JP4642081B2

JP4642081B2 - 電動機制御装置の過温検知方式

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Publication number: JP4642081B2
Application number: JP2007536365A
Authority: JP
Inventors: 裕二勝山; 繁児島
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-09-21
Filing date: 2005-09-21
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2025-09-21
Also published as: EP1928083A4; AU2005336596B2; WO2007034544A1; CA2603552A1; EP1928083A1; US7791300B2; US20090051307A1; JPWO2007034544A1; CN100589315C; AU2005336596A1; CA2603552C; CN101142737A

Description

この発明は大電力半導体素子を用いた電動機制御装置の過温検知方式に関する。

近年、鉄道車両用、電気駆動自動車用等の電動機制御においては、大電力半導体素子を用いたインバータ装置によって所望の電力制御を行う方式のものが主流である。
このような電力制御に用いられる大電力用半導体素子には過熱による故障を防止するために過温保護機能を有するインテリジェントパワーモジュ−ル(IPM)を用いる場合が多い。このIPMの過温保護機能は例えば特開２００４−９６３１８公報（特許文献１参照）に見られるように、大電力用半導体素子のIGBTチップ、ダイオードチップ近傍の温度を検出する温度検出器と、上記チップの夫々に対しその温度に応じてスイッチング速度を変化させるスイッチング速度可変回路とを備え、上記チップの温度が一定レベルを超えた場合にチップのスイッチング速度を変更して、過度の温度上昇を防止するようにしたものがある。

図１０は上記インテリジェントパワーモジュ−ル(IPM)の内部構造図の一例を示している。図において、絶縁基板２０上にIGBTチップ、ダイオードチップ２１、温度センサ２２が設置され、またこの絶縁基板２０がベース板２３の上に設置される。一方、上方には制御基板２４が設置され、これにIGBTのスイッチングに必要なゲートドライブ回路２５が搭載されている。これら全ての部品の外周はケース２６で覆われている。IGBT、ダイオードに電流を通すための主回路端子２７及びIGBTのスイッチングに必要な制御信号を通すための制御回路端子２８は上記ケース２６から外部へ導出される構造になっている。
上記構造から明らかなように、大電力用半導体素子を用いるIPMは温度センサ２２をIGBT、ダイオードチップの近傍に設置して、大電力用半導体素子のIGBTチップ、ダイオードチップ近傍の温度を検出することにより、IGBT、ダイオードのジャンクション温度を推定するもので、IGBT、ダイオードのジャンクション温度そのものを測定するものではなかった。

特開２００４―９６３１８号公報

ところが、大電力用半導体素子が過熱によって故障するかどうかの判断はジャンクション温度で決定されるため、大電力用半導体素子の過温検知を正確に行うためには、半導体チップ部分のジャンクション部（接合部）に温度センサを設ける必要がある。ところが、大電力用半導体素子の半導体チップは高圧部であり、温度センサを設けるとなると、絶縁を施す必要もあって、極めて複雑・高価な構造となり、実用的ではなかった。
この発明は、ジャンクション部（接合部）に温度センサを別途設けることなく、ジャンクション温度そのものを把握するようにすることにより、より正確な過温検知を行うことができる過温検知方式を提供することを目的とする。

この発明の電動機制御装置の過温検知方式は、大電力用半導体素子の制御により車両に設けられたモータへの駆動電力を制御するインバータ装置と、上記インバータ装置の直流側に挿入されたフィルタコンデンサの電圧を検出する電圧検出部と、上記インバータ装置の出力電流を検出する電流検出部と、上記大電力用半導体素子の冷却手段に設けられた温度検出部と、上記各検出部からの検出信号により、上記大電力用半導体素子のスイッチング動作に伴う損失を逐次計算し、この損失計算値をもとに上記大電力用半導体素子のジャンクション温度を計算するジャンクション温度計算部と、上記ジャンクション温度計算部の出力が所定の許容温度に達したときに過温検知出力を発生する比較部とからなり、上記ジャンクション温度計算部による損失の計算が、上記大電力用半導体素子を構成するスイッチング素子に電流が流れる場合のターンオン損失、定常損失、ターンオフ損失と、上記スイッチング素子に逆並列接続されたダイオードに電流が流れる場合の定常損失、リカバリー損失とによりなされるものであって、上記比較部は上記スイッチング素子のジャンクション温度と第一の許容値とを比較する第一の比較器と、上記ダイオードのジャンクション温度と第二の許容値とを比較する第二の比較器とを備え、上記第一の比較器及び第二の比較器のいずれか一方の過温検知を検出して過温検知出力することを特徴とするものである。

