CN109874382B - 电力转换装置、马达驱动单元和电动助力转向装置 - Google Patents

电力转换装置、马达驱动单元和电动助力转向装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供电力转换装置、马达驱动单元和电动助力转向装置。电力转换装置(100)具有：第1逆变器(120)，其与马达(200)的各相绕组(M1、M2和M3)的一端连接；第2逆变器(130)，其与各相绕组的另一端连接；以及切换电路(110)，其用于在第1逆变器侧构成各相绕组的中性点，第1逆变器所包含的多个开关元件中的至少1个具有第1电流容量，第2逆变器所包含的多个开关元件具有比第1电流容量大的第2电流容量。

Description

电力转换装置、马达驱动单元和电动助力转向装置
技术领域
本公开涉及转换对电动马达提供的电力的电力转换装置、马达驱动单元和电动助力转向装置。
背景技术
无刷DC马达和交流同步马达等电动马达(以下，简单记载为“马达”。)一般由三相电流驱动。使用矢量控制等复杂控制技术，以准确地控制三相电流的波形。在这种控制技术中，需要高度的数学运算，使用微控制器(微型计算机)等数字运算电路。矢量控制技术被活用于马达的负载变动较大的用途，例如洗衣机、电动助力自行车、电动滑板车、电动助力转向装置、电动汽车、工业设备等领域。另一方面，在输出相对较小的马达中采用脉冲宽度调制(PWM)方式等其他马达控制方式。
在车载领域中，在车辆中使用汽车用电子控制单元(ECU：Electrical ContorlUnit)。ECU具有微控制器、电源、输入输出电路、AD转换器、负载驱动电路和ROM(Read OnlyMemory：只读存储器)等。以ECU为核心来构建电子控制系统。例如，ECU处理来自传感器的信号，控制马达等致动器。具体地进行说明，ECU一边监视马达的转速和扭矩，一边控制电力转换装置中的逆变器。在ECU的控制下，电力转换装置转换对马达提供的驱动电力。
近年来，开发了将马达、电力转换装置和ECU一体化而得到的机电一体式马达(在本申请说明书中称作“动力组”。)。特别是在车载领域中，根据安全性的观点，要求保证高质量。因此，采用了计时在部件的一部分发生故障时也能够继续安全工作的冗余设计。作为冗余设计的一例，正在研究对1个马达设置2个电力转换装置。作为另一例，正在研究对主微控制器设置备用微控制器。
例如专利文献1公开了如下电力转换装置，该电力转换装置具有控制部和2个逆变器，转换对三相马达提供的电力。2个逆变器分别与电源和地(以下，记载为“GND”。)连接。一个逆变器与马达的三相的绕组的一端连接，另一个逆变器与三相的绕组的另一端连接。各逆变器具有由3个支路构成的桥电路，该3个支路分别包含高端开关元件和低端开关元件。控制部在检测到2个逆变器中的开关元件的故障的情况下，将马达控制从正常时的控制切换为异常时的控制。在正常时的控制中，例如，使用在一方的逆变器中构成的绕组的中性点，通过另一方的逆变器来驱动马达。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2014-192950号公报
发明内容
发明要解决的问题
在上述的现有技术中，要求进一步提高电力转换装置的电流控制。
本公开的实施方式提供能够在从低速驱动到高速驱动的宽范围内进行适当的电流控制的电力转换装置。
用于解决问题的手段
本公开的例示的电力转换装置将来自电源的电力转换为对具有n相(n为3以上的整数)的绕组的马达提供的电力，该电力转换装置具有：第1逆变器，其与所述马达的各相绕组的一端连接；第2逆变器，其与所述各相绕组的另一端连接；以及切换电路，其用于在所述第1逆变器侧构成所述各相绕组的中性点，所述第1逆变器中包含的多个开关元件中的至少1个开关元件具有第1电流容量，所述第2逆变器中包含的多个开关元件具有比所述第1电流容量大的第2电流容量。
发明的效果
根据本公开的例示的实施方式，提供能够在从低速驱动到高速驱动的宽范围内进行适当的电流控制的新的电力转换装置、具有该电力转换装置的马达驱动单元和具有该马达驱动单元的电动助力转向装置。
附图说明
图1是示出例示的实施方式1的电力转换装置100的电路结构的电路图。
图2是示出例示的实施方式1的电力转换装置100的其他电路结构的电路图。
图3是示出具有电力转换装置100的马达驱动单元400的典型的块结构的框图。
图4是示出马达的每单位时间的转速N(rps)和扭矩T(N·m)之间的关系的曲线图。
图5是示出例示的实施方式1的电力转换装置100的动作的处理步骤的一例的流程图。
图6是例示对电流值进行标绘而得到的电流波形的曲线图，该电流值是在第1动作模式下对电力转换装置100进行控制时在马达200的U相、V相和W相的各绕组中流过的电流值。
图7是示出第1动作模式下的电力转换装置100内的电流的流动的示意图。
图8是示出在第1逆变器120的GND侧配置了切换电路110的电力转换装置100的电路结构的电路图。
图9是例示对电流值进行标绘而得到的电流波形的曲线图，该电流值是根据三相通电控制对电力转换装置100进行控制时在马达200的U相、V相和W相的各绕组中流过的电流值。
图10是示出例示的实施方式2的电力转换装置100A的电路结构的电路图。
图11是示出例示的实施方式2的马达驱动单元400A的典型的块结构的框图。
图12是示出例示的实施方式3的电力转换装置100B的电路结构的电路图。
图13是示出例示的实施方式4的电动助力转向装置500的典型的结构的示意图。
具体实施方式
在对本公开的实施方式进行说明之前，对作为本公开的基础的本申请发明者的见解进行说明。
在专利文献1的电力转换装置中，电源和GND与2个逆变器分别始终保持连接。在该结构中，无法切断电源与逆变器之间的连接。本申请发明者发现如下课题：构成中性点的故障逆变器会从电源引入电流。由此，在会发生电力损失。
与电源同样，也无法切断逆变器与GND之间的连接。本申请发明者发现如下课题：通过未构成中性点的一方逆变器而提供到各相绕组的电流不会返回到该提供方的逆变器，而是从另一方的逆变器流入到GND。换言之，不形成驱动电流的闭环。期望从一方的逆变器提供到各相绕组的电流通过该提供方的逆变器而流到GND。
