電力変換装置および電力変換装置の保護方法
【課題】 高特性を保ちながら信頼性の高い電力変換装置および電力変換装置の保護方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 パワー半導体素子Ｔｒを用いたパワー半導体モジュール１０１と、基準点の温度Ｔ０を測定する基準温度測定部３と、パワー半導体素子Ｔｒの温度Ｔｊを所定の伝達関数を用いて算出する半導体素子温度算出部２と、算出したパワー半導体素子の温度Ｔｊに基づいてパワー半導体モジュール１０１を駆動制御する駆動制御部４と、を備え、半導体素子温度算出部２は、熱時定数τの異なる複数の一次遅れ系伝達関数（ｒｋ／（１＋ｓτｋ））毎に半導体素子Ｔｒで発生する電力損失Ｐに基づいて基準点とパワー半導体素子Ｔｒとの温度差ΔＴｋを演算し、演算したそれぞれの温度差の和ΣΔＴｋと基準点の温度Ｔ０とに基づいてパワー半導体素子Ｔｒの温度Ｔｊを算出する。
【解決手段】 パワー半導体素子Ｔｒを用いたパワー半導体モジュール１０１と、基準点の温度Ｔ０を測定する基準温度測定部３と、パワー半導体素子Ｔｒの温度Ｔｊを所定の伝達関数を用いて算出する半導体素子温度算出部２と、算出したパワー半導体素子の温度Ｔｊに基づいてパワー半導体モジュール１０１を駆動制御する駆動制御部４と、を備え、半導体素子温度算出部２は、熱時定数τの異なる複数の一次遅れ系伝達関数（ｒｋ／（１＋ｓτｋ））毎に半導体素子Ｔｒで発生する電力損失Ｐに基づいて基準点とパワー半導体素子Ｔｒとの温度差ΔＴｋを演算し、演算したそれぞれの温度差の和ΣΔＴｋと基準点の温度Ｔ０とに基づいてパワー半導体素子Ｔｒの温度Ｔｊを算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータを駆動する電力変換装置、特に過熱保護機能を有するパワー半導体モジュールを用いた電力変換装置および電力変換装置の保護方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
モータを駆動する電力変換装置に用いられるパワー半導体モジュールでは、スイッチング素子としてＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）といったパワー半導体素子がよく使われている。また、最近では、スイッチング素子としてＳｉＣ（炭化ケイ素）を適用したパワー半導体モジュールが開発されている。パワー半導体素子がスイッチング動作を繰り返すことによりモータは駆動するが、その際、パワー半導体素子の接合部分（以下、ジャンクション部）の電力損失により発熱が生じ、温度（以下、ジャンクション温度）が上昇する。ジャンクション温度には許容温度があり、許容温度を超えるとパワー半導体素子の性能は劣化し、場合によっては、破壊を引き起こすことになる。
【０００３】
上述のようなパワー半導体素子の温度上昇に起因する素子の破壊や劣化を防ぐためには、ジャンクション温度を測定し、過熱時に半導体素子を保護動作する必要があるため、過熱保護機能を備えた電力変換装置が開発されている。このような過熱保護機能が有効に動作するためには、ジャンクション温度の正確な測定が必要である。しかし、実際の製品においてジャンクション温度を直接測定することは困難である。そこで、パワー半導体モジュールに対しての所定位置の温度を温度センサにより測定し、パワー半導体素子内の発熱量（電力損失）により、所定部分とジャンクション部との温度差を計算し、ジャンクション温度を推定する方法が提案されている。（例えば、特許文献１または特許文献２参照。）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３０７５３０３号（段落０００６、図１）
【特許文献２】特開平７−１３５７３１号公報（段落００１７〜００２０、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に開示されたパワー半導体素子の過熱保護方法では、パワー半導体素子のジャンクション−ヒートシンク間の熱抵抗を一定値として扱い、温度差を計算している。すなわち、特許文献1で算出される温度差は、一定の損失が常時発生している場合の温度差となり、過渡的な状態における温度差を評価できておらず、温度差を安全側（高め）に評価してしまうことになる。また、特許文献２に開示された半導体素子の過熱保護装置では、ジャンクションと温度測定点との過渡的な温度差を考慮しているものの、温度差が指数関数的に温度差の飽和値に向かって変化する場合を想定して温度差を計算している。しかしながら、実際のジャンクションと温度測定点間の過渡熱インピーダンスは緩やかに増大した後、急峻に増大し、一定値へと漸近していくような過渡応答を示す。したがって、特許文献２で算出される温度差も実際の温度差より高温側に評価することになり、過剰な保護をかけてしまい、電力変換装置の特性が低下することになる。
【０００６】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、パワー半導体モジュールにおけるパワー半導体素子（のジャンクション）温度を高精度に推定し、高特性を保ちながら信頼性の高い電力変換装置および電力変換装置の保護方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の電力変換装置は、スイッチング素子としてパワー半導体素子を用いたパワー半導体モジュールと、前記パワー半導体素子から離れた基準点の温度を測定する基準温度測定部と、前記パワー半導体素子の温度を所定の伝達関数を用いて算出する半導体素子温度算出部と、前記算出したパワー半導体素子の温度に基づいて前記パワー半導体モジュールを駆動制御する駆動制御部と、を備え、前記半導体素子温度算出部は、前記所定の伝達関数として、熱時定数の異なる複数の一次遅れ系伝達関数を有し、一次遅れ系伝達関数毎に前記パワー半導体素子で発生する電力損失に基づいて前記基準点と前記パワー半導体素子との温度差を演算し、演算したそれぞれの温度差の和と前記基準点の温度とに基づいて前記パワー半導体素子の温度を算出することを特徴とする。
【０００８】
本発明の電力変換装置の保護方法は、スイッチング素子としてパワー半導体素子を用いたパワー半導体モジュールを有する電力変換装置の保護方法であって、前記パワー半導体素子から離れた基準点の温度を測定する基準温度測定工程と、前記パワー半導体素子で発生する電力損失を演算する工程と、前記演算した電力損失を用いて熱時定数の異なる複数の一次遅れ系伝達関数毎に前記基準点と前記パワー半導体素子との温度差を演算し、演算したそれぞれの温度差の和と前記基準点の温度とに基づいて前記パワー半導体素子の温度を算出する半導体素子温度算出工程と、前記算出したパワー半導体素子の温度に基づいて前記パワー半導体モジュールを駆動制御する駆動制御工程と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の電力変換装置および電力変換装置の保護方法によれば、パワー半導体素子から離れた基準点までの過渡熱インピーダンスを模擬する熱時定数の異なる複数の一次遅れ系伝達関数を有し、伝達関数毎に算出した温度差の和と測定した基準点の温度に基づいてパワー半導体素子の温度を算出するように構成したので、高精度でリアルタイムにパワー半導体素子のジャンクション温度を推定することができるので、電力変換装置の性能を高く保ちながら、パワー半導体素子の劣化や破損を防止し、信頼性の高い電力変換装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る電力変換装置におけるパワー半導体素子のジャンクション温度の推定方法及び過熱保護方法を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示す図である。伝達関数を表すブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る電力変換装置におけるパワー半導体素子−基準点間の過渡熱インピーダンスおよび複数の熱伝達関数を説明するためのである。
【図４】本発明の実施の形態１に係る電力変換装置における複数の伝達関数を使用した温度差の演算方法を説明するための図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る電力変換装置におけるパワー半導体素子温度の算出方法を説明するための図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る電力変換装置におけるパワー半導体素子のジャンクション温度の推定方法及び過熱保護方法を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係る電力変換装置におけるパワー半導体素子での電力損失の演算方法を説明するための図である。
【図８】本発明の実施の形態３に係る電力変換装置におけるパワー半導体素子のジャンクション温度の推定方法及び過熱保護方法を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態３に係る電力変換装置におけるパワー半導体素子での電力損失の演算方法を説明するための図である。
【図１０】本発明の実施の形態４に係る電力変換装置におけるパワー半導体素子のジャンクション温度の推定方法及び過熱保護方法を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態５に係る電力変換装置におけるパワー半導体素子のジャンクション温度の推定方法及び過熱保護方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置および電力変換装置の保護方法について図を用いて説明する。図１〜図５は、本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置および電力変換装置の保護方法について説明するためのもので、図１は電力変換装置の機能ブロック図、図２は電力変換装置の構成を示す図、図３は電力変換装置におけるジャンクション−温度測定位置間の過渡熱インピーダンスについて説明するための図、図４は過渡熱インピーダンス（伝達関数）を用いたロジックについて説明するための図、図５は伝達関数を用いた温度差の演算について説明するための図である。
【００１２】
はじめに、図１および図２を用いて本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置におけるパワー半導体素子のジャンクション温度の推定方法及び過熱保護方法、およびこれら方法を実行するための構成について説明する。本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置は、電力変換装置のスイッチング素子であるパワー半導体素子Ｔｒに流れる電流を測定する電流測定部１１とパワー半導体素子Ｔｒで発生する電圧を測定する電圧測定部１２とを有し、電圧値信号および電流値信号を出力する出力測定部１と、電力変換装置の所定の位置に設置され、半導体素子Ｔｒから離れた基準点の温度（基準温度Ｔ０）を測定する基準温度測定部３と、パワー半導体素子Ｔｒの電流・電圧、および基準温度に基づいて半導体素子の温度（ジャンクション温度Ｔｊ）を算出する半導体素子温度算出部２と、算出したジャンクション温度Ｔｊを基に半導体素子Ｔｒを保護動作制御部４１による保護動作により保護するための動作制御を行う駆動制御部４と、を備えている。
【００１３】
図２はモータを含む電力変換装置全体を示した図であり、モータ１０２は電力変換装置のパワー半導体モジュール１０１から出力される３相交流電力により駆動される。電流測定部１１としては、モータ１０２に流れる電流を測定する。３相分の電流の和は零であることから、電流測定部１１のセンサは２個備えておけば、残りの相の電流は計算により算出することができる。また、負荷電流とスイッチングタイミングがわかれば、各パワー半導体素子Ｔｒに流れる電流がわかるため、電力損失演算部２１での電力損失Ｐの演算に必要な電流値が得られる。基準温度測定部３の温度センサは、パワー半導体素子モジュール１０１の所定位置に固定されている。電流測定部１１により測定した負荷電流値、基準温度測定部３により測定した電力変換装置の基準温度値Ｔ０は、半導体素子温度算出部２に送られる。
【００１４】
半導体素子温度算出部２は、出力測定部１から出力されたパワー半導体素子Ｔｒの電流値信号や電圧値信号といったパワー半導体素子Ｔｒの動作情報をもとに、パワー半導体素子Ｔｒ（のジャンクション部）で発生する電力損失（発生熱量）Ｐを演算する電力損失演算部２１と、後述するあらかじめ設定した複数の一次遅れ系の伝達関数を用い、演算した電力損失Ｐからパワー半導体素子Ｔｒと基準温度測定部３の温度センサ（の温度測定点＝基準点）間の温度差ΔＴを演算する温度差演算部２２と、基準温度測定部３から出力された基準温度Ｔ０の値に温度差演算部２２から出力された温度差ΔＴの値を加算してパワー半導体素子Ｔｒの温度（ジャンクション温度Ｔｊ）を演算するジャンクション温度演算部２３と、を備えている。
【００１５】
さて、ケースやヒートシンク（図示せず）といったパワー半導体素子Ｔｒから離れた位置に設置した基準温度測定部３（のセンサー）とパワー半導体素子Ｔｒ（のジャンクション部）間の過渡熱インピーダンスＺｔｈ（ｔ）は、図３（ａ）に示すような時間変化を示す。この過渡熱インピーダンスＺｔｈ（ｔ）は、製品と同仕様の試験機に対して実際に温度測定を行う、あるいは、過渡熱解析を実施して等価回路を構成することにより予め得ることができる。温度差演算部２２は、このように予め得られた過渡熱インピーダンスＺｔｈ（ｔ）に対し、合算することで過渡熱インピーダンスＺｔｈ（ｔ）を模擬できる複数の伝達関数の和を用い、パワー半導体素子Ｔｒにおける電力損失Ｐを入力とし、基準温度測定部３とパワー半導体素子（のジャンクション部）Ｔｒ間の温度差ΔＴを演算し、出力する。
【００１６】
