CN110870189A - 电力转换装置、马达模块以及电动助力转向装置 - Google Patents

电力转换装置、马达模块以及电动助力转向装置 Download PDF

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Abstract

提供能够在异常时继续进行马达驱动的具有多个驱动单元的电力转换装置。电力转换装置(1000)具有：第1逆变器(120)，其与n相的马达(200)的各相的绕组(M1、M2、M3)的一端连接，n为3以上的整数；第2逆变器(130)，其与各相的绕组的另一端连接；以及至少2个驱动单元(351、352)，它们对具有n相的绕组、第1逆变器的n个支路以及第2逆变器的n个支路的n个H桥进行驱动，n个H桥分别与至少2个驱动单元中的任意驱动单元连接。

Description

电力转换装置、马达模块以及电动助力转向装置
技术领域
本公开涉及将来自电源的电力转换为向电动马达提供的电力的电力转换装置、马达模块以及电动助力转向装置。
背景技术
近年来，开发了电动马达(以下，简记为“马达”)与电子控制单元(ECU)一体化的机电一体型马达。特别是在车载领域中，从安全性的观点出发，要求高品质保证。因此，引入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，研究了针对一个马达设置有两个电力转换装置的设计。作为另一例，研究了在主微控制器中设置有备用微控制器的设计。
在专利文献1和2中，公开了一个马达连接有第1逆变器电路和第2逆变器电路的电力转换装置。在专利文献1中，设置有驱动第1逆变器电路的第1预驱动器和驱动第2逆变器电路的第2预驱动器。这两个预驱动器由共同的微控制器进行控制。在专利文献2中，设置有驱动第1逆变器电路的第1预驱动器和驱动第2逆变器电路的第2预驱动器。第1预驱动器由第1微控制器进行控制，第2预驱动器由第2微控制器进行控制。根据这样的结构，即使一个预驱动器发生故障，也能够使用另一个预驱动器以及与其连接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：日本特许第5170711号
专利文献2：日本特开2016-165174号公报
发明内容
发明要解决的课题
在上述的现有技术中，要求进一步提高在驱动逆变器所需的预驱动器等发生了故障的情况下的控制。作为电力转换装置的故障，除了绕组的断线或逆变器的开关元件的故障以外，也能够假定预驱动器等的故障。在专利文献1或2所公开的电力转换装置中，难以在两个预驱动器中的一方发生了故障的情况下使用这两个逆变器对马达的绕组进行通电。
本公开的实施方式提供以下的电力转换装置、具有该电力转换装置的马达模块以及具有该马达模块的电动助力转向装置，该电力转换装置通过将各个H桥与至少2个驱动单元中的任意驱动单元连接，能够使用与发生了故障的驱动单元以外的驱动单元连接的H桥来继续进行马达驱动。
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向具有n相的绕组的马达提供的电力，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，具有n个支路；第2逆变器，其与所述各相的绕组的另一端连接，具有n个支路；以及至少2个驱动单元，它们对具有所述n相的绕组、所述第1逆变器的所述n个支路以及所述第2逆变器的所述n个支路的n个H桥进行驱动，所述n个H桥分别与所述至少2个驱动单元中的任意驱动单元连接。
发明效果
根据本公开的例示的实施方式，提供了能够在异常时继续进行马达驱动的具有多个驱动单元的电力转换装置、具有该电力转换装置的马达模块以及具有该马达模块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的马达模块2000的块结构、并且主要示出电力转换装置1000的块结构的框图。
图2是示出例示的实施方式1的电力转换装置1000的逆变器单元100的电路结构例的电路图。
图3是示出例示的实施方式1的电力转换装置1000的逆变器单元100的另一电路结构例的电路图。
图4是示出例示的实施方式1的驱动器350与逆变器单元100的连接以及驱动器350的块结构的框图。
图5是示出U相的H桥HB1的电路结构的示意图。
图6是示出具有第1驱动单元DU1和第2驱动单元DU2的驱动单元351与H桥HB1的连接的示意图。
图7A是示出第1驱动单元DU1和第2驱动单元DU2的硬件的结构例的示意图。
图7B是示出第1驱动单元DU1和第2驱动单元DU2的硬件的结构例的示意图。
图7C是示出第1驱动单元DU1和第2驱动单元DU2的硬件的结构例的示意图。
图8是例示了对按照三相通电控制来控制电力转换装置1000时在马达200的U相、V相以及W相的各绕组中流动的电流值进行标绘而取得的电流波形(正弦波)的曲线图。
图9A是示出在驱动器350中驱动单元351发生了故障的情形的示意图。
图9B是示出在驱动四相马达的驱动器350中驱动单元352发生了故障的情形的示意图。
图10A是例示了对按照两相通电控制来控制电力转换装置1000时在马达200的V相、W相的各绕组中流动的电流值进行标绘而取得的电流波形的曲线图。
图10B是例示了对按照使用了U相的绕组M1和W相的绕组M3的两相通电控制来控制电力转换装置1000时在马达200的U相、W相的各绕组中流动的电流值进行标绘而取得的电流波形的曲线图。
图10C是例示了对按照使用了U相的绕组M1和V相的绕组M2的两相通电控制来控制电力转换装置1000时在马达200的U相、V相的各绕组中流动的电流值进行标绘而取得的电流波形的曲线图。
