JP2018038194A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータを構成するスイッチング素子の過温度を未然に防止し、運転緩和した状態で動作継続が可能な電力変換装置を提供する。【解決手段】インバータ回路を構成するスイッチング素子と、前記スイッチング素子を冷媒により冷却する冷却器と、前記冷媒の流れを制御する冷媒駆動機と、を備え、前記スイッチング素子の温度と損失に基づいて、前記冷媒の熱時定数より早く、かつ、前記スイッチング素子の熱時定数よりも遅い時間毎に前記冷媒駆動機に関する情報を算出し、当該算出した結果に応じて、前記スイッチング素子に通電する最大電流値を変更することを特徴とする。【選択図】 図４

Description

本発明は、電力変換装置に係り、特に、電力変換装置の冷却系異常の検出に適用して有効な技術に関する。

電圧形インバータ（以降、本願では単にインバータと称する）は直流電圧を交流電圧に変換する電力変換器で、交流モータの可変速駆動用途に広く使われている。環境意識の高まりを背景に市場規模が拡大するハイブリッド電気自動車や電気自動車の中核部品のひとつでもある。

これら自動車用途では、特に、何らかの不具合により起こる危険から搭乗者を守るため、各種の異常検出手段を設け、異常検出結果に応じて、安全な動作状態にシステムを遷移させている。

インバータとモータ間に流れる３相電流を検出し、この検出値が電流指令に追従するように、マイクロプロセッサなどにより所定の制御演算が行われ、その結果に応答して、インバータを構成するスイッチング素子がオンオフ制御される。そして、モータは通電電流に応答して、そのトルクを発生する。

ここで、スイッチング素子はオンオフ制御並びに、モータ電流を通流することに伴う損失を発生し、素子の温度を上昇させる。こうした動作を継続するために、温度上昇を素子許容温度内に維持する冷却器が設けられる。

冷却方式としては、放熱フィンを介して空気の流れで熱交換を行う空冷式や液体の流れで熱交換を行う水冷式などがある。また、大電流を扱うインバータでは素子で発生する損失が高いため、空気や液体の流れをファンまたはポンプにより強制的に発生させる強制冷却方式が専ら用いられる。

当然のことながら、そこで採用されるファンやポンプが故障する可能性があるため、それに対する保護措置が一般に実装される。

具体的には、スイッチング素子近傍に温度センサーを内蔵し、これにより素子温度を検出し、所定の閾値を越えたことを判定した場合、冷却系の異常が考えられるため、スイッチング素子を全てオフし、素子の破壊を未然に防止する処理を行っている。

しかし、この保護方法では、冷却系の性能が低下した場合、正常時に比べて高い素子温度となり、予期せぬ動作停止に至る可能性がある。特に、自動車用途では安全上、こうした急な動作停止は可能な限り起こさないようにする必要がある。

本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１には「電気自動車用電動機を制御する電力変換装置の半導体素子に取り付けられた放熱フィンの温度と素子に通じる電流値、電圧値を検出し、半導体素子の接合部温度を推定して、許容設定値以下の場合、冷却風速を制御する電気自動車用電力変換装置の冷却方法」が開示されている。

また、特許文献２には、「モータ電流、放熱器の温度、および標準放熱器における熱抵抗と熱熱容量の標準値に基づき、放熱器の熱抵抗および熱容量を推定し、その推定値に基づいてインバータの駆動を制御するインバータ装置」が開示されている。

特開平８−３３１０４号公報 特許第５４０８１３６号広報

上述の通り、電力変換装置の冷却系に異常が発した場合、運転状態から停止への急な運転モード遷移がもたらす利用者の安全性、利便性の低下が課題である。

そこで、本発明の目的は、インバータを構成するスイッチング素子の過温度を未然に防止し、運転緩和した状態で動作継続が可能な電力変換装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、インバータ回路を構成するスイッチング素子と、前記スイッチング素子を冷媒により冷却する冷却器と、前記冷媒の流れを制御する冷媒駆動機と、を備え、前記スイッチング素子の温度と損失に基づいて、前記冷媒の熱時定数より早く、かつ、前記スイッチング素子の熱時定数よりも遅い時間毎に前記冷媒駆動機に関する情報を算出し、当該算出した結果に応じて、前記スイッチング素子に通電する最大電流値を変更することを特徴とする。

本発明による電力変換装置もしくは故障診断方法を採用することで、インバータを構成するスイッチング素子の過温度を未然に防止し、運転緩和した状態で電力変換装置の動作継続が可能になる。

