JP2008131722A - パワー素子過熱保護装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータを構成する複数のパワー素子に対し、パワー素子毎に過熱から有効に保護することが可能なパワー素子過熱保護装置を提供する。
【解決手段】温度推定手段が、パワー素子毎のジャンクション温度を演算により推定し、過熱異常判定手段が、各パワー素子のジャンクション温度Ｔｊと許容動作温度Ｔjmaxとを比較し、パワー素子の何れかのジャンクション温度Ｔｊが許容動作温度Ｔjmaxに比べてより高いとき、パワー素子毎に過熱異常信号Ｂを出力する。この過熱異常信号Ｂにより、モータ８への電力供給が遮断される。これにより、モータがロック状態であるとき又は極低速で運転するとき、パワー素子であるＩＧＢＴおよびダイオードの過熱を素子毎に保護することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、インバータを構成するパワー素子を過熱から保護することができるパワー素子過熱保護装置に関するものであり、特に、負荷であるモータがロック状態であるとき又は極低速で運転するとき、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）およびダイオード等を過熱から保護することができるパワー素子過熱保護装置に関するものである。

直流を所望の交流に変換するインバータを用いて、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御によって負荷例えば、モータを駆動する駆動装置として、図８に示すように、モータ制御装置１０１が知られている。図８は、従来のモータ制御装置を示す制御ブロック図である。モータ制御装置１０１は、平滑用コンデンサ２、ＤＣ−ＡＣ電力変換器（以下、インバータという。）３、モータ制御部４および電流検出器５，６，７を備える。モータ制御装置１０１は、例えば、３相用モータ制御装置であり、上下直列の３つのアームを構成するＩＧＢＴを交互にオン・オフ制御することにより、直流電源からモータ８に３相の交流電力を供給し、モータ８を制御するものである。

平滑用コンデンサ２は、３相の交流電源（図示せず）の出力を全波整流回路（図示せず）によって整流して直流電力に変換し、この直流電力を平滑してインバータ３に出力する。

インバータ３は、例えば、３相電圧形インバータであり、半導体スイッチング素子（以下、スイッチング素子という。）例えば、ＩＧＢＴを３相のブリッジ接続すると共に、各ＩＧＢＴと逆並列に還流ダイオード（以下、ダイオードという。）を接続して構成される。ここで、ＩＧＢＴ又はダイオードのようなパワーエレクトロニクス用半導体素子をパワー素子という。インバータ３は、直流の入力電力をスイッチング制御してＵＶＷ３相の交流電力に変換し、その変換出力によって３相のモータ８を駆動する。

また、インバータ３の出力電流例えば、Ｕ相の出力電流Ｉｕが正であるとき、Ｕ相のＰ側パワーモジュールでは、ＩＧＢＴ（Ｑ１）に出力電流Ｉｕに等しいコレクタ電流Ｉｃが流れ、Ｎ側パワーモジュールでは、ダイオード（Ｄ４）に前記出力電流値Ｉｕと同一の電流が流れる。逆に、Ｕ相の出力電流Ｉｕが負であるとき、Ｕ相のＰ側パワーモジュールは、ダイオード（Ｄ１）に同一の電流が流れ、Ｎ側パワーモジュールには、ＩＧＢＴ（Ｑ４）に同一の電流が流れる。

電流検出器５，６，７は、例えば、磁電変換素子であるホール素子を利用して、被測定電流を非接触で検出するセンサであり、モータ用ステータのＵＶＷ各相の巻線に実際に流れる電流信号（以下、電流フィードバック信号という。）Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗをそれぞれ検出し、モータ制御部４に出力する。

モータ制御部４は、電流制御器９、ＰＷＭ変換器１０およびゲートドライブ回路１１を備える。以下、説明を簡単にするために、Ｕ相の制御について説明する。以下の説明は、Ｖ，Ｗ各相についても同様である。モータ制御部４は、モータ８へのＵ相の電流指令信号Ｉ＊ｕと電流フィードバック信号Ｉｕとを入力し、電流指令信号Ｉ＊ｕと電流フィードバック信号Ｉｕとの電流偏差がゼロになるように電流制御してモータ８を制御する。

電流制御器９は、Ｕ相の電流指令信号Ｉ＊ｕと電流フィードバック信号Ｉｕとを入力し、電流指令信号Ｉ＊ｕと電流フィードバック信号Ｉｕとの電流偏差がゼロになるように電流制御し、電圧指令信号Ｖ＊ｕをＰＷＭ変換器１０に出力する。

ＰＷＭ変換器１０は、電圧指令信号Ｖ＊ｕとキャリア周波数信号（図示せず）とを入力し、例えば、電圧指令信号Ｖ＊ｕと三角波形のキャリア周波数信号とを比較し、“１”又は“０”の信号に変換する。すなわち、Ｕ相の電圧指令信号Ｖ＊ｕがキャリア周波数信号に比べてより大きいとき“１”の信号を、等しいとき又は小さいとき“０”の信号を、それぞれゲートドライブ回路１１に出力する。

ゲートドライブ回路１１は、前記“１”又は“０”の信号を入力し、“１”又は“０”の信号に基づいてＩＧＢＴのゲートをオン・オフ制御するための正の電圧又はゼロの電圧をそれぞれ生成し、ＩＧＢＴ（Ｑ１）のゲートに出力する。実際上、前記“１”又は“０”の信号は、反転器（図示せず）を経て、もう一つのゲートドライブ回路（図示せず）に同時に入力され、これらのゲートドライブ回路１１によってＩＧＢＴ（Ｑ１）のゲートおよびＩＧＢＴ（Ｑ４）のゲートに出力され、Ｕ相のＩＧＢＴが交互にオン・オフ制御され、その出力がモータ８にＵ相電流として供給される。Ｖ，Ｗ各相についても同様に供給される。

以上により、出力電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗがモータ８に供給され、モータ８が制御される。この場合、パワー素子は、電力の変換・制御動作によって電力損失を生じ、この電力損失によって発熱し、パワー素子の温度が上昇する。

