WO2023157367A1 - 制御装置、制御システムおよび制御方法 - Google Patents

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    • H05K7/20945—Thermal management, e.g. inverter temperature control

Definitions

  • the present disclosure relates to a control device, control system and control method.
  • This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2022-020984 filed in Japan on February 15, 2022, the content of which is incorporated herein.
  • Patent Document 1 discloses the following electronic component cooling device. That is, the electronic component cooling device disclosed in Patent Document 1 includes a cooler that cools electronic components, a coolant temperature acquisition unit that acquires the temperature of the coolant, a coolant flow rate acquisition unit that acquires the flow rate of the coolant, and an electronic component. A heat loss estimation unit that estimates heat loss in the component, a loss threshold calculation unit that calculates an appropriate upper limit threshold for heat loss in the electronic component based on the coolant temperature and the coolant flow rate, and a coolant flow rate control unit that controls the coolant flow rate. and Also, the refrigerant flow rate control unit increases the flow rate of the refrigerant flowing through the cooler when the estimated heat loss exceeds the appropriate upper limit threshold value.
  • Patent Document 1 does not show how to deal with multiple objects to be cooled.
  • An object of the present disclosure is to provide a control device, a control system, and a control method that can appropriately cool a plurality of power converters.
  • a control device distributes to each power converter within a range in which each predetermined temperature of each of a plurality of power converters each having a power module does not exceed each temperature control value. and a controller for controlling each flow rate of the refrigerant to be supplied.
  • a control method controls each flow rate of a refrigerant distributed to each power converter within a range in which each predetermined temperature of each of a plurality of power converters each having a power module does not exceed each temperature control value. do.
  • control device control system, and control method of the present disclosure, it is possible to appropriately cool a plurality of power converters.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a control system according to an embodiment of the present disclosure
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of a power converter according to an embodiment of the present disclosure
  • FIG. 1 is a perspective view showing a configuration example of a power converter according to an embodiment of the present disclosure
  • FIG. 1 is a perspective view showing a configuration example of a power converter according to an embodiment of the present disclosure, showing a state in which a cover is removed
  • FIG. 1 is a perspective view showing a configuration example of a power converter according to an embodiment of the present disclosure, showing a state seen from below
  • FIG. 2 is a block diagram showing a functional configuration example of a control device according to an embodiment of the present disclosure
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining an operation example of the control system according to the embodiment of the present disclosure
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining an operation example of the control system according to the embodiment of the present disclosure
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining an operation example of the control system according to the embodiment of the present disclosure
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining an operation example of the control device according to the embodiment of the present disclosure
  • 4 is a flow chart showing an operation example of the control device according to the embodiment of the present disclosure
  • 1 is a schematic block diagram showing a configuration of a computer according to at least one embodiment
  • control system A control device, a control system, and a control method according to embodiments of the present disclosure will be described below with reference to FIGS. 1 to 11.
  • FIG. In each figure, the same reference numerals are used for the same or corresponding configurations, and the description thereof will be omitted as appropriate.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a control system according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a configuration example of the power converter according to the embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 3 is a perspective view showing a configuration example of the power converter according to the embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 4 is a perspective view showing a configuration example of the power converter according to the embodiment of the present disclosure, showing a state in which the cover is removed.
  • FIG. 5 is a perspective view showing a configuration example of the power converter according to the embodiment of the present disclosure, showing a state viewed from below.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a control system according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a configuration example of the power converter according to the embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 3 is a perspective view showing a configuration example of the power converter according to the embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 4 is a perspective view showing
  • FIG. 6 is a block diagram illustrating a functional configuration example of a control device according to an embodiment of the present disclosure
  • 7 to 9 are schematic diagrams for explaining operation examples of the control system according to the embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 10 is a schematic diagram for explaining an operation example of the control device according to the embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 11 is a flow chart showing an operation example of the control device according to the embodiment of the present disclosure.
  • the control system 1 includes a control device 10, four power converters 20A to 20D, a cooling device 30, a host control device 40, and a communication line 50.
  • the control system 1 is, for example, a power system used in mobile objects such as automobiles and ships, smart grids, and the like.
  • the control system 1 converts, for example, DC power supplied from a battery, a power generator, or the like into DC power or AC power having a predetermined voltage or current, and outputs the DC power or AC power.
  • the loads in this case are, for example, electric products such as motors, lighting equipment, and air conditioners.
  • the control system 1 also converts, for example, externally supplied AC or DC power into DC power of a predetermined voltage or current, and outputs the DC power.
  • the load in this case is, for example, a battery.
  • Power converters 20A-20D are cooled by coolant supplied from cooling device 30 .
  • the power converters 20A to 20D may each have different conversion functions, or some or all of them may have the same conversion function. Examples of the power converters 20A to 20D include three-phase inverters for driving electric vehicle motors, battery chargers for vehicles, three-phase inverters for driving small motors such as pumps and compressors, and other electrical equipment. It is used as a DC (direct current)/DC converter for goods.
  • each of the power converters 20A to 20D outputs power (and/or output voltage or output current) according to an output command from the host controller 40 (or the controller 10). Control.
  • the power converters 20A to 20D may or may not operate, or may have different loads.
  • the power converters 20A to 20D are collectively referred to as the power converter 20.
  • FIG. Also, the number of power converters 20 is not limited to four, and may be any number.
  • FIG. 2 shows a configuration example of the power converter 20.
  • power converter 20 includes power module 21 , capacitor 22 , current sensor 23 , temperature sensor 24 , fan 25 , and power converter control device 26 .
  • the power module 21, the capacitor 22, the current sensor 23, the temperature sensor 24, and the fan 25 may be one each, or may be partially or entirely plural. Some components such as the sensor 24 and the fan 25 may not be included.
  • the power module 21 includes a plurality of semiconductor elements 27.
  • the semiconductor element 27 is, for example, a power semiconductor element such as a transistor or diode.
  • the transistor is, for example, a power transistor such as an insulated gate bipolar transistor (IGBT) or a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET).
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • MOSFET metal oxide semiconductor field effect transistor
  • the semiconductor element 27 is a transistor, it is controlled to be on/off at a predetermined switching frequency by the power converter control device 26, for example.
  • the capacitor 22 is a smoothing capacitor or a DC link capacitor, and smoothes the ripple voltage generated by the switching operation of the power module 21, for example. Also, the capacitor 22 removes, for example, high-frequency components from the external power input to the power converter 20, for example.
  • a film capacitor can be exemplified.
  • the power converter 20 of this embodiment includes, for example, a plurality of capacitors 22 .
  • the current sensor 23 detects a direct current or alternating current input to or output from the power module 21 and outputs the detection result to the power converter control device 26 .
  • Temperature sensor 24 detects the temperature inside the housing of power converter 20 and outputs the detection result to power converter control device 26 .
  • Fan 25 circulates the air inside the housing of power converter 20 .
  • the fan 25 has its wind speed controlled by, for example, a power converter control device 26 .
  • the power converter control device 26 transmits and receives predetermined information to and from the control device 10 and the host control device 40 via the communication line 50 .
  • the power converter control device 26 inputs the detection result of the current sensor 23, the detection result of the temperature sensor 24, the voltage of each part, etc., and based on the output command etc. received from the host control device 40 etc., It controls the operation of the semiconductor element 27 .
  • the power converter control device 26 also transmits the detection result of the current sensor 23 and the detection result of the temperature sensor 24 to the control device 10 and the like. Further, the power converter control device 26 switches the switching frequency of the semiconductor element 27 of the power module 21 based on the switching frequency switching command received from the control device 10 .
  • FIG. The power module 13 shown in FIGS. 3 to 5 is a module in which a plurality of power semiconductor elements (semiconductor elements 27) such as surface-mount type power MOSFETs and IGBTs are mounted on a circuit board. 3 to 5 illustrate the power module 21 capable of outputting three-phase power.
  • the power converter 20 of this embodiment includes a housing 201, a capacitor 22, a power module 21, a control board 206, a bus bar 204, and a current sensor 23. I have.
  • the housing 201 is a box for housing the capacitor 22, power module 21, control board 206, and current sensor 23, respectively.
  • the housing 201 can be made of, for example, metal or synthetic resin having high thermal conductivity.
  • the housing 201 includes a capacitor accommodating portion 202 , a cover portion 203 and a coolant channel forming portion 205 .
