JP7294455B2

JP7294455B2 - 電力変換装置およびその製造方法

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Publication number: JP7294455B2
Application number: JP2021565261A
Authority: JP
Inventors: 尚哉柴田; 雅博木下; 一誠深澤
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2019-12-19
Filing date: 2019-12-19
Publication date: 2023-06-20
Anticipated expiration: 2039-12-19
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Description

この出願は、フェイズチェンジマテリアルが用いられた電力変換装置およびその製造方法に関する。

従来、例えば日本特許第６５４０６１２号に記載されているように、サーマルインターフェイスマテリアル（ＴＩＭ）を備えた半導体装置が知られている。ＴＩＭは、半導体素子と放熱体との間の熱抵抗を低減する。上記従来の技術では、ＴＩＭとしてフェイズチェンジマテリアルが用いられている。

日本特許第６５４０６１２号

フェイズチェンジマテリアルは、加熱軟化によって密着性が向上する。密着性を向上させることで、接触熱抵抗を低減できる。その結果、フェイズチェンジマテリアルを介して電力変換モジュールから放熱部材へと効率よく熱伝達が行われる。

フェイズチェンジマテリアルの接触熱抵抗を効果的に低減するためには、電力変換モジュールと放熱部材との接触面において、面内に大きな加熱ムラが発生することは好ましくない。この点に関し、上記従来の技術はフェイズチェンジマテリアルの加熱時に生じる温度ムラについての検討が欠落しており、未だ改良の余地があった。

本出願は、上述のような課題を解決するためになされたもので、フェイズチェンジマテリアルの加熱軟化にムラが生じることを抑制するように改良された電力変換装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

本出願にかかる電力変換装置は、主面を持つケーシングと、前記ケーシングに収納され前記主面の平面方向に並べられた半導体スイッチング素子および還流ダイオードと、を含み、前記半導体スイッチング素子および前記還流ダイオードが電力変換回路を構成する電力変換モジュールと、前記ケーシングの前記主面に設けられたフェイズチェンジマテリアルと、放熱面を備え、前記フェイズチェンジマテリアルを挟むように前記放熱面が前記主面に重ねられた放熱部材と、前記放熱部材を冷却する冷却手段と、前記電力変換回路を駆動するための駆動信号を生成するとともに前記冷却手段を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、予め設定された加熱運転を含み、前記加熱運転は、前記冷却手段を停止または間欠運転させた状態で、予め定められた１未満の目標力率で直流電力から交流電力を生成するように前記電力変換回路を駆動する低力率直交変換モードを実行する。

本出願にかかる電力変換装置は、主面を持つケーシングと、前記ケーシングに収納され前記主面の平面方向に並べられた半導体スイッチング素子および還流ダイオードと、を含み、前記半導体スイッチング素子および前記還流ダイオードが電力変換回路を構成する電力変換モジュールと、前記ケーシングの前記主面に設けられたフェイズチェンジマテリアルと、放熱面を備え、前記フェイズチェンジマテリアルを挟むように前記放熱面が前記主面に重ねられた放熱部材と、前記放熱部材を冷却する冷却手段と、前記電力変換回路を駆動するための駆動信号を生成するとともに前記冷却手段を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、予め設定された加熱運転を含み、前記加熱運転は、前記冷却手段を停止または間欠運転させた状態で交直変換モードと低力率直交変換モードとを一方から他方に切り替えるように構築され、前記交直変換モードは、交流電力から直流電力を生成するように前記電力変換回路を駆動し、前記低力率直交変換モードは、予め定められた１未満の目標力率で直流電力から交流電力を生成するように前記電力変換回路を駆動する。

本出願にかかる電力変換装置の製造方法は、主面を持つケーシングを含む電力変換モジュールと前記主面に設けられたフェイズチェンジマテリアルとを準備するとともに、前記電力変換モジュールは前記ケーシングに収納され前記主面の平面方向に並べられた半導体スイッチング素子および還流ダイオードを含み、前記半導体スイッチング素子および前記還流ダイオードが電力変換回路を構成するものである工程と、放熱部材の放熱面と前記主面とを前記フェイズチェンジマテリアルを挟むように重ねる工程と、製品出荷前試験において、前記フェイズチェンジマテリアルを加熱するための加熱運転を実施する工程と、を備え、前記加熱運転は、前記放熱部材を冷却する冷却手段を継続駆動させた状態で、予め定められた１未満の目標力率で直流電力から交流電力を生成するように前記電力変換回路を駆動する低力率直交変換モードを実行する。

上記の電力変換装置および製造方法によれば、半導体スイッチング素子および還流ダイオードを発熱させる加熱運転を実施できる。加熱運転によれば、主面における半導体スイッチング素子および還流ダイオードの付近の領域の温度ムラを抑制した状態で、フェイズチェンジマテリアルを加熱軟化することができる。その結果、フェイズチェンジマテリアルの加熱軟化にムラが生じることを抑制することができる。

