JP6277114B2 - Power converter - Google Patents

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Description

本発明は、パワーモジュール及びそれを用いた電力変換装置に関し、特に車両に用いられるパワーモジュール及びそれを用いた電力変換装置に関する。   The present invention relates to a power module and a power converter using the same, and more particularly to a power module used in a vehicle and a power converter using the same.

電気自動車やハイブリッド自動車には電力変換装置が用いられており、これは熱交換器などを用いて冷却され、電力変換装置に搭載されるパワーモジュール内のパワー半導体素子、例えば、IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor: 絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)、ダイオードは過温度に対する保護機能が必要である。温度保護制御の実施には、パワー半導体素子に近接して配置された温度検出素子で観測される温度、電力変換装置の駆動条件(出力電流、直流電圧、スイッチング周波数等)を用いて算出する損失に基づき過温度保護若しくは出力制限が行われる。   A power conversion device is used in an electric vehicle or a hybrid vehicle, which is cooled by using a heat exchanger or the like, and is a power semiconductor element in a power module mounted on the power conversion device, for example, IGBT (Insulated Gate Bipolar). Transistors (insulated gate bipolar transistors), diodes must be protected against overtemperature. For the temperature protection control, the loss calculated using the temperature observed by the temperature detection element placed close to the power semiconductor element and the driving conditions of the power converter (output current, DC voltage, switching frequency, etc.) Based on the above, overtemperature protection or output limitation is performed.

特許第5378293号公報Japanese Patent No. 5378293 2007−215250号公報2007-215250 gazette

パワー半導体素子近傍に温度検出素子が配置される従来のパワーモジュールでは、温度検出素子で観測される温度とパワー半導体素子のジャンクション温度には差異があり、温度検出素子の応答遅れも発生する。温度検出素子から遠い位置にあるパワー半導体素子が発熱する条件においては、温度検出素子で観測される温度を温度保護制御に用いるのは適さない。また、電力変換装置の冷却条件の変動、例えば、冷却冷媒の温度が高く、流量が少ない様な状況において、温度保護制御の設定値によっては、温度保護動作としての電流出力制限が過度に作用し電力変換装置の性能が低下したり、電流出力制限が不十分となったりする可能性がある。冷却冷媒の流量及び温度を温度保護制御の入力パラメータとすれば、温度保護制御の性能向上が期待できるが、冷却冷媒流量及び温度を直接検出するための検出手段を新たに追加するには、設置スペースの拡大による電力変換装置の大型化及び部品点数増加に伴うコスト増加を招く問題がある。   In a conventional power module in which a temperature detection element is arranged near the power semiconductor element, there is a difference between the temperature observed by the temperature detection element and the junction temperature of the power semiconductor element, and a response delay of the temperature detection element also occurs. Under the condition that the power semiconductor element located far from the temperature detection element generates heat, it is not suitable to use the temperature observed by the temperature detection element for temperature protection control. In addition, in a situation where the cooling conditions of the power conversion device fluctuate, for example, when the temperature of the cooling refrigerant is high and the flow rate is low, current output limitation as a temperature protection operation may act excessively depending on the set value of temperature protection control. There is a possibility that the performance of the power conversion device is deteriorated or the current output limit is insufficient. If the flow rate and temperature of the cooling refrigerant are used as input parameters for temperature protection control, the performance improvement of the temperature protection control can be expected. To add new detection means for directly detecting the flow rate and temperature of the cooling refrigerant, install it. There is a problem in that the power conversion device is increased in size due to the expansion of space and the cost is increased due to an increase in the number of parts.

上記課題を達成するための本発明に係る電力変換装置は、半導体素子と、前記半導体素子の一方の電極とはんだ材を介して接続させる第1導体板と、前記半導体素子を挟んで前記第1導体板と対向して配置されかつ前記半導体素子の他方の電極とはんだ材を介して接続させる第2導体板と、前記第1導体板の一部と前記第2導体板の一部と前記半導体素子を封止する封止材と、前記封止材を収納しかつ前記半導体素子の放熱経路となるケースと、前記封止材から露出する前記第1導体板と前記ケースとの間に配置されかつ当該第1導体板及び当該ケースの内壁に接触する絶縁部材と、前記ケースの内壁に配置される温度検出素子と、を備えるパワーモジュールを備え、複数のパワーモジュールを備え、冷媒を流す流路を形成し、前記複数のパワーモジュールは、前記冷媒の流れ方向に沿って直列に配置され、前記複数のパワーモジュールのうち、前記冷媒の流れの最も下流に配置されたパワーモジュール及び少なくとも他一つのパワーモジュールは、前記ケースの内壁に前記温度検出素子が配置され、前記温度検出素子で取得する温度に基づき、冷却冷媒流量を推定する冷却冷媒流量推定部を備える
In order to achieve the above object, a power converter according to the present invention includes a semiconductor element, a first conductor plate connected to one electrode of the semiconductor element via a solder material, and the first element sandwiching the semiconductor element. A second conductive plate disposed opposite to the conductive plate and connected to the other electrode of the semiconductor element via a solder material; a part of the first conductive plate; a part of the second conductive plate; and the semiconductor A sealing material for sealing the element; a case for housing the sealing material and serving as a heat dissipation path for the semiconductor element; and the first conductor plate exposed from the sealing material and the case. And a power module including an insulating member that contacts the first conductor plate and the inner wall of the case, and a temperature detection element disposed on the inner wall of the case, and includes a plurality of power modules and a flow path for flowing a refrigerant. Forming the plurality of pads. A module is arranged in series along the flow direction of the refrigerant, and among the plurality of power modules, the power module arranged at the most downstream side of the flow of the refrigerant and at least one other power module are an inner wall of the case The temperature detection element is disposed at a position, and a cooling refrigerant flow rate estimation unit that estimates a cooling refrigerant flow rate based on a temperature acquired by the temperature detection element is provided .

また、本発明に係る電力変換装置は、さらに前記温度検出素子で取得する温度に基づき、前記流路の出口配管部の冷媒温度を算出することを特徴としても良い。また、本発明に係る電力変換装置は、さらに前記電力変換装置の駆動条件に基づき、前記パワーモジュールの損失を計算する損失計算部を備えても良い。また、本発明に係る電力変換装置は、さらに前記半導体素子のジャンクション温度が許容値を超えないように、前記電力変換装置の出力電流を制限し前記半導体素子を過温度から保護するようにしても良い。
The power conversion device according to the present invention may further calculate the refrigerant temperature of the outlet pipe portion of the flow path based on the temperature acquired by the temperature detection element. The power conversion device according to the present invention may further include a loss calculation unit that calculates a loss of the power module based on a driving condition of the power conversion device. Further, the power conversion device according to the present invention further limits the output current of the power conversion device and protects the semiconductor element from over temperature so that the junction temperature of the semiconductor element does not exceed an allowable value. good.

本発明により、力変換装置におけるパワー半導体素子を過温度による熱破壊から保護する制御機能の性能向上を低コストで実現することができる。 The present invention, to improve the performance of a control function to protect the power semiconductor elements in the power conversion device from thermal damage due to excessive temperatures can be realized at low cost.

