JP5972508B1

JP5972508B1 - 半導体電力変換器

Info

Publication number: JP5972508B1
Application number: JP2016524536A
Authority: JP
Inventors: 希美近藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-02-23
Filing date: 2015-02-23
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2035-02-23
Also published as: JPWO2016135817A1; CN106068603A; CN106068603B; US10349562B2; WO2016135817A1; US20170020034A1

Abstract

半導体電力変換器１００は、半導体電力変換器１００の筐体１内に設置され、電源から供給された電力を変換し負荷に供給する主回路１０と第１の温度センサ７とが配置された主回路基板５と、筐体１内に設置され、主回路１０を制御する制御回路１１と第２の温度センサ６とが配置された制御回路基板４と、第１の温度センサ７で検出された温度と第２の温度センサ６で検出された温度とを用いて半導体電力変換器１００内の内気温度を推定する内気温度推定回路８とを備える。

Description

本発明は、電源から供給された電力を変換し負荷に供給する半導体電力変換器に関する。

近年では半導体電力変換器が比較的に低コストで、かつ、多機種にわたって市場に提供され、多くのユーザのもとで多面的に使用されている。そのため半導体電力変換器の仕様温度範囲外の環境で使用するユーザが増加し、このような使用が半導体電力変換器の主回路を構成する半導体スイッチング素子およびコンデンサといった発熱部品の寿命低下と特性劣化の原因となっている。その対策のため特許文献１に代表される従来技術では、発熱部品の損失に伴い発生する熱を放熱フィンに伝達することで発熱部品を冷却すると共に、放熱フィンに設けられた温度センサで検出される温度値により冷却ファンの回転速度を制御して発熱部品を冷却する構造が採用されている。

特開２０１４−１３２８２９号公報

特許文献１に示す従来技術によれば、発熱部品と温度センサとが放熱フィンを介して熱的に接続された状態で半導体電力変換器内に配置されている。ところが発熱部品で発生した熱の一部は放熱フィンに伝達することなく半導体電力変換器内にも放熱される。そのため発熱部品から温度センサまでの離隔距離が大きくなるほど、温度センサで検出される温度は、半導体電力変換器内の内気温度よりも低い値になる傾向がある。従って、内気温度が冷却ファンの動作を開始させる設定温度に達しているにも係わらず、温度センサで検出される温度が前記の設定温度に比べて低いために冷却ファンが動作せず、このことが電子部品の寿命低下と特性劣化の原因となり、半導体電力変換器の品質の低下を招くこととなる。一方、放熱フィンに目詰まりが生じて放熱フィンで吸熱された熱が放熱され難い状態が継続した場合、温度センサで検出される温度は、内気温度よりも高い値になる傾向がある。従って、内気温度が冷却ファンの動作を開始させる設定温度に達していないにも係わらず、温度センサで検出される温度が前記の設定温度に比べて高いために冷却ファンが動作し、冷却ファンの駆動による消費電力が増加するだけでなく、冷却ファンの寿命の低下の原因にもなるため半導体電力変換器の品質の低下を招くこととなる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、品質の向上を図ることができる半導体電力変換器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、本発明は、筐体内に設置され、電源から供給された電力を変換し負荷に供給する主回路と第１の温度センサとが配置された主回路基板と、前記筐体内に設置され、前記主回路を制御する制御回路と第２の温度センサとが配置された制御回路基板と、前記第１の温度センサで検出された温度と前記第２の温度センサで検出された温度とを用いて前記半導体電力変換器内の内気温度を推定する内気温度推定回路とを備えることを特徴とする。

本発明にかかる半導体電力変換器は、品質の向上を図ることができるという効果を奏する。

本発明の実施の形態に係る半導体電力変換器の機能ブロック図本発明の実施の形態に係る半導体電力変換器の内観図本発明の実施の形態に係る半導体電力変換器の熱回路モデルを模式的に示す図本発明の実施の形態に係る制御回路基板に配置された内気温度推定回路の機能を中心として示す図