图11是示出例示的实施方式2的驱动器350与逆变器单元100的连接以及驱动器350的块结构的框图。
图12是示出驱动器350的各驱动单元的块结构的框图。
图13是示出使用预驱动器PD作为各驱动单元的第1驱动单元DU1和第2驱动单元DU2的情况下的块结构的框图。
图14是示出6个预驱动器PD中的与H桥HB1的第1逆变器120的U相用支路连接的预驱动器PD发生了故障的情形的示意图。
图15是示出本实施方式的电动助力转向装置3000的典型结构的示意图。
具体实施方式
以下，参照附图对本公开的电力转换装置、马达模块以及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不必要地冗长、使本领域技术人员容易理解，有时省略超出所需的详细说明。例如，有时省略对公知的事项的详细说明和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向具有三相(U相、V相、W相)的绕组的三相马达提供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向具有四相或五相等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1000和马达模块2000的构造]
图1示意性地示出了本实施方式的马达模块2000的块结构，主要示意性地示出了电力转换装置1000的块结构。图2示意性地示出了电力转换装置1000的逆变器单元100的电路结构例。
马达模块2000具有马达200和电力转换装置1000。马达模块2000被模块化，能够作为例如具有马达、传感器、预驱动器(也可以称为“栅极驱动器”)以及控制器的机电一体型马达进行制造和销售。
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以及W相的绕组M3，并且与逆变器单元100的第1逆变器120和第2逆变器130连接。
电力转换装置1000具有逆变器单元100和控制电路300。电力转换装置1000与马达200连接，并且经由线圈102与电源101连接。电力转换装置1000能够将来自电源101的电力转换为向马达200提供的电力。例如，电力转换装置1000能够将直流电力转换为作为U相、V相以及W相的伪正弦波的三相交流电力。
逆变器单元100例如具有切换电路110、第1逆变器120、第2逆变器130以及电流传感器150。
第1逆变器120具有与各相对应的端子U_L、V_L以及W_L。第2逆变器130具有与各相对应的端子U_R、V_R以及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同样地，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。这样的马达接线与所谓的星形接线和三角形接线不同
第1逆变器120(有时记为“桥接电路L”)具有3个支路，该3个支路各自具有低侧开关元件和高侧开关元件。U相用支路具有低侧开关元件121L和高侧开关元件121H。V相用支路具有低侧开关元件122L和高侧开关元件122H。W相用支路具有低侧开关元件123L和高侧开关元件123H。
作为开关元件，例如，能够使用在内部形成有寄生二极管的场效应晶体管(典型地为MOSFET)、或者绝缘栅双极型晶体管(IGBT)及与其并联连接的续流二极管的组合。在本实施方式中，对使用MOSFET作为开关元件的例子进行说明，有时将开关元件记为SW。例如，低侧开关元件121L、122L以及123L分别被记为SW 121L、SW 122L以及SW 123L。
第1逆变器120具有3个分流电阻121R、122R以及123R作为用于检测在U相、V相以及W相的各相的绕组中流动的电流的电流传感器150。电流传感器150包含检测在各分流电阻中流动的电流的电流检测电路(未图示)。如图2所示，例如，3个分流电阻121R、122R以及123R能够分别连接于第1逆变器120的3个支路所包含的3个低侧开关元件121L、122L、123L与GND之间。
第2逆变器130(有时记为“桥接电路R”)与第1逆变器120同样地具有3个支路，该3个支路各自具有低侧开关元件和高侧开关元件。U相用支路具有低侧开关元件131L和高侧开关元件131H。V相用支路具有低侧开关元件132L和高侧开关元件132H。W相用支路具有低侧开关元件133L和高侧开关元件133H。另外，第2逆变器130具有3个分流电阻131R、132R以及133R。这些分流电阻能够连接于3个支路所包含的3个低侧开关元件131L、132L、133L与GND之间。
对于各逆变器，分流电阻的数量不限于3个。例如，也可以使用U相、V相用的2个分流电阻、V相、W相用的2个分流电阻、以及U相、W相用的2个分流电阻。所使用的分流电阻的数量和分流电阻的配置是考虑产品成本和设计规格等而适当决定的。
切换电路110具有第1至第4开关元件111、112、113以及114。在逆变器单元100中，第1和第2逆变器120、130能够通过切换电路110而与电源101和GND分别电连接。具体而言，第1开关元件111切换第1逆变器120与GND的连接和非连接。第2开关元件112切换电源101与第1逆变器120的连接和非连接。第3开关元件113切换第2逆变器130与GND的连接和非连接。第4开关元件114切换电源101与第2逆变器130的连接和非连接。
