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公開番号2024047184
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-04-05
出願番号2022152664
出願日2022-09-26
発明の名称電力変換装置
出願人三菱電機株式会社
代理人個人,個人,個人,個人,個人
主分類H02M 7/48 20070101AFI20240329BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】冷却器に異常が生じたときの半導体スイッチング素子の故障を抑制できる電力変換装置を提供する。
【解決手段】電力変換装置は、半導体スイッチング素子3aと、半導体スイッチング素子3aを冷却する液冷式の冷却器8と、半導体スイッチング素子3aの温度を検出するサーミスタ4aと、半導体スイッチング素子3aを可変のスイッチング速度で駆動するゲート駆動回路6aを有する制御部6と、を備え、制御部6は、サーミスタ4aの検出温度Tj_sensに基づいて冷却器8の異常の有無を判定し、判定結果に基づいて半導体スイッチング素子3aのターンオン時のスイッチング速度を制御する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
半導体スイッチング素子と、
前記半導体スイッチング素子を冷却する液冷式の冷却器と、
前記半導体スイッチング素子の温度を検出する温度センサと、
前記半導体スイッチング素子を可変のスイッチング速度で駆動するゲート駆動回路を有する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記温度センサの検出温度に基づいて前記冷却器の異常の有無を判定し、判定結果に基づいて前記半導体スイッチング素子のターンオン時のスイッチング速度を制御する電力変換装置。
続きを表示（約 1,100 文字）【請求項２】
前記温度センサは、前記半導体スイッチング素子の外部に設けられたサーミスタである請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記冷却器に異常があると判定した場合には、前記スイッチング速度を低下させる請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記制御部は、
前記冷却器に異常がないと判定した場合、前記検出温度が閾値温度以下であるときには、前記スイッチング速度を第１速度に設定し、前記検出温度が前記閾値温度を上回ったときには、前記スイッチング速度を前記第１速度よりも低い第２速度に設定し、
前記冷却器に異常があると判定した場合、前記スイッチング速度を前記第２速度に設定する請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記半導体スイッチング素子のゲート抵抗を調整することによって前記スイッチング速度を制御する請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記半導体スイッチング素子のゲート電圧を調整することによって前記スイッチング速度を制御する請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記検出温度の時間当たりの上昇率である温度上昇率が閾値上昇率を上回った場合、前記冷却器に異常があると判定する請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記閾値上昇率は、前記冷却器に異常がないときの温度上昇率よりも高い値に設定されている請求項７に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記半導体スイッチング素子に流れる電流を検出する電流センサ回路と、
前記半導体スイッチング素子に印加される電圧を検出する電圧センサ回路と、
をさらに備え、
前記制御部は、
前記電流センサ回路の検出値と前記電圧センサ回路の検出値とを少なくとも用いて前記半導体スイッチング素子の損失計算値を計算する半導体スイッチング素子損失計算部と、
前記損失計算値と前記検出温度とに基づいて前記冷却器の異常の有無を判定する冷却器状態判定部と、を有している請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記冷却器状態判定部は、
過去の前記検出温度と前記損失計算値とに基づいて、前記検出温度の推測値である検出温度推測値を求める温度検出値推測部と、
前記検出温度推測値と、前記温度センサで検出された前記検出温度と、を比較して、前記冷却器の異常の有無を判定する比較判定部と、を有している請求項９に記載の電力変換装置。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、冷却器を備えた電力変換装置に関するものである。
続きを表示（約 3,400 文字）【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、電力変換装置が開示されている。この電力変換装置は、パワー半導体モジュールと、パワー半導体モジュールを駆動するゲート駆動回路と、を備えている。ゲート駆動回路は、ゲート電圧閾値検知判定回路と、ゲート抵抗切り替え回路と、抵抗可変機能を備えたゲート抵抗と、を有している。ゲート電圧閾値検知判定回路は、パワー半導体モジュール内部のパワー半導体素子の素子温度に基づき、ゲート抵抗値を変更制御する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特開２０１９－１２９５４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような電力変換装置には、通常、冷却器が設けられる。パワー半導体素子が冷却器によって冷却されることにより、パワー半導体素子の素子温度の上昇が抑えられる。しかしながら、冷却器に異常が生じると、パワー半導体素子の素子温度が上昇する。特に、冷却器が液冷式である場合、ポンプの故障、冷却媒体の漏れ等の異常が生じると、冷却器の冷却性能が大きく低下する。したがって、冷却器が液冷式である場合、冷却器に異常が生じると、パワー半導体素子の素子温度は大きく上昇する。この場合、パワー半導体素子のサージ電圧が増大するため、ドレイン－ソース間の電圧が耐圧を超過し、パワー半導体素子が故障してしまうおそれがあるという課題があった。
