特許 7414812 電気システム又は電子システムの特徴温度の決定

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-01-05

(45)【発行日】2024-01-16

(54)【発明の名称】電気システム又は電子システムの特徴温度の決定

(51)【国際特許分類】

   H02M 1/00 20070101AFI20240109BHJP

   G01K 7/42 20060101ALI20240109BHJP

【ＦＩ】

H02M1/00 B

G01K7/42

【請求項の数】 15

(21)【出願番号】P 2021515478

(86)(22)【出願日】2019-09-19

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-01-06

(86)【国際出願番号】 EP2019075227

(87)【国際公開番号】W WO2020058435

(87)【国際公開日】2020-03-26

【審査請求日】2022-09-15

(31)【優先権主張番号】18196070.9

(32)【優先日】2018-09-21

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】390035459

【氏名又は名称】マシイネンフアブリーク・ラインハウゼン・ゲゼルシヤフト・ミツト・ベシユレンクテル・ハフツング

(74)【代理人】

【識別番号】100069556

【弁理士】

【氏名又は名称】江崎 光史

(74)【代理人】

【識別番号】100111486

【弁理士】

【氏名又は名称】鍛冶澤 實

(74)【代理人】

【識別番号】100191835

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 真介

(74)【代理人】

【識別番号】100208258

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 友子

(74)【代理人】

【識別番号】100221981

【弁理士】

【氏名又は名称】石田 大成

(72)【発明者】

【氏名】ブライアント・アンガス

【審査官】佐藤 匡

(56)【参考文献】

【文献】特開２００６－３２９８６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－０３６０９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１９５７５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－０１８８６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１８／００１７６１２（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ １／００－７／９８

Ｇ０１Ｋ ７／４２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電気又は電子システムの特徴温度（Ｔ_ｊ）を決定する方法において、前記方法が、
前記システムの動作中に前記システムの１つ又は複数の特性変数を計測することと、
前記システムの熱モデル（Ｍ＿ｔｈ）に基づいて及び前記計測された特性変数の第１サブセットに基づいて、特徴温度（Ｔ_ｊ）を推定することと、
温度感受性の電気的変数ＴＳＥＰの第１値（Ｖ１）を、ＴＳＥＰモデル（Ｍ＿ＴＳＥＰ）と前記推定された特徴温度（Ｔ_ｊ）に基づいて予測することと、
前記ＴＳＥＰの第２値（Ｖ２）を、前記計測された特性変数の第２サブセットに基づいて決定することと、
前記ＴＳＥＰの前記第１値（Ｖ１）と前記第２値（Ｖ２）とを比較することと、
比較の結果に基づいて前記熱モデル（Ｍ＿ｔｈ）又は前記ＴＳＥＰモデル（Ｍ＿ＴＳＥＰ）を適合することと
を備える、電気又は電子システムの特徴温度（Ｔ _ｊ ）を決定する方法。

【請求項2】

さらなるＴＳＥＰモデル（Ｍ＿ＴＳＥＰ）と前記推定された特徴温度（Ｔ_ｊ）とに基づいて、さらなるＴＳＥＰの第１値（Ｖ１）を予測することと、
前記計測された特性変数の前記第２サブセットに基づいて、さらなるＴＳＥＰの第２値（Ｖ２）を決定することと、
前記さらなるＴＳＥＰの第１値（Ｖ１）と第２値（Ｖ２）とを比較することと
を備え、
前記熱モデル（Ｍ＿ｔｈ）又は前記ＴＳＥＰモデル（Ｍ＿ＴＳＥＰ）を適合することは、前記さらなるＴＳＥＰの第１値（Ｖ１）及び第２値（Ｖ２）の前記比較の結果に基づく、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記方法は、
少なくとも、前記特性変数を計測し、前記特徴温度（Ｔ_ｊ）を推定し、ＴＳＥＰの前記第１値（Ｖ１）を予測するステップを繰り返すことをさらに備え、
前記繰り返すことには、前記熱モデル（Ｍ＿ｔｈ）に替えて適合熱モデルが使用され、及び／又は前記ＴＳＥＰモデル（Ｍ＿ＴＳＥＰ）に替えて適合ＴＳＥＰモデルが使用される、請求項１又は２に記載の方法。

【請求項4】

前記特徴温度（Ｔ_ｊ）は、前記システムが備える電気又は電子装置の特徴温度（Ｔ_ｊ）である、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項5】

前記システムは、パワーエレクトロニクスシステムであり、
前記特徴温度（Ｔ_ｊ）は、前記システムが備えるパワー半導体装置（ＰＳ）の特徴温度（Ｔ_ｊ）、又は接合部温度（Ｔ_ｊ）である、請求項４に記載の方法。