  • the coolant channel forming portion 205 forms a channel through which the coolant flows.
  • the coolant inlet 207 and the coolant outlet 208 communicate the inside and the outside of the coolant channel forming portion 205 . That is, when the coolant is introduced from the coolant inlet 207 , it flows through the channel in the coolant channel forming portion 205 and then is discharged from the coolant outlet 208 to the outside of the coolant channel forming portion 205 .
  • the capacitor housing portion 202 houses the capacitor 22 .
  • the condenser accommodating portion 202 is formed integrally with a portion of the refrigerant channel forming portion 205 .
  • the cover portion 203 defines a power module housing space for housing at least the power module 21 together with the remainder of the coolant flow path forming portion 205 where the capacitor housing portion 202 is not formed and the capacitor housing portion 202 .
  • the remaining portion of the coolant channel forming portion 205 is the portion of the coolant channel forming portion 205 excluding the portion integrally formed with the capacitor accommodating portion 202 .
  • the cover portion 203 is configured to be attachable/detachable to/from the refrigerant channel forming portion 205 and the condenser accommodating portion 202 .
  • part of the coolant channel forming portion 205 formed integrally with the capacitor housing portion 202 cools the condenser, and the remaining portion of the coolant channel forming portion 205 cools the power module 21 . to cool.
  • the power module 21 has cooling fins (not shown) for cooling the power semiconductor elements.
  • the cooling fins are fixed to the back surface of the circuit board facing away from the mounting surface on which the power semiconductor elements are mounted.
  • the cooling fins are electrically insulated from the circuit board so that heat generated from the power semiconductor elements can be transmitted. At least part of the cooling fins are positioned within the flow path of the coolant flow path forming portion 205 . In other words, heat can be exchanged indirectly between the power semiconductor element and the coolant through the cooling fins, the circuit board, and the like.
  • the cooling device 30 shown in FIG. 1 includes pipes 301 to 310, a pump, a heat exchanger, a plurality of control valves, one or a plurality of coolant temperature sensors, a plurality of flow rate sensors, etc. (not shown). In FIG. 1, the flow of the refrigerant is indicated by white arrows.
  • the cooling device 30 may or may not include a device for variably controlling the temperature of the coolant.
  • Refrigerant for cooling power converter 20A enters from tube 301 through tube 303 and exits from tube 304 to tube 302 .
  • Refrigerant for cooling power converter 20B enters from tube 301 through tube 305 and exits from tube 306 to tube 302 .
  • Refrigerant for cooling power converter 20C enters from tube 301 through tube 307 and exits from tube 308 to tube 302 .
  • Refrigerant for cooling power converter 20D enters from tube 301 through tube 309 and exits from tube 310 to tube 302 .
  • the pipe 303 or the pipe 304 is provided with a control valve (not shown) for controlling the flow rate of the refrigerant and a flow sensor (not shown) for measuring the flow rate of the refrigerant.
  • the pipe 305 or the pipe 306 is provided with a control valve (not shown) for controlling the flow rate of the refrigerant and a flow sensor (not shown) for measuring the flow rate of the refrigerant.
  • the pipe 307 or the pipe 308 is provided with a control valve (not shown) for controlling the flow rate of the refrigerant and a flow sensor (not shown) for measuring the flow rate of the refrigerant.
  • the pipe 309 or the pipe 310 is provided with a control valve (not shown) for controlling the flow rate of the refrigerant and a flow sensor (not shown) for measuring the flow rate of the refrigerant.
  • the pipe 301 or the pipe 302 is provided with a refrigerant temperature sensor (not shown) for measuring the temperature of the refrigerant. Note that these control valves are controlled by the control device 10 . Moreover, the detection result of the coolant temperature sensor is output to the control device 10 .
  • the cooling device 30 when the cooling device 30 includes a device that variably controls the temperature of the coolant, the cooling device 30 variably controls the temperature of the coolant according to the control command from the control device 10 .
  • Devices for variably controlling the temperature include, for example, compressors and heat exchangers.
  • the host controller 40 shown in FIG. 1 outputs an output command, which is information indicating a required value of output power, to each power converter 20 according to, for example, the operation mode of each load of the power converter 20.
  • the output command is information including the value of power to be output to the motor.
  • the output command may indicate not only the output power (and/or the output voltage or the output current), but also the conversion efficiency.
  • the output command can include, for example, an instruction to prioritize efficiency by suppressing the output according to the remaining capacity of the battery when the motor or the like is battery-driven.
  • the output command may include contents such as controlling the output power within a range from a first value to a second value (larger than the first value) and controlling the efficiency as high as possible. can.
  • the control device 10 can be configured using, for example, a computer such as a microcomputer, peripheral circuits and peripheral devices of the computer, and the like.
  • the control device 10 includes a control unit 11 and a communication unit 12 as shown in FIG. 6 as a functional configuration composed of a combination of hardware such as a computer and software such as a program executed by the computer. .
  • the control unit 11 controls each flow rate of the refrigerant distributed to each power converter 20 within a range in which each predetermined temperature of each of the plurality of power converters 20 each having the power module 21 does not exceed each temperature control value.
  • Control part 11 controls each flow according to each output of each power converter 20, for example. Or the control part 11 controls each flow volume according to each efficiency of each power converter 20, for example. The flow rate control according to this efficiency will be described later.
  • the predetermined temperature is the temperature of each part in the power converter 20, such as the junction temperature (junction temperature) of the semiconductor element 27 of the power module 21, the temperature of the capacitor 22, and the temperature of the current sensor 23.
  • the temperature control value is a value with a predetermined margin for the maximum allowable temperature of each part.
  • FIG. 7 shows a state in which the flow rate of refrigerant to each power converter 20 is uniformly controlled under the control of the control unit 11 .
  • the total refrigerant flow rate is 60 L/min
  • the refrigerant flow rate to each power converter 20 is uniform at 15 L/min.
  • FIG. 8 shows an example in which the load on power converter 20A is relatively large, power converter 20B is in a stopped state, the load on power converter 20C is relatively small, and power converter 20D is in a stopped state.
  • the control unit 11 sets the flow rate of the refrigerant to the power converter 20A to 35 L/min, the flow rate of the refrigerant to the power converter 20B to 5 L/min, and the flow rate of the refrigerant to the power converter 20C to 15 L/min. min, and each control valve (not shown) is controlled so that the flow rate of the refrigerant to the power converter 20D is 5 L/min.
  • the control unit 11 may instruct each control valve of the flow rate value itself, or may instruct each control valve of the valve opening based on the flow rate value detected by the flow sensor. You may make it
  • FIG. 9 shows an example in which the controller 11 controls the wind speed of the fan 25 in addition to the refrigerant flow rate.
  • the power module 21 is almost unaffected by the ambient temperature and is predominantly affected by cooling by the refrigerant.
  • the capacitor 22, the current sensor 23, etc. cannot be said to be dominated by the cooling effect of the coolant, and the temperature inside the power converter 20 can be a thermal problem. Therefore, the controller 11 controls the flow rate and the wind speed of the fan 25 to lower the temperatures of the capacitor 22 and the current sensor 23 .
  • the load state of each power converter 20 is the same as in the example of FIG. In the example shown in FIG.
  • control unit 11 sets the wind speed of fan 25 of power converter 20A to 3 m/s, the wind speed of fan 25 of power converter 20B to 0 m/s, and the wind speed of fan 25 of power converter 20C to Each fan 25 is controlled so that the wind speed of the fan 25 of the power converter 20D is 1 m/s and 0 m/s.
  • the control unit 11 can control the flow rate and the wind speed of the fan 25 based on the ambient temperature detected by the temperature sensor 24 and the operating state of the current sensor 23 .
  • the operating state of the current sensor 23 is indicated by whether or not the current detected by the current sensor 23 is flowing, and by the magnitude of the current if it is flowing.
  • the predetermined temperature includes the temperature of the capacitor 22 .
  • the control unit 11 can control the flow rate based on the loss of the condenser 22 and the temperature of the refrigerant, and can control the wind speed of the fan 25 based on the ambient temperature.
  • the communication unit 12 shown in FIG. 6 transmits and receives predetermined information to and from the host controller 40, each power converter 20, and the cooling device 30.
  • control unit 11 controls each flow rate of the refrigerant distributed to each power converter 20 within a range in which each predetermined temperature of each power converter 20 does not exceed each temperature control value. In that case, the control part 11 controls each flow volume according to each efficiency of each power converter 20, for example.
