JPWO2013014798A1 - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

主回路インバータ２０を備え、主回路インバータ２０内のスイッチング素子（IＧＢＴ７ａ〜７ｆおよびＦＷＤ８ａ〜８ｆ）の損失を計算するモータ制御装置であって、スイッチング素子のゲート電圧を検出するゲート電圧検出器４ａ〜４ｆと、ゲート電圧とスイッチング素子のターンオン損失、ターンオフ損失およびリカバリー損失との関係を示すテーブルデータを保持し、ゲート電圧検出器４ａ〜４ｆが測定したゲート電圧とテーブルデータとに基づいてスイッチング素子のターンオン損失、ターンオフ損失およびリカバリー損失を求める素子損失計算部５ａ〜５ｆと、を備える。

Description

本発明は、モータ制御装置およびスイッチング素子の損失算出方法に関する。

半導体素子であるスイッチング素子を用いた主回路インバータにおいて、スイッチング素子は、流れる電流と印加される電圧によって素子内部の半導体接合部分に損失が発生し、発熱する。この熱は、半導体接合部分から半導体のケースまたはフィンなどの冷却体に伝導し、周囲の気体または冷却水などに放熱される。

スイッチング素子には許容最大温度があり、これを超えるとスイッチング素子の劣化や破壊を招く。主回路インバータは多くの電気部品（例えば抵抗、コンデンサ、リアクトルなど）から構成されているが、一般にスイッチング素子の許容最大温度は他の電気部品より低い。そこで主回路インバータにおいては、スイッチング素子に重点を置いた熱設計がなされている。

さらにスイッチング素子を熱破壊から確実に保護するために、スイッチング素子の温度等を検出して許容最大温度を超えた場合に、電流値を下げる、スイッチング回数を減らす、モータの運転を停止するなどの過熱保護を行うことが多い。しかし、スイッチング素子は高電圧部であり、その温度を直接検出することは困難である。

スイッチング素子の温度を検出する方式として、例えば特許文献１には、直流電源とインバータ装置との間の挿入されたフィルタコンデンサの両端の電圧を検出する電圧検出部、大電力半導体素子に流れる電流を検出する電流検出部、および前記大電力半導体素子を冷却するための冷却手段に温度検出部により検出された情報を用いる例が開示されている。特許文献１の方式では、電圧検出部、電流検出部および温度検出部の情報がジャンクション温度計算部に入力され、該ジャンクション温度計算部での計算結果と許容温度とを比較して、その結果によりインバータ装置の出力パワーを制御する。

また、特許文献２には、インバータへ入力される直流電圧を検出する電圧器と、インバータから同期電動機への電流を検出する電流検出器と、インバータのスイッチング素子で発生する損失を演算する演算器と、前記スイッチング素子の温度を演算する素子温度演算回路と、からなり、あらかじめ定めた演算式を用いてスイッチング損失を演算する例が示されている。

国際公開第２００７／０３４５４４号 特開２００５−１２４３８７号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の方式では、電流検出部９からの信号（Iu，Iv，Iw）と電圧検出部８のフィルタコンデンサ電圧Efcなどを用いて、半導体素子の損失を出すようにしているが、これらの損失は、実際のゲート電圧や実スイッチング信号の立ち上がり回数や立ち下がり回数などで大きく変化する。このため、正確なスイッチング損失を求められないという課題があった。

また、特許文献２に記載の技術では、同期電動機３への電流Imを検出する電流検出器２７とインバータ１１に入力される直流電圧Vdを検出する電圧検出器２６などの情報を用いて、半導体素子の損失を出すようにしている。このため、上記特許文献１の方式と同様に、正確なスイッチング損失を求められないという課題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、従来の方式よりも精度良くスイッチング素子の損失を求めることができるモータ制御装置を得ること目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、主回路インバータを備え、前記主回路インバータ内のスイッチング素子の損失を計算するモータ制御装置であって、前記スイッチング素子のゲート電圧を検出するゲート電圧検出器と、ゲート電圧と前記スイッチング素子のターンオン損失、ターンオフ損失およびリカバリー損失との関係を示す特性情報を保持し、前記ゲート電圧検出器が測定したゲート電圧と前記特性情報とに基づいて前記スイッチング素子のターンオン損失、ターンオフ損失およびリカバリー損失を前記損失として求める素子損失計算部と、を備えることを特徴とする。

本発明にかかるモータ制御装置は、従来の方式よりも精度良くスイッチング素子の損失を求めることができるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１のモータ制御装置の構成例を示す図である。 図２は、ＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間電圧およびコレクタ電流と損失の一例を示す図である。 図３は、ＦＷＤの順方向電圧および順方向電流と損失の一例を示す図である。 図４は、入力変数とターンオン損失の関係を示すテーブルデータの一例を示す図である。 図５は、入力変数とターンオフ損失の関係を示すテーブルデータの一例を示す図である。 図６は、コレクタ−エミッタ間電圧のテーブルデータの一例を示す図である。 図７は、入力変数に応じたリカバリー損失を示すテーブルデータの一例を示す図である。 図８は、入力変数に応じた順方向電圧のテーブルデータの一例を示す図である。 図９は、実施の形態３のモータ制御装置の構成例を示す図である。

