布の差により、熱抵抗劣化にばらつきが発生する場合においても、熱抵抗記憶メモリを参照して、熱抵抗増分情報に基づいて、劣化傾向のみられるパワー半導体モジュールの判定が可能となる。劣化傾向のみられるパワー半導体モジュールの負荷電流を低減し、熱疲労の進行を抑えるように制御することで、熱疲労に起因する各パワー半導体モジュールの寿命を均等化し、一部のパワー半導体モジュールの早期故障を回避できる。これにより、パワー半導体モジュールに起因する電力変換装置の寿命を向上することができる。 According to the second embodiment, the thermal resistance of each power semiconductor module can be calculated using the element temperature sensor of the power semiconductor module, the temperature sensor of the power semiconductor module cooler, and the load current / voltage information. Furthermore, even if variations in thermal resistance degradation occur due to differences in the initial characteristics and ambient temperature distribution of each module, power semiconductors that tend to degrade based on thermal resistance increment information with reference to thermal resistance memory memory Module determination is possible. By reducing the load current of power semiconductor modules that tend to deteriorate and controlling the progression of thermal fatigue, the life of each power semiconductor module due to thermal fatigue is equalized, and the early life of some power semiconductor modules Failure can be avoided. Thereby, the lifetime of the power converter device resulting from a power semiconductor module can be improved.
図8は、本発明の実施例3である電力変換装置の回路図である。本図3においては、ゲート駆動電圧調整回路309の構成を詳細に示す。本実施例3の電力変換装置は、実施例1と同様に三相インバータである。なお、本図8は、三相インバータの一相分(U相)の回路構成を示す。以下、主に、実施例1と異なる点について説明する。
FIG. 8 is a circuit diagram of a power conversion apparatus that is
図8に示すように、ゲート駆動電圧調整回路309は、駆動回路101を含み、駆動回路101は、インタフェース(I/F)回路部106、遅延回路部103、ゲート電圧傾き可変回路部104およびゲート電圧可変回路部105を含む。
As shown in FIG. 8, the gate drive
負荷電流均等運転および負荷電流アンバランス運転における負荷電流はゲート駆動電圧を調整することで制御される。 The load current in the load current equal operation and the load current unbalance operation is controlled by adjusting the gate drive voltage.
負荷電流アンバランス判定回路308からは、各パワー半導体モジュールの調整負荷電流に対応したゲート駆動電圧調整信号がインタフェース回路106を介して、遅延回路部103、ゲート電圧傾き可変回路部104およびゲート電圧可変回路部105にそれぞれ入力される。
From the load current
遅延回路部103は、ゲート信号201の配線上における遅延量を調整し、遅延回路103からゲート電圧傾き可変回路部104に入力される各ゲート信号のタイミングを等しく合わせる。
The
ゲート電圧傾き可変回路部104は、各パワー半導体モジュールに入力されるゲート駆動電圧(Vge)の立ち上がりおよび立ち下がりの傾きdVge/dtを制御する。ゲート駆動電圧の傾きを調整することで、各パワー半導体モジュールに流れるスイッチング電流量あるいはスイッチング損失を調整することができる。
The gate voltage gradient
ゲート電圧可変回路部105は、各パワー半導体モジュールに入力されるゲート駆動電圧の波高値を制御する。ゲート駆動電圧の波高値を調整することで、各パワー半導体モジュールに流れる定常電流量あるいは定常損失を調整することができる。
The gate voltage
ここで、負荷電流均等運転時は、各パワー半導体モジュールに流れるスイッチング電流量と定常電流量が略等しくなるように各駆動回路101で、ゲート駆動電圧波形が制御される。
Here, during the load current equal operation, the gate drive voltage waveform is controlled by each
また、負荷電流アンバランス運転時において、ゲート電圧傾き可変回路部104は、各パワー半導体モジュールに入力されるゲート駆動電圧(Vge)の立ち上がりおよび立ち下がりの傾き(dVge/dt)を、各パワーモジュールのスイッチング電流の傾き(di/dt)が等しくなるように制御する。さらに、ゲート電圧可変回路部105は、各パワー半導体モジュールに入力されるゲート駆動電圧の波高値を、各パワー半導体モジュールに流れる定常電流量がアンバランスになるように制御する。
Further, during the load current imbalance operation, the gate voltage gradient
このとき、各パワー半導体モジュールに流れる定常電流量は、熱抵抗劣化が大きなパワー半導体モジュールの定常電流が、熱抵抗劣化が小さなパワー半導体モジュールの定常電流よりも小さくなるように制御される。 At this time, the amount of steady current flowing through each power semiconductor module is controlled so that the steady current of the power semiconductor module with large thermal resistance degradation is smaller than the steady current of the power semiconductor module with small thermal resistance degradation.
