JP7241996B1

JP7241996B1 - 電力変換装置

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Publication number: JP7241996B1
Application number: JP2023502872A
Authority: JP
Inventors: 雄希木村; 浩之清永
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2022-11-07
Filing date: 2022-11-07
Publication date: 2023-03-17
Anticipated expiration: 2042-11-07
Also published as: WO2024100695A1; JPWO2024100695A1

Abstract

電力変換装置の例示であるインバータ（５０）は、２つのスイッチング素子の組（１ａ，２ａ）、（３ａ，４ａ）、（５ａ，６ａ）を直列に電気的に接続して構成されるレグ（２０ａ～２０ｃ）を内蔵するパワーモジュール（４０）を備え、パワーモジュール（４０）を動作させることで負荷装置（８）に負荷電力を供給する。インバータ（５０）は、負荷装置（８）に対して負荷電力の供給が停止されている非駆動期間中、レグ（２０ａ～２０ｃ）のうちの少なくとも１つのレグの温度が、負荷電力の供給を停止した直後のレグの温度と比べて一定値以上低下した場合に、少なくとも、温度が一定値以上低下したレグにおける上下アームのスイッチング素子を電気的に規定時間短絡させる動作を繰り返して行う短絡制御を実施する。

Description

本開示は、パワー半導体素子を内蔵する電力変換装置に関する。

電力変換装置の例には、インバータ、コンバータ、無停電電源装置（Uninterruptible Power Supply：ＵＰＳ）などがある。この種の電力変換装置では、複数のパワー半導体素子が内蔵され、複数のパワー半導体素子を駆動回路がスイッチング制御することで電力変換が行われる。パワー半導体素子としては、一般的にＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor)、ＭＯＳ－ＦＥＴ(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor）などが用いられる。

電力変換装置は、少なくとも２つのパワー半導体素子が直列に接続されて構成されるレグを少なくとも１つ有している。レグの数が複数である場合、複数のレグは、互いに並列に接続される。この接続形態は、「ブリッジ接続」と呼ばれる。

一般的に、電力変換装置に用いられるパワー半導体素子は、１つ以上が封止されてパッケージとして構成されることが多い。封止されたパッケージは、「パワーモジュール」と呼ばれている。パワー半導体素子をパッケージ化する理由は、パワー半導体素子同士又はパワー半導体素子とその他の電気部品との電気的接続を簡便化し、パワー半導体素子の放熱性を向上させるためである。パワーモジュールは、ＩＧＢＴ又はＭＯＳ－ＦＥＴを構成するシリコンチップ、整流素子を構成するシリコンチップ、ワイヤボンディング用金属パッド、モジュール外部端子、シリコンチップ間を接続する金属ワイヤなどを備えて構成される。

電力変換装置では、パワーモジュールに内蔵されるパワー半導体素子がスイッチング動作することで電力変換が行われる。その際、パワー半導体素子は大きく発熱する。そのため、電力変換装置を断続的に運転する場合には、パワー半導体素子に急激な温度変化が生じる。

シリコンチップの線膨張係数と、金属ワイヤの線膨張係数とは異なる。このため、温度変化の度にシリコンチップと金属ワイヤとの間にせん断応力が発生し、ワイヤ剥離が起きることが知られている。ワイヤ剥離が進展すると、金属ワイヤによる電気的接続が断となり、パワーモジュールが動作不良となり、当該パワーモジュールを搭載した装置は故障に至る。温度変化の際に、シリコンチップと金属ワイヤとの間に発生するせん断応力に対する耐量は、一般的に「パワーサイクル耐量」と呼ばれている。

上記のように、パワーモジュールは有寿命部品であるため、従来から、パワーモジュールのパワーサイクル耐量に起因する寿命を予測することが行われていた。例えば、下記特許文献１には、金属ベースとパワーデバイスとの間の熱抵抗の上昇を検出し、当該熱抵抗の上昇の程度に基づいて、パワーモジュールの故障を事前に検出する手法が提案されている。また、特許文献１には、予測した寿命に基づいてパワーモジュールを交換するタイミングを決定することで、予測される故障時期に対して保つべきマージンよりもマージンを減らすことができ、交換等の保守サイクルを延ばすことができると記載されている。

特開２０１７－０１７８２２号公報

しかしながら、特許文献１の技術は、交換等の保守サイクルにおけるマージンを減らすためにパワーモジュールの寿命を予測しているに過ぎず、パワーモジュールの寿命を直接的に延ばす技術ではない。また、特許文献１の技術には、シリコンチップと金属ワイヤとの間に発生するせん断応力を緩和する効果はなく、温度変化が頻繁に発生する使用条件でパワーモジュールを使用する場合、パワーモジュールの寿命は短くなってしまう。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、温度変化が頻繁に発生する使用条件でパワーモジュールを使用する場合であっても、パワーモジュールの寿命短縮を抑制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、本開示に係る電力変換装置は、少なくとも２以上の半導体素子を直列に電気的に接続して構成されるレグの少なくとも１つを内蔵するパワーモジュールを備え、パワーモジュールを動作させることで負荷装置に負荷電力を供給する。電力変換装置は、負荷装置に対して負荷電力の供給が停止されている非駆動期間中、少なくとも１つのレグの温度が、負荷電力の供給を停止した直後のレグの温度と比べて一定値以上低下した場合に、少なくとも、温度が一定値以上低下したレグにおける上下アームの半導体素子を電気的に規定時間短絡させる動作を繰り返して行う短絡制御を実施する。

