CN110168906B - 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

提供在正常时和异常时都能够进行适当的电流控制的电力转换装置。电力转换装置(100B)具有：第1逆变器(110)，其与马达(200)的各相的绕组的一端连接；第2逆变器(140)，其与各相的绕组的另一端连接；相分离继电器电路(120)，其切换各相的绕组的一端与第1逆变器之间的连接和非连接；中性点继电器电路(130)，其与各相的绕组的一端连接，并且切换各相的绕组的一端彼此的连接和非连接；第1开关元件(801)，其切换第2逆变器与电源(101)之间的连接/非连接；以及第2开关元件(802)，其切换第2逆变器与地线之间的连接/非连接。

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供给的电力的电力转换装置、马达驱动单元、电动助力转向装置和继电器模块。
背景技术
无刷DC马达和交流同步马达等电动马达(以下简单记述为“马达”。)一般由三相电流驱动。为了准确地控制三相电流的波形，使用矢量控制等复杂控制技术。在这种控制技术中，需要高度的数学运算，使用微控制器(微机)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，对马达等致动器进行控制。具体地说，ECU一边监视马达的旋转速度和扭矩，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供给的驱动电力。
近年来，开发了使马达、电力转换装置和ECU一体化的机电一体型马达。特别是在车载领域中，从安全性的观点来看，要求保证较高质量。因此，采取了即使在部件的一部分发生了故障的情况下也能够继续进行安全动作的冗余设计。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，正在研究在主微控制器中设置备用微控制器。
例如专利文献1公开了具有控制部和2个逆变器且转换对三相马达供给的电力的电力转换装置。2个逆变器分别与电源和地线(以下记述为“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，这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。在本申请说明书中，“异常”主要意味着开关元件的故障。此外，“正常时的控制”意味着全部开关元件正常的状态下的控制，“异常时的控制”意味着某个开关元件产生了故障的状态下的控制。
在异常时的控制中，在2个逆变器中的包含故障的开关元件的逆变器(以下记述为“故障逆变器”。)中，按照规定的规则接通或断开开关元件，由此构成绕组的中性点。根据该规则，例如，在高端开关元件始终断开的断路故障的情况下，在逆变器的桥电路中，3个高端开关元件中的故障的开关元件以外的开关元件断开，并且3个低端开关元件接通。该情况下，中性点构成在低端侧。或者，在高端开关元件始终接通的短路故障的情况下，在逆变器的桥电路中，3个高端开关元件中的故障的开关元件以外的开关元件接通，并且3个低端开关元件断开。该情况下，中性点构成在高端侧。根据专利文献1的电力转换装置，在异常时，三相的绕组的中性点构成在故障逆变器中。即使开关元件产生故障，也能够使用正常的逆变器继续进行马达驱动。
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
发明要解决的课题
在上述现有技术中，要求正常时和异常时的电流控制的进一步提高。
本公开的实施方式提供在正常时和异常时都能够进行适当的电流控制的电力转换装置。
用于解决课题的手段
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)的绕组的马达供给的电力，其中，所述电力转换装置具有：第1逆变器，其与所述马达的各相的绕组的一端连接；第2逆变器，其与所述各相的绕组的另一端连接；相分离继电器电路，其切换所述各相的绕组的一端与所述第1逆变器之间的连接和非连接；中性点继电器电路，其与所述各相的绕组的一端连接，并且切换所述各相的绕组的一端彼此的连接和非连接；第1开关元件，其切换所述第2逆变器与所述电源之间的连接/非连接；以及第2开关元件，其切换所述第2逆变器与地线之间的连接/非连接。
发明效果
根据本公开的实施方式，提供通过第1相分离继电器电路、第1中性点继电器电路、第1和第2开关元件在正常时和异常时都能够进行适当的电流控制的电力转换装置。
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的另一个电路结构的电路图。
图3是示出例示的实施方式1的电力转换装置100的又一个电路结构的电路图。
图4是示出例示的实施方式1的具有电力转换装置100的马达驱动单元400的典型的块结构的框图。
图5是示出标绘按照正常时的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而得到的电流波形(正弦波)的图。
图6是示出例如与马达电角为270°的异常时的控制对应的电力转换装置100内的电流的流动的示意图。
图7是示出标绘根据异常时的控制在马达200的U相、V相和W相的各绕组中流过的电流值而得到的电流波形的图。
图8是示出具有一组继电器电路的电力转换装置100A的电路结构的电路图。
图9是示出例示的实施方式2的电动助力转向装置500的典型的结构的示意图。
图10是示出例示的实施方式3的继电器模块600的电路结构的电路图。
图11是示出具有一组继电器电路的继电器模块600A的电路结构的电路图。
图12A是示出第1相分离继电器电路120中配置有各FET的状况的示意图。
图12B是示出第1中性点继电器电路130中配置有各FET的状况的示意图。
图13是示出例示的实施方式4的电力转换装置100B的电路结构的电路图。
图14是示出例示的实施方式4的变形例的电力转换装置100C的电路结构的电路图。
图15是示出第2逆变器140的高端开关元件发生了故障的情况下的、例如马达电角为90°的电力转换装置100B内的电流的流动的示意图。
图16是示出第2逆变器140的低端开关元件发生了故障的情况下的、例如马达电角为90°的电力转换装置100B内的电流的流动的示意图。
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人的见解进行说明。
在专利文献1的电力转换装置中，电源和GND与2个逆变器分别始终连接。在该结构中，无法切断电源与故障逆变器之间的连接。本申请发明人发现如下课题：在异常时，即使在故障逆变器中构成中性点，故障逆变器也从电源引入电流。由此，在故障逆变器中产生电力损失。
与电源同样，也无法切断故障逆变器与GND之间的连接。本申请发明人发现如下课题：在异常时，即使在故障逆变器中构成中性点，通过正常的逆变器对各相的绕组供给的电流也不会返回供给方的逆变器，而是从故障逆变器流到GND。换言之，无法形成驱动电流的闭环。优选从正常的逆变器对各相的绕组供给的电流通过供给方的逆变器流到GND。
下面，参照附图对本公开的电力转换装置、马达驱动单元、电动助力转向装置和继电器模块的实施方式进行详细说明。但是，有时省略过度的详细说明。例如，有时省略已经公知的事项的详细说明和针对实质上相同的结构的重复说明。这是为了避免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。
本申请说明书中，以转换对具有三相(U相、V相、W相)的绕组的三相马达供给的电力的电力转换装置为例，对本公开的实施方式进行说明。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相马达供给的电力的电力转换装置也是本公开的范畴。
