JP6266081B2 - インバータスイッチング素子の温度推定のためのパラメータ決定装置 - Google Patents

Description

本発明は、インバータスイッチング素子の温度推定のためのパラメータ決定装置に関する。

一般に、汎用インバータは、整流部、ＤＣリンクキャパシタ及びインバータ部で構成され、インバータ部は、電力半導体モジュールで構成される。このような電力半導体モジュールは、インバータが動作する間、電流をオンまたはオフすることとなり、これに伴って熱が発生する。

一定温度以上に温度が上昇すると、電力半導体モジュールを構成するスイッチング素子が破壊されるので、温度の上昇は、電力半導体モジュールを選定するのに主要な考慮対象である。

図１は、一般的に電力半導体モジュールの構成を説明するための断面図である。

印刷回路基板（ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｏａｒｄ、ＰＣＢ）１００上に電力半導体モジュール２００が配置され、その下部に電力半導体モジュール２００から発生する熱を放出するヒートシンク（ｈｅａｔｓｉｎｋ）３００が配置される。電力半導体モジュール２００の内部には、内部基板２１０の上部にチップ状の複数のスイッチング素子２２０が配置される。スイッチング素子２２０は、例えば、絶縁ゲート両極性トランジスタ（ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｇａｔｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、ＩＧＢＴ）である。

このように構成される電力半導体モジュール２００において、最も高い温度の発熱点は、スイッチング素子２２０の内部のジャンクション（ｊｕｎｃｔｉｏｎ）（Ａ）であるが、モジュール２００の内部であるので、温度を直接測定することができない。従って、スイッチング素子２２０のジャンクションの温度を間接的に推定し、これにマージンを足してジャンクションの温度上昇を保護する。

ジャンクションの温度を間接的に推定する方法は、温度測定が可能な一箇所（例えば、図１のＢ）の温度を基準に損失を計算する。そして、その損失と温度を測定した箇所とスイッチング素子２２０のジャンクションの間の熱抵抗を利用して温度差を計算し、ジャンクション温度を推定するのである。この過程で損失を計算するとき、スイッチング素子２２０固有のパラメータが利用されるが、各メーカーは、このパラメータを実験的に提供する。即ち、温度変化によって変わるパラメータを利用して特定条件でのパラメータを利用して損失を推定することとなる。

スイッチング素子のジャンクションの温度推定のためにスイッチング素子２２０の損失を計算する過程は、下記のとおりである。スイッチング素子２２０がＩＧＢＴである場合について説明する。

即ち、スイッチング素子２２０の導通損失（ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ｌｏｓｓ）、スイッチング損失（ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｌｏｓｓ）及びＩＧＢＴの逆並列ダイオードの導通損失及びスイッチング損失の和と、メーカーから提供する熱抵抗を乗じて温度差を計算した後、測定した基準温度から温度差を足してＩＧＢＴジャンクション温度を推定するのである。このとき、用いられる数式は、下記のとおりである。

上記数１及び数２において、Ｖ_CEO、Ｒ_CE、Ｅ_on、Ｅ_off等は、メーカーから提供されるモジュール２００のパラメータである。このとき、導通損失（Ｐ_{C_IGBT}）を計算する数式１に用いられるパラメータである初期コレクタ−エミッタ電圧（Ｖ_CEO）とコレクタ−エミッタ抵抗（Ｒ_CE）は、図２のようにメーカーから提供されるグラフから決定することができる。

図２は、メーカーから提供される温度によるＩＧＢＴ特性グラフであり、図３は、図２においてパラメータを決定する過程を説明するための例示図である。

導通損失に用いられるパラメータは、非線形的であるので、図２から条件に該当する値をグラフから見つけるか、または図３のように線形化して一次関数をなす傾き（抵抗）とｘ切片（Ｖ_CEO）を求め、これよりパラメータを見つけるのである。

