JP6993297B2

JP6993297B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP6993297B2
Application number: JP2018123773A
Authority: JP
Inventors: 大輔松元; 彬三間; 洋平松本
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2018-06-28
Filing date: 2018-06-28
Publication date: 2022-01-13
Anticipated expiration: 2038-06-28
Also published as: JP2020005430A; CN110729875A; CN110729875B

Description

本発明は、パワーモジュールを備えるユニットを複数備えても、複数のユニットの有効寿命が均一になるようにした電力変換装置に関する。

電力変換装置は、ＵＰＳ（Uninterruptible Power-supply System：無停電電源装置）、ＰＣＳ（Power Conditioning System）、ＡＣドライブ等の産業用電力変換装置、ハイブリッド車、電気自動車等の車載用電力変換装置、そして、家電用電力変換装置に多用されている。

そして、電力変換装置として、電力変換用パワーデバイスとしてのMOSFETや絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）を組み込んだパワーモジュールに、パワーデバイスの駆動回路を組み合わせたユニットから構成されるものが知られている。

この種の電力変換装置では長寿命化が望まれており、例えば、特許文献１には、並列動作する複数のトランジスタ等のスイッチング素子の有効寿命を均一させるために、複数のトランジスタの平均温度と各々のトランジスタの測定温度との温度差に基づいて、各トランジスタを熱的にバランスさせるように通電電流を制御する電力変換装置が開示されている。

さらに、電力変換装置の長寿命化に伴って、特許文献２には、電力変換装置のインバータ、コンバータを構成するスイッチング素子の劣化度を正確に評価するために、スイッチング素子の構成部材間の熱抵抗を求めて構成部材の劣化度を評価し、劣化を温度・熱抵抗との関係で判断することが開示されている。

特開２０１５－１５９７１２号公報特開２００９－２２５５４１号公報

パワーモジュールを備えるユニットを複数組み合わせることにより、電力変換装置を大容量化しても、ユニットの一部のパワーモジュールが劣化すればユニットそのものを交換しなければならないという課題がある。そこで、複数のユニットの間でパワーモジュールの熱疲労が均等に進むようにして電力変換装置を動作させることが望まれるが、これは容易なことではないこととして従来から行われてこなかった。

本発明は、パワーモジュールを備えるユニットを複数備えても、複数のユニットの有効寿命が均一にな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。

前記目的を達成するために、パワーモジュールを備えるユニットの複数を並列接続した電力変換装置であって、前記複数のユニットの夫々は、前記パワーモジュールの温度を検出する第１の温度センサと、周囲温度を検出する第２の温度センサと、前記パワーモジュールの駆動回路と、前記パワーモジュールのゲートに、調整された電圧を供給することにより、前記パワーモジュールに通流される電流を制御する駆動回路と、前記第１の温度センサの出力信号と、前記第２の温度センサの出力信号と、に基づいて前記駆動回路を制御する制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記複数のユニットの夫々について、前記パワーモジュールの温度と前記周囲温度との差分を求め、当該差分に応じて、前記複数のユニットのうち第１ユニットのパワーモジュールの通流電流が減少するように当該第１ユニットの駆動回路を制御し、前記複数のユニットのうち第２ユニットのパワーモジュールの通流電流が増加するように当該第２ユニットの駆動回路を制御する、ことを特徴とするものである。

本発明によれば、パワーモジュールを備えるユニットを複数備えても、複数のユニットの有効寿命が均一になるようにし、これによって電力変換装置の性能を向上させることができる。

図１は、本発明の電力変換装置に適用されるパワーモジュールの実施形態に係る回路図の一例である。図２は図１のパワーモジュールを上から俯瞰する斜視図である。図３は図２のＡ－Ａ’断面図である。図４は、ユニット（電力変換ユニット）の模式図の一例である。図５は電力変換ユニットの実装品を斜め上から俯瞰した斜視図である。図６は、電力変換ユニットのブロック図の一例である。図７は電力変換装置のブロック図の一例を示す。図８は制御回路の機能ブロック図の一例である。制御回路の動作フローチャートの一例である。パワーモジュールを電流制御するための管理テーブルの一例である。パワーモジュールのゲート電圧の調整の前後でのパワーモジュールの特性の変化に係るグラフである。

