JP6878712B1 - 電力変換装置、航空機用電力システム及び電力変換装置の制御方法 - Google Patents
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Abstract
電力変換装置（１０）は、密閉筐体（１１）と、パワー半導体モジュール（２１）と、乾燥ガス（５５）とを備える。密閉筐体（１１）は、ガス入口弁（１５）と、ガス出口弁（１６）とを含む。パワー半導体モジュール（２１）は、密閉筐体（１１）の内部空間（１９）に配置されている。乾燥ガス（５５）は、密閉筐体（１１）の内部空間（１９）を満たす。
Description
本開示は、電力変換装置、航空機用電力システム及び電力変換装置の制御方法に関する。
特開２００９−２５４１５０号公報（特許文献１）は、防水ケースと、パワーコントロールユニットと、大気圧センサと、通気フィルタとを備える電動車両を開示している。パワーコントロールユニットは、防水ケース内に配置されている。パワーコントロールユニットは、昇圧コンバータと、インバータと、昇圧コンバータ制御部とを含む。昇圧コンバータは、電源電圧を昇圧して電動機に供給する。インバータは、電源からの直流電流を交流電流に変換して電動機に供給する。昇圧コンバータ制御部は、大気圧センサの出力に基づいて、昇圧コンバータを制御する。具体的には、電動車両が大気圧の低い高地を走行する場合に、昇圧コンバータ制御部は、昇圧電圧の上限値を設定する。昇圧コンバータによる昇圧が制限されるため、パワーコントロールユニットの絶縁破壊が防止され得る。通気フィルタは、防水ケースに設けられた貫通孔内に設けられている。通気フィルタは、空気中に含まれる水及び粉塵を捕捉して、空気のみを通過させる。
しかし、特許文献１に開示された電動車両では、通気フィルタに水が付着すると、大気圧センサは異常値を出力する。通気フィルタが乾くまでの間、昇圧コンバータ制御部による昇圧コンバータの制御を一時停止する。しかし、より高い高度を飛行する航空機のようなより低気圧かつより高湿度の環境下では、通気フィルタは乾かない。そのため、防水ケースと、パワーコントロールユニットと、大気圧センサと、通気フィルタとを含む特許文献１のパワーユニットを、より低気圧かつより高湿度の環境下で使用することはできない。本開示は、上記の課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、より低気圧かつより高湿度の環境下において使用することができる電力変換装置を提供することである。
本開示の電力変換装置は、密閉筐体と、パワー半導体モジュールと、乾燥ガスとを備える。密閉筐体は、ガス入口弁と、ガス出口弁とを含む。パワー半導体モジュールは、密閉筐体の内部空間に配置されている。乾燥ガスは、密閉筐体の内部空間を満たす。
本開示の航空機用電力システムは、電源と、電源に電気的に接続されている本開示の電力変換装置とを備える。
本開示の電力変換装置の制御方法は、航空機に搭載されている本開示の電力変換装置の制御方法である。本開示の電力変換装置の制御方法は、航空機が動いている間、ガス入口弁とガス出口弁とを閉塞されたままにすることを備える。
本開示の電力変換装置では、密閉筐体の内部空間は、乾燥ガスで満たされている。そのため、より低気圧かつより高湿度の環境下においても、密閉筐体内の圧力は高く保たれるとともに、密閉筐体内の湿度は低く保たれる。パワー半導体モジュールに絶縁不良、エレクトロマイクレーション、腐食及び部分放電が発生することが防止され得る。本開示の電力変換装置は、より低気圧かつより高湿度の環境下において使用され得る。
本開示の航空機用電力システムは本開示の電力変換装置を備えるため、本開示の航空機用電力システムは、より低気圧かつより高湿度の環境下において使用され得る。
本開示の電力変換装置の制御方法では、航空機が飛行している間に電力変換装置がより低気圧かつより高湿度の環境下にあっても、パワー半導体モジュールに絶縁不良、エレクトロマイクレーション、腐食及び部分放電が発生することが防止され得る。本開示の電力変換装置の制御方法は、より低気圧かつより高湿度の環境下において電力変換装置を使用することを可能にする。
以下、実施の形態を説明する。なお、同一の構成には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。
実施の形態１．
図１を参照して、電力変換装置１０は、例えば、電動航空機１のような航空機に搭載される。電動航空機１は、機体２と、電動エンジン３と、飛行制御装置４と、電力システム５とを備える。
図１を参照して、電力変換装置１０は、例えば、電動航空機１のような航空機に搭載される。電動航空機１は、機体２と、電動エンジン３と、飛行制御装置４と、電力システム５とを備える。
電動エンジン３は、機体２に固定されている。電動エンジン３は、モータ３ａと、モータ３ａによって回転されるファン３ｂとを含む。ファン３ｂを回転させることによって、電動航空機１の推進力が得られる。飛行制御装置４は、機体２内に設けられている。飛行制御装置４は、例えば、電動エンジン３と、機体２の昇降舵、方向舵及び補助翼を駆動する油圧作動装置（図示せず）とに電気的に接続されている。飛行制御装置４は、電動航空機１の動作を制御する。電力システム５は、機体２内に設けられている。電力システム５は、飛行制御装置４、電動エンジン３、並びに、機体２の昇降舵、方向舵及び補助翼を駆動する油圧作動装置（図示せず）等に電力を供給する。
電力システム５は、電源６と、電力変換装置１０とを含む。電力システム５は、ＤＣコンバータ７をさらに含んでもよい。電源６は、例えば、直流電圧を発生する電池または交流電圧を発生する発電機である。ＤＣコンバータ７は、交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣコンバータ、または、直流電圧を別の直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ（例えば、昇圧コンバータ）である。電力変換装置１０の一端は、電源６に電気的に接続されており、電力変換装置１０の他端は、負荷（例えば、モータ３ａ）に電気的に接続されている。特定的には、電力変換装置１０の一端は、ＤＣコンバータ７を介して、電源６に電気的に接続されている。
図２から図１２を参照して、電力変換装置１０を説明する。電力変換装置１０は、密閉筐体１１と、パワー半導体モジュール２１と、乾燥ガス５５と、バスバー５０，５２と、制御回路基板４５とを備える。電力変換装置１０は、コンデンサ４０と、コントローラ８０とをさらに備えてもよい。電力変換装置１０は、熱伝導層３８をさらに備えてもよい。
密閉筐体１１は、例えば、エポキシ樹脂のような樹脂で形成されている。密閉筐体１１は、密閉筐体１１の内部空間１９を規定する壁を含む。具体的には、密閉筐体１１は、底壁１２と、側壁１３と、頂壁１４とを含む。側壁１３は、底壁１２と頂壁１４とに接続されている。底壁１２、側壁１３及び頂壁１４は、密閉筐体１１の内部空間１９を規定する。
密閉筐体１１は、ガス入口弁１５と、ガス出口弁１６とを含む。ガス入口弁１５とガス出口弁１６は、例えば、ノーマリークローズ弁である。ガス入口弁１５とガス出口弁１６とは、密閉筐体１１の壁に設けられている。例えば、ガス入口弁１５とガス出口弁１６とは、密閉筐体１１の側壁１３に設けられている。ガス入口弁１５及びガス出口弁１６は、密閉筐体１１の壁（例えば、側壁１３）に気密に固定されている。
図６を参照して、ガス入口弁１５は、管６０と、柱６１と、ばね６２と、蓋６３とを含む。管６０は、密閉筐体１１の外部に配置されている入口６０ａと、密閉筐体１１の内部空間１９に配置されている出口６０ｂとを含む。柱６１は、管６０内に設けられており、管６０に固定されている。蓋６３は、密閉筐体１１の内部空間１９に配置されており、管６０の出口６０ｂを開閉することができる。具体的には、ばね６２は、柱６１と蓋６３とに接続されている。ばね６２は、蓋６３を管６０に向けて付勢する。蓋６３は、通常、管６０の出口６０ｂを閉塞している。
