CN102868357B - 开关电路的控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的开关电路的控制装置(10)具备：PWM运算部(25)，其当整流电流流过续流二极管时，使与该续流二极管并联的开关元件进行接通工作；以及死区时间运算部(25a)，其基于马达的目标转速以及目标转矩，来变更使开关元件进行接通工作的接通时间。死区时间运算部(25a)使接通时间按照随着目标转速的增大而减少的趋势进行变化，且使接通时间按照随着以供电为正且以再生为负的目标转矩的绝对值的增大而减少的趋势进行变化。由此，减少开关电路的损耗。

Description

开关电路的控制装置
技术领域
本发明涉及开关电路的控制装置。
背景技术
现有技术中，例如搭载于电动车辆等的、通过使用从直流电源供应的电力对开关电路的开关元件(例如，MOSFET：Metal Oxide Semi-conductorField Effect Transistor(金属氧化物半导体场效应晶体管)那样的可反向导通的双向性的半导体元件)进行接通(ON)/断开(OFF)控制来驱动马达等的负载的装置是公知的(例如，参照专利文献1)。
该装置中所具备的开关电路由连接于高电位侧端子且构成高侧臂的高侧开关元件、连接于低电位侧端子且构成低侧臂的低侧开关元件、以及在反向导通方向上与各开关元件并联连接的续流二极管(Free WheelingDiode：FWD)构成，在高侧臂和低侧臂的连接点上连接有马达等的感应性负载。
专利文献1：日本特愿2010-103840
根据上述现有技术所涉及的装置，为了减少开关电路的损耗以及元件的发热，例如根据电流量来使电流流过并联连接的开关元件以及续流二极管中的任一者，例如根据流过成对的高侧开关元件以及低侧开关元件中的任一者的正向电流，来设定流过整流电流(commutating current)的另一者的接通时间，例如根据流过整流电流的开关元件的温度来设定流过整流电流的接通时间。
对此，期望能进一步减少开关电路的损耗。
发明内容
本发明鉴于上述事实而提出，其目的在于，提供一种能减少开关电路的损耗的开关电路的控制装置。
为了解决上述课题来达成目的，本发明的技术方案1所涉及的开关电路(例如，实施方式中的逆变器13)的控制装置构成为包括串联连接的多个双向导通型的开关元件(例如，实施方式中的各晶体管UH、UL、VH、VL、WH、WL)、以及与多个所述开关元件的每一个并联连接的相对于所述开关元件的正向导通而进行反向导通的反向导通元件(例如，实施方式中的各续流二极管DUH、DUL、DVH、DVL、DWH、DWL)，且在直流电源(例如，实施方式中的蓄电池11)和交流电动机(例如，实施方式中的马达12)之间进行电力变换，所述开关电路的控制装置具备：控制单元(例如，实施方式中的PWM运算部25)，其当整流电流流过所述反向导通元件时，使与该反向导通元件并联的所述开关元件进行接通工作；目标转速取得单元(例如，实施方式中的处理装置14)，其取得所述交流电动机的目标转速；目标转矩取得单元(例如，实施方式中的处理装置14)，其取得所述交流电动机的目标转矩；和接通时间变更单元(例如，实施方式中的死区时间运算部25a)，其基于所述目标转速以及所述目标转矩，来变更使所述开关元件进行接通工作的接通时间。
进而，在本发明的技术方案2所涉及的开关电路的控制装置中，所述接通时间变更单元使所述接通时间按照随着所述目标转速的增大而减少的趋势进行变化，且使所述接通时间按照随着以供电为正且以再生为负的所述目标转矩的绝对值的增大而减少的趋势进行变化。
进而，本发明的技术方案3所涉及的开关电路的控制装置具备用于对所述直流电源的电压进行检测的电压检测单元(例如，实施方式中的电压传感器33)，所述接通时间变更单元基于由所述电压检测单元检测出的所述电压来变更所述接通时间。