次に、本発明の実施形態について説明する。図１は、複数のパワーデバイスを組み込み、インバータとして機能するパワーモジュールの回路図の一例であり、図２はパワーモジュールを上から俯瞰する斜視図であり、図３は図２のＡ－Ａ’断面図である。

図１において、パワーモジュール１００は、パワーデバイスとしてのＩＧＢＴ１０２とダイオード１０４とが反平行に電気的に接続されたアームを上下に有する。上アーム１０６のエミッタ電極１２２と下アーム１０８のコレクタ電極１２４とがパワーモジュール内部で電気的に接続されている。

そして、上アームのコレクト電極１２６、下アームのエミッタ電極１２８、および、上アームのエミッタ電極１２２（下アームのコレクタ電極１２４）は、パワーモジュール外部と接続可能なように銅バーなどで引き回されることにより、それぞれ、Ｐ端子（正極端子）１１０、Ｎ端子（負極端子）１１４、ＡＣ端子(中間電源端子）１１２が形成されている。ＩＧＢＴのゲート電極１３０もまた、銅バーなどで引き回され、駆動回路からの駆動信号が入力されるゲート信号端子１２０が形成されている。

さらに、パワーモジュール１００は、パワーモジュール内の温度をモニタするサーミスタ等温度センサ１１６を備える。温度センサ１１６はパワーモジュール外部と接続可能なように銅バーなどで引き回され、温度信号端子１１８が形成されている。

図２に示すように、矩形状であるベースプレート２００上にパワーデバイスが形成され、これはパッケージケース２０２によって被覆又は封止されている。パッケージケース２０２の平面には、Ｐ端子（正極端子）１１０、Ｎ端子（負極端子）１１４、ＡＣ端子(中間電源端子）１１２が表出している。なお、ゲート信号端子と温度信号端子の図示は省略されている。

図３に示すように、ベースプレート２００上に絶縁基板３０２が積層されている。そして、絶縁基板３０２上には配線パターン３００が形成され、配線パターンに上アーム１０６と下アーム１０８とが形成されている。３０４は配線パターンと上アーム１０６の電極とを接続する金属ワイヤであり、３０６は配線パターンと下アーム１０８の電極とを接続する金属ワイヤである。温度センサ１１６は、ベースプレート２００上に載置されて、パッケージケース２０２内の温度を監視する。

図４は、橋桁状の放熱器４００の平面４０２に、複数のパワーモジュール１００Ｕ、１００Ｖ、１００Ｗを並列接続されたユニット（電力変換ユニット）４１０の模式図を示す。図４は、電力変換ユニットを斜め上から俯瞰した斜視図である。放熱器４００の平面４０２の一部には、放熱器４００の温度を検出する温度センサ４０６が設けらている。

放熱器４００の底面からは、複数の放熱用のフィン４０４が直角に突出されている。放熱器４００の温度は、パワーモジュールの温度（温度センサ１１６）に対して、周囲温度となるものであって、放熱器４００の温度（温度センサ４０６）とパワーモジュール１００の温度（温度センサ１１６）との差分がパワーモジュール１００の上昇温度、即ち、温度負荷である。

パワーモジュールのケース内温度を周囲温度と比較することにより、パワーモジュール１００の実質の温度上昇分を正確に評価することができる。

図５は電力変換ユニット４１０の実装品を斜め上から俯瞰した斜視図である。電力変換ユニット４１０から３相交流が出力されるもので、符号５０８Ｕはパワーモジュール１００ＵのＵ相交流の出力部であり、符号５０８Ｖはパワーモジュール１００ＶのＶ相交流の出力部であり、符号５０８Ｗはパワーモジュール１００ＷのＷ相交流の出力部である。

符号５０６は、複数のパワーモジュールにゲート信号を出力する駆動回路を示す。駆動回路５０６は、駆動信号伝達配線５１０Ｕを介してパワーモジュール１００Ｕに、駆動信号伝達配線５１０Ｖを介してパワーモジュール１００Ｖに、駆動信号伝達配線５１０Ｗを介してパワーモジュール１００Ｗに、夫々ゲート信号を出力する。

