JP6848832B2 - 電力変換システム - Google Patents

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Description

本発明は、並列接続した複数のパワーモジュールに流れる電流のばらつきを低減することができる電力変換システムに関する。
インバータ機器等の電力変換システムでは、IGBT又はMOSFET等のスイッチング素子を搭載した複数のパワーモジュールを並列接続してスイッチング動作させることで、必要な出力容量を得る。複数のパワーモジュールの特性ばらつきにより電流分担が不均衡となると、システムの動作不良又は特性への影響の他、電流集中に伴う温度上昇又は故障、装置寿命の低下を引き起こすことが知られている。並列接続された複数のスイッチング素子がON/OFFするタイミングを、試験結果から作成したスイッチング素子の電気的特性情報に基づいて調整する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2009−225531号公報
しかし、並列接続されたパワーモジュールのスイッチング特性は各スイッチング素子の特性だけで決まるものではない。例えば、冷却システム上のパワーモジュールの配置の影響により温度ばらつきが発生するため、実使用中に複数のパワーモジュールに流れる電流のばらつきが生じ、スイッチング特性の合わせ込みがずれるという問題があった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は並列接続した複数のパワーモジュールに流れる電流のばらつきを低減することができる電力変換システムを得るものである。
本発明に係る電力変換システムは、並列接続された複数のパワーモジュールと、前記複数のパワーモジュールをそれぞれ入力信号に基づいて駆動する複数の駆動回路と、前記複数の駆動回路に入力する前記入力信号をそれぞれ複数の補正値に基づいて補正する複数の補正部と、前記複数のパワーモジュールの動作温度を測定する温度検出部と、測定した前記動作温度と前記複数のパワーモジュールのスイッチング特性の温度依存性に基づいて前記複数のパワーモジュールの現在のスイッチング特性を推定し、推定した前記現在のスイッチング特性に基づいて前記複数のパワーモジュールに流れる電流のばらつきを低減するように前記複数の補正値を演算する演算部とを備え、前記スイッチング特性は、立ち上がり時間、立ち下がり時間、ターンオンにかかる時間、ターンオフにかかる時間、ターンオン遅延時間、ターンオフ遅延時間、ターンオン遅延時間と立ち上がり時間の合算値、ターンオフ遅延時間と立ち下がり時間の合算値の少なくとも1つであることを特徴とする。
本発明では、測定した動作温度とスイッチング特性の温度依存性に基づいて複数のパワーモジュールの現在のスイッチング特性を推定し、推定した現在のスイッチング特性に基づいて複数のパワーモジュールに流れる電流のばらつきを低減するように複数の補正値を演算する。そして、複数の駆動回路に入力する入力信号をそれぞれ複数の補正値に基づいて補正する。これにより、並列接続した複数のパワーモジュールに流れる電流のばらつきを低減することができる。
実施の形態1に係る電力変換システムを示す図である。 入力信号VINに基づいて駆動したスイッチング素子のコレクタ電流Ic及びコレクタ・エミッタ間電圧Vceを示す図である。 スイッチング特性の推定方法を示す図である。 2つのパワーモジュールのONのタイミングが揃っていない場合の通電電流を示す図である。 2つのパワーモジュールのONのタイミングを揃えた場合の通電電流を示す図である。 実施の形態2に係る電力変換システムを示す図である。 実施の形態3に係る電力変換システムを示す図である。
