JP6575362B2 - Power converter - Google Patents
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Description
本発明は、冷却器を備えた電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device including a cooler.
従来、インバータ等の電力変換器を備えた電力変換装置において、パワー電流の導通又は遮断を切り替える半導体スイッチング素子(以下、「パワー素子」)等の素子を過熱から保護する技術が知られている。例えば特許文献1には、発熱部品であるパワー素子のジャンクション温度を推定し、推定温度が許容上限値を超えないように電流を制限する過熱保護装置が開示されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, in a power conversion device including a power converter such as an inverter, a technique for protecting an element such as a semiconductor switching element (hereinafter referred to as “power element”) that switches conduction or interruption of power current from overheating is known. For example,
特許文献1の過熱保護制御装置では、ヒートシンクの温度を検出してパワー素子の温度を推定している。例えば内部に冷媒が流れる液冷ヒートシンクを用いる構成では、冷媒の温度を検出することも想定される。
しかし、冷媒温度センサは、スペースや配線の制約のため、電力変換装置の筐体外部の流路等に設置される場合が通常であり、パワー素子の直近における冷媒の最高温度を直接検出することは困難である。したがって、離れた箇所での検出温度から冷媒の最高温度を推定することになるため、推定誤差が生じる。そして、過熱保護の観点から誤差を安全側で吸収しようとすると、温度マージンを大きく設定せざるを得ない。
In the overheat protection control device of
However, the refrigerant temperature sensor is usually installed in a flow path outside the casing of the power conversion device due to space and wiring restrictions, and directly detects the maximum temperature of the refrigerant in the immediate vicinity of the power element. It is difficult. Therefore, since the maximum temperature of the refrigerant is estimated from the detected temperature at a remote location, an estimation error occurs. In order to absorb the error on the safe side from the viewpoint of overheat protection, a large temperature margin must be set.
その結果、実際には許容範囲である場合にもパワー素子が過熱していると判断し、不要な冷媒流量増加や電流制限等による降温制御を実施することとなる。不要な降温制御の実施は、冷媒流量を増加させるための冷却システムの大型化や電力効率の低下を招くという問題がある。この問題は、そもそも、冷媒の冷却能力を温度によって把握しようとする思想に起因するものと考えられる。 As a result, even if it is actually within the allowable range, it is determined that the power element is overheated, and the temperature lowering control is performed by unnecessary increase in the refrigerant flow rate or current limitation. Unnecessary temperature lowering control has a problem that the cooling system for increasing the flow rate of refrigerant causes an increase in size of the cooling system and a decrease in power efficiency. In the first place, this problem is considered to be caused by the idea of trying to grasp the cooling capacity of the refrigerant by the temperature.
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、冷却管を流れる冷媒の冷却能力を適確に把握可能な電力変換装置を提供することにある。 The present invention has been created in view of such a point, and an object thereof is to provide a power conversion device capable of accurately grasping the cooling capacity of the refrigerant flowing through the cooling pipe.
本発明の電力変換装置は、複数の電力変換器(30、31、32)、冷却器(50)、相検出手段(601、602、603)、及び、沸騰判定部(71)を備える。
電力変換器は、複数のパワー素子(43、44)のスイッチング動作により電力を変換して出力する。電力変換器は、例えば、コンバータ、回生用インバータ及び力行用インバータを含む。
冷却器は、複数のパワー素子の通電により発熱した電力変換器を冷媒の循環により冷却する。
相検出手段は、電力変換器毎に、冷却器の冷却管(53)を流れる冷媒の液相状態と気相状態との差異が反映される所定の物理量を検出する。
沸騰判定部は、相検出手段が検出した物理量に基づいて、冷却管を流れる冷媒が沸騰していることを判定する。
パワー素子は、熱伝導性を有するヒートスプレッダ(45)が両面に当接したパワーモジュール(41、42)の形態で構成されている。
冷却器は、複数のパワーモジュールと交互に積層配置された複数の冷却管と、積層方向の一方である導入側から他方である反導入側に向かって冷媒が流れ、複数の冷却管の流入口(531)に冷媒を導入する冷媒導入管(51)と、複数の冷却管の流出口(532)から冷媒を導出する冷媒導出管(52)と、を有する。
相検出手段は、電力変換器毎に、冷却管の流入口側と流出口側との中心に対し流出口側においてパワーモジュールの流出口側の端部に対応する領域であって、且つ、積層方向における冷媒導入管の導入側と反導入側との中心に対し反導入側に配置されている。
The power conversion device of the present invention includes a plurality of power converters (30, 31, 32), a cooler (5 0 ), phase detection means (601, 602, 603), and a boiling determination unit (71).
The power converter converts power by switching operations of the plurality of power elements (43, 44) and outputs the converted power. The power converter includes, for example, a converter, a regeneration inverter, and a power running inverter.
The cooler cools the power converter that generates heat by energizing the plurality of power elements by circulating the refrigerant.
The phase detection means detects a predetermined physical quantity that reflects the difference between the liquid phase state and the gas phase state of the refrigerant flowing through the cooling pipe (5 3 ) of the cooler for each power converter .
A boiling determination part determines that the refrigerant | coolant which flows through a cooling pipe is boiling based on the physical quantity which the phase detection means detected.
The power element is configured in the form of a power module (41, 42) in which a heat spreader (45) having thermal conductivity contacts both surfaces.
The cooler includes a plurality of cooling tubes arranged alternately and stacked with a plurality of power modules, and a refrigerant flows from one introduction side to the other non-introduction side in the stacking direction. A refrigerant introduction pipe (51) for introducing the refrigerant into (531) and a refrigerant outlet pipe (52) for extracting the refrigerant from the outlets (532) of the plurality of cooling pipes are provided.
The phase detection means is a region corresponding to an end portion on the outlet side of the power module on the outlet side with respect to the center of the inlet side and outlet side of the cooling pipe for each power converter, and is laminated. It is arrange | positioned in the anti-introduction side with respect to the center of the introduction side and anti-introduction side of the refrigerant | coolant inlet tube in a direction.
一般に物質が液相状態から気相状態に相変化すると熱伝導率が急激に小さくなるため、冷媒の冷却能力は著しく低下する。本発明は、この点に着目し、冷媒の温度ではなく、液相状態から気相状態への変化によって冷媒の冷却能力を把握することを特徴とし、その手段として、相検出手段及び沸騰判定部を備える。相検出手段は、「冷却管を流れる冷媒の液相状態と気相状態との差異が反映される所定の物理量」を検出する。沸騰判定部は、相検出手段が検出した物理量に基づいて、冷却管を流れる冷媒が沸騰していることを判定する。これにより、冷却管を流れる冷媒の冷却能力を適確に把握することができる。 In general, when a substance undergoes a phase change from a liquid phase state to a gas phase state, the thermal conductivity rapidly decreases, so that the cooling capacity of the refrigerant is significantly reduced. The present invention pays attention to this point and is characterized by grasping the cooling capacity of the refrigerant not by the temperature of the refrigerant but by the change from the liquid phase state to the gas phase state. Is provided. The phase detection means detects “a predetermined physical quantity that reflects the difference between the liquid phase state and the gas phase state of the refrigerant flowing through the cooling pipe”. A boiling determination part determines that the refrigerant | coolant which flows through a cooling pipe is boiling based on the physical quantity which the phase detection means detected. Thereby, the cooling capacity of the refrigerant flowing through the cooling pipe can be accurately grasped.