(实施方式1)
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具有第1逆变器110、第1相分离继电器电路120、第1中性点继电器电路130、第2逆变器140、第2相分离继电器电路150、第2中性点继电器电路160。电力转换装置100能够转换对各种马达供给的电力。马达200是三相交流马达。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110和第2逆变器140连接。具体地说，第1逆变器110与马达200的各相的绕组的一端连接，第2逆变器140与各相的绕组的另一端连接。在本申请说明书中，部件(结构要素)彼此之间的“连接”主要意味着电连接。
第1逆变器110具有与各相对应的端子U_L、V_L和W_L，第2逆变器140具有与各相对应的端子U_R、V_R和W_R。第1逆变器110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M1的一端连接。与第1逆变器110同样，第2逆变器140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。这种接线与所谓的星型接线和三角接线不同。
第1逆变器110(有时记述为“桥电路L”。)包含由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111L、112L和113L是低端开关元件，开关元件111H、112H和113H是高端开关元件。作为开关元件，例如能够使用场效应晶体管(典型为MOSFET)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)。在本申请说明书中，对使用FET作为逆变器的开关元件的例子进行说明，在以下的说明中，有时将开关元件记述为FET。例如，开关元件111L被记述为FET 111L。
第1逆变器110具有3个分流电阻111R、112R和113R，作为用于检测在U相、V相和W相的各相的绕组中流过的电流的电流传感器(参照图4)。电流传感器170包含检测在各分流电阻中流过的电流的电流检测电路(未图示)。例如，分流电阻111R、112R和113R分别连接在第1逆变器110的3个支路中包含的3个低端开关元件与地线之间。具体而言，分流电阻111R连接在FET 111L与GND之间，分流电阻112R连接在FET 112L与GND之间，分流电阻113R连接在FET 113L与GND之间。分流电阻的电阻值例如为0.5mΩ～1.0mΩ左右。
与第1逆变器110同样，第2逆变器140(有时记述为“桥电路R”。)包含由3个支路构成的桥电路。图1所示的FET 141L、142L和143L是低端开关元件，FET 141H、142H和143H是高端开关元件。此外，第2逆变器140具有3个分流电阻141R、142R和143R。这些分流电阻连接在3个支路中包含的3个低端开关元件与地线之间。第1和第2逆变器110、140的各FET例如能够通过微控制器或专用驱动器进行控制。
第1相分离继电器电路120连接在各相的绕组的一端与第1逆变器110之间。具体地说，第1相分离继电器电路120包含与各相的绕组的一端和第1逆变器110连接的3个第1相分离继电器121、122和123。第1相分离继电器121连接在FET 111H和111L的连接节点与U相的绕组M1的一端之间。第1相分离继电器122连接在FET 112H和112L的连接节点与V相的绕组M2的一端之间。第1相分离继电器123连接在FET 113H和113L的连接节点与W相的绕组M3的一端之间。通过该电路结构，第1相分离继电器电路120切换各相的绕组的一端与第1逆变器110之间的连接和非连接。
第2相分离继电器电路150连接在各相的绕组的另一端与第2逆变器140之间。具体地说，第2相分离继电器电路150包含与各相的绕组的另一端和第2逆变器140连接的3个第2相分离继电器151、152和153。第2相分离继电器151连接在FET 141H和141L的连接节点与U相的绕组M1的另一端之间。第2相分离继电器152连接在FET 142H和142L的连接节点与V相的绕组M2的另一端之间。第2相分离继电器153连接在FET 143H和143L的连接节点与W相的绕组M3的另一端之间。通过该电路结构，第2相分离继电器电路150切换各相的绕组的另一端与第2逆变器140之间的连接和非连接。
第1中性点继电器电路130与各相的绕组的一端连接。第1中性点继电器电路130包含各自的一端与共同的第1节点N1连接、另一端与各相的绕组的一端连接的3个第1中性点继电器131、132和133。具体地说，第1中性点继电器131的一端与第1节点N1连接，另一端与U相的绕组M1的一端连接。第1中性点继电器132的一端与第1节点N1连接，另一端与V相的绕组M2的一端连接。第1中性点继电器133的一端与第1节点N1连接，另一端与W相的绕组M3的一端连接。通过该电路结构，第1中性点继电器电路130切换各相的绕组的一端彼此的连接和非连接。
第2中性点继电器电路160与各相的绕组的另一端连接。第2中性点继电器电路160包含各自的一端与共同的第2节点N2连接、另一端与各相的绕组的另一端连接的3个第2中性点继电器161、162和163。具体地说，第2中性点继电器161的一端与第2节点N2连接，另一端与U相的绕组M1的另一端连接。第2中性点继电器162的一端与第2节点N2连接，另一端与V相的绕组M2的另一端连接。第2中性点继电器163的一端与第2节点N2连接，另一端与W相的绕组M3的另一端连接。通过该电路结构，第2中性点继电器电路160切换各相的绕组的另一端彼此的连接和非连接。
第1相分离继电器121、122、123、第1中性点继电器131、132、133、第2相分离继电器151、152、153、第2中性点继电器161、162和163的继电器的接通和断开例如能够通过微控制器或专用驱动器进行控制。作为这些继电器，例如能够广泛使用FET或IGBT等晶体管。此外，作为继电器，也可以使用机械继电器。在本申请说明书中，对使用具有续流二极管的FET作为这些继电器的例子进行说明，在以下的说明中，将各继电器记述为FET。例如，第1相分离继电器121、122和123分别被记述为FET 121、122和123。
图12A示意地示出第1相分离继电器电路120中配置有各FET的状况。图12B示意地示出第1中性点继电器电路130中配置有各FET的状况。
在第1相分离继电器电路120中，3个FET 121、122和123配置成续流二极管朝向同一方向，并且，朝向马达200在续流二极管中流过正向电流。在第1中性点继电器电路130中，3个FET 131、132和133配置成续流二极管朝向同一方向，并且，朝向马达200在续流二极管中流过正向电流。与此同样地，在第2相分离继电器电路150中，3个FET 151、152和153配置成续流二极管朝向同一方向，并且，朝向马达200在续流二极管中流过正向电流。在第2中性点继电器电路160中，3个FET 161、162和163配置成续流二极管朝向同一方向，并且，朝向马达200在续流二极管中流过正向电流。根据这种配置，能够截断断开状态的相分离继电器电路和中性点继电器电路中流过的电流。
电力转换装置100与电源101和GND连接。具体地说，第1和第2逆变器110、140分别与电源101和GND连接。从电源101对第1和第2逆变器110、140供给电力。
电源101生成规定的电源电压。作为电源101，例如使用直流电源。但是，电源101也可以是AC-DC转换器和DC-DC转换器，还可以是电池(蓄电池)。电源101可以是第1和第2逆变器110、140中共同的一个电源，也可以具有第1逆变器110用的第1电源和第2逆变器140用的第2电源。
