JP6972445B1 - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

それぞれ異なるモジュール（Ｍ３１）に実装された２つのアーム（３１１）、アーム（３１２）で構成したフルブリッジのサブインバータ（３）、第一アームに低周波スイッチング動作をさせ、第二アームに高周波スイッチング動作をさせる第一モードと、第二アームに低周波スイッチング動作をさせ、第一アームに高周波スイッチング動作をさせる第二モードとの間で、動作モードを切り替えながらサブインバータ（３）を駆動制御する主制御部（６１）、およびモジュール（Ｍ３１）間での温度上昇の偏りに基づいて動作比率を設定する動作比率設定部（６２）、を備えるようにした。

Description

本願は、電力変換装置に関するものである。
近年、電気自動車に代表されるように、エンジンからモータ駆動への転換といった電動化システムの普及が進み、ＣＯ２削減の動きから航空機に関しても電動化への研究が世界各国で進められている。とくに航空機に搭載される機器には、燃費向上のため、高効率で軽量な小型の電力変換装置が求められ、ＡＣモータを駆動するために、直流電力を交流電力に変換するインバータが必須となる。
なかでも、大電圧・低周波のメインインバータと、小電圧・高周波のサブインバータが直列に接続され、各出力電圧の合計値が電力変換装置として出力されるマルチレベルインバータ（例えば、特許文献１参照。）が、高効率・小型化の技術として期待される。なお、本願では、マルチレベルインバータを階調制御インバータと称することとする。
再公表特許ＷＯ２０１０／０５８５３６（段落０００９〜００１５、図１〜図５）
階調制御インバータでは、低周波で駆動するメインインバータよりも、高周波で駆動するサブインバータでの発熱量の方が高く、それに応じた冷却器を設ける必要がある。一方、サブインバータには、フルブリッジインバータが用いられるが、フルブリッジインバータを構成する２つのアームは、それぞれ２つのスイッチング素子が直列接続された２ｉｎ１タイプのモジュールに分かれて実装されることになる。
その際、例えば、空冷用の風条件、水冷用の水条件、配置高さの違いなどによるモジュールごとの放熱特性、あるいはモジュール特性にばらつきがあると、モジュール間での温度上昇に偏りが生じることになる。そのため、高温側に合わせた放熱設計が必要となり、モジュールもしくは冷却器が過大となって小型化の妨げとなっていた。
本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、小型で高効率な電力変換装置を得ることを目的とする。
本願に開示される電力変換装置は、それぞれ異なるモジュールに実装された２つのアームで構成したフルブリッジインバータ、前記２つのアームのうちの第一アームに出力の極性を決めるための第一周波数でスイッチング動作をさせ、第二アームに前記第一周波数よりも高周波の第二周波数でＰＷＭ変調のためのスイッチング動作をさせる第一モードと、前記第二アームに前記第一周波数でスイッチング動作をさせ、前記第一アームに前記第二周波数でスイッチング動作をさせる第二モードとの間で、設定された動作比率に基づき動作モードを切り替えながら前記フルブリッジインバータを駆動制御する主制御部、前記モジュールごとの冷却器における配置位置に関するデータと、前記配置位置と放熱特性との相関データとに基づいて、モジュール間での温度上昇の偏りを分析する偏り分析部、および前記分析された温度上昇の偏りに基づいて前記動作比率を設定する動作比率設定部、を備えたことを特徴とする。
本願に開示される電力変換装置によれば、モジュールごとの放熱特性、モジュール特性にばらつきがあっても、高周波スイッチングで駆動する期間を調整してモジュール間の温度の偏りを抑制できるので、小型で高効率な電力変換装置を得ることができる。
実施の形態１にかかる電力変換装置の構成を説明するための回路構成図である。 実施の形態１にかかる電力変換装置の制御装置の構成を説明するための機能ブロック図である。 実施の形態１にかかる電力変換装置の制御装置の動作を説明するためのフローチャートである。 実施の形態１にかかる電力変換装置の出力波形と、サブインバータを構成する４つのスイッチング素子それぞれのゲート波形を示す波形図である。 実施の形態１にかかる電力変換装置が採用する階調制御インバータにおける、メインインバータの出力波形とサブインバータの出力波形と電力変換装置としての出力波形の関係を示す模式図である。 図６Ａ〜図６Ｄそれぞれは、実施の形態１にかかる電力変換装置が採用する階調制御インバータにおける、サブインバータで電圧出力を変化させるためのスイッチングパターンにより形成された電流正極性時の電流経路を示す模式図である。 実施の形態１にかかる電力変換装置が採用する階調制御インバータにおける、サブインバータで正電圧をＰＭＷ出力する第一モードでのスイッチングパターンの変化を示す波形図である。 