JP5933311B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子を保護する電力変換装置に関する。

一般に、電力変換装置において、半導体素子を温度上昇による故障から保護するために半導体素子の温度を推定することが知られている。

例えば、負荷電流と半導体スイッチング素子の周囲温度を検出して、温度を推定することが開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、半導体素子の温度を推定するために、熱時定数の異なる複数の一次遅れ系伝達関数を用いて、半導体素子と温度センサにより測定された温度の温度差を演算することが開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１０−２６８６１４号公報 特開２０１１−０３６０９５号公報

しかしながら、半導体素子の温度を正確に推定するには、ターンオン損失、ターンオフ損失、及び導通損失を個別に演算し、これらを合計した素子損失を演算する。しかし、電力変換装置の運転中にこのような演算をすると、コンピュータに大きな演算負荷がかかる。

そこで、本発明の目的は、コンピュータの演算負荷を軽減し、半導体素子の温度を高い精度で推定することのできる電力変換装置を提供することにある。

本発明の観点に従った電力変換装置は、スイッチング素子により構成された電力変換回路と、前記スイッチング素子に流れる電流を含む電流を検出する電流検出手段と、前記電力変換回路から出力される電流に基づいて、前記電力変換回路から出力される電圧を制御するための電圧指令値を演算する電圧指令値演算手段と、前記電流検出手段により検出された電流をＩとし、予め設定された第１の設定値をｋ１とし、前記電圧指令値演算手段により演算された前記電圧指令値をＥとし、予め設定された第２の設定値をｋ２として、ｋ１×Ｉ×（１＋ｋ２×Ｅ）を演算して、ターンオン損失、ターンオフ損失及び導通損失を合計した前記スイッチング素子の損失を求める損失演算手段と、前記損失演算手段により演算された前記スイッチング素子の損失に基づいて、前記スイッチング素子の素子温度を推定する素子温度推定手段とを備えている。

本発明によれば、コンピュータの演算負荷を軽減し、半導体素子の温度を高い精度で推定することのできる電力変換装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る電力変換装置が適用された構成を示す構成図。 実施形態に係る制御装置の構成を示す構成図。 実施形態に係るゲートパルス生成部によるゲートパルス信号の生成方法を示す波形図。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

（実施形態）
図１は、本発明の実施形態に係る電力変換装置１０が適用された構成を示す構成図である。なお、図面における同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。

電力変換装置１０は、直流電源５から供給される直流電力を交流電力に変換して、負荷６に供給する。

電力変換装置１０は、電力変換回路１、制御装置２、平滑コンデンサ３、及び電流検出器４を備えている。

電力変換回路１は、直流電源５から供給される直流電力を交流電力に変換する回路である。電力変換回路１は、４つのスイッチング素子１１，１２，１３，１４で構成されている。スイッチング素子１１〜１４には、それぞれ逆並列ダイオードが接続されている。

４つのスイッチング素子１１，１２は、２つのアームを構成する。１つのアームは、２つのスイッチング素子１１，１２が直列に接続された回路である。もう１つのアームは、残りの２つのスイッチング素子１３，１４が直列に接続された回路である。スイッチング素子１１〜１４は、制御装置２から出力されるゲートパルス信号Ｇｐにより駆動（スイッチング）する。スイッチング素子１１〜１４は、例えば、ＩＧＢＴ(insulated gate bipolar transistor)である。

平滑コンデンサ３は、電力変換回路１に印加される直流電圧を平滑化する。

電流検出器４は、電力変換回路１から出力される交流電流（出力電流）Ｉｏｕｔを検出する。電流検出器４は、検出した出力電流Ｉｏｕｔを制御装置２に出力する。

制御装置２は、コンピュータで演算処理する装置である。制御装置２は、電力変換回路１を制御する。具体的には、制御装置２は、検出された出力電流Ｉｏｕｔに基づいて、ゲートパルス信号Ｇｐを電力変換回路１に出力することにより、負荷６に電力を供給するための制御をする。また、制御装置２は、電流検出器４により検出された出力電流Ｉｏｕｔに基づいて、スイッチング素子１１〜１４の温度を監視する。

