KR101449886B1 - 전력 변환 장치 - Google Patents

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미쓰비시덴키 가부시키가이샤
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Abstract

내장된 냉매의 비등 현상을 이용하는 비등 냉각 장치를 이용하여 스위칭 소자의 냉각을 실시하도록 구성된 전력 변환 장치에 있어서, 냉매의 비등을 안정시키는 것이 가능한 게이트 지령 G를 생성하여 스위칭 소자(Su ~ Sz)를 제어하는 인버터 제어부(23)는 스위칭 소자(Su ~ Sz)의 온도 추정치인 소자 온도 추정치에 기초하여 냉각 장치의 안정도를 판정하고, 그 판정 결과에 기초하여 스위칭 소자(Su ~ Sz)를 제어하는 변조 모드 PM을 결정하여 선택하는 변조 모드 선택부(17)와, 변조 모드 선택부(17)가 선택한 변조 모드 PM에 기초하여 게이트 지령 G를 생성하는 게이트 지령 생성부(18)를 구비한다.

Description

전력 변환 장치{POWER CONVERSION APPARATUS}
본 발명은 예를 들면 전동기를 구동 제어하는 전력 변환 장치에 관한 것이다.
전력 변환 장치는 MOSFET, IGBT 등의 스위칭 소자를 스위칭 동작시켜 전력 변환을 실시한다. 이때, 스위칭 소자의 스위칭 동작에 수반하여 스위칭 손실이 발생한다. 스위칭 손실이 발생하면 스위칭 소자의 온도(이하 ‘소자 온도’라 한다)가 상승한다. 이 때문에, 소자 온도의 상승을 억제하기 위하여 냉각 장치가 불가결하게 된다.
냉각 장치는 소자의 발열을 냉각하기 위한 핀을 구비하는 구성이 일반적이지만, 냉각 능력을 더욱 높이기 위하여 내장된 냉매의 비등(沸騰) 현상을 이용하는 비등 냉각 방식을 이용한 것도 다수 존재한다.
비등 냉각 방식에 의한 냉각 장치(이하 ‘비등 냉각 장치’라 한다)에서는 핀 내부에 냉매가 충전(充塡)되어 있으며, 소자의 발열로 비등하여 기화한 냉매를 응축기를 통하여 냉각풍으로 냉각함으로써 소자를 냉각한다. 이와 같이, 비등 냉각 장치는 냉매를 이용하는 방식이므로 냉각 능력이 높은 냉각 장치이다.
다른 한편으로, 비등 냉각 방식에는, 소자의 발열이 낮은 영역에서는 비등이 안정되지 않고 동작이 불안정해진다는 성질이 있다는 것이 알려져 있다(예를 들면, 하기 비특허문헌 1 참고).
[비특허문헌 1] 전열공학 일본기계학회 丸善出版 2005년 3월 P. 128 ~ 130
상술한 바와 같이, 비등 냉각 방식에서는 비등 불안정 영역에 있어서, 비등 현상이 안정되지 않고 동작이 불안정해진다는 성질을 가지고 있다. 이 때문에, 종래의 비등 냉각 장치로는 비등 불안정 영역에서 동작을 계속시킨 경우, 소자가 과도한 온도 상승에 빠질 가능성이 있다는 과제가 있었다.
또, 비등 냉각 방식을 이용하는 종래의 전력 변환 장치에서는 전력 변환 장치의 구성 소자를 제어하기 위한 스위칭 주파수를 냉매의 능력에 따라 변경하는 개념은 있지만, 어느 것도 냉매의 냉각 능력을 넘지 않도록 스위칭 주파수를 제어한다는 개념, 혹은 기술 사상에 머무르고 있으며, 비등 불안정 영역에 관하여 언급된 문헌은 출원인이 조사한 범위에서는 찾을 수 없었다.
본 발명은 상기를 감안하여 이루어 진 것으로서, 비등 냉각 장치의 동작점을 비등 불안정 영역으로 천이시키지 않는 제어를 적극적으로 실시하는 전력 변환 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하고, 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 관한 전력 변환 장치는 스위칭 소자의 스위칭 동작에 의하여, 입력된 직류 전력 또는 교류 전력을 소망하는 교류 전력으로 변환하여 출력하고, 내장된 냉매의 비등 현상을 이용하는 비등 냉각 장치를 사용하여 상기 스위칭 소자의 냉각을 실시하도록 구성된 전력 변환 장치에 있어서, 상기 냉매의 비등을 안정시키는 것이 가능한 게이트 지령을 생성하여 상기 스위칭 소자를 제어하는 제어부를 구비하고, 상기 제어부는 상기 스위칭 소자의 온도 추정치인 소자 온도 추정치에 기초하여 상기 냉각 장치의 안정도를 판정하며, 그 판정 결과에 기초하여 상기 스위칭 소자를 제어하는 변조 모드를 결정하여 선택하는 변조 모드 선택부와, 상기 변조 모드 선택부가 선택한 변조 모드에 기초하여 상기 게이트 지령을 생성하는 게이트 지령 생성부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 비등 냉각 장치의 동작점이 비등 불안정 영역에 들어가는 것을 확실히 억제할 수 있는 전력 변환 장치를 제공할 수 있다는 효과를 보인다.
도 1은 본 발명의 실시형태 1에 관한 전력 변환 장치에 이용되기에 바람직한 냉각 장치의 일 구성례를 나타내는 개관도이다.
도 2는 비등 냉각 방식에 의한 냉각 장치에 있어서의 스위칭 손실 - 소자 온도 특성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시형태 1에 관한 전력 변환 장치의 기능을 나타내는 블록도이다.
도 4는 운전 지령 생성부의 세부 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 토크 지령 생성부의 세부 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 전압 지령 생성부의 세부 구성을 나타내는 도면이다.
도 7은 변조 모드 선택부의 세부 구성을 나타내는 도면이다.
도 8은 게이트 지령 생성부의 세부 구성을 나타내는 도면이다.
도 9는 변조 모드 신호의 생성 처리를 설명하기 위한 플로차트이다.
도 10은 역행 토크 지령 패턴 생성부를 구현하는 그래프로서 도 5에 나타낸 역행 토크 지령 패턴의 확대도이다.
도 11은 브레이크 토크 지령 패턴 생성부를 구현하는 그래프로서 도 5에 나타낸 브레이크 토크 지령 패턴의 확대도이다.
도 12는 변조 모드 전환 제어를 실시한 경우에 일부의 토크 패턴에 있어서의 손실이 비등 불안정 영역에 들어가 버리는 경우의 일례를 나타내는 도면이다.
도 13은 변조 모드 전환 제어를 실시한 경우에 모든 토크 패턴에 있어서의 손실이 비등 불안정 영역에 들어가지 않도록 제어한 경우의 일례를 나타내는 도면이다.
도 14는 변조 모드 전환 제어를 실시한 경우에 일부의 토크 패턴에 있어서의 손실이 냉각 장치 성능 초과 영역에 들어가 버리는 경우의 일례를 나타내는 도면이다.
도 15는 변조 모드 전환 제어를 실시한 경우에 모든 토크 패턴에 있어서의 손실이 냉각 장치 성능 초과 영역에 들어가지 않도록 제어한 경우의 일례를 나타내는 도면이다.
