JP5815161B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

電力変換装置における電力変換部として動作する主回路には、複数の半導体モジュールが設けられている。半導体モジュールのオン電圧特性は、温度に応じて変換し、特に低温の場合には通常の電流使用域内で電流が飽和して抵抗値が大きくなることが知られている。したがって、半導体モジュール自身の温度もしくは、半導体モジュール周辺の温度（周囲温度）が低い場合には、事前に過熱してこの現象を回避することが望まれる。

例えば、下記特許文献１に示されるインバータホイストでは、インバータを暖めるためのヒータを設け、外気温がインバータの使用温度以下になった場合には、ヒータに通電して発熱させ、インバータの周囲の空気を暖めるようにする技術が開示されている。

実用新案登録第２５２７７１３号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術では、ヒータのような特別なハードウェアを設ける必要があり、サイズおよびコストの増加が避けられないという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、特別なハードウェアの追加を必要とすることなく、良好なオン電圧特性域での半導体モジュールの使用を可能とする電力変換装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る電力変換装置は、複数の半導体モジュールを有する電力変換回路と、搬送波と電圧指令との比較結果に基づいて半導体モジュール内のスイッチング素子をオンオフ制御するためのゲート信号を生成するゲート信号生成部と、キャリア指令に基づいて搬送波を生成するキャリア生成部と、電圧指令を生成する電圧指令生成部と、キャリア指令を生成する制御指令部と、半導体モジュールの温度が判定閾値未満である場合に、当該半導体モジュール内のスイッチング素子を昇温させるための昇温モード動作信号を生成して制御指令部に出力すると共に、当該昇温モード動作信号の出力制御を行う昇温シーケンス管理部と、を備え、制御指令部は、昇温シーケンス管理部から昇温モード動作信号が出力された場合には、昇温モード用電流を電力変換回路に通電させるための電流指令と、通常運転時よりも高周波の搬送波を生成するためのキャリア指令とを設定し、昇温シーケンス管理部は、電力変換回路が負荷として交流回転機を駆動する場合、当該交流回転機の回転速度が速度判定値以上であり、且つトルク指令のオフ時には、昇温モード動作信号を生成して制御指令部に入力することを特徴とする。

この発明によれば、特別なハードウェアの追加を必要とすることなく、良好なオン電圧特性域での半導体モジュールの使用が可能になるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係る電力変換装置の構成例を示す図である。 図２は、インバータ制御部に設けられる制御指令部の構成例を示す図である。 図３は、インバータ主回路を構成する半導体モジュールの典型的な配置例を示す図である。 図４は、ＭＯＳＦＥＴの温度特性を示す図である。 図５は、実施の形態１に係る電力変換装置の動作例を説明するフローチャートである。 図６は、昇温モード動作信号の一例を示す図である。 図７は、電流指令生成部の構成例を示す図である。 図８は、キャリア指令生成部の構成例を示す図である。 図９は、実施の形態１に係る電力変換装置の他の動作例を説明するフローチャートである。 図１０は、実施の形態１に係る電力変換装置の他の動作例を説明するフローチャートである。 図１１は、実施の形態１に係る電力変換装置の他の動作例を説明するフローチャートである。 図１２は、実施の形態１に係る電力変換装置の他の動作例を説明するフローチャートである。 図１３は、実施の形態１に係る電力変換装置の他の動作例を説明するフローチャートである。 図１４は、実施の形態１における昇温シーケンス動作図である。 図１５は、実施の形態１に係る電力変換装置の図１４とは異なる昇温シーケンス動作図である。 図１６は、図１１のフローチャートを動作させるときの昇温モード動作信号の一例を示す図である。 図１７は、実施の形態２に係る電力変換装置の構成例を示す図である。 図１８は、実施の形態２に係る電力変換装置における外部側の動作を説明するフローチャートである。 図１９は、実施の形態２に係る電力変換装置側の動作を説明するフローチャートである。 図２０は、実施の形態３に係る電力変換装置の構成例を示す図である。 図２１は、図２０に示すコンバータ制御部の細部構成例を示す図である。 図２２は、温度情報もしくはモード信号を外部から入力する実施の形態２の構成を実施の形態３に係る電力変換装置に適用した場合の構成例を示す図である。 図２３は、実施の形態３に係る電力変換装置の他の動作例を説明するフローチャートである。 図２４は、実施の形態３に係る電力変換装置の他の動作例を説明するフローチャートである。 図２５は、実施の形態３に係る電力変換装置の他の動作例を説明するフローチャートである。 図２６は、実施の形態３に係る電力変換装置の他の動作例を説明するフローチャートである。 図２７は、実施の形態３に係る電力変換装置の他の動作例を説明するフローチャートである。 図２８は、図２３の処理フローを実施したときの昇温シーケンス動作図である。 図２９は、実施の形態３に係る電力変換装置を直流負荷に対して適用した場合の構成例を示す図である。 図３０は、温度情報もしくはモード信号を外部から入力する構成を図２９に適用した場合の構成例を示す図である。