以下に、本発明の実施の形態にかかる半導体電力変換器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．
図１は本発明の実施の形態に係る半導体電力変換器の機能ブロック図である。半導体電力変換器１００は、交流電源２０から交流電力を任意の周波数および任意の値の電力に変換して負荷である誘導電動機３０へ出力する主回路１０と、主回路１０を構成する図示しない半導体スイッチング素子を動作させる制御信号を出力する制御回路１１とを有する。主回路１０は、制御回路１１で制御されるスイッチング素子のスイッチング動作により交流電源２０からの交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路１０ａと、制御回路１１で制御されるスイッチング素子のスイッチング動作によりコンバータ回路１０ａからの直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ回路１０ｂとを有する。

図２は本発明の実施の形態に係る半導体電力変換器の内観図であり、半導体電力変換器１００は、矩形状の筐体１と、筐体１の内部に設置され、第１の温度センサ７と主回路１０とが配置された主回路基板５と、筐体１の内部に設置され、第２の温度センサ６と内気温度推定回路８と制御回路１１とが配置された平板状の制御回路基板４と、筐体１に固定され、主回路１０と熱的に接続される放熱フィン３と、筐体１内の空気を循環させる冷却ファン２とを備える。図示例の半導体電力変換器１００では、制御回路基板４が筐体の上面と平行に配置され、主回路基板５が筐体の下側に配置されている。放熱フィン３は、放熱フィン３の表面の内、機内側面３ａが主回路１０と熱的に接続された状態で図示しない締結部材を用いて筐体に固定される。

このように半導体電力変換器１００では制御回路基板４および主回路基板５が筐体１と放熱フィン３とにより取り囲まれる構造である。従って主回路１０で発生した熱の一部は放熱フィン３に吸熱されて機外に排出されるが、放熱フィン３に吸熱されなかった熱は主回路基板５と筐体１内の空気と筐体１とに伝達される。そのため筐体１内の内気温度は主回路１０の発熱量が上昇するに従い上昇する。本実施の形態に係る半導体電力変換器１００は、第１の温度センサ７で検出される温度と第２の温度センサ６で検出される温度とを用いて内気温度を推定し、推定した内気温度を用いて各種制御を行なうことを特徴とし、以下では内気温度の推定方法と推定した内気温度を用いて行われる各種制御の内容とを説明する。

まず図３を用いて内気温度の推定方法を説明する。図３は本発明の実施の形態に係る半導体電力変換器の熱回路モデルを模式的に示す図である。図３の左側に示すＰ_Ｏは主回路で発生する電力損失に相当する熱を表し、Ｔ_Ｊはスイッチング素子のジャンクション温度を表し、Ｒ_Ｊは主回路と放熱フィン３との間の熱抵抗を表し、Ｔ_ＦＩＮは放熱フィン３に伝達される熱の温度を表し、Ｒ_ＦＩＮは放熱フィン３の熱抵抗、すなわち主回路と放熱フィン３が接触する部分から放熱フィン３の表面までの経路上の熱抵抗を表す。Ｔ_Ａ１は放熱フィン３に伝達された熱の内、放熱フィン３の表面から機外へ放熱される熱の温度である。

図３の中央に示すＲ_Ａは放熱フィン３と主回路基板５との間の熱抵抗を表す。Ｐ_Ａは主回路基板５に伝わる熱を表し、主回路１０で発生した熱から放熱フィン３で機外に放熱される熱を差し引いた熱に等しい。

図３の右側に示すＰ_ＭＡは主回路基板５から発生する熱を表す。Ｐ_ＭＡの伝達経路は筐体１と、筐体１の機内空気とが考えられ、筐体１が支配的である。Ｐ_ＭＡの値は筐体１の材質、形状、および寸法により変動し、また冷却ファン２が回転することによっても変動する。Ｔ_ＭＡは主回路基板５上で測定される熱の温度を表し、主回路で発生する熱から放熱フィンで機外に放熱される熱を差し引いた熱の温度に等しい。Ｔ_ＭＡは図２に示す第１の温度センサ７で検出される温度に相当する。Ｒ_ＭＡは主回路基板５から制御回路基板４までの経路上の熱抵抗を表し、筐体の形状と筐体内の空気の流れとによって決まる値である。Ｐは制御回路基板４に伝わる熱を表す。Ｔ_ＣＡは制御回路基板４上で測定される熱の温度を表し、図２に示す第２の温度センサ６で検出される温度に相当する。Ｒ_ＣＡは制御回路基板４と空気との間の熱抵抗を表し、Ｔ_Ａ２は、主回路基板５から制御回路基板４へ伝わる熱の内、機内へ放熱される熱の内気温度である。

