JP6538109B2

JP6538109B2 - スイッチング装置

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Publication number: JP6538109B2
Application number: JP2017102519A
Authority: JP
Inventors: 徹醍醐
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-05-24
Filing date: 2017-05-24
Publication date: 2019-07-03
Anticipated expiration: 2037-05-24
Also published as: JP2018198498A

Description

この発明は、スイッチング装置に関し、特に、複数のスイッチ素子と冷却部とから構成されたスイッチング装置に関するものである。

電力を変換するスイッチング装置として、インバータ、変圧機などがある。インバータは、複数のスイッチ素子を制御することで、電源からモータの各コイルへの電流供給経路を切り替え、モータの駆動制御を行っている。また、変圧機は、複数のスイッチ素子を制御することで、電源からリアクトルへの電流供給量を調整し、電源で発生する電圧を任意の電圧に変圧して出力する。

また、その他のスイッチング装置としては、蓄電装置の両端に接続され、スイッチングを行うことで、蓄電装置の電荷を放電する放電装置などがある。

上述のスイッチング装置はいずれも、複数のスイッチ素子が直列、並列または独立に接続・配置され、それらの複数のスイッチ素子が同一の装置内に配置されているという構成を有している。

例えば、複数のスイッチ素子で構成されるインバータ装置において、スイッチ素子のスイッチングスピードを可変制御する技術が知られている。一般に、スイッチングスピードを遅くするほど、スイッチング動作に伴うサージ電圧が低減するため、スイッチ素子の耐圧破壊を防止することができる。しかしながら、一方、スイッチ素子の損失を低減するためには、スイッチングスピードを速くする方が良い。

そのため、例えば特許文献１では、配線インダクタンスが高い場合にスイッチ素子のスイッチングスピードを遅くし、配線インダクタンスが小さい場合にスイッチ素子のスイッチングスピードを速くすることで、サージ電圧を抑制している。

また、一般に、スイッチングスピードの違いにより、スイッチ素子に発生する損失（発熱量）のバラツキが発生し、当該バラツキにより、スイッチ素子の温度のバラツキが発生する。特許文献１では、当該温度のバラツキを抑制するために、スイッチ素子の損失が大きい系路から損失が小さい経路に向かって冷却水（冷媒）を流している。これにより、冷却水が順に受熱されていき、損失が大きいスイッチ素子には温度の低い冷却水が流れ、損失が小さいスイッチ素子には温度の高い冷却水が流れる。その結果、各スイッチ素子の温度差が抑制される。

国際公開第２０１６／０２１３１４号

特許文献１の具体的な例を説明する。特許文献１では、冷却器上にスイッチ素子Ｕ、Ｖ、Ｗが左から順番に配置されている。このとき、前提として、配線の長さはＵ＞Ｖ＞Ｗ、すなわち、配線インダクタンスはＵ＞Ｖ＞Ｗとする。配線インダクタンスの大小関係から、スイッチングスピードはＵ＜Ｖ＜Ｗに制御され、サージ電圧はＵ＝Ｖ＝Ｗとなる。一方、スイッチ素子の損失はＵ＞Ｖ＞Ｗとなる。冷却器の冷媒は、スイッチ素子の損失が大きい系路から損失が小さい経路となるように冷媒を左から右へ流れるようにしているため、冷却性能はＵ＞Ｖ＞Ｗとなり、最終的にスイッチ素子の温度はＵ＝Ｖ＝Ｗとなる。

このように、特許文献１では、冷媒を左から右へ流しているが、必ずしも冷媒が左から右へ流せるとは限らない。特に、車載用機器の場合、搭載スペースの制限から、冷却器の構造および冷媒の流れ方向等において自由度が低い。そのため、冷媒が下から上へ流れ、スイッチ素子Ｕ、Ｖ、Ｗが同時に冷やされる場合もある。この場合、冷却性能はＵ＝Ｖ＝Ｗとなる。しかしながら、上述の場合においては、損失がＵ＞Ｖ＞Ｗであるため、スイッチ素子の温度はＵ＞Ｖ＞Ｗと不均一となる。

ここで、スイッチ素子の過加熱による故障を防止するための過加熱防止装置について説明する。過加熱防止装置は、スイッチ素子に取り付けられたスイッチ素子温度検出装置により検出されたスイッチ素子の温度がスイッチ素子の過加熱温度（以下ＯＴと呼ぶ）に到達すると、スイッチ素子の通電を遮断して、インバータ動作を停止し、通電による温度上昇を遮断するように制御する。

複数のスイッチ素子で構成されるインバータ装置においては、複数のスイッチ素子のうち最も温度が高くなるスイッチ素子が最初にＯＴに到達した場合に、各スイッチ素子の通電を遮断するように制御する。

スイッチ素子の温度はＵ＞Ｖ＞Ｗと不均一となる場合の過加熱防止装置を考える。図１は、同一の冷却性能のスイッチ素子Ｕ、Ｖ、Ｗの損失がＵ＞Ｖ＞Ｗの場合の温度上昇を示す図である。図１において、横軸は時間、縦軸は温度を示し、ＵＴはスイッチ素子Ｕの温度上昇、ＶＴはスイッチ素子Ｖの温度上昇、ＷＴはスイッチ素子Ｗの温度上昇を示す。同一の冷却性能のスイッチ素子の損失がＵ＞Ｖ＞Ｗの場合、ＯＴまでのスイッチ素子の温度上昇時間はＵ＜Ｖ＜Ｗであり、図１に示すようにスイッチ素子Ｕが最も発熱し、スイッチ素子Ｖ，ＷがＯＴに到達する時間よりも速くスイッチ素子ＵがＯＴに到達する。

