JP4946278B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は、電力変換装置に関し、特に、平滑用のコンデンサと電力変換回路を有する電力変換装置に関する。

従来、平滑用のコンデンサと電力変換回路を有する電力変換装置が知られている。このような電力変換装置として、「電力変換装置」（特許文献１参照）は、コンデンサにセラミックスコンデンサを用いて、セラミックスコンデンサの筐体に熱電対を密着させることにより、コンデンサの内部温度を計測している。また、「アルミ電解コンデンサ」（特許文献２参照）は、コンデンサの電極端子に感温素子を設けることにより、コンデンサの温度を計測している。
特開２０００−３３３４７６号公報 特開平０４−０３３３１６号公報

しかしながら、従来の「電力変換装置」（特許文献１参照）の場合、平滑用のコンデンサとして、電気容量確保又は低コスト化のためにアルミ電解コンデンサ又はフィルムコンデンサを用いており、コンデンサの内部温度を精度良く計測することができない。つまり、これらのコンデンサは、内部の熱抵抗がセラミックスコンデンサと比較すると大きいことから、コンデンサ内部の発熱がコンデンサ筐体に伝わり、更に、外部空間に放熱される際に、温度勾配が生じてしまう。このため、コンデンサ筐体温度を、単純に熱電対で計測するだけでは、コンデンサ内部温度を高精度で測ることは困難である。

また、従来の「アルミ電解コンデンサ」（特許文献２参照）の場合、一般に大電流を扱う電力変換装置ではバスバ電極とコンデンサ電極端子の接続部分によるジュール発熱が大きく生じるため、このジュール発熱による温度上昇を測ることになって、必ずしもコンデンサ内部の最高温度を測定していることにはならない。
この発明の目的は、コンデンサの内部温度を精度良く検出することにより、過剰な熱的マージンを不要にして小型化を図ることができる電力変換装置を提供することである。

上記目的を達成するため、この発明に係る電力変換装置は、コンデンサと、前記コンデンサの各電極端子にそれぞれ接続する直流端子を有する電力変換回路と、前記コンデンサの筐体の異なる部分に配置した、温度を感知する２個の感温素子と、前記２個の感温素子からの各出力信号が入力し、前記２個の感温素子のそれぞれの検知温度と、前記コンデンサの内部熱抵抗及び外部熱抵抗を用いた演算を行い、前記コンデンサの内部温度に関する信号を出力する演算回路と、入力した前記演算回路からの各出力信号が閾値を超えた場合、前記電力変換回路の出力を減少させ又は停止する制御回路とを有している。

この発明によれば、コンデンサの各電極端子に、電力変換回路の直流端子をそれぞれ接続し、コンデンサの筐体の異なる部分に配置した、温度を感知する２個の感温素子からの各出力信号が演算回路に入力し、演算回路は、２個の感温素子のそれぞれの検知温度と、コンデンサの内部熱抵抗及び外部熱抵抗を用いた演算を行い、コンデンサの内部温度に関する信号を出力し、演算回路からの出力信号が入力する制御回路は、その出力信号が閾値を超えた場合、電力変換回路の出力を減少させ又は停止させる。この結果、コンデンサの内部温度を精度良く検出することにより、過剰な熱的マージンを不要にして小型化を図ることができる。

以下、この発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
（第１実施の形態）
図１は、この発明の第１実施の形態に係る電力変換装置の構成を示す説明図である。図１に示すように、電力変換装置１０は、平滑コンデンサ（コンデンサ）１１、電力変換回路１２、演算回路１３及び制御回路１４と、これらを載置した冷却器１５を有している。
コンデンサ１１は、アルミ電解コンデンサ或いはフィルムコンデンサであり、その外装部を形成する筐体（ケース）は、例えば、放熱シートやシリコングリス等の熱結合部材１６を介して金属体１７により覆われており、金属体１７を介して或いは直接、冷却器１５に密着している。

