WO2022244166A1

WO2022244166A1 - 温度推定装置及びコンバータシステム

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Publication number: WO2022244166A1
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Inventors: 渉黒木
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Abstract

三相交流電源側の交流電力と直流側における直流電力との間で電力変換を行うコンバータに設けられたパワー半導体素子のジャンクション温度推定値を算出する温度推定装置は、パワー半導体素子に流れる電流の値を検出する電流検出部と、電流検出部により検出された電流の値に少なくとも基づいて算出したジャンクション温度暫定値とコンバータに接続される三相交流電源の不平衡率とに基づいて、パワー半導体素子のジャンクション温度推定値を算出するジャンクション温度推定部と、を備える。

Description

温度推定装置及びコンバータシステム

　本発明は、温度推定装置及びコンバータシステムに関する。

　コンバータ及びインバータは、直流電力から交流電力への変換または交流電力から直流電力への電力変換を行う電力変換装置である。例えば工作機械、鍛圧機械、射出成形機、産業機械、あるいは各種ロボット内のモータを駆動するモータ駆動装置においては、交流電源から供給される交流電力をコンバータにて直流電力に変換してＤＣリンクへ出力し、さらにインバータにてＤＣリンクにおける直流電力を交流電力に変換して、この交流電力を駆動軸ごとに設けられたモータに駆動電力として供給している。ここで、ＤＣリンクとは、コンバータの直流出力側とインバータの直流入力側とを電気的に接続する回路部分のことを指し、「ＤＣリンク部」、「直流リンク」、「直流リンク部」または「直流中間回路」などとも称されることもある。

　コンバータ及びインバータ内に設けられたパワー半導体素子に電流が流れると、コンバータ及びインバータは発熱する。特に、ＰＷＭ制御方式のコンバータ及びインバータにおいては、パワー半導体素子の定常損失や、パワー半導体素子のスイッチング動作に起因するスイッチング損失と逆回復損失により、パワー半導体素子が発熱することで、パワー半導体素子の温度が上昇する。パワー半導体素子の温度が定格温度を超えて過熱状態になると、コンバータ及びインバータ内のパワー半導体素子の破損や寿命短縮をもたらす。このため、コンバータ及びインバータの運用にあたってはパワー半導体素子またはパワー半導体素子近傍の温度をできるだけ正確に把握し、パワー半導体素子を過熱から保護することが求められている。

　コンバータ及びインバータ内のパワー半導体素子またはパワー半導体素子近傍の温度を把握する方法として、パワー半導体素子のジャンクション温度を計算により推定する方法、パワー半導体素子のケース温度（モールド表面温度及びベースプレート表面温度）を測定する方法、パワー半導体素子と接触している放熱器の温度を測定する方法などがある。

　このうち、パワー半導体素子のジャンクション温度を計算により推定する方法は、パワー半導体素子に流れる電流値と熱等価回路とに基づいて、演算処理装置による計算処理により、パワー半導体素子のジャンクション部の温度であるジャンクション温度を推定するものである。

　例えば、交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、前記直流電圧を交流電圧に変換しモータを駆動するインバータと、速度指令とモータ速度に基づいてトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令とモータ電流に基づいてＰＷＭ信号を生成しインバータを駆動するトルク制御部と、前記モータ電流を検出する電流検出部と、前記インバータの温度を検出しインバータ温度信号を生成するインバータ温度検出部と、モータ温度信号と前記インバータ温度信号と前記モータ電流と前記モータ速度に基づいてトルク制限信号を生成する過負荷保護部とを備えるモータ制御装置において、前記過負荷保護部は、前記モータ電流から前記インバータのパワー素子推定ロスを生成するパワー素子ロス推定部と、前記パワー素子推定ロスと前記インバータ温度に基づいてジャンクション温度を推定するジャンクション温度推定部と、前記モータ電流と前記モータ速度からモータロスを推定するモータロス推定部と、前記モータ推定ロスと前記モータ温度信号からコイル温度を推定するコイル温度推定部と、前記ジャンクション推定温度と前記コイル推定温度に基づいてトルク制限信号またはアラーム信号を生成する過負荷処理部と、を備えることを特徴とするモータ制御装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

　例えば、エレベータかごを上下方向に運転する交流電動機を駆動制御するインバータ装置を有するエレベータ制御装置において、前記インバータ装置内半導体パワー素子のスイッチングする時の瞬時のスイッチングロスを演算するスイッチングロス演算器と、前記半導体パワー素子がオンし、一定電流が流れている時の瞬時のオンロスを演算するオンロス演算器と、を備え、これらスイッチングロス及びオンロスより瞬時のジャンクション温度上昇を推定し、このジャンクション温度に応じて前記パワー素子に対する負荷を軽減するようにしたことを特徴とするエレベータ制御装置が知られている（例えば、特許文献２参照。）。

　直流を所望の交流に変換するインバータを用いて、ＰＷＭ制御によって負荷を駆動する駆動装置に備えられ、前記インバータを構成する複数のパワー素子の過熱を保護するパワー素子過熱保護装置において、前記複数のパワー素子を被装するケースの温度を検出する温度検出手段と、前記パワー素子毎のジャンクション温度と前記ケース温度との間の温度差の上昇分を演算し、得られる温度差の上昇分に前記ケースの温度を加算し、演算の結果により、前記パワー素子毎のジャンクション温度を推定する温度推定手段と、前記パワー素子毎のジャンクション温度と、前記パワー素子毎の許容動作温度とをそれぞれ比較演算し、演算の結果により、ジャンクション温度が許容動作温度に比べて高いとき、パワー素子が過熱状態であると判定し、過熱異常信号を出力する過熱異常判定手段と、前記過熱異常判定手段から少なくとも１つの過熱異常信号を入力した場合には、前記パワー素子のゲートを遮断する電力遮断信号を出力する電力遮断信号出力手段と、を備えることを特徴とするパワー素子過熱保護装置が知られている（例えば、特許文献３参照。）。

特開２００９－２６１０７８号公報特開平１１－２５５４４２号公報特開２００８－１３１７２２号公報

　一般に、コンバータに接続される三相交流電源が正常であれば電圧または電流の不平衡率が小さいことから、コンバータ内に存在する複数のパワー半導体素子の個々のジャンクション温度のばらつきは少ない。したがって、演算処理装置の演算処理においてジャンクション温度推定処理が占める割合（例えばＣＰＵ使用率）を軽減することを目的として１つの熱等価回路に基づいてパワー半導体素子のジャンクション温度を推定したとしても、算出されたジャンクション温度の推定値と各パワー半導体素子が有するジャンクション温度の真値との乖離は少ない。このように、コンバータに接続される三相交流電源の電圧または電流の不平衡率が小さい場合は、１つの熱等価回路に基づくパワー半導体素子のジャンクション温度の推定処理にて、演算処理装置の計算処理の負担の軽減と高精度の温度推定とを両立することができる。

　しかしながら、コンバータに接続される三相交流電源の電力品質が劣っている場合や三相交流電源に欠相などの異常が発生した場合は電圧または電流の不平衡率が大きくなるので、コンバータ内に存在する複数のパワー半導体素子の個々のジャンクション温度のばらつきも大きくなる。三相交流電源の不平衡率が大きい状況の下で１つの熱等価回路に基づいてパワー半導体素子のジャンクション温度を推定すると、算出されたジャンクション温度の推定値は、複数のパワー半導体素子のいくつかについてのジャンクション温度の真値から大きく乖離したものとなる。すなわち、算出されたジャンクション温度の推定値から大きく外れたジャンクション温度の真値を有するパワー半導体素子が出現してしまう。複数のパワー半導体素子の各々のジャンクション温度を正確に推定するために各パワー半導体素子ごとに熱等価回路を設定してジャンクション温度推定処理を実行することも考えられるが、この場合、演算処理装置の演算処理においてジャンクション温度推定処理が占める割合（例えばＣＰＵ使用率）が大きくなり、ジャンクション温度推定処理以外の他の演算処理に影響を与えてしまう可能性がある。また、他の演算処理への影響を抑えるために、高性能の演算処理装置を用いることが考えられるが、そのような演算処理装置は高価である。したがって、コンバータに接続される三相交流電源の不平衡率が高い場合においても、コンバータ内に設けられたパワー半導体素子のジャンクション温度推定値を高精度に算出することができる温度推定装置及びこれを備えるコンバータシステムの実現が望まれている。

　本開示の一態様によれば、三相交流電源側の交流電力と直流側における直流電力との間で電力変換を行うコンバータに設けられたパワー半導体素子のジャンクション温度推定値を算出する温度推定装置は、パワー半導体素子に流れる電流の値を検出する電流検出部と、電流検出部により検出された電流の値に少なくとも基づいて算出したジャンクション温度暫定値とコンバータに接続される三相交流電源の不平衡率とに基づいて、パワー半導体素子のジャンクション温度推定値を算出するジャンクション温度推定部とを備える。

　また、本開示の一態様によれば、コンバータシステムは、上記温度推定装置と、パワー半導体素子が設けられ、パワー半導体素子がオンオフ動作することにより三相交流電源側の交流電力と直流側における直流電力との間で電力変換を行うコンバータと、を備え、ジャンクション温度推定部は、パワー半導体素子のジャンクション温度推定値を算出する。

