专利名称：半导体电力变换装置及其应用装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用电力半导体元件的半导体电力变换装置及其应用装置的改善。
背景技术：
使用电力用半导体元件的半导体电力变换装置，历来就使用得很多。半导体电力变换装置由于会因电力半导体元件的发热而常常形成动作不良或者受到破坏，故使用时要使元件冷却。冷却常常根据上述变换装置的规模或发热量的大小，采用使空气、水、氟利昂、绝缘油等的冷却流体(气体、液体)流动的强制冷却法。
于是，在采用这样的冷却方法的情况下，由于尽可能地简化装置的构成和提高经济性，冷却流体，或者是对于上述体元件的最大发热量，用由风扇、泵、冷却机等的能力所决定的规定的恒定的量(或者速度)使之流动，或者即便是假定进行控制，以节约冷却用功率为目的，顶多是进行借助于通·断(ON·OFF)控制进行控制的这种程度的控制。
例如，
图13示出了在日本特开平04-130698号公报中公开的半导体电力变换器的冷却装置的构成。图14示出了用来说明其动作特性的元件的温度变化。
在图中，乘法器201对图中没有画出来的半导体电力变换装置的检测电流和装置固有常数进行乘法运算，求与元件的发热相当的值，积分器202，采用对从设定器203的发热常数设定值减去与来自乘法器201的发热相当的值后的值进行时间积分的办法，求与元件的温度成比例的值，比较器204对设定器205的设定温度和积分器202的输出之间的大小进行比较，求得风扇(未画出来)的运转和停止的切换控制输出。
图14示出了借助于反复进行通电和停止，元件温度上升到设定值为止，可以进行若干次的反复，且在时刻t0才开始进行冷却风扇的运行的情况。即，可以节省在该期间的无用的冷却用功率。
概括地说，由于仅仅元件有可能因高温而形成热破坏的危险时风扇才进行运转，故可以消除无用的运转。
但是，若采用上述那样的使冷却能力恒定的冷却方法或者进行ON·OFF控制的冷却方法的话，则如图14所示，电力半导体的输出变动所伴有的元件温度的上下变动，或虽然在图14中没有明确地画出来，但冷却风扇的ON·OFF所伴有的元件的温度变动(以下，也叫做热循环)是不可避免的。
对于半导体元件来说，热循环在有的情况下，元件的劣化会超过动作温度的高度，对寿命的降低有影响，且会使故障率上升。
特别是在电力变换装置的应用中，在可变速电机的情况下，由于负载反复地频繁地进行加减速(即对于元件来说电流频繁地增大·减小)，故存在着下述问题即便是冷却风扇是恒定的也要加上过于严酷的热循环，使元件的温度频繁地升降，结果就变成为使装置的可靠性下降。
上边，作为使现有技术的冷却能力恒定或进行ON·OFF控制的冷却方法弊端，说明了元件温度遭受热循环的问题，以下说明另一个弊端。
在大体上的情况下，使元件冷却的能力，会与半导体电力变换器的最大输出吻合起来设定为恒定值。这里所说的最大输出，说的是最短也要几十秒以上的时间领域的输出(叫做额定输出)，比这更短的短时间的过电流所产生的发热，不会变成为冷却的对象。之所以这样规定的理由如下使进行恒定控制的冷却能力提高到与短时间过载额定值相吻合这件事，由于必须永远确保很少使用的能力，结果将变成为招致很大的浪费。
结果是，对于短时间过电流，元件的温度上升由元件自身的热容量和安装该元件的热沉(也叫做散热风扇或热交换体)的热容量决定。
然而，企图使电力变换器的短时间过电流变成为尽可能高的等级的这种要求，从提高系统的可靠性的目的来看是常有的事，另一方面，从材料的热传导速度方面来看，热沉的短时间热容量是有限的，要把电力变换器的短时间过电流承受量提高到比连续额定值还高，存在着会达到界限的问题。
以上述那样的问题作为影响具体的系统构成的例子，对把半导体电力变换装置应用于直流输电系统的应用装置的情况，进行说明。
