JP2005143232A - 電力半導体素子の保護方式 - Google Patents
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Abstract
【課題】 インバータ電流を遮断することなく断続的な高負荷運転ができる保護方式を得る。
【解決手段】 本発明の電力半導体素子(1〜6)の保護方式は、ヒートシンク(7)上に熱電冷却モジュール(27)を設置し、その上に設置したサーミスタ(10)により熱電冷却モジュール温度を検出し、ＰＷＭ制御部(14)から送出され電力半導体素子のゲートをオンオフするドライブ信号とインバータ出力電流から半導体素子電流を計算し、この半導体素子電流から熱電冷却モジュールとジャンクション間の温度上昇を推定し、この推定された温度上昇と熱電冷却モジュール温度から計算される電力半導体素子のジャンクション温度が設定温度を超えるとインバータ回路の電流制限を行うとともに、熱電冷却モジュールに電圧指令を与え冷却するものである。
【選択図】 図１
【解決手段】 本発明の電力半導体素子(1〜6)の保護方式は、ヒートシンク(7)上に熱電冷却モジュール(27)を設置し、その上に設置したサーミスタ(10)により熱電冷却モジュール温度を検出し、ＰＷＭ制御部(14)から送出され電力半導体素子のゲートをオンオフするドライブ信号とインバータ出力電流から半導体素子電流を計算し、この半導体素子電流から熱電冷却モジュールとジャンクション間の温度上昇を推定し、この推定された温度上昇と熱電冷却モジュール温度から計算される電力半導体素子のジャンクション温度が設定温度を超えるとインバータ回路の電流制限を行うとともに、熱電冷却モジュールに電圧指令を与え冷却するものである。
【選択図】 図１
Description
本発明は、インバータ回路に用いられるトランジスタやサイリスタやパワーＭＯＳＦＥＴ等の電力半導体素子の保護方式に関するものである。
従来、電力半導体素子の保護方式として図４に示すようなものがある（たとえば特許文献１参照）。
図４は従来の電力半導体素子の保護方式を示すブロック図である。図において1〜６はインバータ回路を構成するパワーＭＯＳＦＥＴ、７はパワーＭＯＳＦＥＴ１〜６を冷却制御するヒートシンク、８はモータ、９はインバータ出力電流検出のための変流器、１０はパワーＭＯＳＦＥＴ１〜６の近傍の熱電冷却モジュール上に設置したサーミスタ、１１はインバータ直流母線電圧平滑用のコンデンサ、１２は整流用のダイオードである。１３はインバータ制御部であり、１４は電流指令に基づく電流制御からの指令によってパワーＭＯＳＦＥＴ１〜６をドライブするベースドライバ２３へ送出するオンオフ信号であるドライブ信号を発生するＰＷＭ制御部、１５はサーミスタ１０の信号を温度情報に変換する温度検出部、１６は温度検出部１５のヒートシンク温度情報をＰＷＭ制御部から送出される前記ドライブ信号と変流器９で検出した出力電流からパワーＭＯＳＦＥＴ１〜６の素子電流を計算し、パワーＭＯＳＦＥＴの熱抵抗に基づいてパワーＭＯＳＦＥＴのジャンクション温度（Ｔｊ）を計算するＴｊ推定部、１８は電流制限に使用する設定温度を設定する温度設定器、１９、２０はコンパレータ、２１は電流制限機能を有する電流制限器、２２は電流遮断機能を有する電流遮断器である。
つぎに、動作について説明する。
ヒートシンク上に設置したサーミスタで検出した温度とＰＷＭ制御信号およびインバータ出力電流から推定した電力半導体素子のジャンクション温度が第一の設定温度を超えるとインバータ回路の電流制限動作を行い、第一の設定温度より高い第二の設定温度を超えるとインバータ電流を遮断して電力半導体素子の保護を行うものである。