　本開示の一態様によれば、コンバータに接続される三相交流電源の電力品質が劣っている場合や三相交流電源に欠相などの異常が発生した場合など三相交流電源の不平衡率が高い場合においても、コンバータ内に設けられたパワー半導体素子のジャンクション温度推定値を高精度に算出することができる温度推定装置及びこれを備えるコンバータシステムを実現することができる。すなわち、本開示の一態様によれば、演算処理装置の演算処理においてジャンクション温度推定処理が占める割合（例えばＣＰＵ使用率）を軽減されるので、当該演算処理装置において温度推定処理以外の他の演算処理への影響を抑えることができる。

本開示の第１及び第４の実施形態による温度推定装置及びこれを備えるコンバータシステムを示す図である。本開示の第１の実施形態による温度推定装置及びこれを備えるコンバータシステムにおける不平衡率算出部の変形例を示す図である。温度補償係数の第２の算出方法により算出された不平衡率ｋと温度補償係数Ａとの関係を例示する図である。本開示の第１の実施形態による温度推定装置の動作フローを示すフローチャートである。本開示の第２の実施形態による温度推定装置及びこれを備えるコンバータシステムを示す図である。本開示の第２の実施形態による温度推定装置の動作フローを示すフローチャートである。本開示の第３の実施形態による温度推定装置及びこれを備えるコンバータシステムを示す図である。本開示の第４の実施形態による温度推定装置の動作フローを示すフローチャートである。本開示の第４の実施形態による温度推定装置の動作フローを示すフローチャートである。

　以下図面を参照して、温度推定装置及びこれを備えるコンバータシステムについて説明する。理解を容易にするために、図面は縮尺を適宜変更している。また、図面に示される形態は実施するための一つの例であり、図示された形態に限定されるものではない。

　本開示の実施形態による温度推定装置を備えるコンバータシステムの直流側の負荷としては、インバータと交流モータとからなる組、及び、直流モータなどがある。交流モータまたは直流モータが設けられる機械には、例えば、工作機械、鍛圧機械、射出成形機、産業機械、あるいは各種ロボットなどが含まれる。

　以下、一例として、本開示の実施形態による温度推定装置を備えるコンバータシステムの直流側の負荷として、インバータ及び交流モータが設けられる例について説明する。交流モータの種類は特に限定されず、例えば誘導モータであっても同期モータであってもよい。また、交流モータの相数は本開示の実施形態を特に限定するものではなく、例えば三相であっても単相であってもよい。なお、本開示の実施形態による温度推定装置を備えるコンバータシステムの直流側の負荷として直流モータが設けられる場合についても、以下の説明は同様に適用可能である。

　まず、本開示の第１の実施形態による温度推定装置及びこれを備えるコンバータシステムについて説明する。

　図１は、本開示の第１及び第４の実施形態による温度推定装置及びこれを備えるコンバータシステムを示す図である。図１に示す温度推定装置及びこれを備えるコンバータシステムにおける各要素の接続関係は、後述する第４の実施形態にも適用可能である。

　コンバータシステム１００は、本開示の第１の実施形態による温度推定装置１と、コンバータ２と、コンバータ制御装置３とを備える。コンバータ２の交流側には、例えば電磁接触器（ＭＣＣ）及び三相交流リアクトルを介して、三相交流電源４が接続される。三相交流電源４の一例を挙げると、三相交流４００Ｖ電源、三相交流２００Ｖ電源、三相交流６００Ｖ電源などがある。

　コンバータシステム１００内のコンバータ２は、三相ブリッジ回路３１と、平滑コンデンサ３２と、ＤＣリンクコンデンサ３３と、予備充電回路３４と、温度検出素子３５とを備える。

　コンバータ２内の三相ブリッジ回路３１は、交流電力を直流電力に変換することができるものであればよく、例えば、ＰＷＭスイッチング制御方式の整流回路、同期整流方式の整流回路、及びダイオード整流方式の整流回路などがある。図１に示す例では、一例として、三相ブリッジ回路３１を、ＰＷＭスイッチング制御方式の整流回路または同期整流方式の整流回路としている。

　三相ブリッジ回路３１は、三相の各相に対応する３つのレグを有する。各レグは、上アーム及び下アームを有する。コンバータ２がＰＷＭスイッチング制御方式の整流回路または同期整流方式の整流回路で構成される場合、三相ブリッジ回路３１の各上アーム及び各下アームには、半導体スイッチング素子とこの半導体スイッチング素子に逆並列に接続されたダイオードとからなるパワー半導体素子が設けられる。半導体スイッチング素子の例としては、ＩＧＢＴ、ＦＥＴ、サイリスタ、ＧＴＯ、及びトランジスタなどがある。コンバータ２がダイオード整流方式の整流回路で構成される場合、三相ブリッジ回路３１の各上アーム及び各下アームには、ダイオードからなるパワー半導体素子が設けられる。

　平滑コンデンサ３２は、三相ブリッジ回路３１の直流側に設けられ、三相ブリッジ回路３１からの直流出力の脈動分を抑える機能を有する。平滑コンデンサ３２の例としては、例えば電解コンデンサやフィルムコンデンサなどがある。

　ＤＣリンクコンデンサ３３は、平滑コンデンサ３２とインバータ５の直流側との間に設けられ、直流電力を蓄積する機能を有する。ＤＣリンクコンデンサ３３の例としては、例えば電解コンデンサやフィルムコンデンサなどがある。

　インバータ５の動作開始前までにＤＣリンクコンデンサ３３を予備充電（初期充電）するために、予備充電回路（初期充電回路）３４が設けられる。予備充電回路３４は、三相ブリッジ回路３１とＤＣリンクコンデンサ３３との間の電路を開閉するスイッチとスイッチに並列接続された充電抵抗とを有する。インバータ５の起動直後（電源投入直後）からインバータ５の通常動作開始前までの予備充電期間中、スイッチは開放（オフ）する。予備充電期間中は、スイッチは開状態を維持するので、三相ブリッジ回路３１から出力される電流は充電抵抗を介して充電電流としてＤＣリンクコンデンサ３３へ流れ込み、ＤＣリンクコンデンサ３３は充電（予備充電）される。予備充電期間中は、三相ブリッジ回路３１から出力される電流は充電抵抗を流れるので、突入電流の発生を防ぐことができる。ＤＣリンクコンデンサ３３が所定の電圧まで充電されると、スイッチは開から閉に切り替えられ、予備充電回路３４による予備充電を完了する。予備充電完了後は、三相ブリッジ回路３１から出力される電流は、閉状態にあるスイッチを通じて、ＤＣリンクに接続されたインバータ５及びＤＣリンクコンデンサ３３へ向けて流れることになる。

　温度検出素子３５は、パワー半導体素子の近傍に設けられ、温度検出素子３５の温度変化に伴い出力が変化する素子である。温度検出素子３５から出力された信号は、後述する温度推定装置１内の周囲温度検出部１４に送られる。温度検出素子３５の例としては、例えば、ＰＴＣサーミスタ、ＮＴＣサーミスタ、及び白金測温抵抗体などがある。

　コンバータシステム１００内のコンバータ制御装置３は、スイッチング制御部４１とＤＣリンク部電圧検出部４２とを備える。

　ＤＣリンク部電圧検出部４２は、ＤＣリンクコンデンサ３３の両端の電位差であるＤＣリンクコンデンサ電圧値を検出する。このコンデンサ電圧値は、直流リンク電圧値に相当する。すなわち、三相ブリッジ回路３１の直流出力側の正側端子に現れる正電位と三相ブリッジ回路３１の直流出力側の負側端子に現れる負電位との間の電位差の値が、ＤＣリンクコンデンサ電圧値である。ＤＣリンク部電圧検出部４２により検出されたＤＣリンクコンデンサ電圧値は、スイッチング制御部４１に送られ、また、インバータ５を制御するための上位制御装置（図示せず）にも送られる。

　スイッチング制御部４１は、上位制御装置（図示せず）から受信した駆動指令、ＤＣリンク部電圧検出部４２により検出されたＤＣリンクコンデンサ電圧値、後述する電流検出部１１により検出されたコンバータ２に入力される電流の値（パワー半導体素子に流れる電流の値）、及び後述する電圧検出部１３により検出されたコンバータ２の三相交流電源側の端子間電圧の値などに基づいて、三相ブリッジ回路３１内の各パワー半導体素子の半導体スイッチング素子に対してオン及びオフを指令するスイッチング指令を生成する。生成されたスイッチング指令は、半導体スイッチング素子のドライブ回路（図示せず）に送られる。ドライブ回路は、スイッチング指令の内容に応じて半導体スイッチング素子をオンオフするためのゲート電圧を各半導体スイッチング素子に印加する。

　なお、図１に示す例では、電流検出部１１及び電圧検出部１３については、温度推定装置１とコンバータ制御装置３とで共用している。この代替例として、温度推定装置１とコンバータ制御装置３とで別々に電流検出部及び電圧検出部を設けてもよい。

　コンバータ制御装置３内には演算処理装置（プロセッサ）が設けられる。この演算処理装置は、上述したスイッチング制御部４１及びＤＣリンク部電圧検出部４２を有する。演算処理装置が有するこれらの各部は、例えば、プロセッサ上で実行されるコンピュータプログラムにより実現される機能モジュールである。例えば、スイッチング制御部４１及びＤＣリンク部電圧検出部４２をコンピュータプログラム形式で構築する場合は、演算処理装置をこのコンピュータプログラムに従って動作させることで、各部の機能を実現することができる。スイッチング制御部４１及びＤＣリンク部電圧検出部４２の各処理を実行するためのコンピュータプログラムは、半導体メモリ、磁気記録媒体または光記録媒体といった、コンピュータ読取可能な記録媒体に記録された形で提供されてもよい。またあるいは、スイッチング制御部４１及びＤＣリンク部電圧検出部４２を、各部の機能を実現するコンピュータプログラムを書き込んだ半導体集積回路として実現してもよい。

