JP2019009959A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換器の構成部品を過熱から適切に保護しつつ、構成部品のハイスペック化を抑制することで小型化および低コスト化の実現を図った電力変換装置を得る。【解決手段】電力変換装置は、例えば半導体スイッチング素子、コンデンサ、磁性部品、制御基板およびバスバーの少なくとも１つを含む複数の部品によって構成される電力変換器と、電力変換器を構成する複数の部品を冷却する冷却器と、冷却器の冷却器温度を検出する冷却器用温度センサと、を備えて構成される。【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換器の構成部品を過熱から保護する構成を備えた電力変換装置に関する。

従来の電力変換装置は、電力変換器の構成部品を過熱から保護するために、電力変換器の構成部品の部品温度を検出する単一の温度センサの検出結果が温度閾値に達すれば、電力変換器の制御を、パワーセーブ制御または過熱停止制御に切り替えるように構成されている。なお、ここでいうパワーセーブ制御とは、通常制御よりも電力変換器の出力を低くして電力変換器を動作させる制御であり、過熱停止制御とは、電力変換器の動作を停止させる制御である。

特開２００８−１７２９３８号公報

ここで、上記のように構成された電力変換装置では、部品温度が部品上限温度に達する前に過熱停止制御が行われるようにする必要があり、電力変換器が定格動作しなければならない場合には、パワーセーブ制御が行われないようにする必要がある。

電力変換器の制御を過熱停止制御に切り替える時の温度閾値（以下、第１の温度閾値と呼ぶ）は、電力変換器を停止させる過熱停止制御を行ってから実際に電力変換器が停止するまでの遅れ時間による部品温度上昇分、温度センサによる温度検出誤差等を、部品上限温度から差し引いた値に設定しなければならない。また、電力変換器の制御をパワーセーブ制御に切り替える時の温度閾値（以下、第２の温度閾値と称す）は、電力変換器が定格動作している場合の部品温度に対して、部品の特性ばらつき、部品の温度特性、温度センサによる温度検出誤差等を考慮した値に設定しなければならない。

このように、従来の電力変換装置では、単一の温度センサによって検出された部品温度を用いて、電力変換器の制御のパワーセーブ制御または過熱停止制御への切り替えを判断している。したがって、第１の温度閾値は、第２の温度閾値よりも高くしなければ、電力変換器が定格動作している場合に電力変換器の動作が停止してしまうという問題がある。

このような問題を避けるためには、第１の温度閾値を第２の温度閾値よりも高く設定できなければならないので、電力変換器の構成部品として、耐熱性の高い部品を採用したり、低損失な部品を採用したりする必要がある。具体的には、耐熱性を向上させるために容量が大きいコンデンサを採用したり、損失を低減するためにオン抵抗およびスイッチング損失が低い半導体スイッチ素子を使用したりすることが考えられる。しかしながら、このような電力変換器の構成部品のハイスペック化は、電力変換装置のサイズアップおよびコストアップにつながるという問題がある。

一方、冷却器に異常が発生すれば構成部品を適切に冷却することができなくなるので、部品温度が上昇し、最終的には部品上限温度に達する。そこで、単一の温度センサによって検出された部品温度を用いるのではなく、冷却器が異常であるか否かによって、電力変換器の制御を過熱停止制御に切り替える構成が考えられる。なお、冷却器の異常としては、例えば、冷却器の冷却方式が水冷方式であれば、ウォーターポンプの故障、配管亀裂による水抜け等が挙げられる。

上記の構成の場合、冷却器の異常の有無を判定する技術が求められる。冷却器の異常の有無を判定する従来技術として、電力変換器の動作が停止した場合の部品温度の下がり方が、予め分かっている冷却器が正常時の部品温度の下がり方と異なれば、冷却器が異常であると判定する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ただし、特許文献１に記載の従来技術では、冷却器の異常の有無を判定することができるのは、電力変換器の動作が停止している場合に限られる。したがって、電力変換器が動作している場合に冷却器が異常であれば電力変換器の制御を過熱停止制御に切り替える上記の構成に対して、特許文献１に記載の従来技術を適用することができない。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、電力変換器の構成部品を過熱から適切に保護しつつ、構成部品のハイスペック化を抑制することで小型化および低コスト化の実現を図った電力変換装置を得ることを目的とする。

本発明における電力変換装置は、複数の部品によって構成される電力変換器と、複数の部品を冷却する冷却器と、冷却器の冷却器温度を検出する冷却器用温度センサと、を備えたものである。

本発明によれば、電力変換器の構成部品を過熱から適切に保護しつつ、構成部品のハイスペック化を抑制することで小型化および低コスト化の実現を図った電力変換装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１における電力変換装置を示す構成図である。 図１の電力変換器の構成の一例を示す回路図である。 図１の電力変換器の構成の別例を示す回路図である。 図１の冷却器が正常であって、電力変換器が通常動作している場合の、部品温度と冷却器温度の時間変化の一例を示すタイムチャートである。 図１の冷却器が異常であって、電力変換器が通常動作している場合の、部品温度と冷却器温度の時間変化の一例を示すタイムチャートである。 図１の冷却器が異常であって、電力変換器が通常動作している場合に電力変換器の制御が切り替わったときの、部品温度と冷却器温度の時間変化の一例を示すタイムチャートである。 図１の制御器の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２における電力変換装置の電力変換器を構成する複数の部品の冷却器への配置を示すレイアウト図である。 図８の冷却器内の流路の一例を示す平面図である。 図８の冷却器内の流路の別例を示す平面図である。 本発明の実施の形態３における電力変換装置の電力変換器を構成する複数の部品の冷却器への配置を示すレイアウト図である。 本発明の実施の形態４における冷却器が異常であって、電力変換器が通常動作している場合に電力変換器の制御が切り替わったときの、部品温度と冷却器温度の時間変化の一例を示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態４における制御器の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態５における電力変換装置の電力変換器を構成する複数の部品の冷却器への配置を示すレイアウト図である。 本発明の実施の形態５における冷却器が正常であって、電力変換器が通常動作している場合の、部品温度と冷却器温度の時間変化の一例を示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態５における冷却器が異常であって、電力変換器が通常動作している場合の、部品温度と冷却器温度の時間変化の一例を示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態５における冷却器が異常であって、電力変換器が通常動作している場合に電力変換器の制御が切り替わったときの、部品温度と冷却器温度の時間変化の一例を示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態５における制御器の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態６における電力変換装置の電力変換器を構成する複数の部品の冷却器への配置を示すレイアウト図である。 本発明の実施の形態６における冷却器が正常であって、電力変換器が通常動作している場合の、部品温度と冷却器温度の時間変化の一例を示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態６における冷却器が異常であって、電力変換器が通常動作している場合の、部品温度と冷却器温度の時間変化の一例を示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態６における冷却器が異常であって、電力変換器が通常動作している場合に電力変換器の制御が切り替わったときの、部品温度と冷却器温度の時間変化の一例を示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態７における電力変換装置の電力変換器を構成する複数の部品の冷却器への配置を示すレイアウト図である。

以下、本発明による電力変換装置を、好適な実施の形態にしたがって図面を用いて説明する。なお、図面の説明においては、同一部分または相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における電力変換装置３００を示す構成図である。なお、図１では、電力変換装置３００の入力側に電源装置１００が接続され、出力側に負荷装置２００が接続される場合を例示している。

電力変換装置３００は、電源装置１００から供給された電力を変換し、変換後の電力を負荷装置２００に給電する。電力変換装置３００は、電源装置１００および負荷装置２００の種類に応じて、ＤＣ−ＤＣ変換、ＤＣ−ＡＣ変換、ＡＣ−ＡＣ変換、ＡＣ−ＤＣ変換等の電力変換を行うように構成されている。

電力変換装置３００は、複数の部品によって構成されており電力を変換する電力変換器３１０と、電力変換器３１０を構成する複数の部品のうちの対象部品の温度である部品温度Ｔ０を検出する変換器用温度センサ３２０と、電力変換器３１０を構成する複数の部品を冷却する冷却器３３０と、冷却器３３０の温度である冷却器温度Ｔ１を検出する冷却器用温度センサ３４０と、電力変換器３１０の動作を制御する制御器３５０とを備える。

負荷装置２００は、電力を消費するだけの片方向負荷の形態であってもよいし、モータのような力行／回生を行う、またはバッテリのような充電／放電を行う双方向負荷の形態であってもよい。

続いて、電力変換器３１０の具体的な構成例について、図２および図３を参照しながら説明する。図２は、図１の電力変換器３１０の構成の一例を示す回路図である。図３は、図１の電力変換器３１０の構成の別例を示す回路図である。なお、以下で例示する各電力変換器の動作原理については既知のため説明を省略する。

