JP7205314B2 - CONTROL DEVICE AND POWER CONVERSION DEVICE INCLUDING THE SAME - Google Patents
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Description
本発明は、冷却器で冷却される複数の電力変換モジュールを制御する制御装置及びそれを備える電力変換装置に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a control device for controlling a plurality of power conversion modules cooled by a cooler, and a power converter including the same.
パワー半導体デバイスを有する電力変換装置が知られている(例えば、特許文献1から4)。このような電力変換装置は、その主要部品であるパワー半導体デバイスの技術革新により、より高速なスイッチング動作が実現されることで、パワー半導体デバイスから発する損失(例えば発熱)を低減させている。これにより、パワー半導体デバイスを冷却するために電力変換装置に設けられる冷却器を簡素化することが可能となっている。
Power converters having power semiconductor devices are known (for example,
また、電力変換装置は、パワー半導体デバイスで発生する発熱量を分散するために、複数のパワー半導体デバイスを有する電力変換回路を1つのモジュール(以下、「電力変換モジュール」と称する場合がある)として並列接続する構成がとられる場合がある。 In order to disperse the amount of heat generated by the power semiconductor devices, the power converter includes a power conversion circuit having a plurality of power semiconductor devices as one module (hereinafter sometimes referred to as a "power conversion module"). A parallel connection configuration may be adopted.
従来の電力変換装置は、複数の電力変換モジュールを均一に冷却することができず、電力変換モジュール間で温度むらが生じる場合がある。複数の電力変換モジュールの間に温度むらが生じると、電力変換装置の出力電力は、冷却が不十分な電力変換モジュールに律速されてしまうという問題を有している。 A conventional power conversion device cannot uniformly cool a plurality of power conversion modules, and temperature unevenness may occur among the power conversion modules. If temperature unevenness occurs among a plurality of power conversion modules, there is a problem that the output power of the power conversion device is rate-determined by the power conversion modules that are insufficiently cooled.
本発明の目的は、複数の電力変換モジュールの温度むらを抑制することができる制御装置及びそれを備える電力変換装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a controller capable of suppressing temperature unevenness in a plurality of power conversion modules, and a power converter including the same.
上記目的を達成するために、本発明の一態様による制御装置は、並列接続される複数の電力変換モジュールの温度差が小さくなるように前記複数の電力変換モジュールが負担する変換電力の割合を前記複数の電力変換モジュールの合計変換電力に基づく値に対応させて記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶された前記割合に基づいて前記複数の電力変換モジュールのそれぞれに流れる電流を調整する調整部とを備える。 In order to achieve the above object, a control device according to an aspect of the present invention adjusts the proportion of converted power borne by the plurality of power conversion modules so that the temperature difference between the plurality of power conversion modules connected in parallel is reduced. A storage unit that stores a value based on the total converted power of a plurality of power conversion modules in association with each other, and an adjustment unit that adjusts the current flowing through each of the plurality of power conversion modules based on the ratio stored in the storage unit. and
また、上記目的を達成するために、本発明の一態様による電力変換装置は、並列接続される複数の電力変換モジュールと、前記複数の電力変換モジュールを冷却する冷却部と、前記複数の電力変換モジュールの温度差が小さくなるように前記複数の電力変換モジュールが負担する変換電力の割合を前記複数の電力変換モジュールの合計変換電力に基づく値に対応させて記憶する記憶部、及び、前記記憶部に記憶された前記割合に基づいて前記複数の電力変換モジュールのそれぞれに流れる電流を調整する調整部を有する制御装置とを備える。 In order to achieve the above object, a power conversion apparatus according to an aspect of the present invention includes a plurality of power conversion modules connected in parallel, a cooling unit for cooling the plurality of power conversion modules, and a plurality of power conversion modules. a storage unit that stores a ratio of the converted power borne by the plurality of power conversion modules in association with a value based on the total converted power of the plurality of power conversion modules so that the temperature difference between the modules becomes small, and the storage unit and a control device having an adjustment unit that adjusts the current flowing through each of the plurality of power conversion modules based on the ratio stored in the power conversion module.
本発明の一態様によれば、複数の電力変換モジュールの温度むらを抑制することができる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to suppress temperature unevenness among a plurality of power conversion modules.
〔第1実施形態〕
(電力変換装置)
本発明の第1実施形態による制御装置及びそれを備える電力変換装置について図1から図6を用いて説明する。まず、本実施形態による電力変換装置の概略構成について図1から図3を用いて説明する。以下、本実施形態による電力変換装置として、直流電力を交流電力に変換するインバータ装置を例にとって説明する。
[First embodiment]
(power converter)
A control device according to a first embodiment of the present invention and a power converter including the same will be described with reference to FIGS. 1 to 6. FIG. First, a schematic configuration of a power converter according to this embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 3. FIG. An inverter device that converts DC power into AC power will be described below as an example of the power conversion device according to the present embodiment.
図1に示すように、本実施形態による電力変換装置1は、直流電源8と負荷9との間に接続されている。電力変換装置1は、直流電源8から供給される直流電力を3相(U相、V相及びW相)の交流電力に変換し、U相、V相及びW相の交流電力を負荷9に供給するように構成されている。
As shown in FIG. 1, the
電力変換装置1は、並列接続される複数(本実施形態では4個)の電力変換モジュール11,12,13,14を備えている。電力変換モジュール11,12,13,14は、直流電源8と負荷9との間で並列に接続されている。
The
電力変換装置1は、電力変換モジュール11,12,13,14を制御する共通モジュール制御回路(制御装置の一例)15を備えている。電力変換装置1は、電力変換モジュール11,12,13,14と直流電源8との間に接続された電圧検出器16と、電力変換モジュール11,12,13,14と負荷との間に接続された電圧検出回路17とを備えている。
The
電圧検出器16は、電力変換装置1の入力電圧を検出するように構成されている。すなわち、電圧検出器16は、電力変換モジュール11,12,13,14に入力される全体の電圧を検出するように構成されている。電圧検出器16の一方の入力端子は、直流電源8の正極側と、電力変換モジュール11,12,13,14のそれぞれの正極側の入力端子に接続されている。電圧検出器16の他方の入力端子は、直流電源8の負極側と、電力変換モジュール11,12,13,14のそれぞれの負極側の入力端子に接続されている。電圧検出器16の出力端子は、共通モジュール制御回路15に接続されている。これにより、電圧検出器16は、直流電源8の正極側及び負極側の間の電圧であって電力変換装置1に入力される入力電圧を検出し、電圧検出信号Vpnを共通モジュール制御回路15に出力することができる。
The
電圧検出回路17は、電力変換装置1の出力電圧を検出するように構成されている。すなわち、電圧検出回路17は、負荷9に出力されるU相、V相及びW相の交流電圧を検出するように構成されている。電圧検出回路17は、電力変換装置1から出力されるU相の交流出力電圧を検出する電圧検出器171と、電力変換装置1から出力されるV相の交流出力電圧を検出する電圧検出器172と、電力変換装置1から出力されるW相の交流出力電圧を検出する電圧検出器173とを有している。電圧検出器171の一方の入力端子は、U相の交流出力電圧が出力される電力変換モジュール11,12,13,14のそれぞれの出力端子に接続されている。電圧検出器172の一方の入力端子は、V相の交流出力電圧が出力される電力変換モジュール11,12,13,14のそれぞれの出力端子に接続されている。電圧検出器173の一方の入力端子は、W相の交流出力電圧が出力される電力変換モジュール11,12,13,14のそれぞれの出力端子に接続されている。電圧検出器171,172,173のそれぞれの他方の端子は互いに接続されている。電圧検出器171,172,173のそれぞれの出力端子は共通モジュール制御回路15に接続されている。これにより、電圧検出回路17は、U相の交流出力電圧、V相の交流出力電圧及びW相の交流出力電圧の和がゼロとなる仮想中性点を0点とする交流出力電圧を検出することができる。さらに、電圧検出回路17は、U相の交流出力電圧の検出結果である電圧検出信号Vu、V相の交流出力電圧の検出結果である電圧検出信号Vv及びW相の交流出力電圧の検出結果である電圧検出信号Vwを共通モジュール制御回路15に出力することができる。
The
電力変換モジュール11は、負荷9との間に流れるU相、V相及びW相の交流出力電流をそれぞれ検出し、U相の電流検出信号Iu_11、V相の電流検出信号Iv_11及びW相の電流検出信号Iw_11を共通モジュール制御回路15に出力するように構成されている。電力変換モジュール12は、負荷9との間に流れるU相、V相及びW相の交流出力電流をそれぞれ検出し、U相の電流検出信号Iu_12、V相の電流検出信号Iv_12及びW相の電流検出信号Iw_12を共通モジュール制御回路15に出力するように構成されている。電力変換モジュール13は、負荷9との間に流れるU相、V相及びW相の交流出力電流をそれぞれ検出し、U相の電流検出信号Iu_13、V相の電流検出信号Iv_13及びW相の電流検出信号Iw_13を共通モジュール制御回路15に出力するように構成されている。電力変換モジュール14は、負荷9との間に流れるU相、V相及びW相の交流出力電流をそれぞれ検出し、U相の電流検出信号Iu_14、V相の電流検出信号Iv_14及びW相の電流検出信号Iw_14を共通モジュール制御回路15に出力するように構成されている。
The
共通モジュール制御回路15は、電圧検出器16から入力される電圧検出信号Vpn、電圧検出回路17から入力される電圧検出信号Vu,Vv,Vw及び電力変換モジュール11から入力される電流検出信号Iu_11,Iv_11,Iw_11に基づいて、電力変換モジュール11を制御する制御信号Sc_11を生成するように構成されている。共通モジュール制御回路15は、電圧検出信号Vpn、電圧検出回路17から入力される電圧検出信号Vu,Vv,Vw及び電力変換モジュール12から入力される電流検出信号Iu_12,Iv_12,Iw_12に基づいて、電力変換モジュール12を制御する制御信号Sc_12を生成するように構成されている。共通モジュール制御回路15は、電圧検出信号Vpn、電圧検出回路17から入力される電圧検出信号Vu,Vv,Vw及び電力変換モジュール13から入力される電流検出信号Iu_13,Iv_13,Iw_13に基づいて、電力変換モジュール13を制御する制御信号Sc_13を生成するように構成されている。共通モジュール制御回路15は、電圧検出信号Vpn、電圧検出回路17から入力される電圧検出信号Vu,Vv,Vw及び電力変換モジュール14から入力される電流検出信号Iu_14,Iv_14,Iw_14に基づいて、電力変換モジュール14を制御する制御信号Sc_14を生成するように構成されている。共通モジュール制御回路15は、生成した制御信号Sc_11を電力変換モジュール11に出力し、生成した制御信号Sc_12を電力変換モジュール12に出力し、生成した制御信号Sc_13を電力変換モジュール13に出力し、生成した制御信号Sc_14を電力変換モジュール14に出力するように構成されている。
The common
次に、本実施形態による電力変換装置1に備えられた電力変換モジュールの構成について図1を参照しつつ図2を用いて説明する。電力変換モジュール11,12,13,14は、同一の構成を有し、同一の機能を発揮するように構成されている。このため、以下、電力変換モジュール11,12,13,14の構成について、電力変換モジュール11を例にとって説明する。
Next, the configuration of the power conversion module provided in the
図2に示すように、電力変換モジュール11は、直流電源8の正極側及び負極側の間に接続された直流コンデンサCと、直流コンデンサCに並列に接続されたインバータ部111とを有している。電力変換モジュール11は、電力変換回路としてインバータ部111を有している。直流コンデンサCは、直流電源8から出力される直流電圧(すなわち、電力変換モジュール11に入力される入力電圧)を安定化するために設けられている。
As shown in FIG. 2, the
インバータ部111は、直流電源8から入力される入力電圧の正極側に接続された半導体素子M1,M3,M5と、入力電圧の負極側に接続された半導体素子M2,M4,M6とを有している。半導体素子M1及び半導体素子M2は、直流電源8の正極側と負極側との間に直列に接続されている。半導体素子M3及び半導体素子M4は、直流電源8の正極側と負極側との間に直列に接続されている。半導体素子M5及び半導体素子M6は、直流電源8の正極側と負極側との間に直列に接続されている。半導体素子M1及び半導体素子M2、半導体素子M3及び半導体素子M4、半導体素子M5及び半導体素子M6並びに直流コンデンサCは、並列に接続されている。
The
半導体素子M1及び半導体素子M2は、例えばU相アームを構成し、半導体素子M3及び半導体素子M4は、例えばV相アームを構成し、半導体素子M5及び半導体素子M6は、例えばW相アームを構成している。したがって、インバータ部111は、これらのU相アーム、V相アーム及びW相アームが並列接続された三相ブリッジ回路を有している。半導体素子M1,M3,M5はハイサイドスイッチを構成し、半導体素子M2、M4,M6はローサイドスイッチを構成する。
Semiconductor element M1 and semiconductor element M2 form, for example, a U-phase arm, semiconductor element M3 and semiconductor element M4 form, for example, a V-phase arm, and semiconductor element M5 and semiconductor element M6 form, for example, a W-phase arm. ing. Therefore, the
半導体素子M1は、スイッチング素子Q1と、スイッチング素子Q1に逆並列接続された還流用ダイオードD1とを有している。半導体素子M2は、スイッチング素子Q2と、スイッチング素子Q2に逆並列接続された還流用ダイオードD2とを有している。半導体素子M3は、スイッチング素子Q3と、スイッチング素子Q3に逆並列接続された還流用ダイオードD3とを有している。半導体素子M4は、スイッチング素子Q4と、スイッチング素子Q4に逆並列接続された還流用ダイオードD4とを有している。半導体素子M5は、スイッチング素子Q5と、スイッチング素子Q5に逆並列接続された還流用ダイオードD5とを有している。半導体素子M6は、スイッチング素子Q6と、スイッチング素子Q6に逆並列接続された還流用ダイオードD6とを有している。 The semiconductor element M1 has a switching element Q1 and a freewheeling diode D1 connected in anti-parallel to the switching element Q1. The semiconductor element M2 has a switching element Q2 and a freewheeling diode D2 connected in anti-parallel to the switching element Q2. The semiconductor element M3 has a switching element Q3 and a freewheeling diode D3 connected in anti-parallel to the switching element Q3. The semiconductor element M4 has a switching element Q4 and a freewheeling diode D4 connected in anti-parallel to the switching element Q4. The semiconductor element M5 has a switching element Q5 and a freewheeling diode D5 connected in anti-parallel to the switching element Q5. The semiconductor element M6 has a switching element Q6 and a freewheeling diode D6 connected in anti-parallel to the switching element Q6.
