CN106549623A - 三相逆变器装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种能够在减少电流传感器的数量来实现低成本化的同时检测电流传感器的故障、且能够使用高速开关元件的三相逆变器装置。在具备主电路和控制电路的三相逆变器装置中，具有分别检测U相、W相的输出电流的电流传感器以及设置于V相的下臂的带电流感测的开关元件，控制电路具备：驱动信号生成单元，其使用电流传感器的电流检测值来生成主电路的开关元件的驱动信号；检测特性校正单元，其基于带电流感测的开关元件的检测信号来估计V相的输出电流；以及故障检测单元，其基于电流传感器的电流检测值以及检测特性校正单元的电流估计值来检测电流传感器的故障。

Description

三相逆变器装置
技术领域
本发明涉及一种对三相逆变器装置的输出电流传感器的故障进行检测的技术。
背景技术
图3是专利文献1所记载的电动机驱动系统的结构图。
在图3中，101是直流电源，102是三相的逆变器，103u、103v、103w是检测逆变器102的各相输出电流的电流传感器，200是控制装置，201是电流检测部，202是电流估计部，203是电流传感器故障估计部，204是控制电路，M是电动机。
作为该系统的通常动作，控制电路204基于由电流传感器103u、103v、103w及电流检测部201获取到的各相的电流检测值iu、iv、iw，生成开关指令来对逆变器102的半导体开关元件进行导通截止控制，由此从逆变器102输出规定的大小和频率的三相交流电压来驱动电动机M。
电流估计部202使用电流检测值iu、iv、iw中的任意的两相、例如U相、V相的电流检测值iu、iv来估计剩余的W相的电流检测值(将该电流估计值设为iwa＝-(iu+iv))，并将该电流估计值输出到电流传感器故障估计部203。通过以固定周期重复执行该动作、即任意两相的电流检测值的选择以及剩余一相的电流估计值的运算，逐次向电流传感器故障估计部203输入各相的电流检测值iu、iv、iw以及电流估计值iua、iva、iwa。
电流传感器故障估计部203针对三相中的各相，使用一个周期的电流检测值来分别求出各相的电流值的平均值，在某个相中该平均值不是0的情况下，估计为该相上的电流传感器发生故障。假设在估计为W相的电流传感器103w发生故障的情况下，将该信息发送到电流检测部201，从电流检测部201将除W相以外的U相、V相的电流检测值iu、iv输出到控制电路204，而对于W相，将由电流估计部202求出的电流估计值iwa输出到控制电路204。
通过上述的动作，控制电路204使用电流检测值iu、iv以及电流估计值iwa来进行规定的运算处理，并生成开关指令。
根据专利文献1所记载的技术，即使某个相的电流传感器发生故障，也能够通过使用该相的电流估计值以及正常的其它两相的电流检测值来利用逆变器102无障碍地驱动电动机M。
然而，在该现有技术中需要针对三相设置电流传感器，因此存在装置大型化、成本增加的问题。
此外，作为电流传感器的故障检测方法，已知使电流传感器双重化来将各传感器的检测值进行比较的方法，但是这种冗余化措施与上述同样地无法避免大型化、高成本化。
另一方面，专利文献2中公开了如下一种技术：不使用电流传感器，而是通过所谓的带电流感测(日语：電流センス付き)的半导体开关元件来检测各相的电流。
图4是专利文献2所记载的电动机驱动系统的结构图，300是逆变器，301～306是半导体开关元件，307是电容器，308a、308b、310a、310b、312a、312b是电流检测部，309、311、313是加法器，400是控制电路。此外，作为逆变器300的各相的下臂的开关元件302、304、306，使用分别具备感测发射极(sense emitter)和感测二极管(sense diode)的带电流感测的元件。
在上述逆变器300中，通过电流检测部308a、308b、310a、310b、312a、312b来分别检测流过开关元件302、304、306的感测发射极和感测二极管的电流，并且利用加法器309、311、313将这些电流检测值按相进行相加，由此将逆变器300的各相的输出电流作为离散的正弦波电流来估计。
专利文献1：日本特开2008-22645号公报(第[0023]～[0028]段、图1、图2等)
专利文献2：日本专利第5304967号公报(第[0005]～[0007]段、图1、图10等)
