JP2006049411A - パワー素子接合部の温度上昇を推定し、監視する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 パワー素子の熱による破損を防止するためパワー素子の接合部温度をソフトウエアにより推定し、監視する方法及び装置を提供する。
【解決手段】 パワー素子の接合部許容温度を含む接合部の温度上昇に関わるパラメータ情報を設定し（ＳＴ１）、次いで前記パワー素子ユニットのケース温度の変化分を当該ケースの熱時定数を考慮して演算を遂行し（ＳＴ２）、次いで前記ケース温度の変化分を累積して当該ケース温度を算出し（ＳＴ３）、次いで前記パワー素子の接合部の温度上昇分を当該接合部に流れる電流に基づいて演算する（ＳＴ５、６またはＳＴ７、８）。
次いで、前記算出されたケース温度に、演算された温度上昇分を加算して当該パワー素子の接合部温度を算出し（ＳＴ９、１０）、算出された当該パワー素子の接合部温度が、設定されているパワー素子の接合部許容温度内にあるか否かを判定処理し、否のときは警報信号を生成する（ＳＴ１１）。
【選択図】 図３

Description

本発明はパワー素子の保護方法及び装置に係り、特に、熱による破損を防止するためパワー素子の接合部温度をソフトウエアにより推定し、監視する方法及び装置に関する。

大電力のスイッチイング用に供するためパワー素子が従来より使用されている。例えば、図７に示されるように、サーボモータ３への３相交流電力供給用回路を構成するパルス幅変調（ＰＷＭ）タイプのインバータ部１２には、図示のように絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ８０１（ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor））やフリーホイーリングダイオード８０２（ＦＷＤ）が用いられている。
サーボモータ３は、それと結合された被駆動体の位置、速度を正確に制御可能であるため、工作機械、電動型射出成形機、ダイカストマシン等の駆動機構に用いられている。これらの機械においては、高速化、高トルク化志向が強く、同時に低コスト化が要求されるため、前記インバータ部を含むサーボアンプを形成するパワー素子においてはその許容限界値まで電流を流すことがしばしばある。その理由としては、一般に、制御対象を駆動させて所望の加工、成形、ディスプレイ等を行なわせるための当該制御対象に対する一連の動作指令群を作成する場合、その作成者は、前記動作指令群が実行される過程でパワー素子ユニットにどれほどの駆動電流が供給されるかを考慮することなく前記動作指令群を作成するという事情がある。

例えば、前記電動型射出成形機においては、射出装置側における射出スクリュ回転の高速化、同射出スクリュの射出速度の急激な変化、形締装置側における形締め力の増大化が射出成形サイクルの短縮化と同時に要求されており、これらの動作を満たすため各駆動部に設けたサーボモータへの供給電力も増大化する。これにより前記サーボモータへの電力供給用サーボアンプを構成しているパワー素子に流れる電流によって当該パワー素子の接合部の温度上昇が急激に増大し、その許容限界値を超えた場合パワー素子の熱による破損を招く恐れがある。このため、従来技術においては、前記サーボアンプのパワー素子をハードウエア的な手法によりその温度管理を行なっている（例えば、特許文献１参照）。

図８は、その温度管理の様子を一般的な構造として例示する図である。即ち、同図８において、放熱板９４（以下ヒートシンクと称する）の底部には、くし状の放熱フィン９５が形成され各フィン９５の間の空間部分には温度調節された冷却媒体例えば、空調器からのエアが流れるようにし、ヒートシンク９４を所定温度範囲内に保持するようになっている。また、ヒートシンク９４の上面にはパワー素子ユニット９が配設されている。このパワー素子ユニット９は、ヒートシンク９４上面と接する銅板９３の上にセラミック等の絶縁性材料で形成された絶縁板９２が配置されている。９６，９７は1つまたは複数のパワー素子をその内部に有する半導体チップであって、発熱体を構成している。半導体チップ９６に隣接してケース温度センサー（ＴＳ１）９８Ａが配設されている。一方、半導体チップ９７には図示のように、パワー素子の接合部温度を直接検知する温度センサー（ＴＳ２）９８Ｂが形成されている。

