JP2020039211A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換装置の素子を適切に保護する電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置１は、インバータ２０が備える複数のスイッチング素子２１ａ〜２１ｆ各々の熱抵抗を検出する熱抵抗検出手段１２０と、複数のスイッチング素子２１ａ〜２１ｆ各々の前記熱抵抗に基づいて、複数のスイッチング素子２１ａ〜２１ｆに夫々対応する複数の温度閾値を設定する閾値設定手段１３０と、複数のスイッチング素子２１ａ〜２１ｆ各々の温度を検出する温度検出手段１１０と、複数のスイッチング素子２１ａ〜２１ｆのうち一のスイッチング素子の温度が、該一のスイッチング素子に対応する温度閾値を超えたときに該一のスイッチング素子を保護する保護制御を行う制御手段１４０と、を備えるコントローラ１００を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置の技術分野に関する。

この種の装置では、装置を構成する素子を保護する動作が行われることが多い。例えば特許文献１には、複数のスイッチング素子各々の温度に基づいて該複数のスイッチング素子の異常が検出された場合に、フェールセーフ制御を行う技術が記載されている。

特開２０１３−１０６４８９号公報

ところで、実際の製品では、例えば経年変化等に起因して装置を構成する素子の熱性能にばらつきが生じる可能性がある。このばらつきについて、特許文献１に記載の技術では考慮されていない。すると、例えば最も劣化が進んでいる素子に起因して、上述のフェールセーフ制御（即ち、素子の保護）が過剰に行われる可能性があるという技術的問題点がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、素子を適切に保護することができる電力変換装置を提供することを課題とする。

本発明の一態様に係る電力変換装置は、複数のスイッチング素子各々の熱抵抗を検出する熱抵抗検出手段と、前記複数のスイッチング素子各々の熱抵抗に基づいて、前記複数のスイッチング素子に夫々対応する複数の温度閾値を設定する閾値設定手段と、前記複数のスイッチング素子各々の温度を検出する温度検出手段と、前記複数のスイッチング素子のうち一のスイッチング素子の温度が、前記一のスイッチング素子に対応する温度閾値を超えたときに前記一のスイッチング素子を保護する保護制御を行う制御手段と、を備えるというものである。

実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。 素子温度と保護開始温度との関係の一例を示す図である。 実施形態に係る電力変換装置の制御動作を示すフローチャートである。

電力変換装置に係る実施形態について図１乃至図３を参照して説明する。

（構成）
実施形態に係る電力変換装置の構成について図１を参照して説明する。図１は、実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。

図１において、電力変換装置１は、例えばモータ等の負荷５０の電源となるバッテリ１１と、該バッテリ１１から出力される直流電力を平滑化する平滑コンデンサ１２と、該バッテリ１１の直流電力を交流電力に変換するインバータ２０と、コントローラ１００とを備えて構成されている。

インバータ２０は、スイッチング素子としての６つのトランジスタ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ及び２１ｆ（以降、適宜“トランジスタ２１”と称する）と、該６つのトランジスタ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ及び２１ｆに夫々対応する６つの逆並列ダイオードと、を有する。トランジスタ２１ａ及び２１ｂは電気的に直列に接続されており、トランジスタ２１ａとトランジスタ２１ｂとの間と負荷５０とが電気的に接続されている。トランジスタ２１ｃ及び２１ｄは電気的に直列に接続されており、トランジスタ２１ｃとトランジスタ２１ｄとの間と負荷５０とが電気的に接続されている。トランジスタ２１ｅ及び２１ｆは電気的に直列に接続されており、トランジスタ２１ｅとトランジスタ２１ｆとの間と負荷５０とが電気的に接続されている。トランジスタ２１のオン／オフの切り替えはコントローラ１００により行われる。

コントローラ１００は、その内部に論理的に実現される処理ブロックとして又は物理的に実現される処理回路として、温度取得部１１０、熱抵抗取得部１２０、保護開始温度設定部１３０及び制御部１４０を備えて構成されている。

図１では図示を省略しているが、トランジスタ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ及び２１ｆ各々の温度を検出するための複数の温度センサが、夫々対応するトランジスタの近傍に設けられている。温度取得部１１０は、上記複数の温度センサ各々の出力に基づいて、トランジスタ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ及び２１ｆ各々の温度を取得する。尚、温度センサ、及び該温度センサの出力に基づいて温度を取得する方法については、既存技術を適用可能であるので、その詳細な説明は省略する。