図３（ａ）に示したように、実際の過渡熱インピーダンスＺｔｈ（ｔ）は、最初、緩やかに増大していき、その後、急峻に増大し、最終的に一定値へと漸近していく。これは、パワー半導体素子Ｔｒにおいて発生する電力損失（熱）が３次元方向に拡散していくためである。このような過渡熱インピーダンスＺｔｈ（ｔ）は、図３（ｂ）に示すように、熱時定数の短い一次遅れ系の伝達関数ｆ１（ｔ）と、熱時定数の長い一次遅れ系の伝達関数ｆ２（ｔ）の少なくとも２つの伝達関数の和で表現することができる。熱時定数の短い伝達関数ｆ１（ｔ）により短時間の過渡的な温度変化を再現でき、熱時定数の長い伝達関数ｆ２（ｔ）により長時間における緩やかな温度上昇を再現することができる。
【００１７】
一方、例えば、上述した過渡熱インピーダンスＺｔｈ（ｔ）をひとつの関数で正確に模擬しようとすると、演算が複雑（直列演算が増大）になり、たとえ高速なハードウェアを用いても、時間遅れが発生して、リアルタイムに正確なジャンクション温度Ｔｊを算出することは困難であった。しかし、過渡熱インピーダンスＺｔｈ（ｔ）を上記のように単純な一次遅れ系の伝達関数の和で表現することにより、並列演算（単純な演算の並列処理）による高速化ができ、リアルタイム算出を行うことができる。
【００１８】
ここで、一次遅れ系の伝達関数は、熱抵抗をｒ、熱時定数をτとしたとき、ラプラス演算子ｓを用いてｒ／（１＋ｓτ）と表される。そこで、過渡熱インピーダンスＺｔｈ（ｔ）を式１のように複数の一次遅れ系の伝達関数の和として表現することにより、ジャンクション−基準点間の過渡熱インピーダンスＺｔｈ（ｔ）を高精度に模擬することができる。
【００１９】
【数１】
なお、ｎは正の整数であるが、式１において、図３（ｂ）のように、過渡熱インピーダンスＺｔｈ（ｔ）を２つの伝達関数の和で表現する場合はｎ＝２となる。
【００２０】
これら熱時定数の異なる２つの伝達関数の和による表現で不十分な場合、合算する伝達関数の和を３つ、４つと増やしていくことになるが、一方、伝達関数の数を多くすると、パラメータ数が多くなるために計算モデルが煩雑なものとなり、かえって使い勝手が悪くなる。以上から、２つないし３つ程度の伝達関数の和で表現することが望ましい。
【００２１】
なお、各一次遅れ系の伝達関数は、ほとんどの場合、熱抵抗ｒもそれぞれ異なることになる。しかし、熱時定数τが異なることにより、短時間の過渡的な温度変化と長時間における緩やかな温度変化をそれぞれ再現することができるので、熱抵抗が同じになったとしても構わない。
【００２２】
つぎに、一次遅れ系の伝達関数を用いた演算について説明する。
半導体素子温度算出部２で算出されるパワー半導体素子Ｔｒのジャンクション温度Ｔｊ（ｔ）は、パワー半導体素子Ｔｒで発生する損失をＰ（ｔ）、基準温度測定部３から出力された温度をＴ０（ｔ）としたとき、式２のように表される。
【００２３】
【数２】
伝達関数はラプラス演算子ｓを用いて表現している。
【００２４】
式１において、ｎ＝１とした場合の伝達関数をブロック図で表現すると図４（ａ）に示すようになり、これは式３に示す微分方程式と等価である。
【００２５】
【数３】
さらに、式３を差分方程式に書き換えると、式４のようになる。
【００２６】
【数４】
ただし、ｍは時刻（ステップ）を示す正の整数である。
【００２７】
このように、ある時刻ｍにおける温度差ΔＴ（ｍ）は、式４で示したように、１ステップ前の時刻における損失Ｐ（ｍ−１）と温度差ΔＴ（ｍ−１）と、熱抵抗ｒ、熱時定数τを用いて表すことができる。
【００２８】
ここで、過渡熱インピーダンスＺｔｈ（ｔ）は、熱時定数τの異なる２つの一次遅れ系の伝達関数ｆ１（ｔ）、ｆ２（ｔ）の和で模擬できるので、過渡熱インピーダンスＺｔｈ（ｔ）をブロック図で表現すると図４（ｂ）に示すようになる。したがって、一次遅れ系の伝達関数ｆ１（ｔ）、ｆ２（ｔ）毎に式４に示す等価な差分方程式による演算（温度差ΔＴｋ（ｍ）演算）を実行し、各伝達関数における温度差（サブ温度差ともいえる）の和を求めれば、ジャンクション−温度測定点間の温度差ΔＴ（ｍ）を正確に演算することができる。したがって、式２に示すように、演算した温度差ΔＴ（ｍ）を測定した基準温度Ｔ０に加えることで、ジャンクション温度Ｔｊを算出することができる。つまり、図５に示すような構成をとることにより、半導体素子温度算出部２では、パワー半導体素子Ｔｒのジャンクション温度Ｔｊを高速（リアルタイム）に算出することができる。
【００２９】
保護動作制御部４１において、パワー半導体素子Ｔｒに対して有効な過熱保護制御を実行させるためには、電力変換装置が動作中にリアルタイムでパワー半導体素子Ｔｒのジャンクション温度Ｔｊを算出する必要がある。パワー半導体素子Ｔｒは１μｓ程度以下の高速でスイッチング動作しているため、ジャンクション温度Ｔｊをリアルタイムに算出するためには、半導体素子温度算出部２で、上記スイッチング動作の速度以上の高速演算が必要となり、半導体素子温度算出部２をマイコン等に組み込むことが有効である。
【００３０】
なお、パワー半導体素子ＴｒとしてＳｉＣを用いる場合、２００℃あるいはそれ以上の高温で使用することが想定される。一方、基準温度測定部３の具体的なセンサとしてチップサーミスタを用いる場合、その許容使用温度はせいぜい１５０℃であることから、パワー半導体素子Ｔｒの近傍に設置することは難しい。パワー半導体素子Ｔｒから離れた位置にサーミスタを設置する場合、その設置位置（基準点）とパワー半導体素子Ｔｒ間の過渡熱インピーダンスは複雑になり、より正確に表現しなければならない。過渡熱インピーダンスＺｔｈ（ｔ）を式１のように熱時定数の異なる複数の一次遅れ系の伝達関数の和で表すことにより、過渡熱インピーダンスを正確に模擬することができる。このように、本発明は、高温で運転されるＳｉＣを用いた電力変換装置における算出したジャンクション温度Ｔｊに基づいて保護動作を行う場合に特に好適である。
【００３１】
つぎに、本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置および電力変換装置の保護方法における保護動作制御について説明する。
電力変換装置の駆動制御部４には、半導体素子温度算出部２により算出したパワー半導体素子Ｔｒ（のジャンクション）温度Ｔｊから、パワー半導体素子Ｔｒが過熱状態にあるか否かを判定する第１の判定Ｊｇ１と第２の判定Ｊｇ２を実施し、その判定出力に応じて、保護動作Ｃｒｌａ（電力変換装置の駆動条件を変更）を実行する保護動作制御部４１を備えている。保護動作Ｃｒｌａは、上記判定結果に基づいて選択される３種類を用意しており、パワー半導体素子Ｔｒで発生する電力損失を抑制するため、電力変換装置の出力を抑制する損失抑制動作を実行するＣａ２と、パワー半導体素子Ｔｒのスイッチング動作を停止するＣａ３と、通常動作指令を継続するＣａ１がある。Ｃａ２の場合、パワー半導体素子Ｔｒで発生する損失を抑制する図示しない損失抑制部を起動させ、Ｃａ３の場合、パワー半導体素子Ｔｒのスイッチング動作を停止する図示しない停止部を起動させることになる。
【００３２】
保護動作制御部４１における第１の判定Ｊｇ１は、パワー半導体素子Ｔｒのジャンクション温度Ｔｊを第一の設定温度Ｔｔｈ１と比較するもので、ＴｊとＴｔｈ１の大小関係により、電力変換装置の駆動方法を決定するものである。ここで、第一の設定温度Ｔｔｈ１はジャンクション温度Ｔｊの許容最大温度（例えば２００℃）より小さな値（例えば１８０℃）に設定しておく。Ｔｔｈ１＞Ｔｊのとき、動作Ｃａ１が選択され、損失抑制部または停止部を動作させることなく、電力変換装置は通常の運転動作を続ける。
【００３３】
また、第１の判定Ｊｇ１においてＴｔｈ１≦Ｔｊのとき、第２の判定Ｊｇ２を実施する。第２の判定Ｊｇ２では、パワー半導体素子Ｔｒのジャンクション温度Ｔｊを第一の設定温度Ｔｔｈ１（＝１８０℃）と許容最大温度（２００℃）の間の温度に設定された第二の設定温度Ｔｔｈ２（Ｔｔｈ１より高く、許容最大温度より低い温度、例えば１９０℃）と比較するもので、ＴｊとＴｔｈ２の大小関係により、電力変換装置の駆動方法を決定するものである。Ｔｊ＜Ｔｔｈ２のとき、保護動作Ｃａ２を選択し、駆動制御部４の損失抑制部が動作して、パワー半導体素子Ｔｒで発生する電力損失Ｐが低減され、Ｔｊの温度上昇が抑制される。一方、Ｔｔｈ２≦Ｔｊのとき、パワー半導体素子のジャンクション温度Ｔｊが許容最大温度近くまで上昇していることから、保護動作Ｃａ３を選択し、駆動制御部４の停止部が動作し、電力変換装置を停止するようにはＰＷＭ指令部４２の動作を制御する。
【００３４】
なお、図１において、保護動作制御部４１内をフローチャートで表現し、ソフトウェアで構築しているように記載しているが、各動作を実行するハードウェア、例えば「第１の判定Ｊｇ１に対しては、第１判定実行部」、のようにハード部材を用いて構成するようにしてもよい。
【００３５】
このような構成とすることにより、第１の判定Ｊｇ１において、Ｔｔｈ１＞Ｔｊと判定されたときは、損失抑制部あるいは停止部は動作せず、通常の運転制御の指令どおりに電力変換装置は動作を続ける。一方、Ｔｔｈ１≦Ｔｊのとき、第２の判定Ｊｇ２での判定に委ね、パワー半導体素子Ｔｒで発生する電力損失を抑制する損失抑制部が動作するか、あるいは、パワー半導体素子Ｔｒのスイッチング動作を停止する停止部が動作することになる。第２の判定Ｊｇ２において、Ｔｔｈ２＞Ｔｊのとき、ジャンクション温度Ｔｊの許容最大温度よりは小さいものの、第一の設定温度よりは高温状態にあり、このとき、パワー半導体素子で発生する損失を抑制するように駆動制御部４内の損失抑制部が動作する。その結果、パワー半導体素子Ｔｒで発生する電力損失が抑制され、パワー半導体素子Ｔｒのジャンクション温度Ｔｊが低下し、パワー半導体素子Ｔｒの劣化を抑制することが可能となる。一方、Ｔｔｈ２≦Ｔｊのとき、パワー半導体素子Ｔｒのジャンクション温度Ｔｊが許容最大温度近くまで上昇していることから、駆動制御部４における停止部が動作し、電力変換装置の動作は停止する。そのため、パワー半導体素子Ｔｒのジャンクション温度Ｔｊは低下していき、パワー半導体素子Ｔｒの過熱による破壊を抑制することができる。
【００３６】
以上のように本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置によれば、スイッチング素子としてパワー半導体素子Ｔｒを用いたパワー半導体モジュール１０１と、パワー半導体素子Ｔｒから離れた所定位置にある基準点の温度Ｔ０を測定する基準温度測定部３と、パワー半導体素子Ｔｒの温度Ｔｊを所定の伝達関数を用いて算出する半導体素子温度算出部２と、算出した半導体素子の温度Ｔｊに基づいてパワー半導体モジュール１０１を駆動制御する駆動制御部４と、を備え、パワー半導体素子Ｔｒから基準点までの過渡熱インピーダンスＺｔｈ（ｔ）が予め得られており、半導体素子温度算出部２は、所定の伝達関数として、熱時定数τの異なる複数の一次遅れ系伝達関数（ｒｋ／（１＋ｓτｋ）：それぞれの合算（Σｒｋ／（１＋ｓτｋ））が半導体素子Ｔｒから基準点までの過渡熱インピーダンスＺｔｈ（ｔ）を模擬）を有し、一次遅れ系伝達関数（ｒｋ／（１＋ｓτｋ））毎にパワー半導体素子Ｔｒで発生する電力損失Ｐに基づいて基準点とパワー半導体素子Ｔｒとの（サブ）温度差ΔＴｋを演算し、演算したそれぞれの（サブ）温度差の和ΣΔＴｋと基準点の温度Ｔ０とに基づいてパワー半導体素子Ｔｒの温度Ｔｊを算出するように構成したので、高精度でリアルタイムにパワー半導体素子Ｔｒの（ジャンクション）温度Ｔｊを算出することができるので、電力変換装置の性能を高く保ちながら、パワー半導体素子Ｔｒの劣化や破損を防止し、信頼性の高い電力変換装置を得ることができる。
【００３７】
とくに、一次遅れ系伝達関数（ｒｋ／（１＋ｓτｋ））毎の（サブ）温度差ΔＴｋの演算は、各別に差分計算されるように構成したので、ジャンクション温度Ｔｊの演算に係る時間が短くなり、高速演算によって、リアルタイムにパワー半導体素子Ｔｒの（ジャンクション）温度Ｔｊを算出することができる。
【００３８】
また本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置の保護方法によれば、スイッチング素子としてパワー半導体素子Ｔｒを用いたパワー半導体モジュール１０１を有する電力変換装置の保護方法であって、パワー半導体素子Ｔｒから離れた所定位置にある基準点の温度Ｔ０を測定する基準温度測定工程と、パワー半導体素子Ｔｒで発生する電力損失Ｐを演算する工程と、演算した電力損失Ｐを用いて熱時定数τの異なる複数の一次遅れ系伝達関数（ｒｋ／（１＋ｓτｋ）：それぞれの合算（Σｒｋ／（１＋ｓτｋ））がパワー半導体素子Ｔｒから基準点までの過渡熱インピーダンスＺｔｈ（ｔ）を模擬）毎に基準点とパワー半導体素子Ｔｒとの（サブ）温度差ΔＴｋを演算し、演算したそれぞれの（サブ）温度差ΔＴｋの和（ΔＴ＝ΣΔＴｋ）と基準点の温度Ｔ０とに基づいてパワー半導体素子Ｔｒの温度Ｔｊを算出する半導体素子温度算出工程と、算出したパワー半導体素子Ｔｒの温度Ｔｊに基づいてパワー半導体モジュール１０１を駆動制御する駆動制御工程と、を備えるように構成したので、電力変換装置の性能を高く保ちながら、パワー半導体素子Ｔｒの劣化や破損を防止し、信頼性の高い電力変換装置を得ることができる。
【００３９】
なお、上記実施の形態では熱時定数の異なる一次遅れ系伝達関数毎に温度差を並列計算する例を示したが、伝達関数毎の計算はいたって簡易であり、また分離した数も２や３と少ないので、ハードウェアの計算能力によっては逐次計算するようにしてもよい。
【００４０】
また、上記実施の形態では保護動作制御部４１を駆動制御部４中に設ける構成について示したが、動作制御部４１は駆動制御部４と独立していても同様の効果を奏することができる。
【００４１】
実施の形態１の他の例．
上記実施の形態１では、パワー半導体モジュール１０１中のひとつのパワー半導体素子Ｔｒのジャンクション温度Ｔｊに基づいて保護動作を実行する例について説明したが、本形態では、複数のパワー半導体素子のジャンクション温度Ｔｊを評価した場合の例について説明する。
【００４２】