このタイプの半導体チップ９７は、ＩＰＭ（Intelligence Power Module）と称され、前述した絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）に対応する半導体チップ９６に比べ高価であり、構造的にもチップ内部に配線を必要とし、製造自体が複雑である。参照符号９９はヒートシンク９４上に配設されたケース温度の過熱検知スイッチ（ＴＳＷ）である。また、参照符号９１はプラスチック製の密閉用フタであって、前記チップ９６，９７及び近傍の回路配線部分を外部から遮断し、塵埃等の侵入を防ぐようになっている。通常、前記絶縁板９２の上面及び前記各チップは比較的熱伝導の良いゲル状物質により覆われており、半導体チップで発生した熱は当該ゲル状物質を介して絶縁板９２全体へ拡散させるようになっているので、前記のように密閉状態になっていても発生した熱がフタ９１の内側空間にそのまま滞留することはない。
熱の伝達に関係する熱時定数ＴＣの点では、発熱部を半導体チップ９６、９７とした場合、ヒートシンク９４の上面に配置されたケース温度の過熱検知スイッチ９９の位置や温度センサー９８Ａの位置では数分であり、温度センサー９８Ｂでは数十ｍｓｅｃのオーダーである。即ち、
ＴＣ（ＴＳ２）＜＜＜ＴＣ（ＴＳ１）＜＝ＴＣ（ＴＳＷ）
である。
また温度勾配（熱抵抗）ＨＲの点では、次のようである。
ＨＲ（発熱部〜ＴＳ２）＜＜＜ＨＲ（発熱部〜ＴＳ１）＜ＨＲ（発熱部〜ＴＳＷ）
図８に例示されるように、従来のパワー素子ユニットにおいては半導体チップ９６即ち、ＩＧＢＴではトランジスタ内部の接合部温度を直接測定することは難しい。このため、パワー素子に流れる電流が急激に増大した場合、外部にある温度センサー９８Ａでは前記ゲル状物質及び絶縁板９２で形成されているケース部分の熱時定数が大きい、即ち、温度変化が緩慢であるためＩＧＢＴを構成するトランジスタ内部接合部の急激な加熱は検出できず、加熱破損に至る恐れがある。
また、半導体チップ９７、即ち、ＩＰＭでは、前述したように、ＩＰＭ内部のパワー素子の接合部温度を直接測定できるので、ＩＧＢＴの場合のような熱時定数の問題は生じないが、高価であり、汎用性に欠ける難点がある。
特開２０００−３２４８９３号公報

本発明者等は前述した難点を解決すべく鋭意検討・努力した結果、発生した熱によるケース部分の温度上昇（ＩＧＢＴの場合）あるいは、発生した熱による接合部の温度上昇（ＩＰＭの場合）をそれぞれ温度センサーにより検出するという従来のハードウエア的な対応に換えて、パワー素子の接合部温度を当該パワー素子に流れる電流に基づいて瞬時に演算しリアルタイムで推定するというソフトウエア的な対応を行なうことで前記問題点が解決できることを見出した。従って、本発明の目的は、パワー素子の熱による破損を防止するためパワー素子の接合部温度をソフトウエアにより推定し、監視する方法及び装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明によるパワー素子の接合部温度を推定し、監視する方法は、
パワー素子ユニットと、同パワー素子ユニットと電気的に接続結合され駆動用電力を供給される制御対象と、当該制御対象の駆動を指令する時系列命令群を格納したコントローラとを有する前記制御対象用駆動装置の、前記パワー素子ユニットを構成しているパワー素子の接合部の温度上昇を推定し、監視する方法であって、同方法は、
前記パワー素子の接合部許容温度を含む接合部の温度上昇に関わるパラメータ情報を設定する第１の段階と、
前記制御対象の駆動中、前記パワー素子ユニットのケース温度の変化分を当該ケースの熱時定数を考慮して演算する第２の段階と、
前記制御対象の駆動中、前記ケース温度の変化分を累積して当該ケース温度を算出する第３の段階と、
前記制御対象の駆動中、前記パワー素子の接合部の温度上昇分を当該接合部に流れる電流に基づいて演算する第４の段階と、
前記制御対象の駆動中、前記第３の段階で算出されたケース温度に前記第４の段階により演算された温度上昇分を加算して当該パワー素子の接合部温度を算出する第５の段階と、
前記第１の段階で設定されたパワー素子の接合部許容温度と前記第５の段階で算出された当該パワー素子の接合部温度とを比較しその大小を判定する第６の段階と
からなることを特徴とする。
その場合、前記第２の段階におけるケース温度の変化分は、前記パラメータ情報の１つであるケース温度上昇係数と前記コントローラにおいて生成される電流指令値との積に対し１次のローパスフィルタを作用させて生成することが好ましい。
さらに、前記第４の段階における接合部の温度上昇分は、当該接合部に流れる電流に基づいて演算された銅損による温度上昇分と同電流の周波数に基づいて演算された鉄損による温度上昇分との和として生成されることができる。
さらに、前記第４の段階における接合部の温度上昇分の演算のため、前記制御対象の駆動速度に関連して異なるパラメータ情報を用いることができる。
さらにまた、前記第６の段階による判定の結果、当該パワー素子の接合部温度が前記設定された接合部許容温度を超えたときは、警告信号を発生するステップを前記第６の段階がさらに含むよう構成することができる。
またその場合、前記第６の段階による判定の結果、当該パワー素子の接合部温度が前記設定された接合部許容温度を超えたときは、前記制御対象の駆動速度を低下せしめるステップを前記第６の段階がさらに含むよう構成することができる。
またその場合、前記制御対象はサーボモータであり、前記パワー素子ユニットは交流サーボドライバーであり、前記コントローラはコンピュータ化された数値制御装置で構成することができる。

