CN101218742B - 多相逆变器及其控制方法、以及送风机及多相电流输出系统 - Google Patents

Abstract

在本发明中，在预充电期间即使由于外因而在多相负载(6)上产生电压，在低臂开关元件(Qx、Qy、Qz)中也很难产生过电流。如果U相电流、V相电流、W相电流(iu、iv、iw)中的某一个比负的规定值更小(如果绝对值大)，则判断其中的最大值是哪一个。只接通与取得最大值的电流相对应的相的低臂开关元件，断开其它相的低臂开关元件。

Description

多相逆变器及其控制方法、以及送风机及多相电流输出系统

技术领域

本发明涉及一种采用自举方式的多相逆变器。

背景技术

有一种分别设置用于驱动高臂开关元件的控制电路(称为[高侧控制电路])与用于驱动低臂开关元件的控制电路(称为[低侧控制电路])的多相逆变器。另外提出一种要求经过低臂开关元件对驱动高侧控制电路的电源充电的电容器的、所谓的自举方式。例如参照下述专利文献1、专利文献2、非专利文献1。

专利文献1：日本专利特开2003-348880号公报

专利文献2：日本专利特开2004-304527号公报

非专利文献1：三菱电机株式会社[三菱HVIC application note][online]、[平成17年6月30日检索]、网址<URL:http://www.mitsubishichips.com/Japan/files/manuals/km0020a1.pdf>(三菱鼋機株式会社「三菱HVICァプリケ一ションノ一ト」[online]、「平成17年6月30日検索」、ィンタ一ネット<URL:http://www.mitsubishichips.com/Japan/files/manuals/km0020a1.pdf>)

在用自举方式进行通常运转之前，设置用于对自举用的上述电容(称为[自举电容])充电的期间(称为[预充电期间])，在该期间中一边断开高臂开关元件，一边按顺序接通低臂开关元件，对自举电容进行充电(称为[预充电])。

图6是表示三相逆变器中的预充电期间与接下去的电动机驱动时的开关元件的接通/断开的时序图。例如在预充电期间，每隔500μs，U相、V相、W相的低臂开关元件按该顺序接通。如果将三相低臂开关元件接通的周期设定为1个周期，则例如预充电时间经过30周期、即45ms的长度。

如果预充电时间结束，则为了进行通常的电动机驱动，例如通过脉冲宽度调制来控制U相、V相、W相的高臂开关元件与U相、V相、W相的低臂开关元件的接通/断开。

但是，有的情况下，由于多相逆变器以外的原因而在多相逆变器的负载(多相负载)上产生电压。例如当该多相负载是驱动叶片的电动机的情况下，如果该叶片由于风而旋转，则在多相负载的电动机上产生电压。

因为在预充电期间中不从多相逆变器来驱动多相负载，所以不能够抑制电动机这样的旋转。而且有的情况下，在预充电期间，根据U相、V相、W相的低臂开关元件接通的时间，而产生再生运转状态，多相逆变器侧的直流电压将上升。

通常，如果产生这样的过电压，则在低臂开关元件中也流过过电流。因此为了保护多相逆变器，则既不进行预充电，也不进行多相负载的通常的驱动。具体地说，检测出流过多相逆变器中的电流，如果该电流过大，则停止多相逆变器的开关工作。

本发明目的在于使这样的过电流很难产生，且即使在预充电期间由于外因而在多相负载上产生电压，也很难在低臂开关元件中产生过电流。

发明内容

与本发明相关的多相逆变器(4)，具有：开关电路(45)、多个电容器(33)、多个高侧控制电路(41、42、43)、以及低侧控制电路(44)。

上述开关电路，具有：设置在每相中的、多个串联连接的高臂开关元件(Qu、Qv、Qw)和低臂开关元件(Qx、Qy、Qz)；以及对上述高臂开关元件和上述低臂开关元件的各元件并联连接、且仅在与上述高臂开关元件和上述低臂开关元件的电流流动方向相反的方向流过电流的多个二极管(Du、Dv、Dw、Dx、Dy、Dz)。多个上述高臂开关元件的与上述低臂开关元件的相反侧一端公共连接，多个上述低臂开关元件的与上述高臂开关元件的相反侧一端公共连接，在每一相中从上述高臂开关元件与上述低臂开关元件的连接点将输出电流向多相负载输出。

