JP7407768B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本願は、電力変換装置に関するものである。

電力の出力形態を変換する電力変換装置としては、交流電力を直流電力へ変換するＡＣ／ＤＣコンバータ（Ａｌｔｅｒｎａｔｅ Ｃｕｒｒｅｎｔ／Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ ＣＯＮＶＥＲＴＥＲ）、直流電力から交流電力へ変換するインバータ（Ｉｎｖｅｒｔｅｒ）、入力電圧と入力電流のレベルを変化させるＤＣ／ＤＣコンバータ、等が一般的である。これらの電力変換装置は、半導体スイッチング素子を備えた構成であることが多い。

半導体スイッチング素子には、一方向のみに電流を流すダイオード、大電流を扱うことに適したサイリスタ、高いスイッチング周波数で動作可能なパワー半導体スイッチング素子としてのパワートランジスタがある。半導体スイッチング素子のうち、特に、パワートランジスタは、自動車、冷蔵庫、エアーコンディショナー等の幅広い分野に用いられている。パワートランジスタの中には、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳ－ＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ-Ｏｘｉｄｅ―Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ―Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が属しており、これらのパワートランジスタは様々な用途により使い分けられている。

半導体スイッチング素子の材料として、近年、炭化ケイ素（ＳｉＣ：Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ）、窒化ガリウム（ＧａＮ：Ｇａｌｌｉｕｍ Ｎｉｔｒｉｄｅ）が注目されている。これらの材料により形成された半導体スイッチング素子は、従来のシリコン（Ｓｉ：Ｓｉｌｉｃｏｎ）を用いた半導体スイッチング素子に比べ、オン状態における半導体スイッチング素子の抵抗値が低く、電力損失を低減することができる。また、電子飽和速度が高く、オンおよびオフの状態の切り替えが素早く、電力損失を低減することができる。

シリコンと比較し、炭化ケイ素若しくは窒化ガリウムを用いた半導体スイッチング素子は、より高温の環境下で駆動することが可能である。しかしながら、半導体スイッチング素子の動作限界温度が定まっており、この動作限界温度を超えてもなお駆動し続けると、半導体スイッチング素子が破損する可能性がある。

半導体スイッチング素子の温度は、半導体スイッチング素子における電力損失が増加する駆動、すなわち、電力変換装置が大電力を出力する場合、スイッチング周波数を高めて駆動する場合、などで上昇する。

また、半導体スイッチング素子の温度は、電力変換装置が配置される環境にも依存する。電力変換装置は、半導体スイッチング素子等の発熱体を冷却する冷却器を備えているが、電力変換装置が配置される環境によっては、冷却器の冷却媒体の温度が高くなる。そのため、半導体スイッチング素子の温度がより一層上昇する。特に、冷却器に冷却媒体を流入する装置の故障等により、冷却媒体の流入が停止すると、冷却器から熱を放出できなくなり、半導体スイッチング素子等の温度が急激に上昇し続けることがある。

この場合、電力変換装置を停止させることで、半導体スイッチング素子の温度、および冷却媒体の温度を冷やすことは可能である。しかしながら、例えば、自動車に搭載されている電動パワーステアリング装置に用いられている電力変換装置は、自動車の操舵をアシストするモータを制御しており、電力変換装置を自動車の運転中に停止させることができず、半導体スイッチング素子が高温状態であっても、半導体スイッチング素子を破損させずに電力変換装置を駆動させ続ける必要がある。

以上述べたように、電力変換装置の駆動条件、配置環境、等により、半導体スイッチング素子が破損する温度(以下、動作限界温度と称する)まで上昇する可能性がある。したがって、半導体スイッチング素子が動作限界温度に達することを防ぎ、電力変換装置を駆動させ続けるためには、電力変換装置を適正な駆動条件、配置環境で駆動させる必要がある。特に、電力変換装置を構成する半導体スイッチング素子の配置環境において、冷却器に流れる冷却媒体の流入が停止した場合又は冷却媒体が消失した場合である異常状態を短時間に識別し、電力変換装置の駆動条件を変更して制御することで、半導体スイッング素子が破壊温度に達することを回避する必要がある。

従来、電力変換装置における半導体スイッチング素子の配置環境に関連し、冷却器に流れる冷却媒体の流入が停止することで、半導体スイッチング素子等の温度が一定の温度上昇率で急激に上昇し続け、半導体スイッチング素子の動作限界温度に達する可能性がある場合に、冷却器に流れる冷却媒体の温度を監視し、その温度の異常時に電力変換装置の駆動条件を制御して半導体スイッチング素子を保護する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８－２２００４２号公報

前述したように、電力変換装置の駆動条件と配置環境を要因として、半導体スイッチング素子が動作限界温度に達する可能性があるが、特許文献１に開示された従来の技術は、半導体スイッチング素子の温度を測定する温度センサとは別に、冷却媒体の温度を測定する温度センサを設け、配置環境の異常を監視するものである。しかしながら、冷却媒体の温度を監視するための温度センサを別途設ける必要がある。加えて、冷却媒体を監視するための制御ＩＣ、ＣＰＵを追加若しくは増設し、冷却媒体の温度を監視するための温度センサを、制御ＩＣ、ＣＰＵに接続するための配線スペース等を確保しなければならない。

したがって、特許文献１に開示された従来の技術は、半導体スイッチング素子の温度を測定する温度センサとは別に、冷却媒体の温度を測定する温度センサ、および冷却媒体の異常を監視するためのハードウェアを追加若しくは増設する必要があり、コストが高くなるという課題がある。

また、半導体スイッチング素子の温度を検出する温度センサの温度検出値を監視し、半導体スイッチング素子を構成する半導体チップの温度が動作限界温度に達しないように、電力変換装置の駆動条件を操作する技術が存在する。この技術は、温度検出値が予め定められた閾値を超えた場合に、電力変換装置の駆動条件を変更するように操作し、半導体スイッチング素子の温度上昇を抑制する技術である。

一方で、前述の閾値は、電力変換装置の駆動条件、および配置環境が正常なときに異常を誤検知しないように、温度センサの検知誤差、半導体スイッチング素子の発熱量のバラつき、冷却媒体の流入量のバラつき、等を加味して高めに設けられる。そのため、前述のバラつきがない状態で電力変換装置の駆動条件、配置環境が異常となった場合、高めに設けられた閾値に温度検出値が達するまでの時間が長くなる。すなわち、異常が発生してから検知するまで時間が長くなる。

特に冷却媒体の流入の停止、或いは冷却媒体が消失する故障の場合、半導体スイッチング素子の温度は急激に上昇し続けるため、異常が発生してから検知するまでの時間に比例して、半導体スイッチング素子の到達温度が高くなる。この場合においても、半導体スイッチング素子の破損を防止することが必要であるため、より耐熱性の高い半導体スイッチング素子、或いは低損失の半導体スイッチング素子、等の高価な半導体スイッチング素子が必要となる。

