電力変換装置の冷却システム
【課題】閉鎖型電力変換ユニットの内部の空気温度が所定値を超えることがないようにする。
【解決手段】電力半導体１１の熱を、冷却体２０、電動機付きポンプ２５によって循環される冷媒に移し、且つ、閉鎖型電力変換ユニット１０内の空気に放熱された電力変換器制御回路１２等の熱を、冷却体２０に熱的に接続された吸熱フィン２１で集熱して冷媒に移し、外部の放熱器２３で放熱する冷却システムにおいて、循環冷媒の温度Ｔｗに基づいて、閉鎖型電力変換ユニット１０内の空気温度を算出し、算出した空気温度と設定温度とから角度指令値を演算し、三方弁制御回路３０がその演算結果を指令値として、循環冷媒を放熱器２３およびバイパス配管２６に分配する三方弁２７の角度を駆動制御することで、閉鎖型電力変換ユニット１０内の空気温度を所定値に保つようにする。
【解決手段】電力半導体１１の熱を、冷却体２０、電動機付きポンプ２５によって循環される冷媒に移し、且つ、閉鎖型電力変換ユニット１０内の空気に放熱された電力変換器制御回路１２等の熱を、冷却体２０に熱的に接続された吸熱フィン２１で集熱して冷媒に移し、外部の放熱器２３で放熱する冷却システムにおいて、循環冷媒の温度Ｔｗに基づいて、閉鎖型電力変換ユニット１０内の空気温度を算出し、算出した空気温度と設定温度とから角度指令値を演算し、三方弁制御回路３０がその演算結果を指令値として、循環冷媒を放熱器２３およびバイパス配管２６に分配する三方弁２７の角度を駆動制御することで、閉鎖型電力変換ユニット１０内の空気温度を所定値に保つようにする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電力変換装置の冷却システムに関し、特に電力変換装置を構成する閉鎖型電力変換ユニット内の電力半導体を液冷するとともに閉鎖型電力変換ユニット内の空気を冷却するようにした電力変換装置の冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置は、その電力変換ユニットにて電力半導体を備え、この電力半導体をスイッチング動作させることにより、交流を直流若しくは交流に、または直流を直流若しくは交流に変換している。電力半導体は、そのスイッチング動作の際に大量の発熱をするので、そのような熱を放熱して電力半導体を冷却する必要がある。
【０００３】
特に密閉された筐体構造を有する閉鎖型電力変換ユニットでは、電力半導体が発熱した熱を装置外部に導いて放散させることにより電力半導体を冷却し、電力変換ユニット内の空気に放熱された熱については、これを吸熱フィンで吸熱することにより電力変換ユニット内の空気を冷却するものが知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００４】
このような閉鎖型電力変換ユニットでは、装置外部に設置された放熱器との間で液体の冷媒を通流させるようにした冷却体を備え、その冷却体に電力半導体を搭載している。電力半導体が発熱した熱は、冷却体を通流する冷媒によって装置外部へ導出され、外部に設置された放熱器により放散され、これによって、電力半導体が冷却されている。
【０００５】
また、電力半導体の発熱量は、電力変換装置の出力に応じて変化するので、電力変換装置の出力電力が低いときには、電力半導体が過剰に冷却されることになる。これに対し、電力半導体を過剰に冷却することのない冷却システムが知られている（たとえば、特許文献２参照）。この冷却システムによれば、電力半導体の発熱量に応じ、冷媒を循環させているポンプの回転数を制御するようにして、電力半導体の冷却を適正に行うようにしている。
【０００６】
一方、閉鎖型電力変換ユニットの内部の空気は、その温度が電力半導体を駆動および制御する電子部品の発熱によって昇温される。電子部品およびこれを組み込んだ電子回路は、その周囲温度がメーカ推奨温度以上になると、電気的に誤動作する場合がある。また、プリント配線板と電子部品を接合するはんだは、プリント配線板と電子部品との熱膨張率の違いにより、周囲温度の変化によるストレスを受け、はんだクラックに至ることが知られている（たとえば、特許文献３参照）。はんだ部に掛かるストレスは、温度変化の大きさ、温度変化の繰り返し数の多さが影響する。
【０００７】
閉鎖型電力変換ユニットにおいては、その内部の空気の温度が外部の空気温度より高くなると、内部の熱が筐体を貫通して外部へ伝わる熱通過現象によって自然に放熱され、冷却される。しかし、その熱通過による放熱量は、一般に少なく、また、ファンにより内部の空気を強制対流させても筐体への熱伝達率を大幅に向上させることも困難である。これに対し、特許文献１の関連技術では、電力変換装置の内部にて空気を強制対流させているファンは、強制対流の空気を、冷却体に熱的に接続した冷却フィンに当てる構成にしている。これにより、発熱電子部品が空気中に放熱した熱は、一度、冷却フィンによってより効率よく集熱され、その熱は、電力半導体の冷却体に移動され、さらにその冷却体から電力変換装置の外部に移送されて放熱されることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−６０５１５号公報
【特許文献２】特開２００８−１３０７９１号公報
【特許文献３】特開２００７−７３９９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、電力変換装置の冷却システムは、閉鎖型電力変換ユニットにおける電力半導体の発熱量に比べて他の電子部品の発熱量が非常に少ないために、実質的に電力半導体の発熱量に対応した放熱を行うようにしていることから、電力変換装置がその最大出力での運転を長時間継続すると、閉鎖型電力変換ユニットの内部の空気温度の十分な放熱が行われなくなり、内部の空気温度が電子部品の推奨周囲温度以上になる場合があるという問題点があった。
【００１０】
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、閉鎖型電力変換ユニットの内部の空気温度が所定値を超えることがないようにした電力変換装置の冷却システム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】
【００１１】
本発明では上記の課題を解決するために、電力半導体を有する電力変換器と、前記電力変換器の出力を所望の値に制御する電力変換器制御回路とを含む閉鎖型電力変換ユニットを備えた電力変換装置の冷却システムにおいて、前記電力半導体が搭載される冷却体と、外部に設置された放熱器と、前記冷却体と前記放熱器との間で冷媒を循環させる電動機付きポンプと、弁の角度により循環する冷媒を前記放熱器に並設されたバイパス配管と前記放熱器とに分配する三方弁と、前記冷却体に熱的に接続されて前記閉鎖型電力変換ユニット内の空気の熱を吸熱する吸熱器と、前記閉鎖型電力変換ユニット内で空気を循環させるファンと、前記閉鎖型電力変換ユニット内の空気温度と設定温度とから前記三方弁の角度指令値を演算する角度指令回路と、前記角度指令回路の出力を指令値として前記三方弁の角度を制御する三方弁制御回路と、を備え、前記三方弁の角度が前記閉鎖型電力変換ユニット内の空気温度を所定値に保つように制御されることを特徴とする電力変換装置の冷却システムが提供される。
【００１２】
このような電力変換装置の冷却システムによれば、閉鎖型電力変換ユニット内の空気中に放熱される熱量が熱通過により筐体から外部に自然放熱する熱量を超えて内部空気の温度が高くなると、三方弁の角度を制御することにより放熱器を通過する冷媒の量を増やして冷媒の温度を低下させるように制御する。これにより、冷却体の温度を低下させ、これに熱的に接続された吸熱器の吸熱量を増やすことで閉鎖型電力変換ユニット内の空気の温度を低下させ、空気の温度が所定値を超えることがないようにしている。
