功率轉換裝置的製作方法
2024-03-25 00:20:05

本發明涉及設置於直流功率源與多相旋轉電機之間以將直流轉換為交流、將交流轉換為直流的功率轉換裝置,特別以具有內部電源開關的功率轉換裝置為對象,所述內部電源開關用於防止電源起動時和停止時的誤動作。
背景技術:
車輛中搭載有多個電子控制裝置,構成為利用由功率源所提供的功率來進行規定的動作。作為該功率源,存在使用來自可充放電的直流電源的直流功率的情況、以及使用對來自多相旋轉電機的交流功率進行整流而得的直流功率的情況。
該功率源的電壓在多相旋轉電機起動時或者停止時會過渡性地發生變動。該過渡性的電壓變動有時會引起利用微小的電氣信號來進行動作的電子控制裝置發生誤動作。
因此,在直流電源的陽極端與電源裝置之間設置電源開關,在電源起動的過渡期內檢測到直流電源的電壓下降的情況下,通過使該電源開關斷開,來停止電源裝置的動作,從而防止後級的負載即電子控制裝置發生誤動作(專利文獻1)。
然而,在由直流電源向多相旋轉電機提供功率、或者對來自多相旋轉電機的感應電壓進行整流並將其提供給直流電源的功率轉換裝置中,在作為功率源的直流電源的電壓較低的系統、即將鉛蓄電池作為功率源這樣的系統中,由於在處理大電流的功率轉換部與處理微小電氣信號的控制部之間未設置絕緣元件,因此,在功率源起動、停止的次序(sequence)不佳的情況下,有可能因從功率轉換部折回控制部的折回電流而導致控制部的微小信號電路發生損壞,有可能因功率轉換部的功率半導體開關元件的誤動作而導致產生貫通電流。
另外,在如將功率轉換部和多相旋轉電機構成為一體的功率轉換裝置一體型旋轉電機裝置中所搭載的那樣的小型的功率轉換裝置中,在考慮尺寸限制的前提下,要設法去掉電流傳感器、平滑電容器等,並設置將直流電源的陽極電壓或陰極電壓與多相旋轉電機的相電壓進行比較、運算的電路,使得即使沒有上述傳感器類,也能對功率轉換部的故障進行檢測(專利文獻2)。
現有技術文獻
專利文獻
專利文獻1:日本專利第4412141號公報
專利文獻2:日本專利特開2007-185027號公報
技術實現要素:
發明所要解決的技術問題
因此,在設置於直流功率源與多相旋轉電機之間以將直流轉換為交流、將交流轉換為直流的功率轉換裝置中,在為了防止電源起動或停止時的誤動作而在直流電源與故障檢測部之間設置電源開關的情況下,由電源開關所引起的電壓下降或響應延遲會導致產生電壓檢測誤差,從而有可能導致所述故障檢測部的故障檢測精度下降。
本發明是為了解決上述問題而完成的,其目的在於提供一種功率轉換裝置,該功率轉換裝置具備內部電源開關,能減小動作停止時的暗電流,並且能防止電源起動或停止時的誤動作,輸入故障檢測部的電壓誤差較低。
解決技術問題所採用的技術方案
本發明的功率轉換裝置包括:功率轉換部,該功率轉換部在直流電源與多相旋轉電機之間將直流功率轉換為交流功率;控制部,該控制部對所述功率轉換部的動作進行控制;升壓電源電路,該升壓電源電路與所述功率轉換部相連接,向所述功率轉換部提供動作電源;內部電源電路,該內部電源電路經由外部電源開關與所述直流電源的陽極端相連接,基於所述外部電源開關的狀態來輸出規定的電壓,並向所述升壓電源電路輸出升壓電源電路起動信號;內部電源開關,該內部電源開關連接於所述直流電源與所述升壓電源電路之間,基於所述升壓電源電路的輸出電壓來使從所述直流電源通向所述升壓電源電路的電流路徑導通或斷開;以及偏置電源開關,該偏置電源開關與所述內部電源開關並聯連接,基於所述內部電源電路的輸出電壓來使從所述直流電源通向所述升壓電源電路的電流路徑導通或斷開,在利用所述外部電源開關進行起動時,在所述內部電源電路的輸出電壓為規定值以上的情況下,所述偏置電源開關使電流路徑導通,所述升壓電源電路基於所述升壓電源電路起動信號來進行升壓並輸出規定的電壓,並且所述內部電源開關使電流路徑導通,在利用所述外部電源開關進行停止時,在所述內部電源電路的輸出電壓為規定值以下的情況下,由於所述升壓電源電路起動信號的停止而使所述升壓電源電路的升壓動作停止,並且所述內部電源開關斷開電流路徑,在所述內部電源電路的輸出電壓小於規定值的情況下,所述偏置電源開關斷開電流路徑。
