半导体电力变换器的制造方法
【专利摘要】半导体电力变换器(100)具有：主电路基板(5)，其设置在半导体电力变换器(100)的框体(1)内，配置有第1温度传感器(7)和对从电源供给的电力进行变换并供给至负载的主电路(10)；控制电路基板(4)，其设置在框体(1)内，配置有第2温度传感器(6)和对主电路(10)进行控制的控制电路(11)；以及内部气体温度推定电路(8)，其使用由第1温度传感器(7)检测出的温度和由第2温度传感器(6)检测出的温度，推定半导体电力变换器(100)内的内部气体温度。
【专利说明】
半导体电力变换器
技术领域
[0001]本发明涉及一种半导体电力变换器，该半导体电力变换器对从电源供给的电力进行变换并供给至负载。
【背景技术】
[0002]近年来，半导体电力变换器已被以比较低的成本、且涵盖多机种而向市场提供，被众多的用户多方面地使用。因此，在半导体电力变换器的规格温度范围外的环境下使用的用户增加，这种使用成为构成半导体电力变换器主电路的半导体开关元件及电容器这类的发热部件的寿命降低和特性劣化的原因。作为其对策，在以专利文献I为代表的现有技术中，采用下述构造，即，通过将伴随发热部件的损耗而产生的热量传递至散热鳍片，从而将发热部件冷却，并且根据由设置在散热鳍片的温度传感器检测的温度值而对冷却风扇的旋转速度进行控制，将发热部件冷却。
[0003]专利文献1:日本特开2014 —132829号公报
【发明内容】
[0004]根据专利文献I所示的现有技术，发热部件和温度传感器以经由散热鳍片而热连接的状态配置在半导体电力变换器内。然而，由发热部件产生的热量的一部分还散热至半导体电力变换器内，而并非传递至散热鳍片。因此，存在下述的倾向，即，从发热部件至温度传感器为止的间隔距离越大，由温度传感器检测的温度成为与半导体电力变换器内的内部气体温度相比越低的值。因此，尽管内部气体温度已达到使冷却风扇的动作开始的设定温度，但由温度传感器检测的温度比所述的设定温度低，因此冷却风扇不进行动作，这成为电子部件的寿命降低和特性劣化的原因，导致半导体电力变换器的品质的降低。另一方面，在散热鳍片发生堵塞，由散热鳍片吸收的热量难以散热的状态持续的情况下，存在由温度传感器检测的温度成为与内部气体温度相比较高的值的倾向。因此，尽管内部气体温度没有达到使冷却风扇的动作开始的设定温度，但由温度传感器检测的温度比所述的设定温度高，因此冷却风扇进行动作，不仅会增加由冷却风扇的驱动而产生的消耗电力，还成为冷却风扇的寿命降低的原因，因此导致半导体电力变换器的品质的降低。
[0005]本发明就是鉴于上述情况而提出的，其目的在于得到一种能够实现品质的提高的半导体电力变换器。
[0006]为了解决上述的课题，并达到目的，本发明的特征在于，具有:主电路基板，其设置在框体内，配置有第I温度传感器和对从电源供给的电力进行变换并供给至负载的主电路；控制电路基板，其设置在所述框体内，配置有第2温度传感器和对所述主电路进行控制的控制电路；以及内部气体温度推定电路，其使用由所述第I温度传感器检测出的温度和由所述第2温度传感器检测出的温度，推定所述半导体电力变换器内的内部气体温度。
[0007]发明的效果
[0008]本发明所涉及的半导体电力变换器具有下述效果，S卩，能够实现品质的提高。
【附图说明】
[0009]图1是本发明的实施方式所涉及的半导体电力变换器的功能框图。
[0010]图2是本发明的实施方式所涉及的半导体电力变换器的内视图。
[0011]图3是示意地表示本发明的实施方式所涉及的半导体电力变换器的热回路模型的图。
[0012]图4是以在本发明的实施方式所涉及的控制电路基板配置的内部气体温度推定电路的功能为中心而示出的图。
【具体实施方式】
[0013]下面，基于附图对本发明的实施方式所涉及的半导体电力变换器详细地进行说明。此外，本发明并不受本实施方式限定。
[0014]实施方式.
