JP2023145833A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パワー半導体素子を過熱からより適切に保護することができる電力変換装置を得る。【解決手段】電力変換装置１０は、電力変換部２０及び制御部４０を備えている。電力変換部２０は、第１半導体モジュール２１を有している。第１半導体モジュール２１は、複数のパワー半導体素子２１１～２１４を含んでいる。パワー半導体素子２１１及び２１３は、検出対象素子である。電力変換部２０は、温度センサ２１ａと電圧センサ２１ｃとをさらに有している。温度センサ２１ａは、検出対象素子の表面温度をセンサ位置温度Ｔｓとして検出する。電圧センサ２１ｃは、検出対象素子の端子間電圧Ｖｃｅを検出する。制御部４０は、センサ位置温度Ｔｓと端子間電圧Ｖｃｅとに基づいて、検出対象素子における損失を算出し、算出された損失に基づいて、最高温度を推定する。【選択図】図１

Description

本開示は、電力変換装置に関する。

従来の電力変換装置では、スイッチング素子の過電流状態を検出するために、スイッチング素子の温度及び端子間電圧が検出される。スイッチング素子の温度を検出するための温度センサは、スイッチング素子のチップ上に設けられている（例えば、特許文献１）。

特開２０２０－５８１９２号公報

通常、スイッチング素子の表面温度は均一でないため、温度センサにより検出される温度とスイッチング素子の表面における最高温度点の温度との間には差が生じる。また、スイッチング素子の発熱量に応じて表面温度の分布が変化する。上記のような従来の電力変換装置において、スイッチング素子を過熱から保護するためには、温度センサにより検出される温度と、スイッチング素子の表面における最高温度点の温度との差の最大値が温度マージンとして設定される必要がある。そのため、スイッチング素子の発熱状態によっては、スイッチング素子の出力が不必要に制限されることがあるという問題があった。

本開示は、上記のような課題を解決するために為されたものであり、パワー半導体素子を過熱からより適切に保護することができる電力変換装置を得ることを目的とする。

本開示に係る電力変換装置は、複数のパワー半導体素子を含むパワー半導体モジュールを有しており、外部電源からの直流電力を交流電力に変換し、交流電力を駆動装置に供給する電力変換部、及び複数のパワー半導体素子の動作を制御する制御部を備え、複数のパワー半導体素子のうちの少なくとも１つは、温度検出対象である検出対象素子であり、電力変換部は、検出対象素子の表面温度をセンサ位置温度として検出する温度センサと、検出対象素子の端子間電圧を検出する電圧センサとをさらに有しており、検出対象素子の表面において温度が最も高くなる位置を最高温度位置としたとき、制御部は、センサ位置温度と端子間電圧とに基づいて、検出対象素子における損失を算出し、算出された損失に基づいて、最高温度位置における温度である最高温度を推定する。

本開示に係る電力変換装置によれば、パワー半導体素子を過熱からより適切に保護することができる。

実施の形態１に係る電力変換装置を一部ブロックで示す構成図である。 図１の制御部の構成を示すブロック図である。 図１の第１半導体モジュールの構造を示す上面図である。 図１の検出対象素子上に温度センサが配置されている位置を示す上面図である。 図１の検出対象素子の表面温度の面内分布及び平均温度を示す図である。 図１のパワー半導体素子の表面の平均温度とオン抵抗との関係を示す図である。 図２の第１半導体モジュールの構造を示す図３のＡ－Ａ断面図である。 電力供給時間に対する熱抵抗の変化及び熱抵抗差の変化を示す図である。 図１の制御部が実行する最高温度推定ルーチンを示すフローチャートである。 冷却器上に搭載された図１の電力変換装置を示す模式図である。 実施の形態２に係る電力変換装置を一部ブロックで示す構成図である。 図１１の検出対象素子の温度とオン抵抗との関係を示す図である。 実施の形態１及び２の電力変換装置の機能を実現する処理回路の第１の例を示す構成図である。 実施の形態１及び２の電力変換装置の機能を実現する処理回路の第２の例を示す構成図である。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る電力変換装置を一部ブロックで示す構成図である。電力変換装置１０は、電力変換部２０、相電流センサ３０、及び制御部４０を備えている。

電力変換部２０は、外部電源としての直流電源５０と接続されている。また、電力変換部２０は、駆動装置としてのモータ６０と接続されている。電力変換部２０は、直流電源５０からの直流電力を３相の交流電力に変換し、変換された３相の交流電力をモータ６０に供給する。

電力変換部２０は、第１半導体モジュール２１、第２半導体モジュール２２、及び第３半導体モジュール２３を有している。

第１半導体モジュール２１は、上アーム２１Ｕと下アーム２１Ｌとを有している。第１半導体モジュール２１は、複数のパワー半導体素子２１１、２１２、２１３、及び２１４を含んでいる。複数のパワー半導体素子２１１、２１２、２１３、及び２１４は、複数の上アーム素子と、複数の下アーム素子とからなる。複数の上アーム素子は、パワー半導体素子２１１及び２１２であり、複数の下アーム素子は、パワー半導体素子２１３及び２１４である。複数の上アーム素子は、上アーム２１Ｕに含まれ、互いに並列に接続されている。複数の下アーム素子は、下アーム２１Ｌに含まれ、互いに並列に接続されている。

複数のパワー半導体素子２１１、２１２、２１３、及び２１４のうち、パワー半導体素子２１１及び２１３は、検出対象素子である。検出対象素子は、温度検出対象であるパワー半導体素子のことである。つまり、複数の上アーム素子のうちの１つのみと、複数の下アーム素子のうちの１つのみとが、それぞれ検出対象素子である。

第２半導体モジュール２２は、上アーム２２Ｕと下アーム２２Ｌとを有している。第２半導体モジュール２２は、複数のパワー半導体素子２２１、２２２、２２３、及び２２４を含んでいる。複数のパワー半導体素子２２１、２２２、２２３、及び２２４は、複数の上アーム素子と、複数の下アーム素子とからなる。複数の上アーム素子は、パワー半導体素子２２１及び２２２であり、複数の下アーム素子は、パワー半導体素子２２３及び２２４である。複数の上アーム素子は、上アーム２２Ｕに含まれ、互いに並列に接続されている。複数の下アーム素子は、下アーム２２Ｌに含まれ、互いに並列に接続されている。

複数のパワー半導体素子２２１、２２２、２２３、及び２２４のうち、パワー半導体素子２２１及び２２３は、検出対象素子である。つまり、複数の上アーム素子のうちの１つのみと、複数の下アーム素子のうちの１つのみとが、それぞれ検出対象素子である。

第３半導体モジュール２３は、上アーム２３Ｕと下アーム２３Ｌとを有している。第３半導体モジュール２３は、複数のパワー半導体素子２３１、２３２、２３３、及び２３４を含んでいる。複数のパワー半導体素子２３１、２３２、２３３、及び２３４は、複数の上アーム素子と、複数の下アーム素子とからなる。複数の上アーム素子は、パワー半導体素子２３１及び２３２であり、複数の下アーム素子は、パワー半導体素子２３３及び２３４である。複数の上アーム素子は、上アーム２３Ｕに含まれ、互いに並列に接続されている。複数の下アーム素子は、下アーム２３Ｌに含まれ、互いに並列に接続されている。

複数のパワー半導体素子２３１、２３２、２３３、及び２３４のうち、パワー半導体素子２３１及び２３３は、検出対象素子である。つまり、複数の上アーム素子のうちの１つのみと、複数の下アーム素子のうちの１つのみとが、それぞれ検出対象素子である。

各パワー半導体素子は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）と還流ダイオードとにより構成されている。還流ダイオードは、ＩＧＢＴのコレクタ－エミッタ間に逆並列に接続されている。

さらに、電力変換部２０は、温度センサ２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ、２３ａ、及び２３ｂと、電圧センサ２１ｃ、２１ｄ、２２ｃ、２２ｄ、２３ｃ、及び２３ｄとを有している。各温度センサは、検出対象素子の表面温度をセンサ位置温度Ｔｓとして検出する。

温度センサ２１ａは、パワー半導体素子２１１の表面温度を検出し、温度センサ２１ｂは、パワー半導体素子２１３の表面温度を検出する。温度センサ２２ａは、パワー半導体素子２２１の表面温度を検出し、温度センサ２２ｂは、パワー半導体素子２２３の表面温度を検出する。温度センサ２３ａは、パワー半導体素子２３１の表面温度を検出し、温度センサ２３ｂは、パワー半導体素子２３３の表面温度を検出する。各温度センサには、サーミスタが用いられる。

