CN112740529A - 马达驱动装置、送风机、压缩机以及空气调节器 - Google Patents

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有泽浩一
植村启介
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Abstract

马达驱动装置(100)具备：电抗器(2)；转换器电路(3)，将从交流电源(1)输出的交流的第1电压变换为直流电压；电容器(4)，使作为转换器电路(3)的直流侧的电压的第2电压变平滑；逆变器电路(18)，将积蓄于电容器(3)的直流电力变换为交流电力；过电流判定部(11)，根据在交流电源与转换器电路之间流过的交流的第1电流的检测值来判定第1电流是否为过电流；以及过电流判定部(12)，根据在转换器电路(3)与电容器(4)之间流过的直流的第2电流的检测值来判定第2电流是否为过电流。转换器电路(3)在过电流判定部(11、12)中的任意过电流判定部的判定结果是过电流的情况下停止动作，逆变器电路(18)在过电流判定部(11、12)中的任意过电流判定部的判定结果是过电流的情况下停止动作。

Description

马达驱动装置、送风机、压缩机以及空气调节器
技术领域
本发明涉及对马达进行驱动的马达驱动装置、具备该马达驱动装置的送风机及压缩机和具备该送风机或该压缩机的空气调节器。
背景技术
在马达驱动装置中具备将从交流电源输出的交流电压变换为直流电压的转换器电路(converter circuit)。在马达驱动装置中需要如下功能：检测可能在转换器电路中流过的过电流，在该过电流下保护转换器电路所具备的开关元件。
在下述专利文献1中，作为以往的技术公开了如下技术：在搭载有具有自我保护功能的智能功率模块(Intelligent Power Module：IPM)的逆变器装置中，减少在IPM的自我保护动作时产生的再生电流来防止IPM的开关元件的误动作以及损伤。即，专利文献1的技术是利用IPM的自我保护功能来保护IPM内的开关元件的技术。
现有技术文献
专利文献1：日本特开2000-224861号公报
发明内容
考虑应用上述专利文献1的技术，在过电流下保护转换器电路所具备的开关元件。然而，即使为了在过电流下保护转换器电路内的开关元件而停止对开关元件进行驱动的驱动信号的输出，电流仍经由与开关元件反并联地连接的二极管或者开关元件内的寄生二极管而流入到平滑电容器。因此，例如在转换器电路内的开关元件引起短路故障的情况下，由于短路路径，在引起短路故障的开关元件中持续流过过电流，损害波及到未引起故障的其它开关元件，有可能使故障扩大。
本发明是鉴于上述情形而完成的，其目的在于得到一种能够可靠地保护转换器电路内的开关元件的马达驱动装置。
为了解决上述课题并达到目的，本发明是对马达进行驱动的马达驱动装置。马达驱动装置具备：电抗器，一端连接于交流电源；以及转换器电路，连接于电抗器的另一端，将从交流电源输出的交流的第1电压变换为直流电压。另外，马达驱动装置具备：电容器，使作为转换器电路的直流侧的电压的第2电压变平滑；以及逆变器电路，将积蓄于电容器的直流电力变换为交流电力而供给到马达。而且，马达驱动装置具备：第1电流检测器，检测在交流电源与转换器电路之间流过的交流的第1电流；以及第2电流检测器，检测在转换器电路与电容器之间流过的直流的第2电流。另外，马达驱动装置具备：第1过电流判定部，根据第1电流的检测值来判定第1电流是否为过电流；以及第2过电流判定部，根据第2电流的检测值来判定第2电流是否为过电流。转换器电路在第1过电流判定部以及第2过电流判定部中的任意过电流判定部的判定结果是过电流的情况下停止动作。另外，逆变器电路在第1过电流判定部以及第2过电流判定部中的任意过电流判定部的判定结果是过电流的情况下停止动作。
根据本发明所涉及的马达驱动装置，起到能够可靠地保护转换器电路内的开关元件这样的效果。
附图说明
图1是示出实施方式1所涉及的马达驱动装置的结构的电路图。
图2是用于说明实施方式1中的直流电源装置的动作模式的图。
图3是示出实施方式1的转换器电路中的无源同步整流模式时的一个电流路径的图。
图4是示意地示出一般的开关元件中的电流-损失特性的图。
图5是示出实施方式1的转换器电路中的简易开关模式时的一个电流路径的图。
图6是用于说明在实施方式1的转换器电路中流过过电流的原因的第1图。
图7是用于说明在实施方式1的转换器电路中流过过电流的原因的第2图。
图8是用于说明在实施方式1的转换器电路中流过的过电流的路径的第1图。
图9是用于说明在实施方式1的转换器电路中流过的过电流的路径的第2图。
图10是用于说明实施方式1中的第2电流检测器所要求的检测精度以及检测速度的图。
图11是用于说明实施方式1中的第1电流检测器所要求的检测精度以及检测速度的图。
图12是示出将实施方式1中的控制部以及第1过电流判定部的功能具体化的硬件结构的一个例子的框图。
图13是示出将实施方式1中的第2过电流判定部的功能具体化的硬件结构的一个例子的框图。
图14是示出实施方式2所涉及的马达驱动装置的结构的电路图。
图15是示出实施方式3所涉及的马达驱动装置的结构的电路图。
图16是示出图15所示的逆变器电路的详细的结构的电路图。
图17是用于说明在实施方式3的逆变器电路中流过的过电流的路径的图。
图18是示出实施方式4所涉及的马达驱动装置的应用例的图。
(符号说明)
1：交流电源；2：电抗器；3：转换器电路；3a、3b、3c、3d、26a、26b、26c：连接点；4：电容器；5、7：电压检测器；6、9、23：电流检测器；8：控制部；10：断路器；11、12、24：过电流判定部；15、17、22：栅极驱动电路；15a、15b、17a、17b、22a、22b：输入端口；16、16A：逻辑和电路；16a、16b：直流母线；18：逆变器电路；18A、18B、18C：分支；18a：晶体管；18b、D1、D2、D3、D4：二极管；18UN、18VN、18WN：下支路元件；18UP、18VP、18WP：上支路元件；20：逆变器模块；22c：输出端口；31：第1分支；32：第2分支；50：直流电源装置；100、100A、100B：马达驱动装置；300：处理器；302：存储器；304、306：接口；305：处理电路；311：第1上支路元件；312：第1下支路元件；321：第2上支路元件；322：第2下支路元件；500：负载；500b：马达；504：压缩元件；505：压缩机；506：冷冻循环部；506a：四通阀；506b：室内热交换器；506c：膨胀阀；506d：室外热交换器；Q1、Q2、Q3、Q4：开关元件。
具体实施方式
以下，参照附图，说明本发明的实施方式所涉及的马达驱动装置、送风机、压缩机以及空气调节器。此外，本发明不限定于以下所示的实施方式。另外，以下将电连接简称为“连接”而进行说明。
实施方式1.