以上のように、温度センサの温度検出値と予め定められた閾値とを比較して、電力変換装置の駆動条件、配置環境、の異常を検知する技術は、冷却媒体の流入の停止、或いは冷却媒体が消失する等の故障時に達する半導体スイッチング素子の温度が高くなるという課題がある。

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、半導体スイッチング素子が動作限界温度に達して破壊されることを防ぎつつ、駆動の継続を実現する電力変換装置を提供することを目的とする。

本願に開示される電力変換装置は、
半導体スイッチング素子により構成された電力変換部と、
前記半導体スイッチング素子を冷却する冷却器と、
前記半導体スイッチング素子のスイッチングを制御する制御装置と、
前記半導体スイッチング素子の温度を検出する温度センサと、
を備え、回転電機を制御するように構成された電力変換装置であって、
前記制御装置は、
前記温度センサが検出した温度検出値に基づいて演算した温度上昇率と、予め定められた第１の閾値とを比較し、前記温度上昇率が前記第１の閾値を超えたことを判定する温度上昇率判定部と、
前記温度センサの温度検出値と予め定められた第２の閾値とを比較し、前記温度検出値が前記第２の閾値を超えたことを判定する温度上昇判定部と、
前記回転電機に対するトルク指令を抑制するトルク指令抑制部と、
を備え、
前記第１の閾値は、
前記電力変換部若しくは前記冷却器の正常時に前記温度上昇率が到達しない値であり、かつ、少なくとも前記半導体スイッチング素子の損失ばらつきと前記冷却器の性能ばらつきと前記温度センサの検出誤差とを加味し、前記温度センサの温度検出値の単位時間当たりの上昇量が高い値側にばらついたとしても、前記正常時に前記温度上昇率が到達しない値に設定され、
前記第２の閾値は、前記電力変換部若しくは前記冷却器の正常時には到達しない値に設定され、
前記温度上昇率判定部と前記温度上昇判定部とのうちの少なくとも一方が、前記判定をしたとき、前記トルク指令抑制部により、前記回転電機に対するトルク指令を抑制することで前記電力変換装置の駆動条件を制御し、前記電力変換部の出力を抑制する保護動作を実行するように構成されている、
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、半導体スイッチング素子が動作限界温度に達して破壊されることを防ぎつつ、駆動の継続を実現する電力変換装置が得られる。

実施の形態１による電力変換装置を示す構成図である。 実施の形態１による電力変換装置における、制御装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態１による電力変換装置における、出力抑制部の構成を示すブロック図である。 実施の形態１による電力変換装置における、半導体スイッチング素子の温度と温度検出値の推移を示す説明図である。 従来の技術を適用した場合における、異常検知までの、半導体スイッチング素子の温度と温度検出値の推移を示す説明図である。 実施の形態１による電力変換装置における、異常検知までの、半導体スイッチング素子の温度と温度検出値の推移を示す説明図である。 実施の形態１による電力変換装置における、異常検知までの、温度検出値の温度上昇率の推移を示す説明図である。 実施の形態１による電力変換装置における、保護動作までの、半導体スイッチング素子の温度と温度検出値の推移を示す説明図である。 実施の形態１による電力変換装置における、保護動作までの、温度検出値の温度上昇率の推移を示す説明図である。 実施の形態３による電力変換装置における、出力抑制部の構成を示すブロック図である。

以下、実施の形態１から３による電力変換装置について説明する。なお、各図において、同一部分または相当部分には同一符号を付している。また、各実施の形態では、交流電動機を駆動させるＵ相、Ｖ相およびＷ相を有した三相インバータに対して適用した電力変換装置を例示している。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１による電力変換装置を示す構成図である。図１において、電力変換装置１００は、電源部２と、電力変換部３と、冷却器４と、回転角センサ５と、電動機温度センサ６と、半導体スイッチング素子温度センサ７と、指令発生器８と、制御装置９とを備える。電動機１は、電力変換装置１００の負荷装置であるが、負荷装置は、電動機１に限るものではなく、電動機以外であってよい。

電動機１は、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式により制御される。電動機１は、例えば、車載用の電動機である。なお、ここで、車載用の電動機とは、具体的には、車両を駆動するための駆動用電動機、電動ファン、オイルポンプ、ウォーターポンプ、および車両のステアリング操作をアシストするための電動パワーステアリング装置等に用いられるものである。また、電動機１は、車載用の電動機に限らず、車載用以外の電動機であってもよい。

以下、電動機１がロータおよびステータを有する三相ブラシレスモータであるものとして説明する。ロータ（図示せず）は、円板状の部材であり、その表面に固定された永久磁石からなる界磁磁極を有している。ステータは、内部にロータを相対回転可能に収容している。ステータは、径方向に予め設定された角度ごとに放射状に突出する複数の突出部を有し、この突出部にＵ相コイル１１、Ｖ相コイル１２、およびＷ相コイル１３が巻回されている。

電源部２は、電動機１の駆動用電源であり、直流電力を電力変換部３に出力する。電源部２の具体的な構成例として、電源部２は、直流電力を出力する直流電源の一例であるバッテリ２１と、平滑コンデンサ２２と、チョークコイル２３とを有する。

平滑コンデンサ２２およびチョークコイル２３は、バッテリ２１と後述するインバータ部３１との間に配置され、パワーフィルタを構成している。このように構成することで、バッテリ２１を共有する他の装置からインバータ部３１側へ伝わるノイズを低減するとともに、インバータ部３１側からバッテリ２１を共有する他の装置へ伝わるノイズを低減することができる。平滑コンデンサ２２は、電荷を蓄えることで、半導体スイッチング素子３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６への電力供給を補助し、さらに、サージ電流等のノイズ成分を抑制する。また、バッテリ２１の電圧と、平滑コンデンサ２２の電圧は、制御装置９により取得される。

電力変換部３は、電源部２から供給された直流電力を交流電力に変換し、変換後の交流電力を電動機１に出力する。電力変換部３の具体的な構成例として、電力変換部３は、インバータ部３１、電流検出器３２、増幅回路３３および駆動回路３４を有する。

インバータ部３１は、上アームおよび下アームのそれぞれに半導体スイッチング素子を有する複数のハーフブリッジ回路が並列に接続され、半導体スイッチング素子３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６が、ＰＷＭ信号にしたがってオンおよびオフに切り替え制御され、電源部２から出力された直流電力を交流電力に変換し、変換後の交流電力を電動機１に出力する。

図１では、インバータ部３１は、３つのハーフブリッジ回路によって構成される場合が例示されている。インバータ部３１は、半導体スイッチング素子３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６を含む三相インバータであり、Ｕ相コイル１１、Ｖ相コイル１２、およびＷ相コイル１３のそれぞれへの通電を切り替えるべく、６つの半導体スイッチング素子３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６がブリッジ接続されている。半導体スイッチング素子３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６としては、電界効果トランジスタの一種であるＭＯＳＦＥＴを用いればよく、或いは、ＭＯＳＦＥＴとは異なるその他のトランジスタ又はＩＧＢＴ等を用いてもよい。