[0015]图1是本发明的实施方式所涉及的半导体电力变换器的功能框图。半导体电力变换器100具有:主电路10，其从交流电源20将交流电力变换为任意频率及任意值的电力而向作为负载的感应电动机30输出；以及控制电路11，其输出使构成主电路10的未图示的半导体开关元件动作的控制信号。主电路1具有:转换器电路I Oa，其通过由控制电路11控制的开关元件的通断动作，将来自交流电源20的交流电力变换为直流电力；以及逆变器电路I Ob，其通过由控制电路11控制的开关元件的通断动作，将来自转换器电路1a的直流电力变换为交流电力而输出。
[0016]图2是本发明的实施方式所涉及的半导体电力变换器的内视图，半导体电力变换器100具有:矩形状的框体I;主电路基板5，其设置在框体I的内部，配置有第I温度传感器7和主电路10;平板状的控制电路基板4，其设置在框体I的内部，配置有第2温度传感器6、内部气体温度推定电路8和控制电路11;散热鳍片3，其固定在框体I，与主电路1热连接；以及冷却风扇2，其使框体I内的空气循环。在图示例的半导体电力变换器100中，控制电路基板4与框体的上表面平行地配置，主电路基板5配置在框体的下侧。散热鳍片3是在散热鳍片3的表面中的设备内侧面3a与主电路10热连接的状态下，使用未图示的紧固部件而固定于框体的。
[0017]如上所述，半导体电力变换器100呈控制电路基板4及主电路基板5由框体I和散热鳍片3包围的构造。因此，由主电路10产生的热量的一部分被散热鳍片3吸收而排出至设备外，但没有被散热鳍片3吸收的热量传递至框体I内的空气、主电路基板5和框体I。因此，框体I内的内部气体温度随着主电路10的发热量上升而上升。本实施方式所涉及的半导体电力变换器100的特征在于，使用由第I温度传感器7检测的温度和由第2温度传感器6检测的温度而对内部气体温度进行推定，使用推定出的内部气体温度进行各种控制，下面，对内部气体温度的推定方法和使用推定出的内部气体温度进行的各种控制的内容进行说明。
[0018]首先，使用图3对内部气体温度的推定方法进行说明。图3是示意地表示本发明的实施方式所涉及的半导体电力变换器的热回路模型的图。图3的左侧所示的Po表示与主电路所产生的电力损耗相当的热量，Tj表示开关元件的结温，Rj表示主电路和散热鳍片3之间的热阻，Tfin表不传递至散热鳍片3的热量的温度，Rfin表不散热鳍片3的热阻、即从主电路与散热鳍片3接触的部分至散热鳍片3的表面为止的路径上的热阻。Tm是传递至散热鳍片3的热量中的、从散热鳍片3的表面向设备外散热的热量的温度。
[0019]图3的中央所示的Ra表示散热鳍片3和主电路基板5之间的热阻。Pa表示传递至主电路基板5的热量，与从主电路10所产生的热量减去由散热鳍片3向设备外进行散热的热量而得到的热量相等。
[0020]图3的右侧所不的Pma表不从主电路基板5广生的热量。Pma的传递路径被认为是框体I和框体I的设备内空气，框体I是支配性的。Pma的值根据框体I的材质、形状及尺寸而变动，另外也随冷却风扇2进行旋转这一点而变动。Tma表示在主电路基板5之上测定的热量的温度，与从主电路所产生的热量减去由散热鳍片向设备外进行散热的热量而得到的热量的温度相等。Tma相当于图2所示的由第I温度传感器7检测的温度。Rma表示从主电路基板5至控制电路基板4为止的路径上的热阻，是由框体的形状和框体内的空气的流动决定的值。P表示传递至控制电路基板4的热量。Tca表示在控制电路基板4之上测定的热量的温度，相当于由图2所示的第2温度传感器6检测的温度。Rca表示控制电路基板4和空气之间的热阻，1^2是从主电路基板5向控制电路基板4传递的热量中的、向设备内进行散热的热量的内部气体温度。
[0021]根据图3所示的热回路模型，Tma能够使用下述(I)式所示的热方程式，根据Rma、P及Tca进行计算。
[0022]【式I】
[0023]Tma=Rma.Ρ+Τοα...(1)
[0024]TCA能够使用下述(2)式所示的热方程式，根据RCA、P及Ta2进行计算。
[0025]【式2】
[0026]Tca=Rca.Ρ+Τα2...(2)
[0027]通过(I)式及⑵式，Ta2由TCA、Tma、RCa及Rma按照下述⑶式表示。
