JP6511220B2 - 電力変換装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、水冷のヒートシンクによりパワー半導体素子を冷却しながら、パワー半導体素子により電力を変換する電力変換装置及び方法に関する。

例えばコンバータやインバータを備えたような電力変換装置では、パワー半導体素子として、サイリスタ素子、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴなどが用いられている。このようなパワー半導体素子を用いた電力変換装置では、パワー半導体素子のジャンクション温度が所望の温度を超えないように温度管理をしている。具体的には、パワー半導体素子の周囲にサーモスタットを取り付けたり、パワー半導体素子にサーミスタを内蔵したりしている。そして、実際の温度が所望の温度に達したときに、初めて電力の出力を制御したり停止したりしている。

特許文献１には、電力変換を行う半導体素子と、この半導体素子の熱を放散させる放熱フィンと、この放熱フィンを冷却する冷却ファンと、冷却ファンの冷却能力に関連するパラメータを検出する検出部と、制御部と、を備えた電力変換装置について開示されている。この電力変換装置では、検出部の検出結果、半導体素子の損失及び半導体素子の周囲温度に基づいて半導体素子のジャンクション温度を推定し、推定したジャンクション温度が予め定められた温度を超えないように半導体素子を制御している。

特開２０１２−３９７４５号公報

しかしながら、上述した温度管理の手法では、実際の温度が設定値に達した後に電源出力を停止させているので、急峻な温度上昇には温度センサの応答遅れがあるため対応できず、パワー半導体素子の破損につながる。特許文献１では、半導体素子を空冷しており、その冷却能力に関するパラメータを加味して半導体素子のジャンクション温度を推定している。また、半導体素子の周囲に温度センサを取り付け、温度センサの値からジャンクション温度を推定している。しかしながら、温度センサの取付位置により測温値が大きく異なる。よって、特許文献１の技術では、半導体素子を精度よく制御することができない。

そこで、本発明では、出力条件の変更があった場合でも、パワー半導体素子の破損を未然に防止することができる、電力変換装置及び方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、電力変換部と該電力変換部を制御する制御部とを備えた電力変換装置において、
電力変換部が、電力変換を行うためのパワー半導体素子を金属ベースに搭載してなるモジュールと、モジュールの金属ベースに接触しパワー半導体素子を冷却するヒートシンクと、を備え、
金属ベースの温度を測定すると共にヒートシンクに流入及び流出する冷却水の温度及び量を測定するセンサが取り付けられ、
制御部は、パワー半導体素子からヒートシンクに流れる熱量をセンサから測定した値に基づいて求めることによりパワー半導体素子のジャンクション温度を推定し、電力変換部から出力される電力を増加させる出力変更指令の入力を受けると、出力変更指令に対応して電力変換部を制御した際の上記パワー半導体素子のジャンクション温度を、前記パワー半導体素子のジャンクション部と前記金属ベースとの間の熱回路と、上記金属ベースの温度とに基づいて計算し、その計算した値が所望の値に達すると判断すると、指令に応じないことを特徴とする。

上記構成において、制御部は、パワー半導体素子の各ジャンクション温度における通電電流と電圧との素子データを備えており、
制御部は、パワー半導体素子のジャンクション温度を計算する際、先ず、ヒートシンクに流れる熱量から推定したジャンクション温度での素子データから通電電流を増加したときの電圧を求めて、増加後の通電電流と電圧とから電力損失を求め、その後、求めた電力損失に対応したジャンクション温度での素子データから通電電流を増加したときの電圧を求めて、増加後の通電電流と電圧とから電力損失を求めることを繰り返し行う。

上記構成において、センサのうち前記金属ベースを測温するための温度センサが、金属ベースに接触するように又は金属ベースに挿入して設けられる。

上記目的を達成するために、本発明は、パワー半導体素子を金属ベースに搭載してなるモジュールと、金属ベースに接触させてパワー半導体素子を冷却するヒートシンクとを用いて、パワー半導体素子を動作させて電力変換を行う電力変換方法であって、パワー半導体素子への通電によってパワー半導体素子からヒートシンクに流れる熱量を測定することにより、パワー半導体素子のジャンクション温度を推定し、パワー半導体素子への通電電流を増加する際の上記パワー半導体素子のジャンクション温度を、前記パワー半導体素子のジャンクション部と前記金属ベースとの間の熱回路と、上記金属ベースの温度とに基づいて計算し、所望の値を超えるとパワー半導体素子への通電電流の増加をしないようにしたことを特徴とする。

