CN107750419A - 功率变换装置 - Google Patents

Abstract

功率变换装置(100)的功率模块(10)具有：开关电路，其具有开关元件；将第1及第2电容器(12a、12b)串联连接的电容器对(12)，其与开关电路并联连接；以及端子，其连接于第1及第2电容器(12a、12b)之间，功率变换装置(100)具有：第1电阻(21)，其电连接于开关电路的正极与所述端子之间；第2电阻(22)，其电连接于开关电路的负极与所述端子之间；以及故障检测电路(2)，其基于在第1电阻(21)及第2电阻(22)中的至少一者产生的电压，对第1及第2电容器(12a、12b)中的至少一者的短路故障进行检测。

Description

功率变换装置

技术领域

本发明涉及一种具有功率模块的功率变换装置。

背景技术

关于现有的功率变换装置，由于因在功率变换装置所具有的功率模块搭载的开关元件的开关动作而导致产生浪涌电压及电磁噪声，因此有可能会由于浪涌电压而导致功率变换装置故障，另外，由于电磁噪声而导致功率变换装置的周围的环境变差。就专利文献1所示的功率变换装置而言，在搭载开关元件的功率模块中内置用于对浪涌进行抑制的电容器。该电容器用于使配线电感变小、降低配线电感所蓄积的能量。因此，以配线电感所蓄积的能量为起因而产生的浪涌电压得到降低，并且电磁噪声得到抑制。

专利文献1：日本特开2014-187874号公报

发明内容

但是，专利文献1所示的功率变换装置没有对在功率模块中内置的电容器的故障进行检测的手段，在电容器发生短路故障的情况下，有可能发生电源短路。因此，近年通过对在功率模块中内置的电容器的故障进行检测而提高功率变换装置的可靠性这样的要求变得强烈。

本发明就是鉴于上述情况而提出的，其目的在于得到一种能够对在功率模块中内置的电容器的故障进行检测的功率变换装置。

为了解决上述的课题、实现目的，本发明的功率变换装置具有功率模块，在该功率变换装置中，功率模块具有：开关电路，其具有开关元件；将第1及第2电容器串联连接的电容器对，其与开关电路并联连接；以及端子，其连接于第1及第2电容器之间，该功率变换装置具有：第1电阻，其电连接于开关电路的正极与端子之间；第2电阻，其电连接于开关电路的负极与端子之间；以及故障检测电路，其基于在第1电阻及第2电阻中的至少一者产生的电压，对第1及第2电容器中的至少一者的短路故障进行检测。

发明的效果

本发明涉及的功率变换装置具有下述效果，即，能够对在功率模块中内置的电容器的故障进行检测。

附图说明

图1是表示实施方式1涉及的功率变换装置的结构例的图。

图2是表示在图1所示的第1及第2电容器正常时中性点与负极线之间的电位差的图。

图3是表示在图1所示的第1电容器发生短路故障时中性点与负极线之间的电位差的图。

图4是表示在图1所示的第2电容器发生短路故障时中性点与负极线之间的电位差的图。

图5是表示实施方式2涉及的功率变换装置的结构例的图。

图6是表示图5所示的第1电容器未发生开路故障的状态的图。

图7是表示在图5所示的第1电容器未发生开路故障时检测出的中性点的电压的图。

图8是表示图5所示的第1电容器发生开路故障的状态的图。

图9是表示在图5所示的第1电容器发生开路故障时检测出的中性点的电压的图。

图10是表示图5所示的第2电容器未发生开路故障的状态的图。

图11是表示在图5所示的第2电容器未发生开路故障时检测出的中性点的电压的图。

图12是表示图5所示的第2电容器发生开路故障的状态的图。

图13是表示在图5所示的第2电容器发生开路故障时检测出的中性点的电压的图。

具体实施方式

下面，基于附图，对本发明的实施方式涉及的功率变换装置进行详细说明。此外，本发明不受本实施方式限定。

实施方式1.