上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明によって明らかにされる。

本発明の一実施形態に係るインバータを用いたモータ駆動システムの構成図である。 本発明の一実施形態に係る冷却器の構成図である。 図２の熱等価回路を示す図である。 本発明の一実施形態に係る演算ブロック図である。 損失に対する素子並びに冷媒温度の時間変化を示す図である。 冷媒温度に対する最大電流を示す特性図である。 冷媒の流量による熱抵抗の変化を示す図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明を省略する。

先ず、図１を参照して、本実施例のインバータを用いたモータ駆動システムの全体構成について説明する。自動車用途の交流モータの可変速駆動系は、図１に示すように、高圧バッテリー１、インバータ２、交流モータ３、直流入力電圧検出器４、交流出力電流検出器５，６，７、回転角検出器８、制御回路９、ゲート駆動回路１０、そして制御やゲート駆動に必要なスイッチング電源１１で構成されている。スイッチング電源１１は、低圧バッテリー１ａを介して筐体（シャーシ）に接地されている。

また、スイッチングリプル電流を吸収するコンデンサ１２（Ｃ０）並びに、コモンモードノイズ電流を吸収するため、直列に接続され、その接続点をグラウンドへ接続したコンデンサ１３（Ｃ１），１４（Ｃ２）がそれぞれ高圧バッテリー１およびインバータ２に並列に接続されている。インバータ２のスイッチング素子近傍には、保護目的の温度検出器１５が実装されている。

なお、産業用途や民生用途の交流モータの可変速駆動系は、インバータの入力DC電源として、高圧バッテリー１の代わりに商用電源を入力とした整流回路を採用し、得られる平滑電圧（DC電圧）を供給する点が異なるが、その他は図１と同様に構成できる。

図２は、インバータ２のスイッチング素子の冷却構成例を示している。IGBT（トランジスタ）及びDi（ダイオード）２０１は、はんだ２０２により銅リードフレーム２０３に取り付けられ、その銅リードフレーム２０３の反対側の面にはシリコングリス２０４が塗布されて、絶縁基板（AlN）２０５が装着される。そしてこの絶縁基板（AlN）２０５の反対側の面にはシリコングリス２０６が塗布されて、放熱フィン２０７に取り付けられる。

なお、本実施例では、絶縁基板２０５の材質として低熱抵抗が期待される窒化アルミニウム（AlN）を用い、取り付け界面の熱抵抗低減を目的として、シリコングリス２０４，２０６を用いる冷却構成を例示しているが、必ずしもこれらの材料に限定されるものではなく、低熱抵抗を実現する材料であれば、それを採用することができる。また、絶縁基板２０５の片面に金属を蒸着するとともに、シリコングリス２０４に換えて、はんだを用いて銅リードフレーム２０３に取り付けても良い。

放熱フィン２０７には、空気または液体の冷却冷媒の流れが接触し、それを介して熱の搬送（熱交換）が実施され、温度上昇が所定範囲になるように、その流れの量が設定される。この冷却冷媒の流量を制御する従来技術として、例えば、上記の特許文献１に記載の方法が一例として知られている。

図３に、図２の熱等価回路を示す。図中の熱抵抗θm-cは放熱フィン部の熱抵抗で、その値は冷媒の流れの速さ（流速）により変化する。熱抵抗θj-mはスイッチング素子から放熱フィンに至る経路各部材の熱抵抗の和であり、冷媒の流速には影響されない。

なお、図３のPdはスイッチング素子の損失、Tjはスイッチング素子の温度、Tcoolは冷媒の温度、そして、△Tはこれら温度の差を示している。そして、これらのパラメータ間には、式１の関係が知られている。

特許文献１は、スイッチング素子の取り付けられた放熱フィン温度とスイッチング素子の熱損失によりスイッチング素子の接合部温度を最高使用温度以下に保つことができるような放熱フィンの熱抵抗を求め、この値を得られるように、冷却風速を制御する技術である。しかし、この技術には、可動部を有するため、故障の可能性があるファンが正常であることを前提にしており、その故障が顕在化した際に、過温度保護に至り、急な停止へのモード遷移が起こる課題と解決策は示されていない。

図４は本発明を実施する信号処理を示すブロック図である。スイッチング素子の損失Pdを演算する損失Pd算出部３０１、その出力Pdを入力として、スイッチング素子の温度上昇△Tを演算する温度上昇△T算出部３０２、その出力△Tに、冷媒温度Tcoolおよび熱抵抗θm-cを演算する冷媒温度Tcool／熱抵抗θm-c算出部３０３、その出力~Tcoolを△Tに加算し、スイッチング素子の温度~Tjを算出する加算部３０４で構成される。

