CN103534922B

CN103534922B - 电动机驱动用逆变器

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Publication number: CN103534922B
Application number: CN201280010455.0A
Authority: CN
Inventors: 安田彰; 冈村淳; 冈村淳一
Original assignee: Trigence Semiconductor Inc
Current assignee: Trigence Semiconductor Inc
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2012-03-23
Publication date: 2016-09-21
Anticipated expiration: 2032-03-23
Also published as: US9287809B2; WO2012133241A1; JPWO2012133241A1; CN103534922A; JP5947287B2; KR20140037810A; EP2693626A4; EP2693626A1; US20140028227A1

Abstract

作为本发明的一个实施方式，提供一种逆变器，其产生用于向具有多个相且在各相上配置有多个线圈的电动机供给的多个交变信号。提供一种电动机驱动用逆变器，其特征在于，该逆变器具有：多级的脉冲密度调制器，其调制周期性地进行变动并控制前述电动机的旋转的信号；以及多个开关元件，其通过前述脉冲密度调制器的输出信号而被选择，通过对直流电流的接通/断开进行控制而生成前述多个交变信号的每一个。

Description

电动机驱动用逆变器

技术领域

本发明涉及一种电动机驱动用逆变器。特别地，本发明涉及一种通过数字信号对桥接的多个开关元件进行控制直流电，从而驱动电动机的电动机驱动用逆变器电路。

背景技术

通常，3相电动机驱动用逆变器利用桥接的6个开关元件将直流变换为3相的交变信号而驱动电动机。在这里，开关元件通常使用IGBT（绝缘栅型双极晶体管）或MOSFET。

在图1中，示出了直流电源（100）、由桥接的6个开关元件构成的逆变器电路（101）、以及利用由前述逆变器电路生成的3相的交变信号（103）的信号进行驱动的3相电动机（104）的典型的公知例。

通常，在开关元件的控制中使用PWM（脉宽调制）信号，通过与PWM信号对应地使开关元件进行开关动作，输出交变信号。在3相电动机的情况下，通常通过将从6组开关元件得到的共计3相的交变信号向电动机施加，从而控制电动机的旋转。具体地说，通过利用PWM信号对从逆变器电路输出的3相的交变信号的振幅电压和频率进行控制，从而可以控制电动机的转速和扭矩。

使用图2，说明与PWM信号对应而逆变器电路得到电压振幅可变的3相的交变信号的原理。将基准信号的三角波（201）和相位偏移120度的正弦波的输入电压（202a～202c）利用电压比较器进行比较。来自电压比较器的信号（203a～203c）U、V、W分别是与正弦波的输入电压（202a～202c）对应的PWM信号。即，正弦波的输入电压（202a～202c）的振幅变化，则PWM信号的脉宽也变化，由PWM信号控制的开关元件的通/断比变化，从而逆变器电路输出的交变信号的振幅电压变化。

另外，如果正弦波的输入电压（202a～202c）的频率改变，则PWM信号的脉冲密度变化，通过由PWM信号控制的开关元件的接通/断开的频率改变，从而逆变器电路输出的交变信号的频率变化。

如果提高基准信号的三角波的频率，则因为开关元件的接通/断开的开关频率提高，每一次的开关可以控制的电流量降低，因此可以抑制由于开关导致的交变信号的电流波动和电动机的磁场噪声。

专利文献1：日本特开平6－225527号公报

专利文献2：日本特表2003－530062号公报

但是，因为提高了开关元件的接通/断开的开关频率，产生下述问题，即，开关元件自身消耗的电流增加，整体的效率降低。

如上所述，在电动机驱动用的逆变器电路中，开关元件及其控制方法从功能、效率和成本方面考虑是基础的重要部件。在电动机驱动用逆变器电路中，不损害整体效率且实现功能和成本兼顾成为重要的技术课题。

通常，为了使开关元件小型化·高效化，具有下述3种手段：（1）使开关元件接通/断开的电流值降低，（2）使接通电压降低，（3）使开关时间缩短。

（1）如果提高输入逆变器的直流电源的电压值，则电动机为了得到相同的额定功率（电力）而所需的电流值降低，因此，可以降低开关元件进行接通/断开的电流的电流值。但是，由于施加在开关元件上的电压上升，逆变器电路输出的交变信号的振幅值增加，所以，需要提高开关元件、逆变器电路及电动机内的线圈之间的耐绝缘性。如果提高耐绝缘性，则容易导致逆变器电路及电动机机器的大型化。另外，由于需要用于向逆变器电路输入的高电压的直流电位，所以如果在逆变器的前段导入升压电路，则产生导致机器成本增加的问题。

