JP5667242B2

JP5667242B2 - パワー半導体チップの温度を推定する温度推定装置及びそれを備えるモータ制御装置

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Publication number: JP5667242B2
Application number: JP2013122165A
Authority: JP
Inventors: 良太山口
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2013-06-10
Filing date: 2013-06-10
Publication date: 2015-02-12
Anticipated expiration: 2033-06-10
Also published as: JP2014239631A; CN104242771A; CN104242771B; US20140361721A1; DE102014008642A1; DE102014008642B4; US9203340B2

Description

本発明は、複数のモータをそれぞれ駆動するために同一の放熱器に配置されたモータの個数以上のパワー半導体モジュールのうちの１個のパワー半導体モジュールに格納した少なくとも１個のパワー半導体チップのうちの温度推定対象となる１個のパワー半導体チップの温度を推定する温度推定装置及びそれを備えるモータ制御装置に関する。

工作機械の送り軸用のモータ、工作機械の主軸用のモータ、産業用ロボットのアーム用のモータ等を駆動するために、トランジスタ、ダイオード、サイリスタ等のパワー半導体を搭載した少なくとも１個のパワー半導体チップを格納したパワー半導体モジュールによって構成されるコンバータ及びインバータが用いられている。パワー半導体チップの温度は、パワー半導体の通電時に生じる電力損失及びパワー半導体のスイッチング時に生じる電力損失により上昇する。パワー半導体チップの温度が所定の温度（例えば、パワー半導体メーカーが設定した定格温度）を超えた場合、パワー半導体チップに対する熱の悪影響（パワー半導体チップの劣化、パワー半導体チップの破壊等）が生じるおそれがある。したがって、パワー半導体チップの温度を、パワー半導体チップに対する熱の悪影響が生じうる温度より下の温度に維持するために、パワー半導体チップの温度を正確に推定する必要がある。

従来、１個のモータを駆動するための１個のパワー半導体モジュールに格納した少なくとも１個のパワー半導体チップのうちの温度推定対象となる１個のパワー半導体チップの温度を推定する温度推定装置として、パワー半導体モジュールの全てのパワー半導体チップの電力損失に基づいて演算した基準温度とパワー半導体モジュールの温度との温度差及び基準温度に基づいて温度推定対象となる１個のパワー半導体チップの温度を推定する温度推定装置が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１１−３６０９５号公報

近年、工作機械、産業用ロボット等を小型化するために、１個の交流電源で複数のモータをそれぞれ駆動するために互いに並列に接続した複数のインバータすなわち複数のパワー半導体モジュールを同一の放熱器に配置したシステムが用いられている。このようなシステムにおいて、これらの複数のパワー半導体モジュールのうちの１個のパワー半導体モジュールに格納した少なくとも１個のパワー半導体チップのうちの温度推定対象となる１個のパワー半導体チップの温度を推定するために、１個のパワー半導体モジュールの全てのパワー半導体チップの電力損失に基づいて演算した基準温度とパワー半導体モジュールの温度との温度差及び基準温度に基づいて温度推定対象となる１個のパワー半導体チップの温度を推定する場合、温度推定対象となる１個のパワー半導体モジュール以外の１個以上のパワー半導体モジュールで発生する電力損失、すなわち、温度推定対象となる１個のパワー半導体チップを格納したパワー半導体モジュール以外の１個以上のパワー半導体モジュールに格納した全てのパワー半導体チップによる放熱器に対する熱の影響が考慮されないので、温度推定対象となる１個のパワー半導体チップの温度を正確に推定することができない。

本発明の目的は、同一の放熱器に配置されたモータの個数以上のパワー半導体モジュールのうちの１個のパワー半導体モジュールに格納した少なくとも１個のパワー半導体チップのうちの温度推定対象となる１個のパワー半導体チップの温度を正確に推定することができる温度推定装置及びそれを備えるモータ制御装置を提供することである。

本発明による温度推定装置は、複数のモータをそれぞれ駆動するために同一の放熱器に配置されたモータの個数以上のパワー半導体モジュールのうちの１個のパワー半導体モジュールに格納した少なくとも１個のパワー半導体チップのうちの温度推定対象となる１個のパワー半導体チップの温度を推定する温度推定装置であって、温度推定対象となる１個のパワー半導体チップを格納したパワー半導体モジュールの全てのパワー半導体チップで発生する電力損失に相当する第１の電力損失を演算する第１の電力損失演算部と、温度推定対象となる１個のパワー半導体チップを格納したパワー半導体モジュールと放熱器との間の温度差に相当する第１の温度差を、第１の電力損失に基づいて演算する第１の温度差演算部と、放熱器と基準温度との間の温度差に相当する第２の温度差を、第１の電力損失、及び、温度推定対象となる１個のパワー半導体チップを格納したパワー半導体モジュール以外の１個以上のパワー半導体モジュールの全てのパワー半導体チップで発生する電力損失に相当する第２の電力損失に基づいて演算する第２の温度差演算部と、温度推定対象となる１個のパワー半導体モジュールの温度を、基準温度、第１の温度差及び第２の温度差に基づいて演算する温度演算部と、温度演算部が演算した温度を出力する温度出力部と、を備えることを特徴とする。

