JP3430773B2 - インバータ装置におけるスイッチング素子の過熱保護方法 - Google Patents

インバータ装置におけるスイッチング素子の過熱保護方法

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JP3430773B2 JP03320496A JP3320496A JP3430773B2 JP 3430773 B2 JP3430773 B2 JP 3430773B2 JP 03320496 A JP03320496 A JP 03320496A JP 3320496 A JP3320496 A JP 3320496A JP 3430773 B2 JP3430773 B2 JP 3430773B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、インバータ装置に
おけるスイッチング素子の過熱保護方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】図４に示すようなインバータ装置は、イ
ンバータ部１のスイッチング素子（この場合ＩＧＢＴ素
子）過熱保護のため負荷ＩＭへの出力電流を電流検出器
２で検出し、制御部３に予め設定しておいた電流値を超
えることのないようにスイッチング素子を制御してい
る。一例として、オーバーロード時の時限特性を図５に
示す。これは出力電流の大きさ及び継続時間によってリ
ミットをかけスイッチング素子を過熱保護するものであ
る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】インバータ装置によっ
てモータを運転した場合、インバータ部の上下の素子の
何れか一方が導通する。従って、低周波運転において
は、上下何れかの素子が導通する期間が長くなり、素子
ジャンクションの温度リプルが大きくなる。即ち、全損
失が等価であれば、低周波運転時ほどジャンクション温
度が高くなる。
【０００４】運転周波数の違いによる温度リプルの様子
を図６に示す。図６（ａ）は、通常運転時の出力電流波
形と、半周期毎にＯＮする素子の温度上昇を示す。図６
（ｂ）は出力電流の実効値は等しく周波数の低い場合の
出力電流波形と素子の温度上昇を示す。素子の温度は、
素子がＯＮしている間に上昇し、ＯＦＦしている間に低
下する。即ち、半周期毎に温度上昇，下降を繰り返す。
この温度の最大値と最小値の差を温度リプルと呼ぶ、低
周波運転の場合、ＯＮ又はＯＦＦしている期間が長くな
るため、素子の温度リプルが大きくなる。
【０００５】従って、上記従来のように出力電流の大き
さのみを検出して運転制限を行う手法では、低周波領域
での素子過熱保護ができておらず、低周波大電流の連続
運転出力のモードにおいては、素子のジャンクション温
度上昇により破損に至る可能があった。
【０００６】本発明は、従来のこのような問題点に鑑み
てなされたものであり、その目的とするところは、低周
波運転での素子の過熱防止ができ、装置の信頼性が向上
するインバータ装置におけるスイッチング素子の過熱保
護方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明のインバータ装置
におけるスイッチング素子の過熱保護方法は、フライホ
イールダイオードが接続されていないスイッチング素子
を用いたインバータ装置におけるスイッチング素子の加
熱保護方法であって、制御部の記憶装置に予めインバー
タの出力電流，制御率，周波数を変数として前記スイッ
チング素子の定常ＯＮ損失，スイッチング損失，過渡熱
インピーダンスなどのスイッチング素子特性データを格
納しておき、インバータの運転中、制御部のＣＰＵは、
インバータの出力電流，制御率，周波数をモニタしなが
ら、それに対応する記憶装置に格納されている出力電流
における飽和領域でのＶｃｅ電圧、矩形波に近似した出
力電流、制御率、出力電圧の位相から前記スイッチング
素子の矩形波損失を算出し、次いで前記算出された矩形
波損失と前記記憶装置に格納されているスイッチング素
子の過渡熱インピーダンスを取り入れて素子ジャンクシ
ョンの温度上昇を算出し、前記算出された素子ジャンク
ションの温度上昇が設定値を超えた場合インバータの出
力制限を行うことを特徴とする。または、フライホイー
ルダイオードを有するスイッチング素子を用いたインバ
ータ装置におけるスイッチング素子の加熱保護方法であ
って、制御部の記憶装置に予めインバータの出力電流，
制御率，周波数を変数として前記スイッチング素子の定
常ＯＮ損失，スイッチング損失，過渡熱インピーダンス
などのスイッチング素子特性データを格納しておき、イ
ンバータの運転中、制御部のＣＰＵは、インバータの出
力電流，制御率，周波数をモニタしながらそれに対応す
る記憶装置に格納されている、出力電流における飽和領
域でのＶｃｅ電圧、矩形波に近似した出力電流、制御