以下，参照附图对本公开的电力转换装置、马达驱动单元和电动助力转向装置的实施方式进行详细说明。但是，为了避免使以下的说明成为不必要的冗余，并使本领域技术人员容易理解，有时省略过度详细的说明。例如，有时省略已经公知的事项的详细说明和对实质相同的结构的重复说明。
在本申请说明书中，以如下的电力转换装置为例对本公开的实施方式进行说明，该电力转换装置转换对具有三相(U相、V相、W相)的绕组的三相马达提供的电力。但是，转换对具有四相或五相等n相(n为4以上的整数)的绕组的n相马达提供的电力的电力转换装置也属于本公开的范畴。
(实施方式1)
〔1.1.电力转换装置100的构造〕
图1示意地示出本实施方式的电力转换装置100的电路结构。
电力转换装置100具有切换电路110、第1逆变器120和第2逆变器130。电力转换装置100能够转换对各种马达提供的电力。马达200例如是三相交流马达。另外，在本申请说明书中，将图中的左侧的逆变器称作第1逆变器120，将右侧的逆变器称作第2逆变器130。当然该关系也可以相反。
马达200具有U相的绕组M1、V相的绕组M2和W相的绕组M3，与第1逆变器120以及第2逆变器130连接。具体进行说明，第1逆变器120与马达200的各相绕组的一端连接，第2逆变器130与各相绕组的另一端连接。在本申请说明书中，部件(结构要素)之间的“连接”主要指电连接。第1逆变器120具有与各相对应的端子U_L、V_L和W_L，第2逆变器130具有与各相对应的端子U_R、V_R和W_R。
第1逆变器120的端子U_L与U相的绕组M1的一端连接，端子V_L与V相的绕组M2的一端连接，端子W_L与W相的绕组M3的一端连接。与第1逆变器120同样，第2逆变器130的端子U_R与U相的绕组M1的另一端连接，端子V_R与V相的绕组M2的另一端连接，端子W_R与W相的绕组M3的另一端连接。与马达之间的这种接线与所谓的星型接线和三角接线不同。
切换电路110具有第1开关元件111。在本申请说明书中，有时将配置在电源101侧的切换电路110称作“电源侧切换电路”。切换电路110对第1逆变器120与电源101之间的连接/非连接进行切换。如后面详细说明的那样，切换电路110用于在第1逆变器120侧构成各相绕组的中性点。
切换电路110的第1开关元件111的导通和截止例如可以由微控制器或专用驱动器来控制。作为第1开关元件111，例如能够广泛使用场效应晶体管(典型地为MOSFET)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)等晶体管，也可以使用机械中继器。以下，对使用FET作为切换电路110的开关元件的例子进行说明，例如将第1开关元件111记载为FET 111。
FET 111具有续流二极管111D，被配置成续流二极管111D朝向电源101。更详细地讲，FET 111被配置成使得在续流二极管111D中朝向电源101流过正向电流。
不限于图示的例子，考虑设计规格等适当决定所使用的开关元件的个数。特别是在车载领域中，根据安全性的观点，要求保证高质量。因此，切换电路110优选具有多个开关元件。
图2示意地示出本实施方式的电力转换装置100的其他电路结构。
切换电路110也可以还具有反向连接保护用的开关元件(FET)115。FET 115具有续流二极管115D，被配置成FET内的续流二极管的朝向彼此对置。具体进行说明，FET 111被配置成，在续流二极管111D中朝向电源101流过正向电流，FET 115被配置成，在续流二极管115D中朝向第1逆变器120流过正向电流。在电源101反向连接的情况下，能够通过反向连接保护用的FET来切断反向电流。
再次参照图1。
电源101生成规定的电源电压。作为电源101，例如可以使用直流电源。其中，电源101可以是AC-DC转换器或DC-DC转换器，也可以是电池(蓄电池)。
电源101可以是在第1和第2逆变器120、130中通用的单一电源，也可以具有第1逆变器120用的第1电源和第2逆变器130用的第2电源。
在电源101和各逆变器之间设有线圈102。线圈102作为噪声滤波器而发挥功能，以使得对各逆变器提供的电压波形所包含的高频噪声或在各逆变器中产生的高频噪声不向电源101侧流出的方式进行平滑化。此外，在各逆变器的电源端子上连接有电容器103。电容器103是所谓的旁路电容器，抑制电压波纹。电容器103例如是电解电容器，根据设计规格等而适当决定容量和要使用的个数。
第1逆变器120(有时记载为“桥电路L”。)具有由3个支路构成的桥电路。各支路具有低端开关元件和高端开关元件。图1所示的开关元件121L、122L和123L是低端开关元件，开关元件121H、122H和123H是高端开关元件。作为开关元件，例如能够使用FET或IGBT。以下，对使用FET作为开关元件的例子进行说明，有时将开关元件记载为FET。例如，将开关元件121L、122L和123L记载为FET 121L、122L和123L。
第1逆变器120具有3个分流电阻121R、122R和123R，作为用于对U相、V相和W相的各相绕组中流过的电流进行检测的电流传感器(参照图3)。电流传感器150具有用于对各分流电阻中流过的电流进行检测的电流检测电路(未图示)。例如，分流电阻121R、122R和123R分别连接在第1逆变器120的3个支路所包含的3个低端开关元件与GND之间。具体而言，分流电阻121R电连接在FET 121L与GND之间，分流电阻122R电连接在FET 122L与GND之间，分流电阻123R电连接在FET 123L与GND之间。分流电阻的电阻值例如是0.5mΩ～1.0mΩ左右。
与第1逆变器120同样，第2逆变器130(有时记载为“桥电路R”。)具有由3个支路构成的桥电路。图1所示的FET 131L、132L和133L是低端开关元件，FET 131H、132H和133H是高端开关元件。此外，第2逆变器130具有3个分流电阻131R、132R和133R。这些分流电阻连接在3个支路所包含的3个低端开关元件与GND之间。第1和第2逆变器120、130的各FET例如可以通过微控制器或专用驱动器来控制。但是，分流电阻的连接例不限于此。例如，3个分流电阻131R、132R和133R也可以配置在FET 121H、122H和123H与FET 111之间。此外，各逆变器用的分流电阻的数量不限于3个。例如，使用2个分流电阻121R、122R，以用于第1逆变器120。考虑产品成本和设计规格等来适当决定所使用的分流电阻的数量和分流电阻的配置。