実施の形態に係る電力変換システムについて図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る電力変換システムを示す図である。並列に接続された複数のパワーモジュール1,2が同一相として動作する。各パワーモジュール1,2は、IGBT又はMOSFET等の2つのスイッチング素子SW1,SW2を有するハーフブリッジ回路である。フリーホイールダイオードD1,D2がそれぞれスイッチング素子SW1,SW2に逆並列に接続されている。
各パワーモジュール1,2に温度検出部3が設けられ、この温度検出部3が対応するパワーモジュールの動作温度を出力する。温度検出部3は、例えば電流経路又はスイッチング素子SW1,SW2の近傍に設置したサーミスタ等、スイッチング素子SW1,SW2上に設置した温度センスダイオード等である。
制御部4がパワーモジュール1,2のスイッチング素子SW1を制御し、制御部5がパワーモジュール1,2のスイッチング素子SW2を制御する。以下に制御部4の構成を説明するが、制御部5の構成も同様である。制御部4において、CPU等の入力信号生成部6が入力信号を生成する。複数の駆動回路7,8は、複数のパワーモジュール1,2のスイッチング素子SW1をそれぞれ入力信号に基づいて駆動する。
図2は、入力信号VINに基づいて駆動したスイッチング素子のコレクタ電流Ic及びコレクタ・エミッタ間電圧Vceを示す図である。trは立ち上がり時間であり、上昇時間とも呼ばれ、例えばON状態の通電電流を100%とした時に通電電流がその10%から90%に増加するまでの時間を指す。tfは立ち下がり時間であり、下降時間とも呼ばれ、例えば通電電流が90%から10%に減少するまでの時間を指す。tc(on)はターンオンにかかる時間であり、例えばON状態の通電電流を100%、OFF状態の印加電圧を100%とした時に通電電流が10%に増加してから印加電圧が10%に減少するまでにかかる時間を指す。tc(off)はターンオフにかかる時間であり、例えば印加電圧が10%に増加してから通電電流が10%に減少するまでにかかる時間を指す。td(on)はターンオン遅延時間であり、例えば入力信号がON状態になってから通電電流が10%流れるまでにかかる時間を指す。td(off)はターンオフ遅延時間であり、例えば入力信号がOFF状態になってから通電電流が90%に減少するまでにかかる時間を指す。tonはtd(on)とtrの合算値である。toffはtd(off)とtfの合算値である。
複数の補正部9,10が、複数の駆動回路7,8に入力する入力信号をそれぞれ複数の補正値に基づいて補正する。補正部9,10は、補正値に応じて入力信号を遅延させたり進めたりする遅延回路等である。
記録部11は、出荷検査した複数のパワーモジュール1,2のスイッチング特性の検査結果とその検査の際の動作温度である検査温度を出荷検査結果として記録している。また、スイッチング特性と動作温度の相関をまとめたマトリックスデータを演算表として記録部11に記録している。なお、演算表は、パワーモジュールメーカが提供する動作温度と通電電流を振った代表的なスイッチング特性情報を用いて作成できる。これに限らず、実際の電力変換システムにパワーモジュールを搭載し、想定される動作温度、印加電圧、通電電流の範囲内での実使用におけるスイッチング特性の温度依存性を確認した結果を元に演算表を作成してもよい。
出荷検査としては、DC通電試験(静特性評価)、絶縁試験、L負荷ハーフブリッジ回路における単発又は数発のパルス通電でのスイッチング試験等が一般的である。検査されるスイッチング特性は、tr、tf、tc(on)、tc(off)、td(on)、td(off)、ton、toffの少なくとも1つである。パワーモジュールは、ロットナンバー、ランニングナンバー等の識別番号が付されることで出荷検査結果の幾つかの値と一対一対応されて出荷される。
演算部12が、出荷検査結果に基づいて複数のパワーモジュール1,2のスイッチング特性の温度依存性を推定し、測定した動作温度と推定したスイッチング特性の温度依存性に基づいて複数のパワーモジュール1,2の現在のスイッチング特性を推定する。なお、パワーモジュール1,2のスイッチング特性の温度依存性はパワーモジュール固有であり変わらないため、これらを記録部11に保存し、演算時間を短縮してもよい。