従来、インバータ３を構成するパワー素子の過熱を保護するためのパワー素子保護装置として、モータ制御装置１０１に対する装置負荷率を演算し、パワー素子の過熱を保護する装置が知られている。この保護装置は、パワー素子がスイッチング素子の場合、通常の運転時におけるスイッチング素子のジャンクション温度と装置負荷率とに基づいて、通常時のジャンクション温度に装置負荷率を乗算し、得られる乗算結果のジャンクション温度と許容動作温度とを比較演算し、演算の結果により、ジャンクション温度がスイッチング素子の許容動作温度に比べてより高いとき、モータ８への電力を遮断してパワー素子の過熱を保護する。

また、スイッチング素子の近傍に取り付けたヒートシンク上に装着した温度検出器によって、ヒートシンクの温度を計測し、その温度からスイッチング素子の温度を演算し、パワー素子の過熱を保護する装置が知られている。

また、ＩＰＭ（Intelligent Power Module）（図示せず）のように、ＩＰＭ内部に温度検出器を埋め込んでスイッチング素子の過熱を保護する装置が知られている。この装置は、温度検出器例えば、サーミスタをスイッチング素子のジャンクション部に直に付けることができないため、それをジャンクション近傍に装着し、ジャンクション近傍の温度を計測して、その温度からスイッチング素子の温度を演算し、パワー素子の過熱を保護する。

さらに、モータがロックしているときに、スイッチング素子の過熱を保護する保護装置として、特許文献１に示すものが知られている。この装置は、図９に示すように、モータに通電するスイッチング素子の電力損失Ｌｔから飽和温度Ｔjgoalを算出し、これと温度時定数τに基づいて現ジャンクション温度Ｔjnowを算出し、現ジャンクション温度Ｔjnowの温度上限値Ｔjmaxに対する偏差Ｅrror＝Ｔjmax−Ｔjnowを算出する。モータロック時に、トルク目標値＝トルク要求値×Ｋｔの係数Ｋｔを定める。すなわち、Ｅrrorに比例してＫｔを定め、これによりトルク目標値を定める。Ｅrrorが設定値Ｋ３以上のときにはＫｔ＝１に定め、Ｅrrorに比例して算出したＫｔが１を越えるときは１に矯正し、Ｅrror≦０ではＫｔ＝０に定める。

以下、具体的に説明する。図９に示す「トルク制限用のＫｔを算出」のステップ（６７）において、まず、通電相の電気コイルに給電するドライバのスイッチング素子であるＩＧＢＴのチョッピング損失Ｑchop［Ｗ］を、次のように算出する（８１）。
Ｑchop＝電流Ｉ［Ａ］×電圧Ｖ［Ｖ］×係数Ｋｃ
ここで、Ｋｃは、チョッピング係数（チョッピング周波数、電流の立ち下り速度および立ち上り速度から算出する。）とする。

次に、ＩＧＢＴの通電時の損失すなわちＯＮ損失Ｑon［Ｗ］を、次のように算出する（８２）。
Ｑon＝Ｖceo×電流Ｉ［Ａ］＋Ｒon×電流Ｉ²［Ａ］
ここで、Ｖceoは、ＩＧＢＴのコレクタ／エミッタ間の０アンペア時のオン電圧、Ｒon は、ＩＧＢＴのオン抵抗とする。

次に、通電相（一相）の電気コイルに給電する何れかのドライバの総電力損失Ｌｔ［Ｗ］を、次のように算出する（８３）。
Ｌｔ＝（Ｑchop＋Ｑon＋Ｄloss×２）×安全係数
ここで、Ｄlossはダイオダイオード損失とする。

次に、現ジャンクション温度Ｔjnow［°Ｃ］を、次のように推定する（８４）。

Ｔjgoal＝Ｌｔ×熱抵抗［°Ｃ／Ｗ］
ここで、Ｔjgoalは、電流Ｉ［Ａ］を流し続けた場合のＩＧＢＴのジャンクションの飽和温度［°Ｃ］とする。

次に、現ジャンクション温度ＴjnowからＩＧＢＴの温度上限値Ｔjmaxまでの温度差Ｅrror＝Ｔjmax−Ｔjnowを算出する（８５）。このＥrrorは温度余裕代である。この温度差Ｅrrorが設定値Ｋ３以上である場合、温度余裕代が大きいので、トルク補正係数Ｋｔは１とする（８６，８７）。温度差Ｅrrorが０以下である場合、現ジャンクション温度Ｔjnowが温度上限値Ｔjmax以上と推定されるので、トルク補正係数Ｋｔは０（通電停止）とする（８８，８９）。温度差Ｅrrorが０より高く、設定値Ｋ３以下である場合、Ｋｔ＝Ｅrror×Ｋ４（Ｋ４は係数）を算出し、算出値が１を越えるときにはＫｔを１に書き替える（９０〜９２）。

特開２００１−６９７８７号公報

しかしながら、パワー素子の過熱を保護するために、モータ制御装置に対し装置負荷率を演算し、パワー素子の過熱を保護する装置は、モータ制御装置全体の過熱を演算することから、パワー素子であるスイッチング素子およびダイオードの平均的な過熱しか分からない。したがって、この装置では、ジャンクション温度をパワー素子毎に的確に検出することができない。よって、この装置は、モータがロック状態であるとき又は極低速で運転するとき、パワー素子毎に過熱を保護することができないという問題が生じる虞がある。何故ならば、実際上、パワー素子が例えばＩＧＢＴの場合、その熱時定数はおよそ１００ミリ秒であり小さいため、モータがロック状態であるとき又は極低速で運転するときには、当該相のＩＧＢＴのコレクタに電流が流れると、ＩＧＢＴのジャンクション温度はその流れる電流に応答して変化する。このため、実効電流が流れるときの温度よりも高くなってパワー素子が過熱することになり、過熱の演算が的確になされないからである。

また、ヒートシンク上に装着した温度検出器によって温度を計測し、パワー素子の過熱を保護する装置は、各パワー素子の急激な温度上昇を検出することができない。したがって、この装置では、モータがロック状態であるとき又は極低速で運転するとき、各パワー素子の過熱をパワー素子毎に的確に保護することができないという問題が生じる虞がある。