图1是示出实施方式1所涉及的马达驱动装置100的结构的电路图。实施方式1所涉及的马达驱动装置100是如下的驱动装置：将从单相的交流电源1供给的交流电力变换为直流电力，将变换后的直流电力再次变换为交流电力，并将变换后的交流电力供给到负载500而驱动负载500。
实施方式1所涉及的马达驱动装置100如图1所示，具备直流电源装置50、电容器4以及控制部8。直流电源装置50是将从单相的交流电源1供给的交流电力变换为直流电力的电源装置。直流电源装置50具备电抗器2、转换器电路3、作为第1驱动电路的栅极驱动电路15、作为第1电压检测器的电压检测器5、作为第1电流检测器的电流检测器6、作为第2电压检测器的电压检测器7以及作为第2电流检测器的电流检测器9。
另外，马达驱动装置100具备作为第1过电流判定部的过电流判定部11、作为第2过电流判定部的过电流判定部12以及逻辑和电路16。而且，马达驱动装置100具备作为第2驱动电路的栅极驱动电路17以及逆变器电路18。逆变器电路18是将从直流电源装置50供给的直流电力变换为交流电力并将变换后的交流电力供给到负载500的电路。
在图1中，负载500的例子是内置于送风机、压缩机或者空气调节器的马达。在交流电源1与马达驱动装置100之间，设置有用于保护马达驱动装置100的布线用切断器即断路器10。
电抗器2的一端经由断路器10而与交流电源1连接，电抗器的另一端与转换器电路3连接。转换器电路3将从交流电源1输出的交流电压变换为直流电压。
转换器电路3具备第1分支31和第2分支32。第1分支31和第2分支32被并联地连接。在第1分支31中，串联地连接有第1上支路元件311和第1下支路元件312。在第2分支32中，串联地连接有第2上支路元件321和第2下支路元件322。电抗器2的另一端连接于第1分支31中的第1上支路元件311和第1下支路元件312的连接点3a。第2上支路元件321和第2下支路元件322的连接点3b连接于交流电源1的另一端。在转换器电路3中，连接点3a、3b构成交流端子。
此外，在图1中，电抗器2连接于交流电源1的一端与连接点3a之间，但也可以连接于交流电源1的另一端与连接点3b之间。
在转换器电路3中，将有连接点3a、3b的一侧称为“交流侧”。另外，将从交流电源1输出的交流电压称为“电源电压”，将电源电压的周期称为“电源周期”。此外，有时将电源电压称为“第1电压”。
第1上支路元件311包括开关元件Q1以及与开关元件Q1反并联地连接的二极管D1。第1下支路元件312包括开关元件Q2以及与开关元件Q2反并联地连接的二极管D2。第2上支路元件321包括开关元件Q3以及与开关元件Q3反并联地连接的二极管D3。第2下支路元件322包括开关元件Q4以及与开关元件Q4反并联地连接的二极管D4。此外，有时将开关元件Q1～Q4的各开关元件称为“第1开关元件”。
在图1中，作为开关元件Q1、Q2、Q3、Q4的各开关元件，例示出金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：MOSFET)，但不限定于MOSFET。MOSFET是能够使电流在漏极与源极之间双向地流过的开关元件。只要是能够使电流在相当于漏极的第1端子与相当于源极的第2端子之间双向地流过的开关元件即双向元件，就可以是任意的开关元件。
另外，反并联是指，与MOSFET的漏极相当的第1端子和二极管的阴极连接，与MOSFET的源极相当的第2端子和二极管的阳极连接。此外，二极管也可以使用MOSFET自身在内部具有的寄生二极管。寄生二极管还被称为体二极管。
另外，开关元件Q1、Q2、Q3、Q4中的至少一个不限定于由硅系材料形成的MOSFET，也可以是由碳化硅、氮化镓、氧化镓或者金刚石这样的宽带隙半导体形成的MOSFET。
一般而言，宽带隙半导体相比于硅半导体，耐电压以及耐热性更高。因此，通过在开关元件Q1、Q2、Q3、Q4中的至少一个中使用宽带隙半导体，开关元件的耐电压性以及容许电流密度变高，能够使装配有开关元件的半导体模块小型化。
电容器4的一端与高电位侧的直流母线16a连接。从第1分支31中的第1上支路元件311与第2分支32中的第2上支路元件321的连接点3c，引出直流母线16a。电容器4的另一端与低电位侧的直流母线16b连接。从第1分支31中的第1下支路元件312与第2分支32中的第2下支路元件322的连接点3d，引出直流母线16b。在转换器电路3中，连接点3c、3d构成直流端子。另外，在转换器电路3中，将有连接点3c、3d的一侧称为“直流侧”。
转换器电路3的输出电压被施加到电容器4的两端。电容器4使转换器电路3的输出电压变平滑。电容器4与直流母线16a、16b连接。将由电容器4平滑后的电压称为“母线电压”。此外，有时将母线电压称为“第2电压”。母线电压也是向逆变器电路18的施加电压。
电压检测器5检测电源电压，将电源电压的检测值Vs输出到控制部8。电源电压是交流电源1的瞬时电压的绝对值。此外，也可以将瞬时电压的有效值设为电源电压。
电流检测器6检测在交流电源1与转换器电路3之间流过的交流电流，将交流电流的检测值Is输出到控制部8以及过电流判定部11。电流检测器6的一个例子是变流器(Current Transformer：CT)。此外，有时将在交流电源1与转换器电路3之间流过的交流电流称为“第1电流”。
电压检测器7检测母线电压，将母线电压的检测值Vdc输出到控制部8。
电流检测器9配置于直流母线16b。电流检测器9检测在电容器4的负极侧端子与转换器电路3的连接点3d之间流过的直流电流，将直流电流的检测值Id输出到过电流判定部12。电流检测器9的一个例子是分流电阻。此外，有时将在转换器电路3与电容器4之间流过的直流电流称为“第2电流”。另外，在图1中，电流检测器9配置于直流母线16b，但也可以配置于直流母线16a。在该情况下，电流检测器9检测在转换器电路3的连接点3c与电容器4的正极侧端子之间流过的直流电流。
控制部8根据电压检测器5的检测值Vs、电流检测器6的检测值Is以及电压检测器7的检测值Vdc，生成用于对转换器电路3内的各开关元件进行控制的控制信号S311～S322。控制信号S311是用于控制开关元件Q1的控制信号，控制信号S322是用于控制开关元件Q4的控制信号。开关元件Q2、Q3也被来自控制部8的控制信号所控制。由控制部8生成的控制信号S311～S322被输入到栅极驱动电路15的输入端口15a。