在电源101与电力转换装置100之间设置有线圈102。线圈102作为噪声滤波器发挥功能，进行平滑化以使得对各逆变器供给的电压波形中包含的高频噪声或各逆变器中产生的高频噪声不向电源101侧流出。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，根据设计规格等适当决定容量和要使用的个数。
图1中例示在每个逆变器的各支路配置1个分流电阻的结构。但是，第1和第2逆变器110、140能够具有6个以下的分流电阻。6个以下的分流电阻能够连接在第1和第2逆变器110、140所具有的6个支路中的6个以下的低端开关元件与GND之间。进而，将其扩展为n相马达时，第1和第2逆变器110、140能够具有2n个以下的分流电阻。2n个以下的分流电阻能够连接在第1和第2逆变器110、140所具有的2n个支路中的2n个以下的低端开关元件与GND之间。
图2示意地示出本实施方式的电力转换装置100的另一个电路结构。还能够在第1或第2逆变器110、140的各支路与绕组M1、M2和M3之间配置3个分流电阻。例如，能够在第1逆变器110与绕组M1、M2和M3的一端之间配置分流电阻111R、112R和113R。此外，例如，虽然没有图示，但是，分流电阻111R、112R能够配置在第1逆变器110与绕组M1、M2的一端之间，分流电阻143R能够配置在第2逆变器140与绕组M3的另一端之间。在这种结构中，配置U、V和W相用的3个分流电阻就足够了，配置最少2个分流电阻即可。
图3示意地示出本实施方式的电力转换装置100的又一个电路结构。例如也可以在各逆变器中仅配置1个各相的绕组中共同的分流电阻。一个分流电阻111R例如能够连接在第1逆变器110的低端侧的节点N3(各支路的连接点)与GND之间，另一个分流电阻141R例如能够连接在第2逆变器140的低端侧的节点N4与GND之间。另外，使用正常的逆变器侧的分流电阻检测马达电流。因此，与相分离继电器电路的配置无关，能够在能检测马达电流的位置配置分流电阻。或者，与低端侧同样，一个分流电阻111R例如连接在第1逆变器110的高端侧的节点N5与电源101之间，另一个分流电阻141R例如连接在第2逆变器140的高端侧的节点N6与电源101之间。这样，考虑产品成本和设计规格等适当决定要使用的分流电阻的数量和分流电阻的配置。
图4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、ROM 360。控制电路300与电力转换装置100连接，对电力转换装置100进行控制，由此驱动马达200。具体而言，控制电路300能够对作为目标的马达扭矩和旋转速度进行控制而实现闭环控制。
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(以下记述为“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170检测到的马达电流值(以下记述为“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对电力转换装置100的第1和第2逆变器110、140中的各FET的开关动作(打开或关闭)进行控制。微控制器340按照实际电流值和转子的旋转信号等设定目标电流值，生成PWM信号，将其输出到驱动电路350。此外，例如微控制器340能够切换电力转换装置100中的第1相分离继电器电路120、第1中性点继电器电路130、第2相分离继电器电路150和第2中性点继电器电路160的接通/断开状态。或者，驱动电路350也可以在微控制器340的控制下执行各继电器电路的接通/断开状态的切换。驱动电路350典型地是栅极驱动器。驱动电路350按照PWM信号生成对第1和第2逆变器110、140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。另外，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中可以不存在驱动电路350。
ROM 360例如是可写入的存储器、可改写的存储器或只读存储器。ROM 360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的命令组。例如，控制程序在启动时在RAM(未图示)中暂时展开。
在电力转换装置100中存在正常时和异常时的控制。控制电路300(主要是微控制器340)能够将电力转换装置100的控制从正常时的控制切换为异常时的控制。根据控制的种类决定第1相分离继电器电路120、第1中性点继电器电路130、第2相分离继电器电路150和第2中性点继电器电路160的接通/断开状态。
下面，对各继电器电路的接通/断开状态和接通/断开状态下的第1和第2逆变器110、140与马达200之间的电连接关系进行详细说明。
控制电路300择一地控制两个继电器电路，以使得当接通第1相分离继电器电路120时，断开第1中性点继电器电路130，并且当断开第1相分离继电器电路120时，接通第1中性点继电器电路130。这里，“接通第1相分离继电器电路120”意味着接通全部FET 121、122和123，“断开第1相分离继电器电路120”意味着断开全部FET 121、122和123。此外，“接通第1中性点继电器电路130”意味着接通全部FET 131、132和133，“断开第1中性点继电器电路130”意味着断开全部FET 131、132和133。
当第1相分离继电器电路120接通后，第1逆变器110与各相的绕组的一端连接，当第1相分离继电器电路120断开后，第1逆变器110从各相的绕组的一端切断。当第1中性点继电器电路130接通后，各相的绕组的一端彼此连接，当第1中性点继电器电路130断开后，各相的绕组的一端彼此成为非连接。
控制电路300择一地控制两个继电器电路，以使得当接通第2相分离继电器电路150时，断开第2中性点继电器电路160，并且当断开第2相分离继电器电路150时，接通第2中性点继电器电路160。这里，“接通第2相分离继电器电路150”意味着接通全部FET 151、152和153，“断开第2相分离继电器电路150”意味着断开全部FET 151、152和153。此外，“接通第2中性点继电器电路160”意味着接通全部FET161、162和163，“断开第2中性点继电器电路160”意味着断开全部FET 161、162和163。
当第2相分离继电器电路150接通后，第2逆变器140与各相的绕组的另一端连接，当第2相分离继电器电路150断开后，第2逆变器140从各相的绕组的另一端切断。当第2中性点继电器电路160接通后，各相的绕组的另一端彼此连接，当第2中性点继电器电路160断开后，各相的绕组的另一端彼此成为非连接。
(1.正常时的控制)
首先，对电力转换装置100的正常时的控制方法的具体例进行说明。如上所述，正常是指第1和第2逆变器110、140的各FET中未产生故障的状态。
在正常时，控制电路300接通第1相分离继电器电路120，断开第1中性点继电器电路130，并且接通第2相分离继电器电路150，断开第2中性点继电器电路160。由此，第1和第2中性点继电器电路130、160从各相的绕组切断，并且，第1逆变器110经由第1相分离继电器电路120而与各相的绕组的一端连接，第2逆变器140经由第2相分离继电器电路150而与各相的绕组的另一端连接。在该连接状态下，控制电路300使用第1和第2逆变器110、140双方进行三相通电控制，由此驱动马达200。具体而言，控制电路300以相互相反相位(相位差＝180°)对第1逆变器110的FET和第2逆变器140的FET进行开关控制，由此进行三相通电控制。例如，着眼于包含FET 111L、111H、141L和141H的H桥，当FET 111L接通后，FET 141L断开，当FET 111L断开后，FET 141L接通。与此同样，当FET 111H接通后，FET 141H断开，当FET 111H断开后，FET 141H接通。