本実施形態による電力変換装置を実装した車両システム図である。It is a vehicle system figure which mounted the power converter by this embodiment. 本実施形態による電力変換装置の電力変換回路である。It is a power converter circuit of the power converter by this embodiment. パワーモジュール300の外観斜視図である。2 is an external perspective view of a power module 300. FIG. 図3(a)の平面Bの矢印方向から見た断面図である。It is sectional drawing seen from the arrow direction of the plane B of Fig.3 (a). フィルム型サーミスタ335の配置を分かり易くするために簡略化され、図3(a)の平面Cの矢印方向から見た断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view that is simplified for easy understanding of the arrangement of the film type thermistor 335 and is viewed from the direction of the arrow on the plane C in FIG. フィルム型サーミスタ335の外形を示す。The external shape of the film type thermistor 335 is shown. 従来型パワーモジュール300のモールド型サーミスタ336の搭載位置を示すThe mounting position of the mold type thermistor 336 of the conventional power module 300 is shown. モールド型サーミスタ336外形を示す。The external appearance of the mold type thermistor 336 is shown. パワーモジュール300を冷却するための冷媒を流すための流路模式図である。FIG. 4 is a schematic view of a flow path for flowing a refrigerant for cooling the power module 300. 本実施形態による電力変換装置の冷却冷媒流路位置における冷却冷媒温度を示す。The cooling refrigerant temperature in the cooling refrigerant channel position of the power converter by this embodiment is shown. パワー半導体素子近傍に配置されるモールド型サーミスタで検出される温度と出力制限電流の関係を示す。The relationship between the temperature detected by the mold type thermistor arranged in the vicinity of the power semiconductor element and the output limiting current is shown. 電流制限条件を決定した際の駆動条件における過渡時の波形である。It is a waveform at the time of the transition in the drive condition at the time of determining current limiting conditions. 過渡状態においてもパワー半導体素子のジャンクション温度が連続動作許容温度を超えないように出力制限を開始する温度を調整した時の波形である。It is a waveform when the temperature at which the output restriction is started is adjusted so that the junction temperature of the power semiconductor element does not exceed the allowable continuous operation temperature even in the transient state. 制限条件を決定した際の駆動条件において、冷却冷媒流量が低減した場合の波形である。It is a waveform when the coolant flow rate is reduced under the driving conditions when the limiting conditions are determined. 本実施形態による電力変換装置の両面冷却型パワーモジュール内のフィルム型サーミスタで検出できる冷却冷媒温度を示す。The cooling refrigerant temperature which can be detected with the film type thermistor in the double-sided cooling type power module of the power converter by this embodiment is shown. 本実施形態による電力変換装置に実装する温度保護制御の制御ブロック図を示す。The control block diagram of the temperature protection control mounted in the power converter device by this embodiment is shown. 本実施形態による電力変換装置に実装する温度保護制御の出口配管部冷却冷媒温度と出力制限電流の関係を示す。The relationship of the outlet piping part cooling refrigerant | coolant temperature of the temperature protection control mounted in the power converter device by this embodiment and an output limiting current is shown. 電流制限条件を決定した際の駆動条件における過渡時の波形である。It is a waveform at the time of the transition in the drive condition at the time of determining a current limiting condition. 過渡状態においてもパワー半導体素子のジャンクション温度が連続動作許容温度を超えないように出力制限を開始する温度を調整した時の波形である。It is a waveform when the temperature at which the output restriction is started is adjusted so that the junction temperature of the power semiconductor element does not exceed the allowable continuous operation temperature even in the transient state. 制限条件を決定した際の駆動条件において、冷却冷媒流量が低減した場合の波形である。It is a waveform when the coolant flow rate is reduced under the driving conditions when the limiting conditions are determined.

以下の説明に示された番号は、各図面に示された番号と対応する。 The numbers shown in the following description correspond to the numbers shown in each drawing.

本発明の実施形態に係るパワーモジュールは両面冷却型構造を有し、これを用いた電力変換装置について、図面を参照しながら以下詳細に説明する。   A power module according to an embodiment of the present invention has a double-sided cooling structure, and a power conversion device using the same will be described in detail below with reference to the drawings.

本発明の実施形態に係る電力変換装置200は、ハイブリッド用の自動車や純粋な電気自動車に適用可能である。ここでは、代表例として、本発明の実施形態に係る電力変換装置を電気自動車に適用した場合の制御構成と電力変換装置の回路構成について、図1と図2を用いて説明する。   The power conversion device 200 according to the embodiment of the present invention can be applied to a hybrid vehicle or a pure electric vehicle. Here, as a representative example, a control configuration and a circuit configuration of the power conversion device when the power conversion device according to the embodiment of the present invention is applied to an electric vehicle will be described with reference to FIGS. 1 and 2.

図1に示すように、本例の電力変換装置200を含む車両は、バッテリ135、電力変換装置200、電動モータ192、減速機4、駆動軸5、車輪6、7、電動モータ192の回転センサ199を備えている。   As shown in FIG. 1, a vehicle including the power conversion device 200 of this example includes a battery 135, a power conversion device 200, an electric motor 192, a speed reducer 4, a drive shaft 5, wheels 6 and 7, and a rotation sensor for the electric motor 192. 199.

バッテリ135は、車両の動力源である。電力変換装置200は、直流電流を交流電流に変換するためのパワー半導体素子を有するパワーモジュールで構成される電力変換回路を有しており半導体素子をオン、オフを切り変えて所望の電流を流すことで電動モータ192の駆動を制御しバッテリ135と電動モータ192の間で直流電力と交流電力の変換を行う。   The battery 135 is a power source for the vehicle. The power conversion apparatus 200 includes a power conversion circuit including a power module having a power semiconductor element for converting a direct current into an alternating current, and switches the semiconductor element on and off to allow a desired current to flow. Thus, the drive of the electric motor 192 is controlled, and the DC power and the AC power are converted between the battery 135 and the electric motor 192.

電動モータ192は、車両の駆動源であり、減速機4および駆動軸5を介し駆動輪に力を伝達する。バッテリ135は、電動モータ192の力行により放電され、電動モータ192の回生により充電される。   The electric motor 192 is a drive source of the vehicle and transmits force to the drive wheels via the speed reducer 4 and the drive shaft 5. The battery 135 is discharged by powering of the electric motor 192 and charged by regeneration of the electric motor 192.

図2を用いて電力変換装置200の回路構成について説明する。電力変換装置200は、電力変換を行うインバータ部140と、直流電流を平滑化するためのコンデンサモジュール500とを備えている。インバータ部140は、直流コネクタ138を介してバッテリ135と電気的に接続される。   The circuit configuration of the power conversion device 200 will be described with reference to FIG. The power conversion device 200 includes an inverter unit 140 that performs power conversion and a capacitor module 500 for smoothing a direct current. Inverter unit 140 is electrically connected to battery 135 via DC connector 138.

インバータ部140は両面冷却構造を有するパワーモジュール300を複数台、この実施例では3個、備えており、このパワーモジュール300を接続することにより3相ブリッジ回路を構成している。電流容量が大きい場合には、更にパワーモジュール300を並列接続し、これら並列接続を3相インバータ回路の各相に対応することにより、電流容量の増大にも対応可能である。   The inverter unit 140 includes a plurality of power modules 300 having a double-sided cooling structure, three in this embodiment, and a three-phase bridge circuit is configured by connecting the power modules 300. When the current capacity is large, the power modules 300 are further connected in parallel, and these parallel connections correspond to the respective phases of the three-phase inverter circuit, so that the current capacity can be increased.

インバータ回路部144は、上アームとして動作するIGBT328(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)及びダイオード136と、下アームとして動作するIGBT330及びダイオード166と、からなる上下アーム直列回路を有するパワーモジュール300を電動モータ192の各相巻線に対応して3相(U相,V相,W相)分を設けている。それぞれの上下アーム直列回路は、その中点部分(中間電極169)から交流端子159及び交流コネクタ188を通して電動モータ192への交流電力線186と接続する。   The inverter circuit unit 144 includes a power module 300 having an upper and lower arm series circuit including an IGBT 328 (insulated gate bipolar transistor) and a diode 136 that operate as an upper arm, and an IGBT 330 and a diode 166 that operate as a lower arm. Three phases (U phase, V phase, W phase) are provided corresponding to each phase winding. Each of the upper and lower arm series circuits is connected to an AC power line 186 to the electric motor 192 through an AC terminal 159 and an AC connector 188 from the middle point portion (intermediate electrode 169).

上アームのIGBT328のコレクタ電極153は正極端子157を介してコンデンサモジュール500の正極側のコンデンサの電極に、下アームのIGBT330のエミッタ電極は負極端子158を介してコンデンサモジュール500の負極側にコンデンサ電極にそれぞれ電気的に接続されている。   The collector electrode 153 of the upper arm IGBT 328 is connected to the positive electrode of the capacitor module 500 via the positive terminal 157, and the emitter electrode of the lower arm IGBT 330 is connected to the negative electrode of the capacitor module 500 via the negative terminal 158. Are electrically connected to each other.