また、ＩＰＭのように、パワーモジュール内部に温度検出器を埋め込むことにより過熱を保護する装置は、前記温度検出器による場合と同様に、各パワー素子の急激な温度上昇を検出することができない。したがって、この装置では、モータがロック状態であるとき又は極低速で運転するとき、各パワー素子の過熱をパワー素子毎に的確に保護することができないという問題が生じる虞がある。

さらに、図９に示したパワー素子過熱保護装置は、モータに通電するスイッチング素子の電力損失Ｌｔから飽和温度を算出し、これと温度時定数τに基づいて現ジャンクション温度を算出し、現ジャンクション温度の、温度上限値に対する温度差（エラー又は偏差）を算出する。モータロック時には、トルク目標値＝トルク要求値×Ｋｔの係数Ｋｔを定める。すなわち、Ｅrrorに比例してＫｔを定め、これによりトルク目標値を定める。温度差Ｅrrorが０以下であると、現ジャンクション温度が温度上限値以上と推定されるので、トルク補正係数Ｋｔは０（通電停止）としている。この装置は、ＩＧＢＴのチョッピング損失および通電時の損失、さらにダイオード損失に基づいて演算した総電力損失と熱抵抗とからＩＧＢＴのジャンクションの飽和温度を演算し、これと温度時定数とに基づいて現ジャンクション温度を算出する。しかし、この総電力損失は、スイッチング素子およびダイオードからなる各相のドライバ全体の熱損失を示している。したがって、この熱損失から演算されるジャンクションの飽和温度はスイッチング素子およびダイオードそれぞれ個別のジャンクションの飽和温度を推定しているものでない。つまり、このジャンクションの飽和温度と温度時定数とに基づいて演算される現ジャンクション温度は、各スイッチング素子およびダイオードのジャンクション温度を個別的に示すものではない。したがって、モータがロック状態であるとき又は極低速で運転するとき、現ジャンクション温度がパワー素子の許容動作温度に比べてより大きい場合は、スイッチング素子のゲートを遮断しても、スイッチング素子およびダイオードの過熱を各素子毎に保護することができないという問題が生じる虞がある。

そこで、本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたもので、インバータを構成する複数のパワー素子に対し、パワー素子毎に過熱から有効に保護することが可能なパワー素子過熱保護装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、直流を所望の交流に変換するインバータを用いて、ＰＷＭ制御によって負荷を駆動する駆動装置に備えられ、インバータを構成する複数のパワー素子の過熱を保護するパワー素子過熱保護装置において、複数のパワー素子を被装するケースの温度を検出する温度検出手段と、パワー素子毎のジャンクション温度とケース温度との間の温度差の上昇分を演算し、得られる温度差の上昇分にケースの温度を加算し、演算の結果により、パワー素子毎のジャンクション温度を推定する温度推定手段と、パワー素子毎のジャンクション温度と、パワー素子毎の許容動作温度とをそれぞれ比較演算し、演算の結果により、ジャンクション温度が許容動作温度に比べて高いとき、パワー素子が過熱状態であると判定し、過熱異常信号を出力する過熱異常判定手段と、過熱異常判定手段から少なくとも１つの過熱異常信号を入力した場合には、パワー素子のゲートを遮断する電力遮断信号を出力する電力遮断信号出力手段と、を備えることを特徴とする。

さらに、好適には、負荷がモータであることを特徴とする。さらに、好適には、パワー素子がスイッチング素子およびダイオードであることを特徴とする。さらに、好適には、スイッチング素子がＩＧＢＴであることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、インバータを構成する複数のパワー素子に対し、パワー素子毎に過熱から有効に保護することが可能なパワー素子過熱保護装置を実現することができる。例えば、負荷がモータである場合は、モータがロック状態であるとき又は極低速で運転するときに、インバータを構成する複数のパワー素子に対し、パワー素子毎に過熱から保護することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。
〔構成〕
図１は、本発明に係るパワー素子過熱保護装置をモータ制御装置に適用した場合の例を示す制御ブロック図である。モータ制御装置１は、平滑用コンデンサ２、インバータ３、モータ制御部４、電流検出器５，６，７、温度検出器１２およびパワー素子過熱保護装置１３を備える。平滑用コンデンサ２、インバータ３、モータ制御部４、電流検出器５，６，７は、前述したので説明を省略する。インバータ３であるパワーモジュールは、以下の説明を簡単にするために、シックス・イン・ワン装置とする。すなわち、パワーモジュールは、インバータ３例えば、３相のインバータであれば、ＩＧＢＴ６個、およびこれらのＩＧＢＴと逆並列接続するダイオード６個を備える。

温度検出器１２は、熱電変換素子例えば、サーミスタであり、パワー素子を被装するケース（図示せず）上に装着され、ケースの表面温度（以下、ケース温度という。）Ｔｃを検出し、パワー素子過熱保護装置１３に出力する。

パワー素子過熱保護装置１３は、パワー素子情報Ｋ、インバータ３の出力電流Ｉ（ＵＶＷ各相に対しそれぞれＩｕ，Ｉｖ，Ｉｗとする。）および出力電圧Ｖ（ＵＶＷ各相に対しそれぞれＶｕ，Ｖｖ，Ｖｗとする。）、パワー素子の許容動作温度Ｔmax、並びにケース温度Ｔｃを入力し、パワー素子による電力損失に基づいてパワー素子のジャンクション温度を演算し、過熱異常と判定したとき、電源遮断信号Ａをモータ制御部４に出力する。

図２は、本発明に係るパワー素子過熱保護装置を示す制御ブロック図である。図３は、図２の続きを示す制御ブロック図である。パワー素子過熱保護装置１３は、大きく分けて図２に示すＩＧＢＴ用と、図３に示すダイオード用とを備える。