以下に、本発明にかかるモータ制御装置の実施の形態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、本発明にかかるモータ制御装置の実施の形態１の構成例を示す図である。図１に示すように、本実施の形態のモータ制御装置の主回路インバータ２０は、インバータ電源２１の電圧を交流に変換し、モータ２２に与える。なお、図１では、インバータ電源２１を直流電源としているが、インバータ電源２１は、例えば交流電源を整流したものやバッテリーなどでも構わない。またモータ２２は、例えば産業用途や電気自動車などで使われている駆動用動力源である。

主回路インバータ２０は、１２個のスイッチング素子を備える。図１では、一例として、１２個のスイッチング素子が、ＩＧＢＴ（ゲート絶縁型バーポーラトランジスタ）７ａ〜７ｆとＦＷＤ（還流ダイオード）８ａ〜８ｆとで構成される例を示している。またＩＧＢＴ７ａ〜７ｆは、ゲート駆動回路２５ａ〜２５ｆによりスイッチング制御されている。

ゲート電源２４ａ〜２４ｆは、ゲート駆動回路２５ａ〜２５ｆをそれぞれ動作させるための電源である。モータ制御部２３は、主回路インバータ２０から出力させたい交流電圧を、例えばベクトル制御やＶ／ｆ制御と呼ばれる手法等により計算し、計算した電圧をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）変調させてＩＧＢＴ７ａ〜７ｆへのゲート信号として出力する。

電流検出器１ａ〜１ｃは主回路インバータ２０から出力されるインバータ出力電流を検出し、電圧検出器２はインバータ電源２１の電源電圧を検出し、ゲート電圧検出器４ａ〜４ｆはゲート電源２４ａ〜２４ｆのゲート電圧をそれぞれ検出する。また、温度検出器９は、スイッチング素子等の冷却のために設けられているフィン（図示せず）のうち任意のフィンの温度を検出する。

実スイッチング検出器３ａ〜３ｆは実際のスイッチング電圧を検出し、単位時間当たりの立ち上がり回数や立下り回数、オン・オフ比率などを出力する。例えば実スイッチング検出器３ａは、インバータ電源２１のＰ端子とモータ２２のＵ端子との電位差を検出することで、Ｕ相上側素子（ＩＧＢＴ７ａ、ＦＷＤ８ａ）の実際のスイッチング電圧を検出することが可能である。また、実スイッチング検出器３ｂは、インバータ電源２１のＮ端子とモータ２２のＵ端子との電位差を検出することで、Ｕ相下側素子（ＩＧＢＴ７ｂ、ＦＷＤ８ｂ）の実際のスイッチング電圧を検出することが可能である。同様に、実スイッチング検出器３ｃ（ＩＧＢＴ７ｃ、ＦＷＤ８ｃ），３ｄ（ＩＧＢＴ７ｄ、ＦＷＤ８ｄ），３ｅ（ＩＧＢＴ７ｅ、ＦＷＤ８ｅ），３ｆ（ＩＧＢＴ７ｆ、ＦＷＤ８ｆ）は、それぞれＶ相上側素子，Ｖ相下側素子，Ｗ相上側素子，Ｗ相下側素子のスイッチング電圧を検出することが可能である。

素子損失計算部５ａ〜５ｆは、これら検出された情報を使って、全てのスイッチング素子の損失を計算し、素子温度計算部（温度計算部）６は、計算された損失に基づいてスイッチング素子の温度を計算する。素子損失計算部５ａ〜５ｆおよび素子温度計算部６の動作について、以下で詳細に説明する。

本実施の形態では、図１のように構成されたモータ制御装置において、素子損失計算部５ａ〜５ｆによって全てのスイッチング素子（ＩＧＢＴ７ａ〜７ｆ、ＦＷＤ８ａ〜８ｆ）の損失を計算する。ここでは代表として、Ｕ相上側素子（ＩＧＢＴ７ａ、ＦＷＤ８ａ）の素子損失計算部５ａの計算方法を説明する。

図２は、ＩＧＢＴ７ａがスイッチング動作するときのＩＧＢＴ７ａのコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅ_[UP]およびコレクタ電流Ｉｃ_[UP]と損失の一例を示す図である。図２の上側の図は、コレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅ_[UP]およびコレクタ電流Ｉｃ_[UP]を示しており、図２の下側の図は、両者の掛け算によりＵ相上側ＩＧＢＴ（ＩＧＢＴ７ａ）の素子損失Ｐ_(IGBT)[UP]が求められることを示している。このうちＩＧＢＴ７ａがオンしたときに発生する損失をターンオン損失Ｐｏｎ_[UP]、ＩＧＢＴ７ａがオフしたときに発生する損失をターンオフ損失Ｐｏｆｆ_[UP]、ＩＧＢＴ７ａが導通しているときに発生する損失を導通損失Ｐｓａｔ_(IGBT)[UP]と呼ぶ。

図３は、ＦＷＤ８ａがスイッチング動作するときのＦＷＤ８ａの順方向電圧Ｖｆ_[UP]および順方向電流Ｉｆ_[UP]と損失の一例を示す図である。図３の上側の図は、ＦＷＤ８ａの順方向電圧Ｖｆ_[UP]および順方向電流Ｉｆ_[UP]を示し、図３の下側の図は、両者の掛け算によりＵ相上側ＦＷＤ（ＦＷＤ８ａ）の素子損失Ｐ_(FWD)[UP]が求められることを示している。このうちＦＷＤ８ａがオフしたときに発生する損失をリカバリー損失Ｐｒｅｃ_[UP]、ＦＷＤ８ａが導通しているときに発生する損失を導通損失Ｐｓａｔ_(FWD)[UP]と呼ぶ。