モータを駆動する電力変換装置に用いられるパワー半導体モジュールの内部構成は、様々である。例えば、小容量のモータを駆動するためのパワー半導体モジュールでは、図２に示したように、一つのパワー半導体モジュール内に３相上下アームのインバータ回路を構成していることが多い。一方、大容量のモータを駆動するためのパワー半導体モジュールでは、複数個のパワー半導体素子を並列に接続して、３相インバータにおける１相片側アーム分のみを構成しているものがある。このような大容量用のパワー半導体モジュールの場合では、複数のパワー半導体モジュールを組み合わせることにより、３相インバータ回路が構成される。このように、一つのパワー半導体モジュールでインバータ回路を構成されているものや、複数のパワー半導体モジュールを組み合わせることによりインバータ回路を構成するものがあるが、いずれの場合においても、パワー半導体モジュール内部には、複数のパワー半導体素子が存在している。
【００４３】
そのため、パワー半導体モジュール内部に存在するパワー半導体素子それぞれに対して、基準温度測定部３と各パワー半導体素子間の過渡熱インピーダンスＺｔｈ（ｔ）を表現している熱時定数の異なる複数の伝達関数の組を設定し、各パワー半導体素子のジャンクション温度Ｔｊを推定するとともに、それぞれのジャンクション温度Ｔｊに対して、第１の判定Ｊｇ１、第２の判定Ｊｇ２を実施して、電力変換装置の駆動方法を決定することが望ましい。複数あるパワー半導体素子Ｔｒのうち、一つのパワー半導体素子Ｔｒのジャンクション温度が、第２の判定Ｊｇ２により第二の設定温度ＴＴｈ２を超えると判定されたときには、他のパワー半導体素子のジャンクション温度Ｔｊが第一の設定温度ＴＴｈ１より低い場合でも、駆動制御部４内の停止部により遮断（Ｃａ３選択）するものとする。また、全てのパワー半導体素子Ｔｒのジャンクション温度Ｔｊが第二の設定温度ＴＴｈ２より低い場合において、一つのパワー半導体素子のジャンクション温度Ｔｊが第一の設定温度ＴＴｈ１を超える場合においては、駆動制御部４内の損失抑制部が動作（Ｃａ２選択）するものとする。
【００４４】
以上のように、本変形例にかかる電力変換装置および電力変換装置の保護方法によれば、半導体素子温度算出部２は、パワー半導体モジュール１０１内の複数のパワー半導体素子Ｔｒのそれぞれに対して予め得られた当該パワー半導体素子から基準点までの過渡熱インピーダンスＺｔｈ（ｔ）を模擬する伝達関数の組を用いて、複数のパワー半導体素子のそれぞれの温度を算出し、保護動作制御部４１は、算出した複数のパワー半導体素子のそれぞれの温度のうちの最も高い温度に基づいて駆動制御部４の動作を制限（Ｃａ１〜Ｃａ３を選択）するように構成したのでパワー半導体素子それぞれの熱的条件が異なっても、最適な保護動作を選択し、パワー半導体素子の破壊や劣化を防ぐことができる。
【００４５】
なお、本変形例のように複数のパワー半導体素子の過渡熱インピーダンスＺｔｈ（ｔ）を模擬する伝達関数の組を使用する場合、予め各半導体素子に流れる電流や印加される電圧の偏り等がわかっている場合、これらの偏りによる寄与分を伝達関数に入れ込むようにしてもよい。この場合、温度測定点や、電流等の測定点を増加させることなく、各パワー半導体素子のジャンクション温度を正確に評価し、適切な保護動作を行うことができる。
【００４６】
実施の形態２．
本実施の形態２にかかる電力変換装置および電力変換装置の保護方法は、上述した実施の形態１と較べて、半導体素子温度算出部での電力損失の演算方法が異なる。本実施の形態２にかかる電力変換装置および電力変換装置の保護方法の説明の前に、パワー半導体モジュールにおける電力損失について説明する。
【００４７】
パワー半導体素子Ｔｒで発生する電力損失Ｐは、導通損失とスイッチング損失の和で表される。導通損失は、パワー半導体素子が導通状態において発生する損失であり、スイッチング損失はオン状態からオフ状態、あるいは、オフ状態からオン状態へのスイッチング動作中の過渡状態において生じる損失である。パワー半導体素子で発生する電力損失は、パワー半導体素子を流れる電流と電圧の積として求めることができる。そのためには、実施の形態１に示すようにパワー半導体素子を流れる電流と電圧を電流測定部１１と電圧測定部１２のそれぞれが精度良く測定されていることが不可欠である。
【００４８】
一方、パワー半導体素子Ｔｒの導通損失は、パワー半導体素子を流れる電流と飽和電圧の積により算出することができる。また、スイッチング損失に関しては、動作一回あたりに発生するエネルギー、即ち、ターンオンエネルギー［J／パルス］とターンオフエネル
ギー［J／パルス］（まとめてスイッチングエネルギーと称する）は動作条件で定まるも
ので、一回のスイッチング動作における平均的なスイッチング損失［Ｗ］は、スイッチングエネルギー［J／パルス］とキャリア周波数［Ｈｚ］との積により求めることができる。パワー半導体素子Ｔｒの飽和電圧特性およびスイッチングエネルギーのコレクタ電流依存性はいずれも、パワー半導体モジュールのデータシートに記載されている。したがって、パワー半導体素子Ｔｒで発生する電力損失Ｐは、パワー半導体素子のターンオン動作及びターンオフ動作のタイミングがわかれば上述したデータシートを利用して算出することが可能となる。
【００４９】
そこで、本実施の形態２にかかる電力変換装置および電力変換装置の保護方法では、パワー半導体素子のスイッチング信号（ゲート指令信号）と上述したデータシートのデータを用いて半導体素子温度算出部での電力損失の演算を実施する。以下、図を用いて詳細に説明する。
【００５０】
図６は本発明の実施の形態２に係る電力変換装置および保護方法を説明するためのブロック図であり、図７は電力損失演算部における演算方法を説明するためのブロック図である。図において、電力損失演算部２１ｂでは、電流測定部１１からの電流値信号ＳＣとＰＷＭ指令部４２ｂからのゲート指令信号ＳＧとキャリア周波数信号ＳＦに基づいて電力損失Ｐを算出する。ここで、ゲート指令信号ＳＧは駆動制御部４ｂ（ＰＷＭ指令部４２ｂ）からパワー半導体素子Ｔｒのオンオフ指令を与える駆動指令（スイッチング信号）のことであり、キャリア周波数信号ＳＦはＰＷＭ指令部４２ｂがパワー半導体モジュール１０１を制御する際のキャリア周波数についての情報を伝えるための情報信号である。
【００５１】
図７を用いて演算の詳細を説明する。電力損失演算部２１ｂは、特性テーブルＤＳ１と、特性テーブルＤＳ２とを保持し、入力した信号に応じて保持した特性テーブルＤＳ１、ＤＳ２から導通損失やスイッチングエネルギーを読みだす読み出し処理ＲＯ１、ＲＯ２を実行し、読みだしたスイッチングエネルギーとキャリア周波数によってスイッチング損失を演算する演算Ｃａｌｂ２と、スイッチング損失と読みだした導通損失を加算する演算Ｃａｌｂ１とを実行する。特性テーブルＤＳ１はパワー半導体素子Ｔｒの導通損失特性の電流値依存性を、特性テーブルＤＳ２はパワー半導体素子Ｔｒのスイッチングエネルギーの電流値依存性をそれぞれ記憶しているデータテーブルである。なお、ゲート指令信号ＳＧと電流値信号ＳＣに基づいて特性テーブルＤＳ２から読みだしたスイッチングエネルギーのデータと、キャリア周波数信号ＳＦから換算されるキャリア周波数との積により、スイッチング損失を演算することができる。
【００５２】
電流測定部１１から出力されたパワー半導体素子Ｔｒを流れる電流の測定値に基づく電流値信号ＳＣと、ＰＷＭ指令部４２ｂから出力されるパワー半導体素子Ｔｒへのゲート指令信号ＳＧとキャリア周波数信号ＳＦが、電力損失演算部２１ｂに入力されると、保持した特性テーブルＤＳ１と特性テーブルＤＳ２を参照し、特性テーブルＤＳ１からパワー半導体素子Ｔｒで発生する導通損失（ＲＯ１）が求められる。また、ゲート指令信号ＳＧが入力されると、特性テーブルＤＳ２からパワー半導体素子Ｔｒのスイッチングエネルギー（ＲＯ２）が求まり、求まったスイッチングエネルギーとキャリア周波数の積から、そのスイッチ動作におけるスイッチング損失が得られる。このように、パワー半導体素子の電流−導通損失特性テーブルＤＳ１とパワー半導体素子の電流−スイッチングエネルギー特性テーブルＤＳ２に格納されているデータを基にしてパワー半導体素子Ｔｒで発生する損失を求めることが可能となる。
【００５３】
本実施の形態２では、電力損失演算部２１ｂが、電流値信号ＳＣとゲート指令信号ＳＧおよびキャリア周波数信号ＳＦを基にパワー半導体素子Ｔｒで発生する電力損失Ｐを演算している。パワー半導体素子Ｔｒで発生する電力損失演算以外の動作については実施の形態１と同様である。このような構成とすることにより、保護動作制御部４１（図６）においては、第１の判定Ｊｇ１において、Ｔｔｈ１＞Ｔｊと判定されたときは、損失抑制動作Ｃａ２や停止動作Ｃａ３は選択されず、駆動制御部４ｂの指令どおりに電力変換装置は動作を続ける。一方、第１の判定Ｊｇ１においてＴｔｈ１≦Ｔｊのとき、さらに第２の判定Ｊｇ２を実施し、第２の判定Ｊｇ２において、Ｔｔｈ２＞Ｔｊのとき、パワー半導体素子Ｔｒで発生する損失を抑制するように損失抑制動作Ｃａ２が選択されることにより、パワー半導体素子Ｔｒのジャンクション温度Ｔｊが低下し、パワー半導体素子Ｔｒの劣化を抑制することが可能となる。一方、Ｔｔｈ２≦Ｔｊのとき、電力変換装置を停止するよう駆動制御部４ｂにおける停止動作Ｃａ３が選択される。パワー半導体素子Ｔｒのスイッチング動作が停止するため、パワー半導体素子Ｔｒのジャンクション温度Ｔｊは低下していき、パワー半導体素子Ｔｒの破壊あるいは劣化を防止することができる。
【００５４】
以上のように、本実施の形態２にかかる電力変換装置および電力変換装置の保護方法によれば、パワー半導体素子Ｔｒに流れる電流値を測定し電流値信号ＳＣを出力する電流値測定部１１を備えるとともに、駆動制御部４ｂはパワー半導体素子Ｔｒのオンオフを制御するゲート指令信号ＳＧを半導体素子温度算出部２ｂに出力し、半導体素子温度算出部２ｂは、パワー半導体素子Ｔｒの導通損失に対する電流値依存データＤＳ１、およびパワー半導体素子Ｔｒのスイッチング損失に対する電流値依存データＤＳ２を保持し、半導体素子温度算出部２ｂに、電流値信号ＳＣとゲート指令信号ＳＧが入力されると、入力された電流値信号ＳＣおよびゲート指令信号ＳＧに応じて保持したデータＤＳ１，ＤＳ２から必要な導通損失の値またはスイッチング損失の値を読み出し（ＲＯ１、ＲＯ２）、電力損失Ｐを算出するように構成したので、パワー半導体素子で発生する電力損失Ｐを容易に演算することができる。また、電圧センサを用いることなく、パワー半導体素子Ｔｒで発生する電力損失を演算することができるので、電圧センサが不要となり、電力変換装置の低コスト化、小型化が可能となる。
【００５５】
なお、上記実施の形態２では、パワー半導体素子Ｔｒの導通損失を求めるために、パワー半導体素子Ｔｒの電流−導通損失テーブルＤＳ１を用いる例を示したが、パワー半導体素子の導通損失が、パワー半導体素子の電流と飽和電圧の積で求められることから、パワー半導体素子の飽和電圧特性をテーブル化したものを用いてもよい。
【００５６】
また、上記実施の形態では、キャリア周波数が可変の場合にも対応できるような構成を示したが、キャリア周波数が一定の場合には、キャリア周波数信号ＳＦを電力損失演算部２１ｂへの入力とせず、Ｃａｌｂ２において一定値を掛けるようにしてもよい。
【００５７】
実施の形態３．
本実施の形態３にかかる電力変換装置および電力変換装置の保護方法では、パワー半導体素子の飽和電圧特性及びスイッチングエネルギーのコレクタ電流依存性に温度依存性があることを考慮し、パワー半導体素子の特性データとして温度依存性を有するものを用い、特性データからの読み出しに際してジャンクション温度演算部において演算したジャンクション温度のデータを用いることが実施の形態２と異なるようにした。他の形態については実施の形態２と同様である。以下、図を用いて詳細に説明する。
【００５８】
図８、９は本発明の実施の形態３に係る電力変換装置および保護方法を説明するためのブロック図である。図において、電力損失演算部２１ｃは、パワー半導体素子Ｔｒの導通損失特性の電流値を温度毎にテーブル化したパワー半導体素子の電流−導通損失特性テーブルＤＳｃ１を、パワー半導体素子Ｔｒのスイッチングエネルギーの電流値を温度毎にテーブル化したパワー半導体素子の電流−スイッチングエネルギー特性テーブルＤＳｃ２を保持している。図９においては、導通損失、スイッチングエネルギーのそれぞれについて、実線で２５℃のデータを、破線で１２５℃のデータを示している。他の温度に対するデータについては、線形補間等により算出するものとする。電力損失演算部２１ｃの入力信号として、電流測定部１１の電流値信号ＳＣと、ジャンクション温度演算部２３ｃで算出したパワー半導体素子Ｔｒの（１ステップ遅れの）ジャンクション温度の演算結果ＳＴを入力信号とすることにより、パワー半導体素子で発生する損失を高精度に演算することが可能となる。他の構成要素や動作については、実施の形態１、２で述べたとおりである。
【００５９】
電流測定部１１から出力された電流値信号ＳＣと、ジャンクション温度演算部２３ｃから出力された１ステップ遅れの温度演算結果信号ＳＴと、ＰＷＭ指令部４２ｃから出力されるゲート指令信号ＳＧとキャリア周波数信号ＳＦが、電力損失演算部２１ｃに入力されると、保持した特性テーブルＤＳｃ１と特性テーブルＤＳｃ２を参照し、入力された温度および電流（電流値信号ＳＣ）に対応する導通損失データを読み出す（ＲＯｃ１）。また、ゲート指令信号ＳＧが入力されると、特性テーブルＤＳｃ２のうち、入力された温度および電流値信号ＳＣからパワー半導体素子Ｔｒのスイッチングエネルギー（ＲＯｃ２）が求まり、求まったスイッチングエネルギーとキャリア周波数の積からスイッチング損失が得られる。
【００６０】
このような構成とすることにより、保護動作制御部４１（図８）においては、第１の判定Ｊｇ１において、Ｔｔｈ１＞Ｔｊと判定されたときは、損失抑制動作Ｃａ２や停止動作Ｃａ３は選択されず、駆動制御部４ｃの指令どおりに電力変換装置は動作を続ける。一方、第１の判定Ｊｇ１においてＴｔｈ１≦Ｔｊのとき、さらに第２の判定Ｊｇ２を実施し、第２の判定Ｊｇ２において、Ｔｔｈ２＞Ｔｊのとき、パワー半導体素子Ｔｒで発生する損失を抑制するように損失抑制動作Ｃａ２が選択されることにより、パワー半導体素子Ｔｒのジャンクション温度Ｔｊが低下し、パワー半導体素子Ｔｒの劣化を抑制することが可能となる。一方、Ｔｔｈ２≦Ｔｊのとき、電力変換装置を停止するよう駆動制御部４ｃにおける停止動作Ｃａ３が選択される。パワー半導体素子Ｔｒのスイッチング動作が停止するため、パワー半導体素子Ｔｒのジャンクション温度Ｔｊは低下していき、パワー半導体素子Ｔｒの破壊あるいは劣化を防止することができる。
