DE112021003307T5

DE112021003307T5 - Wechselrichtervorrichtung und damit ausgerüsteter elektrischer kompressor für fahrzeuge

Info

Publication number: DE112021003307T5
Application number: DE112021003307.7T
Authority: DE
Inventors: Atsushi Saito
Original assignee: Sanden Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2020-08-25
Filing date: 2021-08-24
Publication date: 2023-04-20
Also published as: JP7479483B2; US20230327577A1; CN116114161A; WO2022045098A1; JPWO2022045098A1

Abstract

Ziel ist es, eine Wechselrichtervorrichtung bereitzustellen, die in der Lage ist, Leistungshalbleiterelemente angemessen zu schützen und außerdem einen optimalen Betrieb unter Berücksichtigung einer Stehspannung zu realisieren. Der Wechselrichter enthält eine Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit 32, die einen TemperaturanstiegswertΔ T, der aus einem Verlust P von Leistungshalbleiterelementen 16U bis 17W erhalten wird, zu einer von einem Temperatursensor 22 erfassten Temperatur Tth addiert, um eine Sperrschichttemperatur Tj zu schätzen. Wenn die Sperrschichttemperatur Tj geschätzt wird, führt die Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit 32 eine Korrektur dahingehend durch, dass ein Einfluss der Wärmeerzeugung anderer elektronischer Komponenten als der Leistungshalbleiterelemente 16U bis 17W und ein Verdrahtungsmuster einer Steuerplatine 11 auf einen Temperatursensor 22 ausgeschlossen wird.

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Erfindung betrifft zum Beispiel eine Wechselrichtervorrichtung, die einen Motor eines elektrischen Kompressors betreibt, und einen elektrischen Fahrzeugkompressor, der mit der Wechselrichtervorrichtung ausgestattet ist.
Stand der Technik
Ein Hybridfahrzeug und ein Elektrofahrzeug haben aufgrund der jüngsten Umweltprobleme Aufmerksamkeit erregt, aber ein elektrischer Kompressor wird als Kältemittelkompressor in einer Klimaanlage dieser Art von Hybridfahrzeug oder ähnlichem verwendet. Dieser elektrische Kompressor treibt ein Verdichtungselement durch einen Motor an, der von einer Fahrzeugbatterie (Stromversorgung) gespeist wird, wobei dieser Motor durch eine Wechselrichtervorrichtung betrieben wird.
Diese Art von Wechselrichtervorrichtung steuert die Erregung jeder Phase des Motors durch das Schalten von Leistungshalbleiterelementen (IGBT, MOSFET usw.) in Brückenkonfiguration, aber diese Leistungshalbleiterelemente erzeugen Wärme, die einem Verlust entspricht. Daher ist insbesondere dann, wenn es sich bei dem elektrischen Kompressor um einen elektrischen Fahrzeugkompressor handelt, der in einer Umgebung mit hohen Temperaturen, wie z. B. einem Motorraum, eingesetzt wird, der Überhitzungsschutz der Leistungshalbleiterelemente, aus denen der Wechselrichter besteht, äußerst wichtig.
Als Schutzverfahren, das die Wärmeentwicklung solcher Leistungshalbleiterelemente berücksichtigt, gibt es ein Verfahren zur Schätzung der Sperrschichttemperatur des Leistungshalbleiterelements und zur Unterbrechung des Betriebs auf der Grundlage des Anstiegs der Sperrschichttemperatur auf einen vorgegebenen Wert. Diese Sperrschichttemperatur ist die Temperatur eines Chips im Inneren des Leistungshalbleiterelements (Oberflächentemperaturen eines IGBT-Chips oder eines MOSFET-Chips und eines FWD-Chips). Dies wird dadurch erreicht, dass die Temperatur einer Steuerplatine, mit der der Anschluss des Leistungshalbleiterelements verbunden ist (die Temperatur in der Nähe des Leistungshalbleiterelements), durch einen Temperatursensor (Temperaturdetektor) erfasst wird und zu diesem erfassten Wert ein Temperaturanstiegswert addiert wird, der der Wärmemenge entspricht, die aufgrund eines Verlusts erzeugt wird, der aus einem Schaltverlust und einem Dauerverlust (Leitungsverlust oder Erregungsverlust) des Leistungshalbleiterelements besteht (siehe beispielsweise Patentdokument 1 und Patentdokument 2).
Zitatliste
Patentdokumente

Patentdokument 1: Offengelegte Japanische Patentanmeldung Nr. 2018-46647
Patentdokument 2: Japanisches Patent Nr. 6330219
Patentdokument 3: Japanisches Patent Nr. 3983439

Zusammenfassung der Erfindung
Probleme, die durch die Erfindung gelöst werden sollen
Auf der Steuerplatine, auf der sich der Temperaturdetektor befindet, befinden sich jedoch neben den einzelnen Leistungshalbleiterelementen noch andere elektronische Komponenten und Verdrahtungsmuster, die bei Betrieb ebenfalls Wärme erzeugen. Da diese Wärme auf den Temperaturdetektor übertragen wird, ergibt sich das Problem, dass der Temperaturdetektor eine höhere Temperatur als die tatsächliche Sperrschichttemperatur erfasst und der Betrieb unterdrückt oder in einem Stadium gestoppt wird, in dem ein Überhitzungsschutz des Leistungshalbleiterelements nicht erforderlich ist.
Wenn die Wechselrichtervorrichtung zum Betrieb des Motors des elektrischen Fahrzeugkompressors verwendet wird, ist das Leistungshalbleiterelement in einer Wärmeaustauschbeziehung mit einem Gehäuse des elektrischen Fahrzeugkompressors angeordnet. Dies dient der Kühlung des Leistungshalbleiterelements durch ein in das Gehäuse strömendes Niedertemperatur-Saugkältemittel, aber eine Kühlwirkung variiert in diesem Fall in Abhängigkeit von der Anzahl der Umdrehungen des Motors, so dass die herkömmliche Methode zur Abschätzung der Sperrschichttemperatur mit dem Problem einherging, dass eine genaue Temperatur nicht abgeschätzt werden konnte und schließlich kein angemessener Schutz durchgeführt werden konnte.
Darüber hinaus ist es in der Praxis so, dass die Stehspannung des Leistungshalbleiterelements in Serie in Intervallen mit einer relativ großen Breite entwickelt wurde, wie z. B. bei einem 600-V-Stehspannungsprodukt und einem 1200-V-Stehspannungsprodukt bei IGBTs. Je höher die Stehspannung des IGBT ist, desto schlechter sind die elektrischen Eigenschaften und desto nachteiliger sind die Kosten.
Wenn das Gate des IGBT angesteuert wird, wird eine StoßspannungΔ V (= L*di/dt) erzeugt, wie auf der linken Seite von 15 dargestellt, und zwar aufgrund der Induktivität L einer Verdrahtungssammelschiene, wenn das Gate von EIN auf AUS (Ausschalten) geschaltet wird. Wenn diese StoßspannungΔ V jedoch die Stehspannung des IGBT (die Obergrenze der zulässigen Kollektor-Emitter-Spannung) überschreitet, besteht die Gefahr, dass das Element zerstört wird. Daher ist es z. B. beim Antrieb eines Motors eines elektrischen Kompressors in einem Fahrzeug, wenn der obere Spannungsgrenzwert einer Hochspannungsbatterie keinen Spielraum für die Stehspannung (Element-Stehspannung) des Leistungshalbleiterelements hat, notwendig, die auf der linken Seite von 15 gezeigte Stoßspannung ΔV extrem klein zu machen. Der Grund dafür ist, dass, wie oben erwähnt, die Verwendung der höheren Stehspannung so weit wie möglich vermieden werden soll.
Andererseits hat die Stehspannung des IGBT, wie auf der rechten Seite von 15 gezeigt, die Eigenschaft, dass die Stehspannung umso niedriger ist, je niedriger die Sperrschichttemperatur ist. In diesem Fall ist die Stehspannung linear, d. h. sie sinkt um so viele Volt, wie viele 1° C die Sperrschichttemperatur sinkt. Wenn also die Stehspannung dem oberen Spannungsgrenzwert der Hochspannungsbatterie + der StoßspannungΔ V bei einer Sperrschichttemperatur von X° C entspricht, besteht die Möglichkeit einer Zerstörung aufgrund einer Stehspannungsabweichung beim Betrieb bei X° C oder weniger.
Um die Abnahme der Stehspannung bei niedriger Temperatur zu berücksichtigen und die StoßspannungΔ V beim Ausschalten extrem klein zu machen, ist es daher erforderlich, einen Gate-Widerstand mit dem Gate des IGBT zu verbinden, den Widerstandswert dieses Gate-Widerstands groß einzustellen und die abfallende Wellenform einer Signalspannung, die dem Gate aufgrund der parasitären Kapazität zwischen dem Gate-Widerstand und dem Gate-Emitter des IGBT zugeführt wird, zu dämpfen. Wenn jedoch der Widerstandswert des Gatewiderstands (Gatewiderstandswert) erhöht wird, wird eine Stromabschaltgeschwindigkeit, wenn der IGBT ausgeschaltet wird, langsam (di/dt ist klein), und wie in 16 gezeigt, wird ein Betriebsverlust (erzeugter Verlust), der erzeugt wird, zunehmen.
Wenn der IGBT jedoch tatsächlich in Betrieb ist, erzeugt er selbst Wärme aufgrund des Betriebsverlusts (erzeugte Verluste), die wie oben beschrieben entstehen, so dass die Sperrschichttemperatur allmählich ansteigt und auch die Stehspannung entsprechend zunimmt. Daher ist das Problem unmittelbar nach dem Start in einer Umgebung mit niedriger Temperatur am größten. Allerdings gibt es ein Problem, dass, da es selbstverständlich notwendig ist, um mit dem Vorgängen in allen Situationen umzugehen, den Widerstandswert des Gate-Widerstandes zu erhöhen, und damit das Gerät groß in einem solchen erzeugten Verlust, wie in 16 gezeigt, dh, niedrig in der Effizienz gebracht wird.
Um dieses Problem zu lösen, wurde eine optimierte Schaltung entwickelt, die die temperaturbedingten Spannungsschwankungen berücksichtigt, indem der Widerstandswert des Gate-Widerstands (Eingangswiderstand) entsprechend der Temperatur des Leistungshalbleiterelements geändert wird (siehe z. B. Patentschrift 3). Doch selbst in diesem Fall ist es äußerst wichtig, die genaue Sperrschichttemperatur zu erfassen, um einen optimalen Betrieb zu gewährleisten.
Die vorliegende Erfindung wurde getätigt, um die oben erwähnten konventionellen technischen Probleme zu lösen, und es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Wechselrichtervorrichtung, die in der Lage ist, ein Leistungshalbleiterelement genau zu schützen und weiterhin einen optimalen Betrieb unter Berücksichtigung einer Stehspannung zu realisieren, und einen elektrischen Fahrzeugkompressor, der die Wechselrichtervorrichtung verwendet, bereitzustellen.
Mittel zur Lösung der Probleme
Eine Wechselrichtervorrichtung gemäß Anspruch 1 enthält eine Wechselrichterschaltung mit mindestens einem Leistungshalbleiterelement, und eine Wechselrichtersteuereinheit zum Ansteuern des Leistungshalbleiterelements, und einen Temperaturdetektor zum Erfassen einer Temperatur in der Nähe des Leistungshalbleiterelements. Die Wechselrichtervorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselrichtersteuereinheit eine Verlustberechnungseinheit zum Berechnen eines Verlusts P des Leistungshalbleiterelements und eine Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit zum Addieren eines TemperaturanstiegswertsΔ T, der aus dem von der Verlustberechnungseinheit berechneten Verlust P des Leistungshalbleiterelements erhalten wird, zu der von dem Temperaturdetektor erfassten Temperatur Tth enthält, um eine Sperrschichttemperatur Tj des Leistungshalbleiterelements zu abzuschätzen, und dass beim Abschätzen der Sperrschichttemperatur Tj die Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit eine Korrektur in der Richtung des Ausschließens eines Einflusses der Wärmeerzeugung anderer elektronischer Komponenten als des Leistungshalbleiterelements und/oder eines Verdrahtungsmusters einer Steuerplatine auf den Temperaturdetektor durchführt.
Die erfindungsgemäße Wechselrichtervorrichtung gemäß Anspruch 2 ist dadurch gekennzeichnet, dass bei der obigen Erfindung der Temperaturdetektor auf der Steuerplatine angeordnet ist, auf der die anderen elektronischen Komponenten montiert sind.
Die erfindungsgemäße Wechselrichtervorrichtung gemäß Anspruch 3 ist dadurch gekennzeichnet, dass in den obigen jeweiligen Erfindungen die Berechnungseinheit für die Sperrschichttemperaturschätzung den Verlust P des Leistungshalbleiterelements mit einer vorbestimmten thermischen Variablen α multipliziert, um den Temperaturanstiegswert ΔT zu berechnen, und die thermische Variable α auf der Grundlage eines Betriebszustands ändert, um eine Korrektur dahingehend durchzuführen, dass der Einfluss der Wärmeerzeugung der anderen elektronischen Komponenten und/oder des Verdrahtungsmusters der Steuerplatine auf den Temperaturdetektor ausgeschlossen wird.
Die erfindungsgemäße Wechselrichtervorrichtung gemäß Anspruch 4 ist dadurch gekennzeichnet, dass in der obigen Erfindung der Betriebszustand eine beliebige Versorgungsspannung, einen Phasenstrom und einen Eingangsstrom oder eine Kombination davon oder alle davon umfasst.
Die erfindungsgemäße Wechselrichtervorrichtung gemäß Anspruch 5 ist dadurch gekennzeichnet, dass in der obigen Erfindung die thermische Variable α als ein Wert abgebildet wird, der aus mindestens zwei der Versorgungsspannung, dem Phasenstrom und dem Eingangsstrom bestimmt wird.
Die erfindungsgemäße Wechselrichtervorrichtung gemäß Anspruch 6 ist dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erfindung gemäß Anspruch 4 oder 5 die thermische Variable α größer wird, wenn die Versorgungsspannung höher wird.
Die erfindungsgemäße Wechselrichtervorrichtung gemäß Anspruch 7 ist dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erfindung gemäß Anspruch 4 oder 5 die thermische Variable α kleiner wird, wenn der Phasenstrom zunimmt.
Die erfindungsgemäße Wechselrichtervorrichtung gemäß Anspruch 8 ist dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erfindung gemäß Anspruch 4 oder 5 die thermische Variable α kleiner wird, wenn der Eingangsstrom zunimmt.
Die erfindungsgemäße Wechselrichtervorrichtung gemäß Anspruch 9 ist dadurch gekennzeichnet, dass in den obigen jeweiligen Erfindungen die Wechselrichtersteuereinheit einen vorbestimmten Schutzvorgang ausführt, wenn die von der Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit geschätzte Sperrschichttemperatur Tj des Leistungshalbleiterelements einen vorbestimmten Wert überschreitet.
Ein erfindungsgemäßer elektrischer Fahrzeugkompressor gemäß Anspruch 10 beinhaltet einen Motor, der von der oben beschriebenen Wechselrichtervorrichtung jeder oben beschriebenen Erfindung betrieben wird, und einem Gehäuse, in dem der Motor untergebracht ist, und ist dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungshalbleiterelement in einer Wärmeaustauschbeziehung mit einem Niedertemperaturbereich des Gehäuses angeordnet ist.
Ein erfindungsgemäßer elektrischer Fahrzeugkompressor gemäß Anspruch 11 enthält:

eine Wechselrichtervorrichtung, die eine Wechselrichterschaltung mit mindestens einem Leistungshalbleiterelement und eine Wechselrichtersteuereinheit zum Ansteuern des Leistungshalbleiterelements,
einem von der Wechselrichtervorrichtung betriebenen Motor und ein Gehäuse, in dem der Motor untergebracht ist.

Der elektrische Fahrzeugkompressor zeichnet sich dadurch aus, dass das Leistungshalbleiterelement über das Gehäuse in einer Wärmeaustauschbeziehung mit einem angesaugten Kältemittel angeordnet ist und einen Temperaturdetektor enthält, um eine Temperatur in der Nähe des Leistungshalbleiterelements zu erfassen. Der elektrische Fahrzeugkompressor ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselrichtersteuereinheit eine Verlustberechnungseinheit zum Berechnen eines Verlusts P des Leistungshalbleiterelements, und eine Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit zum Addieren eines TemperaturanstiegswertsΔ T, der aus dem von der Verlustberechnungseinheit berechneten Verlust P des Leistungshalbleiterelements erhalten wird, zu der von dem Temperaturdetektor erfassten Temperatur Tth, enthält, um eine Sperrschichttemperatur Tj des Leistungshalbleiterelements abzuschätzen, und dass, wenn die Sperrschichttemperatur Tj des Leistungshalbleitelements geschätzt wird, die Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit die Sperrschichttemperatur Tj dahingehend korrigiert, dass sie gesenkt wird, wenn die Anzahl der Umdrehungen des Motors höher wird.
Der erfindungsgemäße elektrische Fahrzeugkompressor gemäß Anspruch 12 ist dadurch gekennzeichnet, dass bei der obigen Erfindung die Berechnungseinheit für die Sperrschichttemperatur den Verlust P des Leistungshalbleiterelements mit einer vorgegebenen thermischen Variablen α multipliziert, um den TemperaturanstiegswertΔ T zu berechnen, und die thermische Variable α so ändert, dass die thermische Variable α kleiner wird, wenn die Anzahl der Umdrehungen des Motors höher wird.
Der erfindungsgemäße elektrische Fahrzeugkompressor gemäß Anspruch 13 ist dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erfindung gemäß Anspruch 11 oder 12 die Wechselrichtersteuereinheit einen vorbestimmten Schutzvorgang ausführt, wenn die von der Sperrschichttemperatur-Schätzeinheit geschätzte Sperrschichttemperatur Tj des Leistungshalbleiterelements einen vorbestimmten Wert überschreitet.
Die erfindungsgemäße Wechselrichtervorrichtung oder der elektrische Fahrzeugkompressor gemäß Anspruch 14 ist dadurch gekennzeichnet, dass in den obigen jeweiligen Erfindungen die Wechselrichtersteuereinheit eine Gate-Widerstandsänderungseinheit aufweist, um einen Widerstandswert eines Gate-Widerstands des Leistungshalbleiterelements zu ändern, und die Gate-Widerstandsänderungseinheit den Widerstandswert des Gate-Widerstands des Leistungshalbleiterelements auf der Grundlage der Sperrschichttemperatur Tj des Leistungshalbleiterelements ändert, die von der Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit geschätzt wird.
Die erfindungsgemäße Wechselrichtervorrichtung oder der elektrische Fahrzeugkompressor gemäß Anspruch 15 ist dadurch gekennzeichnet, dass bei der obigen Erfindung die Gate-Widerstandsänderungseinheit den Widerstandswert des Gate-Widerstands des Leistungshalbleiterelements erhöht, wenn die Sperrschichttemperatur Tj des Leistungshalbleiterelements, die von der Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit geschätzt wird, niedriger wird, und den Widerstandswert des Gate-Widerstands des Leistungshalbleiterelements verringert, wenn die Sperrschichttemperatur Tj des Leistungshalbleiterelements, die von der Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit geschätzt wird, höher wird.
Die erfindungsgemäße Wechselrichtervorrichtung oder der elektrische Fahrzeugkompressor gemäß Anspruch 16 ist dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erfindung gemäß Anspruch 14 oder 15 die Gate-Widerstandsänderungseinheit eine variable Widerstandsvorrichtung aufweist, die mit einem Gate des Leistungshalbleiterelements verbunden ist, und einen Widerstandswert der variablen Widerstandsvorrichtung auf der Grundlage der Sperrschichttemperatur Tj des Leistungshalbleiterelements ändert, die von der Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit geschätzt wird.
Die erfindungsgemäße Wechselrichtervorrichtung oder der elektrische Fahrzeugkompressor gemäß Anspruch 17 ist dadurch gekennzeichnet, dass bei der obigen Erfindung die Gate-Widerstandsänderungseinheit den Widerstandswert der variablen Widerstandsvorrichtung erhöht, wenn die Sperrschichttemperatur Tj des Leistungshalbleiterelements, die von der Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit geschätzt wird, niedriger wird, und den Widerstandswert der variablen Widerstandsvorrichtung verringert, wenn die Sperrschichttemperatur Tj des Leistungshalbleiterelements, die von der Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit geschätzt wird, höher wird.
Die erfindungsgemäße Wechselrichtervorrichtung oder der elektrische Fahrzeugkompressor gemäß Anspruch 18 ist dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erfindung gemäß Anspruch 16 oder 17 die variable Widerstandsvorrichtung enthält: einen EIN-Signalerzeugungsschalter, der mit dem Gate des Leistungshalbleiterelements verbunden ist und zur Eingabe eines EIN-Signals in das Gate dient, eine Vielzahl von AUS-Signalerzeugungsschaltern, die jeweils mit dem Gate des Leistungshalbleiterelements verbunden sind und zur Eingabe eines AUS-Signals in das Gate dienen, und eine Vielzahl von Widerstandselementen mit unterschiedlichem Widerstandswert, die jeweils mit den AUS-Signalerzeugungsschaltern verbunden sind, und dass, wenn das Leistungshalbleiterelement ausgeschaltet wird, die Gate-Widerstandsänderungseinheit jeden der AUS-Signalerzeugungsschalter auf der Grundlage der Sperrschichttemperatur Tj des Leistungshalbleiterelements, die von der Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit geschätzt wird, schaltet und EIN schaltet, um den Widerstandswert des Gate-Widerstands des Leistungshalbleiterelements zu ändern.
Die erfindungsgemäße Wechselrichtervorrichtung oder der elektrische Fahrzeugkompressor der Erfindung gemäß Anspruch 19 ist dadurch gekennzeichnet, dass bei der obigen Erfindung, wenn die Sperrschichttemperatur Tj des Leistungshalbleiterelements, die von der Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit geschätzt wird, kleiner oder gleich einem vorbestimmten Wert T1 ist, die Gate-Widerstandsänderungseinheit den AUS-Signalerzeugungsschalter, mit dem das Widerstandselement mit großem Widerstandswert verbunden ist, EIN schaltet, und wenn die Sperrschichttemperatur Tj des Leistungshalbleiterelements, die von der Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit geschätzt wird, größer oder gleich einem vorbestimmten Wert T2 ist, der höher als der vorbestimmte Wert T1 ist, die Gate-Widerstandsänderungseinheit den AUS-Signalerzeugungsschalter EIN schaltet, mit dem das Widerstandselement mit dem kleinen Widerstandswert verbunden ist.
Vorteilhafte Wirkung der Erfindung
Gemäß der Erfindung nach Anspruch 1 ist eine Wechselrichtervorrichtung vorgesehen, die eine Wechselrichterschaltung mit mindestens einem Leistungshalbleiterelement und eine Wechselrichtersteuereinheit zur Steuerung des Leistungshalbleiterelements enthält, und in der ein Temperaturdetektor zur Erfassung einer Temperatur in der Nähe des Leistungshalbleiterelements vorgesehen ist. Die Wechselrichtersteuereinheit enthält eine Verlustberechnungseinheit, um einen Verlust P des Leistungshalbleiterelements zu berechnen, und eine Sperrschichttemperatur-Schätzberechnungseinheit, um einen TemperaturanstiegswertΔ T, der aus dem von der Verlustberechnungseinheit berechneten Verlust P des Leistungshalbleiterelements erhalten wird, zu der von dem Temperaturdetektor erfassten Temperatur Tth zu addieren, um eine Sperrschichttemperatur Tj des Leistungshalbleiterelements zu schätzen. Bei der Schätzung der Sperrschichttemperatur Tj führt die Sperrschichttemperaturschätzungs- Berechnungseinheit eine Korrektur dahingehend durch, dass ein Einfluss der Wärmeerzeugung anderer elektronischer Komponenten als des Leistungshalbleiterelements und/oder ein Verdrahtungsmuster einer Steuerplatine auf den Temperaturdetektor ausgeschlossen wird. Daher ist es insbesondere in den Fällen, in denen der Temperaturdetektor auf der Steuerplatine angeordnet ist, wie in der Erfindung gemäß Anspruch 2, möglich, den Einfluss der von anderen elektronischen Komponenten als dem Leistungshalbleiterelement und einem Verdrahtungsmuster erzeugten Wärme auf den Temperaturdetektor zu eliminieren und die Sperrschichttemperatur Tj des Leistungshalbleiterelements genauer zu schätzen.
So ist es möglich, selbst wenn der Schutzvorgang wie in der Erfindung gemäß Anspruch 9 ausgeführt wird, die nutzbare Fläche des Leistungshalbleiterelements zu vergrößern, wodurch es möglich wird, die Leistung jedes Bauteils zu verringern und eine Miniaturisierung und niedrige Kosten zu erreichen.
Wenn gemäß dem Anspruch 3 der Erfindung die Sperrschichttemperatur-Berechnungseinheit den Verlust P des Leistungshalbleiterelements mit der vorgegebenen thermischen Variable α multipliziert, um den TemperaturanstiegswertΔ T zu berechnen, und die thermische Variable α in Abhängigkeit vom Betriebszustand ändert, ist es möglich, den Einfluss der von anderen elektronischen Bauteilen erzeugten Wärme und/oder des Verdrahtungsmusters der Steuerplatine auf den Temperaturdetektor problemlos auszuschließen.
Als Betriebszustand können in diesem Fall die Versorgungsspannung, der Phasenstrom und der Eingangsstrom wie in Anspruch 4 übernommen werden. Ferner wird die thermische Variable α wie in Anspruch 5 als ein Wert abgebildet, der aus mindestens zwei der Versorgungsspannung, des Phasenstroms und des Eingangsstroms bestimmt wird, wodurch es möglich ist, die thermische Variable α entsprechend jedem Betriebszustand in Beziehung zueinander einzustellen.
Je höher die Versorgungsspannung hier ist, desto höher ist die Sperrschichttemperatur Tj des Leistungshalbleiterelements, so dass der thermische Einfluss anderer elektronischer Komponenten und jedes Verdrahtungsmusters relativ klein wird. Daher wird die thermische Variable α größer, wenn die Versorgungsspannung höher wird, wie in der Erfindung nach Anspruch 6, so dass die genaue Sperrschichttemperatur Tj geschätzt werden kann.
Je größer der Phasenstrom ist, desto größer ist auch die von anderen elektronischen Bauteilen und dem Verdrahtungsmuster erzeugte Wärme, so dass die auf den Temperaturdetektor übertragene Wärme ebenfalls zunimmt. Daher wird, wie in der Erfindung gemäß Anspruch 7, die thermische Variable α kleiner gemacht, wenn der Phasenstrom größer wird, so dass die genaue Sperrschichttemperatur Tj geschätzt werden kann.
Auch wenn der Eingangsstrom groß ist, nimmt die durch das Verdrahtungsmuster erzeugte Wärme zu, und die an den Temperaturdetektor übertragene Wärme nimmt ebenfalls zu. Daher wird, wenn der Eingangsstrom größer wird, wie in der Erfindung gemäß Anspruch 8, die thermische Variable α kleiner gemacht, so dass die genaue Sperrschichttemperatur Tj geschätzt werden kann.
Dann ist es in dem Fahrzeug-Elektrokompressor, wie er in der Erfindung gemäß Anspruch 10 unter einer hohen Temperaturumgebung verwendet wird, möglich, einen extrem wirksamen Überhitzungsschutz durch den Betrieb des Motors durch die Wechselrichter-Vorrichtung von jeder Erfindung wie oben beschrieben zu realisieren.
Andererseits ist bei dem elektrischen Fahrzeugkompressor gemäß Anspruch 11 die Kühlleistung durch das angesaugte Kältemittel umso höher, je höher die Drehzahl des Motors ist. Das heißt, da die Sperrschichttemperatur Tj des Leistungshalbleiterelements, das in der Wärmeaustauschbeziehung mit dem Ansaugkühlmittel über das Gehäuse vorgesehen ist, gesenkt wird, wird die Sperrschichttemperatur Tj dahingehend korrigiert, dass sie gesenkt wird, wenn die Anzahl der Umdrehungen des Motors höher wird, so dass die genaue Sperrschichttemperatur Tj geschätzt werden kann.
Auch in diesem Fall, wie in der Erfindung gemäß Anspruch 12, wenn die Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit den Wert des Temperaturanstiegs ΔT durch Multiplikation des Verlusts P des Leistungshalbleiterelements mit einer vorbestimmten thermischen Variablen α berechnet und die thermische Variable α so ändert, dass die thermische Variable α kleiner wird, wenn die Anzahl der Umdrehungen des Motors höher wird, ist es möglich, die genaue Sperrschichttemperatur Tj problemlos zu schätzen.
Auf diese Weise kann die nutzbare Fläche des Leistungshalbleiterelements auch bei Ausführung des Schutzvorgangs gemäß Anspruch 13 in gleicher Weise vergrößert werden, wodurch es möglich wird, die Leistung jedes Bauelements zu verringern und eine Miniaturisierung und niedrige Kosten zu erreichen.
Wie oben beschrieben, kann gemäß den Erfindungen der Ansprüche 1 bis 13 die Sperrschichttemperatur Tj des Leistungshalbleiterelements genau abgeschätzt werden, so dass es möglich ist, eine Schwankung der Stehspannung des Leistungshalbleiterelements genau zu erfassen.
Wie in der Erfindung gemäß Anspruch 14 ist die Wechselrichtersteuereinheit mit einer Gate-Widerstandsänderungseinheit versehen, um den Widerstandswert des Gate-Widerstands des Leistungshalbleiterelements zu ändern, und der Widerstandswert des Gate-Widerstands des Leistungshalbleiterelements wird durch die Gate-Widerstandsänderungseinheit geändert, basierend auf der Sperrschichttemperatur Tj des Leistungshalbleiterelements, die durch die Sperrschichttemperatur-Schätzungs-Berechnungseinheit geschätzt wird, wodurch es möglich ist, den optimalen Betrieb unter Berücksichtigung der Stehspannung des Leistungshalbleiterelements zu realisieren.
Zum Beispiel, wie in der Erfindung gemäß Anspruch 15, wenn die Gate-Widerstandsänderungseinheit den Widerstandswert des Gate-Widerstands des Leistungshalbleiterelements erhöht, wenn die Sperrschichttemperatur Tj des Leistungshalbleiterelements, die von der Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit geschätzt wird, niedriger wird, und den Widerstandswert des Gate-Widerstands des Leistungshalbleiterelements verringert, wenn die Sperrschichttemperatur Tj des Leistungshalbleiterelements, die von der Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit geschätzt wird, höher wird, es möglich ist, den Widerstandswert des Gate-Widerstands zu erhöhen, um die Stoßspannung in einer Situation zu reduzieren, in der die Sperrschichttemperatur Tj niedrig ist und die Stehspannung des Leistungshalbleiterelements gesenkt wird, und den Widerstandswert des Gate-Widerstands zu verringern, um den erzeugten Verlust in einer Situation zu reduzieren, in der die Sperrschichttemperatur Tj hoch ist und die Stehspannung des Leistungshalbleiterelements ansteigt.
So ist es möglich, die entstehenden Verluste zu unterdrücken und einen effizienten Betrieb zu realisieren, ohne dass das Leistungshalbleiterelement durch die Stoßspannung zerstört wird.
Insbesondere, zum Beispiel, wie in der Erfindung gemäß Anspruch 16, ist die Gate-Widerstandsänderungseinheit mit einer variablen Widerstandsvorrichtung versehen, die mit dem Gate des Leistungshalbleiterelements verbunden ist, und ändert einen Widerstandswert der variablen Widerstandsvorrichtung, basierend auf der Sperrschichttemperatur Tj des Leistungshalbleiterelements, die von der Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit geschätzt wird. Und wie in der Erfindung gemäß Anspruch 17 erhöht die Gate-Widerstandsänderungseinheit den Widerstandswert der variablen Widerstandseinrichtung, wenn die Sperrschichttemperatur Tj des Leistungshalbleiterelements, die von der Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit geschätzt wird, niedriger wird, und verringert den Widerstandswert der variablen Widerstandseinrichtung, wenn die Sperrschichttemperatur Tj des Leistungshalbleiterelements, die von der Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit geschätzt wird, höher wird, wodurch es möglich ist, sowohl die Verhinderung der Zerstörung des Leistungshalbleiterelements aufgrund der Stoßspannung als auch die Unterdrückung des erzeugten Verlusts des Leistungshalbleiterelements zu realisieren.
Genauer gesagt, zum Beispiel, wie in der Erfindung gemäß Anspruch 18, ist die variable Widerstandsvorrichtung mit einem EIN-Signalerzeugungsschalter, der mit dem Gate des Leistungshalbleiterelements verbunden ist und zum Eingeben eines EIN-Signals in das Gate, einer Vielzahl von AUS-Signalerzeugungsschaltern, die jeweils mit dem Gate des Leistungshalbleiterelements verbunden sind und zum Eingeben eines AUS-Signals in das Gate, und einer Vielzahl von Widerstandselementen mit unterschiedlichem Widerstandswert vorgesehen sind, die jeweils mit den AUS-Signalerzeugungsschaltern verbunden sind, versehen. Wenn das Leistungshalbleiterelement ausgeschaltet wird, schaltet die Gate-Widerstandsänderungseinheit jeden der OFF-Signalerzeugungsschalter auf der Grundlage der Sperrschichttemperatur Tj des Leistungshalbleiterelements, die von der Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit geschätzt wird, um den Widerstandswert des Gate-Widerstands des Leistungshalbleiterelements zu ändern, um und schaltet ihn ein. Und außerdem, wie in der Erfindung gemäß Anspruch 19, wenn die Sperrschichttemperatur Tj des Leistungshalbleiterelements, die durch die Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit geschätzt wird, kleiner oder gleich einem vorbestimmten Wert T1 ist, schaltet die Gate-Widerstandsänderungseinheit den AUS-Signalerzeugungsschalter ein, mit dem das Widerstandselement mit großem Widerstandswert verbunden ist, und wenn die Sperrschichttemperatur Tj des Leistungshalbleiterelements, die von der Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit geschätzt wird, größer oder gleich einem vorbestimmten Wert T2 ist, der höher als der vorbestimmte Wert T1 ist, schaltet die Gate-Widerstandsänderungseinheit den AUS-Signalerzeugungsschalter EIN, mit dem das Widerstandselement mit dem kleinen Widerstandswert verbunden ist. Folglich ist es möglich, sowohl die Zerstörung des Leistungshalbleiterelements aufgrund der Stoßspannung zu verhindern, wenn das Leistungshalbleiterelement ausgeschaltet wird, als auch den erzeugten Verlust des Leistungshalbleiterelements zu unterdrücken.
Figurenliste