素子損失計算部５ａには、電流検出器１ａからのインバータ出力電流Ｉｕ、電圧検出器２からのインバータ電源電圧Ｖｄｃ、実スイッチング検出器３ａからの単位時間当たりの立ち上がり回数ｆｕｐ_[UP]、単位時間当たりの立ち下がり回数ｆｄｏｗｎ_[UP]および単位時間当たりのオン・オフ比率Ｄ_[UP]、ゲート電圧検出器４ａからのゲート電圧Ｖｇ_[UP]、素子温度計算部６からの素子温度Ｔｊ_(IGBT)[UP]およびＴｊ_(FWD)[UP]が入力される。素子損失計算部５ａは、これらの情報を用いて、前述した各損失を次のように計算する。

・ターンオン損失Ｐｏｎ_[UP]の計算
ターンオン損失は、インバータ出力電流Ｉｕ、インバータ電源電圧Ｖｄｃ、ゲート電圧Ｖｇ_[UP]、素子温度Ｔｊ_(IGBT)[UP]（入力変数）によって変化する。そこであらかじめこれらの入力変数の値を変えて実験をすることなどにより、これらの入力変数とターンオン損失の関係（入力変数に応じたターンオン損失）を求めておき、メモリ等にテーブルデータの形態で保持しておく。すなわち、入力変数とターンオン損失との関係を示す特性情報をテーブルデータとして保持しておく。そして、検出したインバータ出力電流Ｉｕ、インバータ電源電圧Ｖｄｃ、ゲート電圧Ｖｇ_[UP]、素子温度Ｔｊ_(IGBT)[UP]（入力変数）の値と、テーブルデータと、に基づいてターンオン損失Ｐｏｎ_[UP]を算出する。なお、全ての入力変数に対する情報を有しておき、全ての入力変数を用いてターンオン損失Ｐｏｎ_[UP]を求めると最も精度を向上させることができるが、これらの入力変数のうち１つ以上を用いればよく必ずしもここに示す全ての入力変数を使う必要はない。

図４は、この入力変数とターンオン損失の関係を示すテーブルデータの一例を示す図である。図４では、横軸にインバータ出力電流Ｉｕとインバータ電源電圧Ｖｄｃを取り、素子温度Ｔｊ_(IGBT)[UP]に応じた線が引かれている。例えば、図４の丸や四角や三角で示した点をテーブルデータとして数値として保持しておき、必要に応じて補間等を実施することにより、縦軸のターンオン損失の値を得ることができる。なお、図４では、インバータ出力電流Ｉｕ、インバータ電源電圧Ｖｄｃおよび素子温度と損失の関係を示しているが、上述のように損失はゲート電圧にも依存する。従って、実際には、テーブルデータとしては、図４に示したようなデータがゲート電圧ごとに存在する。もちろん、このテーブルデータを関数の形態で保持しておき、演算によってターンオン損失を導き出しても構わない。

このようにして求めた１回当たりのターンオン損失に、ＰＷＭ変調におけるキャリア周波数を掛け算することにより、単位時間当たりのターンオン損失Ｐｏｎ_[UP]を求めることができる。ここで、キャリア周波数の代わりに単位時間当たりの立ち上がり回数ｆｕｐ_[UP]を用いると、さらに精度良く単位時間当たりのターンオン損失Ｐｏｎ_[UP]を求めることが可能になる。

・ターンオフ損失Ｐｏｆｆ_[UP]の計算
同様にターンオフ損失も、インバータ出力電流Ｉｕ、インバータ電源電圧Ｖｄｃ、ゲート電圧Ｖｇ_[UP]、素子温度Ｔｊ_(IGBT)[UP]によって変化する。そこであらかじめこれらの入力変数の値を変えて実験をすることなどにより、これらの入力変数に応じたターンオフ損失を求めておき、メモリ等にテーブルデータの形態で保持しておく。すなわち、入力変数とターンオフ損失との関係を示す特性情報をテーブルデータとして保持しておく。なお、全ての入力変数を用いると最も精度を向上させることが可能であるが、これらの入力変数のうち１つ以上を用いればよく必ずしもここに示す全ての入力変数を使う必要はない。

図５は、この入力変数とターンオフ損失の関係を示すテーブルデータの一例を示す図である。図５では、横軸にインバータ出力電流Ｉｕとインバータ電源電圧Ｖｄｃを取り、素子温度Ｔｊ_(IGBT)[UP]に応じた線（丸、四角、三角で示した３つの線は、それぞれ異なる素子温度に対応する）が引かれている。例えば、図５の丸や四角や三角で示した点をテーブルデータとして数値として保持しておき、必要に応じて補間等を実施することにより、縦軸のターンオフ損失を得ることができる。なお、図４の場合と同様に、実際には、テーブルデータとしては、図５に示したようなデータがゲート電圧ごとに存在する。もちろん、このテーブルデータを関数の形態で保持しておき、演算によってターンオフ損失を導き出しても構わない。

このようにして求めた１回当たりのターンオフ損失にＰＷＭ変調におけるキャリア周波数を掛け算することにより、単位時間当たりのターンオフ損失Ｐｏｆｆ_[UP]を求めることができる。ここで、キャリア周波数の代わりに単位時間当たりの立ち下がり回数ｆｏｆｆ_[UP]を用いると、さらに精度良く単位時間当たりのターンオフ損失Ｐｏｆｆ_[UP]を求めることが可能になる。

