CN101924517A - 逆变器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种逆变器装置，该逆变器装置包括滤波电路、逆变器电路、电流检测电路、电压检测电路、用于输出驱动信号以便接通和断开开关器件的控制电路以及内部电源。控制电路包括停机电路，该停机电路用于当流过电机的电流是过电流或者逆变器电路上的电压是过电压时，停止从控制电路向开关器件输出驱动信号。停机电路还在从内部电源输出的电压不稳定时停止从控制电路向开关器件输出驱动信号。当在逆变器装置从高压电池断开之后使用由电容器中的剩余电荷造成的电力时，控制电路基于三角参考波形和三个命令值生成驱动信号，所述三个命令值用于将与三相中的一相相对应的开关器件保持在接通或断开状态，并且用于接通和断开与剩余的两相相对应的其它开关器件。

Description

逆变器装置
技术领域
本发明涉及用于控制三相电机运行的逆变器装置。
背景技术
在混合动力或电动车辆中，用于驱动车辆或压缩机的电机由高压电池驱动，而通信装置如音频仪表、本地互连网络(LIN)或控制器局域网(CAN)则由低压电池驱动。在这种结构中，通过用于控制用于电机的逆变器装置的CPU和用于控制通信装置的另一个CPU之间的光电耦合器来发送和接收信号(例如参见日本专利申请公布第2004-336907号)。
包括线圈和电容器的滤波电路设置在用于控制电机驱动的逆变器装置的输入级中，用于抑制逆变器装置的输出级的噪声。由于电容器设置在逆变器装置的输入级中，所以电容器会花时间存储在它从高压电池断开时会进行放电的电力，因此输入级的电压不会迅速下降。所以，当输入级的电压需要在从高压电池断开之后在预定长度的时间之内下降时，上述结构无法满足这样的要求。
为了将逆变器装置的输入级中的电容器中存储的电力在预定长度的时间内减少到预定值之下，可以考虑一些方法如将电阻器与电容器并联连接，或者响应于检测到从高压电池断开而将电阻器连接到电容器。然而，在前者的情况下(其中电阻器总是连接到高压电池)，电力被电阻器无用地消耗，并且相应地温度上升。因此，该装置应当进行放大，或者生成的热应当被释放，以便温度不会过度上升。在后者的情况下，需要添加用于检测从高压电池断开的电路。
为了将逆变器装置的输入级中的电容器的电力在预定长度的时间内减少到预定值之下，需要减少电容器的电容，但是当简单地使电容器的电容变小时，可能无法适当地驱动逆变器装置。
本发明旨在提供一种逆变器装置，其在没有使用用于释放存储在电容器中的电力的额外电路的情况下，通过减少电容器的电容，使得逆变器的输入级中的电容器可以在预定长度的时间之内将输入级的电压减少到预定电平。
发明内容
一种逆变器装置包括滤波电路、逆变器电路、电流检测电路、电压检测电路、用于输出驱动信号以便接通和断开开关器件的控制电路以及内部电源。控制电路包括停机电路，该停机电路用于当流过电机的电流是过电流或者逆变器电路上的电压是过电压时，停止从控制电路向开关器件输出驱动信号。停机电路还在从内部电源输出的电压不稳定时停止从控制电路向开关器件输出驱动信号。当在逆变器装置从高压电池断开之后使用由电容器中的剩余电荷造成的电力时，控制电路基于三角参考波形和三个命令值生成驱动信号，所述三个命令值用于将与三相中的一相相对应的开关器件保持在接通或断开状态，并且用于接通和断开与剩余的两相相对应的其它开关器件。
从结合作为例子图示本发明原理的附图的以下描述中，本发明的其它方面和优点将会变得明显。
附图说明
在所附权利要求中具体阐述了据信有新颖性的本发明的特征。通过连同附图一起参考当前优选实施例的以下描述，可以最好地理解本发明及其目的和优点，其中：
图1是示出根据本发明的优选实施例的逆变器装置的电路图；
图2是示出图1的逆变器装置的内部电源的电路图；
图3是示出电阻器的电阻值和MOSFET的切换损耗之间的关系的曲线图；
图4是示出形成逆变器装置一部分的停机电路和形成停机电路一部分的确定电路的电路图；以及
图5是示例二元相位调制中的驱动信号的命令值的曲线图。
具体实施方式