根据本发明的技术方案1所涉及的开关电路的控制装置，通过基于在交流电动机的控制中所使用的参数即目标转速以及目标转矩，来对与流过整流电流的反向导通元件并联的开关元件的接通时间进行控制，能在考虑到交流电动机的特性的同时减少开关电路的损耗，而且能防止控制处理复杂化。
进而，根据本发明的技术方案2所涉及的开关电路的控制装置，在正向电流增大的情况下，通过使流过反向导通元件的整流电流增大，能减少因整流电流流过开关元件所带来的导通损耗，能减少开关电路的损耗。
进而，根据本发明的技术方案3所涉及的开关电路的控制装置，能综合地考虑交流电动机以及开关电路的特性来细致且灵活地对与流过整流电流的反向导通元件并联的开关元件的接通时间进行控制，能减少开关电路的损耗。
附图说明
图1是本发明的实施方式所涉及的开关电路的控制装置的构成图。
图2是本发明的实施方式所涉及的开关电路的控制装置的构成图。
图3是表示本发明的实施方式所涉及的开关电路的控制装置中的马达的目标转矩与转速与正向电流的对应关系的一例的图。
图4是表示本发明的实施方式所涉及的开关电路的控制装置中的高侧开关元件以及低侧开关元件的接通/断开的状态的一例的图。
图5是表示在本发明的实施方式所涉及的开关电路的控制装置中的高侧开关元件以及低侧开关元件以及续流二极管中流过的电流的一例的图。
图6是表示本发明的实施方式所涉及的开关电路的控制装置中的高侧开关元件以及低侧开关元件的接通/断开的状态的例子的图。
图7是表示本发明的实施方式所涉及的开关电路的控制装置的实施例以及比较例中的电流的通电状态的例子的图。
图8是表示本发明的实施方式所涉及的开关电路的控制装置的马达的目标转矩以及目标转速与开关元件的死区时间的对应关系的例子的图。
图9是表示本发明的实施方式所涉及的开关电路的控制装置的动作的流程图。
图10是表示本发明的实施方式所涉及的开关电路的控制装置的实施例以及比较例中的电流的通电状态的例子的图。
标号说明
10开关电路的控制装置
12马达(交流电动机)
13逆变器(开关电路)
14处理装置(目标转速取得单元、目标转矩取得单元)
25 PWM运算部(控制单元)
25a死区时间运算部(接通时间变更单元)
33电压传感器(电压检测单元)
具体实施方式
以下，参照附图来说明本发明的一实施方式所涉及的开关电路的控制装置。
本实施方式的开关电路的控制装置10例如搭载于车辆，如图1以及图2所示，构成为具备：以蓄电池11为直流电源来对3相(例如，U相、V相、W相的3相)交流的无刷DC马达12(以下，仅称为马达12)进行控制的逆变器13、以及处理装置14。
逆变器13具备：使用多个开关元件(例如，双向性的MOSFET：MetalOxide Semi-conductor Field Effect Transistor)以桥连接而形成的桥电路13a、以及平滑电容器C，该桥电路13a通过经脉冲宽度调制(PWM)后的信号来驱动。
在该桥电路13a中，例如将按各相的每一个而成对的高侧以及低侧U相晶体管UH、UL、高侧以及低侧V相晶体管VH、VL、高侧以及低侧W相晶体管WH、WL进行桥连接。
而且，各晶体管UH、VH、WH的漏极与蓄电池11的正极侧端子连接而构成高侧臂，各晶体管UL、VL、WL的源极与蓄电池11的进行接地的负极侧端子连接而构成低侧臂。
而且，按各相的每一个，高侧臂的各晶体管UH、VH、WH的源极与低侧臂的各晶体管UL、VL、WL的漏极连接，在各晶体管UH、UL、VH、VL、WH、WL的漏极-源极间，以从源极向漏极为正向的方式连接有各续流二极管DUH、DUL、DVH、DVL、DWH、DWL。
