JP2016220481A

JP2016220481A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2016220481A
Application number: JP2015105981A
Authority: JP
Inventors: 公久古川; Kimihisa Furukawa; 順一坂野; Junichi Sakano; 貴史小川; Takashi Ogawa; 岩路　善尚; Yoshitaka Iwaji; 善尚岩路; 遠藤　久; Hisashi Endo; 久遠藤; 拓朗金澤; Takuro Kanazawa; 明博難波; Akihiro Nanba
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2015-05-26
Filing date: 2015-05-26
Publication date: 2016-12-22

Abstract

【課題】これまでの温度検出装置では、いずれの方法もスイッチがオフしている期間に温度測定用のゲート電圧小信号を印加する方法のため、オフ期間が少ない期間では温度測定ができない。例えば出力が大きい時は、一般にＰＷＭのオン期間が長くオフ期間が短い。その結果、大出力のときの温度測定をしたいにも拘らず、オフ期間の短さから温度検出が困難になるため改善が必要であった。また、従来の方法は温度測定用のゲート信号を発生させるための付加回路が必要となるという点も課題である。【解決手段】本発明は、ゲート信号に付加信号を追加することなく、通常のスイッチング動作をしながら温度測定をおこなうことができる機能を有する電力変換装置を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のスイッチング素子を具えた電力変換装置に関する。

電力変換装置とは、バッテリなどから入力された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ装置を示す。インバータ装置を構成するスイッチング素子は高温環境や温度変化により劣化・破壊が起こる。スイッチング素子はシリコンなどの半導体材料および他の金属、絶縁物からなる複合デバイスであり、素子間の熱膨張係数が異なることから熱応力による劣化を引き起こす場合や半導体材料そのものが加熱により劣化することもある。

このように温度環境とスイッチング素子の劣化は密接な関係があることからスイッチング素子の温度を検出する発明が従来から提案されている。

特許文献１に記載のＩＧＢＴのゲートドライブ回路は、スイッチング素子がオフしているときに、ＩＧＢＴのゲート・エミッタ端子間に高周波の交流電圧を印加し、この交流電圧によってＩＧＢＴのゲート端子に流れる電流に基づいて動作中のＩＧＢＴの静電容量を計測する。この静電容量は温度に対して相関関係を持っているため、静電容量を検出することによってＩＧＢＴの素子温度を計測するものである。

特許文献２に記載のオンチップ温度検出装置は、スイッチング素子がオフしているときに、スイッチング素子がオンしない程度の微小な一定電流をベースに流し、ベース・エミッタ端子間ダイオードの順方向電圧の温度特性を利用して素子温度を検出するように構成
したものである。

特開平５−５６５５３号公報特開２００２−２８９８５６号公報

特許文献１及び特許文献２のような温度検出装置では、以下に説明するような問題を生ずる。いずれの方法もスイッチがオフしている期間に温度測定用のゲート電圧小信号を印加する方法のため、オフ期間が少ない期間では温度測定ができない。たとえば出力が大きい時は、一般にＰＷＭのオン期間が長くオフ期間が短い。その結果、大出力のときの温度測定をしたいにも拘らず、オフ期間の短さから温度検出が困難になり、ここに改善が必要であった。

また、従来の方法は温度測定用のゲート信号を発生させるための付加回路が必要となるという点も課題である。

一般にインバータでは上アームと下アームで相補スイッチング動作をするにあたって、上下短絡を起こさないようにデッドタイムを設けているが、デッドタイム期間によって出力電流ひずみをひきおこすためにできるだけデッドタイム期間を短くすることが望ましい。しかしながら、これらの方法はインバータ動作におけるデッドタイムを従来よりも長く設定する必要があり、その結果出力電流ひずみが大きくなる可能性がある。

以上のように、本来のスイッチング信号以外に温度測定のためにゲート電圧に付加信号を加えることにはさまざまな課題があり、正確な温度測定の妨げとなる。

本発明は、ゲート信号に付加信号を追加することなく、通常のスイッチング動作をしながら温度測定をおこなうことができる機能を有する電力変換装置を提供する。

直流電圧源と交流負荷とを電気的に接続する電力変換装置であって、前記電力変換部は電力を変換するためのグレッツ・ブリッジ回路を有し、前記グレッツ・ブリッジ回路はスイッチング素子と、該スイッチング素子にオンオフ動作のためのゲート信号を与える素子駆動回路とを具え、前記スイッチング素子をオンオフしてパルス状電圧を生成することにより負荷の駆動電流を制御する電力変換装置において、前記素子駆動回路がスイッチング素子のゲート端子に前記ゲート信号を与えて前記スイッチング素子をオフからオンあるいたオンからオフにする際に、前記スイッチング素子のデバイス電気信号と前記スイッチング素子から前記負荷へ流れる素子電流の電流値との関係を規定する特性から、前記スイッチング素子の温度状態を判断するよう構成したことを特徴としたものである。