　コンバータ２の直流側には、インバータ５が接続される。インバータ５は、スイッチング素子及びこれに逆並列に接続されたダイオードのフリッジ回路からなる。スイッチング素子の例としては、ＩＧＢＴ、ＦＥＴ、サイリスタ、ＧＴＯ、及びトランジスタなどがあるが、その他の半導体素子であってもよい。図１に示す例では、モータ６を三相交流モータとしたので、インバータ５は三相ブリッジ回路で構成される。モータ６が単相交流モータである場合は、インバータ５は単相ブリッジ回路で構成される。インバータ５は、上位制御装置（図示せず）の指令に基づき内部のスイッチング素子のオンオフ動作がＰＷＭ制御されることで、ＤＣリンクにおける直流電力を交流電力に変換して交流入出力側のモータ６へ供給するとともに、モータ６の減速により回生された交流電力を直流電力に変換してＤＣリンクへ戻す。モータ６は、インバータ５から供給される交流電力に基づいて、速度、トルクまたは回転子の位置が制御される。インバータ５を制御する上位制御装置は、アナログ回路と演算処理装置との組み合わせで構成されてもよく、あるいは演算処理装置のみで構成されてもよい。インバータ５を制御する上位制御装置を構成し得る演算処理装置には、例えばＩＣ、ＬＳＩ、ＣＰＵ、ＭＰＵ、ＤＳＰなどがある。

　本開示の第１の実施形態による温度推定装置１は、コンバータ２内の三相ブリッジ回路３１に設けられたパワー半導体素子のジャンクション温度推定値を算出する。温度推定装置１は、電流検出部１１と、ジャンクション温度推定部１２と、電圧検出部１３と、周囲温度検出部１４と、温度比較部１５と、アラーム出力部１６とを備える。

　電流検出部１１は、コンバータ２の三相ブリッジ回路３１内に設けられたパワー半導体素子に流れる電流の値（コンバータ２に入力される電流の値）を検出する。電流検出部１１により検出された電流の値は、ジャンクション温度推定部１２内の暫定値算出部２３及びコンバータ制御装置３内のスイッチング制御部４１に送られる。なお、電流検出部１１は、コンバータ制御装置３に設けられる電流検出部と共用であってもよい。

　電圧検出部１３は、コンバータ２の三相交流電源４側の端子間電圧（線間電圧）の値を検出する。電圧検出部１３によって検出された端子間電圧の値は、ジャンクション温度推定部１２内の暫定値算出部２３及び不平衡率算出部２１並びにコンバータ制御装置３内のスイッチング制御部４１に送られる。なお、電圧検出部１３は、コンバータ制御装置３に設けられる電圧検出部と共用であってもよい。

　周囲温度検出部１４は、パワー半導体素子の近傍に設けられた温度検出素子３５から送られてきた信号に基づいてパワー半導体素子の周囲温度を検出する。周囲温度検出部１４によって検出されたパワー半導体素子の周囲温度は、ジャンクション温度推定部１２内の暫定値算出部２３に送られる。

　ジャンクション温度推定部１２は、電流検出部１１により検出された電流の値に少なくとも基づいて算出したジャンクション温度暫定値とコンバータ２に接続される三相交流電源４の不平衡率とに基づいて、パワー半導体素子のジャンクション温度推定値を算出する。このため、ジャンクション温度推定部１２は、不平衡率算出部２１と、温度補償係数算出部２２と、暫定値算出部２３と、推定値算出部２４と、を有する。

　暫定値算出部２３は、電流検出部１１により検出された電流の値と電圧検出部１３によって検出された端子間電圧の値と周囲温度検出部１４により検出されたパワー半導体素子の周囲温度とに基づいて、パワー半導体素子のジャンクション温度暫定値を算出する。ジャンクション温度暫定値は、三相交流電源４が平衡である状態において推定されるジャンクション温度の値であり、すなわち三相交流電源４の不平衡率については考慮せずに推定される値である。

　パワー半導体素子のジャンクション温度暫定値Ｔ_j1は、式１のように表すことができる。式１において、パワー半導体素子に電流が流れることにより生じる電力をＷとする。また、式１において、予め規定されたパワー半導体素子の単位基準電力をＷ₀とし、パワー半導体素子の単位基準電力Ｗ₀当たりの温度上昇率を「ΔＴ／Ｗ₀」（定数）と定義する。また、式１において、周囲温度検出部１４により検出されたパワー半導体素子の周囲温度をＴ_a、熱時定数をτ、パワー半導体素子に電力が生じている時間（パワー半導体素子に電流が流れている時間）をｔとしている。

　式１において、パワー半導体素子に生じる電力Ｗは、電流検出部１１により検出された電流の値の二乗とパワー半導体素子の抵抗成分の値とを乗算することによって求めることができる。例えば、パワー半導体素子の抵抗をＲ、パワー半導体素子に流れる電流をＩとしたとき、パワー半導体素子に生じる電力Ｗは、「Ｗ＝Ｒ×Ｉ²」となる。よって、暫定値算出部２３は、式１に従って、電流検出部１１により検出された電流の値と電圧検出部１３によって検出された端子間電圧の値と周囲温度検出部１４により検出されたパワー半導体素子の周囲温度とに基づいて、パワー半導体素子のジャンクション温度暫定値を算出する。なお、例えばコンバータ２の設置場所の温度がほぼ一定であるような場合には、式１においてパワー半導体素子の周囲温度Ｔ_aを定数（すなわちコンバータ２の設置場所の温度）とすることで、周囲温度検出部１４及び温度検出素子３５を省略してもよい。

　不平衡率算出部２１は、三相交流電源４の不平衡率を算出する。図１に示す例では、不平衡率算出部２１は、電圧検出部１３により検出された端子間電圧（線間電圧）の値に基づいて、三相交流電源４の電圧の不平衡率を算出する。

　三相交流電源４の電圧の不平衡率は、公知の式に従って算出することができる。ここで、三相交流電源４の電圧の不平衡率の算出方法について、一例として２つ列記する。２つの算出方法の出典元は、公益社団法人日本電気技術者協会のホームページ（https://jeea.or.jp/course/contents/05102/）である。

　三相交流電源４の電圧の不平衡率の第１の算出方法について説明すると次の通りである。

　電圧検出部１３により検出された三相ＲＳＴの端子間電圧（線間電圧）の値をＥ_RS、Ｅ_ST及びＥ_TRとすると、端子間電圧平均値Ｅ_avgは式２のように表すことができる。

　正相電圧Ｅ₁は、式３のように表すことができる。

　逆相電圧Ｅ₂は、式４のように表すことができる。

　よって、三相交流電源４の電圧の不平衡率の第１の算出方法によれば、式３に示す正相電圧Ｅ₁及び式４に示す逆相電圧Ｅ₂を用いて、三相交流電源４の電圧の不平衡率ｋは、式５のように表すことができる。

　三相交流電源４の電圧の不平衡率の第２の算出方法について説明すると次の通りである。

　電圧検出部１３により検出された三相ＲＳＴの端子間電圧（線間電圧）の値をＥ_RS、Ｅ_ST、及びＥ_TRとすると、端子間電圧平均値Ｅ_avgは上述の式２のように表すことができる。このとき、各端子間電圧Ｅ_RS、Ｅ_ST及びＥ_TRと端子間電圧平均値Ｅ_avgとの差の絶対値の最大値Ｅ_diffmaxは式６のように表すことができる。

　よって、三相交流電源４の電圧の不平衡率の第２の算出方法によれば、式２に示す端子間電圧平均値Ｅ_avg及び式６に示すＥ_diffmaxを用いて、三相交流電源４の電圧の不平衡率ｋは、式７のように表すことができる。

　不平衡率算出部２１は、例えば、上述した式５または式７に従って、電圧検出部１３により検出された端子間電圧の値に基づいて、三相交流電源４の電圧の不平衡率を算出する。

　なお、不平衡率算出部２１は、三相交流電源４の不平衡率として、電流検出部１１により検出された電流の値（コンバータ２に入力される電流の値）に基づいて、三相交流電源４の電流の不平衡率を算出してもよい。図２は、本開示の第１の実施形態による温度推定装置及びこれを備えるコンバータシステムにおける不平衡率算出部の変形例を示す図である。電流検出部１１により検出された電流の値は、不平衡率算出部２１に送られる。不平衡率算出部２１は、電流検出部１１により検出された電流の値に基づいて、三相交流電源４の電流の不平衡率を算出する。三相交流電源４の電流の不平衡率を算出にあたっては、例えば、上述した式５または式７の「電圧の値」を「電流の値」に置き換えた式を用いればよい。図２において、不平衡率算出部２１以外の回路構成要素については図１に示す回路構成要素と同様であるので、同一の回路構成要素には同一符号を付して当該回路構成要素についての詳細な説明は省略する。