也就是，桥电路13a将高侧臂、低侧臂按各相的每一个串联地连接而构成，其中，高侧臂按各相的每一个将高侧开关元件(各晶体管UH、VH、WH)以及续流二极管(各续流二极管DUH、DVH、DWH)反并联地连接(即，将双向导通型的高侧开关元件、与相对于该高侧开关元件的正向导通而反向导通的续流二极管并联连接)而形成，低侧臂按各相的每一个将低侧开关元件(各晶体管UL、VL、WL)以及续流二极管(各续流二极管DUL、DVL、DWL)反并联地连接(即，将双向导通型的低侧开关元件、与相对于该低侧开关元件的正向导通而反向导通的续流二极管并联地连接)而形成。
而且，按各相的每一个，在高侧臂以及低侧臂的连接点上连接有马达12的定子绕组12a。
逆变器13例如在马达12的驱动时，基于从处理装置14输出且输入到各晶体管UH、VH、WH、UL、VL、WL的栅极的开关指令即栅极信号(也就是，PWM信号)，对按各相的每一个而成对的各晶体管的接通(导通)/断开(截止)状态进行切换。由此，通过将从蓄电池11供应的直流电力变换成3相交流电力，且使对3相的定子绕组12a的通电依次进行整流，来对各相的定子绕组12a流通交流的U相电流Iu以及V相电流Iv以及W相电流Iw。
另一方面，例如在马达12的再生时，逆变器13通过基于马达12的旋转角而取同步，且基于从处理装置14输出的栅极信号(也就是，PWM信号)，来对按各相的每一个而成对的各晶体管的接通(导通)/断开(截止)状态进行切换，从而将从马达12输出的3相交流电力变换成直流电力，且能对蓄电池11进行充电。
处理装置14例如在形成旋转正交坐标的dq坐标上进行电流的反馈控制(向量控制)，对目标d轴电流Idc以及目标q轴电流Iqc进行运算，并基于目标d轴电流Idc以及目标q轴电流Iqc来计算各相电压指令Vu、Vv、Vw，根据各相电压指令Vu、Vv、Vw来输出针对逆变器13的栅极信号即PWM信号。而且，实际上要进行控制以使得：将从逆变器13供应到马达12的各相电流Iu、Iv、Iw在dq坐标上进行变换而得到的d轴电流Id以及q轴电流Iq、与目标d轴电流Idc以及目标q轴电流Iqc的各偏差成为零。
处理装置14例如构成为具备：电流指令运算部21、差分运算部22、电流反馈运算部23、dq-3相变换部24、PWM运算部25、3相-dq变换部26。
电流指令运算部21基于马达12的目标转矩和转速，来运算用于对从逆变器13供应到马达12的各相电流Iu、Iv、Iw进行指定的电流指令，并将该电流指令作为在旋转的正交坐标上的目标d轴电流Idc以及目标q轴电流Iqc而向差分运算部22进行输出。
此外，马达12的转速例如可以基于从用于对转子(省略图示)的旋转角(例如，从给定的基准旋转位置起的转子的磁极的旋转角度)进行检测的旋转角传感器31所输出的检测值来进行计算，或者，可以由用于对转子(省略图示)的转速进行检测的转速传感器(省略图示)来进行检测。
电流指令运算部21例如，如图3所示，预先将表示马达12的目标转矩、转速、开关元件的正向电流的给定的对应关系的关系图等的数据与多个不同的电源电压(也就是，蓄电池11的输出电压)的每一个建立对应地进行存储。
而且，电流指令运算部21能通过针对预先存储的关系图的关系图检索等来取得与马达12的目标转矩、转速、以及由电压传感器33检测的电源电压相应的开关元件的正向电流，并运算与该正向电流相应的目标d轴电流Idc以及目标q轴电流Iqc。
此外，例如在图3所示的针对适当的电源电压A的给定的关系图中，尽管设定为正向电流按照随着目标转矩的增大或转速的增大或电源电压的下降而增大的趋势进行变化，但并不局限于此，例如还可以设定为示出了与马达12或逆变器13等的特性或者元件特性数据等相应的适当的趋势。
另外，关于形成旋转正交坐标的dq坐标，例如将马达12的转子(省略图示)中所具备的永磁体的场磁极的磁通方向设为d轴(场磁轴)，且将与该d轴正交的方向设为q轴(转矩轴)，从而与转子的旋转相位同步来进行旋转。
由此，作为针对从逆变器13供应到马达12的各相的交流信号的电流指令，施加作为直流的信号的目标d轴电流Idc以及目标q轴电流Iqc。