３つの半導体スイッチング素子３１１、３１２、３１３のドレインは、バッテリ２１の正極側に接続されている。半導体スイッチング素子３１１、３１２、３１３のソースは、それぞれ半導体スイッチング素子３１４、３１５、３１６のドレインに接続されている。他の３つの半導体スイッチング素子３１４、３１５、３１６のソースは、バッテリ２１の負極側に接続されている。

一対の半導体スイッチング素子３１１および半導体スイッチング素子３１４を接続する接続点は、電動機１のＵ相コイル１１の一端に接続されている。また、一対の半導体スイッチング素子３１２および半導体スイッチング素子３１５を接続する接続点は、電動機１のＶ相コイル１２の一端に接続されている。さらに、一対の半導体スイッチング素子３１３および半導体スイッチング素子３１６を接続する接続点は、電動機１のＷ相コイル１３の一端に接続されている。

インバータ部３１の高電位側に配置される３つの半導体スイッチング素子３１１、３１３、３１３は、それぞれ、Ｕ相上アーム、Ｖ相上アーム、Ｗ相上アームの半導体スイッチング素子を構成し、インバータ部３１の低電位側に配置されている３つの半導体スイッチング素子３１４、３１５、３１６は、それぞれ、Ｕ相下アーム、Ｖ相下アーム、Ｗ相下アームの半導体スイッチング素子を構成している。また、実施の形態１では、説明を分かりやすくするために、低電位側の電位を０［Ｖ］とする。

電流検出器３２は、Ｕ相電流検出部３２１、Ｖ相電流検出部３２２およびＷ相電流検出部３２３により構成されている。Ｕ相電流検出部３２１、Ｖ相電流検出部３２２およびＷ相電流検出部３２３は、例えば、シャント抵抗を用いて構成される。Ｕ相電流検出部３２１は、Ｕ相コイル１１に流れるＵ相電流Ｉｕに対応するＵ相電流検出値を出力する。Ｖ相電流検出部３２２は、Ｖ相コイル１２に流れるＶ相電流Ｉｖに対応するＶ相電流検出値を出力する。Ｗ相電流検出部３２３は、Ｗ相コイル１３に流れるＷ相電流Ｉｗに対応するＷ相電流検出値を出力する。なお、以下の説明では、Ｕ相電流検出値、Ｖ相電流検出値、Ｗ相電流検出値を総称して電流検出値と称することがある。

なお、図示していないが、電流検出器３２に代えて、又は電流検出器３２とともに、半導体スイッチング素子３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６に印加される電圧を検出する電圧検出器を設けてもよい。この場合、電力変換部３の出力状態は、電流検出器３２の検出値と、電圧検出器の検出値と、電力変換装置の出力を指令する指令値と、のうちの少なくとも一つに基づいて演算される。

Ｕ相電流検出部３２１、Ｖ相電流検出部３２２およびＷ相電流検出部３２３からそれぞれ出力されたＵ相電流検出値、Ｖ相電流検出値、Ｗ相電流検出値は、増幅回路３３を経由して、制御装置９へ入力される。増幅回路３３は、Ｕ相電流検出値、Ｖ相電流検出値、Ｗ相電流検出値を、制御装置９内で処理可能な適正値として取り込めるようにするためのものである。

駆動回路３４は、制御装置９から入力されるＰＷＭ信号に基づいて、それぞれの半導体スイッチング素子３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６のオンおよびオフを切り替える機能を有している。

冷却器４は、平滑コンデンサ２２、チョークコイル２３および電力変換部３を冷却する。冷却器４は、例えば、水冷式冷却器である。具体的には、水冷式冷却器とウォーターポンプ等の電動機とをホースで接続する構成であり、電動機１から水冷式冷却器に対し、水、オイル、若しくはＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）等の冷却媒体を流入させる。なお、冷却器４は、水冷式冷却器に限らず、空冷式冷却器等であってもよい。

回転角センサ５は、電動機１に取り付けられており、電動機１のロータ位置を表す位置情報、具体的にはロータの回転角θｍを検出する。回転角センサ５は、例えば、レゾルバを用いて構成される。回転角センサ５は、検出した回転角θｍを、電動機１の永久磁石の極対数を基に電気角θｅに換算するように構成されている。回転角θｍおよび電気角θｅは、制御装置９に入力される。

電動機温度センサ６は、電動機１の温度を検出する。電動機温度センサ６は、例えば、Ｕ相コイル１１、Ｖ相コイル１２およびＷ相コイル１３に取り付けられたサーミスタ等の温度センサによって構成される。電動機１の温度は、制御装置９に入力される。

半導体スイッチング素子温度センサ７は、半導体スイッチング素子３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６の温度を検出する。具体的には、例えば、半導体スイッチング素子温度センサ７は、それぞれの半導体スイッチング素子３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６の近傍に設置されており、半導体スイッチング素子３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６の各温度Ｔｊを間接的に測定している。なお、半導体スイッチング素子温度センサ７は、半導体スイッチング素子３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６の温度Ｔｊを直接検出するものであってもよい。

半導体スイッチング素子温度センサ７が出力する温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓは、半導体スイッチング素子３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６の近傍の温度に基づくものである場合、半導体スイッチング素子３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６の近傍の温度は、半導体スイッチング素子３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６の温度Ｔｊに対応するものであり、したがって、半導体スイッチング素子温度センサ７が出力する温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓは、半導体スイッチング素子３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６の温度Ｔｊに対応している。半導体スイッチング素子温度センサ７の温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓは、制御装置９に入力される。

指令発生器８は、電動機１を制御するための制御指令を発生し、その制御指令を制御装置９に出力する機器である。具体的には、例えば、電動機１が電気自動車等の車両の駆動源として用いられている場合、指令発生器８は、車両の運転手によって操作されるアクセルペダルの踏込み角度に対応した制御指令に換算して出力する。指令発生器８により発生された制御指令は、通信により制御装置９へ周期的に送信される。

なお、電動機１を制御するための制御指令としては、例えば、トルク指令、電流指令、電圧指令、等が挙げられる。実施の形態１では、制御指令としてトルク指令Ｔｒｑ＊を採用する場合を例示する。

制御装置９は、電動機駆動システム全体の制御を実施するものであり、例えば、メモリに記憶されたプログラムを実行するように構成されたマイコン等により実現される。

次に、制御装置９の構成について、図２を参照しながらさらに説明する。図２は、実施の形態１による電力変換装置における、制御装置の構成を示すブロック図である。図２において、制御装置９は、出力抑制部９１と、回転数演算部９２と、トルク・電流指令変換部９３と、三相・二相変換部９４と、電圧指令生成部９５と、二相・三相変換部９６と、デューティ変換部９７と、ＰＷＭ信号生成部９８とを有する。

