KR101636630B1 - 전력 변환 장치 - Google Patents

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데츠오 스가하라
도모히로 고바야시
료스케 나카가와
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미쓰비시덴키 가부시키가이샤
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Abstract

내장된 냉매의 비등 현상을 이용하는 비등 냉각 장치를 이용하여 스위칭 소자의 냉각을 행하도록 구성된 전력 변환 장치(18)에 있어서, 스위칭 소자의 장착면의 온도인 소자 장착면 온도 Tf와 냉각 장치 흡기온도 Ta의 편차에 기초하여, 전력 변환 장치(18)의 동작을 제어하는 제어부(17)를 가진다. 이 제어부(17)는 소자 장착면 온도 Tf와 냉각 장치 흡기온도 Ta의 편차가 소정의 임계치를 넘었을 경우에, 전력 변환 장치(18)를 정지하는 제어를 행한다.

Description

전력 변환 장치{POWER CONVERSION DEVICE}
본 발명은 비등(沸騰) 냉각 방식의 냉각 장치에서 냉각 가능하게 구성되는 전력 변환 장치에 관한 것이다.
전력 변환 장치는 MOSFET, IGBT 등의 스위칭 소자를 스위칭 동작시켜 전력 변환을 행한다. 이때, 스위칭 소자의 스위칭 동작에 따라서, 스위칭 손실이 발생한다. 스위칭 손실이 발생하면 스위칭 소자의 온도(이하 「소자 온도」라고 함)가 상승한다. 그러므로, 소자 온도의 상승을 억제하기 위한 냉각 장치가 불가결하게 된다.
냉각 장치는 소자의 발열을 냉각시키기 위한 핀을 구비하는 구성이 일반적이지만, 냉각 능력을 한층 더 높이기 위해, 내장된 냉매의 비등 현상을 이용하는 비등 냉각 방식을 이용한 것도 많이 존재한다.
비등 냉각 방식에 의한 냉각 장치(이하 「비등 냉각 장치」라고 칭함)에서는, 핀 내부에 냉매가 충전되어 있고, 소자의 발열로 비등하여, 기화한 냉매를 응축기를 통하여 냉각풍으로 냉각시킴으로써 소자를 냉각시킨다.
비등 냉각 장치에서는, 통상은 냉매(예를 들면, 물 또는 플로리너트(flourinert))가 100％ 채워져 있다. 이 냉매가 기화했을 때의 압력(증기압)은, 상온에서 대체로 0.3기압이다.
한편, 비등 냉각 장치에서는, 통상의 사용 환경하에 있어서, 응축기의 부분에 미세한 구멍이 뚫린 것이 알려져 있다. 미세한 구멍이 뚫린 경우, 응축기의 내부는 0.3기압인데 반해, 응축기의 외부는 1기압이기 때문에, 대기 중의 공기의 응축기 내로의 혼입(混入)을 관리하는 것의 중요성이 지적되어 있다(예를 들면, 하기 특허 문헌 1).
또한, 이 특허 문헌 1에 제시된 비등 냉각 장치(동 문헌에서는 「비등 냉각 사이리스터(thyristor) 장치」로서 개시)에서는, 대기 중의 비응축성 가스인 공기가 응축기 내에 혼입되면 응축기의 상하에 온도 차가 생기기 때문에, 이 온도 차를 응축기 표면 주벽(周壁)에 마련된 복수의 온도 센서를 이용하여 검출하고, 검출한 온도 차의 정보에 기초하여 비등 냉각 장치의 냉각성능을 파악하는 것으로 하고 있다.
특허 문헌 1: 일본국 특개평 4－285470호 공보
상기에서는, 응축기 내의 공기의 혼입에 의해 비등 냉각 장치의 냉각성능이 저하하는 것에 대하여 설명했지만, 냉각성능의 저하는, 응축기 내의 공기의 혼입 이외의 요인, 예를 들면 냉각 핀의 크로깅(clogging) 등에 의해서도 생긴다. 이 때문에, 상기 특허 문헌 1에 제시된 수법에서는, 응축기 내의 공기 혼입에 의한 냉각성능 저하를 검출할 수는 있어도, 그 외의 요인에 의한 성능 저하를 효과적으로 검출할 수 없다고 하는 과제가 인정된다.
본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것으로서, 응축기 내의 공기 혼입을 포함한 요인에 의한 냉각성능 저하를 효과적으로 검출할 수 있는 비등 냉각 장치를 구비한 전력 변환 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하여, 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 전력 변환 장치는 스위칭 소자의 스위칭 동작에 의해, 입력된 직류 전력 또는 교류 전력을 소망한 교류 전력으로 변환하여 출력하고, 내장된 냉매의 비등 현상을 이용하는 냉각 장치를 이용하여 상기 스위칭 소자의 냉각을 행하도록 구성된 전력 변환 장치에 있어서, 상기 스위칭 소자 혹은 당해 스위칭 소자 장착면의 온도와 상기 냉각 장치로의 냉각풍의 온도의 편차에 기초하여 장치의 동작을 제어하는 제어부를 가지고, 상기 제어부는 상기 편차가 소정의 임계치를 넘었을 경우에 장치를 정지시키는 제어를 행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 응축기 내의 공기 혼입, 클로깅(clogging) 등의 요인에 의한 냉각성능 저하를 효과적으로 검출할 수 있는 전력 변환 장치를 제공할 수 있다고 하는 효과를 달성한다.
도 1은 실시 형태 1에 따른 전력 변환 장치에 이용되는 바람직한 냉각 장치의 일 구성예를 나타내는 개관도이다.
도 2는 실시 형태 1에 따른 전력 변환 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 운전지령 생성부의 세부 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 전력 변환 회로 제어부의 세부 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 소자 과온도 검지부의 세부 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 ΔTf-a 연산부의 세부 구성을 나타내는 도면이다.
도 7은 냉각성능 저하 검지부의 세부 구성을 나타내는 도면이다.
도 8은 운전자 경고부의 세부 구성을 나타내는 도면이다.
도 9는 고온시 또는 고발열시에 있어서의 냉각 장치의 동작을 설명하는 도면이다.
도 10은 저온시 또한 저발열시에 있어서의 냉각 장치의 동작을 설명하는 도면이다.
도 11은 전력 변환 장치의 동작 중에 있어서의 소자 장착면 온도의 추이예를 나타내는 도면이다.
도 12는 핀 내부에 공기 혼입이 있었을 경우의 소자 장착면 온도 특성(주위 온도가 높은 경우)의 변화를 나타내는 도면이다.
도 13은 핀 내부에 공기 혼입이 있었을 경우의 소자 장착면 온도 특성(주위 온도가 낮은 경우)의 변화를 나타내는 도면이다.
도 14는 실시 형태 2에 따른 전력 변환 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 15는 ΔTf-f1 연산부의 세부 구성을 나타내는 도면이다.
도 16은 실시 형태 2에 따른 냉각성능 저하 검지부의 세부 구성을 나타내는 도면이다.
도 17은 실시 형태 3에 따른 전력 변환 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 18은 실시 형태 3에 따른 냉각성능 저하 검지부의 세부 구성을 나타내는 도면이다.
도 19는 손실 연산부의 세부 구성을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 형태에 따른 전력 변환 장치 에 대해서 설명한다. 또한, 이하에 나타내는 실시 형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
실시 형태 1.
도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 전력 변환 장치에 이용되는 바람직한 냉각 장치의 일 구성예를 나타내는 개관도로서, (a)는 정면도, (b)는 측면도이다. 도 1에 도시된 냉각 장치(50)는, 비등 냉각 방식에 의한 냉각 장치(비등 냉각 장치)이며, 방열부로서의 응축기(52), 흡열부로서의 증발기(53), 냉매(54), 핀(55) 등을 구비하여 구성된다. 후술하는 전력 변환 장치에 마련되어, 주회로를 구성하는 스위칭 소자(57)는 증발기(53)에 접해서 장착되어 있다(도 1에서는, 증발기(53)의 하부에 장착되는 구성을 예시). 냉매(54)는 증발기(53)의 내부에 마련된 냉매실(56a)에 봉입(封入)되어 있다.
스위칭 소자(57)의 장착면(60)에는, 스위칭 소자(57)의 온도 혹은 그 근방의 온도를 계측하기 위한 온도 센서(9a)(예를 들면 컨버터 회로용) 및 온도 센서(9b)(예를 들면 인버터 회로용)가 마련되어 있다. 즉, 온도 센서(9a, 9b)는 스위칭 소자 장착면의 온도를 계측함으로써 스위칭 소자의 온도를 간접적으로 계측하는 온도 센서로서 배치되어 있다. 이들 온도 센서(9a, 9b)에 더하여, 응축기(52)의 상부에는, 응축기(52)의 흡기온도를 측정하기 위한 온도 센서(9c)가 마련되어 있다. 또한, 온도 센서(9c)는 응축기(52)의 흡기온도를 측정할 수 있는 임의의 위치에 장착하는 것이 가능하다.