上述电容器设置在每一相中，它们的一端在每一相中与上述连接点连接，且通过导通上述低臂开关元件来进行充电。

上述高侧控制电路设置在每一相中，从对应的上述电容器接受工作电源，来控制上述高臂开关元件的开关。

在所有上述高臂开关元件为非导通期间，当将从上述连接点向上述多相负载的方向设定为正方向、且当某一相的上述输出电流不到规定值时(S102)，上述低侧控制电路使得在与给予各相之间相比较后的最大值的上述输出电流相对应的相中设置的上述低臂开关元件导通(S103、S104、S105)。

与本发明相关的送风机，具有：上述多相逆变器(4)、上述多相负载的多相电动机(6)、以及由上述多相电动机所驱动的叶片(7)。

与本发明相关的多相电流输出系统，具有：上述多相逆变器或者上述送风机、检测上述输出电流的电流检测电路(5)、以及根据上述输出电流来控制上述低侧控制电流(44)的工作的控制电路(1)。

与本发明相关的多相逆变器的控制方法的第1形态，是控制具有：开关电路(45)、多个电容器(33)、多个高侧控制电路(41、42、43)、以及低侧控制电路(44)的多相逆变器(4)的方法。

上述开关电路，具有：设置在每相中的、多个串联连接的高臂开关元件(Qu、Qv、Qw)和低臂开关元件(Qx、Qy、Qw)；以及对上述高臂开关元件和上述低臂开关元件的各元件并联连接、且仅在与上述高臂开关元件和上述低臂开关元件的电流流动方向相反的方向流过电流的多个二极管(Du、Dv、Dw、Dx、Dy、Dz)。多个上述高臂开关元件的与上述低臂开关元件的相反侧一端公共连接，多个上述低臂开关元件的与上述高臂开关元件的相反侧一端公共连接，在每一相中从上述高臂开关元件与上述低臂开关元件的连接点将输出电流向多相负载输出。

上述电容器设置在每一相中，它们的一端在每一相中与上述连接点连接，且通过导通上述低臂开关元件来进行充电。

上述高侧控制电路设置在每一相中，从对应的上述电容器接受工作电源，来控制上述高臂开关元件的开关。上述低侧控制电路控制上述低臂开关元件的开关。

该控制方法的第1形态，是在所有上述高臂开关元件为非导通期间，当将从上述连接点向上述多相负载的方向设定为正方向、且当某一相的上述输出电流不到规定值时(S102)，使得在与给予各相之间相比较后的最大值的上述输出电流相对应的相中设置的上述低臂开关元件导通(S103、S104、S105)。

与本发明相关的多相逆变器的控制方法的第2形态，是多相逆变器的控制方法的第1形态中，在所有上述高臂开关元件为非导通期间，当所有相的上述输出电流在规定值以上时，按规定的顺序使上述低臂开关元件导通(S106)。

与本发明相关的多相逆变器的控制方法的第3形态，是多相逆变器的控制方法的第1形态或者第2形态中，在所有上述高臂开关元件为非导通时间，只有最初例外，使上述低臂开关元件(Qx、Qy、Qz)的某一个导通(S100)。

如果采用与本发明相关的多相逆变器及其控制方法的第1形态、以及多相电流输出系统，则电容器起到作为高侧控制电路的自举电容器的功能。而且，在所有高臂开关元件为非导通的所谓预充电期间，在低臂开关元件中很难使过电流流过。