好適には、第１の電力損失演算部は、温度推定対象となる１個のパワー半導体チップを格納したパワー半導体モジュールに対応する１個のモータに流れる電流及び温度推定対象となる１個のパワー半導体チップを格納したパワー半導体モジュールに対応する１個のモータに対する電流指令値のうちのいずれか一方に基づいて第１の電力損失を演算する。

好適には、第１の電力損失演算部は、温度推定対象となる１個のパワー半導体チップを格納したパワー半導体モジュールに入力されるＰＷＭ信号のキャリア周波数の大小に応じた第１の電力損失の演算を行う。

好適には、本発明による温度推定装置は、第２の電力損失を演算する第２の電力損失演算部を更に備える。

好適には、第２の電力損失演算部は、温度推定対象となる１個のパワー半導体チップを格納したパワー半導体モジュールに対応する１個のモータ以外の１個以上のモータに流れる電流及び温度推定対象となる１個のパワー半導体チップを格納したパワー半導体モジュールに対応する１個のモータ以外の１個以上のモータに対する電流指令値のうちのいずれか一方に基づいて第２の電力損失を演算する。

好適には、第２の電力損失演算部は、温度推定対象となる１個のパワー半導体チップを格納したパワー半導体モジュール以外の１個以上のパワー半導体モジュールに入力されるＰＷＭ信号のキャリア周波数の大小に応じた第２の電力損失の演算を行う。

本発明によるモータ制御装置は、少なくとも１個のパワー半導体チップを格納した１個のパワー半導体モジュールによって構成されるコンバータを介して交流電源に接続したＤＣリンク部に蓄積されている電力で駆動されるモータを制御するモータ制御装置であって、本発明による温度推定装置を備える。

好適には、モータ制御装置は、温度推定装置が推定した温度が基準温度を超えた場合にはモータの出力を制限又は停止する。

本発明によれば、同一の放熱器に配置されたモータの個数以上のパワー半導体モジュールのうちの１個のパワー半導体モジュールに格納した少なくとも１個のパワー半導体チップのうちの温度推定対象となる１個のパワー半導体チップの温度を正確に推定することができる温度推定装置及びそれを備えるモータ制御装置を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態の温度推定装置を備えるモータ制御装置を有するシステムのブロック図である。本発明の第１の実施の形態の温度推定装置を備えるモータ制御装置のブロック図である。本発明の第２の実施の形態の温度推定装置を備えるモータ制御装置のブロック図である。本発明の第３の実施の形態の温度推定装置を備えるモータ制御装置のブロック図である。本発明の第４の実施の形態の温度推定装置を備えるモータ制御装置のブロック図である。

本発明による温度推定装置及びモータ制御装置の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図面中、同一構成要素には同一符号を付す。
図１は、本発明の第１の実施の形態の温度推定装置を備えるモータ制御装置を有するシステムのブロック図であり、図２は、本発明の第１の実施の形態の温度推定装置を備えるモータ制御装置のブロック図である。図１に示すシステムは、工作機械、産業用ロボット等において使用され、三相交流電源１と、コンバータ２と、平滑用コンデンサ３と、パワー半導体モジュールとしてのインバータ４，５と、放熱器６と、電流検出器７Ｕ，７Ｖ，８Ｕ，８Ｖと、モータ９，１０と、回転角度検出部１１，１２と、温度センサ１３と、温度推定装置１４を備えるモータ制御装置１５と、温度推定装置１６を備えるモータ制御装置１７と、警報出力部１８，１９と、上位制御装置２０と、を備える。

コンバータ２は、例えば、整流ダイオードを搭載した複数（三相交流の場合は６個）のパワー半導体チップを格納した１個のパワー半導体モジュールによって構成され、三相交流電源１から供給される交流電力を直流電力に変換する。平滑用コンデンサ３は、コンバータ２の整流ダイオードによって整流された電圧を平滑化するためにコンバータ２に並列に接続される。インバータ４は、平滑用コンデンサ３に並列に接続され、例えば、整流ダイオードを搭載した複数（三相交流の場合は６個）のパワー半導体チップ及びこれらの整流ダイオードのそれぞれに逆並列に接続されたトランジスタを搭載した複数（三相交流の場合は６個）のパワー半導体チップを格納した１個のパワー半導体モジュールによって構成され、後に説明するＰＷＭ信号Ｖ_PWM1に基づいてトランジスタのオンオフ動作を行うことによって、コンバータ２によって変換された直流電力を交流電力に変換する。インバータ５は、平滑用コンデンサ３に並列に接続され、例えば、整流ダイオードを搭載した複数（三相交流の場合は６個）のパワー半導体チップ及びこれらの整流ダイオードのそれぞれに逆並列に接続されたトランジスタを搭載した複数（三相交流の場合は６個）のパワー半導体チップを格納した１個のパワー半導体モジュールによって構成され、後に説明するＰＷＭ信号Ｖ_PWM2に基づいてトランジスタのオンオフ動作を行うことによって、コンバータ２によって変換された直流電力を交流電力に変換する。

放熱器６には、インバータ４，５が配置される。これによって、放熱器６は、インバータ４，５に含まれる整流ダイオード及びトランジスタの通電時に生じる電力損失並びにインバータ４，５に含まれるトランジスタのスイッチング時に生じる電力損失により生じる熱を放散させることによってインバータ４，５を冷却する。

