CN117096832A - 功率转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明的功率转换装置在过电流流过开关元件的情况下抑制过电流，与此同时保护功率转换装置的开关元件的体二极管并防止开关元件的劣化。功率转换装置包括：三相的臂，其分别设有连接到直流电源的正极侧开关元件、负极侧开关元件和将它们串联连接并连接到旋转电机的绕组的外部连接点；相电流检测部，其检测每个相的电流；以及开关控制装置，其对正极侧开关元件和负极侧开关元件分别进行导通关断控制来控制旋转电机，在由相电流检测部检测出的电流超过了预先确定的阈值的情况下判定为产生过电流，使所有正极侧开关元件和所有负极侧开关元件中的任一方导通并使另一方关断。

Description

功率转换装置

技术领域

本申请涉及功率转换装置。

背景技术

近来，混合动力汽车、插电式混合动力汽车、电动汽车以及燃料电池车这样的搭载了电动动力总成的汽车(以下称为电动化车辆)正在普及。这些电动化车辆中，除了以传统的汽油发动机为动力源的汽车的结构以外，或者作为其替代，还搭载了用于驱动车轮的旋转电机和用于驱动该旋转电机的功率转换装置即逆变器。

逆变器以规定的开关频率对多个半导体元件进行导通关断，从而将直流电源的直流电转换为规定的交流电，并调节作为负载的旋转电机的转矩和转速。半导体开关元件需要在正向和反向上流过电流。在使用场效应晶体管(FET(Field Effect Transistor))作为半导体开关元件的情况下，能使用内置FET的体二极管(也称为寄生二极管)，而不并联连接回流二极管。因此，小型且高性能的逆变器中多使用FET。

然而，FET的体二极管有时因大电流的通电而劣化。与一般的二极管同样地，FET的体二极管也规定了可连续通电电流、和比其要大的允许电流即短时间额定电流。如果通电电流超过体二极管的短时间额定电流，则FET的寿命有可能缩短。

特别是在过电流流过功率转换装置的开关元件的情况下，作为过电流的抑制措施，切断所有开关元件的控制被广泛采用。然而，该情况下，电流会流过体二极管。这种情况下，需要保护体二极管并防止开关元件的劣化。

作为针对电流流入体二极管的对策，提出了将其它二极管反向并联连接到半导体开关元件的技术。此时，公开了一种方法，其具备设定为电流导通时的导通电压比体二极管的通电开始电压要小的追加的回流二极管(例如，专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2007-305836号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

然而，专利文献1的技术中，需要对半导体开关元件额外设置追加的回流二极管。追加的回流二极管的设置与功率转换装置所要求的小型化和低成本化相反。为了在不设置追加的回流二极管的情况下增大FET的体二极管的允许电流来提高耐受量，需要扩大FET的半导体尺寸，这种情况也与功率转换装置的小型化、低成本化相悖。

本申请是为了解决功率转换装置中的上述问题而完成的。本申请的目的在于得到一种功率转换装置，在过电流流过功率转换装置的开关元件的情况下，能在抑制过电流的同时保护功率转换装置的开关元件的体二极管，并防止开关元件的劣化。

用于解决技术问题的技术手段

本申请所公开的功率转换装置，包括：

三相的臂，该三相的臂分别设有连接到直流电源的正极侧的正极侧开关元件、连接到直流电源的负极侧的负极侧开关元件、以及将正极侧开关元件和负极侧开关元件串联连接且连接到旋转电机的绕组的外部连接点；

相电流检测部，该相电流检测部检测在外部连接点与绕组之间流动的每个相的电流；以及

开关控制装置，该开关控制装置对正极侧开关元件和负极侧开关元件分别进行导通关断控制来控制旋转电机，在由相电流检测部检测出的电流超过了预先确定的阈值的情况下判定为产生过电流，使所有正极侧开关元件和所有负极侧开关元件中的任一方导通并使另一方关断。

发明效果

根据本申请所涉及的功率转换装置，在过电流流过功率转换装置的开关元件的情况下，将所有正极侧开关元件和所有负极侧开关元件的任一方设为导通、将另一方设为关断，由此能抑制过电流并抑制大电流流过开关元件的体二极管。由此，能得到一种功率转换装置，无需设置追加的回流二极管和扩大半导体尺寸，能推进小型化、低成本化，与此同时保护体二极管并防止开关元件的劣化。

附图说明

图1是实施方式1所涉及的功率转换装置的结构图。

图2是实施方式1所涉及的功率转换装置的开关控制装置的硬件结构图。

图3是比较例所涉及的功率转换装置的过电流对应控制的框图。

图4是示出比较示例所涉及的功率转换装置的信号切断电路的动作逻辑的图。

图5是示出比较例所涉及的功率转换装置的过电流对应控制的时序图。

图6是示出实施方式1所涉及的功率转换装置的通常时的电流流动的图。

图7是示出比较示例所涉及的功率转换装置的过电流对应控制的电流流动的图。

图8是实施方式1所涉及的功率转换装置的过电流对应控制的框图。

图9是示出实施方式1所涉及的功率转换装置的正极侧三相短路处理电路的动作逻辑的图。

图10是示出实施方式1所涉及的功率转换装置的负极侧三相短路处理电路的动作逻辑的图。

图11是示出实施方式1所涉及的功率转换装置的电流方向与过电流检测的关系的第一图。

图12是示出实施方式1所涉及的功率转换装置的电流方向与过电流检测的关系的第二图。

图13是示出实施方式1所涉及的功率转换装置的过电流对应控制的时序图。

图14是示出实施方式1所涉及的功率转换装置的过电流对应控制的电流流动的图。

图15是实施方式2所涉及的功率转换装置的结构图。

具体实施方式

下面，参照附图对本申请所涉及的功率转换装置的实施方式进行说明。

1.实施方式1

＜功率转换装置的结构＞

图1是实施方式1所涉及的功率转换装置1的结构图。功率转换装置1通过直流母线3a、3b与直流电源4相连接。功率转换装置1从直流电源4接收驱动电力，或将再生电力输电到直流电源4。功率转换装置1通过交流母线5与旋转电机6相连接。功率转换装置1将驱动电力输电到旋转电机6，或从旋转电机6接收再生电力。