相検出手段及び沸騰判定部として、具体的には次の構成等を採用可能である。
(a)相検出手段(601)は、冷却管内部で対向する一対の電極(61、62)間の電位差を検出する。沸騰判定部は、電位差から算出した冷媒の電気容量、又は、当該電気容量に反比例するインピーダンスに基づいて、冷却管を流れる冷媒が沸騰していることを判定する。
(b)相検出手段(602)は、超音波発生装置(67)により冷媒中に発生させた超音波の反射波を検出する。沸騰判定部は、超音波の発信から反射波の受信までの時間に基づいて、冷却管を流れる冷媒が沸騰していることを判定する。
(c)相検出手段(603)は、光ファイバプローブ(68)から冷媒中に放射した光の反射波を検出する。沸騰判定部は、放射された光の屈折率に基づいて、冷却管を流れる冷媒が沸騰していることを判定する。
Specifically, the following configuration or the like can be adopted as the phase detection means and the boiling determination unit.
(A) The phase detection means (601) detects a potential difference between a pair of electrodes (61, 62) facing each other inside the cooling pipe. The boiling determination unit determines that the refrigerant flowing through the cooling pipe is boiling based on the electric capacity of the refrigerant calculated from the potential difference or an impedance inversely proportional to the electric capacity.
(B) The phase detection means (602) detects the reflected wave of the ultrasonic wave generated in the refrigerant by the ultrasonic generator (67). A boiling determination part determines that the refrigerant | coolant which flows through a cooling pipe is boiling based on the time from transmission of an ultrasonic wave to reception of a reflected wave.
(C) The phase detection means (603) detects the reflected wave of the light emitted from the optical fiber probe (68) into the refrigerant. The boiling determination unit determines that the refrigerant flowing through the cooling pipe is boiling based on the refractive index of the emitted light.
本発明の電力変換装置は、沸騰判定部により冷媒が沸騰していると判定されたとき、冷媒の温度を低下させる「降温制御」を実行する冷媒温度制御部(72)をさらに備えることが好ましい。冷媒温度制御部は、降温制御において、例えば、冷媒を供給する冷媒供給部(73)に対して冷媒の流量を増加するように、或いは、パワー素子に通電する電流を制御する通電制御部(74)に対して電流を制限するように降温指令を出力する。 The power conversion device of the present invention preferably further includes a refrigerant temperature control unit (72) that executes “temperature decrease control” for reducing the temperature of the refrigerant when the boiling determination unit determines that the refrigerant is boiling. . In the temperature drop control, for example, the refrigerant temperature control unit increases the flow rate of the refrigerant with respect to the refrigerant supply unit (73) that supplies the refrigerant, or controls the current supplied to the power element (74). ) Is output to limit the current.
冷媒温度により冷媒の冷却能力を把握する従来技術では、推定誤差を考慮した温度マージンの設定により、実際の冷媒温度が閾値より低いときでも不要な降温制御を行う場合がある。そのため、冷却システムの大型化や電力効率の低下を招くという問題がある。
それに対し本発明では、冷媒が実際に相変化した状態で検出された物理量に基づいて、冷却管を流れる冷媒が沸騰していることを判定し、その判定タイミングで初めて降温制御を開始する。したがって、液冷が可能な温度の限界まで、冷媒流量を増加させたり電流を制限したりすることなく、通常の制御を継続することができる。よって、冷却システムの小型化や効率の向上に貢献することができる。
In the conventional technique for grasping the cooling capacity of the refrigerant based on the refrigerant temperature, unnecessary temperature lowering control may be performed even when the actual refrigerant temperature is lower than the threshold by setting the temperature margin in consideration of the estimation error. Therefore, there is a problem that the cooling system is enlarged and the power efficiency is lowered.
On the other hand, in the present invention, it is determined that the refrigerant flowing through the cooling pipe is boiling based on the physical quantity detected in a state where the refrigerant has actually undergone a phase change, and the temperature lowering control is started for the first time at the determination timing. Therefore, normal control can be continued without increasing the refrigerant flow rate or limiting the current to the limit of the temperature at which liquid cooling is possible. Therefore, it can contribute to size reduction and efficiency improvement of the cooling system.
以下、本発明の電力変換装置の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、第4実施形態は参考形態に相当する。
各実施形態の電力変換装置は、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車において高圧バッテリとモータジェネレータとの間で電力を変換する電力システムに適用される。複数の実施形態において実質的に同一の構成には、同一の符号を付して説明を省略する。
Hereinafter, a plurality of embodiments of a power converter of the present invention are described based on a drawing. The fourth embodiment corresponds to a reference form.
The power conversion device of each embodiment is applied to, for example, a power system that converts power between a high-voltage battery and a motor generator in a hybrid vehicle or an electric vehicle. In the plurality of embodiments, substantially the same configuration is denoted by the same reference numeral, and description thereof is omitted.
(第1実施形態)
第1実施形態の電力変換装置について、図1〜図6を参照して説明する。
図1及び図2(a)に、第1実施形態の電力変換装置を構成する冷却器50を示す。
冷却器50は、略平行に配置された冷媒導入管51及び冷媒導出管52と、冷媒導入管51及び冷媒導出管52に交差する方向に配置された複数の冷却管53とから構成されている。アルミニウム等の熱伝導性材料で扁平筒状に形成された複数の冷却管53は、複数のパワーモジュール41、42と交互に積層配置されている。
なお、冷却器50の筐体、バスバー、端子等の図示は、一部を除いて省略する。
(First embodiment)
The power converter device of 1st Embodiment is demonstrated with reference to FIGS.
The
The
In addition, illustration of the housing | casing of the cooler 50, a bus bar, a terminal, etc. is abbreviate | omitted except one part.
冷媒導入管51は、積層方向の一方である導入側(すなわち図1の上側)から他方である反導入側(すなわち図1の下側)に向かって冷媒が流れ、複数の冷却管53の流入口に冷媒を導入する。
冷媒導出管52は、複数の冷却管53の流出口から冷媒を導出する。
図1の紙面上の向きで説明すると、冷媒は、図1の左上から冷媒導入管51を下向きに流れ、複数の冷却管53に分岐して、左から右に流れ、冷媒導出管52に合流する。そして、図1の右上に向かって冷媒導出管52を上向きに流れる。
In the
The
1, the refrigerant flows downward from the upper left of FIG. 1 through the
本明細書では、負荷の駆動等に用いられるパワー電流が通電されるIGBT等の半導体スイッチング素子を「パワー素子」という。また、パワー素子の半導体チップの両面又は片面に熱伝導性を有するヒートスプレッダ45(図4参照)が当接した形態のモジュールを「パワーモジュール」という。
パワー素子及びパワーモジュールの符号は、電力変換器の上アームを構成するものと、下アームを構成するものとで区別する。上アームのパワー素子の符号を「43」、下アームのパワー素子の符号を「44」とする。また、上アームのパワー素子43を含むパワーモジュールの符号を「41」、下アームのパワー素子44を含むパワーモジュールの符号を「42」とする。これらの符号は、電力変換器の種類及び相によらず共通に用いる。
In this specification, a semiconductor switching element such as an IGBT to which a power current used for driving a load or the like is supplied is referred to as “power element”. A module in which a heat spreader 45 (see FIG. 4) having thermal conductivity is in contact with both surfaces or one surface of a semiconductor chip of a power element is referred to as a “power module”.
