特開 2024-39558 電力変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024039558

(43)【公開日】2024-03-22

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20240314BHJP

   H02M 7/12 20060101ALI20240314BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 M

H02M7/48 F

H02M7/12 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022144204

(22)【出願日】2022-09-09

(71)【出願人】

【識別番号】502129933

【氏名又は名称】株式会社日立産機システム

(74)【代理人】

【識別番号】110001689

【氏名又は名称】青稜弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】松元 大輔

(72)【発明者】

【氏名】田邉 啓輔

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 史宏

(72)【発明者】

【氏名】松永 俊祐

【テーマコード（参考）】

5H006

5H770

【Ｆターム（参考）】

5H006AA05

5H006BB05

5H006CA01

5H006CB01

5H006CB08

5H006DA04

5H006DC05

5H770AA17

5H770BA01

5H770CA02

5H770DA03

5H770DA41

5H770EA01

5H770EA25

5H770GA19

5H770HA02Y

5H770HA03W

5H770QA05

5H770QA06

5H770QA08

5H770QA27

(57)【要約】

【課題】
インバータ回路を構成するスイッチング素子とダイオードの損傷を平準化でき、装置全体の寿命を向上できる電力変換装置を提供する。
【解決手段】
直流の一次側電圧を出力するコンバータ回路と、コンバータ回路を制御するコンバータ制御器と、パワースイッチングデバイスとダイオードを有し一次側電圧を所定の交流電圧に変換するインバータ回路と、インバータ回路を制御するインバータ制御部を有する電力変換装置であって、インバータ制御部は、パワースイッチングデバイスとダイオードの損傷を算出し、パワースイッチングデバイスとダイオードの損傷が平準化するように直流電圧指令を演算し、コンバータ制御部は、直流電圧指令と一次側電圧との差が小さくなるようにコンバータ回路に駆動信号を送信する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

直流の一次側電圧を出力するコンバータ回路と、前記コンバータ回路を制御するコンバータ制御器と、パワースイッチングデバイスとダイオードを有し前記一次側電圧を所定の交流電圧に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路を制御するインバータ制御部を有する電力変換装置であって、
前記インバータ制御部は、前記パワースイッチングデバイスと前記ダイオードの損傷を算出し、前記パワースイッチングデバイスと前記ダイオードの損傷が平準化するように直流電圧指令を演算し、
前記コンバータ制御器は、前記直流電圧指令と前記一次側電圧との差が小さくなるように前記コンバータ回路に駆動信号を送信することを特徴とする電力変換装置。

【請求項2】

請求項１に記載の電力変換装置において、
前記インバータ制御部は、前記ダイオードの損傷が前記パワースイッチングデバイスの損傷より小さい場合、基準値よりも前記直流電圧指令を上げることで前記一次側電圧を大きくすることを特徴とする電力変換装置。

【請求項3】

請求項１に記載の電力変換装置において、
前記インバータ制御部は、前記パワースイッチングデバイスの損傷がダイオードの損傷より小さい場合、基準値よりも前記直流電圧指令を減少させることで前記一次側電圧を小さくすることを特徴とする電力変換装置。

【請求項4】

請求項１に記載の電力変換装置において、
前記インバータ制御部は、ゲート信号を算出し前記インバータ回路を制御するインバータ制御器と、前記パワースイッチングデバイスと前記ダイオードの損傷を算出する損傷演算器と、前記コンバータ制御器に前記直流電圧指令を与える直流電圧指令演算器を備え、 前記損傷演算器は、電流センサで検出した前記インバータ回路の出力電流値と前記ゲート信号のオンデューティから算出される前記パワースイッチングデバイスと前記ダイオードの損失をもとに、前記パワースイッチングデバイスと前記ダイオードの損傷を算出することを特徴とする電力変換装置。

【請求項5】

請求項１に記載の電力変換装置において、
前記インバータ制御部は、所定の運転周期で動作するテストパターン運転において、前記パワースイッチングデバイスおよび前記ダイオードの経時的な損傷量を推定し、前記損傷量から前記パワースイッチングデバイスと前記ダイオードの余寿命が平準化される前記直流電圧指令を算出することを特徴とする電力変換装置。

