JP5455756B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動機を可変速制御する電力変換装置に係り、特にスイッチング素子の熱破壊に対する保護機能を備えた電力変換装置に関する。

従来の一般的な電動機の可変速制御用の電力変換装置は、商用周波数の電力系統電源はらの交流入力を整流回路によって直流に変換し、直流の平滑回路を介してインバータによって可変周波数、可変電圧の交流に変換して電動機を駆動している。

通常電動機には、速度センサが接続されていて、帰還制御用に電動機の磁極位置、あるいは速度を検出する。この速度帰還信号と速度基準との偏差を速度制御器により求め、所望のトルク基準を算出し、一方、速度帰還信号より磁束基準を求め、トルク基準と磁束基準とからトルク電流基準を求める。

また、インバータの出力には電流センサが取り付けられて、この電流帰還信号に基づいてトルク電流帰還信号が得られる。上記トルク電流基準とトルク電流帰還信号との偏差を電流制御器に入力することによって電圧基準を得、この電圧基準をＰＷＭ変調器に入力してゲート駆動回路に与え、インバータを構成する各スイッチング素子を駆動する。

インバータやチョッパのような電力変換装置は、スイッチング素子例えばIGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）をオン、オフさせることにより所望の電力変換を行っており、スイッチング素子の動作には電力損失が発生する。主な電力損失には定常ON損失やスイッチング損失などがあり、この損失により当該スイッチング素子の温度が上昇し、当該スイッチング素子のジャンクション温度が所定値以上になると熱破損をしてしまう。

このため、このようなスイッチング素子においては、スイッチング素子の熱破損保護のため負荷電流を検出し熱破損を防ぐようなあらかじめ設定された負荷電流を超えないようにスイッチング素子を制御する。

ところで、インバータのスイッチング素子を可変電圧可変周波数で動作させる場合、低周波数領域で、スイッチング素子の温度条件が悪くなる。

スイッチング素子はインバータ運転のためオン・オフ制御され、オン状態にスイッチング素子は導通する。低周波数動作になるとスイッチング素子の１回の電流導通期間が長くなり、高周波数動作に比べてスイッチング素子の温度上昇分が大きくなる。結果として低周波数動作の方が高周波数動作に比べてスイッチング素子が大きく発熱する。

このため、単にインバータの出力電流だけではなく、その出力周波数も考慮してスイッチング素子の温度上昇を計算し、スイッチング素子のジャンクション温度の許容限界値がこの計算値を超えないようインバータの出力電流を制御する手法が提案されている（例えば特許文献１参照。）。

特開平０９−２３３８３２号公報（第２−４頁、図１）

特許文献１に示された手法によれば、インバータの出力周波数の変化によるスイッチング素子の温度上昇の変化を考慮することは可能であるが、運転条件の変化があったとき、あるいは計算条件が実際と異なっていたとき、計算された素子ジャンクション温度設定値と実際のジャンクション温度との間に開きが生じ、スイッチング素子の能力が必要以上に抑えられてしまう恐れがある。

本発明は、上記に鑑みて為されたものであり、スイッチング素子の熱破損防止の目的を失うことなく、スイッチング素子を限界温度近辺まで使用することのできる電力変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の電力変換装置は、交流電源の交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、前記整流回路で得られた直流電圧を可変電圧可変周波数の交流電圧に変換し負荷に供給するインバータと、前記負荷に流入する負荷電流を検出する電流検出器と、前記インバータを構成するスイッチング素子にゲートパルスを供給するゲート駆動回路と、前記スイッチング素子の発熱部に近接した近接部位の温度を検出する温度検出器と、前記ゲート駆動回路に基準ゲート信号を与える制御手段と、前記スイッチング素子が動作限界温度を超えて運転されないように保護動作を行う保護手段とを具備し、前記保護手段は、前記電流検出器で検出された負荷電流と、前記インバータの出力周波数から前記スイッチング素子の発熱量を演算する手段と、前記演算された発熱量と予め設定された各部の熱抵抗及び熱時定数から前記スイッチング素子のジャンクション温度と前記近接部位の温度を演算する手段と、前記演算された近接部位の温度と前記温度検出器で検出された温度の差の大きさに応じて前記スイッチング素子のジャンクション温度を補正する手段と
を有し、前記補正されたスイッチング素子のジャンクション温度が温度限界値を超えないように前記ゲート駆動回路または前記制御手段を制御するようにしたことを特徴としている。

