JP2015119599A - Power conversion device and method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水冷のヒートシンクによりパワー半導体素子を冷却しながら、パワー半導体素子により電力を変換する電力変換装置及び方法に関する。 The present invention relates to a power conversion apparatus and method for converting power by a power semiconductor element while cooling the power semiconductor element by a water-cooled heat sink.
例えばコンバータやインバータを備えたような電力変換装置では、パワー半導体素子として、サイリスタ素子、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴなどが用いられている。このようなパワー半導体素子を用いた電力変換装置では、パワー半導体素子のジャンクション温度が所望の温度を超えないように温度管理をしている。具体的には、パワー半導体素子の周囲にサーモスタットを取り付けたり、パワー半導体素子にサーミスタを内蔵したりしている。そして、実際の温度が所望の温度に達したときに、初めて電力の出力を制御したり停止したりしている。 For example, in a power conversion device including a converter or an inverter, a thyristor element, IGBT, MOSFET, or the like is used as a power semiconductor element. In such a power conversion device using a power semiconductor element, temperature management is performed so that the junction temperature of the power semiconductor element does not exceed a desired temperature. Specifically, a thermostat is attached around the power semiconductor element, or a thermistor is built in the power semiconductor element. Then, when the actual temperature reaches a desired temperature, the power output is controlled or stopped for the first time.
特許文献１には、電力変換を行う半導体素子と、この半導体素子の熱を放散させる放熱フィンと、この放熱フィンを冷却する冷却ファンと、冷却ファンの冷却能力に関連するパラメータを検出する検出部と、制御部と、を備えた電力変換装置について開示されている。この電力変換装置では、検出部の検出結果、半導体素子の損失及び半導体素子の周囲温度に基づいて半導体素子のジャンクション温度を推定し、推定したジャンクション温度が予め定められた温度を超えないように半導体素子を制御している。
しかしながら、上述した温度管理の手法では、実際の温度が設定値に達した後に電源出力を停止させているので、急峻な温度上昇には温度センサの応答遅れがあるため対応できず、パワー半導体素子の破損につながる。特許文献１では、半導体素子を空冷しており、その冷却能力に関するパラメータを加味して半導体素子のジャンクション温度を推定している。また、半導体素子の周囲に温度センサを取り付け、温度センサの値からジャンクション温度を推定している。しかしながら、温度センサの取付位置により測温値が大きく異なる。よって、特許文献１の技術では、半導体素子を精度よく制御することができない。
However, in the above-described temperature management method, since the power supply output is stopped after the actual temperature reaches the set value, the rapid temperature rise cannot be dealt with because there is a response delay of the temperature sensor. Lead to damage. In
そこで、本発明では、出力条件の変更があった場合でも、パワー半導体素子の破損を未然に防止することができる、電力変換装置及び方法を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a power conversion apparatus and method that can prevent the power semiconductor element from being damaged even when the output condition is changed.
上記目的を達成するために、本発明は、電力変換部と該電力変換部を制御する制御部とを備えた電力変換装置において、
電力変換部が、電力変換を行うためのパワー半導体素子を金属ベースに搭載してなるモジュールと、モジュールの金属ベースに接触しパワー半導体素子を冷却するヒートシンクと、を備え、
金属ベースの温度を測定すると共にヒートシンクに流入及び流出する冷却水の温度及び量を測定するセンサが取り付けられ、
制御部は、パワー半導体素子からヒートシンクに流れる熱量をセンサから測定した値に基づいて求めることによりパワー半導体素子のジャンクション温度を推定し、電力変換部から出力される電力を増加させる出力変更指令の入力を受けると、出力変更指令に対応して電力変換部を制御した際にパワー半導体素子のジャンクション温度を計算し、その計算した値が所望の値に達すると判断すると、指令に応じないことを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention provides a power conversion device including a power conversion unit and a control unit that controls the power conversion unit.