本発明の電力変換装置によれば、スイッチング素子のオフ期間の長短に関らず、正確な温度測定が可能になる。したがって、オフ期間が短い電力変換装置の大出力時でも、素子温度を正確に検出することが可能となり、適宜に素子保護を図ることができる。また、温度測定されるアームと逆側のアームのそれぞれのスイッチング期間の間に設けられるデッドタイム期間を温度測定用に拡張する必要がなくなり、デッドタイム期間による負過電流リプルの影響を一般的な変換器と同様の性能に保つことができる。

実施例１の全体構成図である。実施例１のデバイススイッチング波形の温度依存性を示す。実施例１のゲート・エミッタ間電圧検出機能を有するゲート駆動装置である。実施例１のコレクタ・エミッタ間電圧検出機能を有するゲート駆動装置である。実施例１のコレクタ電流検出機能を有するゲート駆動装置である。実施例１の遅延時間計測装置である。実施例２の全体構成図の別形態である。実施例２の直流母線電流検出から遅延時間抽出までの処理の流れを示す。実施例２の全体構成図の別形態である。

以下、本発明の実施形態を、実施例で説明する。

図１は本発明の一実施例になる電力変換装置、電圧源および負荷の全体概略を示す回路
構成図である。直流の電圧源の正極側端子および負極側端子間には、６個のスイッチング素子を電気的に接続する。スイッチング素子はＩＧＢＴであり、これらスイッチング素子の接続および配置は周知のインバータ装置と同様である。スイッチング素子には負荷である三相交流モータ５０を電気的に接続する。

各スイッチング素子のゲート端子には、これらスイッチング素子をオンオフ動作させるゲート駆動装置７０を接続する。スイッチング素子およびゲート駆動装置は電力変換装置を構成する。

電圧源は三相交流モータの電源である。図に示すようにスイッチング素子はこれら電圧源と三相交流モータとを電気的に接続する。ゲート駆動装置はスイッチング素子のゲート端子にオンオフ動作のためのゲート信号を与え、スイッチング素子をオンオフする。これによりパルス状電圧を生成して三相交流モータの駆動電流を制御する。

図２はデバイススイッチング波形の温度依存性を示す。上から順にゲート・エミッタ間電圧Ｖｇｅ、コレクタ・エミッタ間電圧Ｖｃｅ、コレクタ電流Ｉｃの時刻暦波形を示し、デバイスがターンオフをする際の過渡波形である。各グラフの実線はデバイスの接合温度がＴ１［ｄｅｇ］、破線はＴ２［ｄｅｇ］の状態の特性であり、Ｔ１＞Ｔ２の関係がある。このことから、デバイスの接合温度が上昇すると、デバイス波形が遅延することがわかる。本発明はデバイススイッチング波形の遅延時間からデバイス接合温度を推定する技術である。ここで示したようにデバイス波形の遅延はゲート・エミッタ間電圧Ｖｇｅ、コレクタ・エミッタ間電圧Ｖｃｅ、コレクタ電流Ｉｃに現れるため、各電気信号に応じた実施の形態が考えられる。

図３はゲート・エミッタ間電圧検出機能を有するゲート駆動装置の構成を示すブロック図である。ゲート駆動装置はスイッチング素子に共通であることから、図３にはスイッチングデバイスのうちの１個を代表して示す。

ゲートドライバ７１Ａは、パルス幅変調制御のためのゲート指令信号をデバイスに印加するゲート駆動用電圧として出力し、７１Ｂのゲート抵抗Ｒｇを介してデバイス４１に出力する。ゲート指令信号は通常、目標となる電力変換装置の出力を実現するものである。

また差動電圧検出器７１Ｃは素子温度検出のためのゲート・エミッタ間電圧を抽出するための装置で、後述する遅延時間計測装置に入力される。

図４はコレクタ・エミッタ間電圧検出機能を有するゲート駆動装置の構成を示すブロック図である。図３と同様に、図４にはスイッチングデバイスのうちの１個を代表して示す。

７１Ａのゲートドライバ、７１Ｂのゲート抵抗Ｒｇは図３と同様である。差動電圧検出器７１Ｃは素子温度検出のためのコレクタ・エミッタ間電圧を抽出するための装置で、後述する遅延時間計測装置に入力される。