　不平衡率算出部２１により算出された三相交流電源４の不平衡率は、温度補償係数算出部２２に送られる。温度補償係数算出部２２は、不平衡率に基づいて温度補償係数を算出する。温度補償係数算出部２２により算出された温度補償係数は、推定値算出部２４に送られる。推定値算出部２４は、ジャンクション温度暫定値と温度補償係数とを乗算して得られる値を、パワー半導体素子のジャンクション温度推定値として出力する。

　ここで、ジャンクション温度暫定値、温度補償係数、及びジャンクション温度推定値について、より詳細に説明する。

　上述したように、式１に従って暫定値算出部２３によって算出されたジャンクション温度暫定値は、三相交流電源４が平衡である（不平衡ではない）状況において推定されるジャンクション温度の値である。三相交流電源４が平衡である（不平衡ではない）状況の下で電流検出部１１により検出された電流の値及び電圧検出部１３により検出された電圧の値に基づいて式１に従って算出されたジャンクション温度暫定値は、ジャンクション温度の真値に近い値であるので、当該ジャンクション温度暫定値をそのままパワー半導体素子のジャンクション温度と推定しても（すなわちジャンクション温度推定値として用いても）誤差は少ない。

　しかしながら、三相交流電源４の不平衡率が大きい状況の下で電流検出部１１により検出された電流の値及び電圧検出部１３により検出された電圧の値に基づいて式１に従って算出されたジャンクション温度暫定値は、複数のパワー半導体素子のいくつかについてのジャンクション温度の真値から大きく乖離したものとなる。そこで、本開示の第１の実施形態では、三相交流電源４の不平衡率が大きい状況の下で暫定値算出部２３により算出されたジャンクション温度暫定値とジャンクション温度の真値との乖離を小さくするためのパラメータとして三相交流電源４の不平衡率を反映した温度補償係数を算出し、ジャンクション温度暫定値と温度補償係数とを乗算して得られる値を、パワー半導体素子のジャンクション温度推定値として確定する。

　ここで、温度補償係数の算出方法について、一例として２つ列記する。

　温度補償係数の第１の算出方法について説明すると次の通りである。

　例えば、上述した三相交流電源４の電圧の不平衡率の第２の算出方法にて不平衡率ｋを算出する。このとき、式６において、端子間電圧Ｅ_RS、Ｅ_ST及びＥ_TRのうち、最小値がＥ_RSであると仮定すると、式８が成り立つ。

　式８について式７を用いて変形すると、式９が得られる。

　三相交流電源４の電圧の不平衡時おいてＲ相とＳ相との間に電圧Ｅ_RSが印加されるときにＲ相またはＳ相のパワー半導体素子に生じる電力Ｗ_RSは、式１０のように表すことができる。

　一方、三相交流電源４の電圧の平衡時おいてＲ相とＳ相との間に電圧Ｅ_RSが印加されるときにＲ相またはＳ相のパワー半導体素子に生じる電力Ｗ_RSは、式１１のように表すことができる。

　式１１に示す三相交流電源４の電圧の平衡時の電力Ｗ_RSに式１２に示す係数Ａを乗算すれば、式１０に示す三相交流電源４の電圧の不平衡時の電力Ｗ_RSが得られることが分かる。

　式１２に示す係数Ａを、三相交流電源４の不平衡率が大きい状況の下で暫定値算出部２３により算出されたジャンクション温度暫定値とジャンクション温度の真値との乖離を小さくするための温度補償係数として用いる。例えば不平衡率ｋが０％のときは温度補償係数Ａは１となる。温度補償係数算出部２２は、式１２に従って、不平衡率算出部２１によって算出された不平衡率ｋを用いて温度補償係数Ａを算出し、この温度補償係数Ａを推定値算出部２４へ送る。推定値算出部２４は、例えば、式１で示されるジャンクション温度暫定値と温度補償係数算出部２２により算出された温度補償係数Ａとを乗算して得られる値を、パワー半導体素子のジャンクション温度推定値として出力する。

　温度補償係数の第２の算出方法について説明すると次の通りである。

　温度補償係数の第２の算出方法は、コンバータシステム１００の実際の運用前の実験により、０％～１００％の任意の不平衡率の線間電圧を出力することができる実験用三相交流電源を接続したコンバータシステム１００を動作させて不平衡率と温度補償係数との関係式を求めるものである。実験では、実験用三相交流電源から０％～１００％のうちの特定の不平衡率の線間電圧を出力させて三相ブリッジ回路３１内の各パワー半導体素子のジャンクション温度を実測し、実測したジャンクション温度のうちの最大値を、式１に示すジャンクション温度推定値で除算することで、当該特定の不平衡率のときの温度補償係数Ａを算出する。図３は、温度補償係数の第２の算出方法により算出された不平衡率ｋと温度補償係数Ａとの関係を例示する図である。図３では、実験により得られた０％～３０％の不平衡率ｋに対応する温度補償係数Ａを黒丸で示している。実験により得られた不平衡率ｋと温度補償係数Ａとの値から、不平衡率ｋと温度補償係数Ａとの関係を示す近似式を求める。図３では、一例として、不平衡率ｋと温度補償係数Ａとの関係を直線近似（１次関数）により求めたが、１次関数以外の関数を近似式に用いてもよい。また、不平衡率ｋと温度補償係数Ａとの関係を示す近似式は、不平衡率０％から１００％までを一区間とするものを求めてもよい。あるいは、不平衡率０％から１００％までの間を複数の区間に分割し、区間ごとに不平衡率ｋと温度補償係数Ａとの関係を示す近似式を求めてもよい。実験により求められた不平衡率ｋと温度補償係数Ａとの関係を示す近似式は、温度補償係数算出部２２に予め格納される。温度補償係数算出部２２は、不平衡率算出部２１によって算出された不平衡率ｋに対応する温度補償係数Ａを当該近似式に従って算出し、この温度補償係数Ａを推定値算出部２４へ送る。推定値算出部２４は、例えば、式１で示されるジャンクション温度暫定値と温度補償係数算出部２２により算出された温度補償係数Ａとを乗算して得られる値を、パワー半導体素子のジャンクション温度推定値として出力する。

　このように、パワー半導体素子のジャンクション温度推定値は、式１で示されるジャンクション温度暫定値と温度補償係数算出部２２により算出された温度補償係数Ａとを乗算して得られる。すなわち、パワー半導体素子のジャンクション温度推定値Ｔ_j2は、式１３のように表すことができる。

　なお、式１に従ってジャンクション温度暫定値を算出する際は、パワー半導体素子に生じる電力Ｗを、電流検出部１１により検出された電流を二乗した値とパワー半導体素子の抵抗成分の値とを乗算することによって求めている。代替方法として、パワー半導体の順方向電圧Ｖ_fやコレクタエミッタ間飽和電圧Ｖ_CE(sat)を電流検出部１１により検出された電流値に乗算して求めてもよい。パワー半導体素子の抵抗をＲ、パワー半導体素子に流れる電流をＩとしたとき、パワー半導体素子に生じる電力Ｗは、「Ｗ＝Ｒ×Ｉ²」であるので、式１は、式１４のように変形することができる。

　式１４において、温度上昇率ΔＴ、パワー半導体素子の抵抗Ｒ、及びパワー半導体素子の基準電力Ｗ₀は演算の簡略化のために一定値とみなし、式１５に示す定数Ｍを導入する。

　式１４に式１５を代入すると、式１６で示されるジャンクション温度暫定値Ｔ_j1が得られる。

　暫定値算出部２３は、式１６に従って、電流検出部１１により検出された電流の値と周囲温度検出部１４により検出されたパワー半導体素子の周囲温度とに基づいて、パワー半導体素子のジャンクション温度暫定値を算出することができる。よって、ジャンクション温度推定値Ｔ_j2は、式１７のように表すことができる。

　上述のように推定値算出部２４により算出されたジャンクション温度推定値は、例えば表示部（図示せず）に表示される。表示部の例としては、単体のディスプレイ装置、上位制御部に付属のディスプレイ装置、温度推定装置１に付属のディスプレイ装置、コンバータシステム１００に付属のディスプレイ装置、コンバータシステム１００を備えるモータ駆動装置に付属のディスプレイ装置、並びに、パソコン及び携帯端末に付属のディスプレイ装置などがある。またあるいは、表示部に代えて、温度推定装置１により算出されたジャンクション温度推定値を、音響機器（図示せず）により音声にて出力させてもよい。これにより、三相交流電源４の電力品質が劣っている場合や三相交流電源４に欠相などの異常が発生した場合など三相交流電源４の不平衡率が高い場合においても、作業者は、パワー半導体素子のジャンクション温度推定値を正確かつに把握することができる。

　また、上述のように推定値算出部２４により算出されたジャンクション温度推定値は、温度比較部１５へ送られる。

　温度比較部１５は、ジャンクション温度推定部１２内の推定値算出部２４により算出されたジャンクション温度推定値と所定の温度閾値とを比較する。温度比較部１５による比較結果は、アラーム出力部１６に送られる。温度閾値は、例えば、パワー半導体素子が過熱により破壊される温度よりも数十％程度低い温度、パワー半導体素子の過熱によりコンバータシステム１００が破壊される温度よりも数十％程度低い温度、または、パワー半導体素子もしくはコンバータシステムについて予め規定された定格温度よりも数十％程度高い温度などに設定すればよい。ここで挙げた数値はあくまでも一例であって、これ以外の数値であってもよい。また、例えば実験もしくは実際の運用によりコンバータシステム１００を動作させたりまたはコンピュータによるシミュレーションにより、コンバータシステム１００の適用環境やアラーム出力部１６によるアラームの出力の有無との関係性などを事前に求めたうえで、温度閾値を設定してもよい。設定された温度閾値は、記憶部（図示せず）に記憶される。なお、温度閾値を記憶する記憶部（図示せず）は外部機器によって書き換え可能とすることで、温度閾値を一旦設定した後であっても必要に応じて適切な値に変更することができる。

