JP2019216581A - 電力変換装置の温度計算プログラム - Google Patents
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Abstract
Description
図1に、電力変換装置1の電気回路構成例を示す。この電力変換装置1は、三相PWM(Pulse Width Modulation、パルス幅変調)インバータ装置であり、半導体スイッチ素子11〜16と、電源ライン31及び32とを備えている。両電源ライン間で、第1の上アームを構成する半導体スイッチ素子11は、第1の下アームを構成する半導体スイッチ素子14と直列に接続される。同様に、第2の上アームを構成する半導体スイッチ素子12は、第2の下アームを構成する半導体スイッチ素子15と直列に接続され、第3の上アームを構成する半導体スイッチ素子13は、第3の下アームを構成する半導体スイッチ素子16と直列に接続される。
図3に、電力変換装置1における熱回路網モデルの一例を示す。熱回路網モデルは、電気回路の概念を熱設計に持ち込んだものである。電気回路における電流、インピーダンス及び電圧はそれぞれ、熱回路網モデルにおける損失(熱流量)、熱インピーダンス及び温度差に対応する。
ΔT(t)=Z(t)×Ploss(t) (1)
T11=Ta+T(f−a)+T(c1−f)+T(j11−c1) (2)
T11=TC1+T(j11−c1) (2a)
T11=Tf+T(c1−f)+T(j11−c1) (2b)
続いて、IGBT11における温度差変化T(j11−c1)(t)の計算方法を説明する。その前提として、熱インピーダンスZ11を表す熱インピーダンスモデルは、図4に示すm次のフォスター(foster)ネットワークモデルであるとする。具体的には、m=4であり、r1〜r4は熱抵抗であり、c1〜c4は熱容量である。
しかし、ヒートシンクなど熱容量の大きな物体と、半導体のような熱容量の小さな物体とを組み合わせた計算を行う場合、計算量が増加する。熱容量の小さな物体の時定数に合わせて時間ステップを決める必要があり、熱容量の大きな物体の温度が定常に達するまでの計算ステップ数が膨大になるからである。
フーリエ級数展開を用いる本実施形態では、発生損失のジャンクション温度依存性を考慮することができるとともに、一定のパターンで動作が繰り返される前提で計算を行うことからPLECSやPSIMの計算方法に比べて計算量を減らすことが出来る。
例えば、還流ダイオードを同一チップ(同一の半導体素子)に内蔵する逆導通IGBTでは、FWD21において発生する損失P21がIGBT11において発生する損失P11に含まれることになるので、ケースCの第1部位に伝わる損失P1は単にP1=P11となる。なお、この場合の熱インピーダンスは、還流ダイオードとIGBTが合体した一つの半導体素子に対する熱インピーダンスとして与えられる。
11〜16 IGBT
21〜26 FWD
31,32 電源ライン
51 絶縁基板
71 放熱グリス
C ケース
F ヒートシンク
A 周囲
8 温度計算装置
81 損失取得部
82 次数決定部
83 フーリエ級数展開部
84 温度差変化係数計算部
85 温度差変化計算部
Claims (6)
- 電力変換装置の半導体素子における第1の損失を取得する損失取得ステップと、
前記第1の損失のフーリエ級数の最高次数である第1の次数を、前記半導体素子を覆うケースと前記半導体素子との間の熱インピーダンスに基づいて求める第1の次数決定ステップと、
前記第1の次数を最高次数とする前記第1の損失のフーリエ級数を求めるフーリエ級数展開ステップと、
前記第1の損失のフーリエ級数と前記熱インピーダンスとに基づいて、前記半導体素子における前記ケースとの温度差変化のフーリエ係数を計算する温度差変化係数計算ステップと、
前記温度差変化のフーリエ係数と前記第1の損失の平均値とを用いて前記温度差変化のフーリエ級数を求める温度差変化計算ステップと
をコンピュータに実行させる、電力変換装置の温度計算プログラム。 - 前記第1の次数決定ステップにおいて、前記第1の次数が、前記熱インピーダンスを表す熱インピーダンスモデル中の最小時定数と前記電力変換装置の動作の基本周波数とに基づいて決定される、請求項1に記載の電力変換装置の温度計算プログラム。