【０００５】
本開示は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、冷却器に異常が生じたときの半導体スイッチング素子の故障を抑制できる電力変換装置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】
【０００６】
本開示に係る電力変換装置は、半導体スイッチング素子と、前記半導体スイッチング素子を冷却する液冷式の冷却器と、前記半導体スイッチング素子の温度を検出する温度センサと、前記半導体スイッチング素子を可変のスイッチング速度で駆動するゲート駆動回路を有する制御部と、を備え、前記制御部は、前記温度センサの検出温度に基づいて前記冷却器の異常の有無を判定し、判定結果に基づいて前記半導体スイッチング素子のターンオン時のスイッチング速度を制御する。
【発明の効果】
【０００７】
本開示によれば、冷却器に異常が生じたときの半導体スイッチング素子の故障を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
実施の形態１に係る電力変換装置の概略構成図である。
実施の形態１に係る電力変換装置における１つの半導体スイッチング素子及びそれを駆動するゲート駆動回路の構成図である。
実施の形態１に係る電力変換装置の要部構成を示す断面図である。
半導体スイッチング素子がスイッチングする際の一連の動作について説明する図である。
半導体スイッチング素子がスイッチングする際の一連の動作について説明する図である。
半導体スイッチング素子がスイッチングする際の一連の動作について説明する図である。
半導体スイッチング素子がターンオンする際における当該半導体スイッチング素子の電流波形を示すグラフである。
半導体スイッチング素子がターンオンする際における反対側のアームの半導体スイッチング素子の電圧波形を示すグラフである。
半導体スイッチング素子がターンオンする際における反対側のアームの半導体スイッチング素子のリカバリ電流波形を示すグラフである。
ターンオン時のスイッチング速度が低下した場合における当該半導体スイッチング素子の電流波形を示すグラフである。
ターンオン時のスイッチング速度が低下した場合における反対側のアームの半導体スイッチング素子の電圧波形を示すグラフである。
ターンオン時のスイッチング速度が低下した場合における反対側のアームの半導体スイッチング素子のリカバリ電流波形を示すグラフである。
実施の形態１に係る電力変換装置における半導体スイッチング素子のターンオン時のスイッチング速度の調整方法を説明する図である。
実施の形態１に係る電力変換装置における半導体スイッチング素子の電流波形を示すグラフである。
実施の形態１に係る電力変換装置における反対側のアームの半導体スイッチング素子の電圧波形を示すグラフである。
実施の形態１に係る電力変換装置における反対側のアームの半導体スイッチング素子のリカバリ電流波形を示すグラフである。
実施の形態１の比較例に係る電力変換装置における半導体スイッチング素子のジャンクション温度及びサーミスタの検出温度の推移の例を示すグラフである。
実施の形態１に係る電力変換装置における半導体スイッチング素子のジャンクション温度、サーミスタの検出温度、及び温度上昇率の推移の例を示すグラフである。
実施の形態１に係る電力変換装置における半導体スイッチング素子のジャンクション温度、サーミスタの検出温度、及び温度上昇率の推移の例を示すグラフである。
実施の形態１の第１変形例に係る電力変換装置における半導体スイッチング素子及びゲート駆動回路の構成図である。
実施の形態１の第１変形例に係る電力変換装置における半導体スイッチング素子のゲート電圧、ゲートソース間電圧及びドレイン電流の波形の例を示すグラフである。
実施の形態１の第１変形例に係る電力変換装置における半導体スイッチング素子のゲート電圧、ゲートソース間電圧及びドレイン電流の波形の例を示すグラフである。
実施の形態１の第２変形例に係る電力変換装置における半導体スイッチング素子及びゲート駆動回路の構成図である。
実施の形態１の第２変形例に係る電力変換装置におけるゲート駆動回路の動作を説明する図である。
実施の形態１の第２変形例に係る電力変換装置におけるゲート駆動回路の動作を説明する図である。
実施の形態１の第２変形例に係る電力変換装置におけるゲート駆動回路のスイッチング素子の動作、並びにツェナーダイオード電圧、ゲートソース間電圧、及びドレイン電流の波形の例を示すグラフである。
実施の形態１の第２変形例に係る電力変換装置におけるゲート駆動回路のスイッチング素子の動作、並びにツェナーダイオード電圧、ゲートソース間電圧、及びドレイン電流の波形の例を示すグラフである。
実施の形態１に係る電力変換装置において制御部により実行される処理の一例を示すフローチャートである。
実施の形態２に係る電力変換装置における制御部の構成を示すブロック図である。
実施の形態２に係る電力変換装置における冷却器状態判定部の構成を示すブロック図である。
実施の形態２の変形例に係る電力変換装置における制御部の構成を示すブロック図である。
実施の形態２の変形例に係る電力変換装置におけるジャンクション温度計算部の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
実施の形態１に係る電力変換装置について説明する。図１は、本実施の形態に係る電力変換装置の概略構成図である。図１に示すように、本実施の形態の電力変換装置は、３相インバータを有している。
【００１０】
インバータの入力部には、直流入力電源１が接続されている。直流入力電源１は、直流電圧を出力するバッテリである。本実施の形態の電力変換装置が電気自動車又はハイブリッド自動車に適用される場合、直流入力電源１としては、通常、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池などの二次電池が用いられる。インバータの出力部には、インバータの負荷であるモータ７が接続されている。モータ７は、発電電動機であってもよい。便宜上、モータ７の各相をＵ相、Ｖ相、Ｗ相とする。
（【００１１】以降は省略されています）

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