ガス出口弁１６は、管６５と、柱６６と、ばね６７と、蓋６８とを含む。管６５は、密閉筐体１１の内部空間１９に配置されている入口６５ａと、密閉筐体１１の外部に配置されている出口６５ｂとを含む。柱６６は、管６５内に設けられており、管６５に固定されている。蓋６８は、密閉筐体１１の外部に配置されており、管６５の出口６５ｂを開閉することができる。具体的には、ばね６７は、柱６６と蓋６８とに接続されている。ばね６７は、蓋６８を管６５に向けて付勢する。蓋６８は、通常、管６５の出口６５ｂを閉塞している。
密閉筐体１１は、キャップ１７，１８をさらに含んでもよい。キャップ１７は、ガス入口弁１５の入口６０ａを開閉可能である。キャップ１８は、ガス出口弁１６の出口６５ｂを開閉可能である。例えば、航空機（例えば、電動航空機１）が動いている間、キャップ１７はガス入口弁１５の入口６０ａを閉塞し、かつ、キャップ１８はガス出口弁１６の出口６５ｂを閉塞する。キャップ１７，１８は、乾燥ガス５５または空気の逆流を防止する。
航空機（例えば、電動航空機１）の使用期間が長くなるにつれて、密閉筐体１１から乾燥ガス５５が少しずつ漏れ出して、密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の圧力が低下することがある。そのため、密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の圧力の調整が必要になる場合がある。密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の圧力の調整は、航空機が停止している間に行う。具体的には、ガス入口弁１５を開放しかつキャップ１７はガス入口弁１５の入口６０ａを開放する、または、ガス出口弁１６を開放しかつキャップ１８はガス出口弁１６の出口６５ｂを開放して、密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の圧力を調整する。
パワー半導体モジュール２１が誤動作または故障すると、パワー半導体モジュール２１の温度が急激に上昇して、密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の圧力が急激に上昇することがある。密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の圧力が急激に上昇すると、ガス出口弁１６は開放され、かつ、キャップ１８はガス出口弁１６の出口６５ｂを開放する。乾燥ガス５５は密閉筐体１１の外部に排出されて、密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の圧力が低下する。こうして、密閉筐体１１が破壊されることを防止する。
パワー半導体モジュール２１は、密閉筐体１１の内部空間１９に配置されている。具体的には、図４を参照して、パワー半導体モジュール２１は、密閉筐体１１の底壁１２上に配置されている。特定的には、パワー半導体モジュール２１は、熱伝導層３８を介して、密閉筐体１１の底壁１２上に配置されている。熱伝導層３８は、パワー半導体モジュール２１と密閉筐体１１（底壁１２）との間に配置されている。熱伝導層３８は、パワー半導体モジュール２１において発生した熱を、低い熱抵抗で密閉筐体１１（底壁１２）に伝達する。熱伝導層３８は、例えば、放熱グリースまたは熱伝導シートである。パワー半導体モジュール２１は、例えば、ねじのような固定部材３９を用いて、密閉筐体１１に固定されている。
図５を参照して、パワー半導体モジュール２１は、絶縁基板２２と、パワー半導体素子２６ａ，２６ｂと、ケース３０と、入力端子３１と、出力端子３２と、導電ワイヤ３３，３４，３５と、封止部材３６とを主に含む。
絶縁基板２２は、絶縁層２３と、導電回路パターン２４と、ベース板２５とを含む。絶縁層２３は、例えば、エポキシ樹脂シートのような樹脂シート、または、窒化珪素セラミック基板のようなセラミック基板である。導電回路パターン２４は、絶縁層２３のおもて面に設けられている。導電回路パターン２４は、銅またはアルミニウムで構成されてもよい。導電回路パターン２４は、第１導電回路パターン部分２４ａと、第１導電回路パターン部分２４ａから離間されている第２導電回路パターン部分２４ｂとを含む。ベース板２５は、絶縁層２３の裏面に設けられている。ベース板２５は、例えば、銅板またはアルミニウム板のような金属板である。図４を参照して、ベース板２５は、例えば、ねじのような固定部材３９を用いて、密閉筐体１１の底壁１２に固定されている。ベース板２５は、接地電位を有する。
パワー半導体素子２６ａ，２６ｂは、例えば、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）または金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）である。パワー半導体素子２６ａ，２６ｂは、例えば、シリコン（Ｓｉ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）または酸化ガリウム（Ｇａ2Ｏ3）のような半導体材料で形成されている。パワー半導体素子２６ａ，２６ｂは、導電回路パターン２４に接合されている。具体的には、パワー半導体素子２６ａは、はんだまたは金属微粒子焼結体のような導電接合部材２８ａによって、第１導電回路パターン部分２４ａに接合されている。パワー半導体素子２６ｂは、はんだまたは金属微粒子焼結体のような導電接合部材２８ｂによって、第２導電回路パターン部分２４ｂに接合されている。
ケース３０は、例えば、絶縁基板２２に接着されている。ケース３０は、例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）のような電気的絶縁性を有する樹脂で形成されている。
ケース３０には、入力端子３１と出力端子３２とが設けられている。入力端子３１及び出力端子３２は、例えば、銅またはアルミニウムのような金属で形成されている。入力端子３１は、電源６またはＤＣコンバータ７（図１を参照）に電気的に接続されている。出力端子３２は、モータ３ａ（図１を参照）のような負荷に電気的に接続されている。
導電ワイヤ３３，３４，３５は、例えば、銅ワイヤ、金ワイヤまたはアルミニウムワイヤのような金属ワイヤである。導電ワイヤ３３は、入力端子３１とパワー半導体素子２６ａとに接合されている。導電ワイヤ３４は、第１導電回路パターン部分２４ａとパワー半導体素子２６ｂとに接合されている。導電ワイヤ３５は、第２導電回路パターン部分２４ｂと出力端子３２とに接合されている。
封止部材３６は、ケース３０内に設けられている。封止部材３６は、パワー半導体素子２６ａ，２６ｂを封止する。封止部材３６は、導電ワイヤ３３，３４，３５をさらに封止してもよい。封止部材３６は、エポキシ樹脂のような絶縁樹脂で形成されている。
図３及び図４を参照して、コンデンサ４０は、入力端子３１に接続されている。具体的には、入力端子３１は、ねじのような固定部材５１を用いて、コンデンサ４０に結合されている。コンデンサ４０は、パワー半導体モジュール２１に入力される直流電圧に含まれるリップル電圧を平滑化する。コンデンサ４０は、密閉筐体１１の内部空間１９に配置されている。具体的には、コンデンサ４０は、密閉筐体１１の底壁１２上に配置されている。コンデンサ４０は、密閉筐体１１の外部に配置されてもよい。
バスバー５０，５２は、銅またはアルミニウムのような金属で形成されている。バスバー５０は、入力端子３１及びコンデンサ４０に接続されている。具体的には、バスバー５０は、ねじのような固定部材５１を用いて、入力端子３１及びコンデンサ４０に結合されている。バスバー５２は、出力端子３２に接続されている。具体的には、バスバー５２は、ねじのような固定部材５３を用いて、出力端子３２に結合されている。バスバー５０，５２は、密閉筐体１１の内部空間１９を規定する壁（例えば、側壁１３）を貫通している。バスバー５０，５２は、密閉筐体１１の壁（例えば、側壁１３）に気密に固定されている。
制御回路基板４５は、パワー半導体モジュール２１に電気的に接続されている。制御回路基板４５には、パワー半導体モジュール２１の制御回路が設けられている。制御回路基板４５は、密閉筐体１１の内部空間１９に配置されてもよい。具体的には、制御回路基板４５は、パワー半導体モジュール２１上に配置されてもよい。制御回路基板４５は、信号線４７に接続されている。信号線４７は、例えば、銅またはアルミニウムのような導電材料で形成されている。信号線４７は、密閉筐体１１の壁（例えば、頂壁１４）を貫通して、密閉筐体１１の外部に配置されているコネクタ４６まで延在している。信号線４７は、密閉筐体１１の壁（例えば、頂壁１４）に気密に固定されている。封止されている。コネクタ４６は、例えば、密閉筐体１１の壁（例えば、頂壁１４）上に設けられている。制御回路基板４５は、密閉筐体１１の外部に配置されてもよい。