パワー素子過熱保護装置１３は、ＩＧＢＴ用として、図２に示すように、ＩＧＢＴ情報設定器２４、Ｑ１〜Ｑ６用損失推定演算器２１−１〜２１−６、Ｑ１〜Ｑ６用温度推定演算器２２−１〜２２−６および過熱異常判定器２３−１〜２３−６を備える。以下ではＵ相について説明するが、Ｖ，Ｗ各相についても同様である。

ＩＧＢＴ情報設定器２４は、ＩＧＢＴに関連する情報ＫＱすなわち、ＩＧＢＴのコレクタ電流に基づく飽和電圧ＶＣＥ、ＩＧＢＴとケースとの間の熱抵抗ＲＱ、過渡熱時定数τＱ、ＩＧＢＴのスイッチング周波数ｆｃ、およびＩＧＢＴのスイッチング損失エネルギーＥＱを設定する。ここで、ＩＧＢＴのスイッチング損失エネルギーＥＱは、ターンオン損失エネルギーとターンオフ損失エネルギーとの総和とする。

Ｑ１用損失推定演算器２１−１は、モータ用ステータのＵ相巻線に流れる出力電流Ｉｕ（これはコレクタ電流Ｉｃに等しい。以下の説明を簡単にするために、Ｉｃ＞＝０とする。）と、Ｕ相巻線の相電圧である出力電圧Ｖｕと、ＩＧＢＴ用情報設定器２４によるＩＧＢＴに関連する情報ＫＱのうちのＩＧＢＴのコレクタ電流に基づく飽和電圧ＶＣＥと、ＩＧＢＴのスイッチング周波数ｆｃおよびＩＧＢＴのスイッチング損失エネルギーＥＱとを入力し、演算の結果により、得られるＩＧＢＴ（Ｑ１）の電力損失ＰＱ１をＱ１用温度推定演算器２２−１に出力する。

Ｑ１用温度推定演算器２２−１は、ＩＧＢＴ（Ｑ１）の電力損失ＰＱ１と、ＩＧＢＴ情報設定器２４によるＩＧＢＴに関連する情報ＫＱのうちのＩＧＢＴとケースとの間の熱抵抗ＲＱおよびＩＧＢＴの過渡熱時定数τＱと、ケース温度Ｔｃとを入力し、演算の結果により、得られるＩＧＢＴ（Ｑ１）のジャンクション温度Ｔj_Q1を過熱異常判定器２３−１に出力する。

過熱異常判定器２３−１は、比較器であり、ＩＧＢＴ（Ｑ１）のジャンクション温度Ｔj_Q1と、ＩＧＢＴ許容動作温度設定器（図示せず）によるＩＧＢＴの許容動作温度ＴjQmaxとを入力し、ＩＧＢＴ（Ｑ１）のジャンクション温度Ｔj_Q1とＩＧＢＴの許容動作温度ＴjQmaxとを比較演算し、演算の結果により、ＩＧＢＴ（Ｑ１）のジャンクション温度Ｔj_Q1がジャンクションの許容動作温度ＴjQmaxに比べてより高いとき過熱異常信号Ｂとして“１”の信号を、又は、ＩＧＢＴ（Ｑ１）のジャンクション温度Ｔj_Q1がジャンクションの許容動作温度ＴjQmaxに等しいとき又はより低いとき正常信号として“０”の信号を、それぞれ電源・遮断信号出力器３１に出力する。

次に、パワー素子過熱保護装置１３は、ダイオード用として、図３に示すように、ダイオード情報設定器３０、Ｄ１〜Ｄ６用損失推定演算器２７−１〜２７−６、Ｄ１〜Ｄ６用温度推定演算器２８−１〜２８−６、過熱異常判定器２９−１〜２９−６および電源・遮断信号出力器３１を備える。以下ではＵ相について説明するが、Ｖ，Ｗ各相についても同様である。

ダイオード情報設定器３０は、ダイオードに関する情報ＫＤすなわち、ＩＧＢＴのコレクタ電流Ｉｃに対応するダイオードの順方向電圧ＶＦ、ダイオードとケースとの間の熱抵抗ＲＦ、およびダイオードの過渡熱時定数τＦを設定する。

以下の説明を簡単にするために、ＩＧＢＴの場合と同様に、Ｉｃ＞＝０とする。前述したように、ダイオード（Ｄ４）に出力電流Ｉｕ（コレクタ電流Ｉｃに等しい）が流れる。

Ｄ４用損失推定演算器２７−４は、Ｕ相の出力電流Ｉｕ（コレクタ電流Ｉｃに等しい。）と、Ｕ相の出力電圧Ｖｕと、ダイオード情報設定器３０によるダイオードの順方向電圧ＶＦとを入力し、演算の結果により、得られるダイオード（Ｄ４）の電力損失ＰＦ４をＤ４用温度推定演算器２８−４に出力する。この場合、ダイオード（Ｄ１）および（Ｄ４）のうちダイオード（Ｄ４）が電力損失の対象となるのは、前述したように、Ｕ相の出力電流Ｉｕがゼロ又は正であるとき、Ｕ相のＰ側パワーモジュールでは、ＩＧＢＴ（Ｑ１）にインバータ３の出力電流であるコレクタ電流Ｉｃが流れるのに対し、Ｎ側パワーモジュールでは、ダイオード（Ｄ４）に前記出力電流と同一の電流が流れるからである。

Ｄ４用温度推定演算器２８−４は、ダイオード（Ｄ４）の電力損失ＰＦ４と、ダイオード情報設定器３０によるダイオードとケースとの間の熱抵抗ＲＦおよびダイオードの過渡熱時定数τＦと、ケース温度Ｔｃとを入力し、演算の結果により、得られるダイオード（Ｄ４）のジャンクション温度Ｔj_F4を過熱異常判定器２９−４に出力する。