電流検出器７Ｕ，７Ｖは、モータ９に流れる三相のＵ相電流Ｉ_U1、Ｖ相電流Ｉ_V1及びＷ相電流Ｉ_W1のうちの二相のＵ相電流Ｉ_U1及びＶ相電流Ｉ_V1を検出するためにインバータ４の出力線に設けられる。電流検出器８Ｕ，８Ｖは、モータ１０に流れる三相のＵ相電流Ｉ_U2、Ｖ相電流Ｉ_V2及びＷ相電流Ｉ_W2のうちの二相のＵ相電流Ｉ_U2及びＶ相電流Ｉ_V2を検出するためにインバータ５の出力線に設けられる。電流検出器７Ｕ，７Ｖ，８Ｕ，８Ｖは、例えば、検出抵抗又はホール素子によって構成される。

モータ９，１０は、平滑用コンデンサ３に蓄積されている電力で駆動される。図１に示すシステムを工作機械において用いる場合、例えば、モータ９，１０のうちの一方を、工作機械の主軸をボールねじ／ナット機構等の送りねじ機構によって重力軸方向（Ｚ軸方向）に駆動する重力軸用サーボモータとし、他方を、工作機械の主軸に取り付けられた工具を駆動する主軸モータとする。図１に示すシステムを産業用ロボットにおいて用いる場合、モータ９，１０のそれぞれを、産業用ロボットの複数のアームのうちの一つのアームを重力軸方向（Ｚ軸方向）に駆動する重力軸用サーボモータとする。

回転角度検出部１１は、モータ９の回転角度θ１を検出するロータリーエンコーダ、ホール素子、レゾルバ等によって構成される。回転角度検出部１２は、モータ１０の回転角度θ２を検出するロータリーエンコーダ、ホール素子、レゾルバ等によって構成される。温度センサ１３は、基準温度としての外気温度ＴＡを検出するサーミスタ等によって構成される。

モータ制御装置１５は、モータ９を制御するために、回転速度演算部２１と、ｑ軸電流及びｄ軸電流検出部２２と、メモリ２３と、ｑ軸電流指令値生成部２４と、ｄ軸電流指令値生成部２５と、減算器２６，２７と、ＰＩ制御部２８，２９と、指令電圧生成部３０と、ＰＷＭ信号生成部３１と、を備える。

回転速度演算部２１は、回転角度検出部１１から回転角度θ１が入力され、回転角度θ１を時間で微分することによってＵ相電流Ｉ_U、Ｖ相電流Ｉ_V及びＷ相電流Ｉ_Wの周波数に相当するモータ９の回転速度ωを演算し、回転速度ωをｑ軸電流指令値生成部２４及びｄ軸電流指令値生成部２５に出力する。

ｑ軸電流及びｄ軸電流検出部２２は、モータ９に流れる三相のＵ相電流Ｉ_U1、Ｖ相電流Ｉ_V1及びＷ相電流Ｉ_W1のうちの二相のＵ相電流Ｉ_U1及びＶ相電流Ｉ_V1が電流検出器７Ｕ，７Ｖからそれぞれ入力され、二相のＵ相電流Ｉ_U1及びＶ相電流Ｉ_V1に基づいてＷ相電流Ｉ_W1を抽出し、ｑ軸電流Ｉ_q及びｄ軸電流Ｉ_dを、モータ９に流れる三相のＵ相電流Ｉ_U1、Ｖ相電流Ｉ_V1及びＷ相電流Ｉ_W1及び回転角度θ１に基づいて検出する。このために、ｑ軸電流及びｄ軸電流検出部２２は、回転座標変換及び三相−二相変換を行う座標変換器によって構成される。したがって、ｑ軸電流及びｄ軸電流検出部２２は、静止座標系（ＵＶＷ座標系）の三相のＵ相電流Ｉ_U1、Ｖ相電流Ｉ_V1及びＷ相電流Ｉ_W1を、静止座標系（αβ座標系）に対して回転角度θ１だけ回転する回転座標系で表される二相のｑ軸電流Ｉ_q及びｄ軸電流Ｉ_dに変換し、ｑ軸電流Ｉ_q及びｄ軸電流Ｉ_dを減算器２６，２７にそれぞれ出力する。

メモリ２３は、上位制御装置２０からモータ制御装置１５に入力されるモータ９に対する速度指令値である回転速度指令ω_com1と、回転速度演算部２１からｑ軸電流指令値生成部２４及びｄ軸電流指令値生成部２５に入力されるモータ９の位置又は速度に対応するモータ９の実回転速度ωと、ｑ軸電流指令値Ｉ_qcom及びｄ軸電流指令値Ｉ_dcomとの関係を表すルックアップテーブルを格納する。

ｑ軸電流指令値生成部２４は、ｑ軸電流指令値Ｉ_qcomを生成する。このために、ｑ軸電流指令値生成部２４は、モータ９の実回転速度ωが回転速度演算部２１から入力され、回転速度指令ω_com1が上位制御装置２０から入力され、回転速度指令ω_com1及びモータ９の実回転速度ωに対応するｑ軸電流指令値Ｉ_qcomをメモリ２３から読み出し、読み出したｑ軸電流指令値Ｉ_qcomを減算器２６に出力する。