【請求項6】

前記第１サブセットは、
前記パワー半導体装置（ＰＳ）のオン状態の電流（Ｉ_ｏｎ）と、
前記パワー半導体装置（ＰＳ）のオン状態の電圧（Ｖ_ｏｎ）と、
前記パワー半導体装置（ＰＳ）のオフ状態の電圧（Ｖ_ｏｆｆ）と、
それぞれの計測間隔内の前記パワー半導体装置（ＰＳ）のオン状態の合計期間（ｔ_ｏｎ）と、それぞれの計測間隔内の前記パワー半導体装置（ＰＳ）のオフ状態の合計期間（ｔ_ｏｆｆ）と、
前記パワーエレクトロニクスシステムの基準温度（Ｔ_ｂ）と
の中の少なくとも１種類を備える、請求項５に記載の方法。

【請求項7】

前記第２サブセットは、前記パワー半導体装置（ＰＳ）のオン状態の電流（Ｉ_ｏｎ）と、オン状態の電圧（Ｖ_ｏｎ）との少なくとも一方を備える、請求項５又は６に記載の方法。

【請求項8】

前記ＴＳＥＰは、
前記パワー半導体装置（ＰＳ）のオン状態の電圧（Ｖ_ｏｎ）、又はパワー半導体装置（ＰＳ）の電力の事前定義されたオン状態の電流（Ｉ_ｏｎ）におけるオン状態の電圧（Ｖ_ｏｎ）と、
前記パワー半導体装置（ＰＳ）の電力のゲートしきい値電圧と、
前記パワー半導体装置（ＰＳ）の内部ゲート抵抗、又は
前記パワー半導体装置（ＰＳ）の特徴的な切替変数、又は事前定義されたオン状態の電圧（Ｖ_ｏｎ）又はオフ状態の電圧（Ｖ_ｏｆｆ）又はオン状態の電流（Ｉ_ｏｎ）における切替変数と
のいずれかによって与えられる、請求項５から７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項9】

前記特徴温度（Ｔ_ｊ）を推定するステップは、
前記装置による電力損失（Ｐ_ｓｈ）を決定することと、
電力損失（Ｐ_ｓｈ）を熱モデル（Ｍ＿ｔｈ）への入力として使用することと
を備える、請求項４から８のいずれか一項に記載の方法。

【請求項10】

前記電力損失（Ｐ_ｓｈ）は、前記パワー半導体装置（ＰＳ）の切替電力損失（Ｐ_ｓｗ）又は伝導電力損失（Ｐ_ｃｏｎｄ）を含む、請求項９に記載の方法。

【請求項11】

前記特徴温度（Ｔ_ｊ）を推定するステップは、
前記システムのさらなる装置によるクロスカップリング電力損失（Ｐ_ｃｃ）を決定することと、
前記熱モデル（Ｍ＿ｔｈ）への入力としてクロスカップリング電力損失（Ｐ_ｃｃ）を使用することと
を備える、請求項４から１０のいずれか一項に記載の方法。

【請求項12】

電気又は電子装置と、
電気又は電子システムの動作中に前記装置の１つ又は複数の特性変数を計測するように構成されている計測ユニット（ＭＵ）と、
前記システムの熱モデル（Ｍ＿ｔｈ）及び前記計測された特性変数の第１サブセットに基づいて前記装置の特徴温度（Ｔ_ｊ）を推定し、
温度感受性の電気的変数ＴＳＥＰの第１値（Ｖ１）を、ＴＳＥＰモデル（Ｍ＿ＴＳＥＰ）及び前記推定された特徴温度（Ｔ_ｊ）に基づいて予測し、
前記計測された特性変数の第２サブセットに基づいて前記ＴＳＥＰの第２値（Ｖ２）を決定し、
前記ＴＳＥＰの前記第１値（Ｖ１）と第２値（Ｖ２）を比較し、比較の結果に基づいて前記熱モデル（Ｍ＿ｔｈ）又は前記ＴＳＥＰモデル（Ｍ＿ＴＳＥＰ）を適合させる
ように構成されている計算ユニット（ＣＵ）と、
を備える、電気又は電子システム。

【請求項13】

前記システムは、パワー変換器又は反応器を備え、
前記装置は、変換器又は反応器の巻線（Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３）を備え、
前記特徴温度（Ｔｊ）は、前記変換器又は前記反応器の巻線温度によって与えられる、請求項１２に記載の電気又は電子システム。

【請求項14】

前記システムは、パワーエレクトロニクスシステムを備え、
前記装置は、パワー半導体装置（ＰＳ）を備え、
前記特徴温度（Ｔ_ｊ）は、前記パワー半導体装置（ＰＳ）の接合部温度（Ｔ_ｊ）によって与えられる、請求項１２に記載の電気又は電子システム。