図７を参照して、コントローラ８０は、弁コントローラ８１と、キャップコントローラ８２とを含む。コントローラ８０は、例えば、電気回路、または、ＣＰＵのような半導体プロセッサである。コントローラ８０は、制御回路基板４５に搭載されてもよい。コントローラ８０は、密閉筐体１１の外部に配置されており、電気配線（図示せず）を通じて、コネクタ４６及び信号線４７に電気的に接続されてもよい。
弁コントローラ８１は、ガス入口弁１５またはガス出口弁１６の少なくとも一つの開閉動作を制御する。弁コントローラ８１は、例えば、ガス入口弁１５またはガス出口弁１６の少なくとも一つの開閉動作を制御する電気回路、または、ガス入口弁１５またはガス出口弁１６の少なくとも一つの開閉動作がプログラムされた半導体プロセッサである。弁コントローラ８１は、航空機（例えば、電動航空機１）が停止している間のみ、ガス入口弁１５またはガス出口弁１６の少なくとも一つを開放する。航空機が停止している間は、例えば、空港の駐機場または機体整備工場において航空機が停止している間を意味する。これに対し、航空機が動いている間、弁コントローラ８１はガス入口弁１５とガス出口弁１６とに作用せず、ガス入口弁１５とガス出口弁１６とは閉塞されたままである。より具体的には、航空機が動いている間、ガス入口弁１５は通電されず、例えばばね６２の付勢力によって、入口６０ａは機械的に閉塞されたままであり、かつ、ガス出口弁１６は通電されず、例えばばね６７の付勢力によって、出口６５ｂは機械的に閉塞されたままである。
キャップコントローラ８２は、キャップ１７，１８の開閉動作を制御する。キャップコントローラ８２は、例えば、キャップ１７，１８の開閉動作を制御する電気回路、または、キャップ１７，１８の開閉動作がプログラムされた半導体プロセッサである。航空機（例えば、電動航空機１）が停止している間のみ、キャップ１７はガス入口弁１５の入口６０ａを開放し、かつ、キャップ１８はガス出口弁１６の出口６５ｂを開放する。これに対し、航空機が動いている間、キャップコントローラ８２はキャップ１７，１８に作用せず、キャップ１７はガス入口弁１５の入口６０ａを閉塞したままであり、かつ、キャップ１８はガス出口弁１６の出口６５ｂを閉塞したままである。より具体的には、航空機が動いている間、キャップ１７は通電されず、入口６０ａはキャップ１７によって機械的に閉塞されたままであり、かつ、キャップ１８は通電されず、出口６５ｂはキャップ１８によって機械的に閉塞されたままである。
図４を参照して、乾燥ガス５５は、密閉筐体１１の内部空間１９を満たす。乾燥ガス５５は、例えば、乾燥空気、乾燥窒素ガス、または、乾燥空気と乾燥窒素ガスとの混合ガスである。密閉筐体１１の内部空間１９に結露が発生することを許容する温度範囲の最大温度（例えば、０℃または１０℃）における乾燥ガス５５に含まれる水蒸気の分圧は、当該最大温度における飽和水蒸気圧以下である。密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の圧力は、乾燥ガス５５が密閉筐体１１の内部空間１９に注入される際の密閉筐体１１の外部の周囲気圧Ｐ0（図８及び図１２を参照）より大きい。
図４、図６及び図８から図１１を参照して、乾燥ガス５５を密閉筐体１１の内部空間１９を注入する方法を説明する。
図８及び図９を参照して、密閉筐体１１の内部空間１９にパワー半導体モジュール２１を配置した時には、密閉筐体１１の内部空間１９は、密閉筐体１１の内部空間１９は、密閉筐体１１の外部同じく、空気で満たされている。密閉筐体１１内の圧力は、密閉筐体１１の外部の周囲気圧Ｐ0（例えば、大気圧）に等しい。ガス入口弁１５とガス出口弁１６とは、閉塞されている。
図８及び図１０を参照して、時刻ｔ1に、密閉筐体１１の外部の周囲気圧Ｐ0より大きい圧力Ｐinを有する乾燥ガス５５を、ガス入口弁１５の入口６０ａから注入する。ガス入口弁１５は、例えば、周囲気圧Ｐ0より大きい設定圧力Ｐsetにおいて、開放される。ガス入口弁１５の入口６０ａから注入される乾燥ガス５５の圧力Ｐinは、設定圧力Ｐsetより大きい。乾燥ガス５５の圧力Ｐinによって、蓋６３は管６０の出口６０ｂから離れて、ガス入口弁１５は開放される。密閉筐体１１の内部空間１９に乾燥ガス５５が注入されて、密閉筐体１１内の圧力が上昇する。蓋６８を管６５の出口６５ｂから離すには、密閉筐体１１内の圧力はまだ小さい。ガス出口弁１６は、閉塞されたままである。
図８及び図１１を参照して、ガス出口弁１６は、例えば、周囲気圧Ｐ0より大きい設定圧力Ｐsetにおいて、開放される。時刻ｔ2において、密閉筐体１１内の空気と乾燥ガス５５との混合ガスの圧力は、設定圧力Ｐsetに達する。密閉筐体１１内の混合ガスの圧力によって、蓋６８は管６５の出口６５ｂから離れて、ガス出口弁１６は開放される。時刻ｔ2後も、乾燥ガス５５をガス入口弁１５から密閉筐体１１の内部空間１９に注入し続ける。密閉筐体１１の内部空間１９にパワー半導体モジュール２１を配置した時に密閉筐体１１の内部空間１９を満たしていた空気は全て排出されて、密閉筐体１１の内部空間１９は、乾燥ガス５５で満たされる。
図８を参照して、時刻ｔ3に達すると、乾燥ガス５５の注入を停止する。乾燥ガス５５の注入が停止されると、ガス入口弁１５は、例えばばね６２の付勢力によって、機械的に閉塞される。時刻ｔ4において密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の圧力が設定圧力Ｐsetまで減少すると、ガス出口弁１６は、例えばばね６７の付勢力によって、機械的に閉塞される。こうして、図４及び図６に示されるように、密閉筐体１１の内部空間１９は、設定圧力Ｐsetを有する乾燥ガス５５で満たされる。
本実施の形態の電力変換装置１０の制御方法を説明する。電力変換装置１０は、航空機（例えば、電動航空機１）に搭載されている。本実施の形態の電力変換装置１０の制御方法は、航空機が動いている間、ガス入口弁１５とガス出口弁１６とを閉塞されたままにすることを備える。例えば、航空機が動いている間、弁コントローラ８１はガス入口弁１５とガス出口弁１６とに作用せず、ガス入口弁１５とガス出口弁１６とは閉塞されたままである。より具体的には、航空機が動いている間、ガス入口弁１５は通電されず、例えばばね６２の付勢力によって、入口６０ａは機械的に閉塞されたままであり、かつ、ガス出口弁１６は通電されず、例えばばね６７の付勢力によって、出口６５ｂは機械的に閉塞されたままである。
本実施の形態の電力変換装置１０の制御方法は、航空機が停止している間のみ、ガス入口弁１５またはガス出口弁１６の少なくとも一つを開放することをさらに備える。例えば、ガス入口弁１５が開放されている間に、乾燥ガス５５を密閉筐体１１の内部空間１９に注入する。密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の圧力は、乾燥ガス５５が密閉筐体１１の内部空間１９に注入される際の密閉筐体１１の外部の周囲気圧Ｐ0より大きい。
図１２を参照して、乾燥ガス５５の設定圧力Ｐsetの設定方法の一例を説明する。
地上で、密閉筐体１１内に乾燥ガス５５を注入するまたは密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の圧力を調整する場合、密閉筐体１１の内部空間１９の温度は、密閉筐体１１の外部の周囲温度Ｔ0に等しく、密閉空間内の乾燥ガス５５の圧力は密閉筐体１１の外部の周囲気圧Ｐ0に等しい。周囲温度Ｔ0は、例えば、２５℃である。電力変換装置１０の使用温度範囲の下限温度をＴi_minとし、電力変換装置１０の使用温度範囲の上限温度をＴi_maxとする。一例では、電力変換装置１０の使用温度範囲の下限温度Ｔi_min及び上限温度Ｔi_maxは、それぞれ、電力変換装置１０の仕様書に記載されている電力変換装置１０の動作可能温度の下限温度及び上限温度であってもよい。別の例では、電力変換装置１０が航空機（例えば、電動航空機１）に搭載されている場合には、電力変換装置１０の使用温度範囲の下限温度Ｔi_min及び上限温度Ｔi_maxは、航空機の航路等によって決まる。密閉筐体１１内のガスの温度Ｔiの範囲は、下限温度Ｔi_min以上かつ上限温度Ｔi_max以下となる。電力変換装置１０が航空機に搭載される場合、下限温度Ｔi_minは例えば−６０℃であり、上限温度Ｔi_maxは例えば１８０℃である。