図２は、本実施形態に係る制御装置２の構成を示す構成図である。

制御装置２は、電流制御部２１、温度監視部２２、及びゲートパルス生成部２３を備えている。

電流制御部２１には、電流指令値Ｉｒ及び電流検出器４により検出された出力電流Ｉｏｕｔが入力される。電流指令値Ｉｒは、例えば上位制御系から入力される。電流制御部２１は、出力電流Ｉｏｕｔを電流指令値Ｉｒに追従させるように電圧指令値Ｅｃを生成する。電圧指令値Ｅｃは、変調率（０以上１以下の値）で決定される。電流制御部２１は、生成した電圧指令値Ｅｃを温度監視部２２及びゲートパルス生成部２３に出力する。

温度監視部２２には、電流検出器４により検出された出力電流Ｉｏｕｔ及び電流制御部２１により生成された電圧指令値Ｅｃが入力される。温度監視部２２は、出力電流Ｉｏｕｔ及び電圧指令値Ｅｃに基づいて、各スイッチング素子１１〜１４の素子温度（ジャンクション温度又はチャネル温度）を推定するための演算をする。温度監視部２２は、推定した素子温度が予め決められた許容範囲内にない場合（例えば、素子温度が予め設定された許容温度を超えたスイッチング素子１１〜１４が１つでもある場合）、スイッチング素子１１〜１４の温度上昇による故障から保護するための制御をする。具体的には、温度監視部２２は、スイッチング素子１１〜１４をゲートブロックするための停止信号Ｓｔをゲートパルス生成部２３に出力する。

ゲートパルス生成部２３は、電流制御部２１により演算された電圧指令値Ｅｃに基づいて、ゲートパルス信号Ｇｐを生成する。ゲートパルス生成部２３は、生成したゲートパルス信号Ｇｐを各スイッチング素子１１〜１４のゲート駆動回路に出力する。このようにして、ゲートパルス生成部２３は、パルス幅変調によりスイッチング素子１１〜１４の駆動を制御する。

図３は、ゲートパルス生成部２３によるゲートパルス信号Ｇｐの生成方法を示す波形図である。なお、図３に示すゲートパルス信号Ｇｐは、図１に示すスイッチング素子１１を駆動するものであり、他のスイッチング素子１１を駆動するゲートパルス信号Ｇｐについては図示を省略する。

ゲートパルス生成部２３は、搬送波Ｃｒを発生させる。なお、ここでは、搬送波Ｃｒは、一定周期の三角波としているが、搬送波Ｃｒは、一定周波数でなくてもよいし、三角波でなくてもよい。

まず、スイッチング素子１１を駆動するゲートパルス信号Ｇｐの生成方法について説明する。

ゲートパルス生成部２３は、搬送波Ｃｒと正弦波である電圧指令値Ｅｃを比較する。ゲートパルス生成部２３は、電圧指令値Ｅｃが搬送波Ｃｒよりも大きい場合は、ゲートパルス信号Ｇｐを‘１’にする。ゲートパルス生成部２３は、電圧指令値Ｅｃが搬送波Ｃｒ以下の場合は、ゲートパルス信号Ｇｐを‘０’にする。このようにして、ゲートパルス生成部２３は、スイッチング素子１１を駆動するゲートパルス信号Ｇｐを生成する。

スイッチング素子１２を駆動するゲートパルス信号Ｇｐは、スイッチング素子１１を駆動するゲートパルス信号Ｇｐを反転させた信号である。同様に、スイッチング素子１３，１４を駆動するゲートパルス信号Ｇｐは、電圧指令値Ｅｃ（又は、搬送波Ｃｒ）を反転してキャリア比較することにより生成される信号である。

このように決定されたそれぞれのゲートパルス信号Ｇｐにより、スイッチング素子１１〜１４が駆動され、電力変換回路１の出力電流Ｉｏｕｔが制御される。

次に、温度監視部２２による素子温度の推定方法について説明する。

温度監視部２２は、出力電流Ｉｏｕｔ及び電圧指令値Ｅｃから次式により素子損失Ｐを演算する。

Ｐ＝ｋ１×Ｉｏｕｔ×（１＋ｋ２×Ｅｃ） …式（１）
ここで、‘ｋ１’及び‘ｋ２’は、予め設定された定数である。定数ｋ１，ｋ２は、半導体素子の種類により異なる。また、‘Ｉｏｕｔ’は、瞬時値である。

