CN106921337A - 逆变器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种逆变器装置。该逆变器装置(1)具备：第一温度检测部(18)，其检测半导体元件(30～36)以及该半导体元件(30～36)周边的至少一方的第一温度；电流检测部(20、22、24)，其检测电机(5)的电流；以及控制部(16)，其基于由第一温度检测部(18)检测的第一温度的检测结果和由电流检测部(20、22、24)检测的上述电流的检测结果，将电机(5)的调制方式切换为二相调制方式或者三相调制方式。

Description

逆变器装置
技术领域
本发明涉及逆变器装置。
背景技术
作为以往的逆变器装置，例如已知有专利文献1(日本特开2007-288858号公报)所记载的装置。专利文献1所记载的逆变器装置具备通过进行直流电压的开关来将直流电压转换为交流电压并将三个交流电压供给至三相电机的各相的开关单元。在该逆变器装置中，具备：温度检测单元，其检测开关单元的温度；以及线间调制控制单元，其基于温度检测单元的检测温度来对开关单元进行控制，从而进行针对三相电机的三个相的供给电压的全部并行地进行开关的三相线间调制模式和按照每个规定的电气角的期间仅针对三相电机的两个相的供给电压并行地进行开关的二相线间调制模式的切换。
在以往的逆变器装置中，检测开关单元的温度，在该温度为规定温度以上的情况下，进行从三相线间调制模式向二相线间调制模式的切换。在该逆变器装置中，通过切换调制模式，减少开关损耗，所以避免开关单元的过热。然而，若从三相线间调制模式切换到二相线间调制模式，则电机的输出降低。
发明内容
本发明的一侧面的目的在于提供一种确保电机的输出，并且能够保护半导体元件的逆变器装置。
本发明的一侧面的逆变器装置是通过半导体元件将来自电池的直流电力转换为交流电力，并将交流电力供给至三相电机的逆变器装置，具备：第一温度检测部，其检测半导体元件以及该半导体元件周边的至少一方的第一温度；电流检测部，其检测电机的电流；以及控制部，其基于由第一温度检测部检测的第一温度的检测结果和由电流检测部检测的电流的检测结果，将电机的调制方式切换为二相调制方式或者三相调制方式。
在本发明的一侧面的逆变器装置中，对半导体元件以及该半导体元件周边的至少一方的第一温度、以及电机的电流进行检测。控制部基于由第一温度检测部检测的第一温度的检测结果和由电流检测部检测的电流的检测结果这两个参数，切换为二相调制方式或者三相调制方式。在以往的逆变器装置中，例如，在第一温度成为规定温度以上的情况下，即使在电流较低的情况下，也切换为二相调制方式，所以输出降低。在本发明的逆变器装置中，例如，即使在第一温度相对较高的情况下，在电流较低的情况下，也通过三相调制方式来使电机驱动。因此，能够维持电机的输出。另外，在逆变器装置中，在第一温度升高的情况下，切换为二相调制方式，所以能够抑制半导体元件的过热。这样，在逆变器装置中，能够确保电机的输出，并且能够保护逆变器装置。
在一实施方式中，也可以：在由第一温度检测部检测出的第一温度的值为规定的阈值以上的情况下，控制部将用于半导体元件的驱动的载波信号的载波频率设定为比基准频率低。通过降低载波频率，半导体元件中的损耗减少。因此，能够降低第一温度。
在一实施方式中，也可以：控制部将载波频率设定在可听频带。若将载波频率设定在可听频带，则在逆变器装置中，产生所谓的斩波声。听到了该斩波声的作业者例如可以得知半导体元件的第一温度升高。这样，通过将载波频率设定在可听频带，从而能够报告半导体元件的第一温度升高。
在一实施方式中，也可以具备：电容器，其位于半导体元件的输入侧并且与电池并联连接；以及第二温度检测部，其检测电容器以及该电容器周边的至少一方的第二温度，在由第二温度检测部检测出的第二温度的值是规定的阈值以下的情况下，控制部将载波频率设定为比基准频率高。对于电容器而言，若温度较低，则ESR(Equivalent SeriesResistance：等效串联电阻)较大。因此，在电容器的温度较低时，由电容器实现的平滑的效果降低，所以半导体元件的开关时的浪涌电压增大。由此，可能产生半导体元件的破损等。在一实施方式中，在第二温度是阈值以下时，将载波频率设定为较高。由此，半导体元件中的损耗增大，半导体元件的温度上升。由此，能够提高电容器的温度。因此，能够抑制由电容器实现的平滑的效果的降低。其结果是，能够抑制半导体元件的破损等。
