JP5317881B2 - 電力変換装置および電力変換装置の保護方法 - Google Patents
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Description
前記算出したパワー半導体素子の温度に基づいて前記パワー半導体モジュールを駆動制御する駆動制御部と、を備え、前記半導体素子温度算出部は、前記所定の伝達関数として、熱時定数の異なる複数の一次遅れ系伝達関数を有し、前記一次遅れ系伝達関数毎に前記電力損失に基づいて前記基準点と前記パワー半導体素子との温度差を演算し、演算したそれぞれの温度差の和と前記基準点の温度とに基づいて前記パワー半導体素子の温度を算出することを特徴とする。
本発明の実施の形態1にかかる電力変換装置および電力変換装置の保護方法について図を用いて説明する。図1〜図5は、本発明の実施の形態1にかかる電力変換装置および電力変換装置の保護方法について説明するためのもので、図1は電力変換装置の機能ブロック図、図2は電力変換装置の構成を示す図、図3は電力変換装置におけるジャンクション−温度測定位置間の過渡熱インピーダンスについて説明するための図、図4は過渡熱インピーダンス(伝達関数)を用いたロジックについて説明するための図、図5は伝達関数を用いた温度差の演算について説明するための図である。
半導体素子温度算出部2で算出されるパワー半導体素子Trのジャンクション温度Tj(t)は、パワー半導体素子Trで発生する損失をP(t)、基準温度測定部3から出力された温度をT0(t)としたとき、式2のように表される。
電力変換装置の駆動制御部4には、半導体素子温度算出部2により算出したパワー半導体素子Tr(のジャンクション)温度Tjから、パワー半導体素子Trが過熱状態にあるか否かを判定する第1の判定Jg1と第2の判定Jg2を実施し、その判定出力に応じて、保護動作Crla(電力変換装置の駆動条件を変更)を実行する保護動作制御部41を備えている。保護動作Crlaは、上記判定結果に基づいて選択される3種類を用意しており、パワー半導体素子Trで発生する電力損失を抑制するため、電力変換装置の出力を抑制する損失抑制動作を実行するCa2と、パワー半導体素子Trのスイッチング動作を停止するCa3と、通常動作指令を継続するCa1がある。Ca2の場合、パワー半導体素子Trで発生する損失を抑制する図示しない損失抑制部を起動させ、Ca3の場合、パワー半導体素子Trのスイッチング動作を停止する図示しない停止部を起動させることになる。
上記実施の形態1では、パワー半導体モジュール101中のひとつのパワー半導体素子Trのジャンクション温度Tjに基づいて保護動作を実行する例について説明したが、本形態では、複数のパワー半導体素子のジャンクション温度Tjを評価した場合の例について説明する。
本実施の形態2にかかる電力変換装置および電力変換装置の保護方法は、上述した実施の形態1と較べて、半導体素子温度算出部での電力損失の演算方法が異なる。本実施の形態2にかかる電力変換装置および電力変換装置の保護方法の説明の前に、パワー半導体モジュールにおける電力損失について説明する。
ギー[J/パルス](まとめてスイッチングエネルギーと称する)は動作条件で定まるも
ので、一回のスイッチング動作における平均的なスイッチング損失[W]は、スイッチングエネルギー[J/パルス]とキャリア周波数[Hz]との積により求めることができる。パワー半導体素子Trの飽和電圧特性およびスイッチングエネルギーのコレクタ電流依存性はいずれも、パワー半導体モジュールのデータシートに記載されている。したがって、パワー半導体素子Trで発生する電力損失Pは、パワー半導体素子のターンオン動作及びターンオフ動作のタイミングがわかれば上述したデータシートを利用して算出することが可能となる。
本実施の形態3にかかる電力変換装置および電力変換装置の保護方法では、パワー半導体素子の飽和電圧特性及びスイッチングエネルギーのコレクタ電流依存性に温度依存性があることを考慮し、パワー半導体素子の特性データとして温度依存性を有するものを用い、特性データからの読み出しに際してジャンクション温度演算部において演算したジャンクション温度のデータを用いることが実施の形態2と異なるようにした。他の形態については実施の形態2と同様である。以下、図を用いて詳細に説明する。
本実施の形態4にかかる電力変換装置および電力変換装置の保護方法では、半導体素子温度算出部において算出されたパワー半導体素子Trのジャンクション温度Tjに応じて実行する保護動作を実施の形態1と異なるようにした。他の形態については実施の形態1と同様である。以下、図を用いて詳細に説明する。
本実施の形態5にかかる電力変換装置および電力変換装置の保護方法でも、半導体素子温度算出部において算出されたパワー半導体素子Trのジャンクション温度Tjに応じて実行する保護動作を実施の形態1や4と異なるようにした。他の形態については実施の形態1と同様である。以下、図を用いて詳細に説明する。