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る電力変換装置について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成例を示す図である。実施の形態１に係る電力変換装置は、図１に示すように、インバータ制御部１、交流負荷を駆動するインバータ主回路２、温度センサであるベースサーミスタ３、直流電源部４、電流センサである電流トランス（Current Transformer、以下「ＣＴ」と略記）５および、昇温シーケンス管理部８を備え、また、インバータ制御部１は、制御指令部１０１、電圧指令生成部１０２、キャリア生成部１０３およびゲート信号生成部１０４を備えて構成される。なお、図１では、交流負荷として、誘導電動機（Induction Motor：「ＩＭ」と表記、以下「モータ」と称す）６を例示している。

インバータ主回路２は、後述する半導体モジュールを有して構成され、直流電源部４から供給される直流電力を、例えば可変電圧可変周波数の交流電力に変換してモータ６に供給することでモータ６を駆動する。インバータ主回路２における電力変換動作は、ゲート信号生成部１０４により生成されたゲート信号により、インバータ主回路２を構成する複数の半導体モジュールを制御することで行われる。

制御指令部１０１は、例えば図２に示すように、電流指令生成部１０１ａおよびキャリア指令生成部１０１ｂを備えて構成される。電流指令生成部１０１ａおよびキャリア指令生成部１０１ｂは、昇温シーケンス管理部８からの昇温モード動作信号、ノッチ指令（トルク指令）および、速度センサ７が検出したモータ６の速度に基づいて、それぞれ電流指令およびキャリア指令を生成する。

電圧指令生成部１０２は、電流指令生成部１０１ａからの電流指令、モータ６の速度（モータ回転速度）、ＣＴ５が検出したインバータ電流および、直流電源部４がインバータ主回路２に印加する直流電圧（例えばフィルタコンデンサ電圧、以下「ＥＦＣ」と表記）に基づいて、電圧指令を生成する。この電圧指令は、インバータ主回路２がモータ６に印加する交流電圧における振幅、位相および周波数に関係する指令値である。キャリア生成部１０３は、キャリア指令生成部１０１ｂからのキャリア指令に基づいて、のこぎり波や三角波を基本とした搬送波を生成する。ゲート信号生成部１０４には、これらのキャリア信号およびで電圧指令（信号）が入力される。ゲート信号生成部１０４は、キャリア信号と電圧指令信号とを比較して半導体モジュール内のスイッチング素子をオン／オフ制御するためのゲート信号を生成してインバータ主回路２に出力する。

図３は、インバータ主回路２を構成する半導体モジュールの典型的な配置例を示す図である。半導体モジュール２０は、例えばＭＯＳＦＥＴであるトランジスタ素子２０ａと、トランジスタ素子２０ａに逆並列に接続されるダイオード素子２０ｂとを有してなる。トランジスタ素子２０ａ、ダイオード素子２０ｂの容量を高めるには、図示のように、夫々を並列に接続することで実現する。インバータ主回路２が三相構成の場合、図示のように、６個の半導体モジュール２０が冷却器２２のベース部２２ａに設けられている。また、ベース部２２ａには、ベースサーミスタ３も設けられている。

図４は、ＭＯＳＦＥＴの温度特性を示す図である。図４では、チップ温度をパラメータとするドレイン電圧ＶＤ（横軸）とドレイン電流ＩＤ（縦軸）との関係を示している。

図４において、破線で示すグループＡは半導体モジュール内のチップ温度が、例えば−４０〜−２０℃の範囲にあるグループ（以下「低温域特性群」という）であり、実線で示すグループＢは半導体モジュール内のチップ温度が常温以上（例えば特性Ｂ１は２５℃）のグループ（以下「高温域特性群」という）である。ここで、横軸に平行に引いた太破線で示す直線Ｃは、通常電流使用域の上限値であり、低温域特性群Ａはドレイン電圧ＶＤの増加に対し、直線Ｃと平行になるように推移する。つまり、背景技術の項でも説明したように、半導体モジュールの温度特性は、低温域の場合には通常電流使用域内で電流が飽和して抵抗値が大きくなる。したがって、電力変換装置を安定的に動作させるには、低温域特性群Ａでの動作を回避し、良好なオン電圧特性域である高温域特性群Ｂで動作させることが好ましい。本実施の形態は、このような動作態様をハードウェアを追加することなく実現するものである。

つぎに、実施の形態１に係る電力変換装置の動作について、図１〜図５の図面を参照して説明する。図５は、実施の形態１に係る電力変換装置の動作を説明するフローチャートである。