【請求項15】

前記パワーエレクトロニクスシステムは、電力変換器（ＰＣ）を備え、
前記パワー半導体装置（ＰＳ）は前記電力変換器（ＰＣ）に備えられている、請求項１４に記載の電気又は電子システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気又は電子システムの特徴温度を決定する方法と、電気又は電子システムとに関する。

【背景技術】

【0002】

電気又は電子システム又は装置では、特定の特徴温度は、例えば信頼性、寿命、又は劣化速度への影響のために、特に関心が高い場合がある。場合によっては、特定の絶対限界を超える特徴温度が装置又はシステムの破壊につながるおそれもある。したがって、システム又は装置の作動中に特徴温度を決定又は監視することが重要であるか、少なくとも望ましい場合がある。

【0003】

しかしながら、多くの場合、対象となる特徴温度は、例えば過酷な環境のために、実用的でないか、実行不可能な場合がある。特に、これは電力の接合部温度の場合に当てはまる可能性がある。半導体装置は、動作中は通常、電気的に「ライブ」であり、非常にノイズの多い環境にあるためである。他の例には、電力変圧器又は反応器の巻線温度、又は負荷時タップ切換器内の特徴温度、例えば抵抗器温度が含まれる。

【0004】

このような特徴温度を間接的に推定するための既存のアプローチでは、個々のシステム又は装置を事前に較正する必要がある。これは、産業的適用では実用的ではなく、特に半導体装置の場合は事実上不可能である。他のアプローチでは、システム又は装置の特定の実験室の設定又は専用の操作モードが必要であり、場合によっては特定の互換性のある負荷も必要である。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

したがって、本発明の課題は、システム又は装置の通常の動作中に実行してよい、あるいは動作前の較正を必要としない、電気又は電子システムの特徴温度を決定する改良された概念を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

この課題は、独立請求項の主題によって達成される。さらなる実装形態及び態様は、従属請求項の主題である。

【0007】

改良された概念は、ＴＳＥＰモデルと熱モデルの出力に基づくシステムの熱モデルに基づいて特徴温度を推定し、温度感受性の電気的変数、ＴＳＥＰの第１値を予測することにより、システムの自動較正又は自己較正を実装するという考えに基づく。第１値は、計測に基づいてＴＳＥＰの第２値と比較される。そして、ＴＳＥＰの前記の２つの値に一致するよう、熱モデル及び／又はＴＳＥＰモデルが適合される。

【0008】

改良された概念によれば、電気又は電子システムの特徴温度を決定する方法が提供される。この方法は、システムの動作中にシステムの１つ又は複数の特性変数、特に電気変数及び／又は熱変数及び／又は温度を計測し、システムの熱モデルに基づいて及び計測された変数の第１サブセットに基づいて、システムの特徴温度を推定することを備える。それから、ＴＳＥＰの第１値は、ＴＳＥＰモデルと推定された特徴温度に基づいて予測される。ＴＳＥＰの第２値は、計測された変数の第２サブセットに基づいて決定される。それから、ＴＳＥＰの第１値がＴＳＥＰの第２値と比較され、比較の結果に基づいて熱モデル及び／又はＴＳＥＰモデルが適合される。

【0009】

第１及び第２のサブセットは、それぞれ、１つ又は複数の変数を含むことがある。サブセットは重複しているか、互いに素であってよい。代替的に、サブセットは同一であってよい、特に同一で、それぞれ１つの変数のみを含むものでもよい。

【0010】

ＴＳＥＰモデルは、事前に決定されたモデルである場合がある。同じことが熱モデルにも当てはまる。熱モデルには、システムの熱インピーダンスを決定するためのモデルが含まれる場合がある。熱モデルは、例えば、有限要素法、低次元モデル、熱抵抗器－コンデンサネットワークモデルに基づくか、又はそれらを含み得る。特に、低次元モデル又は熱抵抗コンデンサネットワークモデルを有限要素モデルに適合させたものでもあり得る。

【0011】

動作中にこの方法、特に計測を実行することは、システムが対象とする通常又は生産的な動作の間にそれを実行することを意味する。特に、システム又は装置の製造中、試験環境、又は専用の較正モードで実行される必要がない。

【0012】

いくつかの実装形態では、この方法は、例えば、システムの初期、特に初期の通常の動作の前に、トレーニングシーケンスを通して電気又は電子システム又はその一部を実行することを備える。トレーニングシーケンスは、改良された概念に従って自動較正の収束を改善するだろう。