图5例示标绘按照正常时的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而得到的电流波形(正弦波)。横轴示出马达电角(度)，纵轴示出电流值(A)。在图5的电流波形中，按照每30°电角标绘电流值。Ipk表示各相的最大电流值(峰值电流值)。另外，除了图5所例示的正弦波以外，例如能够使用矩形波驱动马达200。
表1示出图5的正弦波中按照每个电角在各逆变器的端子中流过的电流值。具体而言，表1示出在第1逆变器110(桥电路L)的端子U_L、V_L和W_L中流过的每30°电角的电流值以及在第2逆变器140(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的端子流向桥电路R的端子的电流方向定义为正方向。图5所示的电流的朝向基于该定义。此外，针对桥电路R，将从桥电路R的端子流向桥电路L的端子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的电流的相位差成为180°。在表1中，电流值I1的大小为〔(3)1/2/2〕*Ipk，电流值I2的大小为Ipk/2。
[表1]
Figure BDA0002106019370000121
在电角为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。
在电角为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。
在电角为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。
在电角为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。
在电角为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。
在电角为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。
在电角为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。
在电角为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。
在电角为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。
在电角为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。
在电角为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。
在电角为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。
根据本实施方式的三相通电控制，考虑电流的朝向的三相的绕组中流过的电流的总和按照每个电角始终成为“0”。例如，控制电路300通过得到图5所示的电流波形的PWM控制，对桥电路L和R的各FET的开关动作进行控制。
(2.异常时的控制)
对电力转换装置100的异常时的控制方法的具体例进行说明。如上所述，异常主要意味着FET中产生了故障。FET的故障大致分成“断路故障”和“短路故障”。“断路故障”是指FET的源极-漏极间开放的故障(换言之，源极-漏极间的电阻rds成为高阻抗)，“短路故障”是指FET的源极-漏极间短路的故障。
再次参照图1。在电力转换装置100进行动作时，认为通常产生2个逆变器的12个FET中的1个FET随机故障这样的随机故障。本公开只要将产生随机故障的情况下的电力转换装置100的控制方法作为对象。但是，本公开还将多个FET连锁故障的情况下等的电力转换装置100的控制方法作为对象。连锁故障例如意味着1个支路的高端开关元件和低端开关元件中同时产生的故障。
当长期间使用电力转换装置100时，可能引起随机故障。另外，随机故障与制造时可能产生的制造故障不同。当2个逆变器中的多个FET中的1个FET故障时，还是不能进行正常时的三相通电控制。
作为故障检测的一例，驱动电路350监视FET的漏极-源极间的电压Vds，对规定的阈值电压和Vds进行比较，由此检测FET的故障。例如通过与外部IC(未图示)之间的数据通信和外置部件在驱动电路350中设定阈值电压。驱动电路350与微控制器340的端口连接，将故障检测信号通知给微控制器340。例如，驱动电路350在检测到FET的故障后，对故障检测信号进行激活。微控制器340接收到被激活的故障检测信号后，读出驱动电路350的内部数据，判别2个逆变器的多个FET中的哪个FET故障。
作为故障检测的另一例，微控制器340还能够根据马达的实际电流值与目标电流值之差来检测FET的故障。但是，故障检测不限于这些方法，能够广泛使用与故障检测相关的公知方法。
微控制器340在故障检测信号被激活后，将电力转换装置100的控制从正常时的控制切换为异常时的控制。例如，将控制从正常时切换为异常时的定时是从故障检测信号被激活起10msec～30msec左右。
在异常时的控制的说明中，将2个逆变器中的第1逆变器110作为故障逆变器进行处理，将第2逆变器140作为正常逆变器进行处理。下面，分成高端开关元件中产生故障的情况和低端开关元件中产生故障的情况对控制进行说明。
〔2-1.高端开关元件的故障〕
设第1逆变器110的高端开关元件(FET 111H、112H和113H)中的FET 111H发生了断路故障。另外，在FET 112H或113H发生了断路故障的情况下，也能够通过以下说明的控制方法对电力转换装置100进行控制。
在FET 111H发生了断路故障的情况下，控制电路300断开第1相分离继电器电路120，接通第1中性点继电器电路130，并且接通第2相分离继电器电路150，断开第2中性点继电器电路160。由此，包含故障的FET 111H的第1逆变器110从马达200(即各相的绕组的一端)切断，仅正常的第2逆变器140与马达200(即各相的绕组的另一端)连接。在该连接状态下，第1中性点继电器电路130接通，由此，第1节点N1作为各相的绕组的中性点发挥功能。在本申请说明书中，将某个节点作为中性点发挥功能表达为“构成中性点”。另外，在第2中性点继电器电路160中不构成中性点。在第1逆变器110中，优选故障的FET 111H以外的其他FET 112H、113H、111L、112L和113L全部成为断开状态。控制电路300例如在第1逆变器110中使故障的FET 111H以外的其他FET 112H、113H、111L、112L和113L全部成为断开状态。控制电路300在第1中性点继电器电路130中构成中性点的状态下对第2逆变器140进行控制，由此驱动马达200。
根据该控制，能够通过第1相分离继电器电路120使第1逆变器110从马达200切断，并且，能够使用第1中性点继电器电路130形成驱动电流的闭环，因此，在异常时也能够进行适当的电流控制。
图6示意地示出例如与马达电角270°的异常时的控制对应的电力转换装置100内的电流的流动。3个实线分别示出从电源101流向马达200的电流，虚线示出返回马达200的绕组M1的再生电流。图7例示标绘根据异常时的控制在马达200的U相、V相和W相的各绕组中流过的电流值而得到的电流波形。横轴示出马达电角(度)，纵轴示出电流值(A)。