1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines elektrischen Fahrzeugkompressors gemäß einer Ausführungsform, bei dem eine Wechselrichtervorrichtung der vorliegenden Erfindung angewendet wird;
2 ist ein elektrischer Schaltplan der Wechselrichtervorrichtung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ist ein Diagramm, das eine dreidimensionale Darstellung einer thermischen Variablen α zeigt, die aus einer Batteriespannung und einem Phasenstrom bestimmt wird, durch eine Einheit zur Berechnung der Sperrschichttemperaturschätzung der Wechselrichtervorrichtung von 2 (Ausführungsform 1);
4 ist eine 3-dimensionale Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Phasenstrom und der thermischen Variable α beschreibt;
5 ist eine fragmentarische Querschnittsansicht des elektrischen Fahrzeugkompressors zur Beschreibung der Beziehung zwischen dem Phasenstrom und der thermischen Variable α;
6 ist ein thermisches Schaltungsdiagramm zur Beschreibung der Beziehung zwischen dem Phasenstrom und der thermischen Variablen α;
7 ist eine 3-dimensionale Darstellung, die die Beziehung zwischen der Batteriespannung (Versorgungsspannung) und der thermischen Variablen α beschreibt;
8 ist ein thermisches Schaltbild zur Beschreibung der Beziehung zwischen der Batteriespannung und der thermischen Variablen α;
9 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einem Eingangsstrom und einer thermischen Variablen α beschreibt;
10 ist eine fragmentarische Querschnittsansicht eines elektrischen Fahrzeugkompressors zur Beschreibung der Beziehung zwischen einem Eingangsstrom und einer thermischen Variablen α;
11 ist ein thermisches Schaltbild zur Beschreibung der Beziehung zwischen dem Eingangsstrom und der thermischen Variablen α;
12 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Anzahl der Umdrehungen eines Motors und einer thermischen Variablen α (Ausführungsform 2)beschreibt;
13 ist eine fragmentarische Querschnittsansicht eines elektrischen Fahrzeugkompressors zur Beschreibung der Beziehung zwischen der Anzahl der Umdrehungen des Motors und der thermischen Variablen α;
14 ist ein thermischer Schaltplan zur Beschreibung der Beziehung zwischen der Anzahl der Umdrehungen des Motors und der thermischen Variablen α;
15 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einer Kollektor-Emitter-Spannung (einschließlich einer Stoßspannung) zum Zeitpunkt des Ausschaltens eines Halbleiterschaltelements (IGBT) eines Leistungshalbleiterelements in einer Ausführungsform, einer Sperrschichttemperatur des Halbleiterschaltelements und einer Elementstehspannung zeigt;
16 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einem Widerstandswert (Gatewiderstandswert) eines Gatewiderstands des Halbleiterschaltelements (IGBT) des Leistungshalbleiterelements in der Ausführungsform, einer Stoßspannung und einem erzeugten Verlust zeigt;
17 ist ein elektrischer Schaltplan, der ein Beispiel für die Konfiguration einer Gate-Widerstandsänderungseinheit der Wechselrichtervorrichtung der vorliegenden Erfindung (Ausführungsform 3) zeigt;
18 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine spezifische elektrische Schaltung der Gate-Widerstandsänderungseinheit von 17 zeigt; und
19 ist ein Diagramm zur Beschreibung der Funktionsweise der Gate-Widerstandsänderungseinheit in 18.

