JP6494834B1

JP6494834B1 - 電力変換装置

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Publication number: JP6494834B1
Application number: JP2018078889A
Authority: JP
Inventors: 嘉▲徳▼ 松井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-04-17
Filing date: 2018-04-17
Publication date: 2019-04-03
Anticipated expiration: 2038-04-17
Also published as: JP2019187186A

Abstract

【課題】半導体スイッチング素子を有する電力変換装置において、雰囲気温度又は冷却水温度の上昇による影響を受けても、継続的に電力変換を行いながら電力変換装置を保護する。
【解決手段】複数の半導体スイッチング素子１ａ〜１ｄを有したインバータ回路１と、インバータ回路により出力された電圧を昇圧または降圧するトランス２と、トランスの後段に設けられた整流回路３と、半導体スイッチング素子を制御するスイッチング制御部５と、トランスのコア温度を測定するコア温度測定部６２と、コア温度測定部６２により測定されたコア温度が所定の第一閾値以上か否かを判定するコア温度判定部５１とを備え、コア温度判定部５１がコア温度を第一閾値以上と判定した場合、スイッチング制御部５は半導体スイッチング素子の駆動周波数を上昇させる。
【選択図】図１

Description

本願は、半導体スイッチング素子を有する電力変換装置に関し、特に半導体スイッチング素子の駆動周波数を変化させることができる電力変換装置に関するものである。

電力変換装置においては、入力が交流である場合にはダイオードで整流し、コンデンサで平滑した後段にトランスを設けて昇圧または降圧する。また、入力が直流である場合にはスイッチング素子で交流に変換した後段にトランスを設けて昇圧または降圧する。このような電力変換装置に関し、例えば、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）および電気自動車（ＥＶ）等に搭載される電力変換装置には、限られた狭い車両搭載スペースへの配置が対応可能となるように、小型化及び高電力密度化が求められている。

電力変換装置の中でも、特に小型化された電力変換装置においては熱密度が高くなることから、冷却水温度又は雰囲気温度が上昇するなどの外的要因により、電力変換装置を構成する部品が破損しやすい。電力変換装置を構成する部品の中でも、一般的にトランスのコアの熱伝達率は低く、特に内鉄形方式を採用しているトランスにおいては、コアが巻線に覆われているため冷却面積が小さく、温度上昇が顕著である。

そこで、電力変換装置の入出力部分に設けられた電圧センサ、電流センサの値から求めた電力変換効率に基づき入力電流または出力電流を制限し、電力変換装置を構成するパワー素子およびトランスなどの磁性部品の熱破壊を回避する手法が知られている（特許文献１参照）。
また、スイッチング素子を有するインバータと、インバータの出力を昇圧する昇圧トランスと、昇圧トランスの外側に設けられ漏洩磁束を遮蔽する遮蔽部に取り付けられた温度サーモを備え、温度サーモが昇圧トランスの異常加熱を検出するとスイッチング素子の動作を停止させる手法も知られている（特許文献２参照）。

特開２０１４−２２５９７２号公報実開平２−７１９９４号公報

しかしながら、これらの手法では一時的に電力変換を停止または電力変換量を減少させるため、一定量の電力変換を安定して行えず、継続的な電力変換が行えていなかった。
一方、トランスのコアにおける鉄損を下げようとエアギャップを広げて磁束密度を下げた場合、トランスの大型化・コスト増に繋がる。

本願は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、トランスのコアの温度が閾値以上となった場合、電力変換装置における半導体スイッチング素子の駆動周波数を上昇させることで、入出力を制限すること無く、継続的に電力を変換するようにした電力変換装置を提供することを目的とするものである。

本願に係る電力変換装置は、複数の半導体スイッチング素子を有したインバータ回路と、インバータ回路により出力された電圧を昇圧または降圧するトランスと、トランスの後段に設けられた整流回路と、半導体スイッチング素子を制御するスイッチング制御部と、トランスのコア温度を測定するコア温度測定部と、コア温度測定部により測定されたコア温度が所定の第一閾値以上か否かを判定するコア温度判定部とを備え、コア温度判定部がコア温度を第一閾値以上と判定した場合、スイッチング制御部は半導体スイッチング素子の駆動周波数を上昇させるようにしたものである。