本開示に係る電力変換装置によれば、温度変化が頻繁に発生する使用条件でパワーモジュールを使用する場合であっても、パワーモジュールの寿命短縮を抑制できるという効果を奏する。

実施の形態１に係るインバータの電気回路構成図実施の形態１に係るインバータに含まれるパワーモジュールの平面図図１に示した実施の形態１に係るインバータの電気回路構成図に演算部、ドライブ回路及びサーミスタを加筆した図パワーモジュールに内蔵されるスイッチング素子を従来手法を用いて駆動したときの温度変化の様子を比較例として示す図パワーモジュールに内蔵されるスイッチング素子を実施の形態１の手法を用いて駆動したときの温度変化の様子を示す図実施の形態１の手法に係る制御フローの説明に使用するフローチャート実施の形態２に係るインバータの電気回路構成図実施の形態２の手法に係る制御フローの説明に使用するフローチャート

以下に添付図面を参照し、本開示の実施の形態に係る電力変換装置について詳細に説明する。なお、以下の実施の形態では、直流を交流に変換するインバータを電力変換装置の一例として説明するが、インバータ以外の電力変換装置への適用を除外する意図ではない。即ち、本開示の技術は、インバータ以外の電力変換装置への適用も可能である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るインバータ５０の電気回路構成図である。図１に示すように、インバータ５０は、直流電圧を出力する直流電源１０と、直流電源１０が出力する直流電圧を平滑するコンデンサ９と、インバータ主回路部７とを備える。インバータ主回路部７は、スイッチングを行うスイッチング素子１ａ～６ａと、スイッチング素子１ａ～６ａの各々に並列に接続される整流素子１ｂ～６ｂとを備える。インバータ主回路部７は、負荷装置８に三相交流電力を供給する。負荷装置８としては、誘導モータ、永久磁石モータなどが例示される。

スイッチング素子１ａ～６ａの各々は、パワー半導体素子である。パワー半導体素子としては、ＩＧＢＴ、ＭＯＳ－ＦＥＴなどが代表的である。整流素子１ｂ～６ｂとしては、ダイオード、サイリスタなどが用いられる。スイッチング素子１ａ～６ａの各々がＭＯＳ－ＦＥＴである場合、当該ＭＯＳ－ＦＥＴの寄生ダイオードを整流素子１ｂ～６ｂとして利用してもよい。

コンデンサ９は、インバータ５０の直流部の電圧安定化のために配置される。直流部とは、コンデンサ９とインバータ主回路部７とを電気的に接続する電気配線の部位である。インバータ主回路部７が負荷装置８に三相交流電力を供給する際には、コンデンサ９の両端電圧であるコンデンサ電圧は、一定範囲の電圧値に保持される。この一定範囲に保持される電圧は、「母線電圧」と呼ばれる。

インバータ主回路部７において、スイッチング素子１ａ，２ａは直列に接続されてレグ２０ａを構成し、スイッチング素子３ａ，４ａは直列に接続されてレグ２０ｂを構成し、スイッチング素子５ａ，６ａは直列に接続されてレグ２０ｃを構成する。レグを構成するスイッチング素子１ａ～６ａのうち、高電位側に位置するスイッチング素子１ａ，３ａ，５ａは「上アームのスイッチング素子」と呼ばれ、低電位側に位置するスイッチング素子２ａ，４ａ，６ａは「下アームのスイッチング素子」と呼ばれる。

レグ２０ａ～２０ｃにおける各スイッチング素子の接続部は、中間電位点１８ａ，１８ｂ，１８ｃを構成する。インバータ主回路部７において、これらの中間電位点１８ａ，１８ｂ，１８ｃの各々からは配線が引き出され、負荷装置８に接続される。

インバータ５０は、例えばＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御により、負荷装置８に三相交流電力を供給する。なお、ＰＷＭ制御には公知技術を使用するものとし、本明細書内では特に説明しない。

また、図１に示すインバータ主回路部７は、３つのレグ２０ａ～２０ｃを有して負荷装置８に三相交流電力を供給する三相の構成であるが、この構成に限定されない。レグの数は、１又は２でもよく、また４以上であってもよい。レグの数が１である場合は、「ハーフブリッジ」などと呼ばれ、レグの数が２である場合は、「単相ブリッジ」、「フルブリッジ」などと呼ばれる。また、各々のレグ２０ａ～２０ｃにおいて、直列接続される素子数は２である場合を例示しているが、この例に限定されない。直列接続される素子数は、３以上でもよい。

上記のように構成されるインバータ５０において、スイッチング素子１ａ～６ａ、及び整流素子１ｂ～６ｂは高発熱部品となる。そのため、これらの高発熱部品を樹脂封止して、１つのパワーモジュール４０として構成する。このように構成すれば、パワーモジュール４０に対して放熱機構を設ければよく、放熱機構を簡便化できるというメリットがある。

