JP3246096U - 電気ａｃモータのためのインバータ回路、電気駆動装置および電気駆動装置を制御するための方法 - Google Patents

Abstract

本開示は、一次エネルギー貯蔵装置（１０）、複数のスイッチング段（１４）、駆動制御回路（１６）、および緊急制御回路（１８）を備える電気ＡＣモータ（３２）のためのインバータ回路（１０）に関する。緊急制御回路（１８）は、駆動制御回路（１６）の異常状態の場合に、一次エネルギー貯蔵装置（１０）の第１または第２の端子それぞれと電気ＡＣモータ（３２）の１つの相線（２８）との間に接続された第１または第２の半導体スイッチ（２４、２６）のすべてをオンにするように構成されている。緊急制御回路（１８）は、第１の半導体スイッチ（２４）または第２の半導体スイッチ（２６）の制御ゲート（４８）に、インバータ回路（１０）の通常動作中に、駆動制御回路（１６）によって制御ゲート（４８）に供給される通常のスイッチオン電圧ＶＧＳｏｎを超える短期制御電圧ＶＧＳｅｌｅｖａｔｅｄを供給するように構成されている。本開示はさらに、インバータ回路（１０）を備える電気駆動装置（３０）、および電気駆動装置（３０）を制御するための方法に関する。

Description

本開示は、永久磁石を備えた電気ＡＣモータのためのインバータ回路に関し、この回路は、一次エネルギー貯蔵装置、複数のスイッチング段、駆動制御回路、および緊急制御回路を備える。本開示はさらに、インバータ回路と、インバータ回路によって制御される永久磁石を備えた少なくとも１つのＡＣモータとを備える電気駆動装置に関する。本開示はさらに、電気駆動装置を制御するための方法に関する。

文書ＥＰ０７４２６３７Ａ１は、電気駆動装置の安全なブレーキのための方法および装置に関するものである。クロック制御信号を使用して、反応速度とブレーキ持続時間を最適化できる。

本開示の実施形態は、高電力用途により適した電気駆動装置を制御するための改良された回路および方法に関する。例えば、異常動作状態中のインバータ回路のスイッチング段の熱負荷を制限することが望ましい。

第１の態様によれば、永久磁石を備えた電気ＡＣモータのためのインバータ回路が提供される。インバータ回路は、一次エネルギー貯蔵装置、複数のスイッチング段、駆動制御回路、および緊急制御回路を備えている。各スイッチング段は第１の半導体スイッチと第２の半導体スイッチとを備えており、複数のスイッチング段の第１の半導体スイッチは、一次エネルギー貯蔵装置の第１の端子と、永久磁石を備えた電気ＡＣモータの複数の相線のうちの１つとの間に接続されており、複数のスイッチング段の第２の半導体スイッチは、一次エネルギー貯蔵装置の第２の端子と複数の相線のうちの１つとの間に接続されている。駆動制御回路は、インバータ回路の通常動作中に電気モータのトルクを制御するために第１の半導体スイッチと第２の半導体スイッチとを選択的に切り替えるように構成されている。緊急制御回路は、駆動制御回路の異常状態の場合に、相線を電気的に接続するように、第１の半導体スイッチまたは第２の半導体スイッチの制御ゲートそれぞれに短期制御電圧ＶＧＳｅｌｅｖａｔｅｄを供給することによって、第１の半導体スイッチまたは第２の半導体スイッチのすべてをオンにするように構成されている。短期制御電圧ＶＧＳｅｌｅｖａｔｅｄは、インバータ回路の通常動作中に駆動制御回路によって制御ゲートに供給される通常のスイッチオン電圧ＶＧＳｏｎを超える。

通常のスイッチオン電圧ＶＧＳｏｎを超える短期制御電圧ＶＧＳｅｌｅｖａｔｅｄを供給することにより、半導体スイッチの内部抵抗を低減でき、その結果、スイッチング段の半導体スイッチでのエネルギー散逸が減少する。これにより、スイッチング段の熱負荷が低減され、電気モータが生成する電流を長い時間期間維持するのに役立つ。

少なくとも１つの実施形態によれば、第１の半導体スイッチまたは第２の半導体スイッチに対して指定された最大過渡電圧ＶＧＳｍａｘが、短期制御電圧ＶＧＳｅｌｅｖａｔｅｄとして使用され得る。最大過渡電圧ＶＧＳｍａｘ（例えば、半導体スイッチの製造業者が指定する最大電圧）を使用すると、半導体スイッチの寿命の大幅な軽減につながらないという利点がある。