各電圧センサは、検出対象素子の端子間電圧Ｖｃｅを検出する。端子間電圧Ｖｃｅは、パワー半導体素子のコレクタ－エミッタ間電圧である。電圧センサ２１ｃは、パワー半導体素子２１１の端子間電圧Ｖｃｅを検出し、電圧センサ２１ｄは、パワー半導体素子２１３の端子間電圧Ｖｃｅを検出する。電圧センサ２２ｃは、パワー半導体素子２２１の端子間電圧Ｖｃｅを検出し、電圧センサ２２ｄは、パワー半導体素子２２３の端子間電圧Ｖｃｅを検出する。電圧センサ２３ｃは、パワー半導体素子２３１の端子間電圧Ｖｃｅを検出し、電圧センサ２３ｄは、パワー半導体素子２３３の端子間電圧Ｖｃｅを検出する。各電圧センサは、各パワー半導体素子のコレクタ及びエミッタにそれぞれ設けられている電極に相当している。

制御部４０は、複数のパワー半導体素子の動作を制御する。検出対象素子の表面において温度が最も高くなる位置を最高温度位置としたとき、制御部４０は、センサ位置温度Ｔｓと端子間電圧Ｖｃｅとに基づいて、検出対象素子における損失を算出する。

さらに、制御部４０は、算出された損失に基づいて、最高温度Ｔｊｍａｘを推定する。最高温度Ｔｊｍａｘは、最高温度位置における温度である。

第１半導体モジュール２１、第２半導体モジュール２２、及び第３半導体モジュール２３は、モータ６０のＵ相、Ｖ相、及びＷ相にそれぞれ対応している。モータ６０は、Ｕ相巻線６１、Ｖ相巻線６２、及びＷ相巻線６３を有している。

相電流センサ３０は、Ｕ相の相電流センサ３１、Ｖ相の相電流センサ３２、及びＷ相の相電流センサ３３を有している。Ｕ相の相電流センサ３１は、Ｕ相巻線６１に流れる電流を検出する。Ｖ相の相電流センサ３２は、Ｖ相巻線６２に流れる電流を検出する。Ｗ相の相電流センサ３３は、Ｗ相巻線６３に流れる電流を検出する。

上アーム２１Ｕと下アーム２１Ｌとの間と、Ｕ相巻線６１との間にはＵ相電力供給用の配線が接続されている。Ｕ相電力供給用の配線には、Ｕ相の相電流センサ３１が設けられている。

上アーム２２Ｕと下アーム２２Ｌとの間と、Ｖ相巻線６２との間にはＶ相電力供給用の配線が接続されている。Ｖ相電力供給用の配線には、Ｖ相の相電流センサ３２が設けられている。

上アーム２３Ｕと下アーム２３Ｌとの間と、Ｗ相巻線６３との間にはＷ相電力供給用の配線が接続されている。Ｗ相電力供給用の配線には、Ｗ相の相電流センサ３３が設けられている。

制御部４０は、各パワー半導体素子２１１～２１４，２２１～２２４，２３１～２３４の動作を制御する。制御部４０は、各温度センサから、対応する検出対象素子のセンサ位置温度Ｔｓを取得するとともに、各電圧センサから、対応する検出対象素子の端子間電圧Ｖｃｅを取得する。

制御部４０は、各温度センサにより検出された検出対象素子のセンサ位置温度Ｔｓと、各電圧センサにより検出された検出対象素子の端子間電圧Ｖｃｅとに基づいて、各検出対象素子における損失を算出する。

制御部４０は、算出された各検出対象素子における損失に基づいて、各検出対象素子の最高温度位置における温度を推定する。最高温度位置は、各検出対象素子の表面において最も温度が高くなる位置である。

制御部４０は、Ｕ相の相電流センサ３１、Ｖ相の相電流センサ３２、及びＷ相の相電流センサ３３から、Ｕ相巻線６１に流れる電流、Ｖ相巻線６２に流れる電流、及びＷ相巻線６３に流れる電流をそれぞれ取得する。

図２は、図１の制御部４０の構成を示すブロック図である。制御部４０は、機能ブロックとして、センサ位置温度取得部４１、端子間電圧取得部４２、相電流取得部４３、損失算出部４４、最高温度推定部４５、及びパワー半導体素子制御部４６を有している。

センサ位置温度取得部４１は、温度センサ２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ、２３ａ、及び２３ｂから各検出対象素子のセンサ位置温度Ｔｓを取得する。

端子間電圧取得部４２は、電圧センサ２１ｃ、２１ｄ、２２ｃ、２２ｄ、２３ｃ、及び２３ｄから各検出対象素子の端子間電圧Ｖｃｅを取得する。

相電流取得部４３は、Ｕ相の相電流センサ３１、Ｖ相の相電流センサ３２、及びＷ相の相電流センサ３３から、Ｕ相の相電流、Ｖ相の相電流、及びＷ相の相電流をそれぞれ取得する。

損失算出部４４には、センサ位置温度取得部４１により取得された各検出対象素子のセンサ位置温度Ｔｓと、端子間電圧取得部４２によって取得された各検出対象素子の端子間電圧Ｖｃｅとが入力される。損失算出部４４は、各検出対象素子のセンサ位置温度Ｔｓと各検出対象素子の端子間電圧Ｖｃｅとに基づいて、各検出対象素子における損失を算出する。

検出対象素子として、パワー半導体素子２１１を例にして、以下に具体的に述べる。損失算出部４４は、予めパワー半導体素子２１１のセンサ位置温度Ｔｓとパワー半導体素子２１１のオン抵抗Ｒｏｎとの関係を規定したマップである第１マップを記憶している。損失算出部４４は、温度センサ２１ａから取得されたセンサ位置温度Ｔｓを第１マップに適用することにより、パワー半導体素子２１１のオン抵抗Ｒｏｎを算出する。

損失算出部４４は、電圧センサ２１ｃから取得された端子間電圧Ｖｃｅを、算出されたオン抵抗Ｒｏｎで除することにより、パワー半導体素子２１１のオン電流Ｉｏｎを第１電流値として算出する。

さらに、損失算出部４４は、予めパワー半導体素子２１１のオン電流Ｉｏｎ、パワー半導体素子２１１の力率、及びパワー半導体素子２１１の変調率と、パワー半導体素子２１１の損失との関係を規定したマップである第２マップを記憶している。パワー半導体素子２１１の損失には、パワー半導体素子２１１の導通損失及びパワー半導体素子２１１のスイッチング損失が含まれる。損失算出部４４は、算出されたパワー半導体素子２１１のオン電流Ｉｏｎ、パワー半導体素子２１１の力率、及びパワー半導体素子２１１の変調率を第２マップに適用することにより、パワー半導体素子２１１の損失を算出する。

最高温度推定部４５は、損失算出部４４によって算出されたパワー半導体素子２１１の損失に基づいて、パワー半導体素子２１１の最高温度Ｔｊｍａｘを推定する。

最高温度Ｔｊｍａｘの推定方法を以下に具体的に述べる。最高温度推定部４５は、予め熱抵抗差関数ΔＺｔｈ（ｔ）とパワー半導体素子２１１の温度上昇値ΔＴとの関係を規定したマップである第３マップを記憶している。熱抵抗差関数ΔＺｔｈ（ｔ）は、第１熱抵抗Ｚｔｈ（ｔ）ｊ－ｒｅｆと第２熱抵抗Ｚｔｈ（ｔ）ｓ－ｒｅｆとの差についての関数である。

第１熱抵抗Ｚｔｈ（ｔ）ｊ－ｒｅｆは、最高温度位置Ｐ１と、第１半導体モジュール２１の放熱経路中の基準位置Ｐｒｅｆとの間の熱抵抗である。最高温度位置Ｐ１は、パワー半導体素子２１１に電力が供給された場合に、パワー半導体素子２１１の表面において最高温度Ｔｊｍａｘを示す位置である。基準位置Ｐｒｅｆは、第１半導体モジュール２１の放熱経路において、任意に設定された位置である。

また、第２熱抵抗Ｚｔｈ（ｔ）ｓ－ｒｅｆは、センサ温度位置Ｐ２と基準位置Ｐｒｅｆとの間の熱抵抗である。センサ温度位置Ｐ２は、パワー半導体素子２１１に電力が供給された場合に、温度センサ２１ａによってパワー半導体素子２１１の表面温度が検出される位置である。第１熱抵抗Ｚｔｈ（ｔ）ｊ－ｒｅｆ及び第２熱抵抗Ｚｔｈ（ｔ）ｓ－ｒｅｆは、電力供給時間ｔに対する関数である。