　アラーム出力部１６は、温度比較部１５による比較結果がジャンクション温度推定値が温度閾値以上であることを示す場合は、アラームを出力する。アラーム出力部１６から出力されたアラームは、例えば表示部（図示せず）に送られ、表示部は、例えば「パワー半導体素子の過熱」を作業者に通知する表示を行う。表示部の例としては、単体のディスプレイ装置、上位制御部に付属のディスプレイ装置、温度推定装置１に付属のディスプレイ装置、コンバータシステム１００に付属のディスプレイ装置、コンバータシステム１００を備えるモータ駆動装置に付属のディスプレイ装置、並びに、パソコン及び携帯端末に付属のディスプレイ装置などがある。またあるいは、アラーム出力部１６から出力されたアラームは、例えば音響機器（図示せず）に送られる。また例えば、アラーム出力部１６から出力されたアラームは、例えばＬＥＤやランプなどの発光機器（図示せず）に送られ、発光機器はアラーム受信時に発光することで、作業者に「パワー半導体素子の過熱」を通知する。また例えば、アラーム出力部１６から出力されたアラームは、例えば音響機器（図示せず）に送られ、音響機器はアラーム受信時に例えば音声、スピーカ、ブザー、チャイムなどのような音を発することで、作業者に「パワー半導体素子の過熱」を通知する。これにより、作業者は、パワー半導体素子の過熱を、確実かつ容易に把握することができる。作業者は、例えば、コンバータシステム１００を緊急停止させたり、パワー半導体素子を交換するといった対応をとることも容易となる。また、アラーム出力部１６から出力されたアラームは、コンバータシステム１００の保護動作に用いられてもよく、あるいはコンバータシステム１００を備えるモータ駆動装置の保護動作に用いられてもよい。

　図４は、本開示の第１の実施形態による温度推定装置の動作フローを示すフローチャートである。

　本開示の第１の実施形態による温度推定装置１及びこれを備えるコンバータシステム１００におけるパワー半導体素子の温度推定処理は、コンバータシステム１００が三相交流電源４に接続されて実際に運用されているときに周期的に実行される。

　ステップＳ１０１において、電圧検出部１３は、コンバータ２の三相交流電源４側の端子間電圧の値を検出する。また、図４では図示を省略したが、電流検出部１１は、コンバータ２の三相ブリッジ回路３１に設けられたパワー半導体素子に流れる電流の値（コンバータ２に入力される電流の値）を検出し、周囲温度検出部１４は、温度検出素子３５から送られてきた信号に基づいてパワー半導体素子の周囲温度を検出する。

　ステップＳ１０２において、不平衡率算出部２１は、三相交流電源４の不平衡率を算出する。算出する三相交流電源４の不平衡率は、電圧の不平衡率であっても電流の不平衡率であってもよい。

　ステップＳ１０３において、温度補償係数算出部２２は、不平衡率算出部２１によって算出された不平衡率を用いて温度補償係数を算出する。

　ステップＳ１０４において、暫定値算出部２３は、電流検出部１１により検出された電流の値と電圧検出部１３によって検出された端子間電圧の値と周囲温度検出部１４により検出されたパワー半導体素子の周囲温度とに基づいて、パワー半導体素子のジャンクション温度暫定値を算出する。

　ステップＳ１０５において、推定値算出部２４は、暫定値算出部２３により算出されたジャンクション温度暫定値と温度補償係数算出部２２により算出された温度補償係数とを乗算して得られる値を、パワー半導体素子のジャンクション温度推定値として出力する。推定値算出部２４により算出されたジャンクション温度推定値は、温度比較部１５へ送られる。また、推定値算出部２４により算出されたジャンクション温度推定値については、例えば表示部（図示せず）に表示してもよく、音響機器（図示せず）により音声にて出力してもよい。

　ステップＳ１０６において、温度比較部１５は、ジャンクション温度推定部１２内の推定値算出部２４により算出されたジャンクション温度推定値と所定の温度閾値とを比較する。ステップＳ１０６において、ジャンクション温度推定値が温度閾値以上であると判定された場合はステップＳ１０７へ進み、ジャンクション温度推定値が温度閾値未満であると判定された場合はステップＳ１０１へ戻る。

　ステップＳ１０７において、アラーム出力部１６は、アラームを出力する。

　上述したステップＳ１０１～Ｓ１０７の処理は、ステップＳ１０７においてアラーム出力部１６によりアラームが出力されるまで、周期的に繰り返し実行される。

　続いて、本開示の第２の実施形態による温度推定装置及びこれを備えるコンバータシステムについて説明する。

　本開示の第２の実施形態は、パワー半導体素子に流れる電流の大きさに応じて、ジャンクション温度暫定値と温度補償係数とを乗算して得られる値をジャンクション温度推定値として出力するかあるいはジャンクション温度暫定値をそのままジャンクション温度推定値として出力するかを切り替えるものである。

　図５は、本開示の第２の実施形態による温度推定装置及びこれを備えるコンバータシステムを示す図である。

　本開示の第２の実施形態による温度推定装置１は、図１または図２に示す第１の実施形態による温度推定装置１内のジャンクション温度推定部１２において電流比較部２５を追加したものである。すなわち、ジャンクション温度推定部１２は、電流比較部２５をさらに有する。

　電流検出部１１により検出された電流の値は、ジャンクション温度推定部１２内の暫定値算出部２３及びコンバータ制御装置３内のスイッチング制御部４１に加えて、電流比較部２５にも送られる。

　電流比較部２５は、電流検出部１１により検出された電流の値と所定の電流閾値とを比較する。電流比較部２５による比較結果は、推定値算出部２４に送られる。電流閾値は、例えばパワー半導体素子の定格電流の６０％に設定されるが、ここで挙げた数値はあくまでも一例であって、これ以外の数値であってもよい。また、例えば実験もしくは実際の運用によりコンバータシステム１００を動作させたりまたはコンピュータによるシミュレーションにより、コンバータシステム１００の適用環境やアラーム出力部１６によるアラームの出力の有無との関係性などを事前に求めたうえで、電流閾値を設定してもよい。設定された電流閾値は、記憶部（図示せず）に記憶される。なお、電流閾値を記憶する記憶部（図示せず）は外部機器によって書き換え可能とすることで、電流閾値を一旦設定した後であっても必要に応じて適切な値に変更することができる。

　パワー半導体素子に流れる電流が小さい場合は、三相交流電源４の不平衡率が及ぼす影響は小さいので暫定値算出部２３により算出されたジャンクション温度暫定値は真値に近いと考えられる。そこで、本開示の第２の実施形態では、パワー半導体素子に流れる電流が小さい場合は、不平衡率算出部２１及び温度補償係数算出部２２は動作させずジャンクション温度暫定値をジャンクション温度推定部として確定することで、不平衡率算出部２１及び温度補償係数算出部２２を構成する演算処理装置の計算負荷を軽減する。一方、パワー半導体素子に流れる電流が大きい場合は、三相交流電源４の不平衡率が及ぼす影響は大きいので、暫定値算出部２３により算出されたジャンクション温度暫定値は真値から大きく乖離したものと考えられる。そこで、本開示の第２の実施形態では、パワー半導体素子に流れる電流が大きい場合は、暫定値算出部２３により算出されたジャンクション温度暫定値と温度補償係数算出部２２により算出された温度補償係数とを乗算して得られる値をジャンクション温度推定値として確定することで、計算負荷の軽減よりも温度推定処理の精度の向上を優先する。

　推定値算出部２４は、電流比較部２５による比較結果が電流検出部１１により検出された電流の値が電流閾値以上であることを示す場合は、暫定値算出部２３により算出されたジャンクション温度暫定値と温度補償係数算出部２２により算出された温度補償係数とを乗算して得られる値をジャンクション温度推定値として出力する。また、推定値算出部２４は、電流比較部２５による比較結果が電流検出部１１により検出された電流の値が電流閾値未満であることを示す場合は、暫定値算出部２３により算出されたジャンクション温度暫定値をそのままジャンクション温度推定値として出力する。

　本開示の第２の実施形態による温度推定装置１及びこれを備えるコンバータシステム１００において、電流検出部１１、推定値算出部２４及び電流比較部２５以外の構成及び動作は、図１を参照して説明した構成及び動作と同様であるので、説明は省略する。

　図６は、本開示の第２の実施形態による温度推定装置の動作フローを示すフローチャートである。

　本開示の第２の実施形態による温度推定装置１及びこれを備えるコンバータシステム１００におけるパワー半導体素子の温度推定処理は、コンバータシステム１００が三相交流電源４に接続されて実際に運用されているときに周期的に実行される。

　ステップＳ２０１において、電圧検出部１３は、コンバータ２の三相交流電源４側の端子間電圧の値を検出する。また、図６では図示を省略したが、周囲温度検出部１４は、温度検出素子３５から送られてきた信号に基づいてパワー半導体素子の周囲温度を検出する。