また、上記の目的を達成するため、本発明によるパワー素子の接合部温度を推定し、監視する装置は、
パワー素子ユニットと同パワー素子ユニットと電気的に接続結合され駆動用電力を供給される制御対象と当該制御対象の駆動を指令する時系列命令群を格納したコントローラとを有する前記制御対象用駆動装置の、前記パワー素子ユニットを構成しているパワー素子の接合部の温度上昇を推定し、監視する装置であって、
前記コントローラには、前記パワー素子の接合部許容温度を含む接合部の温度上昇に関わるパラメータ情報を記憶する第１のメモリ手段と、
前記制御対象の駆動中、前記パワー素子ユニットのケース温度の変化分を当該ケースの熱時定数を考慮して演算し、 同変化分を累積して当該ケース温度を算出し、次いで前記パワー素子の接合部の温度上昇分を当該接合部に流れる電流に基づいて演算し、さらに前記算出されたケース温度に前記演算された温度上昇分を加算して当該パワー素子の接合部温度を算出し、次いで当該パワー素子の算出された接合部温度と前記第１のメモリ手段に記憶したパワー素子の接合部許容温度とを比較しその大小を判定する各処理手順からなるパワー素子接合部の温度上昇を推定し、監視するためのプログラムを格納する第２のメモリ手段、
を備えて構成することができる。
その場合、前記ケース温度の変化分は、前記パラメータ情報の１つであるケース温度上昇係数と前記コントローラにおいて生成される電流指令値との積に対し１次のローパスフィルタを作用させて生成することが好ましい。
またその場合、前記制御対象はサーボモータであり、前記パワー素子ユニットは当該サーボモータ用の交流サーボドライバーであり、前記コントローラはコンピュータ化された数値制御装置で構成されることができる。
さらにその場合、前記コントローラは、第２のメモリ手段に格納された前記プログラムによる判定の結果、当該パワー素子の接合部温度が前記第１のメモリ手段に記憶されている接合部許容温度を超えたときは、同判定結果に応答して警告信号を発生すると共に、実行中の前記制御対象の駆動を指令する時系列命令群に対しオーバライドをかけるよう指令することができる。
その場合、前記サーボモータは電動型射出成形機の射出機構及び、または形締機構の駆動部に配設されることができる。

また、上記の目的を達成するため、本発明によるパワー素子の接合部温度を推定し、監視する機能を備えた装置は、
制御対象と、同制御対象の駆動を指令する時系列命令群を格納したコントローラとの間に配設され前記時系列命令群の実行に応答して所定の駆動用電力を前記制御対象に供給するよう前記制御対象と電気的に結合可能なパワー素子ユニットであって、当該パワー素子ユニットを構成しているパワー素子の接合部の温度上昇をリアルタイムで推定し、監視するため同ユニットには、
前記コントローラ及び制御対象と結合され同制御対象の駆動中、前記パワー素子ユニットのケース温度の変化分を当該ケースの熱時定数を考慮して演算し、同変化分を累積して当該ケース温度を算出し、次いで前記パワー素子の接合部の温度上昇分を当該接合部に流れる電流に基づいて演算し、さらに前記算出されたケース温度に前記演算された温度上昇分を加算して当該パワー素子の接合部温度を算出し、次いで当該パワー素子の算出された接合部温度と前記第１のメモリ手段に記憶したパワー素子の接合部許容温度とを比較しその大小を判定する各処理手順からなるプログラムを記憶したプログラム媒体と、
前記パワー素子の接合部許容温度を含む接合部の温度上昇に関わるパラメータ情報を記憶するメモリ手段及び、
前記プログラム媒体から前記プログラムを読みだして実行する中央演算処理装置を備えたことを特徴とする。
その場合、前記接合部に流れる電流として前記コントローラで生成された電流指令値を取り込むよう構成することができる。
またその場合、当該パワー素子ユニットには、前記接合部に流れる電流を検出するセンサーを設けて構成することができる。

