JP2003134839A

JP2003134839A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2003134839A
Application number: JP2001329650A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Kobayashi; 知宏小林
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2001-10-26
Filing date: 2001-10-26
Publication date: 2003-05-09

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の電力変換装置は、短時間稼動の電力変
換装置から通常の電力変換装置までの各種の用途や容
量、等、の種々の態様に対して装置容量を柔軟に対応し
て作ることが出来なかった。【解決手段】半導体素子により構成された電力変換器
から給電される負荷の負荷電流から前記半導体素子のジ
ャンクション温度を推定すると共に、当該推定ジャンク
ション温度が稼動可能限界温度に到達するまでの稼動可
能時間を推定し、前記負荷電流及び前記推定稼動可能時
間により装置定格が設定されている電力変換装置であ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は半導体素子から構
成された電力変換装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１５従来の一般的な電力変換装置によ
る無停電電源装置を示す接続図、図１６は従来の一般的
な電力変換装置に使われている装置定格の説明図であ
る。

【０００３】図１５において、１は商用周波数の電力系
統電源、２は負荷、３は負荷電流を検出するＣＴ、５は
電動ファン等の冷却手段、６はバッテリ等の蓄電手段、
８はゲ−ト駆動回路、９は変調回路、１０は電流リミッ
タ、１３は負荷シャットダウン信号で、前記負荷のコン
ピュ−タ（図示せず）をシャットダウンさせる信号であ
る。１４は発電機（図示せず）への運転指令、１５は交
流を直流に変換するコンバ−タ、１６は出力切替スイッ
チ、１７は主制御回路である。

【０００４】１８は当該直流を交流に変換するインバ−
タで、その出力は前記主制御回路１７により、前記ゲ−
ト駆動回路８、前記変調回路９、及び前記電流リミッタ
１０を介して制御される。１５１は前記コンバ−タ１５
の主制御回路、１６１はバイパス回路、１７５は前記主
制御回路１７の概略制御特性で、１７６は連続運転定
格、１７７は過負荷耐量、１７９はバイパス回路給電
（前記コンバ−タ１５や前記インバ−タ４からなる電力
変換装置の停止）領域である。

【０００５】次に、図１５の動作を説明する。通常は、
前記電力系統電源１からくる電力は一旦前記コンバ−タ
１５で直流に変換され、前記蓄電手段６に蓄えられなが
ら、前記インバ−タ１８で再び交流に変換され、安定し
た電圧、周波数となって、前記負荷２に常時供給され
る。

【０００６】このように、前記コンバ−タ１５や前記イ
ンバ−タ４からなる電力変換装置は、常時稼動している
ことが前提の為、その定格は連続運転定格のみで定義さ
れ、また、連続運転定格を超える過負荷時には、過負荷
耐量と言われる一種の過負荷時定格により予め設定され
た一定時間だけ、前記コンバ−タ１５や前記インバ−タ
４からなる前記電力変換装置が動作した後、前記出力切
換スイッチ１６が、前記過負荷耐量の高い前記バイパス
回路１６１に切り換えを行い、前記コンバ−タ１５や前
記インバ−タ４からなる前記電力変換装置は停止し、前
記負荷２への給電は、前記バイパス回路１６１を介して
前記系統電源１から行なわれる。

【０００７】なお、電力用半導体素子から構成された電
力変換装置においては、その運転中、前記電力用半導体
素子のジャンクション部ではその発生損失により温度
（以下ジャンクション温度と記す）が上昇すると共に、
その熱は、半導体素子内部、半導体素子ケ−ス、冷却フ
ィンの順に、時間の経過に伴って徐々に伝導していく
が、前記ジャンクション温度が半導体の許容範囲を超え
ると電力用半導体素子は焼損する。

【０００８】このため、万が一、ユ−ザが電力変換装置
の連続運転定格を上回る負荷２を接続したり、何らかの
要因で、負荷が前記電力変換装置の連続運転定格を上回
った場合、一種の過負荷時定格である過負荷耐量により
予め設定された一定時間だけ前記コンバ−タ１５や前記
インバ−タ４からなる前記電力変換装置が動作した後、
前記出力切換スイッチ１６が、前記過負荷耐量の高い前
記バイパス回路１６１に切り換えを行い、前記コンバ−
タ１５や前記インバ−タ４からなる前記電力変換装置は
停止し、前記負荷２への給電は、前記バイパス回路１６
１を介して前記系統電源１から行なわれるようにされて
いる。

【０００９】ここで、連続運転が前提となっている前記
コンバ−タ１５や前記インバ−タ４からなる前記電力変
換装置の前記連続運転定格、前記一種の過負荷時定格で
ある過負荷耐量について詳述する。例えば、前記コンバ
−タ１５や前記インバ−タ４からなる前記電力変換装置
が無停電電源装置の場合、１９８９年２月２５日に電気
書院から発行された文献「無停電電源装置（ＵＰＳ）導
入実線ガイド」（定由征次著、星敏彦監修）の６・２節
の第６・２表及び説明に、連続しようの定格容量と短時
間の過負荷耐量が示され、「出力の過負荷や短絡でＣＶ
ＣＦインバ−タを保護することから、過負荷耐量や過電
流耐量が規定されている。一般には、１５０％電流で１
０秒間、１２０％電流で１分間の耐量を有している。」
と記載されている。

【００１０】実際の前記コンバ−タ１５や前記インバ−
タ４からなる前記電力変換装置においても前記文献内容
に準じて前記連続運転定格、前記一種の過負荷時定格で
ある過負荷耐量を適用し、該連続運転定格、前記一種の
過負荷時定格である過負荷耐量や過電流耐量に沿って稼
動／停止の動作をするように、前記コンバ−タ１５や前
記インバ−タ４からなる前記電力変換装置は作られてい
る。

【００１１】図１６は前述の連続運転定格、一種の過負
荷時定格である過電流耐量に沿った運転／停止の動作を
説明するための詳細説明図で、横軸は、前記コンバ−タ
１５や前記インバ−タ４からなる前記電力変換装置の稼
動許容時間、縦軸は負荷量＜負荷電流＞である。この図
１６において、連続運転定格１７６の領域は、図中、各
点ＡＢＭＮＡにより囲まれている領域で、前記電力変換
装置の定格容量から定まる負荷電流０〜１００％の範囲
では前記コンバ−タ１５や前記インバ−タ４からなる前
記電力変換装置は図示のように連続稼動ができる。

【００１２】１２０％電流で１分間の過電流耐量の領域
は、図中、各点ＢＣＪＫＢにより囲まれている領域で、
負荷電流Ｉが１００＜Ｉ≦１２０％の範囲になった場
合、該範囲に入った時点から１分後に、負荷電流の大き
さに関係なく、前記コンバ−タ１５や前記インバ−タ４
からなる前記電力変換装置は停止する。例えば、負荷電
流Ｉがの場合との場合、電流値は＜であるが、
の何れも、負荷電流Ｉが１００＜Ｉ≦１２０％の範
囲に入った時点ｔ１から１分後のｔ３時点で前記電力変
換装置は停止する。

【００１３】１５０％電流で１０秒間の過電流耐量の領
域は、図中、各点ＣＤＦＧＣにより囲まれている領域
で、負荷電流Ｉが１２０＜Ｉ≦１５０％の範囲になった
場合、該範囲に入った時点から１０秒後に、負荷電流の
大きさに関係なく、前記コンバ−タ１５や前記インバ−
タ４からなる前記電力変換装置は停止する。例えば、負
荷電流Ｉがの場合との場合、電流値は＜である
が、の何れも、負荷電流Ｉが１２０＜Ｉ≦１５０％
の範囲に入った時点ｔ１から１０秒後のｔ２時点で前記
電力変換装置は停止する。

【００１４】また、負荷電流Ｉが、前述の１２０％電流
で１分間の過電流耐量（１００＜Ｉ≦１２０％）の範囲
に入った場合、及び前述の１５０％電流で１０秒間の過
電流耐量（１２０＜Ｉ≦１５０％）の範囲に入った場
合、の前記インバ−タ４からなる前記電力変換装置の停
止は、前述の図１５における前記主制御回路１７が行な
う。即ち、ＣＴ３によって検出された負荷電流が、前記
範囲（１００＜Ｉ≦１２０％、１２０＜Ｉ≦１５０％）
内に入ったことを前記主制御回路１７が判定し、周知の
ゲ−トブロック回路により対応インバ−タ１８を停止さ
せる。

