TOP特許意匠商標
特許ウォッチ DM通知 Twitter
10個以上の画像は省略されています。
公開番号2021103908
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210715
出願番号2019233444
出願日20191224
発明の名称電力変換装置
出願人株式会社デンソー
代理人特許業務法人快友国際特許事務所
主分類H02M 7/48 20070101AFI20210618BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】半導体素子温度を測定する温度センサを有さない電力変換装置において、冷却系異常を検知し得る技術を提供する。
【解決手段】電力変換装置であって、少なくとも一つの半導体素子を有する半導体モジュールと、半導体モジュールに隣接配置され半導体モジュールに沿って冷媒が流れる冷却器と、冷却器において半導体素子に対して上流側に配置され、冷媒の温度を測定する第1温度センサと、冷却器において半導体素子に対して下流側に配置され、冷媒の温度を測定する第2温度センサと、半導体素子の通電状況に基づいて、半導体素子の損失を特定する特定部と、特定された損失に、予め記憶された熱抵抗に関する少なくとも一つの基準値を乗じることによって、冷媒の温度上昇に関する少なくとも一つの判定閾値を決定する決定部と、第2温度センサの測定温度から第1温度センサの測定温度を減算した差分が、判定閾値を下回るのか否かを判定する判定部と、を備える。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項1】
少なくとも一つの半導体素子を有する半導体モジュールと、
前記半導体モジュールに隣接配置され、前記半導体モジュールに沿って冷媒が流れる冷却器と、
前記冷却器において前記半導体素子に対して上流側に配置され、前記冷媒の温度を測定する第1温度センサと、
前記冷却器において前記半導体素子に対して下流側に配置され、前記冷媒の温度を測定する第2温度センサと、
前記半導体素子の通電状況に基づいて、当該半導体素子の損失を特定する特定部と、
特定された前記損失に、予め記憶された熱抵抗に関する少なくとも一つの基準値を乗じることによって、前記冷媒の温度上昇に関する少なくとも一つの判定閾値を決定する決定部と、
前記第2温度センサの測定温度から前記第1温度センサの測定温度を減算した差分が、前記判定閾値を下回るのか否かを判定する判定部と、
を備える電力変換装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本明細書が開示する技術は、電力変換装置に関する。
続きを表示(約 8,000 文字)【背景技術】
【0002】
特許文献1には、車両に搭載された電力変換装置が開示されている。この電力変換装置は、少なくとも一つの半導体素子を有する半導体モジュール(インバータ)と、半導体モジュールに隣接配置され、半導体モジュールに沿って冷媒が流れる冷却器と、を備える。そして、この電力変換装置では、半導体素子の温度と、冷媒の温度とを比較することによって、ポンプの異常や冷媒の漏れといった冷却系の異常の発生を検知するように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特開2010−153567号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、電力変換装置の中には、半導体素子の温度を測定する温度センサを有さないものもある。このような場合、電力変換装置は、半導体素子の温度を把握することができないため、従来の方法で冷却系の異常を検知することができない。本明細書では、半導体素子の温度を測定する温度センサを有さない電力変換装置においても、冷却系の異常を検知し得る技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本明細書が開示する電力変換装置は、少なくとも一つの半導体素子を有する半導体モジュールと、半導体モジュールに隣接配置され、半導体モジュールに沿って冷媒が流れる冷却器と、冷却器において半導体素子に対して上流側に配置され、冷媒の温度を測定する第1温度センサと、冷却器において半導体素子に対して下流側に配置され、冷媒の温度を測定する第2温度センサと、半導体素子の通電状況に基づいて、当該半導体素子の損失を特定する特定部と、特定された損失に、予め記憶された熱抵抗に関する少なくとも一つの基準値を乗じることによって、冷媒の温度上昇に関する少なくとも一つの判定閾値を決定する決定部と、第2温度センサの測定温度から第1温度センサの測定温度を減算した差分が、判定閾値を下回るのか否かを判定する判定部と、を備える。