【発明の効果】
【００１３】
上記構成の電力変換装置の冷却システムは、閉鎖型電力変換ユニット内の空気温度に応じて三方弁の角度を制御し、放熱器を流れる冷媒の流量を増やして、冷却体の温度を低下させ、吸熱器の吸熱量を増やすようにしたので、閉鎖型電力変換ユニット内の空気温度を電子回路の許容温度以下であって、ほぼ一定に保つことができ、電子回路の誤動作を防止するとともに、プリント配線板および電子部品の実装に使用するはんだの劣化を防止し、信頼性の向上と長寿命化を図ることができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施の形態に係る電力変換装置の冷却システムを示すブロック図である。
【図２】角度指令回路の構成例を示す図である。
【図３】閉鎖型電力変換ユニット内の伝熱回路を示す図である。
【図４】第２の実施の形態に係る電力変換装置の冷却システムを示すブロック図である。
【図５】角度指令回路の構成例を示す図である。
【図６】第３の実施の形態に係る電力変換装置の冷却システムを示すブロック図である。
【図７】三方弁制御回路の第１の構成例を示す図である。
【図８】三方弁制御回路の第２の構成例を示す図である。
【図９】第４の実施の形態に係る電力変換装置の冷却システムを示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は第１の実施の形態に係る電力変換装置の冷却システムを示すブロック図、図２は角度指令回路の構成例を示す図、図３は閉鎖型電力変換ユニット内の伝熱回路を示す図である。
【００１６】
電力変換装置は、閉鎖型電力変換ユニット１０によって構成され、その閉鎖型電力変換ユニット１０は、電力半導体１１および電力変換器制御回路１２を備えている。電力半導体１１は、これをスイッチング動作させることにより電力の変換が行われる電力変換器を構成するもので、電流を通電したときの電力損失により大量の熱を発生する。電力変換器制御回路１２は、マイクロコンピュータを有し、そのような電力半導体１１を含む電力変換器の出力を所望の値に制御する電子部品によって構成されている。
【００１７】
冷却システムは、閉鎖型電力変換ユニット１０の中に、電力半導体１１を搭載する冷却体２０と、この冷却体２０にたとえばヒートパイプによって熱的に接続された吸熱フィン（吸熱器）２１と、この吸熱フィン２１に対して閉鎖型電力変換ユニット１０の内部の循環空気を送風するファン２２とを備えている。閉鎖型電力変換ユニット１０の外部には、放熱器２３が備えられ、冷却体２０との間で冷媒が循環するように配管２４および電動機付きポンプ２５が設けられている。この冷媒の循環回路には、放熱器２３をバイパスするようバイパス配管２６が並設され、放熱器２３の上流側の分岐部には、三方弁２７が配置されている。三方弁２７は、弁の角度により放熱器２３およびバイパス配管２６を流れる冷媒の分流比を制御して放熱器２３に流す冷媒の流量を制御するものである。また、冷却システムは、閉鎖型電力変換ユニット１０の内部における空気温度を検出する温度センサ２８を備え、この温度センサ２８の出力は、角度指令回路２９の入力に接続されている。その角度指令回路２９の出力は、三方弁制御回路３０の入力に接続され、その出力は、三方弁２７に接続されている。
【００１８】
角度指令回路２９は、図２に示したように、角度調節回路３１と温度設定部３２とを有し、角度調節回路３１は、温度センサ２８の出力と温度設定部３２の温度設定値とを入力し、温度センサ２８による検出温度が温度設定部３２によって設定された空気温度になるような角度指令を三方弁制御回路３０に出力する。三方弁制御回路３０は、たとえば比例積分調節器を有し、角度調節回路３１より与えられた角度指令値と実際の角度検出値との偏差をゼロにするような比例積分動作の信号を発生し、三方弁２７を駆動制御する。
【００１９】
つまり、電力変換装置の冷却システムは、閉鎖型電力変換ユニット１０の内部における空気温度を検出して、検出した空気温度が所定値に保つように三方弁２７の角度を制御している。
【００２０】
次に、閉鎖型電力変換ユニット１０の内部における伝熱回路について説明する。ここでは、電力半導体１１の例として、たとえばインバータ回路のパワースイッチング素子であるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）およびそのスイッチング時に発生す
る逆起電力を消費させるフリーホイーリングダイオード（ＦＷＤ）を収容したパワーモジュールの場合について説明する。
【００２１】
パワーモジュール１１ａでは、図３に示したように、ＩＧＢＴの接合部が発熱源であり、その温度は、Ｔｊ（ＩＧＢＴ）で、発熱量は、ＰIGBTである。フリーホイーリングダイオードの温度は、Ｔｊ（ＦＷＤ）で、発熱量は、ＰFWDである。ＩＧＢＴおよびフリーホ
イーリングダイオードの接合部とケースとの間の熱抵抗は、Ｒｔｈ（ｊ−ｃ）で、ケース温度は、Ｔｃで示している。このパワーモジュール１１ａで発生した熱量Ｐ（＝ＰIGBT＋ＰFWD）は、パワーモジュール１１ａのケースから冷却体２０へ移動し、そのときの熱抵
抗は、Ｒｔｈ（ｃ−ｆ）である。
【００２２】
冷却体２０に熱的に接続された吸熱フィン２１は、空気温度Ｔａの空気から熱量Ｑを吸熱し、そのときの熱抵抗は、Ｒｔｈ（ａ−ｆａ）で、温度は、Ｔｆａである。また、吸熱フィン２１と冷却体２０との間の熱抵抗は、Ｒｔｈ（ｆａ−ｆ）である。
【００２３】
冷却体２０は、パワーモジュール１１ａで発生した熱量Ｐおよび吸熱フィン２１が吸熱した熱量Ｑの移動により、温度がＴｆとなる。その熱量（Ｐ＋Ｑ）は、冷却体２０と冷媒との間の熱抵抗であるＲｔｈ（ｆ−ｗ）を介して循環する冷媒に移動され、そのときの冷媒の温度は、Ｔｗである。
【００２４】
以上のように、パワーモジュール１１ａの冷却は、パワーモジュール１１ａが発生した熱を冷却体２０に移動させ、その冷却体２０から循環する冷媒に移動させることで行う。冷媒に移動された熱は、冷却体２０から電動機付きポンプ２５によって循環され、外部に設置された放熱器２３まで移送されてそこから外部に放散される。
【００２５】
冷却体２０の温度Ｔｆは、冷媒温度Ｔｗに、パワーモジュール１１ａの発生熱量Ｐに冷却体２０と冷媒との間の熱抵抗Ｒｔｈ（ｆ−ｗ）を乗じて得た温度を加えた温度で表される。
【００２６】
閉鎖型電力変換ユニット１０の内部における空気の冷却は、閉鎖型電力変換ユニット１０内の空気をファン２２で循環させ、この空気が循環する経路に吸熱フィン２１を設置し、この吸熱フィン２１で空気の熱量を吸熱することで行われる。吸熱フィン２１で吸熱した熱量Ｑは、熱的に接続した冷却体２０に移動し、さらに冷媒に移動して外部の放熱器２３で放熱される。
【００２７】
閉鎖型電力変換ユニット１０の内部における空気温度Ｔａは、回路部品・回路導体から内部に放熱された熱量が、吸熱フィン２１により吸熱される熱量Ｑと閉鎖型電力変換ユニット１０の筐体の表面から外部に自然放熱される熱量の合計と一致したときに熱的に飽和する。
【００２８】
閉鎖型電力変換ユニット１０の内部に放熱される熱としては、電子部品で構成した電力変換器制御回路１２の動作により消費した電力により発生する熱、電力変換器の電流通電により発生するパワーモジュール１１ａの周辺部品（たとえばスナバ回路等）や導体での損失により発生する熱、およびパワーモジュール１１ａ自身の温度上昇により表面から放熱される熱等がある。
【００２９】
パワーモジュール１１ａの内部で発生する損失による熱の大部分は、パワーモジュール１１ａを取り付けた冷却体２０により閉鎖型電力変換ユニット１０の外部に熱移送されて放熱されるが、そのような場合、パワーモジュール１１ａによる閉鎖型電力変換ユニット１０の内部空気の温度上昇に対する影響は小さい。
【００３０】