本実施例3によれば、二つのパワー半導体モジュールPM1,PM2のゲート駆動電圧を個別に制御することが可能となる。これにより、パワー半導体モジュールのスイッチング電流および定常電流を個別に制御することが可能となる。 According to the third embodiment, the gate drive voltages of the two power semiconductor modules PM1 and PM2 can be individually controlled. Thereby, it becomes possible to individually control the switching current and the steady current of the power semiconductor module.
負荷電流アンバランス運転において、一方のパワー半導体モジュールに過度なスイッチング電流が流れると、パワー半導体デバイスの熱破壊やサージ電圧の上昇を招く場合がある。そのため、負荷電流アンバランス運転において、スイッチング電流の傾きが等しくなるように制御し、ゲート駆動電圧の波高値をアンバランスにして、各パワー半導体モジュールの定常電流を調整して負荷電流を制御することにより、パワー半導体デバイスに過度なスイッチング電流が流れるのを回避できる。 In the load current unbalanced operation, if an excessive switching current flows through one of the power semiconductor modules, the power semiconductor device may be thermally destroyed or the surge voltage may be increased. Therefore, in load current unbalanced operation, control is performed so that the gradient of the switching current becomes equal, the peak value of the gate drive voltage is unbalanced, and the steady current of each power semiconductor module is adjusted to control the load current. Thus, it is possible to avoid an excessive switching current from flowing through the power semiconductor device.
図9は、本発明の実施例4である電力変換装置の回路図である。本実施例4の電力変換装置は、実施例1と同様に三相インバータである。以下、主に、実施例1と異なる点について説明する。 FIG. 9 is a circuit diagram of a power conversion apparatus that is Embodiment 4 of the present invention. The power conversion device according to the fourth embodiment is a three-phase inverter as in the first embodiment. Hereinafter, differences from the first embodiment will be mainly described.
図9に示すように、三相インバータを構成する各相(U相変換器301、V相変換器302、W相変換器303)は、それぞれ三つのパワー半導体モジュール20(PM1,PM2,PM3)で構成される。
As shown in FIG. 9, each phase (
パワー半導体モジュールPM1,PM2,PM3はパワー半導体モジュール内部のパワー半導体デバイスの素子温度(チップジャンクション温度)を検出する温度センサ31を具備しており、温度センサ31によって得られた温度情報が制御部304へ入力される。
The power semiconductor modules PM1, PM2, and PM3 include a
また並列接続されたパワー半導体モジュールPM1, PM2の出力端子には、負荷電流をモニタする電流センサ32を具備しており、負荷電流情報を制御部304へ入力される。
The output terminals of the power semiconductor modules PM1 and PM2 connected in parallel are provided with a
図10は、本実施例4における、パワー半導体モジュールPM1,PM2,PM3の負荷電流調整制御フローを示す。 FIG. 10 shows a load current adjustment control flow of the power semiconductor modules PM1, PM2, and PM3 in the fourth embodiment.
