CN110431742B - 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

电力转换装置具备第1逆变器、第2逆变器、以及具有第1开关元件和第2开关元件的切换电路，在第1逆变器中，在高端侧的第1节点与低端侧的第2节点的电位相等、并且n(n为2以上的整数)相绕组中的两相绕组的一端的电位相等的状态下，以规定的占空比对切换电路中的第1开关元件和第2开关元件进行开闭，并且，使用第2逆变器的n个支路中的与两相绕组的另一端连接的2个支路对两相绕组进行通电。

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、马达驱动单元和电动助力转向装置。
背景技术
近年来，开发了使电动马达(以下简单记述为“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。
专利文献1公开了具有控制部和2个逆变器且将来自电源的电力转换为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。在正常时的控制中，例如，通过对2个逆变器的开关元件进行开闭来驱动马达。在异常时的控制中，例如，使用发生了故障的逆变器中的绕组的中性点，通过未发生故障的逆变器驱动马达。
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
发明要解决的课题
在上述现有技术中，要求绕组发生了故障时的异常时的控制的进一步提高。在绕组产生了故障的情况下，考虑使用发生了故障的逆变器中的绕组的中性点对未发生故障的两相的绕组进行通电。该情况下，中性点是浮动的，因此，很难驱动马达。
本公开的实施方式提供能够通过对两相的绕组进行通电来驱动马达的电力转换装置、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。
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相绕组的马达供给的电力，n为2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绕组的一端连接，该第1逆变器具有分别包含低端开关元件和高端开关元件的n个支路；第2逆变器，其与所述各相绕组的另一端连接，该第2逆变器具有分别包含低端开关元件和高端开关元件的n个支路；以及切换电路，其具有切换所述第1逆变器与地线之间的连接/不连接的第1开关元件和切换所述第1逆变器与所述电源之间的连接/不连接的第2开关元件，在所述第1逆变器中，在使连接所述n个支路的高端侧的第1节点与连接所述n个支路的低端侧的第2节点的电位相等、并且使所述n相绕组中的两相绕组的一端的电位相等的状态下，以规定的占空比对所述切换电路中的所述第1开关元件和第2开关元件进行开闭，并且，使用所述第2逆变器的所述n个支路中的与所述两相绕组的另一端连接的2个支路，对所述两相绕组进行通电。
发明效果
根据本公开的例示的实施方式，提供在发生了故障的逆变器中的节点的电位相等的状态下能够通过对两相绕组进行通电来驱动马达的电力转换装置、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是示意地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是示意地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的典型的块结构的框图。
图4是例示标绘按照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)的曲线图。
图5是例示第1逆变器120的高端开关元件发生了故障的情况下的第1逆变器120和切换电路110中的各开关元件的接通/断开状态的图。
图6A是例示在马达200的绕组中产生了故障的情况下的第1逆变器120和切换电路110中的各开关元件的接通/断开状态的图。
图6B是例示在马达200的绕组中产生了故障的情况下的第1逆变器120和切换电路110中的各开关元件的接通/断开状态的图。
图6C是例示在马达200的绕组中产生了故障的情况下的第1逆变器120和切换电路110中的各开关元件的接通/断开状态的图。
图7是例示标绘按照两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相的各绕组中流过的电流值而得到的电流波形的曲线图。
图8是例示标绘在绕组M1断线的情况下按照两相通电控制对电力转换装置100进行控制时在马达200的V相、W相的各绕组中流过的电流值而得到的电流波形的曲线图。
图9是例示标绘在绕组M2断线的情况下按照两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、W相的各绕组中流过的电流值而得到的电流波形的曲线图。
图10A是例示在第1逆变器120发生故障、并且马达200的绕组中产生了故障的情况下的第1逆变器120中的各开关元件的接通/断开状态的图。