本発明によれば、制御対象へ電力を供給するためのパワー素子ユニットを構成しているパワー素子の接合部の温度を、当該接合部の温度を推定、監視するプログラムを実行することにより算出し、リアルタイムで当該接合部の温度を推定し、当該パワー素子の許容温度と比較判定するようにしているので、当該接合部の熱による破損を事前に防止することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態に基づく実施例について図１乃至図６を参照して詳細に説明する。
図１は、電動型射出成形機４の駆動機構に組込まれるサーボモータ３を制御対象とした場合において本発明を適用したときの概念図である。同図１において、参照符号１はサーボアンプであって、ＧＴＲ（Giant Transistor）と総称されるパワー素子で形成されたサーボモータ３への電力供給用パワー素子ユニット６と前記ＧＴＲのゲート信号を生成するサーボ制御部５からなる。参照符号２はコントローラであって、その中に前記パワー素子ユニット６のパワー素子ＧＴＲの接合部温度を推定・監視する監視部８を設けてある。さらに、コントローラには当該サーボモータ３を介して電動型射出成形機４の駆動・動作を与えるための駆動指令信号生成部７を有する。

現在では、サーボモータ３のコントローラ２としてコンピュータ化された数値制御装置ＣＮＣ（Computerized Numerical Controller、 以下ＣＮＣ装置と称する）が市販されており、このようなＣＮＣ装置は電動型射出成形機や工作機械で多用されている。

図２は、ＣＮＣ装置１００内に推定・監視プログラム５４３を設けて、同ＣＮＣ装置及びこれと結合されたサーボドライバー６１ならびにサーボモータ３との関係を説明する機能ブロック図である。 図２において、ＣＮＣ装置１００は基本的に、中央演算処理装置ＣＰＵ５１０と、同ＣＰＵに実行させる命令群をストアするプログラムメモリ５４０及び各種パラメータデータ、ＣＰＵが参照する各種センサー信号、ＣＮＣ装置内の内部ステイタス信号、データ等をストアするデータメモリ５５０から構成される。参照符号５２０及び、５３０は、それぞれサーボモータの回転角位置θiを生成する演算部及び、サーボプロセッサーであって、前記ＣＰＵ５１０の処理内容をブロックで明示したものである。サーボプロセッサー５３０内の参照符号ＰＣ、ＶＣ、ＶＣＴ、ＶＤはそれぞれ、位置制御、速度制御、電流ベクトル制御、速度検出の各処理機能を表している。またサーボドライバー６１内の参照符号ＣＲＣは電流制御処理を示す。なお、破線で示す６２はサーボモータ３の励磁巻線に実際に流れる電流を検出するホール素子である。

参照符号３１はサーボモータ３の回転軸に結合されたロータリーエンコーダ等の回転角位置センサーで、前記サーボプロセッサー５３０へその出力信号がフィードバックされている。
前記プログラムメモリ５４０には、本発明を遂行するための、パワー素子ユニット６におけるパワー素子の接合部温度を推定・監視するプログラム５４３、オーバライド実行プログラム５４４がそのメモリ領域５４２に格納されている。
一方、メモリ領域５４１にはサーボモータを介して前記射出成形機等の駆動機構を駆動するための１連の命令群（第１の成形品を成形する）に対応した成形指令プログラムＰＡＲＴ１が格納されている。（ＰＡＲＴ２は第２の成形品に対応、以下同様）

前記データメモリ５５０において、メモリ領域５５１には前記推定・監視プログラム５４３が実行される過程で参照される各種パラメータのデータ情報及び監視対象のパワー素子接合部の許容温度あるいは許容限界温度のデータがストアされている。メモリ領域５５２、５５３には前記推定・監視プログラム５４３が実行される過程で参照される電流指令値Ｉ、パワー素子のゲート信号のスイッチイング速度に対応する周波数ｆがストアされる。これらＩ、ｆの値は前記射出成形機の動作により絶えず変化するので、常に更新されるようになっている。さらに、メモリ領域５５４にはパワー素子の接合部の温度上昇分及び接合部温度のデータがストアされ、メモリ領域５５５にはケース温度の変化分及びケース温度のデータがストアされる。
なお、前記プログラムメモリ５４０、データメモリ５５０の区分は絶対的なものでなく、例えばメモリ領域５４１をデータメモリ５５０側に格納することも可能である。