電力変換器３１０の構成の一例として、図２に示すような昇圧コンバータ（ＤＣ−ＤＣ変換器）の形態が考えられる。具体的には、図２に示す昇圧コンバータ３１０Ａは、複数の部品として、高圧側の半導体スイッチング素子３１１Ａｈと、ダイオード３１２Ａｈと、低圧側の半導体スイッチング素子３１１Ａｌと、ダイオード３１２Ａｌと、昇圧リアクトル３１３Ａと、平滑コンデンサ３１４Ａと、平滑コンデンサ３１５Ａとを備えて構成される。

なお、半導体スイッチング素子３１１Ａｈ，３１１Ａｌとしては、例えば、シリコン半導体素子を用いたＩＧＢＴ、ワイドバンドギャップ半導体（例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、ダイヤモンド等）素子を用いたＭＯＳＦＥＴ等を用いればよい。ダイオード３１２Ａｈ，３１２Ａｌとしては、例えば、シリコン半導体素子を用いたＰＮ接合ダイオード、ワイドバンドギャップ半導体素子を用いたショットキーバリアダイオード等を用いればよい。ダイオード３１２Ａｈ，３１２Ａｌは、半導体スイッチング素子３１１Ａｈ，３１１ＡｌがＭＯＳＦＥＴである場合には、寄生ダイオードであってもよい。

電力変換器３１０の構成の別例として、図３に示すようなインバータ（ＤＣ−ＡＣ変換器）の形態が考えられる。具体的には、図３に示すインバータ３１０Ｂは、複数の部品として、高圧側の半導体スイッチング素子３１１ＢＵｈ，３１１ＢＶｈ，３１１ＢＷｈと、ダイオード３１２ＢＵｈ，３１２ＢＶｈ，３１２ＢＷｈと、低圧側の半導体スイッチング素子３１１ＢＵｌ，３１１ＢＶｌ，３１１ＢＷｌと、ダイオード３１２ＢＵｌ，３１２ＢＶｌ，３１２ＢＷｌと、平滑コンデンサ３１５Ｂとを備えて構成される。

このように、電力変換器３１０は、半導体スイッチング素子、コンデンサ、リアクトル等といった、動作中に発熱する複数の部品によって構成されている。従来の電力変換器においては、電力変換器を構成する複数の部品のそれぞれの部品温度を検出する温度センサを各部品に設け、各部品を故障から保護する。

これに対して、本実施の形態１における電力変換器３１０においては、電力変換器を構成する複数の部品のうちの対象部品の部品温度を検出する温度センサを変換器用温度センサ３２０としてその対象部品に設ける。なお、対象部品は、複数の部品のうち、電力変換器３１０の通常動作時に最も発熱が大きくなる部品とする。

次に、冷却器３３０が正常であって、電力変換器３１０が通常動作している場合の、部品温度Ｔ０と冷却器温度Ｔ１の時間変化の一例について、図４を参照しながら説明する。図４は、図１の冷却器３３０が正常であって、電力変換器３１０が通常動作している場合の、部品温度Ｔ０と冷却器温度Ｔ１の時間変化の一例を示すタイムチャートである。

時刻ｔ０において、電力変換器３１０の出力は０であり、部品温度Ｔ０と冷却器温度Ｔ１は、ほぼ等しい値になる。

時刻ｔ１において、電力変換器３１０は、最大出力Ｐ＿ｍａｘで出力を開始する。つまり、制御器３５０は、電力変換器３１０を通常動作させる通常制御に従って、電力変換器３１０の動作を制御する。電力変換器３１０が動作すると、部品は損失により発熱し、冷却器３３０は部品の発熱の影響を受けて温度上昇する。

冷却器３３０が正常である場合には、時刻ｔ２において、部品温度Ｔ０および冷却器温度Ｔ１が飽和する。以下、冷却器３３０が正常であって、電力変換器３１０が通常動作している場合に冷却器温度Ｔ１が飽和したときの温度を冷却器正常時最大温度Ｔ０＿ｍａｘと呼ぶ。

次に、冷却器３３０が異常であって、電力変換器３１０が通常動作している場合の、部品温度Ｔ０と冷却器温度Ｔ１の時間変化の一例について、図５を参照しながら説明する。図５は、図１の冷却器３３０が異常であって、電力変換器３１０が通常動作している場合の、部品温度Ｔ０と冷却器温度Ｔ１の時間変化の一例を示すタイムチャートである。なお、ここでは、冷却器３３０の異常として、冷却器３３０内の冷却水が抜けてしまう場合を想定する。

時刻ｔ０において、電力変換器３１０の出力は０であり、部品温度Ｔ０と冷却器温度Ｔ１は、ほぼ等しい値になる。

時刻ｔ１において、電力変換器３１０は、最大出力Ｐ＿ｍａｘで出力を開始する。電力変換器３１０が動作すると、部品は損失により発熱し、冷却器３３０は部品の発熱の影響を受けて温度上昇する。

冷却器３３０が異常である場合には、冷却器３３０が正常である場合と比較して、冷却器３３０の熱抵抗および熱容量が大きくなる。そのため、部品温度Ｔ０と冷却器温度Ｔ１は、図４に示す温度推移よりもゆっくりと温度上昇する。冷却器３３０の異常により、部品を冷却することができないため、冷却器温度Ｔ１とともに部品温度Ｔ０は上がり続ける。

時刻ｔ３において、部品温度Ｔ０は、部品温度の上限許容値を規定する部品上限温度Ｔ０＿ｌｉｍを超えてしまうため、電力変換器３１０が故障する虞がある。

そこで、部品温度Ｔ０が部品上限温度Ｔ０＿ｌｉｍを超えないようにするため、制御器３５０は、冷却器温度Ｔ１が過熱停止閾値Ｔｔｈ＿ｏｔ以上になった場合には、電力変換器３１０の制御を、通常制御から、電力変換器３１０の動作を停止させる過熱停止制御に切り替える。制御器３５０は、その過熱停止制御に従って、電力変換器３１０の動作を制御する。

なお、過熱停止閾値Ｔｔｈ＿ｏｔは、予め設定される値であり、例えば、上述した冷却器正常時最大温度Ｔ０＿ｍａｘよりも高く、部品上限温度Ｔ０＿ｌｉｍよりも低くなるように設定される。

次に、制御器３５０によって行われる過熱停止制御について、図６を参照しながら説明する。図６は、図１の冷却器３３０が異常であって、電力変換器３１０が通常動作している場合に電力変換器３１０の制御が切り替わったときの、部品温度Ｔ０と冷却器温度Ｔ１の時間変化の一例を示すタイムチャートである。

時刻ｔ０において、電力変換器３１０の出力は０であり、部品温度Ｔ０と冷却器温度Ｔ１は、ほぼ等しい値になる。

時刻ｔ１において、電力変換器３１０は、最大出力Ｐ＿ｍａｘで出力を開始する。電力変換器３１０が動作すると、部品は損失により発熱し、冷却器３３０は部品の発熱の影響を受けて温度上昇する。制御器３５０によって過熱停止制御が行われるまでの部品温度Ｔ０と冷却器温度Ｔ１は、図５に示す温度推移と同等の動きとなる。

時刻ｔ４において、冷却器温度Ｔ１が過熱停止閾値Ｔｔｈ＿ｏｔに達したので、制御器３５０は、電力変換器３１０の動作を停止させる過熱停止制御を行う。このような過熱停止制御が行われることで、電力変換器３１０の出力が０となる。時刻ｔ４以降では、部品の損失による発熱が無くなるため、部品温度Ｔ０が低下し、併せて冷却器温度Ｔ１も低下する。

このように、制御器３５０は、冷却器用温度センサ３４０から取得した冷却器温度Ｔ１に基づいて、対象部品の部品温度Ｔ０が部品上限温度Ｔ０＿ｌｉｍを超えないように電力変換器３１０の動作を制御する。具体的には、制御器３５０は、冷却器用温度センサ３４０から取得した冷却器温度Ｔ１に基づいて、電力変換器３１０の制御を、通常制御から過熱停止制御に切り替えて、電力変換器３１０の動作を制御する。したがって、部品温度Ｔ０が部品上限温度Ｔ０＿ｌｉｍを超えることを防止することができる。

次に、本実施の形態１における制御器３５０が、冷却器用温度センサ３４０によって検出される冷却器温度Ｔ１を用いて、電力変換器３１０の制御を切り替える動作について、図７を参照しながら説明する。図７は、図１の制御器３５０の動作を示すフローチャートである。

ステップＳ７０１において、制御器３５０は、冷却器用温度センサ３４０によって検出される冷却器温度Ｔ１を取得し、処理がステップＳ７０２へと進む。

ステップＳ７０２において、制御器３５０は、ステップＳ７０１で取得した冷却器温度Ｔ１と、過熱停止閾値Ｔｔｈ＿ｏｔを比較する。その比較の結果、冷却器温度Ｔ１が過熱停止閾値Ｔｔｈ＿ｏｔよりも小さい場合には、処理がステップＳ７０３へと進み、冷却器温度Ｔ１が過熱停止閾値Ｔｔｈ＿ｏｔ以上である場合には、処理がステップＳ７０４へと進む。