この発明による電動機用制御装置の過温検知方式は、大電力半導体素子のスイッチング動作により発生する損失を逐次計算を行い、この損失により算出される大電力半導体素子のジャンクション温度（接合温度）が許容温度に達した時に過温検知することができるので、ジャンクション部に直接温度センサを設けることなく、正確な過温検知を行うことができる効果を有する。

実施の形態１．
図1はこの発明の実施の形態１による電動機制御装置のシステム構成図を示すものである。図中、１はインバータ装置であり、直流電源２から供給された直流電力を交流に変換して電動機３に供給するものである。インバータ装置１は６つの大電力半導体素子４例えばゲート絶縁形バイポーラトランジスタ（IGBT）とこれと逆並列に接続されたダイオード５とからなり、上記IGBTは駆動制御部７によりスイッチング制御される。なお、直流電源２とインバータ装置１との間にはフィルタコンデンサ６が挿入されている。上記フィルタコンデンサ６の電圧は電圧検出部８によって検出され、また大電力半導体素子４に流れる電流は電流検出部９によって検出される。

大電力半導体素子を冷却するための冷却フィン等の冷却手段（図示していない）には、当該部分の温度を検知するため、温度検出部１０が設置されている。上記電圧検出器８、電流検出部９、及び温度検出部１０の情報がジャンクション温度計算部１１に入力される。ジャンクション温度計算部１１は上記情報を取り込んで以下詳細に説明する方法でジャンクション温度を計算する。このジャンクション温度計算部１１で計算されたジャンクション温度の情報と許容温度（基準温度）とを比較部１２にて比較し、この比較部１２の情報が上記駆動制御部７に入力され、この駆動制御部７の出力信号により上記インバータ装置１の出力パワーを制御する。

また、この駆動制御部７の信号はジャンクション温度を計算するためにジャンクション温度計算部１１にも伝送される。なお、電動機３は例えば鉄道車両、電気駆動自動車等の駆動用動力源である。
図1のように構成された電動機制御装置において、ジャンクション温度を計算するために、ジャンクション温度計算部１１には、電流検出部９からの信号（Iu,Iv,Iw）、温度検出部１０の冷却フィンの温度信号（Ｔ_FIN）、電圧検出部８のフィルタコンデンサ電圧 E_FC、及び、駆動制御部７からの大電力半導体素子のスイッチングの状態を示す信号（Ｓｗ）及び出力周波数（Ｆｓｗ）の情報が入力される。

以下、大電力半導体素子に損失が発生するメカニズムについて説明する。
図２は上記インバータ装置１を構成する大電力半導体素子一アーム分の基本構成概念図を示す。大電力半導体素子は上記したようにIGBT４とダイオード５で構成される。IGBT４に流れる電流をI_IGBT、ダイオード５に流れる電流をI_DIODEとする。また、大電力半導体素子の端子間電圧をV_CEとする。大電力半導体素子のIGBT４、もしくは、ダイオード５に電流が流れることで、損失（熱量）を発生する。

図３(a)は、IGBT４がONおよびOFFしたときのIGBT４に流れる電流I_IGBT、IGBTの端子間電圧V_CE（IGBT）を示している。電流Ｉ_ＩＧＢＴと端子間電圧Ｖ_{ＣＥ（ＩＧＢＴ）}を掛け合わせることで図３(b)に示すような損失波形が得られる。このうちIGBTがONした時に発生する損失をターンオン損失P_ONと呼ぶ。また、IGBTのスイッチングが飽和領域になると、IGBTには定常損失P_{SAT（IGBT）}が発生する。これはIGBTに流れる電流I_IGBTとIGBTの飽和電圧V_SAT(IGBT)により発生する。更に、IGBTがOFFになると、IGBTの両端の電圧V_CE（IGBT）に大きなスパイク電圧が発生する。このスパイク電圧により発生する損失をターンオフ損失P_OFFと呼ぶ。