実施の形態にかかる電力変換装置の構成図である。実施の形態にかかる電力変換装置と放熱部材とを示す図である。実施の形態にかかる電力変換モジュールの平面図である。実施の形態にかかる電力変換モジュールの断面図である。実施の形態にかかる電力変換装置の回路構成の一例を示す回路図である。実施の形態にかかる電力変換装置の試験装置の一例を示す図である。実施の形態にかかる電力変換装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。実施の形態にかかる電力変換装置の加熱運転を説明するためのフローチャートである。実施の形態にかかる電力変換装置の加熱運転の動作を説明するためのグラフである。実施の形態にかかる電力変換装置の加熱運転のバリエーションを示す表である。実施の形態にかかる電力変換装置の加熱運転のバリエーションを示す表である。実施の形態の変形例にかかる電力変換装置の加熱運転の動作を説明するためのグラフである。実施の形態の変形例にかかる電力変換装置の加熱運転を説明するためのフローチャートである。実施の形態の変形例にかかる電力変換装置の加熱運転を説明するためのフローチャートである。実施の形態の変形例にかかる電力変換装置の加熱運転を説明するためのフローチャートである。

図１は、実施の形態にかかる電力変換装置１０の構成図である。電力変換装置１０は、電力変換ユニット１と、放熱部材５０と、冷却手段３３と、制御手段２０と、温度センサ３１と、を備える。電力変換装置１０は筐体の中に上記各構成部品を収納している。この筐体には通気孔なども設けられている。

電力変換ユニット１は、電力変換回路１ａおよびゲートドライブ基板１ｂを備える。電力変換回路１ａは、三つのアーム回路を含む電圧型三相インバータ回路である。電圧型三相インバータ回路の具体的な種類に限定はない。電力変換回路１ａは、図２で後述する電力変換モジュール１００を複数個備えている。

冷却手段３３は、放熱部材５０を冷却する。実施の形態の冷却手段３３は、一例として空冷冷却ファンである。冷却手段３３の変形例として、空冷用の冷却ファンの代わりに冷媒循環システムが用いられてもよい。変形例の冷媒循環システムは、放熱部材５０に接する冷媒通路と、冷媒通路の途中に設けられたラジエータと、冷媒通路内の冷媒を循環させる循環ポンプとを含んでもよい。空冷冷却ファンの回転数制御あるいは循環ポンプの駆動回転数制御によって、冷却手段３３のオンオフおよび冷却量を調整可能である。

制御手段２０は、電力変換制御部２０ａと温度制御部２０ｂとを含んでいる。電力変換制御部２０ａは、電力変換回路１ａを駆動させるために、ＰＷＭ信号Ｓ_ＰＷＭを電力変換ユニット１に伝達する。温度制御部２０ｂは、冷却手段３３を制御するために、ファン制御信号Ｓ_ｆを冷却手段３３に伝達する。

制御手段２０は、一つまたは複数のマイコンで構築されてもよい。制御手段２０の具体的ハードウェア構造の例については後述する。

温度センサ３１は、電力変換モジュール１００の周囲温度Ｔ_１を検知する。温度センサ３１の温度検知信号Ｔ_１は制御手段２０に伝達される。

図２は、実施の形態にかかる電力変換装置１０と放熱部材５０とを示す図である。実施の形態では一例として、放熱部材５０はヒートパイプである。なお放熱部材５０はヒートシンクに変形されてもよい。

放熱部材５０は、放熱面５０ａを備えている。放熱面５０ａの上に、３つの電力変換モジュール１００が並べて配置されている。フェイズチェンジマテリアル１２０を挟むように放熱面５０ａと主面１０１とが重ねられている。放熱面５０ａに設けられるこの種の熱伝達層は、サーマルインターフェイスマテリアル（ＴＩＭ）とも称される。ＴＩＭには様々な材料が公知であり、例えばグリースなどがある。実施の形態ではこのＴＩＭにフェイズチェンジマテリアルが用いられる。

図３は、実施の形態にかかる電力変換モジュール１００の平面図である。図４は、実施の形態にかかる電力変換モジュール１００の断面図である。図４は図３のＩ－ＩＩ線に沿う断面矢視図である。図３および図４はフェイズチェンジマテリアル１２０の加熱軟化前の状態を図示したものである。

電力変換モジュール１００は、ケーシング１００ａと、ケーシング１００ａに収納された基板１１２と、基板１１２に実装された半導体スイッチング素子１１０および還流ダイオード１１１と、を含んでいる。

ケーシング１００ａは、樹脂封止材１１６と放熱板１１４とで構成されている。ケーシング１００ａは、上面１０２と、下面１０１と、前後左右４つの側面１０３とを持っている。放熱板１１４の一つの面がケーシング１００ａの下面１０１に相当している。実施の形態では一例としてケーシング１００ａの下面１０１を「主面１０１」とも称する。

