JP5843735B2 - インバータの過熱保護制御装置及びインバータの過熱保護制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、インバータの過熱保護制御装置及びインバータの過熱保護制御方法に関する。

インバータでは、半導体素子により、負荷に適した周波数、電流、電圧となる電力を供給するものであり、この目的のための制御装置や、ＩＧＢＴ・ＦＥＴなどスイッチング素子と電流の還流を行うダイオードなどの半導体素子とを集積したパワーモジュール、コンデンサ、整流を担うダイオードスタック、その他電気配線などで構成されている。半導体素子がスイッチングに基づいた電力変換動作を行うため、パワーモジュールでは、高い変換効率が達成できるものの、半導体素子でオン損失やスイッチング損失が発生して発熱するため、半導体素子を冷却する必要がある。このため半導体素子を内蔵したパワーモジュールには、ヒートシンクが接続されている。多くの場合、このヒートシンクによって適切に放熱がなされパワーモジュール内部の半導体素子が適切な温度範囲に保たれるが、インバータの運転条件によっては、適切な温度範囲を超過し、過熱状態となって半導体素子の破損を招く可能性がある。このパワーモジュールのみならず、コンデンサやダイオードスタックなどは、何れも上限温度が定まっており、その許容温度範囲内で用いる必要がある。

インバータを構成する上記した部品のうち、特にパワーモジュールは、発熱が顕著であり、従来より、過熱保護制御方式が考案され適用されている。この過熱保護制御方式の多くは、対象となる半導体素子のジャンクション温度がリミットを超えないように半導体素子の電力損失の抑制を図ることにより、半導体素子の過熱保護を図る。電力損失の抑制は、キャリア周波数の低減や、半導体素子に流れる電流の削減によって、図られる。半導体素子のＰＮジャンクション近傍の温度（ジャンクション温度）を知るためには、半導体素子近傍に温度センサを設置する必要があり、これが困難な場合には、推定によってジャンクション温度情報を入手することが考えられる。

特許文献１には、可変速駆動装置において、複数の電力半導体モジュールの熱を放熱する放熱器の中央部に温度センサを設け、温度センサで測定された温度と、放熱器の熱モデルと、各半導体モジュールについて求めた平均損失電力とを用いて、各半導体モジュールのジャンクションケースの温度を求めることが記載されている。この放熱器の熱モデルは、各電力半導体モジュールのジャンクションケースと放熱器との間の非理想的な熱的接触による熱インピーダンス（自己インピーダンス）のみならず、複数のパワーモジュール間の相互の熱影響を表す熱トランスインピーダンスを、まとめて行列上に記載することで定義される。これにより、特許文献１によれば、各モジュールの温度に対する他のモジュールの温度による影響を考慮した熱モデルを提供できるとされている。

特開２００８―２６３７７４号公報

特許文献１に記載の技術は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相の自己インピーダンスを用意するとともに、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の間における全ての組み合わせ（Ｕ相→Ｖ相、Ｕ相→Ｗ相、Ｖ相→Ｕ相、Ｖ相→Ｗ相、Ｗ相→Ｕ相、Ｗ相→Ｖ相）について熱トランスインピーダンスを用意して、それらを行列上に記載することで、放熱器（ヒートシンク）を介した各電力半導体モジュール間の熱の移動を表現した熱モデル（熱回路モデル）を得て、各電力半導体モジュールのＰＮジャンクション近傍の温度推定を図るものであると考えられる。

特許文献１に開示される技術は、パワーモジュールなどの電力損失による発熱部品の個数が少ない場合ならば問題ないが、その発熱部品の個数が増えるに従って、その個数の２乗に比例して、演算処理量が増加する傾向にある。

例えば交流電源を整流して、任意の周波数・電圧振幅の交流出力を行うインバータにおいて、同時に３交流出力まで可能とさせるには、例えば、パワーモジュールを３個、さらに整流用のダイオードスタックを３個用いるので、すなわち発熱部品が６個であるので、発熱部品の熱インピーダンスを表現する伝達関数（自己インピーダンス・熱トランスインピーダンス）は、合計６^２＝３６個となる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、同一のヒートシンクに接続される発熱部品の個数が多い場合に発熱部品のジャンクション温度推定を簡易に行うことができるインバータの過熱保護制御装置及びインバータの過熱保護制御方法を得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、本発明の１つの側面にかかるインバータの過熱保護制御装置は、複数の発熱部品が同一のヒートシンクに接続されたインバータの過熱保護制御装置であって、発熱部品の温度を前記複数の発熱部品のそれぞれについて推定する温度推定部と、前記推定された前記複数の発熱部品のそれぞれの温度を用いて、前記複数の発熱部品のそれぞれの電力損失を抑制するよう制御処理を行う保護制御部とを備え、前記温度推定部は、発熱部品のジャンクション温度の変化を推定する熱回路モデルを前記複数の発熱部品のそれぞれについて持ち、前記温度推定部は、前記複数の発熱部品から選択された推定対象の発熱部品の電力損失情報と、前記複数の発熱部品から前記推定対象の発熱部品を除く残りの発熱部品の電力損失情報とに基づいて、前記推定対象の発熱部品に集まる電力損失情報を求め、前記推定対象の発熱部品についての熱回路モデルに前記求められた電力損失情報を入力して、前記推定対象の発熱部品のジャンクション温度を推定することを特徴とする。

本発明によれば、温度推定部が、複数の発熱部品から選択された推定対象の発熱部品の電力損失情報と、複数の発熱部品から推定対象の発熱部品を除く残りの発熱部品の電力損失情報とに基づいて、推定対象の発熱部品に集まる電力損失情報を求め、推定対象の発熱部品についての熱回路モデルにその求められた電力損失情報を入力して、推定対象の発熱部品のジャンクション温度を推定する。すなわち、ある発熱部品の温度推定にあたり、自己の電力損失と他の箇所からの電力損失を加算して自己の伝達関数に入力して温度降下を計算する。言い換えると、他の箇所からの動特性を持った熱干渉を、自己の動特性で近似して表現した熱回路モデルを用いて発熱部品のジャンクション温度を推定する。これにより、相互熱インピーダンスの計算を省略できるので、計算に必要な伝達関数の個数の増大を抑制できる。これにより、同一のヒートシンクに接続される発熱部品の個数が多い場合に発熱部品のジャンクション温度推定を簡易に行うことができる。

図１は、実施の形態にかかる過熱保護制御装置の構成を示す図である。 図２は、実施の形態におけるインバータの構成を示す図である。 図３は、実施の形態における電力損失テーブルのデータ構造を示す図である。 図４は、実施の形態における熱回路モデルを説明するための図である。 図５は、実施の形態における熱回路モデルを説明するための図である。 図６は、実施の形態における熱回路モデルを説明するための図である。 図７は、実施の形態における熱回路モデルを説明するための図である。 図８は、実施の形態における電力補償計算部の構成を示す図である。 図９は、実施の形態における電力損失抑制部の動作を示すフローチャートである。 図１０は、実施の形態における電力損失抑制部の動作を示す図である。 図１１は、実施の形態における電力損失抑制部の動作を示す図である。 図１２は、実施の形態にかかる過熱保護制御装置の実装例を示す図である。 図１３は、実施の形態にかかる過熱保護制御装置の他の実装例を示す図である。 図１４は、実施の形態にかかる過熱保護制御装置の他の実装例を示す図である。

以下に、本発明にかかる過熱保護制御装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
実施の形態にかかるインバータの過熱保護制御装置１００について図１及び図２を用いて説明する。図１は、実施の形態にかかるインバータの過熱保護制御装置のブロック図である。図２は、実施の形態におけるインバータの等価回路図である。

実施の形態では、後述のように演算処理量を低減できるので、過熱保護制御装置１００が例えば所定の回路等へのハードウェア実装の場合、ハードウェア量（回路規模等）を削減でき、過熱保護制御装置１００が例えばマイクロコンピュータへのソフトウェア実装の場合、マイクロコンピュータの演算負荷を抑制でき、演算に使用するメモリ容量を削減できる。