在本实施方式中，第2逆变器130中的开关元件131H、132H、133H、131L、132L和133L全部是具有第2电流容量的FET。第1逆变器120中的开关元件121H、122H和123H是具有第2电流容量的FET。将第1逆变器120的配置切换电路110的一侧的高端开关元件的电流容量设为与第2逆变器130相同的第2电流容量。第1逆变器120中的121L、122L和123L是具有第1电流容量的FET。第2电流容量大于第1电流容量。例如，能够将第1电流容量设为50A左右，将第2电流容量设为100A左右。例如，第1电流容量与第2电流容量之比是1/2左右。这里，电流容量是表示FET的性能的1个参数，意味着漏极电流Ids的最大值。一般来讲，当电流容量变大时，FET的元件尺寸变大，FET的成本增加。
〔1.2.马达驱动单元400的构造〕
图3示意地示出具有电力转换装置100的马达驱动单元400的典型的块结构。
马达驱动单元400具有电力转换装置100、马达200和控制电路300。
控制电路300例如具有电源电路310、角度传感器320、输入电路330、微控制器340、驱动电路350、ROM360。控制电路300与电力转换装置100连接，通过控制电力转换装置100来驱动马达200。例如，控制电路300能够对作为目标的马达扭矩和转速进行控制，从而实现闭环控制。
电源电路310生成电路内的各块所需要的DC电压(例如3V、5V)。角度传感器320例如是旋转变压器或霍尔IC。角度传感器320检测马达200的转子的旋转角(以下，记载为“旋转信号”。)，将旋转信号输出到微控制器340。输入电路330接收由电流传感器150检测到的马达电流值(以下，记载为“实际电流值”。)，根据需要将实际电流值的电平转换为微控制器340的输入电平，将实际电流值输出到微控制器340。
微控制器340控制电力转换装置100的第1和第2逆变器120、130中的各FET的开关动作(打开或关闭)。微控制器340根据实际电流值和转子的旋转信号等设定目标电流值从而生成PWM信号，并将该PWM信号输出到驱动电路350。此外，微控制器340能够对电力转换装置100的切换电路110中的FET 111的导通或截止进行控制。
驱动电路350典型地是栅极驱动器。驱动电路350根据PWM信号生成对第1和第2逆变器120、130中的各FET的开关动作进行控制的控制信号(栅极控制信号)，对各FET的栅极提供控制信号。此外，驱动电路350能够根据来自微控制器340的指示生成对切换电路110中的FET 111的导通或截止进行控制的栅极控制信号，对FET 111的栅极提供控制信号。但是，微控制器340也可以具有驱动电路350的功能。该情况下，控制电路300中也可以不存在驱动电路350。
ROM360例如是可写入的存储器(例如PROM)、可改写的存储器(例如闪存)或只读存储器。ROM360存储控制程序，该控制程序包含用于使微控制器340控制电力转换装置100的命令群。例如，控制程序在启动时在RAM(未图示)中被一次加载。
〔1.3.马达驱动单元400的动作〕
以下，对马达驱动单元400的动作的具体例进行说明，主要对电力转换装置100的动作的具体例进行说明。
电力转换装置100具有包含第1和第2动作模式的电力转换模式。具体进行说明，当马达200以低速进行驱动时，电力转换装置100通过第1动作模式转换电力。与此相对，当马达以高速进行驱动时，电力转换装置100通过第2动作模式转换电力。换言之，第1动作模式是与马达200的低速驱动对应的模式，第2动作模式是与马达200的高速驱动对应的模式。
图4示出马达的每单位时间的转速(rps)和扭矩T(N·m)之间的关系。图4示出所谓的T-N曲线。低速驱动和高速驱动区域大致表示为所图示的区域。
图5示出电力转换装置100的动作的处理步骤的一例。
马达驱动单元400的控制电路300能够使用各种公知的方法来检测马达200的转速(步骤S100)。控制电路300例如根据T-N曲线来判定马达200的转速是低速还是高速(步骤S200)。控制电路300在判定为马达200以低速进行驱动时，选择第1动作模式作为电力转换模式(步骤S300)，在判定为马达200以高速进行驱动时，选择第2动作模式作为电力转换模式(步骤S400)。控制电路300根据所选择的动作模式控制第1和第2逆变器，从而驱动马达200(步骤S500)。以下，详细说明步骤S300至S500。
＜第1动作模式＞
当马达200以低速进行驱动时，在第1逆变器120中，在切换电路110与第1逆变器120之间的连接节点N1(参照图1)处构成各相绕组的中性点。在本申请说明书中，将某个节点作为中性点来发挥功能表达为“构成中性点”。电力转换装置100使用第2逆变器130和中性点来进行电力转换，从而能够驱动马达200。
控制电路300使第1逆变器120中的FET 121H、122H和123H导通，并且，使FET 121L、122L和123L截止。由此，高端侧的连接节点N1作为中性点N1来发挥功能。换言之，在第1逆变器120中，在高端侧构成中性点N1。控制电路300还使FET 111截止。由此，电源101与第1逆变器120之间的电连接被切断，能够避免经由节点N1从电源101向第1逆变器120引入电流。
图6例示对电流值进行标绘而得到的电流波形(正弦波)，该电流值是在第1动作模式下对电力转换装置100进行控制时在马达200的U相、V相和W相的各绕组中流过的电流值。横轴示出马达电角(度)，纵轴示出电流值(A)。在图6的电流波形中，按照每30°电角标绘电流值。另外，除了图6例示的正弦波以外，例如可以使用矩形波来驱动马达200。图7示意地示出第1动作模式下的电力转换装置100内的电流的流动。图6的Ipk表示各相的最大电流值(峰值电流值)。图7中例如示出马达电角270°时的电流的流动。3个实线分别表示从电源101流向马达200的电流，虚线表示返回马达200的绕组M1的再生电流。