ステップＳ７０３において、制御器３５０は、電力変換器３１０の制御を通常制御として、電力変換器３１０を通常動作させる。

ステップＳ７０４において、制御器３５０は、電力変換器３１０の制御を通常制御から過熱停止制御に切り替え、電力変換器３１０の動作を停止させる。

このように、制御器３５０は、冷却器用温度センサ３４０から取得した冷却器温度Ｔ１が過熱停止閾値Ｔｔｈ＿ｏｔ以上となれば、電力変換器３１０の制御を、通常制御から過熱停止制御に切り替える。

以上、本実施の形態１によれば、電力変換装置は、電力変換器を構成する複数の部品を冷却する冷却器の冷却器温度を検出する冷却器用温度センサを備えて構成される。また、電力変換装置は、この構成に対して、冷却器用温度センサから冷却器温度を取得し、その冷却器温度に基づいて、対象部品の部品温度が部品上限温度を超えないように電力変換器の動作を制御する制御器を備えて構成される。

上記の制御器は、冷却器温度に基づいて、対象部品の部品温度が部品上限温度を超えないように電力変換器の動作を制御する具体例として、冷却器温度に基づいて、電力変換器の制御を、通常制御から過熱停止制御に切り替えて、電力変換器の動作を制御するように構成されている。

このように、冷却器用温度センサによって検出される冷却器温度を用いて冷却器が異常であると判断すれば電力変換器の動作を停止させるようにしたため、部品そのものの部品温度とは切り離して部品の過熱保護が可能となる。その結果、部品のハイスペック化を抑制することができる。

なお、本実施の形態１では、複数の部品のそれぞれに温度センサを設ける形態であってもよいし、複数の部品に個別に温度センサを設けるのではなく、電力変換器３１０の通常動作時に温度が高くなる部品にだけ温度センサを設けてもよい。ただし、後者の形態の方が、温度センサの数が少なくてすむので、コストを低減することができる。また、図７から分かるように、電力変換器３１０の制御を切り替えるにあたって、冷却器温度Ｔ１を用いる一方、部品温度Ｔ０を用いていないので、複数の部品のいずれにも温度センサを設けない形態であってもよい。

また、本実施の形態１では、電力変換器３１０の通常動作時に電力変換器３１０の出力が最大出力Ｐ＿ｍａｘとなる場合を例示したが、電力変換器３１０の出力がその他の出力となる場合であってもよい。この場合も同様に部品の過熱保護が可能となるように、適切な過熱停止閾値Ｔｔｈ＿ｏｔを設定することが望ましい。

また、冷却器温度Ｔ１が過熱停止閾値Ｔｔｈ＿ｏｔに達したと制御器３５０が判断してから、実際に電力変換器３１０の動作が停止するまでには、遮断遅れ時間が発生することが考えられる。そのため、遮断遅れの影響による温度上昇によって部品が部品上限温度に達することがないよう、適切な過熱停止閾値Ｔｔｈ＿ｏｔを設定することが重要である。

また、本実施の形態１では、電力変換器３１０の構成例として、図２に示す昇圧コンバータおよび図３に示すインバータを例示したが、これらに限定されない。すなわち、電力変換器３１０は、例えば、パワーコンディショナー等のＤＣ−ＡＣ変換器、車載用充電器等のＡＤ−ＤＣ変換器、絶縁型ＤＣ−ＤＣ変換器等の形態も考えられる。電源装置１００としては、例えば、バッテリ、燃料電池、太陽電池、系統電源等の形態であることが考えられる。これらの形態を取り得る電源装置１００および電力変換器３１０を組み合わせることで実現される電力変換装置に対して本発明が適用可能であることはいうまでもない。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２では、電力変換器３１０を構成する複数の部品を冷却器３３０に配置する際のレイアウトの第１の例について説明する。なお、本実施の形態２では、先の実施の形態１と同様である点の説明を省略し、先の実施の形態１と異なる点を中心に説明する。

図８は、本発明の実施の形態２における電力変換装置３００の電力変換器３１０を構成する複数の部品の冷却器３３０への配置を示すレイアウト図である。

なお、実施の形態２では、具体例として、電力変換器３１０の構成が先の図２に示す昇圧コンバータを想定しており、図８では、複数の部品として、半導体スイッチング素子３１１Ａ、ダイオード３１２Ａ、昇圧リアクトル３１３Ａおよび平滑コンデンサ３１４Ａ，３１５Ａが図示されている。

図８に示すように、冷却器３３０は、複数の部品を搭載する搭載面（ベースプレート）を有し、流路、すなわち内部に配設された配管８２０を、冷却水８４０が上流側から下流側に流れることで搭載面に搭載された複数の部品を冷却するように構成されている。つまり、ここでは、冷却器３３０の冷却方式は、水冷方式である場合を例示している。

具体的には、ポンプ８１０によって配管８２０内を流れる冷却水８４０が冷却器３３０の流入口８５０から流入し、冷却器３３０内に流入した冷却水８４０によって複数の部品が冷却され、その冷却水８４０が冷却器３３０の排出口８６０から排出される。排出口８６０から排出される冷却水８４０は、ラジエータ８３０によって冷却され、再び流入口８５０から冷却器３３０内に流入する。なお、ここでは、冷媒として冷却水８４０を用いたが、冷却水の代わりに、ＬＬＣ、油等の液体を用いてもよい。

冷却器用温度センサ３４０は、冷却器３３０の流路の上流側、具体的には、冷却器３３０の流入口８５０付近に配置されている。

ここで、冷却水が流入する流入口８５０付近では、複数の部品の発熱による水温上昇が小さい。そのため、冷却器用温度センサ３４０を冷却器３３０の流入口８５０付近に配置することで、上述した過熱停止閾値Ｔｔｈ＿ｏｔを低く設定することができる。この場合、冷却器３３０の異常として、例えば冷却器３３０内の冷却水が抜けてしまう異常が発生すると、電力変換器３１０の制御を、通常制御から過熱停止制御に素早く切り替えることができる。

また、冷却器用温度センサ３４０を配置する位置が冷却器３３０内を流れる冷却水の流路の上流側であればあるほど、複数の部品の発熱による水温上昇が小さくなる。そのため、冷却器用温度センサ３４０を冷却器３３０の上流側に配置することで、冷却器３３０の異常が発生すると、電力変換器３１０の制御を、通常制御から過熱停止制御により早く切り替えることができる。

次に、冷却器３３０内を流れる冷却水の流路の具体的な構成例について、図９および図１０を参照しながら説明する。図９は、図８の冷却器３３０内の流路の一例を示す平面図である。図１０は、図８の冷却器３３０内の流路の別例を示す平面図である。

図９および図１０に示すように、冷却水が流れる流路の上流８７０は、図中の破線で囲った部分である。冷却器３３０内の流路の形態が図９または図１０に示す形態である場合、冷却器用温度センサ３４０は、例えば、冷却器３３０の上流８７０側のベースプレート上に配置されていればよい。

なお、図９および図１０に示す流路の形状は一例であり、これらと形状が異なる流路においても、冷却水が排出される排出口よりも、冷却水が流入する流入口に近い方の冷却器３３０のベースプレート上に冷却器用温度センサ３４０を配置すればよい。

また、冷却器３３０のベースプレート上において、冷却器用温度センサ３４０を配置している位置付近に、複数の部品のうち、電力変換器３１０の通常動作時に最も発熱が大きくなる部品（例えば、半導体スイッチング素子３１１Ａ）を配置する。つまり、このような最も発熱が大きくなる部品を、冷却器用温度センサ３４０に可能な限り近付けて配置する。

このような構成とすることで、冷却器３３０の異常が発生した場合、その部品の損失による発熱の影響によって、冷却器用温度センサ３４０を配置している位置が加熱されやすくなる。したがって、冷却器温度Ｔ１が過熱停止閾値Ｔｔｈ＿ｏｔに達するタイミングが早くなる。その結果、電力変換器３１０の制御を通常制御から過熱停止制御に切り替えるタイミングを早めることが可能となる。

以上、本実施の形態２によれば、電力変換装置は、冷却器用温度センサが、冷却器の流路の上流側に配置されるように構成される。これにより、冷却器の異常時に電力変換器の制御を通常制御から過熱停止制御に切り替えるタイミングを早めることが可能となる。

実施の形態３．
本発明の実施の形態３では、電力変換器３１０を構成する複数の部品を冷却器３３０に配置する際のレイアウトの第２の例について説明する。なお、本実施の形態３では、先の実施の形態１、２と同様である点の説明を省略し、先の実施の形態１、２と異なる点を中心に説明する。