パワーモジュール４０は、図１では図示しないプリント基板に対して実装され、プリント基板を介して、負荷装置８及びコンデンサ９に電気的に接続される。パワーモジュール４０には、図示しない放熱部品が取り付けられる。放熱部品の例は、放熱フィンである。放熱部品によって、パワーモジュール４０に内蔵された高発熱部品の温度が許容温度以下になるように動作する。

図２は、実施の形態１に係るインバータ５０に含まれるパワーモジュール４０の平面図である。図２において、図１に示す構成要素については、同一の符号を付して示している。プリント基板４５には、シリコンチップ１１，１２が搭載されている。シリコンチップ１１はスイッチング素子１ａ～６ａに対応し、シリコンチップ１２は整流素子１ｂ～６ｂに対応している。シリコンチップ１１と金属パッド１４との間は、金属ワイヤ１３をワイヤボンディングすることで電気的に接続される。金属ワイヤ１３には、例えば金、アルミ、銅などの金属線が使用される。金属ワイヤ１３は、シリコンチップ１１，１２とその他の電気部品、及びシリコンチップ１１，１２同士を電気的に接続する場合などに使用される。例えば、図２では、シリコンチップ１１とシリコンチップ１２との間、及びシリコンチップ１２と金属パッド１４との間も金属ワイヤ１３で電気的に接続される。

また、プリント基板４５には、モジュール外部端子１５が設けられる。モジュール外部端子１５は、プリント基板４５に設けられた貫通穴に挿入され、はんだなどで接続される。また、モジュール外部端子１５は、配線により金属パッド１４に電気的に接続される。これにより、モジュール外部端子１５とプリント基板４５上に形成された回路パターンとが、電気的に接続される。

図３は、図１に示した実施の形態１に係るインバータ５０の電気回路構成図に演算部３０、ドライブ回路６０及びサーミスタ９０を加筆した図である。

図３において、レグ２０ａ～２０ｃの各々には、下アームのスイッチング素子２ａ，４ａ，６ａの低電位側、即ちエミッタ端子側にシャント抵抗１６が挿入され、シャント抵抗１６の両端には電圧測定回路１７が接続されている。また、インバータ５０は、サーミスタ９０を備えている。

シャント抵抗１６は、下アームのスイッチング素子２ａ，４ａ，６ａに流れる電流を測定する用途に使用される電流測定抵抗である。シャント抵抗１６は、パワーモジュール４０の内部に配置してもよいし、パワーモジュール４０が搭載されるプリント基板４５に配置してもよい。電圧測定回路１７は、例えばフォトカプラ又アイソレーションアンプなどの絶縁素子と、オペアンプなどの信号増幅素子とから構成される。ここで、絶縁素子は、レグ２０ａ～２０ｃと、演算部３０とを電気的に絶縁するために使用される。

サーミスタ９０は、インバータ５０の周囲温度を測定する用途に使用される。サーミスタ９０は、図示しないインバータ５０の筐体部に取り付けるのが一般的であるが、この構成に限定されない。サーミスタ９０は、インバータ５０の周囲温度を測定できる箇所であればよく、インバータ５０の任意の場所に取り付けることができる。

サーミスタ９０によって測定されたインバータ５０の周囲温度に関する情報は、演算部３０に入力される。サーミスタ９０としては、ＮＴＣ（Negative Temperature Coefficient)型、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）型、ＣＴＲ（Critical Temperature Resistor）型などの非線形な温度－抵抗特性を有する素子を用いることができる。なお、サーミスタ９０の抵抗特性から温度情報を読み取る方法は公知技術であるため、本明細書内では特に説明しない。なお、本稿では、サーミスタ９０を含み、サーミスタ９０の測定結果を演算部３０に伝送する回路の部位を「第１の温度測定回路」と呼ぶことがある。

シャント抵抗１６の両端電圧は、電圧測定回路１７を介して、演算部３０に入力される。演算部３０は、プロセッサとメモリとを有する処理回路によって実現することができる。また、プロセッサ及びメモリの代わりに専用の処理回路で演算部３０を実現してもよい。専用の処理回路としては、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、マイコン（Micro Computer）などの集積回路が用いられる。また、演算部３０は、記憶領域３０ａを備えている。記憶領域３０ａは、処理回路のメモリであってもよい。サーミスタ９０によって測定された温度情報、及び電圧測定回路１７によって測定された電圧情報は、記憶領域３０ａに格納される。

演算部３０には、外部指令８０が入力される。ここで、外部指令８０は、インバータ５０を動作させるために、インバータ５０の外部から入力される駆動指令である。演算部３０は、外部指令８０に基づいて、スイッチング素子１ａ～６ａに対する動作指令をドライブ回路６０に入力する。ドライブ回路６０は、スイッチング素子１ａ～６ａに対して駆動信号７０を出力することで、インバータ主回路部７を駆動する。

スイッチング素子１ａ～６ａが駆動信号７０によって駆動されている間、演算部３０は、電圧測定回路１７を介して入力されたシャント抵抗１６の電圧情報に基づいて、レグ２０ａ～２０ｃに流れる電流を推定する。演算部３０によって推定された電流は、推定電流として記憶領域３０ａに格納される。

