JP2023073575A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】迅速に異常状態の検出を行い、スイッチング素子が動作限界温度に達して電力変換装置の故障、性能の劣化、寿命の短縮が発生することを防ぎつつ、電力変換の継続を実現する電力変換装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本願に係る電力変換装置は、スイッチング素子、スイッチング素子の温度を検出する温度センサ、スイッチング素子を制御し、予め定められた温度上昇率継続期間の間、温度センサによって検出された温度の上昇率が予め定められた温度上昇率値よりも大きい場合にスイッチング素子の作動制限を行う制御装置、を備えたものである。
【選択図】図１

Description

本願は、電力変換装置に関するものである。

電力の出力形態を変換する電力変換装置には、以下の種類のものが存在する。交流電力を直流電力へ変換するＡＣ／ＤＣコンバータ（Alternate Current/Direct Current Converter）、直流電力から交流電力へ変換するインバータ（Inverter）、直流電力の電圧と電流のレベルを変化させて出力するＤＣ／ＤＣコンバータ（Direct Current/Direct Current Converter）、である。これらの電力変換装置は、スイッチング素子を備えた構成を有する。

スイッチング素子の温度は、スイッチング素子における電力損失が増加する駆動によって上昇する。すなわち、電力変換装置が大電力を出力する場合、スイッチング周波数を高めて駆動する場合、等にスイッチング素子の温度が上昇する。

また、スイッチング素子の温度は、電力変換装置が配置される環境にも依存する。電力変換装置は、スイッチング素子の発熱部を冷却する冷却器を備えている。電力変換装置が配置される環境によっては、冷却器の冷却媒体の温度が高くなる。そのため、スイッチング素子の温度がより一層上昇する。特に、冷却器に冷却媒体を流入させる装置の故障等により、冷却媒体の流入が停止すると、冷却器から熱を放出できなくなる。このため、スイッチング素子の温度が急激に上昇し続けることがある。

電力変換装置におけるスイッチング素子の配置環境に関連し、異常状態により、スイッチング素子の温度が上昇し続ける場合が想定される。その場合、スイッチング素子の動作限界温度に達する可能性がある。スイッチング素子の温度が過度に上昇すると、電力変換装置の故障、性能の劣化、寿命の短縮が考えられる。この対策として、温度センサによってスイッチング素子の温度を監視し、温度が閾値に達すると電力変換装置の負荷率を制限する技術が提案されている（例えば、特許文献１）。

国際公開第２０１２／１２４０７３号

特許文献１に開示された従来の技術は、スイッチング素子の温度を測定する温度センサを設け、温度センサの出力を監視するものである。温度センサにより検出したスイッチング素子の温度が所定の閾値を超えた場合に、電力変換装置（インバータ）で駆動する回転電機の負荷率を制限し、スイッチング素子の過熱保護を図っている。

特許文献１は、温度検出値が予め定められた閾値を超えた場合に、電力変換装置の駆動条件を変更するように操作し、スイッチング素子の温度上昇を抑制する技術である。この閾値は、電力変換装置の駆動条件、配置環境、温度センサの判定誤差、スイッチング素子の発熱量のバラつき、冷却媒体の流入量のバラつき、等を加味して余裕を持って設けられる。

電力変換装置が正常なときに異常を誤判定しないように、閾値は高めに設定される。そのため、電力変換装置が異常となった場合、高めに設けられた閾値に温度検出値が達するまでの時間が長くなる。すなわち、異常が発生してから判定するまで遅れ時間が発生することとなる。スイッチング素子の過熱状態の検出が遅延することによって、電力変換装置の故障、性能の劣化、寿命の短縮の怖れが生じる。

本願は、これらの課題を解決するための技術を開示するものであり、温度センサから検出したスイッチング素子の温度に基づいて温度の上昇率を求め異常状態の検出を行う。これにより、迅速に異常状態の検出を行い、スイッチング素子が動作限界温度に達して電力変換装置の故障、性能の劣化、寿命の短縮が発生することを防ぎつつ、電力変換の継続を実現する電力変換装置を提供することを目的とする。

本願に係る電力変換装置は、
スイッチング素子、
スイッチング素子の温度を検出する温度センサ、
スイッチング素子を制御し、予め定められた温度上昇率継続期間の間、温度センサによって検出された温度の上昇率が予め定められた温度上昇率値よりも大きい場合にスイッチング素子の作動制限を行う制御装置、を備えたものである。

本願に係る電力変換装置によれば、温度センサから検出したスイッチング素子の温度に基づいて温度の上昇率を求め異常状態の検出を行う。これにより、迅速に異常状態の検出を行い、スイッチング素子が動作限界温度に達して電力変換装置の故障、性能の劣化、寿命の短縮が発生することを防ぎつつ、電力変換の継続を実現することができる。

実施の形態１に係る電力変換装置の構成図である。 実施の形態１に係る電力変換装置の制御装置のハードウェア構成図である。 実施の形態１に係る電力変換装置の制御装置の機能ブロック図である。 実施の形態１に係る電力変換装置の制御装置の出力抑制部の機能ブロック図である。 実施の形態１に係る電力変換装置のスイッチング素子の温度と温度検出値の推移を示す図である。 実施の形態１に係る電力変換装置のスイッチング素子の温度上昇率の推移を示す図である。 実施の形態１に係る電力変換装置のスイッチング素子の温度上昇率、温度上昇率継続期間および判定値を示す図である。 比較例に係る電力変換装置のスイッチング素子の温度と判定温度を示す図である。 実施の形態１に係る電力変換装置のスイッチング素子の作動制限までの温度の推移を示す図である。 実施の形態１に係る電力変換装置のスイッチング素子の作動制限までの温度上昇率の推移を示す図である。 実施の形態１に係る電力変換装置のスイッチング素子の作動制限時の温度の推移を示す図である。 実施の形態１に係る電力変換装置のスイッチング素子の作動制限時の温度上昇率の推移を示す図である。 実施の形態１に係る電力変換装置のスイッチング素子の温度上昇率のばらつきを説明する図である。 実施の形態２に係る電力変換装置のスイッチング素子の温度上昇率、温度上昇率継続期間および判定値を示す図である。 実施の形態３に係る電力変換装置の制御装置の出力抑制部の機能ブロック図である。

以下、本願に係る電力変換装置の実施の形態１から３による電力変換装置について説明する。なお、各図において、同一部分または相当部分には同一符号を付している。また、各実施の形態では、交流電動機を駆動させるＵ相、Ｖ相およびＷ相を有した三相インバータに対して適用した電力変換装置を例示している。

１．実施の形態１
＜スイッチング素子＞
半導体スイッチング素子（以下、スイッチング素子と称する）には、一方向のみに電流を流すダイオード、大電流を扱うことに適したサイリスタ、高いスイッチング周波数で動作可能なパワートランジスタが存在する。スイッチング素子のうち、特に、パワートランジスタは、自動車、冷蔵庫、エアーコンディショナー等の幅広い分野に用いられている。パワートランジスタの中には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳ－ＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）等があり、これらのパワートランジスタは様々な用途により使い分けられている。

スイッチング素子の材料として、近年、炭化ケイ素（ＳｉＣ：Silicon Carbide）、窒化ガリウム（ＧａＮ：Gallium Nitride）といったワイドバンドギャップ半導体（Wide Band Gap Semiconductor）が注目されている。これらの材料により形成されたスイッチング素子は、従来のシリコン（Ｓｉ：Silicon）を用いたスイッチング素子に比べ、オン状態におけるスイッチング素子の抵抗値が低く、電力損失を低減することができる。また、電子飽和速度が高く、オンおよびオフの状態の切り替えが素早く、電力損失を低減することができる。

シリコンと比較し、炭化ケイ素もしくは窒化ガリウムを用いたスイッチング素子は、より高温の環境下で駆動することが可能である。しかしながら、スイッチング素子の動作限界温度が定まっており、この動作限界温度を超えてもなお駆動し続けると、スイッチング素子が破損する可能性がある。

電力変換装置におけるスイッチング素子の配置環境に関連し、異常状態により、スイッチング素子等の温度が上昇し続ける場合が想定される。その場合、スイッチング素子の動作限界温度に達する可能性がある。スイッチング素子の温度が過度に上昇すると、電力変換装置の故障、性能の劣化、寿命の短縮が考えられる。この場合、電力変換装置を停止させることで、スイッチング素子の温度、および冷却媒体の温度を冷やすことは可能である。

しかしながら、自動車に搭載されている電力変換装置は、車両の駆動源である回転電機を駆動するために用いられる場合がある。このような場合に、運転中に突然駆動源を停止させることはできない。また、電力変換装置は、自動車に搭載されている電動パワーステアリング装置に用いられる場合がある。電動パワーステアリング装置は自動車の操舵をアシストするモータを制御しており、電力変換装置を自動車の運転中に突然停止させることは望ましくない。スイッチング素子が高温状態であっても、スイッチング素子を破損させずに電力変換装置を駆動させ続ける必要がある。

以上述べたように、電力変換装置の駆動条件、配置環境等により、スイッチング素子の温度は、スイッチング素子が破損する温度まで上昇する可能性がある。スイッチング素子が破損する温度を、以下、動作限界温度と称する。したがって、スイッチング素子が動作限界温度に達することを防ぎ、電力変換装置を駆動させ続けるためには、電力変換装置を適正な駆動条件、配置環境で駆動させる必要がある。

特に、電力変換装置を構成するスイッチング素子の配置環境において、冷却器とスイッチング素子との熱伝導が阻害された場合、冷却器に流れる冷却媒体の流入が停止した場合、または冷却媒体が消失した場合等の冷却器の異常状態（以下、異常状態と称する）を遅滞なく検出する必要がある。これらの異常状態に際して、電力変換装置の駆動条件を変更して制御することで、スイッチング素子が動作限界温度に達することを回避する必要がある。

従来は、温度検出値が予め定められた閾値を超えた場合に、電力変換装置の駆動条件を変更するように操作し、スイッチング素子の温度上昇を抑制していた。この閾値は、電力変換装置の駆動条件、配置環境、温度センサの判定誤差、スイッチング素子の発熱量のバラつき、冷却媒体の流入量のバラつき、等を加味して余裕を持って設けられる。

