JP5371353B2 - 電圧型電力変換装置における半導体素子接合部温度の計算装置 - Google Patents

Description

本発明は、直流電力を交流電力に変換する電圧型自励式電力変換装置や他励式電力変換装置を含む電力変換装置における半導体素子の接合部の温度を計算する半導体素子接合部温度の計算装置に関する。

例えば、電圧型自励式電力変換器に使用される半導体素子接合部温度には使用上限がある。このため、電力変換器の設計に当っては、運転中における半導体素子接合部温度を算出することが設計上非常に重要である。

図６は、電圧型自励式電力変換器の主回路を示すもので、主に直流電源２、電力変換器３、負荷４とから構成されている。電力変換器３は、点弧信号によりオン・オフ制御可能なＩＧＢＴ、ＧＴＯなどからなる半導体素子３１ａ〜３１ｆ及び各半導体素子３１ａ〜３１ｆにそれぞれ逆並列に接続されたダイオード３２ａ〜３２ｆからなっている。半導体素子３１ａ〜３１ｆの点弧信号は、制御装置（ＰＷＭ部）１より与えられる。

制御装置１は、ＰＷＭ(Pulse Width Modulation:パルス幅変調)の方式には様々なものがあるが、ここでは一般的な三角波比較方式を示している。具体的には、電圧指令生成手段１１により生成された電圧指令Ｖｒｅｆｕ１４ａ、Ｖｒｅｆｖ１４ｂ、Ｖｒｅｆｗ１４ｃと、三角波変調信号生成手段１２からの三角波変調信号を比較器１３ａ〜１３ｃにて比較することにより、半導体素子３１ａ〜３１ｆのオン・オフを行うものである。

次に、図７を用いて、図６のＵ相の半導体素子３１ａの具体的な点弧方法の一例を示す。

まず、図７（ａ）は、電圧指令生成手段１１により生成された電圧指令Ｖｒｅｆｕ１４ａと三角波変調信号生成手段１２を示したものである。そして、図７（ｂ）は、比較器１３ａによって比較して得られた半導体素子３１ａの点弧信号を示している。図７（ｃ）は、Ｕ相出力電流３３ａを示す。図７（ｄ）は、半導体素子３１ａの点弧信号とＵ相出力電流３３ａによって決まる半導体素子３１ａの電流を示す。

半導体素子の損失は、非特許文献１にも記載されているように、半導体素子がオンするときに発生する損失（ターンオン損失）、オン状態で発生する損失（定常オン損失）、オフするときに発生する損失（ターンオフ損失）からなる。定常オン損失は、半導体素子固有の導通抵抗によるものであり主に通電電流により定まる。ターンオン損失・ターンオフ損失は、主に回路構成や回路定数、オンまたはオフする瞬聞の通電電流、直流電圧等によって決まるが、回路構成や回路定数・直流電圧は装置固有のものであるから、その装置におけるターンオン損失・ターンオフ損失はオンまたはオフする瞬間の通電電流により定まる。図７の（ｅ）は、半導体素子Ｇ３１ａで発生する損失の様子を示している。

次に、半導体素子の温度計算手法について説明する。一般に、半導体素子の冷却は半導体素子を冷却フィンに密着させ、半導体素子で発生する熱を冷却フィンに伝える。冷却フィンの冷却には風冷あるいは水冷方式が採用されることが多い。

図８は、非特許文献２にも記載されている半導体素子・冷却フィンにおける簡易的な熱モデル５である。この熱モデル５は、半導体素子の熱抵抗ＲＪ５２ａ［Ｋ／Ｗ］、熱容量ＣＪ５２ｂ［Ｊ／Ｋ］、冷却フィンの熱抵抗ＲＦ５３ａ［Ｋ／Ｗ］、熱容量ＣＦ５３ｂ［Ｊ／Ｋ］と損失源５１からなる。周囲温度Ｔｏ［℃］５４に対してこの熱モデル５を解析することで、半導体素子接合部温度ＴＪ［℃］５５を算出する。半導体素子には使用できる上限温度が存在するため、半導体素子接合部温度ＴＪ［℃］５５が所定の温度を超えないように設計しなければならない。