・ＩＧＢＴ７ａの導通損失Ｐｓａｔ_(IGBT)[UP]の計算
ＩＧＢＴ７ａの導通損失は、図２でも説明した通り、コレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅ_[UP]およびコレクタ電流Ｉｃ_[UP]の掛け算により求めることができる。コレクタ−エミッタ間電圧は、コレクタ電流Ｉｃ_[UP]、素子温度Ｔｊ_(IGBT)[UP]によって変化する。そこであらかじめ入力変数の値を変えて実験をすることなどで入力変数に応じたコレクタ−エミッタ間電圧を求めておき、メモリ等にテーブルデータの形態で保持しておく。すなわち、入力変数と導通損失との関係を示す特性情報をテーブルデータとして保持しておく。

図６は、このコレクタ−エミッタ間電圧のテーブルデータの一例を示す図である。図６では、横軸にコレクタ電流Ｉｃ_[UP]を取り、素子温度Ｔｊ_(IGBT)[UP]に応じた線（丸、四角、三角で示した３つの線は、それぞれ異なる素子温度に対応する）が引かれている。例えば、図５の丸や四角や三角で示した点をテーブルデータとして数値として保持しておき、必要に応じて補間等を実施することにより、縦軸のコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅ_[UP]を得ることができる。もちろん、このテーブルデータを関数の形態で保持しておき、演算によってコレクタ−エミッタ間電圧を導き出しても構わない。なおここで使用しているコレクタ電流は、インバータ出力電流から導出することが可能である（等価な物である）。

単位時間当たりのＩＧＢＴ７ａの導通損失Ｐｓａｔ_(IGBT)[UP]を求めるためには、前述したコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅ_[UP]およびコレクタ電流Ｉｃ_[UP]の掛け算の結果に、ＩＧＢＴ７ａの通電比率を掛ける必要がある。モータ制御部２３から得られる電圧指令を用いて、ＩＧＢＴ７ａの通電比率を簡易的に得ることもできるが、実スイッチング検出器３ａが算出した単位時間当たりのオン・オフ比率Ｄ_[UP]を用いてＩＧＢＴ７ａの通電比率を求めると、さらに精度良く単位時間当たりのＩＧＢＴの導通損失Ｐｓａｔ_(IGBT)[UP]を求めることが可能になる。

・リカバリー損失Ｐｒｅｃ_[UP]の計算
リカバリー損失は、インバータ出力電流Ｉｕ、インバータ電源電圧Ｖｄｃ、ゲート電圧Ｖｇ_[UP]、素子温度Ｔｊ_(FWD)[UP]によって変化する。そこであらかじめ入力変数の値を変えて実験をすることなどで入力変数に応じたリカバリー損失を求めておき、メモリ等にテーブルデータの形態で保持しておく。すなわち、入力変数とリカバリー損失との関係を示す特性情報をテーブルデータとして保持しておく。なお、全ての入力変数を用いると最も精度を向上させることが可能であるが、これらの入力変数のうち１つ以上を用いればよく必ずしもここに示す全ての入力変数を使う必要はない。

図７は、この入力変数に応じたリカバリー損失を示すテーブルデータの一例を示す図である。図７では、横軸にインバータ出力電流Ｉｕとインバータ電源電圧Ｖｄｃを取り、素子温度Ｔｊ_(FWD)[UP]に応じた線（丸、四角、三角で示した３つの線は、それぞれ異なる素子温度に対応する）が引かれている。例えば、図７の丸や四角や三角で示した点をテーブルデータとして数値として保持しておき、必要に応じて補間等を実施することにより縦軸のリカバリー損失を得ることができる。なお、図４の場合と同様に、実際には、テーブルデータとしては、図７に示したようなデータがゲート電圧ごとに存在する。もちろん、このテーブルデータを関数の形態で保持しておき、演算によってリカバリー損失を導き出しても構わない。

このようにして求めた１回当たりのリカバリー損失にＰＷＭ変調におけるキャリア周波数を掛け算することにより、単位時間当たりのリカバリー損失Ｐｒｅｃ_[UP]を求めることができる。ここで、キャリア周波数の代わりに実スイッチング検出器３ａが算出した単位時間当たりの立ち上がり回数ｆｕｐ_[UP]を用いる（ＦＷＤのリカバリー損失が発生するのは、ＩＧＢＴのターンオン時であるため）と、さらに精度良く単位時間当たりのリカバリー損失Ｐｒｅｃ_[UP]を求めることが可能になる。

・ＦＷＤの導通損失Ｐｓａｔ_(FWD)[UP]の計算
ＦＷＤの導通損失は、図３でも説明した通り、順方向電圧Ｖｆ_[UP]および順方向電流Ｉｆ_[UP]の掛け算により求める。順方向電圧Ｖｆ_[UP]は、順方向電流Ｉｆ_[UP]、素子温度Ｔｊ_(FWD)[UP]によって変化する。そこであらかじめ入力変数の値を変えて実験をすることなどで入力変数に応じた順方向電圧を求めておき、メモリ等にテーブルデータの形態で保持しておく。

図８は、この入力変数に応じた順方向電圧のテーブルデータの一例を示す図である。横軸に順方向電流Ｉｆ_[UP]を取り、素子温度Ｔｊ_(FWD)[UP]に応じた線（丸、四角、三角で示した３つの線は、それぞれ異なる素子温度に対応する）が引かれている。例えば、図８の丸や四角や三角で示した点をテーブルデータとして数値として保持しておき、必要に応じて補間等を実施することにより縦軸に取られている順方向電圧Ｖｆ_[UP]を得ることができる。もちろん、このテーブルデータを関数の形態で保持しておき、演算によって順方向電圧を導き出しても構わない。なおここで使用している順方向電流は、インバータ出力電流から導出することが可能である（等価な物である）。