在图7所示的状态中，在第1逆变器120中，FET 121H、122H和123H是导通状态，FET121L、122L、123L是截止状态。在第2逆变器130中，FET 131H、132L和133L是导通状态，FET131L、132H和133H是截止状态。
在第2逆变器130的FET 131H中流过的电流通过绕组M1和第1逆变器120的FET121H而流向中性点N1。该电流的一部分通过FET 122H而流向绕组M2，其余的电流通过FET123H而流向绕组M3。在绕组M2和M3中流过的电流返回第2逆变器130并流向GND。此外，在FET131L的续流二极管中，再生电流朝向马达200的绕组M1流动。
表1按照图6的电流波形中的每个电角例示在第2逆变器130的端子流过的电流值。具体而言，表1例示在第2逆变器130(桥电路R)的端子U_R、V_R和W_R中流过的每30°电角的电流值。这里，针对桥电路L，将从桥电路L的端子向桥电路R的端子流动的电流方向定义为正方向。图6所示的电流的方向遵循该定义。此外，针对桥电路R，将从桥电路R的端子向桥电路L的端子流动的电流方向定义为正方向。因此，桥电路L的电流与桥电路R的电流之间的相位差为180°。在表1中，电流值I1的大小是〔(3)1/2/2〕＊Ipk，电流值I2的大小是Ipk/2。另外，依据电流方向的定义，图6所示的电流值的正负符号成为与表1所示的电流值的正负符号相反的关系(相位差180°)。
【表1】
Figure GDA0002827685990000091
在电角0°时，在U相的绕组M1中不流过电流。在V相的绕组M2中从桥电路R向桥电路L流过大小I1的电流，在W相的绕组M3中从桥电路L向桥电路R流过大小I1的电流。
在电角30°时，在U相的绕组M1中从桥电路L向桥电路R流过大小I2的电流，在V相的绕组M2中从桥电路R向桥电路L流过大小Ipk的电流，在W相的绕组M3中从桥电路L向桥电路R流过大小I2的电流。
在电角60°时，在U相的绕组M1中从桥电路L向桥电路R流过大小I1的电流，在V相的绕组M2中从桥电路R向桥电路L流过大小I1的电流。在W相的绕组M3中不流过电流。
在电角90°时，在U相的绕组M1中从桥电路L向桥电路R流过大小Ipk的电流，在V相的绕组M2中从桥电路R向桥电路L流过大小I2的电流，在W相的绕组M3中从桥电路R向桥电路L流过大小I2的电流。
在电角120°时，在U相的绕组M1中从桥电路L向桥电路R流过大小I1的电流，在W相的绕组M3中从桥电路R向桥电路L流过大小I1的电流。在V相的绕组M2中不流过电流。
在电角150°时，在U相的绕组M1中从桥电路L向桥电路R流过大小I2的电流，在V相的绕组M2中从桥电路L向桥电路R流过大小I2的电流，在W相的绕组M3中从桥电路R向桥电路L流过大小Ipk的电流。
在电角180°时，在U相的绕组M1中不流过电流。在V相的绕组M2中从桥电路L向桥电路R流过大小I1的电流，在W相的绕组M3中从桥电路R向桥电路L流过大小I1的电流。
在电角210°时，在U相的绕组M1中从桥电路R向桥电路L流过大小I2的电流，在V相的绕组M2中从桥电路L向桥电路R流过大小Ipk的电流，在W相的绕组M3中从桥电路R向桥电路L流过大小I2的电流。
在电角240°时，在U相的绕组M1中从桥电路R向桥电路L流过大小I1的电流，在V相的绕组M2中从桥电路L向桥电路R流过大小I1的电流。在W相的绕组M3中不流过电流。
在电角270°时，在U相的绕组M1中从桥电路R向桥电路L流过大小Ipk的电流，在V相的绕组M2中从桥电路L向桥电路R流过大小I2的电流，在W相的绕组M3中从桥电路L向桥电路R流过大小I2的电流。
在电角300°时，在U相的绕组M1中从桥电路R向桥电路L流过大小I1的电流，在W相的绕组M3中从桥电路L向桥电路R流过大小I1的电流。在V相的绕组M2中不流过电流。
在电角330°时，在U相的绕组M1中从桥电路R向桥电路L流过大小I2的电流，在V相的绕组M2中从桥电路R向桥电路L流过大小I2的电流，在W相的绕组M3中从桥电路L向桥电路R流过大小Ipk的电流。
流入中性点N1的电流与从中性点N1流出的电流的总和按照每个电角而始终为“0”。控制电路300例如通过可得到图6所示的电流波形的矢量控制对桥电路R的各FET的开关动作进行控制。
由于通过切换电路110的FET 111使电源101与第1逆变器120非电连接，因此，电流不会从电源101流入第1逆变器120。此外，由于低端开关元件121L、122L和123L全部截止，因此，电流不会流向第1逆变器120侧的GND。由此，能够抑制电力损失，并且通过形成驱动电流的闭环能够进行适当的电流控制。
在马达的低速驱动时(例如，车辆停车时)，需要高扭矩，因此，在逆变器中流过大电流。换言之，要求能够流过大电流的开关元件，即电流容量大的开关元件。这种开关元件的电力损失(包含开关动作引起的损失)必然变大。并且，在电流容量大的开关元件中使用通用品是极其困难的，大多需要特订品。
在使用本公开的电力转换装置这样的2个逆变器的情况下，需要大量的电流容量大的开关元件。因此产生如下课题：部件成本必然提高，并且，2个逆变器整体的电力损失进一步变大。例如，马达驱动单元400作为动力组可以进行模块化。该情况下，由于逆变器的FET的电力消耗而产生的热传递到动力组，有时动力组的发热成为问题。为了解决这样的课题，在低速驱动时，例如期望减少进行开关动作的FET的数量，并且，尽可能多地使用电流容量更小的FET。
根据本实施方式的第1动作模式，在低速驱动时，在第2逆变器130中发生各FET的开关动作，在第1逆变器120中不发生各FET的开关动作。此外，电流不会流向处于截止状态的低端开关元件121L、122L和123L。开关动作的电力损失主要在第2逆变器130中产生。并且，在处于导通状态的高端开关元件121H、122H和123H中，与第2逆变器130的各开关元件同样，使用可耐受大电流的第2电流容量的开关元件。由此，能够一边对具有第2电流容量的开关元件的第2逆变器130施加更大的负荷，一边驱动第1逆变器120，因此，能够使2个逆变器的各FET中的负荷均衡。
