CN103975519A - 功率转换装置以及功率转换装置的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种功率转换装置及功率转换装置的控制方法。控制部在检测到发电机的B端子电压超过第一规定电压值的情况下，使与一组电枢绕组相连的桥式电路的负极侧桥臂的开关元件全部导通，并使正极侧桥臂的开关元件全部截止，并且降低流过励磁绕组的励磁电流。之后，在满足规定条件的情况下，控制部使导通的开关元件全部截止。

Description

功率转换装置以及功率转换装置的控制方法
技术领域
本发明涉及内置于车辆用发电机中的、将由旋转电机所发出的交流电转换成直流电并提供给电池或车辆电负载的功率转换装置以及功率转换装置的控制方法。
背景技术
内置于车辆用发电机的功率转换装置连接在旋转电机与电池、车辆电负载之间，对从旋转电机输出的交流电进行整流从而转换成直流电，并提供给电池、车辆电负载。
近年来，为了应对发电量需求的增大、低噪音化、高效率化等，提出了使用具有多组电枢绕组的励磁绕组型旋转电机来作为旋转电机、交流-直流转换中采用MOSFET作为桥式电路的开关元件来进行所谓的同步整流(例如参照专利文献1)。
这里，若在发电过程中将发电机与电池相连的电缆脱离，或负载突然切断，则发电功率可能会暂时过剩，导致在发电机的B端子上产生较高的电压(负载突降浪涌)。
为此，已知有一种利用MOSFET的雪崩击穿来抑制负载突降浪涌的交流发电机(例如参照专利文献2)。
此外，还已知有一种通过使逆变器的负极侧桥臂或正极侧桥臂的开关元件全部导通来使电枢绕组短路从而抑制负载突降浪涌的励磁绕组型旋转电机的控制装置(例如参照专利文献3)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2005-328690号公报
专利文献2：日本专利特开2005-506028号公报
专利文献3：日本专利特许第3840880号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，现有技术存在以下问题。
在用专利文献2所示的方法来抑制负载突降浪涌的情况下，为了吸收所产生的负载突降能量，必须采用较大额定值的MOSFET，从而导致成本变高。
此外，在用专利文献3所示的方法来抑制负载突降浪涌的情况下，无法在短路动作过程中从电枢向外部进行供电。因此，在由于电池脱离而产生负载突降浪涌的情况下，除非内置有大电容的平滑电容器，否则B端子电压会瞬间下降，存在可能无法向所连接的车辆电负载进行供电的问题。
另外，车辆用发电机及其控制装置通常设置在发动机的附近，因此需要在极高的气氛温度下进行工作。因此，难以使用廉价且大电容的铝电解电容器，大多情况下使用小电容且高价的陶瓷电容器。因此，成本会变高，并且难以实现。
本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于获得一种功率转换装置以及功率转换装置的控制方法，不会因使用大型的MOSFET、大电容的平滑电容器而导致成本上升，并能抑制负载突降浪涌，防止过电压。
解决技术问题所采用的技术手段
本发明所涉及的功率转换装置内置在发电机内，与具有励磁绕组和多组电枢绕组的旋转电机相连，将由旋转电机发出的交流电转换为直流电，其特征在于，包括：励磁功率转换部，该励磁功率转换部对流过励磁绕组的励磁电流进行控制；电枢功率转换部，该电枢功率转换部与多组电枢绕组分别对应设置，且具有桥式电路，该桥式电路包括正极侧桥臂的开关元件以及负极侧桥臂的开关元件；以及控制部，该控制部在检测到发电机的输入输出端子即B端子-E端子间的电压超过第一规定电压值的情况下，使与部分组的电枢绕组相连的桥式电路的负极侧桥臂或正极侧桥臂的开关元件全部导通，并使与该桥臂成对的正极侧桥臂或负极侧桥臂的开关元件全部截止，并降低流过励磁绕组的励磁电流来开始负载突降能量的降低动作，之后在满足规定条件的情况下，使导通的开关元件全部截止。
