CN104170238B - 变换器装置以及动力转向装置 - Google Patents

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Abstract

实施方式的变换器装置，具备将两个N沟道型半导体开关元件(6a、6b)反方向地串联连接而构成的开关电路(5)，以对直流电源(4)与变换器电路(1)之间进行电气开闭，具备控制电路(35)，输出对所述变换器电路(1)的开关进行控制的控制信号，在动作条件成立时，进行使所述控制信号的输出停止而使构成所述变换器电路(5)的开关元件(6a、6b)全部截止、并且使所述开关电路(5)截止的保护动作，在所述保护动作中，在使所述控制信号的输出停止后使所述开关电路(5)截止。

Description

变换器装置以及动力转向装置
技术领域
本发明的实施方式涉及为了对直流电源和变换器电路之间进行电气开闭而具备将两个N沟道型半导体开关元件反方向地串联连接而构成的开关电路的变换器装置、以及具备所述变换器装置的动力转向装置。
背景技术
电动动力转向装置用操舵转矩传感器来检测通过驱动器的操作而经由手柄赋予的操舵输入转矩，其控制装置基于操舵转矩传感器的输出信号决定马达的输出的大小和方向。并且，经由变换器电路驱动马达，将该马达的动力传输至转向系统来谋求操舵转矩的减轻。
在以往的电动动力转向装置中，在作为电源的电池与变换器电路之间插入了使用继电器而构成的开闭器。控制装置检测到过电流状态、PWM控制的异常时，打开开闭器而切断对变换器电路、马达的供电，防止从马达产生不期望的辅助操舵力。然而，为了产生操舵辅助转矩，使用继电器而构成的开闭器需要对马达供给数10A～100A程度的大电流。能够对这种大电流进行开闭的继电器是大型的，因此电动动力转向装置变得大型。因此，考虑代替继电器而使用采用了FET等半导体开关元件的开关电路。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2004－168124号公报
专利文献2：日本特开平10－167085号公报
发明的概要
发明要解决的课题
将此情况下假定的结构的一例示于图11。变换器电路1是将6个功率MOSFET(N沟道)2(U～W，X～Z)三相桥连接而构成的，各相输出端子上连接有马达3的各相线圈(未图示)。马达3是例如无刷DC马达。车辆的电池4的正侧端子经由开关电路5与变换器电路1的正侧直流母线连接，负侧端子(车体接地)与负侧直流母线连接。
开关电路5是将两个N沟道MOSFET6a、6b以彼此源极共通的方式连接而构成的。N沟道MOSFET6a的漏极与电池4的正侧端子连接，N沟道MOSFET6b的漏极与变换器电路1的正侧直流母线连接。两者的栅极共通连接，并在栅极与源极之间连接有电阻元件7。
驱动开关电路5的驱动电路8作为控制变换器电路1的IC即MCU(Micro ControlUnit；微计算机)等的周边电路而构成。驱动电路8的电源从电池4经由二极管15而直接供给，电路接地与变换器电路1的负侧直流母线连接。并且，在生成用于驱动开关电路5的驱动用电源的电源生成电路9的输出端子与接地之间，连接有两个N沟道MOSFET10以及11的串联电路。由上述MCU输出的驱动信号经由半桥(H/B)驱动电路12分别输出至上述FET10以及11的栅极。此外，N沟道MOSFET10以及11上分别并联地连接有保护用的二极管13以及14。
MOSFET10以及11的共通连接点(源极以及漏极)与构成开关电路5的N沟道MOSFET6a、6b的栅极连接。H/B驱动电路12根据来自MCU的驱动信号而使开关电路5导通的情况下，使N沟道MOSFET10导通，使N沟道MOSFET11截止，使N沟道MOSFET6a、6b的栅极电位为高电平。此外，在使开关电路5截止的情况下，使N沟道MOSFET10截止，使N沟道MOSFET11导通，使N沟道MOSFET6a、6b的栅极电位为低电平。
如以上所述，关于搭载于车辆并从电池4接受电源供给的装置，在构成变换器电路1的功率MOSFET2发生短路故障时，从电池4向变换器电路1侧流入过大的电流。为了避免该状态，需要快速地使N沟道MOSFET6a以及6b截止来切断电流。此时，在使N沟道MOSFET6a以及6b截止以前流通的电流较大时，N沟道MOSFET6的漏极－源极间电压Vds以及漏极电流Id的变化变得急剧，它们有可能脱离MOSFET的安全动作区域。
