JP2017184298A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】並列接続されたパワー半導体モジュールの寿命を向上できる電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置は、並列接続される複数のパワー半導体モジュール２０（ＰＭ１，ＰＭ２）と、複数のパワー半導体モジュールを制御する制御部３０４と、を備えるものであって、制御部は、複数のパワーモジュールの内、熱抵抗の増分が最も大きなパワー半導体モジュールの負荷電流を低減する。【選択図】図３

Description

本発明は、複数のパワー半導体モジュールが並列接続される電力変換装置に関する。

電力変換装置は、その主要部品であるパワー半導体モジュールに用いられるパワー半導体デバイスの技術革新により、より高速なスイッチング動作が実現されることで、パワー半導体デバイスから発する損失を低減させている。これにより、特に冷却器を小型化することができ、その結果、電力変換装置の小型化が実現されている。

電力変換装置であるインバータ、コンバータおよびチョッパなどは、ＵＰＳ（Uninterruptible Power-supply System：無停電電源装置）、ＰＣＳ（Power Conditioning System）、ＡＣドライブ等の産業用電力変換装置や、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ：Hybrid Electric Vehicle）、電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）等の車載用電力変換装置、更に家電用電力変換装置等として、多く採用されている。これら電力変換装置には、小型化に加え、電力変換効率に起因するランニングコストや、部品交換等のメンテナンスコストを低く抑えた長寿命な製品が要求されている。

電力変換装置は、パワー半導体モジュールや冷却器に加え、各部品を電気的に接続するバスバー、直流電力を平滑化させるためのコンデンサ等の部品から構成される電力変換ユニットを含む。電力変換装置の出力をＮ倍化するためには、このような電力変換ユニットをＮ並列化する。

一方、電力変換装置におけるパワー半導体モジュールは長期間の稼働に伴い、内部の放熱特性等が経年劣化する。例えば、長期間の稼働条件下では、電力変換装置およびパワー半導体モジュールの電力負荷が変動（パワーサイクル）し、パワー半導体モジュールは高温状態と低温状態との間の遷移を繰り返す。

このとき、パワー半導体モジュールは熱膨張係数の異なる材料（銅配線、半田、シリコンチップ、樹脂等の絶縁部材、アルミ等金属ケースなど）で構成されているため、熱膨張、熱収縮の繰り返しによる熱応力の発生で、半田のクラックや、絶縁部材の剥離等が生じ、パワー半導体モジュールの絶縁特性や放熱特性（熱抵抗特性など）が劣化する。

このように、パワーサイクルによる熱疲労が進行すると、パワー半導体モジュールは故障し易くなる。そこで電力変換ユニットおよびパワー半導体モジュールの長寿命化には、熱疲労を進行させないような運転制御が要求される。

さらに、出力電力をＮ倍化するために、複数のパワー半導体モジュールが並列接続される電力変換装置では、長期間稼働すると、各パワー半導体モジュールの初期特性や周囲温度分布の差に応じて、熱抵抗劣化の程度にばらつきが発生する。熱抵抗が劣化しているパワー半導体モジュールに、他のパワー半導体モジュールと同等の電流を流し続けると、一部のパワー半導体モジュールで素子発熱が増大し、それに伴い熱疲労現象が進行し、パワー半導体モジュールの早期故障につながる。そこで、電力変換装置の長寿命化のため、各パワー半導体モジュール間で熱疲労に起因する熱抵抗劣化を均等化するような制御が要求される。

これに対し、特許文献１および特許文献２に記載の技術が知られている。

特許文献１に記載される技術においては、並列動作する複数のトランジスタ等のスイッチング素子の有効寿命均一化のために、トランジスタの平均温度と各々のトランジスタの測定温度との温度差に基づいて、各トランジスタを熱的にバランスさせるように通電電流を制御する。

また、特許文献２に記載される技術においては、パワーサイクルに対する寿命予測のために、スイッチング素子の構成部材間の熱抵抗を求めて構成部材の劣化度を評価し、劣化を温度・熱抵抗との関係で判断する。

特開２０１５−１５９７１２号公報 特開２００９−２２５５４１号公報

特許文献１に記載された技術は、複数の並列接続されたパワー半導体モジュールに適用しようとすると、素子温度は、パワー半導体モジュール外部の冷却器（空冷フィンやファン）の影響を受けるため、パワー半導体モジュール内部の劣化か、外部の劣化要因かの切り分けが困難であるため、電力変換装置を長寿命化することは難しい。

また、特許文献２ではパワーサイクルに対するパワー半導体モジュールの劣化情報を検知できるが、並列接続されたパワー半導体モジュールの寿命均等化、長寿命化については考慮されていない。

そこで、本発明は、並列接続されたパワー半導体モジュールの寿命を向上できる電力変換装置を提供する。

上記課題を解決するために、本発明に係る電力変換装置は、並列接続される複数のパワー半導体モジュールと、複数のパワー半導体モジュールを制御する制御部と、を備えるものであって、制御部は、複数のパワーモジュールの内、熱抵抗の増分が最も大きなパワー半導体モジュールの負荷電流を低減する。

熱抵抗の増分が最も大きなパワー半導体モジュールの負荷電流を低減することにより、このパワー半導体モジュールの劣化の進行を抑制できる。これにより、電力変換装置の長寿命化が可能となる。