The reference numerals of the power element and the power module are distinguished from those constituting the upper arm of the power converter and those constituting the lower arm. The sign of the power element of the upper arm is “43”, and the sign of the power element of the lower arm is “44”. Also, the power module including the upper
上下アームのパワーモジュール41及びパワーモジュール42は、二つで一組となり、冷却器50において積層構造の一層を構成する。上アームのパワーモジュール41は、冷媒導入管51側に配置され、下アームのパワーモジュール42は、冷媒導出管52側に配置される。したがって、冷媒は、上アームのパワーモジュール41を先に冷却した後、下アームのパワーモジュール42を冷却するように流れる。
The
図2(a)にて、積層方向から視たとき、パワーモジュール41、42と冷却管53とが重なる領域を「モジュール領域Rm」と表す。また、モジュール領域Rmに対し冷媒導入管51側の領域を「流入口領域Rin」、モジュール領域Rmに対し冷媒導出管52側の領域を「流出口領域Rout」と表す。流入口領域Rin及び流出口領域Routは、積層方向から視たとき、パワーモジュール41、42と冷却管53とが重ならない領域である。
In FIG. 2A, a region where the
図2(b)に、冷媒の流れ方向における冷却管53の位置と冷媒温度との関係を示す。
冷媒温度は、冷却管53の流入口531(図4参照)側で相対的に低く、流出口532(図4参照)側で相対的に高い。つまり、パワーモジュール41、42からの熱を受熱するモジュール領域Rmで温度が次第に上昇し、モジュール領域Rmと流出口領域Routとの境界領域付近で最高温度となる。
第1実施形態では、この「モジュール領域Rmと流出口領域Routとの境界領域」、言い換えれば「下アームのパワーモジュール42の流出口側の端部に対応する領域」に、冷媒の相状態を検出する相検出手段601が配置されていることを特徴とする。相検出手段601の詳細については後述する。
FIG. 2B shows the relationship between the position of the cooling
The refrigerant temperature is relatively low on the inlet 531 (see FIG. 4) side of the cooling
In the first embodiment, the phase state of the refrigerant is set in the “boundary region between the module region Rm and the outlet region Rout”, in other words, the “region corresponding to the end portion on the outlet side of the
図1に戻り、第1実施形態では、パワーモジュール41、42が計十一段、積層された形態が例示される。この十一段のパワーモジュール41、42は、冷媒導入管51の導入側から順に、力行用インバータ32、回生用インバータ31、コンバータ30の三種類の電力変換器を構成するものである。
Returning to FIG. 1, in the first embodiment, a configuration in which the
ここで、第1実施形態の電力変換装置が備える電力変換器の回路構成について、図3を参照する。
電力変換装置20は、「直流電源」としてのバッテリ15と、二つのモータジェネレータ81、82との間に設けられ、コンバータ30、回生用インバータ31及び力行用インバータ32の三種類の電力変換器を含む。
Here, FIG. 3 is referred about the circuit structure of the power converter with which the power converter device of 1st Embodiment is provided.
The
二つのモータジェネレータ81、82は、例えば、永久磁石同期型の三相交流電動機であり、シリーズパラレル式ハイブリッド自動車等に搭載される。第1モータジェネレータ(図中、「MG1」)81は、主に、エンジンや駆動輪から伝達されるトルクによって発電する発電機として機能する。第2モータジェネレータ(図中、「MG2」)82は、主に、力行動作により駆動輪を駆動するトルクを発生する電動機として機能する。
第1モータジェネレータ81及び第2モータジェネレータ82は、特許請求の範囲に記載の「発電機」及び「負荷」に相当する。
The two
The
コンバータ30は、上下アームのパワー素子43、44、及び、バッテリ15とパワー素子43、44の中間点との間に接続されたリアクトル21を含む。リアクトル21は、電流の変化に伴って発生する誘起電圧による電気エネルギーを蓄積及び放出可能である。バッテリ15からコンバータ30への入力部には、バッテリ15からの電源ノイズを除去するフィルタコンデンサ22が設けられている。
コンバータ30は、パワー素子43、44の相補的スイッチング動作によって、力行時には、バッテリ15の直流電圧を昇圧して力行用インバータ32に出力し、回生時には、回生用インバータ31の電圧を降圧してバッテリ15に回生する。
The
回生用インバータ31及び力行用インバータ32は、それぞれ、ブリッジ接続された三相(すなわちU相、V相、W相)の上下アームの複数のパワー素子43、44により構成されている。インバータ31、32の入力部には、入力電圧を平滑化する平滑コンデンサ23が設けられている。
回生用インバータ31は、第1モータジェネレータ81が生成した交流電力を直流電力に変換し、コンバータ30を介してバッテリ15に回生する。
力行用インバータ32は、バッテリ15からコンバータ30を介して入力された直流電力を交流電力に変換し、第2モータジェネレータ82に供給する。
The
The
The
図3の例では、回生用インバータ31は、一組のパワー素子43、44で各相の上下アームが構成されているのに対し、コンバータ30及び力行用インバータ32は、並列接続された二組のパワー素子43、44で各相の上下アームが構成されている。なお、各パワー素子43、44には、低電位側から高電位側へ向かう電流を許容する還流ダイオードが並列に接続されている。
In the example of FIG. 3, the
一般に、力行時の通電量が回生用インバータ31よりも大きいコンバータ30及び力行用インバータ32では、相対的に定格の大きいパワー素子が必要となる。しかし、回生用インバータ31と、コンバータ30及び力行用インバータ32とで別部品を使うことは、設計標準化の観点から好ましくない。また、コンバータ30や力行用インバータ32用の定格に合わせたパワー素子を回生用インバータ31に使用すると、過剰スペックとなり、ムダが生じる。
In general, the
そこで、回生用インバータ31用のパワー素子を標準品とし、コンバータ30及び力行用インバータ32では、標準品のパワー素子を複数並列に接続して用いることが効率的である。そのため、図3の電力変換装置20は、コンバータ30で二組、回生用インバータ31で三組、力行用インバータ32で六組、計十一組の上下アームのパワー素子43、44の組を備えている。この回路構成に対応し、図1に示すように、十一段のパワーモジュール41、42の積層構造が形成される。特に図1の例では、通電量の大きい力行用インバータ32が積層方向における最も導入側に配置されている。
ただし、他の実施形態では、図3の回路構成に限らず、各電力変換器の各相上下アームのパワー素子43、44は、すべて一組で構成されてもよいし、三組以上が並列接続されて構成されてもよい。また、積層方向における電力変換器の配置順も適宜変更してよい。
Therefore, it is efficient to use the power element for the
However, in other embodiments, not only the circuit configuration of FIG. 3, the
電力変換装置20において、コンバータ30のリアクトル21とパワー素子43、44の中間点とを結ぶ経路は、バスバー35で接続されている。また、回生用インバータ31の各相出力端子と第1モータジェネレータ81の各相巻線とを結ぶ経路、及び、力行用インバータ32の各相出力端子と第2モータジェネレータ82の各相巻線とを結ぶ経路は、それぞれ、バスバー36、37で接続されている。
In the
その他、電力変換装置20には、相電流を検出する電流センサや、バッテリ電圧、インバータ入力電圧を検出する電圧センサが設けられる。そして、上位の制御回路から出力されるトルク指令、及び、電流センサ、電圧センサ、モータジェネレータ81、82に設けられた回転角センサ等からのフィードバック情報に基づき、各電力変換器の通電が制御される。このような通電制御に関する構成のうち、図4に通電制御部74のみを図示する。その他、電流センサ等の構成については、本発明の実施形態における特徴ではないため、図示及び詳細な説明を省略する。
In addition, the
コンバータ30、回生用インバータ31及び力行用インバータ32の各電力変換器は、それぞれに対応する通電制御部74からの駆動信号に従ってパワー素子43、44がスイッチング動作することにより電力変換を実行する。通電制御部74による駆動信号は、例えば、電流指令に基づく電流フィードバック制御やPWM制御を用いて生成される。このようなコンバータ、インバータの制御は周知の技術であるため、詳細な説明を省略する。
The power converters of the
続いて、第1実施形態の特徴構成について、図1の積層方向における部分断面を模式的に示した図4を主に参照して説明する。図4では、積層方向に直交する方向、すなわち冷却管53の方向の長さに対し、積層方向の厚さを誇張して示している。