第1至第4开关元件111、112、113以及114的接通和断开例如能够由微控制器或专用驱动器进行控制。第1至第4开关元件111、112、113以及114能够切断双向的电流。作为第1至第4开关元件111、112、113以及114，例如，能够使用晶闸管、模拟开关IC、或在内部形成有寄生二极管的MOSFET等半导体开关、以及机械继电器等。也可以使用二极管和IGBT等的组合。在本实施方式中，使用MOSFET作为第1至第4开关元件111、112、113以及114。以下，将第1至第4开关元件111、112、113以及114分别记为SW 111、SW 112、SW 113以及SW 114。
SW 111配置为在内部的寄生二极管中正向电流朝向第1逆变器120流动。SW 112配置为在寄生二极管中正向电流朝向电源101流动。SW 113配置为在寄生二极管中正向电流朝向第2逆变器130流动。SW 114配置为在寄生二极管中正向电流朝向电源101流动。
不限于图示的例子，所使用的开关元件的个数是考虑设计规格等而适当决定的。特别是在车载领域中，从安全性的观点出发，要求高品质保证，因此优选预先设置多个开关元件作为各逆变器用。
图3示意性地示出了本实施方式的电力转换装置1000中的逆变器单元100的其他电路结构。
切换电路110还可以具有反向连接保护用的第5和第6开关元件115、116。第5和第6开关元件115、116典型地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，配置为在寄生二极管中正向电流朝向第1逆变器120流动。第6开关元件116与SW 114串联连接，配置为在寄生二极管中正向电流朝向第2逆变器130流动。即使在电源101被反向连接了的情况下，也能够通过反向连接保护用的2个开关元件来切断反向电流。
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转换器或DC-DC转换器，也可以是电池(蓄电池)
电源101可以是第1和第2逆变器120、130所共用的一个电源，也可以如图3所示，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作为噪声滤波器而发挥功能，进行平滑化，使得包含于向各逆变器提供的电压波形中的高频噪声、或者在各逆变器中产生的高频噪声不会向电源101侧流出。另外，电源供给线连接有电容器103。电容器103是所谓的旁路电容器，抑制电压纹波。电容器103例如是电解电容器，容量和使用的个数是根据设计规格等而适当决定的。
再次参照图1。
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、控制器340、驱动器350以及ROM 360。控制电路300与逆变器单元100连接，通过对逆变器单元100进行驱动而对马达200的绕组M1、M2以及M3进行通电。在马达模块2000中，控制电路300的各部件例如安装于1块电路板(典型地为印刷板)。
控制电路300能够对作为目标的马达200的转子的位置、转速以及电流等进行控制从而实现闭环控制。另外，控制电路300也可以具有扭矩传感器来代替角度传感器320。在该情况下，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根据电源101的例如12V的电压而生成电路内的各块所需的电源电压(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也能够通过具有磁阻(MR)元件的MR传感器与传感器磁铁的组合而实现。角度传感器320检测马达200的转子的旋转角(以下，记为“旋转信号”)，并将旋转信号输出给控制器340。
输入电路330接受由电流传感器150检测到的马达电流值(以下，记为“实际电流值”)，根据需要将实际电流值的电平转换为控制器340的输入电平而将实际电流值输出给控制器340。输入电路330例如是模拟数字转换电路。
控制器340是对电力转换装置1000整体进行控制的集成电路，例如是微控制器或FPGA(Field Programmable Gate Array：现场可编程门阵列)。控制器340对逆变器单元100的第1逆变器120和第2逆变器130中的各SW的开关动作(接通或断开)进行控制。
控制器340根据实际电流值和转子的旋转信号等来设定目标电流值并生成PWM(Pulse Width Modulation：脉宽调制)信号，将该PWM信号输出给驱动器350。另外，控制器340能够对逆变器单元100的切换电路110中的各SW的接通和断开进行控制。
图4示意性地示出了驱动器350与逆变器单元100的连接以及驱动器350的块结构。图5示意性地示出了U相的H桥HB1的电路结构。
驱动器350能够具有至少2个驱动单元。在本实施方式中，驱动器350具有2个驱动单元351、352。驱动单元351、352分别是例如预驱动器。预驱动器可以是电荷泵方式，也可以是自举方式的。预驱动器优选具有用于向多个H桥输出栅极控制信号的多个通道。由此，能够将更多的H桥与1个预驱动器连接。
驱动器350根据来自控制器340的PWM信号而生成对第1逆变器120和第2逆变器130中的各SW的开关动作进行控制的栅极控制信号，并向各SW的栅极提供栅极控制信号。
2个驱动单元351、352对具有三相的绕组M1、M2、M3、第1逆变器120的3个支路以及第2逆变器130的3个支路的U相的H桥HB1、V相的H桥HB2以及W相的H桥HB3这3个H桥进行驱动。3个H桥分别能够与2个驱动单元351、352中的任意驱动单元连接。在本实施方式中，H桥HB1与驱动单元351连接，H桥HB2、HB3与驱动单元352连接。
