WO2021124518A1 - 電力変換装置およびその製造方法 - Google Patents

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WO2021124518A1
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power conversion
heating operation
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heat
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PCT/JP2019/049881
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尚哉 柴田
雅博 木下
一誠 深澤
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東芝三菱電機産業システム株式会社
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/20936—Liquid coolant with phase change
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/42—Circuits or arrangements for compensating for or adjusting power factor in converters or inverters

Definitions

  • This application relates to a power conversion device using a phase change material and a manufacturing method thereof.
  • a semiconductor device provided with a thermal interface material is known.
  • the TIM reduces the thermal resistance between the semiconductor element and the radiator.
  • a phase change material is used as the TIM.
  • Phase change material improves adhesion by heating and softening. By improving the adhesion, the contact thermal resistance can be reduced. As a result, heat is efficiently transferred from the power conversion module to the heat radiating member via the phase change material.
  • This application has been made to solve the above-mentioned problems, and provides an improved power conversion device and a method for manufacturing the same so as to suppress uneven heating and softening of the phase change material.
  • the purpose is to solve the above-mentioned problems, and provides an improved power conversion device and a method for manufacturing the same so as to suppress uneven heating and softening of the phase change material. The purpose.
  • the power conversion device includes a power conversion module, a phase change material, a heat radiating member, a cooling means, and a control means.
  • the power conversion module includes a casing having a main surface, and semiconductor switching elements and freewheeling diodes housed in the casing and arranged in the plane direction of the main surface. The semiconductor switching element and the freewheeling diode form a power conversion circuit.
  • the phase change material is provided on the main surface of the casing.
  • the heat radiating member has a heat radiating surface. The heat radiating surface is overlapped with the main surface so as to sandwich the phase change material.
  • the cooling means cools the heat radiating member.
  • the control means generates a drive signal for driving the power conversion circuit and controls the cooling means.
  • the control means includes a preset heating operation.
  • the power conversion circuit may be driven so as to generate heat in both the semiconductor switching element and the freewheeling diode while the cooling means is stopped or intermittently operated.
  • the low force rate orthogonal conversion mode may be executed with the cooling means continuously driven.
  • the power conversion circuit may be driven so as to generate AC power from DC power with a predetermined target power factor of less than 1.
  • the method for manufacturing the power conversion device includes a step of preparing a power conversion module including a casing having a main surface and a phase change material provided on the main surface, and a heat radiating surface of a heat radiating member and the main surface.
  • the phase change material is overlapped so as to sandwich the phase change material, and a step of performing a heating operation for heating the phase change material in a pre-shipment test of the product is provided.
  • the power conversion module includes a semiconductor switching element and a freewheeling diode.
  • the semiconductor switching element and the freewheeling diode are housed in the casing and arranged in the plane direction of the main surface.
  • the semiconductor switching element and the freewheeling diode form a power conversion circuit.
  • the power conversion circuit is driven so as to generate heat of both the semiconductor switching element and the freewheeling diode in a state where the cooling means for cooling the heat radiation member is stopped or intermittently operated. May be good.
  • the low force factor orthogonal conversion mode may be executed with the cooling means for cooling the heat radiating member continuously driven.
  • the power conversion circuit may be driven so as to generate AC power from DC power with a predetermined target power factor of less than 1.
  • a heating operation for heating a semiconductor switching element and a freewheeling diode can be performed.
  • the phase change material can be heated and softened while suppressing the temperature unevenness in the region near the semiconductor switching element and the freewheeling diode on the main surface. As a result, it is possible to prevent uneven heating and softening of the phase change material.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of the power conversion device 10 according to the embodiment.
  • the power conversion device 10 includes a power conversion unit 1, a heat radiating member 50, a cooling means 33, a control means 20, and a temperature sensor 31.
  • the power conversion device 10 houses each of the above components in a housing.
  • the housing is also provided with ventilation holes and the like.
  • the power conversion unit 1 includes a power conversion circuit 1a and a gate drive board 1b.
  • the power conversion circuit 1a is a voltage-type three-phase inverter circuit including three arm circuits. There is no limitation on the specific type of voltage type three-phase inverter circuit.
  • the power conversion circuit 1a includes a plurality of power conversion modules 100, which will be described later in FIG. 2.
  • the cooling means 33 cools the heat radiating member 50.
  • the cooling means 33 of the embodiment is, for example, an air-cooled cooling fan.
  • a refrigerant circulation system may be used instead of the cooling fan for air cooling.
  • the refrigerant circulation system of the modified example may include a refrigerant passage in contact with the heat radiation member 50, a radiator provided in the middle of the refrigerant passage, and a circulation pump for circulating the refrigerant in the refrigerant passage.
  • the on / off and cooling amount of the cooling means 33 can be adjusted by controlling the rotation speed of the air-cooled cooling fan or the drive rotation speed of the circulation pump.
  • the control means 20 includes a power conversion control unit 20a and a temperature control unit 20b.
  • the power conversion control unit 20a transmits the PWM signal S PWM to the power conversion unit 1 in order to drive the power conversion circuit 1a.
  • the temperature control unit 20b transmits the fan control signal Sf to the cooling means 33 in order to control the cooling means 33.
  • the control means 20 may be constructed by one or a plurality of microcomputers. An example of a specific hardware structure of the control means 20 will be described later.
  • the temperature sensor 31 detects the ambient temperature T 1 of the power conversion module 100.
  • the temperature detection signal T 1 of the temperature sensor 31 is transmitted to the control means 20.
  • FIG. 2 is a diagram showing the power conversion device 10 and the heat radiating member 50 according to the embodiment.
  • the heat radiating member 50 is a heat pipe.
  • the heat radiating member 50 may be transformed into a heat sink.
  • the heat radiating member 50 includes a heat radiating surface 50a.
  • Three power conversion modules 100 are arranged side by side on the heat radiating surface 50a.
  • the heat radiating surface 50a and the main surface 101 are overlapped so as to sandwich the phase change material 120.
  • This type of heat transfer layer provided on the heat radiating surface 50a is also referred to as a thermal interface material (TIM).
  • TIM thermal interface material
  • Various materials are known for TIM, such as grease.
  • a phase change material is used for this TIM.
  • FIG. 3 is a plan view of the power conversion module 100 according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the power conversion module 100 according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a cross-sectional arrow view taken along the line I-II of FIG. 3 and 4 show the state of the phase change material 120 before heat softening.
  • the power conversion module 100 includes a casing 100a, a substrate 112 housed in the casing 100a, a semiconductor switching element 110 mounted on the substrate 112, and a freewheeling diode 111.
  • the casing 100a is composed of a resin encapsulant 116 and a heat radiating plate 114.
  • the casing 100a has an upper surface 102, a lower surface 101, and four front, rear, left, and right side surfaces 103.
  • One surface of the heat radiating plate 114 corresponds to the lower surface 101 of the casing 100a.
  • the lower surface 101 of the casing 100a is also referred to as a "main surface 101" as an example.
  • the semiconductor switching element 110 is on / off controlled according to the gate drive signal.
  • the semiconductor switching element 110 may be an IGBT, a MOSFET, or a GTO.
  • the semiconductor material of the semiconductor switching element 110 and the freewheeling diode 111 may be silicon or a wide bandgap semiconductor such as SiC.
  • the semiconductor switching element 110 and the freewheeling diode 111 are shown by a broken line by seeing through the heat radiating plate 114 from the side of the main surface 101.
  • the semiconductor switching element 110 and the freewheeling diode 111 are arranged in a predetermined layout in the plane direction of the main surface 101.
  • the casing 100a is a sealing resin package formed by resin molding.
  • the casing 100a may be a resin housing having a lid and a box.
  • the power conversion module 100 includes two semiconductor switching elements 110 and three freewheeling diodes 111.
  • One power conversion module 100 constitutes one arm circuit.
  • the power conversion circuit 1a is constructed as a three-phase inverter circuit by providing the three power conversion modules 100 as shown in FIG.
  • the phase change material 120 is provided on the main surface 101 of the casing 100a.
  • the phase change material 120 is taken as a hexagonal small piece as an example, and a plurality of phase change materials 120 are arranged on the main surface 101.
  • one phase change material sheet may be attached to the main surface 101.
  • Phase change material 120 has the property of being softened by heat. When the adhesion is improved by softening, the contact thermal resistance is reduced. As a result, the heat transferability to the heat radiating member 50 is enhanced, so that the heat radiating property can be enhanced. Since various materials are already known for the phase change material 120, detailed description thereof will be omitted.
  • FIG. 5 is a circuit diagram showing an example of the circuit configuration of the power conversion device 10 according to the embodiment.
  • FIG. 5 also illustrates circuit elements omitted in FIG.
  • DC power is input from the DC power supply 30 to the DC input terminals P and N of the power conversion device 10.
  • the DC power supply 30 is a solar cell panel.