如果采用与本发明相关的送风机，则即使在叶片受风的作用而不利用多相逆变器的驱动来进行旋转的情况下，由该旋转而产生的电压很难使过电流流向低臂开关元件。

另外，如果采用控制方法的第2形态，则能够在不会发生过电流的情况下，进行通常的预充电。

另外，如果采用控制方法的第3形态，则能够简单地决定最初导通的低臂开关元件。

关于本发明的目的、特点、形态以及优点，根据下面的详细说明和附图将更明了。

附图说明

图1是表示能够应用与本发明相关的多相逆变器的多相电流输出形态的结构的电路图。

图2是表示低臂开关元件以及二极管中所流过的电流iu、iv、iw的电路图。

图3是表示与本发明相关的低侧控制电路的预充电用开关的工作的流程图。

图4是表示过去技术中的电流iu、iv、iw的曲线图。

图5是表示本发明中的电流iu、iv、iw的曲线图。

图6是表示三相逆变器中的预充电期间以及之后的电动机驱动时的开关元件的接通/断开的时序图。

具体实施方式

第1实施形态

图1是表示能够应用与本发明相关的多相逆变器的多相电流输出形态的结构的电路图。该系统具有多相逆变器4及其负载的电动机6，而且还具有控制多相逆变器4的工作的电路。电动机6驱动例如叶片7。

多相逆变器4具有开关电路45。开关电路45具有多个串联连接的U相、V相、W相的高臂开关元件Qu、Qv、Qw和U相、V相、W相的低臂开关元件Qx、Qy、Qz。在这些开关元件中，除了能够采用通常的功率用晶体管，也能够采用例如IGBT(绝缘栅型双极型晶体管)。

对于各个高臂开关元件Qu、Qv、Qw和低臂开关元件Qx、Qy、Qz并联设置二极管Du、Dv、Dw、Dx、Dy、Dz。这些二极管所流过的电流方向与上述开关元件所流过的电流方向相反。

高臂开关元件Qu、Qv、Qw的端子中，与低臂开关元件Qx、Qy、Qz的相反侧的一端例如集电极公共连接。向该连接点施加用于施加到电动机6上的、例如约300V左右的电位HV。

低臂开关元件Qx、Qy、Qz的端子中，与高臂开关元件Qu、Qv、Qw的相反侧的一端例如发射极公共连接。该连接点与节点N1连接。节点N1通过电阻46与节点N2连接。节点N2例如是接地点。

然后，从开关元件Qu、Qx的连接点、例如高臂开关元件Qu的发射极与低臂开关元件Qx的集电极的连接点，输出U相的输出电流。同样地，从开关元件Qv、Qy的连接点、以及开关元件Qw、Qz的连接点，分别输出V相、W相的输出电流。这些输出电流提供给电动机6。

多相逆变器4还具有设置在每一相中的电容器33，在每一相中，这些电容器的一端和高臂开关元件与低臂开关元件的连接点(即，将输出电流输出的点)连接。对电容器33的另一端，通过电阻31、二极管32，提供比节点N1要高的电位的电位MV、例如16V。

为了限制电容器33的充电电流，而设置电阻31，为了不使电容器33通过电阻31放电，而使二极管32的正向从上述高电位侧指向电容器33侧。

通过这样连接电容器33，从而接通低臂开关元件Qx、Qy、Qz，将分别对与U相、V相、W相对应的电容器33充电。

多相逆变器4还具有设置在每一相中的高侧控制电路41、42、43，分别控制高臂开关元件Qu、Qv、Qw的开关。高侧控制电路41、42、43分别从对应的相的电容器33接受工作电源。