Verfahren zur Durchführung der Erfindung
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Einzelnen beschrieben.
[Ausführungsform 1]
(1) Elektrischer Fahrzeugkompressor 1
1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines elektrischen Fahrzeugkompressors 1, auf den die vorliegende Erfindung angewendet wird. Der elektrische Kompressor 1 der Ausführungsform bildet einen Teil eines Kältemittelkreislaufs einer Klimaanlage, die den Innenraum eines nicht dargestellten Fahrzeugs klimatisiert, und ist in einem Motorraum des Fahrzeugs montiert. Der elektrische Kompressor 1 umfasst einen Motor 3 und ein Verdichtungselement 6, wie z. B. einen Spiralverdichter, der von einer rotierenden Welle des Motors 3 in einem Metallgehäuse 2 angetrieben wird. Ferner ist eine Wechselrichtervorrichtung 7 der vorliegenden Erfindung an dem Gehäuse 2 angebracht, und der Motor 3 wird von der Wechselrichtervorrichtung 7 betrieben, um das Verdichtungselement 6 anzutreiben. Das Verdichtungselement 6 wird von der rotierenden Welle des Motors 3 angetrieben, um ein Kältemittel aus einem Kältemittelkreislauf von einer Ansaugöffnung 4 anzusaugen und zu verdichten und es aus einer nicht dargestellten Auslassöffnung wieder in den Kältemittelkreislauf abzugeben.
In der Abbildung ist 11 eine Steuerplatine (aus Harz) des Wechselrichters 7 dargestellt. Ein Verdrahtungsmuster 34, durch das ein Phasenstrom fließt, und ein Verdrahtungsmuster 36, durch das ein Eingangsstrom fließt, sind auf die Steuerplatine 11 gedruckt. Ferner ist 16U in der Abbildung ein Leistungshalbleiterelement, das die Wechselrichterschaltung 8 der Wechselrichtervorrichtung 7 bildet, und sein Anschluss 37 ist mit der Steuerplatine 11 verbunden. In diesem Fall ist das Leistungshalbleiterelement 16U (dasselbe gilt für die anderen später beschriebenen Leistungshalbleiterelemente 16V, 16W, 17U, 17V und 17W) in einer Wärmeaustauschbeziehung mit der Umgebung der Ansaugöffnung 4 des Gehäuses 2 (Niedertemperaturbereich des Gehäuses 2) angeordnet. Somit sind die Leistungshalbleiterelemente 16U, 16V, 16W, 17U, 17V und 17W über das Gehäuse 2 in einer Wärmeaustauschbeziehung mit dem angesaugten Niedertemperatur-kältemittel angeordnet.
Ferner ist in der ein Temperatursensor als Temperaturdetektor dargestellt, der auf der Steuerplatine 11 angeordnet ist und sich in der Nähe der Leistungshalbleiterelemente 16U, 16V und 16W sowie 17U, 17V und 17W befindet. Darüber hinaus sind auf der Steuerplatine 11 auch andere elektronische Komponenten als Leistungshalbleiterelemente angeordnet, z. B. eine Wechselrichtersteuereinheit 12 und ein Glättungskondensator 9, die später beschrieben werden.
(2) Wechselrichter-Vorrichtung 7
2 zeigt ein elektrisches Schaltbild der Wechselrichtervorrichtung 7. Die Wechselrichtervorrichtung 7 der Ausführungsform umfasst die Steuerplatine 11, auf der der oben beschriebene Glättungskondensator 9 und die Verdrahtungsmuster 34 und 36 angebracht sind und an die die Wechselrichterschaltung 8 angeschlossen ist, sowie die von einem Mikrocomputer (Prozessor) konfigurierte Wechselrichtersteuereinheit 12. Ein Gleichstrombus 13 auf der positiven Seite der Wechselrichterschaltung 8 ist mit einem +-Anschluss einer Hochspannungsbatterie (HV-Stromversorgung für das Fahrzeug) B verbunden, die am Fahrzeug angebracht ist, und ein Gleichstrombus 14 auf der negativen Seite ist mit einem Minus-Anschluss der Hochspannungsbatterie B verbunden. Dann wird der Glättungskondensator 9 zwischen die beiden Gleichstromschienen 13 und 14 der Wechselrichterschaltung 8 geschaltet. Ein Stromkreis vom Glättungskondensator 9 zum Wechselrichterkreis 8 dient als Verdrahtungsschiene.
(3) WechselrichterSchaltung 8
Die Wechselrichterschaltung 8 ändert den Schaltzustand jedes der mehreren Leistungshalbleiterelemente, die eine Brücke bilden, wandelt einen von der Hochspannungsbatterie B angelegten Gleichstrom in einen Wechselstrom um und liefert diesen an den Motor 3. Die Wechselrichterschaltung 8 umfasst insbesondere die drei Leistungshalbleiterelemente 16U, 16V und 16W, die eine obere Phase der Brücke bilden, und die drei Leistungshalbleiterelemente 17U, 17V und 17W, die eine untere Phase der Brücke bilden. Jedes der Leistungshalbleiterelemente 16U, 16V und 16W sowie 17U, 17V und 17W besteht aus einem Halbleiterschaltelement 18 und einer Schwungraddiode 19, die antiparallel zum Halbleiterschaltelement 18 geschaltet ist. Gleichstrom wird von der Hochspannungsbatterie B an die Gleichstrombusse 13 und 14 der Wechselrichterschaltung 8 geliefert.
In der Wechselrichterschaltung 8 sind die Halbleiterschaltelemente 18 der Leistungshalbleiterelemente 16U, 16V und 16W der oberen Phase und die Halbleiterschaltelemente 18 der Leistungshalbleiterelemente 17U, 17V und 17W der unteren Phase jeweils eins-zu-eins in Reihe geschaltet. Im Folgenden wird das Paar jedes Halbleiterschaltelements 18 der Leistungshalbleiterelemente 16U bis 17W, die in Reihe geschaltet sind, als ein Schaltzweig bezeichnet. Das heißt, in der Ausführungsform gibt es den Schaltzweig 21U, der aus einem Paar des Halbleiterschaltelements 18 des Leistungshalbleiterelements 16U und des Halbleiterschaltelements 18 des Leistungshalbleiterelements 17U besteht, den Schaltzweig 21V, der aus einem Paar des Halbleiterschaltelements 18 des Leistungshalbleiterelements 16V und des Halbleiterschaltelements 18 des Leistungshalbleiterelements 17V besteht, und den Schaltzweig 21W, der aus einem Paar des Halbleiterschaltelements 18 des Leistungshalbleiterelements 16W und des Halbleiterschaltelements 18 des Leistungshalbleiterelements 17W besteht.
Diese Schaltzweige 21U, 21V und 21W sind jeweils zwischen dem Gleichstrombus 13 auf der positiven Seite und dem Gleichstrombus 14 auf der negativen Seite angeschlossen. Ferner sind die Zwischenpunkte MU, MV und MW der jeweiligen Schaltzweige 21U, 21V und 21W Knoten, die die Phasenspannungen Vu, Vv und Vw jeder Phase (U-Phase, V-Phase, W-Phase) eines Ausgangswechselstroms ausgeben. Jeder der Zwischenpunkte MU, MV und MW ist mit jeder Phase des Motors 3 verbunden.
In der Wechselrichterschaltung 8 der vorliegenden Ausführungsform wird als Halbleiterschaltelement 18 ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) verwendet. Übrigens ist das Halbleiterschaltelement 18 nicht auf den IGBT beschränkt, sondern kann auch ein MOSFET oder ähnliches sein. Ferner ist der Temperatursensor 22, wie oben beschrieben, auf der Steuerplatine 11 in der Nähe der Leistungshalbleiterelemente 16U bis 17W angebracht. In dieser Ausführungsform besteht der Temperatursensor 22 aus einem Thermistor.
Ferner ist ein Nebenschlusswiderstand 23 als Phasenstromdetektor an den Gleichstrombus 14 auf der negativen Seite an einer Stelle angeschlossen, an der ein Strom vom Motor 3 fließt. Wenn der Strom vom Motor 3 durch den Nebenschlusswiderstand 23 fließt, entwickelt sich eine Potenzialdifferenz über den Nebenschlusswiderstand 23, und die Phasenströme Iu, Iv und Iw können durch Erfassen der Spannung über dem Nebenschlusswiderstand 23 berechnet werden. Übrigens ist der Phasenstromdetektor nicht auf den Nebenschlusswiderstand beschränkt, sondern kann auch durch einen Stromwandler oder ähnliches ausgestaltet werden.
(4) Wechselrichtersteuereinheit 12
Andererseits umfasst die Wechselrichtersteuereinheit 12 eine Motorsteuereinheit 26, eine PWM-Steuereinheit 27, eine Stromerfassungseinheit 28, einen Gate-Treiber 29, eine Verlustberechnungseinheit 31, eine Sperrschichttemperaturschätzungs-Einheit und eine Temperaturschutzeinheit 33. Dann wird eine Batteriespannung (HV-Spannung) Vb des DC-Busses 13 auf der positiven Seite in die PWM-Steuereinheit 27 und die Verlustberechnungseinheit 31 eingegeben.
(5) Motorsteuereinheit 26
Die Motorsteuereinheit 26 gibt eine Zielwellenform (modulierte Welle) einer dreiphasigen Sinuswelle, die an den Motor 3 angelegt wird, an die PWM-Steuereinheit 27 aus. Die PWM-Steuereinheit 27 erzeugt einen Tastgrad (Tastgrad: Einschaltdauer), der ein Ansteuersignal ist, indem sie die Höhe eines Trägers (Dreieckswelle) mit derjenigen der von der Motorsteuereinheit 26 ausgegebenen modulierten Welle vergleicht. Dieses Tastverhältnis wird für jede der U-Phasen, V-Phasen und W-Phasen erzeugt und an den Gate-Treiber 29 gesendet, der das Gate jedes Halbleiterschaltelements 18 ansteuert (EIN-AUS). Der Gate-Treiber 29, der das Ansteuersignal empfangen hat, erzeugt ein Signal zum Einschalten des Halbleiterschaltelements 18 (IGBT) und ein Signal zum Ausschalten desselben entsprechend dem Anstieg und Abfall des Ansteuersignals. Die Ausgänge (sechs Ausgänge) des Gate-Treibers 29 sind jeweils über Gate-Widerstände 39 mit den Gates der Halbleiterschaltelemente 18 verbunden. Eine Signalspannung mit einer steigenden und einer fallenden Flanke wird an das Gate jedes Halbleiterschaltelements 18 angelegt, um dadurch jedes Halbleiterschaltelement zu schalten (EIN-AUS).
Im Übrigen liegt die Frequenz jedes der Phasenströme Iu, Iv und Iw, die die Drehzahl des Motors 3 der Ausführungsform darstellt, im Bereich von 400 Hz bis 500 Hz, und der Zyklus (im Folgenden als PWM-Trägerzyklus bezeichnet) des Trägers in der PWM-Steuereinheit 27 ist mit 20 kHz ausreichend kleiner (oder ausreichend kürzer) als dieser. Ferner beträgt die thermische Zeitkonstante jedes der Leistungshalbleiterelemente 16U bis 17W (die Zeit, die für die Übertragung an den Temperatursensor 22 als Temperaturanstiegswert für den Verlust erforderlich ist) etwa 50 ms, und der PWM-Trägerzyklus ist ausreichend kürzer als diese thermische Zeitkonstante (oder ausreichend früher als sie) .
Die Stromerfassungseinheit 28 gibt die Spannung zwischen beiden Enden des Nebenschlusswiderstands 23 ein und berechnet die Phasenströme Iu, Iv und Iw aus dem Widerstandswert des Nebenschlusswiderstands 23. Die berechneten Phasenströme Iu, Iv und Iw werden in die Verlustberechnungseinheit 31 eingegeben.
(6) Verlustberechnungseinheit 31
Die Verlustberechnungseinheit 31 berechnet den Verlust jedes der Leistungshalbleiterelemente 16U bis 17W auf der Grundlage der Phasenströme Iu, Iv und Iw jeder Phase der U-Phase, V-Phase und W-Phase, die von der Stromerfassungseinheit 28 eingegeben werden, und die HV-Spannung (angelegte Spannung) des Gleichstrombusses 13 auf der positiven Seite sowie der Tastverhältnis-Eingabe von der PWM-Steuereinheit 27. Bei dieser Ausführungsform berechnet die Verlustberechnungseinheit 31 den Schaltverlust der Halbleiterschaltelemente 18, die die Leistungshalbleiterelemente 16U bis 17W bilden, und deren Dauerverlust (Leitungsverlust oder Erregungsverlust) sowie den Schaltverlust der Schwungraddioden 19 und deren Dauerverlust (Leitungsverlust oder Erregungsverlust) jeweils getrennt.
Der Schaltverlust jedes Halbleiterschaltelements 18 und sein Dauerverlust entsprechen dem Verlust des Halbleiterschaltelements 18 und werden zu der von dem Halbleiterschaltelement 18 erzeugten Wärmemenge. Des Weiteren entsprechen der Schaltverlust der Schwungraddiode 19 und ihr Dauerverlust (Leitungsverlust oder Erregungsverlust) Schwungraddiode 19 und werden zu der von der Schwungraddiode 19 erzeugten Wärmemenge. Daraus ergibt sich der Verlust P eines jeden Leistungshalbleiterelements 16U bis 17W. Der von der Verlustberechnungseinheit 31 berechnete Verlust P jedes Leistungshalbleiterelements 16U bis 17W wird in die Berechnungseinheit 32 für die Sperrschichttemperaturschätzung eingegeben.
Außerdem werden in dieser Ausführungsform neben der Batteriespannung Vb und den oben beschriebenen Phasenströmen Iu, Iv und Iw auch Informationen über den Eingangsstrom Iin und die Drehzahl NC des Motors 3 von der Verlustberechnungseinheit 31 an die Sperrschichttemperatur - Berechnungseinheit 32 übermittelt.
(7) Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit 32
Die Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit 32 addiert einen TemperaturanstiegswertΔ T, der aus dem von der Verlustberechnungseinheit 31 berechneten Verlust P jedes Leistungshalbleiterelements 16U bis 17W erhalten wird, zu einer vom Temperatursensor 22 erfassten Temperatur Tth in der Nähe der Leistungshalbleiterelemente 16U bis 17W, um einen geschätzten Wert einer Sperrschichttemperatur Tj des Halbleiterschaltelements 18 jedes Leistungshalbleiterelements 16U bis 17W zu berechnen.
In diesem Fall berechnet die Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit 32 den Wert des TemperaturanstiegsΔ T, indem sie den von der Verlustberechnungseinheit 31 berechneten Verlust P jedes Leistungshalbleiterelements 16U bis 17W mit der vorbestimmten thermischen Variablen α multipliziert (indem sie eine vorbestimmte thermische Variable α mal den Verlust P nimmt). Die Berechnung der Schätzung in der obigen Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit 32 wird als Formel ausgedrückt, wie in den folgenden Gleichungen (1) und (2)angegeben ist. $Tj = Tth + Δ T$
$Δ T = α \times P$
Die thermische Variable α wird später im Detail beschrieben. Anschließend wird die berechnete Sperrschichttemperatur Tj in die Temperaturschutzeinheit 33 eingegeben.
(8) Temperaturschutzeinheit 33