また、コンデンサ１１は、冷却器１５との間に装着された、温度を感知する第１感温素子１８及び第２感温素子１９を有しており、更に、電極端子２０，２１を有している。第２感温素子１９は、第１感温素子１８とは異なる部分の、コンデンサ１１の筐体或いは金属体１７に装着されている。
この第１感温素子１８から、コンデンサ１１の中心部或いは電極端子２０、２１の近傍までの熱抵抗又は距離の各値は、第２感温素子１９から、コンデンサ１１の中心部或いは電極端子２０、２１近傍までの熱抵抗又は距離の各値より、大きく（即ち、抵抗値は大きく距離は長く）なっており、且つ、第１感温素子１８から、冷却器１５迄、或いは金属体１７を経て冷却器１５迄の熱抵抗又は距離の各値が、第２感温素子１９から冷却器１５迄、或いは金属体１７を経て冷却器１５迄の熱抵抗又は距離の各値より、小さく（即ち、抵抗値は小さく距離は短く）なっている。

電力変換回路１２は、例えば、放熱シートやシリコングリス等の熱結合部材１６を介して冷却器１５に実装されており、高電位直流端子２２及び低電位直流端子２３を有している。高電位直流端子２２には、バスバ電極２４によりコンデンサ１１の電極端子２０が、低電位直流端子２３には、バスバ電極２５によりコンデンサ１１の電極端子２１が、それぞれ接続されている。
演算回路１３には、第１感温素子１８と第２感温素子１９のそれぞれの感知信号が入力する。演算回路１３からの出力信号が入力する制御回路１４は、演算回路１３からの出力信号が予め定めた判断値（閾値）を超えた場合に、電力変換回路１２の出力を減少又は停止させる機能を有している。そして、制御回路１４の出力信号を、配線２６により電力変換回路１２に伝えることにより、電力変換回路１２の動作を制御する。

このような構成を有する電力変換装置１０により、コンデンサ１１の内部温度を精度良く推定することができるので、コンデンサ１１に過剰な熱的マージンを確保することによる大型化を防止することができる。同時に、コンデンサ１１の加熱による故障を、確実に防止することができる。
これは、次の理由による。
第１感温素子１８と第２感温素子１９の温度は共に、コンデンサ１１の内部温度（以下、内部温度と略称）とコンデンサ１１外側の外部環境温度（以下、外部温度と略称）、それとコンデンサ１１内部からそれぞれの感温素子１８，１９迄の経路のコンデンサ１１内部の熱抵抗（以下、内部熱抵抗と略称）と、各感温素子１８，１９から外部環境迄の放熱経路部分の熱抵抗（以下、外部熱抵抗と略称）の、２つの熱抵抗の比によって決まる。

ここで、第１感温素子１８と第２感温素子１９は、コンデンサ１１の異なる部分に配置されているので、それぞれの感温素子１８，１９に対する内部熱抵抗と外部熱抵抗の値だけでなく、その比も異なる。よって、両感温素子１８，１９の検知温度は異なることになる。
これら内部熱抵抗や外部熱抵抗は、コンデンサ１１部分の構造によって決まる値であり、電力変換装置１０の設計段階で精度良く特定することは困難でないので、両感温素子１８，１９の検知温度と、内部熱抵抗及び外部熱抵抗の値を用いた演算により、コンデンサ１１の内部温度と外部温度の双方を算出することは可能である。内部温度と外部温度の双方を算出することにより、外部温度を検知しなくても或いは外部温度に関わらず、コンデンサの内部温度を推定することができる。

特に、アルミ電解コンデンサとフィルムコンデンサのような内部熱抵抗が大きいコンデンサの場合でも、内部温度の精度良い推定が可能になる。つまり、コンデンサ１１の筐体温度だけでは内部温度を精度良く推定できない場合でも、コンデンサ１１の内部に熱電対を入れるような、コンデンサ１１自体の構造や信頼性に影響を与える手段を一切用いることなく、内部温度の高精度検知が可能になり、また、外部温度の影響も排除しての高精度検知ができる。
なお、両感温素子１８，１９の出力信号から内部温度を推定する機能は、両感温素子１８，１９が接続される演算回路１３が有していればよい。そして、演算回路１３からの出力信号を制御回路１４に入力する。その出力信号が予め定めた判断値を超えた際に、電力変換回路１２の出力を減少又は停止させる機能は、制御回路１４が有していればよい。