冷媒温度Tcool／熱抵抗θm-c算出部３０３は、スイッチング素子の検出温度Tj並びに、その算出温度~Tj、そして、温度上昇~△Tの算出値を入力としている。

ここで、冷媒温度Tcool／熱抵抗θm-c算出部３０３の動作を詳述する。図５は損失Pdに基づき生ずるスイッチング素子の温度上昇△T、冷媒温度Tcoolの変化を示している。通常、スイッチング素子に比べ、冷媒の熱時定数は10〜100倍程度異なり、その結果、損失による温度変化の早さが大きく異なる。

図５はインバータ出力電流を変化させるインターバルを、スイッチング素子の熱時定数に比べて長く、冷媒の熱時定数に対して短く設定した例を示している。ここで、冷媒温度を評価し、電流変化のタイミング毎に実施すると、次の式が成り立つ。

ここで設定した評価タイミング（時間△t毎）では、水温（冷媒温度）Tcoolの損失Pdによる変化は無視できるほど小さいという近似を適用している。

ところで、評価タイミング毎にスイッチング素子の温度Tjの算出誤差を次式により見積もることができる。

誤差errは、式１による素子温度上昇の△Tの見積もり違いと考えられる。そして、直接検出をしてないが、冷媒流量により変化する放熱フィン部の熱抵抗θm-cが寄与していると想定できる。次のような、演算式をθm-cに適応する。

ここで、

また、(θm-c)iniは取り得る熱抵抗の中心値、Kp、Kiは0以上の実数であるが、共に0に設定することはない。

式５を適用することで、errがプラスの場合、算出したスイッチング素子温度Tjが低いため、θm-cを増加させ、errがマイナスの場合は、算出したスイッチング素子温度Tjが高いため、θm-cを減少させる作用を招致し、それを繰り返すことで、誤差errを“0”近傍に収斂させることができる。すなわち、式５の２項と３項は、良く知られたPI演算である。これに微分項を追加したPID演算を採用することもできる。

次に、△T(n-1)を演算する方法を説明する。図１の直流入力電圧検出器４により得られるインバータ入力電圧vdc、交流出力電流検出器５，６，７により得られるインバータ各相の出力電流iu、iv、iw、そして、マイコンにスイッチング制御パラメータとして記憶されたPWM周波数fc（搬送波の周波数：インバータスイッチング素子はその周波数でON/OFFされる）を損失Pd算出部３０１に入力している。

この演算部（損失Pd算出部３０１）は、サンプリングnの時間間隔より、高速に入力値をサンプリングし、演算処理を実行する。例えば、その時間間隔△ts＝△ｔ/10に設定できる。そして、以下の式７〜式１１の処理を実行する。

そして、サンプリングn毎に次の演算を実行し、△T(n-1)を算出する。その場合、△ts＝△ｔ/10としたので、Mは9となる。

ここで、~Pduはu相のスイッチング素子で発生する損失である。また、関数f（ ）は素子のスイッチング特性を予め実測し、記憶した損失マップを３つの引数によりルックアップすることで実現できる。ルックアップの詳細は周知であるので、ここでの説明は省略する。他の相の損失~Pdv、~Pdwも同様に算出できる。

図１に示す通り、本実施例ではU相近傍（U相を冷媒の流れの下流側に設けた。そのため、このU相の素子温度が最も高くなる）に温度検出器１５を設けているため、損失演算は~Pduのみ実施すればよい。そして、式１を適用して、式１５を得る。

ここで、~θm-cの初期値は(θm-c)iniである。上記の一連の処理により、~θm-cは真値（err＝0）に収斂する。

そして、得られた~θm-cと冷却系の設計時に定めたθm-cの比較を行い、これが大きいと判断された場合には、冷却性能が低下したと判定し、インバータが出力できる最大電流値を低減させることができ、過温度に至る事を未然に防止できる。

すなわち、本発明は特許文献１とは異なり、スイッチング素子温度、損失の検出・演算により、リアルタイムに冷却系の熱抵抗値を見積もり、それが設計値と異なるかを判定し、その結果に応答して、通電電流の最大値を変更するものである。

このように冷却系の熱抵抗を見積もり、通電制御に反映する技術は、例えば、上記の特許文献２に示されている。

しかし、本実施例で説明したスイッチング素子温度、損失の検出・演算により、リアルタイムに冷却系の熱抵抗値を見積もるものではなく、特許文献２では熱抵抗値を見積もるために、加えて、標準放熱器というものを演算過程に導入している。

本発明が、こうしたものを導入することなく、熱抵抗値をリアルタイム演算できるのは、スイッチング素子に比べ、冷媒の熱時定数が10〜100倍程度大きく、その結果、損失による温度変化の早さが大きく異なる特徴を利用し、熱抵抗算出のインターバルをスイッチング素子の熱時定数より遅く、冷媒のそれよりも早く設定したことにより、実現している。