【0006】
上記した電力変換装置には、冷却器において半導体素子に対して上流に配置され、冷媒の温度を測定する第1温度センサと、冷却器において半導体素子に対して下流側に配置され、冷媒の温度を測定する第2温度センサが設けられている。電力変換装置の動作時、第1温度センサは、半導体素子が発生した熱が冷媒に伝達される前の冷媒温度を測定する。そして、第2温度センサは、半導体素子が発生した熱が冷媒に伝達した後の冷媒温度を測定する。従って、第2温度センサの測定温度から第1温度センサの測定温度を減算した差分は、半導体素子が発生した熱が冷媒へ伝達したことによる、冷媒の温度上昇幅を示す。
【0007】
冷媒に生じる温度上昇幅は、半導体素子における発熱量(即ち、損失)に比例するとともに、その比例係数は、電力変換装置の構造等で定まる熱抵抗によって表すことができる。そのことから、上記した電力変換装置では、半導体素子の通電状況に基づいて、半導体素子の損失がリアルタイムに特定され、その損失に対して、予め記憶された熱抵抗に関する基準値が乗じられる。その結果、冷媒の温度上昇に関する判定閾値が、半導体素子の通電状況に基づいてリアルタイムに決定される。その後、当該判定閾値と、冷媒の温度上昇幅とが比較され、冷媒の温度上昇幅が判定閾値を下回るのか否かが判定される。例えば下回ると判定された場合、電力変換装置では、半導体素子が発生した熱が、正常に冷媒に伝達されておらず、冷却異常が発生したと判断することができる。
【0008】
上記した構成によると、電力変換装置は、半導体素子の温度を測定する温度センサを必要とすることなく、冷却系の異常を検知することができる。なお、ここでいう冷却系の異常とは、ポンプの異常や冷媒の漏れといった冷却装置の異常だけでなく、放熱グリスの抜け(いわゆるグリス抜け)といった、半導体素子から冷却器への冷却経路における劣化も含まれる。そして、これらの様々な異常に応じて、半導体素子における発熱量と、冷媒に生じる温度上昇幅との関係(即ち、熱抵抗)は変化する。従って、電力変換装置は、想定される様々な異常に応じて、熱抵抗に関する基準値を複数記憶してもよい。これにより、各々の異常に対して、判定閾値をそれぞれ決定することができ、冷媒の温度上昇幅をそれらの判定閾値とそれぞれ比較することで、異常の発生を検知するだけでなく、その異常の種類を識別することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
電力変換装置10の斜視図を示す。
図1中のII−II線における断面図であって、電力変換装置10を模式的に示す。
プロセッサ50による電力変換装置10の異常検知に係る処理を示す。
第1半導体素子22aのパワーサイクル試験結果の模式図。
電力変換装置10動作時の、熱抵抗の経時変化を示す。
熱抵抗に関する第3基準値Rth3の算出を説明する図。
熱抵抗に関する第3基準値Rth3の算出を説明する図。
第2温度センサ42が二つの半導体素子22a、22bの下流側に配置されたものの一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【0010】
図面を参照して、実施例の電力変換装置10を説明する。電力変換装置10は、電力制御装置に採用され、例えばインバータやコンバータといった電力変換回路の一部を構成することができる。ここでいう電力制御装置は、特に限定されないが、例えば電気自動車や、ハイブリッド自動車や、燃料電池車等に搭載され、電源とモータとの間で電力変換を行うものであってよい。
【0011】