一方、図４(a)はダイオードがONおよびOFFした時のダイオードに流れる電流I_DIODE、ダイオードの端子間電圧V_{CE（DIODE）}を示している。電流Ｉ_{ＤＩＯＤＥ}と端子間電圧V_{ＣＥ（ＤＩＯＤＥ）}を掛け合わせることで図４(b)に示すような損失波形が得られる。図４(a)(b)に示すように、ダイオードがOFFすると一瞬大きな逆電流が流れる。この電流をリカバリー電流I_RRと呼び、その時発生する損失をリカバリー損失P_RRと呼ぶ。また、ダイオードの定常損失P_SATはIGBTと同様、ダイオードに流れる電流I_DIODEと飽和電圧V_{SAT（DIODE）}により発生する。以上により明らかなように、大電力用半導体素子には、IGBTに電流が流れる場合、ターンオン損失P_ON、定常損失P_{SAT（IGBT）}、ターンオフ損失P_OFFが存在し、ダイオードに電流が流れた場合、定常損失P_SAT、リカバリー損失P_RRが存在する。

次に、上記損失の算出方法について説明する。
前述したように、電動機に流れる電流は、電流検出部９により検出され、この検出された電流値はジャンクション温度計算部１１に入力される。図５にこの電流検出部９により検出された電流波形の一例を示している。図５には１相分のみの波形を表しており、それぞれ３つの電流検出部により位相が１２０度ずつ異なる３つの電動機電流信号（I_U，I_V，I_W）が得られる。また、図３及び図４に示したIGBT、及びダイオードの電流および電圧波形は１パルス当たりの波形である。

車両用制御装置は、電動機の回転速度に応じて車両用制御装置の出力周波数Ｆｓｗが変化する。電動機の回転速度が小さい場合、すなわち出力周波数が小さい場合、パルス数は多くなり、電動機の回転速度が大きい場合、すなわち出力周波数が大きい場合、パルス数は少なくなる。図５はその一例であり、５パルスの場合を示している。
図５に示す実線部分はIGBTに電流が流れている状態を、点線部分はダイオードに電流が流れている状態を示している。以下に電流検出部９から得られた電流信号から損失を算出する。

IGBTのターンオン損失
IGBTがターンオンした位相を図５に示すようにθ1とする。位相θ1時の電流は電流検出部９から得られ、その電流をI_{IGBT（θ1）}とする。また、θ1時のフィルタコンデンサ電圧をE_FC（θ1）とし、この電圧は電圧検出部８から得られる。これら得られた情報からタ−ンオン損失は以下の式で計算される。
P_ON（IGBT）＝K₁× I_{IGBT（θ1）} × E_FC（θ1）
K₁はジャンクション計算部に予め入力された情報である。

IGBTの定常損失の算出
図５に示すようにIGBTがターンオフするまでの位相をθ2とする。電流検出部９ではθ1からθ2まで逐次に電流信号が得られ、その情報がジャンクション温度計算部１１に入力される。ジャンクション温度計算部１１では、その得られた電流信号から図６に示されるように予め設定された関数に従ってIGBTの飽和電圧V_{SAT（IGBT）}が逐次計算により算出される。この関数は予め、ジャンクション温度計算部１１に組み込まれている。
V_{SAT（IGBT）}＝ｆ_SAT（I_IGBT）
続いて、下記式に示す計算がジャンクション温度計算部１１で行われ、IGBTの定常損失P_{SAT（IGBT）}が得られる。

IGBTのターンオフ損失の算出
上記したように、IGBTがターンオフするまでの位相をθ2として、その時得られる電流値をI_{IGBT（θ2）}とする。また、θ2時のフィルタコンデンサ電圧をE_FC（θ2）とし、この電圧は電圧検出部８から得られる。これら得られた情報からタ−ンオン損失は以下の式で計算される。
P_{OFF（IGBT）}＝K₂× I_{IGBT（θ2）} × E_FC（θ2）
K₂はジャンクション計算部に予め入力された情報である。

