JP6336944B2 - Power converter - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、電力変換装置内の半導体素子を取り付けた冷却フィンの温度変化幅を低減する電力変換装置に関する。 Embodiments described herein relate generally to a power converter that reduces a temperature change width of a cooling fin to which a semiconductor element in the power converter is attached.
電力変換装置には、産業用インバータ又は産業用コンバータがある。近年、産業用インバータに対する用途が、従来のファン・ポンプ駆動などからクレーン・鉄鋼ラインなど、頻繁な負荷変動を伴う用途に拡大しつつある。 The power conversion device includes an industrial inverter or an industrial converter. In recent years, applications for industrial inverters are expanding from conventional fan and pump drives to applications involving frequent load fluctuations, such as cranes and steel lines.
産業用インバータを構成する半導体素子には、温度変化の繰り返しに対する寿命特性があり、温度変化幅が小さいほど長寿命化を図ることができる。 A semiconductor element constituting an industrial inverter has a life characteristic with respect to repeated temperature changes, and a longer life can be achieved as the temperature change width is smaller.
これまでには、発熱部品を含む電源部が通電される通電状態と、休止状態が存在する場合において、発熱部品の温度を測定し、通電状態と休止状態での温度設定基準値を設定し、基準温度になるようにファンの回転数を制御する方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。 Until now, when there is an energized state where the power supply unit including the heat generating component is energized and a resting state, the temperature of the heat generating component is measured, and the temperature setting reference value in the energized state and the resting state is set, A method for controlling the number of rotations of a fan so as to reach a reference temperature is known (for example, see Patent Document 1).
しかしながら、上述した半導体素子（例えば、IGBT素子など）には、この他に、当該半導体素子を冷却する冷却フィンとの間に塗布されるグリースが、グリース垂れを発生する場合があるという課題がある。グリース垂れは、半導体素子の温度変化による半導体素子ベース板の熱伸縮により、グリースが押し出されることで発生する。グリース垂れが発生すると、半導体素子と冷却フィンとの間の熱抵抗が上昇し、半導体素子の寿命が低下するという課題がある。 However, the semiconductor element (for example, IGBT element) described above has another problem that grease applied between the cooling fin for cooling the semiconductor element may cause grease dripping. . Grease dripping occurs when grease is pushed out due to thermal expansion and contraction of the semiconductor element base plate due to a temperature change of the semiconductor element. When grease sag occurs, there is a problem that the thermal resistance between the semiconductor element and the cooling fin increases, and the life of the semiconductor element decreases.
本発明は、上述した課題を解決するためになされたもので、負荷変動等に関わらず冷却フィンの平均温度と基準温度との温度差ΔTの変動を所定の許容値内にすることにより、半導体素子と冷却フィンとの間のグリース垂れを防止し、半導体素子と冷却フィンとの間の熱抵抗の変動を抑え、半導体素子の寿命低下を防止することができる電力変換装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems. By making the fluctuation of the temperature difference ΔT between the average temperature of the cooling fin and the reference temperature within a predetermined allowable value regardless of load fluctuation or the like, the semiconductor An object of the present invention is to provide a power conversion device capable of preventing grease dripping between an element and a cooling fin, suppressing variation in thermal resistance between the semiconductor element and the cooling fin, and preventing a decrease in the life of the semiconductor element. And
上記目的を達成するために、本発明の請求項記載の電力変換装置は、半導体素子及び前記半導体素子を冷却するための冷却フィンを密着し、前記半導体素子と前記冷却フィンの接触面にグリースを塗布した前記半導体素子及び前記冷却フィンを複数備えた電力変換装置であって、前記冷却フィンの温度を個別に検知する複数の温度センサと、前記複数の冷却フィンを冷却するファンと、前記複数の温度センサによって検知された前記複数の冷却フィンの温度の平均温度を算出する平均温度算出手段と、前記冷却フィンの温度を設定するための基準温度を設定する基準温度設定手段と、前記基準温度設定手段によって設定された基準温度に対する許容値を設定する許容値設定手段と、前記平均温度算出手段によって算出された冷却フィンの平均温度が、前記基準温度設定手段によって設定された基準温度に対して前記許容値設定手段によって設定された許容値の範囲に含まれるように前記ファンの回転速度基準を設定する速度制御手段と、を備えたことを特徴とする電力変換装置。 