閉鎖型電力変換ユニット１０の表面から外部への放熱量が小さい場合、閉鎖型電力変換ユニット１０の内部における空気温度Ｔａが飽和したとき、内部に放熱された熱はすべて吸熱フィン２１により吸熱され、冷却体２０に移送されたことになる。よって、内部放熱量Ｑに空気と冷却体２０との間の熱抵抗Ｒｔｈを掛けて算出した温度が、内部空気と冷却体２０との間の温度差となり、冷却体２０の温度Ｔｆに、この吸熱フィン２１を含む空気と冷却体２０との間の温度差を加えた温度が、ほぼ空気温度Ｔａである。すなわち、閉鎖型電力変換ユニット１０の内部空気温度Ｔａは、冷却体２０の温度をＴｆ、空気と冷却体２０との間の熱抵抗をＲｔｈ＝Ｒｔｈ（ａ−ｆａ）＋Ｒｔｈ（ｆａ−ｆ）、発熱部品の放熱量をＱとすると、
Ｔａ＝Ｔｆ＋Ｒｔｈ×Ｑ・・・（１）
で表すことができる。この内部空気温度Ｔａの算出において、空気と冷却体２０との間の熱抵抗Ｒｔｈおよび発熱部品の放熱量Ｑは、装置の運転状態によって定まり、一定である。したがって、内部空気温度Ｔａを調節するためには、冷却体２０の温度Ｔｆを調節すればよいことになる。
【００３１】
冷却体２０の温度Ｔｆは、冷媒温度Ｔｗに冷媒と冷却体２０との間の温度差△Ｔを加えたもので、
Ｔｆ＝Ｔｗ＋△Ｔ・・・（２）
で表され、冷媒と冷却体２０との間の温度差△Ｔは、冷却体２０から冷媒に伝熱される熱量（Ｐ＋Ｑ）に冷却体２０と冷媒との間の熱抵抗Ｒｔｈ（ｆ−ｗ）を掛けて得られる温度である。この熱抵抗Ｒｔｈ（ｆ−ｗ）は、単位時間に冷却体２０に流れる冷媒量と伝熱面積Ｓとで定まる。冷媒と冷却体２０との間の熱伝達率をｈとすると、温度差△Ｔは、
△Ｔ＝（Ｐ＋Ｑ）／（ｈ・Ｓ）・・・（３）
で表される。閉鎖型電力変換ユニット１０の出力が一定であれば、冷却体２０から冷媒に伝熱される熱量（Ｐ＋Ｑ）は一定である。したがって、電動機付きポンプ２５によって循環させる冷媒量が一定であれば、冷媒の伝熱面積Ｓは、装置によって定まり、一定であるため、閉鎖型電力変換ユニット１０の内部空気温度Ｔａ、すなわち冷却体２０の温度Ｔｆを調節するためには、冷却体２０に流す冷媒の温度Ｔｗを調節すればよい。
【００３２】
ここで、循環する冷媒の温度Ｔｗを調節する具体例として、三方弁制御回路３０は、その比例積分調節器によって、閉鎖型電力変換ユニット１０の内部空気温度Ｔａが所定値となるように、三方弁２７の角度を制御する。その結果、電動機付きポンプ２５によって一定の冷媒量で循環されている冷媒は、放熱器２３とバイパス配管２６とに分流される冷媒量の割合が変えられ、放熱器２３の下流で冷却された冷媒とバイパス配管２６を通過した冷却されていない冷媒とが混合され、冷却体２０に流れる冷媒の温度が調節されることになる。
【００３３】
すなわち、三方弁制御回路３０は、空気温度が設定温度よりも高くなったときは、三方弁２７の角度をバイパス配管２６の側に閉じる方向に制御して、放熱器２３の側に流れる冷媒の流量を増やし、冷却体２０に流れる冷媒温度を低下させる。空気温度が設定温度よりも低くなったとき、三方弁制御回路３０は、三方弁２７の角度を放熱器２３の側に閉じる方向に制御して、放熱器２３の側に流れる冷媒の流量を減らし、冷却体２０に流れる冷媒温度を高くする。
【００３４】
なお、図１の実施の形態では、角度指令回路２９は、閉鎖型電力変換ユニット１０に内蔵されているが、その外部に設置してもよい。また、三方弁制御回路３０は、閉鎖型電力変換ユニット１０の外部ではなく、内部に設置してもよい。
【００３５】
閉鎖型電力変換ユニット１０の内部における空気温度は、ファン２２による空気の循環により、ほぼ均一となる。その空気温度を検出する温度センサ２８は、電子部品を搭載しているプリント回路板の周囲温度または上部温度が測定できるように設置される。
【００３６】
閉鎖型電力変換ユニット１０の内部における空気温度の設定値としては、たとえば、制御回路に搭載されている電子部品等に許容されている周囲温度に余裕を持たせた温度を設定する。具体的には、電子回路の動作保証周囲温度は、４０℃〜６０℃程度が一般的であるので、それ以下の温度に設定するのがよい。これにより、閉鎖型電力変換ユニット１０の内部の空気温度は、所定の設定値を超えることがないように制御することができる。
【００３７】
図４は第２の実施の形態に係る電力変換装置の冷却システムを示すブロック図、図５は角度指令回路の構成例を示す図である。なお、この図４および図５において、図１および図２に示した構成要素と同じまたは均等の構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００３８】
この実施の形態に係る電力変換装置の冷却システムでは、温度センサ２８は、閉鎖型電力変換ユニット１０の内部の空気温度を直接検出しているのではなく、空気温度を間接的に検出し、その空気温度が設定された所定値に保たれるように三方弁２７の角度を制御している。このため、温度センサ２８は、電力半導体１１を搭載する冷却体２０の温度を検出し、その冷却体２０の温度と閉鎖型電力変換ユニット１０の空気温度との温度差を電力変換器制御回路１２が演算し、冷却体２０の温度に演算した温度差を加算して、閉鎖型電力変換ユニット１０の内部の空気温度を推定するようにしている。
【００３９】
角度指令回路２９は、図５に示したように、角度調節回路３１と、温度設定部３２と、空気温度推定回路３３とを有し、空気温度推定回路３３は、温度センサ２８の出力および電力変換器制御回路１２が有する温度差演算回路１２ａの出力を受けて、空気温度を推定している。角度調節回路３１は、空気温度推定回路３３が推定した空気温度と温度設定部３２の温度設定値とを入力し、推定された空気温度が温度設定部３２によって設定された空気温度になるような角度指令を三方弁制御回路３０に出力する。三方弁制御回路３０は、角度調節回路３１より与えられた角度指令値と実際の角度検出値との偏差をゼロにするような比例積分動作の信号を発生し、三方弁２７を駆動制御する。
【００４０】
空気温度推定回路３３が冷却体２０の温度と温度差とから空気温度を推定できることは、図３に示した伝熱回路によって説明できる。すなわち、上記の式（１）に示したように、閉鎖型電力変換ユニット１０の内部空気温度Ｔａは、冷却体２０の温度Ｔｆに、発熱部品の放熱量Ｑと空気から吸熱フィン２１を通して冷却体２０に伝熱する経路の熱抵抗Ｒｔｈとを掛けて得た温度差を加えた温度で表される。冷却体２０の温度Ｔｆは温度センサ２８によって検出され、熱抵抗Ｒｔｈは定数であり、発熱部品の放熱量Ｑは電力変換器制御回路１２の温度差演算回路１２ａによる演算によって求められる。
【００４１】
発熱部品の放熱量Ｑは、電力変換器制御回路１２の温度差演算回路１２ａにおいて、以下のようにして算出することができる。電力変換器の入力部で発生する損失は、入力電圧および入力電流に基づいて算出される。また、電力変換器の出力部で発生する損失は、出力電圧および出力電流に基づいて計算により算出される。電力半導体１１の表面から放熱される熱量は、電力半導体１１の接合温度を表面温度と仮定すれば、電力半導体１１の表面積と推定空気温度との関係で算出される。電力変換器制御回路１２で発生する熱量は、その回路で消費する電力を計算または計測することに基づいて得られる。したがって、温度差演算回路１２ａは、閉鎖型電力変換ユニット１０内に放熱される熱量の合計値を、出力の関数とするテーブルまたは関数式として持つことにより、閉鎖型電力変換ユニット１０の運転状態に応じた任意の出力に対して閉鎖型電力変換ユニット１０内に放熱される熱量を知ることができる。その熱量は、空気から吸熱フィン２１を通して冷却体２０に伝熱する経路の熱抵抗Ｒｔｈが乗じられ、空気と冷却体２０との間の温度差として、角度指令回路２９の空気温度推定回路３３に与えられる。空気温度推定回路３３は、温度センサ２８による検出温度と温度差演算回路１２ａによる温度差とを加算し、推定空気温度として角度調節回路３１に出力する。
【００４２】