差分运算部22对从电流指令运算部21输出的目标d轴电流Idc以及目标q轴电流Iqc、与从3相-dq变换部26输出的d轴电流Id以及q轴电流Iq之间的各自的偏差ΔId、ΔIq进行计算。
电流反馈运算部23例如通过PID(比例积分微分)动作等，对各偏差ΔId、ΔIq进行控制放大，来计算d轴电压指令值Vd以及q轴电压指令值Vq。
dq-3相变换部24通过从用于对马达12的转子(省略图示)的旋转角进行检测的旋转角传感器31输出的旋转角的检测值，来将dq坐标上的d轴电压指令值Vd以及q轴电压指令值Vq变换成作为静止坐标的3相交流坐标上的电压指令值，即U相输出电压Vu以及V相输出电压Vv以及W相输出电压Vw。
PWM运算部25，例如在马达12的驱动时，为了对各相的定子绕组12a流通交流的正弦波状的U相电流Iu以及V相电流Iv以及W相电流Iw，将各相输出电压Vu、Vv、Vw与三角波等的载波信号进行比较，并生成用于使逆变器13的各晶体管UH、VH、WH、UL、VL、WL进行接通/断开驱动的栅极信号(也就是，PWM信号)。
PWM运算部25例如，如图4所示，通过所谓的相位补偿PWM(脉冲宽度调制)来使桥电路13a的高侧臂以及低侧臂的各开关元件交替地接通/断开驱动。而且，各相的每一个的高侧开关元件以及低侧开关元件的接通的比率通过各相的每一个的高侧以及低侧接通占空比DutyU(H，L)、DutyV(H，L)、DutyW(H，L)来设定。
由此，对高侧臂的高侧开关元件(SW1)的接通以及低侧臂的低侧开关元件(SW2)的断开的状态、高侧臂的高侧开关元件(SW1)的断开以及低侧臂的低侧开关元件(SW2)的接通的状态交替地进行切换。
而且，例如，如图5所示，在高侧臂的高侧开关元件(SW1)的接通中正向电流流过高侧开关元件(SW1)的情况下，不仅在低侧臂的低侧开关元件(SW2)的接通中在低侧开关元件(SW2)中流过反向电流，而且在与该低侧开关元件(SW2)反并联地连接的续流二极管(2)中流过整流电流。
另一方面，在低侧臂的低侧开关元件(SW2)的接通中正向电流流过低侧开关元件(SW2)的情况下，不仅在高侧臂的高侧开关元件(SW1)的接通中在高侧开关元件(SW1)中流过反向电流，而且在与该高侧开关元件(SW1)反并联地连接的续流二极管(1)中流过整流电流。
此外，例如，如图5所示，在与流过整流电流的续流二极管并联的开关元件的接通的状态下整流电流(反向电流)流过所并联连接的开关元件以及续流二极管的两者的情况下，与整流电流(反向电流)仅流过开关元件、或者仅流过续流二极管的情况相比，开关电路整体的损耗能随着所并联连接的开关元件以及续流二极管的合成电阻变小而减少。
而且，PWM运算部25具备：死区时间运算部25a，其能够根据马达12的目标转速以及目标转矩以及由电压传感器33检测的电源电压(也就是，蓄电池11的输出电压)，来设定死区时间，该死区时间是与对应于马达12中通电的相电流的方向的、使高侧开关元件以及低侧开关元件中的任一者进行接通工作的接通时间相关的死区时间。
例如，死区时间运算部25a将高侧开关元件(各晶体管UH、VH、WH)以及低侧开关元件(各晶体管UL、VL、WL)中流过正向电流的开关元件的死区时间设为给定的最小死区时间Td_Min(例如，5％等)。
而且，根据马达12的目标转速以及目标转矩以及电源电压，来设定高侧开关元件(各晶体管UH、VH、WH)以及低侧开关元件(各晶体管UL、VL、WL)中的与流过整流电流的续流二极管并联的开关元件的死区时间。
由此，例如，如图6所示，将由死区时间运算部25a设定的开关元件(与流过整流电流的续流二极管并联的开关元件)的接通占空比(SW2Ton)设定为从零起到与给定的最小死区时间Td_Min对应的给定的上限值(＝100％-SW1_Ton％-Td_Min％)为止的区间的适当的值(例如，a％、b％、c％等)。