另外,內部電源開關由n溝道MOSFET構成,在電源起動時,在所述內部電源電路的輸出電壓為規定值以上的情況下,所述偏置電源開關使電流路徑導通,所述升壓電源電路基於所述電源起動信號來進行升壓並輸出規定的電壓,並且所述內部電源開關使電流路徑導通,在電源停止時,由於所述電源起動信號的停止而使所述升壓電源電路的升壓動作停止,並且所述內部電源開關斷開電流路徑,在所述內部電源電路的輸出電壓小於規定值的情況下,所述偏置電源開關斷開電流路徑。
發明效果
本發明的功率轉換裝置經由與可充放電的直流電源相連接的功率轉換部,向多相旋轉電機提供交流功率,或者從多相旋轉電機向所述直流電源提供直流功率,能減小動作停止時的暗電流,並能防止電源起動或停止時的誤動作,進而能降低輸入至故障檢測部的電壓的誤差。
關於本發明的上述以外的目的、特徵、觀點及效果,可通過參照附圖進行的以下詳細說明來進一步明確。
附圖說明
圖1是表示本發明的實施方式1所涉及的功率轉換裝置的結構的框圖。
圖2是表示本發明的實施方式1所涉及的功率轉換裝置的電源起動和停止時的各電壓波形的時序圖。
圖3是表示本發明的實施方式2所涉及的功率轉換裝置的結構的框圖。
圖4是表示本發明的實施方式3所涉及的功率轉換裝置的結構的框圖。
圖5是表示本發明的實施方式4所涉及的功率轉換裝置的結構的框圖。
圖6是表示本發明的實施方式5所涉及的功率轉換裝置的結構的框圖。
圖7是表示本發明的實施方式5所涉及的功率轉換裝置的電源起動和停止時的各電壓波形的時序圖。
圖8是對本發明的實施方式5所涉及的功率轉換裝置中的控制部的動作進行說明的流程圖。
具體實施方式
以下,將本發明的實施方式與附圖一起進行詳細描述。此外,各圖中的同一標號表示同一結構。
實施方式1.
圖1表示本發明的實施方式1中的功率轉換裝置的結構。如圖1所示,功率轉換裝置1中並聯連接有規定個數(在圖1中為3個)的相橋式電路,並且這些相橋式電路的兩端(1對端)與可充放電的直流電源3相連接,所述相橋式電路通過將2個功率半導體開關元件2進行串聯連接來構成上下橋臂,構成這些相橋式電路的功率半導體開關元件2的串聯連接的連接點分別與多相旋轉電機4的各相的電樞繞組的交流端子相連接,在多相旋轉電機4與直流電源3之間,進行交流-直流功率轉換或者直流-交流功率轉換。
功率轉換裝置1包括:具有上述功率半導體開關元件2的功率轉換部5;控制部6;內部電源電路7;升壓電源電路8;內部電源開關10;以及偏置電源開關11。
控制部6利用各種傳感器(未圖示)或通信來獲取直流電源3的陽極電壓、多相旋轉電機4的轉速等外部環境的信息,對構成功率轉換部5的功率半導體開關元件2的導通時間進行運算,並向功率轉換部5輸出柵極驅動信號6a。另外,獲取故障檢測部9所檢測出的故障信息,使柵極驅動信號6a的輸出停止。
內部電源電路7對外部電源開關12的導通或斷開進行檢測,若外部電源開關12導通,則從輸出端7a輸出規定電壓,並輸出升壓電源電路起動信號7b。
升壓電源電路8獲取升壓電源電路起動信號7b,若升壓電源電路起動信號7b導通,則以直流電源3的陽極電壓為基準來進行升壓,從輸出端8a輸出規定電壓。
內部電源開關10連接於直流電源3的陽極端與升壓電源電路8之間,基於升壓電源電路8的輸出電壓來使電流路徑導通或斷開。
偏置電源開關11與內部電源開關10並聯連接,基於內部電源電路7的輸出電壓,來使從直流電源3的陽極端通向升壓電源電路8的電流路徑導通或斷開。
此外,在圖1中,功率轉換部5的功率半導體開關元件2例如由MOSFET或IGBT等構成。此外,功率轉換部5例如由推挽型的預驅動器、以及由二極體、電阻或電阻開關等組合而成的關斷浪湧電壓抑制電路構成。
另外,直流電源3例如由一般用作為汽車用電源的鉛蓄電池(電池)、鋰離子電池、或電氣雙層電容器等構成。控制部6例如由如微機、ASIC那樣的邏輯電路構成。
