CN101047341A

CN101047341A - 电力变换装置

Info

Publication number: CN101047341A
Application number: CNA2007100847075A
Authority: CN
Inventors: 重田哲; 藤野伸一; 桥元庆太; 濑户贞至
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2007-02-26
Publication date: 2007-10-03
Also published as: US20070229050A1; EP1841052A2; JP2007274831A

Abstract

一种电力变换装置，将成为上桥臂的开关元件和成为下桥臂的开关元件串联连接在从直流电源施加直流电压的+端子和－端子间，对流向各元件的电流IU、IL进行切换，从输出端子O向电动机等负载供给输出电流IO，作为各开关元件使用在主开关元件中设置有密勒元件的带密勒元件的MOSFET，在各密勒元件上分别设置电流检测电路，通过它们将流过密勒元件的密勒电流IU_M、IL_M作为检测信号S_IU、S_IL取出，并输入到比较电路，将检测信号的差信号S_IO作为表示输出电流IO的信号输入到控制运算部，控制各开关元件的开关定时和开关时间。从而，可以低成本提供能获得小型化低损耗、且没有输出电压性能限制之虞的电流检测的电力变换装置。

Description

电力变换装置

技术领域

本发明涉及具备输出电流检测功能的电力变换装置，尤其涉及一种适于伺服系统或DC/DC变换器或三相交流逆变器等的电力变换装置。

背景技术

伺服系统或DC/DC变换器或三相交流逆变器等的电力变换装置，其控制上需要检测输出电流是通例，由此提出了各种各样的电流传感器，但是以往采用的是具有磁心(core)的绝缘型电流传感器即所谓霍尔传感器。在此，所谓霍尔传感器是指使流过应当测量的电流的导体贯通环状的磁心，并由磁心的磁路上设置的霍尔传感器读取因电流而产生的磁场，作为电流进行检测。

另外，除了该霍尔传感器外，还公知一种在应当测量的电流的路径上插入分路电阻、来检测该分路电阻上出现的电压降那样的分路电阻型电流传感器(例如，参照专利文献1)，而且，一直以来还公知一种在伺服系统的励磁斩波电路或电机控制装置所使用的电力变换装置中，对作为其开关元件而使用的MOSFET的导通电压进行观测，并换算为电流值的电流检测方法(例如，参照专利文献2)。

电力变换装置所使用的电流传感器一般被要求小型、低损耗、低成本且高精度，现有技术不能说对这些方面进行了充分的考虑。

在上述现有技术中，由于具有绝缘型磁心的电流传感器除其自身高价外，作为一次电流的路径还需要贯通传感器的母线(bus bar)等结构体，所以，零件件数增加而使结构大型化，由此进一步使成本上升。

而且，从针对短路等过电流的系统保护的观点而言，除检测输出电流的电流传感器之外，还需要设置用于检测开关元件的过电流的电流检测电路，从而不仅零件件数增加，并且不可避免使成本进一步上升。

并且，基于分路电阻的电流传感器，由于在电力变换装置等控制大电流的设备中电力损耗增大，所以，需要顾虑分路用的电阻器大型化并且抑制由发热产生的温度上升，由此不可避免大型化和成本上升。

根据这些方面，在上述现有技术中，虽然有望进行使用了MOSFET的导通电压的电流检测，但是此时需要在检测电流的定时(timing)使元件处于导通状态，所以，电流检测的周期与导通截止占空比(on-off duty)会相互受到限制。

例如，由于当由下桥臂进行电流检测时，需要按每个电流检测周期将下桥臂完全接通，所以，在上桥臂100％接通的状态下不能进行电流检测。而且，从下桥臂刚接通至电流值输出稳定为止要花费时间，并且电流值的取样也要花费时间，因而需要增长下桥臂的接通期间，由此针对上桥臂的占空比的限制更加苛刻。

这样，当占空比具有上限值时，电力变换装置的输出电压性能会被限制，例如，在驱动三相电动机的逆变器的情况下，施加到电动机的电压被限制，由此产生了高速旋转下电流不流入那样的缺点。

【专利文献2】日本特开2003-61392号公报

【专利文献1】日本特开2004-48863号公报

发明内容

本发明的目的在于以低成本提供一种小型化低损耗、且没有输出电压性能限制之虞的可获得电流检测的电力变换装置。

为了达成上述目的，本发明提供一种电力变换装置，具备在直流的正侧电源端子和负侧电源端子之间串联连接的上桥臂开关元件和下桥臂开关元件，并将这些上桥臂开关元件和下桥臂开关元件的连接点作为输出端子，其中，在上述上桥臂开关元件和上述下桥臂开关元件分别由带密勒元件的开关元件构成的基础上，设置有检测上述上桥臂开关元件的密勒元件中流动的电流的上桥臂电流检测机构、和检测上述下桥臂开关元件的密勒元件中流动的电流的下桥臂电流检测机构，取得由上述上桥臂电流检测机构检测出的信号与由上述下桥臂电流检测机构检测出的信号之差，作为上述输出端子的电流值。