另外，多相逆变器4还具有设置在每一相中的低侧控制电路44，控制低臂开关元件Qx、Qy、Qz的开关。

多相逆变器4能够将这些结构要素放置在一个外壳中，也能够除去电容器33以外放置在一个外壳中。

高侧控制电路41、42、43全部具有电源输入端Vcc、G，在它们之间连接电容器33。电容器33的上述一端以及另一端分别与电源输入端G、Vcc连接。

低侧控制电路44也具有电源输入端Vcc、G，向该电源输入端Vcc施加电位MV，电源输入端G与节点N2连接。

高侧控制电路41、42、43还具有接受控制信号的输入端IN，将由CPU1所指定的开关命令作为规定的电位电平来接受。为了使来自CPU1的信号向该规定的电位电平进行电平移动，而设置开关电路21～26以及电阻34。开关电路21～26能够利用例如光耦合器，使CPU1侧与高侧控制电路41、42、43及低侧控制电路44侧绝缘。即使在不利用光耦合器的状态下不能得到绝缘，但是也能够应用本发明。

对高侧控制电路41、42、43设置开关电路21～23，并给予与CPU1的输出电平吻合的电位LV(例如5V)，而且与电容器33的两端连接。

开关电路21分别接受CPU1的用于开关U相的高臂开关元件的指令，与电阻34一起将它变换为电容器33的两端电压内的电位差。开关电路22、23也进行相同的动作。

对低侧控制电路44设置开关电路24～26，并给予与CPU1的输出电平吻合的电位LV，而且与低侧控制电路44的电源输入端Vcc、G连接。因此，开关电路24接受CPU1的用于开关U相的低臂开关元件的指令，并将它变换为电位MV与节点N2之间的电位差。开关电路25、26也进行相同的动作。

图2是表示在预充电期间将从节点N1向电动机6的方向设定为正方向、在开关电路45与电动机6之间流过的电流iu、iv、iw的电路图。因为在预充电期间所有高臂开关元件Qu、Qv、Qw为非导通状态，因此这里表示低臂开关元件Qx、Qy、Qz以及与其并联连接的二极管Dx、Dy、Dz和电动机6与节点N1。

当低臂开关元件Qx、Qy、Qz分别处于接通、断开、断开的状态时，如果电动机6的U相与V相、W相相比较，变成高电位，则负电流iu流过低臂开关元件Qx，正电流iu、iv分别流过二极管Dx、Dy。于是，像[背景技术]中所述的那样，必须将流过低臂开关元件Qx的电流iu(＜0)的绝对值减小。因此，低侧控制电路44进行下面的工作。

图3是表示低侧控制电路44的预充电用开关的工作的流程图。该流程图表示与通常驱动负载的情况不同的工作，当进行通常的驱动时，经过该流程图的[返回]，转移到众所周知的通常工作用的流程图。

首先在步骤S100中，使低臂开关元件Qx、Qy、Qz中的某一个接通。接着在步骤S101中，判断电流iu、iv、iw是否全部在规定值以上。因为将电流iu、iv、iw从各相的低臂开关元件与高臂开关元件的连接点流向多相负载的方向设定为正方向，所以在电流iu、iv、iw流过二极管Dx、Dy、Dz的情况下，这些值为正。另一方面，在流过低臂开关元件Qx、Qy、Qz的情况下，这些值为负。

因此作为判断基准的规定值是零或者负值，选定其绝对值，使其小于在不损伤低臂开关元件的情况下所流过的电流的绝对值。

于是，因为必须避免流过低臂开关元件的电流的绝对值变大的情况，所以如果电流iu、iv、iw全部是零或者负的规定值以上，则不会发生上述的过电流问题。这时步骤S101的判断结果是肯定的(YES)，转移到步骤S106进行处理。

在步骤S106中进行通常的预充电。即按照预先确定的顺序接通/断开低臂开关元件Qx、Qy、Qz。通过这样，在不会发生过电流的情况下，能够进行通常的预充电。

通常，在预充电之前断开所有的开关元件，因此认为最初电流iu、iv、iw全部为零。所以如果将规定值设定为负值，则从步骤S101进入到步骤S106。因此也可以省略步骤S100。