パワーモジュール41、42は、パワー素子43、44の半導体チップの両面にヒートスプレッダ45が当接した形態で設けられている。銅板等の熱伝導性材質で形成されたヒートスプレッダ45は、パワー素子43、44とは反対側の面が冷却管53の壁に当接しており、パワー素子43、44の通電により発生した熱を両面から発散させる。本明細書では、このような構成のパワーモジュール41、42を「両面放熱型パワーモジュール」と呼ぶ。
Next, the characteristic configuration of the first embodiment will be described with reference mainly to FIG. 4 schematically showing a partial cross section in the stacking direction of FIG. In FIG. 4, the thickness in the stacking direction is exaggerated with respect to the length in the direction orthogonal to the stacking direction, that is, in the direction of the cooling
The
冷媒は、冷媒供給部73のポンプ機能により、冷媒導入管51から冷却管53、冷媒導出管52を経由して循環する。そのため、冷却管53内部の冷媒は、ブロック矢印で示すように、冷媒導入管51に接続する流入口531から、冷媒導出管52に接続する流出口532に向かって流れる。このとき、冷却管53内部の冷媒は、パワーモジュール41、42から受熱することにより温度上昇し、沸騰による気泡が生成される場合がある。
仮に冷媒の沸騰を放置すると、液冷機能が低下し、パワー素子43、44の冷却が十分に行われなくなるため、パワー素子43、44や回路基板上の他の電子素子が過熱により破壊するおそれがある。
The refrigerant circulates from the
If the boiling of the refrigerant is left unattended, the liquid cooling function is lowered, and the
従来、素子の過熱破壊を防止するため、電力変換装置の筐体外部の流路等に設置された冷媒温度センサで冷媒温度を検出し、検出温度が所定値を超えたとき、冷媒の流量を増加させたり、電流を制限したりすることで、素子を過熱から保護する技術が知られている。つまり、従来の技術は、冷媒の状態を温度によって把握しようとするものである。
しかし、パワー素子から離れた箇所での検出温度から、パワー素子直近の冷却管を流れる冷媒の温度を推定することになるため、推定誤差が生じる。そして、過熱保護の観点から誤差を安全側で吸収しようとすると、温度マージンを大きく設定せざるを得ない。
Conventionally, in order to prevent overheating destruction of the element, the refrigerant temperature is detected by a refrigerant temperature sensor installed in a flow path or the like outside the casing of the power converter, and when the detected temperature exceeds a predetermined value, the flow rate of the refrigerant is reduced. A technique for protecting an element from overheating by increasing or limiting a current is known. That is, the conventional technology tries to grasp the state of the refrigerant based on the temperature.
However, since the temperature of the refrigerant flowing through the cooling pipe closest to the power element is estimated from the detected temperature at a location away from the power element, an estimation error occurs. In order to absorb the error on the safe side from the viewpoint of overheat protection, a large temperature margin must be set.
その結果、実際には許容範囲である場合にもパワー素子が過熱していると判断し、不要な冷媒流量増加や電流制限等による降温制御を実施することとなる。不要な降温制御の実施は、冷媒流量を増加させるための冷却システムの大型化や電力効率の低下を招くという問題がある。
そこで、本発明の実施形態の電力変換装置20は、「冷却管53を流れる冷媒の液相状態と気相状態との差異が反映される所定の物理量を検出する相検出手段601」を冷却器50に備え、また、制御構成として、沸騰判定部71及び冷媒温度制御部72を備えることを特徴とする。
As a result, even if it is actually within the allowable range, it is determined that the power element is overheated, and the temperature lowering control is performed by unnecessary increase in the refrigerant flow rate or current limitation. Unnecessary temperature lowering control has a problem that the cooling system for increasing the flow rate of refrigerant causes an increase in size of the cooling system and a decrease in power efficiency.
In view of this, the
沸騰判定部71は、相検出手段601が検出した物理量に基づいて、「冷却管53を流れる冷媒」が沸騰していることを判定する。
冷媒温度制御部72は、沸騰判定部71により冷媒が沸騰していると判定されたとき、「冷却管53を流れる冷媒」の温度を低下させる「降温制御」を実行する。この降温制御により、冷媒温度制御部72は、沸騰して気相状態になった冷媒を液相状態に戻すように制御する。
ここで、冷媒の温度や相状態は、冷媒導入管51、冷却管53、冷媒導出管52のどの位置の冷媒であるかによって異なる。本明細書では、検出対象又は温度制御対象の冷媒を特定するため、「冷却管53を流れる冷媒」と記載する。「冷却管53を流れる冷媒」とは、特に、「冷却管53のモジュール領域Rmと流出口領域Routとの境界領域の冷媒」を意味する。
The boiling
When the boiling
Here, the temperature and the phase state of the refrigerant vary depending on the position of the refrigerant in the
また、文言上の定義では、降温制御は、「冷却管53を流れる冷媒」の温度を低下させるものであるが、降温制御において実質的に冷却する対象は、パワー素子43、44、又は「冷却管53を流れる冷媒」のいずれでもよい。すなわち、冷媒の冷却能力を向上させることによりパワー素子43、44の冷却を促進してもよいし、逆に、パワー素子43、44の発熱を抑制することにより冷媒の受熱を抑制してもよい。
いずれの場合も、相互作用によって、結果的にパワー素子43、44、及び「冷却管53を流れる冷媒」の両方の温度が低下すると考えられる。
Further, in the wording definition, the temperature lowering control is to lower the temperature of the “refrigerant flowing through the cooling
In any case, it is considered that the temperature of both of the
第1実施形態の相検出手段601は、「気体の誘電率は液体の誘電率より小さいため、気体中に設置された一対の電極間の電気容量は、液体中に設置された一対の電極間の電気容量よりも小さい。逆に、電気容量に反比例するインピーダンスは、液体よりも気体の方が大きい。」という電気容量式ボイド率計の原理を応用するものである。
具体的に、相検出手段601は、一対の電極61、62、一対の絶縁板63、64、及び電位差検出器65を含む。一対の電極61、62は、冷却管53内部の互いに対向する流路壁54に、一対の絶縁板63、64を介して設けられている。電位差検出器65は、一対の電極61、62間の電位差を検出する。
The phase detection means 601 of the first embodiment is as follows: “Because the dielectric constant of gas is smaller than the dielectric constant of liquid, the capacitance between a pair of electrodes installed in the gas is between the pair of electrodes installed in the liquid. On the contrary, the impedance of inversely proportional to the capacitance is larger in the gas than in the liquid. ”The principle of the capacitance void ratio meter is applied.
