CN102291082A - 电力变换装置 - Google Patents

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Abstract

提供通过在多个保护电路之间设定优先度的构成而能实现更有效的保护控制的电力变换装置。为此，在从电动机控制微机(206)到栅极驱动部(109)的控制信号线上，在缓冲器(201)的下游侧设有缓冲器(202a、202b)。缓冲器(201)若有三相断相信号或三相短路信号的输入，则将High信号作为控制信号输出到上下臂的每个半导体开关元件。缓冲器(202a、202b)若有三相短路信号的输入，则将Low信号作为控制信号输出。因此，缓冲器(202a、202b)的保护动作(三相短路)优先于缓冲器(201)的保护动作(三相断相)执行。通过设这样的优先顺位，能统一控制多个保护动作，易于使优先度高的保护动作优先执行。

Description

电力变换装置
技术领域
本发明涉及基于半导体开关元件的电力变换装置。
背景技术
在通过具备半导体开关元件的逆变器(inverter)电路来进行电力变换，并将该电力供给到负载的装置中，具备多个过电流保护电路或过电压保护电路等保护电路的装置是公知的(例如，参照专利文献1)。
专利文献1：JP特开2003-88093号公报
但是，在上述专利文献1所记载的装置中，各保护电路进行的保护动作彼此独立。因此，即使在例如从装置保护的观点出发而想优先进行某保护动作的情况下，也有其他保护动作先被开始的不良状况发生的可能。
发明内容
为此，第一形态的发明是一种电力变换装置，具备：逆变器，其使构成上臂的多个开关元件以及构成下臂的多个开关元件进行开关动作，来将从直流电源供给的直流电流变换成交流电流；控制部，其具有信号生成部，该信号生成部针对上臂的多个开关元件以及下臂的多个开关元件的每一个来生成命令开关动作的开关信号，控制部将生成的开关信号作为控制信号进行输出；和驱动部，其基于多个控制信号来分别驱动对应的开关元件，其中，控制部，在信号生成部与驱动部之间的控制信号线上，具有多个串联的保护电路，这些保护电路在非保护动作时，输出所输入的控制信号，而在保护动作时，代替所输入的控制信号，输出使开关元件成为截止状态或者导通状态的控制信号。
第二形态的发明，是在第一形态的电力变换装置的基础上，控制部具有串联连接的第一保护电路和第二保护电路，第一保护电路输入来自信号生成部的各开关信号，在因异常发生而有第一触发信号的输入时，取代所输入的各开关信号，与上臂以及下臂的各开关元件对应地输出使开关元件成为截止状态的控制信号，而在没有第一触发信号的输入时，将所输入的各开关信号作为控制信号进行输出，第二保护电路输入在从第一保护电路输出的控制信号之中与上臂以及下臂两者中的任意一者的臂有关的控制信号，在因异常发生而有第二触发信号的输入时，取代从第一保护电路输入的控制信号，将使开关元件成为导通状态的控制信号输出到所述一者的臂的各开关元件，而在没有第二触发信号的输入时，将从第一保护电路输入的控制信号直接输出，驱动部基于从第二保护电路输出的与上臂以及下臂两者中的任意一者的臂有关的控制信号、以及从第一保护电路输出的与另一者的臂有关的控制信号，驱动构成上臂的多个开关元件以及构成下臂的多个开关元件。
根据本发明，在多个保护电路之间设定优先度，从而能够更有效地进行保护控制。
附图说明
图1是表示混合动力机动车用电动机驱动装置的电路图的图。
图2是表示电动机驱动控制部105的逻辑电路的图。
图3是说明三相短路动作的图。
图4是表示三相短路驱动信号控制逻辑204的详细电路的图。
图5是说明过电压检测时的动作的图。
图6是表示过电压检测部106的一例的图。
图7是表示逻辑表的图。
(符号说明)
101：直流电源、102：平滑电容器、103：逆变器部、104：电动机、105：电动机驱动控制部、106：过电压检测部、107：过电流检测部、108：逆变器异常检测部、109：栅极驱动部、201，202a，202b，203：缓冲器、204：三相短路驱动信号控制逻辑、205：定时电路、206：电动机控制微机
具体实施方式
以下，参照附图，针对用于实施本发明的方式进行说明。图1表示混合动力机动车用电动机驱动装置的电路图。在图1中，101是直流电源，102是平滑电容器，103是逆变器部，104是电动机，105是电动机驱动控制部，106是过电压检测部，107是过电流检测部，108是逆变器异常检测部，109是栅极驱动部。平滑电容器102与直流电源101并联连接。在直流电源101中设有接触器(contactor)101a。