此时，为了达成上述目的，还具备利用由上述上桥臂电流检测机构检测出的信号和上述下桥臂电流检测机构的信号的至少一方进行动作的过电流保护机构，为达成上述目的，还可将这样的电力变换装置搭载在车辆上。

作为此时的密勒电流的检测方法，可以是由绝缘型的电流传感器读取密勒电流的方法，也可以是将密勒电流流过分路电阻来读取其两端电压的方法。

根据本发明，因为能够读入上桥臂和下桥臂的电流之差，所以例如即使在仅上桥臂为100％接通、或仅下桥臂为100％接通的状态下也可检测出电流，结果，适用范围不会受到限制，由此可获得高精度、小型且低损耗的电流传感器。

另外，根据本发明，由于能够获得高精度的电流控制，所以能够以低成本提供电流控制性能优异的电力变换装置，从而通过搭载该电力变换装置，能够构造高性能的车辆。

附图说明

图1是表示本发明涉及的电流变换装置的第一实施方式的框图。

图2是表示本发明涉及的电力变换装置的第二实施方式的框图。

图3是表示本发明涉及的电力变换装置的第三实施方式的框图。

图中：1：上桥臂的开关元件(带密勒元件的开关元件)，1-1：主开关元件，1-2：密勒元件，2：上桥臂的开关元件(带密勒元件的开关元件)，2-1：主开关元件，2-2：密勒元件，3：直流电源，4：栅极驱动电路(上桥臂用)，5：栅极驱动电路(下桥臂用)，6：控制运算部，7：电流检测电路(上桥臂的密勒元件用)，8：电流检测电路(下桥臂的密勒元件用)，9：比较电路，10：分路电阻(上桥臂的密勒元件用)，11：分路电阻(下桥臂的密勒元件用)，12：差动电路(上桥臂的密勒元件用)，13：差动电路(下桥臂的密勒元件用)，T2：负侧电源端子，T3：输出端子，IU：流过上桥臂的开关元件的电流，IL：流过下桥臂的开关元件的电流，IO：向负载输出的电流，IU_M：上桥臂的密勒电流，IL_M：下桥臂的密勒电流，S_IU：检测信号(上桥臂的密勒电流IU_M的检测信号)，S_IL：检测信号(下桥臂的密勒电流IL_M的检测信号)，S_IO：差信号，VB：直流电源3的电压。

具体实施方式

以下，根据图示的多个实施方式，对本发明涉及的电力变换装置进行详细的说明。

·实施方式1

图1是本发明的实施方式1，是在例如上述的专利文献2所公开的励磁斩波电路或电机控制装置所使用的开关电路中应用本发明时的一个实施方式。

并且，如图所示，该实施方式1将成为上桥臂的开关元件1和成为下桥臂的开关元件2串联连接在从直流电源3施加有直流电压VB的+端子和-端子之间，对流向各个元件的电流IU、IL进行开关处理，并从输出端子O向电动机等未图示的负载供给输出电流IO。

为此，各开关元件1、2各自具备栅极驱动电路4、5，在控制运算部6的控制下分别被开关控制，但是此时，如果控制运算部6没有根据输出电流IO的检测结果对各开关元件1、2的开关定时和开关时间进行控制，则不能向电动机等负载总是供给准确的值的输出电流IO。因而，如上所述，必须检测输出电流IO后进行控制。

鉴于此，在该实施方式中，首先作为各开关元件1、2，分别使用在MOSFET的主开关元件1-1、2-1中设置有相同地由MOSFET构成的密勒元件1-2、2-2的MOSFET，即所谓的带密勒元件的MOSFET。其中，这里所谓MOSFET是指基于金属氧化物半导体(MOS)的场效应晶体管(FET)。

这样，在开关元件使用了带密勒元件的MOSFET的基础上，接着，在各个开关元件1、2的密勒元件1-2、2-2上分别设置电流检测电路7、8，由此，对流过密勒元件1-2、2-2的电流，即密勒电流IU_M、IL_M进行检测。然后，将检测结果作为检测信号S_IU、S_IL取出并输入到比较电路9。

在比较电路9中取得所输入的检测信号S_IU、S_IL之差，并将结果作为差信号S_IO进行输出。然后，将该差信号S_IO输入到控制运算部6，作为表示输出电流IO的信号，如上述那样，对各开关元件1、2的开关定时和开关时间进行控制。