In order to achieve the above object, a power conversion device according to the present invention includes a semiconductor element and a cooling fin for cooling the semiconductor element that are in close contact with each other, and grease is applied to a contact surface between the semiconductor element and the cooling fin. A power conversion device including a plurality of the applied semiconductor elements and the cooling fins, a plurality of temperature sensors that individually detect the temperature of the cooling fins, a fan that cools the plurality of cooling fins, and the plurality of the cooling fins Average temperature calculating means for calculating an average temperature of the plurality of cooling fins detected by a temperature sensor, reference temperature setting means for setting a reference temperature for setting the temperature of the cooling fin, and the reference temperature setting An allowable value setting means for setting an allowable value for the reference temperature set by the means, and an average of the cooling fins calculated by the average temperature calculating means Speed control means for setting the rotational speed reference of the fan so that the degree is included in the range of the allowable value set by the allowable value setting means with respect to the reference temperature set by the reference temperature setting means; A power conversion device comprising:
この発明によれば、電力変換装置を構成する半導体素子と冷却フィンとの間のグリース垂れを防止することができるため、グリース垂れによる半導体素子と冷却フィンとの間の熱抵抗の変動を抑えることができ、半導体素子の寿命低下を防止することができる。 According to the present invention, it is possible to prevent the grease dripping between the semiconductor element and the cooling fin constituting the power conversion device, and thus it is possible to suppress the fluctuation of the thermal resistance between the semiconductor element and the cooling fin due to the grease dripping. It is possible to prevent a decrease in the lifetime of the semiconductor element.
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図１は、実施例１に係る電力変換装置を構成する半導体素子の温度制御部５０のブロック図である。温度制御部５０は、入力部１〜６、平均温度算出部７、最大温度算出部８、最低温度算出部９、差分算出部１０、デッドバンド（ＤＢＡＮＤ）判定部１１、基準温度設定部１２、過熱検出部１３、断線検出部１４、異常検出部１５、ＰＩＤ制御部１６、ＰＩＤ制御切替部１７、出力切替部１８などを有して構成される。 FIG. 1 is a block diagram of a temperature control unit 50 of a semiconductor element constituting the power conversion apparatus according to the first embodiment. The temperature control unit 50 includes input units 1 to 6, an average temperature calculation unit 7, a maximum temperature calculation unit 8, a minimum temperature calculation unit 9, a difference calculation unit 10, a dead band (DBAND) determination unit 11, a reference temperature setting unit 12, The overheat detection unit 13, the disconnection detection unit 14, the abnormality detection unit 15, the PID control unit 16, the PID control switching unit 17, the output switching unit 18, and the like are configured.
なお、図１には、電力変換装置を構成する半導体素子（IGBT素子）、当該半導体素子（IGBT素子）を冷却する冷却フィン及び当該冷却フィンの温度を検知する温度センサは省略してある。本発明の趣旨は、当該温度センサで検知した温度を基に、当該冷却フィンの平均温度と基準温度との温度差ΔＴを一定制御する温度制御部に特徴があり、当該冷却フィンの温度を検知する具体的な方法は従来技術で達成できる。 In FIG. 1, a semiconductor element (IGBT element) constituting the power conversion device, a cooling fin for cooling the semiconductor element (IGBT element), and a temperature sensor for detecting the temperature of the cooling fin are omitted. The gist of the present invention lies in the temperature control unit that controls the temperature difference ΔT between the average temperature of the cooling fin and the reference temperature constant based on the temperature detected by the temperature sensor, and detects the temperature of the cooling fin. The specific way to do this can be achieved with the prior art.
入力部１には、電力変換装置を構成する３相インバータの冷却フィンＵ１の温度（FIN_TMP_U1）、冷却フィンＶ１の温度（FIN_TMP_V1）及び冷却フィンＷ１の温度（FIN_TMP_W1）が、それぞれ入力される。入力部１は、入力された温度の合計温度を算出し、SUM1端子に出力する。入力部１は、入力された温度の中の最大温度を抽出し、MAX1端子に出力する。入力部１は、入力された温度の中の最低温度を抽出し、MIN1端子に出力する。 The temperature of the cooling fin U1 (FIN_TMP_U1), the temperature of the cooling fin V1 (FIN_TMP_V1), and the temperature of the cooling fin W1 (FIN_TMP_W1) of the three-phase inverter constituting the power conversion device are input to the input unit 1, respectively. The input unit 1 calculates the total temperature of the input temperatures and outputs it to the SUM1 terminal. The input unit 1 extracts the maximum temperature from the input temperatures and outputs it to the MAX1 terminal. The input unit 1 extracts the lowest temperature from the input temperatures and outputs it to the MIN1 terminal.