本发明所涉及的功率转换装置的控制方法中，功率转换装置内置在发电机内，与具有励磁绕组和多组电枢绕组的旋转电机相连，将由旋转电机发出的交流电转换为直流电，该功率转换装置的控制方法的特征在于，包括如下步骤：在检测到发电机的输入输出端子即B端子-E端子间的电压超过第一规定电压值的情况下，使与部分组的电枢绕组相连的桥式电路的负极侧桥臂或正极侧桥臂的开关元件全部导通，并使与该桥臂成对的正极侧桥臂或负极侧桥臂的开关元件全部截止的步骤；降低流过励磁绕组的励磁电流的步骤；以及此后在满足规定条件的情况下，使导通的开关元件全部截止的步骤。
发明效果
根据本发明所涉及的功率转换装置以及功率转换装置的控制方法，控制部(步骤)在检测到发电机的输入输出端子即B端子-E端子间的电压超过第一规定电压值的情况下，使与部分组的电枢绕组相连的桥式电路的负极侧桥臂或正极侧桥臂的开关元件全部导通，并使与该桥臂成对的正极侧桥臂或负极侧桥臂的开关元件全部截止，并降低流过励磁绕组的励磁电流来开始负载突降能量的降低动作，之后在满足规定条件的情况下，使导通的开关元件全部截止。
因此，不会因使用大型的MOSFET、大电容的平滑电容器而导致成本上升，能抑制负载突降浪涌，防止过电压。
此外，即使在电池脱离后，也能继续对剩余的车辆电负载进行发电。
附图说明
图1是表示包含本发明实施方式1所涉及的功率转换装置的发电机、以及搭载了该发电机的车辆系统的结构图。
图2是将图1所示的电枢功率转换部的内部结构与电枢绕组一同表示的结构图。
图3是表示本发明实施方式1所涉及的功率转换装置的动作的时序图。
图4是表示本发明实施方式2所涉及的功率转换装置的动作的时序图。
图5是表示本发明实施方式3所涉及的功率转换装置的动作的时序图。
图6是表示本发明实施方式4所涉及的功率转换装置的动作的时序图。
图7是表示本发明实施方式5所涉及的功率转换装置的动作的时序图。
具体实施方式
下面利用附图对本发明所涉及的功率转换装置以及功率转换装置的控制方法的优选实施方式进行说明，但对于各图中相同或相当的分标注相同的标号进行说明。
实施方式1
图1是表示包含本发明实施方式1所涉及的功率转换装置20的发电机1、以及搭载了该发电机1的车辆系统的结构图。图1中，该车辆系统包括发电机1、电池2、车辆电负载3a、3b、发动机4、以及传送带5。
发电机1经由作为动力传输单元的传送带5等与发动机4相连。此外，发电机1包括电力的高位侧输出端子即B端子、以及低位侧输出端子即E端子，在B端子与E端子之间连接有电池2、各种车辆电负载3a、3b等。
发电机1由旋转电机10和功率转换装置20构成。
旋转电机10由转子和定子构成，该转子包括通过流动励磁电流来产生励磁磁通的励磁绕组(励磁线圈)11，该定子包括两组电枢绕组12a、12b。若在励磁绕组11中产生了励磁磁通的状态下使转子旋转，则会在电枢绕组12a、12b中产生感应电压，从而进行发电。
功率转换装置20具有励磁功率转换部21、电枢功率转换部22、检测励磁电流的励磁电流传感器23、以及对励磁功率转换部21和电枢功率转换部22进行控制的控制部24。
励磁功率转换部21根据来自控制部24的对开关元件的导通/截止指令(以下称为“栅极信号”)进行动作，通过PWM控制向励磁绕组11通入励磁电流。励磁功率转换部21通常使用由MOSFET构成的半桥电路。