半導体スイッチング素子１１０はゲート駆動信号に従ってオンオフ制御される。半導体スイッチング素子１１０は、ＩＧＢＴでもよく、ＭＯＳＦＥＴでもよく、ＧＴＯでもよい。半導体スイッチング素子１１０および還流ダイオード１１１の半導体材料は、シリコンでもよく、或いはＳｉＣなどのワイドバンドギャップ半導体でもよい。

図３では、主面１０１の側から放熱板１１４が透視されることで、半導体スイッチング素子１１０および還流ダイオード１１１が破線で図示されている。図３に示すように、半導体スイッチング素子１１０および還流ダイオード１１１は、主面１０１の平面方向に所定のレイアウトで並べられる。実施の形態では一例としてケーシング１００ａが樹脂成形による封止樹脂パッケージである。しかし変形例としてケーシング１００ａが蓋と箱とを持つ樹脂筐体であってもよい。

電力変換モジュール１００は、二つの半導体スイッチング素子１１０および三つの還流ダイオード１１１を備える。一つの電力変換モジュール１００が一つのアーム回路を構成する。実施の形態では、図２に示したように三つの電力変換モジュール１００が設けられることで、三相インバータ回路として電力変換回路１ａが構築されている。

フェイズチェンジマテリアル１２０は、ケーシング１００ａの主面１０１に設けられている。実施の形態では、フェイズチェンジマテリアル１２０が一例として六角形の小片とされ、複数のフェイズチェンジマテリアル１２０が主面１０１に並べられている。ただし、変形例として、一つのフェイズチェンジマテリアルシートが主面１０１に貼り付けられてもよい。図３のごとく主面１０１を透視したときに、半導体スイッチング素子１１０および還流ダイオード１１１がフェイズチェンジマテリアル１２０で十分に覆われることが好ましい。

フェイズチェンジマテリアル１２０は、熱により軟化する性質を有する。軟化により密着性が向上すると接触熱抵抗が低減される。その結果、放熱部材５０への熱伝達性が高まるので、放熱性を高めることができる。フェイズチェンジマテリアル１２０は、すでに様々な材料が公知であるから、詳細な説明は省略する。

図５は、実施の形態にかかる電力変換装置１０の回路構成の一例を示す回路図である。図５には、図１では省略されている回路要素も図示されている。

電力変換装置１０の直流入力端Ｐ、Ｎに、直流電源３０から直流電力が入力される。実施の形態では、一例として、直流電源３０が太陽電池パネルである。電力変換装置１０の交流出力端Ｕ、Ｖ、Ｗは、電力系統４０に接続している。

電力変換回路１ａは、制御手段２０からの駆動信号に従って、直流電力を三相交流電力に変換するインバータ駆動と、三相交流電力を直流電力に変換するコンバータ駆動とをそれぞれに実行することができる。

電力変換装置１０は、電力変換ユニット１の直流側に接続する直流側回路と、電力変換ユニット１の交流側に接続する交流側回路と、を備えている。直流側回路は、直流側リレー３と計器用変流器（ＣＴ）８ａと計器用変圧器（ＶＴ）８ｂとを含んでいる。

交流側回路は、トランス２と、保護リレー４と、交流端リレー５と、リアクトル６と、キャパシタ７と、計器用変流器（ＣＴ）９ａ、９ｃと、計器用変圧器（ＶＴ）９ｂ、９ｄとを含んでいる。トランス２は、電力変換ユニット１の交流端に接続している。リアクトル６は、トランス２に直列接続している。キャパシタ７の一端はトランス２とリアクトル６との間に接続され、キャパシタ７の他端が接地などの基準電位に接続されている。保護リレー４は、リアクトル６に直列接続している。交流端リレー５は、保護リレー４に直列接続している。計器用変流器９ａおよび計器用変圧器９ｂは、保護リレー４と交流端リレー５との間に設けられている。計器用変流器９ｃは電力変換ユニット１の交流端とトランス２との間に設けられている。計器用変圧器９ｄは、トランス２とキャパシタ７の接続点と、リアクトル６との間に設けられている。なお、直流側回路と交流側回路は様々な構成が可能であり、実施の形態では一例を示したものである。

制御手段２０は、制御回路である。制御手段２０の電力変換制御部２０ａは、ＰＷＭ制御部２１と電力制御部２２とを備える。電力制御部２２は、計器用変流器８ａを介して取得した直流側電流値と、計器用変圧器８ｂを介して取得した直流側電圧値と、計器用変流器９ａを介して取得した交流側電流値と、計器用変圧器９ｂを介して取得した交流側電圧値と、を取得する。

電力制御部２２は、取得したパラメータに基づいて、ＰＷＭ制御部２１に「電力制御信号」を伝達する。実施の形態では一例として電力制御部２２がＭＰＰＴ制御モード（最大電力点追従制御モード）を備えているので、電力制御信号はＭＰＰＴ制御に基づく制御指令値であってもよい。また、電力制御信号は、有効電力指令値と無効電力指令値とに基づく充放電制御指令値であってもよい。