旋转电机6包括U相绕组10a、V相绕组10b、W相绕组10c。此外，旋转电机6包括检测旋转电机6的旋转角的旋转角传感器7。旋转电机6对负载进行旋转驱动，并且能将负载的旋转能量作为电能来再生。旋转电机6可以使用转子具备永磁体的电动机、转子具备电磁体的电动机、电刷式电动机、无刷电动机等。

功率转换装置1包括逆变器电路8和开关控制装置9。逆变器电路8包括：连接在电源输入侧的直流母线3a、3b间的电容器2；检测逆变器电路8的直流母线电压的电压检测电路11；由多个开关元件构成并进行直流/交流的功率转换的功率转换电路12；以及对经由交流母线5在与旋转电机6之间流过的电流进行检测的电流传感器13。

功率转换电路12的开关元件例如使用图1所示的MOSFET(Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)等。MOSFET在构造上形成有反向并联连接的二极管，称为体二极管(也称为寄生二极管)。

功率转换电路12是将一般众所周知的6个开关元件进行全桥连接而得的逆变器。U相用的开关元件14、15、V相用的开关元件16、17和W相用的开关元件18、19分别串联连接成对。将这些对称为臂。

U相用的臂、V相用的臂、W相用的臂分别与直流电源4并联连接。作为U相用的臂的开关元件14、15的中点即外部连接点与旋转电机6的U相的输入相连接。作为V相用的臂的开关元件16、17的中点即外部连接点与旋转电机6的V相的输入相连接。然后，作为W相用的臂的开关元件18、19的中点即外部连接点与旋转电机6的W相的输入相连接。

这里，将连接到直流电源4的正极侧的直流母线3a的开关元件14、16、18称为上侧开关元件或上侧臂。将连接到直流电源4的负极侧的直流母线3b的开关元件15、17、19称为下侧开关元件或下侧臂。

逆变器电路8的电容器2起到抑制直流母线电压的纹波的作用。然后，电容器2起到使逆变器电路8的电源阻抗降低以提高逆变器电路8的交流电流驱动能力的作用。此外，电容器2起到吸收浪涌电压的作用。电压检测电路11通过分压电阻等将直流母线电压分压为开关控制装置9所能读取的电压。开关控制装置9中，从电压检测电路11输入有直流母线电压信息。

电流传感器13检测在交流母线5中流动的旋转电机6的相电流。电流传感器13将电流值转换为电压并输出到开关控制装置9。图1中，示出由U相用电流传感器13a检测U相电流、由V相用电流传感器13b检测V相电流、由W相用电流传感器13c检测W相电流的结构。另外，电流传感器13可以使用分流电阻。

这里，将从功率转换装置1沿旋转电机6的方向流过的电流设为正向电流，将沿反方向流过的电流设为负向电流。将流过开关元件14、15的外部连接点和旋转电机6的U相的输入的电流设为相电流Iu。将流过开关元件16、17的外部连接点和旋转电机6的V相的输入的电流设为相电流Iv。然后，将流过开关元件18、19的外部连接点和旋转电机6的W相的输入的电流设为相电流Iw。

旋转角传感器7是检测旋转电机6的转子旋转角的传感器。旋转角传感器7能使用旋转变压器式编码器、光学式编码器等。检测出的转子旋转角被输出到开关控制装置9。另外，基于旋转电机6的永磁体的极对数将转子旋转角θm换算成电气角θe。

<开关控制装置的硬件结构>

图2是实施方式1所涉及的功率转换装置1的开关控制装置9的硬件结构图。图2的硬件结构图也能应用于开关控制装置9a。这里，以开关控制装置9为代表进行说明。本实施方式中，开关控制装置9的各功能由开关控制装置9所具备的处理电路来实现。具体而言，开关控制装置9如图2所示，作为处理电路，包括CPU(Central Processing Unit：中央处理单元)等运算处理装置90(计算机)、与运算处理装置90进行数据交换的存储装置91、向运算处理装置90输入外部信号的输入电路92、以及从运算处理装置90向外部输出信号的输出电路93等。

作为运算处理装置90，可以具备ASIC(Application Specific IntegratedCircuit：专用集成电路)、IC(Integrated Circuit：集成电路)、DSP(Digital SignalProcessor：数字信号处理器)、FPGA(Field Programmable Gate Array：现场可编程门阵列)、各种逻辑电路、以及各种信号处理电路等。此外，作为运算处理装置90，也可以具备多个同种或不同种的运算处理装置来分担执行各处理。作为存储装置91，可以设置构成为能从运算处理装置90读取并写入数据的RAM(Random Access Memory：随机存取存储器)、构成为能从运算处理装置90读取数据的ROM(Read Only Memory：只读存储器)、闪存等。输入电路92与各种传感器和开关连接，包括将这些传感器和开关的输出信号输入至运算处理装置90的A/D转换器等。输出电路93具备与电负载相连接，并对来自运算处理装置90的控制信号进行转化并输出至这些电负载的驱动电路等。