従って、過加熱防止装置において、全てのスイッチ素子がＯＴを超えないようにするためには、最も発熱の高いスイッチ素子ＵがＯＴとなった場合に、全てのスイッチ素子Ｕ，Ｖ，Ｗの通電を遮断するように制御しなければならない。

すなわち、スイッチ素子ＵがＯＴの時点の各スイッチ素子の温度がＵ＞Ｖ＞Ｗと不均一となるような図１に示す温度上昇特性を持つスイッチング装置の場合、スイッチ素子Ｖ，Ｗに温度余裕があるにも関わらず、スイッチング装置全体を停止させてしまい、効率的ではない。

また、特許文献１のように、冷却水の経路において、損失の大きい順にスイッチ素子を順に冷却するために、冷却水の方向を維持しようとした場合、冷却水の経路を確保するために、スイッチング装置を搭載する装置が大型化・重量化する可能性がある。一方、冷却水の経路をそのままにした場合、スイッチング装置に搭載されるスイッチ素子の配置を損失の大きい順になるように変更しなければならず、スイッチ素子の配置の自由度が低いあまり、結果的に、スイッチング装置が大型化・重量化する可能性がある。

このように、従来のスイッチング装置は、スイッチ素子間で発熱にバラツキが生じ、一部のスイッチ素子に温度余裕があるにも関わらず、すべてのスイッチ素子の通電を遮断して、スイッチング装置全体を停止させてしまうため、スイッチング装置を効率的に駆動できないという課題があった。また、スイッチ素子の配置に起因して、スイッチング装置が大型化・重量化するという課題があった。

特に、ハイブリッドカーに搭載されるインバータは、燃費の観点から、高効率・軽量が求められるが、特許文献１の従来のスイッチング装置を用いた場合、上述した課題から、高効率および軽量を実現することは難しく、また、その結果、燃費も悪化してしまうという問題が発生する。

この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、各スイッチ素子の温度差を抑制する制御を行うことで、各スイッチ素子の配置の自由度を高めて小型化・軽量化を図りながら、効率的な駆動を可能にする、スイッチング装置を提供することを目的とする。

この発明は、複数のスイッチ素子を有するスイッチング部と、前記スイッチング部の各前記スイッチ素子をオン／オフ制御する制御部と、各前記スイッチ素子に対して設けられ、各前記スイッチ素子を冷却する冷却部と、各前記スイッチ素子のうちの少なくとも１つのスイッチ素子の温度を検出して、温度情報を前記制御部に送信するスイッチ素子温度検出部とを備え、前記制御部は、前記スイッチ素子温度検出部により検出された前記スイッチ素子の温度が閾値以上であった場合に、各前記スイッチ素子をオフにするように構成され、各前記スイッチ素子は配線インダクタンスが互いに異なるように配置され、各前記スイッチ素子の損失はスイッチング損失とＤＣ損失とを含み、各前記スイッチ素子のうち、少なくとも１つのスイッチ素子は、他のスイッチ素子よりも前記ＤＣ損失が小さいスイッチ素子から構成されており、各前記スイッチ素子のうち、前記配線インダクタンスが他のスイッチ素子よりも大きいスイッチ素子のうちの少なくとも１つ、または、前記冷却部のうちの他の部分よりも冷却性能が低い部分に配置されるスイッチ素子のうちの少なくとも１つを、他のスイッチ素子よりも前記ＤＣ損失が小さいスイッチ素子から構成する、スイッチング装置である。

この発明に係るスイッチング装置によれば、ＤＣ損失が異なるスイッチ素子を用いることで、各スイッチ素子の温度差を抑制する制御を行うことができるので、各スイッチ素子の配置の自由度を高めて小型化・軽量化を図りながら、効率的な駆動を可能にすることができる。

同一の冷却性能のスイッチ素子Ｕ，Ｖ，Ｗの損失がＵ＞Ｖ＞Ｗの場合の温度上昇を示す図である。この発明の実施の形態１に係るスイッチング装置の構成の一例を説明するブロック図である。この発明の実施の形態１に係るスイッチング装置における各スイッチ素子と冷却部との位置関係を示す図である。この発明の実施の形態１に係るスイッチング装置における各スイッチ素子の特性の一例を示す図である。この発明の実施の形態２に係るスイッチング装置の冷却部の冷媒流入口の様子を示す正面図である。この発明の実施の形態２に係るスイッチング装置における各スイッチ素子の特性の一例（例１）を示す図である。この発明の実施の形態２に係るスイッチング装置における各スイッチ素子の特性の他の例（例２）を示す図である。この発明の実施の形態２に係るスイッチング装置における各スイッチ素子の特性の他の例（例３）を示す図である。

以下、この発明に係るスイッチング装置の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図面中、同一又は相当する部分には、同一符号を付して示している。