　ステップＳ２０２において、電流検出部１１は、コンバータ２の三相ブリッジ回路３１に設けられたパワー半導体素子に流れる電流の値（コンバータ２に入力される電流の値）を検出する。

　ステップＳ２０３において、電流比較部２５は、電流検出部１１により検出された電流の値と所定の電流閾値とを比較する。ステップＳ２０３において、電流検出部１１により検出された電流の値が電流閾値以上であると判定された場合はステップＳ２０４へ進み、電流検出部１１により検出された電流の値が電流閾値未満であると判定された場合はステップＳ２０８へ進む。

　ステップＳ２０４において、不平衡率算出部２１は、三相交流電源４の不平衡率を算出する。算出する三相交流電源４の不平衡率は、電圧の不平衡率であっても電流の不平衡率であってもよい。

　ステップＳ２０５において、温度補償係数算出部２２は、不平衡率算出部２１によって算出された不平衡率を用いて温度補償係数を算出する。

　ステップＳ２０６において、暫定値算出部２３は、電流検出部１１により検出された電流の値とパワー半導体素子の抵抗成分の値と周囲温度検出部１４により検出されたパワー半導体素子の周囲温度とに基づいて、パワー半導体素子のジャンクション温度暫定値を算出する。

　ステップＳ２０７において、推定値算出部２４は、暫定値算出部２３により算出されたジャンクション温度暫定値と温度補償係数算出部２２により算出された温度補償係数とを乗算して得られる値を、パワー半導体素子のジャンクション温度推定値として出力する。

　一方、ステップＳ２０３において電流検出部１１により検出された電流の値が電流閾値未満であると判定された場合は、ステップＳ２０８において、暫定値算出部２３は、電流検出部１１により検出された電流の値とパワー半導体素子の抵抗成分の値と周囲温度検出部１４により検出されたパワー半導体素子の周囲温度とに基づいて、パワー半導体素子のジャンクション温度暫定値を算出する。

　ステップＳ２０９において、推定値算出部２４は、暫定値算出部２３により算出されたジャンクション温度暫定値を、パワー半導体素子のジャンクション温度推定値として出力する。

　ステップＳ２０７及びステップＳ２０９において推定値算出部２４により算出されたジャンクション温度推定値は、温度比較部１５へ送られる。また、推定値算出部２４により算出されたジャンクション温度推定値については、例えば表示部（図示せず）に表示してもよく、音響機器（図示せず）により音声にて出力してもよい。

　ステップＳ２１０において、温度比較部１５は、ジャンクション温度推定部１２内の推定値算出部２４により算出されたジャンクション温度推定値と所定の温度閾値とを比較する。ステップＳ２１０において、ジャンクション温度推定値が温度閾値以上であると判定された場合はステップＳ２１１へ進み、ジャンクション温度推定値が温度閾値未満であると判定された場合はステップＳ２０１へ戻る。

　ステップＳ２１１において、アラーム出力部１６は、アラームを出力する。

　上述したステップＳ２０１～Ｓ２１１の処理は、ステップＳ２１１においてアラーム出力部１６によりアラームが出力されるまで、周期的に繰り返し実行される。

　上述のように、ステップＳ２０３において電流検出部１１により検出された電流の値が電流閾値未満であると判定された場合は、不平衡率算出部２１及び温度補償係数算出部２２は動作せず、不平衡率算出部２１及び温度補償係数算出部２２を構成する演算処理装置の計算負荷が軽減される。したがって、本開示の第２の実施形態は第１の実施形態に比べ、演算処理装置の演算処理においてジャンクション温度推定処理が占める割合（例えばＣＰＵ使用率）を軽減しつつ、ジャンクション温度推定値の精度を高めることができる。なお、ステップＳ２０６及びステップＳ２０８において、パワー半導体素子の抵抗成分として、パワー半導体の順方向電圧Ｖ_fやコレクタエミッタ間飽和電圧Ｖ_CE(sat)に基づいてパワー半導体素子のジャンクション温度暫定値を算出してもよい。

　続いて、本開示の第３の実施形態による温度推定装置及びこれを備えるコンバータシステムについて説明する。

　本開示の第３の実施形態は、パワー半導体素子に流れる電流の大きさ及び三相交流電源の不平衡率に応じて、ジャンクション温度暫定値と温度補償係数とを乗算して得られる値をジャンクション温度推定値として出力するかあるいはジャンクション温度暫定値をそのままジャンクション温度推定値として出力するかを切り替えるものである。

　図７は、本開示の第３の実施形態による温度推定装置及びこれを備えるコンバータシステムを示す図である。

　本開示の第３の実施形態による温度推定装置１は、図１または図２に示す第１の実施形態による温度推定装置１内のジャンクション温度推定部１２において電流比較部２５及び不平衡率比較部２６を追加したものである。すなわち、ジャンクション温度推定部１２は、電流比較部２５及び不平衡率比較部２６をさらに有する。

　電流比較部２５は、電流検出部１１により検出された電流の値と所定の電流閾値とを比較する。電流閾値は、例えばパワー半導体素子の定格電流の６０％に設定されるが、ここで挙げた数値はあくまでも一例であって、これ以外の数値であってもよい。電流比較部２５による比較結果は、推定値算出部２４に送られる。

　不平衡率算出部２１により算出された不平衡率は、温度補償係数算出部２２に加えて、不平衡率比較部２６にも送られる。

　不平衡率比較部２６は、不平衡率算出部２１により算出された不平衡率と所定の不平衡率閾値とを比較する。不平衡率比較部２６による比較結果は、推定値算出部２４に送られる。不平衡率閾値は、例えば２％に設定されるが、ここで挙げた数値はあくまでも一例であって、これ以外の数値であってもよい。また、例えば実験もしくは実際の運用によりコンバータシステム１００を動作させたりまたはコンピュータによるシミュレーションにより、コンバータシステム１００の適用環境やアラーム出力部１６によるアラームの出力の有無との関係性などを事前に求めたうえで、不平衡率閾値を設定してもよい。設定された不平衡率閾値は、記憶部（図示せず）に記憶される。なお、不平衡率閾値を記憶する記憶部（図示せず）は外部機器によって書き換え可能とすることで、不平衡率閾値を一旦設定した後であっても必要に応じて適切な値に変更することができる。

　パワー半導体素子に流れる電流が小さい場合は、三相交流電源４の不平衡率が及ぼす影響は小さいので暫定値算出部２３により算出されたジャンクション温度暫定値は真値に近いと考えられる。そこで、本開示の第３の実施形態では、パワー半導体素子に流れる電流が小さい場合は、不平衡率算出部２１及び温度補償係数算出部２２は動作させずジャンクション温度暫定値をそのままジャンクション温度推定値として確定することで、不平衡率算出部２１及び温度補償係数算出部２２を構成する演算処理装置の計算負荷を軽減する。また、パワー半導体素子に流れる電流が大きい場合であっても三相交流電源４の不平衡率が小さい場合は、三相交流電源４の不平衡率が及ぼす影響は小さいので暫定値算出部２３により算出されたジャンクション温度暫定値は真値に近いと考えられる。そこで、本開示の第３の実施形態では、パワー半導体素子に流れる電流が小さくかつ三相交流電源４の不平衡率が小さい場合は、温度補償係数算出部２２は動作させずジャンクション温度暫定値をそのままジャンクション温度推定値として確定することで、温度補償係数算出部２２を構成する演算処理装置の計算負荷を軽減する。また、パワー半導体素子に流れる電流が大きくかつ三相交流電源４の不平衡率が大きい場合は、三相交流電源４の不平衡率が及ぼす影響は大きいので、暫定値算出部２３により算出されたジャンクション温度暫定値は真値から大きく乖離したものと考えられる。そこで、本開示の第３の実施形態では、パワー半導体素子に流れる電流が大きい場合は、暫定値算出部２３により算出されたジャンクション温度暫定値と温度補償係数算出部２２により算出された温度補償係数とを乗算して得られる値をジャンクション温度推定値として確定することで、計算負荷の軽減よりも温度推定処理の精度の向上を優先する。

　推定値算出部２４は、電流比較部２５による比較結果が電流検出部１１により検出された電流の値が電流閾値以上であることを示しかつ不平衡率比較部２６による比較結果が不平衡率算出部により算出された不平衡率が不平衡率閾値以上であることを示す場合は、暫定値算出部２３により算出されたジャンクション温度暫定値と温度補償係数算出部２２により算出された温度補償係数とを乗算して得られる値をジャンクション温度推定値として出力する。また、推定値算出部２４は、電流比較部２５による比較結果が電流検出部１１により検出された電流の値が電流閾値未満であることを示す場合は、暫定値算出部２３により算出されたジャンクション温度暫定値をそのままジャンクション温度推定値として出力する。また、推定値算出部２４は、電流比較部２５による比較結果が電流検出部１１により検出された電流の値が電流閾値以上であることを示しかつ不平衡率比較部２６により算出された不平衡率が不平衡率閾値未満であることを示す場合は、暫定値算出部２３により算出されたジャンクション温度暫定値をそのままジャンクション温度推定値として出力する。

　本開示の第３の実施形態による温度推定装置１及びこれを備えるコンバータシステム１００において、電流検出部１１、不平衡率算出部２１、推定値算出部２４、電流比較部２５及び不平衡率比較部２６以外の構成及び動作は、図１を参照して説明した構成及び動作と同様であるので、説明は省略する。

