JP2018046647A - Inverter device and electrical compressor for vehicle equipped with the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば電動圧縮機のモータを運転するインバータ装置、及び、それを備えた車両用電動圧縮機に関するものである。 The present invention relates to an inverter device that operates a motor of an electric compressor, for example, and an electric compressor for a vehicle including the same.
近年の環境問題からハイブリッド自動車や電気自動車が注目されてきているが、この種ハイブリッド自動車等の空調装置では冷媒圧縮機として電動圧縮機が使用される。この電動圧縮機は、車両のバッテリから給電されるモータにより圧縮要素を駆動するものであるが、このモータはインバータ装置により運転される。 In recent years, hybrid vehicles and electric vehicles have been attracting attention due to environmental problems. In such air conditioners such as hybrid vehicles, an electric compressor is used as a refrigerant compressor. This electric compressor drives a compression element by a motor fed from a vehicle battery, and this motor is operated by an inverter device.
この種のインバータ装置は、ブリッジ構成の電力用半導体素子(IGBTやMOSFET等)をスイッチングすることにより、モータの各相の通電を制御するものであるが、これら電力用半導体素子は、損失分の発熱を生じるため、特に電動圧縮機がエンジンルームなどの過酷な温度(高温)環境下で使用される車両用電動圧縮機である場合には、インバータ装置を構成する電力用半導体素子の過熱保護が極めて重要となる。 This type of inverter device controls the energization of each phase of the motor by switching a power semiconductor element (IGBT, MOSFET, etc.) having a bridge configuration. In order to generate heat, especially when the electric compressor is an electric compressor for a vehicle used in a severe temperature (high temperature) environment such as an engine room, the overheat protection of the power semiconductor element constituting the inverter device is prevented. It becomes extremely important.
係る電力用半導体素子の発熱を考慮した保護方式として、電力用半導体素子のジャンクション温度を推定し、当該ジャンクション温度が所定値に上昇したことに基づいて運転を停止するものがある。このジャンクション温度とは、電力用半導体素子内部のチップの温度(IGBTチップやMOSFETチップと、FWDチップの表面温度)であり、電力用半導体素子が実装された基板の温度(電力用半導体素子の近傍の温度)を温度センサ(温度検出器)で検出し、この検出値に電力用半導体素子のスイッチング損失と定常損失(導通損失又は通電損失)から成る損失で生じる発熱量に相当する温度上昇値を加えることで得られるものである(例えば、特許文献1参照)。 As a protection method in consideration of heat generation of the power semiconductor element, there is a method of estimating the junction temperature of the power semiconductor element and stopping the operation based on the junction temperature rising to a predetermined value. This junction temperature is the temperature of the chip inside the power semiconductor element (surface temperature of the IGBT chip, MOSFET chip, and FWD chip), and the temperature of the substrate on which the power semiconductor element is mounted (near the power semiconductor element). The temperature rise value corresponding to the amount of heat generated by the loss consisting of the switching loss and steady loss (conduction loss or conduction loss) of the power semiconductor element is detected by the temperature sensor (temperature detector). It is obtained by adding (for example, refer patent document 1).
図5は係るジャンクション温度による従来の保護方式を説明する図である。この図において縦軸はブリッジ構成の電力用半導体素子から成るインバータ回路の相電流値の値、横軸は電力用半導体素子が実装された基板の温度(電力用半導体素子の近傍の温度)を検出する温度センサの検出値である。 FIG. 5 is a diagram for explaining a conventional protection method based on the junction temperature. In this figure, the vertical axis indicates the phase current value of the inverter circuit composed of power semiconductor elements in a bridge configuration, and the horizontal axis detects the temperature of the substrate on which the power semiconductor elements are mounted (the temperature in the vicinity of the power semiconductor elements). The detected value of the temperature sensor.
図5中に示された折れ線は、温度センサの検出値がT1に上昇するまでは、相電流が所定値Astopに達したときに電流を遮断し、温度センサの検出値がT1からT2に上昇するまでは、所定値Astopより小さい値(図5の折れ線中の斜め線)で遮断を行う保護閾値を示しており、この保護閾値の計算方法は以下の通りである。 The broken line shown in FIG. 5 indicates that the current is cut off when the phase current reaches the predetermined value Asstop until the detection value of the temperature sensor rises to T1, and the detection value of the temperature sensor rises from T1 to T2. Until this time, the protection threshold value for performing the blocking with a value smaller than the predetermined value Asstop (the oblique line in the broken line in FIG. 5) is shown, and the calculation method of this protection threshold value is as follows.
即ち、車両のバッテリ(車両用HV電源)から印加される電圧(HV電圧)が最大値(例えば、300Vなど)であると想定して、電力用半導体素子の特性に基づき、印加電圧(HV電圧)と相電流の値から当該電力用半導体素子の損失(発熱量)を計算し、この損失から温度上昇値を予め計算しておく(相電流と温度上昇値との関係を、印加電圧が最大値として予め求めておく)。そして、この温度上昇値に温度センサの検出値を加えたジャンクション温度が、電力用半導体素子の温度限界である所定値(例えば、+175℃等)となる相電流と温度センサの検出値との関係を示したのが図5中の保護閾値(折れ線)である。 That is, assuming that the voltage (HV voltage) applied from the vehicle battery (HV power supply for the vehicle) is a maximum value (for example, 300 V), the applied voltage (HV voltage) is based on the characteristics of the power semiconductor element. ) And the phase current value, the loss (heat generation amount) of the power semiconductor element is calculated, and the temperature rise value is calculated in advance from this loss (the relationship between the phase current and the temperature rise value is determined by the maximum applied voltage). It is obtained in advance as a value). The relationship between the phase current at which the junction temperature obtained by adding the detected value of the temperature sensor to the temperature rise value becomes a predetermined value (for example, + 175 ° C.) which is the temperature limit of the power semiconductor element, and the detected value of the temperature sensor The protection threshold value (broken line) in FIG. 5 is shown.