도 16은 본 발명의 실시형태 2에 관한 전력 변환 장치의 기능을 나타내는 블록도이다.
도 17은 직류 전압 지령 생성부의 세부 구성을 나타내는 도면이다.
도 18은 전압 지령 생성부의 세부 구성을 나타내는 도면이다.
도 19는 변조 모드 선택부의 세부 구성을 나타내는 도면이다.
도 20은 변조 모드 신호 PM의 생성 처리를 설명하기 위한 플로차트이다.
도 21은 컨버터 전류와 스위칭 손실의 관계를 나타내는 도면이다.
도 22는 스위칭 손실이 비등 불안정 영역 및 냉각 장치 성능 초과 영역에 들어가지 않도록 제어한 경우의 일례를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태에 관한 전력 변환 장치에 대하여 설명한다. 또한, 이하에 나타내는 실시형태에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
실시형태 1.
도 1은 본 발명의 실시형태 1에 관한 전력 변환 장치에 이용되기에 바람직한 냉각 장치의 일 구성례를 나타내는 개관도이며, (a)는 정면도, (b)는 측면도이다. 도 1에 나타낸 냉각 장치(1)는 비등 냉각 방식에 의한 냉각 장치이며, 방열부로서의 응축기(2), 흡열부로서의 증발기(3), 냉매(4), 핀(5) 등을 구비하여 구성된다. 후술할 전력 변환 장치에 마련되어, 주회로를 구성하는 스위칭 소자(7)는 증발기(3)에 접하여 장착되어 있다(도 1에는 증발기(3)의 하부에 장착되는 구성을 예시). 또, 냉매(4)는 증발기(3)의 내부에 마련된 냉매실(6a)에 봉입되어 있다.
스위칭 소자(7)가 발열하면 냉매(4)의 온도가 상승한다. 냉매(4)의 온도가 어떤 온도에 이르면 냉매(4)가 비등하고, 기화한 냉매(4)가 응축기(2)의 내부에 마련된 냉매실(6b) 내에 침입(浸入)한다. 또한, 냉각 장치의 구성에 따라서는 핀의 내부에도 기화한 냉매가 침입하는 구성인 것도 있다. 스위칭 소자(7)의 발열에 의하여 발생한 열은 핀(5)에 의하여 방열된다. 또한, 도 1에 나타낸 바와 같이 핀(5)을 향하여 냉각풍(8)을 통풍하면, 응축기(2)를 통과하는 온풍(9)의 이동을 촉진할 수 있어, 냉각 효율이 높은 냉각 장치를 실현할 수 있다.
도 2는 비등 냉각 방식에 따른 냉각 장치에 있어서의 스위칭 손실 - 소자 온도 특성의 일례를 나타낸 도면이다. 도 2에 있어서, 가로축은 스위칭 손실, 세로축은 소자 실장 표면 온도를 나타내고 있다. 먼저, 스위칭 손실이 C점 이하의 영역에 있는 경우, 냉매의 비등은 촉진되지 않는다. 이 때문에, 냉각 장치의 열저항이 증가하여 소자 온도가 상승한다. 한편, C점 이상의 스위칭 손실이 냉각 장치에 입력되면 비등이 촉진된다. 이 때문에, 냉각 장치의 열저항이 저하하여 소자 온도는 저하한다.
또, 스위칭 손실이 D점 이상이 되면, 비등은 안정되고, D점 이하로 스위칭 손실을 내려도 비등은 계속된다. 단, B점 이하가 되면 비등은 정지하고, 이 상태로 C점 이상의 스위칭 손실이 냉각 장치에 입력되지 않으면 비등이 촉진되지 않는다. 즉, 도 2의 A ~ D점의 영역에서는 비등 현상이 안정되지 않고 과도한 온도 상승에 빠져, 스위칭 소자가 사용 한계를 초과하여 파괴될 가능성이 있다.
또, 냉각 장치의 특성에는 비등 불안정 영역뿐만 아니라, 최대 성능 초과 영역이라는 개념도 존재한다(도 2의 예의 경우, E점보다 우측의 영역). 최대 성능 초과 영역에서 소자를 사용한다는 것은 소자 실장 표면 온도가 높은 상태에서 소자를 계속하여 사용하는 것이다. 따라서, 최대 성능 초과 영역에서 소자를 계속 사용하는 경우, 소자가 과도한 온도 상승에 빠져, 사용 한계를 초과하여 파괴될 가능성이 있다.
또한, 상기 설명에서는 냉각 장치의 주위 온도에 대하여는 언급하고 있지 않으나, 비등 현상의 안정도는 스위칭 손실뿐만 아니라 냉각 장치의 주위 온도에도 의존함은 물론이다.
도 3은 본 발명의 실시형태 1에 관한 전력 변환 장치의 기능을 나타내는 블록도이다. 전력 변환 장치의 주요부는 인버터 주회로(12), 직류 전원부(13) 및 인버터 제어부(23)이다. 또, 인버터 주회로(12)의 출력에는 3상 교류로 동작하는 전동기(예를 들면 유도 전동기, 동기 전동기)(11)가 접속되어 있다. 또, 전동기(11)에는 전동기(11)의 회전수를 측정하는 속도 센서(19)가 마련되고, 인버터 주회로(12)에는 스위칭 소자의 실장 표면 온도를 직접적 또는 간접적으로 측정하는 온도 센서(20)가 마련되어 있다.
인버터 주회로(12)는 스위칭 소자(Su, Sｖ, Sw)로 구성되는 +측 암(예를 들면 U상에서는 Su)과 스위칭 소자(Sx, Sy, Sz)로 구성되는 -측 암(예를 들면 U상에서는 Sx)이 각각 직렬로 접속된 회로부(레그, leg)를 가지고 있다. 즉, 인버터 주회로(12)에는 3 조(U상 분(分), V상 분, W상 분)의 레그를 가지는 3상 브릿지 회로가 구성되어 있다. 또, 인버터 주회로(12)의 교류 단자(각 레그의 중점)와 전동기(11)를 접속하는 라인 사이에는 전류 센서(21)가 마련되어 있다.
직류 전원부(13)는 직류 전력의 축적 능력을 가지는 구성부이며, 배터리나 콘덴서 등을 상정하고 있다. 또, 직류 전원부(13)에는 직류 전압을 검출하기 위한 전압 센서(22)가 마련되어 있다.
인버터 제어부(23)는 운전 지령 생성부(14), 토크 지령 생성부(15), 전압 지령 생성부(16), 변조 모드 선택부(17) 및, 게이트 지령 생성부(18)를 가지고 있다. 인버터 제어부(23)의 최종단에 위치하는 게이트 지령 생성부(18)로부터는 게이트 지령 G가 출력되어 인버터 주회로(12)의 스위칭 소자(Su ~ Sz)가 온·오프 제어되고, 직류 전원부(13)로부터 공급되는 직류 전력이 가변 진폭, 가변 주파수인 3상 교류 전력으로 변환되어 전동기(11)에 공급된다.
