JP5454067B2 - 電力変換器用冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、交流−直流間の電力変換を行う電力変換器を冷却する電力変換器用冷却システムに関する。

産業分野においてはアクチュエータとして交流電動機を用いることが多い。そして、電動機を可変速駆動するためには直流−交流電力変換器（インバータ）が必要である。また、インバータの電源として交流−直流電力変換器（コンバータ）が用いられる。電力変換器は複数の電力用半導体素子で構成される。

電力用半導体素子は、ジャンクション部（接合部ということもある）において電力損失などにより発熱する。この熱が所定の許容値を超えると電力用半導体素子が破壊または劣化するおそれがある。このため、電力変換器には電力用半導体素子の過熱防止のための冷却装置が取り付けられることが多い。冷却装置の種類は様々であるが例えば、低容量用の空冷方式、大容量用の水冷方式がある。空冷方式は、冷媒である空気を電力変換器内に循環させるためにファンを利用する。一方、水冷方式では、冷媒である水を電力変換器内に循環させるために水冷用ポンプを利用する。

一般に、冷却装置の冷却能力は、電力変換器（電力用半導体素子）の発熱が最大値となる場合にも電力用半導体素子の破壊が起こらないように定められる。そして、冷却装置は電力変換器の電源が入っている間は常時一定出力の駆動を行う。このような冷却装置を含む冷却システムについては特許文献１に開示がある。

特開平１１−３４１８２４号公報

近年、産業分野においては地球環境保護の観点から装置等のランニングコスト低減、省エネルギーへの要求が高まっている。ここで、電力変換器に用いられる電力用半導体素子の発熱量は、当該電力変換器の動作状況に応じて時々刻々変化するものである。具体的には、電力用半導体素子の発熱量は導通電流、印加電圧、スイッチングなどに大きく依存するものである。

例えば、電力変換器は、鉄鋼圧延ライン用のスラブ搬送テーブルや主機圧延機等のように材料が通過する時のみ負荷がかかる装置に用いられる場合がある。このように電力変換器に間欠的に負荷がかかる場合には、電力用半導体素子の発熱量は負荷状況により大きく異なる。更に電力用半導体素子の発熱量はスラブ搬送テーブルや主機圧延機等の電動機トルク、速度によっても変動するものである。

従って、電力用半導体素子の発熱量が低い場合は冷却装置の冷却能力も低減させてよい。しかしながら、特許文献１の冷却装置は常に、電力用半導体素子の発熱が最大値となる場合を想定して駆動する。そのため、冷却装置の冷却能力を低減させてもよい場合にまで電力変換器（半導体素子）の過剰な冷却が行われる。よって冷却システムの省エネルギー化などが出来ない問題があった。

また、特許文献１の冷却装置は常に出力の高い状態で運転していることになるため、冷却装置（冷却システム）からの騒音を低減できない問題もあった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、半導体素子の冷却を行う冷却システムの省エネルギー化および低騒音化ができる電力変換器用冷却システムを提供することを目的とする。

本願の発明にかかる電力変換器用冷却システムは、電力変換器に用いられるＩＧＢＴとダイオードを有する半導体素子と、直流コンデンサと、該直流コンデンサの両端に接続された直流コンデンサ電圧検出部と、該電力変換器の相電流を検出する相電流検出部と、該半導体素子に取り付けられた冷却フィンと、該冷却フィンの温度を検出する温度検出部と、制御回路と、該直流コンデンサ電圧検出部、該相電流検出部、該温度検出部、及び該制御回路と接続され、これらから得た情報に基づき該ＩＧＢＴのターンオン損失、該ＩＧＢＴのターンオフ損失、該ＩＧＢＴの定常損失、該ダイオードの順損失、及び該ダイオードのリカバリ損失を演算し、これらの損失から該半導体素子の発熱量予測値を演算する演算部と、該半導体素子を冷却する冷却装置と、該冷却装置を制御する冷却装置制御部とを備える。該冷却装置制御部は、該半導体素子の温度が所定値を超えないように、該発熱量予測値が高い場合は該冷却装置の冷却能力を高め、該発熱量予測値が低い場合は該冷却能力を低減した制御を行うことを特徴とする。