图1是表示实施方式1涉及的功率变换装置的结构例的图。实施方式1涉及的功率变换装置100具有：功率模块10；第1电阻21，其一端与直流电压源1的正极连接；以及第2电阻22，其与直流电压源1的负极连接。直流电压源1既可以为模块封装件外部的电源，也可以为在封装件内部内置的电容器等。

功率模块10具有将采用碳化硅(Silicon Carbide：SiC)形成的第1开关元件11a和采用SiC形成的第2开关元件11b串联连接的上下桥臂结构的电压型桥电路11。电压型桥电路11也可以为至少具有1个开关元件的开关电路。另外，功率模块10具有将用于去除噪声的第1电容器12a和用于去除噪声的第2电容器12b串联连接的电容器对12。电容器对12与电压型桥电路11并联连接。即，电容器对12并联连接于上述的开关电路的正极与负极之间。

另外，功率模块10具有第2端子14、第3端子15、第4端子16、第5端子17以及连接于第1电容器12a及第2电容器12b之间的端子即第1端子13。

第2端子14是与直流电压源1的正极线1a连接,对电压型桥电路11及电容器对12的一端赋予第1电位的端子。第3端子15是与直流电压源1的负极线1b连接,对电压型桥电路11及电容器对12的另一端赋予第2电位的端子。第2电位是比第1电位低的电位。第2开关元件11b及第2电容器12b与第3端子15连接。第1开关元件11a和第2开关元件11b的连接点与第4端子16连接。

另外，功率变换装置100具有：故障检测电路2，其对电容器对12的短路故障进行检测；以及驱动控制电路3，其对电压型桥电路11内的第1开关元件11a及第2开关元件11b的通断动作进行控制。驱动控制电路3与第5端子17连接，从驱动控制电路3输出的驱动信号经由第5端子17而输入至第1开关元件11a和第2开关元件11b。

第1电阻21与正极线1a连接。另外，第2端子14与正极线1a连接，即第1开关元件11a的一端和第1电容器12a的一端连接。第2电阻22的一端与负极线1b连接。另外，第3端子15与负极线1b连接，即第2开关元件11b的一端和第2电容器12b的一端连接。

第1及第2电阻21、22各自的另一端与第1端子13连接。第1电容器12a及第2电容器12b的中性点12c经由第1端子13而与第1电阻21和第2电阻22的连接点连接。即，第1电阻21的一端与所述的开关电路的正极电连接，另一端与第1端子13连接。另外，第2电阻22的一端与所述的开关电路的负极电连接，另一端与第1端子13连接。

负载装置4与第3端子15及第4端子16连接。作为负载装置4，可以例示出旋转电机。

下面，对功率变换装置100的动作进行说明。驱动控制电路3基于从驱动控制电路3的外部赋予的电压指令，生成对第1及第2开关元件11a、11b进行驱动的驱动信号，所生成的驱动信号经由第5端子17而赋予至第1及第2开关元件11a、11b，第1及第2开关元件11a、11b通过进行通断动作而将恒定的电压及频率的模拟正弦波供给至负载装置4。

故障检测电路2根据在第1及第2电阻21、22中的至少一者产生的电压，对第1及第2电容器12a、12b中的至少一者的短路故障进行检测。下面，对故障检测电路2所进行的故障检测时的动作进行具体说明。

图2是表示在图1所示的第1及第2电容器正常时中性点与负极线之间的电位差的图。图3是表示在图1所示的第1电容器发生短路故障时中性点与负极线之间的电位差的图。图4是表示在图1所示的第2电容器的短路故障时中性点与负极线之间的电位差的图。

在图1所示的第1电容器12a及第2电容器12b正常的情况下，如图2所示，中性点12c与负极线1b之间的电位差成为直流电压源1的输出电压的一半的值。在图2中，由于将直流电压源1的输出电压假定为600V，因此中性点电位为300V。

在图1所示的第1电容器12a发生短路故障、且第2电容器12b正常的情况下，如图3所示，中性点12c与负极线1b之间的电位差成为与直流电压源1的输出电压相同的值。在图3中，由于将直流电压源1的输出电压假定为600V，因此中性点电位为600V。

在图1所示的第1电容器12a正常、且第2电容器12b发生短路故障的情况下，如图4所示，中性点12c与负极线1b之间的电位差成为0V。在图4中，将直流电压源1的输出电压假定为600V，但中性点电位为0V。

图1所示的故障检测电路2对在第1电阻21及第2电阻22中的至少一者产生的电压进行检测，根据检测出的电压而对第1及第2电容器12a、12b中的至少一者的短路故障进行检测。