图1是示出根据本发明的优选实施例的逆变器装置的电路图。图1中示出的逆变器装置1被设计成将直流电流转换成交流电流，并且被设计成控制用于在混合动力或电动车辆中使用的压缩机的电机的运行，而且包括滤波电路2、逆变器电路3、充当用于检测流过电机的电流的电流检测电路的旁路电阻器4-6、电压检测电路7、温度检测电路8、CPU 9、停机电路10、驱动电路11和内部电源12。CPU 9、停机电路10和驱动电路11协作以形成控制电路。
滤波电路2包括：电容器14，其并联连接到高压电池13；以及线圈15，其设置在高压电池13和电容器14之间，用于抑制逆变器电路3所生成的电压和电流的噪声。
逆变器电路3包括彼此串联连接的n沟道绝缘栅双极型晶体管(IGBT)16和17、彼此串联连接的n沟道IGBT 18和19以及彼此串联连接的n沟道IGBT 20和21，并且滤波电路2分别并联连接到高压电池13、IGBT 16和17、IGBT 18和19以及IGBT 20和21。标号22指示下述电机，该电机具有U相、V相和W相绕组，它们分别连接到IGBT 16和17的连接点、IGBT 18和19的连接点以及IGBT 20和21的连接点。通过依次接通和断开IGBT 16至21，三相交流电流流过电机22，从而使电机22的转子旋转。形成逆变器电路3的每个开关器件不限于IGBT如具有并联连接的二极管的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
旁路电阻器4、5和6分别连接在U相下侧的IGBT 17和高压电池13的负号端子之间、V相下侧的IGBT 19和高压电池13的负号端子之间以及W相下侧的IGBT 21和高压电池13的负号端子之间。基于分别施加到旁路电阻器4-6的电压，CPU 9确定流过U相、V相和W相的电流Iu、Iv和Iw。代替旁路电阻器4-6，一个旁路电阻器可以连接在IGBT 17、19、21中的每一个的发射极和高压电池13的负号端子之间。在这种情况下，CPU 9在预定时刻检测这样的旁路电阻器上的电压，并且基于检测的电压分别计算流过U相、V相和W相的电流Iu、Iv和Iw。
电压检测电路7检测施加到逆变器电路3的电压Vin。温度检测电路8检测逆变器电路3的温度。CPU 9基于电流Iu、Iv和Iw计算电机22的转子的当前位置，然后基于转子的当前位置和外部输入的扭矩命令确定分别对于U相、V相和W相的电压命令。然后，使用上述三个电压命令和三角参考波形，CPU 9生成分别用于PWM控制IGBT 16-21的接通/断开的驱动信号。当温度检测电路8所检测的温度超过预定温度时，CPU9停止输出驱动信号。CPU 9还通过光电耦合器23向CPU 25发送信号并从CPU 25接收信号，该CPU 25控制处理LIN和CAN的通信设备24。光电耦合器23、通信设备24和CPU 25由低压电池26驱动。
停机电路10可操作用于在正常状态下输出从CPU 9输出的驱动信号，但是在异常状态下(例如，当旁路电阻器4-6的电压中的任何一个超过指示过电流的电压时，或者当电压检测电路7所检测的电压超过指示过电压的电压时)不输出信号。
驱动电路11将从停机电路10输出的驱动信号分别输出到IGBT16-21的栅极，从而驱动IGBT 16-21接通和断开。
基于通过滤波电路2从高压电池13输出的电压，内部电源12输出电压亦即V1至CPU 9、V2至停机电路10以及V3至驱动电路11。
开关27设置在高压电池13和逆变器装置1的滤波电路2之间，分别连接到高压电池13的正负端子，并且可与例如车辆的点火开关的操作协同操作。当点火开关接通时，开关27闭合以连接高压电池13和逆变器装置1；当点火开关断开时，开关27打开以将高压电池13从逆变器装置1断开。