스위칭 소자(57)가 발열하면 냉매(54)의 온도가 상승한다. 냉매(54)의 온도가 어느 온도에 이르면 냉매(54)가 비등하고, 기화한 냉매(54)가 응축기(52)의 내부에 마련된 냉매실(56b) 내에 침입한다. 또한, 냉각 장치의 구성에 따라서는, 핀의 내부에도 기화한 냉매가 침입하는 구성의 것도 있다. 스위칭 소자(57)의 발열 에 의해서 생긴 열은, 핀(55)에 의해서 방열된다. 또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 핀(55)을 향해서 냉각풍(58)을 통풍하면, 응축기(52)를 통과하는 온풍(59)의 이동을 촉진할 수 있어, 냉각 효율이 높은 냉각 장치를 실현할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 형태 1에 따른 전력 변환 장치의 구성을 나타내는 도면이다. 전력 변환 장치(18)는 주회로(8) 및 제어부(17)를 구비하고, 주회로(8)의 입력단에는 교류 전원부(14)가 접속되고, 주회로(8)의 출력단에는 3상(相) 교류로 동작하는 전동기(예를 들면 유도 전동기, 동기 전동기)(1)가 접속되어 있다.
주회로(8)는 인버터 주회로(2), 직류 전원부(5), 및 컨버터 주회로(6)를 구비하여 구성된다.
인버터 주회로(2)는 스위칭 소자 Iu, Iｖ, Iw로 구성되는 양측(positive side) 암(예를 들면 U상에서는 Iu)과, 스위칭 소자 Ix, Iy, Iz로 구성되는 음측(negative side) 암(예를 들면 U상에서는 Ix)이 각각 직렬로 접속된 회로부(레그, leg)를 가지고 있다. 즉, 인버터 주회로(2)에는, 3조(組)(U상 성분, V상 성분, W상 성분)의 레그를 가지는 3상 브릿지 회로가 구성되어 있다. 양측 암과 음측 암의 각 접속점(각 레그의 중점)은, 인버터 주회로(2)의 교류 단자를 이루어, 전동기(1)와 접속된다.
직류 전원부(5)는 직류 전력을 유지하는 구성부로서, 도시의 예에서는 직류 모선 사이에 마련되는 필터 캐패시터(filter capacitor) FC로 구성되어 있다.
컨버터 주회로(6)는 스위칭 소자 Cu, Cｖ로 구성되는 양측 암과, 스위칭 소자 Cx, Cy로 구성되는 음측 암이 각각 직렬로 접속된 회로부(레그)를 가지고 있다. 즉, 컨버터 주회로(6)에는, 2조의 레그를 가지는 단상(單相) 브릿지 회로가 구성되어 있다. 양측 암과 음측 암의 각 접속점(각 레그의 중점)은, 컨버터 주회로(6)의 교류 단자를 이루어 교류 전원부(14)와 접속된다.
제어부(17)는 소자 과온도 검지부(10), 전력 변환 회로 제어부(13), 온도 차 연산부(15)(도 1에서는 「ΔTf-a 연산부」라고 표기, 또 「ΔTf-a」의 의미에 대해서는 후술) 및, 냉각성능 저하 검지부(16)를 구비하여 구성된다. 또, 제어부(17)의 외부에는, 운전자 경고부(11) 및 운전지령 생성부(12)가 마련되어 있다.
다음으로, 제어부(17)를 구성하는 각 부의 구성 및 동작 및, 제어부(17)의 주변부에 배치되는 각 부의 구성 및 기능에 대해서, 도 3 ~ 도 8의 각 도면을 참조하여 설명한다. 여기서, 도 3은 운전지령 생성부(12)의 세부 구성을 나타내는 도면이고, 도 4는 전력 변환 회로 제어부(13)의 세부 구성을 나타내는 도면이고, 도 5는 소자 과온도 검지부(10)의 세부 구성을 나타내는 도면이고, 도 6은 ΔTf-a 연산부(15)의 세부 구성을 나타내는 도면이고, 도 7은 냉각성능 저하 검지부(16)의 세부 구성을 나타내는 도면이고, 도 8은 운전자 경고부(11)의 세부 구성을 나타내는 도면이다.
먼저, 운전지령 생성부(12)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 역행·브레이크 선택부(12a)를 구비하고 있다. 역행·브레이크 선택부(12a)는 운전수에 의한 조작(노치(notch) 조작)이 역행 지시인지 브레이크 지시인지를 판단하고, 그 판단 결과를 운전지령 A로서 전력 변환 회로 제어부(13)에 출력한다.
전력 변환 회로 제어부(13)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 전류 지령 연산부(13a), 전압 지령 생성부(13b) 및 주회로 동작 지령 생성부(13c)를 구비하고 있다. 또, 전력 변환 회로 제어부(13)에는, 운전지령 A, 모터 전류 IM, 컨버터 전류 IS, 모터 회전수 FM, 직류 전압 EFC가 입력된다. 모터 전류 IM은, 전동기(1)에 흐르는 전류이고, 컨버터 전류 IS는 컨버터 주회로(6)에 유출입하는 전류이고, 모터 회전수 FM은 전동기(1)의 회전수이고, 직류 전압 EFC는 직류 전원부(5)를 구성하는 필터 캐패시터 FC의 전압이고, 이들 전기제량(電氣諸量) 또는 물리량 중 어느 쪽도, 도 2의 구성의 요소에 배치되는 각종 센서(도 2에서는 도시를 생략)로 검출된다.
전류 지령 연산부(13a)는 운전지령 A, 모터 전류 IM, 컨버터 전류 IS, 모터 회전수 FM 및 직류 전압 EFC를 적당히 사용하여, 전동기(1)에 흘려야 할 전류 지령(혹은 전동기(1)가 출력해야 할 필요 토크)을 연산하여, 다음 단(段)의 전압 지령 생성부(13b)에 출력한다.
전압 지령 생성부(13b)는 전류 지령 연산부(13a)로부터 출력되는 전류 지령 혹은 토크 지령을 바탕으로, 전동기(1)에 인가해야 할 전압의 지령치인 전압 지령을 출력한다. 또한, 이들 전류 지령 연산부(13a) 및 전압 지령 생성부(13b)의 세부 구성에 대해서는 공지이기 때문에, 여기서의 더욱 상세한 설명은 생략한다.
주회로 동작 지령 생성부(13c)는 전압 지령 생성부(13b)로부터 출력되는 전압 지령을 바탕으로, 인버터 주회로(2)의 스위칭 소자(Iu~Iz)를 온·오프 제어하는 신호(스위칭 지령)와, 컨버터 주회로(6)의 스위칭 소자(Cu, Cｖ, Cx, Cy)를 온·오프 제어하는 신호(스위칭 지령)를 주회로 동작 지령 GS로서 인버터 주회로(2) 및 컨버터 주회로(6)에 출력한다. 단, 도시한 대로, 스위칭 소자의 과온도를 검지했을 때에 생성되는 신호(소자 과온도 검지 신호 CTH) 혹은, 냉각성능의 저하를 검지했을 때에 생성되는 신호(냉각성능 저하 검지 신호 RLD) 중 어느 쪽이 입력되었을 때에는, 주회로 동작 불가능으로 되어, 주회로 동작 지령 GS는 출력되지 않는다. 전력 변환 회로 제어부(13)로부터는, 이 주회로 동작 지령 GS 외에, 스위칭 주파수 fsw, 펄스 모드 PM, 모터 전류 IM, 컨버터 전류 IS 등의 정보가 출력된다. 주회로 동작 지령 생성부(13c)는, 도시와 같이, 변조파 생성부(13ca), 반송파 생성부(13cb), 비교기(13cc) 등을 조합(組合)하여 구성할 수 있다. 또한, 주회로 동작 지령 생성부(13c)의 세부의 구성에 대해서는 공지이기 때문에, 여기서의 더욱 상세한 설명은 생략한다.
소자 과온도 검지부(10)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 비교기(10a, 10b) 및 OR 회로(10c)를 구비하고 있다. 비교기(10a)에는, 온도 센서(9a)가 검지한 컨버터 소자 장착면 온도 Tfc와, 내부적으로 생성된 컨버터 과온도 검지 설정신호 Tfc＿ref가 입력되고, 비교기(10b)에는, 온도 센서(9b)가 검지한 인버터 소자 장착면 온도 Tfi와, 내부적으로 생성된 인버터 과온도 검지 설정신호 Tfi＿ref가 입력된다. 비교기(10a)는 컨버터 소자 장착면 온도 Tfc가 컨버터 과온도 검지 설정신호 Tfc＿ref를 넘었을 경우에 컨버터 소자의 과온도를 검출하고, 검출한 신호를 OR 회로(10c)에 출력한다. 마찬가지로, 비교기(10b)는 인버터 소자 장착면 온도 Tfi가 인버터 과온도 검지 설정신호 Tfi＿ref를 넘었을 경우에 인버터 소자의 과온도를 검출하고, 검출한 신호를 OR 회로(10c)에 출력한다. OR 회로(10c)는 비교기(10a, 10b)의 논리합 연산을 행하고, 연산 결과를 소자 과온도 검지 신호 CTH로서 출력한다. 즉, 소자 과온도 검지부(10)는 컨버터 소자 장착면 온도 Tfc와, 인버터 소자 장착면 온도 Tfi 중 적어도 한쪽이 검출 임계치를 초과했을 경우에, 그 취지를 나타내는 소자 과온도 검지 신호 CTH를 출력한다. 또한, 여기서 생성된 소자 과온도 검지 신호 CTH는, 도 2에 도시된 바와 같이, 전력 변환 회로 제어부(13) 및 운전자 경고부(11)에 대한 입력 신호가 된다.
