JP6999860B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、パワー半導体素子を備えた電力変換装置に関する。

従来、スイッチング素子等に用いられるパワー半導体素子は、発熱による部品故障を防ぐために、シリコーン等の放熱グリースを介して放熱フィンに結合されて使用されている。これにより、パワー半導体素子から発生される熱が、放熱フィンを介してパワー半導体素子の外部に放出され、パワー半導体素子の冷却が行われる。

そして、上記のようなパワー半導体素子の発熱に起因する部品故障を防ぐために、放熱フィンの温度をサーミスタ等の温度センサで測定し、過熱時にパワー半導体素子の保護動作を行うことが一般的に行われている。

しかし、パワー半導体素子の動作および停止に起因して発生する熱サイクルによって放熱グリースがパワー半導体素子と放熱フィンとの間から外部へ流出するポンピングアウト現象、パワー半導体素子と放熱フィンとの取り付け不良、放熱グリースの塗り忘れ等の、パワー半導体素子と放熱フィンとの間の放熱経路に異常が発生する場合が生じ得る。パワー半導体素子と放熱フィンとの間の放熱経路に異常が発生する場合には、パワー半導体素子の温度に対して放熱フィンの温度が上がらなくなるため、放熱フィンのみでのパワー半導体素子の温度保護では、適確にパワー半導体素子を保護することが困難であった。

上記のような問題を解決するための手段として、特許文献１には、放熱フィンの周囲温度および、パワー半導体素子へ流れる電流値から放熱フィンの推定温度を求め、推定温度と実際の放熱フィン温度とを比較することで、放熱フィンとパワー半導体素子との間の放熱経路の異常を検知する冷却装置が開示されている。

特開２０１３－２５４８９９号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の冷却装置は、放熱フィンの温度の推定に、パワー半導体素子へ流れる電流毎の放熱フィン温度のデータベースが必要となる。また、放熱フィンの冷却性能の指標である熱抵抗は、風量により変化するため、運転状況に対応して放熱フィン冷却用のファンモータの回転数およびパワー半導体素子に流れる電流が変化する機器では、正確な放熱フィン温度の推定を行うために、パワー半導体素子へ流れる電流に加え、ファンモータの回転数毎の放熱フィン温度のデータベースが必要となる。このため、特許文献１に記載の冷却装置では、放熱フィンとパワー半導体素子との間の放熱経路の異常を検知するために非常に多くの組み合せでの事前測定によるデータ収集が必要となるため、実用化が困難である、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、機器の運転状況に左右されず、容易にパワー半導体素子の冷却状態の異常を検出することが可能な電力変換装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる電力変換装置は、電力変換用のパワー半導体素子と、パワー半導体素子の駆動を制御する駆動部と、パワー半導体素子の冷却用の放熱フィンと、パワー半導体素子と放熱フィンとの間に配置された放熱グリースと、放熱フィンの冷却用のファンモータと、を備える。また、電力変換装置は、ファンモータの回転数であるファンモータ回転数を検出する回転数検出部と、ファンモータ回転数から放熱フィンの放熱における熱抵抗である放熱フィン熱抵抗を算出する熱抵抗算出部と、放熱フィンの実温度である放熱フィン実温度を検出する放熱フィン温度センサと、放熱フィンの周囲の温度である周囲温度を検出する周囲温度センサと、パワー半導体素子から負荷に供給される電流の電流値を検出する電流検出部と、を備える。また、電力変換装置は、電流値を用いてパワー半導体素子の電力損失を算出する損失算出部と、電力損失と、周囲温度と、放熱フィン熱抵抗とから、放熱フィンの温度の推定値である放熱フィン推定温度を算出する放熱フィン温度推定部と、放熱フィン実温度と放熱フィン推定温度との差に基づいて、パワー半導体素子の冷却状態の異常の有無を判定する異常判定部と、を備える。