在一实施方式中，也可以：具备容量检测部，该容量检测部检测电池的容量，在由容量检测部检测到的电池的容量的值是规定的阈值以下的情况下，控制部将载波频率设定为比基准频率低。由此，在电池的容量降低的情况下，可实现半导体元件的损耗的减少。因此，能够抑制电池的容量降低。因此，能够实现电池的工作时间的长期化。
根据本发明的一侧面，能够确保电机的输出，并且能够保护电机。
附图说明
图1是包含一实施方式的逆变器装置的电源电路的电路图。
图2是表示设定有元件温度和电流的映射的图。
图3是表示设定有元件温度和载波频率的映射的图。
图4是表示图3所示的映射的变形例的图。
图5是表示设定有电容器温度和载波频率的映射的图。
图6是设定有电池容量和载波频率的映射的图。
具体实施方式
以下，参照附图，对一实施方式进行详细说明。此外，在附图的说明中，对于相同或者相当要素标注相同附图标记，并省略重复的说明。
图1是包含一实施方式的逆变器装置的电源电路的电路图。图1所示的逆变器装置1将来自电池3的直流电力转换为交流电力，将交流电力供给至作为旋转电机的电机5，使电机5驱动。电源电路例如搭载于叉车等车辆。
如图1所示，逆变器装置1具备：电容器10、逆变器电路12、驱动电路14、CPU(控制部)16、第一温度传感器(第一温度检测部)18、第一电流传感器(电流检测部)20及第二电流传感器22及第三电流传感器24、电压传感器(容量检测部)26、第四电流传感器(容量检测部)27以及第二温度传感器(第二温度检测部)28。
电容器10位于逆变器电路12的输入侧并且与直流电源2并联连接。电容器10是平滑用的电容器。电容器10例如是电解电容器。电容器10例如安装于未图示的电容器基板。
逆变器电路12按相具有两个开关元件(半导体元件)30、31、开关元件32、33以及开关元件34、35。开关元件30～36例如是MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)、IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor：绝缘栅双极型晶体管)、双极型晶体管等。U相的两个开关元件30、31与电容器10并联连接。例如，开关元件30的集电极与电容器10的一个端子连接，开关元件30的发射极与开关元件31的集电极连接，开关元件31的发射极与电容器10的另一个端子连接。在V相中开关元件32以及开关元件33、在W相中开关元件34以及开关元件35分别以相同的方式连接。开关元件30～36例如安装于IMS(Insulated Metal Substrate：绝缘金属基板)，与设置于IMS的FFC(Flexible Flat Cable：可挠性扁平电缆)的连接器电连接。
将开关元件30和开关元件31连接的布线的电压作为U相电压被施加给电机5。将开关元件32和开关元件33连接的布线的电压作为V相电压被施加给电机5。将开关元件34和开关元件36连接的布线的电压作为W相电压被施加给电机5。
驱动电路14生成并输出逆变器电路12的各开关元件30～36的驱动信号。驱动电路14对从CPU16输入的驱动信号分别进行放大，并输出至对应的开关元件30～36的栅极。驱动电路14例如被安装于未图示的控制基板，并与设置于控制基板的FFC连接器电连接。该控制基板的连接器与IMS的连接器通过FFC连接，从而逆变器电路12与驱动电路14电连接。
CPU16例如执行储存于未图示的存储器的程序，从而进行逆变器装置1整体的控制。CPU16使用按照每一相设定的载波频率，对每个开关元件30～36生成各相的驱动信号，并输出至驱动电路14。有关CPU16的具体的动作后述。
第一温度传感器18检测开关元件30～36以及开关元件30～36周边的至少一方的第一温度。第一温度传感器18例如在安装开关元件30～36的IMS上配置于开关元件30～36的附近。作为第一温度传感器18，只要是直接地或者间接地检测开关元件30～36的温度(周边温度)的传感器即可，例如，能够使用热敏电阻或者辐射温度计等。第一温度传感器18将表示检测出的温度的第一温度信号输出至CPU16。
第一电流传感器20、第二电流传感器22以及第三电流传感器24检测电机5的电流。第一电流传感器20检测U相的电流。第一电流传感器20将表示U相的电流的U相电流信号输出至CPU16。第二电流传感器22检测V相电流。第二电流传感器22将表示V相的电流的V相电流信号输出至CPU16。第三电流传感器24检测W相电流。第三电流传感器24将表示W相的电流的W相电流信号输出至CPU16。