単位時間当たりのＦＷＤ８ａの導通損失Ｐｓａｔ_(FWD)[UP]を求めるためには、前述した順方向電圧Ｖｆ_[UP]および順方向電流Ｉｆ_[UP]の掛け算の結果に、ＦＷＤ８ａの通電比率を掛ける必要がある。モータ制御部２３から得られる電圧指令を用いて、ＦＷＤの通電比率を簡易的に得ることもできるが、実スイッチング検出器３ａが算出した単位時間当たりのオン・オフ比率Ｄ_[UP]を用いると、さらに精度良く単位時間当たりのＦＷＤの導通損失Ｐｓａｔ_(FWD)[UP]を求めることが可能になる。

以上のように素子損失計算部５ａによって、ＩＧＢＴ７ａのターンオン損失Ｐｏｎ_[UP]、ターンオフ損失Ｐｏｆｆ_[UP]、導通損失Ｐｓａｔ_(IGBT)[UP]を得ることができ、それらを足し合わせることで、Ｕ相上側ＩＧＢＴの素子損失Ｐ_(IGBT)[UP]を求めることができる。また、ＦＷＤ８ａのリカバリー損失Ｐｒｅｃ_[UP]、導通損失Ｐｓａｔ_(FWD)[UP]を得ることができ、それらを足し合わせることで、Ｕ相上側ＦＷＤの素子損失Ｐ_(FWD)[UP]を求めることができる。素子損失計算部５ｂ〜５ｆについても、同様の考え方で素子損失を計算し、全ての素子損失を得ることができる。なおこれらの素子損失計算は、マイクロプロセッサ等により実施することができる。すなわち、素子損失計算部５ａ〜５ｆとしてマイクロプロセッサ等を用いることができる。

素子温度計算部６は、全ての素子損失を入力として、それらの温度を計算する。その計算方法の一例を以下に示す。温度検出器９がフィン温度Ｔｆｉｎを観測している場合、Ｕ相上側ＩＧＢＴの素子とフィンとの温度差をΔＴｊ_(IGBT)[UP]とすると、この温度差は次の（１）式で求めることができる。
ΔＴｊ_(IGBT)[UP]
＝Ｐ_(IGBT)[UP]×Ｒｔｈ_(IGBT)[UP] …（１）
式中のＰ_(IGBT)[UP]は先ほど求めたＵ相上側ＩＧＢＴの素子損失である。Ｒｔｈ_(IGBT)[UP]は熱抵抗と呼ばれるものであり、素子固有の特性値である。

熱抵抗は、あらかじめ実験をすることなどで求めておき、メモリ等にテーブルデータの形態で保持しておく。なお、熱抵抗を熱容量の変数とし、時定数と熱容量を用いて熱抵抗を求めることで、より正確な温度差を得ることも可能である。具体的には、Ｕ相上側ＩＧＢＴの素子からフィンまでの温度差をΔＴｊ_(IGBT)[UP]とすると、この温度差を次式のように求めることができる。
ΔＴｊ_(IGBT)[UP]
＝Ｐ_(IGBT)[UP]×［Ｒｔｈ_(IGBT)[UP]×｛１−ｅｘｐ（−ｔ／（Ｒｔｈ_(IGBT)[UP]×Ｃｔｈ_(IGBT)[UP]））｝］ …（２）
Ｃｔｈ_(IGBT)[UP]は熱容量と呼ばれるものであり、素子固有の特性値である。

また、他の素子（Ｕ相上側ＩＧＢＴ以外）で発生した損失により、Ｕ相上側ＩＧＢＴが温度上昇するような熱干渉の影響がある場合でも、上記式（１）または（２）を、熱干渉を考慮した式へ拡張することでその影響を考慮することができ、さらに正確な温度差を得ることが可能になる。

温度検出器９から得られるフィン温度Ｔｆｉｎと上記式（１）、（２）等の計算で求めた温度差ΔＴｊ_(IGBT)[UP]から、Ｕ相上側ＩＧＢＴの素子温度Ｔｊ_(IGBT)[UP]を次の式（３）で求めることができる。
Ｔｊ_(IGBT)[UP]＝ΔＴｊ_(IGBT)[UP]＋Ｔｆｉｎ …（３）

同様の考え方で、全ての素子温度を得ることができる。なおこれらの素子温度計算は、マイクロプロセッサ等で実施することができる。すなわち、素子温度計算部６としてマイクロプロセッサ等を用いることができる。素子損失計算部５ａ〜５ｆと素子温度計算部６が同一のマイクロプロセッサにより実装されてもよい。

以上のようにして得られた素子温度は、素子損失計算部５ａ〜５ｆに入力され、より正確な素子損失の計算に用いられる。また、これらの素子温度は、モータ制御部２３に入力され、スイッチング素子温度が熱破壊しないように、素子温度があるしきい値を超えたら、電流値を下げる、スイッチング回数を減らす、モータの運転を停止するなどの過熱保護を行い、スイッチング素子の破壊を防ぐことにも使われる。