本発明にかかる電力変換装置は、機器の運転状況に左右されず、容易にパワー半導体素子の冷却状態の異常を検出することが可能である、という効果を奏する。

本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置の概略構成を示す図 本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置におけるパワー半導体素子の冷却機構の構成の一例を示す模式図 本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置におけるパワー半導体素子の温度保護システムの構成を示す図 本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置におけるファンモータ回転数と放熱フィン熱抵抗との関係を示す特性図 本発明の実施の形態１における処理回路のハードウェア構成の一例を示す図 本実施の形態１にかかる電力変換装置のパワー半導体素子の温度保護システムにおける保護動作の手順を示すフローチャート 本実施の形態１において放熱フィン推定温度が放熱フィン実温度より高く、「パワー半導体素子と放熱フィンとの間の放熱経路異常」と判定される場合の、放熱フィン推定温度と放熱フィン実温度と異常判定猶予時間との関係の一例を示す特性図 本発明の実施の形態１において放熱フィン推定温度が放熱フィン実温度より低く、「放熱フィンへの送風経路異常」と判定される場合の、放熱フィン推定温度と放熱フィン実温度と異常判定猶予時間との関係の一例を示す特性図

以下に、本発明の実施の形態にかかる電力変換装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置１００の概略構成を示す図である。図２は、本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置１００におけるパワー半導体素子２の冷却機構の構成の一例を示す模式図である。図３は、本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置１００におけるパワー半導体素子２の温度保護システムの構成を示す図である。

図１に示すように、電力変換装置１００は、負荷であるモータ４０に電流を供給してモータ４０を駆動する。電力変換装置１００は、コンバータ回路２１と、インバータ回路２２と、駆動部２３と、を備える。

コンバータ回路２１は、交流電源３０から供給された交流電流を直流電流に変換する。

インバータ回路２２は、電力変換用の半導体素子であるパワー半導体素子２を備え、コンバータ回路２１によって得られた直流電流を交流電流に変換し、モータ４０に供給する。

駆動部２３は、インバータ回路２２のパワー半導体素子２を駆動してインバータ回路２２からモータ４０への交流電流の供給を制御するインバータ回路駆動部である。駆動部２３は、外部の制御装置１１０の制御に従ってモータ４０の駆動を制御する。すなわち、駆動部２３は、外部の制御装置１１０から送信される制御信号に従ってモータ４０の駆動の制御を行う。

図２に示すように、電力変換装置１００においてインバータ回路２２のパワー半導体素子２を冷却するパワー半導体素子２の冷却機構は、パワー半導体素子２と、放熱フィン１と、放熱グリース３と、放熱フィン温度センサ４と、周囲温度センサ５と、ファンモータ６と、によって構成される。

放熱フィン１は、パワー半導体素子２から発生する熱をパワー半導体素子２の外部に放出してパワー半導体素子２を冷却するために、放熱グリース３を介してパワー半導体素子２に熱的に接続されている。

放熱グリース３は、放熱フィン１とパワー半導体素子２との間に配置されて放熱フィン１とパワー半導体素子２とを熱的に接続し、パワー半導体素子２から放熱フィン１への伝熱性を向上させる。放熱グリース３には、シリコーン等の材料が用いられる。

放熱フィン温度センサ４は、放熱フィン１に接続されて放熱フィン１の実温度である放熱フィン実温度Ｔｆｒを検出する。放熱フィン温度センサ４は、検出結果である放熱フィン実温度Ｔｆｒの情報を異常判定部１２に送信する。

周囲温度センサ５は、放熱フィン１の周囲の温度である周囲温度Ｔａを検出する。周囲温度センサ５は、検出結果である周囲温度Ｔａの情報を、放熱フィン温度推定部１１に送信する。

ファンモータ６は、放熱フィン１の周囲に配置され、放熱フィン１に送風することで放熱フィン１を冷却する。

図３に示すように、電力変換装置１００においてパワー半導体素子２の発熱に起因する故障を防ぐために、パワー半導体素子２を保護するパワー半導体素子２の温度保護システムは、放熱フィン温度センサ４と、周囲温度センサ５と、ファンモータ６と、電流検出部９と、損失算出部１０と、回転数検出部７と、熱抵抗算出部８と、放熱フィン温度推定部１１と、異常判定部１２と、異常通報部１３と、によって構成される。

電流検出部９は、パワー半導体素子２からモータ４０へ供給される電流の電流値、すなわちパワー半導体素子２からモータ４０へ流れる電流の電流値である電流値Ｉを検出する。電流検出部９は、検出結果である電流値Ｉの情報を、損失算出部１０に送信する。

損失算出部１０は、電流検出部９で検出された電流値Ｉを用いて、パワー半導体素子２の電力損失Ｑを算出する。損失算出部１０は、算出した電力損失Ｑの情報を、放熱フィン温度推定部１１に送信する。電力損失Ｑは、公知の方法によって算出することができる。