【００１５】なお図１６中、前記連続運転定格内（負荷
電流Ｉ＝０〜１００％）の領域１７６、前記過電流耐量
内（１００＜Ｉ≦１２０％、１２０＜Ｉ≦１５０％）の
領域１７７、を除く他の領域、即ち図中の各点ＭＫＪＧ
ＦＤＥＬＭに囲まれハッチングを施した領域は、前記コ
ンバ−タ１５や前記インバ−タ４からなる前記電力変換
装置の稼動非許容領域、即ちバイパス回路１６１経由で
負荷２へ給電している領域である。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】従来においては、前述
のように、電力変換装置の定格が、電力変換装置の連続
運転を前提にして定義されており、また、連続運転定格
を超える過負荷電流に対しても、過負荷電流が流れ始め
てから一定時間で電力変換装置の運転を停止する過負荷
耐量（過電流耐量）の考え方に基づいて、電力変換装置
が作られている。従って、短時間しか稼動しない電力変
換装置、例えば、常時商用給電の負荷に対する瞬停対策
装置として電力系統の停電時のみに１０秒前後の短時間
稼動が行なわれる電力変換装置を作る場合、過渡熱容量
が大きく影響し、前述の従来の連続運転定格や過負荷耐
量（過電流耐量）の考え方に基づいて電力変換装置を作
れば、必要以上に大型大容量の電力変換装置となり、高
価にもなる。

【００１７】また、様々な負荷状態で、前記従来の過負
荷耐量（過電流耐量）範囲内での短時間動作を、電力変
換装置に複数回続けて行なわせたい場合には、稼動可能
時間や稼動可能解数の見極めが難しい。例えば、定格電
流に対し１４０％の大きさの負荷電流を対象に、電力変
換装置の７秒間稼動を、例えば２秒間隔で連続的に５回
行なった場合、前述の従来の考え方で作られた電力変換
装置では、稼働時間が１０秒を超えないため、前記５回
の稼動の何れについても稼動停止は行なわれない。併
し、この場合、電力変換装置を構成する半導体素子のジ
ャンクション温度は、過渡熱容量の関係で、前記稼動間
隔２秒間に急速に冷却されることはなく、稼動回数が増
える毎に上昇していくと考えられ、従って、何回迄稼動
しても電力変換装置を構成する半導体素子が焼損されな
いのか見極めが難しい。

【００１８】この発明は、前述のような従来の電力変換
装置における課題に鑑みてなされたもので、前述の従来
の連続通電定格や過負荷電流が流れ始めてから一定時間
で電力変換装置の運転を停止する過負荷耐量（過電流耐
量）の考え方から脱却し、前述の短時間稼動の電力変換
装置等にも柔軟に対応できるようにすることを目的とす
るものである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明に
係る電力変換装置は、半導体素子により構成された電力
変換器から給電される負荷の負荷電流から前記半導体素
子のジャンクション温度を推定すると共に、当該推定ジ
ャンクション温度が稼動可能限界温度に到達するまでの
稼動可能時間を推定し、前記負荷電流及び前記推定稼動
可能時間により装置定格が設定されている電力変換装置
である。

【００２０】請求項２に記載の発明に係る電力変換装置
は、半導体素子により構成された電力変換器、前記電力
変換器から負荷への給電時の負荷電流を検出する負荷電
流検出手段、前記負荷電流検出手段により検出された負
荷電流から前記半導体素子のジャンクション温度を推定
するジャンクション温度推定手段、及び前記負荷電流検
出手段により検出された負荷電流及び前記ジャンクショ
ン温度推定手段により推定されたジャンクション温度か
ら装置稼動可能時間を推定する稼動可能時間推定手段を
備え、装置稼働時間が前記稼動可能時間推定手段により
推定された前記装置稼動可能時間を超えると装置停止を
行なう電力変換装置である。

【００２１】請求項３に記載の発明に係る電力変換装置
は、半導体素子により構成され停電時に負荷へ給電する
電力変換器、前記電力変換器から負荷への給電時の負荷
電流を検出する負荷電流検出手段、前記負荷電流検出手
段により検出された負荷電流から前記半導体素子のジャ
ンクション温度を推定するジャンクション温度推定手
段、及び前記負荷電流検出手段により検出された負荷電
流及び前記ジャンクション温度推定手段により推定され
たジャンクション温度から装置稼動可能時間を推定する
稼動可能時間推定手段を備え、再停電時に、再給電によ
る装置稼働時間が前記稼動可能時間推定手段により推定
された前記装置稼動可能時間を超えると推定される場合
にはジャンクション温度の限界で稼働時間を制限して装
置停止を行なう電力変換装置である。

【００２２】請求項４に記載の発明に係る電力変換装置
は、請求項２及び請求項３の何れか一に記載の電力変換
装置において、前記半導体素子の周囲環境温度を検出す
る温度検出手段を備え、この温度検出手段により検出さ
れた周囲環境温度及び前記負荷電流検出手段により検出
された負荷電流から前記ジャンクション温度推定手段が
前記半導体素子のジャンクション温度を推定する電力変
換装置である。

【００２３】請求項５に記載の発明に係る電力変換装置
は、半導体素子により構成された電力変換器、前記半導
体素子の温度を検出する半導体素子温度検出手段、前記
半導体素子温度検出手段により検出された前記半導体素
子の温度から前記半導体素子のジャンクション温度を推
定するジャンクション温度推定手段、前記電力変換器か
ら負荷への給電時の負荷電流を検出する負荷電流検出手
段、及び前記負荷電流検出手段により検出された負荷電
流及び前記ジャンクション温度推定手段により推定され
たジャンクション温度から装置稼動可能時間を推定する
稼動可能時間推定手段を備え、装置稼働時間が前記稼動
可能時間推定手段により推定された前記装置稼動可能時
間を超えると装置停止を行なう電力変換装置である。

【００２４】請求項６に記載の発明に係る電力変換装置
は、半導体素子により構成され停電時に負荷へ給電する
電力変換器、前記半導体素子の温度を検出する半導体素
子温度検出手段、前記半導体素子温度検出手段により検
出された前記半導体素子の温度から前記半導体素子のジ
ャンクション温度を推定するジャンクション温度推定手
段、前記電力変換器から負荷への給電時の負荷電流を検
出する負荷電流検出手段、及び前記負荷電流検出手段に
より検出された負荷電流及び前記ジャンクション温度推
定手段により推定されたジャンクション温度から装置稼
動可能時間を推定する稼動可能時間推定手段を備え、再
停電時に、再給電による装置稼働時間が前記稼動可能時
間推定手段により推定された前記装置稼動可能時間を超
えると推定される場合にはジャンクション温度の限界で
稼働時間を制限して装置停止を行なう電力変換装置であ
る。

【００２５】請求項７に記載の発明に係る電力変換装置
は、請求項２〜請求項６の何れか一に記載の電力変換装
置において、前記半導体素子がＰＷＭ変調によりＯＮ、
ＯＦＦ制御されものであり、前記稼動可能時間推定手段
がＰＷＭ変調周波数を加味して前記半導体素子のジャン
クション温度を推定する電力変換装置である。

【００２６】請求項８に記載の発明に係る電力変換装置
は、請求項１〜請求項７の何れか一に記載の電力変換装
置において、前記推定ジャンクション温度及び前記稼動
可能時間の少なくとも一方の少なくとも現在値を表示す
る表示手段を備えている電力変換装置である。

【００２７】

【発明の実施の形態】実施の形態１．図１〜図４はこの
発明を瞬停対策装置に適用した場合の一実施形態を示す
図で、図１はシステム構成図、図２は構造を概略的に示
す側面図、図３は図１の電力変換装置における負荷電流
および稼動許容時間の観点での動作説明図、図４は図１
の電力変換装置における半導体素子のジャンクション温
度の観点での動作説明図である。

【００２８】先ず、構成について説明する。図１におい
て、１は商用周波数の電力系統における系統電源、２は
瞬停（瞬時停電）から守られるべき負荷で、例えば、多
量生産の工場設備、等である。３は負荷電流を検出する
負荷電流検出手段で、例えばＣＴ等である。４は電力用
の半導体素子（図示せず）により構成されＡＣ／ＤＣ変
換及びＤＣ／ＡＣ変換する双方向の電力変換器で、電力
系統からの電圧や周波数が所定の範囲内の場合に交流の
電力を直流に変換して、後述の蓄電手段６を充電すると
共に、前記電力系統の停電時に後述の蓄電手段６の直流
電力を交流に変換するものである。

【００２９】５は電動ファン等の冷却手段、６はバッテ
リ等の蓄電手段、７は前記電力変換器４を構成する電力
用の半導体素子（図示せず）の温度を検出する半導体素
子温度検出手段、８は前記電力変換器４のゲ−トを制御
するゲ−ト駆動回路、９は前記ゲ−ト駆動回路８をＰＷ
Ｍ変調出力により制御する変調回路、１０ははこの変調
回路９及び前記ゲ−ト駆動回路８を介して前記電力変換
回路４の出力電流を制限する電流リミッタ、１１は高速
動作する高速スイッチで、前記電力系統の停電発生時
に、瞬時に該電力系統を解列するものである。

【００３０】１２は主制御装置で、前記負荷電流検出手
段２を介して負荷電流を、前記半導体素子温度検出手段
７を介して前記電力変換器４を構成する半導体素子の温
度を、後述の電圧検出手段１５を介して前記電力系統の
電圧の有無を、夫々取り込み、前記電流リミッタ１０、
前記変調回路９、前記ゲ−ト駆動回路８を介して前記電
力変換器４を制御し、また、前記冷却手段の冷却能力を
制御するものである。