図５はコレクタ電流検出機能を有するゲート駆動装置の構成を示すブロック図である。図３、図４と同様に、図５にはスイッチングデバイスのうちの１個を代表して示す。

７１Ａのゲートドライバ、７１Ｂのゲート抵抗Ｒｇは図３と同様である。電流検出器によって検出されるコレクタ電流が抽出され、後述する遅延時間計測装置に入力される。

図３、４、５の各ゲート駆動装置はアプリケーションに応じて適切な装置が組み込まれ、また、１つの電力変換装置に図３、４、５の機能を複合したゲート駆動装置を具えてもよい。

図６は遅延時間計測装置の構成を示すブロック図である。図３、４、５の各ゲート駆動装置から出力された計測信号（ゲート・エミッタ間電圧、コレクタ・エミッタ間電圧、コレクタ電流のいずれかの信号）は比較器８１に入力される。比較器には基準値も入力され、計測信号と基準値の大きさを比較し、計測信号の方が大きければＨｉレベルの信号を出力し、小さければＬｏレベルの信号を出力するか、計測信号の方が大きければＬｏレベルの信号を出力し、小さければＨｉレベルの信号を出力するかのいずれかの形態をとる。この比較器出力信号はディジタルカウンタ８２に入力され、比較器出力がＨｉの期間はディジタルカウンタでカウントアップされ、Ｌｏの期間ではカウントアップが停止する。ディジタルカウンタのカウントスタートはゲート電圧指令信号のＬｏからＨｉに変化した時点を基準とする。これによって、ゲート電圧指令がＨｉとなってから、前記計測信号がＨｉからＬｏに変化したタイミングをカウント値（振幅値）として記録できることから、制御装置へ入力する際のＡ／Ｄ変換機能はシンプルとなる。この仕組みは後述する図８の説明図を参照いただきたい。

以上のように、本実施例の電力変換装置は、電力変換部で電動機を制御する電力変換装置であって、前記電力変換装置は電力を変換するためのグレッツ・ブリッジ回路、前記ブリッジ回路と直流電圧源の間には平滑コンデンサをそれぞれ有し、前記電力変換装置の制御部は、電流指令値および前記電動機に流れている電流値に基づいて、前記電力変換装置への指令を導出する電圧指令演算部と、前記電圧指令演算部の出力に基づいてＰＷＭパルスを生成するＰＷＭ生成部を有し、前記電圧指令演算部は、電力変換回路のスイッチング状態とスイッチング素子の過渡領域に於ける電流特性とに基づき、インバータ回路を構成するスイッチング素子の温度を抽出することを特徴とする。

図７は本発明の実施形態２を説明する。図７では、図１のように各スイッチングデバイスのデバイス電気特性を計測する代わりに、直流母線電流を計測する方法である。直流母線電流の計測からディジタルカウンタを使った遅延時間抽出までの処理の流れを図８に示す。図８の説明は前述の実施例１に記載したため省略する。

図９は図７の実施例２の別形態である。直流母線電流を取得するかわりに３相シャント電流を計測する方法である。

以上のように、各スイッチングデバイスの温度状態を抽出することによって信頼性の高いシステムを実現できる。
なお、以上の実施例において、電動機は３相のものとしてきたが、本発明は多相電動機でも同様な効果を発揮することができる。

さらに、電力変換装置は多相のスイッチングデバイスを有する場合においても、ゲート電圧指令信号を基準として信号の遅延時間計測を実施することで、これまでに説明してきた実施例と同等の効果を得ることができる。

１０：直流電圧源
２０：平滑コンデンサ
４０：電力変換装置
５０：電動機
７０：ゲート駆動装置群
７１〜７６：ゲート駆動装置
７１Ａ：ゲートドライバ
７１Ｂ：ゲート抵抗
７１Ｃ：差動電圧検出器
８０：遅延時間計測装置
８１：比較器
８２：ディジタルカウンタ
９０：制御装置

Claims

電力変換部で電動機を制御する電力変換装置であって、前記電力変換装置は電力を変換するためのグレッツ・ブリッジ回路、前記ブリッジ回路と直流電圧源の間には平滑コンデンサをそれぞれ有し、前記電力変換装置の制御部は、電流指令値および前記電動機に流れている電流値に基づいて、前記電力変換装置への指令を導出する電圧指令演算部と、前記電圧指令演算部の出力に基づいてＰＷＭパルスを生成するＰＷＭ生成部を有し、
前記電圧指令演算部は、電力変換回路のスイッチング状態とスイッチング素子の過渡領域に於ける電流特性とに基づき、インバータ回路を構成するスイッチング素子の温度を抽出することを特徴とする電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置であって、スイッチング素子の過渡状態を直流母線電流で検出することを特徴とする電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置であって、スイッチング素子の過渡状態を相シャントで検出することを特徴とする電力変換装置。