パワー半導体素子制御部４６には、最高温度推定部４５によって推定された最高温度Ｔｊｍａｘが入力される。パワー半導体素子制御部４６は、推定された最高温度Ｔｊｍａｘが規定温度を超えたか否かを判定する。パワー半導体素子制御部４６は、最高温度Ｔｊｍａｘが規定温度を超えた場合、モータ６０に供給される交流電力を電力変換部２０によって制限させる。一方、最高温度Ｔｊｍａｘが規定温度を超えていない場合、パワー半導体素子制御部４６は、モータ６０に供給される交流電力を電力変換部２０によって維持させる。

図３は、図１の第１半導体モジュール２１の構造を示す上面図である。第１半導体モジュール２１は、複数のインナーリード２１５と、複数の電力リードとしてのＰリード２１６、Ｎリード２１７、及びＡＣリード２１８と、複数の信号リード２１９とを有している。

複数のインナーリード２１５は、導電性の金属部材によって構成されている。Ｐリード２１６、Ｎリード２１７、ＡＣリード２１８、及び複数の信号リード２１９は、導電性の金属部材によって構成されている。Ｐリード２１６、Ｎリード２１７、ＡＣリード２１８、及び複数の信号リード２１９は、一体的に成形されたリードフレームを切り離すことによって得られる。

Ｐリード２１６、Ｎリード２１７、及びＡＣリード２１８は、実装面を有している。実装面は、複数のパワー半導体素子及び複数のインナーリード２１５の少なくともいずれか一方を実装するための面であり、図３において、Ｐリード２１６、Ｎリード２１７、ＡＣリード２１８の上面である。

Ｐリード２１６には、その実装面において、パワー半導体素子２１１の下面及びパワー半導体素子２１２の下面が接続されている。Ｎリード２１７には、その実装面において、２つのインナーリード２１５の下面が接続されている。ＡＣリード２１８には、その実装面において、パワー半導体素子２１３の下面、パワー半導体素子２１４の下面、及び２つのインナーリード２１５の下面が接続されている。

Ｐリード２１６は、第１半導体モジュール２１の外部の配線部材を介して、直流電源５０の正極端子に接続されている。Ｎリード２１７は、第１半導体モジュール２１の外部の配線部材を介して、直流電源５０の負極端子に接続されている。ＡＣリード２１８は、第１半導体モジュール２１の外部の配線部材を介して、Ｕ相巻線６１に接続されている。

複数の信号リード２１９は、各パワー半導体素子の動作を制御するための信号であるゲート信号が入力されるリードを含んでいる。また、複数の信号リード２１９は、温度センサ２１ａ用の一対のリード、温度センサ２１ｂ用の一対のリード、電圧センサ２１ｃ用の一対のリード、及び電圧センサ２１ｄ用の一対のリードを含んでいる。

電圧センサ２１ｃは、パワー半導体素子２１１のコレクタに設けられた電極パッドと、パワー半導体素子２１１のエミッタに設けられた電極パッドとにより構成されている。これらの電極パッドは、それぞれワイヤボンド配線によって複数の信号リード２１９の中の一対のリードと接続されている。

複数の信号リード２１９は、第１半導体モジュール２１の外部の配線部材を介して、制御部４０に接続されている。これにより、制御部４０は、検出対象素子のセンサ位置温度Ｔｓ及び端子間電圧Ｖｃｅを取得することができるとともに、パワー半導体素子２１１～２１４の動作を制御することができる。

また、第１半導体モジュール２１は、モールド樹脂２１ｍを有している。モールド樹脂２１ｍは、パワー半導体素子２１１～２１４と、温度センサ２１ａ及び２１ｂと、電圧センサ２１ｃ及び２１ｄと、複数のインナーリード２１５との全体を覆っている。また、モールド樹脂２１ｍは、Ｐリード２１６、Ｎリード２１７、ＡＣリード２１８、及び複数の信号リード２１９の一端を除いた部分を覆っている。

なお、第２半導体モジュール２２の構造及び第３半導体モジュール２３の構造は、第１半導体モジュール２１の構造と同様であるため、それらの説明は省略される。

図４は、図１の検出対象素子上に温度センサが配置されている位置を示す上面図である。ここでは、検出対象素子として、パワー半導体素子２１１を例に説明する。パワー半導体素子２１１の上面の中央には、インナーリード２１５との接合部２１ｊが設けられている。インナーリード２１５との接合部２１ｊは、導電性の金属部材によって構成されている。パワー半導体素子２１１の上面の周辺部には、温度センサ２１ａが設けられている。周辺部は、パワー半導体素子２１１の上面においてインナーリード２１５との接合部２１ｊよりも外側の部分である。

ところで、パワー半導体素子２１１は、その表面において、多数の微細なスイッチがセル状又はストライプ状に形成された構造を有している。多数の微細なスイッチは、互いに並列に接続されている。パワー半導体素子２１１がオン状態にあるとき、パワー半導体素子２１１に供給された電力は、多数の微細なスイッチに分割して供給される。このときの電力分布の傾向は、パワー半導体素子２１１の中央に近付くほど高い電力が供給される傾向となる。

接合部２１ｊの位置に形成されている微細なスイッチには、インナーリード２１５から素子表面に形成されている表面電極層を介して電力が供給される。これに対し、外周部に形成されている微細なスイッチには、インナーリード２１５から表面電極の表面を経由して電力が供給される。表面電極の表面の抵抗は、インナーリード２１５からの距離に応じて大きくなるため、インナーリード２１５から遠い微細なスイッチほど、供給される電力は低くなる。

また、微細なスイッチの並列数が多いほど、パワー半導体素子２１１の単位面積当たりのオン抵抗が小さくなるため、パワー半導体素子２１１の損失が低減される。従って、温度センサ２１ａをできるだけパワー半導体素子２１１の中央から離れた部分に配置し、且つ温度センサ２１ａの実装面積をできるだけ小さくすることにより、パワー半導体素子２１１の温度上昇が低減される。

なお、第１半導体モジュール２１のもう１つの検出対象素子であるパワー半導体素子２１３は、パワー半導体素子２１１と同様の構成を有しているため、その説明は省略される。

また、温度センサ２１ａが配置されていないパワー半導体素子２１２は、そのチップ外形が検出対象素子であるパワー半導体素子２１１のチップ外形と同じであっても、検出対象素子に比べて、微細なスイッチの並列数を多くすることができる。従って、パワー半導体素子２１２は、パワー半導体素子２１１に比べて、より多くの電力を供給することができる。そのため、パワー半導体素子２１２は、さらなる導通損失の低減が可能である。

図５は、図１の検出対象素子の表面温度の面内分布及び平均温度を示す図である。ここでは、検出対象素子として、パワー半導体素子２１１を例に説明する。実線７１は、パワー半導体素子２１１の表面温度の面内分布である。パワー半導体素子２１１の表面温度の面内分布は、パワー半導体素子２１１の電力分布の傾向と同様の傾向を示す。従って、パワー半導体素子２１１の中央に近付くほどパワー半導体素子２１１の表面温度は高くなる。このような表面温度の面内分布に対して、パワー半導体素子２１１の表面の平均温度は、実線７２により示される。

破線７３は、仮に、パワー半導体素子２１１への電力の供給が、インナーリード２１５ではなく、ワイヤボンド配線によって行われた場合におけるパワー半導体素子２１１の表面温度の面内分布である。また、破線７４は、仮に、パワー半導体素子２１１への電力の供給が、ワイヤボンド配線によって行われた場合におけるパワー半導体素子２１１の表面の平均温度である。なお、仮に使用されるワイヤボンド配線の断面積及び表面積は、インナーリード２１５の断面積及び表面積よりも小さい。

図５から理解されるように、実線７１の形状は、破線７３の形状よりも平坦である。これは、インナーリード２１５がパワー半導体素子２１１の上面の中央の接合部２１ｊ全体に接続されており、接合部２１ｊに接続される面積がワイヤボンド配線に対して大きく、且つ隙間なく配置されていることによる。また、パワー半導体素子２１１の温度が上昇している間においても、インナーリード２１５がヒートマスとして作用するため、パワー半導体素子２１１の表面温度の平坦な面内分布は維持される。

また、実線７１と実線７２との交点の面内位置は、破線７３と破線７４との交点の面内位置と比べて、パワー半導体素子２１１の中央から遠い。これは、パワー半導体素子２１１の表面温度の面内分布が平坦化したことによる。このように、温度センサ２１ａが、パワー半導体素子２１１の外周部に配置されても、パワー半導体素子２１１の平均温度により近い温度が温度センサ２１ａにより取得される。