开关控制装置9所具备的各功能通过运算处理装置90执行ROM等存储装置91所存储的软件(程序)，并与存储装置91、输入电路92、以及输出电路93等开关控制装置9的其他硬件进行协作来实现。另外，开关控制装置9所使用的阈值、判定值等设定数据作为软件(程序)的一部分存储于ROM等存储装置91中。对开关控制装置9的结构要素的功能进行说明。开关控制装置9的各功能可以分别由软件的模块构成，但也可以由软件和硬件的组合构成。

＜开关控制装置的功能＞

开关控制装置9负责功率转换装置1整体的控制。说明开关控制装置9所进行的针对开关元件14至19的导通关断控制信号的运算过程。开关控制装置9从上位的未图示的控制装置或控制程序输入有应由旋转电机6产生的转矩指令值Trqc。对此，开关控制装置9决定d轴电流指令值Id1c、q轴电流指令值Iq1c。

这里，d轴表示旋转电机的磁极位置(磁通)的方向，q轴表示电气上与d轴正交的方向，并构成d-q轴坐标系。若具有磁体的电动机的转子旋转，则d-q轴坐标系也旋转。

从电流传感器13向开关控制装置9输入U相电流Iu、V相电流Iv、W相电流Iw的电流值信号。从旋转角传感器7向开关控制装置9输入用于转换为电气角θe的转子旋转角θm。然后，从电压检测电路11向开关控制装置9输入直流母线电压Vpn的电压值信号。由开关控制装置9通过坐标转换将U相电流Iu、V相电流Iv、W相电流Iw的各电流值转换为d轴电流检测值Id和q轴电流检测值Iq。由开关控制装置9对电气角θe进行时间微分来计算电气角速度ω(旋转速度ω)。

开关控制装置9运算d轴电流指令值Idc与d轴电流检测值Id的d轴电流偏差、以及q轴电流指令值Iqc与q轴电流检测值Iq的q轴电流偏差。开关控制装置9通过比例·积分控制运算，对各个电流偏差计算d轴电压指令值Vdc、q轴电压指令值Vqc。

开关控制装置9根据d轴电压指令值Vdc、q轴电压指令值Vqc、电气角θe来运算静止坐标系的三相电压指令值Vuc、Vvc、Vwc。开关控制装置9根据三相电压指令值Vuc、Vvc、Vwc和直流母线电压Vpn来计算占空比指令值Du、Dv、Dw。通过使用逆变器驱动中广泛通常实施的三角波比较方式等，开关控制装置9根据各相的占空比指令值Du、Dv、Dw来运算针对各开关元件14至19的导通关断控制信号。然后，开关控制装置9将导通关断控制信号UU、UL、VU、VL、WU、WL输出到各驱动电路。以下，为了方便，将驱动电路的输出也表示为UU、UL、VU、VL、WU、WL。

驱动电路按照导通关断控制信号UU、UL、VU、VL、WU、WL，对开关元件14至19进行导通关断。功率转换电路12通过使U相电流Iu、V相电流Iv、W相电流Iw流动从而将直流电转换为交流电，并提供给旋转电机6。然后，功率转换电路12将旋转电机6在再生状态下产生的再生电力从交流电转换为直流电并充电到直流电源4。这里，上述标号中，电气角θe、转矩指令值Trqc、d轴电流指令值Idc、Id1c、q轴电流指令值Iqc、Iq1c、d轴电压指令值Vdc、q轴电压指令值Vqc、三相电压指令值Vuc、Vvc、Vwc、占空比指令值Du、Dv、Dw是为了使说明便于理解而使用的标号，并没有记载在附图或算式中。

＜过电流对应控制＞

功率转换装置1根据转矩指令值Trqc、U相电流Iu、V相电流Iv、W相电流Iw、电气角θe、直流母线电压Vpn来进行与旋转电机6之间的电力交换。然而，可以认为由于旋转角传感器7或电流传感器13的误动作、交流母线5的短路或接地故障、运算处理装置90的暂时性的故障(导通关断控制信号的暂时性的固定)，U相电流Iu、V相电流Iv、W相电流Iw会成为超过正常的控制范围的过大值。

为了在这样的过大的电流流过时进行保护，可以对U相电流Iu、V相电流Iv、W相电流Iw设置判定过电流的产生的阈值。然后，可以考虑在各电流超过了阈值的情况下将所有开关元件设为关断的保护电路。由此来抑制过电流。

图3是比较例所涉及的功率转换装置1a的过电流对应控制的框图(功率转换装置1a未图示)。比较例所涉及的功率转换装置1a能通过对实施例1所涉及的功率转换装置1变更开关控制装置9的硬件或软件来构成。这里，将变更了开关控制装置9的过电流对应控制的电路后的示例作为开关控制装置9a来进行说明。

图3中，示出了过电流对应控制的框图中针对与U相有关的上侧开关元件14、下侧开关元件15的输出的部分。电流检测部41输入有电流传感器13的信号，并检测功率转换装置1a的各相的电流。电流检测部41构成为具有正侧过电流检测电路24和负侧过电流检测电路25。正侧过电流检测电路24和负侧过电流检测电路25将电流传感器13的输出与表示过电流的阈值进行比较，在超过了阈值的情况下输出过电流产生的信号。