実施の形態１にかかる電力変換装置が採用する階調制御インバータにおける、サブインバータで正電圧をＰＭＷ出力する第二モードでのスイッチングパターンの変化を示す波形図である。 実施の形態１にかかる電力変換装置が採用する階調制御インバータのサブインバータを構成する２つのアームそれぞれを形成するモジュールが強制空冷方式による冷却器に実装された例を示す斜視図である。 図１０Ａと図１０Ｂそれぞれは、実施の形態１にかかる電力変換装置が採用する階調制御インバータのサブインバータを構成する２つのアームそれぞれを形成するモジュールが自然空冷方式による冷却器に実装された例を示す側面図と断面図である。 図１１Ａ〜図１１Ｄそれぞれは、実施の形態１にかかる電力変換装置が採用する階調制御インバータにおける、サブインバータで電圧出力を変化させるためのスイッチングパターンにより形成された電流負極性時の電流経路を示す模式図である。 実施の形態１にかかる電力変換装置の制御装置のハードウエア構成を示すブロック図である。 実施の形態２にかかる電力変換装置のサブインバータを構成する２つのアームそれぞれを形成するモジュールが冷却器に実装された例を示す斜視図である。 実施の形態２にかかる電力変換装置の制御装置において温度情報を用いた制御系統を示すブロック図である。
実施の形態１．
図１〜図４は実施の形態１にかかる電力変換装置の構成および動作について説明するためのものであり、図１は電力変換装置の構成を説明するための電源と負荷を含めた回路構成図、図２は電力変換装置の制御装置の構成を説明するための機能ブロック図、図３は電力変換装置の制御装置における２つの動作モードの動作比率の設定動作を説明するためのフローチャート、図４は電力変換装置の出力波形と、サブインバータを構成する４つのスイッチング素子（半導体素子）それぞれのゲート波形を示す波形図である。
そして、図５〜図１１は、本願の電力変換装置が採用する階調制御インバータとしての一般的な構成と動作について説明するためのもので、図５はメインインバータの出力波形とサブインバータの出力波形と電力変換装置、つまり階調制御インバータとしての出力波形の相ごとの関係を示す模式図、図６Ａ〜図６Ｄそれぞれは、サブインバータで電圧出力を変化させるための、４つのスイッチング素子のスイッチングパターンにより形成された電流正極性時の電流経路を示す模式図、図７はサブインバータで正電圧をＰＭＷ出力する際の２つのモードのうち、第一モードでのスイッチングパターンの変化を示す波形図、図８は第二モードでのスイッチングパターンの変化を示す波形図である。なお、図６〜図８においては、複数の相のうちの任意の相のサブインバータを代表して記載している。
図９は階調制御インバータのサブインバータを構成する２つのアームそれぞれを形成するモジュールが強制空冷方式による冷却器に実装された例を示す斜視図、図１０は階調制御インバータのサブインバータを構成する２つのアームそれぞれを形成するモジュールが自然空冷方式による冷却器に実装された例を示す側面図（図１０Ａ）と図１０ＡのＡ−Ａ線による断面図（図１０Ｂ）である。また、図１１Ａ〜図１１Ｄそれぞれは、階調制御インバータにおける、サブインバータで電圧出力を変化させるためのスイッチングパターンにより形成された電流負極性時の電流経路を示す模式図であり、それぞれ図６Ａ〜図６Ｄに対応する。
電力変換装置１は図１に示すように、直流源９１とＡＣモータのような交流の負荷９２の間に接続され、直流電力（電圧）を所望の交流電力（電圧）に変換して負荷９２を駆動させるものである。そして、階調制御インバータとして、メインインバータ２とサブインバータ３を直列接続したものである。直流源９１としては、ＤＣ配線による供給の他、個別の直流電源システム、太陽電池などの蓄電システムでもよい。負荷９２としては、例えば三相モータを想定しているが、これに限ることはない。
メインインバータ２は三相インバータであり、本実施の形態においては３レベルインバータを記載していが、もちろん他の出力レベル数を持つインバータでもよい。メインインバータ２は、Ｕ相メインインバータアーム２１Ｕ、Ｖ相メインインバータアーム２１Ｖ、Ｗ相メインインバータアーム２１Ｗの３出力相で構成されている。そして、出力相ごとにスイッチング能力を有するＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等の４つのスイッチング素子（半導体素子）と、整流能力を有するダイオードのような２つの整流素子で構成される。整流素子としては、ダイオードの代わりにＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等を利用することもできる。