图10B是例示在第1逆变器120发生故障、并且马达200的绕组中产生了故障的情况下的第1逆变器120中的各开关元件的接通/断开状态的图。
图10C是例示在第1逆变器120发生故障、并且马达200的绕组中产生了故障的情况下的第1逆变器120中的各开关元件的接通/断开状态的图。
图10D是例示在第1逆变器120发生故障、并且马达200的绕组中产生了故障的情况下的第1逆变器120中的各开关元件的接通/断开状态的图。
图10E是例示在第1逆变器120发生故障、并且马达200的绕组中产生了故障的情况下的第1逆变器120中的各开关元件的接通/断开状态的图。
图11是示意地示出实施方式1的变形的电力转换装置100A的电路结构的电路图。
图12是示意地示出例示的实施方式2的电力转换装置100B的电路结构的电路图。
图13是示意地示出例示的实施方式2的变形的电力转换装置100C的电路结构的电路图。
图14是示出例示的实施方式3的电动助力转向装置2000的典型结构的示意图。
具体实施方式
下面，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。
在本说明书中，以将来自电源的电力转换为对具有三相(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，将来自电源的电力转换为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能够将来自电源101的电力转换为对马达200供给的电力。例如，第1和第2逆变器120、130能够将直流电力转换为U相、V相和W相的伪正弦波即三相交流电力。
马达200例如是三相交流马达。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120和第2逆变器130连接。具体地说，第1逆变器120与马达200的各相的绕组的一端连接，第2逆变器130与各相的绕组的另一端连接。在本说明书中，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。这种马达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～第4开关元件111、112、113和114。在电力转换装置100中，第1和第2逆变器120、130能够通过切换电路110分别与电源101和GND电连接。具体地说，第1开关元件111切换第1逆变器120与GND之间的连接/不连接。第2开关元件112切换电源101与第1逆变器120之间的连接/不连接。第3开关元件113切换第2逆变器130与GND之间的连接/不连接。第4开关元件114切换电源101与第2逆变器130之间的连接/不连接。
第1～第4开关元件111、112、113和114的接通/断开例如能够通过微控制器或专用驱动器来控制。第1～第4开关元件111、112、113和114能够截断双向的电流。作为第1～第4开关元件111、112、113和114，例如能够使用晶闸管、模拟开关IC或内部形成有寄生二极管的场效应晶体管(典型为MOSFET)等半导体开关和机械继电器等。也可以使用二极管和绝缘栅双极晶体管(IGBT)等的组合。在本说明书的附图中，例示使用MOSFET作为第1～第4开关元件111、112、113和114的例子。以后，有时将第1～第4开关元件111、112、113和114分别记述为SW111、112、113和114。
SW111配置成在内部的寄生二极管中朝向第1逆变器120流过正向电流。SW112配置成在寄生二极管中朝向电源101流过正向电流。SW113配置成在寄生二极管中朝向第2逆变器130流过正向电流。SW114配置成在寄生二极管中朝向电源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，优选设置多个开关元件，用于各逆变器。
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。
切换电路110也可以还具有逆连接保护用的第5和第6开关元件115、116。典型地，第5和第6开关元件115、116是具有寄生二极管的MOSFET的半导体开关。第5开关元件115与SW112串联连接，配置成在寄生二极管中朝向第1逆变器120流过正向电流。第6开关元件116与SW114串联连接，配置成在寄生二极管中朝向第2逆变器130流过正向电流。在电源101逆向连接的情况下，也能够通过逆连接保护用的2个开关元件截断逆电流。
再次参照图1。
电源101生成规定的电源电压(例如12V)。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120、130中共用的一个电源，如图2所示，也可以具有第1逆变器120用的第1电源101A和第2逆变器130用的第2电源101B。
在电源101与切换电路110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，抑制电压波动。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。