电压传感器26检测电池3的电压(电池电压)。电压传感器26将表示检测出的电池3的电压的电压信号输出至CPU16。
第四电流传感器27检测电池3的电流。第四电流传感器27将表示检测出的电池3的电流的电流信号输出至CPU16。
第二温度传感器28检测电容器10以及电容器10周边的至少一方的温度。第二温度传感器28例如在安装电容器10的电容器基板上配置于电容器10的附近。作为第二温度传感器28，只要是直接地或者间接地检测电容器10的温度(周边温度)的传感器即可，例如，能够使用热敏电阻或者辐射温度计等。第二温度传感器28将表示检测出的温度的第二温度信号输出至CPU16。
接着，对CPU16的动作进行详细说明。CPU16基于由第一温度传感器18检测的第一温度的检测结果和由第一电流传感器20、第二电流传感器22以及第三电流传感器24检测的电流的检测结果，将电机5的调制方式切换为二相调制方式或者三相调制方式。CPU16获取从第一温度传感器18输出的第一温度信号、从第一电流传感器20、第二电流传感器22以及第三电流传感器24输出的U相电流信号、V相电流信号以及W相电流信号，并切换为二相调制方式或者三相调制方式。在二相调制方式中，将U相、V相以及W相中的1相的开关元件的开关设为关闭。在三相调制方式中，通过U相、V相以及W相三相的开关元件进行开关。
CPU16使用图2所示的映射M，来选择二相调制方式或者三相调制方式。如图2所示，在映射M中，横轴表示元件温度(第一温度)，纵轴表示电流。在映射M中，设置有三相调制区域A1和二相调制区域A2。三相调制区域A1是选择三相调制方式的区域。二相调制区域A2是选择二相调制方式的区域。二相调制区域A2与三相调制区域A1相比，在元件温度以及电流上被设定在外侧。三相调制区域A1以及二相调制区域A2根据实验以及开关元件30～36的特性等至少一方来适当地设定即可。
CPU16根据第一温度信号获取第一温度的值，并且根据U相电流信号、V相电流信号以及W相电流信号获取电流值。CPU16将获取到的第一温度的值以及电流值应用于映射M，来设定调制方式。具体而言，CPU16例如如图2所示，在第一温度的值以及电流值的交点P1存在于三相调制区域A1的情况下，设定为三相调制方式。CPU16在第一温度的值以及电流值的交点P2存在于二相调制区域A2的情况下，设定为二相调制方式。CPU16生成与所设定的调制方式对应的载波频率，并将与载波频率对应的驱动信号输出至驱动电路14。
另外，CPU16在由第一温度传感器18检测出的第一温度的值为规定的阈值以上的情况下，将载波频率设定为比基准频率低。CPU16使用图3所示的映射M1，来设定载波频率。如图3所示，在映射M1中，横轴表示元件温度，纵轴表示载波频率。CPU16将获取到的第一温度应用于M1，来设定载波频率。
具体而言，CPU16例如如图3所示，在第一温度的值是比阈值Tth1小的“T1”的情况下，将载波频率设定为“F1”。CPU16在第一温度的值是阈值Tth1以上的“T2”的情况下，将载波频率设定为“F2”。载波频率F1是基准频率。基准频率是根据开关元件30～36等的特性(性能)而预先设定的频率。载波频率F1比载波频率F2高。另外，将载波频率F2设定在可听频带。可听频带例如被设定在20Hz～20KHz的范围内。阈值Tth1以及载波频率F1、F2根据实验以及开关元件30～36的特性等至少一方来适当地设定即可。CPU16将与设定的载波频率(F1、F2)对应的驱动信号输出至驱动电路14。此外，基准频率也可以与载波频率F1分立地设定。
此外，如图4的(a)～图4的(c)所示，映射M1能够采用各种方式。如图4的(a)所示，在映射M1中，载波频率也可以从载波频率F1朝向载波频率F2从阈值Tth1开始线性降低。如图4的(b)所示，在映射M1中，载波频率也可以从载波频率F1朝向载波频率F2从阈值Tth1开始阶段性地降低。如图4的(c)所示，在映射M1中，载波频率也可以从载波频率F1朝向载波频率F2从阈值Tth1开始非线性地降低。
另外，CPU16基于从第二温度传感器28输出的第二温度信号，来设定载波频率。CPU16若接受第二温度信号，则获取第二温度信号所表示的第二温度的值。CPU16在第二温度的值是规定的阈值以下的情况下，将载波频率设定为比基准频率高。CPU16使用图5所示的映射M2，来设定载波频率。如图5所示，在映射M2中，横轴表示电容器温度(第二温度)，纵轴表示载波频率。