本願の電力変換装置によれば、トランスのサイズを拡張することなく、電力変換装置の入出力電力を制限もしくは電力変換を停止することなく、電力を変換することができる。

実施の形態１による電力変換装置を示す回路構成図である。実施の形態１による電力変換装置の駆動信号と電圧との関係図である。実施の形態１による電力変換装置の駆動周波数切り替え判定処理のフローチャート図である。実施の形態１による電力変換装置の駆動周波数を基本と上昇させた場合を比較して示す波形図である。

実施の形態１．
以下、本願の実施の形態１における電力変換装置を図１から図４に基づいて説明する。
図１は実施の形態１による電力変換装置のＤＣ―ＤＣ回路の一例を示す回路構成図である。
図１に示す電力変換装置は、複数の半導体スイッチング素子１ａ〜１ｄで構成されるインバータ回路１の後段にトランス２を備え、トランス２の二次巻線側にブリッジダイオード３ａ〜３ｄをフルブリッジ構成にした整流回路３を備えている。整流回路３は高電圧の負荷装置４に接続される。半導体スイッチング素子１ａ〜１ｄは、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）又はＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の自己消弧型半導体、ダイヤモンド系を用いた半導体スイッチング素子でもよい。

インバータ回路１を制御するスイッチング制御部５は、駆動信号５０ａ〜５０ｄを出力して、ドライバＩＣ１０ａ〜１０ｄを介して半導体スイッチング素子１ａ〜１ｄのゲートに入力する。
半導体スイッチング素子１ａ〜１ｄには温度センサ６１が設けられ、トランス２のコア及び巻線部には温度センサ６２が設けられ、ブリッジダイオード３ａ〜３ｄには温度センサ６３が設けられている。各温度センサ６１、６２、６３により計測された素子温度などの情報はスイッチング制御部５に伝達され、スイッチング制御部５内の温度判定部５１により、予め設定された閾値以上か否か判定される。スイッチング制御部５は、例えばマイコンで構成される。

半導体スイッチング素子１ａ〜１ｄの温度を測定する温度センサ６１は、半導体スイッチング素子温度測定部として機能し、その時温度判定部５１は半導体スイッチング素子温度判定部として機能する。また、トランス２のコア及び巻線部の温度を測定する温度センサ６２は、トランス２のコア温度測定部及びトランス２の巻線温度測定部として機能し、その時温度判定部５１はコア温度判定部及び巻線温度判定部として機能する。さらに、ブリッジダイオード３ａ〜３ｄの温度を測定する温度センサ６３は、ブリッジダイオード温度測定部として機能し、その時温度判定部５１はブリッジダイオード温度判定部として機能する。

スイッチング制御部５によるパルス幅（ＰＷＭ）制御により、ドライバＩＣ１０ａ〜１０ｄを介して半導体スイッチング素子１ａ〜１ｄを駆動する。スイッチング制御部５では、入力電圧Ｖｉｎ及び出力電圧Ｖｏｕｔをモニタし、出力電圧Ｖｏｕｔが目標電圧になるように半導体スイッチング素子１ａ〜１ｄの駆動信号５０ａ〜５０ｄを出力する。

このように構成されるＤＣ―ＤＣ回路の動作を、図２を用いて説明する。駆動信号５０ａ〜５０ｄがＨｉｇｈの時、半導体スイッチング素子１ａ〜１ｄはオンする。インバータ回路１は半導体スイッチング素子１ａ、１ｄの同時オンと、半導体スイッチング素子１ｂ、１ｃの同時オンを交互に同時間ｔｘで行う。この期間にトランス２が一次側から二次側に電力を電送することで、トランス２の二次側に電圧が生じる。この時の一周期あたりのオン期間を示すｄｕｔｙは次式（１）で表現できる。

半導体スイッチング素子１ａ、１ｄの同時オンと、半導体スイッチング素子１ｂ、１ｃの同時オンとの間には、アーム短絡を防止するためにデッドタイムｔｄを設ける。一周期をＴとする時、ｄｕｔｙの最大値ｄｕｔｙ＿ｍａｘは次式（２）で表される。

また、出力電圧Ｖｏｕｔは、トランス２の巻数比をｎとすると、次式（３）で表現できる。

トランス２における鉄損は主にヒステリシス損と渦電流損に分けられる。この内、Ｂｍを最大磁束密度、周波数をfとすると、ヒステリシス損Ｗｈは次式（４）で算出される。
Ｗｈ＝α・Ｂｍ^β・ｆ^γ ・・（４）
この時、αは最大磁束密度Ｂｍの係数、βは最大磁束密度Ｂｍの指数、γは周波数ｆの指数を示す。