ここで、記憶領域３０ａには、レグ２０ａ～２０ｃに流れる電流を温度に変換する変換表が格納されている。演算部３０は、記憶領域３０ａに格納されるレグ２０ａ～２０ｃの推定電流に基づいて、レグ２０ａ～２０ｃの温度を演算する。記憶領域３０ａに格納される変換表は、使用するパワーモジュール４０ごとに固有のものであり、パワーモジュール４０ごとに設けられる。また、この変換表は、パワーモジュール４０ごとに、パワーモジュール４０に流れる通電電流とレグ２０ａ～２０ｃにおける温度との関係を事前に測定することで構築される。また、記憶領域３０ａには、レグ２０ａ～２０ｃとパワーモジュール４０に取り付けられた放熱部品との間の熱抵抗値が格納される。この熱抵抗値は、インバータ５０ごとに固有の値である。

ここで、演算部３０は、指令された外部指令８０に基づいて駆動信号７０をスイッチング素子１ａ～６ａに与えているため、インバータ５０が動作中であるか否かは、演算部３０自身が判断することができる。また、外部指令８０には、インバータ５０の駆動を停止する駆動停止指令も含まれる。このため、演算部３０は、インバータ５０が駆動停止するときの、レグ２０ａ～２０ｃの温度情報も、インバータ５０が動作中であるときと同様に、記憶領域３０ａに格納することができる。

インバータ５０を駆動しているとき、スイッチング素子１ａ～６ａには電流が流れ、導通に伴う熱損失と、スイッチング動作による熱損失とが発生する。これらの熱損失により、スイッチング素子１ａ～６ａを封止したパワーモジュール４０が発熱する。このときのパワーモジュール４０内部のスイッチング素子１ａ～６ａの温度は、インバータ５０の周囲温度と比べると高くなる。

インバータ５０が休止状態のとき、スイッチング素子１ａ～６ａの温度は、インバータ５０の周囲温度と同程度となる。従って、インバータ５０を駆動しているときと、インバータ５０が休止状態のときとを比較すると、両者には温度差ΔＴが生じる。前述したように、スイッチング素子１ａ～６ａの線膨張係数と、金属ワイヤ１３の線膨張係数とは異なるため、スイッチング素子１ａ～６ａが温度変化するごとに、スイッチング素子１ａ～６ａと金属ワイヤ１３との間でせん断応力が発生し、金属ワイヤ１３が剥離するワイヤ剥離の原因となる。

一方、インバータ５０を駆動しているときと、インバータ５０が休止状態のときの、スイッチング素子１ａ～６ａにおける温度差ΔＴを小さくすることができれば、スイッチング素子１ａ～６ａと金属ワイヤ１３との間に発生するせん断応力を緩和できる。これにより、パワーモジュール４０のパワーサイクル耐量に起因する寿命を延ばすことができる。

次に、パワーモジュール４０に内蔵されるスイッチング素子１ａ～６ａにおける温度差ΔＴを小さくする実施の形態１の制御手法を、図４から図６を参照して説明する。図４は、パワーモジュール４０に内蔵されるスイッチング素子１ａ～６ａを従来手法を用いて駆動したときの温度変化の様子を比較例として示す図である。図５は、パワーモジュール４０に内蔵されるスイッチング素子１ａ～６ａを実施の形態１の手法を用いて駆動したときの温度変化の様子を示す図である。図６は、実施の形態１の手法に係る制御フローの説明に使用するフローチャートである。

図４及び図５における各々の各上部には、１つのレグに流れる通電電流値の波形が示され、各々の下部には、当該１つのレグに属するパワー半導体素子の温度変化の波形が示されている。また、各図において、Ｔ_Ｒはインバータ駆動指令が入力される前、即ちインバータ駆動前のインバータ周囲温度を表し、Ｔ_Ｅはインバータ停止直後のレグ２０ａ～２０ｃの温度を表している。

外部指令８０によって、演算部３０にインバータ駆動指令が入力されると、演算部３０はドライブ回路６０を通じて駆動信号７０をスイッチング素子１ａ～６ａに与える。これにより、インバータ５０は、駆動を開始する。駆動が開始されると、負荷装置８に三相交流電力が供給され、レグ２０ａ～２０ｃには電流が流れる。スイッチング素子１ａ～６ａには、導通に伴う熱損失とスイッチング動作による熱損失とが発生する。また、整流素子１ｂ～６ｂには、導通に伴う熱損失が発生する。これらの損失により、レグ２０ａ～２０ｃの温度は上昇する。また、一定時間が経過した後、レグ２０ａ～２０ｃに流れている電流量に応じて、レグ２０ａ～２０ｃの温度は飽和する。

