JP2020198662A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
実施の形態1は、電力を変換する半導体スイッチング素子と、半導体スイッチング素子を冷却する冷却器と、半導体スイッチング素子を制御する制御部と、半導体スイッチング素子の温度を検出する温度検出器と、半導体スイッチング素子に流れる電流を検出する電流検出器と、半導体スイッチング素子に印加される電圧を検出する電圧検出器とを備え、制御部は、半導体スイッチング素子のスイッチング状態と、電流検出値あるいは電圧検出値を用いて半導体スイッチング素子の損失を計算し、この損失計算値と温度検出値とから冷却器の状態を推定し、冷却器の冷却器状態に基づいて、半導体スイッチング素子に流れる電流を制限する電力変換装置に関するものである。
電力変換装置100は、電力変換回路10、および制御部50Aを備える。
実施の形態1の電力変換装置100は、電気自動車およびプラグインハイブリッド自動車などの電動車両で使用され、高電圧バッテリーの電力で動力となるモータを駆動するための電力変換装置を想定している。
電力変換装置100は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、およびMOSFET(Metal―Oxide―Semiconductor Field―Effect Transistor)等の半導体スイッチング素子を用いたスイッチング動作によって電力を変換する。
電力変換回路10の入力部は、入力平滑コンデンサ11と、昇圧リアクトル12a、12bとを備える。ここで、入力電圧をViとしている。
電力変換回路10の電力変換部は、それぞれスイッチング素子対である半導体スイッチング素子13a、13b、および半導体スイッチング素子13c、13dを備える。
図1において、半導体スイッチング素子13a、13b、13c、13dは、それぞれ半導体モジュール30a、30b、30c、30dに内蔵されている。
電力変換回路10の出力部は、出力平滑コンデンサ14を備える。ここで、出力電圧をVoとしている。
なお、半導体スイッチング素子の種類、個数、および電力変換装置の種類はこれに限ったものでなく、例えばIGBTおよびSiC−MOSFET等の半導体スイッチング素子でもよく、電力変換装置はインバータ等でもよい。
電力変換回路10の電力変換部には、半導体スイッチング素子13a〜13dの温度を検出するために、それぞれ半導体モジュール30a〜30dの内部または近傍に温度検出器としての温度検出器17a、17b、17c、17dがそれぞれ設置されている。
なお、半導体スイッチング素子13a〜13dの温度を検出する温度検出器17a〜17dは、半導体モジュール30a〜30dの内部に設置されてもよいし、半導体モジュール30a〜30dが設置される基板上に半導体モジュール30a〜30dの近傍に設置されてもよい。温度検出器はサーミスタを想定している。
電力変換回路10の出力部は、出力電圧検出器18を備える。
制御部50Aは、半導体スイッチング素子損失計算部52、冷却器状態推定部53、昇圧動作制御部54a、およびゲートドライブ回路55を備える。
なお、図1において、半導体スイッチング素子損失計算部を素子損失計算部と記載している。
入力電圧検出器15の検出値は入力電圧検出値21a、リアクトル電流検出器16a、16bの検出値はリアクトル電流検出値23a、23b、温度検出器17a〜17dの検出値は温度検出値22a〜22d、および出力電圧検出器18の検出値は出力電圧検出値21bとしている。
なお、温度検出値22a〜22dは、特に区別する必要がない場合は、適宜温度検出値22と記載する。また、リアクトル電流検出値23a、23bは、適宜リアクトル電流検出値23と記載する。
また、図1において、リアクトル電流検出値23a、23bおよび温度検出値22a〜22dの記載は省略している。
冷却器状態推定部53は、半導体スイッチング素子損失計算部52からの半導体スイッチング素子損失計算値24および温度検出器17a〜17dの温度検出値22を入力として、冷却器35の状態を推定し、冷却器状態情報25を出力する。