【００３１】１３は負荷シャットダウン信号で、前記負
荷２のコンピュ−タ（図示せず）をシャットダウンさせ
る信号である。１４は発電機（図示せず）への運転指
令、１５は電力系統の停電を検出するための電圧検出手
段である。１２０は前記主制御回路１７の概略制御特性
で、１２４は前記負荷量（負荷電流）から推定される前
記半導体素子のジャンクション温度をベ−スとして定ま
る装置定格、１２５はこの装置定格１２４によって決め
られた稼動許容定格領域で、前記電力変換器４を稼動可
能な領域である。１２６は前記装置定格１２４によって
決められた稼動非許容定格領域で、前記電力変換器４を
稼動出来ない領域である。

【００３２】図２において、４１は前記電力変換器４を
構成するモジュ−ル型の半導体素子で、４２はその金属
ベ−ス、４３はこの金属ベ−スが搭載された冷却フィン
で、前記電動ファン等の冷却手段５から冷却風が送風さ
れる。４４は前記電力変換器４を収納する箱体、４５は
表示装置で、前記箱体４４に該箱体４４の外側から目視
できるように装着されている。なお、前記半導体素子温
度検出手段７は、前記金属ベ−ス４２と前記冷却フィン
４３との境界部分においてに、前記金属ベ−ス４２及び
前記冷却フィン４３の双方に密接し面接触して設置され
ている。

【００３３】次に図１の動作について説明をする。通
常、前記電力系統の前記系統電源１から供給される交流
の電力は、高速スイッチ１１を通じて、前記負荷２に給
電されると共に、前記蓄電手段６が満充電でない場合に
は、前記電力変換器４で直流に変換され、低電流でゆっ
くりと前記蓄電手段６に電力が蓄えられ、前記蓄電手段
６が満充電状態のときには、前記電力変換器４は停止し
ている。

【００３４】前記系統電源１が停電した場合は、前記蓄
電手段６からの電力が、前記電力変換器４で交流に変換
され、前記負荷２に供給される。前記蓄電手段６からの
給電時には、負荷電流検出手段３からのリアルタイムな
負荷電流情報及び前記半導体素子温度検出手段７からの
リアルタイムな半導体素子温度情報によって、前記主制
御装置１２は、前記電力変換器４を構成する半導体素子
４１（図２）の内部ジャンクション温度をリアルタイム
に推定し、前記電力変換器４のリアルタイムな制御、保
護動作や外部に対して信号発生が行なわれる。

【００３５】次に図３により負荷電流及び稼動許容時間
の観点での詳細説明を行なう。図３において、縦軸は負
荷量＜負荷電流＞、横軸は前記電力変換器４（図１に図
示）の稼動を許容できる或いは許容する稼動許容時間で
ある。

【００３６】この図３において、１２１は前記電力変換
器４（図１に図示）を構成する半導体素子４１（図２に
図示）のジャンクション部における想定実温度をベ−ス
とした前記負荷量＜負荷電流＞と前記稼動許容時間との
関係を示す線であり、図示のように２次曲線状になる。
この線１２１の下側のハッチングを施してない空白領域
１２２、即ち点Ｅ０・Ｐ０・Ｍ・Ｎ・Ａ・Ｅ０で囲まれ
ている領域１２２は、前記ジャンクション部における想
定実温度をベ−スとした想定稼動許容領域、つまり前記
電力変換器４を稼動しても前記半導体素子４１は焼損し
ない領域である。

【００３７】また、前記線１２１の上側のハッチングを
施した領域１２３、即ち点Ｅ０・Ｌ・Ｍ・Ｐ０・Ｅ０で
囲まれている領域１２３は、前記ジャンクション部にお
ける想定実温度をベ−スとした想定稼動非許容領域、つ
まり前記電力変換器４を稼動すれば前記半導体素子４１
が焼損する領域である。

【００３８】１２４は前記線１２１より左下寄りに設定
した本発明の電力変換装置の装置定格で、各種の値の負
荷電流に対応する何れの稼動許容時間も、前記電力変換
器４を構成する半導体素子４１の焼損を必ず回避するよ
うに設定されており、また、前述のジャンクション部に
おける想定実温度をベ−スとした線１２１に沿って２次
曲線状に変わる装置定格としてある。

【００３９】１２５は前記装置定格１２１によって定ま
る稼動許容定格領域で、点Ａ・Ｅ・Ｐ・Ｍ・Ｎ・Ａで囲
まれている領域であり、この領域内に収まるように前記
電力変換装置を稼動すればその半導体素子４１は焼損す
ることはない。１２６は前記装置定格１２１によって定
まる稼動非許容定格領域で、点Ｅ・Ｅ０・Ｌ・Ｍ・Ｐ０
・Ｐ・Ｅで囲まれている領域で、前記電力変換装置を稼
動しない領域である。

【００４０】前記装置定格１２１の設定は前記主制御装
置１２（図１に図示）で行なわれ、前記主制御装置１２
によって制御される電力変換器４（図１に図示）は前記
２次曲線状の装置定格１２１に基づいて、前記稼動許容
定格領域１２５内で運転される。

【００４１】１７６は前述の従来の連続運転定格（Ｉ＝
０〜１００％）の領域（点Ａ・Ｂ・Ｍ・Ｎ・Ａで囲まれ
ている領域）、１７７は前述の従来の過電流耐量（１０
０＜Ｉ≦１２０％、及び１２０＜Ｉ≦１５０％）の領域
（点Ｂ・Ｃ・Ｊ・Ｋ・Ｂで囲まれている領域及び点Ｂ・
Ｃ・Ｊ・Ｋ・Ｂで囲まれている領域）、１７８は前述の
従来の稼動許容領域（点Ａ・Ｄ・Ｆ・Ｇ・Ｊ・Ｋ・Ｍ・
Ｎ・Ａで囲まれている領域）である。なお、図において
は、前記従来の各領域１７６、１７７、１７８は、前記
本発明の実施形態１の各領域が実線で図示されているの
に対し、一点鎖線の太線で図示されている。

【００４２】１０Ｔは、本発明の実施形態１における装
置定格１２４において、従来の負荷電流耐量（１５０％
電流で１０秒間連続給電後給電停止）の稼動許容時間１
０秒間に対応する許容負荷電流の点を示しており、約２
００％の負荷電流を流すことができる。

【００４３】次に、図３により、本発明の実施形態１の
場合と前述の従来の場合との比較説明をする。負荷電流
がｔ１時点でとなった場合、従来の場合は過電流耐量
により１分経過時点ｔ３で電力変換装置は稼動停止する
が、本発明の実施形態１の場合はｔ７の時点で電力変換
装置が稼動停止する。図示されているように（ｔ３−ｔ
１）＜（ｔ７−ｔ１）である。負荷電流がｔ１時点で
となった場合は、従来の場合は過電流耐量により前記
の場合と全く同じく１分経過時点ｔ３で電力変換装置は
稼動停止するが、本発明の実施形態１の場合はｔ６の時
点で電力変換装置が稼動停止する。前記の場合と同様
に、（ｔ３−ｔ１）＜（ｔ６−ｔ１）である。

【００４４】負荷電流がｔ１時点でとなった場合は、
従来の場合は過電流耐量により１秒経過時点ｔ２で電力
変換装置は稼動停止するが、本発明の実施形態１の場合
はｔ５の時点で電力変換装置が稼動停止する。前記
の場合と同様に（ｔ２−ｔ１）＜（ｔ５−ｔ１）であ
る。また、負荷電流がｔ１時点でとなった場合は、従
来の場合は過電流耐量により前記の場合と全く同じく
１秒経過時点ｔ２で電力変換装置は稼動停止するが、本
発明の実施形態１の場合はｔ４の時点で電力変換装置が
稼動停止する。前記の場合と同様に、（ｔ２−ｔ
１）＜（ｔ４−ｔ１）である。

【００４５】また、従来の負荷電流耐量に沿った電力変
換装置では、１０秒間連続的に流せる最大負荷電流は１
５０％であるが、本発明の実施形態１における装置定格
１２４においては、１０秒間連続的給電に対応する許容
最大負荷電流は前記点１０Ｔで示されるように２００％
超である。

【００４６】前述のことから、前記の何れの場
合も過負荷電流時の稼動許容時間は、本発明の実施形態
１の方が従来の装置より遥かに長い、即ち停電補償時間
が遥かに長い。また、逆の観点からすれば、従来の装置
と同じ過負荷電流時の停電補償時間であれば、本発明の
実施形態１の電力変換装置においては、電力変換器４の
熱容量や冷却手段の冷却能力を頗る小さくでき、また、
同じ能力の無停電対策電力変換装置を安価に提供でき
る。或いは単位時間当たりの許容負荷電流を大きく設定
できる。更に観点を変えれば、本発明の実施形態１の電
力変換装置においては、種々の無停電保証時間の電力変
換装置を容易に準備できる。また、このような各種必要
性に柔軟に対応できる。