少なくとも１つの実施形態によれば、緊急制御回路はさらに、第１のスイッチング段と第２のスイッチング段とを交互に行うように構成される。第１のスイッチング段では、短期制御電圧ＶＧＳｅｌｅｖａｔｅｄがすべての第１の半導体スイッチに供給され、第２のスイッチング段では、短期制御電圧ＶＧＳｅｌｅｖａｔｅｄがすべての第２の半導体スイッチに供給される。第１半導体スイッチと第２半導体スイッチとを時間の経過と共に交互にアクティブ化することにより、エネルギーを複数の半導体デバイスに分散させることができ、個々のスイッチの電気負荷と熱負荷をさらに軽減できる。

本開示の第２の態様によれば、電気駆動装置は、第１の態様によるインバータ回路と、インバータ回路によって制御される永久磁石を備えた少なくとも１つのＡＣモータとを備えている。このような電気駆動装置は、所与のモータ出力に対してより強力なインバータ回路を提供する、または所与のインバータ強度に対してより小型のモータを提供する必要なく、異常な動作状態に長い時間期間耐えることができる。

少なくとも１つの実施形態では、電気駆動装置は、駆動制御回路の異常状態の場合にアクティブ化されるように構成された緊急対応ユニットをさらに備え、緊急対応ユニットは、所定のアクティブ化時間を有し、緊急制御回路は、所定のアクティブ化時間中に第１の半導体スイッチまたは第２の半導体スイッチの制御ゲートに短期制御電圧ＶＧＳｅｌｅｖａｔｅｄを供給するように構成される。より迅速に作動する緊急制御回路に加えて、ブレーキ装置、ブレーキチョッパ、または絶縁リレーなどの比較的遅い緊急対応ユニットを提供することで、異常な動作状態の発生時に一次エネルギー貯蔵を迅速に保護することができる。同時に、緊急対応ユニットは、一時的に制御されていない永久界磁励磁モータによって生成される比較的大きな電流に起因する損傷からインバータ回路自体を保護するためのさらなる措置を講じることができる。

第３の態様によれば、電気駆動装置を制御するための方法が提供される。本方法は、
永久磁石を備えた、電気駆動装置の電気ＡＣモータを制御するために、通常動作モードＭ１において、インバータ回路の第１のハーフブリッジの第１の半導体スイッチおよび第２のハーフブリッジの第２の半導体スイッチのうちの少なくとも１つをそれぞれ選択的に制御するステップと、
アクティブ短絡（ＡＳＣ）モードＭ２において、ＡＣモータの相線を電気的に短絡するために、第１の半導体スイッチまたは第２の半導体スイッチのすべてを選択的にオンにするステップであって、ＡＳＣモードでは、短期制御電圧ＶＧＳｅｌｅｖａｔｅｄが第１の半導体スイッチまたは第２の半導体スイッチの制御ゲートに供給され、短期制御電圧ＶＧＳｅｌｅｖａｔｅｄは、通常動作モードＭ１中に制御ゲートに供給される通常のスイッチオン電圧ＶＧＳｏｎを超える、ステップとを含む。

上で説明した装置および方法は、電気自動車または産業機器の電気駆動などの高電力用途に適している。

上で詳述したように、本開示は考案のいくつかの態様を含む。態様の１つに関して説明されたすべての特徴は、それぞれの特徴が特定の態様の文脈で明示的に言及されていない場合でも、他の態様に関しても本明細書に開示される。

添付図は、理解を深めるために含まれている。図面では、同じ構造および／または機能の要素は同じ参照符号で参照される場合がある。図に示される実施形態は例示的な表現であり、必ずしも一定の縮尺で描かれているわけではないことを理解されたい。

本開示の一実施形態によるインバータ回路を概略的に示す図である。 本開示の一実施形態による電気駆動装置の回路図である。 単体の半導体スイッチング素子の出力特性を示す図である。 インバータ回路によって時間の経過と共に消費されるエネルギー量を示す図である。 電気駆動装置を制御するための方法のフローチャートを概略的に示す図である。

本考案は、様々な修正および代替形態に従うことができるが、その詳細は、例として図に示されており、詳細に説明されるであろう。ただし、本考案を説明した例示的な実施形態に限定する意図ではないことを理解されたい。逆に、その意図は、添付の実用新案登録請求の範囲によって定義される本考案の範囲内にあるすべての修正、等価物、および代替物を網羅することである。

図１は、本開示の一実施形態によるインバータ回路１０を概略的に示す。インバータ回路１０は、一次エネルギー貯蔵装置１２、複数のスイッチング段１４、駆動制御回路１６、および緊急制御回路１８を備えている。