本実施形態では、スイッチング素子Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6は、例えばMOSFET(Metal Oxside Semiconductor Field Emission Transistor)で構成されている。スイッチング素子Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6は、例えば炭素ケイ素(SiC)製の半導体素子である。なお、スイッチング素子Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6は、炭素ケイ素に限らずワイドバンドギャップ半導体を含んでもよい。ワイドバンドギャップ半導体素子とは、シリコン半導体素子よりもバンドギャップが大きい半導体素子であり、例えばSiC、GaN、ダイヤモンド、窒化ガリウム系材料、酸化ガリウム系材料、AlN、AlGaN、または、ZnOなどを含む半導体素子である。 In this embodiment, the switching elements Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, and Q6 are composed of, for example, MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Emission Transistors). The switching elements Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6 are semiconductor elements made of silicon carbon (SiC), for example. Note that the switching elements Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, and Q6 are not limited to carbon silicon, and may include a wide bandgap semiconductor. A wide bandgap semiconductor device is a semiconductor device having a bandgap larger than that of a silicon semiconductor device, and includes, for example, SiC, GaN, diamond, gallium nitride-based materials, gallium oxide-based materials, AlN, AlGaN, or ZnO. element.
電力変換モジュール11は、スイッチング素子Q1、Q2,Q3,Q4,Q5,Q6を駆動するゲート駆動回路112を有している。ゲート駆動回路112は、6個の出力アンプ(不図示)を有している。当該6個の出力アンプはそれぞれ、信号出力端子及び基準電位端子を有している。当該6個の出力アンプの信号出力端子は、スイッチング素子Q1、Q2,Q3,Q4,Q5,Q6のゲート端子と1対1の関係で接続されている。当該6個の出力アンプの基準電位端子は、スイッチング素子Q1、Q2,Q3,Q4,Q5,Q6のソース端子と1対1の関係で接続されている。また、ゲート駆動回路112は、共通モジュール制御回路15に接続されている。ゲート駆動回路112は、共通モジュール制御回路15から制御信号Sc_11が入力されるように構成されている。ゲート駆動回路112は、共通モジュール制御回路15から入力される制御信号Sc_11に基づいて、スイッチング素子Q1、Q2,Q3,Q4,Q5,Q6をそれぞれ駆動する駆動信号を生成する。ゲート駆動回路112は、スイッチング素子Q1、Q2,Q3,Q4,Q5,Q6のそれぞれのゲート端子及びソース端子間に、電圧レベルが高レベル又は低レベルの駆動信号を個別に出力する。これにより、スイッチング素子Q1、Q2,Q3,Q4,Q5,Q6は、別個独立してオン状態又はオフ状態に駆動される。
The
スイッチング素子Q1のドレイン端子は、還流用ダイオードD1のカソード端子に接続されている。スイッチング素子Q1のドレイン端子及び還流用ダイオードD1のカソード端子は、直流コンデンサCの一方の電極及び直流電源8の正極側にも接続されている。スイッチング素子Q1のソース端子は、還流用ダイオードD1のアノード端子に接続されている。
The drain terminal of the switching element Q1 is connected to the cathode terminal of the freewheeling diode D1. The drain terminal of the switching element Q1 and the cathode terminal of the freewheeling diode D1 are also connected to one electrode of the DC capacitor C and the positive electrode side of the
スイッチング素子Q2のドレイン端子は、還流用ダイオードD2のカソード端子に接続されている。スイッチング素子Q2のドレイン端子及び還流用ダイオードD2のカソード端子は、スイッチング素子Q1のソース端子及び還流用ダイオードD1のアノード端子にも接続されている。スイッチング素子Q2のソース端子は、還流用ダイオードD2のアノード端子に接続されている。スイッチング素子Q2のソース端子及び還流用ダイオードD2のアノード端子は、直流コンデンサCの他方の電極及び直流電源8の負極側にも接続されている。
The drain terminal of the switching element Q2 is connected to the cathode terminal of the freewheeling diode D2. The drain terminal of the switching element Q2 and the cathode terminal of the freewheeling diode D2 are also connected to the source terminal of the switching element Q1 and the anode terminal of the freewheeling diode D1. The source terminal of the switching element Q2 is connected to the anode terminal of the freewheeling diode D2. The source terminal of the switching element Q2 and the anode terminal of the freewheeling diode D2 are also connected to the other electrode of the DC capacitor C and the negative electrode side of the
スイッチング素子Q1のソース端子及び還流用ダイオードD1のアノード端子と、スイッチング素子Q2のドレイン端子及び還流用ダイオードD2のカソード端子との接続部は、電力変換モジュール11に設けられた交流リアクトルLuを介して負荷9に接続されている。
A connection between the source terminal of the switching element Q1 and the anode terminal of the freewheeling diode D1, and the drain terminal of the switching element Q2 and the cathode terminal of the freewheeling diode D2 is connected via an AC reactor Lu provided in the
スイッチング素子Q3のドレイン端子は、還流用ダイオードD3のカソード端子に接続されている。スイッチング素子Q3のドレイン端子及び還流用ダイオードD3のカソード端子は、直流コンデンサCの一方の電極及び直流電源8の正極側にも接続されている。スイッチング素子Q3のソース端子は、還流用ダイオードD3のアノード端子に接続されている。
A drain terminal of the switching element Q3 is connected to a cathode terminal of a freewheeling diode D3. The drain terminal of the switching element Q3 and the cathode terminal of the freewheeling diode D3 are also connected to one electrode of the DC capacitor C and the positive electrode side of the
スイッチング素子Q4のドレイン端子は、還流用ダイオードD4のカソード端子に接続されている。スイッチング素子Q4のドレイン端子及び還流用ダイオードD4のカソード端子は、スイッチング素子Q3のソース端子及び還流用ダイオードD3のアノード端子にも接続されている。スイッチング素子Q4のソース端子は、還流用ダイオードD4のアノード端子に接続されている。スイッチング素子Q4のソース端子及び還流用ダイオードD4のアノード端子は、直流コンデンサCの他方の電極及び直流電源8の負極側にも接続されている。
A drain terminal of the switching element Q4 is connected to a cathode terminal of a freewheeling diode D4. The drain terminal of the switching element Q4 and the cathode terminal of the freewheeling diode D4 are also connected to the source terminal of the switching element Q3 and the anode terminal of the freewheeling diode D3. A source terminal of the switching element Q4 is connected to an anode terminal of a freewheeling diode D4. The source terminal of the switching element Q4 and the anode terminal of the freewheeling diode D4 are also connected to the other electrode of the DC capacitor C and the negative electrode side of the
スイッチング素子Q3のソース端子及び還流用ダイオードD3のアノード端子と、スイッチング素子Q4のドレイン端子及び還流用ダイオードD4のカソード端子との接続部は、電力変換モジュール11に設けられた交流リアクトルLvを介して負荷9に接続されている。
A connecting portion between the source terminal of the switching element Q3 and the anode terminal of the freewheeling diode D3 and the drain terminal of the switching element Q4 and the cathode terminal of the freewheeling diode D4 is connected through an AC reactor Lv provided in the
スイッチング素子Q5のドレイン端子は、還流用ダイオードD5のカソード端子に接続されている。スイッチング素子Q5のドレイン端子及び還流用ダイオードD5のカソード端子は、直流コンデンサCの一方の電極及び直流電源8の正極側にも接続されている。スイッチング素子Q5のソース端子は、還流用ダイオードD5のアノード端子に接続されている。
A drain terminal of the switching element Q5 is connected to a cathode terminal of a freewheeling diode D5. The drain terminal of the switching element Q5 and the cathode terminal of the freewheeling diode D5 are also connected to one electrode of the DC capacitor C and the positive electrode side of the
スイッチング素子Q6のソース端子は、還流用ダイオードD6のアノード端子に接続されている。スイッチング素子Q6のドレイン端子及び還流用ダイオードD6のカソード端子は、スイッチング素子Q5のソース端子及び還流用ダイオードD5のアノード端子にも接続されている。スイッチング素子Q6のソース端子は、還流用ダイオードD6のアノード端子に接続されている。スイッチング素子Q6のソース端子及び還流用ダイオードD6のアノード端子は、直流コンデンサCの他方の電極及び直流電源8の負極側にも接続されている。
A source terminal of the switching element Q6 is connected to an anode terminal of a freewheeling diode D6. The drain terminal of the switching element Q6 and the cathode terminal of the freewheeling diode D6 are also connected to the source terminal of the switching element Q5 and the anode terminal of the freewheeling diode D5. A source terminal of the switching element Q6 is connected to an anode terminal of a freewheeling diode D6. The source terminal of the switching element Q6 and the anode terminal of the freewheeling diode D6 are also connected to the other electrode of the DC capacitor C and the negative electrode side of the
スイッチング素子Q5のソース端子及び還流用ダイオードD5のアノード端子と、スイッチング素子Q6のドレイン端子及び還流用ダイオードD6のカソード端子との接続部は、電力変換モジュール11に設けられた交流リアクトルLwを介して負荷9に接続されている。
A connection between the source terminal of the switching element Q5 and the anode terminal of the freewheeling diode D5, and the drain terminal of the switching element Q6 and the cathode terminal of the freewheeling diode D6 is connected through an AC reactor Lw provided in the
電力変換モジュール11は、半導体素子M1及び半導体素子M2の接続部と交流リアクトルLuとの間に設けられた電流検出器113uと、半導体素子M3及び半導体素子M4の接続部と交流リアクトルLvとの間に設けられた電流検出器113vと、半導体素子M5及び半導体素子M6の接続部と交流リアクトルLwとの間に設けられた電流検出器113wとを有している。電流検出器113uは、電力変換モジュール11と負荷9との間に流れるU相の交流電流を検出し、当該交流電流の電流検出信号Iu_11を共通モジュール制御回路15に出力するように構成されている。電流検出器113vは、電力変換モジュール11と負荷9との間に流れるV相の交流電流を検出し、当該交流電流の電流検出信号Iv_11を共通モジュール制御回路15に出力するように構成されている。電流検出器113wは、電力変換モジュール11と負荷9との間に流れるW相の交流電流を検出し、当該交流電流の電流検出信号Iw_11を共通モジュール制御回路15に出力するように構成されている。
The
図3に示すように、電力変換装置1は、複数(本実施形態では4個)の電力変換モジュール11,12,13,14を冷却する冷却部18を備えている。冷却部18は、例えば自然空冷方式のヒートシンクで構成されている。冷却部18は、電力変換モジュール11,12,13,14で発生した損失(すなわち熱)を大気中に放熱することによって電力変換モジュール11,12,13,14を冷却するようになっている。冷却部18は、例えばアルミニウムや銅などの金属で形成されている。
As shown in FIG. 3 , the
冷却部18は、電力変換モジュール11,12,13,14が実装されるベース部181を有している。電力変換モジュール11,12,13,14は、ベース部181に熱的に接合されている。電力変換モジュール11,12,13,14は、互いにほぼ均等な間隔を保ってベース部181に実装されている。
The
冷却部18は、電力変換モジュール11,12,13,14が実装されるベース部181の実装面の裏面から延在する複数の放熱フィン182を有している。複数の放熱フィン182はそれぞれ、薄板直方体形状を有している。複数の放熱フィン182は、互いに所定の間隙を設けて配置されている。ベース部181と複数の放熱フィン182は、例えば一体に形成されている。
The
電力変換モジュール11,12,13,14及び冷却部18は、複数の放熱フィン182が水平方向に並んだ状態で、電力変換装置1に設けられた筐体(不図示)の内部に設置される。冷却部18は、自然空冷によって電力変換モジュール11,12,13,14を冷却する。このため、図3に示すように、複数の放熱フィン182において生じる自然対流NCの向きは、下方から上方に向かう方向となる。これにより、冷却部18には、上部側の方が下部側よりも温度が高くなるという温度むらが生じる。
The
図3に示すように、電力変換モジュール11,13は例えばベース部181の上部側に実装され、電力変換モジュール12,14は例えばベース部181の下部側に実装されている。このため、電力変換装置1では、冷却部18の温度むらによって、電力変換モジュール12,14よりも電力変換モジュール11,13の方が、温度が高くなりやすい傾向にある。
As shown in FIG. 3, the
(制御装置)
次に、本実施形態による制御装置について図1から図3を参照しつつ図4から図6を用いて説明する。本実施形態による制御装置の一例に相当する共通モジュール制御回路15(図1参照)は、電力変換モジュール11,12,13,14(図1参照)を制御するように構成されている。共通モジュール制御回路15は、電圧検出器16(図1参照)から入力される電圧検出信号Vpn、電圧検出回路17(図1参照)から入力される電圧検出信号Vu,Vv,Vw、電力変換モジュール11から入力される電流検出信号Iu_11~Iw_11、電力変換モジュール12から入力される電流検出信号Iu_12~Iw_12、電力変換モジュール13から入力される電流検出信号Iu_13~Iw_13及び電力変換モジュール14から入力される電流検出信号Iu_14~Iw_14に基づいて演算した制御信号Sc_11,Sc_12,Sc_13,Sc_14を電力変換モジュール11,12,13,14に出力する機能を発揮するようになっている。これにより、共通モジュール制御回路15は、電力変換モジュール11,12,13,14が負担する変換電力の割合を個別にリアルタイムで調整できるようになっている。
(Control device)
Next, the control device according to the present embodiment will be described using FIGS. 4 to 6 while referring to FIGS. 1 to 3. FIG. A common module control circuit 15 (see FIG. 1), which corresponds to an example of the control device according to this embodiment, is configured to control the
ここで、電力変換モジュール11が負担する変換電力をP_11、電力変換モジュール12が負担する変換電力をP_12、電力変換モジュール13が負担する変換電力をP_13及び電力変換モジュール14が負担する変換電力をP_14とすると、電力変換装置1が出力する変換電力Ptolは、次の式(1)として定義できる。
P_tol=P_11+P_12+P_13+P_14 ・・・(1)
Here, P_11 is the converted power borne by the
P_tol=P_11+P_12+P_13+P_14 (1)
またここで、変換電力P_11,P_12,P_13,P_14は、0から1の範囲をとる分担係数(複数の電力変換モジュールが負担する変換電力の割合の一例)α_11,α_12,α_13,α_14を導入すると、次の式(2)から式(5)で定義できる。
P_11=(α_11/4)×P_tol ・・・(2)
P_12=(α_12/4)×P_tol ・・・(3)
P_13=(α_13/4)×P_tol ・・・(4)
P_14=(α_14/4)×P_tol ・・・(5)
Further, here, the converted powers P_11, P_12, P_13, and P_14 introduce a sharing coefficient (an example of the ratio of the converted power borne by the plurality of power conversion modules) α_11, α_12, α_13, and α_14 ranging from 0 to 1. , can be defined by the following equations (2) to (5).