出力抑制部９１は、半導体スイッチング素子３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６の温度Ｔｊが動作限界温度に達しないように、トルク指令Ｔｒｑ＊と、半導体スイッチング素子温度センサ７の温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓとより、トルク指令Ｔｒｑ＊＿ｃｔｌの演算と、出力停止信号Ｓｉｇ＿ｓｔｏｐを生成する。なお、出力抑制部９１のより詳細な構成については、後述する。また、実施の形態１では、トルク指令Ｔｒｑ＊を抑制する手段により、電力変換装置１００の出力電力を抑制するが、トルク指令の抑制に限らず、電動機1の回転数、電流、電圧等の指令を抑制するようにしてもよい。

回転数演算部９２は、回転角センサ５から取得した回転角θｍを積分して電動機１の回転数Ｎに換算する。回転数演算部９２は、その演算した回転数Ｎを、トルク・電流指令変換部９３に出力する。

トルク・電流指令変換部９３は、回転数演算部９２から取得した電動機１の回転数Ｎと、出力抑制部９１から取得したトルク指令Ｔｒｑ＊＿ｃｔｌとから、ｄ軸電流指令Ｉｄ＊およびｑ軸電流指令Ｉｑ＊を演算する。具体的には、例えば、トルク・電流指令変換部９３は、電動機１の回転数Ｎとトルク指令Ｔｒｑ＊＿ｃｔｌとを軸としたトルク・電流指令変換テーブルを用いることで、これらの値をｄ軸電流指令Ｉｄ＊およびｑ軸電流指令Ｉｑ＊に換算するように構成される。なお、トルク・電流指令変換部９３は、トルク・電流指令変換テーブルを用いずに、ｄ軸電流指令Ｉｄ＊およびｑ軸電流指令Ｉｑ＊を演算するように構成されていてもよい。

三相・二相変換部９４は、電流検出器３２の電流検出値と、回転角センサ５が検出した電気角θｅに対応する角度検出値とから、ｄ軸電流検出値Ｉｄおよびｑ軸電流検出値Ｉｑを算出する。ここで、電流検出器３２の電流検出値は、Ｕ相電流検出部３２１が検出したＵ相電流Ｉｕに対応するＵ相電流検出値と、Ｖ相電流検出部３２２が検出したＶ相電流Ｉｖに対応するＶ相電流検出値と、Ｗ相電流検出部３２３が検出したＷ相電流Ｉｗに対応するＷ相電流検出値とにより構成されている。

電圧指令生成部９５は、ｄ軸電流指令Ｉｄ＊およびｑ軸電流指令Ｉｑ＊と、ｄ軸電流検出値Ｉｄおよびｑ軸電流検出値Ｉｑとから、電流フィードバック演算を行うことで、ｄ軸電圧指令Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を算出する。具体的には、例えば、電圧指令生成部９５は、ｄ軸電流指令Ｉｄ＊とｄ軸電流検出値Ｉｄとの偏差である電流偏差ΔＩｄと、ｑ軸電流指令Ｉｑ＊とｑ軸電流検出値Ｉｑとの偏差である電流偏差ΔＩｑとがそれぞれ「０」に収束するように、ｄ軸電圧指令Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を算出するように構成されている。

二相・三相変換部９６は、電圧指令生成部９５から取得したｄ軸電圧指令Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令Ｖｑ＊と、回転角センサ５から取得した電気角θｅとから、三相電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を算出する。なお、三相電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊は、インバータ部３１に入力される直流電源電圧、すなわち、平滑コンデンサ２２の電圧Ｖｃｏｎ以下となるように設定されることが好ましい。

デューティ変換部９７は、二相・三相変換部９６から取得した三相電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊と、平滑コンデンサ２２の電圧Ｖｃｏｎとから、三相の各相のデューティ指令Ｄｕ、Ｄｖ、Ｄｗを生成する。デューティ変換部９７は、最適補正制御指令に対応したデューティ指令Ｄｕ、Ｄｖ、Ｄｗを生成して出力する。

ＰＷＭ信号生成部９８は、出力抑制部９１から取得した出力停止信号Ｓｉｇ＿ｓｔｏｐと、デューティ変換部９７から取得した各相のデューティ指令Ｄｕ、Ｄｖ、Ｄｗとから、半導体スイッチング素子３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６のそれぞれをオンおよびオフに切り替え制御するためのＰＷＭ信号を生成する。

具体的には、例えば、ＰＷＭ信号生成部９８は、出力停止信号Ｓｉｇ＿ｓｔｏｐの状態が出力許可を示す場合、各相のデューティ指令Ｄｕ、Ｄｖ、Ｄｗと、搬送波を比較することで、ＰＷＭ信号を生成する。出力停止信号Ｓｉｇ＿ｓｔｏｐの状態が出力禁止の場合、半導体スイッチング素子３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６の全てがオフとなるようにＰＷＭ信号を生成する。ＰＷＭ信号生成部９８は、例えば、上昇速度と下降速度とが互いに等しい２等辺三角形の形状を有する三角波をキャリアとする三角波比較方式、鋸波比較方式等を採用してＰＷＭ信号を生成するように構成されている。

なお、図２では、ＰＷＭ信号生成部９８により生成されたＰＷＭ信号として、Ｕ相上アームの半導体スイッチング素子３１１に与えるＰＷＭ信号ＵＨ＿ＳＷ、Ｖ相上アームの半導体スイッチング素子３１２に与えるＰＷＭ信号ＶＨ＿ＳＷ、Ｗ相上アームの半導体スイッチング素子３１３に与えるＰＷＭ信号ＷＨ＿ＳＷ、Ｕ相下アームの半導体スイッチング素子３１４に与えるＰＷＭ信号ＵＬ＿ＳＷ、Ｖ相下アームの半導体スイッチング素子３１５に与えるＰＷＭ信号ＶＬ＿ＳＷ、Ｗ相下アームの半導体スイッチング素子３１６に与えるＰＷＭ信号ＷＬ＿ＳＷ、をそれぞれ示している。

次に、出力抑制部９１の詳細について、図３を参照しながら説明する。図３は、実施の形態１による電力変換装置における、出力抑制部の構成を示すブロック図である。図３において、出力抑制部９１は、温度上昇率判定部９１１と、トルク指令抑制部９１２と、出力停止判定部９１３とにより構成されている。

温度上昇率判定部９１１は、半導体スイッチング素子温度センサ７の温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓから、半導体スイッチング素子３１１、３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６の異常発熱、冷却器４の異常状態、等を検出し、その判定結果をトルク指令抑制部９１２と出力停止判定部９１３に出力する。

具体的には、温度上昇率判定部９１１は、半導体スイッチング素子温度センサ７の温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓの単位時間当たりの上昇量である温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔとし、温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓの単位時間当たりの上昇量である温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔと、予め定められた第１の閾値Ｔｈ１と、を比較する。その比較の結果、温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓの単位時間当たりの上昇量である温度上昇率が第１の閾値Ｔｈ１を超えたとき、温度上昇率判定部９１１は、半導体スイッチング素子３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６の異常発熱、冷却器４の異常状態等であると判定し、異常状態を示す内容のエラー信号Ｓｉｇ_ｅｒｒを生成して、トルク指令抑制部９１２と出力停止判定部９１３に入力する。なお、以下の説明において、温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓの単位時間当たりの上昇量を、単に、温度上昇率、と称することがある。