ΔTf-a 연산부(15)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 컨버터 주회로측의 온도 차를 나타내는 신호(컨버터 주회로측 온도 차 신호, 도 6에서는 「ΔTfc-a」라고 표기)를 연산하는 연산부(도 6에서는 「Tfc-Ta」라고 표기)(15a)와, 인버터 주회로측의 온도 차를 나타내는 신호(인버터 주회로측 온도 차 신호, 도 6에서는 「ΔTfi-a」라고 표기)를 연산하는 연산부(도 6에서는 「Tfi-Ta」라고 표기)(15b)를 구비하고 있다. ΔTf-a 연산부(15)에는, 컨버터 소자 장착면 온도 Tfc, 인버터 소자 장착면 온도 Tfi 및, 온도 센서(9c)가 검지한 냉각 장치 흡기온도 Ta가 입력된다. Tfc-Ta 연산부(15a)는 컨버터 소자 장착면 온도 Tfc와 냉각 장치 흡기온도 Ta의 차분치(편차)를 연산하고, 그 연산 결과를 컨버터 소자 장착면 온도-냉각 장치 흡기온도 차 ΔTfc-a로서 출력한다. Tfi-Ta 연산부(15b)는 인버터 소자 장착면 온도 Tfi와 냉각 장치 흡기온도 Ta의 차분치(편차)를 연산하고, 그 연산 결과를 인버터 소자 장착면 온도-냉각 장치 흡기온도 차 ΔTfi-a로서 출력한다. 또한, 여기서 생성된 컨버터 소자 장착면 온도-냉각 장치 흡기온도 차 ΔTfc-a 및 인버터 소자 장착면 온도-냉각 장치 흡기온도 차 ΔTfi-a는, 도 1에 도시된 바와 같이, 냉각성능 저하 검지부(16)에 대한 입력 신호가 된다.
냉각성능 저하 검지부(16)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 비교기(16a, 16b) 및 OR 회로(16c)를 구비하고 있다. 비교기(16a)에는, ΔTf-a 연산부(15)가 생성한 컨버터 소자 장착면 온도-냉각 장치 흡기온도 차 ΔTfc-a와, 냉각 장치 흡기온도 Ta의 함수(f(Ta))로서 내부적으로 생성된 컨버터 냉각성능 저하 검지 설정신호 Trldc＿ref가 입력되고, 비교기(16b)에는, ΔTf-a 연산부(15)가 생성한 인버터 소자 장착면 온도-냉각 장치 흡기온도 차 ΔTfi-a와, 컨버터측과 마찬가지로 냉각 장치 흡기온도 Ta의 함수(f(Ta))로서 내부적으로 생성된 인버터 냉각성능 저하 검지 설정신호 Trldi＿ref가 입력된다. 비교기(16a)는 컨버터 소자 장착면 온도-냉각 장치 흡기온도 차 ΔTfc-a가 컨버터 냉각성능 저하 검지 설정신호 Trldc＿ref를 넘었을 경우에 컨버터 주회로측의 냉각성능의 저하를 검출하고, 검출한 신호를 OR 회로(16c)에 출력한다. 마찬가지로, 비교기(16b)는 인버터 소자 장착면 온도-냉각 장치 흡기온도 차 ΔTfi-a가 인버터 냉각성능 저하 검지 설정신호 Trldi＿ref를 넘었을 경우에 인버터 주회로측의 냉각성능의 저하를 검출하고, 검출한 신호를 OR 회로(16c)에 출력한다. OR 회로(16c)는 비교기(16a, 16b)의 논리합 연산을 행하여, 연산 결과를 냉각성능 저하 검지 신호 RLD로서 출력한다. 즉, 냉각성능 저하 검지부(16)는 컨버터 소자 장착면 온도-냉각 장치 흡기온도 차 ΔTfc-a와 인버터 소자 장착면 온도-냉각 장치 흡기온도 차 ΔTfi-a 중 적어도 한쪽이 검출 임계치를 초과했을 경우에, 그 취지를 나타내는 냉각성능 저하 검지 신호 RLD를 출력한다. 또한, 여기서 생성된 냉각성능 저하 검지 신호 RLD는, 도 2에 도시된 바와 같이, 전력 변환 회로 제어부(13)에 대한 입력 신호가 된다.
운전자 경고부(11)는, 도 8에 도시된 바와 같이, 표시부(11a) 및 명동(鳴動)부(11b)를 구비하고 있다. 표시부(11a)는 인버터 주회로(2), 컨버터 주회로(6), 냉각 장치(50) 등의 이상을 운전자 등의 유저에 대해 표시하는 기능을 가지는 구성부이다. 또, 명동부(11b)는 인버터 주회로(2), 컨버터 주회로(6), 냉각 장치(50) 등의 이상 정보를 소리로 변환하여 운전자 등의 유저에게 주의를 환기시키는 기능을 가지는 구성부이다. 이러한 각 부의 기능은, 소자 과온도 검지부(10)로부터의 소자 과온도 검지 신호 CTH나, 냉각성능 저하 검지부(16)로부터의 냉각성능 저하 검지 신호 RLD를 바탕으로 실행된다.
도 9는 고온시 또는 고발열시에 있어서의 냉각 장치의 동작을 설명하는 도면이다. 도 9 (a), (b) 모두, 냉각 장치에 공기가 혼입된 상태를 나타내는 것이지만, 보다 상세하게 설명하면, 도 9 (a)는 소자가 발열하고 있지 않은 상태를 나타내고, 도 9 (b)는 고온 상태(주위 온도가 높은 경우) 혹은 고발열 상태를 나타내고 있다.
배경 기술의 항에서도 설명했지만, 부식 등에 의해 응축기에 미세한 구멍이 뚫리면, 응축기의 내부는 0.3기압(냉매가 플로리너트인 경우)인데 반해, 응축기의 외부는 1기압이기 때문에, 응축기의 내부는 공기가 혼입한 상태가 된다. 공기는, 냉매의 기체보다 가볍기 때문에, 응축기의 상부를 점유한다. 따라서 비등한 냉매는 공기의 하방(下方)에 밖에 존재하지 못하고, 공기가 존재하는 상방부는 응축기가 없는것과 동일한 냉각성능이 되어 버려, 냉각 장치의 성능이 저하해 버린다(도 9 (a) 참조).
반면에, 도 9 (a)에 도시된 것과 같은 공기 혼입 상태여도 고온시 또는 고발열시의 경우에는 냉각성능의 저하에 의한 영향이 작아진다. 그 이유는, 예를 들면 주위 온도가 높은 경우, 냉매의 증기량도 많아지기 때문에, 도 9 (b)에 도시된 바와 같이, 응축기의 상부를 차지하고 있는 공기가 압박받아 체적이 감소하기 때문이다. 결과적으로, 고온시의 경우에는, 냉각성능의 저하는 억제된다.
또, 주위 온도가 높지 않은 경우여도, 고발열시(소자의 발열량이 큰 경우)에 있어서는, 소자의 발열량의 증대에 의해서 냉매의 증기량도 많아지기 때문에, 응축기의 상부를 차지하고 있는 공기가 압박받아 체적이 감소한다. 그 결과, 고발열시의 경우에서도 고온시와 마찬가지로, 냉각성능의 저하가 억제되게 된다.
이것에 반해, 도 10은 저온시 또한 저발열시에 있어서의 냉각 장치의 동작을 설명하는 도면이다. 도 10 (a)는, 도 9 (a)를 재게(再揭)한 것이고, 도 10 (b)는 주위 온도가 낮은 경우(저온 상태)이고, 또한, 저발열 상태(소자의 발열량이 적은 경우)를 나타내고 있다.
저온시의 경우, 주위 온도도 저온이기 때문에, 냉매의 증기량은 적다. 또한, 소자의 발열량이 적은 경우에는, 냉매의 증기량도 증가하지 않는다. 이 때문에, 도 10 (b)에 도시된 바와 같이, 공기가 점유하는 체적은 고온시에 비해 커진다. 즉, 저온시 또한 저발열시의 경우에는, 냉각성능의 저하는 커지고, 소자에 대한 스트레스는 커진다.