過熱異常判定器２９−４は、比較器であり、ダイオード（Ｄ４）のジャンクション温度Ｔj_F4と、ダイオード許容動作温度設定器（図示せず）によるダイオードの許容動作温度ＴjFmaxとを入力し、ダイオード（Ｄ４）のジャンクション温度Ｔj_F4とダイオードの許容動作温度ＴjFmaxとを比較演算し、演算の結果により、ダイオード（Ｄ４）のジャンクション温度Ｔj_F4がジャンクションの許容動作温度ＴjFmaxに比べてより高いとき過熱異常信号Ｂとして“１”の信号を、又は、ダイオード（Ｄ4）のジャンクション温度Ｔj_F4がジャンクションの許容動作温度ＴjFmaxに等しいとき又はより低いとき正常信号として“０”の信号を、それぞれ電源遮断信号出力路３１に出力する。

コレクタ電流Ｉｃが負の場合であり、かつ他のＶＷ相のときは、Ｕ相のときと同様に、過熱異常判定器２３，２９によってパワー素子のジャンクション温度とジャンクションの許容動作温度とを比較演算し、“１”又は“０”信号を電源遮断信号出力路３１に出力する。

電源遮断信号出力器３１は、論理制御回路例えば、論理和回路であり、過熱異常判定器２３−１〜２３−６又は過熱異常判定器２９−４〜２９−６による“１”又は“０”の信号を入力し、これらの信号のうちの何れかが“１”の信号であるとき、電源遮断信号Ｂである“１”の信号Ａをモータ制御部４に出力する。

〔動作〕
次に、ＩＧＢＴおよびダイオードの電力損失に基づいて、ＩＧＢＴおよびダイオードの各ジャンクション温度を演算し、かつ過熱を判定する方法について説明する。図４は、本発明に係るパワー素子過熱保護装置におけるＩＧＢＴのジャンクション温度の処理手順とモータの制御動作とを示すフローチャートである。図５は、本発明に係るパワー素子過熱保護装置におけるダイオードのジャンクション温度の処理手順とモータの制御動作とを示すフローチャートである。図６は、図４および図５の続きを示す図である。

先ず、パワー素子がＩＧＢＴ（Ｑ１）の場合、以下ではＵ相について説明するが、Ｖ，Ｗ各相についても同様である。ＩＧＢＴのジャンクション温度は、図４に示すように、以下の手順により演算される。先ず、インバータ３のＵ相の出力電流Ｉｕを検出する（ステップＳ−１）。モータ用ステータのＵ相巻線にかかる相電圧である出力電圧Ｖｕを検出する（Ｓ−２）。Ｕ相の出力電圧Ｖｕに基づいてデューティＤを演算する（Ｓ−３）。ＩＧＢＴ情報設定器２４によるＩＧＢＴの飽和電圧ＶＣＥ、スイッチング周波数ｆｃおよび損失エネルギーＥＱを設定する（Ｓ−４）。

Ｕ相の出力電流Ｉｕ、飽和電圧ＶＣＥ、デューティＤ、損失エネルギーＥＱおよびスイッチング周波数ｆｃと後述する式（５）とに基づいて、ＩＧＢＴ（Ｑ１）の電力損失ＰＱ１を演算する（Ｓ−５）。予めＩＧＢＴの熱抵抗ＲＱと熱時定数τＱとを設定し、熱抵抗ＲＱと熱時定数τＱとに基づいてＩＧＢＴの過渡熱インピーダンスＺＱを演算する（Ｓ−６）。ＩＧＢＴ（Ｑ１）の電力損失ＰＱ１と過渡熱インピーダンスＺＱとを乗算し、演算の結果により、得られるＩＧＢＴ（Ｑ１）のジャンクションとケースとの間の温度差の上昇分（以下、ジャンクションとケースとの間の温度上昇分という。）Ｔj_cQ1を出力する（Ｓ−７）。また、ケース温度Ｔｃを検出する（Ｓ−８）。

図６に示すように、ＩＧＢＴ（Ｑ１）のジャンクションとケースとの間の温度上昇分Ｔj_cQ1にケース温度ＴＣを加算し、演算の結果により、得られるＩＧＢＴ（Ｑ１）のジャンクション温度ＴjQ1を演算し、出力する（Ｓ−９）。ＩＧＢＴ（Ｑ１）のジャンクション温度ＴjQ1とＩＧＢＴのジャンクションの許容動作温度ＴjQmaxとを入力し、ジャンクション温度ＴjQ1と許容動作温度ＴjQmaxとを比較する（Ｓ−１０）。その結果により、ジャンクション温度ＴjQ1が許容動作温度ＴjQmaxより高いとき（Ｓ−１１）、ＩＧＢＴ（Ｑ１）のジャンクションが過熱状態であると判定し、過熱異常信号Ｂを出力する（Ｓ−１２）。過熱異常信号Ｂを入力し、過熱異常信号Ｂに基づいて電源遮断信号Ａを出力し、ＩＧＢＴ（Ｑ１）のゲートをオン・オフ制御するゲート信号をオフ状態に切替えて電源を遮断する（Ｓ−１３）。また、ＩＧＢＴ（Ｑ1）のジャンクション温度ＴjQ1が許容動作温度ＴjQmaxに等しい又はより低いとき（Ｓ−１１）、モータ制御装置３はモータ８を継続運転する（Ｓ−１４）。

次に、パワー素子がダイオード（Ｄ４）の場合、ＩＧＢＴの場合と同様に、以下ではＵ相について説明するが、Ｖ，Ｗ各相についても同様である。ダイオード（Ｄ４）のジャンクション温度は、図５に示すように、以下の手順により演算される。インバータ３のＵ相の出力電流であるＩＧＢＴ（Ｑ１）のコレクタ電流Ｉｃを検出する（ステップＳ−１５）。コレクタ電流Ｉｃに対応するダイオードの順方向電圧ＶＦを設定する（Ｓ−１６）。前述したＩＧＢＴ（Ｑ１）の場合のデューティＤと後述する式（８）とに基づいて、ダイオード（Ｄ４）のデューティ（１−Ｄ）を演算する（Ｓ−１７）。