다음으로, 인버터 제어부(23)를 구성하는 각 부의 구성 및 동작에 대하여, 도 4 ~ 도 8의 각 도면을 참조하여 설명한다. 여기서, 도 4는 운전 지령 생성부(14)의 세부 구성을 나타내는 도면이고, 도 5는 토크 지령 생성부(15)의 세부 구성을 나타내는 도면이고, 도 6은 전압 지령 생성부(16)의 세부 구성을 나타내는 도면이고, 도 7은 변조 모드 선택부(17)의 세부 구성을 나타내는 도면이며, 도 8은 게이트 지령 생성부(18)의 세부 구성을 나타내는 도면이다.
먼저, 도 4에 나타낸 바와 같이 운전 지령 생성부(14)는 역행·브레이크 선택부(51) 및 토크 지령 선택부(52)를 구비하고 있다. 역행·브레이크 선택부(51)는 운전수에 의한 조작(노치(notch) 조작)이 역행 지시인지 브레이크 지시인지를 판단하고, 토크 지령 선택부(52)는 역행 지시 또는 브레이크 지시에 따른 토크 지령이 역행 토크인지 회생 토크인지를 판단한다. 역행·브레이크 선택부(51) 및 토크 지령 선택부(52)에 의한 처리는 역행 지령, 브레이크 지령을 포함하는 운전 지령 A로서 다음 단의 토크 지령 생성부(15)로 출력된다. 또한, 예를 들면 철도 차량과 같이 운전 지령의 출력부가 운전대에 마련된 경우이면, 이런 종류의 운전 지령 생성부(14)의 기능을 인버터 제어부(23) 측에 부가할 필요는 없다.
또, 도 5에 나타낸 바와 같이, 토크 지령 생성부(15)는 역행 토크 지령 생성부(55) 및 브레이크 토크 지령 생성부(56)를 구비하고 있다. 토크 지령 생성부(15)는 운전 지령 A 및 속도 센서(19)로부터의 속도 신호 V를 기초로 전동기(11)가 출력해야 할 필요 토크를 연산하고, 전압 지령 생성부(16)에 필요한 토크 패턴 PTR을 출력한다. 또한, 도 5에서는 역행 토크 지령 생성부(55) 및 브레이크 토크 지령 생성부(56)가 생성하는 토크 패턴 PTR을 그래프로 나타내고 있지만, 이 토크 패턴 PTR은 함수 계산으로 구하여도 좋고, 테이블로 하여 처리부 내에 유지하여도 무방하다. 또, 이 토크 패턴 PTR은 전류 패턴으로 치환하는 것도 가능하다.
또, 도 6에 나타낸 바와 같이, 전압 지령 생성부(16)는 토크 지령 생성부(15)로부터 출력되는 토크 패턴 PTR, 전압 센서(22)가 측정한 직류 전압 EFC, 전류 센서(21)가 측정한 인버터 전류 Iｖ를 기초로, 전동기(11)에 인가하는 전압의 지령치인 전압 지령 VR을 전압 진폭, 전압 주파수, 전압 위상각, 변조율 등의 형태로 변조 모드 선택부(17) 및 게이트 지령 생성부(18)로 출력한다. 또한, 도 6에서는 전압 지령 생성부(16)로서, 전류 지령 생성부(61) 및 전압 지령 생성부(62)가 이 순서로 직렬로 접속되는 구성을 일례로서 나타내고 있으나, 이 구성으로 한정되는 것은 아니다. 또, 이들 전류 지령 생성부(61) 및 전압 지령 생성부(62)의 구성에 대하여는 공지이므로, 여기서의 자세한 설명은 생략한다.
또한, 도 7에 나타낸 바와 같이, 변조 모드 선택부(17)는 소자 온도 추정부(71) 및 변조 모드 신호 생성부(72)를 구비하고 있다. 소자 온도 추정부(71)는 전압 지령 생성부(16)로부터 출력되는 전압 지령 VR, 온도 센서(20)로부터의 소자 실장 표면 온도 Tf, 전류 센서(21)가 검출한 인버터 전류 Iｖ, 속도 센서(19)가 검출한 속도 신호 V를 기초로, 소자 온도 추정치 TE를 생성한다. 또한, 소자 온도 추정치 TE의 추정 처리에 대하여는 이들 전압 지령 VR, 소자 실장 표면 온도 Tf, 인버터 전류 Iｖ및 속도 신호 V의 모두가 필수적인 신호가 되는 것은 아니며, 예를 들면, 소자 실장 표면 온도 Tf만을 이용하여 추정하여도 좋고, 전압 지령 VR, 인버터 전류 Iｖ 및 속도 신호 V를 이용하여 추정하여도 좋다. 변조 모드 신호 생성부(72)는 소자 온도 추정부(71)가 추정한 소자 온도 추정치 TE를 기초로, 변조에 최적인 반송파(搬送波) 주파수, 펄스 모드 등을 포함하는 변조 모드 신호 PM을 생성하여 게이트 지령 생성부(18)로 출력한다. 또한, 온도 센서(20)로서 정밀도가 높은 온도 센서를 이용한 경우, 소자 온도 추정부(71)를 생략하여도 무방하다. 이 경우, 온도 센서의 출력을 소자 온도 추정치 TE로서 변조 모드 신호 생성부(72)에 입력하면 된다.
또, 도 8에 나타낸 바와 같이, 게이트 지령 생성부(18)는 변조파 생성부(81), 반송파 생성부(82) 및 비교기(83)를 구비하고 있다. 전압 지령 생성부(16)가 생성한 전압 지령 VR과 변조 모드 선택부(17)가 생성한 변조 모드 신호 PM은 게이트 지령 생성부(18)에 입력되고, 이들 전압 지령 VR 및 변조 모드 신호 PM을 기초로, 변조파 생성부(81)에서는 변조파 VREF가 생성되고, 반송파 생성부(82)에서는 게이트 지령의 주기를 변경하는 반송파 CAR이 생성된다. 변조파 VREF 및 반송파 CAR은 비교기(83)에 입력되고, 변조파 VREF와 반송파 CAR을 비교한 결과를 게이트 지령 G로서 생성하여 인버터 주회로(12)로 출력한다.
다음으로, 변조 모드 신호 PM의 생성 처리에 대하여 도 9의 플로차트를 참조하여 설명한다. 또한, 이 플로차트의 처리는 변조 모드 선택부(17)의 변조 모드 신호 생성부(72)에서 실행된다. 또, 변조 모드 신호 생성부(72)에는 소자 온도 추정부(71)가 생성한 소자 온도 추정치 TE가 입력되고 있다.
도 9에 있어서, 변조 모드 신호 생성부(72)는 소자 온도 추정치 TE에 기초하여 냉각 장치의 동작 영역이 비등 안정 영역(도 2：D점 ~ E점)에 있는지 여부를 판별한다(스텝 S101). 냉각 장치의 동작 영역이 비등 안정 영역에 있는 경우, 변조 모드 신호 PM으로서 초기 설정 변조 모드를 선택하고(스텝 S102), 당해 초기 설정 변조 모드에서의 변조 모드 신호를 생성하여(스텝 S110), 본 흐름을 종료한다.