다음으로, 전력 변환 장치의 히트 사이클(열 사이클)에 대해서 설명한다. 도 11은 전력 변환 장치의 동작 중에 있어서의 소자 장착면 온도의 추이예를 나타내는 도면이다. 도 11에 있어서, 실선부의 파형은 소자 장착면 온도 Tf를 나타내고 있다. 또, 시간축과 평행으로 그어진 2개의 파선 중, 하방부의 파선은 냉각 장치 흡기온도 Ta(온도 센서(9c)의 출력, 도 2 참조)를 나타내고, 상방부의 파선은 소자 과온도 검지 신호 CTH(소자 과온도 검지부(10)의 출력, 도 2, 도 5 참조)를 나타내고 있다.
예를 들면, 철도 차량 용도의 전력 변환 장치의 경우, 도 11에 도시된 것과 같은 동작과 정지를 반복하는 제어가 행해진다. 그 결과, 소자 장착면 온도 Tf는, 동작 중에는 증가하고 정지 중에는 감소하는, 도 11에 도시된 것 같은 삼각파 모양의 변동을 반복한다. 이와 같은 히트 사이클은, 예를 들면 어느 역을 발차(發車)하여 다음의 정차역에 정차할 때까지의 동안의 일 예이고, 하루의 운행에서도 이와 같은 히트 사이클이 많이 반복되게 된다. 즉, 철도 차량 용도의 전력 변환 장치의 경우, 전력 변환 장치에 탑재되는 스위칭 소자는, 가혹한 동작환경 하에 놓여지게 된다. 또한, 본 실시 형태의 전력 변환 장치에서는, 소자 장착면 온도 Tf와 냉각 장치 흡기온도 Ta 사이의 온도 차(Tf-a)를 검출하게 되지만, 이 처리는, 상술한 것처럼 Tf-a 연산부(15)에 의해서 실행된다(도 2, 도 6 참조).
다음으로, 실시 형태 1에 따른 전력 변환 장치의 동작에 대해서 설명한다. 제어부(17)의 최종단에 위치하는 전력 변환 회로 제어부(13)로부터는, 주회로 동작 지령 GS가 출력된다(도 2, 도 4 참조). 주회로 동작 지령 GS에는, 인버터 주회로(2)의 스위칭 소자(Iu~Iz)를 온·오프 제어하는 동작 지령과, 컨버터 주회로(6)의 스위칭 소자(Cu, Cｖ, Cx, Cy)를 온·오프 제어하는 동작 지령이 포함된다. 컨버터 주회로(6)는 전력 변환 회로 제어부(13)로부터 출력되는 주회로 동작 지령 GS에 기초하여, 교류 전원부(14)로부터 공급되는 교류 전력을 소망한 직류 전력으로 변환하여 직류 전원부(5)에 공급한다. 인버터 주회로(2)는 전력 변환 회로 제어부(13)로부터 출력되는 주회로 동작 지령 GS에 기초하여, 직류 전원부(5)로부터 공급되는 직류 전력을 가변 진폭, 가변 주파수의 3상 교류 전력으로 변환하여 전동기(1)에 공급한다.
상기와 같은 제어를 행했을 경우, 당연히, 인버터 주회로(2)의 스위칭 소자(Iu~Iz) 및 컨버터 주회로(6)의 스위칭 소자(Cu, Cｖ, Cx, Cy)는 발열하고, 온도가 상승한다. 소자 과온도 검지부(10)는, 온도 센서(9a)가 검지한 컨버터 소자 장착면 온도 Tfc가 컨버터 과온도 검지 설정신호 Tfc＿ref를 넘고 있는지 여부를 판정함으로써 컨버터 소자의 과온도를 검출함과 아울러, 인버터 소자 장착면 온도 Tfi가 인버터 과온도 검지 설정신호 Tfi＿ref를 넘고 있는지 여부를 판정함으로써 인버터 소자의 과온도를 검출하고, 컨버터 소자 및 인버터 소자 중 적어도 한쪽의 과온도를 검출했을 경우에 소자 과온도 검지 신호 CTH를 생성하여 운전자 경고부(11) 및 전력 변환 회로 제어부(13)에 출력한다. 운전자 경고부(11)는 소자 과온도 검지 신호 CTH가 입력되었을 경우, 스위칭 소자의 과온도를 운전자 등의 유저 대해 표시 기능, 명동 기능으로 통지한다. 또, 전력 변환 회로 제어부(13)는 소자 과온도 검지 신호 CTH가 입력되었을 경우, 주회로 동작 지령 GS의 출력을 차단하고 인버터 주회로(2) 및 컨버터 주회로(6)의 동작을 정지한다.
상기와 같은 소자 과온도 검지 처리와 함께, 냉각 장치의 냉각성능 저하 검지 처리도 아울러 행한다. 냉각성능 저하 검지부(16)는 컨버터 소자 장착면 온도-냉각 장치 흡기온도 차 ΔTfc-a가 컨버터 냉각성능 저하 검지 설정신호 Trldc＿ref를 넘고 있는지 여부를 판정함으로써 컨버터 냉각성능의 저하를 검출함과 아울러, 인버터 소자 장착면 온도-냉각 장치 흡기온도 차 ΔTfi-a가 인버터 냉각성능 저하 검지 설정신호 Trldi＿ref를 넘고 있는지 여부를 판정함으로써 인버터 냉각성능의 저하를 검출하고, 컨버터 냉각성능 및 인버터 냉각성능 중 적어도 한쪽의 냉각성능 저하를 검출했을 경우에 냉각성능 저하 검지 신호 RLD를 생성하여 운전자 경고부(11) 및 전력 변환 회로 제어부(13)에 출력한다. 운전자 경고부(11)는 냉각성능 저하 검지 신호 RLD가 입력되었을 경우, 냉각성능의 저하를 운전자 등의 유저에 대해 표시 기능, 명동 기능으로 통지한다. 또, 전력 변환 회로 제어부(13)는, 냉각성능 저하 검지 신호 RLD가 입력되었을 경우, 주회로 동작 지령 GS의 출력을 차단하여 인버터 주회로(2) 및 컨버터 주회로(6)의 동작을 정지한다.
다음으로, 실시 형태 1에 따른 전력 변환 장치가 가지는 효과에 대해서, 도 12 및 도 13의 도면을 참조하여 설명한다. 도 12 및 도 13은, 냉매가 충전되어 있는 핀 내부에 공기 혼입이 있었을 경우의 소자 장착면 온도 특성의 변화를 나타내는 도면이다. 보다 상세하게 설명하면, 도 12 (a)는 공기 혼입이 없고, 또한 하계와 같이 주위 온도가 높은 경우(「하계 냉각 장치 정상시」로서 식별)의 일 예이고, 도 12 (b)는 도 12 (a)와의 비교를 위한 공기 혼입이 있는 경우(「하계 냉각 장치 이상시」로서 식별)의 일 예이다. 또, 도 13 (a)는 공기 혼입이 없고, 또한, 동계와 같이 주위 온도가 낮은 경우(「동계 냉각 장치 정상시」로서 식별)의 일 예이고, 도 13 (b)는 도 13 (a)와의 비교를 위한 공기 혼입이 있는 경우(「동계 냉각 장치 이상시」로서 식별)의 일 예이다. 또한, 이들 도면에 도시된 삼각파 모양의 파형은, 도 10에 도시된 전력 변환 장치의 히트 사이클이다.
하계 등 냉각 장치 흡기온도가 높을 때나, 스위칭 소자의 발열량이 큰(스위칭 손실이 큰) 경우, 도 9에 있어서 설명한 것처럼, 핀 내부에 혼입된 공기는, 액상(液相)에서 기상(氣相)으로 변화하여 핀 내부에 진입하는 냉매 수증기에 압축(압박)된다. 따라서 소자 장착면 온도 Tf의 최대치와 냉각 장치 흡기온도 Ta의 편차(온도 차) ΔTf-a는, 도 12 (a), (b)에 도시된 바와 같이 정상시와 이상시 사이의 차이는 작다. 이 때문에, 하계 등의 냉각 장치 흡기온도가 높을 때에는, 냉각성능의 차이는 별로 크지 않고, 냉각성능의 악화가 표면화될 확률은 작아진다.
한편, 동계 등 냉각 장치 흡기온도가 낮고, 또한, 스위칭 소자의 발열량이 적은(스위칭 손실이 작은) 경우, 도 10에 있어서 설명한 것처럼, 액상에서 기상으로 변화하는 냉매 수증기의 양은 작고, 핀 내부에 혼입된 공기의 영향이 커진다. 따라서 소자 장착면 온도 Tf의 최대치와 냉각 장치 흡기온도 Ta의 편차(온도 차) ΔTf-a는, 도 13 (a), (b)에 도시된 바와 같이 정상시와 이상시 사이의 차이가 커진다. 이 때문에, 동계 등의 냉각 장치 흡기온도가 낮을 때에는, 냉각성능의 차이가 현저해져, 냉각성능 저하의 검지는 용이해진다.