図3は、スイッチング特性の推定方法を示す図である。パワーモジュール1のスイッチング特性が第1の温度依存性を持ち、パワーモジュール1の動作温度がT1とすると、パワーモジュール1の現在のスイッチング特性は立ち上がり時間tr1と推定される。同様に、パワーモジュール2のスイッチング特性が第2の温度依存性を持ち、パワーモジュール2の動作温度がT2とすると、パワーモジュール2の現在のスイッチング特性は立ち上がり時間tr2と推定される。
図4は、2つのパワーモジュールのONのタイミングが揃っていない場合の通電電流を示す図である。2つのパワーモジュールに共通に入力信号VINを入力するが、両者の立ち上がり時間tr1,tr2が異なるため、ONのタイミングが揃わない。この場合、早く立ち上がったパワーモジュールに通電電流が過渡的に集中して流れる。その後、他方のパワーモジュールが立ち上がると、両者のゲートの開き具合、外部配線又は内部配線のインダクタンス成分、両者の容量成分等に応じて2つのパワーモジュールに通電電流が分配される。この際にdi/dt及びdv/dtが変動する。また、過渡的な電流集中により想定よりも大きなスイッチング損失が発生し、それが繰り返されることでパワーモジュールの温度上昇及び寿命の極端な低下が懸念される。
そこで、演算部12は、推定した現在のスイッチング特性に基づいて、複数のパワーモジュール1,2のスイッチングのON/OFFのタイミングを揃えて複数のパワーモジュール1,2に流れる電流のばらつきを低減するように複数の補正値を演算する。ここでは、推定したパワーモジュール1,2の立ち上がり時間の差Δtを補正値として用いる。
図5は、2つのパワーモジュールのONのタイミングを揃えた場合の通電電流を示す図である。2つのパワーモジュールにそれぞれ入力する入力信号VIN1,VIN2の遅延量を調整してONのタイミングを揃える。2つのパワーモジュールの両方がONの定常状態になった後は、両者の通電時の電圧降下が一定になるように通電電流が分配される。これにより、通電電流が一方のパワーモジュールに集中しないため、スイッチング損失の増大とそれに伴うスイッチング素子の温度上昇及び寿命の極端な低下を防ぐことができる。また、通電電流の過度な集中が抑えられるため、素子温度のばらつきも小さくなり、結果としてdi/dt及びdv/dtのばらつきも小さくなる。
演算部12がタイマー型の場合、一定期間ごとに温度情報を再度読み込んで補正値を再演算する。演算部12がイベント型の場合、前回の演算時から動作温度が一定量、例えば5℃上昇又は下降したタイミングで補正値を再演算する。再演算した補正値はOFF状態又は通電電流が0A等の状況で適用する必要があるため、次の又は任意の入力信号印加に合わせて保持していた古い補正値を破棄して新しい補正値に変更する処理を行う。また、ある動作温度で各パワーモジュールのスイッチング特性を推定し補正値を求めた場合、一定時間その補正値を保持し、簡易的にPWM(Pulse Width Modulation)信号等の入力信号を補正し続けてもよい。これにより、演算負荷を高くせずに実使用中のスイッチング特性をフィードバックできる。
以上説明したように、本実施の形態では、測定した動作温度とスイッチング特性の温度依存性に基づいて複数のパワーモジュール1,2の現在のスイッチング特性を推定し、推定した現在のスイッチング特性に基づいて複数のパワーモジュール1,2に流れる電流のばらつきを低減するように複数の補正値を演算する。そして、複数の駆動回路7,8に入力する複数の入力信号をそれぞれ複数の補正値に基づいて補正する。これにより、並列接続した複数のパワーモジュール1,2に流れる電流のばらつきを低減することができる。