例如，在直流输电系统中把多个变换器连接到系统中运用的情况下，在事故电流的上升为稍许缓慢的(数秒)事故(相当于直流系统中的输电线的接地事故)的情况下，用高速断路器仅仅切断相关的接地输电线，在接地恢复后再次投入。在图15中示出了现有的DC输电系统的构成以说明这种情况。
图15示出的是与在日本电器学会编著的电工手册中所讲的系统类似的典型的直流输电系统。在图中，1a、1b是别的交流电力系统，2a～2d是变换器用变压器，Da、Db是用二极管构成的整流专用电力变换器，3c、3d是用半导体元件构成的变流器用他激式电力变换器，CBa～CBh是直流断路器，6a、6b是中性线接地，7a～7d是直流输电线。
通常运行在直流断路器CBa～CBh已经投入的状态下进行，从交流系统1a经由变换器用变压器2a供给的交流功率被整流专用电力变换器整流，变成为直流功率后通过直流输电线7a～7d进行输电，再用变流器用他激式电力变换器3c变回交流后，经由变压器2c向交流电力系统1b输电(以上，仅仅说明了图的上半边，下半边也是一样的)。当在直流输电线7b中发生了接地LG时，在该电流达到破坏电力变换器之前，迅速地切断直流断路器CBb、CBf这两方，使直流输电线7b的电流暂时流向7a，在接地恢复后，再次投入直流断路器回到通常的运行。
不言而喻，作为不用直流断路器进行接地电流的抑制的方法，人们还知道阻抗接地法(也叫做电容器接地法)。在这里虽然省略对其详细的说明，但在采用该方法的情况下，在产生了接地的时候，由于未接地的一侧的对地电压将要上升到通常的2倍，故必须使直流线路的对地绝缘承受力变成为通常的输电所需要的承受力的2倍，由于将要丧失人们所熟知的原有的‘直流输电的输电线路建设费用比交流输电的输电便宜’的优点，故在很少在超高压直流输电中使用。
如上所述，在现有的半导体电力变换装置中，存在着电力半导体元件易于遭受热循环的问题。
此外，还存在着电力半导体元件的短时间过电流承受量不能高到可以满足的那么高的问题。
此外，还存在着下述问题在把现有的半导体电力变换装置应用到直流输电系统中去的应用装置的情况下，为了防止接地事故时的系统的输电电力量的降低，必须使用昂贵的2个回路的量的高速断路器和2个回路的输电线路。
发明的公开本发明的半导体电力变换装置，是一种采用用电力半导体元件控制电流的办法，在输入输出电力系统之间进行电力变换的半导体电力变换装置，且具备借助于冷却液体使在上述电力半导体元件中产生的发热冷却的冷却液体路径、和使上述冷却液体在上述冷却液体路径中流动的送液装置的半导体电力变换装置，是一种具备检测上述电力半导体元件冷却后的上述冷却液体的温度的冷却液体温度检测装置和通过上述送液装置控制上述冷却液体的流量的流量控制装置，且根据上述冷却液体的温度检测装置的检测温度，并借助于上述流量控制装置，连续可变控制上述冷却液体的流量的半导体电力变换装置。
此外，本发明的半导体电力变换装置，是这样一种半导体电力变换装置具有检测冷却电力半导体元件之前和之后的温度差的冷却液体检测装置，并根据该所检测到的温度差，借助于上述流量控制装置来控制上述冷却液体的流量。
此外，本发明的半导体电力变换装置，是这样一种半导体电力变换装置不具备上述温度检测装置，而代之以具备与半导体电力变换装置的上述发热有关的电气量的检测装置，并根据上述电气量检测装置的检测输出，借助于上述流量控制装置来控制上述冷却液体的流量。
此外，本发明的半导体电力变换装置，是这样一种半导体电力变换装置不使用与发热有关的电气量的检测装置，而代之以使用与发热有关的电气量的指令装置。
此外，本发明的半导体电力变换装置，是这样一种半导体电力变换装置不使用冷却温度检测装置，而代之以使用检测上述电力半导体元件的温度的元件温度检测装置。
此外，本发明的半导体电力变换装置，是这样一种半导体电力变换装置元件温度检测装置借助于运算从该元件的电流值的历史求电力半导体元件的发热量或温度。