电枢功率转换部22根据来自控制部24的栅极信号进行动作，对来自电枢绕组12a、12b的电枢电流进行整流，将电力提供给电池2、车辆电负载3a、3b。
控制部24生成输入到励磁功率转换部21以及电枢功率转换部22的栅极信号，以使得B端子-E端子间的电压(以下称为“B端子电压”)保持为某一固定的电压值。另外，该电压值例如由未图示的外部控制器通过数字通信来进行指示。
图2是将图1所示的电枢功率转换部22的内部结构与电枢绕组12a、12一同表示的结构图。图2中，对应于电枢绕组12a、12b的结构，在电枢功率转换部22中设置了两个三相桥式电路。
即，电枢功率转换部22包括电枢绕组12a的正极侧桥臂的MOSFET即UH31、VH32以及WH33、电枢绕组12a的负极侧桥臂的MOSFET即UL34、VL35以及WL36、电枢绕组12b的正极侧桥臂的MOSFET即XH41、YH42以及ZH43、以及电枢绕组12b的负极侧桥臂的MOSFET即XL44、YL45以及ZL46，它们分别根据来自控制部24的栅极信号来进行导通、截止。
另外，这些MOSFET具备在施加了过电压的情况下通过某些方式来抑制过电压的过电压抑制方法。这里，在以下的示例中，利用雪崩击穿作为过电压抑制方法，但也可以是其他方法。
也可以与MOSFET并联地插入齐纳二极管等过电压抑制元件来抑制过电压。在该情况下，可以将以下说明的“MOSFET的发热”直接替换为“过电压抑制元件的发热”来考虑。
另外，由于其电路结构、发电方法本身为公知技术，因此省略其详细说明。
接着，参照图3，对负载突降时功率转换装置20的动作进行说明。图3是表示本发明实施方式1所涉及的功率转换装置20的动作的时序图。
首先，若在发电电压指令为Vref的状态下，在发电过程中，图1所示的“断路”部位由于某种原因而被切断，则与发电机1相连的电负载仅为车辆电负载3a，与断路前相比急剧减少。
这里，励磁绕组型旋转电机10通过对流过励磁绕组11的励磁电流进行控制来调整其发电量，但由于励磁绕组11的电感通常较大，因此无法跟随上述负载急剧减少的情况，从而发电会过剩。
若在通常情况下，即使旋转电机10在短时间内发电过剩，电池2也会吸收一定程度的过剩发电量，因此不会有太大问题，然而，在由于电池2脱离而引起负载突降的情况下，由于电路中不存在蓄电单元，因此B端子电压会瞬时上升(图中的区间A)。
此时，控制部24在B端子电压超过某一固定的电压值Vth(第一规定电压值)的情况下，将与电枢绕组12a相连的桥式电路的负极侧桥臂的MOSFET(UL34、VL35以及WL36)全部导通，并将正极侧桥臂的MOSFET(UH31、VH32以及WH33)全部截止。
另外，控制部24同时将与电枢绕组12b相连的MOSFET(XH41、YH42、ZH43、XL44、YL45以及ZL46)全部截止，并对励磁绕组11的励磁电流进行限制，以削弱励磁磁通。
由此，电枢绕组12a处于短路状态，不再输出发电电流。此外，从电枢绕组12b输出的发电电流也由于电枢绕组12a的短路而导致相互的磁作用急剧减少。即，能使从各个电枢绕组12a、12b输出的发电电流迅速减少。
在此期间B端子电压的限制通过与电枢绕组12b相连的MOSFET的雪崩击穿来进行，并大致保持为一定的电压值Vcl。此时，由于发电电流大幅降低，因此与不进行负载突降能量的降低动作的情况相比，能大幅降低MOSFET的发热(图中的区间B)。
之后，在励磁电流下降到某一固定的电流值Ifth的时刻，控制部24使与电枢绕组12a相连的桥式电路的负极侧桥臂的MOSFET(UL34、VL35以及WL36)全部截止，解除电枢绕组12a的短路，转移到通常的发电动作。
从该时刻起，所有过剩的发电电力都被雪崩击穿所吸收，而由于该阶段发电电力已降低得足够多，因此因雪崩击穿而产生的发热被抑制得较低(图中的区间C)。