[0028]【式3】
[0029]Ta2 = Tca-(Rca/Rma).(Tma—Tca)…(3)
[0030]下面，将Rca除以Rma而得到的值称为“热阻系数α”。热阻系数α的值是由框体I的大小和形状决定的，因此在将热阻系数α的值进行表格化之后，如果求出了作为变量的Tca及ΤΜΑ，则能够对内部气体温度进行推定。本实施方式的形态所涉及的半导体电力变换器100，将由第I温度传感器7检测的温度设为ΤΜΑ，将由第2温度传感器6检测的温度设为Tca而对内部气体温度进行推定。
[0031]接下来，使用图4，说明对内部气体温度进行推定并且使用推定内部气体温度而进行各种控制的功能。图4是以在本发明的实施方式所涉及的控制电路基板配置的内部气体温度推定电路的功能为中心而示出的图，在图4中示出了在主电路基板5配置的第I温度传感器7、在控制电路基板4配置的第2温度传感器6、以及在控制电路基板4配置的内部气体温度推定电路8。内部气体温度推定电路8具有内部气体温度推定部81和控制信息生成部82，该内部气体温度推定电路8将由第I温度传感器7检测出的温度和由第2温度传感器6检测出的温度作为输入，将监视器输出信息、冷却风扇的控制信息和异常通知信息中的任意者作为输出。
[0032]内部气体温度推定部81具有:热阻系数表81a，其将多个框体的大小和多个热阻系数α相关联而进行了储存；以及推定内部气体温度计算部81b，其使用由第I温度传感器7检测出的温度Tma、由第2温度传感器6检测出的温度Tca以及在热阻系数表81a储存的热阻系数α，对半导体电力变换器内的推定内部气体温度Ta进行计算。
[0033]信息生成部82具有:监视器输出信息生成部82a，其生成与推定内部气体温度Ta的值相对应的监视器输出信息而输出;冷却风扇控制信息生成部82b，其生成与推定内部气体温度Ta的值相对应的用于进行冷却风扇2的启停控制或者冷却风扇2的转速控制的控制信息而输出；以及异常通知部82c。
[0034]异常通知部82c具有:理论内部气体温度计算部82cl，其基于半导体电力变换器的动作状态信息A而计算理论内部气体温度Ta’ ；以及异常通知信息生成部82c2，其对由内部气体温度推定部81推定出的推定内部气体温度Ta和由理论内部气体温度计算部82c I计算出的理论内部气体温度Ta’进行比较，在推定内部气体温度Ta超过理论内部气体温度Ta’的情况下，生成表示在半导体电力变换器发生了异常的异常通知信息而输出。输入至理论内部气体温度计算部82 c I的动作状态信息A例如是载波频率、主电路10的母线电压、主电路10的输出电流、或者冷却风扇转速。在理论内部气体温度计算部82cl预先设定有按照动作状态信息A的种类区分的内部气体温度表。关于内部气体温度表的种类，例如是将多个载波频率的值和多个内部气体温度相关联而储存的表、将多个母线电压的值和多个内部气体温度相关联而储存的表、将多个输出电流的值和多个内部气体温度相关联而储存的表、以及将多个冷却风扇转速和多个内部气体温度相关联而储存的表。此外，动作状态信息A并不限定于图示例，也可以是与内部气体温度具有相关性的信息，例如是图1所示的感应电动机30的转速或者主电路10的输入电流。
[0035]下面对动作进行说明。在推定内部气体温度计算部81b中，使用由第I温度传感器7检测出的温度Tma、由第2温度传感器6检测出的温度Tca以及在热阻系数表81a储存的热阻系数α，计算半导体电力变换器内的推定内部气体温度Ta。
[0036]在监视器输出信息生成部82a中生成与推定内部气体温度Ta的值相对应的监视器输出信息，所生成的监视器输出信息被输出至未图示的显示装置。由此，在显示装置对推定内部气体温度Ta的值进行显示，用户能够经由显示装置对半导体电力变换器的状态进行掌握。