  • the AC output terminals U, V, and W of the power conversion device 10 are connected to the power system 40.
  • the power conversion circuit 1a can execute an inverter drive that converts DC power into three-phase AC power and a converter drive that converts three-phase AC power into DC power according to a drive signal from the control means 20. ..
  • the power conversion device 10 includes a DC side circuit connected to the DC side of the power conversion unit 1 and an AC side circuit connected to the AC side of the power conversion unit 1.
  • the DC side circuit includes a DC side relay 3, an instrument transformer (CT) 8a, and an instrument transformer (VT) 8b.
  • the AC side circuits include a transformer 2, a protection relay 4, an AC end relay 5, a reactor 6, a capacitor 7, an instrument current transformer (CT) 9a and 9c, and an instrument transformer (VT) 9b. 9d and is included.
  • the transformer 2 is connected to the AC end of the power conversion unit 1.
  • the reactor 6 is connected in series to the transformer 2.
  • One end of the capacitor 7 is connected between the transformer 2 and the reactor 6, and the other end of the capacitor 7 is connected to a reference potential such as ground.
  • the protection relay 4 is connected in series with the reactor 6.
  • the AC end relay 5 is connected in series to the protection relay 4.
  • the instrument transformer 9a and the instrument transformer 9b are provided between the protection relay 4 and the AC end relay 5.
  • the instrument transformer 9c is provided between the AC end of the power conversion unit 1 and the transformer 2.
  • the voltage transformer 9d is provided between the connection point between the transformer 2 and the capacitor 7 and the reactor 6.
  • the DC side circuit and the AC side circuit can be configured in various ways, and an example is shown in the embodiment
  • the control means 20 is a control circuit.
  • the power conversion control unit 20a of the control means 20 includes a PWM control unit 21 and a power control unit 22.
  • the power control unit 22 acquired the DC side current value acquired via the current transformer 8a for the instrument, the voltage value on the DC side acquired via the voltage transformer 8b for the instrument, and the current value on the DC side acquired via the current transformer 9a for the instrument.
  • the AC side current value and the AC side voltage value acquired via the voltage transformer 9b are acquired.
  • the power control unit 22 transmits a "power control signal" to the PWM control unit 21 based on the acquired parameters.
  • the power control signal may be a control command value based on MPPT control.
  • the power control signal may be a charge / discharge control command value based on the active power command value and the inactive power command value.
  • the PWM control unit 21 acquires the AC side current value acquired via the instrument transformer 9c and the AC side voltage value acquired via the instrument transformer 9d.
  • the PWM control unit 21 generates a drive signal for the switching element according to the power control signal from the power control unit 22 based on the acquired parameters.
  • this drive signal is a pulse width modulation signal (PWM signal).
  • the temperature control unit 20b of the control means 20 includes a cooling control unit 20b1 and a mode control unit 20b2.
  • the temperature detection signal T 1 from the temperature sensor 31 is input to the temperature control unit 20b.
  • the cooling control unit 20b1 can switch the cooling control mode of the cooling means 33 (cooling fan) between constant drive (constant ON), intermittent drive (intermittent ON), and stop (OFF).
  • the mode control unit 20b2 can instruct the cooling control unit 20b1 of the cooling control mode and the power conversion circuit 1a of the power conversion mode.
  • the mode control unit 20b2 instructs the power conversion circuit 1a to drive at least one of the "AC / DC conversion mode" and the "low power rate orthogonal conversion mode".
  • the AC / DC conversion mode is a mode in which the power conversion circuit 1a is driven so as to generate DC power from AC power.
  • the freewheeling diode 111 is used as a rectifier, so that a current flows through the freewheeling diode 111.
  • the freewheeling diode 111 can be heated, and the phase change material 120 can be heated and softened by this heat generation.
  • This AC / DC conversion mode is also referred to as a "charging mode" for convenience in the embodiment. This is because the mode in which the power conversion unit 1 produces direct current from alternating current is generally used as a mode in which direct current power is generated from the power system 40 and the storage battery is charged. During the test with the test device 200 described later in FIG. 6, the AC / DC conversion mode is used as the charging mode.
  • the "low power factor orthogonal conversion mode” is a mode in which the power conversion circuit 1a is driven so as to generate AC power from DC power with a predetermined target power factor ⁇ of less than 1.
  • the low power factor orthogonal conversion mode low power factor power conversion is performed, so that a relatively large amount of reactive current flows through the power conversion circuit 1a.
  • the freewheeling diode 111 can be heated, and the phase change material 120 can be heated and softened by this heat generation.
  • a setting range of the target power factor ⁇ may be set.
  • any upper limit target power factor may be selected.
  • any lower limit target power factor may define the set range.
  • the low power factor orthogonal conversion mode is also referred to as a "low power factor discharge mode" for convenience in the embodiment. This is because the mode in which the power conversion unit 1 creates alternating current from direct current is used as a mode in which power is discharged from the storage battery to the power system 40 side. During the test with the test apparatus 200 described later in FIG. 6, the low power factor orthogonal conversion mode is used as the low power factor discharge mode.
  • the control means 20 includes a preset "heating operation". In the heating operation, the power conversion circuit 1a is driven so as to generate heat in both the semiconductor switching element 110 and the freewheeling diode 111 while the cooling means 33 is stopped or intermittently operated.
  • the cooling means 33 is set to one of the cooling control modes of stop, intermittent operation, and constant drive.
  • the power conversion mode of the power conversion circuit 1a is set to at least one of the "AC / DC conversion mode" and the "low power rate orthogonal conversion mode".
  • the "AC / DC conversion mode” may be executed with the cooling means 33 stopped or intermittently operated.
  • the "low force rate orthogonal conversion mode” may be executed with the cooling means 33 stopped or intermittently operated.
  • the heating operation may be constructed so as to switch from the "first power conversion mode" to the "second power conversion mode” with the cooling means 33 stopped or intermittently operated.
  • One of the AC / DC conversion mode and the low power rate orthogonal conversion mode is the first power conversion mode, and the other is the second power conversion mode.
  • the switching timing may be a timing at which a predetermined time has elapsed after the start of the heating operation, or may be a timing at which the module temperature of the power conversion module 100 reaches a predetermined temperature after the start of the heating operation.
  • the control parameters when executing the heating operation include “heating operation time” and “heating operation output power”.
  • the heating operation time is the length of time that the heating operation is continuously executed.
  • the heating operation output power is the magnitude of the output power of the power conversion circuit 1a when performing the heating operation.
  • the heating operation output power may be variably set by adjusting various control target values for controlling the power conversion circuit 1a.
  • the heating operation output power may be variably set by adjusting the magnitudes of the charging power and the charging current (active current).
  • the heating operation output power may be variably set by adjusting the magnitudes of the discharge current (active current) and the reactive current.
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of the test device 200 of the power conversion device 10 according to the embodiment.
  • the test device 200 has a power recirculation type system configuration.
  • the power recirculation type system configuration is such that the power supply 201, the AC power supply Vs, the power conversion device 10 to be tested, and the DC capacitor 202 are connected in a ring shape.
  • the power supply 201, the AC power supply Vs, the power conversion device 10 to be tested, and the DC capacitor 202 are connected in a ring shape.
  • FIG. 6 shows an AC / DC conversion mode, that is, a charging mode, and as shown by a white arrow, the three-phase AC power output by the power supply unit 201 is transmitted to the AC end of the power conversion device 10.
  • the power conversion device 10 generates DC power from the three-phase AC power and outputs it to the DC capacitor 202 side.
  • the low power factor orthogonal conversion mode that is, the low power factor discharge mode
  • the electric power circulates in the opposite direction to that of FIG.
  • FIG. 7 is a flowchart for explaining the manufacturing method of the power conversion device 10 according to the embodiment.
  • steps S100 parts preparation and assembly are performed.
  • a power conversion module 100 provided with a phase change material 120 on the main surface 101 is prepared.
  • the heat radiating surface 50a and the main surface 101 of the heat radiating member 50 are overlapped so as to sandwich the phase change material 120.
  • step S102 is performed by the test apparatus 200 of FIG. 6 described above.
  • a withstand voltage test and a control voltage test are performed on the power conversion unit 1 and the power conversion device 10 (step S101).
  • step S102 the main circuit energization and heating operation are executed (step S102).
  • the power conversion unit 1 starts energizing the main current.
  • the heating operation in step S102 is an operation in which the power conversion circuit 1a is driven so as to generate heat in both the semiconductor switching element 110 and the freewheeling diode 111 while the cooling means 33 for cooling the heat radiating member 50 is stopped or intermittently operated. Is.
  • the heating operation mode signal SM1 is input to the control means 20, the heating operation may be executed in response to the input.
  • the phase change material 120 is heated and softened, so that the adhesion can be improved.