  • junction temperature Tj can be calculated by the following formula.
  • Tj loss x thermal resistance + refrigerant temperature
  • the loss depends on the voltage when the semiconductor element 27 is turned on, the energized current, the switching frequency, and the like.
  • the ON voltage corresponds to the voltage corresponding to the ON resistance or the saturation voltage.
  • the ON voltage corresponds to the drain-source voltage or the collector-emitter voltage during conduction.
  • the energized current is a value based on the output command, and cannot be changed by the controller 11 .
  • the on-time voltage the minimum value of the on-time voltage is a value corresponding to the characteristics of the semiconductor element 27 when it is properly driven. Therefore, the control unit 11 cannot further reduce the ON voltage.
  • the ON voltage has temperature dependence.
  • FIG. 10 shows the temperature dependence of the voltage when the semiconductor element 27 is on.
  • the horizontal axis is the applied current, and the vertical axis is the voltage at the time of ON.
  • FIG. 10 shows a comparison between Tj of 150.degree. C. and 25.degree.
  • the control unit 11 of the present embodiment uses the above formula based on the temperature of the coolant, the thermal resistance of the power module 21, and the loss of the power module 21 considering the temperature dependency. Estimate the junction temperature Tj.
  • the switching frequency which affects loss, is a factor that can be changed by the control unit 11 .
  • thermal resistance is a value that represents the difficulty of temperature transfer or a value that represents the difficulty of heat flow in heat transfer that occurs when heat is applied to an object, and the unit is (K/W) or (°C/W). is.
  • the thermal resistance varies depending on, for example, the materials and structures of the members interposed from the cooling fins to the joints in the semiconductor element 27 and the flow rate of the coolant. Materials and structures cannot be controlled by the controller 11 . On the other hand, the controller 11 can control the flow rate.
  • the coolant temperature can be controlled by the controller 11 when the cooling device 30 includes a device that variably controls the temperature of the coolant.
  • the control unit 11 performs control so that the junction temperature Tj of the power module 21 of the power converter 20 does not exceed the temperature management value of the junction temperature Tj, among the factors that determine Tj, the switching frequency and the refrigerant and the temperature of the coolant can be controlled.
  • the temperature of the coolant is limited to the case where the cooling device 30 includes a device that variably controls the temperature of the coolant.
  • the efficiency of the power module 21 can be improved by lowering the junction temperature Tj.
  • control unit 11 controls the flow rate of the refrigerant to each power converter 20 so as to satisfy the following two control conditions.
  • Control condition 1 Change the variable elements (switching frequency, flow rate, and refrigerant temperature) so that the temperature control value of the power module 21 is not exceeded. Controlling the power module 21 so as not to be thermally destroyed is a prerequisite for controlling the flow rate and the like.
  • Control condition 2 The power converter 20 that can reduce the overall loss by increasing the flow rate, utilizing the fact that the loss of the power module 21 has temperature dependency as described with reference to FIG. and reduce the flow to the power converter 20, where increasing the flow does not reduce losses as a whole.
  • the loss as a whole means the total loss of each power converter 20 .
  • control condition 2 is a condition for performing control that pursues high efficiency of the entire system. Note that the control condition 2 may be aimed not at reducing the loss as a whole, but at reducing the loss of some of the power converters 20 .
  • the control unit 11 first calculates each loss of the power converters 20A to 20D from the result of temperature estimation to calculate the total system loss. Next, the control unit 11 allocates flow rates based on the current total loss and each loss, and calculates the efficiency of each power converter 20 so as to increase efficiency. In the specific example described with reference to FIG. 7, the current total flow rate is 60 L/min, and the total upper limit is unchanged. to control the cooling flow rate.
  • the power module 21 has been described as an example, the same can be applied to the capacitor 22 and the current sensor 23 as well. Since the wind speed control by the fan 25 is also added to them, parameters of ambient temperature and wind speed (flow velocity) are added. As a whole, the control condition 1 is set as the first objective so that the temperature falls within the temperature control value, and the second objective is high efficiency as a system.
  • control unit 11 calculates the temperature and efficiency (loss) of each power converter when the flow rate is made uniform from the current operating conditions (step S11).
  • the controller 11 calculates the loss ratio of each power converter 20 (step S12).
  • the controller 11 calculates the flow ratio based on the loss ratio (step S13).
  • the flow rate of the four power converters 20A to 20D is uniformly set to 15 L/min for each power converter 20 in step S11. Further, if the loss ratio is A:B:C:D::4:3:2:1 in step S12, and the total flow rate is 60 L/min in step S13, then 24:18:12:6 The flow rate is determined so that Note that A, B, C and D represent respective losses or respective flow rates of power converters 20A-20D.
  • step S15 the control unit 11 calculates a plurality of flow rate increase/decrease patterns in predetermined flow rate increments using the calculated flow rate ratio as a base pattern.
  • step S15 for example, the flow increment of each power converter 20 is set to 0.5 L/min, and the flow rate calculation result obtained in step S13 is (1) base pattern (24:18:12:6), and the following Six patterns are required.
  • control unit 11 calculates temperature and efficiency (loss) in multiple patterns (step S16). Next, the control unit 11 selects a pattern with the highest overall system efficiency (step S17).
  • the control unit 11 determines whether or not a predetermined switching condition is satisfied (step S18).
  • the switching condition is, for example, that the system efficiency improvement effect of a predetermined value or more can be expected compared to the case of uniform flow rate, and that the predetermined temperature of each power converter 20 is within the temperature control value.
  • the value of the system efficiency improvement effect equal to or greater than the predetermined value can be, for example, 1 kW or greater, but is not limited to this.
  • the predetermined value is, for example, a value at which the benefit of switching the flow rate may not outweigh the disadvantage of switching if it is less than the predetermined value.
  • step S18 If the predetermined switching condition is satisfied (step S18: YES), the control unit 11 executes control to switch the flow rate to the selected pattern (step S19). If the predetermined switching condition is not satisfied (step S18: NO), the control section 11 determines whether or not all patterns have been selected (step S20). If all patterns have not been selected (step S20: NO), the control unit 11 selects the pattern with the next highest efficiency (step S21), and executes the determination process of step S18. On the other hand, if all patterns have been selected (step S20: YES), the control unit 11 uniformly sets the flow rate (step S22), and ends the processing shown in FIG.
  • control device 10 can perform flow rate control that satisfies the above-described control condition 1 and improves the efficiency of the entire system.
  • the control unit 11 may additionally execute the following processing for varying the switching frequency. For example, the control unit 11 switches the frequency from 10 kHz to 5 kHz when the output of the power converter 20 is 75% or more, and switches it from 5 kHz to 10 kHz when the output of the power converter 20 is 65% or less. However, if it is greater than 65% and less than 75%, a hysteresis is provided so that if the current frequency is 10 kHz, it is set to 10 kHz, and if the current frequency is 5 kHz, it is set to 5 kHz. It should be noted that the ratio value (%) of the output to the rated output and the value of the frequency (kHz) are examples and may be arbitrary values.
  • control unit 11 may additionally execute the following refrigerant temperature variable processing. That is, the control unit 11 can expect an effect of improving the system efficiency by a predetermined value or more, but if the predetermined temperature of any of the power converters 20 is not within the temperature control value, the control unit 11 executes the coolant temperature reduction control.
  • the control unit 11 controls the temperature of the refrigerant, the thermal resistance of the power module 21, and the temperature dependence of the power
  • the junction temperature Tj can be estimated based on the loss of the module 21 and the loss of the module 21 .
  • the control unit 11 can further control the switching frequency of at least one power module according to each efficiency of each power converter 20 . Further, the control unit 11 can control each flow rate of the coolant and also control the temperature of the coolant.
  • control unit 11 may be included in any one of the power converters 20 .
  • the power converter 20 including the control unit 11 also functions as the control device 10, and can control other power converters 20 as masters and slaves.
  • FIG. 12 is a schematic block diagram showing the configuration of a computer according to at least one embodiment;
  • Computer 90 comprises processor 91 , main memory 92 , storage 93 and interface 94 .
  • the control device 10 , the power converter control device 26 and the like described above are implemented in the computer 90 .
  • the operation of each processing unit described above is stored in the storage 93 in the form of a program.