図1に示すように、電力変換装置10は複数の半導体モジュール20と、冷却装置12と、絶縁板24a、24bとを備える。半導体モジュール20は、内部に第1半導体素子22a及び第2半導体素子22bを備える。半導体素子22a、22bは、パワー半導体素子であって、封止体によって封止されている。半導体素子22a、22bは、例えばMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)又は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)といった、スイッチング素子である。但し、半導体素子22a、22bの数や種類については、特に限定されない。半導体素子22a、22bを構成する半導体材料には、例えばケイ素(Si)、炭化ケイ素(SiC)、又は窒化ガリウム(GaN)又は他の種類の半導体材料を採用することができる。封止体は、例えばエポキシ樹脂といった、絶縁性を有する材料を用いて構成されている。
【0012】
半導体モジュール20は、複数の放熱板25a、25bをさらに備える。各々の放熱板25a、25bは、例えば銅、アルミニウム、その他の金属といった熱伝導性に優れた材料で構成されている。各々の放熱板25a、25bは、概して直方体形状又は板形状の部材である。特に限定されないが、複数の放熱板25a、25bには、図1に図示された第1放熱板25a及び第2放熱板25bに加えて、図1では図示されない第3放熱板及び第4放熱板が含まれる。第3放熱板は、第1半導体素子22aを介して、第1放熱板25aに対向しており、第4放熱板は、第2半導体素子22bを介して、第2放熱板25bに対向している。第1放熱板25aと第3放熱板は、第1半導体素子22aへ電気的に接続されているだけでなく、第1半導体素子22aに対して熱的にも接続されている。これにより、第1放熱板25aと第3放熱板は、第1半導体素子22aの熱を外部に放出する放熱板として機能する。同様に、第2放熱板25bと第4放熱板は、第2半導体素子22bへ電気的に接続されているだけでなく、第2半導体素子22bに対して熱的にも接続されており、第2半導体素子22bの熱を外部に放出する放熱板として機能する。
【0013】
冷却装置12は、複数の冷却器30を備える。複数の冷却器30は、複数の半導体モジュール20と交互に配置されており、各々の半導体モジュール20は、2つの冷却器30の間に挟持されている。半導体モジュール20と一方の冷却器30との間には、絶縁板24aが介挿されており、半導体モジュール20と他方の冷却器30との間には、他の絶縁板24bが介挿されている。半導体モジュール20と絶縁板24a、24bとの間には、放熱グリス(図1では不図示)が塗布されている。さらに絶縁板24a、24bと冷却器30との間にも放熱グリスが塗布される。これにより、半導体モジュール20と絶縁板24a、24bとの間と、絶縁板24a、24bと二つの冷却器30との間は密着するため、空気が介在することによる熱抵抗の増加を防ぐことができる。
【0014】
半導体モジュール20と、冷却器30は、ともに平板型であり、複数の側面のうち、最大面積の平坦面が対向するように積層されている。前述したように、半導体モジュール20と冷却器30は交互に積層されており、それらの積層体の積層方向における両端には冷却器30が位置している。
【0015】
冷却装置12はさらに、冷媒供給管34と、冷媒排出管35と、ポンプ33と、ラジエター(図示省略)を備える。各々の冷却器30は、一方側で冷媒供給管34に接続されており、他方側で冷媒排出管35に接続されている。ポンプ33は、冷媒供給管34と冷媒排出管35とに接続されており、複数の冷却器30に対して冷媒を循環させる。即ち、ポンプ33から吐出された冷媒は、冷媒供給管34を通じて複数の冷却器30に分配される。そして冷媒は、冷却器30を流れる間に、隣接する半導体モジュール20から熱を吸収する。冷却器30を通過した冷媒は、冷媒排出管35を通じて排出され、ラジエターを通過してポンプ33に戻り、冷媒供給管34を通じて再び冷却器30へ供給される。このように、冷却装置12は、冷媒を循環させながら半導体モジュール20を冷却する。冷媒は液体であり、特に限定されないが、例えば水、オイル、不凍液であってよい。
【0016】
図1に示すように、電力変換装置10は、さらに板バネ36を備える。半導体モジュール20と絶縁板24a、24bと冷却器30との積層体は、積層方向の一端に板バネ36を伴って、ケース38に収容される。これらの積層体は、板バネ36によって、積層方向の両側から加圧される。その結果、半導体モジュール20と冷却器30とが絶縁板24a、24bを介して密着し、半導体モジュール20が発生した熱の冷却効率が高まる。