Die Temperaturschutzeinheit 33 führt einen vorbestimmten Schutzvorgang auf der Grundlage der Sperrschichttemperatur Tj des Halbleiterschaltelements 18 jedes Leistungshalbleiterelements 16U bis 17W aus, die von der Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit 32 geschätzt wird. Dieser Schutzvorgang ist in der vorliegenden Ausführungsform in zwei Stufen unterteilt. Als erstes, wenn die höchste Sperrschichttemperatur Tj eines der Leistungshalbleiterelemente 16U bis 17W einen ersten vorgegebenen Wert TS1 überschreitet, gibt die Temperaturschutzeinheit 33 ein Strombegrenzungssignal an die Motorsteuereinheit 26 aus.
Wenn die Motorsteuerseinheit 26 das Strombegrenzungssignal von der Temperaturschutzeinheit 33 empfängt, stellt die Motorsteuereinheit 26 die modulierte Welle so ein, dass der durch die Wechselrichterschaltung 8 fließende Strom auf einen vorgegebenen Wert begrenzt wird. Wenn die höchste Sperrschichttemperatur Tj einen zweiten vorbestimmten Wert TS2 überschreitet, der höher ist als der erste vorbestimmte Wert TS1, gibt die Temperaturschutzeinheit 33 ein Stromabschaltsignal an die Motorsteuereinheit 26 aus. Wenn die Motorsteuereinheit 26 das Stromabschaltsignal von der Temperaturschutzeinheit 33 empfängt, stoppt die Motorsteuereinheit 26 die Ausgabe der modulierten Welle, um alle Halbleiterschaltelemente 18 der Leistungshalbleiterelemente 16U bis 17W auszuschalten und dadurch den durch die Wechselrichterschaltung 8 fließenden Strom zu unterbrechen. Diese ersten und zweiten vorbestimmten Werte TS1 und TS2 sind Werte, die von den Temperaturgrenzen der Halbleiterschaltelemente 18, die die Leistungshalbleiterelemente 16U bis 17W bilden, festgelegt werden.
(9) Änderung der thermischen Variablen α durch die Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit 32 (Teil 1)
Als nächstes wird ein Beispiel für die Steuerung der Änderung der thermischen Variablen α der oben erwähnten Gleichung (2) durch die Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit 32 der Wechselrichtersteuereinheit 12 unter Bezugnahme auf die 3 bis 8 beschrieben. Wie oben beschrieben, sind das Verdrahtungsmuster 34, durch das der Phasenstrom (Iu, Iv, Iw) fließt, das Verdrahtungsmuster 36, durch das der Eingangsstrom Iin fließt, und die anderen elektronischen Komponenten als die Leistungshalbleiterelemente 16U bis 17W, wie die Wechselrichtersteuereinheit 12, der Glättungskondensator 9 usw., auf der Steuerplatine 11 montiert.
Diese elektronischen Bauteile (12, 9) und Verdrahtungsmuster (34, 36) erzeugen Wärme, wenn die Wechselrichtereinrichtung 7 unter Spannung steht und der Motor 3 betrieben wird. Da die erzeugte Wärme auch auf den ebenfalls auf der Steuerplatine 11 angeordneten Temperatursensor 22 übertragen wird, steigt die vom Temperatursensor 22 erfasste Temperatur Tth unter dem Einfluss der erzeugten Wärme an. Wird daher der Temperaturanstiegswert ΔT, der aus dem Verlust P jedes Leistungshalbleiterelements 16U bis 17W umgerechnet wird, einfach zu der vom Temperatursensor 22 erfassten Temperatur Tth wie in der oben genannten Gleichung (1) addiert, wird die Sperrschichttemperatur Tj höher als die tatsächliche Temperatur berechnet, so dass der oben genannte Schutzvorgang unnötig früh ausgeführt wird.
Daher multipliziert die Berechnungseinheit 32 der Ausführungsform den Verlust P mit der vorbestimmten thermischen Variablen α und ändert die thermische Variable α entsprechend dem Betriebszustand, wie in der obigen Gleichung (2) beschrieben, wodurch die Sperrschichttemperatur Tj dahingehend korrigiert wird, dass der Einfluss der von den elektronischen Komponenten (12, 9) und Verdrahtungsmustern (34, 36) erzeugten Wärme auf den Temperatursensor 22 wie oben beschrieben ausgeschlossen wird.
In dieser Ausführungsform werden die Batteriespannung Vb (Versorgungsspannung) und der Phasenstrom (Iu, Iv, Iw) als Betriebszustände angenommen, und die thermische Variable α wird auf der Grundlage dieser Werte bestimmt. In dieser Ausführungsform wird die thermische Variable α, wie in 3 gezeigt, als ein aus der Batteriespannung Vb und dem Phasenstrom (Iu, Iv, Iw) ermittelter Wert abgebildet (dreidimensionale Abbildung) und zuvor in der Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit 32 gespeichert. Das 3-dimensionale Diagramm in 3 ist übrigens ein Wert, der im Voraus durch ein Experiment für den elektrischen Fahrzeugkompressor 1 ermittelt wurde.
(9-1) Beziehung zwischen Phasenstrom (Iu, Iv, Iw) und thermischer Variable α
Im Folgenden wird der Zusammenhang zwischen dem Phasenstrom (Iu, Iv, Iw) und der thermischen Variable α unter Bezugnahme auf die 4 bis 6 beschrieben. Als Phasenstrom wird in diesem Fall übrigens beispielsweise der Effektivwert jedes der Phasenströme Iu, Iv und Iw verwendet. Wenn dann der Phasenstrom durch jedes der Leistungshalbleiterelemente 16U bis 17W fließt, erzeugt das Verdrahtungsmuster 34 auch Wärme. Daher ist, wie in 4 gezeigt, eine 3-dimensionale Abbildung so konfiguriert, dass die thermische Variable α umso kleiner ist, je größer der Phasenstrom ist. Der Grund dafür wird unter Bezugnahme auf die 5 und 6 beschrieben.
Die Wärmeübertragung in dem elektrischen Fahrzeugkompressor 1 aus 5 kann durch einen elektrischen Schaltkreis ersetzt werden. In diesem Fall wird eine Wärmequelle wie jedes der Leistungshalbleiterelemente 16U bis 17W, das Verdrahtungsmuster 34 oder ähnliches zu einer Stromquelle, wie in 6 dargestellt. Die Wärmewiderstände der einzelnen Elemente und des Gehäuses 2 werden zu Widerständen R1 bis R5. Der Widerstand zwischen der Sperrschichttemperatur Tj und der vom Temperatursensor 22 erfassten Temperatur Tth wird übrigens zur thermischen Variablen α.
Je größer der Phasenstrom ist, desto größer ist die durch das Verdrahtungsmuster 34 erzeugte Wärme, und die vom Temperatursensor 22 erfasste Temperatur Tth steigt in Abhängigkeit von der erzeugten Wärmemenge an. Daher wird die thermische Variable α mit zunehmendem Phasenstrom reduziert, so dass die genaue Sperrschichttemperatur Tj ohne den thermischen Einfluss des Verdrahtungsmusters 34 geschätzt werden kann.
(9-2) Beziehung zwischen der Batteriespannung Vb (Versorgungsspannung) und der thermischen Variable α
Als nächstes wird die Beziehung zwischen der Batteriespannung Vb (Versorgungsspannung) und der thermischen Variable α unter Bezugnahme auf die 7 und 8 beschrieben. Je höher die Batteriespannung Vb ist, desto größer ist die von jedem der Leistungshalbleiterelemente 16U bis 17W erzeugte Wärmemenge. Da der thermische Einfluss anderer elektronischer Komponenten und des Verdrahtungsmusters 34 relativ klein wird, wird eine dreidimensionale Abbildung so konfiguriert, dass, wie in 7 gezeigt, die thermische Variable α umso größer ist, je höher die Batteriespannung Vb ist. Der Grund dafür wird anhand von 8 erläutert.
In der folgenden Beschreibung wird übrigens davon ausgegangen, dass 90 % der Wärmemenge (der Stromwert des thermischen Kreislaufs in 8) in den Leistungshalbleiterelementen 16U bis 17W durch das angesaugte Kältemittel durch das Gehäuse 2 abgeführt werden und die restlichen 10 % an den Anschluss 37 übertragen werden. Unter der Annahme, dass die in den Leistungshalbleiterelementen 16U bis 17W erzeugte Wärmemenge bei hoher Batteriespannung Vb 50W (durch Ersetzen mit dem Strom als 50A betrachtet) und bei niedriger Batteriespannung Vb 25W (ebenfalls als 25A betrachtet) beträgt, der Phasenstrom in beiden Fällen gleich 10 Arms ist, der Widerstand R1+der Widerstand R2 als eine Widerstandsgruppe X und der Widerstand R3+der Widerstand R4 wird als eine Widerstandsgruppe Y betrachtet wird, sind die Sperrschichttemperatur Tj, wenn die Batteriespannung Vb hoch ist, die Temperatur Tth, die von dem Temperatursensor 22 erfasst wird, und die thermische Variable α wie folgt: $\begin{array}{l} Tj = 45 X \\ Tth = (50 \times 0,1 + 0,1) Y = 5,1 Y \\ α = (Tj - Tth) / 50 = (45 X - 5.1 Y) / 50 \\ = 0,9 X - 0,102 Y \end{array}$
Andererseits sind die Sperrschichttemperatur Tj bei niedriger Batteriespannung Vb, die vom Temperatursensor 22 erfasste Temperatur Tth und die thermische Variable α wie folgt: $\begin{array}{l} Tj = 22,5 X \\ Tth = (25 \times 0,1 + 0,1) Y = 2,6 Y \\ α = (Tj - Tth) / 25 = (22,5X - 2,6 Y) / 25 \\ = 0,9 X - 0,104 Y \end{array}$
Wie aus den obigen Gleichungen (3) und (4) ersichtlich ist, wird die thermische Variable α größer, wenn die Batteriespannung Vb höher ist. Daher kann selbst in der dreidimensionalen Abbildung von 3 die genaue Sperrschichttemperatur Tj geschätzt werden, indem die thermische Variable α erhöht wird, wenn die Batteriespannung Vb höher wird, wie in 7 gezeigt.
(10) Änderung der thermischen Variablen α durch die Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit 32 (Teil 2)
Als nächstes wird ein weiteres Regelungsbeispiel beschrieben, bei dem die thermische Variable α der oben erwähnten Gleichung (2) durch die Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit 32 der Wechselrichtersteuereinheit 12 unter Bezugnahme auf die 9 bis 11 geändert wird. Wenn der Eingangsstrom Iin durch das Verdrahtungsmuster 36 fließt, erzeugt das Verdrahtungsmuster 36 auch Wärme. Da die erzeugte Wärme auch auf den Temperatursensor 22 übertragen wird, steigt die von dem Temperatursensor 22 erfasste Temperatur Tth unter dem Einfluss der Wärme an.
Daher ändert die Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit 32 dieser Ausführungsform die thermische Variable α der oben genannten Gleichung (2) entsprechend dem Eingangsstrom Iin (Betriebszustand), um die Sperrschichttemperatur Tj dahingehend zu korrigieren, dass der Einfluss der durch das Verdrahtungsmuster 36 erzeugten Wärme auf den Temperatursensor 22 ausgeschlossen wird.
(10-1) Beziehung zwischen Eingangsstrom Iin und thermischer Variable α
Als nächstes wird die Beziehung zwischen dem Eingangsstrom Iin und der thermischen Variable α unter Bezugnahme auf die 10 und 11 beschrieben. Übrigens wird in jeder Figur davon ausgegangen, dass die mit den gleichen Bezugsziffern wie in den 5 und 6 dargestellten Elemente die gleichen oder ähnliche Funktionen haben. Bei dieser Ausführungsform wird davon ausgegangen, dass die Beziehung zwischen der thermischen Variable α und dem Eingangsstrom Iin eine in 9 dargestellte lineare Funktion ist, die im Voraus in der Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit 32 gespeichert wird. Bei der Funktion in 9 handelt es sich übrigens um einen Wert, der durch ein Experiment im Voraus für den elektrischen Fahrzeugkompressor 1 ermittelt wurde.
Auch in diesem Fall wird die Wärmeübertragung durch einen elektrischen Stromkreis ersetzt. Das heißt, die Leistungshalbleiterelemente 16U bis 17W und die Verdrahtungsmuster 34 und 36, die Wärmequellen sind, dienen als Stromquellen, wie in 11 gezeigt, und die Wärmewiderstände der einzelnen Elemente und des Gehäuses 2 werden zu Widerständen R1 bis R6. Ferner besteht in ähnlicher Weise die thermische Variable α zwischen der Sperrschichttemperatur Tj und der vom Temperatursensor 22 erfassten Temperatur Tth.
Je größer der Eingangsstrom Iin ist, desto größer ist die durch das Verdrahtungsmuster 36 erzeugte Wärme, und die vom Temperatursensor 22 erfasste Temperatur Tth steigt in Abhängigkeit von der erzeugten Wärmemenge an. Daher kann die genaue Sperrschichttemperatur Tj ohne den thermischen Einfluss des Verdrahtungsmusters 36 geschätzt werden, indem die thermische Variable α kleiner gemacht wird, wenn der Eingangsstrom Iin größer ist.
[Ausführungsform 2]
(11) Änderung der thermischen Variable α durch die Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit 32 (Teil 3)
Nachfolgend wird ein weiteres Regelungsbeispiel beschrieben, bei dem die thermische Variable α der oben genannten Gleichung (2) durch die Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit 32 der Wechselrichtersteuereinheit 12 unter Bezugnahme auf die 12 bis 14 verändert wird. Wie oben beschrieben, sind die Leistungshalbleiterelemente 16U bis 17W über das Gehäuse 2 in einer Wärmeaustauschbeziehung mit dem angesaugten Kältemittel angeordnet. Außerdem steigt mit zunehmender Drehzahl NC des Motors 3 auch die Kühlleistung durch das angesaugte Kältemittel.
Daher werden die Leistungshalbleiterelemente 16U bis 17W stärker gekühlt, wenn die Drehzahl NC höher ist. Daher verringert die Berechnungseinheit 32 für die Sperrschichttemperatur die thermische Variable α, wenn die Drehzahl NC des Motors 3 steigt, wie in 12 gezeigt, und führt eine Korrektur dahingehend durch, in der die Sperrschichttemperatur Tj niedriger wird. Der Grund dafür wird unter Bezugnahme auf die 13 und 14 beschrieben.
Im Übrigen wird davon ausgegangen, dass die in jeder Figur mit den gleichen Bezugsziffern wie in den 5 und 6 dargestellten Elemente die gleichen oder ähnliche Funktionen haben. Ferner wird auch in dieser Ausführungsform davon ausgegangen, dass es sich bei einer anzuwendenden Vorrichtung um den elektrischen Kompressor 1 wie in 1 handelt, und eine elektrische Schaltungskonfiguration einer Wechselrichtervorrichtung 7 ist ebenfalls die gleiche wie die in 2. Der Betrieb der Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit 32 der Wechselrichtersteuereinheit 12 in 2 unterscheidet sich jedoch von dem in der obigen Ausführungsform.