CPU16例如如图5所示，在第二温度的值是比阈值Tth2小的“T11”的情况下，将载波频率设定为“F12”。CPU16在第二温度的值是阈值Tth2以上的“T12”的情况下，将载波频率设定为“F11”。载波频率F12比载波频率F11高。载波频率F11是基准频率。基准频率是根据开关元件30～36等的特性(性能)而预先设定的频率。载波频率F12例如被设定为载波频率F11的2倍左右。阈值Tth2、载波频率F11、F12根据实验以及开关元件30～36的特性等至少一方适当地设定即可。CPU16将与设定的载波频率(F11、F12)对应的驱动信号输出至驱动电路14。此外，基准频率也可以与载波频率F11分立地设定。
此外，在图5所示的映射M2中，也可以与图4的(a)～图4的(c)所示的映射M1相同地采取各种方式。
CPU16基于从电压传感器26输出的电压信号和从第四电流传感器27输出的电流信号，来获取(推断)电池3的容量。CPU16若获取电池3的容量，则在电池3的容量是规定的阈值以下的情况下，将载波频率设定为比基准频率低。CPU16使用图6所示的映射M3，来设定载波频率。如图6所示，在映射M3中，横轴表示电池容量，纵轴表示载波频率。
CPU16例如如图6所示，在电池3的容量的值是比阈值V0小的“V1”的情况下，将载波频率设定为“F0”。CPU16在电池3的容量的值是阈值V0以上的“V2”的情况下，将载波频率设定为“FC”。载波频率FC比载波频率F0高。载波频率FC是基准频率。基准频率是根据开关元件30～36等的特性(性能)而预先设定的频率。可以将载波频率FC设定在可听频带。阈值V0、载波频率F0、FC根据实验以及开关元件30～36的特性等至少一方适当地设定即可。CPU16将与设定的载波频率(F0、FC)对应的驱动信号输出至驱动电路14。此外，基准频率也可以与载波频率FC分立地设定。
此外，在图6所示的映射M3中，也可以与图4的(a)～图4的(c)所示的映射M1相同地采取各种方式。
如以上说明的那样，在本实施方式的逆变器装置1中，对开关元件30～36以及开关元件30～36周边的至少一方的第一温度、以及电机5的电流进行检测。CPU16基于由第一温度传感器18检测的第一温度的检测结果和由第一电流传感器20、第二电流传感器22以及第三电流传感器24检测的电流的检测结果这两个参数，切换为二相调制方式或者三相调制方式。在以往的逆变器装置中，在第一温度为规定温度以上的情况下，即使是电流较低的情况，也切换为二相调制方式，所以输出降低。在本实施方式的逆变器装置1中，例如，即使在第一温度相对较高的情况下，在电流较低的情况下，也通过三相调制方式来驱动电机。因此，能够维持电机5的输出。另外，在逆变器装置1中，在第一温度升高的情况下，切换为二相调制方式，所以能够抑制开关元件30～36的过热。这样，在逆变器装置1中，能够确保电机5的输出，并且能够保护开关元件30～36。
在本实施方式中，CPU16在由第一温度传感器18检测出的第一温度的值为规定的阈值以上的情况下，将用于开关元件30～36的驱动的载波信号的载波频率设定为比基准频率低。通过降低载波频率，开关元件30～36中的损耗减少。因此，能够降低第一温度。其结果是，能够进行三相调制方式的控制，所以能够确保电机5的输出。
在本实施方式中，也可以CPU16将载波频率设定在可听频带。若将载波频率设定在可听频带，则在逆变器装置1中，产生所谓的斩波声。听到该斩波声的作业者可以得知开关元件30～36的第一温度升高。这样，通过将载波频率设定在可听频带，从而能够报告开关元件30～36的第一温度升高。由此，例如，作业者能够进行不给开关元件30～36施加负荷的运转。其结果是，能够抑制开关元件30～36的过热。
在本实施方式中，具备位于开关元件30～36的输入侧并且与电池3并联连接的电容器10、以及检测电容器10以及电容器10周边的至少一方的第二温度的第二温度传感器28。CPU16在由第二温度传感器28检测出的第二温度的值是规定的阈值以下的情况下，将载波频率设定为比基准频率高。对于电容器10而言，若温度较低，则ESR(Equivalent SeriesResistance：等效串联电阻)较大。因此，在电容器10的温度较低时，由电容器10实现的平滑的效果降低，所以开关元件30～36的开关时的浪涌电压增大。由此，可能产生开关元件30～36的破损等。在本实施方式中，在第二温度是阈值以下时，较高地设定载波频率。由此，开关元件30～36中的损耗增大，开关元件30～36的温度上升。由此，能够提高电容器10的温度。因此，能够抑制由电容器10实现的平滑的效果的降低。其结果是，能够抑制开关元件30～36的破损等。