入力部２〜入力部ｎも入力部１と同様に構成されており、それぞれの入力部に入力された合計温度は、SUM（SUM1〜SUMnの総称）端子に出力される。入力された温度の中の最大温度はMAX（MAX1〜MAXnの総称）端子に出力される。同様に、入力された温度の中の最低温度はMIN（MIN1〜MINnの総称）端子に出力される。 The input unit 2 to the input unit n are also configured in the same manner as the input unit 1, and the total temperature input to each input unit is output to a SUM (a generic name of SUM 1 to SUMn) terminals. The maximum temperature among the input temperatures is output to the MAX (generic name for MAX1 to MAXn) terminal. Similarly, the lowest temperature among the input temperatures is output to the MIN (generic name of MIN1 to MINn) terminal.
入力部１〜入力部nのSUM端子から出力された合計温度は、平均温度算出部（平均温度算出手段）７に入力される。平均温度算出部７は、入力部１〜入力部nから出力された合計温度SUM1〜SUMnの総合計温度TSUMを下記数式（１）に基づき算出後、下記数式（２）に基づき、総合計温度TSUMを温度の総数（=n）で除して平均温度を算出し、AVE端子に出力する。 The total temperature output from the SUM terminals of the input unit 1 to the input unit n is input to the average temperature calculation unit (average temperature calculation means) 7. The average temperature calculation unit 7 calculates the total temperature TSUM of the total temperatures SUM1 to SUMn output from the input unit 1 to the input unit n based on the following formula (1) and then based on the following formula (2). Divide TSUM by the total number of temperatures (= n) to calculate the average temperature and output it to the AVE terminal.
TSUM=SUM1+SUM2+SUM3+SUM4・・・+SUMn・・・・・・・・・・・・・（１）
AVE=TSUM/n・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
入力部１〜入力部６からそれぞれ出力された最大温度MAXは、最大温度算出部８に入力される。最大温度算出部８は、入力部１〜入力部６からそれぞれ出力された最大温度MAXの中の最大温度（FIN_TMP_MAX）を抽出し、抽出した最大温度（FIN_TMP_MAX）をMAX端子に出力する。
TSUM = SUM1 + SUM2 + SUM3 + SUM4 ... + SUMn ... (1)
AVE = TSUM / n (2)
The maximum temperatures MAX output from the input unit 1 to the input unit 6 are input to the maximum temperature calculation unit 8. The maximum temperature calculation unit 8 extracts the maximum temperature (FIN_TMP_MAX) from the maximum temperatures MAX output from the input unit 1 to the input unit 6 and outputs the extracted maximum temperature (FIN_TMP_MAX) to the MAX terminal.
入力部１〜入力部６からそれぞれ出力された最低温度MINは、最低温度算出部９に入力される。最低温度算出部９は、入力部１〜入力部６からそれぞれ出力された最低温度MINの中の最低温度（FIN_TMP_MIN）を抽出し、抽出した最低温度（FIN_TMP_MIN）をMIN端子に出力する。 The minimum temperature MIN output from each of the input unit 1 to the input unit 6 is input to the minimum temperature calculation unit 9. The lowest temperature calculation unit 9 extracts the lowest temperature (FIN_TMP_MIN) from the lowest temperatures MIN respectively output from the input unit 1 to the input unit 6, and outputs the extracted lowest temperature (FIN_TMP_MIN) to the MIN terminal.
平均温度算出部７で算出された平均温度（冷却フィン平均温度）は、AVE端子に出力される。差分算出部１０は、AVE端子に出力された冷却フィン平均温度（信号名：FIN_TMP_FBK）と、前回までの基準温度（信号名：FIN_TMP_REF_OLD）との温度差である差分ΔTを下記数式（３）に基づき算出する。 The average temperature (cooling fin average temperature) calculated by the average temperature calculation unit 7 is output to the AVE terminal. The difference calculation unit 10 calculates the difference ΔT, which is the temperature difference between the cooling fin average temperature (signal name: FIN_TMP_FBK) output to the AVE terminal and the previous reference temperature (signal name: FIN_TMP_REF_OLD), using the following equation (3). Calculate based on
ΔT=（FIN_TMP_FBK）-（FIN_TMP_REF_OLD）・・・・・・・・・・（３）
図２は、冷却フィン平均温度（FIN_TMP_FBK）と基準温度（FIN_TMP_REF）との関係を説明する図である。以下、時間の経過に従って、基準温度（FIN_TMP_REF）がどのように変化するかを説明する。
ΔT = (FIN_TMP_FBK)-(FIN_TMP_REF_OLD) (3)
FIG. 2 is a diagram illustrating the relationship between the cooling fin average temperature (FIN_TMP_FBK) and the reference temperature (FIN_TMP_REF). Hereinafter, how the reference temperature (FIN_TMP_REF) changes with time will be described.