例如图12中，用实线表示在车载用的电子设备中使用的MOSFET的安全动作区域，并且示出了N沟道MOSFET6a以及6b的截止定时比变换器电路1的停止定时早的情况下的电压·电流特性(白点是6a，黑点是6b)。如该图所示，存在成为一部分脱离了安全动作区域的动作的情况，有可能导致N沟道MOSFET6a以及6b破坏。
发明内容
因此，提供一种即使在变换器电路中流通短路电流的情况下也能够安全地使以MOSFET构成的开关电路截止的变换器装置以及动力转向装置。
用于解决课题的手段
根据实施方式的变换器装置，将两个N沟道型半导体开关元件反方向地串联连接而构成在直流电源与变换器电路之间连接的开关电路，控制电路输出对变换器电路的开关进行控制的控制信号，在动作条件成立时进行使控制信号的输出停止而使构成变换器电路的开关元件全部截止、并且使开关电路截止的保护动作。并且，在该保护动作中，在使针对变换器电路的控制信号的输出停止后使开关电路截止。
此外，根据实施方式，动力转向装置具备：产生对车辆的转向的操舵力进行辅助的辅助操舵力的马达、以及对该马达进行控制的如技术方案1至5任一项所述的变换器装置。
发明的效果
根据实施方式的变换器装置，使N沟道型半导体开关元件的导通端子间电压以及在所述端子间流通的电流的变化缓慢，能够防止它们脱离该开关元件的安全动作区域。
附图说明
图1是第一实施方式，是对开关驱动电路的内部结构进行表示的图。
图2是对马达驱动控制部的内部结构进行表示的功能框图。
图3是对MCU进行保护动作的情况下的各信号波形进行表示的时序图。
图4是对MOSFET的安全动作区域进行表示的图。
图5是对动力转向装置整体的结构进行表示的图。
图6是对第二实施方式进行表示的图1相当图。
图7是图3相当图。
图8是对第三实施方式进行表示的图1相当图。
图9是图3相当图。
图10是对第四实施方式进行表示的图8相当图。
图11是对以往技术进行表示的图1相当图。
图12是图4相当图。
符号说明
1：变换器电路，3：马达，4：电池(直流电源)，5：开关电路，6a以及6b：N沟道MOSFET(N沟道型半导体开关元件)，10以及11：N沟道MOSFET(半导体开关元件)，13、14：保护用二极管，35：MCU(控制电路)，38：开关驱动电路，40：导通截止时间调整电路(电阻值切换单元)，39：电阻元件，41：二极管，43：电阻元件，100：动力转向装置。
具体实施方式
(第一实施方式)
以下，参照图1至图5对第一实施方式进行说明。另外，对与图11相同的部分标注同一符号并省略说明，以下对不同的部分进行说明。图5表示动力转向装置100整体的结构。转向轴22的一端固定在配置于车厢内的操舵手柄21上。转向轴22的旋转力通过齿轮齿条机构23作为对经由连结机构24安装在齿条轴的两端的车轮25的方向进行改变的力而传输。转向轴22上配置有用于辅助旋转力的三相的无刷DC马达3，马达3和轴22经由减速机构26而连结。
电池4的电源电压经由布线27a、27b而供给至马达驱动控制部28。马达驱动控制部28以相邻或密接的方式配置在马达3的附近，对于针对马达3的通电进行PWM控制。马达驱动控制部28上，经由布线27被供给电池电压来作为控制电源用，并且连接有检测对转向轴22施加的转矩的转矩传感器29的信号线30、检测马达3的旋转位置的分相器31的信号线32。
图2是对马达驱动控制部28的内部结构进行表示的功能框图。在电池4的负侧端子(基准电位点)与变换器电路1的负侧直流母线之间，连接有电流检测器33(例如电阻元件、电流检测单元)，通过电流检测器33获得的电流信号被输入至A/D转换电路34。另外，电流检测电路33中可以使用通过检测由电流产生的磁场来检测电流的电流探测器。A/D转换电路34对MCU35(控制电路)输出将所输入的电流信号A/D转换后的数据。
输入I/F(接口)电路36被提供来自转矩传感器29的操舵角度信号、来自分相器31的操舵角信号，输入I/F电路36将与各输入信号对应的电压信号输入至MCU35。MCU35以微计算机等构成，根据各输入信号生成用于对构成变换器电路1的各FET2进行控制的3相PWM信号(开关控制信号)并输出至桥用栅极驱动电路37。此外，MCU35经由开关驱动电路38对开关电路5输入驱动信号(导通截止控制信号)。并且，在未图示的车辆的点火开关被接通时，来自电池4的电源被供给至上述各电路中。
