電力變換裝置、電動助力轉向系統(tǒng)、電動汽車、電子控制節(jié)氣門、電動制動器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種使用半導體開關元件來對從電源供給的電力進行變換的電力變換裝置。
【背景技術】
[0002]控制的自動化推進，針對電子控制裝置的安全性和可靠性的要求變高。為了確保電子控制裝置的安全性，要求在異常發(fā)生時立即檢測出該異常并停止動作。為了在發(fā)生異常時分離裝置，大多情況下使用繼電器。例如，在發(fā)生異常時，有時通過繼電器切斷主電源。在電動機驅動裝置(尤其在電動助力轉向)中，在發(fā)生異常時有時通過繼電器切斷針對電動機的驅動電流輸出(相輸出)。
[0003]另一方面，將上述的繼電器置換成半導體元件來謀求高可靠性、長壽命化、小型化、保護動作的高速化也得到了推進。
[0004]在下述專利文獻1中公開了如下的技術:在電動助力轉向系統(tǒng)中，向電力變換器的相輸出插入MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor:金屬氧化物半導體場效應管)，在發(fā)生異常時，通過將MOSFET設為斷開來分離電動機和逆變器。
[0005]在下述專利文獻2的圖4中公開了如下的技術:在電源和電力變換器之間，以二極管的方向相互成相反方向(具體而言，電流的通過方向相互朝外)的方式配置2個M0SFET。在將MOSFET用作繼電器的情況下，即使MOSFET處于斷開狀態(tài)，也因MOSFET的寄生二極管流過電流。因此，在專利文獻2中，以寄生二極管的方向相互成相反方向(具體而言，電流的通過方向相互朝外或朝內)的方式串聯(lián)連接有2個M0SFET。
[0006]下述專利文獻3(圖2)公開了通過繼電器切斷電荷栗電源而使MOSFET可靠地斷開的技術。
[0007]此外，不僅要求為了安全在發(fā)生故障時使動作可靠地停止，還要求在確保安全性的基礎之上繼續(xù)進行動作。隨著電動助力轉向系統(tǒng)的性能提高，還能夠應用于重量更大的大型車中，若在發(fā)生故障時使動作停止，則需要人力的大操舵力，因此即使在發(fā)生故障時也需要在確保安全性的基礎之上使動作繼續(xù)。
[0008]在下述專利文獻4中公開了如下的方法:在電動助力轉向中，在星形接線的三相無刷電動機中，在一相中發(fā)生了異常時，控制剩余兩相的驅動電流的大小和方向，使在電動機內部產生的磁場向量旋轉。并且，在下述專利文獻5中公開了對包含中性點合計4組的電橋進行了模塊化的安裝方法。
[0009]現(xiàn)有技術文獻
[0010]專利文獻
[0011]專利文獻1:日本特開2009-274686號公報
[0012]專利文獻2:日本特開平10-167085號公報
[0013]專利文獻3:日本特開2011-109779號公報
[0014]專利文獻4:日本特開2007-99066號公報
[0015]專利文獻5:日本特開2013-74712號公報

【發(fā)明內容】

[0016]發(fā)明要解決的課題
[0017]在上述專利文獻1所記載的技術中，通過半導體元件切斷電力變換器的相輸出，由此，在發(fā)生構成逆變器的MOSFET的短路故障等異常時，能夠將電動機從逆變器分離來停止向電動機的驅動，防止危險的舉動。但是，對于相輸出線接地的情況，需要進一步考慮。
[0018]將MOSFET用作繼電器的情況下，即使MOSFET處于斷開狀態(tài)，也由于寄生二極管流過電流，因此，因專利文獻1的FET7?9電動機側的相輸出線中的某一個接地的情況下，在沒有接地的剩余兩相中，形成從FET4 — FET7、FET5 — FET8、FET6 — FET9的某一個經由電動機的線圈到接地點(ground)的電流路徑(閉合電路)。即，按照該電流路徑流過由電動機再生的電流，由此，電動機受到再生制動，因此明顯阻礙人力操舵。另外，即使將插入到相輸出中的FET7?9的方向設為相反的情況下，只要相輸出線中的某一個發(fā)生接電源，則也會發(fā)生同樣的現(xiàn)象。