[0037]在冷却风扇控制信息生成部82b中生成与推定内部气体温度Ta的值相对应的控制信息，所生成的控制信息被输出至冷却风扇2。在前述的现有技术中，有时尽管内部气体温度达到使冷却风扇的动作开始的设定温度，但由在散热鳍片设置的温度传感器检测的温度比所述的设定温度低，因此冷却风扇不进行动作。根据本实施方式所涉及的冷却风扇控制信息生成部82b，能够使冷却风扇进行适当的动作，抑制电子部件的寿命降低和特性劣化。另外，在前述的现有技术中，有时尽管内部气体温度没有达到使冷却风扇的动作开始的设定温度，但由在散热鳍片设置的温度传感器检测的温度比所述的设定温度高，因此冷却风扇进行动作。根据本实施方式所涉及的冷却风扇控制信息生成部82b，能够防止不必要的冷却风扇的动作，抑制由冷却风扇的驱动而产生的消耗电力的增加和冷却风扇的寿命的降低。
[0038]由异常通知部82c生成异常通知信息的状况被设想为下述情况，S卩，处于在散热鳍片发生堵塞，由散热鳍片吸收的热量难以进行散热的状态。从异常通知部82c输出的异常通知信息例如被输出至图1所示的控制电路11，在接收到异常通知信息的控制电路11中生成用于将向感应电动机30供给的电力停止或者进行抑制的控制信号。由此，防止构成半导体电力变换器100的电子部件的故障，另外，抑制电子部件的寿命降低和特性劣化。另外，通过设为将由异常通知部82c生成的异常通知信息输出至未图示的显示装置的结构，从而用户能够对半导体电力变换器的异常进行掌握。
[0039]此外，图2及图4所示的内部气体温度推定电路8配置在控制电路基板4，但内部气体温度推定电路8的配置部位并不限定于图示例，内部气体温度推定电路8也可以配置在控制电路基板4以外的部位，例如主电路基板5。另外，图4所示的内部气体温度推定电路8的功能即内部气体温度推定部81和信息生成部82例如也可以加入至控制电路11。另外，图4所示的信息生成部82的结构并不限定于图示例，也可以构成为具有监视器输出信息生成部82a、冷却风扇控制信息生成部82b和异常通知部82c中的任一个。另外，图2所示的第I温度传感器7及第2温度传感器6是热敏电阻、测温电阻体、或者热电偶这类的温度测量单元即可，其种类不受限定。
[0040]另外，图2所示的半导体电力变换器100的结构并不限定于图示例。例如控制电路基板4和主电路基板5的位置并不限定于图示例，也可以与框体的侧面平行地配置控制电路基板4或者主电路基板5，即使在框体的下侧将控制电路基板4和主电路基板5相邻地配置，也能够对内部气体温度进行推定。但是，越使控制电路基板4和主电路基板5接近，由图3所示的第I温度传感器7检测出的温度Tma和由第2温度传感器6检测出的温度Tca之间的温度差越小，推定内部气体温度的运算精度降低。因此，优选将控制电路基板4和主电路基板5如图2所示分开配置在框体I的上表面和框体I的下侧，或者分开配置在框体I的侧面。
[0041]另外，散热鳍片3的位置并不限定于图示例，散热鳍片3与主电路10热连接即可。另夕卜，在图2所示的半导体电力变换器100使用了散热鳍片3和冷却风扇2，但只要通过将主电路1与框体I热连接，从而能够将主电路10的热量由框体I进行散热即可，也可以构成为省略散热鳍片3和冷却风扇2中的任一者，或者省略散热鳍片3和冷却风扇2这两者。另外，图1所示的半导体电力变换器100并不限定于图示例，也可以是从直流电源将直流电力变换为任意频率及任意值的交流电力而向负载输出的电力变换器，还可以是从直流电源将直流电力变换为任意值的直流电力而向负载输出的电力变换器。另外，半导体电力变换器100的负载并不限定于感应电动机30。
[0042]如以上说明所述，本实施方式所涉及的半导体电力变换器100具有:主电路基板，其设置在半导体电力变换器的框体内，配置有第I温度传感器和对从电源供给的电力进行变换并供给至负载的主电路;控制电路基板，其设置在所述框体内，配置有第2温度传感器和对所述主电路进行控制的控制电路；以及内部气体温度推定电路，其使用由所述第I温度传感器检测出的温度和由所述第2温度传感器检测出的温度，推定所述半导体电力变换器内的内部气体温度。通过该结构，能够高精度地推定半导体电力变换器100内的内部气体温度，能够使用推定出的内部气体温度进行各种控制，能够实现品质的提高。
[0043]由以上的实施方式示出的结构表示的是本发明的内容的一个例子，也能够与其他的公知技术进行组合，还能够在不脱离本发明的主旨的范围将结构的一部分省略、变更。
[0044]标号的说明