電力変換装置が正常なときに異常を誤判定しないように、閾値は高めに設定される。そのため、電力変換装置が異常となった場合、高めに設けられた閾値に温度検出値が達するまでの時間が長くなる。すなわち、異常が発生してから判定するまで遅れ時間が発生することとなる。スイッチング素子の過熱状態の検出が遅延することによって、電力変換装置の故障、性能の劣化、寿命の短縮の怖れが生じる。

特に冷却媒体の流入の停止、或いは冷却媒体が消失する故障の場合、半導体スイッチング素子の温度は急激に上昇し続ける。このため、異常が発生してから判定するまでの時間に比例して、半導体スイッチング素子の到達温度が高くなる。従来の技術においてスイッチング素子の破損を防止するには、より耐熱性の高いスイッチング素子、或いは低損失のスイッチング素子、等の高価なスイッチング素子が必要となりコストが高くなる。

＜電力変換装置の構成＞
図１は、実施の形態１に係る電力変換装置１００の構成図である。図１において、電力変換装置１００は、電源部２、電力変換部３、冷却器４、回転角センサ５、電動機温度センサ６、スイッチング素子温度センサ７、指令発生器８および制御装置９を備える。電動機１は、電力変換装置１００の負荷装置である。負荷装置は、電動機１に限るものではなく、電動機１以外であってよい。

電動機１は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）方式により制御される。電動機１は、例えば車載用の電動機である。ここで、車載用の電動機とは具体的には、車両を駆動するための駆動用電動機、電動ファン、オイルポンプ、ウォーターポンプ、および車両のステアリング操作をアシストするための電動パワーステアリング装置等に用いられる電動機である。また、電動機１は、車載用の電動機に限らず、車載用以外の電動機であってもよい。

以下、電動機１がロータおよびステータを有する三相ブラシレスモータであるものとして説明する。ロータ（不図示）は、円板状の部材であり、その表面に固定された永久磁石からなる界磁磁極を有している。ステータは、内部にロータを相対回転可能に収容している。ステータは、予め設定された角度ごとにロータ側へ突出する複数の突出部を有し、この突出部にＵ相コイル１１、Ｖ相コイル１２、およびＷ相コイル１３が巻回されている。

電源部２は、電動機１の駆動用電源であり、直流電力を電力変換部３に出力する。電源部２の具体的な構成例として、電源部２は、直流電力を出力する直流電源の一例であるバッテリ２１と、平滑コンデンサ２２と、チョークコイル２３とを有する。

平滑コンデンサ２２およびチョークコイル２３は、バッテリ２１と後述するインバータ部３１との間に配置され、パワーフィルタを構成している。このように構成することで、バッテリ２１を共有する他の装置からインバータ部３１側へ伝わるノイズを低減するとともに、インバータ部３１側からバッテリ２１を共有する他の装置へ伝わるノイズを低減することができる。平滑コンデンサ２２は、電荷を蓄えることで、スイッチング素子３１１～３１６への電力供給を補助し、さらに、サージ電流等のノイズ成分を抑制する。また、電源部２は、制御装置９にも電力を供給する（不図示）。

電力変換部３は、電源部２から供給された直流電力を交流電力に変換し、変換後の交流電力を電動機１に出力する。電力変換部３の具体的な構成例として、電力変換部３は、インバータ部３１、電流検出器３２、増幅回路３３および駆動回路３４を有する。

インバータ部３１は、上アームおよび下アームのそれぞれにスイッチング素子を有する複数のハーフブリッジ回路が並列に接続されている。スイッチング素子３１１～３１６が、ＰＷＭ信号にしたがってオンおよびオフに切り替え制御される。これによって、電源部２から出力された直流電力を交流電力に変換し、変換後の交流電力を電動機１に出力する。

図１では、インバータ部３１は、３つのハーフブリッジ回路によって構成される場合が例示されている。インバータ部３１は、スイッチング素子３１１～３１６を含む三相インバータである。Ｕ相コイル１１、Ｖ相コイル１２、およびＷ相コイル１３のそれぞれへの通電を切り替えるべく、６つのスイッチング素子３１１～３１６がブリッジ接続されている。スイッチング素子３１１～３１６としては、電界効果トランジスタの一種であるＭＯＳ－ＦＥＴを用いればよい。或いは、ＭＯＳ－ＦＥＴとは異なるその他のトランジスタまたはＩＧＢＴ等を用いてもよい。

３つのスイッチング素子３１１、３１２、３１３のドレインは、バッテリ２１の正極側に接続されている。スイッチング素子３１１、３１２、３１３のソースは、それぞれスイッチング素子３１４、３１５、３１６のドレインに接続されている。スイッチング素子３１４、３１５、３１６のソースは、バッテリ２１の負極側に接続されている。

一対のスイッチング素子３１１およびスイッチング素子３１４を接続する接続点は、電動機１のＵ相コイル１１の一端に接続されている。また、一対のスイッチング素子３１２およびスイッチング素子３１５を接続する接続点は、電動機１のＶ相コイル１２の一端に接続されている。さらに、一対のスイッチング素子３１３およびスイッチング素子３１６を接続する接続点は、電動機１のＷ相コイル１３の一端に接続されている。

インバータ部３１の高電位側に配置される３つのスイッチング素子３１１、３１２、３１３は、それぞれ、Ｕ相上アーム、Ｖ相上アーム、Ｗ相上アームのスイッチング素子を構成する。インバータ部３１の低電位側に配置されている３つのスイッチング素子３１４、３１５、３１６は、それぞれ、Ｕ相下アーム、Ｖ相下アーム、Ｗ相下アームのスイッチング素子を構成している。

電流検出器３２は、Ｕ相電流検出部３２１、Ｖ相電流検出部３２２およびＷ相電流検出部３２３により構成されている。Ｕ相電流検出部３２１、Ｖ相電流検出部３２２およびＷ相電流検出部３２３は、例えば、シャント抵抗を用いて構成される。Ｕ相電流検出部３２１は、Ｕ相コイル１１に流れるＵ相電流Ｉｕに対応するＵ相電流検出値を出力する。Ｖ相電流検出部３２２は、Ｖ相コイル１２に流れるＶ相電流Ｉｖに対応するＶ相電流検出値を出力する。Ｗ相電流検出部３２３は、Ｗ相コイル１３に流れるＷ相電流Ｉｗに対応するＷ相電流検出値を出力する。なお、以下の説明では、Ｕ相電流検出値、Ｖ相電流検出値、Ｗ相電流検出値を総称して電流検出値と称することがある。

なお、図示していないが、電流検出器３２に代えて、または電流検出器３２とともに、スイッチング素子３１１～３１６に印加される電圧を検出する電圧検出器を設けてもよい。この場合、電力変換部３の出力状態は、電流検出器３２の検出値と、電圧検出器の検出値と、電力変換装置の出力を指令する指令値と、のうちの少なくとも一つに基づいて演算される。

Ｕ相電流検出部３２１、Ｖ相電流検出部３２２およびＷ相電流検出部３２３からそれぞれ出力されたＵ相電流検出値、Ｖ相電流検出値、Ｗ相電流検出値は、増幅回路３３を経由して、制御装置９へ入力される。増幅回路３３は、Ｕ相電流検出値、Ｖ相電流検出値、Ｗ相電流検出値を、制御装置９内で処理可能な適正値として取り込めるようにするためのものである。

駆動回路３４は、制御装置９から入力されるＰＷＭ信号に基づいて制御される。駆動回路３４は、スイッチング素子３１１～３１６のオンおよびオフを切り替える機能を有している。

冷却器４は、平滑コンデンサ２２、チョークコイル２３および電力変換部３を冷却する。冷却器４は、例えば、水冷式冷却器である。具体的には、水冷式冷却器、ラジエータ、電動機駆動ウォーターポンプ等をホースで接続する構成であり、電動機駆動ウォーターポンプから水冷式冷却器に対し、水、オイル、もしくはＬＬＣ（Long Life Coolant）等の冷却媒体を流入させる。なお、冷却器４は、水冷式冷却器に限らず、空冷式冷却器等であってもよい。冷却器４は、スイッチング素子３１１～３１６に接続され熱伝導を行うヒートシンクであってもよい。

回転角センサ５は、電動機１に取り付けられており、電動機１のロータ位置を表す位置情報を検出する。回転角センサ５は、具体的にはロータの回転角θｍを検出する。回転角センサ５は、例えば、レゾルバを用いて構成される。回転角センサ５は、検出した回転角θｍを、電動機１の永久磁石の極対数を基に電気角θｅに換算するように構成されている。回転角θｍおよび電気角θｅは、制御装置９に入力される。

電動機温度センサ６は、電動機１の温度を検出する。電動機温度センサ６は、例えば、Ｕ相コイル１１、Ｖ相コイル１２およびＷ相コイル１３に取り付けられたサーミスタ等の温度センサによって構成される。電動機１の温度は、制御装置９に入力される。

スイッチング素子温度センサ７は、スイッチング素子３１１～３１６の温度を検出する。具体的には、例えば、スイッチング素子温度センサ７は、それぞれのスイッチング素子３１１～３１６の近傍に設置されており、スイッチング素子３１１～３１６の各温度Ｔｊを間接的に測定している。なお、スイッチング素子温度センサ７は、スイッチング素子３１１～３１６の温度Ｔｊを直接検出するものであってもよい。例えば、スイッチング素子３１１～３１６の半導体基板上に配置された温度検出用ダイオード等によって温度を検出してもよい。

スイッチング素子温度センサ７が出力する温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓは、スイッチング素子３１１～３１６の近傍の温度に基づくものである場合、スイッチング素子３１１～３１６の近傍の温度は、スイッチング素子３１１～３１６の温度Ｔｊに対応するものである。したがって、スイッチング素子温度センサ７が出力する温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓは、スイッチング素子３１１～３１６の温度Ｔｊに対応している。スイッチング素子温度センサ７の温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓは、制御装置９に入力される。