또한, 소자 장착면 온도 Tf를 소자 과온도 검지 신호 CTH와 비교하는 소자 과온도 검지부(10)의 기능을 이용하여 냉각성능 저하를 검지하는 것도 가능하다. 그렇지만, 동계와 같이, 냉각 장치 흡기온도가 낮은 경우에는, 소자 과온도 검지 신호 CTH까지의 온도 차가 하계에 비해 커진다. 이 때문에, 냉각성능 저하가 별로 크지 않은 경우에는, 이 성능 저하를 간과하게 된다. 따라서 냉각성능 저하가 별로 크지 않은 상태하에서 스위칭 소자를 계속 사용할 때, 스위칭 소자에는, 냉각성능 저하가 없을 때에 비하여 열 스트레스가 계속 인가되게 되어, 바람직한 상태는 아니다.
한편, 실시 형태 1과 같이, 소자 장착면 온도 Tf를 냉각 장치 흡기온도 Ta와 비교함으로써 냉각성능 저하를 검지하도록 하면, 냉각성능 저하를 발견하는 것이 가능 또한 용이해진다. 따라서 실시 형태 1의 전력 변환 장치에 의하면, 종래의 소자 과온도 검지에서는 곤란하였던 냉각 장치에 있어서의 냉각성능 저하의 검출이 용이해진다. 또, 냉각성능 저하의 검출이 용이해지기 때문에, 스위칭 소자로의 열 스트레스 과대에 의한 소자 파괴를 미연에 방지하는 효과를 높이는 것이 가능해진다.
또, 배경 기술의 항에서도 접했지만, 냉각성능의 저하는, 냉각 핀의 크로깅 등에 의해서도 생기지만, 종래의 수법에서는, 냉각 장치 흡기온도가 높은 하계에 있어서, 소자 과온도 검지의 기능에 의해, 우연적으로 핀의 크로깅을 발견할 수 있는 경우도 생각할 수 있지만, 냉각 장치 흡기온도가 낮은 동계에서의 발견은 곤란하다. 한편, 실시 형태 1의 전력 변환 장치에서는, 이와 같은 냉각성능의 저하도 검출하는 것이 가능해진다.
이상 설명한 것처럼, 실시 형태 1의 전력 변환 장치에 의하면, 소자 장착면 온도와 냉각 장치 흡기온도의 편차가 소정의 임계치를 넘었을 경우에 냉각 장치의 성능 저하를 나타내는 냉각성능 저하 검지 신호를 생성해 출력하여, 당해 냉각성능 저하 검지 신호에 기초하여 전력 변환 장치의 동작을 정지하는 제어를 행하는 것으로 했으므로, 응축기 내의 공기 혼입이나, 냉각 핀의 크로깅 등의 요인에 의한 냉각성능의 저하를 효과적으로 검출하는 것이 가능해진다.
실시 형태 2.
다음으로, 실시 형태 2에 따른 전력 변환 장치에 대해서 설명한다. 도 14는 실시 형태 2에 따른 전력 변환 장치의 구성을 나타내는 도면이다. 실시 형태 1에서는, 냉각 장치 흡기온도 Ta를 온도 센서(9c)에 의해 검출하는 구성이었지만, 실시 형태 2에서는 냉각 장치 흡기온도 Ta를 검출하는 온도 센서(9c)는 마련하지는 않은 점으로 상위하다. 이 때문에, 도 2와 도 14의 비교로부터 분명한 것처럼, 실시 형태 2의 전력 변환 장치에서는, ΔTf-a 연산부(15)를 대신하여 ΔTf-f1 연산부(20)가 마련되고, ΔTf-f1 연산부(20)의 출력을 입력 신호로서 동작하는 실시 형태 1과는 세부 구성이 다른 냉각성능 저하 검지부(16A)가 마련되어 있다. 또한, 그 외의 구성에 대해서는, 실시 형태 1과 동일 또는 동등하고, 동일한 부호를 부여하고 상세한 설명은 생략한다.
도 15는 ΔTf-f1 연산부(20)의 세부 구성을 나타내는 도면이다. ΔTf-f1 연산부(20)는 초기 온도 기억부(20a, 20c)와, 컨버터 주회로측의 온도 차를 나타내는 신호(도 15에서는 「ΔTfc-fc1」라고 표기)를 연산하는 연산부(도 15에서는 「Tf-fc1」라고 표기)(20b)와, 인버터 주회로측의 온도 차를 나타내는 신호(인버터 주회로측 온도 차 신호, 도 15에서는 「ΔTfi-fi1」라고 표기)를 연산하는 연산부(도 15에서는 「Tf-fi1」라고 표기)(20d)를 구비하고 있다. ΔTf-f1 연산부(20)에는, 컨버터 소자 장착면 온도 Tfc 및 인버터 소자 장착면 온도 Tfi가 입력된다.
초기 온도 기억부(20a)는 컨버터 소자 장착면 온도 Tfc의 초기치(예를 들면 1일 중 동작 개시 전의 온도)를 기록함과 아울러, 기록한 초기치를 컨버터 소자 장착면 초기 온도 Tfc1로서 Tf-fc1 연산부(20b) 및 외부에 출력한다. Tf-fc1 연산부(20b)는 컨버터 소자 장착면 온도 Tfc와 컨버터 소자 장착면 초기 온도 Tfc1의 차분치(편차)를 연산하고, 그 연산 결과를 컨버터 소자 장착면 온도-초기 온도 차 ΔTfc-fc1로서 외부에 출력한다. 초기 온도 기억부(20c)는 인버터 소자 장착면 온도 Tfi의 초기치를 기억함과 아울러, 기억한 초기치를 인버터 소자 장착면 초기 온도 Tfi1로서 Tf-fi1 연산부(20d) 및 외부에 출력한다. Tf-fi1 연산부(20d)는 인버터 소자 장착면 온도 Tfi와 인버터 소자 장착면 초기 온도 Tfi1의 차분치(편차)를 연산하고, 그 연산 결과를 인버터 소자 장착면 온도-초기 온도 차 ΔTfi-fi1로서 외부에 출력한다. 또한, 여기서 생성된 컨버터 소자 장착면 초기 온도 Tfc1, 컨버터 소자 장착면 온도-초기 온도 차 ΔTfc-fc1, 인버터 소자 장착면 초기 온도 Tfi1, 및 인버터 소자 장착면 온도-초기 온도 차 ΔTfi-fi1은, 도 14에 도시된 바와 같이, 냉각성능 저하 검지부(16A)에 대한 입력 신호가 된다.
컨버터 소자 장착면 초기 온도 Tfc1 및 인버터 소자 장착면 초기 온도 Tfi1은, 전력 변환 장치가 가동할 때의 온도이며 초기 온도 기억부(20a, 20c)에 의해서 유지된다. ΔTf-f1 연산부(20)에서는, 이들 컨버터 소자 장착면 초기 온도 Tfc1 및 인버터 소자 장착면 초기 온도 Tfi1은, 실시 형태 1의 제어계에 있어서의 냉각 장치 흡기온도 Ta와 동등한 것으로서 취급하지만, 냉각 장치 흡기온도 Ta가 크게 변화하지 않는 환경하에서 전력 변환 장치를 사용하는 경우, 온도 센서의 수를 저감시킬 수 있다고 하는 효과가 얻어진다.
도 16은 냉각성능 저하 검지부(16A)의 세부 구성을 나타내는 도면이다. 냉각성능 저하 검지부(16A)는 컨버터 냉각성능 저하 검지 설정신호 생성부(16Aa), 인버터 냉각성능 저하 검지 설정신호 생성부(16Ab), 비교기(16Ac, 16Ad), 및 OR 회로(16Ae)를 구비하고 있다. 이 냉각성능 저하 검지부(16A)에는, 컨버터 소자 장착면 온도-초기 온도 차 ΔTfc-fc1, 컨버터 소자 장착면 초기 온도 Tfc1, 인버터 소자 장착면 온도-초기 온도 차 ΔTfi-fi1, 및 인버터 소자 장착면 초기 온도 Tfi1가 입력된다.
컨버터 냉각성능 저하 검지 설정신호 생성부(16Aa)는 입력되는 컨버터 소자 장착면 초기 온도 Tfc1에 기초하여, 컨버터 냉각성능 저하 검지 설정신호 Trldc＿ref를 생성하여 비교기(16Ac)에 출력한다. 또한, 이 컨버터 냉각성능 저하 검지 설정신호 Trldc＿ref는, 실시 형태 1에서는 내부적으로 생성하고 있었지만, 실시 형태 2에서는, 외부로부터의 입력 신호, 즉 주위 환경에 따른 설정신호의 변경이 가능한 구성으로 되어 있다. 이 구성에 의해, 냉각 장치 흡기온도 Ta에 적절한 냉각성능 저하 검지 설정신호 Trldc＿ref, Trldi＿ref를 결정할 수 있다. 예를 들면, 냉각 장치 흡기온도 Ta가 높은 경우, 소자의 발열량이 커지므로, 냉매의 증기량이 많아져, 공기 혼입 상태하에서의 냉각 장치의 성능 저하는 작아진다. 따라서 컨버터 소자에 대한 열 스트레스의 영향은 냉각 장치 흡기온도 Ta가 낮은 경우에 비하여 작아지므로, 냉각 장치 흡기온도 Ta가 높은 경우에는, 컨버터 냉각성능 저하 검지 설정신호 Trldc＿ref의 값을 작게 할 수 있다. 이 제어에 의해, 장치의 운용 기간에 있어서, 컨버터 소자에 대한 열 스트레스의 변동을 억제할 수 있어, 장치의 가동률 향상과, 장치의 연명(延命)화를 도모할 수 있다고 하는 효과가 얻어진다.