此外，本发明的半导体电力变换装置，是这样一种半导体电力变换装置输出电力系统为交流电机，且电气量定为参与上述交流电机的转矩的量。
此外，流量控制装置具备紧急用冷却液体的储备装置；把在该储备装置中储备的紧急用冷却液体向上述冷却液体路径送出的阀门装置；在流向上述电力半导体元件的电流超过了规定的量极的情况下产生信号的信号产生装置；借助于上述信号产生装置所产生的上述信号打开上述阀门装置的紧急冷却指令电路。
此外，本发明的半导体电力变换装置，是这样一种半导体电力变换装置具备把紧急用冷却液体的温度冷却到比使上述电力半导体元件冷却之前的冷却液体的温度还低的温度的冷却装置。
此外，本发明的半导体电力变换装置，是这样一种半导体电力变换装置借助于信号产生装置所产生的信号，通过上述流量控制装置增大上述冷却液体的流量。
此外，在是一种半导体电力变换装置的应用装置，且形成了用正负双极的直流线路把多个交流电力系统彼此间连接起来的DC输电装置的应用装置中，检测在上述正负的直流线路的不论哪一条中产生的接地后停止上述接地事故极性一侧的半导体电力变换装置的变换动作，同时增大健全极性一侧的上述半导体电力变换装置的功率，且控制该健全极性一侧的上述半导体电力变换装置的上述阀门装置，以便送出上述紧急用冷却液体。
此外，本发明的半导体电力变换装置，在是一种使用电力半导体元件，采用控制电流的办法，在输入输出电力系统之间进行电力变换的装置，且具备用空气对在上述电力半导体元件中产生的发热进行冷却的风冷装置的半导体电力变换装置中，具备对上述风冷装置的空气流速进行连续可变控制的风速控制装置；和下述1)～3)中的至少一个装置，1)检测与电力半导体元件的发热有关的电气量的装置；2)与电力半导体元件的发热有关的电气量的指令装置；3)电力半导体元件的温度检测装置。
根据上述不论哪一个装置的输出，借助于上述风速控制装置对风速进行连续可变控制。
附图的简单说明图1是本发明的实施例1的半导体电力变换装置的构成图。
图2是图1的关键部位的详细图。
图3是本发明的实施例2的半导体电力变换装置的构成图。
图4是图3的关键部位的详细图。
图5是本发明的实施例3的半导体电力变换装置的构成图。
图6是使图5的装置的一部分变更后的的构成图。
图7是本发明的实施例4的半导体电力变换装置的构成图。
图8是用来说明图7的特性的说明图。
图9是本发明的实施例5的半导体电力变换装置的构成图。
图10是本发明的实施例6的半导体电力变换装置的构成图。
图11是本发明的实施例7的直流输电系统的系统图。
图12是图11的详细图。
图13是现有的半导体电力变换装置的冷却系统的说明图。
图14是说明图13的特性的说明图。
图15示出了现有的直流输电系统。
优选实施例实施例1图1示出了本发明的半导体电力变换装置的一个实施例。
在图中，3是半导体电力变换装置的关键部位，301是其电力半导体元件(也叫做半导体堆，包括使冷却液体流动的路径)，10是使冷却液体(以下也叫做冷媒)流动的液体路径(管道)，18是向半导体堆301供给冷媒的冷媒供给系统(在图中示出的是经由管道10供给冷却液体的构成)，19是热交换器，用来维持冷媒的品质，进行热交换。在整个管道10中，冷媒沿着箭头所示的方向流动。
20a是对于堆301来说入口一侧(堆冷却之前)的冷媒温度的检测传感器(温度检测装置)，20b与上述一样，是出口一侧(冷媒冷却之后)的冷媒温度检测传感器(温度检测装置)。
193a是冷媒冷却用的热交换装置的可变速送风机，193b是温度控制装置，用来对可变速送风机进行控制并把冷却液体的温度传感器20a的检测温度T1控制为恒定的温度控制装置。21是冷媒流量控制泵(送液装置)，22是冷媒流量控制泵21的可变速驱动装置(流量控制装置)，23a是逆流防止阀门。
其次，用图1对动作进行说明。
