CN103262408B - 功率转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于当逆变器在电机高速旋转时做出紧急停止时防止DC侧电容器的损坏、以及确定最适于混合动力汽车或电动汽车的驱动***的电流极限大小。用于开关逆变器（40）的控制装置（60A）被设置有：电流检测装置（61）；过电流大小确定装置（63），用于根据对应于电机（M）的转速的值来确定停止逆变器（40）的过电流大小；电流比较装置（64），用于比较逆变器（40）的所检测到的输出电流值和过电流大小；和栅极信号生成装置（65），当电流比较装置（64）评估所检测到的输出电流值已经达到了过电流大小时，用于生成用于截止逆变器（40）的所有半导体开关器件的信号。进一步，当电机（M）的转速更高时使得过电流大小变小。

Description

功率转换装置
技术领域
本发明涉及具有保护电机驱动逆变器免于过电流功能的功率转换装置。
背景技术
一般而言，在用于保护逆变器免于过电流的目的的逆变器中提供过电流保护功能。尽管在这个情况下可根据诸如IGBT(绝缘栅双极晶体管)之类的半导体开关器件的可允许的电流来确定过电流检测大小。
混合动力汽车或电动汽车中几乎所有的汽车驱动电机被控制为当转数少于特定转数n1(如n1＝1500[r/min.])时提供其中扭矩恒定的恒扭矩区，且当转数等于或大于转数n1时提供其中输出恒定的恒定输出区域，如图7中所示。当诸如内置式永磁同步电机之类的永磁同步电机被用作这个类型的电机时，电流并不完全成比例于扭矩，而是当必要的扭矩减少时而减少。即，根据图7的特性，当转数增加时，电流减少。
现在考虑，其中电机的电流达到额定电流的300[％]的状态的情况被检测为过电流。如果使用永磁同步电机，在其中转数为6000[r/min.]的情况下的无负载感生电压是其中转数为1500[r/min.]的情况下的四倍大。即，当在过电流检测过程中的紧急情况下逆变器被停止时，再生能量比电机在较高速度旋转时更大。当在电机高速旋转过程中以此方式在紧急情况下停止逆变器时，对于逆变器的DC侧电容器再生较大的能量。作为结果，存在该电容器可由施加在该电容器上的过电压所击穿的可能性。
此处，当在电机旋转时的紧急情况下，逆变器的所有栅极被关闭来停止逆变器时，经模拟确认了电容器的电压增加的状态，该模拟的结果因此将被描述。
图8是在该模拟中所使用的功率转换装置的电路图。在图8中，附图标记10是指DC电源；20，电源关闭开关；30，电容器；40，具有桥式连接的半导体开关器件的三相电压类型的逆变器；60，控制器；61，电流检测单元；65，栅极信号生成单元；M，由逆变器40驱动的三相电机；P和N，逆变器40的DC输入端子；和U、V、和W，AC输出端子。
在图8中，在其中电机M由逆变器40所驱动的情况下，电源关闭开关20是打开的，且与此同时，逆变器40的所有半导体开关器件通过栅极信号生成单元65被截止(所有栅极被关闭)。顺便提及，电机M的额定输出是20[kW]，在8000[r/min.]转速时的无负载感生电压是519[V]，额定电流是60[A]，DC中间电压(电容器30的电压)是650[V]，且电容器30的电容值是400[μF]。
图9是当电机M在作为额定输出两倍大的40[kW]时操作时，所有栅极被关闭的模拟结果。电机M的电流是49[A](约82[％]的额定电流)。从图9中可见，由于所有栅极被关闭，电容器30的电压被增加至约812[V]。
接着，图10是当电机M在达额定电流两倍大的120[A]时操作时，所有栅极被关闭的模拟结果。从图10中可见，由于所有栅极被关闭，电容器30的电压被增加至约961[V]。
如上所述，当电机M高速旋转时逆变器40的所有栅极被关闭时，在电容器30上施加了高压。因此，假设，例如，电容器30的耐受电压是900[V]，则在如图10中所示的情况下当所有栅极被关闭时，由于不低于该耐受电压的电压被施加在电容器30上，存在电容器30将被击穿的可能性。
一些逆变器，在过电流保护功能外，还有电流限制功能。此处，电流限制功能是，通过该功能电流被抑制从而，当逆变器操作继续时，等于或大于预设电流极限大小的电流不会流过。