도 16으로 돌아와, 비교기(16Ac)는 컨버터 소자 장착면 온도-초기 온도 차 ΔTfc-fc1가 컨버터 냉각성능 저하 검지 설정신호 Trldc＿ref를 넘었을 경우에 컨버터 주회로측의 냉각성능의 저하를 검출하고, 검출한 신호를 OR 회로(16Ae)에 출력한다. 인버터측의 처리도 마찬가지이며, 먼저, 인버터 냉각성능 저하 검지 설정신호 생성부(16Ab)는 입력되는 인버터 소자 장착면 초기 온도 Tfi1에 기초하여, 인버터 냉각성능 저하 검지 설정신호 Trldi＿ref를 생성하여 비교기(16Ad)에 출력한다. 비교기(16Ad)는 인버터 소자 장착면 온도-초기 온도 차 ΔTfi-fi1가 인버터 냉각성능 저하 검지 설정신호 Trldi＿ref를 넘었을 경우에 인버터 주회로측의 냉각성능의 저하를 검출하고, 검출한 신호를 OR 회로(16Ae)에 출력한다. OR 회로(16Ae)는 비교기(16Ac, 16Ad)의 논리합 연산을 행하고, 연산 결과를 냉각성능 저하 검지 신호 RLD로서 출력한다. 즉, 컨버터 소자 장착면 온도-초기 온도 차 ΔTfc-fc1와 인버터 소자 장착면 온도-초기 온도 차 ΔTfi-fi1 중 적어도 한쪽이 검출 임계치를 초과했을 경우에, 그 취지를 나타내는 냉각성능 저하 검지 신호 RLD가 생성되어 전력 변환 회로 제어부(13)에 출력된다. 또한, 그 후의 처리는, 실시 형태 1과 마찬가지이다.
또한, 도 16에 있어서, 컨버터 냉각성능 저하 검지 설정신호 생성부(16Aa)의 내부에서 생성되는 컨버터 냉각성능 저하 검지 설정신호 Trldc＿ref는, 함수 계산에 의해 구해져도 좋고, 내부에 유지하는 테이블을 참조함으로써 구해도 좋다. 인버터 냉각성능 저하 검지 설정신호 생성부(16Ab)의 내부에서 생성되는 인버터 냉각성능 저하 검지 설정신호 Trldi＿ref에 대해서도 마찬가지이다.
이상 설명한 것처럼, 실시 형태 2의 전력 변환 장치에 의하면, 스위칭 소자 혹은 스위칭 소자 장착면의 동작 중 온도와 동작 개시 전의 온도의 편차가 소정의 임계치를 넘었을 경우에 냉각 장치의 성능 저하를 나타내는 냉각성능 저하 검지 신호를 생성해 출력하고, 당해 냉각성능 저하 검지 신호에 기초하여 전력 변환 장치의 동작을 정지하는 제어를 행하는 것으로 했으므로, 응축기 내의 공기 혼입이나, 냉각 핀의 크로깅 등의 요인에 의한 냉각성능의 저하를 효과적으로 검출하는 것이 가능해진다.
실시 형태 3.
다음으로, 실시 형태 3에 따른 전력 변환 장치에 대해서 설명한다. 도 17은 실시 형태 3에 따른 전력 변환 장치의 구성을 나타내는 도면이다. 실시 형태 1에서는, 냉각성능 저하 검지부(16)에는 컨버터 소자 장착면 온도-냉각 장치 흡기온도 차 ΔTfc-a, 인버터 소자 장착면 온도-냉각 장치 흡기온도 차 ΔTfi-a 및 냉각 장치 흡기온도 Ta가 입력되는 구성이었지만, 실시 형태 3에서는 냉각 장치 흡기온도 Ta를 대신하여 손실 연산부(22)가 생성하는 컨버터 손실 Qc 및 인버터 손실 Qi가 입력되는 구성이다. 즉, 실시 형태 3의 전력 변환 장치에서는, 손실 연산부(22)가 마련됨과 아울러, ΔTf-a 연산부(15)의 출력과 손실 연산부(22)의 출력을 입력 신호로서 동작하는 실시 형태 1과는 세부 구성이 다른 냉각성능 저하 검지부(16B)가 마련되어 있다. 또한, 그 외의 구성에 대해서는, 실시 형태 1과 동일 또는 동등하며, 동일한 부호를 부여하고 상세한 설명은 생략한다.
도 18은 냉각성능 저하 검지부(16B)의 세부 구성을 나타내는 도면이다. 냉각성능 저하 검지부(16B)는 컨버터 냉각성능 저하 검지 설정신호 생성부(16Ba), 인버터 냉각성능 저하 검지 설정신호 생성부(16Bb), 비교기(16Bc, 16Bd), 및 OR 회로(16Be)를 구비하고 있다. 이 냉각성능 저하 검지부(16B)에는, 컨버터 소자 장착면 온도-냉각 장치 흡기온도 차 ΔTfc-a, 컨버터 손실 Qc, 인버터 소자 장착면 온도-냉각 장치 흡기온도 차 ΔTfi-a, 및 인버터 손실 Qi가 입력된다.
컨버터 냉각성능 저하 검지 설정신호 생성부(16Ba)는 입력되는 컨버터 손실 Qc에 기초하여, 컨버터 냉각성능 저하 검지 설정신호 Trldc＿ref를 생성하여 비교기(16Bc)에 출력한다. 또한, 이 컨버터 냉각성능 저하 검지 설정신호 Trldc＿ref는, 실시 형태 1에서는 내부적으로 생성하고 있었지만, 실시 형태 3에서는, 컨버터 손실 Qc에 따른 설정신호의 변경이 가능한 구성으로 되어 있다. 이 구성에 의해, 컨버터 손실 Qc에 따른 컨버터 냉각성능 저하 검지 설정신호 Trldc＿ref를 결정할 수 있다. 예를 들면, 컨버터 손실 Qc가 큰 경우, 소자의 발열량이 커지므로, 냉매의 증기량이 많아져, 공기 혼입 상태하에서의 냉각 장치의 성능 저하는 작아진다. 단, 컨버터 손실 Qc에 비례하여 ΔTfc-a가 커지는 것은 아니고, ΔTfc-a는 냉각기에 따른 특성을 가지게 된다. 이 때문에, 임계치는 컨버터 손실 Qc와 ΔTfc-a의 특성을 가진 것으로 하는 것이 바람직하다. 이와 같은 처리에 의해, 장치의 운용 기간에 있어서, 컨버터 소자에 대한 열 스트레스의 변동을 억제할 수 있어, 장치의 가동률 향상과 장치의 연명화를 도모할 수 있다고 하는 효과가 얻어진다.
도 18로 돌아와, 비교기(16Bc)는 컨버터 소자 장착면 온도-냉각 장치 흡기온도 차 ΔTfc-a가 컨버터 냉각성능 저하 검지 설정신호 Trldc＿ref를 넘었을 경우에 컨버터 주회로측의 냉각성능의 저하를 검출하고, 검출한 신호를 OR 회로(16Be)에 출력한다. 인버터측의 처리도 마찬가지이며, 먼저, 인버터 냉각성능 저하 검지 설정신호 생성부(16Bb)는 입력되는 인버터 손실 Qi에 기초하여, 인버터 냉각성능 저하 검지 설정신호 Trldi＿ref를 생성하여 비교기(16Bd)에 출력한다. 즉, 실시 형태 3의 구성에서는, 인버터 손실 Qi에 따른 설정신호의 변경이 가능한 구성으로 되어 있다. 이 구성에 의해, 인버터 손실 Qi에 따른 인버터 냉각성능 저하 검지 설정신호 Trldi＿ref를 결정할 수 있다. 비교기(16Bd)는 인버터 소자 장착면 온도-냉각 장치 흡기온도 차 ΔTfi-a가 인버터 냉각성능 저하 검지 설정신호 Trldi＿ref를 넘었을 경우에 인버터 주회로측의 냉각성능의 저하를 검출하고, 검출한 신호를 OR 회로(16Be)에 출력한다. OR 회로(16Be)는 비교기(16Bc, 16Bd)의 논리합 연산을 행하고, 연산 결과를 냉각성능 저하 검지 신호 RLD로서 출력한다. 즉, 컨버터 소자 장착면 온도-냉각 장치 흡기온도 차 ΔTfc-a와 인버터 소자 장착면 온도-냉각 장치 흡기온도 차 ΔTfi-a 중 적어도 한쪽이 검출 임계치를 초과했을 경우에, 그 취지를 나타내는 냉각성능 저하 검지 신호 RLD가 생성되어 전력 변환 회로 제어부(13)에 출력된다. 또한, 그 후의 처리는, 실시 형태 1과 마찬가지이다.