図３に示す熱回路モデルによれば、Ｔ_ＭＡは下記（１）式に示す熱方程式を用いてＲ_ＭＡ、Ｐ、およびＴ_ＣＡから算出することができる。

Ｔ_ＣＡは下記（２）式に示す熱方程式を用いてＲ_ＣＡ、Ｐ、およびＴ_Ａ２から算出することができる。

（１）式および（２）式より、Ｔ_Ａ２は、Ｔ_ＣＡ、Ｔ_ＭＡ、Ｒ_ＣＡ、およびＲ_ＭＡで下記（３）式のように表される。

以下ではＲ_ＣＡをＲ_ＭＡで除した値を「熱抵抗係数α」と称する。熱抵抗係数αの値をテーブル化した上で、変数であるＴ_ＣＡおよびＴ_ＭＡが求まれば内気温度を推定することができる。本実施の形態の形態に係る半導体電力変換器１００は、第１の温度センサ７で検出される温度をＴ_ＭＡとし、第２の温度センサ６で検出される温度をＴ_ＣＡとして内気温度を推定する。

次に図４を用いて、内気温度を推定すると共に推定内気温度を用いて各種制御を行う機能に関して説明する。図４は本発明の実施の形態に係る制御回路基板に配置された内気温度推定回路の機能を中心として示す図であり、図４には、主回路基板５に配置された第１の温度センサ７と、制御回路基板４に配置された第２の温度センサ６と、制御回路基板４に配置された内気温度推定回路８とが示されている。内気温度推定回路８は、内気温度推定部８１と制御情報生成部８２とを有し、第１の温度センサ７で検出された温度と第２の温度センサ６で検出された温度とを入力とし、モニタ出力情報と冷却ファンの制御情報と異常報知情報との何れかを出力とする。

内気温度推定部８１は、複数の筐体の大きさと複数の熱抵抗係数αとが対応付けて格納された熱抵抗係数テーブル８１ａと、第１の温度センサ７で検出された温度Ｔ_ＭＡと第２の温度センサ６で検出された温度Ｔ_ＣＡと熱抵抗係数テーブル８１ａに格納された熱抵抗係数αとを用いて半導体電力変換器内の推定内気温度Ｔ_Ａを算出する推定内気温度算出部８１ｂとを有する。

情報生成部８２は、推定内気温度Ｔ_Ａの値に対応したモニタ出力情報を生成して出力するモニタ出力情報生成部８２ａと、推定内気温度Ｔ_Ａの値に対応した冷却ファン２のオンオフ制御または冷却ファン２の回転数制御を行うための制御情報を生成して出力する冷却ファン制御情報生成部８２ｂと、異常報知部８２ｃとを有する。

異常報知部８２ｃは、半導体電力変換器の動作状態情報Ａに基づいて理論内気温度Ｔ_Ａ’を算出する理論内気温度算出部８２ｃ１と、内気温度推定部８１で推定された推定内気温度Ｔ_Ａと理論内気温度算出部８２ｃ１で算出された理論内気温度Ｔ_Ａ’とを比較して推定内気温度Ｔ_Ａが理論内気温度Ｔ_Ａ’を超えた場合、半導体電力変換器に異常が発生していることを示す異常報知情報を生成して出力する異常報知情報生成部８２ｃ２とを有する。理論内気温度算出部８２ｃ１に入力される動作状態情報Ａは例えばキャリア周波数、主回路１０の母線電圧、主回路１０の出力電流、または冷却ファン回転数である。理論内気温度算出部８２ｃ１には、予め動作状態情報Ａの種類別の内気温度テーブルが設定されている。内気温度テーブルの種類は、例えば、複数のキャリア周波数の値と複数の内気温度とが対応付けて格納されたテーブル、複数の母線電圧の値と複数の内気温度とが対応付けて格納されたテーブル、複数の出力電流の値と複数の内気温度とが対応付けて格納されたテーブル、複数の冷却ファン回転数と複数の内気温度とが対応付けて格納されたテーブルである。なお動作状態情報Ａは図示例に限定されるものではなく、内気温度との相関性のある情報、例えば図１に示す誘導電動機３０の回転数または主回路１０の入力電流であってもよい。