スイッチング特性は、動作温度、印加電圧、通電電流、回路条件等に従って変動する。ただし、一般に印加電圧及び通電電流による変動に比べて、主電極又は信号配線の引き回し等の回路条件及び温度による変動が大きい。従って、インバータのように印加電圧及び通電電流の範囲が決まった電力変換システムの場合、測定した動作温度とスイッチング特性の温度依存性に基づいてパワーモジュールの現在のスイッチング特性を推定できる。
通電電流又は印加電圧に対して変動の大きいスイッチング特性を出荷検査結果とすると、例えば始動時又は高負荷時等で通電電流又は印加電圧が大幅に変動する場合に補正の精度が下がる懸念がある。そこで、スイッチング特性は、tr、tf、tc(on)、tc(off)、td(on)、td(off)、ton、toffの少なくとも1つであることが好ましい。これらのスイッチング時間は電流・電圧による変動が小さいため、簡易な演算でスイッチングのタイミングをより正確に補正し、電流不均衡を改善することができる。なお、スイッチング時間は一般的に電流依存性が小さいが、IGBT又はMOSFET等のスイッチング素子の構造、Si又はSiC等の材料によって電流依存性が異なる。従って、その特性に合わせて出荷検査結果を選択する必要がある。例えばSi材料のIGBTを搭載したパワーモジュールではtd(on)、td(off)、ton、toff等が一般的に電流依存性が小さく出荷検査結果に適する。また、パワーモジュールに駆動回路を搭載する場合、td(on)、td(off)、ton、toffは駆動回路の遅延時間を含むため、その特性ばらつきを加味して補正できる利点がある。
演算部12は、メモリに記憶されたプログラムを実行するCPU、システムLSI等の処理回路により実現される。また、複数の処理回路が連携して上記機能を実行してもよい。演算部12を用いて入力信号をソフトウェア的に補正してもよいが、補正部9,10によりハードウェア的に入力信号を補正する方が演算部12の負荷及び出力ピン数を減らすことができる。
パワーモジュール1,2内のスイッチング素子SW1,SW2の配置、並列接続するパワーモジュール1,2同士の配置、電源又は電解コンデンサ等の直流電圧源からの位置、主配線又は信号配線等の外部配線の長さ又は引き回し等の影響により通電電流のばらつきが発生する。さらに、冷却システム上のパワーモジュールの配置による温度ばらつきの影響により、スイッチング特性にばらつきが発生する。このような場合、スイッチング素子又はパワーモジュールの配置、信号配線の引き回し等を改善することが望ましい。しかし、装置制約上、均等に配置できない場合もある。そこで、電力変換システムの初品評価等でスイッチング素子又はパワーモジュールの配置、配線の引き回し等によるスイッチング特性への影響を確認し、演算表に反映することが好ましい。動作温度と出荷検査結果を元に推定した各パワーモジュールの特性に、この影響を重畳することで、各パワーモジュールの補正値をより正確に算出することができる。
例えば6つのスイッチング素子を有する2つのパワーモジュールを並列接続して三相インバータ回路を構成する場合、共通の演算表を用いて各相のスイッチング素子の補正値を割り出した後、主電極からの位置と信号配線の引き回し等の回路条件による補正をかける。従って、出荷検査結果と動作温度が同一であっても、各相で補正値が変わる場合がある。
パワーモジュール1,2として、1素子入り又は6素子入りのパワーモジュール、単相インバータ又は三相インバータ回路等のパワーモジュールを用いてもよい。過熱保護、短絡保護、電源電圧低下保護等の保護回路を設けてもよい。また、演算部12とは別に入力信号生成部6を設けたが、演算部12と記録部11を用いてソフトウェア的に入力信号を励起してもよい。スイッチング素子ごとに駆動回路を接続しているが、例えばLVIC等の駆動回路を用いて1つのパワーモジュール内の複数のスイッチング素子又は複数のパワーモジュール1,2を共通の駆動回路でスイッチングしてもよい。HVIC等の駆動回路を用いて入力信号をレベルシフトして、同一相のP側(ハイサイド)とN側(ローサイド)、又はP側全相等の複数相を共通の駆動回路でスイッチングしてもよい。
実施の形態2.