このようなことを踏まえると、例えば図６の半導体素子３１ａに着目すると、半導体素子接合部温度の計算装置は図９に示すようなものになる。即ち、図６に示したように出力電圧指令１４ａをＰＷＭ部１に与えて半導体素子３１ａの点弧信号を得、これより半導体素子３１ａの通電電流を算出するとともにその損失を算出する。その損失の様子は、図７（ｅ）に示したようになる。

なお、前述の通り半導体素子の損失はその時々の半導体素子を流れる電流に依存するので、損失計算に当っては、例えば図１０に示すように予めその特性を把握しておくことが必要である。具体的には、図１０（ａ）に示すように半導体素子がオン状態で発生する損失（定常オン損失）、図１０（ｂ）に示すように半導体素子がオンするときに発生する損失（ターンオン損失）、図１０（ｃ）に示すように半導体素子がオフするときに発生する損失（ターンオフ損失）である。

このようにして得られた半導体損失を熱モデル５の損失源５１として与えることで半導体素子接合部温度（ＴＪ）５５を得る。

なお、半導体素子接合部温度の最高値を求めることが目的であって、装置の運転周波数により定まる半導体素子発生損失の周期が熱モデル５の熱抵抗５２ａ・５３ａ、熱容量５２ｂ・５３ｂにより求まる冷却系の熱時定数よりも十分に短い場合、あるいは装置の運転周波数が直流である場合には、図９を簡易化した図１１に示すような簡易モデルで計算して差し支えない。即ち、損失計算装置６の運転周期１周期間の平均損失を求め、その平均損失と熱モデル５の熱抵抗（５２ａと５３ａの和）を乗じて半導体素子接合部温度を求めるものである。商用周波数で使用される装置や直流出力の装置では、一般的にこのような簡易的な半導体素子接合部温度計算手法が採用されている。

特許文献１には、１個の測定用端子を用いることで、動作時の接合部の温度を測定することを目的としたものである。これは１個以上のダイオード素子を直列接続してなる２組のダイオート素子を互いに逆向きに並列接続し、一端を電源端子に接続すると共に他端を接合部温度測定用の専用端子に接続して正及び負の順方向電圧降下の差電圧を求める接合部温度測定装置である。

特許文献２には、半導体素子の不良品を確実に見つけることができるようにしたもので、トランジスタのチップに所定の電流を与える第１の定電流源と、十分に大きな電流をチップに与える第２の定電流源とを有し、第２の定電流源を周期的に動作させ、チップのＰＮの接合部電圧を周期的にサンプルホールドし、これをオシロスコープで表示させるようにしたものである。
パワーエレグトロニクス入門(オーム社、改訂第4版、第9頁) サイリスタ装置(丸善、第81頁、図3.1) 特開平０５−２９９４８７ 特開平０８−１１１４４６

以上述べた従来の半導体素子接合部温度計算手法は、比較的運転周波数が高い装置や、直流出力の装置では図１１に示すような簡易的な計算手法で十分精度のよい値を得ることができた。

しかし、電力変換装置の運転周波数が低く半導体素子の発生損失の周期が、熱モデル５の熱抵抗５２ａ・５３ａ、熱容量５２ｂ・５３ｂより求まる冷却系の熱時定数に比べて短くない場合は、図９に示すような装置で半導体素子接合部温度を計算する必要がある。三角波変調信号の周波数は数ｋＨｚに及ぶことから、ＰＷＭを模擬するとなるとその計算刻みは数μｓ程度で行う必要がある。

一方、冷却系の熱時定数は数秒から数百秒に及ぶこともある。このようなことから、図９に示すような装置で計算すると膨大な時間を要してしまう。電力変換装置の出力電流や出力電圧、運転力率、運転周波数のうち１つでも条件が変わると、計算条件を変えて繰返しこの計算を実施することが必要になるため、計算ケースが大幅に増大し計算時間を要するという問題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、半導体素子接合部温度の計算を効率よく実施できる半導体素子接合部温度の計算装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、請求項１に対応する発明は、直流電圧源からの直流電圧を交流電圧に変換するものであって、ゲートに与える出力電圧指令によってオンオフ動作する複数の半導体素子により構成された電力変換器と、前記半導体素子のゲートに与える出力電圧指令を出力するＰＷＭ方式の制御装置とを備えた電圧型電力変換装置において、
接合部の温度を計算すべき対象の前記電力変換器の出力電圧指令及び出力電流を入力可能な入力手段と、
予め記憶された半導体素子の損失―出力電圧指令―出力電流の関係を示す３次元メモリテーブルと、
前記入力手段によって入力されたある時刻における前記電力変換器の出力電圧指令及び出力電流に基づき前記メモリテーブルに記憶された該当する前記ある時刻における半導体素子の損失を読出し出力可能な演算手段と、
を備えたことを特徴とする電圧型電力変換装置における半導体素子接合部温度の計算装置である。