本発明によれば、スイッチング素子の熱破損防止の目的を失うことなく、スイッチング素子を限界温度近辺まで使用することのできる電力変換装置を提供することが可能となる。

本発明の実施例１に係る電力変換装置のブロック構成図。 実施例１における保護回路の内部構成図。 本発明の実施例２に係る電力変換装置のブロック構成図。 実施例２における保護回路の内部構成図。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

以下、本発明の実施例１に係る電力変換装置を図１及び図２を参照して説明する。

図１は本発明の実施例１に係る電力変換装置のブロック構成図である。交流電源１から供給される交流電圧を整流回路２で直流電圧に変換し、平滑コンデンサ３によって直流電圧に含まれるリプル電圧を吸収する。インバータ４はこの直流電圧を再び交流電圧に変換して負荷である交流電動機５を駆動する。

インバータ４と交流電動機５の間に設置された電流検出器６によって負荷電流が検出され、詳細を後述する保護回路１０に与えられる。インバータ４はその主回路にスイッチング素子が使用されているが、このスイッチング素子周辺の温度が温度検出器７によって検出され、保護回路１０に与えられる。

インバータ４を構成するスイッチング素子のゲートには、ゲート駆動回路８からオン・オフ信号が与えられている。そしてゲート駆動回路８に対して、制御回路９から基準となるパルス信号が与えられている。制御回路９の内部構成の図示は省略しているが、例えば、
交流電動機５の速度指令に基づいて、インバータ４の出力周波数とその出力周波数に応じた出力電圧を決定する回路を内部に有する構成となっている。この場合、出力周波数の情報が制御回路９で得られることになるので、この信号についても保護回路１０に与える。

次に保護回路１０の内部構成を図２を参照して説明する。図２は保護回路１０の内部構成を示すブロック図であるが、一部機能ブロックを用いて表現したものである。

まず、負荷電流の値と、その周波数から、素子熱損失計算１１でスイッチング素子の発生損失を計算する。この場合、出力周波数は、同一スイッチング巣子で発生する損失が継続する時間を設定する指標となる。

次に、計算された損失を元に、各部温度計算１２において、各部の温度を計算する。この場合、基準となる部位の温度、例えば空冷のヒートシンクの温度を一定とし、予め記憶されたヒートシンクからスイッチング素子のケースに至る熱抵抗及び熱時定数、ケースからジャンクションに至る熱抵抗及び熱時定数からケース及びジャンクションの温度上昇値を計算する。そして、ヒートシンクの温度（例えば４０度）にこれらの温度上昇値を加算することによってケース及びジャンクションの温度が求まる。この計算は適切なサンプリング間隔で行えば良いが、出力周波数から得られる負荷電流の継続時間を適切に設定することによって、比較的簡単に温度計算を行うことが可能となる。

次に、計算されたケースの温度Ｔｃと温度検出器７で得られた実際の温度Ｔａとを比較する。計算は通常想定される最悪条件で行うようにするため、普通はＴｃ＞Ｔａとなりその差分ΔＴが余裕分となる。そして温度補正計算１３において、この差分ΔＴを計算し、差分ΔＴに応じた補正率Ｃを求める。この補正率Ｃは例えば、Ｃ＝（Ｔａ＋ΔＴ）／Ｔａとする。そして、ジャンクション温度推定１４において、各部温度計算１２で計算されたジャンクション温度にＣを乗算すれば、より実際に近いジャンクション温度である補正されたジャンクション温度を得ることが可能となる。

次に上記補正されたジャンクション温度と温度限界設定１５で設定された限界温度（例えば１２０度）とを比較回路１６で比較する。そして、補正されたジャンクション温度が限界温度以上となったとき、比較回路１６はゲート駆動回路８に保護指令を出力し、ゲート信号を停止させる。

上記における温度検出器７は、例えば接触式のサーミスタ、熱電対を使用することができる。これによりスイッチング素子のスイッチング動作により発生するノイズの影響を回避できる。尚、スイッチング素子のジャンクション温度を直接測定するのが困難であるためスイッチング素子のケース温度を測定すると記述したが、測定可能でなるべくスイッチング素子のチップに近接した部位で測定することが重要である。