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り明らかにされる。

本発明の実施例１である電力変換装置の回路図である。 パワー半導体モジュールのパワーサイクル寿命特性例を示す。 実施例１におけるインバータ構成図を示す。 パワー半導体モジュールの概略構成例を示す縦方向断面図である。 実施例１におけるパワー半導体モジュールの負荷電流調整制御フローを示す。 実施例１における、稼働時間と、負荷電流アンバランス比、熱抵抗並びに素子温度の関係の例を示す。 本発明の実施例２である電力変換装置の回路図である。 本発明の実施例３である電力変換装置の回路図である。 本発明の実施例４である電力変換装置の回路図である。 実施例４におけるパワー半導体モジュールの負荷電流調整制御フローを示す。

以下、図を参照して本発明の実施例について説明する。各図において、参照番号が同一のものは同一の構成要件あるいは類似の機能を備えた構成要件を示している。

以下の各実施例は、三相インバータ回路に適用されるものであるが、これに限らず単相インバータ回路、コンバータ回路、ＤＣ−ＤＣ変換回路などにも適用することが可能である。

図１は、本発明の実施例１である電力変換装置の回路図である。なお、本実施例１の電力変換装置は、三相インバータである。

図１が示すように、インバータ１０３０は、ＰＮ間の直流電力を３相交流電力に変換する。Ｕ相変換器３０１、Ｖ相変換器３０２およびＷ相変換器３０３は、パワー半導体デバイス（図１中の２１，２２，２３，２４）からなるパワー半導体モジュール２０を備える。ＰＮ端子から供給される直流電力が、各相に備えられた上アームのスイッチング素子２１および整流素子２３と、下アームのスイッチング素子２２および整流素子２４とにおいて、インバータ制御回路３０４でスイッチングタイミングを制御することにより交流電力に変換される。そして、交流電力は、Ｕ相変換器３０１、Ｖ相変換器３０２およびＷ相変換器３０３の各交流端子５０２（Ｕ，Ｖ，Ｗ）に出力される。

本実施例１においては、スイッチング素子２１，２２としてＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が用いられ、整流素子２３，２４としてダイオードが用いられる。なお、これらのパワー半導体デバイスに限らず、他の種類の素子を適用することも可能である（以下同様）。なお、各相のパワー半導体モジュール２０には、平滑コンデンサ２５が外付けされている。

また、本実施例１のインバータ１０３０は、上アームのスイッチング素子２１および整流素子２３と、下アームのスイッチング素子２２および整流素子２４と、が直列に接続された２レベルハーフブリッジ回路２０を基本構成としている。ここで、各アームにおいて、スイッチング素子と整流素子は逆並列に接続され、整流素子は環流ダイオードとして機能する。なお、後述するような本実施例１における制御手段は、３レベルを基本構成としたインバータ、コンバータ、昇圧回路などに適用することも可能である。

図２は、パワー半導体モジュール２０のパワーサイクル寿命特性例を示す。

図２に示すように、パワー半導体モジュール２０は熱膨張係数の異なる材料（銅配線、半田、シリコンチップ、樹脂等の絶縁部材、アルミ等からなる金属ベース、樹脂ケースなど）で構成されているため、熱膨張および熱収縮の繰り返しによる熱応力の発生で、半田のクラックや、絶縁部材の剥離等が生じ、パワー半導体モジュールの絶縁特性や放熱特性（熱抵抗特性）が劣化する。このとき、パワー半導体モジュールの温度変化ΔＴが大きいと、内部熱応力が大きくなるため、パワー半導体モジュールの特性が劣化するまでのパワーサイクル寿命回数Ｎｃは少なくなる。

図３は、本実施例１における、インバータ１０３０の構成図を示す。

図３に示すように、三相インバータを構成する各相（Ｕ相変換器３０１、Ｖ相変換器３０２、Ｗ相変換器３０３）は、それぞれ二つのパワー半導体モジュール２０で構成される。パワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２はパワー半導体モジュール内部のパワー半導体デバイス２１，２２，２３，２４のチップジャンクション温度（Ｔｊ）をモニタする温度センサ３１を具備している。温度センサ３１により得られる温度情報が制御部３０４へ入力される。

また並列接続されたパワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２の出力端子には、各パワー半導体モジュールの負荷電流を検出する電流センサ３２が設けられる。電流センサにより得られる負荷電流情報が制御部３０４へ入力される。

図４は、パワー半導体モジュール２０の概略構成例を示す縦方向断面図である。

図４に示すように、パワー半導体モジュールにおいては、金属ベース１００２上に絶縁基板１００３が載置され、絶縁基板１００３と金属ベース１００２は、半田などの接合材によって接合される。絶縁基板１００３の表面上にはパワー半導体デバイス１００４が載置され、パワー半導体デバイス１００４と絶縁基板１００３は、半田などの接合材によって接合される。また、金属ベース１００２上には樹脂ケース１００５が接着され、絶縁基板１００３およびパワー半導体デバイス１００４は、樹脂ケース１００５内に格納される。このような構成のパワー半導体モジュールは放熱フィン１００１上に載置される。ここで、金属ベース１００２が放熱フィン１００１と面接触する。