式（１）より演算される素子損失Ｐは、単位時間毎（例えば、マイクロコンピュータの演算周期毎）の値である。

温度監視部２２は、演算された単位時間毎の素子損失Ｐを熱抵抗モデルで演算処理することで、素子温度を推定する。ここで、熱抵抗モデルは、従来から用いられているものでよい。

式（１）の２つの定数ｋ１，ｋ２の求め方について説明する。

まず、電力変換装置１０を運用する前に、素子損失と出力電流Ｉｏｕｔとの対応関係及び素子損失と電圧指令値Ｅｃとの対応関係をそれぞれ把握するためのデータを求める。

ここで把握する素子損失は、ターンオン損失、ターンオフ損失、及び導通損失を個別に演算した合計の損失である。ゲートパルス信号Ｇｐと出力電流Ｉｏｕｔからターンオン時の素子電流（ＩＧＢＴ電流）及びターンオフ時の素子電流を求める。ターンオン時の素子電流を‘Ｉｏｎ’、ターンオフ時の素子電流を‘Ｉｏｆｆ’、導通時の素子電流を‘Ｉ’とし、ターンオン損失を‘Ｅｏｎ’、ターンオン損失を‘Ｅｏｆｆ’、及び導通損失を‘ＥＶｃｅ’とすると、次式のように表される。

Ｅｏｎ＝ｆＥｏｎ（Ｉｏｎ） （Ｉ＞０） …式（２）
Ｅｏｆｆ＝ｆＥｏｆｆ（Ｉｏｆｆ） （Ｉ＞０） …式（３）
ＥＶｃｅ＝ｆ（Ｉ） （Ｉ＞０） …式（４）
ここで、‘Ｉｏｎ’、‘Ｉｏｆｆ’及び‘Ｉ’は、瞬時値である。また、ｆＥｏｎ（Ｉｏｎ）、ｆＥｏｆｆ（Ｉｏｆｆ）、及びｆ（Ｉ）は、それぞれ‘Ｉｏｎ’、‘Ｉｏｆｆ’、及び‘Ｉ’の関数である。

測定したデータに基づいて、素子損失と出力電流Ｉｏｕｔとの対応関係及び素子損失と電圧指令値Ｅｃとの対応関係をそれぞれグラフに表す。２つの定数ｋ１，ｋ２は、式（１）により表されるグラフが２つの対応関係を表すグラフと比例近似するように決定する。

本実施形態によれば、以下の作用効果を得ることができる。

素直に損失を求めるのであれば、ターンオン損失Ｅｏｎ、ターンオン損失Ｅｏｆｆ、導通損失ＥＶｃｅをそれぞれ個別に求めて合計する演算をマイクロコンピュータで実施しなければならない。しかし、このような演算を電力変換装置１０の運転中に常時行うとすると、マイクロコンピュータに大きな演算負荷が掛かることになる。

そこで、本実施形態のように、予め求めた式（１）に示される１つの演算式で、出力電流Ｉｏｕｔ及び電圧指令値Ｅｃに基づいて、素子損失Ｐを演算することができるため、コンピュータの演算負荷を軽減することができる。

また、温度センサを用いずに、素子温度を推定することができるため、小型化及び製造コストの低減をすることができる。

なお、スイッチング素子１１〜１４は、ＩＧＢＴに限らない。半導体素子であれば、どのようなスイッチング素子を用いてもよい。監視対象とするスイッチング素子の特性に合わせて、式（１）の２つの定数ｋ１，ｋ２を変更することで、電力変換装置１０をそのスイッチング素子の特性に合わせた構成にすることができる。

また、電力変換回路１は、半導体素子で構成されていればどのような構成でもよい。例えば、電力変換回路１は、単相交流電力に変換する回路、三相交流電力に変換する回路、交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路、ハーフブリッジ回路、フルブリッジ回路、２レベルインバータ回路、多レベルインバータ回路等、どのような回路でもよい。