図１に示すように、エネルギー貯蔵装置１２の端子とスイッチング段１４の各々は、直流電流を供給するための２つの異なる供給線２０および２２によって接続されている。スイッチング段１４の各々は、正の供給線２０に接続された第１の半導体スイッチ２４と、負の供給線２２に接続された第２の半導体スイッチ２６とを備えている。

通常の動作状態では、駆動制御回路１６は、複数の相線２８を介して供給される、外部の、電気モータ（図１には示されていない）用の多相ＡＣ信号を生成するために、スイッチング段１４のそれぞれの半導体スイッチ２４および２６のそれぞれを制御する。例えば、三相モータがインバータ回路１０によって制御される場合、３つの対応するスイッチング段１４に接続された３つの相線２８が使用される。同様に、６相電気モータの場合、６つのスイッチング段１４および６つの対応する相線２８が使用される。インバータ回路１０の通常動作中、緊急制御回路１８は受動的状態を維持する。換言すれば、緊急制御回路１８によって制御信号は供給されず、その出力端子は高インピーダンス状態のままである。

インバータ回路１０が動作している間、緊急制御回路１８は、駆動制御回路１６による制御信号の供給を監視する。駆動制御回路１６に障害が発生した場合、緊急制御回路１８がインバータ回路１０のスイッチング段１４の制御を引き継ぐ。例えば、制御回路１６が出力信号を全く供給しないか、または不規則な出力信号を供給する場合、緊急制御回路１８は、すべてのスイッチング段１４の第１の半導体スイッチ２４および第２の半導体スイッチ２６に制御信号を供給することになる。アクティブ短絡（ＡＳＣ）モードとも呼ばれるこの緊急動作モードでは、半導体スイッチ２４および２６への損傷を回避するために、すべての第１の半導体スイッチ２４またはすべての第２の半導体スイッチ２６のセットのいずれかによって、すべての相線２８が短絡される。これは、インバータ回路１０の通常動作中に駆動制御回路１６によって第１または第２の半導体スイッチ２４または２６の制御ゲートに供給される通常のスイッチオン電圧ＶＧＳｏｎを超える短期制御電圧ＶＧＳｅｌｅｖａｔｅｄを第１または第２の半導体スイッチ２４、２６の制御ゲートに供給することによって達成される。

インバータ回路１０およびその動作の詳細は、電気駆動装置３０に関して以下で説明される。

図２は、本開示の一実施形態によるインバータ回路１０を備える電気駆動装置３０の回路図を示す。説明した実施形態では、電気駆動装置３０のインバータ回路１０は、２つのエネルギー貯蔵装置と、バッテリ３１、例えば電気自動車の充電可能な主バッテリと、インバータ回路１０のスイッチング段に電気的かつ物理的に近接して配置される直流（ＤＣ）リンクコンデンサ４２とを備えている。電気駆動装置３０はさらに、電気整流モータおよび／または永久磁場励起モータなどの永久磁石を備えた交流（ＡＣ）モータ３２を備えている。説明される実施形態では、ＡＣモータ３２は、インバータ回路１０の３つのスイッチング段１４ａ～１４ｃに接続された電気三相永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ：ｐｅｒｍａｎｅｎｔ－ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ）である。

図２に示される実施形態では、スイッチング段１４ａ～１４ｃのそれぞれは、２つのｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３４および３６をそれぞれ備えている（代替のＭＩＳＦＥＴが例示的に使用されてもよい）。段１４ａ～１４ｃの各々の第１の、図１の上側のｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３４は、ＤＣリンクコンデンサ４２の正端子３８と負端子４０との間の同じ段の第２の、図２の下側のｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３６と直列に接続されている。三相ＡＣモータ３２の３つの相線２８ａ～２８ｃの各相線は、それぞれ、３つのスイッチング段１４ａ～１４ｃのうちの１つの第１のＭＯＳＦＥＴ３４と第２のＭＯＳＦＥＴ３６との間に接続される。３つのスイッチング段１４ａ～１４ｃの第１のｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３４は一緒になって、インバータ回路１０の正のハーフブリッジ４４を形成する。対応して、３つのスイッチング段１４ａ～１４ｃの第２のｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３６は、インバータ回路１０の負のハーフブリッジ４６を形成する。

電気駆動装置３０の通常動作中、ＭＯＳＦＥＴ３４および３６によってそれぞれ提供されるインバータ回路１０のスイッチＳ１～Ｓ６は、ＡＣモータ３２の所望のトルクを提供するために必要に応じて個々のスイッチを選択的にオンにすることにより、駆動制御回路（図２には示されていない）によって制御される。この目的のために、相線２８ａ～２８ｃの各相線を、ＤＣリンクコンデンサ４２の正端子３８または負端子４０、および／またはバッテリ３１などの別の一次エネルギー貯蔵装置に選択的に接続することができる。三相ＡＣモータ３２の制御に適した方法は従来技術から知られているため、ここでは詳細に説明しない。本質的には、回転電界が電気モータ内に生み出され、ロータの速度とトルクを必要に応じて制御する。