如图5所例示那样，H桥HB1具有第1逆变器120的U相用支路的SW 121H、121L、第2逆变器130的U相用支路的SW 131H、131L以及U相的绕组M1。H桥HB2(未图示)具有第1逆变器120的V相用支路的SW 122H、122L、第2逆变器130的V相用支路的SW 132H、132L以及V相的绕组M2。H桥HB3(未图示)具有第1逆变器120的W相用支路的SW 123H、123L、第2逆变器130的W相用支路的SW 133H、133L以及W相的绕组M3。
例如，对于H桥HB1，驱动单元351与SW 121H、121L、131H以及131L连接，向这些开关元件的栅极提供栅极控制信号。对于H桥HB2、HB3，驱动单元352与H桥HB2中的SW 122H、122L、132H以及132L、H桥HB3中的SW 123H、123L、133H以及133L连接，向这些开关元件的栅极提供栅极控制信号。
图6示意性地示出了具有第1驱动单元DU1和第2驱动单元DU2的驱动单元351与H桥HB1的连接。
在本公开中，至少2个驱动单元中的至少1个驱动单元可以具有第1驱动单元DU1和第2驱动单元DU2。在本实施方式中，驱动单元351具有第1驱动单元DU1和第2驱动单元DU2。当然也可以是，全部的驱动单元具有第1驱动单元DU1和第2驱动单元DU2。例如，驱动单元352可以具有第1驱动单元DU1和第2驱动单元DU2。
第1驱动单元DU1与H桥HB1的第1逆变器120的U相用支路中的SW 121L和SW 121H连接。第1驱动单元DU1向SW 121L和SW 121H提供对这些开关元件的开关动作进行控制的栅极控制信号。
第2驱动单元DU2与H桥HB1的第2逆变器130的U相用支路中的SW 131L和SW 131H连接。第2驱动单元DU2向SW 131L和SW 131H提供对这些开关元件的开关动作进行控制的栅极控制信号。
图7A至图7C示意性地示出了第1驱动单元DU1和第2驱动单元DU2的硬件的结构例。能够像以下所例示那样将第1驱动单元DU1和第2驱动单元DU2作为单独的硬件设置于驱动单元351。对于驱动单元352，也能够采用以下所说明的硬件结构。
可以如图7A所示，第1驱动单元DU1和第2驱动单元DU2分别是预驱动器PD。作为预驱动器PD，能够广泛使用在逆变器的驱动中通常采用的通用产品。预驱动器PD可以是电荷泵方式的，也可以是自举方式的。
也可以如图7B所示，第1驱动单元DU1和第2驱动单元DU2分别具有升压驱动电路600和驱动电路610。在该结构中，SW 121H、121L、131H以及131L全部是N通道晶体管。
第1驱动单元DU1的升压驱动电路600向H桥HB1的第1逆变器120的支路中的SW121H提供对该SW 121H的开关动作进行控制的栅极控制信号。从电源101向升压驱动电路600提供电源电压(例如12V)。从升压驱动电路600输出的栅极控制信号的电压电平比电源101的电压电平高，例如为18V。其原因在于，将高侧开关元件的源极的基准电位变高以成为提供给绕组的驱动电压。通过由升压驱动电路600对SW 121H的栅极施加高电压，能够确保使SW 121H适当地接通的栅极-源极间电压。
第2驱动单元DU2的升压驱动电路600具有与第1驱动单元DU1的升压驱动电路600实质上相同的构造和功能。以下，以第1驱动单元DU1的升压驱动电路600为例，对驱动电路610和升压电路620进行说明。
例如，升压驱动电路600能够使用驱动电路610和升压电路620作为单独的硬件而实现。驱动电路610例如具有包含双极型晶体管的推挽电路。能够广泛使用通用产品作为驱动电路610。升压电路620例如是电荷泵方式的升压电路。例如，升压电路620将电源101的12V的电压升压至18V的电压，并将升压电压提供给驱动电路610。驱动电路610根据来自控制器340的PWM信号，将与来自升压电路620的升压电压相当的电压电平的栅极控制信号提供给SW 121H。作为升压驱动电路600，也能够使用安装有所有上述功能的单体的专用电路。
第1驱动单元DU1具有与升压驱动电路600的驱动电路610不同的另外的驱动电路610。该驱动电路610根据来自控制器340的PWM信号，向第1逆变器120的U相用支路中的SW121L提供对该SW 121L的开关动作进行控制的栅极控制信号。
也可以如图7C所示，第1驱动单元DU1和第2驱动单元DU2分别具有2个驱动电路610。
2个驱动电路610中的1个与第1逆变器120的U相用支路中的SW 121H连接，向其提供对SW 121H的开关动作进行控制的栅极控制信号。另1个与第1逆变器120的U相用支路中的SW 121L连接，向其提供对SW 121L的开关动作进行控制的栅极控制信号。
在该硬件结构中，SW 121H和SW 131H是P通道晶体管。SW 121L和SW 131L是N通道晶体管。这样，通过使用P通道晶体管作为高侧开关元件，能够相对于源极的基准电位降低提供给栅极的电位。出于这个原因，第1驱动单元DU1和第2驱动单元DU2各自不特别需要升压电路620。
根据图7A至图7C所示的驱动单元的电路结构，例如即使至少2个驱动单元中的1个驱动单元的第1驱动单元DU1或第2驱动单元DU2发生了故障，也能够适当地抑制该故障波及到其他驱动单元的情况。因此，能够继续使用发生了故障的驱动单元以外的其他驱动单元。
再次参照图1。
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)或读取专用的存储器。ROM 360保存控制程序，该控制程序包含用于使控制器340控制电力转换装置1000的指令组。例如，控制程序在启动时暂时在RAM(未图示)中被一次加载。