図３は、前記推定・監視プログラム５４３の主要内容を説明するためのフローチャートである。以下、そのプログラムによる処理のステップＳＴ１〜ＳＴ１２について説明する。
同図３において、スタート指令が与えられると、ステップＳＴ１において、初期化処理として、以降の演算処理に必要な各種パラメータデータの設定及び確認が行なわれる。なお、このパラメータデータには、パワー素子接合部の許容温度、ケース温度の上昇係数、過熱警告情報の連続許容時間等を含む。
さらに、ケース温度上昇分をゼロに設定する。

ステップＳＴ２において、ケース温度の変化分を当該ケース部分の熱時定数を考慮して演算する。ここで、熱時定数を考慮した演算は、具体的にはケース温度上昇係数(定数)と電流指令値(変数)の積に対し、ケース温度時定数に近似する１次のローパスフィルタを作用させて演算し、その結果をケース温度の変化分とするものである。
次いで、ステップＳＴ３でケース温度絶対値（℃）（以下単にケース温度と称する）を算出する。このケース温度の算出は、初期状態、即ち、無負荷時におけるケース温度（上昇分はゼロ）にケース温度の変化分を加算することにより得られる。
次いで、ステップ４において、ＤＣロック状態か否かを判定する。ここでＤＣロック状態とは、サーボモータの電気角周波数が例えば３０ＨＺ以下の領域であることを意味する。

この判定は、前記電気角周波数３０ＨＺを境にして接合部に流れる電流に関係する銅損に基づく発生熱量と当該電流の周波数（前記サーボモータの電気角周波数に相当する）に関係する鉄損に基づく発生熱量の割合が大幅に相違するため、接合部の温度上昇分算出に用いる上昇係数（パラメータ）を３０ＨＺ以下の低周波領域と３０ＨＺ以上の領域とで異なる計数値を指定するために行う。
判定ステップＳＴ４で肯定（Ｙ）のときは、ステップＳＴ５、ＳＴ６において各パワー素子ＩＧＢＴ、ＦＷＤの接合部温度の上昇分を演算する。一方、否定（Ｎ）のときも同様にしてステップＳＴ７、ＳＴ８において各パワー素子ＩＧＢＴ、ＦＷＤの接合部温度の上昇分を演算する。
次いで、ステップＳＴ９、ＳＴ１０において、それぞれのパワー素子ＩＧＢＴ、ＦＷＤの接合部温度を算出する。この算出は、例えば、パワー素子ＩＧＢＴの場合、前記ＳＴ３で算出されたケース温度にＳＴ５またはＳＴ７で演算された接合部温度の上昇分を加算することに行なわれる。
次いで、ステップＳＴ１１において、判定処理が実行される。この判定処理では、ステップＳＴ９、ＳＴ１０で算出したパワー素子ＩＧＢＴ、ＦＷＤの接合部温度がその許容温度を超えたか否かを判定する。そして許容温度を超えた場合はコントローラ側へ判定信号として、警告、警報を与え、コントローラによりディスプレイ装置、音声などを介して作業者に警告を発する。さらに、判定信号として、コントローラに対しオーバライドをかけるよう指示して、所定の割合でサーボモータ３の速度を低下させるようにする。（オーバライド実行プログラム５４４を起動させる。）

次いで、ステップＳＴ１２において、監視処理終了指令の有無を確認し、続行であればステップＳＴ２へ戻り、以下同様な処理が行なわれる。監視処理終了指令がある場合は、そのプログラム５４３の実行を終了する。なお、前記ステップＳＴ１１での警告信号が連続して所定時間継続した場合にはエラーとしてサーボ出力演算を一時的にＯＦＦ動作状態にし、パワー素子の保護を行なう。
図４は、パワー素子ユニット６内のパワー素子の接合部温度推定計算の概念を説明する波形図を例示し、（ａ）は電流指令の推移を、（ｂ）はケース温度変化(推移)を、（ｃ）は接合部温度変化(推移)を、（ｄ）は接合部温度(推移)をそれぞれ示す。同図４の各波形の縦軸は変化の様子が相対的に容易であるよう比率（％）で示してある。また、横軸は共通の時間スケールｔで示されている。
時間スケールｔ上の細かい目盛は、前記図３のフローチャートの１サイクル（ＳＴ１〜ＳＴ１２）経過時間■ｔである。