內部電源電路7例如由DCDC變換器、串聯調節器等構成。另外,內部電源電路7為了對外部電源開關的導通或斷開進行檢測,從而具備例如使用了電晶體、或比較電路等的電壓檢測電路。此外,內部電源電路7為了在輸出規定電壓後又經過規定時間後輸出升壓電源電路起動信號7b,從而設置有例如利用了由電阻和電容器所構成的一階延遲電路的時間常數的定時電路、或者利用了振蕩器和半導體元件的計數器電路等。
升壓電源電路8例如由DCDC變換器、電荷泵電路等構成。
內部電源開關10例如由n溝道MOSFET構成。偏置電源開關11例如由電晶體、p溝道MOSFET構成。另外,為了對內部電源電路的輸出電壓進行檢測,也可以包括如比較電路那樣的比較器。
以下利用圖2的時序圖來對功率轉換裝置1的電源起動時和停止時的動作進行說明。
功率轉換裝置1的電源起動時,首先,在時間T1,外部電源開關12導通,若在內部電源電路7中檢測到該信息,則內部電源電路7開始輸出電壓,在時間T2內部電源電路7的輸出電壓達到電壓V1。這裡,電壓V1是指超過控制部6的電源起動過渡期而成為不會發生誤動作的狀態的電壓值,例如可以舉出將其設為從內部電源電路7的規定輸出電壓的60%到70%左右的方法。或者,作為內部電源電路7的規定輸出電壓值,例如希望設定為控制部6不會發生誤動作的電壓的1.4倍至1.7倍左右。
另外,若在時間T3內部電源電路7的輸出電壓達到電壓V2,則偏置電源開關11導通,將直流電源3的陽極電壓施加於升壓電源電路8。
此外,在從內部電源電路7的輸出電壓達到規定值(T3a)起經過規定時間Ton後的時間T4,內部電源電路7(導通)輸出升壓電源電路起動信號7b,在升壓電源電路8中,接受該升壓電源電路起動信號7b,開始升壓動作。這裡,作為規定時間Ton的設定方法,例如可以舉出將規定時間Ton設為從內部電源電路的輸出電壓達到電壓V2起到偏置電源開關11導通、施加於功率轉換裝置1內的直流電源3的陽極電壓變得穩定為止的時間的方法,或者將規定時間Ton設為構成控制部6的微機的初始化所需要的時間的方法等。
若在時間T5升壓電源電路的輸出電壓達到電壓V3,則內部電源開關10導通,由此完成功率轉換裝置1的起動。
功率轉換裝置1的電源停止時,首先,在時間T6,外部電源開關12斷開,在內部電源電路7中對該情況進行檢測,並使升壓電源電路起動信號7b的輸出停止(斷開),在升壓電源電路8中,接受升壓電源電路起動信號7b的輸出停止(斷開)並停止升壓動作。然後,若在時間T7升壓電源電路8的輸出電壓小於電壓V3,則內部電源開關10斷開。
另外,內部電源電路7在從外部電源開關12斷開起經過規定時間Toff後的時間T8使電壓輸出停止。這裡,作為規定時間Toff的設定方法,例如可以舉出將規定時間Toff設為升壓電源電路8的輸出電壓下降至直流電源3的陽極電壓的時間的方法,或者將規定時間Toff設為構成控制部6的微機的電源停止處理所需要的時間的方法等。
然後,在時間T9,若內部電源電路7的輸出電壓小於電壓V2,則偏置電源開關11斷開,從直流電源3的陽極端通向功率轉換裝置1內的電流路徑被斷開。
至此為止為電源停止處理,此後,進一步地,若在時間T10內部電源電路7的輸出電壓小於電壓V1,則電壓V1成為功率轉換部5的電源停止過渡期,按各電路的推移進行放電。
如上所述,根據實施方式1,由於在直流電源3的陽極端與升壓電源電路8和故障檢測部9之間設有內部電源開關10,因此,能減小功率轉換裝置1的動作停止時的暗電流。
另外,將偏置電源開關11與內部電源開關10並聯設置,利用內部電源電路7的輸出電壓和升壓電源電路起動信號7b,按各部分的電壓和時間來對電源起動和停止時的動作順序進行規定,從而能防止電源起動和停止時的誤動作。即,在內部電源電路7的輸出電壓小於電壓V1的情況下,功率轉換部5的驅動電源即升壓電源電路8停止電壓輸出,因此,能防止電源起動和停止時的過渡期內的控制部6和功率轉換部5的功率半導體開關元件2的誤動作所引起的貫通電流,並能防止由來自功率轉換部5的折回電流引起的控制部6內的小信號電路的損壞。
實施方式2.