在功率模块10中内置的电容器不容易更换，特别在电容器由树脂覆盖的构造的功率模块10的情况下，有时难以进行电容器对12的更换。另外，在电容器发生短路故障的情况下，用户有可能不会发现电容器的故障，因此有可能在电容器发生短路故障的状态下继续进行从直流电压源1向功率模块10的通电而引起电源短路。

根据实施方式1涉及的功率变换装置100，由于能够对在功率模块10中内置的电容器的短路故障进行检测，因此能够利用检测结果而采取将直流电压源1和功率模块10切断等措施。作为一个例子，对于在正极线1a或负极线1b设置有开闭器的结构，故障检测电路2在未检测出电容器故障的情况下，将开闭器控制为继续保持直流电压源1与功率模块10的连接，在检测出电容器故障的情况下，将开闭器控制为解除直流电压源1与功率模块10的连接。这种开闭器控制功能既可以设置于故障检测电路2，也可以设置于驱动控制电路3。在设置于驱动控制电路3的情况下，驱动控制电路3为从故障检测电路2导入表示有无检测出故障的信息，输出针对开闭器的开闭指令的结构。

根据实施方式1涉及的功率变换装置100，由于能够对在功率模块10中内置的电容器的故障进行检测，因此能够对电源短路的发生进行抑制。另外，根据实施方式1涉及的功率变换装置100，能够对由于由电源短路造成的过大的电流而导致功率模块10被破坏这一情况进行抑制，因此能够提高功率变换装置100自身的可靠性。

此外，在实施方式1中，作为具有开关元件的开关电路的一个例子，采用电压型桥电路11进行了说明。即，作为开关电路而采用由2个开关元件构成的上下桥臂即电压型桥电路11进行了说明，但也可以仅采用1个开关元件。

在本实施方式中，公开了功率模块10具有一相的上下桥臂的结构，但也可以具有三相的上下桥臂等多个上下桥臂。

另外，本实施方式涉及的功率变换装置100具有与各开关元件反向并联连接的二极管，但该二极管既可以内置于开关元件，也可以不具有二极管本身。

另外，在本实施方式中，对在直流电压源1的正极与负极之间连接有开关电路的情况进行了说明，但能够在以往的设置缓冲电路的开关电路部分应用本实施方式。即，本实施方式能够应用于电路整体之中的一部分开关电路。

实施方式2.

图5是表示实施方式2涉及的功率变换装置的结构例的图。实施方式2涉及的功率变换装置100-2能够分别对第1及第2电容器12a、12b的短路故障和开路故障进行检测。实施方式2涉及的功率变换装置100-2的功率模块10的结构与实施方式1相同。实施方式1和实施方式2的不同点如下所示。

(1)功率变换装置100-2具有故障检测电路2-2，以取代实施方式1的故障检测电路2。

(2)功率变换装置100-2除了实施方式1的第1电阻21、第2电阻22以及功率模块10以外，还具有第1开闭部31及第2开闭部32。

第1开闭部31是将第1电阻21和第1端子13进行连接或者断开的开闭单元，配置于第1电阻21的另一端与第1端子13之间。具体地说，第1开闭部31的一端与第1电阻21的另一端连接，第1开闭部31的另一端连接于第2开闭部32的一端和第1端子13。

第2开闭部32是将第2电阻22和第1端子13进行连接或者断开的开闭单元，配置于第2电阻22的另一端与第1端子13之间。具体地说，第2开闭部32的一端与第2电阻22的另一端连接，第2开闭部32的另一端连接于第1开闭部31的一端和第1端子13。

故障检测电路2-2分别对第1及第2开闭部31、32的通断进行控制，分别对在第1及第2电阻21、22的两端施加的电压进行检测。该电压相当于CR电路的暂态响应电压。故障检测电路2-2通过对在第1及第2电阻21、22中的至少一者产生的电压进行检测，由此对第1及第2电容器12a、12b中的至少一者的短路故障或开路故障进行检测。下面，对故障检测电路2-2所进行的故障检测时的动作进行具体说明。

(第1电容器的开路故障的检测)