IGBTの1パルス当たりの損失
以上のようにして、IGBTの1パルス当たりのターンオン損失、定常損失、ターンオフ損失が得られる。従って、IGBTの1パルス当たりの全損失は下記式より得られる。
P_{IGBT（1Pulse）}＝P_ON（IGNT）+P_{SAT（IGBT）}+P_{OFF（IGBT）}
IGBTの1周期間の損失
1周期間にパルス数がNパルスあると、上記手法は1周期間にN回繰り返される。従って、1周期間にIGBTで発生ずる損失P_IGBTは下記式のようになる。

ダイオードの定常損失の算出
ダイオード１パルス当たりに通電している期間を図５に示すようにθ2からθ3とする。またこの期間にダイオードに流れている電流をI_DIODEとする。
電流検出部９ではθ2からθ3まで逐次に電流信号が得られ、その情報がジャンクション温度計算部１１に入力される。ジャンクション温度計算部１１では、その得られた電流信号から下記式に示すようにダイオードの飽和電圧V_{SAT（DIODE）}が逐次計算により算出される。
V_{SAT（DIODE）}＝ｇ_SAT（I_DIODE）
また、下記式に示す計算がジャンクション温度計算部１１で行われ、ダイオードの定常損失P_{SAT（DIDOE）}が得られる。

ダイオードのリカバリー損失の算出
次に上記したように、ダイオードがオフする位相をθ3として、その時得られる電流値をI_{DIODE（θ3）}とする。得られた電流値I_DIODE(θ3)を用いる。また、θ3時のフィルタコンデンサ電圧をE_FC（θ3）とし、この電圧は電圧検出部８から得られる。これら得られた情報からタ−ンオン損失は以下の式で計算される。
P_{RR（DIODE）}＝K₃× I_{DIODE（θ3）} × E_FC（θ3）
K₁はジャンクション計算部に予め入力された情報である。

ダイオードの1パルス当たりの損失
以上より、ダイオードの定常損失、リカバリー損失が得られる。従って、ダイオードの1パルス当たりの損失は下記式より得られる。
P_{DIODE（1Pulse）}＝P_{SAT（DIODE）}+P_{RR（DIODE）}
ダイオードの1周期間の損失
1周期間にパルス数がNパルスあると、上記手法は1周期間にN回繰り返される。従って、1周期間にダイオードで発生ずる損失P_DIODEは下記式のようになる。

IGBTのジャンクション温度の算出
得られた損失を基にジャンクション温度を算出する。ここで、上記手法により得られたIGBTの損失をP_IGBT、ダイオードの損失をP_DIODEとすると、大電力半導体素子の損失Pは下記の式で得られる。
P＝P_IGBT+P_DIODE
次に、上記した大電力半導体素子を構成するIGBT、ダイオードの損失から、これらIGBT及びダイオードのジャンクション温度を算出する。
ここで、IGBTのジャンクションからケースまでの温度差をΔＴ_{Ｊ-Ｃ（ＩＧＢＴ）}とすると、この温度差は下記式より算出される。
ΔＴ_{Ｊ-Ｃ（ＩＧＢＴ）}＝Ｐ_ＩＧＢＴ×Ｒ_{ＴＨ（Ｊ-Ｃ）ＩＧＢＴ}
式中、Ｒ_{ＴＨ（Ｊ-Ｃ）ＩＧＢＴ}は熱抵抗と呼ばれ、素子固有の特性値であり、この数値は予め、ジャンクション温度計算部１１に組み込まれている。図７に温度算出するための熱抵抗の分布図を示す。