温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓの温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔを計測する単位時間は、半導体スイッチング素子温度センサ７の時定数より十分短く、半導体スイッチング素子３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６のスイッチングノイズの影響を受けない程度の時間に設定される。

また、第１の閾値Ｔｈ１は、三相インバータとしてのインバータ部３１の出力が正常かつ冷却器４が正常なときに、温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓの温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔが到達しない値に設定される。さらに、第１の閾値Ｔｈ１は、少なくとも半導体スイッチング素子３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６の損失ばらつき、冷却器４の性能ばらつき、半導体スイッチング素子温度センサ７の検出誤差、等を加味し、温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓの単位時間当たりの上昇量が高い値側にばらついたとしても到達しない値に設定される。エラー信号Ｓｉｇ＿ｅｒｒは、温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓの単位時間当たりの上昇量が予め定められた第１の閾値Ｔｈ１を一度でも超えるとエラー状態を継続する。

トルク指令抑制部９１２は、トルク指令Ｔｒｑ＊と、エラー信号Ｓｉｇ_ｅｒｒの状態と、に基づいて変換されたトルク指令Ｔｒｑ＊＿ｃｔｌを生成する。具体的には、例えば、トルク指令抑制部９１２は、エラー信号Ｓｉｇ_ｅｒｒがエラー状態を示しているときは、トルク指令Ｔｒｑ＊に対して予め定められた割合を掛けることで、トルク指令Ｔｒｑ＊より低い値のトルク指令Ｔｒｑ＊＿ｃｔｌとして生成して出力する。

一方、トルク指令抑制部９１２は、エラー信号Ｓｉｇ_ｅｒｒが正常状態を示しているときは、トルク指令Ｔｒｑ＊をそのままをトルク指令Ｔｒｑ＊＿ｃｔｌとして出力する。なお、エラー信号Ｓｉｇ_ｅｒｒがエラー状態を示しているときは、前述のようにトルク指令Ｔｒｑ＊＿ｃｔｌは、トルク指令Ｔｒｑ＊に対し、予め定められた割合を掛けることで生成しているが、これに限らず、半導体スイッチング素子温度センサ７の温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓからリアルタイムに割合を演算する等して生成してもよい。

出力停止判定部９１３は、半導体スイッチング素子温度センサ７の温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓとエラー信号Ｓｉｇ_ｅｒｒの状態とから、インバータ部３１の出力を禁止させる内容の出力停止信号Ｓｉｇ＿ｓｔｏｐを出力する。具体的には、例えば、出力停止判定部９１３は、エラー信号Ｓｉｇ＿ｅｒｒがエラー状態で予め定められた時間継続すると、出力停止信号Ｓｉｇ＿ｓｔｏｐを駆動禁止を内容とする信号として出力する。

すなわち、出力抑制部９１、すなわち制御装置９は、予め定められた第３の閾値Ｔｈ３と温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓと比較し、電力変換部３の出力を抑制する保護動作を実行してから、温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓが第３の閾値Ｔｈ３を超えたとき、電力変換部３の出力を停止させる出力停止判定部９１３を備えている。

ここで、予め定められた時間とは、例えば、駆動源が電動機である電気自動車、ハイブリッド自動車等の車両である場合、半導体スイッチング素子３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６の異常発熱、或いは冷却器４の異常状態、であっても、車両が自走して支障のない場所に停車できるまでの時間を指す。同時に、エラー信号Ｓｉｇ＿ｅｒｒの内容がエラー状態を示すとき、半導体スイッチング素子３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６の温度Ｔｊが動作限界温度である破壊温度に達しないように、出力停止判定部９１３は、半導体スイッチング素子温度センサ７の温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓと予め定められた第３の閾値Ｔｈ３とを比較して、温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓが第３の閾値Ｔｈ３を超えた場合に、駆動禁止を内容とする出力停止信号Ｓｉｇ＿ｓｔｏｐを出力する。

すなわち、出力停止判定部９１３は、エラー信号Ｓｉｇ＿ｅｒｒの内容がエラー状態を示していて予め定められた時間継続した場合と、半導体スイッチング素子温度センサ７の温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓが予め定められた第３の閾値Ｔｈ３を超えた場合と、のうちの少なくとも何れか一方が成立した場合に、駆動禁止を内容とする出力停止信号Ｓｉｇ＿ｓｔｏｐが入力される。

図４は、実施の形態１による電力変換装置における、半導体スイッチング素子の温度と温度検出値の推移を示す説明図であって、縦軸は温度、横軸は時間を示している。より具体的には、図４は、インバータ部３１の出力を「０」から一定の出力の値に変化させ、その状態で十分に時間が経過した後に、冷却器４の冷却媒体が消失したときの、半導体スイッチング素子３１１の温度Ｔｊと、半導体スイッチング素子温度センサ７の温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓと、の温度推移を示す。

なお、図４に示している半導体スイッチング素子の温度Ｔｊと温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓは、例えば半導体スイッチング素子３１１を対象としているが、半導体スイッチング素子３１１に限らず、他の半導体スイッチング素子３１２、３１３、３１４、３１５、３１６のうちの一つであっても同様な温度推移を示す。

図４において、時刻ｔ１にて電力変換部３が出力「０」の状態から一定の出力の値に変化し、その状態で十分に時間が経過した後の時刻ｔ２にて冷却器４の冷却媒体が消失したことを示している。図４に示すように、冷却器４の冷却媒体が消失する時刻ｔ２に至る前は、半導体スイッチング素子の温度Ｔｊと、半導体スイッチング素子温度センサ７の温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓとは、半導体スイッチング素子３１１の損失と冷却器４の性能とに基づいて定まる十分な時間が経過すると、ほぼ一定温度に整定する。半導体スイッチング素子温度センサ７の温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓは、半導体スイッチング素子３１１の温度Ｔｊを間接的に測定していることため、半導体スイッチング素子３１１の温度Ｔｊよりも時定数が長く、整定温度が低くなる。

時刻ｔ２で冷却器４の冷却媒体が消失すると、半導体スイッチング素子３１１の発熱により、冷却器４の温度が急峻に上昇し、冷却器４の温度上昇と同様に、半導体スイッチング素子３１１の温度Ｔｊと、半導体スイッチング素子温度センサ７の温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓとが上昇する。

図５は、従来の技術を適用した場合における、異常検知までの、半導体スイッチング素子の温度と温度検出値の推移を示す説明図であって、縦軸は温度、横軸は時間である。図５では、温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓと比較して異常を検知するための閾値Ｔｈ０と、異常検知Ｘ１のタイミングｔ３を、図４に対して追加している。

図５において、閾値Ｔｈ０は、前述したとおり、電力変換部３の駆動条件、半導体スイッチング素子３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６の配置環境等が正常なときに異常を誤検知しないように、半導体スイッチング素子温度センサ７の検知誤差、半導体スイッチング素子３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６の発熱量のバラつき、冷却器４の冷却媒体の流入量のバラつき、等を加味して高めに設定されている。