在图6所示的状态下，第2逆变器140的FET 141H、142L和143L处于接通状态，FET141L、142H和143H处于断开状态。流过第2逆变器140的FET 141H的电流通过绕组M1和第1中性点继电器电路130的FET 131流入中性点。该电流的一部分通过FET 132流向绕组M2，其余的电流通过FET 133流向绕组M3。流过绕组M2和M3的电流分别通过第2逆变器140的FET142L和143L流向GND。此外，在FET 141L的续流二极管中，再生电流朝向马达200的绕组M1流动。
FET 111H发生断路故障，并且第1逆变器110的、FET 111H以外的FET 112H、113H、111L、112L和113L处于断开状态，因此，电流未从电源101流入第1逆变器110。此外，第1逆变器110通过第1相分离继电器电路120从马达200切断，因此，电流不从第2逆变器140流向第1逆变器110。
表2例示按照图7的电流波形中的每个电角在第2逆变器140的端子流过的电流值。具体而言，表2例示第2逆变器140(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。另外，根据电流方向的定义，图7所示的电流值的正负的符号成为与表2所示的电流值的正负的符号相反的关系(相位差180°)。
[表2]
Figure BDA0002106019370000161
例如，在电角为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。在电角为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。流入中性点的电流和从中性点流出的电流的总和按照每个电角始终成为“0”。控制电路300例如通过得到图7所示的电流波形的PWM控制，对桥电路R的各FET的开关动作进行控制。
如表1和表2所示，在正常时和异常时的控制之间，马达200中流过的马达电流不按照每个电角而变化。因此，在异常时的控制中，维持正常时的控制中的马达的辅助扭矩。
在FET 111H发生了短路故障的情况下，与发生了断路故障的情况同样，能够按照上述控制方法对电力转换装置100进行控制。在发生了短路故障的情况下，FET 111H始终成为接通状态，但是，第1相分离继电器电路120的FET 121处于断开状态，并且，FET 111H以外的FET 112H、113H、111L、112L和113L处于断开状态，因此，电流未从电源101流入第1逆变器110。
〔2-2.低端开关元件的故障〕
设第1逆变器110的低端开关元件(FET 111L、112L和113L)中的FET 111L发生了断路故障或短路故障。该情况下的控制与高端开关元件故障的情况下的控制相同。即，控制电路300断开第1相分离继电器电路120，接通第1中性点继电器电路130，并且接通第2相分离继电器电路150，断开第2中性点继电器电路160。进而，控制电路300在第1逆变器110中使故障的FET 111L以外的其他FET 111H、112H、113H、112L和113L全部成为断开状态。控制电路300在第1中性点继电器电路130中构成中性点的状态下对第2逆变器140进行控制，由此驱动马达200。
在FET 111L故障的情况下，第1逆变器110的、FET 111L以外的FET 111H、112H、113H、112L和113L处于断开状态，因此，电流未从电源101流入第1逆变器110。此外，第1逆变器110通过第1相分离继电器电路120从马达200切断，因此，电流不从第2逆变器140流向第1逆变器110。另外，在FET 112L或113L故障的情况下，也能够通过上述控制方法对电力转换装置100进行控制。
这样，在第1逆变器110至少包含一个故障的FET的情况下，能够使用第1相分离继电器电路120使第1逆变器110从马达200切断，并且，能够通过第1中性点继电器电路130使第1节点N1作为各相的绕组的中性点发挥功能。
参照图8对电力转换装置100的电路结构的变形例进行说明。
在本实施方式中，电力转换装置100具有2个相分离继电器电路和2个中性点继电器电路。但是，本公开不限于此。例如，电力转换装置100也可以具有第1相分离继电器电路120和第1中性点继电器电路130(一组继电器电路)。换言之，还能够选择在电力转换装置100的1个逆变器中设置一组继电器电路的结构。
图8示出具有一组继电器电路的电力转换装置100A的电路结构。设与一组继电器电路连接的逆变器、即与第1相分离继电器电路120和第1中性点继电器电路130连接的第1逆变器110发生了故障。该情况下，控制电路300断开第1相分离继电器电路120，接通第1中性点继电器电路130。根据该电路结构，能够使故障逆变器从马达200切断，并且能够使第1节点N1作为中性点发挥功能。控制电路300在第1中性点继电器电路130中构成中性点的状态下对正常的第2逆变器140进行控制，由此能够驱动马达200。
根据本实施方式，在异常时的控制中，能够抑制电力损失，并且形成驱动电流的闭环，由此能够进行适当的电流控制。
(实施方式2)
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，经由减速机构向转向系统传递辅助扭矩。
本公开的马达驱动单元400适合用于电动助力转向装置。图9示意地示出本实施方式的电动助力转向装置500的典型结构。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例如能够由方向盘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上经由齿轮齿条机构525连结有齿条轴526。齿轮齿条机构525具有设置在旋转轴524上的小齿轮531和设置在齿条轴526上的齿条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连结有右侧的转向车轮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连结有左侧的转向车轮529B。这里，右侧和左侧分别与从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进行操作而产生转向扭矩，该转向扭矩经由齿轮齿条机构525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例如能够由转向扭矩传感器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对从方向盘521到左右的转向车轮529A、529B的转向系统520提供辅助扭矩。另外，辅助扭矩有时也称作“附加扭矩”。
作为ECU 542，能够使用实施方式1的控制电路300，作为电力转换装置545，能够使用实施方式1的电力转换装置100。此外，马达543相当于实施方式1中的马达200。作为能够由ECU 542、马达543和电力转换装置545构成的机电一体型单元，能够适当使用实施方式1的马达驱动单元400。
转向扭矩传感器541检测由方向盘521赋予的转向系统520的转向扭矩。ECU 542根据来自转向扭矩传感器541的检测信号(以下记述为“扭矩信号”。)生成用于驱动马达543的驱动信号。马达543根据驱动信号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传递到齿轮齿条机构525。
电动助力转向装置500能够根据对转向系统520赋予辅助扭矩的部位分类为小齿轮辅助型、齿条辅助型和柱辅助型等。图9中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也可以是齿条辅助型、柱辅助型等。