ＰＷＭ制御部２1は、計器用変流器９ｃを介して取得した交流側電流値と、計器用変圧器９ｄを介して取得した交流側電圧値と、を取得する。ＰＷＭ制御部２1は、取得したパラメータに基づいて、電力制御部２２からの電力制御信号に従って、スイッチング素子の駆動信号を生成する。実施の形態ではこの駆動信号がパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）である。

制御手段２０の温度制御部２０ｂは、冷却制御部２０ｂ１とモード制御部２０ｂ２とを備える。温度制御部２０ｂには、温度センサ３１からの温度検知信号Ｔ_１が入力される。冷却制御部２０ｂ１は、冷却手段３３（冷却ファン）の冷却制御モードを、常時駆動（常時ＯＮ）と間欠駆動（間欠ＯＮ）と停止（ＯＦＦ）とで切り替えることができる。

モード制御部２０ｂ２は、冷却制御部２０ｂ１に冷却制御モードを指示するとともに、電力変換回路１ａに電力変換モードを指示することができる。モード制御部２０ｂ２は、電力変換回路１ａに対して、「交直変換モード」と「低力率直交変換モード」とのうち少なくとも一方の駆動を指示する。

交直変換モードは、交流電力から直流電力を生成するように電力変換回路１ａを駆動するモードである。交直変換モードでは、還流ダイオード１１１が整流器として使用されるので、還流ダイオード１１１に電流が流れる。その結果、還流ダイオード１１１を発熱させることができ、この発熱でフェイズチェンジマテリアル１２０を加熱軟化できる。

この交直変換モードは、実施の形態では便宜上「充電モード」とも称される。これは、電力変換ユニット１で交流から直流を作り出すモードは、一般に電力系統４０から直流電力を作り出して蓄電池に充電するモードとして利用されるからである。図６で後述する試験装置２００での試験時には、交直変換モードが充電モードとして使用される。

「低力率直交変換モード」は、予め定められた１未満の目標力率Φで直流電力から交流電力を生成するように、電力変換回路１ａを駆動するモードである。低力率直交変換モードは、低力率電力変換がされるので比較的多くの無効電流が電力変換回路１ａを流れる。その結果、還流ダイオード１１１を発熱させることができ、この発熱でフェイズチェンジマテリアル１２０を加熱軟化できる。

目標力率Φの値に限定はなく、０＜Φ＜１．０の範囲で目標力率を任意に設定することができる。例えばΦ＝０．９、０．８、０．７・・・、０．２、０．１などであってもよい。例えば目標力率Φの設定範囲が定められてもよい。上限目標力率が例えばΦ＝０．９９～０．５から選択されてもよく、下限目標力率が例えばΦ＝０．４９～０．０１から選択されてもよく、任意の上限目標力率と任意の下限目標力率とで設定範囲が定義されてもよい。

低力率直交変換モードは、実施の形態では便宜上「低力率放電モード」とも称される。これは、電力変換ユニット１で直流から交流を作り出すモードは、蓄電池から電力系統４０の側に電力を放電するモードとして利用されるからである。図６で後述する試験装置２００での試験時には、低力率直交変換モードが低力率放電モードとして使用される。

制御手段２０は、予め設定された「加熱運転」を含む。加熱運転は、冷却手段３３を停止または間欠運転させた状態で、半導体スイッチング素子１１０と還流ダイオード１１１との両方を発熱させるように電力変換回路１ａを駆動する。

加熱運転では、冷却手段３３が、停止と間欠運転と常時駆動とのいずれかの冷却制御モードに設定される。加熱運転では、電力変換回路１ａの電力変換モードが「交直変換モード」と「低力率直交変換モード」とのうち少なくとも一方に設定される。

一例として、加熱運転は、冷却手段３３を停止または間欠運転させた状態で、「交直変換モード」を実行してもよい。他の例として、加熱運転は、冷却手段３３を停止または間欠運転させた状態で、「低力率直交変換モード」を実行してもよい。

更に他の例として、加熱運転は、冷却手段３３を停止または間欠運転させた状態で、「第一電力変換モード」から「第二電力変換モード」へと切り替えるように構築されてもよい。交直変換モードと低力率直交変換モードとのうち一方が第一電力変換モードとされ、他方が第二電力変換モードとされる。切り替えのタイミングは、加熱運転開始後に予め定めた時間が経過したタイミングであってもよく、加熱運転開始後に電力変換モジュール１００のモジュール温度が予め定めた温度に到達したタイミングであってもよい。

加熱運転を実行する際の制御パラメータには、「加熱運転時間」と「加熱運転出力電力」とが含まれる。加熱運転時間は、加熱運転を継続して実行する時間の長さである。

加熱運転出力電力は、加熱運転を行う際における電力変換回路１ａの出力電力の大きさである。実際には、電力変換回路１ａを制御するための各種制御目標値を調節することによって、加熱運転出力電力が可変設定されてもよい。例えば充電モードであれば、加熱運転出力電力は、充電電力および充電電流（有効電流）の大きさを調節されることで可変設定されてもよい。例えば低力率放電モードであれば、加熱運転出力電力は、放電電流（有効電流）および無効電流の大きさ調節することで可変設定されてもよい。