由此，例如，如图7(A)所示，在采用IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor；绝缘栅双极型晶体管)作为开关元件的比较例中，即使开关元件处于接通，在开关元件中也不流过反向电流而仅在续流二极管中流过整流电流，与此相对，例如如图7(B)、(C)所示，在采用MOSFET(MetalOxide Semi-conductor Field Effect Transistor)作为开关元件的实施例中，根据由死区时间运算部25a设定的死区时间，在开关元件和续流二极管的两者中流过整流电流(反向电流)。
死区时间运算部25a例如存储有高侧开关元件以及低侧开关元件中与流过整流电流的续流二极管并联的开关元件的死区时间相关的关系图或者数式，并基于该关系图或者数式，来设定与流过整流电流的续流二极管并联的开关元件的死区时间。
此外，例如在图8所示的针对适当的电源电压A的给定的关系图中，判断为开关元件的损耗随着马达12的目标转速或以供电为正且以再生为负的目标转矩增大而增大，从而设定为死区时间按照增大趋势进行变化，并设定为流过开关元件的反向电流按照下降趋势进行变化(也就是，使在与开关元件反并联地连接的续流二极管中流过的整流电流按照增大趋势进行变化)。
另外，例如判断为开关元件的损耗随着电源电压增大而下降，从而设定为死区时间按照下降趋势进行变化，并设定为流过开关元件的反向电流按照增大趋势进行变化(也就是，使在与开关元件反并联地连接的续流二极管中流过的整流电流按照下降趋势进行变化)。
此外，死区时间的趋势并不局限于此，例如还可以设定为示出了与马达12或逆变器13等的特性或元件特性数据等相应的适当的趋势。
而且，3相-dq变换部26根据由各相电流检测部32检测出的各相电流Iu、Iv、Iw的检测值、以及从旋转角传感器31输出的旋转角的检测值，来计算在基于马达12的旋转相位的旋转坐标即dq坐标上的d轴电流Id以及q轴电流Iq。
本实施方式的开关电路的控制装置10具备上述构成，接下来，说明该开关电路的控制装置10的动作例，特别是对于使高侧开关元件以及低侧开关元件中的任一者进行接通工作的接通时间所涉及的死区时间进行设定的处理。
首先，例如在图9所示的步骤S01中，取得马达12的旋转角以及相电流、电源电压(也就是，蓄电池11的输出电压)。
其次，在步骤S02中，判定相电流是否比零大，也就是相电流的符号是否为正。
在该判定结果为“是”的情况下，前进到步骤S03。
另一方面，在该判定结果为“否”的情况下，前进到后述的步骤S05。
然后，在步骤S03中，将接通工作中流过正向电流的高侧臂的高侧开关元件的死区时间TdH设为给定的最小死区时间Td_Min(例如，5％等)。
接下来，在步骤S04中，例如通过针对基于马达12的目标转速以及目标转矩以及电源电压的给定的关系图的关系图检索，来运算在接通工作中未流过正向电流(也就是，流过反向电流)的低侧臂的低侧开关元件的死区时间TdL，并前进到后述的步骤S07。
另外，在步骤S05中，例如通过针对基于马达12的目标转速以及目标转矩以及电源电压的给定的关系图的关系图检索，来运算与流过整流电流的续流二极管并联的开关元件(也就是，在接通工作中流过反向电流的开关元件)即高侧臂的高侧开关元件的死区时间TdH。
接下来，在步骤S06中，将在接通工作中流过正向电流的低侧臂的低侧开关元件的死区时间TdL设为给定的最小死区时间Td_Min(例如，5％等)，并前进到步骤S07。
然后，在步骤S07中，决定在该时间点所设定的各死区时间TdH、TdL，并前进到结束。
例如，在图10所示的比较例中，将桥电路13a的高侧臂以及低侧臂的各开关元件的死区时间设为恒定(例如，给定的最小死区时间Td_Min：5％)来执行使各开关元件交替地接通/断开驱动的相位补偿PWM控制，而在实施例中，执行了由死区时间运算部25a设定的死区时间的死区时间可变PWM控制。