上述したように、コンデンサ１１の温度上昇を、喩え、内部熱抵抗の大きいコンデンサであっても、外部温度に関わらず精度良く推定することができ、その推定結果を基に、電力変換回路１２の出力を減少又は停止することができるので、コンデンサ１１の加熱による故障を確実に防止することができる。更に、故障を確実に防止することができるので、過剰な熱的マージンを確保することが不要になり、小型化を図ることができる。
また、コンデンサ１１の外部は、金属体１７と冷却器１５で覆われる形状となるため、コンデンサ１１の外部温度は冷却器１５の温度にほぼ等しくなる。つまり、両感温素子１８，１９から外部迄の放熱経路は、この冷却器１５となるので、外部熱抵抗を決める放熱経路も、更に詳細に特定することができ、外部熱抵抗の精度が向上する。また、両感温素子１８，１９から外部熱抵抗を経て放熱される外部温度も、両感温素子１８，１９共により等しい値に設定することができ、或いはより等しい値と見なすことができる。

このため、両感温素子１８，１９の値と、内部熱抵抗及び外部熱抵抗からコンデンサ１１の内部温度を算出する推定精度を、より一層向上させることができる。なお、冷却器１５に熱結合している金属体１７で覆うことによる、コンデンサ１１の温度上昇を防止する効果もある。
また、コンデンサ１１の内部温度を高精度で算出することが、更に容易になる。即ち、内部熱抵抗は、第１感温素子１８の方が第２感温素子１９の方よりも大きくなり、外部熱抵抗は、第１感温素子１８の方が第２感温素子１９の方よりも小さくなる。このため、内部熱抵抗と外部熱抵抗の比も、第１感温素子１８と第２感温素子１９の双方で大きく異なり、両感温素子１８，１９の検知温度の差が大きくなる。よって、演算回路１３において内部温度を算出する際の誤差を、更に低減することができる。

ここで、上述した効果について補足説明する。
図２は、図１の電力変換装置により得られる効果を説明するコンデンサの断面説明図である。図２に示すように、筐体１１ａと電極膜１１ｂからなるコンデンサ１１の内部発熱中心部分の温度をＴ０、冷却器１５の内部の冷却水１５ａの温度をＴｗ、第１感温素子１８の温度をＴ１、第２感温素子１９の温度をＴ２とする。発熱中心から第１感温素子１８迄の内部熱抵抗をＲ１１、第１感温素子１８から冷却器１５迄の外部熱抵抗をＲ１２とし、同様に、発熱中心から第２感温素子１９迄の内部熱抵抗をＲ２１、第２感温素子１９から冷却器１５迄の外部熱抵抗をＲ２２とする。

ここで、コンデンサ１１がアルミ電解コンデンサ又はフィルムコンデンサの場合、コンデンサの内部は、一般的には、電極膜と絶縁膜を幾重も層状に巻いた構造を有している。よって、熱抵抗Ｒ１１部分は、熱抵抗の大きい絶縁膜を多数枚含む。一方、熱抵抗Ｒ２１部分は、熱抵抗の小さい電極膜が何重にも並列に接続されたような形状となる。このため、Ｒ１１＞Ｒ２１と設計することは容易である。
また、熱抵抗Ｒ１２の部分は、冷却器１５へ短距離、且つ、大面積で接続される形状となる。一方、熱抵抗Ｒ２２部分は、冷却器１５へ長距離、且つ、小面積で接続される形状となる。このため、Ｒ１２＜Ｒ２２と設計することは容易である。

以上より、第１感温素子１８の温度Ｔ１と、第２感温素子１９の温度Ｔ２は、式（１）と式（２）

で表すことができる。これにより、発熱中心温度Ｔ０は、式（３）

で表すことができる。即ち、装置構造で決まる熱抵抗と、Ｔ１やＴ２の値によってＴ０の値を計算することができることになり、外部温度である冷却水温度Ｔｗの値に関わらず、その上計測する必要も無く、Ｔ０を計算することができる。