そのため、例えば、図５に示しているようなバラつきがない状態で、時刻ｔ２で冷却器４の冷却媒体が消失した場合、温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓが閾値Ｔｈ０に達して異常検知Ｘ１までの時間［ｔ３－ｔ２］が長くなる。すなわち、従来の技術を適用した場合は、異常検知Ｘ１までの時間が長くなり、半導体スイッチング素子３１１の温度がＴｊ＿Ｘ１となり、高くなってしまう。

図６Ａは、実施の形態１による電力変換装置における、異常検知までの、半導体スイッチング素子の温度と温度検出値の推移を示す説明図であって、縦軸は温度、横軸は時間を示す。図６Ｂは、実施の形態１による電力変換装置における、異常検知までの、温度検出値の温度上昇率の推移を示す説明図であって、縦軸は温度上昇率、横軸は時間を示す。図６Ａ、図６Ｂにおいて、冷却器４の冷却媒体が消失する時刻ｔ２より前の温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓの温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔは、時刻ｔ１でインバータ部３１の出力が「０」から上昇する変化に伴い、急劇に上昇し、時刻ｔ１の直後の時刻ｔ１１で正常時における最大値に達する。

その後、温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔは緩やかに減少し、時刻ｔ１１から十分な時間が経過した時刻ｔ１２に達すると、温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓが整定するため、温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔは「０」となる。

そして時刻ｔ２で冷却器４の冷却媒体が消失すると、温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓの温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔは、電力変換部３の駆動条件、配置環境が正常なときに達することない値に上昇し、時刻ｔ２１で第１の閾値Ｔｈ１に達し、直ちに異常検知Ｘ２に至る。ここで、第１の閾値Ｔｈ１は、電力変換部３の駆動条件、半導体スイッチング素子３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６の配置環境等が正常なときに異常を誤検知しないように、半導体スイッチング素子温度センサ７の検知誤差、半導体スイッチング素子３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６の発熱量のバラつき、冷却器４の冷却媒体の流入量のバラつき、等を加味して高めに設定されている。

すなわち、異常検知Ｘ２までの時間が短く、このときの半導体スイッチング素子３１１の温度は、Ｔｊ＿Ｘ２となり、図５の従来技術の場合の半導体スイッチング素子３１１の温度Ｔｊ＿Ｘ１よりも低くなる。なお、温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔは、ノイズの影響を回避するために単位時間当たりを長くし、ランプ関数で図示しているが、必ずしもその限りではなく、単位時間をより短くしてもよい。その場合、異常発生の時刻ｔ２から異常検知Ｘ２の時刻ｔ２１までの時間をより短くすることができ、半導体スイッチング素子３１１の温度上昇を抑えるのに、より効果的となる。

図７Ａは、実施の形態１による電力変換装置における、保護動作までの、半導体スイッチング素子の温度と温度検出値の推移を示す説明図であって、縦軸は温度、横軸は時間を示す。図７Ｂは、実施の形態１による電力変換装置における、保護動作までの、温度検出値の温度上昇率の推移を示す説明図であって、縦軸は温度上昇率、横軸は時間を示す。図７Ａ、図７Ｂにおいて、時刻ｔ２１での異常検知Ｘ２の後は、図３に示す温度上昇率判定部９１１のエラー信号Ｓｉｇ＿ｅｒｒがエラー状態を示すこととなり、トルク指令抑制部９１２により、トルク指令Ｔｒｑ＊に対して予め定められた割合を掛けることで、トルク指令Ｔｒｑ＊より低い、トルク指令Ｔｒｑ＊＿ｃｔｌがトルク指令抑制部９１２から出力される。

トルク指令Ｔｒｑ＊＿ｃｔｌは、トルク指令Ｔｒｑ＊より低い値であるため、インバータ部３１の出力は低下し、半導体スイッチング素子温度センサ７による温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓの温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔは低下する。このとき、温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔは、第１の閾値Ｔｈ１を下回るが、エラー信号Ｓｉｇ＿ｅｒｒは、エラー状態を継続して示す。異常検知Ｘ２から予め定められた時間［ｔ２２―ｔ２１］の経過後である時刻ｔ２２では、図３に示す出力停止判定部９１３から出力される出力停止信号Ｓｉｇ＿ｓｔｏｐは駆動禁止を示すこととなり、インバータ部３１の出力は「０」となる。したがって、図７Ａに示す時刻ｔ２２での半導体スイッチング素子の温度Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿Ｘ２は、半導体スイッチング素子３１１の動作限界温度に達することはない。

以上述べたように、実施の形態１による電力変換装置１００は、半導体スイッチング素子３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６が設置されている周辺部の温度を検出する半導体スイッチング素子温度センサ７の温度検出値から、その温度上昇率を監視することで、冷却器４に流れる冷却媒体の流入が停止又は消失したことを、より短時間で検知することができ、半導体スイッチング素子の最大到達温度を低くすることができ、電力変換装置１００の駆動条件を工夫して最適な制御として、半導体スイッチング素子３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６が高温により破損することを防ぎつつ、電力変換装置１００を駆動し続けることができる。

なお、インバータ部３１の半導体スイッチング素子３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６は、どのような半導体素子を用いて構成してもよいが、例えば、ワイドバンドギャップ半導体（Ｗｉｄｅ Ｇａｐ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）を用いて構成することができる。ワイドバンドギャップ半導体の材料としては、ＳｉＣ、ＧａＮ等が挙げられる。

例えば、ワイドバンドギャップ半導体を用いて構成された半導体スイッチング素子３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６を備えたインバータ部３１は、従来のＳｉを用いて構成された半導体スイッチング素子を備えたインバータ部と比較して、高耐熱、低損失であり、高周波駆動が可能であるという特徴がある。したがって、インバータ部３１の半導体スイッチング素子３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６を、ワイドバンドギャップ半導体を用いて構成することで、低損失で発熱をより抑え、高耐熱であることから、破損する可能性が低い電力変換装置を実現することができる。

また、前述のように、インバータ部３１の１つのアームを１つの半導体スイッチング素子で構成してもよいが、１つの半導体スイッチング素子当たりに流れる電流を減らすために、１つのアームを、複数の半導体スイッチング素子を並列接続して構成してもよい。この場合、１つの半導体スイッチング素子に対し、１つの温度センサを実装すると、温度センサの個数が膨大となるため、高コスト、温度取得回路が大規模化する。これを回避するために、１つのアームに対し、１つの温度センサを設置し、全ての半導体スイッチング素子の温度を俯瞰的に取得するようにすればよい。実施の形態１では、半導体スイッチング素子の発熱量のバラつきを加味して高めに第１の閾値Ｔｈ１が設定されているため、１つの半導体スイッチング素子が過大に発熱しても、平均的に温度が取得できる位置に温度センサを配置することで、取得温度のバラつきが小さくすることができ、より高い効果を得られる。