外部指令８０によって、演算部３０にインバータ駆動停止指令が入力されると、演算部３０は駆動信号７０の出力を停止する。これにより、インバータ５０は、負荷装置８への三相交流電力の供給を停止し、レグ２０ａ～２０ｃには電流が流れなくなる。インバータ５０の駆動が停止されると、熱損失を発生させている電流がなくなる。ここで、図４に示す比較例では、インバータ５０の駆動が停止される非通電時において、レグ２０ａ～２０ｃには電流が流れない。このため、非通電時におけるレグ２０ａ～２０ｃの温度は、インバータ周囲温度Ｔ_Ｒと同程度となる。従って、駆動中のスイッチング素子１ａ～６ａの温度と、駆動停止中のスイッチング素子１ａ～６ａの温度との間には、大きな温度差ΔＴ_Ｊ’が発生する。

これに対し、実施の形態１の手法を用いて駆動したときの動作波形は、図５に示すものとなる。従来手法と異なる点は、インバータ駆動停止指令が入力された後の動作である。外部指令８０によって、演算部３０にインバータ駆動指令が入力されると、演算部３０はドライブ回路６０を通じて駆動信号７０をスイッチング素子１ａ～６ａに与える。これにより、インバータ５０は、駆動を開始する。駆動が開始されると、負荷装置８に三相交流電力が供給され、レグ２０ａ～２０ｃには電流が流れる。スイッチング素子１ａ～６ａには、導通に伴う熱損失とスイッチング動作による熱損失とが発生する。また、整流素子１ｂ～６ｂには、導通に伴う熱損失が発生する。これらの損失により、レグ２０ａ～２０ｃの温度は上昇する。また、一定時間が経過した後、レグ２０ａ～２０ｃに流れている電流量に応じて、レグ２０ａ～２０ｃの温度は飽和する。ここまでの動作は、比較例と同じである。

演算部３０は、駆動終了時のレグ２０ａ～２０ｃのインバータ停止直後の温度Ｔ_Ｅを記憶領域３０ａに格納する。また、演算部３０は、規定時間ごとに、パワーモジュール４０の温度推定に関する演算処理を行う。

ここで、前述したように、記憶領域３０ａには、レグ２０ａ～２０ｃとパワーモジュール４０に取り付けられた放熱部品との間の熱抵抗値が格納されている。また、記憶領域３０ａには、レグ２０ａ～２０ｃの温度推定値、及びサーミスタ９０から入力されたインバータ周囲温度Ｔ_Ｒも格納されている。レグ２０ａ～２０ｃの温度、レグ２０ａ～２０ｃの温度とインバータ周囲温度Ｔ_Ｒとの温度差、及びレグ２０ａ～２０ｃと放熱部品との間の熱抵抗値を用いれば、レグ２０ａ～２０ｃにおける放熱量を計算することができる。これにより、演算部３０は、駆動停止した後のレグ２０ａ～２０ｃの温度を演算することができる。

演算部３０は、演算したレグ２０ａ～２０ｃの温度のうちの少なくとも１つのレグの温度がインバータ停止直後の温度Ｔ_Ｅよりも一定値以上低下した場合、温度が一定値以上低下したレグにおける上下アームのスイッチング素子をオン状態にする駆動信号７０を出力するように、ドライブ回路６０に指令する。本稿では、この動作を「短絡動作」と呼ぶ。また、この短絡動作は、予め定められた規定時間、実施される。なお、短絡動作を実施するレグは、必ずしも、温度が一定値以上低下したレグにおける上下アームだけ、短絡動作を実施するのではなく、短絡動作を実施するレグに少なくとも温度が一定値以上低下したレグが含まれていればよく、例えば、全てのレグにおける上下アームのスイッチング素子をオン状態にしてもよい。即ち、実施の形態１に係る電力変換装置は、レグ２０ａ～２０ｃのうちの少なくとも１つのレグの温度がインバータ停止直後の温度Ｔ_Ｅよりも一定値以上低下した場合に、レグ２０ａ～２０ｃのうちの、少なくとも、温度が一定値以上低下したレグにおける上下アームのスイッチング素子を規定時間、電気的に短絡させる制御を行う。

一定値の例としては、１～１００℃までの間の任意の値とすることができる。また、スイッチング素子１ａ～６ａのうちの少なくとも１つのレグにおける上下アームのスイッチング素子をオン状態にする短絡動作の時間は、スイッチング素子１ａ～６ａの温度上昇を特徴づける熱抵抗値に依存するが、例えば０．１μｓ～１ｍｓの間の任意の時間とすることができる。

スイッチング素子１ａ～６ａを短絡動作させると、直流電源１０及びコンデンサ９を介して、スイッチング素子１ａ～６ａに規定時間、電流が流れる。このとき、演算部３０は、スイッチング素子１ａ～６ａの温度を導通損失によって上昇させ、インバータ停止直後の温度Ｔ_Ｅ付近の値まで増加させる。なお、記憶領域３０ａに格納される変換表には、事前にレグ２０ａ～２０ｃを任意の時間短絡させたときの、レグ２０ａ～２０ｃの温度上昇量が記載されているものとする。演算部３０は、記憶領域３０ａの変換表に記載された温度上昇量に基づいて、短絡動作実施後のレグ２０ａ～２０ｃの温度を推定することができる。