次に、電力変換装置の冷却システムを多相電動機用の電力変換装置に適用した実施の形態について説明する。
図６は第３の実施の形態に係る電力変換装置の冷却システムを示すブロック図、図７は三方弁制御回路の第１の構成例を示す図、図８は三方弁制御回路の第２の構成例を示す図である。なお、この図６ないし図８において、図１に示した構成要素と同じまたは均等の構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００４３】
この電力変換装置１は、互いの独立した複数の単相巻線を有する多相電動機４０を駆動するためのもので、各相を個別に制御するために、複数の閉鎖型電力変換ユニット１０ａ，１０ｂ，・・・，１０ｎを備えている。それぞれの閉鎖型電力変換ユニット１０ａ，１０ｂ，・・・，１０ｎは、図１に示した閉鎖型電力変換ユニット１０と同じ構成を有している。
【００４４】
この電力変換装置１の冷却システムは、すべての閉鎖型電力変換ユニット１０ａ，１０ｂ，・・・，１０ｎの冷却体２０から出ている冷媒導出側の配管および冷媒導入側の配管がそれぞれ纏められて三方弁２７の冷媒入口および電動機付きポンプ２５の冷媒出口に接続されている。これにより、電動機付きポンプ２５によって圧送された冷媒は、分岐されてそれぞれの閉鎖型電力変換ユニット１０ａ，１０ｂ，・・・，１０ｎの冷却体２０に送られ、それぞれの閉鎖型電力変換ユニット１０ａ，１０ｂ，・・・，１０ｎの冷却体２０を出た冷媒は、合流して三方弁２７に送られる。
【００４５】
三方弁２７を制御する三方弁制御回路３０は、図７に示したように、平均角度指令演算回路３４と、三方弁駆動回路３５とを有している。平均角度指令演算回路３４は、それぞれの閉鎖型電力変換ユニット１０ａ，１０ｂ，・・・，１０ｎの角度指令回路２９から出力された角度指令ａ，ｂ，・・・，ｎを入力し、これら角度指令ａ，ｂ，・・・，ｎの平均値を演算し、指令値として出力する。三方弁駆動回路３５は、平均角度指令演算回路３４から出力された指令値に基づいて、三方弁２７を駆動制御することになる。これにより、この電力変換装置１の冷却システムは、それぞれの閉鎖型電力変換ユニット１０ａ，１０ｂ，・・・，１０ｎの内部の空気温度が所定値に保つように三方弁２７の角度を制御することになる。
【００４６】
また、図８に示す三方弁制御回路３０は、最小角度指令選択回路３６と、三方弁駆動回路３５とを有している。最小角度指令選択回路３６は、それぞれの閉鎖型電力変換ユニット１０ａ，１０ｂ，・・・，１０ｎの角度指令回路２９から出力された角度指令ａ，ｂ，・・・，ｎを入力し、これら角度指令ａ，ｂ，・・・，ｎの最小値を指令値として選択する。三方弁駆動回路３５は、最小角度指令選択回路３６から出力された指令値に基づいて、三方弁２７を駆動制御することになる。これにより、この電力変換装置１の冷却システムは、それぞれの閉鎖型電力変換ユニット１０ａ，１０ｂ，・・・，１０ｎの内部の空気温度が所定値を保つように三方弁２７の角度を制御することになる。
【００４７】
図９は第４の実施の形態に係る電力変換装置の冷却システムを示すブロック図である。なお、この図９において、図６に示した構成要素と同じまたは均等の構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００４８】
この電力変換装置１の冷却システムでは、閉鎖型電力変換ユニット１０の内部の空気温度を推定し、その推定空気温度が設定された所定値に保たれるように三方弁２７の角度を制御している。このため、この冷却システムの角度指令回路２９では、その空気温度推定回路３３が温度センサ２８で検出した冷却体２０の温度と、電力変換器制御回路１２の温度差演算回路１２ａで演算した空気と冷却体２０との間の温度差とから、閉鎖型電力変換ユニット１０の内部の空気温度を推定し、角度調節回路３１がその推定空気温度を設定された所定値に保つような三方弁２７の角度指令を出力している。
【００４９】
閉鎖型電力変換ユニット１０ａ，１０ｂ，・・・，１０ｎのそれぞれから出力された角度指令は、三方弁制御回路３０に入力され、ここで角度指令の平均角度または最小角度を算出して、三方弁２７の角度を制御する。
【符号の説明】
【００５０】
１ 電力変換装置
１０，１０ａ，１０ｂ，・・・，１０ｎ 閉鎖型電力変換ユニット
１１ 電力半導体
１１ａ パワーモジュール
１２ 電力変換器制御回路
１２ａ 温度差演算回路
２０ 冷却体
２１ 吸熱フィン
２２ ファン
２３ 放熱器
２４ 配管
２５ 電動機付きポンプ
２６ バイパス配管
２７ 三方弁
２８ 温度センサ
２９ 角度指令回路
３０ 三方弁制御回路
３１ 角度調節回路
３２ 温度設定部
３３ 空気温度推定回路
３４ 平均角度指令演算回路
３５ 三方弁駆動回路
３６ 最小角度指令選択回路
４０ 多相電動機
【技術分野】
【０００１】
本発明は電力変換装置の冷却システムに関し、特に電力変換装置を構成する閉鎖型電力変換ユニット内の電力半導体を液冷するとともに閉鎖型電力変換ユニット内の空気を冷却するようにした電力変換装置の冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置は、その電力変換ユニットにて電力半導体を備え、この電力半導体をスイッチング動作させることにより、交流を直流若しくは交流に、または直流を直流若しくは交流に変換している。電力半導体は、そのスイッチング動作の際に大量の発熱をするので、そのような熱を放熱して電力半導体を冷却する必要がある。
【０００３】
特に密閉された筐体構造を有する閉鎖型電力変換ユニットでは、電力半導体が発熱した熱を装置外部に導いて放散させることにより電力半導体を冷却し、電力変換ユニット内の空気に放熱された熱については、これを吸熱フィンで吸熱することにより電力変換ユニット内の空気を冷却するものが知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００４】
このような閉鎖型電力変換ユニットでは、装置外部に設置された放熱器との間で液体の冷媒を通流させるようにした冷却体を備え、その冷却体に電力半導体を搭載している。電力半導体が発熱した熱は、冷却体を通流する冷媒によって装置外部へ導出され、外部に設置された放熱器により放散され、これによって、電力半導体が冷却されている。
【０００５】
また、電力半導体の発熱量は、電力変換装置の出力に応じて変化するので、電力変換装置の出力電力が低いときには、電力半導体が過剰に冷却されることになる。これに対し、電力半導体を過剰に冷却することのない冷却システムが知られている（たとえば、特許文献２参照）。この冷却システムによれば、電力半導体の発熱量に応じ、冷媒を循環させているポンプの回転数を制御するようにして、電力半導体の冷却を適正に行うようにしている。
【０００６】
一方、閉鎖型電力変換ユニットの内部の空気は、その温度が電力半導体を駆動および制御する電子部品の発熱によって昇温される。電子部品およびこれを組み込んだ電子回路は、その周囲温度がメーカ推奨温度以上になると、電気的に誤動作する場合がある。また、プリント配線板と電子部品を接合するはんだは、プリント配線板と電子部品との熱膨張率の違いにより、周囲温度の変化によるストレスを受け、はんだクラックに至ることが知られている（たとえば、特許文献３参照）。はんだ部に掛かるストレスは、温度変化の大きさ、温度変化の繰り返し数の多さが影響する。
【０００７】