過熱保護制御の対象となるインバータＩＮＶは、複数の発熱部品が同一のヒートシンクに接続されている。各発熱部品は、それぞれ、電力損失により発熱する部品であり、例えば、パワーモジュールである。例えば、図１に示すように、インバータＩＮＶでは、４個のパワーモジュールＰＭ１〜ＰＭ４が１個のヒートシンクＨＳに接続されている。各パワーモジュールＰＭ１〜ＰＭ４は、図２に示すように、例えば２つの半導体素子、すなわちスイッチング素子ＳＷ及び還流ダイオードＤを有する。スイッチング素子ＳＷ及び還流ダイオードＤは、それぞれ、ＰＮジャンクションを有する。スイッチング素子ＳＷは、例えば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）又はＦＥＴ（電界効果トランジスタ）である。各パワーモジュールＰＭ１〜ＰＭ４では、制御部１３による制御のもと、スイッチング素子ＳＷのスイッチング動作により、直流電源ＤＣからの直流電力Ｖｄｃを負荷ＬＤに応じて（例えば２相の）交流電力に変換する。これらの４個のパワーモジュールＰＭ１〜ＰＭ４は、何れも少なからず発熱する発熱部品である。また、各パワーモジュールＰＭ１〜ＰＭ４では、内蔵する半導体素子のジャンクション温度（例えば、スイッチング素子ＳＷのジャンクション温度）に、最大動作温度が設定されている。

次に、過熱保護制御装置１００の構成及び動作（過熱保護制御方法）について説明する。

過熱保護制御装置１００は、温度推定部２及び保護制御部４を備える。

温度推定部２には、各パワーモジュールＰＭ１〜ＰＭ４の電力損失情報１が入力される。例えば、各パワーモジュールＰＭ１〜ＰＭ４の電力損失情報１は、電力損失テーブル１４ａとして予め記憶部１４に記憶されている。なお、記憶部１４は、過熱保護制御装置１００の内部に備えられていてもよいし、過熱保護制御装置１００の外部に設けられていてもよい。

電力損失テーブル１４ａは、例えば図３に示すように、発熱部品識別子欄１４ａ１及び電力損失欄１４ａ２を有し、発熱部品の識別子と電力損失の値とが複数の発熱部品について対応付けられた情報である。各発熱部品の電力損失の値は、予め実験的に取得されたものである。電力損失テーブル１４ａを参照すると、例えば、パワーモジュールＰＭ１の電力損失がＰ_１であり、パワーモジュールＰＭ２の電力損失がＰ_２であり、パワーモジュールＰＭ３の電力損失がＰ_３であり、パワーモジュールＰＭ４の電力損失がＰ_４であることを把握できる。すなわち、温度推定部２は、記憶部１４を参照し、各発熱部品（例えば、各パワーモジュールＰＭ１〜ＰＭ４）の電力損失情報１を、発熱部品の識別子に対応付けられた形で取得する。

また、温度推定部２は、発熱部品のジャンクション温度の変化を推定する熱回路モデルを複数の発熱部品（例えば、複数のパワーモジュールＰＭ１〜ＰＭ４）のそれぞれについて持っている。例えば、温度推定部２は、不揮発性記憶素子１５を有し、複数の発熱部品のそれぞれの熱回路モデルの状態変数１５ａを不揮発性記憶素子１５に記録している。温度推定部２は、必要に応じて、不揮発性記憶素子１５から複数の発熱部品のそれぞれの熱回路モデルの状態変数１５ａを読み出し、複数の発熱部品の熱回路モデルを生成する。温度推定部２は、複数の発熱部品についての熱回路モデルを用いて、発熱部品の温度を複数の発熱部品のそれぞれについて推定する。

例えば、温度推定部２は、複数の発熱部品の識別子（例えば、ＰＭ１〜ＰＭ４）に応じて、複数の発熱部品（複数のパワーモジュールＰＭ１〜ＰＭ４）から推定対象の発熱部品を選択する。温度推定部２は、複数の発熱部品から選択された推定対象の発熱部品の電力損失情報１と、複数の発熱部品から推定対象の発熱部品を除く残りの発熱部品の電力損失情報１とに基づいて、推定対象の発熱部品に集まる電力損失情報１’を求める。そして、温度推定部２は、推定対象の発熱部品についての熱回路モデルに、その求められた電力損失情報１’を入力して、推定対象の発熱部品のジャンクション温度を推定する。なお、このような温度推定部２の動作は、推定対象の発熱部品が複数の発熱部品のそれぞれである場合について、同時並行的に行われてもよいし、順次に行われてもよい。例えば、推定対象の発熱部品がパワーモジュールＰＭ１である場合の温度推定部２の動作と、推定対象の発熱部品がパワーモジュールＰＭ２である場合の温度推定部２の動作と、推定対象の発熱部品がパワーモジュールＰＭ３である場合の温度推定部２の動作と、推定対象の発熱部品がパワーモジュールＰＭ４である場合の温度推定部２の動作とは、同時並行的に行われてもよいし、順次に行われてもよい。

温度推定部２は、複数の発熱部品の推定温度３を保護制御部４へ出力する。推定温度３は、例えば、パワーモジュール内部の半導体素子のジャンクションション温度（例えば、スイッチング素子ＳＷのジャンクション温度）に相当するものである。

保護制御部４には、推定温度３が入力される。保護制御部４は、例えば、推定温度３に応じて、過熱保護制御処理を行う。

具体的には、保護制御部４は、アラーム発生部５、電力補償計算部７、及び電力損失抑制部９を有する。

アラーム発生部５には、温度推定部２から推定温度３が入力される。アラーム発生部５は、推定温度３と閾値ＴｊＡＬＭとを比較し、推定温度３が閾値ＴｊＡＬＭを超過している場合、アラーム６を報知部１２へ出力する。これに応じて、報知部１２は、インバータＩＮＶの操作者に向けて、推定温度３が閾値ＴｊＡＬＭを超過していることを報知する。報知部１２は、例えば、推定温度３が閾値ＴｊＡＬＭを超過している旨をメッセージ又は所定の図形の形態で表示画面に表示することにより報知してもよいし、推定温度３が閾値ＴｊＡＬＭを超過している旨を所定のランプの点灯等により報知してもよいし、推定温度３が閾値ＴｊＡＬＭを超過している旨を音声メッセージ又はブザーの形態で出力することにより報知してもよい。これにより、報知を受けたインバータＩＮＶの操作者は、アラーム６が発生した場合に、アラーム６が発生したことを直ちに認識でき、インバータＩＮＶを直ちに停止することができる。なお、報知部１２は、過熱保護制御装置１００内に備えられていてもよいし、過熱保護制御装置１００の外部に設けられていてもよい。

あるいは、アラーム発生部５は、アラーム６を報知部１２とともに又は報知部１２に代えて制御部１３へ出力してよい。例えば、制御部１３は、各パワーモジュールＰＭ１〜ＰＭ４のスイッチング素子ＳＷをスイッチング動作させるための制御信号を各パワーモジュールＰＭ１〜ＰＭ４に供給している場合、アラーム６を受けたことに応じて、制御信号の各パワーモジュールＰＭ１〜ＰＭ４への供給を停止することで、インバータＩＮＶを停止させる。これにより、制御部１３は、アラーム６が発生した場合に、インバータＩＮＶを直ちに停止させることができる。

電力補償計算部７には、温度推定部２から推定温度３が入力される。電力補償計算部７は、推定温度３が許容上限値ＴｊＭＡＸを超えないように電力補償指令８を求めて電力損失抑制部９へ出力する。