即ち、配線部材としてインナーリード２１５を用いることにより、パワー半導体素子２１１のより外周側に温度センサ２１ａが配置されても、パワー半導体素子２１１の平均温度により近い値が温度センサ２１ａにより取得されるようになる。この結果、パワー半導体素子２１１の表面の中央に微細なスイッチをより多く配置することが可能となり、パワー半導体素子２１１のオン抵抗Ｒｏｎが低減されるため、パワー半導体素子の性能を向上させることができる。

なお、第１半導体モジュール２１のもう１つの検出対象素子であるパワー半導体素子２１３は、パワー半導体素子２１１と同様の構成を有しているため、その説明は省略される。

図６は、図１の検出対象素子の表面の平均温度とオン抵抗Ｒｏｎとの関係を示す図である。ここでは、検出対象素子として、パワー半導体素子２１１を例に説明する。曲線７５は、パワー半導体素子２１１の平均温度を素子温度としたときのオン抵抗Ｒｏｎの温度特性である。図６に示したように、パワー半導体素子２１１のオン抵抗Ｒｏｎは、パワー半導体素子２１１の表面温度の増加とともに上昇する性質を有している。そのため、パワー半導体素子２１１のオン抵抗Ｒｏｎは、温度センサ２１ａにより検出された温度に基づいて計算される。

オン抵抗Ｒｏｎが、パワー半導体素子２１１の表面の平均温度に基づいて計算されることにより、パワー半導体素子２１１のオン電流Ｉｏｎの計算値の精度も向上する。これは、パワー半導体素子２１１の表面の平均温度を使用して換算されたオン電流Ｉｏｎが、実態に最も近い値となるからである。

オン電流Ｉｏｎは、オームの法則に従って、計算されたオン抵抗Ｒｏｎと電圧センサ２１ｃにより検出された端子間電圧Ｖｃｅとから計算される。

なお、第１半導体モジュール２１のもう１つの検出対象素子であるパワー半導体素子２１３は、パワー半導体素子２１１と同様の構成を有しているため、その説明は省略される。

検出対象素子ではないパワー半導体素子２１２及び２１４に流れる電流の値である第２電流値は、次のように求められる。損失算出部４４は、Ｕ相の相電流センサ３１からの信号に基づいて算出されたＵ相の相電流からパワー半導体素子２１１についての第１電流値を差し引くことにより、パワー半導体素子２１２についての第２電流値を算出する。

損失算出部４４は、第２電流値、パワー半導体素子２１２の力率、及びパワー半導体素子２１２の変調率を、パワー半導体素子２１２についての第２マップに適用することにより、パワー半導体素子２１２の損失を算出する。最高温度推定部４５は、損失算出部４４によって算出されたパワー半導体素子２１２の損失に基づいて、パワー半導体素子２１２の最高温度Ｔｊｍａｘを推定する。

図７は、図３の第１パワー半導体モジュールの構造を示すＡ－Ａ断面図である。Ｐリード２１６のパワー半導体素子２１１を搭載する面とは反対側の面、及びＡＣリード２１８のパワー半導体素子２１３を搭載する面とは反対側の面は、絶縁部材２１ｉを介して、冷却器としてのヒートシンク２１ｈに接続されている。ヒートシンク２１ｈは、空冷式ヒートシンクであってもよいし、水冷式ヒートシンクであってもよい。パワー半導体素子２１３への制御信号は、信号リード２１９からワイヤボンド配線２１ｗを介してパワー半導体素子２１３に与えられる。

最高温度位置Ｐ１と基準位置Ｐｒｅｆとの間の熱抵抗は、第１熱抵抗Ｚｔｈ（ｔ）ｊ－ｒｅｆである。センサ温度位置Ｐ２と基準位置Ｐｒｅｆとの間の熱抵抗は、第２熱抵抗Ｚｔｈ（ｔ）ｓ－ｒｅｆである。センサ温度位置Ｐ２と電力が供給されることにより、パワー半導体素子２１３の表面に生じた熱は、ＡＣリード２１８及び絶縁部材２１ｉを介してヒートシンク２１ｈに放出される。また、電力が供給されることにより、パワー半導体素子２１１の表面に生じた熱は、Ｐリード２１６及び絶縁部材２１ｉを介してヒートシンク２１ｈに放出される。

図８は、電力供給時間ｔに対する熱抵抗の変化及び熱抵抗差関数ΔＺｔｈ（ｔ）の変化を示す図である。第１熱抵抗Ｚｔｈ（ｔ）ｊ－ｒｅｆ及び第２熱抵抗Ｚｔｈ（ｔ）ｓ－ｒｅｆは、電力変換装置１０の設計段階において、代表的な特性を有するパワー半導体素子を搭載したパワー半導体モジュールを用いて、予め測定される。或いは、第１熱抵抗Ｚｔｈ（ｔ）ｊ－ｒｅｆ及び第２熱抵抗Ｚｔｈ（ｔ）ｓ－ｒｅｆは、電力変換装置１０の生産ラインにおいて、パワー半導体素子毎に予め測定される。

より具体的に述べると、第１熱抵抗Ｚｔｈ（ｔ）ｊ－ｒｅｆ及び第２熱抵抗Ｚｔｈ（ｔ）ｓ－ｒｅｆは、次のように求められる。先ず、第１半導体モジュール２１に組み込まれた状態のパワー半導体素子２１１～２１４に電力が供給される。次に、基準位置Ｐｒｅｆに対するパワー半導体素子２１３の最高温度位置Ｐ１における温度と、温度センサ２１ｂによるセンサ温度位置Ｐ２における温度とが同時に測定される。そして、それぞれ測定された温度が、第１半導体モジュール２１に供給された電力に対する損失で割り算される。

第１熱抵抗Ｚｔｈ（ｔ）ｊ－ｒｅｆと第２熱抵抗Ｚｔｈ（ｔ）ｓ－ｒｅｆとの差である熱抵抗差関数ΔＺｔｈ（ｔ）は、第１熱抵抗Ｚｔｈ（ｔ）ｊ－ｒｅｆから第２熱抵抗Ｚｔｈ（ｔ）ｓ－ｒｅｆを差し引いて得られた熱抵抗の差を、一定時間毎に算出することにより得られる。

最高温度推定部４５は、熱抵抗差関数ΔＺｔｈ（ｔ）を予め記憶している。最高温度推定部４５は、熱抵抗差関数ΔＺｔｈ（ｔ）と、電力供給時間ｔと、算出されたリアルタイムの損失とに基づいて、熱抵抗差関数ΔＺｔｈ（ｔ）に対応した温度上昇値ΔＴを算出する。温度上昇値ΔＴは、熱抵抗差関数ΔＺｔｈ（ｔ）と積算された損失とが掛け合わされることにより求められる。

熱抵抗差関数ΔＺｔｈ（ｔ）は、基準位置Ｐｒｅｆに対する最高温度位置Ｐ１と、温度センサ２１ｂによるセンサ温度位置Ｐ２との差から計算されるため、温度上昇値ΔＴは、最高温度位置Ｐ１と温度センサ２１ｂによるセンサ温度位置Ｐ２との温度差になる。従って、温度センサ２１ｂにより検出された温度に温度上昇値ΔＴを加えることにより、パワー半導体素子２１３の最高温度Ｔｊｍａｘを求めることができる。

パワー半導体素子制御部４６は、最高温度Ｔｊｍａｘが規定温度を超えないように、モータ６０へ供給する電力を調整する。規定温度は、パワー半導体素子が発熱によって破壊しない上限の素子温度である。従って、パワー半導体素子制御部４６は、最高温度Ｔｊｍａｘが規定温度を超えた場合には、供給する電力を制限することにより、パワー半導体素子２１３の表面温度を規定温度以下に維持することができる。

例えば、車載用の電力変換装置では、短時間に大電力を供給する動作及び比較的長い時間で相対的に中程度の電力を供給する動作が要求される。実施の形態１に係る電力変換装置１０では、パワー半導体素子の最高温度Ｔｊｍａｘが熱抵抗差関数ΔＺｔｈ（ｔ）を用いて算出されるため、上記のような要求に対しても対応することが可能である。