图8示意地示出在第1逆变器120的GND侧配置了切换电路110的电力转换装置100的电路结构。如图所示，可以在第1逆变器120与GND之间配置切换电路110。切换电路110具有第2开关元件112。在本申请说明书中，有时将在GND侧配置的切换电路110称作“GND侧切换电路”。切换电路110对第1逆变器120与GND之间的连接/非连接进行切换。
在该构成例中，第1逆变器120中的开关元件121L、122L和123L是具有第2电流容量的FET。将配置切换电路110的一侧的低端开关元件的电流容量设为与第2逆变器130相同的第2电流容量。第1逆变器120中的开关元件121H、122H和123H是具有第1电流容量的FET。
控制电路300使第1逆变器120中的FET 121L、122L和123L导通，并且，使FET 121H、122H和123H截止。由此，低端侧的连接节点N2作为中性点N2来发挥功能。换言之，在第1逆变器120中，在低端侧构成中性点N2。控制电路300还使切换电路110的FET 112截止。由此，第1逆变器120与GND之间的电连接被切断，能够防止电流从第1逆变器120经由节点N2而流向GND。
控制电路300例如通过可得到图6所示的电流波形的矢量控制对桥电路R的各FET的开关动作进行控制。由此，电力转换装置100能够使用第1逆变器120的低端侧的中性点N2和第2逆变器130来驱动马达200。
图8中例如示出马达电角270°时的电流的流动。3个实线分别表示从电源101流向马达200的电流，虚线表示返回马达200的绕组M1的再生电流。在第1逆变器120中，FET121H、122H和123H是截止状态，FET 121L、122L和123L是导通状态。在第2逆变器130中，FET131H、132L和133L是导通状态，FET 131L、132H和133H是截止状态。
在第2逆变器130的FET 131H中流过的电流通过绕组M1和第1逆变器120的FET121L而流向中性点N2。其电流的一部分通过FET 122L而流向绕组M2，其余的电流通过FET123L而流向绕组M3。在绕组M2和M3中流过的电流返回第2逆变器130并流向GND。此外，在FET131L的续流二极管中，再生电流朝向马达200的绕组M1流动。
即使代替电源侧切换电路而使用GND侧切换电路，也能够抑制电力损失，并且，通过形成驱动电流的闭环能够进行适当的电流控制。此外，能够提高上述这样的动力组的发热对策。
根据本公开的电力转换装置，针对图1所示的电路结构，例如能够将第1逆变器120的高端开关元件的电流容量设为第3电流容量，将第1逆变器120的低端开关元件的电流容量设为第1电流容量，将第2逆变器130的低端开关元件和高端开关元件的电流容量设为第2电流容量。第3电流容量大于第1电流容量且小于第2电流容量。例如，能够将第1电流容量设为50A，将第2电流容量设为100A，将第3电流容量设为70A。第1、第2和第3电流容量之比例如能够设为5：10：7左右。
这样，通过进一步使用第3电流容量的FET，能够一边对具有第2电流容量的开关元件的第2逆变器130施加更大的负荷，一边驱动第1逆变器120，并且，能够抑制第1逆变器120的高端开关元件用的FET的元件尺寸和成本。
＜第2动作模式＞
当马达200以高速进行驱动时，电力转换装置100使用第1和第2逆变器120、130双方来进行电力转换，从而能够驱动马达200。
再次参照图7。
控制电路300使切换电路110的FET 111导通。由此，电源101与第1逆变器120电连接。在该连接状态中，控制电路300使用第1和第2逆变器120、130双方来进行三相通电控制，从而驱动马达200。三相通电控制意味着，第1逆变器120的FET和第2逆变器130的FET以彼此相反的相位(相位差＝180°)进行开关控制。例如，着眼于包含FET 121L、121H、131L和131H的H桥，当FET 121L导通时，FET 131L截止，当FET 121L截止时，FET 131L导通。与此同样，当FET 121H导通时，FET 131H截止，当FET 121H截止时，FET 131H导通。
图9例示对电流值进行标绘而得到的电流波形，该电流值是根据三相通电控制对电力转换装置100进行控制时在马达200的U相、V相和W相的各绕组中流过的电流值。横轴表示马达电角(度)，纵轴表示电流值(A)。在图9的电流波形中，按照每30°电角标绘电流值。另外，除了图9中例示的正弦波以外，例如可以使用矩形波来驱动马达200。
表2在图9的正弦波中按照每个电角示出在各逆变器的端子中流过的电流值。具体而言，表2示出第1逆变器120(桥电路L)的端子U_L、V_L和W_L中流过的每30°电角的电流值，和第2逆变器130(桥电路R)的端子U_R、V_R和W_R中流过的每30°电角的电流值。电流方向的定义如上所述。
【表2】
Figure GDA0002827685990000141
例如，在电角30°时，在U相的绕组M1中，从桥电路L向桥电路R流过大小I2的电流，在V相的绕组M2中，从桥电路R向桥电路L流过大小Ipk的电流，在W相的绕组M3中，从桥电路L向桥电路R流过大小I2的电流。在电角60°时，在U相的绕组M1中，从桥电路L向桥电路R流过大小I1的电流，在V相的绕组M2中，从桥电路R向桥电路L流过大小I1的电流。在W相的绕组M3中不流过电流。在三相通电控制中，考虑了电流方向的三相的绕组中流过的电流的总和按照每个电角而始终为“0”。例如，控制电路300通过可得到图9所示的电流波形的矢量控制，利用三相通电控制对桥电路L和R的各FET的开关动作进行控制。
如表1和表2所示，可知在第1和第2动作模式之间，在马达200中流过的马达电流不会按照每个电角而变化。换言之，在两模式之间，马达的辅助扭矩不变。
在马达的高速驱动时(例如，车辆的高速行驶时)，在马达中产生较大的反电动势。因此，需要提高各相的电压。根据第2动作模式，在高速驱动时，电力转换装置100能够使用第1和第2逆变器120、130双方来进行三相通电控制。由此，能够提高各相的电压，其结果是，能够扩大高速驱动的范围。