도 19는 손실 연산부(22)의 세부 구성을 나타내는 도면이다. 손실 연산부(22)는 컨버터 손실 Qc를 연산하는 컨버터 손실 연산부(22a)와, 인버터 손실 Qi를 연산하는 인버터 손실 연산부(22b)를 구비하고 있다. 또, 손실 연산부(22)에는, 전력 변환 회로 제어부(13)가 생성한 스위칭 주파수 fsw, 펄스 모드 PM, 컨버터 전류 IS 및 모터 전류 IM가 입력된다. 컨버터 손실 연산부(22a)는 스위칭 주파수 fsw, 펄스 모드 PM, 컨버터 전류 IS 및 모터 전류 IM를 이용하여 컨버터 주회로(6)의 손실량을 나타내는 컨버터 손실 Qc를 연산하여 상술한 냉각성능 저하 검지부(16B)에 출력한다. 인버터 손실 연산부(22b)는 스위칭 주파수 fsw, 펄스 모드 PM, 컨버터 전류 IS 및 모터 전류 IM를 이용하여 인버터 주회로(2)의 손실량을 나타내는 인버터 손실 Qi를 연산하여 냉각성능 저하 검지부(16B)에 출력한다. 또한, 컨버터 손실 Qc 및 인버터 손실 Qi의 산출 수법은 공지이기 때문에, 여기서의 상세한 설명은 생략한다.
또한, 도 18에 있어서, 컨버터 냉각성능 저하 검지 설정신호 생성부(16Ba)의 내부에서 생성되는 컨버터 냉각성능 저하 검지 설정신호 Trldc＿ref는, 함수 계산에 의해 구해져도 좋고, 내부에 유지하는 테이블을 참조함으로써 구해도 좋다. 인버터 냉각성능 저하 검지 설정신호 생성부(16Bb)의 내부에서 생성되는 인버터 냉각성능 저하 검지 설정신호 Trldi＿ref에 대해서도 마찬가지이다.
이상 설명한 것처럼, 실시 형태 3의 전력 변환 장치에 의하면, 소자 장착면 온도와 냉각 장치 흡기온도의 편차가 소정의 임계치를 넘었을 경우에 전력 변환 장치의 동작을 정지하는 제어를 행할 때에, 당해 임계치를 스위칭 소자의 손실에 기초하여 변경하는 것으로 했으므로, 스위칭 소자에 대한 열 스트레스의 변동을 억제할 수 있어, 장치의 가동률 향상과 장치의 연명화를 도모하는 것이 가능해진다.
또한, 이상의 실시 형태 1－3에 제시된 구성 및 제어 상태에 대해서는, 여러 가지의 변경 혹은 변형이 가능하다. 예를 들면, 실시 형태 1에서는, 냉각성능의 저하를 검지하기 위한 임계치인 컨버터 냉각성능 저하 검지 설정신호 Trldc＿ref 및 인버터 냉각성능 저하 검지 설정신호 Trldi＿ref는 냉각 장치 흡기온도 Ta의 함수(f(Ta))라고 하여 설명했지만, 냉각풍의 온도에 기초하여 임계치 자체의 값을 동적으로 변경하도록 하면, 냉각성능 저하 검지를 효과적으로 행할 수 있다. 구체적으로는, 냉각풍의 온도가 낮을 때보다도 높을 때의 쪽이, 임계치가 작아지도록 생성되는 것이 바람직하다. 냉각풍의 온도가 낮을 때보다도 높을 때의 쪽이 냉각 장치의 성능이 상승하는데, 그 이유는, 냉각풍의 온도가 높을 때의 쪽이, 냉매의 증기량이 많아지기 때문이다. 따라서 냉각풍의 온도가 낮을 때의 쪽이 높을 때보다도 진정한 냉각성능을 파악할 수 있는 것을 의미한다. 이 관점에 의해, 냉각풍의 온도가 높은 경우에는, 임계치를 작게 설정함으로써, 진정한 냉각성능을 적확(的確)하게 파악하는 것이 가능해진다.
또, 실시 형태 3에서는, 냉각성능의 저하를 검지하기 위한 임계치인 컨버터 냉각성능 저하 검지 설정신호 Trldc＿ref는 컨버터 손실 Qc의 함수(f(Qc))로 하고, 인버터 냉각성능 저하 검지 설정신호 Trldi＿ref는 인버터 손실 Qi의 함수(f(Qi))로 하여 설명했지만, 컨버터 손실 Qc 및 인버터 손실 Qi에 기초하여 임계치 자체의 값을 동적으로 변경하도록 하면, 냉각성능 저하 검지를 효과적으로 행할 수 있다. 컨버터 손실 Qc(인버터 손실 Qi)가 작을 때보다도 클 때의 쪽이 냉각 장치의 성능이 상승하는데, 그 이유는, 컨버터 손실 Qc(인버터 손실 Qi)가 클 때의 쪽이, 냉매의 증기량이 많아지기 때문이다. 따라서 컨버터 손실 Qc(인버터 손실 Qi)에 비례하여 ΔTf-a가 커지는 것은 아니고, 냉각기에 따른 특성을 가지게 되기 때문에, 임계치는 컨버터 손실 Qc(인버터 손실 Qi)와 ΔTf-a의 특성을 가진 것으로 하는 것이 바람직하다. 이 관점에 의해, 임계치는 컨버터 손실 Qc(인버터 손실 Qi)와 ΔTf-a의 특성을 가진 것으로 함으로써, 진정한 냉각성능을 적확하게 파악하는 것이 가능해진다.
또, 실시 형태 1－3의 구성에 있어서, 냉각성능 저하 검지부(16)(16A, 16B)에 캘린더 기능을 갖게 하고, 이 캘린더 기능에 의한 계절 정보에 기초하여 외기온(外氣溫)을 예측하고, 예측한 외기온이 높은 경우에는, 임계치가 보다 작아지도록 변경하는 기능을 갖게 하면, 보다 바람직한 실시 양태가 된다. 이 실시 양태에 의해서도, 상기와 마찬가지로, 진정한 냉각성능의 적확한 파악이 가능해진다.
또, 실시 형태 1－3의 구성에 있어서, 편차가 소정의 임계치를 넘었을 경우에, 스위칭 소자의 동작시키는 스위칭 주파수를 저하시키는 제어를 행하는 것은, 보다 바람직한 실시 양태가 된다. 장치를 정지하는 과정에 있어서, 장치를 즉석으로 정지하는 것이 아니라, 스위칭 주파수를 저하시키는 제어를 행하면 스위칭 소자의 발열량을 작게 할 수 있어, 예를 들면 철도 차량 용도의 전력 변환 장이면, 근처의 역이나 차량 기지까지의 계속 운행이 가능해진다.
또, 실시 형태 1－3의 구성에 있어서, 편차가 소정의 임계치를 넘었을 경우에, 스위칭 소자에 통류(通流)시키는 전류를 제한하는 제어를 행하는 것은, 보다 바람직한 실시 양태가 된다. 상기와 마찬가지로, 장치를 정지하는 과정에 있어서, 장치를 즉석으로 정지하는 것이 아니라, 스위칭 소자에 통류시키는 전류를 제한하는 제어를 행하면 스위칭 소자의 발열량을 작게 할 수 있어, 예를 들면 철도 차량 용도의 전력 변환 장이면, 근처의 역이나 차량 기지까지의 계속 운행이 가능해진다.
실시 형태 4.
실시 형태 4에서는, 인버터 주회로 및 컨버터 주회로에 구비되는 스위칭 소자에 대해서 설명한다. 전력 변환 장치에서 이용되는 스위칭 소자로서는, 규소(Si)를 소재로 하는 반도체 트랜지스터 소자(IGBT, MOSFET 등)와, 동일한 규소를 소재로 하는 다이오드 소자를 역병렬로 접속한 구성의 것이 일반적이다. 상기 실시 형태 1, 2에서 설명한 기술은, 이 일반적인 스위칭 소자를 구비하는 인버터 주회로 및 컨버터 주회로에 이용할 수 있다.
한편, 상기 실시 형태 1－4의 기술은, 규소를 소재로 하여 형성된 스위칭 소자로 한정되는 것은 아니다. 이 규소를 대신하여 근년 주목받고 있는 탄화규소(SiC)를 소재로 하는 스위칭 소자를 구비하는 인버터 주회로 및 컨버터 주회로에 이용하는 것도 물론 가능하다.
여기서, 탄화규소는 고온도에서의 사용이 가능하다고 하는 특징을 가지고 있으므로, 인버터 주회로 또는 컨버터 주회로에 구비되는 스위칭 소자로서 탄화규소를 소재로 하는 것을 이용하면, 스위칭 소자를 탑재하는 반도체 모듈의 스위칭 손실을 저감시키는 것이 가능하다. 이 때문에, 탄화규소를 소재로 하는 스위칭 소자를 이용했을 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 영역으로 들어가는 것을 저지하는 것이 가능하다.