[0045]I框体，2冷却风扇，3散热鳍片，3a设备内侧面，4控制电路基板，5主电路基板，6第2温度传感器，7第I温度传感器，8内部气体温度推定电路，10主电路，1a转换器电路，1b逆变器电路，11控制电路，20交流电源，30感应电动机，81内部气体温度推定部，81a热阻系数表，81b推定内部气体温度计算部，82信息生成部，82a监视器输出信息生成部，82b冷却风扇控制信息生成部，82c异常通知部，82cl理论内部气体温度计算部，82c2异常通知信息生成部，100半导体电力变换器。
【主权项】
1.一种半导体电力变换器，其特征在于，具有: 主电路基板，其设置在框体内，配置有第I温度传感器和对从电源供给的电力进行变换并供给至负载的主电路； 控制电路基板，其设置在所述框体内，配置有第2温度传感器和对所述主电路进行控制的控制电路；以及 内部气体温度推定电路，其使用由所述第I温度传感器检测出的温度和由所述第2温度传感器检测出的温度，推定所述半导体电力变换器内的内部气体温度。2.根据权利要求1所述的半导体电力变换器，其特征在于， 所述内部气体温度推定电路具有监视器输出信息生成部，该监视器输出信息生成部生成与推定出的所述内部气体温度的值相对应的监视器输出信息。3.根据权利要求1或2所述的半导体电力变换器，其特征在于， 具有冷却风扇，该冷却风扇设置在所述框体内， 所述内部气体温度推定电路具有冷却风扇控制信息生成部，该冷却风扇控制信息生成部生成与推定出的所述内部气体温度的值相对应的所述冷却风扇的控制信息。4.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体电力变换器，其特征在于， 所述内部气体温度推定电路具有:理论内部气体温度计算部，其基于所述半导体电力变换器的动作状态信息而计算理论内部气体温度；以及异常通知信息生成部，其对推定出的所述内部气体温度和所述理论内部气体温度进行比较，在推定出的所述内部气体温度超过所述理论内部气体温度的情况下，生成表示在所述半导体电力变换器发生了异常的异常通知?目息。5.根据权利要求4所述的半导体电力变换器，其特征在于， 由所述异常通知信息生成部生成的异常通知信息被输出至显示装置。6.根据权利要求1至5中任一项所述的半导体电力变换器，其特征在于， 所述主电路基板和所述控制电路基板在所述框体的上下表面或者所述框体的侧面以彼此相对的形式配置。7.根据权利要求2所述的半导体电力变换器，其特征在于， 所述内部气体温度推定电路将由所述第I温度传感器检测出的温度和由所述第2温度传感器检测出的温度作为输入，将所述监视器输出信息作为输出。8.根据权利要求3所述的半导体电力变换器，其特征在于， 所述内部气体温度推定电路将由所述第I温度传感器检测出的温度和由所述第2温度传感器检测出的温度作为输入，将所述冷却风扇的控制信息作为输出。9.根据权利要求4所述的半导体电力变换器，其特征在于， 所述内部气体温度推定电路将由所述第I温度传感器检测出的温度和由所述第2温度传感器检测出的温度作为输入，将所述异常通知信息作为输出。
【文档编号】H05K7/20GK106068603SQ201580012515
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2015年2月23日 公开号201580012515.6, CN 106068603 A, CN 106068603A, CN 201580012515, CN-A-106068603, CN106068603 A, CN106068603A, CN201580012515, CN201580012515.6, PCT/2015/54998, PCT/JP/15/054998, PCT/JP/15/54998, PCT/JP/2015/054998, PCT/JP/2015/54998, PCT/JP15/054998, PCT/JP15/54998, PCT/JP15054998, PCT/JP1554998, PCT/JP2015/054998, PCT/JP2015/54998, PCT/JP2015054998, PCT/JP201554998
【发明人】近藤希美
【申请人】三菱电机株式会社