（2）开关元件的接通电压基本是由开关元件的物理特性决定的。例如，在开关电压为200V以下的情况下，可以替代IGBT而使用接通电压较低的MOSFET作为开关元件。通常，如果IGBT或MOSFET等的固体电子元件的开关电压提高，则接通电压也变高。由此，为了使开关元件小型化，尽可能降低开关电压这一措施是有效的。

（3）为了缩短逆变器电路的开关时间，需要提高输入逆变器电路的PWM信号的跳转速度。为了提高与开关元件的栅极连接的PWM信号的跳转速度，需要降低作为负载的开关元件的栅极容量，或者提高PWM信号的驱动能力。通常，如果开关元件的耐压提高，则栅极容量也增加。如果栅极容量增加，则产生下述问题，即，开关元件自身消耗的电流增加，整体的效率降低。由此，为了使开关元件高效化，尽可能降低开关电压这一措施是有效的。

如上所示，降低开关电压对开关元件小型化有效。另一方面，如果降低开关电压，则电动机驱动所需的电流就要增加，因此，需要增加开关元件的容量（开关元件的数量），产生无法使电动机驱动用逆变器电路小型化·高效化的问题。

在图1中，示出了作为电动机驱动用逆变器电路的开关元件的控制信号，使用将基准三角波和输入正弦波信号通过电压比较器比较而得到的PWM信号的例子，但也可以替代PWM信号，而利用使用1位三角积分调制（Delta-Sigma调制器）将输入正弦波信号进行脉冲密度调制（PDM）后的信号，从而控制开关元件。在专利文献1中，示出了将利用一次1位三角积分调制器调制输入正弦波信号而得到的信号作为开关元件控制信号，驱动单相感应型电动机的例子。在专利文献2中，示出了利用来自Delta-Sigma变换器的PDM信号控制共振型的开关电源的开关元件的例子。

但是，在利用形成为PDM的信号控制开关元件的情况下，通过降低开关电压而对开关元件小型化是有效的，但如果降低开关电压，则电动机驱动所需的电流就会增加，因此，需要增加开关元件的容量（开关元件的数量），无法使电动机驱动用逆变器电路小型化·高效化，即，无法解决这一相反的问题。

根据上述说明可知，为了在不会使电动机驱动用逆变器电路损失所要求的功能和效率的同时降低成本，降低开关电压这一措施是有效的。但是，如果降低开关电压，则电动机驱动所需的电流就会增加，产生开关元件无法小型化的问题，另外，如果降低开关电压，则为了得到电动机驱动所需的电流，需要增加开关元件的容量（开关元件的数量），产生下述问题，即，开关元件自身消耗的电流增加，整体的效率降低。

发明内容

作为本发明的一个实施方式，提供一种逆变器，其产生用于向具有多个相且在各相上配置有多个线圈的电动机供给的多个交变信号。该逆变器的特征在于，具有：多级脉冲密度调制器，其调制周期性地进行变动并控制前述电动机的旋转的信号；以及多个开关元件，其通过前述脉冲密度调制器的输出信号而被选择，通过对直流电流的接通/断开进行控制而生成前述多个交变信号的每一个。

另外，作为本发明的一个实施方式，提供一种逆变器的动作方法，其是产生用于向具有多个相且在各相上配置有多个线圈的电动机供给的多个交变信号的逆变器的动作方法。该动作方法的特征在于，利用多级脉冲密度调制器，调制周期性地进行变动并控制前述电动机的旋转的信号，并生成输出信号，根据前述输出信号而分别选择多个开关元件，通过对直流电流的接通/断开进行控制而生成前述多个交变信号的每一个。

发明的效果

根据本发明，通过使用具有多级输出的脉冲密度调制器，根据输入正弦波信号制作多个PDM（脉冲密度调制）后的信号，利用前述多个PDM信号控制多个开关元件，从而可以一边降低开关电压，一边抑制每个开关元件中的电动机驱动所需的电流。为了确保电动机驱动所需的电流量，需要增加开关元件的容量（开关元件的数量），但通过利用多个PDM（脉冲密度调制）独立地对开关元件进行开关，可以抑制开关元件自身消耗的电流增加。由此，可以实现电动机驱动用逆变器电路的小型化·高效化。