  • step S103 a steady-state characteristic test of the power converter 10 is carried out. After that, the test is completed (step S104), and the product is shipped (step S105).
  • FIG. 8 is a flowchart for explaining the heating operation of the power conversion device 10 according to the embodiment.
  • FIG. 8 describes in detail the contents of step S102 in FIG. 7.
  • the routine of FIG. 8 is a process executed mainly by the mode control unit 20b2.
  • step S1021 the cooling means 33 is stopped.
  • intermittent operation may be performed in which operation and stop are switched at regular intervals instead of stopping.
  • the ambient temperature T 1 of the power conversion module 100 is detected via the temperature sensor 31 (step S1022).
  • step S1023 the heating operation time T OP is calculated.
  • the specific calculation processing contents of the heating operation time will be described later with reference to FIG.
  • step S1024 the power conversion circuit 1a is driven in the charging mode.
  • both the semiconductor switching element 110 and the freewheeling diode 111 generate heat while the cooling means 33 for cooling the heat radiating member 50 is stopped or intermittently operated.
  • the temperature of the phase change material 120 when each of the semiconductor switching elements 110 heats the phase change material 120 directly under the semiconductor switching element 110 by the heating operation is also referred to as "first temperature”.
  • the temperature of the phase change material 120 when each of the freewheeling diodes 111 heats the phase change material 120 immediately below the freewheeling diode 111 is also referred to as a “second temperature”.
  • the first temperature and the second temperature are equal to or higher than the softening temperature of the phase change material 120, and the first temperature and the second temperature are substantially the same.
  • an error range of about 1 ° C. to several ° C. may be regarded as substantially the same temperature. It suffices to generate enough heat to evenly heat and soften the phase change material 120 as a whole of the main surface 101. Therefore, the first calorie and the second calorie may be the same, but the first calorie and the second calorie may be larger than the other. There may be a temperature difference of, for example, about several ° C. or more between the first temperature and the second temperature.
  • step S1023 it is determined whether or not the heating operation time set in step S1023 has elapsed (step S1025).
  • the process returns to S1025 until the heating operation time elapses, and when the heating operation time elapses, the current routine ends.
  • FIG. 9 is a graph for explaining the operation of the heating operation of the power conversion device 10 according to the embodiment. Specifically, FIG. 9 is a diagram for explaining the calculation process of the heating operation time.
  • Control means 20 may be constructed heating operation time T OP is time to perform the heating operation based on the ambient temperatures T 1 detected by the temperature sensor 31 so as to variably set.
  • the control means 20 may include a first predetermined function or a first predetermined model in which the higher the ambient temperature T 1 is, the shorter the heating operation time TOP is calculated.
  • a tendency f1 heating operation time T OP according to the ambient temperatures T 1 is defined above the first predetermined function or a first predetermined model.
  • FIG. 9 shows an example of this tendency f1.
  • the tendency f1 may be determined by a constant rate of change, that is, a linear function as in the characteristics of FIG.
  • a curved tendency such as a function of quadratic or higher may be used, and the ambient temperature T 1 is stepped every time the ambient temperature T 1 rises by a constant temperature like a step.
  • trend line chart like a combination of a plurality of straight lines having different rates of change may be used.
  • the heating operation is executed at a specific timing such as a pre-shipment test of the product.
  • a specific timing such as a pre-shipment test of the product.
  • the phase change material 120 can be heated and softened while suppressing the temperature unevenness in the region near the semiconductor switching element 110 and the freewheeling diode 111 on the main surface 101. As a result, it is possible to prevent uneven heating and softening of the phase change material 120.
  • the heating method of the phase change material 120 includes heating by driving heat generation of the power conversion module 100 and heating by external equipment such as a heater.
  • the semiconductor switching element 110 is mainly energized, and the calorific value of the freewheeling diode 111 is usually smaller than that of the semiconductor switching element 110.
  • heating by an external facility such as a heater has a problem that the production efficiency is lowered because the dedicated equipment and the labor required for the work are increased.
  • uneven heating and softening of the phase change material 120 can be reliably suppressed with high production efficiency.
  • 10 and 11 are tables showing variations in the heating operation of the power conversion device 10 according to the embodiment.
  • the 10 and 11 show the heating operation mode numbers (No. 1 to No. 50), the type of cooling control mode, the type of power conversion mode, the method of determining the heating operation time, and the heating operation output power. Combination variations with the determination method are shown.
  • the type of power conversion mode includes the number of modes and the contents of the first power conversion mode and the second power conversion mode.
  • the cooling means 33 is stopped (OFF), the power conversion mode is only one of the charging modes, the heating operation time is calculated according to step S1023 described above, and the heating operation output power is predetermined. Is set to a fixed value. According to the same rule as this, other No.
  • the mode contents of 2 to 50 can be read from the tables of FIGS. 10 and 11, respectively.
  • FIG. 12 is a graph for explaining the operation of the heating operation of the power conversion device 10 according to the modified example of the embodiment.
  • FIG. 13 is a flowchart for explaining the heating operation of the power conversion device 10 according to the modified example of the embodiment.
  • the control means 20 the heating operation the output power so as to variably set based on the ambient temperatures T 1 detected by the temperature sensor 31, calculates various control target value.
  • the various control target values may include at least one of an active power target value, a reactive current target value, and a target power factor.
  • the control means 20 may include a second predetermined function or a second predetermined model in which the higher the ambient temperature T 1 is, the smaller the heating operation output power is calculated.
  • the second predetermined function or a second predetermined model, a tendency f2 that defines various control target value for the ambient temperatures T 1 is defined.
  • FIG. 12 shows an example of this tendency f2.
  • step S1123 that the tendency f2 of FIG. 12 is referred to, various control target value according to the ambient temperatures T 1 is adjusted.
  • the control unit 20 may increase the effective current target value in the higher AC-DC conversion mode (charging mode) ambient temperature T 1 is higher.
  • the control unit 20 is preferably to increase the reactive current target value in the lower the power factor orthogonal transform mode the ambient temperature T 1 is higher, even lowering the target power factor in other words Good.
  • the tendency f2 may be determined by a constant rate of change, that is, a linear function, as illustrated in FIG.
  • a variation tendency f2 may be used is curve-shaped trends such as quadratic or more functions, the heating operation output power in steps every time the ambient temperatures T 1 as stepwise to a constant temperature rise
  • a shortening tendency may be used, or a line graph-like tendency in which a plurality of straight lines having different rates of change are combined may be used.
  • FIG. 14 is a flowchart for explaining the heating operation of the power conversion device 10 according to the modified example of the embodiment.
  • the above-mentioned steps S1021 and S1024 are replaced with steps S1121 and S1124.
  • the cooling means 33 is continuously driven in step S1121.
  • step S1124 the low force factor orthogonal conversion mode is executed with the cooling means 33 continuously driven.
  • step S102 the content of step S102 may be modified so as to continuously drive the cooling means 33. That is, in the pre-shipment test of the product, the power conversion circuit 1a is such that AC power is generated from DC power at a predetermined target power factor of less than 1 while the cooling means 33 for cooling the heat radiation member 50 is continuously driven. A low power factor orthogonal conversion mode may be performed to drive the.
  • FIG. 15 is a flowchart for explaining the heating operation of the power conversion device 10 according to the modified example of the embodiment.
  • step S1025 the control means 20 executes the heating operation until the power conversion module 100 reaches a predetermined module protection temperature, and ends the heating operation when the temperature of the power conversion module 100 reaches the module protection temperature.
  • the module protection temperature is predetermined as a specification of the power conversion module 100.
  • a module temperature sensor for accurately detecting the temperature of the power conversion module 100 may be provided separately.
  • both the heating operation time and the heating operation time may be fixed. This is because it is possible to preset the time and output to which the phase change material 120 is sufficiently softened based on calculation or the like.
  • a plurality of different heating operation modes may be selected from the group consisting of the variations shown in FIGS. 10 and 11 and the above alternative modifications.
  • the plurality of selected heating operation modes may be stored in the mode control unit 20b2. Thereby, for example, different heating operation variations may be used properly according to the product specifications of the power conversion device 10, the specifications of the test device 200, the test conditions, and the like.
  • the use of the power converter 10 is not limited.
  • the power conversion device 10 may be provided as a power conversion device 10 for a solar power generation system, may be provided as a power conversion device 10 for an electric motor drive system, and may be provided as a power conversion device 10 for an uninterruptible power supply system. May be provided as. That is, the DC power supply 30 is not limited, and various configurations can be applied.
  • the DC power supply 30 may be a storage battery.
  • the DC power supply 30 may be a DC power supply including a wind power generator and a converter.
  • the DC power supply 30 may be a DC power supply including an AC power supply and a converter. Instead of the power system 40, a motor or other load may be connected.
  • the function of the control means 20 may be realized by a processing circuit.
  • the processing circuit may be dedicated hardware.