図６を参照して、本発明の電力変換システムについて説明する。図６は冷却冷媒として液体を採用したシステムにおいて、冷媒温度に対する最大電流を算出した例を示している。なお、冷媒の流量はこの場合、5[l/min]とした。

冷媒温度Tcoolが高くなるに従い、スイッチング素子の許容温度（Tj）max、例えば、この例では、式１および式３から、150℃以下を満たす許容損失Pdは小さくなる。そのため、通電可能な最大電流を低減する必要がある。

図６の特性図に従い最大電流を変更するために、実施例１で示した式２により、算定される冷媒温度を決定することができる。

これにより、冷却器に冷媒温度検出器を専用に設ける必要がなくなる。延いては、システムの簡素化と低コスト化を達成できる。

図６および図７を参照して、本発明の電力変換装置の冷却系診断方法について説明する。実施例２で示した特性図６は、冷媒流量が5[l/min]の場合に得られる冷却器の熱抵抗θm-cを元に算定している。上述の通り、その値は冷媒流量により、図７の如く変化する。従って、図７の特性をマイコンに記憶しておき、実施例１により算出した~θm-cを用い、演算（逆引き）すれば、冷媒流量を見積もることが可能になる。

流量の異なる場合について求めた冷媒温度に対する最大温度の特性表を複数枚用意すれば、見積もった冷媒流量に応答して、適切な最大電流を設定することができる。そして、算出した冷媒流量を、冷媒駆動機に送信し、それが制御設定している値と比較することで、その故障診断が可能になる。

スイッチング素子の温度計測は、遅れなく実施されることが望ましい。スイッチング素子を形成する同一半導体内に、温度検出器を内蔵することも可能である。

そうした素子を採用する事で、温度計測を時間遅れなく実現することができ、延いては、冷媒駆動機に関する情報をより精度良く見積もることができる。

以上説明したように、本発明の各実施例によれば、冷却性能を評価する演算器を実装し、冷却性能を常時評価するとともに、その評価結果に基づき、冷却性能が低下したと判定された場合には、スイッチング素子の最大許容電流を修正し、素子温度が許容値を超えることを未然に防止する。その結果、電力変換装置の冷却系に異常が発した場合に、停止する前に運転を緩和し、運転動作を継続することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

本発明は自動車用途のインバータの他に、産業用や家電用のインバータ全般に適用ができる。

１…高圧バッテリー
１ａ…低圧バッテリー
２…インバータ（電圧形インバータ）
３…交流モータ
４…直流入力電圧検出器
５，６，７…交流出力電流検出器
８…回転角検出器（回転位置検出器）
９…制御回路
１０…ゲート駆動回路
１１…スイッチング電源
１２，１３，１４…コンデンサ
１５…温度検出器
２０１…IGBT/Diチップ
２０２…はんだ
２０３…銅リードフレーム
２０４，２０６…シリコングリス
２０５…絶縁基板（AlN）
２０７…放熱フィン
３０１…損失Pd算出部
３０２…温度上昇△T算出部
３０３…冷媒温度Tcool／熱抵抗θm-c算出部
３０４…加算部
C0，C1，C2…コンデンサ（及び、その容量）
Tu+，Tv+，Tw+，Tu-，Tv-，Tw-…トランジスタ
Du+，Dv+，Dw+，Du-，Dv-，Dw-…ダイオード。

Claims (6)

1. インバータ回路を構成するスイッチング素子と、
   前記スイッチング素子を冷媒により冷却する冷却器と、
   前記冷媒の流れを制御する冷媒駆動機と、を備え、
   前記スイッチング素子の温度と損失に基づいて、前記冷媒の熱時定数より早く、かつ、前記スイッチング素子の熱時定数よりも遅い時間毎に前記冷媒駆動機に関する情報を算出し、
   当該算出した結果に応じて、前記スイッチング素子に通電する最大電流値を変更することを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記インバータ回路の直流入力電圧、前記インバータ回路の各相の交流出力電流、前記スイッチング素子をON/OFFするPWM周波数に基づき、前記スイッチング素子の損失を算出することを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１または２に記載の電力変換装置であって、
   前記冷媒駆動機に関する情報は、前記冷媒の温度であることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１または２に記載の電力変換装置であって、
   前記冷媒駆動機に関する情報は、前記冷却器の熱抵抗値であることを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の電力変換装置であって、
   前記スイッチング素子の温度を検出する温度検出器を当該スイッチング素子内に設けたことを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の電力変換装置であって、
   前記冷媒は、空気または液体のいずれかであることを特徴とする電力変換装置。

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