上記構成において、パワー半導体素子のジャンクション温度を計算する際には、先ず、通電電流増加前のジャンクション温度におけるパワー半導体素子の素子特性から、増加後の通電電流における電圧を求めて、増加後の通電電流とその求めた電圧とから電力損失を求めてジャンクション温度を求め、次に、その求めたジャンクション温度におけるパワー半導体素子の素子特性から増加後の通電電流における電圧を求め、増加後の通電電流とその求めた電圧とから電力損失を求めてジャンクション温度を求める一連の処理を繰り返す。一連の処理は、その求めたジャンクション温度の値が収束するまで行う。

本発明に係る電力変換装置によれば、制御部は、パワー半導体素子のジャンクション温度を、パワー半導体素子から冷却水へ流れる熱量を冷却水の温度差及び流量から推定し、出力増加の出力変更指令を受けると、出力変更指令に応じて電力変換部を制御したとしてパワー半導体素子の上昇温度分を計算し、その計算した温度が所望の値を超えるときには、出力変更指令に従う出力をしない。よって、パワー半導体素子のジャンクション部が所望の温度よりも高い温度とならないように、出力の制御又は停止をし、電力変換部のパワー半導体素子の熱による破損を防止することができる。

本発明に係る電力変換方法によれば、パワー半導体素子への通電によってパワー半導体素子からヒートシンクに流れる熱量を測定することにより、パワー半導体素子のジャンクション温度を推定し、パワー半導体素子への通電電流を増加する際に、通電電流を増加したときのパワー半導体素子のジャンクション温度を計算し、所望の値を超えるとパワー半導体素子への通電電流の増加を行わない。よって、パワー半導体素子の熱による破損を防止することができる。

本発明の実施形態に係る電力変換装置の構成図である。 図１に示すパワー半導体素子から金属ベース及びヒートシンクを経由して冷却水までの熱抵抗回路を示す図である。 制御部に格納されるパワー半導体素子の特性のデータを模式的に示す図である。 図１に示す制御部において出力変更指令に応じて出力を変更するときのパワー半導体素子のジャンクション温度の推定方法を説明するための模式図である。

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態について説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る電力変換装置の構成図である。図１に示すように、電力変換装置１０の入力側には電源３１が接続され、電力変換装置１０の出力側には負荷３２が接続されている。電力変換装置１０は、電力変換部１１と、電力変換部１１を制御する制御部１２と、を備える。

電力変換部１１は、電力変換を行うためのパワー半導体素子２１を金属ベース２２に搭載してなるモジュール２３と、モジュール２３の金属ベース２２に接触しパワー半導体素子２１を冷却するヒートシンク２４とを備える。モジュール２３においてパワー半導体素子２１と金属ベース２２との間には、絶縁層２５が介在している。電力変換部１１は、一又複数のモジュール２３内のパワー半導体素子２１がコンバータやインバータとして回路を形成することにより負荷３２に出力する電力を変換している。ヒートシンク２４は、放熱部２４ａに対して冷却水を流すための配管２４ｂを配設して構成される、所謂水冷ヒートシンクである。ヒートシンク２４が金属ベース２２に接触していることにより、パワー半導体素子２１からの熱を冷却水ｗに効率良く伝達し得る。

電力変換部１１には複数のセンサが取り付けられている。温度センサ２６ａが金属ベース２２の温度を測定する。金属ベース２２に窪みを設けて温度センサ２６ａを挿入するか又は温度センサ２６ａを金属ベース２２に接触するように設けられることが好ましい。よって、温度センサ２６ａの取付位置に依存せず、ジャンクション温度をモニターすることができる。

温度センサ２６ｂ及び２６ｃは、配管２４ｂの流入側と流出側にそれぞれに設けられ、ヒートシンク２４に流入及び流出する冷却水の温度が測定される。流量センサ２６ｄが配管２４ｂに設けられて冷却水の量が測定される。