そして、従来では図5に示した保護閾値に基づき、例えばそのときの温度センサの検出値がT1になるまでは、相電流の値がAstopまで上昇した時点で電流を遮断すると云う電力用半導体素子の保護を行っていた。しかしながら、この保護閾値は印加電圧(HV電圧)が最大値のとき、即ち、最悪条件での保護閾値であるため、印加電圧(HV電圧)が低いときには、保護を行う必要が無い段階で電流を遮断してしまうという欠点があった。 Conventionally, based on the protection threshold value shown in FIG. 5, for example, until the detected value of the temperature sensor at that time reaches T1, the power semiconductor element that cuts off the current when the phase current value rises to Asstop. Had done protection. However, since this protection threshold is the maximum value of the applied voltage (HV voltage), that is, the worst-case protection threshold, when the applied voltage (HV voltage) is low, the current is applied at a stage where it is not necessary to perform protection. There was a drawback of blocking.
また、最悪条件での損失計算についても、従来では相電流を正弦波と仮定して比較的長い周期の平均値から損失を計算していた。しかしながら、印加電圧には変調を掛けるため、相電流の波形も理想的な正弦波とはならず、リプルや高調波成分を含んだものとなる。そのため、平均値では分からなくても、瞬時的には電力用半導体素子の温度限界を超える状況も生じており、従来ではこれを的確に判定して保護することができていなかった。 Further, regarding the loss calculation under the worst condition, conventionally, the phase current is assumed to be a sine wave, and the loss is calculated from an average value of a relatively long period. However, since the applied voltage is modulated, the waveform of the phase current is not an ideal sine wave, but includes ripples and harmonic components. For this reason, even if the average value is not known, there is an instantaneous situation where the temperature limit of the power semiconductor element is exceeded. In the past, this could not be accurately determined and protected.
本発明は、係る従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、瞬時的な温度上昇からも電力用半導体素子を高精度で保護することができるインバータ装置及びそれを用いた車両用電動圧縮機を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the conventional technical problems, and an inverter device capable of protecting a power semiconductor element with high accuracy from an instantaneous temperature rise and a vehicle using the same An object is to provide an electric compressor.
本発明のインバータ装置は、ブリッジ構成を成す電力用半導体素子を有するインバータ回路と、電力用半導体素子を駆動するPWM制御部を有するインバータ制御部を備えたものであって、電力用半導体素子近傍の温度を検出する温度検出器と、インバータ回路の相電流を検出する相電流検出器を備え、インバータ制御部は、相電流検出器が検出する少なくとも一相の相電流と印加電圧から電力用半導体素子の損失を計算する損失計算部と、温度検出器が検出する温度に、損失計算部が計算した電力用半導体素子の損失から得られる温度上昇値を加えて、当該電力用半導体素子のジャンクション温度を推定するジャンクション温度推定計算部と、を有し、PWM制御部におけるPWMキャリア周期毎に、損失計算部により電力用半導体素子の損失を計算し、ジャンクション温度推定計算部により電力用半導体素子のジャンクション温度を推定すると共に、このジャンクション温度推定計算部が推定したPWMキャリヤ周期毎の電力用半導体素子のジャンクション温度が所定値を超えた場合、所定の保護動作を実行することを特徴とする。 An inverter device of the present invention includes an inverter circuit having a power semiconductor element having a bridge configuration and an inverter control unit having a PWM control unit for driving the power semiconductor element, and is provided in the vicinity of the power semiconductor element. A temperature detector for detecting the temperature and a phase current detector for detecting the phase current of the inverter circuit are provided. The inverter control unit is a power semiconductor element based on at least one phase current detected by the phase current detector and the applied voltage. Add the temperature rise value obtained from the loss of the power semiconductor element calculated by the loss calculation section to the temperature detected by the loss detector and the temperature detector that calculates the loss of the power, and calculate the junction temperature of the power semiconductor element. A junction temperature estimation calculation unit for estimation, and for each PWM carrier period in the PWM control unit, the loss calculation unit of the power semiconductor element The junction temperature of the power semiconductor element is estimated by the junction temperature estimation calculation unit, and the junction temperature of the power semiconductor element for each PWM carrier period estimated by the junction temperature estimation calculation unit exceeds a predetermined value. In this case, a predetermined protection operation is performed.
請求項2の発明のインバータ装置は、上記発明においてPWMキャリア周期はインバータ回路の相電流の周波数よりも十分に小さく、電力用半導体素子の熱時定数よりも十分短いことを特徴とする。 The inverter device according to a second aspect of the invention is characterized in that, in the above invention, the PWM carrier cycle is sufficiently smaller than the frequency of the phase current of the inverter circuit and sufficiently shorter than the thermal time constant of the power semiconductor element.
請求項3の発明のインバータ装置は、上記各発明において損失計算部は、電力用半導体素子のスイッチング損失と定常損失から当該電力用半導体素子の損失を計算し、ジャンクション温度推定計算部は、損失計算部が計算した電力用半導体素子の損失に当該電力用半導体素子の熱抵抗値を掛けることで温度上昇値を算出することを特徴とする。 In the inverter device according to a third aspect of the invention, in each of the above inventions, the loss calculation unit calculates the loss of the power semiconductor element from the switching loss and the steady loss of the power semiconductor element, and the junction temperature estimation calculation unit calculates the loss. The temperature rise value is calculated by multiplying the loss of the power semiconductor element calculated by the unit by the thermal resistance value of the power semiconductor element.
請求項4の発明のインバータ装置は、上記各発明において損失計算部は、インバータ回路の各相の相電流と印加電圧からブリッジ構成の各相の電力用半導体素子の損失を計算すると共に、インバータ制御部は、最も高い電力用半導体素子のジャンクション温度に基づいて保護動作を実行することを特徴とする。 In the inverter device according to a fourth aspect of the present invention, in each of the above inventions, the loss calculation unit calculates the loss of the power semiconductor element of each phase of the bridge configuration from the phase current and applied voltage of each phase of the inverter circuit, and performs inverter control. The unit performs a protection operation based on a junction temperature of the highest power semiconductor element.