但是，根据能够简单地决定最初接通的开关元件的这一点，希望设置步骤S100。

另一方面，当电动机6所驱动的叶片7由于风等的外因而旋转，因而在电动机6上产生电压时，有时步骤S101的判断结果是否定的(NO)。这时，即如果电流iu、iv、iw中的某一个比负的规定值更小(如果绝对值大)，则判定其中的最大值是哪一个。当电流iu为最大值时，转移到步骤S103并进行处理，低臂开关元件Qx、Qy、Qz分别为接通、断开、断开。当电流iv为最大值时，转移到步骤S104并进行处理，低臂开关元件Qx、Qy、Qz分别为断开、接通、断开。当电流iw为最大值时，转移到步骤S105并进行处理，低臂开关元件Qx、Qy、Qz分别为断开、断开、接通。

在进行了步骤S103～S106的处理之后，转移到步骤S107并进行处理，判断预充电期间是否结束。在判断结果是肯定的情况下，经过[返回]，转移到通常驱动负载时的流程图(附图省略)。

在判断结果是否定的情况下，因为预充电期间还在继续，所以返回步骤S101并进行处理。

这样，在某相的低臂开关元件中所流过的电流成为过电流之前，通过断开该低臂开关元件，就很难发生过电流。根据这样的意思，也可以在电流iu、iv、iw之中，断开与不到规定值的电流相对应的低臂开关元件，接通其它某一个低臂开关元件。

例如以图2的例子来说，在上述流程图中，当电流iw比电流iv大时，接通低臂开关元件Qz，当电流iv比电流iw大时，接通低臂开关元件Qy。然而，无论电流iv、iw的大小关系如何，只要低臂开关元件Qy、Qz中的某一个接通，首先能够使低臂开关元件Qx中很难发生过电流。

但是，如果当电流iv比电流iw大时，接通低臂开关元件Qz，则当电流iv非常大时，在低臂开关元件Qz中容易流过过电流的可能性也非常高。因此，希望使与给予最大值的电流相对应的相的低臂开关元件接通，从而从图3所示的步骤S102向步骤S103、S104、S105转移。通过这样，能够抑制基于再生运转状态而导致的直流电压的上升。

为了检测出电流iu、iv、iw，在图1所示的多相电流输出系统中还具有电流检测电路5。然后，将该检测结果给予CPU1，并由CPU1进行步骤S101～S107的控制。因为电流iu、iv、iw的总和为零，所以如图1所示的例子省略对U相的电流iu的检测，这能够在CPU1中通过反转电流iv、iw之和的符号来求得。

实施例

图4及图5是表示电流iu、iv、iw的曲线图，表示在预充电期间在电动机6中由于外因而产生电压的情况。图4表示过去的预充电的情况，图5表示采用本发明的预充电的情况(全部设定为2700转/分的仿真结果)。

在图4中，在0.008秒(8ms)的时间点上电流iw在-55A以下，认定为过电流。由于这样而中断预充电(断开所有的开关元件)，电流iu、iv、iw几乎为零。

在图5中，电流iu、iv、iw的绝对值没有超过50A，所以在不会发生过电流的状态下继续进行预充电。

采用这样用于确认过电流来保护多相逆变器的处理，即使在由于外因而在负载上产生电压时，通过应用本发明，也能够使过电流难以产生，并避免预充电中断。

本发明对于例如电动机6以外的多相负载当然也能够适用。但是，在采用设置了叶片7的电动机6等、由于外因而产生电压的多相负载的情况下，是比较合适的。例如对于具有多相逆变器4、电动机6以及叶片7的送风机，希望采用本发明。

作为叶片7由于外因而旋转的那样的送风机，能够举例有空调的室外机。

虽然本发明进行了详细的说明，但是在所有的形态中，上述说明是表示示例，本发明不仅限于这些。没有示例的无数变形例也被认为是属于本发明的范围中的部分。

Claims (6)