  • the processor 91 reads out the program from the storage 93, develops it in the main memory 92, and executes the above processes according to the program.
  • the processor 91 secures storage areas corresponding to the storage units described above in the main memory 92 according to the program.
  • the program may be for realizing part of the functions to be exhibited by the computer 90.
  • the program may function in combination with another program already stored in the storage or in combination with another program installed in another device.
  • the computer may include a custom LSI (Large Scale Integrated Circuit) such as a PLD (Programmable Logic Device) in addition to or instead of the above configuration.
  • PLD Programmable Logic Device
  • Examples of PLD include PAL (Programmable Array Logic), GAL (Generic Array Logic), CPLD (Complex Programmable Logic Device), FPGA (Field Programmable Gate Array), and the like.
  • part or all of the functions implemented by the processor may be implemented by the integrated circuit.
  • Examples of the storage 93 include HDD (Hard Disk Drive), SSD (Solid State Drive), magnetic disk, magneto-optical disk, CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory), DVD-ROM (Digital Versatile Disc Read Only Memory) , semiconductor memory, and the like.
  • the storage 93 may be an internal medium directly connected to the bus of the computer 90, or an external medium connected to the computer 90 via an interface 94 or communication line. Further, when this program is distributed to the computer 90 via a communication line, the computer 90 receiving the distribution may develop the program in the main memory 92 and execute the above process.
  • storage 93 is a non-transitory, tangible storage medium.
  • control device 10 described in each embodiment is understood as follows.
  • the control device 10 controls the power converters 20 so that each predetermined temperature of each of the plurality of power converters 20 each having the power module 21 does not exceed each temperature control value.
  • a controller 11 is provided for controlling each flow rate of the distributed refrigerant. According to this aspect and the following aspects, the plurality of power converters 20 can be cooled appropriately.
  • the control device 10 is the control device 10 of (1), wherein the control section 11 controls each flow rate according to each output of each power converter 20 .
  • the control device 10 according to the third aspect is the control device 10 of (1), wherein the control section 11 controls each flow rate according to each efficiency of each power converter 20 .
  • a control device 10 is the control device 10 of (1) to (3), wherein the predetermined temperature includes the junction temperature of the power module 21, and the control unit 11 , the junction temperature is estimated based on the temperature of the coolant, the thermal resistance of the power module 21, and the loss of the power module 21 considering the temperature dependency.
  • the control device 10 is the control device 10 of (1) to (4), wherein the power converter 20 includes a current sensor 23, a forced air cooling device (fan 25), and the power a temperature sensor 24 for detecting the temperature in the converter housing, the predetermined temperature includes the temperature of the current sensor 23, and the control unit 11 detects the ambient temperature detected by the temperature sensor 24 and the The flow rate and the wind speed of the forced air cooling device are controlled based on the operating state of the current sensor 23 .
  • a control device 10 is the control device 10 of (6), wherein the power converter 20 further has a capacitor 22, and the predetermined temperature is the temperature of the capacitor 22 and the control unit 11 controls the flow rate based on the loss of the condenser 22 and the temperature of the refrigerant, and controls the wind speed of the forced air cooling device based on the ambient temperature.
  • the control device 10 according to the seventh aspect is the control device 10 of (1) to (6), wherein the control unit 11 controls at least one The switching frequency of the power module 21 is further controlled.