（１）タイミング０〜ｔ１の間：
タイミングｔ０のときの冷却フィン平均温度（FIN_TMP_FBK）の値はT1であり、前回までの基準温度（FIN_TMP_REF_OLD）の値はT2である。このときの、冷却フィン平均温度（FIN_TMP_FBK）T1は、前回までの基準温度（FIN_TMP_REF_OLD）T2以下であり、かつ、数式（３）で算出した差分ΔT1が基準温度（FIN_TMP_REF_OLD）に対する許容値として設定したデッドバンド（DBAND）以内になっている。従ってこの場合には、基準温度（FIN_TMP_REF）の更新は行われない。
(1) Between timing 0 and t1:
The value of the cooling fin average temperature (FIN_TMP_FBK) at the timing t0 is T1, and the value of the reference temperature (FIN_TMP_REF_OLD) until the previous time is T2. At this time, the average cooling fin temperature (FIN_TMP_FBK) T1 is equal to or lower than the previous reference temperature (FIN_TMP_REF_OLD) T2, and the difference ΔT1 calculated by Equation (3) is set as an allowable value for the reference temperature (FIN_TMP_REF_OLD). It is within the dead band (DBAND). Therefore, in this case, the reference temperature (FIN_TMP_REF) is not updated.
（２）タイミングｔ１のとき：
タイミングｔ１のとき、冷却フィン平均温度（FIN_TMP_FBK）の値はT1からT3に上昇し、数式（３）で算出した差分ΔT2だけ、タイミングｔ１以前に設定した基準温度（FIN_TMP_REF_OLD）を超える。しかしながら、差分ΔT2が基準温度（FIN_TMP_REF_OLD）に対する許容値として設定したデッドバンド（DBAND）以内になっており、この場合も、基準温度（FIN_TMP_REF_OLD）の更新は行われない。
(2) At timing t1:
At timing t1, the value of the cooling fin average temperature (FIN_TMP_FBK) rises from T1 to T3, and exceeds the reference temperature (FIN_TMP_REF_OLD) set before timing t1 by the difference ΔT2 calculated by Equation (3). However, the difference ΔT2 is within the dead band (DBAND) set as an allowable value for the reference temperature (FIN_TMP_REF_OLD). In this case, the reference temperature (FIN_TMP_REF_OLD) is not updated.
（３）タイミングｔ２のとき：
タイミングｔ２のとき、冷却フィンの温度（FIN_TMP_FBK）の値はT3からT4に上昇し、数式（３）で算出した差分ΔT3だけ、タイミングｔ２以前に設定した基準温度（FIN_TMP_REF_OLD）を超え、かつ、数式（３）で算出した差分ΔT3が基準温度（FIN_TMP_REF_OLD）に対する許容値として設定したデッドバンド（DBAND）を超える。従って、この場合には、基準温度（FIN_TMP_REF_OLD）の値がT2からT5に更新され、新たな基準温度（FIN_TMP_REF）となる。
(3) At timing t2:
At the timing t2, the value of the cooling fin temperature (FIN_TMP_FBK) increases from T3 to T4, exceeds the reference temperature (FIN_TMP_REF_OLD) set before the timing t2 by the difference ΔT3 calculated by the equation (3), and the equation The difference ΔT3 calculated in (3) exceeds the dead band (DBAND) set as an allowable value for the reference temperature (FIN_TMP_REF_OLD). Therefore, in this case, the value of the reference temperature (FIN_TMP_REF_OLD) is updated from T2 to T5, and becomes a new reference temperature (FIN_TMP_REF).
以下、基準温度（FIN_TMP_REF）の更新方法を説明する。 Hereinafter, a method for updating the reference temperature (FIN_TMP_REF) will be described.
差分算出部１０で算出された差分ΔTは、デッドバンド判定部１１に入力される。デッドバンド判定部１１は、入力された差分ΔTが、前回までに設定された基準温度（FIN_TMP_REF_OLD）からの許容値DBAND以内になっているか判定する。 The difference ΔT calculated by the difference calculation unit 10 is input to the dead band determination unit 11. The dead band determination unit 11 determines whether the input difference ΔT is within the allowable value DBAND from the reference temperature (FIN_TMP_REF_OLD) set up to the previous time.