実施の形態２．
つぎに、実施の形態２による電力変換装置について説明する。実施の形態２では、実施の形態１による電力変換装置の構成に対して、温度上昇率判定部９１１の第１の閾値Ｔｈ１を動的に変化させるようにしたものである。なお、実施の形態２では、実施の形態１と同一又は相当する部分の説明は省略し、実施の形態１と異なる点を中心に説明する。

実施の形態１では、温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔと予め定められた第１の閾値Ｔｈ１とを比較することにより、異常状態を判定するようにしているが、例えば、冷却器４の冷却媒体が消失したとしても、インバータ部３１の出力が低い場合は、温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔが第１の閾値Ｔｈ１に達しない可能性がある。そこで実施の形態２では、より高度な判定により、これらの課題を解決するものである。

インバータ部３１が定格出力で動作している場合は、温度検出値Ｔｊ_ｓｅｎｓの温度上昇率Ｔｊ_ｓｅｎｓ＿ｒａｔが、第１の閾値Ｔｈ１を超えないように、第１の閾値Ｔｈ１が予め定められるが、実施の形態2では、インバータ部３１の出力状態に合わせて第１の閾値Ｔｈ１を動的に変化させる。具体的には、インバータ部３１の出力が大きいほど第１の閾値Ｔｈ１を高く設定し、インバータ部３１の出力が小さいほど第１の閾値Ｔｈ１を小さく設定する。その結果、冷却器４が異常状態であっても、インバータ部３１の出力が低い場合においても、温度上昇率Ｔｊ_ｓｅｎｓ＿ｒａｔが第１の閾値Ｔｈ１に達しないという課題は解消される。

ここで、インバータ部３１の出力が低いと、半導体スイッチング素子３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６に流れる電流が小さくなるため、初期温度から到達温度までの幅（以下、温度上昇量と称する）は小さくなる。一方で、冷却器４の性能、或いは半導体スイッチング素子３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６の構造により、一定の発熱をした際の温度の時定数は変化しない。そのため、温度上昇量が小さくなることで、相対的に温度上昇率Ｔｊ_ｓｅｎｓ＿ｒａｔは小さくなる。

すなわち、温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔと比較する第１の閾値Ｔｈ１は、半導体スイッチング素子３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６での電力損失に比例するように設定するのが好ましい。具体的には、インバータ部３１が定格出力で動作しているとき、すなわち、損失最大時には第１の閾値Ｔｈ１を最大値に設定し、損失の低下に合わせて第１の閾値Ｔｈ１を低下させるよう設定する。

インバータ部３１の出力状態は、電流検出器３２の測定結果、電動機１の回転数及び実トルク、指令発生器８のトルク指令或いは電流指令、等を用いてリアルタイムに演算する。また、制御ＩＣ、及びＣＰＵの処理負荷を軽減するために、予めインバータ部３１の出力と半導体スイッチング素子３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６の電力損失の相間関係を制御ＩＣ、ＣＰＵ等にマップとして記憶させ、そのマップを用いて演算するようにしてもよい。

以上述べた実施の形態２による電力変換装置によれば、実施の形態１の構成に対して、温度上昇率判定部９１１で用いる第１の閾値Ｔｈ１を、インバータ部３１の出力に応じて動的に変化させるようにしているので、インバータ部３１の出力が低い場合であっても冷却器４の異常を検知することができる。

実施の形態３．
図８は、実施の形態３による電力変換装置における、出力抑制部の構成を示すブロック図である。実施の形態３による電力変換装置では、実施の形態１による電力変換装置の構成に対して、温度上昇率判定部９１１の出力先の変更、および出力抑制部９１に温度上昇判定部９１４と異常判定部９１５とを追加したものである。なお、実施の形態３では、実施の形態１と同様である点の説明を省略し、実施の形態１と異なる点を中心に説明する。

図８において、温度上昇率判定部９１１の出力は、異常判定部９１５に入力される。温度上昇判定部９１４は、温度上昇率判定部９１１の機能と並列に設けられた機能であり、具体的には、例えば、温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓと予め定められた第２の閾値Ｔｈ２（図示せず）とを比較することで、半導体スイッチング素子３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６の異常発熱、冷却器４の異常状態、等を検出し、その結果を異常判定部９１５に入力する。

第２の閾値Ｔｈ２は、例えば、冷却器４の冷却媒体が消失したとしても、温度上昇率判定部９１１で異常を検知できない、すなわち、インバータ部３１が低出力時のみ動作するように高めに設定される。異常状態を検出した後、温度検出値Ｔｊ_ｓｅｎｓが下がり第２の閾値Ｔｈ２を下回った場合でも、温度上昇判定部９１４による異常状態の判定は継続する。

異常判定部９１５は、温度上昇率判定部９１１と温度上昇判定部９１４との出力結果を監視し、温度上昇率判定部９１１と温度上昇判定部９１４とのうちの少なくとも何れか一方が異常と判定したとき、エラー信号Ｓｉｇ＿ｅｒｒの内容を異常状態にして出力する。

ここで、従来技術と実施の形態３とを比較する。従来技術と実施の形態３とは、ともに温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓと予め定められた閾値とを比較し、温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓが閾値を超えた時刻で、保護動作を開始する機能は同じである。一方で、従来技術ではインバータ部３１の全ての出力領域で同じ閾値を設けているのに対し、実施の形態３は、インバータ部３１の高出力領域では温度上昇率判定部９１１で第１の閾値Ｔｈ１に基づいて異常を検知し、低出力領域では温度上昇判定部９１４で第２の閾値Ｔｈ２に基づいて異常を検知する点で異なる。

前述したとおり、半導体スイッチング素子３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６の最大到達温度が高くなることが課題であり、従来技術と実施の形態３のように、温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓと予め定められた第２の閾値Ｔｈ２とを比較する方式であれば、半導体スイッチング素子３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６最大到達温度は、半導体スイッチング素子３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６の温度Ｔｊと温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓとの差分と、第２の閾値Ｔｈ２と、の和となる。

第２の閾値Ｔｈ２は、電力変換装置１００が正常に動作するときには到達しない温度であるため、低くすることはできない。一方で、インバータ部３１の低出力時には、高出力時の半導体スイッチング素子の温度Ｔｊと第２の閾値Ｔｈ２とを比較するようにすると、半導体スイッチング素子の温度Ｔｊと温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓとの差分は小さくなる。そのため、インバータ部３１の低出力時のみで動作する第２の閾値Ｔｈ２を設ければ、従来技術と比較して、半導体スイッチング素子の温度Ｔｊと温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓとの差分は小さくなり、半導体スイッチング素子の最大到達温度を低くすることができる。

実施の形態３による電力変換装置による制御装置９は、半導体スイッチング素子温度センサ７の温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓと予め定められた第２の閾値Ｔｈ２とを比較し、温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓが第２の閾値Ｔｈ２を超えたことを判定する温度上昇判定部９１４と、前述の温度上昇率判定部９１１とを備え、温度上昇率判定部９１１と温度上昇判定部９１４とのうちの少なくとも一方が、対応する前述の閾値を超えたと判定したとき、電力変換部３の出力を抑制する保護動作を実行するように構成されている。