また、電圧をＶ、トランス２のコアの断面積をＳ、トランス２の巻数比をｎ、周期をＴ、一周期あたりのオン期間の割合をｄｕｔｙとすると、最大磁束密度Ｂｍは次式（５）で表現できる。
Ｂｍ＝（Ｖ・Ｔ・ｄｕｔｙ）／（Ｓ／ｎ）・・（５）

この時、最大磁束密度Ｂｍは、電圧Ｖに比例し、トランスコアの断面積Ｓとトランスの巻数比ｎと周波数ｆに反比例する。ヒステリシス損Ｗｈを算出する式（４）において、周波数ｆの係数γよりも最大磁束密度Ｂｍの指数βの方が大きいコア材料の場合には、周波数ｆを上昇させることで、鉄損であるヒステリシス損Ｗｈを減少させることができる。
トランス２のコア材には例えば、結晶軟磁性材料またはフェライト性材料を用いる。

次に、実施の形態１による電力変換装置における、半導体スイッチング素子１ａ〜１ｄの駆動周波数切り替え判定フローを、図３のチャートを参照しながら説明する。
まず、ステップＳ１０１で、半導体スイッチング素子１ａ〜１ｄの温度、トランス２のコア温度および巻線温度、ブリッジダイオード３ａ〜３ｄの温度を、それぞれ温度センサ６１、６２、６３で測定して検出する。次に、ステップＳ１０２にて、トランス２のコアに接続された温度センサ６２により測定された温度情報がスイッチング制御部５内の温度判定部５１に伝わり、トランス２のコア温度が第一閾値以上か否かを判定し、半導体スイッチング素子１ａ〜１ｄの周波数を変化させる状況であるかを判定する。

トランス２のコア温度が第一閾値以上であった場合（Ｙｅｓ）は、次のステップＳ１０３に進む。トランス２のコア温度が第一閾値未満であった場合（Ｎｏ）は、ステップＳ１０８に進み、現状のスイッチング周波数である、基本周波数で半導体スイッチング素子１ａ〜１ｄを駆動するよう、スイッチング制御部５からゲート信号を出力する。第一閾値は、例えばトランス２のコアの耐熱温度、もしくは耐熱温度にマージンを設けた値としても良い。

ステップＳ１０３では、トランス２の巻線に接続された温度センサ６２により得られた巻線温度が第二閾値以上か否かを判定する。巻線温度が第二閾値未満であった場合（Ｎｏ）、次のステップＳ１０４に移行する。第二閾値は、例えばトランス２の巻線の耐熱温度、もしくは耐熱温度にマージンを設けた値としても良い。

ステップＳ１０４では、ステップＳ１０３と同様、半導体スイッチング素子１ａ〜１ｄに接続された温度センサ６１で半導体スイッチング素子１ａ〜１ｄの温度を測定し、その温度情報をスイッチング制御部５内の温度判定部５１に伝える。この温度判定部５１では、温度センサ６１からスイッチング制御部５内の温度判定部５１に入力された半導体スイッチング素子１ａ〜１ｄの温度が第三閾値以上か否かを判定する。半導体スイッチング素子１ａ〜１ｄの温度が第三閾値未満であった場合（Ｎｏ）、次のステップＳ１０５に移行する。第三閾値は、例えば半導体スイッチング素子１ａ〜１ｄの最大接合部温度、もしくは最大接合部温度にマージンを設けた値としても良い。

ステップＳ１０５では、ステップＳ１０３およびステップＳ１０４と同様、ブリッジダイオード３ａ〜３ｄに接続された温度センサ６３でブリッジダイオード３ａ〜３ｄの温度を測定し、その温度情報をスイッチング制御部５内の温度判定部５１に伝える。この温度判定部５１では、温度判定部５１に入力されたブリッジダイオード３ａ〜３ｄの温度が第四閾値以上か否かを判定する。ブリッジダイオード３ａ〜３ｄの温度が第四閾値未満であった場合（Ｎｏ）、次のステップＳ１０６に移行する。第四閾値は、例えばブリッジダイオード３ａ〜３ｄの最大接合部温度、もしくは最大接合部温度にマージンを設けた値としても良い。

ステップＳ１０３〜Ｓ１０５において、トランス２の巻線温度、半導体スイッチング素子１ａ〜１ｄの温度、ブリッジダイオード３ａ〜３ｄの温度が、それぞれの閾値以下であることを確認できた場合（Ｎｏ）、ステップＳ１０６において半導体スイッチング素子１ａ〜１ｄの駆動周波数を上昇させる。駆動周波数の上昇に伴いトランス２の鉄損が低下し、トランス２のコアの温度を低下させることが可能となる。