已知有在专利文献1中所述的功率转换装置，作为被设置有电流限制功能的背景技术。该功率转换装置具有这样的功能：调节电流极限大小以使得逆变器不会由于当发生诸如AC电源的瞬时中断(下文中简称为“瞬时中断”)之类的故障时的过电流而被停止且然后功率被恢复来重启电机。
图11示出根据专利文献1的背景技术。附图标记100指示AC电源；200，功率转换装置的主电路部分；201，整流器电路；202，电容器；203，逆变器电路；301，电流检测器；302，电流极限大小计算器；303，比较设备；304，相位检测器；以及305和306，栅极控制器。
如下简述图11的操作。例如，当发生诸如AC电源100的瞬时中断之类的故障时，栅极控制器305停止整流器电路201，且栅极控制器306停止逆变器电路203。此外，栅极控制器306基于由相位检测器304所检测到的电机M的相位，来计算用于重启的逆变器电路203的频率命令。当AC电源100的功率随后恢复时，栅极控制器305和306重启整流器电路201和逆变器电路203。
此时，比较设备303将逆变器电路203的输出电流与电流极限大小计算器302基于速度命令根据每一相从预定功能中所计算的电流极限大小相比较。栅极控制器306仅闭锁达到电流极限大小的相达预定时间段从而藉此防止逆变器电路203在该相的输出电流过量。
以此方式，即使当特定相的电流达到电流极限大小时，功率转换装置可持续操作。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本专利No.3773798(段落[0012]-[0014],图1和2)
发明内容
技术问题
图12是波形图，示出专利文献1中的速度命令、电流极限大小、逆变器电路的输出电流、和整流器电路的输入电流。图12中的“控制开关时间段”是指从由于瞬时中断等引起的故障发生到重启的时间段。
从图12中明显看出，在专利文献1中，电流极限大小与速度命令以相同趋势变化。
此处，在混合动力汽车或电动汽车的车辆驱动***中，当在电机驱动逆变器重启时实行电流限制时，当电机在高速旋转时不需要大扭矩，从而电机的电流值可较小。然而，如图12中所示，当根据速度命令的大小来确定电流极限大小时，当速度命令变大时电流极限大小变大，从而逆变器电路203的输出电流在重启时也变大。
因此，由于根据背景技术的用于确定电流极限大小的方法不合适且在重启时允许输出电流大于所必需的电流，存在的问题在于该方法是浪费的。
因此，本发明的目的在于提供一种功率转换装置，其被配置为使得逆变器的过电流大小根据电机的旋转速度而变化从而当逆变器在电机高速旋转过程中在紧急情况下被停止时，防止DC侧的电容器由于过电压所击穿。
本发明的另一个目的在于提供一种功率转换装置，其可确定最适合于混合动力汽车或电动汽车的车辆驱动***的电流极限大小。
问题的解决方案
为了实现上述目的，本发明被应用于功率转换装置，其中，例如，永磁同步电机由具有DC侧的逆变器所驱动，具有DC电源和电容器的并联电路连接至该DC侧。特定地，根据本发明的功率转换装置优选地被应用于混合动力汽车或电动汽车的车辆驱动***。
在本发明中，用于控制逆变器的半导体开关器件的控制器具有电流检测单元、过电流大小确定单元、电流比较单元、和驱动信号生成单元，且如果情况需要的话还具有电流极限大小确定单元。
电流检测单元检测该逆变器的输出电流。该过电流大小确定单元，根据对应于电机的转数的值来确定用于停止逆变器的操作的过电流大小。此处，对应于电机的转数的值是以下中的任一个：转数的检测值、转数的估算值、和转数的命令值。
该电流比较单元，将从电流检测单元输出的逆变器的检测到的输出电流值与由过电流大小确定单元所确定的过电流大小相比较。当设置电流极限大小确定单元时，该所检测到的输出电流值还进一步与电流极限大小进行比较。
电流极限大小确定单元，根据对应于电机的转数的值来确定电流极限大小，用于限制逆变器的输出电流。