図８において、曲線７６は、第１熱抵抗Ｚｔｈ（ｔ）ｊ－ｒｅｆ、曲線７７は、第２熱抵抗Ｚｔｈ（ｔ）ｓ－ｒｅｆ、曲線７８は、熱抵抗差関数ΔＺｔｈ（ｔ）である。図８から理解されるように、第１熱抵抗Ｚｔｈ（ｔ）ｊ－ｒｅｆ、及び第２熱抵抗Ｚｔｈ（ｔ）ｓ－ｒｅｆは、電力供給時間ｔの経過とともに増加するが、電力供給時間ｔがある程度経過すると、徐々に飽和する。図８において、各曲線の右側部分は熱抵抗の飽和状態を表している。

仮に、飽和状態の熱抵抗のみが測定され、測定された飽和状態の熱抵抗を使用してパワー半導体素子の温度が推定された場合、電力供給の初期には熱抵抗が飽和していないため、熱抵抗の値が実際の値よりも高く見積もられることになる。この場合、パワー半導体素子の最高温度Ｔｊｍａｘが実際の温度に対して過大に認識されるため、電力変換装置１０の出力する電力が不必要に低下することになる。

これに対し、実施の形態１に係る電力変換装置１０では、熱抵抗差関数ΔＺｔｈ（ｔ）が電力供給時間ｔの関数として定義されているため、電力供給の初期であっても、熱抵抗の値が実際の値となるように見積もられることになる。従って、短時間に大電力が供給される場合であっても、パワー半導体素子の最高温度Ｔｊｍａｘが正しく推定される。

また、実施の形態１に係る電力変換装置１０では、パワー半導体素子の最高温度Ｔｊｍａｘは、任意の基準位置Ｐｒｅｆに対する熱抵抗である第１熱抵抗Ｚｔｈ（ｔ）ｊ－ｒｅｆ及び第２熱抵抗Ｚｔｈ（ｔ）ｓ－ｒｅｆからではなく、熱抵抗差関数ΔＺｔｈ（ｔ）から求められる。

つまり、第１熱抵抗Ｚｔｈ（ｔ）ｊ－ｒｅｆ及び第２熱抵抗Ｚｔｈ（ｔ）ｓ－ｒｅｆを求める際に設定される基準位置Ｐｒｅｆは、電力変換装置１０が実際に動作するときに算出される温度上昇値ΔＴには直接関与しない。このため、例えば、電力変換装置１０が、車載用のエンジンの近くに設置されて、実際の放熱経路に、外乱としてエンジンからの受熱がある場合であっても、算出される最高温度Ｔｊｍａｘは外乱の影響を受けることがない。

この点が、単に事前に測定された熱抵抗を用いて、パワー半導体素子の最高温度を算出する従来の方法と大きく相違する点である。従って、周囲に高温の熱源がある場合であっても、パワー半導体素子の最高温度を規定温度以下に抑えるために、過剰な温度マージンを設定する必要がない。

図９は、図１の制御部４０が実行する最高温度推定ルーチンを示すフローチャートである。図９のルーチンは、例えば、一定の時間が経過する毎に実行されるようになっている。図９のルーチンが開始されると、制御部４０は、ステップＳ１０１において、検出対象素子に設けられている温度センサからセンサ位置温度Ｔｓを取得する。

次いで、制御部４０は、ステップＳ１０２において、検出対象素子に設けられている電圧センサから端子間電圧Ｖｃｅを取得する。

次いで、制御部４０は、ステップＳ１０３において、取得したセンサ位置温度Ｔｓ及び取得した端子間電圧Ｖｃｅに基づいて、検出対象素子の損失を算出する。

次いで、制御部４０は、ステップＳ１０４において、算出された損失に基づいて、検出対象素子の最高温度を推定する。

次いで、制御部４０は、ステップＳ１０５において、推定された最高温度が規定温度を超えたか否かを判定する。推定された最高温度が規定温度を超えた場合、制御部４０は、ステップＳ１０６において、モータ６０に供給される交流電力を電力変換部２０によって制限させ、本ルーチンを一旦終了する。

一方、推定された最高温度が規定温度を超えていない場合、制御部４０は、ステップＳ１０７において、モータ６０に供給される交流電力を電力変換部２０によって維持させ、本ルーチンを一旦終了する。

図１０は、冷却器上に搭載された図１の電力変換装置を示す模式図である。第１半導体モジュール２１、第２半導体モジュール２２、及び第３半導体モジュール２３の構成は、すべて同一のパワー半導体モジュールである。冷却器１１には、冷媒が流れる冷却経路１２を有している。矢印１３は、冷媒の流れ方向を示している。つまり、冷媒は冷却経路１２内を紙面の右から左に向かって流れている。第１半導体モジュール２１、第２半導体モジュール２２、及び第３半導体モジュール２３は、冷媒の流れ方向に沿って、冷却器１１の上面に並べられて配置されている。

このように、同一のパワー半導体モジュールを使用することにより、異なる種類のパワー半導体モジュールを組み合わせるよりも製造コストを抑制できることがある。これは、パワー半導体モジュールの製造に必要な金型の種類及び部品の種類を削減することができるためである。また、同一のパワー半導体モジュールを並べて配置することにより、パワー半導体モジュール間の配線のインダクタンス成分を小さくすることができる。これにより、パワー半導体素子に発生するサージ電圧を低減させ、スイッチング損失を減少させることができる。

パワー半導体モジュールを並べて配置することにより、冷却器の冷却経路を１つのみ設定すればよく、冷却器の大型化及び冷却器の加工難易度が上がることによる歩留まりの低下を抑制することができる。

ところで、複数個のパワー半導体モジュールを冷媒の流れ方向に沿って並べたとき、冷媒の流れ方向の下流側に配置されたパワー半導体モジュールの冷却能力は、冷媒の流れ方向の上流側に配置されたパワー半導体モジュールの冷却能力よりも低くなる。これは、冷却経路の上流側において、パワー半導体モジュールの熱が冷媒に放出されるため、冷媒の温度が上昇し、下流側における冷却器と冷媒との温度差が減少し、冷却器から冷媒へ伝達される熱量が減少するためである。

ここで、熱抵抗差関数ΔＺｔｈ（ｔ）を用いるのではなく、仮に、冷却器に設定された基準位置における基準温度を用いてパワー半導体素子の最高温度を算出する場合を考える。この場合、基準位置に近い位置にあるパワー半導体素子の温度は、正しく測定することができたとしても、基準位置から離れた位置にあるパワー半導体素子の温度については、測定誤差が大きくなってしまう。

このため、基準温度を用いる方法では、パワー半導体素子の温度を正確に測定するために、パワー半導体素子毎に基準位置を設定し、その基準位置の温度を測定する温度センサを配置することが必要となる。

しかし、パワー半導体素子と冷却器とは、放熱性の確保及び熱抵抗の低減のために、熱伝導率が高い部材により隙間なく接続されている。従って、パワー半導体素子の直下に基準位置を設定することは困難であり、パワー半導体素子と基準位置とが離れることは不可避である。

これに対し、実施の形態１に係る電力変換装置１０では、最高温度Ｔｊｍａｘを算出するときに、なんらかの固定された基準位置から算出された熱抵抗ではなく、センサ温度位置と最高温度位置との熱抵抗差関数ΔＺｔｈ（ｔ）を用いる。そのため、実施の形態１に係る電力変換装置１０によれば、基準位置の温度変化及び基準位置までの放熱経路に外乱の影響があっても、最高温度Ｔｊｍａｘを精度良く算出することができる。

ところで、引用文献１には、パワー半導体素子の過渡的な温度変化を見積もる方法についての記載も、パワー半導体素子の最高温度を見積もる方法についての記載もない。また、パワー半導体素子の最高温度から離れた位置に温度センサを配置し、温度センサの検出値をパワー半導体素子の温度と見做して使用している。このため、温度センサによる検出値とパワー半導体素子の最高温度とに差が生じる。パワー半導体素子の最高温度が許容温度を超えないようにするためには、不必要な温度マージンを確保する必要がある。

また、主端子間の電圧を測定しているため、複数のパワー半導体素子を並列に接続する構成において、各パワー半導体素子に流れる電流の分配割合まで考慮することができない。従って、複数のパワー半導体素子を並列に接続した場合、並列に接続された複数のパワー半導体素子の発熱量が同じであるとして扱われることになるため、パワー半導体素子の最高温度の検出精度が低下する。そのため、さらに不必要な温度マージンを確保する必要が生じる。

さらに、実際にモータ６０に流れる電流値は、モータ６０に要求される駆動トルク及び発電出力の要求値により決定されることが多く、実質的には、駆動電圧値の変化に基づいて温度を推定することになる。しかし、一般的に、パワー半導体素子のオン抵抗Ｒｏｎの温度特性は、ダイオード及びサーミスタを含む温度検出素子の温度特性よりも劣っている。