冷媒借助于冷媒流量控制泵21从热交换器19送入半导体电力变换装置3的堆301的入口IN，吸收了堆301的热的冷媒借助于该堆的出口OUT排出。然后，返回热交换器19，借助于可变速送风机193a把冷媒的热放出到外气中。另外，在管道10的途中，有时候还使用用来去除冷媒罐杂质或冷媒的杂质的离子交换装置，但由于在本发明的说明方面没什么关系，故省略了其图示和说明。
可变速驱动装置22对于冷媒流量控制泵21连续地控制其流量，使堆301冷却后的冷媒的温度T2(温度检测装置20b的检测温度)变成为事先定好的规定值。即，进行无极可变速控制，使得如果温度T2比规定值越高，则根据其高的程度使泵21的旋转更快，如果温度T2比规定值低，则根据其低的程度使旋转减速。图2(a)示出了用来进行该控制的可变速控制装置22的控制构成框图，图2(b)示出了其特性。图2的22a是运算放大器。这时，如图2(b)的(A)到(B)所示，泵22的对温度误差的速度变化率(增益梯度)越高，则温度控制精度越好。
热交换器19的可变速送风机193a的速度，应控制为使得冷媒的温度T1变成为大体上恒定。如果热交换器19的放热容量是足够的，且热交换器19的出口的冷媒温度T1已经稳定，则借助于上述温度T2的恒定控制，可以大幅度地减轻堆301的温度，乃至半导体元件的元件温度的热循环。
在图1中，虽然用温度传感器20a检测冷媒的入口温度T1，用温度控制装置193b和可变送风机193a控制冷媒温度T1，但是，即便是使可变送风机恒速旋转，只要有足够的冷却能力，也不一定非要这些装置不可。
实施例2在热交换器19的能力不够充分，堆301冷却之前的冷媒的温度T1的变动大的情况下，若用在实施例1中说明的温度T2的恒定控制，即便是使冷媒流量变成为最大，有时候也不一定使温度T2下降。于是，在这样的情况下，也可以如图3和图4所示，检测冷媒的入口温度T1和出口温度T2，并使之应答，根据T2-T1=△T，即IN-OUT间温度差来控制冷媒流量。
借助于此，可以减轻热循环的职责，可以得到进一步改善可靠性和寿命的效果。
实施例3在减轻半导体元件的热循环职责方面，比起进行热沉的温度恒定控制来，更为有效的是进行元件的结部分温度的恒定控制。
电力半导体元件的损耗，依赖于动作电流I和动作电压V。即，可以对瞬时电压和瞬时电流进行监视并据此计算损耗L。要想得到本发明的效果，损耗计算是概略且充分的，故可以根据电力变换器的电源电压V和变换器输出电流I，或者是预先制作好对于每一考虑到切换条件的运行模式的计算结果表格，或者是根据众所周知的概略计算公式进行计算。为了进行这些计算所必须的实时信息可以容易地从半导体电力变换器3得到。图5示出了这样的装置由这样得到的损耗L，借助于半导体结部分温度上升相关量计算装置31得到与结部分温度上升相对应的信号Y，并根据该信号Y(例如，与Y成比例地控制泵21的旋转次数)来控制冷媒流量。
图6示出了比图5的装置精度更高的装置。在图中，32是半导体结部分温度Tj(或者其上升量△Tj)的计算装置，是一种由冷媒出口温度T2和入口温度T1和与发热量有关的量(V、I、L)推算半导体结部分温度Tj的装置。然后，可变速控制装置22对冷媒流量进行控制，使得由上述计算得到的结部分温度Tj(△Tj)跟踪指令值tj(△tj)。
倘采用图5、图6的构成，由于可以更为直接地高精度地控制热循环将成为问题的主要部分(结部分、晶片、阴极面)的温度，故可以得到进一步减轻热循环的职责(即，使温度变动幅度减小)、可靠性或寿命进一步改善的效果。
实施例4在实施例1～3中所说明的装置，是电力半导体元件的温度变化为伴随有正常的温度变动或时间变化所伴有的气温的变动等的装置的情况，因此，是一种热循环缓慢的装置。