2 半導体素子温度算出部(21 電力損失演算部、 22 温度差演算部、 23 ジャンクション温度演算部)、 3 基準温度測定部、
4 駆動制御部(41 保護動作制御部、 42 PWM指令部)、
101 パワー半導体モジュール、 102 モータ、
DS1 半導体素子の電流−導通損失特性テーブル(導通損失の電流依存性データ)、
DS2 半導体素子の電流−スイッチング損失特性テーブル(スイッチング損失の電流依存性データ)、 P 電力損失、 SC 電流値信号、 SG ゲート指令信号、 SF キャリア周波数信号、 T0 基準温度、 Tr パワー半導体素子、
Zth(t) 過渡熱インピーダンス、 r/(1+sτ) 一次遅れ系伝達関数、 ΔT 温度差、
添え字:a,b,c,d,eはそれぞれ実施の形態ごとの変形を示す。
Claims (8)
- スイッチング素子としてパワー半導体素子を用いたパワー半導体モジュールと、
前記パワー半導体素子から離れた基準点の温度を測定する基準温度測定部と、
所定の伝達関数と、前記基準点の温度と、前記パワー半導体素子で発生する電力損失と、を用いて前記パワー半導体素子の温度を算出する半導体素子温度算出部と、
前記算出したパワー半導体素子の温度に基づいて前記パワー半導体モジュールを駆動制御する駆動制御部と、を備え、
前記半導体素子温度算出部は、
前記所定の伝達関数として、熱時定数の異なる複数の一次遅れ系伝達関数を有し、
前記一次遅れ系伝達関数毎に前記電力損失に基づいて前記基準点と前記パワー半導体素子との温度差を演算し、演算したそれぞれの温度差の和と前記基準点の温度とに基づいて前記パワー半導体素子の温度を算出することを特徴とする電力変換装置。 - 前記一次遅れ系伝達関数毎の温度差の演算は、各別に差分計算されることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記半導体素子温度算出部は、前記パワー半導体モジュール内の複数のパワー半導体素子のそれぞれの温度を算出し、
前記駆動制御部は、前記算出した複数のパワー半導体素子のそれぞれの温度のうちの最も高い温度に基づいて前記パワー半導体モジュールを駆動制御することを特徴とする請求項1または2に記載の電力変換装置。 - 前記パワー半導体素子に流れる電流値を測定し、電流値信号を前記半導体素子温度算出部に出力する電流値測定部を備え、
前記パワー半導体素子温度算出部は、
前記パワー半導体素子の導通損失に対する電流値依存データ、および前記パワー半導体素子のスイッチング損失に対する電流値依存データを保持し、
前記電流値信号および前記駆動制御部が前記パワー半導体素子のオンオフを制御するために出力する指令信号に応じて、前記保持した電流値依存データから対応する導通損失の値またはスイッチング損失の値を読み出して前記電力損失を算出することを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記半導体素子温度算出部は、
前記パワー半導体素子の温度毎に前記導通損失に対する電流値依存データ、および前記スイッチング損失に対する電流値依存データを保持し、
算出した前記パワー半導体素子の温度に応じて前記温度毎に保持した電流値依存データから必要な電流値依存データを選択することを特徴とする請求項4に記載の電力変換装置。 - 前記駆動制御部は、前記パワー半導体モジュールを動作させるキャリア周波数を制御するキャリア周波数制御部を有し、
前記算出したパワー半導体素子の温度に基づいて前記キャリア周波数を変更することを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記駆動制御部は、前記パワー半導体素子のゲート抵抗を制御するゲート抵抗制御部を有し、
前記算出したパワー半導体素子の温度に基づいて前記ゲート抵抗を変更することを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - スイッチング素子としてパワー半導体素子を用いたパワー半導体モジュールを有する電力変換装置の保護方法であって、
前記パワー半導体素子から離れた基準点の温度を測定する基準温度測定工程と、
前記パワー半導体素子で発生する電力損失を演算する工程と、
前記演算した電力損失を用いて熱時定数の異なる複数の一次遅れ系伝達関数毎に前記基準点と前記パワー半導体素子との温度差を演算し、演算したそれぞれの温度差の和と前記基準点の温度とに基づいて前記パワー半導体素子の温度を算出する半導体素子温度算出工程と、
前記算出したパワー半導体素子の温度に基づいて前記パワー半導体モジュールを駆動制御する駆動制御工程と、
を備えたことを特徴とする電力変換装置の保護方法。
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