【0013】

ＴＳＥＰは、システム、特にシステムが備える電気又は電子装置のＴＳＥＰである。

【0014】

適合されるＴＳＥＰモデルは、例えば、特徴温度に基づいてＴＳＥＰを予測するために使用される変数、例えば、適合変数又は回帰変数が適合されていることを意味し得る。

【0015】

適合される熱モデルは、例えば、熱インピーダンスを決定するために使用される変数が適合されることを意味し得る。

【0016】

ＴＳＥＰの第１値と第２値を比較することは、例えば、これらの値の間の差を決定することを含み得る。比較の結果は、例えば、差異を含み得る。

【0017】

説明した改良された概念による方法によって、熱モデリングに基づく温度シミュレーションと計測されたＴＳＥＰに基づく温度推定の両方のアプローチの欠点が克服される。特に、両方のアプローチの特徴温度は比較されないが、代替的にそれぞれのＴＳＥＰ値が比較される。このようにして、計測されたＴＳＥＰに基づいて温度推定値を較正する必要がなくなる。ＴＳＥＰの第２値を推定する精度は、システムの寿命を通じて変化しないため、劣化や計測回路のドリフトなどによる電気的及び熱的変数の変化を正しく追跡する。一方、ＴＳＥＰの第１値を推定すると、システムの周囲温度又はその他の温度が、特徴温度やシステムの電力損失などに影響を与えることを正しく反映する。これは、熱モデルを使用してＴＳＥＰを較正するか、計測値を使用して熱モデルを正しく追跡していると見なせる。いずれにせよ、完全な電熱システムが特徴付けられる。つまり、効果的な電気較正と熱特徴化の両方である。

【0018】

この方法の最終結果は、例えば、ＴＳＥＰの第１値と第２値が一致する場合に有効となる特徴温度によって与えられる。

【0019】

いくつかの実施形態によれば、この方法は、さらなるＴＳＥＰモデル及び推定した特徴温度に基づいて、特にシステム又はシステムの装置のさらなるＴＳＥＰの第１値を予測することを備える。さらなるＴＳＥＰの第２値は、計測された変数の第２サブセットに基づいて決定される。さらなるＴＳＥＰの第１値は、さらなるＴＳＥＰの第２値と比較される。熱モデル又はＴＳＥＰモデルの適合は、ＴＳＥＰの第１値と第２値の比較の結果、及びＴＳＥＰの第１値と第２値の比較の結果に基づく。

【0020】

上記のモデルを適応させることによって２つの独立したＴＳＥＰを一致させると、温度推定の精度がさらに向上する可能性がある。

【0021】

いくつかの実施形態によれば、この方法は、複数の特性変数を計測し、特徴温度を推定し、特徴温度の第１値を予測するステップを少なくとも、繰り返すことをさらに備える。繰り返しには、熱モデルに替えて適合熱モデルが使用され、及び／又はＴＳＥＰモデルに替えて適合ＴＳＥＰモデルが使用される。

【0022】

温度推定を改善するために、繰り返されるステップを数回繰り返してもよい。繰り返しごとに、前の繰り返しの適合された熱モデル又はＴＳＥＰモデルが使用される。例えば、ＴＳＥＰの第１値と第２値の差が事前に定義されたしきい値より小さくなるまで、適用可能であれば、さらなるＴＳＥＰの第１値と第２値の差が事前定義された追加のしきい値より小さくなるまで、繰り返しのステップが繰り返されてもよい。

【0023】

いくつかの実施形態によれば、特徴温度は、システムが備える電気又は電子装置の特徴温度である。

【0024】

いくつかの実施形態によれば、電気又は電子システムは、パワーエレクトロニクスシステム、例えば、電力変換器であり、特徴温度は、システムが備えるパワー半導体装置の特徴温度、特に接合部温度である。

【0025】

いくつかの実施形態によれば、１つ又は複数の計測された特性変数の第１サブセットは、
パワー半導体装置のオン状態、すなわち順方向電流及び／又は
パワー半導体装置のオン状態、すなわち順方向の電圧及び／又は
パワー半導体装置のオフ状態の電圧及び／又は
それぞれの計測間隔内のパワー半導体装置のオン状態の合計期間及び／又は
それぞれの計測間隔内のパワー半導体装置のオフ状態の合計期間及び／又は
パワーエレクトロニクスシステムの基準温度
を備える。

【0026】

いくつかの実施形態によれば、基準温度は、パワーエレクトロニクスシステムのベースプレート温度又はサーミスタ温度である。

【0027】

いくつかの実施形態によれば、１つ又は複数の計測される特性変数の第２のサブセットは、パワー半導体装置のオン状態の電流及び／又はオン状態の電圧を備える。

【0028】

いくつかの実施形態によれば、ＴＳＥＰ及び／又はさらなるＴＳＥＰは、
パワー半導体装置のオン状態の電圧、特に電力の事前定義されたオン状態の電流における電圧、
パワー半導体装置の電力のゲートしきい値電圧、
パワー半導体装置の内部ゲート抵抗、又は
パワー半導体装置の特徴的な切替変数、特に事前定義されたオン状態の電圧又はオフ状態の電圧又はオン状態の電流における切替変数
によって与えられる。