图2示出了内部电源12的电路图。内部电源12包括电容器28、29、变压器30、作为晶体管的n沟道MOSFET 31、电阻器32-34、内部电源控制电路35、整流电路36-38和平滑电路39-41。内部电源控制电路35基于向内部电源12输入的电压来执行其驱动操作。电容器14、变压器30的初级线圈、MOSFET 31和电阻器34布置成使得电路的回路区域由尽可能小的部分和装置形成。通过如此布置，可以减少电路的回路所生成的噪声。内部电源控制电路35连接到MOSFET 31的控制端。MOSFET 31连接到变压器30的初级线圈。变压器30的初级线圈连接到电容器14。整流电路36-38分别连接到变压器30的次级线圈。平滑电路39-41分别连接到整流电路36-38。
电容器28、29彼此串联连接并在其连接点处接地。这种连接(所谓的Y电容器连接)抑制了向内部电源12输入的浪涌电压。电容器28、29布置成使得连接到电容器28、29的线42尽可能短，这减少了线42所固有的电感，并从而减少了这样的电感所造成的噪声。
MOSFET 31设置在连接到电容器14高压侧的变压器30的初级线圈和电容器14的低压侧之间。MOSFET 31由内部电源控制电路35以接通和断开的方式控制，并且通过变压器30将存储在电容器14中的电力传送到整流电路36-38。考虑到由MOSFET 31的振颤引起的噪声对其它器件的影响还有图3中示出的MOSFET 31的切换损耗，将连接到MOSFET 31的控制端亦即栅极的电阻器32的电阻值设置到最优值。
从变压器30的多个次级线圈输出的交流电流由整流电路36-38整流，由平滑电路39-41平滑，然后分别提供给CPU 9、停机电路10和驱动电路11。电源电压V1、V2、V3分别从平滑电路41、40、39输出。
参考图4A，停机电路10包括过电流确定电路43、过电压确定电路44、确定电路45和驱动信号生成电路46。
确定电路45包括分压电路47、稳定性检查电压生成电路48和比较电路49。停机电路10可以省去确定电路45。
当旁路电阻器4-6上的电压中的任何一个超过过电流确定的电压时，过电流确定电路43输出过电流信号S1，其指示在电机22的各个相的线路中流动的电流Iu、Iv和Iw中的任何一个是过电流。
当电压检测电路7所检测的电压Vin超过过电压确定的电压时，过电压确定电路44输出过电压信号S2，其指示施加在逆变器电路3上的电压是过电压。
分压电路47包括多个电阻器，并且可操作用于通过划分从内部电源12输出的电压V2来输出电压V4。稳定性检查电压生成电路48可以设置例如包括电阻器和电容器的低通滤波器，并且可操作用于将电压V2平滑成稳定性检查电压。分压电路47将从内部电源12输出的电压V2划分成分压V4，以便在启动后当电压V2稳定时，分压V4与从稳定性检查电压生成电路48输出的稳定性检查电压相对应。
比较电路49包括比较器，并且可操作用于当稳定性检查电压低于电压V4时输出稳定性信号S3，其指示从内部电源12输出的电压V2尚未稳定，如图4B所示。
驱动信号生成电路46可操作用于在正常状态下将从CPU 9输出的驱动信号输出到驱动电路11，但是在下述异常状态下停止将驱动信号从CPU 9输出到驱动电路11，所述异常状态为：当驱动信号生成电路46接收到指示电机22的三相交流电流Iu、Iv、Iw中的任何一个是过电流的过电流信号S1时，接收到指示过电压被施加到逆变器电路3上的过电压信号S2时，以及接收到指示从内部电源12输出的电压尚未稳定的稳定性信号S3时。
这样一来，如图4B所示，当从内部电源12输出的电压V2尚未稳定时，在时间长度为t的时间内停止逆变器电路3，但在电压V2稳定之后驱动逆变器电路3，结果是防止了由其任何故障引起的IGBT 16-21的击穿。
如图4C所示，在从内部电源12输出的电压V2稳定之前，从高压电池13输出的电压被施加到逆变器电路3。因此，如果可能对IGBT 16-21造成故障的驱动信号被从CPU 9输出到IGBT 16-21，则IGBT 16-21可能会被破坏。根据本发明的实施例，其中逆变器装置1如此形成，使得在启动后当从内部电源12输出的电压V2尚未稳定时，停止从CPU 9向驱动电路11输出驱动信号。这样一来，在内部电源12启动后当电压V2尚未稳定时，不向IGBT 16-21输出驱动信号，因此，防止了IGBT 16-21由可能对IGBT 16-21造成错误操作的任何驱动信号引起的故障。