一方、ステップＳ１０３〜Ｓ１０５において、トランス２の巻線温度、半導体スイッチング素子１ａ〜１ｄの温度、ブリッジダイオード３ａ〜３ｄの温度が、それぞれの閾値以上であった場合（Ｙｅｓ）、ステップＳ１０７に移行し、スイッチング制御部５が半導体スイッチング素子１ａ〜１ｄの動作を停止させることで、トランス２および半導体スイッチング素子１ａ〜１ｄおよびブリッジダイオード３ａ〜３ｄを保護できる。こうして電力変換装置を構成する部品を保護しながら、電力変換動作を継続できる。

半導体スイッチング素子１ａ〜１ｄの駆動周波数を変更または停止する閾値において、第一閾値から第四閾値まで説明したが、これらの閾値はどちらが大か小かの関連性は特になく、各構成部品（半導体スイッチング素子、トランス、ブリッジダイオード）によって個別に決められるものである。
半導体スイッチング素子１ａ〜１ｄ、トランス２のコアおよび巻線部、ブリッジダイオード３ａ〜３ｄにそれぞれ接続される温度センサ６１、６２、６３は、例えばサーミスタを用いる。サーミスタは極僅かな温度変化に対しても電気抵抗の変化量が大きいため、正確に温度を観測でき、時間変化に対する温度変化量の分解能が高く、温度変化に対して制御開始時期を早期化できることから、素子の温度上昇に早急に対応できる。

図３のステップＳ１０６における半導体スイッチング素子１ａ〜１ｄの駆動周波数を上昇させる際の動作について、図４を用いて説明する。
半導体スイッチング素子１ａ〜１ｄの駆動周波数は、ＰＷＭ制御を用いて、デューティ比固定のままオン期間を短縮することで上昇させる。図４において、基本周波数で半導体スイッチング素子１ａ〜１ｄを駆動させた場合の周期をＴ＿ｒｅｇ、オン期間をｔｘ＿ｒｅｇとし、駆動周波数を上昇させた際の周期をＴ＿ｕｐ、オン期間をｔｘ＿ｕｐとした時、駆動周波数を変更する前後のデューティ比に関して、下式（６）の関係が成立する。

トランス２のコアの温度が第一閾値を下回った際の動作を説明する。トランス２のコアに接続された温度センサ６２により測定された温度情報がスイッチング制御部５内の温度判定部５１に伝わり、トランス２のコア温度が第五閾値以下か否かを判定する。トランス２のコア温度が第五閾値以下であった場合、スイッチング制御部５が、半導体スイッチング素子１ａ〜１ｄの駆動周波数を基本周波数で駆動させる。トランス２のコア温度が第五閾値を超える温度であれば、駆動周波数の上昇を継続する。この時、第五閾値の判定には上限・下限それぞれにヒステリシスとして閾値を設ける。ヒステリシスを設けることで、温度変化に対する過剰な周波数変更を予防できる。第五閾値は、例えば、第一閾値以下とする。

半導体スイッチング素子１ａ〜１ｄは、ＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴ等の自己消弧型半導体、ダイヤモンド系を用いた半導体に限らず、ＧａＮ（Gallium Nitride）またはＳＩＣ（Silicon Carbide）などのワイドバンドギャップ半導体を使用しても良い。これらのような高速スイッチング素子を使用することで、より高い周波数を設定することができるため、トランス２のコアにおける鉄損がより減少し、コア温度を低下させ易くなるため、冷却水温度又は雰囲気温度がさらに上昇しても充電動作を継続できる。

実施の形態１の電力変換装置は、トランス２のコアの温度を測定し、コア温度が閾値以上になった場合、電力変換装置におけるインバータ回路１の半導体スイッチング素子１ａ〜１ｄの駆動周波数を上昇させ、トランス２の鉄損を低下させることで、入出力を制限すること無く、継続的に電力を変換しながら電力変換装置を構成する電子部品を熱破壊から保護することができる。