  • the processing circuit may include a processor and memory.
  • the processing circuit is partially formed as dedicated hardware, and may further include a processor and memory.
  • the processing circuit may be, for example, a single circuit, a composite circuit, a programmed processor, a parallel programmed processor, an ASIC, an FPGA, or a combination thereof. Applicable.
  • each function of the control means 20 is realized by software, firmware, or a combination of software and firmware.
  • Software and firmware are written as programs and stored in memory.
  • the processor realizes the functions of each part by reading and executing the program stored in the memory.
  • the processor is also called a CPU (Central Processing Unit), a central processing unit, a processing unit, an arithmetic unit, a microprocessor, a microcomputer, or a DSP.
  • the memory corresponds to, for example, a non-volatile or volatile semiconductor memory such as a RAM, a ROM, a flash memory, an EPROM, or an EEPROM.
  • the processing circuit can realize each function of the control means 20 by hardware, software, firmware, or a combination thereof.
  • 1 Power conversion unit 1a Power conversion circuit, 1b Gate drive board, 2 transformers, 3 DC side relays, 4 protection relays, 5 AC end relays, 6 reactors, 7 capacitors, 8a, 9a, 9c instrument transformers (CT) ), 8b, 9b, 9d Instrument transformer (VT), 10 power converter, 20 control means, 20a power conversion control, 20b temperature control, 20b1 cooling control, 20b2 mode control, 21 PWM control, 22 Power control unit, 30 DC power supply, 31 Temperature sensor, 33 Cooling means (cooling fan), 40 Power system, 50 Heat dissipation member, 50a heat dissipation surface, 100 Power conversion module, 100a casing, 101 Main surface (bottom surface), 102 Top surface , 103 side, 110 semiconductor switching element, 111 freewheeling diode, 112 substrate, 114 heat dissipation plate, 116 resin encapsulant, 120 phase change material, 200 test equipment, 201 power supply, 202 DC capacitor, S f fan control signal, S M1 heating operation mode signal,

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Abstract

電力変換装置は、電力変換モジュールと、フェイズチェンジマテリアルと、放熱部材と、冷却手段と、制御手段と、を備える。半導体スイッチング素子および還流ダイオードが電力変換回路を構成する。フェイズチェンジマテリアルは、ケーシングの主面に設けられている。放熱部材は、放熱面を備え、フェイズチェンジマテリアルを挟むように放熱面が主面に重ねられている。冷却手段は、放熱部材を冷却する。制御手段は、電力変換回路を駆動するための駆動信号を生成するとともに冷却手段を制御する。制御手段は、予め設定された加熱運転を含む。加熱運転は、冷却手段を停止または間欠運転させた状態で、半導体スイッチング素子と還流ダイオードとの両方を発熱させるように電力変換回路を駆動してもよい。

Description

電力変換装置およびその製造方法
　この出願は、フェイズチェンジマテリアルが用いられた電力変換装置およびその製造方法に関する。
　従来、例えば日本特許第６５４０６１２号に記載されているように、サーマルインターフェイスマテリアル（ＴＩＭ）を備えた半導体装置が知られている。ＴＩＭは、半導体素子と放熱体との間の熱抵抗を低減する。上記従来の技術では、ＴＩＭとしてフェイズチェンジマテリアルが用いられている。
日本特許第６５４０６１２号
　フェイズチェンジマテリアルは、加熱軟化によって密着性が向上する。密着性を向上させることで、接触熱抵抗を低減できる。その結果、フェイズチェンジマテリアルを介して電力変換モジュールから放熱部材へと効率よく熱伝達が行われる。
　フェイズチェンジマテリアルの接触熱抵抗を効果的に低減するためには、電力変換モジュールと放熱部材との接触面において、面内に大きな加熱ムラが発生することは好ましくない。この点に関し、上記従来の技術はフェイズチェンジマテリアルの加熱時に生じる温度ムラについての検討が欠落しており、未だ改良の余地があった。
　本出願は、上述のような課題を解決するためになされたもので、フェイズチェンジマテリアルの加熱軟化にムラが生じることを抑制するように改良された電力変換装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
　本出願にかかる電力変換装置は、電力変換モジュールと、フェイズチェンジマテリアルと、放熱部材と、冷却手段と、制御手段と、を備える。電力変換モジュールは、主面を持つケーシングと、前記ケーシングに収納され前記主面の平面方向に並べられた半導体スイッチング素子および還流ダイオードと、を含む。前記半導体スイッチング素子および前記還流ダイオードが電力変換回路を構成する。フェイズチェンジマテリアルは、前記ケーシングの前記主面に設けられている。放熱部材は、放熱面を備えている。前記フェイズチェンジマテリアルを挟むように前記放熱面が前記主面に重ねられている。冷却手段は、前記放熱部材を冷却する。制御手段は、前記電力変換回路を駆動するための駆動信号を生成するとともに前記冷却手段を制御する。前記制御手段は、予め設定された加熱運転を含む。
　前記加熱運転は、前記冷却手段を停止または間欠運転させた状態で、前記半導体スイッチング素子と前記還流ダイオードとの両方を発熱させるように前記電力変換回路を駆動してもよい。
　前記加熱運転は、前記冷却手段を継続駆動させた状態で、低力率直交変換モードを実行してもよい。低力率直交変換モードは、予め定められた１未満の目標力率で直流電力から交流電力を生成するように前記電力変換回路を駆動してもよい。
　本出願にかかる電力変換装置の製造方法は、主面を持つケーシングを含む電力変換モジュールと前記主面に設けられたフェイズチェンジマテリアルとを準備する工程と、放熱部材の放熱面と前記主面とを前記フェイズチェンジマテリアルを挟むように重ねる工程と、製品出荷前試験において前記フェイズチェンジマテリアルを加熱するための加熱運転を実施する工程と、を備える。前記電力変換モジュールは、半導体スイッチング素子および還流ダイオードを含む。半導体スイッチング素子および還流ダイオードは、前記ケーシングに収納され前記主面の平面方向に並べられている。前記半導体スイッチング素子および前記還流ダイオードが電力変換回路を構成する。
　前記加熱運転を実施する工程は、前記放熱部材を冷却する冷却手段を停止または間欠運転させた状態で前記半導体スイッチング素子と前記還流ダイオードとの両方を発熱させるように前記電力変換回路を駆動してもよい。