なお、実施の形態１では、例えばゲート電圧検出器４ａ〜４ｆの６個を使い、それぞれのスイッチング素子で個別に検出したゲート電圧を使うようにしているが、コストを削減する等の理由から、どれか１個のゲート電圧だけを検出し、全ての素子損失計算に同じ値を使うようにしても構わない。

以上のように、本実施の形態では、素子損失計算部５ａ〜５ｆは、インバータ出力電流Ｉｕ、インバータ電源電圧Ｖｄｃ、単位時間当たりの立ち上がり回数ｆｕｐ_[UP]、単位時間当たりの立ち下がり回数ｆｄｏｗｎ_[UP]、単位時間当たりのオン・オフ比率Ｄ_[UP]、ゲート電圧Ｖｇ_[UP]、素子温度Ｔｊ_(IGBT)[UP]およびＴｊ_(FWD)[UP]、のうち少なくとも１つ以上を用いて各スイッチング素子の素子損失を求めるようにした。また、素子温度計算部６は、フィン温度Ｔｆｉｎと、スイッチング素子の素子損失と、に基づいて素子温度を求め、求めた素子温度を素子損失計算部５ａ〜５ｆへ入力するようにした。このため、従来の方式よりも精度良く、スイッチング素子の損失を算出することが可能になる。

また、ＰＷＭ変調におけるキャリア周波数を用いて実スイッチング電圧の単位時間当たりのオン・オフ比率を用いて素子の導通損失を計算する場合、モータ制御部２３から得られる電圧指令を用いてスイッチング素子の通電比率を求める方式よりさらに精度良く、スイッチング素子の損失を求めることが可能になる。

実施の形態２．
次に、本発明にかかる実施の形態２の損失算出方法について説明する。本実施の形態のモータ制御装置の構成は実施の形態１と同様である。実施の形態１と同様の機能を有する構成要素は、実施の形態１と同一の符号を付して重複する説明を省略する。実施の形態１では、素子損失計算部５ａ〜５ｆには電流検出器１ａ〜１ｃからのインバータ出力電流が入力されている。素子損失の計算は、例えば、所定の計算タイミング（所定の時間間隔ごとの計算タイミング）で、逐次行われているため、インバータ出力電流の瞬時値を使用することになる。

ところがインバータの運転周波数が速くなると、計算時間（計算タイミング）ごとのインバータ出力電流（瞬時値）が大きく変化することになり、損失計算の精度を保つことができなくなる。そこで、本実施の形態では、素子損失計算部５ａ〜５ｆは、入力されたインバータ出力電流の実効値を求める。そして、モータ制御部２３はインバータ運転周波数を素子損失計算部５ａ〜５ｆへ受け渡し、素子損失計算部５ａ〜５ｆは、インバータ運転周波数が高くなった場合（例えば、インバータ運転周波数が所定の閾値以上となった場合）には、損失計算に用いるインバータ出力電流を瞬時値から実効値へと切り替えるようにする。以上述べた以外の本実施の形態の動作は、実施の形態１と同様である。

以上のように、本実施の形態では、損失計算に用いるインバータ出力電流を瞬時値と実効値で切り替えるようにした。このため、実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、インバータ運転周波数が高くなった場合にも、素子損失の精度を保つことが可能になる。

実施の形態３．
図９は、本発明にかかるモータ制御装置の実施の形態３の構成例を示す図である。本実施の形態のモータ制御装置の構成は、電気部品損失計算部１０を追加し、素子温度計算部６の代わりに温度計算部１１を備える以外は、実施の形態１のモータ制御装置と同様である。実施の形態１と同様の機能を有する構成要素は、実施の形態１と同一の符号を付して重複する説明を省略する。

実施の形態１では、素子温度計算部６は、全ての素子損失を入力として、それらの温度を計算した。主回路インバータ２０には多くの電気部品（抵抗、コンデンサ、リアクトルなど）が使われているが、一般にスイッチング素子の許容最大温度は他の電気部品より低いため、スイッチング素子の温度計算だけを行って、素子が熱破壊しないように保護をかければ、主回路インバータ２０としては問題ない。

主回路インバータ２０のスイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体によって形成してもよい。ワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドがある。スイッチング素子にＳｉＣ（炭化珪素）などのワイドバンドギャップ素子を用いた場合、従来のＳｉ（ケイ素）を用いた半導体素子よりも高温動作が可能になり、許容最大温度を高くできる。

このようにワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子やダイオード素子は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、スイッチング素子小型化が可能であり、これら小型化されたスイッチング素子を用いることにより、これらの素子を組み込んだ半導体モジュールの小型化が可能となる。

また耐熱性も高いため、ヒートシンクの放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化が可能であるので、半導体モジュールの一層の小型化が可能になる。

更に電力損失が低いため、スイッチング素子の高効率化が可能であり、延いては半導体モジュールの高効率化が可能になる。

このようにワイドバンドギャップ素子をスイッチング素子として用いる場合、主回路インバータ２０に使われている他の電気部品の許容最大温度が、スイッチング素子よりも低くなる可能性がある。このため、その電気部品が熱破壊しないように保護をかけないと、主回路インバータ２０として問題が発生する。

もちろん、許容最大温度が低い電気部品に対して直接温度検出器を設置し、温度を検出して熱保護をかけても良いが、コストの面から必ずしも最良の方法とは言えない。そこで、本実施の形態では、実施の形態１で説明したような素子損失計算と素子温度計算を行う考え方を、他の電気部品まで含めた形に拡張する。