地上で、密閉筐体１１内に乾燥ガス５５を注入するまたは密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の圧力を調整する場合、密閉筐体１１の内部空間１９の温度は、密閉筐体１１の外部の周囲温度Ｔ0に等しく、密閉空間内の乾燥ガス５５の圧力は密閉筐体１１の外部の周囲気圧Ｐ0に等しい。周囲温度Ｔ0は、例えば、２５℃である。電力変換装置１０の使用温度範囲の下限温度をＴi_minとし、電力変換装置１０の使用温度範囲の上限温度をＴi_maxとする。一例では、電力変換装置１０の使用温度範囲の下限温度Ｔi_min及び上限温度Ｔi_maxは、それぞれ、電力変換装置１０の仕様書に記載されている電力変換装置１０の動作可能温度の下限温度及び上限温度であってもよい。別の例では、電力変換装置１０が航空機（例えば、電動航空機１）に搭載されている場合には、電力変換装置１０の使用温度範囲の下限温度Ｔi_min及び上限温度Ｔi_maxは、航空機の航路等によって決まる。密閉筐体１１内のガスの温度Ｔiの範囲は、下限温度Ｔi_min以上かつ上限温度Ｔi_max以下となる。電力変換装置１０が航空機に搭載される場合、下限温度Ｔi_minは例えば−６０℃であり、上限温度Ｔi_maxは例えば１８０℃である。
気体の状態方程式ＰＶ＝ｎＲ（Ｔ＋２７３．１５）から、図１２の実線に示されるように、密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の温度Ｔiに応じて、密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の圧力Ｐiは変化する。Ｐは密閉筐体１１内のガスの圧力を、Ｖは密閉筐体１１内のガスの体積を、ｎは密閉筐体１１内のガスの物質量（モル数）を、Ｒは密閉筐体１１内のガスの気体定数を、Ｔは密閉筐体１１内のガスの摂氏温度をそれぞれ表す。例えば、密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の温度Ｔiが周囲温度Ｔ0から上限温度Ｔi_maxに上昇すると、密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の圧力Ｐiは、周囲気圧Ｐ0から上限圧力Ｐi_maxに増加する。密閉筐体１１の内部空間１９の温度が周囲温度Ｔ0から下限温度Ｔi_minに低下すると、密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の圧力Ｐiは、周囲気圧Ｐ0から下限圧力Ｐi_minに減少する。
一般に、電子部品のまわりの雰囲気の圧力が減少すると、電子部品における放電開始電圧は減少して（パッシェンの法則）、電子部品において部分放電が発生しやすくなる。航空機（例えば、電動航空機１）が高い高度（例えば、５０００ｍ以上の高度）を飛行している間、電力変換装置１０における放電開始電圧は減少して、電力変換装置１０において部分放電が発生することがある。そこで、電力変換装置１０の使用温度範囲の下限温度Ｔi_minにおいて、電力変換装置１０に部分放電が発生しないように、電力変換装置１０を設計する必要がある。電力変換装置１０における部分放電は、例えば、電力変換装置１０のうち互いに異なる電圧を有する二つの部材間で発生する。このような二つの部材の組み合わせとして、入力端子３１とベース板２５、出力端子３２とベース板２５、パワー半導体モジュール２１と制御回路基板４５、並びに、互いに隣り合う一対のパワー半導体モジュール２１を例示することができる。
具体的には、密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の設定圧力Ｐsetは、乾燥ガス５５が密閉筐体１１の内部空間１９に注入される際の密閉筐体１１の外部の周囲気圧Ｐ0と差圧ΔＰ(0-i_min)との和に等しく、または、当該和より大きく設定される。差圧ΔＰ(0-i_min)は、周囲気圧Ｐ0と、乾燥ガス５５が密閉筐体１１の内部空間１９に注入される際の密閉筐体１１の外部の周囲温度Ｔ0において周囲気圧Ｐ0を有する乾燥ガス５５が電力変換装置１０の使用温度範囲の下限温度Ｔi_minにおいて有する下限圧力Ｐi_minとの間の差で与えられる。すなわち、以下の式（１）及び式（２）を満たすように、密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の設定圧力Ｐsetを定める。
Ｐset≧Ｐ0＋ΔＰ(0-i_min) （１）
ΔＰ(0-i_min)＝Ｐ0−Ｐi_min （２）
そうすると、気体の状態方程式から、図１２の点線に示されるように、密閉筐体１１の内部空間１９の温度Ｔiに応じて、密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の圧力Ｐiは変化する。周囲気圧Ｐ0において電力変換装置１０に部分放電が発生しないように電力変換装置１０の絶縁設計を行うことによって、密閉筐体１１の使用温度範囲の下限温度Ｔi_minにおいて電力変換装置１０に部分放電が発生することが確実に防止され得る。このような電力変換装置１０の絶縁設計は、例えば、周囲気圧Ｐ0において電力変換装置１０のうち互いに異なる電圧を有する二つの部材間の絶縁距離を設定することによって可能である。こうして、航空機（例えば、電動航空機１）が高い高度を飛行している間に、電力変換装置１０に部分放電が発生することが確実に防止され得る。
ΔＰ(0-i_min)＝Ｐ0−Ｐi_min （２）
そうすると、気体の状態方程式から、図１２の点線に示されるように、密閉筐体１１の内部空間１９の温度Ｔiに応じて、密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の圧力Ｐiは変化する。周囲気圧Ｐ0において電力変換装置１０に部分放電が発生しないように電力変換装置１０の絶縁設計を行うことによって、密閉筐体１１の使用温度範囲の下限温度Ｔi_minにおいて電力変換装置１０に部分放電が発生することが確実に防止され得る。このような電力変換装置１０の絶縁設計は、例えば、周囲気圧Ｐ0において電力変換装置１０のうち互いに異なる電圧を有する二つの部材間の絶縁距離を設定することによって可能である。こうして、航空機（例えば、電動航空機１）が高い高度を飛行している間に、電力変換装置１０に部分放電が発生することが確実に防止され得る。
なお、密閉筐体１１は、密閉筐体１１の使用温度範囲の上限温度Ｔi_maxにおける乾燥ガス５５の圧力Ｐi_max2に耐えられる機械的強度を有している。
本実施の形態の電力変換装置１０、航空機（例えば、電動航空機１）用電力システム（電力システム５）及び電力変換装置１０の制御方法の効果を説明する。
本実施の形態の電力変換装置１０は、密閉筐体１１と、パワー半導体モジュール２１と、乾燥ガス５５とを備える。密閉筐体１１は、ガス入口弁１５と、ガス出口弁１６とを含む。パワー半導体モジュール２１は、密閉筐体１１の内部空間１９に配置されている。乾燥ガス５５は、密閉筐体１１の内部空間１９を満たす。
密閉筐体１１の内部空間１９は、乾燥ガス５５で満たされている。そのため、高い高度を飛行中の航空機（例えば、電動航空機１）のようなより高湿度の環境下においても、密閉筐体１１の内部空間１９の湿度は低く保たれる。密閉筐体１１の内部空間１９に配置されているパワー半導体モジュール２１に結露が発生することが防止される。結露に起因してパワー半導体モジュール２１に絶縁不良、エレクトロマイクレーション及び腐食が発生することが防止され得る。また、高い高度を飛行中の航空機のようなより低気圧の環境下においても、密閉筐体１１の内部空間１９の圧力は高く保たれる。そのため、パワー半導体モジュール２１の放電開始電圧の低下が防止されて、パワー半導体モジュール２１に部分放電が発生することが防止され得る。こうして、電力変換装置１０は、より低気圧かつより高湿度の環境下において使用され得る。