請求項5の発明のインバータ装置は、上記各発明において電力用半導体素子は、半導体スイッチング素子と還流ダイオードとの複合体であり、損失計算部は、半導体スイッチング素子の損失と還流ダイオードの損失を計算し、ジャンクション温度推定計算部は、半導体スイッチング素子のジャンクション温度と還流ダイオードのジャンクション温度を推定することを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided an inverter device according to any of the above-mentioned inventions, wherein the power semiconductor element is a composite of a semiconductor switching element and a free wheel diode, and the loss calculation unit calculates the loss of the semiconductor switching element and the free wheel diode. The junction temperature estimation calculation unit estimates the junction temperature of the semiconductor switching element and the junction temperature of the free-wheeling diode.
請求項6の発明のインバータ装置は、上記各発明においてインバータ制御部は、電力用半導体素子のジャンクション温度が第1の所定値を超えた場合、インバータ回路に流れる電流を制限すると共に、ジャンクション温度が第1の所定値より高い第2の所定値を超えた場合、インバータ回路に流す電流を遮断することを特徴とする。
In the inverter device of the invention of
請求項7の発明の車両用電動圧縮機は、上記各発明のインバータ装置により運転されるモータを備えて車両に搭載されることを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a vehicle electric compressor including a motor that is operated by the inverter device according to each of the above inventions, and is mounted on the vehicle.
本発明によれば、ブリッジ構成を成す電力用半導体素子を有するインバータ回路と、電力用半導体素子を駆動するPWM制御部を有するインバータ制御部を備えたインバータ装置において、電力用半導体素子近傍の温度を検出する温度検出器と、インバータ回路の相電流を検出する相電流検出器を備えており、インバータ制御部が、相電流検出器が検出する少なくとも一相の相電流と印加電圧から電力用半導体素子の損失を計算する損失計算部と、温度検出器が検出する温度に、損失計算部が計算した電力用半導体素子の損失から得られる温度上昇値を加えて、当該電力用半導体素子のジャンクション温度を推定するジャンクション温度推定計算部と、を有して、PWM制御部におけるPWMキャリア周期毎に、損失計算部により電力用半導体素子の損失を計算し、ジャンクション温度推定計算部により電力用半導体素子のジャンクション温度を推定するようにした。このPWMキャリア周期は、請求項2の発明の如くインバータ回路の相電流の周波数よりも十分に小さく、電力用半導体素子の熱時定数よりも十分短いので、係るPWMキャリア周期毎といった高速の周期で電力用半導体素子のジャンクション温度の瞬時値を推定することができるようになる。 According to the present invention, in an inverter device including an inverter circuit having a power semiconductor element having a bridge configuration and an inverter control unit having a PWM control unit for driving the power semiconductor element, the temperature in the vicinity of the power semiconductor element is increased. A temperature detector to detect and a phase current detector to detect the phase current of the inverter circuit, and the inverter control unit detects the power semiconductor element from at least one phase current detected by the phase current detector and the applied voltage. Add the temperature rise value obtained from the loss of the power semiconductor element calculated by the loss calculation section to the temperature detected by the loss detector and the temperature detector that calculates the loss of the power, and calculate the junction temperature of the power semiconductor element. A junction temperature estimation calculation unit for estimation, and for each PWM carrier period in the PWM control unit, the loss calculation unit performs power semiconductor The loss of the element was calculated and to estimate the junction temperature of the power semiconductor device by a junction temperature estimation calculation unit. Since the PWM carrier period is sufficiently smaller than the phase current frequency of the inverter circuit and sufficiently shorter than the thermal time constant of the power semiconductor element as in the second aspect of the invention, the PWM carrier period is a high-speed period such as every PWM carrier period. An instantaneous value of the junction temperature of the power semiconductor element can be estimated.
そして、このジャンクション温度推定計算部が推定したPWMキャリヤ周期毎の電力用半導体素子のジャンクション温度(瞬時値)が所定値を超えた場合、所定の保護動作を実行するようにしたので、瞬時的な温度上昇からも電力用半導体素子を高精度で保護することができるようになる。 Then, when the junction temperature (instantaneous value) of the power semiconductor element for each PWM carrier period estimated by the junction temperature estimation calculation unit exceeds a predetermined value, a predetermined protection operation is executed. The power semiconductor element can be protected with high accuracy even from a temperature rise.
この場合、請求項3の発明の如く損失計算部が、電力用半導体素子のスイッチング損失と定常損失から当該電力用半導体素子の損失を計算し、ジャンクション温度推定計算部が、損失計算部が計算した電力用半導体素子の損失に当該電力用半導体素子の熱抵抗値を掛けることで温度上昇値を算出するようにすれば、電力用半導体素子のジャンクション温度の瞬時値を的確に計算して推定することができるようになる。
In this case, the loss calculation section calculates the loss of the power semiconductor element from the switching loss and the steady loss of the power semiconductor element as in the invention of
また、請求項4の発明の如く損失計算部が、インバータ回路の各相の相電流と印加電圧からブリッジ構成の各相の電力用半導体素子の損失を計算し、インバータ制御部が、最も高い電力用半導体素子のジャンクション温度に基づいて保護動作を実行するようにすれば、最も温度上昇が激しい相の電力用半導体素子を安全、且つ、正確に保護することができるようになる。 According to a fourth aspect of the present invention, the loss calculation unit calculates the loss of the power semiconductor element of each phase of the bridge configuration from the phase current and applied voltage of each phase of the inverter circuit, and the inverter control unit calculates the highest power. If the protection operation is executed based on the junction temperature of the semiconductor element for power, the power semiconductor element in the phase where the temperature rises most rapidly can be safely and accurately protected.