第1逆变器120(有时记述为“桥电路L”。)具备具有3个支路的桥电路。各支路具有低端开关元件和高端开关元件。U相用支路具有低端开关元件121L和高端开关元件121H。V相用支路具有低端开关元件122L和高端开关元件122H。W相用支路具有低端开关元件123L和高端开关元件123H。作为开关元件，例如能够使用FET或IGBT。下面，对使用MOSFET作为开关元件的例子进行说明，有时将开关元件记述为SW。例如，开关元件121L、122L和123L被记述为SW121L、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3)。电流传感器150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121R、122R和123R分别连接在第1逆变器120的3个支路中包含的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SW121L与SW111之间，分流电阻122R电连接在SW122L与SW111之间，分流电阻123R电连接在SW123L与SW111之间。分流电阻的电阻值例如为约0.5mΩ～1.0mΩ。
与第1逆变器120同样，第2逆变器130(有时记述为“桥电路R”。)具备具有3个支路的桥电路。U相用支路具有低端开关元件131L和高端开关元件131H。V相用支路具有低端开关元件132L和高端开关元件132H。W相用支路具有低端开关元件133L和高端开关元件133H。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个支路中包含的3个低端开关元件与GND之间。第1和第2逆变器120、130的各SW例如能够通过微控制器或专用驱动器来控制。
针对各逆变器，分流电阻的数量不限于3个。例如，能够使用U相、V相用的2个分流电阻、V相、W相用的2个分流电阻和U相、W相用的2个分流电阻。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。
如上所述，第2逆变器130具有实质上与第1逆变器120的构造相同的构造。在本说明书中，第1和第2逆变器120、130能够作为电力转换装置100的结构要素而不加区分地使用。
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。
马达驱动单元400被模块化，例如能够作为具有马达、传感器、驱动器和控制器的马达模块进行制造和销售。在本说明书中，以具有马达200作为结构要素的系统为例对马达驱动单元400进行说明。但是，马达驱动单元400也可以不具有马达200作为结构要素，而是用于驱动马达200的系统。
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，通过对电力转换装置100进行控制来驱动马达200。
具体而言，控制电路300能够对作为目标的转子的位置、旋转速度和电流等进行控制而实现闭环控制。另外，控制电路300也可以代替角度传感器320而具有扭矩传感器。该情况下，控制电路300能够对作为目标的马达扭矩进行控制。
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。或者，角度传感器320还通过具有磁阻(MR)元件的MR传感器和传感器磁铁的组合来实现。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150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。输入电路330例如是模拟数字转换电路。
微控制器340对电力转换装置100的第1和第2逆变器120、130中的各SW的开闭动作(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，微控制器340能够对电力转换装置100的切换电路110中的各SW的接通/断开进行控制。
典型地，驱动电路350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120、130中的各SW的MOSFET的开闭动作进行控制的控制信号(栅极控制信号)，对各SW的栅极提供控制信号。此外，驱动电路350能够按照来自微控制器340的指示，生成对切换电路110中的各SW的接通/断开进行控制的控制信号。可以在微控制器340中安装驱动电路350的功能。该情况下，例如，微控制器340能够经由专用的端口直接控制切换电路110的SW的接通/断开和各逆变器的SW的开闭动作。
ROM 360例如是可写入的存储器(例如PROM)、可改写的存储器(例如闪存)或读出专用的存储器。ROM 360存储包含用于使微控制器340控制电力转换装置100的命令组的控制程序。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。按照马达200的绕组和各逆变器内的SW的故障模式，决定切换电路110中的各SW的接通/断开状态。此外，还决定发生了故障的逆变器中的各SW的接通/断开状态。