図３は本発明の実施例２に係る電力変換装置のブロック構成図である。この実施例２の各部について、図１の本発明の実施例１に係る電力変換装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、制御回路９Aが電流制限回路９２を有する構成であるとした点、保護回路１０Aの出力によって電流制限回路９２の電流制限値を変える構成とした点である。

図３において電流制御回路９１は電流基準指令と電流検出器６で検出した負荷電流の偏差が最小となるように電圧基準を出力する。そして電流制限回路９２は、負荷電流が所定値を超えないようにこの電圧基準にリミットをかける。図においては簡単のため電流制御回路９１を電流制限回路９２と分離して記してあるが、実際は一体で動作する。PWM回路９３は与えられた電圧基準に従ってパルス幅変調された基準ゲート信号をゲート駆動回路８に与える。

図４は保護回路１０Aの内部構成図である。この保護回路１０Aが実施例１の保護回路１０と異なる点は、ジャンクション温度推定１４で補正されたジャンクション温度を求めた後、電流制限制御回路１７によって負荷電流制限値を求め、この値を電流制限回路９１に与える構成とした点である。電流制限制御回路１７は、現在の負荷電流と補正されたジャンクション温度の値に応じてジャンクション温度が限界温度（例えば１２０度）に到達するときの負荷電流の値を推定することによって求める。この推定を所定のサンプリング周期で行うようにすれば、サンプリング周期ごとに周囲環境の変化などを考慮した更新ができるばかりでなく、負荷電流制限値の計算が必ずしも厳密でなくても、ジャンクション温度が限界温度に近くなるに連れて推定精度が向上していくので実用的である。尚、実施例１の保護指令を残したまま実施例１と組み合わせることも可能であり、また負荷電流が突発的に増加して１サンプリング周期前に設定された負荷電流制限値を超えたときには、上記保護指令と同様に、ゲート信号を停止させるようにしても良い。

１…交流電源
２…整流回路
３…平滑コンデンサ
４…インバータ
５…交流電動機
６…電流検出器
７…温度検出器
８…ゲート駆動回路
９、９A…制御回路
１０、１０A…保護回路
１１…素子熱損失計算
１２…各部温度計算
１３…温度補正計算
１４…ジャンクション温度推定
１５…温度限界設定
１６…比較回路
１７…電流制限制御回路
９１…電流制御回路
９２…電流制限回路
９３…PWM回路

Claims (5)

1. 交流電源の交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、
   前記整流回路で得られた直流電圧を可変電圧可変周波数の交流電圧に変換し負荷に供給するインバータと、
   前記負荷に流入する負荷電流を検出する電流検出器と、
   前記インバータを構成するスイッチング素子にゲートパルスを供給するゲート駆動回路と、
   前記スイッチング素子の発熱部に近接した近接部位の温度を検出する温度検出器と、
   前記ゲート駆動回路に基準ゲート信号を与える制御手段と、
   前記スイッチング素子が動作限界温度を超えて運転されないように保護動作を行う保護手段と
   を具備し、
   前記保護手段は、
   前記電流検出器で検出された負荷電流と、前記インバータの出力周波数から前記スイッチング素子の発熱量を演算する手段と、
   前記演算された発熱量と予め設定された各部の熱抵抗及び熱時定数から前記スイッチング素子のジャンクション温度と前記近接部位の温度を演算する手段と、
   前記演算された近接部位の温度と前記温度検出器で検出された温度の差の大きさに応じて前記スイッチング素子のジャンクション温度を補正する手段と
   を有し、
   前記補正されたスイッチング素子のジャンクション温度が温度限界値を超えないように前記ゲート駆動回路または前記制御手段を制御するようにしたことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記保護手段は、
   前記補正されたスイッチング素子のジャンクション温度が温度限界値を超えたとき、前記
   ゲート駆動回路にゲート停止指令を出力するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記制御手段は、
   電流基準指令と前記負荷電流との偏差を最小にするように前記基準ゲート信号を制御する電流制御手段と、
   前記負荷電流が所定の電流制限値を超えないように前記基準ゲート信号を制御する電流制限手段と
   を有し、
   前記保護手段は、前記補正されたスイッチング素子のジャンクション温度と温度限界値の差に応じて前記電流制限値を変化させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記制御手段は、
   前記負荷電流が前記電流制限値を超えたとき、前記ゲート駆動回路にゲート停止指令を出力するようにしたことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記近接部位は前記スイッチング素子のケースであることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の電力変換装置。

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