図6は、実施の形態2に係る電力変換システムを示す図である。本実施の形態では、パワーモジュール1,2にそれぞれ記録部13が設けられている。記録部13には、対応するパワーモジュールの出荷検査結果が記録されている。これにより、パワーモジュールとその出荷検査結果を簡単かつ確実に一対一対応できる。制御部4は、初回起動時又は起動毎にパワーモジュール1,2から出荷検査結果を読み込み、記録部11に記録する。電力変換システムの組立時に各パワーモジュール1,2の出荷検査結果を制御部4の記録部11に入力する必要がないため、製品組立工程を簡略化できる。また、電力変換システムの出荷後に設置場所でフィールドメンテナンスとしてパワーモジュールの交換又は変更も可能となる。その場合にはメンテナンス後にリセットし、再読み込みすればよい。なお、初回起動時に制御部4の記録部11に出荷検査結果を保持する場合には、フィールドメンテナンス後にリセットし、再読み込みすればよい。
実施の形態3.
図7は、実施の形態3に係る電力変換システムを示す図である。本実施の形態では、パワーモジュール1に記録部13だけでなくHVIC、LVIC等の駆動回路7及び補正部9が設けられている。同様にパワーモジュール2に駆動回路8及び補正部10が設けられている。記録部13には出荷検査結果だけでなく、演算された補正値が記録されている。
スイッチングがOFFになったタイミングで駆動回路7が毎回又は数回に1回、記録部13から補正値を読み出す。駆動回路7はその補正値に応じて補正部9の遅延回路を選択し、補正部9が特定の相又は全ての相の入力信号を補正する。なお、制御部4の演算部12からの指示に従って、補正値を書き換えたタイミング又は入力信号が三相ともOFFとなったタイミングで補正値を読み出してもよい。
このようにパワーモジュール1,2の内部で入力信号を補正することにより、パワーモジュール1,2に印加する入力信号は共通となる。従って、制御部4内の配線の引き回しが簡単となるため、制御部4として設計が簡単で安価な配線基板及び信号配線を用いることができる。
なお、パワーデバイス内に補正部9の遅延回路を選択する制御回路を設けてもよい。温度条件変更等により補正値を変更する場合、記録部13の同じアドレスへ新しい補正値を上書きすればよい。パワーモジュール1,2の外部の制御部4等のマイコン・CPU・DSP等の演算部から記録部13に読み込み・書き込みが可能である。補正部9と記録部13の少なくとも1つを駆動回路7の中に搭載してもよく、これにより精度を向上させ、伝達遅延時間を減らすことができる。
補正部9は、ハードウェア的に入力信号を補正する遅延回路に限らず、ソフトウェア的に入力信号を補正するマイコンでもよい。ソフトウェア的に入力信号を補正する場合、実施の形態1,2ではパワーモジュール1,2毎に補正した入力信号を算出して出力するため、マイコンの出力数が並列数に応じて増加する。一方、実施の形態3では、パワーモジュール1,2に印加する入力信号は共通であるため、マイコン等の出力数を増やす必要がない。例えば2つの6素子入りパワーデバイスを並列駆動する三相PWM制御方式の場合、マイコンの出力数は、実施の形態1,2で6素子×2=12ピン必要であるが、実施の形態3では6ピンでよい。このため、基板配線の設計が簡単になり、より安価なPCB基板を用いることができる。
スイッチング素子SW1,SW2毎に記録部13と駆動回路7を接続する構成に限らず、複数のスイッチング素子又は複数の相に共通の記録部と駆動回路を接続する構成としてもよい。また、HVIC等の駆動回路で入力信号をレベルシフトして、同一相のP側(ハイサイド)とN側(ローサイド)、又はP側全相等の複数相を共通のメモリと駆動回路でスイッチングする構成としてもよい。
なお、スイッチング素子SW1,SW2は、珪素によって形成されたものに限らず、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成されたものでもよい。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドである。このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成された素子は、耐電圧性や許容電流密度が高いため、小型化できる。この小型化された素子を用いることで、この素子を組み込んだ電力変換システムも小型化・高集積化できる。また、素子の耐熱性が高いため、ヒートシンクの放熱フィンを小型化でき、水冷部を空冷化できるので、電力変換システムを更に小型化できる。また、素子の電力損失が低く高効率であるため、電力変換システムを高効率化できる。