[0019]在上述專利文獻2所記載的技術中，若發(fā)生與上述同樣的接地故障，則發(fā)生同樣的課題。如專利文獻3所記載的那樣，還考慮通過機械繼電器切斷電源，但若設置機械繼電器，則在高可靠性、長壽命化、小型化、保護動作的高速化等觀點存在課題。
[0020]在上述專利文獻5所記載的技術中，包含中性點的所有相始終與電動機連接，在發(fā)生故障時的該相的分離等觀點存在課題。在故障相的上支路或下支路發(fā)生了短路故障的情況下，該相的總輸出成為保持與電源或地電位連接的狀態(tài)，在能夠驅動的磁場向量的范圍內受到制約，難以使磁場向量旋轉。
[0021]在上述專利文獻4所記載的技術中，為了在發(fā)生故障時分離該相，將驅動電路連接到中性點而使用繼電器，但在高可靠性、長壽命化、小型化、保護動作的高速化等觀點存在課題。
[0022]本發(fā)明是鑒于上述課題而提出的，其第1目的是在發(fā)生故障時分離該相，將驅動電路連接到應驅動的電動機端子的單元的高可靠性、長壽命化、小型化、保護動作的高速化。
[0023]并且，其第2目的是在發(fā)生故障時分離該相，將驅動電路連接到應驅動的電動機端子的單元的半導體化時，除了構成逆變器的MOSFET的短路故障外，在相輸出線的任意一個發(fā)生接地/接電源的情況下，也不使電動機進行再生制動，切斷該輸出。
[0024]用于解決課題的手段
[0025]為了實現(xiàn)本發(fā)明的第1目的，在本發(fā)明的電力變換裝置中，作為與四相電動機或三相電動機的各相以及中性點連接，分離該相并將驅動電路連接到應驅動的電動機端子的單元，使用半導體元件。
[0026]并且，為了實現(xiàn)本發(fā)明的第2目的，本發(fā)明的電力變換裝置所具備的半導體開關元件，以不形成電源和接地點間的電流路徑的方向(即，與至少1個半導體開關元件并聯(lián)連接的二極管與其他二極管是反方向)連接與半導體開關元件并聯(lián)連接的二極管，并且，以不形成電動機的線圈和電源間的電流路徑以及電動機的線圈和接地點間的電流路徑的方向連接二極管。
[0027]發(fā)明效果
[0028]根據本發(fā)明的電力變換裝置，即使發(fā)生了故障也能夠繼續(xù)動作。將在發(fā)生故障時分離該相，將驅動電路連接到應驅動的電動機端子的單元置換成半導體元件來提高性能，并且能提高針對短路故障的安全性。
【附圖說明】
[0029]圖1是本發(fā)明的基本的實施例。
[0030]圖2是為了說明而將圖1所示的電路圖中的三相逆變器的一部分簡化為電路網XI的圖。
[0031]圖3是表示將配置于電路網X外的二極管的方向設為與圖2相反方向的變形例的圖。
[0032]圖4是為了說明而將圖1所示的電路圖中的三相逆變器的一部分簡化為電路網X2的圖。
[0033]圖5是為了說明而將圖4所示的電路圖中的三相逆變器的一部分簡化為電路網X2的圖。
[0034]圖6是表示將配置于電路網X2外的二極管的方向設為與圖2相反方向的變形例的圖。
[0035]圖7是表示將圖6的第3M0SFET3兼用作升壓電路20的構成要素的電路結構的圖。
[0036]圖8是說明圖7所示的電路的動作的時序圖。
[0037]圖9是驅動四相電動機的實施例。
[0038]圖10是在中性點插入了半導體繼電器的實施例。
[0039]圖11是在中性點插入了半導體繼電器的實施例。
[0040]圖12是將半導體開關元件串聯(lián)插入到逆變器中的實施例。
[0041]圖13是將半導體開關元件串聯(lián)插入到相輸出的實施例。
[0042]圖14是使用了本發(fā)明的電動助力轉向系統(tǒng)的結構圖。
[0043]圖15是使用了本發(fā)明的電動汽車的結構圖。
[0044]圖16是使用了本發(fā)明的電子控制節(jié)氣門的結構圖。
[0045]圖17是使用了本發(fā)明的電動制動器的結構圖。