図２のように、損失計算に利用されるパラメータは、温度によって変わることが分かる。従って、メーカーでは、３つの温度（２５℃、１２５℃、１５０℃）を基準にパラメータを提供する。直接グラフからパラメータを見つける場合は、温度によって適切な箇所を見つけて決定できるが、プロセッサを通して進行する場合は、適切な値を見つけるためにパラメータについての情報を全て持っていなければならない。

または、図３を利用する場合にも、適切な温度に対するグラフを構成するために必要なパラメータを全てメモリに格納しなければならず、該当温度に適切なパラメータを通して一次線形化する数式もまた格納しなければならない。
従って、温度変化性を勘案するためにメモリに格納すべきデータが多くなり、演算過程が複雑になる問題点がある。

本発明が解決しようとする技術的課題は、温度変化によるパラメータ変動を数式化することにより、メモリに格納するデータを減少させ、演算過程を簡略化する、インバータスイッチング素子の温度推定のためのパラメータ決定装置を提供することである。

上記のような技術的課題を解決するために、本発明の一実施例のパラメータ決定装置は、少なくとも一つ以上のスイッチング素子で構成される電力半導体モジュールを含むインバータ部；及び任意の温度での前記スイッチング素子のコレクタ−エミッタ電圧を線形化し、前記スイッチング素子の初期コレクタ−エミッタ電圧及びコレクタ−エミッタ抵抗を決定する制御部を含むことができる。

本発明の一実施例において、前記制御部は、基準電流領域で第１電流及び第２電流と規定される電流の領域を決定し、所定の第１及び第２温度それぞれにおいて、第１電流及び第２電流に対する前記スイッチング素子のコレクタ−エミッタ電圧（第１電圧及び第２電圧）を利用して、第１及び第２電流での任意の温度での前記スイッチング素子のコレクタ−エミッタ電圧（第３及び第４電圧）を決定し、これより任意の温度での前記スイッチング素子のコレクタ−エミッタ電圧を線形化することができる。

本発明の一実施例において、前記制御部は、第１電流において、第２温度と第１温度の差に対する任意の温度と第１温度の差に対する比率が、第２電圧と第１電圧の差に対する第３電圧と第１電圧の差の比率と同一であることを利用して第３電圧を決定することができる。

本発明の一実施例において、前記制御部は、第２電流において、第２温度と第１温度の差に対する任意の温度と第１温度の差に対する比率が、第２電圧と第１電圧の差に対する第４電圧と第１電圧の差の比率と同一であることを利用して第４電圧を決定することができる。

本発明の一実施例において、前記制御部は、（第１電流、第３電圧）及び（第２電流、第４電圧）を利用して線形化することができる。

また、上記のような技術的課題を解決するために、本発明の一実施例の少なくとも一つ以上のスイッチング素子で構成される電力半導体モジュールを含むインバータにおいて、前記スイッチング素子の温度推定のためのパラメータを決定する本発明の方法は、任意の温度での前記スイッチング素子のコレクタ−エミッタ電圧を線形化するステップ；及び前記スイッチング素子の初期コレクタ−エミッタ電圧及びコレクタ−エミッタ抵抗を決定するステップを含むことができる。

本発明の一実施例において、前記線形化するステップは、基準電流領域で第１電流及び第２電流と規定される電流の領域を決定するステップ；所定の第１及び第２温度それぞれにおいて、第１電流及び第２電流に対する前記スイッチング素子のコレクタ−エミッタ電圧（第１電圧及び第２電圧）を利用して、第１及び第２電流での任意の温度での前記スイッチング素子のコレクタ−エミッタ電圧（第３及び第４電圧）を決定するステップ；及びこれより任意の温度での前記スイッチング素子のコレクタ−エミッタ電圧を線形化するステップを含むことができる。

本発明の一実施例において、前記第３電圧は、第１電流において、第２温度と第１温度の差に対する任意の温度と第１温度の差に対する比率が、第２電圧と第１電圧の差に対する第３電圧と第１電圧の差の比率と同一であることを利用して決定され得る。

本発明の一実施例において、前記第４電圧は、第２電流において、第２温度と第１温度の差に対する任意の温度と第１温度の差に対する比率が、第２電圧と第１電圧の差に対する第４電圧と第１電圧の差の比率と同一であることを利用して決定され得る。