根据本发明，利用通过具有多级输出的脉冲密度调制器对输入正弦波信号进行PDM（脉冲密度调制）后所成的多个信号，控制多个开关元件，从而可以降低每个开关元件的开关电压。由于开关元件所需的耐压降低，所以可以利用栅极容量较小的开关元件，因此，可以使开关时间高速化，提高逆变器电路的效率。

流过开关元件的电流是根据PDM信号的通/断比和同时接通开关元件的数量而控制的，因此，在所需的电流量较少的情况下，无需使PDM信号跳转，可以抑制开关元件自身消耗的电流，从而不损失效率。

另外，由于利用多个开关元件对电流进行并联控制，所以可以抑制电动机驱动所需的各个开关元件中的电流。因此，可以降低开关电压。由于开关电压降低，就可以利用耐压较低且接通电压较低的开关元件，因此，可以推进电动机驱动用逆变器电路的高效化·小型化，同时降低成本。

附图说明

图1是现有例的3相电动机用逆变器电路。

图2是表示现有例的3相电动机用逆变器电路的PWM控制的动作原理的图。

图3是本发明的第1实施方式所涉及的电动机系统的电路图。

图4a是本发明的第1实施方式所涉及的电动机系统的3相电动机用逆变器电路的详细电路图。

图4b是本发明的第1实施方式所涉及的电动机系统的3相电动机用逆变器电路的PDM控制的动作原理图。

图5是本发明的第2实施方式所涉及的电动机系统的3相电动机用逆变器电路。

图6a是本发明的第2实施方式所涉及的电动机系统的3相电动机用逆变器电路图。

图6b是本发明的第2实施方式所涉及的电动机系统的3相电动机用逆变器电路的PDM控制的动作原理图。

图6c是本发明的第2实施方式所涉及的电动机系统的3相电动机用逆变器电路的PDM控制的动作原理图。

图7是本发明的一个实施方式所涉及的电动机系统的信号选择滤波电路图。

图8是本发明的一个实施方式所涉及的电动机系统的信号选择滤波电路图。

具体实施方式

下面，参照附图，说明用于实施本发明的最佳方式。此外，本发明并不由下述说明限定，可以在不脱离本发明的主旨的范围内进行各种变形。

（第1实施方式）

图3是表示本发明的第1实施方式所涉及的电动机系统的电路图。本实施方式所涉及的电动机系统具有3相电动机用的逆变器电路。在本实施方式中，由直流电源（300）、产生多个PDM信号的多级三角积分调制电路（301）、由桥接的多个开关元件构成的逆变器电路（302）、以及被供给由前述逆变器电路生成的多个3相交变信号（303）的具有多个线圈的3相电动机（304）构成。此外，也可以将该结构通常化而将三角积分调制电路作为脉冲密度调制电路。下面，为了使说明简单，说明使用三角积分调制电路作为脉冲密度调制电路的实施方式。另外，也可以替代三角积分调制电路而使用过采样型调制器。

特别地，在各相上配置多个线圈而构成3相电动机。即，本发明的一个特征在于由被供给多个3相交变信号（303）的具有多个线圈的3相电动机（304）构成。由此，替代现有技术中利用交变信号的电压控制电动机的驱动能力的方式，而对分别被输入交变信号的线圈的数量进行控制，从而可以控制电动机的驱动能力。即，也可以说是降低了电动机的驱动电压，但增加了电动机的驱动线圈的数量。如果将电动机的驱动线圈的数量设为N、将驱动电力V下流过电动机的驱动线圈的电流设为I，则功率为N×I×V。即，如果功率相同，则可以将驱动电压降低至只有单个线圈的电动机要得到相同功率时所需的电压的1/N。

在多级三角积分调制电路（301）中，输入周期性地变动并控制电动机（304）的旋转的信号。例如，将图2所示的三角波和不同相位的多个正弦波分别利用比较器比较的结果输入多级三角积分调制电路（301）。

在图4a中，更详细地示出由桥接的多个开关元件（402a、402b、404a、404b）构成的逆变器电路（401）、由前述逆变器电路生成的多个交变信号（403、405）和电动机内部的多个线圈（406）的连接关系。多个开关元件（402a、402b、404a、404b）根据多级三角积分调制电路产生的多个PDM信号而进行开关动作。在图4a中，示出了为了得到3相交变信号中的1相交变信号所需的逆变器电路，剩余的2相信号也通过相同的电路生成。