另外，控制部8根据电压检测器5的检测值Vs、电流检测器6的检测值Is以及电压检测器7的检测值Vdc，生成用于对逆变器电路18具备的在图1中未图示的开关元件进行控制的控制信号S1～S6。逆变器电路18是三相的电路结构，与三相的电路结构对应地具有6个开关元件。另外，与6个开关元件对应地生成6个控制信号S1～S6。由控制部8生成的控制信号S1～S6被输入到栅极驱动电路17的输入端口17a。
栅极驱动电路15根据控制信号S311～S322，生成用于对转换器电路3内的各开关元件进行驱动的驱动脉冲G311～G322。驱动脉冲G311是用于驱动开关元件Q1的驱动脉冲，驱动脉冲G322是用于驱动开关元件Q4的驱动脉冲。开关元件Q2、Q3也被来自栅极驱动电路15的驱动脉冲所驱动。
栅极驱动电路17根据控制信号S1～S6，生成用于对逆变器电路18内的各开关元件进行驱动的驱动脉冲G1～G6。
过电流判定部11根据交流电流的检测值Is，判定该交流电流是否为过电流，并将判定结果OC1输出到控制部8和逻辑和电路16。在过电流的判定中，使用作为第1阈值的阈值A。过电流判定部11在交流电流的检测值Is大于阈值A的情况下，判定为该交流电流是过电流，并将判定结果OC1设为逻辑值“1”。另一方面，在交流电流的检测值Is是阈值A以下的情况下，过电流判定部11判定为该交流电流不是过电流，并将判定结果OC1设为逻辑值“0”。此外，在本判定处理中将检测值Is与阈值A相等的情况判定为“不是过电流”，但也可以判定为“是过电流”。
过电流判定部12根据直流电流的检测值Id，判定该直流电流是否为过电流，并将判定结果OC2输出到控制部8和逻辑和电路16。在过电流的判定中，使用作为第2阈值的阈值B。过电流判定部12在直流电流的检测值Id大于阈值B的情况下，判定为该直流电流是过电流，并将判定结果OC2设为逻辑值“1”。另一方面，在直流电流的检测值Id是阈值B以下的情况下，过电流判定部12判定为该直流电流不是过电流，并将判定结果OC2设为逻辑值“0”。此外，在本判定处理中将检测值Id与阈值B相等的情况判定为“不是过电流”，但也可以判定为“是过电流”。
逻辑和电路16运算判定结果OC1与判定结果OC2的逻辑和。具体而言，逻辑和电路16在判定结果OC1以及判定结果OC2中的至少一个是逻辑值“1”的情况下，将运算值OC3设为逻辑值“1”。另一方面，在判定结果OC1以及判定结果OC2都是逻辑值“0”的情况下，逻辑和电路16将运算值OC3设为逻辑值“0”。由逻辑和电路16运算出的运算值OC3表示过电流的检测结果。运算值OC3被输入到栅极驱动电路15的输入端口15b以及栅极驱动电路17的输入端口17b。
栅极驱动电路15在运算值OC3是逻辑值“1”的情况下，停止用于对转换器电路3的各开关元件进行驱动的驱动脉冲G311～G322的输出。即，在从运算值OC3向输入端口15b输入了逻辑值“1”的情况下，即便是向输入端口15a输入了来自控制部8的控制信号S311～S322的情况，向转换器电路3进行的驱动脉冲G311～G322的输出也会被切断。
另外，在运算值OC3是逻辑值“0”的情况下，栅极驱动电路15进行通常的动作。即，在向输入端口15a输入了来自控制部8的控制信号S311～S322的情况下，栅极驱动电路15根据控制信号S311～S322而生成驱动脉冲G311～G322，并将生成的驱动脉冲G311～G322输出到转换器电路3。
另外，栅极驱动电路17在运算值OC3是逻辑值“1”的情况下，停止用于对逆变器电路18的各开关元件进行驱动的驱动脉冲G1～G6的输出。即，在从运算值OC3向输入端口17b输入了逻辑值“1”的情况下，即便是向输入端口17a输入了来自控制部8的控制信号S1～S6的情况，向逆变器电路18进行的驱动脉冲G1～G6的输出也会被切断。
另外，在运算值OC3是逻辑值“0”的情况下，栅极驱动电路17进行通常的动作。即，在向输入端口17a输入了来自控制部8的控制信号S1～S6的情况下，栅极驱动电路17根据控制信号S1～S6而生成驱动脉冲G1～G6，并将生成的驱动脉冲G1～G6输出到逆变器电路18。
通过以上的控制，在过电流判定部11以及过电流判定部12中的任意过电流判定部的判定结果是过电流的情况下，转换器电路3以及逆变器电路18停止各个电路内的所有开关元件的开关动作。由此，从直流电源装置50以及电容器4向负载500进行的电力供给停止。
另外，控制部8接收判定结果OC1以及判定结果OC2，在判定结果OC1以及判定结果OC2中的至少一个是逻辑值“1”的情况下，停止控制信号S311～S322的生成，并且停止控制信号S1～S6的生成。其结果，控制信号S311～S322不会被输入到栅极驱动电路15，驱动脉冲G311～G322向转换器电路3的输出也停止。另外，控制信号S1～S6不会被输入到栅极驱动电路17，驱动脉冲G1～G6向逆变器电路18的输出也停止。
使用过电流判定部11、过电流判定部12以及逻辑和电路16的停止控制(以下适当称为“第1停止控制”)仅在流过过电流时被实施。另外，在基于过电流判定部11以及过电流判定部12的判定结果而由控制部8实施的停止控制(以下适当称为“第2停止控制”)之前，实施第1停止控制。由此，针对转换器电路3的开关元件，能够进行迅速的保护控制。
另外，一旦检测到过电流就会继续实施第2停止控制。因此，如果并行地实施第1停止控制和第2停止控制，则能够可靠地抑制故障扩大到转换器电路3中的健全的开关元件。
接下来，参照图1至图5的附图，说明实施方式1中的直流电源装置50中的主要部分的电路动作。
图2是用于说明实施方式1中的直流电源装置50的动作模式的图。在图2中，示出无源同步整流模式、简易开关模式以及脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation：PWM)控制模式这样的3个动作模式。图3是示出实施方式1的转换器电路3中的无源同步整流模式时的一个电流路径的图。图4是示意地示出一般的开关元件中的电流-损失特性的图。图5是示出实施方式1的转换器电路3中的简易开关模式时的一个电流路径的图。