(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。正常是指第1和第2逆变器120、130的各SW未发生故障、并且马达200的三相的绕组M1、M2和M3均未发生故障的状态。
在正常时，控制电路300接通切换电路110的全部SW111、112、113和114。由此，电源101与第1逆变器120电连接，并且电源101与第2逆变器130电连接。此外，第1逆变器120与GND电连接，并且第2逆变器130与GND电连接。在该连接状态下，控制电路300使用第1和第2逆变器120、130双方对三相的绕组M1、M2和M3进行通电，由此驱动马达200。在本说明书中，有时将对三相的绕组进行通电称为“三相通电控制”，将对两相的绕组进行通电称为“两相通电控制”。
图4例示标绘按照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4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)。
表1示出图4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°电角的电流值以及在第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的端子流向桥电路R的端子的电流方向定义为正方向。图4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的电流之间的相位差为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 BDA0002207128990000091
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。
在图4所示的电流波形中，考虑了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而成为“0”。但是，根据电力转换装置100的电路结构，能够独立地控制在三相的绕组中流过的电流，因此，还能够进行电流的总和不是“0”的控制。例如，控制电路300通过得到图4所示的电流波形的PWM控制，对第1和第2逆变器120、130的各开关元件的开闭动作进行控制。
(2.异常时的控制)
异常主要意味着(1)各逆变器的开关元件的故障和(2)马达200的绕组的故障。(1)各逆变器的开关元件的故障大致分成“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。此外，(2)马达200的绕组的故障例如意味着绕组的断线。
再次参照图1。
在电力转换装置100的动作时，认为通常产生16个SW中的1个SW随机发生故障这样的随机故障。本公开主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SW连锁地发生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。进而，绕组可能断线。这些随机故障和绕组的断线与制造时可能产生的制造故障不同。当2个逆变器的多个开关元件中的一方发生故障时，不能进行正常时的三相通电控制。此外，当三相的绕组M1、M2和M3中的一方断线时，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监视开关元件(MOSFET)的漏极-源极间的电压Vds，对规定的阈值电压和Vds进行比较，由此检测开关元件的故障。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检测到开关元件的故障后，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，判别多个开关元件中的哪个开关元件发生故障。
作为故障检测的另一例，微控制器340还能够根据马达200的实际电流值与目标电流值之差来检测开关元件的故障。进而，微控制器340例如还能够根据马达200的实际电流值与目标电流值之差来检测马达200的绕组是否断线。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时机是从故障检测信号被激活起约10msec～30msec。
(2-1.逆变器的开关元件的故障)
下面，例示第1逆变器120发生了故障的情况下的马达控制方法。
在本说明书中，例示在第1逆变器120中在开关元件中产生了故障的情况下的异常时的控制。在第2逆变器130中在开关元件中产生了故障的情况下，当然也能够在该异常时的控制中应用以下说明的方法。下面，有时将在各逆变器中开关元件发生故障记述为“逆变器发生故障”。
图5例示第1逆变器120的高端开关元件发生了故障的情况下的第1逆变器120和切换电路110中的各开关元件的接通/断开状态。