指令発生器８は、電動機１を制御するための制御指令を発生する。そして、指令発生器８はその制御指令を制御装置９に出力する。例えば、電動機１が電気自動車等の車両の駆動源として用いられている場合、指令発生器８は車両の運転手によって操作されるアクセルペダルの踏込み角度に対応した制御指令を出力する。指令発生器８により発生された制御指令は、通信により制御装置９へ周期的に送信される。

＜制御装置のハードウェア構成＞
図２は、実施の形態１に係る電力変換装置１００の制御装置９のハードウェア構成図である。本実施の形態では、制御装置９は、電力変換装置１００を制御する制御装置である。制御装置９の各機能は、制御装置９が備えた処理回路により実現される。具体的には、制御装置９は、処理回路として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算処理装置８０（コンピュータ）、演算処理装置８０とデータのやり取りをする記憶装置８１、演算処理装置８０に外部の信号を入力する入力回路８２、及び演算処理装置８０から外部に信号を出力する出力回路８３等を備えている。

演算処理装置８０として、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＩＣ（Integrated Circuit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、各種の論理回路、及び各種の信号処理回路等が備えられてもよい。また、演算処理装置８０として、同じ種類のものまたは異なる種類のものが複数備えられ、各処理が分担して実行されてもよい。記憶装置８１として、演算処理装置８０からデータを読み出し及び書き込みが可能に構成されたＲＡＭ（Random Access Memory）、演算処理装置８０からデータを読み出し可能に構成されたＲＯＭ（Read only Memory）等が備えられている。入力回路８２は、回転角センサ５、電動機温度センサ６、スイッチング素子温度センサ７、増幅回路３３を含み、各種のセンサ及びスイッチが接続され、これらセンサ及びスイッチの出力信号を演算処理装置８０に入力するＡＤ変換部、入力回路等のインターフェース回路を備えている。出力回路８３は、駆動回路３４を含み、スイッチング素子、アクチュエータ等の電気負荷が接続され、これら電気負荷に演算処理装置８０からの出力信号を変換して出力する駆動回路、通信回路等のインターフェース回路を備えている。

制御装置９が備える各機能は、演算処理装置８０が、ＲＯＭ等の記憶装置８１に記憶されたソフトウェア（プログラム）を実行し、記憶装置８１、入力回路８２、及び出力回路８３等の制御装置９の他のハードウェアと協働することにより実現される。なお、制御装置９が用いる閾値、判定値等の設定データは、ソフトウェア（プログラム）の一部として、ＲＯＭ等の記憶装置８１に記憶されている。

図１の制御装置９の内部に搭載された各機能は、それぞれソフトウェアのモジュールで構成されるものであってもよいが、ソフトウェアとハードウェアの組み合わせによって構成されるものであってもよい。

＜制御装置の機能ブロック＞
図３は、実施の形態１に係る電力変換装置１００の制御装置９の機能ブロック図である。図３において、制御装置９は、出力抑制部９１、回転数演算部９２、トルク・電流指令変換部９３、三相・二相変換部９４、電圧指令生成部９５、二相・三相変換部９６、デューティ変換部９７およびＰＷＭ信号生成部９８を有する。

出力抑制部９１は、指令発生器８からトルク指令Ｔｒｑｃを受け取る。電動機１を制御するための制御指令としては、例えば、トルク指令、電流指令、電圧指令、等が挙げられる。実施の形態１では、制御指令としてトルク指令Ｔｒｑｃを採用する場合を例示する。出力抑制部９１は、スイッチング素子温度センサ７から温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓを受け取る。

出力抑制部９１は、スイッチング素子３１１～３１６の温度Ｔｊが動作限界温度に達しないように、トルク制御指令Ｔｒｑｃ＿ｃｔｌと、出力停止信号Ｓｉｇ＿ｓｔｏｐを生成する。なお、出力抑制部９１のより詳細な構成については、後述する。また、実施の形態１では、トルク指令Ｔｒｑｃを抑制する手段により、電力変換装置１００の出力電力を抑制するが、トルク指令の抑制に限らず、電動機1の回転数、電流、電圧等の指令を抑制するようにしてもよい。

回転数演算部９２は、回転角センサ５から取得した回転角θｍを積分して電動機１の回転数Ｎに換算する。回転数演算部９２は、その演算した回転数Ｎを、トルク・電流指令変換部９３に出力する。

トルク・電流指令変換部９３は、回転数演算部９２から取得した電動機１の回転数Ｎと、出力抑制部９１から取得したトルク制御指令Ｔｒｑｃ＿ｃｔｌとから、ｄ軸電流指令Ｉｄｃおよびｑ軸電流指令Ｉｑｃを演算する。具体的には、例えば、トルク・電流指令変換部９３は、電動機１の回転数Ｎとトルク制御指令Ｔｒｑｃ＿ｃｔｌとを軸としたトルク・電流指令変換テーブルを用いることで、これらの値をｄ軸電流指令Ｉｄｃおよびｑ軸電流指令Ｉｑｃに換算するように構成される。なお、トルク・電流指令変換部９３は、トルク・電流指令変換テーブルを用いずに、ｄ軸電流指令Ｉｄｃおよびｑ軸電流指令Ｉｑｃを演算するように構成されていてもよい。

三相・二相変換部９４は、増幅回路３３を介して受け取った電流検出器３２の電流検出値と、回転角センサ５が検出した電気角θｅに対応する角度検出値とから、ｄ軸電流検出値Ｉｄおよびｑ軸電流検出値Ｉｑを算出する。ここで、電流検出器３２の電流検出値は、Ｕ相電流検出部３２１が検出したＵ相電流Ｉｕに対応するＵ相電流検出値と、Ｖ相電流検出部３２２が検出したＶ相電流Ｉｖに対応するＶ相電流検出値と、Ｗ相電流検出部３２３が検出したＷ相電流Ｉｗに対応するＷ相電流検出値とにより構成されている。

電圧指令生成部９５は、ｄ軸電流指令Ｉｄｃおよびｑ軸電流指令Ｉｑｃと、ｄ軸電流検出値Ｉｄおよびｑ軸電流検出値Ｉｑとから、電流フィードバック演算を行うことで、ｄ軸電圧指令Ｖｄｃおよびｑ軸電圧指令Ｖｑｃを算出する。具体的には、例えば、電圧指令生成部９５は、ｄ軸電流指令Ｉｄｃとｄ軸電流検出値Ｉｄとの偏差である電流偏差ΔＩｄと、ｑ軸電流指令Ｉｑｃとｑ軸電流検出値Ｉｑとの偏差である電流偏差ΔＩｑとがそれぞれ「０」に収束するように、ｄ軸電圧指令Ｖｄｃおよびｑ軸電圧指令Ｖｑｃを算出するように構成されている。（ΔＩｄ、ΔＩｑは不図示）

二相・三相変換部９６は、電圧指令生成部９５から取得したｄ軸電圧指令Ｖｄｃおよびｑ軸電圧指令Ｖｑｃと、回転角センサ５から取得した電気角θｅとから、三相電圧指令Ｖｕｃ、Ｖｖｃ、Ｖｗｃを算出する。なお、三相電圧指令Ｖｕｃ、Ｖｖｃ、Ｖｗｃは、インバータ部３１に入力される直流電源電圧、すなわち、平滑コンデンサ２２の電圧Ｖｃｏｎ以下となるように設定されることが好ましい。

デューティ変換部９７は、二相・三相変換部９６から取得した三相電圧指令Ｖｕｃ、Ｖｖｃ、Ｖｗｃと、平滑コンデンサ２２の電圧Ｖｃｏｎとから、三相の各相のデューティ指令Ｄｕ、Ｄｖ、Ｄｗを生成する。デューティ変換部９７は、最適補正制御指令に対応したデューティ指令Ｄｕ、Ｄｖ、Ｄｗを生成して出力する。

ＰＷＭ信号生成部９８は、ＰＷＭ信号を生成する。ＰＷＭ信号生成部９８は、出力抑制部９１から取得した出力停止信号Ｓｉｇ＿ｓｔｏｐと、デューティ変換部９７から取得した各相のデューティ指令Ｄｕ、Ｄｖ、Ｄｗとから、スイッチング素子３１１～３１６のそれぞれをオンおよびオフに切り替え制御するためのＰＷＭ信号を生成する。

具体的には、例えば、ＰＷＭ信号生成部９８は、出力停止信号Ｓｉｇ＿ｓｔｏｐの状態が出力許可を示す場合、各相のデューティ指令Ｄｕ、Ｄｖ、Ｄｗと、搬送波を比較することで、ＰＷＭ信号を生成する。出力停止信号Ｓｉｇ＿ｓｔｏｐの状態が出力禁止の場合、スイッチング素子３１１～３１６の全てがオフとなるようにＰＷＭ信号を生成する。ＰＷＭ信号生成部９８は、例えば、上昇速度と下降速度とが互いに等しい２等辺三角形の形状を有する三角波をキャリアとする三角波比較方式、鋸波比較方式等を採用してＰＷＭ信号を生成するように構成されている。

なお、図３では、ＰＷＭ信号生成部９８により生成されたＰＷＭ信号として、Ｕ相上アームのスイッチング素子３１１に与えるＰＷＭ信号ＵＨ＿ＳＷ、Ｖ相上アームのスイッチング素子３１２に与えるＰＷＭ信号ＶＨ＿ＳＷ、Ｗ相上アームのスイッチング素子３１３に与えるＰＷＭ信号ＷＨ＿ＳＷ、Ｕ相下アームのスイッチング素子３１４に与えるＰＷＭ信号ＵＬ＿ＳＷ、Ｖ相下アームのスイッチング素子３１５に与えるＰＷＭ信号ＶＬ＿ＳＷ、Ｗ相下アームのスイッチング素子３１６に与えるＰＷＭ信号ＷＬ＿ＳＷ、をそれぞれ示している。

＜出力抑制部の機能ブロック＞
図４は、実施の形態１に係る電力変換装置１００の制御装置９の出力抑制部９１の機能ブロック図である。図４において、出力抑制部９１は、温度上昇率判定部９１１と、トルク指令抑制部９１２と、出力停止判定部９１３とにより構成されている。