Specifically, the
ここで、電位差V[V]は、電荷Q[C]、電気容量(静電容量)C[F]、真空の誘電率ε0[F・m-1]、比誘電率εr[−]、電極の面積S[m2]、電極間距離d[m]を用いて、式(1)により表される。
気体の比誘電率は液体の比誘電率より小さいため、「冷却管53を流れる冷媒」が沸騰し、気泡が発生すると、相検出手段601によって検出される電位差Vは大きくなる。
沸騰判定部71は、相検出手段601が検出した電位差Vから、式(1)により、電気容量、又は、電気容量に反比例するインピーダンスを算出する。そして、電気容量又はインピーダンスを判定閾値と比較することにより、「冷却管53を流れる冷媒」が沸騰していることを判定する。なお、「冷却管53を流れる冷媒」が沸騰すると、電気容量は小さくなり、インピーダンスは大きくなる。
Since the relative dielectric constant of the gas is smaller than that of the liquid, when the “refrigerant flowing through the cooling
The boiling
沸騰判定部71により冷媒が沸騰していると判定されたとき、冷媒温度制御部72は、降温制御として、冷媒供給部73又は通電制御部74に対して降温指令を出力する。
例えば冷媒供給部73に対しては、冷媒の流量を増加するように指令する。その結果、冷却管53内部の冷媒温度が上昇するよりも早く、冷たい冷媒が新たに供給されるため、「冷却管53を流れる冷媒」の温度が低下する。
また、通電制御部74に対しては、パワー素子に通電する電流を制限するように指令する。その結果、パワー素子43、44の発熱を抑制し、冷媒の受熱量を低減することができるため、「冷却管53を流れる冷媒」の温度が低下する。
When the boiling
For example, the
In addition, the
また、第1実施形態では、相検出手段601を最適な位置に配置する点を特徴とする。図2(b)を参照して上述した通り、「冷却管53を流れる冷媒」の温度は、モジュール領域Rmと流出口領域Routとの境界領域で最高温度となる。
そこで、相検出手段601は、最高温度となる位置での相状態を検出すべく、少なくとも、「冷却管53の流入口531側と流出口532側との中心に対し流出口532側」に配置されることが好ましい。特に、「下アームのパワーモジュール42の流出口532側の端部に対応する領域」に配置されることがより好ましい。
「端部に対応する領域に配置される」とは、図1、図2、図4に示すように、相検出手段601が、モジュール領域Rmと流出口領域Routとに跨がって配置されてもよい。或いは、相検出手段601が、モジュール領域Rm側、又は流出口領域Rout側のいずれかで、境界線に近接した位置に配置されてもよい。
Further, the first embodiment is characterized in that the phase detection means 601 is arranged at an optimal position. As described above with reference to FIG. 2B, the temperature of the “refrigerant flowing through the cooling
Therefore, the phase detection means 601 is arranged at least “on the
“Arranged in the region corresponding to the end” means that the
また、図1に示すように、相検出手段601は、通電が個別に制御されるコンバータ30、回生用インバータ31及び力行用インバータ32に対して各一つ以上設けられることが好ましい。
また、積層方向については、冷媒導入管51の導入側から反導入側に向かうに連れて冷媒温度が上昇する。そこで、相検出手段601は、電力変換器30、31、32毎に、少なくとも、「積層方向における冷媒導入管51の導入側と反導入側との中心に対し反導入側」に配置されることが好ましい。特に、「導入側から最も遠い下アームのパワーモジュール42の付近」に配置されることがより好ましい。
Further, as shown in FIG. 1, it is preferable that at least one
In the stacking direction, the refrigerant temperature rises from the introduction side of the
次に、冷媒温度制御部72による降温制限処理について、図5のタイムチャートを参照して説明する。図5の縦軸は、冷却管53において相検出手段601が設けられた箇所での電極間のインピーダンスを示す。
また、二つのインピーダンス閾値Z1、Z2が設定される。第1閾値Z1は、液相中に検出可能な量の気泡がわずかに存在する状態でのインピーダンス値に相当する。第1閾値Z1よりも低い第2閾値Z2は、冷媒が確実に液化した状態でのインピーダンス値に相当する。第1閾値Z1と第2閾値Z2との間のインピーダンス領域は、例えば、液相と気相との境界を変動している状態や、液相中に検出限界量未満の微量な気泡が存在する状態のイメージに相当する。これらの閾値は、一対の電極61、62で構成されるキャパシタの電気的特性や冷媒の物性によって決められる。
Next, the temperature lowering restriction process by the refrigerant
Two impedance threshold values Z1 and Z2 are set. The first threshold value Z1 corresponds to an impedance value in a state where there is a slight amount of bubbles that can be detected in the liquid phase. The second threshold value Z2 lower than the first threshold value Z1 corresponds to an impedance value in a state where the refrigerant is liquefied with certainty. In the impedance region between the first threshold value Z1 and the second threshold value Z2, for example, a state where the boundary between the liquid phase and the gas phase is fluctuating, or a minute amount of bubbles less than the detection limit amount exists in the liquid phase. Corresponds to the state image. These threshold values are determined by the electrical characteristics of the capacitor formed by the pair of
図5の初期t0から時刻t1まで、インピーダンスは第1閾値Z1以下であり、このとき、電力変換器の通電は通常に制御される。時刻t1でインピーダンスが第1閾値Z1を超えると、沸騰判定部71は、冷媒が沸騰していると判定する。
その後、インピーダンスが第1閾値Z1を超えた状態が時刻t2まで、所定時間Tcにわたって継続したとき、冷媒温度制御部72は、降温制御を開始する。ここで、所定時間Tcは、パワー素子43、44のチップが破壊に達する時間以内に設定される。
From the initial t0 in FIG. 5 to the time t1, the impedance is equal to or less than the first threshold value Z1, and at this time, energization of the power converter is normally controlled. When the impedance exceeds the first threshold value Z1 at time t1, the boiling
Thereafter, when the state where the impedance exceeds the first threshold value Z1 continues for a predetermined time Tc until time t2, the refrigerant
冷媒温度制御部72は、降温制御において、冷媒供給部73に対して冷媒の流量を増加するように、又は、通電制御部74に対して電流を制限するように降温指令を出力する。
降温制御により「冷却管53を流れる冷媒」の温度が低下すると、インピーダンスは低下する。なお、降温制御を開始した時刻t2の直後、インピーダンスは、応答遅れによって多少オーバーシュートした後、低下に転じる。
冷媒温度制御部72は、例えば、逐次インピーダンスの現在値を取得し、目標値である第2閾値Z2との偏差に基づくPI制御演算等により降温指令出力をフィードバック制御してもよい。これにより、インピーダンス実値の変化に応答して、冷媒流量や電流制限値を細かく調整することができる。
In the temperature decrease control, the refrigerant
When the temperature of the “refrigerant flowing through the cooling
For example, the refrigerant
その後、インピーダンスは、時刻t3で第1閾値Z1を下回るが、冷媒温度制御部72は、降温指令の出力を継続する。そして、時刻t4でインピーダンスが第2閾値Z2まで低下すると、冷媒温度制御部72は降温指令の出力を中止し、降温制御を終了する。
降温制御が終了し通常の通電制御に戻ると、再びパワー素子43、44の発熱により、冷媒の温度は上昇し、それに伴って、インピーダンスが上昇する。このときにも、インピーダンスは、応答遅れによって多少アンダーシュートした後、上昇に転じる。
以上のように、通常制御中のインピーダンスの上昇と、降温制御中のインピーダンスの低下とが交互に繰り返される。
Thereafter, the impedance falls below the first threshold Z1 at time t3, but the refrigerant
When the temperature lowering control is finished and the normal energization control is resumed, the temperature of the refrigerant rises again due to the heat generated by the
As described above, the increase in impedance during normal control and the decrease in impedance during temperature decrease control are alternately repeated.