以下動作を説明する。推定内気温度算出部８１ｂでは、第１の温度センサ７で検出された温度Ｔ_ＭＡと第２の温度センサ６で検出された温度Ｔ_ＣＡと熱抵抗係数テーブル８１ａに格納された熱抵抗係数αとを用いて半導体電力変換器内の推定内気温度Ｔ_Ａが算出される。

モニタ出力情報生成部８２ａでは推定内気温度Ｔ_Ａの値に対応したモニタ出力情報が生成され、生成されたモニタ出力情報は図示しない表示装置に出力される。これにより表示装置には推定内気温度Ｔ_Ａの値が表示され、ユーザは表示装置を介して半導体電力変換器の状態を把握することができる。

冷却ファン制御情報生成部８２ｂでは推定内気温度Ｔ_Ａの値に対応した制御情報が生成され、生成された制御情報は冷却ファン２に出力される。前述した従来技術では、内気温度が冷却ファンの動作を開始させる設定温度に達しているにも係わらず、放熱フィンに設けられた温度センサで検出される温度が前記の設定温度に比べて低いために冷却ファンが動作しない場合がある。本実施の形態に係る冷却ファン制御情報生成部８２ｂによれば冷却ファンの適切な動作が行われ、電子部品の寿命低下と特性劣化とを抑制することができる。また前述した従来技術では、内気温度が冷却ファンの動作を開始させる設定温度に達していないにも係わらず、放熱フィンに設けられた温度センサで検出される温度が前記の設定温度に比べて高いために冷却ファンが動作する場合がある。本実施の形態に係る冷却ファン制御情報生成部８２ｂによれば冷却ファンの不要な動作が防止され、冷却ファンの駆動による消費電力の増加と冷却ファンの寿命の低下とを抑制することができる。

異常報知部８２ｃで異常報知情報が生成される状況は放熱フィンに目詰まりが生じて放熱フィンで吸熱された熱が放熱され難い状態にある場合が想定される。異常報知部８２ｃから出力された異常報知情報は例えば図１に示す制御回路１１に出力され、異常報知情報を受信した制御回路１１では誘導電動機３０へ供給される電力を停止または抑制するための制御信号が生成される。これにより半導体電力変換器１００を構成する電子部品の故障が防止され、また電子部品の寿命低下と特性劣化とが抑制される。また異常報知部８２ｃで生成された異常報知情報が図示しない表示装置に出力される構成とすることで、ユーザは半導体電力変換器の異常を把握することができる。

なお図２および図４に示す内気温度推定回路８は制御回路基板４に配置されているが、内気温度推定回路８の配置場所は図示例に限定されるものではなく、内気温度推定回路８は、制御回路基板４以外の場所、例えば主回路基板５に配置してもよい。また図４に示す内気温度推定回路８の機能である内気温度推定部８１と情報生成部８２とは例えば制御回路１１に組み込んでもよい。また図４に示す情報生成部８２の構成は図示例に限定されるものではなく、モニタ出力情報生成部８２ａと冷却ファン制御情報生成部８２ｂと異常報知部８２ｃとの何れか１つを備えた構成としてもよい。また図２に示す第１の温度センサ７および第２の温度センサ６は、サーミスタ、測温抵抗体、または熱電対といった温度計測手段であればよく、その種類は限定されるものではない。

また図２に示す半導体電力変換器１００の構成は図示例に限定されるものではない。例えば制御回路基板４と主回路基板５の位置は図示例に限定されるものではなく、筐体の側面と平行に制御回路基板４または主回路基板５を配置してもよいし、筐体の下側に制御回路基板４と主回路基板５とを隣接して配置しても内気温度を推定することが可能である。ただし、制御回路基板４と主回路基板５とを近づけるほど図３に示す第１の温度センサ７で検出された温度Ｔ_ＭＡと第２の温度センサ６で検出された温度Ｔ_ＣＡと温度差が小さくなり、推定内気温度の演算精度が低下する。そのため制御回路基板４と主回路基板５とは、図２に示すように筐体１の上面と筐体１の下側とに分けて配置し、または筐体１の側面に分けて配置することが望ましい。