デッドバンド判定部１１の判定の結果、許容値を超える場合、基準温度設定部１２は、前回までに設定された基準温度（FIN_TMP_REF_OLD）に差分ΔＴを加算した値から許容値DBANDを減算した値を新たな基準温度（FIN_TMP_REF）に設定する（下記、数式（４）参照。）。 As a result of the determination by the dead band determination unit 11, when the allowable value is exceeded, the reference temperature setting unit 12 subtracts the allowable value DBAND from the value obtained by adding the difference ΔT to the reference temperature (FIN_TMP_REF_OLD) set up to the previous time. Set to a new reference temperature (FIN_TMP_REF) (see Equation (4) below).
（FIN_TMP_REF）=（FIN_TMP_REF_OLD）+ΔT-（DBAND）・・・・・・（４）
数式（４）に基づいて新たな基準温度（FIN_TMP_REF）を設定することにより、冷却フィン平均温度（FIN_TMP_FBK）と新たな基準温度（FIN_TMP_REF）との差分ΔTを許容値として設定したデッドバンド（DBAND）以内にすることができる。このようにして設定された新たな基準温度（FIN_TMP_REF）に基づき、後述するファンの速度制御を行う。図２の場合、下記数式（５）で示す温度が新たな基準温度（FIN_TMP_REF）になる。
(FIN_TMP_REF) = (FIN_TMP_REF_OLD) + ΔT- (DBAND) (4)
By setting a new reference temperature (FIN_TMP_REF) based on Equation (4), a dead band (DBAND) that sets the difference ΔT between the cooling fin average temperature (FIN_TMP_FBK) and the new reference temperature (FIN_TMP_REF) as an allowable value Can be within. Based on the new reference temperature (FIN_TMP_REF) set in this way, fan speed control described later is performed. In the case of FIG. 2, the temperature represented by the following formula (5) becomes a new reference temperature (FIN_TMP_REF).
ΔT4=（FIN_TMP_FBK）-（FIN_TMP_REF_OLD）-（DBAND）
（FIN_TMP_REF）=（FIN_TMP_REF_OLD）+ΔT4・・・・・・・・・・・・（５）
以上の処理を行うことにより、冷却フィン平均温度（FIN_TMP_FBK）が許容値DBANDを超えた場合であっても、超えた差分ΔT4を前回までに設定した基準温度（FIN_TMP_REF_OLD）に加算して算出した新たな基準温度（FIN_TMP_REF）とすることにより、冷却フィン平均温度（FIN_TMP_REF）と基準温度（FIN_TMP_REF）の差分ΔTを許容値DBAND以内にすることができる。
ΔT4 = (FIN_TMP_FBK)-(FIN_TMP_REF_OLD)-(DBAND)
(FIN_TMP_REF) = (FIN_TMP_REF_OLD) + ΔT4 (5)
By performing the above processing, even if the average cooling fin temperature (FIN_TMP_FBK) exceeds the allowable value DBAND, the difference ΔT4 is added to the previously set reference temperature (FIN_TMP_REF_OLD) and calculated By setting the reference temperature (FIN_TMP_REF) to a certain value, the difference ΔT between the cooling fin average temperature (FIN_TMP_REF) and the reference temperature (FIN_TMP_REF) can be within the allowable value DBAND.
すなわち、冷却フィンの温度が高い場合は基準温度も高く設定し、冷却フィンの温度が低い場合は基準温度も低く設定する。このような設定をすることにより、冷却フィン平均温度（FIN_TMP_FBK）の温度変化を設定した許容値BDAND以内にすることができる。 That is, when the temperature of the cooling fin is high, the reference temperature is also set high, and when the temperature of the cooling fin is low, the reference temperature is also set low. By making such setting, the temperature change of the cooling fin average temperature (FIN_TMP_FBK) can be made within the set allowable value BDAND.
なお、上記差分ΔT4が正の値場合は、新たに設定された基準温度（FIN_TMP_REF）は、前回設定された基準温度に対してΔT4だけ高い温度に設定される。一方、上記差分ΔT4が負の場合は、新たに設定された基準温度（FIN_TMP_REF）は、前回設定された基準温度に対してΔT4だけ低い温度に設定される。 When the difference ΔT4 is a positive value, the newly set reference temperature (FIN_TMP_REF) is set to a temperature higher by ΔT4 than the previously set reference temperature. On the other hand, when the difference ΔT4 is negative, the newly set reference temperature (FIN_TMP_REF) is set to a temperature lower by ΔT4 than the previously set reference temperature.