続いて、降温制限処理のルーチンについて、図6のフローチャートを参照する。以下のフローチャートの説明で、記号「S」はステップを意味する。この処理ルーチンは、電力変換装置20の動作中、繰り返し実行される。
S1で、相検出手段601は、電極61、62間の電位差を検出する。沸騰判定部71は、式(1)により、電位差Vから、電極間のインピーダンスを算出する。
Then, the flowchart of FIG. 6 is referred about the routine of a temperature fall restriction | limiting process. In the description of the flowchart below, the symbol “S” means a step. This processing routine is repeatedly executed during the operation of the
In S <b> 1, the
S2で、沸騰判定部71は、インピーダンスが第1閾値Z1を超えているか否か判断する。インピーダンスが第1閾値Z1以下のとき(S2:NO)、処理を終了する。
一方、インピーダンスが第1閾値Z1を超えているとき(S2:YES)、沸騰判定部71は、冷媒が沸騰していると判定する。
そして、冷媒温度制御部72は、S3で、継続時間、すなわち、沸騰判定部71によりインピーダンスが第1閾値Z1を超えていると判定された状態が継続する時間のカウントを開始する。
In S2, the boiling
On the other hand, when the impedance exceeds the first threshold value Z1 (S2: YES), the boiling
Then, in S3, the refrigerant
その後、冷媒温度制御部72は、S4で、継続時間が所定時間Tcに到達したと判断されるまで、継続時間のカウントを繰り返す。
継続時間が所定時間Tcに到達する(S4:YES)と、冷媒温度制御部72は、S5で、冷媒流量増加、又は、電流制限の降温指令を出力する。降温指令の出力は、S6で、インピーダンスが第2閾値Z2以下に低下したと判定されるまで続けられる。
インピーダンスが第2閾値Z2以下に低下したと判定される(S6:YES)と、冷媒温度制御部72は、降温制御を終了する(S7)。
Thereafter, the refrigerant
When the duration time reaches the predetermined time Tc (S4: YES), the refrigerant
When it is determined that the impedance has decreased to the second threshold value Z2 or less (S6: YES), the refrigerant
(効果)
第1実施形態の効果について説明する。
(1)従来技術では、冷媒の温度によって冷媒の冷却能力を把握するのに対し、第1実施形態の電力変換装置20は、液相状態から気相状態への変化によって冷媒の冷却能力を把握するための手段として、相検出手段601及び沸騰判定部71を備える。
相検出手段601は、「冷却管53を流れる冷媒の液相状態と気相状態との差異が反映される所定の物理量」として、一対の電極61、62間の電位差を検出する。沸騰判定部71は、相検出手段601が検出した電位差に基づいて、「冷却管53を流れる冷媒」が沸騰していることを判定する。
これにより、「冷却管53を流れる冷媒」の冷却能力を適確に把握することができる。
(effect)
The effect of the first embodiment will be described.
(1) In the prior art, the cooling capacity of the refrigerant is grasped by the temperature of the refrigerant, whereas the
The phase detection means 601 detects the potential difference between the pair of
Thereby, the cooling capacity of “the refrigerant flowing through the cooling
(2)電力変換装置20は、沸騰判定部71により冷媒が沸騰していると判定されたとき、冷媒の温度を低下させる降温制御を実行する冷媒温度制御部72をさらに備える。
冷媒温度により冷媒の冷却能力を把握する従来技術では、推定誤差を考慮した温度マージンの設定により、実際の冷媒温度が閾値より低いときでも不要な降温制御を行う場合がある。そのため、冷却システムの大型化や電力効率の低下を招くという問題がある。
(2) When the boiling
In the conventional technique for grasping the cooling capacity of the refrigerant based on the refrigerant temperature, unnecessary temperature lowering control may be performed even when the actual refrigerant temperature is lower than the threshold by setting the temperature margin in consideration of the estimation error. Therefore, there is a problem that the cooling system is enlarged and the power efficiency is lowered.
それに対し第1実施形態では、冷媒が実際に相変化した状態で検出された電位差に基づいて、「冷却管53を流れる冷媒」が沸騰していることを判定し、その判定タイミングで初めて降温制御を開始する。したがって、液冷が可能な温度の限界まで、冷媒流量を増加させたり電流を制限したりすることなく、通常の制御を継続することができる。よって、冷却システムの小型化や効率の向上に貢献することができる。
On the other hand, in the first embodiment, it is determined that the “refrigerant flowing through the cooling
(3)相検出手段601は、「冷却管53の流入口531側と流出口532側との中心に対し流出口532側」であって、「下アームのパワーモジュール42の流出口532側の端部に対応する領域」に配置されている。これにより、「冷却管53を流れる冷媒」が最高温度となる位置での相状態を検出することができる。
(3) The phase detection means 601 is “the
(4)冷却器50は、複数の両面放熱型のパワーモジュール41、42と、複数の冷却管53とが積層配置されている。これにより、パワー素子43、44の発熱を両面から放出することができるため、冷却効率が向上する。
(5)積層構造の冷却器50において、相検出手段601は、電力変換器30、31、32毎に、「積層方向における冷媒導入管51の導入側と反導入側との中心に対し反導入側」であって、さらに「反導入側の下アームのパワーモジュール42の付近」に配置されている。これにより、積層方向において「冷却管53を流れる冷媒」が最高温度となる位置での相状態を検出することができる。
(4) In the cooler 50, a plurality of double-sided heat radiation
(5) In the cooler 50 having the laminated structure, the
(6)第1実施形態の相検出手段601は、電気容量式ボイド率計の原理を応用し、冷却管53内部に設けた対向する一対の電極61、62間の電位差を検出する。これにより、「冷却管53を流れる冷媒」の相状態を簡易な構成で精度良く検出することができる。
(7)冷媒温度制御部72は、沸騰判定部71によりインピーダンスが第1閾値Z1を超えていると判定された状態が所定時間にわたって継続したとき、降温制御を開始し、インピーダンスが第1閾値Z1よりも低い第2閾値Z2以下に低下したとき降温制御を終了する。降温制御を開始する第1閾値Z1と降温制御を終了する第2閾値Z2とを別に設定することで、閾値付近のインピーダンスで制御のオンオフが頻繁に繰り返されるハンチング現象を防止することができる。
(6) The phase detection means 601 of the first embodiment applies the principle of the capacitance void ratio meter and detects a potential difference between a pair of
(7) The refrigerant
(第2、第3実施形態)
第2、第3実施形態の電力変換装置について、共通の模式的構成図である図7を参照して説明する。第2、第3実施形態は、第1実施形態に対し、相検出手段の構成が異なる。
第2実施形態の相検出手段602は、「液体中に気体が存在すると超音波の伝わる速度が変化する。」という原理を応用し、超音波発生装置67により冷媒中に発生させた超音波の反射波を検出する。沸騰判定部71は、相検出手段602の検出信号を取得し、超音波の発信から反射波の受信までの時間に基づいて、冷媒が沸騰していることを判定する。
(Second and third embodiments)
The power converters of the second and third embodiments will be described with reference to FIG. 7 which is a common schematic configuration diagram. The second and third embodiments differ from the first embodiment in the configuration of the phase detection means.