The power conversion unit includes a module in which a power semiconductor element for performing power conversion is mounted on a metal base, and a heat sink that contacts the metal base of the module and cools the power semiconductor element,
A sensor is attached to measure the temperature and amount of cooling water flowing into and out of the heat sink while measuring the temperature of the metal base,
The control unit estimates the junction temperature of the power semiconductor element by obtaining the amount of heat flowing from the power semiconductor element to the heat sink based on the value measured from the sensor, and inputs an output change command for increasing the power output from the power conversion unit When the power conversion unit is controlled in response to the output change command, the junction temperature of the power semiconductor element is calculated, and if the calculated value reaches a desired value, it does not respond to the command. And
上記構成において、制御部は、パワー半導体素子の各ジャンクション温度における通電電流と電圧との素子データを備えており、
制御部は、パワー半導体素子のジャンクション温度を計算する際、先ず、ヒートシンクに流れる熱量から推定したジャンクション温度での素子データから通電電流を増加したときの電圧を求めて、増加後の通電電流と電圧とから電力損失を求め、その後、求めた電力損失に対応したジャンクション温度での素子データから通電電流を増加したときの電圧を求めて、増加後の通電電流と電圧とから電力損失を求めることを繰り返し行う。
In the above configuration, the control unit includes element data of energization current and voltage at each junction temperature of the power semiconductor element,
When calculating the junction temperature of the power semiconductor element, the control unit first obtains the voltage when the energization current is increased from the element data at the junction temperature estimated from the amount of heat flowing through the heat sink, and the increased energization current and voltage The power loss is obtained from the above, and then the voltage when the energization current is increased is obtained from the element data at the junction temperature corresponding to the obtained power loss, and the power loss is obtained from the increased energization current and voltage. Repeat.
上記構成において、センサのうち前記金属ベースを測温するための温度センサが、金属ベースに接触するように又は金属ベースに挿入して設けられ、制御部が、パワー半導体素子のジャンクション部と金属ベースとの間の熱回路に基づいて、パワー半導体素子のジャンクション温度を推定する。 In the above configuration, a temperature sensor for measuring the temperature of the metal base among the sensors is provided so as to be in contact with or inserted into the metal base, and the control unit includes a junction part of the power semiconductor element and the metal base. The junction temperature of the power semiconductor element is estimated based on the thermal circuit between the two.
上記目的を達成するために、本発明は、パワー半導体素子を金属ベースに搭載してなるモジュールと、金属ベースに接触させてパワー半導体素子を冷却するヒートシンクとを用いて、パワー半導体素子を動作させて電力変換を行う電力変換方法であって、パワー半導体素子への通電によってパワー半導体素子からヒートシンクに流れる熱量を測定することにより、パワー半導体素子のジャンクション温度を推定し、パワー半導体素子への通電電流を増加する際に、通電電流を増加したときのパワー半導体素子のジャンクション温度を計算し、所望の値を超えるとパワー半導体素子への通電電流の増加をしないようにしたことを特徴とする。 To achieve the above object, the present invention operates a power semiconductor element using a module in which the power semiconductor element is mounted on a metal base and a heat sink that cools the power semiconductor element by contacting the metal base. A power conversion method for performing power conversion by estimating the junction temperature of the power semiconductor element by measuring the amount of heat flowing from the power semiconductor element to the heat sink by energization of the power semiconductor element, and conducting current to the power semiconductor element When increasing the energization current, the junction temperature of the power semiconductor element when the energization current is increased is calculated, and if the value exceeds a desired value, the energization current to the power semiconductor element is not increased.
上記構成において、パワー半導体素子のジャンクション温度を計算する際には、先ず、通電電流増加前のジャンクション温度におけるパワー半導体素子の素子特性から、増加後の通電電流における電圧を求めて、増加後の通電電流とその求めた電圧とから電力損失を求めてジャンクション温度を求め、次に、その求めたジャンクション温度におけるパワー半導体素子の素子特性から増加後の通電電流における電圧を求め、増加後の通電電流とその求めた電圧とから電力損失を求めてジャンクション温度を求める一連の処理を繰り返す。一連の処理は、その求めたジャンクション温度の値が収束するまで行う。 In the above configuration, when calculating the junction temperature of the power semiconductor element, first, the voltage at the increased current is obtained from the element characteristics of the power semiconductor element at the junction temperature before the increase in the conduction current. Obtain the power loss from the current and the obtained voltage to obtain the junction temperature, and then obtain the voltage at the increased energizing current from the element characteristics of the power semiconductor element at the obtained junction temperature, A series of processes for obtaining a power loss from the obtained voltage and obtaining a junction temperature are repeated. A series of processing is performed until the obtained junction temperature value converges.