電力損失抑制部９には、電力補償指令８が入力される。電力損失抑制部９は、電力補償指令８に応じて、具体的な電力損失抑制の指令、発熱部品（例えばパワーモジュール）のスイッチング損失を抑制するようなキャリア周波数補償指令１０を求めて制御部１３へ出力する。また、電力損失は、発熱部品（例えば、パワーモジュール）の電流に応じて変化するので、電力損失抑制部９は、発熱部品（例えば、パワーモジュール）の電流を削減するような電流補償指令１１を求めて制御部１３へ出力する。

これに応じて、制御部１３は、キャリア周波数補償指令１０及び電流補償指令１１に従って、ＰＷＭ処理や電流制御など既知の方法でインバータＩＮＶを制御する。例えば、制御部１３は、ＰＷＭ制御信号を生成するためのキャリアの周波数をキャリア周波数補償指令１０に従ったものになるように調整し、ＰＷＭ制御信号を生成するためのコンパレータの閾値を電流補償指令１１に従ったものになるように調整する。例えば、制御部１３は、そのように調整されたＰＷＭ制御信号に従った制御信号を各発熱部品（例えば各パワーモジュール）の制御端子（例えばゲート又はベース）に供給する。これにより、制御部１３は、各発熱部品（例えば各パワーモジュール）のスイッチング損失が抑制されるとともに、各発熱部品（例えば、パワーモジュール）の電流を削減するように、各パワーモジュールＰＭ１〜ＰＭ４のスイッチング素子ＳＷのスイッチングのオン時間及びタイミングを調整する。この結果、インバータＩＮＶにおける電力損失を抑制でき、インバータＩＮＶに対する過熱保護制御を実現できる。

次に、温度推定部２について詳細に説明する。熱回路モデルは、周囲温度または温度センサ設置部から各発熱部品（例えば各パワーモジュール）とヒートシンクの接続部までの熱回路モデルＴＣＭ１と、発熱部品（例えばパワーモジュール）内部の半導体素子近傍の熱回路モデルＴＣＭ２とで構成される。ＴＣＭ１の熱回路モデルは、解析や実験等によって予め求めておく。ＴＣＭ２の熱回路モデルは、同様に解析や実験等で求めてもよいが、パワーモジュールメーカより、過渡熱抵抗と熱抵抗の形式でデータが提供されておりそれを用いてもよい。

温度センサが利用できる場合（例えばヒートシンクＨＳに温度センサが設けられている場合）、電力損失情報１を熱回路モデルＴＣＭ１に入力して得られる温度降下と、電力損失情報１を熱回路モデルＴＣＭ２に入力して得られる温度降下との加算値は、周囲温度または温度センサ設置箇所温度から、パワーモジュールの半導体素子のＰＮジャンクションまでの温度降下を意味している。すなわち、電力損失情報１を熱回路モデルＴＣＭ１に入力して得られる温度降下と、電力損失情報１を熱回路モデルＴＣＭ２に入力して得られる温度降下との加算値に、周囲温度または温度センサ出力値をさらに加算することで、ジャンクション温度を得ることができる。

温度センサが利用できない場合は、インバータＩＮＶの仕様として定められている最大周囲温度を加算する。この場合、半導体素子のジャンクション温度は実際の値より大きくなるが、インバータＩＮＶの周囲温度が仕様範囲内ならば確実に過熱保護が実施できるので問題とはならない。

電力損失情報１により表される発熱部品（例えば、パワーモジュール）の電力損失は、例えば、スイッチング素子ＳＷのオン損失及びスイッチング素子ＳＷのスイッチング損失を含む。オン損失は、半導体素子（スイッチング素子ＳＷ）の導通時（オン動作時）の電圧降下と通過電流との積である。その電圧降下は、半導体素子（スイッチング素子ＳＷ）の電流や温度に対する値でデータシートに記載されていることが多い。スイッチング損失も、同様に、１回のスイッチング動作あたりの損失値が、電流や温度に対する値でデータシートに記載されていることが多い。このような情報を基に、パワーモジュールの電流情報やキャリア周波数などの情報から電力損失が計算できる。

例えば、各パワーモジュールＰＭ１〜ＰＭ４の電流の平均値及び温度の平均値を実験的に求め、データシートに当てはめることにより、各パワーモジュールＰＭ１〜ＰＭ４の電力損失Ｐ_１〜Ｐ_４を予め計算して、電力損失テーブル１４ａとして予め記憶部１４に記憶しておいてもよい。

なお、各パワーモジュールＰＭ１〜ＰＭ４の電力損失Ｐ_１〜Ｐ_４が時間的に変化する場合、温度推定部２は、各パワーモジュールＰＭ１〜ＰＭ４の電流に対応したパラメータを取得し、そのパラメータに応じて、記憶部１４から読み出した電力損失Ｐ_１〜Ｐ_４を補正し、補正された電力損失Ｐ_１’〜Ｐ_４’を熱回路モデルＴＣＭ１及び熱回路モデルＴＣＭ２にそれぞれ入力してもよい。

さらに、熱回路モデルＴＣＭ１における温度降下の計算について詳しく説明する。熱回路モデルＴＣＭ１により発生する温度降下は（１）式で表現できる。（１）式において、ΔＴ_{１ＴＣＭ１}〜ΔＴ_{４ＴＣＭ１}は各パワーモジュールにおける温度降下、Ｐ_１〜Ｐ_４は電力損失、Ｇ_１１〜Ｇ_４４は熱インピーダンスを表現する伝達関数である。添字は４個ある各パワーモジュールＰＭ１〜ＰＭ４を区別するためのものである。

伝達関数Ｇ_１１、Ｇ_２２、Ｇ_３３、Ｇ_４４は自己の電力損失に由来する温度降下を表現するものであり、その他は熱干渉、すなわちヒートシンク中を移動してくる熱を表現している。この（１）式を（２）式に変形する。

各伝達関数Ｇ_１１〜Ｇ_４４の応答は比較的近い値となるため、例えばＧ_１１ ^−１・Ｇ_１２といった項は単純な係数に近似できる。従って（２）式は（３）式に近似できる。

Ｋ_１２はＧ_１１ ^−１・Ｇ_１２のＤＣゲインに相当する。この（３）式では、あるパワーモジュールでの温度降下（発熱）を計算するのに、自己の電力損失情報と他のパワーモジュールから到達する電力損失情報との加算値を、自己の熱回路モデルに入力することに相当する計算を行っている。この（３）式を用いることで、（１）式と比較し計算に必要な伝達関数の個数を４^２＝１６個から４個に削減できる。

なお、伝達関数Ｇ_１１、Ｇ_２２、Ｇ_３３、Ｇ_４４のそれぞれは、実際にはラプラス演算子ｓを用いた数式であるのに対して、係数Ｋ_１２〜Ｋ_４３のそれぞれは、所定の定数である。このため、計算に必要な伝達関数の個数を減らすことで、演算処理量を大幅に削減できる。

また、（３）式を用いた場合、電力損失Ｐ_１〜Ｐ_４が一定ならば（１）式と計算結果は一致する。電力損失Ｐ_１〜Ｐ_４が時間変化する場合、（１）式の演算結果と比較し若干早い応答でΔＴ_{１ＴＣＭ１}〜ΔＴ_{４ＴＣＭ１}が変化する。一般的にヒートシンクなどの固体中の熱の時間変化は、発熱ポイントほど応答が速く、発熱ポイントから距離が離れるほど応答速度が低下する。このため、Ｇ_１１の応答速度はＧ_１２・Ｇ_１３・Ｇ_１４のそれに似た値ではあるが若干応答が速い。（３）式によりＧ_１２からＧ_１４の応答はＧ_１１にて代用されるため、上記のような特性となる。このように推定したジャンクション温度は実際の値に対し誤差を持つが、応答が速くなる方向への誤差であるので、本実施の形態の目的である過熱保護の妨げとはならない。