ファンの回転速度は、ＰＩＤ制御部１６によって制御される。なお、ＰＩＤ制御部１６は、Ｐ動作（Proportional Action :比例動作）、Ｉ動作（Integral Action：積分動作）及びＤ動作（Derivative Action：微分動作）を加算した制御を行う制御部である。 The rotation speed of the fan is controlled by the PID control unit 16. The PID control unit 16 is a control unit that performs control by adding a P action (Proportional Action), an I action (Integral Action), and a D action (Derivative Action).
図では、新たな基準温度（FIN_TMP_REF）と、冷却フィン平均温度（FIN_TMP_FBK）の差分が、上述したＰＩＤ制御部１６に供給され、当該ＰＩＤ制御部１６によりＰＩＤ制御が行われる。 In the figure, the difference between the new reference temperature (FIN_TMP_REF) and the cooling fin average temperature (FIN_TMP_FBK) is supplied to the PID control unit 16 described above, and PID control is performed by the PID control unit 16.
ＰＩＤ制御部１６に、制御要素として外部からファンのイネーブル制御信号、ファンの速度リミット制御信号及び負荷電流急変時用微分要素信号が供給される。 A fan enable control signal, a fan speed limit control signal, and a load current sudden change differential element signal are supplied to the PID controller 16 from the outside as control elements.
ファンイネーブル制御信号は、負荷の大きさ等外部要因により、ファンの種類又はファンを駆動する時間を選択する必要がある場合には、当該イネーブル制御信号により、ファンの駆動タイミングを制限する場合に使用される。当該イネーブル制御信号が有効な場合にＰＩＤ制御が有効になる。 The fan enable control signal is used to limit the fan drive timing by the enable control signal when it is necessary to select the type of fan or the time to drive the fan due to external factors such as the size of the load. Is done. PID control is enabled when the enable control signal is enabled.
ファンの速度リミット制御信号は、ファンの回転速度の速度を制限する信号で、ファンの速度リミット制御信号が出力された場合には、ＰＩＤ制御がホールドされる。この制御信号は、ファン回転速度が所定の回転数に達した場合又は冷却フィン測定部（図示しない）の異常が検出され、冷却フィンの温度測定ができなくなった場合などに出力される。 The fan speed limit control signal is a signal for limiting the rotational speed of the fan. When the fan speed limit control signal is output, the PID control is held. This control signal is output when the fan rotation speed reaches a predetermined number of rotations or when an abnormality of the cooling fin measurement unit (not shown) is detected and the temperature of the cooling fin cannot be measured.
負荷電流急変時用微分要素信号は、上述したＰＩＤ制御部１６の、Ｄ動作のための入力信号である。負荷電流を微分することにより、負荷電流の偏差が増加傾向にあるか、減少傾向にあるかを検出することができ、その偏差の大きさに比例した修正量を出力するための要素信号である。負荷電流急変時用微分要素信号を用いることにより、負荷急変時にもファンの回転速度をスムーズに追従させ、基準温度を一定に保持する効果がある。 The differential element signal for sudden change in load current is an input signal for the D operation of the PID control unit 16 described above. Differentiating the load current, it is possible to detect whether the deviation of the load current tends to increase or decrease, and is an element signal for outputting a correction amount proportional to the magnitude of the deviation . By using the differential element signal for sudden change in load current, there is an effect of keeping the reference temperature constant by smoothly following the rotational speed of the fan even when the load suddenly changes.
ＰＩＤ制御部１６は、上記新たな基準温度（FIN_TMP_REF）対して、ファンイネーブル制御信号、ファンの速度リミット信号及び負荷電流急変時用微分要素信号による制限及び修正が加えられた基準温度でＰＩＤ制御を行い、制御量としてファンの回転速度基準を設定する。ＰＩＤ制御部１６は、上述したＰＩＤ制御を用いて以下の制御を行う。 The PID control unit 16 performs PID control on the new reference temperature (FIN_TMP_REF) at a reference temperature that is limited and corrected by the fan enable control signal, the fan speed limit signal, and the differential element signal for sudden change in load current. And the fan speed reference is set as the control amount. The PID control unit 16 performs the following control using the PID control described above.
（１）ＰＩＤ制御による速度制御は、ファンの速度指令を１００％としたとき、制御量としてのファンの回転速度は、当該速度指令に対して最低速から最高速１００％の間の回転速度を制御する。 (1) In speed control by PID control, when the fan speed command is 100%, the rotational speed of the fan as a controlled variable is a rotational speed between the lowest speed and the highest speed 100% with respect to the speed command. Control.