閉鎖型電力変換ユニットにおいては、その内部の空気の温度が外部の空気温度より高くなると、内部の熱が筐体を貫通して外部へ伝わる熱通過現象によって自然に放熱され、冷却される。しかし、その熱通過による放熱量は、一般に少なく、また、ファンにより内部の空気を強制対流させても筐体への熱伝達率を大幅に向上させることも困難である。これに対し、特許文献１の関連技術では、電力変換装置の内部にて空気を強制対流させているファンは、強制対流の空気を、冷却体に熱的に接続した冷却フィンに当てる構成にしている。これにより、発熱電子部品が空気中に放熱した熱は、一度、冷却フィンによってより効率よく集熱され、その熱は、電力半導体の冷却体に移動され、さらにその冷却体から電力変換装置の外部に移送されて放熱されることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−６０５１５号公報
【特許文献２】特開２００８−１３０７９１号公報
【特許文献３】特開２００７−７３９９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、電力変換装置の冷却システムは、閉鎖型電力変換ユニットにおける電力半導体の発熱量に比べて他の電子部品の発熱量が非常に少ないために、実質的に電力半導体の発熱量に対応した放熱を行うようにしていることから、電力変換装置がその最大出力での運転を長時間継続すると、閉鎖型電力変換ユニットの内部の空気温度の十分な放熱が行われなくなり、内部の空気温度が電子部品の推奨周囲温度以上になる場合があるという問題点があった。
【００１０】
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、閉鎖型電力変換ユニットの内部の空気温度が所定値を超えることがないようにした電力変換装置の冷却システム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】
【００１１】
本発明では上記の課題を解決するために、電力半導体を有する電力変換器と、前記電力変換器の出力を所望の値に制御する電力変換器制御回路とを含む閉鎖型電力変換ユニットを備えた電力変換装置の冷却システムにおいて、前記電力半導体が搭載される冷却体と、外部に設置された放熱器と、前記冷却体と前記放熱器との間で冷媒を循環させる電動機付きポンプと、弁の角度により循環する冷媒を前記放熱器に並設されたバイパス配管と前記放熱器とに分配する三方弁と、前記冷却体に熱的に接続されて前記閉鎖型電力変換ユニット内の空気の熱を吸熱する吸熱器と、前記閉鎖型電力変換ユニット内で空気を循環させるファンと、前記閉鎖型電力変換ユニット内の空気温度と設定温度とから前記三方弁の角度指令値を演算する角度指令回路と、前記角度指令回路の出力を指令値として前記三方弁の角度を制御する三方弁制御回路と、を備え、前記三方弁の角度が前記閉鎖型電力変換ユニット内の空気温度を所定値に保つように制御されることを特徴とする電力変換装置の冷却システムが提供される。
【００１２】
このような電力変換装置の冷却システムによれば、閉鎖型電力変換ユニット内の空気中に放熱される熱量が熱通過により筐体から外部に自然放熱する熱量を超えて内部空気の温度が高くなると、三方弁の角度を制御することにより放熱器を通過する冷媒の量を増やして冷媒の温度を低下させるように制御する。これにより、冷却体の温度を低下させ、これに熱的に接続された吸熱器の吸熱量を増やすことで閉鎖型電力変換ユニット内の空気の温度を低下させ、空気の温度が所定値を超えることがないようにしている。
【発明の効果】
【００１３】
上記構成の電力変換装置の冷却システムは、閉鎖型電力変換ユニット内の空気温度に応じて三方弁の角度を制御し、放熱器を流れる冷媒の流量を増やして、冷却体の温度を低下させ、吸熱器の吸熱量を増やすようにしたので、閉鎖型電力変換ユニット内の空気温度を電子回路の許容温度以下であって、ほぼ一定に保つことができ、電子回路の誤動作を防止するとともに、プリント配線板および電子部品の実装に使用するはんだの劣化を防止し、信頼性の向上と長寿命化を図ることができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施の形態に係る電力変換装置の冷却システムを示すブロック図である。
【図２】角度指令回路の構成例を示す図である。
【図３】閉鎖型電力変換ユニット内の伝熱回路を示す図である。
【図４】第２の実施の形態に係る電力変換装置の冷却システムを示すブロック図である。
【図５】角度指令回路の構成例を示す図である。
【図６】第３の実施の形態に係る電力変換装置の冷却システムを示すブロック図である。
【図７】三方弁制御回路の第１の構成例を示す図である。
【図８】三方弁制御回路の第２の構成例を示す図である。
【図９】第４の実施の形態に係る電力変換装置の冷却システムを示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は第１の実施の形態に係る電力変換装置の冷却システムを示すブロック図、図２は角度指令回路の構成例を示す図、図３は閉鎖型電力変換ユニット内の伝熱回路を示す図である。
【００１６】
電力変換装置は、閉鎖型電力変換ユニット１０によって構成され、その閉鎖型電力変換ユニット１０は、電力半導体１１および電力変換器制御回路１２を備えている。電力半導体１１は、これをスイッチング動作させることにより電力の変換が行われる電力変換器を構成するもので、電流を通電したときの電力損失により大量の熱を発生する。電力変換器制御回路１２は、マイクロコンピュータを有し、そのような電力半導体１１を含む電力変換器の出力を所望の値に制御する電子部品によって構成されている。
【００１７】
冷却システムは、閉鎖型電力変換ユニット１０の中に、電力半導体１１を搭載する冷却体２０と、この冷却体２０にたとえばヒートパイプによって熱的に接続された吸熱フィン（吸熱器）２１と、この吸熱フィン２１に対して閉鎖型電力変換ユニット１０の内部の循環空気を送風するファン２２とを備えている。閉鎖型電力変換ユニット１０の外部には、放熱器２３が備えられ、冷却体２０との間で冷媒が循環するように配管２４および電動機付きポンプ２５が設けられている。この冷媒の循環回路には、放熱器２３をバイパスするようバイパス配管２６が並設され、放熱器２３の上流側の分岐部には、三方弁２７が配置されている。三方弁２７は、弁の角度により放熱器２３およびバイパス配管２６を流れる冷媒の分流比を制御して放熱器２３に流す冷媒の流量を制御するものである。また、冷却システムは、閉鎖型電力変換ユニット１０の内部における空気温度を検出する温度センサ２８を備え、この温度センサ２８の出力は、角度指令回路２９の入力に接続されている。その角度指令回路２９の出力は、三方弁制御回路３０の入力に接続され、その出力は、三方弁２７に接続されている。
【００１８】
角度指令回路２９は、図２に示したように、角度調節回路３１と温度設定部３２とを有し、角度調節回路３１は、温度センサ２８の出力と温度設定部３２の温度設定値とを入力し、温度センサ２８による検出温度が温度設定部３２によって設定された空気温度になるような角度指令を三方弁制御回路３０に出力する。三方弁制御回路３０は、たとえば比例積分調節器を有し、角度調節回路３１より与えられた角度指令値と実際の角度検出値との偏差をゼロにするような比例積分動作の信号を発生し、三方弁２７を駆動制御する。
【００１９】
つまり、電力変換装置の冷却システムは、閉鎖型電力変換ユニット１０の内部における空気温度を検出して、検出した空気温度が所定値に保つように三方弁２７の角度を制御している。
【００２０】
次に、閉鎖型電力変換ユニット１０の内部における伝熱回路について説明する。ここでは、電力半導体１１の例として、たとえばインバータ回路のパワースイッチング素子であるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）およびそのスイッチング時に発生す
る逆起電力を消費させるフリーホイーリングダイオード（ＦＷＤ）を収容したパワーモジュールの場合について説明する。
【００２１】