パワー半導体デバイス１００４の電力損失によって発生する熱は、パワー半導体デバイス１００４、絶縁基板１００３、金属ベース１００２、放熱フィン１００１をこの順に流れ、大気中に放散される。この時、パワー半導体デバイス１００４と他の部材（絶縁基板１００３、金属ベース１００２、放熱フィン１００１、大気）との間の熱抵抗（Ｒｔｈ）は、パワー半導体デバイス１００４の温度（Ｔｊ）、他の部材の温度（Ｔ）、電力損失（Ｐ）によって計測できる（Ｒｔｈ＝（Ｔｊ−Ｔ）／Ｐ）。パワーサイクルによる熱応力を受けると、接合材にクラックが生じたり、部材間の剥離が生じたりするため、熱抵抗が増加して、放熱性能が劣化する。

図４のパワー半導体モジュールにおいては、樹脂ケース１００５内のパワー半導体デバイス１００４の近傍に温度センサ（図２の符号３１に対応）を設けて、パワー半導体デバイス１００４の温度（Ｔｊ）を測定する。また、放熱フィン１００１における金属ベース１００２の近傍に温度センサを設けて、放熱フィン１００１の温度（Ｔｃ（ケース温度））を測定する。なお、電力損失（Ｐ）は、電流センサ３２（図２）によって計測される電流情報に基づいて計測される。例えば、電流情報と電力損失情報の関係を予め制御部３０４（図２）で記憶し、制御部３０４が、この関係を用いて、電流情報から電力損失情報を演算する。なお、各相の電圧情報を検出し、検出された電圧情報と電流情報とから、電力損失情報を演算しても良い。これらＴｊ，Ｔｃ，Ｐから、制御部３０４は、パワー半導体デバイス１００４と金属ベース１００２との間の熱抵抗（Ｒｔｈ（ｊ−ｃ））を算出する（Ｒｔｈ（ｊ−ｃ）＝（Ｔｊ−Ｔｃ）／Ｐ）。

なお、放熱フィン１００１に限らず、パワー半導体デバイス１００４と他の部材との間の熱抵抗を算出しても良い。例えば、パワー半導体デバイス１００４と大気との間の熱抵抗を計測する場合には、他の部材の温度として気温あるいは室温を用いればよい。気温を用いる場合、温度センサにより計測しても良いし、気象データを用いても良い。

図５は、本実施例１における、パワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２の負荷電流調整制御フローを示す。

まず、初期稼働時において、パワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２は、各パワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２の負荷電流が均等となるように、運転制御される。

次に、インバータ１０３０の制御部３０４では、稼働中、温度センサ３１および電流センサ３２によって、それぞれ得られる温度情報および負荷電流情報に基づいて、二つのパワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２の熱抵抗の計測値を算出する。さらに、制御部３０４は、算出した現熱抵抗の計測値と、予め制御部３０４に設定される初期熱抵抗値とを比較し、熱抵抗の増分を表す指標として、二つのパワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２における、現熱抵抗の計測値と初期熱抵抗値との差分（現熱抵抗の計測値−初期熱抵抗値）すなわち熱抵増分値を算出する。ここで、初期熱抵抗値は、初期稼動時に、制御部３０４が同様に算出しても良いし、別の手段で予め計測して、制御部３０４に設定しても良い。また、初期熱抵抗値として、仕様上の熱抵抗値を用いても良い。制御部３０４は、パワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２のいずれかの熱抵抗増分値が、第１の規定値（規定値１）以上であるかを判定する。

長期間の稼働により、少なくとも１つのパワー半導体モジュールの熱抵抗増分値が規定値１以上となった場合、すなわち、パワーサイクルに伴う熱疲労によるパワー半導体モジュール内部の熱抵抗が劣化（増加）し、規定値１以上となった場合（ｙｅｓ）、熱抵抗が劣化しているパワー半導体モジュールの負荷電流を低減し、もう一方のパワー半導体モジュールの負荷電流を増加する負荷電流アンバランス運転へと移行する。また、いずれのパワー半導体モジュールの熱抵抗増分値も、規定値１以上であるとは判定されなかった場合（ｎｏ）、負荷電流均等運転が継続される。

負荷電流アンバランス運転負荷電流アンバランス運転に移行すると、次に、二つのパワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２の熱抵抗増分値を比較し、熱抵抗増分値が大きい方のパワー半導体モジュールの熱抵抗が劣化していると判定する。

パワー半導体モジュールＰＭ１の熱抵抗が劣化していると判定される場合、制御部３０４では、パワー半導体モジュールＰＭ１のゲート駆動電圧Ｖｇ（ＰＭ１）をパワー半導体モジュールＰＭ２のゲート駆動電圧Ｖｇ（ＰＭ２）よりも低くして、パワー半導体モジュールＰＭ１の負荷電流（Ｉ＿ＰＭ１）およびパワー半導体モジュールＰＭ１の素子温度（Ｔｊ＿ＰＭ１）が、それぞれパワー半導体モジュールＰＭ２の負荷電流（Ｉ＿ＰＭ２）およびパワー半導体モジュールＰＭ２の素子温度（Ｔｊ＿ＰＭ２）よりも小さくなるようにする。