本発明によれば、半導体素子接合部温度の計算を効率よく実施できる半導体素子接合部温度の計算装置を提供することができる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態による半導体素子接合部温度の計算装置を説明するための構成図である。本発明は、例えば図９に示すような電圧型自励式電力変換装置に、次のような構成を備えたものである。

すなわち、半導体素子接合部の温度を計算すべき対象の前記電力変換器の出力電圧指令及び出力電流を入力可能な入力手段１０と、
予め記憶された半導体素子の損失―出力電圧指令―出力電流の関係を示すメモリテーブル（損失―電圧―電流３次元テーブル）８と、入力手段１０によって入力されたある時刻における半導体素子の出力電圧指令及び出力電流に基づきメモリテーブル８に記憶された該当するある時刻における半導体素子の損失を読出し出力可能な図示しない演算手段とを備えたものである。

以上述べた半導体素子接合部温度の計算装置は、コンピュータの入出力手段と、演算手段（ＣＰＵ）と、メモリを備えたハードウェアで構成したり、或いはコンピュータのメモリに半導体素子接合部温度の計算を行うためのプログラムを格納し、これにより実行することもできる。

なお、電圧型電力変換装置は、前述した通りで、図６に示すように直流電圧源２からの直流電圧を交流電圧に変換するものであって、ゲートに与える出力電圧指令によってオンオフ動作する複数の半導体素子により構成された電力変換器３と、半導体素子のゲートに与える出力電圧指令を出力する制御装置１とを備えたものである。

図１は、図６における半導体素子３１ａに着目して示している。

出力電圧指令１４ａと出力電流３３ａを、損失一電圧一電流３次元テーブル８に与えて半導体素子３１ａにおいて発生する半導体素子損失を求めている。それ以外については、図９に示す従来例と同様である。

ここで、メモリテーブル８について説明する。このメモリテーブル８は、例えば図２のようなメモリテーブルである。図２において黒点はメモリテーブルを構成するデータを示している。この１つ１つのデータは、黒点に対応する出力電圧・出力電流における直流運転を行ったときの平均損失データに相当する。損失一電圧一電流３次元テーブル８を構成するには多数の直流運転時の損失計算を行う必要がある。テーブルデータの密度は、半導体素子接合部温度計算に求められる精度の必要性により決めればよい。テーブルデータの１つ１つの損失値は、当該データに該当する電流によりターンオン損失・ターンオフ損失を求めて１秒間のスイッチング回数を乗じればスイッチング損失は容易に求まるし、当該データに該当する電流により定常オン損失を求め、当該データに該当する電圧によりオン期間を乗じれば定常損失も容易に求まる。よって、メモリテーブル８のデータを構築する作業は比較的容易に行うことができる。テーブルデータの間の損失値については、テーブルデータより補間して求めればよい。

次に、出力電圧指令１４ａと出力電流３３ａを損失一電圧一電流３次元テーブル８に与えた場合の電圧・電流の軌跡について例を挙げて説明する。図３は、装置が力率１，０で運転する場合の電圧と電流の軌跡である。この軌跡上の損失値が損失一電圧一電流３次元テーブル８の出力となる。運転周波数が高ければこの軌跡上を早く動くことになるし、運転周波数が低ければこの軌跡上をゆっくり動くことになる。

図４は、装置が力率０（電流位相が電圧に対して９０°遅れ）で運転する場合の電圧と電流の軌跡である。この軌跡上の損失値が損失一電圧一電流３次元テーブル８の出力となる。運転周波数が高ければこの軌跡上を早く動くことになるし、運転周波数が低ければこの軌跡上をゆっくり動くことになる。