IGBT328は、コレクタ電極153と、信号用エミッタ電極155と、ゲート電極154を備えている。また、IGBT330は、コレクタ電極163と、信号用エミッタ電極165と、ゲート電極164を備えている。ダイオード136が、コレクタ電極153とエミッタ電極との間に電気的に接続されている。また、ダイオード166が、コレクタ電極163とエミッタ電極との間に電気的に接続されている。   The IGBT 328 includes a collector electrode 153, a signal emitter electrode 155, and a gate electrode 154. The IGBT 330 includes a collector electrode 163, a signal emitter electrode 165, and a gate electrode 164. A diode 136 is electrically connected between the collector electrode 153 and the emitter electrode. A diode 166 is electrically connected between the collector electrode 163 and the emitter electrode.

コンデンサモジュール500は、正極側コンデンサ端子506と負極側コンデンサ端子504と直流コネクタ138を介してバッテリ135と電気的に接続されている。なお、インバータ部140は、直流正極端子314を介して正極側コンデンサ端子506と接続され、かつ直流負極端子316を介して負極側コンデンサ端子504と接続される。   The capacitor module 500 is electrically connected to the battery 135 via the positive capacitor terminal 506, the negative capacitor terminal 504, and the DC connector 138. Note that the inverter unit 140 is connected to the positive capacitor terminal 506 via the DC positive terminal 314 and is connected to the negative capacitor terminal 504 via the DC negative terminal 316.

制御部170は、インバータ回路部144を駆動制御するドライバ回路174と、ドライバ回路174へ信号線176を介して制御信号を供給する制御回路172と、を有している。IGBT328やIGBT330は、制御部170から出力された駆動信号を受けて動作し、バッテリ135から供給された直流電力が三相交流電力に変換され電動モータ192に供給される。   The control unit 170 includes a driver circuit 174 that drives and controls the inverter circuit unit 144, and a control circuit 172 that supplies a control signal to the driver circuit 174 via the signal line 176. The IGBT 328 and the IGBT 330 operate in response to the drive signal output from the control unit 170, and DC power supplied from the battery 135 is converted into three-phase AC power and supplied to the electric motor 192.

制御回路172には、IGBT328及びIGBT330のスイッチングタイミングを演算処理するためにマイクロコンピュータ(以下、「マイコン」と記述する)が実装されている。マイコンには入力情報として、電動モータ192に対して要求される目標トルク値、パワーモジュール300から電動モータ192に供給される電流値、電動モータ192の回転子の磁極位置と回転数、及び、コンデンサモジュール500の正極側コンデンサ端子506と負極側コンデンサ端子504間の直流電圧が入力される。   The control circuit 172 is mounted with a microcomputer (hereinafter referred to as “microcomputer”) in order to calculate the switching timing of the IGBT 328 and the IGBT 330. As input information to the microcomputer, a target torque value required for the electric motor 192, a current value supplied from the power module 300 to the electric motor 192, a magnetic pole position and a rotational speed of the rotor of the electric motor 192, and a capacitor A DC voltage between the positive side capacitor terminal 506 and the negative side capacitor terminal 504 of the module 500 is input.

目標トルク値は、不図示の上位の制御装置から出力された指令信号に基づくものである。電流値は、電流センサ180から信号線182を介して出力された検出信号に基づくものである。電動モータ192の回転子磁極位置及び回転数は、電動モータ192に搭載された回転センサ199から信号線198を介して出力された検出信号に基づくものである。本実施形態では3相の電流値を検出する場合を例に挙げて説明するが、2相分の電流値を検出するようにしても構わない。   The target torque value is based on a command signal output from a host controller (not shown). The current value is based on a detection signal output from the current sensor 180 via the signal line 182. The rotor magnetic pole position and the rotation speed of the electric motor 192 are based on the detection signal output from the rotation sensor 199 mounted on the electric motor 192 via the signal line 198. In the present embodiment, the case where the current values of three phases are detected will be described as an example, but the current values for two phases may be detected.

制御回路172内のマイコンは、目標トルク値、電動モータ192の回転数、及び、バッテリ135と電気的に接続するコンデンサモジュール500の正極側コンデンサ端子506と負極側コンデンサ端子504間の直流電圧に基づいて電動モータ192の電流指令値を決定し、この電流指令値と、電流センサ180で検出され電流値との差分に基づき電圧指令値を演算する。この演算された電圧指令値を回転センサ199で検出された磁極位置に基づいてU相、V相、W相のPWM(パルス幅変調)信号を生成し、信号線176を介してドライバ回路174に出力する。   The microcomputer in the control circuit 172 is based on the target torque value, the rotation speed of the electric motor 192, and the DC voltage between the positive capacitor terminal 506 and the negative capacitor terminal 504 of the capacitor module 500 that is electrically connected to the battery 135. The current command value of the electric motor 192 is determined, and the voltage command value is calculated based on the difference between this current command value and the current value detected by the current sensor 180. Based on the calculated voltage command value based on the magnetic pole position detected by the rotation sensor 199, a U-phase, V-phase, and W-phase PWM (pulse width modulation) signal is generated, and is sent to the driver circuit 174 via the signal line 176. Output.

ドライバ回路174は、制御回路172から出力されたPWM信号に基づいて、上アームのIGBT328,下アームIGBT330をスイッチング動作させるための駆動信号を生成し、下アームを駆動する場合、PWM信号を増幅したドライブ信号を、対応する下アームのIGBT330のゲート電極に出力する。また、ドライバ回路174は、上アームを駆動する場合、PWM信号の基準電位のレベルを上アームの基準電位のレベルにシフトしてからPWM信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する上アームのIGBT328のゲート電極にそれぞれ出力する。これにより、上アームIGBT328,下アームIGBT330は、入力されたドライブ信号に基づいてスイッチング動作する。   The driver circuit 174 generates a drive signal for switching the IGBT 328 of the upper arm and the lower arm IGBT 330 based on the PWM signal output from the control circuit 172, and amplifies the PWM signal when driving the lower arm. The drive signal is output to the gate electrode of the corresponding lower arm IGBT 330. Further, when driving the upper arm, the driver circuit 174 amplifies the PWM signal after shifting the level of the reference potential of the PWM signal to the level of the reference potential of the upper arm, and uses this as a drive signal as a corresponding upper arm. Are output to the gate electrodes of the IGBTs 328 respectively. As a result, the upper arm IGBT 328 and the lower arm IGBT 330 perform a switching operation based on the input drive signal.

また、制御部170は、過電流や過温度等の異常検知や後述するパワー半導体素子のジャンクション温度が許容値を超えないように出力電流を制限する温度保護制御を行う。このため、制御部170にはセンシング情報が入力される。   In addition, the control unit 170 performs temperature protection control for limiting the output current so that an abnormality such as an overcurrent and an overtemperature is detected and a junction temperature of a power semiconductor element described later does not exceed an allowable value. For this reason, sensing information is input to the control unit 170.

例えば各アームの信号用エミッタ電極155及び信号用エミッタ電極165からは各IGBT328とIGBT330のエミッタ電極に流れる電流の情報が、対応するドライバ回路174に入力されている。これにより、ドライバ回路174は過電流検知を行い、過電流が検知された場合には対応するIGBT328,IGBT330のスイッチング動作を安全に停止させ、対応するIGBT328,IGBT330を過電流および停止時に発生るサージ電圧から保護する。   For example, information on the current flowing through the emitter electrodes of the IGBTs 328 and IGBTs 330 is input to the corresponding driver circuit 174 from the signal emitter electrode 155 and the signal emitter electrode 165 of each arm. As a result, the driver circuit 174 detects overcurrent, and when an overcurrent is detected, the switching operation of the corresponding IGBT 328 and IGBT 330 is safely stopped, and the corresponding IGBT 328 and IGBT 330 are overcurrent and a surge that is generated at the time of stop. Protect from voltage.