【００６１】
以上のように本実施の形態３にかかる電力変換装置および電力変換装置の保護方法によれば、半導体素子温度算出部２ｃは、パワー半導体素子Ｔｒの温度Ｔｊ毎に導通損失に対する電流値依存データＤＳｃ１、およびスイッチング損失に対する電流値依存データＤＳｃ２を保持し、１ステップ前に算出した半導体素子Ｔｒの温度Ｔｊ（ｍ−１）に応じて温度毎に保持したデータＤＳｃ１、ＤＳｃ２から必要な電流値依存データを選択し、電力損失Ｐを算出するように構成したので、パワー半導体素子の導通損失及びスイッチング損失のそれぞれについて温度依存性を考慮することができるため、より高精度にパワー半導体素子のジャンクション温度Ｔｊを推定することが可能である。
【００６２】
なお、図９では、保持している特性テーブルＤＳｃ１およびＤＳｃ２において、温度依存性として、２５℃、１２５℃における特性を保持している例を示しているが、他の温度における導通損失やスイッチング損失のデータを格納していても問題ないことはいうまでもない。
【００６３】
実施の形態４．
本実施の形態４にかかる電力変換装置および電力変換装置の保護方法では、半導体素子温度算出部において算出されたパワー半導体素子Ｔｒのジャンクション温度Ｔｊに応じて実行する保護動作を実施の形態１と異なるようにした。他の形態については実施の形態１と同様である。以下、図を用いて詳細に説明する。
【００６４】
図１０は、本発明の実施の形態４に係る電力変換装置におけるパワー半導体素子のジャンクション温度の推定方法及び過熱保護方法およびこれらを実行するための構成を示す図である。本実施の形態４では、保護動作制御部４１ｄにおける保護動作Ｃｒｌｄとして，ＰＷＭ指令に用いるキャリア周波数を変更するようにしている。つまり、駆動制御部４ｄによるパワー半導体素子ＴｒのＰＷＭ制御におけるキャリア周波数を半導体素子温度算出部２が算出したジャンクション温度Ｔｊに基づいて変更することにより、パワー半導体素子での電力損失を抑制しようとしている。
【００６５】
なお、図１０においては、保護動作制御部４１ｄからの指令により、ＰＷＭ指令部４２ｄにキャリア周波数ｆｃを変更させる信号を出すようにしているが、図示しないキャリア周波数制御部を設け、保護動作制御部４１ｄは、選択した動作についての情報（保護動作信号）をキャリア周波数制御部に出力し、キャリア周波数制御部が入力された保護動作信号に基づいてキャリア周波数ｆｃを変更するようにしてもよい。
【００６６】
このような構成とすることにより、保護動作制御部４１ｄにおいては、第１の判定Ｊｇ１において、Ｔｔｈ１＞Ｔｊと判定されたときは、ＰＷＭ指令部４２ｄに、キャリア周波数ｆｃを通常動作におけるキャリア周波数ｆｃ１にするように指令を出す（保護動作Ｃｄ１）。つまり、通常の駆動制御部４ｄの指令どおりに電力変換装置は動作を続ける。一方、第１の判定Ｊｇ１においてＴｔｈ１≦Ｔｊのとき、さらに第２の判定Ｊｇ２を実施し、第２の判定Ｊｇ２において、Ｔｔｈ２＞Ｔｊのとき、損失抑制動作Ｃｄ２が選択されることにより、キャリア周波数ｆｃを通常のキャリア周波数ｆｃ１より低いｆｃ２にするようにＰＷＭ指令部４２ｄに指令を出す。スイッチング損失は単位時間当たりのスイッチング回数に比例するため、キャリア周波数を低くすることにより、単位時間当たりのスイッチング回数が少なくなり、スイッチング損失を低減することができる。これにより、キャリア周波数ｆｃを通常より低いｆｃ２に設定することでスイッチング回数が通常より減ることになり、スイッチング損失が低減され、パワー半導体素子Ｔｒのジャンクション温度Ｔｊを低下させることができる。一方、Ｔｔｈ２≦Ｔｊのとき、電力変換装置を停止するよう駆動制御部４ｄにおける停止動作Ｃｄ３が選択される。パワー半導体素子Ｔｒのスイッチング動作が停止するため、パワー半導体素子Ｔｒのジャンクション温度Ｔｊは低下していき、パワー半導体素子Ｔｒの破壊あるいは劣化を防止することができる。
【００６７】
以上のように本実施の形態４にかかる電力変換装置および電力変換装置の保護方法では、駆動制御部４ｄは、パワー半導体モジュール１０１を動作させるキャリア周波数ｆｃを制御する図示しないキャリア周波数制御部を有し、保護動作制御部４１ｄは、算出した半導体素子温度Ｔｊに基づいてキャリア周波数ｆｃを変更させるように構成したので、駆動動作に制限を掛けたいときに、キャリア周波数を低くすることにより、単位時間当たりのスイッチング回数が少なくなり、スイッチング損失を低減することができる。その結果、パワー半導体素子で発生する損失が小さくなり、パワー半導体素子のジャンクション温度が低下するため、パワー半導体素子の劣化を抑制することが可能となる。
【００６８】
実施の形態５．
本実施の形態５にかかる電力変換装置および電力変換装置の保護方法でも、半導体素子温度算出部において算出されたパワー半導体素子Ｔｒのジャンクション温度Ｔｊに応じて実行する保護動作を実施の形態１や４と異なるようにした。他の形態については実施の形態１と同様である。以下、図を用いて詳細に説明する。
【００６９】
図１１は、本発明の実施の形態５に係る電力変換装置におけるパワー半導体素子のジャンクション温度の推定方法及び過熱保護方法およびこれらを実行するための構成を示す図である。本実施の形態５では、保護動作制御部４１ｅにおける保護動作Ｃｒｌｅとして，パワー半導体素子を駆動するゲート抵抗Ｒｇを変更するようにしている。つまり、駆動制御部４ｅによるパワー半導体素子Ｔｒのゲート抵抗Ｒｇを半導体素子温度算出部２が算出したジャンクション温度Ｔｊに基づいて変更することにより、パワー半導体素子Ｔｒでの電力損失を抑制しようとしている。
【００７０】
なお、図１１においては、保護動作制御部４１ｅからの指令により、ＰＷＭ指令部４２ｅにゲート抵抗Ｒｇを変更させる信号を出すようにしているが、図示しないゲート抵抗制御部を設け、保護動作制御部４１ｅは、選択した動作についての情報（保護動作信号）をゲート抵抗制御部に出力し、ゲート抵抗制御部が入力された保護動作信号に基づいてゲート抵抗Ｒｇを変更するようにしてもよい。
【００７１】
このような構成とすることにより、保護動作制御部４１ｅにおいては、第１の判定Ｊｇ１において、Ｔｔｈ１＞Ｔｊと判定されたときは、ＰＷＭ指令部４２ｅに、ゲート抵抗Ｒｇを通常動作におけるゲート抵抗Ｒｇ１にするように指令を出す（保護動作Ｃｅ１）。つまり、通常の駆動制御部４ｅの指令どおりに電力変換装置は動作を続ける。一方、第１の判定Ｊｇ１においてＴｔｈ１≦Ｔｊのとき、さらに第２の判定Ｊｇ２を実施し、第２の判定Ｊｇ２において、Ｔｔｈ２＞Ｔｊのとき、損失抑制動作Ｃｅ２が選択されることにより、ゲート抵抗Ｒｇを通常のゲート抵抗Ｒｇ１より低いＲｇ２にする。ゲート抵抗を小さくすることにより、スイッチング動作が速くなり、スイッチング損失を低減することができるので、パワー半導体素子Ｔｒのジャンクション温度Ｔｊを低下させることができる。一方、Ｔｔｈ２≦Ｔｊのとき、電力変換装置を停止するよう駆動制御部４ｅにおける停止動作Ｃｅ３が選択される。パワー半導体素子Ｔｒのスイッチング動作が停止するため、パワー半導体素子Ｔｒのジャンクション温度Ｔｊは低下していき、パワー半導体素子Ｔｒの破壊あるいは劣化を防止することができる。
【００７２】
ゲート抵抗Ｒｇの変更については、例えば、半導体素子のゲートに対してそれぞれゲート抵抗が異なるように複数の配線を接続し、上記動作に応じて配線を切替えるようにしても良い。
【００７３】
以上のように本実施の形態５にかかる電力変換装置および電力変換装置の保護方法では、駆動制御部４ｅは、パワー半導体素子Ｔｒのゲート抵抗Ｒｇを制御する図示しないゲート抵抗制御部を有し、保護動作制御部４１ｅは、算出した半導体素子温度Ｔｊに基づいてゲート抵抗Ｒｇを変更させるように構成したので、駆動動作に制限を掛けたいときに、ゲート抵抗Ｒｇを小さくすることにより、スイッチング動作が速くなり、スイッチング損失を低減することができる。その結果、パワー半導体素子で発生する損失が小さくなり、パワー半導体素子のジャンクション温度が低下するため、パワー半導体素子の劣化を抑制することが可能となる。
【００７４】
なお、本実施の形態５において、実施の形態２や３のように、電力損失算出部がゲート指令信号ＳＧを受けるとパワー半導体素子の電流−スイッチングエネルギー特性テーブルからスイッチング損失を読み出すようにしている場合、保護動作信号を電力損失算出部にも出力するようにしてもよい。その場合、電力損失算出部では、ゲート抵抗Ｒｇごとの特性テーブルＤｓＲを保持し、入力された保護動作（またはゲート抵抗値）に基づいてデータを選択するようにすれば、さらに高精度にジャンクション温度を評価することができる。
【００７５】
なお、上記各実施の形態においては、算出した半導体素子温度Ｔｊを、２つの閾値Ｔｔｈ1、Ｔｔｈ２と比較して保護動作を決定する例について説明したが、保護動作はこれに限定される必要はない。例えば算出した半導体素子温度Ｔｊの値に対して多段階のキャリア周波数ｆｃを対応させたLook Up Tableを保持し、半導体素子温度Ｔｊが所定値以上になったら段階的にキャリア周波数を低下させていくようにしてもよい。とくに、本発明の各実施の形態にかかる電力変換装置および電力変換装置の保護方法においては高精度に半導体素子温度Ｔｊを算出できるので、半導体素子温度Ｔｊに応じてきめ細かく保護動作を掛けることにより、電力変換装置の特性を最大限に利用することが可能となる。
【符号の説明】
【００７６】
１ 出力測定部（１１ 電流測定部、 １２ 電圧測定部）、
２ 半導体素子温度算出部（２１ 電力損失演算部、 ２２ 温度差演算部、 ２３ ジャンクション温度演算部）、 ３ 基準温度測定部、
４ 駆動制御部（４１ 保護動作制御部、 ４２ ＰＷＭ指令部）、
１０１ パワー半導体モジュール、 １０２ モータ、
ＤＳ１ 半導体素子の電流−導通損失特性テーブル（導通損失の電流依存性データ）、
ＤＳ２ 半導体素子の電流−スイッチング損失特性テーブル（スイッチング損失の電流依存性データ）、 Ｐ 電力損失、 ＳＣ 電流値信号、 ＳＧ ゲート指令信号、 ＳＦ キャリア周波数信号、 Ｔ０ 基準温度、 Ｔｒ パワー半導体素子、
Ｚｔｈ（ｔ） 過渡熱インピーダンス、 ｒ／（１＋ｓτ） 一次遅れ系伝達関数、 ΔＴ 温度差、
添え字：ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅはそれぞれ実施の形態ごとの変形を示す。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータを駆動する電力変換装置、特に過熱保護機能を有するパワー半導体モジュールを用いた電力変換装置および電力変換装置の保護方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
モータを駆動する電力変換装置に用いられるパワー半導体モジュールでは、スイッチング素子としてＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）といったパワー半導体素子がよく使われている。また、最近では、スイッチング素子としてＳｉＣ（炭化ケイ素）を適用したパワー半導体モジュールが開発されている。パワー半導体素子がスイッチング動作を繰り返すことによりモータは駆動するが、その際、パワー半導体素子の接合部分（以下、ジャンクション部）の電力損失により発熱が生じ、温度（以下、ジャンクション温度）が上昇する。ジャンクション温度には許容温度があり、許容温度を超えるとパワー半導体素子の性能は劣化し、場合によっては、破壊を引き起こすことになる。
【０００３】
上述のようなパワー半導体素子の温度上昇に起因する素子の破壊や劣化を防ぐためには、ジャンクション温度を測定し、過熱時に半導体素子を保護動作する必要があるため、過熱保護機能を備えた電力変換装置が開発されている。このような過熱保護機能が有効に動作するためには、ジャンクション温度の正確な測定が必要である。しかし、実際の製品においてジャンクション温度を直接測定することは困難である。そこで、パワー半導体モジュールに対しての所定位置の温度を温度センサにより測定し、パワー半導体素子内の発熱量（電力損失）により、所定部分とジャンクション部との温度差を計算し、ジャンクション温度を推定する方法が提案されている。（例えば、特許文献１または特許文献２参照。）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３０７５３０３号（段落０００６、図１）
【特許文献２】特開平７−１３５７３１号公報（段落００１７〜００２０、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に開示されたパワー半導体素子の過熱保護方法では、パワー半導体素子のジャンクション−ヒートシンク間の熱抵抗を一定値として扱い、温度差を計算している。すなわち、特許文献1で算出される温度差は、一定の損失が常時発生している場合の温度差となり、過渡的な状態における温度差を評価できておらず、温度差を安全側（高め）に評価してしまうことになる。また、特許文献２に開示された半導体素子の過熱保護装置では、ジャンクションと温度測定点との過渡的な温度差を考慮しているものの、温度差が指数関数的に温度差の飽和値に向かって変化する場合を想定して温度差を計算している。しかしながら、実際のジャンクションと温度測定点間の過渡熱インピーダンスは緩やかに増大した後、急峻に増大し、一定値へと漸近していくような過渡応答を示す。したがって、特許文献２で算出される温度差も実際の温度差より高温側に評価することになり、過剰な保護をかけてしまい、電力変換装置の特性が低下することになる。