次に、大電力用半導体素子のケースから冷却器までの温度差をΔＴ_Ｃ-Ｆとすると、この温度差は下記式で示される。
ΔＴ_Ｃ-Ｆ＝Ｐ×Ｒ_{ＴＨ（Ｃ-Ｆ）}
ここで、Ｒ_{ＴＨ（Ｃ-Ｆ）}上記と同様、熱抵抗と呼ばれ、素子固有の数値である。また、この数値もジャンクション温度計算部１１に予め、入力されている。
更に、温度検出部１０から冷却器の温度情報が得られる。この冷却器の温度をＴ_ＦＩＮとする。
これら計算もしくは得られた情報より、IGBTのジャンクション温度Ｔ_{Ｊ（ＩＧＢＴ）}は下記式で示される。
Ｔ_{Ｊ（ＩＧＢＴ）}＝Ｔ_ＦＩＮ+ΔＴ_Ｃ-Ｆ+ΔＴ_{Ｊ-Ｃ（ＩＧＢＴ）}

ダイオードのジャンクション温度
続いて、ダイオードのジャンクションからケースまでの温度差をΔＴ_{Ｊ-Ｃ（ＤＩＯＤＥ）}とすると、この温度差は下記式のように表される。
ΔＴ_{Ｊ-Ｃ（ＤＩＯＤＥ）}＝Ｐ_{ＤＩＯＤＥ}×Ｒ_{ＴＨ（Ｊ-Ｃ）ＤＩＯＤＥ}
ここで、このＲ_{ＴＨ（Ｊ-Ｃ）ＤＩＯＤＥ}も熱抵抗と呼ばれ、大電力用半導体素子固有の数値であり、ジャンクション温度計算部１１には、同様に予めこの熱抵抗の情報が組み込まれている。

次に、ダイオードのケースから冷却器までの温度差をΔＴ_Ｃ-Ｆとすると、この温度差は下記式で示される。
ΔＴ_Ｃ-Ｆ＝Ｐ×Ｒ_{ＴＨ（Ｃ-Ｆ）}
更に、温度検出部１０から冷却器の温度情報が得られる。この冷却器の温度をＴ_ＦＩＮとする。
よって、ダイオードのジャンクション温度Ｔ_{Ｊ（ＤＩＯＤＥ）}は以下のように示される。
Ｔ_{Ｊ（ＤＩＯＤＥ）}＝ΔＴ_{Ｊ-Ｃ（ＤＩＯＤＥ）}+ΔＴ_Ｃ-Ｆ+Ｔ_ＦＩＮ
このようにしてIGBT及びダイオードのジャンクション温度が得られる。またこれら計算はマイクロプロセッサで計算される。

図８は比較部１２の詳細構成を説明するブロック図である。上述したようにジャンクション温度計算部１１で得られた情報が比較部１２に入力される。この比較部１２では、得られたジャンクション温度と許容値との比較が行われる。この比較部１２はIGBTのジャンクション温度Ｔ_{Ｊ（ＩＧＢＴ）}をA1、IGBTのジャンクション温度の許容値をB１とし、これらがそれぞれ入力される比較器１３と、ダイオードのジャンクション温度Ｔ_{Ｊ（ＤＩＯＤＥ）}をA２、ダイオードのジャンクション温度の許容値をB２とし、これらがそれぞれ入力される比較器１４とを備え、さらにこれら比較器１３、１４のそれぞれの出力を入力とするORゲート１５を有している。

図８に示すように、比較器１３ではIGBTのジャンクション温度A１とIGBTのジャンクション温度の許容値B１とを比較し、A1がB1以上である場合は過温検知X1と判定する。一方、比較器１４ではダイオードのジャンクション温度A２とダイオードのジャンクション温度の許容値B２とを比較し、A２がB２以上である場合は過温検知X２と判定する。
上記過温検知X1あるいはX２のいずれかが検出された場合、比較部１２の出力として過温検知XがORゲート１５から出力されることになる。すなわち、IGBT、もしくはダイオードがどちらか一方でも過温検知した場合、大電力用半導体素子は過温検知したことになる。

図９は駆動制御部７の詳細構成を説明するブロック図である。上述のように過温検知された結果を電動機３の出力トルク制限動作に利用する場合を示している。図中、１６は過温検知した場合における最大トルク指令値に掛けられる一定の比率を変更するためのスイッチであり、過温検知Xの入力信号に伴い、定常比率から低減比率に切替えるものである。低減比率は定常比率との比率で1より小さい値である。この低減比率は掛算器１７にて最大トルク制限値と掛け算され、一次遅れ要素１８を通じて比較部１９に入力される。