本発明に係る電力変換装置によれば、制御部は、パワー半導体素子のジャンクション温度を、パワー半導体素子から冷却水へ流れる熱量を冷却水の温度差及び流量から推定し、出力増加の出力変更指令を受けると、出力変更指令に応じて電力変換部を制御したとしてパワー半導体素子の上昇温度分を計算し、その計算した温度が所望の値を超えるときには、出力変更指令に従う出力をしない。よって、パワー半導体素子のジャンクション部が所望の温度よりも高い温度とならないように、出力の制御又は停止をし、電力変換部のパワー半導体素子の熱による破損を防止することができる。 According to the power conversion device of the present invention, the control unit estimates the junction temperature of the power semiconductor element, the amount of heat flowing from the power semiconductor element to the cooling water from the temperature difference and flow rate of the cooling water, and outputs an output change command for increasing the output. If the power conversion unit is controlled according to the output change command, the temperature rise of the power semiconductor element is calculated, and when the calculated temperature exceeds a desired value, no output according to the output change command is performed. Therefore, it is possible to control or stop the output so that the junction part of the power semiconductor element does not reach a temperature higher than a desired temperature, thereby preventing the power semiconductor element of the power conversion part from being damaged by heat.
本発明に係る電力変換方法によれば、パワー半導体素子への通電によってパワー半導体素子からヒートシンクに流れる熱量を測定することにより、パワー半導体素子のジャンクション温度を推定し、パワー半導体素子への通電電流を増加する際に、通電電流を増加したときのパワー半導体素子のジャンクション温度を計算し、所望の値を超えるとパワー半導体素子への通電電流の増加を行わない。よって、パワー半導体素子の熱による破損を防止することができる。 According to the power conversion method of the present invention, by measuring the amount of heat flowing from the power semiconductor element to the heat sink by energizing the power semiconductor element, the junction temperature of the power semiconductor element is estimated, and the energization current to the power semiconductor element is calculated. When increasing, the junction temperature of the power semiconductor element when the energizing current is increased is calculated, and if the desired temperature is exceeded, the energizing current to the power semiconductor element is not increased. Therefore, damage to the power semiconductor element due to heat can be prevented.
以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態について説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
図１は、本発明の実施形態に係る電力変換装置の構成図である。図１に示すように、電力変換装置１０の入力側には電源３１が接続され、電力変換装置１０の出力側には負荷３２が接続されている。電力変換装置１０は、電力変換部１１と、電力変換部１１を制御する制御部１２と、を備える。
FIG. 1 is a configuration diagram of a power conversion device according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a