まず、初期稼働時において、パワー半導体モジュールPM1,PM2,PM3は、各パワー半導体モジュールPM1,PM2,PM3の負荷電流が均等となるように、運転制御される。 First, during the initial operation, the power semiconductor modules PM1, PM2, and PM3 are controlled so that the load currents of the power semiconductor modules PM1, PM2, and PM3 are equal.
次に、インバータ1030の制御部304では、稼働中、温度センサ31および電流センサ32によって、それぞれ得られる温度情報および負荷電流情報に基づいて、三つのパワー半導体モジュールPM1,PM2,PM3の熱抵抗を算出する。さらに、制御部304は、算出した現熱抵抗値と、予め制御部304に設定される初期熱抵抗値とを比較し、三つのパワー半導体モジュールPM1,PM2,PM3における熱抵増分値(現熱抵抗値−初期熱抵抗値)を算出する。ここで、初期熱抵抗値は、初期稼動時に、制御部304が同様に算出しても良いし、別の手段で予め計測して、制御部304に設定しても良い。また、初期熱抵抗値として、仕様上の熱抵抗値を用いても良い。制御部304は、パワー半導体モジュールPM1,PM2,PM3のいずれかの熱抵抗増分値が、第1の規定値(規定値1)以上であるかを判定する。
Next, in operation, the
長期間の稼働により、少なくとも1つのパワー半導体モジュールの熱抵抗増分値が規定値1以上となった場合、すなわち、パワーサイクルに伴う熱疲労によるパワー半導体モジュール内部の熱抵抗が劣化(増加)し、規定値1以上となった場合(yes)、熱抵抗が劣化しているパワー半導体モジュールの負荷電流を低減し、他のパワー半導体モジュールの負荷電流を増加する負荷電流アンバランス運転へと移行する。また、いずれのパワー半導体モジュールの熱抵抗増分値も、規定値1以上であるとは判定されなかった場合(no)、負荷電流均等運転が継続される。 When the thermal resistance increment value of at least one power semiconductor module becomes a specified value 1 or more due to long-term operation, that is, the thermal resistance inside the power semiconductor module due to thermal fatigue accompanying power cycle deteriorates (increases), When it becomes the specified value 1 or more (yes), the load current of the power semiconductor module in which the thermal resistance is deteriorated is reduced, and the operation shifts to the load current unbalance operation in which the load current of the other power semiconductor module is increased. Moreover, when it is not determined that the thermal resistance increment value of any power semiconductor module is equal to or greater than the specified value 1 (no), the load current equalization operation is continued.
運転負荷電流アンバランス運転に移行すると、次に、三つのパワー半導体モジュールPM1,PM2,PM3の熱抵抗増分値を比較し、熱抵抗増分値が最も大きいパワー半導体モジュールの熱抵抗が最も劣化していると判定する。図10中では、判定結果として、代表的な六つの場合(「熱抵抗 PM1>PM2>PM3」など)を示す。なお、次の説明において、パワー半導体モジュールPMn(n=1,2,3)のゲート駆動電圧、負荷電流および素子温度を、それぞれVg(PMn),I_PMnおよびTj(PMn)と記す。 After shifting to the operation load current unbalanced operation, the thermal resistance increment values of the three power semiconductor modules PM1, PM2, and PM3 are compared, and the thermal resistance of the power semiconductor module having the largest thermal resistance increment value is most deteriorated. It is determined that FIG. 10 shows six typical cases (“thermal resistance PM1> PM2> PM3”, etc.) as determination results. In the following description, the gate drive voltage, the load current, and the element temperature of the power semiconductor module PMn (n = 1, 2, 3) are denoted as Vg (PMn), I_PMn, and Tj (PMn), respectively.