図１１は、本発明の実施の形態３における電力変換装置３００の電力変換器３１０を構成する複数の部品の冷却器３３０への配置を示すレイアウト図である。

なお、実施の形態３では、具体例として、電力変換器３１０の構成が先の図２に示す昇圧コンバータを想定しており、図８では、複数の部品として、半導体スイッチング素子３１１Ａ、ダイオード３１２Ａ、昇圧リアクトル３１３Ａおよび平滑コンデンサ３１４Ａ，３１５Ａが図示されている。

図１１に示すように、冷却器３３０は、先の実施の形態２と同様の構成である。ただし、冷却器用温度センサ３４０は、冷却器３３０の流路の下流側、具体的には、冷却器３３０の排出口８６０付近に配置されている。複数の部品のうち、電力変換器３１０の通常動作時に最も発熱が大きくなる部品（例えば、半導体スイッチング素子３１１Ａ）は、冷却器３３０の流入口８５０付近に配置されている。

ここで、冷却水が排出される排出口８６０付近では、複数の部品の発熱による水温上昇が大きい。具体的には、電力変換器３１０が通常動作している場合、流入口８５０の水温と比べて、排出口８６０の水温が１０℃以上高くなる場合もある。冷却器３３０の異常として、ポンプ８１０の故障等で冷却水の流量が低下する異常が発生すると、排出口８６０の水温と、流入口８５０の水温の差は、さらに顕著な値となって現れる。

したがって、冷却器用温度センサ３４０を、冷却器３３０の排出口８６０付近に配置することで、上記のような冷却器３３０の異常が発生した場合に冷却器温度Ｔ１の温度上昇が大きくなる。そのため、冷却器温度Ｔ１が過熱停止閾値Ｔｔｈ＿ｏｔに達するタイミングが早くなり、結果として、電力変換器３１０の制御を通常制御から過熱停止制御に切り替えるタイミングを早めることが可能となる。

以上、本実施の形態３によれば、電力変換装置は、冷却器用温度センサが、冷却器の流路の下流側に配置されるように構成される。これにより、冷却器の異常時に電力変換器の制御を通常制御から過熱停止制御に切り替えるタイミングを早めることが可能となる。

実施の形態４．
本発明の実施の形態４では、冷却器用温度センサ３４０によって検出される冷却器温度Ｔ１に基づいて、電力変換器３１０の制御を、パワーセーブ制御と過熱停止制御に切り替えるように制御器３５０を構成する場合について説明する。なお、本実施の形態４では、先の実施の形態１〜３と同様である点の説明を省略し、先の実施の形態１〜３と異なる点を中心に説明する。

図１２は、本発明の実施の形態４における冷却器３３０が異常であって、電力変換器３１０が通常動作している場合に電力変換器の制御が切り替わったときの、部品温度Ｔ０と冷却器温度Ｔ１の時間変化の一例を示すタイムチャートである。なお、ここでは、冷却器３３０の異常として、冷却器３３０内の冷却水が抜けてしまう場合を想定する。

時刻ｔ０において、電力変換器３１０の出力は０であり、部品温度Ｔ０と冷却器温度Ｔ１は、ほぼ等しい値になる。

時刻ｔ１において、電力変換器３１０は、最大出力Ｐ＿ｍａｘで出力を開始する。電力変換器３１０が動作すると、部品は損失により発熱し、冷却器３３０は部品の発熱の影響を受けて温度上昇する。

冷却器３３０が異常である場合には、冷却器３３０が正常である場合と比較して、冷却器３３０の熱抵抗および熱容量が大きくなる。そのため、部品温度Ｔ０と冷却器温度Ｔ１は、先の図４に示す温度推移よりもゆっくりと温度上昇する。冷却器３３０の異常により、部品を冷却することができないため、冷却器温度Ｔ１とともに部品温度Ｔ０は上がり続ける。

時刻ｔ５において、冷却器温度Ｔ１がパワーセーブ閾値Ｔｔｈ＿ｐｓに達したので、制御器３５０は、通常制御よりも電力変換器３１０の出力を低くして電力変換器３１０をパワーセーブ動作させるパワーセーブ制御を行う。パワーセーブ制御では、具体的には、電力変換器３１０の出力として、出力電圧または出力電流を制限する制御が行われる。このような制御によって、部品の損失を低減することで発熱を抑制し、部品が過熱故障することを防ぐ。

ただし、冷却器３３０の異常として、冷却器３３０内の冷却水が抜けてしまう異常、ポンプ８１０の故障等で冷却水の流量が低下する異常等が発生した場合、電力変換器３１０の制御を通常制御からパワーセーブ制御に切り替えても、部品を冷却することができない。したがって、パワーセーブ制御が行われても、部品温度Ｔ０は上がり続け、併せて、冷却器温度Ｔ１も上がり続ける。

なお、パワーセーブ閾値Ｔｔｈ＿ｐｓは、予め設定される値であり、例えば、上述した冷却器正常時最大温度Ｔ０＿ｍａｘよりも高く、過熱停止閾値Ｔｔｈ＿ｏｔよりも低くなるように設定される。

時刻ｔ６において、冷却器温度Ｔ１が過熱停止閾値Ｔｔｈ＿ｏｔに達したので、制御器３５０は、電力変換器３１０の動作を停止させる過熱停止制御を行う。このような過熱停止制御が行われることで、電力変換器３１０の出力が０となる。時刻ｔ６以降では、部品の損失による発熱が無くなるため、部品温度Ｔ０が低下し、併せて冷却器温度Ｔ１も低下する。

このように、制御器３５０は、冷却器用温度センサ３４０から取得した冷却器温度Ｔ１に基づいて、電力変換器３１０の制御を、通常制御から、パワーセーブ制御と過熱停止制御に切り替えて、電力変換器３１０の動作を制御する。したがって、部品温度Ｔ０が部品上限温度Ｔ０＿ｌｉｍを超えることを防止することができる。

次に、実施の形態４における制御器３５０が、冷却器用温度センサ３４０によって検出される冷却器温度Ｔ１を用いて、電力変換器３１０の制御を切り替える動作について、図１３を参照しながら説明する。図１３は、本発明の実施の形態４における制御器３５０の動作を示すフローチャートである。

ステップＳ１３０１において、制御器３５０は、冷却器用温度センサ３４０によって検出される冷却器温度Ｔ１を取得し、処理がステップＳ１３０２へと進む。

ステップＳ１３０２において、制御器３５０は、ステップＳ１３０１で取得した冷却器温度Ｔ１と、過熱停止閾値Ｔｔｈ＿ｏｔを比較する。その比較の結果、冷却器温度Ｔ１が過熱停止閾値Ｔｔｈ＿ｏｔよりも小さい場合には、処理がステップＳ１３０３へと進み、冷却器温度Ｔ１が過熱停止閾値Ｔｔｈ＿ｏｔ以上である場合には、処理がステップＳ１３０６へと進む。

ステップＳ１３０３において、制御器３５０は、ステップＳ１３０１で取得した冷却器温度Ｔ１と、パワーセーブ閾値Ｔｔｈ＿ｐｓを比較する。その比較の結果、冷却器温度Ｔ１がパワーセーブ閾値Ｔｔｈ＿ｐｓよりも小さい場合には、処理がステップＳ１３０４へ進み、冷却器温度Ｔ１がパワーセーブ閾値Ｔｔｈ＿ｐｓ以上である場合には、処理がステップＳ１３０５へ進む。

ステップＳ１３０４において、制御器３５０は、電力変換器３１０の制御を通常制御として、電力変換器３１０を通常動作させる。

ステップＳ１３０５において、制御器３５０は、電力変換器３１０の制御をパワーセーブ制御に切り替え、電力変換器３１０をパワーセーブ動作させる。

このように、制御器３５０は、冷却器用温度３４０センサから取得した冷却器温度Ｔ１がパワーセーブ閾値Ｔｔｈ＿ｐｓ以上となれば、電力変換器３１０の制御を、通常制御からパワーセーブ制御に切り替える。

ステップＳ１３０６において、制御器３５０は、電力変換器３１０の制御を過熱停止制御に切り替え、電力変換器３１０の動作を停止させる。

このように、制御器３５０は、冷却器用温度３４０センサから取得した冷却器温度Ｔ１がパワーセーブ閾値Ｔｔｈ＿ｐｓよりも高い過熱停止閾値Ｔｔｈ＿ｏｔ以上となれば、電力変換器３１０の制御を、パワーセーブ制御から過熱停止制御に切り替える。

以上、本実施の形態４によれば、電力変換装置の制御器は、冷却器温度に基づいて、電力変換器の制御を、通常制御から、パワーセーブ制御と過熱停止制御に切り替えて、電力変換器の動作を制御するように構成されている。