電力変換部１１は、電力変換を行うためのパワー半導体素子２１を金属ベース２２に搭載してなるモジュール２３と、モジュール２３の金属ベース２２に接触しパワー半導体素子２１を冷却するヒートシンク２４とを備える。モジュール２３においてパワー半導体素子２１と金属ベース２２との間には、絶縁層２５が介在している。電力変換部１１は、一又複数のモジュール２３内のパワー半導体素子２１がコンバータやインバータとして回路を形成することにより負荷３２に出力する電力を変換している。ヒートシンク２４は、放熱部２４ａに対して冷却水を流すための配管２４ｂを配設して構成される、所謂水冷ヒートシンクである。ヒートシンク２４が金属ベース２２に接触していることにより、パワー半導体素子２１からの熱を冷却水ｗに効率良く伝達し得る。
The
電力変換部１１には複数のセンサが取り付けられている。温度センサ２６ａが金属ベース２２の温度を測定する。金属ベース２２に窪みを設けて温度センサ２６ａを挿入するか又は温度センサ２６ａを金属ベース２２に接触するように設けられることが好ましい。よって、温度センサ２６ａの取付位置に依存せず、ジャンクション温度をモニターすることができる。
A plurality of sensors are attached to the
温度センサ２６ｂ及び２６ｃは、配管２４ｂの流入側と流出側にそれぞれに設けられ、ヒートシンク２４に流入及び流出する冷却水の温度が測定される。流量センサ２６ｄが配管２４ｂに設けられて冷却水の量が測定される。
The
制御部１２では、パワー半導体素子２１からヒートシンク２４に流れる熱量を冷却水ｗの温度上昇量として後述の式（１）で求め、温度センサ２６ａの実測値からパワー半導体素子２１のジャンクション温度を推定する。また、制御部１２は、図示しない入力部から出力に関する指令の入力を受け、電力変換部１１を制御する。制御部１２は、電力変換部１１から電力を出力している途中において入力部から出力変更に関する指令を受けると、次のような処理を経て、その指令に応じるか否かを判断する。すなわち、電力変換部１１から出力される電力を増加させる旨の出力変更指令の入力を受けると、出力変更指令に対応して電力変換部１１を制御した際にパワー半導体素子２１のジャンクション温度を計算し、その計算した値が所望の値に達すると判断するとその指令に応じないで、出力を停止するなどの制御を行う。これにより、パワー半導体素子２１の熱による破壊を未然に防ぐ。
In the
制御部１２において、出力変更指令に対応して出力を変更した際のパワー半導体素子２１のジャンクション温度の推定手法について説明する。図２は、図１に示すパワー半導体素子から金属ベース及びヒートシンクを経由して冷却水に至るまでの熱抵抗回路を示す図である。冷却水（ｗ）とヒートシンク（ｆ）との間には熱抵抗Ｒｔｈ（ｆ-ｗ）があり、ヒートシンク（ｆ）と金属ベース（ｃ）との間には熱抵抗Ｒｔｈ（ｃ-ｆ）があり、金属ベース（ｃ）とパワー半導体素子のジャンクション部（ｊ）との間には熱抵抗Ｒｔｈ（ｊ-ｃ）がある。
A method for estimating the junction temperature of the
先ず、第１ステップとして、出力変更指令に応じて出力変更する前の現時点でのパワー半導体素子２１のジャンクション温度を推定する。パワー半導体素子２１のモジュール２３をヒートシンク２４に取り付け、パワー半導体素子２１で生じた熱がヒートシンク２４に伝達されて冷却水にて冷却する場合を想定する。冷却水の昇温値を求めることにより、パワー半導体素子２１からの通電による電力量、つまり損失が測定される。
First, as a first step, the junction temperature of the
すなわち、損失Ｐは、式（１）により、冷却水のＯＵＴ側での温度ＴＷ（ｏｕｔ）とＩＮ側での温度ＴＷ（ｉｎ）との差分に、流量を掛けることで求まる。なお、末尾の係数「７０」は、冷却水として２０℃の水の特性として、比熱、密度などに基づく値であり、括弧[]内は単位を示し、ヒートシンクに一つのモジュールが搭載されているとして計算している。複数のモジュールを搭載している場合には、モジュール毎に冷却水の流入側と流出側の温度を測定するか、又は式（１）の左辺を各モジュールの損失の和となるように変更すればよい。
損失Ｐ［Ｗ］＝
｛ＴＷ（ｏｕｔ）［℃］−ＴＷ（ｉｎ）[℃]｝×流量[Ｌ／ｍｉｎ]×７０ 式（１）
That is, the loss P using Formula (1), the difference between the temperature T W (in) at a temperature T W (out) and the IN side at OUT side of the cooling water, obtained by multiplying the flow rate. The coefficient “70” at the end is a value based on specific heat, density, etc., as a characteristic of water at 20 ° C. as cooling water, and the unit in parentheses [] indicates a unit, and one module is mounted on the heat sink. As calculated. If multiple modules are installed, measure the temperature on the cooling water inflow side and outflow side for each module, or change the left side of Equation (1) to be the sum of the losses of each module. That's fine.