The phase detection means 602 of the second embodiment applies the principle that “the speed at which ultrasonic waves are transmitted changes when gas is present in the liquid”, and uses the ultrasonic generator 67 to generate ultrasonic waves generated in the refrigerant. Detect reflected waves. The boiling
第3実施形態の相検出手段603は、「放射された光が液体中では屈折し、気体に到達すると反射する。」という原理を応用し、光ファイバプローブ68から冷媒中に放射した光の反射波を検出する。沸騰判定部71は、相検出手段603の検出信号を取得し、放射した光の屈折率に基づいて、冷媒が沸騰していることを判定する。
第2、第3実施形態は、相検出手段が検出する物理量に関する事項を読み替えた上で、第1実施形態の効果(1)〜(5)を共通に奏する。
The phase detection means 603 of the third embodiment applies the principle that “the emitted light is refracted in the liquid and reflected when it reaches the gas”, and reflects the light emitted from the optical fiber probe 68 into the refrigerant. Detect waves. The boiling
The second and third embodiments share the effects (1) to (5) of the first embodiment after rereading the matter relating to the physical quantity detected by the phase detection means.
(第4実施形態)
第4実施形態の電力変換装置について、図8を参照して説明する。図8(b)は、図8(a)のVIIIb−VIIIb線模式断面図である。上記第1〜第3実施形態の冷却器50は、複数の両面放熱型パワーモジュール41、42と複数の冷却管53とが交互に積層配置された積層型冷却器であるのに対し、第4実施形態の冷却器56は、片面放熱型の冷却器として構成されている。
上下アームのパワー素子43、44は、それぞれ、ヒートスプレッダ45が一方の面に当接した片面放熱型のパワーモジュール47、48の形態で構成されている。図8には、三相の各相が一組のパワーモジュール47、48からなる電力変換器を例示する。
(Fourth embodiment)
The power converter device of 4th Embodiment is demonstrated with reference to FIG. FIG. 8B is a schematic cross-sectional view taken along the line VIIIb-VIIIb of FIG. The cooler 50 of the first to third embodiments is a stacked cooler in which a plurality of double-sided heat radiation
The
各相上アームのパワーモジュール47は冷媒導入管51側に配置され、各相下アームのパワーモジュール48は冷媒導出管52側に配置される。流入口側で冷媒導入管51から三本に分岐した冷却管57は、各相のパワーモジュール47、48の直下を通り、流出口側で冷媒導出管52に合流する。パワー素子43、44の発熱は、片面に当接したヒートスプレッダ45を介して冷却管57に放熱される。
The
相検出手段601は、「冷却管57の流入口側と流出口側との中心に対し流出口側」であって、例えばW相の「下アームのパワーモジュール48の流出口側の端部に対応する領域」に配置されている。また、第1実施形態と同様の電気容量式の相検出手段601を用いる構成では、一対の電極61、62は、冷却管57内部の互いに対向する流路壁58に一対の絶縁板63、64を介して設けられている。
上記構成の第4実施形態は、第1実施形態の効果(1)〜(3)を共通に奏する。
なお、第4実施形態の変形例として、片面放熱型の冷却器56において、第2実施形態又は第3実施形態の相検出手段602、603を組み合わせてもよい。
The phase detection means 601 is “on the outlet side with respect to the center between the inlet side and the outlet side of the cooling
4th Embodiment of the said structure has the effects (1)-(3) of 1st Embodiment in common.
As a modification of the fourth embodiment, in the single-side heat dissipation type cooler 56, the phase detection means 602, 603 of the second embodiment or the third embodiment may be combined.
(その他の実施形態)
(a)図1に示す冷却器50では、コンバータ30、回生用インバータ31及び力行用インバータ32の三種類の電力変換器が並んで配置されている。その他の実施形態では、一つの冷却器に対し、どの種類の電力変換器が、いくつ、どの順に配置されてもよい。
また、各電力変換器において、同じスイッチング動作をするパワー素子は、各一つでもよいし、いくつ並列接続されてもよい。また、インバータは、三相インバータに限らず、四相以上の多相インバータでもよい。
(Other embodiments)
(A) In the cooler 50 shown in FIG. 1, three types of power converters, that is, a
In each power converter, the number of power elements that perform the same switching operation may be one, or any number of power elements may be connected in parallel. The inverter is not limited to a three-phase inverter, and may be a four-phase or more multi-phase inverter.
(b)本発明の相検出手段の構成は、第1〜第3実施形態に例示したものに限らず、冷却管を流れる冷媒の液相状態と気相状態との差異が反映される物理量を検出するいかなるものであってもよい。その中には、本願の出願時以後の科学技術の進歩により新たに創出され、或いは実用化される新規な手法や技術が含まれる。
(c)冷媒温度制御部による降温制御の方法として、冷媒流量増加又は電流制限の他、ファンを駆動して冷却器を強制空冷する方法や、チラーにより供給する冷媒自体の温度を低下させる方法等を採用してもよい。
(B) The configuration of the phase detection means of the present invention is not limited to that illustrated in the first to third embodiments, but a physical quantity that reflects the difference between the liquid phase state and the gas phase state of the refrigerant flowing through the cooling pipe. Anything to detect may be used. These include new methods and techniques that are newly created or put into practical use due to advances in science and technology since the filing of the present application.
(C) As a temperature drop control method by the refrigerant temperature control unit, in addition to increasing the refrigerant flow rate or limiting the current, a method of driving the fan to forcibly cool the cooler, a method of reducing the temperature of the refrigerant itself supplied by the chiller, etc. May be adopted.
(d)電力変換装置は、冷媒温度制御部を備えず、沸騰判定部による沸騰判定までを行うようにしてもよい。例えば、通常のパワー素子の発熱に対して冷却器の冷却能力が十分に設定されており、「冷媒供給が完全停止」というような重度の故障時以外には沸騰判定される可能性があり得ない場合を想定する。このような前提で、万一、沸騰判定部により「冷却管を流れる冷媒」が沸騰していると判定された場合には、電力変換装置は、重度の故障が発生したと判定し、直ちに電力変換装置の動作を停止するようにしてもよい。 (D) The power conversion device may not include the refrigerant temperature control unit and may perform the boiling determination by the boiling determination unit. For example, the cooling capacity of the cooler is sufficiently set for the heat generation of a normal power element, and there is a possibility that boiling judgment may be made except in the case of a serious failure such as `` coolant supply completely stopped '' Assume no. Under this assumption, if the boiling determination unit determines that the “refrigerant flowing through the cooling pipe” is boiling, the power converter determines that a serious failure has occurred and immediately You may make it stop operation | movement of a converter.
(e)本発明の電力変換装置は、ハイブリッド自動車や電気自動車において高圧バッテリとモータジェネレータとの間で電力を変換する電力システムに限らず、どのようなシステムに適用されてもよい。また、力行用インバータ32が交流電力を供給する負荷は、モータジェネレータ等の回転機に限らない。パワー素子の通電により発熱した電力変換器を冷媒の循環により冷却する電力変換装置であれば、本発明の効果が有効に発揮される。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。
(E) The power conversion device of the present invention is not limited to a power system that converts power between a high voltage battery and a motor generator in a hybrid vehicle or an electric vehicle, and may be applied to any system. Further, the load to which the
As mentioned above, this invention is not limited to the said embodiment at all, In the range which does not deviate from the meaning of invention, it can implement with a various form.
20・・・電力変換装置、
30・・・コンバータ(電力変換器)、
31・・・回生用インバータ(電力変換器)、
32・・・力行用インバータ(電力変換器)、
41、42、47、48・・・パワーモジュール、
43、44・・・パワー素子、
45・・・ヒートスプレッダ、
50、56・・・冷却器、
53、57・・・冷却管、
601、602、603・・・相検出手段、
71・・・沸騰判定部、
72・・・冷媒温度制御部。
20 ... Power converter,
30 ... Converter (power converter),
31 ... Regenerative inverter (power converter),
32 ... Power running inverter (power converter),
41, 42, 47, 48 ... power modules,
43, 44 ... power elements,
45 ... heat spreader,
50, 56 ... cooler,
53, 57 ... cooling pipes,
601, 602, 603... Phase detection means,
71 ... boiling judgment part,
72: Refrigerant temperature control unit.