【０００６】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、パワー半導体モジュールにおけるパワー半導体素子（のジャンクション）温度を高精度に推定し、高特性を保ちながら信頼性の高い電力変換装置および電力変換装置の保護方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の電力変換装置は、スイッチング素子としてパワー半導体素子を用いたパワー半導体モジュールと、前記パワー半導体素子から離れた基準点の温度を測定する基準温度測定部と、前記パワー半導体素子の温度を所定の伝達関数を用いて算出する半導体素子温度算出部と、前記算出したパワー半導体素子の温度に基づいて前記パワー半導体モジュールを駆動制御する駆動制御部と、を備え、前記半導体素子温度算出部は、前記所定の伝達関数として、熱時定数の異なる複数の一次遅れ系伝達関数を有し、一次遅れ系伝達関数毎に前記パワー半導体素子で発生する電力損失に基づいて前記基準点と前記パワー半導体素子との温度差を演算し、演算したそれぞれの温度差の和と前記基準点の温度とに基づいて前記パワー半導体素子の温度を算出することを特徴とする。
【０００８】
本発明の電力変換装置の保護方法は、スイッチング素子としてパワー半導体素子を用いたパワー半導体モジュールを有する電力変換装置の保護方法であって、前記パワー半導体素子から離れた基準点の温度を測定する基準温度測定工程と、前記パワー半導体素子で発生する電力損失を演算する工程と、前記演算した電力損失を用いて熱時定数の異なる複数の一次遅れ系伝達関数毎に前記基準点と前記パワー半導体素子との温度差を演算し、演算したそれぞれの温度差の和と前記基準点の温度とに基づいて前記パワー半導体素子の温度を算出する半導体素子温度算出工程と、前記算出したパワー半導体素子の温度に基づいて前記パワー半導体モジュールを駆動制御する駆動制御工程と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の電力変換装置および電力変換装置の保護方法によれば、パワー半導体素子から離れた基準点までの過渡熱インピーダンスを模擬する熱時定数の異なる複数の一次遅れ系伝達関数を有し、伝達関数毎に算出した温度差の和と測定した基準点の温度に基づいてパワー半導体素子の温度を算出するように構成したので、高精度でリアルタイムにパワー半導体素子のジャンクション温度を推定することができるので、電力変換装置の性能を高く保ちながら、パワー半導体素子の劣化や破損を防止し、信頼性の高い電力変換装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る電力変換装置におけるパワー半導体素子のジャンクション温度の推定方法及び過熱保護方法を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示す図である。伝達関数を表すブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る電力変換装置におけるパワー半導体素子−基準点間の過渡熱インピーダンスおよび複数の熱伝達関数を説明するためのである。
【図４】本発明の実施の形態１に係る電力変換装置における複数の伝達関数を使用した温度差の演算方法を説明するための図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る電力変換装置におけるパワー半導体素子温度の算出方法を説明するための図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る電力変換装置におけるパワー半導体素子のジャンクション温度の推定方法及び過熱保護方法を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係る電力変換装置におけるパワー半導体素子での電力損失の演算方法を説明するための図である。
【図８】本発明の実施の形態３に係る電力変換装置におけるパワー半導体素子のジャンクション温度の推定方法及び過熱保護方法を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態３に係る電力変換装置におけるパワー半導体素子での電力損失の演算方法を説明するための図である。
【図１０】本発明の実施の形態４に係る電力変換装置におけるパワー半導体素子のジャンクション温度の推定方法及び過熱保護方法を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態５に係る電力変換装置におけるパワー半導体素子のジャンクション温度の推定方法及び過熱保護方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置および電力変換装置の保護方法について図を用いて説明する。図１〜図５は、本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置および電力変換装置の保護方法について説明するためのもので、図１は電力変換装置の機能ブロック図、図２は電力変換装置の構成を示す図、図３は電力変換装置におけるジャンクション−温度測定位置間の過渡熱インピーダンスについて説明するための図、図４は過渡熱インピーダンス（伝達関数）を用いたロジックについて説明するための図、図５は伝達関数を用いた温度差の演算について説明するための図である。
【００１２】
はじめに、図１および図２を用いて本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置におけるパワー半導体素子のジャンクション温度の推定方法及び過熱保護方法、およびこれら方法を実行するための構成について説明する。本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置は、電力変換装置のスイッチング素子であるパワー半導体素子Ｔｒに流れる電流を測定する電流測定部１１とパワー半導体素子Ｔｒで発生する電圧を測定する電圧測定部１２とを有し、電圧値信号および電流値信号を出力する出力測定部１と、電力変換装置の所定の位置に設置され、半導体素子Ｔｒから離れた基準点の温度（基準温度Ｔ０）を測定する基準温度測定部３と、パワー半導体素子Ｔｒの電流・電圧、および基準温度に基づいて半導体素子の温度（ジャンクション温度Ｔｊ）を算出する半導体素子温度算出部２と、算出したジャンクション温度Ｔｊを基に半導体素子Ｔｒを保護動作制御部４１による保護動作により保護するための動作制御を行う駆動制御部４と、を備えている。
【００１３】
図２はモータを含む電力変換装置全体を示した図であり、モータ１０２は電力変換装置のパワー半導体モジュール１０１から出力される３相交流電力により駆動される。電流測定部１１としては、モータ１０２に流れる電流を測定する。３相分の電流の和は零であることから、電流測定部１１のセンサは２個備えておけば、残りの相の電流は計算により算出することができる。また、負荷電流とスイッチングタイミングがわかれば、各パワー半導体素子Ｔｒに流れる電流がわかるため、電力損失演算部２１での電力損失Ｐの演算に必要な電流値が得られる。基準温度測定部３の温度センサは、パワー半導体素子モジュール１０１の所定位置に固定されている。電流測定部１１により測定した負荷電流値、基準温度測定部３により測定した電力変換装置の基準温度値Ｔ０は、半導体素子温度算出部２に送られる。
【００１４】
半導体素子温度算出部２は、出力測定部１から出力されたパワー半導体素子Ｔｒの電流値信号や電圧値信号といったパワー半導体素子Ｔｒの動作情報をもとに、パワー半導体素子Ｔｒ（のジャンクション部）で発生する電力損失（発生熱量）Ｐを演算する電力損失演算部２１と、後述するあらかじめ設定した複数の一次遅れ系の伝達関数を用い、演算した電力損失Ｐからパワー半導体素子Ｔｒと基準温度測定部３の温度センサ（の温度測定点＝基準点）間の温度差ΔＴを演算する温度差演算部２２と、基準温度測定部３から出力された基準温度Ｔ０の値に温度差演算部２２から出力された温度差ΔＴの値を加算してパワー半導体素子Ｔｒの温度（ジャンクション温度Ｔｊ）を演算するジャンクション温度演算部２３と、を備えている。
【００１５】
さて、ケースやヒートシンク（図示せず）といったパワー半導体素子Ｔｒから離れた位置に設置した基準温度測定部３（のセンサー）とパワー半導体素子Ｔｒ（のジャンクション部）間の過渡熱インピーダンスＺｔｈ（ｔ）は、図３（ａ）に示すような時間変化を示す。この過渡熱インピーダンスＺｔｈ（ｔ）は、製品と同仕様の試験機に対して実際に温度測定を行う、あるいは、過渡熱解析を実施して等価回路を構成することにより予め得ることができる。温度差演算部２２は、このように予め得られた過渡熱インピーダンスＺｔｈ（ｔ）に対し、合算することで過渡熱インピーダンスＺｔｈ（ｔ）を模擬できる複数の伝達関数の和を用い、パワー半導体素子Ｔｒにおける電力損失Ｐを入力とし、基準温度測定部３とパワー半導体素子（のジャンクション部）Ｔｒ間の温度差ΔＴを演算し、出力する。
【００１６】
図３（ａ）に示したように、実際の過渡熱インピーダンスＺｔｈ（ｔ）は、最初、緩やかに増大していき、その後、急峻に増大し、最終的に一定値へと漸近していく。これは、パワー半導体素子Ｔｒにおいて発生する電力損失（熱）が３次元方向に拡散していくためである。このような過渡熱インピーダンスＺｔｈ（ｔ）は、図３（ｂ）に示すように、熱時定数の短い一次遅れ系の伝達関数ｆ１（ｔ）と、熱時定数の長い一次遅れ系の伝達関数ｆ２（ｔ）の少なくとも２つの伝達関数の和で表現することができる。熱時定数の短い伝達関数ｆ１（ｔ）により短時間の過渡的な温度変化を再現でき、熱時定数の長い伝達関数ｆ２（ｔ）により長時間における緩やかな温度上昇を再現することができる。
【００１７】
一方、例えば、上述した過渡熱インピーダンスＺｔｈ（ｔ）をひとつの関数で正確に模擬しようとすると、演算が複雑（直列演算が増大）になり、たとえ高速なハードウェアを用いても、時間遅れが発生して、リアルタイムに正確なジャンクション温度Ｔｊを算出することは困難であった。しかし、過渡熱インピーダンスＺｔｈ（ｔ）を上記のように単純な一次遅れ系の伝達関数の和で表現することにより、並列演算（単純な演算の並列処理）による高速化ができ、リアルタイム算出を行うことができる。
【００１８】
ここで、一次遅れ系の伝達関数は、熱抵抗をｒ、熱時定数をτとしたとき、ラプラス演算子ｓを用いてｒ／（１＋ｓτ）と表される。そこで、過渡熱インピーダンスＺｔｈ（ｔ）を式１のように複数の一次遅れ系の伝達関数の和として表現することにより、ジャンクション−基準点間の過渡熱インピーダンスＺｔｈ（ｔ）を高精度に模擬することができる。
【００１９】
【数１】
なお、ｎは正の整数であるが、式１において、図３（ｂ）のように、過渡熱インピーダンスＺｔｈ（ｔ）を２つの伝達関数の和で表現する場合はｎ＝２となる。
【００２０】
これら熱時定数の異なる２つの伝達関数の和による表現で不十分な場合、合算する伝達関数の和を３つ、４つと増やしていくことになるが、一方、伝達関数の数を多くすると、パラメータ数が多くなるために計算モデルが煩雑なものとなり、かえって使い勝手が悪くなる。以上から、２つないし３つ程度の伝達関数の和で表現することが望ましい。
【００２１】
なお、各一次遅れ系の伝達関数は、ほとんどの場合、熱抵抗ｒもそれぞれ異なることになる。しかし、熱時定数τが異なることにより、短時間の過渡的な温度変化と長時間における緩やかな温度変化をそれぞれ再現することができるので、熱抵抗が同じになったとしても構わない。
【００２２】
つぎに、一次遅れ系の伝達関数を用いた演算について説明する。
半導体素子温度算出部２で算出されるパワー半導体素子Ｔｒのジャンクション温度Ｔｊ（ｔ）は、パワー半導体素子Ｔｒで発生する損失をＰ（ｔ）、基準温度測定部３から出力された温度をＴ０（ｔ）としたとき、式２のように表される。
【００２３】
【数２】
伝達関数はラプラス演算子ｓを用いて表現している。
【００２４】
式１において、ｎ＝１とした場合の伝達関数をブロック図で表現すると図４（ａ）に示すようになり、これは式３に示す微分方程式と等価である。
【００２５】
【数３】
さらに、式３を差分方程式に書き換えると、式４のようになる。
【００２６】
【数４】
ただし、ｍは時刻（ステップ）を示す正の整数である。
【００２７】
このように、ある時刻ｍにおける温度差ΔＴ（ｍ）は、式４で示したように、１ステップ前の時刻における損失Ｐ（ｍ−１）と温度差ΔＴ（ｍ−１）と、熱抵抗ｒ、熱時定数τを用いて表すことができる。
【００２８】
ここで、過渡熱インピーダンスＺｔｈ（ｔ）は、熱時定数τの異なる２つの一次遅れ系の伝達関数ｆ１（ｔ）、ｆ２（ｔ）の和で模擬できるので、過渡熱インピーダンスＺｔｈ（ｔ）をブロック図で表現すると図４（ｂ）に示すようになる。したがって、一次遅れ系の伝達関数ｆ１（ｔ）、ｆ２（ｔ）毎に式４に示す等価な差分方程式による演算（温度差ΔＴｋ（ｍ）演算）を実行し、各伝達関数における温度差（サブ温度差ともいえる）の和を求めれば、ジャンクション−温度測定点間の温度差ΔＴ（ｍ）を正確に演算することができる。したがって、式２に示すように、演算した温度差ΔＴ（ｍ）を測定した基準温度Ｔ０に加えることで、ジャンクション温度Ｔｊを算出することができる。つまり、図５に示すような構成をとることにより、半導体素子温度算出部２では、パワー半導体素子Ｔｒのジャンクション温度Ｔｊを高速（リアルタイム）に算出することができる。
【００２９】
保護動作制御部４１において、パワー半導体素子Ｔｒに対して有効な過熱保護制御を実行させるためには、電力変換装置が動作中にリアルタイムでパワー半導体素子Ｔｒのジャンクション温度Ｔｊを算出する必要がある。パワー半導体素子Ｔｒは１μｓ程度以下の高速でスイッチング動作しているため、ジャンクション温度Ｔｊをリアルタイムに算出するためには、半導体素子温度算出部２で、上記スイッチング動作の速度以上の高速演算が必要となり、半導体素子温度算出部２をマイコン等に組み込むことが有効である。
【００３０】
なお、パワー半導体素子ＴｒとしてＳｉＣを用いる場合、２００℃あるいはそれ以上の高温で使用することが想定される。一方、基準温度測定部３の具体的なセンサとしてチップサーミスタを用いる場合、その許容使用温度はせいぜい１５０℃であることから、パワー半導体素子Ｔｒの近傍に設置することは難しい。パワー半導体素子Ｔｒから離れた位置にサーミスタを設置する場合、その設置位置（基準点）とパワー半導体素子Ｔｒ間の過渡熱インピーダンスは複雑になり、より正確に表現しなければならない。過渡熱インピーダンスＺｔｈ（ｔ）を式１のように熱時定数の異なる複数の一次遅れ系の伝達関数の和で表すことにより、過渡熱インピーダンスを正確に模擬することができる。このように、本発明は、高温で運転されるＳｉＣを用いた電力変換装置における算出したジャンクション温度Ｔｊに基づいて保護動作を行う場合に特に好適である。