実施の形態１．
図２は、この発明の実施の形態１に係るスイッチング装置の一例を説明する図である。図２に示すように、本実施の形態１におけるスイッチング装置は、制御部１と、スイッチング部２と、冷却部３と、スイッチ素子温度検出部４と、スイッチングスピード制御部５とから構成されている。

図３は、この発明の実施の形態１に係るスイッチング装置のスイッチ素子と冷却部の位置関係を示す図である。図３において、（ａ）は冷却部３を上から見た上面図、（ｂ）は冷却部３を正面から見た正面図を示し、（ａ）の矢印Ａは、冷却部３へ流れる冷媒の方向を示している。

図２に示すように、スイッチング部２は、スイッチ素子２１，２２，２３により構成される。図３に示すように、スイッチ素子２１，２２，２３は、同一の冷却部３上に配置されている。スイッチ素子２１は冷却部３の左側に配置され、スイッチ素子２２は冷却部３の中央に配置され、スイッチ素子２３は冷却部３の右側に配置されている。冷却部３の下面には、図３の（ｂ）に示されるように、複数のフィンが設けられている。スイッチ素子２１，２２，２３で発生した熱は、熱伝導により、冷却部３のフィンまで伝導され、冷却部３の冷媒がそれらのフィンの間を流れることで、スイッチ素子２１，２２，２３が冷却される。

なお、図３（ａ）の矢印Ａで示されるように、冷却部３への冷媒は、正面手前から奥に向かって流れ、スイッチ素子２１，２２，２３は互いに同時に冷却される。このように、冷却部３の正面手前から冷媒が冷却部３内に流入されるため、冷却部３の正面手前部分を、以下では、冷媒流入口と呼ぶ。

図２に示すように、制御部１は、スイッチングスピード制御部５を介して、スイッチング部２に接続されている。制御部１は、スイッチ素子２１，２２，２３のオン／オフ制御を行う。

スイッチングスピード制御部５は、制御部１とスイッチング部２との間に接続されている。スイッチングスピード制御部５は、第１のスイッチングスピード制御部５１、第２のスイッチングスピード制御部５２、および、第３のスイッチングスピード制御部５３により構成される。第１のスイッチングスピード制御部５１は、制御部１からのオン／オフ制御指令に従い、スイッチ素子２１のスイッチングスピードを制御する。第２のスイッチングスピード制御部５２は、制御部１からのオン／オフ制御指令に従い、スイッチ素子２２のスイッチングスピードを制御する。第３のスイッチングスピード制御部５３は、制御部１からのオン／オフ制御指令に従い、スイッチ素子２３のスイッチングスピードを制御する。

スイッチ素子温度検出部４は、スイッチ素子２２に対して設けられている。スイッチ素子温度検出部４は、スイッチ素子２２の温度を検出し、制御部１へスイッチ素子２２の温度情報を送信する。

このような構成において、次のような状態（１）〜（６）を前提としている。
（１）スイッチ素子２１，２２，２３の配線インダクタンスの大きさは、スイッチ素子２１＞スイッチ素子２２＞スイッチ素子２３となるように設定されている。
（２）スイッチングスピードの速さは、スイッチ素子２１＜スイッチ素子２２＜スイッチ素子２３となるように設定されている。
（３）スイッチ素子２１，２２，２３の素子特性は異なる。素子特性とは、例えば、スイッチング特性、ＯＮ特性、ＤＣ損失などが挙げられる。素子特性に関し、詳細は後述する。
（４）スイッチ素子２１，２２，２３の通電電流および印加電圧は同一である。すなわち、スイッチ素子２１，２２，２３の電力は同一である。
（５）スイッチ素子２１，２２，２３に対する冷却部３の冷却性能は同一である。
（６）スイッチ素子２２の温度がＯＴ以上の場合、制御部１は、スイッチ素子２１，２２，２３の通電を遮断する。すなわち、ＯＴは、スイッチ素子２１，２２，２３の通電を遮断するか否かを判定するための閾値である。

冷却性能は、冷却部３の冷媒流入口とスイッチ素子２１，２２，２３との間の熱抵抗で表すことができ、熱抵抗が大きい場合に冷却性能が低く、熱抵抗が小さい場合に冷却性能が高いことを示す。また、スイッチ素子２１，２２，２３の損失に熱抵抗を乗算することで、スイッチ素子２１，２２，２３の温度上昇量を算出することができる。尚、熱抵抗は、冷媒の冷却流量および冷媒温度により異なり、冷却部３を構成する冷却器の形状が同一の場合、冷媒の冷却流量が多く、冷媒温度が低ければ、熱抵抗は小さい。

まず、スイッチ素子２１，２２，２３の損失について説明する。スイッチ素子２１，２２，２３の損失には、スイッチングによるスイッチング損失と通電によるＤＣ損失とが含まれる。

スイッチング装置のスイッチ素子２１，２２，２３には、一般的に、トランジスタ、ＭＯＳ−ＦＥＴ、ＩＧＢＴなどの半導体スイッチが用いられる。例えばＩＧＢＴのスイッチングスピードを決める要素としてはゲートへの電荷のチャージ量を制御するゲート抵抗およびゲートの印加電圧、スイッチ素子の素子特性の一部であるスイッチング特性がある。これらの特性で決定されるスイッチングスピードに、通電電流、印加電圧、スイッチング周波数を乗算すると、スイッチング損失が算出できる。