パワー半導体モジュール２１の誤動作または故障のため、パワー半導体モジュール２１の温度が急激に上昇して、密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の圧力が急激に上昇することがある。密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の圧力が急激に上昇すると、ガス出口弁１６は開放されて、乾燥ガス５５は密閉筐体１１の外部に排出されて、密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の圧力が低下する。こうして、パワー半導体モジュール２１の誤動作または故障時に、ガス出口弁１６は、密閉筐体１１が破壊されることを防止する。
本実施の形態の電力変換装置１０では、密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の圧力（設定Ｐset）は、乾燥ガス５５が密閉筐体１１の内部空間１９に注入される際の密閉筐体１１の外部の周囲気圧Ｐ0より大きい。
密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の圧力が相対的に高いため、電力変換装置１０に部分放電が発生することが防止され得る。電力変換装置１０は、より低気圧かつより高湿度の環境下において使用され得る。また、電力変換装置１０の使用中において密閉筐体１１内の圧力は周囲気圧Ｐ0以上であることを前提として、電力変換装置１０の絶縁設計を行うことができる。そのため、電力変換装置１０を構成する部品間の絶縁距離は減少する。電力変換装置１０は小型化される。電力変換装置１０の寄生インダクタンス及び寄生抵抗が減少して、電力変換装置１０の電力変換効率が向上する。
本実施の形態の電力変換装置１０では、密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の圧力（設定Ｐset）は、周囲気圧Ｐ0と差圧ΔＰ(0-i_min)との和に等しい、または、当該和より大きい。差圧ΔＰ(0-i_min)は、周囲気圧Ｐ0と、乾燥ガス５５が密閉筐体１１の内部空間１９に注入される際の密閉筐体１１の外部の周囲温度Ｔ0において周囲気圧Ｐ0を有する乾燥ガス５５が電力変換装置１０の使用温度範囲の下限温度Ｔi_minにおいて有する下限圧力Ｐi_minとの間の差で与えられる。
密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の圧力が相対的に高いため、電力変換装置１０に部分放電が発生することが防止され得る。電力変換装置１０は、より低気圧かつより高湿度の環境下において使用され得る。また、電力変換装置１０の使用中において密閉筐体１１内の圧力は周囲気圧Ｐ0以上であることを前提として、電力変換装置１０の絶縁設計を行うことができる。そのため、電力変換装置１０を構成する部品間の絶縁距離は減少する。電力変換装置１０は小型化される。電力変換装置１０の寄生インダクタンス及び寄生抵抗が減少して、電力変換装置１０の電力変換効率が向上する。
本実施の形態の電力変換装置１０は、航空機（例えば、電動航空機１）に搭載されている。航空機が動いている間、ガス入口弁１５とガス出口弁１６とは閉塞されたままである。
そのため、航空機（例えば、電動航空機１）が飛行している間に電力変換装置１０がより低気圧かつより高湿度の環境下にあっても、パワー半導体モジュール２１に絶縁不良、エレクトロマイクレーション、腐食及び部分放電が発生することが防止され得る。電力変換装置１０は、より低気圧かつより高湿度の環境下において使用され得る。
本実施の形態の電力変換装置１０は、ガス入口弁１５またはガス出口弁１６の少なくとも一つを制御する弁コントローラ８１をさらに備える。弁コントローラ８１は、航空機（例えば、電動航空機１）が停止している間のみ、ガス入口弁１５またはガス出口弁１６の少なくとも一つを開放する。
そのため、航空機（例えば、電動航空機１）が停止している間に、密閉筐体１１の内部空間１９に乾燥ガス５５を注入すること、または、密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の圧力もしくは湿度を調整することができる。
本実施の形態の電力変換装置１０では、密閉筐体１１の内部空間１９に結露が発生することを許容する温度範囲の最大温度における乾燥ガス５５に含まれる水蒸気の分圧は、当該最大温度における飽和水蒸気圧以下である。
そのため、パワー半導体モジュール２１に絶縁不良、エレクトロマイクレーション及び腐食が発生することが一層防止され得る。電力変換装置１０は、より低気圧かつより高湿度の環境下において使用され得る。
本実施の形態の電力変換装置１０では、乾燥ガス５５は、乾燥空気、乾燥窒素ガス、または、乾燥空気と乾燥窒素ガスとの混合ガスである。
そのため、パワー半導体モジュール２１に絶縁不良、エレクトロマイクレーション、腐食及び部分放電が発生することが防止され得る。電力変換装置１０は、より低気圧かつより高湿度の環境下において使用され得る。また、乾燥ガス５５として、乾燥窒素ガス、または、乾燥空気と乾燥窒素ガスとの混合ガスを用いる場合には、電力変換装置１０の誤動作または故障時に、パワー半導体モジュール２１が燃えることが防止され得る。
本実施の形態の航空機用電力システム（電力システム５）は、電源６と、電源６に電気的に接続されている本実施の形態の電力変換装置１０とを備える。
そのため、パワー半導体モジュール２１に絶縁不良、エレクトロマイクレーション、腐食及び部分放電が発生することが防止され得る。航空機用電力システムは、より低気圧かつより高湿度の環境下において使用され得る。
本実施の形態の電力変換装置の制御方法は、電力変換装置１０の制御方法である。電力変換装置１０は航空機（例えば、電動航空機１）に搭載されている。本実施の形態の電力変換装置１０の制御方法は、航空機が動いている間、ガス入口弁１５とガス出口弁１６とを閉塞することを備える。
そのため、航空機（例えば、電動航空機１）が飛行している間に電力変換装置１０がより低気圧かつより高湿度の環境下にあっても、パワー半導体モジュール２１に絶縁不良、エレクトロマイクレーション、腐食及び部分放電が発生することが防止され得る。本実施の形態の電力変換装置の制御方法は、飛行中の航空機のようなより低気圧かつより高湿度の環境下において、電力変換装置１０を使用することを可能にする。
本実施の形態の電力変換装置の制御方法は、航空機（例えば、電動航空機１）が停止している間のみ、ガス入口弁１５またはガス出口弁１６の少なくとも一つを開放することをさらに備える。
そのため、航空機（例えば、電動航空機１）が停止している間に、密閉筐体１１の内部空間１９に乾燥ガス５５を注入すること、または、密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の圧力もしくは湿度を調整することができる。本実施の形態の電力変換装置の制御方法は、飛行中の航空機の機体の内部のような、より低気圧かつより高湿度の環境下において、電力変換装置１０を使用することを可能にする。
実施の形態２．
図１３を参照して、実施の形態２の電力変換装置１０ｂを説明する。本実施の形態の電力変換装置１０ｂは、実施の形態１の電力変換装置１０と同様の構成を備えるが、以下の点で主に異なる。
図１３を参照して、実施の形態２の電力変換装置１０ｂを説明する。本実施の形態の電力変換装置１０ｂは、実施の形態１の電力変換装置１０と同様の構成を備えるが、以下の点で主に異なる。
電力変換装置１０ｂでは、バスバー５０は、密閉筐体１１の壁（例えば、側壁１３）の内部において屈曲している。特定的には、バスバー５０は、密閉筐体１１の壁（例えば、側壁１３）の内部において蛇行してもよい。バスバー５２も、バスバー５０と同様に、密閉筐体１１の壁（例えば、側壁１３）の内部において屈曲または蛇行してもよい。密閉筐体１１が樹脂で形成されている場合には、インサート成形法を用いて、屈曲または蛇行するバスバー５０，５２を密閉筐体１１に設けることができる。