最终，发电电流下降到与车辆电负载3a的消耗电流IA相平衡，在发电电压指令为Vref的状态下继续发电(图中的区间D)。
另外，短路部分不一定是负极侧桥臂，例如也可以使与电枢绕组12b相连的桥式电路的正极侧桥臂的MOSFET(XH41、YH42以及ZH43)全部导通。此外，在本实施方式1中，使与未短路侧的电枢绕组相连的MOSFET全部截止，但也可以使其继续进行通常的发电动作。
通过像上述那样仅使两组电枢绕组12a、12b中的一组短路，从而使发电能力急剧下降，减少由雪崩击穿所吸收的能量，并且在励磁电流下降某一程度的阶段解除短路，仅通过雪崩击穿来吸收能量。因此，能在抑制负载突降后的瞬间发热的同时继续发电，而不会使电压下降。
如上所述，根据实施方式1，控制部在检测到发电机的输入输出端子即B端子-E端子间的电压超过第一规定电压值的情况下，使与部分组的电枢绕组相连的桥式电路的负极侧桥臂或正极侧桥臂的开关元件全部导通，并使与该桥臂成对的正极侧桥臂或负极侧桥臂的开关元件全部截止，并降低流过励磁绕组的励磁电流来开始负载突降能量的降低动作，之后在满足规定条件的情况下(励磁电流达到规定电流值以下的情况下)，使导通的开关元件全部截止。
因此，不会因使用大型MOSFET、大电容的平滑电容器而导致成本上升，而能抑制负载突降浪涌，防止过电压。
此外，即使在电池脱离后，也能继续对剩余的车辆电负载进行发电。
实施方式2
在上述实施方式1中，对在励磁电流下降到某一固定电流值的时刻解除电枢绕组12a的短路从而转移到通常的发电动作的情况进行了说明，但负载突降能量降低动作的结束条件并不限于此。
下面，参照图4，对负载突降时功率转换装置20的动作进行说明。图4是表示本发明实施方式2所涉及的功率转换装置20的动作的时序图。另外，由于负载突降能量降低动作的开始条件与上述实施方式1相同，因此省略说明。
控制部24在开始负载突降能量的降低动作后，在经过了一定时间(以下称为“持续时间”)的时刻，使与电枢绕组12a相连的桥式电路的负极侧桥臂的MOSFET(UL34、VL35以及WL36)全部截止，解除电枢绕组12a的短路，转移到通常的发电动作。
这里，若在转移到通常的发电动作后，B端子电压超过某一固定的电压值Vth，则立即再次开始负载突降能量的降低动作。此时，到再次开始负载突降能量降低动作为止的时间极短，因此，不会对MOSFET的发热产生较大的影响。
由此，在本发明的实施方式2中，若持续时间结束，便结束负载突降能量的降低动作，而与励磁电流的大小无关。因此，若缩短持续时间，则如图4所示，反复进行负载突降能量的降低动作和通常的发电动作，并对负载突降浪涌进行抑制。
此后，在车辆电负载3a的消耗电流IA与通常发电动作时的发电电流基本相平衡的时刻，B端子电压不再上升，不会转移到负载突降能量的降低动作，因此在发电电压指令为Vref的状态下继续发电。
如上所述，根据实施方式2，能获得与实施方式1相同的效果。即，由于雪崩击穿的发热引起的问题是紧接在负载突降之后，因此能避免过热。
实施方式3
在本发明的实施方式3中，对在上述实施方式1、2中追加了负载突降能量的降低动作的结束条件后的方案进行说明。
下面，参照图5，对负载突降时的功率转换装置20的动作进行说明。图5是表示本发明实施方式3所涉及的功率转换装置20的动作的时序图。另外，由于负载突降能量的降低动作的开始条件与上述实施方式1相同，因此省略说明。
在开始负载突降能量的降低动作后，若车辆电负载3a的消耗电流IA(必要发电电流)超过负载突降能量的降低动作中(即、使一组电枢绕组短路的状态)的发电量，则发电功率会不足，B端子电压会降低。