图6是表示图5所示的第1电容器未发生开路故障的状态的图。图7是表示在图5所示的第1电容器未发生开路故障时检测出的中性点的电压的图。如果在第1电容器12a未发生开路故障时，通过故障检测电路2-2控制为第2开闭部32保持断开的状态、且第1开闭部31从断开变为接通，则在中性点12c施加的电压V1以图7所示的暂态响应进行变化。

图8是表示图5所示的第1电容器发生开路故障的状态的图。图9是表示在图5所示的第1电容器发生开路故障时检测出的中性点的电压的图。如果在第1电容器12a发生开路故障时，通过故障检测电路2-2控制为第2开闭部32保持断开的状态、且第1开闭部31从断开变为接通，则在中性点12c施加的电压V2以图9所示的暂态响应进行变化。

图9所示的电压V2的暂态响应的时间常数τ比图7所示的电压V1的暂态响应的时间常数τ短。这是因为在第1电容器12a发生开路故障的情况下，电容的值变小，暂态响应的时间常数τ变短。

(第2电容器的开路故障的检测)

图10是表示图5所示的第2电容器未发生开路故障的状态的图。图11是表示在图5所示的第2电容器未发生开路故障时检测出的中性点的电压的图。如果在第2电容器12b未发生开路故障时，通过故障检测电路2-2控制为第1开闭部31保持断开的状态、且第2开闭部32从断开变为接通，则在中性点12c施加的电压V3以图11所示的暂态响应进行变化。

图12是表示图5所示的第2电容器发生开路故障的状态的图。图13是表示在图5所示的第2电容器发生开路故障时检测出的中性点的电压的图。如果在第2电容器12b发生开路故障时，通过故障检测电路2-2控制为第1开闭部31保持断开的状态、且第2开闭部32从断开变为接通，则在中性点12c施加的电压V4以图13所示的暂态响应进行变化。

图13所示的电压V4的暂态响应的时间常数τ比图11所示的电压V3的暂态响应的时间常数τ短。这是因为在第2电容器12b发生开路故障的情况下，电容的值变小，暂态响应的时间常数τ变短。

这样，实施方式2涉及的故障检测电路2-2通过比较在对第1及第2开闭部31、32分别进行控制前后在中性点12c施加的电压的暂态响应的时间常数，由此能够对电容器的开路故障进行检测。在电容器发生开路故障的情况下，浪涌电压及噪声有可能增大。根据实施方式2涉及的功率变换装置100-2，由于能够对电容器的开路故障进行检测，因此能够利用检测结果而采取将直流电压源1和功率模块10切断等措施。因此，在电容器发生开路故障的情况下，也能够对浪涌电压及噪声的增大进行抑制。

此外，通过在由故障检测电路2-2将第1及第2开闭部31、32分别控制为接通状态的状态下，以与实施方式1相同的方法对电压进行检测，由此能够分别对第1及第2电容器12a、12b的短路故障进行检测。另外，只要施加有直流电压源1的输出电压就能够进行检测，因此无需将直流电压源1与功率模块10的连接切断。

此外，在实施方式1、2中采用由SiC形成的第1及第2开关元件11a、11b，但第1及第2开关元件11a、11b也可以采用作为主流半导体材料的硅(Silicon：Si)。已知由SiC形成的第1及第2开关元件11a、11b为低损耗，但另一方面被称为阻尼振荡的电压振荡大。与之相伴，采用由SiC形成的开关元件的功率变换装置可能会发生由阻尼振荡造成的噪声的增大。在实施方式1、2中采用将由SiC形成的第1及第2开关元件11a、11b利用树脂进行覆盖的构造的功率模块10，因此能够减轻由阻尼振荡造成的噪声，且能够对电容器的故障进行检测。因此，实施方式1、2涉及的功率变换装置能够一边发挥SiC的低损耗性一边确保可靠性。