これに対し、実施の形態１に係る電力変換装置１０では、装置の小型化及び高出力化に対応するために、パワー半導体モジュールの内部において並列に接続されたパワー半導体素子毎に、リアルタイムの損失を算出する。これにより、電力供給時間に対応したパワー半導体素子の最高温度Ｔｊｍａｘを精度良く算出することができる。この場合、電流センサを設ける必要がないため、電力変換装置１０の大型化及び部品コストの増加が抑制される。

また、電力変換装置１０は、第１電流値を算出する手段、第２電流値を算出する手段、及び相電流センサ３０の３つの電流値算出手段を備える。従って、万が一、相電流センサ３０に不具合が生じた場合には、第１電流値算出手段による第１電流値の２倍の値を算出することで相電流を算出し、相電流センサの出力の代替値として使用することができる。これにより、相電流の検出に冗長性を持たせることができる。

このように、実施の形態１に係る電力変換装置１０は、第１半導体モジュール２１、第２半導体モジュール２２、及び第３半導体モジュールを有している。第１半導体モジュール２１、第２半導体モジュール２２、及び第３半導体モジュール２３は、それぞれ複数のパワー半導体素子２１１～２１４，２２１～２２４，２３１～２３４を含んでいる。

また、電力変換装置１０は、電力変換部２０及び制御部４０を備えている。パワー半導体素子２１１、２１３、２２１、２２３、２３１、及び２３３は、温度検出対象である検出対象素子である。電力変換部２０は、温度センサ２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ、２３ａ、及び２３ｂと電圧センサ２１ｃ、２１ｄ、２２ｃ、２２ｄ、２３ｃ、及び２３ｄとをさらに有している。温度センサ２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ、２３ａ、及び２３ｂは、検出対象素子の表面温度をセンサ位置温度Ｔｓとして検出する。電圧センサ２１ｃ、２１ｄ、２２ｃ、２２ｄ、２３ｃ、及び２３ｄは、検出対象素子の端子間電圧Ｖｃｅを検出する。

検出対象素子の表面において温度が最も高くなる位置を最高温度位置としたとき、制御部４０は、センサ位置温度Ｔｓと端子間電圧Ｖｃｅとに基づいて、検出対象素子における損失を算出し、算出された損失に基づいて、最高温度を推定する。最高温度は、最高温度位置における温度である。

これによれば、検出されたセンサ位置温度Ｔｓと検出された端子間電圧Ｖｃｅとに基づいて検出対象素子の損失が即時に算出されるため、検出対象素子の最高温度も即時に推定される。そのため、例えば、電力変換装置１０の動作が、比較的短時間の間に大電力をモータに供給するような動作であったとしても、パワー半導体素子の温度が実態よりも高く推定されることが抑制される。その結果、パワー半導体素子の出力が不必要に制限されることを抑制できる。即ち、パワー半導体素子を過熱からより適切に保護することができる。

また、第１半導体モジュール２１は、上アーム２１Ｕと下アーム２１Ｌとを有している。複数のパワー半導体素子２１１、２１２、２１３、及び２１４は、複数の上アーム素子と、複数の下アーム素子とからなっている。複数の上アーム素子は、上アーム２１Ｕに含まれ、互いに並列に接続されている。複数の下アーム素子は、下アーム２１Ｌに含まれ、互いに並列に接続されている。

複数の上アーム素子のうちの１つであるパワー半導体素子２１１のみと、複数の下アーム素子のうちの１つであるパワー半導体素子２１３のみとが、それぞれ検出対象素子である。

これによれば、複数のパワー半導体素子が互いに並列に接続されているため、パワー半導体素子１素子当たりの電力を低減し、１素子当たりの発熱量を低減させることができる。従って、パワー半導体素子を過熱からより適切に保護することができる。また、検出対象素子を、上アーム及び下アームにそれぞれ１つずつだけ設けた場合であっても、パワー半導体素子の最高温度を高精度に推定することができる。

また、制御部４０には、センサ位置温度Ｔｓと、検出対象素子のオン抵抗Ｒｏｎとの関係が記憶されている。制御部４０は、センサ位置温度Ｔｓに基づいてオン抵抗Ｒｏｎを算出し、算出されたオン抵抗Ｒｏｎと端子間電圧Ｖｃｅとに基づいて第１電流値を算出する。第１電流値は、検出対象素子に流れる電流の値である。

これによれば、オン抵抗Ｒｏｎがセンサ位置温度Ｔｓに基づいて算出され、算出されたオン抵抗Ｒｏｎと端子間電圧Ｖｃｅとに基づいて第１電流値が算出されることから、第１電流値をより高精度且つ即時に算出することができる。

また、電力変換装置１０は、相電流センサ３０をさらに備えている。相電流センサ３０は、モータ６０の各相に流れる電流である相電流を検出する。上アーム素子の数は２つであり、下アーム素子の数は２つである。制御部４０は、第２電流値を、相電流から第１電流値を差し引くことにより算出する。第２電流値は、複数のパワー半導体素子のうち、検出対象素子以外のパワー半導体素子に流れる電流の値である。

これによれば、検出対象素子以外のパワー半導体素子に流れるオン電流を正確に算出することができるため、パワー半導体素子の最高温度をより高精度に推定することができる。

また、上アーム素子の数は２つであり、下アーム素子の数は２つである。制御部４０は、第１電流値の２倍の値を相電流として求める。

これによれば、検出対象素子以外のパワー半導体素子に流れるオン電流を容易に求めることができる。

また、制御部４０は、第１電流値、検出対象素子の力率、及び検出対象素子の変調率と、検出対象素子の損失との関係を予め記憶している。

これによれば、算出された第１オン電流及び第２オン電流から、パワー半導体素子に生じている損失をパワー半導体素子素子毎に即時に算出することができる。その結果、パワー半導体素子の最高温度をより高精度に推定することができる。

また、制御部４０には、熱抵抗差関数ΔＺｔｈ（ｔ）が記憶されている。熱抵抗差関数ΔＺｔｈ（ｔ）は、交流電力をモータ６０に供給している時間に対する第１熱抵抗Ｚｔｈ（ｔ）ｊ－ｒｅｆと第２熱抵抗Ｚｔｈ（ｔ）ｓ－ｒｅｆとの差の関数である。第１熱抵抗Ｚｔｈ（ｔ）ｊ－ｒｅｆは、最高温度位置と第１半導体モジュールの放熱経路中の基準位置との間の熱抵抗である。第２熱抵抗Ｚｔｈ（ｔ）ｓ－ｒｅｆは、センサ位置と基準位置との間の熱抵抗である。

センサ位置は、センサ位置温度Ｔｓが検出される位置である。制御部４０は、検出されたセンサ位置温度Ｔｓ、算出された損失、及び記憶されている熱抵抗差関数ΔＺｔｈ（ｔ）に基づいて、最高温度を推定し、推定された最高温度が規定温度を超えた場合、交流電力を電力変換部２０によって制限させる。

これによれば、第１熱抵抗Ｚｔｈ（ｔ）ｊ－ｒｅｆ及び第２熱抵抗Ｚｔｈ（ｔ）ｓ－ｒｅｆを予め測定する際に設定される基準位置は、温度上昇値ΔＴに直接関与しない。従って、電力変換装置１０が、例えば、エンジン、モータ、又は排気部に近接して配置されていて、放熱経路に外乱が生じる場合であっても、最高温度Ｔｊｍａｘの値は外乱の影響を受けない。そのため、電力変換装置１０の周囲に高温の熱源が存在する場合であっても、パワー半導体素子の最高温度を規定温度以下に抑えるために不必要な温度マージンを設定する必要がない。その結果、パワー半導体素子の最高温度をより高精度に推定することができる。

また、制御部４０は、すべての検出対象素子についての熱抵抗差関数ΔＺｔｈ（ｔ）を予め記憶している。

これによれば、パワー半導体素子の最高温度をより高精度に推定することができる。

また、第１半導体モジュール２１は、Ｐリード２１６、Ｎリード２１７、ＡＣリード２１８及び複数のインナーリード２１５を有している。Ｐリード２１６、Ｎリード２１７、及びＡＣリード２１８は、導電性の金属部材によって構成されている。Ｐリード２１６、Ｎリード２１７、及びＡＣリード２１８は、複数のパワー半導体素子及び複数のインナーリード２１５の少なくともいずれか一方を実装するための実装面を有している。Ｐリード２１６、Ｎリード２１７、及びＡＣリード２１８のうち、第１電力リードには、実装面において、複数のパワー半導体素子の下面が接続されている。