このように、冷却器用温度センサによって検出される冷却器温度を用いて冷却器が異常であると判断すれば電力変換器のパワーセーブ動作を経て電力変換器の動作を停止させるようにしたため、部品そのものの部品温度とは切り離して部品の過熱保護が可能となる。その結果、部品のハイスペック化を抑制することができる。

また、電力変換器の動作を停止させる前に、電力変換器をパワーセーブ動作させるようにしているので、電力変換器の動作可能時間を延長するとともに、電力変換器が通常動作している状態から突然停止して動かなくなることを防ぐことができる。

なお、本実施の形態４では、先の実施の形態２、３で説明したとおりに冷却器３３０のベースプレート上に冷却器用温度センサ３４０を配置してもよいし、ベースプレートの側面に冷却器用温度センサ３４０を配置してもよい。また、冷却器３３０のウォータジャケット内に冷却器用温度センサ３４０を配置してもよい。

また、冷却器３３０の冷媒を液体としてもよいし、冷却器３３０の冷媒を気体としてもよい。冷媒が気体である場合、冷却系の構成部品として、先の図８および図１１に示すようなポンプ８１０、配管８２０およびラジエータ８３０の代わりに、空冷ファン、ダクト等の機器が用いられる。

このように、水冷方式の冷却器を備えた電力変換装置だけでなく、空冷方式の冷却器を備えた電力変換装置に対しても本発明が適用可能である。冷却器３３０が空冷方式である場合、水冷方式の場合と比較して、冷却器３３０の熱抵抗および熱容量が大きくなる傾向にある。そのため、冷却器３３０が正常であって、電力変換器３１０が通常動作している場合において、部品温度Ｔ０および冷却器温度Ｔ１は、長い時定数で上昇する傾向となる。この場合の温度上昇は、冷却器３３０が異常であって、電力変換器３１０が通常動作している場合の温度上昇とは差がある。

したがって、冷却器３３０が空冷方式である場合においても、冷却器３３０が水冷方式である場合と同様に、パワーセーブ閾値Ｔｔｈ＿ｐｓおよび過熱停止閾値Ｔｔｈ＿ｏｔを設定することで、電力変換器３１０のパワーセーブ動作および過熱保護を適切に行うことができる。

なお、電力変換器３１０がパワーセーブ動作している場合の冷却器温度Ｔ１、または電力変換器３１０がパワーセーブ動作している場合の或る時間における冷却器温度Ｔ１の温度変化ΔＴ１を用いて、電力変換器３１０の動作を停止させるようにしてもよい。

冷却器３３０の正常である場合、電力変換器３１０が通常動作からパワーセーブ動作に切り替わると、部品温度Ｔ０および冷却器温度Ｔ１がともに低下し、温度変化ΔＴ１がマイナスの値となる。

一方、冷却器３３０が異常である場合、電力変換器３１０が通常動作からパワーセーブ動作に切り替わったとしても、必ずしも部品温度Ｔ０および冷却器温度Ｔ１がともに低下するとは限らない。例えば、電力変換器３１０が通常動作からパワーセーブ動作に切り替わった直後では、部品の損失が低下することで部品温度Ｔ０および冷却器温度Ｔ１が一旦低下することもあるが、冷却器３３０が異常であるため、部品を冷却することができない。その結果、時間の経過とともに、部品温度Ｔ０および冷却器温度Ｔ１が再び上昇する。

したがって、電力変換器３１０がパワーセーブ動作している場合の温度変化ΔＴ１がプラスの値となれば、冷却器３３０が異常であると判断可能である。そこで、制御器３５０は、電力変換器３１０がパワーセーブ動作している場合の温度変化ΔＴ１が、予め設定される設定閾値（例えば、０以上の値）以上となれば、電力変換器３１０の制御を過熱停止制御に切り替え、電力変換器３１０の動作を停止させる。

また、電力変換器３１０がパワーセーブ動作している場合の冷却器温度Ｔ１が、一旦低下した後に再びパワーセーブ閾値Ｔｔｈ＿ｐｓに到達すれば、冷却器３３０が異常であると判断可能である。そこで、制御器３５０は、電力変換器３１０がパワーセーブ動作している場合の冷却器温度Ｔ１が、予め設定される設定閾値（例えば、パワーセーブ閾値Ｔｔｈ＿ｐｓ以上の値）以上となれば、電力変換器３１０の制御を過熱停止制御に切り替え、電力変換器３１０の動作を停止させる。

実施の形態５．
本発明の実施の形態５では、電力変換器３１０を構成する複数の部品を冷却器３３０に配置する際のレイアウトの第３の例について説明する。なお、本実施の形態５では、先の実施の形態１〜４と同様である点の説明を省略し、先の実施の形態１〜４と異なる点を中心に説明する。

図１４は、本発明の実施の形態５における電力変換装置３００の電力変換器３１０を構成する複数の部品の冷却器３３０への配置を示すレイアウト図である。

なお、実施の形態５では、具体例として、電力変換器３１０の構成が先の図２に示す昇圧コンバータを想定しており、図１４では、複数の部品として、半導体スイッチング素子３１１Ａ、ダイオード３１２Ａ、昇圧リアクトル３１３Ａおよび平滑コンデンサ３１４Ａ，３１５Ａが図示されている。

図１４に示すように、冷却器３３０は、先の実施の形態２と同様の構成である。ただし、冷却器用温度センサ３４０は、冷却器３３０の排出口８６０付近に配置されている。また、電力変換器３１０の通常動作時に最も発熱が大きくなる部品（例えば、半導体スイッチング素子３１１Ａ）は、冷却器３３０の排出口８６０付近に配置されている。変換器用温度センサ３２０は、半導体スイッチング素子３１１Ａの部品温度を検出する。

次に、冷却器３３０が正常であって、電力変換器３１０が通常動作している場合の、部品温度Ｔ０と冷却器温度Ｔ１の時間変化の一例について、図１５を参照しながら説明する。図１５は、本発明の実施の形態５における冷却器３３０が正常であって、電力変換器３１０が通常動作している場合の、部品温度Ｔ０と冷却器温度Ｔ１の時間変化の一例を示すタイムチャートである。

時刻ｔ０において、電力変換器３１０の出力は０であり、部品温度Ｔ０と冷却器温度Ｔ１は、ほぼ等しい値になる。

時刻ｔ１において、電力変換器３１０は、最大出力Ｐ＿ｍａｘで出力を開始する。電力変換器３１０が動作すると、各部品は損失により発熱し、冷却器３３０は、各部品の発熱の影響を受けて温度上昇する。

冷却器３３０が正常である場合には、時刻ｔ２において、部品温度Ｔ０および冷却器温度Ｔ１が飽和する。先の実施の形態１で説明したとおり、冷却器３３０が正常であって、電力変換器３１０が通常動作している場合に冷却器温度Ｔ１が飽和したときの温度を冷却器正常時最大温度Ｔ０＿ｍａｘと呼ぶ。

ここで、本実施の形態５では、冷却器３３０の排出口８６０付近に冷却器用温度センサ３４０を配置しているので、各部品の発熱の影響を受けて、冷却器温度の上昇が大きくなる。したがって、流入口８５０付近に冷却器用温度センサ３４０を配置している場合と比較して、排出口８６０付近に冷却器用温度センサ３４０を配置している場合には、電力変換器３１０が通常動作しているときの部品温度Ｔ０と冷却器温度Ｔ１との差分である温度差ΔＴが小さくなる。

以下、冷却器３３０が正常であって、電力変換器３１０が通常動作している場合に、部品温度Ｔ０が飽和したときの温度と、冷却器温度Ｔ１が飽和したときの温度との差分を、冷却器正常時最大温度差ΔＴ０＿ｍａｘと呼ぶ。

次に、冷却器３３０が異常であって、電力変換器３１０が通常動作している場合の、部品温度Ｔ０と冷却器温度Ｔ１の時間変化の一例について、図１６を参照しながら説明する。図１６は、本発明の実施の形態５における冷却器３３０が異常であって、電力変換器３１０が通常動作している場合の、部品温度Ｔ０と冷却器温度Ｔ１の時間変化の一例を示すタイムチャートである。なお、ここでは、冷却器３３０の異常として、ポンプ８１０の故障等で冷却水の流量が低下する場合を想定する。

時刻ｔ０において、電力変換器３１０の出力は０であり、部品温度Ｔ０と冷却器温度Ｔ１は、ほぼ等しい値になる。

時刻ｔ１において、電力変換器３１０は、最大出力Ｐ＿ｍａｘで出力を開始する。電力変換器３１０が動作すると、部品は損失により発熱し、冷却器３３０は部品の発熱の影響を受けて温度上昇する。