【００３１】
つぎに、本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置および電力変換装置の保護方法における保護動作制御について説明する。
電力変換装置の駆動制御部４には、半導体素子温度算出部２により算出したパワー半導体素子Ｔｒ（のジャンクション）温度Ｔｊから、パワー半導体素子Ｔｒが過熱状態にあるか否かを判定する第１の判定Ｊｇ１と第２の判定Ｊｇ２を実施し、その判定出力に応じて、保護動作Ｃｒｌａ（電力変換装置の駆動条件を変更）を実行する保護動作制御部４１を備えている。保護動作Ｃｒｌａは、上記判定結果に基づいて選択される３種類を用意しており、パワー半導体素子Ｔｒで発生する電力損失を抑制するため、電力変換装置の出力を抑制する損失抑制動作を実行するＣａ２と、パワー半導体素子Ｔｒのスイッチング動作を停止するＣａ３と、通常動作指令を継続するＣａ１がある。Ｃａ２の場合、パワー半導体素子Ｔｒで発生する損失を抑制する図示しない損失抑制部を起動させ、Ｃａ３の場合、パワー半導体素子Ｔｒのスイッチング動作を停止する図示しない停止部を起動させることになる。
【００３２】
保護動作制御部４１における第１の判定Ｊｇ１は、パワー半導体素子Ｔｒのジャンクション温度Ｔｊを第一の設定温度Ｔｔｈ１と比較するもので、ＴｊとＴｔｈ１の大小関係により、電力変換装置の駆動方法を決定するものである。ここで、第一の設定温度Ｔｔｈ１はジャンクション温度Ｔｊの許容最大温度（例えば２００℃）より小さな値（例えば１８０℃）に設定しておく。Ｔｔｈ１＞Ｔｊのとき、動作Ｃａ１が選択され、損失抑制部または停止部を動作させることなく、電力変換装置は通常の運転動作を続ける。
【００３３】
また、第１の判定Ｊｇ１においてＴｔｈ１≦Ｔｊのとき、第２の判定Ｊｇ２を実施する。第２の判定Ｊｇ２では、パワー半導体素子Ｔｒのジャンクション温度Ｔｊを第一の設定温度Ｔｔｈ１（＝１８０℃）と許容最大温度（２００℃）の間の温度に設定された第二の設定温度Ｔｔｈ２（Ｔｔｈ１より高く、許容最大温度より低い温度、例えば１９０℃）と比較するもので、ＴｊとＴｔｈ２の大小関係により、電力変換装置の駆動方法を決定するものである。Ｔｊ＜Ｔｔｈ２のとき、保護動作Ｃａ２を選択し、駆動制御部４の損失抑制部が動作して、パワー半導体素子Ｔｒで発生する電力損失Ｐが低減され、Ｔｊの温度上昇が抑制される。一方、Ｔｔｈ２≦Ｔｊのとき、パワー半導体素子のジャンクション温度Ｔｊが許容最大温度近くまで上昇していることから、保護動作Ｃａ３を選択し、駆動制御部４の停止部が動作し、電力変換装置を停止するようにはＰＷＭ指令部４２の動作を制御する。
【００３４】
なお、図１において、保護動作制御部４１内をフローチャートで表現し、ソフトウェアで構築しているように記載しているが、各動作を実行するハードウェア、例えば「第１の判定Ｊｇ１に対しては、第１判定実行部」、のようにハード部材を用いて構成するようにしてもよい。
【００３５】
このような構成とすることにより、第１の判定Ｊｇ１において、Ｔｔｈ１＞Ｔｊと判定されたときは、損失抑制部あるいは停止部は動作せず、通常の運転制御の指令どおりに電力変換装置は動作を続ける。一方、Ｔｔｈ１≦Ｔｊのとき、第２の判定Ｊｇ２での判定に委ね、パワー半導体素子Ｔｒで発生する電力損失を抑制する損失抑制部が動作するか、あるいは、パワー半導体素子Ｔｒのスイッチング動作を停止する停止部が動作することになる。第２の判定Ｊｇ２において、Ｔｔｈ２＞Ｔｊのとき、ジャンクション温度Ｔｊの許容最大温度よりは小さいものの、第一の設定温度よりは高温状態にあり、このとき、パワー半導体素子で発生する損失を抑制するように駆動制御部４内の損失抑制部が動作する。その結果、パワー半導体素子Ｔｒで発生する電力損失が抑制され、パワー半導体素子Ｔｒのジャンクション温度Ｔｊが低下し、パワー半導体素子Ｔｒの劣化を抑制することが可能となる。一方、Ｔｔｈ２≦Ｔｊのとき、パワー半導体素子Ｔｒのジャンクション温度Ｔｊが許容最大温度近くまで上昇していることから、駆動制御部４における停止部が動作し、電力変換装置の動作は停止する。そのため、パワー半導体素子Ｔｒのジャンクション温度Ｔｊは低下していき、パワー半導体素子Ｔｒの過熱による破壊を抑制することができる。
【００３６】
以上のように本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置によれば、スイッチング素子としてパワー半導体素子Ｔｒを用いたパワー半導体モジュール１０１と、パワー半導体素子Ｔｒから離れた所定位置にある基準点の温度Ｔ０を測定する基準温度測定部３と、パワー半導体素子Ｔｒの温度Ｔｊを所定の伝達関数を用いて算出する半導体素子温度算出部２と、算出した半導体素子の温度Ｔｊに基づいてパワー半導体モジュール１０１を駆動制御する駆動制御部４と、を備え、パワー半導体素子Ｔｒから基準点までの過渡熱インピーダンスＺｔｈ（ｔ）が予め得られており、半導体素子温度算出部２は、所定の伝達関数として、熱時定数τの異なる複数の一次遅れ系伝達関数（ｒｋ／（１＋ｓτｋ）：それぞれの合算（Σｒｋ／（１＋ｓτｋ））が半導体素子Ｔｒから基準点までの過渡熱インピーダンスＺｔｈ（ｔ）を模擬）を有し、一次遅れ系伝達関数（ｒｋ／（１＋ｓτｋ））毎にパワー半導体素子Ｔｒで発生する電力損失Ｐに基づいて基準点とパワー半導体素子Ｔｒとの（サブ）温度差ΔＴｋを演算し、演算したそれぞれの（サブ）温度差の和ΣΔＴｋと基準点の温度Ｔ０とに基づいてパワー半導体素子Ｔｒの温度Ｔｊを算出するように構成したので、高精度でリアルタイムにパワー半導体素子Ｔｒの（ジャンクション）温度Ｔｊを算出することができるので、電力変換装置の性能を高く保ちながら、パワー半導体素子Ｔｒの劣化や破損を防止し、信頼性の高い電力変換装置を得ることができる。
【００３７】
とくに、一次遅れ系伝達関数（ｒｋ／（１＋ｓτｋ））毎の（サブ）温度差ΔＴｋの演算は、各別に差分計算されるように構成したので、ジャンクション温度Ｔｊの演算に係る時間が短くなり、高速演算によって、リアルタイムにパワー半導体素子Ｔｒの（ジャンクション）温度Ｔｊを算出することができる。
【００３８】
また本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置の保護方法によれば、スイッチング素子としてパワー半導体素子Ｔｒを用いたパワー半導体モジュール１０１を有する電力変換装置の保護方法であって、パワー半導体素子Ｔｒから離れた所定位置にある基準点の温度Ｔ０を測定する基準温度測定工程と、パワー半導体素子Ｔｒで発生する電力損失Ｐを演算する工程と、演算した電力損失Ｐを用いて熱時定数τの異なる複数の一次遅れ系伝達関数（ｒｋ／（１＋ｓτｋ）：それぞれの合算（Σｒｋ／（１＋ｓτｋ））がパワー半導体素子Ｔｒから基準点までの過渡熱インピーダンスＺｔｈ（ｔ）を模擬）毎に基準点とパワー半導体素子Ｔｒとの（サブ）温度差ΔＴｋを演算し、演算したそれぞれの（サブ）温度差ΔＴｋの和（ΔＴ＝ΣΔＴｋ）と基準点の温度Ｔ０とに基づいてパワー半導体素子Ｔｒの温度Ｔｊを算出する半導体素子温度算出工程と、算出したパワー半導体素子Ｔｒの温度Ｔｊに基づいてパワー半導体モジュール１０１を駆動制御する駆動制御工程と、を備えるように構成したので、電力変換装置の性能を高く保ちながら、パワー半導体素子Ｔｒの劣化や破損を防止し、信頼性の高い電力変換装置を得ることができる。
【００３９】
なお、上記実施の形態では熱時定数の異なる一次遅れ系伝達関数毎に温度差を並列計算する例を示したが、伝達関数毎の計算はいたって簡易であり、また分離した数も２や３と少ないので、ハードウェアの計算能力によっては逐次計算するようにしてもよい。
【００４０】
また、上記実施の形態では保護動作制御部４１を駆動制御部４中に設ける構成について示したが、動作制御部４１は駆動制御部４と独立していても同様の効果を奏することができる。
【００４１】
実施の形態１の他の例．
上記実施の形態１では、パワー半導体モジュール１０１中のひとつのパワー半導体素子Ｔｒのジャンクション温度Ｔｊに基づいて保護動作を実行する例について説明したが、本形態では、複数のパワー半導体素子のジャンクション温度Ｔｊを評価した場合の例について説明する。
【００４２】
モータを駆動する電力変換装置に用いられるパワー半導体モジュールの内部構成は、様々である。例えば、小容量のモータを駆動するためのパワー半導体モジュールでは、図２に示したように、一つのパワー半導体モジュール内に３相上下アームのインバータ回路を構成していることが多い。一方、大容量のモータを駆動するためのパワー半導体モジュールでは、複数個のパワー半導体素子を並列に接続して、３相インバータにおける１相片側アーム分のみを構成しているものがある。このような大容量用のパワー半導体モジュールの場合では、複数のパワー半導体モジュールを組み合わせることにより、３相インバータ回路が構成される。このように、一つのパワー半導体モジュールでインバータ回路を構成されているものや、複数のパワー半導体モジュールを組み合わせることによりインバータ回路を構成するものがあるが、いずれの場合においても、パワー半導体モジュール内部には、複数のパワー半導体素子が存在している。
【００４３】
そのため、パワー半導体モジュール内部に存在するパワー半導体素子それぞれに対して、基準温度測定部３と各パワー半導体素子間の過渡熱インピーダンスＺｔｈ（ｔ）を表現している熱時定数の異なる複数の伝達関数の組を設定し、各パワー半導体素子のジャンクション温度Ｔｊを推定するとともに、それぞれのジャンクション温度Ｔｊに対して、第１の判定Ｊｇ１、第２の判定Ｊｇ２を実施して、電力変換装置の駆動方法を決定することが望ましい。複数あるパワー半導体素子Ｔｒのうち、一つのパワー半導体素子Ｔｒのジャンクション温度が、第２の判定Ｊｇ２により第二の設定温度ＴＴｈ２を超えると判定されたときには、他のパワー半導体素子のジャンクション温度Ｔｊが第一の設定温度ＴＴｈ１より低い場合でも、駆動制御部４内の停止部により遮断（Ｃａ３選択）するものとする。また、全てのパワー半導体素子Ｔｒのジャンクション温度Ｔｊが第二の設定温度ＴＴｈ２より低い場合において、一つのパワー半導体素子のジャンクション温度Ｔｊが第一の設定温度ＴＴｈ１を超える場合においては、駆動制御部４内の損失抑制部が動作（Ｃａ２選択）するものとする。
【００４４】
以上のように、本変形例にかかる電力変換装置および電力変換装置の保護方法によれば、半導体素子温度算出部２は、パワー半導体モジュール１０１内の複数のパワー半導体素子Ｔｒのそれぞれに対して予め得られた当該パワー半導体素子から基準点までの過渡熱インピーダンスＺｔｈ（ｔ）を模擬する伝達関数の組を用いて、複数のパワー半導体素子のそれぞれの温度を算出し、保護動作制御部４１は、算出した複数のパワー半導体素子のそれぞれの温度のうちの最も高い温度に基づいて駆動制御部４の動作を制限（Ｃａ１〜Ｃａ３を選択）するように構成したのでパワー半導体素子それぞれの熱的条件が異なっても、最適な保護動作を選択し、パワー半導体素子の破壊や劣化を防ぐことができる。
【００４５】
なお、本変形例のように複数のパワー半導体素子の過渡熱インピーダンスＺｔｈ（ｔ）を模擬する伝達関数の組を使用する場合、予め各半導体素子に流れる電流や印加される電圧の偏り等がわかっている場合、これらの偏りによる寄与分を伝達関数に入れ込むようにしてもよい。この場合、温度測定点や、電流等の測定点を増加させることなく、各パワー半導体素子のジャンクション温度を正確に評価し、適切な保護動作を行うことができる。
【００４６】
実施の形態２．
本実施の形態２にかかる電力変換装置および電力変換装置の保護方法は、上述した実施の形態１と較べて、半導体素子温度算出部での電力損失の演算方法が異なる。本実施の形態２にかかる電力変換装置および電力変換装置の保護方法の説明の前に、パワー半導体モジュールにおける電力損失について説明する。
【００４７】
パワー半導体素子Ｔｒで発生する電力損失Ｐは、導通損失とスイッチング損失の和で表される。導通損失は、パワー半導体素子が導通状態において発生する損失であり、スイッチング損失はオン状態からオフ状態、あるいは、オフ状態からオン状態へのスイッチング動作中の過渡状態において生じる損失である。パワー半導体素子で発生する電力損失は、パワー半導体素子を流れる電流と電圧の積として求めることができる。そのためには、実施の形態１に示すようにパワー半導体素子を流れる電流と電圧を電流測定部１１と電圧測定部１２のそれぞれが精度良く測定されていることが不可欠である。
【００４８】
一方、パワー半導体素子Ｔｒの導通損失は、パワー半導体素子を流れる電流と飽和電圧の積により算出することができる。また、スイッチング損失に関しては、動作一回あたりに発生するエネルギー、即ち、ターンオンエネルギー［J／パルス］とターンオフエネル
ギー［J／パルス］（まとめてスイッチングエネルギーと称する）は動作条件で定まるも
ので、一回のスイッチング動作における平均的なスイッチング損失［Ｗ］は、スイッチングエネルギー［J／パルス］とキャリア周波数［Ｈｚ］との積により求めることができる。パワー半導体素子Ｔｒの飽和電圧特性およびスイッチングエネルギーのコレクタ電流依存性はいずれも、パワー半導体モジュールのデータシートに記載されている。したがって、パワー半導体素子Ｔｒで発生する電力損失Ｐは、パワー半導体素子のターンオン動作及びターンオフ動作のタイミングがわかれば上述したデータシートを利用して算出することが可能となる。
【００４９】
そこで、本実施の形態２にかかる電力変換装置および電力変換装置の保護方法では、パワー半導体素子のスイッチング信号（ゲート指令信号）と上述したデータシートのデータを用いて半導体素子温度算出部での電力損失の演算を実施する。以下、図を用いて詳細に説明する。
【００５０】