回転数検出部７は、ファンモータ６の回転数であるファンモータ回転数Ｒを検出する。回転数検出部７は、検出したファンモータ回転数Ｒの情報を、熱抵抗算出部８に送信する。

熱抵抗算出部８は、回転数検出部７で検出されたファンモータ６の回転数から放熱フィン１の放熱における熱抵抗である放熱フィン熱抵抗Ｒｆａを算出する。

図４は、本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置１００におけるファンモータ回転数Ｒと放熱フィン熱抵抗Ｒｆａとの関係を示す特性図である。放熱フィン熱抵抗Ｒｆａは、放熱フィン１を流れる風量によって変化する。放熱フィン１を流れる風量は、ファンモータ回転数Ｒに依存する。すなわち、放熱フィン熱抵抗Ｒｆａは、ファンモータ回転数Ｒによって変化する。

このため、電力変換装置１００におけるファンモータ回転数Ｒと放熱フィン熱抵抗Ｒｆａとを実験で測定して、ファンモータ回転数Ｒと放熱フィン熱抵抗Ｒｆａとの相関関係を示す相関関係情報が予め取得されている。相関関係情報は、熱抵抗算出部８に記憶されている。これにより、熱抵抗算出部８は、回転数検出部７で検出されたファンモータ回転数Ｒの情報を取得すると、ファンモータ回転数Ｒと相関関係情報とに基づいて、放熱フィン熱抵抗Ｒｆａをリアルタイムで算出することができる。なお、相関関係情報は、電力変換装置１００における不図示の記憶部に記憶されてもよい。

放熱フィン温度推定部１１は、電力損失Ｑ、周囲温度Ｔａおよび放熱フィン熱抵抗Ｒｆａから放熱フィンの温度の推定値である放熱フィン推定温度Ｔｆｅを算出する。

ここで、放熱フィン温度推定部１１による放熱フィン推定温度Ｔｆｅの算出方法について説明する。電力損失Ｑと放熱フィン熱抵抗Ｒｆａとの積が、熱を授受する物体間の温度差となる。このため、放熱フィン推定温度Ｔｆｅは、下記の式（１）によって計算できる。

Ｔｆｅ＝Ｑ×Ｒｆａ＋Ｔａ ・・・（１）

上記の式（１）より、損失算出部１０で算出されたパワー半導体素子２の電力損失Ｑと、周囲温度センサ５で検出された放熱フィン１の周囲温度Ｔａと、熱抵抗算出部８で算出された放熱フィン熱抵抗Ｒｆａと、から放熱フィン推定温度Ｔｆｅを求めることができる。

異常判定部１２は、放熱フィン温度推定部１１で算出された放熱フィン推定温度Ｔｆｅと、放熱フィン温度センサ４で検出された放熱フィン実温度Ｔｆｒとを比較して、放熱フィン推定温度Ｔｆｅと放熱フィン実温度Ｔｆｒとの差に基づいて、パワー半導体素子２の冷却状態の異常の有無を判定する。異常判定部１２は、放熱フィン推定温度Ｔｆｅと放熱フィン実温度Ｔｆｒとの差に基づいて、パワー半導体素子２と放熱フィン１との間における放熱経路の異常の有無を判定する。

異常通報部１３は、異常判定部１２において異常の発生が判定された場合に、異常判定部１２から異常の発生の通報を受信し、異常の発生を駆動部２３に通報する。

損失算出部１０は、例えば、図５に示したハードウェア構成の処理回路として実現される。図５は、本発明の実施の形態１における処理回路のハードウェア構成の一例を示す図である。損失算出部１０が図５に示す処理回路により実現される場合、損失算出部１０は、プロセッサ１０１がメモリ１０２に記憶されたプログラムを実行することにより、実現される。また、複数のプロセッサおよび複数のメモリが連携して上記機能を実現してもよい。また、損失算出部１０の機能のうちの一部を電子回路として実装し、他の部分をプロセッサ１０１およびメモリ１０２を用いて実現するようにしてもよい。