図１４を参照して、本実施の形態の第１変形例の電力変換装置１０ｃでは、密閉筐体１１は、密閉筐体１１の壁（例えば、側壁１３）から突出する少なくとも一つの突出部１３ａ，１３ｂをさらに含む。特定的には、密閉筐体１１は、密閉筐体１１の壁（例えば、側壁１３）から突出する突出部１３ａ及び突出部１３ｂをさらに含む。突出部１３ａは、密閉筐体１１の壁（例えば、側壁１３）から密閉筐体１１の内部空間１９に向けて突出している。突出部１３ｂは、密閉筐体１１の壁（例えば、側壁１３）から密閉筐体１１の外部に向けて突出している。バスバー５０は、密閉筐体１１の壁（例えば、側壁１３）と少なくとも一つの突出部１３ａ，１３ｂとを貫通している。バスバー５２も、バスバー５０と同様に、密閉筐体１１の壁（例えば、側壁１３）と少なくとも一つの突出部１３ａ，１３ｂとを貫通してもよい。
図１５を参照して、本実施の形態の第２変形例の電力変換装置１０ｄは、封止樹脂部材７０をさらに備える。封止樹脂部材７０は、例えば、シリコーン樹脂で形成されている。封止樹脂部材７０は、密閉筐体１１の壁（例えば、側壁１３）とバスバー５０とを連続的に覆っている。具体的には、封止樹脂部材７０は、密閉筐体１１の壁（例えば、側壁１３）とバスバー５０の根元部分とを覆っている。バスバー５０の根元部分は、密閉筐体１１の壁（例えば、側壁１３）から内部空間１９に突出するバスバー５０の突出部のうち、密閉筐体１１の壁（例えば、側壁１３）に近位する部分である。封止樹脂部材７０は、さらに、密閉筐体１１の壁（例えば、側壁１３）とバスバー５２とを連続的に覆ってもよい。
本実施の形態の電力変換装置１０ｂ，１０ｃ，１０ｄは、実施の形態１の電力変換装置１０の効果に加えて、以下の効果をさらに奏する。
本実施の形態の電力変換装置１０ｂは、バスバー５０，５２をさらに備える。密閉筐体１１は、密閉筐体１１の内部空間１９を規定する壁（例えば、側壁１３）を含む。バスバー５０，５２は、壁（例えば、側壁１３）を貫通しており、かつ、壁（例えば、側壁１３）の内部において屈曲している。
バスバー５０，５２の屈曲部は、密閉筐体１１の壁（例えば、側壁１３）に対するアンカーとして機能する。また、バスバー５０，５２は密閉筐体１１により広い面積で接合される。そのため、密閉筐体１１とバスバー５０，５２との間の接合強度が増加する。乾燥ガス５５が、密閉筐体１１の内部空間１９から密閉筐体１１の外部に漏れ出すことを防止することができる。そのため、密閉筐体１１の内部空間１９の乾燥ガス５５の相対的に高い圧力を維持することができる。パワー半導体モジュール２１に部分放電が発生することが防止され得る。電力変換装置１０ｂは、より低気圧かつより高湿度の環境下において使用され得る。
本実施の形態の電力変換装置１０ｃは、バスバー５０，５２をさらに備える。密閉筐体１１は、密閉筐体１１の内部空間１９を規定する壁（例えば、側壁１３）と、壁（例えば、側壁１３）から突出する少なくとも一つの突出部１３ａ，１３ｂとを含む。バスバー５０，５２は、壁と少なくとも一つの突出部１３ａ，１３ｂとを貫通している。
バスバー５０，５２は密閉筐体１１により広い面積で接合されるため、密閉筐体１１とバスバー５０，５２との間の接合強度が増加する。乾燥ガス５５が、密閉筐体１１の内部空間１９から密閉筐体１１の外部に漏れ出すことを防止することができる。そのため、密閉筐体１１の内部空間１９の乾燥ガス５５の相対的に高い圧力を維持することができる。パワー半導体モジュール２１に部分放電が発生することが防止され得る。電力変換装置１０ｃは、より低気圧かつより高湿度の環境下において使用され得る。
本実施の形態の電力変換装置１０ｄは、バスバー５０，５２と、封止樹脂部材７０とをさらに備える。密閉筐体１１は、密閉筐体１１の内部空間１９を規定する壁（例えば、側壁１３）を含む。バスバー５０，５２は、壁（例えば、側壁１３）を貫通している。封止樹脂部材７０は、壁（例えば、側壁１３）とバスバー５０，５２とを連続的に覆っている。
封止樹脂部材７０は、乾燥ガス５５が密閉筐体１１の内部空間１９から密閉筐体１１の外部に漏れ出すことを防止することができる。そのため、密閉筐体１１の内部空間１９の乾燥ガス５５の相対的に高い圧力を維持することができる。パワー半導体モジュール２１に部分放電が発生することが防止され得る。電力変換装置１０ｄは、より低気圧かつより高湿度の環境下において使用され得る。
実施の形態３．
図１６を参照して、実施の形態３の電力変換装置１０ｅを説明する。本実施の形態の電力変換装置１０ｅは、実施の形態１の電力変換装置１０と同様の構成を備えるが、以下の点で主に異なる。
図１６を参照して、実施の形態３の電力変換装置１０ｅを説明する。本実施の形態の電力変換装置１０ｅは、実施の形態１の電力変換装置１０と同様の構成を備えるが、以下の点で主に異なる。
電力変換装置１０ｅでは、ガス出口弁１６の管６５は、密閉筐体１１の内部空間１９において、屈曲している。例えば、管６５は、管６５の長手方向において、６０°以上１２０°以下の角度で屈曲している。特定的には、管６５は、管６５の長手方向において、８０°以上１００°以下の角度で屈曲している。管６５の入口６５ａは、密閉筐体１１の底壁１２または頂壁１４に面してもよい。
図１７を参照して、本実施の形態の変形例の電力変換装置１０ｆでは、ガス出口弁１６は、管６５内に配置されている通気フィルタ７２をさらに含む。通気フィルタ７２は、乾燥ガス５５または空気のようなガスを通過させるが、パワー半導体モジュール２１の構成部品の破片が管６５を通過することを阻止する。通気フィルタ７２として、例えば、高分子多孔質膜またはセラミック多孔質膜が使用され得る。
本実施の形態の電力変換装置１０ｅ，１０ｆは、実施の形態１の電力変換装置１０の効果に加えて、以下の効果をさらに奏する。
本実施の形態の電力変換装置１０ｅでは、ガス出口弁１６は、管６５と、蓋６８とを含む。管６５は、密閉筐体１１の内部空間１９に配置されている入口６５ａと、密閉筐体１１の外部に配置されている出口６５ｂとを含む。蓋６８は出口６５ｂを開閉可能である。管６５は、密閉筐体１１の内部空間１９において、屈曲している。
そのため、電力変換装置１０ｅの動作中にパワー半導体モジュール２１の構成部品が壊れても、密閉筐体１１の内部空間１９において屈曲された管６５は、パワー半導体モジュール２１の構成部品の破片が電力変換装置１０ｅの外部に飛散することを防止することができる。
本実施の形態の電力変換装置１０ｆでは、ガス出口弁１６は、管６５と、蓋６８と、管６５内に配置されている通気フィルタ７２とを含む。管６５は、密閉筐体１１の内部空間１９に配置されている入口６５ａと、密閉筐体１１の外部に配置されている出口６５ｂとを含む。蓋６８は、出口６５ｂを開閉可能である。
そのため、電力変換装置１０ｅの動作中にパワー半導体モジュール２１の構成部品が壊れても、通気フィルタ７２は、パワー半導体モジュール２１の構成部品の破片が電力変換装置１０ｅの外部に飛散することを防止することができる。
実施の形態４．
図１８及び図１９を参照して、実施の形態４の電力変換装置１０ｇを説明する。本実施の形態の電力変換装置１０ｇは、実施の形態１の電力変換装置１０と同様の構成を備えるが、以下の点で主に異なる。
図１８及び図１９を参照して、実施の形態４の電力変換装置１０ｇを説明する。本実施の形態の電力変換装置１０ｇは、実施の形態１の電力変換装置１０と同様の構成を備えるが、以下の点で主に異なる。
電力変換装置１０ｇは、密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の温度または湿度の少なくとも一つを測定し得るセンサをさらに備える。具体的には、電力変換装置１０ｇは、温度センサ７５と、湿度センサ７６とを備える。温度センサ７５は、密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の温度を測定し得る。湿度センサ７６は、密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の湿度を測定し得る。電力変換装置１０ｇは、密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の圧力を測定し得る圧力センサ７７をさらに備えてもよい。温度センサ７５、湿度センサ７６及び圧力センサ７７は、密閉筐体１１の内部空間１９に配置されている。具体的には、温度センサ７５、湿度センサ７６及び圧力センサ７７は、密閉筐体１１の内部空間１９を規定する壁（例えば、頂壁１４）の内表面に取り付けられている。