构成开关电路5的N沟道MOSFET6b的栅极中被插入电阻元件39。此外，在开关驱动电路38与N沟道MOSFET6a以及6b的栅极之间，连接有导通截止时间调整电路40(电阻值切换单元)。导通截止时间调整电路40由顺向的二极管41以及电阻元件42的串联电路和与该串联电路并联地连接的电阻元件43构成。由此，使开关电路5导通的情况下的信号路径，通过二极管41导通从而电阻元件42及43并联而电阻值变低。另一方面，使开关电路5截止的情况下的信号路径，成为仅经由电阻元件43的路径，电阻值变高。
MCU35在被供给电源后首先对开关电路5输出切断指令(OFF)信号，在本身的初始化处理结束时，对开关电路5输出闭合电路(ON)信号。由此对变换器电路1供给电池4的电力。MCU35取入操舵转矩信号、操舵旋转速度，并判断是否需要从马达3供给操舵辅助力(转矩)。并且，如果需要供给操舵辅助力，则MCU35基于操舵转矩、操舵旋转速度求出马达3的旋转方向和从马达3供给的操舵辅助力，并基于它们生成并输出PWM信号。
桥用栅极驱动电路37具备：产生用于将构成变换器电路1的上臂侧的FET2U～2W控制为导通状态的栅极供给电压的升压电路、多个电平转换电路(均未图示)。栅极驱动电路37基于从MCU35输出的PWM信号，对各FET2的栅极供给栅极电压信号。MCU35基于由电流检测器33检测的电流值信号来监视在变换器电路1中流通的电流。并且，在变换器电路1中流通的电流超过预先设定的容许电流从而动作条件成立时，MCU35进行使马达3的驱动停止并且切断对开关电路5的通电从而切断对变换器电路1的供电的保护动作。
图1是对开关驱动电路38的内部结构进行表示的图11相当图。在图11所示的驱动电路8中，其电路接地与变换器电路1的负侧直流母线直接连接。与此相对，在本实施方式的开关驱动电路38中，两者之间被插入了顺向的二极管44(电流阻止用二极管)。由此，即使在电池4以反极性连接的情况下，也经由开关驱动电路38流通电流，其结果是，防止经由导通的FET6b和FEWT6a的寄生二极管对开关电路5流通过电流。
接下来，参照图3以及图4对本实施方式的作用进行说明。图3是对MCU35进行上述的保护动作的情况下的各信号波形进行表示的时序图。图3的(a)是MCU35在内部使用的保护信号，在检测到过电流的情况下成为高电平。于是，MCU35使PMW信号的输出停止(参照图3的(b)、(c))，并且使驱动信号为低电平并将电力切断信号输出至栅极驱动电路38(参照图3的(d))。
上述的电力切断信号经由导通截止时间调整电路40而被输出至构成开关电路5的N沟道MOSFET6a以及6b的栅极。此时，所述栅极从达到高电平而栅极电容被充电的状态起，向开关驱动电路38的输出端子方向放电出充电电荷而转移为低电平，使开关电路5截止。此情况下，如上所述成为经由电阻元件43的信号路径，因此与导通时的信号路径相比较，电阻值变高，开关电路5的截止定时延迟。此外，N沟道MOSFET6b中，栅极被插入了电阻元件39，从而其截止定时与N沟道MOSFET6a的截止定时相比，变得更晚。
因此，如图3的(c)、(e)、(f)所示，N沟道MOSFET6a的栅极电位低于阈值电压而截止的时间点B是从构成变换器电路1的功率MOSFET2U～2Z全部截止的时间点A起、再往的定时。此外，N沟道MOSFET6b的栅极电位低于阈值电压而截止的时间点C是时间点B往后的定时。图4是图12相当图，关于MOSFET6a、6b中的任一个都示出了在安全动作区域内动作的情况。
根据如以上所述本实施方式，在电池4与变换器电路1之间配置将两个N沟道MOSFET6a、6b(N沟道型半导体开关元件)反方向地串联连接而构成的开关电路5。并且，开关驱动电路38使基准电位点与变换器电路1共通来对开关电路5输出导通截止控制信号，从而使开关电路5开闭。
MCU35输出对变换器电路1的开关进行控制的PWM信号，在动作条件成立时进行使控制信号的输出停止并使构成变换器电路1的功率MOSFET2全部截止并且使开关电路5截止的保护动作。并且，在该保护动作中，在使针对变换器电路1的PWM信号的输出停止后使开关电路5截止。因此，能够使N沟道MOSFET6的漏极－源极间电压Vds以及漏极电流Id的变化缓慢，能够防止它们脱离MOSFET的安全动作区域。