制御部１２では、パワー半導体素子２１からヒートシンク２４に流れる熱量を冷却水ｗの温度上昇量として後述の式（１）で求め、温度センサ２６ａの実測値からパワー半導体素子２１のジャンクション温度を推定する。また、制御部１２は、図示しない入力部から出力に関する指令の入力を受け、電力変換部１１を制御する。制御部１２は、電力変換部１１から電力を出力している途中において入力部から出力変更に関する指令を受けると、次のような処理を経て、その指令に応じるか否かを判断する。すなわち、電力変換部１１から出力される電力を増加させる旨の出力変更指令の入力を受けると、出力変更指令に対応して電力変換部１１を制御した際にパワー半導体素子２１のジャンクション温度を計算し、その計算した値が所望の値に達すると判断するとその指令に応じないで、出力を停止するなどの制御を行う。これにより、パワー半導体素子２１の熱による破壊を未然に防ぐ。

制御部１２において、出力変更指令に対応して出力を変更した際のパワー半導体素子２１のジャンクション温度の推定手法について説明する。図２は、図１に示すパワー半導体素子から金属ベース及びヒートシンクを経由して冷却水に至るまでの熱抵抗回路を示す図である。冷却水（ｗ）とヒートシンク（ｆ）との間には熱抵抗Ｒｔｈ（ｆ-ｗ）があり、ヒートシンク（ｆ）と金属ベース（ｃ）との間には熱抵抗Ｒｔｈ（ｃ-ｆ）があり、金属ベース（ｃ）とパワー半導体素子のジャンクション部（ｊ）との間には熱抵抗Ｒｔｈ（ｊ-ｃ）がある。

先ず、第１ステップとして、出力変更指令に応じて出力変更する前の現時点でのパワー半導体素子２１のジャンクション温度を推定する。パワー半導体素子２１のモジュール２３をヒートシンク２４に取り付け、パワー半導体素子２１で生じた熱がヒートシンク２４に伝達されて冷却水にて冷却する場合を想定する。冷却水の昇温値を求めることにより、パワー半導体素子２１からの通電による電力量、つまり損失が測定される。

すなわち、損失Ｐは、式（１）により、冷却水のＯＵＴ側での温度Ｔ_Ｗ（ｏｕｔ）とＩＮ側での温度Ｔ_Ｗ（ｉｎ）との差分に、流量を掛けることで求まる。なお、末尾の係数「７０」は、冷却水として２０℃の水の特性として、比熱、密度などに基づく値であり、括弧[]内は単位を示し、ヒートシンクに一つのモジュールが搭載されているとして計算している。複数のモジュールを搭載している場合には、モジュール毎に冷却水の流入側と流出側の温度を測定するか、又は式（１）の左辺を各モジュールの損失の和となるように変更すればよい。
損失Ｐ［Ｗ］＝
｛Ｔ_Ｗ（ｏｕｔ）［℃］−Ｔ_Ｗ（ｉｎ）[℃]｝×流量[Ｌ／ｍｉｎ]×７０ 式（１）

式（１）で求まった損失Ｐの値に基づいて、図２に示す熱抵抗回路によるパワー半導体素子２１中のジャンクション温度Ｔｊを、式（２）により求める。
ジャンクション温度Ｔｊ[℃]＝
損失Ｐ×Ｒｔｈ（ｊ−ｃ）＋金属ベースの温度[℃] 式（２）
ここで、Ｒｔｈ（ｊ−ｃ）は、パワー半導体素子２１におけるカタログ値の熱抵抗[℃／Ｗ]により設定する。

この式（２）により、出力変更指令に応じて出力変更する前の現時点でのパワー半導体素子２１のジャンクション温度Ｔｊが求まる。

次に、第２ステップとして、出力変更指令に応じて出力を変更するときのパワー半導体素子２１のジャンクション温度を以下の手順によって推定する。以下では、出力変更指令により出力電流をＩ_１からＩ_２に増加させるときのパワー半導体素子２１のジャンクション温度の推定方法の一例を説明する。

図３は、制御部１４に格納されるパワー半導体素子２１の特性のデータを模式的に示す図である。パワー半導体素子２１がＩＧＢＴの場合を想定している。横軸がＶ_ＣＥ，縦軸が電流Ｉ_Ｃ，ジャンクション温度Ｔｊ，ゲート電圧Ｖ_Ｇをパラメータで示している。つまり、Ｖ_ＣＥ＝ｆ（Ｉ_ｃ，Ｔｊ,Ｖ_Ｇ）で示される。Ｉ_ＣとＶ_ＣＥの関係ｆはＴｊ，Ｖ_Ｇの関数となるが、ゲート電圧Ｖ_Ｇは一定であるので、Ｖ_ＣＥはＩ_ＣとＴｊの関数となる。