ｄ軸電流指令値生成部２５は、ｄ軸電流指令値Ｉ_dcomを生成する。このために、ｄ軸電流指令値生成部２５は、モータ９の実回転速度ωが回転速度演算部２１から入力され、回転速度指令ω_com1が上位制御装置２０から入力され、回転速度指令ω_com1及びモータ９の実回転速度ωに対応するｄ軸電流指令値Ｉ_dcomをメモリ２３から読み出し、読み出したｄ軸電流指令値Ｉ_dcomを減算器２７に出力する。

減算器２６は、ｑ軸電流指令値Ｉ_qcomが入力される非反転入力部と、ｑ軸電流Ｉ_qが入力される反転入力部と、ｑ軸電流指令値Ｉ_qcomとｑ軸電流Ｉ_qの値との減算結果である電流偏差ΔＩ_qを出力する出力部と、を有する。減算器２７は、ｄ軸電流指令値Ｉ_dcomが入力される非反転入力部と、ｄ軸電流Ｉ_dが入力される反転入力部と、ｄ軸電流指令値Ｉ_dcomとｄ軸電流Ｉ_dの値との減算結果である電流偏差ΔＩ_dを出力する出力部と、を有する。

ＰＩ制御部２８は、電流偏差ΔＩ_qが入力され、電流偏差ΔＩ_qの比例積分演算を行うことによってｑ軸電圧指令値Ｖ_qを作成し、ｑ軸電圧指令値Ｖ_qを指令電圧生成部３０に出力する。ＰＩ制御部２９は、電流偏差ΔＩ_dが入力され、電流偏差ΔＩ_dの比例積分演算を行うことによってｄ軸電圧指令値Ｖ_dを作成し、ｄ軸電圧指令値Ｖ_dを指令電圧生成部３０に出力する。

指令電圧生成部３０は、ｑ軸電圧指令値Ｖ_q及びｄ軸電圧指令値Ｖ_dに基づいてＵ相電圧指令値Ｖ_U、Ｖ相電圧指令値Ｖ_V及びＷ相電圧指令値Ｖ_Wを生成する。このために、指令電圧生成部３０は、回転座標変換及び二相−三相変換を行う座標変換器によって構成される。したがって、指令電圧生成部３０は、静止座標系（αβ座標系）に対して回転角度θ１だけ回転する回転座標系で表される二相のｄ軸電圧指令値Ｖ_d及びｑ軸電圧指令値Ｖ_qを、三相のＵ相電圧指令値Ｖ_U、Ｖ相電圧指令値Ｖ_V及びＷ相電圧指令値Ｖ_Wに変換し、Ｕ相電圧指令値Ｖ_U、Ｖ相電圧指令値Ｖ_V及びＷ相電圧指令値Ｖ_WをＰＷＭ信号生成部３１に出力する。

ＰＷＭ信号生成部３１は、Ｕ相電圧指令値Ｖ_U、Ｖ相電圧指令値Ｖ_V及びＷ相電圧指令値Ｖ_Wに基づいてＰＷＭ信号Ｖ_PWM1（この場合、インバータ４の各トランジスタに対応するＶ_PWM1-1，Ｖ_PWM1-2，Ｖ_PWM1-3，Ｖ_PWM1-4，Ｖ_PWM1-5及びＶ_PWM1-6）を生成し、モータ９を駆動するためにＰＷＭ信号Ｖ_PWM1-1をインバータ４に出力する。このために、ＰＷＭ信号生成部３１は、モータ制御装置１５に内蔵されたタイマ（図示せず）の１周期（例えば、２５０マイクロ秒）に相当するキャリア周波数に基づいてＰＷＭ信号Ｖ_PWM1を生成する。

本実施の形態では、上述したように、モータ制御装置１５は、２個のモータ９，１０をそれぞれ駆動するために同一の放熱器６に配置された２個のインバータ４，５のうちの１個のインバータ４に格納した温度推定対象となる１個のパワー半導体チップの温度を推定する温度推定装置１４を更に備える。このために、温度推定装置１４は、第１の電力損失演算部としての電力損失演算部４１と、第１の温度差演算部としての温度差演算部４２と、第２の温度差演算部としての温度差演算部４３と、温度演算部４４と、温度出力部４５と、を備える。

電力損失演算部４１は、インバータ４の全てのパワー半導体チップで発生する第１の電力損失としての電力損失Ｑ１を演算する。本実施の形態では、電力損失演算部４１は、モータ９に流れるＵ相電流Ｉ_U1に基づいて電力損失Ｑ１を演算する。そして、電力損失演算部４１は、電力損失Ｑ１を温度差演算部４２、温度差演算部４３、及びモータ制御装置１７に含まれる温度推定装置１６に出力する。例えば、インバータ４の電気抵抗をＲとし，Ｕ相電流Ｉ_U1に対応する直流電流値を｜Ｉ_U1｜とした場合、電力損失Ｑ１を以下の式で表すことができる。
Ｑ１＝Ｒ｜Ｉ_U1｜²
ここで、直流電流値｜Ｉ_U1｜は、電流検出器７Ｕが出力する電流検出信号をＡ／Ｄ変換器（図示せず）に入力してデジタルデータに変換することによって得られ、電力損失演算部４１に入力される。

本実施の形態では、電力損失演算部４１は、インバータ４に含まれるトランジスタの一つに対するＰＷＭ信号Ｖ_PWM1-1のキャリア周波数の大小に応じた電力損失Ｑ１の演算を行う。すなわち、直流電流値｜Ｉ_U1｜が同一である条件下では、電力損失演算部４１は、ＰＷＭ信号Ｖ_PWM1-1のキャリア周波数が増大するに従って電力損失Ｑ１を増大させる。