P_11=(α_11/4)×P_tol (2)
P_12=(α_12/4)×P_tol (3)
P_13=(α_13/4)×P_tol (4)
P_14=(α_14/4)×P_tol (5)
式(2)において、「α_11」は、電力変換モジュール11が負担する変換電力P_11の分担係数を示している。式(3)において、「α_12」は、電力変換モジュール12が負担する変換電力P_12の分担係数を示している。式(4)において、「α_13」は、電力変換モジュール13が負担する変換電力P_13の分担係数を示している。式(5)において、「α_14」は、電力変換モジュール14が負担する変換電力P_14の分担係数を示している。
In Expression (2), “α_11” indicates the sharing coefficient of the converted power P_11 borne by the
電力変換装置1が出力する変換電力Ptolは、外部要因(例えば負荷9(図1参照))によって決定される要求値である。電力変換装置1が出力する変換電力Ptolは、外部要因(例えば負荷9)の状態に応じて変動する値であって固定値ではない。変換電力Ptolが変動値であるため、変換電力P_11,P_12,P_13,P_14は、外部要因(例えば負荷9)の状態に応じて変更する必要がある。電力変換装置1は、分担係数α_11,α_12,α_13,α_14を適宜変更することによって変換電力P_11,P_12,P_13,P_14の値を変更するように構成されている。
The converted power Ptol output by the
図4は、電力変換装置1における負荷率LFに対する、4つの電力変換モジュール11,12,13,14の温度(以下、電力変換モジュールの温度を「モジュール温度」と称する場合がある)の特性の一例を示している。負荷率は、外部要因(本実施形態では負荷9)によって決定される最大の要求値に対する所定時点における電力変換装置1が出力する変換電力Ptolの比率である。電力変換装置1が出力する変換電力Ptolは、電力変換モジュール11が負担する変換電力P_11、電力変換モジュール12が負担する変換電力P_12、電力変換モジュール13が負担する変換電力P_13及び電力変換モジュール14が負担する変換電力P_14の合計(以下、「合計変換電力」と称する場合がある)である(式(1)参照)。したがって、負荷率は、複数(本実施形態では4個)の電力変換モジュール11,12,13,14の合計変換電力に基づく値の一例に相当する。
FIG. 4 shows the characteristics of the temperature of the four
図4中に示すグラフの横軸は負荷率LF[p.u.]を示し、当該グラフの縦軸は電力変換モジュールのモジュール温度Tm[℃]を示している。図4中に示す「TCup」は、冷却部18の上部側に実装された電力変換モジュール11,13の温度特性を示している。図4中に示す「TCbo」は、冷却部18の下部側に実装された電力変換モジュール12,14の温度特性を示している。図4中に示す「TRup」は、電力変換モジュールの温度特性の参考例であって、冷却部18の上部側に実装され、かつ分担係数が一定(例えば「1」)の場合の電力変換モジュールの温度特性を示している。図4中に示す「TRbo」は、電力変換モジュールの温度特性の参考例であって、冷却部18の下部側に実装され、かつ分担係数が一定(例えば「1」)の場合の電力変換モジュールの温度特性を示している。
The horizontal axis of the graph shown in FIG. 4 represents the load factor LF [p. u. ], and the vertical axis of the graph indicates the module temperature Tm [° C.] of the power conversion module. “TCup” shown in FIG. 4 indicates the temperature characteristics of the
冷却部18の上部側に実装された電力変換モジュール11,13は、ほぼ同じ温度であるとみなすことができる。このため、図4では、電力変換モジュール11,13のいずれの温度特性も、温度特性TCupで表されている。同様に、冷却部18の下部側に実装された電力変換モジュール12,14は、ほぼ同じ温度であるとみなすことができる。このため、図4では、電力変換モジュール11,13のいずれの温度特性も、温度特性TCboで表されている。
It can be assumed that the
電力変換装置1に備えられた冷却部18は、自然対流NCにより熱を大気に放熱している。このため、風上側に相当する冷却部18の下部側から風下側に相当する冷却部18の上部側に近づくにつれ、冷却部18内を流れる空気の温度は顕著に上昇してしまう。その結果、図4に示すように、電力変換装置1では、風上側に配置された電力変換モジュール12、14よりも風下側に配置された電力変換モジュール11、13の方が、モジュール温度が高くなる傾向にある。
The cooling
負荷率LFによらず電力変換モジュールのそれぞれが負担する変換電力の分担係数が全て一定(例えば「1」)の場合、図4中の温度特性TRup及び温度特性TRboで示すように、電力変換モジュールの温度Tmは、負荷率LFが大きくなるに従って初期温度Tmaから線形増加する。初期温度Tmaは、電力変換モジュール11,12,13,14の周囲温度として想定される最高の初期温度に設定される。冷却部18の上部側(風下側)に配置された電力変換モジュールは、冷却部18の下部側(風上側)に配置された電力変換モジュールよりもモジュール温度Tmが高い。このため、冷却部18の上部側(風下側)に配置された電力変換モジュールは、負荷率LFの値が1[p.u.]よりも小さい値LFaにおいてモジュール温度Tmが上限値Tmlに達してしまう。このため、冷却部18の下部側(風上側)に配置された電力変換モジュールのモジュール温度Tmは上限値Tmlよりも低い温度であるにもかかわらず、電力変換装置1の出力変換電力は、冷却部18の上部側(風下側)に配置された電力変換モジュールに律速されて制限されてしまう。
When the conversion power sharing coefficients borne by the power conversion modules are all constant (for example, "1") regardless of the load factor LF, the power conversion modules are shown by temperature characteristics TRup and temperature characteristics TRbo in FIG. temperature Tm linearly increases from the initial temperature Tma as the load factor LF increases. The initial temperature Tma is set to the highest initial temperature assumed as the ambient temperature of the
図4中の温度特性TRboで示すように、冷却部18の下部側(風上側)に配置された電力変換モジュールのモジュール温度Tmは、負荷率LFの値がLFaにおいて上限値Tmlに達していない。このため、冷却部18の下部側(風上側)に配置された電力変換モジュールは、さらに負荷率LFを上げる余地がある。
As indicated by the temperature characteristic TRbo in FIG. 4, the module temperature Tm of the power conversion module arranged on the lower side (windward side) of the cooling
そこで、本実施形態による電力変換装置1は、負荷率LFの値が1[p.u.]よりも低い所定値LFbを境界値として、複数(本実施形態では4個)の電力変換モジュール11,12,13,14のうち相対的にモジュール温度Tmが高い電力変換モジュール11,13の分担係数α_11,α_13を1よりも小さい値に減少させるように構成される。さらに、電力変換装置1は、負荷率LFの所定値LFbを境界値として、複数(本実施形態では4個)の電力変換モジュール11,12,13,14のうち相対的にモジュール温度Tmが低い電力変換モジュール12,14の分担係数α_12,α_14を1よりも大きな値に増加させるように構成される。ここで、所定値LFbは、電力変換モジュール11,12,13,14のいずれのモジュール温度Tmが上限値Tmlとならない負荷率LFの値(例えばLFaよりも小さい値)に設定される。
Therefore, in the
その結果、図4中に温度特性TCupで示すように、4個の電力変換モジュール11,12,13,14のうち、冷却部18の上部側に実装されて相対的にモジュール温度Tmが高い電力変換モジュール11,13は、負荷率LFが0から所定値LFbの間よりも所定値LFb以上の方がモジュール温度Tmの上昇率が小さくなる。一方、図4中に温度特性TCboで示すように、4個の電力変換モジュール11,12,13,14のうち、冷却部18の下部側に実装されて相対的にモジュール温度Tmが低い電力変換モジュール12,14は、負荷率が0から所定値LFbの間よりも所定値LFb以上の方がモジュール温度Tmの上昇率が大きくなる。これにより、電力変換装置1は、負荷率LFが所定値LFb以上において電力変換モジュール11,13及び電力変換モジュール12,14の間のモジュール温度Tmの温度差を低減できる。
As a result, as indicated by the temperature characteristic TCup in FIG. In the
電力変換モジュール11,12,13,14のモジュール温度Tmはいずれも、負荷率LFの値が1[p.u.]において上限値Tmlに到達する。その結果、電力変換装置1の出力変換電力は、冷却部18の上部側(風下側)に配置された電力変換モジュール11,13によって制限されることが防止され、電力変換装置1が出力可能な変換電力Ptolを1[p.u.]にまで増加させることが可能となる。
The module temperatures Tm of the
図5は、電力変換装置1の負荷率LFに対する、4つの電力変換モジュール11,12,13,14が負担する変換電力P_11,P_12,P_13,P_14の分担係数α_11,α_12,α_13,α_14の特性の一例を示している。図5中に示すグラフの横軸は負荷率LF[p.u.]を示し、当該グラフの縦軸は分担係数を示している。図5中に示す「SCup」は、冷却部18の上部側に実装された電力変換モジュール11,13の分担係数の特性(以下、「分担係数特性」と称する場合がある)を示している。図5中に示す「SCbo」は、冷却部18の下部側に実装された電力変換モジュール12,14の分担係数特性を示している。図5中に示す「SR」は、電力変換モジュールの分担係数特性の参考例であって、負荷率に対して分担係数が一定(例えば「1」)の場合の分担係数の特性を示している。
FIG. 5 shows the characteristics of the sharing coefficients α_11, α_12, α_13, and α_14 of the converted power P_11, P_12, P_13, and P_14 borne by the four
負荷率LFが所定値LFb(<1)[p.u.]以上1[p.u.]以下の範囲で、電力変換モジュール11,12,13,14が非線形のモジュール温度Tmの温度特性を有するために、図5に示すように、電力変換モジュール11,12,13,14は、負荷率LFが所定値LFb[p.u.]以上1[p.u.]以下の範囲で分担係数が増加又は減少する特性を有する。より具体的に、負荷率LFに対する分担係数特性は、4つの電力変換モジュール11,12,13,14のうち、冷却部18の上部側に実装されて相対的にモジュール温度Tmが高い電力変換モジュール11,13と、冷却部18の下部側に実装されて相対的にモジュール温度Tmが低い電力変換モジュール12,14とで異なっている。電力変換モジュール11,13の分担係数α_11,α_13は、負荷率FLが、0[p.u.]以上所定値LFb[p.u.]よりも小さい範囲では一定値α1(例えば「1」)であり、所定値LFb[p.u.]以上1[p.u.]以下の範囲で減少する分担係数特性SCupを有している。一方、電力変換モジュール12,14の分担係数α_12,α_14は、負荷率LFが、0[p.u.]以上所定値LFb[p.u.]よりも小さい範囲では一定値α1(例えば「1」)であり、所定値LFb[p.u.]以上1[p.u.]以下の範囲で増加する分担係数特性SCboを有している。
When the load factor LF reaches a predetermined value LFb (<1) [p. u. ] or more 1 [p. u. ] Since the
電力変換モジュール11,13は、負荷率が所定値LFb[p.u.]から1[p.u.]に向かって増加するに従って徐々に減少し、負荷率が1[p.u.]において値がα-(α-<1)となる分担係数特性SCupを有している。電力変換モジュール12,14は、負荷率が所定値LFb[p.u.]から1[p.u.]に向かって増加するに従って徐々に増加し、負荷率が1[p.u.]において値がα+(α+>1)となる分担係数特性SCboを有している。
When the
図5中に示す電力変換モジュールの分担係数特性の参考例のように、負荷率LFに対して分担係数が一定(例えば「1」)の場合、図4を用いて説明したように、負荷率LFの値が1[p.u.]よりも小さい値LFaにおいて、複数の電力変換モジュールのうちのいずれかのモジュール温度Tmが上限値Tmlとなってしまう。これに対し、本実施形態では、モジュール温度Tmが相対的に高い電力変換モジュール11,13は、所定値LFb[p.u.]以上1[p.u.]以下の範囲で分担係数α_11,α_13が例えば「1」よりも小さくなるように設定されている。このため、電力変換モジュール11,13が負担する変換電力P_11,P_13は、分担係数α_11,α_13が例えば「1」の場合と比較して小さくなる(式(2)及び式(4)参照)。変換電力P_11,P_13が低減することにより、電力変換モジュール11,13で発生する損失(熱)も低減するので、電力変換モジュール11,13のモジュール温度Tmが抑制される。
As in the reference example of the sharing coefficient characteristic of the power conversion module shown in FIG. 5, when the sharing coefficient is constant (eg, "1") with respect to the load factor LF, the load factor If the value of LF is 1 [p. u. ], the module temperature Tm of one of the plurality of power conversion modules becomes the upper limit value Tml. On the other hand, in the present embodiment, the
一方、モジュール温度Tmが相対的に低い電力変換モジュール12,14は、例えば負荷率の値がLPaにおけるモジュール温度Tmが上限値Tmlよりも低い(図4参照)。このため、電力変換モジュール12,14は、分担係数α_12,α_14が例えば「1」の場合よりも変換電力P_12,P14を増加できるだけの余裕がある。このため、本実施形態では、所定値LFb[p.u.]以上1[p.u.]以下の範囲で分担係数α_12,α_14が例えば「1」よりも大きくなるように設定される。電力変換モジュール12,14が負担する変換電力P_12,P_14は、分担係数α_12,α_14が例えば「1」の場合と比較して大きくなる(式(3)及び式(5)参照)。これにより、電力変換モジュール12,14が負担する変換電力P_12,P_14は、増加するので、電力変換モジュール11,13が負担する変換電力P_11,P_13の減少分を補うことができる。その結果、電力変換装置1は、負荷9の要求値を満たす変換電力Ptalを負荷9に供給することができる。また、この場合、電力変換モジュール12,14で発生する損失(熱)が増加して、電力変換モジュール12,14のモジュール温度Tmが上昇する。しかしながら、電力変換モジュール12,14のモジュール温度Tmは、負荷率LFが所定値LFa[p.u.]から1[p.u.]の範囲で上限値Tmlよりも低く余裕がある。このため、電力変換モジュール12,14が損失(熱)を発生しても、電力変換モジュール12,14のモジュール温度Tmは、所定値LFa[p.u.]から1[p.u.]の範囲で上限値Tmlに到達しないため、電力変換装置1の出力変換電力は、電力変換モジュール12,14によって制限されない。
On the other hand, in the