駆動回路５０６は変換ユニット外の制御回路に配線５０２を介して接続する。符号５００は主回路用配線であって、Ｐ端子用の端子５２０とＮ端子用の端子５２２とをその側端に備える。符号５０４はコンバータから出力される直流電圧を平滑化するコンデンサである。放熱器の温度センサ４０６から出力される温度検出信号、そして、パワーモジュール１００Ｕ、１００Ｖ、１００Ｗ夫々の温度センサ１１６から出力される温度検出信号は駆動回路５０６を介して、電力変換ユニット外の制御回路に出力される。

図６は、電力変換ユニット４１０のブロック図の一例である。既述の通り、電力変換ユニットはパワーモジュールを３個備え、３個のパワーモジュール１００Ｕ、１００Ｖ、１００Ｗは夫々Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相を担う三相インバータとして機能する。駆動回路５０６はゲート電圧調整回路６００と温度検出回路６０２とを備える。ゲート電圧調整回路６００は、上位回路（制御回路６１０）からの制御信号に基づいてパワーモジュール１００Ｕ、１００Ｖ、１００Ｗ夫々に駆動信号を供給して、パワーモジュール１００Ｕ、１００Ｖ、１００Ｗ夫々は、Ｐ極１１０とＮ極１１４から入力された直流電力をＵＶＷ相を通して三相交流電力に変換する。

さらに、温度検出回路６０２は、パワーモジュール１００Ｕ、１００Ｖ、１００Ｗ夫々温度信号端子１１８から温度検出信号を受信して、これを制御回路６１０に出力する。放熱器４００の温度センサ４０６の出力も温度検出回路６０２に供給される。

温度検出回路６０２として、駆動回路５０６の余剰領域を利用することにより、温度検出のための回路を新たに設ける必要がない。

図７は電力変換装置７００のブロック図の一例を示す。電力変換装置７００は、複数の電力変換ユニット(第１の電力変換ユニット４１０)、第２の電力変換ユニット４１０_２、・・・・・第ｎの電力変換ユニット４１０_ｎを並列に接続する。電力変換装置７００は各電力変換ユニットの同相の交流電力を連結点７０２で合成することにより、大容量化された３相交流電力を出力することができる。

ここで、パワーモジュールの熱劣化について説明する。パワーデバイスの動作に伴って、パワーデバイスが高温状態と低温状態とを繰り返すと、熱サイクルがパワーモジュールに加わりパワーモジュールを劣化させる。パワーモジュールを構成する複数の層の夫々は、熱膨張係数が互いに異なる複数の材料、例えば、銅配線、半田、シリコンチップ、樹脂等の絶縁部材、アルミ等金属ケース等から構成されているため、熱膨張、熱収縮の繰り返しによる熱応力の発生によって、半田にクラックや、絶縁層の剥離等の物理的障害が生じて、パワーモジュールの絶縁特性、放熱特性（熱抵抗特性といってもよい）が低下ないし劣化する。

ベースプレート２００（図３）と絶縁層３０２と間の半田層に加わる熱疲労をサーマルサイクル疲労といい、パワーデバイス１０６、１０８と配線３００との間に加わる熱疲労をパワーサイクル疲労という。

パワーデバイスの品質や出力責務は、パワーデバイスの製造上のばらつき等の初期的な要因と、パワーデバイスの周囲温度等の設置環境のばらつき等により均一にはならない。特定のパワーデバイスに電流が集中すると、このパワーデバイスを備えるパワーモジュールの熱疲労が進行し、ひいては、このパワーモジュールを備える特定の電力変換ユニットの寿命を低下させる。

出力電力容量を規格化した電力変換ユニットを、並列に接続して大容量化した電力変換装置（図７）においては、複数の電力変換ユニット夫々の寿命にばらつきがあると、電力変換ユニットが故障するタイミングが分散し、結局のところ、電力変換装置の寿命が、最も短寿命な電力変換ユニットによって制限されてしまうという課題がある。