在马达的高速驱动时，与低速驱动时相比，需要相应的大电流。因此，在本实施方式中，将对仅在高速驱动时进行开关动作作出贡献的第1逆变器120的FET 121L、122L和123L的电流容量设为小于第2电流容量的第1电流容量，该第1电流容量可以容许在高速驱动时所需要的电流。
根据本公开的电力转换装置，第1逆变器120中的低端开关元件和高端开关元件中的至少1个是第1电流容量的开关元件即可。例如，在设置有图1所示的电源侧切换电路的情况下，可以是，第1逆变器120的FET 121L是第1电流容量的FET，FET122L、123L是第2电流容量的FET。根据该结构，期待能够抑制至少1个开关元件(FET 121L)的电力损失、尺寸和成本的效果。
根据本实施方式，能够在从低速驱动到高速驱动的宽范围内抑制逆变器的电力损失，并有效地驱动马达200。
(实施方式2)
〔2.1.电力转换装置100A的构造〕
图10示意地示出本实施方式的电力转换装置100A的电路结构。图11示意地示出具有电力转换装置100A的马达驱动单元400A的典型的块结构。
电力转换装置100A具有中性点中继电路160作为切换电路。以下，主要对与实施方式1的电力转换装置100的不同点进行说明。
中性点中继电路160配置在第1逆变器120侧，与各相绕组的一端连接。中性点中继电路160具有3个第1中性点中继器161、162和163，该3个第1中性点中继器161、162和163各自的一端与共同的节点N3连接，另一端与各相绕组的一端连接。具体进行说明，第1中性点中继器161的一端与节点N3连接，另一端与U相的绕组M1的一端连接。第1中性点中继器162的一端与节点N3连接，另一端与V相的绕组M2的一端连接。第1中性点中继器163的一端与节点N3连接，另一端与W相的绕组M3的一端连接。通过该电路结构，中性点中继电路160能够对各相绕组的一端彼此的连接和非连接进行切换。
第1中性点中继器161、162、163的导通和截止例如可通过控制电路300来控制。作为这些中继器，例如能够广泛使用FET或IGBT等晶体管。此外，作为中继器，也可以使用机械中继器。在本申请说明书中，对使用FET作为这些中继器的例子进行说明，在以下的说明中，将各中继器记载为FET。
在本申请说明书中，中性点中继电路160的导通状态意味着，FET 161、162和163全部导通的状态，中性点中继电路160的截止状态意味着，FET 161、162和163全部截止的状态。
在本实施方式中，第1逆变器120中的开关元件121H、122H、123H、121L、122L和123L全部是具有第1电流容量的FET。第2逆变器130中的开关元件131H、132H、133H、131L、132L和133L全部是具有第2电流容量的FET。
〔2.2.电力转换装置100A的动作〕
以下，对马达驱动单元400A的动作的具体例进行说明，主要对电力转换装置100A的动作的具体例进行说明。
电力转换装置100A与实施方式1的电力转换装置100同样，具有包含第1和第2动作模式的电力转换模式。控制电路300例如按照图5所示的步骤，在判定为马达200以低速进行驱动时，选择第1动作模式作为电力转换模式，在判定为马达200以高速进行驱动时，选择第2动作模式作为电力转换模式。控制电路300根据所选择的动作模式来控制第1和第2逆变器，从而驱动马达200。
＜第1动作模式＞
当马达200以低速进行驱动时，在中性点中继电路160中的连接节点N3(参照图10)构成各相绕组的中性点N3。控制电路300使中性点中继电路160导通，并且，使第1逆变器120的低端开关元件和高端开关元件全部截止。由此，电流不会流向第1逆变器120。例如，通过第2逆变器130的FET 131H而在绕组M1流过的电流不会通过中性点中继电路160的FET 161而流向中性点N3。该电流的一部分通过FET 162而流向绕组M2，其余的电流通过FET 163而流向绕组M3。在绕组M2和M3中流过的电流返回第2逆变器130并流向GND。
控制电路300例如通过可得到图6所示的电流波形的矢量控制对桥电路R的各FET的开关动作进行控制。由此，电力转换装置100A使用第2逆变器130和中性点N3来进行电力转换，从而能够驱动马达200。
＜第2动作模式＞
控制电路300使中性点中继电路160截止。由此，电流不会流向中性点中继电路160。电力转换装置100使用第1和第2逆变器120、130双方进行三相通电控制，从而能够驱动马达200。
根据本实施方式，低速驱动时，在第1逆变器120的各FET中不流过电流。换言之，各FET不进行开关动作。因此，第1逆变器120的电力消耗得到抑制，其结果是，能够抑制电力转换装置100A整体的电力损失。这样，能够一边对具有第2电流容量的开关元件的第2逆变器130施加更大的负荷，一边驱动第1逆变器120，因此，能够使2个逆变器的各FET的负荷均衡。
与实施方式1同样，通过将第1逆变器120的全部FET的电流容量设为能够容许高速驱动时所需的电流的小于第2电流容量的第1电流容量，能够在高速驱动时有效抑制第1逆变器120中的电力损失。
根据本实施方式，能够在从低速驱动到高速驱动的宽范围内抑制逆变器的电力损失，并有效地驱动马达200。
(实施方式3)
本实施方式的电力转换装置100B与实施方式1的电力转换装置100的不同之处在于，具有用于第1逆变器120的电源侧切换电路和GND侧切换电路。以下，以与实施方式1的电力转换装置100之间的不同点为中心进行说明。
〔3.1.电力转换装置100B的构造〕
图12示意地示出本实施方式的电力转换装置100B的电路结构。
电力转换装置100B具有包含FET 111、112的切换电路110，用于第1逆变器120。
〔3.2.马达驱动单元400的动作〕
电力转换装置100B与实施方式1的电力转换装置100同样，具有包含第1和第2动作模式的电力转换模式。控制电路300(参照图3)在判定为马达200以低速进行驱动时，选择第1动作模式作为电力转换模式，在判定为马达200以高速进行驱动时，选择第2动作模式作为电力转换模式。