在图4b中，示出了控制开关元件（402a、402b、404a、404b）的多个PDM信号、以及供给了多个交变信号（403、405）的多个线圈（406）中流过的电流信号的情况。

根据图4b可知，如果交变信号的电压增高，则3个线圈（406）全部流过电流，如果交变信号的电压降低，则仅1个线圈流过电流。通过这样与驱动电动机的电力对应地控制多个交变信号，就可以降低驱动电动机的驱动电压。另外，由于如上所示，与驱动电动机的电力对应而输入PDM信号的开关元件的数量改变，所以开关元件自身消耗的电流减少，可以使电动机驱动用逆变器电路高效化。

如上所述，将本实施方式所涉及的电动机系统的逆变器电路用于具有被供给多个3相交变信号（303）的多个线圈的3相电动机（304），可以降低驱动电动机的驱动电压。

（第2实施方式）

另一方面，如果配置在电动机内的多个线圈的各自的物理配置位置在多个线圈间彼此不同，则会产生其它问题。如果线圈的物理配置位置不同，则与线圈的位置相对的电动机的转子磁铁之间的物理位置关系也因线圈不同而彼此不同，其结果，产生多个线圈各自的电动机驱动力不同的新问题。

即，如果多个线圈各自的电动机驱动力不同，则产生下述问题，即，电动机的驱动能力产生不均匀，导致电动机的磁场噪声或电动机的机械振动。因此，通过将多级三角积分调制电路产生的多个PDM信号由信号选择滤波电路生成均等的多个PDM信号，就可以避免该问题。

图5示出本发明的第2实施方式所涉及的电动机系统的电路。本实施方式所涉及的电动机系统具有3相电动机和3相电动机用的逆变器电路。在本实施方式中，由直流电源（500）、产生多个PDM信号的多级三角积分调制电路（501）、将开关元件的使用频率均等化的信号选择滤波电路（502）、由桥接的多个开关元件构成的逆变器电路（503）、以及具有被供给由前述逆变器电路生成的多个3相交变信号（504）的多个线圈的3相电动机（505）构成。

在图6a中，示出本发明的实施方式所涉及的电动机系统的逆变器电路图。该逆变器电路具有：多级三角积分调制电路（602），其被输入用于控制电动机的旋转的电动机控制信号（601）；信号选择滤波电路（604）；直流电源（606）；以及桥接的多个开关元件（607a、607b），其与直流电源（606）连接。多级三角积分调制电路（602）产生多个PDM信号（603）。PDM信号（605）是选择滤波器生成的信号，使开关元件被选择的频率均等化。通过利用PDM信号（605）选择多个开关元件，从而生成多个交变信号（608）。在图6a中，示出了为了得到3相交变信号中的1相交变信号所需的逆变器电路，剩余的2相信号也通过相同的电路生成。

在本实施方式中，其一个特征在于，对由多级三角积分调制电路（602）产生的多个PDM信号（603），利用信号选择滤波电路（604）进行滤波而生成多个PDM信号（605），以控制选择开关元件的频率，使开关频率均等。

图6b示出由信号选择滤波电路（604）滤波后的用于控制开关元件（607a、607b）的多个PDM信号的时间变化。图6c示出从多级三角积分调制电路（502）产生的多个PDM信号（503）的时间变化。在这两种情况下，均是如果交变信号的电压增高，则使用全部3个开关元件，如果交变信号的电压降低，则仅使用1个开关元件。但具有下述特征，即，与图6c相比，图6b中使用3个开关元件的频率是均等的。

如上所述，通过使用3个开关元件的频率均等，从而可以解决下述问题，即，由于配置在电动机内的多个线圈各自的物理配置位置在多个线圈间彼此不同而导致多个线圈各自的电动机驱动力不同。

在图7中示出本实施方式所涉及的电动机系统的信号选择滤波电路图。将多级三角积分调制电路产生的多个PDM信号（701）输入信号选择滤波电路（702），生成滤波后的多个PDM信号（703）。在本实施方式中，作为信号选择滤波电路使用旋转选择电路。旋转选择电路基于输入的多个PDM信号（701）的信息，以顺序使用开关元件的方式选择作为输出的多个PDM信号（703），由此，作为信号选择滤波器进行动作。