また、熱抵抗算出部８と、放熱フィン温度推定部１１と、異常判定部１２と、異常通報部１３とのうちの少なくとも一部の機能を、同様にプロセッサ１０１がメモリ１０２に記憶されたプログラムを実行することにより、実現されるように構成してもよい。また、複数のプロセッサおよび複数のメモリが連携して熱抵抗算出部８と、放熱フィン温度推定部１１と、異常判定部１２と、異常通報部１３とのうちの少なくとも一部の機能の機能を実現してもよい。また、熱抵抗算出部８と、放熱フィン温度推定部１１と、異常判定部１２と、異常通報部１３とのうちの少なくとも一部の機能を電子回路として実装し、他の部分をプロセッサ１０１およびメモリ１０２を用いて実現するようにしてもよい。

また、熱抵抗算出部８と放熱フィン温度推定部１１と異常判定部１２と異常通報部１３とのうちの少なくとも一部の機能を実現するためのプロセッサおよびメモリは、損失算出部１０と熱抵抗算出部８と放熱フィン温度推定部１１と異常判定部１２と異常通報部１３とのうちの少なくとも一部の機能を実現するためのプロセッサおよびメモリのいずれかと同一であってもよいし、別のプロセッサおよびメモリであってもよい。

つぎに、電力変換装置１００におけるパワー半導体素子２の温度保護システムの動作について説明する。図６は、本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置１００のパワー半導体素子２の温度保護システムにおける保護動作の手順を示すフローチャートである。

まず、ステップＳ１０において、電流検出部９が、パワー半導体素子２からモータ４０へ流れる電流の電流値である電流値Ｉを検出する。電流検出部９は、検出結果である電流値Ｉの情報を、損失算出部１０に送信する。損失算出部１０は、電流検出部９から送信された電流値Ｉの情報を受信する。

つぎに、ステップＳ２０において、損失算出部１０が、電流検出部９で検出された電流値Ｉを用いてパワー半導体素子２の電力損失である電力損失Ｑを算出する。損失算出部１０は、算出した電力損失Ｑの情報を、放熱フィン温度推定部１１に送信する。放熱フィン温度推定部１１は、損失算出部１０から送信された電力損失Ｑの情報を受信する。

つぎに、ステップＳ３０において、周囲温度センサ５が、放熱フィン１の周囲の温度である周囲温度Ｔａを検出する。周囲温度センサ５は、検出結果である周囲温度Ｔａの情報を、放熱フィン温度推定部１１に送信する。放熱フィン温度推定部１１は、周囲温度センサ５から送信された周囲温度Ｔａの情報を受信する。

つぎに、ステップＳ４０において、回転数検出部７がファンモータ６の回転数であるファンモータ回転数Ｒを検出する。回転数検出部７は、検出結果であるファンモータ回転数Ｒの情報を熱抵抗算出部８に送信する。熱抵抗算出部８は、回転数検出部７から送信されたファンモータ回転数Ｒの情報を受信する。

つぎに、ステップＳ５０において、熱抵抗算出部８は、回転数検出部７で検出されたファンモータ回転数Ｒの情報と、ファンモータ回転数Ｒと放熱フィン熱抵抗Ｒｆａとの相関関係を示す相関関係情報とに基づいて、回転数検出部７で検出されたファンモータ回転数Ｒに対応する放熱フィン熱抵抗Ｒｆａをリアルタイムで算出する。そして、熱抵抗算出部８は、算出した放熱フィン熱抵抗Ｒｆａの情報を、放熱フィン温度推定部１１に送信する。放熱フィン温度推定部１１は、熱抵抗算出部８から送信された放熱フィン熱抵抗Ｒｆａの情報を受信する。

つぎに、ステップＳ６０において、放熱フィン温度推定部１１は、損失算出部１０において算出されたパワー半導体素子２の電力損失Ｑの情報と、周囲温度センサ５において検出された放熱フィン１の周囲温度Ｔａの情報と、熱抵抗算出部８において算出された放熱フィン熱抵抗Ｒｆａの情報とを用いて、上述した式（１）式によって放熱フィン推定温度Ｔｆｅを算出する。

つぎに、ステップＳ７０において、放熱フィン温度センサ４が、放熱フィン１の実温度である放熱フィン実温度Ｔｆｒの情報を検出する。放熱フィン温度センサ４は、検出結果である放熱フィン実温度Ｔｆｒの情報を異常判定部１２に送信する。異常判定部１２は、放熱フィン温度センサ４から送信された放熱フィン実温度Ｔｆｒの情報を受信する。