冷却器３３０が異常である場合には、冷却器３３０が正常である場合と比較して、冷却器３３０の熱抵抗および熱容量が大きくなる。そのため、部品温度Ｔ０と冷却器温度Ｔ１は、図１５に示す温度推移よりもゆっくりと温度上昇する。冷却器３３０の異常により、冷却水の流量が低下しているものの、冷却水は冷却器３３０内を流れているので、部品を冷却することができる。

その結果、時刻ｔ４において、部品温度Ｔ０および冷却器温度Ｔ１が飽和する。しかしながら、時刻ｔ３において、部品温度Ｔ０は、部品上限温度Ｔ０＿ｌｉｍを超えてしまうため、電力変換器３１０が故障する虞がある。

そこで、部品温度Ｔ０が部品上限温度Ｔ０＿ｌｉｍを超えないようにするため、制御器３５０は、部品温度Ｔ０と冷却器温度Ｔ１との温度差ΔＴが過熱停止閾値ΔＴｔｈ＿ｏｔ以上になった場合には、電力変換器３１０の動作を停止させる過熱停止制御を行う。

なお、過熱停止閾値ΔＴｔｈ＿ｏｔは、予め設定される値であり、例えば、上述した冷却器正常時最大温度差ΔＴ０＿ｍａｘよりも高くなるように設定される。

次に、本実施の形態５における制御器３５０によって行われる過熱停止制御について、図１７を参照しながら説明する。図１７は、本発明の実施の形態５における冷却器３３０が異常であって、電力変換器３１０が通常動作している場合に電力変換器３１０の制御が切り替わったときの、部品温度Ｔ０と冷却器温度Ｔ１の時間変化の一例を示すタイムチャートである。

時刻ｔ０において、電力変換器３１０の出力は０であり、部品温度Ｔ０と冷却器温度Ｔ１は、ほぼ等しい値になる。

時刻ｔ１において、電力変換器３１０は、最大出力Ｐ＿ｍａｘで出力を開始する。電力変換器３１０が動作すると、部品は損失により発熱し、冷却器３３０は部品の発熱の影響を受けて温度上昇する。制御器３５０によって過熱停止制御が行われるまでの部品温度Ｔ０と冷却器温度Ｔ１は、図１６に示す温度推移と同等の動きとなる。

時刻ｔ５において、温度差ΔＴが過熱停止閾値ΔＴｔｈ＿ｏｔに達したので、制御器３５０は、電力変換器３１０の動作を停止させる過熱停止制御を行う。このような過熱停止制御が行われることで、電力変換器３１０の出力が０となる。時刻ｔ５以降では、部品の損失による発熱が無くなるため、部品温度Ｔ０は低下し、併せて冷却器温度Ｔ１も低下する。

このように、制御器３５０は、変換器用温度センサ３２０から取得した部品温度Ｔ０と、冷却器用温度センサ３４０から取得した冷却器温度Ｔ１とに基づいて、対象部品の部品温度Ｔ０が部品上限温度Ｔ０＿ｌｉｍを超えないように電力変換器３１０の動作を制御する。具体的には、制御器３５０は、変換器用温度センサ３２０から取得した部品温度Ｔ０と、冷却器用温度センサか３４０から取得した冷却器温度Ｔ１との温度差ΔＴ（＝Ｔ０−Ｔ１）を算出し、算出した温度差ΔＴに基づいて、電力変換器３１０の制御を、通常制御から過熱停止制御に切り替えて、電力変換器３１０の動作を制御する。したがって、部品温度Ｔ０が部品上限温度Ｔ０＿ｌｉｍを超えることを防止することができる。

次に、本実施の形態５における制御器３５０が、変換器用温度センサ３２０によって検出される部品温度Ｔ０と、冷却器用温度センサ３４０によって検出される冷却器温度Ｔ１を用いて、電力変換器３１０の制御を切り替える動作について、図１８を参照しながら説明する。図１８は、本発明の実施の形態５における制御器３５０の動作を示すフローチャートである。

ステップＳ１８０１において、制御器３５０は、冷却器用温度センサ３４０によって検出される冷却器温度Ｔ１を取得し、処理がステップＳ１８０２へと進む。

ステップＳ１８０２において、制御器３５０は、変換器用温度センサ３２０によって検出される部品温度Ｔ０を取得し、処理がステップＳ１８０３へと進む。

ステップＳ１８０３において、制御器３５０は、ステップＳ１８０２で取得した部品温度Ｔ０と、ステップＳ１８０１で取得した冷却器温度Ｔ１との差分である温度差ΔＴを算出し、処理がステップＳ１８０４へと進む。

ステップＳ１８０４において、ステップＳ１８０３で算出した温度差ΔＴと、過熱停止閾値ΔＴｔｈ＿ｏｔを比較する。その比較の結果、温度差ΔＴが過熱停止閾値ΔＴｔｈ＿ｏｔよりも小さい場合には、処理がステップＳ１８０５へと進み、温度差ΔＴが過熱停止閾値ΔＴｔｈ＿ｏｔ以上である場合には、処理がステップＳ１８０６へ進む。

ステップＳ１８０５において、制御器３５０は、電力変換器３１０の制御を通常制御として、電力変換器３１０を通常動作させる。

ステップＳ１８０６において、制御器３５０は、電力変換器３１０の制御を通常制御から過熱停止制御に切り替え、電力変換器３１０の動作を停止させる。

このように、制御器３５０は、温度差ΔＴが過熱停止閾値ΔＴｔｈ＿ｏｔ以上となれば、電力変換器３１０の制御を、通常制御から過熱停止制御に切り替える。

以上、本実施の形態５によれば、電力変換装置は、変換器用温度センサから部品温度を取得し、冷却器用温度センサから冷却器温度を取得し、その部品温度および冷却器温度に基づいて、対象部品の部品温度が部品上限温度を超えないように電力変換器の動作を制御する制御器を備えて構成される。

上記の制御器は、部品温度および冷却器温度に基づいて、対象部品の部品温度が部品上限温度を超えないように電力変換器の動作を制御する具体例として、部品温度と冷却器温度との温度差を算出し、算出した温度差に基づいて、電力変換器の制御を、通常制御から過熱停止制御に切り替えて、電力変換器の動作を制御するように構成されている。

このように、変換器用温度センサによって検出される部品温度と、冷却器用温度センサによって検出される冷却器温度の両方を用いて冷却器が異常であると判断すれば電力変換器の動作を停止させるようにした。したがって、部品のハイスペック化を抑制するとともに、過熱停止制御の信頼性が上がって部品が部品上限温度を超えることを防止する精度の向上が図れる。

なお、本実施の形態５では、制御器３５０は、温度差ΔＴが過熱停止閾値ΔＴｔｈ＿ｏｔ以上であれば電力変換器３１０の制御を通常制御から過熱停止制御に切り替えるように構成されている。しかしながら、信頼性をより向上させるために、制御器３５０は、温度差ΔＴが過熱停止閾値ΔＴｔｈ＿ｏｔ以上である状態の継続する時間が、予め設定される時間閾値ｔｔｈ以上であれば、電力変換器３１０の制御を通常制御から過熱停止制御に切り替えるように構成されていてもよい。

また、過熱停止閾値ΔＴｔｈ＿ｏｔおよび時間閾値ｔｔｈは、例えば、予め、電力変換器３１０の状態（出力電圧、出力電流、出力電力、入力電圧、入力電流、入力電力、部品温度特性、ばらつき、経年変動等）に応じて取りうる値を導出しておき、その値から外れた値をそれぞれの閾値として設定すればよい。

実施の形態６．
本発明の実施の形態６では、電力変換器３１０を構成する複数の部品を冷却器３３０に配置する際のレイアウトの第４の例について説明する。なお、本実施の形態６では、先の実施の形態１〜５と同様である点の説明を省略し、先の実施の形態１〜５と異なる点を中心に説明する。

図１９は、本発明の実施の形態６における電力変換装置３００の電力変換器３１０を構成する複数の部品の冷却器３３０への配置を示すレイアウト図である。

なお、実施の形態６では、具体例として、電力変換器３１０の構成が先の図２に示す昇圧コンバータを想定しており、図１９では、複数の部品として、半導体スイッチング素子３１１Ａ、ダイオード３１２Ａ、昇圧リアクトル３１３Ａおよび平滑コンデンサ３１４Ａ，３１５Ａが図示されている。

図１９に示すように、冷却器３３０は、先の実施の形態２と同様の構成である。ただし、冷却器用温度センサ３４０は、電力変換器３１０の通常動作時に冷却器温度が低くなる位置、すなわち、構成部品からの熱干渉が小さくかつ冷却水による熱引きがよい位置に配置されている。図１９では、冷却器３３０の流路の上流側、具体的には、冷却器３３０の流入口８５０付近に冷却器用温度センサ３４０が配置されている。