演算部３０は、温度Ｔ_Ｅ付近の値までスイッチング素子１ａ～６ａの温度を上昇させた後、スイッチング素子１ａ～６ａを全オフ状態にするように、即ち駆動信号７０の出力を停止するように、ドライブ回路６０に指令する。駆動信号７０の出力が停止すると、レグ２０ａ～２０ｃの温度は、再度低下を始める。演算部３０は、レグ２０ａ～２０ｃの温度推定演算を実施し、レグ２０ａ～２０ｃの温度低下時に再度短絡動作を実施する流れを繰り返す。この繰り返し制御のことを、本稿では「短絡制御」と呼ぶ。なお、この短絡制御は後述するステップＳ６～Ｓ９の処理に対応し、短絡制御における温度推定演算は、当該ステップＳ６～Ｓ９におけるステップＳ６の処理に対応する。

短絡制御によって、レグ２０ａ～２０ｃの温度は、温度低下と温度上昇とを繰り返す周期的な波形となる。また、規定時間を適切に設定すれば、規定時間の短絡動作による温度上昇と、短絡動作間の休止時間による温度低下とが調和して、図５に示されるように、レグ２０ａ～２０ｃの温度がインバータ停止直後の温度Ｔ_Ｅを挟んで温度低下及び温度上昇を繰り返す波形となる。

また、短絡制御を実施したときのレグ２０ａ～２０ｃにおける温度変化量である温度差ΔＴ_Ｊは、短絡制御を実施しないときの温度差ΔＴよりも小さくなる。

なお、本稿において、短絡制御は、使用者又は管理者によって実施するか否かを決定することができるものとする。短絡制御の実施の有無に関する情報を、外部指令８０によって演算部３０に通知することとすれば、特別な切り替えスイッチなどを設ける必要がなく、システム構成を簡便化できるというメリットがある。この場合、演算部３０は、短絡制御を実施するか否かの情報を受信して、記憶領域３０ａに格納しておく。

次に、演算部３０から見た、実施の形態１に係る電力変換装置の短絡動作に関する制御フローについて、図６を参照して説明する。まず、直流電源１０から直流電圧が出力され、演算部３０に外部指令８０が入力されると、負荷装置８に対してインバータ５０によって三相電力の供給が開始できる状態となる。

演算部３０は、ドライブ回路６０を通じて駆動信号７０をスイッチング素子１ａ～６ａに入力する（ステップＳ１）。ステップＳ１によって、インバータ５０は動作を開始し、負荷装置８に三相交流電力が供給される。

演算部３０は、駆動信号７０入力時のレグ２０ａ～２０ｃの温度を演算し、その演算値を記憶領域３０ａに格納する（ステップＳ２）。前述したように、レグ２０ａ～２０ｃの温度は、記憶領域３０ａに格納されているレグ２０ａ～２０ｃの電流値を、レグ２０ａ～２０ｃの温度に変換する変換表を使用することで演算することができる。

ステップＳ２の後、演算部３０にインバータ駆動停止指令が入力されているか否かが判定される（ステップＳ３）。負荷装置８への三相電力供給が不要になると、演算部３０には、外部指令８０によって、インバータ駆動停止指令が入力される。演算部３０にインバータ駆動停止指令が入力されていない場合（ステップＳ３，Ｎｏ）、ステップＳ２に戻って、ステップＳ２からの処理が繰り返される。また、演算部３０にインバータ駆動停止指令が入力されている場合（ステップＳ３，Ｙｅｓ）、演算部３０は、駆動信号７０の出力を停止する。駆動信号７０の出力が停止されると、インバータ５０は、動作を停止する。

ステップＳ３の後、演算部３０は、短絡制御が有効であるか否かを確認する（ステップＳ４）。前述したように、短絡制御の実施の有無は、使用者又は管理者によって決定され、その情報は記憶領域３０ａに格納されている。演算部３０は、記憶領域３０ａを確認して短絡制御が有効であるか否か、即ち短絡制御を実施するか否かを判別する。短絡制御が有効ではない場合（ステップＳ４，Ｎｏ）、短絡制御を実施せずに図６の処理フローを終了する。また、短絡制御が有効である場合（ステップＳ４，Ｙｅｓ）、演算部３０は、インバータ駆動停止直後のレグ２０ａ～２０ｃの温度を温度Ｔ_Ｅとして記憶領域３０ａに格納する（ステップＳ５）。

ステップＳ５の後、演算部３０は、インバータ駆動停止後のレグ２０ａ～２０ｃの温度を演算し、その演算値を記憶領域３０ａに格納する（ステップＳ６）。ステップＳ６の演算は、インバータ駆動停止直後の温度Ｔ_Ｅ、インバータ駆動停止直後の温度Ｔ_Ｅとインバータ周囲温度Ｔ_Ｒとの温度差、及びレグ２０ａ～２０ｃと放熱部品との間の熱抵抗値に基づいて実施することができる。