这样一来，尽管基于通过滤波电路2从高压电池13输出的电压对CPU 9等进行了驱动，但是根据本发明实施例的逆变器装置1保护了IGBT 16-21免于故障。因此，在逆变器装置1从高压电池13断开之后，使用作为剩余电荷存储在滤波电路2的电容器14中的电力，内部电源12可以向CPU 9等输出电源电压。这样一来，由于由CPU 9、停机电路10和驱动电路11形成的控制电路通过存储在电容器14中的电力持续运行，直到电力下降到预定值以下为止，所以存储在电容器14中的电力可以有效地释放。
在实施例的逆变器装置1中，在逆变器装置1从高压电池13断开之后，使用作为剩余电荷存储在电容器14中的电力，当内部电源13向CPU9等输出电源电压时，建立三角参考波形，该三角参考波形在根据电容器14的电容生成驱动信号时使用，以便逆变器电路3的电压在预定长度的时间内下降到预定值之下。例如，当电容器14的电容要被减少以便在逆变器装置1从高压电池13断开之后逆变器电路3的电压在预定长度的时间内下降到预定值之下时，三角波形的频率增加，以便减少电容器14的电容。
根据本发明的实施例，在逆变器装置1从高压电池13断开之后，逆变器装置1的输入级的电压可以在预定长度的时间内减少到预定值之下。在实施例的逆变器装置1中，当以PWM的方式生成驱动信号时，通过三个命令(在所谓的“二元相位调制”中使用的命令值)生成驱动信号。具体地，根据这三个命令，对应于三相(U相、V相和W相)中之一的一对IGBT保持接通或断开状态而不进行接通和断开操作，而对应于剩余两相的两对IGBT则进行接通和断开操作。例如，当在0-60度之间的电机22的转子的角度位置处使用图5中示出的U相、V相和W相的每个命令值来生成驱动信号时，对应于U相和W相的IGBT 16、17、20、21进行接通和断开操作，而对应于V相的IGBT 18、19则保持接通或断开而不进行接通-断开操作。在60-120度之间的电机22的角度位置处，对应于V相和W相的IGBT 18、19、20、21进行接通和断开操作，而对应于U相的IGBT 16、17则保持接通或断开而不进行接通-断开操作。在120-180度之间的电机22的角度位置处，对应于U相和V相的IGBT 16、17、18、19进行接通和断开操作，而对应于W相的IGBT 20、21则保持接通或断开而不进行接通-断开操作。
这样一来，电容器14的电容就可以减少，以便在逆变器装置1从高压电池13断开之后，施加到逆变器电路3的电压在预定长度的时间内下降到预定值之下。因此，即使三角参考波形的频率增加，也可以减少逆变器装置的切换损耗。

Claims (10)

1.一种逆变器装置，包括：
滤波电路，其包括电容器和线圈；
逆变器电路，其包括多个开关器件，其中，通过接通和断开所述开关器件，所述逆变器电路将通过所述滤波电路从高压电池输出的直流电流转换成三相交流电流，并且所述逆变器电路将作为所述交流电流的电流输出到电机；
电流检测电路，用于检测流过所述电机的电流；
电压检测电路，用于检测向所述逆变器电路施加的电压；以及
控制电路，用于基于所述电流检测电路检测的电流来输出驱动信号以便接通和断开所述开关器件，其中，所述控制电路包括停机电路，所述停机电路用于当所述电流检测电路检测的电流是过电流或者所述电压检测电路检测的电压是过电压时，停止从所述控制电路向所述开关器件输出所述驱动信号，其特征在于，所述逆变器装置进一步包括：
内部电源，用于当所述逆变器电路连接到所述高压电池时通过从所述高压电池输出的电压向所述控制电路提供电力，并且还用于在所述逆变器电路从所述高压电池断开之后通过所述电容器中的剩余电荷来提供电力，
其中所述停机电路包括确定电路，所述确定电路用于确定从所述内部电源输出的电压是否稳定，其中当从所述内部电源输出的电压不稳定时，所述停机电路停止从所述控制电路向所述开关器件输出所述驱动信号，其中当在所述逆变器装置从所述高压电池断开之后使用所述电容器中的剩余电荷时，所述控制电路基于三角参考波形和三个命令值生成所述驱动信号，所述三个命令值用于将与三相中的一相相对应的开关器件保持在接通或断开状态，并且用于接通和断开与剩余的两相相对应的其它开关器件。