但是，半导体电力变换装置3的输出电流的变化，并不仅仅限定于这样的缓慢的情况。例如，在与DC输电系统等的电力系统有关的装置中对非常事态的处理，即在现有例中说明的接地事故中，事故部分的除去到结束为止的数个循环～数十个循环的短时间，半导体电力变换器要求负担包括事故电流在内的DC输电能力的所有情况，这和在现有例中说明的情况是一样的。
即便是在这样的短时间过负载之内，半导体元件对属于上述接地事故那种程度的时间区域的过载电流的过电流承受量，也可以因借助于电力半导体元件3的急剧的冷却而提高。
图7是出于上述那样的目的即出于提高短时间过负载承受量的目的而设置有使半导体元件急剧冷却的系统的装置。
在图中，26是紧急用冷媒储备罐(紧急用冷媒储备装置)，23b是防逆阀门，24是辅助冷媒泵，25是辅助冷媒泵24的驱动控制装置，27是紧急用冷媒储备罐26的储备压力或储备量检测器，28是紧急时冷却液送出阀门，29是阀门28的控制机构，也是紧急冷却指令电路。
此外，30是冷媒的代谢用分路细管，是用来防止储备罐26内的冷媒因滞留而变质而每次一点点地不断流的细管，也可以采用使阀门28平常总是稍微打开一点的办法来代替。
图中X是事故信号，该信号在半导体电力变换器3有必要提高前边说过的那样的短时间过负载承受量时，即在DC输电中发生了上述那种接地事故等等之际，从未画出来的信号产生装置输出，在这里用做紧急冷却指令。
其次，对动作进行说明。
当在半导体电力变换装置3的负载或输电线上发生了接地等的过载时(或当把过载指令给予半导体电力变换装置3时)就由未画出来的信号产生装置输出X信号。对X信号进行处理并借助于阀门紧急控制机构(紧急冷却指令)29输出紧急冷却指令，打开紧急时冷却液送出阀门28，使储备在冷媒储备罐26中的冷媒向堆301方向紧急放出以急剧地提高冷却能力。
借助于此可以暂时性地提高半导体的短时间过负载承受量，可以抑制温度上升。冷媒储备罐26具有被惰性气体或压力弹簧推压的活塞(未画出来)等，借助于泵24压入冷媒，并使之变成为总是加有压力的状态。在借助于该压力打开阀门18的同时，冷媒急剧地向堆301放出。然后当罐28的压力下降后，压力检测器27检测到压力降低，并借助于该信号使泵24启动，冷媒就可以稳定地继续供给大流量。
因此，只要在冷媒储备罐26中储备下上述泵24的启动所需要的短时间的量的冷媒即可。由于紧急事态发生得很少，故若长期间使冷媒滞留于罐内，常常会形成冷媒的劣化。为此，有意识地使少量的冷媒通过细管30流出。此外，在打开紧急冷媒送出阀门时，为了防止向冷媒流量控制泵21一侧逆流，要设置防逆阀门23a。在冷媒储备罐26内也要设置防逆阀门23b，使得在泵24停止时也可以保持罐16内的压力。
由于冷媒储备罐26的容量有限，故在冷却液的放出的同时，尽管用泵24进行加压，罐26内的压力仍然会降低，故在开始放出时的流量不能无限制地持续下到永远。因此，在用该方法得到的短时间过负载承受量的上升方面存在着一个有效的时间长度。为了有助于对该情况的理解，在图8中示出了电力半导体堆301的短时间过负载承受量随着冷却而变化的情景。在图中，100示出的是保持堆301的原样不变没有冷却的情况，101示出的是进行与平均额定功率相抵的冷却的情况，102示出的是进行在图7中说明的紧急冷却的情况下的短时间过负载承受量。特性102有效的时间长度受罐16的容量影响。
对此，如果使罐容量变成为一直到电动泵24的加速结束时间(0．3～1秒)为止都可以保持流量的容量，则凭借电动泵24的能力，可以保持长时间过负载承受量。即，罐26具有在泵的加速时间延迟期间使冷却能力急速上升的效果。
此外，作为提高需要急速启动的过负载承受量的办法，在上述实施例和后述实施例中，采用使可变速电机24、25变成为低惯性伺服电机等的办法，如果使加速时间缩短到数10ms左右，则也可以省去罐。
实施例5图9示出了进一步提高了实施例4的紧急冷却法的效果的装置。图9的构成仅仅示出了图7的冷媒储备罐26的周边，此外的部分因与图7是一样的，故省略了其图示。