逆变器部103通过三相全桥连接半导体开关元件3a～3f而构成。关于本实施方式的开关元件3a～3f，利用的是搭载了IGBT(Insulated GateBipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)和回流用二极管的开关元件。过电压检测部106测定直流电源101的正极侧线与负极侧线之间的电压，若检测到过电压，则将过电压检测信号OV输出到电动机驱动控制部105。过电流检测部107测定电动机104的各线电流，若检测到过电流，则将过电流检测信号OC输出到电动机驱动控制部105。
逆变器异常检测部108若检测到电动机104或半导体开关元件、逆变器部103的异常，则将栅极故障信号输出到电动机驱动控制部105。判断为异常是在诸如用于半导体开关元件3a～3f的IGBT的短路电流检测时、或IGBT的栅极驱动电源电压比阈值低时。
IGBT的短路电流检测，有诸如利用电流镜(current mirror)IGBT的方法、或监视IGBT的集电极-发射极间的电压的方法。将IGBT的短路电流检测阈值设定为例如使过电流检测部107的阈值的2倍以上的电流流过数μs时进行动作。栅极驱动电源电压的降低会导致集电极-发射极间的电压上升，从而芯片的发热会增大。因此，将检测阈值设定为使芯片温度不超过热额定那样的值。关于在检测到逆变器部103的异常而输出栅极故障信号时的动作，将后述。
栅极驱动部109将与来自电动机驱动控制部105的开关控制信号对应的栅极驱动信号输出到设置在逆变器部103中的半导体开关元件3a～3f。在正常驱动时，从电动机驱动控制部105输入PWM(Pulse WidthModulation：脉宽调制)控制信号到逆变器部103，并基于该PWM控制信号来使设置在逆变器部103中的半导体开关元件3a～3f进行开关，由此，从直流电源101输入到逆变器部103的直流电压被变换成任意的三相交流。
图2表示电动机驱动控制部105的逻辑电路。在本实施方式中，有设置在比电动机驱动控制部105更上位的控制器中的主微机(mainmicrocomputer)(未图示)、和设置在电动机驱动控制部105中的电动机控制微机206。电动机驱动控制部105通常由电动机控制微机206控制。电动机控制微机206为了对电动机给出任意的转矩或转数，计算逆变器部103的半导体开关元件的合理的开关时间，并进行PWM控制。其结果是，对电动机104的各相施加交流电压以及电流来进行驱动控制。
由于电动机控制微机206的异常有导致电动机104的异常动作或IGBT的破坏的可能性，因此，主微机在检测到电动机控制微机206的异常时，从主微机送出三相断相(open)或者三相短路(short)的信号，来确保车辆的安全。例如，在主微机和电动机控制微机206之间进行SPI(Serial Peripheral Interface：串行外设接口)通信，确认对于从主微机到电动机控制微机206的计算指令的回答(例如，对于“1+1”的计算指令的回答)的匹配性，由此检测电动机控制微机206的异常。
在电动机控制微机206和栅极驱动部109之间的开关控制信号的线上，设置有作为保护电路发挥功能的缓冲器(buffer)201、202a、202b、203。缓冲器201、203设置在构成上下臂的半导体开关元件3a～3f的全部开关控制信号线上。缓冲器202a设置在构成上臂的半导体开关元件3a、3b、3c的开关控制信号线上。缓冲器202b设置在构成下臂的半导体开关元件3d、3e、3f的开关控制信号线上。
从电动机控制微机206输出的与各半导体开关元件3a～3f有关的开关控制信号经由这些缓冲器201、202a、202b、203而输入到栅极驱动部109。缓冲器201、202a、202b、203是三状态缓冲器，将三相断相信号或三相短路信号等作为改变缓冲器状态的控制信号(以下称作“触发信号”)进行输入。
在未输入触发信号的情况下，缓冲器201、202a、202b、203处于导通状态，并将输入到各缓冲器201、202a、202b、203的信号直接输出。另一方面，若输入触发信号，则各缓冲器201、202a、202b、203成为截止状态(高阻抗状态)。若缓冲器201成为截止状态，则缓冲器201的输出侧(即，缓冲器202a、202b的输入侧)被上拉到High(高)状态。若缓冲器202a、202b成为截止状态，则缓冲器202a、202b的输出侧(即，缓冲器203的输入侧)被下拉到Low状态。若缓冲器203成为截止状态，则缓冲器203的输出侧(即，栅极驱动部109的输入侧)成为高阻抗状态，栅极驱动部109内的光电耦合器成为非导通，因此开关元件3a～3f成为OFF。(在缓冲器203的输出为High信号时，光电耦合器也成为非导通，因此开关元件3a～3f成为OFF。)