【００４７】次に図４により電力変換装置における半導
体素子のジャンクション温度の観点で詳細に説明する。
図４の縦軸は半導体素子のジャンクション温度、横軸は
時間である。図４において、ＲＴは前記半導体素子が焼
損するジャンクション部の実温度、Ｔｍａｘは前記焼損
温度ＲＴに至る前の安全温度限界、Ｔｃは前記電力変換
器４（図１に図示）を構成する半導体素子４１（図２に
図示）の周辺環境温度で、日本国内では夏季と冬季とで
数十度の差がある場合もあるが、通常は電力変換装置は
室内に設置されるので、空気調和された室内に設置され
た場合は、夏季、冬季を問わずほぼ一定となる。

【００４８】Ａは負荷電流Ｉが１００％の場合の前記半
導体素子のジャンクション温度の変化を示す線グラフ、
Ｂ１は負荷電流Ｉがｔ１時点で１００％から１２０％に
増加した場合の前記ジャンクション温度の変化を示す線
グラフ、Ｂ２は負荷電流Ｉがｔ４時点で１００％から１
２０％に増加した場合の前記ジャンクション温度の変化
を示す線グラフである。

【００４９】図４において、電力変換装置の起動によ
り、ｔ０時点で、１００％負荷電流が、前記電力変換器
４（図１に図示）を構成する半導体素子４１（図２に図
示）に流れ始めた場合、線グラフＡに示すように前記半
導体素子４１のジャンクション温度は図示のように２次
曲線状に上昇し、ｔ６時点で、横這いとなる。この横這
い状態の前記ジャンクション温度は、主として、負荷電
流の大きさ、電力変換器の熱容量、冷却手段５の冷却能
力等によって決まるが、ＰＷＭ変調周波数（半導体素子
のゲ−トの高周波ＯＮ・ＯＦＦ）、前記電力変換器４の
周辺環境温度Ｔｃにも依存する。

【００５０】次に、負荷電流がｔ１時点で１００％から
１２０％に増加した場合の前記ジャンクション温度の変
化について説明する。この場合は、前記ジャンクション
温度は、温度曲線Ｂ１で示されるように、１００％負荷
電流時の温度曲線Ａに比べて急な勾配で、ｔ１時点から
更に温度上昇する。この場合、従来の電力変換装置では
ｔ１から１０秒後のｔ２時点で電力変換装置は稼動停止
となるが、本発明の実施形態１では電力変換装置は稼動
停止はｔ３時点となり、前記時点ｔ１〜ｔ３迄の時間Ｔ
１１は、従来装置の１分より遥かに長い。即ち、本発明
の実施形態１では、１２０％負荷電流で従来装置よりも
遥かに長い時間の間、電力変換装置から負荷へ給電でき
る。

【００５１】次いで、負荷電流がｔ４時点で１００％か
ら１２０％に増加した場合の前記ジャンクション温度の
変化について説明する。この場合は、前記ジャンクショ
ン温度は、温度曲線Ｂ２で示されるように、１００％負
荷電流時の温度曲線Ａに比べて急な勾配で、ｔ４時点か
ら更に温度上昇する。この場合、従来の電力変換装置で
はｔ１から１０秒後のｔ２時点で電力変換装置は稼動停
止となるが、本発明の実施形態１では電力変換装置は稼
動停止はｔ３時点となり、前記時点ｔ１〜ｔ３迄の時間
Ｔ１２は、従来装置の１分より遥かに長い。即ち、本発
明の実施形態１では、１２０％負荷電流で従来装置より
も遥かに長い時間の間、電力変換装置から負荷へ給電で
きる。

【００５２】なお、前記Ｔ１１とＴ１２との関係はＴ１
１＞Ｔ１２となる。温度曲線Ｂ２の立ち上がり時点Ｔ４
では、前記温度曲線Ｂ１の立ち上がり時点Ｔ１から（Ｔ
１１+１分）経過しているため、前記ジャンクション温
度は前記温度曲線Ａに沿って上昇している。従って、前
記Ｔ１１とＴ１２との関係はＴ１１＞Ｔ１２となる。

【００５３】ここで、前記温度曲線Ａ、Ｂ１、Ｂ２の何
れも時間の経過に伴って２次曲線状に上昇しており、ま
た、前記ジャンクション温度の上昇は、負荷電流に起因
した前記半導体素子４１の内部損失により起きる。この
内部損失と前記負荷電流とは完全な比例関係にはない
が、簡易的には負荷電流の積分をとりその積分出力を前
記ジャンクション温度に近似させ、この近似された積分
出力をもって前記ジャンクション温度と推定することも
出来、この場合は、前記積分出力と積分開始からの経過
時間から前記Ｔｍａｘ（前記前記半導体素子焼損温度Ｒ
Ｔに至る前のジャンクション部の安全温度限界）に至る
までの稼動許容時間を推定できる。また、前記積分出力
を前記電力変換器４の稼動停止制御に利用することによ
り許容稼動時間、或いは許容負荷電流を任意に設定し装
置定格とすることが出来る。

【００５４】なお、前述の図３のグラフや図４のグラフ
と共に、前記ジャンクション温度の現在値、現在の負荷
電流、電力変換装置稼動可能時間等を、前記表示手段４
５（図２）に表示するようにすれば、運転員にとって至
便である。

【００５５】実施の形態２．図５〜図７は本発明の実施
形態２の一例を示す図で、図５は負荷電流をベ−スとし
た制御手段及び制御手順を示す図、図６は電力変換器４
（図１に図示）を構成する半導体素子４１の内部損失に
ついての説明図、図７は前記半導体素子４１のジャンク
ション温度についての説明図である。なお、この実施の
形態２は、前述の実施形態１の機能を具体的に実現する
手段の一例である。

【００５６】図５において、７は負荷電流を検出する負
荷電流検出手段で、図１に示されている負荷電流検出手
段７である。２０は損失計算手段で、前記負荷電流検出
手段７から前記負荷電流を得て該負荷電流から前記半導
体素子４１の内部損失を計算する。２１はジャンクショ
ン温度推定手段で、前記損失計算手段２０から前記半導
体素子４１の内部損失の計算結果を得て該内部損失の積
分値から前記半導体素子４１の現在のジャンクション温
度を計算して現在のジャンクション温度を推定する。

【００５７】２２は温度上昇推定手段で、前記負荷電流
検出手段７から前記負荷電流を、前記ジャンクション温
度推定手段２１から前記計算された現在のジャンクショ
ン温度を、夫々得て、これら負荷電流と計算された現在
のジャンクション温度とから、次回の電力変換装置稼動
時のジャンクション温度の上昇を推定する。２３は稼動
可能時間推定手段で、前記負荷電流検出手段７から前記
負荷電流を、前記ジャンクション温度推定手段２１から
前記計算された現在のジャンクション温度を、夫々得
て、これら負荷電流と計算された現在のジャンクション
温度とから、現状の負荷状態での電力変換装置稼動可能
時間を推定する。

【００５８】２４は定格判定手段で、現在の電力変換装
置稼動状態下、及び次回の電力変換装置稼動時の前記計
算推定されたジャンクション温度や稼動可能時間が前記
装置定格（図３における点Ａ・Ｅ・Ｐ・Ｍ・Ｎ・Ａで囲
まれる稼動許容定格領域１２５）内にあるかどうか、ま
た、前記図４における温度曲線がＡ、Ｂ１、Ｂ２、・・
・Ｂｎの何れでＴ１〜Ｔ６、・・・Ｔｎの何れであるの
か、更に、設定されたジャンクションの許容限界Ｔｍａ
ｘ（ジャンクション温度を対象とした装置定格）を、現
在の電力変換装置稼動中に、また次回の電力変換装置稼
動時間中に、超えるのか超えないのか、等を判定する。

【００５９】２５は変換器制御手段で、前記定格判定手
段２４の判定結果を受け、前記電力変換器４の稼動禁
止、前記冷却手段５（図１に図示）の冷却機能の強化、
前記変調周波数の調整、前記電流リミッタ１０（図１に
図示）の作動、等を行なう。２６は外部Ｉ／Ｆ手段で、
前記変換器制御手段２４の出力を受け電力系統の発電機
（図示せず）へ運転指令を出力したり、前記負荷２（図
１に図示）のコンピュ−タ（図示せず）へシャットダウ
ン信号を送出したりする。２７は状態表示手段で、前記
変換器制御手段２４の出力を受け前記電力変換器４の稼
動可能時間、前記推定ジャンクション温度などを表示し
たり警報を発したりする。なお、この状態表示手段２７
は前述の図２における表示手段であっても、よく或いは
監視制御装置における表示手段を利用してもよい。

【００６０】次に図５の動作を信号の流れに沿って説明
する。前記ＣＴ等の電流検出手段３（図１に図示）によ
って検出された負荷電流に基づいて、前記損失計算手段
２０では、前記電力変換器４（図１に図示）を構成する
半導体素子４１（図２に図示）の内部の損失（以下素子
損失と記す）が計算され、次いで、前記素子ジャンクシ
ョン温度推定手段２１が、前記素子損失の積分値から現
在の半導体素子４１（図２に図示）のジャンクション温
度を計算して推定する。次に前記温度上昇推定手段２２
が、前記素子ジャンクション温度推定手段２１が計算推
定した現在の推定ジャンクション温度と、前記負荷電流
とから、現在稼動中の電力変換装置の半導体素子４１の
今後のジャンクション温度や、次回稼動時の前記半導体
素子４１のジャンクション温度の上昇がどの程度行なわ
れるか推定する。