昇圧動作制御部54aはこれらを入力として、半導体スイッチング素子13a〜13dのオンオフによって電力変換回路10の昇圧動作を制御するためのゲート制御信号27を出力する。昇圧動作制御部54aは、また半導体スイッチング素子損失計算情報26を出力する。
図2は、冷却器35を用いた電力変換装置の一例における、半導体スイッチング素子と、温度検出器と、冷却器35との熱回路網を示したものである。
冷却器状態の変化に伴う熱抵抗あるいは電気損失と温度上昇の相関関係の変化について説明する。なお、冷却器35は水冷冷却器を想定している。
半導体モジュール30は半導体スイッチング素子13、バスバー31、はんだ32、基板33、温度検出器17から構成されている。
基板33上に半導体スイッチング素子13と温度検出器17が設置され、バスバー31は、はんだ32によって半導体スイッチング素子13上に接続されている。
また、半導体モジュール30は絶縁部材34によって冷却器35に接合されており、冷却器35は冷却水36によって冷却されている。
半導体スイッチング素子13のジャンクション部から温度検出器17へ直接の熱伝達経路となる熱抵抗を熱抵抗37、38a、38b、40としている。
冷却器35を介した熱伝達経路の熱抵抗を熱抵抗39a、39b、39c、41a、41bとしている。
また冷却水36への放熱経路の熱抵抗を熱抵抗42a、42b、42cとしている。
したがって、半導体スイッチング素子13のジャンクション温度と、温度検出器17の温度検出値と、冷却水36の温度は、一意に決まる。
図2の熱回路網を既知とすることで、温度検出器17の検出温度から半導体スイッチング素子13のジャンクション温度を推定できる。
図2では簡素化のため熱回路網を熱抵抗でのみ記載しているが、実際には熱抵抗に並列に熱容量を有する。半導体スイッチング素子13のジャンクション温度と温度検出器17の検出温度は、冷却水36が失われた温度分布を初期状態とした、熱容量が支配的な過渡温度推移となる。
制御部50Aにおいて、昇圧動作制御部54aは、入力電圧検出器15からの入力電圧検出値21aと、出力電圧検出器18からの出力電圧検出値21bと、リアクトル電流検出器16a、16bからのリアクトル電流検出値23とに基づいて、出力電圧Voが目標値となるように半導体スイッチング素子13a〜13dのスイッチングパターンを決定し、制御する。また、昇圧動作制御部54aは、冷却器状態推定部53からの冷却器状態情報25と、温度検出器17a〜17dからの温度検出値22とに基づいて、冷却器35の冷却器状態、および温度検出値22に応じて所定の保護動作を行う。
冷却器状態推定部53は半導体スイッチング素子損失計算部52の半導体スイッチング素子損失計算値24と温度検出値22とに基づいて冷却器35の冷却器状態を推定する。
半導体スイッチング素子損失計算情報26は、昇圧動作制御部54aが生成するキャリア周波数とスイッチングオン時間、またリアクトル電流検出器16a〜16bによるリアクトル電流検出値23、入力電圧検出器15による入力電圧検出値21a、出力電圧検出器18による出力電圧検出値21bに基づいて計算される。
図3は、冷却器状態推定部53の構成を示すブロック図である。
冷却器状態推定部53は、温度検出値保持部53A、温度検出値推定部53B、加減算器53C、および冷却器状態判別部53Dを備える。
温度検出値推定部53Bは、温度検出値保持部53Aが保持している過去の温度検出値22と、半導体スイッチング素子損失計算部52からの半導体スイッチング素子損失計算値24とに基づいて、現在の温度検出値を推定する。
加減算器3Cは、現在の温度検出値の推定値と温度検出値22の差分をとる。
冷却器状態判別部53Dは、加減算器53Cの出力(現在の温度検出値の推定値と温度検出値22の差分)から冷却器35の冷却器状態を判別する。
温度検出値推定部53Bは、現在の半導体スイッチング素子損失と、過去の温度検出値22と、温度検出値推定部53Bが記憶している相関関係とに基づいて、現在の検出されるべき温度検出値を推定する。「推定された検出されるべき温度検出値」を「温度検出値の推定値」と記載する。
ここで、検出されるべき温度検出値とは、冷却器35が冷却器正常状態における温度検出値とする。