分担係数は、複数の電力変換モジュールが負担する変換電力の割合の一例である。また、負荷率は、複数の電力変換モジュールの合計変換電力に基づく値の一例に相当する。したがって、分担係数を負荷率に対応させた特性である分担係数特性は、複数の電力変換モジュールが負担する変換電力の割合を当該複数の電力変換モジュールの合計変換電力に基づく値に対応させた特性の一例に相当する。さらに、本実施形態における分担係数特性SCup,SCboは、電力変換モジュール11,12,13,14の温度差が小さくなるように設定されている。このため、分担係数特性SCup,SCboは、並列接続される複数の電力変換モジュールの温度差が小さくなるように複数の電力変換モジュールが負担する変換電力の割合を当該複数の電力変換モジュールの合計変換電力に基づく値に対応させた特性の一例に相当する。
A sharing coefficient is an example of a ratio of converted power borne by a plurality of power conversion modules. Also, the load factor corresponds to an example of a value based on the total converted power of a plurality of power conversion modules. Therefore, the sharing coefficient characteristic, which is the characteristic in which the sharing coefficient corresponds to the load factor, is the characteristic in which the ratio of the converted power borne by the plurality of power conversion modules corresponds to the value based on the total converted power of the plurality of power conversion modules. corresponds to an example of Furthermore, the sharing coefficient characteristics SCup and SCbo in this embodiment are set so that the temperature difference between the
図5に示す電力変換装置1の負荷率LFに対する分担係数特性SCup,SCboは、電力変換装置1の実動作の前の測定又は電力変換装置1の動作シミュレーションによって得られる。負荷率の所定値LFbは、冷却部18の構造(例えば、大きさや放熱フィン182の形状など)、電力変換モジュール11,12,13,14の実装状態(配置場所やベース部181との熱抵抗など)などによって決定される。また、負荷率LFの所定値LFbは、相対的に高温になり易い電力変換モジュール(本実施形態では電力変換モジュール11,13)と、当該電力変換モジュールよりも低温になりやすい電力変換モジュール(本実施形態では電力変換モジュール12,14)とのモジュール温度Tmの温度差が所定値以上になる値に設定されてもよい。負荷率の所定値LFbは、例えば0.9[p.u.]に設定されてもよい。分担係数特性SCup,SCboや負荷率の所定値LFbは、例えば共通モジュール制御回路15(図1参照)に設けられた記憶部(詳細は後述する)に保存される。
The sharing coefficient characteristics SCup and SCbo with respect to the load factor LF of the
次に、本実施形態による制御装置の要部の構成について図1から図5を参照しつつ図6を用いて説明する。図6は、電力変換装置1に備えられた共通モジュール制御回路(制御装置の一例)15の要部の一例を示す機能ブロック図である。共通モジュール制御回路15は、電力変換装置1の負荷率を分担係数α_11,α_12,α_13,α_14に応じて電力変換モジュール11,12,13,14に分担させ、電力変換モジュール11,12,13,14のそれぞれの変換電力を個別に制御するように構成されている。共通モジュール制御回路15は、電力変換モジュール11,12,13,14のそれぞれについて変換電力を制御する変換電力制御部を有している。当該変換電力制御部は、電力変換モジュール11,12,13,14のそれぞれで同一の構成を有し、同一の機能を発揮するようになっている。このため、以下、電力変換モジュール11,12,13,14のそれぞれの変換電力制御部の構成について、電力変換モジュール11の変換電力制御部を例にとって説明する。なお、図6では、電力変換モジュール11の変換電力制御部100が図示されている。
Next, the configuration of the main part of the control device according to the present embodiment will be described using FIG. 6 while referring to FIGS. 1 to 5. FIG. FIG. 6 is a functional block diagram showing an example of a main part of a common module control circuit (an example of a control device) 15 provided in the
図6に示すように、共通モジュール制御回路15に設けられた変換電力制御部100は、統括制御部101を有している。統括制御部101は、共通モジュール制御回路15を統括的に制御する機能ブロックである。統括制御部101は、電力変換モジュール11,12,13,14のそれぞれの変換電力制御部で共有されている。統括制御部101には、例えば共通モジュール制御回路15の外部から入力される外部要因(本実施形態では負荷9)の要求値であるd軸電流Id_ref、q軸電流Iq_ref及び最大要求電流Idq_refが入力される。d軸電流Id_ref及びq軸電流Iq_refは、例えば負荷9を駆動するために現時点で必要な電流である。d軸電流Id_ref及びq軸電流Iq_refは、電力変換装置1の負荷率の値が1[p.u.]以外のいずれかの値における要求値に相当する。最大要求電流Idq_refは、負荷9を駆動するために必要な最大電流である。最大要求電流Idq_refは、電力変換装置1の負荷率の値が1[p.u.]の値における要求値に相当する。詳細は後述するが、統括制御部101は、共通モジュール制御回路15の外部から入力されるd軸電流Id_ref、q軸電流Iq_ref及び最大要求電流Idq_refに基づいて、現時点での電力変換装置1の負荷率を算出するように構成されている。
As shown in FIG. 6 , the conversion
統括制御部101は、入力されるd軸電流Id_ref、q軸電流Iq_ref及び最大要求電流Idq_refに基づいて、現時点での負荷率LFを以下の式(6)を用いて算出するように構成されている。なお、式(6)では、負荷率LF、d軸電流Id_ref、q軸電流Iq_ref及び最大要求電流Idq_refが符号のみで表されている。
LF=√(Id_ref2+Iq_ref2)/Idq_ref ・・・(6)
The
LF=√(Id_ref 2 +Iq_ref 2 )/Idq_ref (6)
詳細は後述するが、記憶部102には、電力変換モジュール11の分担係数特性SCup,SCboなどが記憶されている。統括制御部101は、算出した負荷率LFに対応する電力変換モジュール11の分担係数α_11を記憶部102から読み出すように構成されている。
Although the details will be described later, the
変換電力制御部100は、電圧検出回路17(図2参照)に設けられた電圧検出器171,172,173(図2参照)で検出されたU相の電圧検出信号Vu、V相の電圧検出信号Vv及びW相の電圧検出信号Vwをd-q座標成分に変換してd軸系統電圧Vd及びq軸系統電圧Vqを生成する座標変換部151を有している。座標変換部151は、電力変換モジュール11,12,13,14のそれぞれの変換電力制御部で共有されている。
The conversion
変換電力制御部100は、電力変換モジュール11に設けられた電流検出器113u,113v,113wで検出されたU相の電流検出信号Iu_11、V相の電流検出信号Iv_11及びW相の電流検出信号Iw_11をd-q座標成分に変換してd軸電流Id_11及びq軸電流Iq_11を生成する座標変換部152を有している。
The conversion
変換電力制御部100は、外部から入力されるd軸電流Id_ref及びq軸電流Iq_refと、d軸電流Id_ref及びq軸電流Iq_refに基づく電力変換モジュール11の分担係数α_11との算術演算により、電力変換モジュール11のd軸電流指令値Id_11_ref及びq軸電流指令値Iq_11_refを生成する電流指令値生成部150を有している。
The conversion
より具体的には、図6に示すように、電流指令値生成部150は、電力変換モジュール11,13の分担係数特性SCup、電力変換モジュール12,14の分担係数特性SCbo(図5参照)及び電力変換装置1の負荷率の所定値LFbなどを記憶する記憶部102を有している。すなわち、分担係数特性SCup,SCboを記憶する記憶部102は、並列接続される複数の電力変換モジュールの温度差が小さくなるように複数の電力変換モジュールが負担する変換電力の割合を当該複数の電力変換モジュールの合計変換電力に基づく値に対応させて記憶する記憶部の一例に相当する。記憶部102は、電力変換モジュール11,12,13,14のそれぞれの変換電力制御部で共有されている。記憶部102は、統括制御部101に接続されている。これにより、統括制御部101は、記憶部102にアクセスして記憶部102に記憶された電力変換モジュール11,12,13,14の分担係数特性SCup,SCboなどを読み出すことができるようになっている。
More specifically, as shown in FIG. 6, the current command
電流指令値生成部150は、d軸電流Id_refが入力される第一除算部150aと、q軸電流Iq_refが入力される第二除算部150bとを有している。第一除算部150aは、電力変換装置1に備えられた電力変換モジュールの個数(本実施形態では4個)でd軸電流Id_refを除算するように構成されている。第二除算部150bは、電力変換装置1に備えられた電力変換モジュールの個数(本実施形態では4個)でq軸電流Iq_refを除算するように構成されている。
The current
電流指令値生成部150は、第一除算部150aから入力される除算信号と、統括制御部101から入力される分担係数α_11の情報を含む信号とを積算して、d軸電流指令値ID_11_refを出力する第一積算部150cを有している。また、電流指令値生成部150は、第二除算部150bから入力される除算信号と、統括制御部101から入力される分担係数α_11の情報を含む信号とを積算して、q軸電流指令値Iq_11_refを出力する第二積算部150dを有している。このように、電流指令値生成部150は、複数の電力変換モジュールが負担する変換電力の割合の一例に相当する分担係数α_11に基づいてd軸電流指令値Id_11_ref及びq軸電流指令値Iq_11_refを生成するように構成されている。d軸電流指令値Id_11_ref及びq軸電流指令値Iq_11_refは、電力変換モジュール11に流れる電流(U相、V相及びW相の交流出力電流)を調整するために用いられる。
The current command
図示は省略するが、電力変換モジュール12,13,14用のそれぞれの変換電力制御部に設けられた電流指令値生成部も同様に、分担係数α_12,α_13,α_14に基づいてd軸電流指令値及びq軸電流指令値をそれぞれ生成するように構成されている。したがって、電力変換制御部に設けられた電流指令値生成部は、記憶部102に記憶された電力変換モジュール11,12,13,14が負担する変換電力P_11,P_12,P_13,P_14の割合に基づいて電力変換モジュール11,12,13,14のそれぞれに流れる電流を調整する調整部の一例に相当する。
Although not shown, the current command value generation units provided in the conversion power control units for the
変換電力制御部100は、電流指令値生成部150が出力するd軸電流指令値Id_11_ref及びq軸電流指令値Iq_11_refと、座標変換部152が出力するd軸電流Id_11及びq軸電流Iq_11との偏差をそれぞれ演算する偏差演算部153を有している。偏差演算部153は、電流指令値生成部150に設けられた第一積算部150cから入力されるd軸電流指令値Id_11_refから座標変換部152から入力されるd軸電流Idを減算する第一減算部153aを有している。また、偏差演算部153は、第二積算部150dから入力されるq軸電流指令値Iq_11_refから座標変換部152から入力されるq軸電流Iqを減算する第二減算部153bを有している。このように、偏差演算部153は、電流指令値生成部150で生成された電流指令値と、電力変換モジュール11に設けられた電流検出器113u,113v,113wで検出された電流検出信号Iu_11,Iv_11、Iw_11との差分を演算するようになっている。電流検出器113u,113v,113wで検出された電流検出信号Iu,Iv、Iwは、電力変換モジュール11と負荷9との間に流れるU相、V相及びW相の交流電流である。このため、変換電力制御部100は、偏差演算部153において電流フィードバック制御を実行することにより、電流検出信号Iu_11,Iv_11、Iw_11(すなわち電力変換モジュール11と負荷9との間に流れるU相、V相及びW相の交流電流)の値がd軸電流指令値Id_11_ref及びq軸Iq_21_refの値になるように制御する。
The conversion
変換電力制御部100は、偏差演算部153が出力する信号に比例積分演算を施すPI制御部154を有している。PI制御部154は、偏差演算部153に設けられた第一減算部153aから入力される減算信号に比例積分制御を施す第一PI制御部154aを有している。また、PI制御部154は、偏差演算部153の第二減算部153bから入力される減算信号に比例積分制御を施す第二PI制御部154bを有している。第一PI制御部154a及び第二PI制御部154bのそれぞれにおいて施される比例演算には、偏差演算部153での演算結果の単位を電流から電圧に変換するパラメータが含まれている。このため、第一PI制御部154a及び第二PI制御部154bから出力される信号は、電圧を単位とする信号との演算が可能になる。
The conversion
変換電力制御部100は、電力変換モジュール11に設けられた交流リアクトルLu,Lv,Lw(図2参照)による電圧降下を演算する電圧降下演算部155を有している。電圧降下演算部155は、座標変換部152から入力されるd軸電流Idによる電圧降下を演算する第一演算部155aと、座標変換部152から入力されるq軸電流Iqによる電圧降下を演算する第二演算部155bとを有している。図6中に示す「L」は、交流リアクトルLu,Lv,Lwの合成リアクトルを示し、「ω」は、電力変換モジュール11が出力する三相交流電圧の角周波数を示している。
The conversion
変換電力制御部100は、PI制御部154が出力する電圧信号と、座標変換部151が出力するd軸系統電圧Vd及びq軸系統電圧Vqとを加減算する電圧加算部156を有している。電圧加算部156は、PI制御部154に設けられた第一PI制御部154aから入力されるd軸に関連する電圧信号と、座標変換部151から出力されるd軸系統電圧Vdとを加算する第一加算部156aを有している。電圧加算部156は、PI制御部154に設けられた第二PI制御部154bから入力されるq軸に関連する電圧信号と、座標変換部151から出力されるq軸系統電圧Vqとを加算する第二加算部156bを有している。
The conversion
PI制御部154から出力される電圧信号は、d軸電流指令値Id_11_ref及びq軸電流指令値Iq_11_refと、d軸電流Id_11及びq軸電流Iq_11との偏差に基づく信号である。つまり、PI制御部154から出力される電圧信号は、電流指令値と電流検出値との偏差に基づく信号である。このため、第一PI制御部154aから出力される電圧信号は、d軸電流指令値Id_11_refの方がd軸電流Id_11よりも大きい場合に正の値となり、d軸電流指令値Id_11_refの方がd軸電流Id_11よりも小さい場合に負の値となる。同様に、第二PI制御部154bから出力される電圧信号は、q軸電流指令値Iq_11_refの方がq軸電流Iq_11よりも大きい場合に正の値となり、q軸電流指令値Iq_11_refの方がq軸電流Iq_11よりも小さい場合に負の値となる。
The voltage signal output from the