メインインバータ２のＵ相メインインバータアーム２１Ｕ、Ｖ相メインインバータアーム２１Ｖ、Ｗ相メインインバータアーム２１Ｗそれぞれの出力端子にはサブインバータ３がそれぞれ直列に接続される。サブインバータ３を構成する相ごとの単位サブインバータ３１を、Ｕ相サブインバータ３１Ｕ、Ｖ相サブインバータ３１Ｖ、Ｗ相サブインバータ３１Ｗと称する。なお、アームについては相を区別する符号（Ｕ，Ｖ，Ｗ）を省略している。各単位サブインバータ３１は２つのアーム（アーム３１１とアーム３１２）で構成されるフルブリッジインバータであり、ブリッジ（アーム）ごとにスイッチング能力を有するＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等の２つのスイッチング素子で構成される。
メインインバータ２は３レベルインバータのため、ＤＣ母線電圧Ｖｍを分割するための２直列のコンデンサが中性点接続されている。高電位側のコンデンサをＰ母線コンデンサ４、その電圧値をＶｍｐと記し、低電位側のコンデンサをＮ母線コンデンサ５、その電圧値をＶｍｎと記す。なお、サブインバータ３のＤＣ母線電圧Ｖｓはメインインバータ２のＤＣ母線電圧Ｖｍである直流源９１の電圧よりも小さい。
そして、制御装置６は、メインインバータ２との間で、メインインバータ２の動作状態を示す検知信号Ｓｓ２の受信と、メインインバータ２の動作制御のための駆動信号Ｓｄ２の送信を行う。同様に、サブインバータ３との間で、サブインバータ３の動作状態を示す検知信号Ｓｓ３の受信と、サブインバータ３の動作制御のための駆動信号Ｓｄ３の送信を行う。
上述した構成は、階調制御インバータとしての一般的な構成と同様のものである。そして、本願の電力変換装置の構成は、サブインバータ３におけるアーム３１１、３１２ごとの状況に応じた動作比率を変化させる構成にあるが、特徴的な構成の前に、その前提となる階調制御インバータについての説明を行う。
電力変換装置１としての出力電圧Ｖｅｏは、図５に示すように、メインインバータ２の出力電圧Ｖｍｏとサブインバータ３の出力電圧Ｖｓｏとの合算値として現れる。なお、図中、相ごとの電圧として区別するため、符号の末尾にＵ、Ｖ、Ｗを付記している。
メインインバータ２のスイッチング周波数は、負荷９２に対する交流電源としての電源周波数と同程度であり、本実施の形態では母線電圧の大きいメインインバータ２は１周期における正負の転換時に１回ずつスイッチングを行う。図中左上の波形がメインインバータ２の出力電圧Ｖｍｏの出力波形である。一方、母線電圧の小さいサブインバータ３はメインインバータ２よりも高周波でスイッチングを行う。サブインバータ３は電力変換装置１としての目標電圧とメインインバータ２の出力電圧の差分を出力する。図中左下の波形がサブインバータ３の出力電圧Ｖｓｏの出力波形である。
そして、上述したようにメインインバータ２の出力（出力電圧Ｖｍｏ）とサブインバータ３の出力（出力電圧Ｖｓｏ）が直列で加算されて電力変換装置１の出力（出力電圧Ｖｅｏ）として出力される。これにより、図中右側の波形の通り、正弦波に近いマルチレベルな波形を電力変換装置１の出力電圧Ｖｅｏとして出力することができる。本実施の形態では、階調制御インバータとしては、７レベルの波形で出力している。
階調制御インバータは、このように構成されているため、高周波のスイッチングは、ＤＣ母線電圧Ｖｍよりも低いＤＣ母線電圧Ｖｓがかかるサブインバータ３側でのみ実行されることになる。そのため、一般的なインバータ（単段）と比べて、スイッチング損失とノイズが低くなる。よって、冷却器、ノイズフィルタ等の小型化が図れることから、階調制御インバータを用いた電力変換装置１は、単段のインバータよりも小型・軽量化が可能となる。
ここで、フルブリッジインバータであるサブインバータ３での電圧出力を変化させるための４つの半導体素子Ｑ５〜Ｑ８による４つのスイッチングパターンについて、図６を用いて説明する。パターンＡは、図６Ａに示すように、半導体素子Ｑ６、半導体素子Ｑ８をオン状態（他はオフ、以下同様）とすることで、サブインバータ３の出力が０になる。パターンＢは、図６Ｂに示すように、半導体素子Ｑ６、半導体素子Ｑ７をオン状態とすることで、サブインバータ３の出力がプラスＶｓ（正電圧）になる。パターンＣは、図６Ｃに示すように、半導体素子Ｑ５、半導体素子Ｑ７をオン状態とすることで、サブインバータ３の出力が０になる。パターンＤは、図６Ｄに示すように、半導体素子Ｑ５、半導体素子Ｑ８をオン状態とすることで、サブインバータ３の出力がマイナスＶｓ（負電圧）になる。なお、上記値は半導体素子、配線等による電圧降下を無視した値である。
上述したパターンを図７に示すように、順次切り替えることで、図５左下で示したような出力電圧の変化を実現できる。サブインバータ３はユニポーラ変調を実施しており、正電圧（＋Ｖｓ）をＰＷＭ出力する場合は、パターンＡとパターンＢを切り替えて利用する。また負電圧（−Ｖｓ）をＰＷＭ出力する場合は、パターンＣとパターンＤを切り替えて利用する。これをＰＷＭモード１（第一モード）と称する。
さらに、上述したパターンを図８に示すように、順次切り替えることでも、図５左下で示したような出力電圧の変化を実現できる。正電圧（＋Ｖｓ）をＰＷＭ出力する場合は、パターンＣとパターンＢを切り替えて利用する。また負電圧（−Ｖｓ）をＰＷＭ出力する場合は、パターンＡとパターンＤを切り替えて利用する。これをＰＷＭモード２（第二モード）と称する。