スイッチＳ１～Ｓ６のうちの１つをオンにするために、特定のゲート－ソース間信号または電圧ＶＧＳ（以下、スイッチオン電圧ＶＧＳｏｎと呼ぶ）が、それぞれのスイッチの端子４８に供給される。逆に、スイッチの１つを非アクティブ化するために、スイッチオフ電圧ＶＧＳｏｆｆと呼ばれる第２の、典型的にはより低いゲート－ソース間信号ＶＧＳがそれぞれのゲート端子４８に供給される。使用する半導体スイッチの種類によって、具体的な電圧が異なっていてもよい。例えば、図２に示すｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３４および３６の場合、電気的接地などの基準電位に対して、ＶＧＳｏｎは＋１５Ｖの電圧に相当し、ＶＧＳｏｆｆは－４Ｖの電圧に相当する。ただし、他の半導体スイッチング素子を使用することもできる。例えば、スイッチング素子としてＩＧＢＴが使用されている場合、通常、スイッチオン電圧ＶＧＳｏｎは＋１５Ｖに相当し、スイッチオフ電圧ＶＧＳｏｆｆは－１５Ｖに相当する。典型的には、このような値は所与の半導体スイッチの製造業者によって指定される。

電気駆動装置３０において故障が発生した場合、例えばスイッチＳ１～Ｓ６のゲート端子４８を制御するために使用される駆動制御回路１６、電気駆動装置３０の一般的な制御電子機器、の故障、または制御回路内のフィードバックの欠如などの何らかの他の予期せぬ出来事が発生した場合、ＡＣモータ３２は通常、自由回転するため、図２に示す回路のための発電機として機能する。制御された動作モードでは、自由回転ＡＣモータ３２によって生成された電流を使用して、ＤＣリンクコンデンサ４２または他の一次エネルギー貯蔵装置を再充電し、システムの運動エネルギーの一部を電気エネルギーとして回収することができる。例えば、電気自動車の場合、インバータ回路１０の制御された動作を通じて、車両の充電式主電池を再充電するために、車両の制御されたブレーキを使用することができる。

しかしながら、ゲート－ソース間電圧ＶＧＳがスイッチＳ１～Ｓ６に供給されない場合、インバータ回路１０はデフォルトで、すべてのＭＯＳＦＥＴ３４および３６がオフになる状態に入ることになる。この場合、モータの回転エネルギーは、ＭＯＳＦＥＴ３４および３６のボディダイオードを通って流れるか、または、ＩＢＧＴが逆並列ダイオードを介してスイッチＳ１～Ｓ６として使用される場合、ＤＣリンクコンデンサ４２および／またはバッテリ３１などの他の一次エネルギー貯蔵装置１０（ｏｔｈｅｒ ｐｒｉｍａｒｙ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ ｄｅｖｉｃｅ（１０））の充電を開始する。これは、ＤＣリンクコンデンサ４２に過剰なストレスを与えたり、バッテリ３１を過電流で充電したりする危険性があるため、望ましくない挙動である。このように、インバータ回路１０を適切に制御できない場合には、緊急制御回路（図２には示されていない）がスイッチＳ１～Ｓ６の制御を引き継ぎ、ＤＣリンクコンデンサ４２および／またはバッテリ３１への許容できないほど高い負荷電流を回避する。

この目的のために、正または負のハーフブリッジ４４または４６のうちの１つのすべての半導体スイッチが一緒にアクティブ化され、ＡＣモータ３２の相線２８ａ～２８ｃ間に事実上短絡回路が形成される。このようにして、故障時のＡＣモータ３２の回転エネルギーはスイッチＳ１～Ｓ６で熱に変換され、インバータ回路１０の冷却システムで消費される。

図２に示す例では、すべての第１のｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３４は、ハイサイドスイッチＳ１、Ｓ３、およびＳ５のゲート端子４８に短期制御電圧ＶＧＳｅｌｅｖａｔｅｄを供給することによってアクティブ化される。説明される例では、ＶＧＳｍａｘと呼ばれる、ＭＯＳＦＥＴ３４の個々の製造業者によって許容される最大過渡電圧が使用される。これには、半導体スイッチの寿命を縮めないという利点がある。著しく高いゲート制御電圧を使用すると、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３４のゲートに過剰なストレスがかかる可能性がある。同時に、スイッチオフ電圧ＶＧＳｏｆｆが、ローサイドスイッチＳ２、Ｓ４、およびＳ６に対応する第２のｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３６のゲート端子４８に供給される。しかしながら、後述するように、負のハーフブリッジ４６のスイッチをアクティブ化し、正のハーフブリッジ４４のスイッチを開くことも可能である。