[0046]圖18是表示實際PWM計時器10周邊的電路結構的圖。
[0047]圖19是表示圖14所示的電路結構的動作的時序圖。
[0048]圖20是表示圖14的變形例的圖。
[0049]圖21是表示圖16所示的電路結構的動作的時序圖。
[0050]圖22是帶有電荷栗的前置驅動器6的電路圖。
[0051]圖23是表示通過微處理器100生成交變信號7的結構例的圖。
[0052]圖24是表示比較器110生成交變信號7的結構例的圖。
[0053]圖25是表示FS-AND 120生成交變信號7的結構例的圖。
[0054]圖26是表示通過PWM計時器10控制帶有電荷栗的前置驅動器6的結構例的圖。
[0055]圖27是表示將AND130的輸出設為0UT_EN或P0W_EN的結構例的圖。
[0056]圖28是表示組合交變信號的FS-AND、輸出控制信號的邏輯積(AND)以及全電流控制信號的邏輯積(AND)而得的結構例的圖。
[0057]圖29是表示在每個相組合0UT_EN、P0ff_EN以及表示微處理器100為正常的信號7’的邏輯積(AND)而得的結構例的圖。
【具體實施方式】
[0058]以下，根據附圖對本發(fā)明的實施例進行說明。在以下的說明中，在各MOSFET群內對每相設置MOSFET的情況下附加表示各相的標注，不對每相設置MOSFET而設為1個的情況下省略標注。
[0059]<實施方式1>
[0060]圖1是本發(fā)明的實施方式1的電力變換裝置1000的電路圖。電力變換裝置1000是將從電源供給的電力變換為電動機8的驅動電流的裝置，為第1M0SFET群lu?lw、ln、第 2M0SFET 群 2u ?2w、2n、第 3M0SFET 群 3u ?3w、3n、第 4M0SFET4 (或第 4M0SFET 群 4u ?4w、4n)ο
[0061]第1M0SFET群lu?lw、ln是構成三相(或四相)逆變器的上支路的半導體開關元件群。標注u?w分別對應于電動機的U相?W層。并且，標注η相當于三相電動機中的中性點，或相當于四相電動機中的第四相。在以下的說明中也相同。第2M0SFET群2u?2w、2n是構成三相(或四相)逆變器的下支路的半導體開關元件群。
[0062]第3M0SFET群3u?3w、3n被連接到電力變換裝置1000的各相輸出和電動機8的各相輸出之間。在向電動機8供給電流的方向連接與第3M0SFET群3u?3w、3n并聯(lián)連接的寄生二極管。
[0063]在電力變換裝置1000的各相輸出和接地點之間串聯(lián)連接第4M0SFET4 (或第4M0SFET群4u?4w、4n)和第2M0SFET群2u?2w、2n。向接地點流過電流的方向連接與第4M0SFET4(或第4M0SFET群4u?4w、4n)并聯(lián)連接的寄生二極管。
[0064]另外，在各相輸出合流的位置前配置了第4M0SFET群4u?4w的情況下，為了完全地切斷電流路徑需要對每個相設置MOSFET。如圖1所示，在各相輸出合流后(比合流位置接近接地點側)配置了第4M0SFET4的情況下，通過僅設置1個第4M0SFET4能夠完全切斷通往接地點的電流路徑。并且，從電動機8回流的電流也可以不經由第4M0SFET4，因此可以減少2個電流通過的MOSFET的個數(shù)，能夠相應地減少接通電阻來抑制損失。
[0065]通過PWM計時器10控制第1M0SFET群lu?lw、In和第2M0SFET群2u?2w、2n。為了避免附圖的復雜性，僅記載了從PWM計時器10針對第IMOSFETlu的柵極的控制信號UH的配線、針對第2M0SFET2U的柵極的控制信號UL的配線、針對第3M0SFET3w和第4M0SFET4u的控制信號0UT_EN的配線，而省略了針對第1M0SFET群lv?lw、In的柵極的控制信號VH、WH、NH的配線、針對第2M0SFET群2v?2w、2n的柵極的控制信號VL、WL、NL的配線、針對第3M0SFET群3u?3v、3n、第4M0SFET