JPH0284011A - 電力変換装置の温度保護方法 - Google Patents

電力変換装置の温度保護方法

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JPH0284011A
JPH0284011A JP63233114A JP23311488A JPH0284011A JP H0284011 A JPH0284011 A JP H0284011A JP 63233114 A JP63233114 A JP 63233114A JP 23311488 A JP23311488 A JP 23311488A JP H0284011 A JPH0284011 A JP H0284011A
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JP
Japan
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temperature
current
junction
ripple
semiconductor element
Prior art date
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JP63233114A
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English (en)
Inventor
Masato Mochizuki
望月 昌人
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Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、冷却フィンに半導体素子を装着して構成し
ている電力変換装置を電流制御する場合に、この半導体
素子が温度的に破損するのを防止できる、電力変換装置
の温度保護方法に関する。
〔従来の技術) インバータやチヲッパのような電力変換装置は、半導体
素子たとえばGTOサイリスクにより電流をオン・オフ
させることにより、所望の電力変換を行うのであるが、
−aに半導体素子は、この電流による発熱を存効に放散
できないことと、当該半導体素子のジャンクジタン温度
が所定値以上になると破損してしまうことから、熱伝導
の良好な材料を使用し、放熱面積が大となる構造の冷却
フィンにこの半導体素子を装着して、その発生熱をこの
冷却フィンに移すようにしている。
上述のようにして、半導体素子の発生熱を放散させつつ
、この半導体素子のジャンクジタン温度を監視し、この
温度が危険値に到達すれば電力変換装置の運転を停止さ
せて、過熱による破を員を防止するのであるが、ジャン
クシジン温度を計測することはきわめて困難である。そ
こで、実際には次のようにしてジャンクション温度を推
定し、保護装置を動作させるようにしている。たとえば
、冷却フィンに温度検出手段を取付け、これの検出温度
がある値を越えた場合に保護装置を作動させる。あるい
は、電力変換装置の出力電流を検出し、この電流の大き
さをいくつかに区分し、各電流区分ごとにその通電時間
を定めておき、所定時間が経過すればジャンクシジン温
度が危険値に到達したものと見做して、保護装置を作動
させるなどである。
しかしながら、上述の保護方法のうちで前者のものは、
たとえば半導体素子に突発的に過大な電流が流れること
により、この半導体素子での発生ti失が急、激に増大
した場合に、この素子の熱時定数は冷却フィンの熱時定
数にくらべて十分に小さいことから、この半導体素子の
ジャンクジタン温度のみが急激に上昇し、冷却フィンの
温度は中々−1:、dシないという事態を生じるので、
冷却フィンの温度を監視するのみでは、上述の現象によ
るジャンクシジン温度の上昇を検出できず、従ってこの
半導体素子を確実に保護できない欠点を有する。
また後者の保護方法は、電力変換装置の出力電流の大き
さを区分する幅を広くすれば、保護する温度の限度が粗
くなるので、使用する半導体素子が有する通電容量を1
00%活用することができないことになるので、電力変
換装置の容量が減少することになる。そこで、電流区分
の幅を狭くして電流の分解能を良好にすれば、半導体素
子の通電容量をほぼ完全に活用できることになるが、そ
の代りに、電流区分の細分化に従って保護のための回路
が複雑になり、高価なものとなる欠点を存する。
そこで、上述の欠点を解消する考案が「実願昭62−1
65507号」により提案されている。
第6図は電力変換装置の温度保護の従来例を示すフロー
チャートであって、上述の[実願昭62−165507
号」において提案のものである。
この第6図に示すフローチャートの動作の概要は次のと
おりである。すなわち、半導体素子に突発的に大電流が
流れたときには、半導体素子のジャンクション部と冷却
フィンとの間に温度差を生じることと、冷却フィンとそ
の周囲との間に温度差があること、かつ冷却フィンは大
きな熱時定数を有するので、この冷却フィン・周囲間の
温度差は時々刻々変化していることから、これらの温度
差と、その時間的変化とを検出することができれば、間
接的にジャンクション平均温度T J”を検出できるこ
とに着目したものであって、電流制御を行っている電力
変換装置では、その出力電流は電流指令値に一致してい
ることから、処理11においてこの電流指令値を読込み
、処理12において半導体素子で発生する損失を求め、
この損失と半導体素子の熱抵抗とから、処理13におい