昇温シーケンス管理部８には、１または複数のベースサーミスタ３が検出した温度（サーミスタ温度）が入力される。昇温シーケンス管理部８は、入力されたサーミスタ温度のうちの、例えば最低温度からチップ温度を推定する（ステップＳ１０１）。昇温シーケンス管理部８は、推定した温度（推定温度）を判定閾値である温度判定値と比較する（ステップＳ１０２）。推定温度が温度判定値未満である場合（ステップＳ１０２，Ｎｏ）、昇温シーケンス管理部８は、昇温モード動作信号を制御指令部１０１に出力する（ステップＳ１０３）。一方、推定温度が温度判定値以上である場合（ステップＳ１０２，Ｙｅｓ）、後述するステップＳ１０７の処理に移行する。

制御指令部１０１は、昇温モード動作信号を受け取っている間、昇温モード用の電流指令とキャリア指令を設定する（ステップＳ１０４）。具体的な設定値は、図５にも示すように、例えば以下の通りである。
・電流指令 ：励磁成分電流指令値＝微小値、トルク成分電流指令値＝０
・キャリア指令：高キャリア周波数

上記の設定値について説明する。まず、励磁成分電流指令値における“微小”の意味は、半導体モジュール内のスイッチング素子を昇温期間（例えば１００〜５００ｍｓ）中に暖めて、図４に示す高温域特性群Ｂの領域に推移させることができる程度の値を意味する。トルク成分電流指令値を零にするのは、交流回転機であるモータ６に回転トルクを発生させないためである。キャリア指令における“高キャリア周波数”の意味は、通常運転時のキャリア周波数（例えば１ｋＨｚ）よりも、十分に高い周波数（例えば２〜５ｋＨｚ程度）に設定するという意味である。

電圧指令生成部１０２は、昇温モード時において、電流指令生成部１０１ａから上述した電流指令を受けた場合には、基本波周波数がモータ回転周波数の２倍以上となるように設定する（ステップＳ１０５）。

昇温シーケンス管理部８は、昇温時間を監視し、昇温時間を判定閾値としてのチップ熱時定数と比較する（ステップＳ１０６）。このチップ熱時定数は、半導体モジュールの熱容量等によって決まる時定数である。

昇温時間がチップ時定数未満である場合（ステップＳ１０６，Ｎｏ）、昇温時間の監視を継続する。一方、昇温時間がチップ時定数以上である場合（ステップＳ１０６，Ｙｅｓ）、昇温モード動作信号の出力を停止し、通常動作に移行する（ステップＳ１０７）。

なお、昇温モード動作信号の一例は図６に示す通りであり、昇温期間として定められている期間だけオンとなる信号を出力すればよい。

図７は、電流指令生成部１０１ａの構成例を示す図である。電流指令生成部１０１ａは、昇温電流指令テーブル１０１ａ１と、通常電流指令テーブル１０１ａ２とを有し、昇温モード動作信号に応じて、これらのテーブルを切り替えて使用すればよい。

また、図８は、キャリア指令生成部１０１ｂの構成例を示す図である。キャリア指令生成部１０１ｂは、昇温キャリア指令テーブル１０１ｂ１と、通常キャリア指令テーブル１０１ｂ２とを有し、昇温モード動作信号に応じて、これらのテーブルを切り替えて使用すればよい。

以上、実施の形態１の電力変換装置における昇温モード動作での処理フローについて説明したが、種々の観点にて、処理の一部を変更することも可能である。

例えば図９は、実施の形態１に係る電力変換装置の他の動作例を説明するフローチャートである。なお、図９において、図５と同一または同等の処理については、同一のステップ番号を付して示している。以後のフローチャートについても同様とする。

図５では、サーミスタ温度からチップ温度を推定していたが、図９のステップＳ２０１に示すように、サーミスタ温度を直接用いて昇温シーケンスを管理してもよい。ステップＳ２０１よりも後の処理については、図５と同一もしくは同等である。なお、ステップＳ２０１の判定処理において、サーミスタ温度が温度判定値以上である場合（ステップＳ２０１，Ｙｅｓ）には、処理を終了する（図５の処理とは相違する）。図９において、ステップＳ２０１の処理段階では、まだ昇温モードには移行しておらず、昇温モード動作信号の停止処理は不要となる。

図１０は、実施の形態１に係る電力変換装置の他の動作例を説明するフローチャートである。図５では、通常運転への移行を時間で管理していたが、図１０に示すように、移行のタイミングを温度で管理してもよい。図１０において、昇温シーケンス管理部８は、昇温モード動作信号を出力し（ステップＳ１０３）、電流指令およびキャリア指令に関するパラメータを設定後（ステップＳ１０４，Ｓ１０５）、昇温時間の判定を行わずに、ステップＳ１０１の処理に移行して、サーミスタ温度からチップ温度を推定する。その後、ステップＳ１０２にてチップの推定温度の判定処理を行い、推定温度が温度判定値以上の場合に、昇温モード動作信号の出力を停止して通常動作に移行する（ステップＳ１０７）。