率、出力電圧の位相から前記スイッチング素子スイッチ
ング部の矩形波損失を算出すると共に、前記スイッチン
グ素子フライホイールダイオード部での損失を、出力電
流におけるフライホイールダイオードの順電圧降下、矩
形波に近似した出力電流、制御率、出力電圧の位相を用
いて算出し、次いで前記算出されたスイッチング素子ス
イッチング部およびフライホイールダイオード部での矩
形波損失と前記記憶装置に格納されているスイッチング
素子の過渡熱インピーダンスを取り入れて素子ジャンク
ションの温度上昇を算出し、前記算出され た素子ジャン
クションの温度上昇が設定値を超えた場合インバータの
出力制限を行うことを特徴とする。
【０００８】あるいは、フライホイールダイオードが接
続されていないスイッチング素子を用いたインバータ装
置におけるスイッチング素子の加熱保護方法であって、
予めインバータの出力周波数、出力電流などの損失決定
要素を変化させた場合の前記スイッチング素子の損失
を、出力電流における飽和領域でのＶｃｅ電圧、矩形波
に近似した出力電流、制御率、出力電圧の位相を用いて
算出し、前記算出したスイッチング素子の損失と過度熱
インピーダンスを用いてスイッチング素子の損失ジャン
クション温度上昇を算出し、このスイッチング素子の損
失ジャンクション温度上昇データを矩形波に近似した出
力電流，制御率，周波数を変数として制御部の記憶装置
に格納しておき、インバータの運転中、制御部のＣＰＵ
は、インバータの出力電流，制御率及び出力周波数をモ
ニタしながら、それに対応する前記記憶装置に格納され
ているスイッチング素子の損失ジャンクション温度上昇
データを取り出して素子温度設定値と比較し、前記取り
出されたスイッチング素子の損失ジャンクション温度上
昇が設定値を超えた場合インバータの出力制限を行うこ
とを特徴とする。または、フライホイールダイオードを
有するスイッチング素子を用いたインバータ装置におけ
るスイッチング素子の加熱保護方法であって、予めイン
バータの出力周波数、出力電流などの損失決定要素を変
化させた場合の前記スイッチング素子スイッチング部で
の損失を、出力電流における飽和領域でのＶｃｅ電圧、
矩形波に近似した出力電流、制御率、出力電圧の位相を
用いて算出すると共に、前記スイッチング素子フライホ
イールダイオード部での損失を、出力電流におけるフラ
イホイールダイオードの順電圧降下、矩形波に近似した
出力電流、制御率、出力電圧の位相を用いて算出し、前
記算出したスイッチング素子の損失と過度熱インピーダ
ンスを用いてスイッチング素子の損失ジャンクション温
度上昇を算出して、このスイッチング素子の損失ジャン
クション温度上昇データを矩形波に近似した出力電流，
制御率，周波数を変数として記憶装置に格納しておき、
インバータの運転中、制御部のＣＰＵは、インバータの
出力電流，制御率及び出力周波数をモニタしながら、そ
れに対応する前記記憶装置に格納されているスイッチン
グ素子の損失ジャンクション温度上昇データを取り出し
て素子温度設定値と比較 し、前記取り出したスイッチン
グ素子の損失ジャンクション温度上昇が設定値を超えた
場合インバータの出力制限を行うことを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１ 図１にインバータ装置の構成例を示す。図１において、
１はスイッチング素子にフライホイールダイオード（Ｆ
ＷＤ）を有するＩＧＢＴ素子を用いたインバータ部、２
はインバータ部１の出力電流を検出する電流検出器、３
はインバータ部１をＰＷＭ制御すると共に、ＣＰＵに出
力電流，周波数等を取り入れて素子ジャンクション温度
を演算してＩＧＢＴ素子を過熱保護する制御部、ＩＭは
負荷としてのモータを示す。
【００１０】ＩＧＢＴ素子の温度上昇は素子における損
失に起因するものである。従って温度上昇を低く抑える
には、損失を少なくする必要がある。
【００１１】三角搬送波と正弦波の比較によるＰＷＭ信
号のデューティ変化は、出力電圧の位相に対して、ＩＧ
ＢＴ素子のＩＧＢＴ部、ＦＷＤ部それぞれ、（１）式お
よび（２）式で表される。（参考文献：電学論Ｄ，１１
１巻９号（平成３年）Ｐ．７４１「ＰＷＭインバータの
短絡電流抑制と損失評価」
【００１２】
【数１】
【００１３】また、素子のＩＧＢＴ部、ＦＷＤ部のそれ
ぞれの損失は一般に（３）式および（４）式で表され
る。
【００１４】
【数２】
【００１５】従って損失を決める要因は、素子特性，出
力電流Ｉ，制御率ａ，及び出力電圧位相θである。
【００１６】損失から素子の温度上昇を計算する手順と
しては、まず、出力電流をある時間幅で刻み矩形波出力
電流に近似する。（３）式，（４）式を用い、損失を矩
形波に近似する。矩形波損失の概念図を図２に示す。こ
の損失と、予めの記憶装置に格納されている素子の過渡
熱インピーダンスによってジャンクション温度を算出す
る。時刻ｔoからｔnまで損失をｎ分割した場合の時刻ｔ