发明内容
发明要解决的问题
根据专利文献2所记载的技术，无需专利文献1中的各相的电流传感器103u、103v、103w，因此能够使装置小型化、降低成本。
但是，在专利文献2中，当针对下臂的开关元件302、304、306的驱动脉冲的宽度变窄时，输出电流的估计变得困难，因此对逆变器300进行PWM控制的情况下的开关频率、电压振幅指令的上限值受到限制。
这样，在专利文献2中存在开关频率等的限制，因此存在以下问题：例如在使用了利用SiC(碳化硅)等宽带隙半导体材料的高速开关元件的情况下，无法充分利用作为其优势的高速化、低损耗等优势。
因此，本发明要解决的问题在于提供一种三相逆变器装置，该三相逆变器装置能够在减少电流传感器的数量来实现装置的小型化、低成本化的同时检测电流传感器的故障，并且能够不受开关频率等的限制而使用高速开关元件。
用于解决问题的方案
为了解决上述问题，第一发明所涉及的发明是一种三相逆变器装置，该三相逆变器装置具备：
逆变器主电路，其具备三相的开关元件串联电路，每一相的所述开关元件串联电路在上下臂分别具有半导体开关元件，所述上下臂的半导体开关元件之间的串联连接点作为各相的交流输出端子而与负载分别连接；以及
控制电路，其使用所述逆变器主电路的输出电流检测值来生成所述半导体开关元件的驱动信号，
所述三相逆变器装置具有：
电流传感器，其分别检测所述逆变器主电路的两相的输出电流；以及
带电流感测的开关元件，其被设置作为除通过所述电流传感器检测输出电流的相以外的一相的上臂或下臂中的所述半导体开关元件，
所述控制电路具备：
驱动信号生成单元，其使用所述电流传感器的电流检测值来生成所述驱动信号；
电流估计单元，其基于所述带电流感测的开关元件的检测信号来估计设置有所述带电流感测的开关元件的一相的输出电流；以及
故障检测单元，其基于所述电流传感器的电流检测值以及所述电流估计单元的电流估计值来检测所述电流传感器的故障。
第二发明所涉及的发明是一种三相逆变器装置，该三相逆变器装置具备：
逆变器主电路，其具备三相的开关元件串联电路，每一相的所述开关元件串联电路在上下臂分别具有半导体开关元件，所述上下臂的半导体开关元件之间的串联连接点作为各相的交流输出端子而与负载分别连接；以及
控制电路，其使用所述逆变器主电路的输出电流检测值来生成所述半导体开关元件的驱动信号，
所述三相逆变器装置具有：
电流传感器，其分别检测所述逆变器主电路的两相的输出电流；以及
带电流感测的开关元件，其被分别设置作为通过所述电流传感器检测输出电流的两相的上臂或下臂中的所述半导体开关元件，
所述控制电路具备：
驱动信号生成单元，其使用所述电流传感器的电流检测值来生成所述驱动信号；
电流估计单元，其基于所述带电流感测的开关元件的检测信号，来分别估计设置有所述带电流感测的开关元件的两相的输出电流；以及
故障检测单元，其基于所述电流传感器的电流检测值以及所述电流估计单元的电流估计值来检测所述电流传感器的故障。
第三发明所涉及的发明的特征在于，在第一发明或第二发明所述的三相逆变器装置中，所述带电流感测的开关元件的输出端子的电位与所述控制电路的基准电位相同。
发明的效果
根据本发明，与通过电流传感器对三相的输出电流全部进行检测的情况相比，所需的电流传感器的数量少，因此能够实现装置的小型化、低成本化，并且能够容易地检测电流传感器的故障。
另外，开关元件的驱动信号是基于两相的电流检测值生成的，因此与基于带电流感测的开关元件的电流估计值来生成驱动信号的情况相比，具有不易受到对逆变器进行PWM控制时的开关频率、电压振幅指令的限制的效果。因而，在将由宽带隙半导体材料形成的高速且低损耗的开关元件用作三相逆变器装置的情况下，能够充分发挥这些元件所具有的优势。
附图说明
图1是应用本发明的第一实施方式的电动机驱动系统的结构图。
图2是应用本发明的第二实施方式的电动机驱动系统的结构图。
图3是专利文献1所记载的电动机驱动系统的结构图。
图4是专利文献2所记载的电动机驱动系统的结构图。
附图标记说明
1～6、2A、4A、6A：半导体开关元件；2d、4d、6d：感测二极管；2e、4e、6e：感测发射极；7u、7w：电流传感器；8：角度传感器；11～16：栅极驱动电路；17～19：感测检测信号处理电路；20、25：控制电路；21：驱动信号生成单元；22U、22V、22W：检测特性校正单元；23、24：电流传感器故障检测单元；31、32：逆变器主电路。