後述するが、パワーモジュール300には、温度検出素子としてフィルム型サーミスタ又はモールド型サーミスタ336が配置されており、それにより検知されるに温度に基づきパワー半導体素子のジャンクション温度が連続動作許容温度を超えないように出力電流を制限する温度保護制御や最高使用温度に到達させないために電流出力を停止する過温度検知ができる構成となっている。   As will be described later, in the power module 300, a film type thermistor or a mold type thermistor 336 is disposed as a temperature detecting element, and the junction temperature of the power semiconductor element exceeds the allowable continuous operation temperature based on the temperature detected by the film type thermistor 336. The temperature protection control for limiting the output current so that the output current is not exceeded and the over temperature detection for stopping the current output in order to prevent the temperature from reaching the maximum operating temperature can be detected.

しかしながら、パワー半導体素子近傍にモールド型サーミスタ336が配置される従来のパワーモジュールでは、モールド型サーミスタ336で検出される温度とパワー半導体素子のジャンクション温度には差が有り、またパワー半導体素子発熱時のジャンクション温度の変化はモールド型サーミスタ336で検知される温度の時定数に比べて極めて早いために、モールド型サーミスタ336で検出される温度に基づき温度保護制御や過温度検知を実施してもパワー半導体素子が連続動作許容温度を超える可能性があった。   However, in the conventional power module in which the mold type thermistor 336 is disposed in the vicinity of the power semiconductor element, there is a difference between the temperature detected by the mold thermistor 336 and the junction temperature of the power semiconductor element. Since the change in the junction temperature is extremely fast compared to the time constant of the temperature detected by the mold type thermistor 336, even if temperature protection control or overtemperature detection is performed based on the temperature detected by the mold type thermistor 336, the power semiconductor There was a possibility that the element exceeded the allowable continuous operation temperature.

特に、冷却冷媒の温度が高い状態で、冷却冷媒流量が制御され変動したり、冷却冷媒の循環が停止してしまった時には、温度保護制御及び過温度検知の設定値により、保護動作による電流出力制限が過度に作用してしまい電力変換装置の性能が悪化したり、温度保護動作が不十分となる。   In particular, when the cooling refrigerant flow rate is controlled and fluctuates or the cooling refrigerant circulation stops when the temperature of the cooling refrigerant is high, the current output by the protection operation is set according to the set values of temperature protection control and overtemperature detection. The restriction acts excessively and the performance of the power conversion device deteriorates, or the temperature protection operation becomes insufficient.

温度保護制御及び過温度検知の精度を向上するために、冷却冷媒の流量及び温度を温度保護制御の入力パラメータとすることが考えられる。これらの情報が不図示の上位の制御装置から車載ネットワークを介して電力変換装置に伝達されケースもあるが、それ以外の場合には、冷却冷媒流量及び温度を直接計測するための計測器を新たに追加する必要があり、設置スペースの拡大による電力変換装置の大型化及び部品点数増加に伴うコスト増加を招く問題がある。   In order to improve the accuracy of temperature protection control and overtemperature detection, it is conceivable that the flow rate and temperature of the cooling refrigerant are used as input parameters for temperature protection control. In some cases, this information is transmitted to the power conversion device from the host control device (not shown) via the in-vehicle network. In other cases, a new measuring instrument for directly measuring the coolant flow rate and temperature is added. Therefore, there is a problem in that the power conversion device is increased in size by increasing the installation space, and the cost is increased due to an increase in the number of components.

従って、上記課題を解決するために電力変換装置内に構成された冷却冷媒の流路に挿入されて流路を形成する両面冷却パワーモジュール300は、前記流路に流れる冷却冷媒の温度を検出するための温度検出素子としてフィルム型サーミスタ335を備えている。一般的にモールド型サーミスタ336に比べて、フィルム型サーミスタ335は、使用温度上限が低く、パワー半導体素子の温度検出には適さなかった。しかし、フィルム型サーミスタ335は薄型であり、応答が比較的に早く冷却冷媒の温度検出には適している。   Accordingly, the double-sided cooling power module 300 that is inserted into the cooling refrigerant flow path configured in the power conversion device to form the flow path in order to solve the above problem detects the temperature of the cooling refrigerant flowing in the flow path. For this purpose, a film type thermistor 335 is provided as a temperature detecting element. Generally, the film type thermistor 335 has a lower operating temperature upper limit than the mold type thermistor 336, and is not suitable for temperature detection of power semiconductor elements. However, the film-type thermistor 335 is thin and has a relatively quick response and is suitable for detecting the temperature of the cooling refrigerant.

図3、図4を用いて、本実施形態に係るパワーモジュール300の詳細を説明する。図3(a)は、パワーモジュール300の外観斜視図である。図3(b)は、図3(a)の平面Bの矢印方向から見た断面図である。   Details of the power module 300 according to this embodiment will be described with reference to FIGS. 3 and 4. FIG. 3A is an external perspective view of the power module 300. FIG. 3B is a cross-sectional view as seen from the direction of the arrow on the plane B in FIG.

上下アーム直列回路を構成するIGBT328、IGBT330、ダイオード133及びダイオード166(これらをパワー半導体素子と総称する)が、導体板315や導体板319によって、両面から挟んで、はんだ材を介して固着される。これら導体板315、319には、信号端子325Uや信号端子325Lである信号配線を一体にトランスファーモールドして成る補助モールド体600が組み付けられる。導体板315等は、その放熱面が露出した状態で第一封止樹脂348によって封止され、当該放熱面に、絶縁部材として機能する絶縁シート333が熱圧着される。第一封止樹脂348により封止されたモジュール一次封止体302は、ケース304の中に挿入して絶縁シート333を挟んで、CAN型冷却器であるケース304の内面に熱圧着される。ここで、CAN型冷却器とは、一面に挿入口306と他面に底を有する筒形状をした冷却器であり、対向した放熱ベース307A及び307Bを有する。   The IGBT 328, IGBT 330, diode 133, and diode 166 (collectively referred to as power semiconductor elements) constituting the upper and lower arm series circuit are fixed by a conductor plate 315 and a conductor plate 319 from both sides and via a solder material. . To these conductor plates 315 and 319, an auxiliary mold body 600 is assembled which is formed by integrally transfer-molding signal wirings which are the signal terminals 325U and 325L. The conductor plate 315 and the like are sealed with the first sealing resin 348 with the heat dissipation surface exposed, and an insulating sheet 333 functioning as an insulating member is thermocompression bonded to the heat dissipation surface. The module primary sealing body 302 sealed with the first sealing resin 348 is inserted into the case 304 and sandwiched with the insulating sheet 333, and is thermocompression bonded to the inner surface of the case 304 that is a CAN type cooler. Here, the CAN-type cooler is a cooler having a cylindrical shape having an insertion port 306 on one surface and a bottom on the other surface, and has heat radiation bases 307A and 307B facing each other.

ケース304は、アルミ合金材料例えばAl,AlSi,AlSiC,Al−C等から構成される。ケース304は、挿入口306以外に開口を設けない構造である。また、図3(a)に示されるように、他の面より広い面を有する放熱ベース307A及び第2放熱面307Bがそれぞれ対向した状態で配置され、当該対向する放熱ベース307Aと第2放熱面307Bと繋ぐ3つの面は、当該放熱ベース307A及び第2放熱面307Bより狭い幅で密閉された面を構成し、残りの一辺の面に挿入口306が形成される。また、対向した放熱ベース307Aと第2放熱面307Bに、フィン305がそれぞれ均一に形成される。   The case 304 is made of an aluminum alloy material such as Al, AlSi, AlSiC, Al-C, or the like. The case 304 has a structure in which no opening other than the insertion port 306 is provided. Further, as shown in FIG. 3A, the heat dissipating base 307A and the second heat dissipating surface 307B having a surface wider than the other surfaces are arranged facing each other, and the facing heat dissipating base 307A and the second heat dissipating surface are arranged. The three surfaces connected to 307B constitute a surface sealed with a width narrower than that of the heat dissipation base 307A and the second heat dissipation surface 307B, and the insertion port 306 is formed on the surface of the other side. Further, the fins 305 are uniformly formed on the opposing heat dissipation base 307A and the second heat dissipation surface 307B, respectively.