또한, 탄화규소(SiC)는 규소(Si)보다 밴드 갭이 크다고 하는 특성을 착안하여, 와이드 밴드 갭 반도체라고 칭해지는 반도체의 일 예이다. 이 탄화규소 이외에도, 예를 들면 질화 갈륨계 재료, 또는 다이아몬드를 이용하여 형성되는 반도체도 와이드 밴드 갭 반도체에 속하고 있어, 그러한 특성도 탄화규소에 유사한 점이 많다. 따라서 탄화규소 이외의 다른 와이드 밴드 갭 반도체를 이용하는 구성도, 본 발명의 요지를 이루는 것이다.
또, 이와 같은 와이드 밴드 갭 반도체에 의해서 형성된 트랜지스터 소자나 다이오드 소자는, 내(耐)전압성이 높고, 허용 전류 밀도도 높기 때문에, 트랜지스터 소자나 다이오드 소자의 소형화가 가능하고, 이들 소형화된 트랜지스터 소자나 다이오드 소자를 이용함으로써, 이러한 소자를 조립한 반도체 모듈의 소형화가 가능해진다.
또, 와이드 밴드 갭 반도체에 의해서 형성된 트랜지스터 소자나 다이오드 소자는, 내열성도 높기 때문에, 히트 싱크의 방열 핀의 소형화가 가능해져, 반도체 모듈의 한층 더 소형화가 가능하게 된다.
이에 더하여, 와이드 밴드 갭 반도체에 의해서 형성된 트랜지스터 소자나 다이오드 소자는, 전력 손실이 낮기 때문에, 스위칭 소자나 다이오드 소자의 고효율화가 가능하고, 나아가서는 반도체 모듈의 고효율화가 가능하게 된다.
또한, 스위칭 소자나 다이오드 소자의 양쪽이 와이드 밴드 갭 반도체 에 의해서 형성되어 있는 것이 바람직하지만, 어느 한쪽의 소자가 와이드 밴드 갭 반도체에 의해서 형성되어 있어도 좋고, 상기 실시 형태에 기재의 효과를 얻을 수 있다.
[산업상의 이용 가능성]
이상과 같이, 본 발명에 따른 전력 변환 장치는, 비등 냉각 장치에 있어서의 응축기 내의 공기 혼입 이외의 요인에 의한 냉각성능 저하를 효과적으로 검출할 수 있는 발명으로서 유용하다.
1: 전동기
2: 인버터 주회로
5: 직류 전원부
6: 컨버터 주회로
8: 주회로
9a, 9b, 9c: 온도 센서
10: 소자 과온도 검지부
10a, 10b: 비교기
10c: OR 회로
11: 운전자 경고부
11a: 표시부
11b: 명동부
12: 운전지령 생성부
12a: 역행·브레이크 선택부
13: 전력 변환 회로 제어부
13a: 전류 지령 연산부
13b: 전압 지령 생성부
13c: 주회로 동작 지령 생성부
13ca: 변조파 생성부
13cb: 반송파 생성부
13cc: 비교기
14: 교류 전원부
15: ΔTf-a 연산부(온도 차 연산부)
15a: Tfc-Ta 연산부
15b: Tfi-Ta 연산부
16: 냉각성능 저하 검지부
16a, 16b: 비교기
16c: OR 회로
16A: 냉각성능 저하 검지부
16Aa: 컨버터 냉각성능 저하 검지 설정신호 생성부
16Ab: 인버터 냉각성능 저하 검지 설정신호 생성부
16Ac, 16Ad: 비교기
16Ae: OR 회로
16B: 냉각성능 저하 검지부
16Ba: 컨버터 냉각성능 저하 검지 설정신호 생성부
16Bb: 인버터 냉각성능 저하 검지 설정신호 생성부
16Bc, 16Bd: 비교기
16Be: OR 회로
17: 제어부
18: 전력 변환 장치
20: ΔTf-f1 연산부
20a, 20c: 초기 온도 기억부
20b: Tf-fc1 연산부
20d: Tf-fi1 연산부
22: 손실 연산부
22a: 컨버터 손실 연산부
22b: 인버터 손실 연산부
50: 냉각 장치
52: 응축기
53: 증발기
54: 냉매
55: 핀
56a, 56b: 냉매실
57: 스위칭 소자
58: 냉각풍
59: 온풍
60: 장착면

Claims (16)

  1. 스위칭 소자의 스위칭 동작에 의해, 입력된 직류 전력 또는 교류 전력을 소망한 교류 전력으로 변환하여 출력하고, 내장된 냉매의 비등(沸騰) 현상을 이용하는 비등 냉각 장치를 이용하여 상기 스위칭 소자의 냉각을 행하도록 구성된 전력 변환 장치에 있어서,
    상기 스위칭 소자 혹은 당해 스위칭 소자 장착면의 온도와 상기 비등 냉각 장치에 흡기(吸氣)되는 냉각풍의 온도의 편차에 기초하여 상기 전력 변환 장치의 동작을 제어하는 제어부를 가지고,
    상기 제어부는, 상기 편차가 소정의 임계치를 넘었을 경우에 상기 비등 냉각 장치의 성능 저하를 나타내는 냉각성능 저하 검지 신호를 생성하여 출력하는 검지부를 가진 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 검지부는 상기 냉각풍의 온도에 기초하여 상기 임계치를 생성하는 임계치 생성부를 가지고,
    상기 임계치 생성부는, 상기 냉각풍의 온도가 높을수록, 상기 임계치가 작아지도록 생성하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 검지부는 상기 스위칭 소자의 손실에 기초하여 상기 임계치를 생성하는 임계치 생성부를 가지고,
    상기 임계치 생성부는, 상기 스위칭 소자의 손실이 클수록, 상기 임계치가 작아지도록 생성하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 검지부는 캘린더 기능을 가지고, 당해 캘린더 기능에 의한 계절 정보에 기초하여 상기 임계치를 생성하는 임계치 생성부를 가지고,
    상기 임계치 생성부는 상기 계절 정보에 기초하여 예측되는 외기온(外氣溫)이 높을수록, 상기 임계치가 작아지도록 생성하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  6. 스위칭 소자의 스위칭 동작에 의해, 입력된 직류 전력 또는 교류 전력을 소망한 교류 전력으로 변환하여 출력하고, 내장된 냉매의 비등 현상을 이용하는 냉각 장치를 이용하여 상기 스위칭 소자의 냉각을 행하도록 구성된 전력 변환 장치에 있어서,
    상기 스위칭 소자 혹은 당해 스위칭 소자 장착면의 동작 중 온도와 동작 개시 전의 온도의 편차에 기초하여 상기 전력 변환 장치의 동작을 제어하는 제어부를 가지고,
    상기 제어부는, 상기 편차가 소정의 임계치를 넘었을 경우에 상기 냉각 장치의 성능 저하를 나타내는 냉각성능 저하 검지 신호를 생성하여 출력하는 검지부를 가지고,
    상기 검지부는 상기 스위칭 소자의 손실에 기초하여 상기 스위칭 소자의 손실이 클수록, 상기 임계치가 작아지도록 상기 임계치를 생성하는 임계치 생성부를 가지는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  7. 스위칭 소자의 스위칭 동작에 의해, 입력된 직류 전력 또는 교류 전력을 소망한 교류 전력으로 변환하여 출력하고, 내장된 냉매의 비등 현상을 이용하는 냉각 장치를 이용하여 상기 스위칭 소자의 냉각을 행하도록 구성된 전력 변환 장치에 있어서,
    상기 스위칭 소자 혹은 당해 스위칭 소자 장착면의 동작 중 온도와 동작 개시 전의 온도의 편차에 기초하여 상기 전력 변환 장치의 동작을 제어하는 제어부를 가지고,
    상기 제어부는, 상기 편차가 소정의 임계치를 넘었을 경우에 상기 냉각 장치의 성능 저하를 나타내는 냉각성능 저하 검지 신호를 생성하여 출력하는 검지부를 가지고,
    상기 검지부는 캘린더 기능을 가지고, 당해 캘린더 기능에 의한 계절 정보에 기초하여 상기 임계치를 생성하는 임계치 생성부를 가지고,
    상기 임계치 생성부는 상기 계절 정보에 기초하여 예측되는 외기온이 높을수록, 상기 임계치가 작아지도록 생성하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  8. 청구항 1, 6 또는 7에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 편차가 소정의 임계치를 넘었을 경우에 상기 전력 변환 장치를 정지시키는 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  9. 청구항 1, 6 또는 7에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 편차가 소정의 임계치를 넘었을 경우에 상기 스위칭 소자를 동작시키는 스위칭 주파수를 저하시키는 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  10. 청구항 1, 6 또는 7에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 편차가 소정의 임계치를 넘었을 경우에 상기 스위칭 소자에 통류(通流)시키는 전류를 제한하는 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  11. 청구항 1, 6 또는 7에 있어서,
    상기 스위칭 소자를 구성하는 트랜지스터 소자 및 다이오드 소자 중 적어도 하나가 와이드 밴드 갭 반도체에 의해서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 와이드 밴드 갭 반도체는 탄화 규소, 질화 갈륨계 재료, 또는 다이아몬드를 이용한 반도체인 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
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