  • the control device 10 according to the eighth aspect is the control device 10 of (1) to (7), wherein the control unit 11 controls each flow rate of the refrigerant and adjusts the temperature of the refrigerant. Control.
  • a control device 10 according to a ninth aspect is the control device 10 of (1) to (8), in which one of the power converters 20 includes the control section 11 .
  • a plurality of power converters can be cooled appropriately.
  • Control system 10 Control device 11
  • Control part 20 Control part 20
  • Power converter 21 Power module 22
  • Capacitor 23 ... Current sensor 24
  • Temperature sensor 25 ... Fan 26
  • Power converter control apparatus 27 ... semiconductor element

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Abstract

制御装置は、パワーモジュールを各々が有する複数の電力変換器の各所定の温度が各温度管理値を超えない範囲で、各電力変換器へ分配される冷媒の各流量を制御する制御部を備える。

Description

制御装置、制御システムおよび制御方法
　本開示は、制御装置、制御システムおよび制御方法に関する。本願は、２０２２年０２月１５日に、日本に出願された特願２０２２－０２０９８４号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　特許文献１には、次のような電子部品冷却装置が開示されている。すなわち、特許文献１に開示されている電子部品冷却装置は、電子部品を冷却する冷却器と、冷媒の温度を取得する冷媒温度取得部と、冷媒の流量を取得する冷媒流量取得部と、電子部品における熱損失を推定する熱損失推定部と、冷媒温度と冷媒流量とに基づいて電子部品における熱損失の適正上限閾値を算出する損失閾値算出部と、冷媒の流量を制御する冷媒流量制御部とを有する。また、冷媒流量制御部は、推定熱損失が、適正上限閾値を超えたとき、冷却器を流通する冷媒の流量を増加させる。
特開２０２０－９２２６３号公報
　しかしながら、特許文献１には、冷却対象が複数ある場合にどのように対処するのかということが示されていなかった。
　本開示は、複数の電力変換器を適切に冷却することができる制御装置、制御システムおよび制御方法を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、本開示に係る制御装置は、パワーモジュールを各々が有する複数の電力変換器の各所定の温度が各温度管理値を超えない範囲で、前記各電力変換器へ分配される冷媒の各流量を制御する制御部を備える。
　本開示に係る制御方法は、パワーモジュールを各々が有する複数の電力変換器の各所定の温度が各温度管理値を超えない範囲で、前記各電力変換器へ分配される冷媒の各流量を制御する。
　本開示の制御装置、制御システムおよび制御方法によれば、複数の電力変換器を適切に冷却することができる。
本開示の実施形態に係る制御システムの構成例を示す図である。 本開示の実施形態に係る電力変換器の構成例を示すブロック図である。 本開示の実施形態に係る電力変換器の構成例を示す斜視図である。 本開示の実施形態に係る電力変換器の構成例を示す斜視図であり、カバーを外した状態を示す。 本開示の実施形態に係る電力変換器の構成例を示す斜視図であり、下方から見た状態を示す。 本開示の実施形態に係る制御装置の機能的構成例を示すブロック図である。 本開示の実施形態に係る制御システムの動作例を説明するための模式図である。 本開示の実施形態に係る制御システムの動作例を説明するための模式図である。 本開示の実施形態に係る制御システムの動作例を説明するための模式図である。 本開示の実施形態に係る制御装置の動作例を説明するための模式図である。 本開示の実施形態に係る制御装置の動作例を示すフローチャートである。 少なくとも１つの実施形態に係るコンピュータの構成を示す概略ブロック図である。
＜第１実施形態＞
（制御システム）
　以下、本開示の実施形態に係る制御装置、制御システムおよび制御方法について、図１～図１１を参照して説明する。なお、各図において同一または対応する構成には同一の符号を用いて説明を適宜省略する。
　図１は、本開示の実施形態に係る制御システムの構成例を示す図である。図２は、本開示の実施形態に係る電力変換器の構成例を示すブロック図である。図３は、本開示の実施形態に係る電力変換器の構成例を示す斜視図である。図４は、本開示の実施形態に係る電力変換器の構成例を示す斜視図であり、カバーを外した状態を示す。図５は、本開示の実施形態に係る電力変換器の構成例を示す斜視図であり、下方から見た状態を示す。図６は、本開示の実施形態に係る制御装置の機能的構成例を示すブロック図である。図７～図９は、本開示の実施形態に係る制御システムの動作例を説明するための模式図である。図１０は、本開示の実施形態に係る制御装置の動作例を説明するための模式図である。図１１は、本開示の実施形態に係る制御装置の動作例を示すフローチャートである。
　図１に示すように、本開示の実施形態に係る制御システム１は、制御装置１０と、４台の電力変換器２０Ａ～２０Ｄと、冷却装置３０と、上位制御装置４０と、通信線５０とを備える。制御システム１は、例えば、自動車、船舶等の移動体やスマートグリッド等で用いられる電力システムである。制御システム１は、例えば、バッテリや発電装置等から供給された直流電力を、所定の電圧や電流の直流電力や交流電力に変換して出力する。この場合の負荷は、例えば、モータ、照明機器、空調機器等の電気製品である。また、制御システム１は、例えば、外部から供給された交流または直流電力を、所定の電圧や電流の直流電力に変換して出力する。この場合の負荷は、例えば、バッテリである。ただし、これらは例示であって、制御システム１の用途はこれらに限定されない。
（電力変換器）
　図１に示す電力変換器２０Ａ～２０Ｄは、例えば、入力した直流電力を交流電力に変換して出力したり、交流電力を直流電力に変換したり、直流電力の電圧を昇圧または降圧したり、交流電力と直流電力を双方向に変換したりする変換機能を有する。電力変換器２０Ａ～２０Ｄは、冷却装置３０から供給される冷媒によって冷却される。電力変換器２０Ａ～２０Ｄは、それぞれが異なる変換機能を有していてもよいし、一部または全部が同一の変換機能を有していてもよい。なお、使用例を挙げれば、電力変換器２０Ａ～２０Ｄは、例えば電気自動車のモータ駆動用三相インバータ、車載用バッテリの充電器、ポンプ、コンプレッサ等の小型モータ駆動用三相インバータ、他の電装品用ＤＣ（直流）・ＤＣコンバータ等として使用される。また、図１に示す例では、電力変換器２０Ａ～２０Ｄは、それぞれ、上位制御装置４０（あるいは制御装置１０）からの出力指令に応じて例えば出力電力（および／または出力電圧もしくは出力電流）を制御する。電力変換器２０Ａ～２０Ｄ間には、例えば、制御システム１の動作モードによって、動く、動かない、または負荷の大小の差が生じる。なお、電力変換器２０Ａ～２０Ｄを総称する場合、電力変換器２０という。また、電力変換器２０の台数は４台に限定されず、複数であればよい。
　図２は、電力変換器２０の構成例を示す。図２に示す例では、電力変換器２０は、パワーモジュール２１と、コンデンサ２２と、電流センサ２３と、温度センサ２４と、ファン２５と、電力変換器制御装置２６とを備える。なお、パワーモジュール２１と、コンデンサ２２と、電流センサ２３と、温度センサ２４と、ファン２５は、各１つであってもよいし、一部または全部が複数であってもよいし、例えば温度センサ２４、ファン２５等の一部の構成を有していなくてもよい。
　パワーモジュール２１は、複数の半導体素子２７を備える。半導体素子２７は、例えば、トランジスタ、ダイオード等のパワー半導体素子である。トランジスタは、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）等のパワートランジスタである。ただし、限定はない。なお、半導体素子２７がトランジスタである場合、例えば電力変換器制御装置２６によって所定のスイッチング周波数でオン・オフ制御される。
　コンデンサ２２は、平滑コンデンサあるいはＤＣリンクコンデンサであり、例えばパワーモジュール２１のスイッチング動作で発生したリプル電圧を平滑する。また、コンデンサ２２は、例えば、電力変換器２０へ入力される外部電力から、例えば高周波成分等を除去する。本実施形態におけるコンデンサ２２としては、例えば、フィルムコンデンサ等を例示できる。本実施形態の電力変換器２０は、例えば複数のコンデンサ２２を備えている。
　電流センサ２３は、パワーモジュール２１へ入力またはパワーモジュール２１から出力される直流電流または交流電流を検知し、検知結果を電力変換器制御装置２６へ出力する。温度センサ２４は、電力変換器２０の筐体内の温度を検知し、検知結果を電力変換器制御装置２６へ出力する。ファン２５は、電力変換器２０の筐体内の空気を循環させる。ファン２５は、例えば電力変換器制御装置２６によって風速が制御される。