ステップＳ６の後、演算部３０は、演算したレグ２０ａ～２０ｃの温度のうちの少なくとも１つのレグの温度がインバータ停止直後の温度Ｔ_Ｅよりも一定値以上低下しているか否かを判定する（ステップＳ７）。演算したレグ２０ａ～２０ｃの温度の全てがインバータ停止直後の温度Ｔ_Ｅよりも一定値以上低下していない場合（ステップＳ７，Ｎｏ）、ステップＳ６に戻って、ステップＳ６以降の処理を繰り返す。一方、演算したレグ２０ａ～２０ｃの温度のうちの少なくとも１つのレグの温度がインバータ停止直後の温度Ｔ_Ｅよりも一定値以上低下している場合（ステップＳ７，Ｙｅｓ）、演算部３０は、上述した短絡制御を規定時間実施する（ステップＳ８）。ステップＳ８の後、演算部３０にインバータ駆動指令が入力されているか否かが判定される（ステップＳ９）。演算部３０にインバータ駆動指令が入力されている場合（ステップＳ９，Ｙｅｓ）、ステップＳ２に戻って、ステップＳ２以降の処理が繰り返される。また、演算部３０にインバータ駆動指令が入力されていない場合（ステップＳ９，Ｎｏ）、ステップＳ６に戻って、ステップＳ６以降の処理が繰り返される。

以上説明したように、実施の形態１に係る電力変換装置は、少なくとも２以上の半導体素子を直列に電気的に接続して構成されるレグの少なくとも１つを内蔵するパワーモジュールを動作させることで負荷装置に負荷電力を供給する。電力変換装置は、負荷装置に対して負荷電力の供給が停止されている非駆動期間中において、少なくとも１つのレグの温度が、負荷電力の供給を停止した直後のレグの温度と比べて一定値以上低下した場合に、少なくとも、温度が一定値以上低下したレグにおける上下アームのスイッチング素子を電気的に規定時間短絡させる動作を繰り返して行う短絡制御を実施する。このような短絡制御を行えば、電力変換装置が駆動と駆動停止とを繰り返す際の温度変化に起因して発生するスイッチング素子と金属ワイヤとの間のせん断応力を軽減することができる。これにより、ワイヤ剥離までの時間を延長することができるので、パワーモジュール及び電力変換装置の寿命を増加させることができる。また、温度変化が頻繁に発生する使用条件でパワーモジュールを使用する場合であっても、パワーモジュールの寿命短縮を抑制することができる。

実施の形態１に係る電力変換装置は、レグに対して電気的に直列接続された電流測定抵抗と、電力変換装置の周囲温度を測定可能な第１の温度測定回路と、短絡制御を実施する演算部とを備える構成とすることができる。この構成により、演算部は、電流測定抵抗の両端電圧と、第１の温度測定回路の測定結果とに基づいてレグの温度を演算することができる。なお、電流測定抵抗は、少なくとも１つのレグに対して設けられていればよい。電流測定抵抗が設けられていないレグに対しての温度は、電流測定抵抗が設けられているレグの演算結果に基づいて推定することが可能である。

また、パワーモジュールに放熱部品が取り付けられている場合、演算部は、レグと放熱部品との間の熱抵抗値、駆動停止直後のレグの温度、及び駆動停止直後のレグの温度と電力変換装置の周囲温度との温度差に基づいて、レグにおける放熱量を演算する。この演算処理により、短絡制御期間中のレグの温度を推定することができる。

実施の形態２．
図７は、実施の形態２に係るインバータ５０Ａの電気回路構成図である。図７では、図３に示した実施の形態１に係るインバータ５０において、シャント抵抗１６、電圧測定回路１７及びサーミスタ９０の代わりに、サーミスタ９０ａ～９０ｃが備えられている。その他の構成は、図３に示す実施の形態１に係るインバータ５０の構成と同一又は同等であり、同一又は同等の構成部には同一の符号を付して示し、重複する説明は適宜割愛する。

サーミスタ９０ａ～９０ｃは、それぞれがレグ２０ａ～２０ｃの温度を測定する用途に使用される。サーミスタ９０ａ～９０ｃは、レグ２０ａ～２０ｃの温度を測定できる箇所であればよく、レグ２０ａ～２０ｃ、又はインバータ５０の任意の場所に取り付けることができる。

サーミスタ９０ａ～９０ｃによって測定されたレグ２０ａ～２０ｃの温度に関する情報は、演算部３０に入力される。これにより、演算部３０は、スイッチング素子１ａ～６ａの駆動時及び非駆動時におけるレグ２０ａ～２０ｃの温度情報を取得することができる。なお、本稿では、サーミスタ９０ａ～９０ｃを含み、サーミスタ９０ａ～９０ｃの測定結果を演算部３０に伝送する回路の部位を「第２の温度測定回路」と呼ぶことがある。

演算部３０には、レグ２０ａ～２０ｃの温度情報が常時入力されるので、図６に示す制御フローと同等の制御フローで実施の形態２に係る電力変換装置を動作させることができる。

図８は、実施の形態２の手法に係る制御フローの説明に使用するフローチャートである。なお、図８において、図６と同一又は同等の処理ステップについては、同一のステップ番号を付して示し、重複する説明は適宜割愛する。

まず、ステップＳ１によって、インバータ５０は動作を開始し、負荷装置８に三相交流電力が供給される。ステップＳ１の後、演算部３０は、駆動信号７０入力時のレグ２０ａ～２０ｃの温度情報をサーミスタ９０ａ～９０ｃから受領して記憶領域３０ａに格納する（ステップＳ２０）。