在图中，120是用来尽可能地降低紧急用冷媒储备罐26内的冷媒的温度，例如降低到比管道10内的冷媒的温度还低并进行保持的冷冻机，121是其散热器。借助于此，进一步提高紧急时的冷却能力，因而进一步提高对紧急事态的应付能力以及短时间过负载承受量。在这种情况下罐26理想的是隔热性良好的所谓的保温罐。
实施例6图10示出了本发明的另一实施例。
图10的冷媒流量控制泵21和紧急用辅助泵24的连接关系是串联连接，这一点与实施例4的图7的情况(2个泵并联)比较起来不一样。由于是串联连接，故首先可以得到这样的效果不是在图10所示的位置，而是不论配置在图中所示的21b、21c、21d、21e的哪一个位置上都行，因而将提高配置的自由度。
在使紧急用辅助泵24动作的情况下，在管道10或堆301的压力损耗小的情况下，泵21、24即便是并联冷媒流量也将充分增加。但是，在上述的压力损耗大的情况下，如果不增加与流量增加相抵的送出压力就得不到规定的流量。
由于在实施例4的图7中冷媒储备罐26供给该压力，故在泵24的流量容量方面有自由度。反之，由于是并联的，故在罐26内的压力高时则关闭防逆阀门23a，在压力下降时则关闭防逆阀门23b，结果就变成为总是只有不论哪一方的冷媒流路进行供给，存在着不能同时使用的危急感。
对此，在图10中，可以用串联连接的泵21和泵24这两方的和来承担上述压力损耗。因此，具有可以确实地增加紧急时的冷媒流量的效果。
实施例7用图11和图12说明在实施例4～6中说明的指令X和利用该指令的系统控制的具体应用例。
在图中，3a～3d是半导体电力变换器，4a～4d是直流电容器，6a、6b是接地，7a、7b是正和负侧的输电线，18a～18d是与半导体电力变换器3a～3d对应的冷却液体供应系统，10是冷媒管道，11a～11d是半导体电力变换器的交流一侧的断路器，12a～12d是输出指令Xa～Xd的指令装置。
302是半导体电力变换器中的开关元件，303是逆方向通电元件(二极管)，13～17是分别插入到图示的位置中去的电流检测传感器(电流检测装置)。
此外，18a～18c是具有例如在图7～图10中的任何一者所示的那种紧急冷却系统的装置。
其次对动作进行说明。
若对在直流线路7a中发生了接地事故LG的情况进行说明，则在经由半导体电力变换器3a和直流电容器4a-输电线7a-接地点LG-电流检测装置14～17返回原来的半导体电力变换器3a和电容器4a的路线中流过过电流。此外，同时在变换器3a的交流线路中设置的电流检测装置13中也将流过过电流。
同样，在经由半导体电力变换器3c和直流电容器4c-输电线7a-接地点LG-电流检测装置14～17返回原来的半导体电力变换器3c和电容器4c的路线中流过过电流。此外，同时在变换器3c的交流线路中设置的电流检测装置13中也将流过过电流。
根据上述电流检测装置的任何一个输出或多个输出，指令装置12a或12c输出指令X1或X3(有时候也输出两方)。
由于与接地点LG接近的一侧的过电流将迅速地增加，故与接地点LG接近的一侧的指令装置12先输出指令X。
此外，由于直流电容器4的电流比通过交流电路的变换器的电流增加得快，故检测电容器4的放电电流的电流检测传感器15、16、17的输出增加得快。
另一方面，监视这些输出，并在超过了预先定好的规定值的情况下，输出紧急指令X1、X3，并用该信号使相应的半导体电力变换器3a或3c的动作停止(进行所谓的栅极断开操作)。
同时，打开连接到半导体电力变换器3b、3d上的冷却液体供给系统18b、18d紧急冷媒输出阀门28，增加冷媒流量，此外，还要用上述信号X1、X3使健全一侧半导体电力变换器3b、3d的输出电流增加与上述停止后的半导体电力变换器3a、3c在此之前所负担的电流相当的量。此外，还可以增加泵21的流量。