例如，正侧过电流检测电路24在U相、V相或W相的任一个的相电流Iu、Iv或Iw在正方向上流动并且大于阈值Ioc的情况下输出H信号，除此以外输出L信号。负侧过电流检测电路25在U相、V相或W相的任一个的相电流Iu、Iv或Iw在负方向上流动并且相电流的绝对值大于阈值Ioc的情况下输出H信号，除此以外输出L信号。电流检测部41在没有过电流流过的情况下，维持L输出。

旋转电机驱动部21输出对用于驱动通常的旋转电机6的U相的上侧开关14进行驱动的信号DUU、和驱动U相的下侧开关元件15的信号DUL。信号切断电路27在过电流检测信号OC为L的情况下，直接输出驱动信号D。由此，在电流检测部41的输出为L的情况下，开关控制装置9a经由驱动电路22a、22b将旋转电机驱动部21的输出直接传输到开关元件14和开关元件15。

信号切断电路27在过电流检测信号OC为H的情况下，将输出信号维持为L，而与驱动信号D的状态无关。由此，在电流检测部41的输出为H的情况下，开关控制装置9a经由驱动电路22a、22b将开关元件14和开关元件15设为关断来切断电流。

图4是示出比较示例所涉及的开关控制装置9a的信号切断电路27的动作逻辑的图。示出了输出信号O相对于信号切断电路27的输入即过电流检测信号OC、驱动信号D的逻辑。如上所述，信号切断电路27优先于过电流检测信号OC来决定逻辑。

图3中，对信号切断电路27针对U相的开关元件14、15的逻辑进行了说明。图3中省略了记载，但旋转电机驱动部21也输出驱动V相的上侧开关元件16的信号DVU、驱动V相的下侧开关元件17的信号DVL、驱动W相的上侧开关元件18的信号DWU、驱动W相的下侧开关元件19的信号DWL。对于V相、W相，分别具备用于上侧开关元件16、18和下侧开关元件17、19的信号切断电路27和驱动电路22a、22b。比较例所涉及的开关控制装置9a中，作为过电流对应控制，在U相、V相和W相的任一个的相电流Iu、Iv或Iw的绝对值比阈值Ioc要大的情况下，将开关元件15至19全部切断。

＜切断控制＞

图5是示出比较例所涉及的功率转换装置1a的过电流对应控制的时序图。图6是示出实施方式1所涉及的功率转换装置1的通常时的电流流动的图。图7是示出比较示例所涉及的功率转换装置1a的过电流对应控制的电流流动的图。关于通常时的电流流动，比较例所涉及的功率转换装置1a也与图6的实施方式1所涉及的功率转换装置1相同。

关于在检测到过电流且开关元件14至19全部为关断状态的情况下流过功率转换电路12的电流，使用图5至图7来进行说明。图5中示出相电流Iu、Iv、Iw的波形。图5下侧的时序图是放大上侧的时序图的时间轴后得到的。到时刻Ta的时间点为止，功率转换装置1a正常地动作。在时刻Ta的时间点，U相上侧开关元件14、V相下侧开关元件17和W相下侧开关元件19导通。U相下侧开关元件15、V相上侧开关元件16和W相上侧开关元件18关断。

图6中，用箭头示出此时通常的电流流动的路径。电流从正极侧的直流母线3a通过U相上侧开关元件14流向U相绕组10a。然后，电流在三相绕组的节点处一分为二，并经由通过V相绕组10b、V相下侧开关元件17的路径、和通过W相绕组10c、W相下侧开关元件19的路径流向负极侧的直流母线3b。

考虑如下情况：开关控制装置9a发生暂时性的固定，各开关元件14至19的导通状态、关断状态被固定。此时，原本的控制不再进行，电流发生变化。

在图5的时刻Tb的时间点，U相电流Iu变得过大而超过阈值Ioc。开关控制装置9a检测过电流，开关元件14至19所有的控制信号成为关断状态，电流被切断。由此，能抑制过电流。

此时，电流如图7所示那样流动。电流通过U相下侧开关元件15流过U相绕组10a。然后，在三相绕组的节点处一分为二。电流在通过V相绕组10b、V相上侧开关元件16的路径和通过W相绕组10c、W相上侧开关元件18的路径中流动。

当电流流过开关元件15、16、18时，各开关元件处于关断状态，因此对各个体二极管通电。若此时流过的电流是过电流产生时的过大电流，则有可能引起体二极管的劣化。

当前，为了实现包含逆变器在内的功率转换装置的小型化，由碳化硅(SiC)构成的场效应晶体管(以下称为SiC半导体FET)的利用正在推进。在使用SiC半导体FET的情况下，对体二极管的通电电流也成为问题。由于体二极管所进行的双极动作，SiC半导体FET的结晶劣化有可能加剧。由于电流持续流过体二极管，SiC半导体的结晶劣化加剧，体二极管的导通电压上升。其结果是，SiC半导体FET的损耗增大，元件的功能下降。功率转换电路的稳定状态下的动作变得困难。

＜三相短路处理＞

为了解决以上问题，实施方式1所涉及的功率转换装置1中，对过电流的产生实施三相短路处理。三相短路处理是指在开关元件14至19中使上侧开关元件14、16、18全部导通、使下侧开关元件15、17、19全部关断，或者指使下侧开关元件15、17、19全部导通、使上侧开关元件14、16、18全部关断。