在ECU 542中，不仅能够输入扭矩信号，例如还能够输入车速信号。外部设备560例如是车速传感器。或者，外部设备560例如也可以是能够利用CAN(Controller AreaNetwork：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至少根据扭矩信号设定目标电流值。优选ECU 542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。ECU542能够对马达543的驱动信号即驱动电流进行控制，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。
根据电动助力转向装置500，能够利用对驾驶员的转向扭矩附加马达543的辅助扭矩而得到的复合扭矩，通过齿条轴526操作左右的转向车轮529A、529B。特别是在上述机电一体型单元中利用本公开的马达驱动单元400，由此，提供部件的质量提高且在正常时和异常时都能够进行适当的电流控制的具有马达驱动单元的电动助力转向装置。
(实施方式3)
图10示意地示出本实施方式的继电器模块600的电路结构。
继电器模块600具有第1相分离继电器电路120、第1中性点继电器电路130、第2相分离继电器电路150和第2中性点继电器电路160。继电器模块600能够与电力转换装置700连接，该电力转换装置700驱动具有三相(U相、V相、W相)的绕组的马达200，具有与各相的绕组的一端连接的第1逆变器110和与各相的绕组的另一端连接的第2逆变器140。
继电器模块600电连接在马达200与电力转换装置700之间。第1相分离继电器电路120、第1中性点继电器电路130、第2相分离继电器电路150和第2中性点继电器电路160的各继电器电路的构造如实施方式1中说明的那样。即，第1相分离继电器电路120包含与各相的绕组的一端和第1逆变器120连接的3个FET 121、122和123，第2相分离继电器电路150包含与各相的绕组的另一端和第2逆变器140连接的3个FET 151、152和153。第1中性点继电器电路130包含各自的一端与共同的第1节点N1连接、另一端与各相的绕组的一端连接的3个FET131、132和133，第2中性点继电器电路160包含各自的一端与共同的第2节点N2连接、另一端与各相的绕组的另一端连接的3个FET 161、162和163。
第1相分离继电器电路120切换各相的绕组的一端与第1逆变器110之间的连接和非连接，第2相分离继电器电路150切换各相的绕组的另一端与第2逆变器140之间的连接和非连接。第1中性点继电器电路130切换各相的绕组的一端彼此的连接和非连接，第2中性点继电器电路160切换各相的绕组的另一端彼此的连接和非连接。
在继电器模块600中，当第1相分离继电器电路120接通后，第1中性点继电器电路130断开，并且，当第1相分离继电器电路120断开后，第1中性点继电器电路130接通。当第2相分离继电器电路150接通后，第2中性点继电器电路160断开，并且，当第2相分离继电器电路150断开后，第2中性点继电器电路160接通。继电器模块600、具体而言为各继电器电路例如能够通过外置控制电路或专用驱动器进行控制。外置控制电路例如是实施方式1的控制电路300。在本实施方式中，继电器模块600通过控制电路300进行控制。
在正常时，控制电路300接通第1相分离继电器电路120，断开第1中性点继电器电路130，并且接通第2相分离继电器电路150，断开第2中性点继电器电路160。另外，各继电器电路的接通/断开状态和接通/断开状态下的第1和第2逆变器110、140与马达200之间的电连接关系如实施方式1中说明的那样。例如，控制电路300通过能够得到图5所示的电流波形的PWM控制对2个逆变器的各FET的开关动作进行控制，由此能够驱动马达。
在异常时，设第1逆变器110发生了故障。该情况下，与实施方式1同样，控制电路300断开第1相分离继电器电路120，接通第1中性点继电器电路130，并且接通第2相分离继电器电路150，断开第2中性点继电器电路160。该状态下，通过马达200的各相的绕组的一端彼此的连接，在继电器模块600(具体而言为第1中性点继电器电路130)中构成各相的绕组的中性点。控制电路300在构成中性点的状态下对第2逆变器140进行控制，由此能够驱动马达200。控制电路300例如通过得到图7所示的电流波形的PWM控制对第2逆变器140的各FET的开关动作进行控制。这样，能够使用继电器模块600形成驱动电流的闭环，因此，在异常时也能够进行适当的电流控制。
参照图11对继电器模块600的电路结构的变形例进行说明。
在本实施方式中，继电器模块600具有2个相分离继电器电路和2个中性点继电器电路。但是，本公开不限于此。例如，继电器模块600也可以具有第1相分离继电器电路120和第1中性点继电器电路130(一组继电器电路)。换言之，还能够选择设置电力转换装置100的1个逆变器用的一组继电器电路的结构。
图11示出具有一组继电器电路的继电器模块600A的电路结构。继电器模块600A连接在第1和第2逆变器110、140中的一方与马达200之间。在图示的例子中，使一组继电器电路(即第1相分离继电器电路120和第1中性点继电器电路130)与第1逆变器110连接。
设连接有一组继电器电路的逆变器即第1逆变器发生了故障。该情况下，控制电路300断开第1相分离继电器电路120，接通第1中性点继电器电路130。控制电路300在构成中性点的状态下对第2逆变器140进行控制，由此能够驱动马达200。根据该电路结构，能够使故障逆变器从马达200切断，并且能够使第1节点N1作为中性点发挥功能。
根据本实施方式，在电力转换装置700的异常时的控制中，能够抑制电力损失，并且形成驱动电流的闭环，由此能够进行适当的电流控制。
(实施方式4)
参照图13～图16对实施方式4的电力转换装置100B的电路结构、正常时和异常时的动作进行说明。
图13示意地示出电力转换装置100B的电路结构。
电力转换装置100B与实施方式1的电力转换装置100A的不同之处在于具有第1和第2开关元件801、802。下面，主要对与实施方式1的差异点进行说明。
电力转换装置100B具有配置在第1逆变器110侧的一组继电器电路(第1相分离继电器电路120和第1中性点继电器电路130)以及配置在第2逆变器140侧的第1和第2开关元件801、802。
在电力转换装置100B中，第2逆变器140能够通过2个开关元件801、802而与电源101和GND连接。具体而言，第1开关元件801切换第2逆变器140与电源101之间的连接/非连接。第2开关元件802切换第2逆变器140与GND之间的连接/非连接。
第1和第2开关元件801、802的接通和断开例如能够通过微控制器340(图4)或专用驱动器进行控制。作为第1和第2开关元件801、802，例如能够广泛使用MOSFET或IGBT等半导体开关元件。但是，也可以使用机械继电器。在本申请说明书中，对使用半导体开关元件作为第1和第2开关元件801、802的例子进行说明，将第1和第2开关元件801、802分别记述为FET 801、802。
2个开关元件801、802分别具有续流二极管801D、802D。FET 801配置成续流二极管801D朝向电源101，FET 802配置成续流二极管802D朝向第2逆变器140。更详细地讲，FET801配置成在续流二极管801D中朝向电源101流过正向电流，FET 802配置成在续流二极管802D中朝向第2逆变器140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要使用的开关元件的个数。特别是在车载领域中，从安全性的观点来看，要求保证较高质量，因此，优选在截断用的开关元件中设置多个开关元件。