コレクタ電流Ｉｃと、ダイオードの順方向電圧ＶＦと、ダイオード（Ｄ４）のデューティ（１−Ｄ）と、後述する式（６）とに基づいて、ダイオード（Ｄ４）の電力損失ＰＦ４を出力する（Ｓ−１８）。予め、ＩＧＢＴの場合と同様に、ダイオードの熱抵抗ＲＦと熱時定数τＦを設定し、熱抵抗ＲＱと熱時定数τＱとに基づいてダイオードの過渡熱インピーダンスＺＦを演算する（Ｓ−１９）。ダイオード（Ｄ４）の電力損失ＰＦ４と過渡熱インピーダンスＺＦとを乗算し、演算の結果により、得られるダイオード（Ｄ４）のジャンクションとケース間の温度上昇分Ｔj_cF4を演算し、出力する（Ｓ―２０）。また、ケース温度Ｔｃを入力する（Ｓ−２１）。

図６に示すように、ダイオード（Ｄ4）のジャンクションとケースとの間の温度上昇分Ｔj_cF4にケース温度Ｔｃを加算し、演算の結果により、得られるダイオード（Ｄ4）のジャンクションの温度ＴjF4を演算し、出力する（Ｓ−２２）。ダイオード（Ｄ4）のジャンクション温度ＴjF4とダイオードのジャンクションの許容動作温度ＴjFmaxとを入力し、ダイオード（Ｄ4）のジャンクション温度ＴjF4と許容動作温度ＴjFmaxとを比較する（Ｓ−２３）。その結果により、ダイオード（Ｄ4）のジャンクション温度ＴjF4が許容動作温度ＴjFmaxより高いとき（Ｓ−２４）、ダイオード（Ｄ4）が過熱状態であると判定し、過熱異常信号Ｂを出力する（Ｓ−１２）。過熱異常信号Ｂを入力し、過熱異常信号Ｂに基づいて電源遮断信号Ａを出力し、ＩＧＢＴ（Ｑ１）のゲートをオン・オフ制御するためのゲート信号をオフ状態に切替えて、モータへの電力供給を遮断する（Ｓ−１３）。また、ダイオードのジャンクション温度ＴjQ1が許容動作温度ＴjQmaxに等しい又はより低いとき（Ｓ−２４）、モータへの電力供給を継続する（Ｓ−１４）。

コレクタ電流Ｉｃが負の場合、コレクタ電流Ｉｃが正の場合におけるＩＧＢＴ（Ｑ１）の代わりにＩＧＢＴ（Ｑ４）を、ダイオード（Ｄ４）の代わりにダイオード（Ｄ１）を置き換えてジャンクション温度を演算する。

以上、Ｕ相の場合について説明したが、他のＶおよびＷ相の場合についても同様である。つまり、Ｖ相について対象となるパワー素子はＩＧＢＴ（Ｑ２）とダイオード（Ｄ５）、Ｗ相について対象となるパワー素子はＩＧＢＴ（Ｑ３）とダイオード（Ｄ６）である。また、出力電流（コレクタ電流Ｉｃと同一）が負の場合、Ｖ相についてはＩＧＢＴ（Ｑ５）とダイオード（Ｄ２）、Ｗ相についてはＩＧＢＴ（Ｑ６）とダイオード（Ｄ３）である。

次に、ジャンクション温度を演算する手順と過熱異常の判定とについて詳細に説明する。ＩＧＢＴおよびダイオードのジャンクション温度Ｔj_Q、Ｔj_Fは、一般的に知られているように、それぞれ
Ｔj_Q＝ＰＱ×ＺＱ＋Ｔｃ （１）
Ｔj_F＝ＰＦ×ＺＦ＋Ｔｃ （２）
となる。ここで、ＰＱはＩＧＢＴの電力損失、ＰＦはダイオードの電力損失、Ｔｃはケース温度、ＺＱはＩＧＢＴの過渡熱インピーダンス、ＺＦはダイオードの過渡熱インピーダンスをそれぞれ示す。

ＩＧＢＴおよびダイオードの過渡熱インピーダンスＺＱ ，ＺＦは、それぞれ
ＺＱ＝ΣＲｉＱ×｛１−exp(-ｔ/τｉＱ)｝ （３）
ＺＱ＝ΣＲｉＦ×｛１−exp(-ｔ/τｉＦ)｝ （４）
となる。ここで、ＲｉＱはＩＧＢＴの熱抵抗、ＲｉＦはダイオードの熱抵抗、τｉＱはＩＧＢＴの熱時定数、τｉＦはダイオードの熱時定数、Σはｉ＝１からｉ＝ｋまでの和をそれぞれ示す。

一方、ＩＧＢＴおよびダイオードの電力損失ＰＱ，ＰＦは、一般的なインバータドライブにおけるＰＷＭ制御の場合、キャリア周波数１サイクル当たりの電力損失として、それぞれ
ＰＱ＝Ｐsat＋Ｐsw＝Ｉｃ×ＶＣＥ×Ｄ＋｛Ｅsw(on)＋Ｅsw(off)｝×ｆｃ （５）
ＰＦ＝Ｉｃ×ＶＦ×（１−Ｄ） （６）
と近似することができる。ここで、ＰsatはＩＧＢＴの定常損失、ＰswはＩＧＢＴのスイッチング損失、Ｉｃはコレクタ電流（これはＩＧＢＴのコレクタに流れる電流に等しい。）、ＶＣＥはＩＧＢＴの飽和電圧、ＤはＩＧＢＴのＯＮデューティ、Ｅsw(on)はＩＧＢＴのＯＮ損失エネルギー、Ｅsw(off)はＩＧＢＴのＯＦＦ損失エネルギー、ｆｃはキャリア周波数、ＶＦはダイオードの順方向電圧をそれぞれ示す。

図７は、本発明に係るパワー素子過熱保護装置に関連するモータ制御装置における出力信号とデューティとの関係を示す図であり、横軸ｔが経過時間、縦軸ＤがＩＧＢＴのデューティおよびＯＮ状態をそれぞれ示す。図７（Ａ）は、ＶｕがＵ相の出力電圧、Ｖmaxが出力電圧Ｖｕのピーク電圧値（片側）、ＶｃがＩＧＢＴのゲートをオン・オフ制御するためのゲート制御信号を生成するためのキャリア周波数信号をそれぞれ示す。また、モータ制御装置１のＵ相の出力電圧Ｖｕが最大値Ｖmaxを出力するときＩＧＢＴのデューティＤをＤ＝１とし、また、ゼロを出力するときＤ＝０．５とし、さらに、負の最大値を出力するときＤ＝０とする。