例えば、パワー半導体モジュールPM1の熱抵抗増分値が、パワー半導体モジュールPM2の熱抵抗増分値よりも大きく、かつパワー半導体モジュールPM2の熱抵抗増分値がパワー半導体モジュールPM3の熱抵抗増分値よりも大きい場合(「熱抵抗 PM1>PM2>PM3」)、制御部304は、Vg(PM1)を前制御周期時よりも低減すると共に、Vg(PM3)>Vg(PM2)>Vg(PM1)となるように、Vg(PM1),Vg(PM2),Vg(PM3)を制御する。これにより、I_PM1,I_PM2,I_PM3はI_PM3>I_PM2>I_PM1となるように調整される。また、Tj(PM1),Tj(PM2),Tj(PM3)はTj(PM3)≧Tj(PM2)≧Tj(PM1)となる様に調整される。図10中の他の場合(「熱抵抗 PM1>PM3>PM2」など)についても同様である。
For example, when the thermal resistance increment value of the power semiconductor module PM1 is larger than the thermal resistance increment value of the power semiconductor module PM2, and the thermal resistance increment value of the power semiconductor module PM2 is larger than the thermal resistance increment value of the power semiconductor module PM3. ("Thermal resistance PM1> PM2> PM3"), the
なお、図示されていないが、パワー半導体モジュールPM1の熱抵抗増分値が、パワー半導体モジュールPM2,PM3の熱抵抗増分値よりも大きく、かつパワー半導体モジュールPM2の熱抵抗増分値とパワー半導体モジュールPM3の熱抵抗増分値が規定値1以上ではない場合、制御部304は、Vg(PM1)を前制御周期よりも低減して、I_PM1をI_PM2およびI_PM3よりも小さくなるように調整し、かつTj(PM1)をTi(PM2)およびTj(PM3)よりも小さくなるように調整しても良い。なお、パワー半導体モジュールPM2の熱抵抗増分値が、パワー半導体モジュールPM1,PM3の熱抵抗増分値よりも大きく、かつパワー半導体モジュールPM1の熱抵抗増分値とパワー半導体モジュールPM3の熱抵抗増分値が規定値1以上ではない場合や、パワー半導体モジュールPM3の熱抵抗増分値が、パワー半導体モジュールPM1,P2の熱抵抗増分値よりも大きく、かつパワー半導体モジュールPM1の熱抵抗増分値とパワー半導体モジュールPM2の熱抵抗増分値が規定値1以上ではない場合についても、同様である。
Although not shown, the thermal resistance increment value of the power semiconductor module PM1 is larger than the thermal resistance increment value of the power semiconductor modules PM2 and PM3, and the thermal resistance increment value of the power semiconductor module PM2 and the power semiconductor module PM3 When the thermal resistance increment value is not equal to or greater than the specified value 1, the
更に負荷電流アンバランス運転において、少なくとも1つのパワー半導体モジュールの熱抵抗増分値が規定値2以上となった場合、すなわち、パワー半導体モジュールPM1,PM2、PM3のいずれかの熱抵抗がシステム仕様を満足しないまで劣化したとき、パワー半導体モジュール故障と判定する。
Furthermore, in the load current unbalanced operation, when the thermal resistance increment value of at least one power semiconductor module becomes a specified
一方、負荷電流アンバランス運転において、各パワー半導体モジュールの熱抵抗増分値が規定値2以下の間、制御部304では、3つのパワー半導体モジュールPM1,PM2,PM3の熱抵増分値を算出し、熱抵抗増分値が大きいパワー半導体モジュールの負荷電流を低減するように制御する。
On the other hand, in the load current imbalance operation, while the thermal resistance increment value of each power semiconductor module is equal to or less than the specified
本実施の形態によれば、電力変換装置の並列接続された複数のパワー半導体モジュールにおいて、各モジュールの初期特性や周囲温度分布の差により、熱抵抗劣化にばらつきが発生する場合においても、熱抵抗増分情報に基づいて、劣化傾向のみられるパワー半導体モジュールの負荷電流を低減し、熱疲労の進行を抑える制御を加えることで、熱疲労に起因する各パワー半導体モジュールの寿命を均等化し、一部のパワー半導体モジュールの早期故障を回避し、パワー半導体モジュールに起因する電力変換装置の長寿命化が可能となる。 According to the present embodiment, even in the case where variations occur in thermal resistance degradation due to differences in initial characteristics and ambient temperature distribution of each module in a plurality of power semiconductor modules connected in parallel in the power converter, the thermal resistance Based on the incremental information, the load current of power semiconductor modules that tend to deteriorate is reduced, and control to suppress the progression of thermal fatigue is added to equalize the life of each power semiconductor module due to thermal fatigue. An early failure of the power semiconductor module can be avoided, and the life of the power converter resulting from the power semiconductor module can be extended.