在该情况下，除非迅速结束负载突降能量的降低动作来增加发电量，否则B端子电压会继续下降，最终变为0，导致无法继续发电。
另一方面，此处若在结束负载突降能量的降低动作之后，B端子电压再次上升从而超过电压值Vth，则可能会再次开始负载突降能量的降低动作，导致捕捉(hunting)动作的发生。
因此，在负载突降能量的降低动作过程中B端子电压低于某一固定的电压值Vth-L(第二规定电压值，例如8V)的情况下，控制部24使所有MOSFET截止，解除电枢绕组12a的短路，转移到通常的发电动作。此外，控制部24禁止之后的负载突降能量的降低动作，仅通过雪崩击穿来吸收负载突降能量。
此时，由于负载突降前后的必要发电功率的落差较小，因此发电机1内部所要吸收的负载突降能量并不是很大，即使仅通过雪崩击穿来吸收负载突降能量，发热也不会成为问题。
如上所述，根据实施方式2，即使在负载突降发生后的必要发电量超过负载突降能量的降低动作过程中(即，使一组电枢绕组短路的状态)的发电量的情况下，也能继续发电。
具体而言，通过采用单侧三相短路，从而使发电量变为原先的一半以下。因此，在负载突降后仍剩余过多的车辆电负载的情况下，电压会在三相短路开始后立即下降。在该情况下，即使解除三相短路仅利用雪崩击穿来吸收负载突降能量，由于MOSFET所负担的能量不多，因此发热不会成为太大的问题。
此外，若不禁止之后的三相短路，则会产生如下捕捉动作：三相短路开始→发电量不足导致B端子电压下降→检测到低电压使得三相短路结束→发电量过剩导致B端子电压上升→三相短路开始。因此，一旦检测到低电压状态，就禁止此后的三相短路。
实施方式4
在本发明的实施方式4中，对在上述实施方式2中在负载突降能量的降低动作中被短路的电枢绕组进行变更的方案进行说明。
下面，参照图6，对负载突降时功率转换装置20的动作进行说明。图6是表示本发明实施方式4所涉及的功率转换装置20的动作的时序图。另外，由于负载突降能量的降低动作的开始条件与上述实施方式1相同，因此省略说明。
在上述实施方式2中，对反复执行负载突降能量的降低动作和通常的发电动作的情况进行了说明，但在本发明的实施方式4中，此时，每一次都将要短路的电枢绕组切换为其它组的电枢绕组。
图6的示例中，在第一次负载突降能量的降低动作中，使电枢绕组12a短路，因此在第二次负载突降能量的降低动作中，使电枢绕组12b短路。具体而言，将实施方式2的持续时间设定得较短(例如1ms)，并交替进行三相短路，直到电压下降为止。
在上述实施方式2中将进行雪崩击穿的MOSFET限定为与一个电枢绕组相连的MOSFET，因此发热会集中在这些MOSFET。然而，根据实施方式4，每隔一定时间对进行雪崩击穿的MOSFET进行切换，因此能分散MOSFET的发热。
实施方式5
在本发明的实施方式5中，对在上述实施方式1所示的负载突降能量的降低动作过程中每隔一定时间切换所要导通的MOSFET的情况进行说明。
下面，参照图7，对负载突降时的功率转换装置20的动作进行说明。图7是表示本发明实施方式5所涉及的功率转换装置20的动作的时序图。另外，由于负载突降能量的降低动作的开始条件与上述实施方式1相同，因此省略说明。
图7中，在负载突降能量的降低动作开始时，控制部24使与电枢绕组12a相连的桥式电路的负极侧桥臂的MOSFET(UL34、VL35以及WL36)全部导通，并使正极侧桥臂的MOSFET(UH31、VH32以及WH33)全部截止。此外，控制部24同时使与电枢绕组12b相连的MOSFET(XH41、YH42、ZH43、XL44、YL45以及ZL46)全部截止。