温度差演算部４２は、温度推定対象となる１個のパワー半導体チップを格納したインバータ４と放熱器６との間の第１の温度差としての温度差ΔＴ１を、電力損失Ｑ１に基づいて演算する。このために、温度差演算部４２には、電力損失Ｑ１が電力損失演算部４１から入力される。そして、温度差演算部４２は、温度差ΔＴ１を温度演算部４４に出力する。本実施の形態では、温度差ΔＴ１を、電力損失Ｑ１に応じて変化する変数Ｆ（Ｑ１）によって表すことができる。すなわち、温度差ΔＴ１を以下の式で表すことができる。
ΔＴ１＝Ｆ（Ｑ１）
例えば、インバータ４の熱抵抗をθ１とした場合、変数Ｆ（Ｑ１）を以下の式で表すことができる。
Ｆ（Ｑ１）＝θ１・Ｑ１

温度差演算部４３は、放熱器６の温度と外気温度ＴＡとの間の第２の温度差としての温度差ΔＴ２を、電力損失Ｑ１及びインバータ５の全てのパワー半導体チップで発生する第２の電力損失としての電力損失Ｑ２に基づいて演算する。このために、温度差演算部４３には、電力損失Ｑ１が電力損失演算部４１から入力され、かつ、電力損失Ｑ２が温度推定装置１６から入力される。そして、温度差演算部４３は、温度差ΔＴ２を温度演算部４４に出力する。本実施の形態では、温度差ΔＴ２を、電力損失Ｑ１及び電力損失Ｑ２に応じて変化する変数Ｇ（Ｑ１，Ｑ２）によって表すことができる。すなわち、温度差ΔＴ２を以下の式で表すことができる。
ΔＴ２＝Ｇ（Ｑ１，Ｑ２）
例えば、放熱器６の熱抵抗をθ２とした場合、変数Ｇ（Ｑ１，Ｑ２）を以下の式で表すことができる。
Ｇ（Ｑ１，Ｑ２）＝θ２（Ｑ１＋Ｑ２）

温度演算部４４は、インバータ４に格納した温度推定対象となる１個のパワー半導体チップの温度Ｔ１を、外気温度ＴＡ、温度差ΔＴ１及び温度差ΔＴ２に基づいて演算する。このために、温度演算部４４には、温度センサ１３が検出した外気温度ＴＡが入力され、温度差ΔＴ１が温度差演算部４２から入力され、かつ、温度差ΔＴ２が温度差演算部４３から入力される。そして、温度演算部４４は、温度出力部４５を通じて温度Ｔ１を警報出力部１８に出力する。温度出力部４５は、入出力ポート等によって構成される。本実施の形態では、温度Ｔ１を、外気温度ＴＡ、温度差ΔＴ１及び温度差ΔＴ２の和によって表すことができる。すなわち、温度Ｔ１を以下の式で表すことができる。
Ｔ１＝ＴＡ＋ΔＴ１＋ΔＴ２

モータ制御装置１７は、モータ１０に流れる三相のＵ相電流Ｉ_U2、Ｖ相電流Ｉ_V2及びＷ相電流Ｉ_W2のうちの二相のＵ相電流Ｉ_U2及びＶ相電流Ｉ_V2が電流検出器８Ｕ，８Ｖからそれぞれ入力され、回転角度検出部１２から回転角度θ２が入力され、温度センサ１３が検出した外気温度ＴＡが入力され、かつ、電力損失Ｑ１が電力損失演算部４１から入力される。そして、モータ制御装置１７は、入力されたＵ相電流Ｉ_U2、Ｖ相電流Ｉ_V2及び回転角度θ２に基づいてＰＷＭ信号Ｖ_PWM2（この場合、インバータ５の各トランジスタに対応するＶ_PWM2-1，Ｖ_PWM2-2，Ｖ_PWM2-3，Ｖ_PWM2-4，Ｖ_PWM2-5及びＶ_PWM2-6）を生成し、モータ１０を駆動するためにＰＷＭ信号Ｖ_PWM-2をインバータ５に出力する。このために、モータ制御装置１７は、モータ制御装置１７に内蔵されたタイマ（図示せず）の１周期（例えば、２５０マイクロ秒）に相当するキャリア周波数に基づいてＰＷＭ信号Ｖ_PWM2を生成する。

本実施の形態では、モータ制御装置１７は、２個のモータ９，１０をそれぞれ駆動するために同一の放熱器６に配置された２個のインバータ４，５のうちの１個のインバータ５に格納した温度推定対象となる１個のパワー半導体チップの温度を推定する温度推定装置１６を備える。このために、温度推定装置１６は、入力されたＵ相電流Ｉ_U2、Ｖ相電流Ｉ_V2及び外気温度ＴＡに基づいてインバータ５の全てのパワー半導体チップで発生する電力損失Ｑ２を演算し、電力損失Ｑ２を温度差演算部４３に出力する。そして、温度推定装置１６は、インバータ５に格納した温度推定対象となる１個のパワー半導体チップの温度Ｔ２を、外気温度ＴＡ、電力損失Ｑ１及び電力損失Ｑ２に基づいて推定し、推定した温度Ｔ２を警報出力部１９に出力する。