驱动信号生成单元，当电流比较单元做出所检测到的输出电流值已经达到了过电流大小的判定时，生成用于截止逆变器的所有半导体开关器件的信号。该驱动信号生成单元还当所述电流比较单元做出在特定相位所检测到的输出电流值已经达到电流极限大小的判定时，生成用于限制逆变器在该特定相位的输出电流的信号。此处，为了限制输出电流，在该相位的开关可被停止或可缩短用于在该相位使半导体开关器件导通的脉冲的宽度。
期望的是，在对应于转数的值在电机的恒定输出区域中变得较高时，过电流大小和电流极限大小在值上变得较小。此外，期望的是在对应于电机的转数的值的整个范围内，电流极限大小的值低于过电流大小。
本发明的有益效果
根据本发明，当电机的转数增加时，用于保护逆变器的过电流大小和电流极限大小被减少。因此，当逆变器在电机高速旋转过程中的紧急状态中被停止时生成的再生能量可被减少，从而可减少施加在DC侧电容器上的电压从而防止电容器被击穿。
通过将电流极限大小设置为低于过电流大小，当逆变器在紧急停止后被重启时，可防止大于必需的电流在电机中流动。因此，存在减少损失来改进效率的效果。
附图说明
[图1]图1是示出本发明的第一实施例的电路图。
[图2]图2是示出在第一实施例中的电机转数和过电流大小之间的关系的示图。
[图3]图3是示出在第一实施例中的电机转数和过电流大小之间的关系的表格。
[图4]图4是示出本发明的第二实施例的电路图。
[图5]图5是示出在第二实施例中的电机转数、过电流大小、和电流极限大小之间的关系的示图。
[图6]图6是示出在第二实施例中的电机转数、过电流大小、和电流极限大小之间的关系的表格。
[图7]图7是示出电机转数和扭矩之间的关系的示图。
[图8]图8是在模拟中所使用的功率转换装置的电路图。
[图9]图9是示出在其中逆变器的所有栅极被关闭的情况下的模拟结果的波形图。
[图10]图10是示出在其中逆变器的所有栅极被关闭的情况下的模拟结果的波形图。
[图11]图11是根据专利文献1的背景技术的电路图。
[图12]图12是示出图11中的电路的操作的波形图。
具体实施方式
下面将参照附图对本发明的诸实施例进行描述。首先，图1是示出本发明的第一实施例的电路图。
在图1中，附图标记10指示诸如电池之类的DC电源，其被设置以使电容器30连接在DC电源的相对端之间。电压类型的逆变器40的DC输入端子P和N连接至具有DC电源10和电容器30的并联电路的相对端。形成逆变器40以使得半导体开关器件41到46(诸如分别被设置有续流二极管的IGBT(绝缘栅双极晶体管))被桥式连接。半导体开关器件不限于IGBT，而是可为常见的双极晶体管、FET(场效应晶体管)等。
逆变器40的AC输出端子U、V、和W通过诸如电流互感器之类的电流检测单元61连接至三相电机M的各相输入端子。此处，例如，电机M是内置式永磁同步电机。
设置控制器60A用于导通/截止逆变器40的半导体开关器件41到46。控制器60A包括电流检测单元61、转数检测单元62、过电流大小确定单元63、电流比较单元64、和用作驱动信号生成单元的栅极信号生成单元65。顺便提及，控制器60A的主要部分可通过CPU(中央处理单元)或DSP(数字信号处理器)以及预定程序来实现。
电流检测单元61逐相地检测逆变器40的输出电流。转数检测单元62检测电机M的转数。如下文所述，过电流大小确定单元63根据电机M的转数来确定过电流大小。电流比较单元64将过电流大小与电流检测单元61逐相所检测到的电流值进行比较，从而当逆变器40的输出电流已经达到过电流大小时向栅极信号生成单元65输出过电流检测信号。
一旦接收到过电流检测信号，栅极信号生成单元65生成并输出栅极信号用于关闭逆变器40的所有栅极。
尽管第一实施例示出其中由转数检测单元62检测电机M的转数的情况，但是可通过已知方法来估算电机M的转数，诸如基于电机M的感生电压来估算转数的方法，从而在不使用转数检测单元62的情况下执行所谓无传感器控制时，转数的估算值可被输入至过电流大小确定单元63。替代转数的检测值或转数的估算值，可将转数的命令值输入至过电流大小确定单元63。
图2和3示出在第一实施例中的电机M的转数和过电流大小之间的关系。