【請求項6】

請求項４に記載の電力変換装置において、
前記損傷演算器は、温度履歴演算部と損傷演算部を有し、
前記温度履歴演算部は、上記損失を算出し、前記パワースイッチングデバイスと前記ダイオードの前記損失と熱特性から、それぞれの温度差を演算し、
前記損傷演算部は、前記温度差を温度変化として一定期間保存し、温度履歴全体の損傷を演算し、前記パワースイッチングデバイスと前記ダイオードの損傷を算出することを特徴とする電力変換装置。

【請求項7】

請求項１に記載の電力変換装置において、
損傷が平準化される前記パワースイッチングデバイスと前記ダイオードとは逆並列に接続されていることを特徴とする電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はパワー半導体デバイスを備える電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

電力変換装置のひとつであるインバータ装置は、産業界において、製造装置、昇降装置、搬送装置等におけるモータ駆動装置として幅広く用いられている。そうした様々な用途において、インバータ装置は安定稼働が求められる。万一、インバータ装置が故障した場合は、工場の生産停止や設備の稼働停止が起こり、甚大な影響を及ぼす。

【0003】

インバータ装置は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やダイオードなどのパワー半導体デバイスで電流の通流、遮断を制御し、所望の電力変換を行う。パワー半導体デバイスは、絶縁基板上に形成された銅箔パターンなどとワイヤーボンディングやはんだで接合されており、これによってパワー半導体デバイス外部の回路と電気的に接続される。絶縁基板は金属ベース上に実装され、パワー半導体デバイスは金属ベースを介して冷却される。このように外部回路との電気的接続構造や冷却構造を備えたハウジングにパワー半導体デバイスを内蔵した部品はパワーモジュールと呼ばれる。

【0004】

パワー半導体デバイスに電流が通流または遮断する際、パワー半導体デバイスは発熱し、パワー半導体デバイスの接合部（デバイスとワイヤーボンディングとの接合部、デバイスと銅箔パターンとの接合部）とフィン（冷却構造を備えた金属ベース）間に温度差（以下、△Ｔと呼ぶ）が発生する。インバータ装置の停止時には発熱がなくなり、△Ｔは小さくなる。上記のパワー半導体デバイスの接合部は、異なる熱膨張率の材料が用いられるため、△Ｔの変動により、接合部に熱応力が加わる。一般的に、△Ｔが大きいほど、接合部は損傷が大きく故障しやすく、装置全体の故障は△Ｔの変動が最も大きいパワー半導体素子の故障で決まる。このような損傷の偏りを緩和し、装置全体の寿命を延伸したい要望がある。

【0005】

本技術分野における従来技術として特許文献１がある。特許文献１では、コンバータの駆動回路を構成するスイッチング素子およびダイオードの温度が高くなっても、素子の性能の低下、および寿命の短縮を抑制するようにした電力変換装置の制御装置を提供することを目的に記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０２１―３５１７２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献１では、入力端子と出力端子とを直結状態にする直結制御を行うと判定した場合であっても、正極側の素子温度が、判定温度を上回っている場合は、正極側のスイッチング素子及び負極側のスイッチング素子をオンオフ周期でオンオフ制御する昇圧制御を実行し、正極側の素子温度が判定温度以下の場合は、正極側のスイッチング素子をオフにする電力変換装置であるが、ダイオードの温度が考慮されていない。そのため、ダイオードが原因で、装置が破壊する恐れがある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明は、その一例を挙げるならば、直流の一次側電圧を出力するコンバータ回路と、コンバータ回路を制御するコンバータ制御器と、パワースイッチングデバイスとダイオードを有し一次側電圧を所定の交流電圧に変換するインバータ回路と、インバータ回路を制御するインバータ制御部を有する電力変換装置であって、インバータ制御部は、パワースイッチングデバイスとダイオードの損傷を算出し、パワースイッチングデバイスとダイオードの損傷が平準化するように直流電圧指令を演算し、コンバータ制御部は、直流電圧指令と一次側電圧との差が小さくなるようにコンバータ回路に駆動信号を送信する。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、インバータ回路を構成するスイッチング素子とダイオードの損傷を平準化でき、装置全体の寿命を向上できる電力変換装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施例１における電力変換装置の構成図である。