パワー半導体モジュールＰＭ１の熱抵抗が劣化していると判定される場合、制御部３０４では、パワー半導体モジュールＰＭ１のゲート駆動電圧Ｖｇ（ＰＭ１）をパワー半導体モジュールＰＭ２のゲート駆動電圧Ｖｇ（ＰＭ２）よりも低くして、パワー半導体モジュールＰＭ１の負荷電流（Ｉ＿ＰＭ１）およびパワー半導体モジュールＰＭ１の素子温度（Ｔｊ＿ＰＭ１）が、それぞれパワー半導体モジュールＰＭ２の負荷電流（Ｉ＿ＰＭ２）およびパワー半導体モジュールＰＭ２の素子温度（Ｔｊ＿ＰＭ２）よりも小さくなるようにする。

また、パワー半導体モジュールＰＭ２の熱抵抗が劣化していると判定される場合、制御部３０４では、パワー半導体モジュールＰＭ２のゲート駆動電圧Ｖｇ（ＰＭ２）をパワー半導体モジュールＰＭ２のゲート駆動電圧Ｖｇ（ＰＭ１）よりも低くして、パワー半導体モジュールＰＭ２の負荷電流（Ｉ＿ＰＭ２）およびパワー半導体モジュールＰＭ２の素子温度（Ｔｊ＿ＰＭ２）が、それぞれパワー半導体モジュールＰＭ１の負荷電流（Ｉ＿ＰＭ１）およびパワー半導体モジュールＰＭ１の素子温度（Ｔｊ＿ＰＭ１）よりも小さくなるようにする。

さらに、負荷電流アンバランス運転において、制御部３０４は、パワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２のいずれかの熱抵抗増分値が、規定値１よりも大きな第２の規定値（規定値２）以上であるかを判定する。少なくとも１つのパワー半導体モジュールの熱抵抗増分値が規定値２以上と判定される場合（ｙｅｓ）、すなわち、パワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２のいずれかの熱抵抗がシステム仕様を満足しないまで劣化した場合、制御部３０４は、パワー半導体モジュール故障と判定して、インバータを停止させるなどの異常時制御を実行する。また、いずれのパワー半導体モジュールの熱抵抗増分値も、規定値２以上であるとは判定されなかった場合（ｎｏ）、負荷電流アンバランス運転が継続される。すなわち、負荷電流アンバランス運転において、各パワー半導体モジュールの熱抵抗増分値が規定値２より小さい間、制御部３０４は、二つのパワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２の熱抵増分値を算出し、上述したようにパワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２の負荷電流を制御する。

図６は、本実施例１における、稼働時間と、各パワー半導体モジュールの負荷電流アンバランス比（Ｉ＿ＰＭ２／Ｉ＿ＰＭ１）、各パワー半導体モジュールのパワー半導体デバイスと放熱フィン間の熱抵抗（Ｒｊｃ＿ＰＭ１，Ｒｊｃ＿ＰＭ２）並びに各パワー半導体モジュールの素子温度（Ｔｊ＿ＰＭ１，Ｔｊ＿ＰＭ２）の関係の例を示す。なお、ここではＰＭ１，ＰＭ２の熱抵抗の初期値は実質同じ値であるとし、熱抵抗の増分を表す指標として、上述の熱抵抗増分値に代えて、熱抵抗値を用いている。

パワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２の熱抵抗がいずれも規定値１以下である場合、各パワー半導体モジュールは、負荷電流アンバランス比＝１すなわち負荷電流均等運転となるように制御される。

ある制御周期で、パワー半導体モジュールＰＭ１の熱抵抗Ｒｊｃ＿ＰＭ１が規定値１をこえたと判定される場合、負荷電流アンバランス比＞１である負荷電流アンバランス運転へ移行する。この時、パワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２は、パワー半導体モジュールＰＭ１の負荷電流（Ｉ＿ＰＭ１）および素子温度（Ｔｊ＿ＰＭ１）が、それぞれパワー半導体モジュールＰＭ２の負荷電流（Ｉ＿ＰＭ２）および素子温度（Ｔｊ＿ＰＭ２）よりも小さくなるように制御される。

これにより、負荷電流および素子温度が低減されたパワー半導体モジュールＰＭ１では、パワー半導体モジュール内部のはんだや絶縁基板にかかる熱応力が軽減され、熱抵抗の劣化進展を抑制できる。一方、パワー半導体モジュールＰＭ２では、熱応力が増大し、パワー半導体モジュールＰＭ１よりも熱抵抗の劣化が進行する。従って、パワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２の各熱抵抗はバランスしていく。

負荷電流アンバランス比＞１である負荷電流アンバランス運転に移行後、ある制御周期で、パワー半導体モジュールＰＭ２の熱抵抗Ｒｊｃ＿ＰＭ２がパワー半導体モジュールＰＭ１の熱抵抗Ｒｊｃ＿ＰＭ１よりも大きいと判定されると、負荷電流アンバランス比＜１である負荷電流アンバランス運転へ移行する。この時、熱抵抗値の大きいパワー半導体モジュールＰＭ２の熱応力を軽減し、熱抵抗の劣化進展を抑制するように、パワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２が制御される。

本実施例１では、上述のように、パワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２の熱抵抗増分値あるいは熱抵抗値の大小関係に応じて、負荷電流アンバランス比が予め設定され、負荷電流アンバランス比に応じたゲート電圧の値が予め設定される。なお、熱抵抗劣化の進行程度を示す、熱抵抗の増分を表す指標として、熱抵抗増分値を用いれば、熱抵抗の初期値にばらつきがあっても熱抵抗劣化の進行を精度よく計測できる。