【0017】
図2に、図1のII−II断面であって、半導体モジュール20と冷却装置12の断面を模式的に示す。冷却器30は、前述したように半導体モジュール20に隣接配置され、半導体モジュール20に沿って冷媒が流れる。電力変換装置10は、さらに第1温度センサ40と第2温度センサ42を備える。第1温度センサ40は、冷却器30において隣接する半導体モジュール20の第1半導体素子22aに対して、上流側に配置される。第2温度センサ42は、同一の冷却器30において、隣接する半導体モジュール20の第1半導体素子22aに対して下流側に配置される。温度センサ40、42は、冷媒の温度T1、T2を測定する。ここで、温度センサ40、42の具体的な構成については、特に限定されない。温度センサ40、42は、所定の箇所における冷媒の温度を、直接的又は間接的に測定し得るものであればよい。
【0018】
電力変換装置10は、さらにプロセッサ50を備える。プロセッサ50は、温度センサ40、42に接続され、温度センサ40、42が測定する冷媒の温度を監視する。プロセッサ50は、CPUやメモリ等を用いて構成されており、機能的に、特定部52と、決定部54と、判定部56とを備える。
【0019】
さらに、プロセッサ50には、熱抵抗に関する基準値が予め記憶されている。熱抵抗に関する基準値の算出方法を以下に説明する。
【0020】
電力変換装置10では、第1半導体素子22aに関して、熱抵抗[℃/W]が存在する。ここで、第1半導体素子22aに関する熱抵抗とは、第1半導体素子22aで生じた損失[W]に対して、冷媒の温度に現れる温度上昇幅[℃]の割合であり、(冷媒の温度上昇幅[℃])/(第1半導体素子22aの損失[W])の式で求められる。電力変換装置10が正常状態であれば、第1半導体素子22aに関する熱抵抗は比較的に大きく、そのときの値を第1熱抵抗θ1[℃/W]とする。ここでいう正常状態とは、電力変換装置10に異常が発生していない状態のことを指す。その一方で、例えばポンプ33の異常や冷媒の漏れといった、冷却装置12に異常が発生したとする。この場合、冷媒が流路を十分に循環せず、冷媒へ正常に熱が伝達しないために、冷媒の温度上昇幅は正常状態と比較して小さくなる。従って、冷却装置12に異常が発生している時は、第1半導体素子22aに関する熱抵抗が低下し、そのときの値を第2熱抵抗θ2とすると、第2熱抵抗θ2は正常状態の第1熱抵抗θ1よりも小さくなる。
【0021】
以上のことから、本実施例の電力変換装置10では、第1半導体素子22aに関する熱抵抗の第1基準値Rth1が、冷却異常発生時の第2熱抵抗θ2に基づいて定められ、プロセッサ50に記憶されている。第1基準値Rth1は、上述した熱抵抗に関する基準値であり、冷却異常が発生したことを検知するための基準値である。従って、電力変換装置10の動作時に、第1半導体素子22aの熱抵抗が第1基準値Rth1を下回れば、電力変換装置10は、冷却異常が発生したと判断することができる。ここで、冷却異常発生時の第1半導体素子22aの第2熱抵抗θ2の求め方は、特に限定されないが、正常状態の第1熱抵抗θ1を使用した関係式で算出されてよく、経験則に基づいて求められてもよい。また、第1半導体素子22aの熱抵抗に関する第1基準値Rth1は、例えば不可避的な測定誤差の存在等を考慮して、冷却異常発生時の第2熱抵抗θ2に一定の余裕を与えて設定されてもよい。
【0022】
図3を参照して、プロセッサ50による電力変換装置10の冷却系の異常発生検知に係る処理について説明する。図3の処理は、電力変換装置10の電源がONされる場合に開始される。先ず、ステップS2では、プロセッサ50は、第1温度センサ40と第2温度センサ42から、それぞれ測定した冷媒の第1温度T1と第2温度T2を取得する。次いで、プロセッサ50は、第2温度センサ42から取得した第2温度T2から、第1温度センサ40から取得した第1温度T1を減算した差分ΔTw[℃]を算出する。
【0023】