図６は、実施の形態にかかる電力変換装置１０の試験装置２００の一例を示す図である。試験装置２００は、電力還流型のシステム構成を有する。

電力還流型のシステム構成は、電源機２０１と交流電源Ｖｓと試験対象である電力変換装置１０と直流キャパシタ２０２とが環状に接続されたものである。電源機２０１と電力変換装置１０との出力バランスが保たれることで、電力の大部分を還流させることができる。その結果、試験時の消費電力を抑制することができる。

図６には交直変換モードつまり充電モードが図示されており、白抜き矢印に示すように電源機２０１が出力した三相交流電力が電力変換装置１０の交流端に伝達される。電力変換装置１０は三相交流電力から直流電力を生成して直流キャパシタ２０２の側へと出力する。一方、低力率直交変換モードつまり低力率放電モードの場合には、図６とは逆向きに電力が循環する。

図７は、実施の形態にかかる電力変換装置１０の製造方法を説明するためのフローチャートである。図７に示すように、まず、部品準備および組み立てが行われる（ステップＳ１００）。このステップでは、主面１０１にフェイズチェンジマテリアル１２０が設けられた電力変換モジュール１００が準備される。さらに、放熱部材５０の放熱面５０ａと主面１０１とが、フェイズチェンジマテリアル１２０を挟むように重ねられる。

次に、ステップＳ１０１～Ｓ１０３に記載した製品出荷前試験が実施される。製品出荷前試験のうち少なくともステップＳ１０２は、上述した図６の試験装置２００で行われる。

まず、電力変換ユニット１および電力変換装置１０に対して、耐圧試験および制御電圧試験が行われる（ステップＳ１０１）。

次に、主回路通電および加熱運転が実行される（ステップＳ１０２）。このステップで電力変換ユニット１が主電流の通電を開始する。ステップＳ１０２の加熱運転は、放熱部材５０を冷却する冷却手段３３を停止または間欠運転させた状態で、半導体スイッチング素子１１０と還流ダイオード１１１との両方を発熱させるように電力変換回路１ａを駆動する運転である。例えば、加熱運転モード信号Ｓ_Ｍ１が制御手段２０に入力された場合に、これに応答して加熱運転が実行されてもよい。これによりフェイズチェンジマテリアル１２０が加熱軟化されることで、密着性を向上させることができる。

次に、電力変換装置１０の定常特性試験が実施される（ステップＳ１０３）。その後、試験終了とされ（ステップＳ１０４）、製品出荷が行われる（ステップＳ１０５）。

図８は、実施の形態にかかる電力変換装置１０の加熱運転を説明するためのフローチャートである。図８は、図７におけるステップＳ１０２の内容を詳細に記載したものである。図８のルーチンは、モード制御部２０ｂ２が主体となって実行する処理である。

図８のルーチンでは、まず、冷却手段３３が停止される（ステップＳ１０２１）。変形例として、停止ではなく一定間隔で作動と停止とを切り替える間欠運転が実施されてもよい。

次に、温度センサ３１を介して電力変換モジュール１００の周囲温度Ｔ_１が検知される（ステップＳ１０２２）。

次に、加熱運転時間Ｔ_ＯＰが計算される（ステップＳ１０２３）。加熱運転時間の具体的な計算処理内容は、図９を用いて後述する。

次に、充電モードで電力変換回路１ａが駆動させられる（ステップＳ１０２４）。これにより、放熱部材５０を冷却する冷却手段３３を停止または間欠運転させた状態で、半導体スイッチング素子１１０と還流ダイオード１１１との両方が発熱させられる。

加熱運転により半導体スイッチング素子１１０それぞれがその直下のフェイズチェンジマテリアル１２０を加熱したときのフェイズチェンジマテリアル１２０の温度を、「第一温度」とも称する。加熱運転により還流ダイオード１１１それぞれがその直下のフェイズチェンジマテリアル１２０を加熱したときのフェイズチェンジマテリアル１２０の温度を、「第二温度」とも称する。

実施の形態では、一例として、第一温度と第二温度がフェイズチェンジマテリアル１２０の軟化温度以上であり、第一温度と第二温度とがほぼ同じである。例えば１℃～数℃程度の誤差範囲は、ほぼ同じ温度とみなしてもよい。主面１０１の全体としてフェイズチェンジマテリアル１２０がムラなく加熱軟化されるほどの熱量を生じさせればよい。従って、第一熱量と第二熱量とは同じであってもよいが、これに限られず第一熱量と第二熱量とのうち一方が他方より大きくともよい。第一温度と第二温度との間には、例えば数℃程度またはそれ以上の温度差があってもよい。