そこで、制御回路６１０は、特定の電力変換ユニットの熱疲労の進行を緩和して、電力変換装置の複数の電力変換ユニットの寿命を均等にする制御を実行する。制御回路６１０は、この制御を進める過程で、複数の電力変換ユニットを備える電力変換装置の電力容量を低下させないようにすることが好ましい。

図８は、制御回路６１０の機能ブロック図の一例である。制御回路６１０はマイコンによって構成されてよい。制御回路６１０は、演算モジュール８００と、記憶領域８０２を備える。演算モジュールはＣＰＵ（コントローラ）がメモリのプログラムを実行することによって実現される。記憶領域はメモリ内に存在する。演算モジュール８００は、温度差演算サブモジュール８０４と、温度差バランス判定モジュール８０６と、ゲート信号生成サブモジュール８０８と、を備える。演算モジュール８００の動作を、各サブモジュールの説明を兼ねて、図９のフローチャートに基づいて説明する。演算モジュールは、図９のフローチャートを所定時間毎に繰り返し実行する。

温度差演算サブモジュール８０４は、電力変換ユニット１（Ｕ１）について、Ｕ相の交流電力を出力するパワーモジュール（ＰＵ）の温度センサ１１６の検出信号（Ｔｃ）を取り込み（９００）、そして、Ｕ１の放熱器の温度センサ４０６の検出信号（Ｔｆ）を取り込み（９０２）、これら信号に基づいて、ＰＵの温度とＵ１の放熱器の温度との差分（ΔＴＵ１）を演算して（９０４）、これを記憶領域内の管理テーブル（図１０）に登録する。

そして、温度差演算サブモジュール８０４は、Ｕ１について、Ｖ相の交流電力を出力するパワーモジュール（ＰＶ）の温度センサの検出信号（Ｔｆ）を取り込み(９０２)、ＰＶの温度とＵ１の放熱器の温度との差分（ΔＴＶ１）を演算して(９０４)、これを記憶領域内の管理テーブル（図１０）に登録する。

さらに、温度差演算サブモジュール８０４は、Ｕ１について、Ｗ相の交流電力を出力するパワーモジュール（ＰＷ）の温度センサの検出信号（Ｔｆ）を取り込み、ＰＷの温度とＵ１の放熱器の温度との差分（ΔＴＷ１）を演算して、これを記憶領域内の管理テーブル（図１０）に登録する。

温度差演算サブモジュール８０４は、この差分計算、及び、管理テーブルへの登録を、電力変換装置を構成する残りの電力変換ユニット（Ｕ２・・・Ｕｎ）のＵ相、Ｖ相、Ｗ相夫々のパワーモジュールについて実行する。

次に、温度差バランス判定サブモジュール８０６は、管理テーブル（図１０）の記録情報を順番に走査して、温度差分と閾値とを比較する（９０６）。温度差バランス判定サブモジュール８０４は、閾値以上のパワーモジュールについて、パワーモジュールの通流電流を減少させるためのフラグ（通流電流減少フラグ）をセットする。温度差分を閾値と比較することによって、温度差分が電流を減少させなければならない範囲のものかを高精度に判定できる。

管理テーブル（図１０）は、例えば、電力変換ユニット１（Ｕ１）のＵ相のパワーモジュールと、電力変換ユニット３（Ｕ３）のＶ相のパワーモジュールと、電力変換ユニット２（Ｕ２）のＷ相のパワーモジュールとの夫々に対して通流電流減少フラグが設定されることを示している。

次に、温度差バランス判定サブモジュール８０６は、通流電流減少フラグが設定されたパワーモジュールの電流減少分を補うために、通流電流が増加されるべき、同相のパワーモジュールにフラグ（通流電流増加フラグ）をセットする。図１０は、電力変換ユニット６（Ｕ６）のＵ相のパワーモジュールと、電力変換ユニット１（Ｕ１）のＶ相のパワーモジュール・電力変換ユニット５（Ｕ５）のＶ相のパワーモジュールと、電力変換ユニット８（Ｕ８）のＷ相のパワーモジュールとの夫々に対して通流電流増加フラグが設定されることを示している。なお、異相のパワーモジュール間で電流の増減を行うと、増減幅が共に同じでも、電力容量が規定値から変化してしまうおそれがある。同相のパワーモジュール間で電流の増減を行い、かつ増減幅が共に同じであれば、電力容量を規定値に維持することができる。