電力損失Ｐ_１〜Ｐ_４は半導体素子の電流・温度やキャリア周波数に基づく動作パターンなど様々な要因で決定されるが、電流とキャリア周波数とが支配的であり、特にパワーモジュールの電流に比例する場合が多い。このため、（３）式の入力をパワーモジュールの電流としてもよい。パワーモジュールのうち、３相方式の回路（図１２参照）を例にとると、静止座標上の相電流（Ｉｕ・Ｉｖ・Ｉｗ）から回転座標上の電流（Ｉｎ）を求める。Ｉｎは（４）式を経て（５）式で求めることができる。

この（５）式の電流Ｉｎを用いると、（３）式は（６）式にて書きなおせる。係数Ｌ_１１〜Ｌ_４４は電流を電力損失に変換する係数でキャリア周波数に応じて切り替える。係数Ｌ_１１〜Ｌ_４４はパワーモジュールのデータシートに記載された導通時の電圧降下やスイッチング損失のデータから求めることができる。（６）式の下線部における行列は単に係数であるのでまとめて、熱回路モデルＴＣＭ１にて保持すればよい。

さらに、熱回路モデルＴＣＭ２における温度降下計算について説明する。熱回路モデルＴＣＭ２はパワーモジュール内部の半導体素子近傍のモデルであるので、各半導体素子に流れている電流を求め、さらにその電流情報からオン損失とスイッチング損失とを求め、過渡熱抵抗及び熱抵抗により温度降下を計算する。パワーモジュールの内部には一般的に複数の半導体素子が内蔵されているので、最大の温度降下が生じている素子の計算結果を選択して、熱回路モデルＴＣＭ２による温度降下として出力する。この（６）式を用いることで、計算に必要な伝達関数の個数を４個に抑制できる。すなわち、熱回路モデルＴＣＭ１に加えて熱回路モデルＴＣＭ２を用いることで、ジャンクション温度の推定精度を向上できるとともに、計算に必要な伝達関数の合計数を４個＋４個（＜４^２＝１６個）に削減でき演算処理量を低減できる。

なお、熱回路モデルＴＣＭ１と同様に電力損失情報の代わりに回転座標上の電流（Ｉｎ）を用いてもよく、（７）式にて温度降下を計算してもよい。Ｈ_１１〜Ｈ_４４は温度降下計算のための係数であり、電流Ｉｎに対する比例係数である。パワーモジュール内部の半導体素子は、同一の電流に対し最も発熱が顕著な半導体素子を選択して係数Ｈ_１１〜Ｈ_４４の設定に用いる。インバータの極低周波数の出力時における特定の半導体素子への電流集中を考慮し、係数Ｈ_１１〜Ｈ_４４は、インバータの出力周波数に応じて変化させ、また、キャリア周波数に応じても変化させる。

係数Ｈ_１１〜Ｈ_４４のそのような変化のさせ方の一例を図４〜図７に示す。図４及び図５は、それぞれ、半導体素子の電流と、半導体素子の損失と、過渡熱抵抗・熱抵抗による温度降下とを計算した結果を示す。ここではパワーモジュールの回路構造として２レベル方式とし（図２参照）Ｐ側のスイッチング素子の波形を示している。このためパワーモジュールより出る方向の電流極性を正とすると、電流が正の時に電力損失が発生し、それに応じて温度降下が現れる。一般に過渡熱抵抗はインバータ出力周波数が低下すると増加するため、図４に比べて、図５に示すようにインバータ出力周波数が低下すると温度降下のピーク値も増加する。

図６は、上記の過渡熱抵抗を考慮した、電流Ｉｎに対し温度降下のピーク値の比を記載した一例であり、（７）式の係数Ｈ（係数Ｈ_１１〜Ｈ_４４）に相当する。図６に示すように、キャリア周波数が変わるとスイッチング損失が変化し温度降下のピーク値も変化するので、キャリア周波数に応じて係数Ｈを切り替える。（７）式の計算においては、この図６のグラフに相当するテーブルを必要とするが、図６に記載するように、係数Ｈ（係数Ｈ_１１〜Ｈ_４４）の変化を、インバータ出力周波数が所定周波数Ｆｔｈ以上において一定値で近似し、所定周波数Ｆｔｈ以下において周波数に対する１次または２次関数などで近似することができる。

すなわち、（７）式による熱回路モデルＴＣＭ２において、係数Ｈ_１１〜Ｈ_４４を含む行列の部分は、入力された電力損失情報（Ｉ_ｎ１，Ｉ_ｎ２，Ｉ_ｎ３，Ｉ_ｎ４）を所定倍して出力するゲイン付加部として機能する。ゲイン付加部におけるゲイン、すなわち係数Ｈ_１１〜Ｈ_４４は、インバータの出力周波数（すなわち図６の横軸）とキャリア周波数（図６に示す低キャリア周波数、中キャリア周波数、高キャリア周波数のいずれであるか）とを参照して決定される。例えば、ゲイン付加部における係数Ｈ_１１〜Ｈ_４４は、キャリア周波数が高キャリア周波数である場合、インバータの出力周波数がＦｔｈ以上であれば一定値で近似し、インバータの出力周波数がＦｔｈ以下であれば１次の減少関数で近似する。例えば、ゲイン付加部における係数Ｈ_１１〜Ｈ_４４は、キャリア周波数が中キャリア周波数又は低キャリア周波数である場合、インバータの出力周波数がＦｔｈ以上であれば一定値で近似し、インバータの出力周波数がＦｔｈ以下であれば２次の減少関数で近似する。

この（７）式による熱回路モデルＴＣＭ２による温度降下は、常に最大の電流集中が発生していることを想定する。例えば２レベル方式の回路（図２参照）でＰ側のスイッチング素子（例えばパワーモジュールＰＭ１のスイッチング素子ＳＷ）の場合、図７に示すＡの位相タイミング近傍を想定する。実際には図７に示すＢの位相領域で動作する場合もあり、この場合実際のジャンクション温度より高い温度が推定されることになるが、過熱保護制御は問題なく実施できる。

熱回路モデルＴＣＭ１の（３）式の伝達関数Ｇ_１１〜Ｇ_４４や、熱回路モデルＴＣＭ２の過渡熱抵抗を詳細に計算する場合など、多くの場合、伝達関数は離散化して実装される。このとき、１から数サンプル前までの熱回路モデルの状態変数を保持する必要がある。例えば、１日の使用開始時に熱回路モデルの状態変数がゼロの状態で推定動作を始める場合は問題がないが、瞬時停電後のインバータ再始動を行うような場合では、熱回路モデルの状態変数がゼロの状態でスタートすると、実際のジャンクション温度よりも低い温度を推定する可能性がある。これを防ぐため、熱回路モデルの状態変数１５ａを不揮発性記憶素子１５（図１参照）に記録する。熱回路モデルの状態変数１５ａとして、例えば、（３）式の瞬時演算結果を随時不揮発性記憶素子１５に記憶しても良い。また、記憶された熱回路モデルの状態変数１５ａは、インバータＩＮＶの設定パラメータの一つとして、インバータＩＮＶの起動時に読み出してもよい。温度推定演算開始直後は推定温度に誤差が発生するが、推定したジャンクション温度が実際のジャンクション温度より低い値を推定する可能性が低くなるため、過熱保護制御の保護精度を向上できる。

なお、上記の処理は熱回路モデルの状態変数１５ａではなく、インバータＩＮＶの平均的な使用電力を不揮発性記憶素子１５に記憶しても同様の効果が得られる。すなわち随時不揮発性記憶素子１５に記録、あるいは設定パラメータの一つとして記録した、パワーモジュールの平均的な電力あるいは平均的な電流値を起動時に読み出し、（３）式の処理をインバータＩＮＶの実運転に先立って実施することで、（３）式の状態変数に展開することができる。上記した熱回路モデルにおける伝達関数の状態変数の設定は、パワーモジュールが１個しかないインバータでも適用できる。

