JP2017195714A - 電力変換装置及び電力変換装置の制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
このような電力変換装置としてのインバータ装置の過熱保護方法としては、スイッチング素子の発熱量と過渡熱インピーダンスから、素子ジャンクション(接合)温度の上昇を算出し、それが設定値を超えないようにインバータ出力を制御するものがある(例えば、特許文献1参照)。
電力変換装置とは、電力を制御するためのスイッチング回路を有する装置であり、電動車両に搭載されているモータ駆動用インバータ、高電圧から低電圧へ変換する降圧コンバータ、及び外部電源設備に接続して車載電池を充電する充電器等の電動パワーコンポーネントが該当する。
図1に示すように、SiC−MOSFET3aは、ドレイン、ソース、及びゲートに端子1が接続されている。SiC−MOSFET3aには、温度センサは内蔵されていない。
過渡熱インピーダンスZthは、下記の式(1)に示す通り、時間をパラメータとしており、その時定数は、オン抵抗電力損失を示す定常熱抵抗Rthと熱容量Cthとの積で決まり、定常熱抵抗Rthに収束する。この定常熱抵抗Rthとは、熱的に飽和した状態の放熱構造における熱抵抗であり、tは時間である。
Zth(t)=Rth*(1−exp(−t/Rth/Cth))・・・式(1)
Zth(t)=(T1(t)−T0)/Q1・・・・・・式(2)
T2(t)=T0+Q2*Zth(t)
=T0+Q2*Rth*(1−exp(−t/Rth/Cth))
・・・・・・式(3)
上記の従来技術のように過渡熱インピーダンスを一定とすると、SiC−MOSFET3aの実際の温度は、上記の式(3)の推定温度T2(t)より高くなってしまい、推定温度T2(t)が閾値を超える前に熱破壊を起こし、重大な事故を引き起こすおそれがある。
図2に示すように、SiC−MOSFET3aを構成するSiC−MOSFET3aのソース−ドレイン間端子間に定電流源11と電圧センサ12が並列して接続されている。制御装置20は、電力変換装置の立ち上げ時又は立ち下げ時に、SiC−MOSFET3a、3bのゲートを閉めてOFFにする。すなわち、制御装置20はSiC−MOSFET3aをスイッチング動作させずに、定電流源11を制御して、SiC−MOSFET3aのソースからドレインに大きな定電流を流させることでSiC−MOSFET3aを発熱させる(図5のステップS1)。このように、熱損失をSiC−MOSFET3aに発生させることにより、チップ温度を上昇させる。
なお、過渡熱インピーダンスZthに曲線をフィッティングさせることで抽出した定常熱抵抗Rthと熱容量Cthを記憶装置30に格納してもよい。
このように、SiC−MOSFET3aの放熱構造における過渡熱インピーダンスZthを定期的に算出して記憶し、この記憶した過渡熱インピーダンスZthを更新することで、放熱構造の劣化を考慮した温度推定が可能となり、推定精度が向上する。
次に、図6に示す本発明の実施の形態2を、上記の実施の形態1と異なる箇所のみについて説明する。
この実施の形態では、SiC−MOSFET3aのドレイン−ソースの端子間に定電圧源18と電流センサ19が並列して接続されており、定電圧源18を用いて、ソース−ドレイン間に一定電圧を印加させることで発熱させ、熱損失Qが生じない程度の一定電圧に切り替えることで、SiC−MOSFET3aのソースからドレインへ流れる電流を電流センサ19で測定する。そして、この電流の温度特性からチップ温度を推定する。
次に、図7に示す本発明の実施の形態3を、上記の実施の形態1と異なる箇所のみについて説明する。
この実施の形態では、SiC−MOSFET3aのゲート−ソース間に定電流源11及び電圧センサ12が並列に接続されている。定電流源11からゲート−ソース間に大きい定電流を通電させることで発熱させる。
次に、図8に示す本発明の実施の形態4を、上記の実施の形態1と異なる箇所のみについて説明する。
この実施の形態では、SiC−MOSFET3aのゲート−ソース間に定電圧源18及び電流センサ19が並列に接続されている。定電圧源18からゲート−ソース間に一定電圧を印加させることで発熱させる。
Claims (13)
- 半導体素子でスイッチング回路を構成する電力変換装置において、
前記半導体素子の2端子間に並列接続された電源及びセンサと、
前記2端子間の電圧又は電流と温度間の特性、及び前記半導体素子の熱損失テーブルを予め記憶した記憶装置と、
前記電力変換装置のスイッチング動作前に、前記半導体素子に熱損失が発生する電流が前記電源から前記半導体素子へ供給されるように前記電源を制御するとともに、このときの前記半導体素子の第1の熱損失を前記熱損失テーブルから求め、そして、前記半導体素子に熱損失が発生しない電流が前記電源から前記半導体素子へ供給されるように前記電源を制御するとともに、このときの前記センサで検出した電圧又は電流から前記特性に基づいて温度を求め、この求めた温度と初期温度と前記第1の熱損失とから過渡熱インピーダンスを算出し、前記電力変換装置のスイッチング動作開始後に、第2の熱損失を前記熱損失テーブルから求め、前記過渡熱インピーダンスと前記第2の熱損失と前記初期温度とから前記半導体素子の動作中温度を算出し、前記半導体素子の動作中温度が設定値を超えないように前記半導体素子の出力を制限する制御装置とを備えた