熱抵抗取得部１２０は、トランジスタ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ及び２１ｆ各々の熱抵抗を取得する。ここで、熱抵抗を“Ｒｔｈ”、温度変化を“ΔＴ”、素子損失を“ΔＱ”とすると、“ΔＴ＝Ｒｔｈ×ΔＱ”という関係が成立する。熱抵抗取得部１２０は、例えば、トランジスタ２１に、故意に所定の損失（ΔＱ）を与え、そのときのトランジスタ２１の温度変化ΔＴ（温度取得部１１０により取得された温度から求めればよい）に基づいて、上記関係式からトランジスタ２１の熱抵抗を取得する。尚、熱抵抗の取得方法は、上記方法に限定されるものではない。

保護開始温度設定部１３０は、トランジスタ２１の熱劣化を抑制するための保護制御（例えばインバータ２０の出力制限）を開始するか否かを決定するための保護開始温度を、トランジスタ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ及び２１ｆ各々の熱抵抗に基づいてトランジスタ毎に設定する。

より具体的には、保護開始温度設定部１３０は、（１）インバータ２０が置かれている環境の温度、（２）トランジスタ２１の劣化がない場合に通電したときの該トランジスタ２１の温度上昇幅、及び（３）トランジスタ２１の劣化がない場合の熱抵抗（例えばカタログ値、製品出荷時の測定値等）と現在の熱抵抗（即ち、熱抵抗取得部１２０により取得された熱抵抗）との差分（劣化の程度に相当）に応じた温度上昇許容幅を加算した値を、保護開始温度として設定する。ここで、上記差分が小さいほど（即ち、劣化の程度が小さいほど）、上記温度上昇許容幅は大きくなる。このため、トランジスタ２１の劣化の程度が相対的に小さい場合、ランジスタ２１の劣化の程度が相対的に大きい場合に比べて、保護開始温度が高くなる。

トランジスタ２１ａに対応する保護開始温度を“Ｔｘ＿ａ”と、トランジスタ２１ｂに対応する保護開始温度を“Ｔｘ＿ｂ”と、トランジスタ２１ｃに対応する保護開始温度を“Ｔｘ＿ｃと”、トランジスタ２１ｄに対応する保護開始温度を“Ｔｘ＿ｄ”と、トランジスタ２１ｅに対応する保護開始温度を“Ｔｘ＿ｅ”と、トランジスタ２１ｆに対応する保護開始温度を“Ｔｘ＿ｆ”とする（図２参照）。

図２に示す例では、トランジスタ２１ｆの劣化の程度が最も大きいので、保護開始温度Ｔｘ＿ｆが最も低く設定されている。トランジスタ２１ｄの劣化の程度が最も小さいので、保護開始温度Ｔｘ＿ｄが最も高く設定されている。尚、図２において、棒グラフは、トランジスタ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ及び２１ｆ各々の温度を示している。

制御部１４０は、トランジスタ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ及び２１ｆの少なくとも一つのトランジスタの温度が、対応する保護開始温度を超えた場合に、上記保護制御を行う。

（動作）
コントローラ１００の動作について図３のフローチャートを参照して説明を加える。ここでは、負荷５０としてのモータを備える車両に、当該電力変換装置１が搭載されている場合を一例として挙げる。

図３において、車両がＲｅａｄｙ−ｏｎ状態となったことに起因してインバータ２０が起動された後、コントローラ１００の熱抵抗取得部１２０は、トランジスタ２１の熱抵抗を取得する（ステップＳ１０１）。

次に、保護開始温度設定部１３０は、ステップＳ１０１の処理において取得された熱抵抗に基づいて、トランジスタ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ及び２１ｆに夫々対応する保護開始温度Ｔｘ＿ａ、Ｔｘ＿ｂ、Ｔｘ＿ｃ、Ｔｘ＿ｄ、Ｔｘ＿ｅ及びＴｘ＿ｆを算出し、以前の保護開始温度を更新する（ステップＳ１０２）。この結果、保護開始温度が設定される。

コントローラ１００の制御部１４０は、車両がＲｅａｄｙ−ｏｆｆ状態となったか否かを判定する（ステップＳ１０３）。ステップＳ１０３の処理において、車両がＲｅａｄｙ−ｏｆｆ状態となったと判定された場合（ステップＳ１０３：Ｙｅｓ）、当該処理は終了される。

ステップＳ１０３の処理において、車両がＲｅａｄｙ−ｏｆｆ状態となっていないと判定された場合（ステップＳ１０３：Ｎｏ）、制御部１４０は、トランジスタ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ及び２１ｆの少なくとも一つの温度が、対応する保護開始温度を超えたか否かを判定する（ステップＳ１０４）。

ステップＳ１０４の処理において、トランジスタ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ及び２１ｆの少なくとも一つのトランジスタの温度が、対応する保護開始温度を超えたと判定された場合（ステップＳ１０４：Ｙｅｓ）、制御部１４０は、上述の保護制御の一例としてのインバータ２０の出力制限制御を行う（ステップＳ１０５）。

