JP7167319B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
本発明は、電力変換装置に関する。
電力変換装置は、直流電力を交流電力に変換する半導体素子を有する。半導体素子として、IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）等が用いられている。高電圧大電流をスイッチングする半導体素子はスイッチング損失等により発熱する。このため、半導体素子の近傍に感温ダイオード等の温度検出素子を配置して半導体素子の温度を検出し、半導体素子が許容温度を超えないように制御している。電力変換装置には、例えば３相モータを駆動する場合は、ＵＶＷ相の各相で２個、合計６個の半導体素子が使用されており、各相の半導体素子の温度検出部も複数必要となる。
特許文献１には、１つのＩＧＢＴの温度を検出する感温ダイオードを備え、温度を検出していない半導体素子の温度を計算処理によって推定する電力変換装置が記載されている。
特許文献１には、１つのＩＧＢＴの温度を検出する感温ダイオードを備え、温度を検出していない半導体素子の温度を計算処理によって推定する電力変換装置が記載されている。
特許文献１に記載の装置では、温度を推定するための複雑な計算処理等が必要になる課題があった。
本発明による電力変換装置は、直流電力を複数相の交流電力に変換する複数の半導体素子を有する電力変換回路部と、前記複数相の交流電力のうちいずれかの相に対応する前記半導体素子の温度を検出する温度検出部と、を備え、前記温度検出部で温度を検出する前記半導体素子を、温度を検出しない他の前記半導体素子よりスイッチング損失による発熱が大きくなるように駆動する。
本発明によれば、温度検出部を必要最小限にして、温度を推定するための複雑な計算処理等も不要になる。
［第１の実施形態]
図１は、電力変換装置１の回路構成図である。
電力変換装置１は、直流電流を交流電流に変換するための半導体素子を有する回路で構成される。電力変換装置１は、バッテリ２を動力源とし、半導体素子のオン、オフを切り変えて所望の電流を流すことでモータ３の駆動を制御する。そして、バッテリ２とモータ３の間で直流電力と交流電力の変換を行う。バッテリ２と電力変換装置１はリレー４を介して接続される。また、電力変換装置１には、上位制御部５が接続される。
図１は、電力変換装置１の回路構成図である。
電力変換装置１は、直流電流を交流電流に変換するための半導体素子を有する回路で構成される。電力変換装置１は、バッテリ２を動力源とし、半導体素子のオン、オフを切り変えて所望の電流を流すことでモータ３の駆動を制御する。そして、バッテリ２とモータ３の間で直流電力と交流電力の変換を行う。バッテリ２と電力変換装置１はリレー４を介して接続される。また、電力変換装置１には、上位制御部５が接続される。
電力変換装置１は、電力変換を行う電力変換回路部１０と、直流電流を平滑化するためのコンデンサ１１と、駆動電源部１２と、駆動回路部１３と、温度検出部１４と、制御部１５を備える。制御部１５には外部電源６から電力が供給される。
電力変換回路部１０は、ＵＶＷ相の上下アーム直列回路を有する。Ｕ相上下アーム直列回路は、Ｕ相上アーム半導体素子Ｔｕｕ及びＵ相上アームダイオードＤｕｕと、Ｕ相下アーム半導体素子Ｔｕｌ及びＵ相下アームダイオードＤｕｌと、よりなる。Ｖ相上下アーム直列回路は、Ｖ相上アーム半導体素子Ｔｖｕ及びＶ相上アームダイオードＤｖｕと、Ｖ相下アーム半導体素子Ｔｖｌ及びＶ相下アームダイオードＤｖｌと、よりなる。Ｗ相上下アーム直列回路は、Ｗ相上アーム半導体素子Ｔｗｕ及びＷ相上アームダイオードＤｗｕと、Ｗ相下アーム半導体素子Ｔｗｌ及びＷ相下アームダイオードＤｗｌと、よりなる。