또, 냉각 장치의 동작 영역이 비등 안정 영역(도 2：E점보다 우측, 또는 D점보다 좌측)이 아닌 경우, 스위칭 손실이 과대한지, 과소한지를 판별하고(스텝 S103), 스위칭 손실이 과대한 경우(최대 성능 초과 영역에 이르는 경우), 추가적으로 현상의 변조 모드가 비동기 모드인지, 동기 모드인지를 판별하며(스텝 S104), 비동기 모드인 경우는 반송파 주파수(펄스 수：게이트 지령의 1 주기에 포함되는 펄스 수)의 저하 지령, 혹은 동기 모드로의 이행 지령을 선택하고(스텝 S105), 동기 모드인 경우는 반송파 주파수(펄스 수)의 저하 지령을 선택하고(스텝 S106), 각각 당해 지령에서의 변조 모드 신호 PM을 생성하여(스텝 S110), 본 흐름을 종료한다.
한편, 스텝 S103에 있어서, 스위칭 손실이 과소한 경우(비등 불안정 영역에 이르는 경우), 추가적으로 현상의 변조 모드가 비동기 모드인지, 동기 모드인지를 판별하고(스텝 S107), 비동기 모드인 경우는 반송파 주파수(펄스 수)의 증가 지령을 선택하고(스텝 S108), 동기 모드인 경우는 반송파 주파수(펄스 수)의 증가 지령, 혹은 비동기 모드로의 이행 지령을 선택하고(스텝 S109), 각각 당해 지령에서의 변조 모드 신호 PM을 생성하여(스텝 S110), 본 흐름을 종료한다.
또한, 도 9의 플로차트에서는 냉각 장치의 동작 영역이 비등 안정 영역이 아닌 경우에, 먼저, 스위칭 손실이 과대한지 과소한지를 판별하고, 그 판정 후, 현상의 변조 모드가 비동기 모드인지 동기 모드인지를 판별하도록 하고 있지만, 이러한 판정 순서를 반대로 하여도 무방하다. 즉, 최초로 현상의 변조 모드가 비동기 모드인지 동기 모드인지를 판별하고, 그 후, 스위칭 손실이 과대한지 과소한지를 판별하도록 하여도 좋다.
도 10은 역행 토크 지령 생성부(55)를 구현하는 그래프로서 도 5에 나타낸 역행 토크 지령 패턴의 확대도이다. 도 10에 있어서, 가로축은 속도 지령 V, 세로축은 토크이며, 파형은 토크 패턴이다. 이러한 토크 패턴 PTR＿P는 도시한 바와 같이 소정의 속도에서 수하(垂下, drooping)하는 특성을 가짐과 아울러, 수하를 시작하는 속도(수하 개시 속도)가 1→……→n→n＋1의 순서로 작아져 가는 예를 나타내고 있다.
도 11은 브레이크 토크 지령 생성부(56)를 구현하는 그래프로서 도 5에 나타낸 브레이크 토크 지령 패턴의 확대도이며, 가로축은 속도 지령 V, 세로축은 토크(브레이크 토크)이며, 파형은 토크 패턴(브레이크 토크 패턴)이다. 이러한 토크 패턴 PTR＿B는 도 10과는 달리, 각 토크 패턴 마다, 속도의 크기에 관계없이 일정한 토크를 계속 출력하는 특성을 가진다. 또한, 토크 패턴의 크기는 1→……→n→n＋1의 순서로 작아진다.
철도 차량의 경우, 차체에 제동력을 발휘하는 경우의 브레이크력의 조정(調整)은 도시하지 않은 브레이크 제어장치 측에서 실시하는 형태가 일반적이다. 즉, 상위 장치로부터 브레이크 지령이 입력된 경우, 전력 변환 장치 측에서는 입력된 브레이크 지령에 대응하는 토크 패턴을 생성해주면 되며, 제동력의 제어는 브레이크 제어장치 측에서 실시한다. 이 때문에, 도시한 바와 같은 토크 패턴 PTR＿B(1 ~ n＋1)를 생성하는 것으로 충분하다.
다음으로, 실시형태 1에 관한 전력 변환 장치가 가지는 효과에 대하여, 도 12 ~ 도 15의 도면을 참조하여 설명한다.
먼저, 도 12는 변조 모드 전환 제어를 실시하였을 경우에 일부의 토크 패턴에 있어서의 손실이 비등 불안정 영역에 들어가 버리는 경우의 일례를 나타내는 도면이다. 여기서, 도 12에 있어서, 굵은 실선으로 나타내는 파형은 도 10에 나타낸 복수의 토크 패턴 중 토크 패턴 n에 대응하는 손실 곡선이며, 굵은 파선으로 나타내는 파형은 도 10에 나타낸 복수의 토크 패턴 중 토크 패턴 n＋1에 대응하는 손실 곡선이다.
도 12에 있어서, A1점에서 토크 패턴 n＋1에 있어서의 손실 PTR＿Pn＋1＿Loss가 저하하고 있는 것은 토크 패턴 PTR＿Pn＋1이 수하하여 전동기(11)의 전류가 저하하였기 때문이다.
또, A2점에서 토크 패턴 n＋1에 있어서의 손실 PTR＿Pn＋1＿Loss 및 토크 패턴 n에 있어서의 손실 PTR＿Pn＿Loss가 저하하고 있는 것은, 변조 모드가 비동기 모드에서 동기 모드로 이행하여 반송파 주파수(펄스 수)가 내려갔기 때문이다. 단, A2점에서의 동기 모드는 인버터의 출력 선간 전압 반주기에 포함되는 펄스 수가 3이상인 다 펄스(多pulse) 모드이다. 또한, 비동기 모드란 출력 주파수에 대하여 반송파 주파수를 비동기로 결정하는 모드이며, 동기 모드란 인버터의 출력 주파수에 동기하여 반송파 주파수를 결정하는 모드이다.
또, A3점에서 토크 패턴 n＋1에 있어서의 손실 PTR＿Pn＋1＿Loss 및 토크 패턴 n에 있어서의 손실 PTR＿Pn＿Loss가 저하하고 있는 것은 변조 모드가 동기 모드(다 펄스)에서 인버터 출력 전압의 반주기에 포함되는 펄스 수가 1인 동기 모드(1 펄스)로 이행하여 반송파 주파수(펄스 수)가 내려갔기 때문이다.
종래 기술에서는, 냉각 장치에 비등 불안정 영역이 존재하는 경우 토크 패턴 PTR＿n의 운전 지령 A가 입력되면, A3점에서 비등 불안정 영역에 들어가 버린다. 단, 비등 불안정 영역은 상술한 대로 스위칭 손실뿐만 아니라 냉각 장치의 주위 온도에도 의존하므로 주위 온도가 높은 경우에는 불안정 영역이 작아지고, 냉각 장치의 주위 온도가 낮은 경우에는 비등 불안정 영역이 커지게 됨은 물론이다.
토크 패턴 PTR＿n의 운전 지령 A가 입력된 경우, A3점에서 비등 불안정 영역에 들어가는 원인은 토크 패턴 PTR의 크기에 의존하지 않고, 변조 모드 신호 생성부가 가지는 변조 모드의 속도에 대한 특성의 종류를 하나만 가지기 때문이다.
도 12에 대하여 도 13은 변조 모드 전환 제어를 실시하였을 경우에, 모든 토크 패턴(도 13에서는 2개의 경우를 예시)에 있어서의 손실이 비등 불안정 영역에 들어가지 않도록 제어하였을 경우의 일례를 나타내는 도면이다. 본 실시형태의 전력 변환 장치에서는 도 13에 나타내는 제어 수법을 적용하게 된다.