此时，输出电流IO由上桥臂的开关元件中流动的电流IU和下桥臂的开关元件2中流动的电流IL之差表示。因此，如上所述，可根据由比较电路9输出的差信号S_IO表示输出电流IO，因此，通过将检测信号S_IU和检测信号S_IL之差，即差信号S_IO向控制运算部6供给，可获得输出电流IO的控制。

在此，该控制运算部6通常具备微机(microcomputer)，由此来进行控制，此时，输出电流IO针对该微机的输入如图示那样，可以是将电流检测电路7、8的输出向由差动放大器构成的比较电路9输入，并将差电压输入到微机的AD端口的方式，但除此之外，也可以将电流检测电路7的检测信号S_IU和电流检测电路8的检测信号S_IL直接分别输入到微机的AD端口，通过微机的软件执行求取差电压的处理。

此时的电流检测电路7、8中，如图中符号化所示那样，使用了具有磁心的绝缘型电流传感器，即所谓的霍尔传感器，但是，如已经作为现有技术所说明那样，该传感器使成为应当测量的电流的路径的导体贯通于环状磁心，通过磁心的磁路中所设置的霍尔传感器读取由电流产生的磁场，来作为电流进行检测，因而，其大小很大程度被由此应当检测的电流的最大值所支配。

现在，当在此假设流过各开关元件1、2的电流IU、IL的最大值例如为500A时，该情况下，成为该电流的路径的导体需要截面积相当大的母线状的导体，由此势必使得磁心也增大，所以，导致传感器整体大型化，成本上升。

但是，此时各开关元件1、2的密勒元件1-2、2-2中流动的电流成为该开关元件的密勒比量，当将密勒比设为1000∶1时，上述情况下密勒电流IU_M、IL_M最大也只有0.5A。

因而，此时，仅利用相当细的导体通过磁心就可应对，例如，仅将布线所使用的电线直接贯通，或仅缠绕几圈就可完成，而且，磁心自身也能够变得相当小，由此，该情况下可容易地实现小型化和低成本化。

并且，该带密勒元件的MOSFET的密勒比由主元件和密勒元件的电极面积决定，所以若根据近年的半导体制造技术，则通常能够容易地设定相当正确的值并且稳定。而且，该方法并非限于带密勒元件的MOSFET，其他的带密勒元件的开关元件，例如带密勒的IGBT的情况也相同。

因而，根据该实施方式1，除了电流检测电路7、8可实现小型化低成本化之外，还可获得高精度化，结果，能够在大幅降低成本的基础上容易地提供优异性能的电力变换装置。

另外，在该实施方式1中，作为电流检测电路7、8使用了霍尔传感器，即绝缘型的电流传感器，结果能够在不考虑上桥臂开关元件1和下桥臂开关元件2之间的电位差的状态下进行使用，因而，具有不需要用于电压隔离的电路即可完成的优点。

并且，在该实施方式1中，电流检测电路7、8被分别设置在各开关元件1、2中。因此，从电流检测电路7将其检测信号S_IU输入到栅极驱动电路4，从电流检测电路8将检测信号S_IL输入到栅极驱动电路5，当这些信号超过预先设定的规定阈值时，如果将从各个栅极驱动电路4、5输出的栅极信号压缩而遮断开关元件1、2，则能够对开关元件附加过电流保护功能，由此，能够保护系统不受输出端子的电源短路和接地短路的影响。

·实施方式2

接着，根据图2对本发明的实施方式2进行说明。在此，该实施方式2是通过分路电阻检测密勒电流时的本发明的一个实施方式，为此，如图示，分路电阻10、11被插入到各密勒元件1-1、2-2的电流路径，与它们分别并联连接有差动电路12、13，其他的构成要素与图1所示的实施方式1相同。

首先，分路电阻10产生基于密勒元件1-2的密勒电流IU_M的电压降，差动电路12如下动作：检测出该电压降，获得表示上桥臂的开关元件1中流动的电流IU的检测信号S_IU，另一方面，分路电阻11产生基于密勒元件2-2的密勒电流IL_M的电压降，差动电路13如下动作：检测出该电压降，获得表示下桥臂的开关元件2中流动的电流IL的检测信号S_IL。

因此，如图所示，将这些检测信号S_IU、S_IL输入到比较电路9并输出差信号S_IO，通过将其输入到控制运算部6，能够以高精度获得输出电流IO的控制，这与图1所说明的实施方式1的情况相同。

在此，该实施方式2也将分路电阻10、11插入到密勒元件1-2、2-2的电流路径。因而，与在开关元件1、2中流动的电流IU、IL相比，流入到这些分路电阻10、11中的电流成为相当小的值。

例如，如果这里也将在开关元件1、2中流动的电流IU、IL的最大值设为500A，将密勒比设为1000∶1，则密勒电流IU_M、IL_M仍然最大也只有0.5A。即，此时的损耗P与电流I的平方成比例。