在图2的上段部，示出无源同步整流模式时的电源电压以及电源电流。该动作模式是非升压地进行同步整流的模式。非升压是指不进行电源短路动作。此外，关于电源短路动作，在后面叙述。另外，同步整流是指如下的控制方法：与电流流过二极管的定时匹配地，使与二极管反并联地连接的开关元件进行接通(ON)动作。
在图3中，示出电源电压是正极性并且进行同步整流时的针对电容器4的充电路径。如图3所示，将交流电源1中的上侧的端子为正电位时设为电源电压的极性为正。另外，将交流电源1中的上侧的端子为负电位时设为电源电压的极性为负。
在图3中，在通过从交流电源1供给的电流对电容器4进行充电的情况下，在不使开关元件Q1、Q4进行接通动作时，按照交流电源1、电抗器2、二极管D1、电容器4、二极管D4、交流电源1的顺序而流过电流。二极管如果在电流流动的方向即正向上不被施加电压降(voltage drop)量的电压则不会导通。因此，如图2的上段部所示，在电源电压为正的半周期T1的期间中，在比半周期T1短的期间T2流过电流。在无源同步整流模式下，在期间T2中，开关元件Q1、Q4与二极管D1、D4的导通定时匹配地被控制为接通。因此，在期间T2中，按照交流电源1、电抗器2、开关元件Q1、电容器4、开关元件Q4、交流电源1的顺序而流过电流。
电源电压为负的半周期也进行同样的动作。但是，在电源电压为负的半周期中的期间T3中，开关元件Q2、Q3与二极管D2、D3的导通定时匹配地被控制为接通。
在图4中，示出二极管的损失特性和开关元件的接通时的损失特性。如图4所示，在电流小于电流值I0的区域A中，相比于开关元件的损失，二极管的损失更大。利用这个特性，如果利用与电流流过二极管的定时匹配地使与二极管反并联地连接的开关元件进行接通动作的同步整流，则能够使装置高效地动作。
另外，在图2的中段部，示出简易开关模式时的电源电压以及电源电流。该动作模式是在电源电压的半周期的期间中进行1次或者几次电源短路动作的动作模式。此外，在图2的中段部的例子中，在电源电压的半周期的期间进行1次电源短路动作。
在图5中，示出电源电压是正极性并且进行同步整流时的经由电抗器2的交流电源1的短路路径。如图5所示，使开关元件Q1、Q3在期间T4中进行接通动作。由此，按照交流电源1、电抗器2、开关元件Q1、开关元件Q3、交流电源1的顺序而流过电流，在电抗器2中积蓄电能。
在期间T4之后，成为在图2的上段部中示出的无源同步整流模式时的动作。紧接在期间T4之后，交流电源1的电压与在电抗器2中产生的电压之和被施加到转换器电路3。因此，转换器电路3的二极管D1、D4导通。然后，开关元件Q1、Q4与二极管D1、D4的导通定时匹配地进行接通动作，流过电源电流。
此外，在图5中，使开关元件Q1、Q3进行接通动作，但也可以取而代之，使开关元件Q2、Q4进行接通动作。在该情况下，按照交流电源1、电抗器2、开关元件Q2、开关元件Q4、交流电源1的顺序而流过电流。
在负的半周期中也是同样的，在1次或者几次电源短路动作之后成为无源同步整流动作。在电源短路动作中，既可以使开关元件Q1、Q3进行接通动作，也可以使开关元件Q2、Q4进行接通动作。
另外，在图2的下段部中示出PWM控制模式时的电源电压以及电源电流。在该动作模式中，交替地重复进行向电抗器2积蓄电能的电源短路动作和使用积蓄于电抗器2的电能对电容器4进行充电的充电动作。以几kHz至几十kHz的高频进行电源短路动作和充电动作的切换。由此，如图2的下段部所示，电源电流被控制为正弦波状的电流。
根据负载条件来切换上述3个模式。由此，能够使直流电源装置50高效地运转。
接下来，参照图6至图9的附图，说明在实施方式1的转换器电路3中流过过电流的原因和此时的过电流的路径。图6是用于说明在实施方式1的转换器电路3中流过过电流的原因的第1图。图7是用于说明在实施方式1的转换器电路3中流过过电流的原因的第2图。图8是用于说明在实施方式1的转换器电路3中流过的过电流的路径的第1图。图9是用于说明在实施方式1的转换器电路3中流过的过电流的路径的第2图。
在图6中，示出图1的转换器电路3中的开关元件Q1～Q4的状态的一个例子。在图6的例子中，示出在上述无源同步整流模式下按照电源电压的周期对开关元件Q3、Q4交替地进行接通控制以及断开(OFF)控制、并为了同步整流而对开关元件Q1、Q2进行接通控制的情况的动作状态。此外，记载为接通以外的期间是断开的状态。
图7示出在图6的状态图中开关元件Q4引起短路故障的情况的动作状态。如图7所示，在开关元件Q4在某个期间引起短路故障的情况下，在引起短路故障之后的接下来的半周期中会引起开关元件Q3、Q4同时导通的上下支路短路。在图8中示出此时的电流路径。此外，将发生了图8所示的电流路径的模式简称为“短路模式1”。
在此，在转换器电路3与电容器4之间流过的电流虽然经过两个开关元件Q3、Q4，但成为直流电压的短路。因此，在短路模式1中，在几微秒的时间流过几百安培这样的大的短路电流。该短路电流成为上述“在转换器电路3与电容器4之间流过的过电流”的原因。因此，由电流检测器9、过电流判定部12以及逻辑和电路16检测该短路电流是否为过电流。
另外，在图7中，在开关元件Q2成为接通的定时，引起开关元件Q2、Q4导通的电源短路。在图9中示出此时的电流路径。此外，将产生图9所示的电流路径的模式简称为“短路模式2”。
短路模式2下的电流是经由电抗器2流过的短路电流。因此，在短路模式2中，在几毫秒的时间流过十几安培程度的短路电流。该短路电流成为上述“在交流电源1与转换器电路3之间流过的过电流”的原因。因此，通过电流检测器6、过电流判定部11以及逻辑和电路16，检测该短路电流是否为过电流。
此外，以上说明了开关元件Q4引起短路故障的情况的例子，但在开关元件Q1～Q3中的至少一个发生了短路故障的情况下也引起同样的短路模式1、2的状态。
另外，即使在开关元件Q1～Q4未引起短路故障的情况下，开关元件由于外来噪声而进行误动作，可能引起同样的短路模式1、2的状态。实施方式1所涉及的马达驱动装置100还能够检测这样的情况的短路电流，有效地保护马达驱动装置100。
接下来，说明作为用于进行过电流的检测的电流检测部件的电流检测器6、9所要求的检测精度以及检测速度。图10是用于说明实施方式1中的电流检测器9所要求的检测精度以及检测速度的图。图11是用于说明实施方式1中的电流检测器6所要求的检测精度以及检测速度的图。