通流電流増加フラグが設定されるパワーモジュールは、通流電流減少フラグが設定されたパワーモジュールが属する電力変換ユニット以外の電力変換ユニットの同相のパワーモジュールであれば特に限定されない。例えば、同相に属する複数のパワーモジュールのうち最も温度差分が小さいパワーモジュール、又は、温度差分が所定値以下のパワーモジュールであってよい。さらにまた、例えば、通流電流の増加処理の履歴が最も少ないパワーモジュールを選択してもよい。

ゲート信号生成サブモジュール８０８は、同相に属するパワーモジュールにおいて、通流電流減少フラグが設定されたパワーモジュールのゲート電極に対して、記憶領域８０２の電流－ゲート電圧データテーブル８１０を参照して、電流を減少させるためのゲート電圧値に調整したＰＷＭ信号を生成して送出し、通流電流増加フラグが設定されたパワーモジュールのゲート電極に対して、電流－ゲート電圧データテーブル８１０を参照して、電流を増加させるためのゲート電圧値に調整したＰＷＭ信号を生成して送出する（９０８）。

ゲート信号生成サブモジュール８０８は、パワーモジュールの電流の減少分とパワーモジュールの電流の増加分を同じにして、ゲート電圧の調整前後で合計の電流量が変わらないようにして、複数の電力変換ユニットが並列接続されたことによる合計の電力容量が変化しないようにすればよい。

電流が減少されたパワーモジュールにおいては、熱疲労が緩和される一方、電流が増加されたパワーモジュールでは熱疲労が進むおそれがあるが、図９のフローチャートを所定時間毎に繰り返し実行することによって、熱疲労の進展が抑えられため、同相の複数のパワーモジュールの熱疲労が均等になり、その結果、複数の電力変換ユニットの寿命が均質化される。

次に、図１１を用いて、パワーモジュールのゲート電圧の調整の前後でのパワーモジュールの特性の変化を説明する。（１）はパワーモジュールの温度差の変化を説明するグラフであり、（２）はパワーモジュールの電流の変化を説明するグラフである。１１００は通流電流減少フラグが設定されるパワーモジュールの特性であり、１１０２は通流電流増加フラグが設定されるパワーモジュールのグラフである。

パワーモジュール１１００、１１０２には、ｔ₁以前、同じ値の電流が通流されているものの（図１１（２））、電力変換の進展に従って、パワーモジュール１１００の既述の温度差が漸増し（図１１（１））、ｔ₁の時点で第１の閾値（Ｃ_１）以上に至ると、パワーモジュール１１００の電流がＩ_２に減少され（図１１（２））、パワーモジュール１１０２の電流がＩ₃に増加される。

パワーモジュール１１００の電流が減少されるとパワーモジュール１１００の温度差が第２の閾値Ｃ_２に至ることなくピークＰを迎え、その後漸減して第１の閾値Ｃ_１を下回るようになる（図１１（２））。一方、パワーモジュール１１０２の温度差は電流の増加後漸増し、パワーモジュール１１００の温度差がパワーモジュール１１０２の温度差を下回るようになる。

なお、パワーモジュール１１００の電流値を減少させないと、パワーモジュールの１１００の温度差は第１の閾値Ｃ_１を超えて第２の閾値Ｃ_２に到達する。パワーモジュール１１００の温度差が第２の閾値Ｃ_２に至ると、パワーモジュール１１００は余寿命なしと判定され、パワーモジュール１１００を備える電力変換ユニットは交換対象に分類される。

図１１（２）において、Ｉ₄はパワーモジュール１１００とパワーモジュール１１０２との合計の電流の値を示す。電流の減少幅と電流の増加幅とは同じ値（±ΔＩ）であるため、合計の電流の値は、パワーモジュールの電流の増減の前後で変化がない。さらに、Ｉ_５は電流の合計値の上限であって、合計の電流値はこれを越えないように調整される。