また放熱フィン３の位置は図示例に限定されるものではなく、放熱フィン３は主回路１０と熱的に接続されていればよい。また図２に示す半導体電力変換器１００では放熱フィン３と冷却ファン２とが用いられているが、主回路１０を筐体１と熱的に接続することで主回路１０の熱を筐体１で放熱することができればよく、放熱フィン３と冷却ファン２との何れか一方を省き、または放熱フィン３と冷却ファン２との双方を省く構成としてもよい。また図１に示す半導体電力変換器１００は図示例に限定されるものではなく、直流電源から直流電力を任意の周波数および任意の値の交流電力に変換して負荷へ出力する電力変換器であってもよいし、直流電源から直流電力を任意の値の直流電力に変換して負荷へ出力する電力変換器であってもよい。また半導体電力変換器１００の負荷は誘導電動機３０に限定されるものではない。

以上に説明したように本実施の形態に係る半導体電力変換器１００は、半導体電力変換器の筐体内に設置され、電源から供給された電力を変換し負荷に供給する主回路と第１の温度センサとが配置された主回路基板と、前記筐体内に設置され、前記主回路を制御する制御回路と第２の温度センサとが配置された制御回路基板と、前記第１の温度センサで検出された温度と前記第２の温度センサで検出された温度とを用いて前記半導体電力変換器内の内気温度を推定する内気温度推定回路とを備える。この構成により半導体電力変換器１００内の内気温度を精度よく推定することができ、推定した内気温度を用いて各種制御を行なうことが可能となり、品質の向上を図ることができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、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、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１筐体、２冷却ファン、３放熱フィン、３ａ機内側面、４制御回路基板、５主回路基板、６第２の温度センサ、７第１の温度センサ、８内気温度推定回路、１０主回路、１０ａコンバータ回路、１０ｂインバータ回路、１１制御回路、２０交流電源、３０誘導電動機、８１内気温度推定部、８１ａ熱抵抗係数テーブル、８１ｂ推定内気温度算出部、８２情報生成部、８２ａモニタ出力情報生成部、８２ｂ冷却ファン制御情報生成部、８２ｃ異常報知部、８２ｃ１理論内気温度算出部、８２ｃ２異常報知情報生成部、１００半導体電力変換器。

Claims

筐体内に設置され、電源から供給された電力を変換し負荷に供給する主回路と第１の温度センサとが配置された主回路基板と、
前記筐体内に設置され、前記主回路を制御する制御回路と第２の温度センサとが配置された制御回路基板と、
前記第１の温度センサで検出された温度と前記第２の温度センサで検出された温度とを用いて前記半導体電力変換器内の内気温度を推定する内気温度推定回路とを備えることを特徴とする半導体電力変換器。
前記内気温度推定回路は、推定した前記内気温度の値に対応したモニタ出力情報を生成するモニタ出力情報生成部を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体電力変換器。
前記筐体内に設置された冷却ファンを備え、
前記内気温度推定回路は、推定した前記内気温度の値に対応した前記冷却ファンの制御情報を生成する冷却ファン制御情報生成部を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体電力変換器。
前記内気温度推定回路は、前記半導体電力変換器の動作状態情報に基づいて理論内気温度を算出する理論内気温度算出部と、推定した前記内気温度と前記理論内気温度とを比較し、推定した前記内気温度が前記理論内気温度を超えた場合、前記半導体電力変換器に異常が発生していることを示す異常報知情報を生成する異常報知情報生成部と、を有することを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の半導体電力変換器。
前記異常報知情報生成部で生成された異常報知情報は表示装置に出力されることを特徴とする請求項４に記載の半導体電力変換器。
前記主回路基板と前記制御回路基板とは、前記筐体の上下面または前記筐体の側面に各々が対向する形で配置されることを特徴とする請求項１から請求項５の何れか一項に記載の半導体電力変換器。
前記内気温度推定回路は、前記第１の温度センサで検出された温度と前記第２の温度センサで検出された温度とを入力とし、前記モニタ出力情報を出力とすることを特徴とする請求項２に記載の半導体電力変換器。
前記内気温度推定回路は、前記第１の温度センサで検出された温度と前記第２の温度センサで検出された温度とを入力とし、前記冷却ファンの制御情報を出力とすることを特徴とする請求項３に記載の半導体電力変換器。
前記内気温度推定回路は、前記第１の温度センサで検出された温度と前記第２の温度センサで検出された温度とを入力とし、前記異常報知情報を出力とすることを特徴とする請求項４に記載の半導体電力変換器。