時間的要素を考えなくてよい定常動作における保護を目的とするのであれば、0次(熱抵抗のみによる近似)の近似でよく、制御部50Aにおける処理負荷を低減できる。
また、電力変換回路10の出力変動が大きく時間的要素を考える必要があれば、1次以上の遅れ要素(熱抵抗と熱容量による近似)の近似が望ましい。相関関係の次数を大きくするほどより高い精度で相関関係を近似できるが、制御部50Aにおける処理負荷が大きくなるため、適切に選択する必要がある。
所定の保護動作は、温度検出値22に対して閾値を設け、この閾値を超えた場合に、半導体スイッチング素子13a〜13dを流れる電流を制限するように半導体スイッチング素子13a〜13dのスイッチングパターンを制御する。
このため、実施の形態1の電力変換装置は、冷却器状態が変化した場合においても、確実に保護動作を行うことができる。
実施の形態2の電力変換装置は、実施の形態1の電力変換装置の制御部にジャンクション温度計算部を追加して、ジャンクション温度計算値に基づく保護動作も行うようにしたものである。
実施の形態2の制御部の構成を示すブロック図である図4において、実施の形態1と同一あるいは相当部分は、同一の符号を付している。
また、実施の形態1と区別するために、電力変換装置200、制御部50B、昇圧動作制御部54bとしている。
そして、ジャンクション温度計算部56は、ジャンクション温度上昇特性選択部56A、ジャンクション温度上昇計算部56B、および加減算器56Cを備える。
ジャンクション温度計算部56の出力信号をジャンクション温度計算値29としている。さらに、ジャンクション温度上昇特性選択部56Aの出力信号をジャンクション温度上昇特性29aと、ジャンクション温度上昇計算部56Bの出力信号をジャンクション温度上昇値29bとしている。
冷却器状態推定部53は、半導体スイッチング素子損失計算部52からの半導体スイッチング素子損失計算値24および温度検出器17a〜17dの温度検出値22を入力として、冷却器35の状態を推定し、冷却器状態情報25を出力する。
昇圧動作制御部54bは、これらを入力として、半導体スイッチング素子13a〜13dのオンオフによって電力変換回路10の昇圧動作を制御するためのゲート制御信号27を出力する。昇圧動作制御部54bは、また半導体スイッチング素子損失計算情報26を出力する。
ジャンクション温度計算部56は、半導体スイッチング素子損失計算部52からの半導体スイッチング素子損失計算値24と、冷却器状態推定部53からの冷却器状態情報25と、温度検出器17a〜17dからの温度検出値22とに基づいて、半導体スイッチング素子13a〜13dのジャンクション温度を計算する。
半導体スイッチング素子損失計算部52に、ジャンクション温度計算値29を入力することで、半導体スイッチング素子損失計算部52において、あらかじめ保持するスイッチング素子および還流ダイオードを損失特性にジャンクション温度依存性を追加することができる。このため、半導体スイッチング素子損失計算部52は、さらに正確に半導体スイッチング素子損失を導出できる。
ジャンクション温度上昇特性選択部56Aは、冷却器状態推定部53からの冷却器状態情報25を入力として、冷却器35の冷却器状態に応じたジャンクション温度上昇特性29aを選択する。
ジャンクション温度上昇計算部56Bは、ジャンクション温度上昇特性選択部56Aからの
ジャンクション温度上昇特性29aと、半導体スイッチング素子損失計算部からの半導体スイッチング素子損失計算値24を入力として、ジャンクション温度上昇値29bを計算する。
加減算器56Cは、ジャンクション温度上昇計算部56Bからのジャンクション温度上昇値29bと、温度検出値22を加算することでジャンクション温度計算値29を求める。
また、ジャンクション温度上昇特性選択部56Aが選択するジャンクション温度上昇特性29aは、冷却器35の冷却器正常状態時と冷却水漏れによる冷却器異常状態時の2種類における温度上昇特性とする。
所定の保護動作は、ジャンクション温度計算値29に対して閾値を設け、この閾値を超えた場合に、半導体スイッチング素子を流れる電流を制限するように半導体スイッチング素子13a〜13dのスイッチングパターンを制御する。