圖3表示在本發明的實施方式1中設置故障檢測部9,還使用n溝道MOSFET來作為內部電源開關10的具體結構的事例。
故障檢測部9例如由電晶體、或者比較電路那樣的比較器構成。該故障檢測部9將直流電源3的陽極或陰極的電壓與多相旋轉電機4的相電壓進行比較,在兩者不同的情況下,將功率轉換部5的異常狀態作為故障來進行檢測,該故障檢測部9與功率轉換裝置1中獲得直流電源3的連接端子和多相旋轉電機4的連接端子的電壓的部位相連接。
此外,與實施方式1中在設定內部電源電路7的輸出電壓時將其設定為控制部6不會發生誤動作的電壓的方式同樣地,希望將內部電源電路7的輸出電壓設定為該故障檢測部9不會發生誤動作的電壓的1.4倍至1.7倍左右。
在本實施方式2中,僅具體示出了內部電源開關10和故障檢測部9,由於其它部分的動作和結構相同,因此省略說明。但是,由於將n溝道MOSFET用於內部電源開關10,因此,能降低由內部電源開關10所引起的電壓下降,能減小對故障檢測部9的電壓檢測精度的影響,此外,通過將n溝道MOSFET用於內部電源開關10,即使功率轉換部5的關斷浪湧電壓導致直流電源3的陽極電壓發生變動,內部電源開關10的導通電阻也不會增加,能達到使故障檢測部9不容易產生電壓檢測誤差的效果。
實施方式3.
圖4表示本發明的實施方式3中的功率轉換裝置的結構。與圖3所示的實施方式2相比,其不同之處在於,在圖4中,內部電源開關10被一分為二,故障檢測部9經由第1內部電源開關101連接至直流電源3的陽極端,升壓電源電路8經由第2內部電源開關102和偏置電源開關11連接至直流電源3的陽極端。其它結構和動作與圖1相同,因此,這裡省略說明。
此外,關於本實施方式中的功率轉換裝置的電源起動時和停止時的動作,與上述實施方式1所示的圖2的時序圖相同,這裡省略說明。
第1內部電源開關101和第2內部電源開關102與內部電源開關10同樣地由n溝道MOSFET構成,基於升壓電源電路8的輸出電壓來使電流路徑導通或斷開。
如上所述,根據實施方式3,在直流電源3的陽極端與故障檢測部9之間設有第1內部電源開關101,在直流電源3的陽極端與升壓電源電路8之間設有第2內部電源開關102,因此,與上述實施方式1相同,能減小功率轉換裝置1的動作停止時的暗電流。
另外,將偏置電源開關11與第2內部電源開關102並聯設置,利用內部電源電路7的輸出電壓和升壓電源電路起動信號7b,按各部分的電壓和時間來對電源起動和停止時的動作順序進行規定,從而能防止電源起動和停止時的誤動作。即,在內部電源電路7的輸出電壓小於電壓V1的情況下,功率轉換部5的驅動電源即升壓電源電路8停止電壓輸出,因此,能防止電源起動和停止時的過渡期內的控制部6和功率轉換部5的功率半導體開關元件2的誤動作所引起的貫通電流,並能防止由來自功率轉換部5的折回電流引起的控制部6內的小信號電路的損壞。
此外,由於將內部電源開關10一分為二,並且將n溝道MOSFET用於第1內部電源開關101,因此,在第1內部電源開關101中,不存在伴隨升壓電源電路8的升壓動作的電流消耗,能進一步降低第1內部電源開關101處的電壓降,能將對故障檢測部9的電壓檢測精度的影響減小到最小限度。
此外,即使直流電源3的陽極電壓因功率轉換部5的關斷浪湧電壓而發生變動,第1內部電源開關101的導通電阻也不會增加,具有使故障檢測部9不容易產生電壓檢測誤差的效果。
實施方式4.