比較部１９では、上記一次遅れ要素１８を通じて入力された信号とトルク指令値とが比較され、２つの入力に対して小さい方を出力するようになっている。この出力がトルク制御信号である。この信号をインバータ装置１のIGBTに制御信号として入力することにより、電動機３の出力トルクが抑制されるように制御される。
なお、一次遅れ要素１８は、過温検知してトルク値が下がり、過温検知しなくなった場合、定常比率に戻るが、即座に定常比率に戻ると電動機３へ過渡電流が流れ、大電力用半導体素子がこの過渡電流によって、破壊する可能性がある。

上記一次遅れ要素１８はこのようにトルク値が即座に移行するのを防止し、大電力用半導体素子の破壊を防止するために挿入されたものである。
上記図９では、過温検知した結果を出力トルクが低減するように大電力用半導体素子のスイッチング制御を行った例を説明したが、これに限らず、過温検知した結果をスイッチング速度を向上させるような制御とすることもでき、その他あらゆる応用例を含むものである。

この発明の実施の形態による車両用制御装置のシステム構成図を示す。この発明の実施の形態による車両用制御装置を構成する大電力半導体素子一アーム分の基本構成概念図を示す。この発明の実施の形態に係わる大電力半導体素子のIGBTに流れる電流、電圧、及び損失を説明した図である。この発明の実施の形態に係わる大電力半導体素子のダイオードに流れる電流、電圧、及び損失を説明した図である。この発明の実施の形態に係わる大電力半導体素子に流れる電流を説明した図である。この発明の実施の形態に係わるV_{SAT（IGBT）}とI_IGBTを示した図である。この発明の実施の形態に係わる温度算出するための熱抵抗の分布図を示す。この発明の実施の形態に係わる比較部の詳細構成を説明するブロック図である。この発明の実施の形態に係わる駆動制御部の詳細構成を説明するブロック図である。従来のインテリジェントパワーモジュ−ル(IPM)の内部構造を示す図である。

符号の説明

１インバータ装置、２直流電源電圧、３電動機、
４大電力半導体素子、５ダイオード、６フィルタコンデンサ
７駆動制御部、８電圧検出部、９電流検出部、
１０温度検出部、１１ジャンクション温度計算部、
１２比較部、１３、１４比較器、１５ ORゲート、
１６スイッチ、１７掛算器、１８一次遅れ要素、
１９比較部。

Claims

大電力用半導体素子の制御により車両に設けられたモータへの駆動電力を制御するインバータ装置と、上記インバータ装置の直流側に挿入されたフィルタコンデンサの電圧を検出する電圧検出部と、上記インバータ装置の出力電流を検出する電流検出部と、上記大電力用半導体素子の冷却手段に設けられた温度検出部と、上記各検出部からの検出信号により、上記大電力用半導体素子のスイッチング動作に伴う損失を逐次計算し、この損失計算値をもとに上記大電力用半導体素子のジャンクション温度を計算するジャンクション温度計算部と、上記ジャンクション温度計算部の出力が所定の許容温度に達したときに過温検知出力を発生する比較部とからなり、上記ジャンクション温度計算部による損失の計算が、上記大電力用半導体素子を構成するスイッチング素子に電流が流れる場合のターンオン損失、定常損失、ターンオフ損失と、上記スイッチング素子に逆並列接続されたダイオードに電流が流れる場合の定常損失、リカバリー損失とによりなされるものであって、上記比較部は上記スイッチング素子のジャンクション温度と第一の許容値とを比較する第一の比較器と、上記ダイオードのジャンクション温度と第二の許容値とを比較する第二の比較器とを備え、上記第一の比較器及び第二の比較器のいずれか一方の過温検知を検出して過温検知出力することを特徴とする電動機制御装置の過温検知方式。
上記過温検知出力によりモータの出力トルクを制限するように上記大電力用半導体素子をスイッチング制御する駆動制御部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電動機制御装置の過温検知方式。