另外，由于能够抑制开关元件30～36的破损，所以也可以不使用可以承受浪涌电压的开关元件30～36。存在耐性较高的开关元件高价的情况。在本实施方式中，由于也可以不使用耐性较高的开关元件，所以能够避免成本增大。另外，为了抑制低温时的ESR的降低，考虑了使电容器大型化或者并联连接多个电容器。但是，在这种情况下，成本增大，并且装置大型化。在本实施方式中，由于无需电容器10的大型化等，所以能够避免逆变器装置1的大型化。
在本实施方式中，具备检测电池3的容量的电压传感器26以及第四电流传感器27。CPU16在由电压传感器26以及第四电流传感器27检测出的电池3的容量的值是规定的阈值以下的情况下，将载波频率设定为比基准频率低。由此，在电池3的容量降低的情况下，可实现开关元件30～36的损耗的减少。因此，能够抑制电池3的容量降低。因此，能够实现电池3的工作时间的长期化。
另外，在电池3的容量降低的情况下，通过将载波频率设定在可听频带，能够产生斩波声。由此，例如，能够对作业者报告电池3的容量降低。
本发明并不限定于上述实施方式。例如，在上述实施方式中，进行调制方式的切换控制和在第一温度的值为规定的阈值以上的情况下较低地设定开关元件30～36的载波频率的控制。但是，也可以不进行较低地设定开关元件30～36的载波频率的控制。
在上述实施方式中，以具备一个第一温度传感器18的方式为例进行了说明。然而，也可以具备多个检测半导体元件以及该半导体元件周边的至少一方的第一温度的传感器。在具备多个传感器的情况下，第一温度可以采用由多个传感器检测出的温度的平均温度，也可以采用最高的温度。第二温度传感器28也同样地可以具备多个。
在上述实施方式中，以具备第一至第三电流传感器22、24、26的方式为例进行了说明。但是，对U、V、W相中的两相设置电流传感器即可。在对U、V、W相中的两相设置有电流传感器的情况下，只要得到两相的电流值，就能够运算剩余的一相的电流值。
在上述实施方式中，以根据U相电流信号、V相电流信号以及W相电流信号获取电流值，并将获取到的电流值应用于映射M来设定调制方式的方式为例进行了说明。但是，电流值也可以根据U相电流信号、V相电流信号以及W相电流信号中的一个信号得到。
在上述实施方式中，作为电容器10以电解电容器为例进行了说明，但电容器也可以是其它电容器(例如，薄膜电容器等)。
在上述实施方式中，作为检测电池3的容量的方法，以根据由电压传感器26检测出的电压和由第四电流传感器27检测出的电流来计算电池3的容量的方式为例进行了说明。但是，电池3的容量的检测方法也可以是其它方法。

Claims (5)

1.一种逆变器装置，通过半导体元件将来自电池的直流电力转换成交流电力，并将所述交流电力供给至三相电机，所述逆变器装置的特征在于，具备：
第一温度检测部，其检测所述半导体元件以及该半导体元件周边的至少一方的第一温度；
电流检测部，其检测所述电机的电流；以及
控制部，其基于由所述第一温度检测部检测的所述第一温度的检测结果和由所述电流检测部检测的所述电流的检测结果，将所述电机的调制方式切换为二相调制方式或者三相调制方式。
2.根据权利要求1所述的逆变器装置，其特征在于，
在通过所述第一温度检测部检测出的所述第一温度的值为规定的阈值以上的情况下，所述控制部将用于所述半导体元件的驱动的载波信号的载波频率设定为比基准频率低。
3.根据权利要求2所述的逆变器装置，其特征在于，
所述控制部将所述载波频率设定在可听频带。
4.根据权利要求2或3所述的逆变器装置，其特征在于，
所述逆变器装置具备：
电容器，其位于所述半导体元件的输入侧并且与所述电池并联连接；以及
第二温度检测部，其检测所述电容器以及该电容器周边的至少一方的第二温度，
在通过所述第二温度检测部检测出的所述第二温度的值为规定的阈值以下的情况下，所述控制部将所述载波频率设定为比基准频率高。
5.根据权利要求2～4中任一项所述的逆变器装置，其特征在于，
所述逆变器装置具备容量检测部，该容量检测部检测所述电池的容量，
在通过所述容量检测部检测出的所述电池的容量的值是规定的阈值以下的情况下，所述控制部将所述载波频率设定为比基准频率低。
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