【００６１】また、前記温度上昇推定手段２２によるジ
ャンクション温度の上昇の推定動作と並行して、前記稼
動可能時間推定手段２３が、現状の負荷状態での稼動可
能時間を推定し、次いで、前記定格判定手段２４が、現
在の電力変換装置稼動状態下、及び次回の電力変換装置
稼動時の前記計算推定されたジャンクション温度や稼動
可能時間が前記装置定格（図３における点Ａ・Ｅ・Ｐ・
Ｍ・Ｎ・Ａで囲まれる稼動許容定格領域１２５）内にあ
るかどうか、また、前記図４における温度曲線がＡ、Ｂ
１、Ｂ２、・・・Ｂｎの何れでＴ１〜Ｔ６、・・・Ｔｎ
の何れであるのか、更に、設定されたジャンクションの
許容限界Ｔｍａｘ（ジャンクション温度を対象とした装
置定格）を、現在の電力変換装置稼動中に、また次回の
電力変換装置稼動時間中に、超えるのか超えないのか、
等を判定する。

【００６２】前記定格判定手段２４による判定結果に基
づいて、前記変換器制御手段２４では、例えば、次回の
電力変換器４（図１に図示）の動作を禁止したり、冷却
手段５（図１に図示）の冷却機能を強化したり、変調周
波数の低減を行なったり、電流リミッタ１０（図１に図
示）を動作させる等、設定に基づいた制御保護動作の信
号が生成されると共に、前記電力変換器４が定格内で動
作できない場合には、前記外部Ｉ／Ｆ手段２６を通じ
て、例えば、電力系統の発電機（図示せず）へ運転指令
を出力したり、前記負荷２（図１に図示）のコンピュ−
タ（図示せず）へシャットダウン信号を送出し、前記負
荷を保護すると同時に、前記状態表示手段２７によっ
て、前記電力変換器４の稼動可能時間、前記推定ジャン
クション温度、前述の図３、図４、後述の図７などを表
示したり警報を発したりする。なお、前記電力変換器４
の稼動可能時間、前記推定ジャンクション温度、前述の
図３、図４、後述の図７などの表示は、前記電力変換器
４が定格内で動作している場合も行なわれる。

【００６３】なお、前述の負荷電流検出手段３、損失計
算手段２０、半導体素子ジャンクション温度推定手段２
１、温度上昇推定手段２２、稼動可能時間推定手段２
３、定格判定手段、変換器制御手段２５、外部Ｉ／Ｆ手
段２６、状態表示手段２７、の動作は、常時或いはリア
ルタイムに繰り返し或いは適時に多数回行なわれ、現在
の電力変換装置の状態が、前述の図１、図２におけるど
の領域のどの当たりにあり、曲線状に変化する半導体素
子ジャンクション温度がどの当たりにあるかが判断さ
れ、またその時々の状態に応じて前述の制御や保護、表
示、等が行なわれる。

【００６４】従って、前述の実施形態１で説明したこと
と同じように、前述の（図３に図示）の何れの
場合も過負荷電流時の稼動許容時間は、本発明の実施形
態２の方が従来の装置より遥かに長い、即ち停電補償時
間が遥かに長い。また、逆の観点からすれば、従来の装
置と同じ過負荷電流時の停電補償時間であれば、本発明
の実施形態２の電力変換装置においては、電力変換器４
の熱容量や冷却手段の冷却能力を頗る小さくでき、ま
た、同じ能力の無停電対策電力変換装置を安価に提供で
きる。或いは単位時間当たりの許容負荷電流を大きく設
定できる。更に観点を変えれば、本発明の実施形態１の
電力変換装置においては、種々の無停電保証時間の電力
変換装置を容易に準備できる。また、このような各種必
要性に柔軟に対応できる。

【００６５】次に、図６により電力変換器４（図１に図
示）を構成する半導体素子４１（図２に図示）の内部損
失について説明する。図６において、（ａ）はＰＷＭ変
調周波数が低い場合の、（ｂ）はＰＷＭ変調周波数が高
い場合の、電力変換器４（図１に図示）の出力電流（破
線で図示）と半導体素子のジャンクション部に流れる電
流（実線で図示）を示し、Ｅｏｎは半導体素子４のＯＮ
時の半導体素子内の電気的損失エネルギ、Ｅｏｆｆは半
導体素子４のＯＦＦ時の半導体素子内の電気的損失エネ
ルギ、Ｅｃｏは前記ＯＮ・ＯＦＦ間の導通状態の間の電
気的損失エネルギである。そして、これら損失の大きさ
は負荷電流の大きさに依存する。

【００６６】又、総合電気的損失エネルギはＥｏｎ＋Ｅ
ｃｏ＋Ｅｏｆｆであるので、電力変換装置がｔ秒間稼動
した場合の稼動中総合電気的損失エネルギは６０×（Ｅ
ｏｎ＋Ｅｃｏ＋Ｅｏｆｆ）×ｔ（ただし６０ヘルツの場
合）となり、この稼動中総合電気的損失エネルギが前述
の半導体素子ジャンクション温度を上昇させる。従っ
て、この稼動中総合電気的損失エネルギから半導体素子
ジャンクション温度を推定できる。例えば、電気的損失
（Ｗｈ）から温度に変換する係数をＫとした場合、半導
体素子ジャンクション推定温度は６０×（Ｅｏｎ＋Ｅｃ
ｏ＋Ｅｏｆｆ）×ｔ×Ｋ＋Ｔａ（Ｔａは最高周囲温度設
計値）で求まり、このようにして半導体素子ジャンクシ
ョン推定温度求めているのが前記半導体素子ジャンクシ
ョン温度推定手段２１である。

【００６７】次いで、図７により前記半導体素子４１の
ジャンクション温度について説明する。この図７は、ｔ
１〜ｔ２の期間に電力系統が停電し、この間に電力変換
装置が停電補償のため稼動し、前記停電後ｔ２〜ｔ３の
間に前記停電が復帰し、ｔ３〜ｔ４の間に再度停電が発
生し、ｔ４以後は長期的に停電復帰した場合の前記半導
体素子４１のジャンクション温度の変化の一例を示して
ある。

【００６８】この図７に示されているように、最初の停
電期間ｔ１〜ｔ２において、前記半導体素子４１のジャ
ンクション温度はＴ１からＴ２へと２次関数的に上昇
し、ｔ２〜ｔ３間の停電一時的復帰期間中には前記半導
体素子４１のジャンクション温度はＴ２からＴ３へと２
次関数的に下がる。２回目の停電期間ｔ３〜ｔ４におい
ては、前記半導体素子４１のジャンクション温度はＴ３
からＴ４へと２次関数的に上昇する。ｔ４以後は長期的
に停電復帰となれば、前記半導体素子４１のジャンクシ
ョン温度はＴ４からＴ１まで２次関数的に下がる。この
ような前記半導体素子４１のジャンクション温度の変化
は前記半導体素子４１が負荷電流に依存した過渡的熱容
量をもっていることを意味し、また、積分回路の出力に
近似していることが分る。

【００６９】前記図７において、前記半導体素子４１の
ジャンクション温度及び該温度の変化の勾配は負荷電流
の大きさに依存することから、負荷電流の大きさから前
記ジャンクション温度の今後の変化を推定することも出
来る。例えば、最初の停電が解消（電力変換装置の停電
補償稼動が停止）したｔ２の時点において、負荷電流の
変化が殆ど無く、停電の一時的復帰の期間ｔ２〜ｔ３が
事前に分っている場合や経験的に明らかな場合は、例え
ばｔ２の時点で、２回目の停電期間ｔ３〜ｔ４におい
て、前記半導体素子４１のジャンクション温度が限界温
度Ｔｍａｘを超えるかどうか推定でき、限界温度Ｔｍａ
ｘを超えることが確実な場合は、前記電力変換装置の２
回目の稼動時間は制限するように前記変換器制御手段２
５（図５に図示）が作動する。

【００７０】実施の形態３．図８は本発明の実施形態３
の一例を示す図で、制御手段及び制御手順を示す図であ
る。この実施形態３は図８に示すように、半導体素子ジ
ャンクション温度推定手段２１による半導体素子ジャン
クション部の現在の温度を、電力変換器４（図１に図
示）を構成する半導体素子４１の現在の素子温度から計
算し推定するもので、具体的には、前記半導体素子４１
の現在の素子温度を検出する半導体素子温度検出手段７
を設け、この半導体素子温度検出手段７の出力、即ち前
記半導体素子４１の現在の素子温度、を前記半導体素子
ジャンクション温度推定手段２１が入力して、半導体素
子ジャンクション部の現在の温度を計算し推定する。