nにおける温度上昇は（５）式で表される。
【００１７】
【数３】
【００１８】（５）式より、素子ジャンクションの温度
上昇には、損失及び損失の継続時間が影響する。
【００１９】しかして、制御部３の記憶装置に予め出力
電流，制御率，周波数を変数として素子の定常ＯＮ損
失，スイッチング損失，過渡熱インピーダンスなどのス
イッチング素子特性データは制御部３の記憶装置に格納
しておく。
【００２０】インバータの運転中、制御部３のＣＰＵ
は、出力電流，制御率，周波数をモニタしながら、それ
に対応する記憶装置に格納されているスイッチング素子
特性のデータを取り入れて（３）式，（４）式，により
素子の矩形波損失Ｐi（＝Ｐ1，Ｐ2…Ｐn）を計算し、こ
の矩形波損失と記憶装置に格納されている素子の過渡熱
インピーダンスを取り入れて（５）式により素子ジャン
クションの温度上昇を計算し、温度上昇が設定値を超え
た場合インバータの出力制限を行う。
【００２１】実施の形態２のインバータ装置の構成を図
３に示す。上記（３）式，（４）式，（５）式を用いた
運転中の計算は、ＣＰＵの大きな負担になる。このた
め、制御部３は、事前にＣＰＵにより出力周波数，出力
電流などの損失決定要素を変化させた場合の素子ジャン
クション温度上昇を（３）式，（４）式，（５）式を用
いて計算し、その結果の温度上昇データを矩形波に近似
した出力電流，制御率，周波数を変数として記憶装置に
格納しておく。
【００２２】そして、運転中、ＣＰＵは、出力電流，制
御率及び出力周波数をモニタしながら、記憶装置に格納
してある温度上昇データを取り入れ、素子温度設定値と
比較して、その温度上昇が設定値より大きくなるような
条件で運転することのないように、インバータを制御す
る。
【００２３】上記ではスイッチング素子としてＦＷＤ部
を有するＩＧＢＴ素子を用いた例について説明したが、
これに限定されるものでないことはいうまでもない。Ｆ
ＷＤ部を有しない素子の場合、（４）式の計算は不要と
なる。
【００２４】
【発明の効果】本発明は、上述のとおり構成されている
ので、次に記載する効果を奏する。 （１）低周波運転での素子の過熱防止ができ、スイッチ
ング素子の熱ダメージを低減し、インバータ装置の高い
信頼性が得られる。
【００２５】（２）演算のための入力データを予め演算
し、パラメータ化することにより、運転中のＣＰＵの負
担を軽くしながらも、素子の過熱保護が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１にかかるインバータ装置の構成説
明図。
【図２】素子温度計算のための損失の離散化の説明図。
【図３】実施の形態２にかかるインバータ装置の構成説
明図。
【図４】従来インバータ装置の構成説明図。
【図５】オーバーロード時の時限特性図。
【図６】（ａ）および（ｂ）は通常運転時および低周波
運転時の温度リプル説明図。
【符号の説明】
１…インバータ部 ２…電流検出器 ３…制御部 Ｉ…出力電流（検出電流） ＩＭ…モータ（負荷） ＩＧＢＴ…スイッチング素子（ＩＧＢＴ素子） ＦＷＤ…フライホイールダイオード（帰還ダイオード） ａ…制御率 θ…出力電圧の位相 ＰT…ＩＧＢＴ部での損失 ＰTOV…ＩＧＢＴ部での定常ＯＮ損失 ＰTSW…ＩＧＢＴ部でのスイッチング損失 ＰD…ＦＷＤ部での定常ＯＮ損失 ＶF（＠Ｉ）…出力電流ＩにおけるＦＷＤの順電圧降下 Ｖce(set)（＠Ｉ）…出力電流Ｉにおける飽和領域での
Ｖce Ｐi…矩形波損失（時間で分割した損失） Ｚth…過渡熱インピーダンス。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H02M 7/48 H02H 7/122 H02M 1/00 H02P 7/63

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 フライホイールダイオードが接続されて
    いないスイッチング素子を用いたインバータ装置におけ
    るスイッチング素子の加熱保護方法であって、 制御部の記憶装置に予めインバータの出力電流，制御
    率，周波数を変数として前記スイッチング素子の定常Ｏ
    Ｎ損失，スイッチング損失，過渡熱インピーダンスなど
    のスイッチング素子特性データを格納しておき、 インバータの運転中、制御部のＣＰＵは、インバータの
    出力電流，制御率，周波数をモニタしながら、それに対
    応する記憶装置に格納されている出力電流における飽和
    領域でのＶｃｅ電圧、矩形波に近似した出力電流、制御
    率、出力電圧の位相から前記スイッチング素子の矩形波
    損失を算出し、 次いで前記算出された矩形波損失と前記記憶装置に格納
    されているスイッチング素子の過渡熱インピーダンスを
    取り入れて素子ジャンクションの温度上昇を算出し、 前記算出された素子ジャンクションの温度上昇が設定値