図１１は、実施の形態１に係る電力変換装置の他の動作例を説明するフローチャートである。図５では、半導体モジュールの推定温度の大小で昇温モードへの移行を判定していたが、図１１に示すように、ノッチ信号の有無と（ステップＳ４０１）、モータ速度の大小により（ステップＳ４０２）、昇温モードへの移行を判定してもよい。なお、図１１のフローチャートを実施するには、図１２に示すように、ノッチ指令および速度信号を昇温シーケンス管理部８に入力するように構成する。この構成により、昇温シーケンス管理部８は、ステップＳ４０１，Ｓ４０２における２つの判定処理を実行することができる。

図１３は、実施の形態１に係る電力変換装置の他の動作例を説明するフローチャートである。図５では、半導体モジュールの推定温度の大小で昇温モードへの移行を判定していたが、図１３に示すように、半導体モジュールの検知温度に依らず、起動時には毎回昇温モード動作信号を出力するようにしてもよい。このような制御とすれば、温度センサが故障または不調であっても、温度の誤検知などに影響されないという利点がある。

なお、冷却器が強制風冷方式である場合には、図５〜図７のフローチャートにおいて、冷却用のブロアを強制的に停止させる処理を追加するようにしてもよい。推定温度が温度判定値未満のときに、冷却用のブロアを強制的に停止させるようにすれば、不要な冷却を抑制して、昇温時間の短縮化を図ることができる。

つぎに、実施の形態１に係る電力変換装置の昇温シーケンスについて図１４を参照して説明する。図１４は、実施の形態１に係る電力変換装置の動作図であり、特に図５の処理フローを実施したときの昇温シーケンス動作図である。図１４では、横軸を時間にとり、縦軸には、上部側から、電流指令値（励磁電流、トルク電流）、キャリア周波数、基本波周波数、素子損失および温度（チップ温度、ベース温度）の波形を示している。

従来は昇温期間を設けず、励磁期間のみを設けて運転を行っていたが、本実施の形態では、図１４に示すように、励磁期間の前に、例えば１００〜５００ｍｓの昇温期間を設けている。なお、昇温期間の動作は上述した通りであり、ここでの詳細な説明は省略する。

この昇温期間によって、半導体モジュールのチップ温度は、Ｂ１℃（例えば２５℃、図４参照）以上になるため、良好なオン電圧特性域である高温域特性群Ｂで動作させることが可能となる（図４参照）。なお、昇温モード時の電流指令は励磁成分のみの微小値であり、チップ温度は上昇してもベース温度はそれ程上昇しないため、昇温期間での損失を極力小さくすることが可能となる。

図１５は、実施の形態１に係る電力変換装置の図１４とは異なる動作図であり、特に図１１の処理フロー実施したときの昇温シーケンス動作図である。また、図１６は、図１１のフローチャートを動作させるときの昇温モード動作信号の一例を示す図であり、起動時以外にも昇温モード動作信号を出力する場合を示している。

図１１のフローチャートでは、ノッチ信号がオフ（ステップＳ４０１，Ｎｏ）、且つ、モータ速度が速度判定値以上（ステップＳ４０２，Ｙｅｓ）の場合には、昇温モード動作信号を出力するようにしているが、この処理は、モータにトルクが与えられていない状態（いわゆるフリーランの状態）を想定したものである。電力変換装置を鉄道車両に用いるとき、フリーランの状態で、且つ、外気温が低い場合には、チップ温度が低くなる可能性があるので、この処理は効果的である。

以上説明したように、実施の形態１に係る電力変換装置によれば、半導体モジュール内のスイッチング素子を昇温させるための昇温モード動作信号の出力制御を行う昇温シーケンス管理部を構成し、半導体モジュールの温度が判定閾値未満である場合に、昇温モード動作信号を生成して制御指令部に入力し、昇温モード動作信号が入力された制御指令部は、インバータ主回路に昇温モード用電流を通電させるための電流指令と、通常運転時よりも高周波の搬送波を生成するためのキャリア指令とを設定することとしたので、半導体モジュール内のスイッチング素子を予め昇温させておくことができ、通常運転移行時には常温特性にて半導体モジュールを使用することが可能となる。

なお、半導体モジュールの温度を検知する温度センサとしては、冷却器のベース部などに通常設けられているベースサーミスタを用いることが可能である。その際、複数のベースサーミスタを有する場合には、それら複数のベースサーミスタが検知した温度のうち、最も低い温度を使用して昇温モードへの移行を判定するようにすればよい。ベースサーミスタを用いれば、チップ温度を検知するためのハードウェアの追加は不要となる。また、最低温度を基準とすることで、半導体モジュール内の全てのチップを常温特性の領域まで確実に昇温することが可能となる。

半導体モジュールの温度は、ベースサーミスタの検知温度から、昇温シーケンス管理部にてチップ温度を推定してもよい。推定温度を用いれば、より正確に昇温シーケンスを管理できるという効果が得られる。