つぎに、ステップＳ８０において、異常判定部１２が、放熱フィン推定温度Ｔｆｅと放熱フィン実温度Ｔｆｒとの差分の絶対値｜Ｔｆｅ－Ｔｆｒ｜が予め決められた閾値Ｋより大であるか否かを判定する。閾値Ｋは、異常判定部１２がパワー半導体素子２の放熱経路における異常の有無を判定するための閾値である。閾値Ｋは、予め決められて、異常判定部１２に記憶されている。この場合、閾値Ｋは、異常判定部１２を実現するメモリ１０２に記憶されている。なお、閾値Ｋは、電力変換装置１００における不図示の記憶部に記憶されてもよい。

放熱フィン推定温度Ｔｆｅと放熱フィン実温度Ｔｆｒとの差分の絶対値｜Ｔｆｅ－Ｔｆｒ｜が、閾値Ｋ以下である場合、すなわち｜Ｔｆｅ－Ｔｆｒ｜≦Ｋである場合は、異常判定部１２は、「放熱経路に異常無し」と判定する。この場合は、ステップＳ８０においてＮｏとなり、ステップＳ１０に戻る。

放熱フィン推定温度Ｔｆｅと放熱フィン実温度Ｔｆｒとの差分の絶対値｜Ｔｆｅ－Ｔｆｒ｜が、閾値Ｋより大である、すなわち｜Ｔｆｅ－Ｔｆｒ｜＞Ｋである場合は、ステップＳ８０においてＹｅｓとなり、ステップＳ９０へ進む。

ステップＳ９０において、異常判定部１２は、異常判定猶予状態となり、異常判定猶予時間Ｔｄのカウントアップを開始する。そして、異常判定部１２は、すでに異常判定猶予時間Ｔｄのカウントアップが開始されている場合には、異常判定猶予時間Ｔｄが経過したか否かを判定する。回転数検出部７および電流検出部９におけるノイズ等に起因した各検出値の誤検出、および放熱フィン温度センサ４および周囲温度センサ５の応答性を考慮し、異常判定を決定するまでの猶予時間として異常判定猶予時間Ｔｄが設けられている。

異常判定部１２は、異常判定猶予時間Ｔｄが経過する前に、放熱フィン推定温度Ｔｆｅと放熱フィン実温度Ｔｆｒとの差分の絶対値｜Ｔｆｅ－Ｔｆｒ｜が、閾値Ｋ以下となった場合、すなわち｜Ｔｆｅ－Ｔｆｒ｜≦Ｋとなった場合には、「放熱経路に異常無し」と判定する。異常判定部１２は、異常判定猶予時間Ｔｄが経過した場合には、すなわち、放熱フィン推定温度Ｔｆｅと放熱フィン実温度Ｔｆｒとの差分の絶対値｜Ｔｆｅ－Ｔｆｒ｜が閾値Ｋより大である状態が異常判定猶予時間Ｔｄ継続した場合には、「放熱経路に異常有り」と判定する。

異常判定猶予時間Ｔｄは、予め決められて異常判定部１２に記憶されている。この場合、異常判定猶予時間Ｔｄは、異常判定部１２を実現するメモリ１０２に記憶されている。なお、異常判定猶予時間Ｔｄは、電力変換装置１００における不図示の記憶部に記憶されてもよい。

異常判定猶予時間Ｔｄが経過していないと判定された場合には、ステップＳ９０においてＮｏとなり、異常判定部１２は、「異常が発生していない」と判定して、異常判定猶予状態を解除してステップＳ１０に戻る。異常判定猶予時間Ｔｄが経過していると判定された場合には、ステップＳ９０においてＹｅｓとなり、異常判定部１２は、「異常が発生している」と判定して、ステップＳ１００へ進む。

ステップＳ１００において、異常判定部１２は、放熱フィン推定温度Ｔｆｅと放熱フィン実温度Ｔｆｒとを比較し、放熱フィン推定温度Ｔｆｅが放熱フィン実温度Ｔｆｒより高いか否かを判定する。放熱フィン推定温度Ｔｆｅが放熱フィン実温度Ｔｆｒより高い場合、すなわち放熱フィン推定温度Ｔｆｅ＞放熱フィン実温度Ｔｆｒである場合は、ステップＳ１００においてＹｅｓとなり、ステップＳ１１０へ進む。一方、放熱フィン推定温度Ｔｆｅが放熱フィン実温度Ｔｆｒより低い場合、すなわち放熱フィン推定温度Ｔｆｅ＜放熱フィン実温度Ｔｆｒである場合は、ステップＳ１００においてＮｏとなり、ステップＳ１４０へ進む。