上述のように、本実施例１によれば、電力変換装置において並列接続された複数のパワー半導体モジュールにおいて、各モジュールの初期特性や周囲温度分布の差により、熱抵抗劣化の進行程度にばらつきが発生する場合においても、熱抵抗に関する情報に基づいて、劣化程度が大きなパワー半導体モジュールの負荷電流を低減し、熱疲労の進行を抑えるように運転制御することにより、熱疲労に起因する各パワー半導体モジュールの寿命を均等化し、一部のパワー半導体モジュールの早期故障を回避できる。これにより、電力変換装置の長寿命化が可能となる。

図７は、本発明の実施例２である電力変換装置の回路図である。本実施例２の電力変換装置は、実施例１と同様に三相インバータである。なお、本図７は、三相インバータの一相分（Ｕ相）の回路構成を示す。以下、主に、実施例１と異なる点について説明する。

図７に示すように、制御部３０４は、負荷電流・電圧―損失データテーブル３０５と、熱抵抗記憶メモリ３０６と、熱抵抗算出回路３０７と、負荷電流アンバランス判定回路３０８と、ゲート駆動電圧調整回路３０９とを含む。

負荷電流センサ３２からの出力負荷電流情報と、出力電圧情報が、負荷電流・電圧―損失データテーブル３０５へ入力される。負荷電流・電圧―損失データテーブル３０５は、出力負荷電流情報、および出力電圧情報からパワー半導体モジュール２０の損失情報を算出して出力する。

熱抵抗算出回路３０７には、負荷電流・電圧―損失データテーブル３０５から出力された損失情報と、パワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２の素子温度情報と、電力変換ユニット３０１に含まれるパワー半導体モジュール用冷却フィンの温度情報とが、入力される。熱抵抗算出回路３０７では、これら損失情報、素子温度情報および冷却フィンの温度情報から、パワー半導体モジュール２０の内部熱抵抗を算出して出力する。そして、算出されたパワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２のそれぞれの熱抵抗情報は、負荷電流アンバランス判定回路３０８へと入力される。

負荷電流アンバランス判定回路３０８には、負荷電流センサ３２からの出力負荷電流情報と、熱抵抗算出回路３０７から出力されたパワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２のそれぞれの熱抵抗情報と、熱抵抗記憶メモリ３０６からのパワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２のそれぞれの初期熱抵抗情報が入力される。

負荷電流アンバランス判定回路３０８では、図５に示す負荷電流調整制御フローに従い、負荷電流アンバランス運転への移行判定、および、負荷電流アンバランス運転の際の熱抵抗増分値が大きいパワー半導体モジュールの選定、および負荷電流調整量の判定を行う。

負荷電流均等運転において、長期間の稼働により、少なくとも１つのパワー半導体モジュールの熱抵抗増分値が規定値１以上となった場合、すなわち、パワーサイクルに伴う熱疲労によりパワー半導体モジュール内部の熱抵抗が劣化し、規定値１以上となった場合、熱抵抗が劣化している一方のパワー半導体モジュールの負荷電流を低減し、他方のパワー半導体モジュールの負荷電流を増加する負荷電流アンバランス運転へと移行する。

次に、二つのパワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２の算出熱抵抗増分値を比較し、熱抵抗増分値が大きいパワー半導体モジュールの負荷電流を低減する。例えば、パワー半導体モジュールＰＭ１の熱抵抗増分値が、パワー半導体モジュールＰＭ２の熱抵抗増分値よりも大きい場合、制御部３０４は、パワー半導体モジュールＰＭ１のゲート駆動電圧Ｖｇ（ＰＭ１）を低減して、パワー半導体モジュールＰＭ１の負荷電流（Ｉ＿ＰＭ１）および素子温度（Ｔｊ＿ＰＭ１）を、それぞれパワー半導体モジュールＰＭ２の負荷電流（Ｉ＿ＰＭ２）および素子温度（Ｔｊ＿ＰＭ２）よりも小さくなるように調整する。

更に負荷電流アンバランス運転において、少なくとも１つのパワー半導体モジュールの熱抵抗増分値が規定値２以上となった場合、すなわち、パワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２のいずれかの熱抵抗がシステム仕様を満足しないまでに劣化したとき、パワー半導体モジュールが故障していると判定する。

一方、負荷電流アンバランス運転において、各パワー半導体モジュールの熱抵抗増分値が規定値２以下の間、制御部３０４では、２つのパワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２の熱抵増分値を算出し、熱抵抗増分値が大きいパワー半導体モジュールの負荷電流を低減するように制御する。

本実施２によれば、パワー半導体モジュールの素子温度センサと、パワー半導体モジュール冷却器の温度センサと、負荷電流・電圧情報を用いて、各パワー半導体モジュールの熱抵抗が算出可能となる。さらに、各モジュールの初期特性や周囲温度分布の差により、熱抵抗劣化にばらつきが発生する場合においても、熱抵抗記憶メモリを参照して、熱抵抗増分情報に基づいて、劣化傾向のみられるパワー半導体モジュールの判定が可能となる。劣化傾向のみられるパワー半導体モジュールの負荷電流を低減し、熱疲労の進行を抑えるように制御することで、熱疲労に起因する各パワー半導体モジュールの寿命を均等化し、一部のパワー半導体モジュールの早期故障を回避できる。これにより、パワー半導体モジュールに起因する電力変換装置の寿命を向上することができる。