いずれのモードでも、ＰＷＭ出力が可能であるが、モードによって高周波スイッチング動作の対象となる半導体素子が異なる。ＰＷＭモード１で正電圧を出力する場合は、半導体素子Ｑ５と半導体素子Ｑ６をそれぞれオフとオンに固定し、半導体素子Ｑ７と半導体素子Ｑ８を高周波で交互にスイッチングし、パターンＡとパターンＢを交互に切り替えることになる。そして、負電圧を出力する場合は、半導体素子Ｑ５と半導体素子Ｑ６をそれぞれオンとオフに固定し、半導体素子Ｑ７と半導体素子Ｑ８を高周波で交互にスイッチングし、パターンＣとパターンＤを交互に切り替えることになる。
一方、ＰＷＭモード２で正電圧を出力する場合は、半導体素子Ｑ７と半導体素子Ｑ８をそれぞれオンとオフに固定し、半導体素子Ｑ５と半導体素子Ｑ６を高周波で交互にスイッチングし、パターンＣとパターンＢを交互に切り替えることになる。そして、負電圧を出力する場合は、半導体素子Ｑ７と半導体素子Ｑ８をそれぞれオフとオンに固定し、半導体素子Ｑ７と半導体素子Ｑ８を高周波で交互にスイッチングし、パターンＡとパターンＤを交互に切り替えることになる。
ＰＷＭモード１での高周波スイッチングの対象は半導体素子Ｑ７と半導体素子Ｑ８であり、半導体素子Ｑ５と半導体素子Ｑ６はサブインバータ３の出力電圧極性の正負が切り替わるタイミングでのみスイッチングする。そのため、スイッチング損失差から半導体素子Ｑ７と半導体素子Ｑ８の方が、半導体素子Ｑ５と半導体素子Ｑ６よりも、発熱量が大きくなる。
逆に、ＰＷＭモード２での高周波スイッチングの対象は半導体素子Ｑ５と半導体素子Ｑ６であり、半導体素子Ｑ７と半導体素子Ｑ８はサブインバータ３の出力電圧極性の正負が切り替わるタイミングでのみスイッチングする。そのため、スイッチング損失差から半導体素子Ｑ５と半導体素子Ｑ６の方が、半導体素子Ｑ７と半導体素子Ｑ８よりも、発熱量が大きくなる。
ここで、半導体素子Ｑ５と半導体素子Ｑ６が実装されたモジュールと、半導体素子Ｑ７と半導体素子Ｑ８が実装されたモジュールでの放熱特性に差がなければ、ＰＷＭモード１とＰＷＭモード２の動作比率を１対１に設定すれば両モジュールの温度は均一となる。しかし、実際には、冷却器に取り付ける位置によって放熱特性は異なることになる。
例えば、図９に示すように、強制空冷の冷却器８にモジュールＭ３１ａおよびモジュールＭ３１ｂ（両者を区別しない場合、モジュールＭ３１と称する。）が配置された場合について検討する。ここで、モジュールＭ３１ａおよびモジュールＭ３１ｂは、それぞれ半導体素子Ｑ５と半導体素子Ｑ６、および半導体素子Ｑ７と半導体素子Ｑ８が、２直列に接続されて実装され、それぞれアーム３１１、３１２を構成する２ｉｎ１タイプのパワーモジュールである。冷媒Ｃ８（空気）の顕熱により冷却する場合、冷却器８では、流路８ｐにおいて、入口８ｐｉ側から排気口に向かって冷媒Ｃ８の温度が上昇していくため、入口８ｐｉ側の方が排気側に比べ冷媒Ｃ８との温度差（伝熱の駆動力）が大きく、放熱特性は良好である。つまり、図９の配置では、モジュールＭ３１ｂの方が、モジュールＭ３１ａより放熱特性がよくなる傾向になる。なお、図では、強制空冷方式としているが、顕熱で冷却している限り、水冷方式でも同様である。
また、図１０（図１０Ａ、図１０Ｂ）に示すように、自然空冷の冷却器８にモジュールＭ３１ａおよびモジュールＭ３１ｂを鉛直方向Ｄｖに沿って直列に配置するような場合が考えられる。熱せられた空気は比重が軽くなり、上方に向けて流れる。そのため、フィン８ｆの間に上下方向に流路８ｐが形成される場合、空気はフィン８ｆからの熱を受けることで、天面８ｓｔに向かって流路８ｐ内を上昇するように流れるため、底面８ｓｂに近い方が冷媒温度は低くなり、天面８ｓｔ側に比べ放熱特性は良好となる。つまり、モジュールＭ３１ａよりもモジュールＭ３１ｂの方が冷却効率は高くなる。
このように、モジュールＭ３１の配置位置によって放熱特性、つまり冷却効率が異なる。そのため、モジュールＭ３１ａとモジュールＭ３１ｂの特性が概ね同じである場合でも、ＰＷＭモード１とＰＷＭモード２の動作比率を１対１に固定した場合、特性の悪い側に配置されているモジュールＭ３１ａの方が半導体の温度が高くなる。なお、特性が「概ね同じ」と記したのは、半導体ごとに、あるいはロットごとに特性誤差が生じるため、全く同じとなる可能性が低いためである。
そこで、本実施の形態にかかる電力変換装置１は、図２に示すように、制御装置６に、モジュールＭ３１の放熱、発熱等の熱に関する状況に応じて、ＰＷＭモード１とＰＷＭモード２の動作比率を設定する動作比率設定部６２を設けるようにした。熱に関するデータに関しては、設置状況等のモジュールＭ３１の状況を示すデータ（状況データ）を受信するデータ受信部６３と、状況データと放熱特性との相関データを保持する相関データデータベース６４を設ける。そして、データ受信部６３が受信したデータと保持された相関データに基づいて、放熱特性の違いに起因する温度の偏りを分析する偏り分析部６５を設ける。これにより、動作比率設定部６２は、偏り分析部６５が分析した偏りの情報に基づいて動作比率を設定し、駆動信号Ｓｄ３を生成する主制御部６１に設定した動作比率の情報を出力するように構成する。