図１９を参照して、電力変換装置１０ｇでは、コントローラ８０は、予寿命予測器８３と、メモリ８４とをさらに含む。予寿命予測器８３は、例えば、パワー半導体モジュール２１の予寿命を予測する電気回路、または、パワー半導体モジュール２１の予寿命を予測するようにプログラムされた半導体プロセッサである。メモリ８４は、例えば、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスクまたはソリッドステートドライブ（ＳＳＤ）などである。
一例では、予寿命予測器８３は、温度センサ７５によって測定された密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の温度の経時変化から、パワー半導体モジュール２１の予寿命を予測する。モータ３ａ（図１を参照）の回転数が増加または減少すると、パワー半導体モジュール２１で発生する熱の量も増加または減少して、パワー半導体モジュール２１の温度も上昇または下降する。パワー半導体モジュール２１に繰り返し温度サイクルが印加されると、パワー半導体モジュール２１を構成する構成部品間の熱膨張係数の差に起因して、パワー半導体モジュール２１は次第に劣化する。事前にパワー半導体モジュール２１について温度サイクル試験を行い、温度サイクル試験の結果をメモリ８４に格納する。
予寿命予測器８３は、メモリ８４に格納されている温度サイクル試験の結果を参照して、温度センサ７５によって測定された密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の温度の経時変化から、パワー半導体モジュール２１の予寿命を予測する。予寿命予測器８３は、予測されたパワー半導体モジュール２１の予寿命を、メモリ８４または液晶表示装置のような画像表示装置（図示せず）などに出力する。
別の例では、予寿命予測器８３は、温度センサ７５によって測定された密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の温度の経時変化と湿度センサ７６によって測定された密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の湿度の経時変化とから、パワー半導体モジュール２１の予寿命を予測する。上記のとおり、パワー半導体モジュール２１に繰り返し温度サイクルが印加されると、パワー半導体モジュール２１は次第に劣化する。また、パワー半導体モジュール２１のまわりの雰囲気の湿度が増加すると、パワー半導体素子２６ａ，２６ｂ（図５を参照）のリーク電流が増加する、または、パワー半導体モジュール２１にエレクトロマイグレーションが発生するため、パワー半導体モジュール２１は次第に劣化する。事前にパワー半導体モジュール２１について温度湿度バイアス（ＴＨＢ）試験を行い、ＴＨＢ試験の結果をメモリ８４に格納する。
予寿命予測器８３は、メモリ８４に格納されているＴＨＢ試験の結果を参照して、温度センサ７５によって測定された密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の温度の経時変化と湿度センサ７６によって測定された密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の湿度の経時変化とから、パワー半導体モジュール２１の予寿命を予測する。予寿命予測器８３は、予測されたパワー半導体モジュール２１の予寿命を、メモリ８４または液晶表示装置のような画像表示装置（図示せず）などに出力する。
本実施の形態の電力変換装置１０ｇは、実施の形態１の電力変換装置１０の効果に加えて、以下の効果をさらに奏する。
本実施の形態の電力変換装置１０ｇは、密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の温度または湿度の少なくとも一つを測定し得るセンサ（例えば、温度センサ７５または湿度センサ７６）をさらに備える。密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の状態をモニタすることができるため、電力変換装置１０ｇのメンテナンスが容易になる。
本実施の形態の電力変換装置１０ｇは、予寿命予測器８３をさらに備える。センサは、密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の温度を測定し得る温度センサ７５を含む。予寿命予測器８３は、温度センサ７５によって測定された密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の温度の経時変化から、パワー半導体モジュール２１の予寿命を予測する。そのため、パワー半導体モジュール２１のメンテナンス時期または交換時期を予測することができる。
本実施の形態の電力変換装置１０ｇは、予寿命予測器８３をさらに備える。センサは、密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の温度を測定し得る温度センサ７５と、密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の湿度を測定し得る湿度センサ７６を含む。予寿命予測器８３は、温度センサ７５によって測定された密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の温度の経時変化と湿度センサ７６によって測定された密閉筐体１１内の乾燥ガス５５の湿度の経時変化とから、パワー半導体モジュール２１の予寿命を予測する。そのため、パワー半導体モジュール２１のメンテナンス時期または交換時期を予測することができる。
実施の形態５．
図２０を参照して、実施の形態５の電力変換装置１０ｈを説明する。本実施の形態の電力変換装置１０ｈは、実施の形態１の電力変換装置１０と同様の構成を備えるが、以下の点で主に異なる。
図２０を参照して、実施の形態５の電力変換装置１０ｈを説明する。本実施の形態の電力変換装置１０ｈは、実施の形態１の電力変換装置１０と同様の構成を備えるが、以下の点で主に異なる。
電力変換装置１０ｈでは、密閉筐体１１は、密閉筐体１１の内部空間１９を規定する壁（例えば、頂壁１４）の一部として、透明壁８５を含む。透明壁８５は、制御回路基板４５または熱伝導層３８の少なくとも一つを密閉筐体１１の外部から視認可能にする。透明壁８５は、さらに、パワー半導体モジュール２１及びコンデンサ４０を密閉筐体１１の外部から視認可能にしてもよい。透明壁８５は、密閉筐体１１の内部空間１９に配置されている部品を密閉筐体１１の外部から視認可能にするものであればよく、半透明壁を含む。透明壁８５は、例えば、アクリル樹脂またはポリカーボネート樹脂のような透明樹脂で形成されている。
本実施の形態の電力変換装置１０ｈは、実施の形態１の電力変換装置１０の効果に加えて、以下の効果をさらに奏する。
本実施の形態の電力変換装置１０ｈは、制御回路基板４５または熱伝導層３８の少なくとも一つをさらに備える。制御回路基板４５は、パワー半導体モジュール２１に電気的に接続されている。熱伝導層３８は、パワー半導体モジュール２１と密閉筐体１１との間に配置されている。密閉筐体１１は、制御回路基板４５または熱伝導層３８の少なくとも一つを密閉筐体１１の外部から視認可能にする透明壁８５を含む。
そのため、制御回路基板４５または熱伝導層３８の少なくとも一つに含まれる初期不良を、透明壁８５を通して電力変換装置１０ｈの外部から目視で発見することができる。透明壁８５は、電力変換装置１０ｈの初期不良の発見を容易にする。電力変換装置１０ｈのメンテナンスの際に、制御回路基板４５または熱伝導層３８の少なくとも一つを、透明壁８５を通して電力変換装置１０ｈの外部から目視で検査することができる。透明壁８５は、電力変換装置１０ｈのメンテナンスを容易にする。
実施の形態１−５及びそれらの変形例の電力変換装置１０，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ，１０ｇ，１０ｈの構造は、ＤＣコンバータ７にも適用され得る。今回開示された実施の形態１−５及びそれらの変形例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。矛盾のない限り、今回開示された実施の形態１−５及びそれらの変形例の少なくとも２つを組み合わせてもよい。本開示の範囲は、上記した説明ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。