他方、ステップＳ１０４の処理において、トランジスタ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ及び２１ｆ各々の温度のいずれもが、対応する保護開始温度を超えていないと判定された場合（ステップＳ１０４：Ｎｏ）、制御部１４０は、インバータ２０の通常制御を行う（ステップＳ１０６）。

図３に示す処理では、車両がＲｅａｄｙ−ｏｆｆ状態となるまでは、ステップＳ１０３以降の処理が繰り返し行われる。

（技術的効果）
仮に、保護開始温度がトランジスタに依らずに一律であるとすると、保護開始温度は、劣化の程度が最も大きいトランジスタに合わせて設定される。図２に示す例では、劣化の程度が最も大きいトランジスタ２１ｆに合わせて、保護開始温度が“Ｔｘ＿ｆ”に設定される（図２の破線参照）。劣化の進行はトランジスタ毎に異なることが多いので、保護開始温度がトランジスタに依らずに一律に設定されると、本来保護制御の実行が必要ない場合にも保護制御が実行されることになる。

しかるに、当該電力変換装置１では、夫々の劣化の程度に応じて、トランジスタ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ及び２１ｆに夫々対応する保護開始温度Ｔｘ＿ａ、Ｔｘ＿ｂ、Ｔｘ＿ｃ、Ｔｘ＿ｄ、Ｔｘ＿ｅ及びＴｘ＿ｆが設定される。

図２に示す例では、トランジスタ２１ｅの温度（図２の“ｅ”の棒グラフ参照）は、“Ｔｘ＿ｆ”よりも高いが、トランジスタ２１ｅに対応する保護開始温度Ｔｘ＿ｅより低いので、保護制御は実行されない。このように、当該電力変換装置１では、各トランジスタ２１の劣化の程度に応じた保護開始温度を、対応するトランジスタ２１の温度が超えない限り保護制御は実行されない。従って、当該電力変換装置１によれば、保護制御が過剰に行われることを抑制することができる。

他方で、トランジスタ２１の温度が対応する保護開始温度を超えた場合には、保護制御が実行されるので、トランジスタ２１を保護する（即ち、熱劣化の進行を抑制する）ことができる。

以上に説明した実施形態から導き出される発明の各種態様を以下に説明する。

発明の一態様に係る電力変換装置は、複数のスイッチング素子各々の熱抵抗を検出する熱抵抗検出手段と、前記複数のスイッチング素子各々の熱抵抗に基づいて、前記複数のスイッチング素子に夫々対応する複数の温度閾値を設定する閾値設定手段と、前記複数のスイッチング素子各々の温度を検出する温度検出手段と、前記複数のスイッチング素子のうち一のスイッチング素子の温度が、前記一のスイッチング素子に対応する温度閾値を超えたときに前記一のスイッチング素子を保護する保護制御を行う制御手段と、を備えるというものである。

上述の実施形態においては、「トランジスタ２１」が「スイッチング素子」の一例に相当し、「熱抵抗取得部１２０」が「熱抵抗検出手段」の一例に相当し、「保護開始温度設定部１３０」が「閾値設定手段」の一例に相当し、「温度取得部１１０」が「温度検出手段」の一例に相当し、「制御部１４０」が「制御手段」の一例に相当する。上述の実施形態における「保護開始温度」は「温度閾値」の一例に相当する。

当該電力変換装置では、複数のスイッチング素子に夫々対応する複数の温度閾値が設定される。そして、スイッチング素子の温度が、該スイッチング素子に対応する温度閾値を超えたときに保護制御が行われる。他方で、一のスイッチング素子の温度が、他のスイッチング素子に対応する温度閾値に相当する温度より高くなったとしても保護制御は行われない。このため、当該電力変換装置によれば、保護制御によりスイッチング素子を保護することができるとともに、温度閾値が一律に設定されている場合に比べて、保護制御が過剰に行われることを抑制することができる。

本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う電力変換装置もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

１…電力変換装置、１１…バッテリ、１２…平滑コンデンサ、２０…インバータ、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ、２１ｆ…トランジスタ、５０…負荷、１００…コントローラ、１１０…温度取得部、１２０…熱抵抗取得部、１３０…保護開始温度設定部、１４０…制御部

Claims (1)

1. 複数のスイッチング素子各々の熱抵抗を検出する熱抵抗検出手段と、
   前記複数のスイッチング素子各々の熱抵抗に基づいて、前記複数のスイッチング素子に夫々対応する複数の温度閾値を設定する閾値設定手段と、
   前記複数のスイッチング素子各々の温度を検出する温度検出手段と、
   前記複数のスイッチング素子のうち一のスイッチング素子の温度が、前記一のスイッチング素子に対応する温度閾値を超えたときに前記一のスイッチング素子を保護する保護制御を行う制御手段と、
   を備えることを特徴とする電力変換装置。

Images