例如，设第1逆变器120的SW121H发生了断路故障。该情况下，控制电路300断开第1逆变器120中的SW121H以外的高端开关元件122H、123H，并且接通3个低端开关元件121L、122L和123L。由此，例如与专利文献1同样，能够使连接3个支路的低端侧的节点N1_L作为中性点发挥功能。例如，控制电路300接通切换电路110中的SW113、114，断开SW111、112。由此，第1逆变器120从电源101和GND电分离。
例如，控制电路300利用第1逆变器120的中性点，通过得到图3所示的电流波形的PWM控制对第2逆变器130的各开关元件的开闭动作进行控制，由此能够对绕组M1、M2和M3进行通电。例如，与正常时的控制同样，通过进行三相通电控制，能够维持马达扭矩并继续进行马达驱动。
在第1逆变器120的低端开关元件例如SW121L发生了断路故障的情况下(未图示)，控制电路300例如断开第1逆变器120中的SW121L以外的低端开关元件122L、123L，并且接通3个高端开关元件121H、122H和123H。由此，能够使连接3个支路的高端侧的节点N1_H作为中性点发挥功能。控制电路300利用第1逆变器120的中性点，通过得到图3所示的电流波形的PWM控制对第2逆变器130的各开关元件的开闭动作进行控制，由此能够对绕组M1、M2和M3进行通电。
(2-2.马达200的绕组的故障)
下面，例示马达200的绕组M1、M2和M3中的一方发生了故障的情况下的马达控制方法。
图6A～图6C例示在马达200的绕组产生了故障的情况下的第1逆变器120和切换电路110中的各开关元件的接通/断开状态。
例如，设马达200的绕组M3断线。该情况下，控制电路300能够将马达控制从三相通电控制切换为两相通电控制。在两相通电控制中，在第1逆变器120中，决定第1逆变器120的各开关元件的接通/断开状态，以使得高端侧的第1节点N1_H与低端侧的第2节点N1_L的电位相等，并且绕组M1、M2和M3中的两相的绕组M1、M2的一端的电位相等。
在第1逆变器120中，使3个支路中的至少1个支路中包含的低端开关元件和高端开关元件双方成为接通状态。例如，如图6A所示，通过接通U相用支路的SW121H、121L，能够使第1节点N1_H与第2节点N1_L的电位相等。
进而，控制电路300使与未发生故障的两相的绕组M1、M2的一端连接的2个支路中的一方中包含的高端开关元件成为接通状态，使另一个支路中包含的高端开关元件和低端开关元件中的至少一方成为接通状态。例如，如图6A所示，控制电路300接通与两相的绕组M1、M2的一端连接的2个支路中的V相用支路的SW122L，接通U相用支路的SW121H、121L。由此，能够使绕组M1、M2的一端的电位、即连接U相用支路和绕组M1的一端的节点N1_1与连接V相用支路和绕组M2的一端的节点N1_2的电位相等。SW122L、123H和123L的接通/断开状态是任意的。
控制电路300也可以使与未发生故障的两相的绕组M1、M2的一端连接的2个支路中的一方中包含的低端开关元件成为接通状态，使另一个支路中包含的高端开关元件和低端开关元件中的至少一方成为接通状态。例如，如图6B所示，控制电路300能够接通与两相的绕组M1、M2的一端连接的2个支路中的V相用支路的SW122L，接通U相用支路的SW121H、121L。SW122H、123H和123L的接通/断开状态是任意的。
作为另一例，如图6C所示，控制电路300能够接通W相用支路的SW123H、123L，接通U相用支路的SW121H，接通V相用支路的SW122L。或者，控制电路300也可以接通U相用支路的SW121L，接通V相用支路的SW122H。由此，能够使第1逆变器120中的第1节点N1_H与第2节点N1_L的电位相等，并且，能够使节点N1_1和节点N1_2的电位相等。
在上述例子中，第1逆变器120中的节点N1_H、N1_L、N1_1和N1_2的电位全部相等。控制电路300在该状态下，进一步对切换电路110中的第1和第2开关元件111、112双方进行开闭。
控制电路300能够以规定的占空比对第1和第2开关元件111、112进行开闭，并且使用第2逆变器130的3个支路中的与两相的绕组M1、M2的另一端连接的2个支路，对两相的绕组M1、M2进行通电。例如，控制电路300以规定的占空比对SW111和SW112进行开闭。占空比例如为50％。
SW111和SW112的开关的接通/断开相反。在SW111接通时，SW112断开。在SW111断开时，SW112接通。SW111和SW112不会同时接通。SW111和SW112的开闭周期与第2逆变器130的各支路中包含的开关元件的开闭周期相同。由于第1逆变器120中的节点电位相等，因此，SW111和SW112作为第2逆变器130的第4个支路发挥功能。
电源101的电压例如为12V。例如，通过以50％的占空比对SW111和SW112进行开闭，能够使第1逆变器120中的节点N1_H、N1_L、N1_1和N1_2的电位成为6V左右。通过调整占空比、具体而言为调整开闭周期中的接通时间的时间，能够任意设定第1逆变器120中的节点电位。接通时间的时间越长，则第1逆变器120中的节点电位越接近电源电压。