図4(a)は、フィルム型サーミスタ335の配置を分かり易くするために簡略化され、図3(a)の平面Cの矢印方向から見た断面図である。図4(a)に示されるように、冷却冷媒温度を検出するためのフィルム型サーミスタ335が、第一封止樹脂348により封止された前記モジュール一次封止体302と接触せず、且つ、フィン305が形成される放熱ベース307Aに絶縁シート333を介さずに直接貼り付けられる。従って、前記フィルム型サーミスタ335は、パワー半導体素子の発生熱の影響受け難くい。   4A is a cross-sectional view that is simplified for easy understanding of the arrangement of the film type thermistor 335 and is viewed from the direction of the arrow on the plane C in FIG. As shown in FIG. 4A, the film-type thermistor 335 for detecting the coolant temperature does not come into contact with the module primary sealing body 302 sealed with the first sealing resin 348, and The insulating sheet 333 is directly attached to the heat dissipation base 307A where the fins 305 are formed without using the insulating sheet 333. Therefore, the film type thermistor 335 is not easily affected by heat generated by the power semiconductor element.

また、フィルム型サーミスタ335は薄型構造で、放熱ベース307Aと隙間なく貼りつけることが可能であり、隙間層の断熱効果がなくなり、冷却冷媒の温度上昇がフィルム型サーミスタ335の熱時定数よりも緩やかであるため、フィルム型サーミスタ335の応答遅れを無視できるようになる。図4(b)は、フィルム型サーミスタ335の外形を示す。   In addition, the film type thermistor 335 has a thin structure and can be attached to the heat dissipation base 307A without any gap, so that the heat insulation effect of the gap layer is lost, and the temperature rise of the cooling refrigerant is slower than the thermal time constant of the film type thermistor 335. Therefore, the response delay of the film type thermistor 335 can be ignored. FIG. 4B shows the outer shape of the film type thermistor 335.

図4(c)は、従来型パワーモジュール300のモールド型サーミスタ336の搭載位置を示しており、図4(d)は搭載するモールド型サーミスタ336外形を示す。モールド型サーミスタ336は、第一封止樹脂348により封止され、かつ絶縁シート333と接触する導体板315に搭載される。   4C shows the mounting position of the mold type thermistor 336 of the conventional power module 300, and FIG. 4D shows the outer shape of the mold type thermistor 336 to be mounted. The mold type thermistor 336 is mounted on the conductor plate 315 that is sealed with the first sealing resin 348 and is in contact with the insulating sheet 333.

図5は、パワーモジュール300を冷却するための冷媒を流すための流路模式図である。冷媒流路は、直列または並列で構成できるが、直列に構成した場合に冷媒流量を容易に均一に制御するため、冷媒が入口配管401に流入し、出口配管402から流出する。 U相とV相とW相のそれぞれを構成するパワーモジュール300は、冷媒がU相下アーム側の回路、U相上アーム側の回路、V相上アーム側の回路、V相下アーム側の回路、W相下アーム側の回路、W相上アーム側の回路の順に流れるように、配置される。   FIG. 5 is a schematic view of a flow path for flowing a refrigerant for cooling the power module 300. The refrigerant flow paths can be configured in series or in parallel, but when configured in series, the refrigerant flows into the inlet pipe 401 and flows out from the outlet pipe 402 in order to easily and uniformly control the refrigerant flow rate. In the power module 300 constituting each of the U phase, the V phase, and the W phase, the refrigerant is a U phase lower arm side circuit, a U phase upper arm side circuit, a V phase upper arm side circuit, and a V phase lower arm side circuit. The circuit is arranged so as to flow in the order of the circuit, the W-phase lower arm side circuit, and the W-phase upper arm side circuit.

図6に示すように電力変換装置内の冷却冷媒温度はパワーモジュール300のパワー半導体素子の発生熱を順次冷却するために上昇し、流路位置により温度勾配が発生する。特に、冷却冷媒の流量が少ない場合には、この温度勾配は急となる。   As shown in FIG. 6, the cooling refrigerant temperature in the power conversion device rises to sequentially cool the heat generated by the power semiconductor elements of the power module 300, and a temperature gradient is generated depending on the flow path position. In particular, when the flow rate of the cooling refrigerant is small, this temperature gradient becomes steep.

パワー半導体素子のジャンクション温度は、各パワーモジュール300が挿入される流路位置における冷却冷媒温度を基準とし、電力変換装置の駆動条件に基づくパワー半導体素子の損失及びパワー半導体素子から冷却冷媒までの熱抵抗により決まる。   The junction temperature of the power semiconductor element is based on the cooling refrigerant temperature at the flow path position where each power module 300 is inserted, and the loss of the power semiconductor element and the heat from the power semiconductor element to the cooling refrigerant based on the driving conditions of the power converter. Determined by resistance.

電力変換装置の通常駆動モードにおいて、制御回路172で出力するPWM信号を基本的な上下アーム対称パターンとすれば、上下アームでの損失は同等となり、冷却冷媒流路の最下流に配置されるパワーモジュール300に搭載されるパワー半導体素子のジャンクション温度が最も高くなる。本実施例では、W相のパワーモジュール300の上アーム回路に搭載されるパワー半導体素子である。   In the normal drive mode of the power converter, if the PWM signal output from the control circuit 172 has a basic upper and lower arm symmetrical pattern, the losses in the upper and lower arms are equal, and the power disposed at the most downstream of the cooling refrigerant flow path. The junction temperature of the power semiconductor element mounted on the module 300 is the highest. In this embodiment, the power semiconductor element is mounted on the upper arm circuit of the W-phase power module 300.

ジャンクション温度がパワー半導体素子の連続動作許容温度を定常的に超えないように温度保護制御を実施する必要がある。パワー半導体素子のジャンクション温度が許容値を超えないようにするには、パワー半導体素子近傍に配置された温度検出素子、例えばモールド型サーミスタ336により得られる温度に基づきパワー半導体素子のジャンクション温度を推定し、この温度が許容値を超えないように制御することが考えられる。   It is necessary to perform temperature protection control so that the junction temperature does not constantly exceed the allowable continuous operation temperature of the power semiconductor element. In order to prevent the junction temperature of the power semiconductor element from exceeding the allowable value, the junction temperature of the power semiconductor element is estimated based on the temperature obtained by the temperature detection element disposed in the vicinity of the power semiconductor element, for example, the mold type thermistor 336. It can be considered that the temperature is controlled so as not to exceed an allowable value.

しかし、モールド型サーミスタ336で観測される温度とパワー半導体素子のジャンクション温度には差異があり、モールド型サーミスタ336時定数分の遅れも発生する。また、車両駆動用電力変換装置では冷却冷媒温度及び流量情報が得られない場合があり、このような場合には、予め代表駆動条件を定めて温度保護制御の設定値を決定する必要があり、温度保護動作の出力制限が過度に作用し電力変換装置の性能が悪化したり、若しくは、温度保護動作が不十分となる可能性がある。   However, there is a difference between the temperature observed by the mold thermistor 336 and the junction temperature of the power semiconductor element, and a delay corresponding to the time constant of the mold thermistor 336 also occurs. Further, the vehicle drive power conversion device may not be able to obtain the cooling refrigerant temperature and flow rate information.In such a case, it is necessary to determine a representative drive condition in advance and determine a set value for temperature protection control. There is a possibility that the output limitation of the temperature protection operation acts excessively and the performance of the power conversion device deteriorates or the temperature protection operation becomes insufficient.

図7に、冷却冷媒流路の最下流に配置されるパワーモジュール300に搭載されるパワー半導体素子のジャンクション温度が連続動作許容温度となる時のフィルム型サーミスタ335で検出される温度と出力電流の制限値の関係を示す。電流制限カーブを決定する際の電力変換装置駆動条件は、実際に電力変換装置が使用される条件においてジャンクション温度が最も高くなるものを選ぶ。制御回路172に搭載されるマイコンは、モールド型サーミスタ336で検出される温度により、上記の関係により出力電流を制限する。   FIG. 7 shows the temperature and output current detected by the film-type thermistor 335 when the junction temperature of the power semiconductor element mounted on the power module 300 arranged at the most downstream side of the cooling refrigerant flow path becomes the allowable continuous operation temperature. The relationship of limit values is shown. The power converter drive conditions for determining the current limit curve are selected so that the junction temperature is highest under the conditions in which the power converter is actually used. The microcomputer mounted on the control circuit 172 limits the output current according to the above relationship according to the temperature detected by the mold type thermistor 336.