在图10中，用实线示出的曲线k1表示在短路模式1中流过的电流的上升特性。另一方面，在图11中，用实线示出的曲线k4表示在短路模式2中流过的电流的上升特性。此外，图10以及图11是示意性的图，关于横轴的时间以及纵轴的电流，各轴的比例尺都不同。
如图10以及图11所示，在短路模式1中流过的电流相比于在短路模式2中流过的电流，上升特性更陡峭。因此，电流检测器9相比于电流检测器6，要求检测速度更快。因此，需要使针对曲线k1的电流检测的延迟时间Δt1比针对曲线k4的电流检测的延迟时间Δt2短。在列举一个例子时，延迟时间Δt1是0.1～1μs程度，延迟时间Δt2是10～100μs程度。
在图10中，用虚线示出的曲线k2是使曲线k1在时间轴的正方向上移动Δt1而得到的曲线，用粗实线示出的阶梯状的曲线k3表示以一定的处理时间对曲线k2的电流值进行检测时的离散的检测值。同样地，在图11中，用虚线示出的曲线k5是使曲线k4在时间轴的正方向上移动Δt2而得到的曲线，用粗实线示出的阶梯状的曲线k6表示以一定的处理时间对曲线k5的电流值进行检测时的离散的检测值。
在图10的曲线k3和图11的曲线k6中，在列举一个例子时，曲线k3中的分辨率ΔI1是10～100安培程度，曲线k6中的分辨率ΔI2是0.01～1安培程度。即，电流检测器9中的检测值的分辨率ΔI2可以低于电流检测器6中的检测值的分辨率ΔI1。
如上所述，电流检测器6相比于电流检测器9，电流检测速度可以更低。因此，能够与为了控制转换器电路3的各开关元件而设置的已设置的电流检测部件共用。即，不需要追加用于检测短路模式2下的过电流的新的电流检测部件。由此，能够削减成本，能够抑制马达驱动装置100的可靠性降低。
另外，电流检测器9虽然要求高速性能，但能够容许十几安培程度的误差，检测值的分辨率也可以低于电流检测器6。因此，能够比电流检测器6廉价地构成电流检测器9。由此，即使在需要新的电流检测部件的情况下，也能够设为抑制了成本的增加的系统结构。
此外，如上所述，在短路模式1下的电流Is1与短路模式2下的电流Is2之间有Is1>Is2的关系。因此，作为对短路模式2下的过电流进行判定的过电流判定部11中的判定阈值的阈值A与作为对短路模式1下的过电流进行判定的过电流判定部12中的判定阈值的阈值B被设定成阈值A<阈值B的关系。
另外，阈值A优选设定成比断路器10的容量值小的值。如果将阈值A设定成比断路器10的容量值小的值，则能够在断路器10动作之前使开关元件Q1～Q4的开关动作停止。由此，能够抑制故障波及到发生短路故障的开关元件以外的开关元件。即，能够抑制转换器电路内的开关元件的故障扩大。
接下来，参照图12以及图13的附图，说明用于实现实施方式1中的控制部8以及过电流判定部11、12的功能的硬件结构。图12是示出将实施方式1中的控制部8以及过电流判定部11的功能具体化的硬件结构的一个例子的框图。图13是示出将实施方式1中的过电流判定部12的功能具体化的硬件结构的一个例子的框图。
在实现实施方式1中的控制部8的功能的情况下，如图12所示，能够成为包括进行运算的处理器300、保存由处理器300读取的程序的存储器302以及进行信号的输入输出的接口304的结构。
处理器300也可以是运算装置、微型处理器、微型计算机、CPU(CentralProcessing Unit，中央处理单元)或者DSP(Digital Signal Processor，数字信号处理器)这样的运算单元。另外，作为存储器302，可以例示RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)、ROM(Read Only Memory，只读存储器)、闪存存储器、EPROM(Erasable ProgrammableROM，可擦可编程只读存储器)、EEPROM(日本注册商标)(Electrically EPROM，电可擦可编程只读存储器)这样的非易失性或者易失性的半导体存储器、磁盘、软盘、光盘、紧致盘(Compact Disc)、迷你盘、DVD(Digital Versatile Disc，数字多功能盘)。
在存储器302中，储存有执行实施方式1中的控制部8以及过电流判定部11的功能的程序。处理器300经由接口304而交换必要的信息，处理器300执行储存于存储器302的程序，处理器300参照储存于存储器302的表格，从而能够进行上述处理。能够将处理器300的运算结果存储到存储器302。
另外，在实现实施方式1中的过电流判定部12的功能的情况下，能够使用图13所示的处理电路305。关于处理电路305，相应的是单一电路、复合电路、ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuit，专用集成电路)、FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)或者将它们组合而成的结构。能够经由接口306获得输入到处理电路305的信息以及从处理电路305输出的信息。
如上所述，过电流判定部12根据由于上升特性陡峭的短路模式1而流过的电流的检测值，判定过电流。因此，优选设为无需使用处理器300而使用处理电路305的处理。
此外，也可以由图13所示的结构的处理电路305实施控制部8以及过电流判定部11中的一部分处理。
如以上说明那样，根据实施方式1所涉及的马达驱动装置，由第1过电流判定部根据在交流电源与转换器电路之间流过的交流的第1电流的检测值来判定第1电流是否为过电流，由第2过电流判定部根据在转换器电路与电容器之间流过的直流的第2电流的检测值来判定第2电流是否为过电流。由此，能够切断经由与转换器电路内的开关元件反并联地连接的二极管或者该开关元件内的寄生二极管而流入到负载的电流的路径，能够可靠地保护转换器电路内的开关元件。
另外，根据实施方式1所涉及的马达驱动装置，关于在第1过电流判定部的判定中使用的第1电流的检测值，能够利用已设置的电流检测部件的检测值。由此，能够抑制电流检测部件的追加数，并且检测可能在直流电源装置中流过的过电流。
另外，根据实施方式1所涉及的马达驱动装置，在第1过电流判定部以及第2过电流判定部中的任意过电流判定部的判定结果是过电流的情况下，转换器电路内的开关元件以及逆变器电路内的开关元件停止开关动作。由此，在转换器电路中，能够抑制故障波及到未发生短路故障的健全的开关元件。即，能够抑制开关元件的故障扩大。
实施方式2.