図６は本発明の実施の形態２に係る電力変換装置および保護方法を説明するためのブロック図であり、図７は電力損失演算部における演算方法を説明するためのブロック図である。図において、電力損失演算部２１ｂでは、電流測定部１１からの電流値信号ＳＣとＰＷＭ指令部４２ｂからのゲート指令信号ＳＧとキャリア周波数信号ＳＦに基づいて電力損失Ｐを算出する。ここで、ゲート指令信号ＳＧは駆動制御部４ｂ（ＰＷＭ指令部４２ｂ）からパワー半導体素子Ｔｒのオンオフ指令を与える駆動指令（スイッチング信号）のことであり、キャリア周波数信号ＳＦはＰＷＭ指令部４２ｂがパワー半導体モジュール１０１を制御する際のキャリア周波数についての情報を伝えるための情報信号である。
【００５１】
図７を用いて演算の詳細を説明する。電力損失演算部２１ｂは、特性テーブルＤＳ１と、特性テーブルＤＳ２とを保持し、入力した信号に応じて保持した特性テーブルＤＳ１、ＤＳ２から導通損失やスイッチングエネルギーを読みだす読み出し処理ＲＯ１、ＲＯ２を実行し、読みだしたスイッチングエネルギーとキャリア周波数によってスイッチング損失を演算する演算Ｃａｌｂ２と、スイッチング損失と読みだした導通損失を加算する演算Ｃａｌｂ１とを実行する。特性テーブルＤＳ１はパワー半導体素子Ｔｒの導通損失特性の電流値依存性を、特性テーブルＤＳ２はパワー半導体素子Ｔｒのスイッチングエネルギーの電流値依存性をそれぞれ記憶しているデータテーブルである。なお、ゲート指令信号ＳＧと電流値信号ＳＣに基づいて特性テーブルＤＳ２から読みだしたスイッチングエネルギーのデータと、キャリア周波数信号ＳＦから換算されるキャリア周波数との積により、スイッチング損失を演算することができる。
【００５２】
電流測定部１１から出力されたパワー半導体素子Ｔｒを流れる電流の測定値に基づく電流値信号ＳＣと、ＰＷＭ指令部４２ｂから出力されるパワー半導体素子Ｔｒへのゲート指令信号ＳＧとキャリア周波数信号ＳＦが、電力損失演算部２１ｂに入力されると、保持した特性テーブルＤＳ１と特性テーブルＤＳ２を参照し、特性テーブルＤＳ１からパワー半導体素子Ｔｒで発生する導通損失（ＲＯ１）が求められる。また、ゲート指令信号ＳＧが入力されると、特性テーブルＤＳ２からパワー半導体素子Ｔｒのスイッチングエネルギー（ＲＯ２）が求まり、求まったスイッチングエネルギーとキャリア周波数の積から、そのスイッチ動作におけるスイッチング損失が得られる。このように、パワー半導体素子の電流−導通損失特性テーブルＤＳ１とパワー半導体素子の電流−スイッチングエネルギー特性テーブルＤＳ２に格納されているデータを基にしてパワー半導体素子Ｔｒで発生する損失を求めることが可能となる。
【００５３】
本実施の形態２では、電力損失演算部２１ｂが、電流値信号ＳＣとゲート指令信号ＳＧおよびキャリア周波数信号ＳＦを基にパワー半導体素子Ｔｒで発生する電力損失Ｐを演算している。パワー半導体素子Ｔｒで発生する電力損失演算以外の動作については実施の形態１と同様である。このような構成とすることにより、保護動作制御部４１（図６）においては、第１の判定Ｊｇ１において、Ｔｔｈ１＞Ｔｊと判定されたときは、損失抑制動作Ｃａ２や停止動作Ｃａ３は選択されず、駆動制御部４ｂの指令どおりに電力変換装置は動作を続ける。一方、第１の判定Ｊｇ１においてＴｔｈ１≦Ｔｊのとき、さらに第２の判定Ｊｇ２を実施し、第２の判定Ｊｇ２において、Ｔｔｈ２＞Ｔｊのとき、パワー半導体素子Ｔｒで発生する損失を抑制するように損失抑制動作Ｃａ２が選択されることにより、パワー半導体素子Ｔｒのジャンクション温度Ｔｊが低下し、パワー半導体素子Ｔｒの劣化を抑制することが可能となる。一方、Ｔｔｈ２≦Ｔｊのとき、電力変換装置を停止するよう駆動制御部４ｂにおける停止動作Ｃａ３が選択される。パワー半導体素子Ｔｒのスイッチング動作が停止するため、パワー半導体素子Ｔｒのジャンクション温度Ｔｊは低下していき、パワー半導体素子Ｔｒの破壊あるいは劣化を防止することができる。
【００５４】
以上のように、本実施の形態２にかかる電力変換装置および電力変換装置の保護方法によれば、パワー半導体素子Ｔｒに流れる電流値を測定し電流値信号ＳＣを出力する電流値測定部１１を備えるとともに、駆動制御部４ｂはパワー半導体素子Ｔｒのオンオフを制御するゲート指令信号ＳＧを半導体素子温度算出部２ｂに出力し、半導体素子温度算出部２ｂは、パワー半導体素子Ｔｒの導通損失に対する電流値依存データＤＳ１、およびパワー半導体素子Ｔｒのスイッチング損失に対する電流値依存データＤＳ２を保持し、半導体素子温度算出部２ｂに、電流値信号ＳＣとゲート指令信号ＳＧが入力されると、入力された電流値信号ＳＣおよびゲート指令信号ＳＧに応じて保持したデータＤＳ１，ＤＳ２から必要な導通損失の値またはスイッチング損失の値を読み出し（ＲＯ１、ＲＯ２）、電力損失Ｐを算出するように構成したので、パワー半導体素子で発生する電力損失Ｐを容易に演算することができる。また、電圧センサを用いることなく、パワー半導体素子Ｔｒで発生する電力損失を演算することができるので、電圧センサが不要となり、電力変換装置の低コスト化、小型化が可能となる。
【００５５】
なお、上記実施の形態２では、パワー半導体素子Ｔｒの導通損失を求めるために、パワー半導体素子Ｔｒの電流−導通損失テーブルＤＳ１を用いる例を示したが、パワー半導体素子の導通損失が、パワー半導体素子の電流と飽和電圧の積で求められることから、パワー半導体素子の飽和電圧特性をテーブル化したものを用いてもよい。
【００５６】
また、上記実施の形態では、キャリア周波数が可変の場合にも対応できるような構成を示したが、キャリア周波数が一定の場合には、キャリア周波数信号ＳＦを電力損失演算部２１ｂへの入力とせず、Ｃａｌｂ２において一定値を掛けるようにしてもよい。
【００５７】
実施の形態３．
本実施の形態３にかかる電力変換装置および電力変換装置の保護方法では、パワー半導体素子の飽和電圧特性及びスイッチングエネルギーのコレクタ電流依存性に温度依存性があることを考慮し、パワー半導体素子の特性データとして温度依存性を有するものを用い、特性データからの読み出しに際してジャンクション温度演算部において演算したジャンクション温度のデータを用いることが実施の形態２と異なるようにした。他の形態については実施の形態２と同様である。以下、図を用いて詳細に説明する。
【００５８】
図８、９は本発明の実施の形態３に係る電力変換装置および保護方法を説明するためのブロック図である。図において、電力損失演算部２１ｃは、パワー半導体素子Ｔｒの導通損失特性の電流値を温度毎にテーブル化したパワー半導体素子の電流−導通損失特性テーブルＤＳｃ１を、パワー半導体素子Ｔｒのスイッチングエネルギーの電流値を温度毎にテーブル化したパワー半導体素子の電流−スイッチングエネルギー特性テーブルＤＳｃ２を保持している。図９においては、導通損失、スイッチングエネルギーのそれぞれについて、実線で２５℃のデータを、破線で１２５℃のデータを示している。他の温度に対するデータについては、線形補間等により算出するものとする。電力損失演算部２１ｃの入力信号として、電流測定部１１の電流値信号ＳＣと、ジャンクション温度演算部２３ｃで算出したパワー半導体素子Ｔｒの（１ステップ遅れの）ジャンクション温度の演算結果ＳＴを入力信号とすることにより、パワー半導体素子で発生する損失を高精度に演算することが可能となる。他の構成要素や動作については、実施の形態１、２で述べたとおりである。
【００５９】
電流測定部１１から出力された電流値信号ＳＣと、ジャンクション温度演算部２３ｃから出力された１ステップ遅れの温度演算結果信号ＳＴと、ＰＷＭ指令部４２ｃから出力されるゲート指令信号ＳＧとキャリア周波数信号ＳＦが、電力損失演算部２１ｃに入力されると、保持した特性テーブルＤＳｃ１と特性テーブルＤＳｃ２を参照し、入力された温度および電流（電流値信号ＳＣ）に対応する導通損失データを読み出す（ＲＯｃ１）。また、ゲート指令信号ＳＧが入力されると、特性テーブルＤＳｃ２のうち、入力された温度および電流値信号ＳＣからパワー半導体素子Ｔｒのスイッチングエネルギー（ＲＯｃ２）が求まり、求まったスイッチングエネルギーとキャリア周波数の積からスイッチング損失が得られる。
【００６０】
このような構成とすることにより、保護動作制御部４１（図８）においては、第１の判定Ｊｇ１において、Ｔｔｈ１＞Ｔｊと判定されたときは、損失抑制動作Ｃａ２や停止動作Ｃａ３は選択されず、駆動制御部４ｃの指令どおりに電力変換装置は動作を続ける。一方、第１の判定Ｊｇ１においてＴｔｈ１≦Ｔｊのとき、さらに第２の判定Ｊｇ２を実施し、第２の判定Ｊｇ２において、Ｔｔｈ２＞Ｔｊのとき、パワー半導体素子Ｔｒで発生する損失を抑制するように損失抑制動作Ｃａ２が選択されることにより、パワー半導体素子Ｔｒのジャンクション温度Ｔｊが低下し、パワー半導体素子Ｔｒの劣化を抑制することが可能となる。一方、Ｔｔｈ２≦Ｔｊのとき、電力変換装置を停止するよう駆動制御部４ｃにおける停止動作Ｃａ３が選択される。パワー半導体素子Ｔｒのスイッチング動作が停止するため、パワー半導体素子Ｔｒのジャンクション温度Ｔｊは低下していき、パワー半導体素子Ｔｒの破壊あるいは劣化を防止することができる。
【００６１】
以上のように本実施の形態３にかかる電力変換装置および電力変換装置の保護方法によれば、半導体素子温度算出部２ｃは、パワー半導体素子Ｔｒの温度Ｔｊ毎に導通損失に対する電流値依存データＤＳｃ１、およびスイッチング損失に対する電流値依存データＤＳｃ２を保持し、１ステップ前に算出した半導体素子Ｔｒの温度Ｔｊ（ｍ−１）に応じて温度毎に保持したデータＤＳｃ１、ＤＳｃ２から必要な電流値依存データを選択し、電力損失Ｐを算出するように構成したので、パワー半導体素子の導通損失及びスイッチング損失のそれぞれについて温度依存性を考慮することができるため、より高精度にパワー半導体素子のジャンクション温度Ｔｊを推定することが可能である。
【００６２】
なお、図９では、保持している特性テーブルＤＳｃ１およびＤＳｃ２において、温度依存性として、２５℃、１２５℃における特性を保持している例を示しているが、他の温度における導通損失やスイッチング損失のデータを格納していても問題ないことはいうまでもない。
【００６３】
実施の形態４．
本実施の形態４にかかる電力変換装置および電力変換装置の保護方法では、半導体素子温度算出部において算出されたパワー半導体素子Ｔｒのジャンクション温度Ｔｊに応じて実行する保護動作を実施の形態１と異なるようにした。他の形態については実施の形態１と同様である。以下、図を用いて詳細に説明する。
【００６４】
図１０は、本発明の実施の形態４に係る電力変換装置におけるパワー半導体素子のジャンクション温度の推定方法及び過熱保護方法およびこれらを実行するための構成を示す図である。本実施の形態４では、保護動作制御部４１ｄにおける保護動作Ｃｒｌｄとして，ＰＷＭ指令に用いるキャリア周波数を変更するようにしている。つまり、駆動制御部４ｄによるパワー半導体素子ＴｒのＰＷＭ制御におけるキャリア周波数を半導体素子温度算出部２が算出したジャンクション温度Ｔｊに基づいて変更することにより、パワー半導体素子での電力損失を抑制しようとしている。
【００６５】
なお、図１０においては、保護動作制御部４１ｄからの指令により、ＰＷＭ指令部４２ｄにキャリア周波数ｆｃを変更させる信号を出すようにしているが、図示しないキャリア周波数制御部を設け、保護動作制御部４１ｄは、選択した動作についての情報（保護動作信号）をキャリア周波数制御部に出力し、キャリア周波数制御部が入力された保護動作信号に基づいてキャリア周波数ｆｃを変更するようにしてもよい。
【００６６】
このような構成とすることにより、保護動作制御部４１ｄにおいては、第１の判定Ｊｇ１において、Ｔｔｈ１＞Ｔｊと判定されたときは、ＰＷＭ指令部４２ｄに、キャリア周波数ｆｃを通常動作におけるキャリア周波数ｆｃ１にするように指令を出す（保護動作Ｃｄ１）。つまり、通常の駆動制御部４ｄの指令どおりに電力変換装置は動作を続ける。一方、第１の判定Ｊｇ１においてＴｔｈ１≦Ｔｊのとき、さらに第２の判定Ｊｇ２を実施し、第２の判定Ｊｇ２において、Ｔｔｈ２＞Ｔｊのとき、損失抑制動作Ｃｄ２が選択されることにより、キャリア周波数ｆｃを通常のキャリア周波数ｆｃ１より低いｆｃ２にするようにＰＷＭ指令部４２ｄに指令を出す。スイッチング損失は単位時間当たりのスイッチング回数に比例するため、キャリア周波数を低くすることにより、単位時間当たりのスイッチング回数が少なくなり、スイッチング損失を低減することができる。これにより、キャリア周波数ｆｃを通常より低いｆｃ２に設定することでスイッチング回数が通常より減ることになり、スイッチング損失が低減され、パワー半導体素子Ｔｒのジャンクション温度Ｔｊを低下させることができる。一方、Ｔｔｈ２≦Ｔｊのとき、電力変換装置を停止するよう駆動制御部４ｄにおける停止動作Ｃｄ３が選択される。パワー半導体素子Ｔｒのスイッチング動作が停止するため、パワー半導体素子Ｔｒのジャンクション温度Ｔｊは低下していき、パワー半導体素子Ｔｒの破壊あるいは劣化を防止することができる。
【００６７】
以上のように本実施の形態４にかかる電力変換装置および電力変換装置の保護方法では、駆動制御部４ｄは、パワー半導体モジュール１０１を動作させるキャリア周波数ｆｃを制御する図示しないキャリア周波数制御部を有し、保護動作制御部４１ｄは、算出した半導体素子温度Ｔｊに基づいてキャリア周波数ｆｃを変更させるように構成したので、駆動動作に制限を掛けたいときに、キャリア周波数を低くすることにより、単位時間当たりのスイッチング回数が少なくなり、スイッチング損失を低減することができる。その結果、パワー半導体素子で発生する損失が小さくなり、パワー半導体素子のジャンクション温度が低下するため、パワー半導体素子の劣化を抑制することが可能となる。
【００６８】
実施の形態５．
本実施の形態５にかかる電力変換装置および電力変換装置の保護方法でも、半導体素子温度算出部において算出されたパワー半導体素子Ｔｒのジャンクション温度Ｔｊに応じて実行する保護動作を実施の形態１や４と異なるようにした。他の形態については実施の形態１と同様である。以下、図を用いて詳細に説明する。
【００６９】