図8にパワー半導体素子のジャンクション温度、モールド型サーミスタ336で検出される温度及び、出力電流の過渡状態の波形を示す。   FIG. 8 shows waveforms of the power semiconductor element junction temperature, the temperature detected by the molded thermistor 336, and the transient state of the output current.

図8(a)は、電流制限条件を決定した際の駆動条件における過渡時の波形である。定常状態においては、出力電流は適正に制限されパワー半導体素子のジャンクション温度は連続動作許容温度となる。但し、過渡状態においては、モールド型サーミスタ336時定数による検出遅れを含む温度に基づき出力制限を実施するためにパワー半導体素子のジャンクション温度は最高使用温度を超える可能性がある。   FIG. 8A shows a waveform at the time of transition in the driving condition when the current limiting condition is determined. In the steady state, the output current is properly limited, and the junction temperature of the power semiconductor element is the continuous operation allowable temperature. However, in the transient state, the output temperature is limited based on the temperature including the detection delay due to the mold thermistor 336 time constant, so that the junction temperature of the power semiconductor element may exceed the maximum operating temperature.

図8(b)は、過渡状態においてもパワー半導体素子のジャンクション温度が連続動作許容温度を超えないように出力制限を開始する温度を調整した時の波形である。定常状態においてはパワー半導体素子のジャンクション温度が連続動作許容温度に達していないにも関わらず、出力制限を実施してしまうため電力変換装置の性能が十分に発揮できない。   FIG. 8B shows a waveform when the temperature at which the output restriction is started is adjusted so that the junction temperature of the power semiconductor element does not exceed the allowable continuous operation temperature even in the transient state. In the steady state, although the junction temperature of the power semiconductor element does not reach the allowable continuous operation temperature, the output restriction is performed, so that the performance of the power conversion device cannot be sufficiently exhibited.

図8(c)は、制限条件を決定した際の駆動条件において、冷却冷媒流量が低減した場合の波形である。パワー半導体素子のジャンクション温度が連続動作許容温度に制限できず、さらには最高使用温度を超えるため故障に至る可能性が高くなる。   FIG. 8 (c) shows a waveform when the coolant flow rate is reduced under the driving conditions when the limiting conditions are determined. Since the junction temperature of the power semiconductor element cannot be limited to the allowable continuous operation temperature, and further exceeds the maximum operating temperature, there is a high possibility of failure.

これらの課題を解決するために、本実施形態は流路に流れる冷却冷媒の温度を検出するためのフィルム型サーミスタ335を備える前記パワーモジュール300を用いて冷却冷媒温度を検出し、冷却冷媒の温度上昇量に基づく流量推定を実施し、出口配管部402の冷却冷媒温度を基準とした温度保護制御による電流制限を実施する。これにより、パワー半導体素子の過温度による熱破壊に対する保護の信頼性を高め、且つ電力変換装置の性能も向上できる。   In order to solve these problems, the present embodiment detects the cooling refrigerant temperature using the power module 300 including the film type thermistor 335 for detecting the temperature of the cooling refrigerant flowing in the flow path, and the temperature of the cooling refrigerant. The flow rate is estimated based on the rising amount, and the current is limited by temperature protection control based on the cooling refrigerant temperature of the outlet pipe unit 402. Thereby, the reliability of the protection with respect to the thermal destruction by the overtemperature of a power semiconductor element can be improved, and the performance of a power converter device can also be improved.

図9に示すように、電力変換装置が電流を出力している時には、電力変換装置内の冷却冷媒温度はパワーモジュール300のパワー半導体素子発生熱が順次冷却されるため温度勾配が発生する。パワーモジュール300内に配置されるフィルム型サーミスタ335によって検出される冷却冷媒温度に基づき、制御回路172に搭載されるマイコンは電力変換装置における冷却冷媒温度上昇量を算出する。本実施形態では、パワーモジュール300内に配置されるフィルム型サーミスタ335によって検出される冷却冷媒温度は、冷却冷媒の入口温度(T1)、及び、V、W相に配置されるパワーモジュール損失による発熱を受熱後の温度(T2またはT3)となり電力変換装置の冷却冷媒温度上昇量の算出は数(1)となる。
ΔTw3: 冷却冷媒温度上昇[℃] (入口温度と出口温度差)
ΔTw2: 冷却冷媒温度上昇[℃] (入口温度T1とT2[またはT3]との温度差)
T1: U相パワーモジュール位置冷却冷媒温度[℃]
T2: V相パワーモジュール位置冷却冷媒温度[℃] (若しくはW相)
As shown in FIG. 9, when the power converter is outputting current, the cooling refrigerant temperature in the power converter generates a temperature gradient because the power semiconductor element generated heat of the power module 300 is sequentially cooled. Based on the cooling refrigerant temperature detected by the film type thermistor 335 arranged in the power module 300, the microcomputer mounted in the control circuit 172 calculates the cooling refrigerant temperature rise amount in the power converter. In this embodiment, the cooling refrigerant temperature detected by the film-type thermistor 335 arranged in the power module 300 depends on the inlet temperature (T 1 ) of the cooling refrigerant and the power module loss arranged in the V and W phases. The temperature after heat generation is received (T 2 or T 3 ) is calculated as the number (1) of the amount of cooling refrigerant temperature rise in the power converter.
ΔT w3 : Cooling refrigerant temperature rise [℃] (Difference between inlet temperature and outlet temperature)
ΔT w2 : Cooling refrigerant temperature rise [℃] (Temperature difference between inlet temperature T1 and T2 [or T3])
T 1 : U-phase power module position cooling refrigerant temperature [℃]
T 2 : V phase power module position cooling refrigerant temperature [℃] (or W phase)

前記の電力変換装置での冷却冷媒温度上昇量及び電力変換装置の駆動条件である直流電圧、電流、スイッチング周波数、変調率、及び、力率に基づく三相分のパワーモジュール300の損失に基づき、冷却冷媒の流量を数(2)により推定することができる。冷却冷媒密度及び冷却冷媒比熱は冷却冷媒の温度により変動する。
Fr: 冷却冷媒流量推定値[L/min]
Q: 三相分パワーモジュール損失[W]
ΔTw3: 冷却冷媒温度上昇[℃] (入口温度と出口温度差)
ρ: 冷却冷媒密度[kg/L]
c: 冷却冷媒比熱[J/gK]
Based on the loss of the three-phase power module 300 based on the amount of cooling refrigerant temperature rise in the power converter and the driving conditions of the power converter, DC voltage, current, switching frequency, modulation factor, and power factor, The flow rate of the cooling refrigerant can be estimated from the number (2). The cooling refrigerant density and the specific heat of the cooling refrigerant vary depending on the temperature of the cooling refrigerant.
Fr: Estimated coolant flow rate [L / min]
Q: Three-phase power module loss [W]
ΔT w3 : Cooling refrigerant temperature rise [℃] (Difference between inlet temperature and outlet temperature)
ρ: Cooling refrigerant density [kg / L]
c: Specific heat of cooling refrigerant [J / gK]

また、制御回路172に搭載されるマイコンで実現する温度保護制御の基準温度となる
出口配管部402の冷却冷媒温度は数(3)により計算することができる。
Tw_out: 冷却冷媒出口配管部温度[℃]
Tw_in: 冷却冷媒入口配管部温度[℃] (サーミスタで検出するT1)
T1: U相パワーモジュール位置冷却冷媒温度[℃]
T2: V相パワーモジュール位置冷却冷媒温度[℃] (若しくはW相)
In addition, the cooling refrigerant temperature of the outlet pipe section 402 serving as a reference temperature for temperature protection control realized by a microcomputer mounted on the control circuit 172 can be calculated by the equation (3).
T w_out : Cooling refrigerant outlet piping temperature [℃]
T w_in : Cooling refrigerant inlet piping temperature [℃] (T1 detected by thermistor)
T 1 : U-phase power module position cooling refrigerant temperature [℃]
T 2 : V phase power module position cooling refrigerant temperature [℃] (or W phase)