実施の形態２．
次に実施の形態２の電力変換装置について説明する。実施の形態２は、トランス２の巻線温度、半導体スイッチング素子１ａ〜１ｄの温度、ブリッジダイオード３ａ〜３ｄの温度の検出を、いずれか１つまたは全部を省略したものである。
即ち、実施の形態２の電力変換装置は、図３に示すフローチャートにおいて、ステップＳ１０３のトランス２の巻線温度の判定、ステップＳ１０４の半導体スイッチング素子１ａ〜１ｄの温度の判定、ステップＳ１０５のブリッジダイオード３ａ〜３ｄの温度の判定の、いずれか１つまたは全部を省略する。

実施の形態１の電力変換装置は、トランス２のコア温度が閾値以上になった場合、電力変換装置におけるインバータ回路１の半導体スイッチング素子１ａ〜１ｄの駆動周波数を上昇させると共に、トランス２の巻線温度、半導体スイッチング素子１ａ〜１ｄの温度、ブリッジダイオード３ａ〜３ｄの温度のいずれか１つが閾値以上になった場合は半導体スイッチング素子１ａ〜１ｄの駆動を停止させていたが、実施の形態２のようにトランス２のコア温度のみに基づいて半導体スイッチング素子１ａ〜１ｄの駆動周波数を上昇させるだけでも、継続的に電力を変換しながら電力変換装置を保護する効果が得られる。

本開示は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１：インバータ回路、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ：半導体スイッチング素子、
２：トランス、３：整流回路、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ：ブリッジダイオード、
４：負荷装置、５：スイッチング制御部、
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ：ドライバＩＣ、
５１：温度判定部（半導体スイッチング素子温度判定部、コア温度判定部、巻線温度判定部、ダイオード温度判定部）、
６１：温度センサ（半導体スイッチング素子温度測定部）、
６２：温度センサ（コア温度測定部、巻線温度測定部）、
６３：温度センサ（ダイオード温度測定部）。

Claims

複数の半導体スイッチング素子を有したインバータ回路と、前記インバータ回路により出力された電圧を昇圧または降圧するトランスと、前記トランスの後段に設けられた整流回路と、前記半導体スイッチング素子を制御するスイッチング制御部と、前記トランスのコア温度を測定するコア温度測定部と、前記コア温度測定部により測定された前記コア温度が所定の第一閾値以上か否かを判定するコア温度判定部とを備え、前記コア温度判定部が前記コア温度を前記第一閾値以上と判定した場合、前記スイッチング制御部は前記半導体スイッチング素子の駆動周波数を上昇させることを特徴とする電力変換装置。
前記電力変換装置は、前記トランスの巻線温度を測定する巻線温度測定部と、前記巻線温度測定部により測定された前記巻線温度が所定の第二閾値以上か否かを判定する巻線温度判定部とを備え、前記巻線温度判定部が前記巻線温度を前記第二閾値以上と判定した場合、前記スイッチング制御部は前記半導体スイッチング素子のスイッチング動作を停止させることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記電力変換装置は、前記半導体スイッチング素子の温度を測定する半導体スイッチング素子温度測定部と、前記半導体スイッチング素子温度測定部により測定された前記半導体スイッチング素子の温度が所定の第三閾値以上か否かを判定する半導体スイッチング素子温度判定部とを備え、前記半導体スイッチング素子温度判定部が前記半導体スイッチング素子の温度を前記第三閾値以上と判定した場合、前記スイッチング制御部は前記半導体スイッチング素子のスイッチング動作を停止させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
前記電力変換装置は、前記整流回路を構成するダイオードの温度を測定するダイオード温度測定部と、前記ダイオード温度測定部により測定された前記ダイオードの温度が所定の第四閾値以上か否かを判定するダイオード温度判定部とを備え、前記ダイオード温度判定部が前記ダイオードの温度を前記第四閾値以上であると判定した場合、前記スイッチング制御部は前記半導体スイッチング素子のスイッチング動作を停止させることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
前記コア温度測定部または前記巻線温度測定部は、サーミスタであることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
前記半導体スイッチング素子温度測定部は、サーミスタであることを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
前記ダイオード温度測定部は、サーミスタであることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
前記スイッチング制御部は、ＰＷＭ制御によりデューティ比固定のままオン期間を短縮することで周波数を上昇させることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電力変換装置。
前記スイッチング制御部は、前記半導体スイッチング素子のスイッチング周波数を上昇させた場合において、前記コア温度が前記第一閾値よりも小さい値の第五閾値以下であると前記コア温度判定部が判定した場合、前記半導体スイッチング素子のスイッチング周波数を上昇する前の周波数で動作させることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
前記半導体スイッチング素子がワイドバンドギャップ半導体であることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の電力変換装置。