    を超えた場合インバータの出力制限を行う ことを特徴と
    するインバータ装置におけるスイッチング素子の過熱保
    護方法。
  2. 【請求項２】 フライホイールダイオードを有するスイ
    ッチング素子を用いたインバータ装置におけるスイッチ
    ング素子の加熱保護方法であって、 制御部の記憶装置に予めインバータの出力電流，制御
    率，周波数を変数として前記スイッチング素子の定常Ｏ
    Ｎ損失，スイッチング損失，過渡熱インピーダンスなど
    のスイッチング素子特性データを格納しておき、 インバータの運転中、制御部のＣＰＵは、インバータの
    出力電流，制御率，周波数をモニタしながらそれに対応
    する記憶装置に格納されている、出力電流における飽和
    領域でのＶｃｅ電圧、矩形波に近似した出力電流、制御
    率、出力電圧の位相から前記スイッチング素子スイッチ
    ング部の矩形波損失を算出すると共に、前記スイッチン
    グ素子フライホイールダイオード部での損失を、出力電
    流におけるフライホイールダイオードの順電圧降下、矩
    形波に近似した出力電流、制御率、出力電圧の位相を用
    いて算出し、 次いで前記算出されたスイッチング素子スイッチング部
    およびフライホイール ダイオード部での矩形波損失と前
    記記憶装置に格納されているスイッチング素子の過渡熱
    インピーダンスを取り入れて素子ジャンクションの温度
    上昇を算出し、 前記算出された素子ジャンクションの温度上昇が設定値
    を超えた場合インバータの出力制限を行う ことを特徴と
    するインバータ装置におけるスイッチング素子の過熱保
    護方法。
  3. 【請求項３】 フライホイールダイオードが接続されて
    いないスイッチング素子を用いたインバータ装置におけ
    るスイッチング素子の加熱保護方法であって、 予めインバータの出力周波数、出力電流などの損失決定
    要素を変化させた場合の前記スイッチング素子の損失
    を、出力電流における飽和領域でのＶｃｅ電圧、矩形波
    に近似した出力電流、制御率、出力電圧の位相を用いて
    算出し、 前記算出したスイッチング素子の損失と過度熱インピー
    ダンスを用いてスイッチング素子の損失ジャンクション
    温度上昇を算出し、このスイッチング素子の損失ジャン
    クション温度上昇データを矩形波に近似した出力電流，
    制御率，周波数を変数として制御部の記憶装置に格納し
    ておき、 インバータの運転中、制御部のＣＰＵは、インバータの
    出力電流，制御率及び出力周波数をモニタしながら、そ
    れに対応する前記記憶装置に格納されているスイッチン
    グ素子の損失ジャンクション温度上昇データを取り出し
    て素子温度設定値と比較し、 前記取り出されたスイッチング素子の損失ジャンクショ
    ン温度上昇が設定値を超えた場合インバータの出力制限
    を行う ことを特徴とするインバータ装置におけるスイッ
    チング素子の過熱保護方法。
  4. 【請求項４】 フライホイールダイオードを有するスイ
    ッチング素子を用いたインバータ装置におけるスイッチ
    ング素子の加熱保護方法であって、 予めインバータの出力周波数、出力電流などの損失決定
    要素を変化させた場合の前記スイッチング素子スイッチ
    ング部での損失を、出力電流における飽和領域でのＶｃ
    ｅ電圧、矩形波に近似した出力電流、制御率、出力電圧
    の位相を用いて算出すると共に、前記スイッチング素子
    フライホイールダイオード部での損失を、出力電流にお
    けるフライホイールダイオードの順電圧降下、矩形波に
    近似した出力電流、制御率、出力電圧の位相を用いて算
    出し、 前記算出したスイッチング素子の損失と過度熱インピー
    ダンスを用いてスイッチング素子の損失ジャンクション
    温度上昇を算出して、このスイッチング素子の損失ジャ
    ンクション温度上昇データを矩形波に近似した出力電
    流，制御率，周波数を変数として記憶装置に格納してお
    き、 インバータの運転中、制御部のＣＰＵは、インバータの
    出力電流，制御率及び出力周波数をモニタしながら、そ
    れに対応する前記記憶装置に格納されているスイッチン
    グ素子の損失ジャンクション温度上昇データを取り出し
    て素子温度設定値と比較し、 前記取り出したスイッチング素子の損失ジャンクション
    温度上昇が設定値を超えた場合インバータの出力制限を
    行う ことを特徴とするインバータ装置におけるスイッチ
    ング素子の過熱保護方法。
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