本実施の形態では、モータ制御装置１７は、インバータ５に含まれるトランジスタの一つに対するＰＷＭ信号Ｖ_PWM2-1のキャリア周波数の大小に応じた電力損失Ｑ２の演算を行う。すなわち、電流検出器８Ｕが出力する電流検出信号をＡ／Ｄ変換器（図示せず）に入力してデジタルデータに変換することによって得られる直流電流値｜Ｉ_U2｜が同一である条件下では、モータ制御装置１７は、ＰＷＭ信号Ｖ_PWM2-1のキャリア周波数が増大するに従って電力損失Ｑ２を増大させる。

警報出力部１８は、温度Ｔ１と予め設定された温度（例えば、パワー半導体チップの製造業者が設定した定格温度）と比較し、温度Ｔ１が予め設定された温度より高い場合にはアラーム信号Ａ１を上位制御装置２０に出力する。

警報出力部１９は、温度Ｔ２と予め設定された温度（例えば、パワー半導体チップの製造業者が設定した定格温度）と比較し、温度Ｔ２が予め設定された温度より高い場合にはアラーム信号Ａ２を上位制御装置２０に出力する。

本実施の形態では、モータ制御装置１５及び警報出力部１８は、入出力ポート、シリアル通信回路、Ａ／Ｄ変換器、タイマ等を備えたプロセッサによって実現され、図示しないメモリに格納された処理プログラムに従って各種処理を実行する。また、モータ制御装置１７及び警報出力部１９は、入出力ポート、シリアル通信回路、Ａ／Ｄ変換器、タイマ等を備えた他のプロセッサによって実現され、図示しないメモリに格納された処理プログラムに従って各種処理を実行する。

上位制御装置２０は、ＣＮＣ（数値制御装置）等によって構成され、回転速度指令値ω_com1をｑ軸電流指令値生成部２４及びｄ軸電流指令値生成部２５に出力し、回転速度指令値ω_com2をモータ制御装置１７に出力する。本実施の形態では、アラーム信号Ａ１が上位制御装置２０に入力された場合、上位制御装置２０は、モータ９の出力をゼロにする回転速度指令値ω_com1（すなわち、ゼロの値の回転速度指令値ω_com1）又はモータ９の出力を低減する回転速度指令値ω_com1（すなわち、前回の回転速度指令値ω_com1より小さい回転速度指令値ω_com1）をｑ軸電流指令値生成部２４及びｄ軸電流指令値生成部２５に出力する。また、アラーム信号Ａ２が上位制御装置２０に入力された場合、上位制御装置２０は、モータ１０の出力をゼロにする回転速度指令値ω_com2（すなわち、ゼロの値の回転速度指令値ω_com2）又はモータ１０の出力を低減する回転速度指令値ω_com2 （すなわち、前回の回転速度指令値ω_com2より小さい回転速度指令値ω_com2）をモータ制御装置１７に出力する。これによって、モータ制御装置１５は、温度推定装置１４が推定した温度Ｔ１が外気温度ＴＡを超えた場合にはモータ９の出力を制限又は停止する。したがって、インバータ４，５を熱から適切に保護することができる。

本実施の形態によれば、基準温度である外気温度ＴＡ、温度推定対象の１個のパワー半導体チップを格納したインバータ４の全てのパワー半導体チップが生じる熱に相当する電力損失Ｑ１及び温度推定対象となる１個のパワー半導体チップを格納したインバータ４以外の１個以上のパワー半導体モジュールであるインバータ５の全てのパワー半導体チップが生じる熱に相当する電力損失Ｑ２を、温度センサ１３を放熱器６に設けることなく取得し、インバータ４に格納した温度推定対象の１個のパワー半導体チップの温度Ｔ１を、外気温度ＴＡ、電力損失Ｑ１及び電力損失Ｑ２に基づいて推定している。これによって、インバータ４に格納した温度推定対象の１個のパワー半導体チップの温度Ｔ１がインバータ５に格納した温度推定対象の１個のパワー半導体チップの温度Ｔ２と異なる場合でも、インバータ５の全てのパワー半導体チップによる放熱器６に対する熱の影響を考慮することができる。したがって、インバータ４に格納した温度推定対象の１個のパワー半導体チップの温度Ｔ１を正確に推定することができる。

図３は、本発明の第２の実施の形態の温度推定装置を備えるモータ制御装置のブロック図である。図３に示すモータ制御装置１５ａは、図１に示すシステムにおいてモータ制御装置１５の代わりに用いられる。モータ制御装置１５ａに含まれる温度推定装置１４ａは、Ｕ相電流Ｉ_U1に基づいて電力損失Ｑ１を演算する電力損失演算部４１の代わりに、ｑ軸電流指令値Ｉ_qcomに基づいて電力損失Ｑ１を演算する第１の電力損失演算部としての電力損失演算部４１ａを備える。このために、電力損失演算部４１ａは、ｑ軸電流指令値Ｉ_qcomがｑ軸電流指令値生成部２４から入力され、演算によって求めた電力損失Ｑ１を温度差演算部４２、温度差演算部４３、及びモータ制御装置１７に含まれる温度推定装置１６に出力する。