上記のような本発明は、パラメータをメモリに格納して適切なＶ_CEを見つけるか、またはＶ_CEを探索するために複雑な演算をする必要なく、温度によるパラメータの変化を線形性を利用して数式で簡略化することにより、メモリ格納容量を減少させ、プログラムの大きさを簡素化する効果がある。

また、本発明は、温度の変化によるパラメータ変動を一次関数で数式化して適用することにより、簡単な数式を利用して温度による変動が補正されたパラメータを求めるようにする効果がある。

一般的に電力半導体モジュールの構成を説明するための断面図である。 メーカーから提供される温度によるＩＧＢＴ特性グラフである。 図２においてパラメータを決定する過程を説明するための例示図である。 本発明の一実施例のインバータスイッチング素子の温度推定のためのパラメータ決定装置の構成図である。 メーカーから提供される温度によるＩＧＢＴ特性グラフである。 図５において本発明の一実施例においてパラメータを推定するための過程を説明するための一例示図である。 本発明の一実施例においてインバータスイッチング素子の温度推定のためのパラメータを決定する過程を説明するための一実施例のフローチャートである。

本発明は、多様な変更を加えることができ、様々な実施例を有することができるが、特定の実施例を図面に例示し、詳細な説明に詳述する。しかし、これは、本発明を特定の実施形態に限定しようとするものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更、均等物乃至代替物を含むものと理解されるべきである。

以下、添付の図面を参照して、本発明に係る好ましい一実施例を詳細に説明する。

図４は、本発明の一実施例のインバータスイッチング素子の温度推定のためのパラメータ決定装置の構成図である。図５は、メーカーから提供される温度によるＩＧＢＴ特性グラフである。そして、図６は、図５において本発明の一実施例においてパラメータを推定するための過程を説明するための一例示図である。

本発明の一実施例の決定装置は、整流部１０、平滑部及びインバータ部３０で構成されるインバータにおいて、インバータ部３０を構成するスイッチング素子のジャンクション温度推定のためのものとして、制御部４０を含むことができる。

インバータ部３０は、図１において説明したように、電力半導体モジュールを含んで構成され、電力半導体モジュールは、複数のスイッチング素子が配置されて構成され得る。本発明の一実施例において、スイッチング素子は、ＩＧＢＴのものを例に挙げて説明するが、本発明は、これに限定されるものではなく、様々な半導体スイッチング素子がインバータの構成によって用いられ得ることは、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者にとって自明であるといえる。

制御部４０は、例えば、インバータの内部に提供されるマイクロ制御装置（ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｕｎｉｔ、ＭＣＵ）であってよく、メーカーから提供されるパラメータから、実際の温度でのパラメータを下記過程を通して求めることができる。

本発明の一実施例の制御部４０は、図５のように、メーカーから提供されるパラメータで、基準となる電流を選定することができる。このとき、選定される電流領域は、インバータ部３０の定格電流によって変わることがあり、本発明の一実施例においては、Ｉ_A及びＩ_Bにより規定される領域と定義する。

インバータ部３０に適用される電流範囲がＩ_A及びＩ_Bの間の領域であり、このとき、線形的であると仮定すると、図６のように一次関数の形態で表すことができる。

図５のメーカーから提供されるグラフは、制限された温度に対するパラメータを提供し、例えば、２５℃、１２５℃、１５０℃を提供している。ここで、二つの温度（本発明の一実施例においては、２５℃及び１５０℃）に対して線形的近似化した結果を図６に示した。

図５及び図６において、黒色実線は、２５℃で電流変化によるＶ_CEを示したものであり、第１点線は、１５０℃で電流変化によるＶ_CEを示したものであり、第２点線は、２５℃で電流変化によるＶ_CEを線形化したものであり、第３点線は、１５０℃で電流変化によるＶ_CEを線形化したものであり、第４点線は、任意の温度Ｔ_Kで電流変化によるＶ_CEを線形化したものを示したものである。