次に、電力補償計算部７（図１参照）について図８を用いて説明する。インバータＩＮＶの任意の運転パターンに対応できるよう、ジャンクション温度の許容上限値（ＴｊＭＡＸ）に対して推定温度３（ＴｊＥｓｔ）をフィードバックしてＰＩ制御を行い、このＰＩ制御器の出力が電力補償指令８となる。この電力補償指令８はゼロあるいは負値であり、パワーモジュールの現在の電力損失に対する削減目標を指示するものである。

具体的には、電力補償計算部７は、減算器７ｃ、極性判別部７ｄ、比例制御器７ａ、積分制御器７ｂ、及び加算器７ｅを有する。

減算器７ｃは、許容上限値（ＴｊＭＡＸ）から推定温度３（ＴｊＥｓｔ）を減算して、減算結果を極性判別部７ｄ、比例制御器７ａ、及び積分制御器７ｂへ供給する。

極性判別部７ｄは、減算結果を減算器７ｃから受ける。極性判別部７ｄは、減算結果の符号に応じて、極性を判別する。例えば、極性判別部７ｄは、減算結果が正であれば、推定温度３（ＴｊＥｓｔ）が許容上限値（ＴｊＭＡＸ）以下であることを示す極性「１」であると判別する。例えば、極性判別部７ｄは、減算結果が負であれば、推定温度３（ＴｊＥｓｔ）が許容上限値（ＴｊＭＡＸ）を超えていることを示す極性「−１」であると判別する。極性判別部７ｄは、判別結果を比例制御器７ａ、及び積分制御器７ｂへ供給する。

比例制御器７ａは、減算結果を減算器７ｃから受ける。比例制御器７ａは、推定温度３（ＴｊＥｓｔ）が許容上限値（ＴｊＭＡＸ）を越えた場合に動作するよう、推定温度３（ＴｊＥｓｔ）と許容上限値（ＴｊＭＡＸ）の差分の極性に応じ比例ゲインを切り替える。

具体的には、比例制御器７ａは、乗算器７ａ２，７ａ３及び切り替え部７ａ１を有する。乗算器７ａ２には、比例ゲイン０が設定され、実質的に比例ゲインがかからないようになっている。乗算器７ａ３には、比例ゲインＰＧ（＞０）が設定され、比例ゲインＰＧがかかるようになっている。切り替え部７ａ１は、極性「１」の場合、減算結果に乗算器７ａ２の比例ゲイン０がかかり、極性「−１」の場合、減算結果に乗算器７ａ３の比例ゲインＰＧ（＞０）がかかるように、切り替える。切り替え部７ａ１は、比例ゲイン０又は比例ゲインＰＧ（＞０）がかけられた値を加算器７ｅへ供給する。

積分制御器７ｂは、減算結果を減算器７ｃから受ける。積分制御器７ｂも、比例制御器７ａと同様に、推定温度３（ＴｊＥｓｔ）と許容上限値（ＴｊＭＡＸ）の差分の極性に応じ比例ゲインを切り替える。すなわち、積分制御器７ｂは、推定温度３（ＴｊＥｓｔ）が許容上限値（ＴｊＭＡＸ）を超えた場合は、速やかに電力補償指令８を立ち上げるよう高い積分ゲインＩＧ_Ｈを設定する。逆に、積分制御器７ｂは、推定温度３（ＴｊＥｓｔ）が許容上限値（ＴｊＭＡＸ）より小さい場合に、積分器出力を保持しつつ、ある程度の時間が経過した後に電力補償指令８を立ち下げることができるよう、低い積分ゲインＩＧ_Ｌ（＜ＩＧ_Ｈ）とする。

具体的には、積分制御器７ｂは、加算器７ｂ６、１サンプルディレイ７ｂ５、リミッタ７ｂ４、乗算器７ｂ２，７ｂ３及び切り替え部７ｂ１を有する。加算器７ｂ６は、減算結果と切り替え部７ｂ１の出力とを加算し、加算結果を加算器７ｅに出力するとともに、加算結果に１サンプルディレイ７ｂ５、リミッタ７ｂ４、乗算器７ｂ２，７ｂ３及び切り替え部７ｂ１を順に通して加算器７ｂ６にフィードバックさせる。乗算器７ｂ２には、低い積分ゲインＩＧ_Ｌが設定され、低い積分ゲインＩＧ_Ｌがかかるようになっている。乗算器７ｂ３には、高い積分ゲインＩＧ_Ｈが設定され、高い積分ゲインＩＧ_Ｈがかかるようになっている。切り替え部７ｂ１は、極性「１」の場合、リミッタ７ｂ４の出力に乗算器７ｂ２の低い積分ゲインＩＧ_Ｌがかかり、極性「−１」の場合、リミッタ７ｂ４の出力に乗算器７ｂ３の高い積分ゲインＩＧ_Ｈ（＞ＩＧ_Ｌ）がかかるように、切り替える。切り替え部７ｂ１は、低い積分ゲインＩＧ_Ｌ又は高い積分ゲインＩＧ_Ｈがかけられた値を加算器７ｂ６へ供給する。

積分制御器７ｂでは、図８に示すような間欠動作を行う場合、積分器出力を保持することで、電力損失立ち上がりにおける、過熱保護制御の応答の遅れを抑制できる。またインバータＩＮＶの運転状況が変化し、電力損失が小さくなった場合には、積分器出力を徐々にゼロに戻すことで、電力補償指令８をゼロに立ち下げる。なお以上の電力補償計算部７の動作はフィードバック制御のため、応答には遅れが存在しジャンクション温度には指令値に対しオーバーシュートが生じる場合がある。このため、上記の許容上限値（ＴｊＭＡＸ）は、アラーム発生部５におけるアラーム６を発生させる閾値ＴｊＡＬＭより、小さい値に設定する。また、以上に説明した電力補償計算部７はパワーモジュールが１個しかないインバータでも適用できる。

次に、電力損失抑制部９の動作について図９〜図１１を用いて説明する。図９は電力損失抑制部９の動作を示すフローチャートである。図１０は、電流に応じたパワーモジュール電力損失の変化を示す図であり、図１１は、キャリア周波数に応じたパワーモジュール電力損失の変化を示す図である。

まず、電力補償指令８が入力されると、電力損失抑制部９は、制御部１３に問い合わせて、現在決定されている優先モードを制御部１３から読み出す（ステップＳ１）。

制御部１３では、インバータＩＮＶに接続される、パワーモジュールＰＭ１〜ＰＭ４よる電力を供給する負荷ＬＤに合わせて、キャリア周波数優先モードか電流優先モードかが決定される。キャリア周波数優先モードは、キャリア周波数をなるべく維持し主に電流の削減を優先して実施するためのモードである。電流優先モードは、逆にキャリア周波数の削減を優先して実施するためのモードである。例えば負荷ＬＤがモータの場合、トルクをなるべく維持する場合は電流優先モードを、制御応答をなるべく維持する場合はキャリア周波数優先モードを選択する。これはモータのトルクは電流で決定すること、また電流制御などの応答を確保するために、必要な最低限のキャリア周波数が存在することによる。制御部１３は、例えば入力インターフェース（図示せず）を介してインバータＩＮＶの操作者からの指示を受け、受けた指示に応じて、キャリア周波数優先モード及び電流優先モードのいずれかを決定する。

電力損失抑制部９は、現在の優先モードがキャリア周波数優先モードであるか否かを判断し（ステップＳ２）、現在の優先モードがキャリア周波数優先モードである場合（ステップＳ２でＹｅｓ）、処理をステップＳ３へ進め、現在の優先モードが電流優先モードである場合（ステップＳ２でＮｏ）、処理をステップＳ４へ進める。

図１０は、電流に応じたパワーモジュール電力損失の変化の一例であるが、キャリア周波数一定の場合、電力損失がパワーモジュールの電流に比例する傾向にあることが分かる。また、図１１のように、電流一定ならば、電力損失がキャリア周波数の１次関数となる傾向にあることが分かる。従って、パワーモジュールの電力損失Ｌはキャリア周波数ｆｃ、その電流の大きさＩを用いて（８）式で表現できる。