温度上昇率判定部９１１は、スイッチング素子温度センサ７の温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓを入力する。そして、スイッチング素子３１１～３１６の異常発熱、冷却器４の異常状態等を検出し、その判定結果をトルク指令抑制部９１２と出力停止判定部９１３に出力する。

具体的には、温度上昇率判定部９１１は、スイッチング素子温度センサ７の温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓの単位時間当たりの上昇量である温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔを算出する（以下、温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓの単位時間当たりの上昇量である温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔを、単に、温度上昇率と称す）。そして、温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔと、予め定められた温度上昇率値Ｔｈ１と、を比較する。

その比較の結果、温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔが温度上昇率値Ｔｈ１を超えた状態が温度上昇率継続期間Δｔ１の間継続したとき、温度上昇率判定部９１１は、スイッチング素子３１１～３１６の異常発熱、または冷却器４の異常状態等であると判定する。そして、温度上昇率判定部９１１は異常状態を示す内容のエラー信号Ｓｉｇ＿ｅｒｒを生成して、トルク指令抑制部９１２と出力停止判定部９１３へ出力する。温度上昇率値Ｔｈ１及び温度上昇率継続期間Δｔ１の設定方法については後述する。

温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓから温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔを算出する単位時間は、スイッチング素子温度センサ７の時定数より十分短い。また、温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔを算出する単位時間は、スイッチング素子３１１～３１６のスイッチングノイズの影響を受けない程度の時間に設定されることが望ましい。

トルク指令抑制部９１２は、トルク指令Ｔｒｑｃと、エラー信号Ｓｉｇ＿ｅｒｒの状態と、に基づいて変換されたトルク制御指令Ｔｒｑｃ＿ｃｔｌを生成する。具体的には、例えば、トルク指令抑制部９１２は、エラー信号Ｓｉｇ＿ｅｒｒがエラー状態を示しているときは、トルク指令Ｔｒｑｃに対して予め定められた割合を掛けることで、トルク指令Ｔｒｑｃより低い値のトルク制御指令Ｔｒｑｃ＿ｃｔｌを生成して出力してもよい。

一方、トルク指令抑制部９１２は、エラー信号Ｓｉｇ＿ｅｒｒが正常状態を示しているときは、トルク指令Ｔｒｑｃをそのままをトルク制御指令Ｔｒｑｃ＿ｃｔｌとして出力する。エラー信号Ｓｉｇ＿ｅｒｒがエラー状態を示しているときは、トルク指令抑制部９１２は、トルク指令Ｔｒｑｃに対し、予め定められた割合を掛けることでトルク制御指令Ｔｒｑｃ＿ｃｔｌを生成している。トルク制御指令Ｔｒｑｃ＿ｃｔｌの生成方法は、これに限定されない。スイッチング素子温度センサ７の温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓに応じてこの割合を変化させてトルク制御指令Ｔｒｑｃ＿ｃｔｌを演算し生成してもよい。

出力停止判定部９１３は、スイッチング素子温度センサ７の温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓとエラー信号Ｓｉｇ＿ｅｒｒの状態とから、インバータ部３１の出力を停止させる内容の出力停止信号Ｓｉｇ＿ｓｔｏｐを出力する。具体的には、例えば、出力停止判定部９１３は、エラー信号Ｓｉｇ＿ｅｒｒがエラー状態で予め定められた制限運転期間継続すると、出力停止信号Ｓｉｇ＿ｓｔｏｐをＰＷＭ信号生成部９８に伝達し、ＰＷＭ信号の出力を禁止させることとなる。

ここで、予め定められた制限運転期間について説明する。予め定められた制限運転期間は、例えば、車両が自走して支障のない場所に停車できるまでの時間を指す。駆動源が電動機である電気自動車、ハイブリッド自動車等の車両である場合、スイッチング素子３１１～３１６の異常発熱、または冷却器４の異常状態であっても、車両が突然停止するのは望ましくない。異常が発生した場合であっても、車両は自走して支障のない場所に退避し停車できる必要がある。

さらに、エラー信号Ｓｉｇ＿ｅｒｒの内容がエラー状態を示すとき、出力停止判定部９１３は、スイッチング素子温度センサ７の温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓと予め定められた停止判定温度Ｔｈ３とを比較する（Ｔｈ３は不図示）。スイッチング素子３１１～３１６の温度Ｔｊが動作限界温度である破壊温度に達しないようにするためである。出力停止判定部９１３は、温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓが停止判定温度Ｔｈ３を超えた場合に、駆動禁止を内容とする出力停止信号Ｓｉｇ＿ｓｔｏｐを出力する。

すなわち、出力停止判定部９１３は、エラー信号Ｓｉｇ＿ｅｒｒの内容がエラー状態を示していて予め定められた制限運転時間継続した場合と、スイッチング素子温度センサ７の温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓが予め定められた停止判定温度Ｔｈ３を超えた場合のうちの少なくとも何れか一方が成立した場合に、駆動禁止を内容とする出力停止信号Ｓｉｇ＿ｓｔｏｐを出力する。

＜スイッチング素子の温度上昇率の推移＞
図５は、実施の形態１に係る電力変換装置１００のスイッチング素子の温度と温度検出値の推移を示す図である。図５の縦軸は温度、横軸は時間を示している。図６は、実施の形態１に係る電力変換装置１００のスイッチング素子の温度上昇率の推移を示す図である。縦軸は温度上昇率、横軸は時間を示す。具体的には、図５、図６は、インバータ部３１の出力を「０」から一定の出力の値に変化させ、その状態で十分に時間が経過した後に、冷却器４の冷却媒体が消失したときの、スイッチング素子３１１の温度Ｔｊと、スイッチング素子温度センサ７の温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓと、温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔの推移を示す。

なお、図５に示しているスイッチング素子の温度Ｔｊと温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓは、例えばスイッチング素子３１１を対象としている。しかし、スイッチング素子３１１に限らず、他のスイッチング素子３１２、３１３、３１４、３１５、３１６のうちの一つであっても同様な温度推移を示す。

図５、 図６において、時刻ｔ１にて電力変換部３が出力「０」の状態から一定の出力の値に変化し、その状態で運転を継続し十分に時間が経過した時の様子を示している。そして、時刻ｔ２にて冷却器４の冷却媒体が消失した状況を示している。

図５に示すように、時刻ｔ２に冷却器４の冷却媒体が消失に至る前は、冷却器４は健全に作動している。スイッチング素子の温度Ｔｊと、スイッチング素子温度センサ７の温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓとは、スイッチング素子３１１の損失と冷却器４の性能とに基づいて定まる十分な時間が経過すると、ほぼ一定温度に整定される。スイッチング素子温度センサ７の温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓは、スイッチング素子３１１の温度Ｔｊを間接的に測定しているため、スイッチング素子３１１の温度Ｔｊよりも時定数が長く、整定温度が低くなる。

時刻ｔ２で冷却器４の冷却媒体が消失すると、スイッチング素子３１１の発熱により、冷却器４の温度が急峻に上昇する。そして、冷却器４の温度上昇により、スイッチング素子３１１の温度Ｔｊと、スイッチング素子温度センサ７の温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓとが上昇する。よって図６に示すように、温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔが上昇する。

＜温度上昇率値、温度上昇率継続期間の設定＞
図７は、実施の形態１に係る電力変換装置１００のスイッチング素子の温度上昇率、温度上昇率継続期間および判定値を示す図である。温度上昇率判定部９１１における温度上昇率値Ｔｈ１と温度上昇率継続期間Δｔ１の設定手順について説明する。図７の縦軸は温度上昇率、横軸は時間を示す。

図７において、正常状態においてインバータの出力が０から定格出力に変化したときの正常時定格出力温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔ＿ｎＨ（以下、正常状態における定格出力時の温度上昇率と称する）を示す。これは、図６のｔ１～ｔ２の推移に対応する波形であり、時刻ｔ３にて電力変換部３が出力「０」の状態から定格出力の値に変化し、その状態で十分に時間が経過した時の温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔを示す。

電力変換装置１００には、電流判定器、電圧判定器、回転角センサ５等の判定ばらつきを起因とする出力電力ばらつきが生じる。定格出力は、これらのばらつきを含めて、電力変換装置１００の性能の範囲での最大の出力状態を言う。正常状態における定格出力時の温度上昇率である正常時定格出力温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔ＿ｎＨは冷却器４の製造ばらつき、温度センサの観測誤差も含んだ正常時における最大の温度上昇率の推移である。

定格出力時における異常状態で異常時定格出力温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔ＿ｆＨは、図６のｔ２以降の推移に対応する波形である。定格出力時に時刻ｔ３にて冷却器４の冷却媒体が消失した場合の温度上昇率の推移が図７に示されている。

部分出力時における異常状態での異常時部分出力温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔ＿ｆＬは、同様に、図６のｔ２以降の推移に対応する波形である。図７には、部分出力時に時刻ｔ３にて冷却器４の冷却媒体が消失した場合の推移を示している。部分出力とは電力変換部３の出力状態のうち、実施の形態１に係る電力変換装置１００が保護すべき下限の出力のことを示す。すなわち、定格出力ではなく部分出力状態であるが、冷却器の異常に際して、スイッチング素子の作動制限を行うべきである出力状態を示す。スイッチング素子が動作限界温度に達して電力変換装置の故障、性能の劣化、寿命の短縮が発生することを防ぎつつ、電力変換の継続を実現する必要のある出力状態を示す。

温度上昇率判定部９１１における温度上昇率値Ｔｈ１は、部分出力時における異常状態での異常時部分出力温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔ＿ｆＬのピーク値以下に設定する。部分出力から定格出力の間の出力時に異常状態になった場合には、温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔは部分出力時における異常状態での異常時部分出力温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔ＿ｆＬ以上に推移する。このため、温度上昇率値Ｔｈ１により保護すべき全領域で異常状態の判定ができる。

次に、温度上昇率継続期間Δｔ１について説明する。温度上昇率継続期間Δｔ１は、誤判定を防止するために、正常動作時の温度上昇率が温度上昇率値Ｔｈ１を超えている時間より長い時間を設定する。具体的には、温度上昇率継続期間Δｔ１は、正常状態における定格出力時での正常時定格出力温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔ＿ｎＨ（図７の上に凸の温度上昇率）が温度上昇率値Ｔｈ１を上回っている期間よりも長い期間とする。