【図2】実施例１における電力変換装置のパワーモジュールの斜視図である。

【図3】実施例１における電力変換装置のパワーモジュールの断面図である。

【図4】実施例１における損傷演算器の構成図である。

【図5】実施例１における電力変換装置のＩＧＢＴのコレクタエミッタ間電圧－コレクタ電流特性を示す図である。

【図6】実施例１における電力変換装置のＩＧＢＴの単パルススイッチング損失－コレクタ電流特性を示す図である。

【図7】実施例１における電力変換装置のダイオードの順方向電圧－順方向電流特性を示す図である。

【図8】実施例１における電力変換装置のダイオードの単パルスリカバリ損失－順方向電流特性を示す図である。

【図9】実施例１における電力変換装置のＩＧＢＴの熱インピーダンス－時間特性を示す図である。

【図10】実施例１における電力変換装置のダイオードの熱インピーダンス－時間特性を示す図である。

【図11】実施例１における電力変換装置のパワー半導体素子のライフサイクル－温度振幅特性を示す図である。

【図12】実施例１における半導体素子の損傷、寿命、直流電圧、オンデューティの関係を示す図である。

【図13】実施例１における半導体素子の温度、直流電圧の基準値、指令値、取得値の関係を示す図である。

【図14】実施例２におけるＩＧＢＴとダイオードの損傷を平準化する処理フローチャートである。

【図15】実施例２におけるテストパターン運転と半導体素子の損傷、直流電圧の関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の実施例について、図面を用いて説明する。

【実施例0012】

図１は、本実施例における電力変換装置の構成図である。図１において、電力変換装置１００は、コンバータ回路１０１と、インバータ回路１０２と、コンデンサ１０３と、直流電圧センサ１０４と、電流センサ１０５と、コンバータ制御器１０６と、直流電圧指令演算器１０７と、インバータ制御器１０８と、損傷演算器１０９とを備える。なお、コンバータ制御器１０６、直流電圧指令演算器１０７、インバータ制御器１０８、損傷演算器１０９は、ハードウェアイメージとしては、一般的なＣＰＵとメモリとドライバ等の一部の電子部品で構成され、ＣＰＵがそれぞれの機能を実現する動作プログラムを解釈して実行するソフトウェア処理により、以下に説明する各種機能を実現する。また、インバータ制御器１０８と損傷演算器１０９と直流電圧指令演算器１０７を、まとめてインバータ制御部と称する場合もある。

【0013】

コンバータ回路１０１は、パワースイッチングデバイスであるＩＧＢＴ１１０と、ＩＧＢＴ１１０に逆並列に接続するダイオード１１１とが正負両端子間に２個直列に接続され、それが相数分だけ接続されている。ＩＧＢＴ１１０のオンオフを制御することで、交流電源１１２から受電した電力を、直流電圧である一次側電圧に変換する。コンバータ制御器１０６は、直流電圧センサ１０４で直流電圧を監視しながら、コンバータ回路１０１にスイッチング指令であるＰＷＭ信号を送出し、一次側電圧が設定する任意の電圧となるように制御する。