この（８）式より電流Ｉの変化量に対する電力損失Ｌの変化量を取り出すと（９）式が得られる。主に電流の抑制を行うキャリア周波数優先モードでは、電力損失抑制部９は、この（９）式を用いて電流の削減量を決定する（ステップＳ３）。電力補償指令８がΔＬに相当し、電流補償指令１１はΔＩとなる。

同様に（８）式よりキャリア周波数ｆｃの変化量に対する電力損失Ｌの変化量を取り出すと（１０）式が得られる。主にキャリア周波数の抑制を行う電流優先モードでは、電力損失抑制部９は、この（１０）式を用いてキャリア周波数の削減量を決定する（ステップＳ４）。電力補償指令８がΔＬに相当し、キャリア周波数補償指令１０はΔｆｃとなる。

なお、過熱保護制御の達成のために、それぞれの優先モードにて電力補償指令８を満たせない場合には、お互いに別の優先モードを実行する。例えばキャリア周波数優先モードを第一に実行して、電力補償指令８が満たせない場合（ステップＳ５でＮｏ）には、電力損失抑制部９は、電流優先モードの（１０）式の計算を次に実行する（ステップＳ６）。また、電力補償指令８を満たせる場合（ステップＳ５でＹｅｓ）には、処理を終了する。

あるいは、例えば電流優先モードを第一に実行して、電力補償指令８が満たせない場合（ステップＳ７でＮｏ）には、電力損失抑制部９は、キャリア周波数優先モードの（９）式の計算を次に実行する（ステップＳ８）。また、電力補償指令８を満たせる場合（ステップＳ７でＹｅｓ）には、処理を終了する。

なお、電流とキャリア周波数の削減を同時に実施しても、すなわち図９でステップＳ２を省き、ステップＳ１の後に、ステップＳ３，Ｓ５，Ｓ６の処理とステップＳ４、Ｓ７，Ｓ８の処理とを同時並行的に行っても、過熱保護制御が達成できるのは言うまでもない。

また、上記の通り、キャリア周波数優先モードか電流優先モードかは、インバータＩＮＶに接続されている負荷ＬＤへの要求仕様によるため一概には言えないがインバータＩＮＶのユーザやインバータＩＮＶの据付時の調整の際に設定できるようにする。例えばサーボモータで位置決め制御を行う場合、位置決め制御開始時と終了時（位置整定時）は制御応答を要するため、キャリア周波数優先モードとし、その間の区間は電流優先モードにしてもよい。また特に両優先モードを設定しない場合（デフォルト設定）の場合は電流優先モードに設定する。これはパワーモジュールの電流の削減はインバータ特性の劣化につながるため、インバータユーザになるべくそれを意識させないようにするためである。なお上記した電力損失抑制部９は、パワーモジュールが１個しかないインバータでも適用できる。

なお、上記の実施の形態では、温度推定や過熱保護制御の対象として、ヒートシンクに接続される発熱部品をパワーモジュールとしたが、ダイオードスタックや平滑コンデンサ、その他回生抵抗なども、同様に適用可能である。

例えば、実施の形態にかかるインバータＩＮＶ１００の過熱保護制御装置１００ｉの実装例について図１２を用いて説明する。

過熱保護制御の対象となるインバータＩＮＶ１００は、交流電源を整流して、任意の周波数・電圧振幅の交流出力を行う。具体的には、インバータＩＮＶ１００は、コンバータ部１８、平滑コンデンサ１９、インバータ部１７、及びヒートシンクＨＳを有する。インバータＩＮＶ１００では、交流電源ＡＣからの交流電力をコンバータ部１８で整流化し、整流化された直流電力を平滑コンデンサ１９で平滑化し、平滑化された直流電力をインバータ部１７で（例えば、３相の）交流電力に変換して負荷ＬＤへ供給する。

インバータＩＮＶ１００では、複数の発熱部品が同一のヒートシンクに接続されている。複数の発熱部品は、それぞれ電力損失により発熱する部品であり、例えば、複数のダイオードスタック及び複数のパワーモジュールを含む。例えば、図１２に示すように、インバータＩＮＶ１００では、３個のダイオードスタックＤＳ１〜ＤＳ３と３個のパワーモジュールＰＭ１１〜ＰＭ１３とが１個のヒートシンクＨＳに接続されている。

具体的には、コンバータ部１８は、例えば、複数のダイオードスタックＤＳ１〜ＤＳ３を有する。各ダイオードスタックＤＳ１〜ＤＳ３は、図１２に示すように、例えば２つの半導体素子、すなわちＰ側のダイオードＤ１及びＮ側のダイオードＤ２を有する。Ｐ側のダイオードＤ１及びＮ側のダイオードＤ２は、それぞれ、ＰＮジャンクションを有する。各ダイオードスタックＤＳ１〜ＤＳ３は、何れも少なからず発熱する発熱部品である。各ダイオードスタックＤＳ１〜ＤＳ３は、内蔵する半導体素子のジャンクション温度（例えば、Ｐ側のダイオードＤ１のジャンクション温度）に、最大動作温度が設定されている。

また、インバータ部１７は、例えば、複数のパワーモジュールＰＭ１１〜ＰＭ１３を有する。各パワーモジュールＰＭ１１〜ＰＭ１３は、図１２に示すように、例えば２つの半導体素子、すなわちＰ側のスイッチング素子ＳＷ１及びＮ側のスイッチング素子ＳＷ２を有する。Ｐ側のスイッチング素子ＳＷ１及びＮ側のスイッチング素子ＳＷ２は、それぞれ、ＰＮジャンクションを有する。各スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２は、例えば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）又はＦＥＴ（電界効果トランジスタ）である。各パワーモジュールＰＭ１１〜ＰＭ１３では、制御部１３による制御のもと、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２のスイッチング動作により、平滑コンデンサ１９からの直流電力を負荷ＬＤに応じて（例えば３相の）交流電力に変換する。これらの３個のパワーモジュールＰＭ１１〜ＰＭ１３は、何れも少なからず発熱する発熱部品である。また、各パワーモジュールＰＭ１１〜ＰＭ１３では、内蔵する半導体素子のジャンクション温度（例えば、Ｐ側のスイッチング素子ＳＷ１のジャンクション温度）に、最大動作温度が設定されている。

ヒートシンクＨＳには、例えば、温度センサ１６が設けられている。温度センサ１６は、例えば、ヒートシンクＨＳの温度を検出して過熱保護制御装置１００ｉの温度推定部２ｉへ供給する。

また、インバータＩＮＶ１００と負荷ＬＤとの間には電流センサ３１が設けられている。電流センサ３１は、インバータＩＮＶ１００から負荷ＬＤへ供給される電力に応じた電流を検出し、検出された電流３２を過熱保護制御装置１００ｉの温度推定部２ｉへ供給する。

温度推定部２ｉの動作は、基本的に上記の温度推定部２と同様であるが、ジャンクション温度を推定すべき複数の発熱部品が例えば３個のダイオードスタックＤＳ１〜ＤＳ３と３個のパワーモジュールＰＭ１１〜ＰＭ１３であることに応じた変更を加える必要がある。

例えば、図３に示す電力損失テーブル１４ａを、３個のダイオードスタックＤＳ１〜ＤＳ３及び３個のパワーモジュールＰＭ１１〜ＰＭ１３に対応したものに変更し、（１）式〜（７）式も６個の発熱部品に対応したものに拡張する必要がある。例えば、（１）式を（１１）式に拡張する。