【００７１】前記半導体素子温度検出手段７は、前述の
図２に示されるように、前記モジュ−ル型半導体素子４
の金属ベ−ス４２と前記冷却フィン４３との境界部分に
おいてに、前記金属ベ−ス４２及び前記冷却フィン４３
の双方に密接し面接触して設置されている。前記半導体
素子４の金属ベ−ス４２と前記冷却フィン４３との境界
部分は、前記半導体素子４１の現在の素子温度を最も正
確に検出でき且つ前記半導体素子４のジャンクション部
に最も近い部分である。従って、半導体素子ジャンクシ
ョン部の現在の温度を、比較的正確に計算し推定するこ
とが出来る。

【００７２】なお、実施の形態３において、前述の説明
以外については前述の実施形態１及び実施形態２と、シ
ステム構成、各部機能、動作手順、等すべて同じである
ので、説明は割愛する。

【００７３】また、半導体素子４１の現在の素子温度を
検出する場合、最近開発中の半導体素子４１の内部温度
を検出する半導体素子内部温度検出手段が製品化される
に至れば、前記半導体素子４のジャンクション部に最も
近い部分で素子温度を最も正確に検出できるようにな
り、その場合は半導体素子ジャンクション部の現在の実
際の温度に、より近い温度を精度良く取り出せるように
なり、それに伴い、半導体素子ジャンクション部の現在
の実際の温度により近い精度良く取り出された温度から
半導体素子ジャンクション部の現在の温度を計算し推定
した結果も、半導体素子ジャンクション部の現在の実際
の温度に、より近いものとなる。

【００７４】実施の形態４．図９及び図１０は本発明の
実施形態４の一例を示す図で、図９は制御手段及び制御
手順を示す図、図１０は構造を概略的に示す側面図、で
ある。この実施形態４は図９及び図１０に示すように、
電力変換装置の箱体４４の内部の前記半導体素子４１に
近い部位に温度検出手段２８を設け、この温度検出手段
２８が検出した前記半導体素子周囲の環境温度を、前記
半導体素子ジャンクション温度推定手段２１での温度推
定に加味するようにしたものである。

【００７５】前記半導体素子４１のジャンクション部の
実際の温度ＲＴは、前述の図４に示してあるように、前
記半導体素子４１の周囲環境温度Ｔｃだけ嵩上げされた
温度となっている。一方、負荷電流から半導体素子内部
の損失から前記半導体素子ジャンクション温度を推定し
た場合、負荷電流には前記周囲環境温度Ｔｃの成分は入
ってないので、前記半導体素子ジャンクション温度推定
手段２１での推定温度は、前記半導体素子４１のジャン
クション部の実際の温度ＲＴより、前記周囲環境温度Ｔ
ｃだけ低い温度となる。従って、前述のように温度検出
手段２８が検出した前記半導体素子周囲の環境温度を、
前記半導体素子ジャンクション温度推定手段２１での温
度推定に加味することにより、前記半導体素子ジャンク
ション温度推定手段２１での推定温度は、前記半導体素
子４１のジャンクション部の実際の温度に、より近い精
度の極めて高いものとなる。

【００７６】なお、前記半導体素子４１の周囲環境温度
Ｔｃが、電力変換装置の使用環境が、地勢の関係で１年
中ほぼ同一温度であったり、空気調和され１年中ほぼ同
一温度であるような場合は、当該温度を前記半導体素子
ジャンクション温度推定手段２１に固定値として与えて
おくことができ、その場合は前記温度検出手段２８は省
略できる。例えば、電気的損失（Ｗｈ）から温度に変換
する係数をＫとし、前記半導体素子４１の周囲環境温度
をＴｃとした場合、前記半導体素子ジャンクション温度
推定手段２１は、半導体素子ジャンクション推定温度を
６０×（Ｅｃｏ＋Ｅｏｎ＋Ｅｏｆｆ）×ｔ×Ｋ＋Ｔｃで
求めることが出来、前述のように電力変換装置の使用環
境が１年中ほぼ同一温度の場合には、前記Ｔｃを、該同
一温度に対応した固定値とすればよい。

【００７７】なお、実施の形態４において、前述の説明
以外については前述の実施形態１及び実施形態２と、シ
ステム構成、各部機能、動作手順、等すべて同じである
ので、説明は割愛する。

【００７８】実施の形態５．図１１及び図１２は本発明
の実施形態５の一例を示す図で、図１１は制御手段及び
制御手順を示す図、図１２は電力変換器４の変調周波数
と半導体素子内発生損失との関係を説明する図である。
この実施形態５は図１１に示すように、電力変換器４の
変調周波数を、前記損失計算手段２０、前記温度上昇推
定手段２２、前記稼動可能時間推定手段２３に供給する
もので、前記損失計算手段２０は、前記負荷電流検出手
段３で検出された負荷電流と前記電力変換器４の変調周
波数とに基づいて、前記半導体素子４１内部の損失をす
る。

【００７９】前記温度上昇推定手段２２は、前記半導体
素子ジャンクション温度推定手段２１で計算推定された
現在の半導体素子ジャンクション温度と、前記負荷電流
検出手段３で検出された負荷電流と、前記電力変換器４
の変調周波数とから、今後の半導体素子ジャンクション
部の上昇温度及び次回の電力変換装置稼動時の半導体素
子ジャンクション部の上昇温度を推定する。前記稼動可
能時間推定手段２３は、前記半導体素子ジャンクション
温度推定手段２１で計算推定された現在の半導体素子ジ
ャンクション温度と、前記負荷電流検出手段３で検出さ
れた負荷電流と、前記電力変換器４の変調周波数とか
ら、前記電力変換装置の稼動可能時間を推定する。

【００８０】次いで、図１２により電力変換器４の変調
周波数と半導体素子内発生損失との関係を詳細に説明す
る。図１２（Ａ）はＰＷＭ変調周波数が低い場合の、図
１２（Ｂ）はＰＷＭ変調周波数が高い場合の、前記電力
変換器４（図１に図示）の出力、即ち、前記半導体素子
４のジャンクション部に流れる電流を示し、Ｅｏｎは前
記半導体素子４のＯＮ時の半導体素子内の電気的損失エ
ネルギ、Ｅｏｆｆは前記半導体素子４のＯＦＦ時の半導
体素子内の電気的損失エネルギ、Ｅｃｏは前記ＯＮ・Ｏ
ＦＦ間の前記半導体素子４の導通状態の間の電気的損失
エネルギである。

【００８１】ここで、前述の各損失Ｅｏｎ、Ｅｃｏ、Ｅ
ｏｆｆの大きさは、負荷電流の大きさに依存する。又、
前記変調周波数が小さい場合（例えば図１２（Ａ））よ
り、前記変調周波数が大きい場合（例えば図１２
（Ｂ））の方が、Ｅｏｎ、Ｅｏｆｆの回数が増えるの
で、前記半導体素子内の電気的損失エネルギは大きい。
これは、前記半導体素子内の発生損失量は、前記電力変
換器４の変調周波数にも依存していることを意味し、更
に、前記半導体素子ジャンクション温度やその上昇度合
いも、前記電力変換器４の変調周波数に依存しているこ
とを意味し、更には前記電力変換装置稼動可能時間も前
記電力変換器４の変調周波数に依存していることを意味
する。

【００８２】これらの意味合いから、前述のように、前
記電力変換器４の変調周波数を、前記損失計算手段２
０、前記温度上昇推定手段２２、前記稼動可能時間推定
手段２３に供給して、前記各手段２０，２２，２３の各
機能を前記電力変換器４の変調周波数を加味したより精
度の良いものとしている。例えば、電気的損失（Ｗｈ）
から温度に変換する係数をＫとし、前記電力変換器４の
変調周波数をｆとした場合、前記半導体素子ジャンクシ
ョン温度推定手段２１は、半導体素子ジャンクション推
定温度を、｛６０×Ｅｃｏ＋ｆ（Ｅｏｎ＋Ｅｏｆｆ）｝
×ｔ×Ｋ＋Ｔａから、前記電力変換器４の変調周波数を
加味した、より精度の高い推定温度として求めることが
できる。

【００８３】なお、実施の形態５において、前述の説明
以外については前述の実施形態１及び実施形態２と、シ
ステム構成、各部機能、動作手順、等すべて同じである
ので、説明は割愛する。

【００８４】実施の形態６．図１３は本発明の実施の形
態６の一例を示す図で、制御手段及び制御手順を示す図
である。この図１３は図示のように、前述の実施形態３
の図８に示される電力変換装置に、前述の実施形態５に
おける前記電力変換器４の変調周波数を加味したもので
あり、前述の実施形態３の図８より精度の向上を図るも
のである。

【００８５】具体的には図１３に示すように、前述の実
施形態３の図８に示される電力変換装置において、前記
電力変換器４の変調周波数をｆを、前記温度上昇推定手
段２２及び前記稼動可能時間推定手段２３に加味するよ
うにしたもので、前記温度上昇推定手段２２は、前記半
導体素子ジャンクション温度推定手段２１で計算推定さ
れた現在の半導体素子ジャンクション温度と、前記負荷
電流検出手段３で検出された負荷電流と、前記電力変換
器４の変調周波数とから、今後の半導体素子ジャンクシ
ョン部の上昇温度及び次回の電力変換装置稼動時の半導
体素子ジャンクション部の上昇温度を推定する。前記稼
動可能時間推定手段２３は、前記半導体素子ジャンクシ
ョン温度推定手段２１で計算推定された現在の半導体素
子ジャンクション温度と、前記負荷電流検出手段３で検
出された負荷電流と、前記電力変換器４の変調周波数と
から、前記電力変換装置の稼動可能時間を推定する。