　前記加熱運転を実施する工程は、前記放熱部材を冷却する冷却手段を継続駆動させた状態で、低力率直交変換モードを実行してもよい。低力率直交変換モードは、予め定められた１未満の目標力率で直流電力から交流電力を生成するように前記電力変換回路を駆動してもよい。
　上記の電力変換装置および製造方法によれば、半導体スイッチング素子および還流ダイオードを発熱させる加熱運転を実施できる。加熱運転によれば、主面における半導体スイッチング素子および還流ダイオードの付近の領域の温度ムラを抑制した状態で、フェイズチェンジマテリアルを加熱軟化することができる。その結果、フェイズチェンジマテリアルの加熱軟化にムラが生じることを抑制することができる。
実施の形態にかかる電力変換装置の構成図である。 実施の形態にかかる電力変換装置と放熱部材とを示す図である。 実施の形態にかかる電力変換モジュールの平面図である。 実施の形態にかかる電力変換モジュールの断面図である。 実施の形態にかかる電力変換装置の回路構成の一例を示す回路図である。 実施の形態にかかる電力変換装置の試験装置の一例を示す図である。 実施の形態にかかる電力変換装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。 実施の形態にかかる電力変換装置の加熱運転を説明するためのフローチャートである。 実施の形態にかかる電力変換装置の加熱運転の動作を説明するためのグラフである。 実施の形態にかかる電力変換装置の加熱運転のバリエーションを示す表である。 実施の形態にかかる電力変換装置の加熱運転のバリエーションを示す表である。 実施の形態の変形例にかかる電力変換装置の加熱運転の動作を説明するためのグラフである。 実施の形態の変形例にかかる電力変換装置の加熱運転を説明するためのフローチャートである。 実施の形態の変形例にかかる電力変換装置の加熱運転を説明するためのフローチャートである。 実施の形態の変形例にかかる電力変換装置の加熱運転を説明するためのフローチャートである。
　図１は、実施の形態にかかる電力変換装置１０の構成図である。電力変換装置１０は、電力変換ユニット１と、放熱部材５０と、冷却手段３３と、制御手段２０と、温度センサ３１と、を備える。電力変換装置１０は筐体の中に上記各構成部品を収納している。この筐体には通気孔なども設けられている。
　電力変換ユニット１は、電力変換回路１ａおよびゲートドライブ基板１ｂを備える。電力変換回路１ａは、三つのアーム回路を含む電圧型三相インバータ回路である。電圧型三相インバータ回路の具体的な種類に限定はない。電力変換回路１ａは、図２で後述する電力変換モジュール１００を複数個備えている。
　冷却手段３３は、放熱部材５０を冷却する。実施の形態の冷却手段３３は、一例として空冷冷却ファンである。冷却手段３３の変形例として、空冷用の冷却ファンの代わりに冷媒循環システムが用いられてもよい。変形例の冷媒循環システムは、放熱部材５０に接する冷媒通路と、冷媒通路の途中に設けられたラジエータと、冷媒通路内の冷媒を循環させる循環ポンプとを含んでもよい。空冷冷却ファンの回転数制御あるいは循環ポンプの駆動回転数制御によって、冷却手段３３のオンオフおよび冷却量を調整可能である。
　制御手段２０は、電力変換制御部２０ａと温度制御部２０ｂとを含んでいる。電力変換制御部２０ａは、電力変換回路１ａを駆動させるために、ＰＷＭ信号ＳＰＷＭを電力変換ユニット１に伝達する。温度制御部２０ｂは、冷却手段３３を制御するために、ファン制御信号Ｓｆを冷却手段３３に伝達する。
　制御手段２０は、一つまたは複数のマイコンで構築されてもよい。制御手段２０の具体的ハードウェア構造の例については後述する。
　温度センサ３１は、電力変換モジュール１００の周囲温度Ｔ１を検知する。温度センサ３１の温度検知信号Ｔ１は制御手段２０に伝達される。
　図２は、実施の形態にかかる電力変換装置１０と放熱部材５０とを示す図である。実施の形態では一例として、放熱部材５０はヒートパイプである。なお放熱部材５０はヒートシンクに変形されてもよい。
　放熱部材５０は、放熱面５０ａを備えている。放熱面５０ａの上に、３つの電力変換モジュール１００が並べて配置されている。フェイズチェンジマテリアル１２０を挟むように放熱面５０ａと主面１０１とが重ねられている。放熱面５０ａに設けられるこの種の熱伝達層は、サーマルインターフェイスマテリアル（ＴＩＭ）とも称される。ＴＩＭには様々な材料が公知であり、例えばグリースなどがある。実施の形態ではこのＴＩＭにフェイズチェンジマテリアルが用いられる。
　図３は、実施の形態にかかる電力変換モジュール１００の平面図である。図４は、実施の形態にかかる電力変換モジュール１００の断面図である。図４は図３のＩ－ＩＩ線に沿う断面矢視図である。図３および図４はフェイズチェンジマテリアル１２０の加熱軟化前の状態を図示したものである。
　電力変換モジュール１００は、ケーシング１００ａと、ケーシング１００ａに収納された基板１１２と、基板１１２に実装された半導体スイッチング素子１１０および還流ダイオード１１１と、を含んでいる。
　ケーシング１００ａは、樹脂封止材１１６と放熱板１１４とで構成されている。ケーシング１００ａは、上面１０２と、下面１０１と、前後左右４つの側面１０３とを持っている。放熱板１１４の一つの面がケーシング１００ａの下面１０１に相当している。実施の形態では一例としてケーシング１００ａの下面１０１を「主面１０１」とも称する。
　半導体スイッチング素子１１０はゲート駆動信号に従ってオンオフ制御される。半導体スイッチング素子１１０は、ＩＧＢＴでもよく、ＭＯＳＦＥＴでもよく、ＧＴＯでもよい。半導体スイッチング素子１１０および還流ダイオード１１１の半導体材料は、シリコンでもよく、或いはＳｉＣなどのワイドバンドギャップ半導体でもよい。
　図３では、主面１０１の側から放熱板１１４が透視されることで、半導体スイッチング素子１１０および還流ダイオード１１１が破線で図示されている。図３に示すように、半導体スイッチング素子１１０および還流ダイオード１１１は、主面１０１の平面方向に所定のレイアウトで並べられる。実施の形態では一例としてケーシング１００ａが樹脂成形による封止樹脂パッケージである。しかし変形例としてケーシング１００ａが蓋と箱とを持つ樹脂筐体であってもよい。
　電力変換モジュール１００は、二つの半導体スイッチング素子１１０および三つの還流ダイオード１１１を備える。一つの電力変換モジュール１００が一つのアーム回路を構成する。実施の形態では、図２に示したように三つの電力変換モジュール１００が設けられることで、三相インバータ回路として電力変換回路１ａが構築されている。
　フェイズチェンジマテリアル１２０は、ケーシング１００ａの主面１０１に設けられている。実施の形態では、フェイズチェンジマテリアル１２０が一例として六角形の小片とされ、複数のフェイズチェンジマテリアル１２０が主面１０１に並べられている。ただし、変形例として、一つのフェイズチェンジマテリアルシートが主面１０１に貼り付けられてもよい。図３のごとく主面１０１を透視したときに、半導体スイッチング素子１１０および還流ダイオード１１１がフェイズチェンジマテリアル１２０で十分に覆われることが好ましい。
　フェイズチェンジマテリアル１２０は、熱により軟化する性質を有する。軟化により密着性が向上すると接触熱抵抗が低減される。その結果、放熱部材５０への熱伝達性が高まるので、放熱性を高めることができる。フェイズチェンジマテリアル１２０は、すでに様々な材料が公知であるから、詳細な説明は省略する。
　図５は、実施の形態にかかる電力変換装置１０の回路構成の一例を示す回路図である。図５には、図１では省略されている回路要素も図示されている。
　電力変換装置１０の直流入力端Ｐ、Ｎに、直流電源３０から直流電力が入力される。実施の形態では、一例として、直流電源３０が太陽電池パネルである。電力変換装置１０の交流出力端Ｕ、Ｖ、Ｗは、電力系統４０に接続している。
　電力変換回路１ａは、制御手段２０からの駆動信号に従って、直流電力を三相交流電力に変換するインバータ駆動と、三相交流電力を直流電力に変換するコンバータ駆動とをそれぞれに実行することができる。
　電力変換装置１０は、電力変換ユニット１の直流側に接続する直流側回路と、電力変換ユニット１の交流側に接続する交流側回路と、を備えている。直流側回路は、直流側リレー３と計器用変流器（ＣＴ）８ａと計器用変圧器（ＶＴ）８ｂとを含んでいる。
　交流側回路は、トランス２と、保護リレー４と、交流端リレー５と、リアクトル６と、キャパシタ７と、計器用変流器（ＣＴ）９ａ、９ｃと、計器用変圧器（ＶＴ）９ｂ、９ｄとを含んでいる。トランス２は、電力変換ユニット１の交流端に接続している。リアクトル６は、トランス２に直列接続している。キャパシタ７の一端はトランス２とリアクトル６との間に接続され、キャパシタ７の他端が接地などの基準電位に接続されている。保護リレー４は、リアクトル６に直列接続している。交流端リレー５は、保護リレー４に直列接続している。計器用変流器９ａおよび計器用変圧器９ｂは、保護リレー４と交流端リレー５との間に設けられている。計器用変流器９ｃは電力変換ユニット１の交流端とトランス２との間に設けられている。計器用変圧器９ｄは、トランス２とキャパシタ７の接続点と、リアクトル６との間に設けられている。なお、直流側回路と交流側回路は様々な構成が可能であり、実施の形態では一例を示したものである。