圖5表示本發明的實施方式4中的功率轉換裝置的結構。與圖4所示的實施方式3相比,其不同之處在於,在圖5中,不存在偏置電源開關11,且將p溝道MOSFET用於第2內部電源開關15。其它結構和動作與圖1相同,因此,這裡省略說明。
此外,關於本實施方式中的功率轉換裝置的電源起動時和停止時的動作,其不同之處在於,將上述實施方式1中所示的圖2的時序圖中的偏置電源開關11的動作替換為第2內部電源開關15的動作,除此以外,與前述的動作相同,因此,這裡省略其說明。
第2內部電源開關15由p溝道MOSFET構成,基於升壓電源電路8的輸出電壓來使電流路徑導通或斷開。
如上所述,根據實施方式4,在直流電源3的陽極端與故障檢測部9之間設有第1內部電源開關101,在直流電源3的陽極端與升壓電源電路8之間設有第2內部電源開關15,因此,與上述實施方式1相同,能減小功率轉換裝置1的動作停止時的暗電流。
另外,利用內部電源電路7的輸出電壓和升壓電源電路起動信號7b,按各部分的電壓和時間來對電源起動和停止時的動作順序進行規定,從而能防止電源起動和停止時的誤動作。即,在內部電源電路7的輸出電壓小於電壓V1的情況下,功率轉換部5的驅動電源即升壓電源電路8停止電壓輸出,因此,能防止電源起動和停止時的過渡期內的控制部6和功率轉換部5的功率半導體開關元件2的誤動作所引起的貫通電流,並能防止由來自功率轉換部5的折回電流引起的控制部6內的小信號電路的損壞。
此外,由於將內部電源開關10一分為二,並且將n溝道MOSFET用於第1內部電源開關101,因此,在第1內部電源開關101中,不存在伴隨升壓電源電路8的升壓動作的電流消耗,能進一步降低第1內部電源開關101處的電壓降,能將對故障檢測部9的電壓檢測精度的影響減小到最小限度。
此外,即使直流電源3的陽極電壓因功率轉換部5的關斷浪湧電壓而發生變動,第1內部電源開關101的導通電阻也不會增加,具有使故障檢測部9不容易產生電壓檢測誤差的效果。
另外,由於將p溝道MOSFET用於第2內部電源開關15,因此,電路結構簡單,能實現功率轉換裝置1的小型化並降低成本。
實施方式5.