图8示出构成本实施方式所涉及的电动机系统的信号选择滤波电路（800）的结构要素。对从三角积分调制电路产生的多个PDM信号（801），通过将滤波电路内的由延迟元件和加法器构成的积分电路（805）及积分电路（806）的输出信号（807、808）输入排序电路（810），由选择电路（802）根据前述排序电路（810）的输出信号（803）计算使用频率，以使选择开关元件的频率均等的方式对选择进行控制后，作为多个PDM信号（804）输出。

以上示出了构成本实施方式所涉及的电动机系统的信号选择滤波电路使用2级积分电路的结构，但信号选择滤波电路也可以由1级以上的任意级数的积分电路构成。

（其它实施方式）

在本发明的第1～2实施方式中，示出了通常的3相电动机用的逆变器电路的例子，但本发明的效果对于具有任意个相、任意个线圈的电动机也是有效的。另外，为了简化说明，示出了作为脉冲密度调制电路而使用三角积分调制电路的实施方式，但也可以替代三角积分调制电路而使用过采样型调制器。通过向多个线圈施加多个PDM信号而驱动电动机的方法，可以以较低的电压得到较高的驱动能力，因此，可以有效地应用于电动汽车用的电动机中。通过利用本发明的一个实施方式所涉及的逆变器电路，可以实现高效率·小型的面向电动汽车用电动机的逆变器电路。

在本发明的第1～2实施方式中，示出了没有反馈控制的通常的3相电动机用逆变器电路的例子，但本发明的效果对于利用传感器等测定电动机的旋转角度等而对电动机进行反馈控制的电动机也是有效的。通过向多个线圈施加多个PDM信号而驱动电动机的方法，可以以较低的电压得到较高的驱动能力，因此，可以有效地应用于电动汽车用的电动机中。通过利用本发明的一个实施方式所涉及的逆变器电路，可以实现高效率·小型的面向电动汽车用电动机的逆变器电路。

在至此为止对本发明的实施方式的说明中，示出了通常的3相电动机用的逆变器电路的例子，但本发明的效果并不限于感应电动机，也可以应用在直流无刷电动机中。

Claims

1.一种电动机驱动用逆变器，其产生用于向具有多个相且在各相上配置有多个线圈的电动机供给的多个交变信号，所述电动机驱动用逆变器具有：

多级的脉冲密度调制器，其调制周期性地进行变动并控制前述电动机的旋转的信号；以及

多个开关元件，其通过前述脉冲密度调制器的输出信号而被选择，从而对直流电流的接通/断开进行控制，由此生成前述多个交变信号的每一个，其特征在于，

还具有滤波电路，其被输入前述脉冲密度调制器的输出信号，配置为将前述多个开关元件中的每一个开关元件的选择频率均等化，控制前述多个开关元件中的每一个开关元件的接通/断开来生成供给前述多个相中的每一个相上的每个线圈的每个交变信号，前述多个开关元件中的每一个开关元件由前述脉冲密度调制器的输出信号选择。

2.根据权利要求1所述的电动机驱动用逆变器，其特征在于，

前述滤波电路是根据输入前述脉冲密度调制器的输出信号而顺次选择该滤波电路的输出信号的电路。

3.根据权利要求1所述的电动机驱动用逆变器，其特征在于，

前述滤波电路具有：积分电路，其输入前述脉冲密度调制器的输出信号；以及排序电路，其使得前述开关元件根据前述积分电路的输出信号而被选择的频率均等化。

4.根据权利要求1所述的电动机驱动用逆变器，其特征在于，

前述脉冲密度调制器由三角积分调制器构成。

5.根据权利要求1所述的电动机驱动用逆变器，其特征在于，

前述脉冲密度调制器由过采样型调制器构成。

6.一种操作方法，其操作逆变器生成供给电动机的多个交变信号，该电动机具有多个相，以及配置在所述多个相的每一个相上的多个线圈，其特征在于，该操作方法包括：

利用多级脉冲密度调制器，调制周期性地进行变动并控制前述电动机的旋转的信号，并生成输出信号，

根据前述输出信号而分别选择多个开关元件中的各开关元件以便将前述多个开关元件中的每一个开关元件的选择的频率均等化，通过对直流电流的接通/断开进行控制而生成前述多个交变信号的每一个。