因而，根据该实施方式2，可将分路电阻10、11所产生的损耗抑制得充分小，相应地由于发热减少，所以电阻器也可实现小型，结果，根据该实施方式2，除了将电流检测电路7、8小型化低成本化之外，还可实现高精度化，由此能够在大幅度降低成本的基础上容易地提供优异性能的电力变换装置。

但是，在该图2的实施方式的情况下，对于构成上桥臂的电压检测电路的分路电阻10而言，没有将其电位固定为0，并且根据上桥臂的开关元件1的开关处理可从0V至VB为止进行变化。

因此，在该实施方式2中，根据需要而使用差动放大器和隔离放大器等，需要使分路电阻10的电位电平移动至与下桥臂的开关元件2或控制运算部6的电位相等的电位。

·实施方式3

接着，作为实施方式3，根据附图4对搭载了本发明所涉及的电力变换装置的车辆进行说明。在此，将该实施方式3涉及的车辆图示为汽车100，例如以汽油发动机等的发动机110为动力源。

而且，当该汽车100行驶时，该发动机110的转矩经由传动(transmission)装置T/M和差动齿轮装置DEF向车轮WH1、WH2传递，此时，发动机110与M/G(发电机)111连结，不仅使该M/G111作为通常的交流发电机动作，并且也作为电动机110的起动器(starter)而动作。

因此，M/G111在发动机110旋转中作为交流发电机(alternator)动作，对端子电压为36V的主电池120和端子电压为12V的辅助用电池121这两个二次电池进行充电，在发动机110起动时，从主电池120向M/G111供给交流电力，使该M/G111作为交流电动机动作，从而向电动机110赋予起动转矩。

为此，M/G111与INV(逆变器装置)130连接，当M/G111作为交流发电机而动作时，使该INV130进行整流动作，将M/G111的交流输出变换为直流输出，对主电池120和辅助用电池121进行充电，当M/G111作为交流电动机动作时，使INV130进行通常的逆变换动作，将主电池120的直流输出变换为三相交流电力向M/G111供给，从而产生发动机110起动所需的转矩。

此时，在通常的汽车中，辅助用电池121搭载用来以直流电压12V的规格使车灯等各种电气部件动作，因而，为了其充电设置有输出电压为36V/12V规格的DC/DC(直流/直流变换器)122，经由该DC/DC122辅助电池121与INV130连接。

该图3的实施方式中，在该INV130中应用了上述实施方式1、或实施方式2的电力变换装置，并且在该INV130的主电路元件即PD(功率器件)131上使用了带密勒元件的开关元件，这是该实施方式的特征。结果，可通过被小型化低成本化的INV130而获得高精度的电流控制。

另外，此时也可在DC/DC122中应用上述实施方式1或实施方式2的电力变换装置，该开关元件可使用带密勒元件的开关元件，该情况下，DC/DC122也可实现了小型化和低成本化，被赋予高精度的电流控制。

此时，通过位于INV130内的驱动电路132经由接口133由微机134控制PD131，该微机134通过进一步统管汽车100的整体控制的上位CU(控制单元)200来控制。

这样，通过将本发明的实施方式1或实施方式2涉及的电力变换装置应用在INV130或DC/DC122等，能够对汽车用电力变换装置提供高精度、小型、低损耗、低成本的电流传感器。另外，在此例如由逆变器等进行矩形波驱动时，根据本发明的实施方式，即使在某个桥臂处于100％接通的状态下也可进行电流检测，结果提高了电压利用率，即使小型电动机也能以高输出进行运转，由此能够减轻车辆重量。

另外，如上所述，在发动机起动时M/G111作为交流电动机动作，但并非仅此而已，也可以使其在汽车行驶时也作为电动机动作，或代替发动机110而作为汽车的驱动源来使用，或作为辅助驱动源在汽车行驶时与发动机110一起使用。

Claims

1、一种电力变换装置，具备在直流的正侧电源端子和负侧电源端子之间串联连接的上桥臂开关元件和下桥臂开关元件，并将这些上桥臂开关元件和下桥臂开关元件的连接点作为输出端子，

在所述上桥臂开关元件和所述下桥臂开关元件分别由带密勒元件的开关元件构成的基础上，

设置有检测所述上桥臂开关元件的密勒元件中流动的电流的上桥臂电流检测机构、和检测所述下桥臂开关元件的密勒元件中流动的电流的下桥臂电流检测机构，

取得由所述上桥臂电流检测机构检测出的信号与由所述下桥臂电流检测机构检测出的信号之差，作为所述输出端子的电流值。

2、根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，

具备利用由所述上桥臂电流检测机构检测出的信号和所述下桥臂电流检测机构的信号的至少一方进行动作的过电流保护机构。

3、一种车辆，搭载有权利要求1或权利要求2所述的电力变换装置。