Loss P [W] =
{T W (out) [° C.] − T W (in) [° C.]} × flow rate [L / min] × 70 Formula (1)
式（１）で求まった損失Ｐの値に基づいて、図２に示す熱抵抗回路によるパワー半導体素子２１中のジャンクション温度Ｔｊを、式（２）により求める。
ジャンクション温度Ｔｊ[℃]＝
損失Ｐ×Ｒｔｈ（ｊ−ｃ）＋金属ベースの温度[℃] 式（２）
ここで、Ｒｔｈ（ｊ−ｃ）は、パワー半導体素子２１におけるカタログ値の熱抵抗[℃／Ｗ]により設定する。
Based on the value of the loss P obtained by Expression (1), the junction temperature Tj in the
Junction temperature Tj [℃] ＝
Loss P × Rth (j−c) + metal base temperature [° C.] Formula (2)
Here, Rth (j−c) is set by the thermal resistance [° C./W] of the catalog value in the
この式（２）により、出力変更指令に応じて出力変更する前の現時点でのパワー半導体素子２１のジャンクション温度Ｔｊが求まる。
From this equation (2), the junction temperature Tj of the
次に、第２ステップとして、出力変更指令に応じて出力を変更するときのパワー半導体素子２１のジャンクション温度を以下の手順によって推定する。以下では、出力変更指令により出力電流をＩ１からＩ２に増加させるときのパワー半導体素子２１のジャンクション温度の推定方法の一例を説明する。
Next, as a second step, the junction temperature of the
図３は、制御部１４に格納されるパワー半導体素子２１の特性のデータを模式的に示す図である。パワー半導体素子２１がＩＧＢＴの場合を想定している。横軸がＶＣＥ，縦軸が電流ＩＣ，ジャンクション温度Ｔｊ，ゲート電圧ＶＧをパラメータで示している。つまり、ＶＣＥ＝ｆ（Ｉｃ，Ｔｊ,ＶＧ）で示される。ＩＣとＶＣＥの関係ｆはＴｊ，ＶＧの関数となるが、ゲート電圧ＶＧは一定であるので、ＶＣＥはＩＣとＴｊの関数となる。
FIG. 3 is a diagram schematically showing the characteristic data of the
いま、パワー半導体素子２１のジャンクション温度Ｔｊ０のパワー半導体素子２１において、通電電流をＩ１からＩ２に増加させるとき、ＩＣ−ＶＣＥ曲線がジャンクション温度Ｔｊによって変化するので、先ず、電流増加前のジャンクション温度であるＴｊ０のときのＩＣ−ＶＣＥ曲線を利用する。図３からジャンクション温度の初期値であるＴｊ０でのＩＣ−ＶＣＥ曲線から、電流をＩ１からＩ２に増加すると、ＶＣＥがＶ２となるので、損失はＩ２×Ｖ２となる。よって、Ｉ２×Ｖ２の電力損失にモジュール熱抵抗Ｒｔｈ（ｊ−ｃ）を掛けて上昇温度を求め、この求めた上昇温度にＴｊ０を加えることで、ジャンクション温度Ｔｊ１が求められる。
Now, the
次に、ジャンクション温度Ｔｊ１でのＩＣ−ＶＣＥ曲線から、電流Ｉ２ではＶＣＥがＶ３となるので、損失はＩ２×Ｖ３となる。よって、Ｉ２×Ｖ３の電力損失にモジュール熱抵抗Ｒｔｈ（ｊ−ｃ）を掛けて上昇温度を求め、この求めた上昇温度にＴｊ０を加えることで、ジャンクション温度Ｔｊ２が求められる。 Next, from the I C -V CE curve at the junction temperature Tj1, V CE is V 3 at the current I 2 , and the loss is I 2 × V 3 . Therefore, the junction temperature Tj2 is obtained by multiplying the power loss of I 2 × V 3 by the module thermal resistance Rth (j−c) to obtain the elevated temperature and adding Tj0 to the obtained elevated temperature.
次に、ジャンクション温度Ｔｊ２でのＩＣ−ＶＣＥ曲線から、電流Ｉ２ではＶＣＥがＶ４となるので、損失はＩ２×Ｖ４となる。よって、Ｉ２×Ｖ４の電力損失にモジュール熱抵抗Ｒｔｈ（ｊ−ｃ）を掛けて上昇温度を求め、この求めた上昇温度にＴｊ０を加えることで、ジャンクション温度Ｔｊ３が求められる。 Next, from the I C -V CE curve at the junction temperature Tj2, V CE is V 4 at the current I 2 , so the loss is I 2 × V 4 . Therefore, seeking a module thermal resistance Rth (j-c) increasing the temperature over a power loss of I 2 × V 4, by adding a Tj0 on the obtained temperature rise, the junction temperature Tj3 is determined.
このように計算を繰り返すことによりジャンクション温度は上昇して実際の値に近くなるが、図４に示すようにその上昇幅が小さくなり、求められるジャンクション温度の値が収束すると、その求めた値が実際のパワー半導体素子２１のジャンクション温度Ｔｊと推定される。
By repeating the calculation in this manner, the junction temperature rises and approaches the actual value. However, as shown in FIG. 4, when the increase in the junction temperature decreases and the obtained junction temperature value converges, the obtained value becomes The actual junction temperature Tj of the
このように計算を繰り返して、電流値を変更したときのジャンクション温度を求めることができ、その結果と素子の規格値を比較して、電流を増加することができるか否かの判断を行えばよい。 By repeating the calculation in this way, the junction temperature when the current value is changed can be obtained, and the result is compared with the standard value of the element to determine whether the current can be increased. Good.