このＡＳＣ動作モードでは、比較的大きな電流がＡＣモータ３２のそれぞれの相線２８から短絡状態のＭＯＳＦＥＴ３４を通って流れ、その結果、高いエネルギー散逸が生じ、したがってＭＯＳＦＥＴ３４の各々の半導体本体が加熱される。ＭＯＳＦＥＴ３４の温度が一定レベル以上に上昇すると、その温度上昇により半導体チップが破壊される。ＭＯＳＦＥＴ３４、ひいてはインバータ回路１０がそのようなＡＳＣイベントに耐える能力は、ＭＯＳＦＥＴ３４が持続できる最大エネルギーによって与えられる。持続時間ｔ１のＡＳＣイベント中にＭＯＳＦＥＴ３４によって消費されるエネルギーは、

によって与えられる。ＡＳＣイベントの典型的な持続時間は数十ミリ秒程度であり、例えば、以下で詳述するように、他の手段によって制御を取り戻すか、または駆動装置３０を停止するのにかかる時間である。

ＭＯＳＦＥＴ３４の内部チャネル抵抗ＲＤＳｏｎを低減するために、比較的短いＡＳＣイベント中にＭＯＳＦＥＴ３４のゲート４８に供給される短期制御電圧ＶＧＳｅｌｅｖａｔｅｄが、通常のスイッチオン電圧ＶＧＳｏｎに対して増加される。例えば、説明される実施形態では、１９Ｖの制御電圧が使用され、これは、典型的なスイッチオン電圧１５Ｖよりも４Ｖまたは約２５％高い。

ＡＳＣモードで使用される短期制御電圧ＶＧＳｅｌｅｖａｔｅｄの具体的な値は、使用される半導体スイッチの種類によって異なる場合があることに注意されたい。例えば、多くの市販の半導体スイッチでは、ゲート端子４８への短期供給に対する最大許容ピーク電圧または最大過渡電圧ＶＧＳｍａｘがそれぞれの製造業者によって指定され、短期制御電圧ＶＧＳｅｌｅｖａｔｅｄとして使用され得る。

このような制御方法の効果を図３および図４に示す。図３は、２つの異なるゲート制御電圧、つまり１５Ｖと１９Ｖに対する単一の半導体スイッチの出力特性を示している。７５０Ｖ ＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴを例にとると、半導体スイッチに同じ電流が流れる場合、それぞれのスイッチのソース端子とドレイン端子との間の電圧降下またはバイアス電圧は、制御ゲート電源が高いほど低くなることがわかる。例えば、１８０Ａの電流のチャネル抵抗ＲＤＳｏｎは２１．９Ωから１９．２Ωに減少し、１４％改善される。これはまた、最大エネルギーはＭＯＳＦＥＴチップの形状に依存し、したがって同じままであるため、上式の現在の部分に１４％のマージンが与えられる。チャネル抵抗ＲＤＳｏｎを１４％減少させると、スイッチングコンポーネントによって安全に消費できる所与の量のエネルギーに対して、ＡＳＣイベント電流が、

または６．８％に増加することが可能になる。これに関連して、永久磁石を備えた自由回転ＡＣモータは本質的に電流源として機能することに注意されたい。したがって、ＡＣモータ３２の所与の速度に対してゲート制御電圧を増加させると、対応する半導体スイッチのチャネル領域で消費されるエネルギーが減少することになる。ＡＳＣイベントなどの短期間のイベント中に半導体スイッチによって安全に消費できるエネルギー量も製造業者によって指定される場合があり、電気駆動装置３０の構成要素の寸法を安全に決定できるようになる。

これは図４により詳細に示されており、ＡＳＣイベント中にインバータ回路１０内で消費されるエネルギーの総量を示している。この例では、ＡＳＣイベントにより１８００Ａの電流が発生し、１０ｍｓ続く。この時間が経過すると、以下でさらに詳しく説明するように、他の制御手段が引き継ぐ。