【００８６】ここで、例えば、電気的損失（Ｗｈ）から
温度に変換する係数をＫとし、前記電力変換器４の変調
周波数をｆとした場合、前述の実施形態３においては、
前記半導体素子ジャンクション温度推定手段２１は、半
導体素子ジャンクション推定温度を、６０×（Ｅｃｏ＋
Ｅｏｎ＋Ｅｏｆｆ）×ｔ×Ｋ＋Ｔａから、推定温度とし
て求ているが、前述の実施形態６においては、前記半導
体素子ジャンクション推定温度を、｛６０×Ｅｃｏ＋ｆ
（Ｅｏｎ＋Ｅｏｆｆ）｝×ｔ×Ｋ＋Ｔａから求めること
になり、前記電力変換器４の変調周波数をｆを加味して
あるので、前述の実施形態３より、前述の実施形態６の
方が精度が高くなる。

【００８７】なお、実施の形態６において、前述の説明
以外については、前述の実施形態３、及び実施形態５
と、システム構成、各部機能、動作手順、等すべて同じ
であるので、説明は割愛する。

【００８８】実施の形態７．図１４は本発明の実施の形
態７の一例を示す図で、制御手段及び制御手順を示す図
である。この図１４は図示のように、前述の実施形態４
の図９に示される電力変換装置に、前述の実施形態５に
おける前記電力変換器４の変調周波数を加味したもので
あり、前述の実施形態４の図９より精度の向上を図るも
のである。

【００８９】具体的には図１４に示すように、前述の実
施形態４の図９に示される電力変換装置において、前記
電力変換器４の変調周波数をｆを、前記温度上昇推定手
段２２及び前記稼動可能時間推定手段２３に加味するよ
うにしたもので、前記温度上昇推定手段２２は、前記半
導体素子ジャンクション温度推定手段２１で計算推定さ
れた現在の半導体素子ジャンクション温度と、前記負荷
電流検出手段３で検出された負荷電流と、前記電力変換
器４の変調周波数とから、今後の半導体素子ジャンクシ
ョン部の上昇温度及び次回の電力変換装置稼動時の半導
体素子ジャンクション部の上昇温度を推定する。前記稼
動可能時間推定手段２３は、前記半導体素子ジャンクシ
ョン温度推定手段２１で計算推定された現在の半導体素
子ジャンクション温度と、前記負荷電流検出手段３で検
出された負荷電流と、前記電力変換器４の変調周波数と
から、前記電力変換装置の稼動可能時間を推定する。

【００９０】ここで、例えば、電気的損失（Ｗｈ）から
温度に変換する係数をＫとし、前記温度検出手段２８で
検出される周囲環境温度をＴｃとし、前記電力変換器４
の変調周波数をｆとした場合、前述の実施形態３におい
ては、前記半導体素子ジャンクション温度推定手段２１
は、半導体素子ジャンクション推定温度を、６０×（Ｅ
ｃｏ＋Ｅｏｎ＋Ｅｏｆｆ）×ｔ×Ｋ＋Ｔｃから、求めて
いるが、前述の実施形態６においては、前記半導体素子
ジャンクション推定温度を、｛６０×Ｅｃｏ＋ｆ（Ｅｏ
ｎ＋Ｅｏｆｆ）｝×ｔ×Ｋ＋Ｔｃから求めることにな
り、前記電力変換器４の変調周波数をｆを加味してある
ので、前述の実施形態４より、前述の実施形態７の方が
精度が高くなる。

【００９１】なお、実施の形態７において、前述の説明
以外については、前述の実施形態４、及び実施形態５
と、システム構成、各部機能、動作手順、等すべて同じ
であるので、説明は割愛する。

【００９２】また、前述の図５、図８、図９、図１１、
図１３、及び図１７においては、前記損失計算手段２
０、前記半導体素子ジャンクション温度推定手段２１、
前記温度上昇推定手段２２、前記稼動可能時間推定手段
２３、及び前記定格判定手段２４、各機能を前記変換機
制御手段２５の本来機能を行なうプロセッサ（図示せ
ず）に持たせてもよい。

【００９３】

【発明の効果】請求項１に記載の発明に係る電力変換装
置は、半導体素子により構成された電力変換器から給電
される負荷の負荷電流から前記半導体素子のジャンクシ
ョン温度を推定すると共に、当該推定ジャンクション温
度が稼動可能限界温度に到達するまでの稼動可能時間を
推定し、前記負荷電流及び前記推定稼動可能時間により
装置定格が設定されているので、従来の連続通電定格や
過負荷電流が流れ始めてから一定時間で電力変換装置の
運転を停止する過負荷耐量（過電流耐量）の考え方から
脱却し、短時間稼動の電力変換装置から通常の電力変換
装置までの各種の用途や容量、等、の種々の態様に対し
て装置容量を柔軟に対応して作ることができる効果があ
る。

【００９４】請求項２に記載の発明に係る電力変換装置
は、半導体素子により構成された電力変換器、前記電力
変換器から負荷への給電時の負荷電流を検出する負荷電
流検出手段、前記負荷電流検出手段により検出された負
荷電流から前記半導体素子のジャンクション温度を推定
するジャンクション温度推定手段、及び前記負荷電流検
出手段により検出された負荷電流及び前記ジャンクショ
ン温度推定手段により推定されたジャンクション温度か
ら装置稼動可能時間を推定する稼動可能時間推定手段を
備え、装置稼働時間が前記稼動可能時間推定手段により
推定された前記装置稼動可能時間を超えると装置停止を
行なうので、従来の連続通電定格や過負荷電流が流れ始
めてから一定時間で電力変換装置の運転を停止する過負
荷耐量（過電流耐量）の考え方から脱却し、短時間稼動
の電力変換装置から通常の電力変換装置までの各種の用
途や容量、等、の種々の態様に対して装置容量を柔軟に
対応して作ることができる上、より稼動限界に近い状態
まで稼動できる効果がある。

【００９５】請求項３に記載の発明に係る電力変換装置
は、半導体素子により構成され停電時に負荷へ給電する
電力変換器、前記電力変換器から負荷への給電時の負荷
電流を検出する負荷電流検出手段、前記負荷電流検出手
段により検出された負荷電流から前記半導体素子のジャ
ンクション温度を推定するジャンクション温度推定手
段、及び前記負荷電流検出手段により検出された負荷電
流及び前記ジャンクション温度推定手段により推定され
たジャンクション温度から装置稼動可能時間を推定する
稼動可能時間推定手段を備え、再停電時に、再給電によ
る装置稼働時間が前記稼動可能時間推定手段により推定
された前記装置稼動可能時間を超えると推定される場合
にはジャンクション温度の限界で稼働時間を制限して装
置停止を行なうので、従来の連続通電定格や過負荷電流
が流れ始めてから一定時間で電力変換装置の運転を停止
する過負荷耐量（過電流耐量）の考え方から脱却し、短
時間稼動の電力変換装置から通常の電力変換装置までの
各種の用途や容量、等、の種々の態様に対して装置容量
を柔軟に対応して作ることができる上、より稼動限界に
近い状態まで稼動でき、しかも再停電時における半導体
素子の焼損の可能性を少なくできる効果がある。

【００９６】請求項４に記載の発明に係る電力変換装置
は、請求項２及び請求項３の何れか一に記載の電力変換
装置において、前記半導体素子の周囲環境温度を検出す
る温度検出手段を備え、この温度検出手段により検出さ
れた周囲環境温度及び前記負荷電流検出手段により検出
された負荷電流から前記ジャンクション温度推定手段が
前記半導体素子のジャンクション温度を推定するので、
従来の連続通電定格や過負荷電流が流れ始めてから一定
時間で電力変換装置の運転を停止する過負荷耐量（過電
流耐量）の考え方から脱却し、短時間稼動の電力変換装
置から通常の電力変換装置までの各種の用途や容量、
等、の種々の態様に対して装置容量を柔軟に対応して作
ることができる上、精度よく、より稼動限界に近い状態
まで稼動できる効果がある。

【００９７】請求項５に記載の発明に係る電力変換装置
は、半導体素子により構成された電力変換器、前記半導
体素子の温度を検出する半導体素子温度検出手段、前記
半導体素子温度検出手段により検出された前記半導体素
子の温度から前記半導体素子のジャンクション温度を推
定するジャンクション温度推定手段、前記電力変換器か
ら負荷への給電時の負荷電流を検出する負荷電流検出手
段、及び前記負荷電流検出手段により検出された負荷電
流及び前記ジャンクション温度推定手段により推定され
たジャンクション温度から装置稼動可能時間を推定する
稼動可能時間推定手段を備え、装置稼働時間が前記稼動
可能時間推定手段により推定された前記装置稼動可能時
間を超えると装置停止を行なうので、従来の連続通電定
格や過負荷電流が流れ始めてから一定時間で電力変換装
置の運転を停止する過負荷耐量（過電流耐量）の考え方
から脱却し、短時間稼動の電力変換装置から通常の電力
変換装置までの各種の用途や容量、等、の種々の態様に
対して装置容量を柔軟に対応して作ることができる上、
更に稼動限界に近い状態まで稼動できる効果がある。