このため、冷却器35の冷却器状態が変化しても正確に半導体スイッチング素子13a〜13dのジャンクション温度を推定でき、冷却器異常状態においてもジャンクション温度を監視することで確実に保護動作を行うことができる。
したがって、実施の形態2の電力変換装置は、冷却器状態が変化した場合においても、確実に保護動作を行うことができる。さらに、ジャンクション温度を監視することで確実に保護動作を行うことができる。
実施の形態3の電力変換装置は、冷却器正常を基本として、複数の冷却器異常状態を判別し、各異常状態に応じた所定の適切な保護動作を行うものである。
また、実施の形態3において、実施の形態1および2の電力変換装置の変形例を説明する。
実施の形態3に係る電力変換装置の動作について、実施の形態1および2との差異を中心に説明する。
しかし、冷却器35の異常は、冷却水の喪失だけでなく、冷却水漏れ等異なるレベルが考えられる。
実施の形態3の電力変換装置では、冷却器正常を基本として、異常状態の軽微な水漏れから冷却水の喪失までを複数の段階に分けて、各段階に対して所定の適切な保護動作を行う。
冷却器正常状態を想定した温度検出器17の温度の推定値と、温度検出値との差分に対して、冷却器35の状態に応じた複数の閾値を設けて、冷却器35の異常状態を判別する。
所定の保護動作の一例は電流制限であり、具体的には、半導体スイッチング素子13a〜13dを流れる電流を制限するように半導体スイッチング素子13a〜13dのスイッチングパターンを制御する。冷却器35の状態に応じて、電流制限値を変更、あるいは半導体スイッチング素子13a〜13dの動作を停止する。
ここで、温度検出値と各半導体スイッチング素子損失の相関関係はそれぞれ0次以上の遅れ系で近似され、温度検出値推定部53Bは、0次以上の遅れ系で近似された相関関係の和を記録する。そして、冷却器状態推定部53は相関関係の和を用いて冷却器の冷却器状態を判定する。
この構成とすることで、1つの温度検出器で複数の半導体スイッチング素子の保護を実現することができ、部品点数を増加させずに過熱保護を行うことができ、電力変換装置の低コスト化、小型化が可能になる。
ジャンクション温度の推定において、半導体スイッチング素子と温度検出器の熱的な相関は強く、他の半導体スイッチング素子からの干渉は小さいほど精度が高い。
複数の半導体スイッチング素子で電力変換装置を構成する場合、複数の半導体スイッチング素子に1つの温度検出器の組を複数組備えた構成とすることで、1つの温度検出器に対して干渉する半導体スイッチング素子の要素が減るため、ジャンクション温度の推定精度を高めることができる。
したがって、本実施の形態3の電力変換装置は、冷却器状態が変化した場合においても、確実に保護動作を行うことができる。さらに、冷却器の異常状態に応じた、最適な保護動作を行うことができる。
したがって、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
15 入力電圧検出器、16a,16b リアクトル電流検出器、
17,17a〜17d 温度検出器、18 出力電圧検出器、
21a,21b 入力電圧検出値、22 温度検出値、23 リアクトル電流検出値、
24 半導体スイッチング素子損失計算値、25 冷却器状態情報、
26 半導体スイッチング素子損失計算情報、27 ゲート制御信号、
28 ゲート駆動信号、29 ジャンクション温度計算値、
29a ジャンクション温度上昇特性、29b ジャンクション温度上昇値、
30,30a〜30d 半導体モジュール、31 バスバー、32 はんだ、
33 基板、34 絶縁部材、35 冷却器、36 冷却水、
37 熱抵抗(半導体スイッチング素子ジャンクション−基板間)、
38a〜38b 熱抵抗(基板内)、39a〜39c 熱抵抗(基板−冷却器間)、
40 熱抵抗(サーミスタ−基板間)、41a,41b 熱抵抗(冷却器内)、
42a〜42c 熱抵抗(冷却水−冷却器間)、50A,50B 制御部、
52 半導体スイッチング素子損失計算部、53 冷却器状態推定部、
53A 温度検出値保持部、53B 温度検出値推定部、53C,56C 加減算器、
53D 冷却器状態判別部、54a,54b 昇圧動作制御部、
55 ゲートドライブ回路、56 ジャンクション温度計算部、