本実施の形態では、電力損失演算部４１ａは、インバータ４に含まれるトランジスタの一つに対するＰＷＭ信号Ｖ_PWM1-1のキャリア周波数の大小に応じた電力損失Ｑ１の演算を行う。すなわちｑ軸電流指令値Ｉ_qcomが同一である条件下では、電力損失演算部４１ａは、ＰＷＭ信号Ｖ_PWM1-1のキャリア周波数が増大するに従って電力損失Ｑ１を増大させる。

図４は、本発明の第３の実施の形態の温度推定装置を備えるモータ制御装置のブロック図である。図４に示すモータ制御装置１５ｂは、図１に示すシステムにおいてモータ制御装置１５の代わりに用いられる。モータ制御装置１５ｂに含まれる温度推定装置１４ｂは、電力損失演算部４１と、温度差演算部４２と、温度差演算部４３ａと、温度演算部４４と、温度出力部４５と、第２の電力損失演算部としての電力損失演算部４６と、を備える。電力損失演算部４６は、Ｕ相電流Ｉ_U2が電流検出器８Ｕから入力され、Ｕ相電流Ｉ_U2に基づいて電力損失Ｑ２を演算する。そして、電力損失演算部４６は、電力損失Ｑ２を温度差演算部４３ａに出力する。温度差演算部４３ａは、電力損失Ｑ１が電力損失演算部４１から入力され、電力損失Ｑ２が電力損失演算部４６から入力され、電力損失Ｑ１及び電力損失Ｑ２に基づいて温度差ΔＴ２を演算する。そして、温度差演算部４３ａは、温度差ΔＴ２を温度演算部４４に出力する。モータ制御装置１５ｂを、図１に示すシステムにおいて用いる場合、モータ制御装置１７には、Ｕ相電流Ｉ_U1が電流検出器７Ｕから入力される。

本実施の形態では、電力損失演算部４６は、インバータ５に含まれるトランジスタの一つに対するＰＷＭ信号Ｖ_PWM2-1のキャリア周波数の大小に応じた電力損失Ｑ２の演算を行う。すなわち、電流検出器８Ｕが出力する電流検出信号をＡ／Ｄ変換器（図示せず）に入力してデジタルデータに変換することによって得られる直流電流値｜Ｉ_U2｜が同一である条件下では、電力損失演算部４６は、ＰＷＭ信号Ｖ_PWM2-1のキャリア周波数が増大するに従って電力損失Ｑ２を増大させる。

図５は、本発明の第４の実施の形態の温度推定装置を含むモータ制御装置のブロック図である。図５に示すモータ制御装置１５ｃは、図１に示すシステムにおいてモータ制御装置１５の代わりに用いられる。モータ制御装置１５ｃに含まれる温度推定装置１４ｃは、電力損失演算部４１ａと、温度差演算部４２と、温度差演算部４３ｂと、温度演算部４４と、温度出力部４５と、第２の電力損失演算部としての電力損失演算部４６ａと、を備える。電力損失演算部４６ａは、モータ１０に対するｑ軸電流指令値Ｉ_qcom’がモータ制御装置１７から入力され、ｑ軸電流指令値Ｉ_qcom’に基づいて電力損失Ｑ２を演算する。そして、電力損失演算部４６ａは、電力損失Ｑ２を温度差演算部４３ｂに出力する。温度差演算部４３ｂは、電力損失Ｑ１が電力損失演算部４１ａから入力され、電力損失Ｑ２が電力損失演算部４６ａから入力され、電力損失Ｑ１及び電力損失Ｑ２に基づいて温度差ΔＴ２を演算する。そして、温度差演算部４３ｂは、温度差ΔＴ２を温度演算部４４に出力する。モータ制御装置１５ｃを、図１に示すシステムにおいて用いる場合、モータ制御装置１７には、ｑ軸電流指令値Ｉ_qcomがｑ軸電流指令値生成部２４から入力される。

本実施の形態では、電力損失演算部４６ａは、インバータ５に含まれるトランジスタの一つに対するＰＷＭ信号Ｖ_PWM2-1のキャリア周波数の大小に応じた電力損失Ｑ２の演算を行う。すなわち、ｑ軸電流指令値Ｉ_qcom’が同一である条件下では、電力損失演算部４６ａは、ＰＷＭ信号Ｖ_PWM2-1のキャリア周波数が増大するに従って電力損失Ｑ２を増大させる。

本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。例えば、上記第１〜４の実施の形態において、２個のインバータ（２個のパワー半導体モジュール）を同一の放熱器に配置した場合について説明したが、３個以上のインバータ（３個以上のパワー半導体モジュール）を同一の放熱器に配置した場合にも本発明による温度推定装置を適用することができる。ｎ（ｎは３以上の整数）個のインバータを同一の放熱器に配置し、それぞれのインバータの全てのパワー半導体チップで発生する電力損失をＱ１，Ｑ２，．．．，Ｑｎとした場合、温度差ΔＴ２を、電力損失Ｑ１及び電力損失Ｑ２に応じて変化する変数Ｇ（Ｑ１，Ｑ２，．．．，Ｑｎ）によって表すことができる。すなわち、温度差ΔＴ２を以下の式で表すことができる。
ΔＴ２＝Ｇ（Ｑ１，Ｑ２，．．．，Ｑｎ）