ステップＳ１１０において、異常判定部１２は、異常が「パワー半導体素子２と放熱フィン１との間の放熱経路異常」であると判定して、「放熱経路異常の発生」を通知する放熱経路異常の異常通知情報を異常通報部１３および駆動部２３に送信する。異常通報部１３および駆動部２３は、異常判定部１２から送信された放熱経路異常の異常通知情報を受信する。すなわち、異常判定部１２は、駆動部２３に対して、インバータ回路２２のパワー半導体素子２の駆動を停止させる制御を行う。したがって、異常判定部１２は、放熱フィン推定温度Ｔｆｅが放熱フィン実温度Ｔｆｒより高い場合に、「パワー半導体素子２と放熱フィン１との間の放熱経路異常」と判定する。

放熱フィン推定温度Ｔｆｅが放熱フィン実温度Ｔｆｎより高い場合、すなわち放熱フィン推定温度Ｔｆｅ＞放熱フィン実温度Ｔｆｒである場合は、放熱グリース３のポンピングアウト現象または放熱フィン１の接触異常等により、パワー半導体素子２と放熱フィン１との間の放熱経路に異常が発生し、パワー半導体素子２のジャンクション温度Ｔｊと放熱フィン１との間の熱抵抗Ｒｊｆが高くなっている状態である。

図７は、本発明の実施の形態１において放熱フィン推定温度Ｔｆｅが放熱フィン実温度Ｔｆｒより高く、「パワー半導体素子２と放熱フィン１との間の放熱経路異常」と判定される場合の、放熱フィン推定温度Ｔｆｅと放熱フィン実温度Ｔｆｒと異常判定猶予時間Ｔｄとの関係の一例を示す特性図である。放熱フィン推定温度Ｔｆｅと放熱フィン実温度Ｔｆｒと異常判定猶予時間Ｔｄとの関係が図７に示すように、放熱フィン推定温度Ｔｆｅ＞放熱フィン実温度Ｔｆｒであり、｜Ｔｆｅ－Ｔｆｒ｜＞Ｋである状態が異常判定猶予時間Ｔｄにおいて継続された場合には、異常判定部１２は、「パワー半導体素子２と放熱フィン１との間の放熱経路異常」と判定する。

ステップＳ１２０において、駆動部２３は、異常通知情報の受信を条件として、インバータ回路２２のパワー半導体素子２の駆動を停止させて、パワー半導体素子２を過熱から保護する保護動作を行う。すなわち、駆動部２３は、異常通知情報を受信すると、インバータ回路２２の制御を停止する。

ステップＳ１３０において、異常通報部１３は、異常判定部１２から送信された放熱経路異常の異常通知情報を受信すると、「放熱経路異常の発生」をユーザに通報する。ユーザへの「放熱経路異常の発生」の通報の方法は限定されず、警告音を鳴らす、警告メッセージを表示装置に表示するなど、公知の方法を採用できる。ステップＳ１３０が行われることで、パワー半導体素子２の温度保護システムにおける一連の保護動作が終了する。

一方、ステップＳ１４０において、異常判定部１２は、異常が「放熱フィン１への送風経路異常」であると判定して、「送風経路異常の発生」を通知する送風経路異常の異常通知情報を異常通報部１３および駆動部２３に送信する。異常通報部１３および駆動部２３は、異常判定部１２から送信された送風経路異常の異常通知情報を受信する。すなわち、異常判定部１２は、駆動部２３に対して、インバータ回路２２のパワー半導体素子２の駆動を停止させる制御を行う。したがって、異常判定部１２は、放熱フィン推定温度Ｔｆｅが放熱フィン実温度Ｔｆｒより低い場合、すなわち放熱フィン推定温度Ｔｆｅ＜放熱フィン実温度Ｔｆｒである場合に、「放熱フィン１への送風経路異常」と判定する。