변조 모드 전환 속도가 토크 패턴에 의존하지 않고 일정한, 종래 수법에서는 예를 들면, 도 12에 나타낸 바와 같이, 상이한 토크 곡선이어도 속도 VA 라는 동일 속도에서 변조 모드를 전환하게 되므로, 예를 들면 토크 패턴 n＋1에 있어서의 손실과 같이 스위칭 손실이 낮은 경우에 비등 불안정 영역에 들어가 버리곤 하였다.
한편, 변조 모드 전환 속도가 토크 패턴에 따라서 전환하는 본 출원의 수법에서는 예를 들면, 도 13에 나타낸 바와 같이, 토크 패턴 n에서는 속도 VA에서 전환하고 토크 패턴 n＋1에서는 속도 VB에서 전환하고 있으므로, 스위칭 손실이 비등 불안정 영역 내에 들어가는 것을 억제하는 것이 가능해진다.
도 14는 변조 모드 전환 제어를 실시한 경우에 일부의 토크 패턴에 있어서의 손실이 냉각 장치 성능 초과 영역에 들어가 버리는 경우의 일례를 나타내는 도면이다. 여기서, 도 14에 있어서, 굵은 실선으로 나타내는 파형은 도 10에 나타낸 복수의 토크 패턴 중 토크 패턴 n에 대응하는 손실 곡선이며, 굵은 파선으로 나타내는 파형은 도 10에 나타낸 복수의 토크 패턴 중 토크 패턴 n＋1에 대응하는 손실 곡선이다.
도 14에 있어서, B1점에서 토크 패턴 n＋1에 있어서의 손실 PTR＿Pn＋1＿Loss가 저하하고 있는 것은 도 12와 마찬가지로, 토크 패턴 PTR＿Pn＋1이 수하하여 전동기(11)의 전류가 저하하였기 때문이다.
또, B2점에서 토크 패턴 n＋1에 있어서의 손실 PTR＿Pn＋1＿Loss 및 토크 패턴 n에 있어서의 손실인 PTR＿Pn＿Loss가 저하하고 있는 것은 변조 모드가 비동기 모드에서 동기 모드로 이행하여 반송파 주파수(펄스 수)가 내려갔기 때문이다. 단, B2점에 있어서의 동기 모드는 인버터의 출력 선간 전압 반주기에 포함되는 펄스 수가 예를 들면 3 이상인 다 펄스 모드를 가정하고 있다.
또, B3점에서 토크 패턴 n＋1에 있어서의 손실 PTR＿Pn＋1＿Loss 및 토크 패턴 n에 있어서의 손실 PTR＿Pn＿Loss가 저하하고 있는 것은 변조 모드가 동기 모드(다 펄스)에서 인버터 출력 선권 전압 반주기에 포함되는 펄스 수가 1인 동기 모드(1 펄스)로 이행하여 반송파 주파수(펄스 수)가 내려갔기 때문이다.
토크 패턴 PTR＿n의 운전 지령 A가 입력된 경우, B3점에서 냉각 장치 성능 초과 영역에 들어가는 원인은 스위칭 손실이 낮은 경우에 비등 불안정 영역에 들어가는 경우와 동일하며, 토크 패턴 PTR의 크기에 의존하지 않고 변조 모드 생성부가 유지하고 있는 변조 모드의 속도에 대한 특성의 종류를 하나 밖에 가지지 않기 때문이다.
도 14에 대하여 도 15는 변조 모드 전환 제어를 실시한 경우에 모든 토크 패턴(도 15에서는 2개인 경우를 예시)에 있어서의 손실이 냉각 장치 성능 초과 영역에 들어가지 않도록 제어하였을 경우의 일례를 나타내는 도면이다. 본 실시형태의 전력 변환 장치에서는 도 15에 나타내는 제어 수법을 적용하게 된다.
변조 모드 전환 속도가 토크 패턴에 의존하지 않고 일정한 종래 수법에서는 예를 들면, 도 14에 나타낸 바와 같이 상이한 토크 곡선이어도 속도 VC 라는 동일 속도에서 변조 모드를 전환하게 되므로, 예를 들면 토크 패턴 n에 있어서의 손실과 같이 스위칭 손실이 높은 경우에 냉각 장치 성능 초과 영역에 들어가 버리곤 하였다.
한편, 변조 모드 전환 속도를 토크 패턴에 따라서 변환하는 본 출원의 수법에서는 예를 들면, 도 15에 나타낸 바와 같이, 토크 패턴 n에서는 속도 VD에서 전환하고, 토크 패턴 n＋1에서는 속도 VC에서 전환하고 있으므로, 스위칭 손실이 냉각 장치 성능 초과 영역에 들어가는 것을 억제하는 것이 가능해진다.
실시형태 2.
다음으로, 실시형태 2에 관한 전력 변환 장치에 대하여 설명한다. 도 16은 본 발명의 실시형태 2에 관한 전력 변환 장치의 기능을 나타내는 블록도이다. 실시형태 1의 전력 변환 장치에서는 전력 공급부가 직류 전원부이었지만, 실시형태 2의 전력 변환 장치에서는 전력 공급부가 단상 혹은 3상 교류 전원부인 점에서 상이하다. 이 때문에, 도 3과 도 16과의 비교로부터 명백하듯이, 실시형태 2의 전력 변환 장치에서는 교류 전원부(35)와 교류 전원부(35)의 출력(교류 전압)을 직류 전압으로 변환하는 컨버터 주회로(34)가 마련됨과 아울러, 컨버터 주회로(34)와 인버터 주회로(32) 사이에 직류 전압 공급부로서의 중간 직류 전압부(33)가 마련되어 있다.
또, 도 16에 있어서, 인버터 주회로(32)의 출력에는 3상 교류로 동작하는 전동기(예를 들면 유도 전동기, 동기 전동기)(31)가 접속되고, 전동기(31)에는 전동기(31)의 회전수를 측정하는 속도 센서(38)가 마련되어 있다. 또, 컨버터 주회로(34)에는 스위칭 소자의 실장 표면의 온도를 직접적 또는 간접적으로 측정하는 온도 센서(41)가 마련되어 있다.
컨버터 주회로(34)는 스위칭 소자(Scu, Scｖ)로 구성되는 + 측 암과 스위칭 소자(Scx, Scy)로 구성되는 - 측 암이 각각 직렬로 접속된 회로부(레그)를 가지고 있다. 즉, 컨버터 주회로(34)에는 2조의 레그를 가지는 단상 브릿지 회로가 구성되어 있다. 또, 컨버터 주회로(34)의 교류 단자(각 레그의 중점)와 교류 전원부(35)를 접속하는 라인 간에는 컨버터 주회로(34)에 흐르는 컨버터 전류값을 측정하는 전류 센서(39)가 마련되어 있다.
중간 직류 전압부(33)는 직류 전력의 축적 능력을 가지는 구성부이며, 배터리나 콘덴서 등을 상정하고 있다. 또, 중간 직류 전압부(33)에는 직류 전압을 검출하기 위한 전압 센서(40)가 마련되어 있다.