特に、請求項5の発明の如く電力用半導体素子が、半導体スイッチング素子と還流ダイオードとの複合体である場合に、損失計算部が、半導体スイッチング素子の損失と還流ダイオードの損失を計算し、ジャンクション温度推定計算部は、半導体スイッチング素子のジャンクション温度と還流ダイオードのジャンクション温度を推定するようにすれば、還流ダイオードを有する電力用半導体素子の場合にも支障無く保護を行うことができるようになる。 In particular, when the power semiconductor element is a composite of a semiconductor switching element and a free-wheeling diode as in the invention of claim 5, the loss calculation unit calculates the loss of the semiconductor switching element and the free-wheeling diode, If the temperature estimation calculation unit estimates the junction temperature of the semiconductor switching element and the junction temperature of the free-wheeling diode, the temperature estimation calculation unit can protect the power semiconductor element having the free-wheeling diode without any trouble.
更に、請求項6の発明の如くインバータ制御部が、電力用半導体素子のジャンクション温度が第1の所定値を超えた場合、インバータ回路に流れる電流を制限し、ジャンクション温度が第1の所定値より高い第2の所定値を超えた場合、インバータ回路に流す電流を遮断するようにすることで、電力用半導体素子の保護を確実に行いながら、不必要な電流遮断の発生を回避することが可能となる。 Further, as in the sixth aspect of the invention, the inverter control unit limits the current flowing through the inverter circuit when the junction temperature of the power semiconductor element exceeds the first predetermined value, and the junction temperature is less than the first predetermined value. When the high second predetermined value is exceeded, by interrupting the current flowing through the inverter circuit, it is possible to avoid unnecessary current interruption while reliably protecting the power semiconductor element. It becomes.
そして、高温環境下で使用される請求項7の発明の如き車両用電動圧縮機において、上記各発明のインバータ装置によりモータを運転することで、極めて効果的な過熱保護を実現することができるようになるものである。 And in the electric compressor for vehicles like the invention of Claim 7 used in a high temperature environment, a very effective overheat protection can be implement | achieved by operating a motor with the inverter apparatus of said each invention. It will be.
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。図1は本発明を適用した車両用電動圧縮機1の概略断面図を示している。実施例の電動圧縮機1は、図示しない車両の車室内を空調する空気調和装置の冷媒回路の一部を構成するもので、車両のエンジンルームに搭載される。電動圧縮機1は、ハウジング2内にモータ3と、このモータ3の回転軸4により駆動されるスクロール型等の圧縮要素6を備えている。ハウジング2には更に本発明のインバータ装置7が取り付けられており、このインバータ装置7によりモータ3は運転され、圧縮要素6を駆動する。圧縮要素6はモータ3の回転軸4により駆動されて冷媒回路から冷媒を吸い込み、圧縮して再度冷媒回路に吐出するものである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. FIG. 1 shows a schematic sectional view of a vehicular electric compressor 1 to which the present invention is applied. The electric compressor 1 according to the embodiment constitutes a part of a refrigerant circuit of an air conditioner that air-conditions the interior of a vehicle (not shown), and is mounted in an engine room of the vehicle. The electric compressor 1 includes a
次に、図2は係るインバータ装置7の電気回路図を示している。実施例のインバータ装置7は、インバータ回路8及び平滑コンデンサ9が実装された制御基板11と、マイクロコンピュータ(プロセッサ)により構成されたインバータ制御部12を備えている。インバータ回路8の正側の直流母線13は、図示しない車両のバッテリ(車両用HV電源)Bの+端子に接続され、負側の直流母線14は、バッテリBの−端子に接続されている。そして、平滑コンデンサ9はインバータ回路8の二つの直流母線13、14間に接続されている。
Next, FIG. 2 shows an electric circuit diagram of the