なお、半導体モジュールの検知温度または推定温度が判定閾値以上に上昇した場合には、昇温モード動作信号の出力を停止することが好ましい。このように制御すれば、昇温用電流の無駄な通電を抑えることができ、昇温モード時における損失を効果的に抑制することが可能となる。

一方、昇温モード動作信号の出力を停止する時間、すなわち半導体モジュールの昇温時間を半導体モジュールの熱時定数により決定してもよい。このように制御すれば、昇温時間の判定を簡易に行うことが可能となる。

また、インバータ主回路の負荷が交流回転機である場合、交流回転機の回転速度が速度判定値以上であり、且つ、トルク指令のオフ時には、昇温モード動作信号を常時生成して制御指令生成部に入力するようにしてもよい。このようにすることで、トルク指令のオフ時に半導体モジュールのチップ温度が低下することを抑制することが可能となる。

なお、インバータ主回路に通電させる昇温モード用電流は、半導体モジュールにおける低温時飽和電流値の１／２以下であることが好ましい。電流の飽和領域から離れた値を用いることで適切な昇温電流制御が行えるという効果が得られる。

また、インバータ主回路に通電させる昇温モード用電流は、交流電流であることが好ましい。インバータ主回路のスイッチング素子に交流電流を流すことにより、複数相の上下アーム素子に対してムラなく昇温できるという効果が得られる。

また、インバータ主回路の冷却方式が強制風冷方式である場合には、半導体モジュールの検知温度または推定温度が判定閾値未満のときに、冷却用のブロアを強制的に停止させる制御を行うようにしてもよい。冷却器を停止することで昇温効果を高めることができるという効果が得られる。

また、インバータ主回路の負荷が交流回転機である場合、インバータ主回路に通電させる昇温モード用電流は、交流回転機の電気角回転周波数の２倍以上の周波数を持つ交流電流であることが好ましい。モータ回転周波数と基本波周波数とが接近している場合にはトルクが生じるが、このような交流電流とすれば、基本波周波数がモータ回転周波数の２倍以上に設定されることになり、トルクの発生を抑止することができるという効果が得られる。

また、インバータ主回路の負荷が交流回転機である場合、インバータ主回路に通電させる昇温モード用電流は、交流回転機に対する励磁成分電流であることが好ましい。モータ回転数と基本波周波数とが接近している場合にはトルクが生じるが、このような交流電流とすれば、トルクの発生を抑止することができるという効果が得られる。

実施の形態２．
図１７は、実施の形態２に係る電力変換装置の構成例を示す図である。実施の形態１では、ベースサーミスタ３の検出温度を昇温シーケンス管理部８に入力する構成であったが、実施の形態２では、図１７に示すように、電力変換装置以外の装置から得た外気温などの温度情報もしくは、当該温度情報を用いて生成したモード信号を、昇温シーケンス管理部８に入力する構成である。なお、その他の構成については、図１に示すものと同一もしくは同等であり、同一の符号を付して示すと共に、重複する説明は省略する。

図１７において、外気温などの温度情報を伝達する場合には、当該温度情報が運転台などの上位システム、運行管理装置、中央監視室などの地上システムに設けられた発信装置１０から無線信号で伝達され、受信装置９にて抽出されて昇温シーケンス管理部８に入力される。

また、モード信号を伝達する場合、このモード信号は、外気温などの温度情報に基づいて発信装置１０で生成される。なお、モード信号には、少なくとも昇温モードに移行させるか、通常モードに移行させるのかの情報が含まれている。生成されたモード信号は、発信装置１０から無線信号で伝達され、受信装置９にて抽出された昇温モード信号が昇温シーケンス管理部８に入力される。

つぎに、実施の形態２に係る電力変換装置の動作について、図１７〜図１９の図面を参照して説明する。

まず、図１８は、実施の形態２に係る電力変換装置における外部側の動作を説明するフローチャートである。発信装置１０は、外気温などの温度情報（以下「外部温度」という）を判定閾値である温度判定値と比較する（ステップＳ５０１）。外部温度が温度判定値未満である場合（ステップＳ５０１，Ｎｏ）、発信装置１０は、通常モード信号を送信する（ステップＳ５０２）。一方、外部温度が温度判定値以上である場合（ステップＳ５０１，Ｙｅｓ）、昇温モード信号を送信する（ステップＳ５０３）。

また、図１９は、実施の形態２に係る電力変換装置側の動作を説明するフローチャートである。受信装置９は、発信装置１０からのモード信号を受信して昇温シーケンス管理部８に伝達する（ステップＳ６０１）。昇温シーケンス管理部８は、モード信号の判別を行う（ステップＳ６０２）。モード信号が昇温モードである場合にはステップＳ１０３の処理に移行し、モード信号が通常モードである場合にはステップＳ１０７の処理に移行する。なお、ステップＳ１０３〜Ｓ１０７の処理については、図５に示すフローと同一であり、ここでの説明は省略する。