ＤＣ損失は、スイッチ素子の素子特性の一部であるＯＮ抵抗により決定され、ＯＮ抵抗に通電電流を乗算すると、ＤＣ損失が算出できる。

また、スイッチング損失にＤＣ損失を加算すると、スイッチ素子のトータルの損失を算出することができる。

通電電流、印加電圧、スイッチング周波数は、スイッチング装置の動作モードにより決定されるため、スイッチ素子のトータルの損失を調整できる他の要素としては、スイッチング損失ではスイッチングスピード、ＤＣ損失ではスイッチ素子のＯＮ抵抗となる。スイッチング損失は、スイッチ素子のスイッチングスピードが速ければ小さく、遅ければ大きい。ＤＣ損失は、スイッチ素子のＯＮ抵抗が大きければ大きく、ＯＮ抵抗が小さければ小さい。

ここでは、前提条件で、スイッチングスピードの速さはスイッチ素子２１＜スイッチ素子２２＜スイッチ素子２３と設定されているため、スイッチングスピードによるスイッチング損失は、スイッチ素子２１＞スイッチ素子２２＞スイッチ素子２３となる。

また、スイッチ素子２１，２２，２３に対する冷却部３の冷却性能は同一である。

ここで、スイッチ素子２１，２２，２３の発熱を同じにするためには、冷却性能が「高」の位置には、損失が「大」のスイッチ素子を配置し、冷却性能が「中」の位置には、損失が「中」のスイッチ素子を配置し、冷却性能が「低」の位置には、損失が「低」のスイッチ素子を配置すればよい。

そして、上述したように、トータルの損失はスイッチング損失とＤＣ損失と加算したものであり、スイッチング損失を決定するスイッチングスピードは、スイッチ素子の配線インダクタンスで決まる。そこで、各スイッチ素子間のスイッチング損失の差を補償するようにＤＣ損失を制御すれば、トータルの損失が同一になるように制御することができる。

すなわち、ここでは、スイッチング損失が、スイッチ素子２１＞スイッチ素子２２＞スイッチ素子２３であるため、ＤＣ損失を、スイッチ素子２１＜スイッチ素子２２＜スイッチ素子２３となるように制御すれば、各スイッチ素子２１，２２，２３のトータルの損失が同一となる。そのため、スイッチ素子２１，２２，２３の冷却性能が同一ならば、結果的に、スイッチ素子２１，２２，２３の温度も同一となる。

従って、スイッチ素子温度検出部４が検出するスイッチ素子２２の検出温度は、スイッチ素子２２の検出温度＝スイッチ素子２１の温度＝スイッチ素子２３の温度となる。

上述した実施の形態１の各スイッチ素子２１，２２，２３の特性を図４にまとめる。

このように、各スイッチ素子２１，２２，２３のスイッチングスピードが異なり、かつ、冷却性能が同一の場合でも、スイッチ素子２１，２２，２３の素子特性の１つであるＤＣ損失を制御することで、配置された全てのスイッチ素子２１，２２，２３の温度を同一とすることができる。そのため、スイッチ素子２２がＯＴの時点で、各スイッチ素子２１，２２，２３の温度はすべて同じであり、従って、スイッチ素子２１，２３もＯＴに到達している。そのため、この時点で、スイッチング装置全体を停止すれば、従来のように、スイッチ素子２１，２３に温度余裕があるにも関わらず、装置全体を停止させてしまうようなことはない。その結果、効率的に各スイッチ素子２１，２２，２３を使用することができ、スイッチング装置を効率的に駆動することができる。

なお、上述した例では、説明を簡単にするため、スイッチ素子２１，２２，２３の温度が同一としたが、効率が許容できる範囲であれば、スイッチ素子２１，２２，２３間に、１０℃程度の若干の温度差があっても構わない。

例えば、スイッチ素子２１がＯＴ時の場合を説明する。

説明を簡単にするため、スイッチ素子２１の温度＝スイッチ素子２３の温度＞スイッチ素子２２とし、スイッチ素子２１とスイッチ素子２２に注目して説明する。

スイッチ素子２１がＯＴとなる時点のスイッチ素子２２の温度、すなわち、スイッチング装置が停止する温度をＯＴＳとすれば、温度ＯＴＳは下記の（式１）にて設定すればよい。

ＯＴＳ＝ＯＴ−（｜スイッチ素子２１の温度−スイッチ素子２２の温度｜＋誤差）
（式１）

すなわち、温度ＯＴＳは、ＯＴからスイッチ素子２１とスイッチ素子２２との温度差を引いた値に、誤差を加算した値である。

この誤差は、スイッチ素子２１とスイッチ素子２２との温度差を測定器またはシミュレーションモデルにより求めたときの精度に起因する。

一般的には、スイッチ素子２１の温度は、実測していないため、スイッチ素子温度検出部４により実測されたスイッチ素子２２の温度に基づいてシミュレーションモデルにて推測して求められる。

例えば、ＯＴ＝１５０℃とし、シミュレーションモデルにより求めたスイッチ素子２１の温度とスイッチ素子２２の温度との温度差を＋５℃とし、シミュレーションモデルによるスイッチ素子２１の推定誤差を＋５℃としたとき、スイッチング装置が停止するスイッチ素子２２の温度ＯＴＳは、例えば下記の（式２）となる。