複数のインナーリード２１５は、導電性の金属部材によって構成されており、下面とは反対側の面である上面と、Ｐリード２１６、Ｎリード２１７、及びＡＣリード２１８のうち、第１電力リードとは別の電力リードである第２電力リードの実装面とを接続している。複数のパワー半導体素子と複数のインナーリード２１５との接合部２１ｊは、上面の中央に設けられている。温度センサ２１ａは、上面において接合部２１ｊよりも外側の周辺部に設けられている。

これによれば、パワー半導体モジュールにおけるパワー半導体素子の搭載密度が向上するため、パワー半導体素子の搭載個数を増加させた場合でも、パワー半導体モジュールのサイズの増大を抑制することができる。また、配線部材としてインナーリードを用いることにより、パワー半導体素子の表面温度の上昇を抑制することができる。

また、電力変換装置１０は、パワー半導体モジュールを冷媒によって冷却するための冷却器１１をさらに備えている。冷却器１１には、冷媒が流れる方向に沿って複数のパワー半導体モジュールが配置されている。

これによれば、冷却経路を１つだけ設ければよい。そのため、複数の冷却経路を設ける場合に比べて、冷却器を小型化できるとともに、冷却器の加工が容易となる。

なお、図３において、２つの上アーム素子のうち、検出対象素子であるパワー半導体素子２１１は、検出対象素子ではないパワー半導体素子２１２よりも第１半導体モジュール２１の外側に配置されているが、２つの上アーム素子の配置は、この配置に限定されない。同様に、２つの下アーム素子のうち、検出対象素子であるパワー半導体素子２１３は、検出対象素子ではないパワー半導体素子２１４よりも第１半導体モジュール２１の外側に配置されているが、２つの下アーム素子の配置は、この配置に限定されない。このことは、第２半導体モジュール２２及び第３半導体モジュール２３においても同様である。

また、温度センサとしてサーミスタが用いられていたが、温度センサは、サーミスタに限定されることはなく、例えば、測温抵抗体、熱電対、ＩＣ温度センサ、及び感温フェライトのいずれかが用いられてもよい。

また、オン電流Ｉｏｎの算出をより高速に行うために、制御部４０は、第１マップ及び第２マップに代えて、予めセンサ位置温度Ｔｓ及び端子間電圧Ｖｃｅと、オン電流Ｉｏｎとの関係を規定した第４マップを有していてもよい。この場合、制御部４０は、取得したセンサ位置温度Ｔｓ及び取得した端子間電圧Ｖｃｅを第４マップに適用することにより、直接オン電流Ｉｏｎを算出する。

また、検出対象素子は、上アーム又２１Ｕは下アーム２１Ｌに、それぞれ２つ設けられてもよい。この場合、上アーム２１Ｕの２つの検出対象素子のうちのいずれか１つの検出対象素子について、オン電流が計算されればよい。

図１０では、説明の都合上、水冷式の冷却器を示したが、電力変換装置１０の冷却器は水以外の冷媒を使用した冷却器であっても、空冷式の冷却器であってもよい。

実施の形態２．
次に、実施の形態２に係る電力変換装置について説明する。図１１は、実施の形態２に係る電力変換装置を一部ブロックで示す構成図である。電力変換装置１０は、電力変換部２０、相電流センサ３０、及び制御部４０を備えている。

実施の形態２の電力変換装置１０には、各相の下アームのパワー半導体素子のいずれか１つに温度センサ及び電圧センサが設けられている。実施の形態２の電力変換装置１０の構成は、各相の上アームに、温度センサ及び電圧センサが設けられていない点において、実施の形態１の電力変換装置１０の構成と相違している。その他の点については、実施の形態１の電力変換装置１０の構成と同一である。

電力変換装置のさらなる小型化、高出力化が望まれる場合に、温度センサを複数のパワー半導体モジュールの内部に複数のパワー半導体素子を互いに並列に接続しても、温度センサをパワー半導体モジュールの１箇所にのみ設ければよい。そのため、温度センサの配線部材及び温度を算出するための回路を増やす必要がない。

図１２は、図１１の検出対象素子の表面の平均温度とオン抵抗Ｒｏｎとの関係を示す図である。曲線７５は、パワー半導体素子の平均温度を素子温度としたときのオン抵抗Ｒｏｎの温度特性である。曲線７９は、温度センサにより検出された温度をパワー半導体素子の温度としたときのオン抵抗Ｒｏｎの温度特性である。

温度センサにより検出された温度が、実際のパワー半導体素子の平均温度よりも低い値を示すように、温度センサをパワー半導体素子表面のさらに外周部に設ける。これにより、温度センサにより検出される温度が、意図的にパワー半導体素子の平均温度よりも低い温度とされる。

図１２に示したように、パワー半導体素子の温度とオン抵抗Ｒｏｎとの間には、正の相関がある。そのため、温度センサ２１ａにより検出される温度が、パワー半導体素子の平均温度よりも低い場合、オン抵抗Ｒｏｎは、実際のオン抵抗Ｒｏｎよりも低い値として計算される。

また、オン電圧Ｖｏｎは、温度センサの位置には直接影響を受けないので、実施の形態１における構成と比べて、オン電圧Ｖｏｎは変化しない。従って、オン電圧Ｖｏｎに対してオン抵抗Ｒｏｎは、相対的に低い値となる。その結果、オン電流Ｉｏｎは、実際の電流値よりも高い値として計算される。

実際の電流値よりも高いオン電流Ｉｏｎを用いて、パワー半導体素子の損失が計算されると、計算により得られる損失は、実際の損失よりも大きくなる。計算により得られた損失と実際の損失との差が、損失マージンとして設定される。そして、パワー半導体モジュールの中の複数のパワー半導体素子として、同一の特性のパワー半導体素子が用いられる。これにより、互いに並列に接続されたパワー半導体素子に流れ込む電流値のばらつき及びパワー半導体素子間の特性のばらつきに起因する損失のばらつきが、設定された損失マージン以下に抑えられる。

実施の形態２の電力変換装置１０の構成によれば、算出されたオン電流Ｉｏｎから、リアルタイムにパワー半導体素子の損失が求められる。実施の形態１の電力変換装置１０と同様に、熱抵抗差関数ΔＺｔｈ（ｔ）と、温度センサ２１ｂにより検出される温度とに基づいて、パワー半導体素子の最高温度Ｔｊｍａｘを求めることができる。

そして、この方法により算出された最高温度Ｔｊｍａｘが、パワー半導体素子の実際の最高温度よりも損失マージン分だけ高い値となることにより、パワー半導体素子の温度が規定温度を超えることを防止する。また、電力供給時間ｔに対する熱抵抗の変化を考慮することにより、精度のよい過熱保護が可能となる。

これにより、温度センサ数を大きく増加させることなく、パワー半導体素子の並列接続数を増加させることができる。従って、回路規模を大きく増加させることなく、電力変換装置を高出力化させることができる。

このように、実施の形態２に係る電力変換装置１０によれば、第１半導体モジュール２１は、上アーム２１Ｕと下アーム２１Ｌとを有している。複数のパワー半導体素子は、複数の上アーム素子と、複数の下アーム素子とからなっている。複数の上アーム素子は、上アーム２１Ｕに含まれ互いに並列に接続されている。複数の下アーム素子は、下アーム２１Ｌに含まれ互いに並列に接続されている。複数の下アーム素子の１つのみが、検出対象素子である。

これによれば、パワー半導体モジュールの中には、検出対象素子が１つだけとなり、検出対象のセンサ位置温度Ｔｓ及び端子間電圧Ｖｃｅの組合せも１組だけとなるため、センサ位置温度Ｔｓ及び端子間電圧Ｖｃｅを検出するための回路の規模を縮小させることができる。その結果、電力変換装置１０をさらに小型化することができる。

また、周辺部の位置は、温度センサ２１ｂにより検出される表面温度が検出対象素子の表面における面内の平均温度よりも低くなる位置である。

これによれば、温度センサにより検出される温度が、意図的にパワー半導体素子の平均温度よりも低い温度とされると、パワー半導体素子の温度とオン抵抗Ｒｏｎとの間に正の相関により、オン抵抗Ｒｏｎは、実際のオン抵抗Ｒｏｎよりも低い値として計算される。従って、計算により得られた損失は、実際の損失よりも大きくなり、計算により得られた損失と実際の損失との差を損失マージンとして設定することができる。その結果、パワー半導体素子を過熱からより適切に保護することができる。