着眼于U相的H桥，根据第2逆变器130的节点N2_1的电位相对于第1逆变器120的节点N1_1的电位的大小关系，对在绕组M1中流过的电流的大小和朝向进行控制。着眼于V相的H桥，根据第2逆变器130的节点N2_2的电位相对于第1逆变器120的节点N1_2的电位的大小关系，对在绕组M2中流过的电流的大小和朝向进行控制。
图7例示标绘按照两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7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)。图7所示的电流的朝向基于上述定义。
表2示出图7的电流波形中按照每个电角在各逆变器的端子中流过的电流值。表2所示的U相、V相的绕组M1、M2中流过的每个电角的电流值与表1所示的三相通电控制中的每个电角的电流值相同。W相的绕组M3未被通电，因此，表2所示的绕组M3中流过的每个电角的电流值为零。
[表2]
Figure BDA0002207128990000151
作为参考，例示V相的绕组M2断线的情况下通过两相通电控制得到的电流波形和W相的绕组M3断线的情况下通过两相通电控制得到的电流波形。图8例示标绘在绕组M1断线的情况下按照两相通电控制对电力转换装置100进行控制时在马达200的V相、W相的各绕组中流过的电流值而得到的电流波形。图9例示标绘在绕组M2断线的情况下按照两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、W相的各绕组中流过的电流值而得到的电流波形。
例如，控制电路300以50％的占空比对SW111和SW112进行开闭，并且，通过得到图7所示的电流波形的PWM控制对第2逆变器130的SW131H、131L、132H和132L的开闭动作进行控制。通过这种控制，能够对绕组M1、M2进行通电。根据本公开的两相通电控制，马达扭矩降低，但是能够继续进行马达驱动。
(2-3.逆变器的故障和马达200的绕组的故障)
下面，例示第1逆变器120发生故障、并且马达200的绕组M1、M2和M3中的一方发生故障的情况下的马达控制方法。
图10A～图10E例示在第1逆变器120发生故障、并且马达200的绕组中产生了故障的情况下的第1逆变器120中的各开关元件的接通/断开状态。
设第1逆变器120中的1个低端开关元件发生故障，并且马达200的三相的绕组中的一相发生故障。在图10A中，例示SW122L发生断路故障、并且绕组M3断线的情况下的第1逆变器120中的各开关元件的接通/断开状态。如上所述，控制电路300决定各开关元件的接通/断开状态，以使得第1逆变器120中的节点电位相等。
控制电路300接通U相用支路的SW121H、121L。由此，第1逆变器120中的节点N1_H、N1_L的电位相等。控制电路300进而接通SW122H。由此，第1逆变器120中的节点N1_1和N1_2的电位相等，其结果是，全部的节点N1_H、N1_L、N1_1和N1_2的电位相等。例如，控制电路300以50％的占空比对切换电路110的SW111和SW112进行开闭，并且对第2逆变器130的U相、V相用支路的4个SW131H、132H、131L和132L的开闭动作进行控制。通过该控制，能够对绕组M1、M2进行通电。
例如，考虑SW122L发生短路故障、并且绕组M3断线的情况。该情况下，SW122L始终处于接通状态，因此，控制电路300通过接通U相用支路的SW122H，能够使第1逆变器120中的节点N1_H、N1_L的电位相等。这样，发生短路故障的开关元件能够作为应该成为接通状态的开关元件进行处理。
设第1逆变器120中的1个高端开关元件发生故障，并且马达200的三相的绕组中的一相发生故障。在图10B中，例示SW122H发生断路故障、并且绕组M3断线的情况下的第1逆变器120中的各开关元件的接通/断开状态。
控制电路300接通U相用支路的SW121H、121L。控制电路300进而使SW122L成为接通状态。由此，全部的节点N1_H、N1_L、N1_1和N1_2的电位相等。例如，控制电路300以50％的占空比对切换电路110的SW111和SW112进行开闭，并且对第2逆变器140的U相、V相用支路的4个SW131H、132H、131L和132L的开闭动作进行控制。
设第1逆变器120中的1个低端开关元件发生故障，并且与发生了故障的该开关元件相同的相的绕组发生故障。在图10C中，例示SW123L发生断路故障、并且绕组M3断线的情况下的第1逆变器120中的各开关元件的接通/断开状态。
在图10C所示的例子中，与W相的绕组M3连接的H桥中包含的SW123L发生故障，因此，作为控制方法，能够应用与绕组M3断线的情况下的两相通电控制相同的控制方法。
设第1逆变器120中的2个低端开关元件发生故障、并且马达200的三相的绕组中的一相发生故障。在图10D中，例示SW121L、122L发生断路故障、并且绕组M3断线的情况下的第1逆变器120中的各开关元件的接通/断开状态。