パワー半導体素子２３のジャンクション温度の上昇は数秒程度かかるのに対し、ステップ１及びステップ２の計算はマイコン等で０．０１〜０．１秒のオーダーという非常に短時間に行える。よって、実際に出力変更指令に沿って温度上昇をさせる前に行っても何ら支障はない。また、出力変更指令に沿って変更してしても、計算は０．１秒オーダー以下で出来るので、問題はない。
While the increase in the junction temperature of the
また、図２で示す熱抵抗回路において、接触熱抵抗であるＲｔｈ（ｃ-ｆ）やヒートシンクＲｔｈ（ｆ-ｗ）の熱抵抗値を加味して、ジャンクション温度を求めていないので、より正確な計算が可能となる。 Further, in the thermal resistance circuit shown in FIG. 2, since the junction temperature is not calculated by taking into consideration the thermal resistance values of Rth (cf) and heat sink Rth (fw) which are contact thermal resistances, it is more accurate. Calculation is possible.
ところで、パワー半導体素子のスイッチングロスは、電圧、電流が直線的に変化するとして次式により計算することが出来る。
オン損失Ｐ＝１／６×Ｖ×Ｉ×Ｔｏｎ／Ｔ
オフ損失Ｐ＝１／６×Ｖ×Ｉ×Ｔｏｆｆ／Ｔ
ここで、Ｔｏｎ，Ｔｏｆｆはスイッチングでオン、オフする時間、Ｔは周期である。
よって、トータルとしての損失Ｐについてはスイッチング損失と定常損失とスイッチング損失との和として求めてもよい。
By the way, the switching loss of the power semiconductor element can be calculated by the following equation assuming that the voltage and current change linearly.
On-loss P = 1/6 × V × I × Ton / T
Off-loss P = 1/6 × V × I × Toff / T
Here, Ton and Toff are switching on and off times, and T is a period.
Therefore, the total loss P may be obtained as the sum of switching loss, steady loss, and switching loss.
そのほか、本発明の実施形態によれば、パワー半導体素子の経年変化によるＶＣＥの上昇を冷却水による熱量から判断して、未然にパワー半導体素子の破損を防ぐこともできる。また、ヒートシンクの経年変化による冷却能力の低減についても加味することができる。 In addition, according to the embodiment of the present invention, to determine the increase in V CE due to aging of the power semiconductor element from the heat by the cooling water, it can be prevented beforehand to damage of the power semiconductor device. Further, the reduction of the cooling capacity due to the secular change of the heat sink can be taken into consideration.
本発明の実施形態に係る電力変換装置では、冷却水の温度上昇分からパワー半導体素子２１の損失を求めているため、その損失の精度は温度センサ２６ｂ及び温度センサ２６ｃから求めた温度差と冷却水の流量に依存する。そのため、出力電力が略１００ｋＷ以上の電力変換装置に適用される。
In the power conversion device according to the embodiment of the present invention, since the loss of the
１０：電力変換装置
１１：電力変換部
１２：制御部
２１：パワー半導体素子
２２：金属ベース
２３：モジュール
２４：ヒートシンク
２４ａ：放熱部
２４ｂ：配管
２５：絶縁層
２６：センサ
２６ａ，２６ｂ，２６ｃ：温度センサ
２６ｄ：流量センサ
３１：電源
３２：負荷
10: Power conversion device 11: Power conversion unit 12: Control unit 21: Power semiconductor element 22: Metal base 23: Module 24:
Claims (6)
上記電力変換部が、電力変換を行うためのパワー半導体素子を金属ベースに搭載してなるモジュールと、上記モジュールの金属ベースに接触し上記パワー半導体素子を冷却するヒートシンクと、を備え、
上記金属ベースの温度を測定すると共に上記ヒートシンクに流入及び流出する冷却水の温度及び量を測定するセンサが取り付けられ、
上記制御部は、
上記パワー半導体素子から上記ヒートシンクに流れる熱量を上記センサから測定した値に基づいて求めることにより上記パワー半導体素子のジャンクション温度を推定し、
上記電力変換部から出力される電力を増加させる出力変更指令の入力を受けると、上記出力変更指令に対応して上記電力変換部を制御した際に上記パワー半導体素子のジャンクション温度を計算し、その計算した値が所望の値に達すると判断すると上記指令に応じないことを特徴とする、電力変換装置。 In a power conversion device including a power conversion unit and a control unit that controls the power conversion unit,
The power conversion unit includes a module in which a power semiconductor element for performing power conversion is mounted on a metal base, and a heat sink that contacts the metal base of the module and cools the power semiconductor element.