【0014】

インバータ回路１０２は、パワー半導体スイッチング素子であるＩＧＢＴ１１０と、ＩＧＢＴ１１０に逆並列に接続するダイオード１１１とが正負両端子間に２個直列に接続され、それが相数分だけ接続されている。そして、一定周期で、２個直列のスイッチング素子における一方のゲート端子にオン信号が与えられ、他方のゲート端子にはオフ信号が与えられる。インバータ回路１０２はインバータ制御器１０８ によって制御される。具体的には、インバータ制御器１０８は、電流センサ１０５で検出したインバータ回路１０２の出力電流値と速度指令をもとに、設定されたキャリア周波数ｆｃでゲート信号を算出する。算出したゲート信号を、増幅回路などを経てゲート電圧としてＰＷＭ信号をＩＧＢＴ１１０に入力する。ここで、ゲート信号のオン期間に対するキャリア周期の比をオンデューティと呼ぶ。これにより、インバータ回路１０２は、モータ１２０が指令の速度となるように、直流電圧である一次側電圧を交流電圧である２次側電圧に変換し出力する。ここで、ＩＧＢＴ１１０、ダイオード１１１ともに、オン時のジュール損失や通流遮断切り替え時のスイッチング損失、リカバリ損失によって、ジャンクション温度が上昇し、オフ時にジャンクション温度が低下する。

【0015】

図２は、ＩＧＢＴ１１０やダイオード１１１を内蔵するパワーモジュール２２０の斜視図である。また、図３は、図２内のＡ－Ａ’断面図である。図２において、ハウジング２２１の内部にＩＧＢＴ１１０、ダイオード１１１等の複数のパワー半導体素子２２２（図では１個の半導体素子のみを明示）と温度センサ２２３を、面上に配置する。図３において、パワー半導体素子２２２、チップ下はんだ２２４、銅箔２２５、絶縁基板２２６、基板下はんだ２２７、金属ベース２２８の順に積層され、チップ下はんだ２２４と基板下はんだ２２７によって隣接する層が接合される。半導体素子面のもう一方は金属ワイヤ２２９で銅箔２２５と接合されている。ここで、パワー半導体素子２２２が異なる熱膨張係数を持つ物質で銅箔２２５に接合されているため、パワー半導体素子の温度が上下降する際、接合部に応力がかかる。この応力に対する耐量はパワーサイクル耐量と呼ばれており、ライフサイクルと呼ばれる所定の温度振幅に対する使用可能な繰り返し数で示される。したがって、半導体素子の温度履歴がわかれば、寿命を推定することが可能である。

【0016】

上記したオンデューティＤは、任意の変調方式によるが、例えば、下記式（１）のように、

【0017】

【数1】

直流電圧ｖｄとモータ電圧ｖоの比(ｖо/ｖｄ)で決まる。

【0018】

損傷演算器１０９は、上記インバータ回路１０２におけるＩＧＢＴ１１０とダイオード１１１の損傷を、オンデューティＤと電流からそれぞれ評価する。以下にその手順を説明する。

【0019】

図４は、本実施例における損傷演算器の構成図である。図４において、損傷演算器１０９は、温度履歴演算部３０１、損傷演算部３０５を有し、さらに、ＩＧＢＴとダイオードの電気特性、熱特性、耐量特性をそれぞれ保有する、電気特性テーブル３０２、熱特性テーブル３０３、耐量特性テーブル３０６を有する。

【0020】

図４において、温度履歴演算部３０１は、直流電圧センサ１０４による取得値である直流電圧ｖｄと、電流センサ１０５による取得値である電流Ｉと、インバータ制御器で演算されるオンデューティＤと、キャリア周波数ｆｃを入力とし、電気特性テーブル３０２からのＩＧＢＴとダイオードの電気特性から、ＩＧＢＴの損失Ｐｑとダイオードの損失Ｐｄを、それぞれ下記式（２）、（３）で演算する。