控制电路300接通W相用支路的SW123H、123。控制电路300进而接通SW121H、122H。由此，全部的节点N1_H、N1_L、N1_1和N1_2的电位相等。
设第1逆变器120中的1个低端开关元件和1个高端开关元件发生故障、并且马达200的三相的绕组中的一相发生故障。在图10E中，例示第1逆变器120的SW121L、122H发生断路故障、并且绕组M3断线的情况下的第1逆变器120中的各开关元件的接通/断开状态。
控制电路300接通W相用支路的SW123H、123。控制电路300进而接通例如SW121H、122L。由此，全部的节点N1_H、N1_L、N1_1和N1_2的电位相等。
根据本实施方式，在三相的绕组中的一相发生了故障的情况下，能够进行两相通电控制，能够继续进行马达驱动。进而，在第1和第2逆变器120、130中的一方中的开关元件发生了故障的情况下，也能够进行两相通电控制，能够继续进行马达驱动。
图11示意地示出本实施方式的变形的电力转换装置100A的电路结构。
电力转换装置100A具备具有第1和第2开关元件111、112的切换电路110。第2逆变器130与电源101和GND连接而不经由切换电路110。根据该变形，例如在第1逆变器120发生了故障的情况下、即设置有切换电路110的逆变器发生了故障的情况下，通过按照上述控制方法进行两相通电控制，能够继续进行马达驱动。
(实施方式2)
根据本公开的电力转换装置，通过使用两相的绕组和与它们连接的逆变器的2个支路，能够对两相的绕组进行通电。换言之，如果逆变器具有两相用的2个支路，则能够在正常时的控制中进行两相通电控制。
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具有切换电路110、第1逆变器120和第2逆变器130。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，第1逆变器120和第2逆变器130分别具有U相、V相用的2个支路。下面，以与电力转换装置100的差异点为中心进行说明。
第1逆变器120具有包含SW121H、121L的U相用支路和包含SW122H、122L的V相用支路。第2逆变器130具有包含SW131H、131L的U相用支路和包含SW132H、132L的V相用支路。电力转换装置100B例如与两相交流马达连接，在正常时和异常时的控制中能够进行实施方式1中说明的两相通电控制。
例如，电力转换装置100B的控制电路300在正常时的控制中，接通第1逆变器120中的U相用支路的SW121H、121L，并且接通V相用支路的SW122H和122L中的至少一方。由此，第1逆变器120中的节点N1_H、N1_L的电位相等，并且节点N1_1、N1_2的电位相等。例如，控制电路300能够以50％的占空比对切换电路的SW111和SW112进行开闭，并且使用第2逆变器130的2个支路对绕组M1、M2进行通电。
例如，设第1逆变器120的SW121L发生了故障。该情况下，控制电路300接通第1逆变器120中的V相用支路的SW122H、122L，并且接通U相用支路的SW121H。由此，第1逆变器120中的节点N1_H、N1_L的电位相等，并且节点N1_1、N1_2的电位相等。
图13示意地示出本实施方式的变形的电力转换装置100C的电路结构。
与图11所示的电路结构同样，切换电路110可以具有第1和第2开关元件111、112而不具有第3和第4开关元件113、114。
(实施方式3)
图14示意地示出本实施方式的电动助力转向装置2000的典型结构。
汽车等车辆一般具有电动助力转向(EPS)装置。本实施方式的电动助力转向装置2000具有转向系统520和生成辅助扭矩的辅助扭矩机构540。电动助力转向装置2000生成辅助扭矩，该辅助扭矩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。通过辅助扭矩减轻驾驶员的操作负担。
转向系统520例如具有方向盘521、转向轴522、万向联轴器523A、523B、旋转轴524、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529A、529B。
辅助扭矩机构540例如具有转向扭矩传感器541、汽车用电子控制单元(ECU)542、马达543和减速机构544。转向扭矩传感器541检测转向系统520中的转向扭矩。ECU 542根据转向扭矩传感器541的检测信号生成驱动信号。马达543根据驱动信号生成与转向扭矩对应的辅助扭矩。马达543经由减速机构544向转向系统520传递所生成的辅助扭矩。
ECU 542例如具有实施方式1的微控制器340和驱动电路350等。在汽车中，构筑以ECU为核心的电子控制系统。在电动助力转向装置2000中，例如通过ECU 542、马达543和逆变器545构筑马达驱动单元。能够在该单元中良好地使用实施方式1的马达驱动单元400。