放熱フィン推定温度Ｔｆｅが放熱フィン実温度Ｔｆｒより低い場合、すなわち放熱フィン推定温度Ｔｆｅ＜放熱フィン実温度Ｔｆｒである場合は、ファンモータ６のプロペラの破損または放熱フィン１へのゴミ付着等によって放熱フィン１への送風経路に異常が発生し、放熱フィン熱抵抗Ｒｆａが高くなっている状態である。放熱フィン熱抵抗Ｒｆａが高くなっている状態は、放熱フィン１の冷却性能が低下している状態である。

図８は、本発明の実施の形態１において放熱フィン推定温度Ｔｆｅが放熱フィン実温度Ｔｆｒより低く、「放熱フィン１への送風経路異常」と判定される場合の、放熱フィン推定温度Ｔｆｅと放熱フィン実温度Ｔｆｒと異常判定猶予時間Ｔｄとの関係の一例を示す特性図である。放熱フィン推定温度Ｔｆｅと放熱フィン実温度Ｔｆｒと異常判定猶予時間Ｔｄとの関係が図８に示すように、放熱フィン推定温度Ｔｆｅ＜放熱フィン実温度Ｔｆｒであり、｜Ｔｆｅ－Ｔｆｒ｜＞Ｋである状態が異常判定猶予時間Ｔｄにおいて継続された場合には、異常判定部１２は、「放熱フィン１への送風経路異常」と判定する。

その後、上述したようにステップＳ１２０およびステップＳ１３０が行われ、パワー半導体素子２の温度保護システムにおける一連の保護動作が終了する。なお、ステップＳ１３０において、異常通報部１３は、異常判定部１２から送風経路異常の異常通知情報を受信した場合には、「送風経路異常の発生」をユーザに通報する。ユーザへの「送風経路異常の発生」の通報の方法は限定されず、警告音を鳴らす、警告メッセージを表示装置に表示するなど、公知の方法を採用できる。

なお、図７に示すように放熱フィン推定温度Ｔｆｅが放熱フィン実温度Ｔｆｒより高い場合と、図８に示すように放熱フィン推定温度Ｔｆｅが放熱フィン実温度Ｔｆｒより低い場合と、とにおいて閾値Ｋを異なる値とすることができる。これにより、異常通報部１３は、「パワー半導体素子２と放熱フィン１との間の放熱経路異常」の場合と、「放熱フィン１への送風経路異常」の場合とでの、放熱フィン推定温度Ｔｆｅの変動特性を考慮して、パワー半導体素子２の冷却状態の異常をより精度良く判定することができる。

上述したように、本実施の形態１にかかる電力変換装置１００は、電力損失Ｑ、周囲温度Ｔａおよび放熱フィン熱抵抗Ｒｆａから放熱フィン１の温度の推定値である放熱フィン推定温度Ｔｆｅを算出する放熱フィン温度推定部１１と、放熱フィン推定温度Ｔｆｅと放熱フィン実温度Ｔｆｒとの差に基づいてパワー半導体素子２の冷却状態の異常の有無を判定する異常判定部１２を備える。これにより、電力変換装置１００は、パワー半導体素子２と放熱フィン１間の放熱経路の異常および、放熱フィン１への送風経路に異常が発生した場合でも、パワー半導体素子２の冷却状態の異常を容易に且つ確実に検出し、パワー半導体素子２の放熱異常を容易に且つ確実に検出することが可能である。

また、電力変換装置１００は、異常通報部１３を備える。これにより、電力変換装置１００は、異常判定部１２においてパワー半導体素子２と放熱フィン１との間の放熱経路異常が検出されると、パワー半導体素子２と放熱フィン１との間の放熱経路異常の発生を直ぐにユーザに対して通報することができる。また、電力変換装置１００は、異常判定部１２において放熱フィン１への送風経路異常が検出されると、放熱フィン１への送風経路異常の発生を直ぐにユーザに対して通報することができる。これにより、ユーザは、容易に電力変換装置１００の異常の要因の特定を行うことができる。