なお、本発明は前述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置き換えをすることが可能である。 In addition, this invention is not limited to the Example mentioned above, Various modifications are included. For example, the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described. Further, it is possible to add, delete, and replace other configurations for a part of the configuration of each embodiment.
例えば、熱抵抗の計測手段は、上述の手段に限らず、公知の各種手段を適用できる。 For example, the thermal resistance measurement means is not limited to the above-described means, and various known means can be applied.
20…パワー半導体モジュール
21,22…スイッチング素子
23,24…整流素子
25…平滑コンデンサ
31…温度センサ
32…電流センサ
101…駆動回路
103…遅延回路部
104…ゲート電圧傾き可変回路部
105…ゲート電圧可変回路部
106…インタフェース(I/F)回路部
201…ゲート信号
301…U相変換器
302…V相変換器
303…W相変換器
304…制御部
305…負荷電流・電圧―損失データテーブル
306…熱抵抗記憶メモリ
307…熱抵抗算出回路
308…負荷電流アンバランス判定回路
309…ゲート駆動電圧調整回路
502…交流端子
1001…放熱フィン
1002…金属ベース
1003…絶縁基板
1004…パワー半導体デバイス
1005…樹脂ケース
1030…インバータ
DESCRIPTION OF
Claims (15)
前記複数のパワー半導体モジュールを制御する制御部と、
を備える電力変換装置において、
前記制御部は、前記複数のパワーモジュールの内、熱抵抗の増分が最も大きなパワー半導体モジュールの負荷電流を低減することを特徴とする電力変換装置。 A plurality of power semiconductor modules connected in parallel;
A control unit for controlling the plurality of power semiconductor modules;
In a power converter comprising:
The said control part reduces the load current of the power semiconductor module with the largest increment of thermal resistance among these power modules, The power converter device characterized by the above-mentioned.
前記制御部は、前記熱抵抗の増分の大きさを、熱抵抗の計測値に基づいて判定することを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1,
The said control part determines the magnitude | size of the increment of the said thermal resistance based on the measured value of thermal resistance, The power converter device characterized by the above-mentioned.
前記制御部は、前記熱抵抗の増分の大きさを、熱抵抗の計測値と初期熱抵抗値との差分である熱抵抗増分値に基づいて判定することを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1,
The said control part determines the magnitude | size of the increment of the said thermal resistance based on the thermal resistance increment value which is the difference of the measured value of thermal resistance, and an initial thermal resistance value, The power converter device characterized by the above-mentioned.
前記制御部は、前記複数のパワー半導体モジュールに関する温度情報および電力損失情報から前記熱抵抗を計測することを特徴とする電力変換装置。 In the power converter device according to claim 2 or 3,
The said control part measures the said thermal resistance from the temperature information and power loss information regarding these power semiconductor modules, The power converter device characterized by the above-mentioned.
前記複数のパワー半導体モジュールはフィン上に載置され、
前記温度情報は、各パワー半導体モジュールに設けられる温度センサおよび前記フィンに設けられる温度センサによって取得され、
前記電力損失情報は、各パワー半導体モジュールに設けられる電流センサによって取得される出力電流情報および各パワー半導体モジュールの出力電圧情報に基づいて取得されることを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 4,
The plurality of power semiconductor modules are placed on the fins,
The temperature information is acquired by a temperature sensor provided in each power semiconductor module and a temperature sensor provided in the fin,
The power loss information is obtained based on output current information obtained by a current sensor provided in each power semiconductor module and output voltage information of each power semiconductor module.