次に、ステップＳ１０２３で設定された加熱運転時間が経過したか否かが判定される（ステップＳ１０２５）。加熱運転時間が経過するまでは処理がＳ１０２５にリターンし、加熱運転時間が経過した場合には今回のルーチンが終了する。

図９は、実施の形態にかかる電力変換装置１０の加熱運転の動作を説明するためのグラフである。具体的には、図９は加熱運転時間の計算処理を説明するための図である。

制御手段２０は、温度センサ３１で検知した周囲温度Ｔ_１に基づいて加熱運転を実行する時間である加熱運転時間Ｔ_ＯＰを可変設定するように構築されてもよい。制御手段２０は、周囲温度Ｔ_１が高いほど加熱運転時間Ｔ_ＯＰを短く計算するように定めた第一所定関数または第一所定モデルを含んでもよい。

上記第一所定関数または第一所定モデルには、周囲温度Ｔ_１に応じた加熱運転時間Ｔ_ＯＰの傾向ｆ１が定められている。図９には、この傾向ｆ１の一例が図示されている。傾向ｆ１は、図９の特性のように一定の変化率つまり一次関数で定められていてもよい。変形例として、図９の特性の代わりに、二次以上の関数のようなカーブ状の傾向が用いられてもよく、ステップ状のように周囲温度Ｔ_１が一定温度上昇するごとにステップ状に加熱運転時間Ｔ_ＯＰを短縮化する傾向が用いられてもよく、異なる変化率を持つ複数の直線を組み合わせた折れ線グラフ状の傾向が用いられてもよい。

以上説明したように、実施の形態にかかる電力変換装置１０およびその製造方法によれば、製品出荷前試験などの特定のタイミングで加熱運転が実行される。加熱運転により、冷却手段３３駆動を抑制しつつ半導体スイッチング素子１１０と還流ダイオード１１１との両方を発熱させる運転状態を作り出すことができる。

この加熱運転によれば、主面１０１における半導体スイッチング素子１１０および還流ダイオード１１１の付近の領域の温度ムラを抑制した状態で、フェイズチェンジマテリアル１２０を加熱軟化することができる。その結果、フェイズチェンジマテリアル１２０の加熱軟化にムラが生じることを抑制することができる。

なお、フェイズチェンジマテリアル１２０の加熱方法には、電力変換モジュール１００の駆動発熱による加熱と、ヒータなどの外部設備による加熱とがある。ここでＭＰＰＴ駆動モード等では、半導体スイッチング素子１１０への通電が主となり、還流ダイオード１１１の発熱量は半導体スイッチング素子１１０に比べて微小となることが普通である。その結果、ＭＰＰＴ駆動モード等では加熱時に温度ムラができやすいという問題があった。また、ヒータなどの外部設備による加熱は、専用設備および作業手間が増大するので生産効率が低下するという問題があった。この点、実施の形態にかかる加熱運転によれば、高い生産効率で、フェイズチェンジマテリアル１２０の加熱軟化ムラを確実に抑制することができる。

以下、実施の形態の変形例を追加説明する。図１０および図１１は、実施の形態にかかる電力変換装置１０の加熱運転のバリエーションを示す表である。

図１０および図１１には、加熱運転モード番号（Ｎｏ．１～Ｎｏ．５０）と、冷却制御モードの種別と、電力変換モードの種別と、加熱運転時間の決定方法と、加熱運転出力電力の決定方法との組み合わせバリエーションが示されている。電力変換モードの種別は、モード数と、第一電力変換モードおよび第二電力変換モードの内容とを含む。

例えばＮｏ．１の加熱運転モードでは、冷却手段３３を停止（ＯＦＦ）とし、電力変換モードは充電モードの一つのみであり、加熱運転時間は前述のステップＳ１０２３に従って計算し、加熱運転出力電力は予め定められた固定値に設定される。これと同様のルールに従って、他のＮｏ．２～５０のモード内容を図１０および図１１それぞれの表から読み取ることができる。

（加熱運転出力電力の可変設定）
Ｎｏ．６～１５とＮｏ．２１～３０とＮｏ．３６～４０とＮｏ．４６～５０の加熱運転モードでは、「加熱運転出力電力」が計算により可変設定される。加熱運転出力電力を可変設定する変形例を以下説明する。

図１２は、実施の形態の変形例にかかる電力変換装置１０の加熱運転の動作を説明するためのグラフである。図１３は、実施の形態の変形例にかかる電力変換装置１０の加熱運転を説明するためのフローチャートである。この変形例において、制御手段２０は、温度センサ３１で検知した周囲温度Ｔ_１に基づいて加熱運転出力電力を可変設定するように、各種制御目標値を演算する。

各種制御目標値は、有効電力目標値と無効電流目標値と目標力率とのうち少なくとも一つを含んでもよい。制御手段２０は、周囲温度Ｔ_１が高いほど加熱運転出力電力を小さく計算するように定めた第二所定関数または第二所定モデルを含んでもよい。第二所定関数または第二所定モデルには、周囲温度Ｔ_１に対する各種制御目標値を定めた傾向ｆ２が定められている。図１２には、この傾向ｆ２の一例が図示されている。