图14是示出实施方式2所涉及的马达驱动装置100A的结构的电路图。在图14所示的实施方式2所涉及的马达驱动装置100A中，将图1所示的实施方式1所涉及的马达驱动装置100的结构中的栅极驱动电路17变更为栅极驱动电路22。在图14中，栅极驱动电路22与逆变器电路18一起被安装而构成逆变器模块20。逆变器模块20是具有如上所述的自我保护功能的IPM。栅极驱动电路22具有输入端口22a、22b和输出端口22c。
在图14的结构中，与图1不同，作为逻辑和电路16的输出的运算值OC3被输入到栅极驱动电路22的输入端口22b，动作停止信号CS从栅极驱动电路22的输出端口22c被输入到栅极驱动电路15的输入端口15b。此外，其它结构与实施方式1的结构相同或者相等，对相同或者相等的结构部分附加相同的符号而省略重复的说明。
接下来，参照图14，说明实施方式2所涉及的马达驱动装置100A的动作。如上所述，由逻辑和电路16运算出的运算值OC3被输入到栅极驱动电路22的输入端口22b。
在此，在运算值OC3是逻辑值“1”的情况下，栅极驱动电路22停止用于对逆变器电路18的各开关元件进行驱动的驱动脉冲G1～G6的输出。即，在从运算值OC3向输入端口22b输入了逻辑值“1”的情况下，即便是向输入端口22a输入了来自控制部8的控制信号S1～S6的情况，向逆变器电路18进行的驱动脉冲G1～G6的输出也会被切断。
另外，在运算值OC3是逻辑值“1”的情况下，栅极驱动电路22生成用于使转换器电路3的动作停止的动作停止信号CS，并输出到栅极驱动电路15。如上所述，动作停止信号CS被输入到栅极驱动电路15的输入端口15b。
接收到动作停止信号CS的栅极驱动电路15停止用于对转换器电路3的各开关元件进行驱动的驱动脉冲G311～G322的输出。即，在从运算值OC3向输入端口15b输入了逻辑值“1”的情况下，即便是向输入端口15a输入了来自控制部8的控制信号S311～S322的情况，向转换器电路3进行的驱动脉冲G311～G322的输出也会被切断。
另外，在运算值OC3是逻辑值“0”的情况下，不会生成动作停止信号CS而是进行通常的动作。即，在向输入端口17a输入了来自控制部8的控制信号S1～S6的情况下，栅极驱动电路22根据控制信号S1～S6而生成驱动脉冲G1～G6，并将生成的驱动脉冲G1～G6输出到逆变器电路18。另外，在向输入端口15a输入了来自控制部8的控制信号S311～S322的情况下，栅极驱动电路15根据控制信号S311～S322而生成驱动脉冲G311～G322，并将生成的驱动脉冲G311～G322输出到转换器电路3。
如以上说明那样，根据实施方式2所涉及的马达驱动装置，第2驱动电路接收第1过电流判定部以及第2过电流判定部中的至少一个是过电流的意思的判定结果，并根据该判定结果来控制逆变器电路内的开关元件的动作。然后，在接收到是过电流的意思的判定结果的情况下，将使转换器电路的动作停止的信号输出到第1驱动电路。由此，能够切断经由与转换器电路内的开关元件反并联地连接的二极管或者该开关元件内的寄生二极管而流入到负载的电流的路径，能够更可靠地保护转换器电路内的开关元件。
此外，在通用性的IPM中具备信号的锁存功能。锁存功能是指如下功能：在直至被复位为止的期间，保持在某个定时输入的信号的电平或者信息。也可以利用该锁存功能来输出动作停止信号CS。如果利用锁存功能，则一旦由过电流判定部11、12中的至少一个检测到过电流时，从栅极驱动电路22的输出端口22c继续输出动作停止信号CS。由此，转换器电路3以及逆变器电路18的动作会可靠地停止。由此，能够切断经由与转换器电路3内的开关元件反并联地连接的二极管或者该开关元件内的寄生二极管而流入到负载的电流的路径，能够可靠地保护转换器电路3内的开关元件。
实施方式3.