各温度に該当するパラメータの結果と線形的近似化の結果は、電流が非常に少ない時を除くと、ほぼ類似するように示されることが図５を参照して確認できる。本発明の一実施例においては、図５及び図６のように、温度変化によってパラメータ変化の発生を一次線形的であると仮定した。

基準電流Ｉ_CがＩ_A及びＩ_Bである場合、２５℃及び１５０℃に該当するＶ_CEをそれぞれＶ_{CE_A25}、Ｖ_{CE_A150}、Ｖ_{CE_B25}、Ｖ_{CE_B150}とし、特定温度でのＶ_CEをＶ_{CE_ATK}、Ｖ_{CE_BTK}とすると、図５に示されたように、Ｖ_CEは、基準電流に対する交差点である。図５及び図６において、Ｖ_{CE_BTK}は、パラメータの変化が温度に対して線形的であると仮定した場合、下記数式のように計算することができる。

類似するように、電流Ｉ_AでもＴ_Kであるとき、Ｖ_CEは、下記のように求めることができる。

温度Ｔ_Kで基準電流Ｉ_A及びＩ_BでのＶ_CEは、Ｖ_{CE_ATK}、Ｖ_{CE_BTK}であり、この二つの点を結ぶ直線がＴ_Kで電流によるＶ_CEを示す一次関数であるので、図５及び図６において第４点線グラフとなることが分かる。従って、（Ｉ_A，Ｖ_{CE_ATK}）及び（Ｉ_B，Ｖ_{CE_BTK}）の二つの点から線型方程式を求めると、下記のように示すことができる。

上記数５において、Ｉ_Cは、インバータ部３０に実際に流れる電流の大きさである。即ち、上記数５から、温度Ｔ_Kであるとき、電流Ｉ_Cが流れる場合のＶ_CEを計算することができる。上記式において、Ｒ_{CE_TK}及びＶ_{CE0_TK}は、下記数式のとおりである。

従って、上記数３乃至６を用いると、制御部４０は、パラメータ入力Ｖ_{CE_A25}、Ｖ_{CE_A150}、Ｖ_{CE_B25}、Ｖ_{CE_B150}から、温度Ｔ_Kで電流Ｉ_Cであるとき、Ｖ_CEを決定することができる。

このように、本発明の一実施例によると、パラメータをメモリに格納して適切なＶ_CEを見つけるか、またはＶ_CEを探索するために複雑な演算をする必要なく、温度によるパラメータの変化を線形性を利用して数式で簡略化することにより、メモリ格納容量を減少させ、プログラムの大きさを簡素化することができる。

図７は、本発明の一実施例においてインバータスイッチング素子の温度推定のためのパラメータを決定する過程を説明するための一実施例のフローチャートである。

図７に示されたように、本発明の一実施例の制御部４０は、インバータ部３０の温度測定が可能な一箇所の温度を基準に損失を計算する。そして、その損失と温度を測定した箇所とインバータ部３０のジャンクションの間の熱抵抗を利用して温度差を計算し、ジャンクション温度を推定するために、数１及び数２を用いる。

このとき、任意の温度でのパラメータであるスイッチング素子の初期コレクタ−エミッタ電圧（Ｖ_CEO）、及びスイッチング素子のコレクタ−エミッタ抵抗（Ｒ_CE）を決定するために、インバータ部３０に印加される電流の領域を決定することができる（Ｓ７１）。即ち、メーカーから提供される電流と電圧の関係を示す図５のグラフで電流領域の上限及び下限であるＩ_AとＩ_Bを決定することができる。Ｉ_AとＩ_Bは、インバータの定格電圧と関連して決定され得る。

これにより、制御部４０は、Ｉ_A及びＩ_Bにおいて、それぞれメーカーが提供するグラフで決定可能な温度（例えば、２５℃及び１５０℃）でのＶ_CEであるＶ_{CE_A25}、Ｖ_{CE_A150}、Ｖ_{CE_B25}、Ｖ_{CE_B150}をそれぞれ確認することができる（Ｓ７２）。