ここで、図９、図１０で説明した状況と切り離し、２つのモジュールＭ３１をモジュールＡ、モジュールＢと呼称して、モジュールＢの方がモジュールＡよりも放熱特性が悪くなる状況に対する動作について、図３のフローチャートを参考にして説明する。なお、単位サブインバータ３１の２つのアーム３１１、３１２のうちの一方(アーム３１１）を構成する半導体素子Ｑ５と半導体素子Ｑ６がモジュールＡに実装され、他方（アーム３１２）を構成する半導体素子Ｑ７と半導体素子Ｑ８がモジュールＢに実装されているとする。
この場合、上述したＰＷＭモード１では半導体素子Ｑ７と半導体素子Ｑ８が高周波なＰＷＭスイッチングを行うため、モジュールＡの損失（発熱）よりもモジュールＢの損失の方が大きくなる。一方、ＰＷＭモード２では半導体素子Ｑ５と半導体素子Ｑ６が高周波なＰＷＭスイッチングを行うため、モジュールＢの損失（発熱）よりもモジュールＡの損失の方が大きくなる。
このような状況で電力変換装置１を動作させた場合、データ受信部６３は、例えば、モジュールＢがモジュールＡに対し、強制冷却における冷媒の流通路における下流側に位置するとの状況データを受信する（ステップＳ１１０）。このとき、相関データデータベース６４には、上流側と下流側では放熱特性に２倍の差があるとの相関データが保存されているとする。
すると、偏り分析部６５は、相関データデータベース６４に保存された相関データを用い、モジュールＡの放熱特性は、モジュールＢの放熱特性の２倍になり、それに起因してモジュールＢの方が温度上昇するとの偏りを分析する（ステップＳ１２０）。そして、動作比率設定部６２は、偏りに応じ、ＰＷＭモード１とＰＷＭモード２の動作比率を２対１に設定し（ステップＳ１３０）、設定した動作比率（２対１）の情報を主制御部６１に出力する。なお、モジュールＡの放熱特性がモジュールＢの放熱特性の２倍であるとの状況データをデータ受信部６３が直接受信してもよく、その場合、必ずしも相関データデータベース６４の相関データを用いる必要はない。
このように、モジュールの状況に応じて動作比率を設定することで、サブインバータ３では、図１０に示すような波形で動作する。つまり、ＰＷＭモード２よりもＰＷＭモード１の比率を増加させることで、１対１で固定した場合と比べて、モジュールＢの損失値を減らし、放熱特性のよいモジュールＡ側の損失を増加させることができる。
上述したように、サブインバータ３を構成するモジュールＭ３１ごとの放熱特性の比率に合わせてＰＷＭモード１とＰＷＭモード２の動作比率を変更できるように構成した。これにより、半導体素子の温度上昇の偏りを抑制でき、モジュール、冷却器８を小型化できる。
なお、上記動作比率は、動作中に適宜変更してもよい。例えば、冷媒の流れ方向における位置関係が固定されている場合でも、航空機のように、飛行高度によって気圧、温度等の冷媒Ｃ８の質が変化することがある。その場合、冷媒Ｃ８の質に応じて放熱特性の偏りが変化するのであれば、偏り分析部６５は、例えば相関データを用い、飛行高度に応じて偏りを修正し、動作比率設定部６２に通知するようにしてもよい。
また、上記例では、電流正極性時の動作について説明したが、これに限ることはない。電流負極性時においても、フルブリッジインバータであるサブインバータ３での電圧出力を変化させるための４つの半導体素子Ｑ５〜Ｑ８による４つのスイッチングパターンについて、図１１を用いて説明する。
パターンＥは、図１１Ａに示すように、半導体素子Ｑ６、半導体素子Ｑ８をオン状態とすることで、サブインバータ３の出力が０になる。パターンＦは、図１１Ｂに示すように、半導体素子Ｑ６、半導体素子Ｑ７をオン状態とすることで、サブインバータ３の出力がプラスＶｓ（正電圧）になる。パターンＧは、図１１Ｃに示すように、半導体素子Ｑ５、半導体素子Ｑ７をオン状態とすることで、サブインバータ３の出力が０になる。パターンＨは、図１１Ｄに示すように、半導体素子Ｑ５、半導体素子Ｑ８をオン状態とすることで、サブインバータ３の出力がマイナスＶｓ（負電圧）になる。
これらのパターンＥは図６で説明したパターンＡと、パターンＦはパターンＢと、パターンＧはパターンＣと、パターンＨはパターンＤと、それぞれ同様である。そのため、電流負極性時においても電流正極性時と同様に、ＰＷＭモード１とＰＷＭモード２の動作比率によって損失の比率を制御することが可能となる。