第２の閾値Ｔｈ２は、少なくとも、電力変換部３の正常時に達する温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓ以上の値に設定されている。

また、第２の閾値Ｔｈ２は、半導体スイッチング素子温度センサ７の温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓが第２の閾値Ｔｈ２を超えてから、予め定められた時間、電力変換部３が動作できる値に設定されている。

さらに、制御装置９は、温度上昇率判定部９１１と温度上昇判定部９１４とのうちの少なくとも一方が、異常判定をした後、電力変換部３の出力を抑制する保護動作を実行するように構成されている。

また、電力変換部３の出力を抑制する保護動作を実行して後、温度上昇率Ｔｊ＿ｓｅｎｓ＿ｒａｔが第１の閾値Ｔｈ１より低下する状態と、温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓが第２の閾値Ｔｈ２より低下する状態と、のうちの少なくとも一方の状態になっても、電力変換部３の出力を抑制する保護動作を継続するように構成されている。

さらに、電力変換部３の出力を抑制する保護動作を実行してから、予め定められた時間の後に電力変換部３の出力を停止させるように構成されている。

また、制御装置９は、電力変換部３の出力を抑制する保護動作を実行してから、予め定められた第３の閾値と温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓとを比較し、温度検出値Ｔｊ＿ｓｅｎｓが第３の閾値を超えたとき、電力変換部３の出力を停止させる出力停止判定部９１３を備えていてもよい。

さらに、電力変換部３の一つのアームを構成するそれぞれの半導体スイッチング素子３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６は、複数の半導体スイッチング素子が並列に接続されて構成されており、半導体スイッチング素子温度センサ７は、全ての半導体スイッチング素子の温度の平均値を検出するように構成されていてもよい。

以上述べた実施の形態３による電力変換装置によれば、インバータ部の出力が高い場合は温度上昇率で冷却器の異常を判定し、インバータ部の出力が低い場合は、温度検出値に基づいて冷却器の異常を検知することができる、

本願は、実施の形態１から３について記載しているが、１つ、又は複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態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、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１００ 電力変換装置、１ 電動機、２ 電源部、３ 電力変換部、４ 冷却器、
５ 回転角センサ、６ 電動機温度センサ、７ 半導体スイッチング素子温度センサ、
８ 指令発生器、９ 制御装置、１１ Ｕ相コイル、１２ Ｖ相コイル、
１３ Ｗ相コイル、２１ バッテリ、２２ 平滑コンデンサ、２３ チョークコイル、
３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６ 半導体スイッチング素子、
３１ インバータ部、３２ 電流検出器、３２１ Ｕ相電流検出部、
３２２ Ｖ相電流検出部、３２３ Ｗ相電流検出部、３３ 増幅回路、３４ 駆動回路、９１ 出力抑制部、９２ 回転数演算部、９３ トルク・電流指令変換部、
９４ 三相・二相変換部、９５ 電圧指令生成部、９６ 二相・三相変換部、
９７ デューティ変換部、９８ ＰＷＭ信号生成部、９１１ 温度上昇率判定部、
９１２ トルク指令抑制部、９１３ 出力停止判定部、９１４ 温度上昇判定部、
９１５ 異常判定部

Claims (9)

1. 半導体スイッチング素子により構成された電力変換部と、
   前記半導体スイッチング素子を冷却する冷却器と、
   前記半導体スイッチング素子のスイッチングを制御する制御装置と、
   前記半導体スイッチング素子の温度を検出する温度センサと、
   を備え、回転電機を制御するように構成された電力変換装置であって、
   前記制御装置は、
   前記温度センサが検出した温度検出値に基づいて演算した温度上昇率と、予め定められた第１の閾値とを比較し、前記温度上昇率が前記第１の閾値を超えたことを判定する温度上昇率判定部と、
   前記温度センサの温度検出値と予め定められた第２の閾値とを比較し、前記温度検出値が前記第２の閾値を超えたことを判定する温度上昇判定部と、
   前記回転電機に対するトルク指令を抑制するトルク指令抑制部と、
   を備え、
   前記第１の閾値は、
   前記電力変換部若しくは前記冷却器の正常時に前記温度上昇率が到達しない値であり、かつ、少なくとも前記半導体スイッチング素子の損失ばらつきと前記冷却器の性能ばらつきと前記温度センサの検出誤差とを加味し、前記温度センサの温度検出値の単位時間当たりの上昇量が高い値側にばらついたとしても、前記正常時に前記温度上昇率が到達しない値に設定され、
   前記第２の閾値は、前記電力変換部若しくは前記冷却器の正常時には到達しない値に設定され、
   前記温度上昇率判定部と前記温度上昇判定部とのうちの少なくとも一方が、前記判定をしたとき、前記トルク指令抑制部により、前記回転電機に対するトルク指令を抑制することで前記電力変換装置の駆動条件を制御し、前記電力変換部の出力を抑制する保護動作を実行するように構成されている、
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記制御装置は、前記電力変換部の出力に基づいて、前記第１の閾値を変動させるように構成されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記電力変換部の前記出力が比較的低いときは、前記第１の閾値の値を比較的低く設定し、前記電力変換部の前記出力が比較的高いときは、前記第１の閾値の値を比較的高く設定する、ように構成されている、
   ことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記保護動作を実行してから、前記温度上昇率が前記第１の閾値よりも低くなっても、前記保護動作を継続するように構成されている、
   ことを特徴とする請求項１から３のうちの何れか一項に記載の電力変換装置。
5. 前記制御装置は、
   予め定められた第３の閾値と前記温度検出値とを比較し、前記保護動作を実行してから、前記温度検出値が前記第３の閾値を超えたとき、前記電力変換部の出力を停止させる出力停止判定部を備えている、
   することを特徴とする請求項１から４のうちの何れか一項に記載の電力変換装置。
6. 前記温度上昇率判定部と前記温度上昇判定部のうちの少なくとも一方が、前記判定をした後、前記保護動作を実行するように構成されている、
   ことを特徴とする請求項１から５のうちの何れか一項に記載の電力変換装置。
7. 前記保護動作を実行した後、前記温度上昇率が前記第１の閾値より低下する状態と、前記温度検出値が前記第２の閾値より低下する状態と、のうちの少なくとも一方の状態になっても、前記保護動作を継続するように構成されている、
   ことを特徴とする請求項１から６のうちの何れか一項に記載の電力変換装置。
8. 前記保護動作を実行してから、予め定められた時間の後に前記電力変換部の出力を停止するように構成されている、
   ことを特徴とする請求項１から７のうちの何れか一項に記載の電力変換装置。
9. 前記電力変換部の一つのアームを構成する前記半導体スイッチング素子は、複数の半導体スイッチング素子が並列に接続されて構成されており、
   前記温度センサは、全ての半導体スイッチング素子の温度の平均値を検出するように構成されている、
   ことを特徴とする請求項１から８のうちの何れか一項に記載の電力変換装置。

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