ｔ＝０ｍｓで制御喪失が検出された後、緊急制御回路１８は、対応する制御電圧をハイサイドスイッチＳ１、Ｓ３、およびＳ５の制御ゲート４８に供給することによって、対応する半導体スイッチ２４または２６を迅速にアクティブ化し、これらのスイッチを通る電流の急速な増加をもたらす。ｔ＝１０ｍｓで、ハイサイドスイッチＳ１、Ｓ３、Ｓ５が再び非アクティブ化され、これらのスイッチを流れる電流の減少をもたらす。それぞれの半導体スイッチのチャネル内の電荷キャリアの蓄積によって、両方のイベントに時間差が生じることに注意されたい。インバータ回路１０によって吸収されるエネルギーＥ_ＡＳＣは、最大電流およびＡＳＣイベントの長さによって決定される値に制限される。このエネルギーレベルは、供給されるゲート電圧に応じて異なる。記載された例では、ハイサイドスイッチＳ１、Ｓ３、およびＳ５のゲート端子４８が１９Ｖでバイアスされている場合、インバータ回路１０は、ＡＳＣイベント中に１３０ＪのエネルギーＥ_ＡＳＣを吸収する。ハイサイドスイッチＳ１、Ｓ３、およびＳ５のゲート端子４８が１５Ｖでバイアスされている場合、インバータ回路１０は、ＡＳＣイベント中に１６０ＪのエネルギーＥ_ＡＳＣ、すなわち３０Ｊまたは２３％多いエネルギーを吸収する。

図２の回路図に戻ると、電気駆動装置３０は、ＡＳＣモードでのインバータ回路１０の長時間の動作によって引き起こされるインバータ回路１０の構成要素への損傷を回避するために、さらなる構成要素を備え得る。図４に示すように、ＡＳＣ緊急モードは非常に高速に応答するが、通常の駆動制御回路１６を迅速に再アクティブ化できない場合には、ＡＣモータ３２の制御に対する長期的な解決策を提供しない。したがって、電気駆動装置３０は、電気ＡＣモータ３２を停止するために使用できる機械的ブレーキ５０などのさらなる構成要素を備え得る。代替として、または追加として、１つまたは複数の絶縁リレー５２を使用して、スイッチング段１４ａ～１４ｃをバッテリ３１から永久的に切り離し、例えば過充電によるバッテリ３１への損傷を回避することができる。さらに、ブレーキチョッパ５４は、シャント抵抗器を使用してＤＣリンクコンデンサ４２の正端子３８と負端子４０を短絡するために使用されてもよい。典型的には、絶縁リレー５２は電気機械リレーとして実装され、したがって、ＭＯＳＦＥＴ３４または３６によって形成される半導体スイッチよりも長いアクティブ化時間を有する。さらに、インバータ回路１０によって消費されるエネルギーは、以下に詳述するように、異なるスイッチグループに分配することもできる。

図５は、電気駆動装置３０を動作させるための方法のフローチャートを示す。最初に、電気駆動装置３０は通常動作モードＭ１で動作する。通常動作中の故障がステップ６１で検出された場合、駆動ユニット３０は動作をＡＳＣ動作モードＭ２に切り替え、緊急制御回路１８がインバータ回路１０の制御を引き継ぐ。

図４に示す例では、ステップ６２で、正のハーフブリッジ４４のすべての第１の半導体スイッチ２４を短絡して、一次エネルギー貯蔵装置１２への大電流のフィードバックを回避する。同時に、負のハーフブリッジ４６の第２の半導体スイッチ２６がオフに切り替えられ、一次エネルギー貯蔵装置１２をＡＣモータ３２から電気的に分離する。この状態は、所定の時間、例えば数ミリ秒、例えば２～５ｍｓの間維持される。その後、第１の半導体スイッチ２４の過熱を回避するために、ステップ６３で負のハーフブリッジ４６の第２の半導体スイッチ２６が短絡され、正のハーフブリッジ４４の第１の半導体スイッチ２４が非アクティブ化される。

任意選択のステップ６４、６５、および６６において、１つまたは複数の他の緊急措置が緊急制御回路１８によって講じられてもよい。例えば、ステップ６４では、機械ブレーキ５０を使用してＡＣモータ３２の速度を低下させることができる。さらに、ステップ６５では、１つまたは複数の絶縁リレー５２を制御して、充電式バッテリ３１をインバータ回路１０のスイッチング段１４から物理的に切り離すことができる。ステップ６６では、ブレーキチョッパ５４を使用して、ＤＣリンクコンデンサ４２の端子３８および４０を電気的に短絡することができる。

記述したように、図１から図５に示される実施形態は、改良された装置およびその動作のための方法の例示的な実施形態を表す。したがって、これらは、改良された装置および方法によるすべての実施形態の完全なリストを構成するものではない。実際の装置および方法は、例えば、その特定の構成要素、構成、信号および処理ステップの点で、示された実施形態とは異なる場合がある。