当马达200以低速进行驱动时，在第1动作模式时，控制电路300使FET 111、112截止，并且使第1逆变器120的高端开关元件和低端开关元件全部导通。由此，如图12所示，在第1逆变器120的高端侧构成中性点N1，并且，在低端侧构成中性点N2。电力转换装置100B使用第1逆变器120的2个中性点N1、N2和第2逆变器130来进行电力转换，从而驱动马达200。
在第2动作模式时，控制电路300使FET 111、112接通，使用第1和第2逆变器120、130，通过三相通电控制进行电力转换。
根据本实施方式，如图12所示，能够通过2个中性点N1、N2，使电流分散在高端侧和低端侧。通过消除第1逆变器120中的FET的开关动作引起的电力损失，能够降低2个逆变器中的全部FET的通电电阻引起的电力损失。并且，由于电流分散到高端侧和低端侧，因此，针对第1逆变器120的各FET，不特别需要第2电流容量的FET，能够选择第1电流容量的FET。由此，能够减小第1逆变器120的尺寸和成本。
(实施方式4)
汽车等车辆一般具有电动助力转向装置。电动助力转向装置生成辅助扭矩，该辅助扭矩用于对驾驶员操作方向盘而产生的转向系统的转向扭矩进行辅助。辅助扭矩由辅助扭矩机构生成，能够减轻驾驶员的操作负担。例如，辅助扭矩机构由转向扭矩传感器、ECU、马达和减速机构等构成。转向扭矩传感器检测转向系统中的转向扭矩。ECU根据转向扭矩传感器的检测信号生成驱动信号。马达根据驱动信号生成与转向扭矩对应的辅助扭矩，经由减速机构将辅助扭矩传递到转向系统。
本公开的马达驱动单元400适合用于电动助力转向装置。图13示意地示出本实施方式的电动助力转向装置500的典型的结构。电动助力转向装置500具有转向系统520和辅助扭矩机构540。
转向系统520例如可由方向盘521、转向轴522(也称作“转向柱”。)、万向联轴器523A、523B、旋转轴524(也称作“小齿轮轴”或“输入轴”。)、齿轮齿条副机构525、齿条轴526、左右的球窝接头552A、552B、拉杆527A、527B、转向节528A、528B、和左右的转向车轮(例如左右的前轮)529A、529B构成。方向盘521经由转向轴522和万向联轴器523A、523B而与旋转轴524连结。在旋转轴524上经由齿轮齿条副机构525而连结齿条轴526。齿轮齿条副机构525具有在旋转轴524上设置的小齿轮531和在齿条轴526上设置的齿条532。在齿条轴526的右端依次经由球窝接头552A、拉杆527A和转向节528A而连结右侧的转向车轮529A。与右侧同样，在齿条轴526的左端依次经由球窝接头552B、拉杆527B和转向节528B而连结左侧的转向车轮529B。这里，右侧和左侧分别与坐在座席上的驾驶员观察到的右侧和左侧一致。
根据转向系统520，驾驶员对方向盘521进行操作从而产生转向扭矩，该转向扭矩经由齿轮齿条副机构525而传递到左右的转向车轮529A、529B。由此，驾驶员能够操作左右的转向车轮529A、529B。
辅助扭矩机构540例如可由转向扭矩传感器541、ECU 542、马达543、减速机构544和电力转换装置545构成。辅助扭矩机构540将辅助扭矩提供给从方向盘521至左右的转向车轮529A、529B的转向系统520。另外，辅助扭矩有时也称作“附加扭矩”。
作为ECU 542，能够使用本公开的控制电路300，作为电力转换装置545，能够使用本公开的电力转换装置100。此外，马达543相当于本公开的马达200。作为可由ECU 542、马达543和电力转换装置545构成的机电一体式马达，能够恰当地使用本公开的马达驱动单元400。
转向扭矩传感器541检测转向系统520的通过方向盘521而被施加的转向扭矩。ECU542根据来自转向扭矩传感器541的检测信号(以下，记载为“扭矩信号”。)而生成用于驱动马达543的驱动信号。马达543根据驱动信号而产生与转向扭矩对应的辅助扭矩。辅助扭矩经由减速机构544而传递到转向系统520的旋转轴524。减速机构544例如是蜗轮机构。辅助扭矩还从旋转轴524传递到齿轮齿条副机构525。
电动助力转向装置500能够根据将辅助扭矩施加给转向系统520的部位而分类为小齿轮辅助型、齿条辅助型和柱辅助型等。图13示出小齿轮辅助型的电动助力转向装置500。但是，电动助力转向装置500也可以应用于齿条辅助型、柱辅助型等。
ECU 542中不仅可以输入扭矩信号，例如还可以输入车速信号。外部机器560例如是车速传感器。或者，外部机器560例如也可以是能够利用CAN(Controller Area Network：控制器局域网)等车内网络进行通信的其他ECU。ECU 542的微控制器能够根据扭矩信号和车速信号等对马达543进行矢量控制或PWM控制。
ECU 542至少根据扭矩信号来设定目标电流值。ECU 542优选考虑由车速传感器检测到的车速信号，进而考虑由角度传感器检测到的转子的旋转信号，来设定目标电流值。ECU 542能够以使得由电流传感器(未图示)检测到的实际电流值与目标电流值一致的方式，对马达543的驱动信号、即驱动电流进行控制。
根据电动助力转向装置500，能够利用对驾驶员的转向扭矩加上马达543的辅助扭矩得到的复合扭矩来通过齿条轴526对左右的转向车轮529A、529B进行操作。特别是通过在上述的机电一体式马达中利用本公开的马达驱动单元400，能够提供具有提高发热对策且能够进行适当的电流控制的马达驱动单元的电动助力转向装置。
【产业上的可利用性】
本公开的实施方式可以广泛用于吸尘器、吹风机、吊扇、洗衣机、冰箱和电动助力转向装置等具有各种马达的各种设备。
标号说明
100、100A，100B：电力转换装置，101：电源，102：线圈，103：电容器，110：切换电路，111：第1开关元件(FET)，112：第2开关元件(FET)，120：第1逆变器，121H、122H、123H：高端开关元件(FET)，121L、122L、123L：低端开关元件(FET)，121R、122R、123R：分流电阻，130：第2逆变器，131H、132H、133H：高端开关元件(FET)，131L、132L、133L：低端开关元件(FET)，131R、132R、133R：分流电阻，150：电流传感器，200：电动马达，300：控制电路，310：电源电路，320：角度传感器，330：输入电路，340：微控制器，350：驱动电路，360：ROM，400、400A：马达驱动单元，500：电动助力转向装置。