栅极驱动电路109在输入Low(低)信号时，使半导体开关元件为ON(导通状态)，反之，在输入High信号时，使半导体开关元件为OFF(截止状态)。在本实施方式中，作为异常时的保护动作，进行这样的动作：通过截止缓冲器201、202a、202b、203中的特定的缓冲器输出，使半导体开关元件3a～3f全部成为OFF的三相断相动作；或仅使上臂的3a～3c或者下臂的3d～3f成为ON而使其他的半导体开关元件成为OFF，来进行三相短路(上臂三相短路、下臂三相短路)动作。
(三相断相动作)
三相断相动作基本上由来自主微机的三相断相信号执行。此外，关于由来自主微机的三相断相信号以外的信号执行的例子将后述。若来自主微机的三相断相信号被输入到电动机驱动控制部105，则电动机驱动控制部105经由定时电路205将三相断相信号输入到缓冲器201。
若三相断相信号作为触发信号被输入到缓冲器201，则如上所述，缓冲器201成为截止状态，缓冲器201的输出侧成为High状态。另一方面，由于触发信号未被输入到缓冲器202a、202b、203，因此缓冲器202a、202b、203均成为导通状态，所输入的信号不改变High、Low状态而被直接输出。即，在三相断相动作时，针对上下臂的全部的半导体开关元件3a～3f，High信号被输入到栅极驱动部109。其结果是，半导体开关元件3a～3f全部成为截止状态。此外，若High信号被输入到栅极驱动部109，则半导体开关元件成为OFF(截止状态)，若Low信号被输入，则半导体开关元件成为ON(导通状态)。
若来自主微机的三相断相信号的输入消失，则在三相断相信号的输入保持由定时电路205设定的时间之后，到缓冲器201的三相断相信号的输入将消失。若到缓冲器201的三相断相信号的输入消失，则缓冲器201成为导通状态，恢复到正常的PWM控制。
(三相短路动作)
图3是说明三相短路动作的图。如上所述，关于三相短路动作，有对上臂的三相短路的情况和对下臂的三相短路的情况。在图3中，示出了在为下臂三相短路的情况下的时序图。此外，在为上臂三相短路的情况下的时序图也与图3所示的下臂三相短路的情况相同。来自主微机的三相短路信号(下臂三相短路)被输入到缓冲器201和三相短路驱动信号控制逻辑204中。若三相短路信号被输入到缓冲器201，则缓冲器201的输出被截止。其结果是，设置在缓冲器201的后级的缓冲器202a、202b的输入侧被上拉到High状态。
如上所述，若对栅极驱动部109输入Low信号，则半导体开关元件成为ON，若输入High信号，则半导体开关元件成为OFF，因此，若三相短路信号被输入到缓冲器201，则如上所述，缓冲器202a、缓冲器202b的输入侧(缓冲器201的输出侧)将成为High状态。然后，由于High信号通过缓冲器203而被直接输入到栅极驱动部109，因此，半导体开关元件3a～3f成为OFF。
另外，若三相短路信号被输入到三相短路驱动信号控制逻辑204，则三相短路驱动信号控制逻辑204创建延迟，通过缓冲器201的输出截止而延迟规定延迟时间Δt1，然后输出上臂三相短路信号(在上臂三相短路动作的情况下)或者下臂三相短路信号(在下臂三相短路动作的情况下)。其结果是，缓冲器202a或者缓冲器202b的输出被截止。图3示出了下臂三相短路的情况，通过缓冲器201的输出截止而延迟规定延迟时间Δt1，缓冲器202b的输出被截止。
若缓冲器202b的输出被截止，则缓冲器202b的输出侧被下拉到Low状态。其结果是，针对下臂的半导体开关元件3d～3f，对栅极驱动部109输入Low信号，半导体开关元件3d～3f将成为ON。这样，在本实施方式中，在三相短路动作中，首先，进行使全部的半导体开关元件3a～3f成为OFF的三相断相动作，其后，使半导体开关元件3a～3c或者半导体开关元件3d～3f成为ON。
若三相短路信号消失，则缓冲器202b(在上臂三相短路动作的情况下是缓冲器202a)立刻回到导通状态。此时，由于缓冲器201的输出侧成为High，因此半导体开关元件3d～3f成为OFF，从而切换到三相断相状态。然后，在缓冲器201的输出截止保持由定时电路205设定的时间Δt2后，缓冲器201返回到导通状态，恢复到正常的PWM控制。即，在三相短路信号消失后，成为三相断相的状态，然后恢复到正常的PWM控制。