通过以上的办法，由于将急剧地提高冷却能力，故可以增加健全一侧的半导体电力变换器的可输电的电力量，因而可以维持作为输电系统整体的输电能力。
如果消除直流输电线路7a的接地电流LG，恢复对地绝缘，则再次投入断路器11并重新开始所有的半导体电力变换器3的运行。所增加的健全极性一侧的输电能力当然也要复原，顺次冷却系统也将复原。因此，在广义的意义上说，可以提高输电系统的电力供给的可靠性。
在上述说明中，虽然规定为健全极性一侧半导体电力变换器全部负担已断路一侧的电流，但是，例如即便是规定为增加1／3、2／3等的负担，也可以得到相应的效果，这是不言而喻的。
如3相交流输电的短时间的1相欠缺(开放)事故那样，即便是在AC系统中，也会有总输电电力减少到2／3的情况，所以，即便是用DC输电要想仅仅在健全极性一侧保持总输电的2／3，结果就变成为(总电流)／(单侧的通常时的电流)=(2／3)／(1／2)=4／3，即变成为如果单侧的电力变换器可以进行通常运行中的4／3倍的短时间过负载输电，则用直流输电就可以得到与AC系统同等的可靠性。
在这种情况下，若元件损耗近似为与电流的乘方成比例，则冷却能力只要提高大约16／9倍即可。倘考虑到余裕变成为需要2倍，则冷媒流量要变成为2倍，此外，倘同时使用使冷媒温度降低的做法，则上述试算目标例就可以充分实现。
在现有例的图15所示的DC输电系统的情况下，为了确保接地发生时的输电电力量，必须用DC断路器切断接地输电线，但是，在图10、图11的情况下，采用在接地发生时增加冷却的办法，就可以使健全极性一侧的变换器负担输电能力和电流，连接到接地输电线上的电力变换器不用停止动作，不用切断交流一侧断路器，故变成为不再需要昂贵的DC断路器或备用输电线。
在以上的说明中，对变换器3直接参与的电力系统的事故的情况进行了说明。在面临该紧急事态之际，有时候因其它的要求(或其它的变换器的要求)而要求过负载运行。在这种情况下，紧急指令X不是因过电流检测而发出，而是作为过负载运行指令或变换器输出的指令的增大提供。因此，也可以变成为从未画出来的别的变换器的控制装置接受指令X，进而再控制别的变换器的冷却能力。
另外，在以上的所有的实施方案和实施例中，把冷媒定为液体进行了说明。在液冷的情况下，由于其热容量比空气大，故本发明的效果会更为显著地表现出来，但这并不是说若用空气则本发明不成立。
在空冷的情况下，只要进行使半导体堆的散热风扇的片数或提高最大风速等降低热传导阻抗的处置，则与液冷一样，可以得到本发明的效果。
如上所述，倘采用本发明的半导体电力变换装置，则由于把元件冷却后的冷媒的温度控制为恒定或把元件冷却前后的冷媒的温度差控制为恒定，故可以减轻元件所受到的热循环，从而得到可以提高元件的寿命、可靠性的效果。
此外，在元件中流动的电流变成为过电流时或进行过电流运行时，由于要变成为特别急速地送入保持于低温的冷媒，故具有可以提高半导体元件的短时间过负载电流承受量(短时间职责)的效果。
此外，在直流输电用电力变换装置的情况下，在接地发生时，由于采用增加冷却的办法，就可以使健全极性一侧的变换器负担电流，不用停止连接到接地输电线上的电力变换器，不用切断交流一侧断路器即可，故可以达到不再需要昂贵的DC断路器或备用输电线的效果。此外，在需要进行过负载输电时，还可以借助于来自其它的外部的指令提高该急速输电能力的效果。
工业上利用的可能性本发明的半导体电力变换装置，作为电力系统的变换器，除了频率变换器、太阳热、风力发电等的换流器之外，还可以在铁路、一般工业、船舶等所有的用途中使用的半导体电力变换装置中使用。
权利要求
1.一种采用用电力半导体元件控制电流的办法，在输入输出电力系统之间进行电力变换，且具备借助于冷却液体使在上述电力半导体元件中产生的发热冷却的冷却液体路径、和使上述冷却液体在上述冷却液体路径中流动的送液装置的半导体电力变换装置，其特征是具备检测上述电力半导体元件冷却后的上述冷却液体的温度的冷却液体温度检测装置和通过上述送液装置控制上述冷却液体的流量的流量控制装置，且根据上述冷却液体的温度检测装置的检测温度，借助于上述流量控制装置，连续可变控制上述冷却液体的流量。