컨버터 제어부(36)는 컨버터 주회로(34)를 제어하는 제어부이며, 운전 지령 생성부(42), 직류 전압 지령 생성부(43), 전압 지령 생성부(44), 변조 모드 선택부(45) 및 게이트 지령 생성부(46)를 구비하여 구성된다. 컨버터 제어부(36)의 최종단에 위치하는 게이트 지령 생성부(46)로부터는 게이트 지령 G가 출력되어 컨버터 주회로(34)의 스위칭 소자(Scu ~ Scy)가 온·오프 제어되고, 교류 전원부(35)로부터 공급되는 교류 전력이 컨버터 주회로(34)에서 직류 전력으로 변환되며, 이어서 인버터 주회로(32)에서 3상 교류 전력으로 변환되어 전동기(31)에 공급된다. 또한, 이때, 컨버터 주회로(34)는 중간 직류 전압부(33)의 전압값 EFC가 직류 전압 지령값 ECP와 동일해지도록, 인버터 주회로(32)의 출력 전류 Iｖ에 따라 컨버터 전류 IS를 변화시킨다.
인버터 제어부(37)는 인버터 주회로(32)를 제어하는 제어부이다. 인버터 제어부(37)에는 속도 센서(38)가 검출한 속도 신호 V, 전압 센서(40)가 검출한 직류 전압 EFC 외에, 각종 센서로부터의 신호가 입력된다. 또한, 인버터 주회로(32)의 냉각 장치로서 비등 냉각 장치를 적용하는 경우, 실시형태 1의 전력 변환 장치와 같은 기능을 인버터 제어부(37)에 부가하여도 좋다. 또한, 이 경우의 기능에 대하여는 실시형태 1에서 상세히 설명하고 있기 때문에, 여기서의 설명은 생략한다.
다음으로, 컨버터 제어부(36)를 구성하는 각부의 구성 및 동작에 대하여, 도 17 ~ 도 19의 각 도면을 참조하여 설명한다. 여기서, 도 17은 직류 전압 지령 생성부(43)의 세부 구성을 나타내는 도면이고, 도 18은 전압 지령 생성부(44)의 세부 구성을 나타내는 도면이며, 도 19는 변조 모드 선택부(45)의 세부 구성을 나타내는 도면이다. 또한, 운전 지령 생성부(42)의 기능 및 구성은 도 4에 나타낸 실시형태 1의 운전 지령 생성부(14)와 동등하며, 여기서의 설명은 생략한다. 또, 게이트 지령 생성부(46)의 기능 및 구성은 도 8에 나타낸 실시형태 1의 게이트 지령 생성부(18)와 동등하며, 여기서의 설명은 생략한다. 또한, 실시형태 1과 마찬가지로, 예를 들면 철도 차량과 같이 운전 지령의 출력부가 운전대에 마련된 경우이면, 이런 종류의 운전 지령 생성부(42)의 기능을 인버터 제어부(36) 측에 부가할 필요는 없다.
도 17에 나타낸 바와 같이, 직류 전압 지령 생성부(43)는 역행 직류 전압 지령 생성부(171) 및 브레이크 토크 지령 생성부(172)를 구비하고 있다. 직류 전압 지령 생성부(43)는 운전 지령 A 및, 속도 센서(38)로부터의 속도 신호 V를 기초로 컨버터 주회로(34)가 출력해야 할 소요 직류 전압 지령을 연산하여 전압 지령 생성부(44)로 필요한 직류 전압 지령 ECP를 출력한다. 또한, 도 17에서는 역행 직류 전압 지령 생성부(171) 및 브레이크 토크 지령 생성부(172)가 생성하는 직류 전압 지령 ECP의 패턴을 그래프로 나타내고 있으나, 이러한 패턴은 함수 계산으로 구하여도 좋고, 테이블로 하여 처리부 내에 유지하여도 무방하다.
또, 도 18에 나타낸 바와 같이 전압 지령 생성부(44)는 직류 전압 지령 생성부(43)로부터 출력되는 직류 전압 지령 ECP, 전압 센서(40)가 측정한 직류 전압 EFC, 전류 센서(39)가 측정한 컨버터 전류 IS를 기초로, 컨버터 주회로(34)에 통류(通流)시킬 컨버터 전류 지령 ISR을 생성함과 아울러, 이 컨버터 전류 지령 ISR을 기초로 컨버터 주회로(34)에 인가할 전압 지령 VR을 전압 진폭, 전압 주파수, 변조율 등의 형태로 변조 모드 선택부(45) 및 게이트 지령 생성부(46)로 출력한다. 또한, 도 18에서는 전압 지령 생성부(44)로서, 전류 지령 생성부(181) 및 전압 지령 생성부(182)가 이 순서로 직렬로 접속되는 구성을 일례로서 나타내고 있으나, 이 구성으로 한정되는 것은 아니다. 또, 이들 전류 지령 생성부(181) 및 전압 지령 생성부(182)의 구성에 대하여는 공지이기 때문에 여기서의 상세한 설명은 생략한다.
또, 도 19에 나타낸 바와 같이, 변조 모드 선택부(45)는 소자 온도 추정부(191) 및 변조 모드 신호 생성부(192)를 구비하고 있다. 소자 온도 추정부(191)는 전압 지령 생성부(44)로부터 출력되는 전압 지령 VR, 온도 센서(41)로부터의 소자 실장 표면 온도 Tf, 전류 센서(39)가 검출한 컨버터 전류 IS를 기초로, 소자 온도 추정치 TE를 생성한다. 또한, 소자 온도 추정치 TE의 추정 처리에 대하여는 이들 전압 지령 VR, 소자 실장 표면 온도 Tf 및 컨버터 전류 IS의 모두가 필수적인 신호가 되는 것은 아니고, 예를 들면, 소자 실장 표면 온도 Tf만을 이용하여 추정해도 좋으며, 전압 지령 VR 및 컨버터 전류 IS를 이용하여 추정하여도 좋다. 변조 모드 신호 생성부(192)는 소자 온도 추정부(191)가 추정한 소자 온도 추정치 TE를 기초로, 변조에 최적인 반송파 주파수, 펄스 모드 등을 포함하는 변조 모드 신호 PM을 생성하여 게이트 지령 생성부(46)로 출력한다.
다음으로, 변조 모드 신호 PM의 생성 처리에 대하여, 도 20의 플로차트를 참조하여 설명한다. 또한, 이 플로차트의 처리는 변조 모드 선택부(45)의 변조 모드 신호 생성부(192)에서 실행된다. 또, 변조 모드 신호 생성부(192)에는 소자 온도 추정부(191)가 생성한 소자 온도 추정치 TE가 입력되고 있다.
도 20에 있어서, 변조 모드 신호 생성부(192)는 소자 온도 추정치 TE 기초하여, 냉각 장치의 동작 영역이 비등 안정 영역(도 2：D점 ~ E점)에 있는지 여부를 판별한다(스텝 S201). 냉각 장치의 동작 영역이 비등 안정 영역에 있는 경우, 변조 모드 신호 PM로서 초기 설정 변조 모드를 선택하고(스텝 S202), 당해 초기 설정 변조 모드에서의 변조 모드 신호를 생성하여(스텝 S206), 본 흐름을 종료한다.