インバータ回路8は、ブリッジを構成する複数の電力用半導体素子のスイッチング状態をそれぞれ変化させて、バッテリBから印加される直流を交流に変換し、モータ3に供給するものである。具体的には、ブリッジの上相を構成する三つの電力用半導体素子16U、16V、16Wと、ブリッジの下相を構成する三つの電力用半導体素子17U、17V、17Wを備えている。各電力用半導体素子16U、16V、16W、及び、17U、17V、17Wは、何れも半導体スイッチング素子18とそれに逆並列で接続された還流ダイオード19との複合体であり、このインバータ回路8の直流母線13、14にはバッテリBより直流電源が供給される。
The
このインバータ回路8では、上相の電力用半導体素子16U、16V、16Wの各半導体スイッチング素子18と下相の電力用半導体素子17U、17V、17Wの各半導体スイッチング素子18とが、1対1に対応して直列接続されている。以下では、直列接続された電力用半導体素子16U〜17Wの各半導体スイッチング素子18の対をスイッチングレグと称する。即ち、実施例では電力用半導体素子16Uの半導体スイッチング素子18と電力用半導体素子17Uの半導体スイッチング素子18の対で構成されたスイッチングレグ21Uと、電力用半導体素子16Vの半導体スイッチング素子18と電力用半導体素子17Vの半導体スイッチング素子18の対で構成されたスイッチングレグ21Vと、電力用半導体素子16Wの半導体スイッチング素子18と電力用半導体素子17Wの半導体スイッチング素子18の対で構成されたスイッチングレグ21Wとがある。
In this
これらスイッチングレグ21U、21V、21Wは、正側の直流母線13と負側の直流母線14との間にそれぞれ接続されている。また、それぞれのスイッチングレグ21U、21V、21Wの各中間点MU、MV、MWが出力交流の各相(U相、V相、W相)の相電圧Vu、Vv、Vwを出力するノードであり、各中間点MU、MV、MWがモータ3の各相に接続されている。
The switching
実施例のインバータ回路8では、半導体スイッチング素子18はIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を用いている。尚、半導体スイッチング素子18としては係るIGBTに限らず、MOSFET等でも良い。また、制御基板11には電力用半導体素子16U〜17Wの近傍に位置して温度検出器としての温度センサ22が実装されている。この温度センサ22は実施例ではサーミスタから構成されている。
In the
更に、モータ3からの電流が流れ込む位置の負側の直流母線14には相電流検出器としてのシャント抵抗23が接続されている。このシャント抵抗23にモータ3からの電流が流れると、シャント抵抗23の両端には電位差が生じ、この両端間の電圧を検出することで、相電流Iu、Iv、Iwを算出することができる。尚、相電流検出器としては係るシャント抵抗に限らず、カレントトランス等で構成しても良い。
Further, a
一方、インバータ制御部12は、モータ制御部26と、PWM制御部27と、電流検出部28と、ゲートドライバ29と、損失計算部31と、ジャンクション温度推定計算部32と、温度保護部33を備えている。そして、正側の直流母線13のHV電圧(印加電圧)はPWM制御部27と損失計算部31に入力される。
On the other hand, the
モータ制御部26はモータ3に印加する三相正弦波の目標とする波形(変調波)をPWM制御部27に出力する。PWM制御部27はモータ制御部26が出力する変調波とキャリア(三角波)の高低を比較することにより、ドライブ信号であるデューティ(Duty:上相ON時間)を生成する。このデューティはU相、V相、W相の各相について生成され、各半導体スイッチング素子18のゲートをドライブ(ON−OFF)するゲートドライバ29に送出される。
The
尚、実施例のモータ3の回転速度である相電流Iu、Iv、Iwの周波数は400Hz〜500Hzであり、PWM制御部27におけるキャリアの周期(以下、PWMキャリア周期と称する)は、それよりも十分小さい(或いは、十分短い)20kHzである。また、電力用半導体素子16U〜17Wの熱時定数(損失分の温度上昇値として温度センサ22に伝達するまでにかかる時間)は50msec程であり、PWMキャリア周期はこの熱時定数よりも十分短い(或いは、十分早い)。
The frequencies of the phase currents Iu, Iv, Iw, which are the rotational speeds of the
電流検出部28は、シャント抵抗23の両端間の電圧を入力し、当該シャント抵抗23の抵抗値から相電流Iu、Iv、Iwを算出する。算出された相電流Iu、Iv、Iwは損失計算部31に入力される。
The
損失計算部31は、電流検出部28から入力されたU相、V相、W相の各相の相電流Iu、Iv、Iw、及び、正側の直流母線13のHV電圧(印加電圧)と、PWM制御部27から入力されるデューティに基づき、各電力用半導体素子16U〜17Wの損失を計算する。実施例の場合、損失計算部31は各電力用半導体素子16U〜17Wを構成する半導体スイッチング素子18のスイッチング損失、及び、定常損失(導通損失又は通電損失)と、還流ダイオード19のスイッチング損失、及び、定常損失(導通損失又は通電損失)をそれぞれ別個に計算する。
The
この半導体スイッチング素子18のスイッチング損失、及び、定常損失(導通損失又は通電損失)が半導体スイッチング素子18の損失であり、当該半導体スイッチング素子18の発熱量となる。また、還流ダイオード19のスイッチング損失、及び、定常損失(導通損失又は通電損失)が還流ダイオード19の損失であり、当該還流ダイオード19の発熱量となる。そして、これらが各電力用半導体素子16U〜17Wの損失となる。この損失計算部31で算出された各電力用半導体素子16U〜17Wの損失は、ジャンクション温度推定計算部32に入力される。
The switching loss and steady loss (conduction loss or conduction loss) of the
ジャンクション温度推定計算部32は、温度センサ22が検出する電力用半導体素子16U〜17Wの近傍の温度Tthに、損失計算部31が計算した各電力用半導体素子16U〜17Wの損失から得られる温度上昇値ΔTを加えることで、各電力用半導体素子16U〜17Wの半導体スイッチング素子18のジャンクション温度Tjiと還流ダイオード19のジャンクション温度Tjdの推定値を計算する。
The junction temperature
この場合、ジャンクション温度推定計算部32は、電力用半導体素子16U〜17Wの熱抵抗値(熱伝達係数)Trを損失計算部31が計算した各電力用半導体素子16U〜17Wの損失に掛ける(乗算)ことで上記温度上昇値ΔTを算出する。上記のジャンクション温度推定計算部32における推定計算を式で表すと下記式(1)のようになる。
Tji、Tjd=Tth+ΔT ・・・(1)
尚、ΔTは損失×Tr。
そして、算出された各ジャンクション温度Tji、Tjdは温度保護部33に入力される。
In this case, the junction temperature
Tji, Tjd = Tth + ΔT (1)
ΔT is loss × Tr.