特に、本実施例の構造によって、Ｒ１１＞Ｒ２１、且つ、Ｒ１２＜Ｒ２２とすることは容易であるので、Ｔ１とＴ２の温度差を設けることも難しくない。このため、Ｔ０を高精度で導出することができる。また、コンデンサ１１の内部に熱電対等を入れる必要も無く、その上、アルミ電解コンデンサやフィルムコンデンサのような内部の熱抵抗が比較的大きくサイズも大きいコンデンサの内部温度を、高精度で算出することができる。更に、外部温度の高低に関わらず、内部温度を算出することができる。よって、コンデンサ１１の過熱を確実に防止することができると共に、コンデンサ１１の過剰な熱的マージン確保によるサイズ増大を防ぐことができる。
（第２実施の形態）

図３は、この発明の第２実施の形態に係る電力変換装置のコンデンサの構成を示す説明図である。図３に示すように、この電力変換装置のコンデンサ１１は、電極端子２０、２１近傍のコンデンサ電極膜に密着して、高熱電伝導性材料によるベルト３０を設けると共に、ベルト３０の位置に対応する筐体部分に、第２感温素子１９を設けている。この第２感温素子１９は、ベルト３０位置に対応して設けられており、金属体１７に埋設した状態になっても良い。その他の構成及び作用は、電力変換装置１０のコンデンサ１１と同様である。

上記構成を有することにより、第１実施の形態に係る電力変換装置のコンデンサにおいて得られる効果に加えて、以下の効果も得ることができる。
コンデンサ１１の内部の最高温度を精度良く算出することが、更に容易になる。コンデンサ電流は、電極端子から内部へ流れるので、必然的に電極端子近傍のコンデンサ電極膜部分の電流密度が大きくなる。よって、この部分での発熱が大きくなる。更に、電極端子部分での接触抵抗によるジュール発熱も、ある程度が電極端子近傍の電極膜に伝わるため、電極端子近傍のコンデンサ電極膜部分の温度が、コンデンサ１１の内部で最も高くなる可能性が高い。

このような場合、本構成では、第２感温素子１９側の内部熱抵抗を、更に低くすることができるので、第１感温素子１８での内部熱抵抗及び外部熱抵抗の比と、第２感温素子１９での内部熱抵抗及び外部熱抵抗の比の差が、更に大きくなる。このため、演算回路１３での内部温度検出精度が、更に向上する。
なお、この高熱電伝導性材料によるベルト３０により、電極端子近傍の電極膜部分の温度を低減することができるという効果もある。特に、本構成では、コンデンサ電流密度が高くなる電極端子近傍のコンデンサ内部温度を、更に精度良く計測することができることになる。よって、より一層、コンデンサ１１の過熱を確実に防止することができる共に、コンデンサ１１の過剰な熱的マージン確保によるサイズ増大を防ぐことができる。
（第３実施の形態）

図４は、この発明の第３実施の形態に係る電力変換装置のコンデンサの構成を示す断面説明図である。図４に示すように、この電力変換装置のコンデンサ３５は、筐体３６の内部に配置された電極膜３７に金属芯３８を有している。つまり、金属芯３８に電極膜３７を巻き付けると共に、金属芯３８の一端側の平板部を筐体３６に接触させている。その上、第２感温素子１９を、金属芯３８が接している筐体３６と金属体１７若しくは冷却器１５の間に配置している。その他の構成及び作用は、電力変換装置１０のコンデンサ１１と同様である。

即ち、コンデンサ３５に設けた金属芯３８は、第２実施の形態におけるベルト３０と同様の機能を有しており、ベルト３０がコンデンサの外側に配置されているのに対し、金属芯３８はコンデンサの内側に配置されている。そして、ベルト３０の機能に加えて、コンデンサの電極膜３７から直接放熱することができる。
上記構成を有することにより、第１実施の形態及び第２実施の形態に係る電力変換装置のコンデンサにおいて得られる効果に加えて、以下の効果も得ることができる。
コンデンサ３５を冷却することができると共に、コンデンサ３５の内部温度の算出精度を向上させることができる。即ち、金属芯３８により、第２感温素子１９の配置部分の内部熱抵抗が、更に下がることにより、内部温度の算出精度を高めることができる。