駆動電源部１２は、正極バスバーＰおよび負極バスバーＮに接続されて電力が供給され、ＤＣ－ＡＣコンバータ、トランス、ＡＣ－ＤＣコンバータを内蔵し、各相の半導体素子を駆動する駆動回路の電源電圧Ｖｕｕ、Ｖｖｕ、Ｖｗｕ、Ｖｕｌ、Ｖｖｌ、Ｖｗｌを出力する。
駆動回路部１３は、電源電圧Ｖｕｕが供給されＵ相上アーム半導体素子Ｔｕｕをオンオフ制御する駆動回路Ｇｕｕと、電源電圧Ｖｖｕが供給されＶ相上アーム半導体素子Ｔｖｕをオンオフ制御する駆動回路Ｇｖｕと、電源電圧Ｖｗｕが供給されＷ相上アーム半導体素子Ｔｗｕをオンオフ制御する駆動回路Ｇｗｕとを備える。さらに、電源電圧Ｖｕｌが供給されＵ相下アーム半導体素子Ｔｕｌをオンオフ制御する駆動回路Ｇｕｌと、電源電圧Ｖｖｌが供給されＶ相下アーム半導体素子Ｔｖｌをオンオフ制御する駆動回路Ｇｖｌと、電源電圧Ｖｗｌが供給されＷ相下アーム半導体素子Ｔｗｌをオンオフ制御する駆動回路Ｇｗｌとを備える。
温度検出部１４は、感温ダイオードＴｄに基づいて温度を検出する温度検出回路１４１を備える。本実施形態では、感温ダイオードＴｄはＵ相下アーム半導体素子Ｔｕｌの近傍に配置され、その他の半導体素子の近傍には感温ダイオードは配置されていない。
制御部１５は、マイコン１５１を備え、電流センサ１６により検知されたモータ３に供給される電流値が入力され、上位制御部５からの指令値に応答して、駆動回路Ｇｕｕ～駆動回路Ｇｗｌへ駆動信号を出力する。また、制御部１５には、温度検出部１４で検出された温度が入力され、制御部１５は、半導体素子が許容温度を超えないように制御する。
図２は、駆動回路部１３の要部を示す回路図である。
図２に示すように、Ｕ相下アーム半導体素子Ｔｕｌの近傍に感温ダイオードＴｄが配置されている。温度検出部１４は、感温ダイオードＴｄに基づいて温度を検出する温度検出回路１４１を備え、検出された温度はマイコン１５１へ入力される。
図２に示すように、Ｕ相下アーム半導体素子Ｔｕｌの近傍に感温ダイオードＴｄが配置されている。温度検出部１４は、感温ダイオードＴｄに基づいて温度を検出する温度検出回路１４１を備え、検出された温度はマイコン１５１へ入力される。
マイコン１５１より駆動信号が駆動回路Ｇｕｌへ出力される。駆動回路Ｇｕｌは、ゲート制御回路１３１、オン側ゲート抵抗Ｒｇ１、オフ側ゲート抵抗Ｒｇ２、ゲート-エミッタ間のコンデンサＣｇｅを備える。また、駆動電源部１２より電源電圧Ｖｕｌがゲート制御回路１３１および温度検出回路１４１へ駆動用電源として供給される。
ゲート制御回路１３１は、マイコン１５１より入力された駆動信号に応答してオン信号をオン側ゲート抵抗Ｒｇ１へ出力することにより、Ｕ相下アーム半導体素子Ｔｕｌをオンにする。なお、ゲート制御回路１３１は、オフ側ゲート抵抗Ｒｇ２へゼロ電位を出力している。
なお、図２ではＵ相下アーム半導体素子Ｔｕｌを駆動する駆動回路Ｇｕｌを示したが、他の相の駆動回路Ｇｕｕ、Ｇｖｕ～Ｇｗｌも同様な構成である。但し、本実施形態では、後述するように駆動回路Ｇｕｌのオン側ゲート抵抗Ｒｇ１およびオフ側ゲート抵抗Ｒｇ２の抵抗値が他の相の駆動回路Ｇｕｕ、Ｇｖｕ～Ｇｗｌの抵抗値とは異なる。なお、各相のコンデンサＣｇｅの容量は全て同一の値である。
Ｕ相下アーム半導体素子Ｔｕｌのスイッチング特性はオン側ゲート抵抗Ｒｇ１とオフ側ゲート抵抗Ｒｇ２の２つで構成されるゲート抵抗で決まる。ゲート抵抗の抵抗値を大きくするとＵ相下アーム半導体素子Ｔｕｌのスイッチング損失は増大するが、スイッチングにより発生するサージ電圧のピークは減少する。通常、ゲート抵抗の抵抗値はサージ電圧が半導体素子の定格電圧を超えない範囲でスイッチング損失が最小となるように設定される。本実施形態では、温度検出部１４で温度を検出するＵ相下アーム半導体素子Ｔｕｌのスイッチング特性を定めるゲート抵抗の抵抗値を、温度を検出しない他の半導体素子のスイッチング特性を定めるゲート抵抗よりスイッチング損失による発熱が大きくなる値に定める。すなわち、Ｕ相下アーム半導体素子Ｔｕｌを他相の半導体素子より温度が高くなるようにゲート抵抗を大きくし、これにより、スイッチング損失を増大させた相を意図的に作りその相の温度を検出する。