図１１は、本発明の実施の形態５に係る電力変換装置におけるパワー半導体素子のジャンクション温度の推定方法及び過熱保護方法およびこれらを実行するための構成を示す図である。本実施の形態５では、保護動作制御部４１ｅにおける保護動作Ｃｒｌｅとして，パワー半導体素子を駆動するゲート抵抗Ｒｇを変更するようにしている。つまり、駆動制御部４ｅによるパワー半導体素子Ｔｒのゲート抵抗Ｒｇを半導体素子温度算出部２が算出したジャンクション温度Ｔｊに基づいて変更することにより、パワー半導体素子Ｔｒでの電力損失を抑制しようとしている。
【００７０】
なお、図１１においては、保護動作制御部４１ｅからの指令により、ＰＷＭ指令部４２ｅにゲート抵抗Ｒｇを変更させる信号を出すようにしているが、図示しないゲート抵抗制御部を設け、保護動作制御部４１ｅは、選択した動作についての情報（保護動作信号）をゲート抵抗制御部に出力し、ゲート抵抗制御部が入力された保護動作信号に基づいてゲート抵抗Ｒｇを変更するようにしてもよい。
【００７１】
このような構成とすることにより、保護動作制御部４１ｅにおいては、第１の判定Ｊｇ１において、Ｔｔｈ１＞Ｔｊと判定されたときは、ＰＷＭ指令部４２ｅに、ゲート抵抗Ｒｇを通常動作におけるゲート抵抗Ｒｇ１にするように指令を出す（保護動作Ｃｅ１）。つまり、通常の駆動制御部４ｅの指令どおりに電力変換装置は動作を続ける。一方、第１の判定Ｊｇ１においてＴｔｈ１≦Ｔｊのとき、さらに第２の判定Ｊｇ２を実施し、第２の判定Ｊｇ２において、Ｔｔｈ２＞Ｔｊのとき、損失抑制動作Ｃｅ２が選択されることにより、ゲート抵抗Ｒｇを通常のゲート抵抗Ｒｇ１より低いＲｇ２にする。ゲート抵抗を小さくすることにより、スイッチング動作が速くなり、スイッチング損失を低減することができるので、パワー半導体素子Ｔｒのジャンクション温度Ｔｊを低下させることができる。一方、Ｔｔｈ２≦Ｔｊのとき、電力変換装置を停止するよう駆動制御部４ｅにおける停止動作Ｃｅ３が選択される。パワー半導体素子Ｔｒのスイッチング動作が停止するため、パワー半導体素子Ｔｒのジャンクション温度Ｔｊは低下していき、パワー半導体素子Ｔｒの破壊あるいは劣化を防止することができる。
【００７２】
ゲート抵抗Ｒｇの変更については、例えば、半導体素子のゲートに対してそれぞれゲート抵抗が異なるように複数の配線を接続し、上記動作に応じて配線を切替えるようにしても良い。
【００７３】
以上のように本実施の形態５にかかる電力変換装置および電力変換装置の保護方法では、駆動制御部４ｅは、パワー半導体素子Ｔｒのゲート抵抗Ｒｇを制御する図示しないゲート抵抗制御部を有し、保護動作制御部４１ｅは、算出した半導体素子温度Ｔｊに基づいてゲート抵抗Ｒｇを変更させるように構成したので、駆動動作に制限を掛けたいときに、ゲート抵抗Ｒｇを小さくすることにより、スイッチング動作が速くなり、スイッチング損失を低減することができる。その結果、パワー半導体素子で発生する損失が小さくなり、パワー半導体素子のジャンクション温度が低下するため、パワー半導体素子の劣化を抑制することが可能となる。
【００７４】
なお、本実施の形態５において、実施の形態２や３のように、電力損失算出部がゲート指令信号ＳＧを受けるとパワー半導体素子の電流−スイッチングエネルギー特性テーブルからスイッチング損失を読み出すようにしている場合、保護動作信号を電力損失算出部にも出力するようにしてもよい。その場合、電力損失算出部では、ゲート抵抗Ｒｇごとの特性テーブルＤｓＲを保持し、入力された保護動作（またはゲート抵抗値）に基づいてデータを選択するようにすれば、さらに高精度にジャンクション温度を評価することができる。
【００７５】
なお、上記各実施の形態においては、算出した半導体素子温度Ｔｊを、２つの閾値Ｔｔｈ1、Ｔｔｈ２と比較して保護動作を決定する例について説明したが、保護動作はこれに限定される必要はない。例えば算出した半導体素子温度Ｔｊの値に対して多段階のキャリア周波数ｆｃを対応させたLook Up Tableを保持し、半導体素子温度Ｔｊが所定値以上になったら段階的にキャリア周波数を低下させていくようにしてもよい。とくに、本発明の各実施の形態にかかる電力変換装置および電力変換装置の保護方法においては高精度に半導体素子温度Ｔｊを算出できるので、半導体素子温度Ｔｊに応じてきめ細かく保護動作を掛けることにより、電力変換装置の特性を最大限に利用することが可能となる。
【符号の説明】
【００７６】
１ 出力測定部（１１ 電流測定部、 １２ 電圧測定部）、
２ 半導体素子温度算出部（２１ 電力損失演算部、 ２２ 温度差演算部、 ２３ ジャンクション温度演算部）、 ３ 基準温度測定部、
４ 駆動制御部（４１ 保護動作制御部、 ４２ ＰＷＭ指令部）、
１０１ パワー半導体モジュール、 １０２ モータ、
ＤＳ１ 半導体素子の電流−導通損失特性テーブル（導通損失の電流依存性データ）、
ＤＳ２ 半導体素子の電流−スイッチング損失特性テーブル（スイッチング損失の電流依存性データ）、 Ｐ 電力損失、 ＳＣ 電流値信号、 ＳＧ ゲート指令信号、 ＳＦ キャリア周波数信号、 Ｔ０ 基準温度、 Ｔｒ パワー半導体素子、
Ｚｔｈ（ｔ） 過渡熱インピーダンス、 ｒ／（１＋ｓτ） 一次遅れ系伝達関数、 ΔＴ 温度差、
添え字：ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅはそれぞれ実施の形態ごとの変形を示す。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング素子としてパワー半導体素子を用いたパワー半導体モジュールと、
前記パワー半導体素子から離れた基準点の温度を測定する基準温度測定部と、
前記パワー半導体素子の温度を所定の伝達関数を用いて算出する半導体素子温度算出部と、
前記算出したパワー半導体素子の温度に基づいて前記パワー半導体モジュールを駆動制御する駆動制御部と、を備え、
前記半導体素子温度算出部は、
前記所定の伝達関数として、熱時定数の異なる複数の一次遅れ系伝達関数を有し、
前記一次遅れ系伝達関数毎に前記パワー半導体素子で発生する電力損失に基づいて前記基準点と前記半導体素子との温度差を演算し、演算したそれぞれの温度差の和と前記基準点の温度とに基づいて前記パワー半導体素子の温度を算出することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記保持した一次遅れ系伝達関数毎の温度差の演算は、各別に差分計算されることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記半導体素子温度算出部は、前記パワー半導体モジュール内の複数のパワー半導体素子のそれぞれの温度を算出し、
前記駆動制御部は、前記算出した複数のパワー半導体素子のそれぞれの温度のうちの最も高い温度に基づいて前記パワー半導体モジュールを駆動制御することを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記パワー半導体素子に流れる電流値を測定し、電流値信号を前記半導体素子温度算出部に出力する電流値測定部を備え、
前記パワー半導体素子温度算出部は、
前記パワー半導体素子の導通損失に対する電流値依存データ、および前記パワー半導体素子のスイッチング損失に対する電流値依存データを保持し、
前記電流値信号および前記駆動制御部が前記パワー半導体素子のオンオフを制御するために出力する指令信号に応じて、前記保持した電流値依存データから対応する導通損失の値またはスイッチング損失の値を読み出して前記電力損失を算出することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記半導体素子温度算出部は、
前記パワー半導体素子の温度毎に前記導通損失に対する電流値依存データ、および前記スイッチング損失に対する電流値依存データを保持し、
算出した前記パワー半導体素子の温度に応じて前記温度毎に保持した電流値依存データから必要な電流値依存データを選択することを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記駆動制御部は、前記パワー半導体モジュールを動作させるキャリア周波数を制御するキャリア周波数制御部を有し、
前記算出したパワー半導体素子の温度に基づいて前記キャリア周波数を変更することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記駆動制御部は、前記パワー半導体素子のゲート抵抗を制御するゲート抵抗制御部を有し、
前記算出したパワー半導体素子の温度に基づいて前記ゲート抵抗を変更することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項８】
スイッチング素子としてパワー半導体素子を用いたパワー半導体モジュールを有する電力変換装置の保護方法であって、
前記パワー半導体素子から離れた基準点の温度を測定する基準温度測定工程と、
前記パワー半導体素子で発生する電力損失を演算する工程と、
前記演算した電力損失を用いて熱時定数の異なる複数の一次遅れ系伝達関数毎に前記基準点と前記パワー半導体素子との温度差を演算し、演算したそれぞれの温度差の和と前記基準点の温度とに基づいて前記パワー半導体素子の温度を算出する半導体素子温度算出工程と、
前記算出したパワー半導体素子の温度に基づいて前記パワー半導体モジュールを駆動制御する駆動制御工程と、
を備えたことを特徴とする電力変換装置の保護方法。
【請求項１】
スイッチング素子としてパワー半導体素子を用いたパワー半導体モジュールと、
前記パワー半導体素子から離れた基準点の温度を測定する基準温度測定部と、
前記パワー半導体素子の温度を所定の伝達関数を用いて算出する半導体素子温度算出部と、
前記算出したパワー半導体素子の温度に基づいて前記パワー半導体モジュールを駆動制御する駆動制御部と、を備え、
前記半導体素子温度算出部は、
前記所定の伝達関数として、熱時定数の異なる複数の一次遅れ系伝達関数を有し、
前記一次遅れ系伝達関数毎に前記パワー半導体素子で発生する電力損失に基づいて前記基準点と前記半導体素子との温度差を演算し、演算したそれぞれの温度差の和と前記基準点の温度とに基づいて前記パワー半導体素子の温度を算出することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記保持した一次遅れ系伝達関数毎の温度差の演算は、各別に差分計算されることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記半導体素子温度算出部は、前記パワー半導体モジュール内の複数のパワー半導体素子のそれぞれの温度を算出し、
前記駆動制御部は、前記算出した複数のパワー半導体素子のそれぞれの温度のうちの最も高い温度に基づいて前記パワー半導体モジュールを駆動制御することを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記パワー半導体素子に流れる電流値を測定し、電流値信号を前記半導体素子温度算出部に出力する電流値測定部を備え、
前記パワー半導体素子温度算出部は、
前記パワー半導体素子の導通損失に対する電流値依存データ、および前記パワー半導体素子のスイッチング損失に対する電流値依存データを保持し、
前記電流値信号および前記駆動制御部が前記パワー半導体素子のオンオフを制御するために出力する指令信号に応じて、前記保持した電流値依存データから対応する導通損失の値またはスイッチング損失の値を読み出して前記電力損失を算出することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記半導体素子温度算出部は、
前記パワー半導体素子の温度毎に前記導通損失に対する電流値依存データ、および前記スイッチング損失に対する電流値依存データを保持し、
算出した前記パワー半導体素子の温度に応じて前記温度毎に保持した電流値依存データから必要な電流値依存データを選択することを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記駆動制御部は、前記パワー半導体モジュールを動作させるキャリア周波数を制御するキャリア周波数制御部を有し、
前記算出したパワー半導体素子の温度に基づいて前記キャリア周波数を変更することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記駆動制御部は、前記パワー半導体素子のゲート抵抗を制御するゲート抵抗制御部を有し、
前記算出したパワー半導体素子の温度に基づいて前記ゲート抵抗を変更することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項８】
スイッチング素子としてパワー半導体素子を用いたパワー半導体モジュールを有する電力変換装置の保護方法であって、
前記パワー半導体素子から離れた基準点の温度を測定する基準温度測定工程と、
前記パワー半導体素子で発生する電力損失を演算する工程と、
前記演算した電力損失を用いて熱時定数の異なる複数の一次遅れ系伝達関数毎に前記基準点と前記パワー半導体素子との温度差を演算し、演算したそれぞれの温度差の和と前記基準点の温度とに基づいて前記パワー半導体素子の温度を算出する半導体素子温度算出工程と、
前記算出したパワー半導体素子の温度に基づいて前記パワー半導体モジュールを駆動制御する駆動制御工程と、
を備えたことを特徴とする電力変換装置の保護方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−３６０９５（Ｐ２０１１−３６０９５Ａ）
【公開日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１８２３５１（Ｐ２００９−１８２３５１）
【出願日】平成２１年８月５日（２００９．８．５）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月５日（２００９．８．５）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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