また、上記第１〜４の実施の形態において、複数のモータにそれぞれ対応するインバータを同一の放熱器に配置した場合、すなわち、モータの個数と同一個数のパワー半導体モジュール（この場合、２個のパワー半導体モジュール）を同一の放熱器に配置した場合について説明したが、複数のモータにそれぞれ対応するインバータとともにコンバータを同一の放熱器に配置する場合にも本発明による温度推定装置に適用することができる。この場合、同一の放熱器に配置されるパワー半導体モジュールの個数は、モータの個数より多くなる。

また、上記第１〜４の実施の形態において、ＰＷＭ信号のキャリア周波数の大小に応じた電力損失の演算を行う場合について説明したが、ＰＷＭ信号のキャリア周波数の大小に応じた電力損失の演算を行わなくてもよい。

また、上記第１〜４の実施の形態において、モータ制御装置は、基準温度検出部（温度センサ）及び警報出力部を備えてもよい。

さらに、上記第１〜４の実施の形態において、温度推定装置がモータ制御装置に含まれる場合について説明したが、温度制御装置をモータ制御装置外（例えば、上位制御装置内）に設けることもできる。

１三相交流電源
２コンバータ
３平滑用コンデンサ
４，５インバータ
６放熱器
７Ｕ，７Ｖ，８Ｕ，８Ｖ電流検出器
９，１０モータ
１１，１２回転角度検出部
１３温度センサ
１４，１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１６温度推定装置
１５，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１７モータ制御装置
１８，１９警報出力部
２０上位制御装置
２１回転速度演算部
２２ｑ軸電流及びｄ軸電流検出部
２３メモリ
２４ｑ軸電流指令値生成部
２５ｄ軸電流指令値生成部
２６，２７減算器
２８，２９ＰＩ制御部
３０指令電圧生成部
３１ＰＷＭ信号生成部
４１，４１ａ，４６，４６ａ電力損失演算部
４２，４３，４３ａ，４３ｂ温度差演算部
４４温度演算部
４５温度出力部

Claims

複数のモータをそれぞれ駆動するために同一の放熱器に配置されたモータの個数以上のパワー半導体モジュールのうちの１個のパワー半導体モジュールに格納した少なくとも１個のパワー半導体チップのうちの温度推定対象となる１個のパワー半導体チップの温度を推定する温度推定装置であって、
温度推定対象となる１個のパワー半導体チップを格納したパワー半導体モジュールの全てのパワー半導体チップで発生する電力損失に相当する第１の電力損失を演算する第１の電力損失演算部と、
温度推定対象となる１個のパワー半導体チップを格納したパワー半導体モジュールと放熱器との間の温度差に相当する第１の温度差を、前記第１の電力損失に基づいて演算する第１の温度差演算部と、
放熱器と基準温度との間の温度差に相当する第２の温度差を、前記第１の電力損失、及び、温度推定対象となる１個のパワー半導体チップを格納したパワー半導体モジュール以外の１個以上のパワー半導体モジュールの全てのパワー半導体チップで発生する電力損失に相当する第２の電力損失に基づいて演算する第２の温度差演算部と、
温度推定対象となる１個のパワー半導体モジュールの温度を、前記基準温度、前記第１の温度差及び前記第２の温度差に基づいて演算する温度演算部と、
前記温度演算部が演算した温度を出力する温度出力部と、
を備えることを特徴とする温度推定装置。
前記第１の電力損失演算部は、温度推定対象となる１個のパワー半導体チップを格納したパワー半導体モジュールに対応する１個のモータに流れる電流及び温度推定対象となる１個のパワー半導体チップを格納したパワー半導体モジュールに対応する１個のモータに対する電流指令値のうちのいずれか一方に基づいて前記第１の電力損失を演算する、請求項１に記載の温度推定装置。
前記第１の電力損失演算部は、温度推定対象となる１個のパワー半導体チップを格納したパワー半導体モジュールに入力されるＰＷＭ信号のキャリア周波数の大小に応じた前記第１の電力損失の演算を行う、請求項２に記載の温度推定装置。
前記第２の電力損失を演算する第２の電力損失演算部を更に備える請求項１から３のうちのいずれか１項に記載の温度推定装置。
前記第２の電力損失演算部は、温度推定対象となる１個のパワー半導体チップを格納したパワー半導体モジュールに対応する１個のモータ以外の１個以上のモータに流れる電流及び温度推定対象となる１個のパワー半導体チップを格納したパワー半導体モジュールに対応する１個のモータ以外の１個以上のモータに対する電流指令値のうちのいずれか一方に基づいて前記第２の電力損失を演算する請求項４に記載の温度推定装置。
前記第２の電力損失演算部は、温度推定対象となる１個のパワー半導体チップを格納したパワー半導体モジュール以外の１個以上のパワー半導体モジュールに入力されるＰＷＭ信号のキャリア周波数の大小に応じた前記第２の電力損失の演算を行う、請求項５に記載の温度推定装置。
少なくとも１個のパワー半導体チップを格納した１個のパワー半導体モジュールによって構成されるコンバータを介して交流電源に接続したＤＣリンク部に蓄積されている電力で駆動されるモータを制御するモータ制御装置であって、
請求項１から６のうちのいずれか１項に記載の温度推定装置を備えることを特徴とするモータ制御装置。
前記モータ制御装置は、前記温度推定装置が推定した温度が基準温度を超えた場合にはモータの出力を制限又は停止する、請求項７に記載のモータ制御装置。