てジャンクション部・冷却フィン間の温度差T J−F
を求め、また上記の電流指令値をもとにして冷却フィン
上での発生損失を求め(処理15)、この発生損失と当
該冷却フィンの熱抵抗および熱時定数から、冷却フィン
・周囲間の時々刻々変化する温度差T r −a を求
める(処理15.16.17 )、そこで、あらかじめ
検出した周囲温度、あるいは規格などにより定められた
周囲温度TAに、前記により求めたジャンクション部・
冷却フィン間温度差T1−1ならびに時間的に変化して
いる冷却フィン・周囲量温度差T、−1を加算すること
で、半導体素子のジャンクシジン平均温度T J”を検
出しく処理1718)、この検出温度が所定値以上にな
れば、通流電流を減少させることで(判断20.処理2
1)、この電力変換装置が過熱破損するのを防止してい
る。
〔発明が解決しようとする課題〕
たとえば、電力変換装置が、誘導電動機を可変速駆動す
るための可変電圧・可変周波数(以下ではVVVFと略
記する)インバータであって、この誘導電動機を低速で
運転する場合に流れる電流で、半導体素子の温度にリッ
プルを生じるのであるが、この温度リップルは、電流一
定とするならば、周波数の低下とともに大きくなる。
しかしながら、上述した従来の温度保護方法では、この
ような半導体素子の温度リンプルが考慮されていないの
で、出力周波数が低い6H域における、当該半導体素子
の電力サイクル寿命についての保護ができない欠点があ
る。
さらに、ジャンクション温度算出時に、この温度リップ
ルの影響を除外していることから、確実なジャンクジタ
ン温度管理ができない欠点もある。
そこで、この発明の目的は、電流指令イ直どおりに動作
する電力変換装置を構成している半導体素子の温度リッ
プルに対する保護、ならびにこの温度り7ブルを考慮し
た当該半導体素子のジャンクション温度に対する保護を
行わせるものである。
〔課題を解決するための手段〕
上記の目的を達成するために、この発明の温度保護方法
は、冷却フィンに装着した半導体素子で構成し、かつ電
流指令値に一致した電流を通流させる電流制j21ルー
プを備えている電力i 1A装置において、前記′rt
流指令値を用いて、前記半導体素子の接合部・冷却フィ
ン間の温度差を演算し、同じく前記電流指令値を用いて
、熱時定数を考慮した冷却フィン・周囲間の温度差を演
算し、これら両温度差の和に周囲温度を加算して、前記
半導体素子の接合部平均温度を求める一方、前記電流指
令値とこの電流の周波数とを用いて、これらとは所定の
関数関係にある前記半導体素子の温度リップルを求め、
この温度リンプルが第1所定値以上のとき、あるいは、
この温度リップルと、前記接合部平均温度とで演算する
接合部温度が第2所定値以上のとき、前記電力変換装置
通流電流を減少させるものとする。
〔作用〕
この発明において、電力変換装置は電流制御ループを備
えているので、電流指令値と出力型[(a’とは等しい
、そこで、を流指令値から得られる電流実効値と周波数
を用いて温度リップルを演算し、この温度リップルが第
1の所定値を越えれば、電流を遮断するなどで保護する
とともに、この半導体素子のジャンクシ5ン平均温度に
、この温度リフプルを考慮に入れて演算したジャンクシ
ョン温度が、第2の所定値を越えた場合も、電流遮断な
どにより保護しようとするものである。
〔実施例) 第1図は本発明の実施例をあられした81能ブロック図
である。
電流制御を行っている電力変換装置では、当該装置の出
力電流の大きさと、電流指令値とは一致し、でいること
から、この電流指令値を電流指令値検出部lで検出し、
この電流指令値をもとにして、この電流の実効値と周波
数から、温度リップルを温度リップル演算部32におい
て演算し、この値が許容値を越えているか否かを、温度
リップル判定部35で判定し、許容値を越えているとき
は、保護装置37が動作して、電流遮断などにより、当
該電力変換装置が破損するのを防止する。
また、検出された電流指令値を用いて、ジャンクシジン
平均温度演算部33において、半導体素子のジャンクシ
ジン平均温度を演算するのであるが、このジャンクシジ
ン平均温度の演算は「実願昭62−165507号jに
記載のとおりであるから、この部分の説明は省略する。
このようにして求めたジャンクシ5ン平均温度に、前述
した温度リップル分を考慮に入れたジャンクション温度
カージャンクシロン温度演算部34において演算され、
この演算結果が所定値を越えたか否かを、ジャンクシラ
ン温度判定部36において判定し、その判定結果によっ
ては、保護装置37が動作することになる。
第2図は第1図に示す実施例の機能を応用した例をあら
れした回路図であって、電力変換装置としてGTOサイ
リスクを使用したVVVFインバータ47が、誘導電動
機49を可変速駆動する場合をあられしている。
この第2図において、誘導電動機49に結合した速度・
位置検出器50と、速度設定器41、および速度調節器
42とで速度制御ループを構成し、速度il1節器42
が出力するトルク電流指令信号を、トルクti制限器4
3を介してマイクロコンピュータ44へ入力している。
マイクロコンピュータ44 は、入力したトルク電流指
令信号から、外部負荷に対応した電流指令信号を演算し
て出力する。そこで、電流指令信号を出力するマイクロ
コンピュータ44 と、変流器48、および電流調節器
45 とで電流制?■ループを構成し、この電流!j1
節器45の出力を、ゲート駆動回路46を介して、VV
VFインバータ47を構成しているGTOサイリスクの