＜电动机的电压方程式＞

这里，对三相短路处理实施后的稳定状态下的d轴电流值Id3ps和q轴电流值Iq3ps的运算方法进行说明。首先，电动机的电压方程式由d轴电压Vd、q轴电压Vq、d轴电流检测值Id、q轴电流检测器Iq、电动机的电枢绕组电阻R、电动机的d轴电感Ld、电动机的q轴电感Lq、电动机的d轴电枢交链磁通数电动机的转速ω，如下式(1)那样来表示。

[数学式1]

三相短路处理实施后的稳定状态是上式(1)中d轴电压Vd、q轴电压Vq为0的状态。由此，使用三相短路处理实施后的稳定状态下的d轴电流值Id3ps、q轴电流Iq3ps，如下式(2)那样来表示。

[数学式2]

根据上式(2)，三相短路处理实施后的稳定状态下的d轴电流值Id3ps和q轴电流Iq3ps，如下式(3)(4)那样来表示。

[数学式3]

[数学式4]

另外，上式(3)(4)的运算中使用的电动机的电枢绕组电阻R、电动机的d轴电感Ld、电动机的q轴电感Lq、电动机的d轴电枢交链磁通数是由旋转电机6决定的已知的值。此外，电动机的转速ω是根据电气角θe求出的值。

此外，能利用下式(5)，使用d轴电流值Id3ps、q轴电流值Iq3ps来计算U相电流Iu、V相电流Iv、W相电流Iw的有效值Irms。

[数学式5]

＜三相短路处理的动作逻辑＞

图8是实施方式1所涉及的功率转换装置1的过电流对应控制的框图。图8中，示出了过电流对应控制的框图中针对与U相有关的上侧开关元件14、下侧开关元件15的输出的部分。电流检测部41与比较例所涉及的图3的框图相同，构成为具有正侧过电流检测电路24和负侧过电流检测电路25。

正侧过电流检测电路24或负侧过电流检测电路25将电流传感器13的输出与表示过电流的阈值Ioc进行比较。在电流传感器13检测出的U相、V相和W相的任一个的相电流Iu、Iv或Iw的绝对值超过了阈值Ioc的情况下，输出过电流产生的信号。

正侧过电流检测电路24和负侧过电流检测电路25双方的输出被传输到上侧开关元件用的正极侧三相短路处理电路26a和下侧开关元件用的负极侧三相短路处理电路26b双方。正极侧三相短路处理电路26a和负极侧三相短路处理电路26b根据过电流是被正侧过电流检测电路24检测到还是被负侧过电流检测电路25检测到，来决定输出。在过电流未被检测到的情况下，正极侧三相短路处理电路26a和负极侧三相短路处理电路26b将旋转电机驱动部21的输出直接传输到驱动电路22a、22b。

若由正侧过电流检测电路24检测到正侧过电流，则正极侧三相短路处理电路26a将导通指示信号传递给驱动电路22a，开关元件14导通。此时，负极侧三相短路处理电路26b将关断指示信号传递给驱动电路22b，开关元件15关断。

若由负侧过电流检测电路25检测到负侧过电流，则正极侧三相短路处理电路26a将关断指示信号传递给驱动电路22a，开关元件14关断。此时，负极侧三相短路处理电路26b将导通指示信号传递给驱动电路22b，开关元件15导通。

图9是示出实施方式1所涉及的功率转换装置1的正极侧三相短路处理电路26a的动作逻辑的图。示出了输出信号O相对于作为正极侧三相短路处理电路26a的输入的正极侧过电流检测信号OCU、负极侧过电流检测信号OCL、驱动信号D的逻辑。

正极侧三相短路处理电路26a优先于正极侧过电流检测信号OCU来决定逻辑。H可以替换为导通信号，L可以替换为关断信号。在正极侧过电流检测信号OCU为H的情况下，输出信号O持续H状态，而与其它输入信号的状态无关。在正极侧过电流检测信号OCU为L的情况下，优先于负极侧过电流检测信号OCL来决定逻辑。该情况下，在负极侧过电流检测信号OCL为H的情况下，输出信号O持续L状态，而与驱动信号D的状态无关。在正极侧过电流检测信号OCU为L、且负极侧过电流检测信号OCL为L的情况下，驱动信号D的状态被直接传输到输出信号O。

图10是示出实施方式1所涉及的功率转换装置1的负极侧三相短路处理电路26b的动作逻辑的图。示出了输出信号O相对于作为负极侧三相短路处理电路26b的输入的正极侧过电流检测信号OCU、负极侧过电流检测信号OCL、驱动信号D的逻辑。

负极侧三相短路处理电路26b优先于正极侧过电流检测信号OCU来决定逻辑。H可以替换为导通信号，L可以替换为关断信号。在正极侧过电流检测信号OCU为H的情况下，输出信号O持续L状态，而与其它输入信号的状态无关。在正极侧过电流检测信号OCU为L的情况下，优先于负极侧过电流检测信号OCL来决定逻辑。该情况下，在负极侧过电流检测信号OCL为H的情况下，输出信号O持续H状态，而与驱动信号D的状态无关。在正极侧过电流检测信号OCU为L、且负极侧过电流检测信号OCL为L的情况下，驱动信号D的状态被直接传输到输出信号O。

这里，在正侧过电流检测中，负侧过电流检测可以设为无效，在负侧过电流检测中，正侧过电流检测可以设为无效。此外，可以将过电流的发生判定阈值和过电流的消失判定阈值设定为不同的值，以使其具有迟滞。由此，能抑制因过电流判定的振动、抖动的产生而导致的不稳定状态。