Claims (10)
前記複数のパワー素子の通電により発熱した前記電力変換器を冷媒の循環により冷却する冷却器(50)と、
前記電力変換器毎に、前記冷却器の冷却管(53)を流れる冷媒の液相状態と気相状態との差異が反映される所定の物理量を検出する相検出手段(601、602、603)と、
前記相検出手段が検出した物理量に基づいて、前記冷却管を流れる冷媒が沸騰していることを判定する沸騰判定部(71)と、
を備え、
前記パワー素子は、熱伝導性を有するヒートスプレッダ(45)が両面に当接したパワーモジュール(41、42)の形態で構成されており、
前記冷却器は、
複数の前記パワーモジュールと交互に積層配置された複数の前記冷却管と、
積層方向の一方である導入側から他方である反導入側に向かって冷媒が流れ、複数の前記冷却管の流入口(531)に冷媒を導入する冷媒導入管(51)と、
複数の前記冷却管の流出口(532)から冷媒を導出する冷媒導出管(52)と、
を有し、
前記相検出手段は、前記電力変換器毎に、
前記冷却管の流入口側と流出口側との中心に対し流出口側において前記パワーモジュールの流出口側の端部に対応する領域であって、且つ、積層方向における前記冷媒導入管の導入側と反導入側との中心に対し反導入側に配置されている電力変換装置。 A plurality of power converters (30, 31, 32) that convert and output power by switching operations of the plurality of power elements (43, 44);
A cooler ( 50 ) that cools the power converter that has generated heat by energization of the plurality of power elements by circulating refrigerant;
Phase detection means (601, 602, 603) for detecting a predetermined physical quantity reflecting the difference between the liquid phase state and the gas phase state of the refrigerant flowing through the cooling pipe (5 3 ) of the cooler for each power converter. )When,
A boiling determination section (71) for determining that the refrigerant flowing through the cooling pipe is boiling based on the physical quantity detected by the phase detection means;
Equipped with a,
The power element is configured in the form of a power module (41, 42) in which a heat spreader (45) having thermal conductivity is in contact with both surfaces,
The cooler is
A plurality of the cooling pipes alternately stacked with the plurality of power modules; and
A refrigerant introduction pipe (51) for introducing the refrigerant into the inlets (531) of the plurality of cooling pipes through which the refrigerant flows from one introduction side in the stacking direction toward the other non-introduction side;
A refrigerant outlet tube (52) for extracting refrigerant from the outlets (532) of the plurality of cooling tubes;
Have
The phase detection means is for each power converter,
The region corresponding to the end portion on the outlet side of the power module on the outlet side with respect to the center of the inlet side and the outlet side of the cooling pipe, and the introduction side of the refrigerant introduction pipe in the stacking direction a power converter that is arranged on the counter-introducing side with respect to the center of the anti-introducing side.
直流電源(15)に入出力される電圧を変圧するコンバータ(30)、発電機(81)が発電した交流電力を直流電力に変換し前記コンバータを介して前記直流電源に回生する回生用インバータ(31)、及び、前記コンバータが出力した直流電力を交流電力に変換し負荷(82)に供給する力行用インバータ(32)を含み、
前記相検出手段は、前記コンバータ、前記回生用インバータ及び前記力行用インバータに対して各一つ以上設けられている請求項1に記載の電力変換装置。 The power converter is
A converter (30) that transforms the voltage input / output to / from the DC power source (15), and an inverter for regeneration that converts AC power generated by the generator (81) into DC power and regenerates the DC power via the converter ( 31), and a power running inverter (32) that converts the DC power output from the converter into AC power and supplies it to the load (82),
2. The power conversion device according to claim 1 , wherein at least one phase detection unit is provided for each of the converter, the regeneration inverter, and the power running inverter.
前記沸騰判定部は、電位差から算出した電気容量、又は、当該電気容量に反比例するインピーダンスに基づいて、前記冷却管を流れる冷媒が沸騰していることを判定する請求項1または2に記載の電力変換装置。 The phase detection means (601) detects a potential difference between a pair of electrodes (61, 62) facing each other inside the cooling pipe,
The electric power according to claim 1 or 2 , wherein the boiling determination unit determines that the refrigerant flowing through the cooling pipe is boiling based on an electric capacity calculated from a potential difference or an impedance inversely proportional to the electric capacity. Conversion device.
前記沸騰判定部は、超音波の発信から反射波の受信までの時間に基づいて、前記冷却管を流れる冷媒が沸騰していることを判定する請求項1または2に記載の電力変換装置。 The phase detection means (602) detects the reflected wave of the ultrasonic wave generated in the refrigerant by the ultrasonic generator (67),
The power converter according to claim 1 or 2 , wherein the boiling determination unit determines that the refrigerant flowing through the cooling pipe is boiling based on a time from transmission of an ultrasonic wave to reception of a reflected wave.
前記沸騰判定部は、放射された光の屈折率に基づいて、前記冷却管を流れる冷媒が沸騰していることを判定する請求項1または2に記載の電力変換装置。 The phase detection means (603) detects a reflected wave of light emitted from the optical fiber probe (68) into the refrigerant,
The power conversion device according to claim 1 or 2 , wherein the boiling determination unit determines that the refrigerant flowing through the cooling pipe is boiling based on a refractive index of emitted light.
前記冷媒温度制御部は、
前記相検出手段(601)により検出された前記一対の電極間(61、62)の電位差から算出された電気容量に反比例するインピーダンスについて、
前記沸騰判定部によりインピーダンスが第1閾値を超えていると判定された状態が所定時間にわたって継続したとき、前記降温制御を開始し、
インピーダンスが前記第1閾値よりも低い第2閾値以下に低下したとき前記降温制御を終了する請求項3または4に記載の電力変換装置。 When the boiling determination unit determines that the refrigerant is boiling, the refrigerant determination unit further includes a refrigerant temperature control unit (72) that performs a temperature lowering control to reduce the temperature of the refrigerant flowing through the cooling pipe,
The refrigerant temperature controller is
For impedance that is inversely proportional to the capacitance calculated from the potential difference between the pair of electrodes (61, 62) detected by the phase detection means (601),
When the state where the impedance is determined to exceed the first threshold by the boiling determination unit continues for a predetermined time, the temperature decrease control is started,
5. The power conversion device according to claim 3, wherein when the impedance falls below a second threshold value that is lower than the first threshold value, the temperature lowering control is terminated.
前記降温制御において、前記冷媒を供給する冷媒供給部(73)に対して冷媒の流量を増加するように降温指令を出力する請求項7または8に記載の電力変換装置。 The refrigerant temperature controller is
The power conversion device according to claim 7 or 8 , wherein, in the temperature lowering control, a temperature lowering command is output so as to increase a flow rate of the refrigerant to a refrigerant supply unit (73) that supplies the refrigerant.
前記降温制御において、前記パワー素子に通電する電流を制御する通電制御部(74)に対して電流を制限するように降温指令を出力する請求項7または8に記載の電力変換装置。 The refrigerant temperature controller is
The power conversion device according to claim 7 or 8 , wherein, in the temperature lowering control, a temperature lowering command is output so as to limit a current to an energization control unit (74) that controls a current energized to the power element.
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