另外，实施方式1、2的开关电路具有将2个开关元件串联连接的上下桥臂结构。另外，实施方式1、2的故障检测电路对第1及第2电容器正常时在第2电阻产生的电压与第1或第2电容器发生短路故障或开路故障时在第2电阻产生的电压进行比较，由此对第1或第2电容器的短路故障或开路故障进行检测。另外，实施方式1、2的故障检测电路对第1及第2电容器正常时在第1电阻产生的电压与第1或第2电容器发生短路故障或开路故障时在第1电阻产生的电压进行比较，由此对第1或第2电容器的短路故障或开路故障进行检测。另外，实施方式1、2的功率变换装置具有开闭器，该开闭器在由故障检测电路检测出第1及第2电容器中的至少一者的短路故障或开路故障的情况下，将直流电压电源与功率模块的连接切断。另外，故障检测电路在第1开闭部或第2开闭部的连接或断开时，基于在第1电阻及第2电阻中的至少一者产生的电压的暂态响应的时间常数，对第1及第2电容器中的至少一者的短路故障或开路故障进行检测。

以上的实施方式示出的结构表示的是本发明的内容的一个例子，还能够与其他公知的技术进行组合，也能够在不脱离本发明的主旨的范围对结构的一部分进行省略、变更。

标号的说明

1直流电压源，1a正极线，1b负极线，2、2-2故障检测电路，3驱动控制电路，4负载装置，10功率模块，11电压型桥电路，11a第1开关元件，11b第2开关元件，12电容器对，12a第1电容器，12b第2电容器，12c中性点，13第1端子，14第2端子，15第3端子，16第4端子，17第5端子，21第1电阻，22第2电阻，31第1开闭部，32第2开闭部，100、100-2功率变换装置。

Claims (8)

1.一种功率变换装置，其具有功率模块，

在该功率变换装置中，

所述功率模块具有：开关电路，其具有开关元件；将第1及第2电容器串联连接的电容器对，其与所述开关电路并联连接；以及端子，其连接于所述第1及第2电容器之间，

该功率变换装置具有：

第1电阻，其电连接于所述开关电路的正极与所述端子之间；

第2电阻，其电连接于所述开关电路的负极与所述端子之间；以及

故障检测电路，其基于在所述第1电阻及所述第2电阻中的至少一者产生的电压，对所述第1及第2电容器中的至少一者的短路故障进行检测。

2.一种功率变换装置，其具有功率模块，

在该功率变换装置中，

所述功率模块具有：开关电路，其具有开关元件；将第1及第2电容器串联连接的电容器对，其与所述开关电路并联连接；以及端子，其连接于所述第1及第2电容器之间，

该功率变换装置具有：

第1电阻，其一端与所述开关电路的正极连接；

第1开闭部，其配置于所述第1电阻的另一端与所述端子之间，将所述第1电阻和所述端子进行连接或断开；

第2电阻，其一端与所述开关电路的负极连接；

第2开闭部，其配置于所述第2电阻的另一端与所述端子之间，将所述第2电阻和所述端子进行连接或断开；以及

故障检测电路，其基于在所述第1电阻及所述第2电阻中的至少一者产生的电压，对所述第1及第2电容器中的至少一者的短路故障或开路故障进行检测。

3.根据权利要求1或2所述的功率变换装置，其特征在于，

所述开关电路具有将2个开关元件串联连接的上下桥臂结构。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的功率变换装置，其特征在于，

所述故障检测电路对所述第1及第2电容器正常时在所述第2电阻产生的电压与所述第1或第2电容器发生短路故障或开路故障时在所述第2电阻产生的电压进行比较，由此对所述第1或第2电容器的短路故障或开路故障进行检测。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的功率变换装置，其特征在于，

所述故障检测电路对所述第1及第2电容器正常时在所述第1电阻产生的电压与所述第1或第2电容器发生短路故障或开路故障时在所述第1电阻产生的电压进行比较，由此对所述第1或第2电容器的短路故障或开路故障进行检测。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的功率变换装置，其特征在于，

具有开闭器，该开闭器在由所述故障检测电路检测出所述第1及第2电容器中的至少一者的短路故障或开路故障的情况下，将直流电压电源与所述功率模块的连接切断。

7.根据权利要求2所述的功率变换装置，其特征在于，

所述故障检测电路在所述第1开闭部或所述第2开闭部的连接或断开时，基于在所述第1电阻及所述第2电阻中的至少一者产生的电压的暂态响应的时间常数，对所述第1及第2电容器中的至少一者的短路故障或开路故障进行检测。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的功率变换装置，其特征在于，

所述第1及第2开关元件是采用碳化硅形成的。