Auch in diesem Fall, wenn die Leistungshalbleiterelemente 16U bis 17W als Wärmequelle betrachtet werden und die Übertragung ihrer Wärme (als Strom I) betrachtet wird, indem sie durch einen elektrischen Stromkreis ersetzt werden, kann ein Strom (Wärme) Ix, der durch eine Widerstandsgruppe X fließt, die aus den Widerständen R1 und R2 besteht, und ein Strom Iy (Wärme), der durch eine Widerstandsgruppe Y fließt, die aus einer thermischen Variablen α und den Widerständen R3 und R4 besteht, durch die folgenden Gleichungen (5) bzw. (6) gemäß dem Gesetz des Nebenschlusses ausgedrückt werden. $Ix = {Y / (X + Y)} \times I$
$Iy = {X / (X + Y)} \times I$
Da die Widerstandsgruppe Y den Wärmewiderstand der aus Harz gefertigten Steuerplatine 11 enthält, ist ihr Wert viel größer als der der Widerstandsgruppe X. Daher wird der Strom Iy kaum beeinflusst, selbst wenn die Widerstandswerte der Widerstände R2 und R4 schwanken, die mit der Schwankung der Drehzahl NC des Motors 3 schwanken, wie aus den Gleichungen (5) und (6) ersichtlich ist. Das heißt, die von dem Temperatursensor 22 erfasste Temperatur Tth wird von der Drehzahl NC des Motors 3 nicht so stark beeinflusst.
Andererseits werden mit zunehmender Drehzahl NC des Motors 3 die schwankenden Widerstandswerte der Widerstände R2 und R4 kleiner. Daher sinkt die Sperrschichttemperatur Tj, aber wie oben beschrieben, wird die vom Temperatursensor 22 erfasste Temperatur Tth nicht so stark gesenkt wie die Sperrschichttemperatur Tj, und die Differenz zwischen den beiden (Tj und Tth) wird kleiner.
Daher reduziert in dieser Ausführungsform die Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit 32 die thermische Variable α, wenn sich die Drehzahl NC des Motors 3 erhöht, wie in 12 gezeigt, und führt eine Korrektur dahingehend durch, in der die Sperrschichttemperatur Tj abnimmt. So kann auch in diesem Fall die genaue Sperrschichttemperatur Tj geschätzt werden. Auch in diesem Fall führt die Temperaturschutzeinheit 33 auf der Grundlage der geschätzten Sperrschichttemperatur Tj den gleichen Schutzvorgang wie oben beschrieben durch.
Wie oben im Detail beschrieben, führt die Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit 32 bei der oben beschriebenen Ausführungsform 1, wenn sie die Sperrschichttemperatur Tj schätzt, die Korrektur dahingehend durch, dass der Einfluss der Wärme, die durch andere elektronische Komponenten als die Leistungshalbleiterelemente 16U bis 17W und die Verdrahtungsmuster 34 und 36 der Steuerplatine 11 erzeugt wird, auf den Temperatursensor 22 ausgeschlossen wird. Daher ist es in den Fällen, in denen der Temperatursensor 22 wie in der Ausführungsform auf der Steuerplatine 11 angeordnet ist, möglich, den Einfluss der von anderen elektronischen Komponenten als den Leistungshalbleiterelementen 16U bis 17W und den Verdrahtungsmustern 34 und 36 erzeugten Wärme auf den Temperatursensor 22 zu eliminieren und die Sperrschichttemperatur Tj jedes der Leistungshalbleiterelemente 16U bis 17W genauer zu schätzen.
Auf diese Weise kann der nutzbare Bereich der Leistungshalbleiterelemente 16U bis 17W erweitert werden, selbst wenn die oben beschriebene Schutzfunktion ausgeführt wird, wodurch es möglich ist, die Leistung der einzelnen Komponenten zu verringern und eine Miniaturisierung und niedrige Kosten zu erreichen.
Wie in der Ausführungsform berechnet die Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit 32 den Wert des Temperaturanstiegs ΔT durch Multiplikation des Verlusts P der Leistungshalbleiterelemente 16U bis 17W mit der thermischen Variablen α und ändert die thermische Variable α in Abhängigkeit vom Betriebszustand. Dadurch ist es möglich, den Einfluss der von anderen elektronischen Komponenten und den Verdrahtungsmustern 34 und 36 der Steuerplatine 11 erzeugten Wärme auf den Temperatursensor 22 problemlos auszuschließen.
In diesem Fall werden in der Ausführungsform die Batteriespannung Vb (Versorgungsspannung), der Phasenstrom (Iu, Iv, Iw) und der Eingangsstrom Iin als Betriebszustände angenommen. Da in der obigen Ausführungsform die thermische Variable α als ein aus der Batteriespannung Vb und dem Phasenstrom ermittelter Wert abgebildet wird, ist es möglich, die thermische Variable α entsprechend jedem Betriebszustand in Bezug zueinander genau einzustellen.
In diesem Fall gilt: Je höher die Batteriespannung Vb ist, desto größer ist die thermische Variable α, so dass die genaue Sperrschichttemperatur Tj geschätzt werden kann. Da die thermische Variable α kleiner wird, wenn der Phasenstrom Iu, Iv, Iw steigt, kann die genaue Sperrschichttemperatur Tj ferner auf die gleiche Weise geschätzt werden. Außerdem wird die thermische Variable α kleiner, wenn der Eingangsstrom Iin größer wird. Daher kann auch hier die genaue Sperrschichttemperatur Tj geschätzt werden.
In einem elektrischen Fahrzeugkompressor 1, der in einer Umgebung mit hohen Temperaturen eingesetzt wird, ist es dann möglich, einen äußerst wirksamen Überhitzungsschutz zu realisieren, indem der Motor 3 durch die Wechselrichtervorrichtung 1 der Ausführungsform betrieben wird.
Bei der erfindungsgemäßen zweiten Ausführungsform wird die Sperrschichttemperatur Tj dahingehend korrigiert, dass sie sinkt, wenn die Drehzahl NC des Motors 3 steigt. Dadurch kann auch die genaue Sperrschichttemperatur Tj geschätzt werden. Auch bei dieser Ausführungsform berechnet die Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit 32 den Temperaturanstiegswert ΔT durch Multiplikation der Verluste P der Leistungshalbleiterelemente 16U bis 17W mit der thermischen Variablen α und verändert die thermische Variable α so, dass die thermische Variable α umso kleiner wird, je höher die Drehzahl NC des Motors 3 ist. Daher ist es möglich, die genaue Sperrschichttemperatur Tj reibungslos zu schätzen.
Auf diese Weise kann die nutzbare Fläche der Leistungshalbleiterelemente 16U bis 17W auch bei Ausführung der oben erwähnten Schutzfunktion auf die gleiche Weise vergrößert werden, wodurch es möglich ist, die Leistung der einzelnen Komponenten zu verringern und eine Miniaturisierung und niedrige Kosten zu erreichen.
[Ausführungsform 3]
(12) Steuerung des Gate-Widerstands ändern
Als nächstes wird die Steuerung der Änderung des Gate-Widerstands jedes Halbleiterschaltelements 18 durch die Wechselrichtersteuereinheit 12 unter Bezugnahme auf die 17 bis 19 beschrieben. Die Wechselrichtersteuereinheit 12 dieser Ausführungsform ändert den Gate-Widerstand des Halbleiter-Schaltelements 18, das jedes Leistungshalbleiterelement 16U bis 17W bildet, auf der Grundlage der Sperrschichttemperatur Tj, die von der Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit 32 wie oben beschrieben geschätzt wird.
Wenn das Gate des Halbleiterschaltelements 18 (IGBT) wie oben beschrieben angesteuert wird, wird die StoßspannungΔ V (= L*di/dt) durch die Induktivität L der Verdrahtungssammelschiene erzeugt, wenn das Gate von EIN auf AUS (Ausschalten) geschaltet wird (linke Seite von 15). Andererseits hat die Stehspannung des Halbleiterschaltelements 18 (IGBT) die Eigenschaft, dass sie mit abnehmender Sperrschichttemperatur Tj abnimmt (rechte Seite von 15). Wenn also die Stoßspannung ΔV die Stehspannung des Halbleiterschaltelements 18 (Element-Stehspannung) überschreitet, besteht die Gefahr, dass das Element zerstört wird.
Daher ist es notwendig, den in 2 mit 39 bezeichneten Gate-Widerstand mit dem Gate des Halbleiterschaltelements 18 zu verbinden, um das Abfallen der durch den Gate-Widerstand 39 an das Gate gegebenen Signalspannung zu dämpfen. Wenn jedoch der Widerstandswert des Gate-Widerstands 39 erhöht wird, wird die Stromabschaltgeschwindigkeit beim Ausschalten des Halbleiterschaltelements 18 langsamer, und der erzeugte Verlust nimmt zu (16). Andererseits ist bekannt, dass beim Betrieb des Halbleiterschaltelements 18 aufgrund der erzeugten Verluste Wärme erzeugt wird, so dass die Sperrschichttemperatur Tj allmählich ansteigt und die Stehspannung (Element-Stehspannung) ebenfalls entsprechend zunimmt.
Daher bestimmt die Wechselrichtersteuereinheit 12 dieser Ausführungsform den Widerstandswert des Gate-Widerstands des Halbleiter-Schaltelements 18 jedes Leistungshalbleiterelements 16U bis 17W auf der Grundlage der Sperrschichttemperatur Tj, die von der Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit 32 wie oben beschrieben geschätzt wird. Im Folgenden wird die Steuerung der Änderung des Gate-Widerstands durch die Wechselrichtersteuereinheit 12 näher beschrieben.
In dieser Ausführungsform verfügt die Wechselrichtersteuereinheit 12 über eine Gate-Widerstandsänderungseinheit 41. 17 ist ein elektrischer Schaltplan, der ein Beispiel für die Konfiguration der Gate-Widerstandsänderungseinheit 41 der Wechselrichtersteuereinheit 12 dieser Ausführungsform zeigt. Übrigens haben die in den 17 bis 19 mit den gleichen Bezugsziffern wie in den 1 bis 14 dargestellten Elemente die gleichen oder ähnliche Funktionen, und auch die elektrische Grundschaltung ist die gleiche wie in 2. In dieser Ausführungsform wird jedoch der oben beschriebene Gate-Widerstand 39 durch eine in 17 dargestellte variable Widerstandsvorrichtung 42 ersetzt.
Obwohl in 17 das Halbleiterschaltelement 18 des Leistungshalbleiterelements 17U stellvertretend dargestellt ist, wird davon ausgegangen, dass auch für die Halbleiterschaltelemente 18 aller Leistungshalbleiterelemente 16U bis 17W dieselbe variable Widerstandsvorrichtung 42 mit jedem Gate verbunden ist und von der Wechselrichtersteuereinheit 12 gesteuert wird.
Dann bilden die variable Widerstandsvorrichtung 42, der oben beschriebene Gate-Treiber 29 und die PWM-Steuereinheit 27 die Gate-Widerstandsänderungseinheit 41 in dieser Ausführungsform. Übrigens, was die internen Konfigurationen und Steuerprogramme des Gate-Treibers 29 und der PWM-Steuereinheit 27 betrifft, werden die Konfiguration und das Steuerprogramm, die für die Realisierung dieser Ausführungsform notwendig sind, zu denen jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen hinzugefügt, oder es werden Änderungen daran vorgenommen.
Die Gate-Widerstandsänderungseinheit 41 dieser Ausführungsform ändert den Widerstandswert der variablen Widerstandseinrichtung 42, die der Widerstandswert des Gate-Widerstands des Halbleiterschaltelements 18 ist, auf der Grundlage der Sperrschichttemperatur Tj des Halbleiterschaltelements 18 jedes der Leistungshalbleiterelemente 16U bis 17W, die von der Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit 32 geschätzt wird. In diesem Fall arbeitet die Gate-Widerstandsänderungseinheit 41 dahingehend, dass der Widerstandswert der variablen Widerstandseinrichtung 42 erhöht wird, wenn die Sperrschichttemperatur Tj niedriger wird, und der Widerstandswert der variablen Widerstandseinrichtung 42 verringert wird, wenn die Sperrschichttemperatur Tj höher wird.
18 zeigt ein Beispiel einer spezifischen elektrischen Schaltung um die Gate-Widerstandsänderungseinheit 41 einschließlich der oben beschriebenen variablen Widerstandsvorrichtung 42. Die Gate-Widerstandsänderungseinheit 41 dieses Beispiels besteht aus einem EIN-Signalerzeugungsschalter S0, der aus einem MOSFET besteht, dessen Source mit einer Gate-Spannungsversorgung Vcc des Halbleiterschaltelements 18 verbunden ist, einem AUS-Signalerzeugungsschalter S1, der ebenfalls aus einem MOSFET besteht, dessen Source geerdet ist und dessen Drain mit einem Drain des EIN-Signalerzeugungsschalters S0 verbunden ist, einem Widerstandselement R10, das zwischen einem Verbindungspunkt zwischen dem Drain des EIN-Signalerzeugungsschalters S0 und dem Drain des AUS-Signalerzeugungsschalters S1 und dem Gate des Halbleiterschaltelements 18 angeschlossen ist, und einem weiteren Widerstandselement R20, dessen eines Ende zwischen dem Widerstandselement R10 und dem Gate des Halbleiterschaltelements 18 angeschlossen ist und dessen anderes Ende mit einem Drain eines weiteren AUS-Signalerzeugungsschalters S2 verbunden ist, der ebenfalls aus einem MOSFET besteht.
Eine Source des das AUS-Signal erzeugenden Schalters S2 ist geerdet, und ein Emitter des Halbleiterschaltelements 18 des Leistungshalbleiterelements 17U ist ebenfalls mit den Quellen der das AUS-Signal erzeugenden Schalter S1 und S2 verbunden und geerdet. Somit sind der EIN-Signalerzeugungsschalter S0 und der AUS-Signalerzeugungsschalter S1 über das Widerstandselement R10 mit dem Gate des Halbleiterschaltelements 18 verbunden, und der AUS-Signalerzeugungsschalter S2 ist über das Widerstandselement R20 mit dem Gate des Halbleiterschaltelements 18 verbunden. Die obige Konfiguration gilt übrigens auch für die Halbleiterschaltelemente 18 der Leistungshalbleiterelemente 17V und 17W. Dasselbe gilt für die Halbleiterschaltelemente 18 der Leistungshalbleiterelemente 16U bis 16W, wobei jedoch angenommen wird, dass der Emitter nicht geerdet ist.
In diesem Fall sind der EIN-Signalerzeugungsschalter S0 und die AUS-Signalerzeugungsschalter S1 und S2 im Gate-Treiber 29 enthalten. Ferner bilden die Widerstandselemente R10 und R20 die variable Widerstandsvorrichtung 42 der Ausführungsform, und diese Widerstandselemente R10 und R20 sind in unmittelbarer Nähe des Gates des Halbleiterschaltelements 18 vorgesehen. Ferner haben das Widerstandselement R10 und das Widerstandselement R20 unterschiedliche Widerstandswerte, und es wird angenommen, dass der Widerstandswert des Widerstandselements R10 größer ist als der Widerstandswert des Widerstandselements R20.