　電力変換器制御装置２６は、制御装置１０および上位制御装置４０との間で通信線５０を介して所定の情報を送受信する。また、電力変換器制御装置２６は、電流センサ２３の検出結果、温度センサ２４の検出結果、各部の電圧等を入力し、上位制御装置４０等から受信した出力指令等に基づき、パワーモジュール２１の半導体素子２７の動作を制御する。また、電力変換器制御装置２６は、電流センサ２３の検出結果や温度センサ２４の検出結果を制御装置１０等へ送信する。また、電力変換器制御装置２６は、制御装置１０から受信したスイッチング周波数の切り替え指令に基づき、パワーモジュール２１の半導体素子２７のスイッチング周波数を切り替える。
　次に、図３～図５を参照して、電力変換器２０の構造的な構成例について説明する。図３～図５に示すパワーモジュール１３は、面実装タイプのパワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のパワー半導体素子（半導体素子２７）を回路基板上に複数実装したモジュールである。図３～図５では、三相電力を出力可能なパワーモジュール２１を例示している。
　図３～図５に示すように、本実施形態の電力変換器２０は、筐体２０１と、コンデンサ２２と、パワーモジュール２１と、制御基板２０６と、バスバー２０４と、電流センサ２３と、をそれぞれ備えている。
　筐体２０１は、コンデンサ２２、パワーモジュール２１、制御基板２０６、および電流センサ２３をそれぞれ収容するための箱である。筐体２０１は、例えば、熱伝導率の高い金属や合成樹脂等により形成することができる。筐体２０１は、コンデンサ収容部２０２と、カバー部２０３と、冷媒流路形成部２０５とを備えている。
　冷媒流路形成部２０５は、冷媒の流れる流路を形成している。冷媒入口２０７と冷媒出口２０８とは、冷媒流路形成部２０５の内部と外部とを連通している。すなわち、冷媒入口２０７から冷媒を流入させると、冷媒流路形成部２０５内の流路を流れた後、冷媒出口２０８から冷媒流路形成部２０５の外部に排出される。
　コンデンサ収容部２０２は、コンデンサ２２を収容する。コンデンサ収容部２０２は、冷媒流路形成部２０５の一部と一体に形成されている。カバー部２０３は、コンデンサ収容部２０２の形成されていない冷媒流路形成部２０５の残部と、コンデンサ収容部２０２と共に、少なくともパワーモジュール２１を収容するパワーモジュール収容空間を画成している。ここで、冷媒流路形成部２０５の残部とは、冷媒流路形成部２０５のうち、コンデンサ収容部２０２と一体に形成されている部分を除いた部分である。カバー部２０３は、冷媒流路形成部２０５およびコンデンサ収容部２０２に対して着脱可能に構成されている。本実施形態における冷媒流路形成部２０５においては、コンデンサ収容部２０２と一体に形成された冷媒流路形成部２０５の一部がコンデンサを冷却し、冷媒流路形成部２０５の残部がパワーモジュール２１を冷却する。
　なお、パワーモジュール２１は、パワー半導体素子を冷却するための図示していない冷却フィンを備えている。冷却フィンは、パワー半導体素子の実装される実装面とは反対側を向く回路基板の裏面に固定されている。冷却フィンは、回路基板と電気的に絶縁されており、パワー半導体素子から発せられた熱が伝わるようになっている。この冷却フィンの少なくとも一部は、冷媒流路形成部２０５の流路内に位置している。つまり、冷却フィンおよび回路基板等を介してパワー半導体素子と冷媒とが間接的に熱交換可能とされている。
（冷却装置）
　図１に示す冷却装置３０は、管３０１～３１０と、図示していないポンプ、熱交換器、複数の制御弁、１または複数の冷媒温度センサ、複数の流量センサ等を備える。図１は、冷媒の流れを白抜きの矢印で示す。なお、冷却装置３０は、冷媒の温度を可変制御する装置を備えていてもよいし、備えていてなくてもよい。電力変換器２０Ａを冷却する冷媒は、管３０１から管３０３を通って流入し、管３０４から管３０２へと流出する。電力変換器２０Ｂを冷却する冷媒は、管３０１から管３０５を通って流入し、管３０６から管３０２へと流出する。電力変換器２０Ｃを冷却する冷媒は、管３０１から管３０７を通って流入し、管３０８から管３０２へと流出する。電力変換器２０Ｄを冷却する冷媒は、管３０１から管３０９を通って流入し、管３１０から管３０２へと流出する。なお、例えば、管３０３または管３０４には冷媒の流量を制御する図示していない制御弁と、冷媒の流量を計測する図示していない流量センサとが設けられている。また、例えば、管３０５または管３０６には冷媒の流量を制御する図示していない制御弁と、冷媒の流量を計測する図示していない流量センサとが設けられている。また、例えば、管３０７または管３０８には冷媒の流量を制御する図示していない制御弁と、冷媒の流量を計測する図示していない流量センサとが設けられている。また、例えば、管３０９または管３１０には冷媒の流量を制御する図示していない制御弁と、冷媒の流量を計測する図示していない流量センサとが設けられている。また、例えば、管３０１または管３０２には冷媒の温度を計測する図示していない冷媒温度センサが設けられている。なお、これらの制御弁は制御装置１０によって制御される。また、冷媒温度センサの検知結果は制御装置１０に出力される。また、冷却装置３０が冷媒の温度を可変制御する装置を備えている場合、冷却装置３０は制御装置１０からの制御指令に応じて冷媒の温度を可変制御する。なお、温度を可変制御する装置は、例えば、コンプレッサ、熱交換器等を含む。
（上位制御装置）
　図１に示す上位制御装置４０は、例えば、電力変換器２０の各負荷の動作モードに応じて、出力電力の要求値を指示する情報である出力指令を各電力変換器２０に対して出力する。出力指令は、例えば電力変換器２０の負荷がモータである場合、モータに対して出力すべき電力の値を含む情報である。なお、出力指令は、出力電力（および／または出力電圧もしくは出力電流）を指示するだけでなく、変換効率を指示するものとしてもよい。出力指令は、例えば、モータ等をバッテリ駆動する場合にバッテリの残容量等に応じて、出力を抑えて、効率を優先させるといった内容の指示を含むものとすることができる。この場合、例えば、出力電力を第１の値から第２の値（第１の値より大）の範囲内に制御し、効率をできるだけ高く制御するようにといった内容を出力指令に含ませることができる。
（制御装置）
　制御装置１０は、例えば、マイクロコンピュータ等のコンピュータ、そのコンピュータの周辺回路や周辺装置等を用いて構成することができる。制御装置１０は、コンピュータ等のハードウェアと、そのコンピュータが実行するプログラム等のソフトウェアとの組み合わせから構成される機能的構成として、図６に示すように制御部１１と、通信部１２とを備える。
　制御部１１は、パワーモジュール２１を各々が有する複数の電力変換器２０の各所定の温度が各温度管理値を超えない範囲で、各電力変換器２０へ分配される冷媒の各流量を制御する。制御部１１は、例えば、各電力変換器２０の各出力に応じて各流量を制御する。あるいは、制御部１１は、例えば、各電力変換器２０の各効率に応じて各流量を制御する。この効率に応じた流量制御については後述する。なお、所定の温度とは、電力変換器２０内の各部の温度であり、例えば、パワーモジュール２１の半導体素子２７のジャンクション温度（接合部温度）、コンデンサ２２の温度、電流センサ２３の温度である。また、温度管理値は、各部の最大許容温度に対して所定の余裕をもたせた値である。
　図７は、制御部１１による制御のもと、各電力変換器２０への冷媒の流量が一律に制御されている状態を示す。この場合、冷媒の全流量は６０Ｌ／ｍｉｎであり、各電力変換器２０への冷媒の流量は１５Ｌ／ｍｉｎで一律である。
　図８は、電力変換器２０Ａの負荷が相対的に大きく、電力変換器２０Ｂが停止状態、電力変換器２０Ｃの負荷が相対的に小さく、そして、電力変換器２０Ｄが停止状態である例を示す。この場合、制御部１１は、例えば、電力変換器２０Ａへの冷媒の流量を３５Ｌ／ｍｉｎ、電力変換器２０Ｂへの冷媒の流量を５Ｌ／ｍｉｎ、電力変換器２０Ｃへの冷媒の流量を１５Ｌ／ｍｉｎ、そして、電力変換器２０Ｄへの冷媒の流量を５Ｌ／ｍｉｎとなるように上述した図示していない各制御弁を制御する。なお、制御部１１は、各制御弁に対して流量の値そのものを指示するようにしてもよいし、流量センサが検知した流量の値に基づいて各制御弁に対して弁の開度を指示するようにしてもよい。
　図９は、冷媒の流量に加え、制御部１１がファン２５の風速を制御する例を示す。電力変換器２０において、パワーモジュール２１は、ほぼ周囲温度の影響は受けず、冷媒による冷却の影響が支配的である。一方、コンデンサ２２や電流センサ２３などは、冷媒による冷却の影響が支配的とまではいえず、電力変換器２０内の温度が熱課題となりえる。そこで、制御部１１は、流量の制御とファン２５の風速の制御を行うことで、コンデンサ２２や電流センサ２３の温度を低下させる。各電力変換器２０の負荷の状態は図８の例と同一である。図９に示す例では、制御部１１は、電力変換器２０Ａのファン２５の風速を３ｍ／ｓ、電力変換器２０Ｂのファン２５の風速を０ｍ／ｓ、電力変換器２０Ｃのファン２５の風速を１ｍ／ｓ、そして、電力変換器２０Ｄのファン２５の風速を０ｍ／ｓに各ファン２５を制御する。
　例えば、電力変換器２０が電流センサ２３と、強制空冷装置の一例であるファン２５と、電力変換器２０の筐体内の温度を検知する温度センサ２４とを有する場合、所定の温度は電流センサ２３の温度を含む。また、制御部１１は、温度センサ２４が検知した周囲温度と電流センサ２３の動作状態とに基づき流量とファン２５の風速とを制御することができる。なお、電流センサ２３の動作状態は、電流センサ２３が検知する電流が流れているのかいないのか、また、流れている場合には電流の大きさによって示される。