いま、パワー半導体素子２１のジャンクション温度Ｔｊ０のパワー半導体素子２１において、通電電流をＩ_１からＩ_２に増加させるとき、Ｉ_Ｃ−Ｖ_ＣＥ曲線がジャンクション温度Ｔｊによって変化するので、先ず、電流増加前のジャンクション温度であるＴｊ０のときのＩ_Ｃ−Ｖ_ＣＥ曲線を利用する。図３からジャンクション温度の初期値であるＴｊ０でのＩ_Ｃ−Ｖ_ＣＥ曲線から、電流をＩ_１からＩ_２に増加すると、Ｖ_ＣＥがＶ_２となるので、損失はＩ_２×Ｖ_２となる。よって、Ｉ_２×Ｖ_２の電力損失にモジュール熱抵抗Ｒｔｈ（ｊ−ｃ）を掛けて上昇温度を求め、この求めた上昇温度にＴｃ０を加えることで、ジャンクション温度Ｔｊ１が求められる。

次に、ジャンクション温度Ｔｊ１でのＩ_Ｃ−Ｖ_ＣＥ曲線から、電流Ｉ_２ではＶ_ＣＥがＶ_３となるので、損失はＩ_２×Ｖ_３となる。よって、Ｉ_２×Ｖ_３の電力損失にモジュール熱抵抗Ｒｔｈ（ｊ−ｃ）を掛けて上昇温度を求め、この求めた上昇温度にＴｃ０を加えることで、ジャンクション温度Ｔｊ２が求められる。

次に、ジャンクション温度Ｔｊ２でのＩ_Ｃ−Ｖ_ＣＥ曲線から、電流Ｉ_２ではＶ_ＣＥがＶ_４となるので、損失はＩ_２×Ｖ_４となる。よって、Ｉ_２×Ｖ_４の電力損失にモジュール熱抵抗Ｒｔｈ（ｊ−ｃ）を掛けて上昇温度を求め、この求めた上昇温度にＴｃ０を加えることで、ジャンクション温度Ｔｊ３が求められる。

このように計算を繰り返すことによりジャンクション温度は上昇して実際の値に近くなるが、図４に示すようにその上昇幅が小さくなり、求められるジャンクション温度の値が収束すると、その求めた値が実際のパワー半導体素子２１のジャンクション温度Ｔｊと推定される。

このように計算を繰り返して、電流値を変更したときのジャンクション温度を求めることができ、その結果と素子の規格値を比較して、電流を増加することができるか否かの判断を行えばよい。

パワー半導体素子２３のジャンクション温度の上昇は数秒程度かかるのに対し、ステップ１及びステップ２の計算はマイコン等で０．０１〜０．１秒のオーダーという非常に短時間に行える。よって、実際に出力変更指令に沿って温度上昇をさせる前に行っても何ら支障はない。また、出力変更指令に沿って変更してしても、計算は０．１秒オーダー以下で出来るので、問題はない。

また、図２で示す熱抵抗回路において、接触熱抵抗であるＲｔｈ（ｃ-ｆ）やヒートシンクＲｔｈ（ｆ-ｗ）の熱抵抗値を加味して、ジャンクション温度を求めていないので、より正確な計算が可能となる。

ところで、パワー半導体素子のスイッチングロスは、電圧、電流が直線的に変化するとして次式により計算することが出来る。
オン損失Ｐ＝１／６×Ｖ×Ｉ×Ｔｏｎ／Ｔ
オフ損失Ｐ＝１／６×Ｖ×Ｉ×Ｔｏｆｆ／Ｔ
ここで、Ｔｏｎ，Ｔｏｆｆはスイッチングでオン、オフする時間、Ｔは周期である。
よって、トータルとしての損失Ｐについてはスイッチング損失と定常損失とスイッチング損失との和として求めてもよい。

そのほか、本発明の実施形態によれば、パワー半導体素子の経年変化によるＶ_ＣＥの上昇を冷却水による熱量から判断して、未然にパワー半導体素子の破損を防ぐこともできる。また、ヒートシンクの経年変化による冷却能力の低減についても加味することができる。