図８は、本発明の実施例３である電力変換装置の回路図である。本図３においては、ゲート駆動電圧調整回路３０９の構成を詳細に示す。本実施例３の電力変換装置は、実施例１と同様に三相インバータである。なお、本図８は、三相インバータの一相分（Ｕ相）の回路構成を示す。以下、主に、実施例１と異なる点について説明する。

図８に示すように、ゲート駆動電圧調整回路３０９は、駆動回路１０１を含み、駆動回路１０１は、インタフェース（Ｉ／Ｆ）回路部１０６、遅延回路部１０３、ゲート電圧傾き可変回路部１０４およびゲート電圧可変回路部１０５を含む。

負荷電流均等運転および負荷電流アンバランス運転における負荷電流はゲート駆動電圧を調整することで制御される。

負荷電流アンバランス判定回路３０８からは、各パワー半導体モジュールの調整負荷電流に対応したゲート駆動電圧調整信号がインタフェース回路１０６を介して、遅延回路部１０３、ゲート電圧傾き可変回路部１０４およびゲート電圧可変回路部１０５にそれぞれ入力される。

遅延回路部１０３は、ゲート信号２０１の配線上における遅延量を調整し、遅延回路１０３からゲート電圧傾き可変回路部１０４に入力される各ゲート信号のタイミングを等しく合わせる。

ゲート電圧傾き可変回路部１０４は、各パワー半導体モジュールに入力されるゲート駆動電圧（Ｖｇｅ）の立ち上がりおよび立ち下がりの傾きｄＶｇｅ／ｄｔを制御する。ゲート駆動電圧の傾きを調整することで、各パワー半導体モジュールに流れるスイッチング電流量あるいはスイッチング損失を調整することができる。

ゲート電圧可変回路部１０５は、各パワー半導体モジュールに入力されるゲート駆動電圧の波高値を制御する。ゲート駆動電圧の波高値を調整することで、各パワー半導体モジュールに流れる定常電流量あるいは定常損失を調整することができる。

ここで、負荷電流均等運転時は、各パワー半導体モジュールに流れるスイッチング電流量と定常電流量が略等しくなるように各駆動回路１０１で、ゲート駆動電圧波形が制御される。

また、負荷電流アンバランス運転時において、ゲート電圧傾き可変回路部１０４は、各パワー半導体モジュールに入力されるゲート駆動電圧（Ｖｇｅ）の立ち上がりおよび立ち下がりの傾き（ｄＶｇｅ／ｄｔ）を、各パワーモジュールのスイッチング電流の傾き（ｄｉ／ｄｔ）が等しくなるように制御する。さらに、ゲート電圧可変回路部１０５は、各パワー半導体モジュールに入力されるゲート駆動電圧の波高値を、各パワー半導体モジュールに流れる定常電流量がアンバランスになるように制御する。

このとき、各パワー半導体モジュールに流れる定常電流量は、熱抵抗劣化が大きなパワー半導体モジュールの定常電流が、熱抵抗劣化が小さなパワー半導体モジュールの定常電流よりも小さくなるように制御される。

本実施例３によれば、二つのパワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２のゲート駆動電圧を個別に制御することが可能となる。これにより、パワー半導体モジュールのスイッチング電流および定常電流を個別に制御することが可能となる。

負荷電流アンバランス運転において、一方のパワー半導体モジュールに過度なスイッチング電流が流れると、パワー半導体デバイスの熱破壊やサージ電圧の上昇を招く場合がある。そのため、負荷電流アンバランス運転において、スイッチング電流の傾きが等しくなるように制御し、ゲート駆動電圧の波高値をアンバランスにして、各パワー半導体モジュールの定常電流を調整して負荷電流を制御することにより、パワー半導体デバイスに過度なスイッチング電流が流れるのを回避できる。

図９は、本発明の実施例４である電力変換装置の回路図である。本実施例４の電力変換装置は、実施例１と同様に三相インバータである。以下、主に、実施例１と異なる点について説明する。

図９に示すように、三相インバータを構成する各相（Ｕ相変換器３０１、Ｖ相変換器３０２、Ｗ相変換器３０３）は、それぞれ三つのパワー半導体モジュール２０（ＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３）で構成される。

パワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３はパワー半導体モジュール内部のパワー半導体デバイスの素子温度（チップジャンクション温度）を検出する温度センサ３１を具備しており、温度センサ３１によって得られた温度情報が制御部３０４へ入力される。

また並列接続されたパワー半導体モジュールＰＭ１， ＰＭ２の出力端子には、負荷電流をモニタする電流センサ３２を具備しており、負荷電流情報を制御部３０４へ入力される。

図１０は、本実施例４における、パワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３の負荷電流調整制御フローを示す。

まず、初期稼働時において、パワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３は、各パワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３の負荷電流が均等となるように、運転制御される。

次に、インバータ１０３０の制御部３０４では、稼働中、温度センサ３１および電流センサ３２によって、それぞれ得られる温度情報および負荷電流情報に基づいて、三つのパワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３の熱抵抗を算出する。さらに、制御部３０４は、算出した現熱抵抗値と、予め制御部３０４に設定される初期熱抵抗値とを比較し、三つのパワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３における熱抵増分値（現熱抵抗値−初期熱抵抗値）を算出する。ここで、初期熱抵抗値は、初期稼動時に、制御部３０４が同様に算出しても良いし、別の手段で予め計測して、制御部３０４に設定しても良い。また、初期熱抵抗値として、仕様上の熱抵抗値を用いても良い。制御部３０４は、パワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３のいずれかの熱抵抗増分値が、第１の規定値（規定値１）以上であるかを判定する。