（２）ＰＩＤ制御による速度制御を行うか、ファンの速度指令による一定速度にするかは切り替えることができる。一定速度にする場合には、速度基準（速度指令によって設定されるファンの回転速度の基準値）に対する設定レートを１００％に設定する（以下、１００％一定速と称する。）。基本的には、冷却フィンの最大温度（FIN_TMP_MAX）が保護温度に対して低い間はＰＩＤ制御を行い、保護温度に対して高くなると１００％一定速に切り替える。 (2) It is possible to switch between speed control by PID control and constant speed by fan speed command. In the case of a constant speed, the set rate with respect to the speed reference (the reference value of the fan rotation speed set by the speed command) is set to 100% (hereinafter referred to as 100% constant speed). Basically, PID control is performed while the maximum temperature (FIN_TMP_MAX) of the cooling fin is lower than the protection temperature, and when the temperature is higher than the protection temperature, the temperature is switched to a constant speed of 100%.
ＰＩＤ制御切替部１７は、上記ＰＩＤ制御によって設定されたファンの回転速度を、１００％一定速に切り替えるＰＩＤ制御切替信号をｂ端子に出力する。ＰＩＤ制御切替部１７のｂ端子は、出力切替部１８のｄ端子に接続されており、ＰＩＤ制御切替信号が出力されると、ファンの回転速度は１００％一定速に設定される。 The PID control switching unit 17 outputs a PID control switching signal for switching the rotation speed of the fan set by the PID control to a constant 100% speed to the b terminal. The b terminal of the PID control switching unit 17 is connected to the d terminal of the output switching unit 18, and when the PID control switching signal is output, the rotational speed of the fan is set to 100% constant speed.
ＰＩＤ制御切替部１７は、少なくとも、以下（１）〜（３）の場合にＰＩＤ制御切替信号を出力する。 The PID control switching unit 17 outputs a PID control switching signal at least in the following cases (1) to (3).
（１）冷却フィンの最大温度が所定の基準温度を超え過熱検出部１３により検出されたとき。 (1) When the maximum temperature of the cooling fin exceeds a predetermined reference temperature and is detected by the overheat detector 13.
（２）冷却フィンの最低温度が所定の基準温度より低く、断線検出部により、冷却フィンの温度を測定する冷却フィンの温度センサの断線が検出されたとき。 (2) When the minimum temperature of the cooling fin is lower than a predetermined reference temperature, and the disconnection detector detects a disconnection of the temperature sensor of the cooling fin that measures the temperature of the cooling fin.
（３）各基板の通信状態が動作していないため、冷却フィン温度が読み取れないとき。 (3) When the cooling fin temperature cannot be read because the communication state of each board is not operating.
以上のようにして設定されたファンの回転速度は、図示しないインバータ制御部に与えられ、インバータの負荷となるファンを、当該設定された回転速度で回転する。 The rotation speed of the fan set as described above is given to an inverter control unit (not shown), and the fan serving as the load of the inverter is rotated at the set rotation speed.
以上説明したように、本発明の実施例によれば、負荷変動等により冷却フィン温度と、基準温度との差がデッドバンド（DBAND）を超えて変化した場合には、基準温度を更新し、冷却フィン温度と基準温度との温度差ΔTの変動を一定にすることにより、半導体素子の温度変化による半導体素子ベース板の熱伸縮を抑えることができ、課題であった電力変換装置を構成する半導体素子と冷却フィンとの間のグリース垂れを防止し、半導体素子と冷却フィンとの間の熱抵抗の変動を抑えることができ、半導体素子の寿命低下を防止することができる電力変換装置を提供することができる。 As described above, according to the embodiment of the present invention, when the difference between the cooling fin temperature and the reference temperature has changed beyond the dead band (DBAND) due to load fluctuation or the like, the reference temperature is updated, By making the fluctuation of the temperature difference ΔT between the cooling fin temperature and the reference temperature constant, it is possible to suppress the thermal expansion and contraction of the semiconductor element base plate due to the temperature change of the semiconductor element, and the semiconductor constituting the power conversion device that has been a problem Provided is a power conversion device capable of preventing grease dripping between an element and a cooling fin, suppressing variation in thermal resistance between the semiconductor element and the cooling fin, and preventing a reduction in the life of the semiconductor element. be able to.