特開平５−６８３３１号公報
図４は従来の電力半導体素子の保護方式を示すブロック図である。図において1〜６はインバータ回路を構成するパワーＭＯＳＦＥＴ、７はパワーＭＯＳＦＥＴ１〜６を冷却制御するヒートシンク、８はモータ、９はインバータ出力電流検出のための変流器、１０はパワーＭＯＳＦＥＴ１〜６の近傍の熱電冷却モジュール上に設置したサーミスタ、１１はインバータ直流母線電圧平滑用のコンデンサ、１２は整流用のダイオードである。１３はインバータ制御部であり、１４は電流指令に基づく電流制御からの指令によってパワーＭＯＳＦＥＴ１〜６をドライブするベースドライバ２３へ送出するオンオフ信号であるドライブ信号を発生するＰＷＭ制御部、１５はサーミスタ１０の信号を温度情報に変換する温度検出部、１６は温度検出部１５のヒートシンク温度情報をＰＷＭ制御部から送出される前記ドライブ信号と変流器９で検出した出力電流からパワーＭＯＳＦＥＴ１〜６の素子電流を計算し、パワーＭＯＳＦＥＴの熱抵抗に基づいてパワーＭＯＳＦＥＴのジャンクション温度（Ｔｊ）を計算するＴｊ推定部、１８は電流制限に使用する設定温度を設定する温度設定器、１９、２０はコンパレータ、２１は電流制限機能を有する電流制限器、２２は電流遮断機能を有する電流遮断器である。
つぎに、動作について説明する。
ヒートシンク上に設置したサーミスタで検出した温度とＰＷＭ制御信号およびインバータ出力電流から推定した電力半導体素子のジャンクション温度が第一の設定温度を超えるとインバータ回路の電流制限動作を行い、第一の設定温度より高い第二の設定温度を超えるとインバータ電流を遮断して電力半導体素子の保護を行うものである。
しかしながら、上記の従来技術ではヒートシンクの熱時定数より短い断続負荷運転時の電力半導体素子の保護は可能であるが、高負荷運転時には電流制限レベルを超えて電流遮断レベルまで短時間に到達するため、システムが頻繁に停止するという問題があった。
そこで、本発明は、電力半導体素子のジャンクション温度が設定温度を超えた場合に、電流制限動作するとともに熱電冷却モジュールに電圧指令を与え冷却を行うことで、ヒートシンクの温度を設定温度以下に制御し、インバータ電流を遮断することなく断続的な高負荷運転を行える保護方式を確立することを目的とする。
そこで、本発明は、電力半導体素子のジャンクション温度が設定温度を超えた場合に、電流制限動作するとともに熱電冷却モジュールに電圧指令を与え冷却を行うことで、ヒートシンクの温度を設定温度以下に制御し、インバータ電流を遮断することなく断続的な高負荷運転を行える保護方式を確立することを目的とする。
上記問題を解決するため、本発明は次のように構成したものである。
（１）電力用半導体素子とこの電力用半導体素子を駆動制御するＰＷＭ制御部を含むインバータ回路と、前記電力半導体素子を冷却するヒートシンクを備えたインバータ装置において、前記ヒートシンク上に熱電冷却モジュールを設置し、前記熱電冷却モジュールの上にサーミスタを設置し、前記サーミスタの抵抗値変化により前記熱電冷却モジュール温度を検出するとともに、前記ＰＷＭ制御部から送出され、前記電力半導体素子のゲートをオンオフするドライブ信号とインバータ出力電流から半導体素子電流を計算し、この半導体素子電流から計算された前記電力用半導体素子の通電時損失とスイッチング損失とから前記電力用半導体素子の熱電冷却モジュールとジャンクション間の温度上昇を推定し、この推定された温度上昇と前記熱電冷却モジュール温度から計算される前記電力半導体素子のジャンクション温度が設定温度を超えると前記インバータ回路の電流制限を行うとともに、前記熱電冷却モジュールに電圧指令を与え冷却を行う。