参照符号
１０ インバータ
１２ 一次エネルギー貯蔵装置
１４ スイッチング段
１６ 駆動制御回路
１８ 緊急制御回路
２０ 正の供給線
２２ 負の電源線
２４ 第１の半導体スイッチ
２６ 第２の半導体スイッチ
２８ 相線
３０ 電気駆動装置
３１ バッテリ
３２ ＡＣモータ
３４ 第１（ｎチャネル）のＭＯＳＦＥＴ
３６ 第２（ｎチャネル）のＭＯＳＦＥＴ
３８ 正端子
４０ 負端子
４２ ＤＣリンクコンデンサ
４４ 正のハーフブリッジ
４６ 負のハーフブリッジ
４８ ゲート端子
５０ 機械的ブレーキ
５２ 絶縁リレー
５４ ブレーキチョッパ
６１～６６ 方法ステップ
Ｍ１ 通常動作モード
Ｍ２ ＡＳＣモード
ＶＧＳ ゲート－ソース間電圧
ＶＧＳｏｎ スイッチオン電圧
ＶＧＳｏｆｆ スイッチオフ電圧
ＶＧＳｍａｘ 最大過渡電圧
ＶＧＳｅｌｅｖａｔｅｄ 短期制御電圧

Claims (14)

1. 永久磁石を備えた電気ＡＣモータ（３２）のためのインバータ回路（１０）であって、
   一次エネルギー貯蔵装置（１２）と、
   複数のスイッチング段（１４）であって、各スイッチング段（１４）が、第１の半導体スイッチ（２４）および第２の半導体スイッチ（２６）を備え、前記第１の半導体スイッチ（２４）が、前記一次エネルギー貯蔵装置（１２）の第１の端子と、永久磁石を備えた前記電気ＡＣモータ（３２）の複数の相線（２８）のうちの１つとの間に接続され、前記第２の半導体スイッチ（２６）が、前記一次エネルギー貯蔵装置（１２）の第２の端子と前記複数の相線（２８）のうちの１つとの間に接続される、複数のスイッチング段（１４）と、
   前記インバータ回路（１０）の通常動作中に、前記第１の半導体スイッチ（２４）と前記第２の半導体スイッチ（２６）を選択的に切り替えて前記電気ＡＣモータ（３２）のトルクを制御するように構成された駆動制御回路（１６）と、
   前記駆動制御回路（１６）の異常状態の場合に前記相線（２８）を電気的に接続するために、前記第１の半導体スイッチ（２４）の制御ゲート（４８）に短期制御電圧ＶＧＳｅｌｅｖａｔｅｄを供給することによって前記第１の半導体スイッチ（２４）のすべてをオンにする、および、すべての第２の半導体スイッチ（２６）の制御ゲート（４８）にスイッチオフ電圧ＶＧＳｏｆｆを供給することによって、前記第２の半導体スイッチ（２６）のすべてをオフにするように構成された緊急制御回路（１８）であって、前記短期制御電圧ＶＧＳｅｌｅｖａｔｅｄが、前記第１の半導体スイッチ（２４）および前記第２の半導体スイッチ（２６）に対して指定された最大過渡電圧ＶＧＳｍａｘに対応し、前記インバータ回路（１０）の通常動作中に前記駆動制御回路（１６）によって前記制御ゲート（４８）に供給される通常のスイッチオン電圧ＶＧＳｏｎを超える、緊急制御回路（１８）と
   を備える、インバータ回路（１０）。
2. 前記短期制御電圧ＶＧＳｅｌｅｖａｔｅｄは、前記通常のスイッチオン電圧ＶＧＳｏｎを１５％または４Ｖのうちの少なくとも１つ上回る、請求項１に記載のインバータ回路（１０）。
3. 前記緊急制御回路（１８）が、
   第１の時間期間中における第１のスイッチング状態において、すべての第１の半導体スイッチ（２４）の前記制御ゲート（４８）に前記短期制御電圧ＶＧＳｅｌｅｖａｔｅｄを供給し、すべての第２の半導体スイッチ（２６）の前記制御ゲート（４８）に前記スイッチオフ電圧ＶＧＳｏｆｆを供給し、
   前記第１の期間に続く第２の時間期間中における第２のスイッチング状態において、すべての第２の半導体スイッチ（２６）の前記制御ゲート（４８）に前記短期制御電圧ＶＧＳｅｌｅｖａｔｅｄを供給し、すべての第１の半導体スイッチ（２４）の前記制御ゲート（４８）に前記スイッチオフ電圧ＶＧＳｏｆｆを供給する、
   ように構成されている、請求項１または２に記載のインバータ回路（１０）。
4. 前記緊急制御回路（１８）はさらに、前記第１のスイッチング状態と前記第２のスイッチング状態との間で交互に切り替わるように構成されている、請求項３に記載のインバータ回路（１０）。