【0029】

いくつかの実装形態では、特徴的な切替変数は、時間ｄｉ／ｄｔに対する電流の変化率、時間ｄｖ／ｄｔに対する電圧の変化率、切替ピーク電流又は切替ピーク電圧によって与えられる。

【0030】

いくつかの実施形態によれば、特徴温度を推定するステップは、装置による電力損失を決定し、電力損失を熱モデルへの入力として使用することを備える。

【0031】

いくつかの実施形態によれば、電力損失は、パワー半導体装置の切替電力損失及び／又は伝導電力損失を含む。

【0032】

いくつかの実施形態によれば、特徴温度を推定するステップは、システムのさらなる装置又はいくつかのさらなる装置によるクロスカップリング電力損失を決定し、入力として、特に熱モデルへのさらなる入力としてクロスカップリング電力損失を使用することを備える。

【0033】

改良された概念によれば、電気又は電子システムも提供される。このシステムは、電気又は電子装置と、計測ユニットと、計算ユニットとを備える。計測ユニットは、電気又は電子システムの動作中に装置の１つ又は複数の特性変数を計測するように構成されている。

【0034】

計算ユニットは、システムの熱モデル及び計測された変数の第１サブセットに基づいて装置の特徴温度を推定し、ＴＳＥＰモデル及び推定された特徴温度に基づいてＴＳＥＰの第１値を予測するように構成されている。計測された変数の第２サブセットに基づいてＴＳＥＰの第２値を決定し、ＴＳＥＰの第１値と第２値を比較し、比較の結果に基づいて熱モデル又はＴＳＥＰモデルを適合させるように構成されている。

【0035】

いくつかの実施形態によれば、電気又は電子システムは、変圧器、特に、例えば、絶縁剤、特に液体絶縁剤で満たされる電力変圧器を備える。電気又は電子装置は、変圧器の巻線を備え、特徴温度は、変圧器の巻線温度、特にホットスポット巻線温度によって与えられる。

【0036】

いくつかの実施形態によれば、電気又は電子システムは、反応器、例えばシャント反応器、又は例えば絶縁媒体で満たされるインダクタを備える。電気又は電子装置は、反応器の巻線を備え、特徴温度は、反応器の巻線温度、特にホットスポット巻線温度によって与えられる。

【0037】

いくつかの実施形態によれば、電気又は電子システムは、負荷時タップ切換器、例えば、抵抗器タイプの負荷時タップ切換器を備える。特徴温度は、負荷時タップ切換器内の温度、例えば負荷時タップ切換器の抵抗器の温度によって与えられる。

【0038】

いくつかの実施形態によれば、電気又は電子システムは、パワー電子システムを備え、電気又は電子装置は、パワー半導体装置を備える。特徴温度は、パワー半導体装置の接合部温度によって与えられる。

【0039】

いくつかの実施形態によれば、パワー半導体は、トランジスタ、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ、又はバイポーラ接合トランジスタ、ＢＪＴ、又はＭＯＳ電界効果トランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、又は接合型電界効果トランジスタ、ＪＦＥＴ、又は高電子移動度トランジスタ、ＨＥＭＴを備える。

【0040】

いくつかの実施形態によれば、パワー半導体は、サイリスタ又はダイオード、例えば、ショットキーダイオード又はＰＩＮダイオードを備える。

【0041】

いくつかの実施形態によれば、パワーエレクトロニクスシステムは、電力変換器を含み、電力変換器は、電力半導体装置を備える。

【0042】

いくつかの実施形態によれば、パワーエレクトロニクスシステムは、ソリッドステート回路ブレーカー、ソリッドステートリレー、サイリスタスイッチ、又はパワー半導体装置を備える静的ＶＡＲ補償器を備える。

【0043】

改良された概念による電子システムのさらなる実装及び態様は、改良された概念による方法の様々な実施形態及び実施形態から容易に続くものであり、逆もまた同様である。特に、電気又は電子システムに関して説明された個々の又はいくつかの構成要素又は配置は、改善されたシステムによる方法を実行するためにそれに応じて実装され得る。

【0044】

以下では、本発明は、図面を参照することにより、例示的な実装に関して詳細に説明される。機能的に同一又は同一の効果を持つ部材は、同一の参照記号で示される場合がある。同一の部材又は同一の機能又は効果を持つ部材は、それらが最初に発生する図に関してのみ説明する場合がある。それらの説明は、後続の図で必ずしも繰り返されるわけではない。