図10は、本実施例における電力変換装置の温度保護制御による電流制限を実施するためのモデルである。通常モードにおいて電流指令値を決定する電流制御部901、三相分のパワーモジュール300のおける損失計算を行う三相分パワーモジュール損失計算部902、冷却冷媒の流量を推定する冷媒流量推定部903、冷却冷媒流量推定値及び出口配管部402の冷却冷媒温度に基づき電流制限値を決定する電流制限計算部904、電流制御部901で決定した電流指令値が電流制限計算部904で決定した電流制限値より大きい場合に、電流指令値を切り替える指令切替部905より構成される。
FIG. 10 is a model for carrying out current limiting by temperature protection control of the power conversion device in the present embodiment. A current control unit 901 that determines a current command value in the normal mode, a three-phase power module loss calculation unit 902 that performs loss calculation in the power module 300 for three phases, a refrigerant flow rate estimation unit 903 that estimates the flow rate of the cooling refrigerant, A current limit calculation unit 904 that determines a current limit value based on the estimated coolant flow rate and the cooling refrigerant temperature of the outlet piping unit 402, and a current limit value determined by the current limit calculation unit 904 based on the current command value determined by the current control unit 901 If larger, the command switching unit 905 switches the current command value.

三相分パワーモジュール損失は、出力電流、スイッチング周波数、直流電圧、変調率、及び、力率から計算できるが、駆動条件が予め分かっている場合に変動が小さく影響の少ないパラメータを固定値とすることにより、制御回路172に搭載されるマイコンのスループット低減することも可能である。
Three-phase power module loss can be calculated from the output current, switching frequency, DC voltage, modulation factor, and power factor, but when the drive conditions are known in advance, the parameter that has little fluctuation and little influence is set to a fixed value. Thus, the throughput of the microcomputer mounted on the control circuit 172 can be reduced.

電流制限計算部904が出力する電流制限値の決定方法を説明する。予め電力変換装置の各駆動条件において、パワーモジュール損失計算及び冷却冷媒流路の最下流に配置されるパワーモジュール300のパワー半導体素子ジャンクション温度が連続動作許容温度となる時の出口配管部402の冷却冷媒温度と出力電流の関係を求める。この際に、電力変換装置の駆動条件として直流電圧、スイッチング周波数、変調率、力率のワースト条件を用いる。そのため実際の電力変換装置駆動条件が変動してもパワー半導体素子ジャンクション温度は連続動作許容温度よりも低くなるため出力電流を制限する必要はない。   A method for determining the current limit value output by the current limit calculation unit 904 will be described. In each driving condition of the power conversion device in advance, power module loss calculation and cooling of the outlet piping section 402 when the power semiconductor element junction temperature of the power module 300 arranged at the most downstream of the cooling refrigerant flow path becomes the continuous operation allowable temperature. Find the relationship between refrigerant temperature and output current. At this time, the worst conditions of DC voltage, switching frequency, modulation factor, and power factor are used as driving conditions for the power converter. Therefore, even if the actual power converter driving conditions fluctuate, it is not necessary to limit the output current because the power semiconductor element junction temperature becomes lower than the continuous operation allowable temperature.

図11に、電流制限計算部904で用いる出力電流の制限カーブを示す。冷却冷媒流量の変動により電流制限を開始する出口配管部402の冷却冷媒温度も変動する。制御回路172に搭載されるマイコンのスループットを低減するために、冷却冷媒流量が最も多い条件において電流制限の傾きを求め全ての冷却冷媒流量条件に適用し電流制限を開始する出口配管部402の冷却冷媒温度を冷却冷媒流量推定値の近似関数としても良い。   FIG. 11 shows a limit curve of the output current used in the current limit calculation unit 904. The cooling refrigerant temperature of the outlet pipe section 402 that starts current limitation also changes due to the fluctuation of the cooling refrigerant flow rate. In order to reduce the throughput of the microcomputer mounted in the control circuit 172, the inclination of the current limit is obtained under the condition where the coolant flow rate is the highest and applied to all the coolant flow condition to start the current limit cooling of the outlet pipe section 402. The refrigerant temperature may be an approximate function of the estimated cooling refrigerant flow rate.

図12にパワー半導体素子のジャンクション温度、パワーモジュール300に搭載される冷却冷媒温度検出用のフィルム型サーミスタ335で検出される温度及び、出力電流の過渡状態の波形を示す。   FIG. 12 shows the waveform of the transient state of the junction temperature of the power semiconductor element, the temperature detected by the film-type thermistor 335 for detecting the coolant temperature mounted on the power module 300, and the output current.

図12(a)は、電流制限条件を決定した際の駆動条件における過渡時の波形である。定常状態においては、出力電流は適正に制限されパワー半導体素子のジャンクション温度は連続動作許容温度となる。過渡状態においては、フィルム型サーミスタ335時定数による検出遅れを含む温度に基づき出力制限を実施されるためにパワー半導体素子のジャンクション温度は連続動作許容温度を超えるが、図8(a)に示したパワー半導体素子近傍に配置されたモールド型サーミスタ336より得られる温度に基づく電流制限に比べてパワー半導体素子のジャンクション温度の連続動作許容温度超過量は極めて小さくでき、最高使用温度を超過させないことが可能となる。   FIG. 12A shows a waveform at the time of transition in the driving condition when the current limiting condition is determined. In the steady state, the output current is properly limited, and the junction temperature of the power semiconductor element is the continuous operation allowable temperature. In the transient state, the output temperature is limited based on the temperature including the detection delay due to the film type thermistor 335 time constant, so that the junction temperature of the power semiconductor element exceeds the allowable continuous operation temperature. Compared to the current limit based on the temperature obtained from the mold type thermistor 336 arranged in the vicinity of the power semiconductor element, the amount of continuous operation allowable temperature exceeding the junction temperature of the power semiconductor element can be extremely small, and the maximum use temperature can not be exceeded. It becomes.

図12(b)は、過渡状態においてもパワー半導体素子のジャンクション温度が連続動作許容温度を超えないように出力制限を開始する温度を調整した時の波形である。フィルム型サーミスタ335時定数による検出遅れを含む温度に基づき出力制限を実施されるためにパワー半導体素子のジャンクション温度は連続動作許容温度を超えるが、図8(b)に示したパワー半導体素子近傍に配置されたモールド型サーミスタ336より得られる温度に基づく電流制限に比べて、定常状態における出力制限量を小さくでき電力変換装置の性能を向上できる。   FIG. 12B shows a waveform when the temperature at which the output restriction is started is adjusted so that the junction temperature of the power semiconductor element does not exceed the allowable continuous operation temperature even in the transient state. Since the output limit is performed based on the temperature including the detection delay due to the film type thermistor 335 time constant, the junction temperature of the power semiconductor element exceeds the allowable continuous operation temperature, but in the vicinity of the power semiconductor element shown in FIG. Compared with the current limit based on the temperature obtained from the placed mold type thermistor 336, the output limit amount in the steady state can be reduced, and the performance of the power converter can be improved.

図12(c)は、制限条件を決定した際の駆動条件において、冷却冷媒流量が低減した場合の波形である。図8(c)に示したパワー半導体素子近傍に配置されたモールド型サーミスタ336より得られる温度に基づく電流制限に比べて、パワー半導体素子のジャンクション温度の連続動作許容温度超過量は極めて小さくなり、最高使用温度を超過しない駆動及び環境条件の範囲を広げることができる。   FIG. 12 (c) shows a waveform when the coolant flow rate is reduced under the driving conditions when the limiting conditions are determined. Compared to the current limit based on the temperature obtained from the mold type thermistor 336 arranged in the vicinity of the power semiconductor element shown in FIG. 8 (c), the amount of power semiconductor element junction temperature exceeding the allowable continuous operation temperature is extremely small. The range of driving and environmental conditions that do not exceed the maximum operating temperature can be expanded.