電流指令の波形（ａ）は時刻ｔ０〜ｔ６で大きく変化している。接合部温度変化の波形（ｃ）は波形（ａ）に良く追従していることが示される。なお、接合部温度の上昇分は波形（ｃ）の微分値（前記経過時間■ｔに対する増分）として与えられる。従って、ｔ０〜ｔ１の間ではこの増分はゼロである。
ケース温度変化の波形（ｂ）は電流指令の波形（ａ）を１次のローパスフィルタをかけた結果を示しており、例えば、ｔ０〜ｔ１の間では電流指令のステップ入力に対し１次遅れのカーブとなっている。なお、破線の円内に示すように、ケース温度の変化分■Ｄは前記経過時間■ｔの間の微分値(差分)として与えられる。

発明者等のテストによれば、パワー素子ユニット６のケース部分の熱時定数は１次遅れ関数に極めて近似しており、このことは、本発明においてケース温度変化を電流指令値に対し１次のローパスフィルタをかけることにより生成することが合理性を有することを意味する。
接合部温度の波形（ｄ）は、波形（ｂ）と波形（ｃ）を加算することにより生成される。

図５は、図８に示したヒートシンク９４上のパワー素子ユニット９の正面図である。同図５において、参照符号８６は半導体チップ８７を覆うゲル状物質である。銅板８３上の絶縁板８２とゲル状物質８６とでチップ８７のケース部を形成している。黒点で示したチップ８７に隣接するケース部分８８の温度変化(推移)は図４の波形（ｂ）に対応している。前記チップ８７で発生した熱は矢視の方に向かってチップ８７から絶縁板８２、銅板８３を介してヒートシンク８４のフィン８５に達するまで熱伝導される。

図６は、本発明の他の実施形態に係る実施例を示すパワー素子ユニットの構成ブロック図である。
同図６において、パワー素子ユニット６にはパワー素子チップのＧＴＲモジュール６３のほかＣＰＵ５１０、プログラムメモリ５４０、データメモリ５５０を備え、これらメモリ５４０、５５０には図２において説明した推定・監視プログラム５４３、パラメータ情報等がそれぞれストアされている。このパワー素子ユニット６は制御対象及びそのコントローラと結合された状態で、制御対象の駆動中前記推定・監視プログラム５４３を実行するようになっている。その場合、演算時に必要な電流指令値Ｉはコントローラ側から取り込むようにすることもできるが、ＧＴＲモジュールに流れている電流をパワー素子ユニット内部の電流センサー６５で検出するようにしてもよい。
電気角周波数ｆについても同様に周波数センサー６４で対応させる。なお、参照符号ＧＴＳ・Ｌは、ＧＴＲモジュール（インバータ）６３へのスイッチイング用ゲート信号のラインを示し、（ｆ／Ｉ）・Ｌは前記周波数ｆ、電流指令値Ｉをコントローラ側から取り込むための信号ラインを示している。

以上本発明の好適な実施例について図面により説明したが、本発明の趣旨からすれば、制御対象は上述した実施例のサーボモータに限定されものではなく、例えば、半導体気相成長装置におけるウエハー用チャンバー加熱手段として、あるいは、ガラスレンズ成形装置における金型加熱手段としての高出力ランプや広告用の大ディスプレイ装置等のようにサーボモータ以外のものであってもパワー素子ユニットから電力供給される装置、手段は本発明における制御対象である。

従って、本発明におけるパワー素子ユニットとは、サーボモータ用のＰＷＭタイプのサーボアンプに限定されるものではなく、上記制御対象に対し大電力を供給する機能を有するパワー素子ＩＧＢＴや、ＦＷＤを備えた回路構成であればよい。
従って、また本発明において駆動とは、サーボモータにより位置（回転角）や移動速度（回転速度）の変化を与えることに限定されるものではなく、要するに制御対象に対し電力を供給すること自体を意味するものであり、駆動速度とは、それ故電力供給量の変化量と解釈されるべきである。

電動型射出成形機の駆動機構に組込まれるサーボモータを制御対象とした場合において本発明を適用したときの概念図。 ＣＮＣ装置内に推定・監視プログラムを設けて、同ＣＮＣ装置及びこれと結合されたサーボドライバーならびにサーボモータとの関係を説明する機能ブロック図。 本発明における推定・監視プログラムの主要内容を説明するフローチャート。 パワー素子ユニット内のパワー素子の接合部温度推定計算の概念を説明する波形図で、（ａ）は電流指令の推移、（ｂ）はケース温度変化(推移)、（ｃ）は接合部温度変化(推移)、（ｄ）は接合部温度(推移)。 図８に示したヒートシンク上に配置されたパワー素子ユニットの正面図。 本発明の他の実施形態に係る実施例を示すパワー素子ユニットの構成ブロック図。 サーボモータへの３相交流電力供給用回路を構成するパルス幅変調（ＰＷＭ）タイプのインバータ部の詳細回路。 パワー素子の温度管理を一般的な構造として例示する図。