本発明によれば電力変換器用冷却システムの省エネルギー化および低騒音化ができる。

電力変換器用冷却システムのブロック図である。 電力変換起用冷却システムの動作を説明するフローチャートである。

実施の形態
本実施形態は図１、２を参照して説明する。図１は本実施形態の電力変換器用冷却システムのブロック図である。本実施形態の電力変換器１１は３相交流インバータと直流コンデンサ１８を備える。電力変換器１１は電力用半導体素子としてＩＧＢＴ、ＦＷＤ（フリーホイールダイオード）、クランプダイオードを備える。ＩＧＢＴのゲート駆動信号はＩＧＢＴのゲートと接続されたゲート回路２２により伝送される。ゲート回路２２は制御回路２０からスイッチングの情報を受け取る。一方、直流コンデンサ１８は３相交流インバータの前段に接続されるものである。直流コンデンサ１８はたとえば整流回路を経由して電源に接続される。直流コンデンサ１８の両端には直流コンデンサ電圧検出部１２が接続される。これにより直流コンデンサ１８の両端の電圧測定が可能である。

さらに、３相交流インバータの各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）には相電流検出部１３が接続され、各相の電流を測定する。そして各相は、負荷であれば特に限定されないが、モータ２４に接続される。

電力変換器１１の中で発熱する部分はＩＧＢＴ、ＦＷＤ、クランプダイオードである（以後、ＩＧＢＴ、ＦＷＤ、クランプダイオードの電力用半導体素子を半導体素子と称する場合がある、また、ＦＷＤ、クランプダイオードをダイオードと称する場合がある）。これらは放熱性のよい基板に実装される。そして、半導体素子を冷却するために当該基板には冷却フィンが取り付けられる。さらに、本実施形態ではこの冷却フィンに冷却フィンの温度を検出する温度検出部１４が固定される。

本実施形態の電力変換器用冷却システムは演算部１５を備える。演算部１５とは半導体素子のジャンクション部の発熱量予測値を演算する部分である。演算部１５は、直流コンデンサ電圧検出部１２、相電流検出部１３、温度検出部１４、制御回路２０と接続されている。よって、演算部１５は直流コンデンサ１８の電圧と、相電流と、冷却フィン温度と、ＩＧＢＴのスイッチング状態の情報を取得できる。

演算部１５には冷却装置制御部１６が接続される。後述するが冷却装置制御部１６は冷却装置１７の冷却能力を調整する制御を行う。ここで、本実施形態における冷却装置１７は冷却ファンである。したがって冷却フィンは冷却ファンの空冷機能により冷却され、半導体素子を冷却（放熱）する。本実施形態の電力変換器１１と電力変換器用冷却システムは上述の構成を備える。

以後、図２を参照して電力変換器用冷却システムの動作について説明する。図２は電力変換器用冷却システムの動作を説明するフローチャートである。まず、演算部１５は半導体素子の導通電流と印加電圧の値を取得する（ステップ５０）。半導体素子の導通電流は相電流検出部１３の電流および、制御回路２０から得られるＩＧＢＴのスイッチング状態の情報から把握される。一方、半導体素子の印加電圧は直流コンデンサ電圧検出部１２の電圧により把握される。

次いで、ステップ５１へと処理が進められる。ステップ５１では演算部１５はＩＧＢＴジャンクション部、ダイオードジャンクション部の発熱量予測値を演算する。最初に、ＩＧＢＴジャンクション部の発熱量予測値の演算について説明する。ＩＧＢＴにおける発生損失としては、ターンオン損失、ターンオフ損失、オン定常損失に分けられる。ターンオン損失およびターンオフ損失はＩＧＢＴのスイッチングの際に発生する損失である。これらの損失はスイッチング時の導通電流及び印加電圧の積から求める。オン定常損失はオン時の飽和電圧と導通電流の積を時間積分して求める。ＩＧＢＴジャンクション部の発熱量予測値はこれらの損失の総和と、ＩＧＢＴジャンクション部から温度検出部１４までの熱抵抗から演算される。