图2中所示的特性类似于图7中的转数-扭矩特性。例如，设置该特性，以使在其中转数低于预定值(n1＝1500[r/min].)的恒扭矩区中，额定电流的300％被认为是过电流大小，且在其中转数等于或大于n1的恒定输出区域中，过电流大小随着转数的增加而减少。
图3示出根据转数范围确定过电流大小的示例。例如，图3示出其中在0到2000[r/min.]的转数范围中额定电流的300[％]被认为是过电流大小，且然后只要转数增加1000[r/min.]，过电流大小被减少50[％]的额定电流。
图2和3中所示的特性(根据转数的过电流大小)被事先作为数值数据或表格被存储在设置于图1的控制器60A内的存储器(未示出)中。过电流大小确定单元63基于这些特性和转数来确定预定过电流大小，并将所确定的过电流大小输出至电流比较单元64。
如上所述，图1中的电流比较单元64总是将从电流检测单元61输入的所检测到的电流值与过电流大小确定单元63基于图2或图3所确定的过电流大小进行比较。当特定相的所检测到的电流值已经达到过电流大小时，过电流检测信号被发送至栅极信号生成单元65，从而通过栅极信号生成单元65来关闭逆变器40的所有半导体开关器件41到46，藉此在紧急情况下停止逆变器40。
如图2中所示，在背景技术中，不论电机M的转数如何，将过电流大小设置在预定值。反之，根据这个实施例，在电机M的恒定输出区域中，过电流大小随着转数增加而被减少。
因此，当在电机M的高速旋转过程中逆变器40的输出电流超过过电流大小时可减少电机M的电流，藉此在紧急情况下停止逆变器40。因此，减少了施加在电容器30上的再生能量，从而没有增加电容器30的电压从而击穿电容器30的可能性。
接着，图4是示出本发明的第二实施例的电路图。
该第二实施例与第一实施例不同之处在于，向控制器60B增加了电流极限大小确定单元66。转数检测单元62的输出被施加至过电流大小确定单元63和电流极限大小确定单元66，且过电流大小确定单元63和电流极限大小确定单元66的输出被输入至电流比较单元64。顺便提及，在第二实施例中，替代从转数确定单元62输出的转数的检测值，转数的估算值或转数的命令值可被输入至过电流大小确定单元63和电流极限大小确定单元66。
由于图4中的其他配置与图1中的相同，具有如图1中相同功能的构成部件使用与图1中相同的附图标记来表示，且将省略其描述。
通过CPU或DSP和预定程序可实现控制器60B的主要部分。
图4中的电流极限大小确定单元66具有根据电机M的转数来确定电流极限大小的功能。
图5和6示出在第二实施例中的电机M的转数、过电流大小、和电流极限大小之间的关系。在图5和6中，电机M的转数和过电流大小之间的关系与图2和3中的一样。
图5中的电流极限大小具有其中在电机M的恒扭矩区中电流极限大小是常数值，且在恒定输出区域中随着转数增加而逐渐减少的特性。在整个转数范围上，电流极限大小被设置为低于过电流大小。
此外，图6中所示的特性是其中在0到2000[r/min.]的转数范围中额定电流的250[％]被认为是电流极限大小，且然后只要转数增加1000[r/min.]，电流极限大小被减少50[％]的额定电流。
以与第一实施例中相同的方式，图5和6中所示的特性(根据转数的过电流大小和电流极限大小)被事先作为数值数据或表格被存储在设置于图4的控制器60B内的存储器(未示出)中。过电流大小确定单元63和电流极限大小确定单元66向电流比较单元64输出由电机M的转数、和图5和6的特性所确定的过电流大小和电流极限大小。
电流比较单元64总是将从电流检测单元61输入的所检测到的电流值与由过电流大小确定单元63所确定的过电流大小、和由电流极限大小确定单元66所确定的电流极限大小进行比较。当在特定相位的所检测到的电流值已经达到电流极限大小时，向栅极信号生成单元65发送命令来停止该相的开关或者缩短用于导通半导体开关器件的栅极脉冲的宽度，从而执行电流限制操作用于限制逆变器40在该相的输出电流的大小。
进一步，当从电流检测单元61输入的特定相的所检测到的电流值已经达到过电流大小时，过电流检测信号被发送至栅极信号生成单元65，从而通过栅极信号生成单元65来关闭逆变器40的所有半导体开关器件41到46，藉此在紧急情况下停止逆变器40。