また、パワーモジュールを駆動すると導通損失とスイッチング損失が発生し温度が上昇する。温度が上がると電気抵抗が高くなり電流が流れ難くなるため、並列接続された複数のパワーモジュールの電流不均衡は改善される傾向にある。一方、炭化珪素のスイッチング素子を搭載したパワーモジュールは導通損失とスイッチング損失が珪素の場合に比べ格段に低い。例えば同じ電流定格のパワーモジュールを用いたインバータ動作では、炭化珪素のスイッチング素子を用いた場合、損失は珪素の場合に比べ3割程度となり、温度上昇は珪素の場合に比べて低くなる。従って、炭化珪素のスイッチング素子を用いた場合には温度による電流不均衡の改善が期待できないため、本実施の形態のように複数のパワーモジュールに流れる電流のばらつきを低減する必要がある。
また、温度が上がるほどスイッチング素子の電気抵抗が下がり電流が流れやすくなる場合もある。この場合、電流集中が起こり易くなり、温度上昇による改善も期待できないため、本実施の形態のように複数のパワーモジュールに流れる電流のばらつきを低減する必要がある。
また、新規の材料と構造を用いた炭化珪素のスイッチング素子は珪素のスイッチング素子に比べ、ウエハ等の部材の品質安定性、製造制約、チップ構造等の技術及びノウハウの蓄積がまだ不十分である。このため、定常特性又はスイッチング特性のばらつきが懸念される。本実施の形態によりスッチング特性のばらつきを補正すればパワーモジュールの製品規格を緩和でき、製造歩留の向上と安定的な生産につながり、より安価な炭化珪素パワーモジュールの提供・使用が可能となる。
1,2 パワーモジュール、3 温度検出部、7,8 駆動回路、9,10 補正部、11,13 記録部、12 演算部、SW1,SW2 スイッチング素子

Claims (5)

  1. 並列接続された複数のパワーモジュールと、
    前記複数のパワーモジュールをそれぞれ入力信号に基づいて駆動する複数の駆動回路と、
    前記複数の駆動回路に入力する前記入力信号をそれぞれ複数の補正値に基づいて補正する複数の補正部と、
    前記複数のパワーモジュールの動作温度を測定する温度検出部と、
    測定した前記動作温度と前記複数のパワーモジュールのスイッチング特性の温度依存性に基づいて前記複数のパワーモジュールの現在のスイッチング特性を推定し、推定した前記現在のスイッチング特性に基づいて前記複数のパワーモジュールに流れる電流のばらつきを低減するように前記複数の補正値を演算する演算部とを備え
    前記スイッチング特性は、立ち上がり時間、立ち下がり時間、ターンオンにかかる時間、ターンオフにかかる時間、ターンオン遅延時間、ターンオフ遅延時間、ターンオン遅延時間と立ち上がり時間の合算値、ターンオフ遅延時間と立ち下がり時間の合算値の少なくとも1つであることを特徴とする電力変換システム。
  2. 前記複数のパワーモジュールのスイッチング特性の検査結果と検査温度を出荷検査結果として記録した記録部を更に備え、
    前記演算部は、前記出荷検査結果に基づいて前記複数のパワーモジュールのスイッチング特性の温度依存性を推定することを特徴とする請求項に記載の電力変換システム。
  3. 前記記録部は、前記複数のパワーモジュールにそれぞれ設けられ、対応するパワーモジュールの前記出荷検査結果が記録された複数の記録部を有することを特徴とする請求項に記載の電力変換システム。
  4. 前記複数の駆動回路及び前記複数の補正部は、それぞれ前記複数のパワーモジュールに設けられ、
    前記複数の記録部には、演算された前記複数の補正値がそれぞれ記録されていることを特徴とする請求項に記載の電力変換システム。
  5. 前記複数のパワーモジュールは、それぞれワイドバンドギャップ半導体によって形成された複数のスイッチング素子を有することを特徴とする請求項1〜の何れか1項に記載の電力変換システム。
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