本発明の第１の実施形態では、以上のように入力手段１０において、出力電圧指令１４ａと出力電流３３ａを入力することで、予め用意したメモリテーブル８から容易に半導体素子の発生損失を求めることができる。これにより、例えば、運転周波数が５Ｈｚ（周期２００ｍｓ）とすれば、損失一電圧一電流３次元テーブル８を経て損失を得る過程は数ｍｓの演算刻みで十分となり、従来に比べて半導体素子接合部温度の計算を効率よく実施することができる。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態による半導体素子接合部温度の計算装置を説明するための構成図である。保護手段例えば保護回路９に比較器９２を備え、前述の実施形態の半導体素子接合部温度が保護整定値９１を超えた場合に保護動作を行う。半導体素子接合部温度を計算する装置の構成は、第１の実施形態と同様である。

次に動作について説明する。第１の実施形態に示す半導体素子温度の計算方法が電力変換器の保護回路に実装されている。従って、この電力変換器の運転中は常時半導体素子接合部温度を計算する。そして、このようにして得られた半導体素子接合部温度が保護整定値９１を超えると保護停止信号を出力し、動作保護動作を行う。半導体素子接合部温度を常時推定し、これによって保護を行うため、不要な保護や、保護が不十分になることを回避できるという効果がある。

本発明の半導体素子接合部温度の計算装置の第１の実施形態を説明するための概略構成図。 図１のメモリテーブルを説明するための図。 図１の電圧型自励式電力変換装置において力率１．０で運転する場合の電圧・電流の軌跡を説明するための図。 図１の電圧型自励式電力変換装置において力率０で運転する場合の電圧・電流の軌跡を説明するための図。 本発明の半導体素子接合部温度の計算装置の第２の実施形態を説明するための構成図。 従来及び本発明の実施形態を説明する電圧型自励式電力変換器の主回路構成図。 図６のＵ相の半導体素子３１ａの点弧方法を説明するための図。 非特許文献２に示されている半導体素子・冷却フィンにおける簡易的な熱モデルを説明するための図。 図６のＵ相の半導体素子３１ａにおける接合部温度の計算手法を説明するための図。 図６の従来の半導体素子における損失計算手法を説明するための図。 従来の半導体素子における損失計算手法の課題を説明するための構成図。

符号の説明

１…制御装置、２…直流電源、３…電力変換器、４…負荷、５…熱モデル、６…損失計算装置、８…メモリテーブル、９…保護回路、１０…入力手段、１１…電圧指令生成手段
、１２…三角波変調信号生成手段、１３ａ〜１３ｃ…比較器、１４ａ…出力電圧指令、３１ａ〜３１ｆ…半導体素子、３１ａ…半導体素子。

Claims (2)

1. 直流電圧源からの直流電圧を交流電圧に変換するものであって、ゲートに与える出力電圧指令によってオンオフ動作する複数の半導体素子により構成された電力変換器と、前記半導体素子のゲートに与える出力電圧指令を出力するＰＷＭ方式の制御装置とを備えた電圧型電力変換装置において、
   接合部の温度を計算すべき対象の前記電力変換器の出力電圧指令及び出力電流を入力可能な入力手段と、
   予め記憶された半導体素子の損失―出力電圧指令―出力電流の関係を示す３次元メモリテーブルと、
   前記入力手段によって入力されたある時刻における前記電力変換器の出力電圧指令及び出力電流に基づき前記メモリテーブルに記憶された該当する前記ある時刻における半導体素子の損失を読出し出力可能な演算手段と、
   を備えたことを特徴とする電圧型電力変換装置における半導体素子接合部温度の計算装置。
2. 直流電圧源からの直流電圧を交流電圧に変換するものであって、ゲートに与える出力電圧指令によってオンオフ動作する複数の半導体素子により構成された電力変換器と、前記半導体素子のゲートに与える出力電圧指令を出力するＰＷＭ方式の制御装置とを備えた電圧型電力変換装置において、
   接合部の温度を計算すべき対象の前記電力変換器の出力電圧指令及び出力電流を入力可能な入力手段と、
   予め記憶された半導体素子の損失―出力電圧指令―出力電流の関係を示す３次元メモリテーブルと、
   前記入力手段によって入力されたある時刻における前記電力変換器の出力電圧指令及び出力電流に基づき前記メモリテーブルに記憶された該当する前記ある時刻における半導体素子の損失を読出し出力可能な演算手段と、
   前記演算手段から得られた半導体素子接合部温度により前記電力変換器の保護動作を行う保護手段と、
   を備えたことを特徴とする電圧型電力変換装置における電圧型電力変換装置における半導体素子接合部温度の計算装置。

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