또, 냉각 장치의 동작 영역이 비등 안정 영역(도 2：E점 보다 우측, 또는 D점 보다 좌측)이 아닌 경우, 스위칭 손실이 과대한지 과소한지를 판별하고(스텝 S203), 스위칭 손실이 과대한 경우(최대 성능 초과 영역에 이르는 경우) 반송파 주파수(펄스 수)의 저하 지령을 선택하고(스텝 S204), 당해 지령에서의 변조 모드 신호 PM을 생성하여(스텝 S206), 본 흐름을 종료한다.
한편, 스텝 S203에 있어서, 스위칭 손실이 과소한 경우(비등 불안정 영역에 이르는 경우), 반송파 주파수(펄스 수)의 증가 지령을 선택하고(스텝 S205), 당해 지령에서의 변조 모드 신호 PM을 생성하여(스텝 S206), 본 흐름을 종료한다.
다음으로, 실시형태 2에 관한 전력 변환 장치가 가지는 효과에 대하여, 도 21 및 도 22의 도면을 참조하여 설명한다.
도 21은 컨버터 전류 IS와 스위칭 손실 SW＿Loss의 관계를 나타내는 도면이다. 컨버터 주회로에 적용되는 냉각 장치가 비등 냉각 장치인 경우, 인버터 주회로와 마찬가지로, 비등 불안정 영역 및 냉각 장치 성능 초과 영역이라는 개념이 존재한다.
도 21에 나타낸 예에서는, 컨버터 전류 IS가 예를 들면 C1점보다 작아지게 되면, 비등 불안정 영역에 들어가 버린다. 또, 도 21에 나타낸 예에서는, 컨버터 전류 IS가 예를 들면 C2점보다 커지면, 냉각 장치 성능 초과 영역에 들어가 버린다. 이와 같이, C1점에서 비등 불안정 영역에 들어가고, C2점에서 냉각 장치 성능 초과 영역에 들어가는 원인은 컨버터 전류 IS의 크기에 의존하지 않고, 변조 모드 생성부가 가지는 변조 모드의 컨버터 전류에 대한 특성의 종류를 하나만 가지기 때문이다.
도 21에 대하여 도 22는 스위칭 손실 SW＿Loss가 비등 불안정 영역 및 냉각 장치 성능 초과 영역에 들어가지 않도록 제어하였을 경우의 일례를 나타내는 도면이다. 본 실시형태의 전력 변환 장치에서는 도 22에 나타낸 제어 수법을 적용하게 된다.
도 21에 나타낸 바와 같이, 변조 모드 전환의 컨버터 전류를 선형으로 실시하고 있는 종래 수법, 즉, 변조 모드 전환의 컨버터 전류에 대한 특성이 일정한 종래 수법에서는, 컨버터 전류가 작은 경우에는 비등 불안정 영역에 들어가 버리고, 컨버터 전류가 큰 경우에는 냉각 장치 성능 초과 영역에 들어가 버릴 가능성이 있었다.
한편, 컨버터 전류 IS가 작아지면 반송파 주파수(펄스 수)를 올리고, 반대로 컨버터 전류 IS가 커지면 반송파 주파수(펄스 수)를 내리도록 제어하는 본 출원의 수법, 즉 컨버터 전류 IS에 따라 반송파 주파수(펄스 수)를 상하로 조절하는 본 출원의 수법을 이용하면, 도 22에 나타낸 바와 같이, 스위칭 손실이 비등 불안정 영역 내에 들어가는 것을 억제할 수 있음과 아울러, 스위칭 손실이 냉각 장치 성능 초과 영역에 들어가는 것도 억제할 수 있다.
또한, 도 22에 있어서, 비등 불안정 영역 및 냉각 장치 성능 초과 영역의 특성은 냉각 장치의 주위 온도 등에 의존하여 변동하지만, 반송파 주파수(펄스 수)를 가변으로 함으로써, 한계(limit) 특성을 결정하는 동작점(C1점 및 C2점)의 위치 변경이 가능해진다. 이 때문에, 본 실시형태의 전력 변환 장치에서는 임의의 컨버터 전류 IS에 대하여, 냉각 장치가 비등 불안정 영역 및 냉각 장치 초과 영역에 들어가는 것을 확실히 억제하는 것이 가능해진다.
또한, 상기 설명에서는, 컨버터 전류 IS가 작은 경우에는 반송파 주파수(펄스 수)를 올림으로써 스위칭 손실을 증가시켜 냉각 장치가 비등 불안정 영역에 들어가는 것을 억제하고 있지만, 컨버터 전류 IS의 무효 전류 분(分)을 증가시킴으로써 스위칭 손실을 증가시켜 냉각 장치가 비등 불안정 영역에 들어가는 것을 억제하는 것도 가능하다.
실시형태 3.
실시형태 3에서는 인버터 주회로 및 컨버터 주회로에 구비된 스위칭 소자에 대하여 설명한다. 전력 변환 장치에서 이용되는 스위칭 소자로는 규소(Si)를 소재로 하는 반도체 트랜지스터 소자(IGBT, MOSFET 등)와, 마찬가지로 규소를 소재로 하는 다이오드 소자를 역병렬로 접속한 구성의 것이 일반적이다. 상기 실시형태 1, 2에서 설명한 기술은, 이 일반적인 스위칭 소자를 구비하는 인버터 주회로 및 컨버터 주회로에 이용할 수 있다.
한편, 상기 실시형태 1, 2의 기술은 규소를 소재로 형성된 스위칭 소자로 한정되는 것은 아니다. 이 규소를 대신하여, 최근 주목받고 있는 탄화규소(SiC)를 소재로 하는 스위칭 소자를 구비하는 인버터 주회로 및 컨버터 주회로에 이용하는 것도 물론 가능하다.
여기서, 탄화규소는 고온에서의 사용이 가능하다는 특징을 가지고 있으므로, 인버터 주회로 또는 컨버터 주회로에 구비되는 스위칭 소자로서 탄화규소를 소재로 하는 것을 이용하면, 스위칭 소자를 탑재한 반도체 모듈의 스위칭 손실을 저감하는 것이 가능하다. 이 때문에, 탄화규소를 소재로 하는 스위칭 소자를 이용한 경우, 스위칭 손실이 작아지기 때문에 냉각 장치가 비등 불안정 영역에 빠지기 쉬워지지만, 본 발명에서는 냉각 장치가 비등 불안정 영역으로 천이해 버렸을 경우에도, 스위칭 손실을 증가시켜 비등 불안정 영역에 들어가는 것을 저지하는 것이 가능하다.
또한, 탄화규소(SiC)는 규소(Si)보다 밴드 갭이 크다는 특성에 착안하여, 광 대역 갭 반도체(wide band gap semiconductor)라 칭해지는 반도체의 일례이다. 이 탄화규소 이외에도, 예를 들면 질화 갈륨(Gallium Nitride)계 재료 또는 다이아몬드를 이용하여 형성되는 반도체도 광 대역 갭 반도체에 속하며, 이들의 특성도 탄화규소와 유사한 점이 많다. 따라서, 탄화규소 이외의 다른 광 대역 갭 반도체를 이용하는 구성도 본 발명의 요지를 이루는 것이다.