温度検出のばらつきを考慮して、温度検出する相の温度の最小値が、温度検出しない相の温度の最大値より大きくなるように、温度検出する相のスイッチング損失を設定する。
温度検出のばらつき要因として構造的な冷却効率、半導体素子の特性、温度検出回路の特性が考えられる。そこで、例えば、温度ばらつきが±10%の場合には温度上昇が+20%以上となるように温度を検出する相のスイッチング損失を増大させる。
温度検出のばらつき要因として構造的な冷却効率、半導体素子の特性、温度検出回路の特性が考えられる。そこで、例えば、温度ばらつきが±10%の場合には温度上昇が+20%以上となるように温度を検出する相のスイッチング損失を増大させる。
図３（Ａ）、図３（Ｂ）は、本実施形態を適用した場合のモータ電流と温度および損失の関係を示すグラフである。
図３（Ａ）は、横軸にモータ電流を、縦軸に温度を示す。Ｕ相下アーム半導体素子Ｔｕｌを他相の半導体素子より温度が高くなるようにゲート抵抗を大きくした場合、他相、例えばＷ相よりも、温度が高くなっている。その温度の差はモータ電流の大きさに比例して大きくなる。
図３（Ｂ）は、横軸にモータ電流を、縦軸に損失を示す。Ｕ相下アーム半導体素子Ｔｕｌを他相の半導体素子より温度が高くなるようにゲート抵抗を大きくした場合、他相、例えばＷ相よりも、損失が高くなっている。その損失の差はモータ電流の大きさに比例して大きくなる。
本実施形態によれば、特定の相の半導体素子の温度を検出することにより、その他の相の半導体素子を含む過温度保護について信頼性を維持しながら低コストで実現できる。
［第２の実施形態]
次に、第２の実施形態について説明する。図１に示す電力変換装置の回路構成図、図２に示す駆動回路および温度検出部の回路構成図、図３に示すＵ相Ｖ相の温度と損失を示すグラフは、本実施形態でも同様である。
次に、第２の実施形態について説明する。図１に示す電力変換装置の回路構成図、図２に示す駆動回路および温度検出部の回路構成図、図３に示すＵ相Ｖ相の温度と損失を示すグラフは、本実施形態でも同様である。
本実施形態では、図２に示すゲート-エミッタ間のコンデンサＣｇｅについて、温度を検出する相のコンデンサＣｇｅの容量を、温度を検出しない他の相の容量より大きな容量に設定する。すなわち、Ｕ相下アーム半導体素子Ｔｕｌを他相の半導体素子より温度が高くなるようにコンデンサＣｇｅの容量を大きくし、これにより、スイッチング損失を増大させた相を意図的に作りその相の温度を検出する。なお、各相のゲート抵抗の抵抗値は全て同一の値である。
温度検出のばらつきを考慮して、温度検出する相の温度の最小値が、温度検出しない相の温度の最大値より大きくなるように、温度検出する相のスイッチング損失を設定する。
温度検出のばらつき要因として構造的な冷却効率、半導体素子の特性、温度検出回路の特性が考えられる。そこで、例えば、温度ばらつきが±10%の場合には温度上昇が+20%以上となるように温度を検出する相のスイッチング損失を増大させる。
温度検出のばらつき要因として構造的な冷却効率、半導体素子の特性、温度検出回路の特性が考えられる。そこで、例えば、温度ばらつきが±10%の場合には温度上昇が+20%以上となるように温度を検出する相のスイッチング損失を増大させる。
本実施形態によれば、特定の相の半導体素子の温度を検出することにより、その他の相の半導体素子を含む過温度保護について信頼性を維持しながら低コストで実現できる。
［第３の実施形態]
次に、第３の実施形態について説明する。図１に示す電力変換装置の回路構成図、図２に示す駆動回路および温度検出部の回路構成図、図３に示すＵ相Ｖ相の温度と損失を示すグラフは、本実施形態でも同様である。