如上所述，在本实施方式中，当进行三相短路动作的控制时，在半导体开关元件实际上被三相短路的期间的前后，设置有三相断相的期间。即，将生成死区时间(dead time)。因此，在三相短路控制时，能够防止上下臂半导体开关元件的上下短路的发生，从而成为安全性高的构成。例如，若逆变器部103保证的死区时间值为5μs，则通过将该三相短路期间的前后的三相断相期间(Δt1，Δt2)最低也确保5μs以上，能够可靠地防止上下短路的发生。
另外，通过用硬件构成这些一系列的保护逻辑或定时电路205、三相短路驱动信号控制逻辑204，与利用微机和软件的构成相比，能够实现成本下降。进而，即使在微机异常时或者发生软件错误时，也能够一边确保充分的死区时间一边进行保护动作，从而实现安全性的提高。
图4是表示三相短路驱动信号控制逻辑204的详细电路的图。上述死区时间Δt1由图4的电路602以及电路603生成。通过调整设置于电路602、603中的电阻或电容的设计常数，能够调整死区时间Δt1的长度。
如上所述，关于主微机发出的控制信号，有截止缓冲器202a的输出的上臂三相短路信号、和截止缓冲器202b的输出的下臂三相短路信号。然而，在这两个信号同时被输出的情况下，认为引发了上下短路。为此，在电动机驱动控制部105中，通过利用图4所示那样的三相短路驱动信号控制逻辑204，来在上臂三相短路信号和下臂三相短路信号之间设定优先度，从而不至于发生上下短路。
在图4中，考虑从主微机同时输入上臂三相短路信号和下臂三相短路信号的情况。若从主微机输出下臂三相短路信号，则缓冲器601的输出被截止。为此，不输出上臂三相短路信号来防止上下短路。此外，该上下臂的优先度能够通过对信号输入进行切换而选择。进一步地，通过将过电压检测信号OV也输入到三相短路驱动信号控制逻辑204，能够防止主微机发出的三相短路信号和过电压检测信号OV同时发生时的上下短路。
(过电流检测时的动作)
但是，若发生电动机104的相短路或接地故障、微机失控等，则会有大的线电流流过。由于过大的线电流会导致电动机104或电缆(cable)的烧损、半导体开关元件3d～3f的破坏，因此需要检测过电流来进行保护。在本实施方式中，设置有过电流检测部107，若过电流检测部107检测到过电流，则从过电流检测部107输入过电流检测信号(OC信号)到电动机驱动控制部105。电动机驱动控制部105将该过电流检测信号经由定时电路205输入到缓冲器201中。其结果是，三相断相动作将作为过电流检测时的保护动作而被执行。在三相断相中，由于开关元件3d～3f全部被OFF，因此能够抑制电动机104的各线电流。
此外，在本实施方式中，如图1、图2所示，虽然设为将过电流检测信号OC输入到电动机驱动控制部105来进行三相断相动作的构成，但也可以将过电流检测信号OC输入到主微机，通过来自主微机的三相断相信号来进行三相断相动作。
(过电压检测时的动作)
在再生动作中，为了对直流电源101充电，控制逆变器部103以使直流电源线的电压比直流电源101的电压高。此时，若直流电源101的接触器101a成为OFF等直流电源线发生异常，则平滑电容器102被急速充电，直流电源线的电压将上升。
另外，在电动机104高速转动的情况下，电动机104的感应电压变大，若该感应电压超过直流电源电压，则电流会从电动机104流向直流电源101侧。进而，若直流电源101的接触器101a成为OFF等直流电源线发生异常，则平滑电容器102被急速充电，直流电源线的电压将上升。
这样，直流电源线的电压上升，即使只有一瞬间超过半导体开关元件3d～3f的耐压，也会破坏半导体开关元件3d～3f。为此，需要测定直流电源线的电压，在会破坏半导体开关元件3d～3f的电压被施加前，降低直流电源线的电压。
为此，在本实施方式中，如图5所示，在过电压检测部106设置考虑了半导体开关元件3d～3f的耐压和到进行保护动作为止的延迟时间的阈值，若检测到直流电源线的过电压，则进行三相短路。通过三相短路，电流将在电动机104和半导体开关元件3d～3f之间进行回流，从而能够抑制直流电源线的电压上升。此时的三相短路时间在很大程度上由电动机运转状况来左右。
以下，关于过电压检测阈值，参照图5详细说明。施加到半导体开关元件3d～3f(IGBT)的电压是直流电源线的电压加上开关浪涌(switchingsurge)后的电压，需要进行保护以使该合计电压不超过IGBT的耐压。在此，为了向保护动作转移，将要检测的直流电压(即，过电压检测阈值)定义为第一过电压，且将IGBT的耐压减去开关浪涌电压后得到的直流电压定义为第二过电压。