根据第二实施例，使得电流极限大小确定单元66作用，从而电流极限大小随着电机M的转数增加而减少。因此，在电机M的高速旋转过程中的紧急情况下被停止的逆变器40再重启时，可防止过电流在电机M中流动。
因此，可能提供最适合于驱动***(诸如是混合动力汽车或电动汽车的车辆驱动***)的功率转换装置，其中即使在电机M高速旋转时在重启时，电流值可较小且不需要很大的扭矩。
工业应用性
根据本发明的功率转换装置不仅可用于混合动力汽车或电动汽车，还可用于使用电机的各种驱动***。
附图标记列表
10:DC电源
30:电容器
40:逆变器
60A、60B：控制器
61:电流检测单元
62:转数检测单元
63:过电流大小确定单元
64:电流比较单元
65:栅极信号生成单元
66:电流极限大小确定单元
M：电机

Claims (8)

1.一种功率转换装置，使用具有DC侧的逆变器来驱动AC电机，具有DC电源和电容器的并联电路连接至所述DC侧，其特征在于：用于控制所述逆变器的半导体开关器件的控制器，包括：
检测所述逆变器的输出电流的电流检测单元；
过电流大小确定单元，根据对应于所述电机的转数的值来确定用于停止所述逆变器的操作的过电流大小；
电流比较单元，将从所述电流检测单元输出的所述逆变器的检测到的输出电流值与由所述过电流大小确定单元所确定的过电流大小相比较；和
驱动信号生成单元，当所述电流比较单元做出所检测到的输出电流值已经达到了所述过电流大小的判定时，生成用于截止所述逆变器的所有半导体开关器件的信号，
当所述电机的恒定输出区域中的对应于所述转数的值变大时，由所述过电流大小确定单元所确定的所述过电流大小的值变小。
2.一种功率转换装置，使用具有DC侧的逆变器来驱动AC电机，具有DC电源和电容器的并联电路连接至所述DC侧，其特征在于：用于控制所述逆变器的半导体开关器件的控制器，包括：
检测所述逆变器的输出电流的电流检测单元；
过电流大小确定单元，根据对应于所述电机的转数的值来确定用于停止所述逆变器的操作的过电流大小；
电流极限大小确定单元，根据对应于所述电机的转数的值来确定电流极限大小，用于限制所述逆变器的输出电流；
电流比较单元，将从所述电流检测单元输出的所述逆变器的所检测到的输出电流值与由所述过电流大小确定单元所确定的所述过电流大小相比较，并将所检测到的输出电流值与所述电流极限大小确定单元所确定的所述电流极限大小相比较；和
驱动信号生成单元，当所述电流比较单元做出所检测到的输出电流值已经达到了所述过电流大小的判定时，生成用于截止所述逆变器的所有半导体开关器件的信号，并当所述电流比较单元做出所检测到的输出电流值已经达到所述电流极限大小的判定时，生成用于限制所述逆变器在特定相位的所述输出电流的信号，
当所述电机的恒定输出区域中的对应于所述转数的值变大时，由所述过电流大小确定单元所确定的所述过电流大小和由所述电流极限大小确定单元所确定的电流极限大小的值变小。
3.根据权利要求2所述的功率转换装置，其特征在于：在对应于所述电机的转数的值的整个范围内，所述电流极限大小的值低于所述过电流大小。
4.根据权利要求2所述的功率转换装置，其特征在于：当在特定相位的所检测到的输出电流值已经达到所述电流极限大小时，所述驱动信号生成单元生成用于在所述逆变器的特定相位停止开关的信号。
5.根据权利要求2所述的功率转换装置，其特征在于：当在特定相位的所检测到的输出电流值已经达到所述电流极限大小时，所述驱动信号生成单元生成用于在特定相位处缩短用于使所述逆变器的半导体开关器件导通的脉冲宽度的信号。
6.如权利要求1、2、3、4、和5中的任一个所述的功率转换装置，其特征在于：对应于所述电机的转数的值是以下中的任一个：转数的检测值、转数的估算值、和转数的命令值。
7.如权利要求1、2、3、4、和5中的任一个所述的功率转换装置，其特征在于：所述逆变器和所述电机形成用于混合动力汽车或电动汽车的车辆驱动***。
8.如权利要求1、2、3、4、和5中的任一个所述的功率转换装置，其特征在于：所述电机是永磁体同步电机。
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