2.权利要求1所述的半导体电力变换装置，其特征是具有检测冷却电力半导体元件之前和之后的温度差的冷却液体检测装置，并根据该所检测到的温度差，借助于上述流量控制装置来控制上述冷却液体的流量。
3.权利要求1所述的半导体电力变换装置，其特征是不具备上述温度检测装置，而代之以具备与半导体电力变换装置的上述发热有关的电气量的检测装置，根据上述电气量检测装置的检测输出，借助于上述流量控制装置，对上述冷却液体的流量进行连续可变控制。
4.权利要求3所述的半导体电力变换装置，其特征是不使用与发热有关的电气量的检测装置，而代之以使用与发热有关的电气量的指令装置。
5.权利要求1所述的半导体电力变换装置，其特征是不使用冷却温度检测装置，而代之以使用检测上述电力半导体元件的温度的元件温度检测装置。
6.权利要求5所述的半导体电力变换装置，其特征是元件温度检测装置，借助于运算由该元件的电流值的历史求电力半导体元件的发热量或温度。
7.权利要求3所述的半导体电力变换装置，其特征是上述输出电力系统是交流电机，上述电气量是参与上述交流电机的转矩的量。
8.权利要求1所述的半导体电力变换装置，其特征是流量控制装置具备紧急用冷却液体的储备装置；把在该储备装置中储备的紧急用冷却液体向上述冷却液体路径送出的阀门装置；在流向上述电力半导体元件的电流超过了规定的量极的情况下产生信号的信号产生装置；借助于上述信号产生装置所产生的上述信号打开上述阀门装置的紧急冷却指令电路。
9.权利要求8所述的半导体电力变换装置，其特征是具备把紧急用冷却液体的温度冷却到比使上述电力半导体元件冷却之前的冷却液体的温度还低的温度的冷却装置。
10.权利要求8所述的半导体电力变换装置，其特征是借助于信号产生装置所产生的信号，通过上述流量控制装置增大上述冷却液体的流量。
11.一种半导体电力变换装置的应用装置，该应用装置是权利要求8所述的半导体电力变换装置的应用装置，且形成了用正负双极的直流线路把多个交流电力系统彼此间连接起来的DC输电装置，其特征是检测在上述正负的直流线路的不论哪一条中产生的接地后停止上述接地事故极性一侧的半导体电力变换装置的变换动作，同时增大健全极性一侧的上述半导体电力变换装置的功率，且控制该健全极性一侧的上述半导体电力变换装置的上述阀门装置，以便送出上述紧急用冷却液体。
12.一种半导体电力变换装置，该半导体电力变换装置，是一种使用电力半导体元件，采用控制电流的办法，在输入输出电力系统之间进行电力变换的装置，且具备用空气对在上述电力半导体元件中产生的发热进行冷却的风冷装置，其特征是具备对上述风冷装置的空气流速进行连续可变控制的风速控制装置；和下述1)～3)中的至少一个装置，1)检测与电力半导体元件的发热有关的电气量的装置；2)与电力半导体元件的发热有关的电气量的指令装置；3)电力半导体元件的温度检测装置。根据上述不论哪一个装置的输出，借助于上述风速控制装置对风速进行连续可变控制。
全文摘要
半导体电力变换装置的冷却装置,以前,由于是用恒定的冷却能力连续运行,故电力半导体元件的温度将随着电力变换装置的负载变动而上下变动。这一变动将变成为热循环,招致电力半导体元件的寿命降低、可靠性降低。于是,借助于送液装置和流量控制装置对冷媒流量进行连续可变控制,使得冷却元件的冷媒的出口温度T2变成为恒定。同时借助于温度控制装置对可变送风机进行连续可变控制,使得冷媒入口温度T2也变成为恒定。
文档编号H01L23/473GK1278948SQ98811047
公开日2001年1月3日 申请日期1998年9月18日 优先权日1998年9月18日
发明者赤松昌彦 申请人:三菱电机株式会社