图15是示出实施方式3所涉及的马达驱动装置100B的结构的电路图。在图15所示的实施方式3所涉及的马达驱动装置100B中，对于图1所示的实施方式1所涉及的马达驱动装置100的结构追加有电流检测器23和过电流判定部24。
电流检测器23检测在逆变器电路18与电容器4之间流过的直流电流，将直流电流的检测值Id1输出到过电流判定部24。电流检测器23的一个例子是分流电阻。此外，有时将在逆变器电路18与电容器4之间流过的直流电流称为“第3电流”。另外，在图15中，电流检测器23配置于直流母线16b，但也可以配置于直流母线16a。在该情况下，电流检测器23检测在电容器4的正极侧端子与逆变器电路18的高电位侧的端子之间流过的直流电流。
另外，在实施方式3所涉及的马达驱动装置100B中，将实施方式1所涉及的马达驱动装置100的结构中的逻辑和电路16置换为逻辑和电路16A。对于逻辑和电路16A，除了过电流判定部11的判定结果OC1和过电流判定部12的判定结果OC2以外，还输入过电流判定部24的判定结果OC4。另外，判定结果OC4还被输入到控制部8。此外，其它结构与实施方式1的结构相同或者相等，对相同或者相等的结构部分附加相同的符号而省略重复的说明。
图16是示出图15所示的逆变器电路18的详细的结构的电路图。对逆变器电路18的输出侧连接有马达500b。马达500b是负载500的一个例子。
逆变器电路18如图16所示具备：上支路元件18UP和下支路元件18UN串联地连接而成的分支18A、上支路元件18VP和下支路元件18VN串联地连接而成的分支18B以及上支路元件18WP和下支路元件18WN串联地连接而成的分支18C。分支18A、分支18B以及分支18C被相互并联地连接。此外，有时将上支路元件18UP、18VP、18WP以及下支路元件18UN、18VN、18WN各自称为“第2开关元件”。
在图16中，例示了上支路元件18UP、18VP、18WP以及下支路元件18UN、18VN、18WN是绝缘栅双极性晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor：IGBT)的情况，但不限定于此。也可以代替IGBT而使用MOSFET。
上支路元件18UP包括晶体管18a以及与晶体管18a反并联地连接的二极管18b。其它的上支路元件18VP、18WP以及下支路元件18UN、18VN、18WN也是同样的结构。反并联是指，与转换器电路3的情况同样地，对与IGBT的发射极相当的第1端子连接二极管的阳极侧，对与IGBT的集电极相当的第2端子连接二极管的阴极侧。
此外，图16是具备3个将上支路元件和下支路元件串联地连接而成的分支的结构，但不限定于该结构。分支的数量也可以是4个以上。另外，图16的电路结构与作为三相马达的马达500b匹配。在马达500b是单相马达的情况下，逆变器电路18也成为与单相马达对应的结构。具体而言，成为具备两个将上支路元件和下支路元件串联地连接而成的分支的结构。此外，不论负载是单相马达以及三相马达中的哪个，一个分支都可以由多对的上下支路元件构成。
在上支路元件18UP、18VP、18WP以及下支路元件18UN、18VN、18WN的晶体管18a是MOSFET的情况下，上支路元件18UP、18VP、18WP以及下支路元件18UN、18VN、18WN中的至少一个也可以由碳化硅、氮化镓系材料或者金刚石这样的宽带隙半导体形成。如果使用由宽带隙半导体形成的MOSFET，则能够获得耐电压性以及耐热性的效果。
上支路元件18UP和下支路元件18UN的连接点26a连接于马达500b的第1相(例如U相)，上支路元件18VP和下支路元件18VN的连接点26b连接于马达500b的第2相(例如V相)，上支路元件18WP和下支路元件18WN的连接点26c连接于马达500b的第3相(例如W相)。在逆变器电路18中，连接点26a、26b、26c构成交流端子。
图17是用于说明在实施方式3的逆变器电路18中流过的过电流的路径的图。在逆变器电路18中，例如在下支路元件18UN的晶体管18a引起短路故障的情况下，在上支路元件18UP的晶体管18a成为接通的定时，引起上支路元件18UP的晶体管18a和下支路元件18UN的晶体管18a同时导通的上下支路短路。在图17中示出此时的电流路径。
在逆变器电路18与电容器4之间流过的电流虽然经由两个开关元件Q3、Q4，但成为直流电压的短路。因此，与转换器电路3时同样地，在几微秒的时间流过几百安培这样的大的短路电流。该短路电流成为“在逆变器电路18与电容器4之间流过的过电流”的原因。因此，在实施方式3中，通过电流检测器23、过电流判定部24以及逻辑和电路16A来检测该短路电流是否为过电流。
接下来，参照图15，说明实施方式3所涉及的马达驱动装置100B的动作。如上所述，向逻辑和电路16A输入过电流判定部24的判定结果OC4。因此，与过电流判定部11、12的判定结果无关地，逻辑和电路16A在判定结果OC4是逻辑值“1”的情况下将运算值OC3设为逻辑值“1”。此外，逻辑值“1”时的动作是如在实施方式1中说明那样，此处省略详细的说明。
另外，控制部8接收判定结果OC4。与过电流判定部11、12的判定结果无关地，控制部8在判定结果OC4是逻辑值“1”的情况下，停止控制信号S311～S322的生成，并且停止控制信号S1～S6的生成。其结果，控制信号S311～S322不会被输入到栅极驱动电路15，驱动脉冲G311～G322向转换器电路3的输出也停止。另外，控制信号S1～S6不会被输入到栅极驱动电路17，驱动脉冲G1～G6向逆变器电路18的输出也停止。
此外，在判定结果OC4是逻辑值“0”的情况下，成为基于过电流判定部11、12的判定结果的动作。该动作是在实施方式1中说明的动作，此处省略详细的说明。
仅在流过过电流时实施使用过电流判定部11、过电流判定部12以及过电流判定部24的停止控制。另外，在由控制部8进行停止控制之前，实施使用过电流判定部11、过电流判定部12以及过电流判定部24的停止控制。由此，针对转换器电路3以及逆变器电路18的开关元件，能够进行迅速的保护控制。
另外，一旦检测到过电流就会继续实施由控制部8进行的停止控制。因此，如果并行地实施使用过电流判定部11、过电流判定部12及过电流判定部24的停止控制、和由控制部8进行的停止控制，则能够可靠地抑制故障扩大到转换器电路3以及逆变器电路18中的健全的开关元件。
如以上说明那样，根据实施方式3所涉及的马达驱动装置，进而由第3过电流判定部根据在逆变器电路与电容器之间流过的第3电流的检测值，判定第3电流是否为过电流。然后，在第3过电流判定部的判定结果是过电流的情况下，转换器电路以及逆变器电路都停止动作。由此，能够更可靠地保护转换器电路内的开关元件。
此外，在实施方式3中，将基于在逆变器电路18与电容器4之间流过的过电流的检测结果实施的向转换器电路3以及逆变器电路18的动作的停止控制应用于实施方式1的结构，但不限定于此。也可以将基于在逆变器电路18与电容器4之间流过的过电流的检测结果实施的向转换器电路3以及逆变器电路18的动作的停止控制应用于实施方式2的结构。
实施方式4.