したがって、本実施の形態１にかかる電力変換装置１００によれば、放熱フィン実温度Ｔｆｒを検出し、放熱フィン推定温度Ｔｆｅを算出し、放熱フィン実温度Ｔｆｒと放熱フィン推定温度Ｔｆｅとを比較することで、パワー半導体素子２の放熱経路に異常が発生した場合でも、また放熱フィン１への送風経路に異常が発生した場合でも、容易にパワー半導体素子２の放熱異常を検出し、パワー半導体素子２の保護が可能となる。すなわち、電力変換装置１００によれば、機器の運転状況に左右されず、容易にパワー半導体素子２の冷却状態の異常を検出することが可能である。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 放熱フィン、２ パワー半導体素子、３ 放熱グリース、４ 放熱フィン温度センサ、５ 周囲温度センサ、６ ファンモータ、７ 回転数検出部、８ 熱抵抗算出部、９ 電流検出部、１０ 損失算出部、１１ 放熱フィン温度推定部、１２ 異常判定部、１３ 異常通報部、２１ コンバータ回路、２２ インバータ回路、２３ 駆動部、３０ 交流電源、４０ モータ、１００ 電力変換装置、１０１ プロセッサ、１０２ メモリ、１１０ 制御装置、Ｉ 電流値、Ｋ 閾値、Ｑ 電力損失、Ｒ ファンモータ回転数、Ｒｆａ 放熱フィン熱抵抗、Ｒｊｆ 熱抵抗、Ｔａ 周囲温度、Ｔｄ 異常判定猶予時間、Ｔｆｅ 放熱フィン推定温度、Ｔｆｒ 放熱フィン実温度、Ｔｊ ジャンクション温度。

Claims (8)

1. 電力変換用のパワー半導体素子と、
   前記パワー半導体素子の駆動を制御する駆動部と、
   前記パワー半導体素子の冷却用の放熱フィンと、
   前記パワー半導体素子と前記放熱フィンとの間に配置された放熱グリースと、
   前記放熱フィンの冷却用のファンモータと、
   前記ファンモータの回転数であるファンモータ回転数を検出する回転数検出部と、
   前記ファンモータ回転数から前記放熱フィンの放熱における熱抵抗である放熱フィン熱抵抗を算出する熱抵抗算出部と、
   前記放熱フィンの実温度である放熱フィン実温度を検出する放熱フィン温度センサと、
   前記放熱フィンの周囲の温度である周囲温度を検出する周囲温度センサと、
   前記パワー半導体素子から負荷に供給される電流の電流値を検出する電流検出部と、
   前記電流値を用いて前記パワー半導体素子の電力損失を算出する損失算出部と、
   前記電力損失と、前記周囲温度と、前記放熱フィン熱抵抗とから、前記放熱フィンの温度の推定値である放熱フィン推定温度を算出する放熱フィン温度推定部と、
   前記放熱フィン実温度と前記放熱フィン推定温度との差に基づいて、前記パワー半導体素子の冷却状態の異常の有無を判定する異常判定部と、
   を備える電力変換装置。
2. 前記異常判定部は、前記放熱フィン推定温度と前記放熱フィン実温度との差分の絶対値が、予め決められた閾値より大である場合に、前記パワー半導体素子の冷却状態に異常が発生していると判定する、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記異常判定部は、前記放熱フィン推定温度と前記放熱フィン実温度との差分の絶対値が、予め決められた閾値より大である状態が、予め決められた異常判定猶予時間を経過した場合に、前記パワー半導体素子の冷却状態に異常が発生していると判定する、請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記放熱フィン推定温度が前記放熱フィン実温度より高い場合と、前記放熱フィン推定温度が前記放熱フィン実温度より低い場合とにおいて、前記閾値が異なる、請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記異常判定部は、前記放熱フィン推定温度と前記放熱フィン実温度との大小関係から前記パワー半導体素子の冷却状態の異常の要因を判定する、請求項１から４のいずれか１つに記載の電力変換装置。
6. 前記駆動部は、前記パワー半導体素子の冷却状態に異常が発生していると判定された場合に、前記パワー半導体素子の駆動を停止させる、請求項１から５のいずれか１つに記載の電力変換装置。
7. 前記熱抵抗算出部は、前記ファンモータ回転数と前記放熱フィン熱抵抗との相関関係を示す相関関係情報と、前記回転数検出部で検出された前記ファンモータ回転数と、に基づいて前記放熱フィン熱抵抗を算出する、請求項１から６のいずれか１つに記載の電力変換装置。
8. 前記異常判定部において前記パワー半導体素子の冷却状態に異常が発生していると判定された場合に前記パワー半導体素子の冷却状態の異常の発生を通報する異常通報部を有する、請求項１から７のいずれか１つに記載の電力変換装置。

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