したがって、第一加算部156aは、第一PI制御部154aから出力される電圧信号が正の場合に当該電圧信号をd軸系統電圧Vdに加算する。一方、第一加算部156aは、第一PI制御部154aから出力される電圧信号が負の場合には負の当該電圧信号をd軸系統電圧Vdに加算するため、実質的にd軸系統電圧Vdから当該電圧信号を減算することになる。同様に、第二加算部156bは、第二PI制御部154bから出力される電圧信号が正の場合に当該電圧信号をq軸系統電圧Vqに加算する。一方、第二加算部156bは、第二PI制御部154bから出力される電圧信号が負の場合には負の当該電圧信号をq軸系統電圧Vqに加算するため、実質的にq軸系統電圧Vqから当該電圧信号を減算することになる。
Therefore, when the voltage signal output from the first
変換電力制御部100は、電圧加算部156が出力する信号と、電圧降下演算部155が出力する信号とを加減算する加減算部157を有している。加減算部157は、電圧加算部156に設けられた第一加算部157aから入力される信号と、電圧降下演算部155の第二演算部155bから入力される信号とを加算する第一加算部157aを有している。第一加算部157aは、第一加算部157aから入力される信号と、第二演算部155bから入力される信号とを加算してd-q座標上のq軸電圧指令値を生成する。
The conversion
加減算部157は、電圧加算部156に設けられた第二加算部156bから入力される信号と、電圧降下演算部155に設けられた第一演算部155aから出力される信号の極性を反転させた反転信号とを加算する第二加算部157bを有している。第二加算部157bは、第二加算部156bから入力される信号と、第一演算部155aから出力される信号の極性を反転させた反転信号とを加算することによって、第二加算部156bから入力される信号から第一演算部155aから入力される信号を減算した演算と等価の演算を実行し、d-q座標上のd軸電圧指令値を生成する。
The addition/
変換電力制御部100は、加減算部157から入力されるd-q座標上のd軸電圧指令値及びq軸電圧指令値を三相量に変換してU相、V相及びW相の出力電圧指令値を生成する座標変換部158を有している。すなわち、座標変換部158は、電力変換モジュール11で生成されるU相の交流出力電圧を追従させる出力電圧指令値と、V相の交流出力電圧を追従させる出力電圧指令値と、W相の交流出力電圧を追従させる出力電圧指令値とを生成する。
The conversion
変換電力制御部100は、座標変換部158が出力する出力電圧指令値を基準化する電圧指令値基準化部159を有している。電圧指令値基準化部159は、電圧検出器16(図2参照)から入力される電圧検出信号Vpnの信号レベルを1/2とする除算部159aを有している。電圧指令値基準化部159は、座標変換部158から入力される出力電圧指令値を除算部159aから入力される除算信号の電圧レベルで除して出力電圧指令値を基準化する基準化部159bを有している。基準化部159bは、座標変換部158から入力されるU相用の出力電圧指令値、V相用の出力電圧指令値及びW相用の出力電圧指令値のそれぞれを基準化する。
The conversion
変換電力制御部100は、電圧指令値基準化部159から入力されるU相用、V相用及びW相用のそれぞれの基準化された出力電圧指令値をパルス幅変調してゲート駆動回路112(図2参照)を制御するための制御信号Sc_11を生成するパルス幅変調部103を有している。パルス幅変調部103は、電力変換モジュール11に設けられたスイッチング素子Q1~Q6をそれぞれ駆動するためのゲートパルス信号に関する情報を含む制御信号Sc_11を生成し、生成した制御信号Sc_11をゲート駆動回路112に出力する。
The conversion
共通モジュール制御回路15は、電力変換モジュール11,13の分担係数特性SCup及び電力変換モジュール12,14の分担係数特性SCboを記憶する記憶部102を備えている。また、共通モジュール制御回路15は、記憶部102に記憶された分担係数特性SCup,SCboを参照して取得される分担係数α_11,α_12,α_13,α_14に基づいて電力変換モジュール11,12,13,14のそれぞれに流れる電流を調整する調整部の一例に相当する電流指令値生成部150を備えている。分担係数特性SCup,SCboは、並列接続される電力変換モジュール11,12,13,14の温度差が小さくなるように設定されている。このため、共通モジュール制御回路15は、分担係数特性SCup,SCboを参照して取得される分担係数α_11,α_12,α_13,α_14に基づいて電力変換モジュール11,12,13,14のそれぞれに流れる電流を調整することによって、電力変換モジュール11,12,13,14の温度差を抑制することができる。共通モジュール制御回路15を備える電力変換装置1も同様に、電力変換モジュール11,12,13,14の温度差を抑制することができる。
The common
ところで、従来の電力変換装置の構成部品において、冷却器の強制空冷用ファンは、他の構成部品よりも寿命が短いため、定期交換が要求されたり、電力変換装置の信頼性が低下したりしてしまう。このため、従来の電力変換装置には、強制空冷用ファンを省略した自然空冷方式とすることによって、冷却器の保守作業を不要とすることが要求される場合がある。近年のパワー半導体デバイスの技術革新により、より小型な自然空冷方式の電力変換装置が実現されている。 By the way, among the component parts of the conventional power converter, the forced air cooling fan of the cooler has a shorter life than the other components, so periodic replacement is required and the reliability of the power converter is lowered. end up Therefore, in some cases, conventional power converters are required to eliminate the need for maintenance work for the cooler by adopting a natural air cooling system that omits a fan for forced air cooling. Due to recent technological innovations in power semiconductor devices, smaller natural air-cooled power converters have been realized.
変換容量が大きな電力変換装置において自然空冷方式を適用するには、パワー半導体デバイスで発生する発熱量を分散するために、パワー半導体デバイスを並列接続したり、複数の電力変換モジュールを並列接続したりする構成をとるのが現実的である。電力変換モジュールは小型であるため、同一の冷却器(例えばヒートシンク)に複数台の電力変換モジュールを実装する構造が単純かつ現実的である。 In order to apply natural air cooling to a power converter with a large conversion capacity, it is necessary to connect power semiconductor devices in parallel or connect multiple power conversion modules in parallel in order to disperse the amount of heat generated by the power semiconductor devices. It is realistic to adopt a configuration that Since power conversion modules are small, it is simple and practical to mount a plurality of power conversion modules on the same cooler (for example, a heat sink).
しかしながら、自然空冷方式は、自然対流によってヒートシンクの熱を放熱するため、同一のヒートシンク上での温度むらを無視できない。すなわち、自然対流は、風上と風下で自然対流している空気の温度の差が大きいため、ヒートシンクの表面温度も、風下に向かうほど上昇する傾向がある。そのため、自然空冷方式の冷却器は、各電力変換モジュールの配置場所によって、冷却性能に差が出てしまう。特に、電力変換装置が電力供給する負荷が重負荷である場合、一部の電力変換モジュールが温度上限値に達して、電力変換装置の出力電力が制限されてしまう場合がある。特許文献1および特許文献2には、各電力変換モジュールに与える冷却性能を均一化する方法が開示されている。
However, in the natural air cooling system, the heat of the heat sink is radiated by natural convection, so temperature unevenness on the same heat sink cannot be ignored. That is, in natural convection, the difference in temperature between the air in which natural convection occurs is large between the windward side and the leeward side, so the surface temperature of the heat sink also tends to increase toward the leeward side. Therefore, the cooling performance of the natural air cooling system differs depending on the location of each power conversion module. In particular, when the load to which power is supplied by the power conversion device is a heavy load, some of the power conversion modules may reach the temperature upper limit, limiting the output power of the power conversion device.
特許文献1には、第一の電力変換モジュールと、第一の電力変換モジュールよりヒートシンクと熱的に接続する面積が大きな第二の電力変換モジュールを備えている冷却装置が開示されている。さらに、特許文献1には、ヒートシンクの風上側に第一の電力変換モジュールを配置し、風下側に第二の電力変換モジュールを配置することで、第二の電力変換モジュールとヒートシンクの熱抵抗が、第一の電力変換モジュールとヒートシンクの熱抵抗よりも低くなり、冷却器自身による冷却性能のむらをなるべく相殺させることができることが開示されている。
特許文献2には、ヒートシンク上で各電力変換モジュールを千鳥配列にすることで、各電力変換モジュールに与える冷却性能をなるべく均一化させる冷却装置が開示されている。 Patent Literature 2 discloses a cooling device in which the power conversion modules are arranged in a staggered manner on a heat sink so that the cooling performance given to each power conversion module is made uniform as much as possible.
特許文献1に記載された冷却装置は、複数種類の異なる構造を持つ電力変換モジュールが必要であるため、コストが高くなるという問題がある。特許文献2に記載された冷却装置は、ヒートシンク上に電力変換モジュールが実装できない無駄な空間が生じるため、冷却装置が大型化してしまうという問題がある。
The cooling device described in
これに対し、本実施形態による共通モジュール制御回路15及び電力変換装置1は、電力変換モジュール11,12,13,14が冷却部18上に配置されている場所に応じて分担係数を変更することにより、電力変換モジュール11,12,13,14で発生する損失自体を調整するように構成されている。これにより、共通モジュール制御回路15及び電力変換装置1は、電力変換モジュール11,12,13,14の間の温度ばらつきを抑制し、電力変換装置1の出力電力制限を防止できる。
On the other hand, the common
また、共通モジュール制御回路15及び電力変換装置1は、電力変換モジュール11,12,13,14を互いに同一の構造(大きさや形状など)とすることができる。これにより、共通モジュール制御回路15及び電力変換装置1の低コスト化を図ることができる。さらに、共通モジュール制御回路15及び電力変換装置1は、無駄な空間を作らずに電力変換モジュール11,12,13,14を冷却部18に実装できるので、小型化を図ることができる。
Further, in the common
以上説明したように、本実施形態による共通モジュール制御回路15は、並列接続される電力変換モジュール11,12,13,14の温度差が小さくなるように電力変換モジュール11,12,13,14が負担する変換電力の割合を複数の電力変換モジュール11,12,13,14の合計変換電力に基づく値に対応させて記憶する記憶部102と、記憶部102に記憶された当該割合に基づいて電力変換モジュール11,12,13,14のそれぞれに流れる電流を調整する電流指令値生成部150とを備えている。
As described above, the common
また、本実施形態による電力変換装置1は、並列接続される電力変換モジュール11,12,13,14と、電力変換モジュール11,12,13,14を冷却する冷却部18と、共通モジュール制御回路15とを備えている。
Further, the
このような構成を備える共通モジュール制御回路15及び電力変換装置1は、電力変換モジュール11,12,13,14の温度差が小さくなるように設定された、電力変換モジュール11,12,13,14が負担する変換電力の割合(すなわち分担係数)に基づいて電力変換モジュール11,12,13,14のそれぞれに流れる電流を調整することができる。これにより、共通モジュール制御回路15及び電力変換装置1は、相対的に温度が高くなりやすい電力変換モジュールの出力電力を低減して損失(すなわち発熱)の発生を抑制するとともに、相対的に温度が高くなりやすい電力変換モジュールの出力電力を増加させて電力変換装置1全体の出力電力量を維持できる。その結果、共通モジュール制御回路15及び電力変換装置1は、電力変換モジュール11,12,13,14の温度むらを抑制することができる。これにより、共通モジュール制御回路15及び電力変換装置1は、電力変換モジュール11,12,13,14のいずれかによって全体の出力電力が律速されてしまうことを防止できる。
The common
〔第2実施形態〕
本発明の第2実施形態による制御装置及びそれを備える電力変換装置について図7から図11を用いて説明する。本実施形態による制御装置及びそれを備える電力変換装置について、上記第1実施形態による共通モジュール制御回路15及び電力変換装置1と同一の作用・機能を奏する構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
[Second embodiment]
A control device according to a second embodiment of the present invention and a power converter including the same will be described with reference to FIGS. 7 to 11. FIG. Concerning the control device according to the present embodiment and the power conversion device including the same, the same reference numerals are given to the constituent elements having the same actions and functions as those of the common
(電力変換装置)
まず、本実施形態による電力変換装置の概略構成について図2及び図3を参照しつつ図7を用いて説明する。
(power converter)
First, the schematic configuration of the power converter according to the present embodiment will be described using FIG. 7 while referring to FIGS. 2 and 3. FIG.