パワーモジュール１１ａでは、図３に示したように、ＩＧＢＴの接合部が発熱源であり、その温度は、Ｔｊ（ＩＧＢＴ）で、発熱量は、ＰIGBTである。フリーホイーリングダイオードの温度は、Ｔｊ（ＦＷＤ）で、発熱量は、ＰFWDである。ＩＧＢＴおよびフリーホ
イーリングダイオードの接合部とケースとの間の熱抵抗は、Ｒｔｈ（ｊ−ｃ）で、ケース温度は、Ｔｃで示している。このパワーモジュール１１ａで発生した熱量Ｐ（＝ＰIGBT＋ＰFWD）は、パワーモジュール１１ａのケースから冷却体２０へ移動し、そのときの熱抵
抗は、Ｒｔｈ（ｃ−ｆ）である。
【００２２】
冷却体２０に熱的に接続された吸熱フィン２１は、空気温度Ｔａの空気から熱量Ｑを吸熱し、そのときの熱抵抗は、Ｒｔｈ（ａ−ｆａ）で、温度は、Ｔｆａである。また、吸熱フィン２１と冷却体２０との間の熱抵抗は、Ｒｔｈ（ｆａ−ｆ）である。
【００２３】
冷却体２０は、パワーモジュール１１ａで発生した熱量Ｐおよび吸熱フィン２１が吸熱した熱量Ｑの移動により、温度がＴｆとなる。その熱量（Ｐ＋Ｑ）は、冷却体２０と冷媒との間の熱抵抗であるＲｔｈ（ｆ−ｗ）を介して循環する冷媒に移動され、そのときの冷媒の温度は、Ｔｗである。
【００２４】
以上のように、パワーモジュール１１ａの冷却は、パワーモジュール１１ａが発生した熱を冷却体２０に移動させ、その冷却体２０から循環する冷媒に移動させることで行う。冷媒に移動された熱は、冷却体２０から電動機付きポンプ２５によって循環され、外部に設置された放熱器２３まで移送されてそこから外部に放散される。
【００２５】
冷却体２０の温度Ｔｆは、冷媒温度Ｔｗに、パワーモジュール１１ａの発生熱量Ｐに冷却体２０と冷媒との間の熱抵抗Ｒｔｈ（ｆ−ｗ）を乗じて得た温度を加えた温度で表される。
【００２６】
閉鎖型電力変換ユニット１０の内部における空気の冷却は、閉鎖型電力変換ユニット１０内の空気をファン２２で循環させ、この空気が循環する経路に吸熱フィン２１を設置し、この吸熱フィン２１で空気の熱量を吸熱することで行われる。吸熱フィン２１で吸熱した熱量Ｑは、熱的に接続した冷却体２０に移動し、さらに冷媒に移動して外部の放熱器２３で放熱される。
【００２７】
閉鎖型電力変換ユニット１０の内部における空気温度Ｔａは、回路部品・回路導体から内部に放熱された熱量が、吸熱フィン２１により吸熱される熱量Ｑと閉鎖型電力変換ユニット１０の筐体の表面から外部に自然放熱される熱量の合計と一致したときに熱的に飽和する。
【００２８】
閉鎖型電力変換ユニット１０の内部に放熱される熱としては、電子部品で構成した電力変換器制御回路１２の動作により消費した電力により発生する熱、電力変換器の電流通電により発生するパワーモジュール１１ａの周辺部品（たとえばスナバ回路等）や導体での損失により発生する熱、およびパワーモジュール１１ａ自身の温度上昇により表面から放熱される熱等がある。
【００２９】
パワーモジュール１１ａの内部で発生する損失による熱の大部分は、パワーモジュール１１ａを取り付けた冷却体２０により閉鎖型電力変換ユニット１０の外部に熱移送されて放熱されるが、そのような場合、パワーモジュール１１ａによる閉鎖型電力変換ユニット１０の内部空気の温度上昇に対する影響は小さい。
【００３０】
閉鎖型電力変換ユニット１０の表面から外部への放熱量が小さい場合、閉鎖型電力変換ユニット１０の内部における空気温度Ｔａが飽和したとき、内部に放熱された熱はすべて吸熱フィン２１により吸熱され、冷却体２０に移送されたことになる。よって、内部放熱量Ｑに空気と冷却体２０との間の熱抵抗Ｒｔｈを掛けて算出した温度が、内部空気と冷却体２０との間の温度差となり、冷却体２０の温度Ｔｆに、この吸熱フィン２１を含む空気と冷却体２０との間の温度差を加えた温度が、ほぼ空気温度Ｔａである。すなわち、閉鎖型電力変換ユニット１０の内部空気温度Ｔａは、冷却体２０の温度をＴｆ、空気と冷却体２０との間の熱抵抗をＲｔｈ＝Ｒｔｈ（ａ−ｆａ）＋Ｒｔｈ（ｆａ−ｆ）、発熱部品の放熱量をＱとすると、
Ｔａ＝Ｔｆ＋Ｒｔｈ×Ｑ・・・（１）
で表すことができる。この内部空気温度Ｔａの算出において、空気と冷却体２０との間の熱抵抗Ｒｔｈおよび発熱部品の放熱量Ｑは、装置の運転状態によって定まり、一定である。したがって、内部空気温度Ｔａを調節するためには、冷却体２０の温度Ｔｆを調節すればよいことになる。
【００３１】
冷却体２０の温度Ｔｆは、冷媒温度Ｔｗに冷媒と冷却体２０との間の温度差△Ｔを加えたもので、
Ｔｆ＝Ｔｗ＋△Ｔ・・・（２）
で表され、冷媒と冷却体２０との間の温度差△Ｔは、冷却体２０から冷媒に伝熱される熱量（Ｐ＋Ｑ）に冷却体２０と冷媒との間の熱抵抗Ｒｔｈ（ｆ−ｗ）を掛けて得られる温度である。この熱抵抗Ｒｔｈ（ｆ−ｗ）は、単位時間に冷却体２０に流れる冷媒量と伝熱面積Ｓとで定まる。冷媒と冷却体２０との間の熱伝達率をｈとすると、温度差△Ｔは、
△Ｔ＝（Ｐ＋Ｑ）／（ｈ・Ｓ）・・・（３）
で表される。閉鎖型電力変換ユニット１０の出力が一定であれば、冷却体２０から冷媒に伝熱される熱量（Ｐ＋Ｑ）は一定である。したがって、電動機付きポンプ２５によって循環させる冷媒量が一定であれば、冷媒の伝熱面積Ｓは、装置によって定まり、一定であるため、閉鎖型電力変換ユニット１０の内部空気温度Ｔａ、すなわち冷却体２０の温度Ｔｆを調節するためには、冷却体２０に流す冷媒の温度Ｔｗを調節すればよい。
【００３２】
ここで、循環する冷媒の温度Ｔｗを調節する具体例として、三方弁制御回路３０は、その比例積分調節器によって、閉鎖型電力変換ユニット１０の内部空気温度Ｔａが所定値となるように、三方弁２７の角度を制御する。その結果、電動機付きポンプ２５によって一定の冷媒量で循環されている冷媒は、放熱器２３とバイパス配管２６とに分流される冷媒量の割合が変えられ、放熱器２３の下流で冷却された冷媒とバイパス配管２６を通過した冷却されていない冷媒とが混合され、冷却体２０に流れる冷媒の温度が調節されることになる。
【００３３】
すなわち、三方弁制御回路３０は、空気温度が設定温度よりも高くなったときは、三方弁２７の角度をバイパス配管２６の側に閉じる方向に制御して、放熱器２３の側に流れる冷媒の流量を増やし、冷却体２０に流れる冷媒温度を低下させる。空気温度が設定温度よりも低くなったとき、三方弁制御回路３０は、三方弁２７の角度を放熱器２３の側に閉じる方向に制御して、放熱器２３の側に流れる冷媒の流量を減らし、冷却体２０に流れる冷媒温度を高くする。
【００３４】
なお、図１の実施の形態では、角度指令回路２９は、閉鎖型電力変換ユニット１０に内蔵されているが、その外部に設置してもよい。また、三方弁制御回路３０は、閉鎖型電力変換ユニット１０の外部ではなく、内部に設置してもよい。
【００３５】
閉鎖型電力変換ユニット１０の内部における空気温度は、ファン２２による空気の循環により、ほぼ均一となる。その空気温度を検出する温度センサ２８は、電子部品を搭載しているプリント回路板の周囲温度または上部温度が測定できるように設置される。
【００３６】
閉鎖型電力変換ユニット１０の内部における空気温度の設定値としては、たとえば、制御回路に搭載されている電子部品等に許容されている周囲温度に余裕を持たせた温度を設定する。具体的には、電子回路の動作保証周囲温度は、４０℃〜６０℃程度が一般的であるので、それ以下の温度に設定するのがよい。これにより、閉鎖型電力変換ユニット１０の内部の空気温度は、所定の設定値を超えることがないように制御することができる。
【００３７】
図４は第２の実施の形態に係る電力変換装置の冷却システムを示すブロック図、図５は角度指令回路の構成例を示す図である。なお、この図４および図５において、図１および図２に示した構成要素と同じまたは均等の構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００３８】