符号の説明

１ サーボアンプ
２ コントローラ
３ サーボモータ
４ 電動型射出成形機
５ サーボ制御部
６ パワー素子ユニット
７ 駆動指令信号生成部
１１ コンバータ部
１２ インバータ部
３１ 回転角位置センサー
６１ サーボドライバー
６２ ホール素子
６３ ＧＴＲモジュール
６４ 電流センサー
６５ 周波数センサー
８１、９１ フタ
８２、９２ 絶縁板
８３、９３ 銅板
８４、９４ ヒートシンク（放熱板）
８５、９５ 放熱板
８６ ゲル状物質
８７、９６、９７ 半導体チップ
８８ 半導体チップに隣接する部分
９８Ａ、９８Ｂ 温度センサー
９９ 過熱検知スイッチ
１００ コンピュータ化された数値制御装置
５１０ ＣＰＵ
５２０ サーボモータ回転角位置演算部
５３０ サーボプロセッサー
５４０ プログラムメモリ
５４１、５４２ メモリ領域
５４３ 推定・監視プログラム
５４４ オーバライド実行プログラム
５５０ データメモリ
５５１、５５２、５５３、５５４、５５５ メモリ領域
８０１ 絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ
８０２ フリーホイーリングダイオード

Claims (16)

1. パワー素子ユニットと、同パワー素子ユニットと電気的に接続結合され駆動用電力を供給される制御対象と、当該制御対象の駆動を指令する時系列命令群を格納したコントローラとを有する前記制御対象用駆動装置の、前記パワー素子ユニットを構成しているパワー素子の接合部の温度上昇を推定し、監視する方法であって、
   同方法は、
   前記パワー素子の接合部許容温度を含む接合部の温度上昇に関わるパラメータ情報を設定する第１の段階と、
   前記制御対象の駆動中、前記パワー素子ユニットのケース温度の変化分を当該ケースの熱時定数を考慮して演算する第２の段階と、
   前記制御対象の駆動中、前記ケース温度の変化分を累積して当該ケース温度を算出する第３の段階と、
   前記制御対象の駆動中、前記パワー素子の接合部の温度上昇分を当該接合部に流れる電流に基づいて演算する第４の段階と、
   前記制御対象の駆動中、前記第３の段階で算出されたケース温度に前記第４の段階により演算された温度上昇分を加算して当該パワー素子の接合部温度を算出する第５の段階と、
   前記第１の段階で設定されたパワー素子の接合部許容温度と前記第５の段階で算出された当該パワー素子の接合部温度とを比較しその大小を判定する第６の段階と、
   からなることを特徴とするパワー素子接合部の温度上昇を推定し、監視する方法。
2. 請求項１において、前記第２の段階におけるケース温度の変化分は、前記パラメータ情報の１つであるケース温度上昇係数と前記コントローラにおいて生成される電流指令値との積に対し１次のローパスフィルタを作用させて生成することを特徴とするパワー素子接合部の温度上昇を推定し、監視する方法。
3. 請求項１において、前記第４の段階における接合部の温度上昇分は、当該接合部に流れる電流に基づいて演算された銅損による温度上昇分と同電流の周波数に基づいて演算された鉄損による温度上昇分との和として生成されることを特徴とするパワー素子接合部の温度上昇を推定し、監視する方法。
4. 請求項１において、前記第４の段階における接合部の温度上昇分の演算は、前記制御対象の駆動速度に関連して異なるパラメータ情報を用いることを特徴とするパワー素子接合部の温度上昇を推定し、監視する方法。
5. 請求項１乃至４において、前記第６の段階による判定の結果、当該パワー素子の接合部温度が前記設定された接合部許容温度を超えたときは、警告信号を発生するステップを前記第６の段階がさらに含むことを特徴とするパワー素子接合部の温度上昇を推定し、監視する方法。
6. 請求項１乃至５において、前記第６の段階による判定の結果、当該パワー素子の接合部温度が前記設定された接合部許容温度を超えたときは、前記制御対象の駆動速度を低下せしめるステップを前記第６の段階がさらに含むことを特徴とするパワー素子接合部の温度上昇を推定し、監視する方法。
7. 請求項１乃至６において、前記制御対象はサーボモータであり、前記パワー素子ユニットは交流サーボドライバーであり、前記コントローラはコンピュータ化された数値制御装置であることを特徴とするパワー素子接合部の温度上昇を推定し、監視する方法。
8. パワー素子ユニットと同パワー素子ユニットと電気的に接続結合され駆動用電力を供給される制御対象と当該制御対象の駆動を指令する時系列命令群を格納したコントローラとを有する前記制御対象用駆動装置の、前記パワー素子ユニットを構成しているパワー素子の接合部の温度上昇を推定し、監視する装置であって、