電気部品損失計算部１０は、許容最大温度が低く、熱破壊を起こす可能性のある電気部品（図示していない）の損失計算を行うものである。一例として、その部品が抵抗である場合、損失Ｐは次の式（４）で求めることができる。
Ｐ＝Ｉ²×Ｒ …（４）
式中のＩは電気部品に流れる電流であり、Ｒは電気部品の抵抗値である。抵抗値は温度によって変化するため、後で導出する電気部品の温度に応じて変化させ、より正確な損失計算を実施することもできる。

温度計算部１１は、全てのスイッチング素子および電気部品の損失を入力として、それらの温度を計算する。スイッチング素子の温度計算方法は、実施の形態１で述べた方法と同様である。実施の形態１ではスイッチング素子の温度計算方法を説明したが、電気部品の温度についても同じように計算することができる。

電気部品の温度の計算方法の一例を、以下に示す。温度検出器９がフィン温度Ｔｆｉｎを検出している場合、電気部品からフィンまでの温度差をΔＴとすると、この温度差は次の式（５）で求めることができる。
ΔＴ＝Ｐ×Ｒｔｈ …（５）
式中のＰは先ほど求めた電気部品の損失である。Ｒｔｈは熱抵抗と呼ばれるものであり、電気部品固有の特性値である。

熱抵抗は、あらかじめ実験をすることなどで求めておき、メモリ等にテーブルデータの形態で保持しておく。また、スイッチング素子で発生した損失により、電気部品が温度上昇するような熱干渉の影響がある場合でも、式（５）を熱干渉を考慮した式に拡張することでその影響を考慮することができ、さらに正確な温度差を得ることが可能になる。

温度検出器９から得られるフィン温度Ｔｆｉｎと計算で求めた温度差ΔＴから、電気部品の温度Ｔを次の式（６）で求めることができる。
Ｔ＝ΔＴ＋Ｔｆｉｎ …（６）

以上のようにして得られた電気部品温度は、電気部品損失計算部１０に戻されて、より正確な損失の計算に用いられる。また、電気部品温度は、モータ制御部２３に入力され、電気部品が熱破壊しないように、電気部品温度があるしきい値を超えたら、電流値を下げる、モータの運転を停止するなどの過熱保護を行い、電気部品の破壊を防ぐことにも使われる。以上述べた以外の本実施の形態の動作は、実施の形態１と同様である。

なお、これまでの説明においては、損失計算および温度計算の対象となる電気部品は１つとして扱ってきたが、熱破壊を起こす可能性のある電気部品が複数個ある場合は、それら全てに対して同じ方法を適用し、各々の損失および温度を求めることができる。

なお、実施の形態１〜３において、主回路インバータは１２個のスイッチング素子を持った一般的な２レベルインバータとして説明を行ってきたが、もちろん単相インバータやマルチレベルインバータにも適用できる。

以上のように、本実施の形態では、スイッチング素子以外の電気部品の損失および温度をスイッチング素子と同様に求めるようにした。このため、実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、温度検出器を付けることなく電気部品の温度を検出することが可能になる。また、主回路インバータ２０の電気部品の温度を求めて、これに基づいて過熱保護を行うようにしたので、電気部品の熱破壊を防ぐことが可能になる。特にＳｉＣ等の高温動作可能なスイッチング素子を用いる主回路インバータに適用する場合、モータ制御装置としてさらに過熱保護の効果を高めることが可能になる。

１ａ，１ｂ，１ｃ 電流検出器
２ 電圧検出器
３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ 実スイッチング検出器
４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆ ゲート電圧検出器
５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆ 素子損失計算部
６ 素子温度計算部
７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆ ＩＧＢＴ
８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ，８ｅ，８ｆ ＦＷＤ
９ 温度検出器
１０ 電気部品損失計算部
１１ 温度計算部
２０ 主回路インバータ
２１ インバータ電源
２２ モータ
２３ モータ制御部
２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ，２４ｅ，２４ｆ ゲート電源
２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ，２５ｅ，２５ｆ ゲート駆動回路

Claims (17)