而且，例如在开关周期a的情况下，作为相电流小于给定值、相电流的电流符号成为正或负、流过开关元件的反向电流为比在与该开关元件反并联地连接的续流二极管中流过的整流电流大的状态，在实施例以及比较例中各死区时间TdH、TdL变为相等。
另外，例如在开关周期b的情况下，作为相电流大于给定值、相电流的电流符号成为正、流过开关元件的反向电流比在与该开关元件反并联地连接的续流二极管中流过的整流电流小的状态，在比较例中，各死区时间TdH、TdL恒定(例如，给定的最小死区时间Td_Min：5％)，与此相对，在实施例中，流过反向电流的低侧开关元件的死区时间TdL根据马达12的目标转速以及目标转矩以及电源电压而可变。
另外，例如在开关周期c的情况下，作为相电流大于给定值、相电流的电流符号成为正、流过开关元件的反向电流比在与该开关元件反并联地连接的续流二极管中流过的整流电流大的状态，在比较例中，各死区时间TdH、TdL恒定(例如，给定的最小死区时间Td_Min：5％)，与此相对，在实施例中，流过反向电流的低侧开关元件的死区时间TdL根据马达12的目标转速以及目标转矩以及电源电压而可变。
如上所述，根据本实施方式的开关电路的控制装置10，通过基于在马达12的控制中所使用的参数即目标转速以及目标转矩，来对与流过整流电流的续流二极管并联的开关元件的接通时间进行控制，能够在考虑到马达12的特性的同时减少开关电路(也就是逆变器13)的损耗，而且，能够防止控制处理复杂化。
进而，在马达12的目标转速或目标转矩增大的情况下，通过使流过续流二极管的整流电流增大，来减少因反向电流流过与该续流二极管并联地连接的开关元件所带来的导通损耗，能减少开关电路(也就是逆变器13)的损耗。
进而，通过基于电源电压(也就是，蓄电池11的输出电压)来对开关元件的接通时间进行控制，能够综合地考虑马达12以及开关电路(也就是逆变器13)的特性来细致且灵活地控制与流过整流电流的续流二极管并联的开关元件的接通时间，能减少开关电路(也就是逆变器13)的损耗。
此外，尽管在上述的实施方式中，设定为由各相电流检测部32来检查马达12的各相电流Iu、Iv、Iw，但并不局限于此，例如还可以基于从对逆变器13的直流侧电流进行检测的电流传感器输出的检测值、以及从PWM运算部25输出的PWM信号，来估计各相电流Iu、Iv、Iw。

Claims (3)

1.一种开关电路的控制装置，构成为包括串联连接的多个双向导通型的开关元件、以及与多个所述开关元件的每一个并联连接的相对于所述开关元件的正向导通而进行反向导通的反向导通元件，且在直流电源和交流电动机之间进行电力变换，
所述开关电路的控制装置的特征在于，具备：
控制单元，其在多个所述开关元件中的一个开关元件中流过正向电流而另一个开关元件的所述反向导通元件中流过整流电流时，使与该反向导通元件并联的所述另一个开关元件进行接通工作；
目标转速取得单元，其取得所述交流电动机的目标转速；
目标转矩取得单元，其取得所述交流电动机的目标转矩；和
接通时间变更单元，其在所述一个开关元件中流过正向电流而另一个开关元件的所述反向导通元件中流过整流电流时，使所述另一个开关元件进行接通工作，并基于所述目标转速以及所述目标转矩，来变更所述整流电流流过并联连接的所述另一个开关元件以及所述反向导通元件这两者的接通时间。
2.根据权利要求1所述的开关电路的控制装置，其特征在于，
所述接通时间变更单元使所述接通时间按照随着所述目标转速的增大而减少的趋势进行变化，且使所述接通时间按照随着以供电为正且以再生为负的所述目标转矩的绝对值的增大而减少的趋势进行变化。
3.根据权利要求1或2所述的开关电路的控制装置，其特征在于，
所述开关电路的控制装置具备用于对所述直流电源的电压进行检测的电压检测单元，所述接通时间变更单元基于由所述电压检测单元检测出的所述电压来变更所述接通时间。
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