本発明の実施形態に係る電力変換装置では、冷却水の温度上昇分からパワー半導体素子２１の損失を求めているため、その損失の精度は温度センサ２６ｂ及び温度センサ２６ｃから求めた温度差と冷却水の流量に依存する。そのため、出力電力が略１００ｋＷ以上の電力変換装置に適用される。

１０：電力変換装置
１１：電力変換部
１２：制御部
２１：パワー半導体素子
２２：金属ベース
２３：モジュール
２４：ヒートシンク
２４ａ：放熱部
２４ｂ：配管
２５：絶縁層
２６：センサ
２６ａ，２６ｂ，２６ｃ：温度センサ
２６ｄ：流量センサ
３１：電源
３２：負荷

Claims (4)

1. 電力変換部と該電力変換部を制御する制御部とを備えた電力変換装置において、
   上記電力変換部が、電力変換を行うためのパワー半導体素子を金属ベースに搭載してなるモジュールと、上記モジュールの金属ベースに接触し上記パワー半導体素子を冷却するヒートシンクと、を備え、
   上記金属ベースの温度を測定すると共に上記ヒートシンクに流入及び流出する冷却水の温度及び量を測定するセンサが取り付けられ、
   上記制御部は、
   上記パワー半導体素子から上記ヒートシンクに流れる熱量を上記センサから測定した値に基づいて求めることにより上記パワー半導体素子のジャンクション温度を推定し、
   上記電力変換部から出力される電力を増加させる出力変更指令の入力を受けると、上記出力変更指令に対応して上記電力変換部を制御した際の上記パワー半導体素子のジャンクション温度を、前記パワー半導体素子のジャンクション部と前記金属ベースとの間の熱抵抗回路と、上記金属ベースの温度とに基づいて計算し、
   前記パワー半導体素子の各ジャンクション温度における通電電流と電圧との素子データを備え、前記パワー半導体素子のジャンクション温度を計算する際に、先ず、前記ヒートシンクに流れる熱量から推定したジャンクション温度での素子データから通電電流を増加したときの電圧を求めて、増加後の通電電流と電圧とから電力損失を求め、その後、求めた電力損失に対応したジャンクション温度での素子データから通電電流を増加したときの電圧を求めて、増加後の通電電流と電圧とから電力損失を求めることを繰り返し行うことによってジャンクション温度を計算し、
   その計算した値が所望の値に達すると判断すると上記指令に応じないことを特徴とする、電力変換装置。
2. 前記センサのうち前記金属ベースを測温するための温度センサが、前記金属ベースに接触するように又は前記金属ベースに挿入して設けられている、請求項１に記載の電力変換装置。
   
3. パワー半導体素子を金属ベースに搭載してなるモジュールと、該金属ベースに接触させて上記パワー半導体素子を冷却するヒートシンクとを用いて、上記パワー半導体素子を動作させて電力変換を行う電力変換方法であって、
   上記パワー半導体素子への通電によって上記パワー半導体素子から上記ヒートシンクに流れる熱量を測定することにより、上記パワー半導体素子のジャンクション温度を推定し、
   上記パワー半導体素子への通電電流を増加する際の上記パワー半導体素子のジャンクション温度を、前記パワー半導体素子のジャンクション部と前記金属ベースとの間の熱抵抗回路と、上記金属ベースの温度とに基づいて計算し、
   前記パワー半導体素子のジャンクション温度を計算する際、先ず、通電電流増加前のジャンクション温度における前記パワー半導体素子の素子特性から、増加後の通電電流における電圧を求めて、増加後の通電電流とその求めた電圧とから電力損失を求めてジャンクション温度を求め、次に、その求めたジャンクション温度における前記パワー半導体素子の素子特性から増加後の通電電流における電圧を求め、増加後の通電電流とその求めた電圧とから電力損失を求めてジャンクション温度を求める一連の処理を繰り返し行うことによってジャンクション温度を計算し、
   所望の値を超えると上記パワー半導体素子への通電電流の増加をしないようにした、電力変換方法。
4. 前記一連の処理は、その求めたジャンクション温度の値が収束するまで行う、請求項３に記載の電力変換方法。

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