また、例えば、（３）式を（１２）式に拡張する。

（１２）式における伝達関数Ｇ_１１〜Ｇ_６６を含む行列は、６行６列の行列であって、左上から右下への対角要素をＧ_１１〜Ｇ_６６とし、それ以外の要素を０とする。この（１２）式を用いることで、（１１）式と比較し計算に必要な伝達関数の個数を６^２＝３６個から６個に削減できる。
また、例えば、（７）式を（１３）式に拡張する。

（１３）式における係数Ｈ_１１〜Ｈ_６６を含む行列は、６行６列の行列であって、左上から右下への対角要素をＨ_１１〜Ｈ_６６とし、それ以外の要素を０とする。この（１３）式を用いることで、計算に必要な伝達関数の個数を６個に抑制できる。すなわち、熱回路モデルＴＣＭ１に加えて熱回路モデルＴＣＭ２を用いることで、ジャンクション温度の予測精度を向上できるとともに、計算に必要な伝達関数の合計数を６個＋６個（＜６^２＝３６個）に削減でき演算処理量を低減できる。

また、例えば、温度推定部２ｉは、電流センサ３１により検出された電流３２を、各パワーモジュールＰＭ１〜ＰＭ４の電流に対応したパラメータとして取得してもよい。すなわち、温度推定部２ｉは、検出された電流３２に応じて（例えば図１０の情報を用いるなどして）、記憶部１４から読み出した電力損失Ｐ_１〜Ｐ_４を補正し、補正された電力損失Ｐ_１’〜Ｐ_４’を熱回路モデルＴＣＭ１及び熱回路モデルＴＣＭ２にそれぞれ入力してもよい。

次に、実施の形態にかかるインバータＩＮＶ１００の過熱保護制御装置１００ｊの他の実装例について図１３を用いて説明する。

図１３に示す他の実装例は、図１２に示す実装例と基本的に同様であるが、インバータＩＮＶ１００と負荷ＬＤとの間には電流センサ３１が設けられておらず、過熱保護制御装置１００ｊの温度推定部２ｊが制御部１３から電流指令（Ｉ＊）４１を取得する点で異なる。

制御部１３では、インバータＩＮＶ１００から負荷ＬＤへ供給される電力を制御するために、内部的に電流指令４１を生成している。この電流指令４１は、インバータＩＮＶ１００から負荷ＬＤへ供給される電力に対応したものであると考えられる。そこで、本実装例では、過熱保護制御装置１００ｊの温度推定部２ｊが制御部１３から電流指令４１を取得する。

例えば、温度推定部２ｊは、電流指令４１を、各パワーモジュールＰＭ１〜ＰＭ４の電流に対応したパラメータとして取得してもよい。すなわち、温度推定部２ｊは、電流指令４１に応じて（例えば、電流指令４１から実際の電流を予測し、予測された電流と図１０の情報とを用いるなどして）、記憶部１４から読み出した電力損失Ｐ_１〜Ｐ_４を補正し、補正された電力損失Ｐ_１’〜Ｐ_４’を熱回路モデルＴＣＭ１及び熱回路モデルＴＣＭ２にそれぞれ入力してもよい。

次に、実施の形態にかかるインバータＩＮＶ１００の過熱保護制御装置１００ｋの他の実装例について図１４を用いて説明する。

図１４に示す他の実装例は、図１２に示す実装例と基本的に同様であるが、インバータＩＮＶ１００と負荷ＬＤとの間には電流センサ３１が設けられておらず、その代わりに、平滑コンデンサ１９とインバータ部１７との間に電流センサ２１が設けられている点で異なる。

電流センサ３１は、平滑コンデンサ１９からインバータ部１７へ供給される電力に応じた母線電流を検出し、検出された母線電流２２を過熱保護制御装置１００ｋの温度推定部２ｋへ供給する。

例えば、温度推定部２ｋは、電流センサ２１により検出された母線電流２２を、各パワーモジュールＰＭ１〜ＰＭ４の電流に対応したパラメータとして取得してもよい。すなわち、温度推定部２ｋは、検出された母線電流２２に応じて（例えば、母線電流２２から実際の電流を予測し、予測された電流と図１０の情報とを用いるなどして）、記憶部１４から読み出した電力損失Ｐ_１〜Ｐ_４を補正し、補正された電力損失Ｐ_１’〜Ｐ_４’を熱回路モデルＴＣＭ１及び熱回路モデルＴＣＭ２にそれぞれ入力してもよい。

ここで、仮に、複数の発熱部品が同一のヒートシンクに接続されたインバータの過熱保護を行う際に、発熱部品の自己の熱インピーダンスと複数の発熱部品の間の相互の熱インピーダンスとの両方を用いて各発熱部品のジャンクション温度を推定する場合を考える。この場合、発熱部品の個数が増えるに従って、その個数の２乗に比例して、演算処理量が増加する傾向にある。例えば、発熱部品が４個である場合、計算に必要な伝達関数の個数が４^２＝１６個になり、あるいは、例えば、発熱部品が６個である場合、計算に必要な伝達関数の個数が６^２＝３６個になる。

それに対して、実施の形態では、温度推定部２が、例えば（３）式、（１２）式に示されるように、複数の発熱部品から選択された推定対象の発熱部品の電力損失情報と、複数の発熱部品から推定対象の発熱部品を除く残りの発熱部品の電力損失情報とに基づいて、推定対象の発熱部品に集まる電力損失情報を求め、推定対象の発熱部品についての熱回路モデルにその求められた電力損失情報を入力して、推定対象の発熱部品のジャンクション温度を推定する。すなわち、ある発熱部品の温度推定にあたり、自己の電力損失と他の箇所からの電力損失を加算して自己の伝達関数に入力して温度降下を計算する。言い換えると、他の箇所からの動特性を持った熱干渉を、自己の動特性で近似して表現した熱回路モデルを用いて発熱部品のジャンクション温度を推定する。これにより、相互熱インピーダンスの計算を省略できるので、計算に必要な伝達関数の個数の増大を抑制できる。例えば、発熱部品が４個である場合、計算に必要な伝達関数の個数が４個＋４個に抑制でき、あるいは、例えば、発熱部品が６個である場合、計算に必要な伝達関数の個数が４個＋４個に抑制できる。これにより、演算処理量が大幅に削減できるので、同一のヒートシンクに接続される発熱部品の個数が多い場合に発熱部品のジャンクション温度推定を簡易に行うことができ、確実な過熱保護を実現できる。

あるいは、仮に、複数の発熱部品が同一のヒートシンクに接続されたインバータの過熱保護を行う際に、周囲温度または温度センサ設置部から各パワーモジュールとヒートシンクの接続部までの熱回路モデルＴＣＭ１のみを用いて各発熱部品のジャンクション温度を推定する場合を考える。この場合、各発熱部品内部の半導体素子近傍の熱の動きが考慮されていないので、半導体素子の導通電流が変化する場合等に、ジャンクション温度の推定精度が低下しやすい。

それに対して、実施の形態では、温度推定部２が、周囲温度または温度センサ設置部から各発熱部品（例えば各パワーモジュール）とヒートシンクの接続部までの熱回路モデルＴＣＭ１に加えて、発熱部品（例えばパワーモジュール）内部の半導体素子近傍の熱回路モデルＴＣＭ２を用いて、各発熱部品のジャンクション温度を推定する。すなわち、熱回路モデルＴＣＭ１に加えて熱回路モデルＴＣＭ２を用いることで、ジャンクション温度の推定精度を向上できるとともに、計算に必要な伝達関数の合計数を上記のように削減でき演算処理量を低減できる。これにより、同一のヒートシンクに接続される発熱部品の個数が多い場合に発熱部品のジャンクション温度推定を簡易且つ高精度に行うことができる。

また、実施の形態では、温度推定部２が、複数の発熱部品のそれぞれの熱回路モデルの状態変数を不揮発性記憶素子に記録する。これにより、停電・再起動時のジャンクション温度の過小推定を抑制できるので、同一のヒートシンクに接続される発熱部品の個数が多い場合に発熱部品のジャンクション温度推定を高精度に行うことができ、過熱保護の精度を向上できる。