定格出力未満の温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔは定格出力での温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔより小さくなる。このため、定格出力での温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔの推移を考慮して温度上昇率継続期間Δｔ１を設定することで、保護すべき全出力で誤判定を防止することができる。

なお、温度上昇率継続期間Δｔ１は少なくともスイッチング素子３１１～３１６の損失ばらつき、冷却器４の性能ばらつき、スイッチング素子温度センサ７の検出誤差、等を加味し、正常状態における定格出力時での正常時定格出力温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔ＿ｎＨが高い値側にばらついたとしても到達しない期間に設定される。

図８は、比較例に係る電力変換装置のスイッチング素子の温度と判定温度を示す図である。従来の技術と同様に温度を検出し比較した場合における、異常判定までの、スイッチング素子の温度Ｔｊと温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓの推移を示す説明図である。縦軸は温度、横軸は時間である。図８では、温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓと比較して異常を判定するための判定温度Ｔｈ０と、異常判定Ｘ１の時刻ｔ４を、図５に対して追加している。

図８において、判定温度Ｔｈ０は、電力変換部３の駆動条件、スイッチング素子３１１～３１６の配置環境等が正常なときに異常を誤判定しないように設定されている。すなわち、スイッチング素子温度センサ７の判定誤差、スイッチング素子３１１～３１６の発熱量のバラつき、冷却器４の冷却媒体の流入量のバラつき、等を加味して高めに設定されている。

そのため、図８に示すように、時刻ｔ２で冷却器４の冷却媒体が消失した場合、温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓが判定温度Ｔｈ０に達して異常判定するＸ１（時刻ｔ４）までの時間［ｔ４－ｔ２］が長くなる。すなわち、従来の技術を適用した場合は、異常判定Ｘ１までの時間が長くなり、スイッチング素子３１１の温度がＴｊ＿Ｘ１となり、高くなってしまう。

＜冷却器の冷却媒体消失時の温度上昇率の推移＞
図９は、実施の形態１に係る電力変換装置１００のスイッチング素子の作動制限までの温度の推移を示す図である。縦軸は温度、横軸は時間を示す。図１０は、実施の形態１に係る電力変換装置１００のスイッチング素子の作動制限までの温度上昇率の推移を示す図である。縦軸は温度上昇率、横軸は時間を示す。

図９、図１０において、時刻ｔ２までは正常な状態のスイッチング素子の温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓ、温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔを示している。時刻ｔ１でインバータ部３１の出力が「０」から上昇する。この変化に伴い、温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓに基づく温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔは、急劇に上昇する。そして温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔは、時刻ｔ１の直後の時刻ｔ１１で正常時における最大値に達する。

その後、温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔは緩やかに減少し、時刻ｔ１１から十分な時間が経過した時刻ｔ１２に達すると、温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓが整定する。このため、温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔは「０」となる。

時刻ｔ２に冷却器４の冷却媒体が消失する。温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓは上昇する。温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓに基づく温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔは、急峻に上昇し、時刻ｔ２１aで温度上昇率値Ｔｈ１に達する。温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔが温度上昇率値Ｔｈ１を温度上昇率継続期間Δｔ１の間超過した時刻ｔ２１ｂに異常判定に至る。

図１０の異常発生の時刻ｔ２から異常判定の時刻ｔ２１ｂまでの時間［ｔ２１ｂ－ｔ２］は、図８の比較例に係る異常発生の時刻ｔ２から異常判定の時刻ｔ４までの時間［ｔ４－ｔ２］よりも短い。すなわち、より迅速に異常状態を判定できる。このときのスイッチング素子３１１の温度は、Ｔｊ＿Ｘ２ｂとなる。このため、図８に示した従来の手法によって異常判定した場合のスイッチング素子３１１の温度Ｔｊ＿Ｘ１よりも、実施の形態１に係る異常判定時の温度Ｔｊ＿Ｘ２ｂのほうが低くなる。よって、単純に温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓを判定温度Ｔｈ０と比較するのに比べて、温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔが温度上昇率値Ｔｈ１を温度上昇率継続期間Δｔ１の間超過したことを検出する実施の形態１に係る異常判定の方が有利であることがわかる。

なお、温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓから温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔを算出する単位時間は、ノイズの影響を回避するために長くとり、その推移はランプ関数で示されている。しかし、必ずしもその限りではなく、温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓから温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔを算出する単位時間をより短くしてもよい。

その場合、異常発生の時刻ｔ２から温度上昇率値Ｔｈ１と温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔのクロス点Ｘ２の時刻ｔ２１ａと異常判定時刻ｔ２１ｂまでの時間をより短くすることが可能となる。それによって、スイッチング素子３１１の温度上昇の抑制をより効果的に実現することができる。

＜作動制限時の温度の推移＞
図１１は、実施の形態１に係る電力変換装置１００のスイッチング素子の作動制限時の温度の推移を示す図である。縦軸は温度、横軸は時間を示す。図１２は、実施の形態１に係る電力変換装置１００のスイッチング素子の作動制限時の温度上昇率の推移を示す図である。縦軸は温度上昇率、横軸は時間を示す。

図１１、図１２において、時刻ｔ２１ｂでの異常判定を完了している。この後は、図４に示す温度上昇率判定部９１１のエラー信号Ｓｉｇ＿ｅｒｒがエラー状態を示すこととなる。このとき、トルク指令抑制部９１２によりトルク指令Ｔｒｑｃに対して予め定められた割合を掛けてトルク制御指令Ｔｒｑｃ＿ｃｔｌを算出する。よって、トルク指令Ｔｒｑｃより低い、トルク制御指令Ｔｒｑｃ＿ｃｔｌがトルク指令抑制部９１２から出力される。

トルク制御指令Ｔｒｑｃ＿ｃｔｌは、トルク指令Ｔｒｑｃに所定の制限が加えられた、より低い値であるため、インバータ部３１の出力は低下する。このとき、スイッチング素子温度Ｔｊは、温度Ｔｊ＿２１ｂとなる。スイッチング素子温度センサ７による温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓに基づく温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔは時刻ｔ２１ｂから低下する。その後、温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔは、温度上昇率値Ｔｈ１を下回る。

しかし、エラー信号Ｓｉｇ＿ｅｒｒは、エラー状態を継続して示す。そのため、温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔが低下してもトルク制御指令Ｔｒｑｃ＿ｃｔｌに所定の制限を継続し、スイッチング素子の過熱状態に対処を続けることができる。その結果、スイッチング素子が動作限界温度に達して電力変換装置の故障、性能の劣化、寿命の短縮が発生することを防ぎつつ、電力変換の継続を実現することができる。

異常判定の時刻ｔ２１ｂから予め定められた時間［ｔ２２―ｔ２１ｂ］である制限運転期間Δｔ２の経過後である時刻ｔ２２では、スイッチング素子は停止させられる。時刻ｔ２２に、図３に示す出力停止判定部９１３から出力される出力停止信号Ｓｉｇ＿ｓｔｏｐは駆動禁止を示すこととなり、インバータ部３１の出力は「０」となる。したがって、図１１に示す時刻ｔ２２でのスイッチング素子の温度ＴｊはＴｊ＿２２となってスイッチング素子３１１の動作限界温度に達することはない。その結果、電力変換装置の故障、性能の劣化、寿命の短縮を防ぐことができる。

図１２に示すように、実施の形態１に係る電力変換装置１００は、温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔが温度上昇率値Ｔｈ１を温度上昇率継続期間Δｔ１の間超過してから所定の制限運転期間Δｔ２以上動作する。これにより、例えば電動機１が電気自動車等の車両の駆動源として用いられている場合には、異常状態が交差点等の問題のある場所で発生したときに車両が自走して支障のない場所に停車できるまで車両を移動させることができる。

実施の形態１による電力変換装置１００は、異常状態を判定した後、トルク制御指令Ｔｒｑｃ＿ｃｔｌを抑制することで出力を制限している。これにより、異常状態を判定してからの温度上昇が小さくなる。このため、異常状態を判定してから電力変換装置１００を停止させるまでの時間、すなわち時刻ｔ２１ｂから時刻ｔ２２までの制限運転期間Δｔ２をより長く設定することができる。

よって、例えば電動機１が電気自動車等の車両の駆動源として用いられている場合には、異常状態が交差点等の問題のある場所で発生したときに適切に対応することができる。支障のない場所に停車できるまで、充分な時間をかけて車両が自走することができる。このため、異常状態発生時に信頼性を確保しつつ適切な対応が可能となる電力変換装置１００が構成できる。

前述のように、温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔが温度上昇率値Ｔｈ１を上回った後、図１２における時刻ｔ２１ｃで温度上昇率値Ｔｈ１を下回るがエラー信号Ｓｉｇ＿ｅｒｒは、エラー状態を継続して示す。これにより、スイッチング素子の破損を防ぎつつ、確実に制限運転期間Δｔ２の電力変換装置１００の動作を継続することができる。

前述のように、時刻ｔ２１ｂで異常状態を判定して作動制限を行った後、予め定められた時間［ｔ２２―ｔ２１ｂ］である制限運転期間Δｔ２の経過後に、図３に示す出力停止判定部９１３から出力される出力停止信号Ｓｉｇ＿ｓｔｏｐは駆動禁止を示す。これにより、異常状態を判定してから予め定められた制限運転期間Δｔ２動作を継続できると共に、スイッチング素子３１１が動作限界温度に達するまでに動作を停止することができる。

なお、インバータ部３１のスイッチング素子３１１～３１６は、どのような半導体素子を用いて構成してもよい。例えば、ワイドバンドギャップ半導体を用いて構成することができる。ワイドバンドギャップ半導体の材料としては、ＳｉＣ、ＧａＮ等が挙げられる。これらの半導体を用いて構成することで、スイッチング素子の耐熱性を向上することができるので、性能を向上することに寄与する。

しかし、ワイドバンドギャップ半導体を用いて構成されたスイッチング素子３１１～３１６は、従来のＳｉを用いて構成されたスイッチング素子に比べてコストが高くなる。よって、ワイドバンドギャップ半導体を備えたインバータ部３１は高コストとなる。