なお、制御装置６は、ハードウエアの一例を図１２に示すように、プロセッサ６０１と記憶装置６０２を備えたひとつのハードウエア６００によって構成することも考えられる。記憶装置は図示していないが、ランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、フラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置とを具備する。また、フラッシュメモリの代わりにハードディスクの補助記憶装置を具備してもよい。プロセッサ６０１は、記憶装置６０２から入力されたプログラムを実行する。この場合、補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプロセッサ６０１にプログラムが入力される。また、プロセッサ６０１は、演算結果等のデータを記憶装置６０２の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置にデータを保存してもよい。
実施の形態２．
上記実施の形態１においては、モジュールの放熱特性から温度の偏りを分析し、動作比率を設定する例について説明した。本実施の形態２では、モジュールの温度の測定値に基づいて動作比率を設定する例について説明する。
図１３と図１４は、本実施の形態２にかかる電力変換装置について説明するためのもので、図１３は電力変換装置のサブインバータを構成する２つのアームそれぞれを形成するモジュールが冷却器に実装された例を示す斜視図、図１４は電力変換装置の制御装置において温度情報を用いた制御系統を示すブロック図である。なお、熱に関する情報として温度の測定値を用いた偏りの分析と動作比率の設定以外の構成と動作については、実施の形態１と同様であり、実施の形態１で用いた図１〜図１１を援用し、同様部分の説明については省略する。
本実施の形態２においても、単位サブインバータ３１の２つのアーム３１１、３１２のうちのアーム３１１を構成する半導体素子Ｑ５と半導体素子Ｑ６がモジュールＡに実装され、アーム３１２を構成する半導体素子Ｑ７と半導体素子Ｑ８がモジュールＢに実装されているとする。そして、本実施の形態２においては、図１３に示すように、モジュールＡの温度を測定する温度センサ７ａと、モジュールＢの温度を測定する温度センサ７ｂを設けているとする。
そして、実施の形態１で説明した設置状況のデータに代わり、温度センサ７ａの検出値Ｔ１、温度センサ７ｂからの検出値Ｔ２が、図１４に示すように、それぞれ制御装置（データ受信部６３）に入力されるものとする（ステップＳ１１０に対応）。動作比率設定部６２は、検出値Ｔ１と検出値Ｔ２の差（温度差ΔＴ）が目標温度差ＲｅｆΔＴに近づくように、ＰＷＭモード１とＰＷＭモード２の動作比率を変更する。つまり、温度の偏りである温度差ΔＴと目標温度差ＲｅｆΔＴとの差（ずれ量）を分析（ステップＳ１２０に対応）して、動作比率を設定する（ステップＳ１３０に対応）。
より、具体的には、一般的な制御器のように、ΔＴを目標温度差ＲｅｆΔＴから差し引いたずれ量に対して、設定動作比率に対応する制御量Ｘ（％）を演算する。例えば、図２で説明した動作比率設定部６２とデータ受信部６３と偏り分析部６５に対応する部分について、比例制御を実行する一般的なＰＩ制御器（Proportional Integral Controller）に置き換えて構成してもよい。そして、ＰＷＭモード１の初期比率をＸ０（％）とすると、ＰＷＭモード１の動作比率はＸ０（％）にＸ（％）を加算したＸ１（％）となる。その場合、１００％からＸ１（％）を引いた値がＰＷＭモード２の動作比率となる。
この制御により、モジュールＡの温度（検出値Ｔ１）がモジュールＢの温度（検出値Ｔ２）より高い場合（ΔＴ＜０）、ずれ量はプラスの値となり、制御量Ｘも大きくなるため、ＰＷＭモード１の比率Ｘ１が高く、ＰＷＭモード２の比率が低くなる。そのため、モジュールＢの損失が増加（発熱増大）、モジュールＡの損失が低下（発熱減少）し、温度差ΔＴは目標温度差ＲｅｆΔＴに近づく方向で発熱比率が変化する。
一方、モジュールＢの温度（検出値Ｔ２）がモジュールＡの温度（検出値Ｔ１）より高い場合（ΔＴ＞０）、ずれ量はマイナスの値となり、制御量Ｘは小さくなるため、ＰＷＭモード１の比率Ｘ１が低く、ＰＷＭモード２の比率が高くなる。そのため、モジュールＡの損失が増加（発熱増大）、モジュールＢの損失が低下（発熱減少）し、温度差ΔＴは目標温度差ＲｅｆΔＴに近づく方向で発熱比率が変化する。
なお、初期比率Ｘ０は５０％とすればよい。しかし、５０％（固定値）に限ることなく、例えば、実施の形態１で説明した設置状況に応じて設定される動作比率を初期比率Ｘ０として用いるようにすれば、動作初期段階から温度差を抑制することが可能となる。また、例示したＰＩ制御に限ることなく、ＰＩＤ制御器（Proportional-Integral-Differential Controller、PID Controller）を用いてもよい。
モジュールＭ３１の温度のデータを用いることで、モジュールＭ３１の設置状況等に起因する偏りだけでなく、モジュール特性ばらつきによる損失の不一致が発生する場合にも、温度上昇の偏りを抑制でき、モジュール、冷却器８を小型化できる。