　図８は、本開示の第３の実施形態による温度推定装置の動作フローを示すフローチャートである。

　本開示の第３の実施形態による温度推定装置１及びこれを備えるコンバータシステム１００におけるパワー半導体素子の温度推定処理は、コンバータシステム１００が三相交流電源４に接続されて実際に運用されているときに周期的に実行される。

　ステップＳ３０１において、電圧検出部１３は、コンバータ２の三相交流電源４側の端子間電圧の値を検出する。また、図８では図示を省略したが、周囲温度検出部１４は、温度検出素子３５から送られてきた信号に基づいてパワー半導体素子の周囲温度を検出する。

　ステップＳ３０２において、電流検出部１１は、コンバータ２の三相ブリッジ回路３１に設けられたパワー半導体素子に流れる電流の値（コンバータ２に入力される電流の値）を検出する。

　ステップＳ３０３において、電流比較部２５は、電流検出部１１により検出された電流の値と所定の電流閾値とを比較する。ステップＳ３０３において、電流検出部１１により検出された電流の値が電流閾値以上であると判定された場合はステップＳ３０４へ進み、電流検出部１１により検出された電流の値が電流閾値未満であると判定された場合はステップＳ３０９へ進む。

　ステップＳ３０４において、不平衡率算出部２１は、三相交流電源４の不平衡率を算出する。算出する三相交流電源４の不平衡率は、電圧の不平衡率であっても電流の不平衡率であってもよい。

　ステップＳ３０５において、不平衡率比較部２６は、不平衡率算出部２１により算出された不平衡率と所定の不平衡率閾値とを比較する。ステップＳ３０５において、不平衡率算出部２１により算出された不平衡率が不平衡率閾値以上であると判定された場合はステップＳ３０６へ進み、不平衡率算出部２１により算出された不平衡率が不平衡率閾値未満であると判定された場合はステップＳ３０９へ進む。

　ステップＳ３０６において、温度補償係数算出部２２は、不平衡率算出部２１によって算出された不平衡率を用いて温度補償係数を算出する。

　ステップＳ３０７において、暫定値算出部２３は、電流検出部１１により検出された電流の値とパワー半導体素子の抵抗成分の値と周囲温度検出部１４により検出されたパワー半導体素子の周囲温度とに基づいて、パワー半導体素子のジャンクション温度暫定値を算出する。

　ステップＳ３０８において、推定値算出部２４は、暫定値算出部２３により算出されたジャンクション温度暫定値と温度補償係数算出部２２により算出された温度補償係数とを乗算して得られる値を、パワー半導体素子のジャンクション温度推定値として出力する。

　一方、ステップＳ３０３において電流検出部１１により検出された電流の値が電流閾値未満であると判定された場合またはステップＳ３０５において不平衡率算出部２１により算出された不平衡率が不平衡率閾値未満であると判定された場合は、ステップＳ３０９において、暫定値算出部２３は、電流検出部１１により検出された電流の値と電圧検出部１３によって検出された端子間電圧の値と周囲温度検出部１４により検出されたパワー半導体素子の周囲温度とに基づいて、パワー半導体素子のジャンクション温度暫定値を算出する。

　ステップＳ３１０において、推定値算出部２４は、暫定値算出部２３により算出されたジャンクション温度暫定値を、パワー半導体素子のジャンクション温度推定値として出力する。

　ステップＳ３０８及びステップＳ３１０において推定値算出部２４により算出されたジャンクション温度推定値は、温度比較部１５へ送られる。また、推定値算出部２４により算出されたジャンクション温度推定値については、例えば表示部（図示せず）に表示してもよく、音響機器（図示せず）により音声にて出力してもよい。

　ステップＳ３１１において、温度比較部１５は、ジャンクション温度推定部１２内の推定値算出部２４により算出されたジャンクション温度推定値と所定の温度閾値とを比較する。ステップＳ３１１において、ジャンクション温度推定値が温度閾値以上であると判定された場合はステップＳ３１２へ進み、ジャンクション温度推定値が温度閾値未満であると判定された場合はステップＳ３０１へ戻る。

　ステップＳ３１２において、アラーム出力部１６は、アラームを出力する。

　上述したステップＳ３０１～Ｓ３１２の処理は、ステップＳ３１１においてアラーム出力部１６によりアラームが出力されるまで、周期的に繰り返し実行される。

　上述のように、ステップＳ３０３において電流検出部１１により検出された電流の値が電流閾値未満であると判定された場合は、不平衡率算出部２１及び温度補償係数算出部２２は動作せず、不平衡率算出部２１及び温度補償係数算出部２２を構成する演算処理装置の計算負荷が軽減される。したがって、本開示の第３の実施形態は第１の実施形態に比べ、演算処理装置の演算処理においてジャンクション温度推定処理が占める割合（例えばＣＰＵ使用率）を軽減しつつ、ジャンクション温度推定値の精度を高めることができる。またステップＳ３０５において不平衡率算出部２１により算出された不平衡率が不平衡率閾値未満であると判定された場合は、温度補償係数算出部２２は動作せず、温度補償係数算出部２２を構成する演算処理装置の計算負荷が軽減される。したがって、本開示の第３の実施形態は第２の実施形態に比べ、演算処理装置の演算処理においてジャンクション温度推定処理が占める割合（例えばＣＰＵ使用率）を軽減しつつ、ジャンクション温度推定値の精度を高めることができる。

　続いて、本開示の第４の実施形態による温度推定装置及びこれを備えるコンバータシステムについて説明する。

　本開示の第４の実施形態は、パワー半導体素子に流れる電流の値をコンバータの各相ごとに検出し、最大値の電流が流れるパワー半導体素子のジャンクション温度推定値を算出するものである。

　本開示の第４の実施形態による温度推定装置及びこれを備えるコンバータシステムにおける各要素の接続関係は、図１に示す第１の実施形態による温度推定装置及びこれを備えるコンバータシステムにおける各要素の接続関係と同じである。ただし、本開示の第４の実施形態における電流検出部１１並びにジャンクション温度推定部１２内の暫定値算出部２３及び推定値算出部２４の各動作は、第１の実施形態における電流検出部１１並びにジャンクション温度推定部１２内の暫定値算出部２３及び推定値算出部２４の各動作とは異なる。具体的には次の通りである。

　電流検出部１１は、コンバータ２の三相ブリッジ回路３１のパワー半導体素子に流れる電流の値を、前記コンバータの各相ごとに検出する。すなわち、電流検出部１１は、三相ブリッジ回路３１の、Ｒ相のパワー半導体素子に流れる電流の値、Ｓ相のパワー半導体素子に流れる電流の値、及びＴ相のパワー半導体素子に流れる電流の値を検出する。電流検出部１１により検出された各相の電流の値は、暫定値算出部２３に送られる。

　ジャンクション温度推定部１２は、電流検出部１１により検出された各相の電流の値のうちの最大値に少なくとも基づいて算出したジャンクション温度暫定値と不平衡率とに基づいて、最大値となる電流が流れるパワー半導体素子のジャンクション温度推定値を算出する。ジャンクション温度推定部１２内の暫定値算出部２３及び推定値算出部２４の動作をより詳細に説明すると次の通りである。

　暫定値算出部２３は、電流検出部１１が検出した各相の電流の中から、最大値となる電流の値を特定し、当該最大値となる電流の値と電圧検出部１３によって検出された端子間電圧の値と周囲温度検出部１４により検出されたパワー半導体素子の周囲温度とに基づいて、最大値となる電流が流れるパワー半導体素子のジャンクション温度暫定値を算出する。

　推定値算出部２４は、暫定値算出部２３により算出された最大値となる電流が流れるパワー半導体素子のジャンクション温度暫定値と温度補償係数算出部２２により算出された温度補償係数とを乗算して得られる値を、最大値となる電流が流れるパワー半導体素子のパワー半導体素子のジャンクション温度推定値として出力する。

　本開示の第４の実施形態による温度推定装置１及びこれを備えるコンバータシステム１００において、電流検出部１１並びにジャンクション温度推定部１２内の暫定値算出部２３及び推定値算出部２４以外の構成及び動作は、図１を参照して説明した構成及び動作と同様であるので、説明は省略する。

　図９は、本開示の第４の実施形態による温度推定装置の動作フローを示すフローチャートである。

　本開示の第４の実施形態による温度推定装置１及びこれを備えるコンバータシステム１００におけるパワー半導体素子の温度推定処理は、コンバータシステム１００が三相交流電源４に接続されて実際に運用されているときに周期的に実行される。

　ステップＳ４０１において、電圧検出部１３は、コンバータ２の三相交流電源４側の端子間電圧の値を検出する。また、図９では図示を省略したが、周囲温度検出部１４は、温度検出素子３５から送られてきた信号に基づいてパワー半導体素子の周囲温度を検出する。

　ステップＳ４０２において、電流検出部１１は、電流検出部１１は、コンバータ２の三相ブリッジ回路３１のパワー半導体素子に流れる電流の値（コンバータ２に入力される各相の電流の値）を、前記コンバータの各相ごとに検出する。電流検出部１１により検出された各相の電流の値は、暫定値算出部２３に送られる。

　ステップＳ４０３において、暫定値算出部２３は、電流検出部１１が検出した各相の電流の中から、最大値となる電流の値を特定する。

　ステップＳ４０４において、不平衡率算出部２１は、三相交流電源４の不平衡率を算出する。算出する三相交流電源４の不平衡率は、電圧の不平衡率であっても電流の不平衡率であってもよい。