【0045】

図面は、以下のものである。

【図面の簡単な説明】

【0046】

【図1】図１は、改良された概念による方法の例示的な実装の流れ図を示す。

【図2A】図２Ａは、改良された概念による電気又は電子システムの例示的な実施形態のブロック図を示す。

【図2B】図２Ｂは、改良された概念による電気又は電子システムのさらなる例示的な実施形態のブロック図を示す。

【図3】図３は、改良された概念による電気又は電子システムのさらなる例示的な実施形態のブロック図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0047】

図１は、改良された概念による方法の例示的な実装の流れ図を示す。

【0048】

示される例示的かつ非限定的な場合において、電気又は電子システムは、パワー半導体装置を持つ電力変換器を備える。図１に関する以下の説明は、しかしながら、例えば図３に関して説明するように、他のタイプの電気又は電子システムにも同様に適用される。電力変換器の動作中に、システムの１つ又は複数の特性変数が計測される。示されている例では、電力変換器の基準温度Ｔ_ｂと、パワー半導体装置の合計オフ状態の合計持続時間ｔ_ｏｆｆと、パワー半導体装置のオン状態の合計持続時間ｔ_ｏｎと、パワー半導体装置のオン状態の電流Ｉ_ｏｎと、パワー半導体装置のオフ状態の電圧Ｖ_ｏｆｆと、パワー半導体装置のオン状態の電圧Ｖ_ｏｎとは、持続時間Ｔｉの所定の計測間隔内で計測される。

【0049】

例えば、オン状態の持続時間ｔ_ｏｎと、オフ状態の持続時間ｔ_ｏｆｆと、オン状態の電流Ｉ_ｏｎと、オフ状態の電圧Ｖ_ｏｆｆとから、切替電力損失Ｐ_ｓｗは決定される。

【0050】

例えば、オン状態の持続時間ｔ_ｏｎと、オフ状態の持続時間ｔ_ｏｆｆと、オン状態の電流Ｉ_ｏｎと、オン状態の電圧Ｖ_ｏｎとから、例えば関係に従って、伝導電力損失Ｐ_ｃｏｎｄは決定される。

【0051】

伝導電力損失Ｐ_ｃｏｎｄと切替電力Ｐ_ｓｗ損失を合計してよく、それらの合計を熱モデルＭ＿ｔｈの入力として使用してよい。この合計は、パワー半導体装置であるＰｓｈの自己発熱による消費電力に相当する。選択的に、パワー半導体装置の接合部温度Ｔ_ｊに影響を及ぼし得る電力変換器のさらなる装置によるクロスカップリング電力損失Ｐ_ｃｃが決定され、熱モデルＭ＿ｔｈへの追加入力として使用されてもよい。

【0052】

熱モデルＭ＿ｔｈの出力は、接合部温度Ｔ_ｊと基準温度Ｔ_ｂとの間の温度差Ｔ_ｊ－ｂを表すものとしてよく、これは、例えば、ベースプレート温度又は電力変換器の内部サーミスタの温度であり得る。したがって、基準温度Ｔｂを熱モデルＭ＿ｔｈの出力に追加して、接合部温度Ｔ_ｊの推定値を得る。

【0053】

次に、推定された接合部温度Ｔ_ｊは、ＴＳＥＰモデルＭ＿ＴＳＥＰへの入力として使用してよい。ＴＳＥＰモデルＭ＿ＴＳＥＰの出力は、電力変換器、特にパワー半導体装置の１つ又は複数のＴＳＥＰの第１値ＶＩを表す。１つ又は複数のＴＳＥＰは、オン状態の電圧Ｖ_ｏｎと、ゲート閾値電圧と、内部ゲート抵抗と、パワー半導体装置の特徴的な切替変数との少なくとも１つを含み得る。

【0054】

ＴＳＥＰモデルＭ＿ＴＳＥＰは、例えば、パワー半導体装置の定常状態において、一定の電力損失のために、接合部温度Ｔ_ｊの変化率が基準温度Ｔ_ｂの変化率に等しいという事実を使用するだろう。したがって、接合部温度Ｔ_ｊは、オフセットを使用して基準温度Ｔ_ｂに従ってよい。オフセットは、それぞれの熱抵抗に一定の電力損失を掛けたものに対応してよい。さらに、オン状態の電圧Ｖ_ｏｎは、スケール要因はあるが、温度変化の速度に従う。