5. 前記一次エネルギー貯蔵装置（１０）（ｔｈｅ ｐｒｉｍａｒｙ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ ｄｅｖｉｃｅ（１０））は、前記インバータ回路（１０）の通常動作中の前記電気ＡＣモータ（３２）の減速中に回生された電気エネルギーを貯蔵するように構成されたＤＣリンクコンデンサ（４２）または充電式バッテリ（３１）のうちの少なくとも１つを備える、請求項１から４のいずれか１項に記載のインバータ（Ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ）。
6. 前記第１の半導体スイッチ（２４）および前記第２の半導体スイッチ（２６）は、前記スイッチオン電圧ＶＧＳｏｎを超える最大許容ゲート電圧を有するＭＩＳＦＥＴ、ＭＯＳＦＥＴ、またはＩＧＢＴ（３６、３４）のうちの少なくとも１つを備える、請求項１から５のいずれか１項に記載のインバータ回路（１０）。
7. 請求項１から６の１項に記載のインバータ回路（１０）と、
   前記インバータ回路（１０）によって制御される、永久磁石を備えた少なくとも１つのＡＣモータ（３２）と
   を備える、電気駆動装置（３０）。
8. 駆動制御回路（１６）の異常状態の場合にアクティブ化されるように構成された緊急対応ユニットであって、所定のアクティブ化時間を有する緊急対応ユニットをさらに備え、緊急制御回路（１８）は、前記所定のアクティブ化時間中に第１の半導体スイッチ（２４）の制御ゲート（４８）に短期制御電圧ＶＧＳｅｌｅｖａｔｅｄを供給するように構成されている、請求項７に記載の電気駆動装置（３０）。
9. 前記緊急対応ユニットが、前記ＡＣモータ（３２）用のブレーキ装置を備える、請求項８に記載の電気駆動装置（３０）。
10. 前記緊急対応ユニットが、一次エネルギー貯蔵装置（１２）の少なくとも一部を複数のスイッチング段（１４）から電気的に絶縁するための少なくとも１つの電気絶縁スイッチを備える、請求項８または９に記載の電気駆動装置（３０）。
11. 前記緊急対応ユニットが、前記一次エネルギー貯蔵装置（１２）の少なくとも一部を電気的にバイパスするためのブレーキチョッパ（５４）を備える、請求項８から１０のいずれか１項に記載の電気駆動装置（３０）。
12. 前記ＡＣモータ（３２）が、電気整流モータ、永久界磁励磁モータ、および永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）のうちの少なくとも１つを備える、請求項７から１１のいずれか１項に記載の電気駆動装置（３０）。
13. 電気駆動装置（３０）を制御するための方法であって、
    永久磁石を備えた、前記電気駆動装置（３０）のＡＣモータ（３２）を制御するために、通常動作モードＭ１において、インバータ回路（１０）の第１のハーフブリッジ（４４）の第１の半導体スイッチ（２４）および第２のハーフブリッジ（４６）の第２の半導体スイッチ（２６）のうちの少なくとも１つをそれぞれ選択的に制御するステップと、
    アクティブ短絡（ＡＳＣ）モードＭ２において、前記ＡＣモータ（３２）の相線（２８）を電気的に短絡するために、前記第１、第２の半導体スイッチ（２４）（ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｓｅｃｏｎｄ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｓｗｉｔｃｈｅｓ（２４））
    のすべてを選択的にオンにし、前記第２の半導体スイッチ（２６）のすべてをオフにするステップであって、前記ＡＳＣモードＭ２では、短期制御電圧ＶＧＳｅｌｅｖａｔｅｄが前記第１の半導体スイッチ（２４）の制御ゲート（４８）に供給され、スイッチオフ電圧ＶＧＳｏｆｆが前記第２の半導体スイッチ（２６）の制御ゲート（４８）に供給され、前記短期制御電圧ＶＧＳｅｌｅｖａｔｅｄは、前記第１の半導体スイッチ（２４）および前記第２の半導体スイッチ（２６）に対して指定された最大過渡電圧ＶＧＳｍａｘに対応し、前記通常動作モードＭ１中に前記制御ゲート（４８）に供給される通常のスイッチオン電圧ＶＧＳｏｎを超える、ステップと
    を含む、方法。
14. 前記ＡＳＣモードＭ２中に前記インバータ回路（１０）の一次側に接続された一次エネルギー貯蔵装置（１２）を電気的に絶縁または短絡するステップ
    をさらに含む、請求項１３に記載の方法。

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