以後、任意の温度Ｔ_Kで電流Ｉ_A及びＩ_Bに該当する交差点Ｖ_{CE_ATK}及びＶ_{CE_BTK}を数３及び数４を用いて決定し（Ｓ７３）、（Ｉ_A，Ｖ_{CE_ATK}）及び（Ｉ_B，Ｖ_{CE_BTK}）の二つの点から、任意の温度Ｔ_KでＶ_CEに該当する線型方程式を数５のように求めることができる（Ｓ７４）。

以後、制御部４０は、数６を用いて、任意の温度Ｔ_Kでインバータ部３０のスイッチング素子のジャンクション温度推定のためのパラメータＲ_{CE_TK}及びＶ_{CE0_TK}を決定することができる（Ｓ７５）。

従って、制御部４０により決定されたパラメータＲ_{CE_TK}及びＶ_{CE0_TK}を利用して、数１の導通損失を求めることができるだろう（図示しない）。

このように決定された導通損失と、別途のパラメータを利用して決定されるスイッチング損失の和と、メーカーから提供される熱抵抗の積を通して、スイッチング素子のジャンクションとインバータ部３０の電力半導体モジュールの温度測定が可能な箇所との温度差を求め、測定した基準温度から温度差を足してスイッチング素子のジャンクションの温度を推定することができる。

本発明によると、温度の変化によるパラメータ変動を一次関数で数式化して適用することにより、簡単な数式を用いて温度による変動が補正されたパラメータを求めることができる。

以上において、本発明に係る実施例が説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当該分野における通常の知識を有する者であれば、これより様々な変形及び均等な範囲の実施例が可能であるという点が理解できるだろう。従って、本発明の正しい技術的保護範囲は、下記の特許請求の範囲によって定められるべきである。

１０：整流部
２０：平滑部
３０：インバータ部
４０：制御部

Claims (9)

1. 少なくとも一つ以上のスイッチング素子で構成される電力半導体モジュールを含むインバータ部；及び
   任意の温度Ｔ _K での前記スイッチング素子のコレクタ−エミッタ電圧を線形化し、前記スイッチング素子の初期コレクタ−エミッタ電圧及びコレクタ−エミッタ抵抗を決定する制御部を含み、
   スイッチング素子の初期コレクタ−エミッタ電圧（Ｖ _CEO ）およびコレクタ−エミッタ抵抗（Ｒ _CE ）を定めるために、前記制御部が、基準電流領域で第１電流Ｉ _A 及び第２電流Ｉ _B と規定される電流の領域を決定し、
   前記制御部が、下記の数式３および数式４を用いて、任意の温度Ｔ _K における前記第１電流Ｉ _A 及び前記第２電流Ｉ _B に該当する交差点Ｖ _{CE_ATK} 及びＶ _{CE_BTK} を決定し、
   ［数式３］
   
   ［数式４］
   前記制御部が、任意の温度Ｔ _K でのＶ _CE に該当する線型方程式を、（Ｉ _A ，Ｖ _{CE_ATK} ）及び（Ｉ _B ，Ｖ _{CE_BTK} ）の二つの点から下記の数式５を用いて計算し、ここでＩ _c は任意の温度Ｔ _K で前記インバータ部に流れる電流の大きさであり、
   ［数式５］
   Ｒ _{CE_TK} 及びＶ _{CE0_TK} は、下記数式６のとおりである
   ［数式６］
   