图8中，对正极侧三相短路处理电路26a和负极侧三相短路处理电路26b针对U相的开关元件14、15的逻辑进行了说明。图8中省略了记载，但旋转电机驱动部21也输出驱动V相的上侧开关元件16的信号DVU、驱动V相的下侧开关元件17的信号DVL、驱动W相的上侧开关元件18的信号DWU、驱动W相的下侧开关元件19的信号DWL。

对于V相、W相，分别具备用于上侧开关元件16、18和下侧开关元件17、19的正极侧三相短路处理电路26a、负极侧三相短路处理电路26b和驱动电路22a、22b。实施方式1所涉及的开关控制装置9中，作为过电流对应控制，在U相、V相和W相的任一个的相电流Iu、Iv或Iw的绝对值比阈值Ioc要大的情况下，实施三相短路处理。即，使上侧开关元件14、16、18全部导通、使下侧开关元件15、17、19全部关断，或者使下侧开关元件15、17、19全部导通、使上侧开关元件14、16、18全部关断。

＜产生了过电流的开关元件的判别＞

图11是示出实施方式1所涉及的功率转换装置1的电流的方向与过电流检测的关系的第一图。图12是示出电流的方向与过电流检测的关系的第二图。这里，对根据由U相用电流传感器13a、V相用电流传感器13b、W相用电流传感器13c检测出的电流的方向来判别过电流产生的开关元件的方法进行说明。

图11中，示出上侧开关元件14和下侧开关元件17为导通状态、且相电流Iu在正方向上流动、相电流Iv在负方向上流动的示例。此时，直流母线的电压被施加到U相绕组10a、V相绕组10b，流过励磁电流。由U相用电流传感器13a检测出的相电流Iu在正方向上增加，由V相用电流传感器13b检测出的相电流Iv在负方向上增加。

通过过电流增加而超过阈值Ioc来检测过电流。因此，若在U相用电流传感器13a检测正方向的电流时成为过电流，则上侧开关元件14为导通状态，能判别为过电流产生在开关元件14中发生。同样地，若在V相用电流传感器13b检测出负方向的电流时检测到过电流，则下侧开关元件17为导通状态，能判别为过电流产生在开关元件17中发生

图12中，示出上侧开关元件14和下侧开关元件17为导通状态、且相电流Iu在负方向上流过电流、相电流Iv在正方向上流过电流的情况。此时，U相绕组10a、V相绕组10b产生反向电压，流过回流电流。即，表示通过旋转电机6所发出的电力来对直流电源4进行充电的状态。

此时，由U相用电流传感器13a检测出的相电流Iu在负方向上减少，由V相用电流传感器13b检测出的相电流Iv在正方向上减少。由于电流减少，因此可以说在图12所示的状态下不产生过电流。

以上不仅限于开关元件14和开关元件17的组合。其它开关元件组合中的电流和电压的关系也可以说是相同的。即，若在相电流Iu、Iv、Iw为正方向的情况下检测到过电流，则能判别为分别在上侧开关元件14、16、18中产生了过电流。若在相电流Iu、Iv、Iw为负方向的情况下检测到过电流，则能判别为分别在下侧开关元件15、17、19中产生了过电流。

＜三相短路处理时的电流＞

图13是示出实施方式1所涉及的功率转换装置1的过电流对应控制的时序图。图14是示出实施方式1所涉及的功率转换装置1的过电流对应控制的电流流动的图。使用图13、图14来说明由上侧开关元件用的正极侧三相短路处理电路216a和下侧开关元件用的负极侧三相短路处理电路26b实施三相短路时的动作。

图13中示出相电流Iu、Iv、Iw的波形。图13下侧的时序图是放大上侧的时序图的时间轴后得到的。到时刻Ta的时间点为止，功率转换装置1正常地动作。在时刻Ta的时间点，U相上侧开关元件14、V相下侧开关元件17和W相下侧开关元件19导通。U相下侧开关元件15、V相上侧开关元件16和W相上侧开关元件18关断。

该情况下，电流在图6所示的路径中流动。通过U相上侧开关元件14流过U相绕组10a。然后，电流在三相绕组的节点处一分为二，并经由通过V相绕组10b、V相下侧开关元件17的路径、和通过W相绕组10c、W相下侧开关元件19的路径而流动。

考虑如下情况：开关控制装置9a发生暂时性的固定，各开关元件14至19的导通状态、关断状态被固定。此时，原本的控制不再进行，电流发生变化。

在图13的时刻Tb的时间点，U相电流Iu变得过大而超过阈值Ioc。开关控制装置9检测上侧开关元件中的过电流，并实施上侧开关元件14、16、18全部成为导通状态的三相短路处理。同时，使下侧开关元件15、17、19全部为关断状态。

如图14所示，此时，通过U相绕组10a的电流通过U相上侧开关元件14而流动。该电流在三相绕组的节点处一分为二，并经由通过V相绕组10b、V相上侧开关元件16的路径、和通过W相绕组10c、W相上侧开关元件18的路径而流动。

这里，开关元件14维持导通状态，能防止过大的电流流过相反侧的开关元件15的体二极管。由于开关元件16、18为导通状态，而成为被称为导通电阻的较小的电阻值，因此，电流不流过体二极管部，且电流流过开关元件的晶体管部。