ＯＴＳ＝１５０℃−（｜＋５℃｜＋５℃）
＝１４０℃ （式２）

従って、スイッチ素子２２が１４０℃の時に装置が停止する。すなわち、この例においては、スイッチ素子２１，２２，２３の通電を遮断するか否かを判定する閾値は、ＯＴＳとなる。

例えば、動作モードの最大スイッチ素子温度が１４０℃以下ならば、スイッチ素子２１とスイッチ素子２２との温度差＋誤差が１０℃までならば、スイッチング装置を動作する上で許容できることになる。

なお、上述では、スイッチ素子温度検出部４がスイッチ素子２２の温度を実測して、当該温度に基づいてスイッチ素子２１の温度を推定しているが、スイッチ素子２１及びスイッチ素子２３にもスイッチ素子温度検出部４と同様の温度検出部（図示せず）を接続し、スイッチ素子２１及びスイッチ素子２３の温度を直接検出しても構わない。また、その場合には、シミュレーションによる推定誤差を考慮する必要がなくなる。

また、シミュレーションは、一般的に、スイッチ素子の素子特性（ＯＮ抵抗、スイッチング特性）、および、スイッチング装置の動作モードからスイッチ素子の熱計算を行う。具体的には、動作モードから、通電電流、印加電圧、スイッチング周波数、冷却部３の冷却性能（熱抵抗）を求める。
また、通電電流、印加電圧、スイッチング特性からスイッチングスピードを求め、スイッチング周波数及びスイッチングスピードからスイッチ素子のスイッチング損失を求め、通電電流とＯＮ抵抗とからＤＣ損失を算出して、トータルの損失を算出する。
さらに、トータルの損失と熱抵抗とから、スイッチ素子の温度を計算する。
スイッチ素子２１，２２，２３の温度を直接検出すれば、上記のシミュレーションを行う必要がなくなる。

以上のように、本実施の形態１に係るスイッチング装置によれば、各スイッチ素子の温度が同一となるように、各スイッチ素子のトータルの損失が同一となるように制御するようにした。具体的には、配線インダクタンスが他のスイッチ素子よりも大きいスイッチ素子を、ＤＣ損失が小さいスイッチ素子から構成するようにした。これにより、各スイッチ素子間のスイッチング損失の差を、ＤＣ損失を制御することで補償できるので、各スイッチ素子間のトータルの損失が同一となり、各スイッチ素子の損失による温度差を抑制することができる。そのため、冷却部３上に、自由に、スイッチ素子２１，２２，２３を配置させることができる。このように、冷却部３上へ自由にスイッチ素子２１，２２，２３を配置させることができるため、各スイッチ素子２１，２２，２３の配線も自由となる。このように、実施の形態１では、各スイッチ素子の配置および配線の自由度を高めることができるため、各スイッチ素子の配置または配線によってスイッチング装置が大型化・重量化することはなく、スイッチング装置の小型化・軽量化が図れる。また、各スイッチ素子の温度が同一となるように制御できるため、各スイッチ素子が同時にＯＴに到達するため、温度余裕のあるスイッチ素子があるにも関わらず装置全体を停止させることがなく、スイッチング装置を効率的に駆動させることができる。

なお、上記の説明においては、すべてのスイッチ素子２１，２２，２３の温度がほぼ同じになるように制御すると説明した。しかしながら、スイッチ素子２２がＯＴに到達したときに、少なくとも他の１つのスイッチ素子２１または２３だけが同時にＯＴに達しているようにしてもよい。その理由としては、従来装置においては、１つのスイッチ素子だけがＯＴに達した時点で、すべてのスイッチ素子を停止させていたため、そのような従来装置に比べると、少なくとも他の１つのスイッチ素子２１または２３のＤＣ損失を制御したとしても、その分だけ、効率化が図れる。従って、本実施の形態においては、各スイッチ素子２１，２２，２３のうち、少なくとも１つのスイッチ素子を、他のスイッチ素子よりもＤＣ損失が小さいスイッチ素子から構成するようにすればよい。

実施の形態２．
上記の実施の形態１の説明においては、各スイッチ素子の冷却性能が同一の場合を説明したが、実施の形態２においては、冷却性能が同一でない場合について説明する。以下、この発明の実施の形態２に係るスイッチング装置について、図５〜図８を用いて具体的に説明する。

図５は、冷却性能が同一でない場合の冷却部３の様子の一例を示している。図５は、ダクト６を冷却部３の冷媒流入口に取り付けた場合の正面図である。図５に示すように、冷却部３の冷媒流入口に対して、開口に偏りのあるダクト６が取り付けられている。

図５において、（ａ）は、ダクト６の正面の形状を示している。図５の（ａ）において、６Ａはダクト６の外形を示し、６Ｂはダクト６の開口部を示す。ダクト６の開口部６Ｂは、中央部が最も大きく、中央部から端部に向かって徐々に小さくなるように、形成されている。冷媒は、ダクト６の開口部６Ｂを通って冷却部３の冷媒流入口に導入される。なお、開口部６Ｂの形状については図５の例に限定されず、中央部が最も大きく、端部が中央部より小さくなるように形成されていれば、いずれの形状でもよい。また、開口部６Ｂは、連続した１つの貫通穴でなくてもよく、各スイッチ素子２１，２２，２３の位置に合わせて配置された３つの貫通穴から構成されていてもよい。