图14示意地示出本实施方式的变形例的电力转换装置100C的电路结构。
电力转换装置100C还具备具有续流二极管803D的逆连接保护用的第3开关元件(FET)803。在第2逆变器140的电源侧，FET 801、803配置成FET内的续流二极管的朝向相互对置。具体地说，FET 801配置成在续流二极管801D中朝向电源101流过正向电流，FET 803配置成在续流二极管803D中朝向第2逆变器140流过正向电流。根据这种配置，在电源101逆向连接的情况下，也能够通过逆连接保护用的FET 803截断逆电流。
在正常时的控制中，控制电路300接通第1相分离继电器电路120，断开第1中性点继电器电路130，并且接通FET 801、802。由此，第1中性点继电器电路130能够从各相的绕组切断，并且，第1逆变器110经由第1相分离继电器电路120而与各相的绕组的一端连接。第2逆变器140与电源101和GND连接。在该连接状态下，如上所述，控制电路300使用第1和第2逆变器110、140双方进行三相通电控制，由此能够驱动马达200。
在第1逆变器110故障时，控制电路300断开第1相分离继电器电路120，接通第1中性点继电器电路130，并且接通FET 801、802。在该连接状态下，故障逆变器从马达200切断，并且能够使第1节点N1作为中性点发挥功能。控制电路300在第1中性点继电器电路130中构成中性点的状态下对正常的第2逆变器140进行控制，由此能够继续进行马达200的驱动。
在第2逆变器140故障时，控制电路300接通第1相分离继电器电路120，断开第1中性点继电器电路130，并且，按照以下说明的故障模式对FET 801、802的接通/断开进行控制。
〔4-1.高端开关元件的断路故障〕
在第2逆变器140中的3个高端开关元件(FET 141H、142H和143H)包含断路故障的开关元件的情况下，控制电路300原则上断开FET 801、802，并且断开3个高端开关元件中的故障的开关元件以外的其他全部开关元件，接通全部3个低端开关元件。
假设3个高端开关元件中的FET 141H故障。另外，在FET 142H或143H故障的情况下，也能够通过以下说明的控制方法对电力转换装置100B进行控制。
控制电路300断开FET 801、802，并且断开故障的FET 141H以外的其他FET 142H、143H，接通FET 141L、142L和143L。FET 801截断第2逆变器140与电源101之间的连接，FET802截断第2逆变器140与GND之间的连接。通过接通FET 141L、142L和143L，低端侧的节点N4作为各绕组的中性点发挥功能。电力转换装置100B能够使用在第2逆变器140的低端侧构成的中性点和第1逆变器110驱动马达200。
图15示意地示出电角90°的电力转换装置100B内的电流的流动。
图15中例示例如图7所示的电流波形的电角为90°时在U相、V相和W相的各绕组中流过的电流的流动。3个实线分别示出从电源101流向马达200的电流，虚线示出返回马达200的绕组M1的再生电流。
在电角为90°时，在第1逆变器110中，FET 111H、112L和113L处于接通状态，FET111L、112H和113H处于断开状态。流过第1逆变器110的FET 111H的电流通过FET 121、绕组M1和第2逆变器140的FET 141L流向中性点。该电流的一部分通过FET 142L流向绕组M2，其余的电流通过FET 143L流向绕组M3。流过绕组M2的电流通过FET 122、FET 112L流向GND。流过绕组M3的电流通过FET 123、FET 113L流向GND。此外，在FET 111L的续流二极管中，再生电流朝向马达200的绕组M1流动。
例如，在电角为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。在电角为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。流入中性点的电流和从中性点流出的电流的总和按照每个电角始终成为“0”。控制电路300例如能够通过得到图7所示的电流波形的PWM控制，对桥电路L的各FET的开关动作进行控制。另外，桥电路L中流过的电流值的正负的符号与表2所示的桥电路R中流过的电流值的正负的符号相反。
在高端开关元件发生了断路故障的情况下，FET 801也可以处于接通状态。换言之，FET 801的接通/断开状态是任意的。FET 801可以接通的理由是，在FET 141H发生断路故障的情况下，通过将FET 142H、143H控制成断开状态，高端开关元件全部成为开放状态。其结果是，即使FET 801接通，电流也不会从电源101流向第2逆变器140。
〔4-2.高端开关元件的短路故障〕
在第2逆变器140中的3个高端开关元件(FET 141H、142H和143H)包含发生了短路故障的开关元件的情况下，控制电路300断开FET 801、802，并且断开3个高端开关元件中的故障的开关元件以外的其他全部开关元件，接通全部3个低端开关元件。另外，在短路故障的情况下，当FET 801接通后，电流从电源101流入短路的FET 141H，因此，FET 801的接通状态被禁止。
与断路故障同样，电力转换装置100B能够使用在第2逆变器140的低端侧构成的中性点和第1逆变器110驱动马达200。
另外，在FET 141H发生了短路故障的情况下，例如，在图7所示的马达电角为180°～300°时，再生电流通过FET 142H的续流二极管流向FET 141H，在图7所示的马达电角为240°～360°时，再生电流通过FET 143H的续流二极管流向FET 141H。这样，在短路故障的情况下，在马达电角的某个范围内，电流也能够通过FET 142H或FET 143H在高端侧分散。
〔4-3.低端开关元件的断路故障〕
在第2逆变器140中的3个低端开关元件(FET 141L、142L和143L)包含断路故障的开关元件的情况下，控制电路300原则上断开FET 801、802，并且断开3个低端开关元件中的故障的开关元件以外的其他全部开关元件，接通全部3个高端开关元件。
假设3个低端开关元件中的FET 141L发生了故障。另外，在FET 142L或143L发生了故障的情况下，也能够通过以下说明的控制方法对电力转换装置100B进行控制。
控制电路300断开FET 801、802，并且断开故障的FET 141L以外的其他FET 142L、143L，接通FET 141H、142H和143H。FET 801截断第2逆变器140与电源101之间的连接，FET802截断第2逆变器140与GND之间的连接。通过接通FET 141H、142H和143H，高端侧的节点N6作为各绕组的中性点发挥功能。电力转换装置100B能够使用在第2逆变器140的高端侧构成的中性点和第1逆变器110驱动马达200。
图16示意地示出电角90°的电力转换装置100B内的电流的流动。
图16中例示例如图7所示的电流波形的电角为90°时在U相、V相和W相的各绕组中流过的电流的流动。3个实线分别示出从电源101流向马达200的电流，虚线示出返回马达200的绕组M1的再生电流。
在电角为90°时，在第1逆变器110中，FET 111H、112L和113L处于接通状态，FET111L、112H和113H处于断开状态。流过第1逆变器110的FET 111H的电流通过FET 121、绕组M1和第2逆变器140的FET 141H流向中性点。该电流的一部分通过FET 142H流向绕组M2，其余的电流通过FET 143H流向绕组M3。流过绕组M2的电流通过FET 122、FET 112L流向GND。流过绕组M3的电流通过FET 123、FET 113L流向GND。此外，在FET 111L的续流二极管中，再生电流朝向马达200的绕组M1流动。