A sensor is attached to measure the temperature and amount of cooling water flowing into and out of the heat sink while measuring the temperature of the metal base,
The control unit
Estimating the junction temperature of the power semiconductor element by determining the amount of heat flowing from the power semiconductor element to the heat sink based on the value measured from the sensor,
When receiving an output change command to increase the power output from the power conversion unit, the junction temperature of the power semiconductor element is calculated when the power conversion unit is controlled in response to the output change command, A power conversion device characterized by not responding to the command when it is determined that the calculated value reaches a desired value.
前記制御部は、前記パワー半導体素子のジャンクション温度を計算する際、
先ず、前記ヒートシンクに流れる熱量から推定したジャンクション温度での素子データから通電電流を増加したときの電圧を求めて、増加後の通電電流と電圧とから電力損失を求め、
その後、求めた電力損失に対応したジャンクション温度での素子データから通電電流を増加したときの電圧を求めて、増加後の通電電流と電圧とから電力損失を求めることを繰り返し行う、請求項１に記載の電力変換装置。 The control unit includes element data of energization current and voltage at each junction temperature of the power semiconductor element,
The control unit, when calculating the junction temperature of the power semiconductor element,
First, obtain the voltage when increasing the energization current from the element data at the junction temperature estimated from the amount of heat flowing to the heat sink, and determine the power loss from the increased energization current and voltage,
Thereafter, the voltage when the energization current is increased is obtained from the element data at the junction temperature corresponding to the obtained power loss, and the power loss is repeatedly obtained from the increased energization current and voltage. The power converter described.
前記制御部が、前記パワー半導体素子のジャンクション部と前記金属ベースとの間の熱回路に基づいて、前記パワー半導体素子のジャンクション温度を推定する、請求項１に記載の電力変換装置。 A temperature sensor for measuring the temperature of the metal base among the sensors is provided so as to be in contact with the metal base or inserted into the metal base,
The power conversion device according to claim 1, wherein the control unit estimates a junction temperature of the power semiconductor element based on a thermal circuit between the junction part of the power semiconductor element and the metal base.
上記パワー半導体素子への通電によって上記パワー半導体素子から上記ヒートシンクに流れる熱量を測定することにより、上記パワー半導体素子のジャンクション温度を推定し、
上記パワー半導体素子への通電電流を増加する際に、通電電流を増加したときの上記パワー半導体素子のジャンクション温度を計算し、所望の値を超えると上記パワー半導体素子への通電電流の増加をしないようにした、電力変換方法。 A power conversion method for performing power conversion by operating a power semiconductor element using a module in which the power semiconductor element is mounted on a metal base and a heat sink that contacts the metal base and cools the power semiconductor element. There,
By measuring the amount of heat flowing from the power semiconductor element to the heat sink by energizing the power semiconductor element, the junction temperature of the power semiconductor element is estimated,
When increasing the energizing current to the power semiconductor element, the junction temperature of the power semiconductor element when the energizing current is increased is calculated, and if the desired value is exceeded, the energizing current to the power semiconductor element does not increase A power conversion method.
先ず、通電電流増加前のジャンクション温度における前記パワー半導体素子の素子特性から、増加後の通電電流における電圧を求めて、増加後の通電電流とその求めた電圧とから電力損失を求めてジャンクション温度を求め、
次に、その求めたジャンクション温度における前記パワー半導体素子の素子特性から増加後の通電電流における電圧を求め、増加後の通電電流とその求めた電圧とから電力損失を求めてジャンクション温度を求める一連の処理を繰り返す、請求項４に記載の電力変換方法。 When calculating the junction temperature of the power semiconductor element,
First, from the element characteristics of the power semiconductor element at the junction temperature before the increase in the energization current, the voltage at the increase in the energization current is obtained, and the power loss is obtained from the increase in the energization current and the obtained voltage to determine the junction temperature. Seeking
Next, a voltage at the increased energization current is obtained from the element characteristics of the power semiconductor element at the obtained junction temperature, and a series of obtaining a junction temperature by obtaining a power loss from the increased energization current and the obtained voltage. The power conversion method according to claim 4, wherein the process is repeated.
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