（２）前記電力用半導体素子のジャンクション温度が前記設定温度を超えた場合に、予め設定されたジャンクション温度と熱電冷却モジュールの電圧指令レベルの関数に基づいて温度に対して連続的に電圧指令を変え冷却する。
このようにすることにより、ヒートシンク熱時定数より短い断続高負荷運転の場合でも、電力半導体素子の熱破壊を防止でき、インバータ電流を遮断することなく断続的な高負荷運転を行えるようにするものである。
（１）電力用半導体素子とこの電力用半導体素子を駆動制御するＰＷＭ制御部を含むインバータ回路と、前記電力半導体素子を冷却するヒートシンクを備えたインバータ装置において、前記ヒートシンク上に熱電冷却モジュールを設置し、前記熱電冷却モジュールの上にサーミスタを設置し、前記サーミスタの抵抗値変化により前記熱電冷却モジュール温度を検出するとともに、前記ＰＷＭ制御部から送出され、前記電力半導体素子のゲートをオンオフするドライブ信号とインバータ出力電流から半導体素子電流を計算し、この半導体素子電流から計算された前記電力用半導体素子の通電時損失とスイッチング損失とから前記電力用半導体素子の熱電冷却モジュールとジャンクション間の温度上昇を推定し、この推定された温度上昇と前記熱電冷却モジュール温度から計算される前記電力半導体素子のジャンクション温度が設定温度を超えると前記インバータ回路の電流制限を行うとともに、前記熱電冷却モジュールに電圧指令を与え冷却を行う。
（２）前記電力用半導体素子のジャンクション温度が前記設定温度を超えた場合に、予め設定されたジャンクション温度と熱電冷却モジュールの電圧指令レベルの関数に基づいて温度に対して連続的に電圧指令を変え冷却する。
このようにすることにより、ヒートシンク熱時定数より短い断続高負荷運転の場合でも、電力半導体素子の熱破壊を防止でき、インバータ電流を遮断することなく断続的な高負荷運転を行えるようにするものである。
本発明によれば、短い断続高負荷運転の場合でも、サーミスタ信号とインバータ出力電流信号を用いることで、電力半導体素子の熱破壊を防止でき、インバータ電流を遮断することなく断続的な高負荷運転を行うことができる。また、熱電冷却モジュールにより冷却を制御できるため、外気温度に影響されることが無く、安定して電力半導体素子の能力を最大限に活用することができるという効果がある。
以下、本発明の具体的実施例を図に基づいて説明する。
図１は本発明の第一の実施例を示すブロック図である。図において、１７は温度設定器、２５は電圧指令器、２７は熱電冷却モジュールである。電圧指令器２５は熱電冷却モジュール２７に冷却指令を与える。なお、符号1〜１６、１９、２１、２３は従来技術と同じ機能であるため説明を省略する。
つぎに、動作について説明する。
熱電冷却モジュール２７の温度Ｔは熱電冷却モジュール２７上に設置したサーミスタ１０の抵抗値変化より（１）式を用いて計算できる。
ｒT＝ｒT0×exp{B×（1/T-1/T0）} （１）
ここで、ｒT0：基準抵抗値、B：サーミスタ定数、T0： 基準抵抗値の時のサーミスタの絶対温度である。また、パワーＭＯＳＦＥＴの熱電冷却モジュール２７とジャンクション間の温度上昇Ｔj-Fは、パワーＭＯＳＦＥＴの発生ロスＰLとパワーＭＯＳＦＥＴのジャンクションと熱電冷却モジュール２７間の熱抵抗Ｒj-Fから（２）式によって求められる。
Ｔj-F＝ＰL／Ｒj-F （２）
パワーＭＯＳＦＥＴの発生ロスＰLは、インバータ電流とＰＷＭ制御部１４から送出され、ベースドライバ２３へ送出されるオンオフ信号であるドライブ信号から素子電流を計算し、素子特性に基づいて通電時のロスとスイッチングロスを計算する。通電ロスは次式（３）で表せられる。