スイッチング素子の最大到達温度を低くすることで、耐熱性の低い素子を使用することが可能となる。或いは損失の高い素子を使用することが可能となる。さらに半導体の温度上昇を適切に制御できるため、半導体の最大到達温度を動作限界温度に接近させることができる。このため、放熱性能が低下する半導体のサイズ縮小にも対応でき、よりコストを削減することができる。

また、前述のように、インバータ部３１の１つのアームを１つのスイッチング素子で構成してもよい。しかし、１つのスイッチング素子当たりに流れる電流を減らすために、１つのアームを、複数のスイッチング素子を並列接続して構成してもよい。この場合、１つのスイッチング素子に対し、１つのスイッチング素子温度センサ７を実装すると、スイッチング素子温度センサ７の個数が膨大となる。このため、高コストとなり、また温度取得回路が大規模化する。これを回避するために、１つのアームに対し、１つのスイッチング素子温度センサ７を設置し、複数のスイッチング素子の温度を包括的に取得してもよい。

このようにすれば、１つのスイッチング素子が過大に発熱しても、平均的に温度が取得できる位置に温度センサを配置することで、取得温度のバラつきの影響を小さくすることができる。そして迅速に異常状態を判定できる。スイッチング素子の発熱量のバラつきを加味して温度上昇率値Ｔｈ１と温度上昇率継続期間Δｔ１を設定することができる。

以上述べたように、実施の形態１による電力変換装置１００は、スイッチング素子３１１～３１６が設置されている周辺部の温度を検出するスイッチング素子温度センサ７の温度検出値から、その温度上昇率を監視することで、冷却器４に流れる冷却媒体の流入が停止または消失したことを、迅速に判定することができる。これによって、スイッチング素子の最大到達温度を低くすることができる。そして、電力変換装置１００の駆動条件を工夫して最適な制御を実現することができる。スイッチング素子３１１～３１６が高温により破損することを防ぎつつ、電力変換装置１００を駆動し続けることができる。

＜温度上昇率のばらつき＞
図１３は、実施の形態１に係る電力変換装置のスイッチング素子の温度上昇率のばらつきを説明する図である。図１３において正常時における実際の出力状態での温度上昇率の最大値をＺ０、正常時における観測精度により小さく観測された出力状態での温度上昇率の最大値をＺ１、正常時における観測精度により大きく観測された出力状態での温度上昇率の最大値をＺ２、実際の出力状態で異常状態になったときの温度上昇率の最大値をＺａとする。

図１３では、観測精度により出力状態が小さく観測された場合、温度上昇率値Ｔｈ１ａは、小さく観測された出力状態での温度上昇率の最大値Ｚ１より上に設定されている。しかしながら、実際の出力状態での温度上昇率の最大値Ｚ０は温度上昇率値Ｔｈ１ａより大きいため、正常状態での温度上昇率が温度上昇率値Ｔｈ１ａを上回り、異常状態ではないにも関わらず、異常状態と判定して誤判定が発生する。

そこで、観測精度を考慮して出力状態が大きく観測された場合の最大値Ｚ２より高い値、すなわち、温度上昇率値Ｔｈ１ａの代わりに温度上昇率値Ｔｈ１ｂを設定した場合を考える。この場合は、実際の出力状態で異常状態になったときの温度上昇率の最大値Ｚａより温度上昇率値Ｔｈ１ｂのほうが高いため、異常状態を判定できなくなる。出力が小さい程、異常状態での温度上昇率の最大値Ｚａと、実際の出力状態での温度上昇率の最大値Ｚ０との差は小さくなる傾向があるため、より異常状態を判定できなくなる。

電力変換装置１００では、誤判定を防ぐには電流検出器、電圧検出器の精度を上げる必要がある。そのためには、判定回路の部品の高性能化によりコストが高くなるという課題がある。実施の形態１に係る電力変換装置１００では、電流検出器、電圧検出器を用いて出力状態を監視することなく、温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔおよび、温度上昇率値Ｔｈ１と温度上昇率継続期間Δｔ１を用いて異常判定を行う。これによって、上記のばらつきの影響を排して広範囲の出力状態に対して異常状態を判定することが可能となる。

２．実施の形態２
図１４は、実施の形態２に係る電力変換装置１００のスイッチング素子の温度上昇率、温度上昇率継続期間および判定値を示す図である。実施の形態２では、図１から図４に記載したハードウェア構成、機能ブロックを使用する。スイッチング素子の温度および温度上昇率に応じた異常判定と作動制限の実施は、ソフトウェアの変更で実現できるものとして説明し、各部の符号の変更はしない。しかし、実施の形態２に係る電力変換装置１００の実現にあたって、ハードウェアの変更を排除するものではない。変更したハードウェアと変更したソフトウェアの協業によって実現することとしてもよい。以下では実施の形態１と同一または相当する部分の説明は省略し、実施の形態１と異なる点を中心に説明する。

実施の形態２では、図４に示した実施の形態１に係る電力変換装置１００の温度上昇率判定部９１１について、温度上昇率値Ｔｈ１及び温度上昇率継続期間Δｔ１を複数設けた点が異なる。図７に示した実施の形態１に係る温度上昇率、温度上昇率継続期間および判定値に対して、図１４に実施の形態２に係る温度上昇率、温度上昇率継続期間および判定値を示す。図１４では、温度上昇率値Ｔｈ１１、第二の温度上昇率値Ｔｈ１２、温度上昇率継続期間Δｔ１１、第二の温度上昇率継続期間Δｔ１２を設けている。さらに、正常状態における定格出力時での正常時定格出力温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔ＿ｎＨの最大値より高い値として、第三の温度上昇率値Ｔｈ１３を設けた。

実施の形態１では、図７に示すように温度上昇率値Ｔｈ１は、部分出力時における異常状態での異常時部分出力温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔ＿ｆＬのピーク値以下に設定し、温度上昇率値で誤判定しないために温度上昇率継続期間Δｔ１を設けている。しかし、定格出力時に異常状態になった場合に、出力が大きく温度Ｔｊが急速に上昇する。このため、温度上昇率継続期間Δｔ１が経過する前にスイッチング素子の温度Ｔｊが動作限界温度に達してしまい、高温により破損する可能性がある。

そこで実施の形態２では、図１４に示すように実施の形態１に対して、温度上昇率値Ｔｈ１１よりも高い閾値である第二の温度上昇率値Ｔｈ１２と、温度上昇率継続期間Δｔ１１よりも短い判定時間である第二の温度上昇率継続期間Δｔ１２を追加して設けている。これにより、高出力時における迅速な異常判定とスイッチング素子の作動制限を可能としている。実施の形態２では温度上昇率値と温度上昇率継続期間をそれぞれ２つ設けているがその限りではなく、３つ以上設けてもよい。

図１４を用いて実施の形態２における温度上昇率値と温度上昇率継続期間及び、第三の温度上昇率値Ｔｈ１３の設定の手順について説明する。縦軸は温度上昇率、横軸は時間を示す。

図１４は図７に対して、複数の温度上昇率値である温度上昇率値Ｔｈ１１、第二の温度上昇率値Ｔｈ１２を設定し、それぞれに対する複数の温度上昇率継続期間である温度上昇率継続期間Δｔ１１、第二の温度上昇率継続期間Δｔ１２を設けている。更に第三の温度上昇率値Ｔｈ１３と第三の温度上昇率継続期間Δｔ３を新たに設けてもよい（Δｔ３は不図示）。

＜第三の温度上昇率値の設定＞
まず、第三の温度上昇率値Ｔｈ１３と第三の温度上昇率継続期間Δｔ３の設定方法について説明する。第三の温度上昇率値Ｔｈ１３は、図１４において、正常状態における定格出力時での正常時定格出力温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔ＿ｎＨの最大値より、高い値に設定する。正常状態では到達し得ない温度上昇率に閾値を設定することで誤判定を防止できる。そして、正常状態では到達しない温度であるため、判定時間を短くすることができる。これにより、定格または定格に近い高出力時に異常状態になったときに、迅速に異常を判定できる。温度上昇率の急上昇を遅滞なく判定するために、第三の温度上昇率継続期間Δｔ３は非常に短い期間に設定してもよい。

ここで、動作限界温度から、異常状態を判定した後の動作継続時の温度上昇（図１１のＴｊ＿２１ｂからＴｊ＿２２までの温度上昇）を差し引いた温度を最大許容温度とする。第三の温度上昇率継続期間Δｔ３は、図１４において定格出力時における異常状態での異常時定格出力温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔ＿ｆＨが第三の温度上昇率値Ｔｈ１３にＸ３で到達してから、スイッチング素子の温度Ｔｊが最大許容温度に到達するまでの時間以下とする（不図示）。これにより、定格または定格に近い高出力時にスイッチング素子の温度Ｔｊが最大許容温度に到達するまでに異常状態を判定することができる。

第三の温度上昇率値Ｔｈ１３は、定格出力時における異常状態での異常時定格出力温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔ＿ｆＨの最大値より低い値とする。それにより、定格出力時に異常状態になったときに温度上昇率が確実に第三の温度上昇率値Ｔｈ１３に到達するので、確実に異常状態を判定することができる。

第三の温度上昇率継続期間Δｔ３は温度上昇率を算出している単位時間とし、単位時間当たりの上昇量である温度上昇率が一度でも第三の温度上昇率値Ｔｈ１３を超えると異常状態と判定し、エラー信号Ｓｉｇ＿ｅｒｒがエラー状態を示すこととしてもよい。これにより、定格または定格に近い高出力時に最短の時間で異常状態を判定することができる。

＜温度上昇率値、第二の温度上昇率値の設定＞
次に複数の温度上昇率値である温度上昇率値Ｔｈ１１、第二の温度上昇率値Ｔｈ１２と複数の温度上昇率継続期間である温度上昇率継続期間Δｔ１１、第二の温度上昇率継続期間Δｔ１２の設定方法について説明する。温度上昇率値Ｔｈ１１は、図１４において、部分出力時における異常状態での異常時部分出力温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔ＿ｆＬのピーク値以下に設定する。部分出力とは電力変換部３の出力状態のうち、電力変換装置１００が保護すべき下限の出力のことを示す。すなわち、定格出力ではなく部分出力状態であるが、冷却器の異常に際して、スイッチング素子の作動制限を行うべきである出力状態を示す。