并且，在开关驱动电路38与开关电路5之间连接导通截止时间调整电路40，使在使开关电路5导通的情况下的信号路径的电阻值和截止情况下的信号路径的电阻值变化。具体而言，以二极管41以及电阻元件42的串联电路和与该串联电路并联地连接的电阻元件43构成导通截止时间调整电路40。即，能够通过二极管41使导通时、截止时的信号路径变化来使电阻值变化。
此外，通过对N沟道MOSFET6b的栅极插入电阻元件39，将该栅极电阻值设定得比N沟道MOSFET6a侧大，使开关电路5截止的情况下，使N沟道MOSFET6a先截止。即，在马达3中流通电流的状态下构成变换器电路1的MOSFET2截止时，根据马达3的电感和电流的变化，在变换器电路1产生较大的电涌电压。如本实施方式在开关电路5不存在的情况下，电涌电压被电池4侧吸收所以没有问题。
然而，如本实施方式那样开关电路5存在并产生电涌电压时N沟道MOSFET6b先截止后，向电池4侧流通电流并吸收电涌电压的路径被截断，因此变换器电路1的电压急剧地上升，可能导致MOSFET3破坏。此外，在使N沟道MOSFET6a以及6b两者截止的时间延迟时，无法迅速地使开关电路5截止。因此，通过使N沟道MOSFET6a先截止并使N沟道MOSFET6b在之后截止，从而在确保在产生电涌电压的情况下在电池4侧进行吸收的路径的同时使开关电路5截止，能够迅速地将电池4与变换器电路1的连接切断。
此外，在电源生成电路9与所述基准电位点之间，具有将两个N沟道MOSFET10以及11(半导体开关元件)串联连接而成的半桥电路，上述FET10以及11上分别并联地连接保护用二极管13、14。并且，具备二极管44，该二极管44用于在电池4相对于变换器电路1以反极性连接的情况下阻止从基准电位点起经由该二极管44后向开关电路5侧流出的电流。
因此，能够使用能够形成为比大功率用的继电器小型的开关电路5，能够谋求动力转向装置100的小型化。并且，即使在电池4以反极性连接的情况下，能够通过FET6a的寄生二极管和开关驱动电路38内的保护用二极管14来阻止逆电流流通，而保护变换器电路1、马达3，防止短路故障。
(第二实施方式)
图6以及图7是第二实施方式，对与第一实施方式相同的部分标注同一符号并省略说明，以下对不同的部分进行说明。第二实施方式与第一实施方式同样地、在进行使对于变换器电路1的PWM信号的输出停止后使开关电路5截止的保护动作的情况下，使MCU35输出电力切断信号的定时比使针对变换器电路1的PWM信号的输出停止的定时晚。因此，如图6所示，导通截止时间调整电路40得以删除。
接下来，参照图7对第二实施方式的作用进行说明。如图7的(b)所示，MCU35先使PWM信号的输出停止之后，如图7的(c)所示在较晚的定时输出电力切断信号。于是，N沟道MOSFET6a比上述的定时稍晚地截止(参照图7的(d))，N沟道MOSFET6b以进一步延迟了电阻元件39的电阻值的量后的定时截止(参照图7的(e)。
根据如以上所述第二实施方式，MCU35进行保护动作的情况下，使对开关电路5输出电力切断信号的定时比使针对变换器电路1的PWM信号的输出停止的定时晚，所以能够通过MCU35的软件的控制来调整变换器电路1的停止定时和开关电路5的截止定时。
(第三实施方式)
图8以及图9是第三实施方式，对与第二实施方式不同的部分进行说明。第三实施方式与第二实施方式同样地，MCU35进行保护动作的情况下对变换器电路1的停止定时和开关电路5A的截止定时进行控制。但是，关于开关电路5A，分别输出N沟道MOSFET6a、6b的栅极信号。
如图8所示，开关驱动电路38a、38b分别与N沟道MOSFET6a、6b对应而设置。开关驱动电路38a与第二实施方式的开关驱动电路38对应，但关于开关驱动电路38b，不具备栅极驱动器电源生成电路9，而从开关驱动电路38a接受栅极驱动器电源的供给。并且，N沟道MOSFET6a、6b的栅极分别与开关驱动电路38a、38b的输出端子连接。此外，代替电阻元件7，电阻元件7a、7b分别与N沟道MOSFET6a、6b的源极－栅极间连接，电阻元件39被删除。
接下来，参照图9对第三实施方式的作用进行说明。与第二实施方式同样地，MCU35先使PWM信号的输出停止(参照图9的(b))，并以比其晚的定时使开关电路5A截止，但首先输出电力切断信号(第一导通截止控制信号)，使寄生二极管的阴极在电源侧的N沟道MOSFET6a先截止(参照图9的(c)、(d))。然后，MCU35以从所述截止的时间点进一步晚的定时输出逆接防止控制信号(第二导通截止控制信号)，使寄生二极管的阳极在电源侧的N沟道MOSFET6b截止(参照图9的(e)、(f))。