Dann wird ein Signal zum Einschalten des oben beschriebenen Halbleiterschaltelements 18 (IGBT) von der PWM-Steuereinheit 27 in das Gate des EIN-Signal erzeugenden Schalters S0 eingegeben. Ein Signal zum Ausschalten des Halbleiterschaltelements 18 (IGBT) wird in die das AUS-Signal erzeugenden Schalter S1 und S2 eingegeben. In diesem Fall schaltet die PWM-Steuereinheit 27 und gibt das Signal zum Ausschalten des Halbleiterschaltelements 18 an jeden der das AUS-Signal erzeugenden Schalter S1 und S2 aus, basierend auf der Sperrschichttemperatur Tj, die von der Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit 32 geschätzt wird. Wenn die das AUS-Signal erzeugenden Schalter S1 und S2 auf EIN geschaltet werden und das Halbleiterschaltelement 18 ausgeschaltet wird, ändert sich folglich der Widerstandswert des Gate-Widerstands des Halbleiterschaltelements 18.
Als Nächstes wird die Funktionsweise der Gate-Widerstandsänderungseinheit 41 von 18 unter Bezugnahme auf 19 beschrieben. Die unterste Stufe von 19 zeigt die Kollektor-Emitter-Spannung des Halbleiterschaltelements 18. Die oberste Stufe zeigt einen EIN/AUS-Zustand des EIN-Signal erzeugenden Schalters S0, und die zweite und dritte Stufe von oben zeigen einen EIN/AUSZustand der AUS-Signal erzeugenden Schalter S1 und S2.
Wenn das Halbleiterschaltelement 18 jedes der Leistungshalbleiterelemente 16U bis 17W eingeschaltet wird, gibt der Gate-Treiber 29 das Signal zum Einschalten des Halbleiterschaltelements 18 an den EIN-Signalerzeugungsschalter S0 aus, um den EIN-Signalerzeugungsschalter S0 einzuschalten, und zwar als Reaktion auf den Anstieg des von der PWM-Steuereinheit 27 ausgegebenen Ansteuersignals. Andererseits wird das Signal zum Ausschalten des Halbleiterschaltelements 18 nicht ausgegeben, so dass die das AUS-Signal erzeugenden Schalter S1 und S2 ausgeschaltet sind (während einer Periode, in der der das EIN-Signal erzeugende Schalter S0 in 19 eingeschaltet ist, sind die das AUS-Signal erzeugenden Schalter S1 und S2 ausgeschaltet). Somit fließt ein Strom durch das Gate des Halbleiterschaltelements 18 entlang eines Pfads der Gatespannungs-Stromversorgung Vcc, des EIN-Signalerzeugungsschalters S0, des Widerstandselements R10, des Gates und des Emitters des Halbleiterschaltelements 18 und der Erdung, und somit wird das Halbleiterschaltelement 18 eingeschaltet (einschalten).
Wenn dann das Halbleiterschaltelement 18 als nächstes ausgeschaltet wird, gibt der Gate-Treiber 29 (der die oben beschriebene Gate-Widerstandsänderungseinheit 41 bildet) das Signal zum Ausschalten des Halbleiterschaltelements 18 an den das AUS-Signal erzeugenden Schalter S1 (oder S2) aus, um den das AUS-Signal erzeugenden Schalter S1 (oder S2) in Reaktion auf das Abfallen des von der PWM-Steuereinheit 27 ausgegebenen Treibersignals einzuschalten. Andererseits wird das Signal zum Einschalten des Halbleiterschaltelements 18 nicht ausgegeben, so dass der EIN-Signalerzeugungsschalter S0 ausgeschaltet ist (während einer Periode, in der S1 (oder S2) in 19 eingeschaltet ist, ist der EIN-Signalerzeugungsschalter S0 ausgeschaltet). Der Gate-Treiber 29 (Gate-Widerstandsänderungseinheit 41) schaltet einen Ausgangspartner für das Signal zum Ausschalten des Halbleiterschaltelements 18 in Abhängigkeit von der Sperrschichttemperatur Tj, die von der Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit 32 geschätzt wird.
In der Ausführungsform, wenn die Sperrschichttemperatur Tj niedrig ist (bei niedriger Temperatur) und gleich oder kleiner als ein vorbestimmter Wert T1 ist, gibt der Gate-Treiber 29 als Reaktion auf das Abfallen des von der PWM-Steuereinheit 27 ausgegebenen Ansteuersignals das Signal zum Ausschalten des Halbleiterschaltelements 18 an den AUS-Signalerzeugungsschalter S1 aus, um den AUS-Signalerzeugungsschalter S1 einzuschalten und den AUS-Signalerzeugungsschalter S2 auszuschalten. Da die elektrische Ladung, die sich im Gate des Halbleiterschaltelements 18 angesammelt hat, über einen Pfad aus dem Widerstandselement R10, dem AUS-Signalerzeugungsschalter S1 und der Erdung entladen wird, wird das Halbleiterschaltelement 18 folglich ausgeschaltet. Daher wird bei einer solch niedrigen Temperatur der Widerstandswert des Gate-Widerstands des Halbleiterschaltelements 18 zum Widerstandswert des Widerstandselements R10 mit großem Widerstandswert, so dass die Stoßspannung unterdrückt wird.
Andererseits gibt der Gate-Treiber 29 beim Ausschalten des Halbleiterschaltelements 18, wenn die Sperrschichttemperatur Tj ansteigt, um einen vorbestimmten Wert T2 oder einen höheren Wert als den oben beschriebenen vorbestimmten Wert T1 zu erreichen, als Reaktion auf das Abfallen des von der PWM-Steuereinheit 27 ausgegebenen Treibersignals das Signal zum Ausschalten des Halbleiterschaltelements 18 an den AUS-Signalerzeugungsschalter S2 aus, um den AUS-Signalerzeugungsschalter S2 einzuschalten und den AUS-Signalerzeugungsschalter S1 auszuschalten. Infolgedessen wird die elektrische Ladung, die sich im Gate des Halbleiterschaltelements 18 angesammelt hat, über einen Pfad aus dem Widerstandselement R20, dem AUS-Signalerzeugungsschalter S2 und der Erdung entladen. Wenn das Halbleiterschaltelement 18 ausgeschaltet ist, wird daher der Widerstandswert des Gate-Widerstands des Halbleiterschaltelements 18 zu dem Widerstandswert des Widerstandselements R20, der bei einer hohen Temperatur einen kleinen Widerstandswert aufweist. Daher steigt, obwohl die Stoßspannung ansteigt, die Stehspannung des Halbleiterschaltelements 18 auch bei einer solch hohen Temperatur an, so dass eine Elementzerstörung nicht auftritt. So kann der erzeugte Verlust unterdrückt werden.
Übrigens, danach, wenn das Halbleiterschaltelement 18 ausgeschaltet wird, wo die Sperrschichttemperatur Tj abfällt und den vorbestimmten Wert T1 oder weniger erreicht, gibt der Gate-Treiber 29 als Reaktion auf das Abfallen des von der PWM-Steuereinheit 27 ausgegebenen Ansteuersignals das Signal zum Ausschalten des Halbleiterschaltelements 18 an den das AUS-Signal erzeugenden Schalter S1 aus, um den das AUS-Signal erzeugenden Schalter S1 einzuschalten und den das AUS-Signal erzeugenden Schalter S2 auf AUS zu schalten.
Wie in jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen kann die Sperrschichttemperatur Tj des Halbleiterschaltelements 18 jedes der Leistungshalbleiterelemente 16U bis 17W genau geschätzt werden, so dass es möglich geworden ist, die Schwankung der Stehspannung des Halbleiterschaltelements 18 jedes der Leistungshalbleiterelemente 16U bis 17W genau zu erfassen.
Dann ist in dieser Ausführungsform, wie oben im Detail beschrieben, die Wechselrichtersteuereinheit 12 mit der Gate-Widerstandsänderungseinheit 41 versehen, die den Widerstandswert des Gate-Widerstands des Halbleiterschaltelements 18 jedes der Leistungshalbleiterelemente 16U bis 17W ändert. Der Widerstandswert des Gate-Widerstands des Halbleiterschaltelements 18 wird von der Gate-Widerstandsänderungseinheit 41 auf der Grundlage der Sperrschichttemperatur Tj des Halbleiterschaltelements 18 geändert, die von der Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit 32 geschätzt wird. Daher ist es möglich geworden, den optimalen Betrieb unter Berücksichtigung der Stehspannung des Halbleiterschaltelements 18 zu realisieren.
In dieser Ausführungsform erhöht die Gate-Widerstandsänderungseinheit 41 den Widerstandswert des Gate-Widerstands des Halbleiterschaltelements 18, wenn die von der Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit 32 geschätzte Sperrschichttemperatur Tj des Halbleiterschaltelements 18 niedriger wird, und verringert den Widerstandswert des Gate-Widerstands des Halbleiterschaltelements 18, wenn die Sperrschichttemperatur Tj höher wird. Daher kann in einer Situation, in der die Sperrschichttemperatur Tj niedrig ist und die Stehspannung des Halbleiterschaltelements 18 sinkt, der Widerstandswert des Gate-Widerstands erhöht werden, um die Stoßspannung zu verringern. In einer Situation, in der die Sperrschichttemperatur Tj hoch ist und die Stehspannung des Halbleiterschaltelements 18 ansteigt, kann der Widerstandswert des Gate-Widerstands verringert werden, um den erzeugten Verlust zu reduzieren.
So ist es möglich, die erzeugten Verluste zu unterdrücken und einen effizienten Betrieb zu realisieren, ohne dass die Leistungshalbleiterelemente 16U bis 17W durch die Überspannung zerstört werden.
In diesem Fall ist die Gate-Widerstandsänderungseinheit 41 mit der variablen Widerstandsvorrichtung 42 versehen, die mit dem Gate des Halbleiterschaltelements 18 verbunden ist. Basierend auf der Sperrschichttemperatur Tj, die von der Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit 32 geschätzt wird, wird der Widerstandswert der variablen Widerstandsvorrichtung 42 geändert, und je niedriger die Sperrschichttemperatur Tj ist, desto größer ist der Widerstandswert der variablen Widerstandsvorrichtung 42, und je höher die Sperrschichttemperatur Tj ist, desto kleiner ist der Widerstandswert der variablen Widerstandsvorrichtung 42. Daher ist es möglich, sowohl die Zerstörung der Leistungshalbleiterelemente 16U bis 17W durch die Überspannung zu verhindern als auch den erzeugten Verlust der Leistungshalbleiterelemente 16U bis 17W zu unterdrücken.
Insbesondere ist in der Ausführungsform die variable Widerstandsvorrichtung 42 mit dem EIN-Signalerzeugungsschalter S0 versehen, der mit dem Gate des Halbleiterschaltelements 18 verbunden ist und zur Eingabe des EIN-Signals in das Gate dient, den beiden AUS-Signalerzeugungsschaltern S1 und S2, die jeweils mit dem Gate verbunden sind und zur Eingabe des AUS-Signals in das Gate dienen, und den beiden Widerstandselementen R10 und R20 mit unterschiedlichem Widerstandswert, die jeweils mit diesen AUS-Signalerzeugungsschaltern S1 und S2 verbunden sind. Wenn das Halbleiterschaltelement 18 ausgeschaltet wird, schaltet die Gate-Widerstandsänderungseinheit 41 jeden der AUS-Signalerzeugungsschalter S1 und S2 auf der Grundlage der Sperrschichttemperatur Tj um und schaltet sie ein, um dadurch den Widerstandswert des Gate-Widerstands des Halbleiterschaltelements 18 zu ändern. Außerdem schaltet die Gate-Widerstandsänderungseinheit 41, wenn die Sperrschichttemperatur Tj gleich oder kleiner als der vorbestimmte Wert T1 ist, den AUS-Signalerzeugungsschalter S1 ein, mit dem das Widerstandselement R10 mit einem großen Widerstandswert verbunden ist, und schaltet den AUS-Signalerzeugungsschalter S2 ein, mit dem das Widerstandselement R20 mit einem kleinen Widerstandswert verbunden ist, wenn die Sperrschichttemperatur Tj größer oder gleich dem vorbestimmten Wert T2 ist, der höher als der vorbestimmte Wert T1 ist. Daher ist es möglich, sowohl die Zerstörung der Leistungshalbleiterelemente 16U bis 17W aufgrund der Stoßspannung zu verhindern, wenn das Halbleiterschaltelement 18 ausgeschaltet wird, als auch den erzeugten Verlust der Leistungshalbleiterelemente 16U bis 17W zu unterdrücken.
In der oben beschriebenen Ausführungsform wird die dreidimensionale Abbildung der thermischen Variable α übrigens durch die Batteriespannung Vb (Versorgungsspannung) und den Phasenstrom konfiguriert, ist aber nicht darauf beschränkt. Die 3-dimensionale Abbildung kann z. B. durch die Batteriespannung Vb und den Eingangsstrom Iin konfiguriert werden.
Ferner wurde die Ausführungsform am Beispiel der Leistungshalbleiterelemente 16U bis 17W beschrieben, die jeweils aus dem Verbund des Halbleiterschaltelements 18 (IGBT, MOSFET) und der Schwungraddiode 19 bestehen, aber nicht darauf beschränkt sind. Die vorliegende Erfindung gilt auch für eine Wechselrichterschaltung, die nur aus Halbleiterschaltelementen (IGBT, MOSFET) besteht und keine Schwungraddioden aufweist.
Ferner wurde die vorliegende Erfindung in der Ausführungsform durch die Wechselrichtervorrichtung beschrieben, die den Motor des am Fahrzeug montierten elektrischen Kompressors antreibt, aber die Erfindungen der Ansprüche 1 bis 9 sind nicht darauf beschränkt. Die vorliegende Erfindung gilt für allgemeine Wechselrichtervorrichtungen, die jeweils eine Wechselrichterschaltung mit Leistungshalbleiterelementen aufweisen.
Darüber hinaus versteht es sich von selbst, dass die elektrische Schaltung der Gate-Widerstandsänderungseinheit 41, die in der obigen Ausführungsform dargestellt ist, nicht auf die Ausführungsform beschränkt ist und im Rahmen des Anwendungsbereichs geändert werden kann, ohne vom Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Insbesondere besteht in der Ausführungsform die variable Widerstandsvorrichtung 42 aus den beiden ein AUS-Signal erzeugenden Schaltern und den beiden Widerstandselementen, aber durch die Verwendung von mehr Schaltern und Widerstandselementen und das Schalten der Schalter auf der Grundlage der Sperrschichttemperatur Tj kann der Gate-Widerstand des Halbleiterschaltelements 18 jedes der Leistungshalbleiterelemente 16U bis 17W feiner verändert werden.
Bezugszeichenliste