次に、ダイオードジャンクション部の発熱量予測値の演算について説明する。ダイオードにおける発生損失は順損失とリカバリー損失に分けられる。順損失はダイオードに電流が導通している時の損失である。順損失はダイオード導通時の飽和電圧および導通電流の積の時間積分から求める。リカバリー損失はダイオードが導通状態から非導通状態になる際に発生する損失である。リカバリー損失はダイオードが導通状態から非導通状態になる際の導通電流および印加電圧の積から求める。ダイオードジャンクション部の発熱量予測値は、これらの損失の総和と、ダイオードジャンクション部からから温度検出部１４までの熱抵抗から演算される。なお、演算部１５はステップ５０か５１において温度検出部１４の温度を取得する。

次いで、ステップ５２へと処理が進められる。ステップ５２では演算部１５で演算した発熱量予測値が冷却装置制御部１６へ伝送される。

次いで、ステップ５３へと処理が進められる。冷却装置制御部１６は発熱量予測値を参照して半導体素子のジャンクション部の温度が所定値を超えないように冷却装置１７を制御する。すなわち、発熱量予測値が高い場合は冷却装置の冷却能力を高める制御を行う。そして、発熱量予測値が低い場合は冷却装置の冷却能力を低減した制御を行う。冷却装置の制御は冷却ファンのオンオフあるいは、冷却ファンへの供給電力の調整によって行われる。

本実施形態の電力変換器用冷却システムによれば、冷却装置の冷却能力が発熱量予測値に応じて調節される。したがって、冷却装置の冷却能力を低減させてもよい場合にまで電力変換器を過剰に冷却することを回避できる。よって電力変換器用冷却システムの省エネルギー化ができる。

また、本実施形態の電力変換器用冷却システムは電力変換器の動作中であっても冷却装置の冷却能力を低減することがあるので冷却装置からの騒音を低減できる。

本実施形態の冷却装置は冷却ファンにより冷却フィンを空冷するものであるが本発明はこれに限定されない。すなわち、冷却ファンに代えて水を冷媒として用いる水冷用ポンプなどを用いてもよい。また、冷却フィン又は水冷用ポンプは複数備える構成としてもよい。これにより、冷却フィン又は水冷用ポンプの駆動台数の増減により冷却装置の冷却能力を増減させることができる。

１１ 電力変換器、 １２ 直流コンデンサ電圧検出部、 １３ 相電流検出部１３、 １５ 演算部、 １６ 冷却装置制御部、 １７ 冷却装置、 １８ 直流コンデンサ、 ２０ 制御回路、 ２４ モータ

Claims (2)

1. 電力変換器に用いられるＩＧＢＴとダイオードを有する半導体素子と、
   直流コンデンサと、
   前記直流コンデンサの両端に接続された直流コンデンサ電圧検出部と、
   前記電力変換器の相電流を検出する相電流検出部と、
   前記半導体素子を冷却する冷却フィンと、
   前記冷却フィンの温度を検出する温度検出部と、
   制御回路と、
   前記直流コンデンサ電圧検出部、前記相電流検出部、前記温度検出部、及び前記制御回路と接続され、これらから得た情報に基づき前記ＩＧＢＴのターンオン損失、前記ＩＧＢＴのターンオフ損失、前記ＩＧＢＴの定常損失、前記ダイオードの順損失、及び前記ダイオードのリカバリ損失を演算し、これらの損失から前記半導体素子の発熱量予測値を演算する演算部と、
   前記半導体素子を冷却する冷却装置と、
   前記冷却装置を制御する冷却装置制御部とを備え、
   前記冷却装置制御部は、前記半導体素子の温度が所定値を超えないように、前記発熱量予測値が高い場合は前記冷却装置の冷却能力を高め、前記発熱量予測値が低い場合は前記冷却能力を低減した制御を行うことを特徴とする電力変換器用冷却システム。
2. 前記冷却装置は複数のファン又は複数の水冷用ポンプを備え、
   前記冷却装置制御部は前記複数のファン又は前記複数の水冷用ポンプの駆動台数を増減させることにより、前記冷却能力を増減させることを特徴とする請求項１に記載の電力変換器用冷却システム。

Images