上述のように、実施の形態２に係る電力変換装置によれば、外部からの温度情報を用いて半導体モジュールの温度を推定するようにしているので、電力変換装置が温度センサを有さない場合であっても、温度センサを設けることなく、実施の形態１に係る昇温制御を実行することができるという効果が得られる。

また、上述のように、温度情報に代えて、通常モードまたは昇温モードの情報を含むモード信号を電力変換装置に伝達してもよい。このような構成にすれば、昇温モードまたは通常モードへの移行を地上等に設けた詳細なデータベースにて判断することができるので、管理すべき電力変換装置が複数ある場合に、それら複数の電力変換装置の昇温シーケンスを一括、且つ統一して管理できるという効果が得られる。

実施の形態３．
図２０は、実施の形態３に係る電力変換装置の構成例を示す図である。実施の形態１は、直流電源部４から供給される直流電力をモータ６に供給する構成であったが、実施の形態３は、図２０に示すように、中間直流電圧部１６に保持された直流電力をモータ６に供給する構成である。中間直流電圧部１６に保持される直流電力は、コンバータ主回路１２が交流電源１４からの交流電力を変換して供給する。交流電源１４は、交流架線、単相交流電源、三相交流電源などである。

コンバータ主回路１２は、インバータ主回路２と同様に、温度センサとしてのベースサーミスタ１３が設けられる。コンバータ主回路１２は、コンバータ制御部１１によって制御される。ベースサーミスタ１３の検知温度は、昇温シーケンス管理部８に入力される。昇温シーケンス管理部８は、ベースサーミスタ３およびベースサーミスタ１３の検知温度を用いて昇温モード動作信号を生成する。

コンバータ制御部１１には、コンバータ主回路１２と交流電源１４との間に流れる電流であり、ＣＴ１５が検出したコンバータ電流、中間直流電圧部１６の電圧ＥＦＣ、速度センサ７が検出したモータ６の速度および、昇温シーケンス管理部８からの昇温モード動作信号が入力され、これらの信号に基づいて、コンバータ主回路１２のスイッチング素子を制御する。なお、その他の構成については、図１に示すものと同一もしくは同等であり、同一の符号を付して示すと共に、重複する説明は省略する。

図２１は、コンバータ制御部１１の構成例を示す図である。図示のように、基本的な構成は、インバータ制御部１と同等であり、制御指令部１１０１、コンバータ電流制御部１１０２、キャリア生成部１１０３およびゲート信号生成部１１０４を備えて構成される。

図２０および図２１において、コンバータ制御部１１およびインバータ制御部１は、それぞれがコンバータ主回路１２およびインバータ主回路２を制御する構成である。また、昇温シーケンス管理部８には、ベースサーミスタ１３の検知温度と、ベースサーミスタ３の検知温度の双方が入力されるため、昇温シーケンス管理部８からの昇温モード動作信号を個別独立に制御することができ、昇温モード用電流の制御も個別独立に行うことができる。

なお、図２２に示すように、温度情報もしくはモード信号を外部から入力する実施の形態２の構成を実施の形態３に係る電力変換装置に適用することも可能である。

図２３は、実施の形態３に係る電力変換装置の動作例を説明するフローチャートである。なお、インバータ主回路２の半導体モジュールに対する昇温制御は図５のフローチャートにて実施可能であり、図２３はコンバータ主回路１２の半導体モジュールに対する昇温制御を説明するものである。なお、図２３において、図５と同一または同等の処理については、同一のステップ番号を付して示し、重複する説明は適宜省略する。また、以後のフローチャートについても同様とする。

昇温シーケンス管理部８は、昇温モード動作信号をコンバータ制御部１１の制御指令部１１０１に出力する（ステップＳ１０３）。制御指令部１１０１は、昇温モード動作信号を受け取っている間、昇温モード用の電流指令とキャリア指令を設定する（ステップＳ７０１）。具体的な設定値は、図２３にも示すように、例えば以下の通りである。
・電流指令 ：無効電流指令値＝微小値、有効電流指令値＝０
・キャリア指令：高キャリア周波数

上記の設定値について説明する。まず、無効電流指令値における“微小”の意味は、半導体モジュール内のスイッチング素子を昇温期間（例えば１００〜５００ｍｓ）中に暖めて、図４に示す高温域特性群Ｂの領域に推移させることができる程度の値を意味する。有効電流指令値を零にするのは、交流負荷の動作に影響を与えずに昇温制御するためである。キャリア指令における“高キャリア周波数”の意味は、通常運転時のキャリア周波数よりも、十分に高い周波数に設定するという意味である。その後の処理は、図５の場合と同様であり、説明を省略する。

図２４は、実施の形態３に係る電力変換装置の他の動作例を説明するフローチャートである。図２４は、サーミスタ温度を直接用いて昇温シーケンスを管理するフローチャートであり、図５に示すステップＳ１０３，Ｓ１０６およびＳ１０７の処理、図９に示すステップＳ２０１の処理ならびに、図２３に示すステップＳ７０１の処理を組み合わせて構築することができる。