通電ロス＝検出した相電流からの素子特性に基づいて計算された損失
×ドライブ信号 （３）
ドライブ信号はＰＷＭキャリア周波数毎に一回ずつＰＷＭ制御部１４から送出されるから、ＰＷＭキャリア１周期毎の平均通電ロスは次式（４）で表わされる。
１周期毎の平均通電ロス＝通電ロス×ドライブ信号が出力されている時間
／ＰＷＭキャリア周期 （４）
また、スイッチングロスは次式（５）、（６）で表わされる。
オン時スイッチングロス＝ドライブ信号立ち上がり時の検出電流
×パワーＭＯＳＦＥＴに印加されていた電圧×スイッチング時間／２ （５）
オフ時オン時スイッチングロス＝ドライブ信号立ち下がり時の検出電流
×パワーＭＯＳＦＥＴに印加される電圧×スイッチング時間／２ （６）
従って、個々のパワーＭＯＳＦＥＴの発生ロスは（４）、（５）、（６）式の和で表せられる。以上より、（２）式のＴj-Fと熱電冷却モジュール２７の温度Ｔから、パワーＭＯＳＦＥＴのジャンクション温度Ｔjを（７）式により計算推定することができる。
Ｔj＝Ｔj-F＋Ｔ （７）
つぎに、動作について説明する。
熱電冷却モジュール２７の温度Ｔは熱電冷却モジュール２７上に設置したサーミスタ１０の抵抗値変化より（１）式を用いて計算できる。
ｒT＝ｒT0×exp{B×（1/T-1/T0）} （１）
ここで、ｒT0：基準抵抗値、B：サーミスタ定数、T0： 基準抵抗値の時のサーミスタの絶対温度である。また、パワーＭＯＳＦＥＴの熱電冷却モジュール２７とジャンクション間の温度上昇Ｔj-Fは、パワーＭＯＳＦＥＴの発生ロスＰLとパワーＭＯＳＦＥＴのジャンクションと熱電冷却モジュール２７間の熱抵抗Ｒj-Fから（２）式によって求められる。
Ｔj-F＝ＰL／Ｒj-F （２）
パワーＭＯＳＦＥＴの発生ロスＰLは、インバータ電流とＰＷＭ制御部１４から送出され、ベースドライバ２３へ送出されるオンオフ信号であるドライブ信号から素子電流を計算し、素子特性に基づいて通電時のロスとスイッチングロスを計算する。通電ロスは次式（３）で表せられる。
通電ロス＝検出した相電流からの素子特性に基づいて計算された損失
×ドライブ信号 （３）
ドライブ信号はＰＷＭキャリア周波数毎に一回ずつＰＷＭ制御部１４から送出されるから、ＰＷＭキャリア１周期毎の平均通電ロスは次式（４）で表わされる。
１周期毎の平均通電ロス＝通電ロス×ドライブ信号が出力されている時間
／ＰＷＭキャリア周期 （４）
また、スイッチングロスは次式（５）、（６）で表わされる。
オン時スイッチングロス＝ドライブ信号立ち上がり時の検出電流
×パワーＭＯＳＦＥＴに印加されていた電圧×スイッチング時間／２ （５）
オフ時オン時スイッチングロス＝ドライブ信号立ち下がり時の検出電流
×パワーＭＯＳＦＥＴに印加される電圧×スイッチング時間／２ （６）
従って、個々のパワーＭＯＳＦＥＴの発生ロスは（４）、（５）、（６）式の和で表せられる。以上より、（２）式のＴj-Fと熱電冷却モジュール２７の温度Ｔから、パワーＭＯＳＦＥＴのジャンクション温度Ｔjを（７）式により計算推定することができる。
Ｔj＝Ｔj-F＋Ｔ （７）