図7に示すように、本実施形態による電力変換装置3は、冷却部18(図3参照)に流入する空気の温度又は当該空気の温度を推定できる温度を検出する周囲温度検出器(検出器の一例)28を備えている。周囲温度検出器30は、検出した温度の情報を含む信号である温度検出信号Taを共通モジュール制御回路35に出力するように構成されている。ここで、冷却部18に流入する空気は、例えば冷却部18における自然対流NCによって流入する空気である。冷却部18に流入する空気の温度を検出する周囲温度検出器30として、例えば温度検出部に熱電対が採用された構成の検出器が例示される。また、冷却部18に流入する空気の温度を推定できる温度を検出する周囲温度検出器30として、例えば温度検出部に抵抗温度デバイスが採用された構成の検出器が例示される。
As shown in FIG. 7, the
共通モジュール制御回路35は、周囲温度検出器30から入力される温度検出信号Taに基づいて、複数の電力変換モジュールが負担する変換電力の割合の一例に相当する分担係数を変化させることができるように構成されている点を除いて、上記第1実施形態による共通モジュール制御回路15と同様の構成を有し、同様の機能を発揮するようになっている。
Based on the temperature detection signal Ta input from the
本実施形態における電力変換モジュール11,12,13,14、電圧検出器16及び電圧検出回路17は、上記第1実施形態における電力変換モジュール11,12,13,14、電圧検出器16及び電圧検出回路17と同一の構成を有し、同一の機能を発揮するようになっているため、説明は省略する。
The
(制御装置)
次に、本実施形態による制御装置について図2、図3及び図7を参照しつつ図8から図11を用いて説明する。本実施形態による制御装置の一例に相当する共通モジュール制御回路35(図7参照)は、電力変換モジュール11,12,13,14(図1参照)を制御するように構成されている。共通モジュール制御回路15は、電圧検出器16(図1参照)から入力される電圧検出信号Vpn、電圧検出回路17(図1参照)から入力される電圧検出信号Vu,Vv,Vw、電力変換モジュール11から入力される電流検出信号Iu_11~Iw_11、電力変換モジュール12から入力される電流検出信号Iu_12~Iw_12、電力変換モジュール13から入力される電流検出信号Iu_13~Iw_13、電力変換モジュール14から入力される電流検出信号Iu_14~Iw_14及び周囲温度検出器30から入力される温度検出信号Taに基づいて演算した制御信号Sc_11,Sc_12,Sc_13,Sc_14を電力変換モジュール11,12,13,14に出力する機能を発揮するようになっている。これにより、共通モジュール制御回路35は、電力変換モジュール11,12,13,14が負担する変換電力の割合を、周囲温度を加味した上で個別にリアルタイムで調整できるようになっている。
(Control device)
Next, the control device according to the present embodiment will be described using FIGS. 8 to 11 while referring to FIGS. 2, 3 and 7. FIG. A common module control circuit 35 (see FIG. 7), which corresponds to an example of the control device according to the present embodiment, is configured to control the
図8は、電力変換装置3における負荷率LFに対する、4つの電力変換モジュール11,12,13,14のモジュール温度の特性の一例を示している。図8中に示すグラフの横軸は負荷率LF[p.u.]を示し、当該グラフの縦軸は電力変換モジュールのモジュール温度Tm[℃]を示している。図8中に示す「TCup1」及び「TCup2」は、冷却部18の上部側に実装された電力変換モジュール11,13の温度特性を示している。「TCup1」は、負荷率LFの値が0におけるモジュール温度Tm(初期温度)の値がTma1(例えば40℃)の場合の特性を示し、「TCup2」は、モジュール温度Tmの初期温度の値がTma2(例えば60℃)の場合の特性を示している。図8中に示す「TCbo1」及び「TCbo2」は、冷却部18の下部側に実装された電力変換モジュール12,14の温度特性を示している。「TCbo1」は、モジュール温度Tmの初期温度の値がTma1(例えば40℃)の場合の特性を示し、「TCbo2」は、モジュール温度Tmの初期温度の値がTma2(例えば60℃)の場合の特性を示している。図8中に示す「TRup1」及び「TRup2」は、電力変換モジュールの温度特性の参考例であって、冷却部18の上部側に実装され、かつ分担係数が一定(例えば「1」)の場合の電力変換モジュールの温度特性を示している。「TRup1」は、モジュール温度Tmの初期温度の値がTma1(例えば40℃)の場合の特性を示し、「TRup2」は、モジュール温度Tmの初期温度の値がTma2(例えば60℃)の場合の特性を示している。図8中に示す「TRbo1」及び「TRbo2」は、電力変換モジュールの温度特性の参考例であって、冷却部18の下部側に実装され、かつ分担係数が一定(例えば「1」)である場合の電力変換モジュールの温度特性を示している。「TRbo1」は、モジュール温度Tmの初期温度の値がTma1(例えば40℃)の場合の電力変換モジュールの温度特性を示し、「TRbo1」は、モジュール温度Tmの初期温度の値がTma2(例えば60℃)の場合の電力変換モジュールの温度特性を示している。
FIG. 8 shows an example of module temperature characteristics of the four
図8に示すように、モジュール温度Tmの初期温度の値がTma1(例えば40℃)の場合の温度特性TCup1,TCbo1,TRup1,TRbo1は、上記第1実施形態における温度特性TCup,TCbo,TRup,TRboと同様の特性を有している。このため、モジュール温度Tmの初期温度の値がTm1の場合、負荷率LFの値が1[p.u.]よりも低い所定値LFb1を境界値として、複数(本実施形態では4個)の電力変換モジュール11,12,13,14のうち相対的にモジュール温度Tmが高い電力変換モジュール11,13の分担係数α_11,α_13は、1よりも小さい値に減少させるように設定される。さらに、負荷率LFの所定値LFb1を境界値として、複数(本実施形態では4個)の電力変換モジュール11,12,13,14のうち相対的にモジュール温度Tmが低い電力変換モジュール12,14の分担係数α_12,α_14は、1よりも大きな値に増加させるように設定される。ここで、所定値LFb1は、電力変換モジュール11,12,13,14のいずれのモジュール温度Tmpも上限値Tmlとならない負荷率LFの値に設定される。所定値LFb1は例えば、分担係数を一定値にした場合に、相対的にモジュール温度Tmが高い電力変換モジュール11,13が上限値Tmlに到達する負荷率LFの値LFa1よりも小さい値に設定される。
As shown in FIG. 8, the temperature characteristics TCup1, TCbo1, TRup1, and TRbo1 when the initial temperature value of the module temperature Tm is Tma1 (for example, 40° C.) are the temperature characteristics TCup, TCbo, TRup, and It has the same characteristics as TRbo. Therefore, when the initial temperature value of the module temperature Tm is Tm1, the value of the load factor LF is 1 [p. u. ], the
これにより、図8中に温度特性TCup1で示すように、4個の電力変換モジュール11,12,13,14のうち、冷却部18の上部側に実装されて相対的にモジュール温度Tmが高い電力変換モジュール11,13は、負荷率LFが0から所定値LFb1の間よりも所定値LFb1以上の方がモジュール温度Tmの上昇率が小さくなる。一方、図8中に温度特性TCbo1で示すように、4個の電力変換モジュール11,12,13,14のうち、冷却部18の下部側に実装されて相対的にモジュール温度Tmが低い電力変換モジュール12,14は、負荷率が0から所定値LFb1の間よりも所定値LFb1以上の方がモジュール温度Tmの上昇率が大きくなる。これにより、電力変換装置3は、負荷率LFが所定値LFb1以上において電力変換モジュール11,13及び電力変換モジュール12,14の間のモジュール温度Tmの温度差を低減できる。
As a result, as shown by the temperature characteristic TCup1 in FIG. 8, among the four
図8に示すように、モジュール温度Tmの初期温度の値がTm2(>Tm1)の場合、負荷率LFによらず電力変換モジュールのそれぞれが負担する変換電力の分担係数が全て一定(例えば「1」)の場合、図8中の温度特性TRup2及び温度特性TRbo2で示すように、電力変換モジュールの温度Tmは、負荷率LFが大きくなるに従って初期温度Tma2から線形増加する。初期温度Tma2は、電力変換モジュール11,12,13,14の周囲温度として想定される最高の初期温度よりも高い温度である。冷却部18の上部側(風下側)に配置された電力変換モジュールは、冷却部18の下部側(風上側)に配置された電力変換モジュールよりもモジュール温度Tmが高い。このため、冷却部18の上部側(風下側)に配置された電力変換モジュールは、負荷率LFの値が1[p.u.]よりも小さい値LFa2(<LFa1)においてモジュール温度Tmが上限値Tmlに達してしまう。このため、冷却部18の下部側(風上側)に配置された電力変換モジュールのモジュール温度Tmは上限値Tmlよりも低い温度であるにもかかわらず、電力変換装置3の出力変換電力は、冷却部18の上部側(風下側)に配置された電力変換モジュールに律速されて制限されてしまう。
As shown in FIG. 8, when the initial temperature value of the module temperature Tm is Tm2 (>Tm1), the conversion power sharing coefficients borne by the respective power conversion modules are all constant regardless of the load factor LF (for example, "1 ), the temperature Tm of the power conversion module linearly increases from the initial temperature Tma2 as the load factor LF increases, as indicated by the temperature characteristics TRup2 and TRbo2 in FIG. The initial temperature Tma2 is a temperature higher than the maximum initial temperature assumed as the ambient temperature of the
図8中の温度特性TRbo2で示すように、冷却部18の下部側(風上側)に配置された電力変換モジュールのモジュール温度Tmは、負荷率LFの値がLFa2において上限値Tmlに達していない。このため、冷却部18の下部側(風上側)に配置された電力変換モジュールは、さらに負荷率LFを上げる余地がある。しかしながら、モジュール温度Tmの初期温度の値がTm2(>Tm1)の場合、冷却部18の下部側(風上側)に配置された電力変換モジュールのモジュール温度Tmも、負荷率LFの値が1[p.u.]よりも小さい値LFa3(>LFa2)においてモジュール温度Tmが上限値Tmlに達してしまう。
As indicated by the temperature characteristic TRbo2 in FIG. 8, the module temperature Tm of the power conversion module arranged on the lower side (windward side) of the cooling
そこで、モジュール温度Tmの初期温度の値がTm1の場合と同様に、モジュール温度Tmの初期温度の値がTm2の場合も、負荷率LFの値が1[p.u.]よりも低い所定値LFb2を境界値として、複数(本実施形態では4個)の電力変換モジュール11,12,13,14のうち相対的にモジュール温度Tmが高い電力変換モジュール11,13の分担係数α_11,α_13は、1よりも小さい値に減少させるように設定される。さらに、負荷率LFの所定値LFb2を境界値として、複数(本実施形態では4個)の電力変換モジュール11,12,13,14のうち相対的にモジュール温度Tmが低い電力変換モジュール12,14の分担係数α_12,α_14は、1よりも大きな値に増加させるように設定される。ここで、所定値LFb2は、電力変換モジュール11,12,13,14のいずれのモジュール温度Tmも上限値Tmlとならない負荷率LFの値に設定される。所定値LFb2は例えば、分担係数を一定値にした場合に、相対的にモジュール温度Tmが高い電力変換モジュール11,13が上限値Tmlに到達する負荷率LFの値LFa2よりも小さい値に設定される。
Therefore, similarly to the case where the initial temperature value of the module temperature Tm is Tm1, also when the initial temperature value of the module temperature Tm is Tm2, the value of the load factor LF is 1 [p. u. ], the
これにより、図8中に温度特性TCup2で示すように、4個の電力変換モジュール11,12,13,14のうち、冷却部18の上部側に実装されて相対的にモジュール温度Tmが高い電力変換モジュール11,13は、負荷率LFが0から所定値LFb2の間よりも所定値LFb2以上の方がモジュール温度Tmの上昇率が小さくなる。一方、図8中に温度特性TCbo2で示すように、4個の電力変換モジュール11,12,13,14のうち、冷却部18の下部側に実装されて相対的にモジュール温度Tmが低い電力変換モジュール12,14は、負荷率が0から所定値LFb2の間よりも所定値LFb2以上の方がモジュール温度Tmの上昇率が大きくなる。これにより、電力変換装置3は、負荷率LFが所定値LFb2以上において電力変換モジュール11,13及び電力変換モジュール12,14の間のモジュール温度Tmの温度差を低減できる。
As a result, as shown by the temperature characteristic TCup2 in FIG. 8, among the four
このように、モジュール温度Tmの初期温度の値が、電力変換モジュール11,12,13,14の周囲温度として想定される最高の初期温度よりも高い初期温度Tm2である場合も、電力変換モジュール11,13及び電力変換モジュール12,14の間のモジュール温度Tmの温度差を低減できる。しかしながら、電力変換モジュール11,12,13,14のモジュール温度Tmは、負荷率LFの値が1[p.u.]よりも小さい値の制限値LFc(例えば0.7)において上限値Tmlに到達する。このため、モジュール温度Tmの初期温度の値が電力変換モジュール11,12,13,14の周囲温度として想定される最高の初期温度よりも高い場合に電力変換装置3は、動作可能な負荷率LFの範囲を制限するようになっている。
In this way, even if the initial temperature value of the module temperature Tm is the initial temperature Tm2 that is higher than the maximum initial temperature assumed as the ambient temperature of the
図9は、電力変換装置3の負荷率LFに対する、4つの電力変換モジュール11,12,13,14が負担する変換電力P_11,P_12,P_13,P_14の分担係数α_11,α_12,α_13,α_14の特性の一例を示している。図9中に示すグラフの横軸は負荷率LF[p.u.]を示し、当該グラフの縦軸は分担係数を示している。図9中に示す「SCup1」及び「SCup2」は、冷却部18の上部側に実装された電力変換モジュール11,13の分担係数特性を示している。「SCup1」は、モジュール温度Tmの初期温度の値がTma1(例えば40℃)の場合の特性を示し、「SCup2」は、モジュール温度Tmの初期温度の値がTma2(例えば60℃)の場合の特性を示している。図9中に示す「SCbo1」及び「SCbo2」は、冷却部18の下部側に実装された電力変換モジュール12,14の分担係数特性を示している。「SCbo1」は、モジュール温度Tmの初期温度の値がTma1(例えば40℃)の場合の特性を示し、「SCbo2」は、モジュール温度Tmの初期温度の値がTma2(例えば60℃)の場合の特性を示している。
FIG. 9 shows the characteristics of the sharing coefficients α_11, α_12, α_13, and α_14 of the converted power P_11, P_12, P_13, and P_14 borne by the four
図9に示すように、モジュール温度Tmの初期温度が電力変換モジュール11,12,13,14の周囲温度として想定される最高の初期温度以下の初期温度Tma1(例えば40℃)の場合、分担係数特性SCup1,SCbo1は、上記第1実施形態における分担係数特性SCup,SCboと同様の特性を有している。このため、モジュール温度Tmの初期温度の値がTma1の場合、電力変換モジュール11,13の分担係数α_11,α_13は、負荷率FLが、0[p.u.]以上所定値LFb1[p.u.]よりも小さい範囲では一定値α1(例えば「1」)であり、所定値LFb1[p.u.]以上1[p.u.]以下の範囲で減少する分担係数特性SCup1を有している。一方、電力変換モジュール12,14の分担係数α_12,α_14は、負荷率LFが、0[p.u.]以上所定値LFb1[p.u.]よりも小さい範囲では一定値α1(例えば「1」)であり、所定値LFb1[p.u.]以上1[p.u.]以下の範囲で増加する分担係数特性SCbo1を有している。
As shown in FIG. 9, when the initial temperature of the module temperature Tm is an initial temperature Tma1 (for example, 40° C.) below the highest initial temperature assumed as the ambient temperature of the
電力変換モジュール11,13は、負荷率が所定値LFb1[p.u.]から1[p.u.]に向かって増加するに従って徐々に減少し、負荷率が1[p.u.]において値がα-(α-<1)となる分担係数特性SCup1を有している。電力変換モジュール12,14は、負荷率が所定値LFb1[p.u.]から1[p.u.]に向かって増加するに従って徐々に増加し、負荷率が1[p.u.]において値がα+(α+>1)となる分担係数特性SCbo1を有している。
When the
図9に示すように、モジュール温度Tmの初期温度が電力変換モジュール11,12,13,14の周囲温度として想定される最高の初期温度よりも高い初期温度Tma2(例えば60℃)の場合、分担係数特性SCup2,SCbo2は、負荷率LFの最大値が1[p.u.]に満たない特性を有している。モジュール温度Tmの初期温度の値がTma2の場合、電力変換モジュール11,13の分担係数α_11,α_13は、負荷率FLが、0[p.u.]以上所定値LFb2[p.u.]よりも小さい範囲では一定値α1(例えば「1」)であり、所定値LFb2[p.u.]以上かつ制限値LFc(<1)[p.u.]以下の範囲で減少する分担係数特性SCup2を有している。一方、電力変換モジュール12,14の分担係数α_12,α_14は、負荷率LFが、0[p.u.]以上所定値LFb2[p.u.]よりも小さい範囲では一定値α1(例えば「1」)であり、所定値LFb2[p.u.]以上かつ制限値LFc[p.u.]以下の範囲で増加する分担係数特性SCbo2を有している。
As shown in FIG. 9, when the initial temperature of the module temperature Tm is an initial temperature Tma2 (for example, 60° C.) higher than the maximum initial temperature assumed as the ambient temperature of the
電力変換モジュール11,13は、負荷率LFが所定値LFb2[p.u.]から制限値LFc[p.u.]に向かって増加するに従って徐々に減少し、制限値LFc[p.u.]において値がα-(α-<1)となる分担係数特性SCup2を有している。電力変換モジュール12,14は、負荷率LFが所定値LFb2[p.u.]から制限値LFc[p.u.]に向かって増加するに従って徐々に増加し、負荷率LFが制限値LFc[p.u.]において値がα+(α+>1)となる分担係数特性SCbo2を有している。
In the
このように、モジュール温度Tmの初期温度が電力変換モジュール11,12,13,14の周囲温度として想定される最高の初期温度を超える条件では、最大負荷率は1[p.u.]よりも低い値となってしまうため、分担係数の推移が異なってくる。分担係数特性SCup2は、負荷率LFが小さくなる方向に分担係数特性SCup1がシフトしたような特性を有している。分担係数特性SCbo2は、負荷率LFが小さくなる方向に分担係数特性SCbo1がシフトしたような特性を有している。このため、モジュール温度Tmの初期温度が異なる場合には、同じ負荷率であっても負荷率LFの値が所定値Fb2から制限値LFcの間では分担係数が変化する。つまり、複数の電力変換モジュールが負担する変換電力の割合の一例に相当する分担係数は、周囲温度検出器30で検出される電力変換モジュール11,12,13,14の周囲温度(空気の温度の一例)又は当該周囲温度を推定できる温度の検出値によって変化する。図9に示す電力変換装置3の負荷率LF及び周囲温度に対する電力変換モジュール11,12,13,14の分担係数特性は、電力変換装置3を実働させる前に測定したり電力変換装置3の動作シミュレーションによって算出したりして得られる。
Thus, under the condition that the initial temperature of the module temperature Tm exceeds the maximum initial temperature assumed as the ambient temperature of the
負荷率LFの所定値FLb1は、負荷率LFの値がLFa1以下の任意値に設定されてもよい。負荷率LFの所定値FLb1は、例えば負荷率LFの値LFa1より10%低い値に設定されてもよい。負荷率LFの所定値FLb2は、負荷率LFの値がLFa2以下の任意値に設定されてもよい。負荷率LFの所定値FLb2は、例えば負荷率LFの値LFa2より10%低い値に設定されてもよい。また、負荷率LFの最大値の1[p.u.]は、分担係数及び負荷率をパラメータとして、負荷率が最も大きくとれる一意の値である。負荷率LFの最大値の1[p.u.]は、電力変換装置3を実働させる前に測定したり電力変換装置3の動作シミュレーションによって分担係数及び負荷率をパラメータとして探索したりして得られる。
The predetermined value FLb1 of the load factor LF may be set to any value less than or equal to LFa1. The predetermined value FLb1 of the load factor LF may be set, for example, to a value 10% lower than the value LFa1 of the load factor LF. The predetermined value FLb2 of the load factor LF may be set to any value less than or equal to LFa2 for the load factor LF. The predetermined value FLb2 of the load factor LF may be set to a value 10% lower than the value LFa2 of the load factor LF, for example. Also, when the maximum value of the load factor LF is 1 [p. u. ] is a unique value with which the load factor can be maximized, with the sharing factor and the load factor as parameters. When the maximum value of the load factor LF is 1 [p. u. ] can be obtained by measuring before the
分担係数特性SCup1,SCbo1,SCup2,SCbo2、負荷率LFの所定値LFb1,LFb2、負荷率LFの制限値LFcは、例えば共通モジュール制御回路35(図7参照)に設けられた記憶部(詳細は後述する)に保存される。 The sharing coefficient characteristics SCup1, SCbo1, SCup2, SCbo2, the predetermined values LFb1, LFb2 of the load factor LF, and the limit value LFc of the load factor LF are stored in, for example, a storage unit (details are (to be described later).