56A ジャンクション温度上昇特性選択部、56B ジャンクション温度上昇計算部、100,200 電力変換装置。
Claims (10)
- スイッチング動作により電力を変換する半導体スイッチング素子と、前記半導体スイッチング素子を冷却する冷却器と、前記半導体スイッチング素子を制御する制御部と、前記半導体スイッチング素子の温度を検出する温度検出器と、前記半導体スイッチング素子に流れる電流を検出する電流検出器と、前記半導体スイッチング素子に印加される電圧を検出する電圧検出器とを備える電力変換装置において、
前記制御部は、前記半導体スイッチング素子のスイッチング状態と、電流検出値および電圧検出値の両方あるいはいずれか1つを用いて前記半導体スイッチング素子の損失を計算する半導体スイッチング素子損失計算部と、前記半導体スイッチング素子損失計算部の損失計算値と前記温度検出器の温度検出値とから前記冷却器の状態を推定する冷却器状態推定部とを備え、前記冷却器の冷却器状態に基づいて、前記半導体スイッチング素子に流れる電流を制限する電力変換装置。 - 前記制御部は、さらに前記温度検出値に基づいて、前記半導体スイッチング素子に流れる電流を制限する請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記冷却器状態推定部は、
過去の温度検出値を保持する温度検出値保持部と、前記保持した温度検出値と前記半導体スイッチング素子の前記損失計算値とを用いて、温度検出推定値を推定する温度検出値推定部と、
前記温度検出推定値と前記温度検出値とを比較し、前記冷却器の前記冷却器状態を推定する冷却器状態判別部と、
を備える請求項1または請求項2に記載の電力変換装置。 - 前記温度検出値推定部は、前記半導体スイッチング素子の前記損失計算値に基づいて、前記保持した温度検出値と前記温度検出推定値との相関関係を0次以上の遅れ系で近似する請求項3に記載の電力変換装置。
- 前記制御部は、前記半導体スイッチング素子の前記損失計算値と、前記冷却器状態と、前記温度検出値とに基づいて、前記半導体スイッチング素子のジャンクション温度を推定するジャンクション温度計算部を備え、
前記ジャンクション温度に基づいて、前記半導体スイッチング素子に流れる電流を制限する請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記ジャンクション温度計算部は、
前記温度検出値と前記半導体スイッチング素子のジャンクションの間の温度差と、前記半導体スイッチング素子の前記損失計算値との相関関係を、前記冷却器状態に応じて選択するジャンクション温度特性選択部と、
前記ジャンクション温度特性選択部が選択した前記相関関係と、前記半導体スイッチング素子の前記損失計算値と、前記温度検出値とを用いて、前記温度検出値と前記半導体スイッチング素子のジャンクション温度との間の温度上昇値を計算するジャンクション温度上昇計算部を備え、
前記温度検出値と前記温度上昇値とを可算することで、前記半導体スイッチング素子のジャンクション温度を推定する請求項5に記載の電力変換装置。 - 前記ジャンクション温度特性選択部が選択する前記相関関係は、0次以上の遅れ系で近似される請求項6記載の電力変換装置。
- 複数の前記半導体スイッチング素子の温度と相関がある箇所の温度を検出する1つの前記温度検出器を備えた請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 複数の前記半導体スイッチング素子の温度と相関がある箇所の温度を検出する1つの前記温度検出器を備えた前記半導体スイッチング素子と前記温度検出器との組を構成し、
前記半導体スイッチング素子と前記温度検出器との組を複数組備える請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記冷却器の前記冷却器状態は、正常状態と複数の異常状態とし、
前記複数の異常状態に基づいて、前記半導体スイッチング素子に流れる電流を制限する請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の電力変換装置。
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