　制御手段２０は、制御回路である。制御手段２０の電力変換制御部２０ａは、ＰＷＭ制御部２１と電力制御部２２とを備える。電力制御部２２は、計器用変流器８ａを介して取得した直流側電流値と、計器用変圧器８ｂを介して取得した直流側電圧値と、計器用変流器９ａを介して取得した交流側電流値と、計器用変圧器９ｂを介して取得した交流側電圧値と、を取得する。
　電力制御部２２は、取得したパラメータに基づいて、ＰＷＭ制御部２１に「電力制御信号」を伝達する。実施の形態では一例として電力制御部２２がＭＰＰＴ制御モード（最大電力点追従制御モード）を備えているので、電力制御信号はＭＰＰＴ制御に基づく制御指令値であってもよい。また、電力制御信号は、有効電力指令値と無効電力指令値とに基づく充放電制御指令値であってもよい。
　ＰＷＭ制御部２1は、計器用変流器９ｃを介して取得した交流側電流値と、計器用変圧器９ｄを介して取得した交流側電圧値と、を取得する。ＰＷＭ制御部２1は、取得したパラメータに基づいて、電力制御部２２からの電力制御信号に従って、スイッチング素子の駆動信号を生成する。実施の形態ではこの駆動信号がパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）である。
　制御手段２０の温度制御部２０ｂは、冷却制御部２０ｂ１とモード制御部２０ｂ２とを備える。温度制御部２０ｂには、温度センサ３１からの温度検知信号Ｔ１が入力される。冷却制御部２０ｂ１は、冷却手段３３（冷却ファン）の冷却制御モードを、常時駆動（常時ＯＮ）と間欠駆動（間欠ＯＮ）と停止（ＯＦＦ）とで切り替えることができる。
　モード制御部２０ｂ２は、冷却制御部２０ｂ１に冷却制御モードを指示するとともに、電力変換回路１ａに電力変換モードを指示することができる。モード制御部２０ｂ２は、電力変換回路１ａに対して、「交直変換モード」と「低力率直交変換モード」とのうち少なくとも一方の駆動を指示する。
　交直変換モードは、交流電力から直流電力を生成するように電力変換回路１ａを駆動するモードである。交直変換モードでは、還流ダイオード１１１が整流器として使用されるので、還流ダイオード１１１に電流が流れる。その結果、還流ダイオード１１１を発熱させることができ、この発熱でフェイズチェンジマテリアル１２０を加熱軟化できる。
　この交直変換モードは、実施の形態では便宜上「充電モード」とも称される。これは、電力変換ユニット１で交流から直流を作り出すモードは、一般に電力系統４０から直流電力を作り出して蓄電池に充電するモードとして利用されるからである。図６で後述する試験装置２００での試験時には、交直変換モードが充電モードとして使用される。
　「低力率直交変換モード」は、予め定められた１未満の目標力率Φで直流電力から交流電力を生成するように、電力変換回路１ａを駆動するモードである。低力率直交変換モードは、低力率電力変換がされるので比較的多くの無効電流が電力変換回路１ａを流れる。その結果、還流ダイオード１１１を発熱させることができ、この発熱でフェイズチェンジマテリアル１２０を加熱軟化できる。
　目標力率Φの値に限定はなく、０＜Φ＜１．０の範囲で目標力率を任意に設定することができる。例えばΦ＝０．９、０．８、０．７・・・、０．２、０．１などであってもよい。例えば目標力率Φの設定範囲が定められてもよい。上限目標力率が例えばΦ＝０．９９～０．５から選択されてもよく、下限目標力率が例えばΦ＝０．４９～０．０１から選択されてもよく、任意の上限目標力率と任意の下限目標力率とで設定範囲が定義されてもよい。
　低力率直交変換モードは、実施の形態では便宜上「低力率放電モード」とも称される。これは、電力変換ユニット１で直流から交流を作り出すモードは、蓄電池から電力系統４０の側に電力を放電するモードとして利用されるからである。図６で後述する試験装置２００での試験時には、低力率直交変換モードが低力率放電モードとして使用される。
　制御手段２０は、予め設定された「加熱運転」を含む。加熱運転は、冷却手段３３を停止または間欠運転させた状態で、半導体スイッチング素子１１０と還流ダイオード１１１との両方を発熱させるように電力変換回路１ａを駆動する。
　加熱運転では、冷却手段３３が、停止と間欠運転と常時駆動とのいずれかの冷却制御モードに設定される。加熱運転では、電力変換回路１ａの電力変換モードが「交直変換モード」と「低力率直交変換モード」とのうち少なくとも一方に設定される。
　一例として、加熱運転は、冷却手段３３を停止または間欠運転させた状態で、「交直変換モード」を実行してもよい。他の例として、加熱運転は、冷却手段３３を停止または間欠運転させた状態で、「低力率直交変換モード」を実行してもよい。
　更に他の例として、加熱運転は、冷却手段３３を停止または間欠運転させた状態で、「第一電力変換モード」から「第二電力変換モード」へと切り替えるように構築されてもよい。交直変換モードと低力率直交変換モードとのうち一方が第一電力変換モードとされ、他方が第二電力変換モードとされる。切り替えのタイミングは、加熱運転開始後に予め定めた時間が経過したタイミングであってもよく、加熱運転開始後に電力変換モジュール１００のモジュール温度が予め定めた温度に到達したタイミングであってもよい。
　加熱運転を実行する際の制御パラメータには、「加熱運転時間」と「加熱運転出力電力」とが含まれる。加熱運転時間は、加熱運転を継続して実行する時間の長さである。
　加熱運転出力電力は、加熱運転を行う際における電力変換回路１ａの出力電力の大きさである。実際には、電力変換回路１ａを制御するための各種制御目標値を調節することによって、加熱運転出力電力が可変設定されてもよい。例えば充電モードであれば、加熱運転出力電力は、充電電力および充電電流（有効電流）の大きさを調節されることで可変設定されてもよい。例えば低力率放電モードであれば、加熱運転出力電力は、放電電流（有効電流）および無効電流の大きさ調節することで可変設定されてもよい。
　図６は、実施の形態にかかる電力変換装置１０の試験装置２００の一例を示す図である。試験装置２００は、電力還流型のシステム構成を有する。
　電力還流型のシステム構成は、電源機２０１と交流電源Ｖｓと試験対象である電力変換装置１０と直流キャパシタ２０２とが環状に接続されたものである。電源機２０１と電力変換装置１０との出力バランスが保たれることで、電力の大部分を還流させることができる。その結果、試験時の消費電力を抑制することができる。
　図６には交直変換モードつまり充電モードが図示されており、白抜き矢印に示すように電源機２０１が出力した三相交流電力が電力変換装置１０の交流端に伝達される。電力変換装置１０は三相交流電力から直流電力を生成して直流キャパシタ２０２の側へと出力する。一方、低力率直交変換モードつまり低力率放電モードの場合には、図６とは逆向きに電力が循環する。
　図７は、実施の形態にかかる電力変換装置１０の製造方法を説明するためのフローチャートである。図７に示すように、まず、部品準備および組み立てが行われる（ステップＳ１００）。このステップでは、主面１０１にフェイズチェンジマテリアル１２０が設けられた電力変換モジュール１００が準備される。さらに、放熱部材５０の放熱面５０ａと主面１０１とが、フェイズチェンジマテリアル１２０を挟むように重ねられる。
　次に、ステップＳ１０１～Ｓ１０３に記載した製品出荷前試験が実施される。製品出荷前試験のうち少なくともステップＳ１０２は、上述した図６の試験装置２００で行われる。
　まず、電力変換ユニット１および電力変換装置１０に対して、耐圧試験および制御電圧試験が行われる（ステップＳ１０１）。
　次に、主回路通電および加熱運転が実行される（ステップＳ１０２）。このステップで電力変換ユニット１が主電流の通電を開始する。ステップＳ１０２の加熱運転は、放熱部材５０を冷却する冷却手段３３を停止または間欠運転させた状態で、半導体スイッチング素子１１０と還流ダイオード１１１との両方を発熱させるように電力変換回路１ａを駆動する運転である。例えば、加熱運転モード信号ＳＭ１が制御手段２０に入力された場合に、これに応答して加熱運転が実行されてもよい。これによりフェイズチェンジマテリアル１２０が加熱軟化されることで、密着性を向上させることができる。
　次に、電力変換装置１０の定常特性試験が実施される（ステップＳ１０３）。その後、試験終了とされ（ステップＳ１０４）、製品出荷が行われる（ステップＳ１０５）。
　図８は、実施の形態にかかる電力変換装置１０の加熱運転を説明するためのフローチャートである。図８は、図７におけるステップＳ１０２の内容を詳細に記載したものである。図８のルーチンは、モード制御部２０ｂ２が主体となって実行する処理である。
　図８のルーチンでは、まず、冷却手段３３が停止される（ステップＳ１０２１）。変形例として、停止ではなく一定間隔で作動と停止とを切り替える間欠運転が実施されてもよい。
　次に、温度センサ３１を介して電力変換モジュール１００の周囲温度Ｔ１が検知される（ステップＳ１０２２）。
　次に、加熱運転時間ＴＯＰが計算される（ステップＳ１０２３）。加熱運転時間の具体的な計算処理内容は、図９を用いて後述する。
　次に、充電モードで電力変換回路１ａが駆動させられる（ステップＳ１０２４）。これにより、放熱部材５０を冷却する冷却手段３３を停止または間欠運転させた状態で、半導体スイッチング素子１１０と還流ダイオード１１１との両方が発熱させられる。