なお、一つの通流電流フラグが設定されたパワーモジュール対して、通流電流増加フラグが設定されたパワーモジュールは複数あってよい。この場合、例えば、電流の増加分が複数のパワーモジュールに対して均等割りしてよい。

既述の実施例では、パワーモジュールの温度センサ１１６をベースプレート２００上に設けている（図３）。これに代えて、あるいはこれと共に、温度センサとして、例えば、半導体素子のジャンクション温度を取得するため、オンチップタイプとして適用可能な温度センサ素子、例えば、シリンコンダイオード温度センサをパワーデバイスのチップ上に設けてもよい。

ジャンクション温度はワイヤーボンディングとパワーデバイスとの接合部の熱疲労、および、パワーデバイスと銅バーとの接合部の熱疲労であるパワーサイクル疲労に深く関与している。したがって、ジャンクション温度と放熱器温度との差分に基づいて、パワーモジュールの電流の増減を行うことによって、ワイヤーボンディングとパワーデバイスとの接合部、および、パワーデバイスと銅バーとの接合部のように熱疲労に対して敏感な箇所の疲労を抑制して、電力変換装置の余寿命をより確かに推定でき、そして、余寿命が向上した電力変換装置を提供することができる。

なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施の形態は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１００、１００Ｕ、１００Ｖ、１００Ｗ：パワーモジュール
１１６：温度センサ（パワーモジュール）
４００：放熱器
４０６：温度センサ（放熱器）
４１０：電力変換ユニット
５０６：駆動回路
６１０：制御回路

Claims

パワーモジュールを備えるユニットの複数を並列接続した電力変換装置であって、
前記複数のユニットの夫々は、
前記パワーモジュールの温度を検出する第１の温度センサと、
周囲温度を検出する第２の温度センサと、
前記パワーモジュールの駆動回路と、
前記パワーモジュールのゲートに調整された電圧を供給することにより、当該パワーモジュールに通流される電流を制御する駆動回路と、
前記第１の温度センサの出力信号と、前記第２の温度センサの出力信号と、に基づいて前記駆動回路を制御する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、
前記複数のユニットの夫々について、前記パワーモジュールの温度と前記周囲温度との差分を求め、
当該差分に応じて、前記複数のユニットのうち第１ユニットのパワーモジュールの通流電流が減少するように当該第１ユニットの駆動回路を制御し、前記複数のユニットのうち第２ユニットのパワーモジュールの通流電流が増加するように当該第２ユニットの駆動回路を制御する、
電力変換装置。
前記ユニットは、前記複数のパワーモジュールを支持する放熱器を備え、
前記第２の温度センサは前記放熱器の温度を前記周囲温度として検出する、
請求項１記載の電力変換装置。
前記制御回路は、前記第１ユニットの前記差分が所定の閾値を超えた際に、前記第１ユニットのパワーモジュールの通流電流を減少させ、そして、前記第２ユニットのパワーモジュールの通流電流を増加させる、
請求項１記載の電力変換装置。
前記複数のユニットの夫々は、
直流電力をＵ相の交流電力に変換する第１のパワーモジュールと、
直流電力をＶ相の交流電力に変換する第２のパワーモジュールと、
直流電力をＷ相の交流電力に変換する第３のパワーモジュールと、
を備え、
前記第１ユニットの通電電流が減少されるパワーモジュールと前記第２ユニットの通電電流が増加されるパワーモジュールとは、前記直流電力を同じ相の交流電流変換する、
請求項１記載の電力変換装置。
前記第１ユニットのパワーモジュールにおける通電電流の減少幅と前記第２ユニットのパワーモジュールにおける通電電流の増加幅が等しい、
請求項４記載の電力変換装置。
前記第１の温度センサからの温度検出信号と前記第２の温度センサからの温度検出信号は、前記駆動回路を介して前記制御回路に出力される、
請求項１記載の電力変換装置。
前記第１の温度センサは前記パワーモジュールのケース温度、及び／又は、ジャンクション温度を検出する、
請求項１記載の電力変換装置。