次に、本実施形態による制御装置の要部の構成について図7から図9を参照しつつ図10を用いて説明する。図10は、電力変換装置3に備えられた共通モジュール制御回路(制御装置の一例)35の要部の一例を示す機能ブロック図である。共通モジュール制御回路35は、電力変換装置3の負荷率LFを分担係数α_11,α_12,α_13,α_14に応じて電力変換モジュール11,12,13,14に分担させ、電力変換モジュール11,12,13,14のそれぞれの変換電力を個別に制御するように構成されている。共通モジュール制御回路35は、電力変換モジュール11,12,13,14のそれぞれについて変換電力を制御する変換電力制御部を有している。当該変換電力制御部は、電力変換モジュール11,12,13,14のそれぞれで同一の構成を有し、同一の機能を発揮するようになっている。このため、以下、電力変換モジュール11,12,13,14のそれぞれの変換電力制御部の構成について、電力変換モジュール11の変換電力制御部を例にとって説明する。なお、図10では、電力変換モジュール11の変換電力制御部300が図示されている。
Next, the configuration of the main part of the control device according to the present embodiment will be described using FIG. 10 while referring to FIGS. 7 to 9. FIG. FIG. 10 is a functional block diagram showing an example of a main part of a common module control circuit (an example of a control device) 35 provided in the
図10に示すように、共通モジュール制御回路35に設けられた変換電力制御部300は、統括制御部301及び記憶部302の構成が異なる点を除いて、上記第1実施形態による共通モジュール制御回路15に設けられた変換電力制御部100と同様の構成を有し、同様の機能を発揮するようになっている。
As shown in FIG. 10, the conversion
図10に示すように、統括制御部301には、共通モジュール制御回路35の外部から入力される外部要因(本実施形態では負荷9(図7参照))の要求値であるd軸電流Id_ref、q軸電流Iq_ref及び最大要求電流Idq_refに加えて、周囲温度検出器30(図7参照)が出力する温度検出信号Taが入力されるように構成されている。
As shown in FIG. 10, the
共通モジュール制御回路35に備えられた記憶部302には、分担係数特性SCup1,SCbo1,SCup2,SCbo2などが記憶されている。したがって、記憶部302に記憶された、複数の電力変換モジュールが負担する変換電力の割合の一例に相当する分担係数は、周囲温度検出器30で検出される電力変換モジュール11,12,13,14の周囲温度(空気の温度の一例)又は当該周囲温度の温度を推定できる温度の検出値によって変化する。
The
統括制御部301は例えば、周囲温度検出器30から入力された温度検出信号Taに対応するモジュール温度Tmの初期温度に基づく分担係数特性を参照し、上述の式(6)を用いて算出した現時点での負荷率LFに対応する分担係数α_11を記憶部302から読み出す。例えば、周囲温度検出器30から入力された温度検出信号Taに対応するモジュール温度Tmの初期温度の値がTma2であった場合、統括制御部301は、記憶部302に記憶された分担係数特性SCup2を参照し、上述の式(6)を用いて算出した現時点での負荷率LFに対応する分担係数α_11を読み出す。
For example, the
このように、本実施形態では、統括制御部301が読み出す分担係数には、周囲温度検出器30から入力された温度検出信号Ta、すなわち電力変換モジュール11の周囲温度が反映される。このため、変換電力制御部300は、電流指令値生成部150からパルス幅変調部103まで、上記第1実施形態における変換電力制御部100と同様に動作することにより、電力変換モジュール11の周囲温度が反映された制御信号Sc_11を生成してゲート駆動回路112(図2参照)に出力できる。
Thus, in this embodiment, the temperature detection signal Ta input from the
次に、本実施形態による電力変換装置の周囲温度と最大出力電力との関係について図11を用いて説明する。ここで、電力変換装置の最大出力電力は、最大の負荷率に相当する。図11は、電力変換装置3の周囲温度と最大出力電力との関係の一例を示すグラフである。図11に示すグラフの横軸は周囲温度[℃]を示し、当該グラフの縦軸は最大出力電力[%]を示している。図11中に示す電力特性MP1は、電力変換モジュール11,12,13,14の分担係数を変更する場合の電力変換装置3の最大出力電力の特性を示している。図11中に示す電力特性MP2は、電力変換モジュール11,12,13,14の分担係数を変更しない場合(分担係数が固定値の場合)の電力変換装置の最大出力電力の特性を示している。
Next, the relationship between the ambient temperature and the maximum output power of the power converter according to this embodiment will be explained using FIG. Here, the maximum output power of the power converter corresponds to the maximum load factor. FIG. 11 is a graph showing an example of the relationship between the ambient temperature and the maximum output power of the
図11中に電力特性MP1で示すように、電力変換モジュール11,12,13,14の分担係数を変更する場合に周囲温度が40℃までは、電力変換装置3の運転範囲は、最大出力電力100%となる。なお、電力特性MP1は、上記第1実施形態による電力変換装置1の運転範囲にも相当する。
As shown by the power characteristic MP1 in FIG. 11, when the sharing coefficients of the
図11中に電力特性MP1で示すように、電力変換モジュール11,12,13,14の分担係数を変更する場合に周囲温度が60℃では、電力変換装置3の運転範囲は、最大出力電力の70%までになる。このように、電力変換装置3は、運転範囲を制限することによって周囲温度に対するディレーティングに対応させることができる。電力変換装置3は、最大出力電力の70%の運転範囲で周囲温度に応じて、適切な分担係数を連続的又は断続的に更新する。これにより、電力変換装置3は、分担係数が固定値である場合(電力特性MP2参照)よりも、より大きな最大出力電力を得ることが可能となる。
As shown by the power characteristic MP1 in FIG. 11, when the sharing coefficients of the
以上説明したように、本実施形態による共通モジュール制御回路35は、並列接続される電力変換モジュール11,12,13,14の温度差が小さくなるように電力変換モジュール11,12,13,14が負担する変換電力の割合を複数の電力変換モジュール11,12,13,14の合計変換電力に基づく値に対応させて記憶する記憶部302と、記憶部302に記憶された当該割合に基づいて電力変換モジュール11,12,13,14のそれぞれに流れる電流を調整する電流指令値生成部150とを備えている。
As described above, the common
また、本実施形態による電力変換装置3は、並列接続される電力変換モジュール11,12,13,14と、電力変換モジュール11,12,13,14を冷却する冷却部18と、共通モジュール制御回路35とを備えている。
The
このような構成を備える共通モジュール制御回路35及び電力変換装置3は、上記第1実施形態による共通モジュール制御回路15及び電力変換装置1と同様の効果が得られる。
The common
また、本実施形態による電力変換装置3は、冷却部18(図3参照)に流入する空気(冷却媒体の一例)の温度又は当該空気の温度を推定できる温度を検出する周囲温度検出器(検出器の一例)28を備えている。共通モジュール制御回路35及び電力変換装置3は、周囲温度検出器30で検出される電力変換モジュール11,12,13,14の周囲温度の検出値によって分担係数を変化させることができる。これにより、共通モジュール制御回路35及び電力変換装置3は、電力変換モジュール11,12,13,14の周囲の初期温度に応じて、運転範囲を調整することにより周囲温度に対するディレーティングに対応することができる。
In addition, the
〔第3実施形態〕
本発明の第3実施形態による制御装置及び電力変換装置について図12を用いて説明する。本実施形態による電力変換装置は、冷却部が、複数の電力変換モジュールごとに個別に分割又は複数の電力変換モジュールの一部ごとに分割されている点に特徴を有している。本実施形態による制御装置及びそれを備える電力変換装置について、上記第1実施形態による共通モジュール制御回路15及び電力変換装置1と同一の作用・機能を奏する構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
[Third embodiment]
A control device and a power conversion device according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The power converter according to this embodiment is characterized in that the cooling unit is divided individually for each of the plurality of power conversion modules or divided for each part of the plurality of power conversion modules. Concerning the control device according to the present embodiment and the power conversion device including the same, the same reference numerals are given to the constituent elements having the same actions and functions as those of the common
図12に示すように、本実施形態による電力変換装置は、4分割された冷却部18を備えている。本実施形態では、冷却部18は、冷却部18a,18b,18c,18dとして電力変換モジュール11,12,13,14ごとに個別に分割されている。
As shown in FIG. 12, the power converter according to this embodiment includes a
冷却部18aには、電力変換モジュール11が実装され、冷却部18bには、電力変換モジュール12が実装され、冷却部18cには、電力変換モジュール13が実装され、冷却部18dには、電力変換モジュール14が実装されている。
The
冷却部18a,18b,18c,18dは、電力変換モジュール11,12,13,14が実装されるベース部181a,181b,181c,181dを有している。電力変換モジュール11,12,13,14は、ベース部181a,181b,181c,181dに熱的に接合されている。冷却部18a,18b,18c,18dは、電力変換モジュール11,12,13,14が実装されるベース部181a,181b,181c,181dの実装面の裏面から延在する複数の放熱フィン182a,182b,182c,182dを有している。複数の放熱フィン182a,182b,182c,182dはそれぞれ、薄板直方体形状を有している。複数の放熱フィン182aは、互いに所定の間隙を設けて配置されている。複数の放熱フィン182bは、互いに所定の間隙を設けて配置されている。複数の放熱フィン182cは、互いに所定の間隙を設けて配置されている。複数の放熱フィン182dは、互いに所定の間隙を設けて配置されている。ベース部181a,181b,181c,181dと複数の放熱フィン182a,182b,182c,182dは、例えば一体に形成されている。
The cooling
冷却部18a,18b,18c,18dは、互いにほぼ均等な間隔を保って配置されている。冷却部18a及び冷却部18bは、上下方向に並んで配置され、冷却部18c及び冷却部18dは、上下方向に並んで配置されている。冷却部18a及び冷却部18cは、左右方向に並んで配置され、冷却部18b及び冷却部18dは、左右方向に並んで配置されている。冷却部18a,18cは、複数の放熱フィン182a,182cが水平方向に並んだ状態で、電力変換装置に設けられた筐体(不図示)の内部に設置される。冷却部18b,18dは、複数の放熱フィン182b,182dが水平方向に並んだ状態で、電力変換装置3に設けられた筐体(不図示)の内部に設置される。冷却部18a,18b,18c,18dは、自然空冷によって電力変換モジュール11,12,13,14を冷却する。このため、図12に示すように、複数の放熱フィン182a,182b,182c,182dにおいて生じる自然対流NCの向きは、下方から上方に向かう方向となる。これにより、冷却部18a,18cの方が冷却部18b,18dよりも温度が高くなるという温度むらが生じる。
The cooling
しかしながら、本実施形態による制御装置及び電力変換装置には、上記第1実施形態及び上記第2実施形態による共通モジュール制御回路15,35及び電力変換装置1,3を適用することができる。これにより、本実施形態による制御装置及び電力変換装置は、上記第1実施形態又は上記第2実施形態による共通モジュール制御回路15,35及び電力変換装置1,3と同様の方法によって電力変換モジュール11,12,13,14を制御することにより、電力変換モジュール11,12,13,14の温度むらを抑制することができる。
However, the common
本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
上記第1実施形態から上記第3実施形態による制御装置及び電力変換装置は、電流指令値生成部を有し、出力電流指令値を介して複数の電力変換モジュールのそれぞれに流れる電流(すなわち負荷率)を調整するように構成されているが、本発明はこれに限られない。例えば、制御装置及び電力変換装置は、出力電流指令値を調整する方法に限らず、電源装置の制御目的に応じて、適宜、トルク指令値や入力電流指令値といった他の物理量を介して複数の電力変換モジュールのそれぞれに流れる電流(すなわち負荷率)を調整してももちろんよい。さらに、制御装置及び電力変換装置は、複数の電力変換モジュールのそれぞれに流れる電流の電流量を調整するのではなく、電流を流す時間を調整してももちろんよい。
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible.