この温度は、パワーＭＯＳＦＥＴの熱破壊と密接な関係があり、パワーＭＯＳＦＥＴは許容範囲内で使用しなければならない。そこで、推定したパワーＭＯＳＦＥＴのジャンクション温度が第一の設定温度を超えると、コンパレータ１９が動作し、電流制限器２１がインバータの電流制限動作を行い、同時に電圧指令器２５が熱電冷却モジュール２７に電圧指令を送り冷却動作を行う。このとき電流制限動作によりパワーＭＯＳＦＥＴ１〜６のジャンクション温度を瞬時に低下させると同時に、電圧指令器２５が動作し熱電冷却モジュール２７が動作し、サーミスタ１０の検出値が瞬時に下がる。この結果、サーミスタ１０の検出温度が下がり、Ｔj推定値が第一の温度設定器１７の設定値を下回り、電流制限動作と電圧指令による冷却動作が解除される。また、図２に示すように、図１のコンパレータ１９を演算増幅器２４に変更し、電圧指令器２５に図３に示す特性をもたせれば連続的に指令電圧レベルを変化させて冷却動作をさせることも可能である。
１、２、３、４、５、６ 電力半導体素子
７ ヒートシンク
８ モータ
９ 変流器
１０ サーミスタ
１１ コンデンサ
１２ ダイオード
１３ インバータ制御部
１４ ＰＷＭ制御部
１５ 温度検出部
１６ Ｔj推定部
１７、１８ 温度設定器
１８ａ 第一温度設定器
１８ｂ 第二温度設定器
１９、２０ コンパレータ
２１ 電流制限器
２２ 電流遮断器
２３ ベースドライバ
２４ 演算増幅器
２５ 電圧指令器
２７ 熱電冷却モジュール
７ ヒートシンク
８ モータ
９ 変流器
１０ サーミスタ
１１ コンデンサ
１２ ダイオード
１３ インバータ制御部
１４ ＰＷＭ制御部
１５ 温度検出部
１６ Ｔj推定部
１７、１８ 温度設定器
１８ａ 第一温度設定器
１８ｂ 第二温度設定器
１９、２０ コンパレータ
２１ 電流制限器
２２ 電流遮断器
２３ ベースドライバ
２４ 演算増幅器
２５ 電圧指令器
２７ 熱電冷却モジュール
Claims (2)
- 電力用半導体素子とこの電力用半導体素子を駆動制御するＰＷＭ制御部を含むインバータ回路と、前記電力半導体素子を冷却するヒートシンクを備えたインバータ装置において、
前記ヒートシンク上に熱電冷却モジュールを設置し、前記熱電冷却モジュールの上にサーミスタを設置し、前記サーミスタの抵抗値変化により前記熱電冷却モジュール温度を検出するとともに、前記ＰＷＭ制御部から送出され、前記電力半導体素子のゲートをオンオフするドライブ信号とインバータ出力電流から半導体素子電流を計算し、この半導体素子電流から計算された前記電力用半導体素子の通電時損失とスイッチング損失とから前記電力用半導体素子の熱電冷却モジュールとジャンクション間の温度上昇を推定し、この推定された温度上昇と前記熱電冷却モジュール温度から計算される前記電力半導体素子のジャンクション温度が設定温度を超えると前記インバータ回路の電流制限を行うとともに、前記熱電冷却モジュールに電圧指令を与え冷却することを特徴とする電力半導体素子の保護方式。 - 前記電力用半導体素子のジャンクション温度が前記設定温度を超えた場合に、予め設定されたジャンクション温度と熱電冷却モジュールの電圧指令レベルの関数に基づいて温度に対して連続的に電圧指令を変え冷却することを特徴とする請求項１記載の電力半導体素子の保護方式。
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|---|---|---|---|
| JP2003378003A JP2005143232A (ja) | 2003-11-07 | 2003-11-07 | 電力半導体素子の保護方式 |
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| JP2003378003A JP2005143232A (ja) | 2003-11-07 | 2003-11-07 | 電力半導体素子の保護方式 |
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