本変形例は、図１３のフローチャートを実行することで達成される。図１３は、図８のステップＳ１０２３の内容をステップＳ１１２３に変更したものである。ステップＳ１１２３では、図１２の傾向ｆ２が参照されることで、周囲温度Ｔ_１に応じた各種制御目標値が調節される。ステップＳ１１２３の一例として、制御手段２０は、周囲温度Ｔ_１が高くなるほど交直変換モード（充電モード）における有効電流目標値を増大させてもよい。また、ステップＳ１１２３の他の例として、制御手段２０は、周囲温度Ｔ_１が高くなるほど低力率直交変換モードにおける無効電流目標値を増大させることが好ましく、言い換えると目標力率を低下させてもよい。

傾向ｆ２は、図１２に例示したように、一定の変化率つまり一次関数で定められていてもよい。傾向ｆ２の変形例として、二次以上の関数のようなカーブ状の傾向が用いられてもよく、ステップ状のように周囲温度Ｔ_１が一定温度上昇するごとにステップ状に加熱運転出力電力を短縮化する傾向が用いられてもよく、異なる変化率を持つ複数の直線を組み合わせた折れ線グラフ状の傾向が用いられてもよい。

（冷却手段の継続駆動および低力率放電モード）
図１０におけるＮｏ．３，８，１３，１８，２３と、図１１におけるＮｏ．２８，３３，３８，４３，４８とは、冷却手段３３を継続運転（常時ＯＮ）とする加熱運転モードである。以下、この変形例を説明する。

図１４は、実施の形態の変形例にかかる電力変換装置１０の加熱運転を説明するためのフローチャートである。この変形例では、前述のステップＳ１０２１およびＳ１０２４が、ステップＳ１１２１およびＳ１１２４に置換される。この変形例では、ステップＳ１１２１で冷却手段３３が継続駆動される。さらに、ステップＳ１１２４において、冷却手段３３を継続駆動させた状態で、低力率直交変換モードが実行される。

実施の形態にかかる製造方法の変形例として、冷却手段３３を継続駆動させるようにステップＳ１０２の内容が変形されてもよい。つまり、製品出荷前試験において、放熱部材５０を冷却する冷却手段３３を継続駆動させた状態で、予め定められた１未満の目標力率で直流電力から交流電力を生成するように電力変換回路１ａを駆動する低力率直交変換モードが実行されてもよい。

（モジュール保護温度に基づく加熱停止）
図１１におけるＮｏ．３１～Ｎｏ．５０の加熱運転モードは、加熱運転時間を計算で決めるのではなく、加熱運転時間をモジュール保護温度に基づいて決定する。図１５は、実施の形態の変形例にかかる電力変換装置１０の加熱運転を説明するためのフローチャートである。

図１５の変形例では、前述のステップＳ１０２５がステップＳ１１２５へと置換される。ステップＳ１１２５では、制御手段２０が、電力変換モジュール１００について予め定められたモジュール保護温度に達するまで加熱運転を実行し、電力変換モジュール１００の温度がモジュール保護温度に達したら加熱運転を終了する。モジュール保護温度は、電力変換モジュール１００の仕様として予め定められている。温度センサ３１とは別に、電力変換モジュール１００の温度を精度良く検知するためのモジュール温度センサを別途設けてもよい。

なお、図１０および図１１に記載されていない他の代替変形例もある。例えば、加熱運転時間と加熱運転時間の両方を固定にしてもよい。フェイズチェンジマテリアル１２０が十分に軟化される程度の時間および出力を計算等に基づいて予め設定することが可能だからである。

なお、図１０および図１１に記載したバリエーションおよび上記の代替変形例からなる群から、異なる複数個の加熱運転モードが選択されてもよい。選択された複数個の加熱運転モードが、モード制御部２０ｂ２に記憶されてもよい。これにより、例えば電力変換装置１０の製品仕様に応じて、あるいは試験装置２００の仕様、試験条件等に応じて、異なる加熱運転のバリエーションを使い分けてもよい。

電力変換装置１０の用途は限定されない。電力変換装置１０は、太陽光発電システム用の電力変換装置１０として提供されてもよく、電動機駆動システム用の電力変換装置１０として提供されてもよく、無停電電源装置システム用の電力変換装置１０として提供されてもよい。つまり、直流電源３０に限定はなく、様々な構成が適用されうる。直流電源３０は蓄電池であってもよい。直流電源３０は風力発電機とコンバータとからなる直流電源であってもよい。直流電源３０は交流電源とコンバータとからなる直流電源であってもよい。電力系統４０の代わりに、電動機またはそれ以外の負荷が接続されてもよい。

制御手段２０の機能は、処理回路により実現されてもよい。処理回路は、専用ハードウェアであってもよい。処理回路は、プロセッサ及びメモリを備えていてもよい。処理回路は、一部が専用ハードウェアとして形成され、更にプロセッサ及びメモリを備えていてもよい。