また、図５の（ｂ）は、冷却部３の冷却性能を示すグラフである。ダクト６の開口の幅と冷却部３の幅とを同一とした場合、横軸は冷却部３の幅方向における左右の位置を示し、縦軸は冷却部３の冷却性能を示す。

一般的に、冷媒がよく通る場所の冷却性能は高く、冷媒の通りが悪い場所の冷却性能は低い。ダクト６は冷却部３の正面に取り付けられている。ダクト６の開口部６Ｂの中央部は、開口が広く、冷媒の通りがよい。しかしながら、ダクト６の開口部６Ｂの左右の端部は、開口が狭く、冷媒の通りが悪い。従って、図５の（ｂ）のグラフに示されるように、冷却部３の中央部に比べて、冷却部３の左右の端部は冷却性能が低い。

つまり、上述の実施の形態１に対し、実施の形態２においては、冷却部３の冷却性能が同一ではない点が異なっている。他の構成については、基本的に実施の形態１と同じである。そこで、相違点である冷却性能を中心に、以下に説明する。

実施の形態２においても、実施の形態１と同様に、図３に示すように、スイッチ素子２１，２２，２３は、同一の冷却部３上に配置されている。スイッチ素子２１は冷却部３の左側に配置され、スイッチ素子２２は冷却部３の中央に配置され、スイッチ素子２３は冷却部３の右側に配置されている。スイッチ素子２１，２２，２３は、冷却部３により冷却される。

上述の実施の形態１では、スイッチ素子２１，２２，２３の冷却性能は同一であったが、実施の形態２においては、図５に示すダクト６を設けたことにより、冷却部３の冷却性能が、スイッチ素子２１＝スイッチ素子２３＜スイッチ素子２２となる。一方で、スイッチングスピードによるスイッチング損失は、実施の形態１と同じく、スイッチ素子２１＞スイッチ素子２２＞スイッチ素子２３である。

従って、発熱を同じにするためには、冷却性能が「高」の中央位置に配置されているスイッチ素子２２の損失を「大」に、冷却性能が「低」の左右位置に配置されているスイッチ素子２１，２３の損失を「低」になるように、制御すればよい。

そして、上述したように、トータルの損失はスイッチング損失とＤＣ損失と加算したものであり、スイッチング損失を決定するスイッチングスピードはスイッチ素子の配線インダクタンスで決まるため、ＤＣ損失を制御すればトータルの損失を制御することができる。

すなわち、スイッチング損失がスイッチ素子２１＞スイッチ素子２２＞スイッチ素子２３であるため、ＤＣ損失をスイッチ素子２１＜スイッチ素子２３＜スイッチ素子２２と制御すれば、各スイッチ素子のトータル損失はスイッチ素子２１＝スイッチ素子２３＜スイッチ素子２２となる。スイッチ素子２１，２２，２３の冷却性能は、スイッチ素子２１＝スイッチ素子２３＜スイッチ素子２２であるから、スイッチ素子２１，２２，２３の温度が同一となる。

従って、上述の実施の形態１と同様となる。

以上説明した実施の形態２の各スイッチ素子の特性を図６にまとめる。以下では、図６に示す例を例１と呼ぶ。

このように冷却性能が同一でない場合も、実施の形態２によれば、実施の形態１と同様に、各スイッチ素子の温度が同一になるように制御することができる。すなわち、各スイッチ素子間のスイッチング損失の差を補償して、各スイッチ素子においてトータルの損失が冷却部３の冷却性能に応じた値になるように、ＤＣ損失を制御すれば、冷却部３の冷却性能の状態に影響されることなく、各スイッチ素子２１，２２，２３の温度を同じにすることができる。冷却部３の冷却性能の状態に影響されることがないため、冷却性能分布が異なる冷却部３上に自由にスイッチ素子を配置させることができる。

このように、冷却部３上へ自由にスイッチ素子を配置させることができるため、各スイッチ素子の配線インダクタンスも自由となる。

冷却性能が同一でない場合の実施の形態２の他の例について説明する。当該他の例を、以下では、例２と呼ぶ。

上述の実施の形態２の例１では、スイッチ素子２１，２２，２３の配線インダクタンスが異なっているが、実施の形態２の例２では、スイッチ素子２１，２２，２３の配線インダクタンスが同一である点が異なっている。そこで、相違点である配線インダクタンスを中心に、以下に説明する。

上述の実施の形態２の例１では、スイッチ素子２１，２２，２３の配線インダクタンスがスイッチ素子２１＞スイッチ素子２２＞スイッチ素子２３であったが、実施の形態２の例２では、配線インダクタンスが同一の場合を考える。実施の形態２の例２では、配線インダクタンスが同一のため、スイッチングスピードも同一にすることができ、スイッチング損失も同一となる。

このとき、各スイッチ素子２１，２２，２３の発熱を同じにするためには、冷却性能が「高」の中央位置に配置されているスイッチ素子２２の損失を「大」に、冷却性能が「低」の左右位置に配置されているスイッチ素子２１，２３の損失を「低」に制御すればよい。