【0021】

【数2】

【0022】

【数3】

【0023】

ここで、ｒｑ、ｖｑは、図５に示すようなＩＧＢＴのコレクタエミッタ間電圧－コレクタ電流特性３３１の線形近似直線３３２における傾きと切片である。また、ａｑ、ｂｑは、図６に示すように直流電圧がｖｄｂの時の、ＩＧＢＴの単パルス当たりのスイッチング損失－コレクタ電流特性３３６の線形近似直線３３７の傾きと切片である。また、ｒｄ、ｖｄは、図７に示すダイオードの順方向電圧－順方向電流特性３４１の線形近似直線３４２の傾きと切片である。さらに、ａｄ、ｂｄは、図８に示す、直流電圧がｖｄｂ時の、ダイオードの単パルス当たりのリカバリ損失－順方向電流特性３４６の線形近似直線３４７の傾きと切片である。式（２）、（３）に示すように、ＩＧＢＴの損失Ｐｑは、オンデューティＤの増加に伴い増加し、ダイオードの損失Ｐｄは、オンデューティＤの増加に伴い減少する。なお、図５から図８に示す電気特性は電気特性テーブル３０２に保有されている。

【0024】

次に、温度履歴演算部３０１は、上記で得た損失と、熱特性テーブル３０３からのＩＧＢＴとダイオードの熱特性とから、ＩＧＢＴとダイオードの温度差を、それぞれ△Ｔｑ、△Ｔｄとすると、下記式（４）、（５）で演算する。

【0025】

【数4】

【0026】

【数5】

【0027】

ここで、τｔｈｑ、ｒｔｈｑは、図９で示すような、それぞれＩＧＢＴの熱インピーダンス－時間特性３５１を指数近似した式３５２の変数である。また、τｔｈｄ、ｒｔｈｄは、図１０で示すような、それぞれダイオードの熱インピーダンス－時間特性３５６を指数近似した式３５７の変数である。なお、図９、図１０に示す熱特性は熱特性テーブル３０３に保有されている。

【0028】

損傷演算部３０５は、このような温度変化を一定期間保存し、レインフロー法等のカウント方法で、温度振幅の発生頻度を数える。また、損傷演算部３０５は、この結果から、温度履歴全体の損傷ｄ［１］を、例えば式（６）より演算する。

【0029】

【数6】

【0030】

ここで、Ｒ［ｊ］はｊ番目の温度振幅で、ｎ［ｊ］はＲ［ｊ］の発生回数を表す。また、ａｌｘ、ｂｌｘは、耐量特性テーブル３０６に保有する、図１１に示すような、温度振幅と寿命の関係を表すライフサイクル特性カーブ３６１の式３６２で示す係数である。なお、ａｌｘ、ｂｌｘにおけるｘは、ｑまたはｄを示す一般式を意味し、ＩＧＢＴの係数であるａｌｑ、ｂｌｑ、または、ダイオードの係数であるａｌｄ、ｂｌｄの両方に対応する。

【0031】

以上の手続きで、損傷演算器１０９は、ＩＧＢＴとダイオードの損傷をそれぞれ評価し、その結果を、直流電圧指令演算器１０７に送出する。

【0032】

ここで、例えば、オンデューティが小さくなるような運転が繰り返される場合、ダイオードの電流が大きくなり、ダイオードの疲労すなわち損傷が促進されることになる。一方、この場合は、ＩＧＢＴの電流は小さくなるため、ＩＧＢＴの疲労すなわち損傷は軽くなる。このような状況では、ダイオードがＩＧＢＴよりも先に寿命に達し、装置全体の破損に至る問題がある。

【0033】

そこで、図１における直流電圧指令演算器１０７では、損傷演算器１０９によるＩＧＢＴとダイオードの損傷評価結果を基に、ＩＧＢＴとダイオードの損傷すなわち寿命が平準化するように直流電圧指令を調整する。具体的には、図１２のように、ダイオードの損傷がＩＧＢＴより小さい場合、基準値よりも直流電圧指令を上げることで直流電圧を大きくし、オンデューティを下げるようにする。また、ＩＧＢＴの損傷がダイオードより小さい場合、オンデューティを上げるように、基準値よりも直流電圧指令を減少させる。また、言い換えれば、ＩＧＢＴの寿命がダイオードより短くなる場合、基準値よりも直流電圧指令を上げることで直流電圧を大きくし、オンデューティを下げるようにする。また、ダイオードの寿命がＩＧＢＴより短くなる場合、オンデューティを上げるように、基準値よりも直流電圧指令を減少させる。直流電圧指令演算器１０７は、このようにして決定した直流電圧指令を、コンバータ制御器１０６に送出する。