　加熱運転により半導体スイッチング素子１１０それぞれがその直下のフェイズチェンジマテリアル１２０を加熱したときのフェイズチェンジマテリアル１２０の温度を、「第一温度」とも称する。加熱運転により還流ダイオード１１１それぞれがその直下のフェイズチェンジマテリアル１２０を加熱したときのフェイズチェンジマテリアル１２０の温度を、「第二温度」とも称する。
　実施の形態では、一例として、第一温度と第二温度がフェイズチェンジマテリアル１２０の軟化温度以上であり、第一温度と第二温度とがほぼ同じである。例えば１℃～数℃程度の誤差範囲は、ほぼ同じ温度とみなしてもよい。主面１０１の全体としてフェイズチェンジマテリアル１２０がムラなく加熱軟化されるほどの熱量を生じさせればよい。従って、第一熱量と第二熱量とは同じであってもよいが、これに限られず第一熱量と第二熱量とのうち一方が他方より大きくともよい。第一温度と第二温度との間には、例えば数℃程度またはそれ以上の温度差があってもよい。
　次に、ステップＳ１０２３で設定された加熱運転時間が経過したか否かが判定される（ステップＳ１０２５）。加熱運転時間が経過するまでは処理がＳ１０２５にリターンし、加熱運転時間が経過した場合には今回のルーチンが終了する。
　図９は、実施の形態にかかる電力変換装置１０の加熱運転の動作を説明するためのグラフである。具体的には、図９は加熱運転時間の計算処理を説明するための図である。
　制御手段２０は、温度センサ３１で検知した周囲温度Ｔ１に基づいて加熱運転を実行する時間である加熱運転時間ＴＯＰを可変設定するように構築されてもよい。制御手段２０は、周囲温度Ｔ１が高いほど加熱運転時間ＴＯＰを短く計算するように定めた第一所定関数または第一所定モデルを含んでもよい。
　上記第一所定関数または第一所定モデルには、周囲温度Ｔ１に応じた加熱運転時間ＴＯＰの傾向ｆ１が定められている。図９には、この傾向ｆ１の一例が図示されている。傾向ｆ１は、図９の特性のように一定の変化率つまり一次関数で定められていてもよい。変形例として、図９の特性の代わりに、二次以上の関数のようなカーブ状の傾向が用いられてもよく、ステップ状のように周囲温度Ｔ１が一定温度上昇するごとにステップ状に加熱運転時間ＴＯＰを短縮化する傾向が用いられてもよく、異なる変化率を持つ複数の直線を組み合わせた折れ線グラフ状の傾向が用いられてもよい。
　以上説明したように、実施の形態にかかる電力変換装置１０およびその製造方法によれば、製品出荷前試験などの特定のタイミングで加熱運転が実行される。加熱運転により、冷却手段３３駆動を抑制しつつ半導体スイッチング素子１１０と還流ダイオード１１１との両方を発熱させる運転状態を作り出すことができる。
　この加熱運転によれば、主面１０１における半導体スイッチング素子１１０および還流ダイオード１１１の付近の領域の温度ムラを抑制した状態で、フェイズチェンジマテリアル１２０を加熱軟化することができる。その結果、フェイズチェンジマテリアル１２０の加熱軟化にムラが生じることを抑制することができる。
　なお、フェイズチェンジマテリアル１２０の加熱方法には、電力変換モジュール１００の駆動発熱による加熱と、ヒータなどの外部設備による加熱とがある。ここでＭＰＰＴ駆動モード等では、半導体スイッチング素子１１０への通電が主となり、還流ダイオード１１１の発熱量は半導体スイッチング素子１１０に比べて微小となることが普通である。その結果、ＭＰＰＴ駆動モード等では加熱時に温度ムラができやすいという問題があった。また、ヒータなどの外部設備による加熱は、専用設備および作業手間が増大するので生産効率が低下するという問題があった。この点、実施の形態にかかる加熱運転によれば、高い生産効率で、フェイズチェンジマテリアル１２０の加熱軟化ムラを確実に抑制することができる。
　以下、実施の形態の変形例を追加説明する。図１０および図１１は、実施の形態にかかる電力変換装置１０の加熱運転のバリエーションを示す表である。
　図１０および図１１には、加熱運転モード番号（Ｎｏ．１～Ｎｏ．５０）と、冷却制御モードの種別と、電力変換モードの種別と、加熱運転時間の決定方法と、加熱運転出力電力の決定方法との組み合わせバリエーションが示されている。電力変換モードの種別は、モード数と、第一電力変換モードおよび第二電力変換モードの内容とを含む。
　例えばＮｏ．１の加熱運転モードでは、冷却手段３３を停止（ＯＦＦ）とし、電力変換モードは充電モードの一つのみであり、加熱運転時間は前述のステップＳ１０２３に従って計算し、加熱運転出力電力は予め定められた固定値に設定される。これと同様のルールに従って、他のＮｏ．２～５０のモード内容を図１０および図１１それぞれの表から読み取ることができる。
（加熱運転出力電力の可変設定）
　Ｎｏ．６～１５とＮｏ．２１～３０とＮｏ．３６～４０とＮｏ．４６～５０の加熱運転モードでは、「加熱運転出力電力」が計算により可変設定される。加熱運転出力電力を可変設定する変形例を以下説明する。
　図１２は、実施の形態の変形例にかかる電力変換装置１０の加熱運転の動作を説明するためのグラフである。図１３は、実施の形態の変形例にかかる電力変換装置１０の加熱運転を説明するためのフローチャートである。この変形例において、制御手段２０は、温度センサ３１で検知した周囲温度Ｔ１に基づいて加熱運転出力電力を可変設定するように、各種制御目標値を演算する。
　各種制御目標値は、有効電力目標値と無効電流目標値と目標力率とのうち少なくとも一つを含んでもよい。制御手段２０は、周囲温度Ｔ１が高いほど加熱運転出力電力を小さく計算するように定めた第二所定関数または第二所定モデルを含んでもよい。第二所定関数または第二所定モデルには、周囲温度Ｔ１に対する各種制御目標値を定めた傾向ｆ２が定められている。図１２には、この傾向ｆ２の一例が図示されている。
　本変形例は、図１３のフローチャートを実行することで達成される。図１３は、図８のステップＳ１０２３の内容をステップＳ１１２３に変更したものである。ステップＳ１１２３では、図１２の傾向ｆ２が参照されることで、周囲温度Ｔ１に応じた各種制御目標値が調節される。ステップＳ１１２３の一例として、制御手段２０は、周囲温度Ｔ１が高くなるほど交直変換モード（充電モード）における有効電流目標値を増大させてもよい。また、ステップＳ１１２３の他の例として、制御手段２０は、周囲温度Ｔ１が高くなるほど低力率直交変換モードにおける無効電流目標値を増大させることが好ましく、言い換えると目標力率を低下させてもよい。
　傾向ｆ２は、図１２に例示したように、一定の変化率つまり一次関数で定められていてもよい。傾向ｆ２の変形例として、二次以上の関数のようなカーブ状の傾向が用いられてもよく、ステップ状のように周囲温度Ｔ１が一定温度上昇するごとにステップ状に加熱運転出力電力を短縮化する傾向が用いられてもよく、異なる変化率を持つ複数の直線を組み合わせた折れ線グラフ状の傾向が用いられてもよい。
（冷却手段の継続駆動および低力率放電モード）
　図１０におけるＮｏ．３，８，１３，１８，２３と、図１１におけるＮｏ．２８，３３，３８，４３，４８とは、冷却手段３３を継続運転（常時ＯＮ）とする加熱運転モードである。以下、この変形例を説明する。
　図１４は、実施の形態の変形例にかかる電力変換装置１０の加熱運転を説明するためのフローチャートである。この変形例では、前述のステップＳ１０２１およびＳ１０２４が、ステップＳ１１２１およびＳ１１２４に置換される。この変形例では、ステップＳ１１２１で冷却手段３３が継続駆動される。さらに、ステップＳ１１２４において、冷却手段３３を継続駆動させた状態で、低力率直交変換モードが実行される。
　実施の形態にかかる製造方法の変形例として、冷却手段３３を継続駆動させるようにステップＳ１０２の内容が変形されてもよい。つまり、製品出荷前試験において、放熱部材５０を冷却する冷却手段３３を継続駆動させた状態で、予め定められた１未満の目標力率で直流電力から交流電力を生成するように電力変換回路１ａを駆動する低力率直交変換モードが実行されてもよい。
（モジュール保護温度に基づく加熱停止）
　図１１におけるＮｏ．３１～Ｎｏ．５０の加熱運転モードは、加熱運転時間を計算で決めるのではなく、加熱運転時間をモジュール保護温度に基づいて決定する。図１５は、実施の形態の変形例にかかる電力変換装置１０の加熱運転を説明するためのフローチャートである。
　図１５の変形例では、前述のステップＳ１０２５がステップＳ１１２５へと置換される。ステップＳ１１２５では、制御手段２０が、電力変換モジュール１００について予め定められたモジュール保護温度に達するまで加熱運転を実行し、電力変換モジュール１００の温度がモジュール保護温度に達したら加熱運転を終了する。モジュール保護温度は、電力変換モジュール１００の仕様として予め定められている。温度センサ３１とは別に、電力変換モジュール１００の温度を精度良く検知するためのモジュール温度センサを別途設けてもよい。
　なお、図１０および図１１に記載されていない他の代替変形例もある。例えば、加熱運転時間と加熱運転時間の両方を固定にしてもよい。フェイズチェンジマテリアル１２０が十分に軟化される程度の時間および出力を計算等に基づいて予め設定することが可能だからである。
　なお、図１０および図１１に記載したバリエーションおよび上記の代替変形例からなる群から、異なる複数個の加熱運転モードが選択されてもよい。選択された複数個の加熱運転モードが、モード制御部２０ｂ２に記憶されてもよい。これにより、例えば電力変換装置１０の製品仕様に応じて、あるいは試験装置２００の仕様、試験条件等に応じて、異なる加熱運転のバリエーションを使い分けてもよい。