１ 電動航空機、２ 機体、３ 電動エンジン、３ａ モータ、３ｂ ファン、４ 飛行制御装置、５ 電力システム、６ 電源、７ ＤＣコンバータ、１０，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ，１０ｇ，１０ｈ 電力変換装置、１１ 密閉筐体、１２ 底壁、１３ 側壁、１３ａ，１３ｂ 突出部、１４ 頂壁、１５ ガス入口弁、１６ ガス出口弁、１７，１８ キャップ、１９ 内部空間、２１ パワー半導体モジュール、２２ 絶縁基板、２３ 絶縁層、２４ 導電回路パターン、２４ａ 第１導電回路パターン部分、２４ｂ 第２導電回路パターン部分、２５ ベース板、２６ａ，２６ｂ パワー半導体素子、２８ａ，２８ｂ 導電接合部材、３０ ケース、３１ 入力端子、３２ 出力端子、３３，３４，３５ 導電ワイヤ、３６ 封止部材、３８ 熱伝導層、３９，５１，５３ 固定部材、４０ コンデンサ、４５ 制御回路基板、４６ コネクタ、４７ 信号線、５０，５２ バスバー、５５ 乾燥ガス、６０，６５ 管、６０ａ，６５ａ 入口、６０ｂ，６５ｂ 出口、６１，６６ 柱、６２，６７ ばね、６３，６８ 蓋、７０ 封止樹脂部材、７２ 通気フィルタ、７５ 温度センサ、７６ 湿度センサ、７７ 圧力センサ、８０ コントローラ、８１ 弁コントローラ、８２ キャップコントローラ、８３ 予寿命予測器、８４ メモリ、８５ 透明壁。
Claims (20)
- 航空機用の電力変換装置であって、前記電力変換装置は、
ガス入口弁とガス出口弁とを含む密閉筐体と、
前記密閉筐体の内部空間に配置されているパワー半導体モジュールと、
前記密閉筐体の前記内部空間を満たす乾燥ガスとを備える、電力変換装置。 - ガス入口弁とガス出口弁とを含む密閉筐体と、
前記密閉筐体の内部空間に配置されているパワー半導体モジュールと、
前記密閉筐体の前記内部空間を満たす乾燥ガスとを備える電力変換装置であって、
前記電力変換装置は航空機に搭載されており、
前記航空機が動いている間、前記ガス入口弁と前記ガス出口弁とは閉塞されたままである、電力変換装置。 - 前記密閉筐体内の前記乾燥ガスの圧力は、前記乾燥ガスが前記密閉筐体の前記内部空間に注入される際の前記密閉筐体の外部の周囲気圧より大きい、請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
- 前記密閉筐体内の前記乾燥ガスの前記圧力は、前記周囲気圧と差圧との和に等しいまたは前記和より大きく、
前記差圧は、前記周囲気圧と、前記乾燥ガスが前記密閉筐体の前記内部空間に注入される際の前記密閉筐体の外部の周囲温度において前記周囲気圧を有する前記乾燥ガスが前記電力変換装置の使用温度範囲の下限温度において有する下限圧力との間の差で与えられる、請求項３に記載の電力変換装置。 - 前記密閉筐体の前記内部空間に結露が発生することを許容する温度範囲の最大温度における前記乾燥ガスに含まれる水蒸気の分圧は、前記最大温度における飽和水蒸気圧以下である、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
- 前記乾燥ガスは、乾燥空気、乾燥窒素ガス、または、乾燥空気と乾燥窒素ガスとの混合ガスである、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の電力変換装置。
- 前記航空機が動いている間、前記ガス入口弁と前記ガス出口弁とは閉塞されたままである、請求項１、請求項３から請求項６のいずれか一項に記載の電力変換装置。
- 前記ガス入口弁または前記ガス出口弁の少なくとも一つを制御する弁コントローラをさらに備え、
前記弁コントローラは、前記航空機が停止している間のみ、前記ガス入口弁または前記ガス出口弁の少なくとも一つを開放する、請求項２または請求項７に記載の電力変換装置。 - バスバーをさらに備え、
前記密閉筐体は、前記密閉筐体の前記内部空間を規定する壁を含み、
前記バスバーは、前記壁を貫通しており、かつ、前記壁の内部において屈曲している、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の電力変換装置。 - バスバーをさらに備え、
前記密閉筐体は、前記密閉筐体の前記内部空間を規定する壁と、前記壁から突出する少なくとも一つの突出部とを含み、
前記バスバーは、前記壁と前記少なくとも一つの突出部とを貫通している、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の電力変換装置。 - バスバーと、
封止樹脂部材とをさらに備え、
前記密閉筐体は、前記密閉筐体の前記内部空間を規定する壁を含み、
前記バスバーは、前記壁を貫通しており、
前記封止樹脂部材は、前記壁と前記バスバーとを連続的に覆っている、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の電力変換装置。 - 前記ガス出口弁は、管と、蓋とを含み、
前記管は、前記密閉筐体の前記内部空間に配置されている入口と、前記密閉筐体の外部に配置されている出口とを含み、
前記蓋は前記出口を開閉可能であり、
前記管は、前記密閉筐体の前記内部空間において、屈曲している、請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の電力変換装置。 - 前記ガス出口弁は、管と、蓋と、前記管内に配置されている通気フィルタとを含み、
前記管は、前記密閉筐体の前記内部空間に配置されている入口と、前記密閉筐体の外部に配置されている出口とを含み、
前記蓋は前記出口を開閉可能である、請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の電力変換装置。 - 前記密閉筐体内の前記乾燥ガスの温度または湿度の少なくとも一つを測定し得るセンサをさらに備える、請求項１から請求項１３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
- 予寿命予測器をさらに備え、
前記センサは、前記密閉筐体内の前記乾燥ガスの前記温度を測定し得る温度センサを含み、
前記予寿命予測器は、前記温度センサによって測定された前記密閉筐体内の前記乾燥ガスの前記温度の経時変化から、前記パワー半導体モジュールの予寿命を予測する、請求項１４に記載の電力変換装置。 - 予寿命予測器をさらに備え、
前記センサは、前記密閉筐体内の前記乾燥ガスの前記温度を測定し得る温度センサと、前記密閉筐体内の前記乾燥ガスの前記湿度を測定し得る湿度センサを含み、
前記予寿命予測器は、前記温度センサによって測定された前記密閉筐体内の前記乾燥ガスの前記温度の経時変化と前記湿度センサによって測定された前記密閉筐体内の前記乾燥ガスの前記湿度の経時変化とから、前記パワー半導体モジュールの予寿命を予測する、請求項１４に記載の電力変換装置。 - 制御回路基板または熱伝導層の少なくとも一つをさらに備え、
前記制御回路基板は、前記パワー半導体モジュールに電気的に接続されており、
前記熱伝導層は、前記パワー半導体モジュールと前記密閉筐体との間に配置されており、
前記密閉筐体は、前記制御回路基板または前記熱伝導層の前記少なくとも一つを前記密閉筐体の外部から視認可能にする透明壁を含む、請求項１から請求項１６のいずれか一項に記載の電力変換装置。 - 電源と、
前記電源に電気的に接続されている請求項１から請求項１７のいずれか一項に記載の前記電力変換装置とを備える、航空機用電力システム。 - 電力変換装置の制御方法であって、
前記電力変換装置は、請求項１から請求項１７のいずれか一項に記載の前記電力変換装置であり、
前記航空機が動いている間、前記ガス入口弁と前記ガス出口弁とを閉塞されたままにすることを備える、電力変換装置の制御方法。 - 前記航空機が停止している間のみ、前記ガス入口弁または前記ガス出口弁の少なくとも一つを開放することをさらに備える、請求項１９に記載の電力変換装置の制御方法。
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