また、実施の形態では、複数の発熱部品のそれぞれの熱回路モデルＴＣＭ２が、入力された電力損失情報を所定倍して出力するゲイン付加部を持つ。ゲイン付加部におけるゲイン（例えば（７）式における係数Ｈ_１１〜Ｈ_４４）は、インバータの出力周波数とキャリア周波数とを参照して決定される。これにより、極低周波数電力出力時の過熱保護精度を向上できる。

また、実施の形態では、保護制御部４の電力補償計算部７が、推定された複数の発熱部品のそれぞれの温度ＴｊＥｓｔと許容上限値ＴｊＭＡＸとを用いたフィードバック処理により、複数の発熱部品のそれぞれの温度が許容上限値ＴｊＭＡＸを超えないように、電力損失の削減幅となる電力補償指令８を求めて出力する。そして、インバータＩＮＶの動作制御は、制御部１３により、電力補償指令８に応じて、なされる。すなわち、電力補償計算部７でフィードバック補償を用いる（図８参照）ことで、任意の運転パターンに対応して過熱保護制御を実施できる。

また、実施の形態では、保護制御部４の電力損失抑制部９が、予め設定されたキャリア周波数補償及び電流補償の間の優先度を参照して、電力補償指令８に対するキャリア周波数補償指令計算と電流補償指令計算とを順次に実行してキャリア周波数補償指令１０と電流補償指令１１とを求めて出力する。そして、インバータＩＮＶの動作制御は、制御部１３により、キャリア周波数補償指令１０と電流補償指令１１とに従ってなされる。すなわち、電力損失抑制部９の動作により、過熱保護制御実現のためにキャリア周波数や発熱部品の導通電流の削減を行う際に、優先順位を考慮して計算できるため、インバータに接続されている負荷の要求仕様に合わせ、なるべくその仕様を損なわない過熱保護制御が実現できる。

以上のように、本発明にかかる過熱保護制御装置は、インバータの過熱保護に有用である。

１ 電力損失情報、 ２，２ｉ，２ｊ，２ｋ 温度推定部、 ３ 推定温度、 ４ 保護制御部、 ５ アラーム発生部、 ６ アラーム、 ７ 電力補償計算部、 ８ 電力補償指令、 ９ 電力損失抑制部、 １０ キャリア周波数補償指令、 １１ 電流補償指令、１２ 報知部、１３ 制御部、１４ 記憶部、１５ 不揮発性記憶素子、１６ 温度センサ、２１，３１ 電流センサ、１００，１００ｉ，１００ｊ，１００ｋ 加熱保護制御装置、ＨＳ ヒートシンク、ＩＮＶ，ＩＮＶ１００ インバータ、ＰＭ１〜ＰＭ４，ＰＭ１１〜ＰＭ１３ パワーモジュール。

Claims (6)

1. 複数の発熱部品が同一のヒートシンクに接続されたインバータの過熱保護制御装置であって、
   発熱部品の温度を前記複数の発熱部品のそれぞれについて推定する温度推定部と、
   前記推定された前記複数の発熱部品のそれぞれの温度を用いて、前記複数の発熱部品のそれぞれの電力損失を抑制するよう制御処理を行う保護制御部と、
   を備え、
   前記温度推定部は、発熱部品のジャンクション温度の変化を推定する熱回路モデルを前記複数の発熱部品のそれぞれについて持ち、
   前記温度推定部は、前記複数の発熱部品から選択された推定対象の発熱部品の電力損失情報と、前記複数の発熱部品から前記推定対象の発熱部品を除く残りの発熱部品の電力損失情報とに基づいて、前記推定対象の発熱部品に集まる電力損失情報を求め、前記推定対象の発熱部品についての熱回路モデルに前記求められた電力損失情報を入力して、前記推定対象の発熱部品のジャンクション温度を推定し、
   前記保護制御部は、前記推定された前記複数の発熱部品のそれぞれの温度と許容上限値とを用いたフィードバック処理により、前記複数の発熱部品のそれぞれの温度が前記許容上限値を超えないように、電力損失の削減幅となる電力補償指令を求めて出力し、
   前記インバータの動作制御は、前記電力補償指令に応じてなされ、
   前記保護制御部は、前記電力補償指令をキャリア周波数補償指令と電流補償指令とに変換する電力損失抑制部を持ち、
   前記電力損失抑制部は、予め設定されたキャリア周波数補償及び電流補償の間の優先度を参照して、前記電力補償指令に対するキャリア周波数補償指令計算と電流補償指令計算とを順次に実行してキャリア周波数補償指令と電流補償指令とを求めて出力し、
   前記インバータの動作制御は、前記キャリア周波数補償指令と前記電流補償指令とに従ってなされる
   ことを特徴とするインバータの過熱保護制御装置。
2. 前記温度推定部は、前記複数の発熱部品のそれぞれの熱回路モデルの状態変数を不揮発性記憶素子に記録する
   ことを特徴とする請求項１に記載のインバータの過熱保護制御装置。
3. 前記複数の発熱部品のそれぞれの熱回路モデルは、入力された電力損失情報を所定倍して出力するゲイン付加部を持ち、
   前記ゲイン付加部におけるゲインは、インバータの出力周波数とキャリア周波数とを参照して決定される
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のインバータの過熱保護制御装置。
4. 複数の発熱部品が同一のヒートシンクに接続されたインバータの過熱保護制御方法であって、
   前記複数の発熱部品から選択された推定対象の発熱部品の電力損失情報と、前記複数の発熱部品から前記推定対象の発熱部品を除く残りの発熱部品の電力損失情報とに基づいて、前記推定対象の発熱部品に集まる電力損失情報を求める損失演算工程と、
   発熱部品のジャンクション温度の変化を前記推定対象の発熱部品について推定するための熱回路モデルに、前記求められた電力損失情報を入力して、前記推定対象の発熱部品の温度を推定する推定工程と、
   前記複数の発熱部品のそれぞれを推定対象の発熱部品として前記損失演算工程及び前記推定工程を行って推定された前記複数の発熱部品のそれぞれの温度を用いて、前記複数の発熱部品のそれぞれの電力損失を抑制するよう制御処理を行う制御工程と、
   を備え、
   前記制御工程では、前記推定された前記複数の発熱部品のそれぞれの温度と許容上限値とを用いたフィードバック処理により、前記複数の発熱部品のそれぞれの温度が前記許容上限値を超えないように、電力損失の削減幅となる電力補償指令を求め、前記電力補償指令に応じて、インバータの動作制御がなされ、
   前記制御工程は、前記電力補償指令をキャリア周波数補償指令と電流補償指令とに変換する変換工程を含み、
   前記変換工程では、予め設定されたキャリア周波数補償及び電流補償の間の優先度を参照して、キャリア周波数補償指令計算と電流補償指令計算とを順次に実行してキャリア周波数補償指令と電流補償指令とを求め、
   前記制御工程では、前記キャリア周波数補償指令と前記電流補償指令とに従って、インバータの動作制御がなされる
   ことを特徴とするインバータの過熱保護制御方法。
5. 前記複数の発熱部品のそれぞれの熱回路モデルの状態変数を不揮発性記憶素子に記録する記録工程をさらに備え、
   前記推定工程では、前記記録された前記複数の発熱部品のそれぞれの熱回路モデルのうち前記推定対象の発熱部品についての熱回路モデルの状態変数が前記不揮発性記憶素子から読み出される
   ことを特徴とする請求項４に記載のインバータの加熱保護制御方法。
6. 前記複数の発熱部品のそれぞれの熱回路モデルは、入力された電力損失情報を所定倍して出力するゲイン付加部を持ち、
   前記ゲイン付加部におけるゲインは、インバータの出力周波数とキャリア周波数とを参照して決定される
   ことを特徴とする請求項４又は５に記載のインバータの過熱保護制御方法。

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