　ステップＳ４０５において、温度補償係数算出部２２は、不平衡率算出部２１によって算出された不平衡率を用いて温度補償係数を算出する。

　なお、ステップＳ４０３における処理とステップＳ４０４及びＳ４０５における処理とは、順序を入れ替えて実行してもよい。

　ステップＳ４０６において、暫定値算出部２３は、ステップＳ４０３で特定した最大値となる電流の値とパワー半導体素子の抵抗成分の値と周囲温度検出部１４により検出されたパワー半導体素子の周囲温度とに基づいて、最大値となる電流が流れるパワー半導体素子のジャンクション温度暫定値を算出する。

　ステップＳ４０７において、推定値算出部２４は、暫定値算出部２３により算出された最大値となる電流が流れるパワー半導体素子のジャンクション温度暫定値と温度補償係数算出部２２により算出された温度補償係数とを乗算して得られる値を、最大値となる電流が流れるパワー半導体素子のパワー半導体素子のジャンクション温度推定値として出力する。ステップＳ４０７において推定値算出部２４により算出されたジャンクション温度推定値は、温度比較部１５へ送られる。また、推定値算出部２４により算出されたジャンクション温度推定値については、例えば表示部（図示せず）に表示してもよく、音響機器（図示せず）により音声にて出力してもよい。

　ステップＳ４０８において、温度比較部１５は、ジャンクション温度推定部１２内の推定値算出部２４により算出されたジャンクション温度推定値と所定の温度閾値とを比較する。ステップＳ４０８において、ジャンクション温度推定値が温度閾値以上であると判定された場合はステップＳ４０９へ進み、ジャンクション温度推定値が温度閾値未満であると判定された場合はステップＳ４０１へ戻る。

　ステップＳ４０９において、アラーム出力部１６は、アラームを出力する。

　上述したステップＳ４０１～Ｓ４０９の処理は、ステップＳ４０８においてアラーム出力部１６によりアラームが出力されるまで、周期的に繰り返し実行される。

　三相ブリッジ回路３１において、最大の電流が流れる相に設けられるパワー半導体素子は発熱が最も大きくなり破損の可能性が高く寿命も短縮される可能性が高い。本開示の第４の実施形態によれば、最大値となる電流流れるパワー半導体素子のジャンクション温度推定値に基づいてアラームの出力の有無が決定されるので、より確実にパワー半導体素子を過熱から保護することができ、パワー半導体素子の破損及び寿命短縮の可能性を低減することができる。

　第１～第４の実施形態による温度推定装置１内には、演算処理装置（プロセッサ）が設けられる。この演算処理装置は、上述した電流検出部１１、ジャンクション温度推定部１２、電圧検出部１３、周囲温度検出部１４、温度比較部１５、及びアラーム出力部１６を有する。演算処理装置が有するこれらの各部は、例えば、プロセッサ上で実行されるコンピュータプログラムにより実現される機能モジュールである。例えば、電流検出部１１、ジャンクション温度推定部１２、電圧検出部１３、周囲温度検出部１４、温度比較部１５、及びアラーム出力部１６をコンピュータプログラム形式で構築する場合は、演算処理装置をこのコンピュータプログラムに従って動作させることで、各部の機能を実現することができる。電流検出部１１、ジャンクション温度推定部１２、電圧検出部１３、周囲温度検出部１４、温度比較部１５、及びアラーム出力部１６の各処理を実行するためのコンピュータプログラムは、半導体メモリ、磁気記録媒体または光記録媒体といった、コンピュータ読取可能な記録媒体に記録された形で提供されてもよい。またあるいは、電流検出部１１、ジャンクション温度推定部１２、電圧検出部１３、周囲温度検出部１４、温度比較部１５、及びアラーム出力部１６を、各部の機能を実現するコンピュータプログラムを書き込んだ半導体集積回路として実現してもよい。

　１　　温度推定装置
　２　　コンバータ
　３　　コンバータ制御装置
　４　　三相交流電源
　５　　インバータ
　６　　モータ
　１１　　電流検出部
　１２　　ジャンクション温度推定部
　１３　　電圧検出部
　１４　　周囲温度検出部
　１５　　温度比較部
　１６　　アラーム出力部
　２１　　不平衡率算出部
　２２　　温度補償係数算出部
　２３　　暫定値算出部
　２４　　推定値算出部
　２５　　電流比較部
　２６　　不平衡率比較部
　３１　　三相ブリッジ回路
　３２　　平滑コンデンサ
　３３　　ＤＣリンクコンデンサ
　３４　　予備充電回路
　３５　　温度検出素子
　４１　　スイッチング制御部
　４２　　ＤＣリンク部電圧検出部

Claims

　三相交流電源側の交流電力と直流側における直流電力との間で電力変換を行うコンバータに設けられたパワー半導体素子のジャンクション温度推定値を算出する温度推定装置であって、
　前記パワー半導体素子に流れる電流の値を検出する電流検出部と、
　前記電流検出部により検出された前記電流の値に少なくとも基づいて算出したジャンクション温度暫定値と前記コンバータに接続される前記三相交流電源の不平衡率とに基づいて、前記パワー半導体素子のジャンクション温度推定値を算出するジャンクション温度推定部と、
を備える、温度推定装置。
　前記ジャンクション温度推定部は、
　前記不平衡率を算出する不平衡率算出部と、
　前記不平衡率に基づいて温度補償係数を算出する温度補償係数算出部と、
　前記ジャンクション温度暫定値を算出する暫定値算出部と、
　前記ジャンクション温度暫定値と前記温度補償係数とを乗算して得られる値を、前記ジャンクション温度推定値として出力する推定値算出部と、
を有する、請求項１に記載の温度推定装置。
　前記暫定値算出部は、前記電流検出部により検出された前記電流の値と前記パワー半導体素子の抵抗成分の値とに少なくとも基づいて、前記ジャンクション温度暫定値を算出する、請求項２に記載の温度推定装置。
　前記パワー半導体素子の周囲温度を検出する周囲温度検出部をさらに備え、
　前記暫定値算出部は、前記電流検出部により検出された前記電流の値と前記周囲温度とに少なくとも基づいて、前記ジャンクション温度暫定値を算出する、請求項２または３に記載の温度推定装置。
　前記コンバータの三相交流電源側の端子間電圧の値を検出する電圧検出部をさらに備え、
　前記不平衡率算出部は、前記電圧検出部によって検出された前記端子間電圧の値に基づいて前記不平衡率を算出する、請求項２に記載の温度推定装置。
　前記不平衡率算出部は、前記電流検出部によって検出された前記電流の値に基づいて前記不平衡率を算出する、請求項２に記載の温度推定装置。
　前記ジャンクション温度推定部は、前記電流検出部によって検出された前記電流の値と所定の電流閾値とを比較する電流比較部をさらに有し、
　前記推定値算出部は、前記電流検出部により検出された前記電流の値が前記電流閾値以上である場合は、前記ジャンクション温度暫定値と前記温度補償係数とを乗算して得られる値を前記ジャンクション温度推定値として出力し、前記電流検出部により検出された前記電流の値が前記電流閾値未満である場合は、前記ジャンクション温度暫定値を前記ジャンクション温度推定値として出力する、請求項２～６のいずれか一項に記載の温度推定装置。
　前記ジャンクション温度推定部は、前記電流検出部によって検出された前記電流の値と所定の電流閾値とを比較する電流比較部と、前記不平衡率と所定の不平衡率閾値とを比較する不平衡率電流比較部と、をさらに有し、
　前記推定値算出部は、前記電流検出部により検出された前記電流の値が前記電流閾値以上かつ前記不平衡率が前記不平衡率閾値以上である場合は、前記ジャンクション温度暫定値と前記温度補償係数とを乗算して得られる値を前記ジャンクション温度推定値として出力し、前記電流検出部により検出された前記電流の値が前記電流閾値未満である場合または前記電流検出部により検出された前記電流の値が前記電流閾値以上かつ前記不平衡率が前記不平衡率閾値未満である場合は、前記ジャンクション温度暫定値を前記ジャンクション温度推定値として出力する、請求項２～６のいずれか一項に記載の温度推定装置。
　前記電流検出部は、前記パワー半導体素子に流れる電流の値を、前記コンバータの各相ごとに検出し、
　前記ジャンクション温度推定部は、前記電流検出部により検出された各相の前記電流の値のうちの最大値に少なくとも基づいて算出したジャンクション温度暫定値と前記不平衡率とに基づいて、前記最大値となる電流が流れる前記パワー半導体素子のジャンクション温度推定値を算出する、請求項１～８のいずれか一項に記載の温度推定装置。
　前記ジャンクション温度推定部により算出された前記ジャンクション温度推定値と所定の温度閾値とを比較する温度比較部と、
　前記ジャンクション温度推定値が前記温度閾値以上である場合、アラームを出力するアラーム出力部と、
をさらに備える、請求項１～９のいずれか一項に記載の温度推定装置。
　請求項１～９のいずれか一項に記載の温度推定装置と、
　前記パワー半導体素子が設けられ、前記パワー半導体素子がオンオフ動作することにより三相交流電源側の交流電力と直流側における直流電力との間で電力変換を行う前記コンバータと、
を備え、
　前記ジャンクション温度推定部は、前記パワー半導体素子のジャンクション温度推定値を算出する、コンバータシステム。