図２５は、実施の形態３に係る電力変換装置の他の動作例を説明するフローチャートである。図２５は、通常運転への移行のタイミングの管理を時間ではなく温度で行う場合のフローチャートであり、図５に示すステップＳ１０１〜Ｓ１０３およびＳ１０７の処理ならびに、図２３に示すステップＳ７０１の処理を組み合わせて構築することができる。

図２６は、実施の形態３に係る電力変換装置の他の動作例を説明するフローチャートである。図２６は、半導体モジュールの検知温度に依らず、起動時には毎回昇温モード動作信号を出力する場合のフローチャートであり、図５に示すステップＳ１０３，Ｓ１０６およびＳ１０７の処理ならびに、図２３に示すステップＳ７０１の処理を組み合わせて構築することができる。

図２７は、実施の形態３に係る電力変換装置の他の動作例を説明するフローチャートである。図２７は、外部からのモード信号を受信して昇温シーケンス管理部に伝達する場合のフローチャートであり、図５に示すステップＳ１０３，Ｓ１０６およびＳ１０７の処理、図１９に示すステップＳ６０１およびＳ６０２の処理ならびに、図２３に示すステップＳ７０１の処理を組み合わせて構築することができる。なお、電力変換装置の外部側の動作については、図１８に示すフローチャートの通りである。

図２８は、実施の形態３における昇温シーケンス動作図であり、特に図２３の処理フローを実施したときの昇温シーケンス動作図である。図２８では、横軸を時間にとり、縦軸には、上部側から、電流指令値（有効電流、無効電流）、キャリア周波数、基本波周波数、素子損失および温度（チップ温度、フィン温度）の波形を示している。

従来は昇温期間を設けず、励磁期間のみを設けて運転を行っていたが、本実施の形態では、図２８に示すように、励磁期間の前に、例えば１００〜５００ｍｓの昇温期間を設けているので、励磁期間の開始時には、半導体モジュールを、良好なオン電圧特性域である高温域特性群Ｂで動作させることが可能となる。

なお、図２０および図２２では、インバータ主回路２に交流負荷としてのモータ６が接続される構成について例示したが、それぞれ図２９および図３０に示すように、直流電圧出力部１８を介して直流負荷１７が接続される構成に対しても、本実施の形態に係る昇温制御を適用することができることは言うまでもない。

以上説明したように、実施の形態３に係る電力変換装置によれば、交流電力を直流電力に変換して直流負荷に供給するする電力変換回路に対しても、直流電力を交流電力に変換して交流負荷に供給するする電力変換回路のときと、同様な昇温制御を適用することが可能となる。このことにより、コンバータ主回路の半導体モジュールを予め昇温させておくことができ、通常運転移行時には常温特性にて半導体モジュールを使用することが可能となる。

なお、コンバータ主回路に通電させる昇温モード用電流は、コンバータ主回路に対する無効電流であることが好ましい。無効電流を用いることにより、負荷への影響を殆どなくすことができるという効果が得られる。

なお、上述した実施の形態において、インバータ主回路およびコンバータ主回路の半導体モジュールを構成するトランジスタ素子およびダイオード素子としては、一般的には珪素（Ｓｉ：シリコン）を材料とするＳｉ系半導体を用いるのが主流であるが、炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンドを材料とするワイドバンドギャップ（ＷＢＧ）半導体を用いてもよい。

このようなＷＢＧ半導体によって形成されたトランジスタ素子やダイオード素子は、耐熱性が高いため、高温での使用が可能である。そのため、本実施の形態の技術を適用した場合には、昇温期間の短縮化が可能であり、効率のよい昇温制御が可能となる。

なお、トランジスタ素子およびダイオード素子の両方がＷＢＧ半導体によって形成されていることが望ましいが、何れか一方の素子がＷＢＧ半導体によって形成されていてもよく、上述した効果を得ることが可能である。

なお、以上の実施の形態１〜３に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。

以上のように、本発明は、特別なハードウェアの追加を必要とすることなく、良好なオン電圧特性域での半導体モジュールの使用を可能とする電力変換装置として有用である。

１ インバータ制御部、２ インバータ主回路、３，１３ ベースサーミスタ、４ 直流電源部、６ モータ、７ 速度センサ、８ 昇温シーケンス管理部、９ 受信装置、１０ 発信装置、１１ コンバータ制御部、１２ コンバータ主回路、１６ 中間直流電圧部、１７ 直流負荷、１８ 直流電圧出力部、２０ａ トランジスタ素子、２０ｂ ダイオード素子、２０ 半導体モジュール、２２ａ ベース部、２２ 冷却器、１０１，１１０１ 制御指令部、１０１ａ 電流指令生成部、１０１ａ１ 昇温電流指令テーブル、１０１ａ２ 通常電流指令テーブル、１０１ｂ キャリア指令生成部、１０１ｂ１ 昇温キャリア指令テーブル、１０１ｂ２ 通常キャリア指令テーブル、１０２ 電圧指令生成部、１０３ キャリア生成部、１０４ ゲート信号生成部、１１０２ コンバータ電流制御部、１１０３ キャリア生成部、１１０４ ゲート信号生成部。