[1-2.电力转换装置1000的动作]
在电力转换装置1000中具有正常时和异常时的控制。控制电路300(主要是控制器340)能够将电力转换装置1000的控制从正常时的控制切换为异常时的控制。在本说明书中，“异常”主要是指至少1个驱动单元的故障。例如，“驱动单元的故障”是指上述的预驱动器、升压驱动电路600或驱动电路610发生故障。
首先，对电力转换装置100的正常时的控制方法的具体例子进行说明。在正常时，电力转换装置1000、马达200的三相的绕组M1、M2以及M3均没有发生故障。
控制器340输出使切换电路110的SW 111、112、113以及114接通的控制信号。由此，SW 111、112、113以及114全部成为接通状态。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。另外，第1逆变器120与GND电连接，并且，第2逆变器130与GND电连接。
控制器340将对第1逆变器120和第2逆变器130双方的开关元件的开关动作进行控制的PWM信号输出给驱动单元351、352(参照图4)。能够通过使H桥HB1、HB2以及HB3的全部的开关元件接通和断开而对三相的绕组M1、M2以及M3进行通电来驱动马达200。在本说明书中，将对三相的绕组进行通电称为“三相通电控制”。
图8例示了对按照三相通电控制来控制电力转换装置1000时在马达200的U相、V相以及W相的各绕组中流动的电流值进行标绘而取得的电流波形(正弦波)。横轴表示马达电角度(度)，纵轴表示电流值(A)。在图8的电流波形中，每30°电角度地标绘了电流值。Ipk表示各相的最大电流值(峰值电流值)。
表1示出了在图8的正弦波中在每个电角度在各逆变器的端子中流动的电流值。具体而言，表1示出了在第1逆变器120(桥接电路L)的端子U_L、V_L以及W_L中流动的每30°电角度的电流值、以及在第2逆变器130(桥接电路R)的端子U_R、V_R以及W_R中流动的每30°电角度的电流值。这里，对于桥接电路L，将从桥接电路L的端子流向桥接电路R的端子的电流方向定义为正方向。图8所示的电流的方向遵循该定义。另外，对于桥接电路R，将从桥接电路R的端子流向桥接电路L的端子的电流方向定义为正方向。因此，桥接电路L的电流与桥接电路R的电流的相位差为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 BDA0002357910900000121
在图8所示的电流波形中，考虑了电流的方向的在三相的绕组中流动的电流的总和在每个电角度为“0”。但是，根据电力转换装置1000的电路结构，由于能够独立地控制在三相的绕组中流动的电流，因此也能够进行电流的总和不为“0”的控制。例如，控制器340将用于取得图8所示的电流波形的PWM信号输出给驱动单元351、352。
接下来，以驱动单元351发生了故障的情况为例，对电力转换装置1000的异常时的控制方法的具体例子进行说明。
图9A示意性地示出了在驱动器350中驱动单元351发生了故障的情形。控制器340能够检测至少2个驱动单元中的至少1个驱动单元的故障。在本实施方式中，控制器340能够检测驱动单元351或352的故障。例如，驱动单元351在发生故障时会向控制器340发送表示故障的状态信号。控制器340通过接收该状态信号来检测驱动单元351的故障，将电力转换装置1000的控制从正常时的控制切换为异常时的控制。
像图示那样，在驱动单元351发生了故障的情况下，驱动单元351无法驱动与其连接的H桥HB1。控制器340能够通过对没有发生故障的驱动单元352及与其连接的H桥HB2、HB3的绕组M2、M3进行通电而继续进行马达驱动。
控制器340在检测到至少1个驱动单元的故障时，能够将控制模式从对n相的绕组进行通电的n相通电控制切换为对与至少2个驱动单元中的发生了故障的驱动单元连接的H桥所包含的绕组以外的m相(m为2以上并且不到n的整数)的绕组进行通电的m相通电控制。例如，考虑驱动四相马达的情况。控制器340在检测到1个驱动单元的故障时，能够将控制模式从四相通电控制切换为三相通电控制。
在本实施方式中，控制器340在检测到驱动单元351的故障时，将控制模式从三相通电控制切换为两相通电控制。控制器340对与发生了故障的驱动单元351连接的H桥HB1所包含的绕组M1以外的两相的绕组M2、M3进行通电。将对两相的绕组进行通电称为“两相通电控制”。具体而言，控制器340将PWM信号输出给驱动单元352，对2个H桥HB2、HB3中的开关元件的开关动作进行控制，由此进行两相通电控制。
图9B示意性地示出了在驱动四相马达的驱动器350中驱动单元352发生了故障的情形。本公开的电力转换装置例如能够驱动四相马达。逆变器单元100具有A相的H桥B1、B相的H桥HB2、C相的H桥HB3以及D相的H桥HB4。例如，可以是，H桥HB1、HB4与驱动单元351连接，H桥HB2、HB3与驱动单元352连接。例如考虑驱动单元352发生了故障的情况。在该情况下，能够通过驱动单元351驱动H桥HB1和H桥HB4而进行对A相和D相的绕组进行通电的两相通电控制。这样，只要有至少2个驱动单元，就能够通过两相通电控制来继续进行马达驱动。
图10A例示了对按照两相通电控制来控制电力转换装置1000时在马达200的V相、W相的各绕组中流动的电流值进行标绘而取得的电流波形。横轴表示马达电角度(度)，纵轴表示电流值(A)。在图10A的电流波形中，每30°电角度地标绘了电流值。Ipk表示各相的最大电流值(峰值电流值)。图10A所示的电流的方向遵循上述的定义。