温度上昇率値Ｔｈ１１に対応する温度上昇率継続期間Δｔ１１は、正常状態における定格出力時での正常時定格出力温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔ＿ｎＨが温度上昇率値Ｔｈ１１を上回っている期間よりも長い時間とする。これにより、誤判定を防止しつつ、部分出力以上の出力での冷却器異常等の異常を判定することができる。

正常状態における定格出力時での正常時定格出力温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔ＿ｎＨの最大温度上昇率以下の温度上昇率値であり、温度上昇率値Ｔｈ１１より大きい値を選択して、第二の温度上昇率値Ｔｈ１２を設定する。温度上昇率継続期間Δｔ１１よりも短い期間であり、正常時定格出力温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔ＿ｎＨが、第二の温度上昇率値Ｔｈ１２を上回っている期間よりも長い期間を第二の温度上昇率継続期間Δｔ１２として設定する。これにより、温度上昇率値Ｔｈ１１より大きい温度上昇率に対して、温度上昇率継続期間Δｔ１１よりも短い期間である第二の温度上昇率継続期間Δｔ１２で、誤判定を防止しつつ、迅速に異常判定をすることができる。このとき、第二の温度上昇率値Ｔｈ１２は、第三の温度上昇率値Ｔｈ１３以下に設定すればよい。

すなわち、温度上昇率値Ｔｈ１１と温度上昇率継続期間Δｔ１１の組合せでは異常状態での異常時部分出力温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔ＿ｆＬの場合、誤判定を防止しつつ、異常判定をすることができる。これによって、スイッチング素子の作動制限を行うことができるが、異常判定に温度上昇率継続期間Δｔ１１の期間を必要とする。これに対し、第二の温度上昇率値Ｔｈ１２と第二の温度上昇率継続期間Δｔ１２の組合せでは、異常時部分出力温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔ＿ｆＬのスイッチング素子の作動制限を行うことができない。しかし、より大きな温度上昇率値である第二の温度上昇率値Ｔｈ１２を超える異常に対して、誤判定を防止しつつより短い期間である第二の温度上昇率継続期間Δｔ１２で迅速に異常を判定しスイッチング素子の作動制限を行うことができる。

以上述べた実施の形態２による電力変換装置１００によれば、温度上昇率値が高い程、温度上昇率値に対応した温度上昇率継続期間は短くなるように、温度上昇率値と温度上昇率継続期間を設定することで、温度Ｔｊの上昇速度が大きい高出力程、早期に異常状態を判定できる。すなわち、定格出力以下、部分出力以上の全範囲において出力に応じて早期に異常状態を判定でき、電力変換装置１００の出力を抑制する作動制限を行うことで、スイッチング素子３１１～３１６が高温により破損することを防ぎつつ、電力変換装置１００を駆動し続けることができる。

３．実施の形態３
図１５は、実施の形態３に係る電力変換装置１００の出力抑制部９１の機能ブロック図である。実施の形態３では、図１から図３に記載したハードウェア構成、機能ブロックを使用する。実施の形態１による電力変換装置１００の構成に対して、図４に記載した出力抑制部９１を、図１５に記載した出力抑制部９１に変更している。具体的には、図４の出力抑制部９１の温度上昇率判定部９１１の出力先を変更し、温度上昇判定部９１４と異常判定部９１５を追加したものが図１５の出力抑制部９１である。

出力抑制部９１の機能ブロックの変更と、スイッチング素子の温度および温度上昇率に応じた異常判定と作動制限の実施は、ソフトウェアの変更で実現できるものとして説明し、各部の符号の変更はしない。しかし、実施の形態３に係る電力変換装置１００の実現にあたって、ハードウェアの変更を排除するものではない。変更したハードウェアと変更したソフトウェアの協業によって実現することとしてもよい。以下では実施の形態１と同一または相当する部分の説明は省略し、実施の形態１と異なる点を中心に説明する。

図１５において、温度上昇率判定部９１１の出力は、異常判定部９１５に入力される。温度上昇判定部９１４は、温度上昇率判定部９１１の機能と並列に設けられた機能である。具体的には、温度上昇判定部９１４は、温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓと予め定められた判定温度Ｔｈ２とを比較することで、スイッチング素子３１１～３１６の異常発熱、冷却器４の異常状態等を検出し、その結果を異常判定部９１５に入力する（Ｔｈ２は不図示）。

判定温度Ｔｈ２は、例えば、冷却器４の冷却媒体が消失したとしても、温度上昇率判定部９１１で異常を判定できない場合、すなわち、インバータ部３１が低出力時に温度上昇判定部９１４が異常を判定できるように設定される。異常状態を判定した後、温度検出値Ｔｊ_ｓｅｎｓが低下し判定温度Ｔｈ２を下回った場合でも、温度上昇判定部９１４による異常状態の判定は継続する。

異常判定部９１５は、温度上昇率判定部９１１と温度上昇判定部９１４との出力結果を監視し、温度上昇率判定部９１１と温度上昇判定部９１４の少なくとも一方が異常と判定したとき、エラー信号Ｓｉｇ＿ｅｒｒの内容を異常状態にして出力する。

ここで、特許文献１に記載された電力変換装置と実施の形態３に係る電力変換装置１００とを比較する。両者は、ともに温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓと予め定められた判定温度（閾値）とを比較し、温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓが判定温度を超えた場合に、作動制限を開始する機能は同じである。しかし、実施の形態３では、インバータ部３１の高出力領域では温度上昇率判定部９１１で温度上昇率値Ｔｈ１に基づいて異常を判定し、低出力領域では温度上昇判定部９１４で判定温度Ｔｈ２に基づいて異常を判定する点で異なる。

前述したとおり、スイッチング素子３１１～３１６の最大到達温度が高くなることが課題である。実施の形態３に示すように、温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓと予め定められた判定温度Ｔｈ２とを比較する方式であれば、スイッチング素子３１１～３１６最大到達温度は、スイッチング素子３１１～３１６の温度Ｔｊと温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓとの差分と、判定温度Ｔｈ２との和となる。

判定温度Ｔｈ２は、電力変換装置１００が正常に動作するときには到達しない温度であるため、低くすることはできない。一方で、インバータ部３１の、低出力時におけるスイッチング素子の温度Ｔｊと温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓとの差分と、高出力時におけるスイッチング素子の温度Ｔｊと温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓとの差分とを比較すると、低出力時の方が高出力時より差分は小さくなる。そのため、インバータ部３１の低出力時に判定温度Ｔｈ２に達した時点でのスイッチング素子の温度Ｔｊと温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓとの差分は小さくなる。このため、低出力時にスイッチング素子の最大到達温度を低くすることができる。

実施の形態３に係る電力変換装置１００の制御装置９の出力抑制部９１は、スイッチング素子温度センサ７の温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓと予め定められた判定温度Ｔｈ２とを比較し、温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓが判定温度Ｔｈ２を超えたことを判定する温度上昇判定部９１４を備えている。そして、前述の温度上昇率判定部９１１を備えている。温度上昇率判定部９１１と温度上昇判定部９１４とのうちの少なくとも一方が、対応する前述の閾値を超えたと判定したとき、電力変換部３の出力を抑制する作動制限を実行するように構成されている。これにより、高出力時には温度上昇率判定部９１１で異常状態を判定し、低出力時には温度上昇判定部９１４で異常状態を判定するので、様々な出力に対応して異常を判定できる。

判定温度Ｔｈ２は、少なくとも、電力変換部３の正常状態の定格動作時に達する温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓより高い値に設定されている。これにより、正常状態では温度上昇判定部９１４が異常を判定しないので温度上昇判定部９１４での誤判定を防止することができる。

また、判定温度Ｔｈ２は、スイッチング素子温度センサ７の温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓが判定温度Ｔｈ２を超えてから、予め定められた制限運転期間、電力変換部３が動作できる値に設定されている。これにより、電力変換装置１００が機能停止する前に必要な措置をとる余裕を与えることができる。

判定温度Ｔｈ２は、部分出力の場合に冷却器の異常によって到達するスイッチング素子の温度を検出できるように設定する。部分出力とは電力変換部３の出力状態のうち、電力変換装置１００が保護すべき下限の出力のことを示す。すなわち、定格出力ではなく部分出力状態であるが、冷却器の異常に際して、スイッチング素子の作動制限を行うべきである出力状態を示す。

このために、保護すべき下限の出力である部分出力の場合に、冷却器異常時に到達するスイッチング素子の温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓの最大値未満に判定温度Ｔｈ２を設定する。これによって、電力変換装置１００の制御装置９は低出力の領域においても、スイッチング素子の温度異常を検出して保護動作を行うことが可能となる。温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔでの異常判定ができる高出力の領域と、温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓに基づいて異常判定ができる低出力の領域を確保することができる。それにより、判定できない出力範囲を少なくすることができる。広い出力範囲において、温度上昇率に基づく異常判定と温度検出値に基づく異常判定のどちらかで異常状態を判定することができる。また、電力変換装置１００の運転時、無負荷であっても冷却器異常時のスイッチング素子の温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓが、冷却器が正常時に定格運転した時のスイッチング素子の温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓを上回る場合は、この間に判定温度Ｔｈ２を設定することによって、全出力範囲において、異常状態を判定することができる。

ここで、温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔでの異常判定ができる出力の領域の下限である、温度上昇率異常判定可能出力下限値を考える。そして、温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓでの異常判定が可能な出力の領域の下限である温度異常判定可能出力下限値を考える。温度上昇率異常判定可能出力下限値と温度異常判定可能出力下限値とを一致させて、これを部分出力としてもよい。そのように設定すれば、温度上昇率によって異常判定できる出力範囲と、温度によって異常判定できる出力範囲とが重複することとなる。それによって、重複する出力範囲において二つの方法で確実に異常を判定できるので、異常判定の信頼性が向上できる。