设为三相短路则具有暂时性的电流增加，但随着时间经过收敛为式(5)所示的电流有效值。由此能抑制过电流。在该期间流过了电流的开关元件14、16、18为导通状态，因此不向体二极管通电。

由此，在过电流流过功率转换装置1的开关元件的情况下，将所有正极侧开关元件和所有负极侧开关元件的任一方设为导通、将另一方设为关断，由此能抑制过电流并抑制大电流流过开关元件的体二极管。由此，能得到功率转换装置1，无需设置追加的回流二极管和扩大半导体尺寸，能推进小型化、低成本化，与此同时保护体二极管并防止开关元件的劣化。

上述说明中，设有将旋转电机驱动部21的导通关断信号切换为继续导通或继续关断的正极侧三相短路处理电路26a、负极侧三相短路处理电路26b。然而，也可以采用如下方式：除了通常的导通关断信号输入以外，还对驱动电路设置强制性指示导通关断的输入，并输入由过电流检测结果来指示的信号。

三相短路处理实施后，收敛为式(5)所示的电流有效值。可以在电流值的绝对值因电流收敛而降低到所需的程度并变得比低于阈值Ioc的第二阈值更小之后解除三相短路处理，并将所有开关元件设为关断状态。由此，能使流向绕组的相电流变化为0。此外，该过程中，能在将所有开关元件设为关断状态后使流过体二极管的电流下降。

此时，以体二极管的允许电流值以下的电流值解除三相短路处理，从而能防止体二极管的劣化、寿命缩短。因此，第二阈值基于开关元件的体二极管的特性来决定是有效的。

此外，可以将对开关元件进行关断操作时产生的浪涌电压为允许电压以下的电流值设为第二阈值，来解除三相短路处理。为此，基于旋转电机6所具有的特性来决定第二阈值是有效的。由此，能防止开关元件因超过耐压而产生的故障。

此外，在对开关元件进行关断操作时，可以设为比通常的关断转移时间更长的关断转移时间。由此，能进一步抑制浪涌电压的产生，因此，能预防开关元件因超过耐压而产生的故障。

2.实施方式2

图15是实施方式2所涉及的功率转换装置1b的结构图。图15的结构图与实施方式1所涉及的图1的功率转换装置1的结构的不同点在于，功率转换装置1b追加到直流电源4并与第二直流电源44相连接。

具备从直流电源4和第二直流电源44来生成电源的电源电路，由此，即使在直流电源4失效时也能实施三相短路处理，能进行更可靠的动作。第二直流电源44可以是从直流电源4进行充电的蓄电池。此外，第二直流电源44可以是通过DC-DC转换器从更高压的电源降压而生成的电源。并且，第二直流电源44也可以是通过DC-DC转换器从更低压的电源升压而生成的电源。

此外，一般情况下，开关控制装置9、电压检测电路11、电流传感器13、旋转角传感器7等从铅电池等低压系统的直流电源生成各个电源并进行动作的情况较多。若该低压系统的直流电源失效，则无法实施上述三相短路处理。为了防止这种情况，除了低压系统的直流电源以外，还可以具备也能从更高压的直流电源4生成电源的电源电路45。由此，即使在低压系统的直流电源失效的情况下，也能从直流电源4生成电源，因此能实施三相短路处理。

图15中，电源电路45也可以从直流电源4和低压系统的直流电源46中的任一个向开关控制装置9、电压检测电路11、电流传感器13、旋转角传感器7等提供5V系统的电源47。这里，对直流电源4是与铅电池不同的电源的情况进行了说明，但直流电源4也可以是使用了铅电池的电源。

本实施方式中，作为开关元件14至19，可以使用以SiC半导体FET为代表的宽带隙半导体。宽带隙半导体可以在远高于现有的硅、砷化镓等半导体材料的电压、频率、温度下进行动作。因此，能使开关元件小型轻量化并使其高性能化。在使用SiC半导体FET的情况下，本申请的三相短路处理能抑制结晶劣化的进展，更为优选。

虽然本申请记载了各种示例性实施方式和实施例，但是在一个或多个实施方式中记载的各种特征、方式和功能不限于特定实施方式的应用，可以单独地或以各种组合来应用于实施方式。因此，可以认为未例示的无数变形例也包含在本申请说明书所公开的技术范围内。例如，设为包括对至少一个构成要素进行变形、添加或省略的情况，以及提取至少一个构成要素并与其他实施方式的构成要素进行组合的情况。

以下，将本公开的各方式作为附记汇总记载。

(附记1)

功率转换装置包括：三相的臂，该三相的臂分别设有连接到直流电源的正极侧的正极侧开关元件、连接到所述直流电源的负极侧的负极侧开关元件、以及将所述正极侧开关元件和所述负极侧开关元件串联连接且连接到旋转电机的绕组的外部连接点；

相电流检测部，该相电流检测部检测在所述外部连接点与所述绕组之间流动的每个相的电流；以及

开关控制装置，该开关控制装置对所述正极侧开关元件和所述负极侧开关元件分别进行导通关断控制来控制旋转电机，在由所述相电流检测部检测出的电流超过了预先确定的阈值的情况下判定为产生过电流，使所有所述正极侧开关元件和所有所述负极侧开关元件中的任一方导通并使另一方关断。

(附记2)

如附记1所述的功率转换装置，所述相电流检测部检测在所述外部连接点与所述绕组之间流动的每个相的电流的方向和电流值，

在判定为产生所述过电流时，所述开关控制装置基于由所述相电流检测部检测出的电流的方向来判定在所述正极侧开关元件和所述负极侧开关元件的哪一个中产生了所述过电流。

(附记3)