또, 이와 같은 광 대역 갭 반도체로 형성된 트랜지스터 소자나 다이오드 소자는 내전압성이 높고, 허용 전류 밀도도 높기 때문에, 트랜지스터 소자나 다이오드 소자의 소형화가 가능하고, 이들 소형화된 트랜지스터 소자나 다이오드 소자를 이용함으로써, 이러한 소자를 내장한 반도체 모듈의 소형화가 가능해진다.
또, 광 대역 갭 반도체로 형성된 트랜지스터 소자나 다이오드 소자는 내열성도 높기 때문에, 히트 싱크(heat sink)의 방열 핀의 소형화가 가능해져 반도체 모듈의 추가적인 소형화가 가능하게 된다.
더욱이, 광 대역 갭 반도체로 형성된 트랜지스터 소자나 다이오드 소자는 전력 손실이 낮기 때문에, 스위칭 소자나 다이오드 소자의 고효율화가 가능하며, 나아가서는 반도체 모듈의 고효율화가 가능해진다.
또한, 스위칭 소자나 다이오드 소자의 양방이 광 대역 갭 반도체로 형성됨이 바람직하나, 어느 일방의 소자가 광 대역 갭 반도체로 형성되어 있어도 좋으며, 상기 실시형태에 기재된 효과를 얻을 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 관한 전력 변환 장치는 비등 냉각 장치의 동작점이 비등 불안정 영역에 들어가는 것을 확실히 억제할 수 있는 발명으로서, 유용하다.
1 냉각 장치
2 응축기
3 증발기
4 냉매
5 핀
6a, 6b 냉매실
7 스위칭 소자
8 냉각풍
9 온풍
11, 31 전동기
12 인버터 주회로
13 직류 전원부
14, 42 운전 지령 생성부
15 토크 지령 생성부
16, 44, 62, 182 전압 지령 생성부
17, 45 변조 모드 선택부
18, 46 게이트 지령 생성부
19, 38 속도 센서
20, 41 온도 센서
21, 39 전류 센서
22, 40 전압 센서
23, 37 인버터 제어부
23 중간 직류 전압부
32 인버터 주회로
33 중간 직류 전압부
34 컨버터 주회로
35 교류 전원부
36 컨버터 제어부
43 직류 전압 지령 생성부
51 역행·브레이크 선택부
52 토크 지령 선택부
55 역행 토크 지령 생성부
56 브레이크 토크 지령 생성부
61, 181 전류 지령 생성부
71, 191 소자 온도 추정부
72, 192 변조 모드 신호 생성부
81 변조파 생성부
82 반송파 생성부
83 비교기
171 역행 직류 전압 지령 생성부

Claims (15)

  1. 스위칭 소자의 스위칭 동작에 의하여 입력된 직류 전력 또는 교류 전력을 소망하는 교류 전력으로 변환하여 출력하고, 내장된 냉매의 비등 현상을 이용하는 비등 냉각 장치를 이용하여 상기 스위칭 소자의 냉각을 실시하도록 구성된 전력 변환 장치에 있어서,
    상기 냉매의 비등을 안정시키는 것이 가능한 게이트 지령을 생성하여 상기 스위칭 소자를 제어하는 제어부를 구비하고,
    상기 제어부는
    상기 스위칭 소자의 온도 추정치인 소자 온도 추정치에 기초하여 상기 냉각 장치의 안정도를 판정하고, 그 판정 결과에 기초하여 상기 스위칭 소자를 제어하는 변조 모드를 결정하여 선택하는 변조 모드 선택부와,
    상기 변조 모드 선택부가 선택한 변조 모드에 기초하여 상기 게이트 지령을 생성하는 게이트 지령 생성부
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 변조 모드 선택부는, 상기 냉각 장치의 동작 영역이 비등 안정 영역에 있는지 여부를 판별하고, 동작 영역이 비등 안정 영역이 아닌 경우, 상기 냉매의 비등을 안정시키는 것이 가능한 게이트 지령의 생성을 상기 게이트 지령 생성부에 대하여 지시하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 냉각 장치는, 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터 주회로에 적용되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 변조 모드 선택부에서 상기 게이트 지령 생성부로 출력되는 지시 신호에는, 변조 모드를 변경하는 지시, 게이트 지령의 생성에 필요한 반송파의 주파수를 변경하는 지시 및 게이트 지령의 1 주기에 포함되는 펄스 수를 변경하는 지시 중 적어도 하나의 지시가 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 변조 모드 선택부는, 상기 스위칭 소자의 실장 표면 온도를 검출하는 온도 센서로부터의 온도 검출 신호에 기초하여 상기 스위칭 소자의 온도를 추정하는 소자 온도 추정부를 구비하고,
    상기 소자 온도 추정부가 추정한 온도를 이용하여 상기 지시 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 변조 모드 선택부는, 상기 인버터 주회로에 흐르는 전류, 상기 인버터 주회로에 접속되는 전동기의 속도 및 상기 전동기에 인가하는 전압의 지령치인 전압 지령에 기초하여 상기 스위칭 소자의 온도를 추정하는 소자 온도 추정부를 구비하고,
    상기 소자 온도 추정부가 추정한 온도를 이용하여 상기 지시 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 냉각 장치는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터 주회로에 적용되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 변조 모드 선택부에서 상기 게이트 지령 생성부로 출력되는 지시 신호에는, 게이트 지령의 생성에 필요한 반송파의 주파수를 변경하는 지시, 게이트 지령의 1 주기에 포함되는 펄스 수를 변경하는 지시 및 상기 컨버터 주회로를 통류(通流)하는 전류를 변경하는 지시 중 적어도 하나의 지시가 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 변조 모드 선택부는, 상기 스위칭 소자의 실장 표면 온도를 검출하는 온도 센서로부터의 온도 검출 신호에 기초하여 상기 스위칭 소자의 온도를 추정하는 소자 온도 추정부를 구비하고,
    상기 소자 온도 추정부가 추정한 온도를 이용하여 상기 지시 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 변조 모드 선택부는, 상기 컨버터 주회로에 흐르는 전류 및 상기 컨버터 주회로에 인가하는 전압에 관한 지령치인 전압 지령에 기초하여 상기 스위칭 소자의 온도를 추정하는 소자 온도 추정부를 구비하고,
    상기 소자 온도 추정부가 추정한 온도를 이용하여 상기 지시 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 변조 모드 선택부는, 상기 컨버터 주회로를 통류하는 전류의 무효 전류 분(分)을 증가시키는 제어를 실시하여 상기 스위칭 소자의 스위칭 손실을 증대시키는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  12. 청구항 2에 있어서,
    상기 비등 안정 영역은, 상기 냉매의 비등이 안정되는 동작 영역인 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  13. 청구항 2에 있어서,
    상기 비등 안정 영역은, 상기 냉매의 비등이 안정되는 동작 영역이며, 또한 상기 스위칭 소자의 사용 한계를 넘지 않는 동작 영역인 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  14. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위칭 소자를 구성하는 트랜지스터 소자 및 다이오드 소자 중 적어도 하나가 광 대역 갭 반도체(wide band gap semiconductor)로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 광 대역 갭 반도체는, 탄화규소(SiC), 질화 갈륨(Gallium Nitride)계 재료 또는 다이아몬드를 이용한 반도체인 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
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