次に、第３の実施形態について説明する。図１に示す電力変換装置の回路構成図、図２に示す駆動回路および温度検出部の回路構成図、図３に示すＵ相Ｖ相の温度と損失を示すグラフは、本実施形態でも同様である。
本実施形態では、図１に示す駆動電源部１２から駆動回路Ｇｕｌへ供給される電源電圧Ｖｕｌを、他の駆動回路へ供給される電源電圧Ｖｕｕ、Ｖｖｕ、Ｖｗｕ、Ｖｖｌ、Ｖｗｌより低い電圧にする。電圧を下げることにより、オン側ゲート抵抗Ｒｇ１とオフ側ゲート抵抗Ｒｇ２で構成されるゲート抵抗を用いたスイッチング損失が増える。すなわち、Ｕ相下アーム半導体素子Ｔｕｌを他相の半導体素子より温度が高くなるように駆動回路Ｇｕｌを低い電圧で駆動し、これにより、スイッチング損失を増大させた相を意図的に作りその相の温度を検出する。なお、各相のゲート抵抗の抵抗値、コンデンサＣｇｅの容量は全て同一の値である。
温度検出のばらつきを考慮して、温度検出する相の温度の最小値が、温度検出しない相の温度の最大値より大きくなるように、温度検出する相のスイッチング損失を設定する。
温度検出のばらつき要因として構造的な冷却効率、半導体素子の特性、温度検出回路の特性が考えられる。そこで、例えば、温度ばらつきが±10%の場合には温度上昇が+20%以上となるように温度を検出する相のスイッチング損失を増大させる。
温度検出のばらつき要因として構造的な冷却効率、半導体素子の特性、温度検出回路の特性が考えられる。そこで、例えば、温度ばらつきが±10%の場合には温度上昇が+20%以上となるように温度を検出する相のスイッチング損失を増大させる。
本実施形態によれば、特定の相の半導体素子の温度を検出することにより、その他の相の半導体素子を含む過温度保護について信頼性を維持しながら低コストで実現できる。
以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）電力変換装置１は、直流電力を複数相の交流電力に変換する複数の半導体素子を有する電力変換回路部１０と、複数相の交流電力のうちいずれかの相に対応する半導体素子の温度を検出する温度検出部１４と、を備え、温度検出部１４で温度を検出する半導体素子を、温度を検出しない他の半導体素子よりスイッチング損失による発熱が大きくなるように駆動する。これにより、温度検出部を必要最小限にして、温度を推定するための複雑な計算処理等も不要になる。
（１）電力変換装置１は、直流電力を複数相の交流電力に変換する複数の半導体素子を有する電力変換回路部１０と、複数相の交流電力のうちいずれかの相に対応する半導体素子の温度を検出する温度検出部１４と、を備え、温度検出部１４で温度を検出する半導体素子を、温度を検出しない他の半導体素子よりスイッチング損失による発熱が大きくなるように駆動する。これにより、温度検出部を必要最小限にして、温度を推定するための複雑な計算処理等も不要になる。
（変形例）
本発明は、以上説明した第１乃至第３の実施形態を次のように変形して実施することができる。
（１）各実施形態では特定の１相で温度を検出する例で説明したが、特定の複数相で温度を検出するようにしてもよい。この場合は、検出した温度が高い方の温度に基づいて、許容温度を超えないように制御する。
本発明は、以上説明した第１乃至第３の実施形態を次のように変形して実施することができる。
（１）各実施形態では特定の１相で温度を検出する例で説明したが、特定の複数相で温度を検出するようにしてもよい。この場合は、検出した温度が高い方の温度に基づいて、許容温度を超えないように制御する。
（２）各実施形態の電力変換回路部は、ＵＶＷ相の三相の例で説明したが、三相に限らず複数相にも適用できる。
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上述の実施形態と複数の変形例を組み合わせた構成としてもよい。