第一过电压存在于IGBT的使用动作范围和第二过电压之间，选定标准为不影响使用动作范围，且在考虑进检测偏差或检测延迟的情况下，在保护动作开始时间点，不会达到第二过电压。另外，第二过电压是根据IGBT和逆变器部103的特性来决定。一般而言，若升高IGBT耐压，则ON电压变多，发热变大。其结果是，需要冷却性增强对策或增大芯片面积，从而成为逆变器效率降低或尺寸增大、成本上升的重要原因。因此，极力降低IGBT耐压和第二过电压很重要。
为了极力降低IGBT耐压和第二过电压，第一过电压检测的检测精度和检测延迟时间成为重要的因素。若检测精度低，则检测延迟时间变长，若精度高，则检测延迟时间变短。为此，通过提高检测精度，能够留有插入测定噪声去除滤波器的余地。当然，虽然噪声去除滤波器是不可或缺的，但一般而言，精度越高传感器类就越贵，因此需要适度的精度、延迟时间的设定。
在再生动作中，在图5的A点，若发生直流电源线的异常或直流电源101的接触器截止等，则直流电源线的电压会上升。作为一例，在此，使电压的上升的程度为约1V/μs。另外，将第一过电压检测范围设为400V±10V。若直流电源线的电压上升到第一过电压检测范围，则在第一过电压检测时间延迟后，过电压检测部106输出三相短路信号(OV信号)。其结果是，如前所述，在死区时间Δt2后，将转移到三相短路。此时，需要使在转移到三相短路前不久的电压不超过IGBT耐压减去开关浪涌电压后得到的第二过电压。
在图5所示的例子中，由于使IGBT耐压＝600V，开关浪涌电压为150V，则第二过电压(450V)与第一过电压(400V±10V)之间的差最小为40V。为此，若使电压的上升的程度为约1V/μs，则过电压保护容许时间为约40μs。在转移到三相短路后，直流电源线的电压逐渐下降，在低于包含迟滞(hysteresis)的第一过电压检测范围时，三相短路信号消失。其结果是，在从三相短路转移到三相断相后，恢复到正常动作。
图6是表示过电压检测部106的一例的图。过电压检测部106划分为电压测定部401和过电压判定部402。从电压测定部401输出的测定电压被输入到过电压判定部402，并且，还被输入到主微机或者电动机控制微机206。
在此，作为向保护动作转移的方式，有用微机检测第一过电压来向保护动作转移的方式、和用过电压判定部402进行判定来向保护动作转移的方式。但是，在如图5所示，向保护动作的转移需要在包含三相断相期间在内为40μs以内进行的情况下，有在微机的运算周期中保护动作来不及的情况。在这种情况下，用模拟电路构成过电压判定部402来进行过电压检测，并基于该检测结果来进行保护动作。此时，需要缩短第一过电压检测延迟时间，在过电压容许时间内进行过电压保护动作。对过电流检测而言，以上的情况需要同样考虑在内。
此外，在三相短路动作时，有电动机104的线电流过渡性地增加到过电流检测部107的阈值以上，从而过电流检测信号OC被输出的情况。电动机驱动控制部105在三相断相动作和三相短路动作之间设定了优先度。即，构成为：作为过电压检测的保护动作的三相短路信号(缓冲器202a或者缓冲器202b的输出截止)在比作为过电流检测的保护动作的三相断相信号(缓冲器201的输出截止)的更下游被输入到开关控制信号线。为此，将三相短路命令的优先度设定得比三相断相命令高，在三相短路动作时，即使过电流检测信号OC被过渡性地输出，也将维持三相短路动作，从而能够防止三相短路动作和三相断相动作之间的冲突。
(逆变器异常检测部108的说明)
接下来，关于逆变器异常检测部108检测到逆变器部103的异常，从逆变器异常检测部108输出栅极故障信号时的动作进行说明。如前所述，判断为异常是例如IGBT的短路电流检测时或IGBT的栅极驱动电源电压低于阈值时。
若将栅极故障信号从逆变器异常检测电路108输入到电动机驱动控制部105，则栅极故障信号被输入到缓冲器203。缓冲器203在开关控制信号线上设置得比进行三相短路的缓冲器202a、202b更加下游侧，在缓冲器201、202a、202b以及203之中具有最高的优先度。若栅极故障信号作为触发信号被输入到缓冲器203，则缓冲器203的输出被截止，成为三相断相。
此外，将此处的保护动作设为三相断相是由于，在考虑为逆变器异常的重要原因的因素中包含有半导体开关元件的破坏或电动机短路，因此在检测到逆变器异常时，认为进行三相短路那样的电流流过半导体开关元件和电动机的动作很危险。另外，在成为逆变器异常检测部108能够检测半导体开关元件的短路电流的构成的情况下，若设定为以比三相短路动作时流过的电流更高的阈值来输出栅极故障信号，则将不会有阻碍基于三相短路的保护的情况。