なお、実施の形態２では、複数の下アーム素子の１つのみが検出対象素子であったが、複数の上アーム素子の１つのみが検出対象素子であってもよい。即ち、複数の上アーム素子及び複数の下アーム素子のうちのいずれか１つのみが、検出対象素子であればよい。

また、実施の形態１及び２では、検出対象素子は複数のパワー半導体素子のうちの一部であったが、複数のパワー半導体素子のすべてが検出対象素子であってもよい。

また、実施の形態１及び２では、温度センサ及び電圧センサは、検出対象素子に配置されていたが、温度センサ及び電圧センサは、検出対象素子以外のパワー半導体素子に配置されていてもよい。この場合、制御部４０は、検出対象素子以外のパワー半導体素子に配置されている温度センサ及び電圧センサからの信号を取得しないように構成されていればよい。これによれば、１つの電力変換装置１０において、異なる種類のパワー半導体素子を実装する必要がないため、電力変換装置１０の製造がより容易になる。

また、実施の形態１及び２において、第１半導体モジュール２１の構成、第２半導体モジュール２２の構成、及び第３半導体モジュール２３の構成は、いずれも同様の構成である。従って、第１半導体モジュール２１についての説明は、特に断りがない限り、第２半導体モジュール２２及び第３半導体モジュール２３にも適用される。

また、各パワー半導体素子には、ＩＧＢＴに代えて、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）又はトランジスタが用いられてもよい。

また、実施の形態１及び２の電力変換装置１０の機能は、処理回路によって実現される。図１３は、実施の形態１及び２の電力変換装置１０の機能を実現する処理回路の第１の例を示す構成図である。第１の例の処理回路１００は、専用のハードウェアである。

また、処理回路１００は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、又はこれらを組み合わせたものが該当する。

また、図１４は、実施の形態１及び２の電力変換装置１０の機能を実現する処理回路の第２の例を示す構成図である。第２の例の処理回路２００は、プロセッサ２０１及びメモリ２０２を備えている。

処理回路２００では、電力変換装置１０の機能は、ソフトウェア、ファームウェア、又はソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェア及びファームウェアは、プログラムとして記述され、メモリ２０２に格納される。プロセッサ２０１は、メモリ２０２に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、機能を実現する。

メモリ２０２に格納されたプログラムは、上述した各部の手順又は方法をコンピュータに実行させるものであるとも言える。ここで、メモリ２０２とは、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory）等の、不揮発性又は揮発性の半導体メモリである。また、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ等も、メモリ２０２に該当する。

なお、上述した電力変換装置１０の機能について、一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェア又はファームウェアで実現するようにしてもよい。

このように、処理回路は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はこれらの組み合わせによって、上述した電力変換装置１０の機能を実現することができる。

１０ 電力変換装置、１１ 冷却器、２０ 電力変換部、２１ 第１半導体モジュール（パワー半導体モジュール）、２１１ パワー半導体素子（検出対象素子）、２１５ インナーリード、２１６ Ｐリード（電力リード）、２１７ Ｎリード（電力リード）、２１８ ＡＣリード（電力リード）、２１ａ，２１ｂ 温度センサ、２１ｃ，２１ｄ 電圧センサ、２１ｊ 接合部、２１Ｌ，２２Ｌ，２３Ｌ 下アーム、２１Ｕ，２２Ｕ，２３Ｕ 上アーム、３０ 相電流センサ、４０ 制御部、５０ 直流電源（外部電源）、６０ モータ（駆動装置）。

Claims (12)

1. 複数のパワー半導体素子を含むパワー半導体モジュールを有しており、外部電源からの直流電力を交流電力に変換し、前記交流電力を駆動装置に供給する電力変換部、及び
   前記複数のパワー半導体素子の動作を制御する制御部
   を備え、
   前記複数のパワー半導体素子のうちの少なくとも１つは、温度検出対象である検出対象素子であり、
   前記電力変換部は、
   前記検出対象素子の表面温度をセンサ位置温度として検出する温度センサと、
   前記検出対象素子の端子間電圧を検出する電圧センサと
   をさらに有しており、
   前記検出対象素子の表面において温度が最も高くなる位置を最高温度位置としたとき、
   前記制御部は、前記センサ位置温度と前記端子間電圧とに基づいて、前記検出対象素子における損失を算出し、算出された前記損失に基づいて、前記最高温度位置における温度である最高温度を推定する
   電力変換装置。
2. 前記パワー半導体モジュールは、上アームと下アームとを有しており、
   前記複数のパワー半導体素子は、前記上アームに含まれ互いに並列に接続されている複数の上アーム素子と、前記下アームに含まれ互いに並列に接続されている複数の下アーム素子とからなり、
   前記複数の上アーム素子のうちの１つのみと、前記複数の下アーム素子のうちの１つのみとが、それぞれ前記検出対象素子である
   請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記パワー半導体モジュールは、上アームと下アームとを有しており、
   前記複数のパワー半導体素子は、前記上アームに含まれ互いに並列に接続されている複数の上アーム素子と、前記下アームに含まれ互いに並列に接続されている複数の下アーム素子とからなり、
   前記複数の上アーム素子及び前記複数の下アーム素子のうちのいずれか１つのみが、前記検出対象素子である
   請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記制御部には、前記センサ位置温度と、前記検出対象素子のオン抵抗との関係が記憶されており、
   前記制御部は、前記センサ位置温度に基づいて前記オン抵抗を算出し、算出された前記オン抵抗と前記端子間電圧とに基づいて前記検出対象素子に流れる電流の値である第１電流値を算出する
   請求項２又は請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記駆動装置の各相に流れる電流である相電流を検出する相電流センサをさらに備え、
   前記上アーム素子の数は２つであり、
   前記下アーム素子の数は２つであり、
   前記制御部は、前記複数のパワー半導体素子のうち、前記検出対象素子以外のパワー半導体素子に流れる電流の値である第２電流値を、前記相電流センサにより検出された前記相電流から前記第１電流値を差し引くことにより算出する
   請求項４に記載の電力変換装置。
6. 前記上アーム素子の数は２つであり、
   前記下アーム素子の数は２つであり、
   前記制御部は、前記第１電流値の２倍の値を相電流として求める
   請求項４に記載の電力変換装置。
7. 前記制御部は、前記第１電流値、前記検出対象素子の力率、及び前記検出対象素子の変調率と、前記検出対象素子の前記損失との関係を予め記憶している
   請求項４に記載の電力変換装置。
8. 前記制御部には、前記交流電力を前記駆動装置に供給している時間に対する第１熱抵抗と第２熱抵抗との差の関数である熱抵抗差関数が記憶されており、
   前記第１熱抵抗は、前記最高温度位置と前記パワー半導体モジュールの放熱経路中の基準位置との間の熱抵抗であり、
   前記第２熱抵抗は、前記センサ位置温度が検出される位置であるセンサ位置と前記基準位置との間の熱抵抗であり、
   前記制御部は、検出された前記センサ位置温度、算出された前記損失、及び記憶されている前記熱抵抗差関数に基づいて、前記最高温度を推定し、推定された前記最高温度が規定温度を超えた場合、前記交流電力を前記電力変換部に制限させる
   請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の電力変換装置。
9. 前記制御部は、すべての前記検出対象素子についての前記熱抵抗差関数を予め記憶している
   請求項８に記載の電力変換装置。
10. 前記パワー半導体モジュールは、複数の電力リード及び複数のインナーリードを有しており、
    前記複数の電力リードは、導電性の金属部材によって構成されており、前記複数のパワー半導体素子及び前記複数のインナーリードの少なくともいずれか一方を実装するための実装面を有しており、
    前記複数の電力リードのうち、第１電力リードには、前記実装面において、前記複数のパワー半導体素子の下面が接続されており、
    前記複数のインナーリードは、導電性の金属部材によって構成されており、前記下面とは反対側の面である上面と、前記複数の電力リードのうち、前記第１電力リードとは別の電力リードである第２電力リードの前記実装面とを接続しており、
    前記複数のパワー半導体素子と前記複数のインナーリードとの接合部は、前記上面の中央に設けられており、
    前記温度センサは、前記上面において前記接合部よりも外側の周辺部に設けられている
    請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の電力変換装置。
11. 前記周辺部の位置は、前記温度センサにより検出される前記表面温度が前記検出対象素子の前記表面における面内の平均温度よりも低くなる位置である
    請求項１０に記載の電力変換装置。
12. 前記パワー半導体モジュールを冷媒によって冷却するための冷却器をさらに備え、
    前記冷却器には、前記冷媒が流れる方向に沿って複数の前記パワー半導体モジュールが配置されている
    請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載の電力変換装置。