長期間の稼働により、少なくとも１つのパワー半導体モジュールの熱抵抗増分値が規定値１以上となった場合、すなわち、パワーサイクルに伴う熱疲労によるパワー半導体モジュール内部の熱抵抗が劣化（増加）し、規定値１以上となった場合（ｙｅｓ）、熱抵抗が劣化しているパワー半導体モジュールの負荷電流を低減し、他のパワー半導体モジュールの負荷電流を増加する負荷電流アンバランス運転へと移行する。また、いずれのパワー半導体モジュールの熱抵抗増分値も、規定値１以上であるとは判定されなかった場合（ｎｏ）、負荷電流均等運転が継続される。

運転負荷電流アンバランス運転に移行すると、次に、三つのパワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３の熱抵抗増分値を比較し、熱抵抗増分値が最も大きいパワー半導体モジュールの熱抵抗が最も劣化していると判定する。図１０中では、判定結果として、代表的な六つの場合（「熱抵抗 ＰＭ１＞ＰＭ２＞ＰＭ３」など）を示す。なお、次の説明において、パワー半導体モジュールＰＭｎ（ｎ＝１，２，３）のゲート駆動電圧、負荷電流および素子温度を、それぞれＶｇ（ＰＭｎ），Ｉ＿ＰＭｎおよびＴｊ（ＰＭｎ）と記す。

例えば、パワー半導体モジュールＰＭ１の熱抵抗増分値が、パワー半導体モジュールＰＭ２の熱抵抗増分値よりも大きく、かつパワー半導体モジュールＰＭ２の熱抵抗増分値がパワー半導体モジュールＰＭ３の熱抵抗増分値よりも大きい場合（「熱抵抗 ＰＭ１＞ＰＭ２＞ＰＭ３」）、制御部３０４は、Ｖｇ（ＰＭ１）を前制御周期時よりも低減すると共に、Ｖｇ（ＰＭ３）＞Ｖｇ（ＰＭ２）＞Ｖｇ（ＰＭ１）となるように、Ｖｇ（ＰＭ１），Ｖｇ（ＰＭ２），Ｖｇ（ＰＭ３）を制御する。これにより、Ｉ＿ＰＭ１，Ｉ＿ＰＭ２，Ｉ＿ＰＭ３はＩ＿ＰＭ３＞Ｉ＿ＰＭ２＞Ｉ＿ＰＭ１となるように調整される。また、Ｔｊ（ＰＭ１），Ｔｊ（ＰＭ２），Ｔｊ（ＰＭ３）はＴｊ（ＰＭ３）≧Ｔｊ（ＰＭ２）≧Ｔｊ（ＰＭ１）となる様に調整される。図１０中の他の場合（「熱抵抗 ＰＭ１＞ＰＭ３＞ＰＭ２」など）についても同様である。

なお、図示されていないが、パワー半導体モジュールＰＭ１の熱抵抗増分値が、パワー半導体モジュールＰＭ２，ＰＭ３の熱抵抗増分値よりも大きく、かつパワー半導体モジュールＰＭ２の熱抵抗増分値とパワー半導体モジュールＰＭ３の熱抵抗増分値が規定値１以上ではない場合、制御部３０４は、Ｖｇ（ＰＭ１）を前制御周期よりも低減して、Ｉ＿ＰＭ１をＩ＿ＰＭ２およびＩ＿ＰＭ３よりも小さくなるように調整し、かつＴｊ（ＰＭ１）をＴｉ（ＰＭ２）およびＴｊ（ＰＭ３）よりも小さくなるように調整しても良い。なお、パワー半導体モジュールＰＭ２の熱抵抗増分値が、パワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ３の熱抵抗増分値よりも大きく、かつパワー半導体モジュールＰＭ１の熱抵抗増分値とパワー半導体モジュールＰＭ３の熱抵抗増分値が規定値１以上ではない場合や、パワー半導体モジュールＰＭ３の熱抵抗増分値が、パワー半導体モジュールＰＭ１，Ｐ２の熱抵抗増分値よりも大きく、かつパワー半導体モジュールＰＭ１の熱抵抗増分値とパワー半導体モジュールＰＭ２の熱抵抗増分値が規定値１以上ではない場合についても、同様である。

更に負荷電流アンバランス運転において、少なくとも１つのパワー半導体モジュールの熱抵抗増分値が規定値２以上となった場合、すなわち、パワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２、ＰＭ３のいずれかの熱抵抗がシステム仕様を満足しないまで劣化したとき、パワー半導体モジュール故障と判定する。

一方、負荷電流アンバランス運転において、各パワー半導体モジュールの熱抵抗増分値が規定値２以下の間、制御部３０４では、３つのパワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３の熱抵増分値を算出し、熱抵抗増分値が大きいパワー半導体モジュールの負荷電流を低減するように制御する。