Claims (20)

1. 複数の半導体モジュールを有する電力変換回路と、
   搬送波と電圧指令との比較結果に基づいて前記半導体モジュール内のスイッチング素子をオンオフ制御するためのゲート信号を生成するゲート信号生成部と、
   キャリア指令に基づいて前記搬送波を生成するキャリア生成部と、
   前記電圧指令を生成する電圧指令生成部と、
   前記キャリア指令を生成する制御指令部と、
   前記半導体モジュールの温度が判定閾値未満である場合に、当該半導体モジュール内のスイッチング素子を昇温させるための昇温モード動作信号を生成して前記制御指令部に出力すると共に、当該昇温モード動作信号の出力制御を行う昇温シーケンス管理部と、を備え、
   前記制御指令部は、前記昇温シーケンス管理部から前記昇温モード動作信号が出力された場合には、昇温モード用電流を前記電力変換回路に通電させるための電流指令と、通常運転時よりも高周波の搬送波を生成するためのキャリア指令とを設定し、
   前記昇温シーケンス管理部は、前記電力変換回路が負荷として交流回転機を駆動する場合、当該交流回転機の回転速度が速度判定値以上であり、且つトルク指令のオフ時には、前記昇温モード動作信号を生成して前記制御指令部に入力する
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記昇温シーケンス管理部は、前記半導体モジュールの検知温度に依らず、毎起動時、前記昇温モード動作信号を出力すること
   を特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記昇温シーケンス管理部は、外部からの温度情報を用いて前記半導体モジュールの温度を推定すること
   を特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記昇温モード用電流は前記半導体モジュールの低温時飽和電流値の１／２以下であること
   を特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 前記電力変換回路は直流電力を交流電力に変換し、
   前記電圧指令生成部は前記電流指令に基づいて前記電圧指令を生成し、
   前記制御指令部は前記電流指令を生成すること
   を特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
6. 前記昇温モード用電流は交流電流であること
   を特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。
7. 前記昇温モード用電流は、少なくとも前記交流回転機の電気角回転周波数の２倍以上の周波数を持つ交流電流であることを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。
8. 前記昇温モード用電流は、前記交流回転機に対する励磁成分電流であること
   を特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載の電力変換装置。
9. 前記電力変換回路は交流電力を直流電力に変換し、
   前記電圧指令生成部は直流電圧指令に基づいて前記電圧指令を生成し、
   前記制御指令部は前記直流電圧指令を生成すること
   を特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
10. 前記昇温モード用電流は、前記電力変換回路に対する無効電流であること
    を特徴とする請求項９に記載の電力変換装置。
11. 前記電力変換回路は、前記半導体モジュールを冷却するための冷却器を具備しており、
    前記半導体モジュールの温度を、前記冷却器に設けられたベースサーミスタを使用して検知すること
    を特徴とする請求項１または３に記載の電力変換装置。
12. 前記冷却器には、複数のベースサーミスタが設けられており、
    前記昇温シーケンス管理部は、前記複数のベースサーミスタが検知した温度のうち、最も低い温度を使用して昇温モードへの移行を判定すること
    を特徴とする請求項１１に記載の電力変換装置。
13. 前記昇温シーケンス管理部は、前記ベースサーミスタの検知温度から前記半導体モジュールのチップ温度を推定すること
    を特徴とする請求項１１または１２に記載の電力変換装置。
14. 前記昇温モード動作信号の出力時間は、前記半導体モジュールの熱時定数により決定されること
    を特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
15. 前記昇温シーケンス管理部は、前記半導体モジュールの温度が判定閾値以上に上昇した場合には、前記昇温モード動作信号の出力を停止すること
    を特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
16. 前記外部からの温度情報は、上位システムまたは地上システムから伝達されることを特
    徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
17. 前記外部からの温度情報は、無線信号に載せて送受信されることを特徴とする請求項１
    ６に記載の電力変換装置。
18. 前記電力変換回路の冷却方式が強制風冷方式である場合には、半導体モジュールの検知温度または推定温度が判定閾値未満のときに、冷却用のブロアを強制的に停止させる制御を行うことを特徴とする請求項１から１７のいずれか１項に記載の電力変換装置。
19. 前記半導体モジュールを構成するトランジスタ素子およびダイオード素子の少なくとも１つがワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項１から１８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
20. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料または、ダイヤモンドを用いた半導体であることを特徴とする請求項１９に記載の電力変換装置。

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