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：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；112：第2开关元件；113：第3开关元件；114：第4开关元件；115：第5开关元件；116：第6开关元件；120：第1逆变器；121H、122H、123H：高端开关元件；121L、122L、123L：低端开关元件；121R、122R、123R：分流电阻；130：第2逆变器；131H、132H、133H：高端开关元件；131L、132L、133L：低端开关元件；131R、132R、133R：分流电阻；150：电流传感器；200：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；2000：电动助力转向装置。

Claims (14)

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相绕组的马达供给的电力，n为2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绕组的一端连接，该第1逆变器具有分别包含低端开关元件和高端开关元件的n个支路；
第2逆变器，其与所述各相绕组的另一端连接，该第2逆变器具有分别包含低端开关元件和高端开关元件的n个支路；以及
切换电路，其具有：切换所述第1逆变器与地线之间的连接/不连接的第1开关元件；和切换所述第1逆变器与所述电源之间的连接/不连接的第2开关元件，
在所述第1逆变器中，在使连接所述n个支路的高端侧的第1节点与连接所述n个支路的低端侧的第2节点的电位相等、并且使所述n相绕组中的两相绕组的一端的电位相等的状态下，以规定的占空比对所述切换电路中的所述第1开关元件和所述第2开关元件进行开闭，并且使用所述第2逆变器的所述n个支路中的与所述两相绕组的另一端连接的2个支路，对所述两相绕组进行通电。
2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其中，
所述切换电路还具有：切换所述第2逆变器与地线之间的连接/不连接的第3开关元件；和切换所述第2逆变器与所述电源之间的连接/不连接的第4开关元件。
3.根据权利要求1或2所述的电力转换装置，其中，
n为3以上的整数，
在所述n相绕组中的n-2相绕组发生了故障的情况下，
在所述第1逆变器中，在使所述高端侧的第1节点与所述低端侧的第2节点的电位相等、并且使所述n相绕组中的未发生故障的两相绕组的一端的电位相等的状态下，以所述规定的占空比对所述第1开关元件和所述第2开关元件进行开闭，并且使用所述第2逆变器的所述n个支路中的与所述两相绕组的另一端连接的2个支路，对所述两相绕组进行通电。
4.根据权利要求1或2所述的电力转换装置，其中，
在所述n相绕组中的n-2相绕组发生故障、并且所述第1逆变器包含发生了故障的开关元件的情况下，
在所述第1逆变器中，在使所述高端侧的第1节点与所述低端侧的第2节点的电位相等、并且使所述n相绕组中的未发生故障的两相绕组的一端的电位相等的状态下，以所述规定的占空比对所述第1开关元件和所述第2开关元件进行开闭，并且使用所述第2逆变器的所述n个支路中的与所述两相绕组的另一端连接的2个支路，对所述两相绕组进行通电。
5.根据权利要求3所述的电力转换装置，其中，
在对所述未发生故障的两相绕组进行通电时，
在所述第1逆变器中，所述n个支路中的至少1个支路中包含的低端开关元件和高端开关元件双方处于接通状态。
6.根据权利要求5所述的电力转换装置，其中，
与所述未发生故障的两相绕组的一端连接的2个支路中的一个支路中包含的高端开关元件处于接通状态，另一个支路中包含的高端开关元件和低端开关元件中的至少一方处于接通状态。
7.根据权利要求5所述的电力转换装置，其中，
与所述未发生故障的两相绕组的一端连接的2个支路中的一个支路中包含的低端开关元件处于接通状态，另一个支路中包含的高端开关元件和低端开关元件中的至少一方处于接通状态。
8.根据权利要求4所述的电力转换装置，其中，
在对所述未发生故障的两相绕组进行通电时，
在所述第1逆变器中，所述n个支路中的至少1个支路中包含的低端开关元件和高端开关元件双方处于接通状态。
9.根据权利要求8所述的电力转换装置，其中，
与所述未发生故障的两相绕组的一端连接的2个支路中的一个支路中包含的高端开关元件处于接通状态，另一个支路中包含的高端开关元件和低端开关元件中的至少一方处于接通状态。
10.根据权利要求8所述的电力转换装置，其中，
与所述未发生故障的两相绕组的一端连接的2个支路中的一个支路中包含的低端开关元件处于接通状态，另一个支路中包含的高端开关元件和低端开关元件中的至少一方处于接通状态。
11.根据权利要求1或2所述的电力转换装置，其中，
所述占空比为50％。
12.根据权利要求1或2所述的电力转换装置，其中，
所述电源包含所述第1逆变器用的第1电源和所述第2逆变器用的第2电源。
13.一种马达驱动单元，其具有：
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，其具有权利要求13所述的马达驱动单元。
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