在至此為止的實施方式中,利用內部電源電路7的輸出電壓和升壓電源電路起動信號7b,按各部分的電壓和時間來規定電源起動和停止時的動作順序,但本發明並不局限於此,例如也可以利用構成控制部6的微機或ASIC來規定電源起動和停止的動作。以下,在本發明的實施方式5中,對其結構和動作進行詳細描述。
圖6表示本發明的實施方式5中的功率轉換裝置的結構。與圖1所示的實施方式1相比,其不同之處在於,在圖6中,控制部6與外部電源開關12直接連接,對外部電源開關12的導通或斷開進行檢測,並且,從控制部6輸出升壓電源電路起動信號6b,偏置電源開關11基於從控制部6輸出的偏置電源開關驅動信號6c,來使電流路徑導通或斷開。其它結構和動作與圖1相同,因此,這裡省略說明。
以下利用圖7的時序圖來對功率轉換裝置1的電源起動時和停止時的動作進行說明,並利用圖8的流程圖對控制部6的動作次序進行說明。
功率轉換裝置1的電源起動時,在圖7的時間T1』,外部電源開關12導通,內部電源電路7開始輸出電壓。然後,控制部6開始動作,對外部電源開關12導通的情況進行檢測,開始圖8的處理。
在圖8中,首先,控制部6在步驟S401中輸出偏置電源開關驅動信號6c(在圖7的時序圖中為時間T2』)。然後,前進至步驟S402,在圖7的時間T3』輸出升壓電源電路起動信號6b,前進至步驟S403。此外,作為從圖7的時間T2』到時間T3』為止的等待時間的設定方法,例如可以舉出將等待時間設為到偏置電源開關11導通、施加於功率轉換裝置內的直流電源3的陽極電壓變得穩定為止的時間的方法,或者將等待時間設為偏置電源開關驅動信號6c傳輸至偏置電源開關11為止的延遲時間的方法。或者,也可以是如下方法:新設置對施加於功率轉換裝置內的直流電源3的陽極電壓進行檢測的電路,基於在該電路中所檢測出的電壓值來輸出升壓電源電路起動信號6b。
之後,在圖7的時間T4』,若升壓電源電路8的輸出電壓達到電壓V3,則內部電源開關10導通,電源起動處理結束。
另一方面,在圖8的步驟S403中,對外部電源開關12的狀態進行檢測,若外部電源開關12斷開,則前進至步驟S404,實施電源停止處理。若外部電源開關12未斷開,則再次實施對外部電源開關12的狀態進行監視的程序處理。
在步驟S404中,使升壓電源電路起動信號6b停止,前進至步驟S405。在步驟S405中,使偏置電源開關驅動信號6c停止(圖7的時序圖中為時間T5』)。
之後,在圖7的時間T4』,若升壓電源電路8的輸出電壓小於電壓V3,則內部電源開關10斷開,進而在時間T7』內部電源電路7停止電壓輸出,然後按各電路的推移進行放電。此外,作為從圖7的時間T5』到時間T7』為止的等待時間的設定方法,例如可以舉出將等待時間設為到升壓電源電路8的輸出電壓消失為止的時間的方法,或將等待時間設為構成控制部6的微機的電源停止處理所需的時間的方法等。或者,也可以是如下方法:新設置對施加於功率轉換裝置內的直流電源3的陽極電壓進行檢測的電路,基於在該電路中所檢測出的電壓值來使內部電源電路7的電壓輸出停止。
如上所述,根據實施方式5,由於在直流電源3的陽極端與升壓電源電路8和故障檢測部9之間設有內部電源開關10,因此,能減小功率轉換裝置1的動作停止時的暗電流。
另外,將偏置電源開關11與內部電源開關10並聯設置,利用從控制部6輸出的偏置電源開關驅動信號6c和升壓電源電路起動信號6b,按時間或各部分的電壓來對電源起動和停止時的動作順序進行規定,從而能防止電源起動和停止時的誤動作。即,在內部電源電路7的輸出電壓小於電壓V1的情況下,功率轉換部5的驅動電源即升壓電源電路8停止電壓輸出,因此,能防止電源起動和停止時的過渡期內的控制部6和功率轉換部5的功率半導體開關元件2的誤動作所引起的貫通電流,並能防止由來自功率轉換部5的折回電流引起的控制部6內的小信號電路的損壞。
此外,不僅利用控制部6來允許升壓電源電路8的電壓輸出,還利用控制部6來對外部電源開關12的狀態進行監視,對外部電源開關12的斷開進行檢測並使升壓電源電路起動信號6b和偏置電源開關驅動信號6c停止,因此,能比上述實施方式1更快地使升壓電源電路8的電壓輸出停止,能減小電源下降時間的偏差的影響,更可靠地防止電源停止時的誤動作。
此外,由於將n溝道MOSFET用於內部電源開關10,因此,能降低內部電源開關10所引起的電壓降,能減小對故障檢測部9的電壓檢測精度的影響。
另外,由於將n溝道MOSFET用於內部電源開關10,因此,即使直流電源3的陽極電壓因功率轉換部5的關斷浪湧電壓而發生變動,內部電源開關10的導通電阻也不會增加,具有故障檢測部9不容易產生電壓檢測誤差的效果。
另外,本發明可以在其發明範圍內對各實施方式進行自由組合,或者對各實施方式適當地進行變形、省略。