The calculated junction temperatures Tji and Tjd are input to the
温度保護部33は、ジャンクション温度推定計算部32が推定した各電力用半導体素子16U〜17Wの半導体スイッチング素子18のジャンクション温度Tji、及び、還流ダイオード19のジャンクション温度Tjdに基づいて所定の保護動作を実行する。この保護動作は、実施例では二段階に分かれており、先ず、何れかの電力用半導体素子16U〜17Wの各ジャンクション温度Tji、Tjdのうちの最も高いものが第1の所定値TS1を超えた場合、温度保護部33はモータ制御部26に電流制限信号を出力する。
The
モータ制御部26は温度保護部33から電流制限信号を受信した場合、インバータ回路8に流れる電流を所定の値に制限するように変調波を調整する。また、温度保護部33は、前記ジャンクション温度Tji、Tjdのうちの最も高いものが前記第1の所定値TS1より高い第2の所定値TS2を超えた場合、電流遮断信号をモータ制御部26に出力する。モータ制御部26は温度保護部33から電流遮断信号を受信した場合、変調波の出力を停止することで、全ての電力用半導体素子16U〜17Wの半導体スイッチング素子18をOFFし、インバータ回路8に流れる電流を遮断する。これら第1の所定値TS1及び第2の所定値TS2は、電力用半導体素子16U〜17Wを構成する半導体スイッチング素子18及び還流ダイオード19の温度限界から設定された値である。
When the
次に、図3及び図4を参照しながら、インバータ制御部12による電力用半導体素子16U〜17Wの発熱量に応じた具体的な過熱保護動作を説明する。図3の最上段にはPWM制御部27におけるデューティの生成に使用されるキャリアの波形が示されており、その周期がPWMキャリア周期である。そして、その下にPWM制御部27から出力されるU相、V相、W相のデューティが示されており、その下に示された相電流の波形は、実線がU相の相電流Iu、細かい破線がV相の相電流Iv、荒い破線がW相の相電流Iwの波形である。
Next, a specific overheat protection operation according to the heat generation amount of the
その下に示したIGBT損失は損失計算部31が算出する半導体スイッチング素子18の損失であり、同じく実線がU相の電力用半導体素子16U、17Uの半導体スイッチング素子18の損失、細かい破線がV相の電力用半導体素子16V、17Vの半導体スイッチング素子18の損失、荒い破線がW相の電力用半導体素子16W、17Wの半導体スイッチング素子18の損失である。
The IGBT loss shown below is the loss of the
その下に示したDiode損失は損失計算部31が算出する還流ダイオード19の損失であり、同じく実線がU相の電力用半導体素子16U、17Uの還流ダイオード19の損失、細かい破線がV相の電力用半導体素子16V、17Vの還流ダイオード19の損失、荒い破線がW相の電力用半導体素子16W、17Wの還流ダイオード19の損失である。また、その下の温度センサ温度は、温度センサ22が検出する電力用半導体素子16U〜17Wの近傍の温度Tthである。
The diode loss shown below is the loss of the freewheeling
そして、その下に示したIGBTジャンクション温度推定値はジャンクション温度推定計算部32が計算した半導体スイッチング素子18のジャンクション温度Tjiであり、同じく実線がU相の電力用半導体素子16U、17Uの半導体スイッチング素子18のジャンクション温度Tji、細かい破線がV相の電力用半導体素子16V、17Vの半導体スイッチング素子18のジャンクション温度Tji、荒い破線がW相の電力用半導体素子16W、17Wの半導体スイッチング素子18のジャンクション温度Tjiである。尚、一点鎖線はジャンクション温度Tjiの平均値である。
The estimated IGBT junction temperature shown below is the junction temperature Tji of the
その下に示したDiodeジャンクション温度推定値はジャンクション温度推定計算部32が計算した還流ダイオード19のジャンクション温度Tjdであり、同じく実線がU相の電力用半導体素子16U、17Uの還流ダイオード19のジャンクション温度Tjd、細かい破線がV相の電力用半導体素子16V、17Vの還流ダイオード19のジャンクション温度Tjd、荒い破線がW相の電力用半導体素子16W、17Wの還流ダイオード19のジャンクション温度Tjdである。尚、一点鎖線はジャンクション温度Tjdの平均値である。
The estimated diode junction temperature shown below is the junction temperature Tjd of the freewheeling
図4はインバータ制御部12が実行するジャンクション温度の推定計算の流れを示している。本発明では、インバータ制御部12は半導体スイッチング素子18(IGBT)と還流ダイオード19(Diode)の発熱量を、PWMキャリア周期毎に計算する。即ち、損失計算部31はPWM制御部27から出力されるデューティから得られるPWMキャリア周期毎に、駆動中のHV電圧(印加電圧)と相電流Iu、Iv、Iwの瞬時値から、各相(U相、V相、W相の上下相)の電力用半導体素子16U〜17Wの損失を計算する(ステップS1)。
FIG. 4 shows the flow of estimation calculation of the junction temperature executed by the
ここで、各電力用半導体素子16U〜17Wにおいて、電流は必ず半導体スイッチング素子18か還流ダイオード19の何れかにしか流れないため、半導体スイッチング素子18に電流が流れている期間は還流ダイオード19の損失は零、逆に還流ダイオード19に電流が流れている期間は半導体スイッチング素子18の損失は零である。
Here, in each of the
そこで、前述した如く損失計算部31は各相のデューティに基づいて上相の半導体スイッチング素子18がONしているときにそれに流れる相電流とHV電圧(印加電圧)から当該半導体スイッチング素子18の損失(スイッチング損失、及び、定常損失)を計算し、下相の半導体スイッチング素子18については上相の半導体スイッチング素子18がOFFしているときに流れる相電流とHV電圧(印加電圧)から当該半導体スイッチング素子18の損失(スイッチング損失、及び、定常損失)を計算する。
Therefore, as described above, the
また、上下相の還流ダイオード19の損失(スイッチング損失、及び、定常損失)については、それと複合体となる半導体スイッチング素子18がOFFしているときに還流ダイオード19に流れる相電流とHV電圧(印加電圧)から当該還流ダイオード19の損失(スイッチング損失、及び、定常損失)を計算する。
Further, regarding the loss (switching loss and steady loss) of the upper and lower
例えば、図3のU相を例に採ると、U相の相電流Iuが正の値をとる期間ではU相の上相の電力用半導体素子16Uの半導体スイッチング素子18の損失(スイッチング損失、及び、定常損失)を計算し(それと複合体となる還流ダイオード19の損失は零)、下相の電力用半導体素子17Uの還流ダイオード19の損失(スイッチング損失、及び、定常損失)を計算する(それと複合体となる半導体スイッチング素子18の損失は零)。
For example, taking the U phase in FIG. 3 as an example, the loss (switching loss, and loss of the
また、U相の相電流Iuが負の値をとる期間ではU相の上相の電力用半導体素子16Uの還流ダイオード19の損失(スイッチング損失、及び、定常損失)を計算し(それと複合体となる半導体スイッチング素子18の損失は零)、下相の電力用半導体素子17Uの半導体スイッチング素子18の損失(スイッチング損失、及び、定常損失)を計算する(それと複合体となる還流ダイオード19の損失は零。他の相も同様)。尚、損失計算部31は実施例ではPWMキャリア周期の半周期で相電流(瞬時値)を取り込み、残りの半周期で損失計算を行ってジャンクション温度推定計算部32に出力する。従って、図3中の各損失、及び、ジャンクション温度は相電流より一周期分遅れるかたちをとる。