従って、スイッチング損失が同一であるため、ＤＣ損失をスイッチ素子２１＝スイッチ素子２３＜スイッチ素子２２と制御すれば、各スイッチ素子のトータル損失はスイッチ素子２１＝スイッチ素子２３＜スイッチ素子２２となり、スイッチ素子２１，２２，２３の冷却性能がスイッチ素子２１＝スイッチ素子２３＜スイッチ素子２２であるから、スイッチ素子２１，２２，２３の温度が同一となる。

従って、上述の実施の形態１と同様となる。

以上説明した実施の形態２の例２の各スイッチ素子の特性を図７にまとめる。

このように、例２のように、冷却性能が同一でなく、一方、配線インダクタンスが同一である場合も、実施の形態２によれば、実施の形態１および上記の例１と同様に、各スイッチ素子の温度が同一になるように制御することができる。すなわち、各スイッチ素子におけるトータルの損失が冷却部３の冷却性能に応じた値になるように、各スイッチ素子のＤＣ損失を制御すれば、冷却部３の冷却性能の状態に影響されることなく、各スイッチ素子２１，２２，２３の温度を同じにすることができる。冷却部３の冷却性能の状態に影響されることがないため、冷却性能分布が異なる冷却部３上に自由にスイッチ素子を配置させることができる。

なお、上述の実施の形態２の例１に対し、実施の形態２の例２では、図７に示すように、トータルの損失が全体的に小さくなるように、スイッチ素子２１，２２，２３の配線インダクタンスが最小となるように配置させた。この場合には、配線インダクタンスが最小のため、スイッチ素子２１，２２，２３のスイッチングスピードを速くすることができるため、トータルの損失が小さくすることが可能である。トータルの損失が小さくなるため、冷却部３の冷却性能を低くすることができ、図７に示すように、スイッチ素子２１，２３の冷却性能を「低」、スイッチ素子２２の冷却性能を「中」としても、スイッチ素子２１，２２，２３の温度を同じとすることができる。このように、冷却部３の冷却性能を低減することができるため、例えば冷却部３を小型化・軽量化することも可能である。

上述の実施の形態２の例２では、スイッチ素子２１，２２，２３の配線インダクタンスとスイッチング損失とが同一であったが、同一の素子特性を持つスイッチ素子を使用した場合、各スイッチ素子２１，２２，２３のＤＣ損失が同一となる。この場合には、スイッチング損失を制御すればよい。

同一の素子特性を持つスイッチ素子を使用した場合の実施の形態２の他の例について説明する。当該他の例を、以下では、例３と呼ぶ。

上述の実施の形態２の例２では、スイッチ素子２１，２２，２３のＤＣ損失が異なっているが、実施の形態２の例３では、スイッチ素子２１，２２，２３のＤＣ損失が同一である点が異なっている。そこで、相違点であるＤＣ損失を中心に、以下に説明する。

上述の実施の形態２の例２では、スイッチ素子２１、２２、２３のＤＣ損失がスイッチ素子２１＝スイッチ素子２３＜スイッチ素子２２であったが、例３では、ＤＣ損失が同一の場合を考える。

このとき、スイッチ素子２１，２２，２３の発熱を同じにするためには、冷却性能が「高」の中央位置に配置されているスイッチ素子２２の損失を「大」に、冷却性能が「低」の左右位置に配置されているスイッチ素子２１，２３の損失を「低」になるように制御すればよい。

従って、ＤＣ損失が同一のため、スイッチングスピードがスイッチ素子２１＝スイッチ素子２３＞スイッチ素子２２となるようにスイッチングスピード制御部５が制御すれば、スイッチング損失はスイッチ素子２１＝スイッチ素子２３＜スイッチ素子２２となり、各スイッチ素子のトータルの損失はスイッチ素子２１＝スイッチ素子２３＜スイッチ素子２２となる。スイッチ素子２１，２２，２３の冷却性能がスイッチ素子２１＝スイッチ素子２３＜スイッチ素子２２であるから、スイッチ素子２１，２２，２３の温度が同一となる。

従って、上述の実施の形態１と同様となる。

また、このとき、スイッチングスピードをスイッチ素子２１＝スイッチ素子２３＞スイッチ素子２２と制御するため、スイッチングスピードに応じサージ電圧もスイッチ素子２１＝スイッチ素子２３＞スイッチ素子２２となる。

以上説明した実施の形態２の例３の各スイッチ素子の特性を図８にまとめる。

このように冷却性能が同一でなく、一方で、ＤＣ損失が同一である場合にも、実施の形態２によれば、実施の形態１と同様に、各スイッチ素子の温度が同一になるように制御することができる。すなわち、各スイッチ素子におけるトータルの損失が冷却部３の冷却性能に応じた値になるように、各スイッチ素子のスイッチング損失を制御すれば、冷却部３の冷却性能の状態に影響されることなく、各スイッチ素子２１，２２，２３の温度を同じにすることができる。冷却部３の冷却性能の状態に影響されることがないため、冷却性能分布が異なる冷却部３上に自由にスイッチ素子を配置させることができる。