控制电路300例如能够通过得到图7所示的电流波形的PWM控制，对桥电路L的各FET的开关动作进行控制。
在低端开关元件发生了断路故障的情况下，FET 802也可以处于接通状态。换言之，FET 802的接通/断开状态是任意的。FET 802可以接通的理由是，在FET 141L发生了断路故障的情况下，通过将FET 142L、143L控制成断开状态，低端开关元件全部成为开放状态，即使FET 802接通，电流也不会从第2逆变器140流向GND。
〔4-4.低端开关元件的短路故障〕
在第2逆变器140中的3个低端开关元件(FET 141L、142L和143L)包含短路故障的开关元件的情况下，控制电路300断开FET 801、802，并且断开3个低端开关元件中的故障的开关元件以外的其他全部开关元件，接通全部3个高端开关元件。另外，在短路故障的情况下，当FET 802接通后，电流经由短路的FET 141L流入GND，因此，FET 802的接通状态被禁止。
与断路故障同样，电力转换装置100B能够使用在第2逆变器140的高端侧构成的中性点和第1逆变器110驱动马达200。
例如在电角为90°时，与断路故障不同，在短路故障的FET 141L中也流过电流，流过FET 141L的电流通过低端侧的节点N4分别分支到FET 142L、143L的续流二极管。这样，在短路故障时，能够使电流分散到第2逆变器140的高端和低端侧。其结果是，能够降低对逆变器的热影响。
根据本实施方式，代替相分离继电器电路和中性点继电器电路而将2个开关元件801、802设置在第2逆变器140中，由此得到与实施方式1相同的效果。进而，与实施方式1相比，所需要的FET的个数较少即可，因此，期待电力转换装置的成本降低。
产业上的可利用性
本公开的实施方式能够广泛用于吸尘器、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多种设备。
标号说明
100、100A、100B、100C：电力转换装置；101：电源；102：线圈；103：电容器；110：第1逆变器；111H、112H、113H、141H、142H、143H：高端开关元件(FET)；111L、112L、113L、141L、142L、143L：低端开关元件(FET)；111R、112R、113R、141R、142R、143R：分流电阻；120：第1相分离继电器电路；121、122、123：第1相分离继电器(FET)；130：第1中性点继电器电路；131、132、133：第1中性点继电器(FET)；140：第2逆变器；150：第2相分离继电器电路；151、152、153：第2相分离继电器(FET)；160：第2中性点继电器电路；161、162、163：第2中性点继电器(FET)；170：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：马达驱动单元；500：电动助力转向装置；600、600A：继电器模块

Claims (14)

1.一种电力转换装置，其将来自一个电源的电力转换为对具有n相的绕组的马达供给的电力，n为3以上的整数，其中，所述电力转换装置具有：
第1逆变器，其与所述马达的各相的绕组的一端连接；
第2逆变器，其与所述各相的绕组的另一端连接；
相分离继电器电路；
中性点继电器电路；
第1开关元件；以及
第2开关元件，
所述相分离继电器电路仅设置于所述各相的绕组的一端与所述第1逆变器之间，切换所述各相的绕组的一端与所述第1逆变器之间的连接和非连接，
所述中性点继电器电路仅设置于所述第1逆变器侧的所述各相的绕组的一端，切换所述各相的绕组的一端彼此的连接和非连接，
所述第1开关元件仅设置在所述第2逆变器与所述电源之间，切换所述第2逆变器与所述电源之间的连接/非连接，
所述第2开关元件仅设置在所述第2逆变器与地线之间，切换所述第2逆变器与所述地线之间的连接/非连接。
2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其中，
所述相分离继电器电路具有切换所述各相的绕组的一端与所述第1逆变器之间的连接和非连接的n个开关元件，
所述中性点继电器电路具有切换所述各相的绕组的一端彼此的连接和非连接的n个开关元件。
3.根据权利要求2所述的电力转换装置，其中，
所述相分离继电器电路和所述中性点继电器电路的各电路中的n个开关元件分别是具有续流二极管的半导体开关元件，在各电路中，n个续流二极管朝向同一方向。
4.根据权利要求3所述的电力转换装置，其中，
所述相分离继电器电路和所述中性点继电器电路的各电路中的n个开关元件分别配置成朝向所述马达在所述续流二极管中流过正向电流。
5.根据权利要求1～4中的任意一项所述的电力转换装置，其中，
在正常驱动时，所述相分离继电器电路接通，所述中性点继电器电路断开，并且所述第1开关元件和第2开关元件接通。
6.根据权利要求1～4中的任意一项所述的电力转换装置，其中，
当所述相分离继电器电路断开且所述中性点继电器电路接通时，通过所述各相的绕组的一端彼此的连接来构成所述各相的绕组的中性点。
7.根据权利要求6所述的电力转换装置，其中，
在所述第1逆变器发生异常时，所述相分离继电器电路断开，所述中性点继电器电路接通，由此构成所述中性点，并且所述第1开关元件和第2开关元件接通。
8.根据权利要求1～4中的任意一项所述的电力转换装置，其中，
在所述第2逆变器发生异常时，所述相分离继电器电路接通，所述中性点继电器电路断开。
9.根据权利要求8所述的电力转换装置，其中，
所述第2逆变器的桥电路具有n个支路，所述n个支路分别具有低端开关元件和高端开关元件，
在所述桥电路中的n个高端开关元件包含发生了断路故障的开关元件的情况下，所述第2开关元件断开，并且，在所述桥电路中，所述n个高端开关元件中的发生了故障的开关元件以外的其他开关元件全部断开，n个所述低端开关元件全部接通。
10.根据权利要求8所述的电力转换装置，其中，
所述第2逆变器的桥电路具有n个支路，所述n个支路分别具有低端开关元件和高端开关元件，
在所述桥电路中的n个高端开关元件包含发生了短路故障的开关元件的情况下，所述第1开关元件和第2开关元件断开，并且，在所述桥电路中，所述n个高端开关元件中的发生了故障的开关元件以外的其他开关元件全部断开，n个所述低端开关元件全部接通。
11.根据权利要求8所述的电力转换装置，其中，
所述第2逆变器的桥电路具有n个支路，所述n个支路分别具有低端开关元件和高端开关元件，
在所述桥电路中的n个低端开关元件包含发生了断路故障的开关元件的情况下，所述第1开关元件断开，并且，在所述桥电路中，所述n个低端开关元件中的发生了故障的开关元件以外的其他开关元件全部断开，n个所述高端开关元件全部接通。
12.根据权利要求8所述的电力转换装置，其中，
所述第2逆变器的桥电路具有n个支路，所述n个支路分别具有低端开关元件和高端开关元件，
在所述桥电路中的n个低端开关元件包含发生了短路故障的开关元件的情况下，所述第1开关元件和第2开关元件断开，并且，在所述桥电路中，所述n个低端开关元件中的发生了故障的开关元件以外的其他开关元件全部断开，n个所述高端开关元件全部接通。
13.一种马达驱动单元，该马达驱动单元具有：
权利要求1～12中的任意一项所述的电力转换装置；
所述马达；以及
对所述电力转换装置进行控制的控制电路。
14.一种电动助力转向装置，该电动助力转向装置具有权利要求13所述的马达驱动单元。
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