Further, during the period in which the phase current Iu of the U phase takes a negative value, the loss (switching loss and steady loss) of the
前述した如くジャンクション温度推定計算部32は、損失計算部31においてPWMキャリア周期毎に算出され、出力された各電力用半導体素子16U〜17Wの半導体スイッチング素子18の損失と還流ダイオード19の損失に熱抵抗値Trを掛ける(乗算)ことで、各損失によって生じる温度上昇値ΔTを算出する(ステップS2)。
As described above, the junction temperature
次に、ジャンクション温度推定計算部32は、温度センサ22が検出する電力用半導体素子16U〜17Wの近傍の温度Tthを取り込み(ステップS3)、この温度Tthに、半導体スイッチング素子18と還流ダイオード19の損失から算出された温度上昇値ΔTを加えることで(式1)、各電力用半導体素子16U〜17Wの半導体スイッチング素子18のジャンクション温度Tjiと還流ダイオード19のジャンクション温度Tjdの推定値を計算する(ステップS4)。
Next, the junction temperature
各ジャンクション温度Tji、TjdはPWMキャリア周期毎に算出されるので、それらの推定値は瞬時値となる。そして、算出された各電力用半導体素子16U〜17Wの各ジャンクション温度Tji、Tjdは温度保護部33に出力され、温度保護部33は前述した如く、各電力用半導体素子16U〜17Wの半導体スイッチング素子18のジャンクション温度Tjiと、還流ダイオード19のジャンクション温度Tjdのうち、最も高いものを抽出する。
Since each junction temperature Tji, Tjd is calculated for every PWM carrier period, those estimated values are instantaneous values. The calculated junction temperatures Tji and Tjd of the
そして、当該最も高い値となるジャンクション温度Tji、Tjdが前述した第1の所定値TS1を超えた場合、温度保護部33はモータ制御部26に電流制限信号を出力し、更に、第2の所定値TS2を超えた場合は、電流遮断信号をモータ制御部26に出力する。モータ制御部26は温度保護部33からの電流制限信号、又は、電流遮断信号に基づいてインバータ回路8に流れる電流を所定の値に制限し、又は、遮断するものである。
When the junction temperature Tji, Tjd that is the highest value exceeds the first predetermined value TS1, the
以上詳述した如く本発明では、インバータ制御部12が、シャント抵抗23で検出される相電流Iu、Iv、IwとHV電圧(印加電圧)から電力用半導体素子16U〜17Wの損失を計算する損失計算部31と、温度センサ22が検出する温度Tthに、損失計算部31が計算した電力用半導体素子16U〜17Wの損失から得られる温度上昇値ΔTを加えて、当該電力用半導体素子16U〜17Wのジャンクション温度を推定するジャンクション温度推定計算部32を有しており、PWM制御部27におけるPWMキャリア周期毎に、損失計算部31により電力用半導体素子16U〜17Wの損失を計算し、ジャンクション温度推定計算部32により電力用半導体素子16U〜17Wのジャンクション温度を推定するようにしており、このPWMキャリア周期は、インバータ回路8の相電流の周波数よりも十分に小さく、電力用半導体素子16U〜17Wの熱時定数よりも十分短いので、係るPWMキャリア周期毎といった高速の周期で電力用半導体素子16U〜17Wのジャンクション温度の瞬時値を推定することができるようになる。
As described above in detail, in the present invention, the
そして、このジャンクション温度推定計算部32が推定したPWMキャリヤ周期毎の電力用半導体素子16U〜17Wのジャンクション温度(瞬時値)が所定値(第1の所定値、第2の所定値)を超えた場合、所定の保護動作(電流制限、遮断)を実行するので、瞬時的な温度上昇から電力用半導体素子16U〜17Wを高精度で保護することができるようになる。
Then, the junction temperature (instantaneous value) of the
この場合、損失計算部31は電力用半導体素子16U〜17Wのスイッチング損失と定常損失から当該電力用半導体素子16U〜17Wの損失を計算し、ジャンクション温度推定計算部32は損失計算部31が計算した電力用半導体素子16U〜17Wの損失に当該電力用半導体素子の熱抵抗値Trを掛けることで温度上昇値ΔTを算出するので、電力用半導体素子16U〜17Wのジャンクション温度の瞬時値を的確に計算して推定することができるようになる。
In this case, the
また、損失計算部31はインバータ回路8の各相(U相、V相、W相)の相電流Iu、Iv、IwとHV電圧(印加電圧)からブリッジ構成の各相の電力用半導体素子16U〜17Wの損失を計算し、温度保護部33は最も高い電力用半導体素子16U〜17Wのジャンクション温度に基づいて保護動作を実行するので、最も温度上昇が激しい相の電力用半導体素子16U〜17Wを安全、且つ、正確に保護することができるようになる。
In addition, the
特に、実施例の如く電力用半導体素子16U〜17Wが、半導体スイッチング素子18と還流ダイオード19との複合体である場合には、損失計算部31は半導体スイッチング素子18の損失と還流ダイオード19の損失を計算し、ジャンクション温度推定計算部32は半導体スイッチング素子18のジャンクション温度Tjiと還流ダイオード19のジャンクション温度Tjdを推定するようにしたので、還流ダイオード18を有する電力用半導体素子16U〜17Wの場合にも支障無く保護を行うことができるようになる。
In particular, when the
更に、温度保護部33は電力用半導体素子16U〜17Wのジャンクション温度が第1の所定値を超えた場合、インバータ回路8に流れる電流を制限し、ジャンクション温度が第1の所定値より高い第2の所定値を超えた場合、インバータ回路8に流す電流を遮断するようにするので、電力用半導体素子16U〜17Wの保護を確実に行いながら、不必要な電流遮断の発生を回避することが可能となる。
Furthermore, when the junction temperature of the
そして、高温環境下で使用される実施例の如き車両用電動圧縮機1において、本発明のインバータ装置7によりモータ3を運転することで、極めて効果的な過熱保護を実現することができるようになる。
And in the electric compressor 1 for vehicles like the Example used in a high temperature environment, by operating the
尚、実施例ではU相、V相、W相の各相の電力用半導体素子16U〜17Wのジャンクション温度を推定して保護を行うようにしたが、請求項4以外の発明ではそれに限らず、何れか一相のみ、或いは、二相のみの電力用半導体素子のジャンクション温度を推定して保護を行うようにしてもよい。
In the embodiment, the junction temperatures of the
また、実施例では半導体スイッチング素子18(IGBT、MOSFET)と還流ダイオード19の複合体から成る電力用半導体素子16U〜17Wを例に採って説明したが、請求項5以外の発明ではそれに限らず、還流ダイオードを有しない半導体スイッチング素子(IGBT、MOSFET)のみのインバータ回路にも本発明は有効である。
Further, in the embodiment, the
更に、実施例では車両に搭載される電動圧縮機のモータを駆動するインバータ装置で本発明を説明したが、請求項7以外の発明ではそれに限らず、ブリッジ構成の電力用半導体素子を有するインバータ回路を用いたインバータ装置全般に本発明は有効である。
Furthermore, in the embodiments, the present invention has been described with an inverter device that drives a motor of an electric compressor mounted on a vehicle. However, the invention is not limited to the invention other than