然后，控制部24在经过了一定时间(例如2.5ms)后，使与电枢绕组12a相连的桥式电路的负极侧桥臂的MOSFET(UL34、VL35以及WL36)全部截止，并同时使与电枢绕组12b相连的桥式电路的负极侧桥臂的MOSFET(XL44、YL45以及ZL46)全部导通，由此将短路的电枢绕组切换为电枢绕组12b。之后，控制部24也每隔一定时间对短路的电枢绕组进行切换，直到励磁电流下降到某一固定的电流值Ifth为止。
在上述实施方式1中将进行雪崩击穿的MOSFET限定为与一个电枢绕组相连的MOSFET，因此发热会集中在这些MOSFET。然而，根据实施方式5，每隔一定时间对进行雪崩击穿的MOSFET进行切换，因此能分散MOSFET的发热。
标号说明
1 发电机
2 电池
3a、3b 车辆电负载
4 发动机
5 传送带
10 旋转电机
11 励磁绕组
12a、12b 电枢绕组
20 功率转换装置
21 励磁功率转换部
22 电枢功率转换部
23 励磁电流传感器
24 控制部

Claims (7)

1.一种功率转换装置，内置在发电机内，与具有励磁绕组和多组电枢绕组的旋转电机相连，将由所述旋转电机发出的交流电转换为直流电，其特征在于，包括：
励磁功率转换部，该励磁功率转换部对流过所述励磁绕组的励磁电流进行控制；
电枢功率转换部，该电枢功率转换部与所述多组电枢绕组分别对应设置，且具有桥式电路，该桥式电路包括正极侧桥臂的开关元件以及负极侧桥臂的开关元件；以及
控制部，该控制部在检测到所述发电机的输入输出端子即B端子-E端子间的电压超过第一规定电压值的情况下，使与部分组的电枢绕组相连的所述桥式电路的负极侧桥臂或正极侧桥臂的开关元件全部导通，并使与该桥臂成对的正极侧桥臂或负极侧桥臂的开关元件全部截止，并降低流过所述励磁绕组的所述励磁电流来开始负载突降能量的降低动作，之后在满足规定条件的情况下，使导通的开关元件全部截止。
2.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，所述控制部在所述负载突降能量的降低动作开始后所述励磁电流达到规定电流值以下的情况下，判断为满足所述规定条件。
3.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，所述控制部在所述负载突降能量的降低动作开始后经过了规定时间的情况下，判断为满足所述规定条件。
4.如权利要求1至3中任一项所述的功率转换装置，其特征在于，所述控制部在所述负载突降能量的降低动作开始后检测到所述B端子-E端子间的电压低于第二规定电压值的情况下，结束所述负载突降能量的降低动作，并禁止此后的所述负载突降能量的降低动作。
5.如权利要求1至4中任一项所述的功率转换装置，其特征在于，所述控制部在所述负载突降能量的降低动作开始时，使与上一次所述负载突降能量的降低动作中短路的电枢绕组所在的组不同组的电枢绕组短路。
6.如权利要求1至5中任一项所述的功率转换装置，其特征在于，所述控制部在所述负载突降能量的降低动作开始后，每隔一定时间将短路的电枢绕组所在的组切换为其它组。
7.一种功率转换装置的控制方法，该功率转换装置内置在发电机内，与具有励磁绕组和多组电枢绕组的旋转电机相连，将由所述旋转电机发出的交流电转换为直流电，该功率转换装置的控制方法的特征在于，包括如下步骤：
在检测到所述发电机的输入输出端子即B端子-E端子间的电压超过第一规定电压值的情况下，使与部分组的电枢绕组相连的桥式电路的负极侧桥臂或正极侧桥臂的开关元件全部导通，并使与该桥臂成对的正极侧桥臂或负极侧桥臂的开关元件全部截止的步骤；
降低流过所述励磁绕组的励磁电流的步骤；以及
此后在满足规定条件的情况下，使导通的开关元件全部截止的步骤。
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