第2温度T2から第1温度T1を減算した差分ΔTw[℃]について説明する。第1温度センサ40は、前述したように、冷却器30において、隣接する半導体モジュール20の第1半導体素子22aに対して、上流側に配置される。従って、電力変換装置10の動作時、第1温度センサ40は、第1半導体素子22aが発生した熱が、冷媒に伝達される前の冷媒温度を測定する。そして、第2温度センサ42は、前述したように、冷却器30において、隣接する半導体モジュール20の第1半導体素子22aに対して下流側に配置される。従って、第2温度センサ42bは、第1半導体素子22aが発生した熱が、冷媒に伝達した後の冷媒温度を測定する。即ち、第2温度センサ42が測定した第2温度T2から第1温度センサ40が測定した第1温度T1を減算した差分ΔTwは、第1半導体素子22aが発生した熱が冷媒へ伝達したことによる、冷媒の温度上昇幅を示す。以降、第2温度T2から第1温度T1を減算した差分ΔTwを、冷媒の温度上昇幅ΔTwと称することがある。
【0024】
ステップS2が終了するとステップS4に移行する。ステップS4では、特定部52は、第1半導体素子22aの通電状況に基づいて、当該第1半導体素子22aのその時の損失[W]をリアルタイムに特定する。一例ではあるが、本実施例の電力変換装置10では、損失は、以下の式によって算出されてよい。
【0025】
【0026】
なお、

IGBT_DC
:IGBTのオン電圧(Von)による損失

swon
:IGBTターンオン時のSW損(Eon)による損失

swoff
:IGBTターンオフ時のSW損(Eoff)による損失

Di_DC
:FWDのオン電圧(Vf)による損失

swrr
:FWDリカバリ時のSW損(Err)による損失
であり、それぞれ下記の式で計算される。
【0027】
【0028】
次いで、ステップS6では、決定部54は、予めプロセッサ50に記憶された熱抵抗の第1基準値Rth1[℃/W]を、ステップS11で特定した第1半導体素子22aの損失[W]に乗じる。その結果、冷媒の温度上昇幅ΔTwに関する第1判定閾値Tth1[℃]が、第1半導体素子22aの通電状況に基づいて、リアルタイムに決定される。
【0029】
次いで、ステップS8では、判定部56は、冷媒の温度上昇幅ΔTw[℃]と、ステップS12で決定した第1判定閾値Tth1[℃]とを比較する。判定部56によって、冷媒の温度上昇幅ΔTwが、第1判定閾値Tth1を下回ると判定された場合(ステップS8でYES)、電力変換装置10では、第1半導体素子22aが発生した熱が、正常に冷媒に伝達されておらず、冷却系の異常が発生したと判断することができる。また、判定部56によって、冷媒の温度上昇幅ΔTwが、第1判定閾値Tth1以上であると判定された場合(ステップS8でNO)、電力変換装置10は、正常に冷媒に熱が伝達されており、冷却系の異常は発生していないと判断することができる。この場合、処理は終了して、ステップS2に進む。プロセッサ50は、上述した一連の処理、即ち、図3に示す処理フローを1サイクルとして、所定の間隔で繰り返し実行する。
【0030】
以上のように、電力変換装置10は、第1半導体素子22aの温度を測定する温度センサを必要とすることなく、冷却系の異常を検知することができる。なお、ここでいう冷却系の異常とは、上述したポンプ33の異常や冷媒の漏れといった冷却装置12の異常だけでなく、放熱グリスの抜け(いわゆるグリス抜け)といった、第1半導体素子22aから冷却器30への冷却経路における劣化も含まれる。
(【0031】以降は省略されています)

この特許をJ-PlatPatで参照する

関連特許

株式会社デンソー
計器
株式会社デンソー
筐体
株式会社デンソー
筐体
株式会社デンソー
計器
株式会社デンソー
送風機
株式会社デンソー
構造体
株式会社デンソー
送風機
株式会社デンソー
燃焼器
株式会社デンソー
モータ
株式会社デンソー
制御弁
株式会社デンソー
電機子
株式会社デンソー
ロータ
株式会社デンソー
弁装置
株式会社デンソー
電機子
株式会社デンソー
送風機
株式会社デンソー
モータ
株式会社デンソー
電機子
株式会社デンソー
スラブ
株式会社デンソー
送風機
株式会社デンソー
送風機
株式会社デンソー
モータ
株式会社デンソー
モータ
株式会社デンソー
モータ
株式会社デンソー
制御装置
株式会社デンソー
成膜方法
株式会社デンソー
制御装置
株式会社デンソー
回転電機
株式会社デンソー
回転電機
株式会社デンソー
表示装置
株式会社デンソー
検査装置
株式会社デンソーウェーブ
携帯端末
株式会社デンソー
電気装置
株式会社デンソー
制御装置
株式会社デンソー
制御装置
株式会社デンソー
中継装置
株式会社デンソー
制御装置
続きを見る