   前記コントローラには、前記パワー素子の接合部許容温度を含む接合部の温度上昇に関わるパラメータ情報を記憶する第１のメモリ手段と、
   前記制御対象の駆動中、前記パワー素子ユニットのケース温度の変化分を当該ケースの熱時定数を考慮して演算し、同変化分を累積して当該ケース温度を算出し、次いで前記パワー素子の接合部の温度上昇分を当該接合部に流れる電流に基づいて演算し、さらに前記算出されたケース温度に前記演算された温度上昇分を加算して当該パワー素子の接合部温度を算出し、次いで当該パワー素子の算出された接合部温度と前記第１のメモリ手段に記憶したパワー素子の接合部許容温度とを比較しその大小を判定する各処理手順からなるパワー素子接合部の温度上昇を推定し、監視するためのプログラムを格納する第２のメモリ手段、
   を備えたことを特徴とするパワー素子接合部の温度上昇を推定し、監視する装置。
9. 請求項８において、前記ケース温度の変化分は、前記パラメータ情報の１つであるケース温度上昇係数と前記コントローラにおいて生成される電流指令値との積に対し１次のローパスフィルタを作用させて生成することを特徴とするパワー素子接合部の温度上昇を推定し、監視する装置。
10. 請求項８または９において、前記制御対象はサーボモータであり、前記パワー素子ユニットは当該サーボモータ用の交流サーボドライバーであり、前記コントローラはコンピュータ化された数値制御装置であることを特徴とするパワー素子接合部の温度上昇を推定し、監視する装置。
11. 請求項１０において、前記コントローラは、第２のメモリ手段に格納された前記プログラムによる判定の結果、当該パワー素子の接合部温度が前記第１のメモリ手段に記憶されている接合部許容温度を超えたときは、同判定結果に応答して警告信号を発生すると共に、実行中の前記制御対象であるサーボモータの駆動を指令する時系列命令群に対しオーバライドをかけるよう指令することを特徴とするパワー素子接合部の温度上昇を推定し、監視する装置。
12. 請求項１０または１１において、前記サーボモータは電動型射出成形機の射出機構及び、または形締機構の駆動部に配設されていることを特徴とするパワー素子接合部の温度上昇を推定し、監視する装置。
13. 制御対象と、同制御対象の駆動を指令する時系列命令群を格納したコントローラとの間に配設され前記時系列命令群の実行に応答して所定の駆動用電力を前記制御対象に供給するよう前記制御対象と電気的に結合可能なパワー素子ユニットであって、当該パワー素子ユニットを構成しているパワー素子の接合部の温度上昇をリアルタイムで推定し、監視するため同ユニットには、
    前記コントローラ及び制御対象と結合され同制御対象の駆動中、前記パワー素子ユニットのケース温度の変化分を当該ケースの熱時定数を考慮して演算し、同変化分を累積して当該ケース温度を算出し、次いで前記パワー素子の接合部の温度上昇分を当該接合部に流れる電流に基づいて演算し、さらに前記算出されたケース温度に前記演算された温度上昇分を加算して当該パワー素子の接合部温度を算出し、次いで当該パワー素子の算出された接合部温度と前記第１のメモリ手段に記憶したパワー素子の接合部許容温度とを比較しその大小を判定する各処理手順からなるプログラムを記憶したプログラム媒体と、
    前記パワー素子の接合部許容温度を含む接合部の温度上昇に関わるパラメータ情報を記憶するメモリ手段及び、
    前記プログラム媒体から前記プログラムを読みだして実行する中央演算処理装置を備えたことを特徴とするパワー素子接合部の温度上昇を推定し、監視する機能を有するパワー素子ユニット。
14. 請求項１３において、前記接合部に流れる電流として前記コントローラで生成された電流指令値を取り込むようにしたことを特徴とするパワー素子接合部の温度上昇を推定し、監視する機能を有するパワー素子ユニット。
15. 請求項１３において、前記接合部に流れる電流を検出するセンサーを設けたことを特徴とするパワー素子接合部の温度上昇を推定し、監視する機能を有するパワー素子ユニット。
16. 請求項１３乃至１５において、前記パワー素子はパルス幅変調タイプのインバータ部を構成するものであることを特徴とするパワー素子接合部の温度上昇を推定し、監視する機能を有するパワー素子ユニット。

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