なお、本願は、様々な例示的な実施の形態およ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、および機能は、特定の実施の形態で開示した構成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。したがって、例示されていない無数の変形例が、本願明細書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、他の実施の形態で開示した構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
例えば、動作比率設定部６２は、受信したデータに基づいて動作比率を設定する場合を例示したが、これに限ることはなく、設計時に温度上昇の偏りに基づいてあらかじめ動作比率を設定するようにしてもよい。その際、動作比率設定部６２は、あらかじめ定められ、例えば入力された動作比率を保持することで、動作比率設定部としての機能を有するようにしてもよい。その際、主制御部６１自体が動作比率設定部６２として機能してもよく、主制御部６１と動作比率設定部６２とを別物と取り扱う必要もない。
さらに、３相ＤＣ／ＡＣインバータについて例示したが、これに限ることなく、単相でもよく、相線式に応じて適宜適用可能である。また、最適な適用例として、階調制御インバータで説明したが、これに限ることはなく、少なくともＰＷＭ制御を行うフルブリッジのインバータを構成する２つのアームが、それぞれ異なるモジュールＭ３１に実装されていれば、適用可能である。また、主制御部６１と動作比率設定部６２等を一つの制御装置６内に形成する例を示したが、これに限ることなく、本願の特徴部分である動作比率設定部６２、偏り分析部６５等を例えば動作比率設定装置として、主制御部６１と別体で設けるようにしてもよい。
以上のように、各実施の形態にかかる電力変換装置１によれば、それぞれ異なるモジュールＭ３１に実装された２つのアーム３１１、アーム３１２で構成したフルブリッジインバータ（サブインバータ３、あるいは単位サブインバータ３１）、２つのアームのうちの第一アーム（例えば、アーム３１１）に出力の極性を決めるための第一周波数（低周波）でスイッチング動作をさせ、第二アーム（例えばアーム３１２）に第一周波数よりも高周波の第二周波数（高周波）でＰＷＭ変調のためのスイッチング動作をさせる第一モードと、第二アーム（同アーム３１２）に第一周波数（低周波）でスイッチング動作をさせ、第一アーム（同アーム３１１）に第二周波数（高周波）でスイッチング動作をさせる第二モードとの間で、設定された動作比率に基づき動作モードを切り替えながらフルブリッジインバータ（サブインバータ３）を駆動制御する主制御部６１、およびモジュールＭ３１間での温度上昇の偏りに基づいて動作比率を設定する動作比率設定部６２、を備えるようにした。これにより、モジュールＭ３１ごとの放熱特性、モジュール特性（発熱性）にばらつきがあっても、高周波スイッチングで駆動する期間を調整することでモジュール間の温度の偏りを抑制できるので、小型で高効率な電力変換装置を得ることができる。
交流電力としての出力周波数に合わせて単パルス出力するメインインバータ２と、メインインバータ２に直列接続された上述したフルブリッジインバータ（サブインバータ３）とで階調制御インバータを構成したので、より一層小型化、高効率化が可能となる。
さらに、モジュールＭ３１ごとの熱に関するデータを受信するデータ受信部６３、およびデータに基づいて、モジュールＭ３１間での温度上昇の偏りを分析する偏り分析部６５、を備え、動作比率設定部６２は、第一アームが実装された第一モジュール（例えば、モジュールＭ３１ａ）の方が、第二アームが実装された第二モジュール（例えば、モジュールＭ３１ｂ）よりも温度が高くなるとの分析結果を受けると、動作比率における第一モードの割合を減少させ、逆の分析結果を受けると、第一モードの割合を増加させるようにした。これにより、モジュールＭ３１ごとの放熱特性、モジュール特性（発熱性）にばらつきがあっても、熱に関するデータに基づいて高周波スイッチングで駆動する期間を適切に調整することでモジュール間の温度の偏りを抑制できる。
偏り分析部６５は、モジュールＭ３１ごとの放熱特性に関するデータから温度上昇の偏りを分析するようにすれば、モジュールＭ３１間での冷媒流路上での位置関係、自然冷却における上下の位置関係、あるいは放熱フィンとの接続状況等に違いがあっても、モジュールＭ３１間の温度の偏りを確実に抑制できる。
その際、モジュールＭ３１ごとの冷却器８における配置位置と放熱特性との相関データを保持する相関データデータベース６４を備え、偏り分析部６５は、モジュールＭ３１ごとの冷却器８における配置位置に関するデータと相関データから温度上昇の偏りを分析するように構成すれば、複雑な演算を行うことなく、容易にモジュールＭ３１間の温度の偏りを抑制できる。