ゲートに与えることで、誘導電動III 49を所望の
速度で駆動する。
第3図は第2図に示す応用例回路に使用しているマイク
ロコンピュータの動作をあられしたフローチャートであ
る。
この第3図では、まず電流指令値から、出力電流の周波
数rと電流実効値iとを読込み(処理1)、半導体素子
の温度リップルΔTJをこの電流実効値iと周波数fの
関数として求める演算を行う(処理2)。
第4図は電流実効値iが一定のときの電流周波数「と温
度リップルΔT、との関係をあられしたグラフ、第5図
は電流周波数fが一定のときの出力電流実効値Iと温度
リップルΔT、との関係をあられしたグラフであり、上
述の処理2における演算では、この第4図と第5図に示
す関係を利用して温度リップルΔT、の演算を行う。
第3図の処理2において求めた温度リップルΔT、が、
あらかじめ設定した温度リップル最大許容値ΔT J 
a aつと比較する(判断3)、この温度リップル最大
許容値ΔT J@@Xが、半導体素子の温度リップルに
対するパワーサイクル寿命の保護レベルとなる。この判
断3での判定の結果、温度リップルΔT1が保護レベル
を越えている場合、ゲート遮断信号またはトルク電流指
令制限信号を出力して(処理4)、半導体素子を保護す
る。
また温度リップルが保護レベルを越えていない場合は、
処理1にて読込んだ電流指令値を使用し、ジャンクショ
ン平均温度T、11を演算する(処理5)のであるが、
このジャンクション平均温度T、″の演算は、既述した
ように「実願昭62−165507号」に記載済みであ
るから、これの説明は省略する。
このジャンクシラン平均温度TJ”と、温度リップルΔ
TJとから、ジャンクション温度T、の演算を処理6に
おいて行うのであるが、この演算は下記の(13式によ
り行う。
T、 −・ ΔT 、 + T J         
  (1)あらかじめ保護レベルとして設定したジャン
フシボン温度最大許容値T Jaa&と、処理6で求め
たジャンクション温度T1とを比較しく判断7)、ジャ
ンクション温度TJが保護レベルを越えた場合はゲート
遮断信号またはトルク電流指令値制限信号を発令(処理
8)して、半導体素子のジャンクシランが過熱破損する
のを防止する。
〔発明の効果〕
この発明によれば、電力変換装置を構成している半導体
素子に流れる電流の周波数が低いときは、この電流によ
り発生する温度リップルは無視できないものとなるので
、この温度リップルを求めて、半導体素子のパワーサイ
クル寿命に対する保護を行うとともに、この温度リップ
ルを加味することで、従来は当該半導体素子のジャンク
ション平均温度であったものが、より厳密なジャンクシ
ョン温度として検出できることになり、半導体素子を確
実に保護できる大きな効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例をあられした機能ブロック図、
第2図は第1図に示す実施例の機能を応用した例をあら
れした回路図、第3図は第2図に示す応用例回路に使用
しているマイクロコンピュータの動作をあられしたフロ
ーチャート、第4図は電流実効値iが一定のときの電流
周波数fと温度リップルΔT、との関係をあられしたグ
ラフ、第5図は電流周波数fが一定のときの出力電流実
効値iと温度リップルΔTJとの関係をあられしたグラ
フであり、第6図は電力変換装置の温度保護の従来例を
示すフローチャートである。 1、 2. 4. 5. 6. 8.11.12.13
.14.15゜16、17.18.19.21・・・処
理、3,7.20・・・判断、31・・・電流指令値検
出部、32・・・温度リップル演算部、33・・・ジャ
ンクション平均温度演算部、34・・・ジャンクション
温度演算部、35・・・温度リップル判定部、36・・
・ジャンフシボン温度判定部、37・・・保護装置、4
1・・・速度設定器、42・・・速度調節器、43・・
・トルク電流制限器、44・・・マイクロコンピュータ
、45・・・電流!j1節器、46・・・ゲート駆動回
路、47・・・VVVFインバータ、48・・・変流器
、49・・・誘導電動機、50・・・速度第 図 31を麦箱令僅梗工却 出77翌:L因式にゴ (Hつ

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1)冷却フィンに装着した半導体素子で構成し、かつ電
    流指令値に一致した電流を通流させる電流制御ループを
    備えている電力変換装置において、前記電流指令値を用
    いて、前記半導体素子の接合部・冷却フィン間の温度差
    を演算し、同じく前記電流指令値を用いて、熱時定数を
    考慮した冷却フィン・周囲間の温度差を演算し、これら
    両温度差の和に周囲温度を加算して、前記半導体素子の
    接合部平均温度を求める一方、前記電流指令値とこの電
    流の周波数とを用いて、これらとは所定の関数関係にあ
    る前記半導体素子の温度リップルを求め、この温度リッ
    プルが第1所定値以上のとき、あるいは、この温度リッ
    プルと前記接合部平均温度とで演算する接合部温度が第
    2所定値以上のとき、前記電力変換装置通流電流を減少
    させることを特徴とする電力変換装置の温度保護方法。
JP63233114A 1988-09-17 1988-09-17 電力変換装置の温度保護方法 Pending JPH0284011A (ja)

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