上述した温度保護制御により、パワーモジュール300のパワー半導体素子の過温度による熱破壊に対する保護の信頼性を高め、且つ電力変換装置の性能を低コストで向上できる。   By the temperature protection control described above, it is possible to improve the reliability of protection against thermal destruction due to overtemperature of the power semiconductor element of the power module 300, and to improve the performance of the power converter at low cost.

実施例2においては、冷却冷媒の温度を検出するためのフィルム型サーミスタ335を備える前記パワーモジュール300を図4のU相、V相に配置し、従来型のパワー半導体素子近傍に配置されたモールド型サーミスタ336を有するパワーモジュールをW相に配置する。   In the second embodiment, the power module 300 including the film type thermistor 335 for detecting the temperature of the cooling refrigerant is arranged in the U phase and the V phase in FIG. 4, and the mold is arranged in the vicinity of the conventional power semiconductor element. A power module having a type thermistor 336 is arranged in the W phase.

これにより実施例1と同様に、出口配管部402の冷却冷媒温度及び冷却冷媒流量推定値を得ることができ、且つ、W相に配置されたパワーモジュールに搭載されるモールド型サーミスタ336で検出される温度に基づきパワー半導体素子のジャンクション温度を精度良く求めることができる。   As a result, similarly to the first embodiment, the cooling refrigerant temperature and the cooling refrigerant flow rate estimated value of the outlet pipe section 402 can be obtained and detected by the mold thermistor 336 mounted on the power module arranged in the W phase. The junction temperature of the power semiconductor element can be obtained with high accuracy based on the temperature.

4…減速機、5…駆動軸、6…車輪、7…車輪、135…バッテリ、136…ダイオード、138…直流コネクタ、140…インバータ部、144…インバータ回路部、153…コレクタ電極、154…ゲート電極、155…信号用エミッタ電極、156…ダイオード、157…正極端子、158…負極端子、159…交流端子、163…コレクタ電極、164…ゲート電極、165…信号用エミッタ電極、166…ダイオード、169…中点部分(中間電極)、170…制御部、172…制御回路、174…ドライバ回路、176…信号線、180…電流センサ、182…信号線、186…交流電力線、188…交流コネクタ、192…電動モータ、198…信号線、199…回転センサ、200…電力変換装置、300…パワーモジュール、302…モジュール一次封止体、304…ケース、305…フィン、306…挿入口、307A…放熱ベース、307B…放熱ベース、314…直流正極端子、315…導体板、316…直流負極端子、319…導体板、325L…信号端子、325U…信号端子、328…IGBT、330…IGBT、335…フィルム型サーミスタ、336…モールド型サーミスタ、333…絶縁シート、348…第一封止樹脂、401…入口配管、402…出口配管、500…コンデンサモジュール、504…負極側コンデンサ端子、506…正極側コンデンサ端子、600…補助モールド体、901…電流制御部、902…三相分パワーモジュール損失計算部、903…冷却冷媒推定部、904…電流制限計算部、905…指令切替部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 4 ... Reducer, 5 ... Drive shaft, 6 ... Wheel, 7 ... Wheel, 135 ... Battery, 136 ... Diode, 138 ... DC connector, 140 ... Inverter part, 144 ... Inverter circuit part, 153 ... Collector electrode, 154 ... Gate Electrode, 155... Signal emitter electrode, 156... Diode, 157... Positive terminal, 158... Negative terminal, 159... AC terminal, 163 ... Collector electrode, 164 ... Gate electrode, 165 ... Signal emitter electrode, 166 ... Diode, 169 ... middle point portion (intermediate electrode), 170 ... control unit, 172 ... control circuit, 174 ... driver circuit, 176 ... signal line, 180 ... current sensor, 182 ... signal line, 186 ... AC power line, 188 ... AC connector, 192 ... Electric motor, 198 ... Signal line, 199 ... Rotation sensor, 200 ... Power converter, 300 ... Power module , 302 ... Module primary sealing body, 304 ... Case, 305 ... Fin, 306 ... Insertion port, 307 A ... Heat dissipation base, 307 B ... Heat dissipation base, 314 ... DC positive terminal, 315 ... Conductor plate, 316 ... DC negative terminal, 319 ... Conductor plate, 325L ... Signal terminal, 325U ... Signal terminal, 328 ... IGBT, 330 ... IGBT, 335 ... Film type thermistor, 336 ... Mold type thermistor, 333 ... Insulating sheet, 348 ... First sealing resin, 401 ... Inlet Piping 402: Outlet piping 500 ... Capacitor module 504 ... Negative side capacitor terminal 506 ... Positive side capacitor terminal 600 ... Auxiliary mold body 901 ... Current control unit 902 ... Three-phase power module loss calculation unit 903 ... cooling refrigerant estimation unit, 904 ... current limit calculation unit, 905 ... command switching unit

Claims (4)

半導体素子と、
前記半導体素子の一方の電極とはんだ材を介して接続させる第1導体板と、
前記半導体素子を挟んで前記第1導体板と対向して配置されかつ前記半導体素子の他方の電極とはんだ材を介して接続させる第2導体板と、
前記第1導体板の一部と前記第2導体板の一部と前記半導体素子を封止する封止材と、
前記封止材を収納しかつ前記半導体素子の放熱経路となるケースと、
前記封止材から露出する前記第1導体板と前記ケースとの間に配置されかつ当該第1導体板及び当該ケースの内壁に接触する絶縁部材と、
前記ケースの内壁に配置される温度検出素子と、を備えるパワーモジュールを備え、
複数のパワーモジュールを備え、
冷媒を流す流路を形成し、
前記複数のパワーモジュールは、前記冷媒の流れ方向に沿って直列に配置され、
前記複数のパワーモジュールのうち、前記冷媒の流れの最も下流に配置されたパワーモジュール及び少なくとも他一つのパワーモジュールは、前記ケースの内壁に前記温度検出素子が配置され、
前記温度検出素子で取得する温度に基づき、冷却冷媒流量を推定する冷却冷媒流量推定部を備える電力変換装置
A semiconductor element;
A first conductor plate connected to one electrode of the semiconductor element via a solder material;
A second conductor plate disposed opposite to the first conductor plate across the semiconductor element and connected to the other electrode of the semiconductor element via a solder material;
A sealing material for sealing a part of the first conductor plate, a part of the second conductor plate, and the semiconductor element;
A case for housing the sealing material and serving as a heat dissipation path for the semiconductor element;
An insulating member disposed between the first conductor plate exposed from the sealing material and the case and in contact with the first conductor plate and the inner wall of the case;
A temperature detection element disposed on the inner wall of the case, and a power module comprising:
With multiple power modules,
Forming a flow path for the refrigerant,
The plurality of power modules are arranged in series along the flow direction of the refrigerant,
Among the plurality of power modules, the power module disposed at the most downstream side of the refrigerant flow and at least one other power module include the temperature detection element disposed on an inner wall of the case,
A power converter comprising a cooling refrigerant flow rate estimating unit that estimates a cooling refrigerant flow rate based on a temperature acquired by the temperature detection element .
請求項1に記載の電力変換装置であって、The power conversion device according to claim 1,
前記温度検出素子で取得する温度に基づき、前記流路の出口配管部の冷媒温度を算出することを特徴とする電力変換装置。A power conversion device that calculates a refrigerant temperature of an outlet pipe portion of the flow path based on a temperature acquired by the temperature detection element.
請求項1または2に記載の電力変換装置であって、The power converter according to claim 1 or 2,
前記電力変換装置の駆動条件に基づき、前記パワーモジュールの損失を計算する損失計算部を備える電力変換装置。A power converter provided with the loss calculation part which calculates the loss of the said power module based on the drive conditions of the said power converter.
請求項1ないし3に記載のいずれかの電力変換装置であって、The power conversion device according to any one of claims 1 to 3,
前記半導体素子のジャンクション温度が許容値を超えないように、In order for the junction temperature of the semiconductor element not to exceed an allowable value,
前記電力変換装置の出力電流を制限し前記半導体素子を過温度から保護する電力変換装置。A power conversion device that limits an output current of the power conversion device and protects the semiconductor element from over temperature.
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