処理回路の少なくとも一部が、少なくとも１つの専用ハードウェアである場合、処理回路は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、又はこれらを組み合わせたものが該当する。

処理回路が少なくとも１つのプロセッサ及び少なくとも１つのメモリを備える場合、制御手段２０の各機能は、ソフトウェア、ファームウェア、又はソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェア及びファームウェアはプログラムとして記述され、メモリに格納される。プロセッサは、メモリに記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、各部の機能を実現する。プロセッサは、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ＤＳＰとも呼ぶ。メモリは、例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリー、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ等の、不揮発性又は揮発性の半導体メモリ等が該当する。

このように、処理回路は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はこれらの組み合わせによって、制御手段２０の各機能を実現することができる。

１電力変換ユニット、１ａ電力変換回路、１ｂゲートドライブ基板、２トランス、３直流側リレー、４保護リレー、５交流端リレー、６リアクトル、７キャパシタ、８ａ、９ａ、９ｃ計器用変流器（ＣＴ）、８ｂ、９ｂ、９ｄ計器用変圧器（ＶＴ）、１０電力変換装置、２０制御手段、２０ａ電力変換制御部、２０ｂ温度制御部、２０ｂ１冷却制御部、２０ｂ２モード制御部、２１ＰＷＭ制御部、２２電力制御部、３０直流電源、３１温度センサ、３３冷却手段（冷却ファン）、４０電力系統、５０放熱部材、５０ａ放熱面、１００電力変換モジュール、１００ａケーシング、１０１主面（下面）、１０２上面、１０３側面、１１０半導体スイッチング素子、１１１還流ダイオード、１１２基板、１１４放熱板、１１６樹脂封止材、１２０フェイズチェンジマテリアル、２００試験装置、２０１電源機、２０２直流キャパシタ、Ｓ_ｆファン制御信号、Ｓ_Ｍ１加熱運転モード信号、Ｓ_ＰＷＭＰＷＭ信号、Ｔ_１温度検知信号（周囲温度）、Ｔ_ＯＰ加熱運転時間

Claims

主面を持つケーシングと、前記ケーシングに収納され前記主面の平面方向に並べられた半導体スイッチング素子および還流ダイオードと、を含み、前記半導体スイッチング素子および前記還流ダイオードが電力変換回路を構成する電力変換モジュールと、
前記ケーシングの前記主面に設けられたフェイズチェンジマテリアルと、
放熱面を備え、前記フェイズチェンジマテリアルを挟むように前記放熱面が前記主面に重ねられた放熱部材と、
前記放熱部材を冷却する冷却手段と、
前記電力変換回路を駆動するための駆動信号を生成するとともに前記冷却手段を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、予め設定された加熱運転を含み、
前記加熱運転は、前記冷却手段を停止または間欠運転させた状態で、予め定められた１未満の目標力率で直流電力から交流電力を生成するように前記電力変換回路を駆動する低力率直交変換モードを実行する電力変換装置。
主面を持つケーシングと、前記ケーシングに収納され前記主面の平面方向に並べられた半導体スイッチング素子および還流ダイオードと、を含み、前記半導体スイッチング素子および前記還流ダイオードが電力変換回路を構成する電力変換モジュールと、
前記ケーシングの前記主面に設けられたフェイズチェンジマテリアルと、
放熱面を備え、前記フェイズチェンジマテリアルを挟むように前記放熱面が前記主面に重ねられた放熱部材と、
前記放熱部材を冷却する冷却手段と、
前記電力変換回路を駆動するための駆動信号を生成するとともに前記冷却手段を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、予め設定された加熱運転を含み、
前記加熱運転は、前記冷却手段を停止または間欠運転させた状態で交直変換モードと低力率直交変換モードとを一方から他方に切り替えるように構築され、
前記交直変換モードは、交流電力から直流電力を生成するように前記電力変換回路を駆動し、
前記低力率直交変換モードは、予め定められた１未満の目標力率で直流電力から交流電力を生成するように前記電力変換回路を駆動する電力変換装置。
主面を持つケーシングを含む電力変換モジュールと前記主面に設けられたフェイズチェンジマテリアルとを準備するとともに、前記電力変換モジュールは前記ケーシングに収納され前記主面の平面方向に並べられた半導体スイッチング素子および還流ダイオードを含み、前記半導体スイッチング素子および前記還流ダイオードが電力変換回路を構成するものである工程と、
放熱部材の放熱面と前記主面とを前記フェイズチェンジマテリアルを挟むように重ねる工程と、
製品出荷前試験において、前記フェイズチェンジマテリアルを加熱するための加熱運転を実施する工程と、
を備え、
前記加熱運転は、前記放熱部材を冷却する冷却手段を継続駆動させた状態で、予め定められた１未満の目標力率で直流電力から交流電力を生成するように前記電力変換回路を駆動する低力率直交変換モードを実行する電力変換装置の製造方法。