   ことを特徴とする、パラメータ決定装置。
2. 前記制御部は、
   所定の第１及び第２温度それぞれにおいて、第１電流Ｉ _A 及び第２電流Ｉ _B に対する前記スイッチング素子のコレクタ−エミッタ電圧（第１電圧及び第２電圧）を利用して、第１電流Ｉ _A 及び第２電流Ｉ _B での任意の温度Ｔ _K での前記スイッチング素子のコレクタ−エミッタ電圧（第３及び第４電圧）を決定し、
   これより任意の温度Ｔ _K での前記スイッチング素子のコレクタ−エミッタ電圧を線形化することを特徴とする、請求項１に記載のパラメータ決定装置。
3. 前記制御部は、
   第１電流Ｉ _A において、第２温度と第１温度の差に対する任意の温度Ｔ _K と第１温度の差に対する比率が、第２電圧と第１電圧の差に対する第３電圧と第１電圧の差の比率と同一であることを利用して第３電圧を決定する、請求項２に記載のパラメータ決定装置。
4. 前記制御部は、
   第２電流Ｉ _B において、第２温度と第１温度の差に対する任意の温度Ｔ _K と第１温度の差に対する比率が、第２電圧と第１電圧の差に対する第４電圧と第１電圧の差の比率と同一であることを利用して第４電圧を決定する、請求項２に記載のパラメータ決定装置。
5. 前記制御部は、
   （第１電流Ｉ _A 、第３電圧）及び（第２電流Ｉ _B 、第４電圧）を利用して線形化する、請求項４に記載のパラメータ決定装置。
6. 少なくとも一つ以上のスイッチング素子で構成される電力半導体モジュールを含むインバータにおいて、前記スイッチング素子の温度推定のためのパラメータを決定する方法において、
   任意の温度Ｔ _K での前記スイッチング素子のコレクタ−エミッタ電圧を線形化するステップ；及び
   前記スイッチング素子の初期コレクタ−エミッタ電圧及びコレクタ−エミッタ抵抗を決定するステップを含み、
   前記線形化するステップが、
   基準電流領域で第１電流Ｉ _A 及び第２電流Ｉ _B と規定される電流の領域を決定して、スイッチング素子の初期コレクタ−エミッタ電圧（Ｖ _CEO ）およびコレクタ−エミッタ抵抗（Ｒ _CE ）を定めるステップと、
   下記の数式３および数式４を用いて、任意の温度Ｔ _K における前記第１電流Ｉ _A 及び前記第２電流Ｉ _B に該当する交差点Ｖ _{CE_ATK} 及びＶ _{CE_BTK} を決定するステップと、
   ［数式３］
   
   ［数式４］
   下記の数式５を用いて、任意の温度Ｔ _K でのＶ _CE に該当する線型方程式を、（Ｉ _A ，Ｖ _{CE_ATK} ）及び（Ｉ _B ，Ｖ _{CE_BTK} ）の二つの点から計算するステップと
   ［数式５］
   を含み、
   ここでＩ _c は任意の温度Ｔ _K で前記インバータに流れる電流の大きさであり、Ｒ _{CE_TK} 及びＶ _{CE0_TK} は、下記数式６のとおりである
   ［数式６］
   
   ことを特徴とする、パラメータ決定方法。
7. 前記線形化するステップは、
   所定の第１及び第２温度それぞれにおいて、第１電流Ｉ _A 及び第２電流Ｉ _B に対する前記スイッチング素子のコレクタ−エミッタ電圧（第１電圧及び第２電圧）を利用して、第１電流Ｉ _A 及び第２電流Ｉ _B での任意の温度Ｔ _K での前記スイッチング素子のコレクタ−エミッタ電圧（第３及び第４電圧）を決定するステップ；及び
   これより任意の温度Ｔ _K での前記スイッチング素子のコレクタ−エミッタ電圧を線形化するステップを含む、請求項６に記載のパラメータ決定方法。
8. 前記第３電圧は、
   第１電流Ｉ _A において、第２温度と第１温度の差に対する任意の温度Ｔ _K と第１温度の差に対する比率が、第２電圧と第１電圧の差に対する第３電圧と第１電圧の差の比率と同一であることを利用して決定される、請求項７に記載のパラメータ決定方法。
9. 前記第４電圧は、
   第２電流Ｉ _B において、第２温度と第１温度の差に対する任意の温度Ｔ _K と第１温度の差に対する比率が、第２電圧と第１電圧の差に対する第４電圧と第１電圧の差の比率と同一であることを利用して決定される、請求項７に記載のパラメータ決定方法。