電力変換装置。 - 前記電源は定電流源であり、前記センサは電圧センサである
請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記電源は定電圧源であり、前記センサは電流センサである
請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記電源は第1及び第2の電源で構成され、前記第1の電源は前記スイッチング回路の高圧バッテリであり、前記第2の電源は定電流源であり、前記センサは電圧センサであり、
前記制御装置は、前記半導体素子のゲートをONにした状態で前記高圧バッテリから前記半導体素子へ電流が供給されることにより熱損失が発生するように制御し、その後、前記半導体素子のゲートをOFFにした状態で前記半導体素子に熱損失が発生しない電流が前記定電流源から前記半導体素子へ供給されるように前記定電流源を制御する
請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記電源は第1及び第2の電源で構成され、前記第1の電源は前記スイッチング回路の高圧バッテリであり、前記第2の電源は定電圧源であり、前記センサは電流センサであり、
前記制御装置は、前記半導体素子のゲートをONにした状態で前記高圧バッテリから前記半導体素子へ電流が供給されることにより熱損失が発生するように制御し、その後、前記半導体素子のゲートをOFFにした状態で前記半導体素子に熱損失が発生しない電流が前記定電圧源から前記半導体素子へ供給されるように前記定電圧源を制御する
請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記制御装置は、前記過渡熱インピーダンスの変動に基づいて前記半導体素子における放熱パスの劣化を検出する
請求項1、4、又は5に記載の電力変換装置。 - 前記半導体素子における放熱パス上に温度センサが実装されており、
前記制御装置は、前記温度として、前記特性から算出する代わりに、前記温度センサの出力を用いる
請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記半導体素子が実装されている絶縁基板上に温度センサが実装されており、
前記制御装置は、前記温度として、前記特性から算出する代わりに、前記温度センサの出力を用いる
請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記半導体素子がヒートシンクを用いて冷却されており、前記ヒートシンクを通過する冷媒の通路に温度センサが実装されており、
前記制御装置は、前記温度として、前記特性から算出する代わりに、前記温度センサの出力を用いる
請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記半導体素子はMOS−FETであり、前記2端子はゲートとソース、又はドレインとソースである
請求項1から9のいずれか一項に記載の電力変換装置。 - 前記半導体素子はIGBTであり、前記2端子はゲートとエミッタ、又はエミッタとコレクタである
請求項1から9のいずれか一項に記載の電力変換装置。 - 前記半導体素子はダイオードであり、前記2端子はアノードとカソードである
請求項1から9のいずれか一項に記載の電力変換装置。 - 半導体素子でスイッチング回路を構成する電力変換装置の制御方法において、
前記電力変換装置のスイッチング動作前に、前記半導体素子に熱損失が発生する電流が前記半導体素子の2端子間に並列接続された電源から前記半導体素子へ供給されるように前記電源を制御し、
このときの前記半導体素子の第1の熱損失を、記憶装置に記憶された熱損失テーブルから求め、
前記半導体素子に熱損失が発生しない電流が前記電源から前記半導体素子へ供給されるように前記電源を制御し、
このときに前記半導体素子の2端子間に並列接続されたセンサで検出した電圧又は電流から前記記憶装置に記憶された電圧又は電流と温度間の特性に基づいて温度を求め、
前記温度と初期温度と前記第1の熱損失とから過渡熱インピーダンスを算出し、
前記電力変換装置のスイッチング動作開始後に、第2の熱損失を前記熱損失テーブルから求め、
前記過渡熱インピーダンスと前記第2の熱損失と前記初期温度とから前記半導体素子の動作中温度を算出し、そして、
前記半導体素子の動作中温度が設定値を超えないように前記半導体素子の出力を制限する
電力変換装置の制御方法。
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