Claims (10)

1.一种电力转换装置，其将来自电源的电力转换为对具有n相的绕组的马达提供的电力，其中，n为3以上的整数，该电力转换装置具有：
第1逆变器，其与所述马达的各相绕组的一端连接；
第2逆变器，其与所述各相绕组的另一端连接；以及
切换电路，其用于在所述第1逆变器侧构成所述各相绕组的中性点，
所述第1逆变器中包含的多个开关元件中的至少1个开关元件具有第1电流容量，
所述第2逆变器中包含的多个开关元件具有比所述第1电流容量大的第2电流容量，
所述第1逆变器和所述第2逆变器的各桥电路由各自具有低端开关元件和高端开关元件的n个支路构成，
所述切换电路是具有第1开关元件的电源侧切换电路，该第1开关元件对所述第1逆变器与所述电源之间的连接/非连接进行切换，
所述第1逆变器的桥电路中的所述n个支路的低端开关元件具有所述第1电流容量，所述第1逆变器的桥电路中的所述n个支路的高端开关元件具有所述第2电流容量。
2.一种电力转换装置，其将来自电源的电力转换为对具有n相的绕组的马达提供的电力，其中，n为3以上的整数，该电力转换装置具有：
第1逆变器，其与所述马达的各相绕组的一端连接；
第2逆变器，其与所述各相绕组的另一端连接；以及
切换电路，其用于在所述第1逆变器侧构成所述各相绕组的中性点，
所述第1逆变器中包含的多个开关元件中的至少1个开关元件具有第1电流容量，
所述第2逆变器中包含的多个开关元件具有比所述第1电流容量大的第2电流容量，
所述第1逆变器和所述第2逆变器的各桥电路由各自具有低端开关元件和高端开关元件的n个支路构成，
所述切换电路是具有第1开关元件的电源侧切换电路，该第1开关元件对所述第1逆变器与所述电源之间的连接/非连接进行切换，
所述第1逆变器的桥电路中的所述n个支路的低端开关元件具有所述第1电流容量，所述第1逆变器的桥电路中的所述n个支路的高端开关元件具有第3电流容量，该第3电流容量大于所述第1电流容量且小于所述第2电流容量。
3.一种电力转换装置，其将来自电源的电力转换为对具有n相的绕组的马达提供的电力，其中，n为3以上的整数，该电力转换装置具有：
第1逆变器，其与所述马达的各相绕组的一端连接；
第2逆变器，其与所述各相绕组的另一端连接；以及
切换电路，其用于在所述第1逆变器侧构成所述各相绕组的中性点，
所述第1逆变器中包含的多个开关元件中的至少1个开关元件具有第1电流容量，
所述第2逆变器中包含的多个开关元件具有比所述第1电流容量大的第2电流容量，
所述第1逆变器和所述第2逆变器的各桥电路由各自具有低端开关元件和高端开关元件的n个支路构成，
所述切换电路是具有第2开关元件的地侧切换电路，该第2开关元件对所述第1逆变器与地之间的连接/非连接进行切换，
所述第1逆变器的桥电路中的所述n个支路的低端开关元件具有所述第2电流容量，所述第1逆变器的桥电路中的所述n个支路的高端开关元件具有所述第1电流容量。
4.一种电力转换装置，其将来自电源的电力转换为对具有n相的绕组的马达提供的电力，其中，n为3以上的整数，该电力转换装置具有：
第1逆变器，其与所述马达的各相绕组的一端连接；
第2逆变器，其与所述各相绕组的另一端连接；以及
切换电路，其用于在所述第1逆变器侧构成所述各相绕组的中性点，
所述第1逆变器中包含的多个开关元件中的至少1个开关元件具有第1电流容量，
所述第2逆变器中包含的多个开关元件具有比所述第1电流容量大的第2电流容量，
所述第1逆变器和所述第2逆变器的各桥电路由各自具有低端开关元件和高端开关元件的n个支路构成，
所述切换电路是具有第2开关元件的地侧切换电路，该第2开关元件对所述第1逆变器与地之间的连接/非连接进行切换，
所述第1逆变器的桥电路中的所述n个支路的低端开关元件具有第3电流容量，该第3电流容量大于所述第1电流容量且小于所述第2电流容量，所述第1逆变器的桥电路中的所述n个支路的高端开关元件具有所述第1电流容量。
5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的电力转换装置，其中，
所述电力转换装置具有：
第1动作模式，在所述马达的低速驱动时，使用通过所述切换电路在所述第1逆变器侧构成的所述各相绕组的中性点和所述第2逆变器来进行电力转换；以及
第2动作模式，在所述马达的高速驱动时，通过所述第1逆变器和所述第2逆变器的n相通电控制进行电力转换。
6.根据权利要求1或2所述的电力转换装置，其中，
所述电力转换装置具有：
第1动作模式，所述电源侧切换电路的所述第1开关元件截止，并且，在所述第1逆变器的桥电路中，所述n个支路的高端开关元件导通，所述n个支路的低端开关元件截止，在所述马达的低速驱动时，使用在所述第1逆变器的高端侧构成的所述各相绕组的中性点和所述第2逆变器来进行电力转换；以及
第2动作模式，所述电源侧切换电路的所述第1开关元件导通，在所述马达的高速驱动时，使用所述第1逆变器和所述第2逆变器的n相通电控制来进行电力转换。
7.根据权利要求3或4所述的电力转换装置，其中，
所述电力转换装置具有：
第1动作模式，所述地侧切换电路的所述第2开关元件截止，并且，在所述第1逆变器的桥电路中，所述n个支路的高端开关元件截止，所述n个支路的低端开关元件导通，在所述马达的低速驱动时，使用在所述第1逆变器的低端侧构成的所述各相绕组的中性点和所述第2逆变器来进行电力转换；以及
第2动作模式，所述地侧切换电路的所述第2开关元件导通，在所述马达的高速驱动时，通过所述第1逆变器和所述第2逆变器的n相通电控制来进行电力转换。
8.根据权利要求1至4中的任意一项所述的电力转换装置，其中，
所述电源是单一电源。
9.一种马达驱动单元，该马达驱动单元具有：
所述马达；
权利要求1至8中的任意一项所述的电力转换装置；以及
对所述电力转换装置进行控制的控制电路。
10.一种电动助力转向装置，其中，
该电动助力转向装置具有权利要求9所述的马达驱动单元。
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