【0034】

コンバータ制御器１０６は、直流電圧センサ１０４による取得値である直流電圧と、上記で演算された直流電圧指令とを比較する。図１３の上段に示すように、コンバータ制御器１０６は、直流電圧の取得値と直流電圧指令値との差が少なくなるように、ＰＷＭ信号をコンバータ回路１０１に送出する。これにより、コンバータ回路１０１の出力である直流電圧が変更され、インバータ回路１０２におけるＩＧＢＴとダイオードのオンデューティが変化する。このような操作を繰り返すと、図１３の下段に示すように、次第にＩＧＢＴとダイオードの温度が均等化されるため、損傷の偏りが平準化される。これにより、このような操作を行わなかった場合に比べて装置全体の寿命を延ばすことができる。

【0035】

以上のように、本実施例によれば、インバータ回路を構成するＩＧＢＴとダイオードの損傷評価結果を基に、ＩＧＢＴとダイオードの損傷、言い換えれば寿命、が平準化するように直流電圧指令を調整する。これにより、インバータ回路を構成するスイッチング素子とダイオードの損傷を平準化でき、装置全体の寿命を向上できる電力変換装置を提供できる。

【実施例0036】

図１４は、本実施例におけるＩＧＢＴとダイオードの損傷を平準化する処理フローチャートである。はじめに、ステップＳ５０１において、テストパターン運転と称する電力変換装置の運転モードに遷移し、図１５の上段に示す出力周波数－時間特性の運転を実行する。そしてステップＳ５０２において、損傷演算器１０９が、図１５の中段に示すようなＩＧＢＴとダイオードの経時的な損傷量の演算を行い、それぞれの損傷量を推定する。次にステップＳ５０３において、ＩＧＢＴとダイオードのそれぞれの損傷量の履歴および累積損傷値を電力変換装置内部のメモリに保存する。そしてステップＳ５０４において、直流電圧指令演算器１０７が、ＩＧＢＴの損傷履歴とダイオードの損傷履歴とを比較し、損傷の差が大きい期間を平準化するように、直流電圧指令を調整する。

【0037】

そしてステップＳ５０５において、ＩＧＢＴの累積損傷とダイオードの累積損傷が一定程度平準化されたかを判断し、平準化されるまで、ステップＳ５０１に戻り、直流電圧を調整した状態で再度テストパターン運転を実行し、損傷履歴の推定と直流電圧指令調整を繰り返す。テストパターン運転終了後はステップＳ５０６で通常運転に移行する。

【0038】

図１５では、テストパターンの終盤において、ＩＧＢＴとダイオードの損傷の差が大きくなっており、ＩＧＢＴの損傷がダイオードより小さいことから、図１５の下段に示すように、この期間の直流電圧を低下させ、ＩＧＢＴとダイオードの損傷を平準化する例を示している。このように、ＩＧＢＴの累積損傷とダイオードの累積損傷が一定程度平準化されるまでテストパターンによる上記操作を繰り返すことで、テストパターン全体で、ＩＧＢＴとダイオードの損傷を平準化することができる。

【0039】

なお、テストパターンは、例えば、昇降機などで、典型的に繰り返す操作や、最も損傷が激しいと想定される操作を、所定の運転周期で動作するテストパターンとして設定する。これにより、より高精度な寿命の平準化を実現できる。また、上記テストパターン運転は、製品出荷時や、通常運転を行う時の常時、または所定期間おきに定期的に動作させてもよい。

【0040】

以上、本発明による実施例を示したが、本発明は、寿命を向上できる電力変換装置を提供でき、必要な資源の削減をはかることができる。そのため、炭素排出量を減らし、地球温暖化を防止することができ、ＳＤＧｓ(Sustainable Development Goals)を実現するための特に項目７のエネルギーに貢献する。

【0041】

また、本発明は、上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。