次に、冷却器３３０が正常であって、電力変換器３１０が通常動作している場合の、部品温度Ｔ０と冷却器温度Ｔ１の時間変化の一例について、図２０を参照しながら説明する。図２０は、本発明の実施の形態６における冷却器３３０が正常であって、電力変換器３１０が通常動作している場合の、部品温度Ｔ０と冷却器温度Ｔ１の時間変化の一例を示すタイムチャートである。

時刻ｔ０において、電力変換器３１０の出力は０であり、部品温度Ｔ０と冷却器温度Ｔ１は、ほぼ等しい値になる。

時刻ｔ１において、電力変換器３１０は、最大出力Ｐ＿ｍａｘで出力を開始する。電力変換器３１０が動作すると、各部品は損失により発熱し、冷却器３３０は、各部品の発熱の影響を受けて温度上昇する。

冷却器３３０が正常である場合には、時刻ｔ２において、部品温度Ｔ０および冷却器温度Ｔ１が飽和する。先の実施の形態１で説明したとおり、冷却器３３０が正常であって、電力変換器３１０が通常動作している場合に冷却器温度Ｔ１が飽和したときの温度を冷却器正常時最大温度Ｔ０＿ｍａｘと呼ぶ。

ここで、本実施の形態６では、構成部品からの熱干渉が小さくかつ冷却水による熱引きがよい位置に冷却器用温度センサ３４０を配置しているので、各部品の発熱の影響を受けにくく、冷却器温度の上昇がほとんどない。したがって、過熱停止閾値Ｔｔｈ＿ｏｔを低く設定することが可能となる。

次に、冷却器３３０が異常であって、電力変換器３１０が通常動作している場合の、部品温度Ｔ０と冷却器温度Ｔ１の時間変化の一例について、図２１を参照しながら説明する。図２１は、本発明の実施の形態６における冷却器３３０が異常であって、電力変換器３１０が通常動作している場合の、部品温度Ｔ０と冷却器温度Ｔ１の時間変化の一例を示すタイムチャートである。なお、ここでは、冷却器３３０の異常として、冷却器３３０内の冷却水が抜けてしまう場合を想定する。

時刻ｔ０において、電力変換器３１０の出力は０であり、部品温度Ｔ０と冷却器温度Ｔ１はほぼ等しい値になる。

時刻ｔ１において、電力変換器３１０は最大出力Ｐ＿ｍａｘで出力を開始する。電力変換器３１０が動作すると、部品は損失により発熱し、冷却器３３０は、部品の発熱の影響を受けて温度上昇する。

冷却器３３０が異常である場合には、冷却器３３０が正常である場合と比較して、冷却器３３０の熱抵抗および熱容量が大きくなる。そのため、部品温度Ｔ０と冷却器温度Ｔ１は、図２０に示す温度推移よりもゆっくりと温度上昇する。冷却器３３０の異常により、部品を冷却することができないため、冷却器温度Ｔ１とともに部品温度Ｔ０は上がり続ける。

時刻ｔ３において、部品温度Ｔ０は、部品上限温度Ｔ０＿ｌｉｍを超えてしまうため、電力変換器３１０が故障する虞がある。そこで、部品温度Ｔ０が部品上限温度Ｔ０＿ｌｉｍを超えないようにするため、制御器３５０は、冷却器用温度センサ３４０から取得した冷却器温度Ｔ１に基づいて、電力変換器３１０の動作を停止させる過熱停止制御を行う。

次に、本実施の形態６における制御器３５０によって行われる過熱停止制御について、図２２を参照しながら説明する。図２２は、本発明の実施の形態６における冷却器３３０が異常であって、電力変換器３１０が通常動作している場合に電力変換器３１０の制御が切り替わったときの、部品温度Ｔ０と冷却器温度Ｔ１の時間変化の一例を示すタイムチャートである。

時刻ｔ０において、電力変換器３１０の出力は０であり、部品温度Ｔ０と冷却器温度Ｔ１は、ほぼ等しい値になる。

時刻ｔ１において、電力変換器３１０は、最大出力Ｐ＿ｍａｘで出力を開始する。電力変換器３１０が動作すると、部品は損失により発熱し、冷却器３３０は部品の発熱の影響を受けて温度上昇する。制御器３５０によって過熱停止制御が行われるまでの部品温度Ｔ０と冷却器温度Ｔ１は、図２１に示す温度推移と同等の動きとなる。

時刻ｔ４において、冷却器温度Ｔ１が過熱停止閾値Ｔｔｈ＿ｏｔに達したので、制御器３５０は、電力変換器３１０の動作を停止させる過熱停止制御を行う。時刻ｔ４以降では、部品の損失による発熱が無くなるため、部品温度Ｔ０は低下し、併せて冷却器温度Ｔ１も低下する。

このように、制御器３５０は、冷却器用温度センサ３４０から取得した冷却器温度Ｔ１が過熱停止閾値Ｔｔｈ＿ｏｔ以上となれば、電力変換器３１０の制御を、通常制御から過熱停止制御に切り替えて、電力変換器３１０の動作を制御する。したがって、部品温度Ｔ０が部品上限温度Ｔ０＿ｌｉｍを超えることを防止することができる。

以上、本実施の形態６によれば、電力変換装置の制御器は、冷却器用温度センサから取得した冷却器温度が過熱停止閾値以上となれば、電力変換器の制御を、通常制御から過熱停止制御に切り替えるように構成されている。

このように、冷却器用温度センサによって検出される冷却器温度を用いて冷却器が異常であると判断すれば電力変換器の動作を停止させるようにしたため、部品そのものの温度部品温度とは切り離して部品の過熱保護が可能となる。その結果、部品のハイスペック化を抑制することができる。

なお、制御器３５０は、冷却器温度の温度変化ΔＴ１が過熱停止閾値ΔＴ１＿ｏｔ以上である状態の継続する時間が、時間閾値ｔ＿ΔＴ１＿ｏｔ以上となれば、電力変換器３１０の制御を、通常制御から過熱停止制御に切り替えるように構成されていてもよい。このように制御器３５０を構成した場合であっても、同様の効果が得られる。

なお、過熱停止閾値ΔＴ１＿ｏｔは、予め設定される値であり、例えば、０よりも大きい値とする。また、時間閾値ｔ＿ΔＴ１＿ｏｔは、予め設定される値であり、例えば、冷却器３３０の正常動作時の熱容量と熱抵抗から決まる時定数とする。

実施の形態７．
本発明の実施の形態７では、電力変換器３１０を構成する複数の部品を冷却器３３０に配置する際のレイアウトの第５の例について説明する。なお、本実施の形態７では、先の実施の形態１〜６と同様である点の説明を省略し、先の実施の形態１〜６と異なる点を中心に説明する。

図２３は、本発明の実施の形態７における電力変換装置３００の電力変換器３１０を構成する複数の部品の冷却器３３０への配置を示すレイアウト図である。

なお、本実施の形態７では、電力変換器３１０の構成が、先の図２に示す昇圧コンバータと先の図３に示すインバータを組み合わせた構成であることを想定しており、図２３では、複数の部品として、半導体スイッチング素子３１１Ａ，３１１Ｂ、ダイオード３１２Ａ，３１２Ｂ、昇圧リアクトル３１３Ａおよび平滑コンデンサ３１４Ａ，３１５Ａ，３１５Ｂが図示されている。

図２３に示すように、冷却器３３０は、先の実施の形態２と同様の構成である。ただし、冷却器３３０のベースプレートの両面に複数の部品が分散して配置されている。具体的には、冷却器３３０は、複数の部品を分散して搭載する、第１の搭載面および第１の搭載面に対向する第２の搭載面を有し、冷媒が流路を上流側から下流側に流れることで第１の搭載面および第２の搭載面に分散して搭載された複数の部品を冷却するように構成されている。なお、図２３では、第１の搭載面には、昇圧コンバータを構成する複数の部品が搭載され、第２の搭載面には、インバータを構成する複数の部品が搭載される場合を例示している。

冷却器用温度センサ３４０Ａは、冷却器３３０の流路の上流側、具体的には、冷却器３３０の流入口８５０付近に配置されている。冷却器用温度センサ３４０Ｂは、冷却器３３０の流路の下流側、具体的には、冷却器３３０の排出口８６０付近に配置されている。変換器用温度センサ３２０Ａは、半導体スイッチング素子３１１Ａの部品温度を検出し、変換器用温度センサ３２０Ｂは、半導体スイッチング素子３１１Ｂの部品温度を検出する。

上記のような複数の電力変換器の構成を組み合わせた電力変換器３１０を備えた電力変換装置３００に対しても、本発明が適用可能であり、先の実施の形態１〜６と同様の効果を得ることができる。また、冷却器３３０のベースプレートの両面に複数の部品を分散して配置した構成の電力変換装置３００に対しても、本発明が適用可能であり、先の実施の形態１〜６と同様の効果が得られる。