図７（Ｂ）は、横軸ｔが経過時間、縦軸がＵ相のＰ（正極）側ＩＧＢＴ（Ｑ１）のＯＮ（オン）状態をそれぞれ示す。図７（Ｃ）は、横軸ｔが経過時間、縦軸がＵ相のＮ（負極）側ＩＧＢＴ（Ｑ４）のＯＮ（オン）状態をそれぞれ示す。

ＩＧＢＴのデューティＤは、仮に、Ｕ相の出力電圧ＶｕとデューティＤとの関係が図７（Ａ）に示すものとすれば、Ｕ相のＰ側ＩＧＢＴおよびＮ側ＩＧＢＴのデューティＤup，Ｄunは、それぞれ
Ｄup＝０．５×（１＋Ｖｕ÷Ｖmax） （７）
Ｄun＝１−Ｄup （８）
となる。ここで、Ｄup，Ｄunのサフィックスp，nは、Ｕ相のＩＧＢＴの正極側、負極側であることをそれぞれ示す。また、Ｖmaxは、出力電圧Ｖｕのピーク電圧値（片側）を示す。

式（５）から式（８）によって、Ｕ相のパワーモジュールの電力損失は、モータ制御装置１のＵ相の出力電流Ｉｕを前記コレクタ電流Ｉｃとおくと、Ｉｃ＞＝０のとき、Ｐ側パワーモジュールの電力損失すなわち、ＩＧＢＴ（Ｑ１）の電力損失ＰＱ_upは、式（５）と同一であり、Ｎ側パワーモジュールの電力損失すなわち、ダイオード（Ｄ４）の電力損失ＰＦ_unは、式（６）と同一である。

また、Ｉｃ＜０のとき、Ｐ側パワーモジュールの電力損失すなわち、ダイオード（Ｄ１）の電力損失ＰＦ_upは、
ＰＦ_up＝−Ｉｃ×ＶＦ×Ｄ （９）
となり、Ｎ側パワーモジュールの電力損失すなわち、ＩＧＢＴ（Ｑ４）の電力損失ＰＱ_unが、
ＰＱ_un＝−Ｉｃ×ＶＣＥ×（１−Ｄ）＋｛Ｅsw(on)＋Ｅsw(off)｝×ｆｃ （１０）
となる。

各パワーモジュールの電力損失を算出する場合、Ｕ相の出力電圧とそのデューティは、キャリア周波数に同期したサンプリング毎のフィードバック値を使用するか、又は指令値でも代用できる。また、Ｕ相の出力電流は、サンプリング時の電流フィードバック値である。例えば、あるサンプリング時のＵ相の出力電流Ｉｕ（コレクタ電流Ｉｃに相当する）、出力電圧Ｖｕ、出力電圧のピーク値（片側）Ｖmaxおよびスイッチング周波数ｆｃをそれぞれ＋４００アンペア，＋６０ボルト，３００ボルト，４ＫＨzとすると、Ｕ相のＰ側ＩＧＢＴのＯＮデューティは、式（７）により、Ｄup＝０．６であり、かつＩｃ＞＝０であるから、Ｕ相のＰ側パワーモジュールの電力損失ＰＱ_upは、式（５）により、ＰＱ_up＝９２０ワットとなる。

また、Ｕ相のＮ側パワーモジュールの損失ＰＦ_unは、式（６）により、ＰＦ_un＝２６４ワットとなる。ここで、ＩＧＢＴおよびダイオードの特性として、コレクタ電流Ｉｃが＋４００アンペアに対し、飽和電圧ＶＣＥを２．０ボルト、ＩＧＢＴのＯＮおよびＯＦＦ時の損失エネルギーの総和を１１０ミリジュール、ダイオードの順方向電圧ＶＦを１．６５ボルトとする。

ところで、前述した式（３）において、実際上、ＩＧＢＴの過渡熱インピーダンス値ＺＱは、ｋ＝２として近似できる。一方、実際上の計算は、サンプリングにより演算される。そこで、ＩＧＢＴのジャンクションとケース間の温度上昇分Ｔ(j-C)Q(n)を差分近似により、ｎ回目と（ｎ−１）回目のサンプリング点の間の離散値系の式に書き改める。すなわち、
Ｔ(j-C)Q(n)＝｛ＡQ1×Ｔ１（n-1）＋ＢQ1×ＰＱ（n）｝＋｛ＡQ2×Ｔ２（n-1）＋ＢQ2×ＰＱ（n）｝ （１１）
となる。ここで、
ＡQ1＝τ1Q/（Ｔ＋τ1Q），ＢQ1＝Ｒ1Q×Ｔ/（Ｔ＋τ1Q）
ＡQ2＝τ2Q/（Ｔ＋τ2Q），ＢQ2＝Ｒ2Q×Ｔ/（Ｔ＋τ2Q）
とする。また、Ｔは、サンプリング時間を示す。

したがって、ｎ回目サンプリング時におけるＩＧＢＴのジャンクションとケース間の温度上昇分Ｔ(j-C)Q(n)は、ｎ回目サンプリング時のＩＧＢＴの電力損失ＰＱ（ｎ）と（ｎ−１）回目サンプリング時における第１項目および第２項目の温度上昇分Ｔ１（ｎ−１）およびＴ２（ｎ−１）とが分かれば、式（１１）によって演算することができる。実際上、初期条件として、（ｎ−１）回のとき、温度上昇分Ｔ１（ｎ−１）およびＴ２（ｎ−１）がゼロと推定できるので、式（１１）によって順次、ＩＧＢＴのジャンクションとケースとの間の温度上昇分Ｔ(j-C)Q(n)を演算することができる。