制御装置９は、温度上昇率判定部９１１と温度上昇判定部９１４とのうちの少なくとも一方が、異常判定をした後、電力変換部３の出力を抑制する作動制限を実行するように構成されている。これにより、異常状態を判定してからの温度上昇が小さくなる。よって、異常状態を判定してから停止させるまでの制限運転期間をより長く確保することができる。例えば電動機１が電気自動車等の車両の駆動源として用いられている場合には、異常状態が交差点等の問題のある場所で発生したときに、路肩等の支障のない場所まで制限運転期間を利用して車両を移動させられる電力変換装置１００を得ることができる。

また、電力変換装置１００の制御装置９は、電力変換部３の出力を抑制する作動制限をスイッチング素子の温度が低下した場合でも継続する。スイッチング素子の作動制限中に、温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔが温度上昇率値Ｔｈ１より低下する状態と、温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓが判定温度Ｔｈ２より低下する状態と、の少なくとも一方の状態になった場合、電力変換装置１００は、電力変換部３の出力を抑制する作動制限を継続するように構成されている。これにより、スイッチング素子の破損を防ぎつつ、確実に所定の制限運転期間以上の期間、電力変換装置１００の動作を継続できる。

さらに、電力変換装置１００の制御装置９は、電力変換部３の出力を抑制する作動制限を実行してから、予め定められた時間（例えば制限運転期間）の後に電力変換部３の出力を停止させるように構成してもよい。また、制御装置９は、電力変換部３の出力を抑制する作動制限を実行してから、予め定められた停止判定温度Ｔｈ３と温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓとを比較し、温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓが停止判定温度Ｔｈ３を超えたとき、電力変換部３の出力を停止させる出力停止判定部９１３を備えていてもよい。これにより、異常状態を判定した後に動作を継続できると共に、スイッチング素子３１１が動作限界温度に達するまでに動作を停止することができる。

また、電力変換部３の一つのアームを構成するそれぞれのスイッチング素子３１１～３１６は、複数のスイッチング素子が並列に接続されて構成されていてもよい。そして、スイッチング素子温度センサ７は、全てのスイッチング素子の温度の平均値を検出するように構成されていてもよい。

以上述べた実施の形態３による電力変換装置１００によれば、インバータ部３１の出力が高い場合は温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔで冷却器４の異常をいち早く判定することができる。そして、インバータ部３１の出力が低い場合は、温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓに基づいて冷却器４の異常を判定することができる。

部分出力とは電力変換部３の出力状態のうち、電力変換装置１００が保護すべき下限の出力のことを示すと説明した。ここで、この部分出力状態において、冷却器の熱伝導機能が喪失された場合の最大温度上昇率値を検討する。このときの最大温度上昇率値よりも小さな値である温度上昇率値Ｔｈ４を決定する（Ｔｈ４は不図示）。温度上昇率判定部９１１にて温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔと比較する温度上昇率値Ｔｈ１として、この温度上昇率値Ｔｈ４を設定してもよい。

このようにすることによって、部分出力状態において冷却器の熱伝導機能が喪失された場合、これをより迅速に検出することが可能となる。これによって、温度上昇率値で異常を検出する高出力の領域と、温度検出値で異常を検出する低出力の領域をオーバーラップさせることができる。それにより、判定できない出力範囲をなくすことができる。全出力範囲において、温度上昇率に基づく異常判定と温度検出値に基づく異常判定のどちらかで異常状態を判定することができる。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書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。

１ 電動機、３ 電力変換部、４ 冷却器、７ スイッチング素子温度センサ、８ 指令発生器、９ 制御装置、１００ 電力変換装置、３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６ スイッチング素子、３３ 増幅回路、３４ 駆動回路、９１ 出力抑制部、９１１ 温度上昇率判定部、９１２ トルク指令抑制部、９１３ 出力停止判定部、９１４ 温度上昇判定部、９１５ 異常判定部、Ｔｊ＿ｓｅｎｓ 温度検出値、Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔ 温度上昇率、Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔ＿ｎＨ 正常時定格出力温度上昇率、Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔ＿ｆＬ 異常時部分出力温度上昇率、Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔ＿ｆＨ 異常時定格出力温度上昇率、Ｔｈ１、Ｔｈ１１、Ｔｈ４ 温度上昇率値、Ｔｈ１２ 第二の温度上昇率値、Ｔｈ１３ 第三の温度上昇率値、Ｔｈ２ 判定温度、Ｔｈ３ 停止判定温度、Δｔ１、Δｔ１１ 温度上昇率継続期間、Δｔ２ 制限運転期間、Δｔ１２ 第二の温度上昇率継続期間、Δｔ３ 第三の温度上昇率継続期間

本願に係る電力変換装置は、
スイッチング素子、
スイッチング素子の温度を検出する温度センサ、
スイッチング素子を制御し、予め定められた判定期間の間、温度センサによって検出された温度の上昇率が予め定められた温度上昇率値よりも大きい場合スイッチング素子の作動制限を行う制御装置、を備えた電力変換装置において、
制御装置は、温度上昇率値が、電力変換装置が正常時のスイッチング素子の定格出力時に温度センサによって検出される温度の最大上昇率よりも小さい値に設定されており、判定期間が、電力変換装置が正常な場合にスイッチング素子の定格出力時に温度センサによって検出される温度の上昇率が温度上昇率値よりも大きい状態を継続する期間よりも長い期間に設定されているものである。

Claims (19)

1. スイッチング素子、
   前記スイッチング素子の温度を検出する温度センサ、
   前記スイッチング素子を制御し、予め定められた温度上昇率継続期間の間、前記温度センサによって検出された温度の上昇率が予め定められた温度上昇率値よりも大きい場合前記スイッチング素子の作動制限を行う制御装置、を備えた電力変換装置。
2. 前記制御装置は、正常時の前記スイッチング素子の定格出力時に前記温度センサによって検出された温度の上昇率が前記温度上昇率値よりも大きい期間よりも長い期間に、前記温度上昇率継続期間が設定された請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記制御装置は、前記温度上昇率値よりも大きい第二の温度上昇率値と、前記温度上昇率継続期間よりも短い第二の温度上昇率継続期間を有し、前記温度センサによって検出された温度の上昇率が前記温度上昇率継続期間の間前記温度上昇率値よりも大きいか、前記温度センサによって検出された温度の上昇率が前記第二の温度上昇率継続期間の間前記第二の温度上昇率値よりも大きい場合に前記スイッチング素子の作動制限を行う請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記制御装置は、正常時の前記スイッチング素子の定格出力時に前記温度センサによって検出された温度の上昇率が前記温度上昇率値よりも大きい期間よりも長い期間に、前記第二の温度上昇率継続期間が設定された請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記制御装置は、予め定められた第三の温度上昇率値を有し、さらに前記温度センサによって検出された温度の上昇率の最大値が前記第三の温度上昇率値よりも大きい場合に前記スイッチング素子の作動制限を行う請求項１から４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
6. 前記スイッチング素子を冷却する冷却器を備え、
   前記制御装置は、前記第三の温度上昇率値が前記冷却器の熱伝導機能喪失時における前記スイッチング素子の定格出力時の温度の最大上昇率以下に設定されている請求項５に記載の電力変換装置。
7. 前記制御装置は、前記スイッチング素子の作動制限を開始した後に前記温度センサによって検出された温度の上昇率が予め定められた前記温度上昇率値以下となった場合に前記スイッチング素子の作動制限を継続する請求項１から６のいずれか一項に記載の電力変換装置。
8. 前記制御装置は、前記温度センサによって検出された温度の上昇率が前記温度上昇率継続期間の間前記温度上昇率値よりも大きいか、前記温度センサによって検出された温度が予め定められた判定温度よりも高い場合に前記スイッチング素子の作動制限を行う請求項１から７のいずれか一項に記載の電力変換装置。
9. 前記制御装置は、前記判定温度が正常時の前記スイッチング素子の定格出力時の温度よりも高い値に設定された請求項８に記載の電力変換装置。
10. 前記スイッチング素子を冷却する冷却器を備え、
    前記制御装置は、前記判定温度が前記冷却器の熱伝導機能喪失時に前記スイッチング素子の作動制限を実施する出力に応じて設定された請求項８または９に記載の電力変換装置。
11. 前記スイッチング素子を冷却する冷却器を備え、
    前記制御装置は、前記温度上昇率値が前記冷却器の熱伝導機能喪失時に前記スイッチング素子の作動制限を実施する出力に応じて設定された請求項８から１０のいずれか一項に記載の電力変換装置。
12. 前記制御装置は、前記温度上昇率値が前記冷却器の熱伝導機能喪失時における前記スイッチング素子の作動制限を実施する出力時の温度の最大上昇率以下に設定されている請求項１１に記載の電力変換装置。
13. 前記制御装置は、前記スイッチング素子の作動制限を開始した後に前記温度センサによって検出された温度の上昇率が予め定められた前記温度上昇率値以下となり、かつ前記温度センサによって検出された温度が前記判定温度以下となった場合に前記スイッチング素子の作動制限を継続する請求項８から１２のいずれか一項に記載の電力変換装置。
14. 前記制御装置は、前記スイッチング素子を予め定められた出力に制限して制御することによって前記スイッチング素子の作動制限を行う請求項１から１３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
15. 前記制御装置は、前記スイッチング素子の作動制限を開始した後予め定められた制限運転期間の間、前記スイッチング素子を予め定められた出力に制限して制御する請求項１４に記載の電力変換装置。
16. 前記制御装置は、前記スイッチング素子の作動制限を開始した後予め定められた制限運転期間の後前記スイッチング素子の動作を停止する請求項１から１５のいずれか一項に記載の電力変換装置。
17. 前記制御装置は、前記スイッチング素子の作動制限を開始した後、前記温度センサによって検出された温度が予め定められた停止判定温度よりも高い場合は前記スイッチング素子の動作を停止する請求項１から１６のいずれか一項に記載の電力変換装置。
18. 並列に接続された複数のスイッチング素子を備え、
    前記温度センサは複数のスイッチング素子の温度を検出する請求項１から１７のいずれか一項に記載の電力変換装置。
19. 前記スイッチング素子はワイドバンドギャップ半導体によって構成された請求項１から１８のいずれか一項に記載の電力変換装置。

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