表2示出了在图10A的正弦波中在每个电角度在各逆变器的端子中流动的电流值。表2所示的在V相、W相的绕组M2、M3中流动的每个电角度的电流值与表1所示的三相通电控制中的每个电角度的电流值相同。由于U相的绕组M1不通电，因此表2所示的在绕组M1中流动的每个电角度的电流值为零。
[表2]
Figure BDA0002357910900000141
作为参考，例示了通过不使用V相的绕组M2或W相的绕组M3的情况下的两相通电控制而取得的电流波形。图10B例示了对按照使用了U相的绕组M1和W相的绕组M3的两相通电控制来控制电力转换装置1000时在马达200的U相、W相的各绕组中流动的电流值进行标绘而取得的电流波形。图10C例示了对按照使用了U相的绕组M1和V相的绕组M2的两相通电控制来控制电力转换装置1000时在马达200的U相、V相的各绕组中流动的电流值进行标绘而取得的电流波形。
根据本实施方式，驱动单元的单独故障不会对其他驱动单元产生影响。另外，由于将2个逆变器分别与绕组的一端和另一端连接，因此能够通过使用与发生了故障的驱动单元连接的H桥以外的H桥的m相通电控制而继续进行马达驱动。例如，在驱动单元351、352中的驱动单元351发生了故障的情况下，能够通过将控制模式从三相通电控制切换为两相通电控制而继续进行马达驱动。
(实施方式2)
在本实施方式的电力转换装置1000A中，按照每个H桥而设置有驱动单元，这一点与第1实施方式的电力转换装置1000不同。以下，主要对与电力转换装置1000的不同点进行说明。
图11示意性地示出了驱动器350与逆变器单元100的连接以及驱动器350的块结构。图12示意性地示出了驱动器350的各驱动单元的块结构。
驱动器350具有3个驱动单元351、352以及353。驱动单元351与H桥HB1连接，对H桥HB1进行驱动。驱动单元352与H桥HB2连接，对H桥HB2进行驱动。驱动单元353与H桥HB3连接，对H桥HB3进行驱动。
驱动单元351、352以及353分别可以是例如预驱动器。或者，也可以如图12所示，驱动单元351、352以及353分别具有在实施方式1中所说明的第1驱动单元DU1和第2驱动单元DU2。可以是，第1驱动单元DU1设置于H桥的第1逆变器120的每个支路，第2驱动单元DU2设置于H桥的第2逆变器130的每个支路。
图13示意性地示出了使用预驱动器PD作为各驱动单元的第1驱动单元DU1和第2驱动单元DU2的情况下的块结构。在本公开中，3个驱动单元351、352以及353中的至少1个驱动单元的第1驱动单元DU1和第2驱动单元DU2分别可以是预驱动器PD。也可以如图示那样，全部的第1驱动单元DU1和第2驱动单元DU2典型地是预驱动器PD。预驱动器PD能够设置于H桥中的第1逆变器120和第2逆变器130的每个支路。或者，驱动器350可以像以下所说明那样通过组合每个驱动单元的各种电路而实现。
例如，驱动单元351的第1驱动单元DU1和第2驱动单元DU2分别可以是预驱动器PD。驱动单元352的第1驱动单元DU1和第2驱动单元DU2分别可以具有图7B所示的升压驱动电路600和驱动电路610。在该情况下，H桥HB2的全部的开关元件均是N通道晶体管。驱动单元353的第1驱动单元DU1和第2驱动单元DU2分别可以具有图7C所示的2个驱动电路610。在该情况下，H桥HB3的SW 123H和133H是P通道晶体管，SW 123L和133L是N通道晶体管。
作为另一例，驱动器350中的全部的第1驱动单元DU1和第2驱动单元DU2可以具有图7B所示的升压驱动电路600和驱动电路610。或者，驱动器350中的全部的第1驱动单元DU1和第2驱动单元DU2可以具有图7C所示的2个驱动电路610。
图14示意性地示出了6个预驱动器PD中的与H桥HB1的第1逆变器120的U相用支路连接的预驱动器PD发生了故障的情形。
控制器340在检测到3个驱动单元351、352以及353中的1个驱动单元的故障、例如驱动单元351的故障时，将控制模式从三相通电控制切换为两相通电控制。控制器340通过对与发生了故障的驱动单元351连接的H桥HB1所包含的绕组M1以外的两相的绕组M2、M3进行通电而继续进行马达驱动。
根据本实施方式，与实施方式1同样地，例如预驱动器的单独故障不会对其他预驱动器产生影响。另外，由于将2个逆变器分别与绕组的一端和另一端连接，因此能够通过使用与发生了故障的驱动单元连接的H桥以外的H桥的m相通电控制、例如两相通电控制而继续进行马达驱动。
(实施方式3)
图15示意性地示出了本实施方式的电动助力转向装置3000的典型结构。
汽车等车辆通常具有电动助力转向(EPS)装置。本实施方式的电动助力转向装置3000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3000生成辅助扭矩，该辅助扭矩对通过驾驶员操作方向盘而产生的转向系统的操舵扭矩进行辅助。通过辅助扭矩而减轻了驾驶员的操作负担。
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、齿条齿轮机构525、齿条轴526、左右球窝接头552A、552B、横拉杆527A、527B、转向节528A、528B以及左右操舵车轮529A、529B。
辅助扭矩机构540例如具有操舵扭矩传感器541、汽车用电子控制单元(ECU)542、马达543以及减速机构544。操舵扭矩传感器541检测转向系统520中的操舵扭矩。ECU 542根据操舵扭矩传感器541的检测信号而生成驱动信号。马达543根据驱动信号而生成与操舵扭矩对应的辅助扭矩。马达543经由减速机构544将所生成的辅助扭矩传递给转向系统520。