1.一种多相逆变器(4)，其特征在于，

具有：开关电路(45)、多个电容器(33)、多个高侧控制电路(41、42、43)、以及低侧控制电路(44)，

所述开关电路，具有：

设置在每一相中的、多个串联连接的高臂开关元件(Qu、Qv、Qw)和低臂开关元件(Qx、Qy、Qz)；以及

对于各个所述高臂开关元件和所述低臂开关元件并联连接、且仅在与所述高臂开关元件和所述低臂开关元件的电流流动方向相反的方向流过电流的多个二极管(Du、Dv、Dw、Dx、Dy、Dz)，

多个所述高臂开关元件的与所述低臂开关元件的相反侧的一端公共连接，

多个所述低臂开关元件的与所述高臂开关元件的相反侧的一端公共连接，

在每一相中使输出电流从所述高臂开关元件与所述低臂开关元件的连接点向多相负载输出，

所述电容器设置在每一相中，且各自的一端在每一相中与所述连接点连接，并通过导通所述低臂开关元件来进行充电，

所述高侧控制电路设置在每一相中，从对应的所述电容器接受工作电源，来控制所述高臂开关元件的开关，

所述低侧控制电路在所述高臂开关元件全部为非导通期间，当将从所述连接点流向所述多相负载的方向设定为正方向、且某一相的所述输出电流比为零或者负值的规定值要小时(S102)，使得设置在与给予各相间比较后的最大值的所述输出电流相对应的相中的所述低臂开关元件导通(S103、S104、S105)。

2.一种送风机，其特征在于，

具有：

权利要求1中所述的多相逆变器(4)、

所述多相负载的多相电动机(6)、以及

由所述多相电动机所驱动的叶片(7)。

3.一种多相电流输出系统，其特征在于，

具有：

权利要求1中所述的多相逆变器或者权利要求2中所述的送风机、

检测所述输出电流的电流检测电路(5)、以及

根据所述输出电流来控制所述低侧控制电路(44)的工作的控制电路(1)。

4.一种多相逆变器的控制方法，其特征在于，

是控制多相逆变器的方法，该多相逆变器具有：开关电路(45)、多个电容器(33)、多个高侧控制电路(41、42、43)、以及低侧控制电路(44)，

所述开关电路，具有：

设置在每一相中的、多个串联连接的高臂开关元件(Qu、Qv、Qw)和低臂开关元件(Qx、Qy、Qz)；以及

对于各个所述高臂开关元件和所述低臂开关元件并联连接、且仅在与所述高臂开关元件和所述低臂开关元件的电流流动方向相反的方向流过电流的多个二极管(Du、Dv、Dw、Dx、Dy、Dz)，

多个所述高臂开关元件的与所述低臂开关元件的相反侧的一端公共连接，

多个所述低臂开关元件的与所述高臂开关元件的相反侧的一端公共连接，

在每一相中从所述高臂开关元件与所述低臂开关元件的连接点将输出电流向多相负载输出，

所述电容器设置在每一相中，且各自的一端在每一相中与所述连接点连接，且通过导通所述低臂开关元件来进行充电，

所述高侧控制电路设置在每一相中，从对应的所述电容器接受工作电源，来控制所述高臂开关元件的开关，

所述低侧控制电路控制所述低臂开关元件的开关，

在所述控制多相逆变器的方法中，

在所述高臂开关元件全部为非导通期间，当将从所述连接点流向所述多相负载的方向设定为正方向、且某一相的所述输出电流比为零或者负值的规定值要小时(S102)，使得设置在与给予各相间比较后的最大值的所述输出电流相对应的相中的所述低臂开关元件导通(S103、S104、S105)。

5.如权利要求4中所述的多相逆变器的控制方法，其特征在于，

在所述高臂开关元件全部为非导通期间，当所有相的所述输出电流在规定值以上时，按照规定的顺序使所述低臂开关元件导通(S106)。

6.如权利要求4或5中所述的多相逆变器的控制方法，其特征在于，

在所述高臂开关元件全部为非导通期间，在初次判断所述输出电流是否全部在规定值以上之前，使所述低臂开关元件(Qx、Qy、Qz)中的某一个接通(S100)。

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