また、コンデンサ３５の内部発熱を、金属芯３８を介して筐体３６に伝熱することができ、筐体３６から放熱するので、温度上昇を抑制することができる。特に、コンデンサ３５の電極膜は、金属芯３８に巻回されているため、金属芯３８によってコンデンサ３５の発熱を効率良く筐体３６に伝熱することができる。よって、コンデンサ３５の発熱中心温度を、更に確実に検知することができる。
（第４実施の形態）

図５は、この発明の第４実施の形態に係る電力変換装置のコンデンサの構成を示す説明図である。図５に示すように、この電力変換装置のコンデンサ４０は、筐体側面が、結合材料４１を介して第２感温素子１９に接合されると共に、コンデンサ全体が、例えば、放熱シートやシリコングリス等の熱結合部材１６を介して、金属体４２により覆われている。第２感温素子１９は、両電極端子２０，２１の間又は近傍に配置されており、両電極端子２０，２１が位置する筐体側面部は、金属体４２を介して、冷却器４３の表面（上面）に突設した縦壁部４３ａに接触し、コンデンサ４０は冷却器４３に熱結合状態にある。

両電極端子２０，２１は、縦壁部４３ａの開口部から縦壁部４３ａ外側に露出させ、バスバ電極２４，２５（図１参照）に接続する。両電極端子２０，２１と縦壁部４３ａは、絶縁部材４４を介することで電気絶縁される。その他の構成及び作用は、電力変換装置１０のコンデンサ１１と同様である。なお、冷却器４３は、縦壁部４３ａを有する他は冷却器１５と同様の構成を有している。
上記構成を有することにより、第１実施の形態から第３実施の形態に係る電力変換装置のコンデンサにおいて得られる効果に加えて、以下の効果も得ることができる。

電極端子２０，２１の接触接続抵抗によるジュール発熱は、コンデンサの内部に伝熱し、その影響によりコンデンサの温度が上昇するが、コンデンサ４０では、ジュール発熱の伝熱による影響で内部温度が上昇し易い両電極端子２０，２１近傍の温度を、第２感温素子１９が小さな内部熱抵抗で計測することができる。よって、両電極端子２０，２１の接触抵抗が大きい場合、或いはこの部分のジュール発熱が大きい場合、コンデンサ内部の最高温度を、高い算出精度で求めることが、更に容易になる。
（第５実施の形態）

図６は、この発明の第５実施の形態に係る電力変換装置のコンデンサの構成を示す説明図である。図６に示すように、この電力変換装置のコンデンサ４５は、中空部（被装着部）４６を有して形成されており、冷却器４７は、中空部４６に挿入配置することができる挿入突部（装着部）４７ａを有している。そして、中空部４６と挿入突部４７ａの間に、第１感温素子１８及び第２感温素子１９を離間配置して設けている。その他の構成及び作用は、電力変換装置１０のコンデンサ１１と同様である。なお、冷却器４７は、挿入突部４７ａを有する他は冷却器１５と同様の構成を有している。

つまり、冷却器４７の一端に、冷却器４７の長手方向に延長して棒状に形成した挿入突部４７ａを、コンデンサ４５の両電極端子４８，４９が設けられた対向側面間を貫通する中空部４６に差し込むことにより、挿入突部４７ａを介してコンデンサ４５と冷却器４７を熱結合状態にする。なお、中空部４６は、窪み部でも良く、装着した挿入突部４７ａを介してコンデンサ４５と冷却器４７を熱結合状態にすることができるように、挿入突部４７ａを装着することができるものであればよい。
上記構成を有することにより、第１実施の形態から第４実施の形態に係る電力変換装置のコンデンサにおいて得られる効果に加えて、以下の効果も得ることができる。

コンデンサ４５を、特に、金属体で覆わなくても、同様の効果を得ることができるので、部品点数を少なくすることができる。即ち、両感温素子１８，１９は、コンデンサ４５の内部で冷却器４７の挿入突部４７ａとの間に挟まれているため、特に、金属体で覆う必要が無い。更に、コンデンサ４５の内部が接触している挿入突部４７ａを介して、コンデンサ４５が冷却器４７に熱結合していることにより、効果的に放熱することができるので、コンデンサ４５をより一層冷却することができる。