1: elektrischer Kompressor
2: Gehäuse
3: Motor
4: Sauganschluss
6: Druckelement
7: Wechselrichtervorrichtung
8: Wechselrichterschaltung
11: Steuerplatine
12: Wechselrichtersteuereinheit
16U - 17W: Leistungshalbleiterelement
18: Halbleiterschaltelement
22: Temperatursensor (Temperaturdetektor)
23: Shunt-Widerstand (Phasenstromdetektor)
26: Motorsteuereinheit
27: PWM-Steuereinheit
28: Stromerfassungseinheit
29: Gate-Treiber
31: Verlustberechnungseinheit
32: Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit
33: Temperaturschutzeinheit
41: Einheit zur Änderung des Gatewiderstands
42: Vorrichtung mit variablem Widerstand
B: Hochspannungsbatterie
R10, R20: Widerstandselement
S0: EIN-Signal erzeugender Schalter
S1, S2: AUS-Signal erzeugender Schalter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2018046647 [0004]
JP 6330219 [0004]
JP 3983439 [0004]

Claims

Wechselrichtervorrichtung mit einer Wechselrichterschaltung mit mindestens einem Leistungshalbleiterelement und einer Wechselrichtersteuereinheit zum Ansteuern des Leistungshalbleiterelements, umfassend: einen Temperaturdetektor zur Erfassung einer Temperatur in der Nähe des Leistungshalbleiterelements, wobei die Wechselrichtersteuereinheit umfasst: eine Verlustberechnungseinheit zur Berechnung eines Verlustes P des Leistungshalbleiterelements und eine Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit, um einen Temperaturanstiegswert ΔT, der aus dem Verlust P des Leistungshalbleiterelements, der durch die Verlustberechnungseinheit berechnet wird, erhalten wird, zu der durch den Temperaturdetektor erfassten Temperatur Tth zu addieren, um eine Sperrschichttemperatur Tj des Leistungshalbleiterelements zu schätzen, wobei beim Schätzen der Sperrschichttemperatur Tj die Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit eine Korrektur dahingehend durchführt, dass ein Einfluss der Wärmeerzeugung anderer elektronischer Komponenten als des Leistungshalbleiterelements und/oder eines Verdrahtungsmusters einer Steuerplatine auf den Temperaturdetektor ausgeschlossen wird.
Wechselrichtervorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Temperaturdetektor auf der Steuerplatine angeordnet ist, auf der auch die anderen elektronischen Bauteile montiert sind.
Wechselrichtervorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit den Verlust P des Leistungshalbleiterelements mit einer vorbestimmten thermischen Variablen α multipliziert, um den Temperaturanstiegswert ΔT zu berechnen, und die thermische Variable α auf der Grundlage eines Betriebszustands ändert, um eine Korrektur dahingehend durchzuführen, dass der Einfluss der Wärmeerzeugung der anderen elektronischen Komponenten und/oder des Verdrahtungsmusters der Steuerplatine auf den Temperaturdetektor ausgeschlossen wird.
Wechselrichtervorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei der Betriebszustand eine Versorgungsspannung, einen Phasenstrom oder einen Eingangsstrom oder eine Kombination davon oder alle davon umfasst.
Wechselrichtervorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei die thermische Variable α als ein Wert abgebildet wird, der aus mindestens zweien der Versorgungsspannung, dem Phasenstrom und dem Eingangsstrom bestimmt wird.
Wechselrichtervorrichtung gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei die thermische Variable α bei zunehmender Versorgungsspannung größer wird.
Wechselrichtervorrichtung gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei die thermische Variable α mit zunehmendem Phasenstrom kleiner wird.
Wechselrichtervorrichtung gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei die thermische Variable α bei zunehmendem Eingangsstrom kleiner wird.
Wechselrichtervorrichtung gemäß der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Wechselrichtersteuereinheit einen vorbestimmten Schutzvorgang ausführt, wenn die Sperrschichttemperatur Tj des Leistungshalbleiterelements, die von der Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit geschätzt wird, einen vorbestimmten Wert überschreitet.
Elektrischer Fahrzeugkompressor, bestehend aus: einen Motor, der von der Wechselrichtereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 betrieben wird; und ein Gehäuse, in dem der Motor untergebracht ist, wobei das Leistungshalbleiterelement in einer Wärmeaustauschbeziehung mit einem Niedertemperaturbereich des Gehäuses angeordnet ist.
Elektrischer Fahrzeugkompressor, bestehend aus: eine Wechselrichtervorrichtung, die eine Wechselrichterschaltung mit mindestens einem Leistungshalbleiterelement und eine Wechselrichtersteuereinheit zur Ansteuerung des Leistungshalbleiterelements enthält; einen Motor, der von der Wechselrichtervorrichtung betrieben wird; und ein Gehäuse, in dem der Motor untergebracht ist, wobei das Leistungshalbleiterelement über das Gehäuse in einer Wärmeaustauschbeziehung mit einem angesaugten Kältemittel angeordnet ist, wobei der elektrische Fahrzeugkompressor einen Temperaturdetektor enthält, um eine Temperatur in der Nähe des Leistungshalbleiterelements zu erfassen, wobei die Wechselrichtersteuereinheit umfasst: eine Verlustberechnungseinheit zur Berechnung eines Verlustes P des Leistungshalbleiterelements und eine Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit, um einen Temperaturanstiegswert ΔT, der aus dem Verlust P des Leistungshalbleiterelements, der durch die Verlustberechnungseinheit berechnet wird, erhalten wird, zu der Temperatur Tth zu addieren, die durch den Temperaturdetektor erfasst wird, um eine Sperrschichttemperatur Tj des Leistungshalbleiterelements zu schätzen, wobei beim Schätzen der Sperrschichttemperatur Tj die Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit die Sperrschichttemperatur Tj dahingehend korrigiert, dass sie gesenkt wird, wenn die Anzahl der Umdrehungen des Motors höher wird.
Elektrischer Fahrzeugkompressor gemäß Anspruch 11, wobei die Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit den Verlust P des Leistungshalbleiterelements mit einer vorbestimmten thermischen Variablen α multipliziert, um den TemperaturanstiegswertΔ T zu berechnen, und die thermische Variable α so ändert, dass die thermische Variable α kleiner wird, wenn die Anzahl der Umdrehungen des Motors höher wird.
Elektrischer Fahrzeugkompressor gemäß Anspruch 11 oder 12, wobei die Wechselrichtersteuereinheit einen vorbestimmten Schutzvorgang ausführt, wenn die von der Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit geschätzte Sperrschichttemperatur Tj des Leistungshalbleiterelements einen vorbestimmten Wert überschreitet.
Die Wechselrichtervorrichtung oder der elektrische Fahrzeugkompressor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Wechselrichtersteuereinheit eine Gate-Widerstandsänderungseinheit aufweist, um einen Widerstandswert eines Gate-Widerstands des Leistungshalbleiterelements zu ändern, und wobei die Gate-Widerstandsänderungseinheit den Widerstandswert des Gate-Widerstands des Leistungshalbleiterelements auf der Grundlage der Sperrschichttemperatur Tj des Leistungshalbleiterelements ändert, die von der Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit geschätzt wird.
Die Wechselrichtervorrichtung oder der elektrische Fahrzeugkompressor gemäß Anspruch 14, wobei die Gate-Widerstandsänderungseinheit den Widerstandswert des Gate-Widerstands des Leistungshalbleiterelements erhöht, wenn die Sperrschichttemperatur Tj des Leistungshalbleiterelements, die von der Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit geschätzt wird, niedriger wird, und den Widerstandswert des Gate-Widerstands des Leistungshalbleiterelements verringert, wenn die von der Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit geschätzte Sperrschichttemperatur Tj des Leistungshalbleiterelements höher wird.
Die Wechselrichtervorrichtung oder der elektrische Fahrzeugkompressor gemäß Anspruch 14 oder 15, wobei die Gate-Widerstandsänderungseinheit eine variable Widerstandsvorrichtung aufweist, die mit einem Gate des Leistungshalbleiterelements verbunden ist, und wobei die Gate-Widerstandsänderungseinheit einen Widerstandswert der Vorrichtung mit variablem Widerstand auf der Grundlage der Sperrschichttemperatur Tj des Leistungshalbleiterelements ändert, die von der Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit geschätzt wird.
Die Wechselrichtervorrichtung oder der elektrische Fahrzeugkompressor gemäß Anspruch 16, wobei die Gate-Widerstandsänderungseinheit den Widerstandswert der variablen Widerstandsvorrichtung erhöht, wenn die Sperrschichttemperatur Tj des Leistungshalbleiterelements, die von der Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit geschätzt wird, niedriger wird, und den Widerstandswert der variablen Widerstandsvorrichtung verringert, wenn die Sperrschichttemperatur Tj des Leistungshalbleiterelements, die von der Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit geschätzt wird, höher wird.
Die Wechselrichtervorrichtung oder der elektrische Fahrzeugkompressor gemäß Anspruch 16 oder 17, wobei die Vorrichtung mit variablem Widerstand umfasst: einen EIN-Signalerzeugungsschalter, der mit dem Gate des Leistungshalbleiterelements verbunden ist, um ein EIN-Signal in das Gate einzugeben, eine Vielzahl von AUS-Signalerzeugungsschaltern, die jeweils mit dem Gate des Leistungshalbleiterelements verbunden sind, um ein AUS-Signal in das Gate einzugeben, und eine Vielzahl von Widerstandselementen mit unterschiedlichem Widerstandswert, die jeweils mit den AUS-Signalerzeugungsschaltern verbunden sind, und wobei, wenn das Leistungshalbleiterelement AUS geschaltet wird, die Gate-Widerstandsänderungseinheit jeden der AUS-Signalerzeugungsschalter schaltet und EIN schaltet, basierend auf der Sperrschichttemperatur Tj des Leistungshalbleiterelements, die von der Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit geschätzt wird, um den Widerstandswert des Gate-Widerstands des Leistungshalbleiterelements zu ändern.
Die Wechselrichtervorrichtung oder der elektrische Fahrzeugkompressor gemäß Anspruch 18, wobei, wenn die Sperrschichttemperatur Tj des Leistungshalbleiterelements, die von der Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit geschätzt wird, kleiner oder gleich einem vorbestimmten Wert T1 ist, die Gate-Widerstandsänderungseinheit den AUS-Signalerzeugungsschalter einschaltet, mit dem das Widerstandselement mit großem Widerstandswert verbunden ist, und wobei, wenn die Sperrschichttemperatur Tj des Leistungshalbleiterelements, die durch die Sperrschichttemperaturschätzungs-Berechnungseinheit geschätzt wird, größer oder gleich einem vorbestimmten Wert T2 ist, der höher als der vorbestimmte Wert T1 ist, die Gate-Widerstandsänderungseinheit den AUS-Signalerzeugungsschalter, mit dem das Widerstandselement mit kleinem Widerstandswert verbunden ist, EIN schaltet.