根据如以上所述第三实施方式，与N沟道MOSFET6a、6b对应地分别设置开关驱动电路38a、38b，MCU35在使变换器电路1停止后，输出使N沟道MOSFET6a截止的控制信号，之后输出使N沟道MOSFET6a截止的控制信号。因此，能够通过MCU35的软件的控制来调整N沟道MOSFET6a、6b的截止定时，能够使N沟道MOSFET6a先截止来防止电流向变换器电路1侧流出。
(第四实施方式)
图10是第四实施方式，仅说明与第三实施方式不同的部分。第四实施方式的开关电路51将第三实施方式的开关电路5A中的N沟道MOSFET6a、6b的漏极共通连接而构成。在这种结构中为了达成与第三实施方式同样的目的，只要使寄生二极管的阴极在电源侧的N沟道MOSFET6b先截止，使寄生二极管的阳极在电源侧的N沟道MOSFET6a后截止即可。因此，如果对开关驱动电路38b输出电源切断控制信号并对开关驱动电路38a输出逆接防止控制信号，则能够获得与第三实施方式同样的效果。
对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子而提示的，意图不在于限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他各种方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包含于发明的范围及主旨，并且包含于权利要求书记載的发明及其等同的范围中。
电阻元件39只要根据需要设置即可。即，在电涌电压的影响较小的情况下也可以删除。
此外，关于电阻元件42，在导通侧和截止侧的电阻值的差即导通截止时间差能够充分确保的情况下也可以删除。
使保护动作开始的条件不限于过电流检测，除以之外例如可以将检测到过电压、过升温为条件。
也可以代替N沟道MOSFET10而使用P沟道MOSFET。此外，也可以在变换器电路1的上臂使用P沟道MOSFET。
也可以代替二极管44，而在N沟道MOSFET11的源极与电路接地之间、保护二极管14的阳极与电路接地之间分别插入电流阻止用的二极管。此外，也可以将电流阻止用二极管配置在N沟道MOSFET10的源极与N沟道MOSFET11的漏极之间、保护二极管13的阳极与保护二极管14的阴极之间。
此外，如果与电池4被反连接的情况下有关的对策是不需要的，则也可以删除二极管44。
关于第四实施方式的开关电路51，也可以应用第一、第二实施方式的控制。
不限于动力转向装置，只要是在直流电源与变换器电路之间具备使用N沟道型半导体开关元件而构成的开关电路的装置，就能够应用本发明。
产业上的可用性
如以上所述，实施方式所涉及的变换器装置以及动力转向装置，对于为了对直流电源和变换器电路之间进行电气开闭而具备将两个N沟道型半导体开关元件反方向地串联连接而构成的开关电路的装置是有用的。

Claims (2)

1.一种变换器装置，具备将两个N沟道型半导体开关元件反方向地串联连接而构成的开关电路，以对直流电源与变换器电路之间进行电气开闭，
所述变换器装置的特征在于，具备：
控制电路，输出对所述变换器电路的开关进行控制的控制信号，在使保护动作开始的条件成立时，进行使所述控制信号的输出停止而使构成所述变换器电路的开关元件全部截止、并且使所述开关电路截止的保护动作；以及
两个开关驱动电路，连接在所述控制电路与所述开关电路之间，以对构成所述开关电路的两个N沟道型半导体开关元件分别独立地输出导通截止控制信号，
在所述保护动作中，当所述控制电路在使所述控制信号的输出停止后，输出所述导通截止控制信号使所述开关电路截止时，
使所述两个N沟道型半导体开关元件中寄生二极管的阴极在电源侧的元件先截止，使所述两个N沟道型半导体开关元件中寄生二极管的阳极在电源侧的元件后截止，而使所述两个N沟道型半导体开关元件的漏极-源极间电压Vds以及漏极电流Id的变化缓慢。
2.一种动力转向装置，其特征在于，具备：
马达，产生对车辆的转向的操舵力进行辅助的辅助操舵力；以及
对该马达进行控制的权利要求1所述的变换器装置。
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