在实施方式4中，说明在实施方式1至实施方式3中说明的马达驱动装置的应用例。图18是示出实施方式4所涉及的马达驱动装置的应用例的图。在实施方式1至实施方式3中说明的马达驱动装置能够应用于送风机、压缩机以及空气调节器这样的产品。以下，在此说明将实施方式1所涉及的马达驱动装置100应用于空气调节器的例子。
在图18中，在马达驱动装置100的输出侧连接有图16所示的马达500b，马达500b连接于压缩元件504。压缩机505具备马达500b和压缩元件504。以包括四通阀506a、室内热交换器506b、膨胀阀506c以及室外热交换器506d的方式构成冷冻循环部506。
在空气调节器的内部循环的制冷剂的流路以如下方式构成：从压缩元件504经由四通阀506a、室内热交换器506b、膨胀阀506c、室外热交换器506d，并再次经由四通阀506a而返回到压缩元件504。马达驱动装置100从交流电源1接受交流电力的供给而使马达500b旋转。马达500b进行旋转，从而压缩元件504能够执行制冷剂的压缩动作，使制冷剂在冷冻循环部506的内部循环。
此外，在实施方式4中，说明实施方式1所涉及的马达驱动装置100向空气调节器的应用例，但不限定于此。也可以将实施方式2所涉及的马达驱动装置100A应用于送风机、压缩机以及空气调节器。同样地，也可以将实施方式3所涉及的马达驱动装置100B应用于送风机、压缩机以及空气调节器。在哪种情况下都能够获得在各个实施方式中得到的效果。
另外，以上的实施方式所示的结构示出本发明的内容的一个例子，既能够与其它公知的技术组合，也能够在不脱离本发明的要旨的范围中将结构的一部分进行省略、变更。

Claims (12)

1.一种马达驱动装置，对马达进行驱动，所述马达驱动装置具备：
电抗器，一端连接于交流电源；
转换器电路，连接于所述电抗器的另一端，将从所述交流电源输出的交流的第1电压变换为直流电压；
电容器，使作为所述转换器电路的直流侧的电压的第2电压变平滑；
逆变器电路，将积蓄于所述电容器的直流电力变换为交流电力而供给到所述马达；
第1电流检测器，检测在所述交流电源与所述转换器电路之间流过的交流的第1电流；
第2电流检测器，检测在所述转换器电路与所述电容器之间流过的直流的第2电流；
第1过电流判定部，根据所述第1电流的检测值，判定所述第1电流是否为过电流；以及
第2过电流判定部，根据所述第2电流的检测值，判定所述第2电流是否为过电流，
所述转换器电路在所述第1过电流判定部以及所述第2过电流判定部中的任意过电流判定部的判定结果是过电流的情况下停止动作，
所述逆变器电路在所述第1过电流判定部以及所述第2过电流判定部中的任意过电流判定部的判定结果是过电流的情况下停止动作。
2.根据权利要求1所述的马达驱动装置，其中，
所述第1过电流判定部检测过电流时的阈值小于所述第2过电流判定部检测过电流时的阈值。
3.根据权利要求1或者2所述的马达驱动装置，其中，
所述第2电流检测器检测所述第2电流的检测速度比所述第1电流检测器检测所述第1电流的检测速度快。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的马达驱动装置，其中，
所述转换器电路具有多个第1开关元件，
所述马达驱动装置具备第1驱动电路，该第1驱动电路驱动多个所述第1开关元件，
所述逆变器电路具有多个第2开关元件，
所述马达驱动装置具备第2驱动电路，该第2驱动电路驱动多个所述第2开关元件，
所述第1驱动电路在所述第1过电流判定部以及所述第2过电流判定部中的任意过电流判定部的判定结果是过电流的情况下停止所有的所述第1开关元件的开关动作，
所述第2驱动电路在所述第1过电流判定部以及所述第2过电流判定部中的任意过电流判定部的判定结果是过电流的情况下停止所有的所述第2开关元件的开关动作。
5.根据权利要求4所述的马达驱动装置，其中，
所述马达驱动装置具备：
第1电压检测器，检测所述第1电压；
第2电压检测器，检测作为所述转换器电路的直流侧的电压的第2电压；以及
控制部，根据所述第1电压的检测值、所述第2电压的检测值及所述第1电流的检测值，控制所述转换器电路，
所述控制部在所述第1过电流判定部以及所述第2过电流判定部中的任意过电流判定部的判定结果是过电流的情况下，停止对所述第1开关元件进行控制的控制信号的生成，并且停止对所述第2开关元件进行控制的控制信号的生成。
6.根据权利要求4或者5所述的马达驱动装置，其中，
所述第2驱动电路以及所述逆变器电路构成智能功率模块，
所述第2驱动电路接收所述第1过电流判定部以及所述第2过电流判定部中的至少一个是过电流的意思的判定结果，根据所述判定结果来控制所述第2开关元件的动作，并且在接收到是过电流的意思的判定结果的情况下，将使所述转换器电路的动作停止的信号输出到所述第1驱动电路。
7.根据权利要求4至6中的任意一项所述的马达驱动装置，其中，
所述马达驱动装置具备：
第3电流检测器，检测在所述逆变器电路与所述电容器之间流过的直流的第3电流；以及
第3过电流判定部，根据所述第3电流的检测值来判定所述第3电流是否为过电流，
所述转换器电路在所述第3过电流判定部的判定结果是过电流的情况下停止动作，
所述逆变器电路在所述第3过电流判定部的判定结果是过电流的情况下停止动作。
8.根据权利要求4至7中的任意一项所述的马达驱动装置，其中，
多个所述第1开关元件中的至少一个由宽带隙半导体形成。
9.根据权利要求8所述的马达驱动装置，其中，
所述宽带隙半导体是碳化硅、氮化镓、氧化镓或者金刚石。
10.一种送风机，具备权利要求9所述的马达驱动装置。
11.一种压缩机，具备权利要求9所述的马达驱动装置。
12.一种空气调节器，具备权利要求10所述的送风机以及权利要求11所述的压缩机中的至少一方。
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