本実施の形態によれば、電力変換装置の並列接続された複数のパワー半導体モジュールにおいて、各モジュールの初期特性や周囲温度分布の差により、熱抵抗劣化にばらつきが発生する場合においても、熱抵抗増分情報に基づいて、劣化傾向のみられるパワー半導体モジュールの負荷電流を低減し、熱疲労の進行を抑える制御を加えることで、熱疲労に起因する各パワー半導体モジュールの寿命を均等化し、一部のパワー半導体モジュールの早期故障を回避し、パワー半導体モジュールに起因する電力変換装置の長寿命化が可能となる。

なお、本発明は前述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、前述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、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置き換えをすることが可能である。

例えば、熱抵抗の計測手段は、上述の手段に限らず、公知の各種手段を適用できる。

２０…パワー半導体モジュール
２１，２２…スイッチング素子
２３，２４…整流素子
２５…平滑コンデンサ
３１…温度センサ
３２…電流センサ
１０１…駆動回路
１０３…遅延回路部
１０４…ゲート電圧傾き可変回路部
１０５…ゲート電圧可変回路部
１０６…インタフェース（Ｉ／Ｆ）回路部
２０１…ゲート信号
３０１…Ｕ相変換器
３０２…Ｖ相変換器
３０３…Ｗ相変換器
３０４…制御部
３０５…負荷電流・電圧―損失データテーブル
３０６…熱抵抗記憶メモリ
３０７…熱抵抗算出回路
３０８…負荷電流アンバランス判定回路
３０９…ゲート駆動電圧調整回路
５０２…交流端子
１００１…放熱フィン
１００２…金属ベース
１００３…絶縁基板
１００４…パワー半導体デバイス
１００５…樹脂ケース
１０３０…インバータ

Claims (15)

1. 並列接続される複数のパワー半導体モジュールと、
   前記複数のパワー半導体モジュールを制御する制御部と、
   を備える電力変換装置において、
   前記制御部は、前記複数のパワーモジュールの内、熱抵抗の増分が最も大きなパワー半導体モジュールの負荷電流を低減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において、
   前記制御部は、前記熱抵抗の増分の大きさを、熱抵抗の計測値に基づいて判定することを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記制御部は、前記熱抵抗の増分の大きさを、熱抵抗の計測値と初期熱抵抗値との差分である熱抵抗増分値に基づいて判定することを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項２または請求項３に記載の電力変換装置において、
   前記制御部は、前記複数のパワー半導体モジュールに関する温度情報および電力損失情報から前記熱抵抗を計測することを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項４に記載の電力変換装置において、
   前記複数のパワー半導体モジュールはフィン上に載置され、
   前記温度情報は、各パワー半導体モジュールに設けられる温度センサおよび前記フィンに設けられる温度センサによって取得され、
   前記電力損失情報は、各パワー半導体モジュールに設けられる電流センサによって取得される出力電流情報および各パワー半導体モジュールの出力電圧情報に基づいて取得されることを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記制御部は、前記複数のパワー半導体モジュールのいずれかの前記熱抵抗の増分が、第１の規定値以上であると判定すると、前記熱抵抗の増分が最も大きなパワー半導体モジュールの負荷電流を低減することを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項６に記載の電力変換装置において、
   前記制御部は、前記複数のパワー半導体モジュールのいずれの前記熱抵抗の増分も、前記第１の規定値以上であると判定されない場合、前記複数のパワー半導体モジュールの負荷電流を、各パワー半導体モジュールの負荷電流が等しくなるように制御することを特徴とする電力変換装置。
8. 請求項６に記載の電力変換装置において、
   前記制御部は、他のパワー半導体モジュールの負荷電流を増加することを特徴とする電力変換装置。
9. 請求項６に記載の電力変換装置において、
   前記制御部は、前記複数のパワー半導体モジュールのいずれかの前記熱抵抗の増分が、前記第１の規定値よりも大きな第２の規定値以上であると判定すると、異常時における制御を実行することを特徴とする電力変換装置。
10. 請求項１に記載の電力変換装置において、
    前記制御部は、前記熱抵抗の増分が最も大きなパワー半導体モジュールの負荷電流が他のパワー半導体モジュールの負荷電流よりも小さくなるように、各負荷電流を制御することを特徴とする電力変換装置。
11. 請求項１に記載の電力変換装置において、
    前記制御部は、前記複数のパワー半導体モジュールの定常電流の大きさによって、前記複数のパワー半導体モジュールの負荷電流を制御することを特徴とする電力変換装置。
12. 請求項１１に記載の電力変換装置において、
    前記制御部は、前記複数のパワー半導体モジュールに与えるゲート駆動電圧の波高値によって前記定常電流の大きさを制御することを特徴とする電力変換装置。
13. 請求項１１に記載の電力変換装置において
    前記制御部は、各パワー半導体モジュールのスイッチング電流が等しくなるように、前記複数のパワー半導体モジュールの負荷電流を制御することを特徴とする電力変換装置。
14. 請求項１３に記載の電力変換装置において
    前記制御部は、各パワー半導体モジュールに与える前記ゲート駆動電圧の立ち上がりおよび立下りにおける電圧の傾きによって、前記スイッチング電流を制御することを特徴とする電力変換装置。
15. 請求項１２または請求項１４に記載の電力変換装置において、
    前記制御部は、各パワー半導体モジュールに与える前記ゲート駆動電圧のタイミングを合わせることを特徴とする電力変換装置。

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