【0055】

１つ又は複数のＴＳＥＰの第２値Ｖ２は、計測された変数のサブセットから得られる。示されている例では、オン状態の電流Ｉ_ｏｎ及び／又はオン状態の電圧Ｖ_ｏｎから得られる（計算ブロックＣＡＬＣを参照）。簡単な例では、第２値Ｖ２はオン状態の電圧Ｖ_ｏｎのみに依存するとしてもよく、あるいはオン状態の電圧Ｖ_ｏｎに等しいとしてもよい。後者の場合、計算ステップＣＡＬＣが不要である。ただし、より複雑なＴＳＥＰの代替ケース、例えばパワー半導体装置の切替変数では、オン状態の電流Ｉ_ｏｎと計算ステップＣＡＬＣも必要になる場合がある。

【0056】

ＴＳＥＰのそれぞれの第１及び第２の値Ｖ１、Ｖ２が互いに比較され、特にそれぞれの差が決定される。差に依存して、熱モデルＭ＿ｔｈの熱変数Ｐ＿ｔｈ及び／又はＴＳＥＰモデルＭ＿ＴＳＥＰのＴＳＥＰ変数Ｐ＿ＴＳＥＰが適合され、それに応じてモデルＭ＿ｔｈ、Ｍ＿ＴＳＥＰを適合させるために使用される。

【0057】

第１値Ｖ１、第２値Ｖ２の差が十分に小さい場合、例えば、全てがそれぞれの閾値を下回っている場合、接合部温度Ｔ_ｊは、接合部温度決定の最終結果と見なされてもよい。それ以外の場合、接合部温度Ｔ_ｊは、適合モデルＭ＿ｔｈ、Ｍ＿ＴＳＥＰなどに基づいて再度決定するようにしてよい。

【0058】

図２Ａは、改良された概念による電気又は電子システムの例示的な実施形態のブロック図を示す。

【0059】

このシステムは、１つ又は複数（簡単のために１つだけ図示されている）パワー半導体装置ＰＳ、例えば、ＩＧＢＴ、ＢＪＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＨＥＭＴ、ＪＦＥＴ、サイリスタ又はダイオードを備える電力変換器ＰＣを備える。ＩＧＢＴの回路記号は、非限定的な例としてのみ図２Ａに示す。

【0060】

電力変換器ＰＣは、電力変換器ＰＣ、特にパワー半導体装置ＰＳの、例えば、図１に関して説明される１つ又は複数の計測される変数を含む電気的変数を決定する計測ユニットＭＵをさらに備える。

【0061】

電力変換器ＰＣはまた、図１に関して説明される１つ又は複数の計算ステップを実行する計算ユニットＣＵを備える。

【0062】

計算ユニットＣＵ及び計測ユニットＭＵは、例えば、電力変換器ＰＣの駆動ユニット（図示せず）又は制御ユニット（図示せず）に備えられてもよく、あるいはパワー変換器ＰＣの別個の回路（図示せず）の一部であってもよい。

【0063】

図２Ｂは、改良された概念による電気又は電子システムのさらなる例示的な実施形態のブロック図を示す。

【0064】

図２Ｂのシステムは、計算ユニットＣＵ及び計測ユニットＭＵの配置を除いて、図２Ａのシステムと同じである。特に、計算ユニットＣＵ及び計測ユニットＭＵは、電力変換器ＰＣの一部ではなく、電力変換器ＰＣに結合された回路Ｃに備えられたものである。この回路は、例えば、計算ユニットＣＵを備えるマイクロプロセッサ（図示せず）を備えてよい。

【0065】

図３は、改良された概念による電気又は電子システムのさらなる例示的な実施形態のブロック図を示す。

【0066】

このシステムは、タンクＴを備えた電力変圧器又は反応器、特にシャント反応器を備える。１つ又は複数の巻線Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３は、タンクＴ内に配置される。タンクＴは、例えば変圧器油の、絶縁剤ＩＭ、例えば満たされているか、部分的に満たされている。

【0067】

このようなシステムでは、特徴温度は、巻線Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３のいずれかの巻線温度又はホットスポット温度である。

【0068】

図１の説明に関しては、巻線温度が接合部温度Ｔｊに置き換わる。変圧器又は反応器の周囲温度又は絶縁剤ＩＭの温度が、図１のベースプレート温度Ｔｂを置き換える場合がある。
図１の、オン状態の合計持続時間ｔ_ｏｎと、オフ状態の合計持続時間ｔ_ｏｆｆと、オン状態の電圧Ｖ_ｏｎと、オフ状態の電圧Ｖ_ｏｆｆと、オン状態の電流Ｉ_ｏｎとは、変圧器又は反応器の消費電力に影響を与える適切な量に置き換えてもよい。実際、変圧器又は反応器の熱モデルＭ＿ｔｈに必要な全ての入力は、事情によるので、熟練した読者が知っているか、直接導き出してよい。第１及び第２の値Ｖ１、Ｖ２が決定されるＴＳＥＰは、変圧器又は反応器（ｒｅｃｔｏｒ）の任意の温度感受性変数、例えば、巻線Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３のうちの１つの電気抵抗によって置き換えてよい。