なお、本実施の形態７では、冷却器３３０のベースプレートの両面に１個ずつ冷却器用温度センサを配置する場合を例示したが、そのベースプレートの片側の面だけに冷却器用温度センサを配置してもよい。ベースプレートの両面に１個ずつ冷却器用温度センサを配置する場合には、冷却器３３０の異常を精度良く検出することができ、ベースプレートの片面に冷却器用温度センサを配置する場合には、センサの数を減らすことによる低コスト化が可能となる。

以上、本実施の形態７によれば、電力変換装置は、冷却器が電力変換器を構成する複数の部品を分散して搭載する第１の搭載面および第２の搭載面を有し、冷却器用温度センサが、冷却器の第１の搭載面および第２の搭載面の少なくとも一方に個別に配置されるように構成されている。このような構成を備えた電力変換装置３００に対しても、本発明が適用可能であり、先の実施の形態１〜６と同様の効果が得られる。

以上の実施の形態１〜７において、ワイドバンドギャップ半導体を用いて構成される半導体スイッチング素子を用いた場合、より顕著な効果が得られる。ワイドバンドギャップ半導体は、シリコン半導体と比較して高価であることが一般的であり、半導体スイッチ素子のハイスペック化を抑制することができれば、電力変換装置をより低コスト化することが可能となる。

また、以上の実施の形態１〜７では、冷却器用温度センサによって検出される冷却器温度を用いて部品を過熱から保護する場合を例示している。冷却器用温度センサ、変換器用温度センサ、構成部品の配置、過熱停止制御を行う判断方法、冷却器の冷却方式等は、様々な組合せが考えられ、これらの組合せは、各実施の形態１〜７で示した限りではない。これらを適切に組み合わせることによって、電力変換器を構成する部品が部品上限温度を超えないように部品を保護することが可能となる。

電力変換器を構成する複数の部品としては、先の実施の形態１〜７で示した半導体スイッチング素子、リアクトルおよび平滑コンデンサの他に、これらを電気的に接続する配線（例えばバスバー）、半導体スイッチング素子駆動信号を生成するマイクロコントローラ等を実装している制御基板等が考えられる。つまり、複数の部品は、半導体スイッチング素子、コンデンサ、磁性部品（例えばリアクトル）、制御基板およびバスバーの少なくとも１つを含む。複数の部品が、半導体スイッチング素子を含む場合、その半導体スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体を用いて構成されていることが望ましい。

また、先の実施の形態７で説明したとおり、複数の電力変換器の構成を組み合わせた電力変換器を備えて構成される電力変換装置に対しても本発明が適用可能である。このような電力変換装置に対して本発明を適用する場合であっても、冷却器用温度センサ、変換器用温度センサ、構成部品の配置、過熱停止制御を行う判断方法、冷却器の冷却方式等を適切に組み合わせることによって、電力変換装置を構成する部品が上限温度を超えないように部品を保護することが可能となる。

以上、本発明の実施例として、実施の形態１〜７について個別に説明したが、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜変形したり省略したりすることができる。

１００ 電源装置、２００ 負荷装置、３００ 電力変換装置、３１０ 電力変換器、３２０ 変換器用温度センサ、３３０ 冷却器、３４０ 冷却器用温度センサ、３５０ 制御器。

本発明における電力変換装置は、複数の部品によって構成される電力変換器と、複数の部品を冷却する冷却器と、冷却器の冷却器温度を検出する冷却器用温度センサと、冷却器用温度センサから冷却器温度を取得し、取得した冷却器温度に基づいて、複数の部品の部品温度が部品上限温度を超えないように電力変換器の動作を制御する制御器と、を備え、冷却器用温度センサは、複数の部品のうち、電力変換器の通常動作時に他の部品より発熱が大きくなる部品の近くになるように冷却器に配置されており、制御器は、冷却器用温度センサから取得した冷却器温度が過熱停止閾値以上となれば、電力変換器の制御を、電力変換器を通常動作させる通常制御から、電力変換器の動作を停止させる過熱停止制御に切り替えて、電力変換器の動作を制御するものである。

Claims (16)

1. 複数の部品によって構成される電力変換器と、
   前記複数の部品を冷却する冷却器と、
   前記冷却器の冷却器温度を検出する冷却器用温度センサと、
   を備えた電力変換装置。
2. 前記冷却器用温度センサから前記冷却器温度を取得し、取得した前記冷却器温度に基づいて、前記複数の部品のうちの対象部品の部品温度が部品上限温度を超えないように前記電力変換器の動作を制御する制御器をさらに備えた
   請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記制御器は、
   前記冷却器用温度センサから取得した前記冷却器温度に基づいて、前記電力変換器の制御を、前記電力変換器を通常動作させる通常制御から、前記電力変換器の動作を停止させる過熱停止制御に切り替えて、前記電力変換器の動作を制御する
   請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記制御器は、
   前記冷却器用温度センサから取得した前記冷却器温度が過熱停止閾値以上となれば、前記電力変換器の制御を、前記通常制御から前記過熱停止制御に切り替える
   請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記制御器は、
   前記冷却器用温度センサから取得した前記冷却器温度の温度変化が過熱停止閾値以上である状態の継続する時間が、時間閾値以上となれば、前記電力変換器の制御を、前記通常制御から前記過熱停止制御に切り替える
   請求項３に記載の電力変換装置。
6. 前記制御器は、
   前記冷却器用温度センサから取得した前記冷却器温度に基づいて、前記電力変換器の制御を、前記電力変換器を通常動作させる通常制御から、前記通常制御よりも前記電力変換器の出力を低くして前記電力変換器をパワーセーブ動作させるパワーセーブ制御と、前記電力変換器の動作を停止させる過熱停止制御に切り替えて、前記電力変換器の動作を制御する
   請求項２に記載の電力変換装置。
7. 前記制御器は、
   前記冷却器用温度センサから取得した前記冷却器温度がパワーセーブ閾値以上となれば、前記電力変換器の制御を、前記通常制御から前記パワーセーブ制御に切り替え、
   前記冷却器温度が前記パワーセーブ閾値よりも高い過熱停止閾値以上となれば、前記電力変換器の制御を、前記パワーセーブ制御から前記過熱停止制御に切り替える
   請求項６に記載の電力変換装置。
8. 前記複数の部品のうちの対象部品の部品温度を検出する変換器用温度センサをさらに備えた
   請求項１から７のいずれか１項に記載の電力変換装置。
9. 前記対象部品の部品温度を検出する変換器用温度センサをさらに備え、
   前記制御器は、
   前記変換器用温度センサから前記部品温度をさらに取得し、取得した前記冷却器温度および前記部品温度に基づいて、前記対象部品の前記部品温度が前記部品上限温度を超えないように前記電力変換器の動作を制御する
   請求項２に記載の電力変換装置。
10. 前記制御器は、
    前記変換器用温度センサから取得した前記部品温度と、前記冷却器用温度センサから取得した前記冷却器温度との温度差を算出し、算出した前記温度差に基づいて、前記電力変換器の制御を、前記電力変換器を通常動作させる通常制御から、前記電力変換器の動作を停止させる過熱停止制御に切り替えて、前記電力変換器の動作を制御する
    請求項９に記載の電力変換装置。
11. 前記制御器は、
    前記温度差が過熱停止閾値以上となれば、前記電力変換器の制御を、前記通常制御から前記過熱停止制御に切り替える
    請求項１０に記載の電力変換装置。
12. 前記冷却器は、
    前記複数の部品を搭載する搭載面を有し、冷媒が流路を上流側から下流側に流れることで前記搭載面に搭載された前記複数の部品を冷却するように構成され、
    前記冷却器用温度センサは、前記流路の前記上流側に配置される
    請求項１から１１のいずれか１項に記載の電力変換装置。
13. 前記冷却器は、
    前記複数の部品を搭載する搭載面を有し、冷媒が流路を上流側から下流側に流れることで前記搭載面に搭載された前記複数の部品を冷却するように構成され、
    前記冷却器用温度センサは、前記流路の前記下流側に配置される
    請求項１から１１のいずれか１項に記載の電力変換装置。
14. 前記冷却器は、
    前記複数の部品を分散して搭載する、第１の搭載面および前記第１の搭載面に対向する第２の搭載面を有し、冷媒が流路を上流側から下流側に流れることで前記第１の搭載面および前記第２の搭載面に分散して搭載された前記複数の部品を冷却するように構成され、
    前記冷却器用温度センサは、前記第１の搭載面および前記第２の搭載面の少なくとも一方に個別に配置される
    請求項１から１１のいずれか１項に記載の電力変換装置。
15. 前記複数の部品は、半導体スイッチング素子、コンデンサ、磁性部品、制御基板およびバスバーの少なくとも１つを含む
    請求項１から１４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
16. 前記複数の部品は、半導体スイッチング素子を含み、
    前記半導体スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体を用いて構成されている
    請求項１から１４のいずれか１項に記載の電力変換装置。

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