- 前記第1の次数決定ステップにおいて、前記第1の次数が、前記最小時定数と前記基本周波数との積の逆数と定数との積を超えない最大の整数以下の整数とし、前記定数は16以上24以下の整数である、請求項2に記載の電力変換装置の温度計算プログラム。
- 一以上の前記ケースにおける、前記ケースに接合されたヒートシンクとの温度差変化のフーリエ級数の最高次数である第2の次数を、前記第1の次数以下となるように決定する第2の次数決定ステップと、
前記ケースにおける一つ又は複数の半導体素子が関係付けられる部位における第2の損失のフーリエ級数を、前記一つ又は複数の半導体素子の各々における前記第1の損失のフーリエ級数から前記第2の次数を超える次数の項を削除したものを全て加算することにより得るステップと、
前記第2の損失のフーリエ級数と、前記ケースと前記ヒートシンクとの間の熱インピーダンスとから、前記ケースにおける前記ヒートシンクとの温度差変化のフーリエ級数を計算するケース温度差変化計算ステップと、
前記ヒートシンクにおける前記電力変換装置の周囲との温度差変化のフーリエ級数の最高次数である第3の次数を、前記第1の次数以下となるように決定する第3の次数決定ステップと、
前記ヒートシンクに接合された前記ケースの一つ又は複数の部位の各々における前記第2の損失のフーリエ級数から、前記第3の次数を超える次数の項を削除したものを全て加算することにより第3の損失のフーリエ級数を得るステップと、
前記第3の損失のフーリエ級数と、前記ヒートシンクと前記電力変換装置の周囲との間の熱インピーダンスとから、前記ヒートシンクにおける前記電力変換装置の周囲との温度差変化のフーリエ級数を計算するヒートシンク温度差計算ステップと
を前記コンピュータに更に実行させる、請求項1〜3のいずれか一項に記載の電力変換装置の温度計算プログラム。 - 電力変換装置の半導体素子における損失を、前記半導体素子のジャンクション温度の暫定値を用いて計算する損失計算ステップと、
前記損失のフーリエ級数の次数を、前記半導体素子を覆うケースと前記半導体素子との間の熱インピーダンスに基づいて求め、前記次数を最高次数とする前記損失のフーリエ級数を用いて前記半導体素子のジャンクション温度の計算値を計算するジャンクション温度計算ステップと
をコンピュータに実行させ、
前記ジャンクション温度の計算値と前記ジャンクション温度の暫定値との関係が所定の条件を満たすものとなるまで、前記損失計算ステップと前記ジャンクション温度計算ステップとが繰り返し実行され、前記ジャンクション温度の計算値が次の前記損失計算ステップにおける前記ジャンクション温度の暫定値として用いられる、電力変換装置の温度計算プログラム。 - 前記所定の条件は、前記ジャンクション温度の計算値と前記ジャンクション温度の暫定値との差が、前記ジャンクション温度計算ステップにて計算された前記半導体素子における温度差変化の1%以下である、請求項5に記載の電力変換装置の温度計算プログラム。
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CN112966391A (zh) * | 2021-03-24 | 2021-06-15 | 浙江大学 | 一种基于傅里叶解析扩散角的功率模块热阻抗建模方法 |
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JP2007043783A (ja) * | 2005-08-01 | 2007-02-15 | Fuji Electric Fa Components & Systems Co Ltd | インバータ装置 |
US20090072770A1 (en) * | 2007-09-12 | 2009-03-19 | Yo Chan Son | Power inverter module thermal management |
JP2012016259A (ja) * | 2010-06-03 | 2012-01-19 | Nissan Motor Co Ltd | 電力変換機の制御装置 |
JP2014239576A (ja) * | 2013-06-06 | 2014-12-18 | 株式会社東芝 | 電力変換装置 |
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