【００９８】請求項６に記載の発明に係る電力変換装置
は、半導体素子により構成され停電時に負荷へ給電する
電力変換器、前記半導体素子の温度を検出する半導体素
子温度検出手段、前記半導体素子温度検出手段により検
出された前記半導体素子の温度から前記半導体素子のジ
ャンクション温度を推定するジャンクション温度推定手
段、前記電力変換器から負荷への給電時の負荷電流を検
出する負荷電流検出手段、及び前記負荷電流検出手段に
より検出された負荷電流及び前記ジャンクション温度推
定手段により推定されたジャンクション温度から装置稼
動可能時間を推定する稼動可能時間推定手段を備え、再
停電時に、再給電による装置稼働時間が前記稼動可能時
間推定手段により推定された前記装置稼動可能時間を超
えると推定される場合にはジャンクション温度の限界で
稼働時間を制限して装置停止を行なうので、従来の連続
通電定格や過負荷電流が流れ始めてから一定時間で電力
変換装置の運転を停止する過負荷耐量（過電流耐量）の
考え方から脱却し、短時間稼動の電力変換装置から通常
の電力変換装置までの各種の用途や容量、等、の種々の
態様に対して装置容量を柔軟に対応して作ることができ
る上、更に稼動限界に近い状態まで稼動でき、しかも再
停電時における半導体素子の焼損の可能性を少なくでき
る効果がある。

【００９９】請求項７に記載の発明に係る電力変換装置
は、請求項２〜請求項６の何れか一に記載の電力変換装
置において、前記半導体素子がＰＷＭ変調によりＯＮ、
ＯＦＦ制御されものであり、前記稼動可能時間推定手段
がＰＷＭ変調周波数を加味して前記半導体素子のジャン
クション温度を推定するので、従来の連続通電定格や過
負荷電流が流れ始めてから一定時間で電力変換装置の運
転を停止する過負荷耐量（過電流耐量）の考え方から脱
却し、短時間稼動の電力変換装置から通常の電力変換装
置までの各種の用途や容量、等、の種々の態様に対して
装置容量を柔軟に対応して作ることができる上、精度よ
く、より稼動限界に近い状態まで稼動できる効果があ
る。

【０１００】請求項８に記載の発明に係る電力変換装置
は、請求項１〜請求項７の何れか一に記載の電力変換装
置において、前記推定ジャンクション温度及び前記稼動
可能時間の少なくとも一方の少なくとも現在値を表示す
る表示手段を備えているので、従来装置より稼動限界に
近い状態まで稼動しても装置異常でないことを確認でき
る効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１を示すシステム構成
図。

【図２】この発明の実施の形態１構造を概略的に示す
側面図。

【図３】図１の電力変換装置における負荷電流および
稼動許容時間の観点での動作説明図。

【図４】図１の電力変換装置における半導体素子のジ
ャンクション温度の観点での動作説明図。

【図５】この発明の実施形態２の制御手段及び制御手
順を示す図。

【図６】この発明の実施形態２の半導体素子４１の内
部損失についての説明図。

【図７】この発明の実施形態２の半導体素子４１のジ
ャンクション温度についての説明図。

【図８】この発明の実施形態３の制御手段及び制御手
順を示す図。

【図９】この発明の実施形態４の制御手段及び制御手
順を示す図。

【図１０】この発明の実施形態４の構造を概略的に示
す側面図。

【図１１】この発明の実施形態５の制御手段及び制御
手順を示す図。

【図１２】この発明の実施形態５における電力変換器
４の変調周波数と半導体素子内発生損失との関係を説明
する図。

【図１３】この発明の実施形態６の制御手段及び制御
手順を示す図。

【図１４】この発明の実施形態７の制御手段及び制御
手順を示す図。

【図１５】従来の一般的な電力変換装置による無停電
電源装置を示す接続図。

【図１６】従来の一般的な電力変換装置に使われてい
る装置定格の説明図。

【符号の説明】

１系統電源、２負荷、３負
荷電流検出手段、４電力変換器、５冷
却手段、７半導体素子温度検出
手段、８ゲ−ト駆動回路、９変調回
路、１２主制御回路、２０損失計
算手段、２１半導体素子ジャンクション温度推定手
段、２２温度上昇推定手段、２３稼動可
能時間推定手段、２４定格判定手段、
２５変換器制御手段、２７、４５表示手段、
１２０制御特性、１２４、Ｔｍａｘ本発明の
装置定格、１２５稼動許容定格領域、１２６
稼動非許容定格領域、１７６、１７７従来の装置定
格。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体素子により構成された電力変換器
から給電される負荷の負荷電流から前記半導体素子のジ
ャンクション温度を推定すると共に、当該推定ジャンク
ション温度が稼動可能限界温度に到達するまでの稼動可
能時間を推定し、前記負荷電流及び前記推定稼動可能時
間により装置定格が設定されている電力変換装置。
【請求項２】半導体素子により構成された電力変換
器、前記電力変換器から負荷への給電時の負荷電流を検
出する負荷電流検出手段、前記負荷電流検出手段により
検出された負荷電流から前記半導体素子のジャンクショ
ン温度を推定するジャンクション温度推定手段、及び前
記負荷電流検出手段により検出された負荷電流及び前記
ジャンクション温度推定手段により推定されたジャンク
ション温度から装置稼動可能時間を推定する稼動可能時
間推定手段を備え、装置稼働時間が前記稼動可能時間推
定手段により推定された前記装置稼動可能時間を超える
と装置停止を行なう電力変換装置。
【請求項３】半導体素子により構成され停電時に負荷
へ給電する電力変換器、前記電力変換器から負荷への給
電時の負荷電流を検出する負荷電流検出手段、前記負荷
電流検出手段により検出された負荷電流から前記半導体
素子のジャンクション温度を推定するジャンクション温
度推定手段、及び前記負荷電流検出手段により検出され
た負荷電流及び前記ジャンクション温度推定手段により
推定されたジャンクション温度から装置稼動可能時間を
推定する稼動可能時間推定手段を備え、再停電時に、再
給電による装置稼働時間が前記稼動可能時間推定手段に
より推定された前記装置稼動可能時間を超えると推定さ
れる場合にはジャンクション温度の限界で稼働時間を制
限して装置停止を行なう電力変換装置。
【請求項４】請求項２及び請求項３の何れか一に記載
の電力変換装置において、前記半導体素子の周囲環境温
度を検出する温度検出手段を備え、この温度検出手段に
より検出された周囲環境温度及び前記負荷電流検出手段
により検出された負荷電流から前記ジャンクション温度
推定手段が前記半導体素子のジャンクション温度を推定
する電力変換装置。
【請求項５】半導体素子により構成された電力変換
器、前記半導体素子の温度を検出する半導体素子温度検
出手段、前記半導体素子温度検出手段により検出された
前記半導体素子の温度から前記半導体素子のジャンクシ
ョン温度を推定するジャンクション温度推定手段、前記
電力変換器から負荷への給電時の負荷電流を検出する負
荷電流検出手段、及び前記負荷電流検出手段により検出
された負荷電流及び前記ジャンクション温度推定手段に
より推定されたジャンクション温度から装置稼動可能時
間を推定する稼動可能時間推定手段を備え、装置稼働時
間が前記稼動可能時間推定手段により推定された前記装
置稼動可能時間を超えると装置停止を行なう電力変換装
置。
【請求項６】半導体素子により構成され停電時に負荷
へ給電する電力変換器、前記半導体素子の温度を検出す
る半導体素子温度検出手段、前記半導体素子温度検出手
段により検出された前記半導体素子の温度から前記半導
体素子のジャンクション温度を推定するジャンクション
温度推定手段、前記電力変換器から負荷への給電時の負
荷電流を検出する負荷電流検出手段、及び前記負荷電流
検出手段により検出された負荷電流及び前記ジャンクシ
ョン温度推定手段により推定されたジャンクション温度
から装置稼動可能時間を推定する稼動可能時間推定手段
を備え、再停電時に、再給電による装置稼働時間が前記
稼動可能時間推定手段により推定された前記装置稼動可
能時間を超えると推定される場合にはジャンクション温
度の限界で稼働時間を制限して装置停止を行なう電力変
換装置。
【請求項７】請求項２〜請求項６の何れか一に記載の
電力変換装置において、前記半導体素子がＰＷＭ変調に
よりＯＮ、ＯＦＦ制御されものであり、前記稼動可能時
間推定手段がＰＷＭ変調周波数を加味して前記半導体素
子のジャンクション温度を推定する電力変換装置。
【請求項８】請求項１〜請求項７の何れか一に記載の
電力変換装置において、前記推定ジャンクション温度及
び前記稼動可能時間の少なくとも一方の少なくとも現在
値を表示する表示手段を備えている電力変換装置。