例えば、τ1Q＝０．０１秒、Ｒ1Q＝０．０１８摂氏度／ワット、τ2Q＝０．１秒、Ｒ2Q＝０．０１８摂氏度／ワット、Ｔ＝０．００１秒を、式（１１）に代入して整理すると、以下の式になる。すなわち、
Ｔ(j-C)Q(n)＝｛０．９０９×Ｔ１（n-1）＋１．６４×１０^-3×ＰＱ（n）｝＋｛９．０９×Ｔ２（n-1）＋１．７８×１０^-4×ＰＱ（n）｝
となる。

よって、式（１１）によるＴ(j-C)Q(n)とケース温度Ｔｃとを式（１）に代入し、整理することによって、ＩＧＢＴのジャンクション温度Ｔj_Qを演算することができる。したがって、他のＩＧＢＴについても同様な演算を行うことによって、モータ制御装置１のインバータ３を構成するすべてのＩＧＢＴのジャンクション温度を推定することができる。

また、ダイオードの場合のジャンクション温度上昇分Ｔ(j-C)F(n)についても、ＩＧＢＴの場合と同様に、
Ｔ(j-C)F(n)＝｛ＡF1×Ｔ１（n-1）＋ＢF1×ＰＦ（n）｝＋｛ＡF2×Ｔ２（n-1）＋ＢF2×ＰＦ（n）｝ （１２）
となる。ここで、
ＡF1＝τ1F/（Ｔ＋τ1F），ＢF1＝Ｒ1F×Ｔ/（Ｔ＋τ1F）
ＡF2＝τ2F/（Ｔ＋τ2F），ＢF2＝Ｒ2F×Ｔ/（Ｔ＋τ2F）
とする。
以上Ｕ相について説明したが、Ｖ，Ｗ相についても同様である。

以上により、本発明の実施の形態によれば、パワー素子毎のジャンクション温度を演算し、各パワー素子のジャンクション温度Ｔｊと許容動作温度Ｔjmaxとを比較し、パワー素子の何れかのジャンクション温度Ｔｊが許容動作温度Ｔjmaxに比べてより高いとき、パワー素子毎に過熱異常信号Ｂを出力し、モータ８への電力供給を遮断するようにした。これにより、モータがロック状態であるとき又は極低速で運転するとき、パワー素子であるＩＧＢＴおよびダイオードの過熱を素子毎に保護することができる。

前記実施の形態では、負荷がモータであるモータ制御装置について説明したが、これに制約されず、例えば、スパッタリング装置用電源装置のように、ＰＷＭ制御によって交流電力を供給するインバータ装置にも適用することができる。

本発明に係るパワー素子過熱保護装置をモータ制御装置に適用した場合の例を示す制御ブロック図である。 本発明に係るパワー素子過熱保護装置を示す制御ブロック図である。 図２の続きを示す制御ブロック図である。 本発明に係るパワー素子過熱保護装置におけるＩＧＢＴのジャンクション温度の処理手順とモータの制御動作とを示すフローチャートである。 本発明に係るパワー素子過熱保護装置におけるダイオードのジャンクション温度の処理手順とモータの制御動作とを示すフローチャートである。 図４および図５の続きを示す図である。 本発明に係るパワー素子過熱保護装置に関連するモータ制御装置における出力信号とデューティとの関係を示す図である。 従来のモータ制御装置を示す制御ブロック図である。 従来の他のモータ制御装置におけるトルク補正係数を算出するフローチャートを示す図である。

符号の説明

１，１０１ モータ制御装置
２ 平滑用コンデンサ
３ インバータ
４ モータ制御部
５ Ｕ相用電流検出器
６ Ｖ相用電流検出器
７ Ｗ相用電流検出器
８ モータ
９ 電流制御器
１０ ＰＷＭ変換器
１１ ゲートドライブ回路
１２ 温度検出器
１３ パワー素子過熱保護装置
２１−1〜２１−6 各Ｑ１〜Ｑ６用損失推定演算器
２２−1〜２２−6 各Ｑ１〜Ｑ６用温度推定演算器
２３−１〜２３−６ 過熱異常判定器
２４ ＩＧＢＴ情報設定器
２７−１〜２７−６ 各Ｄ１〜Ｄ６用損失推定演算器
２８−１〜２８−６ 各Ｄ１〜Ｄ６用温度推定演算器
２９−１〜２９−６ 過熱異常判定器
３０ ダイオード情報設定器
３１ 電源遮断信号出力器
Ｑ１〜Ｑ６ ＩＧＢＴ
Ｄ１〜Ｄ６ ダイオード

Claims (4)

1. 直流を所望の交流に変換するインバータを用いて、ＰＷＭ制御によって負荷を駆動する駆動装置に備えられ、前記インバータを構成する複数のパワー素子の過熱を保護するパワー素子過熱保護装置において、
   前記複数のパワー素子を被装するケースの温度を検出する温度検出手段と、
   前記パワー素子毎のジャンクション温度と前記ケース温度との間の温度差の上昇分を演算し、得られる温度差の上昇分に前記ケースの温度を加算し、演算の結果により、前記パワー素子毎のジャンクション温度を推定する温度推定手段と、
   前記パワー素子毎のジャンクション温度と、前記パワー素子毎の許容動作温度とをそれぞれ比較演算し、演算の結果により、ジャンクション温度が許容動作温度に比べて高いとき、パワー素子が過熱状態であると判定し、過熱異常信号を出力する過熱異常判定手段と、
   前記過熱異常判定手段から少なくとも１つの過熱異常信号を入力した場合には、前記パワー素子のゲートを遮断する電力遮断信号を出力する電力遮断信号出力手段と、
   を備えることを特徴とするパワー素子過熱保護装置。
2. 前記負荷がモータであることを特徴とする請求項１に記載のパワー素子過熱保護装置。
3. 前記パワー素子がスイッチング素子およびダイオードであることを特徴とする請求項１又は２に記載のパワー素子過熱保護装置。
4. 前記スイッチング素子がＩＧＢＴであることを特徴とする請求項３に記載のパワー素子過熱保護装置。

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