１〜６ 入力部
７ 平均温度算出部
８ 最大温度算出部
９ 最低温度算出部
１０ 差分算出部
１１ デッドバンド判定部
１２ 基準温度設定部
１３ 過熱検出部
１４ 断線検出部
１５ 異常検出部
１６ ＰＩＤ制御部
１７ ＰＩＤ制御切替部
１８ 出力切替部
1 to 6 Input unit 7 Average temperature calculation unit 8 Maximum temperature calculation unit 9 Minimum temperature calculation unit 10 Difference calculation unit 11 Dead band determination unit 12 Reference temperature setting unit 13 Overheating detection unit 14 Disconnection detection unit 15 Abnormality detection unit 16 PID control unit 17 PID control switching unit 18 Output switching unit
Claims (4)
前記冷却フィンの温度を個別に検知する複数の温度センサと、
前記複数の冷却フィンを冷却するファンと、
前記複数の温度センサによって検知された前記複数の冷却フィンの温度の平均温度を算出する平均温度算出手段と、
前記冷却フィンの温度を設定するための基準温度を設定する基準温度設定手段と、
前記基準温度設定手段によって設定された基準温度に対する許容値を設定する許容値設定手段と、
前記平均温度算出手段によって算出された冷却フィンの平均温度が、前記基準温度設定手段によって設定された基準温度に対して前記許容値設定手段によって設定された許容値の範囲に含まれるように前記ファンの回転速度基準を設定する速度制御手段と、
を備えたことを特徴とする電力変換装置。 A power conversion device comprising a plurality of the semiconductor element and the cooling fin, wherein the semiconductor element and a cooling fin for cooling the semiconductor element are in close contact, and grease is applied to a contact surface of the semiconductor element and the cooling fin,
A plurality of temperature sensors for individually detecting the temperature of the cooling fins;
A fan for cooling the plurality of cooling fins;
Average temperature calculating means for calculating an average temperature of the plurality of cooling fins detected by the plurality of temperature sensors;
Reference temperature setting means for setting a reference temperature for setting the temperature of the cooling fin;
Allowable value setting means for setting an allowable value for the set reference temperature by the reference temperature setting means,
The fan is configured such that the average temperature of the cooling fin calculated by the average temperature calculating means is included in a range of allowable values set by the allowable value setting means with respect to the reference temperature set by the reference temperature setting means. Speed control means for setting the rotation speed reference of
A power conversion device comprising:
前記平均温度算出手段によって算出された冷却フィンの平均温度と前記基準温度設定手段によって設定された基準温度との差分ΔTを、ＰＩＤ制御により制御し、前記ファンの回転速度基準を設定するＰＩＤ制御手段と、
前記ファンの回転速度を一定速度で回転する一定速回転手段と、
前記ＰＩＤ制御手段又は前記一定速回転手段の何れかに切り替えるＰＩＤ制御切替手段と、
を備え、
前記ＰＩＤ制御手段は、
前記ファンの回転速度がファンに対する速度指令によって設定され、当該速度指令に対して最低速度から最高速度１００％の間で速度レートを制御し、
前記一定速回転手段は、
ファンの回転速度を前記速度レートが１００％となる１００％一定速に制御することを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。 The speed control means is
PID control means for controlling the difference ΔT between the average temperature of the cooling fin calculated by the average temperature calculation means and the reference temperature set by the reference temperature setting means by PID control, and setting the rotational speed reference of the fan When,
Constant speed rotating means for rotating the fan at a constant speed;
PID control switching means for switching to either the PID control means or the constant speed rotation means;
With
The PID control means includes
The rotational speed of the fan is set by a speed command for the fan, and the speed rate is controlled between a minimum speed and a maximum speed of 100% with respect to the speed command.
The constant speed rotating means includes:
The power converter according to claim 1, wherein the rotation speed of the fan is controlled to a constant 100% speed at which the speed rate is 100%.
前記速度制御手段は、
前記最大温度検出手段によって検出された最大温度が保護温度に対して低い間は前記ＰＩＤ制御手段によるＰＩＤ制御を行い、最大温度が保護温度に対して高くなると前記一定速回転手段による１００％一定速に切り替えることを特徴とする請求項３記載の電力変換装置。 A maximum temperature detecting means for detecting a maximum temperature among the temperatures of the plurality of cooling fins;
The speed control means is
While the maximum temperature detected by the maximum temperature detection means is lower than the protection temperature, PID control is performed by the PID control means. When the maximum temperature is higher than the protection temperature, the constant speed rotation means is 100% constant speed. The power conversion device according to claim 3, wherein the power conversion device is switched to.
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