　また、例えば、電力変換器２０がコンデンサ２２を有する場合、所定の温度はコンデンサ２２の温度を含む。また、制御部１１は、コンデンサ２２の損失と冷媒の温度とに基づき流量を制御するとともに、周囲温度に基づきファン２５の風速を制御することができる。
　また、図６に示す通信部１２は、上位制御装置４０、各電力変換器２０および冷却装置３０と所定の情報を送受信する。
（効率に応じた流量制御）
　上述したように、制御部１１は、電力変換器２０の各所定の温度が各温度管理値を超えない範囲で、各電力変換器２０へ分配される冷媒の各流量を制御する。その際、制御部１１は、例えば、各電力変換器２０の各効率に応じて各流量を制御する。
　以下、所定の温度が、パワーモジュール２１の半導体素子２７のジャンクション温度である場合を例として説明する。ジャンクション温度Ｔｊは以下の式で計算することができる。
　Ｔｊ＝損失×熱抵抗＋冷媒温度
　損失は、半導体素子２７のオン時の電圧と通電電流とスイッチング周波数等に依存する。ここで、オン時の電圧とは、オン抵抗に応じた電圧あるいは飽和電圧に対応する。すなわち、オン時の電圧は、通電時のドレイン・ソース間電圧あるいはコレクタ・エミッタ間電圧に対応する。通電電流については出力指令に基づく値であり、制御部１１は変化させることができない。また、オン時の電圧については、オン時の電圧の最小値は、適切な駆動が行われているときは半導体素子２７の特性に応じた値となる。したがって、制御部１１はオン時の電圧をさらに低下させることはできない。ただし、オン時の電圧は、温度依存性を有する。
　図１０は、半導体素子２７のオン時の電圧の温度依存性を示す。横軸は通電電流、縦軸はオン時の電圧である。図１０は、Ｔｊが１５０℃の場合と２５℃の場合を比較して示す。図１０で電圧の差として示すようにＴｊが１５０℃の場合とＴｊが２５℃の場合では電圧に差があるので、Ｔｊが１５０℃の損失がＴｊが２５℃の損失より大きくなる。そこで、本実施形態の制御部１１はジャンクション温度Ｔｊを推定する場合、冷媒の温度とパワーモジュール２１の熱抵抗と温度依存性を考慮したパワーモジュール２１の損失とに基づき、上記計算式を用いてジャンクション温度Ｔｊを推定する。
　一方、損失に影響を与えるスイッチング周波数は、制御部１１が変化させられる要素である。
　次に熱抵抗は、温度の伝わりにくさを表す値あるいは物体に熱を与えた時におこる熱移動において熱の流れにくさを表す値であり、単位は（Ｋ／Ｗ）または（℃／Ｗ）である。パワーモジュール２１の場合、熱抵抗は、例えば冷却フィンから半導体素子２７内の接合部までに介在する部材の材料や構造と、冷媒の流量とに応じて変化する。材料と構造は制御部１１によって制御することはできない。一方、制御部１１は、流量を制御することができる。
　また、冷媒温度は、冷却装置３０が冷媒の温度を可変制御する装置を備えている場合には、制御部１１は制御することができる。
　以上から、制御部１１は、電力変換器２０のパワーモジュール２１のジャンクション温度Ｔｊがジャンクション温度Ｔｊの温度管理値を超えないように制御する場合、Ｔｊを決定する要素の内、スイッチング周波数と、冷媒の流量と、冷媒の温度とを制御することができる。ただし、冷媒の温度は、冷却装置３０が冷媒の温度を可変制御する装置を備えている場合に限定される。
　また、損失には温度依存性があることから、ジャンクション温度Ｔｊを低下させることで、パワーモジュール２１の効率の向上を図ることができる。
　そこで、制御部１１は、次の２つの制御条件を満たすように、各電力変換器２０への冷媒の流量制御を行う。
　制御条件１：パワーモジュール２１の温度管理値を超えないように、可変の要素（スイッチング周波数、流量、および冷媒温度）を変化させる。パワーモジュール２１が熱破壊しない様に制御することが流量等の制御の前提である。
　制御条件２：図１０を参照して説明したようにパワーモジュール２１の損失に温度依存性があることを利用して、流量を増加させることで全体として損失を低下させることができる電力変換器２０への流量を増加させ、流量を増加させても全体として損失を低下させることができない電力変換器２０への流量を減少させる。ここで、全体としての損失とは、各電力変換器２０の損失の合計を意味する。
　すなわち、制御条件２は、システム全体の高効率を追求する制御を行うための条件である。なお、制御条件２は、全体としての損失を低下させることを目的とせず、一部の電力変換器２０の損失を低下させることを目的としてもよい。
　制御条件２については、制御部１１は、まず、温度推定の結果から、電力変換器２０Ａ～２０Ｄの各損失を計算して、システム総損失を計算する。次に、制御部１１は、現状の総損失と各損失とに基づき、流量を割り振り、より効率が上がるように各電力変換器２０の効率を算出する。図７を参照して説明した具体例では、現在の流量総和が６０Ｌ／ｍｉｎとして、総和上限は不変だが、各電力変換器２０への流量制御を行い、より冷却すると効率が上がる電力変換器２０を重点的に流量を冷やす制御をする。
　なお、パワーモジュール２１を例として説明したが、同様のことを、コンデンサ２２と電流センサ２３にも実施することができる。それらには、ファン２５による風速制御も加わるため、周囲温度と風速（流速）のパラメータが加わる。全体として、温度が温度管理値内に入るように制御条件１を１つ目の目的として、２つ目にシステムとして高効率を狙う。
（制御装置１０の動作例）
　次に図１１を参照して、制御装置１０（制御部１１）の動作例について説明する。図１１に示す処理は、所定の周期で繰り返し実行される。図１１に示す処理が開始されると、制御部１１は、現在の運転条件から流量を一律とした場合の各電力変換器の温度および効率（損失）を計算する（ステップＳ１１）。次に、制御部１１は、各電力変換器２０の損失比を計算する（ステップＳ１２）。次に、制御部１１は、損失比に基づき流量比を計算する（ステップＳ１３）。
　例えば図７に示す例では、ステップＳ１１において、４つの電力変換器２０Ａ～２０Ｄの流量が各電力変換器２０に対して一律１５Ｌ／ｍｉｎに設定される。また、ステップＳ１２で例えば損失比が、Ａ：Ｂ：Ｃ：Ｄ：：４：３：２：１の場合、ステップＳ１３では、流量の総和が６０Ｌ／ｍｉｎとすると、２４：１８：１２：６となる様に流量が決定される。なお、Ａ、Ｂ、ＣおよびＤは、電力変換器２０Ａ～２０Ｄの各損失または各流量を表す。
　次に、制御部１１は、計算した流量比をベースパターンとして所定の流量刻みで複数の流量増減パターンを計算する（ステップＳ１５）。ステップＳ１５では、例えば、各電力変換器２０の流量刻みを０．５Ｌ／ｍｉｎとて、ステップＳ１３で求めた流量計算結果を（１）ベースパターン（２４：１８：１２：６）として、次の６パターンが求められる。（２）Ａの流量を１．５Ｌ／ｍｉｎ上げて、Ａ以外の流量を０．５Ｌ／ｍｉｎ下げる場合、（３）Ａの流量を３．０Ｌ／ｍｉｎ上げて、Ａ以外の流量を１．０Ｌ／ｍｉｎ下げる場合、（４）Ａの流量を４．５Ｌ／ｍｉｎ上げて、Ａ以外の流量を１．５Ｌ／ｍｉｎ下げる場合、（５）Ａの流量を１．５Ｌ／ｍｉｎ下げて、Ａ以外の流量を０．５Ｌ／ｍｉｎ上げる場合、（６）Ａの流量を３．０Ｌ／ｍｉｎ下げて、Ａ以外の流量を１．０Ｌ／ｍｉｎ上げる場合、（７）Ａの流量を４．５Ｌ／ｍｉｎ下げて、Ａ以外の流量を１．５Ｌ／ｍｉｎ上げる場合。
　次に、制御部１１は、複数パターンで温度と効率（損失）を計算する（ステップＳ１６）。次に、制御部１１は、一番システム全体の効率が高いパターンを選択する（ステップＳ１７）。
　次に、制御部１１は、所定の切り替え条件が成立したか否かを判定する（ステップＳ１８）。切り替え条件とは、例えば、流量一律の場合と比較して所定値以上のシステム効率の向上効果が期待でき、かつ、各電力変換器２０の所定の温度が温度管理値以内であることである。所定値以上のシステム効率の向上効果の値は、例えば１ｋＷ以上とすることができるが、これに限らない。所定値は、例えば、所定値より小さい場合には流量を切り替えることによる利益が、切り替えることによる不利益を上回らない可能性があるという値である。
　所定の切り替え条件が成立した場合（ステップＳ１８：ＹＥＳ）、制御部１１は、選択したパターンに流量を切り替える制御を実行する（ステップＳ１９）。所定の切り替え条件が成立しなかった場合（ステップＳ１８：ＮＯ）、制御部１１は、全パターンを選択済みか否かを判定する（ステップＳ２０）。全パターンを選択済みでなかった場合（ステップＳ２０：ＮＯ）、制御部１１は、次に効率が高いパターンを選択し（ステップＳ２１）、ステップＳ１８の判定処理を実行する。一方、全パターンを選択済みの場合（ステップＳ２０：ＹＥＳ）、制御部１１は、流量を一律に設定し（ステップＳ２２）、図１１に示す処理を終了する。
　以上の処理で、制御装置１０は、上述した制御条件１を満たし、かつ、システム全体の効率を向上させることができる流量制御を行うことができる。
　なお、ステップＳ１４では、制御部１１は、次のようなスイッチング周波数の可変処理を追加して実行してもよい。制御部１１は、例えば、電力変換器２０の出力７５％以上で、周波数を１０ｋＨｚから５ｋＨｚへ切り替え、電力変換器２０の出力６５％以下で、５ｋＨｚから１０ｋＨｚへ切り替える。ただし、６５％より大きく、７５％未満の場合は、ヒステリシスを設けて、今の周波数が１０ｋＨｚの場合、１０ｋＨｚとし、今の周波数が５ｋＨｚの場合、５ｋＨｚとする。なお、定格出力に対する出力の割合の値（％）と周波数の値（ｋＨｚ）は例示であって、任意の値とすることができる。