前記制御部は、前記複数のパワー半導体モジュールのいずれかの前記熱抵抗の増分が、第1の規定値以上であると判定すると、前記熱抵抗の増分が最も大きなパワー半導体モジュールの負荷電流を低減することを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1,
When the controller determines that the increment of the thermal resistance of any of the plurality of power semiconductor modules is equal to or greater than a first specified value, the control unit reduces the load current of the power semiconductor module having the largest increment of the thermal resistance. The power converter characterized by doing.
前記制御部は、前記複数のパワー半導体モジュールのいずれの前記熱抵抗の増分も、前記第1の規定値以上であると判定されない場合、前記複数のパワー半導体モジュールの負荷電流を、各パワー半導体モジュールの負荷電流が等しくなるように制御することを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 6, wherein
The control unit determines the load current of the plurality of power semiconductor modules as the power semiconductor module when the increment of the thermal resistance of any of the plurality of power semiconductor modules is not determined to be greater than or equal to the first specified value. The power converter is controlled so that the load currents are equal.
前記制御部は、他のパワー半導体モジュールの負荷電流を増加することを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 6, wherein
The said control part increases the load current of another power semiconductor module, The power converter device characterized by the above-mentioned.
前記制御部は、前記複数のパワー半導体モジュールのいずれかの前記熱抵抗の増分が、前記第1の規定値よりも大きな第2の規定値以上であると判定すると、異常時における制御を実行することを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 6, wherein
When the control unit determines that the increment of the thermal resistance of any of the plurality of power semiconductor modules is equal to or greater than a second specified value that is greater than the first specified value, the control unit executes control in an abnormal state. The power converter characterized by the above-mentioned.
前記制御部は、前記熱抵抗の増分が最も大きなパワー半導体モジュールの負荷電流が他のパワー半導体モジュールの負荷電流よりも小さくなるように、各負荷電流を制御することを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1,
The said control part controls each load current so that the load current of the power semiconductor module with the largest increment of the said thermal resistance may become smaller than the load current of another power semiconductor module, The power converter device characterized by the above-mentioned.
前記制御部は、前記複数のパワー半導体モジュールの定常電流の大きさによって、前記複数のパワー半導体モジュールの負荷電流を制御することを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1,
The said control part controls the load current of these power semiconductor modules according to the magnitude | size of the steady current of these power semiconductor modules, The power converter device characterized by the above-mentioned.
前記制御部は、前記複数のパワー半導体モジュールに与えるゲート駆動電圧の波高値によって前記定常電流の大きさを制御することを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 11,
The said control part controls the magnitude | size of the said stationary current with the peak value of the gate drive voltage given to these power semiconductor modules, The power converter device characterized by the above-mentioned.
前記制御部は、各パワー半導体モジュールのスイッチング電流が等しくなるように、前記複数のパワー半導体モジュールの負荷電流を制御することを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 11, wherein the control unit controls load currents of the plurality of power semiconductor modules such that switching currents of the power semiconductor modules are equal to each other.
前記制御部は、各パワー半導体モジュールに与える前記ゲート駆動電圧の立ち上がりおよび立下りにおける電圧の傾きによって、前記スイッチング電流を制御することを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 13, wherein the control unit controls the switching current according to a slope of a voltage at a rising edge and a falling edge of the gate drive voltage applied to each power semiconductor module. .
前記制御部は、各パワー半導体モジュールに与える前記ゲート駆動電圧のタイミングを合わせることを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 12 or 14,
The said control part matches the timing of the said gate drive voltage given to each power semiconductor module, The power converter device characterized by the above-mentioned.
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