　電力変換装置１０の用途は限定されない。電力変換装置１０は、太陽光発電システム用の電力変換装置１０として提供されてもよく、電動機駆動システム用の電力変換装置１０として提供されてもよく、無停電電源装置システム用の電力変換装置１０として提供されてもよい。つまり、直流電源３０に限定はなく、様々な構成が適用されうる。直流電源３０は蓄電池であってもよい。直流電源３０は風力発電機とコンバータとからなる直流電源であってもよい。直流電源３０は交流電源とコンバータとからなる直流電源であってもよい。電力系統４０の代わりに、電動機またはそれ以外の負荷が接続されてもよい。
　制御手段２０の機能は、処理回路により実現されてもよい。処理回路は、専用ハードウェアであってもよい。処理回路は、プロセッサ及びメモリを備えていてもよい。処理回路は、一部が専用ハードウェアとして形成され、更にプロセッサ及びメモリを備えていてもよい。
　処理回路の少なくとも一部が、少なくとも１つの専用ハードウェアである場合、処理回路は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、又はこれらを組み合わせたものが該当する。
　処理回路が少なくとも１つのプロセッサ及び少なくとも１つのメモリを備える場合、制御手段２０の各機能は、ソフトウェア、ファームウェア、又はソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェア及びファームウェアはプログラムとして記述され、メモリに格納される。プロセッサは、メモリに記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、各部の機能を実現する。プロセッサは、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ＤＳＰとも呼ぶ。メモリは、例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリー、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ等の、不揮発性又は揮発性の半導体メモリ等が該当する。
　このように、処理回路は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はこれらの組み合わせによって、制御手段２０の各機能を実現することができる。
１　電力変換ユニット、１ａ　電力変換回路、１ｂ　ゲートドライブ基板、２　トランス、３　直流側リレー、４　保護リレー、５　交流端リレー、６　リアクトル、７　キャパシタ、８ａ、９ａ、９ｃ　計器用変流器（ＣＴ）、８ｂ、９ｂ、９ｄ　計器用変圧器（ＶＴ）、１０　電力変換装置、２０　制御手段、２０ａ　電力変換制御部、２０ｂ　温度制御部、２０ｂ１　冷却制御部、２０ｂ２　モード制御部、２１　ＰＷＭ制御部、２２　電力制御部、３０　直流電源、３１　温度センサ、３３　冷却手段（冷却ファン）、４０　電力系統、５０　放熱部材、５０ａ　放熱面、１００　電力変換モジュール、１００ａ　ケーシング、１０１　主面（下面）、１０２　上面、１０３　側面、１１０　半導体スイッチング素子、１１１　還流ダイオード、１１２　基板、１１４　放熱板、１１６　樹脂封止材、１２０　フェイズチェンジマテリアル、２００　試験装置、２０１　電源機、２０２　直流キャパシタ、Ｓｆ　ファン制御信号、ＳＭ１　加熱運転モード信号、ＳＰＷＭ　ＰＷＭ信号、Ｔ１　温度検知信号（周囲温度）、ＴＯＰ　加熱運転時間

Claims (10)

  1. 　主面を持つケーシングと、前記ケーシングに収納され前記主面の平面方向に並べられた半導体スイッチング素子および還流ダイオードと、を含み、前記半導体スイッチング素子および前記還流ダイオードが電力変換回路を構成する電力変換モジュールと、
    　前記ケーシングの前記主面に設けられたフェイズチェンジマテリアルと、
    　放熱面を備え、前記フェイズチェンジマテリアルを挟むように前記放熱面が前記主面に重ねられた放熱部材と、
    　前記放熱部材を冷却する冷却手段と、
    　前記電力変換回路を駆動するための駆動信号を生成するとともに前記冷却手段を制御する制御手段と、
    　を備え、
    　前記制御手段は、予め設定された加熱運転を含み、
    　前記加熱運転は、前記冷却手段を停止または間欠運転させた状態で、前記半導体スイッチング素子と前記還流ダイオードとの両方を発熱させるように前記電力変換回路を駆動する電力変換装置。
  2. 　前記電力変換モジュールの周囲温度を検知する温度センサを更に備え、
    　前記制御手段は、前記温度センサで検知した前記周囲温度に基づいて、前記加熱運転を実行する時間である加熱運転時間を可変設定するように構築された請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 　前記電力変換モジュールの周囲温度を検知する温度センサを更に備え、
    　前記制御手段は、前記温度センサで検知した前記周囲温度に基づいて、前記加熱運転における前記電力変換回路の加熱運転出力電力を可変設定するように構築された請求項１に記載の電力変換装置。
  4. 　前記制御手段は、前記電力変換モジュールについて予め定められたモジュール保護温度に達するまで前記加熱運転を実行し、前記電力変換モジュールの温度が前記モジュール保護温度に達したら前記加熱運転を終了する請求項１に記載の電力変換装置。
  5. 　前記加熱運転は、前記冷却手段を停止または間欠運転させた状態で、交流電力から直流電力を生成するように前記電力変換回路を駆動する交直変換モードを実行する請求項１に記載の電力変換装置。
  6. 　前記加熱運転は、前記冷却手段を停止または間欠運転させた状態で、予め定められた１未満の目標力率で直流電力から交流電力を生成するように前記電力変換回路を駆動する低力率直交変換モードを実行する請求項１に記載の電力変換装置。
  7. 　前記加熱運転は、前記冷却手段を停止または間欠運転させた状態で交直変換モードと低力率直交変換モードとを一方から他方に切り替えるように構築され、
    　前記交直変換モードは、交流電力から直流電力を生成するように前記電力変換回路を駆動し、
    　前記低力率直交変換モードは、予め定められた１未満の目標力率で直流電力から交流電力を生成するように前記電力変換回路を駆動する請求項１に記載の電力変換装置。
  8. 　主面を持つケーシングと、前記ケーシングに収納され前記主面の平面方向に並べられた半導体スイッチング素子および還流ダイオードと、を含み、前記半導体スイッチング素子および前記還流ダイオードが電力変換回路を構成する電力変換モジュールと、
    　前記ケーシングの前記主面に設けられたフェイズチェンジマテリアルと、
    　放熱面を備え、前記フェイズチェンジマテリアルを挟むように前記放熱面が前記主面に重ねられた放熱部材と、
    　前記放熱部材を冷却する冷却手段と、
    　前記電力変換回路を駆動するための駆動信号を生成するとともに前記冷却手段を制御する制御手段と、
    　を備え、
    　前記制御手段は、予め設定された加熱運転を含み、
    　前記加熱運転は、前記冷却手段を継続駆動させた状態で、予め定められた１未満の目標力率で直流電力から交流電力を生成するように前記電力変換回路を駆動する低力率直交変換モードを実行する電力変換装置。
  9. 　主面を持つケーシングを含む電力変換モジュールと前記主面に設けられたフェイズチェンジマテリアルとを準備するとともに、前記電力変換モジュールは前記ケーシングに収納され前記主面の平面方向に並べられた半導体スイッチング素子および還流ダイオードを含み、前記半導体スイッチング素子および前記還流ダイオードが電力変換回路を構成するものである工程と、
    　放熱部材の放熱面と前記主面とを前記フェイズチェンジマテリアルを挟むように重ねる工程と、
    　製品出荷前試験において、前記フェイズチェンジマテリアルを加熱するための加熱運転を実施する工程と、
    　を備え、
    　前記加熱運転は、前記放熱部材を冷却する冷却手段を停止または間欠運転させた状態で前記半導体スイッチング素子と前記還流ダイオードとの両方を発熱させるように前記電力変換回路を駆動する電力変換装置の製造方法。
  10. 　主面を持つケーシングを含む電力変換モジュールと前記主面に設けられたフェイズチェンジマテリアルとを準備するとともに、前記電力変換モジュールは前記ケーシングに収納され前記主面の平面方向に並べられた半導体スイッチング素子および還流ダイオードを含み、前記半導体スイッチング素子および前記還流ダイオードが電力変換回路を構成するものである工程と、
    　放熱部材の放熱面と前記主面とを前記フェイズチェンジマテリアルを挟むように重ねる工程と、
    　製品出荷前試験において、前記フェイズチェンジマテリアルを加熱するための加熱運転を実施する工程と、
    　を備え、
    　前記加熱運転は、前記放熱部材を冷却する冷却手段を継続駆動させた状態で、予め定められた１未満の目標力率で直流電力から交流電力を生成するように前記電力変換回路を駆動する低力率直交変換モードを実行する電力変換装置の製造方法。
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