2.根据权利要求1所述的逆变器装置，其特征在于，根据所述电容器的电容来建立所述三角参考波形的频率，以便向所述逆变器电路施加的电压在预定长度的时间内下降到预定值之下。
3.根据权利要求1所述的逆变器装置，其特征在于，所述确定电路进一步包括：
稳定性检查电压生成电路，用于将从所述内部电源输出的电压平滑成稳定性检查电压；
分压电路，用于根据从所述内部电源输出的电压生成分压；以及
比较电路，用于在所述稳定性检查电压低于所述分压时输出稳定性信号，所述稳定性信号使所述停机电路停止输出所述驱动信号。
4.根据权利要求3所述的逆变器装置，其特征在于，所述稳定性检查电压生成电路包括低通滤波器，所述分压电路包括多个电阻器，并且所述比较电路包括比较器。
5.根据权利要求1所述的逆变器装置，其特征在于，所述控制电路包括：
驱动电路，用于驱动所述开关器件接通和断开；以及
CPU，用于使用用于所述电机的各个相的电压命令和三角参考波形来生成所述驱动信号，其中，所述CPU基于来自所述电流检测电路的电流来确定用于各个相的所述电压命令。
6.根据权利要求5所述的逆变器装置，其特征在于，所述逆变器装置进一步包括：
旁路电阻器，其设置在所述电机的每个相的开关器件和所述高压电池的负号端子之间，其中所述旁路电阻器形成所述电流检测电路，
其中所述停机电路包括：
过电流确定电路，用于当所述旁路电阻器上的电压超过过电流确定的电压时输出过电流信号，所述过电流信号指示在所述电机的各个相中流动的电流中的任何一个是过电流；以及
过电压确定电路，用于当所述电压检测电路检测的电压超过过电压确定的电压时输出过电压信号，所述过电压信号指示所述逆变器电路上的电压是过电压。
7.根据权利要求3所述的逆变器装置，其中，所述逆变器装置进一步包括：
旁路电阻器，其设置在所述电机的每个相的开关器件和所述高压电池的负号端子之间，其中所述旁路电阻器形成所述电流检测电路，其中所述控制电路包括：
驱动电路，用于驱动所述开关器件接通和断开；以及
CPU，用于使用用于所述电机的各个相的电压命令和三角参考波形来生成所述驱动信号，其中，所述CPU基于来自所述电流检测电路的电流来确定用于各个相的所述电压命令，其中所述停机电路包括：
过电流确定电路，用于当所述旁路电阻器上的电压超过过电流确定的电压时输出过电流信号，所述过电流信号指示在所述电机的各个相中流动的电流中的任何一个是过电流；
过电压确定电路，用于当所述电压检测电路检测的电压超过过电压确定的电压时输出过电压信号，所述过电压信号指示所述逆变器电路上的电压是过电压；以及
驱动信号生成电路，用于当所述驱动信号生成电路接收到所述过电流信号、所述过电压信号和所述稳定性信号中的任何一个时，停止从所述CPU向所述驱动电路输出所述驱动信号。
8.根据权利要求1所述的逆变器装置，其特征在于，所述控制电路通过光电耦合器向低压电池驱动的电路发送信号并通过所述光电耦合器从所述低压电池驱动的电路接收信号。
9.根据权利要求1所述的逆变器装置，其特征在于，所述内部电源包括：
变压器，其中所述变压器的初级线圈连接到所述电容器；
晶体管，其串联连接到所述初级线圈；
内部电源控制电路，其连接到所述晶体管的控制端；
整流电路，其连接到所述变压器的次级线圈；以及
平滑电路，其连接到所述整流电路，其中当所述内部电源控制电路驱动所述晶体管时，从所述初级线圈向所述次级线圈传送电力，其中被感应到所述次级线圈的电力由所述整流电路整流，由所述平滑电路平滑，并被分别提供给所述CPU、所述停机电路和所述驱动电路。
10.根据权利要求1所述的逆变器装置，其特征在于，在所述高压电池和所述逆变器装置的所述滤波电路之间设置开关，其中当所述开关接通时，所述逆变器装置的所述滤波电路连接到所述高压电池，并且当所述开关断开时，所述逆变器装置的所述滤波电路从所述高压电池断开。
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