The control device and the power conversion device according to the first to third embodiments have a current command value generation unit, and current (that is, load factor ), but the present invention is not limited to this. For example, the control device and the power conversion device are not limited to the method of adjusting the output current command value, and according to the control purpose of the power supply device, appropriately through other physical quantities such as the torque command value and the input current command value. Of course, the current (that is, load factor) flowing through each of the power conversion modules may be adjusted. Furthermore, the control device and the power conversion device may, of course, adjust the time for which the current flows instead of adjusting the current amount of the current flowing through each of the plurality of power conversion modules.
上記第1実施形態から上記第3実施形態では、電力変換装置として直流-交流変換器(2レベルインバータ)を例にとって説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、本発明に係る電力変換装置として直流-直流変換器や交流-直流変換器という他の変換器も適用できる。これらの変換器に設けられた複数の電力変換モジュールが負担する負荷率を、負荷率と因果関係のある値を介して調整することで、上記第1実施形態から上記第3実施形態による制御装置及び電力変換装置と同様の効果が得られる。 In the above-described first to third embodiments, the DC-AC converter (two-level inverter) is used as an example of the power converter, but the present invention is not limited to this. For example, other converters such as DC-DC converters and AC-DC converters can be applied as the power conversion device according to the present invention. By adjusting the load factor borne by the plurality of power conversion modules provided in these converters via a value having a causal relationship with the load factor, the control device according to the first to third embodiments And the same effect as the power converter can be obtained.
上記第1実施形態及び上記第2実施形態では、冷却部18の上部側に配置された電力変換モジュール11,13は、同じ温度特性及び分担係数特性を有し、冷却部18の下部側に配置された電力変換モジュール12,13は、同じ温度特性及び分担係数特性を有しているとみなして説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、電力変換モジュール11、12,13,14は、それぞれ異なる温度特性及び分担係数特性を有し、上述の方法によって分担係数や各電力変換モジュールに流れる電流(すなわち負荷率)が個別に制御されてももちろんよい。
In the first embodiment and the second embodiment, the
上記第1実施形態における分担係数特性は、急激な温度変化を緩和するために、負荷率の値が所定値LFbから1までの間で、曲線的に変化するように設定されている。また、上記第2実施形態における分担系通特性は、急激な温度変化を緩和するために、負荷率の値が所定値LFb1から1までの間又は所定値LFb2から制限値LFcまでの間で、曲線的に変化するように設定されている。しかしながら、本発明はこれに限られない。例えば、分担係数特性は、これらの間において直線的又は段階的に増加又は減少するように設定されてもよい。あるいは、分担係数特性は、負荷率のこれらの間において曲線的、直線的及び段階的な変化の少なくとも2つを組み合わせて増加又は減少するように設定されてもよい。 The distribution coefficient characteristic in the first embodiment is set such that the load factor value changes in a curve between a predetermined value LFb and 1 in order to mitigate sudden temperature changes. Further, the sharing system general characteristic in the second embodiment is such that the value of the load factor is between the predetermined value LFb1 and 1 or between the predetermined value LFb2 and the limit value LFc, in order to mitigate sudden temperature changes. It is set to change in a curvilinear manner. However, the present invention is not limited to this. For example, the sharing factor characteristics may be set to increase or decrease between them linearly or stepwise. Alternatively, the sharing factor characteristic may be set to increase or decrease by a combination of at least two of curvilinear, linear and stepped changes therebetween.
本発明に係る制御装置及び電力変換装置は、モジュール温度Tmの初期温度が、電力変換モジュール11,12,13,14の周囲温度として想定される最高の初期温度よりも低い場合には、負荷率に応じて分担係数を変更するか否かを選択できるように構成されていてもよい。モジュール温度Tmの初期温度が、複数の電力変換モジュールの周囲温度として想定される最高の初期温度よりも低い場合、複数の電力変換モジュールのうちの相対的に高温となる電力変換モジュールのモジュール温度が、負荷率の値が1.0[p.u.]まで上限値に到達しない場合もある。このため、本発明に係る制御装置及び電力変換装置は、相対的に高温となる電力変換モジュールのモジュール温度が、負荷率の値が1.0[p.u.]でも上限値に到達するか否かを判断するための初期温度の閾値が設定されていてもよい。本発明に係る制御装置及び電力変換装置は、初期温度が当該閾値を超えた場合は負荷率に応じて分担係数を変更し、初期温度が当該閾値以下であれば分担係数を一定とするように、切り替え可能に構成されていてもよい。
When the initial temperature of the module temperature Tm is lower than the highest initial temperature assumed as the ambient temperature of the
上記第3実施形態では、冷却部18は、電力変換モジュール11,12,13,14ごとに冷却部18a,18b,18c,18dとして個別に分割されているが、本発明はこれに限られない。例えば、冷却部18は、複数の電力変換モジュールの一部ごとに分割されていてもよい。具体的に例えば、冷却部18は、電力変換モジュール11,12,13,14のうち、上部に配置される電力変換モジュール11,13を組みとし、下部に配置される電力変換モジュール12,14を組として上下方向に2分割されていてもよい。また、冷却部18は、電力変換モジュール11,12,13,14のうち、左側部に配置される電力変換モジュール11,12を組みとし、右側部に配置される電力変換モジュール13,14を組として左右方向に2分割されていてもよい。また、冷却部18は、電力変換モジュール11,12,13,14のうちのいずれか1個及び残余の3個で2分割されていてもよい。さらに、冷却部18は、電力変換モジュール11,12,13,14のうちのいずれか1個、残余の1個及びさらに残余の2個で3分割されていてもよい。
In the third embodiment, the cooling
上記第1実施形態から上記第3実施形態では、冷却方式として自然空冷方式を例にとって説明しているが、本発明はこれに限られない。例えば、強制空冷方式や水冷方式でも本発明を適用することができる。水冷方式の場合、周囲温度検出器30は、冷却媒体として用いられる水の温度又は冷却媒体として用いられる水の温度を推定できる温度を検出するように構成される。
In the above-described first to third embodiments, the natural air cooling system is described as an example of the cooling system, but the present invention is not limited to this. For example, the present invention can be applied to a forced air cooling system or a water cooling system. In the case of water cooling, the
上記第1実施形態から上記第3実施形態では、電力変換装置に備えられる電力変換モジュールの個数は4個を例にとって説明したが、本発明はこれに限られない。電力変換モジュールの個数は、2個、3個又は5個以上であっても同様の効果が得られる。 In the first to third embodiments, the number of power conversion modules provided in the power conversion device is four, but the present invention is not limited to this. The same effect can be obtained even if the number of power conversion modules is two, three, or five or more.
上記第1実施形態から上記第3実施形態では、スイッチング素子Q1~Q6は、MOSFETで構成されているが、本発明はこれに限られない。例えば、スイッチング素子Q1~Q6は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などの、他のパワー半導体デバイスでもよい。 In the first to third embodiments, the switching elements Q1 to Q6 are composed of MOSFETs, but the present invention is not limited to this. For example, the switching elements Q1-Q6 may be other power semiconductor devices such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors).
本発明の技術的範囲は、図示され記載された例示的な実施形態に限定されるものではなく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらす全ての実施形態をも含む。さらに、本発明の技術的範囲は、請求項により画される発明の特徴の組み合わせに限定されるものではなく、全ての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画されうる。 The scope of the invention is not limited to the illustrated and described exemplary embodiments, but includes all embodiments that achieve equivalent effects for which the invention is intended. Furthermore, the scope of the present invention is not limited to the combination of inventive features defined by the claims, but is defined by any desired combination of the specific features of each and every disclosed feature. sell.
1,3 電力変換装置
8 直流電源
9 負荷
11,12,13,14 電力変換モジュール
15,35 共通モジュール制御回路
16,171,172,173 電圧検出器
17 電圧検出回路
18,18a,18b,18c,18d 冷却部
30 周囲温度検出器
100,300 変換電力制御部
101,310 統括制御部
102,302 記憶部
103 パルス幅変調部
111 インバータ部
112 ゲート駆動回路
113u,113v,113w 電流検出器
150 電流指令値生成部
150a 第一除算部
150b 第二除算部
150c 第一積算部
150d 第二積算部
151,152,158 座標変換部
153 偏差演算部
153a 第一減算部
153b 第二減算部
154 PI制御部
154a 第一PI制御部
154b 第二PI制御部
155 電圧降下演算部
155a 第一演算部
155b 第二演算部
156 電圧加算部
156a,157a 第一加算部
156b,157b 第二加算部
157 加減算部
159 電圧指令値基準化部
159a 除算部
159b 基準化部
181,181a,181b,181c,181d ベース部
182,182a,182b,182c,182d 放熱フィン
C 直流コンデンサ
D1,D2,D3,D4,D5,D6 還流用ダイオード
Lu,Lv,Lw 交流リアクトル
M1,M2,M3,M4,M5,M6 半導体素子
Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6 スイッチング素子
1, 3 power conversion device 8 DC power supply 9 loads 11, 12, 13, 14 power conversion modules 15, 35 common module control circuits 16, 171, 172, 173 voltage detector 17 voltage detection circuits 18, 18a, 18b, 18c, 18d Cooling unit 30 Ambient temperature detectors 100, 300 Conversion power control units 101, 310 Integrated control units 102, 302 Storage unit 103 Pulse width modulation unit 111 Inverter unit 112 Gate drive circuits 113u, 113v, 113w Current detector 150 Current command value Generation unit 150a First division unit 150b Second division unit 150c First integration unit 150d Second integration unit 151, 152, 158 Coordinate conversion unit 153 Deviation calculation unit 153a First subtraction unit 153b Second subtraction unit 154 PI control unit 154a One PI control unit 154b Second PI control unit 155 Voltage drop calculation unit 155a First calculation unit 155b Second calculation unit 156 Voltage addition units 156a, 157a First addition units 156b, 157b Second addition unit 157 Addition/subtraction unit 159 Voltage command value Reference section 159a Division section 159b Reference section 181, 181a, 181b, 181c, 181d Base section 182, 182a, 182b, 182c, 182d Radiation fin C DC capacitors D1, D2, D3, D4, D5, D6 Freewheeling diode Lu , Lv, Lw AC reactors M1, M2, M3, M4, M5, M6 Semiconductor elements Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6 Switching elements
Claims (7)
前記記憶部に記憶された前記割合に基づいて前記複数の電力変換モジュールのそれぞれに流れる電流を調整する調整部と
を備えることを特徴とする制御装置。 A ratio of converted power borne by the plurality of power conversion modules is stored in association with a value based on the total converted power of the plurality of power conversion modules so that a temperature difference between the plurality of power conversion modules connected in parallel is reduced. a storage unit;
and an adjustment unit that adjusts currents flowing through each of the plurality of power conversion modules based on the ratio stored in the storage unit.
を特徴とする請求項1に記載の制御装置。 The ratio stored in the storage unit is the temperature of a cooling medium flowing into a cooling unit that cools the plurality of power conversion modules, or the cooling detected by a detector that detects a temperature that can estimate the temperature of the cooling medium. 2. The control device according to claim 1, wherein the temperature of the medium or the temperature of the cooling medium is changed according to a temperature detection value that can be estimated.
ことを特徴とする請求項1または2に記載の制御装置。 3. The control device according to claim 1, wherein the ratio is set so that the temperature difference between the plurality of power conversion modules is small within a range at least in which the total converted power is equal to or greater than a predetermined value. .
ことを特徴とする請求項3に記載の制御装置。 The predetermined value is based on the converted power at which at least one of the plurality of power conversion modules reaches the upper limit temperature when the plurality of power conversion modules output the total converted power without changing the ratio. 4. A control device as claimed in claim 3, characterized in that it is determined.
前記複数の電力変換モジュールを冷却する冷却部と、
前記複数の電力変換モジュールの温度差が小さくなるように前記複数の電力変換モジュールが負担する変換電力の割合を前記複数の電力変換モジュールの合計変換電力に基づく値に対応させて記憶する記憶部、及び、前記記憶部に記憶された前記割合に基づいて前記複数の電力変換モジュールのそれぞれに流れる電流を調整する調整部を有する制御装置と
を備えることを特徴とする電力変換装置。 a plurality of power conversion modules connected in parallel;
a cooling unit that cools the plurality of power conversion modules;
a storage unit that stores a ratio of the converted power borne by the plurality of power conversion modules so as to reduce the temperature difference among the plurality of power conversion modules in association with a value based on the total converted power of the plurality of power conversion modules; and a control device having an adjustment unit that adjusts the current flowing through each of the plurality of power conversion modules based on the ratio stored in the storage unit.
を特徴とする請求項5に記載の電力変換装置。 The power converter according to claim 5, wherein the cooling unit is divided individually for each of the plurality of power conversion modules or divided for each part of the plurality of power conversion modules.
前記記憶部に記憶された前記割合は、前記検出器で検出される前記冷却媒体の温度又は前記冷却媒体の温度を推定できる温度の検出値によって変化すること
を特徴とする請求項5又は6に記載の電力変換装置。 A detector that detects the temperature of the cooling medium flowing into the cooling unit or the temperature that can estimate the temperature of the cooling medium,
7. The method according to claim 5, wherein the ratio stored in the storage unit changes depending on the temperature of the cooling medium detected by the detector or a detected temperature value that can estimate the temperature of the cooling medium. A power converter as described.
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