1. 主回路インバータを備え、前記主回路インバータ内のスイッチング素子の損失を計算するモータ制御装置であって、
   前記スイッチング素子のゲート電圧を検出するゲート電圧検出器と、
   ゲート電圧と前記スイッチング素子のターンオン損失、ターンオフ損失およびリカバリー損失との関係を示す特性情報を保持し、前記ゲート電圧検出器が測定したゲート電圧と前記特性情報とに基づいて前記スイッチング素子のターンオン損失、ターンオフ損失およびリカバリー損失を前記損失として求める素子損失計算部と、
   を備えることを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記主回路インバータに電圧を供給するインバータ電源のインバータ電源電圧を検出する電圧検出器、
   を備え、
   前記素子損失計算部は、前記特性情報としてさらにインバータ電源電圧と前記スイッチング素子のターンオン損失、ターンオフ損失およびリカバリー損失との関係を示す情報を保持し、さらに前記電圧検出器が検出したインバータ電源電圧に基づいて前記スイッチング素子のターンオン損失、ターンオフ損失およびリカバリー損失を前記損失として求める、ことを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記主回路インバータからの出力電流をインバータ出力電流として検出する電流検出部、
   を備え、
   前記素子損失計算部は、前記特性情報としてさらにインバータ出力電流と前記スイッチング素子のターンオン損失、ターンオフ損失およびリカバリー損失との関係を示す情報を保持し、さらに前記電流検出部が検出したインバータ出力電流に基づいて前記スイッチング素子のターンオン損失、ターンオフ損失およびリカバリー損失を前記損失として求める、ことを特徴とする請求項１または２に記載のモータ制御装置。
4. 前記素子損失計算部は、前記電流検出部が検出したインバータ出力電流として用いる値を、インバータ運転周波数に基づいて瞬時値と実効値とで切り替える、ことを特徴とする請求項３に記載のモータ制御装置。
5. 前記主回路インバータから出力されるスイッチング電圧を実スイッチング電圧として検出する実スイッチング検出部、
   を備え、
   前記素子損失計算部は、前記特性情報としてさらにスイッチング電圧と前記スイッチング素子のターンオン損失、ターンオフ損失およびリカバリー損失との関係を示す情報を保持し、さらに前記実スイッチング検出部が検出したスイッチング電圧に基づいて前記スイッチング素子のターンオン損失、ターンオフ損失およびリカバリー損失を前記損失として求める、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のモータ制御装置。
6. 前記実スイッチング検出部は、前記実スイッチング電圧の単位時間当たりのオンオフ比率を求め、
   前記素子損失計算部は、前記オンオフ比率に基づいて前記スイッチング素子の導通損失をさらに前記損失として求める、ことを特徴とする請求項５に記載のモータ制御装置。
7. 前記主回路インバータから出力されるスイッチング電圧を実スイッチング電圧として検出する実スイッチング検出部、
   を備え、
   前記実スイッチング検出部は、前記実スイッチング電圧の単位時間当たりのオンオフ比率を求め、
   前記素子損失計算部は、前記オンオフ比率に基づいて前記スイッチング素子の導通損失をさらに前記損失として求める、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のモータ制御装置。
8. 前記スイッチング素子を冷却するフィンの温度を検出する温度検出部と、
   前記温度と前記素子損失計算部が求めた損失とに基づいて前記スイッチング素子の素子温度を求める温度計算部、
   を備え、
   前記素子損失計算部は、さらに前記素子温度に基づいて前記損失を求める、ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載のモータ制御装置。
9. 前記素子温度に基づいて前記スイッチング素子が熱破壊しないように過熱保護を行うモータ制御部、を備えることを特徴とする請求項８に記載のモータ制御装置。
10. 前記主回路インバータを構成する電気部品の損失を求める電気部品損失計算部、
    を備え、
    前記温度計算部は、前記電気部品損失計算部が求めた前記電気部品の損失に基づいて前記電気部品の温度を求める、ことを特徴とする請求項８に記載のモータ制御装置。
11. 前記素子温度に基づいて前記スイッチング素子が熱破壊しないように過熱保護を行い、前記温度計算部が求めた前記電気部品の温度に基づいて前記電気部品が熱破壊しないように過熱保護を行うモータ制御部、を備えることを特徴とする請求項１０に記載のモータ制御装置。
12. 前記スイッチング素子をワイドバンドギャップ半導体により形成されている、ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１つに記載のモータ制御装置。
13. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドであることを特徴とする請求項１２に記載のモータ制御装置。
14. 主回路インバータを備え、前記主回路インバータ内のスイッチング素子の損失を計算するモータ制御装置であって、
    前記主回路インバータに電圧を供給するインバータ電源のインバータ電源電圧を検出する電圧検出器、
    を備え、
    前記素子損失計算部は、前記特性情報としてインバータ電源電圧と前記スイッチング素子のターンオン損失、ターンオフ損失およびリカバリー損失との関係を示す情報を保持し、前記電圧検出器が検出したインバータ電源電圧に基づいて前記スイッチング素子のターンオン損失、ターンオフ損失およびリカバリー損失を前記損失として求める、ことを特徴とするモータ制御装置。
15. 主回路インバータを備え、前記主回路インバータ内のスイッチング素子の損失を計算するモータ制御装置であって、
    前記主回路インバータからの出力電流をインバータ出力電流として検出する電流検出部、
    を備え、
    前記素子損失計算部は、前記特性情報としてインバータ出力電流と前記スイッチング素子のターンオン損失、ターンオフ損失およびリカバリー損失との関係を示す情報を保持し、前記電流検出部が検出したインバータ出力電流に基づいて前記スイッチング素子のターンオン損失、ターンオフ損失およびリカバリー損失を前記損失として求める、ことを特徴とするモータ制御装置。
16. 主回路インバータを備え、前記主回路インバータ内のスイッチング素子の損失を計算するモータ制御装置であって、
    前記主回路インバータから出力されるスイッチング電圧を実スイッチング電圧として検出する実スイッチング検出部、
    を備え、
    前記素子損失計算部は、前記特性情報としてスイッチング電圧と前記スイッチング素子のターンオン損失、ターンオフ損失およびリカバリー損失との関係を示す情報を保持し、前記実スイッチング検出部が検出したスイッチング電圧に基づいて前記スイッチング素子のターンオン損失、ターンオフ損失およびリカバリー損失を前記損失として求める、ことを特徴とするモータ制御装置。
17. 主回路インバータを備え、前記主回路インバータ内のスイッチング素子の損失を計算するモータ制御装置であって、
    前記主回路インバータから出力されるスイッチング電圧を実スイッチング電圧として検出する実スイッチング検出部、
    を備え、
    前記実スイッチング検出部は、前記実スイッチング電圧の単位時間当たりのオンオフ比率を求め、
    前記素子損失計算部は、前記オンオフ比率に基づいて前記スイッチング素子の導通損失を前記損失として求める、ことを特徴とするモータ制御装置。

Images