ECU 542例如具有实施方式1的控制器340和驱动器350等。在汽车中构建了以ECU为核心的电子控制系统。在电动助力转向装置3000中，例如通过ECU 542、马达543以及逆变器545而构建了马达驱动单元。在该单元中，能够优选使用实施方式1或2的马达模块2000。
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、干燥机、吊扇、洗衣机、冰箱以及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：逆变器单元；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；130：第2逆变器；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：控制器；350：驱动器；360：ROM；1000、1000A：电力转换装置；2000：马达模块；3000：电动助力转向装置。

Claims (18)

1.一种电力转换装置，其将来自电源的电力转换为向具有n相的绕组的马达提供的电力，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，具有n个支路；
第2逆变器，其与所述各相的绕组的另一端连接，具有n个支路；以及
至少2个驱动单元，它们对具有所述n相的绕组、所述第1逆变器的所述n个支路以及所述第2逆变器的所述n个支路的n个H桥进行驱动，
所述n个H桥分别与所述至少2个驱动单元中的任意驱动单元连接。
2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其中，
所述至少2个驱动单元中的至少1个驱动单元具有：
第1驱动单元，其与H桥的所述第1逆变器的支路中的低侧开关元件和高侧开关元件连接，并且将对所述低侧开关元件和所述高侧开关元件的开关动作进行控制的控制信号提供给所述低侧开关元件和所述高侧开关元件；以及
第2驱动单元，其与所述H桥的所述第2逆变器的支路中的低侧开关元件和高侧开关元件连接，并且将对所述低侧开关元件和所述高侧开关元件的开关动作进行控制的控制信号提供给所述低侧开关元件和所述高侧开关元件。
3.根据权利要求1所述的电力转换装置，其中，
所述至少2个驱动单元分别具有：
第1驱动单元，其与H桥的所述第1逆变器的支路中的低侧开关元件和高侧开关元件连接，并且将对所述低侧开关元件和所述高侧开关元件的开关动作进行控制的控制信号提供给所述低侧开关元件和所述高侧开关元件；以及
第2驱动单元，其与所述H桥的所述第2逆变器的支路中的低侧开关元件和高侧开关元件连接，并且将对所述低侧开关元件和所述高侧开关元件的开关动作进行控制的控制信号提供给所述低侧开关元件和所述高侧开关元件。
4.根据权利要求2或3所述的电力转换装置，其中，
所述第1驱动单元和所述第2驱动单元分别是预驱动器。
5.根据权利要求2或3所述的电力转换装置，其中，
所述第1驱动单元具有：
第1升压驱动电路，其将对H桥的所述第1逆变器的支路中的高侧开关元件的开关动作进行控制的控制信号提供给所述高侧开关元件，并且所述控制信号的电压电平比所述电源的电压电平高；以及
第1驱动电路，其将对所述第1逆变器的所述支路中的低侧开关元件的开关动作进行控制的控制信号提供给所述低侧开关元件，
所述第2驱动单元具有：
第2升压驱动电路，其将对H桥的所述第2逆变器的支路中的高侧开关元件的开关动作进行控制的控制信号提供给所述高侧开关元件，并且所述控制信号的电压电平比所述电源的电压电平高；以及
第2驱动电路，其将对所述第2逆变器的所述支路中的低侧开关元件的开关动作进行控制的控制信号提供给所述低侧开关元件，
与所述第1驱动单元连接的所述高侧开关元件和与所述第2驱动单元连接的所述高侧开关元件是N通道晶体管，与所述第1驱动单元连接的所述低侧开关元件和与所述第2驱动单元连接的所述低侧开关元件是N通道晶体管。
6.根据权利要求2或3所述的电力转换装置，其中，
所述第1驱动单元具有：
第1驱动电路，其将对H桥的所述第1逆变器的支路中的高侧开关元件的开关动作进行控制的控制信号提供给所述高侧开关元件；以及
第2驱动电路，其将对所述第1逆变器的所述支路中的低侧开关元件的开关动作进行控制的控制信号提供给所述低侧开关元件，
所述第2驱动单元具有：
第3驱动电路，其将对所述H桥的所述第2逆变器的支路中的高侧开关元件的开关动作进行控制的控制信号提供给所述高侧开关元件；以及
第4驱动电路，其将对所述第2逆变器的所述支路中的低侧开关元件的开关动作进行控制的控制信号提供给所述低侧开关元件，
与所述第1驱动电路连接的所述高侧开关元件和与所述第3驱动电路连接的所述高侧开关元件是P通道晶体管，与所述第2驱动电路连接的所述低侧开关元件和与所述第4驱动电路连接的所述低侧开关元件是N通道晶体管。
7.根据权利要求1所述的电力转换装置，其中，
所述至少2个驱动单元是与所述n个H桥连接的n个驱动单元，所述n个驱动单元分别对所述n个H桥进行驱动。
8.根据权利要求7所述的电力转换装置，其中，
所述n个驱动单元分别具有：
第1驱动单元，其与H桥的所述第1逆变器的支路中的低侧开关元件和高侧开关元件连接，并且将对所述低侧开关元件和所述高侧开关元件的开关动作进行控制的控制信号提供给所述低侧开关元件和所述高侧开关元件；以及
第2驱动单元，其与所述H桥的所述第2逆变器的支路中的低侧开关元件和高侧开关元件连接，并且将对所述低侧开关元件和所述高侧开关元件的开关动作进行控制的控制信号提供给所述低侧开关元件和所述高侧开关元件。
9.根据权利要求8所述的电力转换装置，其中，