但是，在本实施方式中，虽然有主微机和电动机控制微机206，但通常电动机驱动控制部105由电动机控制微机206控制。为此，在电动机控制微机206产生异常的情况下，有导致电动机104的异常动作或半导体开关元件3a～3f的不良状况等可能性。
为此，在主微机检测到电动机控制微机206的异常时，例如，在检测到电动机控制微机206的掉电(power down)时，通过从主微机发送三相断相或者三相短路的信号进行保护动作，来确保车辆的安全。在这种情况下，可以将电动机的转速信息(例如，旋变信号(resolver singal))输入到主微机，由此根据电动机转速来选择是三相断相还是三相短路。
另一方面，还考虑因主微机的异常而导致主微机误输出三相断相信号或三相短路信号的情况。为此，由电动机控制微机206来进行主微机的异常诊断，若判断为主微机有异常，则通过无效化信号来使主微机发出的控制信号无效化。主微机的异常诊断是例如通过SPI通信来由电动机控制微机206确认计算指令的回答(例如，对于“1+1”的计算指令的回答)的匹配性，从而检测异常。进而，主微机以及电动机控制微机206的异常诊断能够利用多个微机确认匹配性来防止误检测。另外，主微机的控制信号(三相断相信号、三相短路信号)的无效化是通过例如以下方式进行：利用三状态缓冲器，在无效化信号被输入时，使输出成为高阻抗。
其结果是，即使从主微机输入三相断相信号或三相短路信号，在主微机侧产生异常的情况下，也能够忽略该信号，从而防止误执行保护动作。
图7是表示针对上述保护动作的逻辑表的图。若以优先度从高到低的顺序记载，则为下面的情况。此外，如上所述，在电动机控制微机206将主微机判断为异常时，来自主微机的控制信号被无效化。另外，由于在电动机控制微机206的重置(reset)时，电动机控制无效，因此设为三相断相。
■栅极故障信号(三相断相)
■过电压检测信号OV(三相短路)
■主微机发出的下臂三相短路信号(三相短路)
■主微机发出的上臂三相短路信号(三相短路)
■过电流检测信号OC(三相断相)
■主微机发出的三相断相信号(三相断相)
■电动机控制微机重置状态(三相断相)
■正常动作(PWM信号)
如以上说明所述，本实施方式的电力变换装置具备：逆变器部103，其使构成上臂的多个半导体开关元件3a～3c以及构成下臂的多个半导体开关元件3d～3f开关动作，来将从直流电源101供给的直流电流变换成交流电流；电动机驱动控制部105，其具有作为针对上臂的多个半导体开关元件3a～3c以及下臂的多个开关元件3d～3f的每一个来生成命令开关动作的开关信号的信号生成部的电动机控制微机206，并将生成的开关信号作为控制信号进行输出；和栅极驱动部109，其基于多个控制信号来分别驱动对应的半导体开关元件3a～3f，电动机驱动控制部105在电动机控制微机206和栅极驱动部109之间的控制信号线上，具有多个串联的作为保护电路的缓冲器201、202a、202b、203，这些保护电路在非保护动作时，输出所输入的控制信号，在保护动作时，代替所输入的控制信号，输出使半导体开关元件3a～3f成为截止状态或者导通状态的控制信号。
如上所述，由于将缓冲器201、缓冲器202a、202b和缓冲器203串联连接，因此越是靠近下游侧的缓冲器，其优先度越高，并能够统一控制多个保护动作。
例如，作为第一保护电路的缓冲器201，输入来自电动机控制微机206的各开关信号(PWM信号)，在因异常发生而有第一触发信号(例如，三相断相信号或三相短路信号)的输入时，代替所输入的各开关信号，与上臂以及下臂的各半导体开关元件3a～3f对应地输出使半导体开关元件3a～3f成为截止状态的控制信号(High信号)，在没有第一触发信号的输入时，将所输入的各开关信号作为控制信号进行输出。作为第二保护电路的缓冲器202a、202b输入在从缓冲器201输出的控制信号中的、与上臂以及下臂两者中的任一者的臂有关的控制信号，在因异常发生而有第二触发信号(例如，三相短路信号)的输入时，代替从缓冲器201输入的控制信号，将使半导体开关元件成为导通状态的控制信号输出到其中一者的臂的各半导体开关元件，在没有第二触发信号的输入时，将从缓冲器201输入的控制信号直接输出。栅极驱动部109基于从缓冲器202a、202b输出的与上臂以及下臂两者中的任一者的臂有关的控制信号、和从缓冲器201输出的与另一者的臂有关的控制信号，驱动构成上臂的多个半导体开关元件3a～3c以及构成下臂的多个半导体开关元件3d～3f。