以上のように、実施の形態２においても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。実施の形態２においては、例１〜３で示したように、冷却性能が同一でない場合においても、各スイッチ素子２１，２２，２３の温度が同一になるように制御することができる。そのため、実施の形態１と同様に、実施の形態２においても、各スイッチ素子および配線の自由度を高めることができ、各スイッチ素子または配線によってスイッチング装置が大型化・重量化することはなく、スイッチング装置の小型化・軽量化が図れる。また、各スイッチ素子の発熱が同一となるように制御できるため、各スイッチ素子が同時にＯＴに到達するため、温度余裕のあるスイッチ素子があるにも関わらず装置全体を停止させることがなく、スイッチング装置を効率的に駆動させることができる。

なお、上述した実施の形態１，２では、スイッチ素子２１，２２，２３を、それぞれ、互いに独立して配置したスイッチ素子としたが、その場合に限らず、インバータ、変圧器の回路構成などのように、スイッチ素子２１，２２，２３が直列体の場合または直列体が複数並列に接続された場合においても、各スイッチ素子を独立に選定および制御できれば、この発明の実施の形態１，２に係るスイッチング素子を適用することができる。つまり、従来のスイッチングスピード制御回路を用いたインバータ回路に別の回路を追加することなしに、制御を行うことができることを表している。

以上、この発明は、その発明の範囲内において、実施の形態１および実施の形態２に説明した内容を自由に組み合わせたり、あるいは各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

１制御部、２スイッチング部、３冷却部、４スイッチ素子温度検出部、５スイッチングスピード制御部、６ダクト、２１第１のスイッチ素子、２２第２のスイッチ素子、２３第３のスイッチ素子、５１第１のスイッチングスピード制御部、５２第２のスイッチングスピード制御部、５３第３のスイッチングスピード制御部。

Claims

複数のスイッチ素子を有するスイッチング部と、
前記スイッチング部の各前記スイッチ素子をオン／オフ制御する制御部と、
各前記スイッチ素子に対して設けられ、各前記スイッチ素子を冷却する冷却部と、
各前記スイッチ素子のうちの少なくとも１つのスイッチ素子の温度を検出して、温度情報を前記制御部に送信するスイッチ素子温度検出部と
を備え、
前記制御部は、前記スイッチ素子温度検出部により検出された前記スイッチ素子の温度が閾値以上であった場合に、各前記スイッチ素子をオフにするように構成され、
各前記スイッチ素子は配線インダクタンスが互いに異なるように配置され、
各前記スイッチ素子の損失はスイッチング損失とＤＣ損失とを含み、
各前記スイッチ素子のうち、少なくとも１つのスイッチ素子は、他のスイッチ素子よりも前記ＤＣ損失が小さいスイッチ素子から構成されており、
各前記スイッチ素子のうち、前記配線インダクタンスが他のスイッチ素子よりも大きいスイッチ素子のうちの少なくとも１つ、または、前記冷却部のうちの他の部分よりも冷却性能が低い部分に配置されるスイッチ素子のうちの少なくとも１つを、他のスイッチ素子よりも前記ＤＣ損失が小さいスイッチ素子から構成する、
スイッチング装置。
複数のスイッチ素子を有するスイッチング部と、
前記スイッチング部の各前記スイッチ素子をオン／オフ制御する制御部と、
各前記スイッチ素子に対して設けられ、各前記スイッチ素子を冷却する冷却部と、
各前記スイッチ素子のうちの少なくとも１つのスイッチ素子の温度を検出して、温度情報を前記制御部に送信するスイッチ素子温度検出部と
を備え、
前記制御部は、前記スイッチ素子温度検出部により検出された前記スイッチ素子の温度が閾値以上であった場合に、各前記スイッチ素子をオフにするように構成され、
各前記スイッチ素子は配線インダクタンスが同一になるように配置され、
各前記スイッチ素子のうち、前記冷却部のうちの他の部分よりも冷却性能が低い部分に配置されるスイッチ素子のうちの少なくとも１つは、前記冷却部の前記他の部分に配置されるスイッチ素子よりも損失が小さいスイッチ素子から構成されている、
ことを特徴としたスイッチング装置。
前記スイッチ素子の前記損失は、ＤＣ損失とスイッチング損失とを含み、
各前記スイッチ素子のうち、前記冷却部のうちの前記他の部分よりも冷却性能が低い部分に配置されるスイッチ素子のうちの少なくとも１つは、前記冷却部の前記他の部分に配置されるスイッチ素子よりも前記ＤＣ損失が小さいスイッチ素子から構成されている、
請求項２に記載のスイッチング装置。
前記制御部と前記スイッチング部の各前記スイッチ素子との間に接続され、前記制御部のオン／オフ指令に応じて、各前記スイッチ素子のオン／オフのスイッチング速度を制御するスイッチング速度制御部
をさらに備え、
前記スイッチ素子の前記損失は、ＤＣ損失とスイッチング損失とを含み、
各前記スイッチ素子のうち、前記冷却部のうちの前記他の部分よりも冷却性能が低い部分に配置されるスイッチ素子のうちの少なくとも１つは、前記冷却部の前記他の部分に配置されるスイッチ素子よりも前記スイッチング損失が小さくなるように、前記スイッチング速度制御部により前記スイッチング速度が制御される、
請求項２に記載のスイッチング装置。