この実施の形態に係る電力変換装置の冷却システムでは、温度センサ２８は、閉鎖型電力変換ユニット１０の内部の空気温度を直接検出しているのではなく、空気温度を間接的に検出し、その空気温度が設定された所定値に保たれるように三方弁２７の角度を制御している。このため、温度センサ２８は、電力半導体１１を搭載する冷却体２０の温度を検出し、その冷却体２０の温度と閉鎖型電力変換ユニット１０の空気温度との温度差を電力変換器制御回路１２が演算し、冷却体２０の温度に演算した温度差を加算して、閉鎖型電力変換ユニット１０の内部の空気温度を推定するようにしている。
【００３９】
角度指令回路２９は、図５に示したように、角度調節回路３１と、温度設定部３２と、空気温度推定回路３３とを有し、空気温度推定回路３３は、温度センサ２８の出力および電力変換器制御回路１２が有する温度差演算回路１２ａの出力を受けて、空気温度を推定している。角度調節回路３１は、空気温度推定回路３３が推定した空気温度と温度設定部３２の温度設定値とを入力し、推定された空気温度が温度設定部３２によって設定された空気温度になるような角度指令を三方弁制御回路３０に出力する。三方弁制御回路３０は、角度調節回路３１より与えられた角度指令値と実際の角度検出値との偏差をゼロにするような比例積分動作の信号を発生し、三方弁２７を駆動制御する。
【００４０】
空気温度推定回路３３が冷却体２０の温度と温度差とから空気温度を推定できることは、図３に示した伝熱回路によって説明できる。すなわち、上記の式（１）に示したように、閉鎖型電力変換ユニット１０の内部空気温度Ｔａは、冷却体２０の温度Ｔｆに、発熱部品の放熱量Ｑと空気から吸熱フィン２１を通して冷却体２０に伝熱する経路の熱抵抗Ｒｔｈとを掛けて得た温度差を加えた温度で表される。冷却体２０の温度Ｔｆは温度センサ２８によって検出され、熱抵抗Ｒｔｈは定数であり、発熱部品の放熱量Ｑは電力変換器制御回路１２の温度差演算回路１２ａによる演算によって求められる。
【００４１】
発熱部品の放熱量Ｑは、電力変換器制御回路１２の温度差演算回路１２ａにおいて、以下のようにして算出することができる。電力変換器の入力部で発生する損失は、入力電圧および入力電流に基づいて算出される。また、電力変換器の出力部で発生する損失は、出力電圧および出力電流に基づいて計算により算出される。電力半導体１１の表面から放熱される熱量は、電力半導体１１の接合温度を表面温度と仮定すれば、電力半導体１１の表面積と推定空気温度との関係で算出される。電力変換器制御回路１２で発生する熱量は、その回路で消費する電力を計算または計測することに基づいて得られる。したがって、温度差演算回路１２ａは、閉鎖型電力変換ユニット１０内に放熱される熱量の合計値を、出力の関数とするテーブルまたは関数式として持つことにより、閉鎖型電力変換ユニット１０の運転状態に応じた任意の出力に対して閉鎖型電力変換ユニット１０内に放熱される熱量を知ることができる。その熱量は、空気から吸熱フィン２１を通して冷却体２０に伝熱する経路の熱抵抗Ｒｔｈが乗じられ、空気と冷却体２０との間の温度差として、角度指令回路２９の空気温度推定回路３３に与えられる。空気温度推定回路３３は、温度センサ２８による検出温度と温度差演算回路１２ａによる温度差とを加算し、推定空気温度として角度調節回路３１に出力する。
【００４２】
次に、電力変換装置の冷却システムを多相電動機用の電力変換装置に適用した実施の形態について説明する。
図６は第３の実施の形態に係る電力変換装置の冷却システムを示すブロック図、図７は三方弁制御回路の第１の構成例を示す図、図８は三方弁制御回路の第２の構成例を示す図である。なお、この図６ないし図８において、図１に示した構成要素と同じまたは均等の構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００４３】
この電力変換装置１は、互いの独立した複数の単相巻線を有する多相電動機４０を駆動するためのもので、各相を個別に制御するために、複数の閉鎖型電力変換ユニット１０ａ，１０ｂ，・・・，１０ｎを備えている。それぞれの閉鎖型電力変換ユニット１０ａ，１０ｂ，・・・，１０ｎは、図１に示した閉鎖型電力変換ユニット１０と同じ構成を有している。
【００４４】
この電力変換装置１の冷却システムは、すべての閉鎖型電力変換ユニット１０ａ，１０ｂ，・・・，１０ｎの冷却体２０から出ている冷媒導出側の配管および冷媒導入側の配管がそれぞれ纏められて三方弁２７の冷媒入口および電動機付きポンプ２５の冷媒出口に接続されている。これにより、電動機付きポンプ２５によって圧送された冷媒は、分岐されてそれぞれの閉鎖型電力変換ユニット１０ａ，１０ｂ，・・・，１０ｎの冷却体２０に送られ、それぞれの閉鎖型電力変換ユニット１０ａ，１０ｂ，・・・，１０ｎの冷却体２０を出た冷媒は、合流して三方弁２７に送られる。
【００４５】
三方弁２７を制御する三方弁制御回路３０は、図７に示したように、平均角度指令演算回路３４と、三方弁駆動回路３５とを有している。平均角度指令演算回路３４は、それぞれの閉鎖型電力変換ユニット１０ａ，１０ｂ，・・・，１０ｎの角度指令回路２９から出力された角度指令ａ，ｂ，・・・，ｎを入力し、これら角度指令ａ，ｂ，・・・，ｎの平均値を演算し、指令値として出力する。三方弁駆動回路３５は、平均角度指令演算回路３４から出力された指令値に基づいて、三方弁２７を駆動制御することになる。これにより、この電力変換装置１の冷却システムは、それぞれの閉鎖型電力変換ユニット１０ａ，１０ｂ，・・・，１０ｎの内部の空気温度が所定値に保つように三方弁２７の角度を制御することになる。
【００４６】
また、図８に示す三方弁制御回路３０は、最小角度指令選択回路３６と、三方弁駆動回路３５とを有している。最小角度指令選択回路３６は、それぞれの閉鎖型電力変換ユニット１０ａ，１０ｂ，・・・，１０ｎの角度指令回路２９から出力された角度指令ａ，ｂ，・・・，ｎを入力し、これら角度指令ａ，ｂ，・・・，ｎの最小値を指令値として選択する。三方弁駆動回路３５は、最小角度指令選択回路３６から出力された指令値に基づいて、三方弁２７を駆動制御することになる。これにより、この電力変換装置１の冷却システムは、それぞれの閉鎖型電力変換ユニット１０ａ，１０ｂ，・・・，１０ｎの内部の空気温度が所定値を保つように三方弁２７の角度を制御することになる。
【００４７】
図９は第４の実施の形態に係る電力変換装置の冷却システムを示すブロック図である。なお、この図９において、図６に示した構成要素と同じまたは均等の構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００４８】
この電力変換装置１の冷却システムでは、閉鎖型電力変換ユニット１０の内部の空気温度を推定し、その推定空気温度が設定された所定値に保たれるように三方弁２７の角度を制御している。このため、この冷却システムの角度指令回路２９では、その空気温度推定回路３３が温度センサ２８で検出した冷却体２０の温度と、電力変換器制御回路１２の温度差演算回路１２ａで演算した空気と冷却体２０との間の温度差とから、閉鎖型電力変換ユニット１０の内部の空気温度を推定し、角度調節回路３１がその推定空気温度を設定された所定値に保つような三方弁２７の角度指令を出力している。
【００４９】
閉鎖型電力変換ユニット１０ａ，１０ｂ，・・・，１０ｎのそれぞれから出力された角度指令は、三方弁制御回路３０に入力され、ここで角度指令の平均角度または最小角度を算出して、三方弁２７の角度を制御する。
【符号の説明】
【００５０】
１ 電力変換装置
１０，１０ａ，１０ｂ，・・・，１０ｎ 閉鎖型電力変換ユニット
１１ 電力半導体
１１ａ パワーモジュール
１２ 電力変換器制御回路
１２ａ 温度差演算回路
２０ 冷却体
２１ 吸熱フィン
２２ ファン
２３ 放熱器
２４ 配管
２５ 電動機付きポンプ
２６ バイパス配管
２７ 三方弁
２８ 温度センサ
２９ 角度指令回路
３０ 三方弁制御回路
３１ 角度調節回路
３２ 温度設定部
３３ 空気温度推定回路