在从电动机控制微机206起到栅极驱动部109为止的控制信号线上，将缓冲器202a、202b设置得比缓冲器201更靠下游侧，因此，基于缓冲器202a、202b的保护动作(三相短路)将优先于基于缓冲器201的保护动作(三相断相)而执行。
另外，若产生使上臂以及下臂两者中的任一者的臂的全部半导体开关元件为导通状态、且使另一者的臂的全部半导体开关元件为截止状态的第一保护信号(三相短路信号)，则电动机驱动控制部105通过使三相短路信号作为第一以及第二触发信号输入到缓冲器201、缓冲器202a、202b的任一者，来形成使该一者的臂的全部半导体开关元件为导通状态、且使另一者的臂的全部半导体开关元件为截止状态的第一期间，且在该第一期间之前和之后，分别设置使上臂以及下臂的全部的半导体开关元件3a～3f为截止状态的第二期间(Δt1，Δt2)。这样，在三相短路控制时，能够防止上下臂半导体开关元件的上下短路的发生。
进而，第二期间(Δt1，Δt2)优选设定为逆变器部103保证的死区时间值以上，这样，能够可靠地防止上下短路的发生。
另外，具备过电压检测部106，其在供给直流电流的直流电源线101的电压值超过规定的过电压阈值的情况下，产生作为第一保护信号(三相短路信号)的过电压检测信号，可以将该过电压检测信号作为触发信号输入到缓冲器201以及缓冲器202a、202b。其结果是，若检测到过电压，则执行三相短路动作，从而能够防止过电压引起的不良状态的产生。
进而，通过将过电压阈值设定为使在第一期间开始时的电压不超过半导体开关元件的耐压减去开关浪涌电压后得到的直流电压，能够防止过电压对半导体开关元件的影响。
在产生使上臂以及下臂的全部半导体开关元件3a～3f为截止状态的第二保护信号(三相断相信号)的情况下，通过将该三相断相信号作为第二触发信号输入到缓冲器202a、202b来执行三相断相动作，从而确保半导体开关元件3a～3f的安全。例如，通过用过电流检测部107检测逆变器部103的输出侧的电流值超过过电流阈值的情况，并产生作为第二触发信号的过电流检测信号，能够防止过电流导致的不利影响。
另外，具备在检测到逆变器部103的异常的情况下产生第三触发信号的逆变器异常检测部108，输入从缓冲器202b输出的与下臂有关的控制信号和从缓冲器201输出的与上臂有关的控制信号，在有第三触发信号的输入时，将使上臂以及下臂的全部的开关元件成为截止状态的控制信号(High信号)分别输出到全部的半导体开关元件3a～3f，在没有第三触发信号的输入时，在控制线上的缓冲器202a、202b的输出侧设置将从缓冲器201以及缓冲器202a、202b输入的控制信号直接输出的缓冲器203。这样，在检测到逆变器部103的异常的情况下，最优先进行三相断相动作。
在上述实施方式中，分别用硬件构成缓冲器201、202a、202b以及203、三相短路驱动信号控制逻辑204、定时电路205，实现了图3所示的时序图。但是，图3的时序图通过利用PLD(Programmable Logic Device：可编程逻辑器件)或FPGA(Field Programmable Gate Array：现场可编程门阵列)、微机等的构成来实现也没有关系。然而，这些构成需要与生成三相断相信号和三相短路信号的部位相独立。
另外，在三相短路中，由于使上臂的半导体开关元件3a～3c或者下臂的半导体开关元件3d～3f成为ON，使电流回流，因此ON侧的半导体开关元件将发热。因此，为了防止因热所致的半导体开关元件的不良状况的产生，可以进行三相短路中的臂的切换。该切换可以通过主微机的控制进行，也可以用硬件进行。
另外，将缓冲器201、202a、202b以及203的电源设为在电动机控制微机206以及主微机两者中的至少一者动作时有效的电源。例如，利用使电动机控制微机206和主微机为供给源的冗余电源。设为这样的构成的理由是，在因电动机控制微机206的电源异常而导致电动机控制微机206所进行的对电动机104的控制无效的情况下，需要通过主微机的信号来控制缓冲器201、202a、202b以及203的输出并转移到保护动作。另外，即使在主微机的电源异常时，也需要由电动机控制微机206来驱动控制电动机，因此将缓冲器的电源设为电动机控制微机206和主微机的冗余系统。
此外，上述各实施方式分别可以单独或者组合运用，从而能够起到各实施方式的单独或者相乘的效果。另外，只要不有损本发明的特征，本发明就不限定于上述实施方式。

Claims (10)

1.一种电力变换装置，其特征在于，
具备：
逆变器，其使构成上臂的多个开关元件以及构成下臂的多个开关元件进行开关动作，来将从直流电源供给的直流电流变换成交流电流；