　また、ステップＳ１８では、制御部１１は、次のような冷媒温度の可変処理を追加して実行してもよい。すなわち、制御部１１は、所定値以上のシステム効率の向上効果が期待できるが、いずれかの電力変換器２０の所定の温度が温度管理値以内でなかった場合、冷媒温度の低減制御を実行してもよい。
　以上のように、本実施形態によれば、所定の温度が、パワーモジュール２１のジャンクション温度を含む場合、制御部１１は、冷媒の温度とパワーモジュール２１の熱抵抗と温度依存性を考慮したパワーモジュール２１の損失とに基づきジャンクション温度Ｔｊを推定することができる。また、制御部１１は、各電力変換器２０の各効率に応じて少なくとも１つのパワーモジュールのスイッチング周波数をさらに制御することができる。また、制御部１１は、冷媒の各流量を制御するとともに、冷媒の温度を制御することができる。
（変形例）
　なお、制御部１１は、電力変換器２０のいずれかに含まれていてもよい。この場合、制御部１１を含む電力変換器２０は、制御装置１０としても機能し、マスタとして、他の電力変換器２０をスレーブとして制御することができる。
（作用・効果）
　本実施形態の制御装置１０、制御システム１および制御方法によれば、複数の電力変換器２０を適切に冷却することができる。
（その他の実施形態）
　以上、本開示の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、電力変換器２０の構造は、図３～図５を参照して説明した物に限定されず、例えば、ラックマウント型やタワー型等の規格に準じた筐体を用いるもの等であってもよい。
〈コンピュータ構成〉
　図１２は、少なくとも１つの実施形態に係るコンピュータの構成を示す概略ブロック図である。
　コンピュータ９０は、プロセッサ９１、メインメモリ９２、ストレージ９３、および、インタフェース９４を備える。
　上述の制御装置１０、電力変換器制御装置２６等は、コンピュータ９０に実装される。そして、上述した各処理部の動作は、プログラムの形式でストレージ９３に記憶されている。プロセッサ９１は、プログラムをストレージ９３から読み出してメインメモリ９２に展開し、当該プログラムに従って上記処理を実行する。また、プロセッサ９１は、プログラムに従って、上述した各記憶部に対応する記憶領域をメインメモリ９２に確保する。
　プログラムは、コンピュータ９０に発揮させる機能の一部を実現するためのものであってもよい。例えば、プログラムは、ストレージに既に記憶されている他のプログラムとの組み合わせ、または他の装置に実装された他のプログラムとの組み合わせによって機能を発揮させるものであってもよい。なお、他の実施形態においては、コンピュータは、上記構成に加えて、または上記構成に代えてＰＬＤ（Programmable Logic Device）などのカスタムＬＳＩ（Large Scale Integrated Circuit）を備えてもよい。ＰＬＤの例としては、ＰＡＬ(Programmable Array Logic)、ＧＡＬ(Generic Array Logic)、ＣＰＬＤ(Complex Programmable Logic Device)、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等が挙げられる。この場合、プロセッサによって実現される機能の一部または全部が当該集積回路によって実現されてよい。
　ストレージ９３の例としては、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）、ＤＶＤ－ＲＯＭ（Digital Versatile Disc Read Only Memory）、半導体メモリ等が挙げられる。ストレージ９３は、コンピュータ９０のバスに直接接続された内部メディアであってもよいし、インタフェース９４または通信回線を介してコンピュータ９０に接続される外部メディアであってもよい。また、このプログラムが通信回線によってコンピュータ９０に配信される場合、配信を受けたコンピュータ９０が当該プログラムをメインメモリ９２に展開し、上記処理を実行してもよい。少なくとも１つの実施形態において、ストレージ９３は、一時的でない有形の記憶媒体である。 
＜付記＞
　各実施形態に記載の制御装置１０は、例えば以下のように把握される。
（１）第１の態様に係る制御装置１０は、パワーモジュール２１を各々が有する複数の電力変換器２０の各所定の温度が各温度管理値を超えない範囲で、前記各電力変換器２０へ分配される冷媒の各流量を制御する制御部１１を備える。本態様および以下の各態様によれば、複数の電力変換器２０を適切に冷却することができる。
（２）第１の態様に係る制御装置１０は、（１）の制御装置１０であって、前記制御部１１は、前記各電力変換器２０の各出力に応じて前記各流量を制御する。
（３）第３の態様に係る制御装置１０は、（１）の制御装置１０であって、前記制御部１１は、前記各電力変換器２０の各効率に応じて前記各流量を制御する。
（４）第４の態様に係る制御装置１０は、（１）～（３）の制御装置１０であって、前記所定の温度が、前記パワーモジュール２１のジャンクション温度を含み、前記制御部１１は、前記冷媒の温度と前記パワーモジュール２１の熱抵抗と温度依存性を考慮した前記パワーモジュール２１の損失とに基づき前記ジャンクション温度を推定する。
（５）第５の態様に係る制御装置１０は、（１）～（４）の制御装置１０であって、前記電力変換器２０は、電流センサ２３と強制空冷装置（ファン２５）と前記電力変換器筐体内の温度を検知する温度センサ２４とをさらに有し、前記所定の温度が、前記電流センサ２３の温度を含み、前記制御部１１は、前記温度センサ２４が検知した周囲温度と前記電流センサ２３の動作状態とに基づき前記流量と前記強制空冷装置の風速とを制御する。
（６）第６の態様に係る制御装置１０は、（６）の制御装置１０であって、前記電力変換器２０は、コンデンサ２２をさらに有し、前記所定の温度が、前記コンデンサ２２の温度を含み、前記制御部１１は、前記コンデンサ２２の損失と前記冷媒の温度とに基づき前記流量を制御するとともに、前記周囲温度に基づき前記強制空冷装置の風速を制御する。
（７）第７の態様に係る制御装置１０は、（１）～（６）の制御装置１０であって、前記制御部１１は、前記各電力変換器２０の各効率に応じて少なくとも１つの前記パワーモジュール２１のスイッチング周波数をさらに制御する。
（８）第８の態様に係る制御装置１０は、（１）～（７）の制御装置１０であって、前記制御部１１は、前記冷媒の各流量を制御するとともに、前記冷媒の温度を制御する。
（９）第９の態様に係る制御装置１０は、（１）～（８）の制御装置１０であって、前記電力変換器２０のいずれかに前記制御部１１が含まれている。
　本発明の各態様によれば、複数の電力変換器を適切に冷却することができる。
１…制御システム
１０…制御装置
１１…制御部
２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ…電力変換器
２１…パワーモジュール
２２…コンデンサ
２３…電流センサ
２４…温度センサ
２５…ファン
２６…電力変換器制御装置
２７…半導体素子

Claims (11)

  1. 　パワーモジュールを各々が有する複数の電力変換器の各所定の温度が各温度管理値を超えない範囲で、前記各電力変換器へ分配される冷媒の各流量を制御する制御部
    　を備える制御装置。
  2. 　前記制御部は、前記各電力変換器の各出力に応じて前記各流量を制御する
    　請求項１に記載の制御装置。
  3. 　前記制御部は、前記各電力変換器の各効率に応じて前記各流量を制御する
    　請求項１に記載の制御装置。
  4. 　前記所定の温度が、前記パワーモジュールのジャンクション温度を含み、
    　前記制御部は、前記冷媒の温度と前記パワーモジュールの熱抵抗と温度依存性を考慮した前記パワーモジュールの損失とに基づき前記ジャンクション温度を推定する
    　請求項１から３のいずれか１項に記載の制御装置。
  5. 　前記電力変換器は、電流センサと強制空冷装置と前記電力変換器筐体内の温度を検知する温度センサとをさらに有し、
    　前記所定の温度が、前記電流センサの温度を含み、
    　前記制御部は、前記温度センサが検知した周囲温度と前記電流センサの動作状態とに基づき前記流量と前記強制空冷装置の風速とを制御する
    　請求項１から４のいずれか１項に記載の制御装置。
  6. 　前記電力変換器は、コンデンサをさらに有し、
    　前記所定の温度が、前記コンデンサの温度を含み、
    　前記制御部は、前記コンデンサの損失と前記冷媒の温度とに基づき前記流量を制御するとともに、前記周囲温度に基づき前記強制空冷装置の風速を制御する
    　請求項５に記載の制御装置。
  7. 　前記制御部は、前記各電力変換器の各効率に応じて少なくとも１つの前記パワーモジュールのスイッチング周波数をさらに制御する
    　請求項１から６のいずれか１項に記載の制御装置。
  8. 　前記制御部は、前記冷媒の各流量を制御するとともに、前記冷媒の温度を制御する
    　請求項１から７のいずれか１項に記載の制御装置。
  9. 　前記電力変換器のいずれかに前記制御部が含まれている
    　請求項１から８のいずれか１項に記載の制御装置。
  10. 　前記各電力変換器へ前記冷媒を供給する冷却装置と、
    　請求項１から９のいずれか１項に記載の制御装置と
    　を備える制御システム。
  11. 　パワーモジュールを各々が有する複数の電力変換器の各所定の温度が各温度管理値を超えない範囲で、前記各電力変換器へ分配される冷媒の各流量を制御する
    　制御方法。
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