具体实施方式
下面，按照附图来说明本发明的实施方式。
图1是应用本发明的第一实施方式的电动机驱动系统的结构图。在图1中，三相的逆变器主电路31包括直流电源10以及连接于直流电源10的两端的半导体开关元件1～3、4A、5、6的桥电路。开关元件1与开关元件2的串联连接点作为U相输出端子而与作为负载的电动机M连接，开关元件3与开关元件4A的串联连接点作为V相输出端子而与作为负载的电动机M连接，开关元件5与开关元件6的串联连接点作为W相输出端子而与作为负载的电动机M连接。在该电动机M处安装有检测转子的旋转角度的角度传感器8。
此外，通过电流传感器7u、7w分别检测U相输出电流、W相输出电流，检测出的值被输入到后述的控制电路20。根据由该控制电路20生成的栅极信号G1～G6，经由栅极驱动电路11～16对开关元件1～3、4A、5、6分别进行导通截止控制。
在此，作为未设置电流传感器的V相的下臂的开关元件4A，使用具备感测发射极4e和感测二极管4d的带电流感测的开关元件。而且，感测发射极4e及感测二极管4d连接于感测检测信号处理电路17。此外，也可以将带电流感测的开关元件用作上臂的开关元件3来替代用作下臂的开关元件4A。
在本实施方式中，带电流感测的开关元件只要设置于除通过电流传感器检测输出电流的两相(在图1的例子中为U相、W相)以外的相(在图1的例子中为V相)的下臂或上臂即可。此外，如图1所示，如果将下臂的开关元件4A设为带电流感测的元件、并使其发射极电位与控制电路20的基准电位(接地电位)相同，则不需要逆变器主电路31与控制电路20之间的绝缘措施，对于装置的低成本化、小型化来说是有效的。
作为开关元件1～3、4A、5、6，期望的是使用利用SiC等宽带隙半导体材料的能够高速动作且低损耗的元件。另外，作为开关元件1～3、4A、5、6的种类，不仅可以是如图所示的IGBT，也可以是FET、双极型晶体管。
另一方面，控制电路20具备驱动信号生成单元21、作为电流估计单元的检测特性校正单元22V以及电流传感器故障检测单元23。
驱动信号生成单元21基于由电流传感器7u、7w检测出的U相电流检测值iu和W相电流检测值iw、由角度传感器8检测出的角度检测值以及转矩指令来生成开关元件1～3、4A、5、6的栅极信号G1～G6。
感测检测信号处理电路17的输出信号被输入到检测特性校正单元22V，作为检测特性校正单元22V的输出的V相电流估计值iva与U相电流检测值iu及W相电流检测值iw一起被输入到电流传感器故障检测单元23。从该故障检测单元23输出表示电流传感器7u或7w发生了故障的电流传感器故障检测信号。
检测特性校正单元22V的功能例如相当于图4中的电流检测部308a、308b和加法器309所具有的功能。也就是说，检测特性校正单元22V基于流过感测发射极4e的电流信息与流过感测二极管4d的反向的电流(再生电流)信息的相加结果，来得到离散的正弦波状的V相电流估计值iva。
电流传感器故障检测单元23基于所输入的U相电流检测值iu、W相电流检测值iw以及V相电流估计值iva来检测电流传感器7u或7w的故障。例如，在iu、iw、iva之和不是0的情况下，判断为电流传感器7u、7w中的某一个发生了故障。或者，也可以分别求出一个周期的电流检测值iu、iw的平均值，将该平均值不是0的相的电流传感器判断为发生了故障。
接着，说明该实施方式的动作。
现在，在电流传感器7u、7w正常动作的情况下，驱动信号生成单元21将U相电流检测值iu和W相电流检测值iw以及根据iv＝-(iu+iw)而求出的V相电流运算值iv用作电流信息，再基于转矩指令和角度检测值来进行规定的运算，由此生成栅极信号G1～G6。
在此期间，通过电流传感器故障检测单元23不会检测出电流传感器7u或7w的故障。
当电流传感器7u、7w中的某一个发生了故障时，电流传感器故障检测单元23根据U相电流检测值iu、W相电流检测值iw以及V相电流估计值iva的合计值不是0，来判断为电流传感器7u、7w中的某一个发生了故障，并输出电流传感器故障检测信号。或者，根据电流传感器发生了故障的相的电流检测值iu或iw的一个周期的平均值不再是0，来判断为相应的相的电流传感器7u或7w发生了故障，并输出电流传感器故障检测信号。
接着，图2是应用本发明的第二实施方式的电动机驱动系统的结构图。对具有与图1相同的功能的部件标注同一编号，下面以与图1不同的部分为中心来进行说明。