控制部，其具有信号生成部，该信号生成部针对所述上臂的多个开关元件以及所述下臂的多个开关元件的每一个来生成命令所述开关动作的开关信号，所述控制部将生成的所述开关信号作为控制信号进行输出；和
驱动部，其基于所述多个控制信号来分别驱动对应的所述开关元件，
所述控制部，在所述信号生成部和所述驱动部之间的控制信号线上，具有多个串联的保护电路，这些保护电路在非保护动作时，输出所输入的控制信号，而在保护动作时，代替所输入的控制信号，输出使所述开关元件成为截止状态或者导通状态的控制信号。
2.如权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，
所述控制部具有串联连接的第一保护电路和第二保护电路，
所述第一保护电路输入来自所述信号生成部的各开关信号，在因异常发生而有第一触发信号的输入时，取代所输入的所述各开关信号，与所述上臂以及所述下臂的各开关元件对应地输出使所述开关元件成为截止状态的控制信号，而在没有所述第一触发信号的输入时，将所输入的所述各开关信号作为控制信号进行输出，
所述第二保护电路输入在从所述第一保护电路输出的控制信号之中与所述上臂以及所述下臂两者中的任意一者的臂有关的控制信号，在因异常发生而有第二触发信号的输入时，取代从所述第一保护电路输入的控制信号，将使所述开关元件成为导通状态的控制信号输出到所述一者的臂的各开关元件，而在没有所述第二触发信号的输入时，将从所述第一保护电路输入的控制信号直接输出，
所述驱动部基于从所述第二保护电路输出的与所述上臂以及所述下臂两者中的任意一者的臂有关的控制信号、以及从所述第一保护电路输出的与另一者的臂有关的控制信号，驱动构成所述上臂的多个开关元件以及构成所述下臂的多个开关元件。
3.如权利要求2所述的电力变换装置，其特征在于，
若产生使所述上臂以及所述下臂两者中的任一者的臂的全部的开关元件成为导通状态、且使另一者的臂的全部的开关元件成为截止状态的第一保护信号，则所述控制部，通过使所述第一保护信号分别作为所述第一触发信号以及所述第二触发信号输入到所述第一保护电路以及所述第二保护电路，来形成使所述一者的臂的全部的开关元件成为导通状态、且使所述另一者的臂的全部的开关元件成为截止状态的第一期间，并且，在该第一期间之前和之后，分别设置使所述上臂以及所述下臂的全部开关元件成为截止状态的第二期间。
4.如权利要求3所述的电力变换装置，其特征在于，
将所述第二期间设定为所述逆变器保证的死区时间值以上的值。
5.如权利要求3或4所述的电力变换装置，其特征在于，
所述控制部具有：
延迟电路，其使所述第二触发信号向所述第二保护电路的输入时机比所述第一触发信号向所述第一保护电路的输入时机延迟与所述第一期间之前的所述第二期间对应的规定时间；和
定时电路，其在所述第一保护信号的产生停止后，使所述第一触发信号向所述第一保护电路的输入持续与所述第一期间之后的第二期间对应的规定时间。
6.如权利要求3～5中任一项所述的电力变换装置，其特征在于，
所述电力变换装置具备过电压检测部，该过电压检测部在供给所述直流电流的直流电源线的电压值超过规定的过电压阈值的情况下，产生作为所述第一保护信号的过电压检测信号。
7.如权利要求6所述的电力变换装置，其特征在于，
将所述过电压阈值设定为：所述第一期间的开始时的电压不超过从所述开关元件的耐压减去开关浪涌电压后得到的直流电压。
8.如权利要求2～7中任一项所述的电力变换装置，其特征在于，
若产生使所述上臂以及所述下臂的全部的开关元件成为截止状态的第二保护信号，则所述控制部使所述第二保护信号作为所述第一触发信号输入到所述第一保护电路。
9.如权利要求8所述的电力变换装置，其特征在于，
所述电力变换装置具备过电流检测部，该过电流检测部在所述逆变器的输出侧的电流值超过过电流阈值时，产生作为所述第二保护信号的过电流检测信号。
10.如权利要求2～9中任一项所述的电力变换装置，其特征在于，
所述电力变换装置具备异常检测部，该异常检测部在检测到所述逆变器的异常的情况下，产生第三触发信号，
在所述控制线上的所述第二保护电路的输出侧设置有第三保护电路，该第三保护电路输入从所述第二保护电路输出的与所述一者的臂有关的控制信号、和从所述第一保护电路输出的与另一者的臂有关的控制信号，在有所述第三触发信号的输入时，将使所述上臂以及所述下臂的全部的开关元件成为截止状态的控制信号分别输出到所述全部的开关元件，而在没有所述第三触发信号的输入时，将从所述第一保护电路以及所述第二保护电路输入的控制信号直接输出。
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