さらに、直流電源５は、直流電力を出力する装置であればどの装置でもよい。例えば、直流電源５は、交流電力を直流電力に変換するコンバータでもよい。

また、実施形態では、電力変換装置１０を、直流電源５から供給される直流電力を交流電力に変換して負荷６に供給する装置としたが、これに限らない。電力変換装置１０は、交流電力を直流電力に変換するコンバータとして用いてもよいし、交流電力と直流電力を相互に変換する装置として用いてもよい。

さらに、実施形態では、出力電流Ｉｏｕｔを用いて素子損失Ｐを演算したが、監視対象となるスイッチング素子１１〜１４に流れる電流が含まれるのであれば、他の箇所の電流でもよい。例えば、出力電流Ｉｏｕｔの代わりに、スイッチング素子１１〜１４に流れる素子電流又はスイッチング素子１１〜１４により構成されるアームに流れるアーム電流を測定して用いてもよい。

また、素子損失Ｐを演算するための演算式は、式（１）に示すように一次式としたが、演算負荷を軽減できるのであれば、２次以上の式で表してもよい。

さらに、実施形態では、スイッチング素子１１〜１４の温度が許容範囲内になかった場合、温度上昇による故障から保護するための制御として、スイッチング素子１１〜１４のゲートブロックをする構成としたが、これに限らない。これ以上の素子温度の上昇を防止できれば、どのような動作をさせてもよい。例えば、このような制御としては、電力変換回路１の運転停止又は負荷電流の抑制でもよい。

また、式（２）の２つの定数ｋ１，ｋ２の求め方は、実施形態に限らない。電力変換装置１０を運用しながら定数ｋ１，ｋ２を決定してもよいし、経験則を用いて決定してもよい。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…電力変換回路、２…制御装置、３…平滑コンデンサ、４…電流検出器、５…直流電源、６…負荷、１０…電力変換装置、１１〜１４…スイッチング素子。

Claims (6)

1. スイッチング素子により構成された電力変換回路と、
   前記スイッチング素子に流れる電流を含む電流を検出する電流検出手段と、
   前記電力変換回路から出力される電流に基づいて、前記電力変換回路から出力される電圧を制御するための電圧指令値を演算する電圧指令値演算手段と、
   前記電流検出手段により検出された電流をＩとし、予め設定された第１の設定値をｋ１とし、前記電圧指令値演算手段により演算された前記電圧指令値をＥとし、予め設定された第２の設定値をｋ２として、ｋ１×Ｉ×（１＋ｋ２×Ｅ）を演算して、ターンオン損失、ターンオフ損失及び導通損失を合計した前記スイッチング素子の損失を求める損失演算手段と、
   前記損失演算手段により演算された前記スイッチング素子の損失に基づいて、前記スイッチング素子の素子温度を推定する素子温度推定手段と
   を備えたことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記素子温度推定手段により推定された前記素子温度が許容範囲内にない場合、前記スイッチング素子の温度上昇による故障を防止するための制御をする故障防止手段
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記電流検出手段は、前記電力変換回路の出力電流を検出すること
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記電流検出手段は、前記スイッチング素子に流れる電流を検出すること
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置。
5. 前記電流検出手段は、前記スイッチング素子により構成されるアームに流れる電流を検出すること
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置。
6. スイッチング素子により構成された電力変換回路を備える電力変換装置の制御方法であって、
   前記スイッチング素子に流れる電流を含む電流を検出し、
   前記電力変換回路から出力される電流に基づいて、前記電力変換回路から出力される電圧を制御するための電圧指令値を演算し、
   検出した電流をＩとし、予め設定された第１の設定値をｋ１とし、演算した前記電圧指令値をＥとし、予め設定された第２の設定値をｋ２として、ｋ１×Ｉ×（１＋ｋ２×Ｅ）を演算して、ターンオン損失、ターンオフ損失及び導通損失を合計した前記スイッチング素子の損失を求め、
   演算した前記スイッチング素子の損失に基づいて、前記スイッチング素子の素子温度を推定すること
   を含むことを特徴とする電力変換装置の制御方法。

Images