この発明の第１実施の形態に係る電力変換装置の構成を示す説明図である。 図１の電力変換装置により得られる効果を説明するコンデンサの断面説明図である。 この発明の第２実施の形態に係る電力変換装置のコンデンサの構成を示す説明図である。 この発明の第３実施の形態に係る電力変換装置のコンデンサの構成を示す断面説明図である。 この発明の第４実施の形態に係る電力変換装置のコンデンサの構成を示す説明図である。 この発明の第５実施の形態に係る電力変換装置のコンデンサの構成を示す説明図である。

符号の説明

１０ 電力変換装置
１１，３５，４０，４５ コンデンサ
１１ａ，３６ 筐体
１１ｂ，３７ 電極膜
１２ 電力変換回路
１３ 演算回路
１４ 制御回路
１５，４３，４７ 冷却器
１５ａ 冷却水
１６ 熱結合部材
１７，４２ 金属体
１８ 第１感温素子
１９ 第２感温素子
２０，２１，４８，４９ 電極端子
２２ 高電位直流端子
２３ 低電位直流端子
２４，２５ バスバ電極
２６ 配線
３０ ベルト
３８ 金属芯
４１ 結合材料
４３ａ 縦壁部
４４ 絶縁部材
４６ 中空部
４７ａ 挿入突部

Claims (8)

1. コンデンサと、
   前記コンデンサの各電極端子にそれぞれ接続する直流端子を有する電力変換回路と、
   前記コンデンサの筐体の異なる部分に配置した、温度を感知する２個の感温素子と、
   前記２個の感温素子からの各出力信号が入力し、前記２個の感温素子のそれぞれの検知温度と、前記コンデンサの内部熱抵抗及び外部熱抵抗を用いた演算を行い、前記コンデンサの内部温度に関する信号を出力する演算回路と、
   入力した前記演算回路からの各出力信号が閾値を超えた場合、前記電力変換回路の出力を減少させ又は停止する制御回路と
   を有する電力変換装置。
2. 前記コンデンサは、アルミ電解コンデンサ又はフィルムコンデンサである請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記コンデンサの両電極端子間或いは電極端子近傍に、前記感温素子の一方を配置した請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. コンデンサと、
   前記コンデンサの各電極端子にそれぞれ接続する直流端子を有する電力変換回路と、
   前記コンデンサの筐体の異なる部分に配置した、温度を感知する２個の感温素子と、
   前記２個の感温素子からの各出力信号が入力する演算回路と、
   入力した前記演算回路からの各出力信号が閾値を超えた場合、前記電力変換回路の出力を減少させ又は停止する制御回路と、
   前記コンデンサの筐体を覆う金属体と、
   前記コンデンサを、直接或いは前記金属体を介して密着させた冷却器とを有し、
   前記感温素子の一方を前記コンデンサと前記冷却器の間に配置し、前記感温素子の他方を前記コンデンサの筐体或いは前記金属体に配置した電力変換装置。
5. 前記感温素子の一方から前記コンデンサの中心部或いは電極端子近傍までの熱抵抗又は距離の各値が、前記感温素子の他方から前記コンデンサの中心部或いは電極端子近傍までの熱抵抗又は距離の各値より大きく、
   且つ、前記感温素子の一方から直接或いは前記金属体を経た前記冷却器迄の熱抵抗又は距離の各値が、前記感温素子の他方から直接或いは前記金属体を経た前記冷却器迄の熱抵抗又は距離の値より小さい請求項４に記載の電力変換装置。
6. 前記電極端子近傍の前記コンデンサ電極膜に、高熱電伝導性材料からなるベルトを装着し、前記感温素子の一方を、前記筐体のベルト装着位置に対応する部分に設けた請求項４または５に記載の電力変換装置。
7. 前記コンデンサは、内部に、コンデンサ電極膜を巻回すると共に端部を前記筐体に接触させた金属芯を有し、前記感温素子の一方を、前記筐体と前記金属体或いは前記冷却器の間に設けた請求項４から６のいずれか一項に記載の電力変換装置。
8. 前記コンデンサは、装着することにより前記冷却器との間で熱結合状態にすることができる装着部を装着するための、被装着部を有し、前記装着部と前記被装着部の間に前記２個の感温素子を離間配置した請求項４から７のいずれか一項に記載の電力変換装置。

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