【0069】

これら又は他の適切な交換により、図１に関して説明された方法はまた、変圧器又は反応器に対して同様に実行され得る。

【0070】

それぞれの適切な交換により、図１に関して説明した方法は、負荷時タップ切換器に対しても同様に実行してよい。

【0071】

改良された概念による方法又はシステムによって、事前の較正なしに、及びシステムの通常の動作中に、電気又は電子システムの特徴温度を決定可能である。これは、シミュレーション及び推定のハイブリッドアプローチを使用することによって実現される。ＴＳＥＰの（複数の）決定値を強制的に一致させると、システム全体が簡単にアクセスできる数量に基づいて特徴付けられる。改良された概念は、変数の適切な選択のみを必要とする多くの種類の電気又は電子システムに広く適用可能である。

【0072】

システム又は装置の温度感受性の効果的な再較正が、システムの寿命を通して達成される。したがって、電気的及び熱的変数の長期的な変化は、装置の寿命全体にわたって追跡される。これは、状況監視が本質的に提供されることを意味する。

【0073】

改良された概念の別の有利点は、ＴＳＥＰ特性の概算を除いて、装置特性の事前知識が要求されないことである。後者は、最小二乗フィッティング、適応フィルタリング、カルマンフィルタリング、主成分分析など、使用されている数学モデルに依存する場合がある。データシート変数でも十分な場合がある。

【0074】

電力変換器の場合、電力変換器モジュールに変更を加える必要はない。特に、モジュール内に追加の接続やセンサーは不要である。

【0075】

改良された概念に従った実装には、パワー半導体装置の接合部温度推定が含まれる場合がある。これは、次世代の「スマート」電力変換器のいくつもの特徴を可能にする。そのような特徴には、動的定格制御（インテリジェントなオーバーレート／ディレート）、最適化された並列インバータースタックの電流共有、状況監視（摩耗と異常動作の検出、予知保全の提供）、温度サイクルのカウントと残りの耐用年数の見積もり、開発及びタイプテスト中のインバータースタック設計の検証の改善、過熱検出の改善が含まれる。

【0076】

電力変換器の製造業者にもたらされる有利点は、例えばマージンの削減によるコストに対する最適化されたパフォーマンス（例えば、電流定格又は効率）を含むだろう。電力変換器のエンドユーザーにとっての有利点には、異常な動作の早期検出や潜在的な運用費用の削減がある。

【0077】

改良された概念が利用されない場合の較正不足の影響を実証するために、電力変換器で使用するためのＩＧＢＴの製品変形態様を例として検討する。通常、ＩＧＢＴのオン状態の電圧降下又はゲートしきい値電圧は、生産バッチの９５％で±１００ｍＶ以上の変動範囲を持つ可能性がある。１ｍＶ／Ｋから１０ｍＶ／Ｋの一般的なＴＳＥＰ感度と組み合わせると、１０℃から１００°Ｃの範囲で誤差が生じ、接合部温度の推定が無意味になる。これは、改良された概念の有利な点を強調する。

【符号の説明】

【0078】

Ｔ_ｂ ベースプレート温度
Ｔ_ｏｎ オン状態の合計期間
ｔ_ｏｆｆ オフ状態の合計期間
Ｉ_ｏｎ オン状態の電流
Ｖ_ｏｎ オン状態の電圧
Ｖ_ｏｆｆ オフ状態の電圧
Ｔ_ｊ 接合部温度
Ｔ_ｊ－ｂ 温度差
Ｐ_ｓｗ 切替電力損失
Ｐ_ｃｏｎｄ 伝導電力損失
Ｐ_ｓｈ 自己発熱電力損失
Ｐ_ｃｃ クロスカップリング電力損失
Ｖ１、Ｖ２ ＴＳＥＰの値
Ｍ＿ｔｈ 熱モデル
Ｍ＿ＴＳＥＰ ＴＳＥＰモデル
ＣＡＬＣ 計算ステップ
Ｐ＿ｔｈ 熱変数
Ｐ＿ＴＳＥＰ ＴＳＥＰ変数
ＰＣ 電力変換器
ＣＵ 計算ユニット
ＭＵ 計測ユニット
Ｃ 回路
ＰＳ パワー半導体装置
Ｔ タンク
ＩＭ 絶縁剤
Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３ 変圧器又は反応器の巻線

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】