如附记2所述的功率转换装置，所述开关控制装置在判定为产生所述过电流时使所述正极侧开关元件和所述负极侧开关元件中产生了过电流的一方的所述开关元件导通，并使另一方的开关元件关断。

(附记4)

如附记1至3中任一项所述的功率转换装置，所述开关控制装置在判定为产生所述过电流的情况下使所述正极侧开关元件和所述负极侧开关元件中产生了过电流的一方的所述开关元件导通，并使另一方的开关元件关断，之后在由所述相电流检测部检测出的电流值为预先确定的第二阈值以下的情况下，使所有所述开关元件关断。

(附记5)

如附记4所述的功率转换装置，与所述相电流检测部所检测出的电流值进行比较的所述第二阈值基于所述旋转电机的特性来规定，所述电流值用于进行由所述开关控制装置使所有所述开关元件关断的判定。

(附记6)

如附记4或5所述的功率转换装置，与所述相电流检测部所检测出的电流值进行比较的所述第二阈值基于所述开关元件具有的体二极管的特性来规定，所述电流值用于进行由所述开关控制装置使所有所述开关元件关断的判定。

(附记7)

如附记4至6中任一项所述的功率转换装置，与所述相电流检测部所检测出的电流值进行比较的所述第二阈值基于所述开关元件的开关特性来规定，所述电流值用于进行由所述开关控制装置使所有所述开关元件关断的判定。

(附记8)

如附记4至7中任一项所述的功率转换装置，所述开关控制装置在使所有所述开关元件关断时，花费比通常的关断时间更长的关断转移时间来进行关断。

(附记9)

如附记1至8中任一项所述的功率转换装置，具备能从所述直流电源和第二直流电源双方来生成电源的电源电路。

(附记10)

如附记9所述的功率转换装置，所述相电流检测部从所述电源电路接受电源的供给。

(附记11)

如附记1至10中任一项所述的功率转换装置，所述开关元件使用宽带隙半导体。

标号说明

1、1a功率转换装置

4 直流电源

6 旋转电机

8 逆变器电路

9、9a开关控制装置

10a、10b、10c绕组

12 功率转换电路

13 电流传感器

13a U相用电流传感器

13b V相用电流传感器

13c W相用电流传感器

14、15、16、17、18、19开关元件

41 电流检测部

44 第二直流电源

45 电源电路。

Claims (11)

1.一种功率转换装置，其特征在于，包括：

三相的臂，该三相的臂分别设有连接到直流电源的正极侧的正极侧开关元件、连接到所述直流电源的负极侧的负极侧开关元件、以及将所述正极侧开关元件和所述负极侧开关元件串联连接且连接到旋转电机的绕组的外部连接点；

相电流检测部，该相电流检测部检测在所述外部连接点与所述绕组之间流动的每个相的电流；以及

开关控制装置，该开关控制装置对所述正极侧开关元件和所述负极侧开关元件分别进行导通关断控制来控制旋转电机，在由所述相电流检测部检测出的电流超过了预先确定的阈值的情况下判定为产生过电流，使所有所述正极侧开关元件和所有所述负极侧开关元件中的任一方导通并使另一方关断。

2.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，

所述相电流检测部检测在所述外部连接点与所述绕组之间流动的每个相的电流的方向和电流值，

在判定为产生所述过电流时，所述开关控制装置基于由所述相电流检测部检测出的电流的方向来判定在所述正极侧开关元件和所述负极侧开关元件的哪一个中产生了所述过电流。

3.如权利要求2所述的功率转换装置，其特征在于，

所述开关控制装置在判定为产生所述过电流时使所述正极侧开关元件和所述负极侧开关元件中产生了过电流的一方的所述开关元件导通，并使另一方的开关元件关断。

4.如权利要求3所述的功率转换装置，其特征在于，

所述开关控制装置在判定为产生所述过电流的情况下使所述正极侧开关元件和所述负极侧开关元件中产生了过电流的一方的所述开关元件导通，并使另一方的开关元件关断，之后在由所述相电流检测部出检测出的电流值为预先确定的第二阈值以下的情况下，使所有所述开关元件关断。

5.如权利要求4所述的功率转换装置，其特征在于，

与所述相电流检测部所检测出的电流值进行比较的所述第二阈值基于所述旋转电机的特性来规定，所述电流值用于进行由所述开关控制装置使所有所述开关元件关断的判定。

6.如权利要求4所述的功率转换装置，其特征在于，

与所述相电流检测部所检测出的电流值进行比较的所述第二阈值基于所述开关元件具有的体二极管的特性来规定，所述电流值用于进行由所述开关控制装置使所有所述开关元件关断的判定。

7.如权利要求4所述的功率转换装置，其特征在于，

与所述相电流检测部所检测出的电流值进行比较的所述第二阈值基于所述开关元件的开关特性来规定，所述电流值用于进行由所述开关控制装置使所有所述开关元件关断的判定。

8.如权利要求4所述的功率转换装置，其特征在于，

所述开关控制装置在使所有所述开关元件关断时，花费比通常的关断转移时间更长的关断转移时间来进行关断。

9.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，

具备能从所述直流电源和第二直流电源双方来生成电源的电源电路。

10.如权利要求9所述的功率转换装置，其特征在于，

所述相电流检测部从所述电源电路接受电源的供给。

11.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，

所述开关元件使用宽带隙半导体。