実施の形態１と同様に、短絡制御を実施する場合には、レグ２０ａ～２０ｃにおけるインバータ駆動停止直後の温度Ｔ_Ｅを記憶領域３０ａに格納する（ステップＳ５）。ステップＳ５の後、演算部３０は、インバータ駆動停止後のレグ２０ａ～２０ｃの温度情報をサーミスタ９０ａ～９０ｃから受領して記憶領域３０ａに格納する（ステップＳ２１）。

ステップＳ２１の後、演算部３０は、受領したレグ２０ａ～２０ｃの温度のうちの少なくとも１つのレグの温度がインバータ停止直後の温度Ｔ_Ｅよりも一定値以上低下しているか否かを判定する（ステップＳ２２）。受領したレグ２０ａ～２０ｃの温度のうちの少なくとも１つのレグの温度がインバータ停止直後の温度Ｔ_Ｅよりも一定値以上低下している場合には（ステップＳ２２，Ｙｅｓ）、上述した短絡制御を規定時間実施する（ステップＳ８）。以降の動作は、実施の形態１と同様である。また、受領したレグ２０ａ～２０ｃの温度の全てがインバータ停止直後の温度Ｔ_Ｅよりも一定値以上低下していない場合には（ステップＳ２２，Ｎｏ）、ステップＳ２１に戻って、ステップＳ２１以降の処理を繰り返す。以上の処理により、実施の形態１と同等の効果を享受することができる。

以上説明したように、実施の形態２に係る電力変換装置は、パワーモジュールの温度を測定可能な第２の温度測定回路と、短絡制御を実施する演算部とを備える構成とすることができる。この構成により、演算部は、第２の温度測定回路の測定結果を温度情報として受領して記憶領域に格納することができる。これにより、演算部は、第２の温度測定回路の測定結果に基づいてレグの温度を演算することができ、上述した短絡制御を実施することができる。これにより、実施の形態１と同様な効果を得ることができる。

以上の実施の形態に示した構成は、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、実施の形態同士を組み合わせることも可能であるし、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。

１ａ～６ａスイッチング素子、１ｂ～６ｂ整流素子、７インバータ主回路部、８負荷装置、９コンデンサ、１０直流電源、１１，１２シリコンチップ、１３金属ワイヤ、１４金属パッド、１５モジュール外部端子、１６シャント抵抗、１７電圧測定回路、１８ａ，１８ｂ，１８ｃ中間電位点、２０ａ，２０ｂ，２０ｃレグ、３０演算部、３０ａ記憶領域、４０パワーモジュール、４５プリント基板、５０，５０Ａインバータ、６０ドライブ回路、７０駆動信号、８０外部指令、９０，９０ａ～９０ｃサーミスタ。

Claims

少なくとも２以上の半導体素子を直列に電気的に接続して構成されるレグの少なくとも１つを内蔵するパワーモジュールを備え、前記パワーモジュールを動作させることで負荷装置に負荷電力を供給する電力変換装置において、
前記負荷装置に対して前記負荷電力の供給が停止されている非駆動期間中、少なくとも１つの前記レグの温度が、前記負荷電力の供給を停止した直後の前記レグの温度と比べて一定値以上低下した場合に、少なくとも、温度が一定値以上低下した前記レグにおける上下アームの半導体素子を電気的に規定時間短絡させる動作を繰り返して行う短絡制御を実施する
ことを特徴とする電力変換装置。
少なくとも１つの前記レグに対して、電気的に直列接続された電流測定抵抗と、
前記電力変換装置の周囲温度を測定可能な第１の温度測定回路と、
前記短絡制御を実施する演算部と、を備え、
前記演算部は、前記電流測定抵抗の両端電圧と、前記第１の温度測定回路の測定結果とに基づいて前記レグの温度を演算する
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記演算部は、
前記電流測定抵抗の両端電圧に基づいて推定された前記レグに流れる電流と、前記レグに流れる電流を温度に変換する変換表とに基づいて、前記負荷装置に前記負荷電力を供給しているときの前記レグの温度を演算し、
前記第１の温度測定回路の測定結果に基づいて、前記短絡制御の期間中の前記レグの温度を演算する
ことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
前記パワーモジュールには放熱部品が取り付けられており、
前記演算部は、前記レグと前記放熱部品との間の熱抵抗値、駆動停止直後の前記レグの温度、及び駆動停止直後の前記レグの温度と前記電力変換装置の周囲温度との温度差に基づいて前記レグにおける放熱量を演算することで前記短絡制御の期間中の前記レグの温度を推定する
ことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
前記第１の温度測定回路には、サーミスタが含まれる
ことを特徴とする請求項２から４の何れか１項に記載の電力変換装置。
前記パワーモジュールの温度を測定可能な第２の温度測定回路と、
前記短絡制御を実施する演算部と、を備え、
前記演算部は、前記第２の温度測定回路の測定結果に基づいて前記レグの温度を演算する
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記第２の温度測定回路には、サーミスタが含まれる
ことを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。