在图2所示的逆变器主电路32中，U相和W相的下臂的开关元件2A、6A是带电流感测的开关元件，其它开关元件1、3～5不具备电流感测功能。此外，在图2中，2e、6e是感测发射极，2d、6d是感测二极管，18、19是感测检测信号处理电路。
感测检测信号处理电路18、19的输出信号被分别输入到控制电路25内的作为电流估计单元的检测特性校正单元22U、22W，从这些校正单元22U、22W输出的U相电流估计值iua、W相电流估计值iwa被输入到电流传感器故障检测单元24。此外，与图1同样地，U相电流检测值iu和W相电流检测值iw被输入到驱动信号生成单元21和电流传感器故障检测单元24。
也就是说，在本实施方式中，使用带电流感测的开关元件的相与设置电流传感器7u、7w的相一致(即U相、W相)。
本实施方式中的驱动信号生成单元21的动作与图1相同，将U相电流检测值iu和W相电流检测值iw以及V相电流运算值iv用作电流信息，再基于转矩指令和角度检测值来进行规定的运算，由此生成栅极信号G1～G6。
另外，检测特性校正单元22U、22W分别求出U相电流估计值iua、W相电流估计值iwa并将求出的电流估计值输出到电流传感器故障检测单元24。U相电流检测值iu和W相电流检测值iw被输入到电流传感器故障检测单元24，因此如果将U相电流检测值iu与U相电流估计值iua对照、将W相电流检测值iw与W相电流估计值iwa对照，则能够检测电流传感器7u、7w的故障来输出电流传感器故障检测信号。或者，也可以根据电流传感器发生了故障的相的电流检测值iu或iw的一个周期的平均值不再是0，来判断为相应的相的电流传感器7u或7w发生了故障。
此外，作为电流传感器故障检测信号的利用方法，例如经由驱动信号生成单元21来切断栅极信号G1～G6、或者产生警报来促使检查电流传感器等，对此并不特别限定。
并且，本发明中的故障检测单元也能够应用于在逆变器主电路的三相全部都具有电流传感器的三相逆变器装置。
产业上的可利用性
本发明除了能够利用于电动机驱动系统以外，还能够利用于对各种交流负载进行驱动的三相逆变器装置。

Claims (3)

1.一种三相逆变器装置，具备：
逆变器主电路，其具备三相的开关元件串联电路，每一相的所述开关元件串联电路在上下臂分别具有半导体开关元件，所述上下臂的半导体开关元件之间的串联连接点作为各相的交流输出端子而与负载分别连接；以及
控制电路，其使用所述逆变器主电路的输出电流检测值来生成所述半导体开关元件的驱动信号，
所述三相逆变器装置的特征在于，具有：
电流传感器，其分别检测所述逆变器主电路的两相的输出电流；以及
带电流感测的开关元件，其被设置作为除通过所述电流传感器检测输出电流的相以外的一相的上臂或下臂中的所述半导体开关元件，
所述控制电路具备：
驱动信号生成单元，其使用所述电流传感器的电流检测值来生成所述驱动信号；
电流估计单元，其基于所述带电流感测的开关元件的检测信号来估计设置有所述带电流感测的开关元件的一相的输出电流；以及
故障检测单元，其基于所述电流传感器的电流检测值以及所述电流估计单元的电流估计值来检测所述电流传感器的故障。
2.一种三相逆变器装置，具备：
逆变器主电路，其具备三相的开关元件串联电路，每一相的所述开关元件串联电路在上下臂分别具有半导体开关元件，所述上下臂的半导体开关元件之间的串联连接点作为各相的交流输出端子而与负载分别连接；以及
控制电路，其使用所述逆变器主电路的输出电流检测值来生成所述半导体开关元件的驱动信号，
所述三相逆变器装置的特征在于，具有：
电流传感器，其分别检测所述逆变器主电路的两相的输出电流；以及
带电流感测的开关元件，其被分别设置作为通过所述电流传感器检测输出电流的两相的上臂或下臂中的所述半导体开关元件，
所述控制电路具备：
驱动信号生成单元，其使用所述电流传感器的电流检测值来生成所述驱动信号；
电流估计单元，其基于所述带电流感测的开关元件的检测信号，来分别估计设置有所述带电流感测的开关元件的两相的输出电流；以及
故障检测单元，其基于所述电流传感器的电流检测值以及所述电流估计单元的电流估计值来检测所述电流传感器的故障。
3.根据权利要求1或2所述的三相逆变器装置，其特征在于，
所述带电流感测的开关元件的输出端子的电位与所述控制电路的基准电位相同。
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