所述n个驱动单元中的至少1个驱动单元的所述第1驱动单元和所述第2驱动单元分别是预驱动器。
10.根据权利要求8所述的电力转换装置，其中，
所述n个驱动单元各自的所述第1驱动单元和所述第2驱动单元分别是预驱动器。
11.根据权利要求8所述的电力转换装置，其中，
所述n个驱动单元中的至少1个驱动单元的所述第1驱动单元具有：
第1升压驱动电路，其将对H桥的所述第1逆变器的支路中的高侧开关元件的开关动作进行控制的控制信号提供给所述高侧开关元件，并且所述控制信号的电压电平比所述电源的电压电平高；以及
第1驱动电路，其将对所述第1逆变器的所述支路中的低侧开关元件的开关动作进行控制的控制信号提供给所述低侧开关元件，
所述至少1个驱动单元的所述第2驱动单元具有：
第2升压驱动电路，其将对H桥的所述第2逆变器的支路中的高侧开关元件的开关动作进行控制的控制信号提供给所述高侧开关元件，并且所述控制信号的电压电平比所述电源的电压电平高；以及
第2驱动电路，其将对所述第2逆变器的所述支路中的低侧开关元件的开关动作进行控制的控制信号提供给所述低侧开关元件，
与所述第1驱动单元连接的所述高侧开关元件和与所述第2驱动单元连接的所述高侧开关元件是N通道晶体管，与所述第1驱动单元连接的所述低侧开关元件和与所述第2驱动单元连接的所述低侧开关元件是N通道晶体管。
12.根据权利要求8所述的电力转换装置，其中，
所述n个驱动单元各自的所述第1驱动单元具有：
第1升压驱动电路，其将对H桥的所述第1逆变器的支路中的高侧开关元件的开关动作进行控制的控制信号提供给所述高侧开关元件，并且所述控制信号的电压电平比所述电源的电压电平高；以及
第1驱动电路，其将对所述第1逆变器的所述支路中的低侧开关元件的开关动作进行控制的控制信号提供给所述低侧开关元件，
所述n个驱动单元各自的所述第2驱动单元具有：
第2升压驱动电路，其将对H桥的所述第2逆变器的支路中的高侧开关元件的开关动作进行控制的控制信号提供给所述高侧开关元件，并且所述控制信号的电压电平比所述电源的电压电平高；以及
第2驱动电路，其将对所述第2逆变器的所述支路中的低侧开关元件的开关动作进行控制的控制信号提供给所述低侧开关元件，
与所述第1驱动单元连接的所述高侧开关元件和与所述第2驱动单元连接的所述高侧开关元件是N通道晶体管，与所述第1驱动单元连接的所述低侧开关元件和与所述第2驱动单元连接的所述低侧开关元件是N通道晶体管。
13.根据权利要求8所述的电力转换装置，其中，
所述n个驱动单元中的至少1个驱动单元的所述第1驱动单元具有：
第1驱动电路，其将对H桥的所述第1逆变器的支路中的高侧开关元件的开关动作进行控制的控制信号提供给所述高侧开关元件；以及
第2驱动电路，其将对所述第1逆变器的所述支路中的低侧开关元件的开关动作进行控制的控制信号提供给所述低侧开关元件，
所述至少1个驱动单元的所述第2驱动单元具有：
第3驱动电路，其将对所述H桥的所述第2逆变器的支路中的高侧开关元件的开关动作进行控制的控制信号提供给所述高侧开关元件；以及
第4驱动电路，其将对所述第2逆变器的所述支路中的低侧开关元件的开关动作进行控制的控制信号提供给所述低侧开关元件，
与所述第1驱动电路连接的所述高侧开关元件和与所述第3驱动电路连接的所述高侧开关元件是P通道晶体管，与所述第2驱动电路连接的所述低侧开关元件和与所述第4驱动电路连接的所述低侧开关元件是N通道晶体管。
14.根据权利要求8所述的电力转换装置，其中，
所述n个驱动单元各自的所述第1驱动单元具有：
第1驱动电路，其将对H桥的所述第1逆变器的支路中的高侧开关元件的开关动作进行控制的控制信号提供给所述高侧开关元件；以及
第2驱动电路，其将对所述第1逆变器的所述支路中的低侧开关元件的开关动作进行控制的控制信号提供给所述低侧开关元件，
所述n个驱动单元各自的所述第2驱动单元具有：
第3驱动电路，其将对所述H桥的所述第2逆变器的支路中的高侧开关元件的开关动作进行控制的控制信号提供给所述高侧开关元件；以及
第4驱动电路，其将对所述第2逆变器的所述支路中的低侧开关元件的开关动作进行控制的控制信号提供给所述低侧开关元件，
与所述第1驱动电路连接的所述高侧开关元件和与所述第3驱动电路连接的所述高侧开关元件是P通道晶体管，与所述第2驱动电路连接的所述低侧开关元件和与所述第4驱动电路连接的所述低侧开关元件是N通道晶体管。
15.根据权利要求1至6中的任意一项所述的电力转换装置，其中，
所述电力转换装置还具有控制电路，该控制电路对所述至少2个驱动单元进行控制，并且检测所述至少2个驱动单元中的至少1个驱动单元的故障，
所述控制电路在检测到所述至少1个驱动单元的故障时，将控制模式从对所述n相的绕组进行通电的n相通电控制切换为对与所述至少2个驱动单元中的发生了故障的驱动单元连接的H桥所包含的绕组以外的m相的绕组进行通电的m相通电控制，m为2以上并且不到n的整数。
16.根据权利要求7至14中的任意一项所述的电力转换装置，其中，
所述电力转换装置还具有控制电路，该控制电路对所述n个驱动单元进行控制，并且检测所述n个驱动单元中的至少1个驱动单元的故障，
所述控制电路在检测到所述至少1个驱动单元的故障时，将控制模式从对所述n相的绕组进行通电的n相通电控制切换为对与所述n个驱动单元中的发生了故障的驱动单元连接的H桥所包含的绕组以外的m相的绕组进行通电的m相通电控制，m为2以上并且不到n的整数。
17.一种马达模块，其具有：
权利要求1至16中的任意一项所述的电力转换装置；以及
所述马达。
18.一种电动助力转向装置，其具有权利要求17所述的马达模块。
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