1 電動圧縮機
2 ハウジング
3 モータ
4 回転軸
6 圧縮要素
7 インバータ装置
8 インバータ回路
11 制御基板
12 インバータ制御部
16U〜17W 電力用半導体素子
18 半導体スイッチング素子
19 還流ダイオード
22 温度センサ(温度検出器)
23 シャント抵抗(相電流検出器)
26 モータ制御部
27 PWM制御部
28 電流検出部
29 ゲートドライバ
31 損失計算部
32 ジャンクション温度推定計算部
33 温度保護部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electric compressor 2
23 Shunt resistor (phase current detector)
26
Claims (7)
前記電力用半導体素子近傍の温度を検出する温度検出器と、前記インバータ回路の相電流を検出する相電流検出器を備え、
前記インバータ制御部は、
前記相電流検出器が検出する少なくとも一相の相電流と印加電圧から前記電力用半導体素子の損失を計算する損失計算部と、
前記温度検出器が検出する温度に、前記損失計算部が計算した前記電力用半導体素子の損失から得られる温度上昇値を加えて、当該電力用半導体素子のジャンクション温度を推定するジャンクション温度推定計算部と、を有し、
前記PWM制御部におけるPWMキャリア周期毎に、前記損失計算部により前記電力用半導体素子の損失を計算し、前記ジャンクション温度推定計算部により前記電力用半導体素子のジャンクション温度を推定すると共に、
該ジャンクション温度推定計算部が推定した前記PWMキャリヤ周期毎の前記電力用半導体素子のジャンクション温度が所定値を超えた場合、所定の保護動作を実行することを特徴とするインバータ装置。 In an inverter device including an inverter circuit having a power semiconductor element having a bridge configuration and an inverter control unit having a PWM control unit for driving the power semiconductor element,
A temperature detector that detects the temperature in the vicinity of the power semiconductor element; and a phase current detector that detects a phase current of the inverter circuit;
The inverter control unit
A loss calculation unit for calculating a loss of the power semiconductor element from at least one phase current detected by the phase current detector and an applied voltage;
Junction temperature estimation calculation unit that estimates a junction temperature of the power semiconductor element by adding a temperature rise value obtained from the loss of the power semiconductor element calculated by the loss calculation unit to the temperature detected by the temperature detector And having
For each PWM carrier period in the PWM control unit, the loss calculation unit calculates the loss of the power semiconductor element, and the junction temperature estimation calculation unit estimates the junction temperature of the power semiconductor element,
An inverter device, wherein a predetermined protection operation is performed when a junction temperature of the power semiconductor element for each PWM carrier period estimated by the junction temperature estimation calculation unit exceeds a predetermined value.
前記ジャンクション温度推定計算部は、前記損失計算部が計算した前記電力用半導体素子の損失に当該電力用半導体素子の熱抵抗値を掛けることで前記温度上昇値を算出することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のインバータ装置。 The loss calculator calculates the loss of the power semiconductor element from the switching loss and steady loss of the power semiconductor element,
The junction temperature estimation calculation unit calculates the temperature increase value by multiplying a loss of the power semiconductor element calculated by the loss calculation unit by a thermal resistance value of the power semiconductor element. The inverter apparatus of Claim 1 or Claim 2.
前記インバータ制御部は、最も高い前記電力用半導体素子のジャンクション温度に基づいて前記保護動作を実行することを特徴とする請求項1乃至請求項3のうちの何れかに記載のインバータ装置。 The loss calculation unit calculates the loss of the power semiconductor element of each phase of the bridge configuration from the phase current and applied voltage of each phase of the inverter circuit,
4. The inverter device according to claim 1, wherein the inverter control unit performs the protection operation based on a junction temperature of the highest power semiconductor element. 5.
前記ジャンクション温度が前記第1の所定値より高い第2の所定値を超えた場合、前記インバータ回路に流す電流を遮断することを特徴とする請求項1乃至請求項5のうちの何れかに記載のインバータ装置。 When the junction temperature of the power semiconductor element exceeds a first predetermined value, the inverter control unit limits a current flowing through the inverter circuit, and
6. The current flowing through the inverter circuit is cut off when the junction temperature exceeds a second predetermined value that is higher than the first predetermined value. Inverter device.
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