さらには、モジュールＭ３１ごとの温度を測定する温度センサ７ａ、７ｂを備え、偏り分析部６５（あるいは動作比率設定部６２として）は、温度センサの検出値に基づいて、温度上昇の偏りを分析するようにすれば、温度の測定値で直接偏りを分析するので、モジュールＭ３１ごとの特性の違い、あるいは動作中に状況変化が生じても、モジュールＭ３１間の温度の偏りを確実に抑制できる。
第一モジュール（例えば、モジュールＭ３１ａ）と第二モジュール（例えば、モジュールＭ３１ｂ）が、冷媒Ｃ８の流通経路における上流側と下流側に分かれて直列に配置されている場合でも、上述したように温度の偏りを抑制できるので、設計自由度が向上し、小型化、冷却の効率化が図れる。
１：電力変換装置、 ２：メインインバータ、 ２１Ｕ：Ｕ相メインインバータアーム、 ２１Ｖ：Ｖ相メインインバータアーム、 ２１Ｗ：Ｗ相メインインバータアーム、 ３：サブインバータ（フルブリッジインバータ）、 ３１：単位サブインバータ（フルブリッジインバータ）、 ３１１：アーム、 ３１２：アーム、 ４：Ｐ母線コンデンサ、 ５：Ｎ母線コンデンサ、 ６：制御装置、 ６１：主制御部、 ６２：動作比率設定部、 ６３：データ受信部、 ６４：相関データデータベース、 ６５：偏り分析部、 ７ａ，７ｂ：温度センサ、 ８：冷却器、 ９１：直流源（直流源）、 ９２：負荷、 Ｃ８：冷媒、 Ｍ３１：モジュール、 Ｑ５，Ｑ６，Ｑ７，Ｑ８：半導体素子。

Claims (6)

  1. それぞれ異なるモジュールに実装された２つのアームで構成したフルブリッジインバータ、
    前記２つのアームのうちの第一アームに出力の極性を決めるための第一周波数でスイッチング動作をさせ、第二アームに前記第一周波数よりも高周波の第二周波数でＰＷＭ変調のためのスイッチング動作をさせる第一モードと、前記第二アームに前記第一周波数でスイッチング動作をさせ、前記第一アームに前記第二周波数でスイッチング動作をさせる第二モードとの間で、設定された動作比率に基づき動作モードを切り替えながら前記フルブリッジインバータを駆動制御する主制御部、
    前記モジュールごとの冷却器における配置位置に関するデータと、前記配置位置と放熱特性との相関データとに基づいて、モジュール間での温度上昇の偏りを分析する偏り分析部、および
    前記分析された温度上昇の偏りに基づいて前記動作比率を設定する動作比率設定部、
    を備えたことを特徴とする電力変換装置。
  2. 交流電力としての出力周波数に合わせて単パルス出力するメインインバータと、前記メインインバータに直列接続された前記フルブリッジインバータとで階調制御インバータを構成したことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 前記動作比率設定部は、前記第一アームが実装された第一モジュールの方が、前記第二アームが実装された第二モジュールよりも温度が高くなるとの分析結果を受けると、前記動作比率における第一モードの割合を減少させ、逆の分析結果を受けると、前記第一モードの割合を増加させることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
  4. それぞれ異なるモジュールに実装された２つのアームで構成したフルブリッジインバータ、
    前記２つのアームのうちの第一アームに出力の極性を決めるための第一周波数でスイッチング動作をさせ、第二アームに前記第一周波数よりも高周波の第二周波数でＰＷＭ変調のためのスイッチング動作をさせる第一モードと、前記第二アームに前記第一周波数でスイッチング動作をさせ、前記第一アームに前記第二周波数でスイッチング動作をさせる第二モードとの間で、設定された動作比率に基づき動作モードを切り替えながら前記フルブリッジインバータを駆動制御する主制御部、
    前記モジュールごとの温度を測定する温度センサ、および
    前記第一アームが実装された第一モジュールの温度の検出値と前記第二アームが実装された第二モジュールの温度の検出値との差が目標温度差に近づくように、前記動作比率を設定する動作比率設定部
    を備えたことを特徴とする電力変換装置。
  5. 前記モジュールごとの冷却器における配置位置に関するデータと、前記配置位置と放熱特性との相関データとに基づいて、モジュール間での温度上昇の偏りを分析する偏り分析部を備え、
    前記動作比率設定部は、前記分析された温度上昇の偏りに基づいて、前記動作比率の初期値を設定することを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
  6. 前記それぞれ異なるモジュールが、冷媒の流通経路における上流側と下流側に分かれて直列に配置されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
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