３４ 平均角度指令演算回路
３５ 三方弁駆動回路
３６ 最小角度指令選択回路
４０ 多相電動機
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力半導体を有する電力変換器と、前記電力変換器の出力を所望の値に制御する電力変換器制御回路とを含む閉鎖型電力変換ユニットを備えた電力変換装置の冷却システムにおいて、
前記電力半導体が搭載される冷却体と、
外部に設置された放熱器と、
前記冷却体と前記放熱器との間で冷媒を循環させる電動機付きポンプと、
弁の角度により循環する冷媒を前記放熱器に並設されたバイパス配管と前記放熱器とに分配する三方弁と、
前記冷却体に熱的に接続されて前記閉鎖型電力変換ユニット内の空気の熱を吸熱する吸熱器と、
前記閉鎖型電力変換ユニット内で空気を循環させるファンと、
前記閉鎖型電力変換ユニット内の空気温度と設定温度とから前記三方弁の角度指令値を演算する角度指令回路と、
前記角度指令回路の出力を指令値として前記三方弁の角度を制御する三方弁制御回路と、
を備え、前記三方弁の角度が前記閉鎖型電力変換ユニット内の空気温度を所定値に保つように制御されることを特徴とする電力変換装置の冷却システム。
【請求項２】
前記閉鎖型電力変換ユニット内の空気温度は、
前記閉鎖型電力変換ユニットの内部に放熱される熱量と内部の空気から前記吸熱器を通して前記冷却体に伝熱される経路の熱抵抗とから前記冷却体と空気との間の温度差を演算し、
前記冷却体の温度に、前記演算した前記冷却体と空気との間の温度差を加算して得られる温度である、
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置の冷却システム。
【請求項３】
前記冷却体の温度は、
前記冷却体の内部に設けられた流路を流れる冷媒の温度に、前記冷却体から前記冷媒に伝熱される熱量とこの熱量が前記冷媒に伝熱される経路の熱抵抗とから算出して得られる前記冷却体内の温度差を加算して得られる温度である、
ことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置の冷却システム。
【請求項４】
前記吸熱器は、前記閉鎖型電力変換ユニット内の空気の循環経路に設置されている請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置の冷却システム。
【請求項５】
前記電力変換装置は、複数の前記閉鎖型電力変換ユニットを備え、
すべての前記閉鎖型電力変換ユニット内の前記冷却体は、冷媒が循環するように前記放熱器に接続され、
前記三方弁制御回路は、すべての前記閉鎖型電力変換ユニットに対応する前記角度指令回路が出力した角度指令値の平均値を指令値として前記三方弁の角度を駆動制御するようにした請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置の冷却システム。
【請求項６】
前記電力変換装置は、複数の前記閉鎖型電力変換ユニットを備え、
すべての前記閉鎖型電力変換ユニット内の前記冷却体は、冷媒が循環するように前記放熱器に接続され、
前記三方弁制御回路は、すべての前記閉鎖型電力変換ユニットに対応する前記角度指令回路が出力した角度指令値のうちの最小値を指令値として前記三方弁の角度を駆動制御するようにした請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置の冷却システム。
【請求項１】
電力半導体を有する電力変換器と、前記電力変換器の出力を所望の値に制御する電力変換器制御回路とを含む閉鎖型電力変換ユニットを備えた電力変換装置の冷却システムにおいて、
前記電力半導体が搭載される冷却体と、
外部に設置された放熱器と、
前記冷却体と前記放熱器との間で冷媒を循環させる電動機付きポンプと、
弁の角度により循環する冷媒を前記放熱器に並設されたバイパス配管と前記放熱器とに分配する三方弁と、
前記冷却体に熱的に接続されて前記閉鎖型電力変換ユニット内の空気の熱を吸熱する吸熱器と、
前記閉鎖型電力変換ユニット内で空気を循環させるファンと、
前記閉鎖型電力変換ユニット内の空気温度と設定温度とから前記三方弁の角度指令値を演算する角度指令回路と、
前記角度指令回路の出力を指令値として前記三方弁の角度を制御する三方弁制御回路と、
を備え、前記三方弁の角度が前記閉鎖型電力変換ユニット内の空気温度を所定値に保つように制御されることを特徴とする電力変換装置の冷却システム。
【請求項２】
前記閉鎖型電力変換ユニット内の空気温度は、
前記閉鎖型電力変換ユニットの内部に放熱される熱量と内部の空気から前記吸熱器を通して前記冷却体に伝熱される経路の熱抵抗とから前記冷却体と空気との間の温度差を演算し、
前記冷却体の温度に、前記演算した前記冷却体と空気との間の温度差を加算して得られる温度である、
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置の冷却システム。
【請求項３】
前記冷却体の温度は、
前記冷却体の内部に設けられた流路を流れる冷媒の温度に、前記冷却体から前記冷媒に伝熱される熱量とこの熱量が前記冷媒に伝熱される経路の熱抵抗とから算出して得られる前記冷却体内の温度差を加算して得られる温度である、
ことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置の冷却システム。
【請求項４】
前記吸熱器は、前記閉鎖型電力変換ユニット内の空気の循環経路に設置されている請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置の冷却システム。
【請求項５】
前記電力変換装置は、複数の前記閉鎖型電力変換ユニットを備え、
すべての前記閉鎖型電力変換ユニット内の前記冷却体は、冷媒が循環するように前記放熱器に接続され、
前記三方弁制御回路は、すべての前記閉鎖型電力変換ユニットに対応する前記角度指令回路が出力した角度指令値の平均値を指令値として前記三方弁の角度を駆動制御するようにした請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置の冷却システム。
【請求項６】
前記電力変換装置は、複数の前記閉鎖型電力変換ユニットを備え、
すべての前記閉鎖型電力変換ユニット内の前記冷却体は、冷媒が循環するように前記放熱器に接続され、
前記三方弁制御回路は、すべての前記閉鎖型電力変換ユニットに対応する前記角度指令回路が出力した角度指令値のうちの最小値を指令値として前記三方弁の角度を駆動制御するようにした請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置の冷却システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−８０９８１（Ｐ２０１３−８０９８１Ａ）
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１３−２１１２８（Ｐ２０１３−２１１２８）
【出願日】平成２５年２月６日（２０１３．２．６）
【分割の表示】特願２００９−４０４７３（Ｐ２００９−４０４７３）の分割
【原出願日】平成２１年２月２４日（２００９．２．２４）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２５年２月６日（２０１３．２．６）
【分割の表示】特願２００９−４０４７３（Ｐ２００９−４０４７３）の分割
【原出願日】平成２１年２月２４日（２００９．２．２４）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
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