１ 電力変換装置
２ バッテリ
３ モータ
４ リレー
５ 上位制御部
６ 外部電源
１０ 電力変換回路部
１１ コンデンサ
１２ 駆動電源部
１３ 駆動回路部
１４ 温度検出部
１５ 制御部
１６ 電流センサ
１３１ ゲート制御回路
１４１ 温度検出回路
１５１ マイコン
Ｔｕｕ Ｕ相上アーム半導体素子
Ｔｕｌ Ｕ相下アーム半導体素子
Ｔｖｕ Ｖ相上アーム半導体素子
Ｔｖｌ Ｖ相下アーム半導体素子
Ｔｗｕ Ｗ相上アーム半導体素子
Ｔｗｌ Ｗ相下アーム半導体素子
Ｄｕｕ Ｕ相上アームダイオード
Ｄｕｌ Ｕ相下アームダイオード
Ｄｖｕ Ｖ相上アームダイオード
Ｄｖｌ Ｖ相下アームダイオード
Ｄｗｕ Ｗ相上アームダイオード
Ｄｗｌ Ｗ相下アームダイオード
Ｃｇｅ ゲート-エミッタ間のコンデンサ
Ｔｄ 感温ダイオード
Ｒｇ１ オン側ゲート抵抗
Ｒｇ２ オフ側ゲート抵抗
Ｇｕｕ、Ｇｖｕ、Ｇｗｕ、Ｇｕｌ、Ｇｖｌ、Ｇｗｌ 駆動回路
２ バッテリ
３ モータ
４ リレー
５ 上位制御部
６ 外部電源
１０ 電力変換回路部
１１ コンデンサ
１２ 駆動電源部
１３ 駆動回路部
１４ 温度検出部
１５ 制御部
１６ 電流センサ
１３１ ゲート制御回路
１４１ 温度検出回路
１５１ マイコン
Ｔｕｕ Ｕ相上アーム半導体素子
Ｔｕｌ Ｕ相下アーム半導体素子
Ｔｖｕ Ｖ相上アーム半導体素子
Ｔｖｌ Ｖ相下アーム半導体素子
Ｔｗｕ Ｗ相上アーム半導体素子
Ｔｗｌ Ｗ相下アーム半導体素子
Ｄｕｕ Ｕ相上アームダイオード
Ｄｕｌ Ｕ相下アームダイオード
Ｄｖｕ Ｖ相上アームダイオード
Ｄｖｌ Ｖ相下アームダイオード
Ｄｗｕ Ｗ相上アームダイオード
Ｄｗｌ Ｗ相下アームダイオード
Ｃｇｅ ゲート-エミッタ間のコンデンサ
Ｔｄ 感温ダイオード
Ｒｇ１ オン側ゲート抵抗
Ｒｇ２ オフ側ゲート抵抗
Ｇｕｕ、Ｇｖｕ、Ｇｗｕ、Ｇｕｌ、Ｇｖｌ、Ｇｗｌ 駆動回路
Claims (4)
- 直流電力を複数相の交流電力に変換する複数の半導体素子を有する電力変換回路部と、
前記複数相の交流電力のうちいずれかの相に対応する前記半導体素子の温度を検出する温度検出部と、を備え、
前記温度検出部で温度を検出する前記半導体素子を、温度を検出しない他の前記半導体素子よりスイッチング損失による発熱が大きくなるように駆動する電力変換装置。 - 請求項１に記載の電力変換装置において、
前記温度検出部で温度を検出する前記半導体素子のスイッチング特性を定めるゲート抵抗を、温度を検出しない他の前記半導体素子のスイッチング特性を定めるゲート抵抗よりスイッチング損失による発熱が大きくなる値に定める電力変換装置。 - 請求項１に記載の電力変換装置において、
前記温度検出部で温度を検出する前記半導体素子のゲート-エミッタ間の容量を、温度を検出しない他の前記半導体素子のゲート-エミッタ間の容量よりスイッチング損失が大きくなる値に定める電力変換装置。 - 請求項１に記載の電力変換装置において、
前記温度検出部で温度を検出する前記半導体素子の駆動回路に対する駆動電圧を、温度を検出しない他の前記半導体素子の駆動回路に対する駆動電圧より低い値に定める電力変換装置。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2019078469 | 2019-04-17 | ||
| JP2019078469 | 2019-04-17 | ||
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2020
- 2020-03-13 WO PCT/JP2020/011015 patent/WO2020213317A1/ja not_active Ceased
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